(57)【要約】【課題】本発明は、所定波長の光線を選択的に透過させる波長可変光フィルタに関し、フィルタ特性を向上させることを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために、枠体４に支持された一対の反射板２，３の間隔を調節する波長可変光フィルタ１において、反射板２を支持する梁５を、圧電体からなる駆動層９と振動部１３と反射板２を含む積層構造とし、複数の梁５を反射板２に対して対称配置するとともに、制御回路１０により駆動層９を個別に制御する構成とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠体と、この枠体に支持された第１の反射板と、前記枠体に梁を介して支持されるとともに前記第１の反射板と所定の間隔をもって対向配置した第２の反射板と、前記梁に設けられた圧電体からなる駆動層と、この駆動層の撓みを制御する制御回路を有し、
前記梁は、前記駆動層と、この駆動層に接合された振動部と、前記第２の反射板を含む積層構造とし、前記梁を複数設けるとともに、前記複数の梁を前記第２の反射板に対して対称配置するとともに、前記複数の梁のそれぞれに設けられた前記駆動層を前記制御回路で個別に制御することを特徴とした波長可変光フィルタ。
【請求項２】
梁と第２の反射板との間に前記梁より弾性が低い補助梁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項３】
第２の反射板を外周に延出させて、この延出部分を補助梁とすることを特徴とした請求項２に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項４】
補助梁は、梁の延伸方向に伸びる第１の延伸部と、前記延伸方向と直交する方向に伸びる第２の延伸部を有し、前記第１の延伸部に駆動層を設けたことを特徴とする請求項３に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項５】
第２の延伸部に駆動層を設けたことを特徴とする請求項４に記載の波長可変光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定波長の光線を選択的に透過させる波長可変光フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の波長可変光フィルタとしては、入射光が一対の反射板間で多重反射し、その際の干渉作用により特定波長の光を透過させる技術を利用して、一対の反射板の微小間隔を変位させることにより、透過する光の波長を可変させる構造が知られている。
【０００３】
そして、この波長可変光フィルタの利用例としては、中赤外線を利用してガスの種類を検知するようなマルチガスセンサや、近赤外線を利用して尿糖値や血糖値を検知するようなセンサがあげられる。
【０００４】
なお、このような波長可変光フィルタにおいて、反射板間の微小間隔を制御する場合、静電気力を利用する静電駆動方式と、圧電材料の逆圧電効果を利用する圧電駆動方式、異種材料の熱膨張係数の差を利用する熱駆動方式が用いられる。
【０００５】
しかしながら、赤外線領域の波長可変光フィルタを取り扱う場合には、赤外線による温度上昇が発生するために、熱を積極的に利用した熱駆動方式では高精度な制御が困難となる。また、静電駆動方式では、反射板間の微小間隔を初期値より２／３を超えて近付けた場合には、プルイン現象によって微小間隔での制御ができなくなる。理論上、微小間隔の制御範囲と、光フィルタの波長可変領域は相関があるため、プルイン現象による制約は短波長ほど影響が大きいことから、赤外線領域の中でも特に近赤外線領域（波長：７００ｎｍ〜３μｍ）に対応した波長可変光フィルタとしては、使用領域が限定される。
【０００６】
一方、圧電駆動方式では、赤外線による温度上昇は発生するものの、熱駆動方式に比べてその影響は小さく、またプルイン現象による制約も存在しないことから、近赤外線領域を含む広い波長領域に対応可能な波長可変光フィルタに適している。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２１５３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、波長可変光フィルタにおいて検出波長の短波長側に広域化するに伴って、一対の反射板の変位幅が微小側に広がるため、反射板の間での多重反射における干渉作用を利用する波長可変光フィルタにおいては、一対の反射板の変位幅を広げるとともに平行度を保つことがフィルタ特性を得るために重要な課題となる。
【００１０】
そこで、本発明はこのような課題を解決し、波長可変光フィルタのフィルタ特性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そして、この目的を達成するために本発明は、枠体に支持された一対の反射板の間隔を調節する波長可変光フィルタにおいて、反射板を支持する梁を圧電体からなる駆動層と、振動部と反射板との積層構造とし、複数の梁を反射板に対して対称配置するとともに、制御回路により駆動層を個別に制御する構成としたのである。
【発明の効果】
【００１２】
この構成により、波長可変光フィルタのフィルタ特性を向上させることが出来るのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態における波長可変光フィルタの斜視図
【図２】同波長可変光フィルタの断面図
【図３】同波長可変光フィルタの測定原理を示す模式図
【図４】（ａ）〜（ｅ）同波長可変光フィルタの製造方法を示す模式図
【図５】他実施の形態における波長可変光フィルタの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態について図を用いて説明する。図１は波長可変光フィルタ１の斜視図であり、図２はその断面図である。この波長可変光フィルタ１の基本的な構造は、対向配置された２つの反射板２，３の外周部を枠体４で支持した構造であり、上側に配置された反射板２は円形状で、外周端部を四方等間隔に配置した梁５を介して枠体４に接続している。
【００１５】
また、それぞれの梁５には、上部電極６と下部電極７との間に圧電体層８を設けた積層構造の駆動層９が配置している。この駆動層９は、制御回路１０からの駆動信号を上部電極６に印加することで、上部電極６と下部電極７との間に電位差が生じ、この電位差に応じて圧電体層８に撓みが生じ、この撓みによって反射板２を反射板３と対向する方向に移動させることができる。つまり、梁５に配置された駆動層９に印加する駆動信号の電圧を調節することで、一対の反射板２，３の間隔を自在に調節することが出来る。なお、制御回路１０は、波長可変光フィルタ１における梁５より外側の上面に実装されており、上部電極６や下部電極７に接続された電極パッド１１とワイアボンディング１２により接続されている。
【００１６】
また、梁５は上側の反射板２と、この表面に配置された駆動層９と、この駆動層９の表面に配置した振動部１３からなる積層構造とし、駆動層９の表面に振動部１３を接合することで、駆動層９を拘束し、梁５の大きな撓みを得る構成としている。
【００１７】
また、この波長可変光フィルタ１においては下側の反射板３の下面に所定厚みの基板１４を接合し製品強度を確保している。
【００１８】
そして、この波長可変光フィルタ１は、図３に示すように、光源１５から射出された平行光線１６を測定対象物１７に照射し、その透過光１８を、バンドパスフィルタ１９、波長可変光フィルタ１を通過させてフォトダイオード２０で受光する。このような構成において、波長可変光フィルタ１における反射板２，３の微小間隔を順次変動させることによって反射板３から射出される透過光１８の波長を選択し、その透過光量をフォトダイオード２０で測定することによって、分光スペクトルの測定を行うことができる。なお、波長可変光フィルタ１は、透過光１８が上側の反射板２を通過した後に、下側の反射板３との間で多重反射を起こし、反射板２，３の微小間隔で決定する干渉条件と一致する波長の光線のみが共振し、この共振した波長の光線だけが反射板３を透過し取り出せる。すなわち、取り出す光線の波長は一対の反射板２，３の間隔により決定され、その間隔を変位させることにより検出波長を選択することができる。
【００１９】
より具体的には、制御回路１０から駆動層９に駆動信号を印加して、反射板２，３の間隔を３５０ｎｍ〜１．５μｍの範囲で制御することで、一次の干渉条件により、様々な波長の混在する透過光１８から近赤外線領域（７００ｎｍ〜３．０μｍ）の任意の波長の光線を取り出すことが可能となる。このとき、他次数の干渉条件により取り出される不要な波長を除去するバンドパスフィルタ１９と、所望の波長領域に感度のあるフォトダイオード２０を組み合わせることで、簡便な部品構成にて近赤外線領域に応じた分光スペクトルを測定することができる。なお、干渉条件については、一例として一次の干渉条件を用いることとしたが、他次数の干渉条件を用いてもよい。
【００２０】
次に、本発明の実施の形態における波長可変光フィルタ１の製造方法を、以下に説明する。
【００２１】
まず、図４（ａ）に示すようにシリコンからなる基板１４の一面に窒化シリコン層２１とシリコン２２を積層して下側の反射板３を形成する。この反射板３の上に犠牲層２３となる酸化シリコン層を形成する。この犠牲層２３の上にシリコン層２４と窒化シリコン２５を積層し上側の反射板２を形成する。その後、下部電極７となる白金と、圧電体層８となるチタン酸ジルコン酸鉛と、上部電極６となる金をスパッタ法等により順に積層する。
【００２２】
次に、感光性を有する弾性樹脂層をエッチングマスク（特に図示せず）として用い、ＩＣＰドライエッチングによって下部電極７と、圧電体層８と、上部電極６の一部を除去し、図４（ｂ）に示すように駆動層９をパターンニングする。
【００２３】
次に、図４（ｃ）に示すように、感光性を有し光架橋反応が進行するような絶縁材料から成る弾性樹脂層（特に図示せず）を用い、駆動層９の上面に振動部１３の第一層２６を形成する。
【００２４】
次に、図４（ｄ）に示すように、第一層２６の上面に電界めっき法により銅からなる第二層２７を形成する。
【００２５】
最後に、上側の反射板２や梁５の下方に位置する犠牲層２３の内側部分を、隣り合う梁５の間の開口部分などからフッ化水素を用いて除去し、その外周部分を枠体４として残すことで、図４（ｅ）に示すように、一対の反射板２の振動空間２８を形成するとともに、上側の反射板２が動作可能となる。
【００２６】
なお、この構成によれば、基板１４は、所望の測定波長範囲において透光性を有する材料を選択するもので、例えば近赤外線の長波長側から遠赤外線の領域では、この領域で透光性を有するシリコン等を選択すればよく、近赤外線の短波長側から可視光の領域ではシリコンの透光性が低く、この領域で透光性を有する石英などを選択すればよい。
【００２７】
また、特に図示していないが、基板１４において透過光１７の通過領域を部分的にエッチングして除去してもよい。
【００２８】
また、振動部１３は、一般的に駆動層９の下面に存在する基板１４を加工して形成するが、この波長可変光フィルタ１の場合には、基板１４上に事前に一対の反射板２，３となる層とその間を微小間隔で保持するための犠牲層２３を形成しておく必要があるため、駆動層９に対して同じ面にある反射板２と振動部１３を個別に加工するには工程が複雑化し、歩留まりが極端に低下するといった課題が生じる。しかしながら、上述したように、振動部１３を駆動層９の上面に形成し、反射板２を駆動層９の下面に形成すれば、それぞれが異なる面に構成できるために、製造方法が簡素化でき、歩留まりの悪化を防止できる。
【００２９】
また、振動部１３を、駆動層９の下面に存在する基板１４を加工して作製した場合には、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層８を含む駆動層９の形成温度が高いために、振動部１３に熱応力が蓄積し梁５が反ることから、一対の反射板２，３の微小間隔を設計値から乖離し、また反射板２が傾き、その結果高精度なフィルタ特性を実現できないといった課題が生じる。しかしながら、振動部１３を駆動層９を形成した後に形成することで、振動部１３の形成条件によって応力を制御できるので、駆動層９を配置した梁５の反りを抑制することができ、その結果、高精度なフィルタ特性を実現することが可能となる。
【００３０】
また、振動部１３を、感光性を有し光架橋反応が進行するような弾性樹脂にて形成した第一層２６と、めっき用被覆層を用いた電界めっき法により形成した第二層２７の積層構造とすることで、微細化が容易となるため、デバイスの小型化が実現できる。
【００３１】
さらに、この波長可変光フィルタ１のように、振動部１３の第一層２６を弾性樹脂層とし第二層２７を銅めっき層としたことで、第一層２６の縦弾性係数が第二層２７の縦弾性係数に比べて小さくなり、撓みの中立面から駆動層９までの距離を大きくすることができ、駆動層９にて生じる力を効率的に撓みへ変換できる。この結果、大きな変位が得られ、広い波長領域に対応可能な波長可変光フィルタ１が実現できる。また、変位を低下させることなく振動部１３の剛性を上げられることから、外乱振動に対する耐性が向上した波長可変光フィルタ１が実現可能となる。
【００３２】
そして、近赤外線領域に応じた微小間隔においても高精度な制御が必要となる波長可変光フィルタ１において、分光スペクトルの精度を高めるためには、微小間隔における一対の反射板２，３の平行度を高めることが重要となる。そこで、各梁５に設けられた駆動層９の制御を個別に制御することが有効となる。
【００３３】
なぜなら、複数の梁５の動きが同じである場合、制御回路１０からの制御は同じ駆動信号を用いた同一制御を行うことが通常であるが、この波長可変光フィルタ１のように微小間隔における一対の反射板２，３の平行度が望まれる場合、反射板２や駆動層９や振動部１３などの梁５の撓みにまつわる部分の材料バラツキや加工精度バラツキなどの変動要素を含め梁５の撓み精度を一致させる必要があるため、それぞれの梁５の撓み量を個別に制御することが有効となる。特に、梁５を反射板２の中央に対して対称位置に配置することで、反射板２の傾斜補正を高度に行うことができる。なお、反射板２を支持する梁５の本数については、等間隔に対称配置すれば４つに限定されないが、制御回路１０の複雑化や配線の引き回しを考慮すれば梁５は４つにすることが好ましい。
【００３４】
また、この波長可変光フィルタ１においては、梁５と反射板２との間に、反射板２が外周側に延出して露出した部分が介在しており、この露出部分を補助梁２９としている。これは振幅量が大きい梁５の先端部分に、梁５より弾性が低い反射板２で構成された補助梁２９を設けることで、反射板２がより大きな変位を得ることができる。
【００３５】
また、特に図示していないが、反射板２を支持する各梁５上に、２つ以上の駆動層９を設けてもよい。同じ梁５に配置された異なる駆動層９を個別制御することによれば、下側の反射板３との平行度をより高い精度で制御することが可能となる。また、駆動層９を構成する圧電体層８および下部電極７は単一のものとし、上部電極６のみを２つ以上に分離することによれば、製造するプロセスを簡素化しながらも、同様の効果が得られる。
【００３６】
次に、波長可変光フィルタ１の調整方法について説明する。この波長可変光フィルタ１のように一対の反射板２，３の微小間隔を順次変動させることによって所望の波長を選択し、その際の分光スペクトルの測定を行う場合、測定環境によって波長可変光フィルタ１の微小間隔が変動し、測定波長の絶対値がばらつく可能性がある。その際には、例えば図３に示すとおり、波長が既知である単一波長の別光源３０と、この別光源３０に応じた別フォトダイオード３１を、分光スペクトルを測定する透過光１８の光路とは異なる光路３２にて設けることで補正可能となる。
【００３７】
すなわち、別フォトダイオード３１で受光した光量が最大となるよう、波長可変光フィルタ１の全ての駆動層９に同電圧を印加し、上側の反射板２を変位させる。別フォトダイオード３１で受光した光量が最大となる際の、一対の反射板２，３の微小間隔が、既知の波長を選択しているので、測定波長の絶対値を補正することができる。
【００３８】
また、このように別の光路３２により補正することで、反射板２を反射板３に対して平行に制御することが可能である。反射板２，３の平行度は分光スペクトルの半値幅と密接に関連しており、反射板２，３が平行に配置された際には、半値幅が低減し光量が増大する。このことを利用し、別のフォトダイオード３１で受光した光量が最大となるよう、複数の駆動層９において個別に順次印加する電圧を変動させることによれば、反射板２，３の平行度を向上させ、高精度なフィルタ特性が実現し、スペクトル半値幅が小さい分光スペクトルの測定が可能となる。なお、補正に用いた光路３２について、波長可変光フィルタ１を透過する形をとったが、波長可変光フィルタ１の反射光によっても同様の補正が可能である。また、図１に示される上側の反射板２の外周部分を囲むように設けた壁３３は、上側の反射板２の撓み強度を高めるために設けたものであり、上述した図４（ｃ）〜図４（ｄ）での振動部１３との形成段階で、振動部１３と同様に形成される。
【００３９】
次に、本発明の他の実施の形態について図５を用いて説明する。なお、上述した一実施の形態との違いは、補助梁２９の形状を梁５の先端部分より幅が狭い蛇行形状とした点であり、反射板２の近傍で振幅の大きい領域の弾性を低くしたことで、梁５の撓み量に対する反射板２の変位量をより大きくすることができる。なお、この図５においては図１に示す制御回路１０を実装する部分を省略し、梁５とその内側部分を抜粋して示している。
【００４０】
なお、補助梁２９の形状を、梁５の延伸方向と一致する第１の延伸部３４と、この第１の延伸部３４と直交する第２の延伸部３５とからなる蛇行形状としたことで、第１の延伸部３４の表面に駆動層３６を設け、この部分の撓み量を制御することで、梁５に設けられた面積が大きい駆動層９により大きな撓み量を確保し、補助梁２９に設けられた小さい駆動層３６で撓み量の微調整ができるので、上側の反射板２の変位量を確保しつつ下側の反射板３との平行度を高精度に保つことができる。
【００４１】
さらに、梁５の延伸方向と直交する方向に伸びる第２の延伸部３５の表面にも駆動層３７を設け、この駆動層３７の撓み量を制御することで、梁５の延伸方向と直交する方向における反射板２の変位量の微調整ができるので、より高い精度で平行度を制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る波長可変光フィルタは、一対の反射板の間隔の変位幅を広げるとともに平行度を保ちフィルタ特性を向上させることができ、特に、近赤外線領域を含む広い波長領域に対応可能な波長可変光フィルタにおいて有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１  波長可変光フィルタ
２  第２の反射板
３  第１の反射板
４  枠体
５  梁
９、３６、３７  駆動層
１０  制御回路
１３  振動部
２９  補助梁
３４  第１の延伸部
３５  第２の延伸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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