JP2000330041A

JP2000330041A - 静電アクチュエータ、光スイッチング素子、画像表示装置およびそれらの制御方法

Info

Publication number: JP2000330041A
Application number: JP11140093A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takeda; 高司武田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】製造における歩留りが高く、さらに、消費電
力の低い光スイッチング素子を提供する。【解決手段】スイッチング部３０を駆動する静電アク
チュエータ４０において、スイッチング部３０を駆動す
る中間電極５３に駆動電圧Ｖｓを印加し、上下の電極５
０および５６は一定電圧に保持できるようにする。これ
により、隣接する上電極５６を連続でき、各上電極５６
を支持する支柱の数を削減できる。したがって、静電ア
クチュエータ４０の設計上のフレキシビリティーが増加
し、面積効率の高くできるので、歩留まりが高く消費電
力の低い静電アクチュエータ４０およびこれを用いた光
スイッチング素子１、さらに画像表示装置２を供給でき
る。

Description

【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、画像表示装置などに適した
光スイッチング素子、その静電アクチュエータ、それを
用いた画像表示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光スイッチング
素子としては、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。この光スイッチング素子９０
０は、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向面を回転させ光
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２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】この液晶を用いた複数
の光スイッチング素子からなる画像表示装置は、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ような光
通信、光演算、ホログラムメモリー等の光記録装置、光
プリンター等に対し、液晶を用いた光スイッチング素子
での実現は難しい。また、液晶を用いた光スイッチング
素子では、偏向板により光の利用効率が低下してしまう
などの問題もあった。

【０００４】そこで、上記のような用途に対応できる高
速動作の可能な光スイッチング素子が求められている。
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
る。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
基づき光スイッチング素子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。

【０００６】このエバネセント光を利用した光スイッチ
ング素子を用いた画像表示装置の一例を図１０に示して
ある。この画像表示装置９０は、光スイッチング素子８
０が２次元のアレイ状に並んで構成されている。個々の
光スイッチング素子８０は、弾性的な支持力を発揮する
板ばね（弾性部材）４８により支持されたスイッチング
部３０と、このスイッチング部３０に対応した個々の電
極に電力を供給することにより生じる静電力でスイッチ
ング部３０を駆動する静電駆動手段８２を備えている。
そして、板ばね４８と静電駆動手段８２との組合わせに
より、電極に電力（電圧）を供給することによりスイッ
チング部３０をオンオフ可能な静電アクチュエータ８４
が構成される。図１０に示した例では、全反射面２２を
備えた導光部２０に対し、エバネセント光を抽出する第
１の位置と、エバネセント光を抽出しない第２の位置と
に静電アクチュエータ８４によりスイッチング部３０を
移動することにより光がオンオフされる。

【０００７】画像表示装置９０においては、光スイッチ
ング部３０としてマイクロプリズム３４が採用され、入
射した光をマイクロプリズムにより所定の角度方向に反
射できるようになっている。したがって、光スイッチン
グ素子８０ａに示すように、スイッチング部３０が静電
アクチュエータ８４により抽出面３２が全反射面２２に
ほぼ接触した状態（第１の位置）になると、入射光１０
が導光部２０から抽出され、さらに、その入射光１０が
導光部２０の方向に反射される。このため、出射光１２
が出力され光スイッチング素子８０ａはオン状態とな
る。一方、光スイッチング素子８０ｂに示すように、ス
イッチング部３０が静電アクチュエータ８４により動
き、全反射面２２から抽出面３２が離されると（第２の
位置）、入射光１０は抽出されないので光は出射されな
い。したがって、光スイッチング素子８０ｂはオフ状態
となる。

【０００８】このように光スイッチング素子をここに制
御できるので、光スイッチング素子を画素に対応させる
ことにより画像を表示することができる。さらに、この
エバネセント光を利用した光スイッチング素子は、全反
射面に対し導光部の抽出面の位置を微少距離移動するこ
とにより、入射光を変調できる。このため、高速動作が
可能な光スイッチング素子の１つとして実現化に向けて
鋭意開発が進められている。

【０００９】図１０に示した画像表示装置においては、
アレイ状に配置された光スイッチング素子８０の各々が
静電アクチュエータ８４を備えており、各々の静電アク
チュエータ８４は、低い電圧で高速に駆動するために、
静電駆動手段８２の静電力と板ばね４８のばね力（弾性
力）の組み合わせを採用し、さらに、静電駆動手段８２
に対し適当な電力を供給して荷電する制御機構（制御Ｉ
Ｃ）７０を備えている。本例においては、制御機構７０
はシリコン基板７１に構成されており、その表面７１ａ
に電極および板バネを積層することにより全体が半導体
製造技術により製造できる構成となっている。

【００１０】静電駆動手段８２は、板ばね４８のばね力
に打勝って、スイッチング部３０を動かすための２組の
電極が使用される。先ず、シリコン基板表面７１ａに設
けられた下電極６０と板ばね４８と共に動く中間電極６
３で、スイッチング部３０を第２の位置（オフ状態）に
動かす電極ペアが構成されている。また、シリコン基板
７１から上方の離れた位置に設けられた上電極６６と中
間電極６３によりスイッチング部３０を第１の位置（オ
ン状態）に動かす電極ペアが構成されている。

【００１１】このような静電アクチュエータ８４では、
電極６０、６３および６６からなる静電駆動手段８２の
静電力Ｆｓが、板ばね４８の弾性力Ｆｇに対し変動する
ことにより、スイッチング部３０をスイッチング素子８
０ａに示す第１の位置、およびスイッチング素子８０ｂ
に示す第２の位置に動かす。静電力Ｆｓと弾性力Ｆｇ
は、下式（１）および（２）のように表される。

【００１２】Ｆｇ＝ｋｘ・・・・・（１）Ｆｓ＝ＣＶｓ／（ｄ−ｘ）^２・・・・・（２）ここで、スイッチング部３０が光をオンオフするために
移動する距離を２ｄ、駆動電圧をＶｓとし、スイッチン
グ部３０の中立位置からの移動距離をｘとする。さら
に、支持部材４８の弾性係数をｋとし、電極の面積およ
び誘電率等を加味した定数をＣとする。

【００１３】この静電アクチュエータ８４の制御は、図
１１に示したタイミングチャートのように行われる。先
ず、中間電極６３に一定のバイアス電圧Ｖｂ、例えば０
Ｖが印加される。次に、上電極６６と下電極６０に適当
な２値の駆動電圧Ｖｓ、例えば０Ｖと５Ｖがスイッチン
グを行うタイミングで印加される。これにより、スイッ
チング部３０は、第１または第２の位置に動くので、各
々の光スイッチング素子８０をオンオフ制御できる。

【００１４】例えば、時刻ｔ１に、上電極６６の駆動電
圧Ｖｓが５Ｖ、下電極６０の駆動電圧Ｖｓが０Ｖになる
と、中間電極６３は、上電極６６に引張られるので、ス
イッチング部３０は上方に動きオン状態となる。これに
対し、時刻ｔ２には、上電極６６の駆動電圧Ｖｓが０Ｖ
に、下電極６０の駆動電圧Ｖｓが５Ｖになると、中間電
極６３は、下電極６０に引張られるので、スイッチング
部３０は下方に動き、オフ状態となる。

【００１５】この静電アクチュエータ８４は、板ばね４
８の弾性力Ｆｇによりスイッチング部３０が第１および
第２の位置の間となる中間位置に戻る。さらに、中間位
置では、上電極６６と中間電極６３、下電極６０と中間
電極６３の距離が小さいので、小さな駆動電圧Ｖｓによ
り、スイッチング部３０を駆動できるというメリットを
備えている。すなわち、低消費電力で高速で作動する光
スイッチング素子８０を実現できる。また、弾性部材と
して、片持ち式の板ばね（ヨーク）４８を採用している
が、スイッチング部３０であるマイクロプリズム（光学
素子）３４が非平行な状態（姿勢）で第１の位置から第
２の位置に移動開始することができる。したがって、移
動開始時における光学素子３４の抽出面３２が受ける空
気抵抗が小さくなり、さらに低消費電力で高速動作可能
な光スイッチング素子８０となっている。

【００１６】このような光スイッチング素子８０により
画像表示装置９０などを実際に製品化していく上では、
いくつかの解決すべき課題がある。その１つは、駆動電
圧である。上述した光スイッチング素子８０は、駆動電
圧を低くできる構成となっているが、さらに、駆動電圧
を低くできることが望ましい。さらに、製品のコストを
下げるという面からは歩留りを高くできることが重要で
ある。図１０に示す構造の光スイッチング素子８０は、
半導体製造技術を用いて製造可能であるが、各電極の寸
法、電極間のクリアランス、さらには、上電極６６を支
持する支柱およびそのクリアランスなどは、所定のデザ
インルールに従って製造可能な程度のものにしておく必
要がある。

【００１７】静電アクチュエータ８４において、低電圧
で静電力Ｆｓを向上しようとすると、式（２）に示した
ように、電極間の距離を縮めることが望ましいが、この
距離を縮めれば、製造公差は小さくなるので、歩留り等
を考慮するとコスト高となる。また、中間電極６３が動
く範囲が小さくなると、スイッチング速度は向上する
が、変位が小さく、ばねによる弾性力Ｆｇが弱くなるの
で、スイッチング動作が安定しない可能性があり、ま
た、コントラストが低下する可能性がある。一方、板ば
ね４８の弾性係数ｋを大きくすると、駆動電圧を上げる
必要があるので、電圧を下げるという目的が達成できな
い。したがって、式（２）からもわかるように、低い電
圧で大きな静電力Ｆｓを得るには、電極面積を大きくす
ることが重要である。

【００１８】アレイ状に配置された各光スイッチング素
子８０の静電アクチュエータ８４を構成する部品の平面
的は構造を図１２に示してある。この静電アクチュエー
タ８４は、図１２に示した形状の部品をスイッチング部
３０の側から順番に、スイッチング部３０を支持するプ
リズム受台６８、上電極６６、中間電極６３、板ばね４
８、および下電極６０と積層することにより組み立てら
れ、その断面構成は、図１０に示した通りである。さら
に、これらの構成部分を重ねた状態で上方、すなわち、
スイッチング部３０の方から見ると、図１３に示すよう
になっている。

【００１９】したがって、光スイッチング素子８０を駆
動する静電アクチュエータでは、図１３に斜線で示す部
分が、静電力を得るために有効となる面積である。すな
わち、図中の左上の画素に斜線で示すように、上電極６
６と中間電極６３が重なる部分が電極の有効面積Ｓ３で
ある。また、図中の右下の画素に斜線で示す部分が、中
間電極６３と下電極６０の電極の有効面積Ｓ４となって
いる。そして、図１０に示したように、各光スイッチン
グ素子８０ごとに、上電極６６および下電極６０に駆動
電圧を印加することにより、有効面積Ｓ３またはＳ４に
比例する静電力Ｆｓが発生して、スイッチング部３０が
動く。

【００２０】各々の有効面積を示した図からわかるよう
に、電極の有効面積は、画素全体とはならない。すなわ
ち、上電極６６を機械的に固定する支柱４３および４
４、板ばね４８の部分は、電極を設けられないので、こ
の部分は有効面積にならない。さらに、中間電極が干渉
なく動くように、また、製造上のデザインルールに従っ
て、支柱４３および４４の周囲には、それぞれクリアラ
ンスＣが設けられているので、これらがデッドスペース
となり、この部分も電極の有効面積としてのスペースに
ならない。

【００２１】このように、光スイッチング素子８０をア
レイ状に配置したときに、支柱４３および４４、デザイ
ンルール、さらには板ばね４８との干渉があるので、面
積効率を上げることは難しい。したがって、歩留りが高
く、信頼性があり、さらに、低い電圧で駆動できる光ス
イッチング素子を実現するためには、何らかの技術的な
ブレークスルーが必要である。

【００２２】そこで、本発明においては、製造における
歩留りが高く、高性能で信頼性が高く、さらに、消費電
力の低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。また、その光スイッチング素子を用いて、信頼
性が高く、消費電力の低い画像表示装置を提供すること
も本発明の目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記にて説明した配置に
おいて、駆動電圧を下げるために電極の有効面積を広げ
ることを考えた場合、障害のもっとも大きなものは上電
極を支持する支柱であり、この支柱の面積と、この回り
にクリアランスを確保するために有効面積が限られてし
まっていることは上述した通りである。したがって、支
柱を減らすことができれば、クリアランスも含めて有効
面積を拡大できる。しかしながら、上電極を独立した壁
として安定して支持するためには４本あるいは少なくと
も３本の支柱が必要であり、２本以下に減らすことがで
きない。

【００２４】これに対し、本願の発明者らは電極の駆動
方法を変えることにより、上電極を支持する支柱の数を
２本以下にできることを見出した。上電極を独立して支
持するためには３本以上の支柱が必要とされるが、上電
極を独立させるのはスイッチング素子毎に上電極の電位
を変えてスイッチング部を駆動する必要があるからであ
る。したがって、中間電極の電位を変えてスイッチング
部を駆動する制御方法（駆動方法）を採用すれば、複数
のスイッチング素子に対し共通の電位を印加することが
可能となり、上電極を独立させる必要はなくなる。この
ため、上電極を複数のスイッチング素子に共通した、す
なわち、隣接したスイッチング素子の上電極と接続する
ことが可能となり、複数のスイッチング素子に共通した
構造で支持することができる。

【００２５】これにより、個々のスイッチング素子毎に
上電極を支持しなくて良いので、支柱の数を２本以下に
削減することができる。このため、個々のスイッチング
素子およびこれを駆動する静電アクチュエータの設計上
のフレキシビリティーが増加し、有効面積が増えるよう
に電極をデザインすることができる。また、有効面積の
みならず、中間電極を支持する弾性部材の弾性力が低く
なるようなデザインも採用することが可能となり、これ
によっても駆動電圧を低減できる。もちろん、有効面積
を増やし、弾性部材の弾性力が減るようなデザインも可
能である。

【００２６】このように、支柱の数を削減することによ
り、静電アクチュエータにおける水平方向の電極の設計
のフレキシビリティーが増すので、電極間距離を縮めな
くても駆動電圧を下げることができる。あるいは駆動電
圧を下げる変わりに、電極間距離を開けても従来と同様
の駆動力を得ることができる。したがって、本発明によ
り、デザインルールを変更しなくても駆動電圧の低い、
より性能の高い静電アクチュエータおよびスイッチング
素子を実現することが可能となり、歩留まりも高く維持
できる。逆に、デザインルールを緩和して、低コストで
性能の良い静電アクチュエータおよびスイッチング素子
を提供することも可能となる。

【００２７】すなわち、本発明の静電アクチュエータ
は、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スイッチング部を駆動する静電アク
チュエータであって、スイッチング部を弾性的に支持可
能な弾性部材と、スイッチング部を電極間に働く静電力
により第１および第２の位置に移動可能な静電駆動手段
とを有し、この静電駆動手段は、スイッチング部を駆動
可能な中間電極と、該中間電極によりスイッチング部を
第１の位置の方向に駆動する上電極と、該中間電極によ
りスイッチング部を第２の位置の方向に駆動する下電極
とを備えており、さらに、上電極および下電極に対しそ
れぞれ一定のバイアス電圧を印加し、中間電極に駆動電
圧を印加する制御手段を有するものである。

【００２８】この静電アクチュエータを複数並べたとき
には、上電極および下電極の少なくとも一方を、複数の
スイッチング部に対し連続させることができる。この結
果、上述したように、上電極が支柱により支持されてい
る場合は、その支柱の数を削減できるので、支柱の面
積、さらには、支柱の回りのクリアランスの面積を電極
のデザインのために利用することができる。したがっ
て、駆動電圧が低く、信頼性および歩留まりの高い静電
アクチュエータを提供できる。

【００２９】さらに、制御手段により中間電極だけにス
イッチング部を制御する電位を印加すれば良いので、上
電極および下電極に対し異なる極性の電位を印加してい
た従来のものに対し、ＩＣメモリのデータ出力を中間電
極に印加するといった簡易な構成を採用することができ
る。

【００３０】電極を複数のスイッチング部に対して連続
させることにより電極強度が向上するので、支柱を減ら
せることはもちろん、電極自体の厚みを薄くするなどの
コストダウンを図ることができる。さらに、電圧が変動
する中間電極の外側に位置する上下の電極を連続したも
のにできるので、これらにより中間電極をノイズからシ
ールドできる。したがって、外部からのノイズに対して
も強くなり、また、内部からノイズを出す恐れも少なく
なる。このように、上下の電極、もちろん一方でも良い
が、を連続することにより従来のセパレートを前提とし
て設計を大幅に見直すことが可能となる。

【００３１】このような静電アクチュエータにより、光
を変調可能なスイッチング部を駆動することにより、光
を変調する光スイッチング素子を構成できる。また、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
光部を設け、スイッチング部は、第１の位置で全反射面
から漏出したエバネセント光を抽出するようにすれば、
エバネセント光の特性を利用したコントラストが大き
く、高速動作の可能な光スイッチング素子を実現でき
る。

【００３２】そして、スイッチング部はアレイ状に配置
することにより２次元あるいは３次元の画像を表示可能
な画像表示装置を提供できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。本発明に係る画像表示装置は、先
の図１０に示したものと共通する部分を備えており、こ
れらについては同じ符号を付してある。まず、図１に、
本例の光スイッチング素子１の静電アクチュエータ４０
の平面構成を拡大して示してある。本例においては、複
数の光スイッチング素子１が左右にアレイ状に配置され
ており、これにより画像表示装置２が構成される。ま
た、図２には、図１におけるＡ−Ａ’線で切断した断面
図により、本例の光スイッチング素子の構造を示してあ
る。

【００３４】本例の画像表示装置２を構成する光スイッ
チング素子１も、入射光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光を抽
出できるものである。そして、抽出された光は、マイク
ロプリズム３４によりスイッチング部３０で導光部２０
の方向に反射され出射光となり、導光部２０を通って外
部へ出力される。本例の光スイッチング素子１も、スイ
ッチング部３０の微小な動きにより入射光を高速で変調
（オンオフ制御）できるというエバネセント光を用いた
利点を備えている。

【００３５】光スイッチング素子１も、静電駆動手段４
２の静電力Ｆｓと、板ばね（弾性部材）４５による弾性
力Ｆｇを組合わせた静電アクチュエータ４０が採用され
ている。そして、この静電駆動手段４２に対しシリコン
基板７１にＳＲＡＭと同じ機能を果たす回路７２が各画
素（光スイッチング素子）毎に構成されており、これら
が制御機構（制御手段）７０としての機能を果たす。

【００３６】本例の静電アクチュエータ４０の静電駆動
手段４２は、スイッチング部３０のシリコン基板７１の
表面７１ａに設けられた下電極５０と、シリコン基板７
１の上面に下電極５０に対峙するように設けられた上電
極５６と、これらの間で上下方向に動く中間電極５３と
を備えている。また、スイッチング部３０を弾性的に支
持する板ばね４５は片持ちタイプのものが採用されてお
り、板バネ４５により中間電極５３も支持されている。
したがって、本例の静電アクチュエータ４０も電極５
０、５３および５６との間に働く静電力Ｆｓと、板ばね
４５による弾性力Ｆｇにより、図１０に基づき説明した
ようにスイッチング部３０を駆動できるようになってい
る。

【００３７】そして、本例の静電アクチュエータ４０に
おいては、先に図１０などに基づき説明した静電アクチ
ュエータ８４と異なり、中間電極５３に制御回路７２か
らの駆動電圧を印加し、上電極５６および下電極５０に
は一定のバイアス電圧を印加するようにしている。すな
わち、本例の静電アクチュエータ４０の制御は、図３に
示したタイミングチャートのように行われる。上電極５
６および下電極５０に一定（固定）のバイアス電圧Ｖｂ
が印加されており、中間電極５３には、適当な２値の駆
動電圧（スイッチング電圧）Ｖｓがスイッチングを行う
タイミング、たとえば時刻ｔ１およびｔ２で印加され
る。これにより、スイッチング部３０は、先の図１０に
示したように、第１または第２の位置に動くので、各々
の光スイッチング素子１をオンオフ制御できる。上電極
５６の一定のバイアス電圧Ｖｂに０Ｖが印加され、下電
極５０の一定のバイアス電圧Ｖｂに５Ｖが印加されてい
れば、時刻ｔ１に、中間電極５３の５Ｖの駆動電圧Ｖｓ
を印加すると、中間電極５３は、上電極５６に引張られ
るので、スイッチング部３０は上方、すなわち第１の位
置に移動し、光スイッチング素子１はオンとなる。これ
に対し、時刻ｔ２に中間電極５３の０Ｖの駆動電圧Ｖｓ
を印加すると中間電極５３は、下電極５０側に引張ら
れ、スイッチング部３０は下方（第２の位置）へ移動
し、光スイッチング素子１はオフとなる。

【００３８】スイッチング部３０が第１の位置から第２
の位置、あるいはその逆に移動する間は、実際には駆動
電圧を変えると中間電極５３と移動先の上または下電極
との距離があるので、板ばね４５の弾性力Ｆｇによりス
イッチング部３０が第１および第２の位置の間となる中
間位置に戻り、その静電力Ｆｓにより第１または第２の
所定の位置まで移動する。

【００３９】なお、比較を容易とするために、駆動電圧
は先に図１１に示した値と同じにしているが、後述する
ように本例の静電アクチュエータにおいては電極の有効
面積を増大できるので、駆動電圧を下げることが可能で
ある。

【００４０】本例の静電アクチュエータ４０では、上述
したように、バイアス電圧Ｖｂを中間電極５３ではな
く、上電極５６と下電極５０に印加することで駆動でき
るので、隣接する上電極５６および下電極５０の電位を
同じにすることができる。したがって、上電極５６およ
び下電極５０を、各スイッチング部３０に対して、それ
ぞれ独立させる必要がなくなり、隣接する電極と接続あ
るいは連続させることができる。このため、複数のスイ
ッチング素子１の上電極５６あるいは下電極５０を極端
に言うとそれぞれ一枚の電極でカバーすることができ、
上電極５６を支持する場合も、個々の光スイッチング素
子１ごとに、上電極５６を完全に支持しなくても複数の
光スイッチング素子に共通した上電極全体を所定の位置
に支持できれば良くなる。

【００４１】すなわち、従来では個々のスイッチング素
子毎に上電極を独立して支持するために少なくとも３
本、多くの場合４本の支柱が必要であったが、本例の静
電アクチュエータ４０を採用した光スイッチング素子１
においては、上電極を支持する支柱を２本以下にするこ
とが可能となる。図４に示すように、アレイ状に配置さ
れる複数の光スイッチング素子をカバーする上電極５６
を抜き出して示してみると、本例においては物理的に連
続した電極を採用することができる。これに対し、図１
０に基づき説明した光スイッチング素子では、図５に上
電極を抜き出して示したように、光スイッチング素子に
対応した小さなサイズのピースを採用せざるをえない。
これらの図から判るように、本例の静電アクチュエータ
４０の上電極５６は、複数の上電極５６を適当な大きさ
の１枚のシート状に形成できるので、機械的な強度が高
くなり、これらの電極５６を支える支柱の数を減らすこ
とができる。したがって、駆動電圧Ｖｓを下げるために
電極の有効面積を広げる際に、もっとも大きな障害とな
っていた支柱４３および４４のうち、２本の支柱４３を
取り除くことができ、これらの支柱４３が占めていた部
分を、それぞれ電極の面積として確保できる。さらに、
支柱４３に付随して設けられているクリアランスＣの部
分も電極の有効面積として活用できる。

【００４２】図６に静電アクチュエータ４０を構成する
各部品、スイッチング部３０を支持するプリズム受台５
８、上電極５６、中間電極５３、板ばね４５、および下
電極５０の形状を平面図で示してある。これらは、図１
２に示した静電アクチュエータ８４の各部材の面積と比
べて分かるように、取り除かれた２本の支柱４３および
それに付随するクリアランスＣのスペースに、電極およ
び板ばねの面積が拡張されたデザインとなっている。そ
して、本例の上電極５６は、隣接する上電極と連続する
ように形成されていることは上述した通りである。

【００４３】図７に、本例の静電アクチュエータ４０に
おいて電極の有効面積が増えた様子を示してある。図７
（ａ）は、上電極５６と中間電極５３の重なる部分の有
効面積Ｓ１を斜線で示してある。また、図７（ｂ）に、
中間電極５３と下電極５０の重なる部分の有効面積Ｓ２
を斜線で示してある。これらの図を、図１３に示した静
電アクチュエータ８４における有効面積Ｓ３およびＳ４
と比較すると次のようになる。

【００４４】図１３に示す上電極６６と中間電極６３の
有効面積Ｓ３は３４．７５μｍ^２であったのに対して、
本例では、上電極６６と中間電極６３との有効面積Ｓ１
が４４．４５μｍ^２になった。すなわち、本例のデザイ
ンでは、有効面積Ｓ１を約２８％増加できる。

【００４５】また、図７（ｂ）に示すように、中間電極
５３と下電極５０の有効面積Ｓ２も、図１３に示す中間
電極６３と下電極６０の有効面積Ｓ４が５０．５μｍ^２
であったのに対して、本例の有効面積Ｓ２は、６０．０
μｍ^２になった。すなわち、本例のデザインでは、有効
面積Ｓ２を約１９％増加できる。

【００４６】このように、本例の静電アクチュエータ４
０では、中間電極５３に駆動電圧Ｖｓを印加する制御方
法に変えることで、アレイ状に配置したときに、支柱の
数を削減でき、それに基づいた電極、板ばねのデザイン
を行うことにより面積効率を上げることができる。すな
わち、個々のスイッチング素子１およびこれを駆動する
静電アクチュエータ４０を設計する上において、配置の
フレキシビリティーが増加し、面積効率の高いデザイン
を実現できる。特に、支柱を減らすことにより、支柱の
面積だけでなく、所定のデザインルールに従ってその周
囲に確保されているクリアランス（デッドスペース）も
なくすことができる。このため、支柱の本数を減らせれ
ることは、電極の有効面積を増やす上において非常に効
果的である。

【００４７】また、支柱の数を減らすことにより、静電
アクチュエータ４０の電極の水平方向の設計（デザイ
ン）のフレキシビリティーが増すので、電極の有効面積
の拡大のみならず、中間電極５３を支持する板ばね４５
の弾性力が小さくなるようなデザインを採用することも
できる。そして、板ばね４５のばね定数ｋを小さくすれ
ば、本例の静電アクチュエータ４０は、先の式（１）お
よび（２）に示すように、弾性力Ｆｇも小さくできる。

【００４８】このように、本例の静電アクチュエータ４
０では、電極間距離を縮めなくても、駆動電圧Ｖｓを下
げることができ、省電力化が実現できる。あるいは、駆
動電圧Ｖｓを低減する代わりに、電極間距離を広げて
も、先の図１０に示したような静電アクチュエータ８４
と同様の駆動力を得ることができ、製造公差も広く設定
することができる。このように、本例では、構成または
デザインルール等を大幅に変更しなくても、駆動電圧の
低い、より高性能な静電アクチュエータ４０および光ス
イッチング素子１を実現できる。そして、高い歩留りで
の製品化が実現できる。あるいは、デザインルールを緩
和して、低コストで性能の良い静電アクチュエータおよ
びスイッチング素子を提供することもできる。

【００４９】また、本例の静電アクチュエータ４０にお
いては、中間電極５３にだけ電位を加えれば駆動でき
る。したがって、図２に示したようなＩＣメモリーであ
るＳＲＡＭと同等の回路７２により静電アクチュエータ
４０が駆動でき、光スイッチング素子１および画像表示
装置２も同様に駆動できる。すなわち、図１０に示した
静電アクチュエータ８４では上電極５６および下電極５
０に対し異なる極性の電位を印加する制御機構が必要と
されるのに対し、本例の静電アクチュエータ４０では、
ＳＲＡＭライクな構成で良い。したがって、静電アクチ
ュエータ全体を半導体製造技術により作り込むことが可
能となり、低コストで信頼性が高いものをコンパクトに
供給できる。

【００５０】さらに、上電極５６をグランドに落すこと
も可能であり、グランドラインの面積を大きくとれるの
で、電圧分布がなくり、雑音（ノイズ）に強く、発熱も
効率良く逃がすことができる。したがって、本例の静電
駆動アクチュエータ４０を採用することにより、上述し
たように、駆動性能および品質の面で大きなメリットが
得られると共に、信頼性あるいはノイズ性能も高い静電
アクチュエータ４０、光スイッチング素子１、さらに画
像表示装置２を実現できる。

【００５１】図８に、本例の静電アクチュエータ４０を
製造する概要を示してある。図８（ａ）は、図１のＡ−
Ａ’線の断面を用いて製造工程の概略を模式的に示す図
である。また、図８（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ’線の断面
を用いて製造工程の概略を模式的に示す図である。

【００５２】本例の静電アクチュエータ４０は、適当な
厚みのＳｉＯ_２等の酸化膜により犠牲層７８ａ、７８ｂ
および７８ｃを順次形成すると共に、エッチングなどの
加工技術により犠牲層を加工し、静電アクチュエータを
構成する部品をＭＯＣＶＤなどの手法により製造する。
犠牲層は、その後、酸化膜だけ溶かす溶剤を用いて除去
され、上記にて説明したような構成の静電アクチュエー
タが製造される。

【００５３】なお、上記では、静電アクチュエータ４０
において、上電極５６だけを隣接する上電極をそれぞれ
物理的に連続させた例を説明しているが、下電極５０も
連続させることももちろん可能である。しかしながら、
本例の下電極５０は、シリコン基板７１上に支持されて
いるので、大幅なデザインルールを変えずに、下電極５
０はそれぞれが分離された状態で、中間電極５３の面積
に合わせて十分に有効面積を増やすことができる。

【００５４】また、上記では、本発明の静電アクチュエ
ータを備えた光スイッチング素子がエバネセント光を抽
出して光を変調する画像表示装置を例に説明している
が、これに限らず、本発明の光スイッチング素子は、ス
イッチング部の抽出面の角度を変えて光をオンオフする
画像表示装置等さまざまなタイプの画像表示装置に採用
することも、もちろんできる。

【００５５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明におい
て、中間電極の電位を変えてスイッチング部を駆動する
駆動方法を採用することにより、上電極を支持する支柱
の数を２本以下にできる。このため、個々のスイッチン
グ素子およびこれを駆動する静電アクチュエータの設計
上のフレキシビリティーを増加させることができる。し
たがって、有効面積が増えるように電極をデザインする
ことができ、また、有効面積のみならず、中間電極を支
持する弾性部材の弾性力が低くなるようなデザインも採
用できる。これによっても駆動電圧を低減でき、有効面
積を増やし、弾性部材の弾性力が減るようなデザインも
できる。

【００５６】さらに、支柱の数を削減することにより、
電極間距離を縮めなくても駆動電圧を下げることがで
き、あるいは駆動電圧を下げる変わりに、電極間距離を
開けても従来と同様の駆動力を得ることができるので、
デザインルールをほとんど変更しなくても駆動電圧の低
い、より性能の高い静電アクチュエータおよびスイッチ
ング素子を実現でき、さらに、歩留まりも高く維持でき
る。あるいは、デザインルールを緩和して、低コストで
性能の良い静電アクチュエータおよびスイッチング素子
を提供することもできる。また、スイッチング部がアレ
イ状になるように、本発明の静電アクチュエータをアレ
イ状に配置し、２次元あるいは３次元の画像を表示可能
な信頼性が高く、消費電力の低い画像表示装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る画像形成装置における光スイッチ
ング素子の静電アクチュエータがアレイ状に配置された
様子を示す平面図である。

【図２】図１に示す画像形成装置の概略構成を示す断面
図である。

【図３】図１に示す画像形成装置における光スイッチン
グ素子を駆動電圧Ｖｓおよびバイアス電圧Ｖｂを用いて
制御する様子を示すタイミングチャートである。

【図４】図１に示す上電極がアレイ状に配置された様子
を示す平面図である。

【図５】図１０に示す上電極がアレイ状に配置された様
子を示す平面図である。

【図６】図１に示した静電アクチュエータにおける各部
品の形状を示す平面図である。

【図７】図１に示した静電アクチュエータの電極の有効
面積を示す説明図であり、図７（ａ）は、上電極と中間
電極の電極の有効面積を示す説明図である。図７（ｂ）
は、中間電極と下電極の電極の有効面積を示す説明図で
ある。

【図８】図８（ａ）は、図１のＡ−Ａ’線の断面におけ
る製造工程を模式的に示す図である。また、図８（ｂ）
は、図１のＢ−Ｂ’線の断面における製造工程を模式的
に示す図である。

【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。

【図１０】エバネセント光を用いた光スイッチング素子
からなる画像表示装置の概略構成を示す断面図である。

【図１１】図１０に示した画像形成装置における光スイ
ッチング素子を駆動電圧Ｖｓおよびバイアス電圧Ｖｂを
用いて制御する様子を示すタイミングチャートである。

【図１２】図１０に示した静電アクチュエータにおける
各部品の形状を示す平面図である。

【図１３】図１０に示した画像表示装置の静電アクチュ
エータを示す平面図である。

【符号の説明】

１、８０光スイッチング素子２、９０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３４抽出面３３マイクロプリズム（光学素子）４０、８４静電アクチュエータ４２、８２静電駆動手段４３、４４支柱４５、４８弾性部材（板ばね）５０、６０下電極５３、６３中間電極５６、６６上電極５８、６８プリズム受台７０制御機構（制御手段）７１シリコン基板７２制御回路７８犠牲層（ＳｉＯ_２）９００光スイッチング素子（液晶セル）９０１、９０８偏向板９０２、９０３ガラス板９０４、９０５透明電極９０６、９０７液晶

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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スイッチング部を駆動す
る静電アクチュエータであって、前記スイッチング部を弾性的に支持可能な弾性部材と、前記スイッチング部を電極間に働く静電力により前記第
１および第２の位置に移動可能な静電駆動手段とを有
し、この静電駆動手段は、スイッチング部を駆動可能な中間
電極と、該中間電極により前記スイッチング部を前記第
１の位置の方向に駆動させるように配置された上電極
と、該中間電極を前記第２の位置の方向に駆動させるよ
うに配置された下電極とを備えており、さらに、前記上電極および下電極に対しそれぞれ一定の
バイアス電圧を印加し、前記中間電極に駆動電圧を印加
する制御手段を有する静電アクチュエータ。
【請求項２】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複数のスイッチング部を
駆動する静電アクチュエータであって、前記スイッチング部の各々を弾性的に支持可能な複数の
弾性部材と、前記スイッチング部を電極間に働く静電力により前記第
１および第２の位置に移動可能な静電駆動手段とを有
し、この静電駆動手段は、各々のスイッチング部を駆動可能
な独立した中間電極と、該中間電極により前記スイッチ
ング部を前記第１の位置の方向に駆動させるように配置
され上電極と、該中間電極を前記第２の位置の方向に駆
動させるように配置された下電極とを備えており、上電
極および下電極の少なくとも一方は前記複数のスイッチ
ング部に対し連続していることを特徴とする静電アクチ
ュエータ。
【請求項３】請求項２において、前記上電極および下
電極に対しそれぞれ一定のバイアス電圧を印加し、前記
中間電極の各々に駆動電圧を印加する制御手段を有する
静電アクチュエータ。
【請求項４】請求項１または３において、前記制御手
段は、ＩＣメモリのデータ出力を前記中間電極に印加す
ることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の静
電アクチュエータと、この静電アクチュエータにより駆
動される少なくとも１つのスイッチング部とを有し、こ
のスイッチング部は、少なくとも前記第１の位置で光を
変調することを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項６】請求項５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さらに有
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
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
る光スイッチング素子。
【請求項７】請求項２ないし４のいずれかに記載の静
電アクチュエータと、これらの静電アクチュエータに駆
動される複数のスイッチング部とを有し、これらスイッ
チング部はアレイ状に配置されており、少なくとも前記
第１の位置で光を変調することを特徴とする画像表示装
置。
【請求項８】請求項７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さらに有
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
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
る画像表示装置。
【請求項９】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スイッチング部を駆動す
る静電アクチュエータの制御方法であって、当該静電ア
クチュエータは、前記スイッチング部を弾性的に支持可
能な弾性部材と、前記スイッチング部を電極間に働く静
電力により前記第１および第２の位置に移動可能な静電
駆動手段とを有し、この静電駆動手段は、スイッチング
部を駆動可能な中間電極と、該中間電極によりスイッチ
ング部を前記第１の位置の方向に駆動するように配置さ
れた上電極と、該中間電極を前記第２の位置の方向に駆
動するように配置された下電極とを備えており、前記上電極および下電極に対しそれぞれ一定のバイアス
電圧を印加し、前記中間電極に駆動電圧を印加して前記
スイッチング部を駆動することを特徴とする静電アクチ
ュエータの制御方法。
【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スイッ
チング部を備えた光スイッチング素子の制御方法であっ
て、当該スイッチング素子は、前記スイッチング部を弾性的
に支持可能な弾性部材と、前記スイッチング部を電極間
に働く静電力により前記第１および第２の位置に移動可
能な静電駆動手段とを有し、この静電駆動手段は、スイ
ッチング部を駆動可能な中間電極と、該中間電極により
スイッチング部を前記第１の位置の方向に駆動するよう
に配置された上電極と、該中間電極を前記第２の位置の
方向に駆動するように配置された下電極とを備えてお
り、前記上電極および下電極に対しそれぞれ一定のバイアス
電圧を印加し、前記中間電極に駆動電圧を印加して前記
スイッチング部を駆動することを特徴とするスイッチン
グ素子の制御方法。
【請求項１１】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複数の
スイッチング部がアレイ状に配置された画像表示装置の
制御方法であって、各々の前記スイッチング部を弾性的に支持可能な独立し
た弾性部材と、前記スイッチング部を電極間に働く静電
力により前記第１および第２の位置に移動可能な静電駆
動手段とを有し、この静電駆動手段は、スイッチング部
を駆動可能な中間電極と、該中間電極によりスイッチン
グ部を前記第１の位置の方向に駆動するように配置され
た上電極と、該中間電極を前記第２の位置の方向に駆動
するように配置された下電極とを備えており、前記上電極および下電極に対しそれぞれ一定のバイアス
電圧を印加し、前記中間電極に各々の前記スイッチング
部の動作に対応した駆動電圧を印加して前記スイッチン
グ部を駆動することを特徴とする画像表示装置の制御方
法。