(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１を、枠体４と、この枠体４の内側に支持された反射板２と、枠体４の内側に梁５を介して支持された反射板３と、梁５に設けられた圧電体８からなる駆動層９を備えた波長可変光フィルタ１において、反射板３を梁５における反射板２の側で支持する構成とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠体と、この枠体の内側に支持された第１の反射板と、
前記枠体の内側に一端が支持された梁と、
この梁の他端に支持されるとともに、前記第１の反射板と対峙した第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あるいは前記制御回路を接続する端子電極を備え、
前記第２の反射板を、前記梁における前記第１の反射板の側で接続したことを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２】
梁における第１の反射板と反対側の面に駆動層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】
枠体を多層構造とするとともに、第２の反射板と梁との間に中間層を設け、前記枠体を構成する少なくとも一つの層と同じ材料で前記中間層を形成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】
中間層を第２の反射板の全面に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】
駆動層の内側端を梁の内側端より外側とし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６】
駆動層の表面から梁の内側端までを絶縁層で覆うとともに、前記絶縁層の表面に前記駆動層の内部応力とは逆向きの内部応力を有する上部層を設けたことを特徴とする請求項５に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項７】
絶縁層の表面における駆動層の内側端から梁の内側端までの間を上部層の非形成部としたことを特徴とする請求項６に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項８】
第２の反射板に対して複数の梁を設けるとともに、制御回路で前記複数の梁に設けた駆動層を個別に制御することを特徴とした請求項１に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項９】
梁の内側端部分を第１の反射板の反対側に反られ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１０】
第１の反射板と第２の反射板の平行度を検出する検出部を設け、この検出部から出力される検出信号を制御回路に入力して、駆動層の撓みを制御することを特徴とした請求項１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、中赤外線や遠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糖センサがあげられる。
【０００４】
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や、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等が用いられる。
【０００５】
これらの駆動方式のうち、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を短波長側へ広域化することに伴って、一対の反射板の間隔が微小化するため、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これらの平行度をより高い精度で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、枠体と、この枠体の内側に支持された第１の反射板と、枠体の内側に梁を介して支持された第２の反射板と、梁に設けられた圧電体からなる駆動層を備えた波長可変光フィルタにおいて、第２の反射板を梁における第１の反射板の側で支持した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）〜（ｃ）同波長可変光フィルタを構成する第１ブロックの製造方法を示す模式図
【図５】（ａ）〜（ｄ）同波長可変光フィルタを構成する第２ブロックの製造方法を示す模式図
【図６】同第１ブロックと第２ブロックとの接合方法を示す模式図
【図７】他の波長可変光フィルタの断面図
【図８】他の波長可変光フィルタの断面図
【図９】他の波長可変光フィルタの断面図
【図１０】他の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る。なお、下側の反射板２は、枠体４に直接支持されるが、上側の反射板３は、外周部分を等間隔に配置した４つの梁５を介して枠体４に支持されている。
【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８に撓みが生じ、この撓みによって反射板３を反射板２との対峙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に接続された端子電極１１とワイアボンディング１２により接続したものを図示している。なお、この波長可変光フィルタ１では制御回路１０を枠体４の延長部分に実装しているが、波長可変光フィルタ１に制御回路１０と電気的接続を行う端子電極１１を配置し、制御回路１０を波長可変光フィルタ１を実装する母材上に配置することもできる。
【００１６】
また、図２の中で上側に配置された反射板３は、梁５における内側端部分で、且つ、下側の反射板２の側に配置している。なお、梁５と反射板３の間には中間層１３が設けられている。
【００１７】
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１４から射出された平行光線１５を測定対象物１６に照射し、その透過光１７を、バンドパスフィルタ１８、波長可変光フィルタ１を通過させてフォトダイオード１９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２から射出される透過光１７の波長を選択し、その透過光量をフォトダイオード１９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１７が反射板３を通過した後に、下側の反射板２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２を透過する。すなわち、反射板２から射出される透過光１７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。
【００１８】
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１７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１８と、所望の波長領域に感度のあるフォトダイオード１９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。
【００１９】
次に、この波長可変光フィルタ１の製造方法を説明する。なお、この製造方法においては、反射板２を含む下側部分を第１ブロック２０の形成する工程と、反射板３や梁５を含む上側部分を第２ブロック２１の形成する工程と、これらを接合する工程からなるものである。
【００２０】
第１ブロック２０の形成工程は、まず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２２上に凹部２３を形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２２における凹部２３を含む主面側にＳｉＮ層２４とＡｕ層２５を順に積み重ねる。次に、図４（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板２２の裏面側において透過光１７の光路となる部分に凹部２６を形成してＳｉＮ層２４を露出させることで第１ブロック２０が形成される。なお、Ａｕ層２５は反射板２における反射面を形成している。
【００２１】
第２ブロック２１の形成工程は、図５（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２７上にＳｉＯ２層２８、Ｓｉ層２９の順に積層したＳＯＩ（Ｓｉ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板３０を準備し、その表面には下部電極７を形成するＰｔ層３１、圧電体８を形成するＰＺＴ層３２、上部電極６を形成するＡｕ層３３を形成する。また、裏面にはＳｉＮ層３４とＡｕ層３５を積層する。次に、図５（ｂ）に示すように、Ａｕ層３３、ＰＺＴ層３２、Ｐｔ層３１を順次加工し、駆動層９を形成する。なお、このパターンニングにおいて、特に図示していないが、駆動層９に対する配線用の電極や端子電極１１なども形成する。そして、図５（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板３０の下面側に凹部３６を形成してＳｉＯ２層２８を露出させて梁５を形成する。さらに、図５（ｄ）に示すように、透過光１７の光路となる部分に凹部３７を形成して、ＳｉＮ層３４が露出した反射板３を形成することで第２ブロック２１が形成される。また、梁５と反射板３の間に介在する中間層１３はＳｉ層２７により形成されている。
【００２２】
そして、第１ブロック２０と第２ブロック２１との接合工程は、図６に示すように、第１ブロック２０の上面の外周部分に位置するＡｕ層２５と、第２ブロック２１の下面の外周部分に位置するＡｕ層３５とを接合することで波長可変光フィルタ１を構成することができる。なお、第１ブロック２０と第２ブロック２１の接合体において、枠体４は、梁５より外側に位置する第２ブロックを構成するＳｉ基板２７、ＳｉＯ２層２８、Ｓｉ層２９、ＳｉＮ層３４、Ａｕ層３５と、第１ブロックを構成するＳｉ基板２２、ＳｉＮ層２４、Ａｕ層２５からなる多層構造体により構成されている。
【００２３】
また、上述したように、第１ブロック２０における反射板２を形成するＡｕ層２５や、第２ブロック２１おける反射板３を形成するＡｕ層３５を設ける際に、  第１，２ブロック２０，２１における外周端部分まで形成したことで、このＡｕ層２５，３５が第１，２ブロック２０，２１の接合部材とでき、この接合に要するための部材を別途形成する工程を省略している。
【００２４】
このような波長可変光フィルタ１は、上述したように、梁５の内側端部分を上下方向に振動させ反射板３を反射板２との対峙方向に変位させ、その間隔を変動させることで多重反射における共振波長を可変するものであるから、梁５の振幅を大きくすることで透過光１７の可変幅を広帯域化でき、対峙する反射板２，３の平行度を確保することで検出精度が高められるものである。なお、対峙する反射板２，３の間隔により決まる透過波長の範囲は、上述したように微小範囲であるから、反射板３は、梁５に対して対峙する反射板２の側で支持する構成としている。また、梁５に設ける駆動層９は、図１に示すように、駆動層９の一部が配線電極（特に図示せず）や端子電極１１として用いられることから、波長可変光フィルタ１における外表面もしくはその近傍層に配置することが好ましい。
【００２５】
そして、この波長可変光フィルタ１においては、駆動層９を配置する梁５の内側端部分で反射板３を支持する構造とした。この構成によればことで、波長可変光フィルタ１の特性を高めることができるのである。
【００２６】
すなわち、駆動層９は圧電体８を上部電極６と下部電極７とで挟み込んだ積層構造であるが、これらの形成段階において圧電体８の配向性を高めるための応力の付与や熱膨張差によって生じる応力が駆動層９に内部応力として残留し、駆動層９が配置される梁５に歪を生じさせる。このため、この歪が生じる梁５の裏面に反射板３を形成すると反射板３の平坦度や傾きが保てなくなってしまう。また、この歪の影響を解消するべく梁５の厚みを増すと、梁５の振動性を劣化させてしまうことになる。したがって、駆動層９を設ける梁５と反射板３を別構造とし、この別構造である反射板３を梁５の内側部分で支持することで、反射板３に対する駆動層９の内部応力の影響を低減でき、結果として波長可変光フィルタ１の特性を向上させることができるのである。さらには、駆動層９と反射板３を形成する際に、互いに製造上の制約を受けることなく最適な条件で形成可能となり、駆動効率の高い駆動層９と反射率の高い反射板３を両立できることから、波長可変光フィルタ１の特性向上に寄与することができるのである。
【００２７】
なお、対峙する反射板２，３の間隔を設定する場合、梁５と反射板３との間に中間層１３を設けることにより、梁５で生じた歪が反射板３に伝わるのを抑制し、反射板３の平坦度を高め、傾きを抑制できるのである。なお、この中間層１３は、枠体４を形成する材料、特に、上述した第２ブロック２１を形成するＳｉ基板２７と同じ材料としたことで、図５で説明したように別工程を設けることなく中間層１３を形成することができるのである。
【００２８】
また、駆動層９の内部応力を緩和する構成として、駆動層９の内側端を梁５の内側端より外側とすることで、反射板３を支持する梁５の内側端部分が駆動層９の形成されない部分となり、この部分における反射板３に対する内部応力の影響を緩和され、反射板３の傾きを抑制するとともに、反射板２，３間の平行度を高精度に制御できる。
【００２９】
なお、この中間層１３は、図７に示すように、反射板３の全面を覆うように設けることで、反射板３の強度をさらに高めることができ、反射板３の平坦度を高めることができる。ただし、中間層１３を全面に設ける場合、中間層１３が入射光路にかかることから、中間層１３の材料を透過光１７の波長にあった材料を選択しなければならない。たとえば透過光１７の波長が１．１μｍ以上であれば、中間層１３の材料をＳｉとすることで透過光の帯域においてカバーできる。
【００３０】
また、反射板３に対する駆動層９の内部応力を緩和する構成としては、図８に示すように、駆動層９の内部応力とは逆向きの内部応力を有する上部層３８を駆動層９の上に配置することが好ましい。なお、この駆動層９の内部応力と逆向きの内部応力を有する上部層３８はＮｉなどの金属膜を形成すればよい。ただし、駆動層９の表面を構成する上部電極６との絶縁性を確保する必要があるため、駆動層９を含む梁５の表面をエポキシ系光効果樹脂などの絶縁層３９で覆い、その表面に上部層３８を形成した構造としている。このことにより、反射板３の傾きを抑制するとともに、反射板２，３間の平行度を高精度に制御することができるのである。
【００３１】
なお、上部層３８は駆動層９と同様に内部応力を有するものであることから、駆動層９と同様に梁５の内側端部分、つまり反射板３を支持している部分を含む内側部分を、上部層３８を形成しない非形成部とすることが好ましい。このことにより、反射板３の傾きと、反射板２，３間の距離をさらに高精度に制御できる。
【００３２】
また、波長可変光フィルタ１が動作していない初期状態において、梁５の形状を上方に反った形状とすることで、非動作時における反射板２，３の間隔が確保でき、波長可変光フィルタ１の運搬時の衝撃などによる接触による破損やスティッキングを防止できるのである。なお、この梁５を上方に反らせる構造としては、上述した上部層３８の内部応力を利用することで構成することができるのである。
【００３３】
また、上部層３８を金属材料で構成することから、この上部層３８に適度な強度を持たせることができ、この部分が梁５として機能させることができるので、図９に示すように、梁５における上部層３８と対向する部分から中間層１３との接続部分までを部分的に除去することで、より駆動効率を高めることができるのである。
【００３４】
また、反射板２，３の平行度をより高精度に制御する場合、図２に示すように、反射板２，３に複数の対向電極４０を配置して、ここで得られる検出信号を制御回路１０に入力し、それぞれの対向電極４０で形成する静電容量のバランスや変化を判定しフィードバック制御することで、より平行度を高めることができるのである。
【００３５】
さらに、この一実施の形態の波長可変光フィルタ１のように複数の梁５を介して反射板３を支持する構成とする場合、梁５や駆動層９などの材料バラツキや加工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３の中央に対して対称位置に配置することで、反射板３の傾斜補正を高度に行うことができる。なお、反射板３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つとすることが好ましい。
【００３６】
また、特に図示していないが、反射板３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で、下側の反射板２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。
【００３７】
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、測定環境によって反射板２，３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４２と、この別光源４２に応じた別フォトダイオード４３を、分光スペクトルを測定する透過光１７の光路とは異なる光路４４にて設けることで補正可能となる。
【００３８】
すなわち、別フォトダイオード４３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３を変位させる。別フォトダイオード４３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。
【００３９】
また、このように別の光路４４により補正することで、反射板３を反射板２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、別フォトダイオード４３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。
【００４０】
また、図１０に示すように、梁５の内側部分を幅が狭い蛇行形状とすることで、梁５における振幅の大きい内側部分が低弾性となり、梁５の撓み量に対する反射板３の変位量をより大きくすることができる。
【００４１】
なお、特に図示していないが、この蛇行形状部分における梁５の延伸方向と一致する辺と、梁の延伸方向と直行する辺にも駆動層を設け、これらを個別に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つつ、蛇行形状部分に設けられた小さい駆動層で撓み量の微調整ができるので、上側の反射板３の変位量を確保しつつ下側の反射板２との平行度を高精度に保つことができる。
【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】
２  第１の反射板
３  第２の反射板
４  枠体
５  梁
８  圧電体
９  駆動層
１０  制御回路
１１  端子電極
１３  中間層
３８  上部層
３９  絶縁層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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