JP2005070091A

JP2005070091A - Ｍｅｍｓ、ティルトミラーｍｅｍｓ、空間光変調装置、及びプロジェクタ

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Publication number: JP2005070091A
Application number: JP2003208420A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Yamazaki; 哲朗山▲崎▼; Takashi Takeda; 高司武田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP4100283B2

Abstract

【課題】簡便な構成で可動部の傾斜角度が大きなＭＥＭＳ、ティルトミラーＭＥＭＳ、空間光変調装置、プロジェクタを提供すること。
【解決手段】平面形状の第１の電極である下電極１０２と、下電極１０２に対して所定間隔の位置に設けられている平面形状の第２の電極である上電極１０５と、上電極１０５の端部に固着されている平面形状の作用面である反射ミラー１０８と、下電極１０２と上電極１０５とを介して反射ミラー１０８に当接する支柱部１０６と、下電極１０２と上電極１０５とに電圧を印加する電源１１０とを有し、印加された電圧に応じて下電極１０２と上電極１０５とは相対的に引き合う方向へ移動し、反射ミラー１０８は、支柱部１０６の一方の端部と当接している位置を支点として上電極１０５から離れる方向へ移動する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ、ティルトミラーＭＥＭＳ、空間光変調装置、及びプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシン技術とマイクロエレクトロニクス技術とを融合したＭＥＭＳ（ＭｉｃｈｒｏＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を用いるデバイスが開発されてきている。例えば、ＭＥＭＳ技術により製造されたティルトミラーデバイスが提案されている（特許文献１参照）。ティルトミラーデバイスは、光スイッチ、光スキャナ、空間光変調装置等の多くのデバイスに適用されている。例えば、光スイッチでは、光電変換が不要なため、装置を小型化、低価格化できる。また、光スキャナでは、一般的な光ポリゴンミラーに比較して大幅に小型化できる。さらに、空間光変調装置としてのＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）は、長寿命、高速な応答速度で高コントラストな投写像を得られるという利点を有している。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５８６７２０２０号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図６（ａ）〜（ｄ）に従来技術のティルトミラーＭＥＭＳの構成を示す。図６（ａ）は、従来技術のティルトミラーＭＥＭＳ１０００の斜視図である。基板１００１上の対角線方向に、第１の下電極１００２ａと、第２の下電極１００２ｂとが形成されている。また、２箇所の支持部１００３に回転自在なヒンジ１００４（トーションバー）が固着されている。ヒンジ１００４上に上電極１００５が設けられている。上電極１００５には反射膜が形成された状態、又は金属部材のままの状態で、可動ミラーとして作用する。図６（ｂ）は、断面構成を示す。例えば、第２の下電極１００２ｂに電圧を印加すると、上電極１００５と第２の下電極１００２ｂとの間に静電力（引力）が発生する。これにより、図６（ｂ）に示すように、上電極１００５は、第２の下電極１００２ｂと当接した位置で傾斜して停止する。この状態における上電極１００５の傾斜角度θは、次式（１）により算出される。
θ＝ｔａｎ^−１（Ｄ／Ｌ）・・・（１）
【０００５】
ここで、Ｄは基板１００１に平行な状態の上電極１００５と下電極１００２ａ、１００２ｂとの距離、Ｌは支持部１００３から上電極１００５の端部までの距離である。
【０００６】
また、静電力Ｆは、次式（２）で算出される。
Ｆ＝（１／２）×ε_０×Ｓ×Ｖ^２／（Ｄ^２）・・・（２）
ここで、ε_０は真空の誘電率、Ｓは下電極１００２ａ、１００２ｂの面積、Ｄは基板に平行な状態の上電極１００５と下電極１００２ａ、１００２ｂとの距離、Ｖは印加電圧である。
【０００７】
ティルトミラーＭＥＭＳの場合、式（１）からも明らかなように、傾斜角度θは、距離Ｌで制限される。従って、傾斜角度θを大きくしたい場合、距離Ｄを大きくする必要がある。また、式（２）から明らかなように、静電力Ｆは距離Ｄの二乗に反比例する。このため、傾斜角度θを大きくするために距離Ｄを大きくすると、必要な静電力Ｆを得るために印加電圧Ｖを大きくしなければならない。しかしながら、駆動にＩＣを用いると、印加電圧Ｖにも上限がある。この結果、図６（ａ）、（ｂ）で示す構成では、傾斜角度θを大きくすることが困難であり問題である。例えば、従来技術のティルトミラーＭＥＭＳでは、上電極１００５である可動ミラーは、１０°前後しか傾斜させることはできない。ＭＥＭＳ、特にティルトミラーＭＥＭＳでは、可動ミラーの傾斜角度を大きくすることが望まれている。傾斜角度が大きくとれると、ティルトミラーＭＥＭＳを用いるプロジェクタ等の装置の設計の自由度を格段に大きくできる。
【０００８】
また、傾斜角度θを大きくするためには、図６（ｃ）に示すように、ヒンジ１０５４を上電極１０５５の中央部から端部の方向へシフトさせる構成も考えられる。そして、上電極１０５５の短い側を下電極１０５２で引くことで、てこの原理で上電極１０５５の長い側を大きく傾斜させることができる。この場合、下電極１０５２の面積Ｓが小さくなってしまう。このため、式（２）からも明らかなように、面積Ｓが小さい場合に所望の静電力Ｆを得るためには、印加電圧Ｖを大きくしなければならない。しかしながら、上述したように電極の駆動にＩＣを用いると、印加電圧Ｖにも上限がある。この結果、図６（ｃ）、（ｄ）で示す構成の場合も、図６（ａ）、（ｂ）の構成の場合と同様に、傾斜角度θを大きくすることが困難であり問題である。
【０００９】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、簡便な構成で可動部の傾斜角度が大きなＭＥＭＳ、ティルトミラーＭＥＭＳ、空間光変調装置、プロジェクタを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、目的を達成するために、第１の発明によれば、平面形状の第１の電極と、第１の電極に対して所定間隔の位置に設けられている平面形状の第２の電極と、第２の電極の端部に固着されている平面形状の作用面と、第１の電極と第２の電極とを介して作用面に当接する支柱部と、第１の電極と第２の電極とに電圧を印加する電源と、を有し、印加された電圧に応じて第１の電極と第２の電極とは相対的に引き合う方向へ移動し、作用面は、支柱部の一方の端部と当接している位置を力点として第２の電極から離れる方向へ移動することを特徴とするＭＥＭＳを提供できる。
【００１１】
てこの原理では、力点に力を作用させることで、支点を中心として作用点が移動する。ここで、力点と支点との距離を短くすると、力点から遠い作用点を大きく移動させることができる。第１の発明では、平面形状の第１の電極と、平面形状の第２の電極とに電圧を印加することで両電極は静電力により相対的に引き合う方向へ移動する。すると、第２の電極と作用面とが固着されている端部は力点として作用する。そして、力点に力が作用すると、第２の電極と支柱部とが当接している位置は支点になる。支点と力点との距離が近いため、力点とは反対側の位置に相当する作用面、特に作用面の端部は大きく移動する。これにより、簡便な構成で、作用面を大きく傾斜させることができる。また、第１の電極と第２の電極との距離を小さくしておけば、容易に大きな静電力を得て高速な駆動を行うことができる。
【００１２】
また、第１の発明の好ましい態様によれば、支柱部の他方の端部が固着されている基板をさらに有し、第１の電極は前記基板上に形成され、印加されている電圧に応じて第２の電極が第１の電極の方向へ平行移動することが望ましい。これにより、第１の電極が静電力により平行移動する動きを、支柱部と作用面との当接部（支点に相当）において、支柱部が作用面を押し上げる動きへ変換することができる。この結果、容易に作用面を大きく傾斜させることができる。
【００１３】
また、第１の発明の好ましい態様によれば、第１の電極と前記第２の電極とは，前記作用面と略同じ形状で、略同じ面積であることが望ましい。式（２）を用いて上述したように電極間に発生する静電力は電極の面積に比例する。本態様によれば、電極の大面積化が容易なため、大きな静電力を得ることができる。
【００１４】
また、第２の発明によれば、上述のＭＥＭＳを備え、作用面は、反射ミラーであることを特徴とするティルトミラーＭＥＭＳを提供できる。これにより、反射ミラーを大きな傾斜角度で移動させることができる。この結果、ティルトミラーＭＥＭＳへの入射光の偏向角を大きくして射出できる。
【００１５】
また、第３の発明によれば、上述のティルトミラーＭＥＭＳが複数配列されていることを特徴とする空間光変調装置を提供できる。上述のティルトミラーＭＥＭＳを備えているため、画像信号に応じて変調されて可動ミラーで反射する画像を形成する光の方向を容易に制御できる。
【００１６】
また、第４の発明によれば、照明光を供給する照明光用光源部と、上述の空間光変調装置と、空間光変調装置で変調された照明光を投写する投写レンズと、を有することを特徴とするプロジェクタを提供できる。これにより、空間光変調装置からの変調光が大きく偏向されているため、投写レンズへ入射させる光量を連続的に調整してアナログ的な制御が可能となる。また、空間光変調装置と投写レンズとの距離を小さくできる。この結果、小型で高画質なプロジェクタを提供できる。さらに、デジタル的な駆動をする際も、偏向角を大きく取れるため、ＯＮ光とＯＦＦ光との分離がしやすい。その結果、小型でコントラストの高いプロジェクタを提供できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るティルトミラーＭＥＭＳの斜視構成を示す。矩形状の平行平板である基板１０１上に、平面形状の第１の電極である下電極１０２が形成されている。また、基板１０１の対角方向の２箇所に支持部１０３が形成され、中央部に支柱部１０６が形成されている。支持部１０３の端部には、平面形状の第２の電極である上電極１０５が固着されている。上電極１０５と下電極１０２とは、後述する電圧が印加されていない状態で所定の間隔Ｄ（図２（ａ））となるように構成されている。矩形状の上電極１０５の対向する辺１０５ａ、１０５ｂに略平行に２箇所の切欠き部１０９が形成されている。上電極１０５と下電極１０２との間には、電源１１０により所定の電圧が印加される。印加する電圧は、制御部１１１により画像信号に応じて制御される。
【００１８】
また、上電極１０５の端部１０４に平面状の作用面である反射ミラー１０８が固着されている。反射ミラー１０８は、端部１０４においてのみ上電極１０５に固着されている。ここで、支柱部１０６の端部は反射ミラー１０８に当接している。
【００１９】
次に、図２（ａ）、（ｂ）を用いて、上述のティルトミラーＭＥＭＳ１００の動作を説明する。なお、図２（ａ）、（ｂ）において、電源１１０と制御部１１１との記載は省略する。図２（ａ）は、電圧を印加していない状態、つまり静電力が発生していない状態のティルトミラーＭＥＭＳ１００の断面構成を示す。静電力が発生していない状態では、上電極１０５と下電極１０２とは略平行となっている。これに対して、図２（ｂ）に示すように、画像信号に応じた電圧を印加すると、上電極１０５と下電極１０２との間に相対的に引き合うような静電力が生ずる。下電極１０２は基板１０１に固着されているため、図中矢印Ａで示すように上電極１０５が下電極１０２の方向へ平行移動する。このように、上電極１０５と下電極１０２とでピストンアクションタイプの静電アクチュエータを構成する。平行平板型の静電アクチュエータでは、１つのティルトミラーＭＥＭＳ１００の全体の面積を電極として使用することができる。このため、大きな静電力を容易に得ることができる。
【００２０】
上電極１０５が下電極１０２の方向へ平行移動すると、反射ミラー１０８と上電極１０５とが固着されている端部１０４も矢印Ａ方向へ下がるように移動する。ここで、支柱部１０６と反射ミラー１０８との当接部１０７を支点、端部１０４を力点として、てこの原理で反射ミラー１０８は矢印Ｂの方向へ上電極１０５から離れる方向へ移動する。反射ミラー１０８の端部１０８ａは、てこの原理における作用点に相当する。
【００２１】
本実施形態では、支点である当接部１０７と力点である端部１０４との距離Ｌ１が近いため、端部１０４とは反対側の位置に相当する作用面である反射ミラー１０８、特にその端部１０８ａは大きく矢印Ｂの方向へ移動する。これにより、簡便な構成で、反射ミラー１０８を大きく傾斜させることができる。また、下電極１０２と上電極１０５との距離Ｄを小さくしておけば、容易に大きな静電力を得て高速な駆動を行うことができる。また、本実施形態では、上電極１０５が静電力により平行移動する動きを、支柱部１０６と反射ミラー１０８との当接部１０７（支点に相当）において、支柱部１０６が反射ミラー１０８を押し上げる動きへ変換することができる。この結果、容易に反射ミラー１０８を大きく傾斜させることができる。さらに、上電極１０５と下電極１０２との距離Ｄに関わらず、反射ミラー１０８の傾斜角度θを大きくすることができる。
【００２２】
また、好ましくは、上電極１０５と下電極１０２とは、反射ミラー１０８と略同じ形状で、略同じ面積であることが望ましい。上記式（２）を用いて上述したように両電極間に発生する静電力は上電極１０５と下電極１０２との面積に比例する。これによれば、容易に大きな静電力を得ることができる。このように、本実施形態では、反射ミラー１０８を大きな傾斜角度で移動させることができる。この結果、ティルトミラーＭＥＭＳ１００への入射光の偏向角を大きくして射出できる。
【００２３】
次に、図３（ａ）〜（ｇ）に基づいてティルトミラーＭＥＭＳ１００の製造方法を説明する。図３（ａ）において、シリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１上にアルミニウム（Ａｌ）層を成膜し、下電極１０２、支柱部１０６の基礎となる領域、配線などをパターンニングする。Ａｌ層の厚さは０．２μｍ程度が望ましい。図３（ｂ）において、第１の犠牲層としてレジスト層３０１をスピンコート法により成膜する。レジスト層３０１の厚さは１．５μｍが望ましい。レジスト層３０１には、支柱部１０６のための孔を形成する。図３（ｃ）において、レジスト層３０１上に上電極１０５、当接部１０７を構成するＡｌ層を厚さ０．２μｍ成膜する。成膜したＡｌ層に上電極１０５、当接部１０７、配線等をパターニングする。図３（ｄ）において、第２の犠牲層としてレジスト層３０２を１．５μｍ成膜する。そして、上電極１０５と反射ミラー１０８とを固着するための孔と、当接部１０７のための孔とをパターニングする。図３（ｅ）において、レジスト層３０２の上に反射ミラー１０８、当接部１０７となるＡｌ層を０．２μ成膜して、パターニングする。図３（ｆ）において、プラズマエッチングにより第１の犠牲層であるレジスト層３０１と、第２の犠牲層であるレジスト層３０２とを除去する。
【００２４】
図３（ｇ）は、上電極１０５と下電極１０２との間に電圧を印加して、上電極１０５が最も下がった状態を示す。この状態において、当接部１０７（支点）と上電極１０５の左端である端部１０４（力点）との距離Ｌ１＝２μｍ、当接部１０７と右端部との距離Ｌ２＝１８μｍ、上電極１０５の左端部が水平状態Ｈから下がった距離Ｄ１＝１．０μｍとすると、上電極１０５の右端部が水平状態Ｈから上がった距離Ｄ２＝１３．５μｍとなる。このため、傾斜角度θは、

となる。このように、従来技術の製造方法をそのまま用いて、傾斜角度θの大きなティルトミラーＭＥＭＳを得ることができる。
【００２５】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係るプロジェクタ４００の概略構成を示す図である。光源部４０１は、赤色光（以下、「Ｒ光」という。）、緑色光（以下、「Ｇ光」という。）、及び青色光（以下、「Ｂ光」という。）を供給する。また、光源部４０１は、複数の、Ｒ光用固体発光素子４０２ＲとＧ光用固体発光素子４０２ＧとＢ光用固体発光素子４０２Ｂとから構成される。固体発光素子としては、ＬＤやＬＥＤ等を用いることができる。なお、光源部４０１として有機ＥＬ素子等を用いても良い。
【００２６】
光源部４０１からの光は、照明レンズ４０３を介して空間光変調装置４０４に入射する。空間光変調装置４０４は、上記第１実施形態で述べた複数のティルトミラーＭＥＭＳ１００を格子状に配列して構成されている。照明レンズ４０３は両凸形状の正単レンズで構成されている。照明レンズ４０３は、光源部４０１の像を、投写レンズ４０５の入射瞳ＥＮＰの位置に形成させる。これにより、空間光変調装置４０４をケーラー照明することができる。空間光変調装置４０４は、光源部４０１からの光を映像信号に応じて変調して射出する。変調された光は投写レンズ４０５を介してスクリーン４０６に投写される。ここで、駆動制御部４０７は、光源部４０１、空間光変調装置４０４の駆動制御を行う。駆動制御部４０７は、画像信号に応じた電圧を上述のティルトミラーＭＥＭＳへ印加する。反射ミラー１０８（図１）は、画像信号に応じて傾斜する角度が変化する。これにより、光源部４０１からの照明光は、反射ミラー１０８で反射され、傾斜角度に応じた光量が投写レンズ４０５の入射瞳ＥＮＰへ入射する。これにより、画像の階調表現をアナログ的に行うことができる。
【００２７】
次に、図４に示す第２実施形態に係るプロジェクタ４００においてフルカラー映像を得るためのＲ光用発光素子４０２ＲとＧ光用発光素子４０２ＧとＢ光用発光素子４０２Ｂとを点灯させる時間とタイミングについて説明する。図５は、点灯時間とそのタイミングを示す図である。光源駆動部の機能も兼用する駆動制御部４０７は、Ｒ光用発光素子４０２ＲとＧ光用発光素子４０２ＧとＢ光用発光素子４０２Ｂとを順次切り換えて点灯させる。表示される映像の１フレーム内において各色発光素子の点灯時間を異ならせる。これにより、各色光の光束量を任意に設定できる。白色を得るためには、Ｇ光の光束量を全体の６０％から８０％程度にする必要がある。このため、図５に示すように、Ｇ光用発光素子４０２Ｇの点灯時間ＧＴを、Ｒ光用発光素子４０２Ｒの点灯時間ＲＴとＢ光用発光素子４０２Ｂの点灯時間ＢＴよりも長くする。
【００２８】
このように、空間光変調装置４０４は、画像信号に応じて変調されて可動ミラー１０８で反射する画像を形成する光の方向を容易に制御できる。また、空間光変調装置４０４からの反射光と、入射光とのなす角度（偏向角）を大きくとれるため、空間光変調装置４０４と投写レンズ４０５との距離を小さくできる。この結果、小型で高画質なプロジェクタ４００を提供できる。
【００２９】
また、本発明のＭＥＭＳを光スイッチに応用すると、作用面の可動範囲が大きいため、１つの光スイッチで分岐できる光信号の数を多くすることができる。さらに、本発明のＭＥＭＳを光スキャナに応用すると、作用面の可動範囲が大きいため、照射エリアと光スキャナとの距離を短くしても、大きな照射エリアをスキャンできる。このため、小型な光スキャナを得ることができる。また、バイモルフアクチュエータ等を用いて構成されているマイクロ繊毛移動デバイスが知られている。マイクロ繊毛移動デバイスは、物体を押し上げて移動させるデバイスである。そして、バイモルフアクチュエータの代わりに本発明のＭＥＭＳを用いると静電引力を用いて、複数の作用面の上下運動により物体を押し上げて移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のティルトミラーＭＥＭＳの概略構成図。
【図２】（ａ）、（ｂ）は第１実施形態のティルトミラーＭＥＭＳの断面構成図。
【図３】第１実施形態のティルトミラーＭＥＭＳの製造手順の説明図。
【図４】第２実施形態のプロジェクタの概略構成図。
【図５】第２実施形態のプロジェクタの点灯タイミングチャート。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は従来技術のティルトミラーＭＥＭＳの概略構成図。
【符号の説明】
１０１基板、１０２下電極、１０３支持部、１０４端部、１０５上電極、１０５ａ辺、１０６支柱部、１０７当接部、１０８可動ミラー、１０８ａ端部、１０８反射ミラー、１０９切欠き部、１１０電源、１１１制御部、３０１レジスト層、３０２レジスト層、４００プロジェクタ、４０１光源部、４０２Ｒ、４０２Ｇ、４０２Ｂ各色光用固体発光素子、４０３照明レンズ、４０４空間光変調装置、４０５投写レンズ、４０６スクリーン、４０７駆動制御部、１００１基板、１００２ａ下電極、１００２ｂ下電極、１００３支持部、１００４ヒンジ、１００５上電極、１０５２下電極、１０５４ヒンジ、１０５５上電極、ＥＮＰ入射瞳

Claims

平面形状の第１の電極と、
前記第１の電極に対して所定間隔の位置に設けられている平面形状の第２の電極と、
前記第２の電極の端部に固着されている平面形状の作用面と、
前記第１の電極と前記第２の電極とを介して前記作用面に当接する支柱部と、
前記第１の電極と前記第２の電極とに電圧を印加する電源と、を有し、
前記印加された電圧に応じて前記第１の電極と前記第２の電極とは相対的に引き合う方向へ移動し、
前記作用面は、前記支柱部の一方の端部と当接している位置を支点として前記第２の電極から離れる方向へ移動することを特徴とするＭＥＭＳ。
前記支柱部の他方の端部が固着されている基板をさらに有し、
前記第１の電極は前記基板上に形成され、
前記印加されている電圧に応じて前記第２の電極が前記第１の電極の方向へ平行移動することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ。
前記第１の電極と前記第２の電極とは、前記作用面と略同じ形状で、略同じ面積であることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳ。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳを備え、
前記作用面は、反射ミラーであることを特徴とするティルトミラーＭＥＭＳ。
請求項４に記載のティルトミラーＭＥＭＳが複数配列されていることを特徴とする空間光変調装置。
照明光を供給する照明光用光源部と、
請求項５に記載の空間光変調装置と、
前記空間光変調装置で変調された前記照明光を投写する投写レンズと、を有することを特徴とするプロジェクタ。