JPH10510372A - モノモルフ薄膜被作動ミラー・アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 薄膜被作動ミラーであって、基板（１６）と、基板（１６）に装着されている変形可能な構造体（１２）と、変形可能材料の層の変形に応じてミラーが傾斜するように、変形可能な構造体に相互接続しているミラー面（１７）とを有するものが開示されている。変形は、厚さ方向の電界または厚さ方向の歪パラメータの変化よる、モノモルフの厚み方向の有効歪勾配により起こる。変形可能な構造体（１２）は、半導体強誘電セラミック材料で作られた活性材料層（１８）および二つの電極を含む。各電極は、活性材料層（１８）の対向する面上に装着されている。この場合、電極間の活性材料層（１８）に加えられた電気信号により、活性材料層（１８）が変形する。他の方法としては、活性材料層（１８）を二つの層、すなわち、活性圧電材料から作られた上部層（３６）と不活性材料から作られた下部層（３８）から作ることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】 モノモルフ薄膜被作動ミラー・アレイ 関連出願データ 本出願は、引用によって本明細書中に取り入れられている、１９９４年２月２ ３日に出願された「薄膜被作動ミラー・アレイ」という名称の、共通所有の、同 時係属出願第０８／２００，８６１号の一部継続出願である。本出願は、本出願 と同時に出願された「二つの傾斜角を提供する薄膜ミラー・アレイ」という名称 の、共通所有の、同時係属出願にも関連しており、この出願は引用によって本明 細書中に取り入れられている。 発明の分野 本発明は、一般的には光学投影ビデオ・システム用の被作動ミラー・アレイに 、より具体的には光学投影システム用の薄膜被作動ミラー・アレイに関する。 発明の背景 光学投影ビデオ・ディスプレイ・システムの場合には、各ピクセルに対する光 変調を制御するために、被作動ミラー・アレイが使用される。あるシステムの場 合には、ミラー・アレイは、光エネルギー源により照明される。電子制御の下で 、各ミラーから反射する光ビームの伝播経路を決定するために、アレイ内の各ミ ラーの方向があちこちに向けられる。図１は、光学投影ビデオ・ディスプレイ・ システムの一例である。このシステムの場合には、光は光源１２０から放出され 、被作動ミラー・アレイ１２４の方向に、ある角度で傾いているシュリーレン・ ストップ・ミラー１２２により反射される。この光は、被作動ミラー・アレイか ら、ある制御された角度で反射される。上記角度は、ミラー・アレイの作動によ り制 御される。ミラー・アレイ１２４により反射された光は、第二のレンズ１２６を 通り、シュリーレン・ストップ・ミラーをバイパスし、第三のレンズ１２８を通 ってスクリーンに達する。本発明は、上記光学投影ビデオ・ディスプレイ・シス テムで使用されるミラー・アレイ用の被作動ミラーを開示する。 ユニモルフは、金属材料の層に外部から接着された圧電素子である。金属層は 、圧電材料の両端に加えられる、圧電材料の形状を変化させるＤＣ電気信号によ り制御される。圧電材料の形が変化すると、金属層内に軸方向の座屈、すなわち 、偏向が生じる。何故なら、金属層は圧電材料の動きに抵抗するからである。金 属層の座屈の大きさは、ＤＣ電気信号の振幅により制御される。バイモルフは、 圧電素子の二つの層を含む。直接的な蒸着により、または圧電素子に金属層を接 着するために接着剤を使用して、ユニモルフおよびバイモルフを製造する方法は 、当業者にとっては周知である。例えば、米国特許第５，０８５，４９７号は、 光学投影システム用のミラー・アレイを製造する方法を開示している。 しかし、周知の被作動ミラー・アレイは、ミラー・アレイの製造が難しいとい う問題を抱えている。周知の被作動ミラー・アレイが抱えている別の問題は、下 の金属層と圧電素子との間で望ましくない拡散が起こるということである。上記 理由で、改良型被作動ミラー・アレイが待望されている。 圧電セラミック材料は、この材料の厚さ方向に加えられる電界およびこの材料 の圧電歪定数によって変形する。それ故、圧電材料を変形させたり、変形の程度 を変えるには、電界または圧電定数を変化させればよい。本発明は、容易に製造 することができ、圧電材料の厚さ方向の電界、圧電材料の圧電定数、またはその 両方を変化させることにより、変形を起こす薄膜被作動ミラー・アレイを提供す ることにより、周知の被作動ミラー・アレイの諸問題を解決する。 発明の概要 従って、本発明の主な目的は、従来技術の一つまたはそれ以上の欠点および限 界を克服することである。 本発明の重要な目的は、モノモルフ薄膜被作動ミラー・アレイを提供すること である。 本発明の他の目的は、容易に製造することができる薄膜被作動ミラー・アレイ を提供することである。 本発明を全体的に見ると、本発明が開示しているのは、基板と、基板上に装着 された変形可能な構造体と、変形可能な材料の層の変形に応じてミラー面が傾斜 するように、変形可能な構造体に相互接続しているミラー面とを持つ薄膜被作動 ミラー・アレイである。上記変形可能な構造体は、半導体強誘電セラミック材料 で作られた活性材料の層、および二つの金属電極を含む。各電極は、活性材料の 層の対向する面上に装着されている。この場合、電極間の活性材料層の両端に電 気信号が加えられると、活性材料層が変形する。他の方法としては、活性材料層 を二つの層、すなわち、活性の圧電材料で作られた上の層および不活性の高誘電 材料で作られた下の層で作ることができる。 本発明の一つの特徴は、薄膜被作動ミラー・アレイが容易に製造することがで きることである。 本発明のもう一つの特徴は、金属からなる下の層と圧電素子との間の望ましく ない拡散を低減することができることである。 当業者なら、添付の図面および請求の範囲と共に、例示としての好適な実施形 態の下記の説明を読めば、本発明の上記および他の目的、利点および特徴を容易 に理解することができるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、薄膜被作動ミラー・アレイの光学系の実施形態を示す図である。 図２は、モノモルフの形をした薄膜被作動ミラー・アレイの第一の実施形態の 側面図である。 図３は、モノモルフの形をした他の実施形熊の側面図である。 例示としての好適な実施形態の説明 最初に図２を参照しつつ、本発明の薄膜被作動ミラー・アレイの第一の実施形 態１０について説明する。この第一の実施形態１０は、モノモルフ型薄膜の実施 形態であり、変形可能な構造体１２と、台座部材１４と、基板１６と、ミラー面 １７とを含む。変形可能な構造体１２は、第一の金属の層２０と第二の金属の層 ２２との間に配置された活性材料の層１８を含む。活性材料層１８は、上面２４ と下面２６とを含む。第一の金属層２０は、活性材料層の上面２４と接触してい て、上部金属電極として機能する。第二の金属層２２は、活性材料層の下面２６ と接触していて、下部金属電極として機能する。変形可能な構造体１２は、台座 部材１４によりカンチレバーの形で支持されている。台座部材１４は、基板１６ と結合している。 本発明の第一の実施形態の場合には、変形可能な構造体１２は、台座１４に装 着されている第一の部分２８および台座１４によりカンチレバーのように支持さ れている第二の部分３０を含む。電界は、電気信号を伝える台座１４を通して、 基板活性マトリックス１６から、変形可能な構造体１２の両端に加えられる。電 界を加えると、活性材料のタイプおよび電界の極性に従って、活性材料層１８は 伸縮する。活性材料層１８が伸縮すると、湾曲することになる。ミラー面１７は 、活性材料層１８の変形に応じてミラー面が傾斜するように、変形可能な構造体 １２に相互に接続されている。 本発明の第一の実施形態１０の場合には、活性材料層１８の厚さ方向に掛かる 電界を変化させると、活性材料層１８内に変形が起こる。特に、活性材料層１８ 内に使用されている活性材料は、好適に、半導体強誘電セラミック材料である。 活性材料層１８は、所定の厚さ３２を持つ。活性材料は、厚さ３２の方向にエネ ルギー障壁を持つ。電界が厚さ３２の方向に掛けられると、エネルギー障壁によ り厚さ３２の方向に電界の勾配ができる。すでに説明したように、活性材料層１ ８の厚さ方向の電界が変化すると、活性材料層１８は湾曲する。 ここで図３を参照するに、薄膜被作動ミラー・アレイの第二の実施形態３４が 示されている。第二の実施形態３４は、第一の実施形態が材料の厚さ方向の電界 の変化により湾曲したのとは異なり、圧電歪定数の空間的な変化を利用して、変 形可能な構造体１２内に湾曲運動を起こさせる。すでに説明したように、電界が 掛けられている状態で、材料内の圧電定数が変化すると、その材料は湾曲する。 変形可能な構造体１２は、二層構造になっている。上記二層構造は、上部活性 材料層３６と、下部不活性材料層３８と、第一の金属層４０と、第二の金属層４ ２とを含む。上部活性材料層３６は、上面４４と下面４６とを画成している。第 一の金属層４０は、上部活性材料層の上面４４と接触していて、上部電極として 機能する。下部不活性材料層３８も、上面４８および下面５０を画成している。 下部不活性材料層の上面４８は、上部活性材料層の下面４６と接触している。第 二の金属層４２は、不活性材料層の下面５０と接触していて、下部金属電極とし て機能する。 上部活性層３６は、好適に、活性圧電材料で作られている。下部不活性層３８ は、上部活性層３６の誘電率と類似の誘電率を持っているが、下部不活性層を不 活性材料にする化学量論的関係を持つ圧電材料で作ることができる。他の方法と しては、不活性の下部レベル３８を最も高い誘電率を持つＰＭＮ材料で作ること もできる。 不活性下部層３８を使用することにより、変形可能な構造体１２は、上部層３ ６と下部層３８との間の中間の第三の電極を必要としなくなり、そのため製造プ ロセスが簡単になる。他の利点は、活性層３６および不活性層３８を、第三の金 属層に接着するよりも容易に相互の接着をすることができるということである。 この第二の実施形態は、さらに、製造プロセス中のタングステン充填およびいく つかのマスキング・ステップを行わなくてもすむ。 さらに、不活性材料層３８の高い誘電率により、不活性材料層３８の両端間の 電圧降下は最小になる。電圧が少し上がっても、電圧レベルが全体的に適切であ るならば、薄膜構造体には悪影響はない。 図３の本発明の第二の実施形態は、図２のところで説明したような台座により 、カンチレバーの形で支持されていてもよい。しかし、モノモルフ薄膜構造体の 第一の実施形態１０も第二の実施形態３４も、当業者にとっては周知の他の方法 、または本明細書または引用によって本明細書中に取り入れられている他の出願 に記載されている他の方法により、活性基板１６に装着することができ、ミラー 面１７に相互接続することができるということを理解されたい。 他の周知の方法で、圧電歪定数の空間的な変化を起こさせることができるとい うことを理解されたい。さらに、活性材料層への電界および材料の圧電歪定数の 両方を変化させることにより、本発明の第一の実施形態および第二の実施形態を 同時に使用して、湾曲を起こさせることができるということを理解されたい。 また、上記実施形態は、圧電材料について説明しているが、他のタイプの動作 可能な材料も使用することができるということに留意されたい。例えば、必要な 伸縮を得るために、電歪性材料または磁歪性材料を使用することができる。 以上、本発明の原理による薄膜被作動ミラー・アレイの例示としてのいくつか の好適な実施形態について説明してきた。当業者なら、本明細書に開示された発 明の精神から逸脱することなく、上記実施形態を種々に使用することができ修正 することができるであろう。従って、本発明は、下記の請求の範囲によってのみ 規定される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．薄膜被作動ミラーであって、 活性基板と、 基板上に装着された少なくとも一つの変形可能な構造体であって、上記変形 可能な構造体がさらに活性材料層を備え、上記活性材料層が二つの対向する面と 、厚さと、歪定数と、二つの金属電極を有し、上記各電極が上記活性材料の層の 対向する面上にそれぞれ装着されていて、上記電極間の上記活性材料層の両端に 電界が加えられるようになっている変形可能な構造体と、 上記活性材料層を変形させるために、上記活性材料層の厚さ方向に加えられ た電界を変化させるための手段と、 変形可能な材料の層の変形に応じてミラー面が傾斜するように、変形可能な 構造体に相互接続しているミラー面と、 を具備する薄膜被作動ミラー。 ２．請求項１に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記活性材料層が半導体強誘 電セラミック材料からできている薄膜被作動ミラー。 ３．請求項１に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、厚さ方向の活性材料層の歪定 数を変化させるための手段をさらに具備する薄膜被作動ミラー。 ４．薄膜被作動ミラーであって、 活性基板と、 上記基板に装着されている少なくとも一つの変形可能な構造体であって、上 記変形可能な構造体が、さらに、上面と下面と、歪定数と厚さと、上記活性材料 層の上面と接触している第一の金属電極と、上記活性材料層の下面と接触してい る第二の金属電極とを備え、上記活性材料層を変形させるために、上記電極間の 上記活性材料層に電界をかけられるようになっている変形可能な構造体と、 厚み方向の活性材料層の歪定数を変化させるための手段と、 上記変形可能な材料の層の変形に応じて上記ミラー面が傾斜するように、変 形可能な構造体に相互接続しているミラー面と、 を具備する薄膜被作動ミラー。 ５．請求項４に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記活性材料層が、さらに下 面を備えた第一の活性材料層と、不活性上面を備えた第二の不活性材料層を有し 、上記不活性上面が上記活性下面と接触している薄膜被作動ミラー。 ６．請求項５に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記不活性材料層が不活性圧 電材料からできている薄膜被作動ミラー。 ７．請求項２に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記不活性材料層がＰＭＮ材 料からできている薄膜被作動ミラー。 ８．薄膜被作動ミラーであって、 台座と、 上記台座によりカンチレバーの形で支持されている少なくとも一つの変形可 能な構造体であって、上記変形可能な構造体が、さらに、二つの対向する面を持 つ活性材料層と、二つの金属電極を持ち、上記各金属電極が上記活性材料層の対 向する面の一方の上に装着されていて、上記活性材料層を変形させるために、上 記電極間の上記活性材料層に掛けられた電気信号により、上記活性材料層が変形 するようになっている変形可能な構造体と、 上記変形可能な材料の層の変形に応じて上記ミラー面が傾斜するように、上 記変形可能な構造体に相互接続しているミラー面と、 を具備する薄膜被作動ミラー。 ９．請求項８に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記活性材料層が半導体強誘 電セラミック材料からできている薄膜被作動ミラー。 10．請求項８に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記活性材料層が、上部層お よび下部層をさらに備え、上記上部層が活性圧電材料からなり、上記下部層が 不活性圧電材料からなる薄膜被作動ミラー。 11．請求項８に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記活性材料層が、上部層お よび下部層をさらに備え、上記上部層が活性圧電材料からなり、上記下部層がＰ ＭＮ材料からなる薄膜被作動ミラー。 12．請求項８に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記ミラー面が上記金属電極 の一方に直接的に装着されている薄膜被作動ミラー。 13．請求項８に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、変形可能な構造体と上記ミラ ー面との間に装着されているスペーサ部材をさらに具備する薄膜被作動ミラー。 14．請求項１３に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記変形可能な構造体が、 近端部と遠端部とを持ち、上記変形可能な構造体が上記の変形可能な構造体の近 端部で台座に装着され、上記スペーサが上記変形可能な構造体の遠端部に装着さ れている薄膜被作動ミラー。 15．請求項８に記載の薄膜被作動ミラーにおいて、上記変形可能な構造体が、近 端部と遠端部とを持ち、上記台座が上記変形可能な構造体の近端部で台座に装着 され、上記ミラー面が上記変形可能な構造体の遠端部に相互接続されている薄膜 被作動ミラー。