CN101029966A - 微机电装置及阵列、光调制装置及阵列和图像形成设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微机电装置及阵列、光调制装置及阵列和图像形成设备。过渡时间是从可移动部分沿第一方向旋转移位且停止的状态开始到驱动部分向可移动部分施加物理作用力来沿不同于第一方向的第二方向旋转移位可移动部分并且可移动部分到达最终位移位置的状态的时间。弹性支持部分的弹性力值和过渡时间具有的关系是，当弹性支持部分的弹性力值等于特定值时，过渡时间取局部最大值。弹性支持部分的弹性力值等于或者小于过渡时间取局部最大值时的所述特定值。

Description

微机电装置及阵列、光调制装置及阵列和图像形成设备

技术领域

本发明涉及一种微机电装置、一种微机电装置阵列、一种光调制装置、一种微机电光调制装置、一种微机电光调制装置阵列以及一种使用上述装置的图像形成设备。

背景技术

近年来，以μm量级电移位和移动微型机械装置的微机电装置因为MEMS(微机电系统)技术的快速进步而得到了蓬勃的发展。在具有光调制功能的微机电光调制装置中，例如有一种能使微型镜倾斜到偏转光的DMD(数字微镜装置；由德州仪器公司制造)(见美国专利No.6,618,186和JP 2002-189178A(来自同族专利申请))。该装置沿着另一方向将静电力运用到被静电力倾斜到一侧的可移动部分，从而将可移动部分旋转移位，并调制可移动部分的镜子部件中的光。DMD在光学信息处理领域广泛应用，例如投影显示器、视频监视器、图形监视器、电视机和电子照相打印机。此外，还期望在光通信、光互联(依靠光的信号连接技术，例如并行计算机中的互联网络)、光信息处理(依靠光学操作的信息处理)等中的光开关应用。

相关技术领域的例如DMD的转动系统装置的可移动部分的过渡时间(从可移动部分倾斜到一侧的状态到可移动部分倾斜到另一侧的状态的时间)或者响应速度(当处于可移动部分被倾斜到一侧的状态中的可移动部分被倾斜到另一侧时的速度)是由(i)取决于可移动部分结构的惯性力矩、(ii)支持可移动部分使得可移动部分能够弹性形变的支持部分的弹性力、(iii)待施加的电压大小之间的平衡确定的。在设计的时候采用恰当的数值。

对于过渡时间T和支持部分弹性力K之间的关系，如图20所示，如果支持部分弹性力K变小，装置的过渡时间T趋向于增加，因为可移动部分的弹性恢复力减小。为了增加装置的响应度而缩短过渡时间是重要的。因此，为了获得想要的弹性恢复力，一般做出的设计采用不过分小的支持部分弹性力K，也就是增加支持部分弹性力K。

但是，如果为了缩短装置的过渡时间T而增加支持部分弹性力K，必须针对支持部分弹性力K施加电极电压来驱动装置。于是，驱动电压增加。而且，如果驱动电压增加，驱动该装置的电功率将增加。因此，必须将电源做的更大。因为这个原因，在下面两者之间有一个权衡关系。也就是，为了以节省电力的驱动方式来控制装置，过渡时间变长，这导致牺牲高速驱动；而为了以高速驱动方式来控制装置，支持部分弹性力K将增加，这将导致牺牲节省电力的驱动。

此外，即使支持部分弹性力K增加，过渡时间T的变化量是微小的。而且，即使支持部分弹性力K增加来缩短过渡时间T，实际不能期待过渡时间T的大变化量。

发明内容

考虑到上述情况做出了本发明。本发明提供了一种微机电装置、一种微机电装置阵列、一种光调制装置、一种微机电光调制装置、一种微机电光调制装置阵列以及一种使用上述装置的图像形成设备，通过将支持可移动部分的弹性支持部分的弹性力设置在特定区域，在可移动部分执行双向位移时，能够加速可移动部分的过渡操作。

本发明的以上目的通过以下配置实现。

(1)一种微机电装置，包括由弹性支持部分支持以进行弹性移位的可移动部分以及将彼此间方向不相同的物理作用力施加到可移动部分的多个驱动单元，通过物理作用力在两个方向上旋转移位可移动部分，其中当从可移动部分沿第一方向旋转移位且停止的状态，到可移动部分通过由驱动单元产生物理作用力而沿不同于第一方向的第二方向旋转移位然后可移动部分到达最终位移位置的状态的时间被定义为过渡时间时，弹性支持部分的弹性力值和过渡时间之间的关系具有局部最大值，示出了在特定弹性力值下的最大过渡时间，并且弹性支持部分的弹性力值是小于局部最大值的弹性力值。

根据本微机电装置，当从可移动部分沿第一方向旋转移位且停止的状态，到可移动部分通过由驱动单元产生物理作用力而沿不同于第一方向的第二方向旋转移位然后可移动部分到达最终位移位置的状态的时间被定义为过渡时间时，弹性支持部分的弹性力值和过渡时间之间的关系具有局部最大值，示出了在特定弹性力值下的最大过渡时间，并且弹性支持部分的弹性力值是小于局部最大值的弹性力值。因此，当可移动部分沿两个方向移位时，可移动部分的过渡操作能被加速。

弹性支持部分的弹性力值和过渡时间之间的关系可以在可移动部分和驱动部分之一的电极之间的电势差等于10伏特的条件下获得。而且，弹性支持部分的弹性力值可以大于0Nm。

(2)根据以上(1)的微机电装置，其中可移动部分通过和设置在最终位移位置中的停止部件接触而停止。

根据本微机电装置，当可移动部分到达最终位移位置时，可移动部分接触到停止部件然后其位移操作停止。因此，可移动部分可防止被移位到最终位移位置之外而产生大的振动。

(3)根据以上(1)或(2)的微机电装置，其中物理作用力被施加到可移动部分的多个作用点。

根据本微机电装置，物理作用力被施加到可移动部分的多个作用点。于是，可移动部分可在两个方向上驱动。

(4)根据以上(1)到(3)中任一个的微机电装置，其中通过驱动单元使可移动部分沿第一方向和第二方向移位的物理作用力是静电力。

根据本微机电装置，因为物理作用力是静电力，允许可移动部分的高速旋转位移。

(5)根据以上(1)到(4)中任一个的微机电装置，其中平面图中的可移动部分的形状是四边形。

根据该微机电装置，当多个可移动部分一维或者二维排列时，可移动部分是四边形。因此，相邻的可移动部分之间的间隙变小，从而提高了可移动部分的安装效率

(6)根据以上(1)到(5)中任一个的微机电装置，其中旋转移位可移动部分的物理作用力的波形包括矩形波、正弦波、余弦波、锯齿波以及三角波中的任意一个。

根据该微机电装置，可移动部分由包括矩形波、正弦波、余弦波、锯齿波以及三角波中任意一个的波形旋转移位。

(7)根据以上(1)到(6)中任一个的微机电装置，其中以弹性可移位的方式支持可移动部分的支持部分由聚合物材料制成。

根据该微机电装置，通过使用具有低弹性模量的高聚物材料，当弹性支持部分被配置成支持部分时产生的弹性力可被压低。在这种情况下，支持部分的尺寸不需要做的过小来产生小的弹性力。

(8)根据以上(1)到(6)中任一个的微机电装置，其中以弹性可移位的方式支持可移动部分的支持部分由金属材料、树脂材料以及金属材料和树脂材料的混合材料中的任一个制成。

根据该微机电装置，弹性支持部分可通过使用金属材料形成为小片。因此，可以改进装置形状设计的自由度，并且装置本身可以被小型化。此外，通过使用树脂材料，弹性支持部分的尺寸不需要做的太小。而且，通过混合这些材料获得的混合材料，想要的弹性力可以被轻松设置。

(9)根据以上(1)到(8)中任一个的微机电装置，还包括驱动可移动部分来控制其旋转位移的控制单元。

根据该微机电装置，因为控制单元驱动可移动部分，可移动部分可被任意控制。

(10)一种微机电装置阵列，包括多个一维或者二维排列的根据以上(1)到(9)中任一个的微机电装置。

根据该微机电装置阵列，通过一维或者二维排列多个微机电装置，允许多个装置的同步操作。结果，图像信号可被高速处理，例如，当它们被调制的时候。

(11)根据以上(10)的微机电装置阵列，其中每一个微机电装置具有包括存储电路的驱动电路，并且在可移动部分以及面向可移动部分的至少两个或更多的固定部分中设置的电极之一是输入来自驱动电路的装置位移信号的信号电极，而另一电极是公共电极。

根据该微机电装置阵列，可移动部分的电极和在面向可移动部分的至少两个或更多的固定部分中设置的电极中的一个电极是输入来自包括存储电路的驱动电路的装置位移信号的信号电极，而另一电极是公共电极。因此，简化了以阵列排列时的配线线路。

(12)一种光调制装置，是根据以上(1)到(9)中任一个的微机电装置，其中光调制装置旋转移位可移动部分来调制已进入微机电装置的光。

根据该光调制装置，通过可移动部分的旋转位移获得光调制功能。

(13)一种微机电光调制装置阵列，包括多个一维或二维排列的根据以上(12)的多个光调制装置。

根据该微机电光调制装置阵列，通过一维或二维排列多个光调制装置，允许多个装置的同步操作。结果，图像信号可以被高速处理，例如，当它们被调制的时候。

(14)根据以上(13)的微机电光调制装置阵列，其中每一个微机电装置具有包括存储电路的驱动电路，并且在可移动部分和面向可移动部分的至少两个或更多的固定部分中设置的电极之一是输入来自驱动电路的装置位移信号的信号电极，而另一电极是公共电极。

根据该微机电光调制装置阵列，在可移动部分和面向可移动部分的至少两个或更多的固定部分中设置的电极之一是输入来自包括存储电路的驱动电路的装置位移信号的信号电极，而另一电极是公共电极。因此，简化了以阵列排列时的配线线路。

(15)一种图像形成设备，包括：光源；根据以上(12)的光调制装置或者根据以上(13)或(14)的微机电光调制装置阵列；以来自光源的光照射光调制装置或者微机电光调制装置阵列的照明光学系统；以及将从光调制装置或微机电光调制装置阵列发射的光投影到图像形成表面的投影光学系统。

根据该图像形成设备，可以使用光调制装置或微机电光调制装置阵列高速执行图像形成。

[本发明的效果]

根据本发明的微机电装置、微机电装置阵列、光调制装置、微机电光调制装置、微机电光调制装置阵列以及使用以上装置的图像形成设备，当弹性支持部分的弹性力值和过渡时间之间的关系具有表示在特定弹性力值处的最大过渡时间的局部最大值时，以及弹性支持部分的弹性力值被设为低于局部最大值的弹性力值时，即使在相同的施加电压条件下，也可以沿两个方向高速执行可移动部分的过渡操作。此外，在具有以上特定弹性力的区域中，即使弹性力的变化小，也可以期望可移动部分的过渡时间减少的显著效果。

附图说明

图1A和1B是根据本发明实施例的微机电调制装置的概念图，图1A是微机电调制装置的透视图，而图1B是其纵向截面图。

图2A到图2C是示出了微机电调制装置的操作过程的概念图。

图3A是表示过渡时间T和支持部分弹性力K之间的关系表达式T＝f₁(K)的曲线图，且图3B是表示过渡时间T和振动角频率ω之间的关系表达式T＝f₂(ω)的曲线图。

图4是示出了旋转角关于经过时间变化的曲线图。

图5是施加到可移动部分的外力之间动态平衡的说明图。

图6是示出了阻尼比率关于振动角频率变化的说明图

图7是示出了当结构不同的转动系统装置分别在不同粘滞条件下自由振动时阻尼比率关于振动角频率变化的曲线图。

图8A和8B是示出了根据本发明实施例的微机电调制装置模型配置的示图，并且具体地，图8A是平面图，而图8B是沿着图8A的线P₁-P₁的截面图。

图9A到9D是示出了比较例的微机电调制装置模型配置的示图，并且具体地，图9A是平面图，图9B是左侧视图，图9C是从图9B的线P₂-P₂看过去的平面图，并且图9D是底视图。

图10A到图10C是示出了过渡时间分析结果的曲线图，并且具体地，图10A到图10C是示出了在可移动部分的尺寸被分别设为6μm(图10A)、8μm(图10B)、10μm(图10C)以及待施加的电压变化为5V、10V、20V、30V和40V的情况下，可移动部分的倾斜从-10度变化到+10度的过渡时间关于弹性支持部分的弹性力的曲线图。

此外，图11是示出了在可移动部分具有10.8μm的尺寸以及施加电压变化为20V、30V和40V的情况下，比较例的可移动部分的倾斜从-10度变化到+10度的过渡时间关于支持部分弹性力的曲线图。

图12是示出了在装置具有和图11相同的配置以及可移动部分具有12.6μm尺寸的情况下，过渡时间关于支持部分弹性力的曲线图。

图13是示出了作为根据本发明实施例的装置配置示例的计算例1到6的分析条件的表。

图14是示出了作为装置配置比较例的比较例1和2的分析条件的表。

图15A到15B是示出了向微机电调制装置的电极施加的电压波形的说明图。

图16A到16C是示出了微机电调制装置配置的其它示例的透视图。

图17是示出了其中多个微机电调制装置的每一个都具有包括存储电路的驱动电路的配置的说明图。

图18是示出了根据本发明实施例的包括微机电调制装置阵列的曝光设备的示意配置的视图。

图19是示出了根据本发明实施例的包括微机电调制装置阵列的投影设备的示意配置的视图。

图20是示出了相关技术在设计微电装置时过渡时间和弹性支持部分的弹性力之间关系的说明图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图具体描述根据本发明优选实施例的微机电装置、微机电装置阵列、光调制装置、微机电光调制装置、微机电光调制装置阵列以及使用上述装置的图像形成设备。

尽管下文将以带有光调制功能的微机电光调制装置和微机电光调制装置阵列为例描述根据本发明实施例的微机电装置，但是本发明不限于此。

图1A和1B是根据本发明实施例的微机电调制装置的概念图。具体地，图1A是微机电调制装置的透视图，而图1B是其纵向截面图。

本实施例的微机电调制装置100包括作为基本元件的基板11、通过空隙13平行于基板11排列的小片状可移动部分15、作为在基板11一侧和可移动部分15的表面相连来支持可移动部分15的弹性支持部分的铰链17、设置在基板11上并通过铰链17支持可移动部分15的间隔装置19a和19b以及作为在基板11上表面排列在铰链17两侧的固定电极的第一地址电极21a和第二地址电极21b。此外，对于可移动部分15，可移动部分15本身可以具有导电性，或者可以在其一部分中带有可移动电极。此外，在基板11中设置驱动电路23。该配置使得可移动部分15能通过铰链17的摆动来旋转移位。结果，依照驱动电路23施加的电压，绕铰链17在任意方向上旋转驱动可移动部分15变为可能。

此外，驱动电路23将施加电压，在可移动部分15(可移动电极)和第一地址电极21a之间以及在可移动部分15(可移动电极)和第二地址电极21b之间产生电势差。

在微机电调制装置100中，可移动部分15的上表面可以用作光反射部分(微镜部分)。在可移动部分15的平面形状是四边形以及多个可移动部分15一维或二维排列的情况下，相邻可移动部分之间的间隙变小。所以，提高了安装效率。此外，通过适当选择可移动部分15的材料或另外设置短路接触，根据本发明该实施例的微机电调制装置100可以用作光调制开关、光转换开关或电子开关。此外，还可能切换声波、流体或热射线或者切换射频信号。

在本实施例中，当可移动部分15在特定方向上到达转动操作的最终位移位置时，可移动部分15变为与停止部件接触并停止。该配置防止可移动部分15被移位到最终位移位置之外并防止大的振动。在所说明的示例中，可移动部分15的表面被绝缘材料覆盖。第一地址电极21a和第二地址电极21b可作为停止部件。也就是说，在该配置中，微机电调制装置1000是接触式微机电调制装置。

微机电调制装置100基本上进行操作以分别施加电压到第一地址电极21a、第二地址电极21b和可移动部分15，从而以铰链17作为摆动中心，摆动且移位可移动部分15。也就是说，当可移动部分15用作微镜部分时，辐射到微镜部分的光的反射方向被切换。

具体地，当驱动电路23在可移动部分15和第一及第二地址电极21a、21b之间给出电势差时，产生静电力作为可移动部分15和第一及第二地址电极21a、21b之间的物理作用力。结果，以铰链17为中心的旋转扭矩作用于可移动部分15。此刻将产生的静电力的强度取决于周围空气的介电常数、可移动部分15的面积(电极面积)、所施加的电压以及可移动部分15和地址电极21a、21b之间的电极距离。

假设可移动部分15和第一地址电极21a之间的电势差被设为Va而可移动部分15和第二地址电极21b之间的电势差被设为Vb。例如，当Va＞Vb时，在第一地址电极21a和可移动部分15之间产生的静电力大于在第二地址电极21b和可移动部分15之间产生的静电力，并且因此可移动部分15被倾斜使得图1B中它的左侧下降。相反，当Va＜Vb时，第二地址电极21b和可移动部分15之间产生的静电力大于在第一地址电极21a和可移动部分15之间产生的静电力，并且因此可移动部分15被倾斜使得图1B中它的右侧下降。

这样，可移动部分(可移动电极)15、第一地址电极21a、第二地址电极21b以及驱动电路23用作驱动部分，旋转移位可移动部分15。因为施加到可移动部分15驱动部分的物理作用力是静电力，因此能实现可移动部分15的高速旋转位移。

此外，产生的作用于可移动部分15的物理作用力可以是静电力之外的其他物理作用力。作为其它的物理作用力，可以采用由电磁体产生的电磁力、由压电装置产生的电致伸缩以及由机械装置产生的任意力。

这样，微机电调制装置100包括在两个方向上移位的可移动部分15，并且可移动部分15具有切换功能。通过施加物理作用力的多个驱动部分(例如，可移动部分15的可移动电极、第一地址电极21a、第二地址电极21b以及驱动电路23)，克服重力和铰链17的弹性力旋转移位可移动部分15。尽管下面将做出具体的描述，本实施例的微机电调制装置100具有的特征是，铰链17的弹性恢复力肯定被削减，而且通过使用作为主要驱动力的、是物理作用力的静电力执行过渡操作。

下面，参考图2和图3，将具体描述根据本发明实施例的微机电调制装置100的操作。

图2A到2C是示出了微机电调制装置100的操作过程的概念图。

在没有从驱动电路23施加电压的状态下，如果使第一地址电极21a和可移动部分15之间的电势差Va大于第二地址电极21b和可移动部分15之间的电势差Vb，静电力施加到可移动部分，其中通过该静电力可移动部分15被吸引向第一地址电极21a。如图2A所示，静电力使铰链17克服铰链17的弹性力逆时针转动来使可移动部分15向左侧倾斜。此时，大小正比于铰链17摆动角的弹性能在铰链17中积累。

然后，通过持续施加电势差Va，可移动部分15处于使可移动部分15向左侧倾斜的状态中，其中电势差Va在可移动部分15和第一地址电极21a之间产生大于铰链17中积累的弹性能的静电力。

接下来，如图2B所示，去除可移动部分15和第一地址电极21a之间的电势差Va来释放铰链17中积累的弹性能，并且施加在可移动部分15和第二地址电极21b之间产生静电力的电势差Vb。然后，可移动部分15开始顺时针旋转。

然后，如图2C所示，在可移动部分15接触到第二地址电极21b以后，可移动部分15处于可移动部分15被向右侧倾斜的状态中。此后，当电势差Va和Vb被释放和施加时，重复执行相同的操作。

这样，静电力旋转移位可移动部分15，由此引起拉入(pull-in)现象，即可移动部分15的末端快速向下落下。于是，可移动部分被吸引或粘到基板11。也就是说，可移动部分15被施加到可移动部分15的可移动电极、第一地址电极21a和第二地址电极21b的拉入电压所产生的静电力移位。通过施加低于拉入电压的拉出(pull-out)电压到第一地址电极21a，拉向第一地址电极21a的可移动部分15处于可移动部分15被拉入的状态(图2C示出的状态)。

在具有按上述描述配置的可移动部分15的双向驱动旋转系统的装置100中，假设在电极之间产生电势差Vb的电压施加到了第二地址电极21b和可移动部分15的电极(可移动电极)上来使可移动部分15从-θ过渡到+θ。还假设装置100的惯性力矩为J＝J₁。在这种情况下，可移动部分15的旋转角从初始位置-θ直到到达最终位置+θ的过渡时间T由可以作为弹性支持部分的铰链17的支持部分弹性力K决定，或者由根据支持部分弹性力K的振动角频率ω决定。

作为关于过渡时间T和支持部分弹性力K之间关系表达式T＝f₁以及过渡时间T和振动角频率ω之间关系表达式T＝f₂进行详细分析的结果，发明人发现如图3中所示的关系。

图3A是表示过渡时间T和支持部分弹性力K之间关系表达式T＝f₁(K，J＝J₁，V＝Vb)的曲线图。图3B是表示过渡时间T和振动角频率ω之间关系表达式T＝f₂(ω，J＝J₁，V＝Vb)的曲线图。

也就是说，如图3A中所示，在支持部分弹性力K和过渡时间T之间的关系中，已经被证实的是存在支持部分弹性力K小并且过渡时间T在作为分界线的最大过渡时间T_max处从增加变为减少的区域A_K。一般地，到目前为止在设计装置时，支持部分弹性力K已经被设置在支持部分弹性力K大于在过渡时间T取最大值T_max处的支持部分弹性力K₁的区域中。这是因为没有考虑以上描述的区域A_K的存在，简单地认为弹性恢复力的必要性更重要。

此外，如图3B中所示，类似地适用于振动角频率ω。也就是说，已经被证实的是存在振动角频率ω小并且过渡时间T在作为分界线的最大过渡时间T_max处从增加变为减少的区域A_ω。

在根据本发明该实施例的装置100中，设计支持部分使得支持部分弹性力落在支持部分弹性力小于过渡时间T取得最大过渡时间T_max处的弹性力K₁的弹性力区域A_K中，或者使得振动角频率落在振动角频率小于过渡时间T取得最大过渡时间T_max处的振动角频率ω₁的区域A_ω中。这使得缩短过渡时间成为可能，因此能容易制造实现高速驱动的装置。此外，过渡时间响应区域A_K中支持部分弹性力K的减少而快速变化。因此，即使可能作为弹性支持部分的铰链的设计值改变是较小的值，但是过渡时间可能有很大变化，并且能高效率的制造具有高响应速度的装置。

此外，除了例如铝的金属外，弹性支持部分可以由具有低弹性模量的高聚物材料制成。因此，当弹性支持部件形成弹性力时产生的弹性力能被压低。在这种情况下，支持部分的尺寸不需要做的过小来产生小的弹性力。另外，可以使用金属材料、树脂材料、金属材料和树脂材料的混合材料以及电介质材料。当使用金属材料时，弹性支持部分可形成为一小片。因此，可以改进装置形状设计的自由度，并且装置本身可以小型化。此外，当使用树脂材料时，不需要将弹性支持部分的尺寸做的过小。而且，当使用通过混合金属材料和树脂材料获得的混合材料时，想要的弹性力可以轻松获得。此外，除了以上材料，只要体现本实施例的优点，也可以使用其它的材料。

接下来，为了检验以上装置的特性，将描述根据以下示出的分析方法执行仿真的例子。

<分析方法>

使用表达式(1)中示出的运动方程计算出可移动部分从特定的旋转角-θ过渡到另一个特定的旋转角+θ然后到达最终的位移位置为止的时间。可移动部分15(可移动电极)和第二地址电极21a或21b之间的电极间隙在每个时刻根据可移动部分15的位移量变化。而且，作用在电极之间的静电力随时间变化。因为这个原因，重复以下操作。即，在特定时间t过后获得外力力矩F_n和角度θ_n，且使用外力力矩F_n进一步得到无穷小时间Δ_t过后的外力力矩F_n+1和角θ_n+1。最终计算出可移动部分的角度和经过时间之间的关系。

运动方程： $J\frac{d^2\mathrm{\&theta;}}{d{t}^2}+a\frac{\mathrm{d\&theta;}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{K\&theta;}=F_1---\left(1\right)$

惯性力矩： $J=\frac{M{L}_2^2}{12}=\frac{L_1{L}_2^3\mathrm{H\&rho;}}{12}---\left(2\right)$

粘性阻尼系数：a

支持部分的弹性力： $K=2\frac{\mathrm{kG}}{l_1}=\frac{\mathrm{kE}}{l_1(1+v)}---\left(3\right)$

这里， $k=\frac{h^3{l}_2}{4}[\frac{16}{3}-3.36\frac{h}{l_2}(1-\frac{h^4}{12l_2^4})]---\left(4\right)$

外力力矩： $F_1=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{SV}}^2}{2d^2}\&times;\frac{L_2}{4}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{L}_1{L}_2^2{V}^2}{16d^2}---\left(5\right)$

振动角频率： $\mathrm{\&omega;}=\sqrt{\frac{k}{J}-\frac{a^2}{4J^2}}---\left(6\right)$

在以上每个方程中，没有描述的符号将参考图8在下文中描述。

这里，假设可移动部分的初始旋转角为θ₁，ω₀ ²＝K/J，并且2μ＝a/J。当解出方程1时，得到以下结果。

$\mathrm{\&theta;}=\{\frac{F_1}{K}-{\mathrm{\&theta;}}_1\}\&CenterDot;\{-\exp (-\mathrm{\&mu;t})\&CenterDot;\cos \left(\sqrt{{\mathrm{\&omega;}}_0^2-{\mathrm{\&mu;}}^{2}t}\right)+\frac{F_1}{F_1-{\mathrm{K\&theta;}}_1}\}---\left(7\right)$

当执行旋转角θ和外力力矩F的耦合分析且假设在特定时间t处的旋转角和外力力矩分别为θ_n和F_1n时，无限小时间过后的旋转角为θ_n+1，θ_n+1可从以下方程(8)中得到。

${\mathrm{\&theta;}}_{n+1}=\{\frac{F_{1}n}{K}-{\mathrm{\&theta;}}_1\}\&CenterDot;\{-\exp (-\mathrm{\&mu;t})\&CenterDot;\cos \left(\sqrt{{\mathrm{\&omega;}}_0^2-{\mathrm{\&mu;}}^{2}t}\right)+\frac{F_{1}n}{F_{1}n-{\mathrm{K\&theta;}}_1}\}---\left(8\right)$

如上述方程(7)和(8)中所示，耦合分析可以交替得到旋转角θ和外力力矩F，并从而为每个时间步执行振动分析。

图4示出了旋转角关于经过时间的变化。可移动部分的旋转角在初始位置为θ₁，在时间T过后到达θ₂(θ_n+1＝θ₂)。如果可移动部分被旋转移位并到达θ₂的时间被定义为T，时间T为过渡时间。在可移动部分的尺寸、支持部分弹性力和所施加的电压不同变化的同时执行以上分析。

图5是示出了施加到可移动部分15上的外力之间动态平衡的说明图。通过在可移动部分15和第一地址电极21a之间给出预定的电势差，外力力矩F沿着可移动部分15被吸引向第一地址电极21a的方向作用于可移动部分15。和外力力矩F同时，根据可移动部分15质量M的惯性力矩J和由周围空气的粘性阻尼系数a导致的曳力施加到与外力力矩F相反的方向上。此外，支持部分弹性力K也被施加到相反的方向上，其中作为弹性支持部分的铰链17通过该支持部分弹性力K从扭转状态返回。

粘性阻尼系数a是与速度成比例的系数，并且一般地，阻尼力的产生与速度成比例。结构的阻尼力可以分成以下两种形式。

(1)外阻尼或者粘性阻尼(由结构周围的流体粘性引起，与速度成比例，并从固定侧起作用)

(2)内阻尼或结构阻尼(由结构内产生的微小摩擦引起，与应变率成比例，并通过内部的相互作用起作用)

阻尼矩阵正比于质量[M]或刚性[K]矩阵的概念叫做瑞利阻尼。当阻尼矩阵被定义为[C]并且比例常数被定义为α和β时，阻尼矩阵由下面方程(9)表达。

[C]＝α[M]+β[K]                          (9)

这里，[C]只有α项的情况叫做质量正比阻尼，而[C]只有β项的情况叫做刚性正比阻尼。如果修改该方程，获得以下方程(10)，其中ξ被定义为阻尼比率而ω被定义为结构的振动角频率。

ξ＝α/2ω+βω/2                          (10)

根据以上方程(10)，如图6中所示，刚性的影响在振动角频率ω小的区域中增加，而质量的影响在ω大的区域中增加。(参考：“振动模型和仿真”(由Kihachiro TANAKA和Shozou SAEGUSA共同编著，由Industry and Science Systems Co.，Ltd.发行))。

图7是示出了当使结构不同的旋转系统装置分别在不同的粘性条件下自由振动时阻尼比率关于振动角频率的变化的曲线图。在该图中，针对每一个粘性条件计算拟合曲线。拟合曲线仅仅在α/2ω项的基础上拟合。因为拟合结果是好的，所以可以理解，将本旋转系统装置当作质量正比阻尼是合理的。然后，通过使用图中的α值，使用旋转系统装置在每个粘性条件下的行为来进行仿真分析。粘性阻尼系数a可以按如下方程(11)表达：

$a=2\mathrm{\&xi;}\sqrt{\mathrm{JK}}---\left(11\right)$

<分析条件>

接下来，基于以上分析方法，使用如下变化值和固定值执行分析。假设可移动部分15是正方形，铰链17的变化值根据可移动部分15的长度确定，使得可作为弹性支持部分的铰链17隐藏于可移动部分15之下。铝作为可移动部分15的材料。

a)变化值

可移动部分的长度：L₁

可移动部分的宽度：L₂(＝L₁)

支持部分的长度：l₁(＝(L₁-2.2μm)/2)

支持部分的宽度：l₂(＝0.6μm)

支持部分的厚度：h(＝0.05μm)

可移动部分的质量：M

电极间距离：d

电极间电势差：V

b)固定值

可移动部分的厚度：H＝0.5μm

可移动部分的密度：ρ＝2.7g/cm³

支持部分的杨式模量：E＝68.85GPa

支持部分的泊松比：ν＝0.36

接触角：θ＝10度

粘性系数：a(在1atm的环境中设置)

图8A和8B是示出了根据本发明实施例的微机电调制装置模型的配置的示图，具体地，图8A是平面图，图8B是沿着图8A的线P₁-P₁的截面图。

在该配置中，可移动部分15和铰链柱25一体形成，其中铰链17的底端连接到铰链柱25。铰链17的另一端连接到未示出的铰链固定部分。通过在可移动部分15倾斜来从第一地址电极21a分开的状态下在第一地址电极21a和可移动部分15之间产生电势差V，因此驱动可移动部分15来接近第一地址电极21a，并计算位移过渡时间。

图9A到9D是示出了将和根据本发明实施例的微机电调制装置模型比较的比较例模型的配置的示图。具体地，图9A是平面图，图9B是左侧视图，图9C是从图9B的线P₂-P₂观看的平面图，并且图9D是底视图。

在该配置中，可移动部分27和支持柱31一体形成，其中铰链29的底端连接到支持柱31。铰链29的另一端连接到铰链固定部分(未示出)。通过在可移动部分27被吸引或粘到第二地址电极33b的状态下在第一地址电极33a和可移动部分27之间产生电势差V，因此驱动可移动部分29来接近第一地址电极33a，并计算位移过渡时间。

<分析结果>

图10A到10C是示出了过渡时间分析结果的曲线图。具体地，图10A到10C是分别示出了在可移动部分15的尺寸设为6μm(图10A)，8μm(图10B)和10μm(图10C)以及所施加的电压变化为5V、10V、20V、30V和40V的情况下，可移动部分15的倾斜从-10度到+10度变化的过渡时间关于弹性支持部分的弹性力的图。这里，假设装置的环境空气为1atm。如图10A、10B和10C中的每个图所示，当可移动部分具有任意尺寸(惯性力矩)以及施加任意电压时，在示出了过渡时间和支持部分弹性力之间关系的曲线上存在过渡时间取最大值处的支持部分弹性力的局部最大值K₁。因为坐标轴的刻度，所以如果电压大于20V，很难找到是局部最大值的支持部分弹性力。然而，明确的局部最大值以数值的方式存在。

在支持部分弹性力小于局部最大值K₁的区域内的支持部分弹性力中，随着可移动部分15变小，过渡时间的变化增加。如果适当选择诸如驱动电压之类的条件，可以实现比在支持部分弹性力大于K₁的区域中过渡时间短的过渡时间。所以，如果设计弹性支持部分来得到在支持部分弹性力小于K₁的区域中的支持部分弹性力，可缩短过渡时间，或可期望通过在弹性支持部分的设计值中的小变化获得过渡时间的大变化。

因此，在根据本发明实施例的微机电调制装置中，弹性支持部分的弹性力值和过渡时间之间的关系在特定弹性力值处具有表现出最大过渡时间的局部最大值K₁。当弹性支持部分的弹性力值被设计成具有小于局部最大值K₁的弹性力值时，可以缩短过渡时间，并允许高速驱动。

此外，图11是示出了在可移动部分具有10.8μm尺寸并且所施加的电压变化为20V、30V和40V的情况下，比较例的可移动部分的倾斜从-10度到+10度变化的过渡时间关于支持部分弹性力的图。

图12是示出了在装置具有和图11相同的配置以及可移动部分具有12.6μm尺寸的情况下过渡时间关于支持部分弹性力的图。

作为本实施例的例子的计算例1到6的分析条件，以及作为比较例的比较例1和2的分析条件在图13和14中示出。基于图13和14中各个分析条件的分析结果将通过对比图10到12来核对。

首先，在可移动部分的长度为6μm的装置中，其中使用丙烯酸树脂作为支持部分的材料的计算例1的支持部分弹性力为0.218×10^-12Nm，并且其中使用硅树脂作为支持部分的材料的计算例2的支持部分弹性力为0.2355×10^-12Nm。参考图10A，所有这些支持部分弹性力小于当驱动电压为5V时支持部分弹性力的局部最大值0.24×10^-12Nm，并且小于当驱动电压为10V时支持部分弹性力的局部最大值0.50×10^-12Nm。

接下来，在可移动部分的长度为8μm的装置中，其中使用铝作为支持部分的材料的计算例3的支持部分弹性力为0.250×10^-12Nm，其中使用丙烯酸树脂作为支持部分的材料的计算例4的支持部分弹性力为0.202×10^-12Nm，并且其中使用硅树脂作为支持部分的材料的计算例6的支持部分弹性力为0.209×10^-12Nm。参考图10B，所有这些支持部分弹性力小于当驱动电压为10V时支持部分弹性力的局部最大值0.40×10^-12Nm，并且小于当驱动电压为20V时支持部分弹性力的局部最大值0.83×10^-12Nm。

接下来，在可移动部分的长度为10μm的装置中，其中使用铝作为支持部分的材料的计算例6的支持部分弹性力为0.225×10^-12Nm。参考图10C，该支持部分弹性力小于当驱动电压为10V时支持部分弹性力的局部最大值0.25×10^-12Nm，并且小于当驱动电压为20V时支持部分弹性力的局部最大值0.60×10^-12Nm。

另一方面，在可移动部分的长度为7.64μm的比较例1的装置中，支持部分弹性力为1.06×10^-12Nm。参考图11，该支持部分弹性力大于施加任意驱动电压时的局部最大值。此外，在可移动部分的长度为8.91μm的比较例2的装置中，支持部分弹性力为1.06×10^-12Nm。参考图12，该支持部分弹性力大于施加任意驱动电压时的局部最大值。

根据以上内容，在根据本实施例的微机电调制装置中，弹性支持部分的弹性力值和过渡时间具有这样的关系：当弹性支持部分的弹性力值等于特定值时，过渡时间取局部最大值，并且弹性支持部分的弹性力值等于或小于过渡时间取局部最大值处的特定值。因此，可移动部分在两个方向上的过渡操作甚至在相同施加电压的条件下可以高速执行。

接下来，将描述该实施例的微机电调制装置可以应用的不同修改例。

以上描述的微机电调制装置电极的施加电压具有如图15A中所示的波形，恒定电压V1以矩形状施加。所以，在短的过渡时间内执行可移动部分的转动操作。相反，如图15B中所示，可用波形控制施加电压，波形逐渐增加直到可移动部分从可移动部分旋转操作的初始级到达最终位移终点，以便不会过多的受到可移动部分的惯性力。在这种情况中，可移动部分到达最终位移终点后的振动将被抑制。

微机电调制装置的结构不限于图1中所示的结构。微机电调制装置可以有不同的结构。微机电调制装置配置的其它例子在图16A到16C中示出。

在图16A的微机电调制装置中，铰链17沿着可移动部分的对角线连接到四边形可移动部分15a，使得对角线可变为转动操作的轴。铰链17的两端由间隔装置19a和19b支持。根据该配置，可移动部分15a转动位移的惯性力减小，变得对高速驱动有利。

图16B的微机电调制装置包括从可移动部分15b两边缘延伸的铰链17a和17b，以及通过铰链17A和17B支持基板11上的可移动部分15b的间隔装置19a和19b。根据该配置，可以通过摆动铰链29和29旋转移位可移动部分27，同时可简化装置的配置。

在图16C的微机电调制装置中，可移动部分15c的一端由基板11通过铰链17A和17B及间隔装置19a和19b固定支持。也就是说，可移动部分15c被配置成悬梁的形状，从而它的另一端变成自由端。而且，第一地址电极22a被设置在基板11上以面向可移动部分15c的自由端，并且形成于未示出的反向基板中的第二地址电极22b被设置在第一地址电极22a的对面，可移动部分15a在两者之间。甚至根据该配置，可移动部分15可以通过低电压被高速移位。

图17是示出了其中多个微机电调制装置中每一个都具有包括存储电路的驱动电路的配置的说明图。

在微机电调制装置阵列200中，每个微机电调制装置100具有包括存储电路37的驱动电路23(见图1)。因为驱动电路包括这样的存储电路37，指示装置的下一位移操作的位移信号可以提前写入存储电路37。也就是说，装置位移信号被提前写入存储电路37。所以，在切换微机电调制装置阵列200的时候，根据存储在每个微机电调制装置100的存储电路37中的装置位移信号，通过控制向微机电调制装置100施加的电压的驱动电压控制电路39，执行调制驱动。

如上所述，当使用存储电路37驱动微机电调制装置100时，多个装置100的每一个装置都可以轻易以任意驱动方案运行，并允许高速主动驱动。此外，尽管图1的微机电调制装置阵列100的配置在这里示出，本发明不限于此。可以采用具有其它配置的装置。

接下来，将描述用微机电调制装置100配置的图像形成设备。这里，将首先描述曝光设备300作为图像形成设备的例子。图18是示出了使用根据本发明的微机电调制装置阵列配置的曝光设备示意配置的视图。曝光设备300包括照明光源41、照明光学系统43、其中根据上述实施例的多个微机电调制装置100在相同平面上被二维排列的微机电调制装置阵列200以及投影光学系统45。

照明光源41是光源，例如激光器、高压水银灯或者短弧灯。照明光学系统43例如是使从照明光源41发射出的平面光成为平行光束的准直透镜。已穿过准直透镜的平行光束进入到微机电调制装置阵列200的每一个微机电调制装置100。作为使从照明光源41发射出的平面光成为平行光束的方式，除了准直透镜之外有一种连续排列显微镜的方法。此外，通过使用具有小发光点的光源，可以使平行光束进入微机电调制装置阵列200，其中具有小发光点的光源例如是短弧灯，用作照明光源41，其中照明光源41被认为是点光源。此外，通过使用具有和微机电调制装置阵列200的每一个微机电调制装置100相对应的LED的LED阵列作为照明光源41，以及通过使LED阵列在LED阵列和微机电调制装置阵列200相互接近的状态下发射光，可以使平行光束进入微机电调制装置阵列200的每一个微机电调制装置100。此外，当使用激光器作为照明光源41时，可以省略照明光学系统43。

投影光学系统45将光投射到是图像形成表面的记录介质47上。例如，投影光学系统是具有和微机电调制装置阵列200的每一个微机电调制装置100相对应的显微镜的显微镜阵列。

在下文中，将描述曝光设备300的操作。

从照明光源41发射出的平面光进入使平面光变成平行光束的照明光学系统43。然后，平行光束进入微机电调制装置阵列200。响应图像信号，控制进入微机电调制装置阵列200的每一个微机电调制装置100的光的反射。从微机电调制装置阵列200发射出的光通过投影光学系统45被投影到记录介质47的图像形成表面。投影光被投影到记录介质47上，同时它沿着扫描方向相对于记录介质移动，于是可用高分辨率进行大面积曝光。这样，通过在微机电调制装置阵列200的光入射平面的一侧设置准直透镜，进入每一个调制装置的平面基板的光可变成平行光束。此外，图中参考数字49表示引入OFF光的光吸收体。

可以使用显微镜阵列而不限于使用准直透镜作为照明光学系统43来配置曝光设备300。在这种情况下，显微镜阵列的每一个显微镜和微机电调制装置阵列200的每一个微机电调制装置100相对应，并且被设计和调整使得显微镜的光轴和焦平面和每一个光调制装置的中心相符。

在这种情况下，从照明光源41发射出的光通过显微镜阵列，聚集在面积小于微机电调制装置100的一个装置的区域上，并进入微机电调制装置阵列200。响应图像信号，控制进入微机电调制装置阵列200的每一个微机电调制装置100的光的反射。从微机电调制装置阵列200发射出的光通过投影光学系统45被投影到记录介质47的图像形成表面。投影光被投影到记录介质47上，同时它沿着扫描方向相对于记录介质移动，于是可用高分辨率进行大面积曝光。这样，因为来自照明光源41的光能被显微镜阵列聚集，可以实现具有改进的光使用效率的曝光设备。

此外，显微镜的镜头表面可以是球形表面、半球形表面等，没有特殊限制。此外，镜头表面可以是凸面或凹面。此外，可以采用具有折射率分布的平坦显微镜阵列，而且也可以排列例如菲涅尔透镜、二元光学器件等的衍射透镜。作为显微镜的材料，例如有透明玻璃和树脂。树脂从批量生产的角度看是优秀的，而玻璃从寿命和可靠性的角度来看是优秀的。作为玻璃，石英玻璃、熔融石英、无碱玻璃等从光学角度来看是优选的。作为树脂，丙烯酸树脂、环氧树脂、聚脂树脂、聚碳酸脂树脂、苯乙烯树脂、氯乙烯树脂等是优选的。此外，树脂包括光固化树脂、热塑树脂等，并根据显微镜的制造工艺进行适当选择。

接下来，将描述投影设备作为图像形成设备的另一个例子。

图19是示出了使用本发明的微机电调制装置阵列配置的投影设备的示意配置的视图。和图18中相同的元件将使用相同的参考数字表示，并且省略其描述。

投影仪400作为投影设备包括照明光源41、照明光学系统43、微机电调制装置阵列200和投影光学系统51。投影光学系统51是为投影设备将光投影到作为图像形成表面的屏幕53上的光学系统。照明光学系统43可以是上述的准直透镜或显微镜阵列。

接下来，将描述投影仪400的操作。

例如，从照明光源41发射出的光通过显微镜阵列，聚集在面积小于微机电调制装置100的一个装置的区域上，并进入微机电调制装置阵列200。响应图像信号，控制进入微机电调制装置阵列200的每一个微机电调制装置100的光的反射。从微机电调制阵列200反射的光通过投影光学系统51被投影到屏幕53的图像形成表面。这样，微机电调制装置阵列200可以用于投影设备，并且还可应用到显示装置上。

因此，在图像形成设备中，例如曝光设备300或投影仪400，提供以上微机电调制装置阵列200作为结构的主要部分，因此允许可移动部分15的低压和高速的位移。因此，允许光敏材料的高速曝光和具有更高数目像素的投影仪显示。此外，在其灰度由曝光的ON/OFF控制的图像形成设备(曝光设备300)中，缩短ON/OFF周期成为可能。因此，可以实现更高的灰度。结果，允许光敏材料的高速曝光和具有更高数目像素的投影仪显示。

Claims (16)

1.一种微机电装置，包括：

可移动部分；

弹性支持部分，支持可移动部分，使得可移动部分可弹性变形；

多个驱动部分，将物理作用力沿不同的方向施加到可移动部分，以便沿第一和第二方向旋转移位可移动部分，其中：

过渡时间是从可移动部分已沿第一方向旋转移位且停止的状态，到驱动部分向可移动部分施加物理作用力来沿不同于第一方向的第二方向旋转移位可移动部分并且可移动部分到达最终位移位置的状态的时间，

弹性支持部分的弹性力值和过渡时间具有的关系是，当弹性支持部分的弹性力值等于特定值时，过渡时间取局部最大值，以及

弹性支持部分的弹性力值等于或者小于过渡时间取局部最大值时的所述特定值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中：

弹性支持部分的弹性力值和过渡时间之间的关系在可移动部分和驱动部分之一的电极之间的电势差等于10伏特的条件下获得，并且

弹性支持部分的弹性力值大于0Nm并等于或小于过渡时间取局部最大值时的所述特定值。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括：

设置在最终位移位置处的停止部件，其中：

可移动部分通过和停止部件接触而停止。

4.根据权利要求1所述的装置，其中驱动部分向可移动部分的多个作用点施加物理作用力。

5.根据权利要求1所述的装置，其中驱动部分施加到可移动部分以沿第一和第二方向移位可移动部分的物理作用力是静电力。

6.根据权利要求1所述的装置，其中可移动部分的平面形状是四边形。

7.根据权利要求1所述的装置，其中旋转移位可移动部分的每一个物理作用力的波形包括矩形波、正弦波、余弦波、锯齿波以及三角波中至少一种。

8.根据权利要求1所述的装置，其中支持可移动部分使得可移动部分可弹性移位的弹性支持部分由聚合物材料制成。

9.根据权利要求1所述的装置，其中支持可移动部分使得可移动部分可弹性移位的弹性支持部分包括从由金属材料、树脂材料以及金属材料和树脂材料的混合材料组成的组中选出的一种材料。

10.根据权利要求1所述的装置，还包括：

驱动驱动部分来控制可移动部分的旋转位移的控制单元。

11.一种微机电装置阵列，包括：

多个根据权利要求1到10中任一项所述的微机电装置，其中微机电装置一维或者二维排列。

12.根据权利要求11所述的阵列，其中：

每一个微机电装置包括含有存储电路的驱动电路，

在(i)可移动部分和(ii)面向可移动部分的至少两个或更多的固定部分中设置的电极之一是输入来自驱动电路的装置位移信号的信号电极，以及

另一电极是公共电极。

13.一种光调制装置，包括：

根据权利要求1到10中任一项所述的微机电装置，其中：

微机电装置旋转移位可移动部分来调制已进入微机电装置的光。

14.一种微机电光调制装置阵列，包括：

多个根据权利要求13所述的光调制装置，其中光调制装置一维或二维排列。

15.根据权利要求14所述的阵列，其中：

每一个光调制装置包括含有存储电路的驱动电路，

在(i)可移动部分和(ii)面向可移动部分的至少两个或更多的固定部分中设置的电极之一是输入来自驱动电路的装置位移信号的信号电极，以及

另一电极是公共电极。

16.一种图像形成设备，包括：

光源；

根据权利要求13所述的光调制装置或者根据权利要求14所述的微机电光调制装置阵列；

照明光学系统，以来自光源的光照射光调制装置或者微机电光调制装置阵列；以及

投影光学系统，将从光调制装置或微机电光调制装置阵列发射的光投影到图像形成表面。

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