JP3164919B2 - 二色性ボールの形成方法 - Google Patents
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Description
プレイシートに使用される対比色の半球体を有する、直
径が約5ミクロンから200ミクロンの小さなボールの
製造に関する。
ペーパ原稿の属性を多数有する薄い透明シートを含む。
このディスプレイデバイスは、紙に似ており、紙のよう
に周辺光調整弁作用を有し(即ち、周辺光が明るくなる
につれて、このディスプレイデバイスは一層容易に見え
る)、紙のように可撓性があり、紙のように持ち運ぶこ
とができ、紙のように書き込むことができ、紙のように
コピーすることができ、また紙のアーカイバルメモリ
(保存記憶)をほぼ有する。また、このディスプレイデ
バイスは、アドレス指定電極のアレイを組み込んだ堅固
な構造体として形成することができる。両方の実施例に
おける顕著な特徴は、直径が数十ミクロンのボールでぎ
っしり充填された、数ミルの厚さのエラストマーのホス
ト層である。各二色性ボールは、半分が白色で半分が黒
色等の対比色の半球体を有するとともに、誘電液で満た
された二色性ボール特有の球形の空洞中に含まれる。こ
のホスト層の両面上に配置された電極の間に電界を印加
すると直ちに、ボールは観察者に一方又は他方の半球体
を呈しながら、電界の極性に応じて回転する。
ルを製造する方法が開示されている。先ず、白色に見え
るように二酸化チタンで濃密に充填された、複数の単色
のガラスボールが形成される。これらのボールは、基板
上の単層中に配置される。この後、当該ボールは、真空
蒸着チャンバにおいて、1つの半球体をコーティングす
る非導電性黒色物質の濃厚層で、一方向からコーティン
グされる。
に、ホストマトリックス14の空洞12に満たされた液
体中に充填されている。これらのボールを取り囲む液体
16と当該ボール自体は、どちらも誘電性である。した
がって、当該ボールは巨視的には電気的に中性である
が、微視的尺度では(図示されるように)相反する符号
の電荷の二層から成る電気二重層を有する。一方の電荷
層はボールの表面に集中し、他方の電荷層はボール表面
から誘電液中に外側へ延出する空間電荷に似ている。ゼ
ータ電位として知られる電気二重層の測定可能なアスペ
クトは、誘電液を介するボール運動に付随するせん断面
の範囲内に存在する、正味の表面と容積の電荷である。
所定の液体の場合、ゼータ電位はボール表面物質のみの
関数をもつ。したがって、各半球体18と20の色また
は反射率に付随する差を生じさせる物質の性質によっ
て、空洞12中の誘電液16に対して異なる特性のゼー
タ電位が発生する。図2に示されるように、電界が存在
するときボールを双極子のように作動させるのは、ボー
ルの各半球体間のゼータ電位の差である。ボール10
は、このボールの双極子モーメントが両電極22と24
の間に設定される電界の方向と一致するまで回転する。
に見られる双極子電荷分布に加えて、正味電荷である単
極子電荷もある。相反する極性のゼータ電位を有する2
つの半球体18と20が同一の大きさを有することは全
くありそうにない。ただし、これら半球体の大きさが同
一である場合、単極子電荷は設定されない。単極子電荷
によってボール10は、図3に示されるように電界方向
に並進させられ、空洞壁に静置して保持される。ボール
が双極子電荷により空洞内の液体中を容易に回転するた
めには、ボールは空洞壁と接触しないことが必要であ
る。ボールが空洞壁に係止しているとき、摩擦力やその
他の力は、ボールが単極子電荷によってもう一度空洞壁
から離れるように移動されるまで、ボールが回転するの
を防ぐ。このディスプレイデバイスにおいて長期間の画
像保持を可能にするのが、上記機能である。
する二色性ボールを形成してキュア(硬化)させる簡略
化された方法を提供することである。
することによって1つの形態で実行することができる。
その方法とは、ホスト液の層流ストリームを提供するス
テップと、単一の二色性ストリームを形成するために異
なる色に着色された固化可能液の2つのストリームを合
流させるステップと、この単一の二色性ストリームをホ
スト液のストリームの実質的中心に導入するステップ
と、この二色性ストリームをホスト液ストリームと実質
的に同一の速度で搬送するステップであって、ここで二
色性ストリームの前端部が不安定になるとともに複数の
小滴に分離し、当該小滴はホスト液によって移動される
につれて複数の球形ボールと成る二色性ストリームの搬
送ステップと、これらのボールが固化するように当該ボ
ールを硬化させるステップと、当該ボールをホスト液か
ら分離させるステップと、を含む。
が移動されるハウジングと、異なる色に着色された固化
可能液の2つのストリームを、単一の二色性ストリーム
としてホスト液の実質的中心に導入する手段とを備え、
これによって、二色性ストリームがホスト液によって移
動されるにつれて、二色性ストリームの前端部が不安定
になって複数の小滴に分離し、当該小滴は複数の球形ボ
ールを成形し、当該ボールは、ホスト液によって引き続
き移動され、更に、これらのボールが固化するように当
該ボールを硬化させる手段と、当該ボールをホスト液か
ら分離させる手段と、を含む。
20を有する、着色された(又は染色された)小さなボ
ール10を生成する汎用型の製造装置が示されている。
固化可能液物質から成る2つの微細なストリーム26と
28は、2重ノズル34を形成するために端部が曲げら
れたチュービング(管状体)30と32を通ってポンプ
送給され、この2重ノズル34によって、2つの微細ス
トリームは、チャンネル38を通ってポンプ注入される
ホスト液のより大きなストリーム36の中心近くの位置
で合流する。固化可能液体物質は、液体の状態では、微
細チュービング30と32を通って流動可能であるとと
もに、適切なエネルギーを加えると直ちに固体状態に硬
化可能な、エポキシ樹脂等の熱固化性または光固化性の
物質がよい。固化可能液は、2重ノズル34から出てく
ると直ちに、半分がある1つの色で半分が他色の、円形
横断面の単一の結合噴流40になる。この噴流は、ホス
ト液のストリーム36内を流れると非常に不安定になる
ので、この噴流の前端部は、すぐに分離して、直径がス
トリーム40の直径の約2倍に等しい、均一サイズの二
色性球体10より成る一連の小滴になる。当該ボールの
寸法と均一性は、ストリーム36の速度を変えることに
よって制御することができるとともに、規則正しい振動
力学的エネルギーを単一の結合噴流40に加えることに
よって制御することができる。この制御は、石英やその
他の圧電性結晶などのトランスジューサを使って、約1
kHzの音響周波数をチュービング30と32に印加す
ることによって行うことができる。
取りでは、微細チューブ30と32は、0.075イン
チ( 約0.19cm) の内径を有する透明な溶融石英(処理の
観察を容易にするため)のチャンネル38の中心付近に
収束する、0.008インチ( 約0.02cm) の内径と0.
016インチ( 約0.04cm) の外径とを有する#27ステ
ンレス鋼のチュービングで作られていた。チャンネル3
8を通って流れるホスト液は、スリーエム社(3M Compan
y,ミネソタ州セントポール) によって製造されたFluori
nert FC-70(登録商標)であった。このホスト液は、室
温に保たれていて、13.4の動粘度と1.94グラム
/立方センチの密度とを有していて、毎秒25cmの速
度でポンプ送給された。微細ストリーム26と28の固
化可能液は、エポキシテクノロジー社(Epoxy Technolog
y Inc., マサチューセッツ州ビレリカ) によって製造さ
れた透明な2成分エポキシであるEPO-TEK 301-2 (登録
商標)であったが、これは重量比35%の固化剤を含有
していた。さらに重量比12%の固化促進剤、即ち、レ
ジンフォミュレータ社(Resin Formulators Co., カリフ
ォルニア州カルバーシティ) によって製造されたRF91
(登録商標)が、固化可能液の早急な硬化を高めるため
に添加された。上記微細ストリームの内の一方は、エポ
キシ樹脂の重量比約80%のエポキシへの二酸化チタン
の添加により白に着色された。他方のストリームは、エ
ポキシ樹脂の重量比約10%のエポキシへのカーボンブ
ラックの添加により黒に着色された。
するシステムが図示されている。直立ドリフトチャンバ
42の中には、チャンネル38を通ってこのドリフトチ
ャンバの下端部にポンプ注入されたホスト液が含まれ
る。生成領域43では、2重ノズル34によって、固化
可能液の微細な二色性ストリーム40は、ホスト液のよ
り大きなストリーム36に導入される。この微細な二色
性ストリームは、複数の二色性ボール10に分離し、当
該ボール10は、ドリフトチャンバ42の中心に位置す
るホスト液の移動ストリームの範囲内を垂直方向に上方
へ流動する。ボールを硬化して固化させるために、これ
らのボールは、先ず、ホスト液を約150℃に保つ加熱
コイル46を設けた加熱領域44を通過し、次に、ホス
ト液を約15℃に保つ冷却コイル50を設けた冷却領域
48を通過する。ドリフトチャンバ42の頂部には抽出
領域52があり、ここでボールとそれを運ぶホスト液と
が、導管54を介してチャンバから除去される。この抽
出領域よりボールをホスト液からろ過し、このホスト液
をチャンネル38に戻すことができる。
ュービング30及び32を自由に通過するぐらいに低い
粘度を有することが必須であるとともに、硬化温度で早
急に硬化することが必須である。ホスト液は、ボールを
ホスト液中に浮遊させるために固化可能液よりも高い比
重を有することが必要であり、硬化されていない固化可
能液に対して非常に不活性であることが必要であり、ま
た、高処理温度を耐えることが必要である。
10が、ドリフトチャンバ42の底部へ搬入されるにつ
れて乱れがホスト液柱に発生し、これによって乱流が生
じることがあり、またこの乱流によって、硬化されてい
ないボールが、互いに衝突するとともにチャンバ壁に衝
突し、したがって、当該ボールの完全性が破壊されるこ
とが分かった。この乱流の有害な影響は、図6の実施例
に示されるように、固化可能ボールを、螺旋形の経路を
描いてドリフトチャンバ42に導入することによって最
小限に抑えることができ、これによって、ボールが分離
されるとともに衝突しようとする傾向が低減する。ボー
ルは、チャンネル38中で生成され、このチャンネル3
8の上端部には回転可能なノズル56があり、このノズ
ル56は、ドリフトチャンバ42の中心軸に対してある
角度に傾斜された射出チャネル58を備える。回転可能
なノズル56はチャネル38上に着座され、このチャネ
ル38と相対して移動することができる回転可能なマン
ドレル60を含み、このマンドレル60は、適切なベア
リング64を介してチャンバ42内のサポートスリーブ
62中に取り付けられている。端部にかさ歯車68を備
える駆動軸66は、マンドレル60に周設されたかさ歯
車70と連結しており、運動をマンドレル60に付与す
るようになっている。
許容できるものであるのに対して、さらに生産性の高い
処理を開発した。ボールがチャネルの中心に導入される
とともに、ホスト液がボールの密度と実質的同等な密度
を有する場合に、当該ボールは層流を受けながら急速に
移動するホスト液のチャネルの中心に位置された状態を
保つことが観察された。管状チャネルで層流となる液体
が、このチャネルの中心で最も速く移動することは周知
である。ボールは、ストリームの最も速く移動する部分
に留まる傾向があると確信されるが、これは、ボールが
外周方向に流動して比較的低速の領域に入ると、この低
速領域におけるボールの当該部分は比較的高速の領域に
おけるボールの当該部分よりも高い圧力を受けるので、
ボールはチャネルの中心に戻るためである。適正な液体
速度を維持することによって、ボールは非常に小さな半
径の曲管を通過する場合でさえ、チャネルの中心に留ま
る。
ある。この実施例は、図6のドリフトチャンバの実施例
と比べて非常に簡略化された構造を表しており、また、
この実施例では、チャネル38中のホスト液がドリフト
チャンバ42中のホスト液と混合するので、困難な流体
力学的遷移が解消される。ボール10は、生成領域72
で生成されて約0.075インチ( 約0.19cm) の内径を
有する単一の伸長チューブ74内をこの後の処理のため
に搬送されるが、このチューブ74はとりわけ所望の処
理経路に続くように屈曲させることができる。前述の実
施例の場合のように、二色性ボールは、流動するホスト
液の中心に加えられる固化可能液の2つの微細なストリ
ームの交差によって形成された二色性噴流40から生成
される。このホスト液によって、ボールの中心ストリー
ムはキュアリング領域76に移動するが、このキュアリ
ング領域76では、チュービング74は、このチュービ
ングに配向された矢印80で示されるエネルギー源によ
って作用されるコイル78の形状を成すことができる。
80℃のサーマル槽中に浸すことによって加熱させるこ
とができる。あるいは、固化可能液は、紫外線の光源を
使って硬化されることができる光固化物質の種類に属す
るものでよい。このような場合、チュービングは、石英
又は紫外線を透過するその他の物質で製造される。13
MHzの範囲の高周波交番磁界を誘電固化可能液に加え
ると、この固化可能液は分子摩擦によって加熱される。
固化可能液を硬化させるさらに別の放射線源は、マイク
ロ波電磁放射線がよい。炭素、鉄、又はフェライトの粒
子(あるいは、マイクロ波放射線を吸収するその他の物
質)を、固化可能液エポキシ又はこのエポキシ中に分散
されるピグメントに添加すると、キュアリング放射線は
マイクロ波ソースを介して管理することができる。ま
た、コイル区間を通過する時に、十分な固化剤がボール
中に拡散して当該ボールを硬化するように、固化剤をホ
スト液に添加することができる。
きチューブを通って抽出領域82に入るが、この抽出領
域82は、ホスト液からボールを取り除くスクリーン8
6又はその他のろ過メンバを収容するチャンバ84を含
むことができる。次に、ボール空乏のホスト液は、ポン
プ88によって再循環されて、もう一度生成領域に進
む。これは、非常に効率的で廉価な連続処理である。チ
ャンバ84は周期的に開口され、ボールは除去されてデ
ィスプレイマトリックスに置かれる。
めには、ホスト液の放射(層)流が長いチュービング7
4のボール搬送区域において保たれる必要がある。環状
流動または乱流は、避けられるべきだと確信されてい
る。これを目的として、以下の考察事項が該当すること
を発見した。 A.チュービングは、滑らかで連続的になるように設計
される必要がある。特に関係があるのは、チュービング
の2つの長手が当接される継ぎ目である。当該位置で
は、各内径は、内部壁が互いに円滑につながるように同
一であることが必須である。かかる継ぎ目のギャップを
最小限にするように注意を払う必要がある。 B.チュービングの曲がりは、滑らかであるとともに鋭
利でないことが必要である。 C.チューブの直径を縮小する必要がある場合は、最小
のチューブ内径と比較して長い距離にわたってチューブ
壁を滑らかにテーパすることによって、チューブの直径
を縮小することが必須である。 D.チューブの直径の拡大は、あるにしても可能ならば
避けるべきである。しかしながら、この変更がより大き
な断面の内径に対して非常に長いテーパによるものであ
る場合は、僅かな増加は許容できる。 E.ポンプ注入は、円滑で安定していることが必須であ
る。
造体の好適な形態の2つの実施例が図示されている。各
図では、チューブ30と32の各々の隣接する壁は固化
可能液の各ストリームがなめらかに合流して棒状の二色
性ストリームになるように薄くハンダ付けされている。
図8(a)では各ストリームは2重ノズルから射出する
前に結合し、一方、図8(b)では各ストリームは2重
ノズルから射出した直後に結合する。単一の結合二色性
ストリーム40がさらに速く流動するホスト液に入る
と、このストリーム40は円滑に円形の横断面にくびれ
て、この横断面からボールが形成される。(流量を表す
比較的大きな矢印89で示されるように)ホスト液を、
2重ノズルから流れ出る固化可能液よりもはるかに速く
流動させることによって、これらの液体を実質的に同一
速度で流動させることによって生成されるボールよりも
10分の1以上小さいボールを生成することができる
(図9参照)。こうして、非常に小さなボールは、製造
が容易な大型のノズル構造体で生成される。次の関係、
即ち、V1 R1 2=V2 R2 2が適用されるが、ここで、V
1 R1 は2重ノズル34から出て来る単一の二色性噴流
40の速度と半径であり、V2 R2 はホスト液の速度V
2 に合わせて移動する単一の二色性噴流40の速度と半
径である。
造率が想見される。ディスプレイ材の8x10インチ(
約20.32x25.4cm) のシートでは、約240x106のボ
ールが必要とされる。1ミルのボールが使用される場
合、単一のチューブによって、1時間につき1平方イン
チ( 約2.54cm2)のディスプレイ材に供給するのに十分な
ボールが生成される。実用的な生産システムでは、多数
の生成チューブが必要になる。
噴流40が説明された。また、図10(a)乃至(b)
に示されるようにシート状ジェット(噴流)90と92
も周知である。当該シートジェットは、スリット状のオ
リフィスから噴出する2次元以上の流体の噴流である。
また、1次元の棒状噴流と同様に、これらのシートジェ
ットは、非常に不安的であるので、当該シートが生成さ
れると間もなくシートジェットの前端部が分離して小滴
になる。また、1次元の噴流と同様に、シートジェット
の小滴は、適切に励起すると直ちに極めて均一な大きさ
の球体に成る。シートジェットによってはるかに多数の
ボールが生成され、実用的な製造システムが提供される
ことは明白である。
の自由端が表面張力効果によってシートの中心方向に収
縮させる強い傾向がある。この収縮によって、当該ジェ
ットの各側面が厚くされ、これによって、分離して小滴
になると直ちに当該シートの各側面でのボールの直径が
一層大きくなる。横方向の自由表面を持たない円筒形の
シートジェット92は、均一に収縮し、各ボールの直径
が均一になる。
ートジェットジェネレータ94が図示されている。製造
装置を完成するためには、キュアリング要素、冷却要
素、及び、分離要素が必要とされることが分かるはずで
ある。このジェネレータ94は、内部円筒メンバ96と
環状チャネル100を画定する同心の外部円筒メンバ9
8とを含み、この環状チャネル100を通ってホスト液
が流れる。ホスト液のストリームは、チャネル100内
で環状マンドレル102によって円滑に2つの円筒形の
ストリームに分流され、この2つのストリームは、上記
マンドレルの下流側のテーパ端部104を越えたところ
で再合流する。微細なチュービング106と108によ
って、異なる色に着色された固化可能液のストリーム1
10と112は、上記各液体ストリームとマンドレルの
テーパ端部104との間の空洞114と116に導入さ
れる。当該着色ストリームは、ホスト液のストリーム中
に放出されて、二色性の円筒形シートジェット92を形
成し、このシートジェットの前端部118が分離して複
数の二色性ボール10になる。この二色性の円筒形シー
トジェットの収縮は、このシートジェットと内部円筒メ
ンバ96との間に捕らえられたホスト液によって実質的
に防止される。ボールは環状チャネル100の中心に据
えられながら、このチャネル100に沿って搬送され
る。
定性を維持しようとする力はないと思われる。したがっ
て、ボールは流動して互いに接触し、固着することがあ
る。万一これが問題になる場合は、図12(a)に示さ
れるように、安定化リブ120を環状チャネル100内
の円筒メンバ96又は98の内の一方に設置し、ボール
を適切に隔離させる流体力学的状態を生み出すようにな
っている。リブ120がボールの横方向の流動を防ぐに
は不十分であることが分かった場合は、図12(b)に
示されるように、環状チャネル100を複数の壁122
によって個別のチャネルに完全に分割させることができ
る。
ータ94は、直径10インチ( 約25.4cm) のシートジェ
ットを有することができるとともに、直径1ミルの二色
性ボールを生成することができる。このような構造のデ
バイスは、時間あたり約600億ボールのボール生成率
を得ることができる。この生成率は、各々の寸法が8x
10インチ( 約20.32x25.4cm) のディスプレイシートを
時間あたり約200枚製造するのに十分である。
各ボール半球体に係わる電気二重層の概略図である。
洞に満たされた誘電液内の各ボール半球体に係わる電気
二重層の概略図である。
ある。
成するために合流される固化可能液の異なる色に着色さ
れた2つのストリームの概略図である。
略図である。
ノズルの概略断面図である。
好適な形態を示す。
させるシートジェットの2つの形態を示す。
ジェネレータを示す。
防止する環状チャネル設計の2つの形態を示す。
Claims (1)
- 【請求項1】二色性ボールを形成するための方法であっ
て、単一の並行する多重色性ストリームを形成するために 、
異なる色に着色された固化可能液の複数のストリームを
合流させるステップと、 前記単一の並行する多重色性ストリームを、1つあるい
はそれ以上の自由な噴流として、液体媒体中に吐出する
ステップであって、前記噴流の前端部が不安定になって
複数の小滴に分離し、前記小滴は、複数の球形ボールと
なり、該複数の球形ボールのそれぞれは異なる色に着色
された固化可能液の複数の層を有する、前記単一の並行
する多重色性ストリームを吐出するステップと、 前記ボールを硬化させるステップと、 を備える二色性ボールの形成方法。
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