(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電気力による可撓部の変位動作と、該可撓部の弾性復帰動作により光変調を行う電気機械的な光変調素子を２次元のマトリクス状に配列したアレイ型光変調素子において、
前記光変調素子の復帰動作を行うリセット走査を、リセットされる走査ライン以外の走査ラインに対して、前記素子の変位動作又は状態維持の選択を行う書き込み走査と同時に行い、各走査ラインの書き込み走査を間断なく行い駆動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】
前記リセット走査時間を前記書き込み走査時間の整数倍に設定す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】
前記リセット走査の駆動時間を前記可撓部の弾性復帰時間以上に設定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４】
前記光変調素子の弾性復帰動作は、復帰後に遮光状態となる動作であることを特徴とする請求項１〜請求項３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５】
前記アレイ型光変調素子と、該アレイ型光変調素子に対向配置した平面光源と、アレイ型光変調素子を挟み前記平面光源の反対側に配設した蛍光体と、を備え、
前記アレイ型光変調素子を請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の駆動方法により駆動して、前記アレイ型光変調素子から出射される光によって蛍光体を発光表示させることを特徴とする平面ディスプレイの駆動方法。
【請求項６】
前記平面光源は、前記蛍光体を励起させる紫外線出射光源であることを特徴とする請求項５記載の平面ディスプレイの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシニングにより作製され、電気機械動作により光の透過率を変化させるアレイ型光変調素子、及び該アレイ型光変調素子を用いた平面ディスプレイの駆動方法に関し、特に、アレイ型光変調素子及び平面ディスプレイの応答速度を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシニングにより作製された可撓薄膜を、静電気力により機械的動作させることで光変調を行う電気機械的な光変調素子が知られている。この光変調素子としては、例えば、透明な電極とダイヤフラムからなる可撓薄膜を、支持部を介して導光板上の固定電極に架設したものがある。
この光変調素子では、両電極間に所定の電圧を印加することで電極間に静電気力を発生させ、可撓薄膜を固定電極に向かって撓ませる。これに伴って素子自体の光学的特性が変化して、光変調素子に光が透過する。一方、印加電圧をゼロにすることで可撓薄膜が弾性復帰し、光変調素子は光を遮光する。このようにして光変調が行なわれる。
【０００３】
ところで、可撓薄膜を静電気力によって変形させたり弾性復帰させる場合、印加電圧Ｖgsと可撓薄膜の変位の関係はヒステリシス特性を示す。従って、印加電圧Ｖgsと光透過率Ｔとの関係も図１７に示すようにヒステリシス特性を示すことになる。
このヒステリシス特性によれば、光変調要素がＯＦＦ（光遮蔽）状態の状態では、ＶgsがＶth(L)以下ではＯＦＦ状態を維持し、ＶgsがＶth(H)以上になるとＯＮ状態を維持する。そして、光変調要素は、ＶgsがＶth(H)以上ではＯＮ状態を維持したままとなり、Ｖs(L)以下となるとＯＦＦ状態に飽和する。尚、Ｖgsの極性が負の場合は、正極性の縦軸対称の特性となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記ヒステリシス特性に基づいて、可撓薄膜に静電気応力が生じていない平衡状態（ＯＦＦ状態）から印加電圧ＶgsとしてＶs(H)を加え、その後、可撓薄膜が十分に変形してからＶgsをゼロとしたときの透過光の応答特性を図１８に示した。
【０００５】
図１８によれば、電圧印加による立ち上がり時間τrは、静電気力（引力）のため変位応答が速く、これによる光学応答も速い。さらに、印加電圧Ｖgsを高くすることで応答時間を短縮することが可能である。
一方、立ち下がり時間τfは、可撓薄膜の材質や形状等により決定される弾性復帰時間であり、一般に立ち上がり時間τrより遅くなる。また、印加電圧による制御は当然ながら不可能である。
【０００６】
このため、光変調素子を２次元マトリクスで駆動する場合、光変調画素に入力する画像信号を書き込むための走査時間τは、遅い方の応答時間に律速されてしまう。上記例では、走査時間τは立ち下がり時間τfとなる。このように走査時間が遅くなると、マトリクスの行数を多くすることができず、また、時分割により階調を得る駆動方法においては、階調数を多くすることができないといった問題を生じることになる。
【０００７】
さらに、このようなヒステリシス特性を示すものでは、書き込みを行う前の可撓薄膜の状態に次の動作が影響を受けるため、再現良く正確に書き込み動作をさせるためには、書き込み動作の前にリセット動作、即ち、一旦平衡状態（ＯＦＦ状態）にして、その後に所望の透過率となるように書き込み動作を行うことが望ましい。しかし、単純に書き込み動作の前にリセット動作を行うと、１行当たりの走査時間がさらに長くなり、上記問題を助長することになる。
【０００８】
そこで、光変調素子の可撓部分の剛性を高めることで高速応答性を得ることが考えられるが、その反面、駆動電圧が増大するために駆動回路の負担が大きくなり、低コスト・小型化を妨げる要因となり得る。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたもので、電気機械的光変調素子が復帰に長い時間を要する応答時間の長いものであっても、画質を低下させることなく復帰時間によるロスを防止して実質的な応答時間を飛躍的に向上させることができるアレイ型光変調素子及び平面ディスプレイの駆動方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載のアレイ型光変調素子の駆動方法は、
静電気力による可撓部の変位動作と、該可撓部の弾性復帰動作により光変調を行う電気機械的な光変調素子を２次元のマトリクス状に配列したアレイ型光変調素子において、前記光変調素子の復帰動作を行うリセット走査を、リセットされる走査ライン以外の走査ラインに対して、前記素子の変位動作又は状態維持の選択を行う書き込み走査と同時に行い、各走査ラインの書き込み走査を間断なく行い駆動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、光変調素子のリセット走査を、リセットされる走査ライン以外の走査ラインに対する書き込み走査期間と同時に行い駆動するため、各走査ラインの書き込み走査は、長い弾性復帰時間を要する光変調素子であっても時間をロスすることなく行うことができ、アレイ型光変調素子の応答時間を飛躍的に向上させることができる。
【００１２】
請求項２記載のアレイ型光変調素子の駆動方法は、前記リセット走査時間を前記書き込み走査時間の整数倍に設定す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、リセット走査時間を書き込み走査時間の整数倍に設定することにより、設計の自由度を損なうことなく、単純な設計変更によりリセット走査時間を延長することができ、より長い弾性復帰時間を要する素子であっても、応答速度を低下させることなく駆動することができる。
【００１４】
請求項３に記載の光変調素子の駆動方法は、前記リセット走査の駆動時間を前記可撓部の弾性復帰時間以上に設定することを特徴とする。
【００１５】
この光変調素子の駆動方法では、リセット動作が光変調素子の可撓部の弾性復帰動作であって、可撓部の弾性復帰時間以上にリセット駆動時間を設定することにより、書き込み動作の開始タイミングが弾性復帰途中になることはなく、確実に弾性復帰を保証した駆動方法とすることができる。また、リセット駆動時間を弾性復帰時間に近づけることで素子の書き込み動作をリセット直後に行うことができ、効率良く素子を駆動させることができる。
【００１６】
請求項４に記載の光変調素子の駆動方法は、前記光変調素子の弾性復帰動作が、復帰後に遮光状態となる動作であることを特徴とする。
【００１７】
この光変調素子の駆動方法では、光変調素子のリセット動作である弾性復帰動作の完了後に遮光状態となるため、リセット動作を行う際、画像として“黒"を出力するときは遮光されたままとなり、“白"を出力するときはリセット期間だけ出力が減少するが殆ど問題となることはない。逆に、リセット動作を光透過状態とした場合、画像として“黒"を出力するときに、リセット動作による光透過が発生し、コントラストが著しく低下することになる。従って、このようなコントラストの低下を防止することができる。
【００１８】
請求項５に記載の平面ディスプレイの駆動方法は、前記アレイ型光変調素子と、該アレイ型光変調素子に対向配置した平面光源と、アレイ型光変調素子を挟み前記平面光源の反対側に配設した蛍光体と、を備え、前記アレイ型光変調素子を請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の駆動方法により駆動して、前記アレイ型光変調素子から出射される光によって蛍光体を発光表示させることを特徴とする。
【００１９】
この平面ディスプレイの駆動方法では、素子の書き込み動作の前にリセット動作を完了させて応答時間の高速化を図った電気機械的なアレイ型光変調素子を用い、アレイ型光変調素子を通過した光源光により蛍光体を発光表示させる構成としているので、平面ディスプレイを高速に駆動することが可能になる。
【００２０】
請求項６に記載の平面ディスプレイの駆動方法は、前記平面光源は、前記蛍光体を励起させる紫外線出射光源であることを特徴とする。
【００２１】
この平面ディスプレイの駆動方法では、平面光源からの出射紫外線光を光変調素子で透過、遮光して蛍光体を発光励起させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１に本発明の第１実施形態に係る光変調素子の構成を示す。
【００２３】
可撓薄膜を電気機械動作させて光変調させる動作原理としては、可撓薄膜と透明な信号電極とを離反又は接触させることによる導光拡散作用（以下、導光拡散と称する。）を利用することができる。導光拡散では、空隙を光の透過抵抗として、空隙が形成されている際には、信号電極からの出射光を遮断若しくは減衰させる一方、可撓薄膜を信号電極に接触させた時のみに、信号電極からの出射光を可撓薄膜へ導光（モード結合）させ、その光を可撓薄膜において拡散させることで、可撓薄膜からの出射光の強度を制御する（光変調する）。
【００２４】
図１に示すように、導光板１上には、紫外線に対して透明な一方の電極（信号電極）２を形成してある。この例としては、電子密度の高いＩＴＯなどの金属酸化物、非常に薄い金属薄膜（アルミ等）、金属微粒子を透明絶縁体に分散した薄膜、又は高濃度ドープしたワイドハンドギャップ半導体などが好適である。
【００２５】
電極２の上には、絶縁性の支持部３を形成してある。支持部３には、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物、セラミック、樹脂などを用いることができる。支持部３の上端面には、ダイヤフラム４を形成してある。電極２とダイヤフラム４との間には、空隙（キャビティ）５が形成されている。このダイヤフラム４には、ポリシリコンなどの半導体、絶縁性のシリコン酸化物、シリコン窒化物、セラミック、樹脂などを用いることができる。また、ダイヤフラム４の屈折率は、導光板１の屈折率と同等かそれ以上が好ましい。
【００２６】
ダイヤフラム４の上には、光拡散層６、例えば、無機、有機透明材料の表面に凹凸を形成したもの、マイクロプリズム、マイクロレンズを形成したものや、無機、有機多孔質材料、又は屈折率の異なる微粒子を透明基材に分散したものなどを形成してある。
【００２７】
光拡散層６の上には、紫外線に対して透明な他方の電極（走査電極）７を形成してある。例として電極２と同様の材料のものを用いることができる。ダイヤフラム４、光拡散層６、電極７は、可撓部としての可撓薄膜８を構成している。
【００２８】
導光板１とダイヤフラム４との間には空隙５が存在するが、この空隙５は支持部３の高さで略決定される。空隙５の高さは、例えば、０．１μｍから１０μｍ程度が好ましい。この空隙５は、通常、犠牲層のエッチングにより形成される。
【００２９】
また、上述の構成例の他に、ダイヤフラム４と光拡散層６とを同一の材料で構成しても良い。例えば、窒化シリコン膜でダイヤフラム４を構成し、上面側の表面に凹凸を形成することによって、拡散機能を持たせることができる。
【００３０】
次に、このように構成した光変調素子１０の動作原理を説明する。
電圧ＯＦＦ時、両電極２、７の電圧がゼロで、ダイヤフラム４と導光板１との間に空隙５（例：空気）が存在する場合、
導光板１の屈折率をｎｗとすると、空気との界面における全反射臨界角θｃは、
θｃ＝ｓｉｎ-1（ｎｗ）
となる。従って、紫外線は、界面への入射角θが、θ＞θｃのとき、図１(a)に示すように、導光板１内を全反射しながら進む。
【００３１】
電圧ＯＮ時、両電極２、７に電圧を印加し、ダイヤフラム4と導光板１表面とを接触又は十分な距離に近づけた場合、図１(b)に示すように、紫外線は、ダイヤフラム４側に伝搬透過し、更に光拡散層６により拡散されて表面側に出射する。
【００３２】
この実施形態による光変調素子１０によれば、電圧印加によるダイヤフラム４の位置制御により、光変調を行うことができる。
尚、導光板１とダイヤフラム４の間には紫外線に対して透明な電極２が存在するが、通常使用される薄膜の厚さ（２０００Ａ）程度であれば、上述の動作上問題の生ずることはない。
【００３３】
本実施形態では、図２に示すように上記光変調素子１０がｎ行ｍ列の２次元状に配列される。即ち、マトリクスの各交点Ｔr(1,1)、Ｔr(1,2)、Ｔr(2,1)、Ｔr(2,2)には光変調素子１０がそれぞれ配置され、アレイ型光変調素子５０を構成する。
各光変調素子１０は、一画素の領域に対応させてある。尚、ここではマトリクスの一部である二行二列のマトリクスに着目して説明することにする。
尚、このアレイ型光変調素子５０は、単純マトリクス駆動により動作する。
【００３４】
同じ行に配列された光変調素子１０のそれぞれの電極は、共通に接続して走査電極としてある。この走査電極には電位Ｖgが印加される。また、同じ行に配列された光変調素子１０のそれぞれの電極は、共通に接続して信号電極としてある。この信号電極には電位Ｖbが印加される。従って、各光変調素子１０に印加される電極間電圧Ｖgsは、(Ｖb−Ｖg)となる。
【００３５】
アレイ型光変調素子５０を駆動するには、走査信号に従って、行順次に走査電極７を走査し、これと同期させて、走査された電極７に対応するデータ信号を信号電極２に印加する。
【００３６】
ここで、走査電極７には、リセット信号、選択信号、非選択信号の三種類の信号（電圧）が与えられる。
リセット信号は、光変調素子１０の以前の状態に拘わらず、その行の光変調素子１０をＯＦＦ（光遮蔽）にする。この時の走査電極の電圧をＶg(r)とする。
【００３７】
選択信号は、その行にデータを書き込むための信号（書き込み動作用の信号）である。この信号と同時に、信号電極に印加された電圧に従い、光変調素子１０の状態がＯＮ（光透過）又はＯＦＦ（光遮蔽）に決定される。この時の走査電極の電圧をＶg(s)とする。
【００３８】
非選択信号は、選択がなされないときの信号である。この時、信号電極の電圧に拘わることなく光変調素子１０の状態は変わらず、前の状態が維持される。この時の走査電極の電圧をＶg(ns) とする。
【００３９】
一方、信号電極２には、ＯＮ信号、ＯＦＦ信号の二種類の信号（電圧）が与えられる。
ＯＮ信号は、選択された行の光変調素子１０に対し、光変調素子１０の状態をＯＮ（光透過）にする。この時の信号電極２の電圧をＶb(on) とする。
【００４０】
ＯＦＦ信号は、選択された行の光変調素子１０に対し、光変調素子１０の状態をＯＦＦ（光遮蔽）にする。但し、実際には、直前で光変調素子１０がリセットされることを想定しているので、光変調素子１０の状態をＯＦＦ（光遮蔽）にする場合は、前の状態（ＯＦＦ状態）を維持する信号でよい。この時の信号電極２の電圧をＶb(off)とする。
【００４１】
以上の走査電極電圧、信号電極電圧の組み合わせにより、光変調素子１０の電極間電圧Ｖgsは、以下の６種類の電圧に分けられる。また、電極間電圧Ｖgsと透過率の特性により、特定の条件が与えられることになる。
【００４２】
Ｖgs(r-on)  ＝Ｖb(on) −Ｖg(r)  ≦  Ｖs(L)
Ｖgs(r-off) ＝Ｖb(off)−Ｖg(r)  ≦  Ｖs(L)
Ｖgs(s-on)  ＝Ｖb(on) −Ｖg(s)  ≧  Ｖs(H)
Ｖgs(s-off) ＝Ｖb(off)−Ｖg(s)  ≦  Ｖth(L)
Ｖgs(ns-on) ＝Ｖb(on) −Ｖg(ns) ≦  Ｖth(L)
Ｖgs(ns-off)＝Ｖb(off)−Ｖg(ns) ≧  Ｖth(H)
【００４３】
以上の条件をまとめると、図３に示すとおりになる。
例えば、走査電極電圧Ｖg がリセットＶg(r)で、信号電極電圧Ｖb がＯＮ、即ちＶb(on) の場合には、Ｖs(H)より大きい値の信号電極電圧Ｖb （図中太実線６１）から、Ｖs(H)とＶth(L) との間の走査電極電圧Ｖg （図中太実線６３）が減算され、その値（図中太実線６５）がＶs(L)より小さくなる。
即ち、
Ｖgs(r-on)≦Ｖs(L)
となる。その他同様にして、６種類の電圧が定まることになる。
【００４４】
次に、このような電極間電圧Ｖgsと透過率との関係を利用して、光変調素子１０を２次元に配置したマトリクスにデータを書き込む方法を説明する。
マトリクスとして図２に示した２行２列のマトリクスを用い、データの書き込みを行う。マトリクスの各光変調素子１０には、以下のＯＮ、ＯＦＦデータを書き込むものとする。
Ｔr(1,1)  →  ＯＮ        Ｔr(1,2)  →  ＯＦＦ
Ｔr(2,1)  →  ＯＦＦ      Ｔr(2,2)  →  ＯＮ
【００４５】
マトリクスには、図４に示すような波形の電圧を印加する。
例えば、１行目Ｖg(1)には、
ｔ１：リセット電圧      ｔ２：選択電圧
ｔ３：非選択電圧        ｔ４：非選択電圧
を印加する。
１列目Ｖb(1)には、
ｔ１：don't care        ｔ２：ＯＮ電圧
ｔ３：ＯＦＦ電圧        ｔ４：don't care
を印加する。
これにより、各光変調素子１０に所望のデータが行順次で書き込まれる。
そして、光変調素子のリセット走査の後に、該素子の変位動作又は状態維持を選択する書き込み走査を行うことで、素子のヒステリシス特性により書き込み走査前の状態が次の動作に影響を及ぼすことが防止され、安定した書き込み走査を行うことができる。また、素子のヒステリシス特性により、単純マトリクス構成の二次元光変調アレイを矛盾無く、即ち、非選択走査ライン上の画素が書き込み走査時に設定されたＯＮ／ＯＦＦ状態を確実に維持されるように駆動することが可能となる。
【００４６】
即ち、例えば上述の１行１列目のマトリクスＴr(1,1)の場合では、
Ｖgs：Ｖb(1)−Ｖg(1)であるから、
ｔ１：リセット電圧（ＯＦＦ）  ｔ２：ＯＮ
ｔ３：状態維持                ｔ４：状態維持
となる。
【００４７】
従って、ｔ２におけるＯＮの状態が維持（メモリー）され、その結果、マトリクスＴr(1,1)は光変調素子１０が「ＯＮ」の状態となる。その他、同様にして、他のマトリクスＴr(1,2)は「ＯＦＦ」、Ｔr(2,1)は「ＯＦＦ」、Ｔr(2,2)は「ＯＮ」の状態となる。
【００４８】
以上の動作により、各走査ラインの光変調素子に対する走査電圧の印加状態は、図５のチャートに示すようになる。即ち、任意のｉ行目の走査電極にリセット電圧、選択電圧が順次印加されると共に、ｉ＋１行目の走査ラインでは、ｉ行目の走査ラインにおける選択電圧印加期間終了後、間断なく直ちに選択電圧が印加される。この場合、ｉ＋１行目のリセット電圧印加期間は、ｉ行目の選択電圧印加期間とオーバーラップさせている。他の走査ラインに対しても同様に、リセット電圧印加期間を前行の選択電圧印加期間にオーバーラップさせている。
【００４９】
このように、各走査ラインの光変調素子１０は、他の行の選択期間（書き込み期間）と同時にリセット動作を行うことで、走査時間を長くすることなく、安定した書き込み動作が得られる。従って、光変調素子の可撓部分の弾性特性やリセット信号の印加により走査時間が遅くなることが防止され、確実な動作を実現しつつアレイ型光変調素子の大型化、高精細化を図ることができる。
【００５０】
次に、本発明に係る光変調素子の駆動方法の第２実施形態を説明する。本実施形態は、復帰時間（立ち下がり時間）τfが大きく遅延する（τf≫τr）光変調素子を用いた場合の駆動方法である。図６は、各光変調素子への印加電圧の波形を示している。本実施形態では、リセット電圧の印加期間を前述の第１実施形態の３倍に設定している。即ち、図６においては、図４に示す１行目のリセット期間ｔ１が図６のｔ１〜ｔ３に相当しており、リセット電圧の印加期間が走査期間τの３倍に設定されている。
この場合の各走査ラインの光変調素子に対する走査電圧の印加状態は、図７のチャートに示すようになる。図７によれば、第１実施形態の場合と同様に、ｉ＋１行目の走査ラインでは、ｉ行目の走査ラインにおける選択電圧印加期間終了後、直ちに選択電圧が印加される。この場合、ｉ＋１行目のリセット電圧印加期間は、ｉ行目の選択電圧印加期間及びそれ以前の期間（図ではリセット電圧印加期間の一部）にオーバーラップさせており、他の走査ラインに対しても同様にオーバーラップさせている。
【００５１】
このように、リセット電圧印加期間を延長させることにより、復帰時間の長い光変調素子であっても走査期間を長くすることなく正確な応答性を得ることが可能となる。
【００５２】
ここで、図８は本実施形態の画素Ｔr(1,1)と画素Ｔr(1,2)に対する印加電圧Ｖgsと透過光の応答のチャートを示している。図８(a)に示すように、画素Ｔr(1,1)は、画素のリセット期間内に立ち下がり時間τfを終了させ、画素をＯＮ状態にする信号は予め画素をリセットさせた後に印加させている。このため、立ち上がり時間τrだけで画素をＯＮ状態にすることができる。
また、図８(b)に示すように、画素Ｔr(1,2)は、画素のリセット期間内に立ち下がり時間τfを終了させ、その後状態を維持することで画素をＯＦＦ状態にしている。
【００５３】
上記各実施形態に示すように、光変調素子は、光変調素子の平衡状態（復帰状態）、又は、リセット状態が光遮断となる構成が好ましい。リセット状態が素子のＯＮ（光透過）状態であると、画素として“黒"を出力させるときは、リセット動作による光透過が発生し、コントラストが著しく悪くなる。
一方、リセット状態がＯＦＦ（光遮断）であれば、“黒"出力のときは全く光透過はなく、コントラストは殆ど変化しない。“白"出力のとき、リセット期間だけ出力が減るが、この場合は視覚的に殆ど問題にならない。これは、例えば行数が５００〜１０００行のパネルの場合、その数行分のリセット期間であっても、これによる光量低下は１％程度と僅かなためである。また、素子自体の応答性が遅いため、出力は直ちにＯＮからＯＦＦにならず、徐々に減光するためと、人間の視覚特性が、背景輝度が高いときは輝度変化に対して鈍感になるためでもある。
【００５４】
以上説明したように、上記各実施形態では図１に示す導光拡散作用を利用した光変調素子を用いたが、本発明による駆動方式はこれに限定されることなく、導光反射による光変調素子にも適用できる。これは、ダイヤフラム上に適度に傾斜したアルミ等の反射膜を設けて、これを可撓薄膜とした構成であり、電圧ＯＮ時に可撓薄膜へ導光された光を反射膜により導光板側に反射させて出射する光変調素子である。この他、以下に示す光変調素子に対しても良好に適用できる。
以下、上述した各実施形態における平面表示装置における光変調素子の他の各構成例を、図９〜図１６を参照して順次説明する。
【００５５】
まず、可撓薄膜を電気機械動作させて光変調する動作原理として、ファブリペロー干渉を利用した例を説明する。ファブリペロー干渉では、二枚の平面が向かい合わせに平行に配置された状態において、入射光線は、反射と透過を繰り返して多数の光線に分割され、これらは互いに平行となる。透過光線は、無限遠におうて重なり合い干渉する。面の垂線入射光線とのなす角をｉとすれば、隣り合う光線間の光路差はｘ＝ｎｔ・ｃｏｓｉで与えられる。但し、ｎは二面間の屈折率、ｔは間隔である。光路差ｘが波長λの整数倍であれば透過線は互いに強め合い、半波長の奇数倍であれば互いに打ち消し合う。即ち、反射の際の位相変化がなければ、
２ｎｔ・ｃｏｓｉ＝ｍλ                  で透過光最大となり、
２ｎｔ・ｃｏｓｉ＝（２ｍ＋１）λ／２    で透過光最小となる。
但し、ｍは正整数である。
【００５６】
即ち、光路差ｘが所定の値となるように、可撓薄膜を移動させることにより、透明基板から出射される光を、光変調して可撓薄膜から出射させることが可能となる。
【００５７】
このようなファブリペロー干渉を利用した光変調素子を平面光源と組み合わせて平面ディスプレイとした具体的な構成を以下に説明する。
図９は光変調素子及び平面光源の概略断面図である。光変調素子２０は、紫外線に対して透明な基板２１上に設けられた図示しない基板上電極及びダイヤフラム２２上に設けられた図示しないダイヤフラム上電極への電圧印加によってダイヤフラム２２を変位させ、多層膜干渉効果を生じさせることにより、平面光源２３からの紫外線を光変調する。
【００５８】
平面光源２３は、平板状の平面光源ユニット２３ａ、及び平面光源ユニット２３ａの側方に設けられたブラックライト用紫外線ランプ（低圧水銀ランプ）２３ｂからなる。平面光源２３は、ブラックライト用低圧水銀ランプ２３ｂからの紫外線を、平面光源ユニット２３ａの側面から入射させて上面から出射させる。
低圧水銀ランプ２３ｂの内壁にブラックライト用の蛍光物質（例えば、ＢａＳｉ2 Ｏ5 ：Ｐｂ2+) を塗布した場合、発光紫外線の分光特性としては、図１０に示すように、３６０ｎｍ付近に中心波長λ0を有する。この紫外線をバックライト光として使用する。
【００５９】
図示しない基板上電極は、基板２１上に図９の紙面垂直方向に所定の間隔をあけて一対設けられる。基板２１上における各基板上電極の間には、誘電体多層膜ミラー２５，２６が設けられる。
【００６０】
ダイヤフラム２２は、両端部が基板２１上に形成された支持部２４に懸架され、基板２１と所定の間隔をあけて設けられる。ダイヤフラム２２の下面には、誘電体多層膜ミラー２５が、基板２１上の誘電体多層膜ミラー２６と所定の間隙ｔをあけて対向して設けられる。
【００６１】
このように構成される光変調素子２０において、各電極への印加電圧をＯＦＦにしたときの空隙２７の間隔をｔoffとする（図９の左側の状態）。また、電圧を印加したとき静電気力により空隙２７の間隔が短くなるが、これをｔonとする（図９の右側に示す状態）。ｔonは、各電極への電圧印加に伴ってダイヤフラム２２に作用する静電気力と、ダイヤフラム２２の変形に伴って生じる復元力をバランスさせることで適切に設定する。
【００６２】
より安定な制御を行うには、スペーサ（図示しない）を電極上に設け、スペーサによってダイヤフラム２２の変位を物理的に規制することにより、ダイヤフラム２２の変位量が一定となるように構成する。スペーサを絶縁体とした場合は、その比誘電率（１以上）により各電極への印加電圧を低減する効果を生じる。また、スペーサが導電性の場合は更にこの効果は大きくなる。尚、スペーサは各電極と同一材料で形成しても良い。
【００６３】
ここで、ｔon、ｔoff を下記のように設定する。（ｍ＝１）
ｔon  ＝１／２×λ0＝１８０ｎｍ  （λ0：紫外線の中心波長）
ｔoff ＝３／４×λ0＝２７０ｎｍ
【００６４】
また、各誘電体多層膜ミラー２５，２６はそれぞれ、光強度反射率をＲ＝０．８５とする。また、空隙２７は空気又は希ガスとし、その屈折率はｎ＝１とする。紫外線はコリメートされているので、光変調素子２０に入射する入射角ｉ（誘電体多層膜ミラー面の垂線と入射光線のなす角）は略ゼロである。このときの光変調素子２０の光強度透過率は図１１に示すようになる。
【００６５】
従って、各電極に電圧を印加しないときはｔoff ＝２７０ｎｍであり、光変調素子２０は紫外線を殆ど透過させない。
一方、各電極に電圧を印加してｔon＝１８０ｎｍとすると、光変調素子２０は紫外線を透過させる。
【００６６】
尚、干渉の条件を満たせば、空隙２７の間隔ｔ、屈折率ｎ、各誘電体多層膜ミラー２５，２６の光強度反射率Ｒ等はいずれの組合せでも良い。
また電圧値により、間隙ｔを連続的に変化させると、透過スペクトルの中心波長を任意に変化させることが可能である。これにより、透過光量を連続的に制御することも可能である。つまり、各電極間の印加電圧の変更による階調制御が可能である。
【００６７】
また、上記光変調素子２０の変形例として、ブラックライト用水銀ランプ２３ｂに代えて、低圧水銀ランプによるバックライトを用いることもできる。
即ち、２５４ｎｍの線スペクトルを主成分とする低圧水銀ランプを光源とし、石英ガラス等からなる透明基板と組み合わせることにより、バックライトユニットを構成する。他の波長は、フィルター等によりカットする。このときの紫外線バックライトの分光特性は図１２に示すようになる。
また、この光変調素子においては、有効画素エリアの構成材料（ダイヤフラム、誘電体多層膜ミラー、基板等）は、２５４ｎｍの紫外線を透過する材料とする。
【００６８】
ここで、ｔon、ｔoff を下記のように設定する。（ｍ＝１）。
ｔon  ＝１／２×λ0＝１２７ｎｍ  （λ0：紫外線の中心波長）
ｔoff ＝３／４×λ0＝１９１ｎｍ
【００６９】
その他の条件は、上述の例と同様に、Ｒ＝０．８５、ｎ＝１、ｉ＝０とする。このときの光変調素子の光強度透過率は図１３に示すようになる。
従って、各電極に電圧を印加しないときはｔoff ＝１９１ｎｍであり、光変調素子は紫外線を殆ど透過させず、電圧を印加したときはｔon＝１２７ｎｍになり、光変調素子は紫外線を透過させる。
【００７０】
特にこの変形例の場合、紫外線が線スペクトルなので、非常に高いエネルギー透過率を示し、高効率でコントラストの高い変調が可能となる。
また、この変形例においても、干渉の条件を満たせば、空隙２７の間隔ｔ、屈折率ｎ、各誘電体多層膜ミラー２５，２６の光強度反射率Ｒ等はいずれの組合せでも良い。
【００７１】
さらに、各電極に印加する電圧値を変更することにより、間隙ｔを連続的に変化させると、透過スペクトルの中心波長を任意に変化させることが可能である。これにより透過光量を連続的に制御することも可能である。つまり、各電極への印加電圧の変更による階調制御が可能となる。
【００７２】
次に、光変調素子の他の変形例を図１４を用いて説明する。
図１４は光変調素子及び平面光源の概略断面図である。光変調素子３０は、遮光板３１及び透明電極３２への電圧印加に伴う静電気応力によって遮光板３１を変位させ、平面光源３３からの紫外線の進路を変更することにより光変調を行う。平面光源３３の構成は、図９に示す平面光源２３と同様である。
【００７３】
透明電極３２は、紫外線を透過する基板３４上に設けられており、紫外線を透過させる。基板３４上の透明電極３２以外の部位には、絶縁性の遮光膜３５が設けられる。透明電極３２及び遮光膜３５の上面には、絶縁膜３６が積層される。
【００７４】
遮光板３１は、基板３４上に立設された支柱３７を介して、基板３４の上方に基板３４と所定の間隔をあけて片持ち梁構造として設けられる。遮光板３１の形状は、対向する基板３４上の透明電極３２の形状に対応しており、透明電極３２よりも若干大きくしてある。
【００７５】
遮光板３１は、導電性を有する可撓薄膜からなり、例えば紫外線を吸収、若しくは反射する材料からなる単一の導電性薄膜、又は複数の導電性薄膜で構成される。
具体的には、紫外線を反射するアルミ、クロムなどの金属薄膜、紫外線を吸収するポリシリコンなどの半導体による単体構成が挙げられる。また、シリコン酸化物、シリコン窒化物などの絶縁膜、ポリシリコンなどの半導体薄膜に金属を蒸着した構成、又は誘電体多層膜などのフィルターを蒸着した複合構成とすることもできる。
【００７６】
このように構成された光変調素子３０は、次のように動作する。光変調素子３０において、遮光板３１及び透明電極３２間に電圧を印加しない状態では、遮光板３１は透明電極３２と対向しており、透明電極３２を透過した紫外線は遮光板３１によって吸収又は反射される（図１４の左側の状態）。
【００７７】
一方、遮光板３１及び透明電極３２間に電圧を印加すると、両者間に作用する静電気力により、遮光板３１が捩じれながら透明電極３２側に変位する（図１４の右側の状態）。これにより、平面光源３３から透明電極３２を透過した紫外線は、遮光板３１に遮蔽されることなく、上方に出射される。
そして、再び遮光板３１及び透明電極３２間への印加電圧をゼロにすると、遮光板３１は、遮光板３１自体及び支柱３７の弾性によって初期位置に戻る。
【００７８】
次に、光変調素子の他の変形例を図１５，１６を用いて説明する。
図１５は光変調素子４０の概略構成図であり、図１５(a)は平面図、図１５(b)は図１５(a)のＢ−Ｂ断面図である。
【００７９】
光変調素子４０は、対向電極４１，４２及び電極遮光板４３への電圧印加に伴う静電気力によって、電極遮光板４３を図１５で左右方向に変位させることにより、図示しない平面光源からの光を遮光させ、又は透過させる。
【００８０】
この対向電極４１，４２は、紫外線を透過する基板４４上で所定の間隔をあけて対向して対をなし、図１５(a)において並列に計２対設けられる。また、基板４４上における図１５右側の対向電極４２間には、遮光膜４５が設けられる。
【００８１】
電極遮光板４３は、対向電極４１，４２間で基板４４から図１５(b)の上方に所定の間隔をあけた位置に、左右方向に変位可能に設けられる。即ち、電極遮光板４３の左右両側は、折れ線バネ４６等の可撓部材を介して支持部４７に支持されている。電極遮光板４３は、対向電極４１，４２への電圧印加に伴う静電気力によって、折れ線バネ４６を弾性変形させつつ、図１５の左右方向に変位する。電極遮光板４３の左右方向の寸法は、支持部４７間の左右方向に沿う距離の略半分である。
【００８２】
このように構成された光変調素子４０は、次のように動作する。即ち、光変調素子４０において、電極遮光板４３に電圧ゼロを印加した状態で、図１５の左側の対向電極４１のみに電圧を印加すると、電極遮光板４３は、静電気力によって図１５の左側の対向電極４１間に移動する（図１５に示す状態）。これにより、平面光源から出射され、遮光膜４５で遮光されずに基板４４を透過した光は、電極遮光板４３によって遮光される。
【００８３】
一方、電極遮光板４３に＋Ｖの電圧を印加した状態で、図１６の左側の対向電極４１のみに電圧を印加すると、電極遮光板４３は、静電気力によって図１６の右側の対向電極４２間に移動する（図１６に示す状態）。これにより、平面光源から出射され、遮光膜４５で遮光されずに基板４４を透過した光は、電極遮光板４３によっても遮光されることなく、図１６(b)の上方に出射される。
そして、再び印加電圧をゼロにすると、電極遮光板４３は、折れ線バネ４６の弾性力及び静電気力によって初期位置に戻る。
このように、各種光変調素子の構成が考えられるが、本発明は前述の各構成に限定されるものではなく、同等の機能を有するものであれば他の如何なる構成のものであっても良い。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、静電気力による可撓部の変位動作と、可撓部の弾性復帰動作により光変調を行う電気機械的な光変調素子を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駆動方法であって、光変調素子の復帰動作を行うリセット走査を、リセットされる走査ライン以外の走査ラインに対して、素子の変位動作又は状態維持の選択を行う書き込み走査と同時に行い、各走査ラインの書き込み走査を間断なく行い駆動する。これにより、弾性復帰時間の長い光変調素子であっても時間をロスすることなく画像表示をより高速に行うことが可能になり、応答時間を飛躍的に向上させることができる。
【００８５】
また、光変調素子のリセット走査の駆動時間を書き込み走査時間の整数倍等の弾性復帰時間以上に設定することにより、弾性復帰動作に長い時間を要する光変調素子であっても時間をロスすることなく適切な走査で高速応答性を得ることができる。
【００８６】
さらに、電気機械的な光変調素子をマトリクス状に配列したアレイ型光変調素子に対向して紫外線を出射する平面光源を設け、アレイ型光変調素子を挟んだ平面光源の反対側に蛍光体を設け、光変調素子から出射される光によって蛍光体を発光させて平面ディスプレイを駆動することにより、コントラストが低下することの無い高速応答性を備えた平面ディスプレイが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の光変調素子の光変調動作を説明する断面図である。
【図２】図１に示す光変調素子を２次元配列したアレイ型光変調素子の平面図である。
【図３】走査電極電圧及び信号電極電圧の組み合わせと、光変調素子の電極間電圧との関係を示した説明図である。
【図４】第１実施形態における各光変調素子に異なる波形の電圧を印加してデータを書き込む方法の説明図である。
【図５】第１実施形態におけるリセット動作の駆動期間を走査前行の書き込み動作と同時に行うことを説明するチャート図である。
【図６】第２実施形態における各光変調素子に異なる波形の電圧を印加してデータを書き込む方法の説明図である。
【図７】第２実施形態におけるリセット動作の駆動期間を走査前行の書き込み動作と同時に行うことを説明するチャート図である。
【図８】光変調素子からの透過光の応答特性を示す説明図である。
【図９】多層膜干渉効果を利用した光変調素子の動作説明図である。
【図１０】低圧水銀ランプによるバックライトの分光特性を示すグラフである。
【図１１】図１０に示す特性のバックライトを用いた場合の光変調素子の光強度透過率を示すグラフである。
【図１２】紫外線バックライトの分光特性を示すグラフである。
【図１３】光変調素子の光強度透過率を示すグラフである。
【図１４】光変調素子及び平面光源の他の変形例の概略断面図である。
【図１５】光変調素子の他の変形例における構成と遮光動作を説明する図である。
【図１６】図１５に示す光変調素子の導光状態を説明する図である。
【図１７】電気機械的な光変調素子の印加電圧に対する光透過率のヒステリシス特性を説明する図である。
【図１８】光変調素子の印加電圧に対する透過光の応答特性を説明する図である。
【符号の説明】
１  導光板
２  信号電極
４  ダイヤフラム
７  信号電極
８  可撓薄膜
１０、２０，３０  光変調素子
５０  アレイ型光変調素子
τ  １行の走査時間
τr 立ち上がり時間
τf 立ち下がり時間
【図１】
0004074714.tif 000002
【図２】
0004074714.tif 000003
【図３】
0004074714.tif 000004
【図４】
0004074714.tif 000005
【図５】
0004074714.tif 000006
【図６】
0004074714.tif 000007
【図７】
0004074714.tif 000008
【図８】
0004074714.tif 000009
【図９】
0004074714.tif 000010
【図１０】
0004074714.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004074714.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0004074714.tif 000016
【図１６】
0004074714.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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