JP2006126825A - 微小電気機械式変調素子及び微小電気機械式変調素子アレイ並びに画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部の振動をアクティブに減少させることのできる微小電気機械式変調素子及び微小電気機械式変調素子アレイ並びに画像形成装置を得、スイッチング動作の高速化を図る。
【解決手段】弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部２７を備え、この可動部２７が変調機能を有する微小電気機械式変調素子１００であって、可動部２７へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、駆動源により可動部２７を第１の方向へ変位駆動させるに際し、可動部２７が第１の方向に遷移している間に、駆動源により可動部２７に対し第１の方向と異なる第２の方向に可動部の振動を抑制する物理的作用力が加えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、双方向に変位する可動部を備えた微小電気機械式変調素子及び微小電気機械式変調素子アレイ並びに画像形成装置に関し、特に、可動部を制動する改良技術に関する。

近年、ＭＥＭＳ技術（ＭＥＭＳ；Micro-Electro Mechanical systems）の急速な進歩により、μｍオーダーの微小構造体を電気的に変位・移動させる微小電気機械式変調素子の開発が盛んに行われている。この微小電気機械式変調素子には、例えばマイクロミラーを傾けて光の偏向を図るデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）などがある。ＤＭＤは、光学的な情報処理の分野において、投射ディスプレイ、ビデオ・モニター、グラフィック・モニター、テレビ及び電子写真プリントなど用途が広い。

微小電気機械式変調素子は、一般的に弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、この可動部が主に変調動作を担う。したがって、可動部の制動制御は、良好なスイッチング動作を行う上でも特に重要となる。

例えば、下記特許文献１に開示されるマイクロミラー装置は、一対の駆動電極のうち一方の電極に電圧を印加し、これら電極間にヒンジ接続により配置されたミラーを有する可動部を、駆動電極との間の電位差及び静電容量に応じた静電引力により回転させる構成としている。

また、下記特許文献２に開示される微小機械格子装置におけるリボン素子を減衰させる方法は、底表面を定め、この底表面の下に形成された底導電層を有するチャネル上の電気機械リボン素子を減衰させる方法において、少なくとも一つのリボン素子に少なくとも一つの定振幅電圧パルスを提供する工程と、定振幅電圧パルスから狭い一時的なギャップによって分けられた制動パルスを少なくとも一つリボン素子に提供する工程とを有する。すなわち、平行平板系素子の１つの可動部電極と、一つの固定電極とにより、静電気力を単一方向に働かせ、リボン素子を下部電極側へ引き寄せる駆動電圧と、駆動電圧の直前に印加する初期制動電圧、又は駆動電圧の直後に印加する最終制動電圧との２つの制動駆動電圧によって振動を制御しようとしている。

また、下記特許文献３に開示される光路切替装置は、電磁駆動のアクチュエーターに信号電圧を印加して光路を切替える機械式の光スイッチと、光スイッチに信号電圧を供給する制御回路とを備える。信号電圧は、信号の立ち上がり振幅ＶＨと信号幅Ｔについて、信号の立ち上がりからＴ／２経過したときの電圧が２／３ＶＨ以下である。そして、アクチュエータに印加する信号電圧において、振動幅Ｔの信号の立ち上がりから、Ｔ／２経過した時、信号電圧を立ち上がり振幅の２／３倍以下に減少させ、振動を抑制しようとしている。

さらに、下記特許文献４に開示されるマイクロマシン素子の制御方法は、第１の制御信号と第２の制御信号とがマイクロマシン素子に供給され、第２の制御信号が、マイクロマシン素子をアクティブ状態に設定し、第１の制御信号がこの状態を維持するように構成される。そして、マイクロマシン素子をpull-in状態に設定する制御信号と、マイクロマシン素子をpull-in状態に保持する他方の制御信号と、少なくとも２つの制御信号を用い、マイクロマシン素子を制御する。これにより、低い電圧レベルでのマイクロマシン素子の制御を可能としている。

特開平８−３３４７０９号公報 特開２００１−１７４７２０号公報 特開２００２−１６９１０９号公報 特開２００２−３６１９７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるマイクロミラー装置では、駆動電極のうちの一方に電圧を印加し、可動部と駆動電極との間の電位差及び静電容量に応じた静電引力を発生させ、可動部を回転させる。このため、図２１（ａ）に示すように、電圧Ｖａの印加によってマイクロミラーが接触位置へ遷移して、接触位置に着地した直後、接触部材からの反力を受けることで振動が生じた。また、マイクロミラーが接触位置に着地しない非接触構造の場合であっても、図２１（ｂ）に示すように、所望の回転角度（収束位置）を超えてオーバーシュートが発生することで、振動の鎮静化までに時間を要した。これらの振動やオーバーシュートは、微小電気機械式変調素子のスイッチング動作における高速化の妨げとなっていた。

また、特許文献２に開示される微小機械格子装置では、図２２（ａ）に示すように、定振幅電圧パルス１が時間の関数であり、２μｓｅｃの持続時間と１０Ｖの電圧値を有する。定振幅電圧パルス１の後直ちに、狭いギャップ３によって定振幅電圧パルス１から分かれた狭い制動パルス５が掛けられる。さらに、図２２（ｂ）に示すように、隣接する定振幅電圧パルス７が逆の極性を有する場合、制動パルス９の極性も関連する電圧パルス７の逆となる。しかしながら、この微小機械格子装置は、可動部であるリボンを基板側へ平行変位させる所謂平行平板型の微小電気機械式変調素子であり、一つの可動部側電極とこれに対面する一つの固定側電極とにパルスを掛けて制動を行うため、振動制御方法の多様性に乏しい不利があった。例えば、可動部を基板に対して吸引変位させているときには、反対方向の制動力を同時に掛けることができない。つまり、振動をアクティブに減少させることができなかった。

また、特許文献３に開示される光路切替装置は、電磁駆動のアクチュエーターにおいて、可動部がヨークの先端に近づくとき、すなわち、永久磁石磁界による吸引力が強くなる時にコイル磁界による吸引力を低下させ、総合の吸引力が強くなり過ぎることがないように可動部をファイバー接続位置に移動させている。信号発生回路により出力される波形は、図２３（ａ）に示すように、立ち上がり電圧ＶＨ＝７Ｖで立ち上がり後に急激に電圧が減少する信号電圧である。信号幅Ｔは５ｍｓ、信号終端の電圧は０．５Ｖである。立ち上がりからＴ／２経過後の電圧は２．８ｖである。図２３（ｂ）は、立ち上がり電圧は７Ｖ、信号幅Ｔは５ｍｓ、ステップ状に振幅が変化する時間ＴＯ＝１．５ｍｓである。図２３（ｃ）は立ち上がり電圧５Ｖ、減少させた振幅が１Ｖになるまでの時間Ｔが２ｍｓである。時間Ｔは信号幅に相当する。時間Ｔ以降は次の切替えを行なうまで１Ｖの電圧を印加し続ける。図２３（ｄ）は立ち上がり電圧５Ｖ、ステップ状の振幅が変化するまでの時間ＴＯ＝３ｍｓで振幅が一定値０．５Ｖにステップ状に減少する波形である。これらの信号電圧は、立ち上がりの振幅を大きくすることで可動部の動き（切替速度）を早くするとともに、可動部が動き出したら信号電圧を急激に小さくして可動部に加わる力を低減してチャタリングを抑制することができた。しかしながら、この光路切替装置は、可動部であるブロックを双方向に平行変位させているが、順方向に働く駆動力を変化させて振動を抑制しようとしているため、振動制御方法の多様性に乏しい不利があった。また、基本的にコイル磁界による吸引力を低下させ、総合の吸引力が強くなり過ぎないように信号電圧を小さくするもので、上記同様、振動をアクティブに減少させることができなかった。

また、特許文献４に開示されるマイクロマシン素子の制御方法は、単数又は複数の制御信号を用いて制御を行っている。この制御信号の典型的波形は図２４(ａ)〜(ｈ)に示される。図２４(ａ)(ｂ)からわかるように、制御信号はマイクロマシン素子の状態を変化させるパルス列であってもよい。同様に、少なくとも２つの制御信号の場合、これらの信号は、図２２(ｃ)(ｄ)に描かれている重ね合わせ信号や、図２４(ｅ)に描かれている振幅変調(ＡＭ)信号や、図２４(ｆ)に描かれている周波数変調(ＦＭ)信号や、図２４(ｇ)に描かれているパルス幅変調(ＰＷＭ)信号、或いは図２４(ｈ)に描かれているようなパルス密度変調(ＰＤＭ)信号の中で合成された信号であってもよい。しかしながら、この制御方法は、pull-in状態での保持電圧の低減、残留電荷の放電によるオン／オフ遅延の減少、出力信号の振幅増大などを制御目的としており、振動をアクティブに減少させることができなかった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、可動部の遷移方向と逆方向に物理的引力を働かせ、可動部の振動をアクティブに減少させることのできる微小電気機械式変調素子及び微小電気機械式変調素子アレイ並びに画像形成装置を提供し、もって、スイッチング動作の高速化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る請求項１記載の微小電気機械式変調素子は、弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、該可動部が変調機能を有する微小電気機械式変調素子であって、前記可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、該駆動源により前記可動部を第１の方向へ変位駆動させるに際し、該可動部が前記第１の方向に遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向と異なる第２の方向に前記可動部の振動を抑制する物理的作用力が加えられることを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子では、可動部が最終変位位置に到達する前の遷移している間に、遷移方向と逆方向に物理的引力が作用し、可動部が最終変位位置へ到達する直前の速度が減速される。これによって従来可動部が大きな速度で最終変位位置へ到達することで生じていた衝突による振動や、非接触駆動での最終変位位置へ到達する際のオーバーシュートが抑止される。つまり、可動部の接触時の振動がアクティブに減少可能となる。

請求項２記載の微小電気機械式変調素子は、前記可動部を前記第１の方向へ変位駆動した後、前記可動部が前記第２の方向へ遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向に物理的作用力が加えられることを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子では、可動部が第１の方向へ変位駆動され、変位の最終位置に到達した後、さらに、停止部材に当接することによる反力、或いは弾性力によって第２の方向へ遷移している間に、第１の方向の物理的作用力が可動部に加えられることで、変位の最終位置から離反しようとする可動部の移動がアクティブに制動される。

請求項３記載の微小電気機械式変調素子は、前記物理的作用力が、前記可動部の複数の作用点に加えられることを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子では、作用点が複数となることで、例えば中央が回転中心となる揺動型の可動部において、回転中心を挟む両側に物理的作用力が加えられるようになる。これにより、それぞれの作用点に、異なる大きさの制動力を、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。

請求項４記載の微小電気機械式変調素子は、前記可動部が特定方向の変位の最終位置に到達するときに、該可動部の速度が略ゼロとなることを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子では、可動部が最終変位位置へ到着する瞬間の速度が略ゼロとなり、従来可動部が大きな速度で最終変位位置へ到達することで生じていた衝突による振動や、非接触駆動の場合の最終変位位置へ到達する際のオーバーシュートが発生しなくなる。

請求項５記載の微小電気機械式変調素子は、前記駆動源により前記可動部を前記第１の方向及び前記第２の方向へ変位させる物理的作用力が、静電気力であることを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子では、可動部を変位させる物理的作用力が静電気力となることで、高速な振動抑止力が得られる。

請求項６記載の微小電気機械式変調素子は、前記物理的作用力が、縦軸を強度、横軸を時間としたパルス波形様に印加されることを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子では、物理的作用力が、パルス波形によって特定される電圧範囲で発生され、多様な制動効果が得られるようになる。なお、ここでのパルス波形とは、矩形波、正弦波、余弦波、鋸波、三角波、及びこれらの合成波を含む。

請求項７記載の微小電気機械式変調素子は、前記物理的作用力が、複数のパルス波形によって発生されることを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子では、物理的作用力が、異なる大きさ、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。

請求項８記載の微小電気機械式変調素子は、前記可動部のそれぞれの遷移方向に対して２つ以上の前記物理的作用力が設定可能に構成されたことを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子では、例えば中央が回転中心となる揺動型の可動部において、回転中心を挟む両側のそれぞれの片側に２つ以上の物理的作用力が加えられるようになる。これにより、可動部の片側に、異なる大きさの制動力を、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。

請求項９記載の微小電気機械式変調素子は、前記可動部が、前記特定方向の変位の最終位置に到達するに際し、停止部材に接触して停止されることを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子では、可動部が最終位置に到達すると、停止部材（着地サイト）に接触して停止される。つまり、微小電気機械式変調素子が所謂接触型として作動されるようになる。この場合、可動部は、着地した直後、停止部材からの反力を受けるが、上記の物理的作用力によって制動され、強制的に制振される。

請求項１０記載の微小電気機械式変調素子アレイは、請求項１〜請求項９のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子を１次元又は２次元配列したことを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子アレイでは、高速なスイッチング動作の可能となった微小電気機械式変調素子がアレイ化され、振動の鎮静化する時間の短縮が可能となり、従来より早いアドレス電圧の書込みが可能となる。

請求項１１記載の微小電気機械式変調素子アレイは、前記微小電気機械式変調素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有し、前記可動部と、該可動部に対峙する少なくとも２つ以上の固定部とに設けられた電極のうち一方が前記駆動回路からの素子変位信号の入力される信号電極であり、他方が共通電極であることを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子アレイでは、メモリ回路が備えられることで、このメモリ回路に対して予め素子変位信号の書き込みが可能となる。そして、共通電極に、従来同様の一定の共通電圧が印加されると同時に、信号電極に、予めメモリ回路に書き込んでおいた素子変位信号が印加されることで、複数の微小電気機械式変調素子が高速にアクティブ駆動可能となる。

請求項１２記載の微小電気機械式変調素子アレイは、それぞれの前記可動部を変調駆動させる制御部が設けられたことを特徴とする。

この微小電気機械式変調素子アレイでは、可動部が制御部によって駆動制御されることで、可動部が最終変位位置に到達する前に、可動電極と固定電極との間の電極間電圧の絶対値が減少又は増加、或いは増減され、可動部が最終変位位置へ到達することで生じていた衝突による振動や、オーバーシュートが抑止可能となる。

請求項１３記載の画像形成装置は、光源と、請求項１０〜請求項１２のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子アレイと、前記光源からの光を前記微小電気機械式変調素子アレイに照射する照明光学系と、前記微小電気機械式変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする。

この画像形成装置では、請求項１０〜請求項１２のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子アレイが構成の要部に備えられることで、振動をアクティブに減少でき、従来装置に比べ、駆動サイクルが短縮される。これにより、高速な感光材露光や、より高画素数のプロジェクタの表示が可能となる。また、露光光のオン・オフで階調制御がなされる画像形成装置（露光装置）では、オン・オフ時間の短縮が可能となることで、より高階調の実現が可能となる。

本発明に係る微小電気機械式変調素子によれば、可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、駆動源により可動部を第１の方向へ変位駆動させるに際し、可動部が第１の方向に遷移している間に、駆動源により可動部に対し第１の方向と異なる第２の方向に可動部の振動を抑制する物理的作用力を加えるので、可動部の遷移方向と逆方向に物理的引力を働かせ、可動部の接触時の振動をアクティブに減少させることができる。この結果、微小電気機械式変調素子におけるスイッチング動作を高速化することができる。

本発明に係る微小電気機械式変調素子アレイによれば、可動部が最終変位位置へ到達した後の振動が抑止される。したがって、振動鎮静化時間をなくし或いは大幅に短縮することが可能となり、振動の収まるのを待つ必要がなく、アドレス電圧を書込むことができる。この結果、駆動サイクルを短縮して、スイッチング動作を高速化することができる。

本発明に係る画像形成装置によれば、光源と、請求項１０〜請求項１２のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子アレイと、光源からの光を微小電気機械式変調素子アレイに照射する照明光学系と、微小電気機械式変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備えたので、従来装置に比べ、スイッチング動作を短縮することができる。この結果、高速な感光材露光や、より高画素なプロジェクタの表示が可能となる。

以下、本発明に係る微小電気機械式変調素子及び微小電気機械式変調素子アレイ並びに画像形成装置の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る微小電気機械式変調素子の第１の実施の形態を表す概念図、図２は図１に示した微小電気機械式変調素子の制振の過程を（ａ）（ｂ）（ｃ）で表した動作説明図、図３はパルス波形が印加された可動部の挙動を表した説明図である。
本実施の形態による微小電気機械式変調素子（以下、単に「変調素子」とも称す。）１００は、基本的な構成要素として、基板２１と、基板２１に空隙２３を介して平行に配置される小片状の可動部２７と、可動部２７の両縁部から延出されるヒンジ２９、２９と、このヒンジ２９、２９を介して可動部２７を基板２１に支持するスペーサ３１、３１とを備える。このような構成により、可動部２７は、ヒンジ２９、２９の捩れによって回転変位が可能となっている。

この他、本発明に係る変調素子は、可動２７の材質を適宜選択することにより、音波、流体、熱線の変調も可能にすることができる。変調素子１００は、光学素子として使用された場合、可動部２７が光反射体（ミラー部）となって偏向作用で光の変調を行うが、この変調方法は可動部２７の構造、材料を適宜選択することにより、透過型、シャッター方式、干渉方式、回折方式、全反射方式での変調も可能とすることができる。

本実施の形態において、可動部２７は、特定方向の変位の最終位置に到達するに際し、図示しない停止部材に接触して停止される。つまり、接触型の変調素子を構成している。したがって、可動部２７が最終位置に到達すると、停止部材（所謂着地サイト）に接触して停止される。

基板２１の上面には、ヒンジ２９、２９を中央として両側に第１アドレス電極３５ａと第２アドレス電極３５ｂが設けられる。また、可動部２７にもその一部に図示しない可動電極が設けられている。変調素子１００は、基本動作として、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂ、可動部２７へ電圧を印加することによって、可動部２７を揺動変位させる。つまり、可動部２７がミラー部であれば、光の反射方向が偏向される。

変調素子１００では、可動部２７に対し、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂに電位差を与えると、それぞれの電極と、可動部２７との間に静電気力が発生し、ヒンジ２９、２９を中心に回転トルクが働く。この際に発生する静電気力は、真空中の誘電率、可動部２７の面積、印加電圧、可動部２７とアドレス電極の間隔に依存する。

従って、真空中の誘電率、可動部２７の面積、可動部２７とアドレス電極の間隔、ヒンジ２９、２９の弾性係数が一定である場合、可動部２７は、それぞれの電極の電位を制御することにより、左右に回転変位可能となる。例えば、Ｖａ＞Ｖｂのときには、第１アドレス電極３５ａと可動部２７に発生する静電気力が、第２アドレス電極３５ｂと可動部２７に発生する静電気力より大きくなり、可動部２７が左側に傾く。逆に、Ｖａ＜Ｖｂのときは、第２アドレス電極３５ｂと可動部２７に発生する静電気力が、第１アドレス電極３５ａと可動部２７に発生する静電気力より大きくなり、可動部２７がは右側に傾く。

このように、可動部２７の可動電極、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂは、可動部２７を回転変位させる駆動源となっている。このような駆動源から可動部２７へ加えられる物理的作用力が、静電気力となることで、高速な回転変位が可能となる。

なお、可動部２７に作用させる物理的作用力は、静電気力以外の物理的作用力であってもよい。その他の物理的作用力としては、例えば、圧電体による効果や電磁力を挙げることができる。この場合、駆動源としては、圧電素子を用いた圧電型アクチュエータや、マグネット・コイルを用いた電磁型アクチュエータが採用される。

変調素子１００は、双方向に変位する可動部２７を備え、この可動部２７が変調機能を有する。そして、可動部２７は、物理的作用力を加える複数の駆動源（可動部２７の可動電極、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂ）によって回転変位される。ここで、変調素子１００は、駆動源により可動部２７を図１の左方向（第１の方向）へ変位駆動させるに際し、可動部２７が第１の方向に遷移している間に、駆動源により可動部２７に対し第１の方向と異なる第２の方向に可動部２７の振動を抑制する物理的作用力が加えられる。

図２（ａ）に示すように、まず、左回転方向の第１アドレス電極３５ａに駆動電圧Ｖａが印加される。次いで、図２（ｂ）に示すように、可動部２７の左端が停止部材に接触する直前に、振動抑制電圧Ｖｂが第２アドレス電極３５ｂに印加される。この結果、図２（ｃ）に示すように、振動抑制電圧Ｖｂにより可動部２７と第２アドレス電極３５ｂとに静電気力が発生し、この静電気力が可動部２７の右端を基板２１側へと引き寄せる。この静電吸引力が吸振効果として作用し、可動部２７が停止部材との接触と同時に静止することとなる。

このように、可動部２７が特定方向の変位の最終位置に到達するときに、その瞬間の速度が略ゼロとなることで、従来可動部が大きな速度で最終変位位置へ到達することにより生じていた衝突による振動が発生しなくなる。

また、可動部２７は、最終位置に到達すると、停止部材（着地サイト）に接触し、着地した直後、停止部材からの反力を受けるが、上記の静電吸引力によって制動され、強制的に制振される。そして、吸振効果を得る物理的作用力が静電気力であるので、高速な振動抑止力が得られる。

さらに、物理的作用力が、可動部２７の複数の作用点（本実施の形態では可動部２７の左右）に加えられることで、例えば中央が回転中心となる揺動型の可動部２７では、回転中心を挟む両側に物理的作用力が加えられるようになり、それぞれの作用点に、異なる大きさの制動力を、異なるタイミングで加えることができることから、多様な制動効果が得られるようになる。

静電吸引力を発生されるための振動抑制電圧Ｖｂ、すなわち、可動部２７と第２アドレス電極３５ｂとに印加される電圧は、図３（ｂ）に示す縦軸を強度（電圧）、横軸を時間としたパルス波形様とすることができる。この例では、可動部２７が停止部材に接触する直前に、逆方向の一つのパルス波形ｐ１を印加している。以下、振動抑制電圧Ｖｂとして可動部２７と第２アドレス電極３５ｂとに印加されるパルス波を、「逆方向のパルス波」、駆動電圧Ｖａとして可動部２７と第１アドレス電極３５ａとに印加されるパルス波を、「順方向のパルス波」と称する。

振動抑制電圧Ｖｂをこのようなパルス波形とすることで、静電吸引力が、パルス波形によって特定される電圧範囲で発生され、多様な制動効果が得られるようになる。なお、ここでのパルス波形とは、矩形波、正弦波、余弦波、鋸波、三角波、及びこれらの合成波を含む。

この変調素子１００では、可動部２７が最終変位位置に到達する前の遷移している間に、遷移方向と逆方向に物理的引力が作用し、可動部２７が最終変位位置へ到達する直前の速度が減速される。これによって従来可動部が大きな速度で最終変位位置へ到達することで生じていた衝突による振動や、非接触駆動での最終変位位置へ到達する際のオーバーシュートが抑止される。つまり、可動部２７の接触時の振動がアクティブに減少可能となる。

次に、吸振効果を得る静電吸引力を発生させるために、振動抑制電圧Ｖｂ、駆動電圧Ｖａに印加される種々のパルス波形の変形例について説明する。
図４は２つの矩形パルス波形が印加される変形例１を表した説明図である。
なお、以下の各実施の形態及び各変形例において、同一の部材・部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
この変形例は、逆方向の複数のパルス波Ｐ２、Ｐ３が可動部２７の接触直前に印加される。図では２つのパルス波Ｐ２、Ｐ３を例示するが、パルス波形は２つ以上であってもよい。
この変形例によれば、物理的作用力である静電吸引力が、異なる大きさ、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。

図５は三角パルス波形が印加される変形例２を表した説明図である。
この変形例は、パルス波Ｐ４が三角波となる。このように、パルス波は、三角波、正弦波、その他の波形であってもよい。
この変形例によれば、物理的作用力である静電吸引力が、矩形波では得られない急峻なタイミングで加えられるようになる。

図６は２つの三角パルス波形が印加される変形例３を表した説明図である。
この変形例は、逆方向の複数の三角パルス波Ｐ５、Ｐ６が可動部２７の接触直前に印加される。図では２つの三角パルス波Ｐ５、Ｐ６を例示するが、三角パルス波形は２つ以上であってもよい。
この変形例によれば、急峻な静電吸引力が、異なる大きさ、異なるタイミングで加えられるようになる。

図７は駆動電圧Ｖａにパルス波形が印加される変形例４を表した説明図である。
この変形例は、可動部２７が停止部材に接触する直前に逆方向のパルス波Ｐ２が印加された後、可動部２７が停止部材に接触してから反力によって停止部材から離反動するときに、順方向のパルス波Ｐ７が駆動電圧Ｖａに印加される。すなわち、可動部２７を左回転方向（第１の方向）へ変位駆動した後、可動部２７が右回転方向（第２の方向）へ遷移している間に、駆動源（第１アドレス電極３５ａ、可動部２７）により可動部２７に対し第１の方向に物理的作用力が加えられる。
この変形例によれば、可動部２７が第１の方向へ変位駆動され、変位の最終位置に到達した後、さらに、停止部材に当接することによる反力、或いは弾性力によって第２の方向へ遷移している間に、第１の方向の物理的作用力が可動部２７に加えられることで、変位の最終位置から離反しようとする可動部２７の移動がアクティブに制動される。

図８は駆動電圧Ｖａにパルス波形が印加された後制動電極にパルス波形が印加される変形例５を表した説明図である。
この変形例は、図７に示した変形例と、逆方向のパルス波Ｐ２と、順方向のパルス波Ｐ７とが逆の順番で印加される。すなわち、可動部２７が接触して離反動する直後に順方向のパルス波Ｐ７が印加され、再び可動部２７が停止部材に接触する直前に逆方向のパルス波Ｐ２が印加される。
この変形例によれば、可動部２７が変位の最終位置に到達した後、停止部材に当接することによる反力、或いは弾性力によって第２の方向へ遷移している間に、第１の方向の物理的作用力が可動部２７に加えられ、変位の最終位置から離反しようとする可動部２７の移動がアクティブに制動される。また、この制動により静止させることのできなかった可動部２７が再度停止部材へ接触しようとする直前に、逆方向のパルス波Ｐ２が印加されて可動部２７が確実に静止される。

図９は駆動電圧Ｖａが所定間隔で低減される変形例６を表した説明図である。
この変形例は、可動部２７が停止部材に接触する直前に逆方向のパルス波Ｐ８が印加されると同時に、電圧を下げた順方向のパルス波Ｐ９が印加される。
この変形例によれば、可動部２７が停止部材に接触する直前に、逆方向のパルス波Ｐ８によって制動がなされるとともに、その際の駆動電圧Ｖａがパルス波Ｐ９によってキャンセルされることで、可動部２７がより大きな力で制動されることとなる。なお、この場合、図示ではパルス波Ｐ９を０Ｖまで下げているが、順方向のパルス波Ｐ９の低下電圧は、０Ｖでなくてもよい。

図１０は駆動電圧Ｖａが所定間隔で複数低減される変形例７を表した説明図である。
この変形例は、複数の逆方向のパルス波Ｐ２、Ｐ３が印加されると同時に、電圧を下げた順方向のパルス波Ｐ９、Ｐ１０が印加される。
この変形例によれば、図９に示した変形例の作用が繰り返され、可動部２７がより確実に制動されることとなる。

図１１はパルス波形印加後に一定の電圧が印加される変形例８を表した説明図である。
この変形例は、可動部２７が停止部材に接触する直前に、逆方向のパルス波Ｐ１が印加されるが、その後に、一定の電圧Ｖｂ１が印加され続ける。つまり、逆方向のパルス波は、必ずしも通常時に０Ｖとしなくてもよい。
この変形例によれば、可動部２７が接触した後に逆方向にバイアスされることとなる。したがって、小さな電圧差での可動部２７の駆動が可能となる。

図１２は複数のパルス波形印加後に一定の電圧が印加される変形例９を表した説明図である。
この変形例は、逆方向の複数のパルス波Ｐ２、Ｐ３が可動部２７の接触直前に印加され、その間、及びその後も一定の電圧Ｖｂ１が印加され続ける。
この変形例によれば、確実な吸振効果が得られるとともに、小さな電圧差での可動部２７の駆動が可能となる。

図１３はパルス波形が印加される前に一定の電圧が印加される変形例１０を表した説明図である。
この変形例は、可動部２７が停止部材に接触する直線に、逆方向のパルス波Ｐ１が印加され、その後に、一定の電圧Ｖｂ１が印加され続けるが、逆方向のパルス波Ｐ１が印加される前においても一定の電圧Ｖｂ１が振動抑制電圧Ｖｂとして印加される。
この変形例によれば、可動部２７が逆方向で常にバイアスされ、小さな電圧差での可動部２７の駆動が可能となる。可動部２７の振動は、常に順方向と逆方向との静電気力のつりあいであり、接触型の場合、pull-inして（引き込まれて）可動部２７が接触状態を維持する範囲の逆方向の電圧であれば、常に印加しても問題はない。

したがって、上記の微小電気機械式変調素子によれば、可動部２７へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、駆動源により可動部２７を第１の方向へ変位駆動させるに際し、可動部２７が第１の方向に遷移している間に、駆動源により可動部２７に対し第１の方向と異なる第２の方向に物理的作用力を加えるので、可動部２７の遷移方向と逆方向に物理的引力を働かせ、可動部２７の接触時の振動をアクティブに減少させることができる。この結果、変調素子１００におけるスイッチング動作を高速化することができる。

次に、本発明に係る微小電気機械式変調素子の第２の実施の形態を説明する。
図１４は本発明に係る微小電気機械式変調素子の第２の実施の形態を表す概念図である。
本実施の形態による変調素子２００は、可動部２７のそれぞれの遷移方向に対して２つ以上の物理的作用力が設定可能に構成されている。すなわち、基板２１上にはヒンジ２９、２９を中央に挟んで、その左右に主第１アドレス電極３５ａ１、副第１アドレス電極３５ａ２と、主第２アドレス電極３５ｂ１、副第２アドレス電極３５ｂ２とが設けられている。主第１アドレス電極３５ａ１と可動部２７には駆動電圧Ｖａ１が印加され、副第１アドレス電極３５ａ２と可動部２７には駆動電圧Ｖａ２が印加される。また、主第２アドレス電極３５ｂ１と可動部２７には振動抑制電圧Ｖｂ１が印加され、副第２アドレス電極３５ｂ２と可動部２７には振動抑制電圧Ｖｂ２が印加される。

この変調素子２００によれば、中央が回転中心となる揺動型の可動部２７において、回転中心を挟む両側のそれぞれの片側に２つ以上の物理的作用力が加えられるようになる。これにより、可動部２７の片側に、異なる大きさの制動力を、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。

次に、本発明に係る微小電気機械式変調素子の第３の実施の形態を説明する。
図１５は本発明に係る微小電気機械式変調素子の第３の実施の形態を表す概念図である。
本実施の形態による変調素子３００は、可動部４１の一端がヒンジ２９、２９、スペーサ３１、３１を介して基板２１に支持固定されている。つまり、可動部４１は、他端が自由端となった片持ち梁状に構成される。そして、基板２１上には可動部４１の自由端に対向して第１アドレス電極３５ａが設けられ、可動部４１を挟んだ第１アドレス電極３５ａの反対側には図示しない対向基板に形成される第２アドレス電極３５ｂが設けられている。

このような構成の変調素子３００においても、第１アドレス電極３５ａと可動部４１に駆動電圧Ｖａを印加するとともに、第２アドレス電極３５ｂと可動部４１に振動抑制電圧Ｖｂを印加することで、可動部２７が最終変位位置（この場合、第１アドレス電極３５ａ側の停止部材）に到達する前の遷移している間に、遷移方向と逆方向に静電吸引力を作用させ、可動部２７が最終変位位置へ到達する直前の速度を減速させることができる。

これにより、従来可動部２７が大きな速度で最終変位位置へ到達することで生じていた衝突による振動を抑止することができる。つまり、可動部２７の接触時の振動がアクティブに減少可能となる。

次に、本発明に係る微小電気機械式変調素子の第４の実施の形態を説明する。
図１６は本発明に係る微小電気機械式変調素子の第４の実施の形態を表す概念図である。
本実施の形態による変調素子４００は、所謂、平行平板型の素子であって、導電性と可撓性を有する平板状の可動部４３の両端が基板２１上に形成した絶縁膜４５に所定の間隙４７を有して固定されている。この基板２１の可動部４３の下方には、絶縁膜４５を介して、第１アドレス電極３５ａが配設されており、また、可動部４３の上方には絶縁膜４９を介して第２アドレス電極３５ｂが配設されている。つまり、可動部４３は、第１アドレス電極３５ａと第２アドレス電極３５ｂとの間で両端が支持された両持ち梁状に構成されている。

このような平行平板型の変調素子４００においても、第１アドレス電極３５ａと可動部４１に駆動電圧Ｖａを印加するとともに、第２アドレス電極３５ｂと可動部４１に振動抑制電圧Ｖｂを印加することで、可動部４３が最終変位位置（この場合、第１アドレス電極３５ａ側の停止部材）に到達する前の遷移している間に、遷移方向と逆方向に静電吸引力を作用させ、可動部４３が最終変位位置へ到達する直前の速度を減速させることができる。

また、上記の各実施形態における変調素子の構成に限らず、素子の方向、構造、駆動は任意であってよく、双方向で駆動される全ての素子に対して本発明を適用することができる。

次に、第１の実施の形態の構成を有する変調素子に対しシミュレーションを行った結果を説明する。
図１７は第１の実施の形態と同等の構成を有する微小電気機械式変調素子をシュミレーションによって動作確認した説明図である。
図１に示したような回転ヒンジ系マイクロマシン素子に対し、順方向の電位差をＶａ、逆方向の電位差をＶｂとして、シミュレーションによる可動部遷移後の振動について解析を行った。
この結果、時間ｔ１後に、Ｖａ＝Ｖ１の電位差を印加した場合の可動部は、大きく振動しているが、時間ｔ１後にＶａ＝Ｖ１の電位差を印加し、続いて時間ｔ２〜ｔ３の間にＶｂ＝Ｖ２の電位差を印加すると、可動部の振動が抑制されることがわかった。

次に、第１の実施の形態の構成を有する変調素子を製作し、それを実際に動作させた結果を説明する。
図１８は第１の実施の形態と同等の構成を有する微小電気機械式変調素子を実際に製作して動作確認した説明図である。
図１に示したような回転ヒンジ系マイクロマシン素子に対し、順方向の電位差をＶａ、逆方向の電位差をＶｂとして、実素子による可動部遷移後の振動について解析を行った。
その結果、図１８（ａ）に示すように、時間t１後にＶａ＝Ｖ１の電位差を印加した場合の可動部は大きく振動しているが、図１８（ｂ）に示すように、時間t１後にＶａ＝Ｖ１の電位差を印加し、続いて時間ｔ２〜ｔ３の間にＶｂ＝Ｖ２の電位差を印加した場合は可動部の振動が抑制されていることがわかる（入力波形に遅れがあるのは用いたファンクションジェネレータの性能限界による）。

図１９は非接触型の微小電気機械式変調素子に本発明を適用した場合の可動部の挙動を表した説明図である。
上記の各実施の形態及び変形例では、変調素子が接触型である場合を例に説明したが、本発明は、非接触型の変調素子に適用されても、上記と同様の作用・効果を奏するものである。

すなわち、駆動源により可動部２７を第１の方向へ変位駆動させるに際し、可動部２７が第１の方向に遷移している間に、駆動源により可動部２７に対し第１の方向と異なる第２の方向に物理的作用力を、パルス波Ｐ１によって加えることで、可動部２７の遷移方向と逆方向に物理的引力を働かせ、可動部２７のオーバーシュートをアクティブに減少させることができる。この結果、非接触駆動の変調素子におけるスイッチング動作を高速化することができる。

上記の各実施の形態に開示した変調素子１００、２００、３００のそれぞれは、１次元又は２次元配列することによって微小電気機械式変調素子アレイ（以下、単に「変調素子アレイ」と称す。）を構成することができる。
このような変調素子アレイでは、高速なスイッチング動作の可能となった変調素子１００、２００、３００がアレイ化され、振動の鎮静化する時間の短縮が可能となり、従来より早いアドレス電圧の書込みが可能となる。
したがって、可動部が最終変位位置へ到達した後の振動が抑止され、振動鎮静化時間をなくし、或いは大幅に短縮することが可能となり、振動の収まるのを待つ必要がなく、アドレス電圧を書込むことができる。この結果、スイッチング動作を高速化して、駆動サイクルを短縮することができる。

また、変調素子アレイは、図２０に一例として図１の変調素子アレイ１００の駆動回路を示すように、変調素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有することが好ましい。このようなメモリ回路が備えられることで、メモリ回路に対して予め素子変位信号の書き込みが可能となる。つまり、メモリ回路には予め素子変位信号が書き込まれる。変調素子のスイッチングのとき、各々の変調素子のメモリ回路に記憶された素子変位信号と、変調素子への印加電圧を制御する駆動電圧制御回路により、本発明の駆動電圧を所望のタイミングで変調素子の信号電極に出力する。このとき、共通電極（可動部）に対しても所望の電圧が出力される。
このように、メモリ回路を用いて素子を駆動すると、複数の変調素子のそれぞれを任意の駆動パターンで動作させることが容易にでき、より高速なアクティブ駆動が可能となる。なお、ここでは、図１の光変調素子アレイ１００の構成を示したが、これに限らず、他の構成の変調素子であってもよい。

また、変調素子アレイには、それぞれの可動部を変調駆動させる制御部が設けられることが好ましい。
このような制御部が備えられた変調素子アレイでは、可動部が制御部によって駆動制御されることで、可動部が最終変位位置に到達する前に、可動電極と固定電極との間の電極間電圧の絶対値が減少、又は増加、或いは増減され、可動部が最終変位位置へ到達することで生じていた衝突による振動や、オーバーシュートが抑止可能となる。

上記した構成を有する変調素子アレイは、光源と、光源からの光を変調素子アレイに照射する照明光学系と、変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備えることで、画像形成装置を構成することができる。
上記の変調素子アレイを備えた画像形成装置では、振動をアクティブに減少でき、従来装置に比べ、駆動サイクルが短縮される。これにより、高速な感光材露光や、より高画素数のプロジェクタの表示が可能となる。また、露光光のオン・オフで階調制御がなされる画像形成装置（露光装置）では、オン・オフ時間の短縮が可能となることで、より高階調の実現が可能となる。
なお、上述した各電極への電圧駆動のタイミングや波形は、これに限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更が可能である。

本発明に係る微小電気機械式変調素子の第１の実施の形態を表す概念図である。 図１に示した微小電気機械式変調素子の制振の過程を（ａ）（ｂ）（ｃ）で表した動作説明図である。 パルス波形が印加された可動部の挙動を表した説明図である。 ２つの矩形パルス波形が印加される変形例１を表した説明図である。 三角パルス波形が印加される変形例２を表した説明図である。 ２つの三角パルス波形が印加される変形例３を表した説明図である。 駆動電圧Ｖａにパルス波形が印加される変形例４を表した説明図である。 駆動電圧Ｖａにパルス波形が印加された後制動電極にパルス波形が印加される変形例５を表した説明図である。 駆動電圧Ｖａが所定間隔で低減される変形例６を表した説明図である。 駆動電圧Ｖａが所定間隔で複数低減される変形例７を表した説明図である。 パルス波形印加後に一定の電圧が印加される変形例８を表した説明図である。 複数のパルス波形印加後に一定の電圧が印加される変形例９を表した説明図である。 パルス波形が印加される前に一定の電圧が印加される変形例１０を表した説明図である。 本発明に係る微小電気機械式変調素子の第２の実施の形態を表す概念図である。 本発明に係る微小電気機械式変調素子の第３の実施の形態を表す概念図である。 本発明に係る微小電気機械式変調素子の第４の実施の形態を表す概念図である。 第１の実施の形態と同等の構成を有する微小電気機械式変調素子をシュミレーションによって動作確認した説明図である。 第１の実施の形態と同等の構成を有する微小電気機械式変調素子を実際に製作して動作確認した説明図である。 非接触型の微小電気機械式変調素子に本発明を適用した場合における可動部の挙動を表した説明図である。 変調素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有した構成を示す説明図である。 従来の微小電気機械式変調素子に生じる可動部の振動を表した説明図である。 従来の微小機械格子装置において印加される制動パルスの説明図である。 従来の光路切替装置において印加される信号電圧波形の説明図である。 従来のマイクロマシン素子の制御方法において印加される制御信号の説明図である。

符号の説明

２７、４１…可動部
３５ａ…第１アドレス電極
３５ｂ…第２アドレス電極
１００、２００、３００、４００…微小電気機械式変調素子
Ｐ１〜Ｐ１０…パルス波形

Claims (13)

1. 弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、該可動部が変調機能を有する微小電気機械式変調素子であって、
   前記可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、
   該駆動源により前記可動部を第１の方向へ変位駆動させるに際し、該可動部が前記第１の方向に遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向と異なる第２の方向に前記可動部の振動を抑制する物理的作用力が加えられることを特徴とする微小電気機械式変調素子。
2. 前記可動部を前記第１の方向へ変位駆動した後、前記可動部が前記第２の方向へ遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向に物理的作用力が加えられることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械式変調素子。
3. 前記物理的作用力が、前記可動部の複数の作用点に加えられることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の微小電気機械式変調素子。
4. 前記可動部が特定方向の変位の最終位置に到達するときに、該可動部の速度が略ゼロとなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子。
5. 前記駆動源により前記可動部を前記第１の方向及び前記第２の方向へ変位させる物理的作用力が、静電気力であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子。
6. 前記物理的作用力が、縦軸を強度、横軸を時間としたパルス波形様に印加されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子。
7. 前記物理的作用力が、複数のパルス波形によって発生されることを特徴とする請求項６記載の微小電気機械式変調素子。
8. 前記可動部のそれぞれの遷移方向に対して２つ以上の前記物理的作用力が設定可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子。
9. 前記可動部が、特定方向の変位の最終位置に到達するに際し、停止部材に接触して停止されることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子を１次元又は２次元配列したことを特徴とする微小電気機械式変調素子アレイ。
11. 前記微小電気機械式変調素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有し、前記可動部と、該可動部に対峙する少なくとも２つ以上の固定部とに設けられた電極のうち、いずれかの電極は前記駆動回路からの素子変位信号の入力される信号電極であり、他の固定部は共通電極であることを特徴とする請求項１０記載の微小電気機械式変調素子アレイ。
12. それぞれの前記可動部を変調駆動させる制御部が設けられたことを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の微小電気機械式変調素子アレイ。
13. 光源と、
    請求項１０〜請求項１２のいずれか１項記載の微小電気機械式変調素子アレイと、
    前記光源からの光を前記微小電気機械式変調素子アレイに照射する照明光学系と、
    前記微小電気機械式変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備えたことを特徴とする画像形成装置。

Images