JP2004280106A

JP2004280106A - 誘電泳動液体を含むマイクロミラー素子

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Publication number: JP2004280106A
Application number: JP2004070837A
Authority: JP
Inventors: Paul F Reboa; ポール・エフ・レボア; Robert W Shreeve; ロバート・ダブリュー・シュリーブ; Terry E Mcmahon; テリー・イー・マクマホン
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2004-10-07
Also published as: US20030202265A1; US6954297B2; CN1530727A; TWI265332B; TW200417767A; CN1332233C; EP1457801A1

Abstract

【課題】マイクロミラー素子のサイズを最小限に抑えてかかるマイクロミラー素子のアレイの密度を最大限にする一方、所与の駆動エネルギーにより生成されるマイクロミラー素子への駆動力を増大させると共に、マイクロミラー素子への駆動力を生成するために必要とされる駆動エネルギーを最小限に抑えること。
【解決手段】表面(22)を有する基板(20)と、該基板の前記表面から隔置され、及び該基板の該表面と実質的に平行に向けられたプレート(30)であって、該プレートと前記基板とがそれらの間に空洞(50)を画定する、プレート(30)とを含む、マイクロミラー素子。該マイクロミラー素子に電気信号が加えられた際に動くことができる誘電泳動液体(53)が前記空洞内に配置され、前記基板の前記表面と前記プレートとの間に反射素子が配置されて、該反射素子(42)が第１の位置と少なくとも１つの第２の位置との間で動くよう構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は一般にマイクロアクチュエータに関し、特に誘電泳動液体を含むマイクロミラー素子に関するものである。
［関連特許出願への相互参照］
本出願は、本出願人の2002年4月30日出願の同時係属中の米国特許出願第10/136,719号の一部継続出願である。

マイクロアクチュエータは、フォトリソグラフィ、蒸着、及びエッチングといったマイクロエレクトロニクス技術を用いて、絶縁体その他の基板上に形成される。かかるマイクロアクチュエータは、MEMS（Micro Electro Mechinical Systems）素子と呼ばれる場合が多い。マイクロアクチュエータの一例としてマイクロミラー素子が挙げられる。マイクロミラー素子は、入射光の振幅及び／又は位相を変調させるための光変調器として動作することができるものである。マイクロミラー素子の一応用形態が、ディスプレイシステムの中にある。かかる場合、多数のマイクロミラー素子がアレイをなすよう配列され、その各マイクロミラー素子がディスプレイの１つのセル又は画素を提供することになる。

従来のマイクロミラー素子は、ミラーの軸を中心として回転するよう支持された静電駆動式のミラーを含む。しかし、従来のマイクロミラー素子は、支持を行う構造体に対してミラーが回転することが可能となるよう十分な大きさに形成しなければならない。しかし、マイクロミラー素子が大きくなると、ディスプレイの解像度が低下する。これは、所与の領域を占有することができるマイクロミラー素子の数が少なくなるからである。更に、加えられる駆動エネルギーは、ミラーに対して所望の駆動力を生成するよう十分に大きくなければならない。

したがって、マイクロミラー素子のサイズを最小限に抑えてかかるマイクロミラー素子のアレイの密度を最大限にする一方、所与の駆動エネルギーにより生成されるマイクロミラー素子への駆動力を増大させると共に、マイクロミラー素子への駆動力を生成するために必要とされる駆動エネルギーを最小限に抑えることが望ましい。

本発明の一実施形態はマイクロミラー素子を提供する。該マイクロミラー素子は、１つの表面を有する基板と、該基板の該表面から隔置され、及び該基板の該表面と実質的に平行に向けられたプレートとを含み、該プレートと前記基板の前記表面と間に空洞が画定される。マイクロミラー素子に電気信号が加えられた際に動くことができる誘電泳動（dielectrophoretic）液体が空洞内に配置され、更に反射素子が基板の表面とプレートとの間に配置され、該反射素子が第１の位置と少なくとも１つの第２の位置との間で動くように構成される。

以下に示す好適な実施形態に関する詳細な説明では、本書の一部を構成し及び本発明を実施することができる特定の実施形態を例示する図面を参照する。これに関連して、「上側」、「下側」、「前面」、「背面」、「前部」、「後部」などの方向に関する用語が、説明されている図面の向きを基準にして用いられる。本発明の構成要素は多数の異なる向きに配置することができるので、方向に関する用語は例示のために用いられており、決して限定するものではない。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を用いることができ、構造的又は論理的に変更できることは理解されたい。それゆえ、以下に記載される詳細な説明は限定する意味にとられるべきではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって規定されるものである。

図１は、マイクロミラー素子10の一実施形態を示している。マイクロミラー素子10は、電気／機械変換に基づいて力を生成して、本体又は素子の移動又は駆動を生じさせる、マイクロアクチュエータである。以下で説明するように、一実施形態では、複数のマイクロミラー素子10が配列されて、該マイクロミラー素子のアレイが形成される。かかる場合、マイクロミラー素子のアレイを用いてディスプレイを形成することが可能である。かかる場合、各マイクロミラー素子10は、入射光を変調させるための光変調器を構成し、ディスプレイの１つのセル又は画素を提供する。更に、マイクロミラー素子10は、プロジェクタ等の他のイメージングシステムで用いることも可能であり、光学的なアドレス指定のために使用することも可能である。

一実施形態では、マイクロミラー素子10は、基板20、プレート30、及びアクチュエーティング素子40を含む。基板20は表面22を有する。一実施形態では、表面22は、基板20内及び／又は基板20上に形成されたトレンチ又はタブ（tub）によって形成される。プレート30は、表面22に対して実質的に平行に向けられ、及び表面22から隔置されて、該表面22との間に空洞50を画定するのが好ましい。アクチュエーティング素子40は、基板20の表面22とプレート30との間に配置される。かかる場合、アクチュエーティング素子40は空洞50内に配置される。

一実施形態では、アクチュエーティング素子40は、基板20及びプレート30に対して第１の位置47と第２の位置48との間で動くよう駆動される。アクチュエーティング素子40は、回転軸を中心として一定の角度に動き又は傾くことが好ましい。かかる場合、アクチュエーティング素子40の第１の位置47は、基板20に対して実質的に水平かつ平行であるように図示され、アクチュエーティング素子40の第２の位置48は、第１の位置47に対して一定の角度をなすように図示されている。基板20及びプレート30に対するアクチュエーティング素子40の移動又は駆動について以下で詳細に説明する。

一実施形態では、アクチュエーティング素子40が誘電液体52と接触するように空洞50が誘電液体52で満たされる。一実施形態では、空洞50は誘電液体52で満たされ、アクチュエーティング素子40が誘電液体52に浸漬されるようにする。それゆえ、誘電液体52は、アクチュエーティング素子40と基板20との間に、及びアクチュエーティング素子40とプレート30との間に配置される。したがって、誘電液体52は、アクチュエーティング素子40の両方の表面と接触し濡らすものとなる。別の実施形態では、空洞50が誘電液体52で満たされ、アクチュエーティング素子40が該誘電液体52の上方に配置されて、基板20と向かい合うアクチュエーティング素子40の少なくとも１つの表面が誘電液体52と接触するようにする。誘電液体52は、以下で説明するように、アクチュエーティング素子40の駆動を強めるものとなる。

誘電液体52は透明であることが好ましい。かかる場合、誘電液体52は可視スペクトルにおいて透明又は無色である。更に、誘電液体52は、電界内で化学的に安定しており、温度変化に対して化学的に安定しており、更に化学的に不活性なものである。更に、誘電液体52は、低い蒸気圧を有し、非腐食性である。誘電液体52は低い粘度を有することが好ましい。更に、誘電液体52は、電界内で高い分子配向を有し、電界内で移動する。

誘電液体52は、低い誘電率と高い双極子モーメントとを有することが好ましい。材料の誘電率（dielectric constant）（「electrical permittivity」とも呼ばれる）は、その材料の内部における電界の形成を阻止する該材料の能力の尺度である。更に、誘電液体52は、一般に柔軟性を有し、利用可能なπ電子を有する。誘電液体52として用いるのに適した液体の例には、単体又は混合物（すなわち、2、3、及び5環）何れかのフェニルエーテル、硫化フェニル、及び／又はセレン化フェニルが含まれる。１つの例示的な実施形態では、誘電液体52として用いるのに適した液体の例には、OS138及びオリーブ油といったポリフェニルエーテル（PPE）が含まれる。

一実施形態では、誘電液体52は誘電泳動液体53である。この場合に有用な誘電泳動液体は、電気信号が加えられた際に運動を呈する非水素結合液体を含む。用語「非水素結合」は、物質が分子間の水素結合から実質的に自由であることを意味する。適当な誘電泳動液体は、マイクロミラー素子10内のアクチュエーティング素子40の運動に寄与するエネルギーを実際に提供する。より具体的には、液体の分子が分極し、次いで電界内で整列し及び運動し、これによりマイクロミラー素子10のアクチュエーティング素子40を動かすためのエネルギーが提供される。

誘電液体52として有用な誘電泳動液体52は、誘電率が低く、柔軟性を有し、それゆえ、この場合に用いられる小さな体積に圧縮することが可能である。液体の圧縮可能性は、分子の柔軟性に関係するものであり、液体が、圧縮力下でその形状を変更して、その体積を僅かに縮小させることができることを意味している。分子内の分岐(branching)もまた圧縮性を高める。液体の圧縮は、マイクロミラー素子に電界がかけられた際にそのマイクロミラーを動かすのを容易にする。圧縮可能な液体は、マイクロミラー素子10に電気信号が加えられた際に少なくとも小さな運動を呈する。非水素結合の圧縮可能な液体は、20未満の誘電率を有することが好ましい。好適には、これらの液体は、ジュール加熱（バブルを形成し（すなわちガスを放出し）ミラーの動きを混乱させ得るもの）を呈さないものとなる。

一実施形態では、誘電液体52として用いられる非水素結合の誘電泳動液体53は、20未満の誘電率を有する。誘電泳動液体53は、分極可能なものであることが好ましい。これは、分極可能な液体は、非常に小さな分極可能性又は非分極性を有する液体と比べて、所与の電圧の電気信号が加えられた際に一層大きな運動を呈するからである。その一例として、トルエン及びベンゼンを使用する際に必要となる作動電圧の違いが挙げられる。ベンゼンが分極不能であるのに対してトルエンは分極可能であり、このため、トルエンはベンゼンで用いられる電圧の約50％でミラーを駆動する。したがって、分極可能な液体を使用することにより、マイクロミラー素子10において一層小さな電圧を用いることが可能となる。このように電圧が小さくなる結果として、マイクロミラー素子10のための駆動回路を基板20に組み込むことが可能となる。このため、マイクロミラー素子10は、相補形金属酸化膜半導体（CMOS）構造上に形成されることが可能である。

一実施形態では、誘電泳動液体53としての使用に適した液体には、ポリ（フェニルエーテル）_X（x＝2〜6）、ヘキサン及びその他のアルキル及び環状アルキル、パーフルオロデカヒドロナフタレン等のパーフルオロアルキル、ドデセン及びオリーブ油等のアルケン、1,1−及び1,2−ジフェニルエチレン、ベンゼン、及びトルエン等の置換ベンゼン、塩素化芳香族化合物及びポリ塩化ビフェニル、な及びパーフルオロエーテルが含まれる。

プレート30は透明なプレート32であり、アクチュエーティング素子40は反射素子42であることが好ましい。一実施形態では、透明なプレート32はガラスプレートである。しかし、他の適当な平坦な半透明又は透明な材料を用いることが可能である。かかる材料の例には石英及びプラスチックが含まれる。

反射素子42は反射表面44を含む。一実施形態では、反射素子42は、反射表面44を形成するために適当な反射率を有する均一な材料から形成される。かかる材料の例には、ポリシリコン又はアルミニウムといった金属が含まれる。別の実施形態では、反射素子42は、ポリシリコン等のベース材料から形成され、該ベース材料上にアルミニウム又はチタン窒化物等の反射材料が配置されて、反射表面44が形成される。更に、反射素子42は、非導電性材料から形成することが可能であり、又は導電性材料から形成し若しくは導電性材料を含むことが可能である。

図１の実施形態に示すように、マイクロミラー素子10は、基板20の反対側の透明プレート32の側に配置された光源（図示せず）により生成された光を変調する。該光源は、例えば、周囲光及び／又は人工光を含むことが可能である。かかる場合、透明プレート32に入射する入力光12は、透明プレート32を通過して空洞50に入り、反射素子42の反射表面44によって出力光14として反射される。こうして、出力光14が空洞50から出て、透明プレート32を通って戻される。

出力光14の方向は、反射素子42の位置によって決定され又は制御される。例えば、反射素子42が第１の位置47にある場合、出力光14は第１の方向14aに向けられる。しかし、反射素子42が第２の位置48にある場合には、出力光14bは第２の方向14bに向けられる。こうして、マイクロミラー素子10は入力光12によって生成される出力光14を変調し、すなわち出力光14の方向を変更する。かかる場合、反射素子42を用いて、光を光学イメージングシステム内に、及び／又は光学イメージングシステム外に誘導することができる。

一実施形態では、第１の位置47は反射素子42の中立位置であり、以下で説明するように、光が例えば視認者又は表示画面に向けて反射されるという点で、マイクロミラー素子10の「オン」状態を表す。したがって、第２の位置48は反射素子42の動作後の位置であり、光が例えば視認者又は表示画面に向けて反射されないという点で、マイクロミラー素子10の「オフ」状態を表す。

図２は、反射素子42の一実施形態を示している。反射素子142は、反射表面144を有し、実質的に長方形の外側部分180と、実質的に長方形の内側部分184とを有する。一実施形態では、反射表面144は、外側部分180及び内側部分184の両方の上に形成される。外側部分180は、実質的に長方形の開口部182を形成するよう配列された４つの隣接する側方部分181を有する。かかる場合、内側部分184は開口部182内に配置される。内側部分184は、開口部182内に対称に配置される。

一実施形態では、一対のヒンジ186が内側部分184と外側部分180との間に延びる。ヒンジ186は内側部分184の相対する側面又は端部から外側部分180のそれぞれ隣接する側面又は端部まで延びる。外側部分180は対称軸に沿ってヒンジ186によって支持されることが好ましい。より具体的には、外側部分180は、その相対する縁部の中央を通って延びる軸を中心として支持される。かかる場合、ヒンジ186は、既述のように（図１）、第１の位置47と第２の位置48との間で反射素子142を動かすのを容易にする。より具体的には、ヒンジ186は、内側部分184に対して外側部分180を第１の位置47と第２の位置48との間で動かすのを容易にする。

一実施形態では、ヒンジ186は、反射表面144に対して実質的に平行に向けられた長手軸189を有するねじり部材188を含む。長手軸189は、反射素子142の対称軸と同一直線上にあり、同対称軸と一致する。かかる場合、ねじり部材188は、長手軸189を中心としてねじれ又は回動して、外側部分180が内側部分184に対して第１の位置47と第２の位置48との間で動くのに適応する。

一実施形態では、反射素子142は、基板20の表面22から延びる支持体又は支柱24により該基板20に対して支持される。より具体的には、支柱24は、反射素子142の内側部分184を支持する。かかる場合、支柱24は、外側部分180の側方部分181内に配置される。したがって、反射素子142の外側部分180は、ヒンジ186によって支柱24から支持される。

図３は、反射素子42の別の実施形態を示している。反射素子242は、反射表面244を有し、実質的にＨ形の部分280と、一対の実質的に長方形の部分284とを含む。一実施形態では、反射表面244は、前記Ｈ形部分280及び前記長方形部分284の両方の上に形成される。Ｈ形部分280は、一対の互いに隔置された脚部281と、該互いに隔置された脚部281間に延びる接続部282とを有する。かかる場合、長方形部分284は、互いに隔置された脚部281間の接続部282の両側に配置される。長方形部分284は、互いに隔置された脚部281及び接続部282に対して対称に配置されることが好ましい。

一実施形態では、ヒンジ286が長方形部分284とＨ形部分280との間に延びる。ヒンジ286は、長方形部分284の１つの側部又は縁部から、それに隣接するＨ形部分280の接続部282の側部又は縁部まで延びる。Ｈ形部分280は、対称軸に沿ってヒンジ286により支持されるのが好ましい。より具体的には、Ｈ形部分280は、接続部282の相対する縁部の中心を通って延びる軸を中心として支持される。かかる場合、ヒンジ286は、上述したように（図１）、反射素子242が第１の位置47と第２の位置48との間で動くのを容易にする。より具体的には、ヒンジ286は、Ｈ形部分280が長方形部分284に対して第１の位置47と第２の位置48との間で動くのを容易にする。

一実施形態では、ヒンジ286は、反射表面244に対して実質的に平行に向けられた長手軸289を有するねじり部材288を含む。長手軸289は、反射素子242の対称軸と同一直線上にあり、同対称軸と一致する。かかる場合、ねじり部材288は、長手軸289を中心としてねじれ又は回動して、Ｈ形部分280が長方形部分284に対して第１の位置47と第２の位置48との間で動くのに適応する。

一実施形態では、反射素子242は、基板20の表面22から延びる一対の支柱24により該基板20に対して支持される。より具体的には、支柱24は、反射素子242の長方形部分284を支持する。かかる場合、支柱24は、互いに隔置された脚部281間の接続部282の両側に配置される。よって、反射素子242のＨ形部分280は、ヒンジ286により支柱24から支持される。

図４は、マイクロミラー素子10の動作の一実施形態を示している。一実施形態では、反射素子42（反射素子142,242を含む）は、基板20上に形成された電極60に電気信号を加えることにより、第１の位置47と第２の位置48との間で動かされる。好適には、電極60は、反射素子42の端部又は縁部に隣接して基板20上に形成される。該電極60に電気信号を加えることにより、該電極60と反射素子42との間に電界が生成され、これにより反射素子42が第１の位置47と第２の位置48との間で動くことになる。一実施形態では、該電気信号は、駆動回路64によって電極60に加えられる。

既述のように、好適には、誘電液体52は、電界に応答するよう選択された誘電泳動液体53を含む。より具体的には、誘電泳動液体53は、電界が液体の極性分子を整列させ動かすよう選択される。かかる場合、誘電泳動液体53は、電気信号が加えられた際に電界内で移動し、第１の位置47と第２の位置48との間での反射素子42の動きに寄与する。このため、空洞50内に誘電泳動液体53がある場合、該誘電泳動液体53は、反射素子42に作用する駆動力を高める。より具体的には、誘電泳動液体53は、所与の駆動エネルギーにより生成される反射素子42への駆動力を高める。

反射素子42に作用する駆動力を高めることにより、誘電泳動液体53は、反射素子42を動かすために加えるべき駆動エネルギーを低くすることを可能にする。例えば、約10Ｖ未満の駆動エネルギーを用いることができる。一実施形態では、電圧の低下は、誘電泳動液体53の誘電率に比例する。より低い駆動電圧を用いることができるので、マイクロミラー素子10のための駆動回路64を基板20に組み込むことができる。こうして、基板20のために相補形金属酸化膜半導体（CMOS）構造を用いることができる。

かかる電気泳動液体を使用する場合には、電極60が反射素子42とは異なる寸法を有することが好ましい。これにより、電気信号が電極60に加えられた際に、電極60と反射素子42との間に形成される電界が不均一な電界になる。この不均一な電界は、空洞50内に生じる誘電泳動力に寄与する。

一実施形態では、誘電／誘電泳動液体52,53は、マイクロミラー素子10内で生成され又はマイクロミラー素子10により吸収された熱を消散させることにより、熱管理及び／又は冷却能力を提供する。熱は、反射素子42の運動によってマイクロミラー素子10内に生じる可能性があり、及び／又は、反射素子42上に入射する光によってマイクロミラー素子10により吸収される可能性がある。

一実施形態では、駆動回路64を保護し又はカプセル化するために、基板20上にパッシベーション層が形成される。したがって、該パッシベーション層は、駆動回路64を完全な状態に保護し、駆動回路64が誘電泳動液体53によって侵蝕されるのを防ぐ。更に、パッシベーション層は、反射素子42と電極60との間に生じ得る高いファンデルワールス力の結果として生じるスティクション（stiction）すなわち摩擦による力を低減させ及び／又は防止する。誘電泳動液体を用いることにより、空洞50に誘電泳動液体を含まないマイクロミラーに比べて、反射素子42と電極60との間に生じるスティクションを低減させることが可能であるが、それでもなおパッシベーション層は有益なものである。これは、反射素子42が第２の位置にあるときの反射素子42と電極60との間の距離を小さく（例えば１ミクロンに）することができるからである。パッシベーション層に適した材料は、窒化シリコン、炭化シリコン、及び／又は酸化シリコンといった、絶縁体又は誘電体を含む。

電気信号が電極60から除去された際に、反射素子42が一定時間にわたって第２の位置を持続し又は保持することが好ましい。その後、例えばヒンジ186（図２）及びヒンジ286（図３）を含む反射素子42の復元力によって、反射素子42が第１の位置47に引っ張られ又は戻される。

図５は、マイクロミラー素子10の駆動の別の実施形態を示している。図４に示した実施形態と同様に、反射素子42（反射素子142,242を含む）は、上述したように、反射素子42の１つの端部又は縁部に隣接して基板20上に形成された電極60に電気信号を加えることにより、第１の位置47と第２の位置48との間で動かされる。かかる場合、反射素子42は第１の方向に動かされる。

しかし、図５に示す実施形態では、反射素子42は、第１の方向とは逆の第２の方向にも動かされる。より具体的には、反射素子42は、反射素子42の反対側の端部又は縁部に隣接して基板20上に形成された電極62に電気信号を加えることにより、第１の位置47と該第１の位置47に対して一定角度に向いた第３の位置49との間で動かされる。かかる場合、反射素子42は、電極62に電気信号を加えることにより、第１の方向とは逆の第２の方向に動かされる。

電極62に電気信号を加えることにより、電極62と反射素子42との間に電界が生成され、これにより、上述したように反射素子42が第１の位置47と第２の位置48との間で動くのと類似した態様で、反射素子42が第１の位置47と第３の位置49との間で動くことになる。反射素子42が第１の位置47で停止し又は一時停止することなく、第２の位置48と第３の位置49との間で直接動くことも本発明の範囲内である。

図６は、マイクロミラー素子10の駆動の別の実施形態を示している。一実施形態では、導電性バイア26が、支柱24内に形成され、該支柱24内を通って延びる。該導電性バイア26は、反射素子42に、より具体的には反射素子42の導電材料に電気的に接続される。かかる場合、反射素子42（反射素子142,242を含む）は、電極60及び反射素子42に電気信号を加えることにより、第１の位置47と第２の位置48との間で動かされる。より具体的には、電極60に一定極性の電気信号が加えられ、反射素子42の導電材料に逆極性の電気信号が加えられる。

電極60に一定極性の電気信号を加え、及び反射素子42に逆極性の電気信号を加えることにより、電極60と反射素子42との間に電界が生成され、これにより、反射素子42が第１の位置47と第２の位置48との間で動くことになる。誘電液体52（誘電泳動液体53を含む）は、上述のように、反射素子42の動きに寄与するものとなる。

別の実施形態では、反射素子42（反射素子142,242を含む）は、反射素子42に電気信号を加えることにより、第１の位置48と第２の位置49との間で動かされる。より具体的には、支柱24を通る導電性バイア26を介して反射素子42の導電材料に電気信号が加えられる。かかる場合、反射素子42に電気信号を加えることにより電界が生成され、これにより反射素子42が第１の位置48と第２の位置49との間で動くことになる。誘電液体52（誘電泳動液体53を含む）は、上述のように、反射素子42の動きに寄与するものとなる。

図７は、反射素子42の別の実施形態を示している。反射素子342は、反射表面344を有し、実質的に長方形の中央部分380と、複数の実質的に長方形の部分382とを含む。一実施形態では、反射表面344は、中央部分380及び長方形部分382上に形成される。長方形部分382は、中央部分380のコーナーに配置されるのが好ましい。

一実施形態では、長方形部分382と中央部分380との間にヒンジ386が延びる。該ヒンジ386は、長方形部分382の側部又は縁部から、それに隣接する中央部分380の側部及び縁部まで延びる。中央部分380は、対角線方向の対称軸に沿ってヒンジ386により支持されるのが好ましい。より具体的には、中央部分380は、該中央部分380の相対するコーナー間に延びる軸を中心として支持される。かかる場合、ヒンジ386は、以下で説明するように（図８）、反射素子342が第１の位置347と第２の位置348との間で動くのを容易にする。より具体的には、ヒンジ386は、中央部分380が長方形部分382に対して第１の位置347と第２の位置348との間で動くのを容易にする。

一実施形態では、ヒンジ386は、反射表面344と実質的に平行に向いた長手軸389を有する撓み部材388を含む。該長手軸389は、中央部分380の相対するコーナー間に延び、中央部分380の中心で交差する。かかる場合、撓み部材388は、長手軸389に沿って撓んで、中央部分380が長方形部分382に対して第１の位置347と第２の位置348との間で動くのに適応する。

一実施形態では、反射素子342は、基板20の表面22から延びる複数の支柱24によって該基板20に対して支持される。より具体的には、支柱24は、反射素子342の長方形部分382を支持する。かかる場合、支柱24は、中央部分380のコーナーに配置される。このため、反射素子342の中央部分380は、ヒンジ386によって支柱24から支持される。

図８は、反射素子342を含むマイクロミラー素子10の駆動の一実施形態を示している。一実施形態では、反射素子342は、基板20及びプレート30に対して第１の位置347と第２の位置348との間で動くよう駆動される。反射素子342は、基板20の表面22に対して実質的に垂直な方向に動くことが好ましい。かかる場合、反射素子342の第１の位置347及び第２の位置348は何れも、実質的に水平で互いに平行になるよう示されている。

一実施形態では、反射素子342は、基板20上に形成される電極60に電気信号を加えることにより、第１の位置347と第２の位置348との間で動かされる。電極60は、反射素子342の下側の中央に配置されるよう基板20上に形成されるのが好ましい。電極60に電気信号を加えることにより、電極60と反射素子342との間に電界が生成され、これにより反射素子342が第１の位置347と第２の位置348との間で動くことになる。

電極60から電気信号が除去された際に、反射素子342が一定時間にわたり第２の位置348を維持し又は保持することが好ましい。その後、例えばヒンジ386を含む反射素子342の復元力によって、反射素子342が第１の位置347に引っ張られ又は戻される。

図９は、反射素子42の別の実施形態を示している。反射素子442は、反射表面444を有し、第１の実質的に長方形の部分480と、第２の実質的に長方形の部分482とを含む。一実施形態では、反射表面444は、両方の長方形部分480,482上に形成される。第２の長方形部分482は、第１の長方形部分480の１つの側部に沿って配置される。

一実施形態では、長方形部分482と長方形部分480との間にヒンジ486が延びる。該ヒンジ486は、長方形部分482の１つの側部又は縁部から、それに隣接する長方形部分480の側部又は縁部まで延びる。かかる場合、長方形部分480は、その１つの側部又は縁部に沿って片持ち式に支持される。このため、ヒンジ486は、以下で説明するように（図１０）、反射素子442が第１の位置447と第２の位置448との間で動くのを容易にする。より具体的には、ヒンジ486は、長方形部分480が長方形部分482に対して第１の位置447と第２の位置448との間で動くのを容易にする。

一実施形態では、ヒンジ486は、反射表面444と実質的に平行に向けられた軸489を有する撓み部材488を含む。かかる場合、撓み部材488は、軸489に沿って撓んで、長方形部分480が長方形部分482に対して第１の位置447と第２の位置448との間で動くのに適応する。撓み部材488を単一の部材として示したが、撓み部材488が複数の互いに隔置された部材を含むことも本発明の範囲内である。

一実施形態では、反射素子442は、基板20の表面22から延びる支柱24によって該基板20に対して支持される。より具体的には、支柱24は、反射素子442の実質的に長方形の部分482を支持する。かかる場合、支柱24は長方形部分480の１つの側に配置される。このため、反射素子442の長方形部分480は、ヒンジ486によって支柱24から支持される。支柱24を単一の支柱として示したが、該支柱24が複数の互いに隔置された支柱を含むことも本発明の範囲内である。更に、長方形部分480の１つの側に支柱24を配置することは、長方形部分480の１つのコーナーに支柱24を配置することを含む。

図１０Ａは、反射素子442を含むマイクロミラー素子10の駆動の一実施形態を示している。一実施形態では、反射素子442は、基板20及びプレート30に対して第１の位置447と第２の位置448との間で動くよう駆動される。反射素子442は、基板20の表面22に向かう方向に動くことが好ましい。

一実施形態では、反射素子442は、基板20上に形成された電極60に電気信号を加えることにより、第１の位置447と第２の位置448との間で動かされる。電極60は、反射素子442の１つの端部又は縁部に隣接して基板20上に形成されるのが好ましい。電極60に電気信号を加えることにより、電極60と反射素子442との間に電界が生成され、これにより反射素子442が第１の位置447と第２の位置448との間で動くことになる。

電極60から電気信号が除去された際に、反射素子442が一定時間にわたり第２の位置448を維持し又は保持することが好ましい。その後、例えばヒンジ486を含む反射素子442の復元力によって、反射素子442が第１の位置447に引っ張られ又は戻される。

図１０Ｂ及び図１０Ｃは、反射素子442の更に別の実施形態を含むマイクロミラー素子10の駆動の更に別の実施形態を示している。図１０Ｂに示す実施形態では、反射素子442'は、支柱24により直接支持された実質的に長方形の部分480'を含む。該長方形部分480'が可撓性を有し、該支柱24が実質的に剛性を有するため、該長方形部分480'は駆動中に撓むようになっている。図１０Ｃに示す実施形態では、反射素子442''は、支柱24''によって直接支持される実質的に長方形の部分480を含む。長方形部分480が実質的に剛性を有し、支柱24''が可撓性を有するため、長方形部分480が駆動中に曲がることになる。実質的に長方形の部分480（長方形部分480'を含む）及び支柱24（支柱24''を含む）を別個の部材として示したが、長方形部分480及び支柱24が単一の部材として一体に形成されることも本発明の範囲内である。

図１１及び図１２は、マイクロミラー素子10の別の実施形態を示している。マイクロミラー素子10'は、マイクロミラー素子10に類似したものであり、基板20と、プレート30と、アクチュエーティング素子40とを含み、基板20とプレート30との間に空洞50が画定される。かかる場合、空洞50は、既述のように誘電／誘電泳動液体52,53で満たされる。しかし、マイクロミラー素子10'は、基板20とアクチュエーティング素子40との間に配置されたドライバプレート35を含む。

プレート30が透明なプレート32であり、アクチュエーティング素子40が反射素子42であることが好ましい。更に、反射素子42は支柱24により基板20に対して支持される。しかし、支柱24はドライバプレート35から延びる。かかる場合、一実施形態では、ドライバプレート35は、基板20の表面22から延びる支柱25によって基板20に対して支持される。

マイクロミラー素子10'の駆動は、既述のマイクロミラー素子10の駆動と類似したものであるが、ドライバプレート35及び反射素子42の両方が駆動される点が異なる。かかる場合、基板20上に形成された電極60に電気信号を加えることにより、ドライバプレート35及び反射素子42の両方が、第１の位置47と第２の位置48との間で動かされる。電極60に電気信号を加えることにより、電極60とドライバプレート35及び／又は反射素子42との間に電界が生成され、これにより、ドライバプレート35及び反射素子42が第１の位置47と第２の位置48との間で動くことになる。

図１３に示すように、一実施形態では、マイクロミラー素子10（マイクロミラー素子10'を含む）は、ディスプレイシステム500に組み込まれる。ディスプレイシステム500は、光源510と、光源光学系512と、光プロセッサ又はコントローラ514と、投影光学系516とを含む。光プロセッサ514は、アレイとして配列された多数のマイクロミラー素子10を含み、該多数のマイクロミラー素子10の各々がディスプレイの１つのセル又は画素を構成する。マイクロミラー素子10のアレイは、多数のマイクロミラー素子10の反射素子のための個別の空洞及び／又は共通の空洞を有する共通の基板上に形成することが可能である。

一実施形態では、光プロセッサ514は、表示すべき画像を表す画像データ518を受信する。かかる場合、光プロセッサ514は、該画像データ518に基づいて、マイクロミラー素子10の駆動と、光源510から受光した光の変調とを制御する。次いで、変調された光が視認者又は表示画面520に対して投影される。

図１４は、マイクロミラー素子10のアレイの一実施形態を示している。マイクロミラー素子10は、図２に示し上述したような反射素子142を含む。１つの反射素子142の長手軸189が第１の方向に延び、該反射素子142に隣接する別の反射素子142の長手軸189が、前記第１の方向に対して実質的に垂直な方向に向いた第２の方向に延びるように、隣り合う反射素子142が回転するのが好ましい。

図１５は、マイクロミラー素子10のアレイの別の実施形態を示している。マイクロミラー素子10は、図３に示し上述したような反射素子242を含む。１つの反射素子242の長手軸289が第１の方向に延び、該反射素子242に隣接する別の反射素子242の長手軸289が、前記第１の方向に対して実質的に垂直な方向に向いた第２の方向に延びるように、隣り合う反射素子242が回転するのが好ましい。マイクロミラー素子10のアレイを形成する際に、隣り合う反射素子142又は242を回転させることにより、隣り合う反射素子間の流体のクロスカップリング又はクロストークが回避される。

好ましい実施形態を説明するために、本書では特定の実施形態について図示し及び記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、同じ目的を果たすよう考慮された広範な代替的な及び／又は等価な実装形態を、図示し及び記載した特定の実施形態の代わりに用いることが可能であることが、当業者には理解されよう。本発明が非常に広範な実施形態において実施できることは、化学、機械、電気機械、電気、及びコンピュータ分野の当業者には容易に理解されよう。本出願は、本書に説明される好ましい実施形態の任意の適応形態又は変形形態を網羅することを意図している。それゆえ、本発明が請求の範囲及びそれと同等のものによってのみ限定されることが、明らかに意図されている。

１つの例示的な実施形態では、テストマイクロミラーが、手作業で表１に略述するような種々の液体で満たされた。表１に示すように、液体の誘電率はミラーの動きに関係し、20未満の誘電率を有する液体がミラーの動きにとって有益なものとなる。更に、動きの量は、20未満の誘電率を有する液体の双極子モーメントに関係し、双極子モーメントが高い液体を含むミラーほど、ミラーを動かすために必要となる駆動エネルギーが小さくなる。例えば、一実施形態では、ヘキサンでミラーを駆動するのに用いた電圧が約13.8Ｖであるのに対し、ジフェニルエーテルでミラーを駆動するのに用いた電圧は僅か10.2Ｖであった。

本発明によるマイクロミラー素子の一部の一実施形態を示す概略的な断面図である。本発明によるマイクロミラー素子の一部の一実施形態を示す斜視図である。本発明によるマイクロミラー素子の一部の別の実施形態を示す斜視図である。本発明によるマイクロミラー素子の動作の一実施形態を概略的に示す、図２及び図３の4−4断面図である。本発明によるマイクロミラー素子の動作の別の実施形態を示す、図４に類似した概略的な断面図である。本発明によるマイクロミラー素子の動作の別の実施形態を示す、図４に類似した概略的な断面図である。本発明によるマイクロミラー素子の一部の別の実施形態を示す斜視図である。本発明によるマイクロミラー素子の動作の一実施形態を概略的に示す、図７の8−8断面図である。本発明によるマイクロミラー素子の一部の別の実施形態を示す斜視図である。本発明によるマイクロミラー素子の動作の一実施形態を概略的に示す、図９の10−10断面図である。本発明によるマイクロミラー素子の別の実施形態の動作を示す、図１０Ａに類似した概略的な断面図である。本発明によるマイクロミラー素子の別の実施形態の動作を示す、図１０Ａに類似した概略的な断面図である。本発明によるマイクロミラー素子の一部の別の実施形態を示す斜視図である。本発明によるマイクロミラー素子の動作の一実施形態を概略的に示す、図１１の12−12断面図である。本発明によるマイクロミラー素子を含むディスプレイシステムの一実施形態を示すブロック図である。本発明によるマイクロミラー素子のアレイの一部の一実施形態を示す斜視図である。本発明によるマイクロミラー素子のアレイの一部の別の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

10 マイクロミラー素子
20 基板
22 表面
30 プレート
40 アクチュエーティング素子
47 第１の位置
48 第２の位置
50 空洞
53 誘電泳動液体

Claims

マイクロミラー素子であって、
表面(22)を有する基板(20)と、
該基板の前記表面から隔置され、及び該基板の該表面と実質的に平行に向けられた、プレート(30)であって、該プレートと前記基板の前記表面とがそれらの間に空洞(50)を画定する、プレート(30)と、
前記空洞内に配置された誘電泳動液体(53)であって、前記素子に電気信号が加えられた際に動くことができる、該電気泳動液体(53)と、
前記基板の表面と前記プレートとの間に配置された反射素子(42)とを含み、
該反射素子が、第１の位置と少なくとも１つの第２の位置との間で動くよう構成される、マイクロミラー素子。
前記誘電泳動液体が、非水素結合液体であり、及び20未満の誘電率を有する、請求項１に記載のマイクロミラー素子。
前記誘電泳動液体が、少なくとも約１デバイの双極子モーメントを有する、請求項１に記載のマイクロミラー素子。
前記誘電泳動液体が圧縮可能なものである、請求項１に記載のマイクロミラー素子。
前記誘電泳動液体が分極可能なものである、請求項１に記載のマイクロミラー素子。
前記誘電泳動液体が実質的に透明である、請求項１に記載のマイクロミラー素子。
前記誘電泳動液体が、ポリ(フェニルエーテル)_x(xは約2〜約6)、約2〜約12炭素原子を有するアルキル、アルケン、及び環状アルキル、パーフルオロアルキル、1,1−ジフェニルエチレン及び1,2−ジフェニルエチレン、ベンゼン及び置換ベンゼン、塩素化芳香族化合物、ポリ塩化ビフェニル、及びパーフルオロエーテルからなるグループから選択される、請求項１に記載のマイクロミラー素子。
前記パーフルオロアルキルがパーフルオロデカヒドロナフタレンであり、前記アルケンがドデセン及びオリーブ油から選択される、請求項７に記載のマイクロミラー素子。
前記液体が、1,1−ジフェニルエチレン、1,2−ジフェニルエチレン、及びそれらの混合物からなるグループから選択される、請求項１に記載のマイクロミラー素子。
前記誘電泳動液体がパーフルオロエーテルである、請求項１に記載のマイクロミラー素子。
前記基板の前記表面上に形成された少なくとも１つの電極(60,62)を更に含み、該電極が、前記反射素子とは異なる寸法を有し、
前記反射素子が、前記少なくとも１つの電極に電気信号が加えられたことに応じて動くよう構成され、該電気信号が、前記空洞内に不均一な電界を形成するよう構成される、請求項１に記載のマイクロミラー素子。
マイクロアクチュエータであって、
表面(22)を有する基板(20)と、
該基板の前記表面から隔置され、及び該基板の該表面と実質的に平行に向けられた、プレート(30)であって、該プレートと前記基板の前記表面とがそれらの間に空洞(50)を画定する、プレート(30)と、
前記空洞内に配置され、及び該マイクロアクチュエータに電気信号が加えられた際に動くことができる、誘電泳動液体(53)と、
前記基板の前記表面と前記プレートとの間に配置されたアクチュエーティング素子とを含み、
該アクチュエーティング素子(40)が、第１の位置と少なくとも１つの第２の位置との間で動くよう構成される、マイクロアクチュエータ。
前記誘電泳動液体が、非水素結合液体であり、及び20未満の誘電率を有する、請求項１２に記載のマイクロアクチュエータ。
前記誘電泳動液体が、少なくとも約１デバイの双極子モーメントを有する、請求項１２に記載のマイクロアクチュエータ。
前記誘電泳動液体が、ポリ(フェニルエーテル)_x(xは約2〜約6)、約2〜約12炭素原子を有するアルキル、アルケン、及び環状アルキル、パーフルオロアルキル、1,1−ジフェニルエチレン及び1,2−ジフェニルエチレン、ベンゼン及び置換ベンゼン、塩素化芳香族化合物、ポリ塩化ビフェニル、及びパーフルオロエーテルからなるグループから選択される、請求項１２に記載のマイクロアクチュエータ。
前記基板の前記表面上に形成された少なくとも１つの電極(60,62)を更に含み、該電極が、前記アクチュエーティング素子とは異なる寸法を有し、
前記アクチュエーティング素子が、前記少なくとも１つの電極に電気信号が加えられたことに応じて動くよう構成され、該電気信号が、前記空洞内に不均一な電界を形成するよう構成される、請求項１２に記載のマイクロアクチュエータ。
前記誘電泳動液体が、所与の駆動エネルギーによって生成される前記アクチュエーティング素子の駆動力を増大させるよう適合される、請求項１２に記載のマイクロアクチュエータ。
第１の位置と少なくとも１つの第２の位置とに間で動くよう構成されたアクチュエータ素子(40)を含むマイクロアクチュエータにおいて誘電泳動液体(53)を用いる方法であって、
前記マイクロアクチュエータの空洞(50)内に前記誘電泳動液体を配置し、この際に、該誘電泳動液体の上方に前記アクチュエータ素子を配置し、又は該誘電泳動液体内に前記アクチュエータ素子を浸漬させ、
前記第１の位置と前記少なくとも１つの第２の位置との間で前記アクチュエータ素子を動かし、この際、前記マイクロアクチュエータに電気信号を加えることを含み、
前記誘電泳動液体が、前記マイクロアクチュエータに前記電気信号が加えられた際に運動を呈し、該運動が、前記アクチュエータ素子が前記第１の位置と前記少なくとも１つの第２の位置との間で動くことに寄与する、マイクロアクチュエータにおいて誘電泳動液体を用いる方法。
前記誘電泳動液体が、非水素結合液体であり、20未満の誘電率を有する、請求項１８に記載の誘電泳動液体を用いる方法。
前記誘電泳動液体が、少なくとも約１デバイの双極子モーメントを有する、請求項１９に記載の誘電泳動液体を用いる方法。