(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を変調可能な第１の位置、およびこの第１の位置から離れた第２の位置に移動可能な少なくとも１つのスイッチング部と、
このスイッチング部を弾性的に支持する支持部材と、
前記スイッチング部を少なくとも１組の電極の間で働く静電力によって駆動可能な静電駆動手段と、
この静電駆動手段に、前記スイッチング部を駆動する駆動電圧と、この駆動電圧と同極性で、静電力または弾性力により少なくとも前記第１の位置で前記スイッチング部を安定して保持する保持力を確保可能な一定のバイアス電圧とを印加可能な駆動制御手段とを有し、
前記駆動制御手段は、周期的に前記支持部材の前記第１または第２の位置での弾性力よりも小さくなる前記バイアス電圧を印加することを特徴とする空間光変調装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第１または第２の位置のうち、前記駆動電圧によって保持力が得られる位置に、前記電極の間に最小ギャップを確保するストッパーが設けられており、
前記駆動制御手段は、前記ストッパーの位置で前記支持部材の弾性力に達しない前記バイアス電圧を印加することを特徴とする空間光変調装置。
【請求項３】
請求項１において、前記第１または第２の位置のうち、前記静電駆動手段の静電力によって保持力が得られる位置に、前記電極の間に最小ギャップを確保するストッパーが設けられており、
前記駆動制御手段は、周期的に前記ストッパーの位置で前記支持部材の弾性力に達しない前記バイアス電圧を印加することを特徴とする空間光変調装置。
【請求項４】
請求項１において、前記スイッチング部は、前記支持部材により前記第２の位置から第１の位置に移動し、前記支持部材の弾性力によって前記第１の位置に保持されることを特徴とする空間光変調装置。
【請求項５】
請求項４において、前記駆動制御手段は、前記スイッチング部を前記第１の位置から第２の位置に移動するときに前記第１および第２の位置の間でのみ安定状態が成立しない駆動電圧を前記静電駆動手段に印加することを特徴とする空間光変調装置。
【請求項６】
請求項１において、前記支持部材は静電力が働かないときに前記スイッチング部を前記第１および第２の位置の略中間で支持可能であり、
前記静電駆動手段は、前記スイッチング部を前記第１の位置に保持する第１の電極ペアと、前記第２の位置に保持する第２の電極ペアを備えており、
前記駆動制御手段は、前記第１および第２の電極ペアに交互に駆動電圧を印加することを特徴とする空間光変調装置。
【請求項７】
光を変調可能な第１の位置、およびこの第１の位置から離れた第２の位置に移動可能な少なくとも１つのスイッチング部と、
このスイッチング部を弾性的に支持し、弾性力によって前記第２の位置から第１の位置に移動可能とすると共に第１の位置で前記スイッチング部を保持可能な支持部材と、
前記スイッチング部を少なくとも１組の電極の間で働く静電力によって駆動可能な静電駆動手段と、
この静電駆動手段に、前記スイッチング部を前記第１の位置から第２の位置に移動するときに前記第１および第２の位置の間でのみ安定状態が成立しない駆動電圧を印加する駆動制御手段とを有することを特徴とする空間光変調装置。
【請求項８】
光を変調可能な第１の位置、およびこの第１の位置から離れた第２の位置に移動可能な少なくとも１つのスイッチング部と、
このスイッチング部を弾性的に支持し、静電力が働かないときに前記スイッチング部を前記第１および第２の位置の略中間で支持可能な支持部材と、
前記スイッチング部を前記第１の位置に保持する第１の電極ペアと、前記第２の位置に保持する第２の電極ペアを備えた静電駆動手段と、
この静電駆動手段の前記第１および第２の電極ペアに交互に駆動電圧を印加する供給する駆動制御手段とを有することを特徴とする空間光変調装置。
【請求項９】
請求項１、７または８のいずれかにおいて、導入された光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部を有し、前記スイッチング部は前記第１の位置で前記全反射面に接し、この全反射面から漏出したエバネセント光を抽出することを特徴とする空間光変調装置。
【請求項１０】
光を変調可能な第１の位置、およびこの第１の位置から離れた第２の位置に移動可能な少なくとも１つのスイッチング部を支持部材により弾性的に支持すると共に、前記スイッチング部を少なくとも１組の電極を備えた静電駆動手段によって駆動可能な空間光変調装置の制御方法であって、
前記静電駆動手段に対し、前記スイッチング部を駆動する駆動電圧と、この駆動電圧と同極性で、静電力または弾性力により少なくとも前記第１の位置に前記スイッチング部を安定して保持する保持力を確保可能な一定のバイアス電圧とを印加する制御工程を有し、
前記制御工程では、周期的に前記支持部材の前記第１または第２の位置での弾性力よりも小さくなる前記バイアス電圧を印加することを特徴とする空間光変調装置の制御方法。
【請求項１１】
請求項１０において、前記第１または第２の位置のうち、前記駆動電圧によって保持力が得られる位置に、前記電極の間に最小ギャップを確保するストッパーが設けられており、
前記制御工程では、前記ストッパーの位置で前記支持部材の弾性力に達しない前記バイアス電圧を印加することを特徴とする空間光変調装置の制御方法。
【請求項１２】
光を変調可能な第１の位置、およびこの第１の位置から離れた第２の位置に移動可能な少なくとも１つのスイッチング部を支持部材により弾性的に支持すると共に、前記スイッチング部を少なくとも１組の電極を備えた静電駆動手段によって駆動可能な空間光変調装置の制御方法であって、前記スイッチング部は、前記支持部材により前記第２の位置から第１の位置に移動し、前記支持部材の弾性力によって前記第１の位置に保持されるようになっており、
前記スイッチング部を前記第１の位置から第２の位置に移動するときに前記第１および第２の位置の間でのみ安定状態が成立しない駆動電圧を前記静電駆動手段に印加することを特徴とする空間光変調装置の制御方法。
【請求項１３】
光を変調可能な第１の位置、およびこの第１の位置から離れた第２の位置に移動可能な少なくとも１つのスイッチング部を支持部材により弾性的に支持すると共に、前記スイッチング部を少なくとも１組の電極を備えた静電駆動手段によって駆動可能な空間光変調装置の制御方法であって、前記支持部材は静電力が働かないときに前記スイッチング部を前記第１および第２の位置の略中間で支持し、前記静電駆動手段は、前記スイッチング部を前記第１の位置に保持する第１の電極ペアと、前記第２の位置に保持する第２の電極ペアを備えており、
これら第１および第２の電極ペアに交互に駆動電圧を印加することを特徴とする空間光変調装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光演算、光記憶装置、光プリンター、画像表示装置等に使用される光スイッチング素子（ライトバルブ）に適した空間光変調装置およびその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光をオンオフ制御できる空間光変調装置としては液晶を用いたものが知られている。図９に、その概略構成を示す。この空間光変調装置は、光スイッチング素子９００として実現されており、偏光板９０１および９０８、ガラス板９０２および９０３、透明電極９０４および９０５、液晶９０６および９０７より構成され、透明電極間に電圧を印加することにより液晶分子の方向を変えて偏光面を回転させ光スイッチングを行うものである。例えば、このような光スイッチング素子（液晶セル）を二次元に並べて液晶パネルとして画像表示装置を構成することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この液晶を用いた光スイッチング素子（空間光変調装置）は、高速応答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度でしか動作しない。このため高速応答を要求される、光通信、光演算、ホログラムメモリー等の光記憶装置、光プリンター等に対し液晶を用いた空間光変調装置は難しかった。また、液晶を用いた空間光変調装置では、偏光板により光の利用効率が低下してしまうという問題もあった。
【０００４】
これらの用途に対応できる、高速動作の可能な空間光変調装置が求められており、このため、光を制御できるスイッチング要素を機械的に動かして高速で変調できる空間光変調装置が開発されている。その１つは、マイクロミラーデバイスであり、このデバイスはミラーをヨークで旋回可能に支持し、ミラーの角度を変えて電気的または光学的な入力に対応して入射光を変調して出射するようになっている。
【０００５】
また、反射機能あるいは透過機能を備えたスイッチング部を弾性体で支持しながら平行に動かして入射光を変調することが可能であり、そのような原理に基づき空間光変調装置を構成することも可能である。本願出願人が出願中の、光を全反射して伝達可能な導光部の全反射面に対しスイッチング部の抽出面を接触させてエバネセント光を抽出し、スイッチング部の１波長程度あるいはそれ以下の微小な動きによって、高速で光を変調制御可能な光スイッチング素子もその１つである。このエバネセント光を利用した光スイッチング素子は、スイッチング部を薄膜などの弾性的な支持部材によって支持し、さらに、スイッチング部を電極に電力を供給することにより静電力で駆動し、全反射面に対峙したスイッチング部の抽出面の位置を動かせるようになっている。そして、スイッチング部の抽出面が全反射面に略接触した状態になると光を抽出して出射するオン状態となる。また、全反射面から抽出面が離されると光は抽出されないので光は出射されず、オフ状態となる。このように、エバネセント波を利用した光スイッチング素子は、全反射面に対し抽出面の位置を微少距離移動することにより入射光を変調することができるので、高速動作が可能な空間光変調装置の１つとして実現化に向けて鋭意開発が進められている。
【０００６】
このような弾性力と静電力を組み合わせてスイッチング部を駆動する空間光変調装置においては、できるだけ低い駆動電圧で安定した動作を行わせることが重要な課題であり、開発中のエバネセント光を利用した光スイッチング素子において同様である。
【０００７】
スイッチング部が光をオンオフするために移動する距離をｄ、駆動電圧をＶｄとすると、その過程で作用する弾性力Ｆｇと静電力Ｆｓは次のように表すことができる。
【０００８】
Ｆｇ＝Ｋ×ｘ                ・・・・・（１）
Ｆｓ＝Ｃ×Ｖｄ2／（ｄ−ｘ）2・・・・・（２）
ここでｘはスイッチング部の移動距離であり、Ｋは支持部材の弾性係数、Ｃは電極の面積および誘電率などを加味した定数である。スイッチング部の移動位置は、弾性力Ｆｇと静電力Ｆｓがつりあった安定位置となるので、駆動電圧Ｖｄを下げるためには弾性力Ｆｇを下げ、また、移動距離ｄを短くすることが望ましい。しかしながら、弾性係数Ｋを下げるとスイッチング部の移動速度が低下して応答速度が低くなる。また、移動距離ｘを短くするとオンオフのコントラストが得られにくくなる。したがって、駆動電圧Ｖｄを下げることが難しい。さらに、弾性力Ｆｇと静電力Ｆｓがつりあった安定位置でオンオフを行うと、スイッチング部の姿勢が安定しない可能性があり光の変調能力が劣化する可能性がある。例えば、エバネセント波を利用したスイッチング素子では全反射面と抽出面との間に微少な隙間が生じ、抽出できる光の量が減少することが考えられる。
【０００９】
そこで、本発明においては、移動距離ｄあるいは弾性定数Ｋを一定に保った条件でも駆動電圧Ｖｄを下げることができ、さらに、スイッチング部の姿勢を安定して制御できる空間光変調装置およびその制御方法を提供することを目的としている。そして、高速で、光のコントラストが大きく、さらに低電圧で駆動することができる空間光変調装置を提供することを目的している。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、スイッチング部を駆動する電極間に駆動電圧と同極性で一定のバイアス電圧を印加することにより、スイッチング部を駆動する駆動電圧を低減している。さらに、それと共に、バイアス電圧が印加された状態でもスイッチング部をオンオフする位置、特にオンする位置で安定して姿勢が保持できるように、オンの位置ではバイアス電圧による力よりも大きな保持力が確保できるようにしている。すなわち、本発明の空間光変調装置は、光を変調可能な第１の位置、およびこの第１の位置から離れた第２の位置に移動可能な少なくとも１つのスイッチング部と、このスイッチング部を弾性的に支持する支持部材と、スイッチング部を少なくとも１組の電極の間で働く静電力によって駆動可能な静電駆動手段とを有しており、さらに、この静電駆動手段に、スイッチング部を駆動する駆動電圧と、この駆動電圧と同極性で、静電力または弾性力により少なくとも第１の位置でスイッチング部を安定して保持する保持力を確保可能な一定のバイアス電圧とを印加可能な駆動制御手段を有することを特徴としている。また、本発明の空間光変調装置の制御方法は、光を変調可能な第１の位置、およびこの第１の位置から離れた第２の位置に移動可能な少なくとも１つのスイッチング部を支持部材により弾性的に支持すると共に、スイッチング部を少なくとも１組の電極を備えた静電駆動手段によって駆動可能な空間光変調装置の制御方法であって、静電駆動手段に対し、スイッチング部を駆動する駆動電圧と、この駆動電圧と同極性で、静電力または弾性力により少なくとも第１の位置に前記スイッチング部を安定して保持する保持力を確保可能な一定のバイアス電圧とを印加する制御工程を有することを特徴としている。
【００１１】
一定のバイアス電圧を印加しておくことにより、スイッチング部を駆動する際に印可する駆動電圧は低くできるので駆動制御手段の電源電圧を下げることができる。したがって、駆動制御手段を構成する制御回路などの耐電圧を下げて構成を簡素化でき、さらに、消費電力も下げることができる。また、第１の位置にスイッチング部を保持可能な十分な保持力を確保することにより、バイアス電圧を印加した状態でスイッチング部の姿勢を安定させることができる。このため、スイッチング部が第１の位置にあるときでも継続してバイアス電圧を印加することが可能であり、バイアス電圧の制御が不要または簡略になる。
【００１２】
さらに、第１または第２の位置のうち、駆動電圧によって保持力が得られる位置に、電極の間に最小ギャップを確保するストッパーを設け、第１または第２の位置にスイッチング部があるときにバイアス電圧による静電力が無限に大きくならず一定の範囲に止るようにすると共に、ストッパーの位置では支持部材の弾性力に達しない程度のバイアス電圧とすることが望ましい。このようにすれば、駆動電圧のオンオフのみでスイッチング部を動かすことができるので、常に一定のバイアス電圧を印加することが可能となり、バイアス電圧の制御が不要となる。
【００１３】
一方、周期的に支持部材の第１または第２の位置での弾性力よりも小さくなるようにバイアス電圧を変化させても良い。例えば、動作クロックに同期してバイアス電圧を変化させることにより、動作クロックのタイミングで第１または第２の位置から支持部材の弾性力によってスイッチング部を動かすことができる。したがって、駆動電圧と連動してバイアス電圧を制御しなくても、バイアス電圧を一定のタイミングで変動させるだけで、スイッチング部に駆動電圧の変化に応答した動作を行わせることができる。このため、バイアス電圧の制御は容易である。さらに、バイアス電圧を支持部材の弾性力以上にすることも可能となるので、駆動電圧をさらに低減することができる。
【００１４】
また、電極の間に最小ギャップを確保するストッパーを設けておくことによりバイアス電圧による静電力を一定の範囲に収められるので、バイアス電圧を周期的にストッパーの位置で支持部材の弾性力に達しない値にすることによってスイッチング部を駆動電圧に応答させることができる。したがって、バイアス電圧の変動幅を抑えることが可能となり、バイアス電圧の制御にかかる回路を簡易にでき、また、消費電力を下げることができる。
【００１５】
スイッチング部を第１の位置に保持する保持力は、支持部材によりスイッチング部が第２の位置から第１の位置に移動するようにし、支持部材の弾性力によって第１の位置に保持するようにして得ることができる。すなわち、第１の位置をバイアス電圧による静電力と支持部材の弾性力が平衡になる安定点ではなく、支持部材の弾性力が静電力よりも大きくなるようにすることにより安定した保持力を得ることができる。また、静電力は式（２）に示したように距離の二乗に反比例して増加する。このため、支持部材が適当に変位した弾性力が働く位置を第１の位置とすることにより、支持部材の弾性力と１つまたは複数の位置で安定点のある駆動電圧であっても、第１の位置から第２の位置では安定点のない駆動電圧であれば、支持部材の弾性力との間で安定点を持たない駆動電圧より低い電圧によってスイッチング部を安定して駆動することができる。したがって、バイアス電圧を設定しない場合でも駆動電圧を低減できる。もちろん、バイアス電圧との組み合わせにより、さらに駆動電圧を低減できる。
【００１６】
また、支持部材を静電力が働かないときにスイッチング部を第１および第２の位置の略中間で支持可能なものとし、静電駆動手段としてスイッチング部を第１の位置に保持する第１の電極ペアと、第２の位置に保持する第２の電極ペアを設け交互に駆動電圧を印加することにより、それぞれの位置で静電力によって保持力を得ることができる。さらに、第１および第２の位置の間隔は変えずに、それぞれの電極ペアで動かす距離を半減することができるので、式（２）に示したように静電力Ｆｓの働く間隔を実質的に半分に縮め、駆動電圧を大幅に低減することができる。したがって、バイアス電圧を設定しない場合でも駆動電圧を低減できる。もちろん、バイアス電圧と組み合わせることにより、さらに駆動電圧を低減できる。
【００１７】
このように、本発明の空間光変調装置およびその制御方法では、スイッチング部の第１および第２の位置の間隔を変えずに、また、支持部材の弾性係数も変えずに駆動電圧を低減することが可能である。したがって、高速動作が可能で、コントラストの大きな空間光変調装置を低電圧で駆動することが可能となり、低コストで製造でき、消費電力も少ない空間光変調装置を提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
図１に、本発明に係る空間光変調装置を光スイッチング素子１として実現し、その光スイッチング素子１を複数個２次元的にアレイ状に並べて構成した画像表示装置２の概略構成を断面で示してある。また、図２に光スイッチング素子１の概略構成を拡大して示してある。本発明の光スイッチング素子１は、導入光１０を全反射して伝達可能な導光部２０の全反射面２２に対し、透光性の抽出面３２を備えたスイッチング部３０を接触させてエバネセント波を抽出することができるスイッチング素子である。抽出された光はスイッチング部３０で導光部２０の方向に反射されて出射光１２となり、導光部２０の出射面２１を通って外部へ出力される。この光スイッチング素子１は、スイッチング部３０の１波長程度あるいはそれ以下の微小な動きによって、入射光１０を高速で変調（オンオフ制御）することができ、このため、静電力とばね力を用いてスイッチング部３０を駆動する駆動部４０と、この駆動部４０に電力を供給して制御する制御部７０が設けられている。
【００１９】
光スイッチング素子１の構成を更に詳しく説明すると、光スイッチング素子１は、ガラス製で入射光１０の透過率の高い光ガイド（導光部、カバーガラス）２０を備えており、全反射面２２で入射光１０が全反射するように全反射面２２に対し適当な角度で入射光１０が入射される。そして、図２のスイッチング素子１ａに示すように、スイッチング部３０の抽出面３２が全反射面２２に接近あるいは密着してエバネセント光を抽出できる位置（第１の位置あるいはオン）Ｐ１になると、導光部２０から入射光１０がスイッチング部３０に抽出される。本例のスイッチング部３０は抽出された入射光１０を導光部２０にむけて反射可能なマイクロプリズム３４を備えており、抽出された光は導光部２０を通ってほぼ垂直な出射光１２となり出力される。一方、図２のスイッチング素子１ｂに示すように、スイッチング部３０が第１の位置から離れて、抽出面３２が全反射面２２から離れた位置（第２の位置あるいはオフ）Ｐ２になると、入射光１０は全反射面２２で全反射され導光部２０からエバネセント光として抽出されない。したがって、出射光１２は得られない。
【００２０】
このように、本例の光スイッチング素子１は、スイッチング部３０を第１および第２の位置に移動することにより、入射光１０を出射光１２として変調することができる空間光変調装置である。したがって、光スイッチング素子１を用いて出射光１２をオンオフ制御できるので、図１に示したように光スイッチング素子１をアレイ状に配置して画像表示装置２を構成し、先に説明した液晶あるいはマイクロミラーデバイスなどの空間光変調装置と同様に用いることができる。さらに、エバネセント光は、スイッチング部３０を波長程度あるいはそれ以下の距離を移動することにより制御できるので、スイッチング部３０を非常に高速で動作させることが可能であり、動作速度の速い光スイッチング素子として実現することができる。
【００２１】
このスイッチング部３０の下方には、光スイッチング部３０を動かす駆動部４０の層と、および駆動部４０を制御する制御ＩＣが構成されたシリコン基板（ＩＣチップ）７０の層が積層されている。駆動部４０は、スイッチング部３０のシリコン基板７０の側（下側）に設けられたベース電極６２と、シリコン基板７０の上面にベース電極６２に対峙するように設けられたアドレス電極６０とを備えておりこれらの電極６０および６２の組み合わせで静電力を発生し、スイッチング部３０を駆動するできるようになっている。さらに、駆動部４０は、スイッチング部３０の周囲に配置されたポスト４４からスイッチング部３０に延びた薄膜状で弾性のあるヨーク（支持部材）５０を備えている。したがって、本例のスイッチング素子１においては、１組の電極６０および６２からなる静電駆動手段の静電力Ｆｓと、ヨーク５０の弾性力Ｆｇにより、スイッチング部３０をスイッチング素子１ａに示す第１の位置Ｐ１、およびスイッチング素子１ｂに示す第２の位置Ｐ２に動かせるようになっている。
【００２２】
スイッチング部３０を支持するヨーク５０として適当な弾性を備えた導電性薄膜材、例えばＡｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｇ膜などを用いることが可能であり、本例では、ボロンドープされたシリコン薄膜で導電性および弾性のある薄膜が採用されている。このようなヨーク５０を採用することにより、画像表示装置２を構成するスイッチング素子１のベース電極６２に対し、制御部７０などから後述するバイアス電圧を一様に供給することができる。
【００２３】
さらに、本例のスイッチング素子は、第１の位置Ｐ１でヨーク５０にたわみ（初期変位）４９が残るようにセットされており、その初期変位４９による弾性力Ｆｇが保持力となって第１の位置Ｐ１でスイッチング部３０は導光部２０に押し付けられるようになっている。したがって、第１の位置Ｐ１（オン位置）ではスイッチング部３０の抽出面３２が全反射面２２に密着するようになり、効率良くエバネセント波を抽出することができる。また、ヨーク５０の初期変位４９した部分とスイッチング部３０が干渉しないように、スイッチング部３０とヨーク５０の間にはＴ字型のスペーサ４２が挿入されている。
【００２４】
また、本例のスイッチング素子は、電極６０および６２の間にストッパー６５が設置されている。このため、制御部７０からアドレス電極６０に駆動電圧Ｖｄが供給されて電極６０および６２の間に静電力Ｆｓが発生し、その力によってスイッチング部３０が第２の位置Ｐ２に移動したときにストッパー６５の位置で停止し、電極６０および６２は密着することなく適当な隙間（ギャップ）Ｇが確保できるようになっている。
【００２５】
図３に、本例のスイッチング素子１の駆動部４０における静電力Ｆｓと弾性力（ばね力）Ｆｇの関係を示してある。静電力Ｆｓは、駆動電圧Ｖｄを１０、２０、３０、４０および５０Ｖにしたときの力をそれぞれ示してある。図３に示したスイッチング素子１は、電極６０および６２の間隔が０．５μｍであり、静電力Ｆｓが加えられたときにストッパー６５によってこれらの電極６０および６２の間には０．１μｍのギャップＧが開くようになっている。また、ヨーク５０は第１の位置Ｐ１で０．５μｍ変位（初期変位ｘ０）した状態になるように設定されている。したがって、スイッチング部３０は、ヨーク５０の変位ｘで考えると第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２（ストッパー位置）まで初期変位ｘ０の０．５μｍから０．９μｍの０．４μｍの間隔ｄ０を移動し、これに伴って式（１）に示した弾性力Ｆｇが発生する。また、この間隔ｄ０の中では、駆動電圧Ｖｄが印加されているときは、式（２）に示したように、電極間ｄが０．５μｍの間を変位ｘで移動したときの静電力Ｆｓが発生する。
【００２６】
まず、第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２にスイッチング部３０を動かす駆動電圧Ｖｄについて検討する。第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２に向かってばね力Ｆｇに逆らってスイッチング部３０を移動するためには、常にばね力Ｆｇより大きな静電力Ｆｓが得られる駆動電圧Ｖｄを電極６０および６２に印加する必要がある。すなわち、ばね力Ｆｇと安定点を持たないような静電力Ｆｓを発揮できる駆動電圧Ｖｄを印加する必要がある。図３に示した例では、安定点をもたない静電力Ｆｓを発生させる電圧は５０Ｖであり、駆動電圧Ｖｄとして５０Ｖを印加すれば確実にスイッチング部３０を第２の位置Ｐ２に移動できる。しかしながら、上述したように、本例のスイッチング素子１では、ヨーク５０が第１の位置Ｐ１において初期変位ｘ０を持っており、この初期変位ｘ０以下の変位ｘにおいて安定点がある駆動電圧Ｖｄであっても問題なくスイッチング部３０を移動できる。すなわち、静電力Ｆｓは距離（ｄ−ｘ）の二乗に反比例するので、初期変位ｘ０があり、ヨークの変位ｘに対して電極間距離（ｄ−ｘ）が実質的に小さくなっている場合は、低い電圧を駆動電圧Ｖｄとして採用できる。図３では、駆動電圧Ｖｄが４０Ｖのときがそれに相当する。駆動電圧Ｖｄが４０Ｖでは、変位ｘが初期変位ｘ０よりも小さな領域ではばね力Ｆｇと静電力Ｆｓが等しくなってスイッチング部３０の動きが停止する安定点ｓ１およびｓ２があり、駆動電圧には適さない。しかしながら、変位ｘが初期変位ｘ０以上の領域では常に静電力Ｆｓがばね力Ｆｇよりも大きくなり、安定点がないので駆動電圧Ｖｄとして採用できる。
【００２７】
このように、初期変位ｘ０を導入することにより、第１の位置Ｐ１でスイッチング部４０を安定して保持することができ、さらに、駆動電圧Ｖｄを５０Ｖから４０Ｖに低減することができる。
【００２８】
さらに、初期変位ｘ０によって第１の位置Ｐ１でばね力Ｆｇが働いているので、このばね力Ｆｇ以下の静電力Ｆｓを与える電圧をバイアス電圧Ｖｂとして電極６０および６２の間に印加することができる。例えば、図３において１０Ｖをバイアス電圧Ｖｂとして設定すると、第１の位置Ｐ１において、このバイアス電圧Ｖｂによる静電力Ｆｓは図中のＢ１の値となる。したがって、バイアス電圧Ｖｂを印加した状態でも第１の位置Ｐ１におけるばね力Ｆｇとの差Ｆｋ１が保持力として働くので、スイッチング部３０を安定して保持できる。一方、バイアス電圧Ｖｂを印加しておくと、駆動電圧Ｖｄとして３０Ｖを印加することにより駆動電圧Ｖｄが４０Ｖのときの静電力Ｆｓを得ることができるので、スイッチング部３０を駆動することができる。したがって、駆動電圧Ｖｄをさらに１０Ｖ下げることができる。
【００２９】
バイアス電圧Ｖｂは、図１に示した画像表示装置２を構成するスイッチング素子１に対し共通に印加することが可能である。例えば、駆動電圧Ｖｄの基準電圧が０Ｖで、ここのスイッチング素子１を駆動するアドレス電極６０に高電位の駆動電圧Ｖｄを印加して駆動するときは、これらのスイッチング素子１に共通するベース電極６２に−１０Ｖを一律に印加することにより駆動電圧Ｖｄと同極性のバイアス電圧Ｖｂを設定できる。もちろん、駆動電圧Ｖｄの基準電圧が１０Ｖ上昇するようにバイアス電圧Ｖｂを設定する回路を組むことも可能である。
【００３０】
さらに、本例のスイッチング素子１においては、第２の位置Ｐ２で電極６０および６２の間にストッパー６５によるギャップＧが存在するので、静電力Ｆｓが無限に大きくなることはない。このため、バイアス電圧Ｖｂが１０Ｖのときは、それによって発生する静電力Ｆｓが第２の位置Ｐ２において図中のＣ１の値であり、ばね力Ｆｇに達していない。したがって、駆動電圧Ｖｄがなくなると、バイアス電圧Ｖｂが印加された状態でも第２の位置Ｐ２においてばね力Ｆｇが静電力Ｆｓよりも大きくなり、スイッチング部３０はばね力Ｆｇによって第２の位置Ｐ２から第１の位置Ｐ１に移動する。したがって、バイアス電圧Ｖｂを印加した状態でも駆動電圧Ｖｄを制御するだけでスイッチング部３０をオンオフ制御することができる。
【００３１】
このように、第２の位置Ｐ２において、ばね力Ｆｇに達しないバイアス電圧Ｖｂを印加する場合は、一定の電圧のバイアス電圧Ｖｂをすべてのスイッチング素子に対し連続して印加することが可能であり、バイアス電圧Ｖｂの制御は非常に簡単となる。このため、制御部７０の構成を複雑にしないでバイアス電圧Ｖｂを印加することができ、駆動電圧Ｖｄをバイアス電圧Ｖｂ分だけ低減することができる。したがって、制御部７０の耐圧を下げたり、構成を簡易にできるので、制御部７０のサイズを縮小でき、さらに低コストで製造することができる。さらに、駆動電圧の電源電圧を下げることができるので、消費電力も抑えることができる。一方、第１の位置Ｐ１ではスイッチング部３０を安定に保持する保持力Ｆｋ１を確保することができる。また、スイッチング部３０の移動距離ｄ０は変えなくて良いので十分なコントラストを得ることができる。さらに、ヨーク５０の弾性係数Ｋも変える必要がないので、スイッチング部３０の駆動速度もほとんど変化しない。バイアス電圧Ｖｂを印加しても図３から分かるように、バイアス電圧Ｖｂによる静電力Ｆｓは距離の二乗に反比例して急激に減少するので、第２の位置Ｐ２から第１の位置Ｐ１に移動する際の速度にはそれほどの影響力はない。
【００３２】
次に、バイアス電圧Ｖｂが２０Ｖのときを検討する。第１の位置Ｐ１においてバイアス電圧Ｖｂ（２０Ｖ）による静電力Ｆｓは、図中のＢ２の値になる。したがって、ばね力Ｆｇとの差として保持力Ｆｋ２が得られるので、スイッチング部３０を安定して保持することができる。一方、スイッチング部３０を駆動するために必要となる４０Ｖの静電力Ｆｓを得るために２０Ｖの駆動電圧Ｖｄを印加すれば良く、上記のケースよりさらに駆動電圧Ｖｄを１０Ｖ低減することができる。しかしながら、第２の位置Ｐ２においては、バイアス電圧Ｖｂが２０Ｖであると、静電力Ｆｓがばね力Ｆｇを上回るので駆動電圧Ｖｄをオフにしてもスイッチング部３０は第２の位置Ｐ２から第１の位置Ｐ１に移動しない。このため、第２の位置Ｐ２からスイッチング部３０が移動するようにするには、バイアス電圧Ｖｂを０にするか、あるいは、ばね力Ｆｇよりも小さな値となる電圧、例えば１０Ｖに低下する必要がある。このようなバイアス電圧Ｖｂの制御は、スイッチング部３０を第２の位置Ｐ２から第１の位置Ｐ１に移動するタイミングで行えば良い。しかしながら、例えば、スイッチング部３０を駆動するクロック信号に同期して周期的に行うことも可能である。第１の位置Ｐ１においてバイアス電圧Ｖｂが変動しても、保持力Ｆｋ２が増加するだけであり、また、第２の位置Ｐ２にスイッチング部３０を保持している場合は駆動電圧Ｖｄが印加されているので、バイアス電圧Ｖｂをオフにしてもスイッチング部３０は動かない。バイアス電圧Ｖｂをクロック信号などと同期して周期的に変化させるのであれば、図１に示したようにアレイ状に配置された複数のスイッチング素子１のベース電極６２の電位を一律に制御するだけで良い。したがって、バイアス電圧Ｖｂの制御回路を複雑にしないで駆動電圧Ｖｄをさらに低減することができる。
【００３３】
図４に、駆動電圧Ｖｄおよびバイアス電圧Ｖｂを用いてスイッチング部３０を制御する様子をタイミングチャートを用いて示してある。時刻ｔ１にバイアス電圧Ｖｂが２０Ｖから１０Ｖに減り、駆動電圧Ｖｄが０Ｖなると、第２の位置Ｐ２にあったスイッチング部３０はばね力Ｆｇによって第１の位置Ｐ１に移動する。時刻ｔ２にバイアス電圧Ｖｂが１０Ｖから２０Ｖに増加しても第１の位置Ｐ１ではばね力Ｆｇの方が大きいのでスイッチング部３０の位置は安定して保持できる。時刻ｔ１から１クロック後の時刻ｔ３に２０Ｖの駆動電圧Ｖｄが印加され、それと同じタイミングでバイアス電圧Ｖｂが１０Ｖに減る。したがって、時刻ｔ３では電極間に３０Ｖの電位差による静電力Ｆｓが働くだけになるのでスイッチング部３０は動かない。しかしながら、時刻ｔ４にバイアス電圧Ｖｂが増加すると、電極間に４０Ｖの電位差による静電力Ｆｓが働き、スイッチング部３０は第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２に移動する。時刻ｔ３から１クロック後の時刻ｔ５に駆動電圧Ｖｄが０Ｖになると時刻ｔ１と同様にスイッチング部３０が第２の位置Ｐ２から第１の位置Ｐ１に移動する。このように、バイアス電圧Ｖｂをクロック周期で第２の位置Ｐ２でばね力Ｆｇに達しないように増減することにより、ばね力Ｆｇを上回るバイアス電圧Ｖｂを印加することが可能であり、さらに、駆動電圧Ｖｄに応じてスイッチング部３０を動かすことが可能となる。したがって、駆動電圧Ｖｄはバイアス電圧Ｖｂの分だけ低くすることができる。このため、駆動電圧Ｖｄを制御する制御部７０の構成を更に簡略化でき、耐電圧も低くできるのでコンパクトにできる。また、駆動電圧の電源電圧も低くできるので消費電力を削減できる。
【００３４】
さらに、時刻ｔ６に駆動電圧Ｖｄが高レベルになってスイッチング部３０が第２の位置に移動した後、次のクロック周期である時刻ｔ７で駆動電圧Ｖｄが維持されるとバイアス電圧Ｖｂが減っても電極間には３０Ｖの電位が印加された状態となるので静電力Ｆｓがばね力Ｆｇを上回りスイッチング部３０は移動しない。同様に、時刻ｔ８に駆動電圧Ｖｄが０Ｖになってスイッチング部３０が第１の位置Ｐ１に移動し、次のクロック周期で時刻ｔ９に駆動電圧Ｖｄが印加されないと、バイアス電圧Ｖｂが増減しても第１の位置Ｐ１では静電力Ｆｓがばね力Ｆｇを上回らないのでスイッチング部３０は移動しない。このように、バイアス電圧Ｖｂを周期的に増減させても、駆動電圧Ｖｄによってスイッチング部３０の全ての動きを制御することができる。本例では、駆動電圧Ｖｄが高レベルに変化するときにスイッチング部３０の動作にバイアス電圧Ｖｂが増減する間だけ遅れが生ずることになるが、バイアス電圧Ｖｂが増減する時間はばね力Ｆｇによってスイッチング部３０が始動する間だけで良いので非常に短い時間で良く、画像表示などにおいて影響が生ずる可能性は非常に小さい。
【００３５】
本例では、バイアス電圧Ｖｂを１０−２０Ｖの範囲で増減しているが、バイアス電圧Ｖｂを０−２０Ｖの範囲で変化させても良いことはもちろんである。しかしながら、第２の位置Ｐ２でストッパー６５を設けてあるために静電力Ｆｓが無限大に大きくなることはなく、バイアス電圧Ｖｂを１０Ｖに低減するだけでばね力Ｆｇが上回ってスイッチング部３０を移動できることは上述した通りである。したがって、バイアス電圧Ｖｂの変動範囲も１０−２０Ｖの範囲として、バイアス電圧Ｖｂの制御にかかる回路を簡略化でき、また、ベース電圧の増減に伴う消費電力も低減することができる。
【００３６】
もちろん、上記に示した駆動電圧およびバイアス電圧はそれぞれのケースを検討するために例示した値であり、上述した条件を満たす電圧であれば、以上に示した値でなくても対応する効果が得られることはもちろんである。また、本例に示した駆動電圧およびバイアス電圧の値は、図３に仮定した条件における値であり、本発明にかかる駆動電圧およびバイアス電圧が本明細書に例示した値に限定されないこともちろんである。
【００３７】
〔第２の実施の形態〕
図５に、本発明にかかる空間光変調装置を上記と異なる光スイッチング素子１として実現した例を示してある。本例の光スイッチング素子１も、エバネセント波を抽出して出射光１２を照射可能な光スイッチング素子であり、導光部２０、反射型の光スイッチング部３０、駆動部４０および制御部７０が積層されて構成されている。このため、上記の実施の形態と共通する部分については、同じ符号を付して説明を省略する。本例の光スイッチング素子１は、駆動部４０にスイッチング部３０を第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２に動かすための電極６０および６２のペア（以下では第２の電極ペアとする）Ｅ２に加え、第２の位置Ｐ２から第１の位置Ｐ１に動かすための電極６４および６６のペア（以下では第１の電極ペア）Ｅ１が設けられている。このため、スペーサ４２からプリズム３４を支持するためのバッファ部材３５の側面に、略コの字方のきり欠き３８が対称な位置に設けられている。そして、このスペース３８に支柱４４から延ばした補助柱４７が挿入されており、柱側にアドレス電極なる電極６６が固定され、バッファ部材４５の側にベース電極（共通電極）となる電極６４が固定されている。
【００３８】
本例の光スイッチング素子１においては、さらに、ヨーク５０は第１の位置Ｐ１および第２の位置Ｐ２の中間位置Ｐ３が平衡、すなわち、変位ｘが０となるように設定されている。このため、スイッチング部３０は、第１の位置Ｐ１から中間位置までヨーク５０の弾性力Ｆｇで移動し、その後、電極６０および６２の第２のペアＥ２の静電力Ｆｓで第２の位置Ｐ２まで移動する。逆方向には、第２の位置Ｐ２から中間位置Ｐ３まで弾性力Ｆｇで移動し、その後は、電極６４および６６の第１のペアＥ１の静電力Ｆｓで第１の位置Ｐ１まで移動する。そして、第１の位置Ｐ１では、第１のペアＥ１の静電力Ｆｓが保持力となって働く。また、電極６４および６６の間隔は、第１の位置Ｐ１において全反射面２２がストッパーとなってギャップＧが開くように設定されており、第２の位置Ｐ２と同様に第１の位置Ｐ１においても静電力Ｆｓを一定の範囲に止められるようになっている。
【００３９】
コア５０の平衡な位置が第１および第２の位置の中間位置Ｐ３であり、第１および第２の電極ペアＥ１およびＥ２によって中間位置から第１の位置Ｐ１の間と中間位置から第２の位置Ｐ２の間を駆動する駆動部４０においては、それぞれの電極ペアＥ１およびＥ２が静電駆動手段として機能する間隔は第１および第２の位置の間隔ｄ０の半分でよい。したがって、スイッチング部３０の移動間隔ｄ０は変えずに、静電力Ｆｓが働く間隔を半分にできるので、上記の式（２）から分かるように間隔ｄを半分にすることができ、これに伴い同じ静電力Ｆｓを得るための駆動電圧Ｖｄも半分となる。さらに、第１の位置Ｐ１において静電力Ｆｓを保持力として利用できるので、ばね力Ｆｇで保持力を確保するための初期変位ｘ０は不要となる。したがって、この初期変位ｘ０に対抗するために要求された静電力Ｆｓの分も不要となるので、さらに駆動電圧Ｖｄを下げることができる。
【００４０】
図６に基づきさらに説明する。図６において、コアの変位ｘが０の位置が第１の位置Ｐ１とし、変位ｘが０．５μｍの位置が第２の位置Ｐ２とすると、この駆動系は、第１の位置Ｐ１で保持力は得られないが、ばね力Ｆｇによって第２の位置Ｐ２から第１の位置Ｐ１にスイッチング部３０を移動することができるものとなる。このようなばね力Ｆｇに対し、第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２まで安定点のない静電力Ｆｓを得ることができる駆動電圧Ｖｄであれば、スイッチング部３０を第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２に移動することができる。図６に示した例では、駆動電圧Ｖｄが２０Ｖのときにばね力Ｆｇに逆らってスイッチング部３０を移動することができる。したがって、このケースは、図３に示したものと同じ構成のスイッチング素子で、ばね力Ｆｇによって第１の位置Ｐ１で保持力が得られない場合に相当する。すなわち、保持力が得られない程度のばね力Ｆｇに逆らってスイッチング部３０を駆動するのに２０Ｖの駆動電圧Ｖｄが必要となっている。
【００４１】
一方、図５に示した２つの電極ペアＥ１およびＥ２を備えた本例のスイッチング素子１においては、図６にカギ括弧で示したようにコアの変位ｘが０の位置を中間位置Ｐ３とし、コアの変位ｘが０．２５の位置を第１の位置Ｐ１または第２の位置Ｐ２とすることができる。そして、電極６０および６２からなる第２の電極ペアＥ２が中間位置Ｐ３からばね力Ｆｇに逆らってスイッチング部３０を第２の位置Ｐ２に動かし、同様に、電極６４および６６からなる第１の電極ペアＥ１が中間位置Ｐ３からばね力Ｆｇに逆らってスイッチング部３０を第１の位置Ｐ１に動かす。電極ペアＥ１およびＥ２によってスイッチング部３０を駆動する様子は同じなので、電極ペアＥ２に基づき説明すると、中間位置Ｐ３からばね力Ｆｇに逆らってスイッチング部３０を動かすためには、中間位置Ｐ３から第２の位置Ｐ２の間で安定点を持たない静電力Ｆｓが得られる駆動電圧Ｖｄを印加すれば良い。本例では、７Ｖの駆動電圧Ｖｄを印加すればスイッチング部３０を中間位置Ｐ３から第２の位置Ｐ２に動かすことができる。したがって、本例のスイッチング素子１においては、２つの電極ペアＥ１およびＥ２に７Ｖの駆動電圧Ｖｄを交互に印加することによりスイッチング部３０を駆動できる。このため、上記と比較すると駆動電圧Ｖｄを２０Ｖから７Ｖへと、略１／３に削減することが可能となる。さらに、中間位置Ｐ３から第１の位置Ｐ１に静電力Ｆｓを用いて動かし、その静電力Ｆｓで保持できるので、第１の位置Ｐ１にスイッチング部３０を保持する保持力を得ることも可能となる。
【００４２】
さらに、上記の実施の形態と同様に、本例においてもバイアス電圧Ｖｂを印加することにより、さらに駆動電圧Ｖｄを下げることができる。図７は、図６に示したばね力Ｆｇと静電力Ｆｓを拡大して示してものであり、さらに、電圧Ｖｄが５Ｖ，４Ｖおよび２Ｖの静電力Ｆｓを加えて示してある。バイアス電圧Ｖｂとして２Ｖを電極６０および６２、６４および６６の間に印加すると、中間位置Ｐ３においては５Ｖの駆動電圧Ｖｄを印加することにより駆動電圧Ｖｄが７Ｖのときの静電力Ｆｓが得られる。したがって、５Ｖの駆動電圧Ｖｄでスイッチング部３０を駆動することができる。また、第１の位置Ｐ１または第２の位置Ｐ２においては、バイアス電圧Ｖｂが２Ｖの静電力Ｆｓよりもばね力Ｆｇの方が大きくなるので、５Ｖの駆動電圧Ｖｄをオンオフするだけでスイッチング部３０を駆動することができる。また、２つの電極ペアＥ１およびＥ２に同じバイアス電圧Ｖｂを印加するので、中間位置Ｐ３ではバイアス電圧Ｖｂによる静電力Ｆｓがつりあい、中間位置Ｐ３が変動することは少ない。一方、いずれかの位置に向かってスイッチング部３０が移動を開始すると他方の電極ペアの間隔は広くなり、静電力Ｆｓが距離の二乗に反比例して減少する。したがって、いったん何れかの電極ペアの方向にスイッチング部３０が移動を開始すると、他方の電極ペア間のバイアス電圧Ｖｂによる影響はほとんど生じない。
【００４３】
このようなバイアス電圧Ｖｂは、スイッチング部３０と共に移動する第２の電極ペアＥ２のベース電極６２と、第１の電極ペアＥ１のベース電極６４に共通の電位を印加しておくことにより供給できる。さらに、駆動電圧Ｖｄと同極性のバイアス電圧を印加するには、駆動電圧の基準電圧よりも低い電圧、例えば基準電圧が０Ｖであるときに−２Ｖをバイアス電圧Ｖｂとしてベース電極６２および６４に共通に印加しておくことにより実現できる。
【００４４】
バイアス電圧Ｖｂを更に上げて４Ｖのバイアス電圧Ｖｂを印加することも可能である。この場合、３Ｖの駆動電圧Ｖｄを印加することにより７Ｖの静電力Ｆｓを得ることが可能であり、スイッチング部３０を３Ｖの駆動電圧Ｖｄで駆動することができる。中間位置Ｐ３では、バイアス電圧Ｖｂが２つの電極ペア間でつりあっているので、３Ｖの静電力Ｆｓのみが有効であるが、ばね力Ｆｇが０であるのでスイッチング部３０は移動を開始し、いったん移動を始めると上述したように他の電極ペアのバイアス電圧Ｖｂの影響はほとんどなくなるので、ばね力Ｆｇと安定点が生ずることなく、スムーズにスイッチング部３０を移動できる。
【００４５】
一方、第１の位置Ｐ１あるいは第２の位置Ｐ２においては、４Ｖのバイアス電圧Ｖｂによる静電力Ｆｓの方がばね力Ｆｇよりも強くなるので、駆動電圧Ｖｄをオフにしてもスイッチング部３０は移動を開始しない。したがって、この場合は、クロック信号と同期してバイアス電圧Ｖｂを０Ｖまたはばね力Ｆｇが勝る２Ｖに減らす必要がある。そして、４Ｖのバイアス電圧Ｖｂをクロック信号と同期して増減することにより、３Ｖの駆動電圧Ｖｄを交互に第１および第２の電極ペアに与えることによりスイッチング部３０を駆動することができる。したがって、本例のスイッチング素子１においては、上記の実施の形態で説明した最も一般的に採用される５０Ｖという高電圧の駆動電圧を３Ｖという半導体回路で使いやすい電圧レベルまで低減することができる。このため、制御部７０の回路規模を非常に縮小することが可能となり、また、消費電力も大幅に低減できる。
【００４６】
図８に、本例のスイッチング素子１のスイッチング部３０を駆動電圧Ｖｄおよびバイアス電圧Ｖｂを用いてスイッチング部３０を制御する様子をタイミングチャートを用いて示してある。時刻ｔ１１にバイアス電圧Ｖｂが４Ｖから２Ｖに減り、スイッチング部３０を第２の位置Ｐ２に向かって駆動する第２の電極ペアＥ２の駆動電位Ｖｄ２をオフ（３Ｖから０Ｖ）にすると、第２の電極ペアＥ２の全電圧は７Ｖから２Ｖに減少する。したがって、ばね力Ｆｇが静電力Ｆｓよりも大きくなるので、スイッチング部３０が第２の位置Ｐ２から中間位置Ｐ３に向かって移動する。時刻ｔ１２に、スイッチング部３０を第１の位置Ｐ１に向かって駆動する第１の電極ペアＥ１の駆動電位Ｖｄ１がオン（０Ｖから３Ｖ）になり、バイアス電圧Ｖｂが４Ｖになると、第１の電極ペアＥ１の全電圧は７Ｖとなり、スイッチング部３０は第１の位置Ｐ１に移動して、その位置で保持される。このとき、バイアス電圧Ｖｂによって、第２の電極ペアＥ２の全電圧が４Ｖになるが、第２の電極ペアＥ２の間隔が広く開いているので、その静電力Ｆｓはほとんど無視できる状態となる。
【００４７】
時刻ｔ１１から１クロック後の時刻ｔ１３にバイアス電圧Ｖｂが４Ｖから２Ｖに減り、第１の電極ペアＥ１の駆動電圧Ｖｄ１がオフになると、スイッチング部３０は第１の位置Ｐ１から中間位置Ｐ３に向かって移動を開始する。そして、時刻ｔ１４に第２の電極ペアＥ２の駆動電圧Ｖｄ２がオンになり、バイアス電圧Ｖｂが４Ｖになると、第２の電極ペアＥ２の全電圧は７Ｖとなるので、スイッチング部３０は第２の位置Ｐ２に動いて保持される。
【００４８】
さらに、時刻ｔ１３から１クロック後の時刻ｔ１５にバイアス電圧Ｖｂが減り、駆動電圧Ｖｄ２がオフになり、それに続いて駆動電圧Ｖｄ１がオンになるとスイッチング部３０は第２の位置Ｐ２から第１の位置Ｐ１に移動する。この状態で、時刻ｔ１５から１クロック後の時刻ｔ１６にバイアス電圧Ｖｂが減っても、駆動電圧Ｖｄ１がオンの状態だと、第１の電極ペアＥ１の全電圧は５Ｖに維持されるので、スイッチング部３０は第１の位置Ｐ１に保持された状態となる。逆に、時刻ｔ１７に駆動電圧Ｖｄ１がオフになり、駆動電圧Ｖｄ２がオンになってスイッチング部３０が第２の位置に動いた後、クロック周期で時刻ｔ１８および時刻ｔ１９にバイアス電圧Ｖｂが４Ｖから２Ｖに減っても駆動電圧Ｖｄ２がオンになっているのでスイッチング部３０は第２の位置Ｐ２に保持される。そして、時刻ｔ２０に駆動電圧Ｖｄ２がオフになり、駆動電圧Ｖｄ１がオンになるとスイッチング部３０は第２の位置Ｐ２から第１の位置Ｐ１に移動する。
【００４９】
このように、本例のスイッチング素子１においては、駆動電圧Ｖｄを０−３Ｖで変化させることにより、スイッチング部３０を駆動することができる。また、バイアス電圧Ｖｂも２−４Ｖの範囲をクロック周期で変化させるだけでよい。したがって、本例のスイッチング素子１はスイッチング部３０を駆動するための電圧を大幅に低減することができ、通常のバッテリの電源レベルで駆動することが可能となる。さらに、これに共ない、図１に示した複数のスイッチング素子をアレイ状に配置した画像表示装置もバッテリの電圧レベルの電圧で駆動することができる。このように駆動電圧を下げることにより、制御回路で制御可能な電圧レベルを下げることができ、また、耐電圧特性も低くて良いので、スイッチング素子およびこれを用いた画像表示装置を従来の半導体集積回路で直接駆動することも可能となる。また、電源電圧が低くてよいので、消費電力も大幅に低減できる。一方、スイッチング素子としての性能、例えば、ヨーク５０の弾性係数、スイッチング素子の移動距離、さらには、スイッチング部３０をオン位置で保持する能力などをそのまま維持することができる。したがって、コントラストが高く、高速で安定した動作ができるスイッチング素子を低コストで供給することができる。また、このスイッチング素子をアレイ状に配置することにより、解像度が高く、明るい画像を高速で表示でき、低消費電力の画像表示装置を低コストで提供することができる。
【００５０】
なお、以上の例では、エバネセント波を利用した光スイッチング素子を例に本発明を説明しているが、スイッチング部の抽出面に変わる平面要素を平行に動かす空間光変調装置に限られることはなく、角度を変えて光をオンオフする空間光変調装置など、スイッチング部の位置を変えて入射光を変調したり、偏光方向あるいは反射光の位相を変化させるなどのさまざまなタイプの空間光変調装置に本発明を適用できることはもちろんである。また、以上の例では、薄膜材からなるヨークを弾性材として用いた例を説明しているが、もちろん、コイルばねなどの他の形状の弾性材を採用することも可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の空間光変調装置は、弾性力と静電力とを用いてスイッチング部を駆動し光を変調可能なものであって、スイッチング部をオン位置で保持できる適当な範囲のバイアス電圧を加えることにより、スイッチング部の特性を犠牲にすることなく駆動電圧を低減できるようにしている。さらに、静電力を与える電極ペアを２組も受けることにより、駆動電圧を従来の数分の１から１桁少ない電圧、あるいはそれ以下の電圧に低減することができる。したがって、高速でスイッチング部を動かすことができ、応答時間が短く、応答速度の早い空間光変調装置であって、低電圧で駆動できる空間光変調装置およびその制御方法を提供できる。
【００５２】
本発明にかかる空間光変調装置は、スイッチング素子として、あるいはスイッチング素子をアレイ状に並べた画像表示装置などとして提供することが可能であり、駆動電圧を大幅に下げることができるので、半導体制御装置によって直にスイッチング素子あるいは画像表示装置を駆動することが可能となる。このため、これらのスイッチング素子あるいは画像表示装置を大幅にコストダウンすることが可能となる。さらに、駆動電圧を引き下げできるので、スイッチング素子あるいは画像表示装置の消費電力も大幅に低減することが可能となる。したがって、本発明により高速応答特性に優れたエバネセント波などを用いてスイッチング素子あるいは画像表示装置を電池などの限られた電力で駆動できるようにすることができる。このため、本発明は、スイッチング部の位置を動かして光を変調するエバネセント波などを用いた空間光変調装置を、今後、様々な分野で適用するために非常に有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るエバネセント光を用いた光スイッチング素子をアレイ状に配置した画像表示装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す光スイッチング素子のスイッチング部の構成を拡大して示す断面図である。
【図３】図１に示す光スイッチング素子における弾性力（ばね力）と静電力との関係をスイッチング部の移動量（変位）に対して示す図である。
【図４】図１に示す光スイッチング素子を駆動電圧をバイアス電圧によって駆動する様子を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態にかかる光スイッチング素子の構成例を示す図である。
【図６】図５に示すスイッチング素子の駆動電力を図１に示すスイッチング素子の駆動電力と比較するためのグラフである。
【図７】図５に示す光スイッチング素子における弾性力（ばね力）と静電力との関係をスイッチング部の移動量（変位）に対して示す図である。
【図８】図５に示す光スイッチング素子を駆動電圧をバイアス電圧によって駆動する様子を示すタイミングチャートである。
【図９】従来の液晶を用いた光スイッチング素子を示す図である。
【符号の説明】
１・・空間光変調装置
２・・画像表示装置
１０・・入射光
１２・・出射光
２０・・導光部
２２・・全反射面
３０・・スイッチング部
３２・・抽出面
３３・・マイクロプリズム
３８・・隙間
４０・・駆動部
４４・・支柱（ポスト）
４９・・たわみ（初期変位）
５０・・ヨーク（弾性体）
６０・・アドレス電極（第２の電極ペア）
６２・・ベース電極（第２の電極ペア）
６４・・ベース電極（第１の電極ペア）
６５・・ストッパ
６６・・アドレス電極（第１の電極ペア）
７０・・制御部
９０８・・偏光板
９０３・・ガラス板
９０４、９０５・・透明電極
９０６、９０７・・液晶
【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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