JP3993088B2 - Transmission type electromechanical optical switch element and its switch array - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電気力により可動薄膜を移動させて、光の透過、遮断を行う透過型電気機械式光変調(MEM)素子およびそのスイッチアレイに関する。
【0002】
【従来技術】
この分野におけいて、シリコン基板上に梁が垂直に動くようにした回折格子光バルブは早くから知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特表平10−510374号公報
【特許文献2】
特開平11−258558号公報
【0004】
特許文献1記載の光ビーム変調器は、次のa〜dから構成されている。
a.各要素が第一の縁及び第二の縁及び光反射平面を有する複数の細長い要素と、前記要素は第一のグループの要素が第二のグループの要素と互いにかみあわされるように前記第一のグループと前記第二のグループにグループ分けされ、かつ前記要素は互いに平行に配列されている。
b.それらの縁で前記第一のグループ及び前記第二のグループの要素を懸架する手段、
c.前記第一のグループに第一のバイアス電圧を印加する手段及び前記反射表面が実質的に同一平面にありかつ入射光ビームを反射する第一の平面内にあるように前記第二のグループに第二のバイアス電圧を印加する手段、
d.第一の平面に平行でありかつ前記入射光ビームを回折する第二の平面に向けて前記平面に垂直な前記第一のグループの前記要素を選択的に偏向させる手段。
【0005】
一方、特許文献2記載の光変調器は、紫外線の平面光源上に、電気機械動作により平面光源からの光を光変調する一次元又は二次元マトリクス状の光変調部を配設し、この光変調部から出射される光に励起される蛍光体を光変調部に対して対向配置し、また光変調部を、導光板上に設けた一方の電極である透明な信号電極と、この信号電極に空隙を挟んで対向する透明な可撓薄膜と、可撓薄膜に設けられ信号電極に対向する他方の電極である走査電極とを具備し、信号電極と走査電極とに電界を印加することで発生した静電気力によって可撓薄膜を撓ませ、可撓薄膜を透過して出射する光を変調するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1記載のものは、構成上反射型であり、したがって光の透過/遮断を行うことができなかった。
また、特許文献2記載のものは、光干渉を用いているため、素子を製作する上での制御が困難であった。特に薄膜梁の形状が光変調器のオン/オフに影響するため、薄膜梁を正確に製作する必要があり、これが困難であった。しかも多層構造になっているのも欠点であった。
本発明はこれらの課題を解決するもので、本発明の目的は、簡単な構成の透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の透過型電気機械式光スイッチ素子によれば、透明電極を備えた透明基板と、該透明基板上に少なくとも両支持された中空構造の傾斜した薄膜透明梁と、電圧の非印加状態で前記透明電極を透過した光が前記薄膜透明梁を通過する光路の近傍領域に設けられた可動電極とで構成され、前記透明電極と前記可動電極間に電圧が印加されたときの静電気力で前記薄膜透明梁が傾倒移動することで前記可動電極が前記光路を遮蔽するようにしたので、簡単な構成の透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
なお、透明基板上に少なくとも両支持された中空構造の傾斜した薄膜透明梁は、傾斜部の梁と該傾斜部の梁とは材料が異なり高さの異なる複数の柱状部から成る構成であってももちろん良い。
【0008】
請求項2記載の透過型電気機械式光スイッチ素子によれば、透明電極を備えた透明基板と、該透明基板上に設けられ透明基板とで平行四辺形をなす両柱材および該両柱材に支持された薄膜透明梁と、電圧の非印加状態で前記透明電極を透過した光が前記両柱材または前記薄膜透明梁を通過する光路の近傍領域に設けられた可動電極とで構成され、前記透明電極と前記可動電極間に電圧が印加されたときの静電気力で前記柱材が傾倒することで前記可動電極が前記光路を遮蔽するようにしたので、簡単な構成の透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られ、さらに1個の薄膜透明梁に2つの光路を採ることが可能となる。
【0009】
請求項3記載の発明によれば、請求項1又は2記載の透過型電気機械式光スイッチ素子において、前記可動電極を光を反射又は吸収させる膜で構成したので、別途光路を遮る部材を設ける必要がなくなり、簡単な構成の透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
【0010】
請求項4記載の発明によれば、請求項3記載の透過型電気機械式光スイッチ素子において、前記光を反射又は吸収させる膜を、金属、金属および誘電体多層反射膜、又は透明電極および誘電体多層膜で構成したので、簡単な構成で丈夫な透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
【0011】
請求項5記載の発明によれば、請求項1〜4のいずれか1項記載の透過型電気機械式光スイッチ素子において、前記薄膜透明梁をポリイミド、フォトレジスト、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、又はその他樹脂、その他有機材料で構成したので、簡単な構成で丈夫な透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
【0012】
請求項6記載の透過型電気機械式光スイッチ素子の発明は、透明電極を備えた透明基板と、該透明基板上に設けられ透明基板とで平行四辺形をなす両柱材および該両柱材に支持された薄膜透明梁と、電圧の非印加状態で前記透明基板を透過した光が前記両柱材または前記薄膜透明梁を通過する光路の近傍領域に設けられた遮光部材又は反射部材と、該両柱材の一方から前記透明電極へ向けて延設されるアームと、該アームの先端に設けられた非透明電極とで構成され、前記透明電極と前記非透明電極間に電圧が印加されたときの静電気力で前記柱材が傾倒することで前記遮光部材又は反射部材が前記光路を遮蔽するようにしたので、簡単な構成で変位量の大きい透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
【0013】
請求項7記載の光スイッチアレイの発明は、請求項1〜6のいずれか1項記載の透過型電気機械式光スイッチ素子を一次元又は二次元に配設したので、シンプルな構成で製造の簡単な光スイッチアレイを得ることができる。
【0014】
請求項8記載の発明は、請求項7記載の光スイッチアレイにおいて、光スイッチアレイの光の入射又は出射側に該光を集光するマイクロレンズアレイを設けたので、マイクロレンズアレイによって集光されるため光の利用効率が高まり、小さな開口面積であっても高効率で明るい変調光が得られるようになる。
また、マイクロレンズアレイを設けない場合に比べて薄膜透明梁の変位量を小さくできるため、薄膜透明梁の駆動エネルギーの低減が可能となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について図面に基づいて説明する。
〈第1の実施の形態〉
まず、第1の実施の形態について図1に基づいて説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
【0016】
図1(a)および(b)において、100は第1の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子、10は透明基板、12は透明基板上に高さの異なる柱材で両支持された中空構造の傾斜した薄膜透明梁、14は透明基板10の上に設けられた透明電極、16は薄膜透明梁12の上部の光路L(光透過領域)の近傍に設けられた反射ないし遮光電極(可動電極)である。薄膜透明梁12で形成される柱材の一方は透明基板10に対して垂直ではなくて、鋭角(変位量)θ1で傾斜している。
【0017】
図1(a)のように、透明電極14と反射/遮光電極16との間に電圧が印加されないときは、通常、透明梁12が動かないので透明基板10の下方から来る光は透明梁12を透過して上方へ抜ける(光路L参照)。
一方、 図1(b)のように、透明電極14と反射/遮光電極16間に電圧が印加されると、反射/遮光電極16が透明電極14に静電気力で引きつけられ、これに伴って透明梁12が動作して斜め下方に移動して反射/遮光電極16が光路を覆う(光路L参照)。この場合、反射電極であれば光は反射して光路を引き返し、遮光電極16であれば遮光する。
そして、再び透明電極14と反射/遮光電極16間の電圧を無くすと、静電気力が無くなり、透明梁12の弾性復帰力で図1(a)の状態に戻る。この場合の復帰は両柱材で行われるため、従来の片持ち支持のMEMメカシャッタと比べて、復元力が大きくなり、高速可動に適している。
【0018】
斜行梁の製作は、例えば犠牲層(最終的に空隙を形成するために、工程の後で除去される層)を形成するさいにフォトマスクの面の濃度を変えたものを用いて露光することにより犠牲層が傾斜するので、これによって斜行梁が製作できる。本発明によれば膜構成がシンプルとなり製造が容易となる。
なお、斜行梁はここでは両支持の例を示したが、さらに梁の中央付近で支持することも可能である。
また、透明基板上に少なくとも両支持された中空構造の傾斜した薄膜透明梁は、傾斜部の梁と該傾斜部の梁とは材料が異なり高さの異なる複数の柱状部から成る構成であってももちろん良い。
【0019】
光を反射又は吸収させる膜としては、金属薄膜(金、銀、パラジウム、亜鉛、アルミニウム、ニッケル、金属酸化物等)、金属および誘電体多層反射膜、又は透明電極および誘電体多層膜から構成することができる。
また、薄膜透明梁12としては、ポリイミド、フォトレジスト、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、その他樹脂、又はその他有機材料から構成することができる。
【0020】
この透過型電気機械式光スイッチ素子100を多数個、一次元又は二次元に配列することにより、シンプルな構成で製造の簡単な光スイッチアレイを得ることができる。
【0021】
〈第1の実施の形態の変形1〉
次に、第1の実施の形態の変形1について図2に基づいて説明する。
図2は、本発明の第1の実施の形態の変形1に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
図2(a)および(b)において、120は第1の実施の形態の変形1に係る透過型電気機械式光スイッチ素子、10は透明基板、12は透明基板上に高さの異なる柱材で両支持された中空構造の傾斜した薄膜透明梁、14は透明基板10の上に設けられた透明電極、16’は薄膜透明梁12の下部(裏部)の光路L(光透過領域)の近傍に設けられた反射ないし遮光電極(可動電極)である。
図2が図1と異なるのは、可動電極16’の取り付け位置が薄膜透明梁12の下部(裏部)である点である。
【0022】
図2(a)のように、透明電極14と反射/遮光電極16との間に電圧が印加されないときは、通常、透明梁12が動かないので透明基板10の下方から来る光は透明梁12を透過して上方へ抜ける(光路L参照)。
一方、 図2(b)のように、透明電極14と反射/遮光電極16間に電圧が印加されると、反射/遮光電極16が透明電極14に静電気力で引きつけられ、これに伴って透明梁12が動作して斜め下方に移動して反射/遮光電極16が光路を覆う(光路L参照)。この場合、反射電極であれば光は反射して光路を引き返し、遮光電極16であれば遮光する。
そして、再び透明電極14と反射/遮光電極16間の電圧を無くすと、静電気力が無くなり、透明梁12の弾性復帰力で図2(a)の状態に戻る。
この変形例1では、可動電極16’が薄膜透明梁12の下部(裏部)にあるので、固定電極14との距離が短くなり、したがって同じ静電界下でも大きな吸引力が発生するため高速可動に適している。
【0023】
〈第1の実施の形態の変形2〉
次に、第1の実施の形態の変形2について図3に基づいて説明する。
図3は、本発明の第1の実施の形態の変形2に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
図3(a)および(b)において、130は第1の実施の形態の変形2に係る透過型電気機械式光スイッチ素子、10は透明基板、12’は透明基板上に高さの異なる柱材で両支持された中空構造の傾斜した薄膜透明梁、14は透明基板10の上に設けられた透明電極、16’は薄膜透明梁12の下部(裏部)の光路L(光透過領域)の近傍に設けられた反射ないし遮光電極(可動電極)である。
図2が図1と異なるのは、光路Lを覆うエリア(反射/遮光電極)16’を狭く形成し、薄膜透明梁12で形成される柱材の傾斜を図1よりさらに傾斜させ、透明基板10に対する鋭角(変位量)θ3(θ3<θ1)を1で傾斜した点である。
【0024】
図3(a)のように、透明電極14と反射/遮光電極16’との間に電圧が印加されないときは、通常、透明梁12が動かないので透明基板10の下方から来る光は透明梁12’を透過して上方へ抜ける(光路L参照)。
一方、 図3(b)のように、透明電極14と反射/遮光電極16’間に電圧が印加されると、反射/遮光電極16’が透明電極14に静電気力で引きつけられ、これに伴って透明梁12が動作して斜め下方に移動して反射/遮光電極16’が光路を覆う(光路L参照)。この場合、反射電極であれば光は反射して光路を引き返し、遮光電極16’であれば遮光する。
そして、再び透明電極14と反射/遮光電極16’間の電圧を無くすと、静電気力が無くなり、透明梁12’の弾性復帰力で図3(a)の状態に戻る。
この変形例2では、薄膜透明梁12’で形成される柱材の傾斜を図1より傾斜させたので、薄膜透明梁12’の動く変位量θ3が図1の透明梁12の動く変位量θ1と比較して小さくて済むので、設計の自由度が大きくなり、マイクロレンズアレイとの組み合わせが可能となる。
【0025】
また、特許文献2記載の平面表示装置に本発明を適用すると、構成および製造がより簡単化される。すなわち、紫外線の平面光源上に、電気機械動作により平面光源からの光を光変調する一次元又は二次元マトリクス状の本発明に係る光変調部を配設する。この光変調部から出射される光に励起される蛍光体を光変調部に対して対向配置する。また、光変調部は、導光板上に設けた一方の電極である透明な信号電極と、この信号電極に空隙を挟んで対向する透明な可撓薄膜と、可撓薄膜に設けられ信号電極に対向する他方の電極である走査電極とを具備し、信号電極と走査電極とに電界を印加することで発生した静電気力によって可撓薄膜を撓ませ、可撓薄膜を透過して出射する光を変調するようにできる。
これにより干渉型および全反射型を使わずに同じものが、透過型で簡単に製造できる。しかも光利用効率が良く、高真空化が不要で、且つ安価なコストで大面積化が可能であり、しかも、高画質の平面表示装置となる。
【0026】
〈第2の実施の形態〉
次に、第2の実施の形態について図4に基づいて説明する。
図4は、本発明の第2の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
【0027】
図4(a)および(b)において、200は第2の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子、40は透明基板、42は透明基板上に設けられ透明基板とで平行四辺形をなす両柱材および該両柱材に支持された薄膜透明梁、44は透明基板40の上に設けられた透明電極、46は薄膜透明梁42の面の光路L 1、L2(光透過領域)の近傍に設けられた反射ないし遮光電極(可動電極)である。
【0028】
図4(a)のように、透明電極44と反射/遮光電極46との間に電圧が印加されないときは、通常、透明梁42が動かないので透明基板40の下方から来る光は透明梁42を透過して上方へ抜ける(光路L1、L2参照)。
一方、 図4(b)のように、透明電極44と反射/遮光電極46間に電圧が印加されると、反射/遮光電極46が透明電極44に静電気力で引きつけられ、これに伴って透明梁42が動作して斜め下方に移動して反射/遮光電極46が光路を覆う(光路L1、L2参照)。この場合、反射電極であれば光は反射して光路を引き返し、遮光電極46であれば遮光する。
そして、再び透明電極44と反射/遮光電極46間の電圧を無くすと、静電気力が無くなり、透明梁42の弾性復帰力で図4(a)の状態に戻る。この場合の復帰は両柱材で行われるため、従来の片持ち支持のMEMメカシャッタと比べて、復元力が大きくなり、高速可動に適している。
【0029】
〈第3の実施の形態〉
次に、第3の実施の形態について図5に基づいて説明する。
図5は、本発明の第3の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
図5(a)および(b)において、300は第3の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子、50は透明基板、52は透明基板上に設けられ透明基板とで平行四辺形をなす両柱材および該両柱材に支持された薄膜透明梁、53は柱材の一方の途中から透明電極56へ向けて延設されるアーム、54は透明基板50の上に設けられた透明電極、56はアーム53の先端に設けられた可動電極である。58は薄膜透明梁52の上段に設けられた反射ないし遮光部材である。第3の実施の形態の特徴は、柱材の一方の途中から延設されるアームに可動電極56を設けることにより、吸引力を大きくすると共に、可動電極56の変位量を増幅できる点である。
【0030】
図5(a)のように、透明電極54と可動電極56との間に電圧が印加されないときは、通常、透明梁52が動かないので透明基板50の下方から来る光は透明梁52を透過して上方へ抜ける(光路L参照)。
一方、図5(b)のように、透明電極54と可動電極56間に電圧が印加されると、可動電極56が透明電極54に静電気力で引きつけられ、これに伴ってアーム53が下方に移動し、この移動量に増幅された移動量で透明梁52の上段に位置する反射/遮光電極58が斜め下方に移動して光路を覆う(光路L参照)。この場合、反射電極であれば光は反射して光路を引き返し、遮光電極であれば遮光する。
そして、再び透明電極55と可動電極56間の電圧を無くすと、静電気力が無くなり、透明梁52の弾性復帰力で図5(a)の状態に戻る。この場合の復帰は両柱材で行われるため、従来の片持ち支持のMEMメカシャッタと比べて、復元力が大きくなり、高速可動に適している。
【0031】
【発明の効果】
以上のように、請求項1記載の透過型電気機械式光スイッチ素子によれば、透明電極を備えた透明基板と、該透明基板上に少なくとも両支持された中空構造の傾斜した薄膜透明梁と、該薄膜透明梁の上の光透過領域の近傍領域に設けられた可動電極とで構成され、前記透明電極と前記可動電極間に電圧が印加されたときの静電気力で前記薄膜透明梁が傾倒移動するようにしたので、簡単な構成の透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
【0032】
請求項2記載の透過型電気機械式光スイッチ素子によれば、透明電極を備えた透明基板と、該透明基板上に設けられ透明基板とで平行四辺形をなす両柱材および該両柱材に支持された薄膜透明梁と、該両柱材の少なくとも一方又は薄膜透明梁の上の光透過領域の近傍領域に設けられた可動電極とで構成され、前記透明電極と前記可動電極間に電圧が印加されたときの静電気力で前記柱材が傾倒するようにしたので、簡単な構成の透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られ、さらに1個の薄膜透明梁に2つの光路を採ることが可能となる。
【0033】
請求項3記載の発明によれば、請求項1又は2記載の透過型電気機械式光スイッチ素子において、前記可動電極を光を反射又は吸収させる膜で構成したので、別途光路を遮る部材を設ける必要がなくなり、簡単な構成の透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
【0034】
請求項4記載の発明によれば、請求項3記載の透過型電気機械式光スイッチ素子において、前記光を反射又は吸収させる膜を、金属、金属および誘電体多層反射膜、又は透明電極および誘電体多層膜で構成したので、簡単な構成で丈夫な透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
【0035】
請求項5記載の発明によれば、請求項1〜4のいずれか1項記載の透過型電気機械式光スイッチ素子において、前記薄膜透明梁をポリイミド、フォトレジスト、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、その他樹脂、又はその他有機材料で構成したので、簡単な構成で丈夫な透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
【0036】
請求項6記載の透過型電気機械式光スイッチ素子の発明は、透明電極を備えた透明基板と、該透明基板上に設けられ透明基板とで平行四辺形をなす両柱材および該両柱材に支持された薄膜透明梁と、該両柱材の少なくとも一方又は薄膜透明梁の上の光透過領域の近傍領域に設けられた遮光部材又は反射部材と、該両柱材の一方から前記透明電極へ向けて延設されるアームと、該アームの先端に設けられた非透明電極とで構成され、前記透明電極と前記非透明電極間に電圧が印加されたときの静電気力で前記柱材が傾倒するようにしたので、簡単な構成で変位量の大きい透過型電気機械式光スイッチ素子であってしかもその製造が簡単な透過型電気機械式光スイッチ素子が得られることとなる。
【0037】
請求項7記載の光スイッチアレイの発明は、請求項1〜6のいずれか1項記載の透過型電気機械式光スイッチ素子を一次元又は二次元に配設したので、シンプルな構成で製造の簡単な光スイッチアレイを得ることができる。
【0038】
請求項8記載の発明によれば、請求項7記載の光スイッチアレイにおいて、光スイッチアレイの光の入射又は出射側に該光を集光するマイクロレンズアレイを設けたので、マイクロレンズアレイによって集光されるため光の利用効率が高まり、小さな開口面積であっても高効率で明るい変調光が得られるようになる。
また、マイクロレンズアレイを設けない場合に比べて薄膜透明梁の変位量を小さくできるため、薄膜透明梁の駆動エネルギーの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の変形1に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
【図3】本発明の第1の実施の形態の変形2に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
【図5】本発明の第3の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子の縦断面図で、(a)は非動作時(電圧無印加時)、(b)は動作時(電圧印加時)である。
【符号の説明】
10、40、50 透明基板
12、12’、42、52 薄膜透明梁
14、44、54 透明電極
16、16’ 反射ないし遮光電極(可動電極)
56 可動電極
58 反射ないし遮光部材
100 第1の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子
200 第2の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子
300 第3の実施の形態に係る透過型電気機械式光スイッチ素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a transmissive electromechanical light modulation (MEM) element that transmits and blocks light by moving a movable thin film by electrostatic force, and a switch array thereof.
[0002]
[Prior art]
In this field, a diffraction grating light valve in which a beam moves vertically on a silicon substrate has been known for a long time (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese National Patent Publication No. 10-510374 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-258558 [0004]
The light beam modulator described in Patent Document 1 includes the following a to d.
a. A plurality of elongate elements, each element having a first edge and a second edge and a light reflecting plane; and the elements are arranged in such a way that the first group of elements are interdigitated with the second group of elements. And the second group, and the elements are arranged in parallel to each other.
b. Means for suspending the elements of the first group and the second group at their edges;
c. Means for applying a first bias voltage to the first group and the second group such that the reflective surface is substantially coplanar and in a first plane that reflects the incident light beam; Means for applying a second bias voltage;
d. Means for selectively deflecting the elements of the first group that are parallel to a first plane and perpendicular to the plane toward a second plane that diffracts the incident light beam;
[0005]
On the other hand, the light modulator described in Patent Document 2 has a one-dimensional or two-dimensional matrix-shaped light modulation unit that modulates light from a planar light source by an electromechanical operation on an ultraviolet planar light source. A fluorescent material excited by light emitted from the modulation section is disposed opposite to the light modulation section, and the light modulation section is a transparent signal electrode which is one electrode provided on the light guide plate, and the signal electrode A transparent flexible thin film facing each other with a gap in between, and a scanning electrode which is provided on the flexible thin film and is opposed to the signal electrode, and applying an electric field to the signal electrode and the scanning electrode. The flexible thin film is bent by the generated electrostatic force, and light emitted through the flexible thin film is modulated.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the device described in Patent Document 1 is a reflection type in structure, and therefore cannot transmit / block light.
Moreover, since the thing of patent document 2 uses optical interference, control in manufacturing an element was difficult. In particular, since the shape of the thin film beam affects on / off of the optical modulator, it is necessary to manufacture the thin film beam accurately, which is difficult. In addition, the multilayer structure is a drawback.
The present invention solves these problems, and an object of the present invention is to provide a transmissive electromechanical optical switch element having a simple configuration and easy to manufacture. There is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, according to the transmission type electromechanical optical switch element according to claim 1, a transparent substrate provided with a transparent electrode, and an inclined thin film transparent having a hollow structure supported at least both on the transparent substrate A beam and a movable electrode provided in a region near the optical path through which the light transmitted through the transparent electrode passes through the thin film transparent beam when no voltage is applied, and a voltage is applied between the transparent electrode and the movable electrode. Since the movable electrode shields the optical path by tilting and moving the thin-film transparent beam by an electrostatic force when applied, it is a transmissive electromechanical optical switch element having a simple configuration and its manufacture Thus, a simple transmissive electromechanical optical switch element can be obtained.
Note that the inclined thin-film transparent beam supported at least both on the transparent substrate has a structure in which the beam of the inclined portion and the beam of the inclined portion are composed of a plurality of columnar portions having different materials and different heights. Is of course good.
[0008]
According to the transmissive electromechanical optical switch element according to claim 2, a transparent substrate provided with a transparent electrode, a double pillar material which is provided on the transparent substrate and forms a parallelogram with the transparent substrate, and the double pillar material And a movable electrode provided in a region in the vicinity of the optical path through which the light transmitted through the transparent electrode in a non-voltage-applied state passes through the both pillar materials or the thin film transparent beam . Since the movable electrode shields the optical path by tilting the column member with an electrostatic force when a voltage is applied between the transparent electrode and the movable electrode, a transmission type electromechanical type with a simple configuration A transmission type electromechanical optical switch element which is an optical switch element and can be easily manufactured can be obtained, and two thin film transparent beams can be taken.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the transmissive electromechanical optical switch element according to the first or second aspect, since the movable electrode is formed of a film that reflects or absorbs light, a member that blocks the optical path is provided separately. This eliminates the need for a transmissive electromechanical optical switch element having a simple configuration and easy to manufacture.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the transmissive electromechanical optical switch element according to the third aspect, the film that reflects or absorbs the light is a metal, metal and dielectric multilayer reflective film, or a transparent electrode and a dielectric. Thus, a transmissive electromechanical optical switch element which is strong and simple in construction and easy to manufacture can be obtained.
[0011]
According to the invention described in claim 5, in the transmissive electromechanical optical switch element according to any one of claims 1 to 4, the thin film transparent beam is made of polyimide, photoresist, polycarbonate, polyethylene, polystyrene, or others. Since it is made of resin or other organic material, a transmissive electromechanical optical switch element having a simple structure and strong and easy to manufacture can be obtained.
[0012]
The invention of the transmissive electromechanical optical switch element according to claim 6 includes: a transparent substrate provided with a transparent electrode; a double column member formed on the transparent substrate and forming a parallelogram with the transparent substrate; and the both column members A light-shielding member or a reflecting member provided in a region near the optical path through which the light transmitted through the transparent substrate in a non-voltage-applied state passes through the both pillar materials or the thin-film transparent beam , An arm extending from one of the two pillar members toward the transparent electrode and a non-transparent electrode provided at the tip of the arm, and a voltage is applied between the transparent electrode and the non-transparent electrode. Since the column member is tilted by the electrostatic force generated when the light shielding member or the reflecting member shields the optical path, the transmission type electromechanical optical switch element having a simple configuration and a large displacement is provided. Moreover, a transmission type electric machine that is easy to manufacture So that the expression optical switch device can be obtained.
[0013]
In the invention of the optical switch array according to claim 7, the transmission type electromechanical optical switch element according to any one of claims 1 to 6 is arranged one-dimensionally or two-dimensionally. A simple optical switch array can be obtained.
[0014]
According to an eighth aspect of the present invention, in the optical switch array according to the seventh aspect, since the microlens array for condensing the light is provided on the light incident or emission side of the optical switch array, the light is condensed by the microlens array. Therefore, the light use efficiency is increased, and even with a small opening area, high-efficiency and bright modulated light can be obtained.
Further, since the amount of displacement of the thin film transparent beam can be reduced as compared with the case where no microlens array is provided, the driving energy of the thin film transparent beam can be reduced.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
First, a first embodiment will be described with reference to FIG.
1A and 1B are longitudinal sectional views of a transmissive electromechanical optical switch element according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a non-operating state (when no voltage is applied), and FIG. When voltage is applied).
[0016]
1 (a) and 1 (b), 100 is a transmissive electromechanical optical switch element according to the first embodiment, 10 is a transparent substrate, 12 is both supported on a transparent substrate by pillars having different heights. An inclined thin-film transparent beam having a hollow structure, 14 is a transparent electrode provided on the
[0017]
As shown in FIG. 1A, when no voltage is applied between the
On the other hand, as shown in FIG. 1B, when a voltage is applied between the
When the voltage between the
[0018]
In manufacturing the oblique beam, for example, when forming a sacrificial layer (a layer that is removed after the process in order to finally form a void), exposure is performed using a photomask having a different surface density. As a result, the sacrificial layer is inclined, so that an oblique beam can be manufactured. According to the present invention, the film configuration is simple and the manufacture is facilitated.
Here, the oblique beam is shown as an example of both supports, but it can also be supported near the center of the beam.
In addition, the inclined thin film transparent beam supported at least both on the transparent substrate has a structure in which the beam of the inclined portion and the beam of the inclined portion are made of a plurality of columnar portions having different materials and different heights. Is of course good.
[0019]
The film that reflects or absorbs light is composed of a metal thin film (gold, silver, palladium, zinc, aluminum, nickel, metal oxide, etc.), a metal and dielectric multilayer reflective film, or a transparent electrode and a dielectric multilayer film. be able to.
The thin film
[0020]
By arranging a large number of transmissive electromechanical
[0021]
<Modification 1 of the first embodiment>
Next, Modification 1 of the first embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a transmissive electromechanical optical switch element according to Modification 1 of the first embodiment of the present invention, where (a) is non-operating (when no voltage is applied), and (b) is During operation (when voltage is applied).
2A and 2B,
FIG. 2 differs from FIG. 1 in that the mounting position of the
[0022]
As shown in FIG. 2A, when no voltage is applied between the
On the other hand, as shown in FIG. 2B, when a voltage is applied between the
When the voltage between the
In the first modification, since the
[0023]
<Modification 2 of the first embodiment>
Next, Modification 2 of the first embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a transmissive electromechanical optical switch element according to Modification 2 of the first embodiment of the present invention, where (a) is non-operating (when no voltage is applied), and (b) is During operation (when voltage is applied).
In FIGS. 3A and 3B, 130 is a transmission type electromechanical optical switch element according to the second modification of the first embodiment, 10 is a transparent substrate, and 12 ′ is a column having a different height on the transparent substrate. An inclined thin-film transparent beam supported by both materials with a material, 14 is a transparent electrode provided on the
2 differs from FIG. 1 in that the area (reflective / light-shielding electrode) 16 ′ covering the optical path L is narrowly formed, and the column material formed by the thin film
[0024]
As shown in FIG. 3A, when no voltage is applied between the
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when a voltage is applied between the
When the voltage between the
In the second modification, since the inclination of the column formed by the thin film
[0025]
Further, when the present invention is applied to the flat display device described in Patent Document 2, the configuration and manufacture are further simplified. That is, a light modulation unit according to the present invention in the form of a one-dimensional or two-dimensional matrix that modulates light from a planar light source by electromechanical operation is disposed on the ultraviolet planar light source. A phosphor excited by the light emitted from the light modulation unit is disposed to face the light modulation unit. The light modulation unit includes a transparent signal electrode, which is one electrode provided on the light guide plate, a transparent flexible thin film facing the signal electrode with a gap, and a signal electrode provided on the flexible thin film. A scanning electrode which is the other electrode facing each other, deflects the flexible thin film by electrostatic force generated by applying an electric field to the signal electrode and the scanning electrode, and transmits the light transmitted through the flexible thin film. Can be modulated.
Thereby, the same thing can be easily manufactured with a transmission type, without using an interference type and a total reflection type. In addition, light utilization efficiency is high, high vacuum is not required, the area can be increased at low cost, and a high-quality flat display device is obtained.
[0026]
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a transmissive electromechanical optical switch device according to a second embodiment of the present invention, where (a) is non-operating (when no voltage is applied), and (b) is operating ( When voltage is applied).
[0027]
4A and 4B,
[0028]
As shown in FIG. 4A, when no voltage is applied between the
On the other hand, as shown in FIG. 4B, when a voltage is applied between the
When the voltage between the
[0029]
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a transmissive electromechanical optical switch device according to a third embodiment of the present invention, where (a) is non-operating (when no voltage is applied), and (b) is operating ( When voltage is applied).
5 (a) and 5 (b), 300 is a transmission type electromechanical optical switch element according to the third embodiment, 50 is a transparent substrate, 52 is a parallelogram formed on the transparent substrate. And a thin film transparent beam supported by the two column members, 53 is an arm extending from one half of the column member toward the
[0030]
As shown in FIG. 5A, when no voltage is applied between the
On the other hand, as shown in FIG. 5B, when a voltage is applied between the
Then, when the voltage between the transparent electrode 55 and the
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the transmissive electromechanical optical switch element of claim 1, the transparent substrate provided with the transparent electrode, and the inclined thin-film transparent beam having a hollow structure supported at least both on the transparent substrate, The movable electrode provided in the vicinity of the light transmission region on the thin film transparent beam, and the thin film transparent beam is tilted by an electrostatic force when a voltage is applied between the transparent electrode and the movable electrode. Since it moves, a transmission type electromechanical optical switch element having a simple configuration and easy to manufacture can be obtained.
[0032]
According to the transmissive electromechanical optical switch element according to claim 2, a transparent substrate provided with a transparent electrode, a double pillar material which is provided on the transparent substrate and forms a parallelogram with the transparent substrate, and the double pillar material And a movable electrode provided in a region in the vicinity of the light transmission region on at least one of the two pillar members or on the thin film transparent beam, and a voltage between the transparent electrode and the movable electrode. The column member is tilted by the electrostatic force when a sapphire is applied, so that a transmissive electromechanical optical switch element having a simple configuration and simple to manufacture can be obtained. Further, two optical paths can be taken for one thin film transparent beam.
[0033]
According to a third aspect of the present invention, in the transmissive electromechanical optical switch element according to the first or second aspect, since the movable electrode is formed of a film that reflects or absorbs light, a member that blocks the optical path is provided separately. This eliminates the need for a transmissive electromechanical optical switch element having a simple configuration and easy to manufacture.
[0034]
According to a fourth aspect of the present invention, in the transmissive electromechanical optical switch element according to the third aspect, the film that reflects or absorbs the light is a metal, metal and dielectric multilayer reflective film, or a transparent electrode and a dielectric. Thus, a transmissive electromechanical optical switch element which is strong and simple in construction and easy to manufacture can be obtained.
[0035]
According to a fifth aspect of the present invention, in the transmissive electromechanical optical switch element according to any one of the first to fourth aspects, the thin film transparent beam is made of polyimide, photoresist, polycarbonate, polyethylene, polystyrene, or other resin. In addition, since it is made of an organic material, a transmissive electromechanical optical switch element having a simple structure and strong can be obtained.
[0036]
The invention of the transmissive electromechanical optical switch element according to claim 6 includes: a transparent substrate provided with a transparent electrode; a double column member formed on the transparent substrate and forming a parallelogram with the transparent substrate; and the both column members A transparent thin film beam supported by the thin film transparent member, at least one of the two column members, or a light shielding member or a reflection member provided in the vicinity of the light transmission region on the thin film transparent beam, and the transparent electrode from one of the two column members An arm extending toward the arm and a non-transparent electrode provided at the tip of the arm, and the column member is formed by an electrostatic force when a voltage is applied between the transparent electrode and the non-transparent electrode. Since the tilting is performed, a transmissive electromechanical optical switch element having a simple configuration and a large displacement is obtained, and the transmissive electromechanical optical switch element can be easily manufactured.
[0037]
In the invention of the optical switch array according to claim 7, the transmission type electromechanical optical switch element according to any one of claims 1 to 6 is arranged one-dimensionally or two-dimensionally. A simple optical switch array can be obtained.
[0038]
According to the eighth aspect of the present invention, in the optical switch array according to the seventh aspect, since the microlens array for condensing the light is provided on the light incident or emission side of the optical switch array, the light is collected by the microlens array. Since the light is emitted, the light utilization efficiency is increased, and high-efficiency and bright modulated light can be obtained even with a small opening area.
Further, since the amount of displacement of the thin film transparent beam can be reduced as compared with the case where no microlens array is provided, the driving energy of the thin film transparent beam can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a transmissive electromechanical optical switch element according to a first embodiment of the present invention, where (a) is non-operating (no voltage is applied), and (b) is operating ( When voltage is applied).
FIGS. 2A and 2B are longitudinal sectional views of a transmissive electromechanical optical switch element according to Modification 1 of the first embodiment of the present invention, in which FIG. 2A is a non-operating state (when no voltage is applied), and FIG. During operation (when voltage is applied).
FIGS. 3A and 3B are longitudinal sectional views of a transmissive electromechanical optical switch element according to Modification 2 of the first embodiment of the present invention, where FIG. 3A is a non-operating state (when no voltage is applied), and FIG. During operation (when voltage is applied).
4A and 4B are longitudinal sectional views of a transmissive electromechanical optical switch element according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 4A is a non-operating state (when no voltage is applied), and FIG. When voltage is applied).
FIGS. 5A and 5B are longitudinal sectional views of a transmissive electromechanical optical switch element according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5A is a non-operating state (when no voltage is applied), and FIG. When voltage is applied).
[Explanation of symbols]
10, 40, 50
56
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