JP4484778B2 - 微小薄膜可動素子および微小薄膜可動素子アレイ並びに微小薄膜可動素子の駆動方法 - Google Patents
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Description
このような状況下において、微小薄膜可動素子が例えば露光装置等に用いられると、露光装置は、微小薄膜可動素子への駆動電圧がONとなったときを、実質的な可動部の動作ONとして以降の動作が行われるため、可動部をONからOFF、OFFからONさせたときのタイミングの差異によって、光量差が生じ、感材に対する露光量がばらつく問題を包含することとなった。
(1) 弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と、該可動部に対峙して配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極に変位制御信号を印加して、該変位制御信号の電圧に応じた静電気力によって前記可動部を変位させる微小薄膜可動素子であって、
前記微小薄膜可動素子の駆動に際して、前記変位制御信号がOFFのとき前記可動部に該可動部の共振周波数である振動発生信号を常時印加して、該可動部を絶えず振動させる振動負荷手段を備えたことを特徴とする微小薄膜可動素子。
また、この微小薄膜可動素子によれば、可動部に負荷する振動が共振周波数の振動であるため、可動部を振動維持させるための振動発生信号、即ち、振動制御エネルギーを省力化できる。
前記微小薄膜可動素子の駆動に際して、前記変位制御信号がOFFのとき前記可動部に該可動部の共振周波数である振動発生信号を常時印加して、該可動部を絶えず振動させることを特徴とする微小薄膜可動素子の駆動方法。
また、可動部に負荷する振動が共振周波数の振動であるため、可動部を振動維持させるための振動発生信号、即ち、振動制御エネルギーを省力化できる。
図1は本発明に係る微小薄膜可動素子の第1の実施の形態を(a),(b)で表す概念図である。
本実施の形態による微小薄膜可動素子100は、基本的な構成要素として、基板21と、基板21に空隙23を介して平行に配置される小片状の可動部27と、可動部27の両縁部から延出される支持部であるヒンジ29、29と、このヒンジ29、29を介して可動部27を基板21に支持するスペーサ31、31とを備える。このような構成により、可動部27は、ヒンジ29、29の捩れによって回転変位が可能となっている。
振動発生信号は、可動部27に変位駆動用として印加される変位制御信号に重畳させることができる。したがって、変位制御信号がOFFのとき、可動部27は、変位せず平衡状態となるが、振動発生信号による振動によって微細に変位する。なお、この際の変位は、例えばマイクロミラー部における光変調作用に影響のない範囲とする。T1時、変位制御信号がONすると、可動部27が変位する。この際、可動部27が振動によって固定電極(第1アドレス電極35aまたは第2アドレス電極35b)に向かって移動したときに、変位制御信号Vbが印加される。したがって、振動成分Zが可動部27を変位させるための慣性力として作用する。つまり、振動成分Zが、可動部27を変位させるための補助力として効率よく有効利用されることとなる。また、可動部27の変位駆動が、アナログ領域を越える静電気力を与えるだけで(外力+慣性力で動作)可能となるので、低電圧化も実現可能となる。
微小薄膜可動素子100では、図3(a)に示すように、振動発生信号が印加されることで、可動部27に微小な振動を生じる。つまり、図3(b)に示すように、変位制御信号のOFF状態で可動部27が平衡を保つが微細に振動する。ここで、可動部27が第1アドレス電極35a側に向かって変位している期間内に、第1アドレス電極35aと可動部27(可動電極28)に変位制御信号が印加されると、図3(c)に示すように、第1アドレス電極35aと可動部27に発生する静電気力が、第2アドレス電極35bと可動部27に発生する静電気力より大きくなり、可動部27が左側に傾く。
微小薄膜可動素子100は、図1に示したヒンジ29、29を捩れ中心とする基本構成となる1軸の2次元微小薄膜可動素子の他、図4に示すヒンジ29a、29a、ヒンジ29b、29bを捩れ中心とする2軸の3次元微小薄膜可動素子100Aであってもよい。この場合、3次元微小薄膜可動素子100Aは、第1アドレス電極35aと第2アドレス電極35bに加え、第3アドレス電極35cと第4アドレス電極35dが設けられることになる。そして、第1アドレス電極35a、第2アドレス電極35bと、可動部27とへの電圧印加によって可動部27がX方向に駆動され、第3アドレス電極35c、第4アドレス電極35dと、可動部27とへの電圧印加によって可動部27がY方向に駆動される。
図5は本発明に係る微小薄膜可動素子の第2の実施の形態を表す概念図である。
本実施の形態による微小薄膜可動素子200は、所謂、平行平板型の素子であって、導電性と可撓性を有する平板状の可動部41の両端が基板21上に形成した絶縁膜43に所定の空隙23を有して固定されている。この基板21の可動部41の下方には、絶縁膜43を介して、第1アドレス電極35aが配設されており、また、可動部41の上方には絶縁膜45を介して第2アドレス電極35bが配設されている。つまり、可動部41は、第1アドレス電極35aと第2アドレス電極35bとの間で両端が支持された両持ち梁状に構成されている。
このような平行平板型の微小薄膜可動素子200においても、図4(a)に示すように、振動発生信号が印加されることで、可動部41に微小な振動を生じる。つまり、図4(b)に示すように、変位制御信号のOFF状態で可動部41が平衡を保つが微細に振動する。
また、第1アドレス電極35aと可動部41との間、または、第2アドレス電極35bと可動部41との間に印加する電圧Va,Vbに振動発生信号が重畳されることで、振動成分Zが可動部41を変位させるための慣性力として作用する。即ち、振動によって可動部41が第2アドレス電極35bへ移動したときに変位制御信号が印加されることで、図6(c)に示すように、可動部41が第2アドレス電極35b側へプルインされる。また、振動によって可動部41が第1アドレス電極35aへ移動したときに変位制御信号が印加されることで、図6(d)に示すように、可動部41が第1アドレス電極35a側へプルインされる。したがって、振動成分Zが、可動部41を変位させるための補助力として効率よく有効利用されることとなる。また、可動部41の変位駆動が、アナログ領域を越える静電気力を与えるだけで(外力+慣性力で動作)可能となる。したがって、微小薄膜可動素子200を低電圧で高速動作させることができる。
本実施の形態による微小薄膜可動素子300は、図8(a)に示すように、振動発生信号が印加されることで、可動部27に微小な振動を生じる。つまり、図8(b)に示すように、変位制御信号のOFF状態で可動部27が平衡を保つが微細に振動する。
そして、この微小薄膜可動素子300は、可動部27のそれぞれの遷移方向に対して2つ以上の物理的作用力が設定可能に構成されている。即ち、基板上には可動部27の両脇(図8における紙面垂直方向両端)側にヒンジ29,29が設けられ、これらヒンジ29,29を中央に挟んで、その左右に主第1アドレス電極35a1、副第1アドレス電極35a2と、主第2アドレス電極35b1、副第2アドレス電極35b2とが設けられている。主第1アドレス電極35a1と可動部27には変位制御電圧(信号)Va1が印加され、副第1アドレス電極35a2と可動部27には振動発生電圧(信号)Va2が印加される。また、主第2アドレス電極35b1と可動部27には変位制御電圧(信号)Vb1が印加され、副第2アドレス電極35b2と可動部27には振動発生電圧(信号)Vb2が印加される。
図9は本発明に係る微小薄膜可動素子の第4の実施の形態を表す概念図である。
本実施の形態による微小薄膜可動素子400は、可動部51の一端がヒンジ29、29、スペーサ31、31を介して基板21に支持固定されている。つまり、可動部51は、他端が自由端となった片持ち梁状に構成される。そして、基板21上には可動部51の自由端に対向して第1アドレス電極35aが設けられ、可動部51を挟んだ第1アドレス電極35aの反対側には図示しない対向基板に形成される第2アドレス電極35bが設けられている。
図10は本発明に係る微小薄膜可動素子をRFスイッチに応用した第5の実施の形態を表す平面図、図11は図10に示したRFスイッチのオフ状態のD−D断面を(a)、オン状態のD−D断面を(b)に表した説明図、図12は図10に示したRFスイッチのオフ状態のE−E断面を(a)、オン状態のE−E断面を(b)に表した説明図である。
本発明に係る微小薄膜可動素子は、その基本構成によりマイクロミラー部を備えないRFスイッチ500に応用することができる。RFスイッチ500は、カンチレバー式のRF(radio frequency)スイッチを構成している。即ち、RFスイッチ500は、基板21に空隙23を介して平行に配置される可動部であるカンチレバー71と、カンチレバー71の基端を基板21に支持するスペーサ31と、第1電極35eおよび第2電極35fと、入力端子73と、出力端子75と、短絡接点79とを備える。
この微小薄膜可動素子アレイでは、高速なスイッチング動作の可能となった微小薄膜可動素子100、200、300、400、500がアレイ化され、低電圧で高速な駆動が可能となり、従来より早いアドレス電圧の書込みが可能となる。
微小薄膜可動素子アレイ600は、微小薄膜可動素子100のそれぞれがメモリ回路81を含む駆動回路37(図1参照)を有することが好ましい。このようなメモリ回路81が備えられることで、メモリ回路81に対して予め素子変位信号の書き込みが可能となる。つまり、メモリ回路81には予め素子変位信号が書き込まれる。微小薄膜可動素子100のスイッチングのとき、各々の微小薄膜可動素子100のメモリ回路81に記憶された素子変位信号と、微小薄膜可動素子100への印加電圧を制御する駆動電圧制御回路83により、本発明の変位制御信号、振動発生信号で微小薄膜可動素子100の信号電極(第1アドレス電極、第2アドレス電極)85に出力する。このとき、共通電極(可動電極)87に対しても所望の電圧が出力される。
このような制御回路83が備えられた微小薄膜可動素子アレイ600では、可動部27が制御回路83によって駆動制御されることで、可動部27が最終変位位置に到達する前に、可動電極(共通電極87)と固定電極(信号電極85)との間の電極間電圧の絶対値が減少、又は増加、或いは増減され、可動部27が最終変位位置へ到達することで生じていた衝突による振動や、オーバーシュートが抑止可能となる。
本発明に係る微小薄膜可動素子は、図14に示したDMD700に適用することができる。図中、93はマイクロミラーであり、マイクロミラー支持ポスト95によりヨーク97の支持ポスト接続部99に接続されている。ヨーク97はヒンジ101に保持されている。またヒンジ101はポストキャップ103に保持されている。ポストキャップ103はヒンジ支持ポスト105によって共通バス107のヒンジ支持ポスト接続部109に接続されている。つまり、マイクロミラー93は、ヒンジ101、ポストキャップ103及びヒンジ支持ポスト105を介して共通バス107に接続されている。マイクロミラー93には、共通バス107を介して共通電圧が供給される。共通バス107は停止部材である着地サイト111を有している。着地サイト111は絶縁性を有しているか、マイクロミラー93と同じ電位に保たれている。
照明光源131から出射された面状の光が照明光学系133に入射し、ここで平行光された光が微小薄膜可動素子アレイ600に入射する。微小薄膜可動素子アレイ500の各微小薄膜可動素子100に入射される光は、画像信号に応じてその反射が制御される。微小薄膜可動素子アレイ600から出射された光は、投影光学系135により記録媒体137の画像形成面に撮影露光される。撮影光は記録媒体137に対して相対的に走査方向に移動しながら投影露光され、広い面積を高解像度で露光することができる。このように、コリメートレンズを微小薄膜可動素子アレイ600の光の入射面側に設けることで、各変調素子の平面基板に入射する光を平行光化することができる。なお、図中139はオフ光を導入する光アブソーバーを表す。
図16は本発明の微小薄膜可動素子アレイを用いて構成した投影装置の概略構成を示す図である。図15と同様の構成には同一符号を付し、その説明は省略するものとする。
投影装置としてのプロジェクタ900は、照明光源131と、照明光学系133と、微小薄膜可動素子アレイ600と、投影光学系141とを備える。投影光学系141は、画像形成面であるスクリーン143に対して光を投影するための投影装置用の光学系である。照明光学系133は、前述したコリメータレンズであってもよく、マイクロレンズアレイであってもよい。
照明光源131からの入射光は、例えばマイクロレンズアレイにより、微小薄膜可動素子100の一素子よりも面積が小さい領域に集光され、微小薄膜可動素子アレイ600に入射する。微小薄膜可動素子アレイ600の各微小薄膜可動素子100に入射される光は、画像信号に応じてその反射が制御される。微小薄膜可動素子アレイ600から出射された光は、投影光学系141によりスクリーン143の画像形成面に投影露光される。このように、微小薄膜可動素子アレイ600は、投影装置にも利用することができ、さらには、表示装置にも適用可能である。
本発明に係る微小薄膜可動素子アレイは、発光素子から出射した光線を被照射対象に走査するとともに、被照射対象からの戻り光を反射させて受光素子に入射させるビームスキャナ等にも好適に用いることができる。スキャナ1000は、光源151からの光をレンズ153で絞り、この光を微小薄膜可動素子100の可動部であるスキャンミラー155で反射し、バーコード157に照射する。バーコード157の全域に亘って光を照射するため、スキャンミラー155を揺動させる。揺動は、不図示の第1電極、第2電極、可動部へ電圧を印加することによって、ヒンジを捩り中心として可動部を揺動変位させる。つまり、可動部がスキャンミラー155であることにより、光の反射方向がスイッチングされる。
さらに、本発明に係る微小薄膜可動素子アレイは、光通信のクロスコネクトスイッチ等にも好適に用いることができる。
このクロスコネクトスイッチ1100は、例えば微小薄膜可動素子100を1次元状に配列した微小薄膜可動素子アレイ600を用いて構成することができる。図示の例では、2つの微小薄膜可動素子アレイ600a、600bが設けられる。このクロスコネクトスイッチ1100では、入力ファイバーボート171の光ファイバ171aからの出射光がマイクロレンズ173を通り一方の微小薄膜可動素子アレイ600aの所定の微小薄膜可動素子100aに入射される。入射光は、微小薄膜可動素子100aのスイッチング動作によって、反射光となって入射側微小薄膜可動素子アレイ600bの所望の微小薄膜可動素子100bに入射する。入射した光は微小薄膜可動素子100bのスイッチングによって所定の出力ファイバーボード175の光ファイバー175aへ入射する。
23 間隙
27 可動部
28 可動電極
29 ヒンジ(支持部)
35a 第1アドレス電極(固定電極)
35b 第2アドレス電極(固定電極)
73 入力端子
75 出力端子
79 短絡接点
100 微小薄膜可動素子
600 微小薄膜可動素子アレイ
Claims (9)
- 弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と、該可動部に対峙して配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極に変位制御信号を印加して、該変位制御信号の電圧に応じた静電気力によって前記可動部を変位させる微小薄膜可動素子であって、
前記微小薄膜可動素子の駆動に際して、前記変位制御信号がOFFのとき前記可動部に該可動部の共振周波数である振動発生信号を常時印加して、該可動部を絶えず振動させる振動負荷手段を備えたことを特徴とする微小薄膜可動素子。 - 前記振動負荷手段が、前記可動部が前記振動によって前記固定電極に向かって移動したときに、該可動部を前記固定電極へ変位させるための変位制御信号を前記可動電極と前記固定電極との間へ印加することを特徴とする請求項1記載の微小薄膜可動素子。
- 前記可動部と前記固定電極との距離が最短となったときに前記変位制御信号が印加されることを特徴とする請求項2記載の微小薄膜可動素子。
- 前記固定電極が基板に設けられ、前記可動電極が該基板に間隙を有して支持された薄膜状の前記可動部に設けられ、該可動部が前記基板に対して略平行に接近離反動されることを特徴とする請求項1記載の微小薄膜可動素子。
- 前記固定電極が基板に設けられ、前記可動電極が該基板に間隙を有しかつ支持部を介して支持された薄膜状の前記可動部に設けられ、該可動部が前記支持部を中心に回動されることを特徴とする請求項1記載の微小薄膜可動素子。
- 前記可動部が反射面を有し、該可動部の反射面に入射された光が変調されることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の微小薄膜可動素子。
- 前記可動部が短絡接点を有し、該可動部の短絡接点が前記基板に設けられた入力端子と出力端子とを開閉して高周波信号の接続および切換を行うことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の微小薄膜可動素子。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項記載の微小薄膜可動素子を1次元または2次元配列したことを特徴とする微小薄膜可動素子アレイ。
- 弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と、該可動部に対峙して配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極に変位制御信号を印加して、該変位制御信号の電圧に応じた静電気力によって前記可動部を変位させる微小薄膜可動素子の駆動方法であって、
前記微少薄膜可動素子の駆動に際して、前記変位制御信号がOFFのとき前記可動部に該可動部の共振周波数である振動発生信号を常時印加して、該可動部を絶えず振動させることを特徴とする微小薄膜可動素子の駆動方法。
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