JP3804050B2 - 互い違いに配置されたカンチレバーを用いるマイクロミラーデバイス及びその応用素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロミラーデバイスに関し、更に詳しくは、互い違いに配置されたカンチレバーを用いて簡単な構造で双安定した回転状態を有するマイクロミラーデバイス及びこれを用いた応用素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な画像表示用マイクロミラーデバイスは、アドレッシング回路が製作された基板の上に２次元的に配列され、静電気力により駆動されて、入射する光を所定の角度に反射させる作用をする。前記マイクロミラーデバイスは、光情報処理、投射表示器、モニター、テレビ等の画像表示装置、複写機等の光走査装置に活用することができる。
【０００３】
１９９６年７月９日付でＨｏｒｎｂｅｃｋ氏に与えられた米国特許第５，５３５，０４７号公報では、従来のマイクロミラーデバイスの一例が開示されている。図１は、従来の画像表示用マイクロミラーデバイスの概略的な分解斜視図である。図１を参照すると、アドレッシング回路上にヨークアドレス電極１０とランディングサイト１１が形成された層があり、その上にアドレス支持台１２により支持され、ミラーアドレス電極１３、ねじりヒンジ１４、ミラー１７と直接連結されるヨーク１５とからなる層がある。その上には、同じくミラー支持台１６によりヨーク１５と連結されるミラー１７が設けられる。このように、ミラーとアドレッシング回路を含んで４つの層からなるマイクロミラーデバイスは、ミラーアドレス電極層を支持する支持台とミラーを支持する支持台、ミラーと連結されたヨーク、そしてねじりヒンジが設けられ、ミラーとの間に電圧を印加するためのヨークのアドレス電極１つとミラーを駆動するためのアドレス電極２つとから構成される。
【０００４】
図２は、図１のマイクロミラーデバイスを、ヒンジの長さ方向の中心線上で切断した断面図であって、ミラー１７とヨーク１５、ヒンジ１４及び各層の連結状態を示す。図２を参照すると、ミラー１７がミラー支持台１６によりヨーク１５と連結されており、ヨーク１５の下にヒンジ１４が形成され回転軸の役割をすることが分かる。アドレス電極１０は、支持台１２と連結される一方、アドレッシング回路を形成すべく工程処理された後、保護用酸化膜８により部分被覆された基板６とも連結される。
【０００５】
図３Ａ及び３Ｂは、マイクロミラーとミラーアドレス電極との間に電圧がかかるとき、ミラーが回転する模様をヒンジの長さ方向の中心線と垂直する線上で切断した断面図である。図３Ａ及び３Ｂにおいて、ミラー１７と一方の電極１０との間に電位差が生じると、ミラー１７は、静電気力により図３Ａのように一方向に回転し、所定の角度に回転した後、ランディングサイト１１にぶつかってそれ以上回転できなくなってから止まる。一方、他方の電極１０とミラー１７との間に電圧がかかると、図３Ｂのように他の方向に回転する。このように、ミラーは２つの安定した状態を有し、ミラーの２通りの回転状態に応じてミラーに入射する光の反射される角度が変わるようになる。従って、マイクロミラーによって、一定した方向から入射する光の進行方向を変えることにより、光がレンズ（図示せず）及びスクリーン（図示せず）に入射するようにしたり、外れるようにしたりすることができる。
【０００６】
前記従来のマイクロミラーデバイスは、ミラーとヨーク、ヒンジ、それぞれの支持台とからなり、その構造が複雑であり、かつ複数の工程を経なければならないという短所がある。従って、このような複雑な構造から、ミラーを一定に駆動するのが困難であり、製造工程が難しく、製造コストも高くなる。
【０００７】
また、従来のマイクロミラーデバイスでは、ミラーアドレス電極に適当な電圧が印加された時はいつも、ミラーがヒンジ軸の左右両方向に回転し、ヒンジが常にねじれ状態になる。かかる動作が、一対の薄いヒンジにより行われることから、ヒンジの堅固さがミラーの特性を決める重要な要因となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題は、簡単な構造で双安定した回転状態を有するマイクロミラーデバイスを提供することである。
【０００９】
本発明が解決しようとする別の技術的課題は、前記マイクロミラーデバイスを応用し、簡単な構造で具現される光スイッチング素子を提供することである。
【００１０】
本発明が解決しようとする更なる技術的課題は、前記マイクロミラーデバイスを応用し、高精細な画像表示素子を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するための本発明のマイクロミラーデバイスは：（ａ）基板と；（ｂ）基板上に所定の間隔をおいて左右２列に突出するように形成された少なくとも２つの突出支持台と；（ｃ）突出支持台のそれぞれの上部に基板と平行に取り付けられて形成され、隣接するもの同士は並んで互い違いに配置された、弾性復元力を有する薄板からなるカンチレバーと；（ｄ）カンチレバーの他端の上部に取り付けられて形成されるミラー支持台と；（ｅ）ミラー支持台のすべての上部に取り付けられ、これらにより支持されるミラー；及び（ｆ）ミラーに静電気力を与えるために、前記基板上に形成された左右の２つの電極と；を備え、前記電極と前記ミラーとの間に印加される電圧による静電気力と前記カンチレバーの弾性復元力によるミラーの両方向の回転を通じて前記ミラーに入射する光を互いに異なる方向に反射させることを特徴とする。
【００１２】
前記別の技術的課題を達成するための本発明の光スイッチング素子は：光入力手段と；前記光入力手段から出た光を互いに異なる２つの方向に反射させるための前記マイクロミラーデバイス；及び前記マイクロミラーデバイスから反射光を出力する２つの光出力手段と；を備えて光スイッチング動作を行うことができる。
【００１３】
マイクロミラーデバイスを単独使用する場合には、１×２光スイッチング素子の具現が可能であり、マイクロミラーデバイスをアレイ状に配列して使用すると、多重光スイッチング素子の具現が可能である。
【００１４】
前記更なる技術的課題を達成するための本発明の画像表示素子は：光源と；前記マイクロミラーデバイスを２次元アレイ状に配列した２次元マイクロミラーアレイと；前記マイクロミラーアレイに入射した光を選択的に第１の光経路及び第２の光経路に反射させるために、前記マイクロミラーアレイの電極に電気信号を印加する駆動回路と；前記第１の光経路に反射光が透過し、それぞれ画素に該当する色を呈するようにするカラーフィルタと；前記カラーフィルタを通った光により画像を表示するスクリーン；及び前記第２の光経路に反射光を吸収するための吸光板と；を備えることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を、添付した図面を参照して詳細に説明する。図面において同一図面符号は、同一構成要素を示し、重複する説明は省略することにする。
【００１６】
【実施例】
[実施例１]
図４は、本発明の第１の実施例による画像表示用マイクロミラーデバイスの概略的な分解斜視図である。図４を参照すると、マイクロミラーデバイスは、アドレッシング回路（図示せず）が形成された基板２１と、基板上の電極２２と、基板２１に取り付けられた突出支持台２３の上部にその一端が取り付けられて支持され、互い違いに並んで配置された薄板からなる３つのカンチレバー２５と、カンチレバー２５の他端の上部に設けられたミラー支持台２４の上部に取付けられるミラー２０とからなる。三つの突出支持台２３は、隣接するカンチレバー２５を支持するもの同士は、基板２１の垂直中心線ｂ−ｂ’を基準にして互い違いに基板２１に取り付けられる。また、それぞれの隣接したカンチレバー２５の他端の上に設けられた三つのミラー支持台２４はミラー２０の中心線ｄ−ｄ’を基準にして互い違いにミラー２０に取り付けられる。突出支持台２３とミラー支持台２４とを連結する薄板からなるカンチレバー２５は、基板２１上の電極２２に印加される電圧による静電気力により膨張及び収縮のストレスを受け、上方または下方に撓むようになることでミラー２０を回転させることが可能になる。このように、ミラー２０を支持する３つのカンチレバー２５は、基板２１に対する固定位置及びミラー２０に対する取り付け位置が互い違いになっていて、静電気力の印加方向に応じてミラー２０が左または右の一方向に所定の角度に傾く２通りの回転状態を示し、加える静電気力の大きさに応じてミラーの回転角度を調節することができる。また、基板２１上では、ミラー２０を駆動するための一対のアドレッシング電極２２とミラーを支持するカンチレバー２５は、ミラー２０に電圧を印加するために、アドレッシング回路（図示せず）と連結される。また図４のマイクロミラーでは、電極２２とミラーを支持するミラー支持台２４によりミラー２０に加わる力を考慮し、真ん中に設けられているカンチレバーの幅を、他のものと比べて広く形成した。勿論、前記カンチレバーは、その幅を狭くして複数個に拡張することもできる。このような場合、同じ大きさのカンチレバーを複数個使用し、これらを互い違いになるように配置することで、ミラーの２通りの回転状態を具現することもできる。ミラーに加わる力のバランスを合わせるために、仮に、カンチレバーの個数が偶数個の場合は、これらの大きさを全て同一にすることが好ましい。カンチレバーの個数が奇数個の場合は、真ん中に位置するカンチレバーの幅を、残りのカンチレバーの幅に比べて広くし、その残りのカンチレバーの幅は、相互同一にすることが好ましい。
【００１７】
図５は、図４のマイクロミラーデバイスからミラーを取り除いた後、基板上から垂直に見下ろした平面図である。図５を参照すると、カンチレバーを支持するための突出支持台２３及びミラーを支持するためのミラー支持台２４は、基板２１の水平中心線ａ−ａ’に対し対称に設けられ、ミラーのアドレッシングのための電極２２は、基板の垂直中心線ｂ−ｂ’に対し対称に形成されていることが分かる。この平面図上では、電極２２は、突出支持台と互いに重ならないようにして形成される。かかる構造を通じて、ミラーが回転する２つの方向に対しミラーが一定した力を受けるようになり、２通りの回転状態を有することができる。
【００１８】
図６Ａ及び６Ｂは、図４に示したマイクロミラーデバイスにおいてミラーが回転駆動する状態を示す図であって、図４において中央に位置するカンチレバーの長さ方向の中心線上で切断した断面図である。図６Ａに示したように、左側の電極２２ａとミラー２０との間に所定の電圧が印加されて電極２２ａとミラー２０との間に静電気力が作用すると、ミラー２０は矢印方向ｒ１に回転する。この際、ミラー２０を支持しているミラー支持台２４のうち左側にある２つが左下方に下がることにより、これに連結されているカンチレバー２５が撓み弾性復元力を持つようになる。同時に、ミラー２０の右側を支持している１つのミラー支持台は、右上方に上がり、これに連結されているカンチレバー２５も同じく弾性復元力を持つようになる。従って、静電気力と弾性復元力とが平衡をなす状態までミラー２０が傾くようになる。この場合には、入射光がミラー２０から反射され、レンズ３０を通じて進行して、スクリーン（図示せず）に投射される状態となる。
【００１９】
図６Ｂを参照すると、右側の電極２２ｂとミラー２０との間に所定の電圧が印加される場合、ミラー２０が矢印方向ｒ２に回転する。この際、ミラー２０を支持しているミラー支持台２４のうち右側にある１つの支持台は、右下方に下がり、左側にある２つの支持台は、左上方に上がった状態となる。突出支持台２３は基板２１上に固定されているため、前記のような動作により、カンチレバー２５は弾性復元力を提供するようになる。図６Ｂに示したような場合には、入射光がミラー２０から反射され、レンズ３０を外れて進行して、結局は、光が遮断される状態となる。
【００２０】
上述したように、３つの互い違いに配置されたカンチレバーを使用すると、ミラーが水平状態から傾いた場合に、前記カンチレバーが大きな弾性復元力を提供するようになり、ミラーを安定的に支持することのできる構造となる。また、ミラーを支持しているミラー支持台より基板上に突出した突出支持台を長く形成すると、ミラーが基板上に突出した突出支持台にぶつかってそれ以上回転できなくなり、それが電極に当たって損傷されることを抑え、ミラーが正確な回転角度を有することができる。
【００２１】
[実施例２]
図７は、本発明の第２の実施例によるマイクロミラーデバイスからミラーを取り除いた後、基板上から垂直に見下ろした平面図である。図５に示したものとの相違点は、互い違いに配置された多数の細いカンチレバー２５ａ、２５ｂがミラーを支持する構造を有するということである。カンチレバーに対する図面符号を２５ａ及び２５ｂとに分けて記載したことは、互いに同じ方向を有するもの同士を区分するためである。アドレッシング回路（図示せず）が形成された基板２１と、基板上の電極２２と、基板２１に取付けられた突出支持台２３の上部にその一端が取付けられて支持され、互い違いに並んで配置された薄板からなる多数の細いカンチレバー２５と、カンチレバー２５の他端の上部に設けられたミラー支持台２４の上部に取付けられるミラー２０とからなる。多数の突出支持台２３は、隣接するカンチレバー２５を支持するもの同士は基板２１の垂直中心線ｂ−ｂ’を基準にして互い違いに基板２１に取り付けられる。それぞれの隣接したカンチレバー２５の他端の上部に設けられた前記突出支持台２３と同数のミラー支持台２４はミラー２０の中心線ｄ−ｄ’を基準にして互い違いにミラー２０に取り付けられる。それぞれに互い違いに配置されたカンチレバー２５は、ミラーが水平状態から傾く場合に弾性復元力を提供し、様々な形状を有することができる。このように、多数のカンチレバーを使用すると、ミラーを支持する力を分散させることができるのみならず、弾性復元力も大きくすることができるという長所があり、前記と同様に、ミラーを２通りの回転状態に駆動することができる。
【００２２】
[実施例３]
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第３の実施例によるマイクロミラーデバイスで採用できるミラーの形態を示す断面図である。
【００２３】
図８Ａに示したように、ミラー２０全体を光を反射する金属からなるように製作することもできる。或いは、図８Ｂに示したように、光を反射する金属面の高精細化のために、導電性物質と反射率の高い金属を用いてミラー２０を多層で構成することもできる。例えば、ニッケルやポリシリコン等の導電性の物質でミラーの下部導電層２０ａとミラー支持構造、即ちミラー支持台２４、カンチレバー２５及び突出支持台２３を形成し、上部金属層２０ｂ、２０ｃを光の反射率が高い金属材料（Ａｌ、Ａｇ）で二重に形成し、光の反射効率を高めることができる。
【００２４】
[実施例４]
図９Ａ及び９Ｂは、本発明のマイクロミラーデバイスにおいて駆動電圧を減少させるための電極の第４の実施例を示す平面図及び断面図である。
【００２５】
図９Ａを参照すると、図５に示した構造と基本的に同一であるが、マイクロミラーデバイスにおける駆動電圧を減少させるために、基板上の電極２２ｃ、２２ｄをカンチレバー２５の下部まで延長し形成した点が互いに異なる。ミラーを支持するミラー支持台２４と連結されたカンチレバー２５も電極の役割を遂行することができるため、前記のように電極を延長し形成させると、静電気力を発生する電極間の距離が更に近づく結果をもたらす。即ち、図５に示した構造では、ミラーと基板上の電極との間の電位差により静電気力が発生するが、図９Ａに示した構造では、カンチレバー２５と基板上の電極２２ｃまたは２２ｄとの間の電位差によっても静電気力が発生する。ところが、同一の電位差に対しては、電極間の間隔が狭ければ狭いほどより大きな静電気力が発生するため、図９Ａに示したように、カンチレバー２５に対する電極２２ｃまたは２２ｄの配置を変更することにより駆動電圧が減少できる。
【００２６】
図９Ｂは、図９Ａのｃ−ｃ’線に沿う断面図である。
【００２７】
前記マイクロミラーデバイスは、光ネットワーク網において光スイッチング素子とも応用できる。この場合、１つの入力に対し２つの出力方向を形成することができ、１×２光スイッチング素子と具現可能である。
【００２８】
[実施例５]
本発明の第５の実施例によるマイクロミラーデバイスを用いて具現された１×２光スイッチング素子の動作を図１０Ａ及び１０Ｂに示した。前記マイクロミラーデバイスは、両方向に回転可能であり、２通りの回転駆動状態を有する。図１０Ａを参照すると、本発明によるマイクロミラーデバイス３２のミラー２０に入力光ファイバ３４から光が入射する。基板２１上に形成された一方の電極（図示せず）とミラー２０との間に電圧が印加されると、電位差により発生した静電気力によりミラー２０が回転して入射光を第１の出力光ファイバ３６ａに送る。従って、１×２光スイッチング素子３８が具現される。
【００２９】
一方、図１０Ｂを参照すると、基板２１上に形成された他方の電極（図示せず）とミラー２０との間に電圧が印加されると、ミラー２０が、図１０Ａの場合とは反対に回転し、入射光を第２の出力光ファイバ３６ｂに送る。前記１×２光スイッチング素子を複数個連結して使用すると、入力と出力の個数を増加させることもできる。
【００３０】
前記マイクロミラーデバイスは、画像表示装置において１つの画素に該当する役割を遂行することができ、かかる構造のマイクロミラーデバイスを基板に２次元配列すると、非常に高精細な画像表示をすることができる。
【００３１】
[実施例６]
図１１は、本発明の第６の実施例によるマイクロミラーデバイスを用いて具現された画像表示素子の概略的な構成図である。
【００３２】
図１１を参照すると、光源１２０から出た光が２次元マイクロミラーアレイ及び駆動回路１１０に入射する。入射した光は、駆動回路により決まるアドレス電極とミラーとの電位差によるそれぞれのマイクロミラーデバイスの駆動状態に応じて第１の光経路１１２に反射されて進行することもでき、第２の光経路１１４に反射されて進行することもできる。それぞれのマイクロミラーデバイスから反射され、第１の光経路１１２に進行した光は、レンズ１４０を通じてカラーフィルタ１５０を透過し、それぞれ画素に該当する色を呈してスクリーン１６０に画像を表示する。これと逆に、第２の光経路１１４に進行する光は、レンズを通過できず、吸光板１３０で吸収され、これに該当するスクリーンの画素は黒くなる。かかる方法にて前記マイクロミラーデバイスを駆動回路上に２次元配列し、光源１２０及びレンズ１４０、カラーフィルタ１５０等を組み込むと、平板画像表示の一つの方法として使用することができる。前記マイクロミラーデバイスを用いた画像表示方法は、代表的な平板表示器の液晶ディスプレイ装置に比べて大きい光の明暗比を得ることができ、かつマイクロミラーデバイスのサイズが小さいため、高精細な画面を得ることができ、容易に大面積にすることができるという長所を有する。
【００３３】
本発明の互い違いに配置されたカンチレバー支持構造は、超高周波回路のスイッチング素子等に応用できる。
【００３４】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によると、従来の技術に比べてその構造が非常に簡単であって、低廉なマイクロミラーデバイス及びその応用素子を具現することができ、素子が従来より安定した回転状態を示し、素子の誤動作を減らすことができる。
【００３５】
本発明は、前記実施例のみに限定されず、本発明の技術的思想内で当分野における通常の知識を有する者により多くの変更が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の画像表示用マイクロミラーデバイスの概略的な分解斜視図である。
【図２】図１のマイクロミラーデバイスをヒンジの長さ方向の中心線上で切断した断面図である。
【図３】図３Ａ及びＢは、マイクロミラーとアドレス電極との間に電圧がかかる時、ミラーが回転する模様をヒンジの長さ方向の中心線と垂直する線上で切断した断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例による画像表示用マイクロミラーデバイスの概略的な分解斜視図である。
【図５】図４のマイクロミラーデバイスからミラーを取り除いた後、基板上で垂直に見下ろした平面図である。
【図６】図６Ａ及びＢは、本発明の第１の実施例によるマイクロミラーデバイスにおいてミラーが回転駆動する状態を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例によるマイクロミラーデバイスからミラーを取り除いた後、基板上で垂直に見下ろした平面図である。
【図８】図８Ａ及びＢは、本発明の第３の実施例によるマイクロミラーデバイスにおいて採用可能なミラーの形態を示す断面図である。
【図９】図９Ａは、本発明の第４の実施例によるマイクロミラーデバイスにおいて駆動電圧を減らすための電極構造を示す平面図であり、図９Ｂは、本発明の第４の実施例によるマイクロミラーデバイスにおいて駆動電圧を減らすための電極構造を示す断面図である。
【図１０】図１０Ａ及びＢは、本発明の第５の実施例によるマイクロミラーデバイスを用いた１×２光スイッチング素子の動作を説明するための図である。
【図１１】本発明の第６の実施例によるマイクロミラーデバイスを用いて具現された画像表示素子の概略的な構成図である。
【符号の説明】
１０ ヨークアドレス電極
１１ ランディングサイト
１２ アドレス支持台
１３ ミラーアドレス電極
１４ ねじりヒンジ
１５ ヨーク
１６、２４ ミラー支持台
１７、２０ ミラー
２０ａ 下部導電層
２０ｂ 上部金属層
２０ｃ 別の上部金属層
２１ 基板
２２ 電極
２２ａ 電極
２２ｂ 電極
２２ｃ 延長し形成された電極
２２ｄ 延長し形成された電極
２３ 突出支持台
２５ カンチレバー
２５ａ カンチレバー
２５ｂ カンチレバー
３０ レンズ
３２ マイクロミラーデバイス
３４ 入力光ファイバ
３６ａ 第１の出力光ファイバ
３６ｂ 第２の出力光ファイバ
３８ １×２光スイッチング素子
１１０ ２次元マイクロミラーアレイ及び駆動回路
１２０ 光源
１３０ 吸光板
１４０ レンズ
１５０ カラーフィルタ
１６０ スクリーン
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロミラーデバイスに関し、更に詳しくは、互い違いに配置されたカンチレバーを用いて簡単な構造で双安定した回転状態を有するマイクロミラーデバイス及びこれを用いた応用素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な画像表示用マイクロミラーデバイスは、アドレッシング回路が製作された基板の上に２次元的に配列され、静電気力により駆動されて、入射する光を所定の角度に反射させる作用をする。前記マイクロミラーデバイスは、光情報処理、投射表示器、モニター、テレビ等の画像表示装置、複写機等の光走査装置に活用することができる。
【０００３】
１９９６年７月９日付でＨｏｒｎｂｅｃｋ氏に与えられた米国特許第５，５３５，０４７号公報では、従来のマイクロミラーデバイスの一例が開示されている。図１は、従来の画像表示用マイクロミラーデバイスの概略的な分解斜視図である。図１を参照すると、アドレッシング回路上にヨークアドレス電極１０とランディングサイト１１が形成された層があり、その上にアドレス支持台１２により支持され、ミラーアドレス電極１３、ねじりヒンジ１４、ミラー１７と直接連結されるヨーク１５とからなる層がある。その上には、同じくミラー支持台１６によりヨーク１５と連結されるミラー１７が設けられる。このように、ミラーとアドレッシング回路を含んで４つの層からなるマイクロミラーデバイスは、ミラーアドレス電極層を支持する支持台とミラーを支持する支持台、ミラーと連結されたヨーク、そしてねじりヒンジが設けられ、ミラーとの間に電圧を印加するためのヨークのアドレス電極１つとミラーを駆動するためのアドレス電極２つとから構成される。
【０００４】
図２は、図１のマイクロミラーデバイスを、ヒンジの長さ方向の中心線上で切断した断面図であって、ミラー１７とヨーク１５、ヒンジ１４及び各層の連結状態を示す。図２を参照すると、ミラー１７がミラー支持台１６によりヨーク１５と連結されており、ヨーク１５の下にヒンジ１４が形成され回転軸の役割をすることが分かる。アドレス電極１０は、支持台１２と連結される一方、アドレッシング回路を形成すべく工程処理された後、保護用酸化膜８により部分被覆された基板６とも連結される。
【０００５】
図３Ａ及び３Ｂは、マイクロミラーとミラーアドレス電極との間に電圧がかかるとき、ミラーが回転する模様をヒンジの長さ方向の中心線と垂直する線上で切断した断面図である。図３Ａ及び３Ｂにおいて、ミラー１７と一方の電極１０との間に電位差が生じると、ミラー１７は、静電気力により図３Ａのように一方向に回転し、所定の角度に回転した後、ランディングサイト１１にぶつかってそれ以上回転できなくなってから止まる。一方、他方の電極１０とミラー１７との間に電圧がかかると、図３Ｂのように他の方向に回転する。このように、ミラーは２つの安定した状態を有し、ミラーの２通りの回転状態に応じてミラーに入射する光の反射される角度が変わるようになる。従って、マイクロミラーによって、一定した方向から入射する光の進行方向を変えることにより、光がレンズ（図示せず）及びスクリーン（図示せず）に入射するようにしたり、外れるようにしたりすることができる。
【０００６】
前記従来のマイクロミラーデバイスは、ミラーとヨーク、ヒンジ、それぞれの支持台とからなり、その構造が複雑であり、かつ複数の工程を経なければならないという短所がある。従って、このような複雑な構造から、ミラーを一定に駆動するのが困難であり、製造工程が難しく、製造コストも高くなる。
【０００７】
また、従来のマイクロミラーデバイスでは、ミラーアドレス電極に適当な電圧が印加された時はいつも、ミラーがヒンジ軸の左右両方向に回転し、ヒンジが常にねじれ状態になる。かかる動作が、一対の薄いヒンジにより行われることから、ヒンジの堅固さがミラーの特性を決める重要な要因となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題は、簡単な構造で双安定した回転状態を有するマイクロミラーデバイスを提供することである。
【０００９】
本発明が解決しようとする別の技術的課題は、前記マイクロミラーデバイスを応用し、簡単な構造で具現される光スイッチング素子を提供することである。
【００１０】
本発明が解決しようとする更なる技術的課題は、前記マイクロミラーデバイスを応用し、高精細な画像表示素子を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するための本発明のマイクロミラーデバイスは：（ａ）基板と；（ｂ）基板上に所定の間隔をおいて左右２列に突出するように形成された少なくとも２つの突出支持台と；（ｃ）突出支持台のそれぞれの上部に基板と平行に取り付けられて形成され、隣接するもの同士は並んで互い違いに配置された、弾性復元力を有する薄板からなるカンチレバーと；（ｄ）カンチレバーの他端の上部に取り付けられて形成されるミラー支持台と；（ｅ）ミラー支持台のすべての上部に取り付けられ、これらにより支持されるミラー；及び（ｆ）ミラーに静電気力を与えるために、前記基板上に形成された左右の２つの電極と；を備え、前記電極と前記ミラーとの間に印加される電圧による静電気力と前記カンチレバーの弾性復元力によるミラーの両方向の回転を通じて前記ミラーに入射する光を互いに異なる方向に反射させることを特徴とする。
【００１２】
前記別の技術的課題を達成するための本発明の光スイッチング素子は：光入力手段と；前記光入力手段から出た光を互いに異なる２つの方向に反射させるための前記マイクロミラーデバイス；及び前記マイクロミラーデバイスから反射光を出力する２つの光出力手段と；を備えて光スイッチング動作を行うことができる。
【００１３】
マイクロミラーデバイスを単独使用する場合には、１×２光スイッチング素子の具現が可能であり、マイクロミラーデバイスをアレイ状に配列して使用すると、多重光スイッチング素子の具現が可能である。
【００１４】
前記更なる技術的課題を達成するための本発明の画像表示素子は：光源と；前記マイクロミラーデバイスを２次元アレイ状に配列した２次元マイクロミラーアレイと；前記マイクロミラーアレイに入射した光を選択的に第１の光経路及び第２の光経路に反射させるために、前記マイクロミラーアレイの電極に電気信号を印加する駆動回路と；前記第１の光経路に反射光が透過し、それぞれ画素に該当する色を呈するようにするカラーフィルタと；前記カラーフィルタを通った光により画像を表示するスクリーン；及び前記第２の光経路に反射光を吸収するための吸光板と；を備えることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を、添付した図面を参照して詳細に説明する。図面において同一図面符号は、同一構成要素を示し、重複する説明は省略することにする。
【００１６】
【実施例】
[実施例１]
図４は、本発明の第１の実施例による画像表示用マイクロミラーデバイスの概略的な分解斜視図である。図４を参照すると、マイクロミラーデバイスは、アドレッシング回路（図示せず）が形成された基板２１と、基板上の電極２２と、基板２１に取り付けられた突出支持台２３の上部にその一端が取り付けられて支持され、互い違いに並んで配置された薄板からなる３つのカンチレバー２５と、カンチレバー２５の他端の上部に設けられたミラー支持台２４の上部に取付けられるミラー２０とからなる。三つの突出支持台２３は、隣接するカンチレバー２５を支持するもの同士は、基板２１の垂直中心線ｂ−ｂ’を基準にして互い違いに基板２１に取り付けられる。また、それぞれの隣接したカンチレバー２５の他端の上に設けられた三つのミラー支持台２４はミラー２０の中心線ｄ−ｄ’を基準にして互い違いにミラー２０に取り付けられる。突出支持台２３とミラー支持台２４とを連結する薄板からなるカンチレバー２５は、基板２１上の電極２２に印加される電圧による静電気力により膨張及び収縮のストレスを受け、上方または下方に撓むようになることでミラー２０を回転させることが可能になる。このように、ミラー２０を支持する３つのカンチレバー２５は、基板２１に対する固定位置及びミラー２０に対する取り付け位置が互い違いになっていて、静電気力の印加方向に応じてミラー２０が左または右の一方向に所定の角度に傾く２通りの回転状態を示し、加える静電気力の大きさに応じてミラーの回転角度を調節することができる。また、基板２１上では、ミラー２０を駆動するための一対のアドレッシング電極２２とミラーを支持するカンチレバー２５は、ミラー２０に電圧を印加するために、アドレッシング回路（図示せず）と連結される。また図４のマイクロミラーでは、電極２２とミラーを支持するミラー支持台２４によりミラー２０に加わる力を考慮し、真ん中に設けられているカンチレバーの幅を、他のものと比べて広く形成した。勿論、前記カンチレバーは、その幅を狭くして複数個に拡張することもできる。このような場合、同じ大きさのカンチレバーを複数個使用し、これらを互い違いになるように配置することで、ミラーの２通りの回転状態を具現することもできる。ミラーに加わる力のバランスを合わせるために、仮に、カンチレバーの個数が偶数個の場合は、これらの大きさを全て同一にすることが好ましい。カンチレバーの個数が奇数個の場合は、真ん中に位置するカンチレバーの幅を、残りのカンチレバーの幅に比べて広くし、その残りのカンチレバーの幅は、相互同一にすることが好ましい。
【００１７】
図５は、図４のマイクロミラーデバイスからミラーを取り除いた後、基板上から垂直に見下ろした平面図である。図５を参照すると、カンチレバーを支持するための突出支持台２３及びミラーを支持するためのミラー支持台２４は、基板２１の水平中心線ａ−ａ’に対し対称に設けられ、ミラーのアドレッシングのための電極２２は、基板の垂直中心線ｂ−ｂ’に対し対称に形成されていることが分かる。この平面図上では、電極２２は、突出支持台と互いに重ならないようにして形成される。かかる構造を通じて、ミラーが回転する２つの方向に対しミラーが一定した力を受けるようになり、２通りの回転状態を有することができる。
【００１８】
図６Ａ及び６Ｂは、図４に示したマイクロミラーデバイスにおいてミラーが回転駆動する状態を示す図であって、図４において中央に位置するカンチレバーの長さ方向の中心線上で切断した断面図である。図６Ａに示したように、左側の電極２２ａとミラー２０との間に所定の電圧が印加されて電極２２ａとミラー２０との間に静電気力が作用すると、ミラー２０は矢印方向ｒ１に回転する。この際、ミラー２０を支持しているミラー支持台２４のうち左側にある２つが左下方に下がることにより、これに連結されているカンチレバー２５が撓み弾性復元力を持つようになる。同時に、ミラー２０の右側を支持している１つのミラー支持台は、右上方に上がり、これに連結されているカンチレバー２５も同じく弾性復元力を持つようになる。従って、静電気力と弾性復元力とが平衡をなす状態までミラー２０が傾くようになる。この場合には、入射光がミラー２０から反射され、レンズ３０を通じて進行して、スクリーン（図示せず）に投射される状態となる。
【００１９】
図６Ｂを参照すると、右側の電極２２ｂとミラー２０との間に所定の電圧が印加される場合、ミラー２０が矢印方向ｒ２に回転する。この際、ミラー２０を支持しているミラー支持台２４のうち右側にある１つの支持台は、右下方に下がり、左側にある２つの支持台は、左上方に上がった状態となる。突出支持台２３は基板２１上に固定されているため、前記のような動作により、カンチレバー２５は弾性復元力を提供するようになる。図６Ｂに示したような場合には、入射光がミラー２０から反射され、レンズ３０を外れて進行して、結局は、光が遮断される状態となる。
【００２０】
上述したように、３つの互い違いに配置されたカンチレバーを使用すると、ミラーが水平状態から傾いた場合に、前記カンチレバーが大きな弾性復元力を提供するようになり、ミラーを安定的に支持することのできる構造となる。また、ミラーを支持しているミラー支持台より基板上に突出した突出支持台を長く形成すると、ミラーが基板上に突出した突出支持台にぶつかってそれ以上回転できなくなり、それが電極に当たって損傷されることを抑え、ミラーが正確な回転角度を有することができる。
【００２１】
[実施例２]
図７は、本発明の第２の実施例によるマイクロミラーデバイスからミラーを取り除いた後、基板上から垂直に見下ろした平面図である。図５に示したものとの相違点は、互い違いに配置された多数の細いカンチレバー２５ａ、２５ｂがミラーを支持する構造を有するということである。カンチレバーに対する図面符号を２５ａ及び２５ｂとに分けて記載したことは、互いに同じ方向を有するもの同士を区分するためである。アドレッシング回路（図示せず）が形成された基板２１と、基板上の電極２２と、基板２１に取付けられた突出支持台２３の上部にその一端が取付けられて支持され、互い違いに並んで配置された薄板からなる多数の細いカンチレバー２５と、カンチレバー２５の他端の上部に設けられたミラー支持台２４の上部に取付けられるミラー２０とからなる。多数の突出支持台２３は、隣接するカンチレバー２５を支持するもの同士は基板２１の垂直中心線ｂ−ｂ’を基準にして互い違いに基板２１に取り付けられる。それぞれの隣接したカンチレバー２５の他端の上部に設けられた前記突出支持台２３と同数のミラー支持台２４はミラー２０の中心線ｄ−ｄ’を基準にして互い違いにミラー２０に取り付けられる。それぞれに互い違いに配置されたカンチレバー２５は、ミラーが水平状態から傾く場合に弾性復元力を提供し、様々な形状を有することができる。このように、多数のカンチレバーを使用すると、ミラーを支持する力を分散させることができるのみならず、弾性復元力も大きくすることができるという長所があり、前記と同様に、ミラーを２通りの回転状態に駆動することができる。
【００２２】
[実施例３]
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第３の実施例によるマイクロミラーデバイスで採用できるミラーの形態を示す断面図である。
【００２３】
図８Ａに示したように、ミラー２０全体を光を反射する金属からなるように製作することもできる。或いは、図８Ｂに示したように、光を反射する金属面の高精細化のために、導電性物質と反射率の高い金属を用いてミラー２０を多層で構成することもできる。例えば、ニッケルやポリシリコン等の導電性の物質でミラーの下部導電層２０ａとミラー支持構造、即ちミラー支持台２４、カンチレバー２５及び突出支持台２３を形成し、上部金属層２０ｂ、２０ｃを光の反射率が高い金属材料（Ａｌ、Ａｇ）で二重に形成し、光の反射効率を高めることができる。
【００２４】
[実施例４]
図９Ａ及び９Ｂは、本発明のマイクロミラーデバイスにおいて駆動電圧を減少させるための電極の第４の実施例を示す平面図及び断面図である。
【００２５】
図９Ａを参照すると、図５に示した構造と基本的に同一であるが、マイクロミラーデバイスにおける駆動電圧を減少させるために、基板上の電極２２ｃ、２２ｄをカンチレバー２５の下部まで延長し形成した点が互いに異なる。ミラーを支持するミラー支持台２４と連結されたカンチレバー２５も電極の役割を遂行することができるため、前記のように電極を延長し形成させると、静電気力を発生する電極間の距離が更に近づく結果をもたらす。即ち、図５に示した構造では、ミラーと基板上の電極との間の電位差により静電気力が発生するが、図９Ａに示した構造では、カンチレバー２５と基板上の電極２２ｃまたは２２ｄとの間の電位差によっても静電気力が発生する。ところが、同一の電位差に対しては、電極間の間隔が狭ければ狭いほどより大きな静電気力が発生するため、図９Ａに示したように、カンチレバー２５に対する電極２２ｃまたは２２ｄの配置を変更することにより駆動電圧が減少できる。
【００２６】
図９Ｂは、図９Ａのｃ−ｃ’線に沿う断面図である。
【００２７】
前記マイクロミラーデバイスは、光ネットワーク網において光スイッチング素子とも応用できる。この場合、１つの入力に対し２つの出力方向を形成することができ、１×２光スイッチング素子と具現可能である。
【００２８】
[実施例５]
本発明の第５の実施例によるマイクロミラーデバイスを用いて具現された１×２光スイッチング素子の動作を図１０Ａ及び１０Ｂに示した。前記マイクロミラーデバイスは、両方向に回転可能であり、２通りの回転駆動状態を有する。図１０Ａを参照すると、本発明によるマイクロミラーデバイス３２のミラー２０に入力光ファイバ３４から光が入射する。基板２１上に形成された一方の電極（図示せず）とミラー２０との間に電圧が印加されると、電位差により発生した静電気力によりミラー２０が回転して入射光を第１の出力光ファイバ３６ａに送る。従って、１×２光スイッチング素子３８が具現される。
【００２９】
一方、図１０Ｂを参照すると、基板２１上に形成された他方の電極（図示せず）とミラー２０との間に電圧が印加されると、ミラー２０が、図１０Ａの場合とは反対に回転し、入射光を第２の出力光ファイバ３６ｂに送る。前記１×２光スイッチング素子を複数個連結して使用すると、入力と出力の個数を増加させることもできる。
【００３０】
前記マイクロミラーデバイスは、画像表示装置において１つの画素に該当する役割を遂行することができ、かかる構造のマイクロミラーデバイスを基板に２次元配列すると、非常に高精細な画像表示をすることができる。
【００３１】
[実施例６]
図１１は、本発明の第６の実施例によるマイクロミラーデバイスを用いて具現された画像表示素子の概略的な構成図である。
【００３２】
図１１を参照すると、光源１２０から出た光が２次元マイクロミラーアレイ及び駆動回路１１０に入射する。入射した光は、駆動回路により決まるアドレス電極とミラーとの電位差によるそれぞれのマイクロミラーデバイスの駆動状態に応じて第１の光経路１１２に反射されて進行することもでき、第２の光経路１１４に反射されて進行することもできる。それぞれのマイクロミラーデバイスから反射され、第１の光経路１１２に進行した光は、レンズ１４０を通じてカラーフィルタ１５０を透過し、それぞれ画素に該当する色を呈してスクリーン１６０に画像を表示する。これと逆に、第２の光経路１１４に進行する光は、レンズを通過できず、吸光板１３０で吸収され、これに該当するスクリーンの画素は黒くなる。かかる方法にて前記マイクロミラーデバイスを駆動回路上に２次元配列し、光源１２０及びレンズ１４０、カラーフィルタ１５０等を組み込むと、平板画像表示の一つの方法として使用することができる。前記マイクロミラーデバイスを用いた画像表示方法は、代表的な平板表示器の液晶ディスプレイ装置に比べて大きい光の明暗比を得ることができ、かつマイクロミラーデバイスのサイズが小さいため、高精細な画面を得ることができ、容易に大面積にすることができるという長所を有する。
【００３３】
本発明の互い違いに配置されたカンチレバー支持構造は、超高周波回路のスイッチング素子等に応用できる。
【００３４】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によると、従来の技術に比べてその構造が非常に簡単であって、低廉なマイクロミラーデバイス及びその応用素子を具現することができ、素子が従来より安定した回転状態を示し、素子の誤動作を減らすことができる。
【００３５】
本発明は、前記実施例のみに限定されず、本発明の技術的思想内で当分野における通常の知識を有する者により多くの変更が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の画像表示用マイクロミラーデバイスの概略的な分解斜視図である。
【図２】図１のマイクロミラーデバイスをヒンジの長さ方向の中心線上で切断した断面図である。
【図３】図３Ａ及びＢは、マイクロミラーとアドレス電極との間に電圧がかかる時、ミラーが回転する模様をヒンジの長さ方向の中心線と垂直する線上で切断した断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例による画像表示用マイクロミラーデバイスの概略的な分解斜視図である。
【図５】図４のマイクロミラーデバイスからミラーを取り除いた後、基板上で垂直に見下ろした平面図である。
【図６】図６Ａ及びＢは、本発明の第１の実施例によるマイクロミラーデバイスにおいてミラーが回転駆動する状態を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例によるマイクロミラーデバイスからミラーを取り除いた後、基板上で垂直に見下ろした平面図である。
【図８】図８Ａ及びＢは、本発明の第３の実施例によるマイクロミラーデバイスにおいて採用可能なミラーの形態を示す断面図である。
【図９】図９Ａは、本発明の第４の実施例によるマイクロミラーデバイスにおいて駆動電圧を減らすための電極構造を示す平面図であり、図９Ｂは、本発明の第４の実施例によるマイクロミラーデバイスにおいて駆動電圧を減らすための電極構造を示す断面図である。
【図１０】図１０Ａ及びＢは、本発明の第５の実施例によるマイクロミラーデバイスを用いた１×２光スイッチング素子の動作を説明するための図である。
【図１１】本発明の第６の実施例によるマイクロミラーデバイスを用いて具現された画像表示素子の概略的な構成図である。
【符号の説明】
１０ ヨークアドレス電極
１１ ランディングサイト
１２ アドレス支持台
１３ ミラーアドレス電極
１４ ねじりヒンジ
１５ ヨーク
１６、２４ ミラー支持台
１７、２０ ミラー
２０ａ 下部導電層
２０ｂ 上部金属層
２０ｃ 別の上部金属層
２１ 基板
２２ 電極
２２ａ 電極
２２ｂ 電極
２２ｃ 延長し形成された電極
２２ｄ 延長し形成された電極
２３ 突出支持台
２５ カンチレバー
２５ａ カンチレバー
２５ｂ カンチレバー
３０ レンズ
３２ マイクロミラーデバイス
３４ 入力光ファイバ
３６ａ 第１の出力光ファイバ
３６ｂ 第２の出力光ファイバ
３８ １×２光スイッチング素子
１１０ ２次元マイクロミラーアレイ及び駆動回路
１２０ 光源
１３０ 吸光板
１４０ レンズ
１５０ カラーフィルタ
１６０ スクリーン
Claims (9)
- （ａ）基板と；
（ｂ）前記基板上に所定の間隔をおいて左右２列に突出するように形成された少なくとも３つの突出支持台と；
（ｃ）前記突出支持台のそれぞれの上部に基板と平行に取り付けられて形成され、隣接するもの同士は並んで互い違いに配置された、弾性復元力を有する導電性の薄板からなるカンチレバーと；
（ｄ）前記カンチレバーの他端の上部に取り付けられて形成されるミラー支持台と；
（ｅ）前記ミラー支持台のすべての上部に取り付けられ、これらにより支持される導電性のミラー；及び
（ｆ）前記ミラーに静電気力を与えるために、前記基板上の左右に形成され、前記カンチレバーの下部まで延長形成されて、低い駆動電圧で作動できる２つの電極と；
を備え、前記電極と、前記カンチレバーおよび前記ミラーとの間に印加される電圧による静電気力と前記カンチレバーの弾性復元力によるミラーの両方向の回転を通じて前記ミラーに入射する光を互いに異なる方向に反射させるマイクロミラーデバイス。 - 前記カンチレバーの個数が４個以上の偶数個であり、これらの大きさが、いずれも同一であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
- 前記カンチレバーの個数が３個以上の奇数個であり、最も中央に位置するカンチレバーの幅が残りのカンチレバーの幅に比べて広く、その残りのカンチレバーの幅が互いに同一であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
- 前記ミラーの全体が金属からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
- 前記ミラー構造の全体が導電性物質からなり、光が反射されるミラーの表面が、光反射率の優れた金属にて一重または二重にコーティングされたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
- 光入力手段と；前記光入力手段から出た光を互いに異なる２つの方向に反射させることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーデバイス；及び前記マイクロミラーデバイスから反射光を出力する２つの光出力手段と；を備える１ｘ２光スイッチング素子。
- 前記光入力手段及び出力手段が、いずれも光ファイバからなることを特徴とする請求項７に記載の１ｘ２光スイッチング素子。
- ｎ個の光入力手段と；前記光入力手段のそれぞれから出た光を互いに異なる２つの方向に反射させ、互いにアレイ状に配置されている請求項１に記載のｎ個のマイクロミラーデバイス；及び前記マイクロミラーデバイスのそれぞれから反射光を出力する２ｎ個の光出力手段と；を備えるｎｘ２ｎ光スイッチング素子。
- 光源と；請求項１に記載のマイクロミラーデバイスを２次元アレイ状に配列した２次元マイクロミラーアレイと；前記マイクロミラーアレイに入射した光を選択 的に第１の光経路及び第２の光経路に反射させるために、前記マイクロミラーアレイの電極に電気信号を印加する駆動回路と；前記第１の光経路に反射光が透過 して、それぞれの画素に該当する色を呈するようにするカラーフィルタと；前記カラーフィルタを通った光により画像を表示するスクリーン；及び前記第２の光 経路に反射光を吸収するための吸光板と；を備える画像表示素子。
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