JP2011013686A - 光ガイドを備えた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画質の向上を示す表示装置を提供する。
【解決手段】本発明表示装置は光ガイドと可動素子を備える。選択手段により可動素子に局部的に力を及ぼすことによって、可動素子と光ガイドとの間に光学的接触をもたらすことができる。光は光学的接触が生起する位置において表示装置から出る。選択手段により及ぼされる力をできるだけ効率よく利用する手段を講ずる。これは、力を光学的接触が生起する位置に作用させることにより及び、又は（特に圧力差、静電帯電、表面応力、ファンデルワールス力及び、又は化学的力により生ずる）付着力を低減又は除去することにより達成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ガイドと、可動素子と、前記可動素子を光ガイドと局部的に接触させる選択手段とを備える表示装置に関するものである。

頭書に記載したタイプの表示装置は特許文献１から既知である。

前記出願には、動作状態において光を発生するとともにトラップする蛍光体材料の第１プレート（従って、このプレートは光ガイドを構成する）と、第１プレートから若干離れて位置する第２プレートと、前記２つのプレート間に位置する薄膜の形態の可動素子とを備える表示装置が開示されている。第１及び第２プレート上のアドレス指定可能な電極に電圧を供給することにより、可動素子を局部的に第１プレートと接触させる、または接触を中断させることができる。透明接点液が接点表面に存在する。可動素子が第１プレートと接触する位置では、光が前記第１プレートから減結合される。これにより画像を表示することができる。可動素子が光ガイドと接触しない場合には、可動素子は第２プレートと接触する。

表示装置の適正動作のためには、光ガイドと可動素子との間の接触を正確にもたらすことができるとともに正確に中断することができることが重要である。接触を中断し得ない場合には、画素は（どちらの接触が中断し得ないかに依存して）常に発光するか、決して発光しないかの何れかとなる。これは画質に大きな悪影響を与えることが明らかである。

米国特許第４１１３３６０号明細書 国際公開第９７／３１２８８号パンフレット

本発明の目的は、画質の向上を示す頭書に記載したタイプの表示装置を提供することにある。

本発明は、この目的を達成するために、頭書に記載したタイプの表示装置において、当該表示装置は可動素子と光ガイドとの間の付着力を低減する手段を備えていることを特徴とする。

可動素子を光ガイド及び、又は第２プレートと接触させる力は変化を受け得る問題があり、これは例えば可動素子が光ガイド又は第２プレートに付着（粘着）するためである。その結果として、光ガイドと可動素子との間の接触を生起又は中断するのに必要な力を予め決定することはできない。すべての接触を中断し得る場合でも、必要な力の変化は画質の低下を生ずる。その理由は、接触が中断される瞬時は接触を中断するのに必要な力により共通に決まり、従って必要な力の変化が画素の発光期間又は非発光期間の変化を生ずるためである。

このような変化は表示画像の画質に悪影響を与える。

可動素子と光ガイドとの間の付着力の低減は可動素子と光ガイドとの間の接触を生起又は中断するのに必要な力を小さくし、変化を受けにくくするとともに良好に制御可能にする。その結果として、画質を向上させることができる。本発明の範囲内において、付着力なる語は選択手段（の設定）によりもたらされない力を意味する。

本発明表示装置の一実施例では、可動素子を排気空間内に配置することを特徴とする。排気空間とは、本願明細書では、１／１０気圧以下、好ましくは１０Ｔｏｒｒ以下の圧力の空間を意味する。

本発明のこの実施例は、可動素子の下面と光ガイドとの間に、可動素子の上側の（大気）圧力に対し低圧を発生し得るという洞察に基づくものである。可動素子の両側のこの圧力差は可動素子を光ガイドに押圧する力を可動素子に及ぼす。この力の大きさは圧力差により決まり、大気圧状態及び可動素子と光ガイドとの間の接触に従って変化し、従って制御不可能である。この実施例では、光ガイドと可動素子を排気空間内に配置するため、発生し得る圧力差が減少し、従って前記力が減少する。この実施例では、付着力を低減する手段が排気空間により構成されている。

本発明表示装置の一実施例では、可動素子は当該素子から静電荷を除去する手段を備えることを特徴とする。

本発明のこの実施例は、静電荷が可動素子上に局部的に発生し得るという洞察に基づくものである。この電荷の結果として、可動素子は制御不可能な静電力を局部的に又は全体的に受ける。静電荷の形成を除去することにより、この力が減少又は除去される。

可動素子は導電性にするとともに、一定の電位にするのが好ましい。

本発明表示装置の一実施例では、可動素子の光ガイドに面する面上に付着防止層を設けること及び，又は光ガイドの可動素子に面する面上に付着防止層を設けることを特徴とする。

この実施例は、化学的付着が可動素子と光ガイドとの間に局部的に発生し得るという洞察に基づくものである。これらの力の結果として、可動素子は制御不可能な力を局部的に又は全体的に受ける。可動素子上及び，又は光ガイド上の付着防止層を使用することにより、これらの力が減少又は除去される。付着防止層は、例えばテフロン（登録商標）層又はパリレン（ポリ−ｐ−キシレン）層とすることができる。

本発明表示装置の一実施例では、光ガイドに面する可動素子の表面及び，又は可動素子に面する光ガイドの表面が５ｎｍ以上の平均荒さ（Ｒ_ａ）を有し、且つ両表面の何れも０．１μｍを超える荒さを有しないことを特徴とする。前記両表面の粗さは２０〜１００ｎｍの範囲にするのが好ましい。両表面の粗さが５ｎｍ以下の場合には、ファンデルワールス力が前記表面間に発生する。このようなファンデルワールス力は大きい。両表面の少なくとも一方が５ｎｍ以上の荒さを示す場合には、ファンデルワールス力は著しく小さくなるか、除去される。両表面の一方が０．１μｍ以上の荒さを示す場合には、可動素子と光ガイドとの間の光学的接触が低下する。

可動素子と光ガイドとの間に液体を存在させないのが好ましい。液体は可動素子と光ガイドとの間の光学的接触を改善するが、可動素子と光ガイドとの間に（表面応力の結果として）付着力ももたらす。この付着力は、可動素子と光ガイドとの接触のし方及び液体の特性並びに圧力及び温度のような他の条件に依存する。従って、上述の付着力は変化を受ける。

一実施例では、選択手段は透明電極を備え、可動素子が光ガイドと接触するとき電極の位置で光ガイドと接触し、光を、透明電極を経て放射せしめることを特徴とする。

この実施例では、可動素子と光ガイドが電極の位置で互いに接触する。この実施例は、接触が電極の隣で起る表示装置に比較して、光放射が生ずる位置に接触を生起させる力が大きくなるとともに一層良好に制御可能になる利点を有する。

上述の各実施例において、可動素子は光ガイドと他の素子との間に配置し、選択手段は可動素子を光ガイドの方向に動かす力及び可動素子を他の素子の方向に動かす力を局部的に発生する手段を備えるものとするのが好ましい。この実施例は、反発力（可動素子を光ガイドから押し戻す力）が可動素子の弾性力により形成される実施例と比較して、弾性力が可動素子の弾性特性に依存し、これらの弾性特性が、例えば厚さ、材料、温度等の差の結果として変化を示し得る利点を有する。

本発明の表示装置は上述の種々の実施例の１つ、好ましくは２つ以上の特徴を備えることができる。

本発明の表示装置の断面図である。 図１に示す表示装置の細部を示す。 図１に示す表示装置の実施例の他の細部を示す。 図１に示す表示装置の実施例の他の細部を示す。 図１に示す表示装置の平面図である。 付着防止層を用いる本発明の表示装置の一実施例を示す。 本発明の表示装置の一実施例を示す。 本発明の表示装置の一実施例を示す。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴は以下に図面を参照して記載する実施例を参照すると明らかになる。

これらの図は略図であって、一定の寸法比で描いてない。また、総じて、同様の部分は同一の参照番号で示す。

図１は本発明による表示装置１を略図示したものである。この表示装置は光ガイド２と、可動素子３と、第２プレート４とを備える。電極系５及び６が光ガイド２及び第２プレート４の可動素子３に面する面上にそれぞれ配置されている。動作中に電極５、６と可動素子３に電圧差を供給することにより電極５、６と可動素子３との間に電位差を局部的に発生させることによって、可動素子を光ガイドに押圧する又は光ガイドから離れた位置に保持する力が可動素子に局部的に及ぼされる。この表示装置はカバー素子７を備え、このカバー素子は光ガイド２と気密に連結され、排気空間８を形成する。この表示装置は更に光源９を備える。

図２は可動素子３がどのように光ガイド２と接触するかを示す。この状態では、光の一部分が可動素子に入射する。この可動素子は光を拡散させるため、光は表示装置から出て行く。光は両側から又は片側から出ることができる。光を可動素子から射出させるために、可動素子は散乱中心が混合された材料（例えばポリマ）の層、以後「マトリクス層」ともいう、を備えるものとするのが好ましい。このような散乱中心はマトリクス層の材料と異なる材料の粒子により形成することができ。またマトリクス層内の泡（気泡）により形成することができる。可動素子に入射する光は散乱中心により散乱される。

図２では、これが矢印で示されている。マトリクス層の厚さは０．５−５μｍが好適であり、１−３μｍが最も好適である。マトリクス材料の質量は１−５ｇｒ／ｃｃの範囲内にするのが好ましい。散乱粒子は例えばＴｉＯ_２、ＢＮ、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＩＴＯ（インジウム−酸化錫）又はダイアモンド粉末からなるものとすることができる。これらの粒子の平均粒度は０．０５−１μｍが好ましい。０．０５μｍより小さい粒子及び１μｍより大きい粒子は光を効率よく散乱しない。散乱粒子の濃度は１−５０％の範囲内にするのが好ましい。マトリクス層と散乱粒子との間の屈折率の差は０．１より大きくするのが好ましい。これより小さい屈折率の差では散乱粒子の散乱効率が極めて低くなる。散乱粒子の屈折率は０．５より大きくするのが好ましい。散乱粒子の好適な材料は実際上無色透であるＴｉＯ_２、ＢＮ及びＡｌ_２Ｏ_３である。特にＴｉ_２Ｏ_３が好適であり、その理由はその屈折率が高く、従ってマトリクス材料と散乱中心との間に大きな屈折率の差が得られるためである。マトリクス材料の屈折率は光ガイドの材料の屈折率に近似させる（約０．２以下の差にする）のが好ましい。この場合、光ガイドと可動素子との間の接触表面における反射が小さくなる。散乱中心の密度及び散乱中心の材料とマトリクス材料との間の屈折率の差は、可動素子内における光の拡散長が画素間の間隔より小さくなるようにする。光の拡散長（＝光が散乱される前に可動素子内を走行し得る平均長）を画素間の間隔より小さくすると、可動素子に入射した光が隣接画素から射出し得なくなる。拡散長は可動素子の厚さの２倍以下にするのが好ましい。

光の拡散長ｄ_０は、厚さｄを有する可動素子から散乱されることなく出る光Ｉ_{ｕｎｓｃａｔｔｅｒｅｄ}の光量を測定することにより測定することができる。この光量はＩ_０ｅ^{−ｄ／ｄ０}に等しく、ここでＩ_０は入力光の強度及びｄは可動素子の厚さである。可動素子自体は光を案内する必要はない。その理由は、可動素子は光を可視領域外に拡散させ、従って強度の損失を与えるものであるためである。平均拡散長を画素（即ち可動素子を光ガイドと接触させることができる隣接領域）の間隔より小さくすることによって、１つの画素から他の画素への光の拡散が阻止される。平均拡散長を可動素子の厚さの２倍より小さくすることによって、画素の周囲に「ハロー」が形成されるのが阻止される。散乱長は（（ｎ_１−ｎ_２）／（ｎ_１＋ｎ_２））^２×散乱粒子の密度にほぼ比例する。

ｎ_２＝１．５を有するマトリクス材料内に約５０−１００ｎｍのＴｉＯ_２（ｎ_１＝２．８）粒子を１０−４０％の体積濃度で含む実施例では、良好な散乱光率が達成された。マトリクス材料及び散乱中心単独又はそれらの組み合わせの上述の好適な特徴は光ガイドと可動素子との間の接触を改善する手段が存在するか否かと無関係である。実施例では、表示装置は色決定素子２０を備える。これらの素子は、例えば特定の色（赤、緑、青等）の光を透過し得るカラーフィルタ素子とすることができる。好適実施例では、ＵＶ光を光ガイドから蛍光体素子に入射させる。ＵＶ光により励起された蛍光体素子は有色光を放射する。ＵＶ光及び蛍光体素子の使用は表示装置の効率を増大する。この利点自体も光ガイドと可動素子との間の接触を改善する上述の手段と無関係である。

図３Ａは図１に示す表示装置の他の詳細を示す。可動素子３はスペーサ１２及び１３によって光ガイドと２と第２プレート４との間に配置されている。電極５及び６は可動素子３と電極とが直接電気的に接触するのを阻止するために絶縁層１０及び１１で覆われている。電圧をこれらの電極と可動素子に供給することにより、可動素子を光ガイド２上の電極５に押圧する電気的力Ｆが発生する。電極５は透明である。可動素子と光ガイドとの接触により光は接触位置で光ガイドから出て可動素子に入る。可動素子内で、光は拡散され、透明電極５及び光ガイド２を経て表示装置から出る。力Ｆは接触が行われる位置に及ぼされる。不透明電極を使用する場合（図３Ｂ参照）には、これらの電極は光ガイド２と可動素子３との間の光学的接触がもたらされる位置の隣に設ける必要がある。

図３Ｂには２つの電極を備える実施例が示されている。この実施例は、一層多数の電極を製造する必要があり、従ってコストの増大及び画像エラーの危険性の増大を生ずる欠点を有する。図示の電極の一つのみの使用は、これらの電極の各々が大きな力を発生する必要があり、高電圧を必要とするとともに、力が非対称に及ぼされる欠点を有する。可動素子は電荷を除去する手段を備える。この手段は、例えば可動素子を導電性ポリマで形成することにより、又は可動素子に導電性ポリマを添加することにより、又は可動素子に導電層、例えば光ガイドに面する面上に設けられたインジウム−酸化錫層又は第２プレート４に面する面上に設けられた不透明導電層、を設けることにより達成することができる。

図４は図１に示す表示装置の一実施例の平面図である。

電極５及び６はマトリクスを構成する。制御ユニット１７から、信号（電圧）が接続線１５及び１６を経て電極５及び６に供給される。電極５及び６に適切な電位差を供給することにより、可動素子は動作中電極５及び６の交差位置において電極５から６及び電極６から５へ移動する。

電極と可動素子との間の電位差により可動素子に局部的に及ぼされる力は電位差、電極と可動素子との間の距離及び電極の表面積の大きさにより決まる。これらの力によって可動素子は往復運動する。２つの電極の間（又は１つの電極と可動素子との間）に発生する力Ｆはほぼ、
Ｆ＝１／２ε_０（Ｖ／ｄ）^２・Ｓ
であり、ここでＦは前記力、Ｖは電位差、ｄは電極間の距離及びＳは電極の表面積である。他の力がない場合には、１０−１００Ｖ程度の大きさのスイッチング電圧を用いて可動素子をスイッチさせる、即ち可動素子を光ガイドと局部的に接触させる又は光ガイドとの接触を中断させることができる。

必要な力が小さくなればなるほど、必要な電位差及びエネルギー消費が低くなるとともに、表示装置のスイッチング速度が高くなる。図２、図３Ａ及び図３Ｂには、必要な力又は必要な電圧を低減するいくつかの手段が示されている。可動素子を排気空間内に配置することにより、可動素子の両側、即ち光ガイド側とその反対側との間の圧力の差が除去される。

このような圧力の差はかなり大きな付着力になり、可動素子は移動時にこれに打ち勝たなければならない。最大可能な低圧は可動素子及び光ガイドの周囲の空間内の圧力に等しい。１気圧の低圧では、付着力が大きいため、５００Ｖ程度の電位差が可動素子の引き離しのために必要とされる。排気空間内の圧力は１０ｍｂａｒ以下にするのが好ましい。１０ｍｂａｒの低圧の場合には、必要な電位差は５０Ｖに減少する。更に好適な実施例では、圧力を０．１ｍｂａｒ以下にする。

可動素子から電荷を除去することにより、静電帯電により生ずる力が除去される。静電荷は可動素子の片面又は両面に導電層を設けることにより除去することができる。このような導電層は半透明アルミニウム層のような半導体透明金属層又はＩＴＯ（インジウム−酸化錫）層のような透明導電層とすることができる。導電層を片面上にのみ使用する場合には、可動素子の材料はある程度のバルクコンダクタンス（ρ≦１０^６−１０^７Ω／ｃｍ）を有するものとするのが好ましい。或いは又、可動素子自身が比較的高いバルクコンダクタンス（ρ≦１０Ω／ｃｍ）を有するものとする。

接触位置に透明電極を使用することにより、力を発生するために使用し得る電極の表面積が大きくなるため、小さな電位差で十分となる。可動素子及び、又は光ガイド及び、又は第２プレート上に付着防止層を使用することにより化学的力の発生が除去される。図５は付着防止層５１及び５２が設けられた可動素子を示す。

可動素子と光ガイドの相互接触表面間のファンデルワールス力も大きな力をもたらす。これらの力を除去又は低減するには、可動素子の光ガイド側の面又は光ガイドの可動素子側の面を５ｎｍ以上の荒さを有するものとするのが好ましい。通常、所望の荒さを得るために上述の表面の一方又は両方をプラズマエッチングする。

図６Ａ及び図６Ｂは本発明の他の実施例を示し、本例では可動素子３がプレート４に固着された比較的厚い弾性体からなる。電極５及び６間に電位差を供給することにより、可動素子が局部的に伸長され、光ガイド２と接触せしめられるため（図６Ａ参照）、光が放射される。この実施例では、可動素子により達成される運動は伸長である。この実施例の利点は、必要とされるスペーサを少数にすることができるとともに、電極間の距離（従って可動素子に及ぼされる力）を精密に調整することができる点にある。可動素子は散乱中心が存在するシリコンゴム又は可撓性ポリウレタン（ＰＵＲ）フォームにより（主として）形成することができる。

可動素子と光ガイドとの間の力を減少させる他の手段は次の通りである。

可動素子として小さな表面張力（即ち３０ダイン／ｃｍ以下）を有する材料を使用する。

可動素子と光ガイドの接触表面が同一の材料からなるようにする。これは、例えば電極５と可動素子３を同一の材料で被覆することにより、又は可動素子を被覆しない場合には電極を可動素子の材料の層で被覆することにより達成することができる。

以上要約すると、本発明は以下のように記すことができる。

本発明表示装置は光ガイドと可動素子を備える。選択手段により可動素子に局部的に力を及ぼすことによって、可動素子と光ガイドとの間の光学的接触をもたらすことができる。選択手段により及ぼされる力をできるだけ効率よく利用する手段を講ずる。この手段は、力を光学的接触が生ずる位置に作用させることにより及び、又は特に圧力差、静電帯電、表面応力、ファンデルワールス力及び、又は化学的力により生ずる付着力を低減又は除去することにより達成することができる。その結果として、表示装置の信頼性が向上し、また電極を選択的力の発生に使用する場合には、必要とされる電位差が小さくなる。

本発明の範囲内において、種々の変更が可能であることは明らかであろう。

１ 表示装置
２ 光ガイド
３ 可動素子
４ 第２プレート
５ 透明電極
６ 電極
７ カバー素子
８ 排気空間
９ 光源
１０，１１ 絶縁層
１２，１３ スペーサ
１５，１６ 接続線
１７ 制御ユニット
２０ 色決定素子
５１，５２ 付着防止層
Ｆ 電気的力
Ｖ 電位差
ｄ 電極間の距離
Ｓ 電極の表面積

Claims (19)

1. 光ガイドと、可動素子と、前記可動素子を光ガイドと局部的に接触させる選択手段とを備える表示装置において、前記選択手段が透明電極を備え、且つ動作中に、前記可動素子が光ガイドと接触するとき電極の位置で光ガイドと接触し、その結果として光が透明電極を経て放射せしめられることを特徴とする表示装置。
2. 前記可動素子は該素子から静電荷を除去する手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
3. 前記可動素子は導電性であるとともに、一定の電位にあることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
4. 前記可動素子の光ガイドに面する面上に付着防止層が設けられていることおよび、または光ガイドの可動素子に面する面上に付着防止層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
5. 前記可動素子の光ガイドに面する表面および、または前記光ガイドの可動素子に面する表面は５ｎｍ以上の平均荒さ（Ｒ_ａ）を有し、且つ両表面の何れも０．１μｍを超える荒さを有しないことを特徴とする請求項１記載の表示装置。
6. 前記両表面の粗さは５０〜２００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項５記載の表示装置。
7. 前記可動素子と前記光ガイドとの間に液体が存在しないことを特徴とする請求項１記載の表示装置。
8. 前記可動素子は排気空間内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
9. 前記可動素子が前記光ガイドと他の素子との間に配置され、前記選択手段が、前記可動素子を前記光ガイドの方向に動かす力及び前記可動素子を前記他の素子の方向に動かす力を局部的に発生する手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
10. 光ガイドと、可動素子と、前記可動素子を光ガイドと局部的に接触させる選択手段とを備える表示装置において、前記可動素子および前記光ガイドのうち少なくとも１つは、前記可動素子と前記光ガイドとの接触が行われる側に付着防止層を備え、且つ前記選択手段が電極を備え、該電極の少なくとも１つは実質的に透明であることを特徴とする表示装置。
11. 前記可動素子は導電性であることを特徴とする請求項１０記載の表示装置。
12. 光ガイドと、可動素子と、前記可動素子を光ガイドと局部的に接触させる選択手段とを備える表示装置において、前記選択手段が電極を備え、該電極の少なくとも１つは実質的に透明であり、且つ前記可動素子は、動作中に前記光ガイドと接触すると、前記透明の電極の場所において前記光ガイドと接触し、それによって前記透明の電極を通して光を発光させることを特徴とする表示装置。
13. 前記可動素子と前記光ガイドとの付着力を低減させる手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１２記載の表示装置。
14. 前記可動素子は、該可動素子からの静電荷を除去する手段を備えていることを特徴とする請求項１２記載の表示装置。
15. 前記可動素子は導電性であることを特徴とする請求項１２記載の表示装置。
16. 前記可動素子は、前記光ガイドに面する側に付着防止層が設けられていること、および／または、前記光ガイドは、前記可動素子に面する側に付着防止層が設けられていること、を特徴とする請求項１２記載の表示装置。
17. 前記可動素子の前記光ガイドに面する表面、および／または、前記光ガイドの前記可動素子に面する表面は、５ｎｍ以上の平均荒さ（Ｒ_ａ）を有することを特徴とする請求項１２記載の表示装置。
18. 両表面の荒さは５０〜２００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１７記載の表示装置。
19. 前記可動素子が前記光ガイドと他の素子との間に配置され、前記選択手段が、前記可動素子を前記光ガイドの方向に動かす力及び前記可動素子を前記他の素子の方向に動かす力を局部的に発生する手段を備えていることを特徴とする請求項１２記載の表示装置。

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