JP2006346817A - 微小電気機械素子アレイ装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動回路への負担が小さくアレイ制御を容易に行うことが可能な微小電気機械素子アレイ装置を提供する。
【解決手段】 可動電極７，８を有する可動部２と可動部２に対峙して配置され可動部２を２つの異なる位置のいずれかに変位させる固定電極９，１０とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイと、固定電極に素子変位信号を書き込み可動電極７，８に制御電圧を印加することで静電気力によって可動部２を傾斜させる駆動回路とを備える微小電気機械素子アレイ装置において、２つの異なる位置の一方から他方に可動部２の位置を変位させる制御が行われる第１状態の素子と可動部２の位置を２つの異なる位置の一方の位置に維持させる制御が行われる第２状態の前記素子とを同時に制御する際に、第１状態の素子はプルアウトを跨ぎ、第２状態の素子はプルアウトを跨がない状態をつくる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微小電気機械素子アレイを駆動する駆動回路の負荷軽減を図り微小電気機械素子アレイの動作の信頼性を向上させるのに好適な微小電気機械素子アレイ装置及びその駆動方法に関する。

下記特許文献１には、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等の微小電気機械素子アレイの従来の駆動方法について記載がある。この従来の駆動方法を、図８，図９，図１０を参照して説明する。

図８は、微小電気機械素子アレイの２素子分の構成図である。半導体基板１には、内部に図示しない駆動回路が形成されると共に、半導体基板１の表面部には、可動ミラー２，３が形成される。

各可動ミラー２，３は、夫々半導体基板１表面に立設された支柱４，５間に架け渡されたヒンジ６により中空上に支持されており、ヒンジ６を中心に左右に揺動可能となっている。ヒンジ６にはヒンジ６を挟んで左右に電極膜７，８が一体に形成され、半導体基板１表面には、電極膜７，８に対面する位置に固定電極膜９，１０が形成されている。

可動ミラー２のヒンジ６（電極膜７，８）にバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖを制御電圧として印加し、固定電極膜９にアドレス電圧Ｖａ＝５，固定電極膜１０にアドレス電圧Ｖａ＝０を夫々素子変位信号として印加すると、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝１９Ｖ，電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝２４Ｖとなり、電極膜７，９間の静電気力と電極膜８，１０間の静電気力との差により、電極膜８，１０間が接触する方向に可動ミラー２は傾倒する。図示する状態は、可動ミラー２が−１０°傾いた状態を示す。

同様に、可動ミラー３のヒンジ６（電極膜７，８）にバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖを印加し、固定電極膜９にアドレス電圧Ｖａ＝０，固定電極膜１０にアドレス電圧Ｖａ＝５を印加すると、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝２４Ｖ，電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝１９Ｖとなり、電極膜７，９間の静電気力と電極膜８，１０間の静電気力との差により、電極膜７，９間が接触する方向に可動ミラー３は傾倒する。図示する状態は、可動ミラー３がプラス１０°傾いた状態を示す。

可動ミラー２，３に入射光を照射すると、反射光の方向は可動ミラー２，３の傾きに応じて異なることになり、可動ミラー２，３の傾きを制御することで、反射光の方向をオンオフ制御可能となる。

しかし、複数のミラーを独立して且つ同時に同方向または逆方向に動作させるのは困難であり、このため従来は複雑な電圧制御を行って可動ミラーの駆動制御を行っている。これを図９，図１０で説明する。

図９の最上段には、傾倒した可動ミラー２が示されている。左側に傾倒した可動ミラー２を次の状態に変化させる場合、「次の状態」には２通りがある。即ち、反対側（右側）に傾倒させる場合と、同一側（左側）に傾倒させる場合（傾倒状態を維持する場合）とがある。どのような状態に変化させるかは、この微小電気機械素子アレイを画像形成装置として使用する場合には形成する画像データに依存することになる。

図９の下段に枠で囲った中の左側の図は、可動ミラー２を反対側に変位させる場合（Crossover transition）を示し、右側の図は、可動ミラー２の傾倒状態をそのまま維持する場合（Stay transition）を示す。各可動ミラー２，３の固定電極膜９，１０に与えるアドレス電圧Ｖａは各可動ミラー２，３毎に制御し、バイアス電圧Ｖｂは全可動ミラーに対して共通に与える様になっている。

可動ミラーの傾倒状態を次状態に遷移させる場合、バイアス電圧Ｖｂは、図１０に示す様に変化させる。即ち、可動ミラーの変化開始から変化終了までをゾーンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに分けるとすると、先ずゾーンＡでは、バイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖとし、ゾーンＢではＶｂ＝−２６Ｖとする。次のゾーンＣではＶｂ＝７．５Ｖとし、ゾーンＤではＶｂ＝２４Ｖに戻し、ゾーンＥではバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖに保つ。

ゾーンＡでは、アドレス電圧Ｖａを０Ｖまたは５Ｖに書き換える。可動ミラーを次状態に変化させるとき、可動ミラーと一体に動く電極膜７，８を固定電極膜９に近づけて可動ミラーを傾けたい場合には固定電極膜９への印加電圧Ｖａを０Ｖとし、固定電極膜１０に近づけて可動ミラーを傾けたい場合には固定電極膜１０への印加電圧Ｖａを０Ｖとし、反対側電極膜への印加電圧Ｖａを５Ｖとする。このため、アドレス電圧Ｖａを素子変位信号ともいう。

この様に印加電圧を制御すると、図９の左側（クロスオーバー側）に示す様に、ゾーンＢではバイアス電圧Ｖｂ＝−２６Ｖとなり、電極膜８，１０間は電圧差ＤＶ＝３３．５Ｖ，電極膜７，９間は電圧差ＤＶ＝２６Ｖとなる。これにより、可動ミラー２には更に左側に傾ける静電気力が加わり、電極膜８は固定電極膜１０に接触した状態で更に固定電極膜１０に押し付けられ弾性変形することになる。尚、説明の都合上、「接触」と述べたが、実際には両電極膜間には隙間が維持され、電極膜間が電気的にショートすることはない。以下も同様である。

次のゾーンＣでバイアス電圧Ｖｂ＝７．５Ｖになるとき、固定電極膜１０への印加電圧をＶａ＝７．５Ｖとする。これにより、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝０となり、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝７．５Ｖとなる。これにより、電極膜７，９間に静電気力が発生するが、ゾーンＢにおける電極膜８の弾性変形による反発力が静電気力に加わって電極膜８が電極膜１０から離脱し、可動ミラー２は時計方向に回転を始める。

次のゾーンＤでバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖになると、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝１６．５Ｖ、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝２４となり、電極膜７，９間に働く静電気力が更に強まり、可動ミラー２は時計方向に更に回転することになる。

最後のゾーンＥでは、可動ミラー２の電極膜７がアドレス電極膜９に衝突することになる。この時、アドレス電極膜１０への印加電圧をＶａ＝５Ｖとする。可動ミラー２はこの衝突によって図１０に示す様に少し振動してから安定状態に入り、反対側への傾動動作が終了する。

可動ミラー２を図９の右側（ステイ側）の状態にするには、図９の枠内右側の上段に示す様に、固定電極膜１０への印加電圧をＶａ＝０とする（ゾーンＡ）。次のゾーンＢでバイアス電圧がＶｂ＝−２６Ｖになるとき反対側の固定電極膜９の印加電圧をＶａ＝７．５Ｖとし、次のゾーンＣで、バイアス電圧はＶｂ＝７．５Ｖとなる。

このとき、図１０に点線丸印Ｈで示す様に、電極膜８が電極膜１０から一旦離脱し、ゾーンＤでバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖになると、再び電極膜８が電極膜１０に接触し、以後、ゾーンＥで電極膜９の印加電圧Ｖａ＝５Ｖにし、可動ミラー２の傾倒状態が左傾状態に維持される。

特開平１０―４８５４３号公報

上述した従来の微小電気機械素子アレイの駆動方法では、ゾーンＣにおいて、クロスオーバー側素子（左傾から右傾に変化させ、または右傾から左傾に変化させる素子）の可動ミラーを反対側に傾倒させるとき、ゾーンＢで一旦電極膜８を固定電極膜１０側に押し込み、その反発力も利用して電極膜８を固定電極膜１０から離脱させている。このとき、ステイ側の可動ミラーも、ゾーンＣにおいて電極膜８が固定電極膜１０から一旦離脱しているが、上記の反発力は利用していない。

即ち、従来の駆動方法では、電極膜８の固定電極膜１０からの離脱速度の差（反発力を利用するかしないか）により、クロスオーバー側とステイ側の可動ミラーを分離している。このため、離脱速度の差を精度良く制御できなければ誤動作する可動ミラーが発生してしまうという問題がある。また、バイアス電圧Ｖｂを＋２４Ｖから−２６Ｖに変化させているため、駆動回路にかかる負担が大きいという問題がある。

本発明の目的は、駆動回路への負担が小さくアレイ制御を容易に行うことが可能な微小電気機械素子アレイ装置とその駆動方法を提供することにある。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置は、弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と該可動部に対峙して配置され前記可動部を少なくとも２つの異なる第１位置及び第２位置のいずれかに変位させる複数の固定電極とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイと、前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に素子変位信号を書き込み他方に制御電圧を印加することで発生する前記可動電極と前記複数の各々の前記固定電極との間の静電気力によって前記可動部を変位させる前記素子対応に設けた駆動回路とを備える微小電気機械素子アレイ装置において、前記第１位置から前記第２位置または前記第２位置から前記第１位置に前記可動部の位置を変位させる制御が行われる第１状態の前記素子と前記可動部の位置を前記第１位置に維持させる制御または前記第２位置に維持させる制御が行われる第２状態の前記素子とを同時に制御する際に前記第２状態の素子の前記可動部の位置を動かさずに保ったまま前記第１状態の素子を変位させる制御手段を設けたことを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の前記制御手段は、前記素子変位信号を書き込むことで、前記第１状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができる大きさの電極間電圧に変化させると共に、前記第２状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができない大きさの電極間電圧に変化させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の前記制御手段は、前記制御電圧の絶対値を減少させることで、前記第１状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができる大きさの電極間電圧に変化させると共に、前記第２状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができない大きさの電極間電圧に変化させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置は、前記制御電圧の絶対値を減少させる前に前記第１状態の素子の現在の位置において該第１状態の素子の前記可動部を構成する少なくとも一部を弾性変形させ該弾性変形による反力を利用して前記変位を加速させる弾性変形手段を前記駆動回路に設けたことを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の前記弾性変形手段は、前記制御電圧を逆極性にする手段であることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置は、前記可動電極と前記固定電極のうちのいずれか一方に素子変位信号を書き込んだ後、前記制御電圧の絶対値を減少させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置は、前記可動電極と前記固定電極のうちのいずれか一方に印加する制御電圧の絶対値を減少させた後、前記可動電極と前記固定電極のうちの他方に素子変位信号の書き込むことを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置は、前記制御電圧の絶対値を減少させる代わりに、前記素子変位電位を減少または増加させて該素子変位電位と前記制御電圧との電圧差の絶対値を減少させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置は、前記各々の駆動回路に対して前記素子変位信号及び前記制御電圧に対する指令信号を供給し前記素子アレイに光変調を行わせる制御装置を備えることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と該可動部に対峙して配置され前記可動部を少なくとも２つの異なる第１位置及び第２位置のいずれかに変位させる複数の固定電極とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイと、前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に素子変位信号を書き込み他方に制御電圧を印加することで発生する前記可動電極と前記複数の各々の前記固定電極との間の静電気力によって前記可動部を変位させる前記素子対応に設けた駆動回路とを備える微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法において、前記第１位置から前記第２位置または前記第２位置から前記第１位置に前記可動部の位置を変位させる制御が行われる第１状態の前記素子と前記可動部の位置を前記第１位置に維持させる制御または前記第２位置に維持させる制御が行われる第２状態の前記素子とを同時に制御する際に前記第２状態の素子の前記可動部の位置を動かさずに保ったまま前記第１状態の素子を変位させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、前記素子変位信号を書き込むことで、前記第１状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができる大きさの電極間電圧に変化させると共に、前記第２状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができない大きさの電極間電圧に変化させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、前記制御電圧の絶対値を減少させることで、前記第１状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができる大きさの電極間電圧に変化させると共に、前記第２状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができない大きさの電極間電圧に変化させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、前記制御電圧の絶対値を減少させる前に前記第１状態の素子の現在の位置において該第１状態の素子の前記可動部を構成する少なくとも一部を弾性変形させ該弾性変形による反力を利用して前記変位を加速させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、前記制御電圧を逆極性にして前記弾性変形させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、前記可動電極と前記固定電極のうちのいずれか一方に素子変位信号を書き込んだ後、前記制御電圧の絶対値を減少させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、前記可動電極と前記固定電極のうちのいずれか一方に印加する制御電圧の絶対値を減少させた後、前記可動電極と前記固定電極のうちの他方に素子変位信号の書き込むことを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、前記制御電圧の絶対値を減少させる代わりに、前記素子変位電位を減少させて該素子変位電位と前記制御電圧との電圧差の絶対値を減少または増加させることを特徴とする。

本発明の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法は、前記各々の駆動回路に対して前記素子変位信号及び前記制御電圧に対する指令信号を与え前記素子アレイに光変調を行わせることを特徴とする。

本発明の画像形成装置は、光源と、上記のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置と、前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイ装置に照射する光学系と、該光学系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。

本発明によれば、駆動回路への負担が小さくアレイ制御を容易に行うことが可能な微小電気機械素子アレイ装置とその駆動方法並びに画像形成装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１，図２は、本発明の第１の実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の駆動回路の駆動方法説明図である。本実施形態では、微小電気機械素子アレイの構造は図８に示すものと同じであり、駆動回路の駆動方法のみが異なる。以下の実施形態では、素子変位信号として固定電極膜（アドレス電極膜）にアドレス電圧Ｖａを印加し、制御電圧として可動電極膜にバイアス電圧Ｖｂを印加する例について述べる。

図１は、可動ミラー２が左傾している状態から、次状態（クロスオーバー状態（左側）とステイ状態（右側））に変化する遷移を示している。可動ミラー２が左傾している状態では、図１の上段図に示す様に、アドレス電極膜（固定電極膜）１０の印加電圧Ｖａ＝０Ｖ、電極膜７，８の印加電圧（バイアス電圧）Ｖｂ＝２４Ｖ、アドレス電極膜９の印加電圧Ｖａ＝５Ｖであり、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶの絶対値は２４Ｖ、電極膜７，９間の電圧差ＤＶの絶対値は１９Ｖである。この状態では、電極膜８，１０間の静電気力が電極膜７，９間の静電気力より上回っており、また、電極膜８，１０間の隙間は狭まっているため、静電気力は更に強くなっている。

図２は、可動ミラー２の左側の電極膜８，１０間の電圧差ＤＶの変化（上段）と可動ミラーの変位角（下段）を示すグラフである。本実施形態では、次状態に遷移する場合に、図９のゾーンＡで説明したと同様にアドレス電極膜９，１０の印加電圧Ｖａ（素子変位信号）を制御し、アドレス書き換えを行う（状態Ｉ）。即ち、可動ミラーを倒したい側の固定電極膜の印加電圧Ｖａを０Ｖとし、反対側の電極膜の印加電圧Ｖａを５Ｖとする。

これにより、クロスオーバー側（図１の左側）の可動ミラー２では、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶの絶対値は１９Ｖとなり、電極膜７，９間の電圧差ＤＶの絶対値は２４Ｖとなる。電極膜７，９間の電圧差ＤＶの方が大きいが、可動ミラー２は左傾状態すなわち電極膜８，１０間の距離が狭くなっているため、電極膜７，９間の静電気力より電極膜８，１０間の静電気力の方が強い。

次に、本実施形態では、状態ＩＩに遷移する。即ち、単に、バイアス電圧Ｖｂを降下させる。図示する例では、バイアス電圧Ｖｂを、２４Ｖから１９Ｖに降下させる。

これにより、クロスオーバー側（図１の左側）の可動ミラー２では、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶの絶対値が１９Ｖから、後述のプルアウト電圧を超えて１４Ｖに変化し、電極膜７，９間の電圧差ＤＶの絶対値は２４Ｖから１９Ｖに変化し、静電気力は、電極膜７，９間の方が電極膜８，１０間より強くなる。この結果、可動ミラー２は時計方向に回転して右傾状態となる。

ステイ側（図１の右側）の可動ミラー２では、状態Ｉで電極膜８，１０間の電圧差ＤＶの絶対値は２４Ｖ、電極膜７，９間の電圧差ＤＶの絶対値は１９Ｖであり、状態ＩＩに遷移してバイアス電圧Ｖｂが１９Ｖに低下すると、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶの絶対値は１９Ｖになるが、電極膜７，９間の電圧差ＤＶの絶対値も１４Ｖに低下し、状態Ｉから状態ＩＩにかけて、常に、電極膜８，１０間の静電気力の方が電極膜７，９間の静電気力より上回る。つまり、ステイ側の可動ミラー２は、傾いたままで動かず、電極膜８が固定電極膜１０から離脱することがない。

図３は、プルアウト電圧の説明図である。固定電極膜１０に対して、可動電極膜８はヒンジ６によって弾性支持されており、両電極膜８，１０間に電圧差ＤＶを与えると、可動電極膜８は固定電極膜１０に対してヒンジ６自身の弾力に抗して徐々に傾いて行く。そして、或る電圧差を与えると、可動電極膜８は固定電極膜１０に急に接触することになる。この電圧差を与える電圧をプルイン電圧という。

一旦接触した可動電極膜８への印加電圧を下げ、プルイン電圧以下にしても、可動電極膜８は直ぐには固定電極膜１０から離脱することはない。電極膜８，１０間の隙間が狭まっているからである。可動電極膜８への印加電圧を更に下げて或る電圧になると、可動電極膜８は固定電極膜１０から急に離れることになる。このときの電圧をプルアウト電圧という。

即ち、本実施形態では、状態ＩＩでバイアス電圧を降下させるが、降下させたときに、クロスオーバー側の可動ミラーでは電極膜８，１０間の電圧差がプルアウト電圧を跨いて変化し、ステイ側の可動ミラーでは、電極膜８，１０間の電圧差がプルアウト電圧を跨がない様に制御する。これにより、ステイ側の可動ミラーは動かず、クロスオーバー側の可動ミラーのみが反対側に動くことになる。

以上述べた様に、本実施形態によれば、クロスオーバー側の可動ミラーとステイ側の可動ミラーとの分離制御が容易且つ確実にでき、アレイ制御の制御精度が向上する。また、バイアス電圧Ｖｂやアドレス電圧Ｖａを変化させる範囲を狭くできるため、駆動回路の負荷が軽減される。

（第２の実施形態）
図４，図５は、本発明の第２の実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の駆動回路の駆動方法説明図である。本実施形態でも、微小電気機械素子アレイの構造は図８に示すものと同じであり、駆動回路の駆動方法のみが異なる。

本実施形態では、第１の実施形態とは逆に、状態Ｉで先ず、バイアス電圧をＶｂ＝２４ＶからＶｂ＝１９に降下させる。そして、次の状態ＩＩで、アドレス電圧Ｖａを書き換える。

即ち、本実施形態では、状態Ｉで、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶの絶対値は１９Ｖとなり、電極膜７，９間の電圧差ＤＶの絶対値は１４Ｖとなり、クロスオーバー側の可動ミラーとステイ側の可動ミラーとは共に左傾状態が保たれる。

次の状態ＩＩでアドレス電圧Ｖａが書き換えられると、クロスオーバー側の可動ミラーでは、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶの絶対値は１４Ｖとなり、電極膜７，９間の電圧差ＤＶの絶対値は１９Ｖとなって、電極膜７，９間の静電気力が勝ることで可動ミラー２は時計方向に回転して右傾される。

一方、ステイ側の可動ミラー２は、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶの絶対値は１９Ｖ、電極膜７，９間の電圧差ＤＶの絶対値は１４Ｖとなり、電極膜８，１０間の静電気力が電極膜７，９間の静電気力より勝る状態は維持され、左傾状態が維持される。

本実施形態も、第１実施形態と同様に、クロスオーバー側の可動ミラーとステイ側の可動ミラーとの分離制御が容易且つ確実にでき、アレイ制御の制御精度が向上する。また、バイアス電圧Ｖｂやアドレス電圧Ｖａを変化させる範囲を狭くできるため、駆動回路の負荷が軽減される。

（第３の実施形態）
図６，図７は、本発明の第３の実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の駆動回路の駆動方法説明図である。本実施形態でも、微小電気機械素子アレイの構造は図８に示すものと同じであり、駆動回路の駆動方法のみが異なる。

第１，第２の実施形態では、図９のゾーンＢで説明したように、可動ミラーを傾倒した側に更に押し込み、弾性変形した可動電極８の反発力を利用して傾倒側可動電極膜の固定電極膜からの離脱を行う構成は採用していない。しかし、電極膜間の吸着力が電極膜などに付着した汚れなどで強くなりすぎると、この反発力を利用して可動電極膜の固定電極膜からの離脱を図る必要が生じる。

本実施形態は、可動ミラーの傾倒側への押し込みを行い、可動電極膜の弾性変形による反発力を利用してクロスオーバー側の可動ミラーを反対側に傾倒させる例に本発明を適用した実施形態である。

図６に示す状態Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶ，Ｖは、夫々図９のゾーンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに対応し、先ず状態Ｉでは、バイアス電圧Ｖｂ＝＋２４Ｖとし、状態ＩＩではＶｂ＝−１９Ｖとする。次の状態ＩＩＩではＶｂ＝＋１９Ｖとし、状態ＩＶではＶｂ＝２４Ｖに戻し、状態Ｖではバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖに保つ。

即ち、本実施形態では、第１，第２の実施形態と同様に、バイアス電圧Ｖｂを＋２４Ｖから＋１９Ｖに減少させるのであるが、＋１９Ｖに減少させる前に、バイアス電圧を逆極性電圧（−１９Ｖ）にする状態ＩＩを、状態Ｉと状態ＩＩＩとの間に入れている。

状態Ｉでは、素子変位信号としてのアドレス電圧Ｖａ（０Ｖまたは５Ｖ）を書き換える。次に、状態ＩＩでバイアス電圧Ｖｂがマイナス１９Ｖになると、電極膜８，１０間は電圧差ＤＶ＝２６．５Ｖ，電極膜間７，９間は電圧差ＤＶ＝１９Ｖとなる。これにより、可動ミラー２には更に左傾させる静電気力が加わり、可動電極膜８が固定電極膜１０に押し付けられ弾性変形する。

次の状態ＩＩＩでバイアス電圧Ｖｂ＝１９Ｖになるとき、アドレス電極膜１０への印加電圧をＶａ＝７．５Ｖとする。これにより、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝１１．５Ｖとなり、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝１９Ｖとなる。これにより、電極膜８の弾性変形による反発力が静電気力に加わって可動電極膜８が固定電極膜１０から離脱し、可動ミラー２は時計方向に回転を始める。

次の状態ＩＶでバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖになると、電極膜８，１０間の電圧差ＤＶ＝１６．５Ｖ、電極膜７，９間の電圧差ＤＶ＝２４となり、電極膜７，９間に働く静電気力が更に強まり、可動ミラー２は時計方向に更に回転することになる。

最後の状態Ｖでは、可動ミラー２の可動電極膜７がアドレス電極膜（固定電極膜）９に衝突することになるが、この時、アドレス電極膜１０への印加電圧をＶａ＝５Ｖとする。可動ミラー２はこの衝突によって少し振動してから安定状態に入り、反対側への傾動動作が終了する。

可動ミラー２を図６の右側（ステイ側）の状態にするには、図６の枠内右側の上段に示す様に、電極膜１０のアドレス電極膜１０の印加電圧をＶａ＝０とする（状態Ｉ）。次の状態ＩＩでバイアス電圧がＶｂ＝−１９Ｖになるとき反対側のアドレス電極膜９の印加電圧をＶａ＝７．５Ｖとし、次の状態ＩＩＩで、バイアス電圧Ｖｂ＝１９Ｖとする。

従来の図９では、可動電極膜８が固定電極膜１０から一旦離脱するが、本実施形態では、電極膜７，９間の電圧差ＤＶが電極膜８，１０間の電圧差ＤＶに比べて大きくなりすぎることがないため、状態ＩＩＩで可動電極膜８が固定電極膜１０から離脱することはない。

次の状態ＩＶでバイアス電圧Ｖｂ＝２４Ｖになっても可動ミラー２の傾倒状態（左傾状態）は維持され、以後、状態Ｖで電極膜９の印加電圧Ｖａ＝５Ｖになっても、可動ミラー２の左傾状態は維持される。

本実施形態では、クロスオーバー側の可動ミラーは弾性変形の反発力を利用して固定電極膜から離脱するが、ステイ側の可動ミラーの傾倒状態は維持したままクロスオーバー側の可動ミラーが変位するため、アレイ制御の制御精度が向上すると共に状態ＩＩでバイアス電圧Ｖｂを逆極性にする電圧値も低くできるため、駆動回路の負荷も軽減される。

尚、上述した各実施形態では、可動ミラー側に設けた可動電極膜７，８に同一のバイアス電圧Ｖｂを印加し、固定電極膜９，１０の各々に素子変位信号であるアドレス電圧Ｖａを印加したが、逆に、可動電極膜７，８にアドレス電圧を印加し、固定電極膜９，１０に共通のバイアス電圧を印加する構成でも良い。

上述した微小電気機械素子アレイ装置は、光プリンタや画像投影装置等の画像形成装置として利用可能である。この場合、画像形成装置は、光源と、上述した実施形態のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置と、前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイ装置に照射する光学系と、該光学系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構成される。

本発明に係る微小電気機械素子アレイ装置は、回路負荷が軽減され、各素子のオンオフ制御を容易且つ確実に行うことが可能となるため、信頼性の高い微小電気機械素子アレイ装置として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法の説明図である。 図１に示す駆動方法の電極間電圧と可動ミラーの変位角とを示すグラフである。 図２に示すプルアウト電圧を説明するグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法の説明図である。 図４に示す駆動方法の電極間電圧と可動ミラーの変位角とを示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法の説明図である。 図６に示す駆動方法の電極間電圧と可動ミラーの変位角とを示すグラフである。 微小電気機械素子アレイの一例を示す２素子分の構成図である。 従来の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法の説明図である。 図９に示す駆動方法におけるアドレス電圧Ｖａ，バイアス電圧Ｖｂ，可動ミラーの変位角の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 半導体基板
２，３ 可動ミラー
４，５ 支柱
６ ヒンジ
７，８ 可動ミラー側の電極膜（バイアス電極膜：可動電極）
９，１０ 半導体基板側の電極膜（アドレス電極膜：固定電極）

Claims (19)

1. 弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と該可動部に対峙して配置され前記可動部を少なくとも２つの異なる第１位置及び第２位置のいずれかに変位させる複数の固定電極とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイと、前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に素子変位信号を書き込み他方に制御電圧を印加することで発生する前記可動電極と前記複数の各々の前記固定電極との間の静電気力によって前記可動部を変位させる前記素子対応に設けた駆動回路とを備える微小電気機械素子アレイ装置において、前記第１位置から前記第２位置または前記第２位置から前記第１位置に前記可動部の位置を変位させる制御が行われる第１状態の前記素子と前記可動部の位置を前記第１位置に維持させる制御または前記第２位置に維持させる制御が行われる第２状態の前記素子とを同時に制御する際に前記第２状態の素子の前記可動部の位置を動かさずに保ったまま前記第１状態の素子を変位させる制御手段を設けたことを特徴とする微小電気機械素子アレイ装置。
2. 前記制御手段は、前記素子変位信号を書き込むことで、前記第１状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができる大きさの電極間電圧に変化させると共に、前記第２状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができない大きさの電極間電圧に変化させることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子アレイ装置。
3. 前記制御手段は、前記制御電圧の絶対値を減少させることで、前記第１状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができる大きさの電極間電圧に変化させると共に、前記第２状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができない大きさの電極間電圧に変化させることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子アレイ装置。
4. 前記制御電圧の絶対値を減少させる前に前記第１状態の素子の現在の位置において該第１状態の素子の前記可動部を構成する少なくとも一部を弾性変形させ該弾性変形による反力を利用して前記変位を加速させる弾性変形手段を前記駆動回路に設けたことを特徴とする請求項３に記載の微小電気機械素子アレイ装置。
5. 前記弾性変形手段は、前記制御電圧を逆極性にする手段であることを特徴とする請求項４に記載の微小電気機械素子アレイ装置。
6. 前記可動電極と前記固定電極のうちのいずれか一方に素子変位信号を書き込んだ後、前記制御電圧の絶対値を減少させることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置。
7. 前記可動電極と前記固定電極のうちのいずれか一方に印加する制御電圧の絶対値を減少させた後、前記可動電極と前記固定電極のうちの他方に素子変位信号の書き込むことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置。
8. 前記制御電圧の絶対値を減少させる代わりに、前記素子変位電位を減少または増加させて該素子変位電位と前記制御電圧との電圧差の絶対値を減少させることを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置。
9. 前記各々の駆動回路に対して前記素子変位信号及び前記制御電圧に対する指令信号を供給し前記素子アレイに光変調を行わせる制御装置を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置。
10. 弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と該可動部に対峙して配置され前記可動部を少なくとも２つの異なる第１位置及び第２位置のいずれかに変位させる複数の固定電極とを備える素子が１次元または２次元に配列された素子アレイと、前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に素子変位信号を書き込み他方に制御電圧を印加することで発生する前記可動電極と前記複数の各々の前記固定電極との間の静電気力によって前記可動部を変位させる前記素子対応に設けた駆動回路とを備える微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法において、前記第１位置から前記第２位置または前記第２位置から前記第１位置に前記可動部の位置を変位させる制御が行われる第１状態の前記素子と前記可動部の位置を前記第１位置に維持させる制御または前記第２位置に維持させる制御が行われる第２状態の前記素子とを同時に制御する際に前記第２状態の素子の前記可動部の位置を動かさずに保ったまま前記第１状態の素子を変位させることを特徴とする微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
11. 前記素子変位信号を書き込むことで、前記第１状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができる大きさの電極間電圧に変化させると共に、前記第２状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができない大きさの電極間電圧に変化させることを特徴とする請求項１０に記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
12. 前記制御電圧の絶対値を減少させることで、前記第１状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができる大きさの電極間電圧に変化させると共に、前記第２状態の素子の前記可動部の前記可動電極と該可動部を動かす側に設けてある前記固定電極との間の電極間電圧を該可動部を変位させることができない大きさの電極間電圧に変化させることを特徴とする請求項１０に記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
13. 前記制御電圧の絶対値を減少させる前に前記第１状態の素子の現在の位置において該第１状態の素子の前記可動部を構成する少なくとも一部を弾性変形させ該弾性変形による反力を利用して前記変位を加速させることを特徴とする請求項１２に記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
14. 前記制御電圧を逆極性にして前記弾性変形させることを特徴とする請求項１３に記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
15. 前記可動電極と前記固定電極のうちのいずれか一方に素子変位信号を書き込んだ後、前記制御電圧の絶対値を減少させることを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
16. 前記可動電極と前記固定電極のうちのいずれか一方に印加する制御電圧の絶対値を減少させた後、前記可動電極と前記固定電極のうちの他方に素子変位信号の書き込むことを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
17. 前記制御電圧の絶対値を減少させる代わりに、前記素子変位電位を減少または増加させて該素子変位電位と前記制御電圧との電圧差の絶対値を減少させることを特徴とする請求項１２乃至請求項１６のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
18. 前記各々の駆動回路に対して前記素子変位信号及び前記制御電圧に対する指令信号を与え前記素子アレイに光変調を行わせることを特徴とする請求項１０乃至請求項１７のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置の駆動方法。
19. 光源と、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の微小電気機械素子アレイ装置と、前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイ装置に照射する光学系と、該光学系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。

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