JP2007236060A - 微小電気機械式素子、微小電気機械式素子アレイ、光変調素子、微小電気機械式光変調素子、微小電気機械式光変調素子アレイ、及びこれらを用いた画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】可動部が第1の方向へ回転変位して停止した状態から、駆動部により物理的作用力を発生させて可動部を第1の方向とは異なる第2の方向に回転変位させて可動部が最終変位位置に到達するまでの時間を遷移時間とした際に、弾性支持部の弾性力値と遷移時間との関係が、特定の弾性力値で最大遷移時間を呈する極大値を有し、弾性支持部の弾性力値が極大値以下の弾性力値であるようにした。
【選択図】図3
Description
また、支持部弾性力Kを増加させても遷移時間の変化量は僅かであり、実際には遷移時間を短くしようと支持部弾性力を変化させても、遷移時間の大きな変化は期待できなかった。
(1) 弾性支持部により弾性変位可能に支持された可動部と、該可動部へそれぞれ異なる方向の物理的作用力を加える複数の駆動部とを備え、前記物理的作用力により前記可動部を双方向に回転変位させる微小電気機械式素子であって、前記可動部が第1の方向へ回転変位して停止した状態から、前記駆動部により前記物理的作用力を発生させて前記可動部を前記第1の方向とは異なる第2の方向に回転変位させて前記可動部が最終変位位置に到達するまでの時間を遷移時間とした際に、前記弾性支持部の弾性力値と前記遷移時間との関係が、特定の弾性力値で最大遷移時間を呈する極大値を有し、前記弾性支持部の弾性力値が前記極大値以下の弾性力値であることを特徴とする微小電気機械式素子。
以下、本発明の微小電気機械式素子を、光変調機能を有する微小電気機械式光変調素子、微小電気機械式光変調素子アレイを例に説明するが、これに限定されることはない。
図1は本発明に係る微小電気機械式変調素子の概念図であり、(a)は微小電気機械式変調素子の斜視図、(b)は縦断面図である。
本実施形態の微小電気機械式変調素子100は、基本的な構成要素として、基板11と、基板11に空隙13を介して平行に配置される小片状の可動部15と、可動部15の基板11側の面に接続され可動部を支持する弾性支持部であるヒンジ17と、このヒンジ17を介して可動部15を基板11上で支持するスペーサ19a,19bと、基板11の上面に配置され、ヒンジ17を中央として両側に固定電極である第1アドレス電極21a及び第2アドレス電極21bと、を備える。また、可動部15は、可動部15自体が導電性を有していたり、あるいはその一部に可動電極を有している。さらに、基板11中には駆動回路23が設けられる。このような構成により可動部15は、ヒンジ17が振れることによって回転変位が可能となり、駆動回路23の印加する電圧に応じてヒンジ17を軸とする任意の方向の回転駆動が可能となる。
なお、駆動回路23は可動部15(可動電極)と第1アドレス電極21aとの間、及び可動部15(可動電極)と第2アドレス電極21bとの間に電位差を発生させる電圧を印加する。
図2は微小電気機械式変調素子の動作過程(a),(b),(c)を示す概念図である。
駆動回路23から電圧が印加されていない状態から、第1アドレス電極21aと可動部15との間の電位差Vaを、第2アドレス電極21bと可動部15との間の電位差Vbより大きくすると、可動部には第1アドレス電極21aに吸引される静電気力が印加される。この静電気力は、図2(a)に示すように、ヒンジ17を、その弾性力に抗して反時計方向に捩じって可動部15を左に傾ける。このとき、ヒンジ17にはヒンジの捩り角度に比例した量の弾性エネルギが蓄積される。
図3(a)は遷移時間Tと支持部弾性力Kとの関係式T=f1(K、J=J1、V=Vb)、(b)は遷移時間Tと振動角周波数ωとの関係式T=f2(ω、J=J1、V=Vb)を表すグラフである。
また、図3(b)に示すように、振動角周波数に対しても同様であって、振動角周波数ωの小さい領域で、最大遷移時間Tmaxを境に遷移時間Tが減少に転じる領域Aωが存在することを確認できた。
<解析方法>
(1)式の示す運動方程式を用い、特定の回転角度-θから+θまで可動部が遷移し、最終変位位置に到達するまでの時間を算出した。可動部(可動電極)と第1又は第2アドレス電極21a,21bとの間の電極間ギャップは可動部の変位量に応じて時々刻々と変化し、電極間に働く静電気力も時間変化する。このため、ある時間t経過後において、外力モーメントFnと角度θnを求め、その外力モーメントFnを用いてさらに微小時間Δt経過後の外力モーメントFn+1と角度θn+1を求めるという操作を繰り返し、最終的に可動部の角度の時間変化の関係を算出した。
可動部15に対して、可動部15と第1アドレス電極21aとの間に所定の電位差を持たせることで、可動部15が第1アドレス電極21a側に吸引される方向に外力モーメントFが働く。このとき同時に、可動部の質量Mに応じた慣性モーメントJと、周囲雰囲気の粘性減衰係数aによる抗力が外力モーメントFとは逆方向に発生する。また、弾性支持部であるヒンジ17が捻られた状態から戻ろうとする支持部弾性力Kも逆方向に発生する。
(1)外部減衰または粘性減衰(構造物をとりまく流体などの粘性によって働くもので、速度に比例し、静止側から作用する)
(2)内部減衰または構造減衰(構造物内部で発生する微小な摩擦などによるもので、歪速度に比例し、内部での相互作用により作用する)
[C] = α [M] + β [K] …(9)
ここで、[C]がαの項だけの場合は質量比例型減衰といい、βの項だけの場合は剛性比例型減衰という。この式を変形していくと、ζを減衰比、ωを構造体の振動角周波数として、(10)式が得られる。
ζ = α/2ω + βω/2 …(10)
次に、上記の解析方法に基づき、下記の変動値及び固定値を用いて解析を行った。可動部15は正方形状を仮定し、弾性支持部となるヒンジ17が可動部15の下に隠れるように、可動部15の長さによって決まるように設定した。可動部材、支持部材の材料はアルミを用いるものとする。
a)変動値
可動部長さ:L1
可動部幅:L2(=L1)
支持部長さ:l1(=(L1-2.2μm)/2)
支持部幅:l2(=0.6μm)
支持部厚さ:h(=0.05μm)
可動部質量:M
電極間距離:d
電極間電位差:V
可動部厚さ:H=0.5μm
可動部密度:ρ=2.7g/cm3
支持部材ヤング率:E=68.85GPa
支持部材ポアソン比:ν=0.36
接触角度:θ=10 deg
粘性係数:a(1気圧環境下で設定)
この構造では、可動部15はヒンジ17の基端側が接続される支持ポスト25に一体に構成されており、ヒンジ17の他端側は図示しないヒンジ固定部に接続されている。可動部15を第1アドレス電極21aから離反するように傾斜させた状態から、第1アドレス電極21aと可動部15との間に電位差Vを発生させることで、可動部15を第1アドレス電極21aに接近駆動させて、その変位の遷移時間を計算する。
この構造では、可動部27はヒンジ29の基端側が接続される支持ポスト31に一体に構成されており、ヒンジ17の他端側は図示しないヒンジ固定部に接続されている。可動部29を第2アドレス電極33bに吸着させた状態から、第1アドレス電極33aと可動部27との間に電位差Vを発生させることで、可動部29を第1アドレス電極33aに接近駆動させて、その変位の遷移時間を計算する。
図10に示す解析結果は、可動部の大きさを(a)6μm、(b)8μm、(c)10μmとし、それぞれ印加する電圧を5V、10V、20V、30V、40Vと変化させた場合の、可動部の傾斜が−10度から+10度に変化するまでの遷移時間を弾性支持部の弾性力に対して示したグラフである。ただし、素子の環境雰囲気は1気圧としている。図10(a)、(b)、(c)にそれぞれ示すように、任意の可動部の大きさ(慣性モーメント)を有し、任意の印加電圧を設定したときの遷移時間と支持部弾性力との関係の曲線には、遷移時間が最大となる支持部弾性力の極大値K1がそれぞれ存在する。なお、印加電圧が20V以上になると、縦軸のスケールの関係で極大値となる支持部弾性力が分かりにくくなるが、数値上では明確な極大値が存在している。
図12は、図11と同様の従来の素子構成であって可動部の大きさを12.6μmとした場合の遷移時間を支持部弾性力に対して示したグラフである。
まず、可動部長さが6μmの素子構成では、支持部材料をアクリル樹脂とした計算例1の支持部弾性力は0.218×10-12 Nmで、シリコーンとした計算例2の支持部弾性力は0.2355×10-12 Nmである。これらの支持部弾性力は、図10(a)を参照すると、駆動電圧10Vの場合の支持部弾性力の極大値0.24×10-12Nmと駆動電圧20Vの場合の支持部弾性力の極大値0.50×10-12Nmよりもいずれも小さい値となっている。
上述の微小電気機械式変調素子の電極への印加電圧は、図15(a)に示す所定の電圧V1を矩形状に一定電圧で印加する波形である。これにより、可動部の回転動作が短い遷移時間で行われる。これに対して図15(b)に示すように、印加電圧を可動部の回転動作の初期から最終変位先に到達するまでの間で徐々に増加する波形として可動部の慣性力を付けすぎないように制御すれば、可動部の最終変位先に到達した後の振動を抑制することができる。
図16(a)の微小電気機械式変調素子は、四角形の可動部15Aにおける一方の対角線が回転動作の軸となるように、対角線に沿ってヒンジ17が可動部15Aに接合されている。ヒンジ17の両端部は、スペーサ19a,19bにより支持される。この構成により、可動部15Aの回転変位の慣性力が小さくて済み、高速駆動に有利となる。
微小電気機械式変調素子アレイ200は、微小電気機械式変調素子100のそれぞれがメモリ回路37を含む駆動回路23(図1参照)を有する。このようなメモリ回路37を備えることで、メモリ回路37に対して、予め素子の次の変位動作を表す変位信号の書き込みが可能となる。つまり、メモリ回路37には予め素子変位信号が書き込まれて、微小電気機械式変調素子アレイ200のスイッチングのとき、各々の微小電気機械式変調素子100のメモリ回路37に記憶された素子変位信号に基づいて、微小電気機械式変調素子100への印加電圧を制御する駆動電圧制御回路39により変調駆動が行われる。
照明光源41から出射された面状の光が照明光学系43に入射し、ここで平行光された光が微小電気機械式変調素子アレイ200に入射する。微小電気機械式変調素子アレイ200の各微小電気機械式変調素子100に入射される光は、画像信号に応じてその反射が制御される。微小電気機械式変調素子アレイ200から出射された光は、投影光学系45により記録媒体47の画像形成面に撮影露光される。撮影光は記録媒体47に対して相対的に走査方向に移動しながら投影露光され、広い面積を高解像度で露光することができる。このように、コリメートレンズを微小電気機械式変調素子アレイ200の光の入射面側に設けることで、各変調素子の平面基板に入射する光を平行光化することができる。なお、図中49はオフ光を導入する光アブソーバーを表す。
図19は本発明の微小電気機械式変調素子アレイを用いて構成した投影装置の概略構成を示す図である。図18と同様の構成には同一符号を付し、その説明は省略するものとする。
投影装置としてのプロジェクタ400は、照明光源41と、照明光学系43と、微小電気機械式変調素子アレイ200と、投影光学系51とを備える。投影光学系51は、画像形成面であるスクリーン53に対して光を投影するための投影装置用の光学系である。照明光学系43は、前述したコリメータレンズであってもよく、マイクロレンズアレイであってもよい。
照明光源41からの出射光は、例えばマイクロレンズアレイにより、微小電気機械式変調素子100の一素子よりも面積が小さい領域に集光され、微小電気機械式変調素子アレイ200に入射する。微小電気機械式変調素子アレイ200の各微小電気機械式変調素子100に入射される光は、画像信号に応じてその反射が制御される。微小電気機械式変調素子アレイ200から反射された光は、投影光学系51によりスクリーン53の画像形成面に投影露光される。このように、微小電気機械式変調素子アレイ200は、投影装置にも利用することができ、さらには、表示装置にも適用可能である。
13 空隙
15 可動部
15A,51B,15C 可動部
17 ヒンジ
19a,19b スペーサ
21a 第1アドレス電極
21b 第2アドレス電極
23 駆動回路
25 支持ポスト
37 メモリ回路
39 駆動電圧制御回路
41 照明光源
43 照明光学系
45 投影光学系
47 記録媒体
49 光アブソーバ
51 投影光学系
53 スクリーン
θ 傾斜角度
T 遷移時間
K 支持部弾性力
ω 振動角周波数
AK 領域
100 微小電気機械式変調素子(微小電気機械式素子、光変調素子、微小電気機械式光変調素子)
200 微小電気機械式変調素子アレイ(微小電気機械式素子アレイ、微小電気機械式光変調素子アレイ)
300 露光装置
400 プロジェクタ
Claims (15)
- 弾性支持部により弾性変位可能に支持された可動部と、該可動部へそれぞれ異なる方向の物理的作用力を加える複数の駆動部とを備え、前記物理的作用力により前記可動部を双方向に回転変位させる微小電気機械式素子であって、
前記可動部が第1の方向へ回転変位して停止した状態から、前記駆動部により前記物理的作用力を発生させて前記可動部を前記第1の方向とは異なる第2の方向に回転変位させて前記可動部が最終変位位置に到達するまでの時間を遷移時間とした際に、
前記弾性支持部の弾性力値と前記遷移時間との関係が、特定の弾性力値で最大遷移時間を呈する極大値を有し、前記弾性支持部の弾性力値が前記極大値以下の弾性力値であることを特徴とする微小電気機械式素子。 - 前記可動部が、それぞれの前記最終変位位置に配された停止部材に接触して停止することを特徴とする請求項1記載の微小電気機械式素子。
- 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素子。
- 前記駆動部により前記可動部を前記第1の方向および前記第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3のいずれか1項記載の微小電気機械式素子。
- 前記可動部の平面形状が四角形状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素子。
- 前記可動部を回転変位させる物理的作用力の波形は、矩形波、sin波、cos波、鋸波、三角波のいずれかを含む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素子。
- 前記可動部を弾性変位可能に支持する前記支持部材は、高分子材料からなることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項記載の微小電気機械式素子。
- 前記可動部を弾性変位可能に支持する前記支持部材は、金属材料、樹脂材料、若しくはこれらのハイブリッド材料のいずれかからなることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項記載の微小電気機械式素子。
- 前記可動部を駆動することで回転変位を制御する制御部を備えた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素子。
- 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素子を一次元又は二次元配列したことを特徴とする微小電気機械式素子アレイ。
- 前記微小電気機械式素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有し、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請求項10記載の微小電気機械式素子アレイ。
- 請求項1から9のいずれか1項記載の微小電気機械式素子であって、
前記可動部を回転変位させることで、前記微小電気機械式素子に入射してきた光を変調させることを特徴とする光変調素子。 - 請求項12記載の光変調素子を一次元又は二次元配列したことを特徴とする微小電気機械式光変調素子アレイ。
- 前記光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、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請求項13記載の微小電気機械式光変調素子アレイ。
- 光源と、
請求項12記載の光変調素子または請求項13〜14の微小電気機械式光変調素子アレイと、
前記光源からの光を前記光変調素子または前記微小電気機械式素子アレイに照射する照明光学系と、
前記光変調素子または前記微小電気機械式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。
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