JP4810154B2 - 微小電気機械素子の駆動方法、微小電気機械素子アレイ及び画像形成装置 - Google Patents

微小電気機械素子の駆動方法、微小電気機械素子アレイ及び画像形成装置 Download PDF

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Description

本発明は、微小電気機械素子の駆動方法及び微小電気機械素子アレイに関し、特に消費電力が少なく且つ高速サイクルでの作動が可能な微小電気機械素子の駆動方法及び微小電気機械素子アレイに関する。
近年、MEMS技術(MEMS ; Micro-Electro Mechanical systems)の急速な進歩により、μmオーダーの微小機械素子を電気的に変位・移動させる微小電気機械素子の開発が盛んに行われている。この微小電気機械素子には、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)や、光路を切り換える光スイッチなどがある。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の広い用途に用いられる。また、光スイッチは、光通信、光インタコネクション(並列コンピュータにおける相互結合網など光による信号接続技術)、光情報処理(光演算による情報処理)などへの応用が期待されている。
DMD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は、下記特許文献１の記載がある。この従来の駆動方法を図２３〜図２５を参照して説明する。図２３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を揺動中心として左右に揺動可能となっている。ヒンジ６には、該ヒンジ６を挟んで左右に電極膜７，８が一体に形成されると共に、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Ｖa1=５Ｖ、固定電極膜１０にアドレス電圧Ｖa2=０Ｖ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Ｖa1=０Ｖ，固定電極膜１０にアドレス電圧Ｖa2=５Ｖ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＋１０°傾いた状態を示す。
このような可動ミラー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することが可能となる。しかし、複数のミラーを独立して且つ同時に同方向又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２４、図２５で説明する。
図２４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２４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Ｖa1、Ｖa2は、各可動ミラー２，３ごとに制御し、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２５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Ｚａ,Ｚｂ，Ｚｃ，Ｚｄ，Ｚｅに分けるとすると、先ずゾーンＺａでは、バイアス電圧Ｖb=２４Ｖとし、ゾーンＺｂではＶb=−２６Ｖとする。次のゾーンＺｃではＶb=７．５Ｖとし、ゾーンＺｄではＶb=２４Ｖに戻し、ゾーンＺｅではバイアス電圧Ｖb=２４Ｖに保つ。
ゾーンＺａでは、アドレス電圧Ｖa1、Ｖa2を０Ｖ又は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Ｖa1を５Ｖとし、反対側の電極膜１０への印加電圧Ｖa2を０Ｖとする。また、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Ｖa2を５Ｖとし、反対側の電極膜９への印加電圧Ｖa1を０Ｖとする。このため、アドレス電圧Ｖa1、Ｖa2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２４の左側(クロスオーバー側)に示す様に、ゾーンＺｂ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。なお、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Ｚｃでバイアス電圧Ｖb=７．５Ｖになるとき、固定電極膜９への印加電圧をＶa1=７．５Ｖとする。これにより、電極膜７，９間の電圧差DV=０となり、電極膜８，１０間の電圧差DV=７．５Ｖとなる。これにより、電極膜８，１０間に静電気力が発生するが、ゾーンＺｂにおける電極膜７の弾性変形による反発力が静電気力に加わって電極膜７が電極膜９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Ｚｄでバイアス電圧Ｖb=２４Ｖになると、電極膜７，９間の電圧差DV=１６．５Ｖ、電極膜８，１０間の電圧差DV=２４Ｖとなり、電極膜８，１０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Ｚｅでは、可動ミラー２の電極膜７がアドレス電極膜１０に衝突することになる。この時、アドレス電極膜９への印加電圧をＶa1=５Ｖとする。可動ミラー２はこの衝突によって図２５のCrossover曲線に示す様に振動し、次第に減衰して安定状態に入って反対側への傾動動作が終了する。
可動ミラー２を図２４の右側(ステイ側)の状態にするには、図２４の枠内右側の上段に示す様に、固定電極膜９への印加電圧をＶa1=０Ｖとする(ゾーンＺａ)。次のゾーンＺｂでバイアス電圧がＶb=−２６Ｖになるとき反対側の固定電極膜１０の印加電圧をＶa2=７．５Ｖとし、次のゾーンＺｃで、バイアス電圧はＶb=７．５Ｖとなる。
このとき、図２５に点線丸印CHで示す様に、電極膜７が電極膜９から一旦離脱し、ゾーンＺｄでバイアス電圧Ｖb=２４Ｖになると、再び電極膜７が電極膜９に接触し、以後、ゾーンＺｅで電極膜１０の印加電圧Ｖa2=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。このとき、可動ミラー２は、電極膜７と電極膜９の接触によって図２５のStay曲線（一点鎖線曲線）に示す様に振動し、次第に減衰して安定状態に入る。
特開平１０−４８５４３号公報
ところが、上記特許文献１の駆動方法では、バイアス電圧、及びアドレス電圧を細かく制御しながら可動ミラーに静電気力などの外力を作用させて変位させるので、駆動回路及び駆動方法が複雑となる。また、可動ミラーの遷移期間及び変位状態の維持期間の全期間に亘ってバイアス電圧、及びアドレス電圧が印加され続けているので、消費電力が大きくなるばかりでなく、駆動回路への負担が大きい。更に、遷移終期に可動ミラーに振動が発生するので、該振動が減衰して安定するまで待ち時間を設ける必要がある。この待ち時間中に次の動作（変位操作）に移ると可動ミラーの動作が不安定となる場合があり、従って、高速サイクルでの作動が制限される問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低電圧、低消費電力であり、且つ遷移終期における可動ミラーの振動が防止されて高速サイクルでの作動を可能とする微小電気機械素子の駆動方法及び微小電気機械素子アレイを提供することにある。
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成できる。
（１） 弾性変形により弾性エネルギを蓄える弾性部と、該弾性部に支持された可動部と、前記可動部を保持するための物理作用力を加える駆動源とを備え、前記可動部の変位先となる複数の定位点のうち、いずれかの定位点へ前記可動部を変位させる微小電気機械素子の駆動方法であって、
前記可動部を一方の定位点に変位させて前記弾性部に弾性エネルギを蓄えた後、前記駆動源からの物理作用力を制止すると共に前記弾性部に蓄えられた弾性エネルギを解放することで前記弾性部に先の弾性エネルギとは逆の極性の弾性エネルギを再度蓄えながら前記可動部を他方の定位点に変位させる際、
前記駆動源は、前記弾性エネルギを解放した後、前記可動部が慣性力をなくす地点から前記変位先に到達するまでの間、前記可動部の動作に対する減衰を補うための予備物理作用力を前記可動部に与え、前記可動部が前記変位先に到達した後に、前記予備物理作用力より強い前記物理作用力を前記可動部に与えることを特徴とする微小電気機械素子の駆動方法。
このような微小電気機械素子の駆動方法によれば、可動部を一方の定位点に変位させて弾性部に弾性エネルギを蓄えた後、駆動源からの物理作用力を制止して弾性エネルギを解放し、これにより、弾性部に弾性エネルギを再度蓄えながら可動部を他方の定位点に変位させるようにしたので、可動部は外部からの物理作用力によらず、弾性部に蓄えられた弾性エネルギのみにより変位する。従って、低消費電力での微小電気機械素子の駆動が可能となる。
また、このような微小電気機械素子の駆動方法によれば、可動部の動作に対する減衰を補うための予備物理作用力を与えるようにしたので、可動部の変位に減衰が伴い、蓄えられた弾性エネルギだけでは他方の定位点まで変位させることができない場合でも、予備物理作用力を与えて確実に変位させることができ、信頼性の高い微小電気機械素子が得られる。
（２） 前記可動部を前記いずれかの定位点に移動させるに際して、前記可動部を一方の定位点に変位させて前記弾性部に弾性エネルギを蓄える段階と、前記弾性部に蓄えられた弾性エネルギを前記駆動源の物理作用力により保持する段階と、前記弾性エネルギを解放して前記可動部を変位させる段階と、前記弾性部に再度蓄えられた弾性エネルギを前記駆動源の物理作用力により保持する段階と、を含むことを特徴とする上記（１）記載の微小電気機械素子の駆動方法。
このような微小電気機械素子の駆動方法によれば、可動部を一方の定位点に変位させて弾性部に弾性エネルギを蓄えた状態で駆動源の物理作用力により保持し、次いで、弾性エネルギを解放して弾性部に再度弾性エネルギを蓄えながら可動部を他方の定位点に変位させて駆動源の物理作用力により再び保持するようにしたので、可動部の変位は蓄えられた弾性エネルギにより行われる。従って、可動部の一方の定位点から他方の定位点への変位終了時には、可動部の持つ慣性エネルギはなく、可動部が固定部に衝突することはない。これにより、変位時における可動部の振動の発生が防止されて微小電気機械素子の高速サイクルでの作動が可能となる。また、駆動源からの物理作用力は、可動部の保持時にのみ作用させればよく、低電圧での駆動が可能となり、また消費電力の低減を図ることができる。
（３） 前記物理作用力が静電気力であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の微小電気機械素子の駆動方法。
このような微小電気機械素子の駆動方法によれば、静電気力により可動部を変位させるようにしたので、省電力であり、且つ高速サイクルで作動させることができる。
（４） 前記物理作用力が電磁力であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の微小電気機械素子の駆動方法。
このような微小電気機械素子の駆動方法によれば、電磁力により可動部を変位させるようにしたので、安価、且つ簡単な制御により可動部を確実に変位させることができる。
（５） 弾性変形により弾性エネルギを蓄える弾性部と、該弾性部に支持された可動部と、前記可動部を保持するための物理作用力を加える駆動源とを備えた微小電気機械素子を、それぞれ複数配置してなる微小電気機械素子アレイであって、
前記微小電気機械素子を、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の微小電気機械素子の駆動方法に基づいて駆動する制御部を具備したことを特徴とする微小電気機械素子アレイ。
このように構成された微小電気機械素子アレイにおいては、微小電気機械素子が複数配置された微小電気機械素子アレイを制御部により上記（１）〜（６）のいずれかの駆動方法に基づいて駆動するようにしたので、各微小電気機械素子の振動の発生を防止することができ、微小電気機械素子アレイを高速サイクル且つ低消費電力で作動させることができる。
（６） 光源と、上記（５）記載の微小電気機械素子アレイと、前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイ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。
このように構成された画像形成装置においては、微小電気機械素子アレイに照射した光源からの光を画像形成面に投影して画像形成するようにしたので、高速で綺麗な画像を画像表示することができる。
本発明の微小電気機械素子の駆動方法及び微小電気機械素子アレイによれば、微小電気機械素子の可動部を無振動且つ低電圧、低消費電力で変位させることができ、これにより高速サイクルで作動させることができる。
以下、本発明に係る微小電気機械素子の駆動方法及び微小電気機械素子アレイの好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
ここでは、微小電気機械素子の一例として静電駆動型の回転タイプの微小電気機械素子を用いて説明する。
図１は本発明に係る微小電気機械素子の第１実施形態の概念図であり、（ａ）は微小電気機械素子の斜視図、（ｂ）は縦断面図である。
図１に示すように、本実施の形態による微小電気機械素子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支持部であるヒンジ２９，２９と、このヒンジ２９，２９を介して可動部２７を基板２１上で支持するスペーサ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の振れによって回転変位が可能となっている。
微小電気機械素子１００は、可動部２７の上面が光反射部(マイクロミラー部)となる。この他、本発明に係る微小電気機械素子は、可動部の材質を適宜選択し、或いは短絡接点等を付設することにより、光変調スイッチ、光切替スイッチ、電気スイッチとして機能させることができる。また音波、流体、熱線のスイッチング、或いはRF信号のスイッチングも可能にすることができる。
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、基板２１や図示しない停止部材に接触して停止する。つまり、接触型の微小電気機械素子を構成している。
基板２１の上面には、ヒンジ２９，２９を中央として両側に固定電極である第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にもその一部に可動電極２８が設けられている。微小電気機械素子１００には、基板２１中に駆動回路３７が設けられ、駆動回路３７は可動部２７（可動電極２８）と第１アドレス電極３５ａとの間、可動部２７（可動電極２８）と第２アドレス電極３５ｂとの間に電圧を印加する。
微小電気機械素子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、それぞれ電圧Ｖa1、Ｖa2、Ｖbを印加することによって、ヒンジ２９，２９を振り中心として可動部２７を揺動変位させる。つまり、可動部２７がマイクロミラー部であることにより、光の反射方向がスイッチングされる。
微小電気機械素子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（Ｖa1−Ｖb、Ｖa2−Ｖb）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３５ａ、３５ｂの間隔に依存する。
したがって、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３５ａ、３５ｂ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、双方向に回転変位可能となる。可動部２７と第１アドレス電極３５ａとの電位差をＶ１（Ｖa1−Ｖb）とし、可動部２７と第２アドレス電極３５ｂとの電位差をＶ２（Ｖa2−Ｖb）としたとき、例えば、Ｖ１＞Ｖ２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、可勲部２７が左側に傾く。逆に、Ｖ１＜Ｖ２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が右側に傾く。
このように、可動部２７の可動電極２８、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っている。
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。
このように、微小電気機械素子１００は、双方向に変位する可動部２７を備え、この可動部２７がスイッチング機能を有する。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２８、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂ）によって重力、ヒンジ２９，２９の弾性力に抗して回転変位される。本実施の形態による微小電気機械素子１００は、物理的作用力として静電気力が作用する。
次に、図２及び図３を参照して本発明の微小電気機械素子１００の動作について概略説明する。
図２は微小電気機械素子の動作過程を示す概念図、図３は図２に示す動作過程のタイミングチャート図である。
駆動源から電圧が印加されていない状態Iにおいて、可動部２７は第１アドレス電極３５ａ及び第２アドレス電極３５ｂから等距離（平衡状態）にあり、ヒンジ２９，２９の持つ弾性エネルギは０である。ここで、後述する適宜の手段により外部から可動部２７に力を加え（矢印Ａ方向）、ヒンジ２９，２９を弾性力に抗して反時計方向に捩じって可動部２７を左に傾けると（状態II）、ヒンジ２９，２９には捩り角度に比例した量の弾性エネルギが蓄積される。そして、状態IIIにおいて、可動部２７と第１アドレス電極３５ａとの間に、ヒンジ２９，２９に蓄積された弾性エネルギよりも大きな静電気力を発生する電位差Ｖ１を与えることにより、可動部２７は左に傾いた状態で保持される。
ここで、状態IVに示すように、可動部２７と第１アドレス電極３５ａとの間の電位差Ｖ１を除去してヒンジ２９，２９に蓄積されていた弾性エネルギを解放すると、可動部２７は時計方向（矢印Ｂ方向）に回動を開始する。やがて、可動部２７が基板２１と平行になると（状態I）、ヒンジ２９，２９に蓄積されていた弾性エネルギは０となるが、可動部２７は慣性により更に時計方向に回転してヒンジ２９，２９に状態IIとは逆の極性の弾性エネルギが再び蓄積されながら右に傾き、第２アドレス電極３５ｂに接近する。
ここで、可動部２７と第２アドレス電極３５ｂとの間に、ヒンジ２９，２９に蓄積された弾性エネルギよりも大きな静電気力を発生する電位差Ｖ２を与えると、可動部２７は右に傾いた状態で再び保持される。以後、電位差Ｖ１、Ｖ２を解放、印加するごとに同様の動作を繰り返し行う。なお、ここで逆の極性の弾性エネルギとは、可動部２７を逆の方向に回転させるように付勢する弾性エネルギのことである。
換言すれば、作動初期において一度、可動部２７を強制的に一方に傾けた後は、可動部２７を傾けた状態で保持するのに必要な僅かな電力を供給し、或いは該電力を除去するだけで、可動部２７を任意のタイミングで変位させて切り換えることができる。
可動部の概略動作は上記のようであるが、図４から図６を参照して更に詳細に説明する。
図４は微小電気機械素子の作動初期において可動部を一方の定位点に変位させる動作過程を示す概念図であり、（ａ）は平衡状態、（ｂ）は揺動開始状態、（ｃ）は揺動が大きくなった状態、（ｄ）は一方の定位点に変位した状態の概念図、図５は図４に示す動作過程のタイミングチャート図、図６は可動部の動作に対する減衰がない場合の可動部に作用する変位量と駆動電圧の相関を表した説明図である。
図２及び図３に示す状態Iから状態IIへ強制的に可動部２７を変位させてヒンジ２９，２９に弾性エネルギを蓄積する過程は、第１アドレス電極３５ａ及び第２アドレス電極３５ｂに交互に電圧を印加して可動部２７に静電気力を作用させることにより行うことができる。即ち、図５に示すように、第１アドレス電極３５ａと可動電極２８との間に電圧Ｖ１を短時間印加した後、第２アドレス電極３５ｂと可動電極２８との間に電圧Ｖ２を短時間印加することを一定の周波数ｆで繰り返し行う。
これにより、図４（ａ）に示す平衡状態にあった可動部２７には、矢印Ｂ又はＣ方向に交互に物理作用力（静電気力）が作用してヒンジ２９，２９を中心として揺動を開始し（図４（ｂ））、時間経過と共に更に大きく揺動して（図４（ｃ））、最終的には重力、ヒンジ２９，２９の弾性力に抗して基板２１側へと引き付けられて一方の定位点に変位する（図４（ｄ））。これにより、ヒンジ２９，２９には回転角度に比例した量の弾性エネルギが蓄積される。
このようにして静電気力によって可動部２７が揺動変位して、可動部２７の先端が基板２１へと吸着される（張り付く）状態をプルイン(Pu11-in)と称す。即ち、可動部２７は、可動電極２８、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂに印加されるPu11-in電圧によって発生する静電気力で変位される。第１アドレス電極３５ａ側にプルイン(Pu11-in)した可動部２７は、Pu11-in電圧より低い電圧のPu11-out電圧を第１アドレス電極３５ａに印加することにより、プルインされた状態（図４（ｄ）に示す状態）で保持される（図５参照）。
なお、電圧Ｖ１、Ｖ２を印加する周波数ｆは、可動部２７の固有振動数と同じにすることにより少ないエネルギで可動部２７を容易に揺動させて一方の定位点に変位させることができるので望ましい。
ここで、Pu11-in電圧は、静的Pu11-in電圧と、動的Pu11-in電圧とに分けることができる。静電気力が作用していない場合、可動部２７は平衡状態となる。静電気力が作用し、静電トルクＴ１がヒンジ２９，２９の捩りトルクＴｍより小さい場合（Ｔｍ>Ｔ１）には、可動部２７は傾斜するが吸着には至らない。一方、静電トルクＴ１が振りトルクＴｍを上回った瞬間（Ｔｍ<Ｔ１)、可動部２７は基板２１へ吸着されるPu11-in状態となる。このときの電圧が静的Pu11-in電圧となる。
したがって、静的Pu11-in電圧を印加すれば、可動部２７は、ヒンジ２９，２９の振りトルクＴｍに静電トルクＴ１が打ち勝って、基板２１側へ張り付く。このため、静的Pu11-in電圧より大きな電圧の印加は不要であり、これを超える過剰な電圧を印加すれば、可動部２７が基板２１側へ衝突した際の反力が増大し、振動が増加することとなる。
また、可動部２７が揺動している場合、静電トルクＴ１と可動部２７の慣性力Ｔｋとの和が、ヒンジ２９，２９の振りトルクＴｍより小さい場合（Ｔｍ>Ｔ１+Ｔｋ）には、可動部２７は傾斜するが吸着には至らない。一方、静電トルクＴ１と慣性力Ｔｋとの和が振りトルクＴｍを上回った瞬間（Ｔｍ<Ｔ１+Ｔｋ）、可動部２７は基板２１へ吸着されるPu11-in状態となる。このときの電圧が動的Pu11-in電圧となる。
なお、可動部２７を平衡状態から一方の定位点に変位させる手段は上記した静電気力に限定されず、電磁石などによる電磁力、ピエゾ素子などによる電歪、機械的手段などの任意の手段が採り得る。また、可動部２７を変位させてヒンジ２９，２９に弾性エネルギを蓄積する過程は、微小電気機械素子１００への電源供給直後、又は微小電気機械素子１００の作動直前のいずれのタイミングで行ってもよい。いずれにしても、微小電気機械素子１００の作動前には、ヒンジ２９，２９に弾性エネルギが蓄積される。
上記のようにしてヒンジ２９，２９に弾性エネルギが蓄積された可動部２７の他の定位点への切換について、可動部の変位に対する減衰がない場合と、減衰がある場合の２つの場合に分けて説明する。
先ず、可動部の変位に対する減衰のない場合について、図６を参照して詳細に説明する。
図６は可動部の変位量と駆動電圧との関係を示す。図６に示すように、状態III（図２参照）においては、第１アドレス電極３５ａと可動電極２８との間に駆動電圧（電位差）Ｖ１が印加されており、可動部２７は静電気力によって一方の定位点Ｙ１に左傾状態で保持されている。ここで、駆動電圧Ｖ１を除去すると可動部２７はヒンジ２９，２９に蓄積されていた弾性エネルギの作用により時計方向に回転を始める（図２の状態IV参照）。
可動部２７が基板２１と平行となったとき（図２の状態I）、蓄積されていた弾性エネルギは消費されてなくなるが、可動部２７は慣性により更に時計方向に回転してヒンジ２９，２９に状態IIとは逆の極性の弾性エネルギが再び蓄積されながら右に傾き、第２アドレス電極３５ｂに接近する。なお、駆動電圧Ｖ１が除去されてから可動部２７が右傾して第２アドレス電極３５ｂに接近するまでの期間Ｔａは、外部からの作用力はなくヒンジ２９，２９に蓄積されていた弾性エネルギだけで変位する。
可動部２７が他方の定位点Ｙ2に達したとき、可動部２７は慣性力（慣性エネルギ）を持っていないので停止部材と衝突することはない。従って、振動の発生が阻止される。ここで、第２アドレス電極３５ｂと可動電極２８との間に駆動電圧（電位差）Ｖ2を印加すると、可動部２７は無振動のまま静電気力によって右傾状態で保持される（図２の状態V）。
次に、駆動電圧Ｖ2を除去すると可動部２７はヒンジ２９，２９に蓄積されていた弾性エネルギの作用により反時計方向に回転して弾性エネルギを再び蓄積しながら左に傾き、第１アドレス電極３５ａに接近する。駆動電圧Ｖ2が除去されてから可動部２７が左傾して第１アドレス電極３５ａに接近するまでの期間Ｔｂは、外部からの作用力はなくヒンジ２９，２９に蓄積されていた弾性エネルギだけで変位する。
可動部２７が再び一方の定位点Ｙ１に達したとき、可動部２７は慣性力（慣性エネルギ）を持っていないので振動が発生することはなく、ここで第１アドレス電極３５ａと可動電極２８との間に駆動電圧Ｖ１を再び印加すると、可動部２７は無振動のまま静電気力によって左傾状態で保持される（図２の状態III）。以後、同様に駆動電圧Ｖ１，Ｖ2を除去し、或いは印加することにより、可動部２７は一方の定位点Ｙ１から他方の定位点Ｙ2へ、或いは他方の定位点Ｙ2から一方の定位点Ｙ１へ振動することなく変位する。
上記したように振動を発生させることなく可動部２７を切り換えることができるので、振動が減衰するまで待つ待ち時間を設ける必要がなく、高速サイクルでの作動が可能となる。また、可動部２７の切り換えに要する電力は、可動部２７を各定位点Ｙ1、Ｙ2に保持するための僅かな電力だけであり、従来の微小電気機械素子の駆動方法と比較して消費電力を削減することができる。
次に、可動部の変位に対する減衰がある場合について、図７及び図８を参照して詳細に説明する。
図７は可動部の動作に対する減衰がある場合の可動部に作用する変位量と駆動電圧の相関を表した説明図、図８は図７における駆動方法が改善された可動部に作用する変位量と駆動電圧の相関を表した説明図である。なお、図７及び図８に示すタイミングチャートは、可動部の変位量に対する減衰がある以外は、図６に示すタイミングチャートと同様であるので、同一部分には同一の符号を付与して説明を簡略化又は省力する。
図７に示すように、状態IIIにおいて駆動電圧Ｖ１が除去されると、ヒンジ２９，２９に蓄積されていた弾性エネルギの作用により可動部２７は時計方向に回転する（状態IV）。このとき、可動部２７の変位量に対する減衰があるので、可動部２７は他方の定位点Ｙ2に達する以前の点Ｘ（時刻ｔａ）において可動部２７の慣性力がなくなって停止し、反時計方向に回転しようとする。
ここで、可動部２７を他方の定位点Ｙ2に保持するために第２アドレス電極３５ｂと可動電極２８との間に駆動電圧Ｖ2を印加すると、可動部２７は静電気力によって第２アドレス電極３５ｂ側に引き付けられて更に時計方向に回転し、図示しない停止部材に接触して停止する。このとき可動部２７には静電気力が作用しているので、従来の駆動方法と比較すると弱いものの、振動が発生する。可動部２７の弱い振動はやがて減衰して治まり右傾状態で保持される（状態V）。このときの減衰時間は、従来の駆動方法と比較すると、遥かに短い。
次に、駆動電圧Ｖ2を除去すると可動部２７はヒンジ２９，２９に蓄積されていた弾性エネルギの作用により反時計方向に回転して弾性エネルギを再び蓄積しながら第１アドレス電極３５ａに接近する。即ち、可動部２７が点Ｘに達する時刻ｔａから駆動電圧Ｖ2を除去する時刻ｔｂの期間、第２アドレス電極３５ｂに駆動電圧Ｖ2が印加されて可動部２７は右傾状態で保持されている。
可動部２７の変位量に対する減衰があるので、可動部２７は一方の定位点Ｙ1に達する以前の点Ｙ（時刻ｔｃ）において可動部２７の慣性力がなくなる。ここで、可動部２７を一方の定位点Ｙ1に保持するため、可動部２７が点Ｙに達する時刻ｔｃに第１アドレス電極３５ａと可動電極２８との間に駆動電圧Ｖ1を印加すると、可動部２７は静電気力によって第１アドレス電極３５ａに引き付けられて更に反時計方向に回転し、図示しない停止部材に接触して停止するが、このときにも上記したと同様に弱い振動が発生する。
このように、定位点Ｙ1、Ｙ2への変位ごとに発生する弱い振動は、微小電気機械素子１００を更なる高速サイクルで作動させる上で障害となるので、駆動方法の改良が望まれる。この改良された駆動方法について図８を参照して説明する。図８は可動部の動作に対する減衰を補うための予備物理作用力を与えるように駆動する場合の可動部の変位量と駆動電圧との関係を示す。
図８に示すように、可動部２７が左傾状態に保持された状態IIIにおいて駆動電圧Ｖ１が除去されると、可動部２７は時計方向に回転し（状態IV）、時刻ｔｄにおいて点Ｘに達して可動部２７の慣性力がなくなる。この時刻ｔｄに第２アドレス電極３５ｂと可動電極２８との間に低い電圧の駆動電圧Ｖ21を印加して減衰を補うことにより、可動部２７は弱い静電気力によって第２アドレス電極３５ｂ側にゆっくりと引き付けられて時刻ｔｅにおいて他方の定位点Ｙ2に達する。このときの静電気力は弱い力なので、可動部２７が停止部材に強く接触して振動が発生することはない。ここで（時刻ｔｅ）、第２アドレス電極３５ｂと可動電極２８との間に駆動電圧Ｖ2を印加すると、可動部２７は右傾状態で保持される（状態V）。換言すれば、可動部２７は無振動で一方の定位点Ｙ1から他方の定位点Ｙ2へ変位する。
時刻ｔｆにおいて駆動電圧Ｖ2が除去されると、可動部２７はヒンジ２９，２９に蓄積されていた弾性エネルギの作用により反時計方向に回転して弾性エネルギを再び蓄積しながら第１アドレス電極３５ａに接近し、時刻ｔｇにおいて点Ｙに達すると可動部２７の慣性力がなくなる。ここで、第１アドレス電極３５ａと可動電極２８との間に低い電圧の駆動電圧Ｖ11を印加して減衰を補うと、可動部２７は弱い静電気力によって第１アドレス電極３５ａ側にゆっくりと引き付けられて時刻ｔｈにおいて再び、一方の定位点Ｙ1に達するが、静電気力は弱いので振動が発生することはない。
そして、時刻ｔｈにおいて、第１アドレス電極３５ａと可動電極２８との間に駆動電圧Ｖ1を印加して可動部２７が左傾状態で保持される（状態IIIに相当）。以後、同様に作動が繰り返し行われる。
上記したように、本実施形態の駆動方法によれば、可動部の動作に対する減衰があっても、減衰を補うための予備物理作用力、即ち、低い電圧の駆動電圧を予備物理作用力として与えることにより、可動部の振動発生を防止することができる。
＜第１変形例＞
次に、静電駆動型の平行平板タイプの微小電気機械素子について図９及び図１０を参照して説明する。図９は平行平板タイプの微小電気機械素子の概念図、図１０は微小電気機械素子の作動状態を示し、（ａ）は可動部が一方の定位点に変位した状態、（ｂ）は可動部が他方の定位点に変位した状態を示す断面図である。
図９に示すように、平行平板タイプの微小電気機械素子２００は、可動部４７がスペーサ４１、４１を介して基板２１上に中空支持されている。基板２１の可動部４７に対応する位置には第１アドレス電極４５ａが配置され、更に、可動部４７を挟んだ反対側には第２アドレス電極４５ｂが配置された構成となっている。
そして、図１０（ａ）に示すように、可動部４７と第１アドレス電極４５ａの間に駆動電圧Ｖ1を印加すると、可動部４７は静電気力により第１アドレス電極４５ａ側に引き付けられて変位し（矢印Ｄ方向）、一方の定位点に保持される。また、図１０（ｂ）に示すように、可動部４７と第２アドレス電極４５ｂの間に駆動電圧Ｖ2を印加すると、可動部４７は他方の定位点に変位（矢印Ｅ方向）して保持される。可動部４７が定位点に達したとき、停止部材に接触して振動する虞があるが、駆動電圧Ｖ1、Ｖ2を図６又は図８で既に説明したと同様に制御することにより、振動の発生を確実に防止し、且つ低消費電力で駆動することができる。
＜第２変形例＞
次に、静電駆動型のコムドライブタイプの微小電気機械素子について図１１及び図１２を参照して説明する。図１１はコムドライブタイプの微小電気機械素子の概念図、図１２は微小電気機械素子の作動状態を示し、（ａ）は可動部が一方の定位点に変位した状態を示す平面図、（ｂ）は可動部が他方の定位点に変位した状態を示す平面図である。
図１１に示すように、コムドライブタイプの微小電気機械素子３００は、矩形枠状の可動部５７が基板２１上に形成された固定部材５１に４本の可撓腕５７ａにより変位可能に連結されている。可動部５７の左右には、それぞれ櫛状の第１可動電極５８ａ、及び第２可動電極５８ｂが形成されている。基板２１上には、櫛状の第１アドレス電極５５ａ及び第２アドレス電極５５ｂが、それぞれ第１可動電極５８ａ及び第２可動電極５８ｂに対応して固設されている。そして、第１可動電極５８ａと第１アドレス電極５５ａの間に駆動電圧Ｖ1が印加され、また第２可動電極５８ｂと第２アドレス電極５５ｂの間に駆動電圧Ｖ2が印加されるように構成されている。
図１２（ａ）に示すように、第１可動電極５８ａと第１アドレス電極５５ａの間に駆動電圧Ｖ1を印加すると、可動部５７は静電気力により第１アドレス電極５５ａ側（矢印Ｆ方向）に引き付けられて変位して一方の定位点に保持される。また、図１２（ｂ）に示すように、第２可動電極５８ｂと第２アドレス電極５５ｂの間に駆動電圧Ｖ2を印加すると、可動部５７は第２アドレス電極５５ｂ側（矢印Ｇ方向）に引き付けられて変位して他方の定位点に保持される。可動部５７が定位点に達したとき、停止部材に接触して振動する虞があるが、駆動電圧Ｖ1、Ｖ2を図６又は図８で既に説明した方法で同様に制御することにより、振動の発生を確実に防止し、且つ低消費電力で駆動することができる。
上記説明において、可動電極に同一のバイアス電圧を印加し、アドレス電極のそれぞれにアドレス電圧を印加するようにしたが、逆に可動電極にアドレス電圧を印加し、アドレス電極に共通のバイアス電圧を印加するようにしてもよい。この場合には、可動電極を２つに分割して設ける必要がある。また、上記説明において可動部の変位量に対する減衰を補うための駆動電圧の波形は矩形波としてが、矩形波には限定されず、例えば、サイン波、三角波、鋸波などであってもよい。また、可動部の変位中に弱い電圧を常時印加してもよく、また１回或いは複数回に分割して印加することもできる。
＜第２実施形態＞
微小電気機械素子の他の一例である電磁駆動型の回転タイプの微小電気機械素子について説明する。図１３は電磁駆動型の回転タイプの微小電気機械素子の概念図である。
図１３に示すように、電磁駆動型の回転タイプの微小電気機械素子４００は、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６７と、可動部６７の両縁部から延出される支持部であるヒンジ６９，６９と、このヒンジ６９，６９を介して可動部６７を基板２１に中空上に支持するスペーサ６１，６１とを備える。可動部６７は、ヒンジ６９，６９の振れによって回転変位が可能となっている。可動部６７には、電線などの導電体で形成されたコイル６８が一体に固定されている。また、ヒンジ６９，６９を挟んで左右両側には、一対の磁石６５ａ，６５ｂが可動部６７に対応して配置されている。
上記微小電気機械素子４００の動作を説明する。
図１４は微小電気機械素子の作動状態を示し、（ａ）は可動部が一方の定位点に変位した状態を示す断面図、（ｂ）は可動部が他方の定位点に変位した状態を示す断面図である。
コイル６８に駆動電流ｉを流すと、可動部６７はフレミングの左手の法則に従ってヒンジ６９，６９を中心として回転変位する。例えば、図１４（ａ）に示すように、コイル６８に矢印Ｈ方向に駆動電流を流すと、可動部６７は矢印Ｊ方向に回転変位し、矢印Ｋ方向に駆動電流ｉを流すと、可動部６７は矢印Ｌ方向に回転変位する（図１４（ｂ）参照）。この回転変位によって、ヒンジ６９，６９には、可動部６７の回転角度に応じた大きさの弾性エネルギが蓄積される。
可動部６７の切換動作について、可動部の変位量に対する減衰がない場合と、減衰がある場合の２つの場合について説明する。なお、説明を簡略化するため可動部６７が左傾した状態で保持されている図１４に二点鎖線で示す状態から変位するものとして説明する。
先ず、可動部の変位量に対する減衰のない場合について、図１５を参照して詳細に説明する。
図１５は可動部の動作に対する減衰がない場合の可動部に作用する変位量と駆動電流の相関を表した説明図である。
図１５に示す状態IIIにおいては、コイル６８に矢印Ｈ方向に駆動電流ｉ1が供給されており、可動部６７はフレミングの左手の法則に従って発生する電磁力によって一方の定位点Ｙ１に左傾状態で保持されている。ここで、駆動電流ｉ1の供給を停止すると、可動部６７はヒンジ６９，６９に蓄積されていた弾性エネルギの作用により時計方向（図１４（ｂ）の矢印Ｌ方向）に回転変位を始める（状態IV）。
可動部６７は、平衡状態である状態Iを通過し、ヒンジ６９，６９に状態IIとは逆の極性の弾性エネルギを再び蓄積しながら矢印Ｌ方向に回転変位し、他方の定位点Ｙ2に達して右傾状態となる。駆動電流ｉ1の供給が停止されてから他方の定位点Ｙ2に達するまでの期間Ｔａは、外部からの作用力はなくヒンジ６９，６９に蓄積されていた弾性エネルギだけで変位する。
可動部６７が他方の定位点Ｙ2に達した時刻ｔａにおいて、コイル６８に矢印Ｋ方向に駆動電流ｉ2を供給すると、可動部６７は電磁力によって他方の定位点Ｙ2に右傾状態で保持される（状態V）。可動部６７が他方の定位点Ｙ2に達したときには、可動部６７は慣性力（慣性エネルギ）を持っていないので停止部材と衝突することはない。従って、振動の発生が阻止される。
次に、時刻ｔｂにおいて、駆動電流ｉ2の供給を停止すると、可動部６７はヒンジ６９，６９に蓄積されていた弾性エネルギの作用により反時計方向（矢印Ｊ方向）に回転し、弾性エネルギを再び蓄積しながら回転変位して一方の定位点Ｙ１に達する。駆動電流ｉ2の供給が停止されてから一方の定位点Ｙ１に達するまでの期間Ｔｂは、外部からの作用力はなくヒンジ６９，６９に蓄積されていた弾性エネルギだけで変位する。
可動部６７が再び一方の定位点Ｙ１に達したとき、可動部６７は慣性力（慣性エネルギ）を持っていないので振動が発生することはなく、コイル６８に矢印Ｈ方向に駆動電流ｉ1を再び供給すると、可動部６７は電磁力によって一方の定位点Ｙ１に左傾状態で保持される（状態IIIと同じ状態）。
以後、同様にコイル６８への電流の方向を制御しながら供給、停止することにより、可動部６７は一方の定位点Ｙ1から他方の定位点Ｙ2へ、或いは他方の定位点Ｙ2から一方の定位点Ｙ1へ振動することなく変位する。従って、減衰待機時間を設ける必要がないので高速サイクルでの作動が可能となる。また、可動部６７の切り換えに要する電力は、可動部６７を定位点Ｙ1、Ｙ2に保持するための僅かな電力であり、消費電力を削減することができる。
次に、可動部の変位に対する減衰のある場合について、図１６及び図１７に基づいて説明する。
図１６は可動部の動作に対する減衰がある場合の可動部に作用する変位量と駆動電流の相関を表した説明図、図１７は図１６における駆動方法が改善された可動部に作用する変位量と駆動電流の相関を表した説明図である。なお、図１６及び図１７は、可動部の変位量に対する減衰がある以外は、図１５と同様であるので、同一部分には同一の符号を付与して説明を簡略化又は省略する。
図１６に示すように、状態IIIにおいて駆動電流ｉ1の供給を停止すると、可動部６７はヒンジ６９，６９に蓄積されていた弾性エネルギの作用により時計方向（矢印Ｌ方向）に回転するが、可動部６７の変位量に対する減衰があるので、可動部６７は他方の定位点Ｙ2に達する以前の点Ｘ（時刻ｔａ）において慣性力がなくなる。ここで、コイル６８に矢印Ｋ方向に駆動電流ｉ2を供給すると、可動部６７は電磁力によって時計方向に回転し、やがて図示しない停止部材に接触して他方の定位点Ｙ2に右傾状態で保持される（状態V）。このとき僅かに振動が発生するが、従来の駆動方法と比較すると弱い振動であり、減衰時間も遥かに短い。
次に、時刻ｔｂにおいて駆動電流ｉ2の供給を停止すると、可動部６７はヒンジ６９，６９に蓄積されていた弾性エネルギの作用により反時計方向（矢印Ｊ方向）に回転して弾性エネルギを再び蓄積しながら回転変位する。可動部６７は一方の定位点Ｙ1に達する以前の点Ｙ（時刻ｔｃ）において可動部６７の慣性力がなくなる。可動部６７が点Ｙに達したとき（時刻ｔｃ）、コイル６８に矢印Ｈ方向に駆動電流ｉ1を供給すると、可動部６７は電磁力によって反時計方向に回転し、やがて図示しない停止部材に接触して一方の定位点Ｙ1に左傾状態で保持される（状態IIIと同じ状態）。このときにも、同様に弱い振動が発生することになる。
次に、上記の弱い振動の発生も防止するように改良された駆動方法について、図１７を参照して説明する。
図１７に示すように、状態IIIにおいて駆動電流ｉ1の供給を停止すると、可動部６７は時計方向に回転し（状態IV）、時刻ｔｄにおいて慣性力がなくなる点Ｘに達する。この時刻ｔｄでコイル６８に矢印Ｋ方向に小さな駆動電流ｉ21を供給して減衰分を補うことにより、可動部６７は弱い電磁力によってゆっくりと回転変位し、時刻ｔｅにおいて他方の定位点Ｙ2に達する。このときの電磁力は力が弱いので、可動部６７は停止部材にゆっくりと接触して振動が発生することはない。ここで、コイル６８に矢印Ｋ方向の駆動電流ｉ2を供給して可動部６７を右傾状態で保持する（状態V）。
時刻ｔｆにおいてコイル６８への駆動電流ｉ2の供給を停止すると、可動部６７は反時計方向に回転して弾性エネルギを再び蓄積し、時刻ｔｇにおいて可動部６７の慣性力がなくなる点Ｙに達する。ここで、コイル６８に矢印Ｈ方向に小さな駆動電流ｉ11を供給して減衰分を補うことにより、可動部６７は弱い電磁力によってゆっくりと回転変位し、時刻ｔｈにおいて再び一方の定位点Ｙ1に達する。このときにも、電磁力は弱いので振動が発生することはない。そして、時刻ｔｈにおいて、コイル６８へ駆動電流ｉ1を供給して可動部６７を左傾状態で保持する（状態IIIと同じ状態）。以後、同様に作動が繰り返し行われる。
上記したように、本実施形態の駆動方法によれば、可動部の動作に対する減衰があっても、減衰を補うための予備物理作用力、即ち、小さな電流の駆動電流を予備的に与えることにより、可動部の振動発生を防止すると共に、正確に回転変位させることができる。
なお、上記説明において減衰を補うための駆動電流の波形は、どのような波形であってもよく、例えば、サイン波、三角波、鋸波などであってもよい。また、可動部の変位中に弱い電流を常時供給してもよく、また１回或いは複数回に分割して供給することもできる。また、上記説明においては、一形態として可動部の両側に磁石を設置し、可動部にコイルを配置した構成としたが、これに限らず磁石とコイルとが逆の構成のものであってもよく、また、両方がコイルで形成されているものであってもよい。これらの場合も上記と同様の効果が奏される。
次に、このような微小電気機械素子が多数配列された微小電気機械素子アレイについて図１８を参照して説明する。図１８は微小電気機械素子アレイの概念図である。
微小電気機械素子アレイ５００は、微小電気機械素子１００のそれぞれがメモリ回路７１を含む駆動回路３７を有する（図１（ｂ）参照）。このようなメモリ回路７１が備えられることで、メモリ回路７１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７１には予め素子変位信号が書き込まれる。微小電気機械素子１００のスイッチングのとき、各々の微小電気機械素子１００のメモリ回路７１に記憶された素子変位信号と、微小電気機械素子１００への印加電圧を制御する制御部である駆動電圧制御回路７３により、本発明の駆動電圧を所望のタイミングで微小電気機械素子１００の第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂに出力する。このとき、可動電極２８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７１を用いて微小電気機械素子１００を駆動すると、複数の微小電気機械素子１００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、ここでは微小電気機械素子アレイ５００が、図１に示す静電駆動型の回転タイプの微小電気機械素子１００によって構成される例を示したが、これに限らず、他の構成の微小電気機械素子２００，３００，４００により微小電気機械素子アレイを構成してもよい。
また、微小電気機械素子アレイ５００には、それぞれの可動部２７をスイッチング駆動させる制御部としての制御回路７３が設けられることが好ましい。このような制御回路７３が備えられた微小電気機械素子アレイ５００では、可動部２７が制御回路７３によって駆動制御されることで、可動部２７が最終変位位置に到達する前に、可動電極２８と第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂ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２７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。
このように構成された微小電気機械素子アレイ５００の各微小電気機械素子１００は、制御回路７３によって制御されることにより上記第１実施形態又は第２実施形態で既に説明した微小電気機械素子の駆動方法に基づいて無振動で駆動される。このような構成の微小電気機械素子アレイ５００は、光変調スイッチ、電気スイッチ、光切換スイッチとして機能させることができる。
次に、上記微小電気機械素子アレイを用いた画像形成装置の一例である露光装置について説明する。図１９は、上述した実施形態に係る回転変位型光変調素子（微小電気機械素子）１００を一次元アレイ状に配列形成した微小電気機械素子アレイ５００を用いた露光装置６００のブロック構成図である。微小電気機械素子アレイ５００は、マイクロレンズアレイを備えるのが好適である。図示する露光装置６００は、露光対象物８１を外周面に吸着して保持するドラム８２と、ドラム８２の回転軸に並行に配設されたガイド軸８３に移動自在に支持される副走査ユニット８４と、主走査位置検出器８５と、副走査位置検出器８６と、変調信号光源信号発生器８７とを備える。
副走査ユニット８４には、回転変位型光変調素子１００を用いて構成した微小電気機械素子アレイ５００と、変調信号光源信号発生器８７からの光源信号に基づいて微小電気機械素子アレイ５００に対してビーム光を照射するレーザ光源８９と、変調信号光源信号発生器８７からの変調信号によって各反射膜(マイクロミラー)が傾動する微小電気機械素子アレイ５００からの露光対象物８１方向への反射光を集光し倍率を変えて露光対象物８１に結像させる結像レンズ系８０とを備える。
このように構成された露光装置６００において、画像信号が変調信号光源信号発生器８７に入力すると、画像信号に応じた変調信号が微小電気機械素子アレイ５００に出力される。これにより、微小電気機械素子アレイ５００の各反射膜が、画像信号に応じて傾動される。レーザ光源８９からレーザ光が微小電気機械素子アレイ５００に入射すると、例えば左傾した反射膜による反射光のみがオン信号として結像レンズ系８０を通って露光対象物８１に入射し、露光対象物８１表面の照射された各ドット位置が露光され、左傾しない反射膜に対応するドット位置は非露光となる。
斯かる動作を副走査方向を移動させながら繰り返すことで、一ライン分の露光が終了し、各ライン毎の露光を行いながら主走査方向に移動させることで、一枚の露光対象物８１の露光が終了する。
なお、回転変位型光変調素子１００を複数個、二次元アレイ状に配列した微小電気機械素子アレイを露光装置に適用しても良い。また、露光装置に限らず他の光学装置に適用することでもよい。例えば、フォトリソグラフィ工程に使用されるオンディマンドのデジタル露光装置、デジタル露光による印刷装置等の画像形成装置、プロジェクタ等の投影表示装置、ヘッドマウントディスプレイ等のマイクロディスプレイ装置等にも適用可能である。
本実施形態に係る回転変位型光変調素子は素子の信頼性が高く高速駆動であり、駆動回路が小さくて済むため、これらの光学装置の信頼性も向上する。
次に、前述の第１実施形態の微小電気機械素子１００を利用してＤＭＤを構築した場合の駆動例を説明する。
図２０は微小電気機械素子の電圧印加例を示す説明図、図２１は図２０に示す動作過程のタイミングチャート図である。
図２０に示すように、可動部４７にはバイアス電圧Ｖb＝１９Ｖを印加して、固定電極膜３５ａ，３５ｂにアドレス電圧Ｖa1,Ｖa2を共に０Ｖを印加する。そして、状態IIIにおいて、可動部４７が固定電極膜３５ａ側に傾斜している場合、可動部２７と固定電極膜３５ａとの間の電圧差ＤV＝１９Ｖとなり、可動部２７が保持される。この左側に傾倒した状態から、右側に傾倒した状態に変化させる場合、可動部２７のバイアス電圧Ｖbを０Ｖにする。すると、可動部２７はヒンジの弾性力によって固定電極膜３５ｂ側に傾き、その状態で可動部２７にバイアス電圧Ｖbを１９Ｖ印加する。これにより、可動部２７は右側に傾倒した状態に保持される。
一方、状態IIIから同じ状態を維持する場合には、可動部２７のバイアス電圧Ｖbを１９Ｖに維持したままにする。これにより、可動部２７は左側に傾倒した状態を維持する。
このように、本微小電気機械素子をＤＭＤに利用した場合でも、可動部２７に備わる可動ミラーの傾きを画像データに応じて変化させるとき、ヒンジに蓄えられた弾性エネルギを利用することで、省電力で駆動させることができる。そして、可動部２７に対して無駄な加速エネルギを負荷しないため、各定位点に到着後に振動が生じることが抑制される。
以上説明したように、本実施形態の微小電気機械素子の駆動方法及び微小電気機械素子アレイによれば、微小電気機械素子の可動部を無振動且つ低電圧、低消費電力で駆動することができ、これにより高速サイクルで作動させることができる。
なお、可動部を支持するヒンジの弾性力が強くなると、所望の変位をさせるまでの時間を短縮できる。具体的には、図２２に示すように、ヒンジの弾性力が２倍になると、変位完了までの時間が１／√２倍にまで短縮されることが分かっている。
なお、本発明に係る微小電気機械素子、微小電気機械素子アレイ、画像形成装置は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形や改良等が可能である。
本発明に係る微小電気機械素子の第１実施形態の概念図であり、（ａ）は斜視図,（ｂ）は縦断面図である。 微小電気機械素子の動作過程を示す概念図である。 図２に示す動作過程のタイミングチャート図である。 微小電気機械素子の作動初期において可動部を一方の定位点に変位させる動作過程を示す概念図であり、（ａ）は平衡状態、（ｂ）は揺動開始状態（ｃ）は揺動が大きくなった状態、（ｄ）は一方の定位点に変位した状態である。 図４に示す動作過程のタイミングチャート図である。 可動部の動作に対する減衰がない場合の可動部に作用する変位量と駆動電圧の相関を表した説明図である。 可動部の動作に対する減衰がある場合の可動部に作用する変位量と駆動電圧の相関を表した説明図である。 図７における駆動方法が改善された可動部に作用する変位量と駆動電圧の相関を表した説明図である。 図９及び図１０は、第１実施形態の微小電気機械素子の第１変形例に係り、図９は平行平板タイプの微小電気機械素子の概念図である。 図９における微小電気機械素子の作動状態を示し、（ａ）は可動部が一方の定位点に変位した状態を示す断面図、（ｂ）は他方の定位点に変位した状態を示す断面図である。 図１１及び図１２は、第１実施形態の微小電気機械素子の第２変形例に係り、図１１はコムドライブタイプの微小電気機械素子の概念図である。 図１１における微小電気機械素子の作動状態を示し、（ａ）は可動部が一方の定位点に変位した状態を示す平面図、（ｂ）は他方の定位点に変位した状態を示す平面図である。 図１３から図１７は本発明に係る微小電気機械素子の第２実施形態に係り、図１３は電磁駆動型の回転タイプの微小電気機械素子の概念図である。 図１３における微小電気機械素子の作動状態を示し、（ａ）は可動部が一方の定位点に変位した状態を示す断面図,（ｂ）は他方の定位点に変位した状態を示す断面図である。 可動部の動作に対する減衰がない場合の可動部に作用する変位量と駆動電流の相関を表した説明図である。 可動部の動作に対する減衰がある場合の可動部に作用する変位量と駆動電流の相関を表した説明図である。 図１６における駆動方法が改善された可動部に作用する変位量と駆動電流の相関を表した説明図である。 本発明の微小電気機械素子を複数配列した構成の微小電気機械素子アレイの概念図である。 本発明の微小電気機械素子アレイを用いた画像形成装置の概略構成図である。 微小電気機械素子の電圧印加例を示す説明図である。 図２０に示す動作過程のタイミングチャート図である。 ヒンジの弾性力の効果を示す説明図である。 従来の微小電気機械素子アレイの２素子分の構成図である。 従来の可動部の変位と駆動電圧の相関を表した概略説明図である。 従来の可動部の変位量と駆動電圧の相関を表したタイミングチャート図である。
符号の説明
２７ 可勲部
２８ 可動電極（駆動源）
２９ ヒンジ（弾性部）
３５ａ 第１アドレス電極（駆動源）
３５ｂ 第２アドレス電極（駆動源）
４７ 可動部
５７ 可動部
６７ 可動部
６９ ヒンジ（弾性部）
７３ 駆動電圧制御回路（制御部）
８０ 結像レンズ系（投影光学系）
８１ 露光対象物（画像形成面）
８９ レーザ光源（光源）
１００ 微小電気機械素子
２００ 微小電気機械素子
３００ 微小電気機械素子
４００ 微小電気機械素子
５００ 微小電気機械素子アレイ
６００ 露光装置（画像形成装置）
Ｙ1 一方の定位点
Ｙ2 他方の定位点

Claims (6)

  1. 弾性変形により弾性エネルギを蓄える弾性部と、該弾性部に支持された可動部と、前記可動部を保持するための物理作用力を加える駆動源とを備え、前記可動部の変位先となる複数の定位点のうち、いずれかの定位点へ前記可動部を変位させる微小電気機械素子の駆動方法であって、
    前記可動部を一方の定位点に変位させて前記弾性部に弾性エネルギを蓄えた後、前記駆動源からの物理作用力を制止すると共に前記弾性部に蓄えられた弾性エネルギを解放することで前記弾性部に先の弾性エネルギとは逆の極性の弾性エネルギを再度蓄えながら前記可動部を他方の定位点に変位させる際、
    前記駆動源は、前記弾性エネルギを解放した後、前記可動部が慣性力をなくす地点から前記変位先に到達するまでの間、前記可動部の動作に対する減衰を補うための予備物理作用力を前記可動部に与え、前記可動部が前記変位先に到達した後に、前記予備物理作用力より強い前記物理作用力を前記可動部に与えることを特徴とする微小電気機械素子の駆動方法。
  2. 前記可動部を前記いずれかの定位点に移動させるに際して、
    前記可動部を一方の定位点に変位させて前記弾性部に弾性エネルギを蓄える段階と、
    前記弾性部に蓄えられた弾性エネルギを前記駆動源の物理作用力により保持する段階と、
    前記弾性エネルギを解放して前記可動部を変位させる段階と、
    前記弾性部に再度蓄えられた弾性エネルギを前記駆動源の物理作用力により保持する段階と、を含むことを特徴とする請求項１記載の微小電気機械素子の駆動方法。
  3. 前記物理作用力が静電気力であ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素子の駆動方法。
  4. 前記物理作用力が電磁力であ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素子の駆動方法。
  5. 弾性変形により弾性エネルギを蓄える弾性部と、該弾性部に支持された可動部と、前記可動部を保持するための物理作用力を加える駆動源とを備えた微小電気機械素子を、それぞれ複数配置してなる微小電気機械素子アレイであって、
    前記微小電気機械素子を、請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の微小電気機械素子の駆動方法に基づいて駆動する制御部を具備したことを特徴とする微小電気機械素子アレイ。
  6. 光源と、
    請求項５記載の微小電気機械素子アレイと、
    前記光源からの光を前記微小電気機械素子アレイ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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