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