(57)【要約】【課題】回折格子と駆動機構とが一体化および小型化された構造であるとともに、駆動時の電圧が低電圧であり消費電力を低減可能な回折格子を提供する。【解決手段】同一面上において略等間隔に複数配列された格子単位２１を有し、隣接した格子単位２１の間隔を可変とする結合部材２０と、結合部材２０の両端部を固定する筐体１１と、結合部材２０を駆動して変位させる駆動手段３０と、を備え、結合部材２０は、弾性結合体１２及び駆動手段３０により駆動される移動体１５からなり、駆動手段３０は、圧電素子１３と、移動体１５の縁部と当接可能な複数の凸状部１４aが形成された振動体１４とを備え、振動体１４を介して圧電素子１３によって発生した振動を伝達して移動体１５を変位させ、移動体１５の変位に伴って弾性結合体１２が伸縮する回折格子。【選択図】図１
2017215372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一面上において複数配列された格子単位を有し、隣接した前記格子単位の間隔を可変とする結合部材と、
前記結合部材の前記格子単位配列方向の両端部を固定する筐体と、
前記結合部材を駆動して前記格子単位配列方向に変位させる駆動手段と、を備え、
前記結合部材は、弾性結合体及び前記駆動手段により駆動される移動体からなり、
前記駆動手段は、圧電素子と、前記移動体の縁部と当接可能な複数の凸状部が形成された振動体とを備え、前記振動体を介して前記圧電素子によって発生した振動を伝達して前記移動体を変位させ、
前記移動体の変位に伴って前記弾性結合体が伸縮することを特徴とする回折格子。
【請求項２】
前記弾性結合体は、断面が矩形凹凸状の周期的構造からなることを特徴とする請求項１に記載の回折格子。
【請求項３】
前記圧電素子によって発生する振動が超音波振動であることを特徴とする請求項１または２に記載の回折格子。
【請求項４】
前記移動体が、前記振動体に発生するたわみ進行波により摩擦駆動されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回折格子。
【請求項５】
前記筐体及び前記結合部材が、弾性を有する材料により形成されてなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の回折格子。
【請求項６】
前記筐体及び前記結合部材が、シリコンにより形成されてなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の回折格子。
【請求項７】
光入射部と、光反射部と、回折格子と、を備え、前記回折格子が請求項１から６のいずれかに記載の回折格子であることを特徴とする分光器。
【請求項８】
請求項６に記載の分光器と、前記分光器で分光された光束を受光する検出部とを備えたことを特徴とする分光装置。
【請求項９】
被測定物に光を照射する光源と、請求項８に記載の分光装置とを備え、
前記被測定物からの反射光を前記分光装置により分光し、波長スペクトルを得ることを特徴とする分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子、分光器、分光装置および分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折格子は、周期的に配置された格子を有し、入射した光の回折干渉を応用する分光素子である。その分光特性は光の入射角と格子周期に依存することが知られている。
回折格子は、分光器、波長フィルタ、光変調器、光検出器等に応用されている。
【０００３】
回折格子の波長特性を変化させる技術としては、回折格子の向きを変化させて光の入射角度を変える方法がある。この方法では、回折格子自体を回転させることにより光の入射角を変化させ、出射角を制御するものが主流である。しかしながら、機械的な回転機構（回転させるためのスペース）や、駆動制御部品等が必要となるため、装置の大型化をまねくという問題がある。
【０００４】
これに対し、回折格子の周期を変化させることにより回折格子の波長特性を変化させる方法では、例えば、ＭＥＭＳ（Micro-electro-mechanical  system）技術を用いることによって微細な機構を作製することができ、装置を小型化することができる。
【０００５】
具体的には、リボン状の回折素子をシリコン基板上に一列に並べた構造において、固定された回折素子と静電力で引き込むことで下方に湾曲可能な回折素子とを交互に設け、バイアスを印加することで可動する回折素子を下方に湾曲させ、凹凸面を形成することにより回折光を生ずるという機構の回折格子が知られている。
【０００６】
このようなＭＥＭＳ技術を用いた回折格子構造によれば、小さな機械的変位で大きな光学変調が得られる。また高速の応答が可能であり、さらに機械的な信頼性も高い。
しかしながら、上述の例では、リボン状の回折素子を下方に湾曲させることに伴う構造の複雑化や製造の困難さ、さらに光学的な自由度が制限される等の点で改善の余地があった。そこで、これを改善する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
特許文献１には、同一面上において第１の方向に併設された複数の梁体を備え、前記第１の方向にみた前記梁体の間隔が可変とされ、前記第１の方向にみた前記梁体の配置が第１の周期を有する第１の状態と、前記第１の方向にみた前記梁体の配置が前記第１の周期とは異なる第２の周期を有する第２の状態と、を選択的に形成可能である回折格子が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の回折格子の動作は高電圧（静電）駆動であることから、電力消費が多くなるという問題がある。また、依然として複雑な構造であることから、コスト増大や歩留まりの低下といった問題が解消されない可能性がある。
【０００９】
そこで本発明は、回折格子と駆動機構とが一体化および小型化された構造であるとともに、駆動時の電圧が低電圧であり消費電力を低減可能な回折格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】
【００１０】
かかる目的を達成するため、本発明に係る回折格子は、同一面上において複数配列された格子単位を有し、隣接した前記格子単位の間隔を可変とする結合部材と、前記結合部材の前記格子単位配列方向の両端部を固定する筐体と、前記結合部材を駆動して前記格子単位配列方向に変位させる駆動手段と、を備え、前記結合部材は、弾性結合体及び前記駆動手段により駆動される移動体からなり、前記駆動手段は、圧電素子と、前記移動体の縁部と当接可能な複数の凸状部が形成された振動体とを備え、前記振動体を介して前記圧電素子によって発生した振動を伝達して前記移動体を変位させ、前記移動体の変位に伴って前記弾性結合体が伸縮することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回折格子と駆動機構とが一体化および小型化された構造であるとともに、駆動時の電圧が低電圧であり消費電力を低減可能な回折格子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態にかかる回折格子の上面図である。
【図２】回折格子を構成する弾性結合体（回折格子部）の斜視図である。
【図３】回折格子部の製造工程の一例を示す説明図である。
【図４】駆動手段による移動体の変位を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる分光器の断面図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる分光装置の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる分析装置の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る回折格子、分光器、分光装置および分析装置について、図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００１４】
本実施形態の回折格子を図１及び図２に基づき説明する。
図１は、本発明の回折格子の一実施形態を示す上面図であり、図２は、回折格子を構成する弾性結合体（回折格子部）の斜視図である。
【００１５】
本実施形態の回折格子は、同一面上において略等間隔に複数配列された格子単位２１を有し、隣接した格子単位２１の間隔を可変とする結合部材２０と、結合部材２０の格子単位配列方向の両端部を固定する筐体１１と、結合部材２０を駆動して格子単位配列方向に変位させる駆動手段３０と、を備える。
結合部材２０は、弾性結合体１２及び駆動手段３０により駆動される移動体１５を有する。
駆動手段３０は、圧電素子１３と、移動体１５の縁部と当接可能な複数の凸状部１４ａが形成された振動体１４とを備え、振動体１４を介して圧電素子１３によって発生した振動を伝達して移動体１５を変位させる。
そして、移動体１５の変位に伴って弾性結合体１２が伸縮する。
弾性結合体１２は、断面が矩形凹凸状の周期的構造からなり、移動体１５の変位に伴って格子単位２１の間隔が変化する。
【００１６】
図１（Ａ）において、移動体１５を介して図の左側の弾性結合体１２ａにより形成される格子単位２１の間隔（回折格子の周期）をｄ１、図の右側の弾性結合体１２ｂにより形成される格子単位２１の間隔（回折格子の周期）をｄ２とすると、移動体１５が変位した状態を示す図１（Ｂ）において、ｄ１は大きくなり、ｄ２は小さくなる。回折格子の周期が変化することにより回折光の方向は変化するため、格子単位２１の間隔を変化させることにより、所望の波長特性が得られるように調整することができる。
【００１７】
弾性結合体１２は、図２に示すように断面が矩形凹凸状の周期的構造からなり、格子単位の配列方向に伸縮する弾性体として機能する。裏面のパターン形状によって、伸縮する強度（ばね強度）を所望の強さに調整することができる。
【００１８】
結合部材２０の格子単位配列方向の両端部は、筐体１１に接続固定されているため、格子単位配列方向への変位によって折格子の周期が変化する。一方、移動体１５が振動体１４の凸状部１４ａと当接しているため、格子単位配列方向に対して垂直な方向への変位が規制されている。
【００１９】
筐体１１及び結合部材２０は、弾性を有する材料により形成されていることが好ましく、具体的にはシリコンにより形成されていることが好ましい。
筐体１１の短辺方向の一領域には複数の配線パッド１６が形成されている。
筐体１１及び結合部材２０は、ＭＥＭＳ技術により駆動手段３０とともに集積化される。
【００２０】
本実施形態の回折格子の筐体の大きさは、長辺が１０ｍｍ、短辺が５ｍｍである。なお、筐体１１の大きさとしては、本実施形態に限られないが、ＭＥＭＳ技術により作成することが適切な範囲であればよい。
【００２１】
結合部材２０には、光反射率の高い材料からなる反射層１７が形成されている。反射層１７を設けることにより、反射効果による回折光の強度向上効果が得られる。
反射層１７は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ等の金属薄膜により形成することができ、本実施形態ではＡｌからなる反射層を設けている。
【００２２】
図３は、本実施形態の回折格子を構成する回折格子部の製造工程の一例を示す断面模式図である。
図３（Ａ）は、シリコン基板１０に、反射層となるＡｌ薄膜１７ａを積層した構造の基板の断面図である。以下、Ａｌ薄膜が形成された面を表面（符号１０ａ）、他方の面を裏面（符号１０ｂ）という。
図３（Ｂ）は、Ａｌ薄膜１７ａをエッチングして反射層１７（ミラー形状）を形成した状態を示している。
【００２３】
図３（Ｃ）は、Ａｌ薄膜１７ａが除去されて露出したシリコン基板の表面１０ａをエッチングした状態を示している。
図３（Ｄ）は、シリコン基板の裏面１０ｂをエッチングして、断面が矩形凹凸状の構造が形成された状態を示している。上述のように、この裏面のエッチングを制御することにより、弾性結合体１２のばね強度を調節することができる。
【００２４】
上述のように、シリコン基板の表面及び裏面をエッチングすることにより、図３（Ｅ）に示す回折格子部が得られる。
なお、図３は結合部材２０の一方側の回折格子部のみを示しているが、移動体１５を介した他方側の回折格子部も同様にして形成される。
【００２５】
次に、駆動手段３０による移動体１５の駆動について図４に基づき説明する。
本実施形態の周期配列型回折格子において、圧電素子１３によって発生する振動は、超音波振動である。
図４に示すように、駆動手段３０は、圧電素子１３と、移動体１５の縁部と当接可能な複数の凸状部１４ａが形成された振動体１４とを備える。隣接する圧電素子１３には、位相差のある電圧波形が印加される。
【００２６】
振動体１４の中を進行波が伝播する際に、表面付近の凸状体１４ａの粒子が楕円軌跡を描いて運動する。この運動を利用し、摩擦力を介して超音波振動を一方向への運動へと変換する。すなわち、圧電素子１３によって振動体（ステータ）１４に超音波振動を発生させ、摩擦力によって移動体（スライダー）１５を駆動し、変位させる。移動体１５は、振動体１４に発生するたわみ進行波によって摩擦駆動される。
【００２７】
振動体１４のたわみ進行波を移動体１５に伝えるために、凸状部１４ａと移動体１５とはある程度の圧力で圧接している必要があり、接触面の精度を高くする必要がある。振動体１４のたわみ進行波が移動体１５にうまく伝達されないと、摩擦熱により発熱が増大するおそれがある。
【００２８】
上述のように、本実施形態の回折格子は、ＭＥＭＳ技術により回折格子と駆動機構とが一体化および小型化された構造であるとともに、超音波アクチュエータにより周期を変更させるため、駆動時の電圧が低電圧であり消費電力を低減することができる。
【００２９】
〔分光器〕
図５は、本発明の分光器の一実施形態を示す断面図である。
本実施形態の分光器４０は、光入射部３と、凹面光反射部６、７と、回折格子４と、を備え、回折格子が上述の本発明の回折格子である。回折格子の小型化によって、本実施形態の分光器４０も小型化されている。
【００３０】
分光器４０は、第一の基板１と第二の基板２から形成されている。第一の基板１上には、光入射部３、回折格子４及び光出射部５が形成され、第二の基板２上には第一の凹面光反射部６及び第二の凹面光反射部７が形成されている。
第一の基板１と第二の基板２とは、スペーサー８を介して固定される際に、所望の位置になるようにアライメントされている。
回折格子４が上述の本発明の回折格子である。回折格子の小型化によって、本実施形態の分光器４０も小型化されている。
【００３１】
図５中の矢印は、ある波長の光の光路を示している。この矢印が示すように、分光器４０の光入射部３から入射した入射光は、第一の凹面光反射部６で反射して回折格子４へと導かれる。入射光は回折格子４で波長分散されるとともに、第二の凹面光反射部７で反射され、光出射部５で結像される。
【００３２】
ここで、回折格子４は、波長分散の機能と、光出射部５の位置における結像の機能とを有し、第二の凹面光反射部７は、回折格子４で分散された光を光出射部５の位置で走査可能にする機能を有している。
【００３３】
分光器４０の製造方法の一例を以下に説明する。
第一の基板１としてシリコン基板を用いる場合、第一の基板１上に、ナノインプリントやグレースケールマスクを用いたドライエッチング技術を用いて回折格子４を形成する。
一方、光入射部３及び光出射部５は、第一の基板１上にウェットプロセスまたはドライプロセスの異方性エッチング等により形成される。
【００３４】
第二の基板２上には、第一の凹面光反射部６及び第二の凹面光反射部７の反射面をＡｇ、Ａｌ、Ａｕ等の金属薄膜で形成する。
【００３５】
第一の基板１と第二の基板２とは、直接貼り合わせることにより、またはスペーサー８を介して固定することができる。固定は、固定部材を用いることもできる。スペーサー８を介して固定する場合、スペーサー８の厚みを調節することにより、第一の光反射部６及び第二の凹面光反射部７と回折格子４とが所望の位置関係や距離となるようにアライメントすることができる。
【００３６】
なお、分光器を構成する各部材の材料、分光器の形成方法や製造工程は上述の方法に限定されない。
【００３７】
〔分光装置〕
図６は、本発明の分光装置の一実施形態を示す断面図である。
本実施形態の分光装置５０は、上述の分光器４０と、この分光器４０で分光された光束を受光する検出部９とを備える。具体的には、光入射部３と、凹面光反射部６、７と、回折格子４と、検出部９とを備え、回折格子が上述の本発明の回折格子である。回折格子の小型化によって、本実施形態の分光装置５０も小型化されている。
【００３８】
分光装置５０は、上述の分光器４０の光出射部５の位置に検出部９を形成したものである。検出部９の形成以外は、上述の分光器４０と同様に形成することができる。
第一の基板１上に検出部９を形成することにより、従来は別の装置として外部に設置される光検出手段を一体化することができ、さらなる小型化を実現することができる。
外部に設置された光検出手段では、分光器４０からの出射光を受光するためのアライメント調整が必要となり、最終的な製品コストの増加をまねくことがあるが、本実施形態の分光装置５０によればこの問題も解消される。
【００３９】
フォトダイオードで受光する場合、測定する波長に応じた材料を選択する必要があり、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ等を使用することができる。
Ｓｉの検出器であれば、ＳｉのフォトダイオードをＣＭＯＳプロセスによりＳｉ基板、ＳＯＩ（Silicon  On  Insulator）基板上に形成することができる。また、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ等の検出器であれば、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ等のフォトダイオードチップをＳｉ基板上に実装することができる。
【００４０】
なお、分光装置を構成する各部材の材料、分光装置の形成方法や製造工程は上述の方法に限定されない。
上述の周期可変回折格子を備える構成であれば、図５及び図６で示されるようなウェハレベルで作成された分光器及び分光装置に限定されない。
また、第１の基板１上に光入射部３と光出射部５を設けているが、第１の基板１とは別個のスリットとして光入射部３と光出射部５を別途設けてもよい。
【００４１】
〔分析装置〕
図７は、本発明の分析装置の一実施形態としてのモバイル型の分析装置６０を示す構造図である。
本実施形態の分析装置６０は、被測定物に光を照射する光源と、上述の分光装置５０を備え、被測定物からの反射光を分光装置５０により分光し、波長スペクトルを得る装置である。なお、分光装置５０として上述の分光器４０を用いることもできる。その場合、分光器４０の出射光側に光検出部９を設ける。
【００４２】
本実施形態のモバイル型の分析装置６０は、光源１０１、分光装置５０、駆動回路１０４、処理回路１０５、これらの動力源であるバッテリー１０６等を搭載している。分光装置５０は、上述の本発明にかかる分光装置である。
駆動回路１０４は、光源１０１及び分光装置５０を駆動する。処理回路１０５は、検出された信号の増幅・Ａ／Ｄ変換・通信等を行う。
【００４３】
本実施形態の分析装置６０において、光源１０１から出射された出射光２２１は被測定物２３０に照射され、被測定物２３０内の分子に衝突しながら拡散反射する。拡散反射された光２２２は分光装置５０に入射し、分光装置５０に設けられた光検出部９により検出される。このようにして被測定物２３０の分子構造に特徴的な波長スペクトルを得ることができる。
【００４４】
本実施形態の分析装置６０は、本発明にかかる分光装置５０または分光器４０を用いることにより小型化及び低コスト化を実現することができ、モバイル性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
３        光入射部
４        回折格子
５        光出射部
６        第一の凹面光反射部
７        第二の凹面光反射部
８        スペーサー
９        光検出部
１０      シリコン基板
１１      筐体
１２      弾性結合体（回折格子部）
１３      圧電素子
１４      振動体
１５      移動体
１６      配線パッド
１７      反射層
２０      結合部材
２１      格子単位
３０      駆動手段
４０      分光器
５０      分光装置
６０      分析装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４６】
【特許文献１】特許第４９５８０４１号公報
【図１】
2017215372.tif 000003
【図２】
2017215372.tif 000004
【図３】
2017215372.tif 000005
【図４】
2017215372.tif 000006
【図５】
2017215372.tif 000007
【図６】
2017215372.tif 000008
【図７】
2017215372.tif 000009