(57)【要約】【課題】圧電膜の発生力を効率よく変位に変換できる形状可変ミラー素子を提供する。【解決手段】圧電動作部５を構成する膜の内部張力と圧電膜の発生張力との和が基板に対して圧縮張力からなる領域を使用することにより、張力に規制されること無く大きな変形が可能となる。また、製造方法として、熱処理により圧電動作部５を構成する膜の内部張力の制御を行うので、低電圧で形状可変量の大きい形状可変ミラー素子１を安定して作製できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を加えることで形状を変化可能な圧電動作部と、前記圧電動作部に直接或いは間接的に取り付けられた反射部とを備え、前記圧電動作部によって前記反射部を変位させる形状可変ミラー素子であって、圧電動作部に電圧を非印加の状態あるいは印加した状態で前記圧電動作部が圧縮張力である事を特徴とする形状可変ミラー素子。
【請求項２】
圧電動作部に電圧を加えないときに既に前記圧電動作部は圧縮張力を有している事を特徴とする請求項１記載の形状可変ミラー素子。
【請求項３】
圧電動作部に所定の電圧を加えて初めて前記圧電動作部が圧縮張力となる事を特徴とする請求項１記載の形状可変ミラー素子。
【請求項４】
圧電動作部は基板上に設けられ、しかも前記基板に設けられたダイヤフラム部分に前記圧電動作部の少なくとも一部が対向している事を特徴とする請求項１記載の形状可変ミラー素子。
【請求項５】
圧電動作部は、少なくとも圧電膜と、前記圧電膜に電圧を加える電極とを有することを特徴とする請求項１記載の形状可変ミラー素子。
【請求項６】
一対の電極の少なくとも一方，圧電膜の少なくとも一つの部材に弾性板機能を持たせたことを特徴とする請求項５記載の形状可変ミラー素子。
【請求項７】
圧電動作部中，前記圧電動作部に接触、もしくは圧電動作部と反射部の間のいずれか１つの箇所に張力調整部を設けたことを特徴とする請求項１記載の形状可変ミラー素子。
【請求項８】
ダイヤフラム部を有する基板上に第１の電極，圧電膜，第２の電極膜を順に積層して圧電動作部を形成し、前記圧電動作部上に反射膜を形成する形状可変ミラー素子の製造方法であって、圧電動作部の内部張力を調整する処理を施す事を特徴とする形状可変ミラー素子の製造方法。
【請求項９】
内部張力の調整処理として、第１の電極膜，圧電膜，第２の電極膜の少なくとも一つに熱処理を施すことを特徴とする請求項８記載の形状可変ミラー素子の製造方法。
【請求項１０】
内部張力の調整処理として、積層膜に内部張力調整膜を設けたことを特徴とする請求項８記載の形状可変ミラー素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電膜に所定の電圧を印加して形状を可変する形状可変ミラー素子及び形状可変ミラー素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の形状可変ミラー素子としては、鏡面をケーブルで引張り、引張り量を変えることによって鏡面形状を変換できる素子（例えば、特許文献１参照。）や、弾性のある鏡面を裏面から押さえ、凹面、凸面、平面に変形可能な素子（例えば、特許文献２参照。）などが開示されている。しかし、これらの形状可変ミラー素子は、いずれも、機械的変形機構によってミラー本体の形状を変形させるため、構成が複雑であり、極めて大きいサイズの光学部品となっている。
【０００３】
また、小さいサイズの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はリード線が半田付けされた素子（例えば、特許文献３参照。）が開示されている。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。
【０００４】
更なる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（例えば、特許文献４参照。）が開示されている。反射ミラー板には、例えばガラス反射鏡、反射膜、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。すなわち、非常に薄いガラス反射鏡やシリコンウェハー等は研削や高精度の研磨により作製されるが、高度の製造技術を必要とするため製造上のコストが高くなり実現性が困難である。また、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。すなわち、反射鏡、反射膜、シリコンウェハー等を実用上、反射ミラーとして使用する場合は、ある程度の厚みを要するからである。
【０００５】
薄膜を利用した形状可変ミラー素子としては、形状可変部が基板の中空部分の開口部にダイヤフラムを有する素子（例えば、特願２００３−１４３０２７号明細書）が開示されている。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。しかし、薄膜ダイヤフラムを利用した場合、薄膜特有の内部張力が発生しダイヤフラム構成の場合でも大きな内部張力が残留張力として存在することがある。その結果、形状可変部の変位が残留張力により制限されることがあった。すなわち、引張り張力が残留張力として存在するときは、圧電膜の変位性能を示す圧電定数が小さくなり（例えば、非特許文献１参照）、圧電膜の形状可変性能自体が低下することがあった。さらに、圧電膜の発生力以上に大きな引張り張力存在するときには、形状可変量が極めて小さくなることがあった。また、内部張力が非常に大きい場合にはダイヤフラム自体が破断することも容易に推察される。
【特許文献１】特開平５−１２７０６７号公報
【特許文献２】特開平７−１３０５号公報
【特許文献３】特開平１０−１０４５９号公報
【特許文献４】特開２００１−３４９９３号公報
【非特許文献１】内野研二著，「圧電／電歪アクチュエータ」，森北出版，１９８６年７月１日，ｐ．６２−６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、本発明の第１の目的は、圧電動作部を構成する膜の内部張力を適切に維持することにより、圧電膜の発生力を効率よく変位に変換でき、その結果、低電圧で形状可変量の大きい形状可変ミラー素子を提供することにある。本発明の第２の目的は、低電圧で形状可変量の大きい形状可変ミラー素子を安定して形成できる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、電圧を加えることで形状を変化可能な圧電動作部と、圧電動作部に直接或いは間接的に取り付けられた反射部とを備え、圧電動作部によって反射部を変位させる形状可変ミラー素子であって、圧電動作部に電圧を非印加の状態あるいは印加した状態で圧電動作部が圧縮張力である。
【０００８】
また、本発明の形状可変ミラー素子の製造方法は、熱処理等の内部張力調整処理により圧電動作部を構成する膜の内部張力の制御を行うことにより、張力の調整を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の形状可変ミラー素子によれば、圧電膜は膜の内部張力に規制されること無く変位が可能となるので、低電圧で形状可変量の大きい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。
【００１０】
また、本発明の形状可変ミラー素子の製造方法によれば、熱処理により圧電動作部を構成する膜の内部張力を適切な値に制御できるので、低電圧で形状可変量の大きい形状可変ミラー素子を安定して作製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】
【００１１】
請求項１記載の発明は、電圧を加えることで形状を変化可能な圧電動作部と、前記圧電動作部に直接或いは間接的に取り付けられた反射部とを備え、前記圧電動作部によって前記反射部を変位させる形状可変ミラー素子であって、圧電動作部に電圧を非印加の状態あるいは印加した状態で前記圧電動作部が圧縮張力である事を特徴とする形状可変ミラー素子であり、この構成によって、圧電膜は膜の内部張力に規制されること無く変位が可能となるので、低電圧で形状可変量の大きい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】
請求項２記載の発明は、圧電動作部に電圧を加えないときに既に前記圧電動作部は圧縮張力を有している事を特徴とする請求項１記載の形状可変ミラー素子であり、電圧または電流を加えない状態で、すでに内部張力を圧縮張力とする事ができるので、更に低電圧で大きな変位を得る事ができる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、圧電動作部に所定の電圧を加えて初めて前記圧電動作部が圧縮張力となる事を特徴とする請求項１記載の形状可変ミラーであって、電圧または電流を加えない状態で、ある程度の平面状態を維持させる事ができ、仕様などによっては、有効である。
【００１４】
請求項４記載の発明は、圧電動作部は基板上に設けられ、しかも前記基板に設けられたダイヤフラム部分に前記圧電動作部の少なくとも一部が対向している事を特徴とする請求項１記載の形状可変ミラー素子であって、圧電動作部を比較的機械的強度の高い基板に保持できるので、他の部材への取り付け性を向上させる事ができるとともに、取り扱いが容易になる。
【００１５】
請求項５記載の発明は、圧電動作部は、少なくとも圧電膜と、前記圧電膜に電圧を加える電極とを有することを特徴とする請求項１記載の形状可変ミラー素子であって、少ない電圧で圧電膜を駆動させる事ができ、しかも薄型化を実現できる。
【００１６】
請求項６記載の発明は、一対の電極の少なくとも一方，圧電膜の少なくとも一つの部材に弾性板機能を持たせたことを特徴とする請求項５記載の形状可変ミラーであって、別途弾性板を設けなくても、所定の弾性を得る事ができるので、薄型化を実現できる。
【００１７】
請求項７記載の発明は、圧電動作部中，前記圧電動作部に接触、もしくは圧電動作部と反射部の間のいずれか１つの箇所に張力調整部を設けたことを特徴とする請求項１記載の形状可変ミラーであって、圧電動作部自体の構成材料等の関係によって内部張力を調整できない場合などに有効であり、圧電動作部に電圧が加わっていない状態で、内部張力を圧縮張力とすることができたり、或いは、圧電動作部にわずかな電圧を加えただけでも内部張力を圧縮張力とする事ができる。
【００１８】
請求項８記載の発明はダイヤフラム部を有する基板上に第１の電極，圧電膜，第２の電極膜を順に積層して圧電動作部を形成し、前記圧電動作部上に反射膜を形成する形状可変ミラーの製造方法であって、圧電動作部の内部張力を調整する処理を施す事を特徴とする形状可変ミラーの製造方法であって、圧電動作部の内部張力を圧縮張力もしくは、わずかな引張張力などに調整できる。
【００１９】
請求項９記載の発明は、内部張力の調整処理として、第１の電極膜，第２の電極膜の少なくとも一つに熱処理を施すことを特徴とする請求項８記載の形状可変ミラー素子の製造方法であり、各電極膜を熱処理で内部張力が可変になる材料で構成する事で、容易に内部張力が調整可能となり、しかも熱処理時間や熱処理温度を大きくする事で、圧縮張力となる材料で構成する事が好ましい。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、内部張力の調整処理として、積層膜に内部張力調整膜を設けたことを特徴とする請求項８記載の形状可変ミラーの製造方法であり、圧電動作部自体の構成材料などで、内部張力を調整できなかったり、或いは調整可能であるとしても、所望の大きさの張力を得られない場合などに好適に用いられる。
【００２１】
次に、膜の内部張力状態とダイヤフラム２３の形状について、図面を参照して説明する。図２０は基板２１上に形成された膜２２の斜視図である。図２１は基板２１上に形成されたダイヤフラム２３の斜視図である。図２２はダイヤフラム２３の要部断面図である。図面中の膜厚や基板の厚み、変形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。
【００２２】
基板２１の一部をエッチング等の加工を行い中空部を形成すると、図２１および図２２のような膜２２が残った状態となり、膜２２のみからなるダイヤフラム２３が形成される。
【００２３】
基板上の膜２２が基板２１に対して引張り張力の場合、膜２２には収縮力が働き図２３のように基板２１は上に凹の形状に変形する。ダイヤフラム２３を形成すると、ダイヤフラム２３の膜２２は基板２１からの拘束が無くなり、更に収縮する。しかし、ダイヤフラム２３の端部は基板２１に固定支持されているので、収縮には限界があり、図２４のようにダイヤフラム２３は歪曲せずに張った状態で存在する。また、収縮量が規制されるために、膜２２の張力はダイヤフラム２３になっても残留張力として多く残る。
【００２４】
一方、基板２１上の膜２２が基板２１に対して圧縮張力の場合、膜２２には伸張力が働き図２５のように基板２１は上に凸の形状に変形する。ダイヤフラム２３を形成すると、ダイヤフラム２３の膜２２は基板２１からの拘束が無くなり、更に伸張する。その結果、図２６のようにダイヤフラム２３は大きく変形し撓んだ状態で存在する。また、変形量は引張り張力の場合と比較し非常に大きいので、膜２２の張力はダイヤフラム２３状態になるとほとんど残留しない。
【００２５】
圧電膜の膜面内方向の発生力は、上記した膜の内部張力と同様、基板の変形もしくはダイヤフラム２３の変形に作用する。本発明の形状可変ミラー素子は形状可変部と圧電動作部の少なくとも一部はダイヤフラム２３からなるので、ダイヤフラム２３の変形に関して、圧電膜の発生力は上記したダイヤフラム２３の膜２２の内部張力と同様に作用する。
【００２６】
つまり、圧電動作部を構成する膜２２の内部張力が引張り張力で、圧電膜に電圧を印加して引張り張力が発生した場合、圧電動作部の引張り張力がさらに増加する。その結果、ダイヤフラム２３は張った状態のままで存在する。
【００２７】
圧電動作部を構成する膜２２の内部張力が引張り張力で、圧電膜に電圧を印加して圧縮張力が発生した場合、圧電動作部の引張り張力が減少する。その結果、圧電動作部の全張力が引張り張力になると、ダイヤフラム２３は張った状態のままで存在することになり、ダイヤフラム２３は変形することはない。また、変形したとしても非常に小さい変形となる。圧電動作部の全張力が圧縮張力になると、ダイヤフラム２３は撓み、形状が変化する。
【００２８】
圧電動作部を構成する膜の内部張力が圧縮張力で、圧電膜に電圧を印加して引張り張力が発生した場合、圧電動作部の圧縮張力は減少する。その結果、ダイヤフラム２３は張った形状に変化する。圧電膜に電圧を印加して圧縮張力が発生した場合、圧電動作部の圧縮張力はさらに増加する。その結果、ダイヤフラム２３は更に撓んだ形状に変化する。
【００２９】
以上により、圧電動作部を構成する膜の内部張力と圧電膜の発生張力との和が基板に対して圧縮張力からなる領域を使用すると形状可変部は効率よく変形するので、低電圧で形状可変量の大きい形状可変ミラー素子が実現可能となる。
【００３０】
また、熱処理により圧電動作部を構成する膜の内部張力を調整することを特徴とする形状可変ミラー素子の製造方法である。この製造方法によれば、熱処理により膜の表面状態や結晶状態もしくは構成膜間の界面状態が変化することにより、圧電動作部を構成する膜の内部張力を所望の値に制御できるので、形状可変性能に優れた形状可変ミラー素子を安定して作製することが可能となる。
【実施例１】
【００３１】
以下、本発明の形状可変ミラー素子の実施例について、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。
【００３２】
図１は本発明の形状可変ミラー素子の表面から見た斜視図である。図２は本発明の形状可変ミラー素子の裏面から見た斜視図である。図３は本発明の形状可変ミラー素子の要部断面図である。
【００３３】
形状可変ミラー素子１は、基板２と、基板２に形成されたダイヤフラム１３部分上に設けられた形状可変部３と、形状可変部３に電圧を印加するための電極パッド４とを具備している。また、形状可変部３は以下に記述するように薄膜を積層して構成されており、そ
の積層薄膜は基板２上及びダイヤフラム１３部分上に形成され、形状可変部３は積層薄膜のダイヤフラム１３部分上に形成された部分を本実施例では定義する。すなわち、形状可変部３は、基板２上に設けられ基板に固定された積層薄膜のダイヤフラム１３部分と対向する部分である。形状可変部３は圧電動作部５と反射ミラー部６とからなる。圧電動作部５は下部より圧電膜８に電圧を印加するための第１電極膜７、伸縮により形状可変部３を変形させる圧電膜８、圧電膜８に電圧を印加するためのもう一方の第２電極膜９で構成されている。反射ミラー部６は、光を反射させる材料で構成されているとともに本実施例では、変形方向や変形形状を決定する弾性板膜の機能をも兼用させている。従って、他の実施例としては、反射ミラー部６を弾性板膜と反射膜の２層構造とすることが考えられる。なお、当然のことながら、圧電動作部５に弾性板膜を別途設け、反射ミラー部６としては反射膜のみを設ける構成でも良い。本実施例では、反射ミラー部６を反射特性と弾性特性を有する構成或いは材料で構成する事で、別途弾性板膜を設けることを省略でき、構成の簡略化やそれに伴う工程の簡略化を実現できる。また、別な表現で言えば、反射ミラー部６を弾性板膜で構成し、その弾性板膜に反射特性を持たせることでも良い。
【００３４】
基板２の材料としては、ＳｉやＭｇＯ等の単結晶材料が圧電膜８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１３形成のため、基板２のエッチングを行うので、比較的薄い基板が好適に使用される。
【００３５】
圧電膜８の材料としては、ＰＺＴ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位の大きい材料が好適に使用される。また、圧電膜８の形成方法は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ、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。
【００３６】
更に、本実施例において、反射ミラー部に弾性板膜の機能を持たせない場合、別途弾性板膜を設ける必要があるが、その際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が使用できる。本実施例においては、弾性板膜の材料に誘電体多層膜を使用した。また、弾性板膜の形成方法も、圧電膜８の形成方法と同様、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ、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。
【００３７】
反射ミラー部６を構成する反射膜の材料としては、高反射率のＡｕやＡｇ、誘電体多層膜等の反射率の大きな材料や材料構成が好適に使用される。誘電体多層膜の材料や構成は、ミラーの使用目的により異なるが、例えば、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１１の形成方法も、圧電膜８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、反射ミラー部６に弾性板膜の機能を持たせる場合には、所定の弾性を有する材料で反射ミラー部６を形成する。
【００３８】
第１電極膜７と第２電極膜９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、Ｔｉ，Ｔｉ合金，Ｐｔ，Ｐｔ合金，Ｉｒ，Ｉｒ合金など高温に強い材料が望ましい。第１及び第２電極膜７，９の形成方法も、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、ダイヤフラム１３の形成工程では、基板１１のエッチング加工を行うが、加工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１３を形成できる技術であれば特に制限されることはない。
【００３９】
本実施例の形状可変ミラー素子の製造方法について、図４〜図９を参照して説明する。
図４〜図９は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である。
【００４０】
まず、図４〜図８に示すように、厚みが１００μｍ〜５００μｍの薄いＳｉ基板１２上に第１電極膜７、圧電膜８、第２電極膜９と弾性板膜の機能を有した反射ミラー部６を順次形成する。
【００４１】
第１電極膜７の材料にはＩｒ−Ｔｉ合金を使用し、膜厚は０．５μｍ〜１．５μｍとした。圧電膜８の材料にはＰＺＴを使用し、膜厚は１μｍ〜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３５０℃〜５００℃、ＰＺＴ形成時の基板温度は５５０℃〜７００℃とした。なお、本実施例における圧電膜８の変位性能を示す圧電定数は１００ｐｍ／Ｖ〜１５０ｐｍ／Ｖであり、圧電膜８の発生張力は１Ｖあたり７〜９Ｐａ・ｍであった。
【００４２】
第２電極膜９の材料にはＴｉを使用し、Ｔｉ膜厚は０．３〜０．７μｍ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。
【００４３】
弾性板膜機能を有した反射ミラー部６の材料には付着力や耐腐食性に優れるＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5を交互に積層した誘電体多層膜を使用した。なお、反射ミラー部６は前述の通り、弾性板機能及び反射機能を有するので、膜厚を０．３〜０．７μｍとした。反射ミラー部６の形成は蒸着法を使用した。
【００４４】
次に、必要に応じ膜の内部張力値を調整する。張力が変化する主たる材料は第２電極膜９のＴｉであり、張力の変化量は第２電極膜９（Ｔｉ膜）の形成方法に左右されるが、本実施例の形状可変ミラー素子１について、熱処理を行った場合の第２電極膜９（Ｔｉ膜）の内部張力の変化を図１０に示す。例えば、２００℃の熱処理により内部張力が引張り方向へ約１２Ｐａ・ｍ変化する。さらに熱処理温度をあげるにしたがい、引張り張力が大きくなり、２５０℃では約２９Ｐａ・ｍ、３００℃では約４３Ｐａ・ｍ変化した。
【００４５】
なお、本発明の内部張力調整方法においては、所望の膜張力が引張り張力の場合はより弱い引張り張力で、圧縮張力の場合はより強い圧縮張力で、膜の形成を行った後、熱処理を行うことで所望の張力を得ることが可能となる。これは、熱処理により膜の内部張力を調整する場合、張力の調整方向は引張り張力方向にしか働かないためであり、成膜時に所望の張力より圧縮張力方向の状態で成膜を行うことで、調整が可能になる。本熱処理により、圧電動作部５の張力が調整される。最後に、ダイヤフラム１３を形成するために、Ｓｉ基板１２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所望の厚みまでエッチング加工することにより、形状可変部３がダイヤフラム１３となる。なお、本実施例の形状可変ミラー素子１のダイヤフラム１３の直径は１〜２ｍｍとした。
【００４６】
以上により作製された形状可変ミラー素子について、（表１）に示すような張力方向と張力値の異なる形状可変ミラー素子を作製した。
【００４７】
【表１】
2005195837.tif 000003
【００４８】
（表１）のように形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。各構成の膜の各張力値は、全ての素子ともに圧電膜８（ＰＺＴ）と第１電極膜７（Ｉｒ−Ｔｉ）の積層膜は１００Ｐａ・ｍの引張り張力、弾性板膜の機能を有する反射ミラー部６は５０Ｐａ・ｍの圧縮張力であるので、反射ミラー部６と圧電膜８（ＰＺＴ）及び第１電極膜７（Ｉｒ−Ｔｉ）の積層膜のトータル張力は引張り張力となりその大きさは５０Ｐａ・ｍとなる。第２電極膜９（Ｔｉ）の張力は、成膜時の形成方法と熱処理温度により変化させ張力を調整した。
【００４９】
最初に、素子Ｎｏ．１の動作を図面とともに説明する。図１１〜図１３は引張り張力の大きい場合の形状可変ミラー素子１の要部断面図である。本実施例の形状可変部３からなる膜の内部張力は、第２電極膜９のＴｉの張力値が１５０Ｐａ・ｍの引張り張力になるように調整したので、反射ミラー部６と圧電膜８（ＰＺＴ）及び第１電極膜７（Ｉｒ−Ｔｉ）の積層膜のトータル張力は引張り張力となりその大きさが５０Ｐａ・ｍであるから、ダイヤフラム１３部分における全張力値は２００Ｐａ・ｍの引張り張力となる。
【００５０】
形状可変ミラー素子１に電圧を印加しない時、図１１で示す様に形状可変部３は一様に張った形状となる。ここで、圧電膜８に５Ｖの電圧を印加すると、圧電膜８には約４０Ｐａ・ｍ程度の圧縮張力が発生するが、圧電膜８の張力を加えても、全張力は引張り張力（約１６０Ｐａ・ｍ）となる。従って、形状可変部３は図１２で示す様に歪曲することなく一様に張った形状となり、形状可変部３は変形することはない。または、変形したとしても極めて小さい。更に、１０Ｖの電圧を印加すると、圧電膜８には約８０Ｐａ・ｍの力が発生するが、やはり全張力は引張り張力なので、図１３のごとく形状可変部３は変形することはない。または、変形したとしても極めて小さい。
【００５１】
第１電極膜７，圧電膜８，第２電極膜９を含む圧電動作部５のトータル張力が、基板２に対して引張り張力となり、その大きさが２００Ｐａ・ｍ以上である場合は、圧電膜８に大きな電圧区を加えたとしても極めて小さい変形量であった。
【００５２】
次に、素子Ｎｏ．２の動作を図面とともに説明する。図１４〜図１６は引張り張力の小さい場合の形状可変ミラー素子１の要部断面図である。本実施例の形状可変部３からなる膜の全張力は、第２電極膜９のＴｉの張力値が０Ｐａ・ｍの無張力になるように調整したので、反射ミラー部６と圧電膜８（ＰＺＴ）及び第１電極膜７（Ｉｒ−Ｔｉ）の積層膜のトータル張力は引張り張力となりその大きさが５０Ｐａ・ｍであるから、ダイヤフラム１３部分における全張力値は５０Ｐａ・ｍの引張り張力となる。形状可変ミラー素子１に電圧を印加しない時、図１４で示す様にダイヤフラム１３からなる形状可変部３は一様に張った形状となる。ここで圧電膜８に５Ｖの電圧を印加すると、圧電膜８には約４０Ｐａ・
ｍ程度の圧縮張力が発生するが、全張力は引張り方向なので、形状可変部３は一様に張った形状となり、図１５で示す様に張った断面形状となる。すなわち、形状可変部３は変形することはない。または、変形したとしても極めて小さい。更に、１０Ｖの電圧を印加すると、圧電膜８には約８０Ｐａ・ｍの圧縮張力が発生し、トータル張力は圧縮張力になり、図１６のごとく形状可変部３は変形する。従って、第１電極膜７，圧電膜８，第２電極膜９を含む圧電動作部５のトータル張力が基板２に対して引張り張力となり、その大きさが５０Ｐａ・ｍ以上である場合は、圧電膜８に加える電圧が小さい場合には極めて小さい変形量であった。しかし、圧電膜８に大きな電圧を加えると、圧電動作部５自体の張力が圧縮張力となり、比較的大きな変位を得る事ができた。
【００５３】
更に、素子Ｎｏ．３の動作を図面とともに説明する。図１７〜図１９は圧縮張力の小さい場合の形状可変ミラー素子１の要部断面図である。本実施例の形状可変部３からなる膜の全張力は、第２電極膜９のＴｉの張力値が１５０Ｐａ・ｍの圧縮張力になるように調整したので、反射ミラー部６と圧電膜８（ＰＺＴ）及び第１電極膜７（Ｉｒ−Ｔｉ）の積層膜のトータル張力は引張り張力となりその大きさが５０Ｐａ・ｍであるから、ダイヤフラム１３部分における全張力値は１００Ｐａ・ｍの圧縮張力となる。形状可変ミラー素子１に電圧を印加しない時、図１７で示す様にダイヤフラム１３からなる形状可変部３はやや撓んだ形状となる。圧電膜８に、例えば圧縮方向に力が発生するように、５Ｖの電圧を印加すると、圧電膜８には約４０Ｐａ・ｍ程度の圧縮張力が発生し、図１８で示す様にさらに撓んだ状態となる。更に、１０Ｖの電圧を印加すると、圧縮張力は増加し、図１９のごとく更に形状可変部３は変形する。従って、第１電極膜７，圧電膜８，第２電極膜９を含む圧電動作部５のトータル張力が基板２に対して圧縮張力となり、その大きさが１００Ｐａ・ｍ以上である場合は、圧電膜８に加える電圧が小さい場合でも極めて大きな変形量を得る事ができた。また、圧電膜８に大きな電圧を加えると、更に大きな変位を得る事ができた。
【００５４】
なお、素子Ｎｏ．４の動作は素子Ｎｏ．３の動作と同様であった。異なる点は、形状可変ミラー素子１に電圧を印加しない時の変形量が素子Ｎｏ．３と比較し、大きいという点であったので、動作の説明は省略する。
【００５５】
以上により、本実施例の形状可変ミラー素子１によれば、圧電動作部５を構成する膜の内部張力と圧電動作部５中の圧電膜８に所定の電圧を加えた際の圧電膜８の発生張力との和が基板２に対して圧縮張力からなる領域を使用することにより、形状可変部３は効率よく大きな変形を実現することが可能となった。更に、本実施例の製造方法によれば、膜の内部張力を制御することで、大きな変形を実現できる形状可変ミラー素子を安定して作製可能であることが明らかとなった。
【００５６】
なお、本実施例の形状可変ミラー素子においては、形状可変部３と圧電動作部５は同一部材同一構成となっているが、同一部材同一構成に限定されるものではない。例えば図２７のように、反射ミラー部６をダイヤフラム１３中央に配置し、圧電動作部５をダイヤフラム１３周辺に配置した構成とすることにより、圧電動作部５が形状可変部の一部となる構成としてもよい。
【００５７】
同様に、本実施例の形状可変ミラー素子において反射ミラー膜１１に弾性板膜の機能を持たせたが、同一部材とすることに限定されない。さらに、反射ミラー部６を反射ミラー膜というように、膜構成で形成したが、例えば、反射シートなどを貼り付ける構成としても良く、スパッタリング法や蒸着法で構成した膜に限定されない。
【００５８】
更に、圧電動作部５自体の張力を引張り張力になるように構成した場合に、圧電動作部５の中の圧電膜８に所定の電圧を加えた際に、圧電動作部５が圧縮張力となるように調整
する事で、比較的圧電動作部５に平坦度を保たせる事ができるので、仕様などによっては、好ましい場合がある。すなわち、圧電膜８に電圧を加えない場合には、反射ミラー部６は平坦形状であるので、反射ミラー部６に入射した光をあまり、収差等を補正せずに反射させる事ができ、収差などの必要な場合だけ、電圧を圧電膜８に加え、圧電動作部５として圧縮張力となるように電圧を加える事で、入射した光の収差などを補正するようにできる。
【００５９】
また、本実施例では、第２電極膜９で構成される材質が熱処理の程度によって、張力調整が容易に実現できるのに着目したが、第２電極膜９以外の部材にも、熱処理を加える事で、内部張力の調整を行う事ができる。すなわち、例えば、第１電極膜７に熱処理で張力調整が比悪的安易に行える材料の場合、第１電極膜７に着目して内部張力の調整を行える。また、別の観点からすれば、基板２上に形成される薄膜などの特性を考慮し、各薄膜が熱処理にて、張力調整が可能な場合、トータル的に内部張力が所定の範囲になるように制御できる。すなわち、例えば、積層する薄膜が、熱処理によって、引張り張力を増大させる膜と圧縮張力を増大させる膜が混在させた場合、熱処理によって、所望の内部張力となるように、各薄膜の構成材料や膜厚等を調整する必要がある。これら、薄膜の構成材料や、膜厚については、予め実験等で、どのような張力を発生するかを事前に測定しておく事ができる。
【００６０】
更に、本実施例では、基板２上に各部材を設けた後に、所定の温度或いは所定時間熱処理を施す事で、形状可変ミラー素子１の内部張力を調整したが、第１電極膜７を形成した後に第１電極膜の張力調整を行っても良いし、圧電膜８を形成した後に第１電極膜７，圧電膜８の少なくとも一つの張力調整を行っても良いし、第２電極膜９を形成した後に、第１電極膜７，圧電膜８，第２電極膜９の少なくとも一つの張力調整を行っても良い。
【００６１】
本実施例では、熱処理によって内部張力を調整する方法を採用したが、内部張力を調整可能な膜を別途設ける事もできる。すなわち、例えば、圧電動作部５と反射ミラー部６の間に張力調整が可能な薄膜を設ける構成である。この張力調整可能な薄膜は、形成した時点で例えば所定の圧縮張力を有しており、これにより、形状可変ミラー素子１として内部張力が圧縮張力になるように調整する事もできる。張力調整可能な膜としては、当然熱処理を行う事で、張力を調整できるものも使用できるし、熱処理においても張力が変化しにくいものを用いても良い。具体例としては、圧電動作部５と反射ミラー部６の間に酸化シリコン膜を設ける構成などが上げられる。
【００６２】
ここで張力値の測定方法について説明を行う。張力値は薄膜形成後の基板の反り量を測定し下記の（数１）によって求まる。ただし、（数１）は基板に対して圧電動作部などを構成する薄膜は十分に薄いという仮定に基づいた近似式（例えば、「薄膜の力学的特性評価技術」，株式会社リアライズ社，１９９２年３月１９日，ｐ．２２８参照）である。
【００６３】
【数１】
2005195837.tif 000004
【００６４】
Ｓは薄膜の張力値、Ｅは基板のヤング率、Ｄは基板の厚み、ｌは基板の長さ、νは基板
ポアッソン比、δは薄膜形成後の基板の反り量である。従って、（数１）において薄膜の張力Ｓは、基板の各特性を求める事で、容易に求める事ができる。また、当然のことながら他の手法で薄膜の張力を求めても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の形状可変ミラー素子によれば、低電圧で形状可変量の大きい形状可変ミラー素子を提供できるので、可変光学素子を含む光学系を備えた、例えば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も適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の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】本発明の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図４】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断面図
【図５】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断面図
【図６】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断面図
【図７】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断面図
【図８】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断面図
【図９】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断面図
【図１０】熱処理温度と張力変化値との関係図
【図１１】引張り張力の大きい場合の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図１２】引張り張力の大きい場合の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図１３】引張り張力の大きい場合の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図１４】引張り張力の小さい場合の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図１５】引張り張力の小さい場合の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図１６】引張り張力の小さい場合の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図１７】圧縮張力の小さい場合の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図１８】圧縮張力の小さい場合の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図１９】圧縮張力の小さい場合の形状可変ミラー素子の要部断面図
【図２０】基板上に形成された膜の斜視図
【図２１】基板上に形成されたダイヤフラム１３を示す図
【図２２】基板上に形成されたダイヤフラム１３の要部断面図
【図２３】膜が基板に対して引張り張力の場合の基板の変形を示す図
【図２４】膜が基板に対して引張り張力の場合のダイヤフラム１３の変形を示す図
【図２５】膜が基板に対して圧縮張力の場合の基板の変形を示す図
【図２６】膜が基板に対して圧縮張力の場合のダイヤフラム１３の変形を示す図
【図２７】本実施例の他の構成の形状可変ミラーの要部断面図
【符号の説明】
【００６７】
１    形状可変ミラー素子
２    基板
３    形状可変部
４    電極パッド
５    圧電動作部
６    反射ミラー部
７    第１電極膜
８    圧電膜
９    第２電極膜
１０    弾性板膜
１１    反射ミラー膜
１２    Ｓｉ基板
１３    ダイヤフラム
２１    基板
２２    膜
２３    ダイヤフラム
【図１】
2005195837.tif 000005
【図２】
2005195837.tif 000006
【図３】
2005195837.tif 000007
【図４】
2005195837.tif 000008
【図５】
2005195837.tif 000009
【図６】
2005195837.tif 000010
【図７】
2005195837.tif 000011
【図８】
2005195837.tif 000012
【図９】
2005195837.tif 000013
【図１０】
2005195837.tif 000014
【図１１】
2005195837.tif 000015
【図１２】
2005195837.tif 000016
【図１３】
2005195837.tif 000017
【図１４】
2005195837.tif 000018
【図１５】
2005195837.tif 000019
【図１６】
2005195837.tif 000020
【図１７】
2005195837.tif 000021
【図１８】
2005195837.tif 000022
【図１９】
2005195837.tif 000023
【図２０】
2005195837.tif 000024
【図２１】
2005195837.tif 000025
【図２２】
2005195837.tif 000026
【図２３】
2005195837.tif 000027
【図２４】
2005195837.tif 000028
【図２５】
2005195837.tif 000029
【図２６】
2005195837.tif 000030
【図２７】
2005195837.tif 000031