(57)【要約】【課題】  高速動作可能な微小電気機械素子アレイ装置を提供する。【解決手段】  弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極（図示せず）を有する可動部２１と可動部２１に対峙して配置され可動部２１を少なくとも２つの異なる位置のいずれかに変位させる複数の固定電極２３，２４とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイを備える微小電気機械素子アレイ装置において、前記固定電極２３，２４に保持電極２５，２６を併設し、固定電極２３，２４に印加するアドレス電圧の書き換えを行う前に、保持電極２５，２６に保持電圧を印加して可動部２１の位置状態を定位させる。これにより、可動部２１が振動中にアドレス電圧を書き換えても可動部２１の位置状態が変化してしまうことがなくなり、アドレス電圧の書き換えタイミングを速めることができ、高速動作が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と該可動部に対峙して配置され前記可動部を少なくとも２つの異なる位置のいずれかに変位させる複数の固定電極とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイと、前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に素子変位信号を書き込み他方に制御電圧を印加することで発生する前記可動電極と前記固定電極との間の静電気力によって前記可動部を変位させる駆動回路とを備える微小電気機械素子アレイ装置において、前記可動電極との間で静電気力を発生させる保持電圧が印加され前記可動部の位置状態の維持を前記保持電圧で行う保持電極を前記固定電極に併設したことを特徴とする微小電気機械素子アレイ装置。
【請求項２】
前記駆動回路は、前記素子変位信号を書き込む間、前記保持電極へ前記保持電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子アレイ装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記保持電極へ前記保持電圧を常時印加することを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子アレイ装置。
【請求項４】
弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と該可動部に対峙して配置され前記可動部を少なくとも２つの異なる位置のいずれかに変位させる複数の固定電極と該固定電極に併設された保持電極とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイと、前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に素子変位信号を書き込み他方に制御電圧を印加することで発生する前記可動電極と前記固定電極との間の静電気力によって前記可動部を変位させる駆動回路とを備える微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法であって、前記駆動回路は、前記可動電極との間で静電気力を発生させる保持電圧を前記保持電極に印加し前記可動部の位置状態を維持することを特徴とする微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
【請求項５】
前記駆動回路は、前記素子変位信号を書き込む間、前記保持電極へ前記保持電圧を印加することを特徴とする請求項４に記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
【請求項６】
前記駆動回路は、前記保持電極へ前記保持電圧を常時印加することを特徴とする請求項４に記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
【請求項７】
光源と、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置と、前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイ装置に照射する光学系と、該光学系から出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械素子アレイを高速駆動可能にする微小電気機械素子アレイ装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等の微小電気機械素子アレイの従来の駆動方法について記載がある。この従来の駆動方法を、図３，図４，図５を参照して説明する。
【０００３】
図３は、微小電気機械素子アレイの２素子分の構成図である。半導体基板１には、内部に図示しない駆動回路が形成されると共に、半導体基板１の表面部には、可動ミラー２，３が形成される。
【０００４】
各可動ミラー２，３は、夫々半導体基板１表面に立設された支柱４，５間に架け渡されたヒンジ６により中空上に支持されており、ヒンジ６を中心に左右に揺動可能となっている。ヒンジ６にはヒンジ６を挟んで左右に可動電極膜７，８が一体に形成され、半導体基板１表面には、可動電極膜７，８に夫々対面する位置に固定電極膜９，１０が形成されている。
【０００５】
可動ミラー２のヒンジ６（電極膜７，８）にバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖを制御電圧として印加し、固定電極膜９にアドレス電圧Ｖａ＝５，固定電極膜１０にアドレス電圧Ｖａ＝０を夫々素子変位信号として印加すると、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝１９Ｖ，電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝２４Ｖとなり、電極膜７，９間の静電気力と電極膜８，１０間の静電気力との差により、電極膜８，１０間が接触する方向に可動ミラー２は傾倒する。図示する状態は、可動ミラー２が−１０°傾いた状態を示す。
【０００６】
同様に、可動ミラー３のヒンジ６（電極膜７，８）にバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖを印加し、固定電極膜９にアドレス電圧Ｖａ＝０，固定電極膜１０にアドレス電圧Ｖａ＝５を印加すると、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝２４Ｖ，電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝１９Ｖとなり、電極膜７，９間の静電気力と電極膜８，１０間の静電気力との差により、電極膜７，９間が接触する方向に可動ミラー３は傾倒する。図示する状態は、可動ミラー３が＋１０°傾いた状態を示す。
【０００７】
可動ミラー２，３に入射光を照射すると、反射光の方向は可動ミラー２，３の傾きに応じて異なることになり、可動ミラー２，３の傾きを制御することで、反射光の方向をオンオフ制御可能となる。
【０００８】
しかし、一旦傾いた可動ミラーを反対方向に傾けるのは困難であり、従来は複雑な電圧制御を行って可動ミラーの駆動制御を行っている。これを図４，図５で説明する。
【０００９】
図４の最上段には、傾倒した可動ミラー２が示されている。左側に傾倒した可動ミラー２を次の状態に変化させる場合、「次の状態」には２通りがある。即ち、反対側（右側）に傾倒させる場合と、同一側（左側）に傾倒させる場合（傾倒状態を維持する場合）とがある。どのような状態に変化させるかは、この微小電気機械素子アレイを画像形成装置として使用する場合には形成する画像データに依存することになる。
【００１０】
図４の下段に枠で囲った中の左側の図は、可動ミラー２を反対側に変位させる場合（Crossover transition）を示し、右側の図は、可動ミラー２の傾倒状態を維持する場合（Stay transition）を示す。各可動ミラー２，３の固定電極膜９，１０に与えるアドレス電圧Ｖａは各可動ミラー２，３毎に制御し、バイアス電圧Ｖｂは全可動ミラーに対して共通に与える様になっている。
【００１１】
可動ミラーの傾倒状態を次状態に遷移させる場合、バイアス電圧Ｖｂは、図５に示す様に変化させる。可動ミラーの変化開始から変化終了までをゾーンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに分けるとすると、先ずゾーンＡでは、バイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖとし、ゾーンＢではＶｂ＝−２６Ｖとする。次のゾーンＣではＶｂ＝７．５Ｖとし、ゾーンＤではＶｂ＝２４Ｖに戻し、ゾーンＥではバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖに保つ。
【００１２】
ゾーンＡでは、アドレス電圧Ｖａ（０Ｖまたは５Ｖ）を書き換える。可動ミラーを次状態に変化させるとき、可動ミラーと一体に動く可動電極膜７，８を固定電極膜９に近づけて可動ミラーを傾けたい場合には固定電極膜９への印加電圧Ｖａを０Ｖとし、固定電極膜１０に近づけて可動ミラーを傾けたい場合には固定電極膜１０への印加電圧Ｖａを０Ｖとし、反対側固定電極膜への印加電圧Ｖａを５Ｖとする。
【００１３】
この様に印加電圧Ｖａを制御すると、図４の左側（クロスオーバー側）に示す様に、ゾーンＢではバイアス電圧Ｖｂ＝−２６Ｖとなり、電極膜８，１０間は電圧差ＤＶ＝３３．５Ｖ，電力膜間７，９間は電圧差ＤＶ＝２６Ｖとなる。これにより、可動ミラー２には更に左側に傾ける静電気力が加わり、可動電極膜８が固定電極膜１０に押し付けられ弾性変形することになる。
【００１４】
次のゾーンＣでバイアス電圧Ｖｂ＝７．５Ｖになるとき、アドレス電極膜（固定電極膜）１０への印加電圧をＶａ＝７．５Ｖとする。これにより、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝０となり、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝７．５Ｖとなる。これにより、電極膜７，９間に静電気力が発生するが、ゾーンＢにおける可動電極膜８の弾性変形による反発力が静電気力に加わって可動電極膜８が固定電極膜１０から離脱し、可動ミラー２は時計方向に回転を始める。
【００１５】
次のゾーンＤでバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖになると、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝１６．５Ｖ、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝２４となり、電極膜７，９間に働く静電気力が更に強まり、可動ミラー２は時計方向に更に回転することになる。
【００１６】
最後のゾーンＥでは、可動ミラー２の可動電極膜７がアドレス電極膜９に衝突することになり、この時、アドレス電極膜１０への印加電圧をＶａ＝５Ｖとする。これにより、可動ミラー２はこの衝突によって図５に示す様に少し振動してから安定状態に入り、反対側への傾動動作が終了する。
【００１７】
可動ミラー２を図４の右側（ステイ側）の状態にするには、図４の枠内右側の上段に示す様に、アドレス電極膜（固定電極膜）１０の印加電圧をＶａ＝０とする（ゾーンＡ）。次のゾーンＢでバイアス電圧がＶｂ＝−２６Ｖになるとき反対側のアドレス電極膜（固定電極膜）９の印加電圧をＶａ＝７．５Ｖとし、次のゾーンＣで、バイアス電圧Ｖｂ＝７．５Ｖとする。
【００１８】
このとき、図５に点線丸印Ｈで示す様に、可動電極膜８が固定電極膜１０から一旦離脱し、ゾーンＤでバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖになると、再び可動電極膜８が固定電極膜１０に接触し、以後、ゾーンＥで固定電極膜９の印加電圧Ｖａ＝５Ｖにし、可動ミラー２の傾倒状態が左傾状態に維持される。尚、説明の都合上「接触」と述べたが、可動電極膜と固定電極膜との間には隙間が形成され、電極膜間が電気的にショートすることはない。以下も同様である。
【００１９】
【特許文献１】特開平１０―４８５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従来の微小電気機械素子アレイの駆動方法では、ゾーンＥの終了すなわち可動ミラーの振動終了を待って、次状態に変位させるためのアドレス書き換え（Ｖａの印加）を行っている。これは、可動ミラーが振動している最中にアドレス書き換えを行うと、例えば左傾している可動ミラーの振動中に右傾させるためのアドレス書き換えを行うと、この可動ミラーに加わる静電気力に振動力が加わって直ちに右傾してしまうことがあり、左傾状態での光反射が不可能になり誤動作の原因になってしまうからである。
【００２１】
このため、従来は、ゾーンＥの終了をまって（図５に示す例では、２２μｓ後）次アドレスの書き換え（ゾーンＡ）を行っており、微小電気機械素子アレイの高速動作が困難であるという問題がある。
【００２２】
もし、ゾーンＥの開始後に直ちにアドレス書き換え（ゾーンＡ）を誤動作無く行うことができれば、ゾーンＥの振動終了後に何時でもゾーンＢ，Ｃと進むことができて高速動作可能となるが、誤動作無くアドレス書き換えを保証する技術が従来は無い。
【００２３】
本発明の目的は、高速動作可能な微小電気機械素子アレイ装置とその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の微小電気機械素子アレイ装置は、弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と該可動部に対峙して配置され前記可動部を少なくとも２つの異なる位置のいずれかに変位させる複数の固定電極とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイと、前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に素子変位信号を書き込み他方に制御電圧を印加することで発生する前記可動電極と前記固定電極との間の静電気力によって前記可動部を変位させる駆動回路とを備える微小電気機械素子アレイ装置において、前記可動電極との間で静電気力を発生させる保持電圧が印加され前記可動部の位置状態の維持を前記保持電圧で行う保持電極を前記固定電極に併設したことを特徴とする。
【００２５】
本発明の微小電気機械素子アレイ装置の前記駆動回路は、前記素子変位信号を書き込む間、前記保持電極へ前記保持電圧を印加することを特徴とする。
【００２６】
本発明の微小電気機械素子アレイ装置の前記駆動回路は、前記保持電極へ前記保持電圧を常時印加することを特徴とする。
【００２７】
本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と該可動部に対峙して配置され前記可動部を少なくとも２つの異なる位置のいずれかに変位させる複数の固定電極と該固定電極に併設された保持電極とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイと、前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に素子変位信号を書き込み他方に制御電圧を印加することで発生する前記可動電極と前記固定電極との間の静電気力によって前記可動部を変位させる駆動回路とを備える微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法であって、前記駆動回路は、前記可動電極との間で静電気力を発生させる保持電圧を前記保持電極に印加し前記可動部の位置状態を維持することを特徴とする。
【００２８】
本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法における前記駆動回路は、前記素子変位信号を書き込む間、前記保持電極へ前記保持電圧を印加することを特徴とする。
【００２９】
本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法における前記駆動回路は、前記保持電極へ前記保持電圧を常時印加することを特徴とする。
【００３０】
本発明の画像形成装置は、光源と、上記のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置と、前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイ装置に照射する光学系と、該光学系から出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、可動ミラーが振動中でも誤動作無くアドレス書き換えを行うことができるので、高速動作可能な微小電気機械素子アレイ装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の１素子分の概略構成図である。本実施形態の微小電気機械素子アレイ装置の可動ミラー２１は、半導体基板２２の表面に形成された図示しない２つの支柱間にヒンジ部２１ａが掛け渡されることで、中空上に揺動自在に支持される。半導体基板２２表面の可動ミラー２１裏面に対峙する位置には、固定電極膜２３，２４が形成されている。
【００３４】
図示の例では、可動ミラー２１のヒンジ部２１ａから右側の裏面に対面する位置に固定電極膜２３が形成され、可動ミラー２１のヒンジ部２１ａから左側の裏面に対面する位置に固定電極膜２４が形成されている。本実施形態では、固定電極膜２３，２４に上述した素子変位信号としてアドレス電圧Ｖａが印加され、可動ミラー２１の裏面に形成された図示しない可動電極に制御電圧としてバイアス電圧Ｖｂが印加される。
【００３５】
本実施形態の微小電気機械素子アレイ装置は、更に、半導体基板２２の表面のうち、固定電極膜２３，２４の夫々外側に、保持電極膜２５，２６が併設されており、この保持電極膜２５，２６に、詳細は後述するように保持電圧が印加される。尚、本実施形態では保持電極膜２５，２６を固定電極膜２３，２４の夫々外側に併設したが、保持電極膜２５，２６を固定電極膜２３，２４に併設する位置はこれに限るものではなく、半導体基板上のどの位置に併設されても良い。
【００３６】
尚、図１に示す本実施形態では、可動ミラー２１と可動電極とを一体に形成し、矩形の可動ミラー２１の中線位置にヒンジ部２１ａを突設しているが、図３で述べた構成の微小電気機械素子アレイ装置に本実施形態をそのまま適用可能である。その場合には、固定電極膜９，１０の夫々に保持電極膜を併設すれば良い。
【００３７】
本実施形態でも半導体基板２２内に駆動回路が形成されており、図示しない制御装置からの指示に基づき、この駆動回路が、アドレス電圧Ｖａ、バイアス電圧Ｖｂ、保持電圧を、夫々、固定電極膜２３，２４、可動ミラー２１裏面の可動電極、保持電極膜２５，２６に印加する様になっている。
【００３８】
図２の中央列の図は、本発明の第１の実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の動作説明図である。図中の括弧付き数字は印加電圧値を示す。微小電気機械素子アレイ装置の基本となる駆動方法は、図４，図５で説明した通りであるが、本実施形態では、ゾーンＥに入ったとき、即ち、可動ミラー２１が振動している最中に、以下の可動ミラー保持制御を追加して行う。
【００３９】
ゾーンＥに入ったとき、バイアス電圧Ｖｂは２４Ｖであり、固定電極膜２３のアドレス電圧Ｖａ＝５Ｖ、固定電極膜２４のアドレス電圧Ｖａ＝０Ｖである。このとき、保持電極膜２５，２６には、バイアス電圧Ｖｂと同電圧の２４Ｖが印加される。
【００４０】
そして、ゾーンＥに入った後、アドレス書き換え（電圧Ｖａの書き換え）を行うのであるが、アドレス書き換え前に、本実施形態では、保持電極２５，２６に印加する保持電圧を１０Ｖに低下させる。これにより、保持電極膜２５，２６と可動ミラー２１との間に電圧差が生じて静電気力が発生する。図示する場合、保持電極膜２６側に可動ミラー２１が傾き保持電極膜２６と可動ミラー２１との間の隙間が狭くなっているため、保持電極膜２６と可動ミラー２１左側との静電引力が高くなる。
【００４１】
この状態で、アドレス書き換えを行う。即ち、固定電極膜２４の印加電圧Ｖａを０Ｖから５Ｖに書き換えると同時に、固定電極膜２３の印加電圧Ｖａを５Ｖから０Ｖに書き換える。
【００４２】
このアドレス電圧Ｖａの書き換えを行っても、本実施形態では、保持電圧１０Ｖが保持電極膜２５，２６に印加されているため、可動ミラー２１の左傾状態は安定に維持され、誤動作することはない。
【００４３】
比較のため、保持電極を持たない従来の場合を図２の左列の図で説明する。可動ミラー２１が左傾して可動ミラー２１の左端が基板２２に衝突すると、可動ミラー２１は振動してしまう。この状態で、可動ミラー２１の印加電圧Ｖｂ＝２４Ｖであり、左側の固定電極膜２４のアドレス電圧Ｖａ＝０Ｖ、右側の固定電極膜２３のアドレス電圧Ｖａ＝５Ｖである。
【００４４】
即ち、可動ミラー２１の左側と固定電極膜２４との間の電圧差は２４Ｖであり、可動ミラー２１の右側と固定電極膜２３との間の電圧差は１９Ｖであり、左側の固定電極膜２４と可動ミラー２１との間の静電引力の方が大きい。
【００４５】
この状態でアドレス書き換えを行うと、可動ミラー２１の左側と固定電極膜２４との間の電圧差は１９Ｖとなり、可動ミラー２１の右側と固定電極膜２３との間の電圧差は２４Ｖとなる。しかし、可動ミラー２１が左傾状態であれば、可動ミラー２１と固定電極膜２４との間の隙間が狭いため両者間の静電引力は大きく、左傾状態は維持される。
【００４６】
しかしながら、可動ミラー２１が振動し、振動幅が大きく可動ミラー２１の左側と固定電極膜２４との間の隙間が開いてしまうと、可動ミラー２１の右側と固定電極膜２３との間の静電引力が勝ってしまい、可動ミラー２１は右傾してしまう。これが誤動作の原因となる。
【００４７】
この様に、従来は保持電極膜２５，２６を設けていないため、可動ミラー２１の振動中にアドレス書き換えを行うと誤動作の原因になったが、本実施形態では、可動ミラー２１の傾倒状態を保持電極膜２５，２６への保持電圧印加によって維持するため、可動ミラー２１の振動中でもアドレス書き換えを行うことが可能となり、それだけ微小電気機械素子アレイ装置の高速動作が可能になる。
【００４８】
（第２の実施形態）
図２の右列の図は、本発明の第２実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法説明図である。上述した第１の実施形態では、ゾーンＥに入ったときのバイアス電圧Ｖｂは２４Ｖであり、このとき、保持電極膜２５，２６にもバイアス電圧Ｖｂと同電圧の２４Ｖが印加されており、その後、アドレス書き換え（電圧Ｖａの書き換え）の前に、保持電極２５，２６に印加する保持電圧を１０Ｖに低下させている。
【００４９】
これに対し、本実施形態では、保持電極膜２５，２６に印加する保持電圧を変動させることはせずに、常時、保持電極２５，２６に保持電圧１０Ｖを印加させている。斯かる駆動方法でも、第１の実施形態と同様に、可動ミラー２１が振動中にアドレス書き換えを行っても、可動ミラー２１が誤動作する虞はない。
【００５０】
尚、上述した各実施形態では、可動ミラー側に設けた可動電極膜７，８に同一のバイアス電圧Ｖｂを印加し、固定電極膜９，１０の各々に素子変位信号であるアドレス電圧Ｖａを別々に印加したが、逆に、可動電極膜７，８にアドレス電圧を印加し、固定電極膜９，１０に共通にバイアス電圧を印加する構成でも良い。また、保持電圧は０Ｖでも良く、更に保持電圧を印加させないときに保持電極をフローティングとしても良い。
【００５１】
上述した微小電気機械素子アレイ装置は、光プリンタや画像投影装置等の画像形成装置として利用可能である。この場合、画像形成装置は、光源と、上述した実施形態のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置と、前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイ装置に照射する光学系と、該光学系から出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備えることで構成される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係る微小電気機械素子アレイ装置は、可動ミラーが振動中でもアドレス電圧の書き換えを誤動作無く行うことができるため、高速動作可能な微小電気機械素子アレイ装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の概略説明図である。
【図２】本発明の第１，第２の実施形態及び従来の微小電気機械素子アレイ装置の動作説明図である。
【図３】一般的な微小電気機械素子アレイ装置の２素子分の構成図である。
【図４】微小電気機械素子アレイ装置の従来の駆動方法の説明図である。
【図５】図４に示す駆動方法におけるアドレス電圧Ｖａ，バイアス電圧Ｖｂ，可動ミラーの変位角の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１，２２  半導体基板
２，３，２１  可動ミラー
４，５  支柱
６，２１ａ  ヒンジ
７，８  可動ミラー側の電極膜（バイアス電極膜：可動電極）
９，１０，２３，２４  半導体基板側の電極膜（アドレス電極膜：固定電極）
２５，２６  保持電極膜
【図１】
2006343590.tif 000003
【図２】
2006343590.tif 000004
【図３】
2006343590.tif 000005
【図４】
2006343590.tif 000006
【図５】
2006343590.tif 000007