(57)【要約】【課題】  設計の自由度の大きい、構造が簡単で、コスト安で、制御が簡単で、波長依存性がない電気機械式光シャッター素子を提供する。【解決手段】  透明基板上に該透明基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する遮光膜を前記可動電極に設けることで電気機械式光スイッチ素子を構成した。この電気機械式光スイッチ素子を２個並置させて使用することで、大きなストロークの電気機械式光スイッチ素子が得られる。【選択図】    図１
2005221917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極又は電極付き可動膜（以下、可動電極と言う）と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断もしくは反射する機能を有した膜（以下、遮光膜と言う）を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御することを特徴とする電気機械式光シャッター素子。
【請求項２】
請求項１記載の電気機械式光シャッター素子を複数個、不動作時に互いにその遮光板を突き合わせ状態で配置したことを特徴とする電気機械式光シャッター素子。
【請求項３】
透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する遮光膜を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御する電気機械式光シャッター素子を２個、不動作時に互いにその遮光板を突き合わせ状態で配置した電気機械式光シャッター素子であって、
前記固定電極側に設けられた支持部材と前記可動電極の互いの対向面側に、動作時に互いに嵌（はま）り合うことのできる凹凸状の起伏を形成したことを特徴とする電気機械式光シャッター素子。
【請求項４】
透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する遮光膜を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御する電気機械式光シャッター素子を２個、不動作時に互いにその遮光板を突き合わせ状態で配置した電気機械式光シャッター素子であって、
前記可動電極の両端部および／又は前記可動電極を支持する支持部材の前記可動電極との接触部位近傍を柔らかい材料で形成したことを特徴とする電気機械式光シャッター素子。
【請求項５】
透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する遮光膜を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御する電気機械式光シャッター素子を２個、不動作時に互いにその遮光板を突き合わせ状態で配置した電気機械式光シャッター素子であって、前記可動電極がその一端で前記固定電極と広い間隔を置き、その他端で前記固定電極と狭い間隔を置いて前記固定電極に対向配置されたことを特徴とする電気機械式光シャッター素子。
【請求項６】
透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された円筒状固定電極と、前記円筒状固定電極内に不動作時に前記円筒状固定電極と同心配置になるように前記支持基板上にそれぞれ支持された２個の半円筒状可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する遮光膜を前記半円筒状可動電極に設け、前記円筒状固定電極と前記半円筒状可動電極との間に作用する力で前記半円筒状可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御することを特徴とする電気機械式光シャッター素子。
【請求項７】
透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する機能を有した遮光膜を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御する電気機械式光シャッター素子を２個、その遮光板を上下に重ねた状態で配置した電気機械式光シャッター素子であって、前記各遮光板に複数のスリットを設け、不動作時に上下のスリットが互いにずれて遮光状態となり、動作時に上下のスリットが重なり合うことを特徴とする電気機械式光シャッター素子。
【請求項８】
前記突き合わせ配置された２個の遮光膜の間にできる隙間が、使用する光の波長の１／１０以下であることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項記載の電気機械式光シャッター素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の電気機械式光シャッター素子を複数個アレイ状に配置したことを特徴とする電気機械式光シャッターアレイ。
【請求項１０】
請求項９記載の電気機械式光シャッターアレイと、前記電気機械式光シャッターアレイの入射光側および／又は出射光側に集光レンズを複数個アレイ状に配置したことを特徴とする光シャッターアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電気力、電磁力、電歪等の吸引力により可動薄膜を移動させて、光の透過、遮断を行う電気機械式光シャッター素子及び光シャッターアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
この分野において、電気機械式光シャッター素子で光の制御を行う光スイッチとしてはシリコン基板上に梁が垂直に動くようにした回折格子光バルブ等が早くから知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
【特許文献１】特表平１０−５１０３７４号公報
【特許文献２】特開平１１−２５８５５８号公報
【０００３】
特許文献１記載の光ビーム変調器は、次のａ〜ｄから構成されている。
ａ．各要素が第一の縁及び第二の縁及び光反射平面を有する複数の細長い要素と、前記要素は第一のグループの要素が第二のグループの要素と互いにかみあわされるように前記第一のグループと前記第二のグループにグループ分けされ、かつ前記要素は互いに平行に配列されている。
ｂ．それらの縁で前記第一のグループ及び前記第二のグループの要素を懸架する手段、  ｃ．前記第一のグループに第一のバイアス電圧を印加する手段及び前記反射表面が実質的に同一平面にありかつ入射光ビームを反射する第一の平面内にあるように前記第二のグループに第二のバイアス電圧を印加する手段、
ｄ．第一の平面に平行でありかつ前記入射光ビームを回折する第二の平面に向けて前記平面に垂直な前記第一のグループの前記要素を選択的に偏向させる手段。
【０００４】
このように、特許文献１記載の発明である回折格子光バルブは、入射光ビームを変調するもので、複数の細長い要素がそれぞれ反射表面を有する反射型であるため、光の透過／遮断の制御を行うことができないという問題があった。
【０００５】
一方、特許文献２記載の光変調器は、紫外線の平面光源上に、電気機械動作により平面光源からの光を光変調する一次元又は二次元マトリクス状の光変調部を配設し、この光変調部から出射される光に励起される蛍光体を光変調部に対して対向配置し、また光変調部を、導光板上に設けた一方の電極である透明な信号電極と、この信号電極に空隙を挟んで対向する透明な可撓薄膜と、可撓薄膜に設けられ信号電極に対向する他方の電極である走査電極とを具備し、信号電極と走査電極とに電界を印加することで発生した静電気力によって可撓薄膜を撓ませ、可撓薄膜を透過して出射する光を変調するものである。
【０００６】
特許文献２記載の発明は、透過形のもので、光利用効率が良く、高真空化が不要で、安価なコストで大面積化が可能であり、しかも高画質が得られるものである。しかしながら、透過型光制御で干渉を用いているため、干渉膜の歪みなどがあると光スイッチのＯＮ／ＯＦＦに影響するので歪みがないように素子を作らなければならないという作製上の制御が難しくなる欠点や、干渉膜を用いているため、多層構成となり、構造が複雑となり、コスト高になる欠点があった。
【０００７】
本発明はこれらの欠点を解決するもので、透過型にして設計の自由度の大きい、構造が簡単で、コスト安で、制御が簡単で、単純に光の経路をシャットするだけなので波長依存性がない電気機械式光シャッター素子を提供することを目的としている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、請求項１記載の電気機械式光シャッター素子の発明は、透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極又は電極付き可動膜（以下、可動電極と言う）と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断もしくは反射する機能を有した膜（以下、遮光膜と言う）を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の電気機械式光シャッター素子の発明は、請求項１記載の電気機械式光シャッター素子を複数個、不動作時に互いにその遮光板を突き合わせ状態で配置したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の電気機械式光シャッター素子の発明は、透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する遮光膜を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御する電気機械式光シャッター素子を２個、不動作時に互いにその遮光板を突き合わせ状態で配置した電気機械式光シャッター素子であって、前記固定電極側に設けられた支持部材と前記可動電極の互いの対向面側に、動作時に互いに嵌（はま）り合うことのできる凹凸状の起伏を形成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の電気機械式光シャッター素子の発明は、透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する遮光膜を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御する電気機械式光シャッター素子を２個、不動作時に互いにその遮光板を突き合わせ状態で配置した電気機械式光シャッター素子であって、前記可動電極の両端部および／又は前記可動電極を支持する支持部材の前記可動電極との接触部位近傍を柔らかい材料で形成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の電気機械式光シャッター素子の発明は、透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する遮光膜を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御する電気機械式光シャッター素子を２個、不動作時に互いにその遮光板を突き合わせ状態で配置した電気機械式光シャッター素子であって、前記可動電極がその一端で前記固定電極と広い間隔を置き、その他端で前記固定電極と狭い間隔を置いて前記固定電極に対向配置されたことを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の電気機械式光シャッター素子の発明は、透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された円筒状固定電極と、前記円筒状固定電極内に不動作時に前記円筒状固定電極と同心配置になるように前記支持基板上にそれぞれ支持された２個の半円筒状可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する遮光膜を前記半円筒状可動電極に設け、前記円筒状固定電極と前記半円筒状可動電極との間に作用する力で前記半円筒状可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の電気機械式光シャッター素子の発明は、透明もしくは光を透過する機能を有した支持基板上に該支持基板に対して垂直に立設された固定電極と、前記支持基板又は固定電極上に前記固定電極と間隔を置いて対向配置状態に支持された可動電極と、前記支持基板に対して垂直方向に進む光を遮断する機能を有した遮光膜を前記可動電極に設け、前記固定電極と前記可動電極との間に作用する力で前記可動電極を変位させてその遮光膜で光の透過／遮断を制御する電気機械式光シャッター素子を２個、その遮光板を上下に重ねた状態で配置した電気機械式光シャッター素子であって、前記各遮光板に複数のスリットを設け、不動作時に上下のスリットが互いにずれて遮光状態となり、動作時に上下のスリットが重なり合うことを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項２〜７のいずれか１項記載の電気機械式光シャッター素子において、前記突き合わせ配置された２個の遮光膜の間にできる隙間が、使用する光の波長の１／１０以下であることを特徴とする。
【００１６】
請求項９記載の電気機械式光シャッターアレイの発明は、請求項１〜８のいずれか１項記載の電気機械式光シャッター素子を複数個アレイ状に配置したことを特徴とする。
【００１７】
請求項１０記載の光シャッターアレイの発明は、請求項９記載の電気機械式光シャッターアレイと、前記電気機械式光シャッターアレイの入射光側および／又は出射光側に集光レンズを複数個アレイ状に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、上記のような構成にしたことにより、透過形光シャッターが得られ、電極同士が平行平板であるので高速応答が可能となり、この光シャッターを２個並置することでストロークが２倍稼げることができ、又は同じ変位量であれば低電圧化にすることができる、といった特徴を有する。
さらに、この光シャッターを４個並置すれば２個並置の光シャッターの２倍の面積の光を制御することができる。
また、特許文献１記載の反射形シャッターと比べると、反射形シャッターは回折を利用しているので、サイズは使用する光と回折角度で決まってしまい、設計の自由度および精細度に問題があったが、本発明によれば設計の自由度が大幅に向上する。
また、特許文献２記載の透過形シャッターは多層膜を使用しているので、作製が難しく、干渉を利用しているので形状を維持する制御が難しかったが、本発明によれば光のオン・オフ制御であるので制御が簡単となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について実施例１〜６に基づき図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明の実施例１に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
図１（ａ）および（ｂ）において、１１は実施例１に係る電気機械式光スイッチ素子、１０は支持基板である。支持基板１０はここではガラス基板などの透明体を用いている。  しかし透明体でなくても、光を透過する機能を有するものであればかまわない。例えば、プラスチック基板、樹脂基板、また、光を透過するように穴空け加工を施したシリコン加工基板などが挙げられる。
支持基板１０は、図において支持基板の手前側端縁と奥側端縁が高くなった段差１０ａを形成されており、両端縁の間の中間部は低く（谷形成）なっているので、これによって後述の可動電極は容易に変位ができるようになる。谷形成等のプロセスおよびその材料については、纏めて後述する。
【００２１】
１２、１３は支持基板１０の上に垂直に立設された矩形状の固定電極である。
固定電極１２、１３の表面には電極保護層がコーティングされているが、ここでは見易くするため図示していない。
１４、１５は支持基板１０上に両支持状態で立設された可動電極で、矩形状をした固定電極１２、１３と対向した矩形状をしている。また、可動電極１４、１５は固定電極１２、１３側に支持されるようにしてもよい。可動電極１４、１５は電極自体が可撓性・弾性と強度を備えたものが良いが、この代わりに箔状の電極を表面に張り付けた可動膜であってもよい。（以下、これらを纏めて単に可動電極と言う）
１６、１７は固定電極１２、１３と可動電極１４、１５との間に介在する支持部材で、支持基板１０上に立設されている。これは例えばＳｉＮで構成されている。また、支持部材１６、１７は固定電極１２、１３に支持されるようにしてもよい。
１８、１９は可動電極１４、１５の側面に立設され遮光板で、ここへ到来した光Ｌ１を（反射又は吸収により）遮断させる遮光機能を有している。ここでは金属反射板を用いている。金属反射板としては、金属板の他に、金、銀、パラジウム、亜鉛、アルミニウム、ニッケルを用いることができる。
【００２２】
なお、上記例では１８、１９として反射板を用いたが、反射板の代わりに、光を吸収する吸収板を用いてもよい。これによれば、光の吸収と透過による光変調を行わせるようになる。その場合の吸収板はカーボン樹脂膜等の有機膜を塗布や転写することによって得ることができる。
【００２３】
次に、このようにして得られた電気機械式光スイッチ素子１１の動作について説明する。
図１（ａ）のように、固定電極１２、１３と可動電極１４、１５との間に電圧が印加されないときは固定電極１２、１３と可動電極１４、１５との間に静電気力は働かないので可動電極１４、１５は動かず、可動電極１４、１５に立設された遮光板１８、１９も動かない。したがって支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板１８、１９に到来しても、遮光板１８、１９により反射されて、もと来た光路へ戻る。
【００２４】
次に、図１（ｂ）のように、固定電極１２、１３と可動電極１４、１５との間に電圧が印加されると、固定電極１２、１３と可動電極１４、１５との間に静電気力が働らき、互いに吸引し合うようになる。したがって可動電極１４、１５は固定電極１２、１３の方向に折曲がり、これに伴って可動電極１４、１５に立設された遮光板１８、１９も固定電極１２、１３の方向に移動（変位）する。したがって、元遮光板にあった箇所が開放されるので、支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板１８、１９に反射されることなく遮光板１８、１９の間を通過する（光Ｌ１参照）。
【００２５】
そして、再び固定電極１２、１３と可動電極１４、１５との間の電圧を無くすと、固定電極１２、１３と可動電極１４、１５との間に静電気力が働かなくなるので可動電極１４、１５の弾性復帰力で図１（ａ）の状態に戻る。
この場合の復帰は両支持の可動電極１４、１５の両端で行われるため、片持ち支持の電気機械式光シャッタと比べて、復元力が大きくなり、高速可動に適している。また、先行文献２のように干渉を用いないので光の波長に依存しない簡単な構成の電気機械式光スイッチングを行うことができ、液晶でなく電気機械式光スイッチ素子を用いるので光のコントラスト比が高くなる。また、単純な構成であるので製作が容易となり、高密度の集積化が可能となる。
【００２６】
以上、電気機械式光スイッチ素子を２個（１２、１４、１６、１８）、（１３、１５、１７、１９）、不動作時に互いにその遮光板１８、１９を突き合わせ状態で配置した例を示したが、このようにすれば、可動電極の移動（変位）ストロークが小さくても、遮光板１８、１９の移動で見れば倍のストロークが得られることとなる。あるいは、同じストロークであれば低電圧化が可能となる。
【００２７】
本発明によれば、上記のような構成にしたことにより、透過形光シャッターが得られ、電極同士が平行平板であるので高速応答が可能となり、この光シャッターを２個並置することでストロークが２倍稼げることができ、又は同じ変位量であれば低電圧化にすることができる、といった特徴を有する。
【００２８】
さらに、電気機械式光スイッチ素子を４個用いて、その遮光板同士を左右に２個の遮光板とこれをサンドイッチ状に上下から挟むように上下に２個の遮光板を並置するようにすれば、２個並置の上記電気機械式光スイッチ素子のさらに２倍の面積の光を制御することができるようになる。
【００２９】
しかしながら、集光レンズを用いて電気機械式光スイッチ素子１個の遮光板１８又は１９に集光させるようにすれば、逆に、ストロークの狭い電気機械式光スイッチ素子１個であっても光を制御することも可能となる。
【００３０】
なお、遮光板１８、１９同士は非動作時に互いに接触した状態にしているが、必ずしもピッタリと接触させておく必要はない。両者の間に若干隙間があったとしても、使用する光の波長の１／１０以下の隙間であればその光はその隙間に染み出すことはあっても、通過することはできないので、実際上は差し支えない。
もちろん、光が染み出したら困るような条件下においては、遮光板同士を同一平面上ではなくて、上下の別の平面にそれぞれを配置してその先端同士が若干重なるようにしておけば、光が染み出す虞も無くなるので、このようにすることも可能である。
【実施例２】
【００３１】
図２は本発明の実施例２に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
図２（ａ）および（ｂ）において、２１は実施例２に係る電気機械式光スイッチ素子、１０は実施例１と同じ支持基板、２２、２３は支持基板１０の上に垂直に立設された矩形状の固定電極である。
２４、２５は支持基板１０上に両支持状態で立設された可動電極で、矩形状をした固定電極２２、２３と対向した矩形状をしている。２６、２７は固定電極２２、２３と可動電極２４、２５との間に介在する支持部材で、支持基板１０上に立設されている。２８、２９は可動電極２４、２５の側面に立設され遮光板である。各部材の材質は実施例１の対応部材と同じである。
この実施例によると、固定電極２２、２３側に設けられた支持部材２６、２７と可動電極２４、２５の互いの対向面側に、動作時に互いに嵌（はま）り合うことのできる凹凸状の起伏を形成した点が特徴である。すなわち、図（ａ）において、可動電極２４には支持部材２６の対向面側に突起２４ａが複数個（図では５個）形成されており、一方、支持部材２６には可動電極２４の対向面側に突起２６ａが複数個（図では５個）形成されており、各々の突起２４ａ、２６ａは相手側の突起と突起の間の谷間に対向している。そこで、電圧が印加されると、図（ｂ）のように、可動電極２４の突起２４ａは支持部材２６の谷間に入り込み、支持部材２６の突起２６ａは可動電極２４の谷間に入り込むようになる。
【００３２】
次に、このようにして得られた電気機械式光スイッチ素子２１の動作について説明する。
図２（ａ）のように、固定電極２２、２３と可動電極２４、２５との間に電圧が印加されないときは固定電極２２、２３と可動電極２４、２５との間に静電気力は働かないので可動電極２４、２５は動かず、可動電極２４、２５に立設された遮光板２８、２９も動かない。したがって支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板２８、２９に到来しても、遮光板２８、２９により反射されて、もと来た光路へ戻る。
【００３３】
次に、図２（ｂ）のように、固定電極２２、２３と可動電極２４、２５との間に電圧が印加されると、それぞれ凹凸状の起伏形状が互いの相手の凸凹に入り込むので、互いの電極間の対向面積が大幅に増加し、静電気力を増加させることができ、可動電極の可動動作が動き易くなる。したがって、固定電極２２、２３と可動電極２４、２５との間に強い静電気力が働らき、互いに強力に吸引し合うようになる。したがって可動電極２４、２５は固定電極２２、２３の方向に高速に折曲がり、これに伴って可動電極２４、２５に立設された遮光板２８、２９も固定電極２２、２３の方向に高速移動する。したがって、支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板２８、２９に反射されることなく遮光板２８、２９の間を通過する（光Ｌ１参照）。
【００３４】
そして、再び固定電極２２、２３と可動電極２４、２５との間の電圧を無くすと、固定電極２２、２３と可動電極２４、２５との間に静電気力が働かなくなるので可動電極２４、２５の弾性復帰力で図２（ａ）の状態に戻る。
この場合の復帰は両支持の可動電極２４、２５の両端で行われるため、片持ち支持の電気機械式光シャッタと比べて、復元力が大きくなり、高速可動に適している。
【００３５】
本実施例によれば、電極に凹凸状の起伏を形成することで、電極間の面積を増やしたので、電極間により大きな力を発生させことができ、静電気力の増加によって可動電極の可動動作が動き易くなる。
【実施例３】
【００３６】
図３は本発明の実施例３に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
図３（ａ）および（ｂ）において、３１は実施例３に係る電気機械式光スイッチ素子、１０は実施例１と同じ支持基板、３２、３３は固定電極、３４、３５は支持基板１０上に両支持状態で立設された可動電極、３６、３７は固定電極３２、３３と可動電極３４、３５との間に介在する支持部材、３８、３９は可動電極３４、３５の側面に立設され遮光板である。各部材の材質は実施例１の対応部材と同じである。
この実施例によると、可動電極３４、３５の両端部３４ａ、３５ａに柔らかい材料のもの、例えば有機膜、有機材料、樹脂を用いるようにしたことを特徴としている。これによって、僅かな静電気力で柔らかい材料部分が可動するようになるので、可動電極の可動動作が動き易くなる。
【００３７】
次に、このようにして得られた電気機械式光スイッチ素子３１の動作について簡単に説明する。
図３（ａ）のように、固定電極３２、３３と可動電極３４、３５との間に電圧が印加されないときは固定電極３２、３３と可動電極３４、３５との間に静電気力は働かないので可動電極３４、３５は動かず、可動電極３４、３５に立設された遮光板３８、３９も動かない。したがって支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板３８、３９により反射されて、もと来た光路へ戻る。
【００３８】
次に、図３（ｂ）のように、固定電極３２、３３と可動電極３４、３５との間に電圧が印加されると、僅かな静電気力で可動電極３４、３５の柔らかい材料部分３４ａ、３５ａが可動するようになるので、可動電極３４、３５の可動動作が動き易くなるため可動電極３４、３５は固定電極３２、３３の方向に高速に折曲がり、これに伴って可動電極３４、３５に立設された遮光板３８、３９も固定電極３２、３３の方向に高速移動する。したがって、支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板３８、３９に反射されることなく遮光板３８、３９の間を通過する（光Ｌ１参照）。
【００３９】
本実施例によれば、可動電極３４、３５の両端部３４ａ、３５ａに柔らかい材料のものを用いるようにすることで、僅かな静電気力で柔らかい材料部分が可動するようになり、可動電極の可動動作が動き易くなる。
【実施例４】
【００４０】
図４は本発明の実施例４に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
図４（ａ）および（ｂ）において、４１は実施例４に係る電気機械式光スイッチ素子、１０は支持基板、４２、４３は固定電極、４４、４５は可動電極、４６、４７は固定電極４２、４３と可動電極４４、４５との間に介在する支持部材、４８、４９は可動電極４４、４５の側面に立設され遮光板である。各部材の材質は実施例１の対応部材と同じである。
この実施例によると、支持部材４６、４７の可動電極４２、４３と接触する支柱部４６ａ、４７ａに柔らかい材料のもの、例えば有機膜を用いるようにしたことを特徴としている。それ以外の部分４６ｂ、４７ｂは前述の支持部材１６、１７等と同じ材質となっている。
これによって、僅かな静電気力で柔らかい支柱部４６ａ、４７ａが可動するようになるので、可動電極の可動動作が動き易くなる。
【００４１】
次に、このようにして得られた電気機械式光スイッチ素子４１の動作について簡単に説明する。
図４（ａ）のように、固定電極４２、４３と可動電極４４、４５との間に電圧が印加されないときは固定電極４２、４３と可動電極４４、４５との間に静電気力は働かないので可動電極４４、４５は動かず、可動電極４４、４５に立設された遮光板４８、４９も動かない。したがって支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板４８、４９により反射されて、もと来た光路へ戻る。
【００４２】
次に、図４（ｂ）のように、固定電極４２、４３と可動電極４４、４５との間に電圧が印加されると、僅かな静電気力で支持部材４６、４７の柔らかい材料部分４６ａ、４７ａが可動するようになるので、可動電極４４、４５の可動動作が動き易くなるため可動電極４４、４５は固定電極４２、４３の方向に高速に折曲がり、これに伴って可動電極４４、４５に立設された遮光板４８、４９も固定電極４２、４３の方向に高速移動する。したがって、支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板４８、４９に反射されることなく遮光板４８、４９の間を通過する（光Ｌ１参照）。
【００４３】
本実施例によれば、支持部材４６、４７の両端部６４ａ、４７ａに柔らかい材料のものを用いるようにすることで、僅かな静電気力で柔らかい材料部分が可動するようになり、可動電極の可動動作が動き易くなる。
【００４４】
なお、実施例３および実施例４を共に採用した実施例も可能である。すなわち、可動電極の両端部および支持部材の両端部に柔らかい材料のものを用いるようにすることで、相乗効果が現れ可動電極の可動動作がより一層動き易くなる。
【実施例５】
【００４５】
図５は本発明の実施例５に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
図５（ａ）および（ｂ）において、５１は実施例５に係る電気機械式光スイッチ素子、１０は支持基板、５２、５３は固定電極、５４、５５は可動電極、５６、５７は固定電極５２、５３と可動電極５４、５５との間に介在する支持部材で、長尺部材５５ｂ、５７ｂとこれに直角に立設する短尺部材５６ａ、５７ａのみで構成される。可動電極５４、５５は短尺部材５６ａの端部から長尺部材５５ｂの端部に向けて斜めに支持されている（楔型構造）。５８、５９は可動電極５４、５５の側面に立設され遮光板である。各部材の材質は実施例１の対応部材と同じである。
この実施例によると、実施例１における平行平板型構造の電極を止めて、楔（くさび）型構造としているので、可動電極５４、５５がその一端で固定電極５２、５３と広い間隔を置き、その他端で固定電極５２、５３と狭い間隔を置いて固定電極５２、５３に対向配置され、また、これと同時に、遮光板５８、５９の取付位置も最大ギャップ部と同じ位置に配置するようにしている。静電気力は距離の二乗で効いてくるので、このようにすることで、両電極間の対向間隔が最も狭い部位に最も大きな静電気力が生じることとなり、弱い吸引力であっても両電極間の対向間隔が最も狭い部位から動き始める。したがって同じ電圧でも平行平板型構造と比べると動きやすくなる。それが順次、間隔の広い方向に吸引が移っていくので、動作が動き易くなる。
【００４６】
次に、このようにして得られた電気機械式光スイッチ素子５１の動作について簡単に説明する。
図５（ａ）のように、固定電極５２、５３と可動電極５４、５５との間に電圧が印加されないときは固定電極５２、５３と可動電極５４、５５との間に静電気力は働かないので可動電極５４、５５は動かず、可動電極５４、５５に立設された遮光板５８、５９も動かない。したがって支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板５８、５９により反射されて、もと来た光路へ戻る。
【００４７】
次に、図５（ｂ）のように、固定電極５２、５３と可動電極５４、５５との間に電圧が印加されると、弱い吸引力であっても両電極間の対向間隔が最も狭い部位から動き始めるので可動電極５４、５５動き易くなり、可動電極５４、５５は固定電極５２、５３の方向に高速に折曲がり、これに伴って可動電極５４、５５に立設された遮光板５８、５９も固定電極５２、５３の方向に高速移動する。したがって、支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板５８、５９に反射されることなく遮光板５８、５９の間を通過する（光Ｌ１参照）。
【００４８】
本実施例によれば、可動電極５４、５５がその一端で固定電極５２、５３と広い間隔を置き、その他端で固定電極５２、５３と狭い間隔を置いて固定電極５２、５３に対向配置されるようにすることで、弱い吸引力であっても両電極間の対向間隔が最も狭い部位から動き始めるので可動電極５４、５５動き易くなり、可動電極５４、５５は固定電極５２、５３の方向に高速に折曲がることができる。
【実施例６】
【００４９】
実施例６は、実施例１〜実施例５が主として平行平板型のものおよびその変形であったのに対して、ここでは静電気力を上げるために両電極を二重円筒の構造体で構成し、内側円筒を半円筒２個で構成し、それぞれの端部を支持部材に固定させている。
【００５０】
図６は本発明の実施例６に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
図６（ａ）および（ｂ）において、６１は実施例６に係る電気機械式光スイッチ素子、１０は支持基板、６２は支持基板１０に垂直に立設した円筒状固定電極、６４、６５は支持基板１０の段部１０ａに各端部が両支持された２個の半円筒状可動電極、６６は円筒状固定電極６２と可動電極６４、６５との間に介在する円筒状支持部材で、支柱６６ａ、６６ｂを形成し、ここに２個の半円筒状可動電極６４、６５の両端部を固定している。６８、６９は可動電極６４、６５の側面に立設され遮光板である。各部材の材質は実施例１の対応部材と同じである。
【００５１】
次に、このようにして得られた電気機械式光スイッチ素子６１の動作について簡単に説明する。
図６（ａ）のように、円筒状固定電極６２と半円筒状可動電極６４、６５との間に電圧が印加されないときは円筒状固定電極６２と半円筒状可動電極６４、６５との間に静電気力は働かないので半円筒状可動電極６４、６５は動かず、半円筒状可動電極６４、６５に立設された遮光板６８、６９も動かない。したがって支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板６８、６９により反射されて、もと来た光路へ戻る。
【００５２】
次に、図６（ｂ）のように、円筒状固定電極６２と半円筒状可動電極６４、６５との間に電圧が印加されると、両電極間に生じる吸引力で半円筒状可動電極６４、６５が外側に引かれ、楕円円筒状に変形する。これに伴って半円筒状可動電極６４、６５に立設された遮光板６８、６９は円筒状固定電極６２の方向に移動する。したがって、支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板６８、６９に反射されることなく遮光板６８、６９の間を通過する（光Ｌ１参照）。
【００５３】
本実施例によれば、円筒状固定電極６２と半円筒状可動電極６４、６５の円筒形状によって狭いスペースで電極長を長くできるので、面積が広くなり、静電気力がアップする。実施例１と比較すると、同じスペースであれば吸引力が増し、高速化が可能となり、同じストロークであれば低電圧化が可能となる。
【実施例７】
【００５４】
実施例１〜実施例６ではいずれも２枚の遮光板（又は反射板）を当接し（突き合わせ）て光を遮断し、離間させて光を通過させていたが、実施例７では遮光板の移動方向に対して直角方向に可動電極のストロークの２倍幅のスリット（貫通長穴）を多数、各遮光板にそれぞれ可動電極のストロークの２倍幅の等間隔で平行に設け、しかも、その遮光板は上下に重なって配置され、その際、動作前の状態では上下の各遮光板のスリットは互いに相手の遮光板の非スリット部位によって光遮断された状態にあることを特徴としている。
【００５５】
図７は本発明の実施例７に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
図７（ａ）および（ｂ）において、７１は実施例７に係る電気機械式光スイッチ素子、１０は支持基板、７２、７３は固定電極、７４、７５は可動電極、７６、７７は支持部材、７８、７９は遮光板である。各部材の材質は実施例１の対応部材と同じである。
この実施例によると、各遮光板７８、７９に、遮光板７８、７９の移動方向に対して直角方向に可動電極７４、７５のストロークの２倍幅のスリット（貫通長穴）７８ａを多数、それぞれ可動電極７４、７５のストロークの２倍幅の等間隔で平行に設けている。そして、その遮光板７８、７９を同一平面に置かずに上下に重ねて配置し、その際、動作前（電圧非印加）の状態で上下の遮光板７８、７９のスリット７８ａと７９ａとは互いに相手の遮光板の非スリット部位によって光遮断された状態にあり、動作後（電圧印加）、上の遮光板７８は１ストローク分移動し、下の遮光板７９も１ストローク分離れる方向に移動し、相対的にスリットは２ストローク移動する。したがって、上下のスロット７８ａと７９ａは完全に重なりあい、最大の開口部が開ける。
【００５６】
次に、このようにして得られた電気機械式光スイッチ素子７１の動作について簡単に説明する。
図７（ａ）のように、固定電極７２、７３と可動電極７４、７５との間に電圧が印加されないときは固定電極７２、７３と可動電極７４、７５との間に静電気力は働かないので可動電極７４、７５は動かず、可動電極７４、７５に立設された遮光板７８、７９も動かない。したがって支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は遮光板７８、７９により反射されて、もと来た光路へ戻る。
【００５７】
次に、図７（ｂ）のように、固定電極７２、７３と可動電極７４、７５との間に電圧が印加されると、可動電極７４、７５は固定電極７２、７３の方向に移動し、これに伴って可動電極７４、７５に立設された遮光板７８、７９も固定電極７２、７３の方向に移動する。その結果、上のスロット７８ａと下のスロット７９ａは完全に重なり、最大の開口部が開け、支持基板１０に垂直に到来した光Ｌ１は各スリットの間を通過する（光Ｌ１参照）。
【００５８】
本実施例によれば、動作後の状態では、上下の各遮光板のスリットは互いに重なり、各スリットを通って、光は通過することとなる。このスリットが複数個（図では６個）設けてあるので、ストローク分の光量の６倍の光量が通過することができるようになる。このように実施例７によれば、僅かの変位量で、多量の光を通過させることができる。
【００５９】
ここで、本発明の実施例１に係る電気機械式光スイッチ素子１１を例にして、その作製プロセスについて、図８および図９を用いて簡単に説明しておく。
なお、実施例２〜７についても、作製プロセスは基本的に実施例１と同じであるので、これらについての作製プロセスは説明を省略する。
図８は作製プロセスの前半、図９は後半をそれぞれ示す斜視図である。
図８の（１）の「基板洗浄」プロセスにおいて、まず、直方体状の平板から成るガラス基板１０をアルカリで洗浄し、乾燥させる。
次に、（２）の「基板パターニング」プロセスにおいて、（１）のガラス基板１０の両端部（図で手前の端部と向こうの端部）に段差１０ａを形成するため、まず、レジストを成膜し、フォトリソ工程でレジストをパターニングする。次いで、ＣＦ４ガスを用いてドライエッチングで削って、段差を形成し、ウエット又は酸素ガスプラズマ下で残りのレジスト剥離をする。これによって、図（２）の段差１０ａ付きガラス基板１０が得られる。  （３）の「犠牲層成膜」プロセスで、段差付きガラス基板１０の段差の窪み部分をポリイミド成膜し、ベークし、表面を研磨（例えば、ＣＭＰ研磨法で）し、面だしして段差部１０ａと面イチにする。ここで犠牲層とは、最終的に空隙を形成するため工程の後で除去されてなくなってしまう層のことである。
【００６０】
（４）からは電極を垂直に形成するプロセスであり、電極は電解メッキで形成することとする。まず、「金属膜真空成膜及びパターニング」プロセスで、電気が通る下地に電極パターンをパターニングする。そのためにフォトリソで、まず、金属（Ａｕ，Ｎｉ，Ａｌ等で、ここではＡｕを使用。）を真空成膜し、フォトリソエッチング、レジスト剥離で、将来の固定電極となる１２，１３と可動電極となる１４，１５だけを残す。この結果、電極１２，１３、１４，１５の上にだけＡｕが残っている。
（５）の「絶縁膜成膜及びパターニング」プロセスでは、プラズマＣＶＤでＳｉＮｘ成膜し、フォトリソ、ドライエッチング（ＣＦ４）で、電極部分だけ絶縁層内に垂直方向の空隙を形成する。
【００６１】
（６）の「電極成膜」プロセスでは、メッキ（Ｎｉ等電解メッキ）で電極１２，１３、１４，１５の上に電極を成長させて上まで到達させる。
（７）の「絶縁膜パターニング」プロセスでは、固定電極１２，１３と可動電極１４，１５間に絶縁膜を形成させる。そのために、フォトリソ、ドライエッチング（ＣＦ４）で絶縁層（ＳｉＮで、支持部材となる。）１６，１７を残す。
（８）の「犠牲層成膜」プロセスでは、再びポリイミド成膜、ベーク、研磨（ＣＭＰ）で表面の面だしをする。
（９）の「遮光あるいは反射層成膜及びパターニング」プロセスからは遮光板を形成するもので、まず、真空成膜（アルミ：スパッター）で全面に遮光板を付けて、フォトリソでパターニングして、遮光板１８，１９だけが残る。
（１０）の「犠牲層除去」プロセスで完成する。すなわち、図（９）で見て、電極と遮光板が金属、絶縁膜１７がＳｉＮ（無機材料）、その他はポりイミド（有機材料）とから成っているので、この状態でドライエッチング（Ｏ２）をかけると、有機物（ポりイミド）がすべて除去されるので、金属の電極１２〜１５と遮光板１８，１９、無機材料の絶縁膜（ＳｉＮ）１７、１８が残り、製品が完成する。
なお、配線については、上記のプロセス（１）かプロセス（４）の際に組み込むのがもっとも容易なのれ、そのようにするとよい。。
【００６２】
以上の実施例では、すべて静電気力で両電極の吸引を行わせている例を示したが、本発明は静電気力に限定されるものではなく、コイルと磁性体とによる電磁力、圧電素子による電歪力でも上記可動電極に相当する部位を移動させることができるので、これらの吸引力によって遮光膜を動かすことにより、光の透過／遮断を制御する電気機械式光シャッター素子が得られる。
【実施例８】
【００６３】
以上の実施例１〜７のいずれかの電気機械式光シャッター素子を複数個１次元又は２次元に配列し、その各入射光側および各出射光側に集光レンズ（マイクロレンズ）を配置することにより、効率の良い小型の光シャッターアレイを得ることができる。
図１０はこのような光シャッターアレイを示す断面図で、（ａ）は電圧無印加時、（ｂ）は電圧印加時である。図において、１１、１１’は実施例１に係る電気機械式光シャッター素子の２個、８１は光シャッターアレイ、８２は入射側マイクロレンズアレイ、８３は出射側マイクロレンズアレイである。
以下では、２個の電気機械式光シャッター素子のうち、電気機械式光シャッター素子１１について説明する。
図１０（ａ）のように、固定電極１２、１３と可動電極１４、１５との間に電圧が印加されないときは可動電極１４、１５は動かず、可動電極１４、１５に立設された遮光板１８、１９は閉じたままである。したがって平行光Ｌ１がマイクロレンズアレイ８２で集光された光は遮光板１８、１９に到来しても、遮光板１８、１９により反射されて、もと来た光路へ戻る。
【００６４】
次に、図１０（ｂ）のように、固定電極１２、１３と可動電極１４、１５との間に電圧が印加されると、固定電極１２と可動電極１４、固定電極１３と可動電極１５との間に静電気力が働らき、互いに吸引し合うようになる。したがって可動電極１４は固定電極１２の方向に、可動電極１５は固定電極１３の方向に折曲がり、これに伴って遮光板１８、１９も互いに離反する方向に移動し、遮光板にあった箇所が開放されるので、到来した光Ｌ１は遮光板１８、１９の間を通過し、出射側マイクロレンズアレイ８３に到達し、そこで再び平行光に戻されて出射側マイクロレンズアレイ８３から出ていく。
このように光路絞込手段であるマイクロレンズアレイ８２の全面に平行に入射した光Ｌ１はその凸レンズ部分で遮光板１８、１９上に絞り込まれて細いビームとなり、遮光板１８、１９で反射したり（電圧無印加時）、遮光板１８、１９の開放部を通過したり（電圧印加時）するので、光の利用効率がよくなる。
【００６５】
以上のように、本発明によれば、透過形光シャッターが得られるので設計の自由度が大きくなり、構造が簡単で、コスト安で、制御が簡単で、単純に光の経路をシャットするだけなので波長依存性がない電気機械式光シャッター素子が得られる。また、電極同士が平行平板であるので高速応答が可能となり、この光シャッターを２個並置することでストロークが２倍稼げることができ、又は同じ変位量であれば低電圧化にすることができる。
さらに、この光シャッターを４個並置すれば２個並置の光シャッターの２倍の面積の光を制御することができる。
また、このような光シャッターとマイクロレンズアレイとを組み合わせることで、光の利用効率がよい光シャッターアレイが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施例１に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
【図２】本発明の実施例２に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
【図３】本発明の実施例３に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
【図４】本発明の実施例４に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
【図５】本発明の実施例５に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
【図６】本発明の実施例６に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
【図７】本発明の実施例７に係る電気機械式光シャッター素子の斜視図で、（ａ）は動作前（電圧無印加時）、（ｂ）は動作後（電圧印加時）である。
【図８】本発明の実施例１に係る電気機械式光スイッチ素子の作製プロセスの説明図の前半部である。
【図９】本発明の実施例１に係る電気機械式光スイッチ素子の作製プロセスの説明図の後半部である。
【図１０】本発明の実施例１に係る電気機械式光スイッチ素子を用いた光シャッターアレイを示す断面図で、（ａ）は電圧無印加時、（ｂ）は電圧印加時である。
【符号の説明】
【００６７】
１１  実施例１に係る電気機械式光スイッチ素子
２１  実施例２に係る電気機械式光スイッチ素子
３１  実施例３に係る電気機械式光スイッチ素子
４１  実施例４に係る電気機械式光スイッチ素子
５１  実施例５に係る電気機械式光スイッチ素子
６１  実施例６に係る電気機械式光スイッチ素子
７１  実施例７に係る電気機械式光スイッチ素子
１０  支持基板
１０ａ  段差
１２、１３、２２、２３、３２、３３、４２、４３、５２、５３、６２、７２、７３  固定電極
１４、１５、２４、２５、３４、３５、４４、４５、５４、５５、６４、６５、７４、７５  可動電極
１６、１７、２６、２７、３６、３７、４６、４７、５６、５７、６６、７６、７７  支持部材
１８、１９、２８、２９、３８、３９、４８、４９、５８、５９、６８、６９、７８、７９  遮光板
８１  実施例８に係る光シャッターアレイ
８２  入射側マイクロレンズアレイ
８３  出射側マイクロレンズアレイ
Ｌ１  光
【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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