DE69830153T2

DE69830153T2 - Optische schaltvorrichtung und bildanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69830153T2
Application number: DE69830153T
Authority: DE
Inventors: Takashi Suwa-shi TAKEDA; Masatoshi Suwa-shi YONEKUBO; Hirokazu Suwa-shi ITO; Shunji Suwa-shi KAMIJIMA
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-01-20
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2018-11-28
Also published as: US20020031294A1; US6438282B1; WO1999036824A1; EP0969306A4; EP0969306B1; KR20010005526A; EP0969306A1; DE69830153D1; KR100604621B1; US6381381B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Schaltvorrichtung (Lichtventil) zur Verwendung in der optischen Kommunikationstechnik, optischen Verarbeitung, in optischen Speichervorrichtungen, optischen Druckern, Bildanzeigevorrichtungen usw., und insbesondere eine optische Schaltvorrichtung, die zur Verwendung in einer optischen Bildanzeigevorrichtung geeignet ist, und eine optische Bildanzeigevorrichtung.
HINTERGRUND DER TECHNIK
Eine optische Schaltvorrichtung, welche einen Flüssigkristall verwendet, ist auf dem Fachgebiet herkömmlicherweise bekannt. 43 veranschaulicht schematisch eine optische Schaltvorrichtung 900 gemäß einer herkömmlichen Technik. Wie in 43 dargestellt, umfasst die optische Schaltvorrichtung 900 Polarisatoren 901 und 908, Glasplatten 902 und 903, transparente Elektroden 904 und 905 und Flüssigkristalle 906 und 907. In dieser optischen Schaltvorrichtung erfolgt das optische Schalten durch Anlegen einer Spannung zwischen den transparenten Elektroden, um die Orientierungen von Flüssigkristallmolekülen zu modifizieren und dadurch die Polarisationsebene zu drehen. Eine herkömmliche Bildanzeigevorrichtung wird durch Anordnen solcher optischer Schaltvorrichtungen (Flüssigkristallzellen) auf eine zweidimensionale Art und Weise in Form eines Flüssigkristallbildschirms erzeugt. In dieser Bildanzeigevorrichtung wird die Darstellung von Grauskalen durch Steuern der Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen durch Einstellen der angelegten Spannung erreicht.
Flüssigkristalle sprechen jedoch langsam an. Die Ansprechzeit von Flüssigkristallen beträgt bestenfalls mehrere ms. Dies macht es schwierig, optische Schaltvorrichtungen, welche einen Flüssigkristall verwenden, in Anwendungen einzusetzen, welche eine kurze Ansprechzeit benötigen, wie beispielsweise in der optischen Kommunikationstechnik, optischen Verarbeitung, einem optischen Speicher, wie beispielsweise einem Hologrammspeicher, einem optischen Drucker usw. Ein anderes Problem von optischen Schaltvorrichtungen, welche einen Flüssigkristall verwenden, ist eine Herabsetzung des Lichtnutzungswirkungsgrads, welche durch einen Polarisator verursacht wird.
Auf dem Fachgebiet der Bildanzeigevorrichtungen wird zunehmend eine bessere Bildqualität verlangt. Zur Erfüllung solch einer Anforderung muss eine optische Schaltvorrichtung bereitgestellt werden, welche imstande ist, Grauskalen genauer darzustellen als optische Schaltvorrichtungen, welche einen Flüssigkristall verwenden.
Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verlustarme optische Schaltvorrichtung bereitzustellen, welche imstande ist, mit hoher Geschwindigkeit anzusprechen. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Schaltvorrichtung bereitzustellen, welche imstande ist, ein qualitativ hochwertiges Bild mit einem einheitlichen Kontrast zu erzeugen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zum Erreichen der vorstehenden Aufgaben eine optische Schaltvorrichtung, wie in Patentanspruch 1 dargelegt, und ein Verfahren zum Steuern einer optischen Schaltvorrichtung, wie in Patentanspruch 21 dargelegt, bereitgestellt.
Verschiedene Realisierungen der Erfindung werden durch die abhängigen Patentansprüche behandelt.
ANTREIBEN DES SCHALTTEILS
In der optischen Schaltvorrichtung, in welcher das Schaltteil durch eine Kombination aus elastischen und elektrostatischen Kräften angetrieben wird, ist es wichtig, dass das Schaltteil durch eine treibende Spannung, die so gering als möglich ist, angetrieben wird.
Wenn der Abstand, entlang dem sich das Schaltteil bei jedem Ein-Aus- oder Aus-Ein-Schaltvorgang bewegt, mit d bezeichnet wird und die treibende Spannung mit Vd bezeichnet wird, dann können die elastische Kraft Fg und die elektrostatische Kraft Fs, welche auf das Schaltteil während des Schaltvorgangs ausgeübt werden, folgendermaßen dargestellt werden: Fg = K × x (1) Fs = C × Vd2/(d – x)2 (2)wobei x der Bewegungsabstand des Schaltteils ist, K der Elastizitätsmodul des Tragelements ist und C eine Konstante ist, welche proportional zur Fläche der Elektrode ist und welche von der Dielektrizitätskonstante abhängt. Wenn das Schaltteil nach der Ein/Aus-Schaltbewegung in Ruhe ist, sind die elastische Kraft Fg und die elektrostatische Kraft Fs ausgeglichen. Um die treibende Spannung Vd zu reduzieren, ist es daher wünschenswert, die elastische Kraft Fg zu reduzieren. Eine Verkürzung des Bewegungsabstands d ist ebenfalls wünschenswert. Wenn jedoch der Elastizitätsmodul K reduziert wird, nimmt die Bewegungsgeschwindigkeit des Schaltteils ab. Als Ergebnis tritt eine Reduktion der Ansprechgeschwindigkeit ein. Wenn andererseits der Bewegungsabstand x reduziert wird, wird es schwierig, einen Ein-Aus-Kontrast zu erhalten, der hoch genug ist. Aus dem vorstehenden Grund ist es schwierig, die treibende Spannung Vd zu reduzieren. Wenn die elastische Kraft Fg und die elektrostatische Kraft Fs in der Ein- oder Aus-Position ausgeglichen sind, besteht eine Möglichkeit, dass die Lage des Schaltteils instabil wird und eine Verschlechterung der Lichtmodulationsleistung eintritt. In optischen Schaltvorrichtungen, welche eine evaneszente Welle verwenden, kann selbst ein kleiner Spalt zwischen der Totalreflexionsebene und der Extraktionsebene eine Reduktion der Menge extrahierten Lichts verursachen.
Angesichts all dessen stellt die vorliegende Erfindung eine Technik zum Antreiben des Schaltteils mit einer hohen Geschwindigkeit auf eine hoch zuverlässige Art und Weise bereit, um einen hohen optischen Kontrast zu erhalten, wobei eine reduzierte treibende Spannung Vd unter denselben Bedingungen hinsichtlich des Bewegungsabstands d und des Elastizitätsmoduls K verwendet wird.
Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Erfindung eine feste Vorspannung mit derselben Polarität wie die der treibenden Spannung zwischen den Elektroden angelegt, durch welche das Schaltteil angetrieben wird, wodurch die Spannung reduziert wird, die zum Antreiben des Schaltteils benötigt wird. Um das Schaltteil unter Anwendung der Vorspannung auf eine stabile Art und Weise in der Ein-Position zu halten, wird außerdem die Haltekraft an der Ein-Position auf einen Wert eingestellt, der größer als die Kraft ist, welche durch die Vorspannung erzeugt wird. Zu diesem Zweck wird ein Antriebssteuermittel zum Anlegen an das elektrostatische Antriebsmittel einer treibenden Spannung zum Antreiben des Schaltteils und einer festen Vorspannung, welche die gleiche Polarität wie die treibende Spannung aufweist und welche eine Haltekraft bereitstellt, die imstande ist, das Schaltteil mittels elektrostatischer Kraft oder elastischer Kraft wenigstens in der ersten Position stabil zu halten. Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Steuern einer räumlichen optischen Modulationsvorrichtung bereit, welches einen Steuerschritt zum Anlegen an das elektrostatische Antriebsmittel einer treibenden Spannung zum Antreiben des Schaltteils und einer festen Vorspannung, welche die gleiche Polarität wie die treibende Spannung aufweist und welche eine Haltekraft bereitstellt, die imstande ist, das Schaltteil mittels elektrostatischer Kraft oder elastischer Kraft wenigstens in der ersten Position stabil zu halten.
Das Anlegen der festen Vorspannung ermöglicht eine Reduktion der treibenden Spannung, welche angelegt wird, um das Schaltteil anzutreiben, wodurch eine Reduktion der Versorgungsspannung, die an das Antriebssteuermittel angelegt wird, ermöglicht wird. Daher kann die Steuerschaltung, welche als das Antriebssteuermittel dient, eine niedrige Durchschlagsspannung aufweisen und ist es möglich, die Steuerschaltung in einer einfacheren Konfiguration aufzubauen. Außerdem kann der Leistungsverbrauch reduziert werden. Durch Bereitstellen einer Haltekraft, die groß genug ist, das Schaltteil in der ersten Position zu halten, wird sichergestellt, dass das Schaltteil in Bezug auf die Orientierung in einem stabilen Zustand gehalten wird, wenn die Vorspannung angelegt wird. Dadurch kann die Vorspannung kontinuierlich angelegt werden, auch wenn das Schaltteil in der ersten Position ist. Dies bedeutet, dass die Steuerung der Vorspannung nicht notwendig ist oder vereinfacht werden kann.
Wie zuvor beschrieben, ermöglichen es die optische Schaltvorrichtung und das Verfahren zum Steuern derselben gemäß der vorliegenden Erfindung, die treibende Spannung zu reduzieren, ohne den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Position in Verbindung mit dem Schaltteil oder den Elastizitätsmodul des Tragelements zu ändern. Dies macht es möglich, die kontrastreiche optische Hochgeschwindigkeits schaltvorrichtung unter Verwendung einer geringen treibenden Spannung anzutreiben. Das Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebene optische Schaltvorrichtung beschrieben, sondern kann auf jede räumliche optische Modulationsvorrichtung angewendet werden, in welcher ein Schaltelement mechanisch bewegt und dadurch Licht moduliert wird. Demnach ist es möglich, ein räumliches optisches Modulationsgerät bereitzustellen, welches imstande ist, bei geringem Leistungsverbrauch und niedrigen Kosten mit einer hohen Geschwindigkeit zu funktionieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittansicht, welche den Aufbau einer optischen Schaltvorrichtung, die den Hintergrund der vorliegenden Erfindung bildet, schematisch veranschaulicht.
2 ist eine Querschnittansicht, welche den Aufbau der in 1 dargestellten optischen Schaltvorrichtung auf eine vergrößerte Art und Weise veranschaulicht.
3 ist ein Graph, welcher den Durchlässigkeitsgrad einer evaneszenten Welle als eine Funktion des Abstands zwischen einer Totalreflexionsebene und einer Extraktionsebene veranschaulicht.
4 ist eine schematische Darstellung, welche den Aufbau eines Federelements der in 1 dargestellten optischen Schaltvorrichtung von der Seite eines Substrats gesehen veranschaulicht.
5 ist eine schematische Darstellung, welche ein Beispiel eines Federelements veranschaulicht, das sich von dem in 4 dargestellten unterscheidet.
6 ist eine schematische Darstellung, welche ein anderes Beispiel eines Federelements veranschaulicht, das sich von dem in 4 dargestellten unterscheidet.
7 ist eine schematische Darstellung, welche noch ein anderes Beispiel eines Federelements veranschaulicht, das sich von dem in 4 dargestellten unterscheidet.
8 ist eine schematische Darstellung, welche ein Beispiel für einen Projektor veranschaulicht, der die 1 dargestellte Bildanzeigevorrichtung verwendet.
9 ist eine schematische Darstellung, welche den Aufbau einer anderen optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
10 ist ein Graph, welcher die elastische Kraft (Federkraft) und die elektrostatische Kraft in der in 1 dargestellten optischen Schaltvorrichtung als eine Funktion des Bewegungsabstands (Versetzung) des Schaltteils veranschaulicht.
11 ist ein Zeitdiagramm, welches den Vorgang des Antreibens der in 1 dargestellten optischen Schaltvorrichtung durch eine treibende Spannung zusammen mit einer veränderlichen Vorspannung veranschaulicht.
12 ist eine schematische Darstellung, welche ein Beispiel für den Aufbau einer optischen Schaltvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
13 ist ein Graph, welcher die Antriebsleistung zum Antreiben der in 12 dargestellten Schaltvorrichtung veranschaulicht, wobei zum Vergleich die Antriebsleistung für die in 1 dargestellte Schaltvorrichtung dargestellt ist.
14 ist ein Graph, welcher die elastische Kraft (Federkraft) und die elektrostatische Kraft in der in 12 dargestellten Schaltvorrichtung als eine Funktion des Bewegungsabstands (Versetzung) des Schaltteils veranschaulicht.
15 ist ein Zeitdiagramm, welches den Vorgang des Antreibens der in 12 dargestellten optischen Schaltvorrichtung durch eine treibende Spannung zusammen mit einer veränderlichen Vorspannung veranschaulicht.
16 ist eine schematische Darstellung, welche eine optische Schaltvorrichtung veranschaulicht, die evaneszentes Licht verwendet, wobei 16(a) einen Ein-Zustand veranschaulicht, in welchem das Schaltteil in einer ersten Position ist, und 16(b) einen Aus-Zustand veranschaulicht, in welchem das Schaltteil in einer zweiten Position ist.
17 ist eine schematische Darstellung, welche die Struktur des Schaltteils der in 16 dargestellten optischen Schaltvorrichtung von der Seite der Adresselektrode gesehen veranschaulicht.
18 ist eine Querschnittansicht, welche eine Reihe von Schritten im Bewegungsprozess vom Ein-Zustand (erste Position) in den Aus-Zustand (zweite Position) in der in 16 dargestellten optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
19 ist ein Graph, welcher den Abstand zwischen der Adresselektrode und der Basiselektrode der in 16 dargestellten optischen Schaltvorrichtung als eine Funktion der Zeit veranschaulicht, wobei 19(a) einen Ein-Aus-Übergang veranschaulicht und 19(b) einen Aus-Ein-Übergang veranschaulicht.
20 ist eine schematische Darstellung, welche ein anderes Beispiel für den Aufbau einer optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
21 ist eine schematische Darstellung, welche noch ein anderes Beispiel für den Aufbau einer optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
22 ist eine schematische Darstellung, welche noch ein anderes Beispiel für den Aufbau einer optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
23 ist eine schematische Darstellung, welche noch ein anderes Beispiel für den Aufbau einer optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
24 ist eine schematische Darstellung, welche noch ein anderes Beispiel für den Aufbau einer optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
25 ist eine schematische Darstellung, welche noch ein anderes Beispiel für den Aufbau einer optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
26 ist eine Querschnittansicht der in 25 dargestellten optischen Schaltvorrichtung.
27 ist eine schematische Darstellung, welche die in 16 dargestellte optische Schaltvorrichtung veranschaulicht, wobei das Schaltteil in der zweiten Position auf eine derartige Weise in Ruhe ist, dass das Schaltteil in Bezug auf eine erste Richtung gekippt ist.
28 ist eine schematische Darstellung, welche eine Modifikation der in 27 dargestellten Schaltvorrichtung veranschaulicht.
29 ist eine schematische Darstellung, welche eine andere Modifikation der in 27 dargestellten Schaltvorrichtung veranschaulicht.
30 ist eine schematische Darstellung, welche eine optische Schaltvorrichtung veranschaulicht, in welcher das Gravitationszentrum verschoben ist.
31 ist eine schematische Darstellung, welche eine optische Schaltvorrichtung veranschaulicht, in welcher eine Adresselektrode derart ausgebildet ist, dass sie eine asymmetrische Form aufweist.
32 ist eine schematische Darstellung, welche eine Modifikation der in 5 dargestellten Schaltvorrichtung veranschaulicht.
33 ist eine schematische Darstellung, welche eine andere Modifikation der in 5 dargestellten Schaltvorrichtung veranschaulicht.
34 ist eine schematische Darstellung, welche noch eine andere Modifikation der in 5 dargestellten Schaltvorrichtung veranschaulicht.
35 ist eine schematische Darstellung, die eine optische Schaltvorrichtung veranschaulicht, welche geteilte Elektroden aufweist.
36 ist eine schematische Darstellung, welche einen Betriebsprozess in der in 35 dargestellten optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht, wobei ein Zustand, in welchem das Schaltteil in einer ersten Position ist, und ein Zustand, unmittelbar nachdem sich das Schaltteil aus der ersten Position zu bewegen begann, dargestellt sind.
37 ist eine schematische Darstellung, welche einen Betriebsprozess in der in 35 dargestellten optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht, wobei ein Zustand, in welchem das Schaltteil in Bewegung ist, und ein Zustand, in welchem das Schaltteil in der zweiten Position in Ruhe kommt, dargestellt sind.
38 ist ein Zeitdiagramm, welches einen Prozess des Steuerns der in 35 dargestellten optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
39 ist eine schematische Darstellung, welche eine Modifikation der in 35 dargestellten optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht, wobei ein Zustand, in welchem das Schaltteil in der ersten Position ist, und ein Zustand, unmittelbar nachdem sich das Schaltteil aus der ersten Position zu bewegen begann, dargestellt sind.
40 ist eine schematische Darstellung, welche auf 39 folgt und einen Zustand, in welchem das Schaltteil in Bewegung ist, und einen Zustand, in welchem das Schaltteil in der zweiten Position in Ruhe kommt, veranschaulicht.
41 ist ein Zeitdiagramm, welches einen Prozess des Steuerns der in 39 und 40 dargestellten optischen Schaltvorrichtung veranschaulicht.
42 ist eine schematische Darstellung, welche eine optische Schaltvorrichtung veranschaulicht, die eine piezoelektrische Vorrichtung verwendet.
43 ist eine schematische Darstellung, welche eine herkömmliche optische Schaltvorrichtung veranschaulicht, die einen Flüssigkristall verwendet.
ALLGEMEINER AUFBAU EINER OPTISCHEN SCHALTVORRICHTUNG
1 veranschaulicht im Querschnitt den allgemeinen Aufbau einer optischen Schaltvorrichtung 1, welche als ein räumlicher optischer Modulator fungiert, der einen Hintergrund der vorliegenden Erfindung bildet, sowie den allgemeinen Aufbau einer Bildanzeigevorrichtung 2, welche durch Anordnen einer Mehrzahl von optischen Schaltvorrichtungen 1 in Form einer zweidimensionalen Gruppe aufgebaut ist. 2 ist eine Ansicht, welche hauptsächlich ein Schaltteil der optischen Schaltvorrichtung auf eine vergrößerte Art und Weise veranschaulicht. Wenn in dieser optischen Schaltvorrichtung 1 das Schaltteil 30 mit einer lichtdurchlässigen Extraktionsebene 32 derart angeordnet wird, dass die Extraktionsebene 32 in Kontakt gebracht wird mit der Totalreflexionsebene 22 eines Lichtleiters 20, der imstande ist, Eingangslicht 10 durch seine Totalreflexionsebene 22 total zu reflektieren, wodurch das Eingangslicht 10 übertragen wird, dann wird evaneszentes Licht extrahiert. Das extrahierte Licht wird durch das Schaltteil 30 zum Lichtleiter 20 reflektiert und als Ausgangslicht 11 durch die Ausgangsebene 21 des Lichtleiters 20 nach außen emittiert. In dieser optischen Schaltvorrichtung 1 wird das einfallende Licht 10 als Reaktion auf eine geringe Versetzung des Schaltteils 30, die gleich wie oder kleiner als eine Wellenlänge ist, mit einer hohen Geschwindigkeit moduliert (ein- und ausgeschaltet). Um das Schaltteil 30 auf solch eine Weise zu versetzen, wird das Schaltteil 30 durch ein Antriebsteil 40 mittels elektrostatischer Kraft und Federkraft angetrieben. Das Antriebsteil 40 wird durch elektrische Leistung gesteuert, die von einer Steuerung 70 zugeführt wird. Der Lichtleiter 20, das Schaltteil 30, das Antriebsteil 40 zum Antreiben des Schaltteils 30 und ein Siliciumsubstrat 70, auf welchem eine integrierte Schaltung zum Steuern des Antriebsteils 40 ist, sind jeweils in der Form von Schichten aufgebaut, die aufeinander angeordnet sind. Das heißt, die optische Schaltvorrichtung 1 weist eine mehrlagige Struktur auf, in welcher die jeweiligen Funktionsteile aufeinander angeordnet sind.
Der Aufbau der optischen Schaltvorrichtung 1 wird im Folgenden ausführlicher beschrieben. Der optische Leiter (Lichtleiter, Abdeckglas) 20 der optischen Schaltvorrichtung 1 ist aus Glas oder transparentem Kunststoff hergestellt, das für einfallendes Licht 10 hoch durchlässig ist. Das einfallende Licht 10 fällt in einem geeigneten Winkel in Bezug auf die Totalreflexionsebene 22 ein, so dass das einfallende Licht 10 durch die Totalreflexionsebene 22 total reflektiert wird. Wenn die Extraktionsebene 32 des Schaltteils 30 in einer Position P1 (einer ersten Position oder einer Ein-Position) angeordnet wird, welche in unmittelbarer Nachbarschaft zu oder in engem Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22 ist, so dass evaneszentes Licht extrahiert werden kann, wie dies bei einer Schaltvorrichtung 1a, die in 2 dargestellt ist, der Fall ist, dann wird das einfallende Licht 10 vom Lichtleiter 20 in das Schaltteil 30 extrahiert. Das Schaltteil 30 umfasst ein dreieckiges Mikroprisma 34, das als ein Lichtausgabeelement dient und derart angeordnet ist, dass die flache Extraktionsebene 32 des Mikroprismas 34 der Totalreflexionsebene 22 des Lichtleiters gegenüberliegt. Licht, das durch die Basisebene oder die Extraktionsebene 32 extrahiert wird, wird durch eine Reflexionsebene 34a des Mikroprismas 34 in einer Richtung reflektiert, die im Wesentlichen senkrecht zur Totalreflexionsebene 22 ist. Das reflektierte Licht tritt durch den Lichtleiter 20 durch und wird durch die Ausgangsebene 21 nach außen ausgegeben.
Wenn andererseits das Schaltteil 30 von der ersten Position wegbewegt wird, so dass die Extraktionsebene 32 in eine Position kommt (eine zweite Position oder eine Aus-Position), die von der Totalreflexionsebene 22 entfernt ist, wie dies bei einer Schaltvorrichtung 1b, die in 2 dargestellt ist, der Fall ist, wird das einfallende Licht 10 durch die Totalreflexionsebene 22 total reflektiert, wodurch kein evaneszentes Licht vom Lichtleiter 20 extra hiert wird. In diesem Fall wird kein Ausgangslicht 11 erhalten.
3 stellt Beispiele für den Durchlässigkeitsgrad von evaneszenten Wellen dar. Wenn ein transparentes Element in unmittelbarer Nähe zu einer Ebene angeordnet wird, an welcher Licht total reflektiert wird, erfolgt eine Ableitung einer evaneszenten Welle zum transparenten Element, wodurch Licht durch die Ebene durchtritt. Der Durchlässigkeitsgrad der evaneszenten Welle variiert in Abhängigkeit vom Brechungsindex eines Mediums und dem Einfallswinkel. In 3 ist L1 eine Durchlässigkeitskurve, welche den Durchlässigkeitsgrad (in %) einer evaneszenten Welle darstellt, als eine Funktion des Abstands (in μm) zwischen der Totalreflexionsebene 22 und der Extraktionsebene (transparentes Element) 32 für Licht mit einer Wellenlänge λ von 500 nm, das bei 50° einfällt, grafisch darstellt. Ähnlich stellen die charakteristischen Kurven L2, L3 und L4 den Durchlässigkeitsgrad für Licht dar, das bei 60°, 70° beziehungsweise 80° einfällt. Diese charakteristischen Kurven weisen eine ähnliche Tendenz auf. Das heißt, wenn die Extraktionsebene 32 in eine Position (erste Position) so nahe wie 0,1 bis 0,05 μm oder weniger zur Totalreflexionsebene 22 kommt, wird der Durchlässigkeitsgrad etwa 50 %. Wenn sich andererseits die Extraktionsebene 32 in eine Position (zweite Position) bewegt, welche 0,2 μm oder mehr von der Totalreflexionsebene 22 entfernt ist, fällt der Durchlässigkeitsgrad auf 10 % oder weniger. Wenn sich die Extraktionsebene 32 weiter weg bewegt, bis der Abstand von der Totalreflexionsebene 22 größer als 0,3 μm wird, wird der Durchlässigkeitsgrad beinahe gleich 0 %. Dies bedeutet, dass der Übergang zwischen dem Ein-Zustand, der durch die optische Schaltvorrichtung 1a in 2 dargestellt ist, und dem Aus-Zustand, der durch die optische Schaltvorrichtung 1b in 2 dargestellt ist, durch Bewegen der Extraktionsebene 32 um einen Abstand erreicht werden kann, der so kurz ist wie 0,2 bis 0,3 μm. Demnach ist es möglich, unter Verwen dung der optischen Schaltvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform Pixel mit einer hohen Geschwindigkeit zu steuern und dadurch ein Bild mit hohem Kontrast zu erhalten. Da die Extraktionsebene 32 nur um einen kurzen Abstand bewegt werden muss, können Elektroden zum Antreiben des Schaltteils 30 mit der Extraktionsebene dicht beieinander angeordnet werden. Als Ergebnis ist es möglich, die treibende Spannung, welche zwischen die Elektroden angelegt wird, zu reduzieren, um eine elektrostatische Kraft zum Bewegen des Schaltteils 30 zu erzeugen. Somit ist es möglich, eine Bildanzeigevorrichtung 2 bereitzustellen, welche imstande ist, bei einem niedrigen Leistungsverbrauch mit einer hohen Geschwindigkeit zu funktionieren, um ein kontrastreiches Bild anzuzeigen.
AUFBAU DES ANTRIEBSTEILS
Das Antriebsteil 40 zum Antreiben des Schaltteils 30 wird im Folgenden ausführlich beschrieben. Eine Basiselektrode 62 ist derart auf der unteren Seite des Schaltteils 30 angeordnet, dass die Basiselektrode 62 dem Siliciumsubstrat 70 gegenüberliegt. Eine Elektrode 60 ist derart auf der oberen Fläche des Siliciumsubstrats 70 angeordnet, dass die Elektrode 60 der Basiselektrode 62 gegenüberliegt. Eine elektrostatische Kraft wird durch die Kombination dieser Elektroden 60 und 62 erzeugt, wodurch das Schaltteil 30 angetrieben wird. Das Antriebsteil 40 umfasst auch Joche (Tragelement) 50, welche aus dünnen elastischen Filmen gebildet sind, die sich von Stützen 44, welche in Randbereichen des Schaltteils 30 angeordnet sind, zum Schaltteil 30 erstrecken. Demnach kann das Schaltteil 40 durch die elektrostatische Kraft Fs, welche durch das elektrostatische Antriebsmittel bestehend aus einem Paar von Elektroden 60 und 62 erzeugt wird, und die elastische Kraft Fg der Joche 50 in die erste Position P1, welche durch die Schaltvorrichtung 1a dargestellt ist, und die zweite Position P2, welche durch die Schaltvorrichtung 1b dargestellt ist, bewegt werden.
Das Schaltteil 30, welches auf die zuvor beschriebene Weise bewegt wird, wird durch die Joche 50 über einem Abstandshalter 42 getragen. Der Abstandshalter 42 weist im Allgemeinen einen T-förmigen Querschnitt auf. Konkret erstreckt sich der Mittelabschnitt des Abstandshalters 42 zur Oberfläche 71 des Substrats 70, und es besteht ein schmaler Spalt (erster Raum) zwischen der unteren Fläche 42a des Abstandshalters 42 und der Substratoberfläche 71. Dagegen sind die Abschnitte (Randabschnitte) 42b auf beiden Seiten des Abstandshalters 42 weiter von der Substratoberfläche 71 beabstandet. Das heißt, es besteht ein breiter Spalt (zweiter Raum) zwischen den Randabschnitten 42b und der Substratoberfläche 71. Die Elektroden 62 und 60 sind über den ersten Raum 45, der schmal ist, einander gegenüberliegend angeordnet. Im zweiten Raum 46, der breit ist, sind die Joche 50, die als ein Federelement dienen, derart angeordnet, dass der Abstandshalter 42 über die Joche 50 mit den Stützen 44, die an den Rändern zwischen benachbarten Schaltvorrichtungen 1 angeordnet sind, verbunden wird, wodurch das Schaltteil 30 durch die Joche 50 über den Abstandshalter 42 federnd getragen und positioniert wird.
Wie durch die optischen Schaltvorrichtungen 1a und 1b in 2 dargestellt, ermöglicht es der zweite Raum 46, der durch den T-förmigen Abstandshalter 42 ausgebildet ist, dass das Federelement 50 in Form einer Platte verformt wird. Dies ermöglicht es, dass das Federelement 50 ohne die Notwendigkeit einer Erweiterung des Spalts (ersten Raums) zwischen den Elektroden 60 und 62 richtig angeordnet wird. Als Ergebnis kann der Abstand zwischen den Elektroden 60 und 62, welche das elektrostatische Antriebsmittel bilden, auf einen kleinen Wert eingestellt werden, was Reduktionen der treibenden Spannung und des Leistungsverbrauchs ermöglicht.
Außerdem wird durch Einsetzen des T-förmigen Abstandshalters 42 der zweite Raum 46 unter dem Prisma 34, das heißt, unter dem Schaltteil 30, gebildet, und das Federelement 50 kann in diesem zweiten Raum 46 angeordnet werden. Dies macht es möglich, alle Abschnitte, welche das Antriebsteil 40 bilden, einschließlich des Federelements 50, in der Schicht unter dem Schaltteil 30 anzuordnen, wodurch die optische Schaltvorrichtung 1 auf eine mehrlagige Art und Weise aufgebaut werden kann, wie bereits erwähnt. Da das Federelement 50 in der Schicht des Antriebsteils 40 angeordnet ist, besteht in dieser Struktur keine Notwendigkeit dafür, einen Raum in der Schicht des optischen Schaltteils 30 zwischen den benachbarten optischen Schaltvorrichtungen 1a und 1b zu schaffen, um das Federelement 50 darin anzuordnen. Dies macht es möglich, die Fläche des Prismas 39 zu vergrößern. Als Ergebnis ist es möglich, ein hoch wirksames Flächenverhältnis (Öffnungsverhältnis) zu erhalten, durch welches Licht vom Lichtleiter 20 extrahiert wird, wodurch es möglich ist, eine optische Schaltvorrichtung mit großer Helligkeit bereitzustellen, welche imstande ist, eine große Lichtmenge auszugeben.
Außerdem sind in der optischen Schaltvorrichtung 1 die Stützen 44 in der Schicht des Antriebsteils 40 derart angeordnet, dass das Schaltteil 30 durch das Antriebsteil 40 getragen wird. Daher ist es nicht erforderlich, dass der Lichtleiter 20 eine mittels Ätzen oder dergleichen gebildete Struktur zum Tragen des Prismas 34 aufweist. In dieser Struktur wird daher die Totalreflexionsebene 22 des Lichtleiters 20 eine flache Ebene, welche einer Mehrzahl von optischen Schaltvorrichtungen 1 gegenüberliegt. Somit kann der Lichtleiter 20 in einer einfachen Form gebaut werden. Da außerdem kein Federelement 50 im Schaltteil 30 vorhanden ist, können Räume zwischen benachbarten Schaltteilen 30 minimiert werden. Dass heißt, die optischen Schaltvorrichtungen 1a und 1b können im Wesentlichen ange ordnet werden, ohne voneinander beabstandet zu sein. Daher ist es durch Einsetzen dieser optischen Schaltvorrichtung möglich, eine Bildanzeigevorrichtung 2 bereitzustellen, welche imstande ist, ein nahtloses oder beinahe nahtloses Bild zu erzeugen, das aus Pixeln gebildet wird, die dicht beieinander – im Wesentlichen ohne voneinander beabstandet zu sein – angeordnet sind, so dass Grenzen zwischen benachbarten Pixeln nicht wahrgenommen werden können.
Wenn in der optischen Schaltvorrichtung 1 außerdem die optische Schaltvorrichtung im Ein-Zustand ist, wird die Extraktionsebene des Mikroprismas 34 nicht durch eine elektrostatische Kraft, sondern durch die Kraft des Federelements 50 in den Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22 des Lichtleiters 20 gedrängt, wie durch die optische Schaltvorrichtung 1a dargestellt. Im Ein-Zustand weist das Federelement 50 eine geringe Versetzung 51 auf, welche bewirkt, dass das Prisma 34 gegen die Totalreflexionsebene 22 gedrückt wird. Obwohl eine elektrostatische Kraft durch elektrische Leistung leicht gesteuert werden kann, ändert sich die elektrostatische Kraft, welche die Extraktionsebene 32 gegen die Totalreflexionsebene 22 drängt, wenn sich die zugeführte Spannung ändert. Wenn, wie aus 3 ersichtlich ist, der Spalt zwischen der Extraktionsebene 32 und der Totalreflexionsebene 22 wegen einer Reduktion der Drängkraft infolge einer Reduktion der Spannung auf 0,1 bis 0,15 μm zunimmt, fällt der Durchlässigkeitsgrad auf 20 oder weniger, wodurch eine Reduktion des Ein-Aus-Kontrasts eintritt. Dagegen ist die Kraft, welche durch das Federelement 50 erhalten wird, ungeachtet der Spannungsschwankungen stabil, da sie eine mechanische Kraft ist. In Anbetracht all dessen wird in der optischen Schaltvorrichtung 1 der Ein-Zustand unter Verwendung einer stabilen Antriebskraft erreicht, welche durch das Federelement 50 erzeugt wird, und der Aus-Zustand wird unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft erreicht, welche leicht gesteuert werden kann. Dies macht es möglich, eine optische Schaltvorrichtung bereitzustellen, welche auf eine hoch zuverlässige Art und Weise gesteuert werden kann, um Licht beständig auszugeben.
Außerdem wird das Federelement 50 derart eingestellt, dass es im Aus-Zustand eine Versetzung (Biegung) 51 aufweist, so dass die Extraktionsebene 32 durch eine Kraft mit einer geeigneten Größe in Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22 gedrängt wird. Auch wenn sich der Spalt zwischen dem Lichtleiter und dem Schaltteil oder der Spalt zwischen dem optischen Schaltteil und dem Antriebsteil infolge von Schwingungen, einer Temperaturänderung oder Änderungen anderer Faktoren mit der Zeit ändert, führt die Änderung des Spalts demnach zu keiner Reduktion des Ein-Aus-Kontrasts. Da in der optischen Schaltvorrichtung 1 außerdem das Federelement 50 im breiten Raum 46 angeordnet ist, welcher durch den T-förmigen Abstandshalter 42 bereitgestellt wird, wie bereits erwähnt, kann das Federelement 50 innerhalb des Raums 46 versetzt werden. Die Versetzung 51 des Federelements 50 wird vorzugsweise auf einen Wert eingestellt, der ungefähr gleich dem Spalt im Aus-Zustand, das heißt, im Bereich von 0,1 bis 0,2 μm, ist.
Das Federelement 50 ist aus einem dünnen Film 49 aus bordotiertem Silicium hergestellt, so dass das Federelement 50 elektrische Leitfähigkeit aufweist. Der Teil dieses Dünnfilms 49, der sich im breiten Raum 46 befindet, dient als das Federelement 50, wohingegen der Teil des Dünnfilms 49 im schmalen Raum 45 am Abstandshalter 42 befestigt ist, so dass er als die Elektrode 62 dient.
AUFBAU DES TRAGELEMENTS (FEDERELEMENTS)
Wie bereits erwähnt, ist das Antriebsteil 40 der optischen Schaltvorrichtung 1 aus dem Tragelement (Federelement oder Joch) 50 mit elastischer Kraft und dem elastischen Antriebsmittel, welches die Elektroden 60 und 62 umfasst, aufgebaut, so dass das Antriebsteil 40 das Schaltteil mit einer hohen Geschwindigkeit antreiben kann. Von diesen Elementen ist es wichtig, dass das Federelement 50 einen geeigneten Elastizitätsmodul aufweist. Wenn der Elastizitätsmodul zu groß ist, ist eine sehr große Kraft erforderlich, um das Federelement 50 auch nur um einen kurzen Abstand zu bewegen. Daher wird eine große elektrostatische Kraft gebraucht, und es wird eine entsprechende hohe treibende Spannung benötigt. Wenn umgekehrt der Elastizitätsmodul zu klein ist, kann das Federelement 50 keine ausreichend große Kraft bereitstellen, um die Extraktionsebene 32 des Prismas 34 in Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22 zu drängen. Die wünschenswerte Größe der optischen Schaltvorrichtung 1, welche verwendet wird, um ein Pixel der Bildanzeigevorrichtung 2 zu erzeugen, beträgt mehrere zehn μm bis mehrere hundert μm. Bei solch einem Mikrogerät ist es wichtig, dass die effektive Länge des Federelements 50 maximiert wird, um seinen Elastizitätsmodul zu minimieren. Zu diesem Zweck wird in der optischen Schaltvorrichtung 1 das Federelement 50 im breiten Raum 46 angeordnet, welcher durch den T-förmigen Abstandshalter 42 bereitgestellt wird, um eine große effektive Länge zu erhalten. Außerdem wird die Breite des Federelements 50 reduziert, und die effektive Länge wird verlängert.
Außerdem wird es durch Bilden des Federelements 50 unter Verwendung des bordotierten Siliciumdünnfilms 49, welcher elektrisch leitend ist, möglich, das Federelement 50 auch als die Elektrode 62 zu verwenden. Alternativerweise kann auch ein anderer elektrisch leitender Dünnfilm, wie beispielsweise ein Al-Film, Pt-Film oder Ag-Film, eingesetzt werden, um das Federelement 50 zu bilden, das als die Elektrode dient.
4 veranschaulicht das Antriebsteil 40 der optischen Schaltvorrichtung 1 von unten gesehen (von der Seite des Substrats 70 gesehen). Um das Federelement 50 mit Teilen (zur Verdeutlichung mit vertikalen Linien schraffiert) zu bilden, welche sich von den Stützen 44, die an den vier Ecken angeordnet sind, radial zur unteren Fläche 42a des Abstandshalters 42 erstrecken, wird der Siliciumdünnfilm 49 derart zugeschnitten, dass er an den Grenzen zu benachbarten Schaltvorrichtungen große Öffnungen bildet. Der im Allgemeinen rechteckig geformte Teil des Siliciumdünnfilms 49, welcher auf der unteren Fläche 42a verbleibt, dient als die Elektrode 62 (zur Verdeutlichung diagonal schraffiert). Durch Ausbilden des Federelements 50 in Form einer Platte mit einer kleinen Breite, wie zuvor beschrieben, kann seine effektive Länge verlängert werden, wodurch die treibende Spannung, die notwendig ist, reduziert werden kann. Wenn das Federelement mit solch einer kleinen Breite in der Bildanzeigevorrichtung eingesetzt wird, können Teile des Federelements an den Grenzen zu benachbarten optischen Schaltvorrichtungen eine Breite aufweisen, die klein genug ist, damit Ein-Aus-Schaltvorgänge der optischen Schaltvorrichtungen, welche die jeweiligen Pixel bilden, einander nicht stören.
5 veranschaulicht ein anderes Beispiel für ein Federelement 50, das sich von dem zuvor beschriebenen unterscheidet. In diesem Beispiel sind Schlitze 58 in einem Siliciumdünnfilm 49 derart ausgebildet, dass sie sich von einem Abstandshalter 42 radial zu den Stützen 44 erstrecken, wodurch sie ein langes und schmales Federelement 50 bilden und auch eine erweiterte Elektrode 62a bilden, welche sich von der Elektrode 62, die auf der unteren Fläche des Abstandshalters 42 angeordnet ist, radial erstreckt, wodurch die Fläche der Elektrode 62 erweitert wird. Die Erweiterung der Fläche der Elektrode 62 macht es möglich, das Schaltteil 30 durch eine geringere treibende Spannung anzutreiben.
6 veranschaulicht noch ein anderes Beispiel für ein Federelement 50, das sich von den zuvor beschriebenen unterscheidet. Von einer Mehrzahl von optischen Schaltvorrichtungen 1, die zweidimensional angeordnet werden, um eine Bildanzeigvorrichtung zu bilden, sind in 6(a) und 6(b) vier optische Schaltvorrichtungen 1 von der Seite des Siliciumsubstrats 70 gesehen dargestellt. In diesem Beispiel sind Schlitze 58 derart im Siliciumdünnfilm 49 ausgebildet, dass sie sich in Richtungen parallel zu den Rändern zwischen benachbarten optischen Schaltvorrichtungen 1 erstrecken, wodurch Federelemente 50 gebildet werden, welche sich jeweils in einer spiralförmigen Weise um die jeweiligen Abstandshalter 42, das heißt, entlang der Ränder der jeweiligen Schaltvorrichtung 1, erstrecken. Durch Einsetzen der Federelemente 50, welche sich entlang der Ränder erstrecken, wird es möglich, die effektive Länge jedes Federelements 50 zu verlängern, und es wird auch möglich, die untere Fläche 42a jedes Abstandshalters zu erweitern, wodurch die Fläche jeder Elektrode 62 erweitert werden kann. Als Ergebnis der zuvor beschriebenen Wirkungen wird es möglich, die treibende Spannung stark zu reduzieren. In dem in 6(b) dargestellten Beispiel ist die Länge jedes Schlitzes 58 weiter verlängert, so dass sich jedes Federelement 50 in einer spiralförmigen Weise entlang zweier Seiten von Rändern jeder Schaltvorrichtung 1 erstreckt, wodurch eine größere effektive Länge des Federelements 50 erreicht wird und demnach eine weitere Reduktion der treibenden Spannung erricht wird. Es ist auch möglich, die Länge des Schlitzes 58 weiter zu verlängern, um ein Federelement 50 mit einer noch größeren effektiven Länge, die sich entlang der Ränder erstreckt, zu erhalten.
7 veranschaulicht noch ein anderes Beispiel für ein Federelement 50. In diesem Beispiel ist der Elastizitätsmodul jedes Federelement 50 durch Reduzieren der Dicke des mittleren Teils 55 zwischen dem Teil, der direkt mit dem Abstandshalter 42 verbunden ist, und dem Teil, der mit der Stütze 49 verbunden ist, reduziert, wodurch es möglich gemacht wird, die erforderliche treibende Spannung zu reduzieren. Auf diese Weise kann der Elastizitätsmodul des Federelements 50 durch Verwenden jeder der zuvor beschriebenen Techniken oder eine Kombination jeder dieser Techniken reduziert werden, wodurch es möglich gemacht wird, die treibende Spannung, welche zwischen den Elektroden 60 und 62 angelegt wird, um eine elektrostatische Kraft zum Bewegen des optischen Schaltteils 30 zu erzeugen, zu reduzieren. Dies ermöglicht es, die optische Schaltvorrichtung 1 mit einem geringen elektrischen Leistungsverbrauch zu betreiben, wodurch die Gesamtleistung der Bildanzeigevorrichtung 2 reduziert werden kann.
In dieser Anordnung ist die optische Schaltvorrichtung 1 in Form einer mehrlagigen Struktur aufgebaut, die aus dem Lichtleiter 20, dem optischen Schaltteil 30 und dem Antriebsteil 40 besteht, welche in dieser Reihenfolge laminiert sind, wobei das optische Schaltteil 30 derart ausgebildet ist, dass es reflektierend ist, so dass extrahiertes Licht, in derselben Richtung wie jener, in welcher diese Teile laminiert sind, das heißt, zum Lichtleiter 20, nach außen ausgegeben wird, ohne durch das Antriebsteil 40 durchzutreten. Daher kann das Antriebsteil 40 konstruiert werden, ohne die optischen Eigenschaften berücksichtigen zu müssen. Dies ermöglicht es, das Antriebsteil 40 derart zu konstruieren, dass es eine optimale Struktur aufweist, in welcher alle Elemente realisiert sind, die zum Tragen und Antreiben des optischen Schaltteils 30 erforderlich sind. Demnach können das optische Schaltteil 30 und der Lichtleiter 20 in sehr einfachen Formen gebaut werden. Außerdem können die Schichten, in welchen der Lichtleiter 20, das optische Schaltteil 30 beziehungsweise das Antriebsteil 30 realisiert sind, unabhängig voneinander konstruiert werden. Konkret kann der Lichtleiter 20 unter Verwendung eines Elements in Form einer Platte mit einer flachen Oberfläche, die als die Totalreflexionsebene 22 dient, gebaut werden.
Das Schaltteil 30 kann unter Verwendung eines Lichtausgabeelements 34, wie beispielsweise eines Prismas, mit einer breiten Extraktionsebene gebaut werden. Das Antriebsteil 40 kann unter Verwendung eines hoch zuverlässigen Mechanismus gebaut werden, welcher imstande ist, Ein/Aus-Schaltvorgänge mit einer hohen Geschwindigkeit auszuführen. Somit kann eine optische Schaltvorrichtung bereitgestellt werden, welche imstande ist, eine große Lichtmenge ohne Verlusterzeugung zu bearbeiten, und es kann auch eine optische Schaltvorrichtung bereitgestellt werden, welche imstande ist, ein qualitativ hochwertiges Bild mit einem hohen Ein-Aus-Kontrast zu liefern.
In der optischen Schaltvorrichtung 1 kann das Antriebsteil 40 auf einem Siliciumsubstrat einer integrierten Schaltung erzeugt werden, auf dem Schaltungen, wie beispielsweise eine Treiberschaltung, ausgebildet sind. Solch eine Erzeugung des Antriebsteils 40 kann unter Verwendung einer Halbleiterverarbeitungstechnik, wie beispielsweise eines Ätzprozesses, der zur Mikrostrukturherstellung geeignet ist, oder eine Technik zur Erzeugung eines Mikrogeräts bewerkstelligt werden. Bei Verwenden solch einer Technik kann eine hohe Integrationsdichte einer Mehrzahl von optischen Schaltungsvorrichtungen 1 problemlos realisiert werden. Unter Verwendung der beschriebenen optischen Schaltvorrichtungen ist es demnach möglich, eine hoch auflösende Bildanzeigevorrichtung 2 in Form eines dünnen Gebildes bereitzustellen.
8 veranschaulicht einen Projektor 6, welcher eine Bildanzeigevorrichtung 2 verwendet. In diesem konkreten Beispiel umfasst der Projektor 6 einen Chip 5 mit integrierter Schaltung, auf welchem optische Schaltteile 30 und Antriebsteile 40, sowie eine Treiberschaltung ausgebildet sind und welcher an der Totalreflexionsebene 22 eines Lichtleiters 20 angebracht ist. Der Lichtleiter 20 der Bildanzeigevorrichtung 2 weist eine Fläche 81 auf, durch welche Licht eingegeben wird. Lichtstrahlen von drei Primärfarben, Rot, Grün und Blau (RGB) oder Cyan, Magenta und Gelb, werden von einer Lichtquelle zur Fläche 81 emittiert. In diesem Beispiel umfasst die Lichtquelle 80 eine weiße Metallhalogenidlampe 80a und ein Dreifarbentrennfilter 80b, welche durch einen Motor gedreht werden. Nach der Farbtrennung durch das Dreifarbentrennfilter 80b werden die Lichtstrahlen durch eine Kollimatorlinse 80c kollimiert und durch die Eintrittsfläche 81 in den Lichtleiter 20 eingegeben. Wenn das einfallende Licht 10 die Totalreflexionsebene 22 erreicht, wird es durch die jeweiligen optischen Schaltvorrichtungen, die auf dem Chip 5 mit integrierter Schaltung ausgebildet sind, reflektiert und als ein Ausgangslicht 11 durch den Lichtleiter 20 nach außen ausgegeben. Das Ausgangslicht 11 wird durch eine Projektionslinse 85 auf einen Bildschirm oder dergleichen projiziert, um ein gewünschtes Bild darauf zu erzeigen. Ein Teil des einfallenden Lichts 10, der durch keine optische Schaltvorrichtung in Ausgangslicht 11 umgewandelt wurde, wird total zu einer Reflexionsebene 82 reflektiert, welche sich gegenüber der Eintrittsfläche 81 befindet. Das Licht wird durch die Reflexionsebene 82 reflektiert und im Lichtleiter 20 wieder zu den optischen Schaltvorrichtungen übertragen.
In der vorliegenden Bildanzeigevorrichtung 2, wie zuvor beschrieben, wird durch Betätigen der auf dem Chip 5 mit integrierter Schaltung ausgebildeten optischen Schaltvorrichtungen in Synchronisation mit dem einfallenden Licht, das in Form von Zeitteilung eingegeben wird, ein Farbbild projiziert. Alternativerweise kann weißes Licht als das einfallende Licht 10 eingesetzt werden, und ein Farbbild kann unter Verwendung von optischen Schaltvorrichtungen mit einem Lichtextraktionsteil mit Wellenlängenselektivität erzeugt werden.
9 veranschaulicht ein anderes Beispiel für eine optische Schaltvorrichtung. In diesem Beispiel umfasst die optische Schaltvorrichtung 1 ebenfalls einen Lichtleiter 20, ein optisches Schaltteil 30 und ein Antriebsteil 40, welche in dieser Reihenfolge auf das Substrat einer integrierten Schaltung 70 laminiert sind. Hierin werden Teile, welche den zuvor beschriebenen ähnlich sind, mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht ausführlicher beschrieben. In anderen Anordnungen, welche später beschrieben werden, werden ähnliche Teile ebenfalls mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht ausführlicher beschrieben.
In diesem Beispiel der optischen Schaltvorrichtung 1 wird ein Dünnfilm 49, welcher sich zwischen einer Stütze 44 und einem Abstandshalter 42 erstreckt und sowohl als ein Federelement 50 als auch als eine Elektrode 62 dient, durch eine zusätzliche Stütze 48 getragen, welche sich derart vom Lichtleiter 20 erstreckt, dass der Abstand zwischen einer Extraktionsebene 32 und einer Totalreflexionsebene 22 über die gesamte optische Schaltvorrichtung 1 im Wesentlichen einheitlich beibehalten wird. In diesem Beispiel ist weder eine Öffnung noch ein Schlitz im Dünnfilm 49 ausgebildet, so dass die Schicht des Schaltteils 30 zwischen dem Dünnfilm 49 und dem Lichtleiter 20 hermetisch abgeschlossen ist. Der Druck im Schaltteil 30 wird derart eingestellt, dass er in Bezug auf die umgebende Atmosphäre negativ ist, damit der Dünnfilm 49 in engen Kontakt mit der zusätzlichen Stütze 98 gebracht wird, wodurch gewährleistet wird, dass, wenn durch Anordnen einer Mehrzahl von optischen Schaltvorrichtungen 1 in Form einer zweidimensionalen Gruppe eine Bildanzeigevorrichtung 2 gebildet wird, der Abstand zwischen dem Dünnfilm 49 und der Totalreflexionsebene 22, das heißt, der Abstand zwischen der Extraktionsebene 32 des optischen Schaltteils 30, das am Dünnfilm 49 angebracht ist, und der Totalreflexionsebene des Lichtleiters 20 im Wesentlichen einheitlich aufrechterhalten wird. Als Ergebnis erfolgt das Schalten über alle Pixel der Bildanzeigevorrichtung 2, die aus einer Mehrzahl von optischen Schaltvorrichtungen 1 besteht, auf eine hoch zuverlässige Art und Weise, wodurch gewährleistet wird, dass für alle Pixel ein hoher Kontrast erhalten wird. Die zusätzliche Stütze 48 muss nicht unbedingt in allen Schaltvorrichtungen von jeweiligen Pixeln angeordnet werden. Zusätzliche Stützen 48 können für jede geeignete Anzahl von Schaltvorrichtungen angeordnet werden, oder sie können an willkürlichen Stellen angeordnet werden.
Da außerdem der Druck in der Region, in welcher das Schaltteil 30 angeordnet ist, so eingestellt wird, dass er negativ ist, wird die Extraktionsebene 32 des optischen Schaltteils 30 durch den Umgebungsdruck zur Totalreflexionsebene 22 gedrängt. Daher werden in der optischen Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel sowohl der Umgebungsdruck als auch die Kraft, welche durch das Federelement 50 bereitgestellt wird, verwendet, um die Extraktionsebene 32 in engen Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22 zu bringen, wodurch ein hoher Kontrast gewährleistet wird.
Außerdem ist in der optischen Schaltvorrichtung 1 in diesem konkreten Beispiel der Abstandshalter 42, der zwischen dem Federelement 50 und dem Prisma 34 angeordnet ist, nicht T-förmig ausgebildet, sondern weist die Form eines umgekehrten Trapezes auf. Der Abstandshalter 42 mit der Form eines umgekehrten Trapezes kann ebenfalls einen breiten Raum 46, in welchem das Federelement 50 angeordnet wird, und einen schmalen Raum 45, in welchem die Elektroden 60 und 62 angeordnet werden, bereitstellen.
Außerdem kann neben dem Schaltteil 30 auch das Antriebsteil 40 hermetisch abgeschlossen werden, so dass die gesamte Region, welche vom Lichtleiter 20 und dem Siliciumsubstrat 70 umgeben ist, hermetisch abgeschlossen ist und so dass der Druck in dieser Region so eingestellt ist, dass er negativ ist. Durch Reduzieren des Drucks in dieser Region wird es möglich, den Strömungswiderstand gegen Bewegung des Prismas 34, des Federelements und anderer Elemente des optischen Schaltteils 30 und des Antriebsteils bei Schaltvorgängen zu reduzieren. Als Ergebnis wird der Widerstand infolge einer Dämpferwirkung oder dergleichen stark reduziert. Demnach wird es möglich, die Antriebsgeschwindigkeit beim Ein-Aus-Vorgang zu erhöhen und die erforderliche Antriebskraft zu reduzieren. Als Ergebnis wird es möglich, eine Schaltvorrichtung und eine Bildanzeigevorrichtung bereitzustellen, welche imstande sind, bei niedrigem Leistungsverbrauch mit einer hohen Geschwindigkeit zu funktionieren. Wenn das Gas in dem zuvor beschriebenen, hermetisch abgeschlossenen Raum durch ein Gas ohne Feuchtigkeitsgehalt ersetzt wird und wenn der Druck so eingestellt wird, dass er in Bezug auf den Außendruck negativ ist, wird es möglich, Feuchtigkeit, welche zu Adsorption führen kann, zu entfernen. Dies ist ein anderer Vorteil, der neben den zuvor beschriebenen erzielt werden kann. Wenn ein Inertgas eingesetzt wird, können Änderungen infolge von Oxidation oder dergleichen vermieden werden.
STEUERUNG DES ANTRIEBSTEILS
Das Verfahren zur Steuerung des Antriebsteils 40 der optischen Schaltvorrichtung wird im Folgenden ausführlicher beschrieben. Wie in 2 dargestellt, weist die Schaltvorrichtung einen Anschlag 65 auf, der zwischen den Elektroden 60 und 62 angeordnet ist. Wenn vom Antriebssteuerteil 70, das auf dem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, eine treibende Spannung Vd an die Elektrode 60 angelegt wird und dadurch das Schaltteil 30 durch eine elektrostatische Kraft Fs, die zwischen den Elektroden 60 und 62 erzeugt wird, zur zweiten Position P2 bewegt wird, wird das Schaltteil 30 durch den Anschlag 65 an der Position, an der sich der Anschlag 65 befindet, angehalten. Dies gewähr leistet, dass die Elektroden 60 und 62 durch einen geeigneten Abstand (Spalt) G voneinander beabstandet werden, ohne miteinander in engen Kontakt gebracht zu werden. Neben der Wirkung des Verhinderns, dass die Elektroden miteinander zusammenstoßen, wenn sich das Schaltteil 30 bewegt, hat der Anschlag 65 auch die Wirkung des Verhinderns, dass die elektrostatische Kraft an der Anschlagsposition unendlich wird, wodurch eine Hochgeschwindigkeitssteuerung bei Verwenden einer niedrigen Spannung ermöglicht wird, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
10 veranschaulicht die Beziehung zwischen der elektrostatischen Kraft Fs und der elastischen Kraft (Federkraft) Fg im Antriebsteil 40 der vorliegenden Schaltvorrichtung 1. Elektrostatische Kräfte Fs, welche durch treibende Spannungen Vd von 10, 20, 30, 40 und 50 V erhalten werden, sind grafisch dargestellt. In der in 10 dargestellten Schaltvorrichtung 1 beträgt der Abstand zwischen den Elektroden 60 und 62 0,5 μm, und der Anschlag 65 ist derart eingestellt, dass der Abstand zwischen den Elektroden 60 und 62 gleich dem Spalt G von 0,1 μm wird, wenn die elektrostatische Kraft Fs angelegt wird. Das Joch 50 ist derart ausgelegt, dass es eine erste Versetzung von 0,5 μm (Anfangsversetzung x0) an der ersten Position P1 aufweist. Wenn die Position des Schaltteils 30 durch die Versetzung x des Jochs 50 dargestellt ist, wenn sich das Schaltteil 30 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 (die Anschlagsposition) bewegt, ändert sich die Versetzung x vom Anfangswert x0 von 0,5 μm auf 0,9 μm. Das heißt, das Schaltteil 30 bewegt sich um einen Abstand do von 0,4 μm. Als Ergebnis dieser Bewegung wird eine elastische Kraft Fg erzeugt, welche durch die Gleichung (1) festgelegt wird. Wenn das Schaltteil 30 im Bereich von do ist, wenn die treibende Spannung Vd angelegt wird, ändert sich die elektrostatische Kraft Fs mit dem Abstand d im Bereich von 0,5 μm, wie durch die Gleichung (2) festgelegt.
Die treibende Spannung Vd, welche erforderlich ist, um das Schaltteil 30 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 zu bewegen, wird im Folgenden erörtert. Um das Schaltteil 30 von der ersten Position P1 gegen die Federkraft Fg in die zweite Position P2 zu bewegen, ist es notwendig, eine treibende Spannung Vd zwischen den Elektroden 60 und 62 anzulegen, um eine elektrostatische Kraft Fs zu erzeugen, welche größer als die Federkraft Fg ist. Dies bedeutet, dass die treibende Spannung Vd so groß sein sollte, dass die elektrostatische Kraft Fs kein Gleichgewicht mit der Federkraft Fg aufweist. In dem in 10 dargestellten Beispiel werden 50 V benötigt, um eine elektrostatische Kraft Fs ohne Gleichgewicht zu erzeugen. Wenn daher 50 V als die treibende Spannung Vd angelegt werden, dann kann das Schaltteil 30 in die zweite Position P2 bewegt werden. Da jedoch in der vorliegenden Schaltvorrichtung 1 das Joch (Federelement) 50 die Anfangsversetzung x0 aufweist, welche als eine Verformung 51 an der ersten Position P1 eingestellt ist, kann das Schaltteil 30 bewegt werden, ohne irgendein Problem zu verursachen, wobei eine treibende Spannung Vd mit einem Gleichgewichtspunkt in dem Bereich, wo die Versetzung x geringer als die Anfangsversetzung x0 ist, verwendet wird. Das heißt, da sich die elektrostatische Kraft Fs indirekt proportional zum Quadrat des Abstands (d – x) ändert, wenn eine Anfangsversetzung x0 vorliegt und wenn der Abstand zwischen den Elektroden (d – x) tatsächlich kleiner ist als die Versetzung x des Jochs, kann dann eine niedrigere Spannung als die treibende Spannung Vd eingesetzt werden kann. In dem konkreten Beispiel, das in 10 dargestellt ist, können 40 V als die treibende Spannung Vd eingesetzt werden. Wenn die treibende Spannung Vd gleich 40 V ist, werden die Federkraft Fg und die elektrostatische Kraft Fs an den Gleichgewichtspunkten s1 und s2 innerhalb des Bereichs, in dem die Versetzung x kleiner als die Anfangsversetzung x0 ist, einander gleich, weshalb das Schaltteil 30 an jedem Gleichgewichtspunkt anhält. Daher können die 40 V nicht als die treibende Spannung eingesetzt werden. Wenn jedoch die Versetzung x innerhalb eines Bereichs, der größer als die Anfangsversetzung x0 ist, begrenzt wird, dann ist die elektrostatische Kraft Fs stets größer als die Federkraft Fg, wodurch kein Gleichgewichtspunkt in diesem Bereich vorhanden ist. In diesem Fall können 40 V als die treibende Spannung Vd eingesetzt werden.
Wie zuvor beschrieben, ermöglicht die Einführung der Anfangsversetzung x0, dass das Schaltteil 30 stabil in der ersten Position P1 gehalten wird. Außerdem ermöglicht es die Anfangsversetzung x0, dass die treibende Spannung Vd von 50 V auf 40 V reduziert wird.
Außerdem erzeugt die Anfangsversetzung x0 eine Federkraft Fg an der ersten Position P1. Daher kann eine Vorspannung Vb, welche eine elektrostatische Kraft erzeugt, die kleiner als die zuvor beschriebene Federkraft Fg ist, zwischen den Elektroden 60 und 62 angelegt werden. Wenn zum Beispiel in 10 10 V als die Vorspannung Vb eingesetzt werden, dann wird durch diese Vorspannung Vb eine elektrostatische Kraft Fs mit einem Wert, der in 10 mit B1 bezeichnet ist, an der ersten Position P1 erzeugt. Wenn daher die Vorspannung Vb angelegt wird, wird die Differenz Fk1 zwischen der Federkraft Fg an der ersten Position P1 und der elektrostatischen Kraft Fs als eine Haltekraft auf das Schaltteil 30 ausgeübt, wodurch das Schaltteil 30 stabil am Punkt P1 gehalten wird. Wenn die Vorspannung Vb angelegt wird, wenn ferner eine treibende Spannung Vd gleich 30 V angelegt wird, dann wird die elektrostatische Kraft Fs durch die Gesamtspannung von 40 V erzeugt, wodurch das Schaltteil 30 angetrieben werden kann. Dies bedeutet, dass die treibende Spannung Vd um 10 V weiter reduziert werden kann.
Die Vorspannung Vb kann auf die Schaltvorrichtungen 1, welche die in 1 dargestellte Bildanzeigevorrichtung 2 bilden, gemeinsam angelegt werden. Wenn zum Beispiel die Referenzspannung der treibenden Spannung Vd gleich 0 V ist und ein hoher Pegel der treibenden Spannung Vd auf die Elektrode 60 der Schaltvorrichtungen 1 angelegt wird, wenn –10 V an die Basiselektrode 62 angelegt werden, welche für alle Schaltvorrichtungen 1 gemeinsam verwendet wird, dann hat diese Spannung, welche auf die Basiselektrode 62 angelegt wird, die Wirkung, die +10 V entspricht, die an die Elektrode 60 angelegt werden.
Das heißt, die Vorspannung Vb, die eine äquivalent gleiche Polarität wie die treibende Spannung Vd aufweist, kann angelegt werden kann. Stattdessen kann das Antriebssteuerteil (Steuerung) 70 so ausgelegt sein, dass es eine Vorspannung Vb erzeugt, welche bewirkt, dass sich die Referenzspannung der treibenden Spannung Vd um 10 V erhöht.
Außerdem wird in der Schaltvorrichtung 1 in diesem Beispiel, wenn das Schaltteil 30 in der zweiten Position P2 ist, durch den Anschlag zwischen den Elektroden 60 und 62 ein Spalt G geschaffen, wodurch die elektrostatische Kraft Fs daran gehindert wird, unendlich groß zu werden. Wenn die Vorspannung Vb auf 10 V eingestellt wird, wird durch die Vorspannung eine elektrostatische Kraft Fs gleich einem Wert, der in 10 mit C1 bezeichnet ist, an der zweiten Position P2 erzeugt. In diesem Fall ist die elektrostatische Kraft Fs an der zweiten Position P2 kleiner als die Federkraft Fg. Dies bedeutet, dass, wenn die treibende Spannung Vd weggenommen wird, die verbleibende elektrostatische Kraft Fs, welche durch die Vorspannung Vb an der zweiten Position erzeugt wird, kleiner als die Federkraft Fg wird, wodurch das Schaltteil 30 durch die Federkraft Fg von der zweiten Position P2 in die erste Position P1 bewegt wird. Es ist daher auch in dem Fall, in dem die Vorspannung Vb angelegt wird, möglich, das Schaltteil 30 einfach durch Steuern der treibenden Spannung Vd ein- und auszuschalten.
Wenn die elektrostatische Kraft, welche durch die Vorspannung Vb am zweiten Punkt P2 erzeugt wird, kleiner als die Federkraft Fg ist, wie in diesem Beispiel, ist es möglich, die Vorspannung mit einem festen Wert kontinuierlich auf alle Schaltvorrichtungen anzulegen. Dies macht es sehr einfach, die Vorspannung Vb zu steuern. Das heißt, es ist möglich, die Vorspannung Vb ohne die Notwendigkeit einer komplizierten Konfiguration für die Steuerung 70 anzulegen, wodurch es möglich gemacht wird, die treibende Spannung Vd um einen Wert zu reduzieren, der gleich der Vorspannung Vb ist. Dadurch kann die Steuerung 70 eine niedrigere Durchschlagspannung und eine einfachere Konfiguration aufweisen. Als Ergebnis wird es möglich, die Größe der Steuerung 70 zu reduzieren und die Steuerung bei niedrigen Kosten herzustellen. Außerdem kann die Versorgungsspannung für die treibende Spannung reduziert werden, wodurch der Leistungsverbrauch reduziert werden kann. Andererseits ist die Haltekraft Fk1 groß genug, um das Schaltteil 30 stabil in der ersten Position P1 zu halten. Da außerdem keine Notwendigkeit dafür besteht, die Bewegungslänge d0 des Schaltteils 30 zu ändern, ist es möglich, einen ausreichend hohen Kontrast zu erhalten. Überdies besteht keine Notwendigkeit für eine Änderung des Elastizitätsmoduls K des Jochs 50, wodurch die Antriebsgeschwindigkeit des Schaltteils 30 im Wesentlichen auf demselben Wert gehalten wird. Da, wie aus 10 ersichtlich ist, die elektrostatische Kraft Fs, welche durch die Vorspannung Vb erzeugt wird, indirekt proportional zum Quadrat des Abstands rasch abnimmt, verursacht das Anlegen der Vorspannung Vb keine wesentliche Änderung der Geschwindigkeit, mit der sich das Schaltteil 30 von der zweiten Position P2 in die erste Position P1 bewegt.
Nun wird eine Vorspannung gleich 20 V erörtert. Am ersten Punkt P1 weist die elektrostatische Kraft Fs, welche durch die Vorspannung Vb (gleich 20 V) erzeugt wird, einen Wert auf, der in 10 mit B2 bezeichnet ist. In diesem Fall wird die Haltekraft, welche sich durch die Differenz zwischen der elektrostatischen Kraft Fs und der Federkraft Fg ergibt, gleich Fk2, wodurch das Schaltteil 30 stabil gehalten werden kann. Andererseits kann die elektrostatische Kraft Fs, welche erforderlich ist, um das Schaltteil 30 anzutreiben, durch Anlegen einer treibenden Spannung Vd gleich 20 V erhalten werden, so dass die Gesamtspannung 40 V wird. Daher ist es möglich, die treibende Spannung Vd im Vergleich zum vorhergehenden Beispiel um 10 V weiter zu reduzieren. Die Vorspannung Vb gleich 20 V bewirkt jedoch, dass die elektrostatische Kraft Fs an der zweiten Position größer als die Federkraft Fg wird. Als Ergebnis kehrt das Schaltteil 30 nicht von der zweiten Position P2 in die erste Position P1 zurück, wenn die treibende Spannung Vd ausgeschaltet wird. Um das Schaltteil 30 aus der zweiten Position zu bewegen, muss die Vorspannung auf 0 V oder einen Wert, zum Beispiel 10 V, der es ermöglicht, dass die elektrostatische Kraft Fs kleiner als die Federkraft Fg wird, reduziert werden. Die Änderung der Vorspannung Vb kann erfolgen, wenn das Schaltteil 30 von der zweiten Position P2 in die erste Position P1 bewegt wird. Alternativerweise kann die Änderung der Vorspannung in Synchronisation mit einem Taktsignal, durch welches das Schaltteil 30 angetrieben wird, periodisch erfolgen. Die Änderung der Vorspannung Vb an der ersten Position P1 bringt keine anderen Auswirkungen mit sich als eine Zunahme der Haltekraft Fk2, was keinerlei Problem verursacht. Wenn andererseits das Schaltteil 30 in der zweiten Position P2 gehalten wird, bewirkt die Wegnahme der Vorspannung Vb nicht, dass sich das Schaltteil 30 bewegt, da die treibende Spannung Vd angelegt ist. In dem Fall, in dem die Vorspannung Vb in Synchronisation mit dem Taktsignal oder dergleichen periodisch geändert wird, kann das Ändern der Vorspannung Vb durch gleiches Ändern der Spannung der Basiselektrode 62 einer Mehrzahl von Schaltvorrichtungen 1, die in Form einer Gruppe angeordnet sind, wie in 1 dargestellt, bewerkstelligt werden. Daher ist es möglich, die treibende Spannung Vd ohne Notwendigkeit einer komplizierteren Steuerschaltung zum Steuern der Vorspannung weiter zu reduzieren.
11 ist ein Zeitdiagramm, das einen Vorgang der Steuerung des Schaltteils 30 durch die treibende Spannung Vd und die Vorspannung Vb veranschaulicht. Wenn zum Zeitpunkt t1 die Vorspannung Vb von 20 V auf 10 V herabgesetzt wird und die treibende Spannung Vd auf 0 V herabgesetzt wird, wird das Schaltteil 30 durch die Federkraft Fg von der zweiten Position P2 in die erste Position P1 bewegt. Wenn die Vorspannung Vb zum Zeitpunkt t2 von 10 V auf 20 V erhöht wird, wird das Schaltteil 30 noch immer stabil in der ersten Position P1 gehalten, da die Federkraft Fg an der ersten Position P1 noch immer größer als die elektrostatische Kraft ist, welche durch die Vorspannung Vb von 20 V erzeugt wird. Wenn eine Taktzeit vom Zeitpunkt t1. verstrichen ist, das heißt, zum Zeitpunkt t3, wird eine treibende Spannung Vd von 20 V angelegt und die Vorspannung Vb wird gleichzeitig auf 10 V herabgesetzt. Als Ergebnis ändert sich zum Zeitpunkt t3 die elektrostatische Kraft Fs auf einen Wert, der durch eine Spannungsdifferenz von 30 V zwischen den Elektroden erzeugt wird. Daher bleibt das Schaltteil 30 in derselben Position. Wenn jedoch die Vorspannung Vb zum Zeitpunkt t4 erhöht wird, wird die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden gleich 40 V und die elektrostatische Kraft Fs erhöht sich auf einen entsprechenden Wert. Als Ergebnis bewegt sich das Schaltteil 30 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2. Zum Zeitpunkt t5, nachdem eine Taktzeit vom Zeitpunkt t3 verstrichen ist, wird die treibende Spannung Vd 0 V und das Schaltteil 30 bewegt sich auf eine ähnliche Weise wie zum Zeitpunkt t1 von der zweiten Position P2 in die erste Position P1. Durch Variieren der Vorspannung Vb in Intervallen, welche den Taktzeiten entsprechen, derart, dass die elektrostatische Kraft Fs an der zweiten Position P2 kleiner als die Federkraft Fg wird, kann die Vorspannung Vb, die größer als die Federkraft Fg ist, angelegt werden, und es ist möglich, das Schaltteil 30 als Reaktion auf die treibende Spannung Vd zu bewegen. Demnach ermöglicht es diese Technik, dass die treibende Spannung Vd um einen Betrag reduziert wird, welcher der Vorspannung Vb entspricht. Daher kann die Steuerung 70 zum Steuern der treibenden Spannung Vd auf eine noch einfachere Art und Weise gebildet werden, und die Steuerung 70 kann eine niedrigere Durchschlagspannung aufweisen. Außerdem kann die Versorgungsspannung für die treibende Spannung reduziert werden, wodurch der Leistungsverbrauch reduziert werden kann.
Danach geht die treibende Spannung Vd zum Zeitpunkt t6 auf einen hohen Pegel, und als Ergebnis bewegt sich das Schaltteil 30 in die zweite Position. Wenn die treibende Spannung Vd zum Zeitpunkt t7, nachdem eine weitere Taktzeit verstrichen ist, auf demselben Wert gehalten wird, bewirkt eine gleichzeitig stattfindende Reduktion der Vorspannung Vb keine Bewegung des Schaltteils 30, da die 30 V zwischen den Elektroden angelegt werden, wodurch die elektrostatische Kraft Fs größer als die Federkraft Fg ist. Wenn die treibende Spannung Vd zum Zeitpunkt t8 auf 0 V umgeschaltet wird, dann bewegt sich das Schaltteil 30 in die erste Position P1. In dem Fall, in dem zum Zeitpunkt t9, nachdem eine weitere Taktzeit verstrichen ist, keine treibende Spannung Vd angelegt wird, bewirkt eine gleichzeitig stattfindende Änderung der Vorspannung Vb keine Bewegung des Schaltteils 30, da die elektrostatische Kraft Fs an der ersten Position P1 kleiner als die Federkraft Fg ist. Wie bereits erwähnt, kann in dem Fall, in dem die Vorspannung Vb periodisch erhöht und reduziert wird, die Bewegung des Schaltteils 30 auch durch die treibende Spannung Vd völlig korrekt gesteuert werden. Wenn in diesem Beispiel die treibende Spannung Vd auf den hohen Pegel umgeschaltet wird, wird die Bewegung des Schaltteils 30 um eine Zeitspanne verzögert, in welcher die Vorspannung Vb geändert wird. Die Zeitspanne, während der die Vorspannung auf dem geänderten Wert sein sollte, kann jedoch auf eine so kurze Zeitspanne, wie erforderlich, damit sich das Schaltteil 30 zu bewegen beginnt, eingestellt werden, so dass die Verzögerung keine bedeutende Wirkung auf die Anzeige eines Bildes ausübt.
In diesem konkreten Beispiel wird die Vorspannung Vb zwischen 10 V und 20 V variiert. Alternativerweise kann die Vorspannung Vb zwischen 0 V und 20 V variiert werden. Da jedoch die elektrostatische Kraft Fs durch den Anschlag 65 daran gehindert wird, an der zweiten Position P2 unendlich groß zu werden, kann das Schalteil 30, wie bereits erwähnt, durch Herabsetzen der Vorspannung Vb auf 10 V, um die elektrostatische Kraft Fs auf einen Wert zu senken, der kleiner als die Federkraft Fg ist, bewegt werden. Das heißt, durch Variieren der Vorspannung Vb zwischen 10 V und 20 V wird es möglich, die Schaltung, welche zur Steuerung der Vorspannung verwendet wird, zu vereinfachen, und es wird auch möglich, die elektrische Leistung zu reduzieren, welche verbraucht wird, wenn die Vorspannung variiert wird.
Die zuvor beschriebenen Werte für die treibende Spannung und die Vorspannung werden beispielhafter- und nicht einschränkenderweise eingesetzt. Es können verschiedene Werte eingesetzt werden, um ähnliche Wirkungen zu erzielen, solange sie die zuvor beschriebenen Bedingungen erfüllen. Außerdem wurden die hierin eingesetzten Werte für die treibende Spannung und die Vorspannung unter den Bedingungen bestimmt, die in 10 angenommen wurden, wodurch die Werte, welche in dieser Erfindung für die treibende Spannung und die Vorspannung eingesetzt werden können, nicht auf die zuvor beschriebenen beschränkt sind.
12 veranschaulicht eine Ausführungsform einer optischen Schaltvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform extrahiert die optische Schaltvorrichtung 1 ebenfalls eine evaneszente Welle und gibt das extrahierte Licht als ein Ausgangslicht 11 aus. Die optische Schaltvorrichtung 1 umfasst einen Lichtleiter 20, ein reflektierendes optisches Schaltteil 30, ein Antriebsteil 40 und eine Steuerung 70, welche in dieser Reihenfolge in einer mehrlagigen Struktur angeordnet sind. Hierin sind Teile, die den in der vorhergehenden Anordnung beschriebenen ähnlich sind, mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht ausführlicher beschrieben. In dieser Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung 1 umfasst das Antriebsteil 40 ein Paar von Elektroden 64 und 66 (E1) zum Bewegen des Schaltteils 30 von einer zweiten Position P2 in eine erste Position P1 (im Folgenden wird dieses Elektrodenpaar als ein erstes Elektrodenpaar bezeichnet), sowie ein Paar von Elektroden 60 und 62 (E2) zum Bewegen des Schaltteils 30 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 (im Folgenden wird dieses Elektrodenpaar als ein zweites Elektrodenpaar bezeichnet). Ein horizontal ausgerichteter U-förmiger Ausschnitt 39 ist in jeder Seitenwand eines Pufferelements 35 zum Tragen des Prismas auf dem Abstandshalter 42 ausgebildet. Eine zusätzliche Stütze 47, welche sich von einer Stütze 44 erstreckt, erstreckt sich in jeden Raum 38. Eine Elektrode 6b ist an der Stütze 47 befestigt, und eine Elektrode 64, welche als eine Basiselektrode (gemeinsame Elektrode) dient, ist an jeder Seite des Pufferelements 35 befestigt. In dieser Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung 1 führt ein elektrostatisches Antriebsmittel, welches das erste und das zweite Elektrodenpaar E1 und E2 umfasst, sowohl Ein-Aus-als auch Aus-Ein-Schaltvorgänge durch. Daher ist es möglich, die Schaltvorgänge auf eine stabilere Art und Weise zu steuern. Somit ist es möglich, eine optische Schaltvorrichtung 1 mit einer höheren Zuverlässigkeit bereitzustellen.
In der optischen Schaltvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform ist das Joch 50 so ausgelegt, dass es an einer mittigen Position P3 zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 in ein Gleichgewicht gebracht wird, das heißt, die Versetzung x des Jochs 50 wird an der mittigen Position P3 gleich 0. Das Schaltteil 30 wird durch eine elastische Kraft Fg, welche durch das Joch 50 bereitgestellt wird, von der ersten Position P1 in die mittige Position bewegt. Danach wird das Schaltteil 30 durch eine elektrostatische Kraft Fs, welche durch das zweite Elektrodenpaar E2 bestehend aus den Elektroden 60 und 62 bereitgestellt wird, in die zweite Position P2 weiterbewegt. In einer entgegengesetzten Richtung wird das Schaltteil 30 durch die elastische Kraft Fg von der zweiten Position P2 in die mittige Position P3 bewegt und durch eine elektrostatische Kraft Fs, welche durch das erste Elektrodenpaar E1 bestehend aus den Elektroden 64 und 66 bereitgestellt wird, in die erste Position P1 weiterbewegt. An der ersten Position P1 dient die elektrostatische Kraft Fs, welche durch das erste Elektrodenpaar E1 bereitgestellt wird, als eine Haltekraft. Wenn das Schaltteil 30 in der ersten Position P1 ist, dient die Totalreflexionsebene 22 als ein Anschlag, wodurch der Abstand zwischen den Elektroden 64 und 66 derart gesteuert wird, dass er einen Spalt G aufweist. Dies gewährleistet, dass die elektrostatische Kraft Fs an der ersten Position P1 innerhalb eines bestimmten Bereichs begrenzt ist, wie an der zweiten Position P2.
Im Falle des Systems, in dem das Joch, das als das Federelement 50 dient, einen Gleichgewichtszustand in der mittigen Position P3 zwischen der ersten und der zweiten Position aufweist, wird das Schaltteil 30 durch das erste und das zweite Elektrodenpaar E1 und E2 des Antriebsteils 40 von der mittigen Position P3 in die erste Position P1 oder in die zweite Position P2 bewegt, wobei die Hublängen der Antriebsoperationen, welche durch die jeweiligen Elektrodenpaare E1 und E2, die als das elektrostatische Antriebsmittel dienen, durchgeführt werden, die Hälfte des Abstands d0 zwischen der ersten und der zweiten Position werden. Daher ist es möglich, die Länge entlang welcher die elektrostatische Kraft Fs ausgeübt wird, um die Hälfte zu reduzieren, ohne den Bewegungsabstand d0 des Schaltteils 30 ändern zu müssen. Als Ergebnis ist es möglich, wie aus Gleichung (2) zu erkennen ist, den Abstand d um die Hälfte zu reduzieren. Demnach ist es auch möglich, die treibende Spannung Vd zum Erhalten derselben elektrostatischen Kraft Fs um die Hälfte zu reduzieren. Da außerdem die elektrostatische Kraft Fs an der ersten Position P1 als die Haltekraft verwendet werden kann, ist es nicht notwendig, dass das Joch 50 eine Anfangsversetzung x0 aufweist, um eine Federkraft Fg bereitzustellen, die als eine Haltekraft dient. Daher wird eine elektrostatische Kraft, welche der Kraft entgegenwirkt, die der Anfangsversetzung x0 entspricht, ebenfalls unnötig. Als Ergebnis wird es möglich, die treibende Spannung Vd weiter zu reduzieren.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 13 wird die optische Schaltvorrichtung 1 im Folgenden ausführlicher beschrieben. Wenn in 13 das Joch eine Versetzung x gleich 0 an der ersten Position P1 und eine Versetzung x gleich 0,5 μm an der zweiten Position P2 aufweist, weist dieses Antriebssystem keine Haltekraft an der ersten Position P1 auf. Das Schaltteil 30 kann durch die Federkraft Fg von der zweiten Position P2 in die erste Position P1 bewegt werden. Andererseits ist es durch Anlegen einer elektrostatischen Kraft Fs ohne Gleichgewichtspunkt mit der Federkraft Fg über den Bereich von der ersten Position P1 zur zweiten Position P2 möglich, das Schaltteil 30 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 zu bewegen. Wenn in der in 13 dargestellten Ausführungsform eine treibende Spannung Vd gleich 20 V angelegt wird, kann das Schaltteil 30 gegen die Federkraft Fg bewegt werden. Diese Situation entspricht dem Fall, in dem in der unter Bezugnahme auf 10 zuvor beschriebenen Schaltvorrichtung keine ausreichend große Haltekraft an der ersten Position P1 durch die Federkraft Fg bereitgestellt wird. Das heißt, es ist eine treibende Spannung Vd gleich 20 V erforderlich, um das Schaltteil 30 gegen die Federkraft anzutreiben, welche als Haltekraft zu klein ist.
Andererseits kann in der Schaltvorrichtung 1, welche die beiden Elektrodenpaare E1 und E2 gemäß der Ausführungsform umfasst, der Kern eine Versetzung x gleich 0 an der mittigen Position P3 aufweisen, wie in eckigen Klammern dargestellt, und er kann eine Versetzung x gleich 0,25 an der ersten Position P1 oder der zweiten Position P2 aufweisen. Das zweite Elektrodenpaar E2 bestehend aus den Elektroden 60 und 62 bewegt das Schaltteil 30 von der mittigen Position P3 gegen die Federkraft Fg in die zweite Position P2. Auf ähnliche Weise bewegt das erste Elektrodenpaar E1 bestehend aus den Elektroden 64 und 66 das Schaltteil 30 von der mittigen Position P3 gegen die Federkraft Fg in die erste Position P1. Die Art und Weise, auf welche das Schaltteil 30 angetrieben wird, ist für die Elektrodenpaare E1 und E2 ähnlich. Daher wird hierin die Funktionsweise für das Elektrodenpaar E2 als Beispiel beschrieben. Um das Schaltteil 30 gegen die Federkraft Fg aus der mittigen Position P3 zu bewegen, ist es notwendig, eine treibende Spannung Vd anzulegen, welche eine elektrostatische Kraft Fs ohne Gleichgewichtspunkt im Bereich zwischen der mittigen Position P3 und der zweiten Position P2 erzeugt. Wenn in diesem konkreten Beispiel 7 V als die treibende Spannung Vd angelegt werden, wird das Schaltteil 30 von der mittigen Position P3 in die zweite Position P2 bewegt. Demnach wird in der Schaltvorrichtung 1 der Ausführungsform das Schaltteil 30 durch abwechselndes Anlegen einer treibenden Spannung Vd zwischen dem Elektrodenpaar E1 und dem Elektrodenpaar E2 angetrieben. Dies ermöglicht es, dass die treibende Spannung von den 20 V, die im vorigen Beispiel eingesetzt wurden, auf 7 V herabgesetzt wird, was so klein wie ein Drittel des vorigen Wertes ist. Das Schaltteil 30 kann auch mittels einer elektrostatischen Kraft Fs von der mittigen Position P3 in die erste Position P1 bewegt werden, und es kann in der ersten Position P1 durch die elektrostatische Kraft Fs gehalten werden. Somit wird eine Haltekraft zum Halten des Schaltteils 30 in der ersten Position P1 erhalten.
Außerdem kann in dieser Ausführungsform die treibende Spannung Vd durch Anlegen einer Vorspannung auf ähnliche Weise wie in der vorhergehenden Ausführungsform weiter reduziert werden. 14 veranschaulicht in vergrößerter Form die Federkraft Fg und die elektrostatische Kraft Fs, die in 13 dargestellt sind, wobei auch elektrostatische Kräfte dargestellt sind, die durch Vd = 5 V und 2 V erhalten werden. Wenn 2V als die Vorspannung Vb zwischen den Elektroden 60 und 62 und ebenso zwischen den Elektroden 64 und 66 angelegt werden, wenn 5 V als die treibende Spannung Vd an der mittigen Position angelegt werden, dann wird eine elektrostatische Kraft Fs durch eine Gesamtspannung von 7 V erzeugt. Dies bedeutet, dass das Schaltteil 30 durch Anlegen einer so kleinen treibenden Spannung Vd wie 5 V angetrieben werden kann. An der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 ist die Federkraft Fg größer als die elektrostatische Kraft Fs, welche durch die Vorspannung Vb von 2 V erzeugt wird. Daher kann das Schaltteil 30 einfach durch Ein- und Ausschalten der treibenden Spannung Vd von 5 V angetrieben werden. Da die beiden Elektrodenpaare E1 und E2 mit derselben Vorspannung Vb versorgt werden, sind die elektrostatischen Kräfte Fs, welche durch die Vorspannung Vb erzeugt werden, an der mittigen Position P3 ausgeglichen. Daher ändert sich die mittige Position P3 praktisch nicht. Wenn sich das Schaltteil 30 in eine Position zu bewegen beginnt, nimmt der Abstand zwischen dem anderen Elektrodenpaar zu, und die elektrostatische Kraft Fs nimmt indirekt proportional zum Quadrat des Abstands ab. Sobald sich daher das Schaltteil 30 derart zu bewegen beginnt, dass der Abstand eines der Elektrodenpaare abnimmt, wird die Wirkung der zwischen dem anderen Elektrodenpaar angelegten Vorspannung Vb vernachlässigbar.
Die zuvor beschriebene Vorspannung Vb kann durch Anlegen einer Spannung zugeführt werden, die sowohl der Basiselektrode 62 des zweiten Elektrodenpaares E2 als auch der Basiselektrode 64 des ersten Elektrodenpaares E1 gemeinsam ist, wobei sich die Basiselektroden 62 und 64 zusammen mit dem Schaltteil 30 bewegen. Das Anlegen einer Vorspannung mit der äquivalent gleichen Polarität wie die der treibenden Spannung Vd kann durch Anlegen einer Spannung, welche niedriger als die Referenzspannung der treibenden Spannung ist, an beide Basiselektroden 62 und 64 bewerkstelligt werden. Konkret wird, wenn die Referenzspannung der treibenden Spannung 0 V ist, eine Vorspannung von zum Beispiel gleich –2 V an die Basiselektroden 62 und 64 gemeinsam angelegt.
Die Vorspannung Vb kann auf 4 V erhöht werden, Wenn in diesem Fall 3V als die treibende Spannung Vd angelegt werden, dann wird eine elektrostatische Kraft Fs durch eine Gesamtspannung von 7 V erzeugt. Dies bedeutet, dass das Schaltteil 30 durch Anlegen einer so kleinen treibenden Spannung V wie 3 V angetrieben werden kann. An der mittigen Position P3 sind die Vorspannungen Vb, welche zwischen den beiden Elektrodenpaaren angelegt werden, ausgeglichen. Daher ist nur eine elektrostatische Kraft Fs, welche durch 3 V erzeugt wird, an der mittigen Position P3 wirksam. Die Federkraft Fg an der mittigen Position P3 ist jedoch gleich 0. Sobald sich daher das Schaltteil 30 zu bewegen beginnt, wird die Wirkung des anderen Elektrodenpaares vernachlässigbar, wie bereits erwähnt, und das Schaltteil 30 kann die erste oder die zweite Position erreichen, ohne auf ein Gleichgewicht mit der Federkraft Fg zu stoßen.
Andererseits ist an der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 die elektrostatische Kraft Fs, welche durch die Vorspannung von 4 V erzeugt wird, größer als die Federkraft Fg. Daher beginnt das Schaltteil 30 nicht, sich zu bewegen, selbst wenn die treibende Spannung Vd ausgeschaltet wird. Um das Schaltteil 30 zu veranlassen, sich zu bewegen, ist es notwendig, die Vorspannung Vb in Synchronisation mit einem Taktsignal auf 0 V oder 2 V herabzusetzen, so dass die Federkraft Fg größer als die elektrostatische Kraft Fs wird. Wenn die Vorspannung Vb von 4 V in Synchronisation mit dem Taktsignal gesenkt und erhöht wird, wenn eine treibende Spannung Vd gleich 3 V abwechselnd an das erste und das zweite Elektrodenpaar angelegt wird, dann wird das Schaltteil 30 bewegt. Demnach kann in der Schaltvorrichtung 1 der Ausführungsform die treibende Spannung von einem sehr hohen Wert, wie beispielsweise 50 V, der allgemein eingesetzt wird, auf 3 V herabgesetzt werden, was niedrig genug ist, um in einer Halbleiterschaltung eingesetzt zu werden. Dies ermöglicht es, dass die Steuerung 70 auf eine sehr einfache Art und Weise gebaut wird. Außerdem kann die elektrische Leistung, die durch die Steuerung 70 verbraucht wird, stark reduziert werden.
15 ist ein Zeitdiagramm, welches einen Vorgang des Steuerns des Schaltteils 30 der Schaltvorrichtung 1 der Ausführungsform unter Verwendung der treibenden Spannung Vd und der Vorspannung Vb veranschaulicht. Zum Zeitpunkt t11 wird die Vorspannung Vb von 4 V auf 2 V herabgesetzt, und die treibende Spannung Vd2, welche an das zweite Elektrodenpaar E2 angelegt wird, das dazu dient, das Schaltteil 30 zur zweiten Position P2 anzutreiben, wird ausgeschaltet (von 3 V auf 0 V). Als Ergebnis sinkt die Gesamtspannung zwischen dem zweiten Elektrodenpaar E2 von 7 V auf 2 V, wodurch de Federkraft Fg größer als die elektrostatische Kraft Fs wird. Als Ergebnis bewegt sich das Schaltteil 30 von der zweiten Position P2 zur mittigen Position P3. Zum Zeitpunkt t12 wird die treibende Spannung Vd1, welche an das erste Elektrodenpaar E1 angelegt wird, das dazu dient, das Schaltteil 30 zur ersten Position P1 anzutreiben, eingeschaltet (von 0 V auf 3 V), und die Vorspannung Vb wird auf 4 V erhöht. Als Ergebnis wird die Gesamtspannung zwischen dem ersten Elektrodenpaar E1 7 V, wodurch das Schaltteil 30 in die erste Position P1 bewegt und in dieser Position gehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt bewirkt die Vorspannung V, dass das zweite Elektrodenpaar E2 eine Gesamtspannung von 4 V aufweist. Die elektrostatische Kraft Fs, welche durch das zweite Elektrodenpaar E2 erzeugt wird, ist jedoch im Wesentlichen vernachlässigbar, da der Abstand zwischen dem zweiten Elektrodenpaar E2 groß wird.
Zum Zeitpunkt t13, nachdem eine Taktzeit vom Zeitpunkt t11 verstrichen ist, wird die Vorspannung Vb von 4 V auf 2 V herabgesetzt, und die treibende Spannung Vd1, welche an das erste Elektrodenpaar E1 angelegt wird, wird ausgeschaltet. Als Ergebnis beginnt das Schaltteil 30, sich von der ersten Position P1 zur mittigen Position P3 zu bewegen. Zum Zeitpunkt t14 wird die treibende Spannung Vd2, welche an das zweite Elektrodenpaar E2 angelegt wird, ausgeschaltet, und die Vorspannung Vb wird auf 4 V erhöht. Als Ergebnis wird die Gesamtspannung zwischen dem zweiten Elektrodenpaar E2 7 V, wodurch das Schaltteil 30 in die zweite Position P2 bewegt und in dieser Position gehalten wird.
Zum Zeitpunkt t15, nachdem eine Taktzeit vom Zeitpunkt tl3 verstrichen ist, wird die Vorspannung Vb reduziert, und die treibende Spannung Vd2 wird ausgeschaltet. Anschließend wird die treibende Schaltung Vd1 eingeschaltet. Als Reaktion bewegt sich das Schaltteil 30 von der zweiten Position P2 in die erste Position P1. Wenn in dieser Situation die Vorspannung Vb zum Zeitpunkt t16, nachdem eine Taktzeit vom Zeitpunkt t15 verstrichen ist, reduziert wird, wenn die treibende Spannung Vd1 auf dem Aus-Pegel ist, dann wird das Schaltteil 30 noch immer in der ersten Position P1 gehalten, da die Gesamtspannung zwischen dem ersten Elektrodenpaar E1 zu diesem Zeitpunkt gleich 5 V beträgt. Wenn andererseits die treibende Spannung Vd1 zum Zeitpunkt t17 ausgeschaltet wird und anschließend die treibende Spannung Vd2 eingeschaltet wird, bewegt sich das Schaltteil 30 in die zweite Position P2. Wenn danach die Vorspannung Vb zu den Zeitpunkten t18 und t19 in Synchronisation mit dem Taktsignal von 4 V auf 2 V herabgesetzt wird, wird das Schaltteil 30 in der zweiten Position P2 gehalten, da die treibende Spannung Vd2 auf dem Ein-Pegel ist. Wenn die treibende Spannung Vd2 zum Zeitpunkt t20 ausgeschaltet wird und wenn die treibende Spannung Vd1 anschließend eingeschaltet wird, bewegt sich das Schaltteil 30 von der zweiten Position P2 in die erste Position P1.
In der Schaltvorrichtung 1 der Ausführungsform, wie zuvor beschrieben, kann das Schaltteil 30 durch Ändern der treibenden Spannung Vd zwischen 0 V und 3 V bewegt werden. Bei diesem Verfahren muss die Vorspannung Vb nur zwischen 2 V und 4 V in Intervallen, die den Taktzeiten entsprechen, geändert werden. In der Schaltvorrichtung 1 der Ausführungsform kann daher die Spannung, die notwendig ist, um das Schaltteil 30 anzutreiben, stark reduziert werden auf einen Pegel, welches es erlaubt, das Schaltteil 30 durch eine Batterie einer allgemein verwendeten Art anzutreiben. Dementsprechend wird es auch möglich, die Bildanzeigevorrichtung, welche eine Mehrzahl der in 1 dargestellten Schaltvorrichtungen umfasst, durch eine so niedrige Spannung, wie sie durch eine Batterie geliefert werden kann, anzutreiben. Die Reduktion der treibenden Spannung macht es möglich, die Spannungspegel, welche durch die Steuerschaltung gesteuert werden, zu reduzieren. Außerdem wird es ermöglicht, die Durchschlagspannung der Steuerschaltung zu reduzieren. Demnach wird es möglich, eine herkömmliche integrierte Halbleiterschaltung zu verwenden, um die Schaltvorrichtung und die Bildanzeigevorrichtung, welche die Schaltvorrichtungen umfasst, direkt zu steuern. Außerdem kann die Versorgungsspannung niedrig sein, wodurch der Leistungsverbrauch stark reduziert werden kann. Andererseits werden die Eigenschaften der Schaltvorrichtung, wie beispielsweise der Elastizitätsmodul des Jochs 50, die Bewegungslänge der Schaltvorrichtung, die Fähigkeit, das Schaltteil 30 in der Ein-Position zu halten, usw., aufrechterhalten. Somit ist es möglich, eine kontrastreiche und hoch zuverlässige Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtung bei niedrigen Kosten bereitzustellen. Außerdem wird es durch Anordnen solcher Schaltvorrichtungen in Form einer Gruppe möglich, eine Bildanzeigevorrichtung bereitzustellen, welche imstande ist, ein Bild mit hoher Auflösung und großer Helligkeit mit hoher Geschwindigkeit bei niedrigem Leistungsverbrauch und niedrigen Kosten anzuzeigen.
Das hierin offenbarte Antriebsverfahren kann nicht nur auf optische Schaltvorrichtungen angewendet werden, welche eine evaneszente Welle verwenden, sondern auch auf verschiedene Arten von räumlichen Lichtmodulationsvorrichtungen, in welchen einfallendes Licht moduliert wird oder die Polaritätsorientierung oder die Phase des einfallenden Lichtes durch Ändern der Position eines Schaltteils geändert wird, wie beispielsweise eine räumliche Lichtmodulationsvorrichtung, in welcher ein Element mit flacher Ebene, das als ein Schaltteil dient, in einer parallelen Richtung bewegt wird, eine räumliche Lichtmodulationsvorrichtung, in welcher der Winkel des Elements mit flacher Ebene variiert wird, um Licht ein- und auszuschalten, wie dies in einer Mikrospiegelvorrichtung der Fall ist, usw.
STEUERUNG DER LAGE DES SCHALTTEILS
16 veranschaulicht eine andere optische Schaltvorrichtung 1, welche sich von den zuvor beschriebenen unterscheidet und keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet. Auch in dieser optischen Schaltvorrichtung erfolgt der optische Schaltvorgang unter Verwendung einer evaneszenten Welle. Ähnliche Teile wie jene in der vorhergehenden Ausführungsform oder anderen Anordnungen sind mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht ausführlicher beschrieben. Auch in der optischen Schaltvorrichtung 1 der vorliegenden Anordnung wird dann, wenn die Extraktionsebene 32 eines Schaltteils 30 in eine Position (erste Position) kommt, welche parallel zu einer Totalreflexionsebene 22 (in einer ersten Richtung gegenüberliegend) ist und welche dicht bei der Totalreflexionsebene 22 ist oder welche in engem Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22 ist, wie in 16(a) dargestellt, und wenn es als ein Ergebnis für die Extraktionsebene 32 möglich wird, evaneszentes Licht zu extrahieren, einfallendes Licht 10 von einem Lichtleiter 20 in das Schaltteil 30 extrahiert. Das extrahierte Licht wird dann als Ausgangslicht 11 über ein Mikroprisma 34 in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung nach außen ausgegeben. Wenn sich das Schaltteil 30 vom ersten Punkt wegbewegt und die Extraktionsebene 32 in eine Position (zweite Position) entfernt von der Totalreflexionsebene 22 kommt, wie in 16(b) dargestellt, wird das einfallende Licht 10 durch die Totalreflexionsebene 22 total reflektiert, wodurch kein Licht als evaneszentes Licht vom Lichtleiter 20 extrahiert wird. Daher wird kein Ausgangslicht 11 erhalten.
Die Bewegung des Schaltteils der optischen Schaltvorrichtung wird durch ein elektrostatisches Antriebsmittel eines Antriebsteils 40 gesteuert, wobei das elektrostatische Antriebsmittel eine Elektrode und ein Joch, das durch ein Federelement realisiert ist, umfasst. In der optischen Schaltvorrichtung der vorliegenden Anordnung ist das Schaltteil derart ausgelegt, dass es sich auf eine asymmetrische Weise um die Mitte des Schaltteils bewegt. Zu diesem Zweck sind die Joche 50 und 52 auf der linken beziehungsweise der rechten Seite der Figur derart ausgebildet, dass sie sich hinsichtlich des Materials, der Dicke und/oder der Breite voneinander unterscheiden.
17 veranschaulicht ein Beispiel, bei welchem sich die Joche 50 und 52 in der Breite voneinander unterscheiden. In 17 ist die Struktur des Schaltteils 30 von unten gesehen (von der Seite des Antriebsteils 40) dargestellt. Das Schaltteil 30 mit einer im Wesentlichen rechteckigen und symmetrischen Form wird über die Joche 50 und 52, welche sich radial in vier Richtungen symmetrisch um die geometrische Mitte 14a erstrecken, durch Stützen 44 getragen. In der Annahme, dass sich eine geometrische Mittellinie 14 in einer vertikalen Richtung in der Figur durch die geometrische Mitte 14a der optischen Schaltvorrichtung 1 erstreckt, sind zwei Joche 50, welche in der Region 12a links von der geometrischen Mittellinie 14 angeordnet sind, und zwei Joche 52, welche in der Region 12b rechts von der geometrischen Mittellinie 14 angeordnet sind, hinsichtlich des Materials und der Dicke gleich, aber hinsichtlich der Breite verschieden. Konkret ist die Breite W der Joche 50 kleiner als die Breite W der Joche 52. Als Ergebnis unterscheiden sich die Joche 50 und 52, welche Teile des Antriebsteils 40 sind und welche dazu dienen, das Schaltteil 30 federnd zu tragen, in der elastischen Kraft oder im Federmodul voneinander. Konkret ist die elastische Kraft in der Region 12a auf der linken Seite kleiner als die in der Region 12b auf der rechten Seite. Das heißt, in der vorliegenden Schaltvorrichtung wird das Schaltteil 30 durch die Joche (Tragelemente) 50 und 52 getragen, deren Elastizitätsmodul zwischen der linken und der rechten Region unterschiedlich ist. Andererseits weist das Schaltteil selbst in einer Richtung von links nach rechts eine symmetrische Form auf, wodurch die geometrische Mitte 14a und das Gravitationszentrum 14b miteinander übereinstimmen. Demnach wird das Schaltteil 30 durch Tragelemente mit einem Elastizitätsmodul getragen, welcher in der Richtung von links nach rechts um das Gravitationszentrum asymmetrisch ist. Als Ergebnis werden, wenn elektrische Leistung zwischen den Elektroden 62 und 60 zugeführt wird, die als das elektrostatische Antriebsmittel des Antriebsteils 40 dienen, Kräfte auf das Schaltteil 30 ausgeübt, welche zwischen der linken und der rechten Region verschieden sind. Als Ergebnis wird, wenn sich das Schaltteil 30 als Reaktion auf die Kräfte bewegt, die Lage des Schaltteils 30 nicht parallel zur Totalreflexionsebene 22 gehalten, sondern sie wird gekippt.
18 veranschaulicht verschiedene Schritte, durch welche sich das Schaltteil 30 im vorliegenden Beispiel auf eine gekippte Art und Weise bewegt. In 18(a) ist das in 16(a) dargestellte Schaltteil 30 in der ersten Position dargestellt. In dieser ersten Position ist die Extraktionsebene 32 des Schaltteils 30 mit der Totalreflexionsebene 22 des Lichtleiters 20 in Kontakt, und die Extraktionsebene 32 ist einer ersten Richtung A, das heißt, der Aufwärtsrichtung in der Figur, zugekehrt. Das heißt, in der ersten Position ist die optische Schaltvorrichtung 1 in einem Ein-Zustand, in welchem Ausgangslicht ausgegeben wird. Wenn das Schaltteil 30 in der ersten Position ist, wird den Elektroden 62 und 60 des Antriebsteils 40 keine elektrische Leistung von der Spannungsquelle 61 zugeführt, und das Schaltteil 30 wird durch elastische Kräfte, die durch die Joche 50 und 52 erzeugt werden, derart gegen die Totalreflexionsebene 22 des Lichtleiters 20 gedrängt, dass die Extraktionsebene 32 in einem im Wesentlichen engen Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22 gehalten wird.
Wenn den Elektroden 62 und 60 des Antriebsteils 40 durch Einschalten der Spannungsquelle 61 elektrische Leistung zugeführt wird, dann wird eine elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden 62 und 60 erzeugt, und das Schaltteil 30 wird zur Elektrode 60 auf dem Substrat 70 hingezogen, wie in 18(b) dargestellt. Da in diesem Beispiel die Elektrode 62 des Schaltteils 30 und die Elektrode 60 auf dem Substrat 70 derart ausgebildet sind, dass sie in Fläche, Form und Abstand um die geometrische Mittellinie 14 symmetrisch sind, wird eine elektrostatische Kraft auf das Schaltteil 30 ausgeübt, welche in der Richtung von links nach rechts symmetrisch ist. Allerdings sind elastische Kräfte, welche durch die Joche 50 und 52 gegen die elektrostatische Kraft erzeugt werden, zwischen der linken und der rechten Seite verschieden, da infolge der Differenz der Breite zwischen den Jochen 50 und 52 eine Differenz im Elastizitätsmodul besteht. Infolgedessen wird die resultierende Antriebskraft, die auf das Schaltteil 30 ausgeübt wird, zwischen den Regionen links und rechts von der geometrischen Mittellinie 14 unterschiedlich. Als Ergebnis ist in einer frühen Stufe des Bewegungsprozesses, in dem sich das Schaltteil 30 von der ersten Position zur zweiten Position bewegt, wie in 18(b) dargestellt, die Antriebskraft in der linken Region 12a größer als die in der rechten Region 12b. Als Ergebnis beginnt sich der Teil des Schaltteils 30 in der linken Region 12a früher zu bewegen, und der Teil in der rechten Region 12b beginnt später sich zu bewegen. Infolgedessen kippt die Extraktionsebene 32 in Bezug auf die erste Richtung A in der frühen Stufe des Bewegungsprozesses.
Nachdem die Extraktionsebene 32 zu kippen begonnen hat, trennt sich die Extraktionsebene 32 beginnend vom linken Abschnitt stufenweise von der Totalreflexionsebene 22, und es wird ein Raum 17 zwischen der Extraktionsebene 32 und der Totalreflexionsebene 22 geschaffen, wie in 18(b) dargestellt. Ein Fluid, das um das Schaltteil 30 vorhanden ist, das heißt, Luft 16 in diesem konkreten Beispiel, strömt in den Raum 17. Auf diese Weise beginnt das Schaltteil 30, sich in einer Richtung X entgegengesetzt zur ersten Richtung A zur zweiten Position zu bewegen. Nachdem das Schaltteil 30 sich zu bewegen begonnen hat, erweitert sich der Raum 17 stufenweise nach rechts und wird groß in der Abmessung, und Luft 16 strömt in den sich erweiternden Raum 17. In dem Fall, in dem sich das Schaltteil 30 mit der Extraktionsebene 32, welche kippt, wie zuvor beschrieben, zu bewegen beginnt, weist der Raum, der zwischen der Extraktionsebene 32 und der Totalreflexionsebene 22 auf einer frühen Stufe geschaffen wird, ein sehr kleiner Volumen auf, wodurch das Volumen von Luft, das in den Raum strömt, sehr klein ist. Als Ergebnis ist der Luftwiderstand sehr gering. Wenn jedoch das Schaltteil 30 sich mit der Extraktionsebene 32, welche der ersten Richtung A zugekehrt ist und parallel zur Totalreflexionsebene 22 gehalten wird, zu bewegen beginnt, wird in der frühen Stufe des Bewegungsprozesses ein sehr großer Raum geschaffen, da sich die gesamte Extraktionsebene 32 gleichzeitig von der Totalreflexionsebene 22 trennt, und ein sehr großes Volumen von Luft strömt in den Raum. In diesem Fall entsteht ein sehr großer Luftwiderstand. Um solch ein Problem zu vermeiden, wird im vorliegenden Beispiel die Orientierung der Extraktionsebene 32 in Bezug auf die erste Richtung A in der frühen Stufe des Bewegungsprozesses gekippt, wodurch der Luftwiderstand reduziert wird. Dies ermöglicht eine Reduktion der Antriebskraft, die in der frühen Stufe des Bewegungsprozesses erforderlich ist, und die Zeit, die erforderlich ist, bis sich das Schaltteil 30 zu bewegen beginnt, kann reduziert werden.
Wenn in der optischen Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel, welche eine evaneszente Welle verwendet, ein kleiner Spalt zwischen der Extraktionsebene 32 und der Totalreflexionsebene 22 geschaffen wird und wenn sich die Orientierung der Extraktionsebene 32 ändert, dann sinkt die Menge von extrahiertem evaneszentem Licht dramatisch auf einen sehr niedrigen Pegel, und die Richtung des Ausgangslichtes ändert sich. Daher erfolgt ein rascher Übergang von einem Ein-Zustand, in welchem Ausgangslicht in einer vorbestimmten Richtung ausgeben wird, zu einem Aus-Zustand, in welchem kein Ausgangsicht ausgegeben wird oder das Ausgangslicht in einer anderen Richtung ausgegeben wird. Das heißt, das Kippen der Extraktionsebene 32 in der frühen Stufe des Bewegungsprozesses ermöglicht eine hohe Übergangsgeschwindigkeit vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand.
Das Schaltteil 30 wird in Bezug auf die Vorwärtsrichtung X während der Bewegung gekippt, wie in 18(b) dargestellt. Als Ergebnis bewegt sich das Schaltteil 30 vorwärts, während die untere Fläche des Schaltteils 30, das heißt, die Elektrode 62, gegen das Fluid kippt, das vor der Elektrode 62 in der Bewegungsrichtung X vorhanden ist. Demnach strömt Luft 16 gleichmäßig entlang der in Bezug auf die Bewegungsrichtung gekippten Fläche der Elektrode 62 des Schaltteils 30. Als Ergebnis ist der Luftwiderstand gering. Wenn andererseits das Schaltteil 30 bewegt wird, während die Orientierung der Extraktionsebene 32 in der ersten Richtung A beibehalten und infolgedessen die Elektrode 62 senkrecht zur Bewegungsrichtung X gehalten wird, wird die Luft 16 zwischen den Elektroden 62 und 60 zusammengedrückt, und es entsteht ein großer Luftwiderstand. Wie bereits erwähnt, kann der Luftwiderstand, der während der Bewegung entsteht, durch Kippen der Extraktionsebene 32 des Schaltteils 30 reduziert werden, wodurch die Bewegungsgeschwindigkeit zunimmt.
18(d) veranschaulicht einen zweiten Zustand, in dem das in 16(b) dargestellte das Schaltteil 30 in einer Position in unmittelbarer Nähe zur Elektrode 60 auf dem Substrat in Ruhe gekommen ist. Wenn in der optischen Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel das Schaltteil 30 in dieser zweiten Position ist, ist die Extraktionsebene 32 der Richtung A zugekehrt, wie in der ersten Position. In der Endstufe des Bewegungsprozesses jedoch, unmittelbar bevor das Schaltteil 30 in der zweiten Position anhält, ist die Extraktionsebene 32 in Bezug auf die erste Richtung A noch immer gekippt, wie in 18(c) dargestellt. Der Raum zwischen den Elektroden 62 und 60 nimmt im Volumen beginnend von der Region 12a links von der geometrischen Mittellinie 14 stufenweise ab. Da der Raum 17 im Volumen von links nach rechts stufenweise abnimmt, strömt Luft zwischen den Elektroden 62 und 60 gleichmäßig in die rechte Region 12b und weiter in die Region außerhalb des Raums zwischen den Elektroden 62 und 60. Demnach wird auch in der Endstufe des Bewegungsprozesses der Widerstand, der durch das zwischen den Elektroden 62 und 60 vorhandene Fluid (Luft) 16 erzeugt wird, sehr klein, weshalb das Schaltteil 30 die zweite Position rasch erreichen kann. Außerdem ermöglicht der geringe Luftwiderstand in der Endstufe des Bewegungsprozesses es dem Schaltteil 30, in der Endposition auf eine stabile Art und Weise anzuhalten.
Wenn in der optischen Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel die elektrische Kraft, welche zwischen den Elektroden 62 und 60 erzeugt wird, durch Ausschalten der Spannungsquelle 61 weggenommen wird, veranlasst die elastische Kraft, welche durch die Joche 50 und 52 des Antriebsteils 40 bereitgestellt wird, das Schaltteil 30, sich von der in 18(d) dargestellten zweiten Position in die in 18(a) dargestellte erste Position zu bewegen. In diesem Prozess erzeugen die Joche 52 in der rechten Region 12b eine elastische Kraft, welche größer als die der Joche 50 in der linken Region 12a ist. Als Ergebnis empfängt der rechte Abschnitt des Schaltteils 30 eine größere Antriebskraft, wodurch die Extraktionsebene 32 bei Beginn der Bewegung in Bezug auf die erste Richtung A in der Figur nach links gekippt wird. Dann bewegt sich das Schaltteil 30 von der zweiten Position in die erste Position, indem es die in 18(a) bis 18(d) dargestellten Schritte in umgekehrter Reihenfolge durchläuft. Daher kann auch in dem Prozess, in dem sich das Schaltteil 30 von der zweiten Position in die erste Position bewegt, der um das Schaltteil 30 vorhandene Luftwiderstand reduziert werden, wodurch die Bewegungsgeschwindigkeit verbessert werden kann. Wenn sich in der optischen Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel, wie zuvor beschrieben, das Schaltteil 30 beim Ein-Aus-Schaltvorgang (Modulationsvorgang) in einer Richtung bewegt, kippt das Schaltteil 30 zuerst in Bezug auf die erste Richtung A und beginnt sich trennen. Dann bewegt sich das Schaltteil 30 bei Aufrechterhalten der gekippten Lage. Bevor es in der Endposition ruht, ändert sich die Orientierung des Schaltteils 30 zur ersten Richtung A. Demnach empfängt das Schaltteil 30 in jedem Schritt während des Bewegungsprozesses einen kleinen Widerstand gegen die Luft 16 und kann sich mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen. Als Ergebnis ist es möglich, eine optische Schaltvorrichtung oder eine räumliche optische Modulationsvorrichtung bereitzustellen, welche imstande ist, mit hoher Geschwindigkeit anzusprechen.
19 veranschaulicht die Bewegungszeit der vorliegenden optischen Schaltvorrichtung 1, wobei zu Vergleichszwecken auch die Bewegungszeit einer optischen Schaltvorrichtung dargestellt ist, in welcher das Schaltteil 30 während des Bewegungsprozesses nicht gekippt wird. 19(a) stellt den Abstand d zwischen den Elektroden 60 und 62 als eine Funktion der Schaltzeit (verstrichenen Zeit) in dem Prozess dar, in dem sich das Schaltteil 30 von der ersten Position in die zweite Position bewegt, das heißt, in dem Prozess, in dem der Ein-Zustand in den Aus-Zustand umgeschaltet wird. In dem Fall, in dem die Extraktionsebene 32 des Schaltteils 30 während des gesamten Bewegungsprozesses stets der ersten Richtung A zugekehrt ist und die Elektrode 62 während des gesamten Bewegungsprozesses parallel zur Elektrode 60 gehalten wird, empfängt das Schaltteil 30 die elektrostatische Kraft Fs, welche durch die zuvor beschriebene Gleichung (2) festgelegt wird, die elastische Kraft Fg der Joche 50 und 52, welche durch die zuvor beschriebene Gleichung (1) festgelegt wird, und die Luftwiderstandskraft Fa, welche in diesem Fall vorherrschend ist, wodurch sich das Schaltteil 30 entlang einer Kurve 91 bewegt, welche durch eine Linie mit abwechselnden langen und kurzen Strichen dargestellt ist.
Dagegen wird in der optischen Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel die Luftwiderstandskraft Fa reduziert, wie bereits erwähnt, und es wird eine elektrostatische Kraft Fs auf das Schaltteil 30 ausgeübt. Als Ergebnis verkürzt sich die verstrichene Zeit T um ΔT1 (= t2 – t1), wie durch eine durchgehende Linie 90a dargestellt, und es wird eine Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit oder der Ansprechgeschwindigkeit des Schaltteils 30 erreicht.
19(b) veranschaulicht den Bewegungsprozess, in dem das Schaltteil 30 von der zweiten Position in die erste Position bewegt wird, das heißt, der Aus-Zustand in den Ein-Zustand umgeschaltet wird. Wenn sich das Schaltteil 30 von der zweiten Position in die erste Position bewegt, wird keine elektrostatische Kraft Fs ausgeübt, aber die durch die Joche 50 und 52 bereitgestellte elastische Kraft Fg und die Luftwiderstandskraft Fa werden auf das Schaltteil 30 ausgeübt, wie zuvor beschrieben. In dem Fall, in dem das Schaltteil 30 bei Aufrechthalten seiner Orientierung in der ersten Richtung A bewegt wird, wird eine große Luftwiderstandskraft Fa auf das Schaltteil 30 ausgeübt, und das Schaltteil 30 bewegt sich entlang einer Linie 91b mit abwechselnden langen und kurzen Strichen. Dagegen wird in der optischen Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel, da der Luftwiderstandskraft Fa reduziert wird, die Bewegungszeit um ΔT2 (= t5 – t4) verkürzt, wie durch eine durchgehende Linie 90b dargestellt. Demnach weist die optische Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel sowohl für den Ein-Aus-Übergang als auch den Aus-Ein-Übergang eine bessere Bewegungsgeschwindigkeit auf, weshalb sie eine bessere Gesamtansprechgeschwindigkeit aufweist.
Wie bereits erwähnt, kann die Ansprechgeschwindigkeit durch Kippen der Extraktionsebene 32 erhöht werden, wodurch der Luftwiderstand reduziert wird, wenn das Schaltteil 30 von der ersten Position in die zweite Position oder in der umgekehrten Richtung bewegt wird. Das Kippen des Schaltteils 30 während des Bewegungsprozesses kann durch asymmetrisches Ausüben einer Antriebskraft um das Gravitationszentrum des Schaltteils 30 auf das Schaltteil 30 bewerkstelligt werden. Zu diesem Zweck sind im vorliegenden Beispiel die Joche 50 und 52 in den Regionen links beziehungsweise recht von der geometrischen Mittellinie 14, welche durch das Gravitationszentrum 14b verläuft, derart ausgebildet, dass sie in der Breite verschieden sind, so dass sie verschiedene Federmodule aufweisen, wodurch eine Asymmetrie der elastischen Kraft, welche durch das linke und das rechte Joch 50 und 52 auf das Schaltteil 30 ausgeübt wird, erreicht wird. Die Faktoren, welche eingesetzt werden können, um den Federmodul der Joche zu ändern, sind jedoch nicht auf die Breite der Joche beschränkt. Zum Beispiel ist es möglich, den Federmodul durch Ändern der Dicke U der Joche 50 und 52 einzustellen, wie in 20 dargestellt. In dem in 20 dargestellten Beispiel weist das Joch 50 in der Region 12a links von der geometrischen Mittellinie 14 eine Dicke U auf, die kleiner als die des Jochs 52 in der Region 12b rechts von der geometrischen Mittellinie 14 ist, so dass das Joch 50 einen kleineren Federmodul als das Joch 52 aufweist, wie im vorigen Beispiel. Somit funktioniert auch in der in 20 dargestellten optischen Schaltvorrichtung 1 das Schaltteil 30 auf eine ähnliche Weise wie das vorige Beispiel, weshalb die Ansprechgeschwindigkeit verbessert wird.
Statt den Federmodul der Joche 50 und 52 durch Ändern der Breite W oder der Dicke U der Joche 50 und 52 und dadurch den Querschnitt der Joche zu ändern, kann der Federmodul auch durch Ändern der Materialqualität der Joche 50 und 52 geändert werden, wie in 21 dargestellt. In der in 21 dargestellten optischen Schaltvorrichtung 1 sind das Joch 50 in der linken Region 12a und das Joch 52 in der rechten Region 12b aus Materialien mit verschiedenen Federmodulen gebildet. Konkret kann, wenn ein bordotierter Siliciumfilm als das Material verwendet wird, die Borkonzentration geändert werden, oder es kann ein anderes Fremdatom dotiert werden, um den Federmodul zu ändern. Statt des Siliciumfilms kann auch ein anderer Dünnfilm, wie beispielsweise ein organischer Harzdünnfilm, als das Jochmaterial eingesetzt werden, um einen anderen Federmodul zu erreichen.
Eine andere Technik zum Ändern des Federmoduls des linken und des rechten Jochs 50 und 52 ist, wie in 22 dargestellt, an eines der Joche 50 und 52 einen zusätzlichen Dünnfilm desselben oder eines anderen Materials wie das oder zu dem Material des Jochs anzustecken. In der in 22 dargestellten optischen Schaltvorrichtung 1 ist das Joch 52 in der rechten Region 12b aus zwei Schichten 52a und 52b gebildet, deren Material sich voneinander unterscheidet, wohingegen das Joch 50 in der anderen Region 12a aus einem einzigen Material gebildet ist. Durch diese Technik ist es möglich, den Federmodul der Joche 50 und 52, die auf der linken beziehungsweise rechten Seite angeordnet sind, derart einzustellen, dass das Schaltteil 30 auf eine gekippte Art und Weise bewegt werden kann.
In dem zuvor beschriebenen Beispiel wird der Federmodul der Joche 50 und 52 geändert, um eine Asymmetrie der elastischen Kraft, welche auf das Schaltteil 30 ausgeübt wird, zu erhalten.
Alternativerweise können die Joche 50 und 52 auf der linken und der rechten Seite an verschiedenen Stellen angeordnet werden, so dass der Federmodul um das Gravitationszentrum 14b des Schaltteils 30 asymmetrisch wird.
23 entspricht 17 und stellt die optische Schaltvorrichtung 1 dar, in welcher ein Joch 50 in der Region 12a links von der geometrischen Mittellinie 14 angeordnet ist und zwei Joche 52 in der rechten Region 12b angeordnet sind. Da bei dieser Technik die Joche 50 und 52 derart angeordnet sind, dass in der rechten Region 12b eine größere Anzahl von Jochen als in der linken Region 12a angeordnet ist, wird die elastische Kraft in der rechten Region 12b größer als in der linken Region 12a. Die Verteilung der elastischen Kraft asymmetrisch in der Richtung von links nach rechts ermöglicht es, dass das Schaltteil 30 während des Bewegungsprozesses in Bezug auf die erste Orientierung (Richtung) gekippt wird, wodurch ein geringer Luftwiderstand erhalten wird, wie in den vorhergehenden Beispielen.
24 veranschaulicht ein Beispiel, in dem Joche 52 nur in der Region 12b rechts von der geometrischen Mittellinie 14 angeordnet sind und kein Joch in der linken Region 12a angeordnet ist, so dass das Schaltteil 30 durch die Joche 52, die in der rechten Region 12b angeordnet sind, getragen wird. Da in dieser optischen Schaltvorrichtung 1 das Schaltteil 30 nur in der rechten Region 12b federnd getragen wird, wird eine Antriebskraft asymmetrisch um die geometrische Mittellinie 14 auf das Schaltteil 30 ausgeübt. Daher wird, wie in den vorhergehenden Beispielen, das Schaltteil 30 in den frühen und Endstufen des Bewegungsprozesses gekippt, wodurch der Luftwiderstand während des Bewegungsprozesses gering wird. Somit ist es möglich, eine optische Schaltvorrichtung 1 mit einer hohen Ansprechgeschwindigkeit bereitzustellen.
In 24 sind Joche nur in der Region 12b auf einer Seite der geometrischen Mittellinie angeordnet. Hierbei ist die Anzahl von Jochen 50 oder 52 nicht auf den in diesem konkreten Beispiel eingesetzten Wert beschränkt, und die Form und das Material davon sind nicht auf jene beschränkt, die in dem zuvor beschriebenen Beispiel eingesetzt werden. Zum Beispiel kann das Schaltteil 30 durch ein Joch getragen werden. 25 du 26 stellen ein Beispiel dar, in welchem das Schalteil 30 durch ein Joch getragen wird. In diesem Beispiel wird das Schaltteil 30 durch ein einziges Joch 50 getragen, das in einer Region 12a gegenüber der in 24 eingesetzten Region angeordnet ist. Auch in diesem Beispiel wird die Antriebskraft um die geometrische Mittellinie 14 asymmetrisch, wodurch das Schaltteil 30 während des Bewegungsprozesses gekippt wird.
In jedem zuvor beschriebenen Beispiel werden die Elektroden 62 und 60 parallel zueinander und ist die Extraktionsebene 32 im Wesentlichen derselben Richtung wie die erste Richtung A zugekehrt, wie in 16(b) oder 18(d) dargestellt, wenn das Schaltteil 30 in der zweiten Position ist, welche die dichtest mögliche Grenze zur Elektrode 60 ist. Alternativerweise kann die Extraktionsebene 32 einen Winkel in Bezug auf die erste Richtung A aufweisen, wenn das Schaltteil 30 in der zweiten Position ist.
27 stellt ein Beispiel dar, in welchem das Schaltteil 30 in der Endstufe des Bewegungsprozesses gekippt wird und im gekippten Zustand bleibt, nachdem das Schaltteil 30 in einer Position in Ruhe kommt, in der die elektrostatische Kraft Fs, welche durch die Elektroden 62 und 60 bereitgestellt wird, mit der elastischen Kraft Fg des Jochs 52 ausgeglichen ist. Das heißt, die Joche 50 und 52 der optischen Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel sind derart ausgebildet, dass der Federmodul des Jochs 50 in der linken Region 12a kleiner als der Federmodul 52 in der rechten Region 12b ist, so dass, wenn die elektrostatische Kraft Fs angelegt wird, der Abschnitt des Schaltteils 30 in der linken Region 12a durch den Anschlag 65 derart angehalten wird, dass die Elektrode 62 in unmittelbare Nachbarschaft zur Elektrode 60 kommt, wohingegen ein Kraftausgleich für den Abschnitt des Schaltteils 30 in der rechten Region 12b erreicht wird, bevor die Elektrode 62 in unmittelbare Nachbarschaft zur Elektrode 60 kommt. Als Ergebnis kommt das Schaltteil 30 in einer gekippten Position in Ruhe.
Wenn das Schaltteil 30 in solch einer gekippten Position in Ruhe ist, wird die Zeit unnötig, welche erforderlich ist, um das Schaltteil 30 in der Endstufe des Bewegungsprozesses von der gekippten Position in eine Position zu bewegen, in welcher die Elektrode 62 parallel zur Elektrode 60 wird.
Außerdem besteht in der frühen Stufe des Bewegungsprozesses keine Notwendigkeit für die Zeit, um die Elektrode 62 von der Elektrode 60 in die gekippte Position zu trennen. In der zweiten Position muss die Extraktionsebene 32 nicht parallel zur Totalreflexionsebene 22 sein. Die gekippte Lage in der zweiten Position verursacht kein Problem in Verbindung mit der Leistung der optischen Schaltvorrichtung (räumlichen optischen Modulationsvorrichtung). Da das Schaltteil 30 in der gekippten Position ist, wenn es sich zu bewegen beginnt, kann sich das Schaltteil 30 rasch bewegen, ohne auf einen großen Luftwiderstand zu stoßen. Wie bereits erwähnt, kann durch Anordnen des Schaltteils 30 auf die gekippte Art und Weise in der zweiten Position der Luftwiderstand während des Bewegungsprozesses reduziert werden, und die Zeit, die erforderlich ist, um die Orientierung des Schaltteils 30 bewegen, kann gestrichen werden. Als Ergebnis kann die Ansprechzeit verkürzt werden. Somit ist es möglich, eine optische Schaltvorrichtung bereitzustellen, welche imstande ist, mit einer sehr hoher Geschwindigkeit zu funktionieren.
28 veranschaulicht ein anderes Beispiel für eine optische Schaltvorrichtung 1, in welcher das Schaltteil 30 derart ausgelegt ist, dass es in der zweiten Position in einem gekippten Zustand in Ruhe kommt. Zu diesem Zweck weist das Schaltteil 30 in diesem Beispiel einen linken und einen rechten Anschlag 65a und 65b zum Tragen des Schaltteils 30 in der zweiten Position auf, wobei die Anschläge 65a und 65b derart ausgebildet sind, dass sie sich in der Höhe unterscheiden, so dass der Hub des Schaltteils 30 in einer Richtung von links nach rechts um die geometrische Mittellinie 14 des Schaltteils 30 asymmetrisch wird. Wenn solche Anschläge 65a und 65b mit unterschiedlicher Höhe angeordnet werden, kommt der rechte Abschnitt der Elektrode 62 des Schaltteils 30 in Kontakt mit dem Anschlag 65b, bevor der linke Abschnitt in Kontakt mit dem Anschlag 65a kommt. Als Ergebnis wird das Schaltteil 30 gekippt. Dies gewährleistet, dass das Schaltteil 30 in der zweiten Position stets gekippt ist, selbst wenn die Joche 50 und 52 oder die Elektroden 62 und 60 in der Richtung von links nach rechts symmetrisch sind, wodurch der Luftwiderstand gering wird, wenn das Schaltteil 30 beginnt, sich aus diesem Zustand zu bewegen oder, wenn das Schaltteil in der Endstufe des Bewegungsprozesses in diesen Zustand in Ruhe kommt. Als Ergebnis wird die Bewegungszeit des Schaltteils 30 reduziert. Somit ist es möglich, eine optische Schaltvorrichtung bereitzustellen, welche imstande ist, mit einer hohen Geschwindigkeit anzusprechen. Wie in den vorhergehenden Beispielen dienen die Anschläge 65a und 65b dazu, zu verhindern, dass die Elektrode 62 des Schaltteils direkt mit der Elektrode auf dem Substrat in Kontakt kommt, wodurch verhindert wird, dass diese Elektroden kurzgeschlossen werden, und auch verhindert wird, dass es unmöglich wird, diese Elektroden wegen der Haftung infolge einer elektrischen Ladung voneinander zu trennen.
29 veranschaulicht eine optische Schaltvorrichtung 1, in welcher ein Anschlag 65c nur auf einer Seite der Elektrode 60 auf dem Substrat angeordnet ist. Statt des Bildens der Anschläge 65, um eine asymmetrische Höhe zwischen der linken und der rechten Seite um das Gravitationszentrum (geometrische Mittellinie) des Schaltteils zu haben, können die Stellen der Anschläge 65 in der Richtung von links nach rechts um die geometrische Mittellinie 14 asymmetrisch sein, so dass das Schaltteil 30 in der zweiten Position in einem gekippten Zustand in Ruhe kommen kann. In dem Fall, in dem die Anschläge 65 derart ausgebildet sind, dass sie asymmetrisch sind, besteht eine Möglichkeit, dass die Elektrode 62 und die Elektrode 60 miteinander in Kontakt kommen. Infolgedessen ist im vorliegenden Beispiel die Außenfläche der Elektrode 62 mit einer Isolierschicht 69 beschichtet, um zu verhindern, dass die Elektrode 62 und die Elektrode 60 miteinander in direkten Kontakt kommen.
In den zuvor beschriebenen Beispielen wird, um eine Antriebskraft asymmetrisch um das Gravitationszentrum des Schaltteils 30 auszuüben, wodurch das Schaltteil 30 auf eine gekippte Art und Weise bewegt wird, der Federmodul oder die Stelle der Joche 50 oder 52 derart eingestellt, dass eine asymmetrische Verteilung der elektrischen Kraft erhalten wird. Alternativerweise kann das Gravitationszentrum 14b des Schaltteils 30 an eine Stelle verschoben werden, welche bewirkt, dass die Antriebskraft um das Gravitationszentrum 14b asymmetrisch wird.
30 veranschaulicht eine optische Schaltvorrichtung 1, in welcher dem Teil der Schaltteils 30 links von der geometrischen Mittellinie 14 ein Gewicht (Ausgleich) hinzugefügt wird, so dass das Gravitationszentrum 14b zu einem Punkt in der linken Region 12a verschoben wird. Da in der vorliegenden optischen Schaltvorrichtung 1 das Gravitationszentrum 14b an einem Punkt ist, der von der geometrischen Mittellinie 14, welche durch die geometrische Mitte 14a verläuft, nach links verschoben ist, ist die Masse zwischen der linken und der rechten Region 12a und 12b unterschiedlich. Wenn das Schaltteil 30 derart ausgelegt ist, dass es sich in einer vertikalen Richtung bewegt, führt die Differenz in der Masse zwischen der linken und der rechten Region 12a und 12b zu einer Differenz in der Erdbeschleunigung, das heißt, zu einer Differenz im Gewicht. Auch wenn keine Differenz in der elastischen Kraft Fe und der elektrostatischen Kraft Fs zwischen der linken und der rechten Region 12a und 12b vorliegt, bewirkt daher ein größeres Gewicht in der linken Region 12a, dass das Schalteil 30 während des Bewegungsprozesses gekippt wird, wie in der vorigen Ausführungsform. In dem Fall, in dem die optische Schaltvorrichtung 1 derart angeordnet wird, dass sich das Schaltteil 30 in einer horizontalen Richtung bewegt, entsteht wegen der Differenz in der Masse, auf welche die elastische Kraft Fe und die elektrostatische Kraft Fs ausgeübt werden, eine Differenz in der Beschleunigung während des Bewegungsprozesses. Als Ergebnis bewegt sich das Schaltteil 30 auch in diesem Fall auf eine gekippte Art und Weise.
Demnach ist auch in der optischen Schaltvorrichtung 1 in diesem Beispiel das Schaltteil 30 während der frühen Stufe, der Hauptstufe und der Endstufe des Bewegungsprozesses gekippt, wodurch der Widerstand des Fluids (in den meisten Fällen Luft, kann aber auch ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff, sein), das um das Schaltteil 30 vorhanden ist, gering wird. Daher ist es möglich, eine optische Schaltvorrichtung bereitzustellen, welche imstande ist, mit einer hohen Geschwindigkeit anzusprechen, wie in der beschriebenen Ausführungsform oder einer anderen Anordnung.
Es ist auch möglich, die Verteilung der Antriebskraft, welche auf das Schaltteil 30 ausgeübt wird, durch Einstellen der Verteilung der elektrostatischen Kraft Fs asymmetrisch um das Gravitationszentrum 14b zu machen, wodurch gewährleistet wird, dass das Schaltteil 30 gekippt wird, wenn es sich bewegt. Wie bereits erwähnt, variiert die elektrostatische Kraft Fs proportional zur Spannung V und der Fläche der Elektroden und indirekt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Elektroden. Daher ist es möglich, eine asymmetrische elektrostatische Kraft zu erhalten, indem irgendeiner dieser Faktoren asymmetrisch um das Gravitationszentrum 14b gemacht wird.
31 entspricht der zuvor beschriebenen 17. In 31 ist eine Elektrode 62, welche ein Form aufweist, die in der Richtung von links nach rechts um die geometrische Mittellinie 14 asymmetrisch ist, auf der unteren Fläche 37 des Schaltteils 30 angeordnet, so dass die elektrostatische Kraft Fs um das Gravitationszentrum 14b asymmetrisch wird. Konkret ist die Elektrode 62 in diesem Beispiel im Allgemeinen trapezförmig mit einer größeren Fläche in der linken Region 12a und einer kleineren Fläche in der rechten Region 12b. Als Ergebnis wird die in der linken Region 12a erzeugte elektrostatische Kraft größer als die in der rechten Region 12b erzeugte. Wenn daher das Schaltteil 30 unter Verwendung der elektrostatischen Kraft von der ersten Position in die zweite Position bewegt wird, beginnt der Abschnitt des Schaltteils 30, welcher einen größeren Wert der elektrostatischen Kraft empfängt, zuerst sich zu bewegen, wodurch sich das Schaltteil 30 auf eine gekippte Art und Weise bewegt, wie in den vorhergehenden, nicht mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Anordnungen. Andererseits wird in der Bewegung von der zweiten Position in die erste Position keine elektrostatische Kraft auf das Schaltteil 30 der optischen Schaltvorrichtung 1 in der vorliegenden Anordnung ausgeübt. Wenn daher elastische Kräfte, welche durch die Joche 50 und 52 erzeugt werden, für die linke und die rechte Region gleich sind, dann bewegt sich das Schaltteil 30, während es seine Lage im Wesentlichen parallel hält.
Wenn sich die Form der Elektrode 62 des Schaltteils von der Form der unteren Fläche 37 des Schaltteils 30 unterscheidet, wird es schwierig, die Elektrode 62 mit den Jochen 50 und 52, über welche der Elektrode 62 elektrische Leistung zugeführt wird, elektrisch zu verbinden. In der vorliegenden Anordnung ist, um das zuvor erwähnte Problem zu vermeiden, eine Verbindungselektrode 62t entlang einer Kante der unteren Fläche 37 des Schaltteils 30 ausgebildet, und die Elektrode 62 ist über die Verbindungselektrode 62t mit dem Joch 52 verbunden.
32 veranschaulicht ein anderes Beispiel mit einer Elektrode 62, deren Fläche zwischen den Regionen 12a und 12b links und rechts von der geometrischen Mittellinie 14 unterschiedlich ist. In dieser optischen Schaltvorrichtung 1 ist die Elektrode 62 des Schaltteils T-förmig. Eine im Allgemeinen rechteckig geformte Elektrode 62a, deren Abmessung etwas größer als die untere Fläche 37 ist, ist auf der unteren Fläche 37 in der linken Region 12a angeordnet, und eine quadratische Elektrode 62b, welche sich von der Elektrode 62a kontinuierlich erstreckt und eine Fläche von ungefähr der Hälfte der Elektrode 62a aufweist, ist in der Mitte der rechten Fläche der unteren Fläche 37 in der rechten Region 12b angeordnet. Im vorliegenden Beispiel und auch in einem anderen Beispiel, in welchem die Elektrode 62 derart ausgebildet ist, dass sie asymmetrisch in der Form und in der Fläche um die geometrisch Mittellinie 14 des Schaltteils 30 ist, so dass die elektrostatische Kraft, welche durch die Elektrode 62 erzeugt wird, zwischen der linken Fläche 12a und der rechten Fläche 12b unterschiedlich wird, kann das Schaltteil 30 auf eine gekippte Art und Weise bewegt werden, wie zuvor beschrieben. Dies macht es möglich, eine optische Schaltvorrichtung bereitzustellen, die einen geringen Luftwiderstand aufweist und imstande ist, mit einer hohen Geschwindigkeit anzusprechen. Anstelle der Elektrode 62 des Schaltteils kann die Elektrode 60 auf dem Substrat eine asymmetrische Form aufweisen oder beide Elektroden 62 und 60 können eine asymmetrische Form aufweisen, um eine asymmetrische Verteilung der elektrostatischen Kraft zu erreichen.
33 veranschaulicht ein Beispiel, in welchem, statt die Elektrode 62 oder 60 in einer asymmetrischen Form auszubilden, die Elektroden 62 und die Elektroden 60 derart ausgebildet sind, dass der Abstand d zwischen der Elektrode 62 und der Elektrode 60 um die geometrische Mittellinie 14 asymmetrisch wird. In diesem konkreten Beispiel der optischen Schaltvorrichtung 1 weist die Elektrode 62b in der rechten Region 12b eine größere Dicke als die Elektrode 62a in der linken Region 12a auf. Als Ergebnis ist, wenn das Schaltteil 30 im Ein-Zustand in der ersten Position ist, der Abstand d zwischen der Elektrode 60 und der Elektrode 62b in der rechten Region 12b kleiner als der Abstand d in der linken Region 12a. Wenn daher elektrische Leistung zwischen der Elektrode 62 und der Elektrode 60 zugeführt wird, wird die elektrostatische Kraft in der rechten Region 12b größer als die in der linken Region 12a. Demnach erfolgt im vorliegenden Beispiel der optischen Schaltvorrichtung, wenn sich das Schaltteil 30 von der ersten Position in die zweite Position bewegt, die Trennung im Gegensatz zu den vorherigen Beispielen zuerst in der rechten Region 12b, und das Schaltteil 30 bewegt sich auf eine gekippte Art und Weise.
Wenn andererseits das Schaltteil 30 die zweite Position in der Endstufe der Bewegung erreicht, stößt zuerst die Elektrode 62b mit der größeren Dicke in der rechten Region mit der Elektrode 60 zusammen, und dann stößt die Elektrode 62a in der linken Region mit der Elektrode 60 zusammen. Infolgedessen kommt das Schaltteil 30 in einem Zustand in Ruhe, in welchem das Schaltteil 30 in eine Richtung gekippt ist, die sich von der in der frühen Stufe der Bewegung unterscheidet. Wenn sich das Schaltteil 30 von dieser zweiten Position in die erste Position bewegt, wird die elektrostatische Kraft ausgeschaltet, wodurch sich das Schaltteil 30 mittels der elastischen Kraft, welche durch die Joche 50 und 52 bereitgestellt wird, in die erste Position bewegt, in die erste Position bewegt. Da in diesem Bewegungsprozess das Schaltteil 30 in der zweiten Position im gekippten Zustand ist, wird die gekippte Orientierung während der frühen Stufe und des folgenden Bewegungsprozesses beibehalten. Wenn das Schaltteil 30 die erste Position erreicht, stößt die Extraktionsebene 32 des Schaltteils 30 mit der Totalreflexionsebene 22 des Lichtleiters 20 zusammen. Als Ergebnis wechselt die Orientierung des Schaltteils 30 von der gekippten Richtung in eine Richtung, in welcher das Schaltteil 30 in engen Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22 kommt. Demnach kommt das Schaltteil 30 in den Ein-Zustand.
In diesem Beispiel der optischen Schaltvorrichtung 1, wie zuvor beschrieben, ist das Schaltteil 30 in der frühen Stufe, der Hauptstufe und der Endstufe der Bewegung gekippt und kommt im gekippten Zustand in der zweiten Position in Ruhe. Als Ergebnis können eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit und eine kurze Ein-Aus-Schaltzeit erreicht werden. Somit ist es möglich, eine optische Schaltvorrichtung bereitzustellen, welche imstande ist, mit einer hohen Geschwindigkeit anzusprechen.
Wie bereits erwähnt, ist in diesem Beispiel die Elektrode 62 derart ausgebildet, dass sie eine Dicke aufweist, die zwischen der linken und der rechten Region unterschiedlich ist, und das Schaltteil 30 hält an, wenn die Elektrode 62 mit der Elektrode 60 zusammenstößt. Dies kann das Problem eines Kurzschlusses oder dergleichen infolge eines direkten Kontakts zwischen der Elektrode 62 und der Elektrode 60 verursachen. Um das eben erwähnte Problem zu vermeiden, wird die Elektrode 62 mit einem Isoliermaterial 69 beschichtet, um zu verhindern, dass die Elektroden 62 und 60 in direkten Kontakt kommen.
34 veranschaulicht ein Beispiel, in welchem anstelle der Elektrode 62 des Schaltteils die Elektrode 60 auf dem Substrat derart ausgebildet ist, das sie eine asymmetrische Dicke aufweist. Konkret weist in diesem Beispiel der optischen Schaltvorrichtung 1 die Elektrode 60b in der Region 12b rechts von der geometrischen Mittellinie 14 eine größere Dicke als die Elektrode 60a in der linken Region 12a auf. Wie in dem zuvor unter Bezugnahme auf 16 beschriebenen Beispiel ist daher, wenn das Schaltteil 30 in der ersten Position ist, der Abstand d zwischen der Elektrode 60 und der Elektrode 62 in der rechten Region 12b kleiner als in der linken Region 12a, wodurch in der rechten Region 12b eine größere elektrostatische Kraft erzeugt wird als in der linken Region 12a. Als Ergebnis kippt das Schaltteil 30 und beginnt, sich bei Aufrechterhaltung des gekippten Zustands zu bewegen, wie im vorigen Beispiel.
Wenn das Schaltteil 30 in der zweiten Position anhält, stößt das Schaltteil 30 mit der Elektrode 60 zusammen, deren Höhe zwischen der linken und der rechten Region unterschiedlich ist, und kippt wegen der Höhendifferenz der Elektrode 60. Demnach kommt das Schaltteil 30 im gekippten Zustand in Ruhe. Wenn sich das Schaltteil 30 von der zweiten Position in die erste Position bewegt, bewegt sich das Schaltteil 30 daher auch in diesem Beispiel bei Aufrechterhalten des gekippten Zustands. Somit wird in beiden Richtungen ein geringer Luftwiderstand erreicht, weshalb eine Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit erreicht wird.
In der vorhergehenden Anordnung wird eine asymmetrische elektrostatische Verteilung durch Ausbilden der Elektrode 62 oder 60 derart, dass die Form davon oder der Abstand dazwischen asymmetrisch wird. Eine asymmetrische Antriebskraft um das Gravitationszentrum des Schaltteils 30 kann auf das Schaltteil auch durch Steuern der Zeitgabe des Anlegens einer elektrostatischen Kraft ausgeübt werden.
35 veranschaulicht eine optische Schaltvorrichtung 1, in welcher die Elektrode 62 des Schaltteils in zwei Teile 62a und 62b geteilt ist, so dass eine elektrostatische Kraft zu Zeitpunkten, die zwischen den Regionen 12a und 12b links und rechts von der geometrischen Mittellinie 14 verschieden sind, angelegt werden kann. In diesem Beispiel ist die Elektrode 62 entlang der geometrischen Mittellinie 14 in zwei Elektroden 62a und 62b geteilt, welche um die geometrische Mittellinie 14 symmetrisch zueinander sind. Durch Anlegen elektrischer Leistung an die Elektroden 62a und 62b zu verschiedenen Zeitpunkten kann eine Antriebskraft mit eine asymmetrischen Verteilung um die geometrische Mittellinie 14 auf das Schaltteil 30 ausgeübt werden.
36 und 37 stellen die Funktionsweise des vorliegenden Beispiels der optischen Schaltvorrichtung 1 schematisch dar. 38 ist ein Zeitdiagramm, welches den Vorgang (Steuerung) der Zufuhr elektrischer Leistung von Spannungsquellen 61a und 61b zu den jeweiligen Elektroden 62a und 62b darstellt. Wenn den linken und den rechten Elektroden 62a und 62b keine elektrische Leistung von den Spannungsquellen 61a und 61b zugeführt wird, wird das Schaltteil 30 durch die Joche 50 und 52 des Antriebsteils 40 derart gedrängt, dass die Extraktionsebene 32 in einem Ein-Zustand (in der ersten Position) ist, in welchem die Extraktionsebene 32 in engem Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22 ist, wie in 36(a) dargestellt.
Wenn die Spannungsquelle 61a zum Zeitpunkt t31 eingeschaltet wird und dadurch der Elektrode 62a in der linken Region 12a elektrische Leistung zuführt, wird in der linken Region 12a eine elektrostatische Kraft erzeugt. Wenn die elektrostatische Kraft zum Zeitpunkt t32 eine bestimmte Größe erreicht, beginnt das Schaltteil 30, sich auf eine gekippte Art und Weise zu bewegen, wie in 36(b) dargestellt. Als Ergebnis des Kippens der Extraktionsebene 32 in Bezug auf die Totalreflexionsebene 22 wird ein Spalt (Raum) 17 geschaffen, wodurch das Schaltteil 30 in einen Aus-Zustand kommt. Da der Spalt 17 im Volumen stufenweise zunimmt, strömt Luft 16 gleichmäßig in den Raum 17, wodurch sich das Schaltteil 30 rasch bewegt, ohne auf einen großen Luftwiderstand zu stoßen.
Wenn die Spannungsquelle 61b eingeschaltet wird, um der Elektrode 62b in der rechten Region 12b zum Zeitpunkt t33, nachdem die Zeit T10 seit dem Zeitpunkt t31 verstrichen ist, elektrische Leistung zuzuführen, wird auch in der rechten Region 12b eine elektrostatische Kraft auf das Schaltteil 30 ausgeübt. Als Ergebnis empfängt das Schaltteil 30, das in einem bestimmten Winkel gekippt ist, eine weitere Trennkraft in der rechten Region und bewegt sich bei Aufrechterhaltung des Winkels zur zweiten Position, wie in 37(a) dargestellt. Da der Kippwinkel des Schaltteils 30 in Bezug auf die Bewegungsrichtung während der Bewegung beibehalten wird, wird der Luftwiderstand gering, wodurch sich das Schaltteil 30 mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen kann. Dies ermöglicht es dem Schaltteil 30, bei geringer elektrostatischer Kraft mit einer erforderlichen Geschwindigkeit anzusprechen. Das heißt, die optische Schaltvorrichtung 1 kann mit einem geringeren elektrischen Leistungsverbrauch angetrieben werden.
Wenn das Schaltteil 30 die Elektrode 60 der zweiten Anschlagsposition annähert, wie in 37(b) dargestellt, kommt das Schaltteil 30 vom gekippten Zustand in der Endstufe der Bewegung von 37(a) bis 37(b) in einen im Wesentlichen parallelen Zustand. Somit wird während dieser Endstufe der Bewegung Luft zwischen der Elektrode 60 und der Elektrode 62 davon gleichmäßig nach außen übertragen. Daher ist auch in diesem Beispiel der optischen Schaltvorrichtung 1, wie zuvor beschrieben, das Schaltteil 30 in der frühen, der Zwischen- und der Endstufe der Bewegung im gekippten Zustand, wodurch die Ansprechgeschwindigkeit weiter verbessert werden kann und die Antriebsleistung der optischen Schaltvorrichtung reduziert werden kann.
Wenn in dem Bewegungsprozess des Schaltteils 30 von der zweiten Position in die erste Position die elektrische Leistung zur Elektrode 62b in der rechten Region 12b zum Zeitpunkt t34 ausgeschaltet wird, wird die elektrostatische Kraft in den rechten Regionen 12b weggenommen, und das Schaltteil 30 wird durch die elastische Kraft, welche durch das Joch 52 bereitgestellt wird, gekippt und das Schaltteil 30 beginnt sich zu bewegen. Wenn die elektrische Leistung zur Elektrode 62a in der linken Region 12a zum Zeitpunkt t35, nachdem eine Zeit T11 seit t34 verstrichen ist, ausgeschaltet wird, bewegt sich das Schaltteil 30 bei Aufrechterhalten des geeigneten Kippwinkels von der zweiten Position zur ersten Position. Wenn das Schaltteil 30 zum Zeitpunkt t36 die erste Position erreicht, wird die Extraktionsebene 32 parallel zur Totalreflexionsebene 22 und kommt in engen Kontakt mit der Totalreflexionsebene 22. Demnach kommt die optische Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel in den Ein-Zustand, in welchem einfallendes Licht moduliert und als Ausgangslicht ausgeben wird.
In der optischen Schaltvorrichtung 1 im vorliegenden Beispiel und auch in jenen gemäß der vorhergehenden Anordnungen, wie zuvor beschrieben, kann das Schaltteil 30 innerhalb einer Fluidumgebung, wie beispielsweise Luft oder Inertgas, mit einer hohen Geschwindigkeit von der Ein-Position in die Aus-Position und von der Aus-Position in die Ein-Position bewegt werden, wodurch eine räumliche optische Modulationsvorrichtung erreicht wird, welche imstande ist, bei geringem Leistungsverbrauch mit einer hohen Geschwindigkeit ohne die Notwendigkeit einer Vakuumumgebung anzusprechen.
39 und 40 veranschaulichen ein Beispiel, in welchem die Elektrode 60 auf dem Substrat in linke und rechte Abschnitte geteilt ist. 41 ist ein Zeitdiagramm, welches den Prozess der Zufuhr von Spannungen zu den Elektroden 60a und 60b in der linken und der rechten Region darstellt, wobei die Spannungen mit der Zeit in der Größe geändert werden. Im vorliegenden Beispiel der optischen Schaltvorrichtung 1, wie in 39(a) dargestellt, ist die Elektrode 60 in elektrisch isolierte Elektroden 60a und 60b in der linken und der rechten Region 12a und 12b links und rechts von der geometrischen Mittellinie 14 geteilt, so dass die elektrostatischen Kräfte, welche in den Regionen 12a und 12b erzeugt werden, durch getrenntes Steuern der elektrischen Leistung, welche den jeweiligen Elektroden von der Spannungsquelle 61 zugeführt wird, gesteuert werden können. Zu diesem Zweck umfasst die Spannungsquelle 61 eine Netzanschlusseinheit 61a, die mit der linken Elektrode 60a verbunden ist, und eine Netzanschlusseinheit 61b, die mit der rechten Elektrode 60b verbunden ist. Außerdem ist eine Steuereinheit 61c zum Steuern der Spannungen vorgesehen, die den Elektroden 60a und 60b von den jeweiligen Netzanschlusseinheiten 61a und 61b zugeführt werden. Wie im vorigen Beispiel wird auch in der vorliegenden optischen Schaltvorrichtung 1 das Schaltteil 30, wenn den Elektroden 60a und 60b keine elektrische Leistung zugeführt wird, durch die elastische Kraft, welche durch die Joche 50 und 52 bereitgestellt wird, in der ersten Position im Aus-Zustand gehalten.
Zum Zeitpunkt t41 wird der linken Elektrode 60a von der Netzanschlusseinheit 61a eine Spannung V1 zugeführt, wodurch ihr elektrische Leistung zugeführt wird, und der rechten Elektrode 60b wird von der Netzanschlusseinheit 61b eine Spannung V2 zugeführt, wodurch ihr elektrische Leistung zugeführt wird, wobei die Spannung V1, die der linken Elektrode 60a zugeführt wird, auf einen größeren Wert eingestellt wird als die Spannung V2, die der rechten Elektrode 60b zugeführt wird, so dass in der linken Region 12a eine größere elektrostatische Kraft auf das Schaltteil 30 ausgeübt wird als in der rechten Region 12b. Als Ergebnis wird die Antriebskraft um das Gravitationszentrum 1 des Schaltteils 30 asymmetrisch. Demnach beginnt das Schaltteil 30 zu kippen und sich zu bewegen, wie in 39(b) dargestellt. Das heißt, die Extraktionsebene 32 trennt sich beginnend von der linken Region 12a, wodurch sie kippt. Somit kann das Schaltteil 30 auch in der vorliegenden optischen Schaltvorrichtung 1, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen, gleichmäßig bewegt werden, ohne auf einen großen Luftwiderstand zu stoßen.
Außerdem werden der linken und der rechten Elektrode 60a und 60b zum Zeitpunkt t42 unter der Kontrolle der Steuereinheit 61c im Wesentlichen gleiche Spannungen V von der Netzanschlusseinheit 61a und 61b zugeführt, wodurch das Schaltteil 30 bei Aufrechterhalten des geeigneten Kippwinkels in die zweite Position bewegt wird, wie in 40(a) dargestellt. Wenn die Elektrode 62 mit einem Anschlag 65e zusammenstößt, hält das Schaltteil 30 in der zweiten Position an, wie in 40(b) dargestellt. In dieser Endstufe der Bewegung kommt das Schaltteil 30 auf eine ähnliche Weise, wie in den vorhergehenden, nicht mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Anordnungen, von dem gekippten Zustand in einen parallelen Zustand, und Luft wird rasch aus dem Raum entfernt, und das Schaltteil 30 kommt schließlich in Ruhe. in der vorliegenden optischen Schaltvorrichtung 1 sind die Elektroden 60a und 60b auf dem Substrat in einer nicht flachen Form mit einem vorstehenden Teil 65e ausgebildet, welcher als der Anschlag dient, wodurch verhindert wird, dass die Elektrode 62 des Schaltteils 30 mit der Elektrode 60a oder 60b auf dem Substrat in engen Kontakt kommt.
Wenn das Schaltteil 30 von der zweiten Position in die erste Position bewegt wird, wird die elektrische Leistung zur rechten Basiselektrode 60b zum Zeitpunkt t43 ausgeschaltet, und die elektrische Leistung zur linken Basiselektrode 60a kann stufenweise reduziert werden, wie in 41 dargestellt, so dass der rechte Teil des Schaltteils 30 in der Region 12b unverzüglich beginnt, sich mittels der elastischen Kraft zu bewegen, welche durch das Joch 52 bereitgestellt wird, wohingegen die elektrostatische Kraft, welche zwischen der Basiselektrode 60a und der Elektrode 62 erzeugt und auf den linken Teil des Schaltteil 20 in der Region 12a ausgeübt wird, stufenweise abnimmt. Daher wird, auch wenn das Schaltteil 30 beginnt, sich aus der zweiten Position zu bewegen, das Schaltteil 30 zuerst in einem geeigneten Winkel gekippt und dann bei Aufrechterhalten des gekippten Zustands zur ersten Position bewegt. Demnach wird auch in der Bewegung von der zweiten Position in die erste Position eine Reduktion des Luftwiderstands erreicht, und das Schaltteil 30 kann mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt werden.
Die zuvor beschriebene optische Schaltvorrichtung 1 funktioniert wie eine räumliche optische Modulationsvorrichtung, welche imstande ist, einfallendes Licht ein- und auszuschalten. Eine einzige optische Schaltvorrichtung 1 kann auf eine separate Art und Weise verwendet werden, oder eine Mehrzahl von optischen Schaltvorrichtungen kann in Form einer Gruppe angeordnet werden, um verschiedene Vorrichtungen zu erhalten, wie beispielsweise eine Bildanzeigevorrichtung zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen, wie beispielsweise einer optischen Kommunikation, einer optischen Operation, einer optischen Aufzeichnung usw. Durch Kippen des Schaltteils aus der Orientierung im Ein-Zustand zu Beginn des Bewegungsprozesses ist es möglich, den Widerstand des Fluids, das um das Schaltteil vorhanden ist, stark zu reduzieren. Dies ermöglicht es, dass die räumliche optische Modulationsvorrichtung in Luft oder einer Inertgasumgebung, wie beispielsweise einer Stickstoffumgebung, verwendet wird. Demnach kann die räumliche optische Modulationsvorrichtung mit einer hohen Geschwindigkeit funktionieren und mit einer hohen Geschwindigkeit auf eine hoch zuverlässige Art und Weise ansprechen. Die Reduktion des Fluidwiderstands ermöglicht eine Reduktion der elektrischen Leistung, welche erforderlich ist, um die räumliche optische Modulationsvorrichtung anzutreiben.
Das hierin offenbarte Verfahren zur Steuerung der Lage kann nicht nur auf optische Schaltvorrichtungen angewendet werden, welche eine evaneszente Welle verwenden, sondern auch auf verschiedene Arten von räumlichen optischen Modulationsvorrichtungen, in welchen einfallendes Licht durch Bewegen eines Elements mit flacher Ebene, das der Extraktionsebene des Schaltteils entspricht, moduliert wird, um die Interferenzeigenschaften zu ändern, oder durch Ändern der Polarisationsrichtung oder der Phase des reflektierten Lichts.
Obwohl in der zuvor beschriebenen Ausführungsform die Joche, welche aus dem Dünnfilm gebildet sind, als das elastische Element verwendet werden können, kann auch ein elastisches Element in einer anderen Form, wie beispielsweise eine Spiralfeder, verwendet werden. Außerdem kann, obwohl in der zuvor erwähnten Ausführungsform das Antriebsteil in Form einer Kombination aus dem Tragelement (Joch oder Federelement) zum federnden Tragen und dem elektrostatischen Antriebsmittel realisiert ist, auch eine piezoelektrische Vorrichtung als eine Antriebsquelle zum Antreiben des Schalteils eingesetzt werden. 42 veranschaulicht ein Beispiel, in welchem ein piezoelektrisches Element 99 verwendet wird. In dieser optischen Schaltvorrichtung 1 wird anstelle eines Mikroprismas ein reflektierendes Lichtausgabeelement 36, das eine Mehrzahl von reflektierenden Elementen umfasst, als das optische Schaltteil 30 eingesetzt. In dieser optischen Schaltvorrichtung 1 wird daher evaneszentes Licht, das durch die Extraktionsebene 32 im Ein-Zustand eingefangen wird, durch das Lichtausgabeelement 36 in geeigneten Winkeln zum Lichtleiter 20 gestreut. Dies macht es möglich, ein Bild zu erzeugen, das von einem großen Bereich von Betrachtungswinkeln betrachtet werden kann.
In der vorliegenden optischen Schaltvorrichtung 1 verwendet die Antriebsquelle zum Antreiben des Schaltteils 30 Elektrostriktion, die durch das piezoelektrische Element 99 erzeugt wird, anstelle von elektrostatischer Kraft. Das piezoelektrische Element 99, das im vorliegenden Beispiel eingesetzt wird, ist von der bimorphen Art, die zwei Schichten umfasst, welche verschiedene Polarisationsrichtungen aufweisen und welche in Form einer zweilagigen Struktur angeordnet sind. Wenn elektrische Leistung an das piezoelektrische Element 99 angelegt wird, dehnt es sich von einem gebogenen Zustand in eine gerade Form, wodurch das Joch oder Federelement 50 durch das piezoelektrische Element 99 gezogen wird. Als Ergebnis wird die optische Schaltvorrichtung 1 ausgeschaltet. Wenn die elektrische Leistung ausgeschaltet wird, geht das piezoelektrische Element 99 in den gebogenen Zustand, in welchem eine elastische Kraft durch das piezoelektrische Element 99 erzeugt wird. In diesem Zustand wird das optische Schaltteil 30 durch die elastische Kraft, welche durch das piezoelektrische Element 99 und das Joch 50 bereitgestellt wird, zum Lichtleiter 20 gedrängt. Demnach kann eine optische Schaltvorrichtung mit einem hohen Kontrast erreicht werden.
Da die optische Schaltvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in der mehrlagigen Struktur ausgebildet ist, die aus der Schicht des Lichtleiters 20, der Schicht des Schaltteils 30 und der Schicht des Antriebsteils 40 besteht, ist es möglich, ein optisches Schaltteil 30 und ein Antriebsteil 40 gemäß der zuvor offenbarten Ausführungsform flexibel zu kombinieren, um eine optische Schaltvorrichtung zu realisieren, die zur Verwendung in einer bestimmten Anwendung geeignet ist. Die Anwendung der optischen Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf Bildanzeigevorrichtungen beschränkt, sondern kann auf eine große Vielfalt von Anwendungen angewendet werden, wie beispielsweise ein linienförmiges Lichtventil zur Verwendung in einem optischen Drucker, einen optischen räumlichen Modulator zur Verwendung in einem dreidimensionalen Hologrammspeicher und Anwendungen, in denen zurzeit herkömmliche optische Schaltvorrichtungen, welche ein Flüssigkristall verwenden, eingesetzt werden. Insbesondere ist die optische Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in Vorrichtungen geeignet, welche eine optische Schaltvorrichtung benötigen, die imstande ist, mit einer höheren Geschwindigkeit zu funktionieren, und die imstande ist, eine höhere Lichtintensität auszugeben, als durch herkömmliche optische Schalter, welche einen Flüssigkristall verwenden, erreicht werden kann. Die optische Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch eine Mikrostrukturherstellungstechnik in einer Form erzeugt werden, die eine kleinere Größe und Dicke und eine höhere Integrationsdichte aufweist, als in den herkömmlichen Schaltvorrichtungen, welche einen Flüssigkristall verwenden, erreicht werden kann.
In der optischen Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie zuvor beschrieben, wird die Extraktionsebene mit dem Lichtleiter in Kontakt gebracht, der eine Totalreflexionsebene aufweist, die imstande ist, Licht total zu reflektieren und dadurch das Licht zu übertragen, so dass evaneszentes Licht, welches durch die Totalreflexionsebene tritt, eingefangen wird und dadurch ein Bild erzeugt wird. Der Lichtleiter, das reflektierende optische Schaltteil und das Antriebsteil werden in dieser Reihenfolge laminiert, um eine optische Schaltvorrichtung zu realisieren, die imstande ist, das extrahierte Licht durch das optische Schaltteil in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zum Lichtleiter zu reflektieren und dadurch Licht mit hoher Intensität auszugeben, ohne einen Verlust im Antriebsteil zu bewirken. Der Einsatz der mehrlagigen Struktur ermöglicht es, die jeweiligen Schichten des Lichtleiters, des optischen Schaltteils und des Antriebsteils getrennt zu optimalen Formen zu konstruieren. Außerdem können Schichten mit mehreren verschiedenen Funktionen und Strukturen beliebig zur mehrlagigen Struktur kombiniert werden. Insbesondere durch Positionieren des optischen Schaltteils und des Antriebsteils und Bilden eines Raumes, in welchem das elastische Federelement angeordnet wird, wird es möglich, den Lichtleiter in einer flachen Form auszubilden, und es wird auch möglich, die Fläche der Extraktionsebene des optischen Schaltteils zu vergrößern. Dies macht es möglich, eine kontrastreiche optische Schaltvorrichtung mit großer Helligkeit und einem großen Öffnungsverhältnis bereitzustellen. Bei Verwenden solch einer optischen Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Bildanzeigevorrichtung bereitzustellen, die imstande ist, ein qualitativ hochwertiges Bild zu erzeugen.
Außerdem wird durch Anlegen einer Vorspannung mit einem Wert innerhalb eines geeignete Bereichs, der es ermöglicht, dass das Schaltteil in der Ein-Position gehalten wird, die treibende Spannung reduziert, ohne eine Verschlechterung der Eigenschaften des Schaltteils zu bewirken. Außerdem wird durch Bilden von zwei Elektrodenpaaren zur Erzeugung von elektrostatischer Kraft die treibende Spannung um mehrere Zehntel oder eine Größenordnung reduziert. Dies ermöglicht es, dass das Schaltteil mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt wird. Somit wird eine räumliche optische Modulationsvorrichtung bereitgestellt, welche durch eine niedrige Spannung angetrieben werden kann und welche in einer kurzen Zeit ansprechen kann, das heißt, mit einer hohen Geschwindigkeit ansprechen kann.
Solch eine große Reduktion der treibenden Spannung ermöglicht es, dass die Schaltvorrichtung oder die Bildanzeigevorrichtung direkt durch eine Halbleitersteuervorrichtung angetrieben wird. Als Ergebnis können die Kosten der Schaltvorrichtung und der Bildanzeigevorrichtung stark reduziert werden. Außerdem ermöglicht die Reduktion der treibenden Spannung eine starke Reduktion des Leistungsverbrauchs der Schaltvorrichtung und der Bildanzeigevorrichtung. Daher wird es möglich, eine Spannungsquelle mit einer Beschränkung in der Ausgangsleistung, wie beispielsweise eine Batterie, einzusetzen, um die Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtung, welche eine evaneszente Welle verwendet, und die Bildanzeigevorrichtung anzutreiben. Demnach ist die optische Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche imstande ist, durch Bewegen des Schaltteils eine evaneszente Welle zu extrahieren und dadurch Licht zu modulieren, bei verschiedenen Anwendungen sehr nützlich.
GEWERBLICHE VERWERTBARKEIT
Die optische Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist imstande, mit einer hohen Geschwindigkeit zu funktionieren und einen hohen Kontrast bereitzustellen. Dies ermöglicht es, dass die optische Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer großen Vielfalt von Anwendungen verwendet wird, wie beispielsweise einer Bildanzeigevorrichtung, einem linienförmigen Lichtventil zur Verwendung in einem optischen Drucker, einem optischen räumlichen Modulator zur Verwendung in einem dreidimensionalen Hologrammspeicher usw. Die optische Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht nur auf Anwendungen anwendbar, in welchen zurzeit herkömmliche Schaltvorrichtungen, welche einen Flüssigkristall verwenden, eingesetzt werden, sondern sie ist vorteilhafterweise auch insbesondere auf Vorrichtungen anwendbar, welche eine höhere Geschwindigkeit und eine größere Lichtintensität benötigen, als durch herkömmliche optische Schalter, welche einen Flüssigkristall verwenden, erreicht werden kann.

Claims

Optische Schaltvorrichtung, umfassend: einen Lichtleiter (20) mit einer Totalreflexionsebene (22), die imstande ist, Licht total zu reflektieren und dadurch evaneszentes Licht zu übertragen; ein Schaltteil (30) mit einer lichtdurchlässigen Extraktionsebene (32), welche imstande ist, evaneszentes Licht, das durch die Totalreflexionsebene tritt, zu extrahieren und das extrahierte Licht zum Lichtleiter zu reflektieren; Antriebsmittel (40) zum Bewegen des Schaltteils in eine erste Position, in welcher die Extraktionsebene innerhalb eines Extraktionsbereichs ist, welcher es ermöglicht, das evaneszente Licht zu extrahieren, und eine zweite Position, in welcher die Extraktionsebene außerhalb des Extraktionsbereichs ist, wobei das Antriebsmittel elektrostatische Antriebsmittel zum Antreiben des Schaltteils durch eine elektrostatische Kraft, welche zwischen Elektroden (60, 62; 64, 66) wirkt, umfasst; Antriebssteuermittel (70) zum Anlegen an das elektrostatische Antriebsmittel einer treibenden Spannung zum Antreiben des Schaltteils und einer festen Vorspannung; dadurch gekennzeichnet, dass: das Antriebsmittel ein Tragelement (50) zum federnden Tragen des Schaltteils umfasst; das Tragelement, das Schaltteil und der Lichtleiter in dieser Reihenfolge in einer Richtung angeordnet sind, in welcher Licht ausgegeben wird; die feste Vorspannung die gleiche Polarität wie die treibende Spannung aufweist und eine Haltekraft bereitstellt, die imstande ist, das Schaltteil mittels elektrostatischer Kraft wenigstens in der ersten Position stabil zu halten; das Tragelement imstande ist, das Schaltteil in einer im Wesentlichen mittigen Position zwischen der ersten und der zweiten Position zu tragen, wenn keine elektrostatische Kraft auf das Schaltteil ausgeübt wird; das elektrostatische Antriebsmittel ein erstes Paar von Elektroden (64, 66) zum Halten des Schaltteils in der ersten Position und ein zweites Paar von Elektroden (60, 62) zum Halten des Schaltteils in der zweiten Position aufweist; und das Antriebssteuermittel so ausgelegt ist, dass es eine treibende Spannung abwechselnd an das erste und das zweite Paar von Elektroden anlegt.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter (20), das Schaltteil (30) und das Antriebsmittel (40) in die Form einer mehrlagigen Struktur aufeinander gelegt sind.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter (20) ein Element in Form einer Flachplatte ohne Struktur auf der Totalreflexionsebene (22) ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Antriebsmittel (40) auf einem Substrat mit integrierter Schaltung angeordnet ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schaltteil (30) ein Mikroprisma (34) oder ein Licht streuendes Lichtausgabeelement zum Reflektieren von Licht, das durch die Extraktionsebene (32) extrahiert wird, ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Tragelement ein Federelement ist, das so ausgelegt ist, dass es eine bleibende Verformung aufweist, wenn das Schaltteil in der ersten Position ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schaltteil durch das Tragelement über einen Abstandshalter (42) getragen wird und der Abstandshalter dazu dient, den Abstand zwischen dem zweiten Paar von Elektroden (60, 62) zu verkürzen und einen Raum (46) bereitzustellen, in welchem das Tragelement federnd verformt werden kann.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Tragelement ein Federelement in Form einer Platte ist, deren eines Ende durch eine Stütze (44) getragen wird, die in der Nähe eines Randes des Schaltteils angeordnet ist, und deren anderes Ende mit dem Schaltteil (30, 42) verbunden ist, und wobei der Abstandshalter im Querschnitt die Form eines Ts oder eines umgekehrten Trapezes aufweist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Federelement einen Schlitz oder eine Öffnung aufweist, die in der Nähe des Randes ausgebildet ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Federelement die Form einer Platte hat, welche eine schmale Breite aufweist und sich radial vom Schaltteil erstreckt, wobei ein Ende des Federelements mit der Stütze verbunden ist, die in der Nähe des Randes angeordnet ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Federelement die Form einer Platte hat, welche einen Teil aufweist, der sich in einer spiralförmigen Weise entlang des Randes erstreckt.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Federelement die Form einer Platte hat, von welcher ein mittlerer Teil (55) dünner ist als der andere Teil (62) der Platte, der mit dem Schaltteil (30) verbunden ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, welche ferner ein zusätzliches Tragelement (48) zum Unterstützen des Tragelements (50) von der Seite des Lichtleiters (20) umfasst, wobei das Federelement die Form einer Platte hat, welche es ermöglicht, dass die Seite, auf der das Schaltteil angeordnet ist, im Wesentlichen hermetisch abgeschlossen ist, und wobei die Seite, auf der das Schaltteil angeordnet ist, einen niedrigeren Druck aufweist als die Seite, auf der das Antriebsmittel angeordnet ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Innenseite der optischen Schaltvorrichtung einen hermetisch abgeschlossenen Raum aufweist und das Antriebsmittel in dem hermetisch abgeschlossenen Raum angeordnet ist, so dass das Antriebsmittel imstande ist, das Schaltteil in einer Umgebung mit niedrigem Druck anzutreiben.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Stützen (44) in regelmäßigen Abständen oder willkürlich in der Nähe des Randes angeordnet sind.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Federelement ein elektrisch leitendes Element (50) ist und wenigstens ein Teil (62) des elektrisch leitenden Elements auch als eine Elektrode des elektrostatischen Antriebsmittels dient.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Anschlag (65) zum Sicherstellen eines minimalen Spaltes zwischen den Elektroden an der ersten oder der zweiten Position umfasst, an welcher die Haltekraft durch die treibende Spannung bereitgestellt wird, wobei das Antriebssteuermittel die Vorspannung anlegt, welche eine Kraft erzeugt, die kleiner als die Federkraft des Tragelements an der Position des Anschlags ist.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Antriebssteuermittel die Vorspannung, die eine elektrostatische Kraft erzeugt, welche kleiner als die Federkraft ist, die an der ersten oder der zweiten Position durch das Tragelement (50) bereitgestellt wird, periodisch anlegt.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 18, wobei ein Anschlag zum Sicherstellen eines minimalen Spaltes zwischen den Elektroden an der ersten oder der zweiten Position, an welcher die Haltekraft durch elektro statische Kraft bereitgestellt wird, die durch das elektrostatische Antriebsmittel erzeugt wird, wobei das Antriebssteuermittel die Vorspannung, welche eine Kraft erzeugt, die kleiner als die Federkraft des Tragelements an der Position des Anschlags ist, periodisch anlegt.
Bildanzeigevorrichtung, umfassend eine Mehrzahl von optischen Schaltvorrichtungen nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von optischen Schaltvorrichtungen zweidimensional angeordnet sind und wobei der Lichtleiter so angeschlossen ist, dass der Lichtleiter weißes Licht oder dreifarbiges Licht übertragen kann.
Verfahren zum Steuern einer optischen Schaltvorrichtung, wobei die optische Schaltvorrichtung umfasst: einen Lichtleiter (20) mit einer Totalreflexionsebene (22), die imstande ist, Licht total zu reflektieren und dadurch evaneszentes Licht zu übertragen; ein Schaltteil (30) mit einer lichtdurchlässigen Extraktionsebene (32), welche imstande ist, das evaneszentes Licht, das durch die Totalreflexionsebene tritt, zu extrahieren und das extrahierte Licht zum Lichtleiter zu reflektieren; und ein elektrostatisches Antriebsmittel mit einem ersten und einem zweiten Paar von Elektroden (60, 62; 64, 66) zum Antreiben des Schaltteils durch eine elektrostatische Kraft, welche zwischen den Elektroden wirkt, wobei das Verfahren umfasst: federndes Tragen des Schalteils mittels eines Tragelements (50), welches imstande ist, das Schaltteil in einer im Wesentlichen mittigen Position zwischen einer ersten Position, in welcher das evaneszente Licht extrahiert werden kann, und einer zweiten Position, welche außerhalb des Extraktionsbereichs ist, zu tragen, wenn keine elektrostatische Kraft an die Elektroden angelegt wird; Anlegen einer festen Vorspannung, welche die gleiche Polarität aufweist wie die treibende Spannung und eine Haltekraft bereitstellt, die imstande ist, das Schaltteil mittels elektrostatischer Kraft wenigstens in der ersten Position stabil zu halten, an das elektrostatische Antriebsmittel und abwechselndes Anlegen einer treibenden Spannung an das erste und das zweite Paar von Elektroden.
Verfahren nach Anspruch 21, welches ferner das Bereitstellen eines Anschlags zum Sicherstellen eines minimalen Spaltes zwischen den Elektroden an der ersten oder der zweiten Position umfasst, an welcher die Haltekraft durch die treibende Spannung bereitgestellt wird, und wobei beim Steuerschritt die Vorspannung so gewählt wird, dass die elektrostatische Kraft, die durch die Vorspannung erzeugt wird, wenn das Schaltteil in der Anschlagsposition ist, kleiner als die Federkraft des Tragelements ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei beim Steuerschritt die Vorspannung periodisch angelegt wird, so dass die elektrostatische Kraft, die durch die Vorspannung erzeugt wird, kleiner als die Federkraft des Tragelements wird, wenn das Schaltteil in der ersten oder der zweiten Position ist.
Verfahren nach Anspruch 21, welches ferner das Bereitstellen eines Anschlags zum Sicherstellen eines minimalen Spaltes zwischen den Elektronen an der ersten oder der zweiten Position umfasst, an welcher die Haltekraft durch elektrostatische Kraft bereitgestellt wird, die durch das elektrostatische Antriebsmittel erzeugt wird, und wobei beim Steuerschritt die Vorspannung periodisch angelegt wird, so dass die elektrostatische Kraft, die durch die Vorspannung erzeugt wird, kleiner als die Federkraft des Tragelements wird, wenn das Schaltteil in der Anschlagsposition ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Schaltteil so ausgelegt ist, dass es durch das Tragelement von der zweiten Position in die erste Position bewegt und durch die Federkraft des Tragelements in der ersten Position gehalten wird, und wobei beim Steuerschritt, wenn das Schaltteil von der ersten Position in die zweite Position bewegt wird, die Vorspannung an das elektrostatische Antriebsmittel angelegt wird, so dass die treibende Spannung nur im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Position zu keinem Gleichgewicht führt.