(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ光学素子とマイクロアクチュエータを有する能動型マイクロ光学素子において、
中間電極と、
中間電極の上面側に設けられた上電極と、
中間電極の下面側に設けられた下電極と、
中間電極の上面に設けられるとともに、中間電極と当該中間電極の上方に位置するマイクロ光学素子とを結合する結合部とを備え、
マイクロアクチュエータのばね支持部が１つで、１本のばねにより中間電極を支えている構造を持ち、1ヶ所以上の結合部によりマイクロ光学素子と結合され、
中間電極と下電極、又は、上電極との印加電圧により中間電極を移動させるアクチュエータ構造を有し、
上電極の面積より下電極の面積の方が大きく、かつ、下電極、中間電極、上電極の電位が等しい時、中間電極と上電極との間隔より中間電極と下電極との間隔の方が大きいことを特徴とする能動型マイクロ光学素子。
【請求項２】
マイクロアクチュエータにマイクロ光学素子が結合され、マイクロアクチュエータ毎に駆動回路を持つ静電駆動式マイクロアクチュエータによって、マイクロ光学素子が移動する能動型マイクロ光学素子において、
中間電極と、
中間電極の上面側に設けられた上電極と、
中間電極の下面側に設けられた下電極を備え、
中間電極と下電極に電位差が生じ、下方向に移動する時に、中間電極とマイクロ光学素子との接続部の底面、又は、一部、あるいは、中間電極の底面が、隣の中間電極に接続されているばねを支えるとともに導電性を有する支柱の一部に接触して停止し、中間電極と隣の中間電極に接続されている支柱とが接触した状態で電気的に導通することを特徴とする能動型マイクロ光学素子。
【請求項３】
マイクロ光学素子、マイクロアクチュエータ、マイクロアクチュエータ毎に駆動回路を持つ静電駆動式マイクロアクチュエータにより、マイクロ光学素子が移動する能動型マイクロ光学素子において、
中間電極と、
中間電極の上面側に設けられた上電極と、
中間電極の下方への移動を規定するとともに、中間電極の上面側に設けられた上電極と、
中間電極の下面側に設けられた下電極と、
中間電極の上面に設けられるとともに、中間電極とマイクロ光学素子とを結合する結合部とを備え、
前記結合部は導体、あるいは、絶縁体で構成され、マイクロ光学素子の底面は、絶縁体で構成され、中間電極と下電極に電位差が生じ、下方向に移動する時に、上電極の上面とマイクロ光学素子の下面の一部、又は、全部が接触してマイクロ光学素子が停止することを特徴とする能動型マイクロ光学素子。
【請求項４】
マイクロアクチュエータ、駆動回路、下部と上部の電極の中間に中間電極を持ち、中間電極に接続されたマイクロ光学素子が移動して光スイッチング動作をする能動型マイクロ光学素子において、
マイクロ光学素子が上方に移動した時、マイクロ光学素子の上方に設けられた導光部により、マイクロ光学素子の位置が規定され、マイクロ光学素子が前記導光部に接触し停止した時、中間電極の上面（上電極側の面）と上電極の下面（中間電極側の面）が、少なくとも全面にわたり接触していない、構成にしたことを特徴とする能動型マイクロ光学素子。
【請求項５】
請求項１、２、３、４のいずれかに記載の能動型マイクロ光学素子のアレイ化によって、アレイ状の光スイッチング素子を構成し、前記光スイッチング素子アレイで画像を表示することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロマシンによりマイクロ光学素子を動かし光スイッチングする能動型光学素子、及び、画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のマイクロアクチュエータは、中間電極と上、又は、下の電極との間に電圧を印可し、中間電極を上下に移動させている。また、上下の電極には絶縁膜が中間電極側に設けられており、中間電極が移動し上、又は、下の電極に接触するのを前記絶縁層で防止していた。前記絶縁層は、中間電極が移動する時の上限、又は、下限のストッパーの役割も担っていた。
【０００３】
中間電極に接続されているばねは、通常２本、又は、４本のものが主流で、各々のばねはそれぞれ支持部材によって片端を固定されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロ光学素子をライン状に並べたり、アレイ状に並べたりしたプリンターヘッド、又は、画像表示素子等の場合、ライン状、又は、アレイ状に並べた素子の大きさは、省電力、ローコスト化の為、小さい方が望ましい。素子を小さくするには個々のマイクロ光学素子を小さくする必要がある。それに伴いアクチュエータ部の構成部材も小さくする必要があるが、要求変位量を満たす為にはある程度の大きさが必要となる。
【０００５】
そこで、ばねの有効長が短くなり、駆動電圧が大きくなるという問題点が生ずる。また、ばねの支持部が２つ以上あると、ばね、及び、ばね支持部の面積で、電極の面積が取れず、電極面積が小さくなり、駆動電圧が大きくなるという問題点も生ずる。
【０００６】
また、中間電極が上、又は、下の電極に接触するのを絶縁層で防止し、中間電極が移動する時の上限、又は、下限のストッパーになっている為に、中間電極は絶縁層に面で接触し止まっていた。電極電圧が切り替わり絶縁層から離れようとした時、面で接触して止まっていた為、吸着、エアーダンピング等の弊害によりアクチュエータが動かなくなったり、動く速さが遅くなる等の問題も生ずる。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためのものであり、非常に簡単な構造で、上下駆動できる、より小さい能動型マイクロ光学素子アレイを実現し、吸着も起こらず、しかも、信頼性あるマイクロアクチュエータ、能動型マイクロ光学素子、及び、画像表示素子を提供することを主な目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、
１）  マイクロ光学素子とマイクロアクチュエータを有する能動型光学素子において、中間電極の上下に電極を有し、マイクロアクチュエータのばね支持部が１つで、１本のばねにより中間電極を支えている構造を持ち、中間電極にマイクロ光学素子との結合部が有り、1ヶ所以上の結合部によりマイクロ光学素子と結合されていることを特徴とする。
【０００９】
２）  マイクロアクチュエータ、駆動回路をアレイ状に持つ静電駆動式マイクロアクチュエータにおいて、下部と上部の電極の中間に中間電極を持ち、中間電極と下電極、又は、上電極との印加電圧により中間電極を移動させるアクチュエータ構造を有し、中間電極はばね構造を介し支持されており、下電極、中間電極、上電極の電位が等しい時、中間電極と下電極の間隔と、中間電極と上電極の間隔を等しくない構成としたことを特徴とする。
【００１０】
３）  マイクロアクチュエータ、駆動回路をアレイ状に持つ静電駆動式マイクロアクチュエータにおいて、中間電極の電位を少なくとも一つ以上隣のマイクロアクチュエータの中間電極の電位と等しくすること、中間電極と下電極に電位差が生じ、下方向に移動し止まる時に、中間電極の一部が、隣の中間電極に接続されているばねを支える支柱の一部に接触することを特徴とする。
【００１１】
４）  マイクロアクチュエータにマイクロ光学素子が結合され、マイクロアクチュエータ毎に駆動回路を持つ静電駆動式マイクロアクチュエータによって、マイクロ光学素子が移動する能動型マイクロ光学素子において、中間電極の電位を少なくとも一つ以上隣のマイクロアクチュエータの中間電極の電位を等しくすること、中間電極と下電極に電位差が生じ、下方向に移動する時に、中間電極とマイクロ光学素子との接続部の底面、又は、一部、あるいは、中間電極の底面が、隣の中間電極に接続されているばねを支える支柱の一部に接触して停止することを特徴とする。
【００１２】
５）  マイクロ光学素子、マイクロアクチュエータ、マイクロアクチュエータ毎に駆動回路を持つ静電駆動式マイクロアクチュエータにより、マイクロ光学素子が移動する能動型マイクロ光学素子において、中間電極の上下に電極を持ち、中間電極にマイクロ光学素子との結合部が有り、この結合部によりマイクロ光学素子と結合し、前記結合部は導体、あるいは、絶縁体で構成され、マイクロ光学素子の底面は、絶縁体で構成され、中間電極と下電極に電位差が生じ、下方向に移動する時に、上電極の上面とマイクロ光学素子の下面の一部、又は、全部が接触してマイクロ光学素子が停止することを特徴とする。
【００１３】
６）  マイクロアクチュエータ、駆動回路、下部と上部の電極の中間に中間電極を持ち、中間電極に接続されたマイクロ光学素子が移動して光スイッチング動作をする能動型マイクロ光学素子において、マイクロ光学素子が上方に移動した時、マイクロ光学素子の上方にマイクロ光学素子の位置を規定させるストッパーを設け、マイクロ光学素子が前記ストッパーに接触し停止した時、中間電極の上面（上電極側の面）と上電極の下面（中間電極側の面）が、少なくとも全面にわたり接触していない、構成にしたことを特徴とする。
【００１４】
７）  １）、３）、４）、５），６）記載の能動型マイクロ光学素子のアレイ化によって、アレイ状の光スイッチング素子を構成し、前記光スイッチング素子アレイで画像を表示することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるアクチュエータ部を示す概略図である。また、図２は図１の１０８から１０９の断面図である。１０１は駆動回路の上に設けられたアクチュエータの最下面に位置する下電極である。ばね１０４はばねを支える支柱１０５によって支えられており、もう一方の端を中間電極１０２に接続している。中間電極の上面の一部には光学素子２０３との接続部１０３を有する。中間電極の上には支柱１０７に支えられた上電極１０６がある。この様な構造をとる事により、空間利用効率が飛躍的に向上し、しかも、ばねが長く、上下の電極の面積も大きくできた。従って、５Vで駆動で、アクチュエータと強固に接続された能動型マイクロ光学素子を実現した。
【００１６】
（実施例２）
実施例２における静電アクチュエータを、図１、及び、図１の１０８から１０９の断面図を示す図２で説明する。下電極１０１と、中間電極１０２に電位差を与える事により引力が発生し、中間電極１０２は下方向に移動する。同様に、上電極１０６と、中間電極１０２に電位差を与える事により引力が発生し、中間電極１０２は上方向に移動する。中間電極１０２はばね１０４に接続されもう一方の端は支柱に固定されている。従って、中間電極が静電力により上方に移動する時も下方に移動する時も同じばね定数となる。静電アクチュエータの場合、電極の面積に反比例して駆動電圧は下がり、駆動距離の２乗に比例して駆動電圧が上がる。実施例２に示すアクチュエータの場合、マイクロ光学素子２０３に接続する為の接続部１０３が必要となる為、上電極１０６の面積が、下電極１０１より小さくなる。この様な状態で、中間電極と上下の電極の間隔を同じにすると、下電極と中間電極に印可する電位差よりも、上電極と中間電極に印可する電位差の方を大きくしないとプルイン電圧に至らない。そこで、中間電極と上電極の間隔２０１を中間電極と下電極の間隔２０２よりも狭くする事により、上下の電極の印可電圧を同じにしても、同様にプルインさせる事が出来る。
【００１７】
この様な構造にする事により、本実施例２では、上下のプルイン電圧を５Ｖとする事ができ、駆動電圧を上下電極ともに５Ｖ以下が達成できた。
【００１８】
（実施例３）
図３は、本発明の実施例３におけるアクチュエータ部を示す概略図である。また、図４は図３の３０２から３０３の断面図である。ばね１０４の支柱１０５、及び、ばねに接続されている中間電極１０２は導電性の物質で構成されておりアレイ状になったアクチュエータ其々のばね支柱１０５はお互い下部の駆動回路内で導通されている。ばね支柱１０５の一部３０１は中間電極１０２と平面的に重なっている。下電極は絶縁層４０１によって、中間電極側が絶縁保護されている。下電極１０１と中間電極１０４に電位差が生じ、下方に移動するとばね１０４の一部が隣のばね支柱に４０２の様に接触する。この様に隣のばね支柱とばねの一部が接触した時、中間電極１０４と下電極の絶縁層４０１との間には隙間４０３が存在する。
【００１９】
中間電極に蓄積された電荷は、ばね支柱に接触する毎に支柱から逃げる事ができ、帯電防止の効果がある。また、中間電極１０４と下電極の絶縁層４０１との接触が避けられる為、吸着などの弊害も防ぐ事が出来る。
【００２０】
（実施例４）
図５は、本発明の実施例４におけるアクチュエータ部を示す概略図である。また、図６は図５の５０２から５０３の断面図である。ばね１０４の支柱１０５、及び、ばねに接続されている中間電極１０２は導電性の物質で構成されており、光学素子６０１中間電極１０２を接続している結合部１０３も導電性がある。アレイ状になったアクチュエータ其々のばね支柱１０５はお互い下部の駆動回路内で導通されている。ばね支柱１０５の一部５０１は結合部１０３と平面的に重なっている。下電極は絶縁層４０１によって、中間電極側が絶縁保護されている。下電極１０１と中間電極１０４に電位差が生じ、下方に移動すると結合部１０３の一部が隣のばね支柱に６０３の様に接触する。この様に隣のばね支柱と結合部１０３の一部が接触した時、中間電極１０４と下電極の絶縁層４０１との間には隙間６０２が存在する。
【００２１】
中間電極に蓄積された電荷は、ばね支柱に接触する毎に導電性の結合部材を通して支柱から逃げる事が出来、帯電防止の効果がある。また、中間電極１０４と下電極の絶縁層４０１との接触が避けられる為、吸着などの弊害も防ぐ事が出来る。本実施例４では、結合部は導電性の物質で構成したが、絶縁体であっても、中間電極１０４と下電極の絶縁層４０１との接触が避けられる為、吸着などの弊害も導体の場合と同様に防ぐ事が出来る。
【００２２】
（実施例５）
実施例５は、中間電極１０４と下電極の絶縁層４０１との接触を避けるもう一つの手段である。図７は図５の５０２から５０３の断面図である。上電極は絶縁層４０１によって、上電極全体が絶縁保護されている。下電極１０１と中間電極１０４に電位差が生じ、下方に移動すると光学素子７０１の下面が上電極１０６を絶縁保護している絶縁層４０１に７０３の点で接触する。この時、中間電極１０４と下電極の絶縁層４０１との間には隙間７０２が存在する。
【００２３】
この様に、中間電極１０４と下電極の絶縁層４０１との接触が避けられる為、吸着などの弊害も防ぐ事が出来る。本実施例５では、光学素子の下面はは絶縁体で構成したが、導電体でも、中間電極１０４と下電極の絶縁層４０１との接触が避けられる為、吸着などの弊害も絶縁体の場合と同様に防ぐ事が出来る。
【００２４】
（実施例６）
図８に実施例６の能動型マイクロ素子アレイの断面図を示す。１０１は駆動回路の上に設けられた、アクチュエータの最下面に位置する下電極である。ばね１０４はばねを支える支柱１０５によって支えられており、もう一方の端が中間電極に接続している。中間電極の上面の一部にはマイクロ光学素子との接続部１０３を有する。中間電極の上には支柱に支えられた上電極１０６がある。実施例６のマイクロ光学素子９０１は、上部にV溝構造の反射部を持つ。下電極１０１と中間電極に電位差を生じさせるとばねに対抗して、下方に移動し、光導光部８０２とマイクロ光学素子８０１の間に０．５μｍ程度の隙間が生ずる。この状態では導光部内の光線８０８は導光部の底面で全反射し光線８０７の方向に反射する。一方、上電極１０６と中間電極に電位差を生じさせるとばねに対抗して、上方に移動し、光導光部８０２の底面とマイクロ光学素子８０１の上面が密着し、導光部内の光線８０５はマイクロ光学素子に進入する事ができる。マイクロ光学素子にはｖ構造の反射面がある為、入射光はその斜面で反射し、導光部８０２の底面に垂直の光線８０６となり出射する。この様に、マイクロ光学素子を下部に設けられたマイクロアクチュエータによって上下させる事により、光の角度を７０度程度変化させる事ができ、これを用いて光スイッチング動作が得られる。光導光部８０２の底面とマイクロ光学素子８０１の上面が密着する時、上電極１０６上にある絶縁層４０１と中間電極との接触を避け、８０４の隙間を残す構造とした。
【００２５】
これにより、上電極と中間電極の間に電位差が生じ上方に移動しても、導光部８０２がストッパーの役割を果たし、上電極の絶縁体と、中間電極の接触を避ける事ができる。従って、吸着などの弊害を下電極の場合と同様に防ぐ事が出来る。
【００２６】
（実施例７）
図９は本発明の実施例７における画像表示装置を示す概略図である。光源９０１より出射した光はレンズ９０２により色フィルタ９０３上に集光させ、コリメートレンズ９０４により平行光となり光導入プリズム９０６に入射する。光導入プリズム９０６に入射した光は、実施例１〜６で示した能動型マイクロ光学素子アレイ９０５に入射し、画素表示として選択的に９０７に出射される。画像情報を持った光９０７は投射レンズ９０８によってスクリーンに投影され、動画等を表示するのである。このように、非常に小さいマイクロ光学素子アレイが実現した為、非常に、部品点数の少ない、小型で明るい画像表示装置が実現可能となった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、
１）一本のばねと、ばねの支持機構を一ヶ所にする事により、上下に電極を持つアクチュエータにおいても、上下の電極面積を大きくする事ができると同時に、マイクロ光学素子との結合部の接合面積も大きく取る事ができた。これにより、空間利用効率が飛躍的に向上し、マイクロ光学素子の大きさを小さくする事と、マイクロ光学素子を駆動するマイクロアクチュエータに投入するエネルギーを小さくするという、相反する課題を同時に解決し、マイクロ光学素子を非常に小さくし、しかも、アクチュエータに投入する電気的エネルギーも少なく出来た。
【００２８】
２）本発明のマイクロアクチュエータによれば、上下の電極面積の大きさの違いを吸収し、上下電極とも同じ電圧５Vで駆動できた。従って、マイクロアクチュエータ下部に設けられた駆動回路の面積を小さくできる事で、大規模なマイクロアクチュエータアレイに対し有効な手段が得られた。
【００２９】
３）本発明の能動型マイクロ光学素子によれば、中間電極が、上下電極を保護している絶縁層にさえ接触せず、しかも、マイクロ光学素子の一回の上下駆動毎に中間電極に蓄積した電荷を逃がす事ができる為、光スイッチング回数の非常に大きな、プリンター、画像表示装置等のデバイスに使用する事ができる。
【００３０】
４）能動型マイクロ光学素子アレイを画像表示装置に用いる事により、より省電力の画像表示装置が実現できたと共に、１つの画像表示素子が小さく出来た為、HDTVの様な高画素数の画像表示素子でも０．９インチ以下になり、一枚のシリコンウエハーから取れる画像表示素子の数が飛躍的に向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１におけるアクチュエータ部を示す概略図である。
【図２】  図１の断面図を示す概略図である。
【図３】  実施例３におけるアクチュエータ部を示す概略図である。
【図４】  図３の断面図を示す概略図である。
【図５】  実施例４におけるアクチュエータ部を示す概略図である。
【図６】  図５の断面図を示す概略図である。
【図７】  実施例５における図５の断面図を示す概略図である。
【図８】  実施例６の能動型マイクロ素子アレイの断面図である。
【図９】  実施例７における画像表示装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１０１…下電極
１０２…中間電極
１０６…上電極
２０１…上電極と中間電極との間隔
２０２…下電極と中間電極との間隔
２０３…光学素子
８０２…光導入部
８０５…入射光線
【図１】
0003800820.tif 000002
【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】
0003800820.tif 000008
【図８】
0003800820.tif 000009
【図９】
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