JP2000105345A - Actuator, optical switching element, and picture display device - Google Patents

Actuator, optical switching element, and picture display device

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JP2000105345A
JP2000105345A JP27622098A JP27622098A JP2000105345A JP 2000105345 A JP2000105345 A JP 2000105345A JP 27622098 A JP27622098 A JP 27622098A JP 27622098 A JP27622098 A JP 27622098A JP 2000105345 A JP2000105345 A JP 2000105345A
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JP
Japan
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actuator
total reflection
switching element
liquid
light
Prior art date
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JP27622098A
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Japanese (ja)
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Masatoshi Yonekubo
政敏 米窪
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Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simply structured actuator used as a driving source of an optical switching element capable of operating at a speed higher than that of a liquid crystal. SOLUTION: An operation space 32 capable of almost sealing up an operation liquid 33 is arranged, so that the operation liquid 33 can partially be warmed with a heater 36 in contact with the operation liquid 33. In this actuator 30, the operation liquid 33 is heated up and forms an air bubble 39 to raise the inner pressure, therefore, a displaceable thin film 35 is displaced upward to drive a switching part 11. Therefore, it is possible to provide a switching element 10 capable of operating at a high speed with a simple structure.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ・マシン
に使用可能なアクチュエータ、それを用いた光スイッチ
ング素子、および画像表示装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator usable for a micro machine, an optical switching element using the same, and an image display device.

【0002】[0002]

【従来の技術】光をオンオフ制御できる光スイッチング
素子としては液晶を用いたものが多く使用されている。
光スイッチング素子は、光通信、光演算、光記憶装置あ
るいは光プリンターなどの多くの用途に用いられてお
り、画像表示装置も重要な用途の1つである。液晶を用
いた画像表示装置としては液晶セルを2次元に配置した
液晶パネルで画像を表示するもの、あるいは画像を投射
して表示するプロジェクタなどがある。
2. Description of the Related Art As an optical switching element capable of controlling on / off of light, an element using liquid crystal is widely used.
Optical switching elements are used in many applications such as optical communication, optical operation, optical storage devices, and optical printers, and image display devices are also one of important applications. As an image display device using liquid crystal, there is a device that displays an image on a liquid crystal panel in which liquid crystal cells are arranged two-dimensionally, or a projector that projects and displays an image.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、液晶を
用いた光スイッチング素子は、高速応答特性がそれほど
高くなく、数ミリ秒程度の応答速度である。したがっ
て、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、光プリンターあるいはデジタ
ル駆動する画像表示装置などへの応用は難しい。さら
に、液晶パネルで画像を表示するために必要な偏光板に
より、光の利用効率が低下するといった問題も残されて
いる。そして、近年では、より高品位な画像品質が要求
されており、液晶よりさらに階調表現が正確な光スイッ
チング素子が求められている。
However, an optical switching element using a liquid crystal does not have such a high response speed, and has a response speed of several milliseconds. Therefore, it is difficult to apply the present invention to an optical storage device such as an optical communication device, an optical operation device, a hologram memory, etc., which requires a high-speed response, an optical printer, or a digitally driven image display device. Further, there still remains a problem that the use efficiency of light decreases due to a polarizing plate necessary for displaying an image on a liquid crystal panel. In recent years, higher quality image quality has been demanded, and an optical switching element with more accurate gradation expression than liquid crystal has been demanded.

【0004】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光を変調可能な光スイッチ
ング素子が開発されている。その1つはマイクロミラー
デバイスであり、ミラーをヨークで旋回可能に支持し、
ミラーの角度をアクチュエータによって変えて光を変調
するようにしたものである。
[0004] Therefore, an optical switching element capable of modulating light at high speed by mechanically moving a switching element capable of controlling light has been developed. One is a micromirror device, which supports the mirror pivotally with a yoke,
The light is modulated by changing the angle of the mirror by an actuator.

【0005】また、反射機能あるいは透過機能を備えた
スイッチング要素を平行に動かして入射光を変調する光
スイッチング素子も開発されている。本願出願人が出願
中のエバネセント光を利用した光スイッチング素子はそ
の1つである。この光スイッチング素子では、光を全反
射して伝達可能な導光部の全反射面に対し、抽出面を備
えたスイッチング要素を接触させ、全反射面から漏れ出
したエバネセント光を抽出することにより光を変調する
ようにしている。したがって、スイッチング要素を1波
長程度あるいはそれ以下の微少な距離を動かすことによ
り、光を変調できるので、高速動作が可能である。ま
た、微少距離を動かすだけでオンオフのコントラストの
高いスイッチング素子を実現でき、さらに、偏光板によ
る光の吸収もないので階調表現を正確に行える光スイッ
チング素子を提供できる。
Further, an optical switching element has been developed which modulates incident light by moving a switching element having a reflection function or a transmission function in parallel. An optical switching element using evanescent light, filed by the present applicant, is one of them. In this optical switching element, a switching element provided with an extraction surface is brought into contact with a total reflection surface of a light guide portion capable of transmitting light by total reflection, and evanescent light leaked from the total reflection surface is extracted. The light is modulated. Therefore, light can be modulated by moving the switching element by a small distance of about one wavelength or less, so that high-speed operation is possible. In addition, a switching element having a high on / off contrast can be realized only by moving a minute distance, and an optical switching element capable of accurately expressing a gradation can be provided because there is no absorption of light by a polarizing plate.

【0006】しかしながら、これらのマイクロメカニズ
ムを用いた光スイッチング素子で採用可能なアクチュエ
ータは静電気力を利用した静電アクチュエータが中心で
あり、その他にはピエゾアクチュエータが利用可能な程
度である。そして、これらの従来のマイクロ・マシンに
使用するアクチュエータは、構造が複雑で作りにくいと
言う問題がある。たとえば、静電アクチュエータでは、
スイッチング要素をオンオフの2つの位置に動かすため
に2組の電極を用意するか、あるいは1組の電極とこれ
に対抗してスイッチング要素を駆動できる弾性体などを
用意する必要がある。そして、これらの弾性力と静電力
を適当に調整しないと、光スイッチング素子を高速で作
動できなかったり、あるいは、オンあるいはオフ位置に
スイッチング要素を正確に動かせずにコントラストが低
下してしまう恐れがある。
However, actuators that can be employed in the optical switching element using these micromechanisms are mainly electrostatic actuators utilizing electrostatic force, and piezo actuators can be used in others. The actuators used in these conventional micro machines have a problem that the structure is complicated and difficult to make. For example, for an electrostatic actuator,
It is necessary to prepare two sets of electrodes in order to move the switching element to the two positions of on and off, or to prepare one set of electrodes and an elastic body capable of driving the switching element in opposition thereto. If the elastic force and electrostatic force are not properly adjusted, the optical switching element cannot be operated at high speed, or the contrast may be reduced without accurately moving the switching element to the on or off position. is there.

【0007】そこで、本発明においては、従来のマイク
ロ・マシン用のアクチュエータに対し構造が簡単で高速
応答が可能なアクチュエータを提供することを目的とし
ている。そして、このアクチュエータを用いることによ
り、デジタル駆動が可能であり、高速で動作すると共に
コントラストの高い光スイッチング素子を提供すること
を目的としている。さらに、階調特性も正確な画像表示
装置を提供することを目的としている。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an actuator which has a simple structure and can respond at high speed to a conventional actuator for a micro machine. An object of the present invention is to provide an optical switching element which can be driven digitally, operates at high speed, and has high contrast by using this actuator. Further, it is another object of the present invention to provide an image display device having accurate gradation characteristics.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】このため、本発明におい
ては、液体の膨張現象を利用したマイクロ・マシン用の
アクチュエータを提供するようにしている。すなわち、
本発明のアクチュエータは、液体が充填された少なくと
も1つの作動区画と、その作動区画内の液体に接触する
面の少なくとも1部の温度を急激に上昇可能な加熱手段
と、作動区画内の液体が膨張したときに所定の方向に変
位する作動部分とを有している。熱による液体の膨張を
用いた制御方式は、プリンタのインクを噴出する制御に
利用されており数マイクロ秒から数10マイクロ秒の応
答速度が実現されている。したがって、応答速度の速い
アクチュエータを実現できる。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, in the present invention, an actuator for a micro machine utilizing a liquid expansion phenomenon is provided. That is,
The actuator according to the present invention includes at least one working section filled with liquid, heating means capable of rapidly increasing the temperature of at least a part of a surface in contact with the liquid in the working section, and a liquid in the working section. An actuating portion that is displaced in a predetermined direction when inflated. The control method using the expansion of the liquid by heat is used for control of ejecting ink of a printer, and a response speed of several microseconds to several tens of microseconds is realized. Therefore, an actuator having a high response speed can be realized.

【0009】さらに、本発明のアクチュエータは、作動
区画と加熱手段と作動部分といったきわめて簡単な構成
であり、フォトリソグラフィ技法などを用いて低コスト
で実現することができる。また、本発明のアクチュエー
タは、加熱手段により作動区画内の液体が一部膨張し、
特に、相変化して気泡が形成されると内圧が高くなるの
で作動部分は広がる方向に動く。一方、加熱を止める
と、周囲の液体に熱を取られるので速やかに気泡が収縮
し、内圧が下がる。このため、作動部分は狭くなる方向
に動く。したがって、光を変調可能なスイッチング部を
本発明のアクチュエータだけでオンおよびオフ位置に動
かすことが可能であり、簡単な構造で高速動作する光ス
イッチング素子を提供できる。
Further, the actuator according to the present invention has a very simple structure including an operating section, a heating means, and an operating portion, and can be realized at low cost by using a photolithography technique or the like. In the actuator of the present invention, the liquid in the working section partially expands due to the heating means,
In particular, when the phase changes and bubbles are formed, the internal pressure increases, so that the operating portion moves in a spreading direction. On the other hand, when the heating is stopped, the surrounding liquid absorbs the heat, so that the bubbles rapidly contract and the internal pressure decreases. For this reason, the working part moves in the direction of narrowing. Therefore, the switching section capable of modulating light can be moved to the on and off positions only by the actuator of the present invention, and an optical switching element that operates at high speed with a simple structure can be provided.

【0010】さらに、膜沸騰現象を利用して作動区画内
の液体を相変化させ気泡を形成するようにすると、液体
の種類にもよるが体積が1000倍程度変化する。この
ため、小型でも作動部分の変位量の大きなアクチュエー
タを提供できる。
Further, when the liquid in the working compartment is phase-changed to form bubbles by utilizing the film boiling phenomenon, the volume changes by about 1000 times depending on the type of liquid. For this reason, it is possible to provide an actuator having a small displacement even though the actuator is small.

【0011】複数の作動区画を有するアクチュエータに
おいては、それらの作動空間を細い流路で接続し、作動
部分が所定の方向に動くのに障害にならない程度に液体
が流通するように連結することが望ましい。作動空間を
連結しておくことによりアクチュエータを製造する際に
液体を簡単に充填することができる。
In an actuator having a plurality of working sections, the working spaces may be connected by a narrow flow path and connected so that the liquid flows so as not to hinder the movement of the working portion in a predetermined direction. desirable. By connecting the working spaces, it is possible to easily fill the liquid when manufacturing the actuator.

【0012】また、複数の作動区画を2次元に配置し、
それぞれの作動部分が同一方向に変位するように構成す
れば、それらの作動部分によりスイッチング部を動かし
高速で動作する画像表示装置を実現できる。もちろん、
1次元に配置したり、3次元に配置することにより、光
通信、光演算、光記憶装置あるいは光プリンターなどの
他の用途に適した光スイッチング素子を実現できる。
In addition, a plurality of operating sections are arranged two-dimensionally,
If each operating part is configured to be displaced in the same direction, it is possible to realize an image display device that operates at a high speed by moving the switching part by the operating parts. of course,
By arranging one-dimensionally or three-dimensionally, an optical switching element suitable for other uses such as optical communication, optical operation, an optical storage device, or an optical printer can be realized.

【0013】エバネセント波を利用した光スイッチング
素子では、導入された光を全反射して伝達可能な全反射
面を備えた導光部の全反射面に対し、光スイッチング部
をアクチュエータで駆動して全反射面に接するようにす
れば、この全反射面から漏出したエバネセント光を抽出
することができる。そして、複数の光スイッチング素子
を2次元に配置することにより、高速動作でき、コント
ラストが高く、さらに構造の簡単な画像表示装置を提供
できる。
In an optical switching element using an evanescent wave, an optical switching unit is driven by an actuator with respect to a total reflection surface of a light guide unit having a total reflection surface capable of transmitting the reflected light by total reflection. By making contact with the total reflection surface, evanescent light leaked from the total reflection surface can be extracted. By arranging a plurality of optical switching elements two-dimensionally, it is possible to provide an image display device that can operate at high speed, has high contrast, and has a simple structure.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下に図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。図1および図2に、本発明に
係る画像表示装置の概略構成と、その動作を断面図を用
いて示してある。本例の画像表示装置1は、入射光2を
全反射面3で全反射して伝達する透明な導光体4と、こ
の導光体4の全反射面3に対し複数のスイッチング部1
1が約0.5ミクロン程度の間隔を開けて2次元に配置
されたスイッチング層12と、これらのスイッチング部
11を動かすアクチュエータ30とが上方から順番に積
層された構造となっている。これらの導光体4と、スイ
ッチング部11と、アクチュエータ30によって本発明
にかかるスイッチング素子10が構成されており、画像
表示装置1は、複数のスイッチング素子10が2次元に
配置されたものとなっている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 and 2 show a schematic configuration of an image display device according to the present invention and its operation using a cross-sectional view. The image display device 1 according to the present embodiment includes a transparent light guide 4 that totally reflects incident light 2 on a total reflection surface 3 and transmits the light, and a plurality of switching units 1 for the total reflection surface 3 of the light guide 4.
The switching layers 12 are two-dimensionally arranged at intervals of about 0.5 μm, and an actuator 30 for moving these switching units 11 is sequentially laminated from above. The light guide 4, the switching unit 11, and the actuator 30 constitute the switching element 10 according to the present invention, and the image display device 1 has a plurality of switching elements 10 arranged two-dimensionally. ing.

【0015】スイッチング部11はアクチュエータ30
によって上下に変位するようになっており、上方に変位
したときに全反射面3に密着し、全反射面3から漏出し
たエバネセント波を抽出する抽出面13と、抽出された
光を上方に反射し導光体の出射面5から光を放出するV
字型のプリズム14と、このプリズム14を支持するサ
ポート15を備えている。
The switching unit 11 includes an actuator 30
When it is displaced upward, it comes into close contact with the total reflection surface 3 and extracts an evanescent wave leaking from the total reflection surface 3, and reflects the extracted light upward. V that emits light from the exit surface 5 of the light guide
A prism 14 having a character shape and a support 15 for supporting the prism 14 are provided.

【0016】このスイッチング部11を上下に駆動する
アクチュエータ30は、シリコン基板31と、この基板
31にエッチングなどにより作成された複数の作動区画
32とを有している。それぞれの作動区画32は上方が
開口になっており、内部に作動液体33が充填され、上
方の開口が弾性のあるシリコンなどの薄膜35により封
止されている。また、作動区画32の底面34には発熱
体36が設置されており、電極37および38により個
々の作動区画32の発熱体36に電力を供給できるよう
になっている。
The actuator 30 for driving the switching unit 11 up and down has a silicon substrate 31 and a plurality of operating sections 32 formed on the substrate 31 by etching or the like. Each of the working sections 32 has an opening at an upper part, is filled with a working liquid 33, and the upper opening is sealed with a thin film 35 of elastic silicon or the like. A heating element 36 is provided on the bottom surface 34 of the operation section 32, and power can be supplied to the heating elements 36 of the individual operation sections 32 by the electrodes 37 and 38.

【0017】作動区画32に充填されている作動液体3
3は水、アルコール、オイルそれらの混合物などの常温
で液体の物質である。したがって、図2に示したよう
に、電極37および38を介して発熱体36に電力を供
給し、発熱体36に接している作動液体33の一部を急
激に加熱すると、その部分が膜沸騰し、相変化して気泡
39が形成される。このため、作動区画32の内圧が上
がり、上方に変形可能となっている薄膜35を上方に押
しながら作動液体33が膨張する。したがって、薄膜3
5が作動部分となり、この薄膜35に取付られているス
イッチング部11を上方へ変位させる。この結果、スイ
ッチング部11の抽出面13が全反射面3に密着されて
エバネセント波を抽出することができる。抽出されたエ
バネセント波は、マイクロプリズム14によって出射面
5の方向に反射されるので、スイッチング素子10はオ
ン状態になる。
The working liquid 3 filled in the working compartment 32
Reference numeral 3 denotes a substance that is liquid at room temperature, such as water, alcohol, oil, or a mixture thereof. Therefore, as shown in FIG. 2, when power is supplied to the heating element 36 via the electrodes 37 and 38 and a part of the working liquid 33 in contact with the heating element 36 is rapidly heated, the part is film-boiling. Then, the phase changes to form bubbles 39. For this reason, the internal pressure of the working section 32 rises, and the working liquid 33 expands while pushing the deformable thin film 35 upward. Therefore, the thin film 3
5 is an operating portion, which displaces the switching portion 11 attached to the thin film 35 upward. As a result, the extraction surface 13 of the switching unit 11 is brought into close contact with the total reflection surface 3 and can extract an evanescent wave. The extracted evanescent wave is reflected by the microprism 14 in the direction of the emission surface 5, so that the switching element 10 is turned on.

【0018】一方、発熱体36への電力供給を停止する
と、熱は回りの作動液体33によって奪われるので、気
体は相変化して液体になり気泡39は自然に消滅する。
この結果、作動区画32の内圧が下がり、作動液体33
は収縮する。このため、薄膜35は下方に変位する。こ
の際、薄膜35が弾性力によって初期の位置に戻る力も
期待することができる。したがって、発熱体36への電
力供給を停止すると短時間で薄膜35は下方に変位し、
薄膜35に取付けられているスイッチング部11も下方
に変位する。このため、抽出面13が全反射面3から離
れるのでエバネセント波は抽出されなくなり、スイッチ
ング素子10はオフ状態になる。
On the other hand, when the power supply to the heating element 36 is stopped, the heat is taken away by the surrounding working liquid 33, so that the gas changes phase and becomes a liquid, and the bubbles 39 disappear naturally.
As a result, the internal pressure of the working section 32 decreases, and the working liquid 33
Shrinks. Therefore, the thin film 35 is displaced downward. At this time, a force that returns the thin film 35 to the initial position by the elastic force can be expected. Therefore, when the power supply to the heating element 36 is stopped, the thin film 35 is displaced downward in a short time,
The switching unit 11 attached to the thin film 35 is also displaced downward. For this reason, since the extraction surface 13 is separated from the total reflection surface 3, the evanescent wave is not extracted, and the switching element 10 is turned off.

【0019】このように、本例のアクチュエータ30
は、ほぼ密閉状態の作動区画32に作動液体33が充填
されたものであり、その一部を加熱したときに作動液体
33が膨張する体積変化を利用して作動部分である薄膜
35を微少変位できるようにしている。特に、作動液体
33と接触する発熱体36に数マイクロ秒あるいは数1
0マイクロ秒程度のパルスにより急激に電力を供給し、
その表面温度を急激に上昇させることにより膜沸騰を起
こせることがインクの吹き出し制御で知られている。本
例のアクチュエータにおいても膜沸騰させることが可能
であり、発熱体36に接触していた作動液体33が相変
化を起こし適当な大きさの気泡39になると、その部分
の膨張率は1000倍程度になる。このため、作動区画
32の容積が小さくても、薄膜35を十分に変位させる
ことができる。さらに、この気泡39は、10マイクロ
秒程度のパルスで形成することが可能であり、応答速度
の速いアクチュエータを実現できる。したがって、本例
の光スイッチング素子10はデジタル信号で駆動でき、
液晶よりもはるかに早い応答速度を得ることができる。
As described above, the actuator 30 of the present embodiment
Is a working chamber 32 filled with a working liquid 33 in a substantially closed state. When a part of the working section 32 is heated, the thin film 35 serving as the working part is slightly displaced by utilizing a volume change in which the working liquid 33 expands. I can do it. In particular, the heating element 36 in contact with the working liquid 33 is applied for several microseconds or several
Power is rapidly supplied by a pulse of about 0 microsecond,
It is known in ink ejection control that film boiling can be caused by rapidly increasing the surface temperature. In the actuator of this example, it is also possible to cause the film to boil, and when the working liquid 33 in contact with the heating element 36 undergoes a phase change to become bubbles 39 of an appropriate size, the expansion coefficient of that portion is about 1000 times. become. For this reason, even if the volume of the operation section 32 is small, the thin film 35 can be sufficiently displaced. Further, the bubble 39 can be formed by a pulse of about 10 microseconds, and an actuator having a high response speed can be realized. Therefore, the optical switching element 10 of this example can be driven by a digital signal,
A much faster response speed than liquid crystal can be obtained.

【0020】また、気泡39が発生するときの内圧は1
5気圧程度と高く、スイッチング部11を上下に動かす
のに十分な力が得られる。さらに、気泡39の内部は圧
縮性の気体なので、スイッチング部11が全反射面3に
接触した状態になり、薄膜35が上方に変位できなくな
ると、薄膜および気泡が適当な形に変形し、あるいは体
積膨張する代わりに内圧が上昇する。したがって、アク
チュエータ30により、スイッチング部11が全反射面
3に接触した後、スイッチング部11の抽出面13を全
反射面3に押し付ける力が得られる。このため、効率良
くエバネセント波を抽出することができ、コントラスト
の高い光スイッチング素子を提供できる。また、スイッ
チング部11が全反射面3に接触した後はアクチュエー
タ自身は変位しないので、機械的な破壊が起こることは
なく信頼性の高い光スイッチング素子を実現できる。
The internal pressure at which the bubbles 39 are generated is 1
As high as about 5 atm, a sufficient force to move the switching unit 11 up and down can be obtained. Further, since the inside of the bubble 39 is a compressive gas, the switching unit 11 comes into contact with the total reflection surface 3 and when the thin film 35 cannot be displaced upward, the thin film and the bubble are deformed into an appropriate shape, or The internal pressure rises instead of volume expansion. Therefore, after the switching unit 11 comes into contact with the total reflection surface 3, a force for pressing the extraction surface 13 of the switching unit 11 against the total reflection surface 3 is obtained by the actuator 30. For this reason, an evanescent wave can be efficiently extracted, and an optical switching element with high contrast can be provided. In addition, since the actuator itself is not displaced after the switching unit 11 comes into contact with the total reflection surface 3, a highly reliable optical switching element can be realized without causing mechanical destruction.

【0021】さらに、本例のアクチュエータ30は、作
動区画32、作動液体33、発熱体36および作動部分
となる薄膜35といった極めて簡易な構成であり、コン
パクトに纏めることができる。また、作動区画32、あ
るいは発熱体36および電線37および38などは公知
のフォトリソグラフィ技法によって製造することができ
るので、低コストで供給することが可能である。このよ
うに、本例の熱制御型のアクチュエータにより、高速で
コントラストが高く、デジタル駆動可能な光スイッチン
グ素子を低コストで供給することができる。また、光ス
イッチング素子10を2次元に配置することにより、液
晶よりも応答速度が早く、階調特性も正確な画像表示装
置1を提供することができる。さらに、導光体の出射面
5の先に投射レンズおよびスクリーンを置いて投射型の
画像表示装置とすることも可能である。
Further, the actuator 30 of this embodiment has an extremely simple configuration including the operating section 32, the operating liquid 33, the heating element 36, and the thin film 35 serving as an operating portion, and can be compactly assembled. Further, since the working section 32, the heating element 36, the electric wires 37 and 38, and the like can be manufactured by a known photolithography technique, they can be supplied at low cost. As described above, with the thermal control type actuator of the present embodiment, an optical switching element that has high contrast at high speed and can be digitally driven can be supplied at low cost. In addition, by arranging the optical switching elements 10 two-dimensionally, it is possible to provide the image display device 1 having a faster response speed and a more accurate gradation characteristic than liquid crystal. Further, a projection type image display device can be provided by placing a projection lens and a screen in front of the emission surface 5 of the light guide.

【0022】図3に、アクチュエータ30を構成するた
めにシリコン基板31の表面に形成された作動区画32
の一例を示してある。図3に示した例では、シリコン基
板31の表面に縦横に長方形の突起部(ランド)41が
断続的に形成されており、4方をランド41に囲われた
略正方形の区画が作動区画32となっている。そして、
作動区画32のほぼ中心に発熱体36が設置されてい
る。作動区画32の4方を囲うランド41の間は、狭い
流路42となっており、断続的に配置されたランド41
の隙間を介して周囲の作動区画32と繋がっている。こ
のようにして形成された作動区画32は、周囲のほとん
どがランド41によって囲われているので、略密閉され
た状態である。したがって、発熱体36によって急激に
加熱され作動区画32に封入された液体の内圧が上がる
と、狭い流路42では抵抗が大きいためにほとんど作動
液体33は移動せず、変位可能な上方の薄膜35を押し
て膨張する。
FIG. 3 shows an operating section 32 formed on the surface of a silicon substrate 31 to constitute the actuator 30.
An example is shown. In the example shown in FIG. 3, rectangular projections (lands) 41 are formed intermittently on the surface of the silicon substrate 31 in the vertical and horizontal directions, and a substantially square section surrounded by the lands 41 on four sides is an operation section 32. It has become. And
A heating element 36 is provided substantially at the center of the working section 32. A narrow flow path 42 is formed between the lands 41 surrounding four sides of the operation section 32, and the lands 41 intermittently arranged.
Is connected to the surrounding operation section 32 through the gap. Since the working section 32 thus formed is almost entirely surrounded by the land 41, the working section 32 is substantially sealed. Therefore, when the internal pressure of the liquid sealed in the operation section 32 increases due to rapid heating by the heating element 36, the operation liquid 33 hardly moves due to the large resistance in the narrow flow path 42, and the displaceable upper thin film 35 is displaced. Press to expand.

【0023】一方、複数の作動区画32を狭い流路42
によって相互に連結しておくと、アクチュエータ30を
容易に製造できる。すなわち、まず、作動区画32がエ
ッチングされたシリコン基板31に薄膜35を接着して
ほぼ密閉された作動区画32を形成し、その後に、作動
液体33を毛管現象により細い流路42を通じて各作動
区画32に充填することができる。したがって、アクチ
ュエータ30を製造する手間を省き、低コストで供給す
ることができる。
On the other hand, the plurality of working sections 32 are formed in a narrow channel 42.
When the actuators 30 are connected to each other, the actuator 30 can be easily manufactured. That is, first, the thin film 35 is adhered to the silicon substrate 31 on which the working section 32 has been etched to form a substantially sealed working section 32, and then the working liquid 33 is supplied to each working section through a thin channel 42 by capillary action. 32 can be filled. Therefore, the labor for manufacturing the actuator 30 can be omitted, and the actuator 30 can be supplied at low cost.

【0024】図4に、複数の作動区画32をほぼ密閉状
態に近い空間として形成すると共に細い流路42を介し
て互いに連結した異なる例を示してある。本例において
は、ほとんど密閉された作動区画32を形成するために
ロ字型のランド43が形成されており、そのランド43
の一個所を欠いて狭い流路42が形成されている。ま
た、それぞれの作動区画32の回りにはバッファ領域4
4が設けられており、さらに、このバッファ領域44と
各々の作動区画32を連結する狭い流路42の向きは、
縦および横方向に隣接する作動区画32で異なってお
り、流路42が対峙しないようにはアレンジされてい
る。
FIG. 4 shows a different example in which the plurality of operating sections 32 are formed as a space almost in a closed state and are connected to each other via a narrow flow path 42. In this example, a square-shaped land 43 is formed in order to form the almost closed working section 32, and the land 43 is formed.
A narrow flow path 42 is formed lacking one portion. A buffer area 4 is provided around each operation section 32.
4 are provided, and the direction of the narrow flow path 42 connecting the buffer area 44 and each working section 32 is as follows.
The working sections 32 adjacent in the vertical and horizontal directions are different, and are arranged such that the flow paths 42 do not face each other.

【0025】したがって、本図のようにアレンジされた
作動区画32を有するアクチュエータ30では、ある作
動区画32の圧力が上昇して流路42から圧力が伝播し
たとしても、バッファ領域44で吸収され、さらに、流
路42の向きが各々異なるので圧力が流路42を介して
隣接する作動区画32に伝播する可能性は非常に小さ
い。このため、隣接する作動区画32から圧力の影響を
受けることはほとんどない。したがって、隣接する光ス
イッチング素子10によって構成される画素同士のクロ
ストークがほとんど生じない画像表示装置1を実現する
ことができる。
Therefore, in the actuator 30 having the working compartments 32 arranged as shown in this figure, even if the pressure in a certain working compartment 32 rises and the pressure propagates from the flow path 42, it is absorbed in the buffer area 44, Further, since the directions of the flow paths 42 are different from each other, the possibility that the pressure propagates to the adjacent working section 32 via the flow path 42 is very small. Therefore, the pressure is hardly affected by the adjacent working section 32. Therefore, it is possible to realize the image display device 1 in which the crosstalk between the pixels constituted by the adjacent optical switching elements 10 hardly occurs.

【0026】また、このように作動区画32に流路42
が1つしかない配置を採用しても、作動区画32をほぼ
真空にしてから液体を注入すれば作動液体33をスムー
ズに充填できる。
Also, as described above, the flow path 42 is
Even if an arrangement having only one is adopted, the working liquid 33 can be smoothly filled by injecting the liquid after the working section 32 is almost evacuated.

【0027】図5に示した作動区画32の配置は、縦お
よび横方向に連続したランド45により各々の作動区画
32を独立し完全に密閉状態にした例である。このよう
な配置であれば、作動区画32を連絡する流路がないの
で、圧力が隣接する作動区画32に伝播する可能性はな
く、略完全にクロストークのない画像表示装置を実現で
きる。また、圧力が流路を伝わって逃げることがないの
で、作動部分である薄膜35の変位量の大きなアクチュ
エータを提供することができる。しかしながら、ここの
作動区画32に作動液体33を充填する必要あるので、
製造コストは上述したアクチュエータと比較し高くな
る。
The arrangement of the working sections 32 shown in FIG. 5 is an example in which each working section 32 is independently and completely sealed by lands 45 that are continuous in the vertical and horizontal directions. With such an arrangement, since there is no flow path connecting the operation sections 32, there is no possibility that pressure will propagate to the adjacent operation sections 32, and an image display device with almost no crosstalk can be realized. Further, since the pressure does not escape through the flow path, it is possible to provide an actuator having a large displacement amount of the thin film 35 which is an operating portion. However, since the working compartment 32 here needs to be filled with the working liquid 33,
The manufacturing cost is higher than the actuator described above.

【0028】このように、本例のアクチュエータ30
は、封入した液体の熱による体積変化、特に相変化によ
る体積変化を用いてスイッチング部などを駆動できるよ
うにしたものであり、非常に簡易な構成で実現できる。
また、発熱体を急激に加熱するために短い駆動パルスを
供給するだけで作動部分である薄膜を変位させることが
でき、その応答速度は数マイクロ秒から数十マイクロ秒
と液晶と比較し非常に早い。さらに、本例のアクチュエ
ータ30は、作動液体を膨張させるときにだけ電力を供
給し、電力を止めると元の状態に復帰するので一方向に
動かすときだけエネルギーを供給すれば良い。このた
め、エネルギー効率の高いアクチュエータである。ま
た、相変化により体積が急激に膨張するので、小型で簡
易な構成でありながら変位量の大きなアクチュエータを
実現できる。このように、本例のアクチュエータは、マ
イクロ・マシンの駆動源として最適なアクチュエータで
ある。
As described above, the actuator 30 of the present embodiment
Is designed to be able to drive a switching unit and the like by using a volume change due to heat of a sealed liquid, particularly a volume change due to a phase change, and can be realized with a very simple configuration.
In addition, the thin film, which is the operating part, can be displaced only by supplying a short drive pulse to rapidly heat the heating element. early. Furthermore, the actuator 30 of the present example supplies power only when the working liquid is expanded, and returns to the original state when the power is stopped. Therefore, it is sufficient to supply energy only when the actuator 30 is moved in one direction. Therefore, the actuator has high energy efficiency. Further, since the volume rapidly expands due to the phase change, an actuator having a small displacement and a large displacement can be realized with a simple configuration. As described above, the actuator of the present example is an actuator that is optimal as a driving source of a micro machine.

【0029】なお、上記では、本発明にかかるアクチュ
エータをエバネセント波を利用した光スイッチング素子
に適用した例を説明しているが、他のタイプ、例えば、
マイクロミラーデバイスのミラーの駆動源として利用す
ることももちろん可能である。さらに、これらの光スイ
ッチング素子は、画像表示装置に限らず、高速でデジタ
ル制御することが要求される光通信、光演算などの分野
にも用いることができる。また、本発明のアクチュエー
タは、光スイッチング素子の駆動源に限らず、マイクロ
ロボットやその他のマイクロマシンの駆動源として利用
することができる。このため、アクチュエータの具体的
な構成も上記に限定されないことはもちろんである。例
えば、作動部分として薄膜に変わりピストンあるいはロ
ッドなどを採用することが可能である。また、本例のア
クチュエータは、2次元画像を表示できるように、複数
の作動区画を2次元に配置し、作動部分が同一方向に動
くようになっているが、作動区画は1次元あるいは3次
元に配置することも可能である。さらに、作動区画の形
状および発熱体の設置位置なども本例に限定されること
はなく、駆動する対象に適したものを採用することがで
きる。
In the above description, an example in which the actuator according to the present invention is applied to an optical switching element using an evanescent wave has been described.
Of course, it can be used as a driving source for a mirror of a micromirror device. Further, these optical switching elements can be used not only in image display devices but also in fields such as optical communication and optical operation that require high-speed digital control. Further, the actuator of the present invention can be used not only as a driving source of an optical switching element but also as a driving source of a micro robot or other micro machines. Therefore, the specific configuration of the actuator is not limited to the above. For example, it is possible to employ a piston or a rod instead of a thin film as the operating portion. In the actuator of this example, a plurality of operation sections are arranged two-dimensionally so that a two-dimensional image can be displayed, and the operation portions move in the same direction. However, the operation section is one-dimensional or three-dimensional. It is also possible to arrange in. Furthermore, the shape of the operation section and the installation position of the heating element are not limited to those in the present embodiment, and those suitable for the object to be driven can be adopted.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のアクチ
ュエータは、液体の膨張、特に相変化による大きな体積
変化を利用して作動部分を駆動しており、高速で、エネ
ルギー効率がよく、さらに構造が簡単なアクチュエータ
が提供できる。このため、本発明のアクチュエータを、
エバネッセント波を利用した光スイッチング素子などに
応用することにより、高速で簡単な構造であり、さらに
高コントラストの光スイッチング素子が実現できる。
As described above, the actuator of the present invention drives the operating part by utilizing a large volume change due to the expansion of the liquid, especially the phase change, and is high speed, energy efficient and An actuator having a simple structure can be provided. For this reason, the actuator of the present invention
By applying the present invention to an optical switching element using an evanescent wave, an optical switching element having a simple structure with a high speed and a high contrast can be realized.

【0031】また、本発明の光スイッチング素子を2次
元に配置して画像表示装置に応用することにより、エネ
ルギー効率がよく、階調表現が正確な画像表示装置を提
供できる。
Further, by arranging the optical switching element of the present invention two-dimensionally and applying it to an image display device, it is possible to provide an image display device with good energy efficiency and accurate gradation expression.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態に係る画像表示装置の概略
構成を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an image display device according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す画像表示装置であって、光スイッチ
ング素子がオンになった状態を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the image display device shown in FIG. 1, showing a state where an optical switching element is turned on.

【図3】図1に示す画像表示装置のアクチュエータを構
成する作動区画の配置を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an arrangement of operation sections constituting an actuator of the image display device shown in FIG. 1;

【図4】図3と異なる作動区画の配置を示す図である。FIG. 4 is a view showing an arrangement of an operation section different from that of FIG. 3;

【図5】さらに異なる作動区画の配置を示す図である。FIG. 5 shows a further different arrangement of the working compartments.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 画像表示装置 2 入射光 3 全反射面 4 導光体 5 出射面 10 光スイッチング素子 11 スイッチング部 12 スイッチング層 13 抽出面 14 マイクロプリズム 15 サポート 30 アクチュエータ 31 シリコン基板 32 作動区画 33 作動液体 34 作動区画の底面 35 薄膜(作動部分) 36 発熱体 37、38 電線 39 気泡 41、43、45 作動区画を密封するためのランド 42 狭い流路 44 バッファ領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Image display apparatus 2 Incident light 3 Total reflection surface 4 Light guide 5 Outgoing surface 10 Optical switching element 11 Switching part 12 Switching layer 13 Extraction surface 14 Micro prism 15 Support 30 Actuator 31 Silicon substrate 32 Working section 33 Working liquid 34 Working section Bottom surface 35 Thin film (operating part) 36 Heating element 37, 38 Electric wire 39 Bubble 41, 43, 45 Land for sealing the working section 42 Narrow flow path 44 Buffer area

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2H041 AA04 AB26 AB40 AC02 AC07 3H082 AA17 AA22 CC05 DB04 DD12 DE05 EE20 5C094 AA06 AA13 AA15 AA22 AA45 AA48 AA53 BA66 BA73 BA96 CA18 CA20 DA20 EA10 ED01 ED11 ED20 FB04 GA02 GA10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page F term (reference) 2H041 AA04 AB26 AB40 AC02 AC07 3H082 AA17 AA22 CC05 DB04 DD12 DE05 EE20 5C094 AA06 AA13 AA15 AA22 AA45 AA48 AA53 BA66 BA73 BA96 CA18 CA20 DA20 EA10 ED10 ED10 ED10

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 液体が充填された少なくとも1つの作動
区画と、 その作動区画内の液体に接触する面の少なくとも1部の
温度を急激に上昇可能な加熱手段と、 前記作動区画内の液体が膨張したときに所定の方向に変
位する作動部分とを有するアクチュエータ。
At least one working section filled with a liquid, heating means capable of rapidly increasing the temperature of at least a part of a surface in contact with the liquid in the working section, and a liquid in the working section An actuating portion that displaces in a predetermined direction when inflated.
【請求項2】 請求項1において、複数の前記作動区画
と、これらの作動区画を連結する狭い流路とを有するア
クチュエータ。
2. The actuator according to claim 1, comprising a plurality of the operation sections and a narrow flow path connecting the operation sections.
【請求項3】 請求項2において、前記複数の作動区画
は2次元に配置されており、それぞれの前記作動部分が
同一方向に変位することを特徴とするアクチュエータ。
3. The actuator according to claim 2, wherein the plurality of operation sections are arranged two-dimensionally, and each of the operation portions is displaced in the same direction.
【請求項4】 請求項1に記載のアクチュエータと、 前記作動部分により変位し光を変調可能なスイッチング
部とを有する光スイッチング素子。
4. An optical switching element comprising: the actuator according to claim 1; and a switching unit that is displaced by the operating part and can modulate light.
【請求項5】 請求項4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
光スイッチング部は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可能な光スイッチン
グ素子。
5. A light guide according to claim 4, further comprising: a light guide section having a total reflection surface capable of transmitting the reflected light by total reflection, wherein said light switching section is in contact with said total reflection surface and said total reflection is performed. An optical switching element that can extract evanescent light leaked from the surface.
【請求項6】 請求項4に記載の複数の光スイッチング
素子が2次元に配置されている画像表示装置。
6. An image display device wherein the plurality of optical switching elements according to claim 4 are two-dimensionally arranged.
【請求項7】 請求項6において、複数の前記作動区画
を液体が流通するように連結する狭い流路を有する画像
表示装置。
7. The image display device according to claim 6, further comprising a narrow flow path connecting the plurality of operation sections so that a liquid flows.
【請求項8】 請求項6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
光スイッチング部は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可能な画像表示装
置。
8. A light guide according to claim 6, further comprising a light guide section provided with a total reflection surface capable of transmitting the reflected light by total reflection, wherein said light switching section is in contact with said total reflection surface, and said total reflection is performed. An image display device that can extract evanescent light leaked from the surface.
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