(57)【要約】【課題】高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みによる各種問題の低減が可能となる微小電気機械素子及び微小電気機械素子アレイ、並びに変調装置、画像形成装置を提供し、もって、高速応答と低電圧駆動を実現し、設計を容易にし、動作信頼性を向上させる。【解決手段】可動部１５の変位動作に応じた変調機能を有する微小電気機械素子１００であって、平板状の可動部１５と、基板１１上に立設された支柱２７と、可動部１５を支柱２７に支持させる支持部１７と、可動部１５に対向して配置され可動部１５に対して物理的作用力を加える固定電極１９，２１とを備え、支持部１７は、可動部１５の重心線の位置に配置される軸体２５が、軸体２５との間に隙間を有して挿入される収容穴２３に係止されることで、可動部１５を支持する構成とした。【選択図】図１
2008003310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部の変位動作に応じた変調機能を有する微小電気機械素子であって、
平板状の可動部と、
基板上に立設された支柱と、
前記可動部を前記支柱に支持させる支持手段と、
前記可動部に対向して配置され前記可動部に対して物理的作用力を加える駆動手段と、を備え、
前記支持手段は、前記可動部の重心線の位置に配置される軸体が、該軸体との間に隙間を有して挿入される収容穴に係止されることで、前記可動部を支持することを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項２】
請求項１記載の微小電気機械素子であって、
前記軸体が前記支柱に一体に形成され、前記収容穴が前記可動部に形成されたことを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項３】
請求項２記載の微小電気機械素子であって、
前記収容穴が前記可動部を貫通して形成され、前記軸体が前記収容穴の全長にわたって配置されることを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項４】
請求項１記載の微小電気機械素子であって、
前記軸体が前記可動部に一体に形成され、前記収容穴が前記支柱に形成されたことを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部が変位方向における最終変位位置で当接する停止部材を備えたことを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部の前記基板側とは反対側の表面に光反射層が形成され、前記可動部の傾斜変位によって前記微小電気機械素子に入射した光を変調することを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部が導電性を有し、
前記駆動手段が、前記可動部の縁部に対応して配置された固定電極を備え、
前記固定電極と前記可動部との間の電位差に応じた静電気力により、前記可動部を傾斜駆動することを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項８】
請求項７記載の微小電気機械素子であって、
前記固定電極が、前記可動部の回転軸に対して両脇側にそれぞれ配設されたことを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部を変位させる物理的作用力は、矩形波、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波、鋸波、三角波のいずれかを含むことを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか１項記載の微小電気機械素子を１次元又は２次元配列したことを特徴とする微小電気機械素子アレイ。
【請求項１１】
請求項１０記載の微小電気機械素子アレイであって、
前記微小電気機械素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有し、
前記可動部と該可動部に対向する駆動手段とのいずれか一方には前記駆動回路からの素子変位信号が入力され、いずれか他方には共通信号が入力されることを特徴とする微小電気機械素子アレイ。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれか１項記載の微小電気機械素子に対し、前記可動部をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部が備えられたことを特徴とする変調装置。
【請求項１３】
光源と、
請求項１０〜請求項１２のいずれか１項記載の微小電気機械素子アレイと、
前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイに照射する照明光学系と、
前記微小電気機械素子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、物理的作用力により変位する微小可動部を備えた微小電気機械素子及び微小電気機械素子アレイ、並びに変調装置、画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ技術（ＭＥＭＳ；Micro-Electro Mechanical Systems）の急速な進歩により、μｍオーダーの微小構造体を電気的に変位・移動させる微小電気機械式素子の開発が盛んに行われている。この微小電気機械式素子には、例えばマイクロミラーを傾けて光の偏向を図るデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）や、光路を切り換える微小薄膜可動素子としての光スイッチなどがある。ＤＭＤは、光学的な情報処理の分野において、投射ディスプレイ、ビデオ・モニター、グラフィック・モニター、テレビ及び電子写真プリントなど用途が広い。また、光スイッチは、光通信、光インタコネクション（並列コンピュータにおける相互結合網など光による信号接続技術）、光情報処理（光演算による情報処理）などへの応用が期待されている。
【０００３】
微小電気機械式素子は、一般的に弾性変位可能に支持され一方向又は双方向に変位する可動部を備え、この可動部が主にスイッチング動作を担う。例えば、図１３に示す微小電気機械式素子１１０は、一対の電極１１２，１１３のうち一方の電極に所定の電圧を印加し、一対のヒンジ１１４，１１４によって支持されたミラー１１５を有する可動部１１６を、これら電極１１２，１１３と、可動部１１６との間の電位差及び静電容量に応じた静電引力により回転させる構成としている。
【０００４】
この種の回転系の微小電気機械素子１１０では、可動部１１６の遷移時間（可動部６が一方に傾いている状態からもう一方に傾くまでの時間）、又は応答速度（可動部１１６が一方に傾いている状態からもう一方に傾くときの速度）が、可動部１１６を支持するヒンジ１１４の弾性力と、印加される電圧の大きさとのバランスで設計されている。遷移時間は印加する電圧が大きければ短くなり、応答速度は印加する電圧（電位差）が大きければ速くなる。
【０００５】
また、微小電気機械素子の他の例として、例えば特許文献１に開示される表示用素子がある。図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、この表示用素子１２０は、表裏面がそれぞれ異なる色（例えば白、黒）に着色された可動部１２２がブラケット１２３により回動自在に支持され、ブラケット１２３を中心に並設された一対の電極１２４，１２５のいずれかを選択的に覆うようにされている。つまり、可動部１２２と各電極１２４，１２５との間に電位差による静電気力を発生させることで、可動部１２２を表裏反転させ、可動部１２２の表面１２２ａあるいは裏面１２２ｂを選択的に表出させることで、周囲からの光を反射・吸収して画像を形成可能にしている。
【０００６】
【特許文献１】特表２００２−５０６２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１３に示したこれまでの回転系の微小電気機械素子は、可動部を支持するヒンジの弾性戻り力が、可動部を初期位置に戻す復元力となる。よって、可動部が一方に傾いている状態から、もう一方に傾くまでを考えたとき、その遷移角度を−θ〜＋θとすると、−θ〜０度の範囲ではヒンジの弾性力は応答速度を速める効果となるが、０〜＋θ度の範囲では応答速度を遅らせる効果となる。ＤＭＤのような回転系素子をより微細化しようとしたとき、ヒンジの厚みはすでに限界に近く、ヒンジ幅を細くできるものの、ヒンジ長さが短くなるため、弾性力が上がる。その結果、応答速度が更に遅くなり、駆動電圧も増加する課題があった。また、多数回駆動させる微小電気機械素子の場合、ヒンジのメモリー効果により、どちらか一方の変位方向に癖（ヒンジ残留歪み）がついてしまい、誤動作を生じさせたり、短寿命となる課題があった。更に、ヒンジ等の弾性支持部を設けた微小電気機械素子では、構造が複雑となり、最適な素子設計に多大な労力を要した。
一方、特許文献１に開示される技術では、可動部１２２が９０゜〜１８０゜も回転移動するため、静電効果が非効率であり、高速応答が期待できない構成となっている。また、反射型であるために、可動部遷移中に迷光が発生してしまう。さらに、駆動させるための印加電圧のシーケンスも複雑であり、制御部が複雑化する上に誤動作も起こしやすい問題があった。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みによる各種問題の低減が可能となる微小電気機械素子及び微小電気機械素子アレイ、並びに変調装置、画像形成装置を提供し、もって、高速応答と低電圧駆動を実現し、設計を容易にし、動作信頼性の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）  可動部の変位動作に応じた変調機能を有する微小電気機械素子であって、
平板状の可動部と、
基板上に立設された支柱と、
前記可動部を前記支柱に支持させる支持手段と、
前記可動部に対向して配置され前記可動部に対して物理的作用力を加える駆動手段と、を備え、
前記支持手段は、前記可動部の重心線の位置に配置される軸体が、該軸体との間に隙間を有して挿入される収容穴に係止されることで、前記可動部を支持することを特徴とする微小電気機械素子。
【００１０】
この微小電気機械素子によれば、可動部が重心軸で支柱によって抵抗のない状態で傾斜自在に支持されることで、従来、変位動作に影響を及ぼしていたヒンジ等の弾性力が可動部の変位に一切作用しなくなる。これにより、従来、ヒンジを備えることにより発生していた高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みの問題が解消される。
【００１１】
（２）  （１）記載の微小電気機械素子であって、
前記軸体が前記支柱に一体に形成され、前記収容穴が前記可動部に形成されたことを特徴とする微小電気機械素子。
【００１２】
この微小電気機械素子によれば、支柱に一体に形成された軸体が可動部の収容穴に挿通された構造の支持手段によって、軸体を中心として可動部が円滑に回動可能に支持される。
【００１３】
（３）  （２）記載の微小電気機械素子であって、
前記収容穴が前記可動部を貫通して形成され、前記軸体が前記収容穴の全長にわたって配置されることを特徴とする微小電気機械素子。
【００１４】
この微小電気機械素子によれば、可動部に貫通する収容穴に軸体が挿通された構造の支持手段によって可動部が円滑に回動可能に支持される。特に、収容穴を貫通させ、その全長にわたって軸体を配置させた簡略的な構造であるので、製造の容易化を図ることができる。
【００１５】
（４）  （３）記載の微小電気機械素子であって、
前記軸体が前記可動部に一体に形成され、前記収容穴が前記支柱に形成されたことを特徴とする微小電気機械素子。
【００１６】
この微小電気機械素子によれば、支柱に形成された収容穴に、可動部に一体に形成された軸体が挿通された構造の支持手段によって可動部が円滑に回動可能に支持される。特に、支柱に形成された収容穴に可動部の軸体を挿通させる構造であるので、可動部に穴を形成する場合と比較して、可動部の高強度化を図ることができる。
【００１７】
（５）  （１）〜（４）のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部が変位方向における最終変位位置で当接する停止部材を備えたことを特徴とする微小電気機械素子。
【００１８】
この微小電気機械素子によれば、可動部が最終変位位置で停止部材に当接して停止することで、可動部の停止位置を規定し易くなり、設定精度も向上できる。また、停止部材に可動部との癒着を防止する材料を用いれば、可動部の変位動作を円滑にでき、可動部の応答性を向上させることができる。
【００１９】
（６）  （１）〜（５）のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部の前記基板側とは反対側の表面に光反射層が形成され、前記可動部の傾斜変位によって前記微小電気機械素子に入射した光を変調することを特徴とする微小電気機械素子。
【００２０】
この微小電気機械素子によれば、可動部の表面に光反射層を形成することで、光のオンオフや変調を行う光変調素子とすることができる。
【００２１】
（７）  （１）〜（６）のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部が導電性を有し、
前記駆動手段が、前記可動部の縁部に対応して配置された固定電極を備え、
前記固定電極と前記可動部との間の電位差に応じた静電気力により、前記可動部を傾斜駆動することを特徴とする微小電気機械素子。
【００２２】
この微小電気機械素子によれば、物理的作用力が静電気力であることにより、低い駆動電圧（数Ｖ〜数十Ｖ）で、動作速度が数十〔ｎｓｅｃ〕程度まで得られ、素子の耐久性が向上することに加え、高速変調も可能になる。
【００２３】
（８）  （７）記載の微小電気機械素子であって、
前記固定電極が、前記可動部の回転軸に対して両脇側にそれぞれ配設されたことを特徴とする微小電気機械素子。
【００２４】
この微小電気機械素子によれば、固定電極を可動部の回転軸に対する両脇側にそれぞれ配設することで、可動部を双方向に回転変位させることが可能となる。
【００２５】
（９）  （１）〜（８）のいずれか１項記載の微小電気機械素子であって、
前記可動部を変位させる物理的作用力は、矩形波、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波、鋸波、三角波のいずれかを含むことを特徴とする微小電気機械素子。
【００２６】
この微小電気機械素子によれば、これらの波形のいずれかにより可動部が変位駆動される。
【００２７】
（１０）  （１）〜（９）のいずれか１項記載の微小電気機械素子を１次元又は２次元配列したことを特徴とする微小電気機械素子アレイ。
【００２８】
この微小電気機械素子アレイによれば、同時に複数の素子による動作が可能となり、例えば画像信号を変調する場合に変調処理の高速化が図られる。
【００２９】
（１１）  （１０）記載の微小電気機械素子アレイであって、
前記微小電気機械素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有し、
前記可動部と該可動部に対向する駆動手段とのいずれか一方には前記駆動回路からの素子変位信号が入力され、いずれか他方には共通信号が入力されることを特徴とする微小電気機械素子アレイ。
【００３０】
この微小電気機械素子アレイによれば、微小電気機械素子を複数配列する場合に、可動部と駆動部とのいずれか一方に素子変位信号を入力し、他方に共通信号を入力することにより、アレイ状にしたときの配線が簡略化される。
【００３１】
（１２）  （１）〜（１１）のいずれか１項記載の微小電気機械素子に対し、前記可動部をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部が備えられたことを特徴とする変調装置。
【００３２】
この変調装置によれば、制御部が可動部を駆動することで、可動部を任意に制御することができる。
【００３３】
（１３）  光源と、
（１０）〜（１２）のいずれか１項記載の微小電気機械素子アレイと、
前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイに照射する照明光学系と、
前記微小電気機械素子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。
【００３４】
この変調装置によれば、上記の微小電気機械素子を用いた画像形成装置を構築できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る微小電気機械素子によれば、可動部が重心軸で支持手段によって抵抗のない状態で傾斜自在に支持することで、支持手段の弾性復帰力を積極的になくし、物理的作用力である静電気力を主要な駆動力として遷移動作を行わせることができる。これにより、従来、変位動作に影響を及ぼしていたヒンジ等の弾性力が可動部の変位に一切作用しなくなり、従来、ヒンジを備えることにより発生していた高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みの問題が解消される。この結果、任意方向への可動部の変位を可能にしつつ、高速応答と低電圧駆動を実現し、設計を容易にし、動作信頼性を向上させることができる。
【００３６】
本発明に係る微小電気機械素子アレイによれば、上記の微小電気機械素子を１次元又は２次元配列したので、同時に複数の素子による動作が可能となり、例えば画像信号を変調する場合に、変調処理を高速化することができる。
【００３７】
本発明に係る画像形成装置によれば、上記の微小電気機械素子に対し、可動部をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部が備えられたので、制御部が可動部を駆動することによる可動部の任意方向の変位を可能にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明に係る微小電気機械素子及び微小電気機械素子アレイ並びに変調装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明に係る微小電気機械素子の斜視図、図１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面および駆動のための回路を表した断面図である。
本実施の形態において微小電気機械素子１００は光変調機能を有する素子として説明するが、本発明に係る微小電気機械素子はこれに限定されるものではない。本発明に係る微小電気機械素子は、可動部が抵抗なく自由回転できるように支持されていることを特徴とし、低電圧でも高速応答が可能な構成となっている。
【００３９】
微小電気機械素子１００は、基本的な構成要素として、基板１１と、基板１１に空隙１３を介して平行に配置される導電性を有する平板状の可動部１５と、可動部１５を基板１１上で支持する支持部（支持手段）１７と、可動部１５に対向して配置され可動部１５に対して物理的作用力（ここでは静電気力）を加えるための固定電極１９，２１と、を備えている。固定電極１９，２１は可動部１５（可動電極）と協働する駆動手段を構成し、これら固定電極１９，２１は、可動部１５の回転軸に対する両脇側に、可動部１５の縁部の下方にそれぞれ配設されている。一対の固定電極１９，２１は、それぞれ可動部１５に対して互いに異なる方向へ物理的作用力を加える。
【００４０】
次に、可動部１５を基板１１上で支持する支持部１７について説明する。
平面視長方形状の平板状に形成された可動部１５には、長手方向の中央位置における両側部にて開口する収容穴２３が、可動部１５の幅方向に貫通して形成されている。この収容穴２３には、軸体２５が挿入され、この軸体２５が、収容穴２３の全長にわたって配置されている。
収容穴２３に挿入された軸体２５は、その両端が収容穴２３から突出されて基板１１上に形成された支柱２７の上端に固定されている。
【００４１】
軸体２５が挿入された収容穴２３は、軸体２５よりも大きな外形を有している。これにより、可動部１５は、収容穴２３との間に隙間を有して挿入されて可動部１５の重心線の位置に配置される軸体２５によって基板１１上に支持され、軸体２５の軸線を中心として回動可能とされている。
また、収容穴２３は、可動部１５の長手方向に沿った長穴とされている。これにより、収容穴２３の開口部の長さ寸法をＬ１、軸体２５の幅寸法Ｌ２とすると、可動部１５は、収容穴２３と軸体２５との隙間寸法Ｌ（Ｌ＝Ｌ１−Ｌ２）だけ、長手方向に沿って変位可能とされている。
【００４２】
また、基板１１中には駆動回路３１，３３が設けられており、駆動回路３１は、可動部１５と固定電極１９との間に電位差Ｖ１を発生させる電圧を印加し、駆動回路３３は、可動部１５と固定電極２１との間に電位差Ｖ２を発生させる電圧を印加する。
【００４３】
微小電気機械式変調素子１００は、可動部１５の上面が光反射部(マイクロミラー部)となる。可動部１５の平面形状が四角形状であることにより、複数の可動部１５を一次元や二次元に配列した場合、隣接する可動部１５との隙間が小さくなり、設置効率が高められる。この他、本発明に係る微小電気機械式変調素子１００は、可動部１５の材質を適宜選択し、或いは短絡接点等を付設することにより、光変調スイッチ、光切替スイッチ、電気スイッチとして機能させることができる。また音波、流体、熱線のスイッチング、或いはＲＦ信号のスイッチングも可能となる。
【００４４】
また、可動部１５の表面は絶縁材料で被覆され、特定方向の回転動作の最終変位位置に到達するに際し、固定電極１９，２１に接触して停止する。つまり、固定電極１９，２１が停止部材として機能し、最終変位位置を超えて変位して大きな振動が発生することを抑制できる。
【００４５】
ここで、微小電気機械式変調素子１００は、その基本動作として、固定電極１９，２１と可動部１５との間へ、それぞれ電圧を印加することによって、支持部１７を中心として可動部１５が回動変位する。つまり、可動部１５がマイクロミラー部であることにより、マイクロミラー部に照射された光の反射方向が変化してスイッチング作用を生じる。
【００４６】
具体的には、駆動回路３１，３３が、固定電極１９，２１へ可動部１５に対する電位差Ｖ１，Ｖ２を与えると、固定電極１９，２１と可動部１５との間に物理的作用力として静電気力が発生し、これにより支持部１７を中心とした回転トルクが可動部１５に働く。このときに発生する静電気力の強弱は、周囲雰囲気の誘電率、可動部１５の面積（電極面積）、印加電圧、可動部１５と固定電極１９，２１との電極間隔に依存する。
【００４７】
ここで、可動部１５と固定電極１９との電位差Ｖ１と、可動部１５と固定電極２１との電位差Ｖ２とが、例えば、Ｖ１＞Ｖ２のときには、固定電極１９と可動部１５との間に発生する静電気力が、固定電極２１と可動部１５との間に発生する静電気力より大きくなり、可動部１５は左側が下がるように傾く。逆に、Ｖ１＜Ｖ２のときは、固定電極２１と可動部１５との間に発生する静電気力が、固定電極１９と可動部１５との間に発生する静電気力より大きくなり、可動部１５は右側が下がるように傾く。
【００４８】
このように、可動部（可動電極）１５、固定電極１９，２１、駆動回路３１，３３は、可動部１５を回転変位させるための駆動手段となっている。このような駆動手段から可動部１５へ加えられる物理的作用力が静電気力であることで、可動部１５の高速な回転変位が可能となる。
【００４９】
なお、可動部１５に作用させる物理的作用力は、静電気力以外の物理的作用力であってもよい。その他の物理的作用力としては、電磁石などによる電磁力、ピエゾ素子などによる電歪、機械的手段などの任意の手段が採り得る。
【００５０】
このように、微小電気機械式変調素子１００は、双方向に変位する可動部１５を備え、この可動部１５がスイッチング機能を有する。可動部１５は、物理的作用力を加える複数の駆動手段（可動部１５の可動電極、固定電極１９，２１、駆動回路３１，３３）によって重力に抗して回転変位される。
【００５１】
そして、本実施形態の微小電気機械式変調素子１００によれば、可動部１５が重心軸で支持部１７によって回転抵抗のない状態で傾斜自在に支持されることで、支持部の弾性復帰力を積極的になくし、物理的作用力である静電気力を主要な駆動力として遷移動作を行わせることができる。これにより、従来、変位動作に影響を及ぼしていたヒンジ等の弾性力が可動部の変位に一切作用しなくなり、従来、ヒンジを備えることにより発生していた高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みの問題が解消される。この結果、任意方向への可動部１５の変位を可能にしつつ、高速応答と低電圧駆動を実現し、設計を容易にし、動作信頼性を向上させることができる。
【００５２】
図２は各電極へ印加される異なる電圧波形と可動部の挙動を（ａ），（ｂ）に表した説明図である。
ここで、可動部１５を変位させる物理的作用力、すなわち、静電気力は、各固定電極１９，２１に印加される電圧によって発生させることができる。この電圧は、矩形波、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波、鋸波、三角波のいずれかを含むパルス波形とすることができる。これらの波形のいずれかにより可動部１５は変位駆動される。例えば図２（ａ）に示す所定の電圧φＶｘを矩形状に一定電圧で印加する波形とすれば、可動部１５の回転動作が短い遷移時間で行われる。これに対して図２（ｂ）に示すように、印加電圧φＶｘを可動部１５の回転動作の初期から最終変位先に到達するまでの間で徐々に増加する波形として可動部１５の慣性力を付けすぎないように制御すれば、可動部１５の最終変位先に到達した後の振動を抑制することができる。
【００５３】
図３（ａ）は可動部１５が左側へ回転変位した状態を示し、図３（ｂ）は可動部が右側へ回転変位した状態を示す。
図３（ａ）に示すように、可動部１５が左側へ回転変位し、左側へ傾斜した最終変位位置に到達して固定電極１９に接触して停止する際には、可動部１５は、長穴からなる収容穴２３と軸体２５との間に隙間が存在することにより、軸体２５が収容穴２３の右端に接触する位置まで左側へ変位する。これにより、可動部１５は、その重心位置が、軸体２５の中心位置よりも左側へ変位量α（α≒（Ｌ１−Ｌ２）／２）だけずれ、したがって、可動部１５は、重力によって左側への最終変位位置にて確実に静止した状態に維持される。
【００５４】
これとは逆に、図３（ｂ）に示すように、可動部１５が右側へ回転変位し、右側へ傾斜した最終変位位置に到達して固定電極２１に接触して停止する際には、可動部１５は、軸体２５が収容穴２３の左端に接触する位置まで右側へ変位する。これにより、可動部１５は、その重心位置Ｇが、軸体２５の中心位置よりも右側へ変位量αだけずれ、したがって、可動部１５は、重力によって右側への最終変位位置にて確実に静止した状態に維持される。
【００５５】
次に、上記した微小電気機械素子１００の製造方法について説明する。
図４は実施形態に係る製造方法の手順を（ａ）〜（ｉ）に表した製造工程説明図である。
図４（ａ）に示すように、微小電気機械素子１００は、図１に示す基板１１上に、第１絶縁層４１が形成される。第１絶縁層４１上には駆動回路３１，３３が形成される。本実施の形態による製造方法では、Ｓｉなどの基板１１上に第１絶縁層４１を介してＣＭＯＳよりなる駆動回路３１，３３が形成される。駆動回路３１，３３の上部に、ＳｉＯ２をＰＥＣＶＤより成膜して第２絶縁層４３を形成し、駆動回路３１，３３の出力を素子の各電極と接続するためのコンタクトホールを、フォトリソグラフィとフッ素系のＲＩＥエッチングによりパターニング形成する。
【００５６】
その後、下地膜ＴｉＮ薄膜をスパッタにより成膜し（図示せず）、続けてタングステンＷをスパッタにより成膜する。これにより、タングステンＷがコンタクトホール部に埋め込まれる。更にその表面をＣＭＰで平坦化し、コンタクトホール部がタングステンＷで埋め込まれた平坦な第２絶縁層４３が形成される。
【００５７】
その上部に第１導電膜４５であるＡｌ（好ましくは高融点金属を含有したＡｌ合金）をスパッタで成膜し、フォトリソグラフィと塩素系のＲＩＥエッチングにより所望の電極形状にパターニングして固定電極１９，２１を形成する。なお、このとき、固定電極１９，２１は各々コンタクトホールを介して駆動回路３１，３３の出力に接続されて、それぞれ電位が供給される。
【００５８】
次いで、図４（ｂ）に示すように、犠牲層４７としてポジ型レジスト膜を塗布し、ハードベークする。ハードベークは、ＤｅｅｐＵＶを照射しながら２００℃を超える温度で行う。これにより後工程の高温プロセスにおいても、その形状を維持し、又レジスト剥離溶剤に不溶となる。レジストの塗布成膜により下地膜の段差によらずレジスト表面は平坦となる。このレジスト膜は犠牲層４７として機能し、後述の工程で除去される。したがって、ハードベーク後のレジストの膜厚は将来の固定電極１９，２１と可動部１５との空隙を決定する。
【００５９】
図４（ｃ）に示すように、第２導電膜４９であるＡｌ（又はＡｌ合金）をスパッタにより、所望の厚さに成膜し、フォトリソグラフィと塩素系のＲＩＥエッチングにより所望の可動部１５の形状にパターニングして第２導電膜４９を形成する。
【００６０】
図４（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィと塩素系のＲＩＥエッチングにより、第２導電膜４９からなる可動部１５の中央部に凹部５１を形成する。
【００６１】
次に、図４（ｅ）に示すように、犠牲層５３としてポジ型レジスト膜を、その膜厚に注意しつつ塗布し、ハードベークし、その後、凹部５１以外の表面をＣＭＰにより研磨して平坦化することにより、可動部１５の中央の凹部５１の底部のみに犠牲層５３であるレジスト膜を成膜する。
【００６２】
さらに、図４（ｆ）に示すように、Ａｌ（またはＡｌ合金）をスパッタにより成膜し、その後、ＣＭＰによって表面を平坦化することにより、可動部１５の中央の凹部５１をＡｌ（またはＡｌ合金）で満たし、金属部５５とする。
【００６３】
次に、図４（ｇ）に示すように、フォトリソグラフィと塩素系のＲＩＥエッチングによって、凹部５１内の金属部５５から軸体２５となる部分を切り出し、再び、犠牲層５７となるポジ型レジストを、凹部５１内における軸体２５と可動部１５の隙間に入り込むように塗布し、表面をＣＭＰで平坦化して表面のレジストを取り去る。
【００６４】
図４（ｈ）に示すように、別のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板５９上にＡｌ（またはＡｌ合金）をスパッタにより成膜して導電膜６１を形成し、フォトリソエッチングにより中央部に凹部６３を設け、この基板５９を、可動部１５の上部に配置して貼り合わせる。
【００６５】
ＳＯＩ基板５９を可動部１５の上部から剥離し、その後、図４（ｉ）に示すように、酸素系かつまたはフッ素系のプラズマエッチング（アッシング）により、犠牲層４７，５３，５７を除去して空隙を形成し、所望の構造の微小電気機械素子１００を形成する。
なお、上記の材料及び製造方法は一例であり、本発明の主旨に沿えば、如何なる材料及製造方法が適用されても良い。
【００６６】
次に、上記した微小電気機械素子１００の基本構成に対しての種々の変形例について説明する。
図５は停止部材を設けた変形例１を示した斜視図である。
上記した微小電気機械素子１００の構造では、固定電極１９，２１を可動部１５の停止部材として機能させ、最終変位位置を超えて変位して大きな振動が発生することを抑制する構造としたが、本発明に係る微小電気機械素子１００は、図５に示すように、固定電極１９，２１の表面における可動部１５との当接箇所に、別個の停止部材６１，６３を取り付けた構造とすることができる。
【００６７】
この停止部材６１，６３は、衝撃吸収性及び非癒着性を有する材料から形成されたもので、固定電極１９，２１への可動部１５の接触後の振動を和らげるとともに、固定電極１９，２１との可動部１５の癒着を防止することができる。
つまり、この停止部材６１，６３を設けることにより、可動部１５が特定方向の回転動作の最終変位位置に到達し、固定電極１９，２１に接触して停止した際の振動が抑制され、また、可動部１５の逆方向への円滑な回転が可能となる。
【００６８】
なお、この停止部材６１，６３は、可動部１５側に取り付けても良く、この場合も、同様に、固定電極１９，２１への可動部１５の接触後の振動を和らげるとともに、固定電極１９，２１との可動部１５の癒着を防止することができる。
【００６９】
図６は他の構造の支持部を備えた変形例２を示す平面図である。
上記した微小電気機械素子１００では、可動部１５の幅方向に沿って貫通した収容穴２３内に１本の軸体２５を挿通させて可動部１５を回動可能に支持した支持部１７を設けたが、本発明に係る微小電気機械素子１００は、図６に示すように、可動部１５の両側部に貫通しない収容穴６５を形成し、これら収容穴６５に、支柱２７に固定した一対の軸体６７を挿入した構造とすることができる。
【００７０】
そして、この構造の場合も、軸体６７によって可動部１５を回動可能に支持することができる。特に、この構造によれば、軸体６７と収容穴６５との接触面積を極力少なくして摩擦抵抗を低減することができ、可動部１５のさらなる円滑な回動が可能となる。
【００７１】
図７は可動部における回動軸線を変えた変形例３を示す平面図である。
上記した微小電気機械素子１００では、可動部１５の長手方向の中央位置に形成した収容穴２３に軸体２５を挿入して可動部１５を回動可能としたが、本発明に係る微小電気機械素子１００は、図７に示すように、可動部１５の対角線に沿って収容穴２３を形成し、この収容穴２３に軸体２５を挿通させることにより、対角線に沿う軸線を中心として可動部１５を回動可能に支持しても良い。
【００７２】
そして、このように支持した可動部１５によれば、回動軸線から離れるにしたがって軽くなることより、回転モーメントを低減することができ、可動部１５のさらなる円滑な回動が可能となり、また、平面内における配置の高密度化を図ることができる。
【００７３】
図８（ａ）は軸体を可動部に一体に形成した変形例４を示した斜視図、図８（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面および駆動のための回路を表した断面図である。
上記した微小電気機械素子１００では、可動部１５に収容穴２３を形成し、この収容穴２３に軸体２５を挿入して可動部１５を回動可能としたが、本発明に係る微小電気機械素子１００は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、可動部１５に、側方へ突出する軸体７１を形成し、この軸体７１を、支柱２７に形成した収容穴７３に挿入することにより、軸体７１の軸心を中心として可動部１５を回動可能としても良い。
なお、この場合も、軸体７１が挿入された収容穴７３は、軸体７１よりも大きな外形を有している。また、収容穴７３は、可動部１５の長手方向に沿った長穴とされ、これにより、可動部１５は、収容穴７３と軸体７１との隙間寸法だけ、長手方向に沿って変位可能とされている。
【００７４】
そして、この構造では、特に、軸体７１と収容穴７３との接触面積を極力少なくして摩擦抵抗を低減することができ、可動部１５のさらなる円滑な回動が可能となり、また、可動部１５へ穴を形成することによる強度低下を抑制することができる。
【００７５】
ここで、この図８（ａ）、（ｂ）に示す微小電気機械素子１００の製造方法について説明する。
図９は変形例４の微小電気機械素子１００の製造方法の手順を（ａ）〜（ｉ）に表した製造工程説明図である。
図９（ａ）に示すように、微小電気機械素子１００は、基板１１上に、第１絶縁層４１が形成される。第１絶縁層４１上には駆動回路３１，３３が形成される。本実施の形態による製造方法では、Ｓｉなどの基板１１上に第１絶縁層４１を介してＣＭＯＳよりなる駆動回路３１，３３が形成される。駆動回路３１，３３の上部に、ＳｉＯ２をＰＥＣＶＤより成膜して第２絶縁層４３を形成し、駆動回路３１，３３の出力を素子の各電極と接続するためのコンタクトホールを、フォトリソグラフィとフッ素系のＲＩＥエッチングによりパターニング形成する。
【００７６】
その後、下地膜ＴｉＮ薄膜をスパッタにより成膜し（図示せず）、続けてタングステンＷをスパッタにより成膜する。これにより、タングステンＷがコンタクトホール部に埋め込まれる。更にその表面をＣＭＰで平坦化し、コンタクトホール部がタングステンＷで埋め込まれた平坦な第２絶縁層４３が形成される。
【００７７】
その上部に第１導電膜４５であるＡｌ（好ましくは高融点金属を含有したＡｌ合金）をスパッタで成膜し、フォトリソグラフィと塩素系のＲＩＥエッチングにより所望の電極形状にパターニングして固定電極１９，２１を形成する。なお、このとき、固定電極１９，２１は各々コンタクトホールを介して駆動回路３１，３３の出力に接続されて、それぞれ電位が供給される。
【００７８】
次に、図９（ｂ）に示すように、金属（ＡｌまたはＡｌ合金）を成膜してフォトリソエッチにより所望の形状の支柱２７を形成し、犠牲層８１としてポジ型レジスト膜を塗布してハードベークする。
ハードベークはＤｅｅｐＵＶを照射しながら２００℃を超える温度で行う。これにより、後工程の高温プロセスにおいてもその形状を維持し、又レジスト剥離溶剤に不溶となる。レジストの塗布成膜により下地膜の段差に依らずレジスト表面は平坦となり、また、粘性が低くカバレッジの悪いレジストを用いるため、支柱２７の周りに成膜される。
さらに、犠牲層８１とは異なる犠牲層８３を成膜してハードベーク後、ＣＭＰによって表面を平坦化する。犠牲層８３としてはプラズマではエッチングされない材料を用いる。
これら犠牲層８１，８３は、後述の工程で除去される。
【００７９】
次に、図９（ｃ）に示すように、フォトリソエッチ工程により、支柱２７の中央部に凹部８５を形成し、前述の軸体７１が挿通される収容穴７３となる空洞を作製する。
次いで、図９（ｄ）に示すように、犠牲層８１と同様のポジ型レジストによって犠牲層８７を膜厚に注意しながら再び塗布し、ハードベークする。このとき、粘性の低いカバレッジの悪いレジストを用いることで、支柱２７の壁にレジストを付着させないようにする。その後、CMPによって表面を平坦化し、支柱２７の凹部８５の底部にのみ犠牲層８７が残るようにする。
【００８０】
次に、犠牲層８３のみをエッチングにより取り去る。ここで残された犠牲層８１のレジストの膜厚は将来の固定電極１９，２１と可動部１５との空隙を決定する。
そして、図９（ｅ）に示すように、可動部１５及び軸体７１となる導電膜（ＡｌまたはＡｌ合金）８９をスパッタにより成膜し、ＣＭＰによって表面を平坦化する。
【００８１】
さらに、図９（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィと塩素系のＲＩＥエッチングによって導電膜８９における可動部１５及び軸体７１となる部分を除く部分を除去し、可動部１５及び軸体７１を切り出す。
図９（ｇ）に示すように、
再び犠牲層９１となる犠牲層８１と同様のポジ型レジストを軸体７１と支柱１７の凹部８５との隙間に入り込むように塗布し、表面をＣＭＰで平坦化して余分なレジストを取り去る。
【００８２】
図９（ｈ）に示すように、別のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板９３上に、支柱１７の一部となる金属（ＡｌまたはＡｌ合金）をスパッタにより成膜して金属膜９５を形成し、フォトリソエッチングにより中央部に凹部９７を設け、支柱１７の上部とし、この基板９３を、可動部１５の上部に配置して貼り合わせる。
【００８３】
最後に、ＳＯＩ基板９３を可動部１５の上部から剥離し、その後、図９（ｉ）に示すように、酸素系かつまたはフッ素系のプラズマエッチング（アッシング）により、犠牲層８１，９１を除去して空隙を形成し、所望の構造の微小電気機械素子１００を形成する。
なお、上記の材料及び製造方法は一例であり、本発明の主旨に沿えば、如何なる材料及製造方法が適用されても良い。
【００８４】
次に、微小電気機械素子１００の応用例を説明する。
図１０は複数の微小電気機械素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有した構成を示す説明図である。
微小電気機械素子１００は、複数のものを１次元又は２次元配列して微小電気機械素子アレイ２００を構成することができる。微小電気機械素子アレイ２００では、同時に複数の微小電気機械素子１００による動作が可能となり、例えば画像信号を変調する場合に変調処理の高速化が図られる。微小電気機械素子アレイ２００は、微小電気機械素子１００のそれぞれがメモリ回路１７７を含む駆動回路１７９を有することが好ましい。可動部１５と、この可動部１５に対向する固定電極１９，２１からなる駆動部１６３とのいずれか一方には、駆動回路１７９からの素子変位信号が入力され、いずれか他方には共通信号が入力される。このように、微小電気機械素子１００を複数配列する場合に、可動部１５と駆動部１６３とのいずれか一方に素子変位信号を入力し、他方に共通信号を入力することにより、アレイ状にしたときの配線を簡略化することができる（図示例では可動部１５を共通電極として構成している）。
【００８５】
微小電気機械素子アレイ２００は、可動部１５をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部１８１を備えることで、変調装置３００を構成することができる。制御部１８１は、駆動電圧制御回路１８３を駆動することで、可動部１５を任意に制御することができる。変調装置３００は、微小電気機械素子１００のそれぞれがメモリ回路１７７を備えることで、予め素子の次の変位動作を表す変位信号の書き込みが可能となる。つまり、メモリ回路１７７には予め素子変位信号が書き込まれて、微小電気機械素子アレイ２００のスイッチングのとき、各々の微小電気機械素子１００のメモリ回路１７７に記憶された素子変位信号に基づいて、微小電気機械素子１００への印加電圧を制御する変調駆動が行われる。
【００８６】
このように、変調装置３００によれば、微小電気機械素子１００に対し、可動部１５をそれぞれ駆動して変調動作を行う制御部１８１が備えられたので、制御部１８１がメモリ回路１７７を用いて微小電気機械素子１００を駆動することにより、複数の素子１００のそれぞれを任意の駆動パターンで容易に動作させることができ、可動部１５の任意方向への変位を可能にして、より高速なアクティブ駆動が可能となる。
【００８７】
次に、上記の微小電気機械素子１００の特性を検証するために、ヒンジ構造の微小電気機械素子に対してシミュレーションを行った例を示す。
図１１は一般的なヒンジ支持構造の素子モデルを表す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図、図１２は遷移時間の解析結果を示す図であって、可動部の大きさを（ａ）６μｍ、（ｂ）８μｍ、（ｃ）１０μｍとし、それぞれ印加する電圧を５Ｖ、１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖと変化させた場合の、可動部の傾斜が−１０度から＋１０度に変化するまでの遷移時間を弾性支持部の弾性力に対して示したグラフである。
【００８８】
＜解析条件＞
シミュレーションは、下記の変動値及び固定値を用いて解析を行った。可動部１５は正方形状を仮定し、弾性支持部となるヒンジ１２１が可動部１５の下に隠れるように、可動部１５の長さによって決まるように設定した。可動部、支持部の材料はアルミを用いた。
【００８９】
ａ）変動値
可動部長さ：Ｌ1
可動部幅：Ｌ2（＝Ｌ1）
支持部長さ：ｌ1（＝(Ｌ1-2.2μｍ)/2)
支持部幅：ｌ2（＝0.6μｍ）
支持部厚さ：ｈ（＝0.05μｍ）
可動部質量：Ｍ
電極間距離：ｄ
電極間電位差：Ｖ
【００９０】
ｂ）固定値
可動部厚さ：Ｈ＝0.5μｍ
可動部密度：ρ＝2.7ｇ/ｃｍ3
支持部材ヤング率：Ｅ＝68.85ＧＰａ
支持部材ポアソン比：ν＝0.36
接触角度：θ＝10 deg
粘性係数：ａ（１気圧環境下で設定）
【００９１】
図１２に示した解析結果は、可動部１５の大きさを（ａ）６μｍ、（ｂ）８μｍ、（ｃ）１０μｍとし、それぞれ印加する電圧を５Ｖ、１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖと変化させたときの、可動部１５の傾斜が−１０度から＋１０度に変化するまでの遷移時間と、ヒンジ１２１の弾性力との関係を表したものである。ただし、素子の環境雰囲気は１気圧としている。任意の可動部の大きさ（慣性モーメント）を有し、任意の印加電圧を設定したときの遷移時間とヒンジ弾性力との関係の曲線においては、ヒンジ１２１の弾性力を弱め、印加電圧を大きくした方が遷移時間を速くできることが分かる。よって、ヒンジ１２１の弾性力は微小電気機械素子１００の高速応答の妨げとなることが分かる。
【００９２】
本実施の形態による微小電気機械素子１００によれば、平板状の可動部１５の中心位置が支持部１７によって傾斜自在に支持され、この可動部１５に対向してそれぞれ配置され可動部１５に物理的作用力を加える複数の固定電極１９，２１からなる駆動部１６３とを備え、駆動部１６３が、可動部１５を少なくとも２つ以上の回転軸回りで複数方向に傾斜変位させるので、従来、ヒンジを備えることにより発生していた高速化の障害、駆動電圧の増大、構造の複雑化、ヒンジ残留歪みによる各種問題の低減が可能となる。この結果、任意方向への可動部変位を可能にしつつ、高速応答と低電圧駆動を実現し、設計を容易にし、動作信頼性を向上させることができる。
また、可動部の支持手段は、可動部の重心線の位置に配置される軸体が、この軸体との間に隙間を有して挿入される収容穴に係止されて可動部を支持する構成となっているが、これに限らず、収容部が可動部側、支柱側の両方に形成されて、軸体がこれらの収容部に挿通される構成としてもよい。
【００９３】
なお、上記の実施の形態では、可動部１５に作用させる物理的作用力が静電気力である場合を例に説明したが、本発明に係る微小電気機械素子は、可動部１５に作用させる物理的作用力が静電気力以外の物理的作用力であってもよい。その他の物理的作用力としては、例えば電磁石などによる電磁力、ピエゾ素子などによる電歪、機械的手段などの任意の手段が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】（ａ）は本発明に係る微小電気機械素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面および駆動のための回路を表した断面図である。
【図２】各電極へ印加される異なる電圧波形と可動部の挙動を（ａ），（ｂ）に表した説明図である。
【図３】（ａ）は可動部１５が左側へ回転変位した状態を示し、（ｂ）は可動部が右側へ回転変位した状態を示す。
【図４】実施形態に係る製造方法の手順を（ａ）〜（ｉ）に表した製造工程説明図である。
【図５】停止部材を設けた変形例１を示した斜視図である。
【図６】他の構造の支持部を備えた変形例２を示す平面図である。
【図７】可動部における回動軸線を変えた変形例３を示す平面図である。
【図８】（ａ）は軸体を可動部に一体に形成した変形例４を示した斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面および駆動のための回路を表した断面図である。
【図９】変形例４の微小電気機械素子の製造方法の手順を（ａ）〜（ｉ）に表した製造工程説明図である。
【図１０】複数の微小電気機械素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有した構成を示す説明図である。
【図１１】一般的なヒンジ支持構造の素子モデルを表す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図である。
【図１２】遷移時間の解析結果を示す図である。
【図１３】従来の微小電気機械式素子を示す斜視図である。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、他の構造の従来の微小電気機械式素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９５】
１１  基板
１５  可動部
１７  支持部（支持手段）
１９，２１，１０１，１０３  固定電極（駆動手段）
２３，６５，７３  収容穴
２５，６７，７１  軸体
２７  支柱
３１，３３  駆動回路（駆動手段）
６３  停止部材
１００  微小電気機械素子
１６３  駆動部（駆動手段）
１７７  メモリ回路
１７９  駆動回路（駆動手段）
１８１  制御部
２００  微小電気機械素子アレイ
３００  変調装置
【図１】
2008003310.tif 000003
【図２】
2008003310.tif 000004
【図３】
2008003310.tif 000005
【図４】
2008003310.tif 000006
【図５】
2008003310.tif 000007
【図６】
2008003310.tif 000008
【図７】
2008003310.tif 000009
【図８】
2008003310.tif 000010
【図９】
2008003310.tif 000011
【図１０】
2008003310.tif 000012
【図１１】
2008003310.tif 000013
【図１２】
2008003310.tif 000014
【図１３】
2008003310.tif 000015
【図１４】
2008003310.tif 000016