(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査信号が入力される平行配列された複数の走査信号電極と、画像信号が入力され前記走査信号電極に直交する複数の画像信号電極と、前記走査信号電極及び前記画像信号電極の交点にそれぞれ配置された光変調素子とを有し、
前記光変調素子が、変調する光に対して透明な透明基板上に一部が支持され遮光性及び導電性を有する可動子と、光変調領域となる開口部を残して前記透明基板に形成した遮光膜と、前記可動子を電気機械力により第１の方向へ移動させる第１の駆動手段と、前記可動子を電気機械力により前記第１の方向とは異なる第２の方向へ移動させる第２の駆動手段とを備えたアレイ型光変調素子の駆動方法であって、
前記可動子を前記第１の駆動手段によって移動させることにより光変調を行い、第２の駆動手段によって移動させることにより前記可動子の変位状態の保持または解除を行うに際し、
前記走査信号によって書込み走査期間となる走査ラインに含まれる光変調素子に対して、前記第２の駆動手段が前記可動子の保持状態を解除し、前記画像信号に応じて前記第１の駆動手段が前記可動子を所望の位置に変位させ、前記走査ラインの書込み走査の最後に前記第２の駆動手段が前記可動子の変位状態を保持し、前記走査ラインが非選択期間となっても前記変位状態を変化させることなく光透過状態を保持することを特徴とするアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項２】
前記電気機械力は、電界による静電気力であることを特徴とする請求項１記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項３】
前記電気機械力は、電気磁気力であることを特徴とする請求項１記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項４】
前記電気機械力は、電歪効果による力であることを特徴とする請求項１記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項５】
前記走査信号電極に並設され、前記可動子の変位状態を保持または解除させるラッチ信号が入力される複数のラッチ信号電極を備え、
前記走査信号と前記ラッチ信号により前記可動子の変位状態を保持または解除することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項６】
前記第１の方向と前記第２の方向が互いに略直交することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項７】
前記第１の方向が前記透明基板に対して略水平で、前記第２の方向が前記透明基板に対して略垂直であることを特徴とする請求項６記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項８】
前記第１の方向が前記透明基板に対して略垂直で、前記第２の方向が前記透明基板に対して略水平であることを特徴とする請求項６記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項９】
前記第１の駆動手段が前記可動子に対面して設けられた第１固定電極と、前記第２の駆動手段が前記可動子に対面して設けられた第２固定電極とを有し、前記第１固定電極と前記可動子への電圧印加により生じる電位差に起因する静電気力によって前記可動子を前記基板に対して略水平に変位させて光透過率を変化させ、前記第２固定電極と前記可動子への電圧印加により前記可動子の変位状態を保持または解除することを特徴とする請求項１，２，５〜７のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１０】
前記第１の駆動手段が、前記可動子に対面して設けられた第１固定電極と、前記第２の駆動手段が前記可動子に対面して設けられた第２固定電極とを有し、前記第１固定電極と前記可動子への電圧印加により生じる電位差に起因する静電気力によって前記可動子を前記基板に対して略垂直に変位させて光変調率を変化させ、前記第２固定電極と前記可動子への電圧印加により前記可動子の変位状態を保持または解除することを特徴とする請求項１，２，５，６，８のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１１】
前記可動子の変位により、干渉効果、近接場光学効果、回析効果、光偏向効果の何れかによって素子の光透過率が変化することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１２】
前記光変調素子は、前記可動子の非動作時が遮光状態であり、前記可動子が遮光状態から変位するに従い光透過率が増大することを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１３】
前記光変調素子は、前記可動子の非動作時が光透過状態であり、前記可動子の変位に従い光透過率が減少することを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１４】
前記可動子は、２つの位置を変位先として２値駆動されることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１５】
前記可動子は、任意の位置を変位先として多階調駆動されることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１６】
前記可動子は、前記画像信号電極に印加される電圧レベルに応じて移動量が設定されることを特徴とする請求項１５記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１７】
前記可動子は、前記画像信号電極への電圧印加時間に応じて移動量が設定されることを特徴とする請求項１５記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１８】
前記可動子は、画像信号電極に印加される電圧レベルに応じた変位応答速度で駆動されることを特徴とする請求項１５記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項１９】
前記光変調素子の書き込み走査期間の開始時に前記可動子が弾性付勢される位置に保持し、任意の時間経過後に前記可動子の保持を解除し、前記書き込み走査の終了時に再度、前記可動子を保持することを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項２０】
前記可動子を弾性付勢される位置に保持する期間を、他の行の書込み走査期間と重ねて設定することを特徴とする請求項１９記載のアレイ型光変調素子の駆動方法。
【請求項２１】
請求項１〜請求項２０のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法に基づいて駆動される平面表示装置であって、
前記アレイ型光変調素子に対向配置した平面光源と、前記アレイ型光変調素子を挟み前記平面光源の反対側に設けた蛍光体と、を具備し、前記アレイ型光変調素子を透過した光によって前記蛍光体を発光表示させることを特徴とする平面表示装置。
【請求項２２】
前記光源から出射される光が、紫外光であることを特徴とする請求項２１記載の平面表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電気応力により可動子を位置変化させて光変調を行う光変調素子、アレイ型光変調素子、及びその駆動方法、並びに平面表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入射光の振幅（強度）、位相又は進行方向等を制御して、画像やパターン化されたデータを処理・表示するものに、光変調素子がある。この一つに、液晶の電気光学効果を利用した液晶光変調素子がある。この液晶光変調素子は、薄型の平面表示装置である液晶表示装置に好適に用いられる。液晶表示装置は、一対の導電性透明膜を形成した基板間に、配向した液晶を入れて封止して、これを直交した偏光板で挟んで構造される。この液晶表示装置による表示は、導電性透明膜に電圧を印加することで液晶分子の長軸方向を基板に対して垂直に配向し、バックライトからの光の透過率を変化させることで行う。
【０００３】
ところが、液晶表示装置では、バックライトからの光を、偏光板、透明電極、カラーフィルターの多数層に透過させるため、光利用効率が低下する問題があった。また、高品位型にはＴＦＴが必要とされ、且つ二枚の基板間に液晶を注入し、配向しなければならないことも相まって、大画面化が困難である欠点があった。更に、配向した液晶分子の間に光を透過させるため、視野角の狭くなる欠点もあった。
【０００４】
このような欠点を解消するものとして、静電駆動型の光変調素子が提案されている。この光変調素子は、透明基板上に、互いに絶縁されて所定の方向に且つ所定の間隔を設けて配列された複数の駆動電極を有する第１遮光部と、正負の電荷が静電誘導される移動可能な第２遮光部とを交互に配置して構成される。そして、駆動電極への印加電圧を切り換えることにより、第１遮光部と第２遮光部との間の静電気応力によって、第１遮光部と第２遮光部との相対位置を変化させ、両者の間を通る光の透過率を変化させて光変調を行う。
【０００５】
この静電駆動型の光変調素子によれば、光源からの光を透明基板のみに通過させて光変調するため光利用効率を高めることができ、また、フォトリソグラフィ及びエッチングによるアレイ化が容易で、且つ、液晶の注入・配向の必要がないので、製造コストを安価にでき、且つ大面積化を容易にすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の静電駆動型の光変調素子は、印加電圧と第１、第２遮光部の相対位置の変位関係がヒステリシス特性を示すため、一般的に駆動電極への印加電圧が２値で切り換えられる。従って、その駆動方法は、第１遮光部と第２遮光部とに走査信号電極、画像信号電極を接続し、走査信号電極を順次走査し、走査された走査信号電極に対応する信号電圧を画像信号電極に印加する所謂単純マトリクス駆動となる。しかし、この単純マトリクス駆動は、前述の走査信号電極と画像信号電極に印加する電圧の条件がヒステリシス特性に依存し、制限されてしまう。コントラスト等の画質を高めるためには素子構造を最適化して、ヒステリシス特性を駆動条件に適合させる必要が生ずる。
【０００７】
また、２値の単純マトリクス駆動の場合、階調を得る手段としては、一つの画面表示を複数のフィールドに分割して走査し、表示する時間を変化させて階調を得る方法が考えられる。この場合に、フィールド内の各走査の間隔を重み付けして書込み走査回数を低減させた駆動方法でも、その書込み走査時間は短くなり、光変調素子はこれに十分応答するように設計するよう制限される。
【０００８】
これに対し、液晶表示装置では、能動素子（ＴＦＴ等）をＸＹマトリクスの交差部に付加し、これを通して液晶に電圧を印加するアクティブマトリクス駆動のものがある。このアクティブマトリクス駆動は、走査信号電極に順次走査電圧を印加し、これに接続されているＴＦＴを一斉にオン状態とする。同時に画像信号電極から信号を印加し、ＴＦＴを通して各画素の静電容量に電荷を蓄積する。１ラインの走査が終了するとＴＦＴはオフ状態となり、画素容量に蓄積された電荷はそのまま保持（メモリ）される。このアクティブマトリクス駆動によれば、幅広い範囲で印加電圧を任意に設定でき、比較的速い応答速度、高いコントラストが可能になるので、特に動画においても高画質を得ることができる。
このため、静電駆動型の光変調素子においても、その長所を継承しつつ、メモリ性を有することで、アクティブマトリクス駆動が可能となる光変調素子の開発が望まれていた。
【０００９】
そこで、本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、簡単で低コストな構成によりメモリ性を持たせることで、高速動作、高コントラスト表示が可能なマトリクス駆動を可能にするアレイ型光変調素子の駆動方法、並びに平面表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る請求項１の光変調素子は、走査信号が入力される平行配列された複数の走査信号電極と、画像信号が入力され前記走査信号電極に直交する複数の画像信号電極と、前記走査信号電極及び前記画像信号電極の交点にそれぞれ配置された光変調素子とを有し、
前記光変調素子が、変調する光に対して透明な透明基板上に一部が支持され遮光性及び導電性を有する可動子と、光変調領域となる開口部を残して前記透明基板に形成した遮光膜と、前記可動子を電気機械力により第１の方向へ移動させる第１の駆動手段と、前記可動子を電気機械力により前記第１の方向とは異なる第２の方向へ移動させる第２の駆動手段とを備えたアレイ型光変調素子の駆動方法であって、
前記可動子を前記第１の駆動手段によって移動させることにより光変調を行い、第２の駆動手段によって移動させることにより前記可動子の変位状態の保持または解除を行うに際し、
前記走査信号によって書込み走査期間となる走査ラインに含まれる光変調素子に対して、前記第２の駆動手段が前記可動子の保持状態を解除し、前記画像信号に応じて前記第１の駆動手段が前記可動子を所望の位置に変位させ、前記走査ラインの書込み走査の最後に前記第２の駆動手段が前記可動子の変位状態を保持し、前記走査ラインが非選択期間となっても前記変位状態を変化させることなく光透過状態を保持することを特徴とする。
【００１１】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、第１の電気機械力により光変調動作が行われ、駆動手段により発生させる第２の電気機械力に応じて可動子の変位状態を保持又は解除することができる。このため、光変調素子の光透過率に対してメモリ性を持たせることができ、アクティブマトリクス駆動が可能な素子構造とすることができる。また、光路途中に配置された遮光性を有する可動子の変位量に応じて光路の開口率が変化し、これにより光遮光量を変化させることができる。
【００１２】
請求項２のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記電気機械力が、電界による静電気力であることを特徴とする。
【００１３】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、電圧印加により生じる電位差によって静電力が働き、この静電力によって第１、第２の電気機械力の駆動を行うことができる。
【００１４】
請求項３のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記電気機械力が、電気磁気力であることを特徴とする。
【００１５】
このアレイ型光変調素子の駆動方法によれば、電磁石等により発生させる電気磁気力によって第１、第２の電気機械力の駆動を行うことができる。
【００１６】
請求項４のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記電気機械力が、電歪効果による力であることを特徴とする。
【００１７】
このアレイ型光変調素子の駆動方法によれば、ピエゾ素子等の電歪力によって第１、第２の電気機械力の駆動を行うことができる。
【００１８】
請求項５のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記走査信号電極に並設され、前記可動子の変位状態を保持または解除させるラッチ信号が入力される複数のラッチ信号電極を備え、
前記走査信号と前記ラッチ信号により前記可動子の変位状態を保持または解除することを特徴とする。
【００１９】
このアレイ型光変調素子の駆動方法によれば、走査信号電極とラッチ信号電極の信号により可動子の変位状態を保持又は解除し、画像信号電極の信号により可動子の変位状態を変化させることができ、単にラッチ信号電極を設けることで光変調制御を変更することなく、光変調状態にメモリ性を持たせることができる。
【００２０】
請求項６のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記第１の方向と前記第２の方向が互いに略直交することを特徴とする。
【００２１】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、電気機械力の相互間の干渉が小さくなり、正確な駆動制御が可能になる。
【００２２】
請求項７のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記第１の方向が前記透明基板に対して略水平で、前記第２の方向が前記透明基板に対して略垂直であることを特徴とする。
【００２３】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、第１の電気機械力により可動子が略水平方向に移動することで光変調を行うことができ、第２の電気機械力により可動子を略垂直方向に吸引又は吸着して可動子の変位状態を保持、若しくは電気機械力を解除して変位状態を解除できる。
【００２４】
請求項８のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記第１の方向が前記透明基板に対して略垂直で、前記第２の方向が前記透明基板に対して略水平であることを特徴とする。
【００２５】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、第１の電気機械力により可動子が略垂直方向に移動することで光変調を行うことができ、第２の電気機械力により可動子を略水平方向に吸引又は吸着して可動子の変位状態を保持、若しくは電気機械力を解除して変位状態を解除できる。
【００２６】
請求項９のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記第１の駆動手段が前記可動子に対面して設けられた第１固定電極と、前記第２の駆動手段が前記可動子に対面して設けられた第２固定電極とを有し、前記第１固定電極と前記可動子への電圧印加により生じる電位差に起因する静電気力によって前記可動子を前記基板に対して略水平に変位させて光透過率を変化させ、前記第２固定電極と前記可動子への電圧印加により前記可動子の変位状態を保持または解除することを特徴とする。
【００２７】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、第１固定電極と可動子への電圧印加による水平方向の静電気力によって、可動子を電位差に応じて略水平方向に移動させて光透過率を変化させることができ、第２固定電極と可動子への印加電圧による垂直方向の静電気力によって、可動子を略垂直方向に吸引又は吸着して可動子の変位状態を保持、若しくは静電気力を解除して変位状態を解除できる。
【００２８】
請求項１０のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記第１の駆動手段が、前記可動子に対面して設けられた第１固定電極と、前記第２の駆動手段が前記可動子に対面して設けられた第２固定電極とを有し、前記第１固定電極と前記可動子への電圧印加により生じる電位差に起因する静電気力によって前記可動子を前記基板に対して略垂直に変位させて光変調率を変化させ、前記第２固定電極と前記可動子への電圧印加により前記可動子の変位状態を保持または解除することを特徴とする。
【００２９】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、第１固定電極と可動子への電圧印加による垂直方向の静電気力によって、可動子を電位差に応じて略垂直方向に移動させて光透過率を変化させることができ、第２固定電極と可動子への印加電圧による水平方向の静電気力によって、可動子を略水平方向に吸引又は吸着して可動子の変位状態を保持、若しくは静電気力を解除して変位状態を解除できる。
【００３０】
請求項１１のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記可動子の変位により、干渉効果、近接場光学効果、回析効果、光偏向効果の何れかによって素子の光透過率が変化することを特徴とする。
【００３１】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、可動子を変位させることにより、例えばファブリペロー干渉等の干渉効果、全反射導光された基板に可動子が近づくことで光がカップリングされる近接場光学効果、ブラッグ回折等の回析効果、光屈折等による光偏向効果等によって、光透過率を変化させて光変調を行うことができる。
【００４０】
請求項１２のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記光変調素子は、前記可動子の非動作時が遮光状態であり、前記可動子が遮光状態から変位するに従い光透過率が増大することを特徴とする。
【００４１】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、画像信号電極及び走査信号電極に略同電位の電圧が印加されたニュートラル状態を光変調素子の遮光状態とすることで、光変調素子を初期の遮光状態から光透過状態へ光変調することができる。
【００４２】
請求項１３のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記光変調素子は、前記可動子の非動作時が光透過状態であり、前記可動子の変位に従い光透過率が減少することを特徴とする。
【００４３】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、画像信号電極及び走査信号電極に略同電位の電圧が印加されたニュートラル状態を光変調素子の光透過状態とすることで、光変調素子を初期の光透過状態から遮光状態へ光変調することができる。
【００４６】
請求項１４のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記可動子が、２つの位置を変位先として２値駆動されることを特徴とする。
【００４７】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、画像信号電極と可動子との電位差に応じて、可動子を２つの異なる位置のいずれかに移動させることで、遮光状態と光透過状態との２つの光変調状態を選択的に設定することができ、２値駆動が可能となる。
【００４８】
請求項１５のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記可動子が、任意の位置を変位先として多階調駆動されることを特徴とする。
【００４９】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、画像信号電極と可動子との電位差に応じて、可動子を任意の位置に移動させることで、遮光状態と光透過状態との間の任意の光変調状態を選択的に設定することができ、多階調駆動が可能となる。
【００５０】
請求項１６のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記可動子が、前記画像信号電極に印加される電圧レベルに応じて移動量が設定されることを特徴とする。
【００５１】
このアレイ型光変調素子では、画像信号電極に印加される電圧レベルを変化させることで可動子を任意の位置に移動でき、変調光をアナログ的に変化させることができる。以て、多階調駆動が可能になる。
【００５２】
請求項１７のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記可動子は、前記画像信号電極への電圧印加時間に応じて移動量が設定されることを特徴とする。
【００５３】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、画像信号電極に印加する電圧印加時間を変化させる、即ち、ＰＷＭ（パルス幅変調）等を行うことにより可動子を任意の位置に移動でき、変調光をアナログ的に変化させることができる。以て、多階調駆動が可能になる。
【００５４】
請求項１８のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記可動子が、画像信号電極に印加される電圧レベルに応じた変位応答速度で駆動されることを特徴とする。
【００５５】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、書込み走査期間に画像信号電極に印加される電圧レベルに応じて可動子を静電吸引する力が変化して、可動子の保持を解放してから所定の一定時間経過後に可動子が移動する距離が変化する。これにより、可動子を任意の位置に移動することができる。
【００５６】
請求項１９のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記光変調素子の書き込み走査期間の開始時に前記可動子が弾性付勢される位置に保持し、任意の時間経過後に前記可動子の保持を解除し、前記書き込み走査の終了時に再度、前記可動子を保持することを特徴とする。
【００５７】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、光変調素子の書き込み走査開始時に可動子を弾性付勢される位置に保持し、任意の時間経過後に該保持を解除することで可動子が移動を開始し、書き込み走査の終了時に再度可動子を保持することで任意の位置で可動子が保持される。これにより、可動子を任意の位置に移動することができる。
【００５８】
請求項２０のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記可動子を弾性付勢される位置に保持する期間を、他の行の書込み走査期間と重ねて設定することを特徴とする。
【００５９】
このアレイ型光変調素子の駆動方法では、可動子を弾性付勢される位置に保持する期間を、他の行の走査期間と重ねることにより、応答速度が遅い光変調素子であっても無駄に時間を費やすことなく素子を高速で駆動することができる。
【００６０】
請求項２１の平面表示装置は、（１）〜（２０）のいずれか１項記載のアレイ型光変調素子の駆動方法に基づいて駆動される平面表示装置であって、
前記アレイ型光変調素子に対向配置した平面光源と、前記アレイ型光変調素子を挟み前記平面光源の反対側に設けた蛍光体と、を具備し、前記アレイ型光変調素子を透過した光によって前記蛍光体を発光表示させることを特徴とする。
【００６１】
この構成によれば、可動子を静電吸引力により移動させることで光変調素子の光透過率を変化させ、光変調素子を介して出射された平面光源からの光が蛍光体に照射されることで、蛍光体は励起され発光し、画像情報に基づく画像表示が可能になる。このため、光源からの光が直接的に蛍光体に照射され光利用効率を向上でき、蛍光体の散乱性によって視野角度を広くすることができる。また、可動子を電気機械動作させるため駆動電圧を低くすることができ、光変調状態を保持することができるため、アクティブマトリクス駆動が可能となり、動画においても高画質を得ることができる。さらに、多階調表示も可能となる。
【００６２】
請求項２２の平面表示装置は、前記光源から出射される光が、紫外光であることを特徴とする。
【００６３】
この構成によれば、紫外光を光源とする表示装置を構成できる。
【００６４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光変調素子、アレイ型光変調素子、及びその駆動方法、並びに平面表示装置の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１に本発明の第１実施形態に係る光変調素子の一部分を切り欠いた斜視図、図２に図１の光変調素子を２次元のマトリクス状に配列して構成したアレイ型光変調素子の平面図を示した。
【００６５】
まず、光変調素子の構成を説明する。図１に示すように、絶縁性を有し変調しようとする光に対して透明な透明基板１上に格子体２を設けている。この格子体２は、一定の間隔を隔てて複数の格子壁５が形成され、格子壁５の内部には、帯状の導電体（第１固定電極）８が形成されている。さらに、この導電体８の表面は絶縁体９によって被覆され隣接部材との絶縁が施されている。また、格子壁５の上端面には遮光膜１１を形成し、この遮光膜１１により、透明基板１の下方から導入された光の、格子壁５上端面からの出射を防止している。この格子壁５は、光変調素子を表示装置として用いた場合、コントラスト比を向上させるブラックマトリクスとして利用することができる。
【００６６】
また、格子壁５は、格子壁５の左右両側の透明基板１上に格子壁５に隣接して遮光性導電膜３（第２固定電極）が形成されたものと、両側に何も形成されないものとが交互に配置されている。尚、この遮光性導電膜３は遮光性及び導電性を有する膜体である。
そして、隣接する格子壁５間の遮光性導電膜３が形成されていない領域が光変調領域１３となり、透明基板１の下方から導入された光がこの光変調領域１３を通過して透明基板１の上側へ出射されることになる。
【００６７】
この光変調領域１３の上方には可動子１５が配設される。可動子１５は、長手方向の両端が断面積の小さくなったくびれ部１６となっており、このくびれ部１６が格子体２に接続される。このため、可動子１５はくびれ部１６が脆弱部となって変形することで、透明基板１に対して平行な方向、及び垂直な方向に移動可能となっている。また、可動子１５には帯状の導電体（帯電体）１８と遮光膜１９がそれぞれ形成されている。この導電体１８と遮光膜１９とは、遮光性導電膜により一体に形成するものであっても良い。
この可動子１５は、ニュートラル状態のとき（各導電体が同電位の時）、光変調領域１３上に配置され、光変調領域１３を通過した光が光変調素子２０上側へ出射されることを阻止する。
【００６８】
このように構成された光変調素子２０は、図２に示すアレイ型光変調素子２３に用いることができる。アレイ型光変調素子２３は、平行配列された複数の走査信号電極２５と、走査信号電極２５に直交し平行配列された複数の画像信号電極２９を備え、走査信号電極２５と画像信号電極２９の交差部に光変調素子２０をそれぞれ設けてある。また、その他に共通電極が存在するが図２には図示を省略している。
【００６９】
図３は図１に示す光変調素子の１画素領域を示す平面図であり、図３(a)はニュートラル状態（遮光状態）を、図３(b)は書込み走査時（光透過状態）を示している。図３に示すように、走査信号電極２５には透明基板上の遮光性導電膜３が接続され、画像信号電極２９にはニュートラル状態で可動子１５と離反している格子壁（固定電極）５ａが接続され、共通電極２７にはニュートラル状態で可動子と近い方の格子壁（固定電極）５ｂ及び可動子１５が接続される。
図３(a)のニュートラル状態（遮光状態）においては、各電極の電位は全て同じである。例として全ての電位を０［Ｖ］とすると、素子は遮光状態となる。
図３(b)の書込み走査時においては、画像信号電極２９にのみ電圧Ｖａ［Ｖ］が印加され、電圧Ｖａの値に応じて可動子１５が他方の格子壁５に向かって水平方向へ吸引移動し、光変調領域１３の開口部が現れる。尚、この時点では垂直方向（図３紙面に垂直方向）の静電気力は生じていない。
【００７０】
次に、上記光変調素子２０の具体的な動作原理を図４を用いて説明する。図４は図１に示す光変調素子２０の要部断面図である。
まず、図４(a)に示す状態は初期状態（ニュートラル状態）であって、透明基板１からの光は透過できず遮光状態となり、全ての電極の電圧は０［Ｖ］である。
次に、図４(b)に示す状態は、書込み走査時の状態であって、所望の光透過状態になるように画像信号電極２９に画像情報に応じた電圧Ｖａ［Ｖ］を印加する。これにより可動子１５に静電気力（第１の電気機械力）が発生し、可動子１５は水平方向へ吸引移動される。この場合、走査信号電圧Ｖｇに０［Ｖ］の電圧を印加し、共通電極２７との電位差をゼロにすることで垂直方向の静電気力（第２の電気機械力）を無くしておく。
例えば画像信号電圧Ｖｄが０［Ｖ］のときは、可動子１５はニュートラル状態に戻り遮光状態となり、電圧Ｖｄが高くなると（Ｖｄ＝Ｖａ［ｖ］）、画像信号電極２９に接続された格子壁５の方向に可動子１５が水平移動し、光変調領域１３の開口部が現れる。
【００７１】
続いて、図４(c)に示すように走査信号電極２５に電圧Ｖｌ［Ｖ］を印加する。すると、ラッチ力として垂直方向に静電気力が働き、可動子１５は遮光性導電膜３に吸着される。尚、ラッチ力は、この吸着による摩擦力でより大きくなるが、十分なラッチ力が得られば、吸着は必ずしも必要とせず、単に吸引力だけであっても良い。このラッチ力は、画像信号電極２９に印加される電圧によって発生する水平方向の静電力、及び可動子１５の水平方向の弾性力より十分に大きくなるように電圧Ｖｌ［Ｖ］のレベルが設定される。また、電圧Ｖｌ［Ｖ］は各電極の材質、形状、ギャップ等に応じて決定されるが、可動子１５の垂直方向に静電気力が大きく働くように、積極的に底面の面積を大きくしたり、透明基板１とのギャップを小さくすることで、電圧Ｖｌが低くても大きな垂直方向の静電気力を生じさせることが好ましい。
このようにして、素子の書込み走査の最後に所望の光透過状態を保持（ラッチ）させる。さらに、この後で走査ラインが非選択（非書込み）期間となっても、画像信号電圧によらずにラッチされた光透過状態を変化させることなく保持することができる。そして、再度書込み走査（選択走査）するときは、走査信号電極２５に電圧０［Ｖ］を印加してラッチ力をゼロにする。
【００７２】
次に、図１に示す光変調素子による２値表示の駆動方法を説明する。図５に光変調素子の２値表示の駆動シーケンス例を示した。
ここでは、２次元配列されたアレイ型光変調素子に対し、次のように各画素に２値の光透過率状態を書込む例を示す。
（ｉ＋１）行（ｈ＋１）列の画素→Ｔｏｎ  （透過）
（ｉ＋１）行（ｈ＋２）列の画素→Ｔｏｆｆ（遮光）
（ｉ＋２）行（ｈ＋１）列の画素→Ｔｏｆｆ（遮光）
（ｉ＋２）行（ｈ＋２）列の画素→Ｔｏｎ  （透過）
【００７３】
書込み走査では、走査する行の走査信号電圧Ｖｇを０［Ｖ］としてラッチを解除し、その後、該当する列に画像信号電圧Ｖｄを印加する。具体的には、光を透過させたい画素には可動子１５が水平移動するに十分な電圧Ｖａｓ［Ｖ］を印加して、遮光させたい画素には０［Ｖ］を印加して可動子１５をニュートラル状態とする。そして、十分な素子応答期間後に走査信号電圧ＶｇをＶｌ［Ｖ］として、その行の可動子１５の状態（光透過状態）をラッチする。この期間が１行の書込み走査（選択走査）期間となり、同様にして次の行の走査が行われる。以上のシーケンスで全ての行を走査すると、１画面が書込まれたとになる。
【００７４】
これによれば、非選択の行は画像信号電圧Ｖｄによらずに光透過状態を保持でき、素子の構造に固有なヒステリシス特性に依存せずに、安定したマトリクス駆動を行うことができる。そのため、素子設計の自由度が飛躍的に向上し、また、コントラスト向上、隣接画素間のクロストーク防止等の画質性能も向上する。
【００７５】
次に、階調表示方法について説明する。
例えば、図４に示す画像信号電圧Ｖｄとして所定レベル値の電圧を印加すると、可動子１５は、印加される電圧Ｖｄのレベルに応じて移動速度（変位応答速度）が変化し、その結果、移動量が変化する。そのため、印加電圧のレベルを調整することによって発生する静電吸引力の強弱を制御し、可動子の移動距離を変化させて、光変調素子の光透過率を変化させ階調駆動を行うことが可能である。
【００７６】
ここで、静電吸引力ｆは、
ｆ＝ＤＥ／２              （１）
で表される。ここにおいて、ｆは吸引力〔Ｎ／ｍｍ2 〕、Ｄは電束密度〔Ｃ／ｍ2 〕、Ｅは電界の強さ〔Ｖ／ｍ〕である。また、電束密度Ｄは、
Ｄ＝εＥ＝εＶ／Ｌ        （２）
の関係があり、（３）式で表すことができる。
ｆ＝εＶ2 ／（２Ｌ2 ）    （３）
ここで、ε：誘電率〔Ｆ／ｍ〕、Ｖ：電極間の電圧〔Ｖ〕、Ｌ：電極間の距離〔ｍ〕である。即ち、静電吸引力は極板間に加えた電圧の２乗に比例することが分かる。
【００７７】
以上のことから、印加電圧の制御により可動子１５の移動距離を変えることができ、光変調素子から出射される光を任意に変化させることができる。尚、この場合の変調電圧は、振幅変調の他、パルス長・パルス数を変化させる周波数変調であっても良い。また、このような駆動方法であっても、前述と同様に可動子１５が所望の位置で移動完了した直後にラッチ電圧を印加して、その位置で可動子１５を保持する。
【００７８】
この駆動方法によれば、可動子１５を任意の位置に移動させるアナログ的な駆動が可能となる。その結果、光変調素子２３からの変調光をアナログ的に変化させる多階調駆動が行えるようになる。また、可動子１５が移動した位置で、ラッチ電圧を印加すれば、設定した階調にメモリ性を持たせることができる。
【００７９】
図６は光変調素子のアナログ電圧による多階調表示の駆動シーケンスを説明する図である。図６を参照して、図１に示すような２次元のアレイ型光変調素子に対し、次のような任意の光透過率の状態を書込む例を説明する。
（ｉ＋１）行（ｈ＋１）列の画素→（光透過率：Ｔ１）
（ｉ＋１）行（ｈ＋２）列の画素→（光透過率：Ｔ２）
（ｉ＋２）行（ｈ＋１）列の画素→（光透過率：Ｔ３）
（ｉ＋２）行（ｈ＋２）列の画素→（光透過率：Ｔ４）
ただし、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４とする。
【００８０】
各行の書込み走査（選択走査）期間は、ｔ１とｔ２の２つの期間よりなる。ｔ１では、走査信号電圧Ｖｇを０［Ｖ］にしてラッチを解除する。その後、画像信号電圧Ｖｄを０［Ｖ］にして可動子１５を一旦ニュートラル状態（遮光状態）にする。
ｔ２では、画像信号電圧Ｖｄに所望の電圧を印加する。このときの可動子は、印加電圧レベルに応じて、その変位応答速度が異なっている。ある一定時間後に走査信号電圧ＶｇをＶ１［Ｖ］にしてラッチすると、可動子の変位応答速度に応じて、ラッチされた時の光透過率が図７の光透過率特性図に示すように異なる値となる。この光透過率特性を利用して、各画素の画像信号電圧Ｖｄには次の電圧を印加する。
（ｉ＋１）行（ｈ＋１）列の画素→Ｖａ１
（ｉ＋１）行（ｈ＋２）列の画素→Ｖａ２
（ｉ＋２）行（ｈ＋１）列の画素→Ｖａ３
（ｉ＋２）行（ｈ＋２）列の画素→Ｖａ４
これにより、各画素は目的とする光透過率Ｔ１〜Ｔ４に設定される。このように任意の光透過率状態をアナログ電圧で書込むことができ、各画素の光透過率を任意の値に設定することができる。
【００８１】
このようにして、可動子１５はｔ１で一旦ニュートラルに戻ってから所望の画像信号電圧に応じて変位するので、直前の状態に依存することなく、どの可動子も再現性良くアナログ階調が得られる。
【００８２】
次に、本実施形態の第１変形例を図８を参照して説明する。図８は本変形例における光変調素子３０の構成を示す要部断面図である。
図４に示した第１実施形態の光変調素子では、可動子１５と格子壁５とを交互に配置しているが、本変形例においては、図８に示すようにニュートラル位置において可動子１５と離反している格子壁５だけ配置させ、近接する可動子１５間の格子壁を省略して、その代わりに透明基板１上に遮光膜３ａを形成している。
この光変調素子の動作については上述の実施形態と同様であって、走査信号電圧Ｖｇを０［Ｖ］として印加してラッチを解除し、画像信号電圧ＶｄにＶａ［Ｖ］を印加して可動子１５を格子壁５側に移動させる。その後、走査信号電圧ＶｇをＶｌ［Ｖ］として可動子１５を移動先でラッチする。
このように、格子壁を一部省略することで素子の開口率を向上させることができる。また、ここでは可動子同士は常に同電位のために、素子作成には可能な限り可動子同士を近付けることができる。
【００８３】
次に、本実施形態の第２変形例を図９を参照して説明する。図９は本変形例における光変調素子の構成を示す要部断面図である。
前述の第１実施形態では、遮光膜３に導電性を付与し、これを走査信号電極２５に接続していたが、図９に示すように可動子１５が移動する領域全体の透明基板上にＩＴＯ等の透明導電膜７を形成し、その上に部分的に遮光膜３ｂを形成する構成としてもよい。
この構成によれば、可動子１５をラッチする時の垂直方向の静電気力が、可動子の位置によらず一定で且つ大きく、低電圧で安定してラッチさせることが可能となる。
【００８４】
次に、本実施形態の第３変形例を図１０を参照して説明する。図１０は本変形例における光変調素子の動作を説明する要部断面図である。
前述の実施形態では、ニュートラル状態（初期状態）が遮光状態となる構成であったが、図１０に示すように、ニュートラル状態（初期状態）で開口して光透過状態となるように可動子１５と透明基板側の遮光膜３を配置しても良い。この構成では、格子壁５と可動子１５との間に電圧が印加されると、可動子１５は遮光する方向に移動する。
これにより、画像信号を直接的に入力することで画像情報をネガ表示させることができ、光変調素子の用途に応じて異なる表示形態にすることができると共に、光透過状態にする頻度が高い用途に使用する場合に、駆動のための消費電力が抑えられ、駆動電力を削減することができる。
【００８５】
また、上述の実施形態及び各変形例では、格子壁５の導電体８を画像信号電極２９に接続し、透明基板１上の基板面に平行な遮光性導電膜３を走査信号電極２５に接続する構成としたが、この逆の構成、即ち、導電体８を走査信号電極２５に、導電部３を画像信号電極２９に接続する構成であっても良い。この場合には、可動子１５が透明基板１に対して垂直に移動することで、光の透過率が変化する構成が必要になる。この構成の一例としては、垂直に移動することで透明基板と可動子とのギャップが変化することで光変調が行える例えばファブリペロー干渉等の干渉効果を利用できる。そして、垂直移動による光変調に対しても、水平移動によるラッチ及びラッチ解除を走査信号電極で制御することが可能である。
また、透明基板内を全反射導光する光に対して、可動子が近づくことによりその光が可動子側にカップリングするという近接場光学効果を利用した光変調も可能である。さらに、ブラッグ回折等の回折効果、光屈折等の光偏向効果等によっても同様に光変調可能である。
上記実施形態では、電界によって生じる静電気力による電気機械動作を一例として示しているが、この他にも、電磁石等による電気磁気力、ピエゾ素子等の電歪効果による力であっても同様に可動子１５を駆動することができる。
【００８６】
次に、本発明に係る光変調素子の第２実施形態について図１１〜図１８を参照して説明する。
図１１は本発明の第２実施形態に係る光変調素子３５を２次元のマトリクス状に配列したアレイ型光変調素子３７の平面図である。本実施形態はニュートラル状態が光透過状態となるものであり、走査信号電極２５とラッチ信号電極２８は行毎に設けられると共に、画像信号電極２９は列毎に設けられ、その交差部に光変調素子３５がそれぞれ配置されたアレイ型光変調素子３７を構成している。
【００８７】
図１２は図１１に示すアレイ型光変調素子３７の１画素領域を示す平面図である。図１２において、走査信号電極２５にはニュートラル状態で可動子１５に近い方の格子壁５ｂ及び可動子１５が接続される。ラッチ信号電極２８には透明基板１上の透明導電膜７が接続される。画像信号電極２９にはニュートラル状態で可動子１５と離反している格子壁５ａが接続される。尚、透明基板上の透明導電膜７と遮光性導電膜３との関係は前述の図９と同様である。
図１２(a)のニュートラル状態では、各電極の電位は全て同じで０［Ｖ］である。本実施形態の光変調素子は、この状態で最大光透過状態となる。
また、図１２(b)の書き込み走査時では、走査信号電極２５とラッチ信号電極２８を同一電位にして垂直方向の静電気力を無くすと共に、走査信号電極２５と画像信号電極２９との間に、例えば、所望の電圧を印加すると、可動子１５は離れている格子壁５に向って水平移動し、光変調領域１３の開口面積を減少させ、最終的には遮光状態となる。
【００８８】
次に、上記光変調素子３５の具体的な動作原理を図１３を用いて説明する。図１３は図１２に示す光変調素子の動作を説明する要部断面図である。
図１３(a)は、ニュートラル状態であって、３つの電極の電位は全て同じである。例として、全ての電位を０［Ｖ］とする。このとき光変調素子は最大光透過状態となる。
図１３(b)は、可動子１５を対面する格子壁５側に移動させた遮光状態を示している。このときの可動子１５はくびれ部１６によって弾性付勢されており、ニュートラル位置に戻ろうとする力が働いている。
図示したように、走査信号電極２５と画像信号電極２９との間に例えば電位差Ｖｒ［Ｖ］が生じると、可動子１５は対面する格子壁５側に可動子１５の弾性力を上回る静電吸引力が作用して水平移動する。これにより光変調素子は遮光状態となる。このとき、走査信号電極２５とラッチ信号電極２８とは同一電位として垂直方向の静電気力は生じさせないようにする。
実際のマトリクス駆動においては、この状態が書込走査の前に行われる「プリ・リセット走査」の状態となる。また、実際には画像信号電圧Ｖｄは他の行の書込み電圧に依存されるので、０〜Ｖｒ［Ｖ］の範囲の電圧が画像信号電極２９に印加されることになる。これにより、非選択時において不用意に可動子１５が解放されることが防止される。そのため、書込みシーケンスでは、この電圧Ｖｒ［Ｖ］に対し、画像信号電圧Ｖｄによらずに強制的に遮光状態にする場合は、走査信号電極２５に２Ｖｒ［Ｖ］の電圧を印加する。同時に、ラッチ信号電極２８を同一電位にするため２Ｖｒ［Ｖ］の電圧を印加する。
【００８９】
図１３(c)は、書込み走査開始時の状態を示しており、画像信号電極２９に０［Ｖ］、走査信号電極２５及びラッチ信号電極２８にＶｒ［Ｖ］の電圧を印加する。これにより走査信号電極２５とラッチ信号電極２８は同電位となり、可動子１５には垂直方向の静電気力は働かず、走査信号電極２５と画像信号電極２９との間にＶｒ［Ｖ］なる電圧差が印加されているだけなので、図１３(b)と同じ状態、即ち、遮光状態で保持される。
【００９０】
図１４(d)は、書込み走査時の状態で、書込み走査開始時である図１３(c)の状態から、可動子の解放遅れ時間ｔｘ後に画像信号電極２９の電圧Ｖｄを０［Ｖ］からＶｒ［Ｖ］にした状態である。これにより、全ての電極が同電位となり、可動子１５は格子壁５から解放され、ニュートラル状態の方向へ弾性復帰し、光変調領域１３の開口部が可動子１５の移動に伴い徐々に大きくなる。
【００９１】
図１４(e)は、書込み走査の最終時の状態であり、ラッチ信号電極２８にラッチ信号電圧Ｖｌａ［Ｖ］、走査信号電極２５及び画像信号電極２９に０［Ｖ］を印加してラッチを行う。このとき、走査信号電極２５に接続されている可動子１５と、ラッチ信号電極２８に接続されている透明基板１上の透明導電膜７との間に電圧Ｖｌａ［Ｖ］が印加される。この電圧Ｖｌａによる垂直方向の静電気力は可動子１５の弾性復帰力より十分大きなものであり、可動子１５は透明導電膜７側に吸着されてラッチされる。この瞬間に光変調素子の光透過率が決定される。これによれば、先述の解放遅れ時間ｔｘが長いほど可動子１５の解放が遅れ、ラッチ後の光透過率は小さくなる。
【００９２】
図１４(f)は、非選択走査時の状態であり、画像信号電極２９には他の行の書込み信号電圧に依存して０〜Ｖｒ［Ｖ］の電圧が印加される。また、走査信号電極２５には０［Ｖ］、ラッチ信号電極２８にはＶ１ａ［Ｖ］が印加される。このとき、走査信号電極２５に接続されている可動子１５とラッチ信号電極２８に接続されている透明基板１上の透明導電膜７との間に電圧Ｖ１ａ［Ｖ］が印加されることになる。この電圧Ｖｌａによる垂直方向の静電気力が、可動子１５の弾性復帰力や、格子壁５への静電気吸引力より十分大きければ、画像信号電圧Ｖｄの値（０〜Ｖｒ［Ｖ］）に依らず、可動子１５は書込み時の状態を保持する。
尚、可動子１５を弾性付勢される位置に保持するプリ・リセット期間を、他の行の書き込み時間と重ねて設定することで、応答速度が遅い光変調素子であっても無駄に時間を費やすことなく、素子を高速に駆動することができる。
【００９３】
次に、上述した光変調素子３５の駆動シーケンスを図１５を用いて説明する。
図１５は、図１１に示すアレイ型光変調素子のＰＷＭ（パルス幅変調）による連続階調表示の駆動シーケンス例を示す図である。ここでは、次のように各画素に２値の光透過率状態を書込む例を説明する。
（ｉ＋１）行（ｈ＋１）列の画素→（光透過率：Ｔ１）
（ｉ＋１）行（ｈ＋２）列の画素→（光透過率：Ｔ２）
（ｉ＋２）行（ｈ＋１）列の画素→（光透過率：Ｔ３）
（ｉ＋２）行（ｈ＋２）列の画素→（光透過率：Ｔ４）
ただし、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４とする。
【００９４】
まず、（ｉ＋１）行目に注目すると、プリ・リセット走査期間においては、走査信号電極２５とラッチ信号電極２８に電圧２Ｖｒ［Ｖ］が印加され、画像信号電圧Ｖｄ（０〜ｖｒ［Ｖ］）に依らず一旦リセット（遮光）状態となる。
このプリ・リセット期間中に可動子１５は直前の如何なる状態であっても、遮光状態に移動する。このプリ・リセット期間は、好ましくは図１５に示すように他の行の書込み走査期間と同時に行うように設定することで、余分な時間を除去して高速書込み走査を実現している。
【００９５】
次に、書込み走査期間においては、走査信号電圧Ｖｇとラッチ信号電圧Ｖｌとして電圧Ｖｒ［Ｖ］を印加すると同時に、画像信号電圧Ｖｄとして０［Ｖ］を印加する。このときの素子は遮光状態のままである。
その後、（ｈ＋１）列には解放遅れ時間ｔ１経過後に、（ｈ＋２）列にはｔ２経過後に、画像信号Ｖｄを０［Ｖ］からＶｒ［Ｖ］にする。これにより、各々の可動子１５は時間差を生じながら格子壁５から解放され、ニュートラル状態の方向へ水平移動を開始する。
【００９６】
そして、書込み走査終了時においては、ラッチ信号電圧Ｖｌとして電圧Ｖｌａ［Ｖ］を印加し、走査信号電圧Ｖｇ、画像信号電圧Ｖｄとして０［Ｖ］を印加して可動子１５をラッチする。このときに各々の画素の光透過率が決定される。図１５では、（ｈ＋１）列の画素の光透過率がＴ１、（ｈ＋２）列の画素の光透過率がＴ２となる。
【００９７】
次に、非選択走査期間においては、画像信号電圧Ｖｄだけが変化（０〜Ｖｒ［Ｖ］）するが、（ｉ＋１）行目の可動子１５の状態は保持される。
この非選択走査期間では、（ｉ＋２）行目に対して１書込み走査期間だけ遅れて同様に駆動が行われる。書込み走査期間では（ｈ＋１）列、（ｈ＋２）列における可動子の解放遅れ時間ｔｘを各々ｔ３、ｔ４とすることで、ラッチ後の光透過率を各々Ｔ３、Ｔ４とすることができる。
【００９８】
ここで、ＰＷＭによる連続階調駆動について図１６〜図１８を参照して詳細に説明する。図１６〜図１８は、書込み走査時の可動子の解放遅れ時間ｔｘ（書込み走査期間の開始から可動子解放までの時間）と、ラッチ時の光透過率の関係を示している。
図１６(a)は可動子がリセット（遮光）位置から解放され、ニュートラル位置に復帰するときの経過時間ｔとリセット位置からの変位を示しており、図１６(b)は、同じく光透過率の時間応答を示している。図１６によれば、可動子が解放された時点から変位が始まり、この変位に伴い光透過率が徐々に上昇している。
【００９９】
図１７は、書込み走査期間の開始時から解放までの遅れ時間ｔｘをパラメータとした光透過率の時間応答特性を示している。遅れ時間の長いｔ１に対しては光透過率の立ち上がりが遅れ、ラッチ時の光透過率が小さくなっている一方、遅れ時間の短いｔ４に対してはラッチ時の光透過率が大きくなっている。
【０１００】
図１８は、図１７における遅れ時間ｔｘとラッチ時の光透過率との関係を示したもので、所望の光透過率（Ｔ１〜Ｔ４）に対応した解放遅れ時間（ｔ１〜ｔ４）を設定してＰＷＭ制御することにより、連続階調表示が可能となる。
また、実際の駆動シーケンスにおいては、可動子を一旦リセット状態にしてから解放させているので、前述の特性の再現性は良く、安定な表示が可能である。
【０１０１】
前述の実施形態では、リセット時を遮光状態としたが、本実施形態ではプリ・リセット時に遮光となるのでコントラストが殆ど低下しないという利点がある。また、これとは別に、リセット時を光透過状態としても良い。プリ・リセット時に光透過状態となることからコントラストの低下は生ずるが、走査線数が５００本以上あれば、プリ・リセットによる光漏れは１／５００以下となりコントラスト低下の度合いは小さなものとなる。
【０１０２】
尚、ここまではプリ・リセット期間と書込み走査期間を等しく設定した例を説明したが、プリ・リセット期間を更に長く設定してもよい（例えば、書込み走査期間の整数倍）。これにより、プリ・リセット期間内でリセット動作が完了され、動作時定数の長い光変調素子であっても時間をロスすることなく高速駆動することが可能となる。
また、可動子１５と格子壁５を交互に配置しているが、図８に示すように共通電極に接続されていた格子壁５を省略可能である。これによって開口率を大きくすることができる。この場合、可動子同士は同電位なので可能な限り近付けて素子の作製を行うことができる。
尚、各信号電極の印加電圧方式等は本発明の主旨に沿うものであれば何れであってもよい。
【０１０３】
以上説明したように、本実施形態の光変調素子３５では、任意の画素に所望の透過率を高速且つ安定に書込むことができる。また、非選択期間では、他の行の書込み内容に依らず書込み時の光透過率の状態を安定に保持することが可能になる。このため、可動子の応答速度を高めることで、走査線数、即ち、表示行数を多くすることができ、大画面化と、他の画素とのクロストークが無く、高コントラストな表示が可能となる。
【０１０４】
また、従来の単純マトリクス構成では、素子固有のヒステリシス特性に依存するメモリー効果を利用してマトリクス駆動を行っていたが、この構成では、素子設計自由度を低下させていた。しかし、本実施形態の構成によれば安定な２値制御マトリクス駆動が可能となり、電圧振幅変化により、あるいはＰＷＭにより、従来は困難であった連続階調が容易に実現可能となる。
即ち、２値表示、及びアナログ連続階調において、例えば、走査線が１０００本のアレイ型光変調素子の場合、書込み走査に必要な時間Ｔｗは、フィールド周波数を６０Ｈｚとすると、
Ｔｗ＝１／１０００×６０＝１６．７［μｓ］
となり、可動子は上記Ｔｗ時間以内に応答すれば良いことになる。これは、素子の材料、形状、印加電圧を適当に選択することにより、余裕を持って十分に可能となる範囲である。
【０１０５】
一方、従来の基本的に２値の安定状態しか有しない２次元のアレイ型光変調素子で単純マトリクスを構成する場合には、多階調を実現する手段として、フィールド周期を重み付けた複数のサブフィールドに分割して走査する多階調駆動が提案されている。この場合と比較すると、例えば、２５６（２8）階調を実現する場合書込み走査に必要な時間Ｔｗは、走査線が１０００本、フィールド周波数を６０Ｈｚとすると、
Ｔｗ＝１／１０００×６０×８＝２．１［μｓ］
となり、可動子の応答をより速くする必要がある。これは素子設計の自由度が低下することを意味している。
また、ＴＦＴ等の半導体スイッチを用いたアクティブマトリクス構成と比較すると、本実施形態の構成の方が、素子構造、製造プロセスが単純なので低コスト化を図ることができる。
【０１０６】
次に、本発明に係る光変調素子の第３実施形態を図１９、図２０を参照して説明する。  図１９は本実施形態の光変調素子４０の動作説明図である。本実施形態では、前述の実施形態の構造とは異なる可動子１５ａが、透明基板１の図１９における垂直方向に移動して素子の光透過率を変化させ、水平方向に移動してラッチするものである。
このような垂直方向の移動により光変調が行われるものとしては、例えばファブリペロー干渉による光変調方式が利用できる。即ち、垂直方向に移動することで透明基板と可動子とのギャップが変化して、このギャップ変化に応じて光変調が行なわれる方式である。
【０１０７】
図１９にファブリペロー干渉効果を利用した光変調素子４０の例を示した。図１９によれば、透明基板１には透明導電膜４１が形成され、該透明導電膜４１の上方には可動子１５ａが図示しないくびれ部を介して上下左右方向に移動可能に支持されている。この可動子１５ａには、透明絶縁体４２の回りに透明導電膜４３が形成されると共に、透明基板１側の面には、一方の誘電体ミラー４４ａが形成されている。また、透明導電膜４１の上面には他方の誘電体ミラー４４ｂが形成されている。そして、透明基板１上には絶縁膜４５に覆われた導電体４６が立設されて格子壁４７を形成している。
また、格子壁４７の導電体４６は走査信号電極２５に、透明基板上の透明導電膜４１は画像信号電極２９に、可動子１５ａの導電体４２は共通電極２７にそれぞれ接続されている。
このような構成の光変調素子４０によれば、図１９(a)に示すニュートラル状態（遮光状態）では、波長λ［ｎｍ］の入射光に対する、ギャップｄoffが３λ／４に設定され、このため入射光は反射される。
また、図１９(b)に示す書込み操作時の状態では、可動子１５ａが垂直方向に静電吸引されることにより、ギャップｄonがλ／２［ｎｍ］となり、入射光は透過するようになる。尚、これらの中間のギャップ値では、そほギャップ値に応じて光透過率が連続的に変化する。
本実施形態では、ギャップｄがλ／２［ｎｍ］より短くならないように透明基板１上には図示しないスペーサが設けられている。
そして、図１９(c)に示すラッチ状態のように、格子壁４７の導電体４６に接続されている走査信号電極２５に電圧Ｖｌ［Ｖ］を印加することにより、可動子１５ａを格子壁４７に静電吸引してラッチすることができる。
【０１０８】
これらの各動作は、可動子１５ａの動作方向が垂直方向と水平方向とで逆である以外は、前述の第１実施形態と同様であり、また、駆動方法も図５，図６に示したものと同様である。このため、２値の表示や、ＰＷＭ等によるアログ連続階調表示も同様にして可能となる。
さらに、ニュートラル状態のギャップｄをλ［ｎｍ］にして光透過状態とし、可動子１５ａと透明導電膜４１との電圧印加によるギャップｄをλ〜３λ／４［ｎｍ］にして遮光状態として、光透過から遮光までを制御する構成としても良い。
【０１０９】
図２０は本実施形態の変形例を示す光変調素子４９の要部断面図である。この場合は、図１９に示す場合とは逆に、ニュートラル状態で最大光透過状態となる。また、可動子１５ａの導電体４２は走査信号電極２５に、格子壁４７の導電体４６はラッチ信号電極２８に、透明導電膜４１は画像信号電極２９に接続している。
走査信号電極２５と画像信号電極２９との間に電圧を印加するとギャツプｄがλ［ｎｍ］〜３λ／４［ｎｍ］まで変化し、最大透過状態から遮光状態まで連続的に変化する。
この変形例の構成による動作原理、及び駆動方法は、可動子の移動方向が垂直方向と水平方向とで反転していること以外は第２実施形態に示した内容と同一なので、詳細な説明は省略する。この場合も同様に、ＰＷＭ等により任意の連続階調表示が可能となる。
本実施形態の構成であっても、第１、第２実施形態と同様な効果を得ることができ、また、可動子の応答時間Ｔｗも１６．７［μｓ］と余裕があり、従来の単純マトリクスにおけるフィールド周期を重み付けした連続階調に比較して安定であり、ＴＦＴ等を使用しない簡単な構成で、高速、高精細な表示が可能なアクティブなマトリクス駆動を構成できる。
【０１１０】
さらに、この光干渉効果による光変調素子４９の他に、透明基板上を全反射導光する光に対して、可動子か近づくことによりその光が可動子側にカップリングするという近接場光学効果を利用した光変調素子であっても良く、また、回析効果による光変調素子であって良い。
このように如何なる光学的効果であっても、垂直移動による光変調に対して、水平移動によるラッチ及びラッチ解除を走査信号電極で制御することが可能である。
【０１１１】
この他、可動子に対しては、少なくとも２つの異なる方向に独立に移動させる構成であって本発明の主旨に沿う構成であれば、如何なる構造であっても良い。また、走査信号電極、ラッチ信号電極、画像信号電極、共通電極等と素子構造部位とは如何なる組合わせの接続であっても良い。また、各電極への印加電圧も主旨に沿うものであれば、如何なる電圧の組合わせでも良い。
【０１１２】
次に、上述の光変調素子を用いて平面表示装置を構成した第４実施形態を説明する。
図２１に本実施形態の平面表示装置５０の要部断面図を示した。本実施形態の光変調素子としては、第１実施形態の光変調素子２０を一例として用いている。
光変調素子２０の透明基板１側には、紫外線出力部となる紫外線平面光源５１を配設してある。そして、光変調素子２０の上方には前面板５２が設けられ、該前面板５２の光変調素子側の面には蛍光体５３ａ，５３ｂ，…が各光変調素子毎に設けてある。また、各蛍光体の間にはブラックマトリクス５４が設けられ、表示画像のコントラストを向上させている。
【０１１３】
このような平面表示装置５０の構成により、平面光源５１からの光は透明基板１内に進入し、光変調素子２０の光透過時においては、図２１における透明基板１の上面に導かれる。そして、光変調素子２０からの光が蛍光体５３ａ，５３ｂに照射されることで、蛍光体は励起して発光し、所望の画像が形成される。
上記蛍光体としては、三原色（例えばＲ，Ｇ，Ｂ）の蛍光体を順次設けてカラー画像を表示可能にしても良く、単色の蛍光体だけで構成してモノクロ画像表示用としても良い。  また、前面板５２はガラス等により形成されているが、例えば、ファイバー状の基板であっても、拡散フィルムであっても良い。
【０１１４】
尚、平面表示装置５０の光変調素子２０は、透明基板１と前面板５２との間を脱気した後、希ガスを封入して全体を封止し、外乱の影響を防止して安定化を図るものであっても良い。
【０１１５】
次に、このように構成された平面表示装置の作用を説明する。
走査信号電極２５、画像信号電極２９が同電位の場合、可動子１５は、光変調領域（開口部）１３の上方に重なって位置し、平面光源からの光は、可動子１５と、遮光性導電膜３とで阻止され、透明基板１の上面側へは透過しない。
【０１１６】
走査時、画像信号電極２９に画像信号電圧が印加されると、導電膜１８に画像信号電極２９と異極性の電荷が現れる。これにより、画像信号電極２９と導電膜１８に働く静電吸引力によって可動子１５が格子壁５に向かって移動する。この結果、可動子１５による光の遮断がなくなり、透明基板を通った光が光変調領域１３から出射される。出射した光は、蛍光体を励起して、画像情報に基づいた画像を表示する。
【０１１７】
走査時の最後には、ラッチ信号電極２８にラッチ電圧が印加されることで、静電吸引力によって可動子１５が遮光性導電膜３にラッチされる。この結果、その画素の非選択時に他の画素の電圧が印加された場合でも、画素の透過率がそのまま保持され、アクティブなマトリクス駆動が可能になる。
【０１１８】
このように、本実施形態の平面表示装置５０によれば、透明基板１側から出射された光が、直接蛍光体を直接照射して励起するので、光利用効率を向上させることができる。また、蛍光体は散乱発光するので、液晶分子の配向制御により光を透過させる液晶表示装置に比べ、視野角度を広くすることができる。さらに、アレイ化が容易であるので、製造コストを安価にできる。そして、可動子１５を電気機械動作により駆動できるので、プラズマ表示装置等に比べて駆動電圧を低くすることができ、可動子１５の材料に低弾性材料、例えばポリイミド等の高分子を用いたり、形状を最適化することによっても駆動電圧を低くすることができる。
尚、本実施形態の光変調素子は一例として第１実施形態の光変調素子２０を用いているが、これに限らず、第２，第３実施形態の光変調素子３０，３５，４０であっても同様に適用することができる。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るアレイ型光変調素子の駆動方法は、第１の電気機械力により光変調動作が行われ、駆動手段により発生させる第２の電気機械力に応じて可動子の変位状態を保持又は解除することができる。このため、光変調素子の光透過率に対してメモリ性を持たせることができ、アクティブマトリクス駆動が可能な素子構造とすることができる。また、平行な複数の走査信号電極と、該走査信号電極に直交する複数の画像信号電極と、前記走査信号電極と画像信号電極との交点にそれぞれ配置される光変調素子と、を備えることで、前記走査信号電極の信号により可動子の変位状態を保持又は解除し、前記画像信号電極の信号により可動子の変位状態を変化させることができる。さらに、ラッチ信号電極を設けることで、ラッチ信号電極の信号により可動子の変位状態を保持又は解除することができ、以て、高効率で安定した駆動が可能となる。また、本発明に係るアレイ型光変調素子の駆動方法は、印加電圧、又は電圧を印加するタイミングを制御することで、可動子の移動距離を変化させ、光変調素子の光透過率を任意に変化させることができる。これにより、光変調素子による変調光を２値の階調、又はアナログ的に変化させて多階調を得ることができる。そして、可動子の移動状態を保持することにより、階調にメモリ性を持たせることができ、アクティブマトリクス駆動を実現することができる。また、本発明に係る平面表示装置は、静電駆動型の光変調素子を用いるので、液晶表示装置と比べて光利用効率を向上させることができると共に、視野角度を広くすることができ、しかも、アレイ化が容易であるので、製造コストを安価にできる。また、可動子を電気機械動作により駆動できるので、駆動電圧を低くできる。これに加えて効率的なマトリクス駆動が可能となるので、動画においても高画質を得ることができ、高速動作、高コントラスト表示が可能なマトリクス駆動を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光変調素子の一部分を切り欠いた斜視図である。
【図２】図１の光変調素子を２次元のマトリクス状に配列したアレイ型光変調素子の平面図である。
【図３】図１に示す光変調素子の１画素領域を示す平面図である。
【図４】第１実施形態における光変調素子の動作説明図である。
【図５】第１実施形態における光変調素子の駆動シーケンス例を示す図である。
【図６】光変調素子のアナログ電圧による多階調表示の駆動シーケンスを示す図である。
【図７】可動子の変位応答速度に対する光透過率特性を示す図である。
【図８】第１実施形態の第１変形例における光変調素子の構成を示す要部断面図である。
【図９】第１実施形態の第２変形例における光変調素子の構成を示す要部断面図である。
【図１０】第１実施形態の第３変形例における光変調素子の動作を説明する要部断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る光変調素子をマトリクス状に配列して構成したアレイ型光変調素子の平面図である。
【図１２】図１１に示す光変調素子の１画素領域を示す平面図である。
【図１３】図１２に示す光変調素子の動作説明図である。
【図１４】図１２に示す光変調素子の動作説明図である。
【図１５】図１１に示すアレイ型光変調素子のＰＷＭによる連続階調表示の駆動シーケンス例を示す図である。
【図１６】可動子を解放してからの経過時間に対する光透過率変化を示す図である。
【図１７】書込み走査期間の開始時から解放までの遅れ時間ｔｘをパラメータとした光透過率の時間応答特性を示す図である。
【図１８】図１７における遅れ時間ｔｘとラッチ時の光透過率との関係を示す図である。
【図１９】第３実施形態の光変調素子の動作説明図である。
【図２０】第３実施形態の変形例を示す光変調素子の要部断面図である。
【図２１】第４実施形態の平面表示装置の要部断面図である。
【符号の説明】
１  透明基板
３  遮光性導電膜
５  格子壁
８、１８  導電体
１３  光変調領域
１５  可動子
１６  くびれ部
１９  遮光膜
２０、３０，３５，４０，４９  光変調素子
２３、３７  アレイ型光変調素子
２５  走査信号電極
２７  共通電極
２８  ラッチ信号電極
２９  画像信号電極
５０  平面表示装置
５３ａ、５３ｂ  蛍光体
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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