(57)【要約】【課題】中間調表現と、中間的な階調から別の中間的な階調への状態変異を可能とする表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】液体である媒体９と媒体９中に懸濁された複数の粒子１０を間に設けられた空間であるセル８内に収容するように対向した複数の電極対である作用極３と対極４と、作用極３上に形成された絶縁膜５と、作用極３、対極４間に交番電界を印加する電源１１と、電源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、絶縁膜５の膜厚を連続して変化させることで作用極３、対極４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、電極上における複数の粒子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１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体と前記液体中に懸濁された複数の粒子状物質を、間に設けられた空間内に収容するように対向した複数の電極対と、
前記電極対のうち少なくとも一方の電極上に形成された絶縁膜と、
前記電極対に交番電界を印加する電源と、
前記電源が出力する交番電界の周波数を決定する制御部と、を備え、
前記絶縁膜の膜厚を連続して変化させることで前記電極対間に電界集中部を形成し、
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、前記領域における前記絶縁膜は、最も膜厚の厚い点が隔壁と接するように構成されてい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、前記領域における前記絶縁膜の断面形状が、擂鉢形状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。
【０００３】
電気泳動は基本的に２値現象であり、中間調を表現するには向いていない。もちろん、通電を途中で止めるなどして電気泳動を中途半端な状態でとめることで中間的な階調を表現することは可能ではあるが、画像形成において頻出する、中間的な階調から別の中間的な階調への状態変異を通電時間の制御のみで成し遂げることは困難である。
【０００４】
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直流を用いるだけでは表示不可能な粒子の泳動制御を可能にするというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２４２３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の提案はなお直流電界を用いた電気泳動現象に大きく依存した画像形成であって、中間階調の表現は直流を用いた電気泳動を中断することにより実現すると言及するにとどまっており、誘電泳動は電気泳動を用いることでは実現できない粒子の配置を成すために限定的に使われているのみである。従って中間階調の表現、また、中間的な階調から別の中間的な階調への状態変異を通電時間の制御のみで成し遂げることが困難であるという課題は解決されておらず、なお階調表現において課題を残しているものである。
【０００７】
また、誘電泳動を利用する際には大きさの異なる対向電極を形成する必要があり、対向電極の片方の大きさを変える、または電極の一部を絶縁層により覆うという方式が考えられる。しかしこれらの方法では、電極部分と非電極部分に電気力線の強弱の明確な差があるため、階調性の高い表現を未だ実現できないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、液体と前記液体中に懸濁された複数の粒子状物質を、間に設けられた空間内に収容するように対向した複数の電極対と、前記電極対のうち少なくとも一方の電極上に形成された絶縁膜と、前記電極対に交番電界を印加する電源と、前記電源が出力する交番電界の周波数を決定する制御部と、を備え、前記絶縁膜の膜厚を連続して変化させることで前記電極対間に電界集中部を形成し、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】
【０００９】
以上の構成により、本発明は対向する電極対のうち少なくとも一方の電極上に膜厚が連続して変化する絶縁膜を設けるという簡単な方法で電極間に印加する交番電界により発生する電界強度を制御し、粒子状物質の分布を変化させ、特に中間調表現と、中間的な階調から別の中間的な階調への状態変異を可能とする、制御性、表現力の高い表示装置を実現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】
【００１０】
【図１】（ａ）本発明の表示装置の画素の横断面図、（ｂ）本発明の表示装置の視認方向から見た上面図、（ｃ）絶縁膜の断面形状をＶ字型スロープ状にした表示装置の画素の横断面図、（ｄ）絶縁膜の断面形状を山型にした表示装置の画素の横断面図、（ｅ）絶縁膜の断面形状を台形状にした表示装置の画素の横断面図
【図２】電源の制御手順を説明するための図
【図３】（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）図３（ａ）における電位の広がりを示す図、（ｃ）図３（ａ）における電位の分布を示す図
【図４】（ａ）絶縁膜の断面形状をＶ字型スロープ状にした表示装置の画素の横断面図、（ｂ）図４（ａ）における電位の広がりを示す図、（ｃ）図４（ａ）における電位の分布を示す図
【図５】（ａ）絶縁膜の断面形状を山型にした表示装置の画素の横断面図（ｂ）図５（ａ）における電位の広がりを示す図、（ｃ）図５（ａ）における電位の分布を示す図
【図６】（ａ）絶縁膜の断面形状を台形状にした表示装置の画素の横断面図（ｂ）図６（ａ）における電位の広がりを示す図、（ｃ）図６（ａ）における電位の分布を示す図
【図７】（ａ）絶縁膜に厚みの分布のない表示装置の画素の横断面図（ｂ）図７（ａ）における電位の広がりを示す図、（ｃ）図７（ａ）における電位の分布を示す図
【図８】（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８（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８（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８（ｅ）の上面図、（ｇ）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三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、（ｈ）図８（ｇ）の上面図、（ｉ）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四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、（ｊ）図８（ｉ）の上面図
【図９】（ａ）本発明の表示装置における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１０】複数のセルを用いた画像形成を説明するための図
【図１１】複数のセルを用いた画像形成を制御するための図
【図１２】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】
【００１１】
請求項１に記載の発明は液体と前記液体中に懸濁された複数の粒子状物質を、間に設けられた空間内に収容するように対向した複数の電極対と、前記電極対のうち少なくとも一方の電極上に形成された絶縁膜と、前記電極対に交番電界を印加する電源と、前記電源が出力する交番電界の周波数を決定する制御部と、を備え、前記絶縁膜の膜厚を連続して変化させることで前記電極対間に電界集中部を形成し、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、電極間に印加する交番電界の周波数を変化させるという簡単な方法で粒子状物質の分布を変化させ、特に中間調表現と、中間的な階調から別の中間的な階調への状態変異を可能とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、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、前記領域における前記絶縁膜は、最も膜厚の厚い点が隔壁と接するように構成されてい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、隔壁近傍に弱電界部が形成され、電界集中部近傍に粒子に対する極めて強い負の誘電泳動力が発生するため負の誘電泳動力は粒子を弱電界部へと押しやるように移動させる。その結果、粒子は隔壁に張り付いて薄く広がっているため、視認者には画素奥に配置されている下側基板の色を表示することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、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、前記領域における前記絶縁膜の断面形状が、擂鉢形状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、絶縁膜の断面形状が擂鉢形状であることによって、電位がなだらかなカーブを描いて連続的に変化するため、粒子が電極の中央に寄った状態と端に寄った状態の間（中間状態）の表示を容易に制御できる。また、隔壁のそばに絶縁膜の厚い部位が存在するため、隔壁を形成するプロセス時に絶縁膜の剥離／傷などのダメージが発生しにくい。
【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。本願でいうところの電界集中部とは、不均一電界によって電位勾配が大きくなっ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集中し、密に存在している部分といい換えることもできる。
【００１７】
電界集中部の例として挙げられるのは帯電体の表面近傍、電位の異なる二枚の互いに合同な並行平板の端部、二枚の互いに面積と電位の異なる並行平板帯電体などである。
【００１８】
上記の例以外にも、電界集中部をより積極的に形成するには電極や帯電体に鋭利な角を設けることが有効である。これは例えば電極や帯電体が球状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。
【００１９】
電界集中部の別の形態は、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従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。このような電界集中部の具体的な形状の例は特許文献１にも示されている。
【００２０】
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。例えば、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、これも本願でいうところの電界集中部であるといえる。
【００２１】
次に、誘電泳動現象について説明する。
【００２２】
誘電泳動現象は誘電体が不均一電界中で分極して双極子となり、その双極子が分極をもたらした不均一電界から力を受ける現象である。誘電泳動は１９５１年にＩＢＭ社のＨ．Ａ．Ｐｏｈｌによって報告された。誘電泳動の詳細は例えば参考文献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  Ｍｏｒｇａｎｅｔ．ａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｔｕｄｉｅｓ  Ｐｒｅｓｓ  ＬＴＤ．）
誘電泳動理論の数学的な背景を以下に説明する。
【００２３】
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（式１）及び（式２）で表される。
【００２４】
ＦDEP＝２πｒ3εmＲｅ［Ｋｅ］∇｜Ｅ｜2  ・・・（式１）
Ｋｅ＝（ε*m−ε*p）／（ε*m＋２ε*p）  ・・・（式２）
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、（式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。
【００２５】
式から分かることは、誘電泳動力ＦDEPが粒子の大きさ、媒体の比誘電率、Ｒｅ［Ｋｅ］で示された項に比例するということである。ここでＲｅ［Ｋｅ］は（式２）に示されているように複素誘電率を用いて表現された式であるということで、直感的な理解が難しいものである。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の他に導電率σ及び角周波数ωを含んでいる。なおｊは虚数単位である。この完全表現から分かるように複素誘電率ε＊は媒体及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Ｒｅ［Ｋｅ］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。
【００２６】
さて、誘電泳動力ＦDEPは電界Ｅの影響も受け、その寄与は非線形である。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。本願ではこの項が大きくなる領域を電界集中部としている。
【００２７】
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。従って、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いえる。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。これは誘電泳動力が０でない値をとるとき、粒子に働く力には方向があるということを示しており、誘電泳動力が正の値をとるとき、粒子は電界がより強く不均一となっている電界集中部へ向かって移動する力を受け、負の値のときは逆方向の力、すなわち電界集中部から離れ、より電界変化が弱く均一になっている方向へ移動する力を受ける。誘電泳動力ＦDEPが正負どちらの値となるかはＲｅ［Ｋｅ］の正負によって決まるが、前述したようにＲｅ［Ｋｅ］は複素数を含んでおり、印加される交番電界の周波数の他、媒体及び粒子の誘電率、導電率の影響を受けるものである。
【００２８】
以上説明したように、誘電泳動は電気泳動とは異なる現象である。誘電泳動現象の根本は粒子の分極であり、電気泳動の根本を成す粒子の帯電ではない。従って誘電泳動現象は粒子が正負どちらに帯電していようとも、また帯電していなくとも発生する。以上が誘電泳動現象の説明である。
【００２９】
以下に図１から１２を用いて本発明の実施例の詳細説明を行う。
【００３０】
図１は本発明の表示装置の実施形態における画素横断面及び上面を説明するための概念図である。図１（ａ）は本発明の表示装置の画素の横断面図、図１（ｂ）は本発明の表示装置の視認方向から見た上面図、図１（ｃ）は絶縁膜の断面形状をＶ字型スロープ状にした表示装置の画素の横断面図、図１（ｄ）は絶縁膜の断面形状を山型にした表示装置の画素の横断面図、図１（ｅ）は絶縁膜の断面形状を台形状にした表示装置の画素の横断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及びその動作について説明する。
【００３１】
図１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上に形成された絶縁膜、６は対極４上に形成された絶縁膜、７は隔壁、８はセル、９は液体である媒体、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は絶縁膜３の膜厚の最も厚い部分、βは絶縁膜３の膜厚の最も薄い部分である。
【００３２】
本実施形態では下側ガラス基板１及び上側ガラス基板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など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。
【００３３】
作用極３及び対極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及び対極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。例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９や粒子１０に必ずしも直接接触している必要はない。
【００３４】
本実施形態における作用極３及び対極４はＩＴＯからなる透明電極である。セル８内の粒子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８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。
【００３５】
作用極３、対極４は一辺が１４０μｍ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。従って、作用極３、対極４はセル８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。
【００３６】
作用極３の表面には絶縁膜５が形成されている。絶縁膜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１（ａ）に示されているように、断面は擂鉢状をしており、作用極３の全面を覆っている。絶縁膜５は絶縁体であることが好ましく、更に好ましくは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、絶縁膜５の膜厚の薄い箇所、厚い箇所に応じて、発生する電気力線を制御することが可能となるからである。
【００３７】
絶縁膜５に膜厚の変化がなく均一である場合、もしくは絶縁膜を設けない場合、作用極３と対極４の面積は等しくなるため、発生する電気力線は平行電界となり、誘電泳動の効果を十分に得ることができない。
【００３８】
また、絶縁膜５の断面の形状は必ずしも擂鉢状である必要はなく、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、Ｖ字型のスロープ状や山形であっても構わない。また、膜厚の薄い部分が必ずしも作用極３の中心部にある必要はなく、例えば図１（ｅ）に示す台形状のように、作用極３上のいずれの場所に存在していても構わない。
【００３９】
絶縁膜５の断面の形状が擂鉢状であるとき、絶縁膜が最も厚い箇所α層の厚みは２〜１０μｍである。
【００４０】
α層が厚すぎる場合、誘電泳動により粒子が弱電界部であるα層に移動する際、移動距離が長くなり、粒子の移動に時間がかかり画像の切り替えが遅くなる、また、粒子がα層まで到達できず、画像の切り替えそのものが実行できないといった問題がある。またα層から強電界部である、絶縁膜の最も薄い箇所β層に移動する際にも、α層とβ層の距離が遠くなり、画像の切り替えが遅くなる、または画像の切り替えそのものが実行できないといった問題が発生する。
【００４１】
α層が薄すぎる場合、作用極３から発生する電界を完全に遮断することができないため、作用極３上に弱電界部を形成することができず、誘電泳動の効果を得ることができない。
【００４２】
また、絶縁膜が最も薄い箇所β層の厚みは１００〜３００ｎｍである。β層が厚すぎる場合、作用極３から発生する電気力線を絶縁膜が遮ることとなり、誘電泳動の効果を得ることができない。β層が薄すぎる場合や存在しない場合、電極に傷がつきやすくなる、粒子が電極に付着するといった問題が発生する。
【００４３】
α層とβ層の膜厚の差は、α層の厚みがβ層の１０倍から３０倍程度あるものが望ましい。α層とβ層の差が小さすぎる場合、前述のように作用極３上に弱電界部を形成することができなくなり、α層とβ層の差が大きすぎる場合、β層からα層に至るまでの中間地点において電気力線の強弱の変化が急激に起こるため、細かな誘電泳動の制御ができなくなる。
【００４４】
α層とβ層の位置関係は、もちろん実施する形態により様々に変わるが、例えば作用極３が一辺が１００μｍ〜３００μｍの正方形を形成し、α層が５μｍ厚、β層が２００ｎｍ厚であるとき、α層からβ層に至る際の角度γは８５〜８９°となる。
【００４５】
本実施形態において絶縁膜５は作用極３上を覆っている。すなわち、上面から見たときに一辺が１４０μｍの正方形を形成している。
【００４６】
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は膜厚に分布をもつ絶縁膜５により覆われていることで、誘電率の小さな部分、誘電率の大きな部分を連続的に持つことになり、誘電率の大きな部分が電界集中部となる。そしてこの膜厚に分布をもつ絶縁膜５により覆われた作用極３が本発明でいうところの、視認方向に対して垂直に配置され、誘電率の大きな物質が誘電率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ものに相当する。また、作用極３を保護するために絶縁膜を形成するプロセスが電界集中部を形成するプロセスを兼ねるため、デバイス作製時のプロセスを簡潔なものにすることできる。
【００４７】
また、対極４は電極保護のための絶縁膜６により覆われている。絶縁膜５と同様に上面から見たときに一辺が１４０μｍの正方形を形成している。
【００４８】
対極４上の絶縁膜６は厚みに分布をもつ必要はないが、作用極３と同様に電極の保護のために対極４上を覆っていることが望ましい。絶縁膜６の厚さは望ましくは１００〜３００ｎｍである。絶縁膜が厚すぎる場合、作用極３から発生し対極４に向かう電気力線を絶縁膜が遮ることとなり、誘電泳動の効果を得ることができない。絶縁膜が薄すぎる場合や存在しない場合、電極に傷がつきやすくなる、粒子が電極に付着するといった問題が発生する。またこのとき、絶縁膜６の厚さと絶縁膜５の絶縁膜の最も薄い箇所β層の厚さを必ずしも同一にする必要はない。
【００４９】
隔壁７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１（ｂ）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７と下側ガラス基板１及び上側ガラス基板２で囲まれた空間がセル８である。隔壁７は絶縁体であることが好ましく、更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。
【００５０】
本実施形態においては隔壁７の高さは約５０μｍ、幅約２５μｍ、そして上面から見たときに一辺１４０μｍ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よいが、隔壁７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。
【００５１】
本実施の形態における媒体９は水であって、セル８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い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９の導電率の影響を受けるので、媒体９の導電率は注意深く制御される必要がある。また、媒体９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いうまでもない。なお、一般的に媒体９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の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８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９としての純水を使用している。
【００５２】
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。例えば形状でいえば、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、多孔体などであってもよい。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及びこれらの複合物、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。更に、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。なお、セル８内に保持された粒子１０の量は、粒子１０が作用極３を含むセル８底面を埋め尽くすに十分なものとなっている。
【００５３】
本実施の形態における媒体９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９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。誘電泳動現象に影響があるのは、帯電した粒子１０の表面を覆う粒子帯電と対を成す電荷のいわゆるカウンターイオンである。このカウンターイオンの電界による偏りは誘電泳動力の周波数依存性に影響を及ぼすものである。
【００５４】
ところで、媒体９に粒子１０を分散する際、添加剤を用いることで媒体９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９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９の導電率の変化を考慮した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、非イオン系の界面活性剤、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。
【００５５】
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。例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い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。
【００５６】
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８内に発生する電界を制御している。この制御手順を図２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説明する。このプログラムには多数のセル８が配置された表示装置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８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。
【００５７】
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、表示装置外部より直接入力することも可能である。これは例えば、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。また更に、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。これは例えば、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。また更には、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。
【００５８】
図２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内の粒子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、波形など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、更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り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。
【００５９】
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を保持する。
【００６０】
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。
【００６１】
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８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８が複数含まれていてもよいのはいうまでもない。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８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。
【００６２】
次に図３から図７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。
【００６３】
図３から図７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３（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３（ｂ）は図３（ａ）における電位の広がりを示す図、図３（ｃ）は図３（ａ）における電位の分布を示す図である。
【００６４】
図４（ａ）は絶縁膜の断面形状をＶ字型スロープ状にした表示装置の画素の横断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）における電位の広がりを示す図、図４（ｃ）は図４（ａ）における電位の分布を示す図である。
【００６５】
図５（ａ）は絶縁膜の断面形状を山型にした表示装置の画素の横断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）における電位の広がりを示す図、図５（ｃ）は図５（ａ）における電位の分布を示す図である。
【００６６】
図６（ａ）は絶縁膜の断面形状を台形状にした表示装置の画素の横断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）における電位の広がりを示す図、図６（ｃ）は図６（ａ）における電位の分布を示す図である。
【００６７】
図７（ａ）は絶縁膜に厚みの分布のない表示装置の画素の横断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）における電位の広がりを示す図、図７（ｃ）は図７（ａ）における電位の分布を示す図である。
【００６８】
図３（ａ）において、作用極３は膜厚に分布をもつ絶縁膜５により覆われていることで、誘電率の小さな部分、誘電率の大きな部分を連続的に持つことになる。電気力線２０は絶縁膜５の薄い部分から広がりながら対極４に至る。つまり誘電率の大きな部分、すなわち絶縁膜５の薄い部分近傍が電界集中部２１となる。
【００６９】
さて、電界集中部２１に電気力線２０が集中した結果、作用極３からも対極４からも離れた部分では電気力線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。
【００７０】
本発明において絶縁膜５は分布を持ち、作用極３のほぼ中心に位置する電界集中部２１から、外側に位置する弱電界部２２に向かって膜厚が増大していく。従って最も絶縁膜５の薄い電界集中部２１から遠ざかるに従い、電気力線が絶縁膜５の影響を強く受けるようになり、電気力線の強度も減少してゆき、最も絶縁膜５の厚い弱電界部２２においては電気力線の発生はほとんどなくなる。
【００７１】
図３（ｂ）は図３（ａ）において１０Ｖの交番電界を印加した際の電位の広がりを示す図である。波状の濃淡が電位の広がり方を示しており、濃い色の箇所ほど高電位である。図３（ｃ）は図３（ａ）において１０Ｖの交番電界を印加した際の電界強度の分布を示す図である。横軸は画素の横断面の位置を、縦軸は電界強度を示している。図３（ｂ）、図３（ｃ）から分かるとおり、画素内部において発生する電位は電界集中部２１で最も強く、弱電界部２２において最も弱くなっており、両者間の電位の強度は滑らかに変化している。このように電界集中部２１から発生する電気力線の強度が滑らかに変化することで、誘電泳動力の作用による細かな粒子挙動の制御を容易く実現することが可能となる。すなわち、絶縁膜５の断面形状が擂鉢形状であることによって、電位がなだらかなカーブを描いて連続的に変化するため、粒子１０が作用極３の中央に寄った状態と端に寄った状態の間（中間状態）の表示を容易に制御できる。また、隔壁７のそばに絶縁膜５の厚い部位が存在するため、隔壁７を形成するプロセス時に絶縁膜５の剥離／傷などのダメージが発生しにくい。また、絶縁層５の最も膜厚の薄い部分は１つの点であっても１つの線であってもよい。また各々のセルの中心であってもよく、また２組の向かい合う隔壁７のうち１組と平行な方向に伸びる線状でもよい。
【００７２】
図４（ａ）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（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、電界集中部２１近傍において電位の強度は急激に変化しているが、電界集中部２１と弱電界部２２間の電位の強度は滑らかに変化していることが分かる。このような構成とすることによって、粒子１０の分布の切り替えが早く、粒子が中途半端な場所に残存することも少なくなる。
【００７３】
図５（ａ）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５（ｂ）、図５（ｃ）に示すように、電界集中部２１と弱電界部２２間の電位の強度は滑らかに変化していることが分かる。このような構成とすることによって、粒子１０の分布の切り替えが早く、粒子が中途半端な場所に残存することも少なくなる。
【００７４】
図６（ａ）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６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように、電界集中部２１近傍において電位の強度は急激に変化しているが、電界集中部２１と弱電界部２２間の電位の強度は滑らかに変化していることが分かる。また、このような構成とすることによって、粒子１０が作用極３の中央に寄った状態と端に寄った状態の間（中間状態）の表示を容易に制御できる。
【００７５】
また、膜厚に変化があれば電界に変化が生じるため、絶縁層５の最も膜厚の薄い部分は１つの点であっても１つの線であってもよく、対称である必要はないため膜厚がどのような方向に変化してもよい。
【００７６】
図７（ａ）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、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように不均一電界が発生せず、誘電泳動力の作用がほとんど発生しなくなる。
【００７７】
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、一方の電極上に誘電率の異なる部位を設けることで、セル８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８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、徐々に電界の強度が変化していることが諧調性の高い画像表示を制御性よく行う上で重要である。
【００７８】
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。
【００７９】
図８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８（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８（ｂ）は図８（ａ）における上面図、図８（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８（ｄ）は図８（ｃ）の上面図、図８（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８（ｆ）は図８（ｅ）の上面図、図８（ｇ）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三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８（ｈ）は図８（ｇ）の上面図、図８（ｉ）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四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８（ｊ）は図８（ｉ）の上面図である。
【００８０】
図９（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９（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９（ａ）またはこのグラフを算出する演算式、図９（ｂ）はメモリ１４に記憶される。
【００８１】
まず、画素に通電を行う前、図８（ａ）、（ｂ）のように粒子１０は媒体９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８内の粒子の配置状態を図８（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９（ａ）、（ｂ）から明らかな通り、１ｋＨｚ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９内の粒子１０は電界集中部２１方向に移動を始める。そして粒子１０は１秒以内に定常状態に達し図８（ｃ）のような第一の粒子配置状態となる。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８（ｄ）に示したようになり、視認者には粒子１０の色が視認される。実施の形態における粒子１０はアクリルであって特別な着色は行われていないが、粒子１０が小さく、また媒体９である水との屈折率の違いから光をよく散乱し白色として視認されるものである。
【００８２】
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８内の粒子１０の配置状態を図８（ｃ）、（ｄ）から図８（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９（ａ）、（ｂ）から明らかな通り、５０ｋＨｚ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８（ｅ）に示した第二の粒子配置状態になる。
【００８３】
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に対する弱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を弱電界部２２へ薄く拡がるように移動させる。負の誘電泳動力が弱いため、粒子１０はすべてが弱電界部２２まで移動せず、擂鉢形の断面をもつ絶縁膜５上を薄く覆うように移動する。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８（ｆ）である。第二の粒子配置状態では粒子１０は絶縁膜５上に薄く広がっているため、視認者には粒子１０の色が薄く視認されることになる。
【００８４】
次に、制御部１３は印加する交番電界を第二の周波数から第三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８内の粒子１０の配置状態を図８（ｇ）、（ｈ）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三の周波数は図９（ａ）、（ｂ）から明らかな通り、８０ｋＨｚであって、波形は正弦波、振幅は２０Ｖである。第三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８（ｇ）に示した第三の粒子配置状態になる。
【００８５】
これは第三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を弱電界部２２へ押しやるように移動させる。絶縁膜５の厚い弱電界部２２近傍では粒子１０に対する負の誘電泳動は発生せず、粒子１０は弱電界部２２とその近辺に移動することとなる。第三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８（ｆ）である。第三の粒子配置状態では粒子１０は弱電界部２２近辺に移動するため、視認者には粒子１０の太い輪が視認されることとなる。
【００８６】
次に、制御部１３は印加する交番電界を第三の周波数から第四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８内の粒子１０の配置状態を図８（ｉ）、（ｊ）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三の周波数は図９（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。第三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８（ｉ）に示した第三の粒子配置状態になる。
【００８７】
これは第四の周波数の印加によって電界集中部２１近傍に粒子１０に対する極めて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を弱電界部２２へと押しやるように移動させる。
【００８８】
第四の粒子配置状態では粒子１０は隔壁７に張り付いて薄く広がっているため、視認者には画素奥に配置されている下側ガラス基板１が主に視認されることになる。本実施の形態においては、作用極３はＩＴＯからなる透明電極、そして下側ガラス基板１はガラスであるので、視認者には透明なガラス板が視認されることになる。
【００８９】
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を制御して周波数の交番電界を切り替えることによって、粒子１０は第一の粒子配置状態から第四の粒子配置状態をそれぞれとる。そして、図８（ａ）〜（ｊ）から明らかな通り、視認者は異なる画素の状態、すなわち粒子１０の色のみを表示する第１の状態と、粒子１０の色を薄く表示する第２の状態と、粒子１０を太い輪として表示する第３の状態と、粒子１０の色を表示させない第４の状態とを表現することができ、四つの状態を視認することになり、いわゆる諧調表現が可能となる。
【００９０】
また、隔壁７を設け、セル内における絶縁膜５は、最も膜厚の厚い点が隔壁７と接するように構成されていることによって、隔壁７近傍に弱電界部２２が形成され、電界集中部２１近傍に粒子１０に対する極めて強い負の誘電泳動力が発生するため負の誘電泳動力は粒子１０を弱電界部２２へと押しやるように移動させる。その結果、粒子１０は隔壁７に張り付いて薄く広がっているため、視認者には画素奥に配置されている下側ガラス基板１が主に視認されることができる。
【００９１】
図９（ａ）において縦軸は数１、数２の式により算出されるＲｅ［Ｋｅ］値、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、ｆ１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ｆ１はおよそ２０ｋＨｚであった。そして、符号ｆ２は図８（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１ｋＨｚ、ｆ３は図８（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５０ｋＨｚ、ｆ４は図８（ｇ）、（ｈ）に示された第三の粒子配置を実現する交番電界の周波数８０ｋＨｚ、ｆ５は図８（ｉ）、（ｊ）に示された第四の粒子配置を実現する交番電界の周波数２００ｋＨｚである。
【００９２】
図８（ｃ）〜（ｊ）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８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９（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９（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、ｆ１とｆ２の範囲内、ｆ１とｆ３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、各画像表示状態の更に中間の状態、いわゆる階調表現を実施することが可能となる。
【００９３】
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９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。
【００９４】
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。
【００９５】
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１５０ｎｍ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５μｍ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１４０μｍの開口部を形成した。この開口部が作用極３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、絶縁膜５の断面が擂鉢状になるようにした。絶縁膜５の最も薄い開口部中心の膜厚は約２００ｎｍ、絶縁膜５の最も厚い開口部端部の膜厚は約５μｍである。
【００９６】
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７を形成した。隔壁７の厚さは約２５μｍ、高さはフィルムの厚さである５０μｍである。
【００９７】
次に、同じようにＩＴＯ電極がスパッタリングで形成されているガラス基板上に２００ｎｍ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１４０μｍの開口部を形成した。この開口部が対極４である。絶縁膜６の厚みは分布を持たず、約２００ｎｍである。
【００９８】
粒子１０には積水化成品工業株式会社のアクリル系中実球状粒子であるテクポリマーを用いた。なお、粒子１０の粒度分布のピークは５μｍ付近である。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使用した。
【００９９】
粒子１０を分散した液適量を、隔壁７を形成した基板上に滴下し、対極側のＩＴＯ基板をＩＴＯ面が隔壁７側になるようにしてかぶせることで、セル８を構成した。セル８を構成する際にセル８内に気泡が残らないようにした。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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
以上本実施の形態では、電界集中部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、かつその電極を覆う絶縁膜５の厚み分布が互いに異なるものを例に取り上げて説明を行った。
【０１０３】
ここで、複数のセル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１０は複数のセルを用いた画像形成を説明する図であり、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１０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８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。
【０１０４】
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、例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８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。複数あるセルを使った画像形成の過程を説明したものが図１１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。
【０１０５】
さて、図１１は、複数のセルを用いた画像形成を制御するための図である。複数あるセルを使い、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１１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従って、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１１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）までのすべての交点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及び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。以上が複数のセルを含む表示装置１５の画像形成の手順の一例である。
【０１０６】
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。
【０１０７】
次に、図１２を用いて本発明の表示装置１５を搭載した電子ペーパー３０について説明する。図１２は本発明の表示装置１５を搭載した電子ペーパーの斜視図である。図１２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８が整然と配置されており、それぞれのセル８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８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。
【０１０８】
電子ペーパー３０は、図１（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。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
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、従来にない階調表現豊かな表示装置１５を実現することができる。実施の形態では、粒子色と背景色とその間の階調表現ということで、カラー表示については言及しなかったが、例えば隣り合う３つの画素にそれぞれＲＧＢの背景色を配置し粒子１０を白色としたり、また背景色を白色として分散する粒子１０をＲＧＢに着色するなどすることで、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連続的な階調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階調も連続的な、非常に細かなものとすることが可能である。
【０１１０】
本発明による表示装置は、豊かな階調表現が可能であり、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、更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】
【０１１１】
１    下側ガラス基板
２    上側ガラス基板
３    作用極
４    対極
５    絶縁膜
６    絶縁膜
７    隔壁
８    セル
９    媒体
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
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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