JPS58220128A - 表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子卓上計算機やテレビ等に用いられる新規な
画像表示素子に関する。

現在、各種の表示装置があり、各々の特色を牛かしであ
るものは家庭用個人用として、あるものは業務用として
、又あるものは家庭用個人用から業務用に至るまで広く
利用されている。

しかしながら、これらの表示装置は、画質、装置の形状
、生産性、駆動性、及び信頼性等の技術的経済的重要事
項のうち、少なくともいずれかの点で欠陥を有している
。例えば陰極、線管は形状、とくに奥行きが大きすぎる
等の欠陥を有するし、電子ビームを用いているため高電
圧を必要とし回路が大型化する。又、時計や電卓のデジ
タル１示に使用される液晶表示器はコントラストが悪ろ
く見えが良くない等の欠点があり未だ満足できるものは
得られていない。

本発明の目的は、液層と、前記液層中に気泡を発生させ
るための発熱要素を備えた表示素子において、前記発熱
要素上に微小孔群を有する保護層を備え、前記発熱要素
を加熱することにより前記液層に生じる蒸気泡を前記微
小孔群に形成せしめた表示素子により鮮明度の高い表示
画像を提供することにある。

以下、本発明の表示素子の一実施例を図面に従って詳細
に説明する。

第１図は本発明の表示素子の一実施例の作像原理を概説
するための略画断面図にして、３は基板で、この基板に
通電発熱する発熱素子４が点状（またはセグメント状）
に配置されている。

この発熱素子４の上に、さらに多数の微小な孔を有する
微小孔群を有した保護層５が設けられている。この保護
層５の上端面と基板３の上端面とは図示の如く連ら位置
となるように保護層５及び発熱素子４は基板３の四部（
（設けられている。なお、保護層５の微小孔５′の直径
は数μｍ−４０μｍ程が望ましい。この保護層５を基板
３の而と直交する方向から見た時の保護層５の一実施例
としての形状が第１図（１））に示されている。１は液
層で、透明保護板２と基板３等との間に介在して設けら
れ、その液体は水、あるいは各種有機溶剤が単独又は混
合して用いられる。

７は不図示の光源から表示素子ＢＥを照明するための照
明光で、この表示素子ＢＥが透過型の場合には図示の如
く基板３の背面から入射し、この表示素子ＢＥが反射型
の場合、透明保護板２の前面から入射する。液層１に蒸
気泡８を形成するための手段としては発熱素子４０手段
にかえて、電気分解反応を利用するもの、化学反応を利
用するもの、気体を注入する方式、及び熱的手段の中で
放電によるもの、輻射線ビームの照射によるもの等があ
る。以上のいずれの手段、要素においても本発明は成立
するものであるが、本発明を理解する上においては、そ
の内の１例をもって足りるので、発熱素子４を、利用し
たジュール熱を利用するもののみについて説明する。

まず、第１図の表示素子ＢＥを透過型表示素子とする。

この場合、液層ｌ、透明保護板２、基板３、発熱素子４
、保護層５はほとんど近似した屈折率を有し、しかも無
色ないし淡色性の透明性を有している。なおこの透明保
護板２は表示素子ＢＥを水平にして用いるときには必ら
ずしも必要とされない。６は発熱素子４を適当に選択し
てパルス信号を印加し、選択された発熱素子４を通電加
熱したり、非通電状態にしたりするための駆動回路であ
る。

次にこの表示素子ＢＥの作像原理ないし表示原理につい
て説明する。今、駆動回路６かも・ξルス信号を印加さ
れてない発熱素子４は非通電状態であるので、この発熱
素−７４にある保護層５の微小孔５′ニ蒸気泡８は発生
しない。この状態の時、基板３に垂直入射している照明
光７は基板３→発熱素子４→保護層５ないし微小孔５′
→液層１→透明保護板２を透過して透明保護板２の前面
に出る。何故ならば、これら基板３、発熱素子４、保護
層５、液層１及び透明保護板２の屈折率は近似している
ので、これらは、はぼ一定の屈折率を有した一体物と見
なしてよく、又照明光７は基板３に対しほぼ垂直入射し
、透明保護板２と空気との境界面に対しほぼ垂直な角度
を射出するからである。発熱素子４がない部分も、前述
のよウニ表示素子ＢＥＫ入射した照明光７はそのま＼表
示素子ＢＥを透過して透明保護板２の前面に出る。駆動
回路６によりパルス信号を印加されている発熱素子４は
通電加熱し、熱伝導加熱によりこの通電加熱された発熱
素子４−ヒの保護層５の微小孔５′群内にある液層１の
液体は加熱され、ついに沸騰して液層１中に蒸気泡８（
以下、・々プル８と℃・う）を生じる。このバブル８は
保護層５の微小孔５′にトラップされている。この多数
のノミプル８が形成された保護層５の微小孔５′群を照
明光７力−通過する時１．Ｓプル８と液層１の液体との
境界面（ま曲率をなし、しかも屈折率か異なるので、こ
の境界面により照明光７は散乱される（また番ま回折さ
れる）。この境界面以外の部分、即ち・々プル８が形成
されていない部分を通過する照明光７は、前述のとおり
表示素子ＢＥをそのま＼通過するので、観察者は照明光
７が散乱された部分を表示画素として識別することが可
能である。

即ち、透明画面に散乱による白濁した表示画素をもって
画像が構成される。なお、照明光７Ｇ′！特に基板３に
対し垂直入射させる必要はなく、透明保護板２と空気と
の境界面で全反射さｉｔない程度の角度をもって基板３
に入射させればよく、また照明光７用に光源をもうけな
くとも自然光でよい。また、発熱素子４を液層１から保
護するために、たとえば耐熱性、耐化学性、透明性、熱
伝導性、面一１衝撃性に優］（た洞旧、たとえ４′、〔
、ｓ　＋　０２　（二酸化珪素）等で発熱素子４を必要
（こ応じて被覆する。また、たとえば基板３又は透明保
護板２どし２てソーダガラスを用いる場合、ツーグｉｆ
ラスのアルカリ成分による発熱素子４の化学的腐食を防
止するために、ソーダガラス全面にＳ　ｉ　Ｏ２が被覆
される。

反射型表示素イの場合、基板３や発熱素子４や保腸層５
け必ずしも透明である必要はなく、表示素子ＢＥの透明
保護板２の前面がら照明する照明光７は液層１の液体と
バブル８との境界面（釦よって全反射散乱され、その他
の照明光７は表示素子ＢＥを透過するが、吸収されるの
で、観察者は散乱された部分を表示画素として識別する
こともてきる。

第３図は、前述の基板側を行列状に配線して発熱素子を
設けた本発明の表示素子に用いる発熱素子電］；シの他
の一実施例にして、Ｙａ　、　Ｙｂ　。

Ｙｃ、Ｙｄはいずれも前述の基板３に配設された動軸導
線であり、Ｘａ、Ｘｂ、Ｘｃ、Ｘｄはいずれも、動軸導
線Ｙに直角に交叉して設けらＡｔｌこ１１暉１導線Ｘで
ある。これら全ての行１外軸導線Ｘ、Ｙは金、銅、アル
ミ等の良導体によりイ丑ら才する。

これら行動導ａＸと動軸導線ＹはＳｉＯ，ＳｉＯ３゜Ｓ
ｉ３Ｎ、、Ｔａ２０５．ＴｉＯ２等の絶縁膜を介して配
“さ」するが、有軸導線Ｘと動軸導線Ｙとの交差領域σ
）絶縁膜は取り除かれ、代りに個別の多数σ）発熱抵抗
素子１０ａ〜１０ｄ等が埋め込まれて℃・る。このよう
な発熱抵抗素子１０の累月として（よ・・フニウム・ポ
ライドや窒化タンタル等にイー（表さ、ｌする金属化合
物、ニクロム等の合金、インジウノ・・ティン・オキサ
イド等の金属酸化物な））げることかできる。このよう
な構成にお℃ｓ’ｉｊ家１斤、ｌ（１軸導線Ｘ、Ｙに印
加する・ｅルス信号に忠実ｔｘ、　ｆ’Ｆ像にとって不
都合なりロストークの発生を実質的に防止することがで
きる。又、行９外軸導線Ｘ、Ｙとの交叉部にダイオード
特性を有する発熱抵抗素子１０を配置ずれば、児全にク
ロストークを防１卜する効果が得られる。この上うＶｒ
ｃ＃＋’成された発熱素子電極を表示素子に用℃・る場
合第１図−〔前述した保護層５を行１動軸導線Ｘ。

）′がＵい１こ交叉する十に前述の保護膜を介して設け
ることυこより、容易に第１図のように表示素工「を構
成することができる。

第３図及び第４図は第２図の発熱素子電極を用いた表示
素イを駆動するための、表示素子と駆動回路の関係及び
それらと信号との関係を説明するための概略図である。

第３図においてＢＥは表示素子で、Ｙ、＋、Ｙｂ・・ｙ
ｚは動軸導線であり、Ｘａ、Ｘｂ、・・・Ｘｚは有軸導
線である。これら動軸導線ＹＶｌは動軸、駆動回路１０
２及び動軸選択回路１０４が直列接続され、また、これ
ら有軸導線Ｘには室軸駆動回路１０１及び行動選択回路
１０３か直列接続されている。これら行動選択回路１０
３及び動軸選択回路１０４は、画像信号制御回路回路】
０５が接続されている。

第４図において、ＢＥは表示素子、Ｙｃ−Ｙｅは動軸導
線の一部、Ｘ４〜Ｘｐは有軸導線の一部、他の行１外軸
導線は説明を簡略化するため省略している。】０２は動
軸駆動回路で、有軸導線Ｙｃ〜Ｙｅが各々エミッタ接地
されたトランジスタＴｒｉ〜Ｔｒ３のは−ス側には動軸
選択信号が入力している。また、動軸導線Ｙの一端は電
源に接続せず自由端にし、また、有軸導線Ｙの一端も自
由端にし、他端を不図示のＦＥＴ型トランジスタのソー
ス側に各々接続し、これらＦＥＴ型トランジスタのドレ
イン側を電源に共通に接続する。一方、第３図の行動選
択回路１０３からの有軸選択信号を前述のＦＥＴ型トラ
ンジスタのゲートに入力するように接続しである。これ
ら、不図示のＦＥＴ型トランジスタで室軸駆動回路１０
１を構成している。

次に行列駆動する場合の動作を説明する。画像信号制御
回路１０５からの画像制御信号によって行動選択回路１
０３は特定の有軸導線を選択して導通状態にする。例え
ば行動選択回路。

１０３が有軸導線ｘｇを選択すればＸ１行選択信号を発
し、そ７れを受けて室軸駆動回路１０１は有軸導線Ｘｌ
に有軸駆動信号を出力する。一方、画像制御信号の一つ
であるビデオ信号が列軸選択回路Ｉ（）４に入力される
と、その指令を受けて動軸選択回路１０４は所定の動軸
導線を選択する。例えば動軸選択回路１０４が動軸導線
Ｙ　（＋を選択すれば動軸駆動回路１０２は動軸選択回
路１０４から発せられたＹ　（１列軸選択信号を受けて
動軸導線Ｙ　ｄを導通状態にする。所定の有軸導線Ｘに
対唄る有軸駆動信号の印加中、所定の動軸導線Ｙが動軸
選択信号によって導通状態になればその有軸導線Ｘとそ
の動軸導線Ｙの交差領域に於ける前述の発熱抵抗素子に
電流が流れ・Ｓプル８が生ずる。たとえば、有軸導線ｘ
ｅに対する有軸駆動信号の印加に同期して、動軸導線Ｙ
ｄを動軸選択信号によって導通状態にすれば有軸導線Ｘ
ｌと動軸導線Ｙｄの交差点に・ζプル８が生ずる。次に
有軸導線Ｘ　ｒｎが選択されＸ　ｍ　Ｋ行軸駆動信号が
印加される。それに同期して動軸導線Ｙｃ　、　Ｙｅ　
７Ｊ→り軸選択信号によって導通状態にされると、有軸
導線Ｘ　ｍと動軸導線Ｙｃ、有軸導線Ｘｍと動軸導線Ｙ
ｅの各々の交差点にバブル８が生する。これらの交差点
以外の交差点にもリーク電流が流れるが、一般にバブル
８を発生させる発泡開始電流値以下であるので、バブル
８は生じない。また、前述の発熱抵抗素子にダイオード
機能を持たせることによりリーク電流をさらに微弱にす
ることがてきる。このように、有軸駆動信号を線順次走
査し、かつそれに同期させて、動軸選択信号を出力させ
て・ぐプル８を形成することにより表示素子ＢＥに、画
像表示を行うことができる。なお、動軸選択回路１０４
はビデオ信号による指令を受けて動軸選択信号を出力す
るものである。

このとき、前述の発熱抵抗素子を流れる電流の向きは問
わない。このような行９列駆動回路１０１　、１０２、
行９列選択回路１０３　、１０４はトランジスタ、トラ
ンジスタアレイ等を用いて公知の技術により構成される
ものである。本発明に於ける表示原理に於いては必ずし
も１つの電気信号・ξルスに対して１個の・ぐプル８の
発生−消滅ザイクルが対応する場合に限定されるもので
はなく、複数個の〕ξルスの共働ｆより、１個のバブル
８の発生−消滅ザイクルが行われる場合をも含むもので
ある。この場合の複数個のノξルスの各々は波形、波高
、パルス幅において全く異なるものてあっても差えない
ものである。

本発明はこの他にも第１図において、基板３側υこ発熱
素子４の代りに線状の発熱素子を間隔をあけて多数配列
して用い、この−ヒに第１図と同様な保護層５を個別に
多数設け、基板３側に設けた線状の発熱素子と直角に交
叉するように線状の多数の発熱素子を透明保護板２側に
設け、保護層５は前述の線状の多数の発熱素子の交叉部
分に設けられている表示素子を用いて行９列駆動するこ
とにより表示することも可能である。

この場合、透明保護板２側に設けた発熱素子でバブル８
を形成しない程度に液層１を加熱して温ためるので、基
板３側の発熱素子を通電加熱することにより早い応答速
度で・ζプル８・を保護層５の微小孔５’に形成するこ
とができる。

第５図（ａ）は本発明の表示素子の概略全体を示す省略
正面図、第５図（ｂ）は第５図（ａ）のＡ　−Ａ’の省
略断面図である。

本発明に於て、液層１中に不國示の・Ｓプルが発生する
ときには、急激な圧力の増大を伴うので、液層１が密閉
系に構成された場合は、表示素子が破損する恐れが強い
。従って、この液層１を気密室又はアキュムレーターに
接続して、液層１に於ける圧力の増大を緩和することが
望ましい。

表示素子内の液層１は外界に通じた状態に置かれる場合
（開放系）と、透明保護板２と基板３と封止部２４とに
より外界から隔絶された状態に置かれる場合（密封系）
とがある。ト・ずれの系が望ましいかは用途によって異
なる。例えば携帯用なら密封系が望ましいことは当然で
ある。しかるに、次に述べる技術的事項は開放系の場合
に於いても重要であるが、密封系に於いて特に重要であ
る。バブルの発生は一般に圧力の上昇を伴うが、圧力の
上昇分が大きければ・ζプル自身が発生しない。したが
って圧力σ片−に１月を最小限に抑える努力が払われな
ければならない。また、・ζプルの発生によってバブル
の容積（（相当する容積の液が排除・されるが、その受
は皿がなけＡ１ば、圧力の−に列を招き、結局・ぐプル
は生じない。したがって排除される液層１の液体をどの
ように収容するかについても考慮を払わなければならな
い。

上記問題の解決手段として、先の出願に於いて開示した
ように透明保護板２や基板３の内壁（Ｃ不同］ｊミの弾
性膜を伺けることも一部である。

しかるに、より効果的な手段は第５図に一例を示」゛空
洞室２１を設けることである。空洞室２１と液層１とは
気体や液体を透さない不図示の可撓性膜によ−）て隔て
られる。このように構成することにより、圧力吸収と排
除される液層ｌの液体の問題の解決を図ったものである
。なお、液層１と接ずろ壁面を親液性（例えば液層の液
溶媒が水性なら親水性）相オニ１で構成し、空洞室２１
の内壁な撥液性（液層１の液溶媒が水性なら撥水性）相
オ・１で構成することにより可撓性膜を不要とすること
ができ製造が簡単となる。何故なら、ヘルムホルツの自
由エネルギ最小原理に従って液層１は親液性の面２２と
撥液性の面２３との境界に於いてみずから安定するから
である。

すなわち液層は親液性面２２ととどまろうとし、撥液性
面２３からは遠ざかろうとする。

なお、親液性面２２と撥液性面２３との境界面ないしそ
の近傍において液は進退し、又、液のタニスカスによる
クッション作用も加わって圧力吸収効果が発揮せられる
。液層の液が水性の場合に於いて空洞室２１を撥水処理
するにはポリテトラフルオロエチレシ等を塗装する方法
がある。

なお、第５図に於いては空洞室２１は液層１をとりまし
形に設けられているが必ずしも第５図の場合に限定する
ものではなく、部分的に設けられていてもよい。要する
に、いかなる形状、いかなる大きさであれ撥液性の壁面
からなる空洞室を設置していれば本発明の技術的範囲で
ある。

液層１０）内圧（以Ｆ、ＮＵ−ｇという）は省電カフ１
策１−１安定動作上及び安全対策上の見地より表示素−
ｒの外圧、たとえば７６　（１ｍｍＨ，！ｉ’　（大気
圧）」Ｃノ、−１−’　Ｋ設定−４ることか望ましい。

何故なら、液ＩＦか低い程、より低いエネルギの供給で
、即ちより低い温度で発泡するからであり、又液圧が高
ければそれだけ表示素子の破損率が高くなるからである
。空洞室２１と液層１を不図示のｏＪ撓性膜に、ｌ：つ
て隔てた構造に於いては液圧は空洞室２１内の内圧、不
図示のｏＪ撓性膜の応力等により決定せられる。いずれ
の場合に於いてもその時の液層１の液温に於ける液層溶
液の飽和蒸気圧り、１：にまて液圧を押し下げることは
でき／３【い３．又、液圧を飽和蒸気圧又はその近傍に
まてドげずぎると、出力信号に関係なく・ζプルが発生
し動作安定性に欠ける事態に陥いる。従って、安定性を
増すためには常温気体を空洞室２１内に適当用封入する
ことにより液圧を表示素子ＢＥの外圧、たとえば７６０
ｍｒｎＨｇ以下、飽和蒸気圧近傍以上に設定することが
望ましい。液圧の条件についてさらに詳述すれば、省電
力上、安定動作上及び安全対策上より好適の条件は４０
℃に於ける液圧を７６０ｍｍ’Ｈｇ以下に設定すること
である。但し、バブルが発生していない場合の圧力値で
ある。このように設定することにより、少くとも開放系
の場合より省電力化を図ることができる。

なお、バブルが生じることにより、又バブルの発生数に
より、液層１の液圧は上昇変動するが前記空洞室２１を
好適に設置することにより、圧力上列の弊害を実質的に
抑えることができるものである。又、通常は４０°Ｃ以
下で使用するので４０℃を一応の基準とした。

空洞室２１の容積とバブルにより排除される液層との関
係も・々プル表示の安定動作上重要な事項である。

今、密封系を想定し、その場合の空洞室２１の容積をＶ
、その時の内圧をＰ、温度をＴとするとボイル・シャル
ルの法則の微分形は次のよ°うに表わされる。

ここで／＼Ｖはバブルによって排除される液体の流入分
による空洞室２１の容積の圧縮分、△Ｐはその時の空洞
室２１内の圧力上昇分である。

なお、Ｐは飽和蒸気圧と常温気体の全圧であるが実際に
は飽和蒸気圧は液化もするので又、系の温度も変化する
ので上記関係式は厳密に成立するものではないが、一応
の傾向は示していると云える。従って圧力変動にょる微
害を実質的になくすには、△Ｖ／Ｖ又はＰを小さく設定
しなげればならない。・ぐプル１個の容積は微小である
。例えば前述の発熱抵抗素子の大きさが２００８ｍＸ２
００μｍ、液層Ｉの厚さがＩ　００１１ｍの場合のバブ
ルの容積は４　Ｘ　Ｉ　Ｏ’ｃｍ３である。従って任意
の複数のバブルが同時に発生した場合における総圧縮分
をΣ△ＶとするとＰ・Σ△Ｖ／Ｖ　が小さく設定されて
いれば圧力の弊害は起こらない。

次に第６図を用いて、本発明の他の一実施例の作像原理
を説明する。ＢＥは第１図で説明した透過型の表示素子
で、液層１、透明保護板２、基板３、発熱素子４、微小
孔５′を有する保護層５、駆動回路６、基板３に垂直入
射し平行光からなる照明光７、発熱素子４に通電加熱時
、微小孔５′ニトラツゾされた形で形成されるバブル８
は第１図で説明した構成及び動作とまったく同じである
。３Ｉはレンズ等で構成される光学系、３２はスクリー
ンで、ここで光学系３１を介して表示素子ＢＥの光学像
が結像される。第１図において前述したように、Ａ部分
の発熱素子４が通電加熱すると保護層５の微小孔５′ニ
ドラツプされた形でバブル８が形成され、この・Ｓプル
８と液層１の液体との境界面で照明光７は散乱される。

この散乱された光の一部分が光学系３１を介してスクリ
ーン上ＫＡ１部分に結像され、バブル８のない部分を透
過する照明光は表示素子ＢＥをそのまま透過するので、
光学系３１を介して２クリーン３２上に集合された場合
Ｎ部分より明るい。またＢ、Ｗ部分についても同じてル
）す、このスクリーン３２十の明暗によって画ｒ象表示
される。

本発明はこの他１・てもシュリーレン光学系の原理を用
い、光学系の焦点位置をスクリーン３２と光学系３１の
間に位置させ、この焦点位置にスリットを介在させる。

これによって、平行光となって表示素子ＢＥを透過して
きた光束は光学系；３１を介して焦点位置に集光するの
で、不図示のスリットを通過して拡散光となりスクリー
ン３２に到達する。バブル８により散乱された照明光は
光学系３１を通過しても焦点位置からずれるので不図示
のスリットＩｔＣより遮光される。即ち、Ａ部分、Ｂ部
分を通過した光は不図示のスリットにより遮光されるの
で、Ａ部分。

Ｂ部分を平行光で透過し光学系３１を介してスクリーン
３２点に到達する部分の位置は暗くなる。このようにし
てスクリーン３２上に明暗が形成されることにより作像
される。なお、本明細書において散乱という場合、屈折
によるもの・で説明したが回折によるもの等を含む。

本発明は前述せるように構成して動作させることにより
、液層に用いる液体に色素相な使用していないので、発
熱素子による色素相のこげつきがなくなり、しかも微小
孔群にトラップされた形の微小なバブルを形成すればよ
いので発熱素子に通電発熱する熱量も少なくて済み省電
力となり、しかも・ζプル形成の応答速度が非常に高い
ので、応答速度の速い、かつ明暗の高いはつきりした画
像表示が可能となる効果な有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に係る表示素子の一実施例の作像
原理を説明するための略画断面図、第１図（ｂ）は第１
図（ａ）に用いる保護層の一実施例の正面図、第２図は
本発明の表示素子に用いる発熱素子電極の一実施例の斜
視図、第３図及び第４図は本発明の表示素子を行列駆動
するための一実施例の説明図、第５図は本発明の表示素
子の全体を示す一実施例の概略説明図、第６図は木発明
の表示素子の他の作像原理を説明するための説明図であ
る。 １・・液層　　　　　　２・・透明イ呆護板３・・・基
板　　　　　　４・・・発熱素子５　保護層　　　　　
５′・・・微小孔６・・駆動回路　　　　７・・・照明
光８・・・蒸気泡（・Ｓプル）　　１０・・・発熱抵抗
素子２Ｉ　空洞室　　　　２２・・親液性面２：３・・
・撥液性面　　　２４・・メニスカス３１　・光学系　
　　　３２・・・スクリーン−ＢＥ・・表示素−ｒ−ｘ
・・・室軸導線Ｙ・・・動軸導線 （ａ） （ｂ） 第　　１　　図 ｔｓ　２　図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 液層と、前記液層中に気泡を発生させるための発熱要素
   を備えた表示素子において、前記発熱要素上に微小孔群
   を有する保護層を具え 前記発熱要素を加熱することにより前記液層に生じる蒸
   気泡を前記微小孔群に形成ぜしめることを特徴とする表
   示素子。