JP2001051212A

JP2001051212A - 光変調デバイス及び表示装置

Info

Publication number: JP2001051212A
Application number: JP11222068A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsuzawa; 明松沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2001-02-23
Anticipated expiration: 2019-08-05
Also published as: JP3800288B2

Abstract

(57)【要約】【課題】反射面の曲率変化を大きくして集光性能を向
上させた光変調デバイス及びそれを用いた表示装置を提
供する。【解決手段】圧電体層３３及びこれを挟持する第１及
び第２の電極３２，３４からなる圧電素子３０を有する
と共に光を反射するミラー膜構造を有するミラー要素２
０と、該ミラー要素２０に対応して設けられた駆動素子
５０とを有する光変調デバイスにおいて、前記圧電素子
３０は、前記ミラー要素２０の厚さ方向に貫通した貫通
孔２１，２２を少なくとも２つ有し、前記第１及び第２
の電極３２，３４は、それぞれ前記貫通孔２１，２２を
介して基板１１上まで延設されると共に前記ミラー要素
２０を前記基板１１上に支持する第１及び第２の延設部
４１，４２を具備することにより、圧電素子３０の外縁
部を自由端とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミラーの変形によ
って入射光を変調して表示を行うための光変調デバイス
及び表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光を変調して表示を行うための光
変調デバイスとしては、例えば、基板上に設けた電極に
電圧を印加し、その吸引力等によってミラーを傾斜させ
て入射光を変調させるものや、圧電体層を一対の電極膜
で挟持した圧電素子上にミラーを設け、圧電素子を変形
させることによりこのミラーを傾斜させて入射光を変調
させるもの等が知られている。

【０００３】また、圧電素子を利用したものとしては、
特表平９−５０４３８７号公報に見られるように、片持
ち梁状の圧電素子の表面に薄膜等からなるミラー膜を形
成し、圧電素子を変形させることによりこのミラー膜を
屈曲させて入射光の方向を変えるものも提案されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな圧電素子を利用した光変調デバイスは、何れにして
も、圧電素子の長手方向一端部を支持した片持ち梁状の
構造であり、この構造の場合、圧電素子をその長手方向
に沿った一方向のみに変形させることで光の方向を変え
て変調するため、変調性能が低いという問題がある。

【０００５】また、静電吸引力等によってミラーを傾斜
させる光変調デバイスでは、デジタル的にミラーをＯ
Ｎ、ＯＦＦするため、高階調な画像を得ることが難しい
という問題がある。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑み、反射面
の曲率変化を大きくして集光性能を向上させると共に変
調性能を向上した光変調デバイス及びそれを用いた表示
装置を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の第１の態様は、圧電体層及びこれを挟持する第１及
び第２の電極からなる圧電素子を有すると共に光を反射
するミラー膜構造を有するミラー要素と、該ミラー要素
に対応して設けられた駆動素子とを有する光変調デバイ
スにおいて、前記圧電素子は、前記ミラー要素の厚さ方
向に貫通した貫通孔を少なくとも２つ有し、前記第１及
び第２の電極は、それぞれ前記貫通孔を介して基板上ま
で延設されると共に前記ミラー要素を前記基板上に支持
する第１及び第２の延設部を具備することを特徴とする
光変調デバイスにある。

【０００８】かかる第１の態様では、ミラー要素を構成
する圧電素子が第１及び第２の延設部によって支持さ
れ、ミラー要素の外縁部全体が固定されていないため、
圧電素子の変形効率が向上する。

【０００９】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記第１及び第２の延設部は、その少なくとも一部
が前記圧電素子の平面方向とは交差する方向に延設され
ていることを特徴とする光変調デバイスにある。

【００１０】かかる第２の態様では、ミラー要素が基板
との間に空間を保持した状態で基板表面に支持される。

【００１１】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様
において、前記ミラー膜構造には前記貫通孔と連通する
連通孔が外縁部から独立して設けられていることを特徴
とする光変調デバイスにある。

【００１２】かかる第３の態様では、ミラー膜構造は、
連通孔以外の部分が光を有効に反射する。

【００１３】本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか
の態様において、前記第１及び第２の延設部が、前記ミ
ラー要素の一方の対角線に対して線対称にそれぞれ一つ
ずつ設けられ且つ中央近傍に配置されていることを特徴
とする光変調デバイスにある。

【００１４】かかる第４の態様では、圧電素子が略中央
部を支点として凹面に変形する。

【００１５】本発明の第５の態様は、第１〜４の何れか
の態様において、前記圧電素子の前記圧電体層に電圧を
印加することにより、前記貫通孔の間の領域を支点とし
て前記ミラー膜構造が変形され、当該ミラー膜構造に入
射する光が変調されることを特徴とする光変調デバイス
にある。

【００１６】かかる第５の態様では、圧電素子の駆動に
よる曲率変化が大きくなるため、ミラー膜構造に入射す
る光の集光性能を向上させることができる。

【００１７】本発明の第６の態様は、第１〜５の何れか
の態様において、前記第１及び第２の延設部が、前記駆
動素子に電気的に接続されていることを特徴とする光変
調デバイスにある。

【００１８】かかる第６の態様では、第１及び第２の延
設部によって圧電素子と駆動素子とが電気的に接続され
るため、配線構造が簡略化される。

【００１９】本発明の第７の態様は、第１〜６の何れか
の態様において、前記第１及び第２の延設部は、パター
ニングされた犠牲層上に前記第１及び第２の電極を成膜
することにより形成されていることを特徴とする光変調
デバイスにある。

【００２０】かかる第７の態様では、犠牲層を用いるこ
とにより、第１及び第２の延設部を容易に形成すること
ができる。

【００２１】本発明の第８の態様は、第１〜７の何れか
の態様において、前記圧電素子の前記基板側の面には、
弾性板を有すると共に他方面側には、前記ミラー膜構造
を有することを特徴とする光変調デバイスにある。

【００２２】かかる第８の態様では、圧電素子の一方面
側に設けられた弾性板側に第１及び第２の延設部が延設
されているため弾性板側を支点として圧電素子が変形
し、他方面のミラー膜構造が変形する。

【００２３】本発明の第９の態様は、第８の態様におい
て、前記圧電素子の前記ミラー膜構造は、前記他方面側
の前記第２の電極又はこの上に設けられた反射膜から構
成されることを特徴とする光変調デバイスにある。

【００２４】かかる第９の態様では、圧電素子の第２の
電極又は反射膜が光を反射する。

【００２５】本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れ
かの態様において、前記駆動素子が前記基板上に設けら
れたトランジスタであることを特徴とする光変調デバイ
スにある。

【００２６】かかる第１０の態様では、基板上に設けら
れたトランジスタを介して各ミラー要素の圧電素子が駆
動される。

【００２７】本発明の第１１の態様は、第１〜１０の何
れかの態様の光変調デバイスと、光源と、この光源から
の光を前記光変調デバイスに入射すると共に当該光変調
デバイスの前記圧電素子の駆動時又は非駆動時の何れか
一方のみを出射する光学系とを具備することを特徴とす
る表示装置にある。

【００２８】かかる第１１の態様では、ミラー膜構造の
曲率変化を大きくして集光性能を向上させた光変調デバ
イスを用いることにより、小型、省スペース化を可能と
した表示装置が実現できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施形態に基づい
て詳細に説明する。

【００３０】（実施形態１）図１は、実施形態１に係る
光変調デバイスの概略を示す斜視図であり、図２は、そ
の一つのミラー要素を示す上面図及び断面図である。

【００３１】図１に示すように、本実施形態の光変調デ
バイス１０は、例えば、厚さが５００μｍのシリコン
（Ｓｉ）基板等で形成されたミラー基板１１と、このミ
ラー基板１１上に、２次元アレイ状に設けられたミラー
要素２０からなる。

【００３２】これらのミラー要素２０は、例えば、１２
８０×１０２４要素の２次元アレイ状に設けられ、例え
ば、図２に示すように、弾性板３１上に形成された下電
極膜３２、圧電体層３３及び上電極膜３４を有する圧電
素子３０を有する。また、本実施形態では、この圧電素
子３０を構成する上電極膜３４が入射光を反射する反射
膜を兼ねている。なお、勿論、上電極膜３４とは別途、
反射膜を設けるようにしてもよい。

【００３３】また、各ミラー要素２０の表面は、例えば
一辺が約２０μｍの略正方形を有しており、本実施形態
では、このミラー要素２０の対角線上の一方には、厚さ
方向に貫通した矩形の貫通孔２１，２２がミラー要素２
０の他方の対角線に対して線対称となるように設けられ
ている。

【００３４】各ミラー要素２０の圧電素子３０を構成す
る下電極膜３２及び上電極膜３４には、それぞれ、圧電
素子３０の貫通孔２１，２２から貫通孔２１，２２の一
辺と略同一幅でミラー基板１１上まで延設された下電極
延設部４１及び上電極延設部４２を有する。これら下電
極延設部４１及び上電極延設部４２は、その一部が圧電
素子３０の平面方向に交差する方向に延設されており、
ミラー要素２０をミラー基板１１との間に空間を保持し
た状態で支持している。すなわち、これらのミラー要素
２０は、貫通孔２１，２２の間の領域を支点として変形
されるようになっている。また、ミラー基板１１には、
圧電素子３０を駆動するためのトランジスタ等の駆動素
子５０が各圧電素子３０に対応して設けられており、下
電極延設部４１及び上電極延設部４２は、それぞれ各駆
動素子５０と電気的に接続されている。

【００３５】ここで、下電極延設部４１及び上電極延設
部４２の幅は、特に限定されないが、圧電素子３０の変
形効率を向上するためには、ミラー要素２０を支持固定
可能な程度に細くすることが好ましい。また、下電極延
設部４１及び上電極延設部４２、すなわち下電極膜３２
及び上電極膜３４の膜厚も特に限定されず、ミラー要素
２０を支持固定可能な程度であればよく、それぞれの歪
み等を考慮して適宜決定されればよい。

【００３６】また、これら下電極延設部４１及び上電極
延設部４２が延設される貫通孔２１，２２の開口の大き
さは、少なくとも下電極延設部４１及び上電極延設部４
２と接触しない程度であれば特に限定されないが、反射
面の面積を広くとるために、できるだけ開口面積を小さ
く形成することが好ましい。また、貫通孔２１，２２の
互いの間隔によって、ミラー要素２０の変形量、変形方
向等が変化するため、これらを考慮して貫通孔２１，２
２の位置を適宜決定する必要がある。

【００３７】また、このような本実施形態の光変調デバ
イス１０の製造方法は特に限定されないが、本実施形態
では、以下の工程で製造した。なお、図３及び図４は、
本実施形態の光変調デバイスの製造方法を示す断面図で
ある。

【００３８】まず、図３（ａ）に示すように、シリコン
基板上に半導体プロセスにより所定のトランジスタから
なる駆動素子５０を形成し、これをミラー基板１１とす
る。このミラー基板１１上に犠牲層６０を形成する。こ
の犠牲層６０の材料は、特に限定されないが、例えば、
ポリシリコン又はリンドープ酸化シリコン（ＰＳＧ）等
を用いることが好ましく、本実施形態では、エッチング
レートの比較的速いＰＳＧを用いた。

【００３９】次に、図３（ｂ）に示すように、犠牲層６
０上に弾性板３１を形成する。この弾性板３１は、各駆
動素子５０に対応する領域にパターニングし、弾性板除
去部３１ａ，３１ｂを形成する。このような弾性板３１
の材料は、弾性変形可能で且つ所定の剛性を有する材料
であり、後の工程で犠牲層６０をエッチングする際に除
去されない材料であれば、特に限定されないが、例え
ば、本実施形態では、ジルコニウム層を形成後、例え
ば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジル
コニウムからなる弾性板３１とした。

【００４０】次に、図３（ｃ）に示すように、犠牲層６
０を、弾性板３１の一方の弾性板除去部３１ａからミラ
ー基板１１の表面までエッチングすることにより貫通孔
２１に対応する領域にミラー基板１１を露出する犠牲層
除去部６１を形成した。

【００４１】次に、図３（ｄ）に示すように、犠牲層６
０上の全面に亘って下電極膜３２を成膜すると共にパタ
ーニングする。すなわち、犠牲層除去部６１の底部及び
一方の側壁に形成された下電極膜３２を下電極延設部４
１として残す。この下電極延設部４１は、後の工程で犠
牲層６０全てを除去した後、ミラー要素２０とミラー基
板１１との間に空間を保持した状態でミラー要素２０を
支持する。

【００４２】この下電極膜３２の材料としては白金等が
好適である。これは、後述するようにスパッタリング方
やゾル−ゲル法で圧電体層３３を形成する際、成膜後に
大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程
度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからであ
る。すなわち、下電極膜３２の材料は、このような高
温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、
殊に、圧電体層３３としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）を用いた場合には、酸化鉛（ＰｂＯ）の拡散による
導電性の変化が少ないことが望ましい。これらの理由か
ら本実施形態では、白金をスパッタリング法により形成
することにより下電極膜３２とした。

【００４３】次に、図４（ａ）に示すように、圧電体層
３３を犠牲層６０上の全面に亘って成膜すると共に犠牲
層除去部６１及び弾性板除去部３１ｂに対応する領域の
圧電体層３３を除去し、貫通孔２１，２２を形成する。

【００４４】圧電体層３３の材料としては、チタン酸ジ
ルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料が好ましく、本実施形態
では、金属有機物を触媒に融解・分散したいわゆるゾル
を塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで
金属酸化物からなる圧電体層３３を得る、いわゆるゾル
−ゲル法を用いて形成した。なお、この圧電体層３３の
成膜方法は、特に限定されず、例えばスパッタリング法
で形成してもよい。

【００４５】さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング
法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、
アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長さ
せる方法を用いてもよい。

【００４６】何れにしても、このように成膜された圧電
体層３３は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向
しており、且つ本実施形態では、圧電体層３３は、結晶
が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の
配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の
方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜
とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させ
た状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状
態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された
薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造
された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍであ
る。

【００４７】次に、図４（ｂ）に示すように、犠牲層６
０を、弾性板除去部３１ｂからミラー基板１１の表面ま
でエッチングすることにより貫通孔２２に対応する領域
にミラー基板１１を露出する犠牲層除去部６２を形成し
た。

【００４８】次に、図４（ｃ）に示すように、上電極膜
３４を犠牲層６０上の全面に亘って成膜すると共にパタ
ーニングする。すなわち、犠牲層除去部６２の底部及び
一方の側壁に形成された上電極膜３４を上電極延設部４
２として残し、下電極膜３２との接触部は除去する。こ
の上電極延設部４２は、後の工程で犠牲層６０全てを除
去した後、ミラー要素２０とミラー基板１１とを空間を
保持した状態でミラー要素２０を支持する。

【００４９】なお、貫通孔２１及び２２の間の領域は、
下電極延設部４１に連通する下電極膜３２と上電極延設
部４２に連通する上電極膜３４との間に圧電体層３３が
挟持された圧電素子３０が形成されている。また、この
領域の下電極膜３２の下電極延設部４１側の端部は、圧
電体層３３で覆われて、上電極延設部４２との絶縁が確
保されている。

【００５０】上電極膜３４は、導電性の高い材料であれ
ばよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの
金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態で
は、上電極膜３４が反射膜を兼ねるため、反射率の高い
材料、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銀（Ａｇ）を
スパッタリング法により成膜して上電極膜３４とした。

【００５１】次いで、図４（ｄ）に示すように、犠牲層
６０をエッチングにより除去する。本実施形態では、犠
牲層６０の材料として、ＰＳＧを用いているため、弗
酸、あるいは弗化アンモニウムと一水素二弗化アンモニ
ウムとの混合水溶液等によってエッチングすることがで
きる。

【００５２】これにより、下電極延設部４１及び上電極
延設部４２を支持部として、ミラー要素２０がミラー基
板１１との間に空間を保持した状態で支持固定された本
実施形態の光変調デバイス１０が製造される。

【００５３】ここで、このように形成された本実施形態
の光変調デバイスの動作について説明する。なお、図５
は、本実施形態の光変調デバイス及び光変調デバイスに
照射される光の光路を模式的に示した図である。

【００５４】光変調デバイス１０は、ミラー要素２０を
変形させることにより、光を変調させるものであり、本
実施形態では、ミラー要素２０は、圧電素子３０に電圧
を印加されない状態では、ほぼ平坦となっており、駆動
素子５０のスイッチングによって圧電素子３０に電圧が
印加されると圧電素子３０の圧電体層３３が面内方向に
収縮して、ミラー要素２０は支持部の間の領域を支点と
して、ミラー基板１１側を凸として変形し、上電極膜３
４が凹面鏡となるようになっている。

【００５５】また、このような本実施形態の光変調デバ
イス１０は、例えば、図５に示すように、ミラー要素２
０に相対向する位置に、遮光ドットアレイ１００を具備
する。この遮光ドットアレイ１００は、例えば、ガラス
等の透明基板からなり、各ミラー要素に対向して遮光ド
ット１０１が設けられている。この遮光ドット１０１
は、光吸収剤からなり、例えば、樹脂に分散されたカー
ボンブラック、黒色顔料、黒色染料等が挙げられる。
又、遮光ドットアレイ１００は、各遮光ドット１０１が
変形したミラー要素２０Ｂの焦点近傍に設けられてい
る。例えば、本実施形態の構成では、ミラー要素２０の
変形量は０．２μｍであるため、遮光ドット１０１は各
ミラー要素２０から約０．２ｍｍの距離で設けられてい
る。

【００５６】このような構成では、圧電素子３０に電圧
が印加されていない状態では、入射光９０がミラー要素
２０Ａの反射膜を兼ねた上電極膜３２に対して略直角に
入射されるため、入射光９０は入射光路と略同一光路で
出射される。一方、駆動素子５０によって圧電素子３０
に電圧が印加された状態ではミラー要素２０が変形され
て凹面鏡となるため、反射された後には変形したミラー
要素２０Ｂの焦点方向に集光される。本実施形態では、
上述のように遮光ドット１０１が変形したミラー要素２
０の焦点近傍に設けられているため、入射光９０は反射
された後、遮光ドット１０１に集光されて入射方向にも
どることはない。すなわち、このような光変調デバイス
１０を表示装置等に用いた場合、圧電素子３０に電圧を
印加する、しないによって、入射光９０のＯＮ、ＯＦＦ
の制御を容易に行うことができる。なお、上述した例で
は、圧電素子３０が変形しない場合がＯＮ、変形した場
合がＯＦＦとなるが、勿論、これと逆になるように設定
することもできる。

【００５７】以上説明した本実施形態の光変調デバイス
では、従来の構造の光変調デバイスと比較して、入射光
を反射する反射面の面積を大きくすることができる。す
なわち、反射面の開口率が大きく、反射効率を向上させ
ることができる。また、圧電素子を変形させて入射光を
反射するため、アナログ的なミラー傾斜角の制御がで
き、高階調な画像を得ることができる。さらに、下電極
延設部及び上電極延設部がミラー基板上で駆動素子と電
気的に接続されているため、圧電素子の配線構造を簡略
化することができる。

【００５８】（実施形態２）図６は、実施形態２に係る
光変調デバイスの上面図である。

【００５９】本実施形態は、下電極延設部４１及び上電
極延設部４２を２つずつ設けた図であり、図６に示すよ
うに、ミラー要素２０Ｃの各対角線に沿って、２つの貫
通孔２１を隣り合うように設け、貫通孔２１のそれぞれ
に相対向する位置に貫通孔２２を設けた。この貫通孔２
１，２２に対向する領域には、各下電極延設部４１及び
上電極延設部４２を形成し、４カ所でミラー要素２０Ｃ
を支持固定するようにした以外、実施形態１と同様であ
る。

【００６０】このような、本実施形態の構成では、略正
方形を有する圧電素子３０の全ての外縁部に対して貫通
孔２１，２２がそれぞれ略均等な距離を有しているた
め、下電極３２及び上電極３４に電圧を印加し、圧電体
膜３３を変形させると、ミラー要素２０Ｄは、略均等な
曲面を有する凹面鏡となる。そのため、反射した光の集
光度の高いミラー要素２０となる。また、ミラー要素２
０を支持固定する下電極延設部４１及び上電極延設部４
２の数が倍となったため、各下電極延設部４１及び上電
極延設部４２の剛性を低くすることができる。すなわ
ち、各下電極延設部４１及び上電極延設部４２の幅を狭
く形成することが可能である。このことから、貫通孔２
１，２２の開口面積を小さくすることができるため、ミ
ラー要素２０の変形量が大きくなると共に、集光度を向
上することができる。

【００６１】なお、各貫通孔２１，２２の位置は、特に
限定されず、例えば、２つの貫通孔２１を、ミラー要素
２０Ｃの一方の対角線に沿って他方の対角線に対して線
対称となるように設け、２つの貫通孔２２を、他方の対
角線に沿って、貫通孔２１が設けられた対角線に対して
線対称になるように設けてもよい。

【００６２】また、各貫通孔２１，２２から延設される
電極は、特に限定されず、例えば、４つの貫通孔２１，
２２の内、１つの貫通孔から下電極３２を延設して下電
極延設部４１を形成し、残り３つの貫通孔から上電極３
４を延設して上電極延設部４２を形成しても上述した実
施形態と同様の効果が得られる。

【００６３】（他の実施形態）以上、本発明の各実施形
態を説明したが、本発明の光変調デバイスは上述した実
施形態に限定されるものではないが、何れにしても反射
面の曲率変化を大きくし、反射面の面積が大きくなって
いるため、集光性能が向上する。

【００６４】上述した実施形態では、ミラー要素２０を
略正方形としたが、これに限定されず、例えば、多角形
又は円形等、何れの形状であってもよい。

【００６５】また、上述した実施形態では、反射膜を兼
ねる上電極膜３４を凹面鏡として作用するものとした
が、これに限定されず、成膜条件等を適宜調整して凸面
鏡として作用させるようにしてもよい。

【００６６】さらに、上述した実施形態では、貫通孔２
１，２２を矩形としていたが、貫通孔２１，２２の形
状、大きさ等、特に限定されず、例えば多角形又は円形
等、何れの形状であってもよい。また、貫通孔２１，２
２を長孔としてもよく、この場合には下電極延設部４１
及び上電極延設部４２の平面方向へ延設される部分が長
い構造となる。

【００６７】以下には、遮光ドットアレイ以外を用いた
光変調デバイスの構成例、及び凸面鏡として作用させた
場合の構成例を示す。本発明は集光性能の向上により入
射光を反射面に集光させる特別な光学系を必要としない
という効果を奏するものであるが、入射光を集光させる
光学系を用いてもよく、以下にはこのような構成も示
す。

【００６８】図７には、上述した遮光ドットアレイ１０
０の代わりに、ピンホールアレイ１１０及びマイクロレ
ンズアレイ１２０を設けた光変調デバイスの概略構成を
示す。ここで、ピンホールアレイ１１０は、各ミラー要
素２０に対向する位置にピンホール１１１を有し、ま
た、各マイクロレンズアレイ１２０は、各ミラー要素２
０に対向する位置に凸レンズ１２１を有する。なお、ピ
ンホールアレイ１１０の各ピンホール１１１は、変形し
たミラー要素２０Ｂの焦点近傍に設けられている。

【００６９】かかる光変調デバイスでは、変形したミラ
ー要素２０Ｂに入射した光はピンホールアレイ１１０の
ピンホール１１１を通過して戻るが、変形していないミ
ラー要素２０Ａに入射した光はピンホールアレイ１１０
の遮光部１１２に遮断される。すなわち、この例では、
上述した例とは反対に、ミラー要素２０を変形した場合
がＯＮであり、未変形の場合がＯＦＦとなる。

【００７０】なお、ミラー要素２０をミラー基板１１と
は反対側に凸に変形するようにして凸面鏡として作用し
ても光変調デバイスとすることができる。このような光
変調デバイスを用いた表示装置の一例を後述する。

【００７１】また、以上説明した各実施形態において
は、圧電素子３０の変形の際に圧電素子３０と対向する
ミラー基板１１が帯電し、静電力により圧電素子３０の
変形が阻害される場合があると考えられる。従って、こ
のような問題を解消するために、上述した構成に加え
て、さらに、圧電素子３０の下電極膜３２又は上電極膜
３４に対向するミラー基板１１を、対向する下電極膜３
２又は上電極膜３４と略同一電位にするようにしてもよ
い。すなわち、相対向する電極が共通電極で接地されて
いる状態の場合には、ミラー基板１１も接地状態にす
る。これにより、圧電素子３０の電極とミラー基板１１
との電位差による帯電が生じなくなり、ミラー要素２０
の変形が阻害されることがなく、ミラー要素２０の変位
量の低下を抑えることができる。

【００７２】また、例えば、下電極膜３２又は上電極膜
３４に対向するミラー基板上に対向電極を設け、この対
向電極と下電極膜３２又は上電極膜３４との間に、圧電
素子３０の変形を補助する方向に静電力が生じるように
電圧を印加するようにしてもよい。このような構成で
は、ミラー要素２０の変位量をさらに増加させることが
でき、集光率をさらに高め、ＳＮ比の向上を図ることが
できる。

【００７３】以上説明した各構成の本発明の光変調デバ
イスは、例えば、表示装置の一部として用いられる。

【００７４】図８〜図１０には本発明の光変調デバイス
を用いた表示装置の一例を示す。なお、図８〜図１０は
表示装置を構成する光学系の概略断面図であり、レン
ズ、光変調デバイス等は大幅に簡略化して描いてある。

【００７５】図８に示す表示装置は、光源であるメタル
ハライドランプ２１０及び放射面形状のリフレクタ２１
１と、このメタルハライドランプ２１０からの光を光変
調デバイス１０に入射させるハーフミラー２２０と、光
変調デバイス１０からの出射光を結像する投影レンズ２
３０と、投影レンズ２３０により結像された像を表示す
るスクリーン２４０とを具備する。

【００７６】かかる表示装置では、光源であるメタルハ
ライドランプ２１０を有し、メタルハライドランプ２１
０から出た光は、リフレクタ２１１で反射されて略平行
な光となってハーフミラー２２０に入射し、ハーフミラ
ー２２０で反射されて光変調デバイス１０に入射され
る。なお、ハーフミラー２２０はキューブ型のハーフプ
リズムとしてもよい。

【００７７】光変調デバイス１０を構成するミラー要素
２０のうちで、駆動素子５０を介して駆動されて変形し
ているミラー要素２０Ｂは凹面鏡として働き、この変形
したミラー要素２０Ｂに入射した光は反射されて遮光ド
ット１０１に向かって集光され、ハーフミラー２２０方
向には戻らない。一方、変形していないミラー要素２０
Ａに入射した光は反射されて、投影レンズ２３０によっ
て像面であるスクリーン２４０上に結像される。

【００７８】以上のような光学系の構成によって、光変
調デバイス１０を構成する各ミラー要素２０がスクリー
ン２４０上の画素に対応し、ミラー要素２０のＯＮ，Ｏ
ＦＦ、すなわち、変形していない、変形しているによっ
てスクリーン２４０上の表示画像を変化させることがで
きる。

【００７９】なお、スクリーン２４０としては反射型の
スクリーンあるいは透過性型のスクリーンを用いること
ができる。

【００８０】また、図８で示した光学系では、光源２１
０から放出された光のうち、ハーフミラー２２０でその
約半分だけが光変調デバイス１０を照明し、残りの半分
はハーフミラー２２０を透過して無駄な光となる。さら
に、光変調デバイス１０で反射した光のうちその半分だ
けがハーフミラー２２０を透過して投影レンズ２３０へ
向かう。すなわち、光源から出てスクリーン２４０に到
達する光は、途中でのロスがないとして理想的に見積も
っても光源２１０から出た光の１／４程度に減衰してい
る。

【００８１】図９に示す表示装置では、ハーフミラー２
２０の代わりに、３つの偏光ビームスプリッタ２２１、
２２２及び２２４を用いることにより、光源から放射さ
れるエネルギを原理的にロスなくスクリーン２４０に導
くようにしている。

【００８２】図示するように、光源であるメタルハライ
ドランプ２１０から出た光は、放物面形状のリフレクタ
２１１で反射され略平行な光に変換され、第１の偏光ビ
ームスプリッタ２２１に入射する。以下、偏光ビームス
プリッタ２２１はＰ偏光は透過し、Ｓ偏光は反射するも
のとする。

【００８３】光源２１０からでた光は、その振動方向が
ランダムな方向を向いている自然光なので、そのうちの
Ｐ偏光成分（図中ｐで示す）は第１の偏光ビームスプリ
ッタ２２１を透過し、Ｓ偏光成分（図中ｓで参照）は反
射される。この反射されたＳ偏光成分の光は隣接する第
２の偏光ビームスプリッタ２２２に入射し、そこで反射
されて第２の偏光ビームスプリッタ２２２をＳ偏光とし
て出射する。一方、第１の偏光ビームスプリッタ２２１
を透過したＰ偏光は、第１のビームスプリッタ２２１の
出射面に設けられた１／２波長板２２３によってＳ偏光
に変換される。したがって、第３の偏光ビームスプリッ
タ２２４に入射される光はＳ偏光に揃っている。

【００８４】Ｓ偏光として第３の偏光ビームスプリッタ
２２４に入射された光は、全て光変調デバイス１０の方
向へ反射されるが、第３の偏光ビームスプリッタ２２４
の光変調デバイス１０側の面に設けられた１／４波長板
２２５によって円偏光に変換されて光変調デバイス１０
に入射される。

【００８５】光変調デバイス１０を構成するミラー要素
２０の反射膜で反射した光は、入射光の円偏光とは反対
方向に偏光する円偏光となり、１／４波長板２２５で今
度はＰ偏光となって第３のビームスプリッタ２２４に入
射される。このＰ偏光は第３のビームスプリッタ２２４
で反射されることなく原理的には全て透過されて投影レ
ンズ２３０に到達する。

【００８６】以上述べたように、光源から出た光の振動
方向を揃えることによって、ハーフミラーを用いた場合
のような光のロスがなく、光源から放射されるエネルギ
を原理的にロスなくスクリーンに導くことができる。す
なわち、明るい表示が可能な表示装置を構成することが
できる。

【００８７】図１０には、他の実施形態の表示装置の構
成を示す。この表示装置では、遮光ドットアレイ１００
を有さず且つ各ミラー要素２０が駆動された場合に凸面
鏡として作用する光変調デバイス１０Ａを用いると共に
図１１の装置の第３の偏光ビームスプリッタ２２４と投
影レンズ２３０との間に、第３のビームスプリッタ２２
４を透過する所定の発散光は投影レンズ２３０に透過す
るが、平行光は遮断するレンズ２５０及び微小ミラー２
５１を設けたものである。なお、投影レンズ２３０は所
定の発散光でレンズ２５０を通過した光をスクリーン２
４０に結像するものである。

【００８８】かかる構成では、光変調デバイス１０Ａの
変形していないミラー要素２０Ａに入射した光は平行光
のまま反射されてレンズ２５０に到達するが、この光
は、レンズ２５０の焦点近傍に配置された微小ミラー２
５１に集光されて発散され、スクリーン２４０には到達
しない。一方、変形したミラー素子２０Ｂに入射された
光は仮想光源２６０から出ているような発散光としてレ
ンズ２５０に到達するので、微小ミラー２５１に遮られ
ることなく投影レンズ２３０に到達し、投影レンズ２３
０によりスクリーン２４０に結像される。

【００８９】なお、以上の説明では表示装置としては一
枚の光変調デバイスを用いた表示装置を説明したが、従
来から知られているように、３枚の光変調デバイスを用
い、それぞれの光変調デバイスが赤、緑、青それぞれの
光を変調し、その変調光を色合成して投写するカラー表
示装置としても本発明を用いることができることはいう
までもない。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明ではミラー
要素を構成する圧電素子の第１及び第２の電極のそれぞ
れを圧電素子の対角線上に設けられた各貫通孔から延設
した第１及び第２の延設部によって基板上に支持固定す
るようにした。これにより、圧電素子の端部が自由端と
なり変形効率が向上すると共に、ミラー要素の反射面の
面積を大きくすることができ、効率よく入射光を変調さ
せることができる。

【００９１】また、圧電素子を変形させて入射光を反射
するため、アナログ的なミラー傾斜角の制御ができ、高
階調な画像を得ることができる。

【００９２】さらに、第１及び第２の電極から延設され
た第１及び第２の延設部が基板上で駆動素子と電気的に
接続されることにより、圧電素子の配線構造を簡略化す
ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る光変調デバイスの概
略を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施形態１に係る光変調デバイスの要
部上面図及び要部断面図である。

【図３】本発明の実施形態１に係る光変調デバイスの製
造方法を示す断面図である。

【図４】本発明の実施形態１に係る光変調デバイスの製
造方法を示す断面図である。

【図５】本発明の実施形態１に係る光変調デバイスの光
学系の概略断面図である。

【図６】本発明の実施形態２に係る光変調デバイスの要
部上面図である。

【図７】本実施形態の他の実施形態に係る光変調デバイ
スの光学系の概略断面図である。

【図８】本発明の他の実施形態に係る光変調デバイスを
用いた表示装置を構成する光学系の概略断面図である。

【図９】本発明の他の実施形態に係る光変調デバイスを
用いた表示装置を構成する光学系の概略断面図である。

【図１０】本発明の他の実施形態に係る光変調デバイス
を用いた表示装置を構成する光学系の概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１０光変調デバイス１１ミラー基板２０ミラー要素２１，２２貫通孔３０圧電素子３１弾性板３２下電極膜３３圧電体層３４上電極膜４１下電極延設部４２上電極延設部５０駆動素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体層及びこれを挟持する第１及び第
２の電極からなる圧電素子を有すると共に光を反射する
ミラー膜構造を有するミラー要素と、該ミラー要素に対
応して設けられた駆動素子とを有する光変調デバイスに
おいて、前記圧電素子は、前記ミラー要素の厚さ方向に貫通した
貫通孔を少なくとも２つ有し、前記第１及び第２の電極
は、それぞれ前記貫通孔を介して基板上まで延設される
と共に前記ミラー要素を前記基板上に支持する第１及び
第２の延設部を具備することを特徴とする光変調デバイ
ス。
【請求項２】請求項１において、前記第１及び第２の
延設部は、その少なくとも一部が前記圧電素子の平面方
向とは交差する方向に延設されていることを特徴とする
光変調デバイス。
【請求項３】請求項１又は２において、前記ミラー膜
構造には前記貫通孔と連通する連通孔が外縁部から独立
して設けられていることを特徴とする光変調デバイス。
【請求項４】請求項１〜３の何れかにおいて、前記第
１及び第２の延設部が、前記ミラー要素の一方の対角線
に対して線対称にそれぞれ一つずつ設けられ且つ中央近
傍に配置されていることを特徴とする光変調デバイス。
【請求項５】請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧
電素子の前記圧電体層に電圧を印加することにより、前
記貫通孔の間の領域を支点として前記ミラー膜構造が変
形され、当該ミラー膜構造に入射する光が変調されるこ
とを特徴とする光変調デバイス。
【請求項６】請求項１〜５の何れかにおいて、前記第
１及び第２の延設部が、前記駆動素子に電気的に接続さ
れていることを特徴とする光変調デバイス。
【請求項７】請求項１〜６の何れかにおいて、前記第
１及び第２の延設部は、パターニングされた犠牲層上に
前記第１及び第２の電極を成膜することにより形成され
ていることを特徴とする光変調デバイス。
【請求項８】請求項１〜７の何れかにおいて、前記圧
電素子の前記基板側の面には、弾性板を有すると共に他
方面側には、前記ミラー膜構造を有することを特徴とす
る光変調デバイス。
【請求項９】請求項８において、前記圧電素子の前記
ミラー膜構造は、前記他方面側の前記第２の電極又はこ
の上に設けられた反射膜から構成されることを特徴とす
る光変調デバイス。
【請求項１０】請求項１〜９の何れかにおいて、前記
駆動素子が前記基板上に設けられたトランジスタである
ことを特徴とする光変調デバイス。
【請求項１１】請求項１〜１０の何れかの光変調デバ
イスと、光源と、この光源からの光を前記光変調デバイ
スに入射すると共に当該光変調デバイスの前記圧電素子
の駆動時又は非駆動時の何れか一方のみを出射する光学
系とを具備することを特徴とする表示装置。