(57)【要約】【課題】ミラー面の形状を高精度で且つ多様な形状に可変できる形状可変ミラー素子を提供することを目的とする。【解決手段】形状可変ミラー素子１は、基板２と、基板２に一体連結した形状可変部３と、形状可変部３に電圧を印加するための下部電極４と、上部電極５−１，５−２とからなる。複数の上部電極５−１，５−２を有しているので、各々の電極に同極性で同一もしくは異なる電圧を印加することで、形状可変部３を目的の可変形状に制御することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、圧電膜と、前記圧電膜の上下に配置された電極膜と、いずれかの電極膜上に配置された反射ミラー膜とからなる形状可変部と、前記形状可変部を支持する基板とを備えた形状可変ミラー素子であって、少なくとも片方の面の電極膜は複数の電極に分割されていることを特徴とする形状可変ミラー素子。
【請求項２】
少なくとも、圧電膜と、前記圧電膜の上下に配置された電極膜と、いずれかの電極膜上に配置された反射ミラー膜とからなる形状可変部と、前記形状可変部を支持する基板とを備えた形状可変ミラー素子であって、前記形状可変部に引力または斥力を与える静電電極板を設けたことを特徴とする形状可変ミラー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動力として圧電力または静電力を利用して形状を可変する形状可変ミラー素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
形状可変ミラー素子としては、セラミックスの圧電材料の上面に、反射ミラー面および電極にリード線が半田付けされた素子がある（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この形状可変ミラー素子は、圧電材料にバルク材料を使用しているために、圧電材料の厚みが非常に厚くなっている。その結果、形状を大きく可変するためには非常に高い印加電圧が必要となることが容易に推察される。
【０００３】
微小サイズの形状可変ミラー素子としては、圧電膜を反射ミラー板に貼り付けた素子がある（例えば、特許文献２参照。）。反射ミラー板には、例えばガラス反射鏡、反射ミラー膜、シリコンウェハー等を使用している。この素子の場合も非常に高い印加電圧が必要であることが容易に推察される。つまり、圧電膜と反射ミラー板を接着しただけの構成の素子では接着強度が弱く、それ自体で自立することができず実用に適さないので、ある程度の厚みを要するからである。
【０００４】
低い印加電圧で大きな形状変化が可能な形状可変ミラー素子として、形状可変部が基板の中空部分の開口部に薄膜ダイヤフラムを有する素子が提案されている。この、薄膜ダイヤフラムを利用した形状可変ミラー素子の場合、素子の膜厚が１０μｍ以下の構成が可能なので、低電圧で大きな形状変化が可能である。
【特許文献１】特開平１０−１０４５９号公報
【特許文献２】特開２００１−３４９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の、基板の中空部分の開口部に薄膜ダイヤフラムを有する形状可変ミラー素子は、圧電膜の上下各々に単一電極を有し、上下電極に電圧を印加することで、圧電膜に圧電力を発生させることにより、ミラー面の形状を可変するものである。
【０００６】
このように、上下各々に単一電極を有する形状可変ミラー素子の場合、膜厚やダイヤフラム径等の材料物性や形状寸法と圧電力とで決定される形状に可変できる。
【０００７】
しかしながら、予め、目的の可変形状に適合する材料物性や形状寸法を予測し設計することは可能であるが、物性や寸法は製造誤差を生じるために、極めて高精度に変形可能な形状可変ミラー素子を安定的に製造することは困難である。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、ミラー面の形状を極めて高精度で且つ多様な形状に制御可能な形状可変ミラー素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の形状可変ミラー素子は圧電膜上下にある電極の少なくとも片方の面は複数に分割された電極を有し、各々の電極に同極性で同一もしくは異なる電圧を印加することで、可変形状を制御することを主な特徴とする。
【００１０】
また、本発明の形状可変ミラー素子は、形状を可変する駆動力として圧電力と形状可変
部に引力または斥力を与える静電力手段とを備え、圧電力と静電力とを使用して目的の可変形状に応じて電圧を制御することを主な特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の形状可変ミラー素子によれば、分割された複数の電極に、各々の電極に同極性で同一もしくは異なる電圧を印加することで、圧電膜の変形を各々電極で個別に制御できるので、高精度で且つ多様な形状に可変できる形状可変ミラー素子を提供できるという優れた効果が得られる。
【００１２】
また、本発明の形状可変ミラー素子によれば、圧電力と静電力で形状可変ミラー素子を動作させることで、圧電力単独よりも形状可変量が大きく、しかも高精度で且つ多様な形状に可変できるので、形状可変性能に優れた形状可変ミラー素子を提供できるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、少なくとも、圧電膜と、圧電膜の上下に配置された電極膜と、いずれかの電極膜上に配置された反射ミラー膜とからなる形状可変部と、形状可変部を支持する基板とを備えた形状可変ミラー素子であって、少なくとも片方の面の電極膜は複数の電極に分割されている形状可変ミラー素子としたものであり、複数に分割されている電極パターンに応じてミラー面の形状を各々個別に可変できるので、円周方向入射光の球面収差やデフォーカス等の波面収差を補正することが可能である。更に、本発明の形状可変ミラー素子によれば、薄膜の構成されるダイヤフラムの膜厚や応力、ヤング率等の製造誤差があったとしても、複数の電極で製造誤差を補正し可変形状を制御できるので、一定品質の優れた形状可変ミラー素子が安定して作製できるという優れた効果が得られる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた第２の発明は、少なくとも、圧電膜と、圧電膜の上下に配置された電極膜と、いずれかの電極膜上に配置された反射ミラー膜とからなる形状可変部と、形状可変部を支持する基板とを備えた形状可変ミラー素子であって、形状可変部に引力または斥力を与える静電電極板を設けた形状可変ミラー素子としたものであり、圧電力に静電力が加わるので、圧電力を上回る変形が可能であり、形状可変量の大きい形状可変ミラー素子を実現できる。また第１の発明と同様に、圧電膜の電極を複数配置することも可能なので、極めて高精度で且つ多様な形状に可変できる。静電力手段の電極を複数に分割すれば、さらに高精度で且つ多様な形状に可変できる。
【００１５】
以下、本発明の形状可変ミラー素子の実施の形態について、図面を参照して説明する。図面中の膜厚や基板の厚み、形状可変量等は理解を容易にする目的のために、実際の寸法とは異なる。以下、全ての図面において同様である。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の表面から見た斜視図である。形状可変ミラー素子１は、形状可変ミラー素子１を支持する基板２と、基板２に一体連結した形状可変部３と、形状可変部３に電圧を印加するための下部電極４、上部電極５とからなる。本発明の実施の形態の形状可変ミラー素子１では、上部電極５は形状可変部の内外周に配置されており、上部電極５−１、上部電極５−２からなる。また、図示していないが、形状可変部３の最上部または最下部には反射ミラー膜を有する。
【００１７】
図２は本発明の実施の形態１の形状可変ミラー素子１の裏面から見た斜視図である。形状可変部３下の基板２部分は除去されており、形状可変部３はダイヤフラム構造を有している。
【００１８】
図３は本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子１の要部断面図である。基板２上面の薄膜の積層構造は下部より、下部電極４、圧電膜６、上部電極５−１、５−２が配置された構成となっている。また、図示していないが、形状可変部３の最上部または最下部には反射ミラー膜を有する。なお、形状可変ミラー素子１の変形方向を決定する弾性板膜も必要に応じ付加するが、本発明の実施の形態の形状可変ミラー素子１においては、反射ミラー膜は弾性板膜の機能を有しているので同一部材同一構成となっている。
【００１９】
次に、本発明の実施の形態の形状可変ミラー素子の製造方法について、図４〜図７を参照して説明する。図４〜図７は形状可変ミラー素子１の製造工程を示す形状可変ミラー素子１の要部断面図である。
【００２０】
基板２の材料としては、ＳｉやＭｇＯ等の単結晶材料が圧電膜６の圧電特性が良好になりやすいために好適に使用されるが、特に制限されるものではない。しかし、形状可変ミラー素子１を作製する工程で高温処理をする工程が必要な場合には、耐熱性の良好な基板材料が選択される場合がある。また、ダイヤフラム形成のため、基板のエッチング除去を行うので、比較的薄い基板が好適に使用される。本発明の実施の形態においては、基板の厚みが３００μｍの単結晶Ｓｉ基板を使用した。
【００２１】
最初に、図４に示すように、基板２の上に下部電極４を形成する。下部電極４との材料としては導電性の高い金属が好適に使用される。形状可変ミラー素子１を作製する工程で高温処理をする工程を用いる場合には、ＰｔやＩｒもしくはその合金など高温に強い材料が望ましい。
【００２２】
次に、図５に示すように、下部電極４の上に圧電膜６を形成する。圧電膜６の材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム鉛）やＰＺＴと同系のＰｂを含むペロブスカイト酸化物などの圧電定数が高く変形の大きい材料が好適に使用される。また、電極膜や圧電膜６の形成方法は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、またはゾルゲル法と多くあるが、膜を形成できる技術であれば特に制限されることはない。本発明の実施の形態においては、下部電極４の材料にはＩｒ−Ｔｉ合金を使用し、膜厚は０．１μｍとした。圧電膜６の材料にはＰＺＴを使用し、膜厚は３μｍとした。Ｉｒ−Ｔｉ合金とＰＺＴの形成は共にスパッタ法で行い、Ｉｒ−Ｔｉ形成時の基板温度は４００℃、ＰＺＴ形成時の基板温度は６００℃とした。
【００２３】
次に、図６に示すように、圧電膜６の上に上部電極５を形成する。上部電極５の材料や形成方法は下部電極４と同様である。本発明の実施の形態においては、材料はＴｉを使用し、膜厚は０．１μｍとした。Ｔｉの形成はスパッタ法で行い、Ｔｉ形成時の基板温度は常温とした。また、上部電極５は、２つの上部電極５−１，５−２に分割した例を示している。
【００２４】
次に、図示しないが、上部電極５の上に反射ミラー膜を形成する。本発明の実施の形態の反射ミラー膜は弾性板膜機能を兼備しているので、膜厚は反射ミラー膜と弾性板膜の両特性を考慮し、材料にはＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5を使用し、膜厚を０．８μｍとした。なお、反射ミラー膜の構成は位相差厚みλ／４の厚みの積層薄膜である。反射ミラー膜の材料としては、ミラーの使用波長により異なるが、例えば、ＡｕやＡｇなどの金属や、ＳｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5などの低屈折率誘電体／高屈折率誘電体のλ／４多層膜が好適に使用される。反射ミラー膜の形成方法も、圧電膜６の形成方法と同様、例えば、スパッタ法または蒸着法と多くあるが、膜を形成できる技術であれば特に制限されることはない。また、本発明の実施の形態では反射ミラー膜に弾性板膜機能を持たせたが、本来の弾性板膜の材料としては、樹脂、金属、セラミック等の材料も使用できる。弾性板膜の形成方法も、圧電膜６
の形成方法と同様、例えば、スピンコート法、スパッタ法または蒸着法と多くあるが、膜を形成できる技術であれば特に制限されることはない。
【００２５】
最後に、図７に示すように形状可変部３をダイヤフラムとするために、基板２のエッチング除去を行う。基板２のエッチング除去方法はウェットエッチング法、ドライエッチング法や機械加工等多くあるが、ダイヤフラムを形成できる技術であれば特に制限されることはない。本発明の実施の形態においては、基板２の裏面からリアクティブイオンエッチング技術を利用して行った。なお、ダイヤフラムの直径は１．５ｍｍとした。なお、本発明の実施の形態においては、ダイヤフラムの形成を最終工程としたが、反射ミラー膜を下部電極４の下に形成する時は、反射ミラー膜形成工程とダイヤフラム形成工程の順を逆とすればよい。
【００２６】
以上のように作製された形状可変ミラー素子の動作を図面とともに説明する。図８〜図１１は本発明の実施の形態の形状可変ミラー素子１の動作を示す側断面図である。図８は電圧を印加しない非動作時である。形状可変ミラー素子１の下部電極４を一定電圧（例えば０Ｖ）とし、上部電極５−１、５−２に同電圧（例えば５Ｖ）を印加すると、図９で示す断面形状になる。次に、下部電極４と上部電極５−２に印加する電圧は同電圧とし、上部電極５−１にのみ高い電圧（例えば１０Ｖ）を印加した場合、図１０に示すように、形状可変部３の中央部は更に曲がり、外周部は中央部の影響で若干曲がることになる。
【００２７】
また、下部電極４と上部電極５−１に印加する電圧は同電圧とし、上部電極５−２にのみ高い電圧（例えば１０Ｖ）を印加した場合、図１１で示すように、形状可変部３の外周部は更に曲がり、中央部は外周部の影響で若干曲がることになる。
【００２８】
上記２通りの電圧印加方法について、形状可変部の中央部の曲率を比較した場合、すなわち図１０と図１１とを比較した場合、図１０の曲率は小さくなり、図１１の曲率は多少であるが小さくなる。すなわち、形状可変部３の中央部に電圧を印加すると曲率は大きく変化し、形状可変部３の外周部に電圧を印加すると曲率は少し変化することになる。
【００２９】
従って、上部電極５−１、５−２それぞれ同電圧もしくは異なる電圧を印加することにより、可変形状３の曲率を高い分解能で制御可能となる。
【００３０】
（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２に係る形状可変ミラー素子の斜視図である。実施の形態１においては、上部電極を２個に分割した形状可変ミラー素子の例を示したが、実施の形態２においては、図１２に示すように、形状可変ミラー素子の上部電極を同心円状に複数分割している。この実施の形態２においては、上部電極を半径方向に３個以上に分割することにより、各電極について個別に電圧を印加できるので、形状可変自由度が増す。従って、可変形状として、球面形状に制御することも可能である。更に、放物面、双曲面形状等の非球面形状の制御も可能であるので、波面収差として球面収差を補正することも可能となる。また、反射レンズとして使用することも可能となる。
【００３１】
（実施の形態３）
図１３および図１４は、本発明の実施の形態３に係る形状可変ミラー素子を示す斜視図である。図１３の例では、上部電極５を円周方向に４等分した例を示しており、図１４の例では、上部電極５を円周方向に８等分した例を示している。本発明の実施の形態の形状可変ミラー素子では、電極に印加する電圧により中心から角度方向の可変形状の制御が可能となるので、例えば波面収差として例えばコマ収差や非点収差を補正することも可能となる。
【００３２】
（実施の形態４）
図１５および図１６は、本発明の実施の形態４に係る形状可変ミラー素子を示す斜視図である。図１５および図１６の例では、上部電極５を複数の半径方向と円周方向に分割した場合を示しており、図１５の例では半径方向に分割した各電極の円周方向の分割線が一線上に並んでおり、図１６の例では円周方向の分割線が互い違いになっている。本発明の実施の形態の形状可変ミラー素子では、電極に印加する電圧により半径方向と円周方向の可変形状の制御が可能となるので、波面収差として例えば球面収差、コマ収差や非点収差を補正することも可能となる。
【００３３】
以上のように、実施の形態１〜４の形状可変ミラー素子によれば、上部電極を複数に分割した電極とし、各々の電極に同極性で同一もしくは異なる電圧を印加することにより、ミラー面の形状を高精度且つ多様に可変できる形状可変ミラー素子を実現できる。
【００３４】
（実施の形態５）
本発明の形状可変ミラー素子の実施の形態５について、図面を参照して説明する。図１７は本発明の実施の形態５の形状可変ミラー素子の表面から見た斜視図である。図１８は本発明の実施の形態５の形状可変ミラー素子の分解図である。本発明の実施の形態の形状可変ミラー素子１の構成は、実施の形態１の形状可変ミラー素子に静電力を発生させるための静電電極板７を付加したことにある。静電電極板７は基板２に接着剤等により強固に固定されている。図１９は、静電電極板７の裏面から見た斜視図である。静電電極板７には静電電極８が形成されており、絶縁板９により静電電極８と圧電膜に電圧を印加する上部電極５と絶縁されている。また、絶縁板９は静電電極８と上部電極５との距離を一定の間隔に維持している。
【００３５】
以上のように構成された形状可変ミラー素子の動作を図面とともに説明する。図２０〜図２４は形状可変ミラー素子１の動作を示す側断面図である。図２０は電圧を印加しない非動作時である。
【００３６】
静電電極８に電圧を印加せず電位が浮いた状態で、下部電極４を一定電圧（例えば０Ｖ）とし、上部電極５−１、５−２に同電圧（例えば５Ｖ）を印加すると、図２１に示す断面形状になる。
【００３７】
次に、静電電極８に電圧（例えば５Ｖ）を印加し、下部電極４と上部電極５−１、５−２を同電圧とした場合、静電電極８と上部電極５−２の間には静電力として斥力が発生する。静電電極８は基板２に固定されているので、ダイヤフラムで構成される形状可変部３は図２２に示すように斥力により変形することになる。更に、静電電極８に印加する電圧（例えば１０Ｖ）を高くすると、さらに強い斥力が発生し、図２３に示すように形状可変部３が大きく変形することになる。
【００３８】
逆に、静電電極８に印加する電圧を逆極性（例えば−１０Ｖ）とし、上部電極５−１、５−２を同電圧とした場合、静電電極８と上部電極５−２は引力が発生し、図２４に示すように形状可変部３の変形方向は逆転し凸の形状になる場合がある。従って、上部電極５と静電電極８間の電圧の符号を変えれば、形状可変部３は凸面にも凹面にも変形させることが可能である。
【００３９】
（実施の形態６）
図２５および図２６は、本発明の実施の形態６に係る形状可変ミラー素子の静電電極の裏面から見た斜視図である。図２５の例では、静電電極８を円周方向に４分割した例を示しており、図２６の例では、静電電極８を円周方向に８分割した例を示している。この実施の形態６では、複数の静電電極について個別に電圧を印加できるので、静電電極８を分
割していない実施の形態５の例に比べて、更に形状可変自由度が増す。従って、可変形状として、球面形状に制御することも可能である。更に、放物面、双曲面形状等の非球面形状の制御も可能となるので、波面収差として例えば球面収差、コマ収差や非点収差を補正することも可能となる。更に、反射レンズとして使用することも可能となる。
【００４０】
（実施の形態７）
図２７は、本発明の実施の形態７に係る形状可変ミラー素子の要部断面図である。この実施の形態では、静電電極８の電極形状を、曲面としている。静電力は電極間電圧と距離で決まるので、予め目的の可変形状が決まっていれば、静電電極８の電極形状を曲面にすることで電極間距離を部分的に変えることにより、目的の可変形状に変形できる。高精度な可変形状が要求される場合は、圧電力により細かい調整を行うことが可能になる。
【００４１】
以上のように、実施の形態５〜７によれば、静電力を付加した構成により、ミラー面の形状を高精度且つ多様に可変できる形状可変ミラー素子を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の形状可変ミラー素子によれば、分割電極パターンに応じてミラー面の形状を高精度に可変できるので、反射レンズや光の波面補正の用途に適用可能である。例えば、可変光学素子を含む光学系を備えた、ビデオプロジェクター、デジタルカメラ、光ディスク装置の光学ピックアップ部品等の用途に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の表面から見た斜視図
【図２】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の裏面から見た斜視図
【図３】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の要部断面図
【図４】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の製造工程を示す形状可変ミラー素子の要部断面図
【図５】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の製造工程を示す形状可変ミラー素子の要部断面図
【図６】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の製造工程を示す形状可変ミラー素子の要部断面図
【図７】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の製造工程を示す形状可変ミラー素子の要部断面図
【図８】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の動作を示す側断面図
【図９】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の動作を示す側断面図
【図１０】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の動作を示す側断面図
【図１１】本発明の実施の形態１に係る形状可変ミラー素子の動作を示す側断面図
【図１２】本発明の実施の形態２に係る形状可変ミラー素子の上部電極を同心円状に複数分割した場合の形状可変ミラー素子の斜視図
【図１３】本発明の実施の形態３に係る形状可変ミラー素子の斜視図
【図１４】本発明の実施の形態３に係る形状可変ミラー素子の斜視図
【図１５】本発明の実施の形態４に係る形状可変ミラー素子の斜視図
【図１６】本発明の実施の形態４に係る形状可変ミラー素子の斜視図
【図１７】本発明の実施の形態５に係る形状可変ミラー素子の表面から見た斜視図
【図１８】本発明の実施の形態５に係る形状可変ミラー素子の分解図
【図１９】本発明の実施の形態５に係る形状可変ミラー素子の静電電極の裏面から見た斜視図
【図２０】本発明の実施の形態５に係る形状可変ミラー素子の動作を示す側断面図
【図２１】本発明の実施の形態５に係る形状可変ミラー素子の動作を示す側断面図
【図２２】本発明の実施の形態５に係る形状可変ミラー素子の動作を示す側断面図
【図２３】本発明の実施の形態５に係る形状可変ミラー素子の動作を示す側断面図
【図２４】本発明の実施の形態５に係る形状可変ミラー素子の動作を示す側断面図
【図２５】本発明の実施の形態６に係る形状可変ミラー素子の静電電極の裏面から見た斜視図
【図２６】本発明の実施の形態６に係る形状可変ミラー素子の静電電極の裏面から見た斜視図
【図２７】本発明の実施の形態７に係る形状可変ミラー素子の要部断面図
【符号の説明】
【００４４】
１    形状可変ミラー素子
２    基板
３    形状可変部
４    下部電極
５    上部電極
５−１    上部電極
５−２    上部電極
６    圧電膜
７    静電電極板
８    静電電極
９    絶縁板
【図１】
2006003814.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006003814.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006003814.tif 000011
【図１０】
2006003814.tif 000012
【図１１】
2006003814.tif 000013
【図１２】
2006003814.tif 000014
【図１３】
2006003814.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2006003814.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2006003814.tif 000019
【図１８】
2006003814.tif 000020
【図１９】
2006003814.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
2006003814.tif 000023
【図２２】
2006003814.tif 000024
【図２３】
2006003814.tif 000025
【図２４】
2006003814.tif 000026
【図２５】
2006003814.tif 000027
【図２６】
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【図２７】
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