JP4695956B2 - Micro electromechanical modulation element, micro electro mechanical modulation element array, and image forming apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、双方向に変位する可動部を備えた微小電気機械式変調素子及び微小電気機械式変調素子アレイ並びに画像形成装置に関し、特に、可動部を制動する改良技術に関する。 The present invention relates to a microelectromechanical modulation element and a microelectromechanical modulation element array and an image forming apparatus having a movable part that is displaced in both directions, and more particularly to an improved technique for braking the movable part.
近年、MEMS技術(MEMS;Micro-Electro Mechanical systems)の急速な進歩により、μmオーダーの微小構造体を電気的に変位・移動させる微小電気機械式変調素子の開発が盛んに行われている。この微小電気機械式変調素子には、例えばマイクロミラーを傾けて光の偏向を図るデジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)などがある。DMDは、光学的な情報処理の分野において、投射ディスプレイ、ビデオ・モニター、グラフィック・モニター、テレビ及び電子写真プリントなど用途が広い。 2. Description of the Related Art In recent years, with the rapid advancement of MEMS technology (MEMS: Micro-Electro Mechanical systems), development of micro electromechanical modulation elements that electrically displace and move micro structures on the order of μm has been actively conducted. Examples of the micro electro mechanical modulation element include a digital micro mirror device (DMD) that tilts a micro mirror to deflect light. DMD is widely used in the field of optical information processing, such as projection displays, video monitors, graphic monitors, televisions, and electrophotographic prints.
微小電気機械式変調素子は、一般的に弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、この可動部が主に変調動作を担う。したがって、可動部の制動制御は、良好なスイッチング動作を行う上でも特に重要となる。 A microelectromechanical modulation element generally includes a movable portion that is supported so as to be elastically displaceable and that is displaced in both directions, and the movable portion mainly performs a modulation operation. Therefore, the braking control of the movable part is particularly important for good switching operation.
例えば、下記特許文献1に開示されるマイクロミラー装置は、一対の駆動電極のうち一方の電極に電圧を印加し、これら電極間にヒンジ接続により配置されたミラーを有する可動部を、駆動電極との間の電位差及び静電容量に応じた静電引力により回転させる構成としている。
For example, a micromirror device disclosed in
また、下記特許文献2に開示される微小機械格子装置におけるリボン素子を減衰させる方法は、底表面を定め、この底表面の下に形成された底導電層を有するチャネル上の電気機械リボン素子を減衰させる方法において、少なくとも一つのリボン素子に少なくとも一つの定振幅電圧パルスを提供する工程と、定振幅電圧パルスから狭い一時的なギャップによって分けられた制動パルスを少なくとも一つリボン素子に提供する工程とを有する。すなわち、平行平板系素子の1つの可動部電極と、一つの固定電極とにより、静電気力を単一方向に働かせ、リボン素子を下部電極側へ引き寄せる駆動電圧と、駆動電圧の直前に印加する初期制動電圧、又は駆動電圧の直後に印加する最終制動電圧との2つの制動駆動電圧によって振動を制御しようとしている。
In addition, a method for attenuating a ribbon element in a micromechanical lattice device disclosed in
また、下記特許文献3に開示される光路切替装置は、電磁駆動のアクチュエーターに信号電圧を印加して光路を切替える機械式の光スイッチと、光スイッチに信号電圧を供給する制御回路とを備える。信号電圧は、信号の立ち上がり振幅VHと信号幅Tについて、信号の立ち上がりからT/2経過したときの電圧が2/3VH以下である。そして、アクチュエータに印加する信号電圧において、振動幅Tの信号の立ち上がりから、T/2経過した時、信号電圧を立ち上がり振幅の2/3倍以下に減少させ、振動を抑制しようとしている。
An optical path switching device disclosed in
さらに、下記特許文献4に開示されるマイクロマシン素子の制御方法は、第1の制御信号と第2の制御信号とがマイクロマシン素子に供給され、第2の制御信号が、マイクロマシン素子をアクティブ状態に設定し、第1の制御信号がこの状態を維持するように構成される。そして、マイクロマシン素子をpull-in状態に設定する制御信号と、マイクロマシン素子をpull-in状態に保持する他方の制御信号と、少なくとも2つの制御信号を用い、マイクロマシン素子を制御する。これにより、低い電圧レベルでのマイクロマシン素子の制御を可能としている。
Further, in the method for controlling a micromachine element disclosed in
しかしながら、特許文献1に開示されるマイクロミラー装置では、駆動電極のうちの一方に電圧を印加し、可動部と駆動電極との間の電位差及び静電容量に応じた静電引力を発生させ、可動部を回転させる。このため、図21(a)に示すように、電圧Vaの印加によってマイクロミラーが接触位置へ遷移して、接触位置に着地した直後、接触部材からの反力を受けることで振動が生じた。また、マイクロミラーが接触位置に着地しない非接触構造の場合であっても、図21(b)に示すように、所望の回転角度(収束位置)を超えてオーバーシュートが発生することで、振動の鎮静化までに時間を要した。これらの振動やオーバーシュートは、微小電気機械式変調素子のスイッチング動作における高速化の妨げとなっていた。
However, in the micromirror device disclosed in
また、特許文献2に開示される微小機械格子装置では、図22(a)に示すように、定振幅電圧パルス1が時間の関数であり、2μsecの持続時間と10Vの電圧値を有する。定振幅電圧パルス1の後直ちに、狭いギャップ3によって定振幅電圧パルス1から分かれた狭い制動パルス5が掛けられる。さらに、図22(b)に示すように、隣接する定振幅電圧パルス7が逆の極性を有する場合、制動パルス9の極性も関連する電圧パルス7の逆となる。しかしながら、この微小機械格子装置は、可動部であるリボンを基板側へ平行変位させる所謂平行平板型の微小電気機械式変調素子であり、一つの可動部側電極とこれに対面する一つの固定側電極とにパルスを掛けて制動を行うため、振動制御方法の多様性に乏しい不利があった。例えば、可動部を基板に対して吸引変位させているときには、反対方向の制動力を同時に掛けることができない。つまり、振動をアクティブに減少させることができなかった。
In the micromechanical lattice device disclosed in
また、特許文献3に開示される光路切替装置は、電磁駆動のアクチュエーターにおいて、可動部がヨークの先端に近づくとき、すなわち、永久磁石磁界による吸引力が強くなる時にコイル磁界による吸引力を低下させ、総合の吸引力が強くなり過ぎることがないように可動部をファイバー接続位置に移動させている。信号発生回路により出力される波形は、図23(a)に示すように、立ち上がり電圧VH=7Vで立ち上がり後に急激に電圧が減少する信号電圧である。信号幅Tは5ms、信号終端の電圧は0.5Vである。立ち上がりからT/2経過後の電圧は2.8vである。図23(b)は、立ち上がり電圧は7V、信号幅Tは5ms、ステップ状に振幅が変化する時間TO=1.5msである。図23(c)は立ち上がり電圧5V、減少させた振幅が1Vになるまでの時間Tが2msである。時間Tは信号幅に相当する。時間T以降は次の切替えを行なうまで1Vの電圧を印加し続ける。図23(d)は立ち上がり電圧5V、ステップ状の振幅が変化するまでの時間TO=3msで振幅が一定値0.5Vにステップ状に減少する波形である。これらの信号電圧は、立ち上がりの振幅を大きくすることで可動部の動き(切替速度)を早くするとともに、可動部が動き出したら信号電圧を急激に小さくして可動部に加わる力を低減してチャタリングを抑制することができた。しかしながら、この光路切替装置は、可動部であるブロックを双方向に平行変位させているが、順方向に働く駆動力を変化させて振動を抑制しようとしているため、振動制御方法の多様性に乏しい不利があった。また、基本的にコイル磁界による吸引力を低下させ、総合の吸引力が強くなり過ぎないように信号電圧を小さくするもので、上記同様、振動をアクティブに減少させることができなかった。
Further, the optical path switching device disclosed in
また、特許文献4に開示されるマイクロマシン素子の制御方法は、単数又は複数の制御信号を用いて制御を行っている。この制御信号の典型的波形は図24(a)〜(h)に示される。図24(a)(b)からわかるように、制御信号はマイクロマシン素子の状態を変化させるパルス列であってもよい。同様に、少なくとも2つの制御信号の場合、これらの信号は、図22(c)(d)に描かれている重ね合わせ信号や、図24(e)に描かれている振幅変調(AM)信号や、図24(f)に描かれている周波数変調(FM)信号や、図24(g)に描かれているパルス幅変調(PWM)信号、或いは図24(h)に描かれているようなパルス密度変調(PDM)信号の中で合成された信号であってもよい。しかしながら、この制御方法は、pull-in状態での保持電圧の低減、残留電荷の放電によるオン/オフ遅延の減少、出力信号の振幅増大などを制御目的としており、振動をアクティブに減少させることができなかった。
The micromachine element control method disclosed in
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、可動部の遷移方向と逆方向に物理的引力を働かせ、可動部の振動をアクティブに減少させることのできる微小電気機械式変調素子及び微小電気機械式変調素子アレイ並びに画像形成装置を提供し、もって、スイッチング動作の高速化を図ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and a microelectromechanical modulation element and a microelectromechanical device capable of actively reducing a vibration of a movable part by applying a physical attractive force in a direction opposite to a transition direction of the movable part. An object of the present invention is to provide an optical modulation element array and an image forming apparatus, and to increase the switching operation speed.
上記目的を達成するための本発明の微小電気機械式変調素子は、弾性変位可能に支持され第1の方向及び第2の方向の双方向に変位する可動部を備え、該可動部が変調機能を有する微小電気機械式変調素子であって、前記可動部を前記第1の方向に変位させる物理的作用力を該可動部に加える第1の駆動源と、前記可動部を前記第2の方向に変位させる物理的作用力を該可動部に加える第2の駆動源と、を有し、前記第1の駆動源により前記可動部に対し前記物理的作用力を加えて該可動部を前記第1の方向へ変位させるに際し、該可動部が前記第1の方向に遷移している間に、前記第2の駆動源により該可動部に対し前記物理的作用力を加えて該可動部を制動することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a microelectromechanical modulation element of the present invention includes a movable portion that is supported so as to be elastically displaceable and that is displaced in both directions of a first direction and a second direction. A first electromotive force modulator that applies a physical acting force to the movable portion to displace the movable portion in the first direction; and the movable portion in the second direction. the physical acting force for displacing and a second drive source applied to the movable portion, said movable portion by adding the physical acting force against said movable part by said first drive source the braking upon displacing the first direction, while the movable portion is transitioning to the first direction, the movable portion by adding the physical acting force to the movable part by a second drive source characterized in that it.
この微小電気機械式変調素子では、可動部が最終変位位置に到達する前の遷移している間に、遷移方向と逆方向に物理的引力が作用し、可動部が最終変位位置へ到達する直前の速度が減速される。これによって従来可動部が大きな速度で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、非接触駆動での最終変位位置へ到達する際のオーバーシュートが抑止される。つまり、可動部の接触時の振動がアクティブに減少可能となる。 In this microelectromechanical modulation element, a physical attractive force acts in the direction opposite to the transition direction during the transition before the movable part reaches the final displacement position, and immediately before the movable part reaches the final displacement position. Will slow down. As a result, vibration due to a collision that occurs when the movable portion reaches the final displacement position at a high speed and overshoot when reaching the final displacement position by non-contact driving are suppressed. That is, vibration at the time of contact of the movable part can be actively reduced.
また、本発明の微小電気機械式変調素子は、前記可動部を前記第1の方向へ変位駆動して前記停止部材に接触させた後、前記停止部材との接触による反力によって前記可動部が前記第2の方向へ遷移している間に、前記第1の駆動源により前記可動部に対し前記第1の方向に物理的作用力が加えられることを特徴とする。 Further, in the micro electro mechanical modulation element of the present invention, the movable portion is displaced in the first direction and brought into contact with the stop member, and then the movable portion is caused by a reaction force due to contact with the stop member. During the transition to the second direction, a physical acting force is applied to the movable part in the first direction by the first driving source.
この微小電気機械式変調素子では、可動部が第1の方向へ変位駆動され、変位の最終位置に到達した後、さらに、停止部材に当接することによる反力、或いは弾性力によって第2の方向へ遷移している間に、第1の方向の物理的作用力が可動部に加えられることで、変位の最終位置から離反しようとする可動部の移動がアクティブに制動される。 In this microelectromechanical modulation element, the movable portion is driven to move in the first direction, and after reaching the final position of the displacement, the movable portion is further moved in the second direction by a reaction force or an elastic force caused by contacting the stop member. During the transition to, the physical acting force in the first direction is applied to the movable part, so that the movement of the movable part to be separated from the final position of the displacement is actively braked.
また、本発明の微小電気機械式変調素子は、前記物理的作用力が、前記可動部の複数の作用点に加えられることを特徴とする。 The micro electro mechanical modulation element of the present invention is characterized in that the physical action force is applied to a plurality of action points of the movable part.
この微小電気機械式変調素子では、作用点が複数となることで、例えば中央が回転中心となる揺動型の可動部において、回転中心を挟む両側に物理的作用力が加えられるようになる。これにより、それぞれの作用点に、異なる大きさの制動力を、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。 In this microelectromechanical modulation element, since there are a plurality of action points, for example, in a swing type movable part whose center is the rotation center, physical action force is applied to both sides sandwiching the rotation center. As a result, braking forces of different magnitudes can be applied to the respective action points at different timings, and various braking effects can be obtained.
また、本発明の微小電気機械式変調素子は、前記可動部が特定方向の変位の最終位置に到達するときに、該可動部の速度が略ゼロとなることを特徴とする。 The micro electro mechanical modulation element of the present invention is characterized in that when the movable part reaches the final position of displacement in a specific direction, the speed of the movable part becomes substantially zero.
この微小電気機械式変調素子では、可動部が最終変位位置へ到着する瞬間の速度が略ゼロとなり、従来可動部が大きな速度で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、非接触駆動の場合の最終変位位置へ到達する際のオーバーシュートが発生しなくなる。 In this micro electromechanical modulation element, the speed at the moment when the movable part arrives at the final displacement position becomes substantially zero, and the vibration caused by the collision caused by the conventional movable part reaching the final displacement position at a high speed, No overshoot occurs when reaching the final displacement position in the case of contact drive.
また、本発明の微小電気機械式変調素子は、前記物理的作用力が、静電気力であることを特徴とする。 The micro electro mechanical modulation element of the present invention is characterized in that the physical acting force is an electrostatic force.
この微小電気機械式変調素子では、可動部を変位させる物理的作用力が静電気力となることで、高速な振動抑止力が得られる。 In this microelectromechanical modulation element, a high-speed vibration suppressing force can be obtained because the physical acting force that displaces the movable portion becomes an electrostatic force.
また、本発明の微小電気機械式変調素子は、前記物理的作用力が、縦軸を強度、横軸を時間としたパルス波形様に印加されることを特徴とする。 The micro electro mechanical modulation element of the present invention is characterized in that the physical acting force is applied in a pulse waveform with the intensity on the vertical axis and the time on the horizontal axis.
この微小電気機械式変調素子では、物理的作用力が、パルス波形によって特定される電圧範囲で発生され、多様な制動効果が得られるようになる。なお、ここでのパルス波形とは、矩形波、正弦波、余弦波、鋸波、三角波、及びこれらの合成波を含む。 In this microelectromechanical modulation element, the physical acting force is generated in the voltage range specified by the pulse waveform, and various braking effects can be obtained. Here, the pulse waveform includes a rectangular wave, a sine wave, a cosine wave, a sawtooth wave, a triangular wave, and a synthesized wave thereof.
また、本発明の微小電気機械式変調素子は、前記物理的作用力が、複数のパルス波形によって発生されることを特徴とする。 The micro electro mechanical modulation element of the present invention is characterized in that the physical acting force is generated by a plurality of pulse waveforms.
この微小電気機械式変調素子では、物理的作用力が、異なる大きさ、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。 In this micro electromechanical modulation element, physical acting force is applied at different magnitudes and at different timings, and various braking effects can be obtained.
また、本発明の微小電気機械式変調素子は、前記可動部のそれぞれの遷移方向に対して2つ以上の前記物理的作用力が設定可能に構成されたことを特徴とする。 The micro electro mechanical modulation element of the present invention is characterized in that two or more physical acting forces can be set in each transition direction of the movable part.
この微小電気機械式変調素子では、例えば中央が回転中心となる揺動型の可動部において、回転中心を挟む両側のそれぞれの片側に2つ以上の物理的作用力が加えられるようになる。これにより、可動部の片側に、異なる大きさの制動力を、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。 In this microelectromechanical modulation element, for example, in an oscillating type movable portion whose center is the rotation center, two or more physical acting forces are applied to each side of both sides sandwiching the rotation center. Thereby, different magnitudes of braking force can be applied to one side of the movable part at different timings, and various braking effects can be obtained.
また、本発明の微小電気機械式変調素子は、前記可動部が、前記特定方向の変位の最終位置に到達するに際し、停止部材に接触して停止されることを特徴とする。 Further, the micro electro mechanical modulation element of the present invention is characterized in that when the movable part reaches the final position of the displacement in the specific direction, it is stopped in contact with the stop member.
この微小電気機械式変調素子では、可動部が最終位置に到達すると、停止部材(着地サイト)に接触して停止される。つまり、微小電気機械式変調素子が所謂接触型として作動されるようになる。この場合、可動部は、着地した直後、停止部材からの反力を受けるが、上記の物理的作用力によって制動され、強制的に制振される。 In this micro electromechanical modulation element, when the movable part reaches the final position, it comes into contact with the stop member (landing site) and is stopped. That is, the micro electro mechanical modulation element is operated as a so-called contact type. In this case, the movable portion receives a reaction force from the stop member immediately after landing, but is braked and forcibly controlled by the physical action force.
また、本発明の微小電気機械式変調素子アレイは、上記いずれかの微小電気機械式変調素子を1次元又は2次元配列したことを特徴とする。 A micro electro mechanical modulation element array according to the present invention is characterized in that one of the above micro electro mechanical modulation elements is arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
この微小電気機械式変調素子アレイでは、高速なスイッチング動作の可能となった微小電気機械式変調素子がアレイ化され、振動の鎮静化する時間の短縮が可能となり、従来より早いアドレス電圧の書込みが可能となる。 In this microelectromechanical modulation element array, microelectromechanical modulation elements that are capable of high-speed switching operation are arrayed, and it is possible to reduce the time to calm down the vibration. It becomes possible.
また、本発明の微小電気機械式変調素子アレイは、前記微小電気機械式変調素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有し、前記微小電気機械式変調素子のそれぞれの前記第1の駆動源、及び前記第2の駆動源は、いずれも前記可動部及び該可動部に対峙する固定部にそれぞれ設けられた一対の電極により構成されており、前記一対の電極のうち、いずれかの電極は前記駆動回路からの素子変位信号の入力される信号電極であり、他の電極は共通電極であることを特徴とする。 In the micro electro mechanical modulation element array of the present invention, each of the micro electro mechanical modulation elements includes a drive circuit including a memory circuit, and the first drive source of each of the micro electro mechanical modulation elements. , And the second drive source is composed of a pair of electrodes respectively provided on the movable portion and a fixed portion facing the movable portion, and any one of the pair of electrodes is It is a signal electrode to which an element displacement signal from the drive circuit is input, and the other electrode is a common electrode.
この微小電気機械式変調素子アレイでは、メモリ回路が備えられることで、このメモリ回路に対して予め素子変位信号の書き込みが可能となる。そして、共通電極に、従来同様の一定の共通電圧が印加されると同時に、信号電極に、予めメモリ回路に書き込んでおいた素子変位信号が印加されることで、複数の微小電気機械式変調素子が高速にアクティブ駆動可能となる。 In this micro electro mechanical modulation element array, a memory circuit is provided, so that an element displacement signal can be written to the memory circuit in advance. A plurality of micro electro mechanical modulation elements are applied by applying an element displacement signal previously written in the memory circuit to the signal electrode at the same time as applying a constant voltage common to the common electrode to the common electrode. Can be driven at high speed.
また、本発明の微小電気機械式変調素子アレイは、それぞれの前記可動部を変調駆動させる制御部が設けられたことを特徴とする。 Further, the micro electro mechanical modulation element array of the present invention is characterized in that a control section for modulating and driving each of the movable sections is provided.
この微小電気機械式変調素子アレイでは、可動部が制御部によって駆動制御されることで、可動部が最終変位位置に到達する前に、可動電極と固定電極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。 In this micro electromechanical modulation element array, the movable part is driven and controlled by the control part, so that the absolute value of the voltage between the movable electrode and the fixed electrode before the movable part reaches the final displacement position. Is decreased, increased, or increased and decreased, and vibrations and overshoots caused by a collision caused by the movable part reaching the final displacement position can be suppressed.
また、本発明の画像形成装置は、光源と、上記いずれかの微小電気機械式変調素子アレイと、前記光源からの光を前記微小電気機械式変調素子アレイに含まれる複数の微小電気機械式変調素子に照射する照明光学系と、前記複数の微小電気機械式変調素子のそれぞれで変調されて前記微小電気機械式変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系と、を備えたことを特徴とする。 The image forming apparatus according to the present invention includes a light source, any one of the micro electro mechanical modulation element arrays, and a plurality of micro electro mechanical modulation elements included in the micro electro mechanical modulation element array. An illumination optical system that irradiates the element, and a projection optical system that projects light emitted from the microelectromechanical modulator array modulated by each of the plurality of microelectromechanical modulator elements onto an image forming surface. It is characterized by having.
この画像形成装置では、請求項10〜請求項12のいずれか1項記載の微小電気機械式変調素子アレイが構成の要部に備えられることで、振動をアクティブに減少でき、従来装置に比べ、駆動サイクルが短縮される。これにより、高速な感光材露光や、より高画素数のプロジェクタの表示が可能となる。また、露光光のオン・オフで階調制御がなされる画像形成装置(露光装置)では、オン・オフ時間の短縮が可能となることで、より高階調の実現が可能となる。
In this image forming apparatus, the micro electro mechanical modulation element array according to any one of
本発明に係る微小電気機械式変調素子によれば、可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、駆動源により可動部を第1の方向へ変位駆動させるに際し、可動部が第1の方向に遷移している間に、駆動源により可動部に対し第1の方向と異なる第2の方向に可動部の振動を抑制する物理的作用力を加えるので、可動部の遷移方向と逆方向に物理的引力を働かせ、可動部の接触時の振動をアクティブに減少させることができる。この結果、微小電気機械式変調素子におけるスイッチング動作を高速化することができる。
According to the microelectromechanical modulation element of the present invention, there are a plurality of drive sources that apply a physical acting force to the movable part, and when the movable part is driven to be displaced in the first direction by the drive source, the movable part is While the transition to the
本発明に係る微小電気機械式変調素子アレイによれば、可動部が最終変位位置へ到達した後の振動が抑止される。したがって、振動鎮静化時間をなくし或いは大幅に短縮することが可能となり、振動の収まるのを待つ必要がなく、アドレス電圧を書込むことができる。この結果、駆動サイクルを短縮して、スイッチング動作を高速化することができる。 According to the microelectromechanical modulation element array according to the present invention, vibration after the movable part reaches the final displacement position is suppressed. Accordingly, it is possible to eliminate or drastically shorten the vibration soothing time, and it is possible to write the address voltage without waiting for the vibration to settle. As a result, the driving cycle can be shortened and the switching operation can be speeded up.
本発明に係る画像形成装置によれば、光源と、請求項10〜請求項12のいずれか1項記載の微小電気機械式変調素子アレイと、光源からの光を微小電気機械式変調素子アレイに照射する照明光学系と、微小電気機械式変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備えたので、従来装置に比べ、スイッチング動作を短縮することができる。この結果、高速な感光材露光や、より高画素なプロジェクタの表示が可能となる。
According to the image forming apparatus of the present invention, the light source, the microelectromechanical modulation element array according to any one of
以下、本発明に係る微小電気機械式変調素子及び微小電気機械式変調素子アレイ並びに画像形成装置の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明に係る微小電気機械式変調素子の第1の実施の形態を表す概念図、図2は図1に示した微小電気機械式変調素子の制振の過程を(a)(b)(c)で表した動作説明図、図3はパルス波形が印加された可動部の挙動を表した説明図である。
本実施の形態による微小電気機械式変調素子(以下、単に「変調素子」とも称す。)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。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a microelectromechanical modulation element, a microelectromechanical modulation element array, and an image forming apparatus according to the invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a first embodiment of a micro electro mechanical modulation element according to the present invention, and FIG. 2 shows the vibration damping process of the micro electro mechanical modulation element shown in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the behavior of the movable part to which the pulse waveform is applied.
A microelectromechanical modulation element (hereinafter also simply referred to as a “modulation element”) 100 according to the present embodiment is arranged in parallel with a
この他、本発明に係る変調素子は、可動27の材質を適宜選択することにより、音波、流体、熱線の変調も可能にすることができる。変調素子100は、光学素子として使用された場合、可動部27が光反射体(ミラー部)となって偏向作用で光の変調を行うが、この変調方法は可動部27の構造、材料を適宜選択することにより、透過型、シャッター方式、干渉方式、回折方式、全反射方式での変調も可能とすることができる。
In addition, the modulation element according to the present invention can also modulate sound waves, fluids, and heat rays by appropriately selecting the material of the movable 27. When the
本実施の形態において、可動部27は、特定方向の変位の最終位置に到達するに際し、図示しない停止部材に接触して停止される。つまり、接触型の変調素子を構成している。したがって、可動部27が最終位置に到達すると、停止部材(所謂着地サイト)に接触して停止される。
In the present embodiment, the
基板21の上面には、ヒンジ29、29を中央として両側に第1アドレス電極35aと第2アドレス電極35bが設けられる。また、可動部27にもその一部に図示しない可動電極が設けられている。変調素子100は、基本動作として、第1アドレス電極35a、第2アドレス電極35b、可動部27へ電圧を印加することによって、可動部27を揺動変位させる。つまり、可動部27がミラー部であれば、光の反射方向が偏向される。
On the upper surface of the
変調素子100では、可動部27に対し、第1アドレス電極35a、第2アドレス電極35bに電位差を与えると、それぞれの電極と、可動部27との間に静電気力が発生し、ヒンジ29、29を中心に回転トルクが働く。この際に発生する静電気力は、真空中の誘電率、可動部27の面積、印加電圧、可動部27とアドレス電極の間隔に依存する。
In the
従って、真空中の誘電率、可動部27の面積、可動部27とアドレス電極の間隔、ヒンジ29、29の弾性係数が一定である場合、可動部27は、それぞれの電極の電位を制御することにより、左右に回転変位可能となる。例えば、Va>Vbのときには、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。逆に、Va<Vbのときは、第2アドレス電極35bと可動部27に発生する静電気力が、第1アドレス電極35a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がは右側に傾く。
Therefore, when the dielectric constant in vacuum, the area of the
このように、可動部27の可動電極、第1アドレス電極35a、第2アドレス電極35bは、可動部27を回転変位させる駆動源となっている。このような駆動源から可動部27へ加えられる物理的作用力が、静電気力となることで、高速な回転変位が可能となる。
As described above, the movable electrode of the
なお、可動部27に作用させる物理的作用力は、静電気力以外の物理的作用力であってもよい。その他の物理的作用力としては、例えば、圧電体による効果や電磁力を挙げることができる。この場合、駆動源としては、圧電素子を用いた圧電型アクチュエータや、マグネット・コイルを用いた電磁型アクチュエータが採用される。
The physical acting force that acts on the
変調素子100は、双方向に変位する可動部27を備え、この可動部27が変調機能を有する。そして、可動部27は、物理的作用力を加える複数の駆動源(可動部27の可動電極、第1アドレス電極35a、第2アドレス電極35b)によって回転変位される。ここで、変調素子100は、駆動源により可動部27を図1の左方向(第1の方向)へ変位駆動させるに際し、可動部27が第1の方向に遷移している間に、駆動源により可動部27に対し第1の方向と異なる第2の方向に可動部27の振動を抑制する物理的作用力が加えられる。
The
図2(a)に示すように、まず、左回転方向の第1アドレス電極35aに駆動電圧Vaが印加される。次いで、図2(b)に示すように、可動部27の左端が停止部材に接触する直前に、振動抑制電圧Vbが第2アドレス電極35bに印加される。この結果、図2(c)に示すように、振動抑制電圧Vbにより可動部27と第2アドレス電極35bとに静電気力が発生し、この静電気力が可動部27の右端を基板21側へと引き寄せる。この静電吸引力が吸振効果として作用し、可動部27が停止部材との接触と同時に静止することとなる。
As shown in FIG. 2A, first, the drive voltage Va is applied to the
このように、可動部27が特定方向の変位の最終位置に到達するときに、その瞬間の速度が略ゼロとなることで、従来可動部が大きな速度で最終変位位置へ到達することにより生じていた衝突による振動が発生しなくなる。
As described above, when the
また、可動部27は、最終位置に到達すると、停止部材(着地サイト)に接触し、着地した直後、停止部材からの反力を受けるが、上記の静電吸引力によって制動され、強制的に制振される。そして、吸振効果を得る物理的作用力が静電気力であるので、高速な振動抑止力が得られる。
Further, when the
さらに、物理的作用力が、可動部27の複数の作用点(本実施の形態では可動部27の左右)に加えられることで、例えば中央が回転中心となる揺動型の可動部27では、回転中心を挟む両側に物理的作用力が加えられるようになり、それぞれの作用点に、異なる大きさの制動力を、異なるタイミングで加えることができることから、多様な制動効果が得られるようになる。
Furthermore, physical action force is applied to a plurality of action points of the movable part 27 (left and right of the
静電吸引力を発生されるための振動抑制電圧Vb、すなわち、可動部27と第2アドレス電極35bとに印加される電圧は、図3(b)に示す縦軸を強度(電圧)、横軸を時間としたパルス波形様とすることができる。この例では、可動部27が停止部材に接触する直前に、逆方向の一つのパルス波形p1を印加している。以下、振動抑制電圧Vbとして可動部27と第2アドレス電極35bとに印加されるパルス波を、「逆方向のパルス波」、駆動電圧Vaとして可動部27と第1アドレス電極35aとに印加されるパルス波を、「順方向のパルス波」と称する。
The vibration suppression voltage Vb for generating the electrostatic attraction force, that is, the voltage applied to the
振動抑制電圧Vbをこのようなパルス波形とすることで、静電吸引力が、パルス波形によって特定される電圧範囲で発生され、多様な制動効果が得られるようになる。なお、ここでのパルス波形とは、矩形波、正弦波、余弦波、鋸波、三角波、及びこれらの合成波を含む。 By setting the vibration suppression voltage Vb to such a pulse waveform, an electrostatic attractive force is generated in a voltage range specified by the pulse waveform, and various braking effects can be obtained. Here, the pulse waveform includes a rectangular wave, a sine wave, a cosine wave, a sawtooth wave, a triangular wave, and a synthesized wave thereof.
この変調素子100では、可動部27が最終変位位置に到達する前の遷移している間に、遷移方向と逆方向に物理的引力が作用し、可動部27が最終変位位置へ到達する直前の速度が減速される。これによって従来可動部が大きな速度で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、非接触駆動での最終変位位置へ到達する際のオーバーシュートが抑止される。つまり、可動部27の接触時の振動がアクティブに減少可能となる。
In this
次に、吸振効果を得る静電吸引力を発生させるために、振動抑制電圧Vb、駆動電圧Vaに印加される種々のパルス波形の変形例について説明する。
図4は2つの矩形パルス波形が印加される変形例1を表した説明図である。
なお、以下の各実施の形態及び各変形例において、同一の部材・部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
この変形例は、逆方向の複数のパルス波P2、P3が可動部27の接触直前に印加される。図では2つのパルス波P2、P3を例示するが、パルス波形は2つ以上であってもよい。
この変形例によれば、物理的作用力である静電吸引力が、異なる大きさ、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。
Next, modifications of various pulse waveforms applied to the vibration suppression voltage Vb and the drive voltage Va in order to generate an electrostatic attraction force that obtains a vibration absorption effect will be described.
FIG. 4 is an explanatory
In the following embodiments and modifications, the same members / parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
In this modification, a plurality of pulse waves P <b> 2 and P <b> 3 in opposite directions are applied immediately before the
According to this modification, the electrostatic attractive force, which is a physical acting force, is applied at different magnitudes and at different timings, and various braking effects can be obtained.
図5は三角パルス波形が印加される変形例2を表した説明図である。
この変形例は、パルス波P4が三角波となる。このように、パルス波は、三角波、正弦波、その他の波形であってもよい。
この変形例によれば、物理的作用力である静電吸引力が、矩形波では得られない急峻なタイミングで加えられるようになる。
FIG. 5 is an explanatory
In this modification, the pulse wave P4 is a triangular wave. As described above, the pulse wave may be a triangular wave, a sine wave, or another waveform.
According to this modification, an electrostatic attraction force, which is a physical acting force, is applied at a steep timing that cannot be obtained with a rectangular wave.
図6は2つの三角パルス波形が印加される変形例3を表した説明図である。
この変形例は、逆方向の複数の三角パルス波P5、P6が可動部27の接触直前に印加される。図では2つの三角パルス波P5、P6を例示するが、三角パルス波形は2つ以上であってもよい。
この変形例によれば、急峻な静電吸引力が、異なる大きさ、異なるタイミングで加えられるようになる。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a third modification in which two triangular pulse waveforms are applied.
In this modification, a plurality of triangular pulse waves P <b> 5 and P <b> 6 in opposite directions are applied immediately before the
According to this modification, a steep electrostatic attraction force is applied at different magnitudes and at different timings.
図7は駆動電圧Vaにパルス波形が印加される変形例4を表した説明図である。
この変形例は、可動部27が停止部材に接触する直前に逆方向のパルス波P2が印加された後、可動部27が停止部材に接触してから反力によって停止部材から離反動するときに、順方向のパルス波P7が駆動電圧Vaに印加される。すなわち、可動部27を左回転方向(第1の方向)へ変位駆動した後、可動部27が右回転方向(第2の方向)へ遷移している間に、駆動源(第1アドレス電極35a、可動部27)により可動部27に対し第1の方向に物理的作用力が加えられる。
この変形例によれば、可動部27が第1の方向へ変位駆動され、変位の最終位置に到達した後、さらに、停止部材に当接することによる反力、或いは弾性力によって第2の方向へ遷移している間に、第1の方向の物理的作用力が可動部27に加えられることで、変位の最終位置から離反しようとする可動部27の移動がアクティブに制動される。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a fourth modification in which a pulse waveform is applied to the drive voltage Va.
In this modification, after the pulse wave P2 in the reverse direction is applied immediately before the
According to this modification, after the
図8は駆動電圧Vaにパルス波形が印加された後制動電極にパルス波形が印加される変形例5を表した説明図である。
この変形例は、図7に示した変形例と、逆方向のパルス波P2と、順方向のパルス波P7とが逆の順番で印加される。すなわち、可動部27が接触して離反動する直後に順方向のパルス波P7が印加され、再び可動部27が停止部材に接触する直前に逆方向のパルス波P2が印加される。
この変形例によれば、可動部27が変位の最終位置に到達した後、停止部材に当接することによる反力、或いは弾性力によって第2の方向へ遷移している間に、第1の方向の物理的作用力が可動部27に加えられ、変位の最終位置から離反しようとする可動部27の移動がアクティブに制動される。また、この制動により静止させることのできなかった可動部27が再度停止部材へ接触しようとする直前に、逆方向のパルス波P2が印加されて可動部27が確実に静止される。
FIG. 8 is an explanatory
In this modification, the pulse wave P2 in the reverse direction and the pulse wave P7 in the forward direction are applied in the reverse order to the modification example shown in FIG. That is, the forward pulse wave P7 is applied immediately after the
According to this modification, after the
図9は駆動電圧Vaが所定間隔で低減される変形例6を表した説明図である。
この変形例は、可動部27が停止部材に接触する直前に逆方向のパルス波P8が印加されると同時に、電圧を下げた順方向のパルス波P9が印加される。
この変形例によれば、可動部27が停止部材に接触する直前に、逆方向のパルス波P8によって制動がなされるとともに、その際の駆動電圧Vaがパルス波P9によってキャンセルされることで、可動部27がより大きな力で制動されることとなる。なお、この場合、図示ではパルス波P9を0Vまで下げているが、順方向のパルス波P9の低下電圧は、0Vでなくてもよい。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a sixth modification in which the drive voltage Va is reduced at predetermined intervals.
In this modified example, the pulse wave P8 in the reverse direction is applied immediately before the
According to this modification, immediately before the
図10は駆動電圧Vaが所定間隔で複数低減される変形例7を表した説明図である。
この変形例は、複数の逆方向のパルス波P2、P3が印加されると同時に、電圧を下げた順方向のパルス波P9、P10が印加される。
この変形例によれば、図9に示した変形例の作用が繰り返され、可動部27がより確実に制動されることとなる。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a modified example 7 in which a plurality of driving voltages Va are reduced at predetermined intervals.
In this modification, a plurality of reverse-direction pulse waves P2 and P3 are applied, and at the same time, forward-direction pulse waves P9 and P10 with a reduced voltage are applied.
According to this modification, the operation of the modification shown in FIG. 9 is repeated, and the
図11はパルス波形印加後に一定の電圧が印加される変形例8を表した説明図である。
この変形例は、可動部27が停止部材に接触する直前に、逆方向のパルス波P1が印加されるが、その後に、一定の電圧Vb1が印加され続ける。つまり、逆方向のパルス波は、必ずしも通常時に0Vとしなくてもよい。
この変形例によれば、可動部27が接触した後に逆方向にバイアスされることとなる。したがって、小さな電圧差での可動部27の駆動が可能となる。
FIG. 11 is an explanatory view showing a modified example 8 in which a constant voltage is applied after the pulse waveform is applied.
In this modification, the pulse wave P1 in the reverse direction is applied immediately before the
According to this modification, the
図12は複数のパルス波形印加後に一定の電圧が印加される変形例9を表した説明図である。
この変形例は、逆方向の複数のパルス波P2、P3が可動部27の接触直前に印加され、その間、及びその後も一定の電圧Vb1が印加され続ける。
この変形例によれば、確実な吸振効果が得られるとともに、小さな電圧差での可動部27の駆動が可能となる。
FIG. 12 is an explanatory
In this modification, a plurality of pulse waves P2 and P3 in opposite directions are applied immediately before the contact of the
According to this modification, a reliable vibration absorption effect can be obtained, and the
図13はパルス波形が印加される前に一定の電圧が印加される変形例10を表した説明図である。
この変形例は、可動部27が停止部材に接触する直線に、逆方向のパルス波P1が印加され、その後に、一定の電圧Vb1が印加され続けるが、逆方向のパルス波P1が印加される前においても一定の電圧Vb1が振動抑制電圧Vbとして印加される。
この変形例によれば、可動部27が逆方向で常にバイアスされ、小さな電圧差での可動部27の駆動が可能となる。可動部27の振動は、常に順方向と逆方向との静電気力のつりあいであり、接触型の場合、pull-inして(引き込まれて)可動部27が接触状態を維持する範囲の逆方向の電圧であれば、常に印加しても問題はない。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a modified example 10 in which a constant voltage is applied before a pulse waveform is applied.
In this modification, a pulse wave P1 in the reverse direction is applied to a straight line where the
According to this modification, the
したがって、上記の微小電気機械式変調素子によれば、可動部27へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、駆動源により可動部27を第1の方向へ変位駆動させるに際し、可動部27が第1の方向に遷移している間に、駆動源により可動部27に対し第1の方向と異なる第2の方向に物理的作用力を加えるので、可動部27の遷移方向と逆方向に物理的引力を働かせ、可動部27の接触時の振動をアクティブに減少させることができる。この結果、変調素子100におけるスイッチング動作を高速化することができる。
Therefore, according to the microelectromechanical modulation element described above, there are a plurality of drive sources that apply a physical acting force to the
次に、本発明に係る微小電気機械式変調素子の第2の実施の形態を説明する。
図14は本発明に係る微小電気機械式変調素子の第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変調素子200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。すなわち、基板21上にはヒンジ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には駆動電圧Va1が印加され、副第1アドレス電極35a2と可動部27には駆動電圧Va2が印加される。また、主第2アドレス電極35b1と可動部27には振動抑制電圧Vb1が印加され、副第2アドレス電極35b2と可動部27には振動抑制電圧Vb2が印加される。
Next, a second embodiment of the microelectromechanical modulation element according to the present invention will be described.
FIG. 14 is a conceptual diagram showing a second embodiment of a micro electro mechanical modulation device according to the present invention.
The
この変調素子200によれば、中央が回転中心となる揺動型の可動部27において、回転中心を挟む両側のそれぞれの片側に2つ以上の物理的作用力が加えられるようになる。これにより、可動部27の片側に、異なる大きさの制動力を、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な制動効果が得られるようになる。
According to this
次に、本発明に係る微小電気機械式変調素子の第3の実施の形態を説明する。
図15は本発明に係る微小電気機械式変調素子の第3の実施の形態を表す概念図である。
本実施の形態による変調素子300は、可動部41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41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41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41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。
Next, a third embodiment of the micro electro mechanical modulation device according to the present invention will be described.
FIG. 15 is a conceptual diagram showing a third embodiment of a micro electro mechanical modulation device according to the present invention.
In the
このような構成の変調素子300においても、第1アドレス電極35aと可動部41に駆動電圧Vaを印加するとともに、第2アドレス電極35bと可動部41に振動抑制電圧Vbを印加することで、可動部27が最終変位位置(この場合、第1アドレス電極35a側の停止部材)に到達する前の遷移している間に、遷移方向と逆方向に静電吸引力を作用させ、可動部27が最終変位位置へ到達する直前の速度を減速させることができる。
Also in the
これにより、従来可動部27が大きな速度で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を抑止することができる。つまり、可動部27の接触時の振動がアクティブに減少可能となる。
Thereby, it is possible to suppress the vibration caused by the collision that has occurred when the
次に、本発明に係る微小電気機械式変調素子の第4の実施の形態を説明する。
図16は本発明に係る微小電気機械式変調素子の第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変調素子400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43の両端が基板21上に形成した絶縁膜45に所定の間隙47を有して固定されている。この基板21の可動部43の下方には、絶縁膜45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43の上方には絶縁膜49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43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。
Next, a fourth embodiment of the microelectromechanical modulation element according to the present invention will be described.
FIG. 16 is a conceptual diagram showing a fourth embodiment of a micro electro mechanical modulation element according to the present invention.
The
このような平行平板型の変調素子400においても、第1アドレス電極35aと可動部41に駆動電圧Vaを印加するとともに、第2アドレス電極35bと可動部41に振動抑制電圧Vbを印加することで、可動部43が最終変位位置(この場合、第1アドレス電極35a側の停止部材)に到達する前の遷移している間に、遷移方向と逆方向に静電吸引力を作用させ、可動部43が最終変位位置へ到達する直前の速度を減速させることができる。
Also in such a parallel plate
また、上記の各実施形態における変調素子の構成に限らず、素子の方向、構造、駆動は任意であってよく、双方向で駆動される全ての素子に対して本発明を適用することができる。 Further, the direction, structure, and driving of the elements are not limited to the configuration of the modulation element in each of the above embodiments, and the present invention can be applied to all elements that are driven bidirectionally. .
次に、第1の実施の形態の構成を有する変調素子に対しシミュレーションを行った結果を説明する。
図17は第1の実施の形態と同等の構成を有する微小電気機械式変調素子をシュミレーションによって動作確認した説明図である。
図1に示したような回転ヒンジ系マイクロマシン素子に対し、順方向の電位差をVa、逆方向の電位差をVbとして、シミュレーションによる可動部遷移後の振動について解析を行った。
この結果、時間t1後に、Va=V1の電位差を印加した場合の可動部は、大きく振動しているが、時間t1後にVa=V1の電位差を印加し、続いて時間t2〜t3の間にVb=V2の電位差を印加すると、可動部の振動が抑制されることがわかった。
Next, a result of simulation performed on the modulation element having the configuration of the first embodiment will be described.
FIG. 17 is an explanatory diagram showing the operation of a microelectromechanical modulation element having a configuration equivalent to that of the first embodiment confirmed by simulation.
With respect to the rotary hinge type micromachine element as shown in FIG. 1, the vibration after the transition of the moving part was analyzed by simulation, where Va is the forward potential difference and Vb is the reverse potential difference.
As a result, the movable portion when the potential difference of Va = V1 is applied after time t1 is greatly oscillated, but the potential difference of Va = V1 is applied after time t1, and then Vb is applied between times t2 and t3. It was found that when a potential difference of = V2 was applied, vibration of the movable part was suppressed.
次に、第1の実施の形態の構成を有する変調素子を製作し、それを実際に動作させた結果を説明する。
図18は第1の実施の形態と同等の構成を有する微小電気機械式変調素子を実際に製作して動作確認した説明図である。
図1に示したような回転ヒンジ系マイクロマシン素子に対し、順方向の電位差をVa、逆方向の電位差をVbとして、実素子による可動部遷移後の振動について解析を行った。
その結果、図18(a)に示すように、時間t1後にVa=V1の電位差を印加した場合の可動部は大きく振動しているが、図18(b)に示すように、時間t1後にVa=V1の電位差を印加し、続いて時間t2〜t3の間にVb=V2の電位差を印加した場合は可動部の振動が抑制されていることがわかる(入力波形に遅れがあるのは用いたファンクションジェネレータの性能限界による)。
Next, the result of manufacturing a modulation element having the configuration of the first embodiment and actually operating it will be described.
FIG. 18 is an explanatory view of actually fabricating a micro-electromechanical modulation element having a configuration equivalent to that of the first embodiment and confirming its operation.
With respect to the rotating hinge micromachine element as shown in FIG. 1, the forward potential difference is Va and the reverse potential difference is Vb, and the vibration after the moving part transition by the actual element was analyzed.
As a result, as shown in FIG. 18 (a), the movable part vibrates greatly when a potential difference of Va = V1 is applied after time t1, but as shown in FIG. 18 (b), Va is reached after time t1. = V1 potential difference is applied, and then when the potential difference of Vb = V2 is applied between time t2 and t3, it can be seen that the vibration of the movable part is suppressed (the input waveform has a delay) Due to the performance limit of the function generator).
図19は非接触型の微小電気機械式変調素子に本発明を適用した場合の可動部の挙動を表した説明図である。
上記の各実施の形態及び変形例では、変調素子が接触型である場合を例に説明したが、本発明は、非接触型の変調素子に適用されても、上記と同様の作用・効果を奏するものである。
FIG. 19 is an explanatory diagram showing the behavior of the movable part when the present invention is applied to a non-contact type microelectromechanical modulation element.
In each of the above-described embodiments and modifications, the case where the modulation element is a contact type has been described as an example. However, even when the present invention is applied to a non-contact type modulation element, the same operations and effects as described above are achieved. It is what you play.
すなわち、駆動源により可動部27を第1の方向へ変位駆動させるに際し、可動部27が第1の方向に遷移している間に、駆動源により可動部27に対し第1の方向と異なる第2の方向に物理的作用力を、パルス波P1によって加えることで、可動部27の遷移方向と逆方向に物理的引力を働かせ、可動部27のオーバーシュートをアクティブに減少させることができる。この結果、非接触駆動の変調素子におけるスイッチング動作を高速化することができる。
That is, when the
上記の各実施の形態に開示した変調素子100、200、300のそれぞれは、1次元又は2次元配列することによって微小電気機械式変調素子アレイ(以下、単に「変調素子アレイ」と称す。)を構成することができる。
このような変調素子アレイでは、高速なスイッチング動作の可能となった変調素子100、200、300がアレイ化され、振動の鎮静化する時間の短縮が可能となり、従来より早いアドレス電圧の書込みが可能となる。
したがって、可動部が最終変位位置へ到達した後の振動が抑止され、振動鎮静化時間をなくし、或いは大幅に短縮することが可能となり、振動の収まるのを待つ必要がなく、アドレス電圧を書込むことができる。この結果、スイッチング動作を高速化して、駆動サイクルを短縮することができる。
Each of the
In such a modulation element array, the
Therefore, the vibration after the movable part reaches the final displacement position is suppressed, and it becomes possible to eliminate the vibration soothing time or to greatly reduce it, and to write the address voltage without having to wait for the vibration to settle. be able to. As a result, the switching operation can be speeded up and the driving cycle can be shortened.
また、変調素子アレイは、図20に一例として図1の変調素子アレイ100の駆動回路を示すように、変調素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有することが好ましい。このようなメモリ回路が備えられることで、メモリ回路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、メモリ回路には予め素子変位信号が書き込まれる。変調素子のスイッチングのとき、各々の変調素子のメモリ回路に記憶された素子変位信号と、変調素子への印加電圧を制御する駆動電圧制御回路により、本発明の駆動電圧を所望のタイミングで変調素子の信号電極に出力する。このとき、共通電極(可動部)に対しても所望の電圧が出力される。
このように、メモリ回路を用いて素子を駆動すると、複数の変調素子のそれぞれを任意の駆動パターンで動作させることが容易にでき、より高速なアクティブ駆動が可能となる。なお、ここでは、図1の光変調素子アレイ100の構成を示したが、これに限らず、他の構成の変調素子であってもよい。
Further, as shown in FIG. 20 as an example of the drive circuit of the
As described above, when the element is driven using the memory circuit, each of the plurality of modulation elements can be easily operated with an arbitrary driving pattern, and higher-speed active driving is possible. Here, the configuration of the light
また、変調素子アレイには、それぞれの可動部を変調駆動させる制御部が設けられることが好ましい。
このような制御部が備えられた変調素子アレイでは、可動部が制御部によって駆動制御されることで、可動部が最終変位位置に到達する前に、可動電極と固定電極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。
The modulation element array is preferably provided with a control unit that modulates and drives each movable unit.
In the modulation element array provided with such a control unit, the movable unit is driven and controlled by the control unit, so that the gap between the movable electrode and the fixed electrode is reduced before the movable unit reaches the final displacement position. The absolute value of the voltage is decreased, increased, or increased and decreased, and vibrations and overshoots caused by a collision caused by the movable part reaching the final displacement position can be suppressed.
上記した構成を有する変調素子アレイは、光源と、光源からの光を変調素子アレイに照射する照明光学系と、変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備えることで、画像形成装置を構成することができる。
上記の変調素子アレイを備えた画像形成装置では、振動をアクティブに減少でき、従来装置に比べ、駆動サイクルが短縮される。これにより、高速な感光材露光や、より高画素数のプロジェクタの表示が可能となる。また、露光光のオン・オフで階調制御がなされる画像形成装置(露光装置)では、オン・オフ時間の短縮が可能となることで、より高階調の実現が可能となる。
なお、上述した各電極への電圧駆動のタイミングや波形は、これに限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更が可能である。
The modulation element array having the above-described configuration includes a light source, an illumination optical system that irradiates light from the light source onto the modulation element array, and a projection optical system that projects light emitted from the modulation element array onto an image forming surface. Thus, an image forming apparatus can be configured.
In the image forming apparatus provided with the modulation element array, vibration can be actively reduced, and the driving cycle is shortened as compared with the conventional apparatus. As a result, high-speed photosensitive material exposure and display of a projector having a higher number of pixels are possible. In addition, in an image forming apparatus (exposure apparatus) in which gradation control is performed by turning on and off exposure light, the on / off time can be shortened, so that higher gradation can be realized.
Note that the timing and waveform of the voltage drive to each electrode described above are not limited to this, and can be appropriately changed as long as they do not depart from the gist of the present invention.
27、41…可動部
35a…第1アドレス電極
35b…第2アドレス電極
100、200、300、400…微小電気機械式変調素子
P1〜P10…パルス波形
27, 41 ...
Claims (12)
前記可動部を前記第1の方向に変位させる物理的作用力を該可動部に加える第1の駆動源と、前記可動部を前記第2の方向に変位させる物理的作用力を該可動部に加える第2の駆動源と、を有し、
前記第1の駆動源により前記可動部に対し前記物理的作用力を加えて該可動部を前記第1の方向の変位の最終位置に向けて前記第1の方向に変位させている間に、前記第2の駆動源により該可動部に対し前記物理的作用力を加えて該可動部を制動することを特徴とする微小電気機械式変調素子。 A microelectromechanical modulation element that includes a movable part that is supported so as to be elastically displaceable and that is displaced in both directions of the first direction and the second direction, the movable part having a modulation function;
A first driving source that applies a physical acting force to the movable portion to displace the movable portion in the first direction, and a physical acting force to displace the movable portion in the second direction to the movable portion. A second drive source to be added,
While applying the physical acting force to the movable part by the first drive source and displacing the movable part in the first direction toward the final position of the displacement in the first direction, A micro electromechanical modulation element that applies the physical action force to the movable part by the second driving source to brake the movable part.
前記第2の駆動源が、前記可動部を前記第2の方向に変位させる物理的作用力を互いに独立して生じさせる2つ以上の駆動部を含むことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項記載の微小電気機械式変調素子。 The first driving source includes two or more driving units that independently generate a physical acting force that displaces the movable unit in the first direction;
The said 2nd drive source contains two or more drive parts which produce | generate the physical action force which displaces the said movable part to the said 2nd direction independently of each other. 6. The microelectromechanical modulation element according to any one of 5 above.
前記微小電気機械式変調素子のそれぞれの前記第1の駆動源、及び前記第2の駆動源は、いずれも前記可動部及び該可動部に対峙する固定部にそれぞれ設けられた一対の電極により構成されており、
前記一対の電極のうち、いずれかの電極は前記駆動回路からの素子変位信号の入力される信号電極であり、他の電極は共通電極であることを特徴とする請求項9記載の微小電気機械式変調素子アレイ。 Each of the micro electro mechanical modulation elements has a drive circuit including a memory circuit,
Each of the first drive source and the second drive source of each of the micro electro mechanical modulation elements includes a pair of electrodes provided on the movable portion and a fixed portion facing the movable portion, respectively. Has been
10. The microelectromechanical machine according to claim 9, wherein one of the pair of electrodes is a signal electrode to which an element displacement signal is input from the drive circuit, and the other electrode is a common electrode. Type modulation element array.
請求項9〜請求項11のいずれか1項記載の微小電気機械式変調素子アレイと、
前記光源からの光を前記微小電気機械式変調素子アレイに含まれる複数の微小電気機械式変調素子に照射する照明光学系と、
前記複数の微小電気機械式変調素子のそれぞれで変調されて前記微小電気機械式変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系と、を備えたことを特徴とする画像形成装置。 A light source;
A microelectromechanical modulation element array according to any one of claims 9 to 11,
An illumination optical system for irradiating light from the light source to a plurality of micro electro mechanical modulation elements included in the micro electro mechanical modulation element array;
A projection optical system for projecting light, which is modulated by each of the plurality of microelectromechanical modulation elements and emitted from the microelectromechanical modulation element array, onto an image forming surface; apparatus.
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