WO2004042449A1 - 表示素子およびそれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

光源と、光源から出射された光を伝播させる導波路とを備え、導波路中を伝播している光を導波路側面より外部へ取り出す表示素子であって、導波路側面の形状を変化させることで、光を導波路側面から導波路外部へ取り出す表示素子。

Description

表示素子およびそれを用いた表示装置 技術分野

本発明は、 導波路を伝播する光を導波路側面から取り出すことにより 表示を行う表示素子およびそ明れを用いた表示装置に関する。 背景技術

導波路中を伝播する光を導波路の側面か書ら取り出す表示装置は、 例え ば、特開平 7— 28 7 1 7 6号公報 （特に、第 6〜第 7頁および図 1〜図 20) や、 特開平 1 1— 2 0222 2号公報 （特に、第 3〜第 4頁、 段落 (00 1 0) および図 2) に開示されている。 これらの表示装置は、光取 り出し部に接続されている、 セラミックの圧電体膜からなるァクチユエ 一夕部を備えている。 ァクチユエ一夕部に電圧を印加することで、 ァク チユエ一夕部の静止と変位を行い、 光取り出し部を光導波路に接触また は離隔して、 光導波路の側面からの漏光を制御して取り出す。

上述の方式を用いて、 大型表示パネルとして表示装置が実用化されて いる。 商品化されたものが、例えば、 「セラムビジョン、 セラムボードの カタログ、 〔平成 14年 7月 25日検索〕、 インタ一ネットく h t t p ： / / www. n g k . c o. j p/ELE/p r o d u c t Z 07Z i n d e x. h t m 1 > (第 5頁左下欄）」 に記載されている。

従来のディスプレイにおいては、導波路と光取り出し部とを光の波長 以下の距離で接触させることにより、 導波路内を全反射して伝播してい た光を導波路の側面から外へ漏光させる。 つまり、 いわゆるエバネッセ ント波を取り出すものである（特に、特開平 7— 2 87 1 76号公報の段 落（0 0 0 9)および特開平 1 1— 2 0 2 2 2 2号公報の請求項 1参照）。 つまり、 特開平 7— 2 8 7 1 7 6号公報の図 1および図 4などに示され ているように、 平板状の導波路に、 変位伝達部 （光取り出し部） のフラ ットな表面が接触するか否かで導波路側面からの光の取り出しを制御す る。

また、 特開平 1 1一 2 0 2 2 2 2号公報の図 3には、 全反射面で全反 射している光の Xパネッセント光を、 全反射面に近接させた抽出面で抽 出する際の、 光の透過率が示されている。 これによると、 全反射面への 入射角が 5 0 ° 〜8 0 ° の場合の光において、 全反射面と抽出面との距 離が 0. 1〜0. 0 5 で、 透過率が 5 0 %程度になることが示され ている。

また、 例えば、 「X. Z h o u, E. Gu l a r i > "Wa v e g u i d e P a n e l D i s p l a y U s i n g E l e c t r ome c h a n i c a 1 S p a t i a l Mo d u l a t o r s "、 S I D 9 8 D I GE S T, 1 0 2 2頁〜 1 0 2 5頁、 1 9 9 8年」 には、 ァク チユエ一夕部.として、 ポリイミドのフィルムに金属電極膜を形成した静 電ァクチユエ一夕を用い、 L EDを光源とした表示装置が開示されてい る。 この表示装置は、 光取り出し部の幅が 0. 2 3mmに対して、 導波 路の厚みが 0. 5mmである。 また、 導波路の表面は I TO膜で、 これ と接する光取り出し部の表面には、 ポリイミドに散乱性を与える二酸化 チタン粒子を混ぜた膜を電極上に形成したものが形成されており、 この 膜はポリイミドより硬い複合素材となっている。

上述の従来の表示装置では、 導波路中を伝播する光の導波路から取り 出す効率が低い。さらに、光取り出し部を導波路へ押し付ける圧力が大き くないと、 取り出された光の明るさが不十分であり、 かつ不均一であつ た。 発明の開示

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、 導波路中を伝播す る光を導波路の側面から高効率で取り出すことのできる表示素子および 表示装置を提供することを目的とする。

本発明の表示素子は、 光源と、 前記光源から出射された光を伝播させ る導波路とを備え、 導波路中を伝播している光を導波路側面より外部へ 取り出す表示素子であって、前記導波路側面の形状を変化させることで、 前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことを特徴とす る。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の実施の形態 1に係る表示素子の構成を示す断面図で ある。

図 2は、 本発明の実施の形態 1に係る表示装置の構成を示す斜視図で あ

図 3は、 本発明の実施の形態 1に係る表示装置の構成を示すプロック 図である。

図 4は、 本発明の実施の形態 2に係る表示素子の構成を示す断面図で ある。

図 5は、 本発明の実施の形態 3に係る表示素子の構成を示す断面図で ある。

図 6は、 本発明の実施の形態 3に係る表示装置の構成を示す斜視図で ある。

図 7は、 本発明の実施の形態 3に係る表示装置の構成を示すブロック 図である。 図 8は、 本発明の実施の形態 4に係る表示素子の構成を示す断面図で ある。 発明を実施するための最良の形態

本発明の表示装置は、 導波路側面の形状を変化させることで、 導波路 中を伝播している光を導波路側面から取り出すので、 伝播している光を 高効率で取り出すことができる。 それにより、 明るく、 均一な表示が可 能である。

また、 好ましくは、 前記導波路の形状を変形させる複数のァクチユエ 一夕をさらに備え、 前記ァクチユエ一夕を選択的に動作させることによ り、 前記導波路側面の形状を変化させて、 前記光を前記導波路側面から 前記導波路外部へ取り出す。 それにより、 導波路中を伝播している光を 高効率で取り出すことができる。

また、 好ましくは、 前記導波路は、 コアおよび前記コアの一つの側面 に沿って形成されたクラッドを備え、 前記ァクチユエ一夕は、 前記クラ ッドに貼付されていて、 前記ァクチユエ一夕の変形により、 前記導波路 側面の形状を変化させる。 それにより、 導波路中を伝播している光を高 効率で取り出すことができる。

また、 好ましくは、 前記導波路の、 少なくともコアの一部が変形する ことで、 前記光を導波路外部へ取り出す。 それにより、 確実に光を取り 出すことができる。

また、 好ましくは、 前記ァクチユエ一夕は、 前記導波路側面に貼付さ れていて、 前記ァクチユエ一夕の変形により、 前記導波路側面の形状を 変化させる。 それにより、 容易に光を取り出すことができる。

また、 好ましくは、 前記ァクチユエ一夕は、 圧電素子を含み、 前記圧 電素子に電圧を印加することにより、 前記圧電素子を変形させて、 前記 導波路側面の形状を変化させる。 それにより、 高速に動作するァクチュ エー夕を形成できるので、 高精度の画像表示にも対応できる。 ， また、 好ましくは、 前記ァクチユエ一夕は、 前記導波路側面に設置さ れた第 1電極膜と、 前記電極膜に積層された圧電素子と、 前記圧電素子 に積層された第 2電極膜とを備え、 前記導波路側面に設置された前記第 1電極膜と前記圧電素子に積層された前記第 2電極膜との間に電圧を印 加することにより、 前記圧電素子を変形させて、 前記導波路側面の形状 を変化させる。 それにより、 小さな外力で、 高効率な光の取り出しがで さる。

また、 好ましくは、 前記ァクチユエ一夕は凸部を備え、 前記導波路の 側面を前記凸部で押圧することにより、 前記導波路側面の形状を変化さ せる。 それにより、 容易に高効率な光の取り出しができる。

また、 前記ァクチユエ一夕は、前記導波路側面に設置された電極膜と、 前記導波路に対向して、 近接している外部電極膜とを備え、 前記外部電 極膜と前記電極膜との間に電圧を印加することにより生じる静電力によ り、 前記導波路側面の形状を変化させる。 それにより、 容易に高効率な 光の取り出しができる。

前記外部電極膜は、 前記導波路側面側に凸部を有し、 前記静電力によ り、 前記外部電極膜の前記凸部が、 前記導波路側面を押圧することで、 前記導波路の形状を変化させる。 それにより、 高速に動作するァクチュ エータを形成できるので、 高精度の画像表示にも対応できる。

また、 好ましくは、 前記導波路の、 少なくともコアの一部が変形する ことで、 前記光を導波路外部へ取り出す。 それにより、 確実に光を取り 出すことができる。

また、 好ましくは、 前記導波路の少なくとも一部が弾性体からなる。 それにより、 小さな外力で高効率な光の取り出しが可能である。 また、 好ましくは、 前記導波路の少なくとも一部が透明なゲルからな る。 それにより、 小さな外力で高効率な光の取り出しが可能である。 また、好ましくは、前記ァクチユエ一夕が画素ごとに形成されている。 それにより、 アクティブマトリクスによる表示が可能である。

また、 好ましくは、 前記導波路は、 その側面に導波路電極膜を備え、 前記導波路電極膜に対向する対向電極膜と、 前記導波路電極膜と前記対 向電極膜間に配置された微粒子とを備え、 前記導波路電極膜と前記対向 電極膜との間に電圧を印加することで、 前記微粒子を前記導波路電極膜 に接触させて、 前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出す ことができる構成である。 このような構成であるため、 前記微粒子を前 記導波路電極膜に接触させることにより、 前記微粒子と前記導波路とを 一体化させることができ、 前記導波路側面の形状を変化させて、 前記光 を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出すことができる。 それに より、 より均一で小さい圧力をかげるだけで、 高効率な光の取り出じが 可能である。 '

また、 好ましくは、 前記導波路の、 少なくともコアの一部が変形する ことで、 前記光を導波路外部へ取り出す。 それにより、 確実に光を取り 出すことができる。

また、 好ましくは、 前記微粒子は帯電している。 それにより、 微粒子 を静電力で制御することができるので、 容易に制御することができる。 また、 好ましくは、 前記微粒子は磁性を有している。 それにより、 微 粒子を静電力で制御することができるので、 容易に制御することができ る。

また、 好ましくは、 前記導波路電極膜の表面張力と前記微粒子表面の 表面張力とが互いに異なる。 それにより、 導波路電極膜に微粒子が接触 しゃすくなる。 そのため、 低電圧で微粒子の接触および非接触を制御で さる。

また、 前記導波路電極膜には、 塗布材料が塗布されている。 それによ り、 導波路電極膜に微粒子が接触しやすくなる。 そのため、 低電圧で微 粒子の接触および非接触を制御できる。

また、 好ましくは、 前記導波路電極膜および前記対向電極膜が、 画素 ごとに設けられている。 それにより、 アクティブマトリクスによる表示 が可能である。

また、 前記微粒子は、 蛍光性を有している。 それにより、 光源からの 光の波長を変えることで、 様々な波長の光を取り出すことができる。 また、 前記光源は、 紫外光を発光する。 それにより、 光源が 1種類の L E Dであっても、 R G B表示をすることが可能である。

また、前記光源は、 3色 L E Dまたは 3色レーザである。それにより、 導波路の数を減らすことができる。

また、 本実施の形態の表示装置は、—好ましぐは、 上記 表—承素子と、 - 前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、 前記ァクチユエ一夕を駆動 させるァクチユエ一夕駆動回路と、 前記光源駆動回路および前記ァクチ ユエ一タ駆動回路を制御する制御回路とを備えている。 それにより、 低 電力化、 高輝度化および均一表示が可能な表示装置が実現される。

また、 好ましくは、 上記の表示素子と、 前記光源を駆動させる前記光 源駆動回路と、 前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加 する微粒子駆動回路と、 前記光源駆動回路および微粒子駆動回路を制御 する制御回路とを備えている。 それにより、 低電力化、 高輝度化および 均一表示が可能な表示装置が実現される。

また/好ましくは、 上記の表示素子と、 前記各ァクチユエ一夕をそれ ぞれ制御するアクティブマトリクス素子とを備えている。 それにより、 ァクティブマトリクスによる表示装置が実現される。 また、 好ましくは、 上記の表示素子と、 前記各導波路電極膜と前記各 対向電極膜間の電圧をそれぞれ制御するァクティブマトリクス素子とを 備えている。 それにより、 アクティブマトリクスによる表示装置が実現 される。

また、 前記アクティブマトリクス素子は、 丁 丁または丁 0とすれ ばよい。

以下、 本発明の実施形態のさらに具体的な例について図を用いて説明 する。

(実施の形態 1 )

本発明の実施の形態に係る表示素子および表示装置について図を用い て説明する。 図 1は、 本発明の実施の形態 1に係る表示素子 1の構成を 示す断面図である。実施の形態 1の表示素子 1は、光源 2と、光源 2から 出射された光を伝播させる導波路 3と、 導波路 3の形状を変形させる複 数めァクチュ —タ 4どを備えている。 ― ―

導波路 3は、 光が伝播するコア 3 aとクラッド 3 bとを備えている。 クラッド 3 bは、 コア 3 aの一方の面に沿って設置されている。 クラッ ド 3 bの逆側の面にはクラッドは設置されていず、空気がクラッドとな つている。光が伝播するコア 3 aとしては、例えば、非常に柔らかい素材 であるシリコーンゲルの 1 0 0 m厚のシ一トを用いればよい。 クラッ ド 3 bとしては、例えば、屈折率の低い透明なフッ素系ポリマ一を用いれ ばよい。コア 3 aは 1 0 mの厚みのクラッド 3 bでコートされている。 光源 2は、導波路 3の端部に設置されていて、光源 2から出射された光 が導波路 3に結合するような向きに、 光源 2が設置されている。 光源 2 としては、例えば、 3色 L E Dを用いることが好ましい。 3色 L E Dは、 R G B 3色の L E Dチップが 1つのランプに収納された構造で、各々の 色を独立に制御できる。 L C Dや P D Pを用いた従来のフラットパネル ディスプレイにおいては、 R G B 3色の画素はストライプ状に分離され ていた。 しかし、 実施の形態 1のように、 3色 L E Dを用いることで、 一本の導波路 3に R G B 3色の光を入射させることができるため、 一本 の導波路 3に R G B 3色のいずれかを発光させることができる。 なお、 光源 2からの光が、導波路 3が薄い場合でも入射しやすいように、導波路 3の入射個所にプリズム 2 aを設置し、 光学的に結合させることが好ま しい。

ァクチユエ一タ 4は、 圧電素子 4 aと、 圧電素子 4 aのそれぞれ対向 • する面に設置された電極膜 4 bおよび電極膜 4 cとを備えている。 ァク チユエ一夕 4は、 導波路 3のクラッド 3 b側の側面に貼付されている。 圧電素子 4 aは、 例えばポリフッ化ピニリデン （P V D F ) とし、 その 両面に、例えば銀ペーストを塗布することで、複数の電極膜 4 bおよび電 極膜 4 cを形成すればよい。 ァクチユエ一タ 4は導波路 3の側面つまり ― クラッド 3 IDに粘着剤で-貼付されている。 各電極膜 4 bは、 幅マ 0 であり、 ピッチ 9 0 mのストライプ状に形成されている。 なお、 この ストライプは、 図 1において紙面に対して垂直な方向に伸びる形状であ る。 このうち、 電極膜 4 bが 4本のストライプで 1つのァクチユエ一夕 4が構成されている。 また、 電極膜 4 bに対向する電極膜 4 cは導波路 3に対して一様に広がるベタ塗りであって、 複数のァクチユエ一夕 4に 対して共通化されている。

図 1に示している表示素子 1の導波路 3の側面から光を取り出す方法 について説明する。 導波路 3に設置されたァクチユエ一夕 4の 4本のス トライプである電極膜 4 bに、 交互に正と負の電圧を印加する。 それに より、 正の電圧が印加した電極膜 4 bが設置されている個所の圧電フィ ルム 4 aが縮み、 負の電圧が印加した電極膜 4 bが設置されている個所 の圧電フィルム 4 aが伸びる。 クラッド 3 bの長さは一定であり変化し ないため、図 1に示しているようにァクチユエ一夕 4が、交互に上に凸ぉ よび下に凸となりうねる。 つまり、 ァクチユエ一夕 4が波状になる。 そ れにより、 クラッド 3 bもァクチユエ一夕 4と同一形状に変形し、 コア

3 aのクラッド 3 b側の表面も変形する。

電圧が無印加の場合は、 クラッド 3 bと圧電フィルム 4 aの長さが同 じであるため、 ァクチユエ一夕 4は平面形状である。

このように、 電極膜 4 bおよび電極膜 4 c間に印加する電圧を選択的 に制御することで、導波路 3の側面の形状を変化させることができる。 導波路 3には、 光源 2から出射された所望の色の光が伝播している。 ここで、 電圧を選択的に印加することで、 導波路 3において、 コア 3 a のクラッド 3 b側の表面の所望の個所に凹凸を発生させると、 導波路 3 中を伝播してきた光のうち例えば、 一点鎖線で表した光 2 cは、 コア 3 a表面の角度が変化しているため、 全反射したのち導波路 3の側面 （導 波路 3のァクチユエ一夕 4が設置されでいない側） から導波路 3外部に 出射される。 また他の破線で表した光 2 bは、 導波路 3が変形している ことにより、 コア 3 aおよびクラッド 3 bを透過して、 銀である電極膜

4 cで反射することにより、 散乱反射して導波路 3の側面導波路 3外部 に出射される。

このようにして、 電圧の印加を制御し、 導波路 3に入射する光源 2か らの出射光の色を制御することで、 表示素子 1の導波路 3の側面 （表示 面 l a ) から所望位置および所望の色の光を取り出して、 表示すること ができる。

また、 ァクチユエ一夕 4への印加電圧が大きいほど導波路 3の変形が 大きくなる。 測定によると、 印加電圧をゼロから徐々に大きくするにつ れて取り出し光の輝度増加が認められた。 印加電圧が ± 3 0ポルト程度 で輝度は飽和し、 導波路 3に入射させた光源 2からの光の 8 0 %以上を 外部へ取り出すことができた。

光源 2としては出射光の指向性が高いものが、 効率よく光を取り出す ためには好ましい。 図 1の表示面 1 aにおいて、 導波路 3において、 コ ァ 3 aと空気との界面での全反射角は約 6 0 ° である。 したがって、 導 波路 3中を伝播している光の、表示面 1 aの法線に対する角度（入射角） が臨界角である 4 1 . 8 ° より小さい場合は、光は導波路 3から漏れる。 逆に入射角が大きくなり、 光の進行方向が導波路 3に平行に近づくと、 コア 3 a中では全反射を繰り返し、 その全反射個所同士の間隔が非常に 大きくなり、 光を取り出したい個所を飛び越してしまい、 効率の低下お よび輝度ムラの発生を招く。

これらの理由から、 光源 2から出射される光の導波路 3への入射角は 臨界角 4 1 . 8 ° より大きいが、 なるべく臨界角 4 1 . 8 ° に近い角度 にある、指向性の高い光が好ましい。例えば、光源 2が L E Dの場合は、 モールドするレンズの形状によつて指向性を変えることができるので、 3色 L E Dである光源 2の出射光角度分布の半値幅を約 1 0 ° とした。 なお、 L E D以外の光源 2を使うことも可能である。 例えば、 有機 E Lパネルにマイクロレンズァレイを付けることで指向性を上げた光源 2 を用いてもよいし、 半導体レーザを光源 2として用いることも可能であ る。

また、 導波路 3の厚みは厚すぎると、 導波路 3中を伝播する光が表示 面 l a (導波路 3および空気界面） で全反射を繰り返し、 その全反射個 所同士の間隔が非常に大きくなる。 そのため、 伝播光がァクチユエ一夕 4の設置個所 （画素） を飛び越えてしまい、 取り出すことができない光 線が生じる。 そのため、 導波路 3の厚みは厚すぎないほうが好ましい。 具体的には、 図 1において、 導波路 3の厚み Dは、 ァクチユエ一タ 4 による導波路 3の変形部分の長さ L (導波路 3中の光の伝播方向におけ るァクチユエ一夕 4の長さ） の 1 Z 2以下とするのが取り出し効率の点 から好ましい。

導波路 3の厚みは、 画素数と表示画面のサイズにより決まる。 ァクチ ユエ一夕 4による導波路 3の変形部分の長さ Lは、表示素子 1において、 一つの画素の横方向の長さ （導波路 3中の光の伝播方向） にあたる。 例 えば、 以下で説明する表示素子 1を用いた表示装置 1 0 0が、 その表示 サイズが 6 0インチから 1 0 0インチの H D T Vであるとする。 その場 合、 例えば、 一つの画素の大きさは、 縦 2 3 0 . 6 / 111ズ横6 9 1 . 8 m〜縦 3 8 4 . 3 ^ m X横 1 1 5 3 程度である。 なお、 縦は導波 路 3中の光の伝播方向に対して垂直方向の長さ'であり、 横は導波路 3中 の光の伝播方向の長さである。このときの導波路 3の厚み Dは、 3 4 5 . 9 m以下〜 5 7 6 . 5 m以下が望ましい。 導波路 3の厚み Dは、 ァ クチユエ一夕 4による導波路 3の変形部分の長さ L (導波路 3中の光の 伝播方向におけるァクチユエ一夕 4の長さ） の 1 / 2以下が望ましい。 一方、 導波路 3の厚みが薄すぎると、 導波路 3で伝播できる光の角度 が限定され、 伝播光がシングルモードに近づくため、 伝播する光量が減 少する。 また、 導波路 3の厚みが薄すぎると光が入射しにくくなる。 そ のため、 コア 3 aの厚みは、 少なくとも 3 0 m以上であることが望ま しい。

図 2を用いて、実施の形態 1に係る表示装置 1 0 0について説明する。 図 2は、実施の形態 1に係る表示装置 1 0 0の構成を示す斜視図である。 上述の表示素子 1を、導波路 3中の光の伝播方向に対して垂直であって、 各表示素子 1の表示面 1 aが同一面上にあるように複数並べることで、 表示装置 1 0 0を構成することができる。図 2に示しているように、実施 の形態 1の表示装置 1 0 0において、表示素子 1の導波路 3は、画面の列 方向（X方向） に n列並んで配置されている。なお、 nは自然数である。 各導波路 3の端部には、 それぞれ光源 2が配置されていて、 各導波路 3 には、ァクチユエ一夕 4が導波路 3の伸びている方向である行方向（Y方 向） に、 m行分配置されている。 この表示装置 1 0 0の画素数は、 n X m個である。

実施の形態 1の表示装置 1 0 0は、線順次にァクチユエ一夕 4を動作 させて導波路 3の側面を変形させ、 全反射により導波路 3中を伝わる光 の反射する方向を変えることにより光を導波路 3内から取り出し、 表示 面 1 aから出射させる。

このような構成の表示装置 1 0 0は、表示画面（X Y面） の列方向に伸 びた各々の導波路 3に対応する光源 2である 3色 L E Dの各色チップへ の印加電圧を、 電極膜 4 bと電極膜 4 cとで取り出しを選択した行と交 差する画素の色、 輝度情報に基づいて制御することにより、 任意の画像 を表示することができる。

実施の形態 1の表示装置 1 0 0の構成を示すブロック図を図 3に示し- ている。 図 3は、 表示装置 1 0 0を実際に作動させるための具体的な構 造である。 表示装置 1 0 0は、 上述した以外に各光源 2を駆動させる光 源駆動回路 5 0と、 各電極膜 4 bおよび 4 cに電圧を印加してァクチュ エー夕 4を動作させるァクチユエ一夕駆動回路 5 1と、 これらの回路を 同期させて、 信号を入力し画像を表示させる制御回路 5 2とを備えてい る。 制御回路 5 2は、 ァクチユエ一夕駆動回路 5 1で選択した行の画素 の R G B各色の輝度情報を、 光源駆動回路 5 0のドライバー L S Iに入 力し、 光源駆動回路 5 0は輝度情報に応じた印加電圧を光源 2に入力す ることで、 フルカラーの画像表示が可能となる。

光源 2として、 3色 L E Dを用いたので、 1本の導波路 3に 3色の光 を入射させることができる。 それにより、 1つの表示素子 1つまり、 1 行で 3色の光を表示することができる。 液晶や P D Pなどの従来の表示 装置では、 画素は R G Bの 3原色のサブピクセル 3つから構成されてい た。 しかし、 実施の形態 1の導波路 3を用いた表示装置では、 列方向に 伸びた導波路 3は必ずしも色毎に分ける必要はなく、 1本の導波路 3に 3原色を入射することができるので、 導波路 3 (表示素子 1 ) の数を減 らすことができ、 コスト低減の効果がある。

表示装置 1 0 0の各表示素子 1において、 ァクチユエ一夕 4に ± 3 0 Vの電圧を順次印加していくことで、 面状に均一な明るい表示が確認で きた。 従来のエバネッセント波により光を取り出す構成では、 クリーン ルームでも多数存在するサブミクロンサイズの埃の影響などで、 導波路 と光取り出し面の距離をゼロにすることはできなかった。 そのため、 か なりの圧力で導波路に光取り出し面を押し付けても、 高い取り出し効率 を得ることは容易でなかった。

しかし、 実施の形態 1の表示装置 1 0 0の各表示素子 1では柔らかい 導波路を用いることにより、 小さな外力で導波路の変形を生じさせて、 導波路中を伝播する光の反射方向を変えることにより、 光を取り出す。 そのため、 エバネッセント波を取り出すよりも、 高い取り出し効率を得 ることができた。

また、 ァクチユエ一夕 4に圧電素子を用いているので、 高速動作が可 能である。 そのため、 高速の走査が可能であり、 高精細の画像表示にも 対応できる。

(実施の形態 2 )

本発明の実施の形態 2に係る表示素子 1 1について、図 4を用いて説 明する。 実施の形態 2の表示素子 1 1と、 実施の形態 1の表示素子 1と は、 ァクチユエ一夕が異なる。 それ以外の構成は略同一であるので、 同 一の機能を有する部材には同一符号を付し、 説明を省略する。

図 4に示しているように、実施の形態 2の表示素子 1 1は、 光源 2と、 光源 2から出射された光を伝播させる導波路 3と、 導波路 3を変形させ るァクチユエ一夕 1 4とを備えている。 光源 2および導波路 3は、 実施 の形態 1の表示素子 1と同一である。 光源 2は例えば 3色 L E Dであつ て、光源 2から出射された光は導波路 3を伝播する。導波路 3は、 コア 3 aとクラッド 3 bを備えていて、クラッド 3 bの反対側は、コア 3 aが露 出しているいので、 空気がクラッドとなる。 なお、 実施の形態 2におい ては、コア 3 aはシリコーンゲル材料からなる厚み 1 0 0 mの平板と し、 クラッド 3 bは透明フッ素系樹脂とし、 膜厚 5 / mとした。

ァクチユエ一夕 1 4は、 導波路 3側面に設置された電極膜 1 4 aと、 電極膜 1 4 aに塗布された例えば厚さ 0 . 1 mのポリカーボネートの 絶縁薄膜 1 4 bと、 絶縁薄膜 1 4 bと対向して設置された厚さ 0 . 1 5 mmの P E Tフィルムからなる基板 1 4 dと、 基板 1 4 d上の絶縁薄膜 1 4 b側に形成された凹凸形状を有する外部電極膜 1 4 cとを有する。 凹凸形状を有する外部電極膜 1 4— cは、 基板 1 4 d上に複数あり、 外部 電極膜 1 4 cごとに 1つのァクチユエ一夕 1 4が構成されている。 電極 膜 1 4 aは、 導波路 3 (クラッド 3 b ) 全面に形成され、 各ァクチユエ —夕 1 4に対して共通である。

上記導波路 3とァクチユエ一夕 1 4の作製方法は、 例えば、 コア 3 a にクラッド 3 bをコートし、 さらに、 クラッド 3 b表面にスクリーン印 刷で例えば銀ペーストを塗布して電極膜 1 4 aを形成する。 さらに電極 膜 1 4 a上にポリ力一ポネートを塗布して絶縁薄膜 1 4 bを形成する。 また、厚さ 0 . 1 5 mmの P E Tフィルムからなる基板 1 4 dの表面に、 鋸歯状の凹凸部 1 4 eをストライプ状にプレス成形により形成する。 凹 凸部 1 4 eは、 例えば、 断面が深さが 3 mで、 ピッチが 3 0 mとす る。 この凹凸部 1 4 e上にアルミ蒸着を施し、 例えば、 アルミである外 部電極膜 1 4 cを形成した。 最後に、 この基板 1 4 dと導波路 3とが対 向するように配置した。

このような構成の表示素子 1 1の動作について説明する。

電極膜 1 4 aと電極膜 1 4 bとの間に電圧を印加しない場合、 図 4に 示した表示素子 1 1の両端部のように、 凹凸形状の外部電極膜 1 4じの 凸部と絶縁薄膜 1 4 dとが接しているだけである。 そのため、 導波路 3 の側面は平面である。 しかし、 電極膜 1 4 aと外部電極膜 1 4 cとの間 に電圧を印加することで、 これらの間に静電力が生じ、 お互いに吸引し 合う。 それにより、 図 4に示した表示素子 1 1の中央部のように、 電極 膜 1 4 aと外部電極膜 1 4 cとがくつっき合い、 電極膜 1 4 aが外部電 極膜 1 4 cと同様な凹凸形状に変形する。 また、 電極膜 1 4 aは、 導波 路 3と密着しているので、 クラッド 3 bおよびコア 3 aの表面が外部電 極膜 1 4 cと同様な凹凸形状に変形する。 つまり、 導波路 3の側面が変 形する。 なお、 コア 3 aは特に柔らかいので大きく変形する。 これによ り'、 導波路 3中を全反射しながら伝播じている光を、 導波路 3の側面か- ら外部に取り出すことができる。 導波路 3中をコア 3 aの表面で全反射 しながら伝播している光 1 2 cを、 導波路 3の一方の側面を変形させる ことで、 実施の形態 1と同様に、 導波路 3の他方の側面から外部に漏ら すことができる。

つまり、 コア 3 a表面の所望の個所が凹凸形状に変形すると、 導波路 3中を伝播してきた光のうち例えば、 一点鎖線で表した光 1 2 cは、 コ ァ 3 a表面の角度が変化しているため、 全反射したのち導波路 3の側面 (導波路 3のァクチユエ一夕 4が設置されていない側） から導波路 3外 部に出射される。 また、 例えば、 コア 3 aおよびクラッド 3 bを透過し て、 銀である電極膜 1 4 aで反射することにより、 散乱反射して導波路 3の側面導波路 3外部に出射される光もある。

このようにして、 電圧の印加を制御し、 導波路 3に入射する光源 2か らの出射光の色を制御することで、 表示素子 1の導波路 3の側面 （表示 面 l a ) から所望位置および所望の色の光を取り出して、 表示すること ができる。

実際に、 3色 L E Dの光源 2から光を導波路 3に入射し、 電極膜 1 4 aと外部電極膜 1 4 cとの間に選択電圧として + 1 0ポルトを印加し、 非選択個所には 0ポルトを印加して、 線順次走査を行うと、 導波路 3の 側面 （表示面 l a ) から均一で明るい表示が得られた。 低電圧でも、 光 源 2の入射光をほぼ完全に外部で取り出すことが可能となり、 電力効率 の高い表示素子 1を実現できた。

図 4の表示素子 1 1を、 図 2に示したように、 導波路 3中の光の伝播 方向に対して垂直であって、 各表示素子 1 1の表示面 1 aが同一面上に あるように複数並べることで、表示装置 1 0 0と同様に、表示装置を構成 することができる。 表示素子 1 1を画面の列方向に n列並べて配置し、 ァクチユエ一夕 1 4が導波路 3の伸びている方向 （行方向）-に、 m行分 配置されている場合の画素数は、 n X m個である。

導波路 3の側面 （表示面 l a ) から取り出して、 画像表示を行う方法 は、実施の形態 1の表示装置 1 0 0と同様であるので、説明を省略する。 実施の形態 1の表示装置と実施の形態 2の表示装置とは、 ァクチユエ一 夕の構造が異なるだけで、 他の構造はほぼ同一である。

また、 実施の形態 2の表示装置を実際に作動させるためには、 図 3に 示しているように、 各光源 2を駆動させる光源駆動回路 5 0と、 各電極 膜 1 4 aおよび 1 4 cに電圧を印加してァクチユエ一夕 1 4を動作させ るァクチユエ一夕駆動回路 5 1と、 これらの回路を同期させて、 信号を 入力し画像を表示させる制御回路 5 2とを備えればよい。

従来の X Yマトリクス型平面表示素子は、 行電極と列電極間に光変調 媒体を挟む為に、 クロストーク現象が発生したりして大型化しにくかつ た。 しかし、 実施の形態 1および 2の表示装置では、 行側、 及び列側の 駆動回路に電気的な繋がりがないので、 クロストーク現象は本質的に発 生せず、 しかも構成が簡易なため、 大型化が容易である。 しかも、 高温 プロセスが必要な I T Oを特に設ける必要がなく、 簡易な構造であるた め、フィルムのような薄いフレキシブルな表示装置を実現できる。また、 光源として L E Dのような発光効率の高いものを用いたので、 高い光取 り出し効率を、 低電力のァクチユエ一夕で実現できるため、 消費電力も 低くすることが可能である。

以上のように、 実施の形態 1および 2の表示素子および表示装置は、 柔らかい導波路を用いることにより、 壁に掛けるまたは貼れるような大 画面、 薄型で、 かつ発光効率の高い低消費電力の画期的なディスプレイ を実現することができる。

なお、 実施の形態 1および 2では、 導波路 3のコア 3 aをシリコーン —ゲルとじた例を記載したが、 容易に変形する、 いわゆるゴム状弾性を示 す透明な素材、 例えば、 ウレタン系などのゴムでも同様に効果がある。 コア 3 aとしては、 ヤング率で 1 0 ⁶ N /m ²台より小さい素材がよい。 また、 実施の形態 1および 2では、 コア 3 a全体を同一の素材で構成 したが、導波路 3のコア 3 a表面が変形しやすければよいので、例えば、 導波路 3の表側を通常のプラスチックなどの硬い素材で構成し、 変形す る個所にのみ柔らかい層を設ける積層構造としてもよい。 また、 クラッ ド 3 bを設けずコア 3 aのみで構成し、 両側のクラッドが空気である導 波路 3を用いてもよい。 また、 ハンドリングしやすいようにコア 3 aの 両面にクラッドが設けられた導波路 3としてもよい。

なお、 実施の形態 1および 2では、 導波路 3は列数分だけ並置し、 多 数の 3色 L E Dである光源 2を並べた単純マトリクス型の表示装置を示 したが、 光源の種類ゃァクチユエ一夕の種類、 あるいはこれらの配置な どの構成はこれらに限定されるわけではない。 柔らかい導波路 3を変形 させることにより低電力で高い取り出し効率を得ることができる構成で あればよい。 例えば、 導波路 3を 1枚の平板にし、 光源 2を 1つにし、 ァクチユエ一夕 4または 1 4を画素数分だけ XYのマトリクス配置にす る構成でもよい。 この場合、 ァクチユエ一夕 4または 1 4を駆動するァ クティブ素子を各ァクチユエ一夕に付加して、 画素毎に駆動し、 コアが 変形する時間を制御して階調表現すればよい。ァクティブ素子としては、 TFT (Th i n F l a t T r a n s i s t o r、 薄膜トランジス 夕） や TFD (Th i n F l a t D i o d e、 薄膜ダイオード） を 用いればよい。

実施の形態 1および 2の表示素子および表示装置によれば、 導波路 3 中を伝播する光を導波路の側面から取り出す方式の表示素子および表示 装置において、 光取り出し効率を向上させて、 低消費電力化、 高輝度化 が可能になり、 また表示の均一性が改善される。 また、 1 0 0インチを 超えるような大画面でもモパイル向けの小型の画面でも、 画面サイズに よらずシート状の薄型の表示装置が実現できる。

(実施の形態 3)

本発明の実施の形態 3に係る表示素子について図 5を用いて説明する。 図 5は実施の形態 3に係る表示素子 2 1の構成を示す断面図である。 図 5に示しているように、 表示素子 2 1は、 光源 2 2と、 導波路 2 3と、 導波路 2 3に対向する対向電極膜 2 5と、 導波路 2 3近傍に配置された 微粒子 2 6とを備えている。

導波路 2 3は、 光が伝播するコア 2 3 aと、 クラッド 2 3 bと、 導波 路電極膜 2 3 cとを備えている。 コア 2 3 aには、 例えば素材として非 常に柔らかい素材であるアクリル樹脂からなる 1 0 0 m厚のシートを 用いている。 また、 コア 2 3 aの片方の表面には、 クラッド 2 3 bとし て屈折率の低い透明なフッ素系ポリマ一を 1 0 Tx mの厚みでコートして いる。 導波路電極膜 2 3 cは、 I T Oであり、 コア 2 3 aのクラッド 2 3 bとは反対側の面に粘着剤で直接貼付されている。クラッド 2 3 bは、 コア 2 3 aの片面にしか設置されておらず、 逆の面には、 導波路電極膜 2 3 cが複数設置されている。 導波路電極膜 2 3 cは I T Oであり、 導 波路 2 3が伸びている方向に沿って複数形成されている。 導波路電極膜 2 3 cの、 導波路 2 3中の光の伝播方向における長さ Wは、 例えば、 3 0 0 / mである。 クラッド 2 3 bの反対側のクラッドは空気である。 ま た、 導波路電極膜 2 3 cは、 コアの一部であり、 導波路 2 3中を伝播す る光は、 導波路電極膜 2 3 cと空気との界面でも全反射する。 なお、 ク ラッド 2 3 bを設けない構造でもよい。

光源 2 2は導波路 2 3の端部に設置されていて、 光源 2 2から出射さ れた光が導波路 2 3に結合するような向きに、 光源 2 2は設置されてい る。 導波路 2 3の入射個所にプリズム 2 2 aを設置じ、 光学的に結合さ せることが好ましい。 なお、 光源 2 2は、 実施の形態 1の光源 2と同様 とすればよく、 例えば、 3色 L E Dを用いることが好ましい。

光源 2 2としては指向性が高いものが、 導波路 2 3から効率よく光を 取り出すことができるために好ましい。 導波路 2 3において、 コア 2 3 aと空気との界面での全反射角は、約 6 0。 である。図 5の断面図には、 導波路 2 3での光の伝播の様子が概念的に示されている。

光源 2 2から出射された破線で表した光 2 2 bの導波路 2 3への入射 角 （表示面 2 1 aの法線に対する角度） が、 実施の形態 3における臨界 角である 4 1 . 8 ° より小さいと、 光 2 2 bは導波路 2 3から洩れてし まう。 逆に、 一点鎖線で表した光 2 2 cのように、 臨界角 4 1 . 8 ° よ り入射角が大きくなりすぎると、 光 2 2 cの進路が導波路 2 3と平行に 近づく。 それにより、 コア 2 3 aおよび導波路電極膜 2 3 c中で全反射 を繰り返し、 その全反射個所同士の間隔が非常に大きくなり、 光を取り 出したい個所を飛び越してしまい、 効率の低下および輝度ムラの発生を 招く。 また、 特開平 7— 2 8 7 1 7 6号公報の図 3にも記載されている ように、 エバネッセント波の取り出し率が小さくなり効率が低下する。 これらの理由から、 光源 2 2から出射される光の導波路 2 3への入射角 は臨界角 4 1. 8 ° より大きいが、 なるべく臨界角 4 1. 8 ° に近い角 度がよく、 指向性の高い光源 2 2が好ましい。 例えば、 光源 2 2が L E Dの場合は、 モールドするレンズの形状によって指向性を変えることが できるので好ましい。 そこで、 実施の形態 3では、 出射光角度分布の半 値幅を約 1 0 ° とした 3色 LEDを光源 2 2を用いている。

なお、 光源 2 2としては、 LED以外では、 有機 ELパネルにマイク 口レンズアレイを付ける事で指向性を上げものを用いてもよいし、 半導 体レーザを用いることも可能である。 光源 2 2を 3色 L EDとすること で、— 1本の導波路 2 3に 3色の光を入射させやすくなる。 · 液晶や PD P などの従来のディスプレイでは、 画素は RGBの 3原色のサブピクセル 3つから構成されていたが、 このようにすることで、 列方向に伸びた導 波路 2 3は必ずしも色毎に分ける必要はなく、 1本の導波路 2 3に 3原 色を入射すれば導波路 2 3の数を減らすことができ、 コスト低減の効果 がある。

対向電極膜 24は導波路 2 3に対向するように設置されている。 例え ば対向電極膜 24は I TOであり、 アクリル樹脂の基板 2 5上に成膜さ れている。導波路電極膜 2 3 cと対向電極膜 24との間隔は、例えば 3 5 mとする。

導波路 2 3近傍には、 微粒子 2 6が配置されている。 微粒子 2 6は、 導波路電極膜 2 3 cと対向電極膜 24との間に位置し、 アクリル樹脂か らなり、 帯電している。 微粒子 2 6の平均粒子径は、 例えば、 6 ^mで ある。 導波路電極膜 2 3 cと対向電極膜 2 4との間の空間に、 充填率が 2 0 %となるように微粒子 2 6が充填されている。 なお、 充填率とは、 単位体積当たりの微粒子の占有する体積の比である。 微粒子 2 6の占有 する体積は、 微粒子 2 6の平均粒子径から求めた微粒子一個当たりの体 5 積に、 単位体積当たりの微粒子 2 6の個数を乗じることで求めることが できる。

例えば、 選択する導波路電極膜 2 3 cを負とし、 対向電極膜 2 4が正 となるように 7 0 Vの電圧を印加したところ、 微粒子 2 6は導波路電極 膜 2 3 c表面に接触する。 それにより、 微粒子 2 6と導波路 2 3とが一0 体化されることになる。 つまり、 微粒子 2 6が導波路 2 3側面の一部と なり、 導波路 2 3における導波路電極膜 2 3 c側の側面の形状が変化す ることになる。

導波路 2 3には、 光源 2 2から出射された所望の色の光が伝播してい - — る。 ここで、 導波路電極膜 2 3 cおよび対向電極膜 2 4 、…電圧を選択'5 的に印加することで、 導波路 2 3の導波路電極膜 2 3 c側の側面の形状 が微粒子 2 6により変化する。 導波路 2 3の形状が変化することで、 伝 播状態が変化し、 導波路 2 3中を伝播してきた光が、 導波路 2 3の導波 路側面から外部に漏れ出る。 微粒子 2 6の屈折率は、 コア 2 3 aもしく はクラッド 2 3 bの屈折率の近傍とすることで、 微粒子 2 6から外部に0 光を取り出すことができる。 例えば、 微粒子 2 6の屈折率は、 コア 2 3 aの屈折率とほぼ等しくなるのが望ましい。

このように、 微粒子 2 6と導波路電極膜 2 3 cとの接触部分から光が 漏れるので、 アクリル樹脂の基板 2 5方向に光を取り出すことができる ので、 基板 2 5を表示画面とすることができる。

5 一方、 電界が逆、 すなわち導波路電極膜 2 3 cが正で、 対向電極膜 2 4が負となるように 7 0 Vの電圧を印加すると、 微粒子 2 6は導波路電 極膜 2 3 cから離れる。 そのため、 導波路 2 3中を伝播している光は漏 光として取り出すことができず、そのまま導波路 2 3中を導波するので、 表示はされない。

このように、 個々の微粒子 2 6が導波路電極膜 2 3 cと接触すること により光が導波路 2 3の側面から取り出されるので、接触面積が小さく、 従来の平板状の圧電素子のように面内全体での接触が不必要となる。 そ のため、 より均一で小さい圧力を導波路 2 3に与えることができ、 さら にその圧力は静電気的に与えられていて、 制御が可能である。 なお、 上 述の説明では、 帯電した微粒子 2 6を用いたが、 他にも、 磁性を有する 微粒子を用いて、 対向電極膜 2 4と導波路電極膜 2 3 cとの間において 磁界を制御することで、 微粒子 2 6の導波路 2 3表面への接触および非 接触を制御してもよい。

また、 微粒子 2 6として、 蛍光色素であるローダミンを含むアクリル ― — 樹脂からなる微粒子 2 6を—用いてもよい。 この際、 光源 2 2として、 - 波 長 5 2 0 n mの光を出射する緑色 L E Dを用いて、 導波路 2 3の側面か らの取り出された光は、 波長 5 8 0 n mのオレンジ光であることが観測 された。 このように、 蛍光色素や蛍光体を含有する微粒子 2 6と、 これ らの蛍光色素や蛍光体の励起波長に対応する L E D光源 2 2とを選択し て用いることにより、 様々な波長の光を取り出すことができる。 また、0 光源 2 2として紫外光 L E Dを用い、 P D Pで用いられている蛍光体を 微粒子 2 6として用いることにより、単色の L E Dを光源 2 2としても、 R G Bを表示することが可能である。

図 6を用いて、実施の形態 3に係る表示装置 3 0 0について説明する。 図 6は、実施の形態 3に係る表示装置 3 0 0の構成を示す斜視図である。

5 上述の表示素子 2 1を、 導波路 2 3中の光の伝播方向に対して垂直であ るように複数並べることで、表示装置 3 0 0を構成することができる。図 6に示しているように、実施の形態 3の表示装置 3 0 0において、表示素 子 2 1の導波路 2 3は、 画面の列方向 （X方向） に n列並んで配置され ている。 なお、 nは自然数である。 導波路 2 3の端部には、 それぞれ光 源 2 2が配置されている。導波路 2 3の側面には、導波路電極膜 2 3 じが 導波路 2 3の伸びている行方向 （Y方向） に、 m行分配置されている。 各表示素子 2 1の対向電極膜 2 4は共通とし、 すべての表示素子 2 4の 導波路 2 3を覆うように設置されている。 また、 導波路電極膜 2 3 cも 同一行については、 各導波路 2 3対して共通としその行を覆うように設 置されている。 この表示装置 3 0 0の画素数は、 n X m個である。

実施の形態 3の表示装置 3 0 0は、線順次に導波路電極膜 2 3 cと対 向電極膜 2 4との間に印加する電圧を制御することで導波路電極膜 2 3 cに微粒子 2 6を接触または非接触させて、 全反射により導波路 2 3中 を伝播する光を導波路 2 3の側面から取り出し、 対向電極膜 2 4方向へ 出射させる。 - このような構成の表示装置 3 0 0は、表示画面（X Y面）の列方向に伸 びた各々の導波路 2 3に対応する 3色 L E Dの各色チップへの印加電圧 を、 導波路電極膜 2 3 cと対向電極膜 2 4とで取り出しを選択した行と 交差する画素の色、 輝度情報に基づいて制御することにより、 任意の画 像を表示することができる。

実施の形態 3の表示装置 3 0 0の構成を示すブロック図を図 7に示し ている。 図 7は、 表示装置 3 0 0を実際に作動させるための具体的な構 造である。 表示装置 3 0 0は、 上述した以外に各光源 2 2を駆動させる 光源駆動回路 6 0と、 導波路電極膜 2 3 cおよび対向電極膜 2 4に電圧 を印加して微粒子 2 6を導波路電極膜 2 3 cに接触あるいは非接触させ る微粒子駆動回路 6 1と、 これらの回路を同期させて、 信号を入力し画 像を表示させる制御回路 6 2とを備えている。 制御回路 6 2は、 微粒子 駆動回路 6 1で選択した行の画素の RGB各色の輝度情報を、 光源駆動 回路 6 0のドライバー L S Iに入力し、 光源駆動回路 6 0は輝度情報に 応じた印加電圧を光源 2 2に入力することで、 フルカラーの画像表示が 可能となる。

光源 2 2として、 3色 LEDを用いたので、 1本の導波路 3 3に 3色 の光を入射させることができる。 それにより、 1つの表示素子 2 1つま り、 1行で 3色の光を表示することができる。 液晶や P DPなどの従来 の表示装置では、 画素は RGBの 3原色のサブピクセル 3つから構成さ れていた。 しかし、 実施の形態 3の導波路 2 3を用いた表示装置では、 列方向に伸びた導波路 3は必ずしも色毎に分ける必要はなく、 1本の導 波路 2 3に 3原色を入射することができるので、 導波路 2 3 (表示素子 2 1) の数を減らすことができ、 コスト低減の効果がある。

(実施の形態 4)

—本発明の実施の形態 4に係る表示素子 3 1について図 8を用いて説明 - する。 実施の形態 4に係る表示素子 3 1は実施の形態 3に係る表示素子 2 1の導波路 2 3の導波路電極膜 2 3 c設置側表面に、 表面張力が比較 的大きな塗布材料 3 7が塗布されている構成である。 塗布材料 3 7の表 面張力は、具体的には、 5 OmNZm以上が望ましい。塗布材料 3 7は、 コア 2 3 aおよび導波路電極膜 2 3 cを覆っていて、 塗布材料 3 7は、 コアの一部であり、 導波路 2 3中を伝播する光は、 塗布材料 3 7と空気 との界面でも全反射する。 塗布材料 3 7以外の部材は同一の機能を示す ので同一の符号を付し、 説明を省略する。

塗布材料 3 7は、 例えば、 グリセリンであって、 表面張力は、 6 3.

4mNZmであり、 厚さが例えば 2 m程度になるように塗布されてい る。 また、 微粒子 2 6には表面張力の小さい材料を用いることが好まし い。 微粒子 2 6の表面張力は、 具体的には、 3 0mNZm以下が望まし い。

例えば、 テフロン （登録商標） （表面張力は、 1 8 . 4 m N /m) から なる微粒子 2 6を用いて実際に表示素子 3 1を形成した。 微粒子 2 6の 平均粒子径は 6 mとし、 導波路電極膜 2 3 cと対向電極膜 2 4と間の 空間の微粒子 2 6の充填率を 2 0 %とした。 選択する行の導波路電極膜

2 3 cが負であり、 対向電極膜 2 4が正となるように 5 0 V電圧を印加 した。 それにより、 微粒子 2 6が導波路電極膜 2 3 c表面に接触し、 接 触部分からの漏光が基板 2 5方向に取り出される。 一方、 電界が逆、 す なわち導波路電極膜 2 3 cが正であり、 対向電極膜 2 4が負となるよう に 5 0 V電圧を印加する。 それにより、 微粒子 2 6が導波路電極膜 2 3 cの表面から離れるため、 光源 2 2から導波路 2 3中を伝播している光 を漏光として取り出すことができない。 この際に、 実施の形態 4の表示 素子 3 1においては、 少ない電圧で、 表示または非表示の切り替えがで ― きる。…これは、 塗布材料 3 7である-グリセリンの表面張力が微粒子 2 6 であるテフロン（登録商標）の表面張力に比べて充分大きいためである。 それにより、 微粒子 2 6と塗布材料 3 7との接触面での所謂弾きが大き くなる。 弾きとは、 微粒子 2 6の表面に塗布材料 3 7が広がらずに、 弹 かれる物理現象である。 つまり、 微粒子 2 6と塗布材料 3 7との弾きが 大きいほうが、 微粒子 2 6と導波路電極膜 2 3 cとの接触における反発 が大きい。 そのために、 微粒子 2 6が導波路電極膜 2 3 cから離れやす い。 したがって、 低い電圧で、 微粒子 2 6と導波路電極膜 2 3との接触 および非接触を制御することができる。

このように、 微粒子 2 6とは表面張力の異なる塗布材料 3 7をコア 2

3 a表面および導波路電極膜 2 3 cに設けたことにより、 微粒子 2 6の 接触制御に必要な電圧を低下させることができた。 なお、 微粒子 2 6の 表面張力は導波路 2 3 (導波路電極膜 2 3 c ) 表面の表面張力と異なれ ばよい。 しかし、 微粒子 2 6の表面張力が導波路 2 3表面の表面張力よ りも小さい構成が一般的である。

図 8の表示素子 3 1を、 図 6に示したように、 導波路 2 3中の光の伝 播方向に対して垂直であって、 各表示素子 3 1の表示面 2 1 aが同一面 上にあるように複数並べることで、表示装置 3 0 0と同様に、表示装置を 構成することができる。 表示素子 3 1を画面の列方向に n列並べて配置 し、導波路電極膜 2 3 cが導波路 3の伸びている方向 （行方向） に、 m行 分配置されている場合の画素数は、 n X m個である。

導波路 2 3の側面 （表示面 2 1 a ) から所望の光を取り出して、 画像 表示を行う方法は、 実施の形態 3の表示装置 3 0 0と同様であるので、 説明を省略する。 実施の形態 4の表示装置と実施の形態 5の表示装置と の異なる点は、導波路 2 3表面に塗布材料 3 7を設置している点であり、 他の構造は略同一である。

また、 実施の形態— 4の表示装置を実際に作動させるためには Γ図 7に - 示しているように、 各光源 2 2を駆動させる光源駆動回路 6 0と、 導波 路電極膜 2 3 cおよび対向電極膜 2 4に電圧を印加して微粒子 2 6を導 波路電極膜 2 3 cに接触あるいは非接触させる微粒子駆動回路 6 1と、 これらの回路を同期させて、 信号を入力し画像を表示させる制御回路 6 2とを備えればよい。

実施の形態 3および 4の表示装置では、 列方向に伸びた各々の導波路 2 3に対応する光源 2 2である 3色 L E Dの各色チップへの印加電圧を、 導波路電極膜 2 3 cおよび対向電極膜 2 4で選択した行と交差する画素 の色、 輝度情報に基づいて制御することにより、 任意の画像を表示して いた。 しかし、 光源の種類や配置などの構成はこれらに限定されるわけ ではない。 例えば、 導波路電極膜 2 3 cおよび対向電極膜 2 4を画素数 分だけ X Yのマトリクス配置にする構成でもよい。 この場合は、 ァクテ イブ素子を、 導波路電極膜 2 3 cおよび対向電極膜 24に接続し、 画素 毎に駆動するようにすればよい。 アクティブ素子としては、 例えば、 T 丁ゃ丁 0を用ぃればょぃ。

実施の形態 3および 4に係る表示素子および表示装置によれば、 導波 路の端面から光を導入し、 光導波路コア表面光を取り出す方式の表示装 置において、 微粒子の接触を制御することにより、 光取り出し効率を向 上させて、 低消費電力化、 高輝度化が可能になる。 また、 表示の均一性 が改善される。 実施の形態 3および 4により、 1 0 0インチを超えるよ うな大画面でもモパイル向けの小型の画面でも、 画面サイズによらずシ ート状の薄型の表示装置が実現できる。

本発明者は、 従来構成として、 前述の 「X. Z h o u, E. Gu 1 a r i、 "W a v e g u i d e P a n e l D i s p l a y U s i n g E l e c t r ome c h a n i c a l S a t i a 1 M o d u 1 a t σ r s "、 S I D 9 8 D I G- E S T、 1 0 -2 2頁〜 1 0 2 5頁、 1 9 9 8年」 と同様の構成で導波路から光を取り出す表示装置を作成し た。 しかし、 導波路の厚みが従来のように画素の幅（光の伝播方向の幅） より厚い構成では、 輝度が低く、 厚みを薄くするほど明るさが増すこと に気が付いた。

この理由は上述の、 コアと空気との界面で伝播光が全反射を繰り返す 導波路において、 全反射個所同士の距離が、 導波路の厚みに依存してい るからである。 例えば反射角 4 5 ° で全反射する場合で全反射個所同士 の距離は、 導波路の厚みの 2倍になる。 そのため、 少なくとも導波路の 厚みを、 光の伝播方向の画素の幅の 1 2以下にしなければならない。 こうしないと、 全反射個所同士の距離が画素の幅より大きくなつて、 反 射光が画素を飛び越えてしまい、 導波路側面から取り出すことができな い。 したがって、 実施の形態 1〜4の表示素子における導波路の厚みは画 素の幅の 1 / 2以下にするのが取り出し効率の点から好ましく、 さらに は入射光の角度分布を考慮すると、 さらに薄い方が望ましい。 なお、 具 体的には、画素の幅とは、実施の形態 1および 2の表示素子においては、 図 1および 2の電極 4および 1 4の導波路 3の長手方向の長さであり、 実施の形態 3および 4においては、 図 5および 6の導波路電極膜 2 3 c 導波路 2 3の長手方向の長さである。

例えば、 導波路 3および 2 3の厚さを、 画素の幅の 1 Z 4以下にする と、 反射角 6 0 ° 以下の光をも取り出せるようになる。 このような導波 路に、 指向性の高い L E Dの光を入射すれば、 入射光をほぼ完全に取り 出すことができる。 一方、 導波路 3および 2 3の厚みが薄すぎると、 導 波路 3および 2 3で伝播できる光の角度が限定されるシングルモードに 近づいてしまう。 そのため、 伝達できる光量が減少する。 さらに、 導波 路 3および 2 3の厚みが薄すぎ—ると、 光を入射じに-くくなることから、 導波路 3および 2 3の厚みは少なくとも 3 0 m以上であることが望ま しい。

なお、 実施の形態 1〜4の表示素子の光源 2、 2 2は、 例えば、 3色 レ一ザ （R G B ) としてもよい。 産業上の利用可能性

本発明の表示素子および表示装置は、 大画面でもモパイル向けの小型 画面でも、画面サイズによらずシート状の薄型の表示装置に用いられる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 光源と、 前記光源から出射された光を伝播させる導波路とを備え、 導波路中を伝播している光を導波路側面より外部へ取り出す表示素子で あって、

前記導波路側面の形状を変化させることで、 前記光を前記導波路側面 から前記導波路外部へ取り出すことを特徴とする表示素子。

2 .前記導波路の形状を変形させる複数のァクチユエ一夕をさらに備え、 前記ァクチユエ一夕を選択的に動作させることにより、 前記導波路側 面の形状を変化させて、 前記光を前記導波路側面から前記導波路外部へ 取り出す、 請求の範囲 1に記載の表示素子。

3 . 前記導波路は、 コアおよび前記コアの一つの側面に沿って形成され たクラッドを備え、

前記ァクチユエ一夕は、 前記クラッドに貼付されていて、

前記ァクチユエ一夕の変形により、 前記導波路側面の形状を変化させ る、 請求の範囲 2に記載の表示素子。

4 . 前記導波路の、 少なくともコアの一部が変形することで、 前記光を 導波路外部へ取り出す、 請求の範囲 3に記載の表示素子。

5 . 前記ァクチユエ一夕は、 前記導波路側面に貼付されていて、

前記ァクチユエ一夕の変形により、 前記導波路側面の形状を変化させ る、 請求の範囲 2に記載の表示素子。

6 . 前記ァクチユエ一夕は、 圧電素子を含み、

前記圧電素子に電圧を印加することにより、 前記圧電素子を変形させ て、 前記導波路側面の形状を変化させる、 請求の範囲 2に記載の表示素 子。

7 .前記ァクチユエ一夕は、前記導波路側面に設置された第 1電極膜と、 前記電極膜に積層された圧電素子と、

前記圧電素子に積層された第 2電極膜とを備え、

前記導波路側面に設置された前記第 1電極膜と前記圧電素子に積層さ れた前記第 2電極膜との間に電圧を印加することにより、 前記圧電素子 を変形させて、 前記導波路側面の形状を変化させる、 請求の範囲 4に記 載の表示素子。

8 . 前記ァクチユエ一夕は凸部を備え、

前記導波路の側面を前記凸部で押圧することにより、 前記導波路側面 の形状を変化させる、 請求の範囲 2に記載の表示素子。

9 . 前記ァクチユエ一夕は、前記導波路側面に設置された電極膜と、 前記導波路に対向して、 近接している外部電極膜とを備え、 前記外部電極膜と前記電極膜との間に電圧を印加することにより生じ る静電力により、 前記導波路側面の形状を変化させる、 請求の範囲 2に 記載の表示素子。

1 0 . 前記外部電極膜は、 前記導波路側面側に凸部を有し、 前記静電力 により、 前記外部電極膜の前記凸部が、 前記導波路側面を押圧すること で、 前記導波路の形状を変化させる、 請求の範囲 9に記載の表示素子。

1 1. 前記導波路の、 少なくともコアの一部が変形することで、 前記光 を導波路外部へ取り出す、 請求の範囲 2に記載の表示素子。

1 2. 前記導波路の少なくとも一部が弾性体からなる、 請求の範囲 2に 記載の表示素子。

1 3. 前記導波路の少なくとも一部が透明なゲルからなる、 請求の範囲 2に記載の表示素子。

1 4. 前記ァクチユエ一夕が画素ごとに形成されている、 請求の範囲 2 に記載の表示素子。

1 5. 前記導波路は、 その側面に導波路電極膜を備え、

前記導波路電極膜に対向する対向電極膜と、

前記導波路電極膜と前記対向電極膜間に配置された微粒子とを備え、 前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加することで、 前記微粒子を前記導波路電極膜に接触させて、 前記微粒子と前記導波路 とを一体化させることで、 前記導波路側面の形状を変化させて、 前記光 を前記導波路側面から前記導波路外部へ取り出す、 請求の範囲 1に記載 の表示素子。

1 6. 前記導波路の、 少なくともコアの一部が変形することで、 前記光 を導波路外部へ取り出す、 請求の範囲 1 5に記載の表示素子。

1 7. 前記微粒子は帯電している、 請求の範囲 1 5に記載の表示素子。

1 8. 前記微粒子は磁性を有している、 請求の範囲 1 5に記載の表示素 子。

1 9. 前記導波路電極膜の表面張力と前記微粒子表面の表面張力とが互 いに異なる、 請求の範囲 1 5に記載の表示素子。

20. 前記導波路電極膜には、 塗布材料が塗布されている、 請求の範囲 1 5に記載の表示素子。

2 1. 前記導波路電極膜および前記対向電極膜が、 画素ごとに設けられ ている、 請求の範囲 1 5に記載の表示素子。

22. 前記微粒子は、 蛍光性を有している、 請求の範囲 1 5に記載の表 示素子。

2 3. 前記光源は、 紫外光を発光する、 請求の範囲 22に記載の表示素 子。

24. 前記光源は、 3色 L EDまたは 3色レーザである、 請求の範囲 1 から 2 1のいずれかに記載の表示素子。

2 5. 請求の範囲 2から 14のいずれかに記載の表示素子と、

前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、

前記ァクチユエ一夕を駆動させるァクチユエ一夕駆動回路と、 前記光源駆動回路および前記ァクチユエ一夕駆動回路を制御する制御 回路とを備えたことを特徴とする表示装置。

2 6 . 請求の範囲 1 5から 2 3のいずれかに記載の表示素子と、 前記光源を駆動させる前記光源駆動回路と、

前記導波路電極膜と前記対向電極膜との間に電圧を印加する微粒子駆 動回路と、

前記光源駆動回路および微粒子駆動回路を制御する制御回路とを備え たことを特徴とする表示装置。

2 7 . 請求の範囲 1 4に記載の表示素子と、

前記各ァクチユエ一夕をそれぞれ制御するァクティブマトリクス素子 とを備えたことを特徴とする表示装置。

2 8 . 請求の範囲 2 1に記載の表示素子と、

前記各導波路電極膜と前記各対向電極膜間の電圧をそれぞれ制御する ァクティブマトリクス素子とを備えたことを特徴とする表示装置。

2 9 . 前記アクティブマトリクス素子は、 T F Tまたは T F Dである、 請求の範囲 2 7または 2 8に記載の表示装置。