(57)【要約】【課題】数百μｍから数十μｍの範囲で、高精度且つ連続的にアパチャ径を設定することが可能な可変型アパチャを提供する。【解決手段】開口１０２ａが設けられている基板１０２と、該基板１０２に支持されると共に、該開口１０２ａを通過する光線束を遮る遮光板１１４と該遮光板１１４を駆動制御可能な駆動機構とを備えるＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄと、を有する。前記ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄは、前記開口１０２ａの径方向に対向して複数配置することができる。前記ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄは、前記開口１０２ａの光軸方向において、複数積層することができる。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
開口が設けられている基板と、
該基板に支持されると共に、該開口を通過する光線束を遮る遮光板と該遮光板を駆動制御可能な駆動機構とを備えるＭＥＭＳアクチュエータと、
を有することを特徴とする可変型アパチャ。
【請求項２】
前記ＭＥＭＳアクチュエータは、前記開口の径方向に対向して複数配置されることを特徴とする請求項１に記載の可変型アパチャ。
【請求項３】
前記ＭＥＭＳアクチュエータは、前記開口の光軸方向において、複数積層されることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変型アパチャ。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳアクチュエータの駆動機構は、印加電圧に応じて該遮光板の変位量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の可変型アパチャ。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、可変型アパチャに係り、特に、観察用光学系やエンコーダ光学系に用いるのに好適な、可変型アパチャに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系におけるアパチャ径（ピンホール径）は解像度や焦点深度といった光学的に重要な性能に影響を与える要素であり、目的に応じて、その光学系に最適なアパチャ径を選択する必要がある。
【０００３】
しかし、従来は、離散的に設定されたアパチャ径の中から目的に近いものを選択して用いていた。そのため、使用目的に最適な唯一のアパチャ径を選択することは困難であった。又、アパチャ径が小さい場合には、アパチャ交換時の光軸調整が煩雑になるという問題もあった。一方で、カメラの開口絞りのように連続的にアパチャ径を可変できる機構も存在するが、比較的大きなアパチャ径にしか対応できなかった。
【０００４】
このような状況において、特許文献１では、てこの原理を用いて小さなアパチャ径を連続的に可変できる機構が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１５９９３５号公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、てこの原理を用いてアパチャ径を可変することから、その構造の設計ルールが厳格であり、駆動力の大きい積層圧電アクチュエータを組み合わせる必要があった。つまり、アパチャを構成しているてこ構造の部分は金属板で、積層型圧電アクチュエータは鉛系の焼結体であるため、これらを組み合わせて、安定して高精度なアパチャ機構を作ることが困難であるという問題点を有していた。
【０００７】
本考案は、前記従来の問題を解消するべくなされたもので、数百μｍから数十μｍの範囲で、高精度且つ連続的にアパチャ径を設定することが可能な可変型アパチャを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の請求項１に係る考案は、開口が設けられている基板と、該基板に支持されると共に、該開口を通過する光線束を遮る遮光板と該遮光板を駆動制御可能な駆動機構とを備えるＭＥＭＳアクチュエータと、を有することにより、前記課題を解決したものである。
【０００９】
本願の請求項２に係る考案は、前記ＭＥＭＳアクチュエータが、前記開口の径方向に対向して複数配置されるようにしたものである。
【００１０】
又、本願の請求項３に係る考案は、前記ＭＥＭＳアクチュエータが、前記開口の光軸方向において、複数積層されるようにしたものである。
【００１１】
又、本願の請求項４に係る考案は、前記ＭＥＭＳアクチュエータの駆動機構が、駆動電圧に応じて、該遮光板の変位量を制御するようにしたものである。
【考案の効果】
【００１２】
本考案によれば、基板上の開口をＭＥＭＳアクチュエータの遮光板で制限することから、数百μｍから数十μｍの範囲で、高精度且つ連続的にアパチャ径を設定することが可能となる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本考案の実施形態の一例を詳細に説明する。
【００１４】
本考案に係る可変型アパチャの実施形態を、図１から図５に示す。図１は本考案の実施形態である可変型アパチャの分解斜視図、図２は同じく可変型アパチャの側面図、図３は同じく可変型アパチャの光軸方向からの透視図、図４は同じくＭＥＭＳアクチュエータの模式図、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う縦断面、をそれぞれ示している。
【００１５】
最初に、本実施形態の構成について、詳細に説明する。
【００１６】
可変型アパチャ１００は、基板１０２の上にＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ、１１０ｂを備え、更にその上にＭＥＭＳアクチュエータ１１０ｃ、１１０ｄを積層するための積層スペーサ１０４を備え、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ｃ、１１０ｄの上に積層スペーサ１０６を有している。以下、各構成要素について説明する。
【００１７】
前記基板１０２は、図１に示す如く、例えば数百μｍ厚さのシリコン基板であり、その中央に可変型アパチャ１００の最大アパチャ径となる開口１０２ａが設けられている。開口１０２ａの形状は、使用される観察光学系にもよるが、本実施形態では、例えば、数百μｍ角の正方形形状とすることができる。なお、基板１０２の少なくとも光が照射される可能性のある開口１０２ａの近辺１０１については、事前に或いは事後的に遮光膜を設けておく。基板１０２であるシリコン基板は、赤外線に対しては透過率が大きく、遮光膜を設けなければ、観察光学系において、Ｓ／Ｎ比を悪くするおそれがあるためである。ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ、１１０ｂは、開口１０２ａの対角線上のそれぞれの頂角部分に、開口１０２ａの中心から等距離の位置に、すなわち、開口１０２ａの径方向に対向して配置されて、基板１０２に支持されている。
【００１８】
前記積層スペーサ１０４は、図１に示す如く、例えば、数百μｍ以下の厚みを有する円盤状のガラス基板であり、その大きさは、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ｃ、１１０ｄが搭載できる大きさである。そして、その中央には、開口１０２ａ以上の大きさの円形状の開口１０４ａが設けられている。そして、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ｃ、１１０ｄは、光軸と直交する開口１０４ａの中心を通る直線上であって、積層スペーサ１０４を基板１０２に重ねたとき、丁度開口１０２ａの対角線上のそれぞれの頂角位置となるように、開口１０２ａの中心から等距離の位置に、すなわち、開口１０２ａの径方向に対向して配置される。このとき、図２、図３に示す如く、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ、１１０ｂは、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ｃ、１１０ｄとは、開口１０２ａの光軸方向において、丁度９０度回転した位置に配置される。又、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ｃ、１１０ｄは、積層スペーサ１０４とＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ、１１０ｂとを介して、基板１０２に支持される。なお、積層スペーサ１０６は、積層スペーサ１０４と同一であり、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ｃ、１１０ｄに外力が直接かからないよう保護するために設けられている。
【００１９】
前記ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄは、例えば、図４で示す、静電力を利用する静電アクチュエータである。以下、図４、図５を用いてＭＥＭＳアクチュエータ１１０を説明する。
【００２０】
ＭＥＭＳアクチュエータ１１０は、図４に示す如く、遮光板１１４と駆動機構とを備えている。遮光板１１４は、開口１０２ａを通過する光線束を遮ることができる。駆動機構は、印加電圧に応じて、開口１０２ａの光軸方向と直交する方向への遮光板１１４の変位を駆動制御可能である。そして、駆動機構は、固定部分と可動部分とから構成されている。固定部分はシリコン板１１２に固定されており、可動部分は遮光板１１４に一体成形されている。
【００２１】
最初に、遮光板１１４について、図４に基づいて説明する。
【００２２】
前記遮光板１１４は、開口１０２ａを通過する光線束を遮り、光線束の断面積を拡大・縮小させて、可変型アパチャ１００のアパチャを通過する光量を制御するためのものである。遮光板１１４の端面は、直線形状で、表面には遮光膜が形成されている。遮光板１１４は、少なくともその変位方向（紙面上の左右方向：Ｘ方向という）で、変位量以上の幅を有する。
【００２３】
次に可動部分について、図４に基づいて説明する。
【００２４】
可動部分は、ビーム１１６と、バランサ１１８と、フレクシャ１２０〜１２６と、可動電極１２８〜１３４と、を有する。
【００２５】
前記ビーム１１６は、遮光板１１４をＸ方向に変位させるためのものである。図４に示す如く、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の中央を横断するビーム１１６には、遮光板１１４が一体成形されている。そして、遮光板１１４の反対側において、前記ビーム１１６はバランサ１１８を有している。ビーム１１６とバランサ１１８は、図４に示す如く、その可動部分の質量の低減と犠牲層エッチングを行うために、一定間隔でスリット状の貫通孔を有する構造である。なお、バランサ１１８は、遮光板１１４が変位する際の円滑な動作を実現するために設けられている。
【００２６】
前記フレクシャ１２０〜１２６は、図４に示す如く、ビーム１１６の中心軸に対して対称的に折り返した平面形状からなるばね構造を有している。その一端はビーム１１６に一体成形されているが、もう一端は、固定部分であるアンカ１２０ａ〜１２６ａに一体成形されている。フレクシャ１２０〜１２６は、遮光板１１４と可動部分とをシリコン板１１２から宙に浮いた状態で保持し、特定のばね定数で遮光板１１４のＸ方向への変位を規制する。
【００２７】
前記可動電極１２８〜１３４は、ビーム１１６と一体成形されており、それぞれ、固定電極１２８ａ〜１３４ａと対をなす櫛歯構造を有している。可動電極１２８〜１３４は、対をなす固定電極１２８ａ〜１３４ａとの間に電圧を印加した際の固定電極１２８ａ〜１３４ａとの静電吸引力を用いて、ビーム１１６を介して、遮光板１１４をＸ方向に変位させる機能を有する。
【００２８】
次に、固定部分について説明する。固定部分は、前述のように、シリコン板１１２上に固定される部分をいい、アンカ１２０ａ〜１２６ａと、固定電極１２８ａ〜１３４ａと、保護板１３６〜１４６と、を有する。保護板１３６〜１４６は、可動部分の周囲に設けられて、可動部分への外部からの物理的な干渉を防ぐ機能を有している。そのため、図５に示す如く、保護板１３６〜１４６の高さは、遮光板１１４と可動部分よりも高く設けられている。なお、可動部分と固定部分は全てシリコン層から形成することができる。そして固定部分は、例えば島状にされたシリコン酸化膜１２０ｂ〜１４６ｂを介してシリコン板１１２に固定されている。保護板１３６〜１４６は、例えば、ＤｅｅｐＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）などの深堀加工でその厚み（高さ）を確保することができる。
【００２９】
ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の形成は、半導体微細加工技術を用いることで容易に行うことができる。
【００３０】
可変型アパチャ１００は、各構成要素を図１〜３に示す如く並べた後、陽極接合を行うことで、容易に組立・固定することができる。なお、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の可動部分と積層スペーサ１０４、１０６とのギャップは、薄いガラス板を間に挿入して確保してもよい。
【００３１】
なお、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの遮光板１１４の端部がＸ方向で最大に前進したときに、開口１０２ａの中心から最小アパチャ径以下、すなわち、目標である数十μｍの直径の半分以下となるように位置あわせを行う。同時に、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの遮光板１１４の端部がＸ方向で最大に後退したとき、開口１０２ａの中心から最大アパチャ径以上、すなわち、目標である数百μｍの直径の半分以上となるように位置あわせを行う。本実施形態では、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の前進量、後退量とも、同等量としている。このため、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄを駆動しない状態で、基板１０２上の開口１０２ａの半径を半分とする位置に、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの遮光板１１４の端部が来るように、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄが配置される。なお、本実施形態では、開口１０２ａは方形形状であるので、その対角線長さを最大アパチャ径としている。
【００３２】
このようなＭＥＭＳアクチュエータ１１０は、半導体微細加工技術により、一括して大量に製造できるため、本実施形態の個々のＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄの変位特性を均一とすることができる。
【００３３】
次に、上記ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄを可変型アパチャ１００に組込んだ際の動作について説明する。
【００３４】
図３において、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａと１１０ｂ、１１０ｃと１１０ｄとは遮光板１１４を向かい合わせて配置されている。
【００３５】
まず、可変型アパチャ１００のアパチャ径を小さくする場合について説明する。各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの可動電極１２８、１３０と固定電極１２８ａ、１３０ａとの間に電圧を印加する。すると、可動電極１２８、１３０と固定電極１２８ａ、１３０ａとの間が狭まり、可動電極１２８、１３０に一体成形された遮光板１１４が、ビーム１１６に押されて前進する。ここで、光線束が図３の紙面下から上に進むとすると、前記前進量に応じて、各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの遮光板１１４により、光線束が遮断されることとなる。この光線束の遮断は、各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄで同時に行われるため、積層スペーサ１０６の開口１０６ａを通過する光線束は、４方向の側面から狭められる。つまり、上記動作により、可変型アパチャ１００のアパチャ径を小さくすることができる。
【００３６】
次に、可変型アパチャ１００のアパチャ径を大きくする場合について説明する。各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの可動電極１３２、１３４と固定電極１３２ａ、１３４ａとの間に電圧を印加する。すると、可動電極１３２、１３４と固定電極１３２ａ、１３４ａとの間が狭まり、可動電極１３２、１３４に一体成形された遮光板１１４が、ビーム１１６に引き戻されて後退する。ここで、光線束が図３の紙面下から上に進むとすると、前記後退量に応じて、各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの遮光板１１４が光線束を通過させることとなる。この光線束の通過は、各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄで同時に行なわれるため、積層スペーサ１０６の開口１０６ａを通過する光線束は、４方向の側面から広げられる。つまり、上記動作により、可変型アパチャ１００のアパチャ径を大きくすることができる。
【００３７】
ここで、各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの個々の駆動特性ばらつきは少ないものの、可変型アパチャ１００のアパチャ中心から各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの遮光板１１４端部までの距離にわずかな実装位置のばらつきが生ずることがある。このため、このばらつきに応じて、個々のＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄへ印加する電圧の調整を、所定の抵抗を各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄと直列に接続することなどで行うことができる。調整された印加電圧により各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄが駆動されるので、可変型アパチャ１００のアパチャ径の中心位置がずれないで、連続的に同心状にアパチャ径の大きさを調整することができる。すなわち、可変型アパチャ１００が適用される観察光学系において光軸調整の手間を軽減させことができる。
【００３８】
従って、本実施形態においては、開口交換の手間を省くことができる。又、目標とする数百μｍから数十μｍの範囲で、高精度且つ連続的に開口を設定することが可能となり、使用目的に応じて最適なアパチャ径を選択することができる。
【００３９】
又、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄは半導体微細加工技術により、均一な特性のものを大量に作ることができる。そして、可変型アパチャ１００に組み立てる場合においても、半導体微細加工技術で用いられている陽極接合を活用するため、精度の高い、組み立てを容易に行うことができる。本実施形態で示すように、接合時の位置ばらつきがあっても、上述のように印加電圧を調整することで、容易に各ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄの変位調節が可能であり、アパチャ径の高精度な制御が可能である。そして、積層スペーサ１０４、１０６を用いて、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄを積層するので、積層してＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ〜１１０ｄを接合することを容易に行うことができる。このとき、積層スペーサ１０４、１０６の厚みが薄いほど、可変型アパチャ１００の厚みを薄くすることができる。
【００４０】
本実施形態は、基板１０２上に、開口１０２ａの光軸を中心に一対のＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａ、１１０ｂを対称的に配置して実装し、積層スペーサ１０４を用いてＭＥＭＳアクチュエータ１１０ｃ、１１０ｄを積層（２段積層）したが、本考案はこれに限定されるものではない。積層スペーサ１０４のみを使用して、１つのＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａで構成してもよい。この場合には、遮光板１１４端部を直線ではなくＶ字型端部として、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０ａを前進・後退させることで、アパチャ径を小さくすることができる。この場合には、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０が１つのみなので、可変型アパチャ１００の製造も容易で、制御が簡単で、且つ低コストで実現できる。
【００４１】
又、前述のように積層数は本実施形態に示す２段に限定されるものではない。積層スペーサを３枚以上用いて、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０を多層に積層（多層スタック）してもよい。このときには、開口１０２ａの光軸を中心に放射状に対称的に配置しても、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の動作が干渉することなく、アパチャの形状をより円形に近づけることができる。このような可変型アパチャ１００は、円形のアパチャ径を要求するような観察光学系などで用いることができる。なお、１層に３つ以上のＭＥＭＳアクチュエータ１１０を配置してもよい。この場合には、滑らかな多角形のアパチャ径を積層の数を少なく実現できるので、可変型アパチャ１００をより薄くすることができる。
【００４２】
又、本考案は、四角形あるいは多角形のアパチャ径に限定されるものではない。一方向のみ光線束の通過する幅が可変する可変型のスリット（１次元可変型アパチャ）にも適用できるのは明らかである。
【００４３】
本実施形態では、基板１０２をシリコン基板としたが、本考案はこれに限定されるのもではなく、ガラス基板を用いてもよい。
【００４４】
ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の遮光板１１４の端部形状は、直線に限られるものではない。例えば、曲線形状や凹形状であってもかまわない。
【００４５】
又、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０は、静電アクチュエータに限られるものではない。例えば、半導体微細加工技術を用いて、平面コイルを作成し平面コイル同士の磁気力を用いた磁気アクチュエータを用いてもよい。このとき、コイル中心に薄膜フェライトの磁心を持たせてもよい。或いは、薄膜永久磁石と平面コイルと磁気力を組み合わせてもよい。このような磁気アクチュエータを用いると、駆動力を大きくできるため、可変動作のより安定した、より大きな変位を可能とする可変型アパチャ１００を作成することができる。
【００４６】
又、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の積層は、必ずしも積層スペーサ１０４、１０６を介して行うことに限られるものではない、ＭＥＭＳアクチュエータ１１０の保護板１３６〜１４６上に直接、積層されるＭＥＭＳアクチュエータ１１０を接合しても良い。この場合には、積層されたＭＥＭＳアクチュエータ１１０の遮光板１１４の間隔を狭くすることができるので、可変型アパチャ１００の厚みを薄くすることが可能であり、又、積層された遮光板１１４によって生じる光の回折による干渉効果を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本考案の実施形態である可変型アパチャの分解斜視図
【図２】同じく可変型アパチャの側面図
【図３】同じく可変型アパチャの光軸方向からの透視図
【図４】同じくＭＥＭＳアクチュエータの模式図
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図
【符号の説明】
【００４８】
１００…可変型アパチャ
１０２…基板
１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ…開口
１０４、１０６…積層スペーサ
１１０、１１０ａ〜１１０ｄ…ＭＥＭＳアクチュエータ
１１２…シリコン板
１１４…遮光板
１１６…ビーム
１１８…バランサ
１２０〜１２６…フレクシャ
１２０ａ〜１２６ａ…アンカ
１２０ｂ〜１４６ｂ…シリコン酸化膜
１２８〜１３４…可動電極
１２８ａ〜１３４ａ…固定電極  
１３６〜１４６…保護板
【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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