JP2014139693A - 懸濁粒子装置，懸濁粒子装置を用いた調光装置及びそれらの駆動方法 - Google Patents
懸濁粒子装置，懸濁粒子装置を用いた調光装置及びそれらの駆動方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】懸濁粒子装置の停止時における粒子の応答速度を向上させる。
【解決手段】第一の基板（６）および第二の基板（４）と、前記第一の基板および前記第二の基板の間に配置された第一の電極（７），第二の電極（５）および懸濁液（８）と、を有する懸濁粒子装置（１）であって、前記懸濁液は、粒子（９）および分散媒（１０）を含み、前記分散媒中に前記粒子が分散され、前記第一の電極および前記第二の電極の間に印加される交流電圧により前記粒子の配向が制御され、前記懸濁粒子装置の駆動期間における交流電圧の周波数をａ（Ｈｚ）、前記懸濁粒子装置の停止期間における交流電圧の周波数をｂ（Ｈｚ）としたとき、ａ＞ｂを満たす懸濁粒子装置。
【選択図】 図６
【解決手段】第一の基板（６）および第二の基板（４）と、前記第一の基板および前記第二の基板の間に配置された第一の電極（７），第二の電極（５）および懸濁液（８）と、を有する懸濁粒子装置（１）であって、前記懸濁液は、粒子（９）および分散媒（１０）を含み、前記分散媒中に前記粒子が分散され、前記第一の電極および前記第二の電極の間に印加される交流電圧により前記粒子の配向が制御され、前記懸濁粒子装置の駆動期間における交流電圧の周波数をａ（Ｈｚ）、前記懸濁粒子装置の停止期間における交流電圧の周波数をｂ（Ｈｚ）としたとき、ａ＞ｂを満たす懸濁粒子装置。
【選択図】 図６
Description
本発明は、懸濁粒子装置，懸濁粒子装置を用いた調光装置及びそれらの駆動方法に関する。
従来例として、特許文献１には次のような技術が開示されている。懸濁粒子装置（ＳＰＤ）４は、粒子懸濁１０ａ，１０ｂを収容するための少なくとも１つのコンパートメントと、粒子懸濁１０ａ，１０ｂに第１電界を印加するための手段と、粒子懸濁１０ａ，１０ｂに第２電界を印加するための手段とを有し、第１電界及び第２電界は異なる電界方向を有する。複数の画素は複数のコンパートメントであって、それらのコンパートメントの各々は、不均一な第２電界を印加するための手段が備えられているコンパートメントにおける粒子懸濁１０の領域及び／又は個別の粒子懸濁１０ａ，１０ｂを収容する、コンパートメントにより規定される。各々の画素は、透過性状態，反射性状態若しくは中間段階又は“階調値”に調節されることが可能であり、それ故、ＳＰＤ４はイメージング又はテキストを表示するために用いられることが可能である。ＳＰＤ４は、１つ又はそれ以上の画素に適切な電界を印加することにより画素を同じ状態にすることによってリセットされることが可能である。
懸濁粒子装置の駆動時の周波数のまま懸濁粒子装置を停止させると、懸濁粒子装置に用いられる粒子の応答速度が遅い、という問題があった。
本発明は、懸濁粒子装置および懸濁粒子装置を用いた調光装置の停止時における粒子の応答速度を向上させることを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
第一の基板および第二の基板と、前記第一の基板および前記第二の基板の間に配置された第一の電極，第二の電極および懸濁液と、を有する懸濁粒子装置であって、前記懸濁液は、粒子および分散媒を含み、前記分散媒中に前記粒子が分散され、前記第一の電極および前記第二の電極の間に印加される交流電圧により前記粒子の配向が制御され、前記懸濁粒子装置の駆動期間における交流電圧の周波数をａ（Ｈｚ）、前記懸濁粒子装置の停止期間における交流電圧の周波数をｂ（Ｈｚ）としたとき、ａ＞ｂを満たす懸濁粒子装置。
第一の基板および第二の基板と、前記第一の基板および前記第二の基板の間に配置された第一の電極，第二の電極および懸濁液と、を有する懸濁粒子装置であって、前記懸濁液は、粒子および分散媒を含み、前記分散媒中に前記粒子が分散され、前記第一の電極および前記第二の電極の間に印加される交流電圧により前記粒子の配向が制御され、前記懸濁粒子装置の駆動期間における交流電圧の周波数をａ（Ｈｚ）、前記懸濁粒子装置の停止期間における交流電圧の周波数をｂ（Ｈｚ）としたとき、ａ＞ｂを満たす懸濁粒子装置。
本発明により、懸濁粒子装置および懸濁粒子装置を用いた調光装置の停止時における粒子の応答速度を向上させることができる。上記した以外の課題，構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下に具体的な実施例を示して、本願発明の内容を詳細に説明する。以下の実施例は本願発明の内容の具体例を示すものであり、本願発明がこれらの実施例に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
（ＳＰＤ）
本実施例の理解を容易にするために、本発明者らが検討したＳＰＤの基本構造などについて説明する。懸濁粒子装置（ＳＰＤ）１は、Ｂ板２，Ａ板３および懸濁液８を含む。なお、本実施例において対向に配置されてＳＰＤを構成する２つの基板の「Ａ板３」と「Ｂ板２」は、基板間の懸濁液内に電界を形成する電極対のＸ電極７が配設される基板をＡ板３、Ｙ電極５が配設される基板をＢ板２としている。図１は本発明者らが検討したＳＰＤの断面構造概略図である。Ａ板３とＢ板２の間には懸濁液８が挟持されている。
本実施例の理解を容易にするために、本発明者らが検討したＳＰＤの基本構造などについて説明する。懸濁粒子装置（ＳＰＤ）１は、Ｂ板２，Ａ板３および懸濁液８を含む。なお、本実施例において対向に配置されてＳＰＤを構成する２つの基板の「Ａ板３」と「Ｂ板２」は、基板間の懸濁液内に電界を形成する電極対のＸ電極７が配設される基板をＡ板３、Ｙ電極５が配設される基板をＢ板２としている。図１は本発明者らが検討したＳＰＤの断面構造概略図である。Ａ板３とＢ板２の間には懸濁液８が挟持されている。
まず、導電性基材およびその形成方法について説明する。Ａ板３とＢ板２は、ガラスから成る透明な支持基材であるＡ基板６およびＢ基板４上に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなる透明電極のＸ電極７，Ｙ電極５がそれぞれ形成される。つまり、Ａ基板６およびＢ基板４の間にＸ電極７，Ｙ電極５および懸濁液８が配置されている。Ａ基板６またはＢ基板４の一方にのみＸ電極７およびＹ電極５が形成されていても良い。
透明な支持基材はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ），ポリカーボネート（ＰＣ），シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）等の樹脂フィルムであっても構わない。Ｘ電極７およびＹ電極５は酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ），酸化スズ，酸化亜鉛やカーボンナノチューブ，グラフェン等で形成しても構わない。本実施例では透明電極を支持基材上に一面に形成しているが、これに限らず円などの模様や文字型に配設しても構わない。
次に、Ａ板３とＢ板２を対向に配置し、両板端部（図示しない）の対辺にスペーサービーズ等を含む封着剤を塗布して両板を接着する。これにより、両板間の距離が２５μｍである懸濁液８の懸濁液充填空間が形成される。なお、懸濁液充填空間及び両板間の距離は４μｍ以上１００μｍ以下であり、また、スペーサービーズをＡ板３とＢ板２との間に散布し、懸濁液充填空間を維持しても構わない。スペーサービーズとしては、ガラスやポリマーなどが挙げられ、接着材に対して安定であることが望ましい。また、スペーサービーズをＡ板３とＢ板２との間に散布する場合、スペーサービーズの屈折率は分散媒１０の屈折率と近い方が好ましい。
懸濁液８およびその形成方法について説明する。懸濁液８は光調整粒子９と分散媒１０を含む。分散媒１０中に光調整粒子９が分散されている。
光調整粒子９は、例えば、ポリ過ヨウ化物であり、形状に異方性があり、配向方向に起因して吸光度の異なる光学的異方性を発現し、アスペクト比が１ではない形状をしている。懸濁粒子装置の駆動期間における交流電圧の周波数及びその周波数以下の周波数において、光調整粒子９が配向分極を生じることが望ましい。その場合、光調整粒子９として導電性の低い誘電体材料を用いることが望ましい。導電性の低い誘電体材料としてはポリマー粒子，ポリマーでコートした粒子などが挙げられる。光調整粒子９として、棒状や板状などが考えられる。光調整粒子９を棒状とすることで、電界に対する粒子回転運動の抵抗や透過時のヘイズの上昇を抑制できる。光調整粒子９のアスペクト比は例えば、５以上３０以下程度が望ましい。光調整粒子９のアスペクト比を５以上とすることにより、光調整粒子９の形状に起因するような光学的異方性を発現できる。
光調整粒子９の大きさは１μｍ以下であることが好ましく、０.１μｍ以上１μｍ以下であることがより好ましく、０.１μｍ以上０.５μｍ以下であることがさらに好ましい。光調整粒子９の大きさが１μｍを超える場合には、光散乱が生じたり、電界が印加された場合に分散媒１０中での配向運動が低下したりするなど、透明性が低下する問題が発生することがある。なお、光調整粒子９の大きさは、電子顕微鏡観察等により計測される。
光調整粒子９としては、カーボンブラックなどの炭素系材料、銅，ニッケル，鉄，コバルト，クロム，チタン，アルミニウムなどの金属材料、窒化ケイ素，窒化チタン，酸化アルミニウムなどの無機化合物からなる粒子であっても構わない。また、これらの材料にポリマーでコートした粒子であっても構わない。光調整粒子９として、上記の材料が一種類のみ含まれていても良く、上記の材料が二種類以上含まれていても構わない。
分散媒１０は、アクリル酸エステルオリゴマーからなる液状共重合体である。分散媒１０として、他にポリシロキサン（シリコーンオイル）などが挙げられる。なお、分散媒１０としては、光調整粒子９が浮遊可能な粘度であり、高抵抗で、Ａ基板６，Ｂ基板４及びＸ電極７，Ｙ電極５とは親和性がなく、Ａ基板６およびＢ基板４と屈折率が近く、光調整粒子９と誘電率が異なる液状共重合体を使用することが好ましい。具体的には、２９８Ｋにおいて、分散媒の抵抗率が１０12Ωｍ以上１０15Ωｍ以下であることが望ましい。分散媒１０と光調整粒子９に誘電率差があると、後に記す光調整粒子９の配向動作において交流電界下における駆動力として作用させることができる。本実施例では、分散媒１０の比誘電率は３.５以上５.０以下としている。
懸濁液充填空間には、封着剤で接着していない両板端部から毛細管現象により懸濁液８が充填される。Ａ板３とＢ板２との間に懸濁液８を充填後、接着していない両板端部を封着剤で接着して封止する。これにより、懸濁液８は外気から隔離される。
（調光装置）
図２は、ＳＰＤ１を備えた調光装置１１の構成を示す説明図である。調光装置１１は、ＳＰＤ１と駆動装置１５を備えている。駆動装置１５は、ＳＰＤ１をＸ電極７とＹ電極５で駆動するための駆動制御回路１２および駆動電源１３、調光領域や調光状態を制御する入力信号の処理を行う信号処理回路１４を備えている。信号処理回路１４によって開始期間，サステイン期間，停止期間における交流電圧および交流電圧の周波数を変えている。
なお、調光装置１１が入射光や温度などに関する外部環境情報信号を信号処理回路へ入力する外部信号入力装置も備えていても構わない。
図２は、ＳＰＤ１を備えた調光装置１１の構成を示す説明図である。調光装置１１は、ＳＰＤ１と駆動装置１５を備えている。駆動装置１５は、ＳＰＤ１をＸ電極７とＹ電極５で駆動するための駆動制御回路１２および駆動電源１３、調光領域や調光状態を制御する入力信号の処理を行う信号処理回路１４を備えている。信号処理回路１４によって開始期間，サステイン期間，停止期間における交流電圧および交流電圧の周波数を変えている。
なお、調光装置１１が入射光や温度などに関する外部環境情報信号を信号処理回路へ入力する外部信号入力装置も備えていても構わない。
本実施例の調光装置１１は、例えば、室内外の仕切り（パーティッション），建築物用の窓硝子／天窓，電子産業および映像機器に使用される各種平面表示素子，各種計器板と既存の液晶表示素子の代替品，光シャッター，各種室内外広告および案内標示板，航空機／鉄道車両／船舶用の窓硝子，自動車用の窓硝子／バックミラー／サンルーフ，眼鏡，サングラス，サンバイザー，撮像素子等の用途に好適に使用することができる。適用法としては、本実施例の調光装置１１を直接使用することも可能であるが、用途によっては、例えば、本実施例の調光装置１１を２枚の基材に挟持させて使用したり、基材の片面に貼り付けて使用したりしてもよい。前記基材としては、上記Ａ基板６およびＢ基板４と同様に、例えば、ガラス，高分子フィルム等を使用することができる。
（ＳＰＤ駆動方法）
次に、駆動方法について説明する。図３は本実施例で検討した駆動方法の説明図である。図３の（Ｉ）は本実施例で検討した駆動方法の構成図であり、図３の（II）は本実施例で検討した駆動方法の駆動波形であり、開始期間，サステイン期間，停止期間で構成される。また、図４は各駆動条件におけるＳＰＤ内の光調整粒子の状態である。本実施例では、開始期間およびサステイン期間をＳＰＤの駆動期間とするが、懸濁粒子装置の駆動周波数を変える前を駆動期間としてもよい。図４（ａ）がＳＰＤの停止時（遮光）、図４（ｂ）がＳＰＤの駆動時（駆動中，透過）を示す。
次に、駆動方法について説明する。図３は本実施例で検討した駆動方法の説明図である。図３の（Ｉ）は本実施例で検討した駆動方法の構成図であり、図３の（II）は本実施例で検討した駆動方法の駆動波形であり、開始期間，サステイン期間，停止期間で構成される。また、図４は各駆動条件におけるＳＰＤ内の光調整粒子の状態である。本実施例では、開始期間およびサステイン期間をＳＰＤの駆動期間とするが、懸濁粒子装置の駆動周波数を変える前を駆動期間としてもよい。図４（ａ）がＳＰＤの停止時（遮光）、図４（ｂ）がＳＰＤの駆動時（駆動中，透過）を示す。
開始期間は、調光開始期間、即ち、本実施例では透過動作にあたる。開始期間において、Ｙ電極５またはＸ電極７に電圧（以下、単に電圧とも記す）ＶONの交流波形を印加し、Ｘ電極７とＹ電極５の電極間に交流電界を形成する。この交流電界に対し、懸濁液８中の光調整粒子９は、ブラウン運動により配向状態が無秩序状態（ランダム）であったものが、誘電分極等により電界方向に沿うように印加電圧ＶONに応じて配向する。入射光２０は配向した光調整粒子９により変調される。入射光２０と電界及び粒子配向方向が同じであれば、入射光２０は懸濁液８を透過することができＳＰＤの透過率Ｔが上昇する。ＳＰＤの透過率が上昇する状態を開の状態であるとしている。なお、開始期間の周波数ｆONは、光調整粒子９が分散媒１０内で凝集等せずに一様に配向動作可能な条件であり、光調整粒子９の濃度，誘電率，形状，分散媒１０との親和性等、分散媒１０の粘度等で決定され、好ましくは１０００Ｈｚ以下である。開始期間の周波数ｆONは１６Ｈｚ以上が望ましいが、これに限られない。また、交流電界を形成する駆動波形は、正弦波、もしくは矩形波（方形波）や三角波からなる交流波形であっても構わない。更に、１／２周期で極性の異なる交流波形をＸ電極７とＹ電極５の各々に同時に印加しても構わない。１／２周期で極性の異なる交流波形をＸ電極７とＹ電極５の各々に同時に印加することにより、耐圧性の低い回路素子を使用できる。図３ではｆONが一定になっているが、ｆONを変調しても良い。
サステイン期間は、調光期間、即ち、本実施例では所定の透過状態維持にあたる。サステイン期間において、Ｙ電極５にサステイン期間の周波数ｆSを１６Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、望ましくは５０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下で電圧ＶSの交流波形を印加し、Ｘ電極７とＹ電極５の電極間に交流電界を形成する。開始期間で上昇していたＳＰＤの透過率がほぼ一定になった時がサステイン期間の開始時となる。サステイン期間では所定の電圧ＶSにおけるＳＰＤの透過率が最大となる。交流電界の周波数ｆSは、光調整粒子９が電極間の電界方向に配向した状態で維持される周波数以上で駆動する必要があり、臨界融合周波数（ＣＦＦ；Critical Flicker Frequency）以上であることが望ましく、好ましくは１５Ｈｚ以上である。図３ではサステイン期間の周波数ｆSは開始期間の周波数ｆONと同じにしているが、ｆSおよびｆONを異なる値にしても良い。
また、本実施例ではサステイン期間の電圧ＶSは開始期間の電圧ＶONと同じとしたが、異なる電圧値としても構わない。サステイン期間での交流波形は、開始期間と同様に、正弦波、もしくは矩形波や三角波であっても構わない。更に、１／２周期で極性の異なる交流波形をＸ電極７とＹ電極５の各々に同時に印加しても構わない。
停止期間は、調光停止期間、即ち本実施例では遮光動作にあたる。停止期間において、Ｙ電極５およびＸ電極７へ印加する電圧ＶOFFを０Ｖとして、Ｘ電極７とＹ電極５の電極間の交流電圧を０Ｖ、即ち等電位とする。これにより、懸濁液８中の光調整粒子９は、電圧ＶSにより電界方向への所定の配向状態から、ブラウン運動により無秩序状態となり、懸濁液８に入射した光は吸収，散乱されるため、入射光２０は透過することができず遮光される。懸濁粒子装置の駆動周波数を変えた時が停止期間の開始時となる。図３では、交流波形の１周期が終了する時を停止期間の開始時としているが、交流波形の１周期以外、例えば、交流波形の１／３周期が終了する時を停止期間の開始時としてもよい。この場合、電圧が印加された状態の電圧でサステイン期間から停止期間に移行するため、停止（透過率低下）動作に早く移行できる。
（駆動波形と調光動作応答時間）
図５は、駆動波形の電圧ＶONとＶSを１００Ｖ、ＶOFFを０Ｖとし、ｆONとｆSを５０ＨｚとしたときのＳＰＤの駆動方法と電界方向の基板への入射光の透過率Ｔの関係、即ち調光動作の応答時間を示すグラフである。ｆOFFは停止期間の周波数を表す。なお、本実施例のＳＰＤにおいて、電圧ＶONとＶSを１００Ｖでは、光調整粒子が電界方向に十分に配向している状態であり、そのためＳＰＤの透過率Ｔはほぼ最大となっている。
図５は、駆動波形の電圧ＶONとＶSを１００Ｖ、ＶOFFを０Ｖとし、ｆONとｆSを５０ＨｚとしたときのＳＰＤの駆動方法と電界方向の基板への入射光の透過率Ｔの関係、即ち調光動作の応答時間を示すグラフである。ｆOFFは停止期間の周波数を表す。なお、本実施例のＳＰＤにおいて、電圧ＶONとＶSを１００Ｖでは、光調整粒子が電界方向に十分に配向している状態であり、そのためＳＰＤの透過率Ｔはほぼ最大となっている。
図５における駆動波形では、透過率の変動に要する時間は開始期間よりも停止期間の方が長い。一般にこれは、停止期間のブラウン運動による無秩序状態への動作時間が、開始期間において交流電界による光調整粒子の配向動作時間よりも非常に長いためである。
そこで、本実施例では、図６（Ａ）のように停止期間のサステイン期間終了直後にＶOFFを０Ｖとせず、図６（Ｂ）のように周波数ｆOFFの交流波形をＸ電極７とＹ電極５間に印加する。図６（Ｂ）では、停止期間の開始時からｆOFFの１／２周期が経過するまでの間ＶSを印加した後にＶOFFを０Ｖにしている。つまり、懸濁粒子装置の駆動周波数をｆOFFに変えた後でＶOFFを０Ｖとしている。これにより、交流信号に追随して透過／遮光動作（明暗変化）する様子の視認を抑えられる。停止期間の周波数ｆOFFはサステイン期間の周波数ｆSに対して、ｆOFF＜ｆSの関係を満たす。
図７は、駆動波形の交流波形を矩形波、ｆSを１００Ｈｚとして、停止期間の調光動作応答時間の測定結果であり、縦軸を開始期間前の遮光状態からサステイン期間までの透過率変化を１００％とした時の透過率変動率ΔＴ、横軸を応答時間としている。図７（Ａ）はサステイン期間終了直後にＶOFFを０Ｖとしたとき、図７（Ｂ）は本実施例の測定結果を示している。なお、本実施例では、停止期間に図６で示されるＶOFFをＶSと同値としてｆOFFを０.２５Ｈｚの交流波形を１／２周期印加している。交流波形が矩形波の場合、停止期間の開始時から前記第一の電極および前記第二の電極の間に印加される交流電圧が０Ｖになる交流波形の印加を１／２周期以下とすることが望ましい。
また、ｆOFFの上限はＣＦＦであり、下限はＶOFFの印加中にＳＰＤ構成材料が電気分解等で破壊されず再度駆動させた際にも同等な調光動作を実現できる周波数である。従って、ｆOFFの範囲はＶOFFにもよるが、好ましくは０.０１０Ｈｚ以上１５Ｈｚ以下、更に好ましくは０.１０Ｈｚ以上１５Ｈｚ以下である。
図７（Ｂ）から、本実施例の駆動波形は、図７（Ａ）と比較して停止期間における透過率低下に要する時間、即ち遮光動作の応答時間が極めて短い。従って、ＳＰＤの基本構造を変更することなく、停止期間においてサステイン期間の周波数ｆSよりも短い停止期間の周波数ｆOFFの交流波形を印加することにより、停止期間の調光動作が高速であるＳＰＤ及び調光装置を得ることができる。
本発明の一実施例について詳細に説明する。本実施例でのＳＰＤ構造は実施例１のＳＰＤの構造と同様であり、駆動方法についても停止期間を除いて実施例１と同様である。
本実施例では、図６（Ｃ）で示されるようにＶS（−ＶS）から０Ｖとするまでに、一定電圧ＶOFF,nをＸ電極７とＹ電極５間に複数段階（ｎ回ステップ）で印加する。図６（Ｃ）では２回ステップで印加しているが、２回以上のステップで印加してもよい。また、本実施例では、時間ｔに対する透過率低下（｜ｄΔＴ／ｄｔ｜）が小さくなった時に電圧を下げている。この場合、ＶOFF,1の期間をｔ（ＶOFF,1）、ＶOFF,2の期間をｔ（ＶOFF,2）とすると、ｔ（ＶOFF,1）≧ｔ（ＶOFF,2）となる。このように、透過率低下の変化速度に対応してＶOFF,1からＶOFF,2に変化させると、停止期間を短縮、つまり、繰返し駆動時における次サイクルへの間隔を短縮できる。
図７（Ｃ）は本実施例での停止期間の調光動作応答時間の測定結果であり、駆動波形の交流波形を矩形波、サステイン期間にｆSを１００Ｈｚとして１／２周期で極性の異なる交流波形をＸ電極７とＹ電極５の各々に同時に印加し、停止期間ではＧ.Ｎ.Ｄに対して対称な波形をＸ電極７とＹ電極５に印加している。なお、本実施例では、図６（Ｃ）において、ＶOFF,1は√２／２ＶS、ＶOFF,2は√２／４ＶSであり、｜ＶOFF,n｜＞｜ＶOFF,n+1｜の関係にある。
図７（Ｃ）から、本実施例の駆動波形は、図７（Ａ）と比較して停止期間における透過率低下に要する時間、即ち遮光動作の応答時間が実施例１と同様に極めて短い。従って、ＳＰＤの基本構造を変更することなく、停止期間においてサステイン期間に印加している電圧ＶSから０Ｖとするまでに複数段階で一定電圧を印加することにより、停止期間の調光動作が高速であるＳＰＤ及び調光装置を得ることができる。また、本実施例のように印加電圧のステップ数を増加させることにより、実施例１よりもＶOFFを印加する時間が短くなり、ＳＰＤを構成する材料の破壊を抑制できる。
本発明の一実施例について詳細に説明する。本実施例でのＳＰＤ構造は実施例１のＳＰＤの構造と同様であり、駆動方法についても停止期間を除いて実施例１と同様である。
本実施例では、図６（Ｄ）で示されるように、ＶS（−ＶS）から０Ｖとなるように鈍波（ランプ波）をＸ電極７とＹ電極５間に印加する。鈍波とは、時間に対して印加電圧が徐々に変化する波形をいう。本実施例では、鈍波が印加されている時のＸ電極７とＹ電極５の間の電圧をＶ1、鈍波が印加されている時間をｔ1、とすると、ｄＶ1／ｄｔ1はほぼ一定になっている。
駆動波形の交流波形を矩形波、ｆSを１００Ｈｚとしたとき、図７（Ｄ）は本実施例での停止期間の調光動作応答時間の測定結果を示している。なお、本実施例では、図６（Ｄ）において、ＶSから０Ｖとする鈍波の傾き（｜ｄＶ1／ｄｔ1｜）が２０Ｖ／ｓまたは８.０×１０5Ｖ／ｍ・ｓである。鈍波の傾きの範囲は１０Ｖ／ｓ以上３０Ｖ／ｓ以下、または、１.０×１０5Ｖ／ｍ・ｓ以上６.０×１０6Ｖ／ｍ・ｓ以下である。鈍波の傾きの範囲を１.０×１０5Ｖ／ｍ・ｓ以上とすることにより、実施例１と同様に鈍波波形を印加中にＳＰＤを構成する材料が電気分解等で破壊されず、再度駆動させた際にも同等な調光動作を実現できる。
図７（Ｄ）から、本実施例の駆動波形は、従来駆動と比較して停止期間におけるＳＰＤの透過率低下に要する時間、即ち遮光動作の応答時間が実施例１と同様に極めて短い。従って、ＳＰＤの基本構造を変更することなく、停止期間においてサステイン期間に印加している電圧ＶSを鈍波にて０Ｖとすることにより、停止期間の調光動作が高速であるＳＰＤ及び調光装置を得ることができる。また、実施例２よりもＶOFFを印加する時間が短くなり、ＳＰＤを構成する材料の破壊を抑制できる。
本発明の実施例について詳細に説明する。本実施例でのＳＰＤ構造は前記実施の基本形態１のＳＰＤの構造と同様であり、駆動方法についても停止期間を除いて前記実施の基本形態１と同様である。
本実施例では、図６（Ｅ）で示されるように停止期間に実施例２と同様に鈍波をＸ電極７とＹ電極５間に印加するが、鈍波の傾きがＶS（−ＶS）からＶOFF,1と（第一の鈍波）ＶOFF,1から０Ｖ（第二の鈍波）とで異なる。また、傾きの大きさは、ＶS（−ＶS）からＶOFF,1よりもＶOFF,1から０Ｖの方が大きい。つまり、第一の鈍波が印加されている時のＸ電極７とＹ電極５の間の電圧をＶ1、第一の鈍波が印加されている時間をｔ1、第二の鈍波が印加されている時のＸ電極７とＹ電極５の間の電圧をＶ2、第二の鈍波が印加されている時間をｔ2、とした時、｜ｄＶ1／ｄｔ1｜＜｜ｄＶ2／ｄｔ2｜を満たす。図６（Ｅ）では鈍波の傾きを一回だけ変えているが、複数回変えても良い。傾きを変える回数を増やすことにより停止期間を短縮できる。
本実施例では、透過率低下（｜ｄΔＴ／ｄｔ｜）が小さくなった時に電圧を下げている。この場合、ＶS（−ＶS）からＶOFF,1までの期間をｔ（ＶS→ＶOFF,1）、ＶOFF,1から０Ｖまでの期間をｔ（ＶOFF,1→０Ｖ）とすると、ｔ（ＶS→ＶOFF,1）≧ｔ（ＶOFF,1→０Ｖ）となる。これにより、ＳＰＤ構成材料の電気分解を抑制し、停止期間を短縮できる。
図７（Ｅ）は本実施例での停止期間の調光動作応答時間の測定結果であり、駆動波形の交流波形を矩形波、サステイン期間にｆSを１００Ｈｚとして１／２周期で極性の異なる交流波形をＸ電極７とＹ電極５の各々に同時に印加し、停止期間ではＧ.Ｎ.Ｄに対して対称な波形をＸ電極とＹ電極に印加している。なお、本実施例では、鈍波の傾きがＶSからＶOFF,1では２０Ｖ／ｓまたは８.０×１０5Ｖ／ｍ・ｓ、ＶOFF,1から０Ｖでは１００Ｖ／ｓまたは４.０×１０6Ｖ／ｍ・ｓであり、ＶOFF,1は１／２ＶSである。
図７（Ｅ）から、本実施例の駆動波形は、図７（Ａ）と比較して停止期間における透過率低下に要する時間、即ち遮光動作の応答時間が実施例１から３と同様に極めて短い。従って、ＳＰＤの基本構造を変更することなく、停止期間においてサステイン期間に印加している電圧ＶSを鈍波にて０Ｖとすることにより、停止期間の調光動作が高速であるＳＰＤ及び調光装置を得ることができる。また、実施例３よりも停止期間が短くなる。
本発明の一実施例について詳細に説明する。本実施例でのＳＰＤ構造は実施例１のＳＰＤの構造と同様であり、駆動方法についても停止期間を除いて実施例１と同様である。
本実施例では、図６（Ｆ）で示されるように停止期間に実施例３と同様に鈍波をＸ電極７とＹ電極５間に印加するが、鈍波の印加時間はＶS（−ＶS）からＶOFF,1となるまでであり、ＶOFF,1到達後、つまりの鈍波によってＸ電極７とＹ電極５間に印加される交流電圧を０Ｖとする前に０Ｖとする。図６（Ｆ）では、透過率停止速度が遅くなった時にＸ電極７およびＹ電極５の電圧を０Ｖとしている。
駆動波形の交流波形を矩形波、ｆSを１００Ｈｚとしたとき、図７（Ｆ）は本実施例での停止期間の調光動作応答時間の測定結果を示している。なお、本実施例では、ＶSからＶOFF,1とする鈍波の傾きが２０Ｖ／ｓまたは８.０×１０5Ｖ／ｍ・ｓであり、ＶOFF,1は７０Ｖである。なお、傾きの範囲は、１０Ｖ／ｓ以上３０Ｖ／ｓ以下または１.０×１０5Ｖ／ｍ・ｓ以上６．０×１０6Ｖ／ｍ・ｓ以下であり、下限は実施例１と同様に鈍波波形を印加中にＳＰＤ構成材料が電気分解等で破壊されず再度駆動させた際にも同等な調光動作を実現できる傾きである。
図７（Ｆ）から、本実施例の駆動波形は、従来駆動と比較して停止期間における透過率低下、即ち遮光動作の応答時間が実施例１と同様に極めて短い。従って、鈍波の印加時間は実施例３よりも短いことから、例えば調光動作を再び行う場合に、すぐに開始期間の電圧Ｖfを印加することができる。また、実施例４よりも停止期間が短くなる。
本実施例のＳＰＤの構成は、基本的に実施例１に記載のＳＰＤの構成と同様である。実施例１と異なる点は、Ｂ板２およびＡ板３の間に調光層１７が挟持されている点である。
（ＳＰＤ）
図８に本発明の実施の基本形態のＳＰＤの基本構造を示す。懸濁粒子装置（ＳＰＤ）１は、Ｂ板２，Ａ板３および調光層１７を有する。Ｂ板２はＢ基板４およびＹ電極５を含む。Ａ板３はＡ基板６およびＸ電極７を含む。
図８に本発明の実施の基本形態のＳＰＤの基本構造を示す。懸濁粒子装置（ＳＰＤ）１は、Ｂ板２，Ａ板３および調光層１７を有する。Ｂ板２はＢ基板４およびＹ電極５を含む。Ａ板３はＡ基板６およびＸ電極７を含む。
調光層１７は懸濁液８と樹脂マトリックス１６とを含む。調光層１７の厚みは、５μｍ以上１,０００μｍ以下が好ましく、２０μｍ以上１００μｍ以下がより好ましい。
懸濁液８は光調整粒子９および分散媒１０を含む。樹脂マトリックス１６中に懸濁液８が分散されている。樹脂マトリックス１６中に分散されている懸濁液８の大きさ（平均液滴径）は、通常０.５μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは０.５μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは１μｍ以上５μｍ以下である。
懸濁液８は、光調整粒子９が１重量％以上７０重量％以下及び分散媒１０が重量％以上９９重量％以下からなることが好ましく、光調整粒子９が４重量％以上５０重量％以下及び分散媒１０が５０重量％以上９６重量％以下からなることがより好ましい。
樹脂マトリックス１６は、加熱や感光により硬化する高分子であり、フィルム化におけるＡ基板６，Ｂ基板４および懸濁液８を保持し、Ｘ電極７およびＹ電極５の間を絶縁する。硬化する高分子媒体としては、例えば、重合開始剤及び硬化する高分子化合物を含む高分子組成物が挙げられる。本実施例では光重合開始剤及び高分子化合物シリコーン樹脂を含む液状の高分子組成物を用いている。シリコーン樹脂は、例えば、両末端シラノールポリジメチルシロキサン，両末端シラノールポリジフェニルシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー，両末端シラノールポリジメチルジフェニルシロキサン等の両末端シラノールシロキサンポリマー，トリメチルエトキシシラン等のトリアルキルアルコキシシラン，（３−アクリロキシプロピル）メチルジメトキシシラン等のエチレン性不飽和結合含有シラン化合物などを、２−エチルヘキサン錫等の有機錫系触媒の存在下で、脱水素縮合反応及び脱アルコール反応させて合成される。シリコーン樹脂の形態としては、無溶剤型が好ましく用いられる。すなわち、シリコーン樹脂の合成に溶剤を用いた場合には、合成反応後に溶剤を除去することが好ましい。
樹脂マトリックス１６の屈折率と分散媒１０の屈折率は近い方が好ましい。具体的には、樹脂マトリックス１６の屈折率と分散媒１０の屈折率との差が０.００２以下であることが望ましい。これにより、調光層１７内での樹脂マトリックス１６と分散媒１０の散乱を抑制できる。分散媒１０としては、電気導電性がなく、樹脂マトリックス１６とは親和性がない液状共重合体を使用することが好ましい。具体的には、フルオロ基及び／又は水酸基を有する（メタ）アクリル酸エステルオリゴマーが好ましく、フルオロ基及び水酸基を有する（メタ）アクリル酸エステルオリゴマーがより好ましい。このような共重合体を使用すると、フルオロ基，水酸基のどちらか１つのモノマー単位は光調整粒子９に向き、残りのモノマー単位は樹脂マトリックス１６中で懸濁液８が安定に維持するために働くことから、懸濁液８内に光調整粒子９が非常に均質に分散され、相分離の際に光調整粒子９が相分離される懸濁液８内に誘導される。
次に、調光層１７の形成方法について説明する。まず、懸濁液８と高分子化合物を混合し、高分子化合物中に懸濁液８が液滴状態で分散した混合液を作製する。この混合液をＡ基板６またはＢ基板４の一方の基板の電極上に一定の厚さで塗布し、必要に応じて混合液中に含まれる溶剤を乾燥除去する。その後、もう一方の基板にある電極が塗布した混合液に接するように、もう一方の基板を一方の基板に重ねて密着させる。
塗布する際は、必要に応じて、適当な溶剤で希釈してもよい。溶剤を用いた場合には、Ａ基板６またはＢ基板４の上に塗布した後に乾燥を要する。溶剤としては、テトラヒドロフラン，トルエン，ヘプタン，シクロヘキサン，エチルアセテート，エタノール，メタノール，酢酸イソアミル，酢酸ヘキシル等を用いることができる。液状の懸濁液８が、樹脂マトリックス１６中に微細な液滴形態で分散されている調光フィルムを形成するためには、本実施例の調光材料をホモジナイザー，超音波ホモジナイザー等で混合して樹脂マトリックス１６中に懸濁液８を微細に分散させる方法，樹脂マトリックス１６中のシリコーン樹脂成分の重合による相分離法，溶媒揮発による相分離法、又は温度による相分離法等を利用することができる。
この状態でエネルギー線を照射して高分子組成物を硬化させることで、樹脂マトリックス１６中に液滴状態で懸濁液８が分散した調光層１７を有するフィルム状のＳＰＤが得られる。
（駆動波形と調光動作応答時間）
図３で示される駆動方法を用いて、駆動波形の電圧ＶONとＶSを１００Ｖ、ＶOFFを０Ｖとし、ｆONとｆSを５０ＨｚとしたときのＳＰＤの駆動方法と電界方向の基板への入射光の透過率の関係、即ち調光動作の応答時間を図９に示す。なお、本実施例のＳＰＤは、電圧ＶSを１００Ｖとした時にサステイン期間中の透過率がほぼ最大となっている。
図３で示される駆動方法を用いて、駆動波形の電圧ＶONとＶSを１００Ｖ、ＶOFFを０Ｖとし、ｆONとｆSを５０ＨｚとしたときのＳＰＤの駆動方法と電界方向の基板への入射光の透過率の関係、即ち調光動作の応答時間を図９に示す。なお、本実施例のＳＰＤは、電圧ＶSを１００Ｖとした時にサステイン期間中の透過率がほぼ最大となっている。
図９における駆動方法では、透過率の変動に要する時間が図５と同様に開始期間よりも停止期間の方が長い。そこで、本実施例では、実施例１と同様の駆動方法を用いる。
図１０（ｉ）は、駆動波形の交流波形を矩形波、ｆSを１００Ｈｚとして、停止期間の調光動作応答時間の測定結果である。また、図１０（ii）は本実施例での停止期間の調光動作応答時間の測定結果であり、駆動波形の交流波形を矩形波、サステイン期間にｆSを１００Ｈｚとして１／２周期で極性の異なる交流波形をＸ電極７とＹ電極５の各々に同時に印加し、停止期間ではＧ.Ｎ.Ｄに対して対称な波形をＸ電極７とＹ電極５に印加している。図１０（ｉ）および図１０（ii）において、（ａ）はサステイン期間終了直後にＶOFFを０Ｖとしたとき、（ｂ）は本実施例の測定結果を示している。
なお、本実施例では、停止期間に図６で示されるＶOFFをＶSとしてｆOFFを０.２５Ｈｚの交流波形を１／２周期印加している。また、ｆOFFの上限はＣＦＦであり、下限はＶOFFの印加中にＳＰＤ構成材料が電気分解等で破壊されず再度駆動させた際にも同等な調光動作を実現できる周波数である。従って、ｆOFFの範囲はＶOFFにもよるが、好ましくは０.０１０Ｈｚ以上１５Ｈｚ以下、更に好ましくは０.１０Ｈｚ以上１５Ｈｚ以下である。
図１０（ｉ）から、本実施例の駆動波形は、従来の駆動方法と比較して停止期間における透過率低下に要する時間、即ち遮光動作の応答時間が極めて短い。従って、ＳＰＤの基本構造を変更することなく、停止期間においてサステイン期間の周波数ｆSよりも短い周波数ｆOFFの交流波形を印加することにより、停止期間の調光動作が高速であるフィルム状のＳＰＤ及び調光装置を得ることができる。
本発明の実施例について詳細に説明する。本実施例でのＳＰＤ構造は実施例６と同様であり、停止期間における駆動方法は実施例３と同様である。また、停止期間を除く各期間の駆動方法は実施例６と同様である。
図１０（ｉ）および図１０（ii）における（ｃ）は、本実施例での停止期間の調光動作応答時間の測定結果を示している。なお、本実施例では、ＶSから０Ｖとする鈍波の傾きが２０Ｖ／ｓまたは８.０×１０5Ｖ／ｍ・ｓである。なお、傾きの範囲は、１０Ｖ／ｓ以上３０Ｖ／ｓ以下または１.０×１０5Ｖ／ｍ・ｓ以上６.０×１０6Ｖ／ｍ・ｓ以下であり、下限は実施例１と同様に鈍波波形を印加中にＳＰＤ構成材料が電気分解等で破壊されず再度駆動させた際にも同等な調光動作を実現できる傾きである。
図１０（ｉ）および図１０（ii）から、本実施例の駆動波形は、図１０（ｉ）および図１０（ii）における（ａ）と比較して停止期間における透過率低下に要する時間、即ち遮光動作の応答時間が実施例６と同様に極めて短い。従って、ＳＰＤの基本構造を変更することなく、停止期間においてサステイン期間に印加している電圧Ｖsを鈍波にて０Ｖとすることにより、停止期間の調光動作が高速であるフィルム状のＳＰＤ及び調光装置を得ることができる。
図１１は、一実施形態の懸濁粒子装置を用いた撮像素子の説明図である。図１１において、１０１は撮像素子、１０２は駆動回路、１０３は同期信号生成部、１０４は加算器、１０５はアナログインターフェース、１０６は電源インターフェースである。撮像素子１０１に本発明のＳＰＤ及び調光装置が含まれている。
駆動回路１０２で駆動される撮像素子１０１の出力信号は加算器１０４に供給される。また、駆動回路１０２の出力信号をもとにして生成された同期信号生成部１０３の出力信号も加算器１０４に供給される。加算器１０４の出力信号はアナログインターフェース１０５に供給される。電源インターフェース１０６は外部より本カメラに電源を供給する。
次に、その動作について説明する。駆動回路１０２で生成されたパルス信号を基準にして、外部と本カメラで水平方向，垂直方向の同期を取るための同期信号と、撮像素子１０１の画素周期を表す同期信号を、同期信号生成部１０３で生成する。同期信号生成部１０３で生成された同期信号と撮像素子１０１の画素周期を表す信号は、加算器１０４によって、ブランキング期間中など映像に直接関係ない部分で、撮像素子１０１の出力信号に重畳される。加算器１０４の出力信号はアナログインターフェース１０５を介して外部に出力される。
１ 懸濁粒子装置（ＳＰＤ）
２ Ｂ板
３ Ａ板
４ Ｂ基板
５ Ｙ電極
６ Ａ基板
７ Ｘ電極
８ 懸濁液
９ 光調整粒子
１０ 分散媒
１１ 調光装置
１２ 駆動制御回路
１３ 駆動電源
１４ 信号処理回路
１５ 駆動装置
１６ 樹脂マトリックス
１７ 調光層
２０ 入射光
１０１ 撮像素子
１０２ 駆動回路
１０３ 同期信号生成部
１０４ 加算器
１０５ アナログインターフェース
２ Ｂ板
３ Ａ板
４ Ｂ基板
５ Ｙ電極
６ Ａ基板
７ Ｘ電極
８ 懸濁液
９ 光調整粒子
１０ 分散媒
１１ 調光装置
１２ 駆動制御回路
１３ 駆動電源
１４ 信号処理回路
１５ 駆動装置
１６ 樹脂マトリックス
１７ 調光層
２０ 入射光
１０１ 撮像素子
１０２ 駆動回路
１０３ 同期信号生成部
１０４ 加算器
１０５ アナログインターフェース
Claims (9)
- 第一の基板および第二の基板と、
前記第一の基板および前記第二の基板の間に配置された第一の電極、第二の電極、および懸濁液と、を有する懸濁粒子装置であって、
前記懸濁液は、異方性形状を有する粒子および分散媒を含み、
前記分散媒中に前記粒子が分散され、
調光開始期間において、前記第一の電極及び前記第二の電極の間に第１の交流電圧を印加することにより、前記粒子は無秩序状態から電界に沿う配向状態へと変化し、
調光期間において、前記第一の電極及び前記第二の電極の間に第２の交流電圧を印加することにより、前記粒子は前記配向状態を維持し、
調光停止期間において、前記第一の電極及び前記第二の電極の間の交流電圧を等電位とすることにより、前記粒子は前記配向状態から無秩序状態へと変化し、
前記調光期間の交流電圧の周波数をａ（Ｈｚ）、前記調光停止期間の交流電圧の周波数をｂ（Ｈｚ）としたとき、ａ＞ｂを満たし、
前記第一の電極及び前記第二の電極の間に前記第２の交流電圧を印加後、等電位とするまでに、第３の交流電圧を印加し、
前記第２の交流電圧をＶａ、前記第３の交流電圧をＶｂとした時、｜Ｖａ｜＞｜Ｖｂ｜を満たすことを特徴とする懸濁粒子装置。 - 請求項１において、
前記第一の基板および前記第二の基板の間に樹脂が含まれ、
前記樹脂中に前記懸濁液が分散されていることを特徴とする懸濁粒子装置。 - 請求項１において、
前記粒子は、光学的異方性を有していることを特徴とする懸濁粒子装置。 - 請求項１において、
前記粒子は、棒状であり、
前記粒子のアスペクト比は、５以上３０以下であることを特徴とする懸濁粒子装置。 - 請求項１において、
前記粒子は、ポリ過ヨウ化物，炭素系材料，金属材料または無機化合物のいずれか一つ以上であることを特徴とする懸濁粒子装置。 - 請求項１において、
ａは、１６以上１０００以下であることを特徴とする懸濁粒子装置。 - 請求項１において、
ｂは、０.０１０以上１５以下であることを特徴とする懸濁粒子装置。 - 請求項１において、
前記第３の交流電圧は、時間に対して電圧が変化する波形である鈍波で印加され、
前記鈍波が印加されている時の前記第一の電極および前記第二の電極の間の交流電圧をＶ1、前記鈍波が印加されている時間をｔ1、としたとき
｜ｄＶ1／ｄｔ1｜は一定であることを特徴とする懸濁粒子装置。 - 請求項１において、
前記第３の交流電圧は、時間に対して電圧が変化する波形である鈍波で印加され、
前記鈍波は第一の鈍波と第二の鈍波の２種類があり、
前記第一の鈍波が印加されている時の前記第一の電極および前記第二の電極の間の交流電圧をＶ1、前記第一の鈍波が印加されている時間をｔ1、
前記第二の鈍波が印加されている時の前記第一の電極および前記第二の電極の間の交流電圧をＶ2、前記第二の鈍波が印加されている時間をｔ2、とした時、
｜ｄＶ1／ｄｔ1｜＜｜ｄＶ2／ｄｔ2｜を満たすことを特徴とする懸濁粒子装置。
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