JPH0784196A

JPH0784196A - 光偏向器およびそれを用いた表示装置

Info

Publication number: JPH0784196A
Application number: JP22720593A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yagi; 隆行八木; Tomoko Yamamoto; 智子山本; Hirotsugu Takagi; 博嗣高木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1993-09-13
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】ミラー面積を小型化し、実効電圧を大きく取
れ、光書き込み式の駆動で偏向角を制御できる機械式の
光偏向器およびそれを用いた表示器。【構成】光偏向器は、光透過性の基板の上面に形成さ
れ、照射される光の量により抵抗値を変化させる光検出
部１１，１２，１３と、基板上の光検出部と空隙をもっ
て対向するように配置され、光検出部と電気的に直列接
続された光偏向板１６の一端を自由端として支持する機
械可動部１６，１７，１８と、光検出部と光偏向板とに
直列に電圧を印加する電圧印加手段とを具備し、基板の
下面から制御光が照射されると、光検出部の抵抗値が低
下し、電圧印加手段が印加する電圧のうち光偏向板に印
加される比率が増加することにより、光偏向板の自由端
は光検出部側に吸引され、光偏向板は支持端中心に傾
き、基板の第１の面側から入射される投影光を光偏向板
の傾きに応じて偏向反射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光偏向器、特にマイクロ
メカニクス技術を用いて作製し、静電引力を用いて変位
制御を行う光書き込み式光偏向器およびそれを用いた表
示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、主な光偏向器には、液晶セルまた
はＰＬＺＴ等の強誘電体材料の光量調整に用いられる電
気光学効果を用いて、背面から照射された光量を微小面
積に印加する電圧で制御する固体化光シャッター（電子
写真学会誌、第３０巻、第４号、１９９１年、ｐ４４７
〜４９４）、ガルバノメーター等の光の反射を用いた機
械式光偏向器がある。上記光シャッターは、一次元にア
レイ化することにより表示装置として電子写真式プリン
タの光プリンタヘッド、液晶セルを２次元面配置する液
晶ディスプレイ等の応用がなされている。

【０００３】機械式光偏向器は、光スイッチ等の光通信
用光学素子としてはミラー面の反射を用いることで光の
波長によらず偏向や遮蔽が可能であるために多重波長光
源を使用する場合や、光源の波長変動等がある場合にお
いて有用であるが、高速応答性、小型化、アレイ化等の
点で固体化光シャッターに比して劣り応用分野が限られ
ていた。

【０００４】近年、半導体フォトリソプロセスを用いた
極めて小型の可動機構を有する微小機械がマイクロメカ
ニクス技術により検討されている。典型的な微小機械と
してはワブルマイクロモーター（Ｍ．Ｍｅｈｒｅｇａｎ
ｙｅｔａｌ．，“Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｍｉ
ｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄｈａｒｍｏｎｉｃａｎ
ｄｏｒｄｉｎａｒｙｓｉｄｅ−ｄｒｉｖｅｍｏｔ
ｏｒｓ”，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＩＥＥＥＭｉｃ
ｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔ
ｅｍｓＷｏｒｋｓｈｏｐ１９９０，ｐ１−８）、や
リニアマイクロアクチュエータ（Ｐ．Ｃｈｅｕｎｇｅ
ｔａｌ．，“Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ−ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆａｐｏｌｙｓｉ
ｌｉｃｏｎｌｉｎｅａｒｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏ
ｒ”，ＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｅｎｓｏｒ
ｓ，ＡｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓＡ
ＳＭＥ１９９１，ＤＳＣ−Ｖｏｌ．３２，ｐ２６９
−２７８）、圧電バイモルフカンチレバー（ＵＳＰ４，
９０６，８４０）等が提案されている。

【０００５】これら微小機械は、半導体フォトリソプロ
セスにより作製されアレイ化、低コスト化が容易であ
り、小型化することで高速応答性を期待できる。機械式
光学素子である光偏向器としては、Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒ
ｓｅｎにより提案されたシリコンによるＴｏｒｓｉｏｎ
ａｌＳｃａｎｎｉｎｇＭｉｒｒｏｒ（ＩＢＭＪ．
ＲＥＳ．ＤＥＶＥＬＯＰ．，Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．５，
９．１９８０，ｐ６３１−６３７）および片持ち梁の変
形によりレーザー光を走査するＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎ
ｉｃａｌｌｉｇｈｔｍｏｄｕｌａｔｏｒａｒｒａ
ｙ（“ＤｙｎａｍｉｃＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ
ｏｎＳｉｌｉｃｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎ
ｄＤｅｖｉｃｅｓ”ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＥ
ｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．ＥＤ−２
５，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔ．１９７８，ｐ１２４１−１２
４９）がある。

【０００６】光偏向器の表示装置への応用では、可撓梁
を有する金属薄膜の反射を用い画素を平面上に複数配置
したＭ．Ａ．Ｃａｄｍａｎ等により提案されているＭｉ
ｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＤｉｓｐｌａｙ（“Ｎｅ
ｗＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＤｉｓｐｌａｙ
ＵｓｉｎｇＴｈｉｎＭｅｔａｌｌｉｃＦｉｌｍ
ｓ”ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅＬｅ
ｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．ＥＤＬ−４，１９８３，ｐｐ３−
４）、Ｌ．Ｊ．Ｈｏｒｎｂｅｃｋによる空間光変調器
（特開平２−８８１２）、Ｒ．Ｎ．Ｔｈｏｍａｓ等によ
るＭｉｒｒｏｒＭａｔｒｉｘＴｕｂｅ（ＩＥＥＥＴ
ｒａｎｓ．ｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，
Ｖｏｌ．ＥＤ−２２，Ｎｏ．９，Ｓｅｐ．１９７５，ｐ
７６５−７７５）等がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のＣａｄｍａｎお
よびＨｏｒｎｂｅｃｋ等により示された反射型の機械式
光偏向器は電気書き込み式によるものであり、主として
その動作は２方向の偏向を用いて２値表示によるディス
プレイへの応用を提案している。この光偏向器をアレイ
化して表示装置として用いる場合、特にテレビジョン装
置として用いる場合には階調表示（８ビット、２５６階
調程度）が課題となる。２値表示にて安定的に多階調表
示を行う方法としては、空間光変調器を組み合わせてそ
の面積比で階調を表現する面積変調方式、または空間光
変調器に変調を掛ける時間幅で階調を表現するパルス幅
変調方式が考えられる。

【０００８】面積変調方式については、例えば８ビッ
ト、２５６階調を表示する場合２値表示の単位画素を２
５６個まとめて１画素とする必要があり、表示画像の空
間力が著しく低下してしまう。即ち、１空間光変調器を
１単位素子とすると、１６単位素子４方で１画素を表す
ことになるので１単位素子のサイズを１０μｍ角とする
と１画素１６０μｍ角となる。等倍一括露光装置を用い
たとしても３インチにて５００画素程度の解像力であ
り、より高解像度を目指す場合表示装置はより大きくな
り、Ｓｉウエハ上に半導体フォトリソプロセスを用いて
上記表示装置を作製する場合、１基板（Ｓｉのウエハ）
当たりの表示装置の切り出し数が減ることとなり歩留り
率および生産数の低下を招き、表示装置の価格上昇につ
ながる。

【０００９】一方パルス幅変調方式においては、同じく
８ビット、２５６階調を表示する場合、フレーム周波数
３０Ｈｚを走査するためには１３０μｓ（１＝１／３０
／２５６）内に１画面走査を行う必要がある。例えば、
走査線数が１０００本の表示装置においては１走査線の
走査時間は０．１μｓ以内になる。また、１走査線分の
データを転送するのに必要なシフトレジスタの転送は、
１走査線分の画素数が２０００個の場合（ＨＤＴＶ対応
を考えると）、１サイクル当たりのシフト時間は０．０
６ｎｓ以内になる。したがって、シフトレジスタの駆動
周波数は約１６ＧＨｚとなり、表示装置の画面を分割す
る等の駆動手段が必要となり、駆動系の負荷が非常に大
きくなる。これにより表示装置の駆動用周辺回路のコス
トアップとなり、上述と同様に表示装置の価格上昇につ
ながる。

【００１０】このため、光偏向器を用いて表示装置に応
用する場合、駆動系の負荷の小さい表示装置とするに
は、光偏向器毎に偏向角を制御し画素毎の階調表現を与
えることが望ましい。

【００１１】また、機械式光偏向器による表示装置では
反射型によりスクリーン上に投影することとなるが、こ
の際にスクリーン輝度を向上することは投影型ディスプ
レイとしては重要である。高輝度を得る投影用の高輝度
ランプとしてはメタルハライドランプ（ＭＨランプ）あ
るいはキセノンショートアークランプ（Ｘｅ−ｓａラン
プ）がある。通常光源は有限の発光径を持ち、使用する
ランプにより適当なデバイスサイズ、レンズ径が決定さ
れる。

【００１２】２値表示にて１画素毎にアドレス制御用の
トランジスタを設ける場合、電気書き込みによる光偏向
器では高速応答可能なトランジスタのパターン形成を行
うに際して、露光装置としてステッパを用いる。デバイ
スサイズはステッパの露光フィールドにより決定され
る。現行のレチクルマスクサイズと光学系の縮小率より
露光フィールドは対角２２〜２５ｍｍ（１．２〜１．４
インチ）程度であり最大デバイスサイズは１．４インチ
以下となる。対角１．４インチのデバイスでは適当な発
光径は１〜２ｍｍ程度であり、現行使用可能なランプと
してはＸｅ−ｓａランプとなる。

【００１３】しかしＸｅ−ｓａランプは寿命が１０００
時間と短く、テレビジョン装置には適さない。高輝度な
ディスプレイを作製するには光源径が数ｍｍ程度の大き
さの長寿命なＭＨランプ（寿命〜６０００時間）を使用
することが好ましい。このためには２インチ以上のデバ
イスサイズが必要となる。すなわち、アドレス制御用の
高速応答可能なトランジスタを用いずに画素毎の独立動
作可能な駆動方式が望ましい。

【００１４】アドレス制御用トランジスタを用いずに光
偏向器を駆動する方法としては、ＣｄＳとＣｄＴｅから
なるフォトダイオードのフォトキャパシタンス効果を利
用する光書き込み式液晶ライトバルブ（ＣｄＳ−ＬＣＬ
Ｖ、Ｌ．Ｍ．Ｆｒａａｓ等、“Ｎｏｖｅｌｃｈａｒｇ
ｅ−ｓｔｏｒａｇｅ−ｄｉｏｄｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｆｏｒｕｓｅｗｉｔｈｌｉｇｈｔ−ａｃｔｉｖ
ａｔｅｄｄｉｓｐｌａｙｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４７，Ｎ
ｏ．２，１９７６，ｐ５７６−５８３）がある。ＬＣＬ
Ｖはデバイスサイズが２インチ程度であり、光源径が５
ｍｍ程度のＭＨランプを利用できる。

【００１５】しかしながらＬＣＬＶは応答速度が液晶の
応答速度に依存し（トリケップス社発刊“プロジェクシ
ョンテレビの設計Ｎｏ．１０７”、ｐ１５１）、低温域
での高速応答化が望まれる。光変調用として高速応答性
を期待できる機械式マイクロミラーを用いたＬＣＬＶが
Ｄ．Ａｒｍｉｔａｇｅにより提案されている（“ＭＩＣ
ＲＯＭＩＲＲＯＲＳＰＡＴＩＡＬＬＩＧＨＴＭＯ
ＤＵＬＡＴＯＲ“ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔ
ｅｎｔＮｕｍｂｅｒ：４，６９８，６０２）。しかし
ながら４，６９８，６０２ではフォトキャパシタンス効
果を利用しているために、光書き込み式ライトバルブへ
の書き込み光（〜１００μＷ／ｃｍ²）に対してマイク
ロミラーへの実効的電圧は液晶と同様に数Ｖ程度の低電
圧である。高速応答性はマイクロミラーを支持する梁の
ばね定数とミラー形状により決定され、ばね定数を大き
くするにつれて応答性は向上する。

【００１６】しかし低電圧下で静電引力によりマイクロ
ミラーを変位させるにはミラー面積を大きくせざるをえ
ず、高速応答性を同時に達成しようとするとミラー面積
は〜１００μｍ角程度となる。テレビジョン装置、特に
高精細の画像表示を行うにはミラーの面積を小型化し画
素数を増す必要がある。すなわちミラー面積を小さくし
且つ静電引力を増すには実効電圧を大きく取る必要があ
る。フォトキャパシタンス効果によりマイクロミラーを
駆動するライトバルブでは表示装置、特にテレビジョン
装置として十分な解像度を得ることができない。

【００１７】また、４，６９８，６０２においてダイオ
ードの容量を小さくするために用いるＳｉ基板はｉｎｔ
ｒｉｎｓｉｃであり且つ基板厚みを１００μｍ程度とな
り、Ｓｉとガラスとの貼り合わせプロセスが必要となる
（Ｄ．Ａｒｍｉｔａｇｅ，“Ｈｉｇｈ−ＳｐｅｅｄＳ
ｐａｔｉａｌＬｉｇｈｔＭｏｄｕｌａｔｏｒ”，ＩＥ
ＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅ
ｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．ＱＥ−２１，Ｎｏ．８，１
９８５，ｐ１２４１−１２４８）。貼り合わせの不良等
が存在するとＳｉとガラスの界面にて書き込み光の散乱
および干渉等が発生し光感度の低下を招く。このことは
前述のＬＣＬＶと比べて歩留りが低下しプロセス上好ま
しくない。

【００１８】本発明は上記問題点に鑑み、下記のことを
実現できる光偏向器およびそれを用いた表示装置を提供
することを目的とする。（１）光書き込み式の駆動によって偏向角を制御するこ
とが可能な機械式の光偏向器。（２）ミラー面積を小型化し、実効電圧を大きく取れる
光偏向器。（３）貼り合わせプロセスのない高い歩留りを確保でき
る光偏向器。（４）これらの内容を実現した光偏向器により構成する
投影式の高精細な画像表示可能な表示装置。

【００１９】

【課題を解決するための手段】すなわち、上記目的を達
成すべくなされた本発明の光偏向器は、光透過性の基板
の第１の面に形成され、照射される光の量により抵抗値
を変化させる光検出部と、基板の第１の面上の光検出部
と空隙をもって対向するように配置され、光検出部と電
気的に直列接続された電気導電体薄膜からなる光偏向板
を含むとともに、光偏向板の一端を自由端とし自由端と
対向する他端を支持端として支持する機械可動部と、光
検出部と光偏向板とに直列に電圧を印加する電圧印加手
段とを具備し、基板の第１の面に対向する第２の面側か
ら制御光が照射されると、光検出部の抵抗値が低下し、
電圧印加手段が印加する電圧のうち光偏向板に印加され
る比率が増加することにより、光偏向板の自由端は光検
出部側に吸引され、光偏向板は支持端中心に傾き、基板
の第１の面側から入射される投影光を光偏向板の傾きに
応じて偏向反射させる。

【００２０】前記光検出部は、前記基板の第１の面の上
に層状に形成された第１の固定電極と、第１の固定電極
の上に形成された光導電体層と、光導電体層の上に層状
に形成された第２の固定電極とからななり、前記光導電
体層がアモルファスシリコン薄膜よりなり、前記第１の
固定電極が光透過型の導電体薄膜よりなり、前記電圧印
加手段は交流正弦波電圧を印加するのが好ましい。

【００２１】また、前記機械可動部は、前記光偏向板
と、前記光偏向板を支持し弾性変形する梁と、梁を支持
する支持部とからなり、前記梁が撓み可能な撓みばねで
あり、前記光偏向板は、一端が撓みばねの自由端に連結
され、かつ前記撓みばねの上方に配置されているか、前
記梁は、前記光偏向板を回転支持する捩じればねからな
るのが好ましい。

【００２２】さらに、前記機械可動部は、前記光検出手
段の上に絶縁層を介して形成されており、電圧印加を行
う支持電極を有するのが好ましい。

【００２３】本発明の表示器は、基板を共通として複数
配置された請求項１記載の光偏向器と、入射する光をス
クリーン上に投影する投影レンズおよび絞りと、前記複
数の光偏向器の光偏向板上に光を照射する投影光源と、
前記複数の光偏向器の基板の第２の面側から、各光偏向
器にそれぞれ制御光を照射し、前記複数の光偏向器の光
偏向板で反射させ、投影レンズおよび絞りを介して反射
光による画像をスクリーン上に投影させる光書き込み手
段とからなる。

【００２４】また、前記光書き込み手段は、前記複数の
光偏向器の基板の第２の面と対向するように配置された
画像情報表示手段であるのが好ましい。

【００２５】

【作用】上述のように構成された本発明の光偏向器にお
いては、基板上に設けられた光検出部にて光導電効果に
より入射する制御光の光量により抵抗が変化し、抵抗の
変化に伴い直列接続した機械可動部への印加電圧が変化
し、印加電圧の変化に従い静電引力により光偏向板の傾
き角が変化する。すなわち、光検出部に入射する制御光
の光量に応じて光偏向板に入射する投影光の偏向が行わ
れることとなる。光偏向板すなわちミラーの面積を小型
化に伴い印加電圧を増すことにより機械可動部への実効
電圧を上げ、所望の偏向角を得る。そして、ミラー面積
が小さくできることにより、光偏向器をアレイ化しライ
トバルブを形成することで、高精細な表示装置が実現さ
れる。

【００２６】

【実施例】次に、本発明の光偏向器およびそれを用いた
表示装置の実施例について図面を参照して説明する。図
１は本発明の光偏向器の一実施例の構成を示す斜視図で
ある。図２は図１の実施例のＡ−Ａ断面図である。図３
は図１の実施例を駆動する場合の図１の実施例の等価回
路を示す図である。

【００２７】基板１０は、下面より入射する光書き込み
を行なうための書き込み光ＷＬを透過するようにガラス
から構成されている。基板１０の上面には、第１の固定
電極１１、光導電体層１２、第２の固定電極１３が順次
形成され、光検出部を構成している。光検出部の第２の
固定電極１３の上には、絶縁層１４が形成され、さらに
絶縁層１４の上には、中央部に開口１９を有する支持電
極１５が形成されている。

【００２８】支持電極１５の上には、支持電極１５に固
定された２つの支持部１８から支持され、支持電極１５
と間隔を保ち支持電極に１５に平行に、開口１９に沿っ
て延びる２枚の撓みばね１７と、撓みばね１７の自由端
に連結され、撓みばね１７の自由端から撓みばね１７の
上に折り返されるように、撓みばね１７と間隔を保って
撓みばね１７に対し平行に延びる一枚の可動電極１６と
から機械可動部が構成されている。この場合、撓みばね
１７は、弾性変形して可動電極を支える梁となり、可動
電極１６は、上方より入射する投影光ＩＬを偏向するた
めのミラーの役割を有している（投影光ＩＬは可動電極
１６の傾きにより、例えば投影光ＲＬ１またはＲＬ２の
ように反射される）。

【００２９】図１の実施例の機能について図３を参照し
て説明する。光導電体層１２は、第１、２の固定電極１
１，１３とオーミックコンタクトを取ることにより光セ
ンサとして働く。支持電極１５は、第２の固定電極１３
と絶縁層１４を介し付加容量Ｃｏｘを形成し、可動電極
１６は、支持電極１５の開口１９を通じて第２の固定電
極１３との間にミラー容量Ｃｍを形成する。支持電極１
５は可動電極１６を支持するとともに可動電極１６に電
気的に接続されている。

【００３０】本実施例では、第１の固定電極１１と支持
電極１５との間に電圧Ｖａを印加する。印加電圧Ｖａは
正弦波交流とする。正弦波の角周波数をωとすると、回
路の全体のインピーダンスＺ（Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ）は実部Ｒ
がＲｓで虚部Ｘが−（１／Ｃｏｘ＋１／Ｃｍ）／ωとな
る。すなわち、光導電体層の抵抗Ｒｓは書き込み光量が
増すにつれて小さくなり、ミラー容量Ｃｍに印加される
電圧Ｖｍが増すことで、可動電極１６への静電引力が大
きくなり、それに応じて可動電極１６の傾き角θが大き
くなる。ＣｏｘはＣｍに比して大きく取ることで可動電
極の傾き角が増した際のＣｍの変化に対して前記虚数Ｘ
の変化を抑えることができる。Ｖｍは角周波数ωで変化
することで、可動電極の変位の角周波数もωとなる。ま
た、支持電極上に撓みばね１７を配置することで変形す
るばね自体に電圧がかからない構成とし、開口以外の部
分に支持電極を設けた可動電極への投射光の光検出部へ
の漏れ光を遮断する役目を有する。

【００３１】ＬＣＬＶでは必須となる誘電体薄膜の積層
によるミラーは本発明の光偏向器では不要である。従来
の静電アクチュエータを用いた光偏向器ではミラーの固
定点、すなわち、撓みばね１７と可動電極１６の連結部
の位置は基板側に変位するか無変位であったが、本発明
の光偏向器では連結部が上方に変位し傾き角は実質的に
増加することとなる。

【００３２】次に、図１で示された第１の実施例の光偏
向器（静電アクチュエータ）の作製工程の一例を図４お
よび図５の作製工程図を用いて説明する。基板１０とし
ては、光の透過性の良いガラス２０を用いた。ガラス基
板の上に、インジウム・チタン・オキサイド薄膜２１
（以降、ＩＴＯ薄膜２１と記す）をＩｎ₂Ｏ₃／ＳｎＯ
₂ターゲットを用いて真空蒸着法の一つであるスパッタ
リング法を用いて膜厚０．２μｍの成膜を施した。次
に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ₄ガスにより光導電
体層となるアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ）２２を
５μｍ形成し、さらにＳｉＨ₄にホスヒン（ＰＨ₃）を
混合し、第２の固定電極となる０．１μｍのｎ型ａ−Ｓ
ｉ層２３を形成する。以上の工程により光検出部を形成
する。光検出部のｎ型ａ−Ｓｉ層２３の上に、Ａｌのタ
ーゲットを用いて、酸素ガスにより反応性スパッタリン
グを行い、絶縁層となるＡｌ₂Ｏ₃２４を形成する（図
４（ａ））。

【００３３】次に機械可動部の作製工程を説明する。ま
ず、３００ｎｍのＡｌ薄膜２５をスパッタリング法を用
いて堆積し、フォトレジストを塗布しフォトリソグラフ
ィプロセスによりパターニングし、Ａｌ薄膜２５に対し
ＢＣｌ₃とＣｌ₂との混合エッチングガスを用いた反応
性イオンエッチング法（ＲＩＥ）によりパターニングを
行い、開口１９を設けて支持電極を形成し（不図示）、
パターニングに用いたフォトレジストを除去する（図４
（ｂ））。

【００３４】次にフォトレジスト１０１をスピンコータ
ーにより１．５μｍ塗布し最終工程にて除去され空隙と
なる犠牲層を形成した。フォトレジストはヘキスト（Ｈ
ｏｅｃｈｓｔ）社製ポジ型フォトレジストである商品名
ＡＺ１３５０Ｊを使用した。フォトレジスト１０１は機
械可動部の支持部を形成するために一部フォトリソグラ
フィにより除去してある（図４（ｃ））。次に撓みばね
１７および支持部１８となるＡｌ薄膜２６を７５ｎｍス
パッタリング法により成膜した（図４（ｄ））。

【００３５】スパッタリング時の基板ホルダーの温度を
５℃に設定し、成膜時の熱応力を抑えた。Ａｌ薄膜２６
に対しフォトリソグラフィにより撓みばね１７および支
持部１８のパターン形成を行った（図４（ｅ））。この
ようにして形成した撓みばね１７の上に可動電極と撓み
ばね１７の間の空隙を形成する第２の犠牲層となるフォ
トレジスト１０２の塗布時にフォトレジスト１０１が損
傷しないよう下敷き層２７を形成した（図４（ｆ））。
下敷き層はスパッタリング法によりＳｉＯ₂を５０ｎ
ｍ、成膜した。

【００３６】次にフォトレジスト１０２をフォトレジス
ト１０１と同様に塗布し最終工程にて除去される第２の
犠牲層として形成した（図５（ｇ））。フォトレジスト
１０２の膜厚は１．５μｍであり絶縁層と可動電極の空
隙は３μｍとなる。フォトレジスト１０２はフォトレジ
スト１０１と同様のものを用いた。フォトレジスト１０
２は撓みばね１７と可動電極の機械的および電気的接続
を目的に一部フォトリソグラフィにより除去してある
（図５（ｈ））。フォトレジスト１０２の一部除去した
部分のＳｉＯ₂はＣＦ₄ガスを用いてＲＩＥにて除去す
る。可動電極は撓みばね１７の形成条件にてＡｌ薄膜２
８を成膜した。膜厚は３００ｎｍとした（図５
（ｉ））。Ａｌ薄膜２８をフォトレジスト１０３により
フォトリソグラフィにてパターニングし、支持電極１５
と同様にＡｌ薄膜２８をパターニングし可動電極１６を
形成した（図５（ｊ））。

【００３７】最後にフォトレジスト１０１，１０２およ
び下敷き層２７を酸素とＣＦ₄の混合ガスによりＲＩＥ
にてエッチング除去した（図５（ｋ））。このとき、絶
縁層Ａｌ₂Ｏ₃はエッチングされず開口の下部の光検出
部のエッチングを防止する。以上の作製工程により図１
に示した光偏向器を得ることができた。Ａｌ薄膜下部の
有機高分子フィルムを乾式エッチングにて除去する方法
はＭ．Ａ．Ｃａｄｍａｎ等により提案されている（前述
引用文献）。

【００３８】以上の方法により形成した光偏向器の形状
について述べると、可動電極１６は２３μｍ角でありＣ
ｏｘは５ｆＦ、Ｃｍは０．８ｆＦとなるように支持電極
１５および開口１９を配置した。光偏向器の機械的な共
振周波数、すなわち光偏向の応答周波数は７５ｋＨｚで
あった。また、ａ−Ｓｉは１００μＷ／ｃｍ²の書き込
み光量（ＷＬ）に対して光導電率は５×１０^-8（Ω・ｃ
ｍ）^-1となってる。書き込み光の波長は６００ｎｍを用
いている。印加電圧Ｖａを１００Ｖ、正弦波の周波数を
１ｋＨｚとした時の書き込み光量を変えた際のＶｍ／Ｖ
ａの比、および可動電極の正弦波動作する傾き角θの最
大値Θの測定結果を図６に示す（図６において矢印は指
し示す方向の縦軸を指示している）。

【００３９】図６に示されるように可動電極への印加電
圧Ｖｍは１００μＷ／ｃｍ²の書き込み光量に対して３
０Ｖ程度印加したこととなりそのときの最大の傾き角は
６°となった。従来フォトキャパシタンス効果において
は数Ｖ程度の印加電圧が得られることから、本発明の光
偏向器と同等の応答周波数およびミラー面積を有するも
のでは、傾き角は０．５°以下となることが図より理解
できよう。

【００４０】フォトキャパシタンス効果を用いた光偏向
器では傾き角を大きくするには、応答周波数を低くしミ
ラー面積を広く取る必要があり、このために交流電圧の
周波数も低くなる。本発明の光偏向器は光書き込み式駆
動により図６に示した通り書き込み光量により偏向角を
制御することが可能であり、またミラー面積を小型化し
ても、実効電圧を大きく取れる光偏向器となっている。
さらに、作製工程にて示したように薄膜形成プロセスお
よびフォトリソグラフィプロセスを用いることにより光
書き込み式駆動の光偏向器を作製でき、従来の作製工程
に用いることとなる貼り合わせプロセスのない高い歩留
りを確保できる光偏向器となっている。

【００４１】次に、本発明の光偏向器の第２の実施例に
ついて図７の構成図を参照して説明する。図１の実施例
の光偏向器においては、撓みばね１７が撓み変形するの
に対して、本実施例においては、可動電極３６が捻りば
ね３７の回転軸を中心に回転変位する。このために可動
電極３６には捻りばね３７と結合するように可動電極支
持部３８１を形成するコンタクトホール４０が設けられ
ている。基板１０の上に形成された第１の固定電極３
１、光導電体層３２、第２の固定電極３３、絶縁層３４
については図１の実施例と同様に形成されているが、支
持電極３５の開口３９は可動電極３６の半分の面と対向
するように穿設されている。

【００４２】さらに、本発明の光偏向器の第３の実施例
について図８の構成図を参照して説明する。図１および
図７の実施例の光偏向器では光検出部上に機械可動部を
薄膜形成しているが、図８で示された実施例において
は、光検出部と機械可動部とを独立に形成している。第
１の固定電極４１、光導電体層４２、第２の固定電極４
３からなる光検出部と絶縁層４４を第１の基板１１１の
第２の固定電極４３の上に薄膜形成し、第２の基板１１
２上に支持電極４５、支持部４８、撓みばね４７、およ
びミラーとなる可動電極４６を形成する。その後、第１
および第２の基板を可動電極４６と絶縁層４４の間に空
隙を設けた状態で第１の基板１１１および第２の基板１
１２を固定する。支持電極４５は撓みばね４７にミラー
への投射光が入射しないように配置し、撓みばねが変形
した際の反射光がミラーの反射光のノイズ光（漏れ光）
となることを防止する。

【００４３】第１の基板１１１と第２の基板１１２の固
定の際に基板の接合工程が入ることとなるがＡｒｍｉｔ
ａｇｅに示すようなフォトダイオードとなるＳｉと基板
との全面における貼り合わせは必要なく、空隙を形成で
きれば良い。このことにより貼り合わせによる光検出部
の歩留り低下を招くことはない。また、図８の光偏向器
の構成により可動電極への静電引力を受ける面積を広く
取ることが可能となる。なお、絶縁層４４は交流電圧電
源の異常により過度の電圧が印加され可動電極が第２の
固定電極と接触することを防止する役割を持つ。交流電
圧電源の安定化を図ることで、絶縁層４４を設けなくと
も良い。

【００４４】以上、実施例を用いて本発明の光偏向器の
構成、動作および作製工程について説明した。光導電体
層として書き込み光の波長に対して導電率の変化するも
のであればよく、可視光についてはＣｄＳ，ＣｄＳｅ，
ＣｄＳ・Ｓｅ等を用いても良く、好ましくは光電流の過
渡応答性の優れた材料が良い。ａ−ＳｉはプラズマＣＶ
Ｄにより安価で大面積に作製でき、且つ過渡応答性に優
れた材料の１つである。また、赤外光を書き込み光とす
ると光導電体層はＨｇＣｄＴｅ等を用いれば良い。基板
としては光検出部への書き込み光の波長に対して透過す
るものであればよく、本発明では安価で入手の容易なガ
ラスを用いることとした。第１の固定電極材料としては
光導電体層への光量を著しく低下させることがなけれ
ば、金属、半導体等を用いることが可能となる。ＩＴ
Ｏ，ＳｎＯ₂等の光透過性が良く導電率の高い材料が第
１の固定電極としてはより好ましい。

【００４５】作製工程では、犠牲層として同一材料を用
いたが空隙部分を形成するために除去するに際して絶縁
層、固定電極および機械可動部を腐食せずに除去するこ
とが可能な材料であれば異種材料を各々の空隙用材料と
して用いても構わない。実施例では犠牲層材料としてフ
ォトレジストを用いたが特に限定されるものではない。
他の犠牲層材料として、ＴｉまたはＴｉ／Ｗからなる金
属合金薄膜を抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法等の真
空蒸着法により成膜し、空隙形成材料の除去に過酸化水
素水を用いてエッチング除去することによっても同様の
本発明の光偏向器を形成することが可能である。また、
機械可動部および固定電極としてＡｌ薄膜を用いたが、
犠牲層材料を除去する際にエッチングされない材料であ
ればＡｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇ
ｅ、Ｉｎ、Ｓｉ等の薄膜形成可能な金属、合金、半金属
および低抵抗な電気的導電性を有する半導体であればい
ずれを用いることも可能である。

【００４６】次に、本発明の光偏向器を用いた表示装置
の実施例について図面を参照して説明する。図９は本発
明の表示装置の実施例に用いられるライトバルブ２００
における光偏向器（例えば、個々の光偏向器は実質的に
図１で示される光偏向器と同様な構成を有する）の配置
例を示す図である。図９（ａ）に第１の固定電極のパタ
ーン図を示す。第１の固定電極５１を基板上にライン状
に形成する。図には示していないがライン端にて全ての
第１の固定電極５１は電気的に接続してある。なお、光
導電体層は基板面に一様に成膜した。第２の固定電極５
３は図９（ｂ）に示すように各々独立してパターニング
してあり、このとき光導電体層を第２の固定電極５３と
同様のパターニングしてもよい。絶縁層は第２の固定電
極上に一様に成膜する。

【００４７】次に支持電極５５を成膜し図９（ｃ）に示
すように開口５９を有するライン状に第１の固定電極５
１と交差するようにパターン形成されている（ばねは図
面には示さなかった）。最後に可動電極５６を図９
（ｄ）に示すように第１の固定電極５１と第２の固定電
極５３が交差する位置に配置する。以上の複数の光偏向
器を配置することにより個々の光偏向器は１つの交流電
圧電源にて書き込み光に対して独立に駆動することが可
能となる。

【００４８】図１０は本発明の表示装置の一実施例にお
ける動作原理を説明した図である。本実施例においては
図９に示したライトバルブ２００を用いている。図１０
においては、動作説明の簡略化のためにライトバルブ２
００における一つの光偏向器のみを示してある。図１０
（ａ）は書き込み光ＷＬがない場合の図であり、図１０
（ｂ）は書き込み光ＷＬに対して可動電極がθ傾いたと
きの図である。なお、図１０では図３で示した交流正弦
波電圧の印加電圧電源、および光書き込み用の光源の表
示は省略してある。

【００４９】平行光源２０１から投射光をライトバルブ
２００に照射し各々の光偏向器により投影光を反射す
る。書き込み光がない場合（図１０（ａ））には、入射
した投射光は、投影レンズ２０２および絞り２０３によ
り制限された投影レンズ絞り面に入射せず、スクリーン
２０４上に光偏向器の反射光として焦光されない。しか
し、図１０（ｂ）に示されるように、書き込み光により
ひとつの光偏向器がθ角傾くことにより、反射された光
は２θ偏向され投影レンズ絞り面と反射光の重なり２１
３が現れる。重なり２１３のみが投影レンズ２０２を通
じてスクリーン上に投影され焦点を結ぶ。書き込み光量
が増すと重なり２１３が増し、スクリーン上の焦点での
輝度が増す。

【００５０】ミラーは交流電圧電源と同一周波数で振動
しており、焦点での輝度は周期的に変化する。投影レン
ズ絞り面内を通過する一定時間当り（テレビジョンのフ
レーム周波数３０Ｈｚ）の積算光量が一画素の輝度に相
当する。交流電圧の周波数をフレーム周波数に比して十
分に大きく取ることにより輝度ムラはなくなる。実施例
に述べたように本発明の光偏向器は十分な応答速度を有
することから１ｋＨｚ程度、またはそれ以上の正弦波で
あれば特に問題はなく、更に周波数を上げることも十分
可能であることはいうまでもない。すなわち、本発明の
表示装置はＨＤＴＶ等においても十分に対応可能な応答
速度を有している。

【００５１】本発明の光偏向器では書き込み光の光量に
て偏向角を変化させることが可能であり、これを用いた
表示装置では各々の光偏向器に書き込み光量に応じてス
クリーン上に輝度の異なる表示を行うことが可能とな
る。本発明の表示装置ではＬＣＬＶに必須の偏光ビーム
スプリッタは不要であり、且つ偏向角を大きく取れるこ
とでＡｒｍｉｔａｇｅにおけるフーリエ・プレーンマス
クを用いずとも表示装置を構成することが可能となる。
シュリーレン光学系を用いても表示装置を形成できるこ
とは言うまでもない。

【００５２】よって、小型のＣＲＴまたは透過型の液晶
ディスプレイ等の画像情報表示手段を用い所望の画像デ
ータをライトバルブに画像として光書き込みすること
で、各ミラーからの反射光と投影レンズ絞り面の重なり
部分の立体角が変化しスクリーン上での光量が変化し、
光書き込みした画像の光量の濃淡に応じた階調を有する
画像表示を行うことが可能である。偏向角をアナログ的
に変化できることで、画像として見た場合にスクリーン
上にて階調表示を行っていることとなる。すなわち、本
発明の光偏向器を用いた表示装置により、一画素が一ミ
ラーからなる各画素毎に階調表示が可能なテレビジョン
装置に対応できる投射型ディスプレイが作製できた。

【００５３】この表示装置により形成される画像をカラ
ー化するには、図１０に示すライトバルブおよび光学
系、画像情報表示手段、平行光源を３つずつ設けて各々
の平行光源とライトバルブの間、またはライトバルブと
投影レンズの間にそれぞれ異なる色素からなるＲＥＤ，
ＧＲＥＥＮ，ＢＬＵＥの各カラーフィルターを配置し、
同一スクリーン上に投影することによりカラー化が達成
できる。その他の方法としては１つの平行光源の投影光
をダイクロイックミラーを用い３原色に分離し、各々の
投影光を３つのライトバルブに入射することによっても
達成できる。この場合画像情報表示手段は各々のライト
バルブに３原色に応じた画像情報を書き込むこととな
る。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光偏向器に
よれば、光検出部は光導電効果により入射する光の量に
より抵抗が変化し、抵抗の変化に伴い直列接続した機械
可動部への印加電圧が変化し、印加電圧の変化に従い静
電引力により光偏向板の傾き角を制御することが可能で
あり、光検出部に入射する光量に応じて光偏向板に入射
する投影光の偏向が可能となった。また、光偏向板すな
わちミラーの面積を小型化に伴い交流電圧電源の印加電
圧を増すことにより機械可動部への実効電圧を上げ、所
望の偏向角を得ることができた。これにより、ミラー面
積が小さくでき光偏向器をアレイ化しライトバルブを形
成することで、階調表示可能なテレビジョン装置に対応
できる高精細な表示装置を提供することが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光偏向器の第１の実施例の構成を示す
斜視図である。

【図２】図１の実施例のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図１の実施例を駆動する場合の図１の実施例の
等価回路を示す図である。

【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），
（ｆ）は、図１で示された第１の実施例の光偏向器（静
電アクチュエータ）の作製工程の一例を示す作製工程図
である。

【図５】（ｇ），（ｈ），（ｉ），（ｊ），（ｋ）は、
図４の作成工程図で示された作成工程以降の作製工程を
示す作製工程図である。

【図６】図１の実施例の光偏向器の書き込み光量と実効
電圧および傾き角の関係を示す図である。

【図７】本発明の光偏向器の第２の実施例の構成を示す
斜視図。

【図８】本発明の光偏向器の第３の実施例の構成を示す
斜視図。

【図９】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明の表
示装置の実施例に用いる光偏向器の複数配列の例を示す
図である。

【図１０】（ａ）は書き込み光がない場合における、本
発明の表示装置の一実施例の動作を説明する図である。
（ｂ）は書き込み光がある場合において、書き込み光に
対して可動電極がθ傾いたときの動作を説明する図であ
る。

【符号の説明】１０基板１１，３１，４１，５１第１の固定電極１２，３２，４２光導電体層１３，３３，４３，５３第２の固定電極１４，３４，４４絶縁層１５，３５，４５，５５支持電極１６，３６，４６，５６可動電極１７，４７撓みばね１８，３８，４８支持部１９，３９開口２０ガラス２１ＩＴＯ層２２ａ−Ｓｉ層２３ｎ型ａ−Ｓｉ層２４Ａｌ₂Ｏ₃ ２５，２６，２８Ａｌ薄膜２７下敷き層３７捻りばね４０コンタクトホール４１可動電極支持部１０１，１０２，１０３フォトレジスト１１１第１の基板１１２第２の基板２００ライトバルブ２０１平行光源２０２投影レンズ２０３絞り２０４スクリーン２１１反射光２１２投影レンズ絞り面２１３重なり

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過性の基板の第１の面に形成され、
照射される光の量により抵抗値を変化させる光検出部
と、基板の第１の面上の光検出部と空隙をもって対向するよ
うに配置され、光検出部と電気的に直列接続された電気
導電体薄膜からなる光偏向板を含むとともに、光偏向板
の一端を自由端とし自由端と対向する他端を支持端とし
て支持する機械可動部と、光検出部と光偏向板とに直列に電圧を印加する電圧印加
手段とを具備し、基板の第１の面に対向する第２の面側から制御光が照射
されると、光検出部の抵抗値が低下し、電圧印加手段が
印加する電圧のうち光偏向板に印加される比率が増加す
ることにより、光偏向板の自由端は光検出部側に吸引さ
れ、光偏向板は支持端中心に傾き、基板の第１の面側か
ら入射される投影光を光偏向板の傾きに応じて偏向反射
させる光偏向器。
【請求項２】前記光検出部は、前記基板の第１の面の
上に層状に形成された第１の固定電極と、第１の固定電
極の上に形成された光導電体層と、光導電体層の上に層
状に形成された第２の固定電極とからなる請求項１記載
の光偏向器。
【請求項３】前記光導電体層がアモルファスシリコン
薄膜よりなる請求項２記載の光偏向器。
【請求項４】前記第１の固定電極が光透過型の導電体
薄膜よりなる請求項２記載の光偏向器。
【請求項５】前記電圧印加手段は交流正弦波電圧を印
加する請求項１記載の光偏向器。
【請求項６】前記機械可動部は、前記光偏向板と、前
記光偏向板を支持し弾性変形する梁と、梁を支持する支
持部とからなる請求項１記載の光偏向器。
【請求項７】前記梁が撓み可能な撓みばねであること
を特徴とする請求項６記載の光偏向器。
【請求項８】前記光偏向板は、一端が撓みばねの自由
端に連結され、かつ前記撓みばねの上方に配置されてい
る請求項７記載の光偏向器。
【請求項９】前記梁は、前記光偏向板を回転支持する
捩じればねからなる請求項６記載の光偏向器。
【請求項１０】前記機械可動部は、前記光検出手段の
上に絶縁層を介して形成されている請求項１記載の光偏
向器。
【請求項１１】前記機械可動部は、電圧印加を行う支
持電極を有する請求項１０記載の光偏向器。
【請求項１２】基板を共通として複数配置された請求
項１記載の光偏向器と、入射する光をスクリーン上に投影する投影レンズおよび
絞りと、前記複数の光偏向器の光偏向板上に光を照射する投影光
源と、前記複数の光偏向器の基板の第２の面側から、各光偏向
器にそれぞれ制御光を照射し、前記複数の光偏向器の光
偏向板で反射させ、投影レンズおよび絞りを介して反射
光による画像をスクリーン上に投影させる光書き込み手
段とからなる表示装置。
【請求項１３】前記光書き込み手段は、前記複数の光
偏向器の基板の第２の面と対向するように配置された画
像情報表示手段である請求項１２記載の表示装置。