JPS583631B2 - ヒカリセイギヨソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気信号に応じて偏移変形可能な材料層の偏移
変形によって外光を制御する関係にある光制御装置の改
良に関するものである。

上記の光制御装置としては、油膜や、プラスチックを加
熱溶融せしめた液体層或いはゴム等の弾性材料層に電気
信号として電子ビーム等により電荷を付着せしめ、その
クーロンフォースによってこれらの層の膜厚等を変形せ
しめ、この変形によって外光を制御する装置がライトバ
ルブ装置として良く知られている。

さらに最近、有隙電極を具えた透光性支持体とこの支持
体に保持され、且つこの支持体に対して電気浸透性を呈
する透光性液体材料層とを有し、この液体材料層を介し
て前記有隙電極に電圧や電荷信号の形で電気信号を加え
ることによって、液体材料を機械的に偏移せしめ、この
機械的な偏移即ち液体材料層の変形によって外光を制御
する光制御装置が本発明者によって提案されている。

これらの装置において、従来、材料層の機械的な偏移変
形による外光の制御において、この制御効果を光の強度
の変化として検出、表示する場合機械的な偏移変形によ
って外光を回折せしめ、この回折効果をシュリーレンレ
ンズ系によって光強度の変化として検出表示していた。

しかしながら公知の如くシュリーレンレンズ系は高価で
あるばかりでなく、その光学系の調節に細心の注意が必
要で、僅かの振動や外的条件の変化によって光学系のバ
ランスが崩れ、動作の不安定性を招来すると共に光利用
率が悪い等、数多くの解決すべき難点を残していた。

本発明はこれら光制御装置の難点を改良した新しい光制
御装置の提供を意図したものである。

本発明番ζ加えられる電荷や電圧等の電気信号に応じて
偏移乃至は変形可能な液体材料などの層の機械的な偏移
によって外光を制御する関係にある光制御装置において
、前記偏移変形可能な層の一方の面側に、この層から離
して透光性の光拡散体を設置すると共に、前記の層の他
方の面側から外光をこの層に照射し、その透過光によっ
て前記光拡散体を照射するように構成される。

本発明によると、液体材料などの偏移変形可能な層の機
械的な偏移や変形な光拡散体面上に光強度の変化として
直接表示され、光拡散体の裏面、（即ち液体層とは反対
側）側から観察でき、シュリーレンレンズ法の如き従来
法の諸難点が解決された高光利用率の簡便で動作の安定
な光制御装置が実現できる。

以下、実施例について本発明の態様を詳述する。

第１図は本発明にか〜る光制御装置の縦断面構造図で、
本例は電気信号強度に応じて変化する格子状の光パター
ンの表示を目的とした光制御装置である。

図において、１１０は透光性支持板、１２０，１３０は
平行格子状に交互にすなわち有隙的に１１０表面に被着
された透光性電極で夫々は導線１２１，１３１を介して
一括され、端子１２２，１３２を介して電気信号源１４
０に接続される。

１５０は、加えられる電気信号に応じて偏移変形可能な
材料層で、例えば支持板１１０に対して電気浸透性を示
す液体材料層、１６０は液体材料１５０の漏出を防止す
る囲枠で、例えばガラス、磁器、プラスチック等で作り
支持板１１０表面に固着されている。

１７０は透光性の光拡散体で、本例では支持体１１０側
に、液体層１５０から適当な隔たりをもたせて、層１５
０の配置面と平行に配置される。

Ｌ１ は電球等の適当な光源から照射される外光で、こ
の外光Ｌ１は液体層１５０を透過し、この透過光Ｌ２が
光拡散体１７０を照射するように構成されている。

支持体１１０の材質と層１５０を形成する液体材料は、
界面電気化学的な相関性を考慮して、適当に選定される
。

例えば支持体１１０として石英板、硼珪酸ガラス板、ソ
ーダーライムガラス板などいわゆるガラス板を使用する
場合には、例えばこの固体材料に対して良い電気浸透性
を示すメチルフエニルシリコンオイルや燐酸トリクレシ
ル等を使用する。

この液体層１５０の厚さは、例えば１０〜２００μ程度
に適轟に薄く選び、層１５０が均一厚さになるよう、支
時基体板１１０は平行に保たれる。

支持基体板１１０の厚さは特に限定するものではないが
、例えば１〜３間程度にし、不要な光の屈折や散乱を生
じないよう、光学的に平坦に表面仕上げすることが望ま
しい。

電極１２０，１３０は例えば酸化錫等の透明導電膜で平
行格子状に構成する。

夫夫の電極幅及び電極１２０と１３０との電極間隙は、
例えば１０〜５００μ程度に選ぶ。

電極１２０と１３０の夫々の幅は等しく選んでも、また
異なるように選ぶこともできる。

しかし後述のように電極１２０，１３０間に電気信号を
印加した時、一方の電極側から、他方の電極側へと液体
材料の移動偏移を生じ、光拡散体１７０上に電極１２０
，１３０に対応した明暗のパターンが得られるので、同
じ振巾の電気信号に対して明暗のパターンの幅および光
強度の分布を変えられるようにするためには、電極１２
０，１３０の幅は異なるように構成すると共に、電気信
号源１４０から加えられる直流電気信号の極性が反転で
きるように構成することが望ましい。

電極１２０，１３０の少なくともいずれか一方の幅に対
するこれらの電極の配置間隙幅の関係法夫々の用途に対
して適当に選ぶことができるが、低い電気信号電圧に対
して動作させるためには、電極１２０，１３０の幅とは
無関係にできるだけ狭くすることが望ましい。

光透過性の光拡散体１７０としては、薄い透明ガラスの
片面を弗酸処理やサンドプラスト処理を行なって乳白色
のいわゆる曇りガラスを形成したり、厚さが２０〜５０
μｍ程度のトレーシングペーパーや、テフロン膜或いは
透明プラスチック材料に白色顔料を混入した乳白色のプ
ラスチックフイルム等を使用する。

これらに光を照射すれば、その乳白部分で光が散乱拡散
されると共に、透過光を生じる。

図の実施例では、光拡散体１７０は支持板１１０から離
して別個に設置されているが、支持板１１０が適当に厚
い場合には液体層１５０に対して反対側の支持板１１０
表面に光拡散体１７０を接するように設けたり、或いは
接着しても良い。

若しくは支持板１１０表面を弗酸やサンドブラスト処理
して支持板１１０自体に光拡散性を付与しても良い。

何れにしても光拡散体１７０は、外光Ｌ１の照射側とは
反対の側に位置し、且つ液体層１５０より適当な隔たり
をもって設置することが必要条件である。

液体層１５０と光拡散体１７０の光拡散面との隔たりは
、例えば電気浸透性の液体材料１５０として燐酸トリク
レシルやメチルフエニルシリコン等を使用し、支持板１
１０として石英板や硼珪酸ガラス板を、また電極１２０
，１３０の幅を５００μｍ１その間隙を５００μｍとし
た場合には５〜２０ｍｍ程度が推奨される。

外光Ｌ１としては、特に限定するものではないがキセノ
ンランプや白熱電球乞光源として好ましくはこれをレン
ズ系を通して平行光線として照射する。

第２図は第１図装置について、その一部分を取り出して
の動作原理説明の一例図である。

ａは端子１２２，１３２間に電気信号が印加されない場
合の状態図である。

固体支持体面にこれと異な組成の液体材料を被着すると
、界面電気化学現象により、その固体液体界面には一般
に界面電気二重層を生じる。

この場合固体、或いは液体の何れか側が正、他方側が負
になるかは、夫々の誘電率の大小関係、乃至は解離イオ
ンの存在の有無等によって異なるが、材料が定まると一
義的に定まる。

一般に固体支持板１１０及び液体層１５０の何れもが電
解質を含まない誘電体材料で構成される時は、ケーンの
法則によって、誘電率の大きな方が正、小なる方が負に
帯電し、固体、液体界面に電気二重層が生じる、第２図
ａには固体支持板１１０として石英や硼珪酸ガラス板を
用い、液体層１５０としてメチルフエニルシリコンオイ
ルや燐酸トリクレシルを使用した場合が例示されていて
、第２図ａは固体支持板１１０側が負（−）、液体層１
５０側が正（＋）に帯電して界面電気二重層が構成され
た場合が模式的に示されている。

しかし、電極１２０，１３０間には電気信号が印加され
ていないので、液体層１５０は表面張力に基づき均一厚
さの平坦な層を形成し、表面１５１は平面性を保持して
いる。

従って外光Ｌ１はそのまゝ透過し出力光Ｌ２は光拡散体
１７０を均一照射するから、何らのパターンも生じない
。

端子１２２が負、端子１３２が正なるよう単方向（直流
）電気信号を印加すると、界面電気二重層を形成してい
る部分の液体材料は、その電気二重層は単分子層に近い
ので強力なクーロンフォースによって界面に固定され移
動し難いが、二重層が適当に離れた部分の液体材料は、
このクーロンフォースによる束縛が緩く、正に帯電して
いる液体材料１５０は正電極１２０上では反撥力を受け
、その他の部分では静電界によりこれと反対極性、即ち
負極性の電極１３０側に引張られ、したがって共に移動
を開始する。

しかし、負に帯電している固体材料１１０は移動し得す
、それ故液体材料１５０だけ相対的に機械的な偏移を生
じることになる。

このように界面電気化学的に、固体と液体界面に電気二
重層を生じ、固体側が機械的に固定され、液体側が加え
られる電界に応じてその帯電極性に対して反対極性側に
移動偏移する現象を電気浸透と定義する。

第２図ｂは、端子１２２，１３２間に電気信号を印加し
た場合の定常状態における液体層１５０の移動、偏移の
状態の模式図である。

本例では、電極１２０及び１３０共に複数個の導電部か
ら成る。

従って、電気信号の振巾に対応して正電極１２０では正
帯電している液体材料１５０は相隣る負電極１３０の両
側へ付けられ、負電極１３０にはこれに向って相隣る正
電極１２００両側から電気浸透力（Ｆ）によって液体材
料が移動集中する。

これが表面張力や重力との吊合いによる平衡状態では、
正電極１２０部では層１５０の膜厚が薄くなり凹レンズ
を、負電極１３０部では膜厚が厚くなり、凸レンズを形
成する。

従って外光Ｌ１による光透過性は、液体材料１５０が電
気浸透現象により移動した正電極１２０部と、集中偏移
した負電極１３０部では全く異にする。

即ち、液体層１５０と光拡散板１７０との距離を適当に
選ぶと、液体層１５０を透過した外光Ｌ２の内、負電極
１３０の凸レンズ部を透過する光Ｌ２″は、光拡散板１
７０上に集光するのに対して、正電極１２０の凹レンズ
部を透過する光Ｌ２′は発散することになる。

このようにして、光拡散体１６０表面の電極１３０に対
応する部分の光密度は、電気信号を印加しない場合と比
較して上昇し、明るい光パターンを生じるのに対し、電
極１２０に対応する部分では逆に光密度が減少するので
暗い光パターンを生じる。

このような電極１３０，１２０に対応した光パターンは
、光拡散体１７０を通過して観察される。

このように本発明によると、従来のような複雑なシュリ
ーレン光学系を使用せずに直接電極１３０，１２０に対
応した形状の光パターンを得ることができると共に、何
ら外光Ｌ１の透過をさえぎるものがないから極めて高い
光利用率が得られる利点がある。

電気信号を取り去れば、表面張力によって速かに液体層
１５０は第２図ａの如く平坦な層に復帰し、光パターン
は消失する。

電気信号の極性を反転し、電極１３０を正、電極１２０
を負にすれば、電極１２０側に液体材料が移動偏移して
凸レンズを一方電極１３０側に凹レンズを形成するから
、明暗の位置関係は逆転する。

また、液体材料１５０として上述とは逆に負に帯電する
材料を使用すれば、上述とは逆に凸及び凹レンズを形成
する。

液体材料１５０の移動偏移は、電気信号の振巾と共に増
加する。

従って少なくとも凸レンズ部の曲率半径、すなわち等価
的に焦点距離は減少することになる。

それ故、液体層１５０と光拡散体１７０との距離を適当
に狭く固定した場合、電気信号の振巾の増大と共に、凸
レンズ部に対応した光パターンの巾は狭くなると共に、
その明るさが増加する。

一方、凹レンズ部に対応した光パターンの巾に、広くな
ると共にその明るさは暗くなる。

このように電気信号の振巾の調節を可能とする手段を付
与することにより、表示す可き電極パターンの巾と相対
的な明暗を可変化できる効果を得ることができる。

一方、液体層１５０と光拡散体１７０との距離を可変に
する手段を付与することによっても、明暗の光パターン
の相対的な巾及び光強度の関係を可変にすることができ
る。

すなわち電気信号の振巾を一定に保持し、液体層１５０
と光拡散体１７０との距離を大にして行くと、明部パタ
ーンの巾が狭くなると共に光強度が増加して明るくなる
のに対して、暗部パターンの巾は広くなり、その光強度
は減少して暗くなる。

さらに距離を離し、凸レンズ部の等価的な焦点距離の位
置においては、相対的に最も巾の狭い明るいパターンと
、最も巾が広く暗いパターンが得られる。

さらに距離を離すと、明部パターンの巾が増加するに対
してその明るさが減少して行く。

従って、電気信号の振巾と、液体層１５０と光拡散体１
７０との距離の両方を、可変にする手段を付与すること
により、電極１２０，１３０のパターンの表示を更に広
範囲に可変にすることができる。

第３図は第１図の実施例に基いて得られた光パターンの
写真である。

透明支持体１１０としては石英ガラス板を用いた。

電極１２０，１３０としては、酸化錫から成る巾５００
μｍの透明導電膜を間隔５００μｍで交互に支持体１１
０上に配列被着し、この電極間に３００Ｖの直流電気信
号を加えた。

液体材料１５０として＋３粘度が４００センチストーク
スの比較的粘度の高い場合としてメチルフエニルシリコ
ンオイルと、粘度の低い場合として隣接トリクレシルを
使用し、その厚さは５０μｍ程度である。

これらの液体材料１５０は共に、石英ガラス板１１０に
対して正に帯電し、従って負の電圧が印加された電極方
向に移動偏移する。

光拡散体１γ０としては片面をフロスト処理した透明ガ
ラス板から成る曇りガラスを使用し、液体層１５０から
の距離を約１０ｍｍに固定し、外光Ｌ１としてはタング
ステンランプ光源からの光をコンデンサーレンズを介し
て千行光化し、光拡散体１７０の裏側から写真撮映した
。

写真ａは平行格子状に構成された電極１２０，１３０の
形状を示す写真で、電極作成時に使用したマスクパター
ンを光照射し、光拡散体１７０上に投映された光画像を
撮影したもので、白く表示されている部分が交互に配列
される平行格子状電極１２０，１３０それぞれの導電部
分に対応する。

写真ｂは液体材料層１５０としてメチルフエニルシリコ
ンオイルを使用した場合、写真Ｃは燐酸トリクレシルを
使用した場合に、外光Ｌ１が液体材料層１５０の移動偏
移により制御され、光拡散体１７０に表示された光画像
の実験例である。

なお、写真ａ，ｂ，ｃは比較の便宜上から全く等倍率で
撮影され、写真ｂ，ｃの下方の黒点は、第１図の負電極
１３０の存在位置を示し、この黒点との中間に正電極１
２０が平行格子状に配列されている。

写真ｂ，ｃから明白なように、負電極１３０に対応した
平行格子状の鮮明な明暗の光パターンが表示されている
。

粘度が比較的高い場合は、第２図ｂに例示したように、
負電極上に一つの凸レンズが生じる。

そのため負電極一本当り一本の明るい光パターンが写真
ｂの如く表示される。

これに対して写真Ｃでは負電極一本当り二本の明るい光
パターンが表示される。

これは、エッジ効果により電極端部に電東線が集中する
ため、負電極の両端部に夫々高負電界強度域が構成され
、液体材料１５０の粘度が低い時はその表面の変形が容
易なため、電極端部の高電界強度部に対応して液体材料
１５０が、その端部からこれに隣接する電極配列間隙部
に亘って集中偏移し、負電極一本当り、その両端部すな
わち計二つの凸レンズが形成されたためである。

外光Ｌ１の照射方向と光拡散体１７０の設置位置は、第
１図と全く反対にすることもできる。

即ち、第１図において外光Ｌ，の照射側に光拡散体１６
０を設置し、第１図における光拡散体１７０側から外光
Ｌ１を照射しても、全く同様に動作させることができる
。

なお、外光Ｌ１は必ずしも平行光線である必要はない。

液体層１５０を透過する成分を有すればその方向性は問
わない。

なお、電極パターンとして本例の実験では平行格子状の
単調なパターンを使用したが、これらの複数個の電極対
を所要の形状パターンに複数個を互に絶縁して配設し、
ここに選択的に電気信号を印加すれば図形や文字等の表
示が行なえる。

第４図は本発明にかゝる光制御装置の他の実施例の縦断
面構造図である。

本例は電気信号を選択的に切換えて印加し、種々の図形
や文字等のパターンを拡大投映する光制御装置を意図し
ている。

２１０は例えば石英板或いは醋酸セルローズなどのプラ
スチック板から成り、厚さが１０〜３００μｍ程度の透
光性支持板で、その一方の表面に酸化インジウムや沃化
銅なとの透光性導電材料から成る有隙電極２２０が、他
方の面には表示す可き複数個の図形や文字乃至はその構
成素子２３１，２３２，２３３に対応した形状の複数個
の前記導電材料などからなるパターン電極２３０が被着
されている。

有隙電極２２０は、電極巾及びその配列間隙が例えば１
０〜５００μｍ程度の平行格子状であっても、また方形
状乃至は円形状等形状を問わない孔間隙を有する例えば
、５０〜１０００メッシュ（１インチ長当り）程度の網
状電極に構成することができる。

この有隙電極２２０配設面上に、透光性支持板２１０に
対して電気浸透性を示すメチルフエニルシリコンオイル
や燐酸トリクレシル等の液体材料層２５０を、例えば１
０〜２００μｍ程度に薄く塗布する。

電極２２０は導線２２１、切換スイッチ２２２を介して
、２４１，２４２から成る振巾可変で、互に逆極性の直
流電気信号源２４０の一方の出力端に接続される。

パターン素子電極２３１，２３２，２３３夫々は互に絶
縁され導線２３４，２３５，２３６、スイッチ２３７を
介して直流電気信号源２４０の他方の出力端に、切換え
接続されるよう構成される。

本例の装置では、支持板２１０を狭んで電極２２０，２
３０間に電気信号が印加される。

したがって、電極２２０，２３０間の電界分布の内、支
持板２１０を貫通すると共に、液体層２５０と支持板２
１０との界面に平行な電界（乃至は電流）成分による、
支持板２１０表面に沿っての液体材料１５０の電気浸透
現象を利用する。

従ってパターン素子電極２３１〜２３３の導電部は、少
なくとも有隙電極２２００間隙部に相当する位置、即ち
間隙部の直下に存在するよう構成される。

好ましくは、図示の如く、電極２２００間隙部の複数個
にまたがるよう、巾広く構成される。

２６０はガラス、磁器、プラスチック等による囲枠、２
７０は片面がフロスト処理された透明ガラス板から成る
透光性の光拡散体で、いわゆる曇りガラス板を構成し、
支持板２１００表面から５〜２０ｍｍ程度の間隔をもた
せて設置される。

支持板２１０及び光拡散体２７０は囲枠２６０に固着さ
れ、液体材料２５０の外気への蒸発と、外気からの汚染
を防止する。

２８０は外光Ｌ１照射用の光源で、反射鏡２８１とキセ
ノンランプ等の発光源２８２とから成る。

外光Ｌ１は、パターン電極２３０、支持板２１０、電極
２２０及び液体材料層２５０を透過し、この透過光Ｌ２
が光拡散体２７０を照射する。

この光拡散面に生じた光パターンは拡大投影系２９０す
なわちレンズ２９１、反射鏡２９２を介してスクリーン
２９３に拡大投影される。

今、液体材料１５０として正に帯電する材料を用い、ス
イッチ２２２を（ａ）側に、スイッチ２３７を（ｂ）側
に接続すると、電極２２０には負、素子電極２３２には
正の電圧が加わり、素子電極２３２上方の部分では、支
持板２１００表面に沿って液体材料２５０は電極２２０
の間隙部から導電部に向かって移動偏移し電極２２０の
導電部に凸レンズ、間隙部に凹レンズを生じる。

スイッチ２２２を（ｂ）側に倒せば、反対に間隙部に凸
レンズを形成する。

信号電圧が印加されない他の素子電極２３１，２３３に
相当する部分では、このような移動偏移は生じない。

従っていずれの場合にも素子電極２３２に対応した形状
の明暗の光パターンが拡散体２７０面に生じ、これが投
影系２９０を介してそのスクリーン２９３上にＬ３とし
て投映される。

電極２２０の導電部と間隙部の巾を異なるように構成し
ておくと、スイッチ２２２を切換えることにより、得ら
れる明暗のパターンの相対的な巾が変えられ、信号源２
４１，２４２の電圧振巾を変えることによって、明暗の
パターンの相対的な巾と光強度の関係の調整が更に広範
囲に行なえる。

スイッチ２３７をａ，ｃに切換えると、スクリーン２９
３上には、夫々素子電極２３３，２３１の形成に対応し
た光パターンＬ３が表示されることになる。

本例では電気信号として電圧信号が加えられたが、パタ
ーン電極３２０を除去し、支持板２１０がフェースプレ
ートとなるように真空空間を形成し、電極２３０が除去
された側の表面を密度変調された電子ビームで走査し、
この表面に正乃至負の電荷像を付着させ、この電荷が支
持板２１０、液体層２５０、有隙電極２２０を通して電
子銃内のカソード電極側に漏洩するように構成すると、
この電荷像の電荷密度に対応して液体材料２５０には電
圧が加わり移動偏移させることができる。

従って電荷像に対応した光画像Ｌ３がスクリーン２９３
上に表示され、いわゆるテレビジョン画像の拡大投影装
置が実現できる。

以上、有隙電極を具えた透光性支持体と、この支持体に
保持され、且つこの支持体に対して電気浸透性を呈する
液体材料とを少なくとも有し、少なくとも前記有隙電極
を介して前記液体材料に電気信号を印加する手段を有し
、この電気信号に応じて液体材料を、透光性支持体との
界面電気化学的な関連における電気浸透現象によって移
動偏移させる手段を有する光制御装置を中心に実施例を
述べた。

しかし、本発明は油膜やサーモプラスチック膜、ゴム等
の弾性膜（エラストマー）の表面に、電荷像を形成させ
、これを電気信号としてこれら膜面間のクーロンフォー
スによって、それらの膜を変形させ凹凸を作り、この膜
を透過する外光を制御する従来の光制御装置にも同様に
適用できる。

本発明はこれらをも包含することを意図したものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかゝる光制御装置の一実施例の縦断面
構造図、第２図ａ，ｂは第１図の装置の動作説明図、第
３図ａ，ｂ，ｃは第１図の装置についての実験結果の写
真、第４図は本発明にかゝる光制御装置の他の実施例の
構造図である。 １１０，２１０・・・・・・透光性支持体、１２０，１
３０，２２０，２３０・・・・・・電極、１４０，２４
０・・・・・・電気信号源、１５０，２５０・・・・・
・電気信号に応じて偏移変形可能な材料から成る層、１
６０，２６０・・・・・・囲枠、１７０，２７０・・・
・・・透光性の光拡散体、Ｌ１・・・・・・外光、Ｌ２
・・・・・・透過光、Ｌ３・・・・・・投影光パターン
、２８０・・・・・・外光照明源、２９０・・・・・・
拡大投映光学系。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 透光性支持体の一方の面に透光性の有隙電極を設置
   し、上記支持体の電極設置面上に、電気浸透性の透光性
   液体材料を配し、前記有隙電極の間隙部もしくは前記支
   持体の他方の面に前記有隙電極と絶縁された透光性電極
   を設置すると共に、前記透光性液体材料から分離された
   位置に透光性の光拡散体を配置し、かつ、前記有隙電極
   と透光性電極との間に電気信号を印加する手段と、前記
   光拡散体へ前記透光性液体材料を透過せしめて外光を照
   射する手段とを有することを特徴とする光制御装置。