JP4003609B2 - アクチュエータおよび光スイッチング素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスプレイ、プロジェクタ装置などに用いられる光スイッチング素子、および光スイッチング素子を構成するのに適したアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタには、入射光または照明光をドット単位で変調して画像を形成する空間光変調装置、すなわちライトバルブ、が使用されており、そのライトバルブの１つとして、マイクロミラーの角度を変えて光をオンオフするＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）あるいはマイクロミラーデバイスが知られている。このマイクロミラーデバイスは、液晶デバイスより応答速度が速く、明るい画像が得られるので、小型でありながら高輝度で高品質な画像を表示でき、小型のプロジェクタなどの画像表示装置に適している。
【０００３】
マイクロミラーデバイスを用いた画像表示装置の一例を図９に示してある。このプロジェクタ９９は、白色光源９１からの光束７１を回転式のカラーフィルタ９３により時分解し、跳ね上げミラー９４などを用いてマイクロミラーデバイス９５に照射し、マイクロミラーデバイス９５により変調された光束（表示光）７２を投射レンズ９６を介してスクリーン９７に投影する。マイクロミラーデバイス９５は、ドット単位で光を変調することができるマイクロミラーを備えたスイッチング素子が２次元にアレイ状またはマトリクス状に配列されたものである。図１０に、マイクロミラーを用いた光スイッチング素子９８の概要を示してある。この光スイッチング素子９８は、水平な状態から±１０度程度だけ旋回可能なマイクロミラー３０と、それを旋回駆動するためのアクチュエータ４０とを備えている。アクチュエータ４０は、半導体基板４８に作り込まれた駆動回路４９により制御される。
【０００４】
アクチュエータ４０は、半導体基板４８の上に配列された一対の下電極（第２の電極）４２ａおよび４２ｂと、それらの電極４２ａおよび４２ｂの上で、板ばねなどを介して旋回するように支持された駆動エレメント３１とを備えており、駆動エレメント３１の裏面、すなわち、下電極４２ａおよび４２ｂと対峙する位置に上電極（第１の電極）３２が配置されている。そして、上下電極４２ａ、４２ｂおよび３２の間の静電力により駆動エレメント３１を駆動する。この静電駆動型のアクチュエータ４０の制御方法は様々であり、たとえば、上電極３２に一定の電位が印加されているのであれば、第２の電極の下電極４２ａおよび４２ｂに駆動回路４９から異なる電位を印加することにより、上電極３２との間に働く静電力により駆動エレメント３１を所望の方向に旋回させることができる。この例では、駆動エレメント３１の上面が反射面、すなわち、マイクロミラー３０となっているので、駆動エレメント３１と共にマイクロミラー３０が旋回し、入射光７１をスイッチングする。
【０００５】
マイクロミラー３０は、図１０に一点鎖線で示すように、駆動回路４９からの信号によって傾き、斜めに入射した入射光束７１を上方のオン方向に射出光７２として反射する。このため、スイッチング素子９８に対し垂直方向に投射レンズ９６が配置されていれば、マイクロミラー３０により反射された光が投射レンズ９６を通ってスクリーン９７に投影されるので、このスイッチング素子９８の状態がオン状態となる。一方、マイクロミラー３０が反対側に傾くと、マイクロミラー３０で反射した光（無効光）７４はスクリーン９７に投影されないのでオフ状態となる。このようなティルトミラー型のスイッチング素子９８は、アクチュエータ４０を構成する上電極３２と下電極４２ａまたは４２ｂの間に、静電力Ｆを生じさせて駆動エレメント３１を旋回し、それと共にマイクロミラー３０を傾かせて、有効光７２と無効光７４を制御している。このようなマイクロミラーは、例えば特許文献１に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５６００３８３号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このマイクロミラーを用いた光スイッチング素子あるいは光スイッチングデバイスにおいて、駆動電圧Ｖを下げて、消費電力を小さくすることが１つの課題である。すなわち、図１０に示した光スイッチング素子９８においては、一方の電極の組み合わせ、たとえば、上電極３２と下電極４２ａとの組み合わせの静電力Ｆによりマイクロミラー（反射面）３０が傾くと、他方の組み合わせ、上電極３２とした電極４２ｂとの距離が大きくなる。そして、静電力Ｆは、電極間の距離ｄとすると、以下の式（１）に示したように距離ｄの二乗に反比例して小さくなるので所望の静電力Ｆを得ようとすると非常に大きな駆動電圧が要求される。なお、以下の式（１）でＣは定数であり、電極の面積および誘電率を加味した値である。
Ｆ＝Ｃ＊Ｖ／ｄ2 ・・・（１）
したがって、多くのケースでは、駆動エレメント３１をトーションバネなどの弾性体で支持し、弾性体の復元力を用いて駆動エレメント３１の位置を水平に戻し、その位置から静電力Ｆにより駆動エレメント３１を所望の方向に傾けるようにしている。このため、駆動エレメント３１の駆動速度は、電極に信号を印加可能な速度だけでは決まらず、光スイッチング素子９８が備えている特性に大きく左右され、低駆動電圧で駆動速度を向上することは難しい。
【０００８】
さらに、マイクロミラーデバイスにおいて、有効光と無効光を区別しようとすると、マイクロミラー３０の傾き（偏角）θが大きいことが望ましい。しかしながら、大きな偏角θを確保しようとすると、マイクロミラー３０の旋回スペース、すなわち、駆動エレメント３１の旋回スペースを広く確保する必要があり、駆動エレメント３１と基板４８との距離は大きくなる。したがって、電極間距離ｄも大きくなり、駆動エレメント３１を駆動するための駆動電圧Ｖが高くなる。このため、コントラストが大きく、駆動電圧Ｖが低く、低消費電力型のマイクロミラーデバイスを提供することは難しい。
【０００９】
そこで、本発明においては、駆動電圧が低い、低消費電力のマイクロミラーデバイスであって、偏角θを大きく確保でき、コントラストに必要なマイクロミラーの傾きを確保できる光スイッチング素子およびそれに適したアクチュエータを提供することを目的としている。また、アクチュエータの駆動速度が速く、スイッチング速度を上げて解像度を向上できるスイッチング素子を提供することも目的としている。そして、本発明の光スイッチング素子およびそれらが２次元に配列された光スイッチングデバイスにより、コントラストが高く、解像度も高い画像を表示することができるプロジェクタなどの画像表示装置を提供することも本発明の目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、水平な電極ではなく、マイクロミラーの傾きに合わせた電極によりアクチュエータを構成している。すなわち、本発明のアクチュエータは、基板と、その基板の上方で第１の軸を中心に旋回可能な駆動エレメントとを有し、駆動エレメントは、基板に面した第１の電極を備えており、基板は、駆動エレメントに面した第２の電極を備えており、駆動エレメントが平衡な状態において、第１および第２の電極は、これら第１および第２の電極の間隔が第１の軸側から離れるにしたがって大きくなるように形成されていることを特徴としている。上記で説明したように、マイクロミラーデバイスでは、マイクロミラーが軸を中心に旋回するように動く。したがって、軸に近い所は移動距離が小さく、軸から離れるにつれて移動距離が大きくなる。すなわち、マイクロミラーを駆動する駆動エレメントの移動距離は一定ではなく、軸から離れるにつれて移動距離は大きくなる。このため、移動距離が確保できるように傾いた電極を基板、駆動エレメントあるいはその両方に設けることにより、軸に近いところでは電極間距離ｄが小さいアクチュエータを提供することが可能となる。
【００１１】
したがって、本発明のアクチュエータでは、駆動エレメントの軸に近いところでは電極間距離が小さくなるのでアクチュエータを駆動するための駆動電圧Ｖを下げることができる。そして、アクチュエータで駆動されるマイクロミラーを備えたスイッチング素子を駆動するための消費電力も下げることができる。このため、低消費電力の光スイッチングデバイスを提供できる。
【００１２】
本発明のアクチュエータにおいては、第１および第２の電極の間隔が第１の軸側から離れるにしたがって大きくなるように形成されている。したがって、第１の軸から離れた所では電極間距離ｄは低減されない。しかしながら、上述したように静電力Ｆは距離の二乗に反比例する。したがって、第１の軸の近傍で電極間距離ｄが大幅に小さくなるので、静電力Ｆはその距離の二乗に反比例して大きくなり、駆動電圧Ｖを低減できる効果は大きい。さらに、駆動エレメントの旋回角すなわち偏角θが大きくなると、第１の軸から離れた駆動エレメントの周辺では移動距離が大きくなるが、第１の軸の近傍の移動距離はほとんど変わらず、電極間距離ｄもほとんど変わらない。したがって、低駆動電圧で偏角θの大きなアクチュエータを提供できる。このため、駆動電圧Ｖが低く、コントラストの高い光スイッチング素子および光スイッチングデバイスを提供できる。
【００１３】
また、同様のことが、一方の方向に傾いた駆動エレメントを他方の方向に旋回させるときにも言える。すなわち、旋回するときに第１の軸の近傍の移動距離は小さいので、第１の軸の近傍の電極間距離が小さな傾いた電極を採用することが可能であり、それにより、他方の方向に旋回するときの電極間距離が小さくなりアクチュエータの作動速度が向上する。したがって、このアクチュエータによりマイクロミラーを駆動することにより作動速度が速く、解像度の高い光スイッチング素子および光スイッチングデバイスを提供できる。このため、本発明の光スイッチングデバイスを用いて、低消費電力で、コントラストが高く、さらに分解能も高いプロジェクタなどの画像表示装置を提供することが可能となる。
【００１４】
本発明のアクチュエータにおいては、第１の電極および／または第２の電極が傾いていればよいが、駆動エレメント側を傾けようとすると、ある程度の厚みが必要となるので、慣性モーメントが増加し、駆動特性が劣化する要因となる。このため、第２の電極を、第１の軸の近傍が駆動エレメントの方向に高く、第１の軸から離れると低くなる、断面が台形または両テーパにすることが望ましい。そして、第１の電極は、平らにすることが望ましい。具体的には、第２の電極の形状を楔形、逆三角形や台形状することができ、駆動エレメントが最大偏角だけ傾いた状態で、第１および第２の電極が平行になるような角度に設定することが望ましい。
【００１５】
このような電極は、電極自身を楔形や片台形または等脚台形にしても良く、土台となる基板の形状を楔形や片台形または等脚台形に形成してこの土台の斜面に第２の電極を形成しても良い。このような形状は、透過率変調マスクや、異方性エッチングを利用して製造することができる。すなわち、本発明のアクチュエータは、第１の電極を形成する第１の工程と、第２の電極を形成する第２の工程とを有し、少なくとも第１および第２の工程のいずれかにおいては、少なくとも第１の電極および第２の電極のいずれかを透過率変調マスクまたは異方性エッチングを用いて形成する製造方法により製造できる。
【００１６】
さらに、駆動電圧Ｖを低下するためには、第１の軸に沿って、この第１の軸と基板との距離を縮められるように第３の電極を設けることが望ましい。まず、第３の電極により第１の軸と基板との距離を縮め、次に、第１および第２の電極により駆動エレメントの角度を変える制御方法を採用することにより、第１および第２の電極の距離ｄをさらに縮めることが可能となり、駆動電圧Ｖを低減できる。たとえば、基板には、第１の軸に面するように第３の電極を設けることが可能であり、この場合には、第２の電極は、第３の電極の第１の軸に対して外側に位置し、第２の電極は、第１の軸の近傍が駆動エレメントの方向に高く、第１の軸から離れるに低くなる楔形に形成する。そして、第３の電極は、第２の電極の最も高い位置に合わせて配置する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１に示すように、本例のプロジェクタ１は、全体構成は図９に基づき説明したプロジェクタ９９と同様であるが、マイクロミラーデバイス１０は、図２に示すように、端面または断面が等脚台形の土台（サポート）４７によりマイクロミラー３０を支持したスイッチング素子２０ａが２次元にアレイ状またはマトリクス状に配列されたも図３に、本例の光スイッチング素子２０ａの概略構造を模式的に示してある。この光スイッチング素子２０ａは、マイクロミラー３０が水平な状態（平衡な状態）から±１５度程度の範囲で角度を変えて光をスイッチングするスイッチング素子である。
【００１８】
そして、本実施の形態における光スイッチング素子２０ａは、基板４８と、基板４８の上に設けられた土台（サポート）４７と、サポート４７の上に設けられた下電極４２ａおよび４２ｂと、を有している。光スイッチング素子２０ａは、さらに、基板４８の面（図３の紙面と直交する面）に対してほぼ垂直な軸３４ａに沿って立つ１対の支柱３４（図３では一部のみを図示）と、駆動エレメント３５と、を有する。駆動エレメント３５は、図３の紙面に垂直な軸３６の周りで旋回できるように、トーションバネ（不図示）を介して１対の支柱３４に連結されている。
【００１９】
駆動エレメント３５は導電性を有しており、第１の電極３２としても機能する。また、駆動エレメント３５の表面は光反射性を有しており、その表面をマイクロミラー３０と表記する。このような駆動エレメント３５はアルミニウムから形成されている。なお、本実施の形態において、第１の電極３２（本実施の形態における駆動エレメント３５）、下電極４２ａ、および下電極４２ｂをアクチュエータ４０と表記する。
【００２０】
アクチュエータ４０によって、マイクロミラー３０を兼ねた駆動エレメント３５が第１の軸３６を中心に旋回駆動される。さらに、半導体基板４８には、駆動回路４９が作り込まれており、下電極４２ａまたは４２ｂのいずれかに駆動電圧Ｖを供給してマイクロミラー３０を所望の方向に傾ける。
【００２１】
さらに、本例の光スイッチング素子２０ａにおいては、基板４８の上に第１の軸３６に対峙する部分を中心に断面が等脚台形の土台（サポート）４７がシリコン製の絶縁体により形成されている。つまり、サポート４７の形状は、軸３６ａと支柱３４に平行な軸３４ａとを含む、図２に示したような仮想的な面３６ｖに関して対称である。そして、この土台４７の傾斜した斜面４７ａおよび４７ｂのそれぞれに下電極４２ａおよび４２ｂが配置されている。そのため、図３（ａ）に示したように、内側（駆動エレメント３５の旋回軸３６の側）から、外側に向かって基板４８の方向に傾斜（テーパ状）した下電極４２ａおよび４２ｂが形成されており、光スイッチング素子２０ａのマイクロミラー３０が平衡状態（水平な状態）では、上電極３２との下電極４２ａおよび４２ｂとの間隔ｄが、駆動エレメント３５の旋回軸３６から離れるにしたがって大きくなる。すなわち、軸３６に近い内側の間隔（電極間距離）ｄ１に対して、軸３６から離れた周辺の間隔（電極間距離）ｄ２が徐々に大きく異なる。
【００２２】
したがって、周辺部分に対して軸３６に近い位置では、電極間距離ｄ１が非常に小さくなるので、上記の式（１）に示したように、駆動電力Ｖが同じであれば、距離の二乗に反比例する大きな静電力Ｆが作用し、同じ静電力Ｆを得るのであれば駆動電力Ｖを下げることができる。すなわち、従来の水平型の電極を用いたアクチュエータであると、電極間距離は本例の光スイッチング素子２０ａのアクチュエータ４０の周辺部分の距離ｄ２に一定に保たれる。これに対し、本例の光スイッチング素子２０ａのアクチュエータ４０においては、駆動エレメント３５の周辺部では従来と電極間距離が変わらないものの、駆動エレメント３５の中心３６に近づくにつれ電極間距離が小さくなり、静電力Ｆが大きくなる。したがって、駆動電圧Ｖを下げることができ、スイッチングデバイスの消費電力を低減できる。
【００２３】
駆動エレメント３５がどちらかの方向に傾いた状態（オン状態）では、図３（ｂ）に示すように、上電極（第１の電極）３２と下電極４２ａとは平行になり、電極間距離ｄ３は、ほぼ一定になる。一方、図１０に示したような水平型の電極を用いたアクチュエータであると、電極間距離は一定にならず、駆動エレメントの周辺部での電極間の間隔が本例の電極間距離ｄ３と同じ程度に小さくなっても、中心部は離れており、電極間距離は大きい。本実施の形態によれば、オン状態および反対側に傾いたオフ状態のときも、軸３６の近傍の電極間距離は従来のスイッチング素子と比べて小さくなる。距離が小さくなることで従来の装置よりも大きな静電力Ｆ（電極極間距離の二乗に反比例する力）が働くため、オン状態あるいはオフ状態を維持するための駆動電圧Ｖも大幅に低減できる。
【００２４】
さらに、駆動エレメント３５が、平衡状態を経由して下電極４２ａ側に傾いたオン状態になる際に、軸３６の近傍における上電極（第１の電極）３２と他方の下電極４２ｂとの距離ｄ４の変化は、駆動エレメント３５の周囲における上電極３２と下電極４２ｂとの距離の変化に比較して小さい。また、駆動エレメント３５の旋回によって駆動エレメント３５が下電極４２ｂ（または下電極４２ａ）から離れている場合でも、電極間距離ｄ４は図１０に示した水平型の電極を用いたアクチュエータと比較すると短い。このため、オン状態からオフ状態に切り替えるときも、高速で駆動エレメント３５を旋回させることができる。したがって、オン状態からオフ状態、また、オフ状態からオン状態への状態を切り替える速度（処理速度）も向上する。
【００２５】
また、図３から分かるように、マイクロミラー３０の偏角θを大きくしても、マイクロミラー３０の周辺部においては上電極３２と下電極４２ａとの電極間距離ｄ２は広がるが、軸３ｓ６の近傍の電極間距離ｄ１はほとんど広がらない。したがって、コントラストを大きくするためにマイクロミラー３０の偏角θを大きく設定した光スイッチング素子２０ａにおいて、低駆動電圧Ｖで駆動することが可能となる。したがって、コントラストが高く、低消費電力の光スイッチング素子２０ａを提供することができ、本例の光スイッチング素子を用いることにより鮮明な画像を表示できる光スイッチングデバイスおよびそれを用いたプロジェクタを提供できる。
【００２６】
図４（ａ）〜（ｄ）に、本発明のアクチュエータ４０を備えた光スイッチング素子２０が複数配列された光スイッチングデバイス１０を製造する概要を示してある。先ず、図４（ａ）に示すように、駆動回路４９が作り込まれた半導体基板４８の表面に、土台となる絶縁性の部材、例えば約１．０μｍの厚さのシリコン層６１を形成する。このシリコン層６１の表面にフォトレジスト層６２を形成する。そして、別途に作成した透過率変調マスク（グレーマスク）６３を介してレジスト層６２をパターニングする。この透過率変調マスク６３には、下電極４２ａおよび４２ｂの土台４７の台形を形成するように中心の透過率が低く、周囲の透過率の高い透過率変調パターンが光スイッチング素子の単位で形成されており、レジスト層６２を感光することにより、それらの台形のパターンをレジスト層６２に転写することができる。
【００２７】
次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト層６２を介して適当なエッチャント、たとえば、塩素系ガスあるいはフッ素系ガス（Ｃｌ2、ＳＦ6）によりドライエッチングし、シリコン層６１を等脚台形状に形成することにより下電極４２ａおよび４２ｂの土台４７が得られる。土台４７の最も高い部分の高さは、およそ１．０μｍである。この図４（ｂ）の過程は、透過率変調マスクを用いたエッチングの代わりに、ウェットエッチングによりシリコンの異方性エッチングを用いて台形の土台４７を形成することも可能である。
【００２８】
そして、図４（ｃ）に示すように、土台４７の斜面４７ａおよび４７ｂにアルミニウムあるいは他の金属により下電極４２ａおよび４２ｂを形成する。これにより、基板４８の上に台形の土台４７に支持された傾斜した電極が形成される。さらに、約１．５μｍの厚さの犠牲層を挟んでアルミニウムあるいは他の金属による駆動エレメント３５を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術により図４（ｄ）に示すように、支柱３４を形成したうえで素子分離することにより、図３に示したような光スイッチング素子２０ａがマトリクス状に２次元に配列された光スイッチングデバイス１０を製造することができる。土台４７と駆動エレメント３５との間の間隔は、最も狭い個所で約０．５μｍとなる。また、本実施の形態では、駆動エレメント３５は、１０μｍ×１５μｍのサイズである。このような製造方法によって、基板４８によって定義される平面を基準として、＋−約１５度の範囲で旋回可能な駆動エレメント３５が実現できる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図５には、本発明の他のアクチュエータ４０ｂを備えた光スイッチング素子２０ｂを示してある。なお、以下に示す光スイッチング素子は、いずれもマイクロミラーデバイス１０に含まれる光スイッチング素子である。したがって、上記の第１の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
【００３０】
本例の光スイッチング素子２０ｂのアクチュエータ４０ｂは、断面が台形状の土台４７の上面４７ｃに、下電極４２ａおよび４２ｂの間に、中間電極（第３の電極）４３が設けられている。この中間電極４３は、基板４８に、第１の軸（旋回軸）３６に沿って、第１の軸３６に面するように配置されており、傾斜するように設けられた下電極（第２の電極）４２ａおよび４２ｂの上方の位置にほぼ合わせて配置されている。
【００３１】
本例の光スイッチング素子２０ｂは、まず、図５（ａ）に示すように、中間電極４３に駆動電圧Ｖを供給する。これにより、駆動エレメント３５の第１の軸３６に沿った部分が撓んで中間電極４３の方向に引っ張られる。すなわち、中間電極３６と上電極３２の電極間距離ｄ５が縮まる。これにより、上電極３２と下電極４２ａとの距離ｄ１およびｄ２が縮まり、図５（ｂ）に示したように、上電極３２と下電極４２ａとの距離が距離ｄ１´およびｄ２´となり、さらに電極間距離を縮めて本例のアクチュエータ４０ｂを駆動する電圧Ｖを下げることができる。
【００３２】
そして、図５（ｃ）に示すように、駆動エレメント３５が傾いた状態で中間電極４３から駆動電圧Ｖを除去すると、駆動エレメント３５の周辺は下電極４２ａにより引っ張られた状態で駆動エレメント３５の中心、すなわち、中心軸３６は上方に移動し、駆動エレメント３５は所望の角度に傾く。オフ状態に傾ける場合も、先ず、中間電極４３に駆動電圧Ｖを印加することにより、電極間距離ｄ４を縮めることが可能となり、駆動電圧Ｖを下げ、また、作動速度を向上することができる。
【００３３】
（第３の実施の形態）
図６（ａ）および（ｂ）に、本発明のさらに他のアクチュエータ４０ｃを備えた光スイッチング素子２０ｃを模式的に示してある。本例のアクチュエータ４０ｃは、基板４８の上に、支柱３４および駆動エレメント３５の旋回軸３６を挟むように対称な位置に配置された、断面が三角形の一対の下電極（第２の電極）４２ａおよび４２ｂを備えている。すなわち、本例の光スイッチング素子２０ｃにおいては、下電極４２ａおよび４２ｂを断面が三角形の立体的な形状とすることにより、駆動エレメント３５が平衡な状態で、旋回軸３６の近傍の電極間距離ｄ１が小さく、旋回軸３６から離れると電極間距離ｄ２が大きくなるアクチュエータ４０を形成している。本例のように、シリコンなどにより基板４８の上に土台を形成しなくても、電極４２ａおよび４２ｂをテーパな面が形成されるように透過率変調マスクなどを用いて、立体的に形成することにより本発明に係るアクチュエータおよび光スイッチング素子を形成できる。
【００３４】
（第４の実施の形態）
図７（ａ）〜（ｃ）に、本発明のさらに他のアクチュエータ４０ｄを備えた光スイッチング素子２０ｄを示してある。本例のアクチュエータ４０ｄは、基板４８の上に一対の下電極４２ａおよび４２ｂと、これらの間に、中間電極（第３の電極）４３が設けられている。この中間電極４３は、基板４８に、旋回軸３６に面するように配置され、その上面４３ａが下電極（第２の電極）４２ａおよび４２ｂの最も高い位置に合わせて配置されている。したがって、本例の光スイッチング素子２０ｄも、第２の実施の形態と同様に、先ず、図７（ａ）に示すように、中間電極４３を駆動して駆動エレメント３５を引き寄せ、次に、図７（ｂ）に示すように、上電極３２と下電極４２ａとの距離、特に、軸３６の近傍の距離ｄ１が小さくなった状態で、これらの電極３２および４２ａに駆動電圧Ｖを加えて駆動エレメント３５を駆動する。したがって、さらに低い駆動電圧Ｖで駆動エレメント３５を図７（ｃ）に示すようにオン状態にすることができる。
【００３５】
（その他の実施の形態）
図８（ａ）および（ｂ）に、本発明のさらに他のアクチュエータ４０ｅおよび４０ｆを備えた光スイッチング素子２０ｅおよび２０ｆを示してある。アクチュエータ４０ｅは、上記の実施の形態１〜４とは逆に、基板４８には、一対の平坦な下電極４２ａおよび４２ｂを設け、駆動エレメント３５を基板４８に対して断面が逆三角形に形成し、その平坦な上面をマイクロミラー３０としている。逆三角形状の駆動エレメント３５の頂点３５ｔが支柱３４を介して基板４８に対して旋回可能な第１の軸３６となっている。そして、駆動エレメント３５の頂点３５ｔを挟んだ斜面３５ａおよび３５ｂに基板４８に対面する上電極（第１の電極）３２が形成されている。
【００３６】
このような断面が逆三角形の駆動エレメント３５をアルミニウムなどの金属で形成する場合は、上記と同様に、駆動エレメント３５をマイクロミラー３０および上部電極３２として利用することができる。一方、駆動エレメント３５をシリコンなどにより構成することも可能であり、その場合は、それぞれに面にアルミニウムあるいはその他の金属膜を蒸着することによりマイクロミラー３０および上電極３２を形成することができる。
【００３７】
そして、本例の光スイッチング素子２０ｅにおいても、平衡な状態で、軸３６から遠ざかるにつれて電極間距離が大きくなるアクチュエータ４０ｅが構成されている。したがって、上記の実施の形態と同様に、駆動電圧Ｖが低く、コントラストが大きく、さらに作動速度の速い光スイッチング素子を得ることができる。図８（ｂ）に示す光スイッチング素子２０ｆは、駆動エレメント３５の上電極３２および下電極４２ａおよび４２ｂが共に傾いたアクチュエータ４０ｆを備えている。このような光スイッチング素子２０ｆも本発明に含まれ、上記で説明した光スイッチング素子と同様に、旋回軸３６の周囲の電極間距離ｄ１が小さくなり、駆動電圧Ｖを低減できる。
【００３８】
さらに、本発明に含まれる光スイッチング素子は上記の例に限定されるものではない。上記の例では、いずれも駆動エレメントの上面をマイクロミラーとして利用しているが、駆動エレメントとは分離されたマイクロミラーエレメントを駆動エレメントで支持して上記の各光スイッチング素子と同様に駆動することができ、そのような光スイッチング素子も本発明に含まれる。また、上記の例では、下電極４２ａおよび４２、上電極３２ともに斜面（斜辺）が一様に傾斜した例を示しているが、多段階に傾斜させることも可能であるし、高さの異なる階段状の形状により上記と同様に軸から離れるに連れて電極間距離が大きくなるようなアクチュエータを形成することができる。
【００３９】
これらの光スイッチング素子は、単体でも駆動電圧が低く、光をスイッチングするのに有効なものであるが、本発明の光スイッチング素子を２次元にマトリクス状に配置した光スイッチングデバイスは、２次元で光をスイッチングできるので画像を形成することが可能であり、プロジェクタなどの画像表示装置において有用であることは上述したとおりである。さらに、本発明の光スイッチング素子および光スイッチングデバイスは、光プリンタ、光通信の光スイッチング素子などの用途においても有用である。
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、駆動エレメントを旋回駆動するために、その軸の周囲の電極間距離を小さくできるように傾いた、あるいは台形構造、または斜面構造の電極を採用したアクチュエータを提供している。したがって、電極間距離が小さくなるので駆動電圧を下げることが可能となり、低消費電力の光スイッチング素子および光スイッチングデバイスを提供できる。さらに、駆動エレメントの偏角を大きくしても駆動電圧を低く抑えることができるので、高コントラストで低消費電力の光スイッチングデバイスを提供できる。したがって、本発明の光スイッチングデバイスをプロジェクタ用のライトバルブに用いれば、より明るいプロジェクタを提供できる。また、光通信に用いれば、光分離が大きく取れるのでクロストークの低い光スイッチング素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る光スイッチングデバイス（光スイッチング素子）をライトバルブとしたプロジェクタの概要を示す図である。
【図２】 本発明に係る光スイッチング素子がアレイ状に配列された様子を模式的に示す図である。
【図３】 本発明に係るアクチュエータを備えた光スイッチング素子の第１の実施の形態を示す図である。
【図４】 図１に示したアクチュエータの製造プロセスを模式的に示す図である。
【図５】 本発明の異なるアクチュエータを備えた光スイッチング素子の第２の実施の形態を示す図である。
【図６】 本発明のさらに異なるアクチュエータを備えた光スイッチング素子の第３の実施の形態を示す図である。
【図７】 本発明のさらに異なるアクチュエータを備えた光スイッチング素子の第４の実施の形態を示す図である。
【図８】 本発明さらに異なるアクチュエータを備えた光スイッチング素子を示す図である。
【図９】 光スイッチングデバイスを用いたプロジェクタ型の表示装置の概要を示す図である。
【図１０】 従来の光スイッチング素子を示す図である。
【符号の説明】
１ プロジェクタ
１０ 光スイッチングデバイス
２０、２０ａ〜２０ｆ 光スイッチング素子
３０ マイクロミラー
３２ 上電極（第１の電極）
３４ 支柱
３５ 駆動エレメント
３６ 旋回軸（第１の軸）
４０ アクチュエータ
４２ 下電極（第２の電極）
４３ 中間電極（第３の電極）
４７ 土台
４８ 基板
４９ 駆動回路
７１ 入射光
７２ 射出光（有効光）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスプレイ、プロジェクタ装置などに用いられる光スイッチング素子、および光スイッチング素子を構成するのに適したアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタには、入射光または照明光をドット単位で変調して画像を形成する空間光変調装置、すなわちライトバルブ、が使用されており、そのライトバルブの１つとして、マイクロミラーの角度を変えて光をオンオフするＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）あるいはマイクロミラーデバイスが知られている。このマイクロミラーデバイスは、液晶デバイスより応答速度が速く、明るい画像が得られるので、小型でありながら高輝度で高品質な画像を表示でき、小型のプロジェクタなどの画像表示装置に適している。
【０００３】
マイクロミラーデバイスを用いた画像表示装置の一例を図９に示してある。このプロジェクタ９９は、白色光源９１からの光束７１を回転式のカラーフィルタ９３により時分解し、跳ね上げミラー９４などを用いてマイクロミラーデバイス９５に照射し、マイクロミラーデバイス９５により変調された光束（表示光）７２を投射レンズ９６を介してスクリーン９７に投影する。マイクロミラーデバイス９５は、ドット単位で光を変調することができるマイクロミラーを備えたスイッチング素子が２次元にアレイ状またはマトリクス状に配列されたものである。図１０に、マイクロミラーを用いた光スイッチング素子９８の概要を示してある。この光スイッチング素子９８は、水平な状態から±１０度程度だけ旋回可能なマイクロミラー３０と、それを旋回駆動するためのアクチュエータ４０とを備えている。アクチュエータ４０は、半導体基板４８に作り込まれた駆動回路４９により制御される。
【０００４】
アクチュエータ４０は、半導体基板４８の上に配列された一対の下電極（第２の電極）４２ａおよび４２ｂと、それらの電極４２ａおよび４２ｂの上で、板ばねなどを介して旋回するように支持された駆動エレメント３１とを備えており、駆動エレメント３１の裏面、すなわち、下電極４２ａおよび４２ｂと対峙する位置に上電極（第１の電極）３２が配置されている。そして、上下電極４２ａ、４２ｂおよび３２の間の静電力により駆動エレメント３１を駆動する。この静電駆動型のアクチュエータ４０の制御方法は様々であり、たとえば、上電極３２に一定の電位が印加されているのであれば、第２の電極の下電極４２ａおよび４２ｂに駆動回路４９から異なる電位を印加することにより、上電極３２との間に働く静電力により駆動エレメント３１を所望の方向に旋回させることができる。この例では、駆動エレメント３１の上面が反射面、すなわち、マイクロミラー３０となっているので、駆動エレメント３１と共にマイクロミラー３０が旋回し、入射光７１をスイッチングする。
【０００５】
マイクロミラー３０は、図１０に一点鎖線で示すように、駆動回路４９からの信号によって傾き、斜めに入射した入射光束７１を上方のオン方向に射出光７２として反射する。このため、スイッチング素子９８に対し垂直方向に投射レンズ９６が配置されていれば、マイクロミラー３０により反射された光が投射レンズ９６を通ってスクリーン９７に投影されるので、このスイッチング素子９８の状態がオン状態となる。一方、マイクロミラー３０が反対側に傾くと、マイクロミラー３０で反射した光（無効光）７４はスクリーン９７に投影されないのでオフ状態となる。このようなティルトミラー型のスイッチング素子９８は、アクチュエータ４０を構成する上電極３２と下電極４２ａまたは４２ｂの間に、静電力Ｆを生じさせて駆動エレメント３１を旋回し、それと共にマイクロミラー３０を傾かせて、有効光７２と無効光７４を制御している。このようなマイクロミラーは、例えば特許文献１に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５６００３８３号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このマイクロミラーを用いた光スイッチング素子あるいは光スイッチングデバイスにおいて、駆動電圧Ｖを下げて、消費電力を小さくすることが１つの課題である。すなわち、図１０に示した光スイッチング素子９８においては、一方の電極の組み合わせ、たとえば、上電極３２と下電極４２ａとの組み合わせの静電力Ｆによりマイクロミラー（反射面）３０が傾くと、他方の組み合わせ、上電極３２とした電極４２ｂとの距離が大きくなる。そして、静電力Ｆは、電極間の距離ｄとすると、以下の式（１）に示したように距離ｄの二乗に反比例して小さくなるので所望の静電力Ｆを得ようとすると非常に大きな駆動電圧が要求される。なお、以下の式（１）でＣは定数であり、電極の面積および誘電率を加味した値である。
Ｆ＝Ｃ＊Ｖ／ｄ2 ・・・（１）
したがって、多くのケースでは、駆動エレメント３１をトーションバネなどの弾性体で支持し、弾性体の復元力を用いて駆動エレメント３１の位置を水平に戻し、その位置から静電力Ｆにより駆動エレメント３１を所望の方向に傾けるようにしている。このため、駆動エレメント３１の駆動速度は、電極に信号を印加可能な速度だけでは決まらず、光スイッチング素子９８が備えている特性に大きく左右され、低駆動電圧で駆動速度を向上することは難しい。
【０００８】
さらに、マイクロミラーデバイスにおいて、有効光と無効光を区別しようとすると、マイクロミラー３０の傾き（偏角）θが大きいことが望ましい。しかしながら、大きな偏角θを確保しようとすると、マイクロミラー３０の旋回スペース、すなわち、駆動エレメント３１の旋回スペースを広く確保する必要があり、駆動エレメント３１と基板４８との距離は大きくなる。したがって、電極間距離ｄも大きくなり、駆動エレメント３１を駆動するための駆動電圧Ｖが高くなる。このため、コントラストが大きく、駆動電圧Ｖが低く、低消費電力型のマイクロミラーデバイスを提供することは難しい。
【０００９】
そこで、本発明においては、駆動電圧が低い、低消費電力のマイクロミラーデバイスであって、偏角θを大きく確保でき、コントラストに必要なマイクロミラーの傾きを確保できる光スイッチング素子およびそれに適したアクチュエータを提供することを目的としている。また、アクチュエータの駆動速度が速く、スイッチング速度を上げて解像度を向上できるスイッチング素子を提供することも目的としている。そして、本発明の光スイッチング素子およびそれらが２次元に配列された光スイッチングデバイスにより、コントラストが高く、解像度も高い画像を表示することができるプロジェクタなどの画像表示装置を提供することも本発明の目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、水平な電極ではなく、マイクロミラーの傾きに合わせた電極によりアクチュエータを構成している。すなわち、本発明のアクチュエータは、基板と、その基板の上方で第１の軸を中心に旋回可能な駆動エレメントとを有し、駆動エレメントは、基板に面した第１の電極を備えており、基板は、駆動エレメントに面した第２の電極を備えており、駆動エレメントが平衡な状態において、第１および第２の電極は、これら第１および第２の電極の間隔が第１の軸側から離れるにしたがって大きくなるように形成されていることを特徴としている。上記で説明したように、マイクロミラーデバイスでは、マイクロミラーが軸を中心に旋回するように動く。したがって、軸に近い所は移動距離が小さく、軸から離れるにつれて移動距離が大きくなる。すなわち、マイクロミラーを駆動する駆動エレメントの移動距離は一定ではなく、軸から離れるにつれて移動距離は大きくなる。このため、移動距離が確保できるように傾いた電極を基板、駆動エレメントあるいはその両方に設けることにより、軸に近いところでは電極間距離ｄが小さいアクチュエータを提供することが可能となる。
【００１１】
したがって、本発明のアクチュエータでは、駆動エレメントの軸に近いところでは電極間距離が小さくなるのでアクチュエータを駆動するための駆動電圧Ｖを下げることができる。そして、アクチュエータで駆動されるマイクロミラーを備えたスイッチング素子を駆動するための消費電力も下げることができる。このため、低消費電力の光スイッチングデバイスを提供できる。
【００１２】
本発明のアクチュエータにおいては、第１および第２の電極の間隔が第１の軸側から離れるにしたがって大きくなるように形成されている。したがって、第１の軸から離れた所では電極間距離ｄは低減されない。しかしながら、上述したように静電力Ｆは距離の二乗に反比例する。したがって、第１の軸の近傍で電極間距離ｄが大幅に小さくなるので、静電力Ｆはその距離の二乗に反比例して大きくなり、駆動電圧Ｖを低減できる効果は大きい。さらに、駆動エレメントの旋回角すなわち偏角θが大きくなると、第１の軸から離れた駆動エレメントの周辺では移動距離が大きくなるが、第１の軸の近傍の移動距離はほとんど変わらず、電極間距離ｄもほとんど変わらない。したがって、低駆動電圧で偏角θの大きなアクチュエータを提供できる。このため、駆動電圧Ｖが低く、コントラストの高い光スイッチング素子および光スイッチングデバイスを提供できる。
【００１３】
また、同様のことが、一方の方向に傾いた駆動エレメントを他方の方向に旋回させるときにも言える。すなわち、旋回するときに第１の軸の近傍の移動距離は小さいので、第１の軸の近傍の電極間距離が小さな傾いた電極を採用することが可能であり、それにより、他方の方向に旋回するときの電極間距離が小さくなりアクチュエータの作動速度が向上する。したがって、このアクチュエータによりマイクロミラーを駆動することにより作動速度が速く、解像度の高い光スイッチング素子および光スイッチングデバイスを提供できる。このため、本発明の光スイッチングデバイスを用いて、低消費電力で、コントラストが高く、さらに分解能も高いプロジェクタなどの画像表示装置を提供することが可能となる。
【００１４】
本発明のアクチュエータにおいては、第１の電極および／または第２の電極が傾いていればよいが、駆動エレメント側を傾けようとすると、ある程度の厚みが必要となるので、慣性モーメントが増加し、駆動特性が劣化する要因となる。このため、第２の電極を、第１の軸の近傍が駆動エレメントの方向に高く、第１の軸から離れると低くなる、断面が台形または両テーパにすることが望ましい。そして、第１の電極は、平らにすることが望ましい。具体的には、第２の電極の形状を楔形、逆三角形や台形状することができ、駆動エレメントが最大偏角だけ傾いた状態で、第１および第２の電極が平行になるような角度に設定することが望ましい。
【００１５】
このような電極は、電極自身を楔形や片台形または等脚台形にしても良く、土台となる基板の形状を楔形や片台形または等脚台形に形成してこの土台の斜面に第２の電極を形成しても良い。このような形状は、透過率変調マスクや、異方性エッチングを利用して製造することができる。すなわち、本発明のアクチュエータは、第１の電極を形成する第１の工程と、第２の電極を形成する第２の工程とを有し、少なくとも第１および第２の工程のいずれかにおいては、少なくとも第１の電極および第２の電極のいずれかを透過率変調マスクまたは異方性エッチングを用いて形成する製造方法により製造できる。
【００１６】
さらに、駆動電圧Ｖを低下するためには、第１の軸に沿って、この第１の軸と基板との距離を縮められるように第３の電極を設けることが望ましい。まず、第３の電極により第１の軸と基板との距離を縮め、次に、第１および第２の電極により駆動エレメントの角度を変える制御方法を採用することにより、第１および第２の電極の距離ｄをさらに縮めることが可能となり、駆動電圧Ｖを低減できる。たとえば、基板には、第１の軸に面するように第３の電極を設けることが可能であり、この場合には、第２の電極は、第３の電極の第１の軸に対して外側に位置し、第２の電極は、第１の軸の近傍が駆動エレメントの方向に高く、第１の軸から離れるに低くなる楔形に形成する。そして、第３の電極は、第２の電極の最も高い位置に合わせて配置する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１に示すように、本例のプロジェクタ１は、全体構成は図９に基づき説明したプロジェクタ９９と同様であるが、マイクロミラーデバイス１０は、図２に示すように、端面または断面が等脚台形の土台（サポート）４７によりマイクロミラー３０を支持したスイッチング素子２０ａが２次元にアレイ状またはマトリクス状に配列されたも図３に、本例の光スイッチング素子２０ａの概略構造を模式的に示してある。この光スイッチング素子２０ａは、マイクロミラー３０が水平な状態（平衡な状態）から±１５度程度の範囲で角度を変えて光をスイッチングするスイッチング素子である。
【００１８】
そして、本実施の形態における光スイッチング素子２０ａは、基板４８と、基板４８の上に設けられた土台（サポート）４７と、サポート４７の上に設けられた下電極４２ａおよび４２ｂと、を有している。光スイッチング素子２０ａは、さらに、基板４８の面（図３の紙面と直交する面）に対してほぼ垂直な軸３４ａに沿って立つ１対の支柱３４（図３では一部のみを図示）と、駆動エレメント３５と、を有する。駆動エレメント３５は、図３の紙面に垂直な軸３６の周りで旋回できるように、トーションバネ（不図示）を介して１対の支柱３４に連結されている。
【００１９】
駆動エレメント３５は導電性を有しており、第１の電極３２としても機能する。また、駆動エレメント３５の表面は光反射性を有しており、その表面をマイクロミラー３０と表記する。このような駆動エレメント３５はアルミニウムから形成されている。なお、本実施の形態において、第１の電極３２（本実施の形態における駆動エレメント３５）、下電極４２ａ、および下電極４２ｂをアクチュエータ４０と表記する。
【００２０】
アクチュエータ４０によって、マイクロミラー３０を兼ねた駆動エレメント３５が第１の軸３６を中心に旋回駆動される。さらに、半導体基板４８には、駆動回路４９が作り込まれており、下電極４２ａまたは４２ｂのいずれかに駆動電圧Ｖを供給してマイクロミラー３０を所望の方向に傾ける。
【００２１】
さらに、本例の光スイッチング素子２０ａにおいては、基板４８の上に第１の軸３６に対峙する部分を中心に断面が等脚台形の土台（サポート）４７がシリコン製の絶縁体により形成されている。つまり、サポート４７の形状は、軸３６ａと支柱３４に平行な軸３４ａとを含む、図２に示したような仮想的な面３６ｖに関して対称である。そして、この土台４７の傾斜した斜面４７ａおよび４７ｂのそれぞれに下電極４２ａおよび４２ｂが配置されている。そのため、図３（ａ）に示したように、内側（駆動エレメント３５の旋回軸３６の側）から、外側に向かって基板４８の方向に傾斜（テーパ状）した下電極４２ａおよび４２ｂが形成されており、光スイッチング素子２０ａのマイクロミラー３０が平衡状態（水平な状態）では、上電極３２との下電極４２ａおよび４２ｂとの間隔ｄが、駆動エレメント３５の旋回軸３６から離れるにしたがって大きくなる。すなわち、軸３６に近い内側の間隔（電極間距離）ｄ１に対して、軸３６から離れた周辺の間隔（電極間距離）ｄ２が徐々に大きく異なる。
【００２２】
したがって、周辺部分に対して軸３６に近い位置では、電極間距離ｄ１が非常に小さくなるので、上記の式（１）に示したように、駆動電力Ｖが同じであれば、距離の二乗に反比例する大きな静電力Ｆが作用し、同じ静電力Ｆを得るのであれば駆動電力Ｖを下げることができる。すなわち、従来の水平型の電極を用いたアクチュエータであると、電極間距離は本例の光スイッチング素子２０ａのアクチュエータ４０の周辺部分の距離ｄ２に一定に保たれる。これに対し、本例の光スイッチング素子２０ａのアクチュエータ４０においては、駆動エレメント３５の周辺部では従来と電極間距離が変わらないものの、駆動エレメント３５の中心３６に近づくにつれ電極間距離が小さくなり、静電力Ｆが大きくなる。したがって、駆動電圧Ｖを下げることができ、スイッチングデバイスの消費電力を低減できる。
【００２３】
駆動エレメント３５がどちらかの方向に傾いた状態（オン状態）では、図３（ｂ）に示すように、上電極（第１の電極）３２と下電極４２ａとは平行になり、電極間距離ｄ３は、ほぼ一定になる。一方、図１０に示したような水平型の電極を用いたアクチュエータであると、電極間距離は一定にならず、駆動エレメントの周辺部での電極間の間隔が本例の電極間距離ｄ３と同じ程度に小さくなっても、中心部は離れており、電極間距離は大きい。本実施の形態によれば、オン状態および反対側に傾いたオフ状態のときも、軸３６の近傍の電極間距離は従来のスイッチング素子と比べて小さくなる。距離が小さくなることで従来の装置よりも大きな静電力Ｆ（電極極間距離の二乗に反比例する力）が働くため、オン状態あるいはオフ状態を維持するための駆動電圧Ｖも大幅に低減できる。
【００２４】
さらに、駆動エレメント３５が、平衡状態を経由して下電極４２ａ側に傾いたオン状態になる際に、軸３６の近傍における上電極（第１の電極）３２と他方の下電極４２ｂとの距離ｄ４の変化は、駆動エレメント３５の周囲における上電極３２と下電極４２ｂとの距離の変化に比較して小さい。また、駆動エレメント３５の旋回によって駆動エレメント３５が下電極４２ｂ（または下電極４２ａ）から離れている場合でも、電極間距離ｄ４は図１０に示した水平型の電極を用いたアクチュエータと比較すると短い。このため、オン状態からオフ状態に切り替えるときも、高速で駆動エレメント３５を旋回させることができる。したがって、オン状態からオフ状態、また、オフ状態からオン状態への状態を切り替える速度（処理速度）も向上する。
【００２５】
また、図３から分かるように、マイクロミラー３０の偏角θを大きくしても、マイクロミラー３０の周辺部においては上電極３２と下電極４２ａとの電極間距離ｄ２は広がるが、軸３ｓ６の近傍の電極間距離ｄ１はほとんど広がらない。したがって、コントラストを大きくするためにマイクロミラー３０の偏角θを大きく設定した光スイッチング素子２０ａにおいて、低駆動電圧Ｖで駆動することが可能となる。したがって、コントラストが高く、低消費電力の光スイッチング素子２０ａを提供することができ、本例の光スイッチング素子を用いることにより鮮明な画像を表示できる光スイッチングデバイスおよびそれを用いたプロジェクタを提供できる。
【００２６】
図４（ａ）〜（ｄ）に、本発明のアクチュエータ４０を備えた光スイッチング素子２０が複数配列された光スイッチングデバイス１０を製造する概要を示してある。先ず、図４（ａ）に示すように、駆動回路４９が作り込まれた半導体基板４８の表面に、土台となる絶縁性の部材、例えば約１．０μｍの厚さのシリコン層６１を形成する。このシリコン層６１の表面にフォトレジスト層６２を形成する。そして、別途に作成した透過率変調マスク（グレーマスク）６３を介してレジスト層６２をパターニングする。この透過率変調マスク６３には、下電極４２ａおよび４２ｂの土台４７の台形を形成するように中心の透過率が低く、周囲の透過率の高い透過率変調パターンが光スイッチング素子の単位で形成されており、レジスト層６２を感光することにより、それらの台形のパターンをレジスト層６２に転写することができる。
【００２７】
次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト層６２を介して適当なエッチャント、たとえば、塩素系ガスあるいはフッ素系ガス（Ｃｌ2、ＳＦ6）によりドライエッチングし、シリコン層６１を等脚台形状に形成することにより下電極４２ａおよび４２ｂの土台４７が得られる。土台４７の最も高い部分の高さは、およそ１．０μｍである。この図４（ｂ）の過程は、透過率変調マスクを用いたエッチングの代わりに、ウェットエッチングによりシリコンの異方性エッチングを用いて台形の土台４７を形成することも可能である。
【００２８】
そして、図４（ｃ）に示すように、土台４７の斜面４７ａおよび４７ｂにアルミニウムあるいは他の金属により下電極４２ａおよび４２ｂを形成する。これにより、基板４８の上に台形の土台４７に支持された傾斜した電極が形成される。さらに、約１．５μｍの厚さの犠牲層を挟んでアルミニウムあるいは他の金属による駆動エレメント３５を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術により図４（ｄ）に示すように、支柱３４を形成したうえで素子分離することにより、図３に示したような光スイッチング素子２０ａがマトリクス状に２次元に配列された光スイッチングデバイス１０を製造することができる。土台４７と駆動エレメント３５との間の間隔は、最も狭い個所で約０．５μｍとなる。また、本実施の形態では、駆動エレメント３５は、１０μｍ×１５μｍのサイズである。このような製造方法によって、基板４８によって定義される平面を基準として、＋−約１５度の範囲で旋回可能な駆動エレメント３５が実現できる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図５には、本発明の他のアクチュエータ４０ｂを備えた光スイッチング素子２０ｂを示してある。なお、以下に示す光スイッチング素子は、いずれもマイクロミラーデバイス１０に含まれる光スイッチング素子である。したがって、上記の第１の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
【００３０】
本例の光スイッチング素子２０ｂのアクチュエータ４０ｂは、断面が台形状の土台４７の上面４７ｃに、下電極４２ａおよび４２ｂの間に、中間電極（第３の電極）４３が設けられている。この中間電極４３は、基板４８に、第１の軸（旋回軸）３６に沿って、第１の軸３６に面するように配置されており、傾斜するように設けられた下電極（第２の電極）４２ａおよび４２ｂの上方の位置にほぼ合わせて配置されている。
【００３１】
本例の光スイッチング素子２０ｂは、まず、図５（ａ）に示すように、中間電極４３に駆動電圧Ｖを供給する。これにより、駆動エレメント３５の第１の軸３６に沿った部分が撓んで中間電極４３の方向に引っ張られる。すなわち、中間電極３６と上電極３２の電極間距離ｄ５が縮まる。これにより、上電極３２と下電極４２ａとの距離ｄ１およびｄ２が縮まり、図５（ｂ）に示したように、上電極３２と下電極４２ａとの距離が距離ｄ１´およびｄ２´となり、さらに電極間距離を縮めて本例のアクチュエータ４０ｂを駆動する電圧Ｖを下げることができる。
【００３２】
そして、図５（ｃ）に示すように、駆動エレメント３５が傾いた状態で中間電極４３から駆動電圧Ｖを除去すると、駆動エレメント３５の周辺は下電極４２ａにより引っ張られた状態で駆動エレメント３５の中心、すなわち、中心軸３６は上方に移動し、駆動エレメント３５は所望の角度に傾く。オフ状態に傾ける場合も、先ず、中間電極４３に駆動電圧Ｖを印加することにより、電極間距離ｄ４を縮めることが可能となり、駆動電圧Ｖを下げ、また、作動速度を向上することができる。
【００３３】
（第３の実施の形態）
図６（ａ）および（ｂ）に、本発明のさらに他のアクチュエータ４０ｃを備えた光スイッチング素子２０ｃを模式的に示してある。本例のアクチュエータ４０ｃは、基板４８の上に、支柱３４および駆動エレメント３５の旋回軸３６を挟むように対称な位置に配置された、断面が三角形の一対の下電極（第２の電極）４２ａおよび４２ｂを備えている。すなわち、本例の光スイッチング素子２０ｃにおいては、下電極４２ａおよび４２ｂを断面が三角形の立体的な形状とすることにより、駆動エレメント３５が平衡な状態で、旋回軸３６の近傍の電極間距離ｄ１が小さく、旋回軸３６から離れると電極間距離ｄ２が大きくなるアクチュエータ４０を形成している。本例のように、シリコンなどにより基板４８の上に土台を形成しなくても、電極４２ａおよび４２ｂをテーパな面が形成されるように透過率変調マスクなどを用いて、立体的に形成することにより本発明に係るアクチュエータおよび光スイッチング素子を形成できる。
【００３４】
（第４の実施の形態）
図７（ａ）〜（ｃ）に、本発明のさらに他のアクチュエータ４０ｄを備えた光スイッチング素子２０ｄを示してある。本例のアクチュエータ４０ｄは、基板４８の上に一対の下電極４２ａおよび４２ｂと、これらの間に、中間電極（第３の電極）４３が設けられている。この中間電極４３は、基板４８に、旋回軸３６に面するように配置され、その上面４３ａが下電極（第２の電極）４２ａおよび４２ｂの最も高い位置に合わせて配置されている。したがって、本例の光スイッチング素子２０ｄも、第２の実施の形態と同様に、先ず、図７（ａ）に示すように、中間電極４３を駆動して駆動エレメント３５を引き寄せ、次に、図７（ｂ）に示すように、上電極３２と下電極４２ａとの距離、特に、軸３６の近傍の距離ｄ１が小さくなった状態で、これらの電極３２および４２ａに駆動電圧Ｖを加えて駆動エレメント３５を駆動する。したがって、さらに低い駆動電圧Ｖで駆動エレメント３５を図７（ｃ）に示すようにオン状態にすることができる。
【００３５】
（その他の実施の形態）
図８（ａ）および（ｂ）に、本発明のさらに他のアクチュエータ４０ｅおよび４０ｆを備えた光スイッチング素子２０ｅおよび２０ｆを示してある。アクチュエータ４０ｅは、上記の実施の形態１〜４とは逆に、基板４８には、一対の平坦な下電極４２ａおよび４２ｂを設け、駆動エレメント３５を基板４８に対して断面が逆三角形に形成し、その平坦な上面をマイクロミラー３０としている。逆三角形状の駆動エレメント３５の頂点３５ｔが支柱３４を介して基板４８に対して旋回可能な第１の軸３６となっている。そして、駆動エレメント３５の頂点３５ｔを挟んだ斜面３５ａおよび３５ｂに基板４８に対面する上電極（第１の電極）３２が形成されている。
【００３６】
このような断面が逆三角形の駆動エレメント３５をアルミニウムなどの金属で形成する場合は、上記と同様に、駆動エレメント３５をマイクロミラー３０および上部電極３２として利用することができる。一方、駆動エレメント３５をシリコンなどにより構成することも可能であり、その場合は、それぞれに面にアルミニウムあるいはその他の金属膜を蒸着することによりマイクロミラー３０および上電極３２を形成することができる。
【００３７】
そして、本例の光スイッチング素子２０ｅにおいても、平衡な状態で、軸３６から遠ざかるにつれて電極間距離が大きくなるアクチュエータ４０ｅが構成されている。したがって、上記の実施の形態と同様に、駆動電圧Ｖが低く、コントラストが大きく、さらに作動速度の速い光スイッチング素子を得ることができる。図８（ｂ）に示す光スイッチング素子２０ｆは、駆動エレメント３５の上電極３２および下電極４２ａおよび４２ｂが共に傾いたアクチュエータ４０ｆを備えている。このような光スイッチング素子２０ｆも本発明に含まれ、上記で説明した光スイッチング素子と同様に、旋回軸３６の周囲の電極間距離ｄ１が小さくなり、駆動電圧Ｖを低減できる。
【００３８】
さらに、本発明に含まれる光スイッチング素子は上記の例に限定されるものではない。上記の例では、いずれも駆動エレメントの上面をマイクロミラーとして利用しているが、駆動エレメントとは分離されたマイクロミラーエレメントを駆動エレメントで支持して上記の各光スイッチング素子と同様に駆動することができ、そのような光スイッチング素子も本発明に含まれる。また、上記の例では、下電極４２ａおよび４２、上電極３２ともに斜面（斜辺）が一様に傾斜した例を示しているが、多段階に傾斜させることも可能であるし、高さの異なる階段状の形状により上記と同様に軸から離れるに連れて電極間距離が大きくなるようなアクチュエータを形成することができる。
【００３９】
これらの光スイッチング素子は、単体でも駆動電圧が低く、光をスイッチングするのに有効なものであるが、本発明の光スイッチング素子を２次元にマトリクス状に配置した光スイッチングデバイスは、２次元で光をスイッチングできるので画像を形成することが可能であり、プロジェクタなどの画像表示装置において有用であることは上述したとおりである。さらに、本発明の光スイッチング素子および光スイッチングデバイスは、光プリンタ、光通信の光スイッチング素子などの用途においても有用である。
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、駆動エレメントを旋回駆動するために、その軸の周囲の電極間距離を小さくできるように傾いた、あるいは台形構造、または斜面構造の電極を採用したアクチュエータを提供している。したがって、電極間距離が小さくなるので駆動電圧を下げることが可能となり、低消費電力の光スイッチング素子および光スイッチングデバイスを提供できる。さらに、駆動エレメントの偏角を大きくしても駆動電圧を低く抑えることができるので、高コントラストで低消費電力の光スイッチングデバイスを提供できる。したがって、本発明の光スイッチングデバイスをプロジェクタ用のライトバルブに用いれば、より明るいプロジェクタを提供できる。また、光通信に用いれば、光分離が大きく取れるのでクロストークの低い光スイッチング素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る光スイッチングデバイス（光スイッチング素子）をライトバルブとしたプロジェクタの概要を示す図である。
【図２】 本発明に係る光スイッチング素子がアレイ状に配列された様子を模式的に示す図である。
【図３】 本発明に係るアクチュエータを備えた光スイッチング素子の第１の実施の形態を示す図である。
【図４】 図１に示したアクチュエータの製造プロセスを模式的に示す図である。
【図５】 本発明の異なるアクチュエータを備えた光スイッチング素子の第２の実施の形態を示す図である。
【図６】 本発明のさらに異なるアクチュエータを備えた光スイッチング素子の第３の実施の形態を示す図である。
【図７】 本発明のさらに異なるアクチュエータを備えた光スイッチング素子の第４の実施の形態を示す図である。
【図８】 本発明さらに異なるアクチュエータを備えた光スイッチング素子を示す図である。
【図９】 光スイッチングデバイスを用いたプロジェクタ型の表示装置の概要を示す図である。
【図１０】 従来の光スイッチング素子を示す図である。
【符号の説明】
１ プロジェクタ
１０ 光スイッチングデバイス
２０、２０ａ〜２０ｆ 光スイッチング素子
３０ マイクロミラー
３２ 上電極（第１の電極）
３４ 支柱
３５ 駆動エレメント
３６ 旋回軸（第１の軸）
４０ アクチュエータ
４２ 下電極（第２の電極）
４３ 中間電極（第３の電極）
４７ 土台
４８ 基板
４９ 駆動回路
７１ 入射光
７２ 射出光（有効光）
Claims (8)
- 基板と、その基板の上方で第１の軸を中心に旋回可能な駆動エレメントとを有し、
前記駆動エレメントは、前記基板に面した第１の電極を備えており、
前記基板は、前記駆動エレメントに面した第２の電極を備えており、
前記駆動エレメントが平衡な状態において、前記第１および第２の電極は、これら第１および第２の電極の間隔が前記第１の軸側から離れるにしたがって大きくなるように形成されており、
前記基板は、前記第１の軸に面するように配置された第３の電極を備え、
前記第２の電極は、前記第３の電極の前記第１の軸に対して外側に位置し、
前記第２の電極は、前記第１の軸の近傍が前記駆動エレメントの方向に高く、前記第１の軸から離れるにしたがって低くなる楔形であり、
前記第３の電極は、前記第２の電極の最も高い位置に合わせて配置されており、
前記第３の電極に駆動電圧を供給することによって前記駆動エレメントが前記基板に対して引き寄せられ、
第２の電極に駆動電圧を供給することによって前記基板に対して引き寄せられた前記駆動エレメントを旋回させるアクチュエータ。 - 請求項１において、前記第２の電極は、前記第１の軸の近傍が前記駆動エレメントの方向に高く、前記第１の軸から離れると低くなる、断面が台形または両テーパであるアクチュエータ。
- 請求項２において、前記駆動エレメントが平衡な状態の場合に前記第１の電極の面は前記基板の面に平行であるアクチュエータ。
- 請求項１ないし５のいずれかに記載のアクチュエータと、
前記駆動エレメントにより駆動されるマイクロミラーとを有する光スイッチング素子。 - 請求項６に記載の光スイッチング素子を複数有し、それらの光スイッチング素子が２次元に配置されている光スイッチングデバイス。
- 請求項７に記載の光スイッチングデバイスと、その光スイッチングデバイスに照明光を照射する光源と、前記光スイッチングデバイスにより反射された光をスクリーンに投影する投射レンズとを有するプロジェクタ。
- 基板と、その基板の上方で第１の軸を中心に旋回可能な駆動エレメントとを有し、前記駆動エレメントは、前記基板に面した第１の電極を備えており、前記基板は、前記駆動エレメントに面した第２の電極を備えており、前記駆動エレメントが平衡な状態において、前記第１および第２の電極は、これら第１および第２の電極の間隔が前記第１の軸側から離れるにしたがって大きくなるように形成され、さらに、前記基板は、前記第１の軸に面するように配置された第３の電極を備え、前記第２の電極は、前記第３の電極の前記第１の軸に対して外側に位置し、前記第２の電極は、前記第１の軸の近傍が前記駆動エレメントの方向に高く、前記第１の軸から離れるにしたがって低くなる楔形であり、前記第３の電極は、前記第２の電極の最も高い位置に合わせて配置されているアクチュエータの制御方法であって、
前記第３の電極により前記第１の軸と前記基板との距離を縮める工程と、
その後、前記第１および第２の電極により前記駆動エレメントの角度を変える工程とを有するアクチュエータの制御方法。 - 基板と、その基板の上方で第１の軸を中心に旋回可能な駆動エレメントと、この駆動エレメントにより駆動されるマイクロミラーとを有し、前記駆動エレメントは、前記基板に面した第１の電極を備えており、前記基板は、前記駆動エレメントに面した第２の電極を備えており、前記駆動エレメントが平衡な状態において、前記第１および第２の電極は、これら第１および第２の電極の間隔が前記第１の軸側から離れるにしたがって大きくなるように形成され、さらに、前記基板は、前記第１の軸に面するように配置された第３の電極を備え、前記第２の電極は、前記第３の電極の前記第１の軸に対して外側に位置し、前記第２の電極は、前記第１の軸の近傍が前記駆動エレメントの方向に高 く、前記第１の軸から離れるにしたがって低くなる楔形であり、前記第３の電極は、前記第２の電極の最も高い位置に合わせて配置されている光スイッチング素子の制御方法であって、
前記第３の電極により前記第１の軸と前記基板との距離を縮める工程と、
その後、前記第１および第２の電極により前記マイクロミラーの角度を変える工程とを有する光スイッチング素子の制御方法。
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