(57)【要約】  装置は、少なくとも１つの光変調器（１０２）を含むマイクロディスプレイ（１００）を含む。光変調器（１０２）は、第１の反射板（１０４）と、第２の反射板（１０６）と、少なくとも１つの圧電撓み素子（１０８）とを含み、圧電撓み素子（１０８）は伸長圧電撓み素子（４００）である。
2007526519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調器（１０２）を含むマイクロディスプレイ（１００）を備え、
前記光変調器（１０２）は、第１の反射板（１０４）と、第２の反射板（１０６）と、少なくとも１つの圧電撓み素子（１０８）とをさらに備え、前記圧電撓み素子（１０８）は伸長圧電撓み素子（４００）であり、前記伸長圧電撓み素子（４００）は二重活性層圧電撓み素子（２００）として構成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記圧電撓み素子（２００）は、作動されると、前記第１の反射板（１０４）と前記第２の反射板（１０６）との間の間隔を変更するように前記第１の反射板（１０４）の変位を可能にすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記二重活性層圧電撓み素子（２００）は、対向する軸方向で延在するように構成される２つの圧電層（２１０、２１２）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、二重活性層圧電撓み素子（２００）であり、前記二重活性層圧電撓み素子（２００）は、
第１の電極（２１４）と、
前記第１の電極（２１４）の上の第１の圧電層（２１０）と、
前記第１の圧電層（２１０）の上の第２の電極（２１６）と、
前記第２の電極（２１６）の上の第２の圧電層（２１２）と、及び、
前記第２の圧電層（２１２）の上の第３の電極（２１８）とを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の電極（２１４）及び前記第３の電極（２１８）は１つの極性でバイアスされ、前記第２の電極（２１６）は逆の極性でバイアスされることで前記二重活性層圧電撓み素子（２００）の撓みを発生させることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記二重活性層圧電撓み素子（２００）は、印加電圧に対して前記圧電撓み素子（１０８）の撓みの線形性を提供することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、Ｌ字型伸長圧電撓み素子（４００）を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記伸長圧電撓み素子（４００）の前記Ｌ字型は、第１のアーム（４０６）及び第２のアーム（４０８）から形成され、前記第２のアーム（４０８）の少なくとも一部の断面寸法は、前記第１のアーム（４０６）の断面寸法に比較して低減されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記伸長圧電撓み素子（４００）の前記Ｌ字型は、前記反射板（１０４）に対して平行な面における動きの向上された柔軟性を提供するように共に構成される第１のアーム（４０６）及び第２のアーム（４０８）から形成されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、湾曲伸長圧電撓み素子（５００）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、前記伸長圧電撓み素子（４００）が前記第１の反射板（１０４）に対して平行な面の両軸において柔軟であるように、非直線状であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、降下型伸長圧電撓み素子（６００）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、前記光変調器（１０２）の断面寸法より長い有効長を有し、前記伸長圧電撓み素子（４００）は、前記光変調器（１０２）の横方向の範囲内に含まれることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記伸長撓み素子の少なくとも一部は、前記第１の反射板（１０４）に隣接する反射板の下で延在することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記光変調器（１０２）はファブリー・ペロー素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記光変調器（１０２）は干渉素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
光変調器（１０２）を含むディスプレイを備え、
前記光変調器（１０２）は、少なくとも１つの反射板（１０４）と少なくとも１つの伸長圧電撓み素子（４００）とをさらに備え、前記撓み素子の変形可能な長さは、前記反射板（１０４）の側部の長さを超えることを特徴とする装置。
【請求項１８】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、第１のアーム（４０６）及び第２のアーム（４０８）から形成されるＬ字型圧電撓み素子であることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２のアーム（４０８）の少なくとも一部の断面寸法は、前記第１のアーム（４０６）の断面寸法に比較して低減されることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記伸長圧電撓み素子（４００）の前記Ｌ字型は、第１のアーム（４０６）及び第２のアーム（４０８）から形成され、前記第２のアーム（４０８）の少なくとも一部の断面寸法は前記第１のアーム（４０６）の断面寸法に比較して低減されることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記伸長圧電撓み素子（４００）の前記Ｌ字型は、前記反射板（１０４）に対して平行な面における動きの向上された柔軟性を提供するように共に構成される第１のアーム（４０６）及び第２のアーム（４０８）から形成されることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、湾曲伸長圧電撓み素子（５００）を含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、前記伸長圧電撓み素子（４００）が前記第１の反射板（１０４）に対して平行な面の両軸において柔軟であるように、非直線状であることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２４】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、降下型伸長圧電撓み素子（６００）を含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２５】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、前記光変調器（１０２）の断面寸法より長い有効長を有し、前記伸長圧電撓み素子（４００）は前記光変調器（１０２）の横方向の範囲内に含まれることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２６】
前記マイクロディスプレイ（１００）の対角ピクセル寸法は、５０ミクロンと同じ、又は５０ミクロン未満であることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２７】
前記光変調器（１０２）は、ファブリー・ペロー素子を含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２８】
前記伸張撓み素子の少なくとも一部は、前記第１の反射板（１０４）に隣接する反射板の下で延在することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２９】
光変調器（１０２）を含むディスプレイを備え、
前記光変調器（１０２）は少なくとも１つの二重活性層圧電撓み素子（２００）をさらに含むことを特徴とする装置。
【請求項３０】
前記二重活性層圧電撓み素子（２００）は、
第１の電極（２１４）と、
前記第１の電極（２１４）の上の第１の圧電層（２１０）と、
前記第１の圧電層（２１０）の上の第２の電極（２１６）と、
前記第２の電極（２１６）の上の第２の圧電層（２１２）と、及び、
前記第２の圧電層（２１２）の上の第３の電極（２１８）とを含むことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記第１の電極（２１４）及び前記第３の電極（２１８）は１つの極性によってバイアスされ、前記第２の電極（２１６）は逆の極性でバイアスされることで前記二重活性層圧電撓み素子（２００）の撓みを発生させることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記二重活性層圧電撓み素子（２００）は、印加電圧に対する前記圧電撓み素子の撓みの線形性を提供することを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３３】
前記圧電撓み素子は、Ｌ字型伸長圧電撓み素子（４００）を含む伸長圧電撓み素子（４００）であることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３４】
前記伸長圧電撓み素子（４００）の前記Ｌ字型は、第１のアーム（４０６）及び第２のアーム（４０８）から形成され、前記第２のアーム（４０８）の少なくとも一部の断面寸法は前記第１のアーム（４０６）の断面寸法に比較して低減されることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記伸長圧電撓み素子（４００）の前記Ｌ字型は、反射板（１０４）に対して平行な面における向上した動きの向上した柔軟性を提供するように共に構成される第１のアーム（４０６）及び第２のアーム（４０８）から形成されることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記圧電撓み素子は、湾曲伸長圧電撓み素子（５００）を含む伸長圧電撓み素子（４００）であることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３７】
前記圧電撓み素子（１０８）は、前記伸長圧電撓み素子（４００）が前記第１の反射板（１０４）に対して平行な面の両軸において柔軟であるように、伸長圧電撓み素子（４００）であることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３８】
前記圧電撓み素子は、伸長圧電撓み素子（４００）であり、前記伸長圧電撓み素子（４００）は降下型伸長圧電撓み素子（６００）を含むことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３９】
前記圧電撓み素子は伸長圧電撓み素子（４００）であり、前記伸長圧電撓み素子（４００）は、前記光変調器（１０２）の断面寸法より長い有効長を有し、前記伸長圧電撓み素子（４００）は前記光変調器（１０２）の横方向の範囲内に含まれることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項４０】
前記圧電撓み素子は伸長圧電撓み素子（４００）であり、前記伸長撓み素子の少なくとも一部は、前記第１の反射板（１０４）に隣接する反射板の下で延在することを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項４１】
伸長圧電撓み素子（４００）を使用して、光変調器（１０２）の第１の反射板（１０４）を前記光変調器（１０２）の第２の反射板（１０６）に対して配置し直すことを含み、前記伸長圧電撓み素子（４００）は前記第１の反射板（１０４）の断面寸法より長い有効長を有することを特徴とする方法。
【請求項４２】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は第１の層（２１０）と第２の層（２１２）とを含み、前記第１の層（２１０）はその長さに沿って軸方向に伸張する一方で、前記第２の層（２１２）はその長さに沿って軸方向に収縮することで、前記圧電撓み素子の撓みが生成される特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記伸長圧電撓み素子（４００）をＬ字型で構成することをさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記伸長圧電撓み素子（４００）を、前記反射板（１０４）に対して平行な面における動きの向上した柔軟性を提供するように構成することをさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は湾曲していることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
前記伸長圧電撓み素子（４００）の長さは、ほぼ２枚の反射板（１０４）にわたっていることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、包括的には光変調器に関し、特にマイクロディスプレイ及びプロジェクタ等のディスプレイの光変調のための圧電撓み素子に関する。ファブリー・ペロー干渉素子を含むもののような、ある従来の光マイクロディスプレイは、２枚の反射板を使用し、それらは、それらの間に干渉パターンを形成するようにマイクロディスプレイウィンドウ内において間隔を空けて配置される。マイクロディスプレイウィンドウ内の少なくとも１枚の反射板は、干渉パターンを変更しそれにより投影される光の色を変更するために、１つ又は複数の圧電撓み素子を使用することにより調整可能である。最近のマイクロディスプレイ変調器の設計には、しばしば、圧電撓み素子の多くの設計によって提供される距離より長い距離のために、撓み素子のうちの１つ又は複数を著しく変位させることが必要である。ピクセル板の長さが短くなるに従い、撓みを可能にするように構成される撓み素子を設計し組み立てることが困難となる。
【０００２】
したがって、特にマイクロディスプレイ変調器で見られるように小さいピクセル板を変位させるように動作する撓み素子において、撓み素子を撓ませることができる距離を長くすることが望ましい。
【０００３】
本発明の例示的且つ目下好ましい実施形態を図面に示す。
【０００４】
同様の構成要素及び／又は特徴を参照するために、この書類では同じ符号を使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本開示は、光マイクロディスプレイに適用することによりその光マイクロディスプレイの波長の範囲及び性能を向上させることができる、種々の圧電撓み素子について説明する。本開示は、改善された変位を提供する圧電撓み素子の複数の実施形態について説明する。本開示内において、「光マイクロディスプレイ」という用語は、コンピュータ用のマイクロディスプレイ、プロジェクタ及びモニタ、テレビ用のマイクロディスプレイ、プロジェクタ及びモニタ、バックライト型のプロジェクタ、マイクロディスプレイ及びモニタ、ヘッドアップディスプレイ及びポータブルプロジェクションシステム等のパーソナルプロジェクションシステム、並びにフロントライト型のプロジェクタ、マイクロディスプレイ及びモニタを含む任意のディスプレイ又はプロジェクション装置に適用されるが、限定されはされない。
【０００６】
[光マイクロディスプレイ]
図１は、アレイ又は他の構成で形成される複数のマイクロディスプレイ変調器１０２を含む光マイクロディスプレイ１００の一実施形態と、光源１１０とを示す。各マイクロディスプレイ変調器１０２は、正面反射板１０４、背面反射板１０６及び圧電撓み素子１０８を含む。圧電撓み素子１０８は、一端が反射板１０４、１０６のうちの一方に取り付けられ、他端が基板留め具１１２によって基板（図示せず）に取り付けられる。圧電撓み素子１０８を、基板と反射板１０４、１０６との間の間隔を変更するように作動させることができる。
【０００７】
この開示において、反射板１０４及び１０６並びに関連する圧電撓み素子に関る場合の「正面」及び「背面」という用語は、光源からの光が最初のうちに反射板に当たる順序に対応しており、光マイクロディスプレイのいかなる実際の物理的な位置にも対応しない。図１の光マイクロディスプレイ１００は正面投影型マイクロディスプレイであり、ここでは光が、光源１１０から、光マイクロディスプレイ１００を形成するマイクロディスプレイ変調器１０２を通して各マイクロディスプレイ変調器１０２の正面反射板１０４に与えられる。一実施形態では、正面反射板１０４は部分反射ミラーであり、ここでは光の何％か、たとえば１０〜９０％が反射される。残りの光は、背面反射板１０６に向かって透過する。背面投射板１０６は、その表面に突き当たるほぼすべての光を反射するというように完全に反射する。
【０００８】
一実施形態では、マイクロディスプレイ変調器１０２を、ファブリー・ペロー光干渉素子として構成してもよい。従来のファブリー・ペロー素子は市販されており、それらの動作はよく理解されている。正面反射板１０４と背面反射板１０６とは、所定の離隔間隔ｄ１だけ離間される。この離隔間隔ｄ１は、多くの実施形態において、背面反射板１０６を変位させそれにより本明細書で説明するような干渉原理に基づいて反射する光の波長を変更するように、圧電撓み素子１０８を矢印１２０に示すように移動させることにより、変更される。
【０００９】
間隔ｄ１は、反射板１０４、１０６の間の間隔の寸法であり、この寸法は、正面反射板１０４に反射する光の位相に対する背面反射板１０６に反射する光の位相を確定する。背面反射板１０６に反射する光は、正面反射板１０４に反射する光より長い制御可能な距離を移動する。このより長い制御可能な距離は、離隔間隔ｄ１のいくつかの複合的なコサイン関数であり、このコサイン関数は、光が移動している反射板の垂線からの角度を表す。それにより、離隔間隔ｄ１は、光のいずれの波長が建設的に又は破壊的にマイクロディスプレイ変調器１０２内で変調されるかを確定する。波長の位相が互いに同じである反射板１０４、１０６からの光の反射ビームは、マイクロディスプレイによって反射／投影される。波長の位相が互いに異なる反射板１０４、１０６からの光の反射ビームは、マイクロディスプレイによって反射／投影されない。
【００１０】
図１に関して説明したマイクロディスプレイ変調器１０２は、ファブリー・ペロータイプ素子等の比較的特定のタイプの光変調器であるが、波長に基づいて光を変調しそれにより特定の色を表示することができる多種多様の光変調器もまた本開示の範囲内にある、ということが理解されなければならない。
【００１１】
一実施形態では、光源１１０から与えられる光は白色光である。すべての実施形態において、光源は、少なくとも、光マイクロディスプレイ１００のマイクロディスプレイ変調器１０２の各々によって放出することができる可視光スペクトル又は不可視光スペクトルで、或る範囲の光の波長を提供する。
【００１２】
それにより、図１のマイクロディスプレイ変調器１０２は、光マイクロディスプレイ１００の１つのマイクロディスプレイ変調器１０２において可変の色又は色の強度を提供するように作用する。各光マイクロディスプレイ１００は、通常アレイ構成で含まれる多数のマイクロディスプレイ変調器１０２を含む。光マイクロディスプレイ１００の一実施形態では、各マイクロディスプレイ変調器１０２は、離隔間隔ｄ１の制御に基づいて任意の所望の色に変調される。別の実施形態では、マイクロディスプレイ変調器のグループを特定のディスプレイ変調器１０２に含めてもよく、そこでは、各マイクロディスプレイ変調器は、たとえば赤、緑及び青の原色等の特定の色を強制的に表示させられてもよい。
【００１３】
ピクセル化マイクロディスプレイフォーマットは、各マイクロディスプレイ変調器１０２がサブマイクロディスプレイ変調器のグループから形成される一実施形態を表す。各サブマイクロディスプレイ変調器は、原色等の１つの色をもたらし、それにより、そのグループ内の別個のサブマイクロディスプレイ変調器からの異なる色の結合された強度により、その領域におけるそのグループによって投影される色全体が確定される。本開示内では、各サブマイクロディスプレイ変調器を、別個のマイクロディスプレイ変調器１０２として構成され且つそれとして動作するものと考慮する。従来のピクセル化マイクロディスプレイフォーマット及び投影型マイクロディスプレイは市販されており、ここでの開示ではこれ以上説明しない。図３は、マイクロディスプレイウィンドウを使用する等、複数のマイクロディスプレイ変調器１０２から形成される光マイクロディスプレイ１００の一実施形態の正面図を示し、そのマイクロディスプレイ変調器１０２の色は、圧電撓み素子１０８の変位の結果としての図１に示すような反射板１０４、１０６のうちの少なくとも一方の変位により、個々に変更することができる。
【００１４】
本開示は、依然として、小さいマイクロディスプレイ変調器１０２に適用されるようにナノスケールにまで下がって、非常に精密な調整を可能としながら、反射板１０４、１０６の相対変位を増大させる圧電撓み素子１０８の複数の態様を提供する。説明する圧電撓み素子の２つの実施形態には、図２に関して説明するような二重活性層圧電撓み素子と、図４、図５及び図６に関して説明するような伸長圧電撓み素子とがある。二重活性層圧電撓み素子及び伸長圧電撓み素子を、別々に使用することも互いに組み合わせて使用することも可能である。二重活性層圧電撓み素子を伸長圧電撓み素子と組み合わせることにより、さらに撓みが大きくなる。
【００１５】
たとえば、昨今の従来の反射板が２０μｍ未満にまで下がった断面寸法を有しているように、マイクロディスプレイ変調器の寸法が低減していることを考慮すると、関連する多くのタイプの圧電撓み素子の対応する寸法もまた、圧電撓み素子を各対応するマイクロディスプレイ変調器の横方向の外形内に維持するように低減しなければならない。圧電撓み素子を、反射板によって輪郭が描かれる領域内に維持することにより、各圧電撓み素子の変位は、隣接するマイクロディスプレイ変調器の圧電撓み素子と干渉せず、圧電撓み素子の腕の長さもまた低減する。
【００１６】
本開示は、反射板に対し、圧電撓み素子の面外撓みを増大させるいくつかの機構を提供する。
【００１７】
[二重活性層圧電撓み素子]
マイクロディスプレイ変調器１０２内から投影される光を変調するために、間隔ｄ１を変更する目的で、正面反射板１０４を背面反射板１０６に対して変位させるか、又は背面反射板１０６を正面反射板１０４に対して変位させる。図１では背面反射板１０６に取り付けられているように示されているが正面反射板１０４に取り付けられることも可能である圧電撓み素子１０８は、反射板１０４、１０６のうちの少なくとも一方のこの変位をもたらすように作用する。
【００１８】
図２は、圧電撓み素子１０８の一実施形態を、そのそれぞれの中立位置にある場合は実線として、その誇張された上方への撓み位置にある場合を破線２２２で、及びその誇張された下方への撓み位置にある場合を破線２２０で示す。圧電撓み素子１０８は、二重活性層圧電撓み素子２００として配置される。二重活性層圧電撓み素子２００は、基板留め具１１２において基板２０２に固定され、反射板留め具２０６において反射板１０４、１０６のうちの１枚を固定する。二重活性層圧電撓み素子２００は、２つの圧電アクチュエータ層２１０及び２１２と、３つの電極層２１４、２１６及び２１８とを含む。図２に関して示すように、電極層２１４は、圧電アクチュエータ層２１０の下にある。電極層２１６は、２つの圧電アクチュエータ層２１０及び２１２の中間にある。電極層２１８は、圧電アクチュエータ層２１２の上にある。
【００１９】
二重活性層圧電撓み素子２００の撓み中、上部電極層２１８及び下部電極層２１４は、同じ極性でバイアスされ、同時に、中間電極層２１６は、他の電極層２１４及び２１８に対して異なるようにバイアスされる。したがって、異なる圧電アクチュエータ層２１０及び２１２にわたって反対の電界が印加され、それにより、一方の圧電アクチュエータ層が圧電撓み素子の長さに沿って伸張し、同時に、他方が同じ長さに沿って収縮する。
【００２０】
たとえば、圧電アクチュエータ層２１０に印加される電界により層２１０が収縮する場合、両層が共通の極方向を有するとすると、層２１２にわたって印加される反対の電界により層２１２は伸張する。結果としてもたらされる二重活性層圧電撓み素子２００の変形は、破線２２０によって示される下方の撓みとなる。逆に、圧電アクチュエータ層２１０に印加される電界により層２１０が伸張する場合、両層が共通の極方向を有するとすると、層２１２にわたって印加される反対の電界により層は収縮する。結果としてもたらされる二重活性層圧電撓み素子２００の変形は、破線２２２によって示される上方の撓みとなる。
【００２１】
一実施形態では、二重活性層圧電撓み素子２００は、図１に示すように背面反射板１０６を変位させるが、他の実施形態では、二重活性層圧電撓み素子を使用して正面反射板１０４を変位させることも可能である。それに関して、３つの電極層２１４、２１６及び２１８によって、二重活性層圧電撓み素子２００が撓曲するように圧電アクチュエータ層２１０及び２１２の相対的なバイアスが可能である。
【００２２】
図示しない圧電撓み素子の単層実施形態によっては、単一の剛性電極層を単一の圧電層に接続する。したがって、単一の活性圧電層は、単一の非活性電極層に反して作用することにより撓みをもたらす。比較すると、本開示の二重活性層圧電撓み素子２００では、１つの伸張する圧電アクチュエータ層２１０又は２１２が、反対のアクチュエータ層とは反対にバイアスされる。これらの反対の収縮する／伸張する圧電アクチュエータ層２１０及び２１２を使用することにより、素子に対し、同様の構成及び寸法の従来の単一アクチュエータ層圧電撓み素子より大きい撓みがもたらされる。２つの反対にバイアスされる圧電アクチュエータ層２１０及び２１２を含む二重活性層圧電撓み素子２００は、中間電極バイアスにより、特定のバイアスに対しより大きい湾曲をもたらす。この反対にバイアスされる圧電アクチュエータ層２１０及び２１２の構成により、二重活性層圧電撓み素子２００にわたる電界が事実上２倍になる。
【００２３】
圧電アクチュエータ層２１０及び２１２を含む二重活性層圧電撓み素子２００は、サブナノメータ範囲にまで下がり、かつこれを含む精密な位置合せを可能にする。二重圧電アクチュエータ層は、電圧変動に応じて精密且つ比較的大きい変位を提供することができる。さらに、印加電圧に対する圧電撓み素子の変位応答は、圧電撓み素子が著しい長さにわたって軸方向で側面に沿って撓んでいるため、ほぼ線形である。さらに、圧電撓み素子の変位は、静電的な撓み力（二乗された距離に比例する）が機械的な回復力（撓み距離に対しておよそ線形である）を圧倒する、従来の静電駆動変調器で発生する「スナップダウン」現象の影響を受けにくい。二重活性層圧電撓み素子２００等の圧電アクチュエータ層素子に対する動きは、多くの従来の静電アクチュエータで発生するような静止摩擦力すなわち摩擦力によって影響を受けない。
【００２４】
したがって、図２に関して説明したような二重活性層圧電撓み素子２００は、反射板の撓みを増大させる機構を提供する。この二重活性層圧電撓み素子による圧電撓み素子の撓みの増大を、単独で提供してもよく、又は本開示で説明するような伸長圧電撓み素子に対する撓みを増大させる他の機構と組み合わせて提供してもよいが、ただしその厳密な構成には限定されない。
【００２５】
二重活性層圧電撓み素子２００を、所望の撓みを提供するために任意の適当な方法でバイアスしてもよい。たとえば、二重活性層圧電撓み素子２００及び反射板１０４又は１０６の構成に応じて、中立状態から曲線２２２によって示すような上昇状態への撓みが、反射板に対して必要な撓みを提供するために十分な場合があり、それにより、図１の光変調器１０２によって色の範囲を提供することができる。別の実施形態では、曲線２２０によって示すような下方撓み状態と曲線２２２によって示すような上方撓み状態との間の撓みが、光変調器に色の範囲を提供するために必要である場合もある。
【００２６】
[伸長圧電撓み素子]
本開示は、図１に示すような基板に対して反射板１０４、１０６のうちの少なくとも一方に対し、増大された撓みを圧電撓み素子が提供する、複数の機構を提供する。図２に関して説明する態様では、二重活性層圧電撓み素子２００は、反射板１０４に対して、より長い長さを有する二重活性層圧電撓み素子２００を提供する結果として、増大された撓みを提供するように構成される。
【００２７】
マイクロディスプレイ変調器内における従来の反射板の断面寸法は、解像度を増大させ光ディスプレイ１００の画像を向上させるために低減してきた。断面寸法が、対角線方向で１０〜２０マイクロメートル（μｍ）等、５０μｍ未満の平面寸法を有するものとする。本開示は光ディスプレイについて説明するが、本明細書で説明する撓み素子の概念を、光スイッチと、非ファブリー・ペロー光変調器と、光を変調するために撓み素子を使用して１枚の反射板を変位させる他の任意の機構とに適用することができる、ということが考えられる。光スイッチ等の実施形態によっては、５０ｎｍ対角寸法を超過する可能性がある。マイクロディスプレイをより小さい幾何学形状にする別の要因は、特に光変調器がシリコン集積回路（ＩＣ）内に集積される場合の、製造能力及びコストである。したがって、従来の反射板のための圧電撓み素子は、これらの限られた寸法内で反射板に対し十分な変位を提供するように構成されなければならない。光ディスプレイ１００の各ディスプレイ変調器１０２の限られた寸法内で従来の圧電撓み素子を用いてこうした撓みを提供することは困難であることが分かった。
【００２８】
図４は、二重活性層圧電撓み素子２００として示すが、圧電撓み素子の別の実施形態として構成してもよい伸長圧電撓み素子４００の一実施形態を示す。図４の伸長圧電撓み素子４００の実施形態は、図１に示すような反射板１０４又は１０６（透視して示される）のうちの一方に対し増大した撓みを提供するように構成される。伸長圧電撓み素子４００は、マイクロディスプレイ変調器１０２の基板に取り付けられる基板取付具４０２と、伸長圧電撓み素子４００が変位する反射板１０４又は１０６に取り付けられる反射板取付具４０４と、伸長圧電撓み素子４００の変位を提供する伸長アーム４０６及び４０８とを有する。
【００２９】
伸長アーム４０６の材料及び／又は寸法を、所望の曲げ特性を提供するように選択することができる。伸長圧電撓み素子４００の基板取付具４０２を形成する部分は、基板に取り付けられる結果として撓まない。伸長圧電撓み素子４００の、基板取付具４０２を形成しない部分は、圧電アクチュエータ層２１０、２１２に加えられる応力及び／又はそこに存在する歪みに応じて撓む。撓むことが可能な伸長アーム４０６及び４０８に沿った距離が長くなるほど、所与の印加電圧に対しその応力が与えられていない状態からの撓みが大きくなる。
【００３０】
本開示内で、伸長圧電撓み素子４００に対して用いられるような「伸長」という用語は、アーム４０８に追加されるアーム４０６の長さに等しいその有効長４１０が、図４において４２０として示すように変位している反射板１０４又は１０６の断面寸法より大きいことを示す。種々の構成、たとえば実施形態は、図４に関して説明するようなＬ字型伸長圧電撓み素子４２２、図５に関して説明するような湾曲伸長圧電撓み素子５００、及び図６に関して説明するような降下型伸長圧電撓み素子６００を含む伸長圧電撓み素子４００を提供する。
【００３１】
図４は、基板取付具４０２、反射板取付具４０４、第１のアーム４０６及び直交する第２のアーム４０８を含むＬ字型伸長圧電撓み素子４００の一実施形態を示す。第１のアーム４０６及び直交する第２のアーム４０８は、およそ９０度で互いに固定される（たとえば、９０度の角度からのわずかなずれは本開示の意図された範囲内にある）。第１のアーム４０６及び第２の直交するアーム４０８を二重活性層圧電撓み素子２００としてそれぞれ構成することができるため、第１のアーム及び第２の直交するアームの長さは各々、反射板１０４又は１０６に著しい撓みをもたらすことができる。
【００３２】
一実施形態では、各反射板１０４、１０６は、反射板１０４又は１０６の周縁部において互いに対して実質的に対向する２つのＬ字型伸長圧電撓み素子４００によって作動される。たとえば、反射板１０４、１０６に、４つの隣接する側部４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ及び４２２ｄが設けられるものとする。１つのＬ字型伸長圧電撓み素子４００は、側部４２２ａ及び４２２ｂに近接して延在してもよい。第２のＬ字型伸長圧電撓み素子４００は、側部４２２ｃ及び４２２ｄに近接して延在してもよい。これらの２つのＬ字型伸長圧電撓み素子４００は、それぞれの反射板１０４又は１０６に対して支持及び変位を提供する。一方のＬ字型伸長圧電撓み素子４００の反射板取付具４０４は、もう一方のＬ字型伸長圧電撓み素子の反射板取付具４０４に対向する。
【００３３】
したがって、反射板１０４又は１０６に対する撓みは、２つのＬ字型伸長圧電撓み素子により、反射板を横切ってまったく正反対の位置に配置されるそれらの反射板取付具において提供される。このように、反射板は、撓みの間に適切に支持され、反射板は一様に撓む。反射板に対するこうした撓みは、撓ませることができるＬ字型伸長圧電撓み素子のアームの伸長した長さを考慮して実質的に線形である。マイクロディスプレイ変調器１０２の異なる実施形態では、これらの理由により圧電撓み素子は対向する位置に取り付けられる。本開示の他の実施形態もまた、対向する圧電撓み素子の反射板取付具を提供するが、説明を簡単にするために、１つのマイクロディスプレイ変調器のみの動作について説明する。
【００３４】
別の要素は、アーム４０８が比較的幅の狭い断面積を有する（その狭幅部分又はその全体に沿って）場合、軸長の周囲のねじれが可能になる、ということである。このアームのねじれにより、アーム４０６及び４０８の間の接続部分が幾分かのねじれをもたらしても、反射板取付具４０４は垂直であり続けることができる。反射板取付具４０４を垂直なまま維持することにより、反射板に加えられる応力及び歪みが低減する。
【００３５】
Ｌ字型伸長圧電撓み素子４００により、撓み素子は、反射板に対して平行な面の両軸において柔軟に、たとえばより剛性でなくなることが可能である。比較して、従来の直線状の圧電撓み素子は、撓み素子の側面方向（曲げ）軸に沿って柔軟であるが、撓み素子の長さに沿って延在する長手方向軸に沿って比較的柔軟でない。このため、Ｌ字型伸長圧電撓み素子４００等の非直線状撓み素子の多くの実施形態は、反射板の平面の両軸に沿って柔軟性を提供し（それにより弾力性が可能になる）、そのため、垂直の曲げの結果として撓み素子が有効に横方向に短縮することによる反射取付具４０４間の相対的な間隔の変化を部分的に補償する。反射取付具の近くの撓み素子の幅を狭くすることにより、長い軸における撓み素子のねじれも容易になり、そのため反射板取付具が反射板の垂直な撓みの間に垂直であり続けることができる。
【００３６】
また、Ｌ字型伸長圧電撓み素子４００のすべてを４つの隣接する側部４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ及び４２２ｄの周縁部内において横方向に制約されるようにすることにより、１つのＬ字型伸長圧電撓み素子４００の動作がマイクロディスプレイ変調器１０２内における隣接するいかなる反射板の動作と干渉する可能性も低減する。
【００３７】
Ｌ字型伸長圧電撓み素子４００は、圧電撓み素子が反射板１０４の１つの側部の寸法より有効長が長い１つの機構を提供し、したがってそれを使用して反射板の撓み距離を長くすることができる。
【００３８】
反射板の１つの側部の寸法より長い有効長を有し、且つ反射板を撓ませるために適用することができる任意の他の構成は、本開示の意図された範囲内にある。たとえば、図５は、湾曲伸長圧電撓み素子５００として構成される、図４に示すような伸長圧電撓み素子４００の別の実施形態を示す。湾曲伸長圧電撓み素子５００は、Ｌ字型伸長圧電撓み素子４００に関して説明したような第１のアーム４０６及び第２の直交するアーム４０８の代りに湾曲アクチュエータアーム５０２を含む。湾曲アクチュエータアーム５０２全体を、増大した撓みを提供することができる図２に関して説明したような二重活性層圧電撓み素子２００として構成してもよく、又は別法として他の何らかのタイプの圧電撓み素子として構成してもよい。
【００３９】
湾曲伸長圧電撓み素子５００により、基板取付具４０２に隣接する部分から反射板取付具４０４までの、湾曲アクチュエータアーム５０２のその長さ全体に沿った撓みが可能になる。したがって、湾曲方向に測定されるような湾曲アクチュエータアーム５０２の撓み可能な有効長は、撓んだ反射板１０４又は１０６の寸法を上回る。図４及び図５に関して論考した概念を考慮して、伸長圧電撓み素子４００のわずかに異なる実施形態を提供することができる、ということが考えられる。たとえば、本開示の範囲内にありながら、湾曲アクチュエータアームに対してわずかな湾曲及び角度を与えることができる。
【００４０】
図４及び図５に関して説明したような伸長圧電撓み素子４００の実施形態の一態様は、それらが、垂直方向に撓む時に幾分か水平方向に短縮する、ということである。これは、圧電撓み素子が下方又は上方に湾曲する際に圧電撓み素子の有効な水平方向寸法が低減するという事実による。伸長圧電撓み素子４００の実施形態のＬ字型の構成又は湾曲した構成により、反射板の平面に対して平行な両軸に沿った幾分かの弾力性が提供される。Ｌ字型撓み素子又は湾曲撓み素子を使用することにより、圧電撓み素子は、反射板１０４又は１０６に対し直線状の圧電撓み素子よりさらに線形の作動を提供する。本開示において、「作動」という用語は、印加電圧の関数としての撓みを言う。この著しい撓み範囲を通しての比較的線形な作動により、印加電圧／電界に応じて反射板を撓ませるために予測可能な量の力が使用される。
【００４１】
図６及び図７を参照して、伸長圧電撓み素子４００の別の実施形態（たとえば降下型伸長圧電撓み素子６００）について説明する。この実施形態では、各降下型伸長圧電撓み素子６００は、マイクロディスプレイ変調器１０２の横方向の境界、たとえば撓んだ反射板１０４の外側で延在する。伸長圧電撓み素子が反射板１０４、１０６の寸法の外側で延在するため、各伸長圧電撓み素子は、いかなる隣接する反射板にも接触しないように構成される。図６は、各軸方向において２つのマイクロディスプレイ変調器１０２毎に繰り返す降下型伸長圧電撓み素子６００の規則的なパターンを示す。図４に示すように、伸長圧電撓み素子が、マイクロディスプレイ変調器１０２の寸法より短い距離にわたってそれぞれ延在する２つの脚部４０６及び４０８から成る代わりに、本開示は、伸長圧電撓み素子６００のＬ字型パターンの一方の脚部がほぼ２つのマイクロディスプレイ変調器１０２の長さに延在する機構を提供する。このように、撓ませることができる降下型伸長圧電撓み素子６００の長さがさらに増大する。圧電撓み素子の面撓みの外側が湾曲しているため、垂直撓みは撓み素子の長さの非線形関数である。その結果、降下型伸長圧電撓み素子によって提供される任意の追加の長さ、又は撓み素子の変形可能な有効長を増大させる任意の機構により、単一ピクセル板の範囲に制限される撓み素子に比較して垂直撓みを大幅に増大させることができる。
【００４２】
降下型伸長圧電撓み素子６００により、降下型伸長圧電撓み素子が物理的に別の反射板に接触することなく、反射板１０４のうちの１枚が垂直に変位することができる。この動きの全範囲の間において、降下型伸長圧電撓み素子６００と隣接する反射板との間の接触がないことは、反射板、他の圧電撓み素子、又は他の関連構造と接触する可能性のある降下型伸長圧電撓み素子６００の部分を低くする、すなわち降下させることにより達成される。
【００４３】
このクリアランスを達成するために、基板取付具６０２に基板クリアランスアーム６０４が設けられ、反射板取付具６０４に反射板クリアランスアーム６０６が設けられる。クリアランス取付具６０４及び６０６の結果として、降下型伸長圧電撓み素子６００が反射板から十分な距離だけ間隔が空けられ、実際の変位中に反射板又は他の圧電撓み素子のうちのいずれとのいかなる接触も低減する。本開示の別の実施形態では、隣接する反射板のための降下型伸長圧電撓み素子６００を、反射板の平面に対して平行な方向で互いに離間することができる。他の反射板及び／又は他の圧電撓み素子と接触する可能性を低減する降下型伸長圧電撓み素子６００のいかなる構成も本開示の意図された範囲内にある。
【００４４】
図６に関して説明したような降下型伸長圧電撓み素子６００に対しても、撓み素子のＬ字型は非常に望ましく、それにより撓み素子が、曲がる際に「有効な短縮化」を補償することができる。
【００４５】
本開示内で説明した伸長圧電撓み素子の異なる実施形態を、微小電気機械（ＭＥＭｓ）処理技法を使用して製作してもよい。たとえば、圧電撓み素子と基板との間の間隙を、基板上に堆積される犠牲エッチング層を使用して製作してもよい。圧電撓み素子のパターンを、従来の薄膜フォトリソグラフィ技法及びエッチング技法を使用して製作してもよい。圧電撓み素子と撓み素子が変位している反射板との間のボイドを、パターニング中に犠牲エッチング層を使用して反射板を支持し、その後犠牲層を取り除いて板を「離脱させる」ことによって形成してもよい。一実施形態では、取付具（たとえば、図６及び図７における６０４及び６０６）を、ビア内に堆積される金属ポストとして製作し、その後犠牲材料の除去中に露出させてもよい。圧電撓み素子のこれらＭＥＭｓ製造技法は、本質的に例示的であるように意図されており、他の技法及び工程を使用することが可能であるため、範囲を限定するように意図されているものではない。
【００４６】
したがって、本開示は、マイクロディスプレイ変調器の反射板に適用される圧電撓み素子に対し増大した撓みを提供することができる。多くのマイクロディスプレイ変調器のサイズが低減することを考慮すると、増大した撓みを提供させることができる圧電撓み素子は、多くのマイクロディスプレイ変調器を動作させる際に特に望ましい。本明細書で本発明の好ましい実施形態を示してきたが、それらに対して適当な変更を行うことができ、それらはそれでもなお本発明の範囲内にある、ということが予期される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】複数のマイクロディスプレイ変調器を使用して形成される本発明の光マイクロディスプレイの一実施形態の概略図である。
【図２】図１のマイクロディスプレイ変調器のうちの１つに含まれるもののような本発明の二重活性層圧電撓み素子の一実施形態の断面図である。
【図３】図１に示すような複数のディスプレイウィンドウから形成される光マイクロディスプレイの一実施形態の正面図である。
【図４】本発明のＬ字型伸長圧電撓み素子の一実施形態の断面図である。
【図５】本発明の湾曲伸長圧電撓み素子の一実施形態の断面図である。
【図６】本発明の降下型伸長圧電撓み素子の一実施形態の正面図である。
【図７】図６の断面線７−７を通して取り出されるような図６の降下型伸長圧電撓み素子の断面図である。
【図１】
2007526519.tif 000003
【図２】
2007526519.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成18年10月30日(2006.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調器（１０２）を含むマイクロディスプレイ（１００）を備え、
前記光変調器（１０２）は、第１の反射板（１０４）と、第２の反射板（１０６）と、少なくとも１つの圧電撓み素子（１０８）とをさらに備え、前記圧電撓み素子（１０８）は伸長圧電撓み素子（４００）であり、前記伸長圧電撓み素子（４００）は二重活性層圧電撓み素子（２００）として構成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記圧電撓み素子（２００）は、作動されると、前記第１の反射板（１０４）と前記第２の反射板（１０６）との間の間隔を変更するように前記第１の反射板（１０４）の変位を可能にすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記二重活性層圧電撓み素子（２００）は、対向する軸方向で延在するように構成される２つの圧電層（２１０、２１２）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、二重活性層圧電撓み素子（２００）であり、前記二重活性層圧電撓み素子（２００）は、
第１の電極（２１４）と、
前記第１の電極（２１４）の上の第１の圧電層（２１０）と、
前記第１の圧電層（２１０）の上の第２の電極（２１６）と、
前記第２の電極（２１６）の上の第２の圧電層（２１２）と、及び、
前記第２の圧電層（２１２）の上の第３の電極（２１８）とを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の電極（２１４）及び前記第３の電極（２１８）は１つの極性でバイアスされ、前記第２の電極（２１６）は逆の極性でバイアスされることで前記二重活性層圧電撓み素子（２００）の撓みを発生させることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、Ｌ字型伸長圧電撓み素子（４００）を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、湾曲伸長圧電撓み素子（５００）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、前記伸長圧電撓み素子（４００）が前記第１の反射板（１０４）に対して平行な面の両軸において柔軟であるように、非直線状であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記伸長圧電撓み素子（４００）は、前記光変調器（１０２）の断面寸法より長い有効長を有し、前記伸長圧電撓み素子（４００）は、前記光変調器（１０２）の横方向の範囲内に含まれることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記伸長撓み素子の少なくとも一部は、前記第１の反射板（１０４）に隣接する反射板の下で延在することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【国際調査報告】
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