JP2002062490A - 干渉性変調素子 - Google Patents

干渉性変調素子

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JP2002062490A
JP2002062490A JP2000245868A JP2000245868A JP2002062490A JP 2002062490 A JP2002062490 A JP 2002062490A JP 2000245868 A JP2000245868 A JP 2000245868A JP 2000245868 A JP2000245868 A JP 2000245868A JP 2002062490 A JP2002062490 A JP 2002062490A
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movable
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membrane
sub
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Susumu Yasuda
進 安田
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Canon Inc
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity

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  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 干渉性変調（IMOD）素子のスイッチング速度
を速くし、ピクセル数を増加させることなく階調表現を
行う。 【解決手段】 １つのピクセルである可動メンブレン２
０１は、基板（不図示）に対して、支柱２０２で支持さ
れている。可動メンブレン２０１は、４つのサブ可動メ
ンブレン２１１〜２１４に分割されている。サブ可動メ
ンブレン２１１は、周辺部のみを支柱２０２で支持され
ている。サブ可動メンブレン２１２は、中央部を一本の
支柱２０２で支持されている。同様に、サブ可動メンブ
レン２１３と２１４は、それぞれ中央部を２本、４本の
支柱２０２で支持されている。可動メンブレンは、支持
する支柱の間隔が広いほどたわみやすくなるので、サブ
可動メンブレン２１１が最もたわみやすく、サブ可動メ
ンブレン２１４が最もたわみにくい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、マイクロマシン技
術を利用した光変調器に関するものである。より詳しく
は、光共振器構造を有する干渉性変調（Ｉｎｔｅｒｆｅ
ｒｏｍｅｔｒｉｃＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＩＭＯＤ）素
子に関する。
【０００２】
【従来の技術】図８は、従来のＩＭＯＤ素子のピクセル
の構造を説明するための斜視図である。基板１０００の
上に、可動メンブレン１００１が支柱１００２でエアギ
ャップを介して支持されている。
【０００３】図９は、従来のＩＭＯＤ素子のピクセルを
上から見た図である。支柱１００２が等間隔ｄで配置さ
れている様子がわかる。支柱１００２で囲まれた可動メ
ンブレンの一部がサブピクセル１００３であり、駆動の
最小単位となる。
【０００４】図２は、基板１０００と可動メンブレン１
００１の間の印加電圧Ｖと、エアギャップの関係を表す
グラフである。印加電圧Ｖを０から上げていくと、静電
引力が働いて可動メンブレン１００１はたわみ、エアギ
ャップは徐々に狭まっていく。そして、印加電圧が閾値
Ｖthを超えると可動メンブレン１００１と基板１０００
は接触し、エアギャップは０になる。その後は、印加電
圧を上げてもエアギャップに変化は生じない。逆に、印
加電圧を下げていくと、印加電圧が閾値Ｖth'を下回っ
たときに、接触していた基板１０００と可動メンブレン
１００１が離れる。ＩＭＯＤ素子をデジタル的に使用す
るときは、可動メンブレン１００１と基板１０００が接
触している場合（ＯＮ状態）と、していない場合（ＯＦ
Ｆ状態）の２つの状態を利用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＩＭＯ
Ｄ素子は、スイッチング速度が十分速くなかった。この
原因について、説明する。
【０００６】従来のＩＭＯＤ素子において、可動メンブ
レンと基板の間に電圧を印加し、ＯＦＦ状態からＯＮ状
態へと遷移を起こさせると、すべてのサブピクセルにお
いて、可動メンブレンが同時に基板に向かって運動を開
始する。すると、エアギャップに存在していた空気が一
斉に圧縮されるため、空気バネとして働き、可動メンブ
レンの運動が妨げられてしまう。
【０００７】また、逆に、ＯＮ状態のＩＭＯＤ素子にお
いて、印加電圧を除去して、ＯＮ状態からＯＦＦ状態へ
と遷移させると、こんどはすべてのサブピクセルの可動
メンブレンが、同時に基板からはなれる運動を開始す
る。ところが、可動メンブレンは上方から大気圧で押さ
れているために、可動メンブレンの運動が妨げられてし
まう。
【０００８】また、従来のＩＭＯＤ素子において、面積
階調方式で階調を表現しようとすると、階調表現に必要
なピクセル数だけ配線を行う必要があるため、構造が複
雑になり、コストが高くなってしまうという問題点があ
った。
【０００９】そこで、本発明は、ＩＭＯＤ素子のスイッ
チング速度を速くし、ピクセル数を増加させることなく
階調表現を行うことを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、絶縁層／導体層／絶縁層の少なくとも３層
をこの順に透明基板上に積層した光入射部と、可動メン
ブレンとを、空気層を介して対峙させ、前記導体層と前
記可動メンブレンに電圧を印加して前記可動メンブレン
を変形させる干渉性変調（ＩＭＯＤ）素子であって、前
記可動メンブレンを支持する複数の支柱を前記透明基板
上に設け、前記支柱の間隔を場所によって異ならせてい
る。
【００１１】すなわち、本発明のＩＭＯＤ素子において
は、可動メンブレンを支持する支柱の間隔が、場所によ
って異なっている。支柱の間隔が広いほど、可動メンブ
レンは容易にたわむので、本発明においては、可動メン
ブレンの場所によってたわみやすさが異なることにな
る。すなわち、本発明によれば、印加する電圧を徐々に
上げていくと、可動メンブレンのすべての部分が同時に
駆動されるのではなく、時間差をおいて駆動されること
になる。それゆえ、エアギャップ中の空気が徐々に押し
出されたり、吸い込まれたりするため、従来のＩＭＯＤ
素子よりも空気の抵抗の少ないＩＭＯＤ素子を実現する
ことができる。
【００１２】また、ＩＭＯＤ素子に、印加する電圧を制
御することで、駆動される可動メンブレンの面積を変化
させることができる。
【００１３】また、可動メンブレンの中央部において、
間隔が最も広く、可動メンブレンの周辺部に近づくほど
間隔が狭くなるように、支柱を配置することで、空気が
可動メンブレンの周辺部からスムースに出入りできるよ
うにすることができる。
【００１４】また、可動メンブレンに、穴を設けること
で、可動メンブレンが動作するときに、穴から空気が出
入りして、空気の抵抗を少なくすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。
【００１６】［実施形態１］図１は、本発明の実施形態
１のＩＭＯＤ素子を説明するための上面図である。図１
は、１つのピクセルを表している。可動メンブレン１０
１が、基板（不図示）に対して、支柱１０２で支持され
ている。また、これら支柱１０２で囲まれた部分がサブ
ピクセル１０３である。支柱１０２の間隔は、可動メン
ブレン１０１の中央部でｄ０であり、そこから周辺部に
近づくにつれて、ｄ１、ｄ２、ｄ３となっている。これ
らの支柱間隔には、ｄ３＜ｄ２＜ｄ１＜ｄ０の関係があ
る。
【００１７】支柱の間隔が広いほど、可動メンブレンは
容易にたわむので、本実施形態においては、可動メンブ
レン１０１の中央部のサブピクセル１０３が最もたわみ
やすく、周辺部にいくほどたわみにくくなっていること
になる。
【００１８】図３は、印加電圧の波形図である。
【００１９】また、図４（ａ）〜（ｅ）において、左側
の図は、本発明のＩＭＯＤ素子のピクセルを上から見た
図であり、ハッチング部分は、ＯＮ状態を表している。
又、右側ｑの図は、それらの断面図である。
【００２０】まず、図３において、Ｔ＝０のとき、印加
電圧Ｖは０である。すると、可動メンブレンには静電引
力は働かないので、すべてのサブピクセルはＯＦＦ状態
となる（図４（ａ））。そこから、印加電圧Ｖを上げて
いき、第１の閾値電圧Ｖ１に達すると、最もたわみやす
い可動メンブレンの中央部のサブピクセル部がＯＮ状態
になる（図４（ｂ））。さらに電圧を上げていき、第２
の閾値電圧Ｖ２に達すると、最初にＯＮ状態になったサ
ブピクセルの周囲のサブピクセルがＯＮ状態になる（図
４（ｃ））。このようにして、印加電圧がＶ３、Ｖ４と
上がっていくと、ピクセルの状態は、図４（ｄ）、図４
（ｅ）と変化していく。
【００２１】このように、本実施形態のＩＭＯＤ素子に
おいては、可動メンブレンの中央部から順番にサブピク
セルがＯＮ状態になっていく。そのことにより、エアギ
ャップに含まれる空気は、中央部から周辺部に向かって
徐々に押し出されていく。それゆえ、従来のＩＭＯＤ素
子と異なり、空気がエアスプリングのようになって可動
メンブレンの動作を妨げることが無い。そのため、従来
のＩＭＯＤ素子に比べて、高速にＯＦＦからＯＮへのス
イッチングを行うことができる。
【００２２】逆に、すべてのサブピクセルがＯＮ状態の
状態から、印加電圧Ｖを下げていくと、Ｖ４’を下回る
ときに、図４（ｄ）の状態になる。以下同様に、Ｖ
３’、Ｖ２’、Ｖ１’を下回るたびに、ピクセルの状態
は、図４（ｃ）、図４（ｂ）、図４（ａ）と変化してい
く。ここで、Ｖｊ ＞ Ｖｊ’（ｊ＝１、２、３、４）
である。
【００２３】このように、本実施形態のＩＭＯＤ素子に
おいては、可動メンブレンの周辺部から順番にサブピク
セルがＯＦＦ状態になっていく。そのことにより、空気
が周辺部から中央部に向かって徐々に吸い込まれてい
く。それゆえ、従来のＩＭＯＤ素子と異なり、大気圧が
可動メンブレンの動作を妨げることはない。そのため、
従来のＩＭＯＤ素子に比べて、高速にＯＮからＯＦＦへ
のスイッチングを行うことができる。
【００２４】また、本実施形態のＩＭＯＤ素子におい
て、印加電圧Ｖを０から上げていき、Ｖ１とＶ２の間で
保持すると、図４（ｂ）の状態を保つことができる。同
様にして、印加電圧Ｖを適当な値に保持することで、図
４（ａ）〜（ｅ）の任意の状態を保つことが可能であ
る。
【００２５】すなわち、本実施形態のＩＭＯＤ素子にお
いては、電圧制御で面積階調制御を行うことができる。
【００２６】［実施形態２］図５は、本発明の実施形態
２のＩＭＯＤ素子を説明するための上面図である。図５
は、１つのピクセルを表している。可動メンブレン２０
１が、基板（不図示）に対して、支柱２０２で支持され
ている。
【００２７】可動メンブレン２０１は、４つのサブ可動
メンブレン２１１〜２１４に分割されている。
【００２８】サブ可動メンブレン２１１は、周辺部のみ
を支柱２０２で支持されている。
【００２９】サブ可動メンブレン２１２は、中央部を１
本の支柱２０２で支持されている。
【００３０】サブ可動メンブレン２１３は、中央部を２
本の支柱２０２で支持されている。
【００３１】サブ可動メンブレン２１４は、中央部を４
本の支柱２０２で支持されている。
【００３２】可動メンブレンは、支持する支柱の間隔が
広いほどたわみやすくなるので、サブ可動メンブレン２
１１が最もたわみやすく、サブ可動メンブレン２１４が
最もたわみにくい。
【００３３】本実施形態のＩＭＯＤ素子の駆動の様子を
図３と図６を用いて説明する。図６（ａ）〜（ｅ）は、
本発明のＩＭＯＤ素子のピクセルを上から見た図であ
り、ハッチング部分は、ＯＮ状態の部分を表している。
【００３４】まず、図３において、Ｔ＝０のとき、印加
電圧Ｖは０である。すると、可動メンブレンには静電引
力は働かないので、すべてのサブピクセルはＯＦＦ状態
となる（図６（ａ））。そこから、印加電圧Ｖを上げて
いき、第１の閾値電圧Ｖ１に達すると、サブ可動メンブ
レン２１１がＯＮ状態になる（図６（ｂ））。さらに電
圧を上げていき、第２の閾値電圧Ｖ２に達すると、サブ
可動メンブレン２１２がＯＮ状態になる（図４
（ｃ））。このようにして、印加電圧がＶ３、Ｖ４と上
がっていくと、サブ可動メンブレン２１３、２１４がＯ
Ｎとなる（図４（ｄ）、図４（ｅ））。
【００３５】本実施形態のＩＭＯＤ素子において、印加
電圧Ｖを０から上げていき、Ｖ１とＶ２の間で保持する
と、図６（ｂ）の状態を保つことができる。同様にし
て、印加電圧Ｖを適当な値に保持することで、図４
（ａ）〜（ｅ）の任意の状態を保つことが可能である。
【００３６】すなわち、本実施形態のＩＭＯＤ素子にお
いては、電圧制御で面積階調制御を行うことができる。
【００３７】［実施形態３］図７は、本発明の実施形態
３のＩＭＯＤ素子を説明するための上面図である。図７
は、１つのピクセルを表している。可動メンブレン３０
１が、基板（不図示）に対して、支柱３０２で支持され
ている。支柱３０２で囲まれたメンブレンがサブピクセ
ル３０３である。そして、サブピクセル３０３の中央部
には、穴３２０が空いている。
【００３８】本実施形態のＩＭＯＤ素子においては、可
動メンブレン３０１が駆動する際に、空気が穴３２０を
通して出入りする。そのため、従来のＩＭＯＤ素子と異
なり、空気の抵抗が少ない。それゆえ、従来のＩＭＯＤ
素子に比べて高速な動作が可能になる。
【００３９】
【発明の効果】以上説明した本発明によれば、空気の抵
抗を小さくできるため、従来のＩＭＯＤ素子に比べて、
スイッチング速度を速くすることができる。
【００４０】また、電圧制御で、面積階調を実現するこ
とができるため、従来のＩＭＯＤ素子に比べて、単純な
構造で、面積階調制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１のIMOD素子を説明する図である。
【図２】IMOD素子の印加電圧と、エアギャップの関係を
示す図である。
【図３】本発明のIMOD素子に印加する電圧を示す図であ
る。
【図４】実施形態１のIMOD素子の動作を説明する図であ
る。
【図５】実施形態２のIMOD素子を説明する図である。
【図６】実施形態２のIMOD素子の動作を説明する図であ
る。
【図７】実施形態３のIMOD素子を説明する図である。
【図８】従来のIMOD素子を説明する図である。
【図９】従来のIMOD素子を説明する図である。
【符号の説明】
１０００ 基板 １０１、２０１、３０１、１００１ 可動メンブレン １０２、２０２、３０２、１００２ 支柱 １０３、３０３、１００３ サブピクセル ２１１〜２１４ サブ可動メンブレン ３２０ 空気穴

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 絶縁層／導体層／絶縁層の少なくとも３
    層をこの順に透明基板上に積層した光入射部と、可動メ
    ンブレンとを、空気層を介して対峙させ、前記導体層と
    前記可動メンブレンに電圧を印加して前記可動メンブレ
    ンを変形させる干渉性変調素子であって、 前記可動メンブレンを支持する複数の支柱を前記透明基
    板上に設け、 前記支柱の間隔を場所によって異ならせることを特徴と
    する干渉性変調素子。
  2. 【請求項２】 前記可動メンブレンの中央部において、
    前記間隔が最も広く、前記可動メンブレンの周辺部に近
    づくほど前記間隔が狭いことを特徴とする請求項１記載
    の干渉性変調素子。
  3. 【請求項３】 絶縁層／導体層／絶縁層の少なくとも３
    層をこの順に透明基板上に積層した光入射部と、可動メ
    ンブレンとを、空気層を介して対峙させ、前記導体層と
    前記可動メンブレンに電圧を印加して前記可動メンブレ
    ンを変形させる干渉性変調素子であって、 前記可動メンブレンを支持する複数の支柱を前記透明基
    板上に設け、 前記可動メンブレンに複数の空気穴を設けることを特徴
    とする干渉性変調素子。
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