(57)【要約】【課題】画像切替え速度が速く、いかなる粒子の配置状態であっても所望の色を表示して良好な画像形成をすることができる画像表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】着色された液体である媒体８と媒体８中に懸濁され媒体８とは異なる色の複数の粒子１０を、間に設けた空間内に収容するように対向した複数の作用極３と対極４からなる電極対と、電極対に交番電界を印加する電源１１と、交番電界の周波数を決定するためのプログラムを保存した記憶部であるメモリ１４と、プログラムを基に電源１１が出力する交番電界の周波数を決定する制御部１３と、を備え、電極対のうち作用極３上には断面の底辺角度が鋭角である凸部５を設けて電極対間に電界集中部を形成し、制御部１３が交番電界の周波数を変化させることによって、電極対間における粒子１０の分布を変化させることを特徴とする表示装置である。【選択図】図２
2011175129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
着色された液体と前記液体中に懸濁され前記液体とは異なる色の複数の粒子状物質を、間に設けた空間内に収容するように対向した複数の電極対と、
前記電極対に交番電界を印加する電源と、
前記交番電界の周波数を決定する制御部と、を備え、
前記電極対のうち一方の電極上には断面の底辺角度が鋭角である凸部を設け、前記制御部が前記交番電界の周波数を変化させることによって、前記電極上における前記複数の粒子状物質の分布を変化させることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記凸部を複数設け、複数の前記凸部が全て同じ高さであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記凸部を複数設け、複数の前記凸部の底辺が全て同じ幅であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
前記凸部を複数設け、複数の前記凸部の断面形状が全て同じであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項５】
前記凸部を複数設け、複数の前記凸部間の間隔が全て同じであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項６】
前記複数の電極対を複数の電気的に絶縁された領域に分画するための隔壁を設け、前記隔壁は前記凸部と断面形状が同じであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ペーパーなどに用いられる反射型の表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ペーパーなどに用いられる表示装置の動作原理のひとつに電気泳動方式がある。電気泳動は比較的単純な現象で理解しやすいものであるが、これを画像形成に応用した場合には表現できる画像の質において画像切替え速度に課題がある。すなわち、電気泳動により画像を表示する際には、前画面を消去してから再描画を行う必要があり、画像の切替えに時間を要する。このような電気泳動方式が抱える課題に対して、特許文献１のような改善案が提案された。これは直流を用いた電気泳動に加えて、交流を用いた誘電泳動を組み合わせることでより多彩な粒子の泳動制御を可能にするというものである。すなわち、電極対間に設けられた空間内に、視認方向において奥側である第１の電極の色と異なる色をした粒子を挿入し、誘電泳動により粒子を一方の電極の中心部に引きつけてこの電極の色を主に見せる第１の粒子配置状態と、粒子がこの電極全体を覆うことで粒子の色を見せる第２の粒子配置状態とで画像表示を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７０６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の提案は、誘電泳動により粒子を一方の電極の中心部に引きつけてこの電極の色を主に見せる第１の粒子配置状態の際、電極中心部に集合した粒子が一方の電極の色を一部隠してしまう。その結果、一方の電極の色を表示したくとも、この電極の色から少し粒子の色に近づいた色が表示され、良好な画像形成をすることができない。そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複数種の粒子配置状態によって画像形成をする際に、いかなる粒子の配置状態であっても所望の色のみを視認できるようにして良好な画像形成をすることができる表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、着色された液体と前記液体中に懸濁され前記液体とは異なる色の複数の粒子状物質を、間に設けた空間内に収容するように対向した複数の電極対と、前記電極対に交番電界を印加する電源と、前記交番電界の周波数を決定する制御部と、を備え、前記電極対のうち一方の電極上には断面の底辺角度が鋭角である凸部を設け、前記制御部が前記交番電界の周波数を変化させることによって、前記電極上における前記複数の粒子状物質の分布を変化させることを特徴とする表示装置である。
【発明の効果】
【０００６】
以上の構成により、本発明は、いかなる粒子の配置状態であっても所望の色のみを視認できるようにして良好な画像形成をすることができる効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】Ｒｅ［Ｋｅ］値と周波数の関係を説明するための図
【図２】（ａ）本発明の表示装置の画素の横断面図、（ｂ）凸部の断面形状を三角形にした際の表示画素の横断面の一部を示す図、（ｃ）凸部の断面形状を山形にした際の表示画素の横断面の一部を示す図、（ｄ）本発明の表示装置の視認方向から見た上面図
【図３】電源の制御手順を説明するための図
【図４】（ａ）本発明の表示装置における画素の横断面における電気力線の様子を示す図、（ｂ）凸部の断面形状を三角形状にした図、（ｃ）凸部の断面形状を山形状にした図、（ｄ）凸部の断面形状を長方形状にした図
【図５】（ａ）本発明の表示装置において異なる周波数の交番電界を用いて誘電泳動を行った際の通電前の画素の断面図、（ｂ）図５（ａ）における上面図、（ｃ）本発明の表示装置において異なる周波数の交番電界を用いて誘電泳動を行った際の第一の周波数の交番電界を印加して一定時間が経過した後の画素の断面図、（ｄ）図５（ｃ）の上面図、（ｅ）本発明の表示装置において異なる周波数の交番電界を用いて誘電泳動を行った際の第二の周波数の交番電界を印加して一定時間が経過した後の画素の断面図、（ｆ）図５（ｅ）の上面図
【図６】（ａ）交番電界の周波数と粒子の移動状態を説明するための図、（ｂ）配置状態に対応する交番電界の周波数の対応を示す図
【図７】マトリクス電極を備えた表示装置を示す図
【図８】複数のセルを用いた画像形成を制御するための図
【図９】本発明の表示装置を搭載した電子ペーパーの斜視図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、着色された液体と前記液体中に懸濁され前記液体とは異なる色の複数の粒子状物質を、間に設けた空間内に収容するように対向した複数の電極対と、前記電極対に交番電界を印加する電源と、前記交番電界の周波数を決定する制御部と、を備え、前記電極対のうち一方の電極上には断面の底辺角度が鋭角である凸部を設け、前記制御部が前記交番電界の周波数を変化させることによって、前記電極上における前記複数の粒子状物質の分布を変化させることを特徴とする表示装置であって、いかなる粒子の配置状態であっても所望の色のみを視認できるようにして良好な画像形成をすることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、凸部を複数設け、複数の凸部が全て同じ高さであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置であって、作用極のうち直接対極と向かい合って電気力線を発生させる部分から発生する複数の電気力線群に電界の強弱が発生しにくくなり、粒子を電極対間で均一に分散させやすくなるため、より所望の色のみを視認しやすくなり、より良好な画像形成をすることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、凸部を複数設け、複数の凸部の底辺が全て同じ幅であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置であって、作用極のうち直接対極と向かい合って電気力線を発生させる部分から発生する複数の電気力線群に電界の強弱が発生しにくくなり、粒子を電極対間で均一に分散させやすくなるため、より所望の色のみを視認しやすくなり、より良好な画像形成をすることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、凸部を複数設け、複数の凸部の断面形状が全て同じであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置であって、作用極のうち直接対極と向かい合って電気力線を発生させる部分から発生する複数の電気力線群に電界の強弱が発生しにくくなり、粒子を電極対間で均一に分散させやすくなるため、より所望の色のみを視認しやすくなり、より良好な画像形成をすることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、凸部を複数設け、複数の前記凸部間の間隔が全て同じであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置であって、複数形成される電解集中部の面積が全て同じとなり、更に作用極のうち直接対極と向かい合って電気力線を発生させる部分から発生する複数の電気力線群に電界の強弱が発生しにくくなり、粒子を電極対間で均一に分散させやすくなるため、より所望の色のみを視認しやすくなり、より良好な画像形成をすることができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、凸部と断面形状が同じである、複数の電極対を複数の電気的に絶縁された領域に分画するための隔壁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の表示装置であって、更に作用極のうち直接対極と向かい合って電気力線を発生させる部分から発生する複数の電気力線群に電界の強弱が発生しにくくなり、粒子を電極対間で均一に分散させやすくなるため、より所望の色のみを視認しやすくなり、より良好な画像形成をすることができる。
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の実施の一例を示すにあたり、本発明を正確に理解するための語句の説明を行う。
【００１６】
まず、電界集中部について説明する。本願で言うところの電界集中部とは、不均一電界による電位勾配のために電気力線が集中している部分のことである。これは電気力線が他の部分に比較してより密に存在している部分と言い換えることもできる。
【００１７】
電界集中部の第一の例として挙げられるのは帯電体の表面近傍である。
【００１８】
たとえば対極が無限遠に存在しているような等方的な環境において空間に保持された球状の帯電体があるとき、この帯電体の表面にはあらゆる方向からあるいはあらゆる方向に向けて電気力線が放射状に張り出す。このとき球状帯電体の表面から無限遠の彼方に向けて電位の勾配が生じる、このとき球状帯電体の表面は電界集中部である。
【００１９】
また互いに電位の異なる二枚の互いに合同な並行平板があるとき、平板端部から遠い平板内部の電気力線は平行になり、かつその密度も均一になるが、端部においては電位の高い帯電体の端部から空間に張り出した電気力線がより電位の低い帯電体の端部に収束する、すなわち平板端部のギャップ部分で電気力線がかまぼこ型にアーチを描くように張り出すために電気力線の分布は不均一となり電位の勾配は大きくなる。このとき、二枚の並行平板の端部が本願で言うところの電界集中部となる。
【００２０】
また二枚の互いに面積と電位の異なる並行平板帯電体では、もはや平行電界は存在しえず、より面積の大きな帯電体から張り出した電気力線がより面積の小さな帯電体に向けて収束することになる。このときより面積の小さな帯電体の表面から他方の帯電体に向けて電位の勾配が生じ、面積の小さな帯電体の表面は電界集中部となる。
【００２１】
帯電体において電界集中部をより積極的に形成するには鋭利な角を設けることが有効である。これはたとえば前述した球状帯電体であればその表面に突起を設けて金平糖のような形状にすると、その突起の先端には他の部分に比べてより強く電気力線が集中するようになり電位の勾配が他の部位よりも大きくなる。これはエッジ効果としてよく知られているものである。
【００２２】
電界集中部の第二の例は、誘電率の大きな物質が誘電体の小さな物質で囲まれ、かつその一部が他の部分よりも小さな断面積を有するような場合である。このときこの断面積が小さな部分は電界集中部となる。これより誘電率の高い部分に分布しようとする電気力線が面積の小さな部位で絞られるように集められるからである。このような電気力線の状態は非並行で不均一なものであり、その密度が高くなるにしたがって電位の勾配も大きくなるため、この部位は電界集中部であるといえる。
【００２３】
このように、電界集中部は電気力線が不均一かつ周辺に比べて密度高く存在する電位勾配の大きな部位として定めることができる。電界集中部は前述した帯電体のように周りと電位の異なる部位があれば存在し、電極のように電源と電気的に接続されていることを必須とするものでもない。たとえば、電界の中に保持された導体あるいは誘電体には電界によって自由電子の偏りや分極による電荷が誘起されるが、電荷が集中する部分はすなわち電気力線が集中する部分であって、これも本願で言うところの電界集中部であるといえる。
【００２４】
次に、交番電界について説明する。本願で言うところの交番電界とは、一定の周期で電界の方向が反転し、その際に電流が流れる場合にはその平均値が両方向で同じになるようなものである。そして、交番電界の周波数は一秒間に電界の方向が反転した回数で定義される。
【００２５】
次に、誘電泳動現象について説明する。
【００２６】
誘電泳動現象は誘電体が電界によって分極して双極子となり、その双極子が分極をもたらした電界によって力を受ける現象である。誘電泳動の詳細はたとえば参考文献１や参考文献２に記載されている（参考文献１：Ｈ．Ａ．Ｐｏｈｌ，“Ｔｈｅ  Ｍｏｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｕｓｐｅｎｓｏｉｄｓ  ｉｎ  Ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２２（７），８６９−８７１（１９５１）、参考文献２：”ＡＣ  Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃｓ：ｃｏｌｌｏｉｄｅｓ  ａｎｄ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ“，Ｈｙｗｅｌ  Ｍｏｒｇａｎ  ｅｔ．ａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｔｕｄｉｅｓ  Ｐｒｅｓｓ  ＬＴＤ．）。
【００２７】
比誘電率εmの媒体中に懸濁された比誘電率εp、半径ｒの球形粒子に作用する誘電泳動による力、すなわち誘電泳動力ＦDEPは次の（数１）および（数２）で表される。
【００２８】
【数１】
2011175129.tif 000003
【００２９】
【数２】
2011175129.tif 000004
【００３０】
ここで、Ｅは電界ベクトル、添え字＊は値が複素数であることを示している。そして、Ｒｅ［Ｋｅ］は、（数２）であらわされる複素数からなる式の実部をとった値であることを示している。
【００３１】
式からわかることとして、まず誘電泳動力ＦDEPは粒子が大きくなると強くなる。上記式では粒子が球状の場合を仮定したが、粒子が楕円体や円筒状など球形と異なる形状の場合についても理論的な解析はなされており、これらに関してもサイズの増大とともに誘電泳動力が増加する。
【００３２】
そして次に誘電泳動力ＦDEPは媒体の比誘電率に比例する。比誘電率が大きいということは分極しやすいということを意味する。たとえば水の様な比誘電率が大きな液体は誘電泳動現象を生じさせるのに好適なものである。
【００３３】
次の項Ｒｅ［Ｋｅ］は、複素誘電率ε＊で表されるそれぞれの項の完全表現は、ε−σ／ωｊであり、誘電率εのほかに導電率σおよび角周波数ωを含んでいる。なおｊは虚数単位である。この完全表現からわかるように複素誘電率ε＊は媒体および粒子の導電率の影響を受け、また系に印加される交番電界の周波数にも依存して変化する量である。この括弧内の値の変化が印加される交番電界の周波数に依存するというのが誘電泳動の大きな特徴の一つである。
【００３４】
さて、最後は電界Ｅである。ここでは電界Ｅはベクトル量であり、その強さとともに電界が張り出す方向も考慮するべきことを示している。そしてこの電界Ｅの二乗は演算子ナブラが作用することで３次元方向での電界の変化、すなわち電位の勾配とその方向を示し、総じてその場における電界の不均一さの度合いを示す量となっている。本願ではこの項が最大値に近い値となるような領域を電界集中部としている。
【００３５】
以上の各項が掛け合わされることで誘電泳動力ＦDEPが表現されている。したがって、誘電泳動力ＦDEPは、粒子の大きさと、媒体の比誘電率と電位勾配の強さに比例して強くなる力であると言える。そして、電位勾配がベクトル表現されていることから、誘電泳動力ＦDEPもベクトルとなる。
【００３６】
ここで、項Ｒｅ［Ｋあｅ］が意味するところの詳細について説明するが、前述したとおり、（数２）は媒体中に球形の粒子が分散されている系を仮定した式であって、異なる形状の粒子に対しては異なる形の式がそれぞれ導出されることを付記しておく。いずれにしても重要なことは、このＫｅを除くすべての項は正の値しかとることが無いため、誘電泳動力ＦDEPはＲｅ［Ｋｅ］値の正負によってその作用方向が反転するということである。
【００３７】
図１はＲｅ［Ｋｅ］値の変化を周波数に対してプロットしたものの一例である。なお、この図は参考文献３に掲載されていたグラフから引用したものであって、水中に懸濁された細胞に対する誘電泳動力を考察したものである（参考文献３：”Ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐ
ｈｏｒｅｔｉｃ  ｓｐｅｃｔｒａ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｅｌｌｓ  ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ  ｂｙ  ｆｅｅｄｂａｃｋ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ”，Ｔ．
Ｂ．Ｊｏｎｅｓ  ｅｔ．ａｌ．Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ，５７  ｐｐ１７３（１９９０））。
【００３８】
図１に示したグラフは、説明を容易にするため、不要な部分を除くと共に説明のための符号を付加している。まず符号Ａはグラフに複数あるＲｅ［Ｋｅ］の値が負である領域のうち印加される交番電界の周波数が低い側にある周波数範囲を示している。そして符号ＢはＲｅ［Ｋｅ］が正の値になっている周波数範囲を表しており、符号Ｃはグラフに複数あるＲｅ［Ｋｅ］の値が負である領域のうち印加される交番電界の周波数が高い側にある周波数範囲を示している。符号ａ、ｂおよびｃは、それぞれグラフの周波数範囲Ａ内のＲｅ［Ｋｅ］の値を示す曲線、周波数範囲Ｂ内のＲｅ［Ｋｅ］の値を示す曲線、および周波数範囲Ｃ内のＲｅ［Ｋｅ］の値を示す曲線である。そして符号ｆ１は周波数範囲Ａと周波数範囲Ｂの境目である周波数を表し、符号ｆ２は周波数範囲Ｂと周波数範囲Ｃの境目の周波数を表している。周波数ｆ１および周波数ｆ２においてグラフは符号Ｏで表示されたＲｅ［Ｋｅ］の値がゼロとなる軸と交差している。
【００３９】
図１から、Ｒｅ［Ｋｅ］の値は、印加される交番電界の周波数が低い周波数範囲Ａではその値が図１ａの曲線で示されるように負側にあり、（数１）の値も負となるため誘電泳動力は斥力となっている。周波数範囲Ａ内で印加される交番電界の周波数が増加すると負の誘電泳動力は次第に弱くなり、周波数ｆ１においてゼロとなる。そしてさらにｆ１を超えて周波数が上がるとＲｅ［Ｋｅ］の値は図１ｂの曲線で示されているように正となり、誘電泳動力は引力となる。ここで図１ｂの曲線に示されているように、Ｒｅ［Ｋｅ］の値は周波数範囲Ｂ内において印加される交番電界の周波数にしたがって次第に大きくなり、しばらく最大値を保った後に再び減少に転じている。すなわちこの周波数範囲Ｂにおいて誘電泳動は引力であり交番電界の周波数に応じて強くなったり一定であったり弱くなったりするという複雑な変化をする。そして周波数ｆ２においてＲｅ［Ｋｅ］は再びゼロとなり、印加される交番電界がｆ２より高い周波数範囲Ｃにおいては周波数が高くなると共に一定の負の値まで減少した後、周波数によらぬほぼ一定の強さの斥力を呈するようになる。図１の例ではｆ１は数ｋＨｚ、ｆ２は１００Ｍｈｚ付近であるのがわかる。
【００４０】
さて、以上の説明は一例であって、対象となる系を構成する諸条件が変化すると当然Ｒｅ［Ｋｅ］値の変化の様子も変わってくる。前述したように複素誘電率の完全表現は粒子および媒体の導電率と誘電率を含んでいるので、たとえば同じ粒子と媒体からなる系であっても媒体内のイオン濃度が変化して導電率が変わるとか、あるいは同じ大きさの粒子と同じ媒体からなる系であっても粒子を構成する材料が異なる、すなわち粒子の誘電率が異なれば、印加される交番電界の周波数に対する応答もそれぞれ異なるものとなり、図１に示したグラフの変化の傾向やＲｅ［Ｋｅ］の最大および最小値、そして誘電泳動力がゼロとなるｆ１およびｆ２の値も変わるものである。
【００４１】
以下に図２から５を用いて本発明の実施例の詳細説明を行う。
【００４２】
図２は本発明の表示装置の実施形態における画素横断面および上面を説明するための概念図である。図２（ａ）は本発明の表示装置の画素の横断面、図２（ｂ）は凸部の断面形状を三角形にした際の表示画素の横断面の一部を表す図、図２（ｃ）は凸部の断面形状を山形にした際の表示画素の横断面の一部を表す図、図２（ｄ）は本発明の表示装置の視認方向から見た上面図をそれぞれ表している。本実施の形態では本発明の説明を簡潔に行うために、複数あることを妨げない画素のうち、ひとつについての構成およびその動作について説明する。
【００４３】
図２において、符号１は下側ガラス基板、２は上側ガラス基板、３は作用極、４は対極、５は作用極３上に形成された凸部、６は隔壁、７はセル、８は液体である媒体、９は微粒子、１０は粒子、１１は電源、１２は視認方向を表す矢印、１３は制御部、１４はメモリ、１５は本発明の表示装置全体、α及びβは凸部５の断面の底辺角度である。
【００４４】
本実施形態では下側ガラス基板１および上側ガラス基板２はいずれもガラス基板を用いている。これはガラスに材質を限られるものではなく、プラスチックフィルム等を用いることももちろん可能である。ただし、少なくとも上側ガラス基板２は形成される画像を視認することができる程度に透明なものである必要がある。
【００４５】
作用極３および対極４はいずれも電極であって電源１１と電気的に接続されている。ここでいう電気的接続とは電源１１が印加する交番電界が作用極３および対極４に電位変化を与えればよいということであり、必ずしも導電体によって断線なく直流的な接続されていることを意味するものではない。たとえばコンデンサ様の構成を介して交流的な接続がなされていれば十分である。また電極の表面も媒体８や粒子１０に必ずしも直接接触している必要は無い。作用極３および対極４のいずれか一方、または両方の表面が絶縁性の保護膜で覆われているとしても本発明を実施するに何の問題も無い。
【００４６】
本実施形態における作用極３および対極４はＩＴＯからなる透明電極である。セル７内の粒子１０の移動の様子を外部から視認するためには少なくとも画素の一部は透明になっている必要がある。本実施の形態では視認方向１２から見たときに、上側ガラス基板２とセル７の間に対極４が配置される構造となっているため、少なくとも対極４は透明電極とする必要がある。作用極３、対極４は一辺が２６５μｍの正方形であり、それらの中心はやはり正方形である画素の中心と一致している。したがって、作用極３、対極４はセル７の床面と天井面をそれぞれ、ほぼ全面を覆っていることになる。
【００４７】
作用極３上には凸部５が形成されている。凸部５はドライフィルムやレジストなどの感光性樹脂にフォトリソグラフィプロセスを適用するなどして形成されたものであり、図２（ａ）に示されている様に、断面は台形状をしており、図２（ｄ）に示されている様に、作用極３上を縦断し、分割する様に形成されている。なお、説明のために図２（ｄ）中に凸部５を示しているが、本実施形態ではセル７中を微粒子９が満たしているため、実際には視認されない。凸部５は絶縁体であることが好ましく、さらに好ましくはプラスチックのような比誘電率の小さな物質で構成されていることが望ましい。なぜならば、比誘電率の小さな物質内部には電気力線が進入し難いため、分割された作用極３からのみ電気力線の発生を起こすことができるからである。
【００４８】
また、凸部５の断面図底辺の角度αが垂直である場合、作用極３から対極４に向かう電気力線が並行電界に近くなるため、誘電泳動の効果を十分に得ることができない。また、角度αが鈍角である場合、凸部５が電気力線の広がりを妨げるため、誘電泳動の効果を十分に得ることができない。従って、断面図の底辺の角度αを鋭角にすることで、作用極３から発生する電気力線が対極４に向かい扇形に広がり、誘電泳動の十分な効果を得ることができる。そのため、凸部５の断面の形状は必ずしも台形である必要はなく、図２（ｂ）や図２（ｃ）に示す様に三角形や山形であっても構わない。凸部５の断面の形状が台形であるとき、下辺に比べ上辺が小さくなるに従い、言い換えれば断面の形状が三角形や山形に近づくに従い、作用極３から発生する電気力線は対極４に向かい、より扇状に広がっていくため、電界集中部２１を広く確保することができる。また、図２（ａ）のように断面形状が台形であることで、凸部５の強度を確保することができる。
【００４９】
凸部５の断面の形状が台形である時、本実施の形態においては底辺の角度αは約８０°である。角度αが小さすぎると、凸部５に十分な高さを設けることができず、作用極３から反発された粒子１０がセル７上面まで到達しないため粒子１０の色が十分に視認されず、角度αが大きすぎる場合には、前述の様に、誘電泳動の効果を十分に得ることができない。従って、凸部５の断面図底辺の角度αは７０〜８０度であることが望ましい。
【００５０】
図２（ｂ）や図２（ｃ）に示す様に断面の形状が三角形や山形である時には、本実施の形態においては底辺の角度βは約７０°である。角度βが小さすぎると、凸部５に十分な高さを設けることができず、作用極３から反発された粒子１０がセル７上面まで到達しないため粒子１０の色が十分に視認されず、角度βが大きすぎる場合には、断面図の頂点角度が極小になってしまうため、耐久性が失われてしまう。従って、凸部５の断面図底辺の角度βは６０〜７５度であることが望ましい。
【００５１】
また、凸部５は作用極３上を必ずしも垂直方向に縦断する必要はなく、斜めに設置されていたり、弧を描いて設置されていても構わない。
【００５２】
本実施形態においては凸部５の高さは約３０μｍ、作用極３上を縦断している長さは約２７５μｍ、そして断面は台形状をしており、上底は約１５μｍ、下底は約２５μｍであり、この凸部５が２５μｍ間隔で５個、並列に設置してある。凸部５の断面図の下底に対する上底の比は、好ましくは０〜６０％である。下底と上底の長さが近い場合、断面図の形状が長方形に近くなるため、作用極３から対極４に向かう電気力線が並行電界に近くなり、誘電泳動の効果を十分に得ることができない。上底が下底よりも長い場合には、角度αが９０°を越えることとなり、前述の様に、十分な誘電泳動の効果を得ることができない。
【００５３】
凸部５の高さは好ましくは隔壁６に対して５０〜７０％である。凸部５が低い場合、作用極３から反発された粒子１０がセル７上面まで到達しないため粒子１０の色が十分に視認されず、凸部５が高い場合にはセル７内にて微粒子９により十分に隠蔽されず凸部５が視認されてしまう。
【００５４】
また、凸部５の数は好ましくは、１〜８個、より好ましくは３〜５個である。凸部５の数が少なすぎる場合、分割された作用極３の面積が大きくなるため、電界集中部としての働きが弱くなり、凸部５の数が多すぎる場合には、凸部５の断面を長方形に近い形にする必要があるため、発生する電界が並行電界になってしまい、誘電泳動の効果を得ることができない。
【００５５】
また、凸部５が作用極３を覆う総面積は、作用極３に対して５０〜７０％であることが好ましい。作用極３を覆う面積が小さすぎる場合、作用極３と対極４の面積が近くなるため、不均一電界が発生しにくくなり、作用極３を覆う面積が大きすぎる場合には、分割された作用極３に集合する粒子１０の数が多くなることで、作用極３から対極４に至る不均一電界を妨げてしまうため、粒子１０の移動力が弱くなってしまう。
【００５６】
また、均一なムラのない画像を得るためには、作用極３は凸部５により分割されて一部から電気力線を発生させないため、作用極３のうち直接対極４と向かい合って電気力線を発生させる部分から発生する複数の電気力線群に電界の強弱が無いことが好ましい。電気力線に強弱がないことで、図４（ａ）に示される複数の電界集中部２１間に電界の偏りが発生するということがない。従って、複数の電解集中部２１の中でもより電界の集中する電界集中部２１に粒子１０が集中し、複数の電解集中部２１の中でも電界の弱い電界集中部２１に粒子１０が集中しないということがなく、セル７の中で粒子１０と微粒子９が偏って存在してしまうということがない。その結果、微粒子９の色のみを表示する第１の粒子配置状態及び粒子１０の色のみを表示する第２の粒子配置状態の際に微粒子９及び粒子１０がセル７内で偏ってしまうことがなく、所望の色のみを視認することができる。
【００５７】
そのため、凸部５を複数設ける際は、電気力線の強弱が発生しない様に、凸部５それぞれが同じ高さであることが望ましい。また、凸部５それぞれが作用極３と接する凸部５の底辺が同じ幅になるように構成することが望ましい。その結果、凸部５により分割された作用極３から発生する電気力線に強弱が発生しにくくなる。更に、凸部５それぞれが同じ断面形状であることが望ましい。その結果、更に凸部５により分割された作用極３から発生する電気力線に強弱が発生しない。また、複数の凸部５間の間隔を等しくなるように構成することが望ましい。その結果、複数ある電界集中部２１の面積が等しくなり、更に凸部５により分割された作用極３から発生する電気力線に強弱が発生しない。
【００５８】
作用極３と対極４は互いに平行に配置されているが、作用極３は凸部５によって分割されていることで対極４に比較して面積が小さくなるため、その分割された電極それぞれが電界集中部となる。そしてこの分割された作用極３と対極４が本発明で言うところの、視認方向に対して垂直に配置され、互いに平行な平板状の電極対であって、かつその面積が互いに異なるものに相当する。
【００５９】
隔壁６は凸部５と同じくドライフィルムやレジストなどの感光性樹脂にフォトリソグラフィプロセスを適用するなどして形成されたものであり、図２（ｄ）に示されているように格子状構造をなして各画素を分割している。隔壁６と下側ガラス基板１および上側ガラス基板２で囲まれた空間がセル７である。隔壁６は絶縁体であることが好ましく、さらに好ましくはプラスチックのような比誘電率の小さな物質で構成されていることが望ましい。なぜならば、比誘電率の小さな物質内部には電気力線が進入し難いため電気力線を各画素内に閉じ込めることができるからである。
【００６０】
また、凸部５と同じく、作用極３から対極４に向かう電気力線を扇形に広げるために、隔壁６の断面の形状を凸部５の断面の形状と同一にしても良い。すなわち、本実施の形態では、隔壁６の断面が台形状を形成しているものも好ましい。
【００６１】
本実施形態においては隔壁６の高さは約５０μｍ、幅約２５μｍ、そして上面から見たときに一辺２７５μｍの正方形の開口を形成している。もちろん画素の形状はどのようなものであっても良いが、隔壁６の高さが高くなり、作用極３と対極４の間隔が大きくなると同じ電位勾配を発生させるために必要な電圧が大きくなってしまうことを付記しておく。
【００６２】
本実施の形態における媒体８は水であって、セル７を満たしている。ただし、ここで用いられている水は注意深く不純物や溶解しているイオンを取り除いた純水と言われるものであって、その導電率は高々数十μＳ／ｃｍと極めて低い値に抑えられている。すでに述べたように、誘電泳動力は媒体８の導電率の影響を受けるので、媒体８の導電率は注意深く制御される必要がある。また、媒体８の導電率は系によって適切な値に制御されるべきものであることは言うまでもない。なお、一般的に媒体８の導電率が高くなると電極間に電位差が与えられたときに電極表面ごく近傍に電気二重層が形成され、この電気二重層で電極間電位の大部分が緩和されてしまい、電極から離れた沖合い領域での電位勾配が小さくなってしまう傾向にある。よって、本実施の形態では印加する交番電界がセル７内に有効に電気力線を形成するように導電率を抑えた媒体８としての純水を使用している。
【００６３】
また、媒体８は染料などにより着色されていてもよい。その際、着色された媒体８には、セル７内の凸部５と、作用極３上に集合した粒子１０が視認方向１２から確認できない程度の、十分な隠蔽力が必要である。十分に隠蔽がなされる場合には、微粒子９を媒体８中に分散させる必要は必ずしもない。また、その場合は、粒子１０が作用極３側に引き付けられたとき、着色された媒体８の色が視認される。
【００６４】
本実施形態では、媒体８である純水には、微粒子９が分散されている。本実施の形態における微粒子９は直径２００ｎｍにピークを持つチタン酸バリウムを用いており、粒子１０よりも小さい。白色粒子であるチタン酸バリウムを純水に分散してセル７を満たすことで、粒子１０が作用極３側に引き付けられたとき、セル７を上方から観察すると白色のセル７として視認することができる。（数１）で示される様に、誘電泳動力は粒子１０の半径の３乗に比例して大きくなるので、直径５μｍにピークをもつ粒子１０と比較した場合、発生する誘電泳動力は非常に小さくなり、その挙動はほとんど無視することができる。本発明を実施可能な粒子１０はチタン酸バリウムにとどまるものではなく、たとえば形状で言えば、球状、回転楕円体、棒状、薄片状、繊維状、その他これらが組み合わさったような異形のものであってよく、またその構造は中実、中空、多孔体等であってもよい。そして材質では、アクリルやスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、フッ素系樹脂、ラテックス、シリコンゴムなどの樹脂系、シリカ、チタニア、ジルコニアなどの無機粒子およびこれらの複合物、すなわち無機粒子の表面を樹脂でコーティングしたようなものであってもよい。さらに、これら微粒子９の表面は化学修飾されていてもよく、また表面を粗にするなどの物理的な処理がなされていてもよい。さらに、これら微粒子９は染料や顔料によって白色以外に着色されていても良いし、多層構造など光学的に活性な構造を使うことにより光の干渉を生じさせて着色しても良い。
【００６５】
なお、セル７内に保持された微粒子９の量は、微粒子９が凸部５、および作用極３上に粒子１０が集合した際に上方から視認されない、十分な量となっている。本実施形態では、セル７ひとつあたり０．１ｍｇ程度の微粒子９を使用している。
【００６６】
また、媒体８に微粒子９を分散する際、添加剤を用いることで媒体８と微粒子９の比重を調整して微粒子９の沈降を防いだり、媒体８の粘度をあげたりチクソトロピー性を付与することでブラウン運動による粒子１０の拡散を抑制したりすることも好ましいものであって、その場合は媒体８の導電率を変えることが無いように添加剤を選択することが好ましいものである。このような添加剤の例として、蔗糖やマンニトールなどの糖類、有機オリゴマー、アエロジルを始めとする無機ナノ粒子などを挙げることができる。
【００６７】
本実施の形態における粒子１０は直径５μｍにピークを持つ複数の球状中実体であってアクリル樹脂でできており、粒子１０内部にはカーボンブラックが分散されている。このような粒子１０は塗料の質感改善材などとして工業的に製造されており、樹脂ビーズと呼ばれている。本発明を実施可能な粒子１０はこれにとどまるものではない。たとえば形状で言えば、球状、回転楕円体、棒状、薄片状、繊維状、その他これらが組み合わさったような異形のものであってよく、またその構造は中実、中空、多孔体等であってもよい。そして材質では、アクリルやスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、フッ素系樹脂、ラテックス、シリコンゴムなどの樹脂系、シリカ、チタニア、ジルコニア、チタン酸バリウムなどの無機粒子およびこれらの複合物、すなわち無機粒子の表面を樹脂でコーティングしたようなものであってもよい。さらに、これら粒子１０の表面は化学修飾されていてもよく、また表面を粗にするなどの物理的な処理がなされていてもよい。さらに、これら粒子は染料や顔料によって着色されていても良いし、多層構造など光学的に活性な構造を使うことにより光の干渉を生じさせて着色しても良い。なお、セル７内に保持された粒子１０の量は、粒子１０が対極４を含むセル７上面を埋め尽くすに十分なものとなっている。本実施形態では、セル７ひとつあたり０．１ｍｇ程度の粒子１０を使用している。
【００６８】
本実施の形態における媒体８に粒子１０としてのアクリルビーズを分散すると、アクリルビーズの表面は負に帯電する。媒体８を水とした場合、アクリルだけでなく多くの樹脂が負に帯電することが知られているが、前述したように、粒子１０の表面電荷は誘電泳動現象に大きな影響を与えることはない。
【００６９】
また、媒体８に粒子１０を分散する際、添加剤を用いることで媒体８と粒子１０の比重を調整して粒子１０の沈降を防いだり、媒体８の粘度をあげたりチクソトロピー性を付与することでブラウン運動による粒子１０の拡散を抑制したりすることも好ましいものであって、その場合は媒体８の導電率を変えることが無いように添加剤を選択することが好ましいものである。このような添加剤の例として、蔗糖やマンニトールなどの糖類、有機オリゴマー、アエロジルを始めとする無機ナノ粒子などを挙げることができる。
【００７０】
本実施形態における電源１１は１００Ｈｚから１０ＭＨｚまでの任意の周波数範囲を含む交流を出力することができるものであって、その出力波形は正弦波である。出力電圧も任意に設定可能であって、最大値は正弦波の振幅が１００Ｖである。この電源１１は本実施形態を実施するために十分な電源として選択されたものであって、本発明を実施するための周波数範囲や波形、振幅の最大値などはこの範囲に制限されるものではない。たとえば出力波形は異なる複数の周波数の正弦波の合成波からなることを妨げるものではない。ただし、いかなる波形の交番電界を用いる場合であっても、その形状は周期的なものであって、電界の方向の反転を伴い、電圧印加に際して系に電流が流れる場合にはその平均値が両方向で同じになるようなもの、すなわち交流回路で言うところのバイアス成分を含まない交番電界である。そして、交番電界の周波数は一秒間に電界の方向が反転した回数で定義される。
【００７１】
電源１１は制御部１３によって制御される。制御部１３は、詳細は図示しないが、ＣＰＵを含み、予め作成されてメモリ１４内に保存された制御プログラムを解釈して電源１１を適切に制御することによってセル７内に発生する電界を制御している。この制御手順を図３を用いて説明する。尚、メモリ１４内に予め保存されるプログラムには、本発明の表示装置１５を適切に動作させるためのすべての手順が記載されているが、ここでは説明を簡易にするために電源１１の制御に関わる部分のみについて図３を用いて説明する。このプログラムには多数のセル７が配置された表示装置１５のスクリーンに映し出したい所望の画像、その画像を映し出すためのそれぞれのセル７の粒子１０の配置状況、その粒子１０の配置状況にそれぞれのセル内の粒子１０を配置するために電源１１が出力すべき交番電界の周波数を求める表または演算式が示されている。この表、または演算式とは、例えば、プログラム内に記載された、所望の配置状況と交番電界の周波数を対応させた表、または所望の配置状況に粒子１０を配置させる交番電界の周波数を導き出す演算式によって求められる。これらの表及び演算式に関しては、図６を用いて後で詳しく説明する。
【００７２】
なお、スクリーンに映し出したい所望の画像は表示装置１５のメモリ１４に記憶されるだけでなく、表示装置１５外部より直接入力することも可能である。これはたとえば、カメラによって写されている映像をリアルタイムに表示し続けるような場合である。またさらに、所望の画像を取り外し可能な外部記憶装置に保存し、必要に応じてその外部記憶装置を本発明の表示装置１５に接続して、そこから読み出すことも可能である。これはたとえば、デジタルスチルカメラによって撮影され、フラッシュメモリに保存された画像を、フラッシュメモリを本発明の表示装置１５に接続することで表示を行うような場合である。またさらには、タッチパネルやペン入力装置、マウスなどによって使用者が入力する画像情報を逐次表示するといったことも、メモリ１４に記憶されていない画像を本発明の表示装置１５に表示する場合の例である。
【００７３】
図３は電源の制御手順を説明するための図を表している。Ｓ１において、メモリ１４内の保存されているプログラムによって、制御部１３は、所望の画像を映し出すためのそれぞれのセル７内の粒子１０の配置状態を決定する。続いてＳ２において、制御部１３の図示しないＣＰＵはメモリ１４内のプログラムにアクセスして、Ｓ１で決定された粒子１０の配置状態とするための電源１１が出力する交番電界に関わるデータを読み取って解釈する。データには、前述したような対応表または演算式が含まれる。なお、データには電源１１が出力する交番電界の周波数を求める対応表、演算式だけでなく、振幅、波形、出力の持続時間、持続時間内で周波数や振幅、波形等が経過時間につれて変化する場合はその変化に関わる情報、演算式など、さらには使用者の操作やその他外部から与えられる制御因子に応じて電源１１の動作を変更する場合はそれに関わる情報、演算式などが含まれている。例えば、本発明の表示装置１５が、使用者が押下するボタンに応じていくつかの表示情報を切替えるようなものである場合、押下されたボタンが制御因子であり、ＣＰＵはメモリ１４内のデータから押下されたボタンに対応した部分を解釈して適切な表示をおこなう、といった動作をする。
【００７４】
そして、制御部１３はデータに含まれている制御内容を解釈すると、Ｓ３において決定された周波数など、正しくそれが反映されるように電源１１を設定する。そして、Ｓ４において制御部１３は電源１１を通電させ、所定の粒子配置に粒子１０を保持する。
【００７５】
このように、本発明における表示装置１５は制御部１３がメモリ１４内のプログラムを参照しながら電源１１の周波数を適切に制御することで中間調表現に優れた表示を行うものである。
【００７６】
ところで、実施の形態の説明は、表示装置１５に含まれる単一のセル７について行うが、これは説明の理解が容易になるように単純化しているためである。実際の表示装置１５はセル７が複数含まれていても良いのはいうまでも無い。そしてその場合においても電源１１と制御部１３、メモリ１４は協調して動作することによって個々のセル７を制御し、表示装置１５全体として整合性のある動作をおこなうものである。
【００７７】
次に図４を用いて本実施形態の画素に形成される電気力線の様子を説明する。
【００７８】
図４において、２０は電気力線、２１は電界集中部近傍、２２は弱電界部である。図４（ａ）は本発明の表示装置における画素の横断面における電気力線の様子を示す図、図４（ｂ）は凸部の断面形状を三角形状にしたもの、図４（ｃ）は凸部の断面形状を山形状にしたもの、図４（ｄ）は凸部の断面形状を長方形状にしたものである。
【００７９】
図４（ａ）において、作用極３は凸部５により分割されているため、対極４に比較して面積が小さくなり、電気力線２０は作用極３から広がりながら対極４に至る。つまり電気力線２０の密度は作用極３の近傍に近づくほどその密度を増すように分布すると言える。したがって図４に示した本実施形態の画素構造においては電位の傾きは作用極３の近傍でもっとも大きくなる。このような電気力線２０の密度の変化は不均一な電界を形成し、このとき分割された作用極３近傍が本発明で言うところの電界集中部２１となる。
【００８０】
さて、電界集中部２１に電気力線２０が集中した結果、対極４では電気力線２０の密度が相対的に低くなる部分が形成されることになる。これを本発明では弱電界部２２と称する。誘電泳動力の作用を考えるとき、弱電界部２２は電界集中部２１と物理的な環境において対照をなす部位である。
【００８１】
図４（ｂ）及び図４（ｃ）においても、電気力線２０は作用極３から広がりながら対極４に至る。図４（ｄ）においては、電気力線２０はほぼ並行電界のまま作用極３から対極４に至るため、不均一電界が発生しづらくなり、誘電泳動力の作用がほとんど発生しなくなる。
【００８２】
このように、視認方向に対して垂直に配置され、互いに平行な平板状電極を用いるとき、それらが互いに異なる面積を持つことで、セル７内には電界集中部２１と弱電界部２２が形成される。詳細は後述するが、電界集中部２１と弱電界部２２がセル７内に存在し、視認方向１２に対し垂直な面方向に連続的に分布していることが均一でムラの無い画像表示を制御性良く行う上で重要である。
【００８３】
以上説明した構成の画素が実際に動作する場合の様子を次に説明する。
【００８４】
図５は異なる周波数の交番電界を用いて誘電泳動を行った際の様子を説明するための図である。図５（ａ）は本発明の表示装置において異なる周波数の交番電界を用いて誘電泳動を行った際の通電前の画素の断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）における上面図、図５（ｃ）は本発明の表示装置において異なる周波数の交番電界を用いて誘電泳動を行った際の第一の周波数の交番電界を印加して一定時間が経過した後の画素の断面図、図５（ｄ）は図５（ｃ）の上面図、図５（ｅ）は本発明の表示装置において異なる周波数の交番電界を用いて誘電泳動を行った際の第二の周波数の交番電界を印加して一定時間が経過した後の画素の断面図、図５（ｆ）は図５（ｅ）の上面図である。なお、説明のために微粒子９、粒子１０は拡大して記載している。実際の系においては、セル７に対する微粒子９、粒子１０の大きさは遥かに小さいものであることを付記しておく。
【００８５】
図６（ａ）は交番電界の周波数と粒子の移動状態を説明するための図、図６（ｂ）は配置状態に対応する交番電界の周波数の対応を示す図である。この図６（ａ）またはこのグラフを算出する演算式、図６（ｂ）はメモリ１４に記憶される。
【００８６】
まず、画素に通電を行う前、図５（ａ）、（ｂ）のように微粒子９、粒子１０は媒体８内に均等に分散している。この状態から制御部１３は予め定められたプログラムに従って電源１１を制御し、第一の周波数の交番電界を印加する。すなわち、図３のＳ１でメモリ１４内に保存されているプログラムの演算式などによって、制御部１３は所望の画像を映し出すためセル７内の粒子１０の配置状態を図５（ｃ）、（ｄ）に決定する。制御部１３は、この配置状態とするための周波数をメモリ１４内のプログラムを基に決定する。本実施形態における第一の周波数は、図６（ａ）、（ｂ）から明らかな通り、１０ｋＨｚである。また波形は正弦波、振幅は２０Ｖである。第一の周波数は正の誘電泳動力を発生する。第一の周波数の交番電界が印加されると直ちに媒体８内の粒子１０は電界集中部２１方向に移動を始める。微粒子９は媒体８中に均一に分散したままである。そして粒子１０は１秒以内に定常状態に達し図５（ｃ）のような第一の粒子配置状態となる。凸部５によって分割された作用極３のいずれか一部に粒子１０が片寄った場合には、粒子１０が電気力線２０を遮るために電界が弱くなり、他の分割電極に粒子１０が集まる様になるため、定常状態に達する際には、各分割電極間に集合する粒子１０の数はほぼ均一になる。第一の粒子配置状態は粒子１０の実質的に全量が電界集中部２１近傍に集まった状態である。このような第一の粒子配置状態を視認方向１２から見ると、図５（ｄ）に示したようになり、視認者には微粒子９の色が視認される。実施の形態における微粒子９はチタン酸バリウムであり、白色として視認されるものである。電界集中部２１近傍に集合した粒子１０は微粒子９の分散した白濁液下にあり、微粒子９に完全に隠されるため、視認方向１２からは視認されない。
【００８７】
次に、制御部１３は印加する交番電界を第一の周波数から第二の周波数に変更する。すなわち、図３のＳ１でメモリ１４内に保存されているプログラムの演算式などによって、制御部１３は所望の画像を映し出すためセル７内の粒子１０の配置状態を図５（ｃ）、（ｄ）から図５（ｅ）、（ｆ）に変更して決定する。制御部１３は、この配置状態とするための周波数をメモリ１４内のプログラムを基に決定する。本実施形態における第二の周波数は図６（ａ）、（ｂ）から明らかな通り、２００ｋＨｚであって、波形は正弦波、振幅は２０Ｖである。第二の周波数の交番電界が印加されると、粒子１０は直ちに移動を始め１秒以内に図５（ｅ）に示した第二の粒子配置状態になる。微粒子９は媒体８中に均一に分散したままである。
【００８８】
これは第二の周波数の印加によって電界集中部２１近傍に粒子１０に対する強い負の誘電泳動力が発生するためである。負の誘電泳動力は粒子１０を対極４へと押しやるように移動させる。電界集中部２１から移動する粒子１０は凸部５が存在するために、横方向へは拡がらず、上方向である対極４へと移動する。
【００８９】
第二の粒子配置状態を上面から、すなわち視認方向１２から視認した場合の画素の様子を示したものが図５（ｆ）である。第二の粒子配置状態では粒子１０は対極４に張り付いて薄く広がっているため、視認者には粒子１０の色が視認されることになる。本実施の形態においては、粒子１０はカーボンブラックにより黒に着色されたアクリルビーズであるので、視認者には黒が視認されることになる。微粒子９は粒子１０に完全に隠されるため、視認方向１２からは視認されない。
【００９０】
このように、制御部１３がメモリ１４内に保存されているプログラムの演算式などによって電源１１を制御して第一の周波数と第二の周波数の交番電界を切替えることによって、粒子１０は第一の粒子配置状態と第二の粒子配置状態をそれぞれ取る。そして、図５（ａ）〜（ｃ）から明らかな通り、視認者は異なる画素の状態、すなわち微粒子９の色のみを表示する第１の状態と粒子１０の色のみを表示する第２の状態とを表現することができ、二つの状態を視認することになる。このとき粒子１０と微粒子９を異なる任意の色に着色しておけば、第一の粒子配置状態と第二の粒子配置状態で画素にそれぞれ別の色を視認させることが可能となる。従って、いかなる粒子の配置状態であっても、所望の色のみを視認できるようにして良好な画像形成をすることができる。
【００９１】
以下に本実施の形態を実施した際の詳細手順をまとめる。
【００９２】
使用したガラス基板は４０ｍｍ角の正方形で、厚さは０．７ｍｍである。ガラス基板上には厚さ５０ｎｍのＩＴＯ電極がスパッタリングで形成されている。このガラス電極上に８０ｎｍ厚の感光性ポリイミド膜を形成し、フォトグラフィプロセスを用いて一辺が２６５μｍの開口部を形成した。この開口部が作用極３である。次に基板全面にドライフィルムとして上市されている３０μｍ厚の感光性フィルムを貼り付け、再度フォトリソグラフィプロセスを用いてポリイミド膜の開口部を縦断する様に凸部５を形成した。凸部５の数は５つ、それぞれの凸部５の間隔は２５μｍである。フォトリソグラフィプロセスを用いる際、フォトマスクの光透過度を調整し、凸部５の断面が台形になるようにした。断面の台形の下辺は２５μｍ、上辺は１５μｍ、高さはフィルムの厚さである３０μｍである。
【００９３】
次に基板全面にドライフィルムとして上市されている５０μ厚の感光性フィルムを貼り付け、再度フォトリソグラフィプロセスを用いてポリイミド膜の開口部を取り囲むように隔壁６を形成した。フォトリソグラフィプロセスを用いる際、フォトマスクの光透過度を調整し、隔壁６の断面が台形になるようにした。断面の下辺は２５μｍ、上辺は１５μｍ、高さはフィルムの厚さである５０μｍである。微粒子９には塗料用途として上市されている酸化チタンを用いた。尚、粒子１０の粒度分布のピークは２００ｎｍ付近である。この微粒子９の適量を超純水中に分散し、本実施形態の微粒子９含有液として用いた。粒子１０には大日精化工業株式会社のアクリルコポリマー着色粒子であるラブコロール２２４（ＳＭ）ブラックを用いた。尚、粒子１０の粒度分布のピークは５μｍ付近であり、カーボンブラックにより黒色に着色してある。この粒子１０を超純水中に分散し、分散液を遠心分離機にかけて上澄みを捨てることを数回繰り返して洗浄した後に、微粒子９含有液に分散して使用した。
【００９４】
粒子１０を分散した液適量を、隔壁６を形成した基板上に滴下し、パターニングをしていないＩＴＯ基板をＩＴＯ面が隔壁６側になるようにしてかぶせることで、セル７を構成した。セル７を構成する際にセル７内に気泡が残らないようにした。パターニングしていないＩＴＯは隔壁６によって絶縁されるため、セル７の天井面全面を覆う対極４として作用することになる。二枚の基板を互いに固定して保持し、両方のＩＴＯ面からそれぞれ電極線を引き出した。
【００９５】
交番電界の印加にはＮＦ回路設計ブロックＷＦ１９４５を用い、電圧を高める必要があるときはアンプまたは昇圧トランスを使用した。
【００９６】
粒子１０の移動の様子はマイクロスコープを用いて観察し、移動速度、移動量などを画像から解析することで、印加する交番電界の周波数と粒子１０の移動状態の関係の定量的な評価を行った。
【００９７】
以上本実施の形態では、電界集中部２１を形成するように配置された少なくとも一組の電極が、視認方向に対して垂直に配置された互いに平行な平板状の電極対であって、かつその面積が互いに異なるものを例に取り上げて説明を行った。そして、本実施の形態における電極対の面積の異なり度合いは、対極４に対して作用極３の面積が５０％あまりであった。この対極４の面積に対する作用極３の面積の比率は、１０％から８０％の範囲が好ましく、さらに好ましくは４０％から７０％である。凸部５の数を減らし、対極４に対して作用極３の面積が大きくなりすぎると、図４で説明した電気力線２０の集中の度合いが弱くなり、両電極間の電界の不均一さは小さくなるため誘電泳動力の発生が弱くなってしまうという問題が起こる。
【００９８】
一方で、凸部５の数を増やすことで対極４に対して作用極３の面積が小さくなりすぎると、両電極間の電界の不均一さは大きくなるが、凸部５の断面を長方形に近い形にする必要があるため、発生する電気力線２０が並行電界に近くなり、誘電泳動力は弱くなる。
【００９９】
また、凸部５を設けずに作用極３自体を小さくした際には、粒子１０が作用極３から反発する場合、粒子１０がセル７上面まで到達せずに、隔壁６の側壁に整列してしまう、若しくは作用極３周辺の電極の無い部分に粒子１０が集中してしまうために第二の粒子配置状態をとることが困難になる。
【０１００】
このような理由から、対極４の面積に対する作用極３の面積の比率は、１０％から８０％の範囲が好ましく、さらに好ましくは４０％から７０％であるといえ、作用極３上に設置される凸部５の数は好ましくは、１〜１０個、より好ましくは３〜８個であるといえる。
【０１０１】
また、凸部５の高さは好ましくは隔壁６に対して３０〜８０％、より好ましくは５０〜７０％である。凸部５が低い場合、作用極３から反発された粒子１０がセル７上面まで到達しないため粒子１０色が十分に視認されず、凸部５が高い場合にはセル７内にて微粒子９により十分に隠蔽されず凸部５が視認されてしまう。
【０１０２】
さて、ではなぜこのような粒子１０の移動が生じるのかを説明するが、実施の形態は、誘電泳動現象の説明で示したような理想的な系とは異なり、誘電泳動現象以外の様々な物理現象が重畳して観察されるより複雑な系である。よって、観察される現象がすべて理論的に把握されているわけではない。よってここでは後述するように、観察される現象が主に誘電泳動現象によっていると改定して説明を試みるものとする。
【０１０３】
図６（ａ）において横軸は周波数を表す対数軸であって、符号Ｑは粒子１０が弱電界部２２から電界集中部２１に移動した周波数範囲、符号Ｒは粒子１０が電界集中部２１から弱電界部２２に移動した周波数範囲をそれぞれ表しており、ｆ４は交番電界を印加しても粒子１０の実質的な移動が発生しなかった周波数をそれぞれ示している。本実施の形態における周波数ｆ４はおよそ１３０ｋＨｚであった。そして、符号ｆ５は図５（ｃ）、（ｄ）に示された第一の粒子配置を実現する交番電界の周波数１０ｋＨｚ、ｆ６は図５（ｅ）、（ｆ）に示された第二の粒子配置を実現する交番電界の周波数２００ｋＨｚである。
【０１０４】
図５（ｃ）〜（ｆ）に示されたような、表示装置１５のスクリーンに所望の画像を映し出すためのそれぞれのセル７の粒子１０の配置状態を実現するために、電源１１が出力するべき交番電界の周波数を対応させた表が図６（ｂ）に示された対応表であり、この対応表がプログラムとしてメモリ１４に保存されている。メモリ１４に保存された図６（ｂ）に示された対応表に従って、制御部１３は周波数が正しく反映されるように電源１１を設定する。そして、制御部１３は電源１１を通電させ、所定の粒子配置に粒子１０を保持する。もちろん、粒子１０の配置状況と対応する周波数は、上記のものに限定されるものではなく、ｆ４とｆ５の範囲内、ｆ４とｆ６の範囲内にて周波数を設定することで、画像の切替え速度を意図的に遅延させたり、図５（ｃ）、（ｄ）と図５（ｅ）〜（ｆ）の中間の状態、いわゆる階調表現を実施することが可能となる。
【０１０５】
このように、本実施の形態で観察された粒子１０の移動は周波数範囲Ｒにおいて斥力、周波数範囲Ｑにおいて引力と、図１を用いて説明した誘電泳動力の周波数に依存した発現のうち高周波側の変化の様子を再現しており、実施の形態における粒子１０の移動は誘電泳動力によるものが支配的であると考えることができる。つまり、図６の周波数範囲Ｑ，Ｒはそれぞれ図１の周波数範囲Ｂ，Ｃに相当し、そのときの誘電泳動力の変化の様子、すなわちＲｅ［Ｋｅ］値の変化の様子が曲線２５のようになるということである。
【０１０６】
ここで、複数のセル７を用いた画像形成を行う際の動作の一例について説明する。図７はｎ×ｍ個のセルとこれらセルの中からひとつを選択して制御を行うためのマトリクス電極を備えた表示装置１５の例である。図７において、符号５０はｎ本の行電極から一本を選択して電源１１との接続を行う行シフトレジスタ、５１はｍ本の列電極から一本を選択して電源１１との接続を行う列シフトレジスタ、５２は行電極、５３は列電極、５４は行電極と列電極の交点である。図示されない複数のセル７は複数ある交点５４にそれぞれ配置されており、行電極５２は作用極３に、そして列電極５３は対極４にそれぞれ接続されている。このような構成はいわゆる単純マトリクスと呼ばれるものであり、表示装置１５の駆動を行うための構成として一般的なものである。
【０１０７】
複数ある行電極５２には上から順に１，２，３・・・ｎと電極番号が割り振られている。これはｍ本ある列電極５３についても同様である。そして、たとえば行シフトレジスタ５０が５番の行電極５２を選択し、列シフトレジスタ５１が５番の列電極５３を選択するとこれらの電極が電源１１に接続される。電源１１から電圧が印加されると、電界は符号５４で示した交点で最も強くなり、この位置に配置されているセル７において誘電泳動が生じることになる。二つのシフトレジスタは後述するように制御部１３と協調してｎ×ｍ個あるセル７を順次選択しながら通電を行い、画像形成をするものである。複数あるセル７を使った画像形成の過程を説明したものが図８に示されたフローチャートである。以降の説明では前述した５番の行電極５２と５番の列電極５３の交点５４を単にセル（行番号，列番号）、すなわちセル（５，５）と表現する。
【０１０８】
さて、複数あるセル７を使い、一枚の画像が形成されるまでの制御手順を説明したものが図８である。まず、Ｓ１において制御部１３は、メモリ１４内に保存されているプログラムにしたがって、表示すべき画像を決定する。次にＳ２において制御部１３は、画像を映し出すためにセル（１，１）からセル（ｎ，ｍ）までのｎ×ｍ個のセル７がとるべき粒子１０の配置状態をそれぞれ決定し、それらの値をメモリ１４に保存する。そしてＳ３において選択するセル７の初期値を設定し、Ｓ４でシフトレジスタを制御して最初に電圧を印加するセル（１，１）と電源１１とを接続する。次いで制御部１３は、Ｓ５において、Ｓ２でメモリ１４に保持したセル（１，１）に印加すべき周波数を電源１１に設定する。そしてＳ６において、制御部１３は電源１１を制御して通電を行い、粒子１０を移動させる。これでセル（１，１）の粒子移動が完了する。その後制御部１３は次のセル７を選択するための手順としてＳ７において条件判断を行う。Ｓ７において制御部１３は、ｂの値、すなわち列番号がｍ、すなわち最終列まで到達しているかどうかを判断する。この段階はセル（１，１）を書き込んだところであるので、条件は満たされない。そこで制御部１３はｂの値に１を加える。そしてＳ４に戻る。Ｓ４において制御部１３は、再びセル（ａ，ｂ）を選択するが、このときｂの値は２となっているため、今回はセル（１，２）を選択することになる。以下同様の動作を繰り返してｍ列までの粒子配置を完了すると、Ｓ７の条件判断は満たされ、Ｓ８の条件判断に移る。ここまでａの値は１のままであり、条件判断は満たされないので、ａに１を加え、ｂを１として再びＳ４に戻る。この動作により、次回はセル（２，１）が選択される。以降、ｂがｍになるごとにａに１が加えられる動作を繰り返す。これはすなわち図８の交点５４を１行ずつ１列からｍ列に向かってスキャンしていく動作になる。このようにしてセル（ｎ，ｍ）までの全ての交点５４に対して粒子１０の移動が行われると、ｂはｍに、そしてａはｎになるため、条件判断Ｓ７およびＳ８をどちらも満たしてＳ１で決定した画像の形成が終了する。以上が複数のセル７を含む表示装置１５の画像形成の手順の一例である。
【０１０９】
なお、この例では、単純マトリクスによる制御の例を説明したが、アクティブマトリクス方式、セグメント方式など、他の方法を用いても画像の形成は可能である。いずれの場合においても複数のセル７のうちのひとつを選択し、そこに適切な周波数の電界を印加して粒子１０の移動を行うという基本的な制御の考え方は同じである。いずれの方法を用いても本発明を実施することが可能である。
【０１１０】
次に、図９を用いて本発明の表示装置を搭載した電子ペーパー３０について説明する。図９は本発明の表示装置を搭載した電子ペーパーの斜視図である。図９において、３０は電子ペーパー全体、３１は筐体、３２はスクリーン、３３は操作ボタンである。筐体３１の内部には、詳細は図示しないが、本発明の交番電界を印加させるための電源１１と、交番電界の周波数などを決定するためのプログラムを保存した記憶部と、プログラムを基に前記電源１１が出力する交番電界の周波数などを決定する制御部１３が内包されている。また、スクリーン３２には、これも詳細は図示しないが、多数のセル７が整然と配置されており、それぞれのセル７は個別に制御可能な状態で図示しない電源１１に接続されている。そして、これら多数のセル７は図示しない記憶部に保存されたプログラムを元に図示しない制御部１３によって決定された周波数によって駆動され、スクリーン３２全体として協調した動作を行うことで視認可能な画像を表示し、また使用者が操作ボタン３３を操作することにより、表示する画像を変更したりする。
【０１１１】
電子ペーパー３０は、図２（ａ）のガラス基板１、２を例えば可撓性材料によって構成したスクリーン３２と、スクリーン３２と同等の柔軟性を有する筐体３１などから構成し、使用しないときは丸めておくような使い方をすることも可能である。
【０１１２】
溶媒である水に分散した微粒子９の色と粒子１０の色による表現ということで、カラー表示については言及しなかったが、たとえば隣り合う３つの画素にそれぞれＲＧＢの色をもつ粒子１０を配置したり、隣り合う３つの画素に、溶媒に分散する微粒子９の色をＲＧＢとすることで、３つの画素を一組の画素としたカラー表現を実現することは容易である。その場合各色を受け持つ画素はいずれも前述したムラのない均一で高画質な表現を備えたものとなるため、一組の画素が表現可能なカラーも、非常に細かなものとすることが可能である。
【０１１３】
また電子ペーパー３０を、スクリーン３２と制御部１３等を含む筐体３１に分離することで、スクリーン３２単体の使い勝手は紙に近いものとなり、例えば、１ｍｍ以下の厚さに構成することもできる。このようにすると、軽量で持ち易く、例えば、薄手のペーパフォルダによって持ち歩き、必要な場面で取り出して使用することができるような使い勝手に優れた別の態様を実現することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
以上説明した画素を複数基板やフィルム上に配置して画像形成させることで、画像切替え速度が速く、いかなる粒子の配置状態であっても所望の色のみを視認できるようにして良好な画像形成をすることができる。実施の形態では、溶媒である水に分散した微粒子色と粒子色による表現ということで、カラー表示については言及しなかったが、たとえば隣り合う３つの画素にそれぞれＲＧＢの色をもつ粒子を配置したり、隣り合う３つの画素に、溶媒に分散する微粒子の色をＲＧＢとすることで、３つの画素を一組の画素としたカラー表現を実現することは容易である。その場合各色を受け持つ画素はいずれも前述したムラのない均一で高画質な表現を備えたものとなるため、一組の画素が表現可能なカラーも、非常に細かなものとすることが可能である。
【０１１５】
本発明による表示装置は、画像切替え速度が早く、いかなる粒子の配置状態であっても所望の色のみを視認できるようにして良好な画像形成をすることができる、電子ペーパーとして電子書籍端末や、電子黒板、情報ボード、あるいは価格表示用のタグなどに利用が可能である。また、カラー表示を行う場合には、さらにデジタルフォトフレームやデジタルサイネージ端末として利用が可能である。
【符号の説明】
【０１１６】
１    下側ガラス基板
２    上側ガラス基板
３    作用極
４    対極
５    凸部
６    隔壁
７    セル
８    媒体
９    微粒子
１０    粒子
１１    電源
１２    視認方向を表す矢印
１３    制御部
１４    メモリ
１５    表示装置
２０    電気力線
２１    電界集中部
２２    弱電界部
３０    電子ペーパー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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