WO2018074084A1 - 半導体デバイスおよび表示装置ならびに電子機器 - Google Patents

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訓彦 森
克幸 加藤
池田　浩一
周作 柳川
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Definitions

  • the present disclosure relates to, for example, a semiconductor device used in a stereoscopic image display apparatus, a display apparatus including the semiconductor device, and an electronic apparatus.
  • a screen is arranged at a position of a real image, and the depth position of a virtual image is changed by moving the screen in the depth direction in units of pixels.
  • the depth position of the virtual image can be varied within a range from several tens cm to near infinity.
  • the displacement in the depth direction of the screen for each pixel is mainly realized by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) (see, for example, Patent Document 1).
  • a semiconductor device includes a substrate, a plurality of structures that are arranged in a matrix and have a planar portion, and a plurality of structures that are arranged on the substrate, and each of the plurality of structures is a substrate. And a plurality of piezoelectric actuators that move in a direction perpendicular to the surface.
  • a display device includes an optical system including a lens and a display device, and includes the semiconductor device according to the embodiment described above as a display device.
  • An electronic apparatus includes the display device according to the above-described embodiment.
  • each of the plurality of structures having a planar portion is arranged along a direction perpendicular to one surface of the substrate. It arrange
  • one surface of the substrate is provided between the plurality of structures having the planar portion and the substrate. Since a plurality of piezoelectric actuators that are moved along the vertical direction are arranged, the distance of a plurality of structures having a planar portion to one surface of the substrate can be greatly varied. In addition, since the plurality of piezoelectric actuators are disposed in each of the plurality of structures having the planar portion, the variation in the distance of the plurality of structures having the planar portion with respect to one surface of the substrate is independently determined. Can be done. That is, a large variation along the direction perpendicular to the in-plane with a small pitch is possible.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating an example of a configuration of a display element illustrated in FIG. 1. It is a perspective view showing the other example of a structure of the display element shown in FIG. It is sectional drawing showing an example of a structure of the actuator shown in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating another example of the configuration of the actuator illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic plan view illustrating a configuration of the actuator illustrated in FIG. 1. It is a schematic diagram explaining the deformation
  • FIG. 2 is a plan view illustrating an example of a configuration of an actuator illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a perspective view for explaining the movement of the display element shown in FIG. 2.
  • FIG. 10 is a plan view illustrating another example of the configuration of the actuator illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 10 is a perspective view for explaining the movement of the display element shown in FIG. 9.
  • FIG. 2 is a schematic plan view illustrating an example of wiring routing of the actuator illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 11B is a schematic cross-sectional view showing the wiring routing of the actuator shown in FIG. 11A.
  • FIG. 7 is a schematic plan view illustrating another example of the wiring routing of the actuator illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 12B is a schematic cross-sectional view showing wiring routing of the actuator shown in FIG. 12A. It is a block diagram showing the structure of the display apparatus of this indication.
  • FIG. 14 It is a schematic diagram explaining the optical system in the display apparatus shown in FIG. 14 is a perspective view illustrating an example of a configuration of a display element according to Modification 1 of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating another example of a configuration of a display element according to Modification Example 1 of the present disclosure.
  • FIG. 17 is a plan view for explaining the arrangement of the display elements shown in FIG. 16. It is a perspective view showing the composition of the display element concerning modification 2 of this indication. It is a perspective view showing the appearance of the head mounted display concerning an application example.
  • Embodiment (Example of display device that moves the screen surface using a piezoelectric actuator) 1-1. Configuration of display device 1-2. Configuration of display device 1-3. Action / Effect Modification 2-1. Modification 1 (example using actuators having different widths along two directions orthogonal to each other) 2-2. Modification 2 (example using an actuator having a multilayer structure) 3.
  • Application examples
  • FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor device (display device 10) according to an embodiment of the present disclosure, and schematically shows the configuration thereof.
  • FIG. 2 is a perspective view of the display element 20A shown in FIG. 1, and schematically shows the configuration thereof.
  • the display device 10 is used for, for example, a display device (display device 1) capable of displaying a stereoscopic image described later.
  • the display device 10 according to the present embodiment is arranged in a matrix on the substrate 21 and a plurality of structures (structures 22) having, for example, a plane portion (plane portion 22A) serving as a screen surface. And a plurality of piezoelectric actuators (actuators 23) respectively disposed between the substrate 21 and the plurality of structures 22.
  • the display device 10 includes a plurality of display elements 20A including the structure 22 and the actuators 23 arranged between the substrate 21 and the structure 22 on the substrate 21, for example, in a matrix form. Is arranged.
  • a structural body 22 is connected to the actuator 23 via, for example, a connecting portion 24. By driving the actuator 23, the structural body 22 moves in a direction perpendicular to the surface of the substrate 21 (Z-axis direction). It is possible.
  • the substrate 21 is for supporting the actuator 23 and the structure 22 connected thereto.
  • the substrate 21 is preferably not easily deformed, that is, has a high rigidity, and is made of, for example, a silicon wafer.
  • the substrate 21 has an opening at a position corresponding to the display element 20.
  • the opening may be a concave shape that opens from the surface opposite to the surface (element forming surface) on which the display element 20 is formed toward the element forming surface, and the substrate 21 remains on the bottom.
  • a through-hole shape penetrating the substrate 21 may be used. In the case where a sacrificial layer or the like is provided between the substrate 21 and the actuator 23 and a sufficient space can be secured between the substrate 21 and the actuator 23, the opening may not be provided.
  • the structure 22 is a plate-like member having the flat portion 22A as described above.
  • the flat portion 22A functions as, for example, a screen surface, and the surface thereof preferably has light reflectivity.
  • the planar portion 22A reflects light incident on the structure 22 from the Z-axis direction, for example, when reflecting incident light only in one direction, such as a mirror surface, the pupil diameter is very small.
  • the planar portion 22A is preferably a light diffusing surface that diffuses incident light at a wide angle.
  • the planar portion 22A is preferably a rough surface having random irregularities on the surface. Thereby, a robust optical system can be realized in the display device 1 described later.
  • the structure 22 is made of, for example, polysilicon having a reflective film such as aluminum (Al) formed on the surface. As described above, a plurality of the structures 22 are arranged in a matrix on the substrate 21, and each structure 22 constitutes one pixel.
  • one or a plurality of light emitting elements 25 such as micro LEDs (Light25Emitting Diode), for example, red (R), green (You may make it mount three light emitting elements of G) and blue (B).
  • micro LEDs Light25Emitting Diode
  • R red
  • G green
  • B blue
  • the actuator 23 moves the structure 22 along the direction perpendicular to the surface of the substrate 21 (Z-axis direction), and changes the distance between the planar portion 22A of the structure 22 and the substrate 21.
  • the plurality of actuators 23 arranged on the substrate 21 are formed at positions corresponding to the pixels of the actuator layer 23L provided on the substrate 21, respectively.
  • the actuator 23 is, for example, a cantilever type piezoelectric actuator, one end of which is fixed to the substrate 21, and the other end of the structure 23 is connected via a connecting portion 24. For example, as shown in FIG.
  • the actuator 23 has a so-called unimorph structure in which a first electrode film 232, a piezoelectric film 233, and a second electrode film 234 are laminated in this order on a support member 231.
  • the actuator 23 may have a so-called bimorph structure in which two piezoelectric films (piezoelectric films 233A and 233B) are stacked on a support member 231 as shown in FIG. 5, for example.
  • the bimorph actuator 23 has, for example, a configuration in which a first electrode film 232, a piezoelectric film 233A, a third electrode film 235, a piezoelectric film 233B, and a second electrode film 234 are stacked in this order on a support member 231.
  • the piezoelectric films 233 ⁇ / b> A and 233 ⁇ / b> B are applied with voltages that are inverted with each other, whereby a large generated force is obtained and a larger displacement amount is obtained.
  • a protective film (a protective film 236 (for example, see FIG. 11B)) is provided over the second electrode film 234 as necessary.
  • the actuator 23 is a cantilever type in which an electrode film (for example, the second electrode film 224) on one surface of the piezoelectric film 223 is configured by a pair of electrodes (electrodes 234A and 234B) to which a reverse polarity voltage can be applied.
  • the piezoelectric actuator is configured as one unit and a plurality of the piezoelectric actuators are connected in series. As a result, the actuator 23 can achieve a relatively large stroke of several tens of ⁇ m or more with a small footprint of, for example, several tens of ⁇ m.
  • the cantilever-type piezoelectric actuator 1 unit 23a has a rectangular shape extending in one axial direction (for example, the X-axis direction) as shown in FIG. 6A, for example, and one surface (for example, the second electrode) of the piezoelectric film 233 As described above, two electrodes (electrodes 234A and 234B) for applying a reverse polarity voltage are provided in the membrane side). That is, the second electrode film 234 shown in FIGS. 4 and 5 includes two electrodes 234A and 234B.
  • the piezoelectric film 233 corresponds to the electrode 234A, for example, as shown in FIG. 6B.
  • the first electrode film 232 side contracts, and in the region corresponding to the electrode 234B, for example, the electrode 234B side contracts.
  • the piezoelectric film 233 is warped and deformed in the Z-axis direction.
  • the planar portion 22A of the structure 22 connected to the other end of the actuator 23 having one end fixed to the substrate 21 is movable in the direction perpendicular to the surface of the substrate 21 (XY plane) (Z-axis direction).
  • the actuator 23 has a plurality of units 23a1 to 23an connected in series in a spiral shape as shown in FIG. 7, for example.
  • the plurality of units are connected so that two electrodes to which a reverse polarity voltage is applied are alternately arranged.
  • one end of a plurality of units 23a (unit 23a1 in FIG. 7) connected in series is fixed to the substrate 21, and the other end (unit 23an in FIG. 7) has a structure.
  • a holding portion 23 ⁇ / b> X for holding 22 is provided, and the structure 22 is held by the holding portion 23 ⁇ / b> X via the connection portion 24.
  • the height of the planar portion 22A of the structure 22 with respect to the surface of the substrate 21 can be greatly displaced in the Z-axis direction by the amount of the units constituting the actuator 23, as shown in FIG.
  • the actuator 23 shows only its outer frame, and the notation of the electrodes 234A and 234B is omitted. The same applies to FIG. 10, FIG. 15, FIG. 16, and FIG.
  • the actuator 23 is preferably connected in series in a meander shape, for example, as shown in FIG.
  • the holding portion 23X is arranged at the center of the units 23a arranged in parallel in the X-axis direction, and the structure 22 is connected to the holding portion 23X via the connection portion 24.
  • the plurality of units 23a are connected so that two electrodes to which a reverse polarity voltage is applied are alternately arranged toward one end fixed to the substrate 21 starting from the holding portion 23X. It is preferable. Thereby, the planar portion 22A of the structure 22 can be largely displaced in the Z-axis direction as shown in FIG.
  • the wiring structure of the electrodes 234A and 234B may be patterned on the piezoelectric film 223 as shown in FIGS. 11A and 11B, for example.
  • FIG. 11B shows a cross-sectional structure of the actuator 23 along the line II-II in FIG. 11A.
  • the wiring structure of the electrode 234A and the electrode 234B has, for example, a first electrode film 232 (electrode 232A), a piezoelectric film 233A, and a second electrode film, respectively, in the unit as shown in FIGS. 12A and 12B.
  • Electrode 234A), the first electrode film (electrode 232B), the piezoelectric film 233B, and the second electrode film (electrode 234B) each form two stacked bodies in this order, and one second electrode (for example, The electrode 234A) and the other first electrode (for example, the electrode 232B) may be electrically connected through the conductive film 237.
  • FIG. 12B shows a cross-sectional structure of the actuator 23 along the line III-III in FIG. 12A.
  • the two laminates and the support member 231 are covered with a protective film 236.
  • the protective film 236 has openings 236H1 and 236H2 on the electrode 234A and on the electrode 232B extending to the adjacent stacked body, respectively.
  • the conductive film 237 is connected to the electrode 234A and the electrode through the openings 236H1 and 236H2.
  • 232B is electrically connected to each other. Note that the routing structure shown in FIGS. 12A and 12B can maximize the area of the electrode 234A and the electrode 234B, so that a large generating force can be obtained.
  • connection unit 24 is for connecting the structure 22 to the actuator 23.
  • the connection part 24 preferably has insulating properties, and is preferably made of, for example, silicon nitride (SiN).
  • the length (l) of the connecting portion 24 is preferably larger than, for example, the variable distance of the planar portion 22A of the structure 22 with respect to the surface of the substrate 21, that is, the displacement amount of the actuator 23 in the Z-axis direction.
  • a structure 22 of a plurality of display elements 30B each having a sufficiently large one of the widths along two directions orthogonal to each other is shown in FIG.
  • the initial value of the structure 22 is, for example, the distance from the surface of the substrate 21 to the planar portion 22A of the structure 22 when the actuator 33B is not driven.
  • the display element 20 applies a voltage having an opposite phase to the actuator 23 to reduce the distance between the surface of the substrate 21 and the planar portion 22A of the structure 22, that is, the plane of the structure 22.
  • the portion 22A can be moved toward the substrate 21 in the Z-axis direction.
  • the length of the connecting portion 24 is set larger than the displacement amount of the actuator 33B in the Z-axis direction, thereby preventing interference between the structure 22 and the actuator 23 between adjacent pixels. be able to.
  • the actuator 23 is disposed between the substrate 21 and the structure 22 having the planar portion 22A, and one end of the actuator 23 is fixed to the substrate 21. Since the structure 22 is connected to the end via the connection portion 24, the position of the planar portion 22A of the structure 22 varies greatly in the direction perpendicular to the surface of the substrate 21 (Z-axis direction) for each pixel. It becomes possible to make it.
  • the display device 10 according to the present embodiment can realize a screen array movable for each pixel by individually controlling the driving of each actuator 23 of each display element 20A.
  • FIG. 13 illustrates a configuration of the display device 1 of the present disclosure.
  • the display device 1 is a display device that can display a stereoscopic image.
  • the display device 1 includes, for example, an image processing unit 100 and an image display unit 200.
  • the image processing unit 100 analyzes binocular parallax included in a stereoscopic video and acquires depth information of an object shown in the stereoscopic video. Specifically, the object setting unit 110 acquires the depth information of the object included in the stereoscopic video together with the parallax image for the right eye and the parallax image for the left eye included in the stereoscopic video.
  • the partial area generation unit 120 divides the stereoscopic video to be processed into a plurality of partial areas based on the depth information acquired by the object setting unit 110.
  • the rendering unit 130 generates an image composed of pixels included in each of the partial areas generated by the partial area generation unit 120.
  • the image display unit 200 presents the image acquired by the image processing unit 100 to a user who observes the display device 1.
  • the virtual image position setting unit 210 based on the depth information acquired by the object setting unit 110, the position at which the virtual image of the image generated by the rendering unit 130 is displayed, that is, the screen 22 is the structure 22 in the present embodiment.
  • the position of the plane portion 22A is set.
  • the virtual image display unit 220 presents a virtual image to the user observing the display device 1 based on the image acquired by the image processing unit 100.
  • FIG. 14 schematically shows a configuration of an optical system included in the display device 1.
  • the display device 1 includes, for example, a convex lens 310 and the display device 10 as an optical system.
  • the convex lens 310 and the display device 10 have a Z axis determined in the line-of-sight direction of the viewpoint 300, and are arranged on the Z axis so that the optical axis of the convex lens 310 and the Z axis coincide.
  • the screen surface (the planar portion 22 ⁇ / b> A of the structure) is disposed at a distance A (A ⁇ F) in front of the focal length F of the convex lens 27.
  • the display device 10 is disposed inside the focal point of the convex lens 27. At this time, from the viewpoint 300, the image displayed on the display device 10 is observed as a virtual image at a position away from the convex lens 27 by a distance B (F ⁇ B).
  • the position of the screen surface (plane portion 22A) of the display device 10 of the present embodiment varies in the Z-axis direction.
  • the position of the virtual image of the real image 311a displayed on the plane portion 22A is changed by moving the plane portion 22A by the distance A1 or the distance A2 along the Z axis toward the user side (viewpoint 300 side).
  • the distance from the position 312 a to the user side can be changed by a distance B1 (virtual image 312 b) and a distance B2 (virtual image 312 c).
  • the display device 10 according to the present embodiment can vary the planar portion 22A for each pixel, for example, several tens of ⁇ m.
  • the position of the virtual image observed from the viewpoint 300 can be changed more greatly. That is, distance information from several tens of centimeters to infinity can be reproduced for each pixel.
  • the pixel size is as small as several tens of micrometers, and a shape change (vertical stroke) of several tens of micrometers is required for this pixel size.
  • a shape change (vertical stroke) of several tens of micrometers is required for this pixel size.
  • MEMES device that realizes the vertical stroke as described above, and it is desired to develop a MEMES device that can change in the vertical direction of several tens of ⁇ m at a small pitch (several tens of ⁇ m). ing.
  • the plurality of structures 22 having the planar portion 22A are respectively moved through the plurality of actuators 23 that move along the direction perpendicular to the surface of the substrate 21. 11 is arranged in a matrix, for example. Thereby, it is possible to independently perform the variation in the vertical direction (Z-axis direction) with respect to the surface of the substrate 21 of the plurality of structures 22 having the planar portion 22A with a large stroke.
  • the plurality of actuators 23 that are moved along the direction perpendicular to the surface of the substrate 21 are arranged between the plurality of structures 22 having the planar portion 22A and the substrate 21, respectively. I made it. Thereby, the distance between the planar portion 22A of the structure 22 and the surface of the substrate 21 can be greatly varied.
  • the actuators 23 are individually arranged in each of the plurality of structures 22 having the planar portion 22A, the variation in distance from the surface of the substrate 21 of the plurality of structures 22 having the planar portion 22A is independent of each other. Can be performed. Therefore, it is possible to greatly change the plane portion 22A along the direction perpendicular to the in-plane with a small pitch. That is, when the planar portion 22A is formed as a screen surface, it is possible to provide a stereoscopic image display device that can reproduce depth information of several tens of centimeters to infinity by a virtual image for each pixel.
  • a cantilever-type piezoelectric actuator is formed as one unit, and a plurality of them are connected in series.
  • the actuator 23 can change in a large vertical direction with respect to the surface of the substrate 21 of several tens of ⁇ m or more, for example, with a small footprint of about several tens of ⁇ m. Therefore, it is possible to provide both a large stroke and a small pixel size, and it is possible to provide a stereoscopic image display device with higher image quality.
  • a display device capable of stereoscopic display with a simpler optical system can be realized.
  • FIG. 1 15 and 16 are perspective views of a display element (display elements 30A and 30B) according to a modified example (modified example 1) of the present disclosure, and schematically illustrate the configuration.
  • the widths of the display elements along the two orthogonal directions are greatly different from each other, that is, the shape of the actuator is elongated.
  • the displacement amount of the position of the planar portion 22A of the structure 22 with respect to the substrate 21 can be increased.
  • the displacement in the vertical direction is in principle proportional to the square of the length.
  • an actuator is arranged for each pixel as in the display device 10 shown in FIG. 1, it is difficult to make the footprint of the actuator larger than the size of the structure. Therefore, by making the actuator into an elongated shape, the length of one unit of the cantilever type piezoelectric actuator constituting the actuator is increased, and a larger displacement is possible.
  • the structure 22 has a pitch of 20 ⁇ m (the length of one side of the structure 22), for example, when the square actuator 23 having substantially the same size as the structure 22 is configured as in the above embodiment.
  • the displacement amount of the piezoelectric actuator 1 unit 23a is about 2 ⁇ m.
  • the size of the actuator for example, the actuator 33A
  • the length (la) of the piezoelectric actuator 1 unit 33a is about 80 ⁇ m
  • the displacement amount is about 27 ⁇ m. More than 12 times the square actuator. Since the area occupied by the actuator is constant, the number of one piezoelectric actuator unit constituting the actuator is reduced, but the displacement amount is increased as a result.
  • Table 1 shows the calculation result of the displacement amount with respect to the long side width ( ⁇ m) of the actuator.
  • the actuator 23 (20 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m) formed in a rectangular shape as in the above embodiment is 2.2 ⁇ m, whereas the display element 30A (FIG. 15) having a size of 40 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m, for example, 11.3 ⁇ m, In the display element 30B (FIG. 16) having a size of 80 ⁇ m ⁇ 5 ⁇ m, it was 26.9 ⁇ m.
  • FIG. 17 illustrates an example of a design when a plurality of display elements (for example, display element 30B) including rectangular actuators (for example, actuator 33B) are arranged in a matrix as in this modification. is there.
  • a plurality of display elements for example, display element 30B
  • rectangular actuators for example, actuator 33B
  • the display elements can be arranged in a matrix even when the aspect ratio of the actuator is changed.
  • FIG. 18 is a perspective view of a display element (display element 40) according to a modification example (modification example 2) of the present disclosure, and schematically illustrates the configuration thereof.
  • the display element 40 of the present modification example is that the piezoelectric actuator 1 unit constituting the actuator 43 is stacked in the vertical direction (Z-axis direction) with respect to the surface of the substrate 21 via, for example, the connection portion 46. It differs from the form and modification.
  • the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric film 223 is made of, for example, lead zirconate titanate (PZT). This PZT is generally difficult to finely process.
  • the piezoelectric actuator 1 unit constituting the actuator 43 actually has a certain beam width (for example, the width in the Y-axis direction in FIG. 18). Desired.
  • the footprint of the actuator 43 is suppressed by adopting a multilayer structure in which one unit of the piezoelectric actuator constituting the actuator 43 is laminated in the Z-axis direction (here, the two-layer structure of the units 43a1 and 43a2). However, it is possible to increase the amount of displacement of the position of the planar portion 22A of the structure 22 with respect to the substrate 21.
  • FIG. 19 shows that the display device 1 including the display device 10 of the present disclosure is applied to a wearable display such as a head-mounted display, a portable display that can be carried as described above, or an electronic device such as a smartphone or a tablet as described above. Can be applied.
  • a wearable display such as a head-mounted display, a portable display that can be carried as described above, or an electronic device such as a smartphone or a tablet as described above. Can be applied.
  • a schematic configuration of the head mounted display 400 will be described.
  • the head mounted display 400 includes, for example, a display unit 410, a housing 420, and a mounting unit 430.
  • the display unit 410 displays an image having a three-dimensional depth. Specifically, the display unit 410 individually displays the right-eye parallax image and the left-eye parallax image. As a result, a stereoscopic image with a sense of depth is displayed on the display unit 410.
  • the housing 420 plays a role of a frame in the display device 1, and various modules (not shown) such as various optical components constituting the display device 1 are accommodated in the housing 420.
  • a hat-type head-mounted display attached to the user's head is shown as an example.
  • the present invention is also applicable to any shape display device such as a glasses-type head-mounted display. can do.
  • the semiconductor device of the present disclosure can be used as a haptic device by vibrating each actuator at high speed, for example.
  • this indication can take the following composition.
  • a substrate A plurality of structures arranged in a matrix and having a planar portion;
  • a semiconductor device comprising: a plurality of piezoelectric actuators arranged on the substrate and each moving the plurality of structures along a direction perpendicular to one surface of the substrate.
  • each of the planar portions of the plurality of structures is a light reflecting surface.
  • one or a plurality of light emitting elements are mounted on each of the planar portions of the plurality of structures.
  • the piezoelectric actuator is a cantilever actuator.
  • the piezoelectric device is the semiconductor device according to (4), wherein a plurality of the cantilever actuators are connected in series. (6) The semiconductor device according to any one of (1) to (5), wherein the plurality of piezoelectric actuators have different widths along two directions orthogonal to each other. (7) The semiconductor device according to any one of (1) to (6), wherein each of the plurality of piezoelectric actuators has a spiral shape. (8) The semiconductor device according to any one of (1) to (7), wherein each of the plurality of piezoelectric actuators has a meander shape. (9) The semiconductor device according to any one of (1) to (8), wherein each of the plurality of piezoelectric actuators has a multilayer structure.
  • each of the plurality of piezoelectric actuators has a unimorph structure.
  • each of the plurality of piezoelectric actuators has a bimorph structure.
  • the length of the connecting portion is the semiconductor device according to (12), wherein the length of each of the structures by each of the piezoelectric actuators is longer than the variation distance with respect to one surface of the substrate.
  • An optical system including a lens and a display device The display device is A substrate, A plurality of structures arranged in a matrix and having a planar portion; A display device comprising: a plurality of piezoelectric actuators arranged on the substrate and each moving the plurality of structures along a direction perpendicular to one surface of the substrate.

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Abstract

本開示の一実施形態の半導体デバイスは、基板と、マトリクス状に配置されると共に、平面部を有する複数の構造体と、基板上に配置されると共に、複数の構造体をそれぞれ、基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータとを備える。

Description

半導体デバイスおよび表示装置ならびに電子機器
　本開示は、例えば、立体画像表示装置に用いられる半導体デバイスおよびこれを備えた表示装置ならびに電子機器に関する。
　３Ｄディスプレイでは、一般に、実像の位置にスクリーンが配置され、このスクリーンが画素単位で奥行き方向へ変位することで、虚像の奥行位置が変化する。３Ｄディスプレイでは、実像位置における奥行き方向の変位が数１０μｍ程度であったとしても、光学系によっては、虚像の奥行位置を数１０ｃｍ～無限遠に近い範囲で変動させることができる。各画素毎のスクリーンの奥行方向の変位は、主に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によって実現されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５－１６１７６５号公報
　ところで、近年、ヘッドマウント型の３Ｄディスプレイの開発が進められている。ヘッドマウントディスプレイのような小型のディスプレイにおいて上記のような広範囲な奥行情報を実現するためには、上記数１０μｍ程度の奥行き方向の変位を、例えば、数１０μｍ程度の小さなピッチで行う必要がある。このため、数１０μｍ程度の小さなピッチで且つ面内に対する垂直方向に沿った、例えば１０μｍ程度の大きな変動が可能なピストン型のアレイデバイスの実現が求められている。
　小さなピッチで面内に対して垂直方向に沿った大きな変動が可能な半導体デバイスおよび表示装置ならびに電子機器を提供することが望ましい。
　本開示の一実施形態の半導体デバイスは、基板と、マトリクス状に配置されると共に、平面部を有する複数の構造体と、基板上に配置されると共に、複数の構造体をそれぞれ、基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータとを備えたものである。
　本開示の一実施形態の表示装置は、レンズおよび表示デバイスを含む光学系を備えたものであり、表示デバイスとして、上記一実施形態の半導体デバイスを備える。
　本開示の一実施形態の電子機器は、上記一実施形態の表示装置を備えたものである。
　本開示の一実施形態の半導体デバイスおよび一実施形態の表示装置ならびに一実施形態の電子機器では、平面部を有する複数の構造体を、それぞれ、基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータを介して基板上に配置するようにした。これにより、平面部を有する複数の構造体の基板の一の面に対して垂直方向の移動を、各々独立して行うことが可能となる。
　本開示の一実施形態の半導体デバイスおよび一実施形態の表示装置ならびに一実施形態の電子機器によれば、平面部を有する複数の構造体と、基板との間に、それぞれ、基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータを配置するようにしたので、平面部を有する複数の構造体の基板の一の面に対する距離を大きく変動させることが可能となる。また、平面部を有する複数の構造体のそれぞれに、上記複数の圧電アクチュエータを配置するようにしたので、平面部を有する複数の構造体の基板の一の面に対する距離の変動を各々独立して行うことが可能となる。即ち、小さなピッチで面内に対して垂直方向に沿った大きな変動が可能となる。
　なお、本開示の効果は、ここに記載された効果に必ずしも限定されず、本明細書中に記載されたいずれの効果であってもよい。
本開示の実施の形態に係る表示デバイスの構成を表す斜視図である。 図１に示した表示素子の構成の一例を表す斜視図である。 図１に示した表示素子の構成の他の例を表す斜視図である。 図１に示したアクチュエータの構成の一例を表す断面図である。 図１に示したアクチュエータの構成の他の例を表す断面図である。 図１に示したアクチュエータの構成を説明する平面模式図である。 図６Ａに示したアクチュエータの変形を説明する模式図である。 図１に示したアクチュエータの構成の一例を表す平面図である。 図２に示した表示素子の動きを説明する斜視図である。 図１に示したアクチュエータの構成の他の例を表す平面図である。 図９に示した表示素子の動きを説明する斜視図である。 図１に示したアクチュエータの配線引きまわしの一例を表す平面模式図である。 図１１Ａに示したアクチュエータの配線引きまわしを表す断面模式図である。 図１に示したアクチュエータの配線引きまわしの他の例を表す平面模式図である。 図１２Ａに示したアクチュエータの配線引きまわしを表す断面模式図である。 本開示の表示装置の構成を表すブロック図である。 図１３に示した表示装置における光学系を説明する模式図である。 本開示の変形例１に係る表示素子の構成の一例を表す斜視図である。 本開示の変形例１に係る表示素子の構成の他の例を表す斜視図である。 図１６に示した表示素子の配列を説明する平面図である。 本開示の変形例２に係る表示素子の構成を表す斜視図である。 適用例に係るヘッドマウントディスプレイの外観を表わした斜視図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比などについても、それらに限定されるものではない。なお、説明する順序は、下記の通りである。
　１．実施の形態（圧電アクチュエータを用いてスクリーン面の移動を行う表示デバイ　　スの例）
　　１－１．表示デバイスの構成
　　１－２．表示装置の構成
　　１－３．作用・効果
　２．変形例
　　２－１．変形例１（互いに直交する２方向に沿ったそれぞれの幅が互いに異なるアクチュエータを用いた例）
　　２－２．変形例２（多層構造を有するアクチュエータを用いた例）
　３．適用例
＜１．実施の形態＞
　図１は、本開示の一実施の形態に係る半導体デバイス（表示デバイス１０）を斜視し、その構成を模式的に表したものである。図２は、図１に示した表示素子２０Ａを斜視し、その構成を模式的に表したものである。この表示デバイス１０は、例えば、後述する立体画像を表示可能な表示装置（表示装置１）に用いられるものである。本実施の形態の表示デバイス１０は、基板２１と、基板２１上にマトリクス状に配置されると共に、例えば、スクリーン面となる平面部（平面部２２Ａ）を有する複数の構造体（構造体２２）と、基板２１と複数の構造体２２との間にそれぞれ配置された複数の圧電アクチュエータ（アクチュエータ２３）とを備えたものである。
（１－１．表示デバイスの構成）
　表示デバイス１０は、上記のように、構造体２２と、基板２１と構造体２２との間に配置されたアクチュエータ２３とから構成される複数の表示素子２０Ａが、基板２１上に、例えばマトリクス状に配置されたものである。アクチュエータ２３には、構造体２２が、例えば接続部２４を介して接続されており、このアクチュエータ２３を駆動させることで、構造体２２が基板２１面に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に移動可能となっている。
　基板２１は、アクチュエータ２３およびこれに接続された構造体２２を支持するためのものである。基板２１は、変形しにくい、即ち、高い剛性を有することが好ましく、例えばシリコンウエハにより構成されている。基板２１には、表示素子２０に対応する位置に開口が設けられている。この開口は、表示素子２０が形成されている面（素子形成面）とは反対側の面から素子形成面に向かって開口し、底部に基板２１が残る凹部状であってもよいし、あるいは、基板２１を貫通する貫通孔状であってもよい。なお、基板２１とアクチュエータ２３との間に、例えば犠牲層等を設け、基板２１とアクチュエータ２３との間に十分な間隔が確保できる場合には、開口は設けなくてもよい。
　構造体２２は、上記のように平面部２２Ａを有する板状部材である。平面部２２Ａは、例えばスクリーン面として機能するものであり、その表面は、光反射性を有することが好ましい。但し、この平面部２２ＡがＺ軸方向から構造体２２に向かって入射する光を反射させる際に、例えばミラー面のように入射光をある一方向のみに反射させる場合には、瞳径が非常に小さくなってしまい、ユーザが瞳を僅かに動かすだけで光が眼に入らなくなってしまう。よって、平面部２２Ａは、入射光を広角に拡散させる光拡散面となっていることが好ましく、例えば、表面にランダムな凹凸を有する粗面となっていることが好ましい。これにより、後述する表示装置１においてロバストネスな光学系を実現することができる。
構造体２２は、例えば、表面にアルミニウム（Ａｌ）等の反射膜が成膜されたポリシリコンによって構成されている。構造体２２は、上記のように、基板２１上にマトリクス状に複数配置されており、各構造体２２が、それぞれ１つの画素を構成している。
　また、構造体２２の平面部２２Ａには、図３に示したように、例えば、マイクロＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子２５を１個または複数個、例えば、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３つの発光素子を搭載するようにしてもよい。
　アクチュエータ２３は、構造体２２を、基板２１面に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に沿って移動させ、構造体２２の平面部２２Ａと基板２１との距離を変化させるものである。また、基板２１上に配置されている複数のアクチュエータ２３は、それぞれ、基板２１上に設けられたアクチュエータ層２３Ｌの画素に対応する位置に形成されたものである。アクチュエータ２３は、例えば、カンチレバー型の圧電アクチュエータであり、一端は基板２１に固定され、他端には構造体２２が接続部２４を介して接続されている。アクチュエータ２３は、例えば図４に示したように、支持部材２３１上に、第１電極膜２３２、圧電膜２３３および第２電極膜２３４がこの順に積層された、いわゆるユニモルフ構造を有する。また、アクチュエータ２３は、例えば図５に示したように、支持部材２３１上に、圧電膜が２層（圧電膜２３３Ａ，２３３Ｂ）積層された、いわゆるバイモルフ構造としてもよい。バイモルフ構造のアクチュエータ２３は、例えば、支持部材２３１上に、第１電極膜２３２、圧電膜２３３Ａ、第３電極膜２３５、圧電膜２３３Ｂおよび第２電極膜２３４がこの順に積層された構成を有する。圧電膜２３３Ａおよび圧電膜２３３Ｂには、互いに反転した電圧が印加されるようになっており、これにより、大きな発生力が得られ、より大きな変位量が得られる。なお、第２電極膜２３４上には、必要に応じて、保護膜（保護膜２３６（例えば、図１１Ｂ参照））が設けられている。
　本実施の形態のアクチュエータ２３は、圧電膜２２３の一面の電極膜（例えば第２電極膜２２４）が、逆極性の電圧を印加可能な一対の電極（電極２３４Ａ，２３４Ｂ）によって構成されたカンチレバー型の圧電アクチュエータを１ユニットとし、これを複数直列に接続した構成とすることが好ましい。これにより、アクチュエータ２３は、例えば、数１０μｍ程度の小さいフットプリントで、数１０μｍ以上の相対的に大きなストロークが実現される。
　カンチレバー型の圧電アクチュエータ１ユニット２３ａは、例えば図６Ａに示したように、一軸方向（例えばＸ軸方向）に延在する矩形形状を有し、圧電膜２３３の一方の面（例えば、第２電極膜側）内には、上記のように、逆極性の電圧を印加するための２つの電極（電極２３４Ａ，２３４Ｂ）が設けられている。即ち、図４および図５に示した第２電極膜２３４は、２つの電極２３４Ａ，２３４Ｂから構成されている。この２つの電極２３４Ａ，２３４Ｂの一方（例えば電極２３４Ａ）に負電位、他方（例えば電極２３４Ｂ）に正電位を印加すると、図６Ｂに示したように、圧電膜２３３は、例えば、電極２３４Ａに対応する領域では、例えば、第１電極膜２３２側が収縮し、電極２３４Ｂに対応する領域では、例えば、電極２３４Ｂ側が収縮する。これによって、圧電膜２３３は、Ｚ軸方向に反り変形する。即ち、一端が基板２１に固定されたアクチュエータ２３の他端に接続された構造体２２の平面部２２Ａは、基板２１面（ＸＹ平面）に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に可動する。
　本実施の形態では、アクチュエータ２３は、複数のユニット２３ａ１～ユニット２３ａｎが、例えば図７に示したように、スパイラル状に直列接続されていることが好ましい。スパイラル形状を有するアクチュエータ２３では、複数のユニットは、逆極性の電圧が印加される２つの電極が交互に配置されるようにそれぞれ接続されている。また、スパイラル形状を有するアクチュエータ２３では、複数直列に接続されたユニット２３ａ（図７では、ユニット２３ａ１）の一端が基板２１に固定され、他端（図７では、ユニット２３ａｎ）には、構造体２２を保持するための保持部２３Ｘが設けられており、この保持部２３Ｘに、接続部２４を介して構造体２２が保持されている。これにより、基板２１面に対する構造体２２の平面部２２Ａの高さは、図８に示したように、アクチュエータ２３を構成するユニットの分、Ｚ軸方向に大きく変位することが可能となる。なお、図８では、アクチュエータ２３はその外枠のみを示し、電極２３４Ａ，２３４Ｂの表記は省略する。以下、図１０，図１５，図１６および図１８についても同様である。
　あるいは、アクチュエータ２３は、例えば図９に示したように、ミアンダ状に直列接続されていることが好ましい。ミアンダ形状を有するアクチュエータ２３では、例えばＸ軸方向に並列されたユニット２３ａの中央に保持部２３Ｘを配置し、この保持部２３Ｘに接続部２４を介して構造体２２を接続することが好ましい。また、複数のユニット２３ａは、保持部２３Ｘを起点に基板２１との固定されている一端に向かって、逆極性の電圧が印加される２つの電極が交互に配置されるように接続されていることが好ましい。これにより、構造体２２の平面部２２Ａは、図１０に示したように、Ｚ軸方向に大きく変位することが可能となる。
　電極２３４Ａおよび電極２３４Ｂの配線の引き回し構造は、例えば図１１Ａおよび図１１Ｂに示したように、圧電膜２２３上にパターニングするようにしてもよい。なお、図１１Ｂは、図１１ＡにおけるＩＩ－ＩＩ線に沿ったアクチュエータ２３の断面構造を表したものである。
　あるいは、電極２３４Ａおよび電極２３４Ｂの配線の引き回し構造は、例えば図１２Ａおよび図１２Ｂに示したように、ユニット内に、それぞれ、第１電極膜２３２（電極２３２Ａ）、圧電膜２３３Ａおよび第２電極膜（電極２３４Ａ）、第１電極膜（電極２３２Ｂ）、圧電膜２３３Ｂおよび第２電極膜（電極２３４Ｂ）が、それぞれ、この順に積層された２つの積層体を形成し、一方の第２電極（例えば、電極２３４Ａ）と他方の第１電極（例えば、電極２３２Ｂ）とを導電膜２３７を介して電気的に接続するようにしてもよい。なお、図１２Ｂは、図１２ＡにおけるＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿ったアクチュエータ２３の断面構造を表したものである。また、２つの積層体および支持部材２３１は保護膜２３６によって覆われている。この保護膜２３６には、電極２３４Ａ上および隣接する積層体側に延在する電極２３２Ｂ上にそれぞれ開口２３６Ｈ１，２３６Ｈ２を有し、導電膜２３７は、この開口２３６Ｈ１，２３６Ｈ２を介して、電極２３４Ａおよび電極２３２Ｂに、それぞれ電気的に接続されている。なお、図１２Ａおよび図１２Ｂに示した引き回し構造の方が、電極２３４Ａおよび電極２３４Ｂの面積を最大化できるため、大きな発生力が得られる。
　接続部２４は、構造体２２をアクチュエータ２３に接続するためのものである。接続部２４は、絶縁性を有することが好ましく、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）によって構成されていることが好ましい。接続部２４の長さ（ｌ）は、例えば、構造体２２の平面部２２Ａの基板２１面に対する変動距離、即ち、アクチュエータ２３のＺ軸方向の変位量よりも大きいことが好ましい。例えば、後述する図１６に示したアクチュエータ３３Ｂのように、互いに直交する２方向に沿ったそれぞれの幅の一方が十分に大きな複数の表示素子３０Ｂの構造体２２を、図１７に示したように、マトリクス状に配置した場合、構造体２２の初期値の高さが、アクチュエータ３３ＢのＺ軸方向の変位量よりも低いと、アクチュエータ３３Ｂの駆動によって構造体２２の高さが変動する際に、隣接する画素間において、アクチュエータ３３Ｂと構造体２２とが干渉する虞があるからである。なお、構造体２２の初期値とは、例えば、アクチュエータ３３Ｂを駆動させていない状態における基板２１面から構造体２２の平面部２２Ａまでの距離である。
　また、本実施の形態の表示素子２０は、アクチュエータ２３に逆位相の電圧を印加することで、基板２１面と構造体２２の平面部２２Ａとの距離を小さくする、即ち、構造体２２の平面部２２ＡをＺ軸方向の基板２１側に変動させることができる。この場合も、上記のように、接続部２４の長さをアクチュエータ３３ＢのＺ軸方向の変位量よりも大きくしておくことで、隣接する画素間における構造体２２とアクチュエータ２３との干渉を防ぐことができる。
　以上のように、本実施の形態の表示デバイス１０は、基板２１と平面部２２Ａを有する構造体２２との間に、アクチュエータ２３を配置し、このアクチュエータ２３の一端を基板２１に固定し、他端に接続部２４を介して構造体２２を接続するようにしたので、構造体２２の平面部２２Ａの位置を、画素毎に、基板２１面に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に大きく変動させることが可能となる。また、本実施の形態の表示デバイス１０は、各表示素子２０Ａの各アクチュエータ２３の駆動を個別に制御することで、画素毎に可動可能なスクリーンアレイを実現することができる。
（１－２．表示装置の構成）
　図１３は、本開示の表示装置１の構成を表したものである。この表示装置１は、立体画像を表示可能な表示装置である。表示装置１は、例えば、画像処理部１００と画像表示部２００とを備える。
　画像処理部１００は、立体映像に含まれる両眼視差を解析し、立体映像に映っているオブジェクトの奥行情報を取得するものである。具体的には、オブジェクト設定部１１０は立体映像に含まれる右目用の視差画像および左目用の視差画像と共に、その立体映像に含まれるオブジェクトの奥行情報を取得する。
　部分領域生成部１２０では、オブジェクト設定部１１０が取得した奥行情報をもとに、処理対象となる立体映像を複数の部分領域に区分けする。レンダリング部１３０では、部分領域生成部１２０が生成した複数の部分領域それぞれに含まれる画素から構成される画像を生成する。
　画像表示部２００は、画像処理部１００が取得した画像を、表示装置１を観察するユーザに提示するものである。虚像位置設定部２１０では、オブジェクト設定部１１０が取得した奥行情報をもとに、レンダリング部１３０が生成した画像の虚像を表示する位置、即ち、スクリーン面となる本実施の形態における構造体２２の平面部２２Ａの位置を設定する。虚像表示部２２０では、画像処理部１００が取得した画像をもとに、表示装置１を観察するユーザに虚像を提示する。
　図１４は、上記表示装置１が備える光学系の構成を模式的に表したものである。表示装置１は、光学系として、例えば凸レンズ３１０と、上記表示デバイス１０とを有する。表示装置１では、凸レンズ３１０および表示デバイス１０は、視点３００の視線方向にＺ軸が定められており、凸レンズ３１０の光軸とＺ軸とが一致するようにＺ軸上に配置されている。表示デバイス１０では、例えばスクリーン面（構造体の平面部２２Ａ）が、凸レンズ２７の焦点距離Ｆよりも手前の距離Ａ（Ａ＜Ｆ）に配置されている。即ち、表示デバイス１０は、凸レンズ２７の焦点の内側に配置されている。このとき、視点３００からは、表示デバイス１０に表示された画像が、凸レンズ２７から距離Ｂ（Ｆ＜Ｂ）離れた位置に虚像として観察される。
　本実施の形態の表示デバイス１０のスクリーン面（平面部２２Ａ）の位置は、Ｚ軸方向に変動する。この表示デバイス１０では、例えば、平面部２２ＡをＺ軸に沿ってユーザ側（視点３００側）に距離Ａ１あるいは距離Ａ２変動させることによって、平面部２２Ａに表示された実像３１１ａの虚像の位置を、図１４に示したように、３１２ａの位置から距離Ｂ１（虚像３１２ｂ），距離Ｂ２（虚像３１２ｃ）分、ユーザ側に変動させることが可能となる。特に、本実施の形態の表示デバイス１０は、平面部２２Ａを画素毎に、例えば数１０μｍ変動させることができる。これによって、視点３００から観察される虚像の位置をより大きく変動させることができる。即ち、各画素毎に、数１０ｃｍ～無限遠の距離情報を再現することが可能となる。
（１－３．作用・効果）
　前述したように、近年、ヘッドマウント型の３Ｄディスプレイの開発が進められており、ピストン型のアレイＭＥＭＳミラーによって得られる虚像を３Ｄ映像として用いる手法が考えられている。各画素において独立に面内に対して垂直方向に変位するような静電型ピストンアレイ駆動ＭＥＭＳ可変形状ミラーや、一体のミラー面ではあるが、位置情報に応じて垂直方向に凹凸をつけるＭＥＭＳデフォーマブルミラーは、一般に、適応光学等の波面収差の補正に用いられている。そのため、上記のようなＭＥＭＳ型可変形状ミラーでは、光の波長以下の形状変化で十分であり、また、想定されている表示装置に画素サイズも、数１００μｍ以上と大きい。
　ヘッドマウント型の３Ｄディスプレイ等の小型の表示装置では、画素サイズは数１０μｍと小さく、この画素サイズに対して数１０μｍの形状変化（垂直方向のストローク）が求められる。しかしながら、現在のところ、上記のような垂直方向のストロークを実現しているＭＥＭＥＳデバイスはなく、小さなピッチ（数１０μｍ程度）で数１０μｍ程度の垂直方向の変動が可能なＭＥＭＥＳデバイスの開発が望まれている。
　これに対して、本実施の形態の表示デバイス１０では、平面部２２Ａを有する複数の構造体２２を、それぞれ、基板２１面に対して垂直方向に沿って移動させる複数のアクチュエータ２３を介して基板１１上に、例えば、マトリクス状に配置するようにした。これにより、平面部２２Ａを有する複数の構造体２２の基板２１面に対する垂直方向（Ｚ軸方向）の変動を、大きなストロークで、各々独立して行うことが可能となる。
　以上、本実施の形態では、平面部２２Ａを有する複数の構造体２２と、基板２１との間に、それぞれ、基板２１面に対して垂直方向に沿って移動させる複数のアクチュエータ２３を配置するようにした。これにより、構造体２２の平面部２２Ａと基板２１面との距離を大きく変動させることが可能となる。また、平面部２２Ａを有する複数の構造体２２のそれぞれに、上記アクチュエータ２３を個別に配置するようにしたので、平面部２２Ａを有する複数の構造体２２の基板２１面に対する距離の変動を各々独立して行うことが可能となる。よって、小さなピッチで面内に対して垂直方向に沿った平面部２２Ａの大きな変動が可能となる。即ち、平面部２２Ａをスクリーン面として形成した場合、各画素に対して、虚像によって数１０ｃｍ～無限遠の奥行情報を再現可能な立体画像表示装置を提供することが可能となる。
　また、本実施の形態のアクチュエータ２３では、カンチレバー型の圧電アクチュエータを１ユニットとし、これを複数直列に接続した構成とした。これにより、アクチュエータ２３は、例えば、数１０μｍ程度の小さいフットプリントで、数１０μｍ以上の基板２１面に対する大きな垂直方向の変動が可能となる。よって、大きなストロークと小さな画素サイズとを両立させることができ、より高画質な、立体画像表示装置を提供することが可能となる。
　更に、構造体２２の平面部２２ＡにマイクロＬＥＤ等の発光素子２５を搭載することで、より簡易な光学系で立体表示が可能な表示装置を実現することが可能となる。
＜２．変形例＞
　次に、本開示の変形例（変形例１，２）について説明する。なお、上記実施の形態の表示デバイス１０に対応する構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
（２－１．変形例１）
　図１５，図１６は、本開示の変形例（変形例１）に係る表示素子（表示素子３０Ａ，３０Ｂ）を斜視し、その構成を模式的に表したものである。本開示の表示素子は、本変形例の表示素子３０Ａ，３０Ｂにおけるアクチュエータ３３Ａ，３３Ｂのように、互いに直交する２方向に沿ったそれぞれの幅が互いに大きく異なるほど、即ち、アクチュエータの形状を細長くすることで、構造体２２の平面部２２Ａの基板２１に対する位置の変位量を大きくすることができる。
　アクチュエータとして、カンチレバー型の圧電アクチュエータを用いる場合、その垂直方向への変位は、原理的には、長さの２乗にほぼ比例する。しかしながら、図１に示した表示デバイス１０のように、画素毎にアクチュエータを配置する場合には、アクチュエータのフットプリントは構造体の大きさ以上にすることは難しい。そこで、アクチュエータを細長い形状とすることで、アクチュエータを構成するカンチレバー型の圧電アクチュエータ１ユニットの長さが長くなり、より大きな変位が可能となる。
　例えば、構造体２２が２０μｍピッチ（構造体２２の一辺の長さ）であるとき、上記実施の形態のように、例えば、構造体２２とほぼ同じ大きさの正方形状のアクチュエータ２３を構成した場合、圧電アクチュエータ１ユニット２３ａの変位量は、２μｍ程度となる。これに対して、上記のように、アクチュエータ（例えば、アクチュエータ３３Ａ）のサイズを８０μｍ×５μｍとすると、圧電アクチュエータ１ユニット３３ａの長さ（ｌａ）は約８０μｍとなり、その変位量は約２７μｍとなり、正方形状アクチュエータの１２倍以上になる。アクチュエータが占める面積は一定であるため、アクチュエータを構成する圧電アクチュエータ１ユニットの本数は減るが、結果的に変位量は大きくなる。
　表１は、アクチュエータの長辺幅（μｍ）に対する変位量の計算結果を表したものである。上記実施の形態のように、矩形形状に形成したアクチュエータ２３（２０μｍ×２０μｍ）では２．２μｍであったのに対し、例えば、４０μｍ×１０μｍとした表示素子３０Ａ（図１５）では１１．３μｍ、８０μｍ×５μｍとした表示素子３０Ｂ（図１６）では２６．９μｍであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図１７は、本変形例のように矩形形状のアクチュエータ（例えば、アクチュエータ３３Ｂ）を備えた複数の表示素子（例えば、表示素子３０Ｂ）をマトリクス状に配置する際の設計の一例を表したものである。図１７に示したように、アクチュエータ３３Ｂを、例えば、構造体２２の一辺の幅分ずらしながら配置することで、アクチュエータのアスペクト比を変えても表示素子をマトリクス状に配置することができる。
（２－２．変形例２）
　図１８は、本開示の変形例（変形例２）に係る表示素子（表示素子４０）を斜視し、その構成を模式的に表したものである。本変形例の表示素子４０は、アクチュエータ４３を構成する圧電アクチュエータ１ユニットが、例えば接続部４６を介して基板２１面に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に積層された点が、上記実施の形態および変形例とは異なる。
　圧電膜２２３を構成する圧電体セラミックは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Lead Zirconate Titanate；ＰＺＴ）によって構成されている。このＰＺＴは、一般に微細加工が難しい。また、圧電膜２２３上に配線パターンを形成する必要があるため、実際には、アクチュエータ４３を構成する圧電アクチュエータ１ユニットには、一定の梁幅（例えば、図１８におけるＹ軸方向の幅）が求められる。本変形例では、アクチュエータ４３を構成する圧電アクチュエータ１ユニットを、Ｚ軸方向に積層させた多層構造（ここでは、ユニット４３ａ１，４３ａ２の２層構造）とすることで、アクチュエータ４３のフットプリントを抑えつつ、構造体２２の平面部２２Ａの基板２１に対する位置の変位量を大きくすることが可能となる。
＜３．適用例＞
　図１９は、本開示の表示デバイス１０を備えた表示装置１は、上記のように、ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブルディスプレイや持ち運び可能なポータブルディスプレイ、あるいは上記のようにスマートフォンやタブレット等の電子機器に適用することができる。一例として、ヘッドマウントディスプレイ４００の概略構成を説明する。
　ヘッドマウントディスプレイ４００は、例えば、表示部４１０と、筐体４２０と、装着部４３０とを有する。表示部４１０は、立体的な奥行きのある映像を表示する。具体的には、表示部４１０は、右目用の視差画像と左目用の視差画像とを個別に表示する。これにより、表示部４１０には、奥行きの感のある立体的な映像が表示される。
　筐体４２０は、表示装置１におけるフレームの役割を果たすものであり、この筐体４２０には、表示装置１を構成する各種光学部品等の様々なモジュール（図示せず）が収納されている。
　なお、本変形例では、ユーザの頭部に装着する帽子型のヘッドマウントディスプレイを例に示したが、この他にも、例えばメガネ型のヘッドマウントディスプレイ等のいずれの形状の表示装置にも適用することができる。
　また、本開示の半導体デバイスは、表示デバイスとして以外に、例えば、各アクチュエータを高速に振動させることでハプティクスデバイスとして用いることもできる。
　以上、実施の形態および変形例（変形例１，２）を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。
　なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示である。本開示の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されるものではない。本開示が、本明細書中に記載された効果以外の効果を持っていてもよい。
　また、例えば、本開示は以下のような構成を取ることができる。
（１）
　基板と、
　マトリクス状に配置されると共に、平面部を有する複数の構造体と、
　前記基板上に配置されると共に、前記複数の構造体をそれぞれ、前記基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータと
　を備えた半導体デバイス。
（２）
　前記複数の構造体の前記平面部は、それぞれ光反射面となっている、前記（１）に記載の半導体デバイス。
（３）
　前記複数の構造体の前記平面部には、それぞれ、１または複数の発光素子が搭載されている、前記（１）または（２）に記載の半導体デバイス。
（４）
　前記圧電アクチュエータは、カンチレバー型のアクチュエータである、前記（１）乃至（３）のうちのいずれかに記載の半導体デバイス。
（５）
　前記圧電アクチュエータは、複数の前記カンチレバー型のアクチュエータが直列に接続されている、前記（４）に記載の半導体デバイス。
（６）
　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれ、互いに直交する２方向に沿ったそれぞれの幅が互いに異なる、前記（１）乃至（５）のうちのいずれかに記載の半導体デバイス。
（７）
　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれスパイラル形状を有する、前記（１）乃至（６）のうちのいずれかに記載の半導体デバイス。
（８）
　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれミアンダ形状を有する、前記（１）乃至（７）のうちのいずれかに記載の半導体デバイス。
（９）
　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれ多層構造を有する、前記（１）乃至（８）のうちのいずれかに記載の半導体デバイス。
（１０）
　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれユニモルフ構造を有する、前記（１）乃至（９）のうちのいずれかに記載の半導体デバイス。
（１１）
　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれバイモルフ構造を有する、前記（１）乃至（１０）のうちのいずれかに記載の半導体デバイス。
（１２）
　前記複数の構造体と、前記複数の圧電アクチュエータとは、それぞれ接続部によって接続されている、前記（１）乃至（１１）のうちのいずれかに記載の半導体デバイス。
（１３）
　前記接続部の長さは、各前記圧電アクチュエータによる各前記構造体の、前記基板の一の面に対する変動距離よりも長い、前記（１２）に記載の半導体デバイス。
（１４）
　レンズおよび表示デバイスを含む光学系を備え、
　前記表示デバイスは、
　基板と、
　マトリクス状に配置されると共に、平面部を有する複数の構造体と、
　前記基板上に配置されると共に、前記複数の構造体をそれぞれ、前記基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータと
　を有する表示装置。
（１５）
　レンズおよび表示デバイスを含む光学系を有する表示装置を備え、
　前記表示デバイスは、
　基板と、
　マトリクス状に配置された複数の構造体と、
　前記基板上に配置されると共に、前記複数の構造体をそれぞれ、前記基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータと
　を備えた電子機器。
　本出願は、日本国特許庁において２０１６年１０月１９日に出願された日本特許出願番号２０１６－２０５２２４号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (15)

  1. 　基板と、
    　マトリクス状に配置されると共に、平面部を有する複数の構造体と、
    　前記基板上に配置されると共に、前記複数の構造体をそれぞれ、前記基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータと
    　を備えた半導体デバイス。
  2. 　前記複数の構造体の前記平面部は、それぞれ光反射面となっている、請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. 　前記複数の構造体の前記平面部には、それぞれ、１または複数の発光素子が搭載されている、請求項１に記載の半導体デバイス。
  4. 　前記圧電アクチュエータは、カンチレバー型のアクチュエータである、請求項１に記載の半導体デバイス。
  5. 　前記圧電アクチュエータは、複数の前記カンチレバー型のアクチュエータが直列に接続されている、請求項４に記載の半導体デバイス。
  6. 　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれ、互いに直交する２方向に沿ったそれぞれの幅が互いに異なる、請求項１に記載の半導体デバイス。
  7. 　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれスパイラル形状を有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  8. 　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれミアンダ形状を有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  9. 　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれ多層構造を有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  10. 　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれユニモルフ構造を有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  11. 　前記複数の圧電アクチュエータは、それぞれバイモルフ構造を有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  12. 　前記複数の構造体と、前記複数の圧電アクチュエータとは、それぞれ接続部によって接続されている、請求項１に記載の半導体デバイス。
  13. 　前記接続部の長さは、各前記圧電アクチュエータによる各前記構造体の、前記基板の一の面に対する変動距離よりも長い、請求項１２に記載の半導体デバイス。
  14. 　レンズおよび表示デバイスを含む光学系を備え、
    　前記表示デバイスは、
    　基板と、
    　マトリクス状に配置されると共に、平面部を有する複数の構造体と、
    　前記基板上に配置されると共に、前記複数の構造体をそれぞれ、前記基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータと
    　を有する表示装置。
  15. 　レンズおよび表示デバイスを含む光学系を有する表示装置を備え、
    　前記表示デバイスは、
    　基板と、
    　マトリクス状に配置された複数の構造体と、
    　前記基板上に配置されると共に、前記複数の構造体をそれぞれ、前記基板の一の面に対して垂直方向に沿って移動させる複数の圧電アクチュエータと
    　を備えた電子機器。
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