JP2006154765A

JP2006154765A - ミラー素子及びミラーアレイ

Info

Publication number: JP2006154765A
Application number: JP2005296319A
Authority: JP
Inventors: Hirota Hashimoto; 洋太橋本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2006-06-15
Also published as: US20060087928A1

Abstract

【課題】光学装置や光ディスク装置の光学ピックアップ等に用いられるミラー素子及びミラーアレイにおいて、低電圧で大きな変位量が得られるミラー素子及びミラーアレイを提供することを目的とする。
【解決手段】ミラー素子は、基板１と、基板１が保持し、第１圧電体４と該第１圧電体４を挟むように配置された第１電極３と第２電極５とを有する膜と、膜に設けられたミラー支持部７と、ミラー支持部７を介して膜に支持されたミラー部６とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学装置や光ディスク装置の光学ピックアップにおいて用いられるミラー素子及びミラーアレイに関する。

従来より、顕微鏡、カメラ等の光学装置における可変焦点及び収差補正手段として様々な形状可変ミラーが考案されてきたが、近年、光ディスク技術の発展に伴ってその需要は高まりつつある。

光ディスクを用いた情報記録媒体として、コンパクトディスク（ＣＤ）やデジタル多目的ディスク（ＤＶＤ）などがある。近年、光ディスク装置においては複数の記録媒体を同じ光ディスク装置で読み書きする構成が一般的となっており、また、従来品よりさらに光ディスク装置を小型化する技術が必要となっている。特に、ノート型ＰＣ用の光ディスク装置は小型・薄型の必要性が高まっている。また、マルチメディア技術の発展に合わせて、年々光ディスクへの記憶もしくは記録容量への要求は増大する傾向にあり、波長の短い青色レーザを用いたり、対物レンズの開口数（ＮＡ）を大きくしたりする、などの手段による記録密度の向上が図られ、しかも、メディアにおける記録層を複数にすることによる記録面積の増加が図られ、大容量化を達成している。

光ディスク装置には、レーザ光源、光学ピックアップ、受光素子等が設けられる。レーザ光源から出射されたレーザビームは光学ピックアップを通して、光ディスクのデータ面へ集光し、反射された後、受光素子によって受光され、光ディスクに記録された情報が読み取られ、或いは光ディスクに情報が書き込まれる。この際にビームの波面はさまざまな光学部品や光ディスクによって収差を受けるので、情報を正しく読み書きするためには収差補正が不可欠である。特に、光ディスクの回転中や、異なる層を読み替える際などに生じるダイナミックな収差に関しては、光学ピックアップを構成するレンズや回折光学素子による固定的な補正手段は不適当であり、アクチュエータによる動的補正が不可欠である。

従来から、上記のような収差を補正する方法が考案されており、例えば、（特許文献１）に記載の方法においては、補正レンズをアクチュエータにより動かすことによって球面収差が補正される。しかしながら、この方法はアクチュエータ部が大きく、余分なレンズが必要で、ＰＣ用途など小型化の要求の大きな光学ピックアップには不向きであった。

小型のアクチュエータとして、ミラーアレイによる収差補正手段が挙げられる。これまで、静電駆動でミラーを駆動させる方法が考案されているが、駆動電圧が高く、実用には不向きである。（特許文献２）に記載の方法においては、圧電薄膜を用いた薄膜ミラー素子が考案されているが、片持ち梁の圧電薄膜部にてミラー部を支持する構造であるため、圧電薄膜部には強い剛性が必要であり、大きな変位量を得るためには大きな駆動電圧が必要になる。また、駆動方向が１軸方向に限られるので、ミラー部の駆動方向の自由度が低く、ミラー素子を配列して作製されるミラーアレイにおいても形状の自由度は低く、限られた収差補正にしか用いることができない。
特開平１０−２４１２０１号公報特開２００１−３５０１０７号公報

本発明は、低電圧で大きな変位量が得られるミラー素子及びミラーアレイを提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明は、ミラー素子であって、ミラー素子は、基板と、基板が保持し、第１の圧電体と第１の圧電体を挟むように配置された第１の電極と第２の電極とを有する膜と、膜に設けられた支持部と、支持部を介して膜に支持されたミラー部とを有することを特徴とするミラー素子である。

本発明によれば、ミラー部が支持部を介して膜に支持されたことにより、低電圧で大きな変位量を得ることができる。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いてより詳細に説明する。なお、図面中の膜厚、基板の厚み、変形量等の寸法は理解を容易にするため実際の寸法とは異なっている。

図１（ａ）に、本発明の実施の形態に係るミラー素子の斜視図であり、説明のためミラー部６を透かして示している。また、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。図１（ｂ）に示すように、本実施の形態のミラー素子は、第１圧電体４と、この第１圧電体４を挟むように配置された第１電極３及び第２電極５と、弾性膜２とから構成される積層薄膜であるダイアフラム部と、このダイアフラム部を支持する基板１とから構成される駆動部があり、ダイアフラム部の一部とミラー部６とはミラー支持部７によって接続されている。光を反射するミラー部６は、ミラー支持部７に支持された部分の裏面に設けられている。

このように、本実施の形態のミラー素子は、積層薄膜の弾性膜２に設けられたミラー支持部７と、ミラー支持部７と基板６ａとを介して積層薄膜に支持されたミラー部６とを有することにより、低い電圧で、ミラー部６を大きく変位させることができる。

なお、図１に示す構造は一例であって、各膜の膜厚、弾性膜の有無、ダイアフラム部及びミラー部６の形状などは、図１に示すものに特に限定されない。

次に、ミラー素子の駆動原理について説明する。第１電極３と第２電極５に電圧を印加するとダイアフラム部が変形し、ミラー支持部７がダイアフラム部に設けられていることにより、ダイアフラム部の変形に連動してミラー支持部７及びミラー部６が駆動する。ミラー支持部７の接続部分がダイアフラム部の中央部である場合、電極を分割しなければミラー部６は上下（ダイアフラム部の積層方向）にしか駆動しないが、電極を３つ以上に分割することによってミラー部６を自由な方向へ傾けることが可能となる。

図２を用いて、一例として電極を４つに分割した場合の挙動を説明する。図２は本実施の形態のミラー素子の駆動部、ミラー支持部７の平面図であり、図１に示すような本実施の形態のミラー素子から、ミラー部６と基板６ａとを省略して示した上面図である。ミラー支持部７は、円柱形状であってダイアフラム部の中心に位置している。第１電極３はミラー支持部７を中心として放射状に分割されている。言い換えると、分割された第１電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの境目がミラー支持部７を中心として放射状に存在し、第１電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄはそれぞれミラー支持部７を中心として中心角９０度の略扇形であり、形状、面積が同一または対称形である。ここで、第２電極５の電位は常に０Ｖであるとする。第１電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに電圧を加えない場合、または同一電圧を印加した場合には、図２（ａ）のようにミラー支持部７は傾かない。

これに対し、第１電極３ａのみに電圧を印加した場合、もしくは第１電極３ａに印加する電圧のみを第１電極３ｂ，３ｃ，３ｄに印加する電圧と異ならせた場合、図２（ｂ）のようにミラー支持部７は図２（ｂ）における左下へ傾く。第１電極３ａ、第１電極３ｂに同一電圧を印加した場合、図２（ｃ）のようにミラー支持部７は下へ傾く。この場合、第１電極３ａと第１電極３ｂとの電圧の大きさを段階的に変えることにより、図２（ｂ）の位置から図２（ｃ）の位置までミラー支持部７を段階的に制御することができ、傾きの大きさはそれぞれ電圧の大きさを変えることにより制御することができる。ANSYS社（ANSYS,Inc）製ANSYS（登録商標）によるシミュレーションの結果、ダイアフラム径φ１００μｍ、弾性膜１μｍ、第１電極０．１μｍ、圧電体１μｍ、第２電極０．２μｍの条件で、第１電極３ａと第１電極３ｂにそれぞれ５Ｖ電圧を印加するとミラー支持部７が下方向へ０．３度傾くことがわかっている。これは収差補正用のアクチュエータとして用いるのに十分な駆動量である。

このようにミラー素子が、第１圧電体４と該第１圧電体４を挟むように配置された第１電極３及び第２電極５を含む積層薄膜と、積層薄膜を支持する基板１とからなるダイアフラム構造をもつ駆動部と、少なくとも一部分が光を反射する機能をもつミラー部６とから構成され、ミラー部６を支持する基材の一部がダイアフラム部と一体として形成されていることにより、駆動部を積層薄膜と基板１とからなるダイアフラム構造となるので、低電圧で大きな変位量が得られる。

また、第１電極３又は第２電極５の一方または両方が、少なくとも２つ以上に分割されていることにより、電極を分割しない場合は上下方向の駆動しかできないが、電極を分割することによってミラー部６の傾き角度を調節することができる。電極を２つに分割した場合、傾きの方向は２方向となり、電極を３つ以上に分割した場合、電圧制御により自由な方向へ傾けることが可能となる。従って、電極を３つ以上に分割することがより好ましい。

また、ミラー支持部７を積層薄膜における基板１に保持された部分の略中央に設けることにより、基板１に保持された積層薄膜の固定端からミラー支持部７までの距離が等しくなるので、ミラー支持部７を介して、ミラー部６を所望の方向に精度よく傾けることができる。

なお、ここでは電極をミラー支持部７を中心に略放射状に４つに分割した場合について説明したが、電極を２つに分割する場合は、ミラー支持部７を中心に中心角１８０度の略半円形状の電極を構成し、電極を３つに分割する場合は、ミラー支持部７を中心に中心角１２０度の略扇形の電極を構成する、つまり、電極をｎ個（ｎ≧２）に分割する場合は、ミラー支持部７を中心に中心角３６０／ｎ度の略等角度に略扇形の電極を構成すると、ミラー部６の傾く方向を制御しやすくなる。

ミラー部が駆動する場合の構造例を図３に示す。図３（ａ）に示すミラー素子は、ミラー部６に、第２圧電体９と、この第２圧電体９を挟むように配置された第３電極８及び第４電極１０を備えており、これにより、ミラー部６自体が形状可変となり、微小の変形が可能となり、精度の高い収差補正が可能となる。

図３（ｂ）は、環状のミラー支持体７内に設けられたミラー部６に、第２圧電体９と、この第２圧電体９を挟むように配置された第３電極８及び第４電極１０を備えた、ダイアフラム構造の斜視図である。図３（ｃ）は同Ａ−Ｂ断面図である。このような構造をとれば、ミラー部６の形状を大きく変化させることができ、ミラー素子単独でのチルト機能付きの収差補正素子として用いることもできる。

図４（ａ）、図４（ｃ）にミラー素子の駆動部の配列例を示し、この時のミラー部６の配列例を図４（ｂ）、図４（ｄ）にそれぞれ示す。配列されたミラー部６同士の間には間隙が設けられており、個々のミラー素子を独立に駆動させてもミラー部６同士が衝突することがない。このように本実施の形態のミラー素子を配列してミラーアレイとすることにより、全体の表面形状を自由に変化させることが可能で、あらゆる収差を補正することができる。また、ＤＬＰ（登録商標）（デジタル・ライト・プロセッシング）方式のプロジェクタ等に用いられるＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）として用いることもできる。

図５（ａ）〜図５（ｅ）は、ミラー素子の各製造工程における、ミラー素子の斜視図であり、以下、図５を用いて本実施の形態のミラー素子の製造方法を説明する。

初めに、駆動部となる部品の製造方法を説明する。駆動部の基板１として、熱酸化膜付のＳｉ基板を用いる。熱酸化膜付であるのは熱酸化膜を弾性膜２として用いるためであり、弾性膜２を必要としない場合、または弾性膜２として他材料を用いる場合は熱酸化膜付である必要はない。また、基板材料としてはＳｉ以外に金属、金属酸化物、樹脂などを用いることもできる。

基板１に第１電極３及び第１圧電体４を成膜し、第１圧電体４に第１電極３の導通をとるためのパターンニングを行う。第１電極３は、スパッタリング、蒸着、ＣＶＤ、電着、無電解めっきなどにより成膜を行う。第１圧電体４のエッチング方法としては、フォトレジストを塗布、パターンニングし、これをマスクとしてウェットエッチもしくはドライエッチにて圧電体をエッチングするという、一般的な半導体プロセスが用いられる。この上に第２電極５を成膜し、パターンニングを行ったものが図５（ａ）である。ここでは第２電極５を５分割し、そのうちの４つを第２電極５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとして、残りの１つを第１電極３の電極用パッド１１として用いている。

この上にさらにレジスト、樹脂の順に塗布し、樹脂を固めてダイアフラム固定体１２を形成する。この段階で、製造工程におけるミラー素子は、図５（ｂ）に示す下側から、基板１，弾性膜２，第１電極３，第１圧電体４，第２電極５，ダイアフラム固定体１２のレジスト，ダイアフラム固定体１２の樹脂という順番で積層している。なお、ダイアフラム固定体１２の形成は、ダイアフラム部を固定しておくことにより後の作業を行いやすくするためのものであって、ダイアフラム固定体１２は、最終的なミラー素子の部材とはならない。レジストを塗布するのは、樹脂を剥離しやすくするためである。

図５（ｂ）に示す素子を裏返し、基板１を形成するＳｉのエッチングを行う。エッチングを行った状態を図５（ｃ）に示す。エッチング方法は前述の第１圧電体４のエッチング方法と同様であり、フォトレジストでパターンニング後、ウェットエッチングもしくはドライエッチングを行う。図５（ｃ）ではダイアフラム部の形状、つまり基板１の内縁の形状は円形となっているが、楕円形、四角形、多角形、星形など、さまざまな形状を採用することができる。また、エッチング時に、ダイアフラム部の中央に基板１の一部を残しておき、ミラー支持部７の一部となる基材７ａを形成している。

次に、ミラー部６となる部品の製造方法を説明する。ミラー部６の基板６ａであるＳｉ基板にミラー膜を成膜する。基板６ａの材料としては、金属、金属酸化物、樹脂など用いることができる。ミラー部６の材料についても特に限定はないが、反射率の向上のため、金属膜または金属酸化物の積層膜を用いると良い。基材７ａの形成と同様に、図５（ｄ）に示すように、ミラー部６の裏面の基板６ａをエッチングすることにより、ミラー支持部７の一部となる基材７ｂを形成することができる。エッチング方法は前述と同様である。

最後に、これまで製造した駆動部となる部品と、ミラー部６となる部品とを接着し、ダイアフラム部を固定していたダイアフラム固定体１２であるレジストと樹脂とを剥離する。駆動部とミラー部６（より正確には基材７ａと基材７ｂ）との接着方法としては、接着剤による接着や、溶融接着などを用いることができる。樹脂によりダイアフラム部を固定していたのは、接着する際に押さえつけが必要なためで、押さえつける必要がない接続方法であればダイアフラム固定体１２を設けてダイアフラム部を固定する必要はない。なお、ここでは基材７ａと基材７ｂとを接着することによりミラー支持部７を形成したが、基板１や基板６ａとは別の部材を用いてミラー支持部７を構成し、弾性膜２と基板６ａと接続することも可能である。

図６に、本実施の形態のミラー素子からなるミラーアレイを用いた光学ピックアップの基本的な構成例を示す。レーザ光源１３から発せられた光束はビームスプリッタ１５を透過し、立ち上げミラーを兼用するミラーアレイ１６で反射され、対物レンズ１８を通って、光ディスク１９に結像する。この光ディスク１９で反射した光はミラーアレイ１６で反射し、ビームスプリッタ１５を反射して受光素子１４において電気信号に変換される。

この構成においては、光束はミラーアレイ１６に４５度入射する。形状可変ミラー素子からなるミラーアレイ１６は、ドライバ１７から制御電圧を供給される。ドライバ１７は収差量を検知するモニター用受光素子（図示せず）や受光素子１４等の受光部の内で少なくとも一つからの信号をもとに、制御電圧の値を定め、ミラーアレイ１６の表面形状を変化させることができる。特に、レーザ光源１３から出射される光が青から青紫の短波長光の場合、上記構成は特に有用である。

本実施の形態のミラー素子からなるミラーアレイを用いた光学ピックアップとして、図７のような構成も同様に実施可能である。レーザ光源１３から発せられた光束は偏光ビームスプリッタ２１を透過し、立ち上げミラー２２で反射し、１／４波長板２０および対物レンズ１８を経て光ディスク１９上で集光する。その後、光ディスク１９で反射した光は偏光状態を９０度変え、立ち上げミラー２２を経て、偏光ビームスプリッタ２１で反射され、もう一枚の１／４波長板２０を透過しミラーアレイ１６で反射され、再び１／４波長板２０を透過して偏光状態を９０度変えた後、偏光ビームスプリッタ２１を透過して、受光素子１４において電気信号に変換される。

ミラーアレイ１６はドライバ１７から制御電圧を供給される。ドライバ１７は収差量を検知するモニター用受光素子（図示しない）や受光素子１４等の受光部の内で少なくとも一つからの信号をもとに、制御電圧の値を定め、ミラーアレイ１６の表面形状を変化させることができる。特に、レーザ光源１３から出射される光が青から青紫の短波長光の場合、上記構成は特に有用である。

本実施の形態は、以上の課題を解決するためになされたもので、低電圧で大きな変位量が得られ、駆動方向の自由度が高いミラー素子、及び形状自由度が高く、様々な収差が補正可能なミラーアレイを提供することを目的とする。

本発明によれば、顕微鏡、カメラ等、光学装置のフォーカス及び、ＣＤ／ＤＶＤドライブレコーダ、デコーダ、ＣＤ／ＤＶＤドライブなどに用いられる光学ピックアップ、特に、青色レーザを用いた光学ピックアップや収差の補正が必要な光学装置に利用可能である。

さらに、チルト調整ができるミラー素子であることから、光アッテネータや、ＤＬＰ（登録商標）（デジタル・ライト・プロセッシング）方式のプロジェクタ等に用いられるＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）として用いることもできる。

本発明の実施の形態におけるミラー素子を示す図本発明の実施の形態におけるミラー素子の平面図本発明の実施の形態におけるミラー素子を示す図本発明の実施の形態におけるミラーアレイの平面図本発明の実施の形態におけるミラー素子の製造過程を示す斜視図本発明の実施の形態における光学ピックアップの光路を示す図本発明の実施の形態における光学ピックアップの光路を示す図

符号の説明

１基板
２弾性膜
３第１電極
４第１圧電体
５第２電極
６ミラー部
７ミラー支持部
８第３電極
９第２圧電体
１０第４電極
１１電極用パッド
１２ダイアフラム固定体
１３レーザ光源
１４受光素子
１５ビームスプリッタ
１６ミラーアレイ
１７ドライバ
１８対物レンズ
１９光ディスク
２０１／４波長板
２１偏光ビームスプリッタ
２２立ち上げミラー

Claims

ミラー素子であって、
前記ミラー素子は、
基板と、
前記基板が保持し、第１の圧電体と該第１の圧電体を挟むように配置された第１の電極と第２の電極とを有する膜と、
前記膜に設けられた支持部と、
前記支持部を介して前記膜に支持されたミラー部とを有する
ことを特徴とするミラー素子。
前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方が、
２つ以上に分割されている
ことを特徴とする請求項１に記載のミラー素子。
前記支持部は、
前記膜における、前記基板に保持された部分の略中央に設けられた
ことを特徴とする請求項１に記載のミラー素子。
前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方が、
前記支持部を中心として略放射状に分割されている
ことを特徴とする請求項３に記載のミラー素子。
前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方が、
前記支持部を中心として略放射状に略等角度に分割されている
ことを特徴とする請求項３に記載のミラー素子。
前記ミラー部は、
前記支持部によって支持された部分の裏面に光を反射する部分を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のミラー素子。
前記ミラー部は、
第２の圧電体と該第２の圧電体を挟むように配置された第３の電極と第４の電極とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のミラー素子。
前記ミラー部が
ダイアフラム構造である
ことを特徴とする請求項７に記載のミラー素子。
ミラー素子であって、
前記ミラー素子は、
少なくとも一部分が光を反射するミラー部と、
前記ミラー部を支持する支持部と、
前記支持部を設けた膜と、
前記膜を保持する基板とを有し、
前記膜は、
第１の圧電体と、
前記第１の圧電体を挟むように配置された第１の電極と第２の電極とを有し、
前記支持部を設けた部分の周囲を基板に支持されている
ことを特徴とするミラー素子。
請求項１に記載のミラー素子を配列した
ことを特徴とするミラーアレイ。
請求項２に記載のミラー素子を配列した
ことを特徴とするミラーアレイ。
請求項３に記載のミラー素子を配列した
ことを特徴とするミラーアレイ。
請求項４に記載のミラー素子を配列した
ことを特徴とするミラーアレイ。
請求項５に記載のミラー素子を配列した
ことを特徴とするミラーアレイ。
請求項６に記載のミラー素子を配列した
ことを特徴とするミラーアレイ。
請求項７に記載のミラー素子を配列した
ことを特徴とするミラーアレイ。
請求項８に記載のミラー素子を配列した
ことを特徴とするミラーアレイ。
請求項９に記載のミラー素子を配列した
ことを特徴とするミラーアレイ。