WO2019009392A1 - 光学デバイス - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to optical devices.
- the optical module as described above has the following problems, for example, in that the size of the mirror surface of the movable mirror depends on the achievement of deep processing on the SOI substrate. That is, since the achievement degree of the deep process with respect to the SOI substrate is about 500 ⁇ m at the maximum, there is a limit to improve the sensitivity in FTIR due to the enlargement of the mirror surface of the movable mirror. On the other hand, when the movable mirror is enlarged with the enlargement of the mirror surface, the movable performance of the movable mirror may be reduced, or the entire apparatus may be enlarged when another optical function unit is provided. .
- An object of the present disclosure is to provide an optical device capable of suppressing the decrease in the movable performance of the movable mirror and the increase in the size of the entire apparatus while achieving the enlargement of the mirror surface of the movable mirror.
- An optical device includes a base having a main surface, a movable mirror having a mirror surface along a plane parallel to the main surface, and a first direction connected to the base and the movable mirror and perpendicular to the main surface.
- the first elastic support and the second elastic support supporting the movable mirror so as to be movable along the first direction, the actuator for moving the movable mirror along the first direction, and A first optical function portion disposed on one side of the movable mirror in a second direction perpendicular to the first direction, and the first elastic support portion is provided in the first direction and the second direction from the movable mirror
- a pair of first levers extending along the main surface is provided on both sides of the first optical function portion in the vertical third direction, and the respective lengths of the pair of first levers in the second direction are mirror surfaces Distance between the outer edge of the lens and the edge of the first optical feature Ri is also large.
- the movable mirror has a mirror surface along a plane parallel to the main surface of the base.
- the mirror surface of the movable mirror can be enlarged.
- the first elastic support portion has a pair of first levers extending along the main surface from the movable mirror to both sides of the first optical function portion, and the movable mirror and the first optical function portion are arranged The length of each of the pair of first levers in the direction is greater than the shortest distance between the outer edge of the mirror surface and the edge of the first optical function part.
- the respective lengths of the pair of first levers are secured in the first elastic support portion, it is possible to suppress the decrease in the movable performance of the movable mirror.
- the above-described optical device it is possible to suppress the decrease in the movable performance of the movable mirror and the increase in the size of the entire device while achieving the enlargement of the mirror surface of the movable mirror.
- the maximum distance between the pair of first levers in the third direction may be equal to or larger than the maximum width of the first optical function portion in the third direction. According to this, it is possible to realize the balance between suppressing the increase in the distance between the movable mirror and the first optical function portion and securing the respective lengths of the pair of first levers.
- the distance from the portion of the edge of the first optical function portion closest to the mirror surface to the end of each of the pair of first levers opposite to the movable mirror is The distance from the portion of the edge of the one optical function portion farthest from the mirror surface to the end opposite to the movable mirror in each of the pair of first levers may be larger. According to this, it is possible to realize the balance between suppressing the increase in the distance between the movable mirror and the first optical function portion and securing the respective lengths of the pair of first levers.
- the first elastic support further includes a pair of second levers extending along the main surface toward the movable mirror from both sides of the first optical function portion in the third direction.
- the end on the movable mirror side of each of the pair of first levers is connected to the movable mirror via at least one torsion bar, and the end opposite to the movable mirror in each of the pair of first levers
- the end is connected to the end of each of the pair of second levers opposite to the movable mirror via at least one torsion bar, and the end on the movable mirror side of each of the pair of second levers is , And may be connected to the base via at least one torsion bar.
- the movable mirror side end of each of the pair of first levers is connected to the movable mirror via at least one torsion bar, and the end of each of the pair of first levers is The end opposite to the moveable mirror may be connected to the base via at least one torsion bar. According to this, the structure of the first elastic support portion can be simplified.
- the movable mirror side end of each of the pair of first levers is connected to the movable mirror via the plurality of torsion bars disposed on the same axis parallel to the third direction. It may be connected. According to this, it is possible to shorten the length of each of the plurality of torsion bars arranged on the same axis. As a result, it is possible to suppress the movement of the movable mirror in the second direction and the rotation of the movable mirror around an axis parallel to the first direction.
- the actuator unit may have a comb electrode disposed along the outer edge of the movable mirror. According to this, the electrostatic force generated by the comb electrode can be efficiently used as the driving force of the movable mirror.
- the comb electrode may be separated from the outer edge of the movable mirror, and the actuator unit may further include a connecting portion that connects the comb electrode and the movable mirror. According to this, for example, when the mirror surface is the surface of the metal layer, adhesion of the metal layer to the comb electrode can be prevented.
- the movable mirror has a main body provided with a mirror surface, and a wall provided on the main body and surrounding the mirror surface when viewed from the first direction. May be According to this, since the wall portion functions as a beam, it is possible to suppress the deformation (warpage, deflection, etc.) of the mirror surface while achieving thinning of the main body portion.
- the first optical function part may be a light passing opening provided in the base. According to this, it is possible to dispose an optical element such as a fixed mirror at a position overlapping the first optical function portion when viewed from the first direction perpendicular to the main surface of the base.
- the first optical function unit may be a fixed mirror provided on the base. According to this, it is possible to realize an optical device including a movable mirror and a fixed mirror while suppressing an increase in the size of the entire apparatus.
- the base, the movable mirror, the actuator unit, the first elastic support, the second elastic support, and the first optical function unit may be configured by an SOI substrate. According to this, it is possible to obtain an optical device in which each configuration is easily and accurately formed by the MEMS technology.
- the optical device further includes a second optical function unit disposed on the other side of the movable mirror in the second direction when viewed from the first direction, and the second elastic support is movable.
- the second optical function portion in the third direction From the mirror, on both sides of the second optical function portion in the third direction, has a pair of third levers extending along the main surface, and the respective lengths of the pair of third levers in the second direction are the mirrors It may be greater than the shortest distance between the outer edge of the surface and the edge of the second optical feature. According to this, it is possible to suppress the decrease in the movable performance of the movable mirror and the increase in the size of the entire device while achieving multifunctionality of the device.
- an optical device capable of suppressing the decrease in the movable performance of the movable mirror and the increase in the size of the entire apparatus while achieving the enlargement of the mirror surface of the movable mirror.
- FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an optical module according to an embodiment.
- FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of an optical device provided in the optical module shown in FIG.
- FIG. 3 is a plan view of the optical device shown in FIG.
- FIG. 4 is a view for explaining a method of manufacturing the optical device shown in FIG.
- FIG. 5 is a view for explaining a method of manufacturing the optical device shown in FIG.
- FIG. 6 is a diagram for explaining a method of manufacturing the optical device shown in FIG.
- FIG. 7 is a diagram for explaining a method of manufacturing the optical device shown in FIG.
- FIG. 8 is a figure for demonstrating the modification of the manufacturing method of the optical device shown by FIG.
- FIG. 9 is a figure for demonstrating the modification of the manufacturing method of the optical device shown by FIG.
- FIG. 10 is a view for explaining a modification of the method of manufacturing the optical device shown in FIG.
- FIG. 11 is a figure for demonstrating the modification of the manufacturing method of the optical device shown by FIG.
- FIG. 12 is a plan view of a modified example of the optical device.
- FIG. 13 is a plan view of a modified example of the optical device.
- FIG. 14 is a plan view of a modified example of the optical device.
- FIG. 15 is a plan view of a modified example of the optical device.
- FIG. 16 is a plan view of a modified example of the optical device.
- FIG. 17 is a plan view of a modified example of the optical device.
- FIG. 18 is a plan view of a modified example of the optical device.
- FIG. 19 is a plan view of a modified example of the optical device.
- FIG. 20 is a longitudinal sectional view of a modified example of the optical device.
- FIG. 21 is a plan view of a modification of the optical device shown in FIG.
- the optical module 1 includes a mirror unit 2 and a beam splitter unit 3.
- the mirror unit 2 has an optical device 10 and a fixed mirror 21.
- the optical device 10 includes a movable mirror 11.
- the beam splitter unit 3, the movable mirror 11 and the fixed mirror 21 form an interference optical system for the measurement light L 0.
- the interference optical system here is a Michelson interference optical system.
- the optical device 10 includes, in addition to the movable mirror 11, a base 12, a drive unit 13, a first optical function unit 17, and a second optical function unit 18.
- the base 12 has a major surface 12 a.
- the movable mirror 11 has a mirror surface 11a along a plane parallel to the major surface 12a.
- the movable mirror 11 is supported by the base 12 so as to be movable along a Z-axis direction (a direction parallel to the Z-axis, a first direction) perpendicular to the major surface 12 a.
- the drive unit 13 moves the movable mirror 11 along the Z-axis direction.
- the first optical function unit 17 is disposed on one side of the movable mirror 11 in the X-axis direction (the direction parallel to the X-axis, the second direction) perpendicular to the Z-axis direction when viewed from the Z-axis direction There is.
- the second optical function unit 18 is disposed on the other side of the movable mirror 11 in the X-axis direction when viewed from the Z-axis direction.
- Each of the first optical function unit 17 and the second optical function unit 18 is a light passing opening provided in the base 12 and is open on one side and the other side in the Z-axis direction.
- the fixed mirror 21 has a mirror surface 21a along a plane parallel to the major surface 12a.
- the fixed mirror 21 is fixed in position with respect to the base 12.
- the mirror surface 11 a of the movable mirror 11 and the mirror surface 21 a of the fixed mirror 21 face one side in the Z-axis direction (the beam splitter unit 3 side).
- the mirror unit 2 has a support 22, a submount 23 and a package 24.
- the package 24 accommodates the optical device 10, the fixed mirror 21, the support 22 and the submount 23.
- the package 24 includes a bottom wall 241, side walls 242 and a top wall 243.
- the package 24 is formed in, for example, a rectangular box shape.
- the package 24 has, for example, a size of about 30 ⁇ 25 ⁇ 10 (thickness) mm.
- the bottom wall 241 and the side wall 242 are integrally formed.
- the top wall 243 faces the bottom wall 241 in the Z-axis direction, and is fixed to the side wall 242.
- the top wall 243 is light transmissive to the measurement light L0.
- a space S is formed by the package 24.
- the space S is opened to the outside of the mirror unit 2 through, for example, an air vent or a gap provided in the package 24.
- the space S may be an airtight space in which a high degree of vacuum is maintained, or an airtight space filled with an inert gas such as nitrogen.
- the support 22 is fixed to the inner surface of the bottom wall 241 via the submount 23.
- the support 22 is formed, for example, in a rectangular plate shape.
- the support 22 is light transmissive to the measurement light L0.
- the base 12 of the optical device 10 is fixed to the surface 22 a of the support 22 opposite to the submount 23. That is, the base 12 is supported by the support 22.
- a recess 22 b is formed on the surface 22 a of the support 22, and a gap (a part of the space S) is formed between the optical device 10 and the top wall 243.
- An opening 23 a is formed in the submount 23.
- the fixed mirror 21 is disposed on the surface 22c of the support 22 on the submount 23 side so as to be located in the opening 23a. That is, the fixed mirror 21 is disposed on the surface 22 c of the support 22 opposite to the base 12.
- the fixed mirror 21 is disposed on one side of the movable mirror 11 in the X-axis direction when viewed from the Z-axis direction.
- the fixed mirror 21 overlaps the first optical function unit 17 of the optical device 10 when viewed in the Z-axis direction.
- the mirror unit 2 further includes a plurality of lead pins 25 and a plurality of wires 26.
- Each lead pin 25 is fixed to the bottom wall 241 in a state of penetrating the bottom wall 241.
- Each lead pin 25 is electrically connected to the drive unit 13 via the wire 26.
- an electrical signal for moving the movable mirror 11 along the Z-axis direction is applied to the drive unit 13 via the plurality of lead pins 25 and the plurality of wires 26.
- the beam splitter unit 3 is supported by the top wall 243 of the package 24. Specifically, the beam splitter unit 3 is fixed to the surface 243 a of the top wall 243 opposite to the optical device 10 by the optical resin 4.
- the optical resin 4 is light transmissive to the measurement light L0.
- the beam splitter unit 3 has a half mirror surface 31, a total reflection mirror surface 32, and a plurality of optical surfaces 33a, 33b, 33c, and 33d.
- the beam splitter unit 3 is configured by bonding a plurality of optical blocks.
- the half mirror surface 31 is formed of, for example, a dielectric multilayer film.
- the total reflection mirror surface 32 is formed of, for example, a metal film.
- the optical surface 33a is, for example, a surface perpendicular to the Z-axis direction, and overlaps the first optical function portion 17 of the optical device 10 and the mirror surface 21a of the fixed mirror 21 when viewed from the Z-axis direction.
- the optical surface 33a transmits the measurement light L0 incident along the Z-axis direction.
- the half mirror surface 31 is, for example, a surface inclined 45 ° with respect to the optical surface 33a, and overlaps the first optical function portion 17 of the optical device 10 and the mirror surface 21a of the fixed mirror 21 when viewed from the Z-axis direction. ing.
- the half mirror surface 31 reflects a part of the measurement light L0 incident on the optical surface 33a along the Z-axis direction along the X-axis direction, and the remaining part of the measurement light L0 along the Z-axis direction. Permeate to the side.
- the total reflection mirror surface 32 is a surface parallel to the half mirror surface 31.
- the total reflection mirror surface 32 overlaps the mirror surface 11a of the movable mirror 11 when viewed from the Z axis direction and when viewed from the X axis direction. And overlap.
- the total reflection mirror surface 32 reflects a part of the measurement light L0 reflected by the half mirror surface 31 toward the movable mirror 11 along the Z-axis direction.
- the optical surface 33 b is a surface parallel to the optical surface 33 a and overlaps the mirror surface 11 a of the movable mirror 11 when viewed in the Z-axis direction.
- the optical surface 33b transmits a part of the measurement light L0 reflected by the total reflection mirror surface 32 to the movable mirror 11 side along the Z-axis direction.
- the optical surface 33c is a surface parallel to the optical surface 33a, and overlaps the mirror surface 21a of the fixed mirror 21 when viewed from the Z-axis direction.
- the optical surface 33 c transmits the remaining portion of the measurement light L 0 transmitted through the half mirror surface 31 to the fixed mirror 21 side along the Z-axis direction.
- the optical surface 33 d is, for example, a surface perpendicular to the X-axis direction, and overlaps the half mirror surface 31 and the total reflection mirror surface 32 when viewed from the X-axis direction.
- the optical surface 33d transmits the measurement light L1 along the X-axis direction.
- the measurement light L1 is sequentially reflected by the mirror surface 11a of the movable mirror 11 and the total reflection mirror surface 32 and transmitted through the half mirror surface 31.
- a part of the measurement light L0 and the mirror surface 21a of the fixed mirror 21 and the half mirror surface This is interference light with the remaining part of the measurement light L0 sequentially reflected by 31.
- the optical module 1 configured as described above, when the measurement light L0 is incident on the beam splitter unit 3 from the outside of the optical module 1 via the optical surface 33a, a part of the measurement light L0 has the half mirror surface 31 and all The light is reflected sequentially by the reflection mirror surface 32 and travels toward the mirror surface 11 a of the movable mirror 11. Then, a part of the measurement light L0 is reflected by the mirror surface 11a of the movable mirror 11, travels in the opposite direction on the same optical path (optical path P1 described later), and passes through the half mirror surface 31 of the beam splitter unit 3. Do.
- the remaining part of the measurement light L 0 passes through the half mirror surface 31 of the beam splitter unit 3, passes through the first optical function unit 17, passes through the support 22, and passes through the mirror surface 21 a of the fixed mirror 21. Progress towards The remaining portion of the measurement light L0 is reflected by the mirror surface 21a of the fixed mirror 21, travels in the opposite direction on the same optical path (optical path P2 described later), and is reflected by the half mirror surface 31 of the beam splitter unit 3. Ru.
- the measurement light L1 is emitted from the beam splitter unit 3 to the outside of the optical module 1 via the optical surface 33d. According to the optical module 1, since the movable mirror 11 can be reciprocated at high speed along the Z-axis direction, a compact and highly accurate FTIR can be provided.
- the support 22 corrects the optical path difference between the optical path P 1 between the beam splitter unit 3 and the movable mirror 11 and the optical path P 2 between the beam splitter unit 3 and the fixed mirror 21.
- the optical path P1 is an optical path from the half mirror surface 31 to the mirror surface 11a of the movable mirror 11 located at the reference position through the total reflection mirror surface 32 and the optical surface 33b sequentially It is a light path along which a part of the light L0 travels.
- the optical path P2 is an optical path from the half mirror surface 31 to the mirror surface 21a of the fixed mirror 21 sequentially through the optical surface 33c and the first optical function unit 17, and is an optical path through which the remaining portion of the measurement light L0 travels. is there.
- the support 22 has an optical path length of the optical path P1 (optical path length considering the refractive index of each medium through which the optical path P1 passes) and an optical path length of the optical path P2 (optical path length considering the refractive index of each medium through which the optical path P2 passes).
- the optical path difference between the optical path P1 and the optical path P2 is corrected so as to reduce the difference.
- the support 22 can be made of, for example, the same light transmitting material as each optical block constituting the beam splitter unit 3. In that case, the thickness (length in the Z-axis direction) of the support 22 can be made equal to the distance between the half mirror surface 31 and the total reflection mirror surface 32 in the X-axis direction.
- the base 12, the movable portion of the movable mirror 11, the drive portion 13, the first optical function portion 17 and the second optical function portion 18 are configured by the SOI substrate 50. That is, the optical device 10 is configured of the SOI substrate 50.
- the optical device 10 is formed, for example, in a rectangular plate shape.
- the optical device 10 has, for example, a size of about 15 ⁇ 10 ⁇ 0.3 (thickness) mm.
- the SOI substrate 50 includes a support layer 51, a device layer 52 and an intermediate layer 53.
- the support layer 51 is a first silicon layer of the SOI substrate 50.
- the device layer 52 is a second silicon layer of the SOI substrate 50.
- the intermediate layer 53 is an insulating layer of the SOI substrate 50, and is disposed between the support layer 51 and the device layer 52.
- the movable mirror 11 and the drive unit 13 are integrally formed on a part of the device layer 52 by MEMS technology (patterning and etching).
- the base 12 is formed by the support layer 51, the device layer 52 and the intermediate layer 53.
- the major surface 12 a of the base 12 is the surface of the device layer 52 opposite to the intermediate layer 53.
- the main surface 12 b of the base 12 facing the main surface 12 a is the surface of the support layer 51 opposite to the intermediate layer 53.
- the main surface 12a of the base 12 and the surface 22a of the support 22 are bonded to each other (see FIG. 1).
- the movable mirror 11 has a main body portion 111 and a wall portion 112 which are movable portions.
- the main body portion 111 is formed by the device layer 52.
- a mirror surface 11 a is provided on the surface 111 a of the main body portion 111 on the main surface 12 b side by forming a metal film.
- the wall 112 is formed by the support layer 51 and the intermediate layer 53.
- the wall 112 is provided on the surface 111 a of the main body 111.
- the wall portion 112 surrounds the mirror surface 11 a when viewed in the Z-axis direction.
- the wall portion 112 when viewed from the Z-axis direction, follows the outer edge on the inner side of the outer edge of the main body portion 111, and the outer side of the outer edge of the mirror surface 11a when viewed from the Z-axis direction. Are provided on the surface 111 a of the main body 111 along the outer edge.
- the movable mirror 11 further includes a pair of brackets 113 and a pair of brackets 114 which are movable portions.
- the pair of brackets 113 and the pair of brackets 114 are formed by the device layer 52.
- the pair of brackets 113 is provided in a region on the side of the first optical function portion 17 in the side surface of the main body portion 111 so as to protrude toward the first optical function portion 17 side.
- Each of the brackets 113 has a shape bent in a crank shape on the same side when viewed from the Z-axis direction.
- the pair of brackets 114 is provided in a region on the side of the second optical function portion 18 in the side surface of the main body portion 111 so as to protrude to the second optical function portion 18 side (opposite to the first optical function portion 17). ing.
- Each bracket 114 has a cranked shape on the same side (the side opposite to each bracket 113) when viewed in the Z-axis direction.
- the drive unit 13 has a first elastic support 14, a second elastic support 15, and an actuator 16.
- the first elastic support portion 14, the second elastic support portion 15 and the actuator portion 16 are formed by the device layer 52.
- the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 are connected to the base 12 and the movable mirror 11.
- the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 support the movable mirror 11 so as to be movable along the Z-axis direction.
- the first elastic support portion 14 includes a pair of first levers 141, a pair of second levers 142, a plurality of torsion bars 143, 144 and 145, a plurality of links 146 and 147, and a pair of brackets 148.
- the pair of first levers 141 is a base on both sides of the first optical function portion 17 from the movable mirror 11 in the Y-axis direction (the direction parallel to the Y-axis, the third direction) perpendicular to the Z-axis direction and the X-axis direction. It extends along the twelve major surfaces 12a.
- the pair of first levers 141 extends along the major surface 12 a of the base 12 on both sides of the first optical function portion 17 in the Y-axis direction from between the movable mirror 11 and the first optical function portion 17. Extend.
- the pair of first levers 141 extend along the edge of the first optical function portion 17 when viewed in the Z-axis direction.
- the pair of second levers 142 extend along the main surface 12 a of the base 12 toward the movable mirror 11 from both sides of the first optical function portion 17 in the Y-axis direction.
- the pair of second levers 142 extend along the X-axis direction on the outer side of the pair of first levers 141 when viewed from the Z-axis direction.
- the link 146 is bridged between the ends 141 a of the first levers 141 on the movable mirror 11 side.
- the link 147 is bridged between the ends 142 a of the second levers 142 opposite to the movable mirror 11.
- Each of the links 146 and 147 extends along the edge of the first optical function portion 17 when viewed in the Z-axis direction.
- the pair of brackets 148 is provided on the side surface of the link 146 on the movable mirror 11 side so as to protrude to the movable mirror 11 side.
- Each of the brackets 148 has a cranked shape on the same side (but opposite to each bracket 113) when viewed in the Z-axis direction.
- the tip of one bracket 148 is opposed to the tip of one bracket 113 in the Y-axis direction.
- the tip of the other bracket 148 is opposed to the tip of the other bracket 113 in the Y-axis direction.
- a torsion bar 143 is bridged between the end of one bracket 148 and the end of one bracket 113 and between the end of the other bracket 148 and the end of the other bracket 113. It is done.
- a torsion bar 143 is bridged between a bracket 148 and a bracket 113 which are cranked on opposite sides. That is, the end 141 a of each first lever 141 is connected to the movable mirror 11 via the pair of torsion bars 143.
- the pair of torsion bars 143 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- a torsion bar 144 is bridged between the end 141 b and the end 142 a of the other second lever 142. That is, the end 141 b of each first lever 141 is connected to the end 142 a of each second lever 142 via the pair of torsion bars 144.
- the pair of torsion bars 144 are disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- the torsion bar 145 is stretched. That is, the end 142 b of each second lever 142 is connected to the base 12 via the pair of torsion bars 145.
- the pair of torsion bars 145 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- the second elastic support portion 15 includes a pair of third levers 151, a pair of fourth levers 152, a plurality of torsion bars 153, 154 and 155, a plurality of links 156 and 157, and a pair of brackets 158.
- the pair of third levers 151 extend from the movable mirror 11 to both sides of the second optical function portion 18 in the Y-axis direction along the main surface 12 a of the base 12.
- the pair of third levers 151 extend from between the movable mirror 11 and the second optical function portion 18 to both sides of the second optical function portion 18 in the Y-axis direction.
- the pair of third levers 151 extend along the edge of the second optical function portion 18 when viewed in the Z-axis direction.
- the pair of fourth levers 152 extend from the both sides of the second optical function portion 18 in the Y-axis direction to the movable mirror 11 side along the main surface 12 a of the base 12.
- the pair of fourth levers 152 extend along the X-axis direction on the outer side of the pair of third levers 151 when viewed from the Z-axis direction.
- the links 156 are bridged between the ends 151 a of the third levers 151 on the movable mirror 11 side.
- the link 157 is bridged between the ends 152 a of the fourth levers 152 opposite to the movable mirror 11.
- Each of the links 156 and 157 extends along the edge of the second optical function portion 18 when viewed in the Z-axis direction.
- the pair of brackets 158 is provided on the side surface of the link 156 on the movable mirror 11 side so as to protrude to the movable mirror 11 side.
- Each of the brackets 158 has a cranked shape on the same side (but on the side opposite to each bracket 114) when viewed in the Z-axis direction.
- the front end of one bracket 158 is opposed to the front end of one bracket 114 in the Y-axis direction.
- the tip of the other bracket 158 is opposed to the tip of the other bracket 114 in the Y-axis direction.
- a torsion bar 153 is extended between the end of one bracket 158 and the end of one bracket 114 and between the end of the other bracket 158 and the end of the other bracket 114. It is done. A torsion bar 153 is stretched between a bracket 158 and a bracket 114 which are cranked in opposite directions. That is, the end 151 a of each third lever 151 is connected to the movable mirror 11 via the pair of torsion bars 153. The pair of torsion bars 153 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- a torsion bar 154 is bridged between the end 151 b and the end 152 a of the other fourth lever 152. That is, the end 151 b of each third lever 151 is connected to the end 152 a of each fourth lever 152 via the pair of torsion bars 154.
- the pair of torsion bars 154 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- the torsion bar 155 is stretched. That is, the end 152 b of each fourth lever 152 is connected to the base 12 via the pair of torsion bars 155.
- the pair of torsion bars 155 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- the first optical function portion 17 is defined by at least a pair of first levers 141 and a plurality of links 146 and 147.
- the length A1 of each first lever 141 in the X axis direction (the length of a portion extending on both sides of the first optical function portion 17; for example, 1)
- the length of the portion overlapping with the optical function portion 17 is larger than the shortest distance D1 (the shortest distance when viewed from the Z-axis direction) between the outer edge of the mirror surface 11a and the edge of the first optical function portion 17 .
- the maximum distance D2 between the pair of first levers 141 in the Y axis direction is equal to the maximum width W1 (maximum width when viewed from the Z axis direction) of the first optical function portion 17 in the Y axis direction.
- a distance D3 (a distance when viewed from the Z-axis direction) from a portion of the edge of the first optical function portion 17 closest to the mirror surface 11a to the end portion 141b of each first lever 141 is the first optical function portion It is larger than the distance D4 (the distance when viewed from the Z-axis direction) from the part of the edge 17 farthest from the mirror surface 11a to the end 141b of each first lever 141.
- the second optical function portion 18 is defined by at least a pair of third levers 151 and a plurality of links 156 and 157.
- the length A2 of each third lever 151 in the X axis direction (the length of a portion extending on both sides of the second optical function portion 18; for example, 2)
- the length of the portion overlapping with the optical function portion 18 is larger than the shortest distance D5 (the shortest distance when viewed from the Z-axis direction) between the outer edge of the mirror surface 11a and the edge of the second optical function portion 18 .
- the maximum distance D6 between the pair of third levers 151 in the Y-axis direction is equal to the maximum width W2 (maximum width when viewed from the Z-axis direction) of the second optical function portion 18 in the Y-axis direction.
- the distance D7 (the distance as viewed from the Z-axis direction) from the portion closest to the mirror surface 11a of the edge of the second optical function portion 18 to the end 151b of each third lever 151 is the second optical function portion It is larger than the distance D8 (the distance as viewed from the Z-axis direction) from the part of the edge 18 farthest from the mirror surface 11a to the end 151b of each third lever 151.
- the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 pass through the center of the movable mirror 11 and also pass through the center of the movable mirror 11 and perpendicular to the Y axis direction. Also with respect to the plane, they do not have mutually symmetrical structures. However, a portion of the first elastic support portion 14 excluding the pair of brackets 148 and a portion of the second elastic support portion 15 excluding the pair of brackets 158 pass the center of the movable mirror 11 and in the X-axis direction. With respect to a plane perpendicular to the plane, and also with respect to a plane passing through the center of the movable mirror 11 and perpendicular to the Y-axis direction, they have mutually symmetrical structures.
- the actuator unit 16 moves the movable mirror 11 along the Z-axis direction.
- the actuator unit 16 has a pair of comb electrodes 161 and a pair of comb electrodes 162 disposed along the outer edge of the movable mirror 11.
- One comb-tooth electrode 161 is provided in an area 111 b between one bracket 113 and one bracket 114 on the side surface of the main body 111 of the movable mirror 11.
- the other comb-tooth electrode 161 is provided in a region 111 c between the other bracket 113 and the other bracket 114 in the side surface of the main body 111 of the movable mirror 11.
- One of the comb-tooth electrodes 162 is provided in the side surface of the device layer 52 of the base 12 and in a region extending along the region 111 b in a state of being separated from the region 111 b of the main body 111.
- the other comb-tooth electrode 162 is provided in the side surface of the device layer 52 of the base 12 and in a region extending along the region 111 c in a state of being separated from the region 111 c of the main body 111.
- each comb of one comb electrode 161 is positioned between each comb of one comb electrode 162.
- the comb teeth of the other comb electrode 161 are located between the comb teeth of the other comb electrode 162.
- the base 12 is provided with a plurality of electrode pads 121 and 122.
- Each of the electrode pads 121 and 122 is formed on the surface of the device layer 52 in an opening 12 c formed on the main surface 12 b of the base 12 so as to reach the device layer 52.
- Each electrode pad 121 is electrically connected to the comb electrode 161 through the first elastic support portion 14 and the main body portion 111 of the movable mirror 11 or through the second elastic support portion 15 and the main body portion 111 of the movable mirror 11.
- Each electrode pad 122 is electrically connected to the comb electrode 162 through the device layer 52.
- the wires 26 are stretched between the electrode pads 121 and 122 and the lead pins 25.
- the Z axis An electrostatic force is generated between the comb electrode 161 and the comb electrode 162 opposed to each other so as to move the movable mirror 11 to one side in the direction.
- the torsion bars 143, 144, 145, 153, 154, 155 are twisted in the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15, and the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 are elastic. Force is generated.
- the movable mirror 11 is reciprocated at the resonance frequency level along the Z-axis direction by applying a periodic electrical signal to the drive unit 13 via the plurality of lead pins 25 and the plurality of wires 26. be able to.
- the drive unit 13 functions as an electrostatic actuator.
- FIGS. 4 to 7 show respective configurations in a cross section along a plane (see FIG. 3) which passes through the center of the movable mirror 11 and is perpendicular to the X-axis direction.
- the SOI substrate 50 is prepared. Subsequently, the surface of the support layer 51 opposite to the intermediate layer 53 is etched through the mask subjected to the predetermined patterning, as shown in (b) of FIG. And removing a predetermined region in the intermediate layer 53.
- the predetermined area is an area corresponding to the movable mirror 11, the drive unit 13, the first optical function unit 17, the second optical function unit 18, and the plurality of openings 12c (see FIG. 3).
- the wall portion 112 of the movable mirror 11, the pair of openings 12c, and the like are formed.
- FIG. 4B the wall portion 112 of the movable mirror 11 and the pair of openings 12c are shown.
- the hard mask 80 is bonded to the surface of the support layer 51 opposite to the intermediate layer 53.
- the hard mask 80 has a plurality of through holes 80 a formed therein.
- the plurality of through holes 80 a are formed in the hard mask 80 so as to correspond to the plurality of openings 12 c. That is, the plurality of through holes 80a are formed in the hard mask 80 such that one opening 12c and one through hole 80a communicate with each other.
- a hard mask 80 can be formed of, for example, silicon.
- a plurality of electrode pads 121 and 122 are formed on the surface of the device layer 52 in the plurality of openings 12 c by depositing metal through the hard mask 80. (See Figure 3).
- the hard mask 80 is removed, and the hard mask 90 is bonded to the surface of the support layer 51 opposite to the intermediate layer 53 as shown in FIG.
- Through holes 90 a are formed in the hard mask 90.
- the through hole 90 a is formed in the hard mask 90 so as to correspond to the opening of the wall portion 112 of the movable mirror 11. That is, the through hole 90 a is formed in the hard mask 90 such that the opening of the wall portion 112 and the through hole 90 a communicate with each other.
- Such a hard mask 90 can be formed of, for example, silicon.
- the surface of the metal film is formed on the surface of the device layer 52 in the opening of the wall portion 112 of the movable mirror 11 by depositing metal through the hard mask 90. To form a mirror surface 11a.
- the hard mask 90 is removed, and the surface of the device layer 52 opposite to the intermediate layer 53 is etched through the mask subjected to the predetermined patterning, as shown in FIG. A predetermined area in layer 52 is removed. Thereby, the movable mirror 11, the drive part 13, the 1st optical function part 17, and the 2nd optical function part 18 are formed (refer FIG. 3).
- the optical device 10 is obtained.
- the manufacturing of the optical device 10 is performed at the wafer level, and dicing is finally performed to obtain a plurality of optical devices 10 simultaneously.
- the mirror surface 11 a is formed after the electrode pads 121 and 122 are formed, but the electrode pads 121 and 122 may be formed after the mirror surface 11 a is formed.
- FIGS. 8 to 11 show respective configurations in a cross section along a plane (see FIG. 3) which passes through the center of the movable mirror 11 and is perpendicular to the X-axis direction.
- the SOI substrate 50 is prepared. Subsequently, the surface of the device layer 52 opposite to the intermediate layer 53 is etched through the mask subjected to the predetermined patterning, as shown in (b) of FIG. Remove the predetermined area in Thereby, the movable mirror 11, the drive part 13, the 1st optical function part 17, and the 2nd optical function part 18 are formed (refer FIG. 3).
- the main body 111 of the movable mirror 11 is shown in (b) of FIG.
- the surface of the support layer 51 opposite to the intermediate layer 53 is etched through the mask subjected to the predetermined patterning to form the support layer 51 and the intermediate layer 53 as shown in FIG.
- Remove the predetermined area in The predetermined area is an area corresponding to the movable mirror 11, the drive unit 13, the first optical function unit 17, the second optical function unit 18, and the plurality of openings 12c (see FIG. 3).
- the wall portion 112 of the movable mirror 11, the pair of openings 12c, and the like are formed. In FIG. 9, the wall portion 112 of the movable mirror 11 and the pair of openings 12c are shown.
- the hard mask 80 is bonded to the surface of the support layer 51 opposite to the intermediate layer 53.
- the hard mask 80 has a plurality of through holes 80 a formed therein.
- the plurality of through holes 80 a are formed in the hard mask 80 so as to correspond to the plurality of openings 12 c. That is, the plurality of through holes 80a are formed in the hard mask 80 such that one opening 12c and one through hole 80a communicate with each other.
- a hard mask 80 can be formed of, for example, silicon.
- a plurality of electrode pads 121 and 122 are formed on the surface of the device layer 52 in the plurality of openings 12c by depositing metal through the hard mask 80. (See Figure 3).
- a hard mask 90 is bonded to the surface of the support layer 51 opposite to the intermediate layer 53 as shown in FIG.
- Through holes 90 a are formed in the hard mask 90.
- the through hole 90 a is formed in the hard mask 90 so as to correspond to the opening of the wall portion 112 of the movable mirror 11. That is, the through hole 90 a is formed in the hard mask 90 such that the opening of the wall portion 112 and the through hole 90 a communicate with each other.
- Such a hard mask 90 can be formed of, for example, silicon.
- the surface of the metal film is formed on the surface of the device layer 52 in the opening of the wall portion 112 of the movable mirror 11 by depositing metal through the hard mask 90. To form a mirror surface 11a. Subsequently, as shown in FIG. 11C, the hard mask 90 is removed.
- the optical device 10 is obtained.
- the manufacturing of the optical device 10 is performed at the wafer level, and dicing is finally performed to obtain a plurality of optical devices 10 simultaneously.
- the mirror surface 11 a is formed after the electrode pads 121 and 122 are formed, but the electrode pads 121 and 122 may be formed after the mirror surface 11 a is formed.
- the etching of the device layer 52 is performed, and then the etching of the support layer 51 is performed, and then the metal film (electrode pad 122, mirror surface using hard masks 80 and 90) 11a) is formed, the device layer 52 may be etched after etching the support layer 51, and then a metal film may be formed using the hard masks 80 and 90.
- the movable mirror 11 since the movable mirror 11 has the mirror surface 11a along a plane parallel to the main surface 12a of the base 12, the mirror surface 11a of the movable mirror 11 can be enlarged. Further, the movable mirror 11 having such a mirror surface 11a is connected to the base 12 by the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 and driven in the Z-axis direction, whereby the optical path length is changed. obtain.
- the first and second portions from the portion where the first and second elastic support portions 14 and 15 are connected to the base 12 to the portion where the first and second elastic support portions 14 and 15 are connected to the movable mirror As the length of each of the elastic support portions 14 and 15 is larger, the movable range of the movable mirror 11 is improved, and the driving force required for driving the movable mirror 11 is reduced, and the movable efficiency is also improved.
- the arrangement space of the first and second elastic support portions 14 and 15 is expanded as the lengths of the first and second elastic support portions 14 and 15 are larger.
- the movable mirror 11 is arranged to secure an arrangement space for the first and second elastic support units 14 and 15. And the distance between the first and second optical function units 17 and 18 may be increased, which may increase the size of the optical device 10.
- the first elastic support portion 14 has a pair of first levers 141 extending along the main surface 12a from the movable mirror 11 to both sides of the first optical function portion 17, and the movable mirror 11 And the length of the pair of first levers 141 in the direction in which the first optical function portion 17 is arranged is larger than the shortest distance between the outer edge of the mirror surface 11 a and the edge of the first optical function portion 17.
- each of the pair of first levers 141 is secured in the first elastic support portion 14, it is possible to suppress the decrease in the movable performance of the movable mirror 11.
- the optical device 10 it is possible to suppress the decrease in the movable performance of the movable mirror 11 and the increase in the size of the entire device while achieving the enlargement of the mirror surface 11a of the movable mirror 11.
- the maximum distance between the pair of first levers 141 in the Y-axis direction is equal to the maximum width of the first optical function unit 17 in the Y-axis direction. For this reason, it is possible to realize the suppression of the increase in the distance between the movable mirror 11 and the first optical function unit 17 and the securing of the respective lengths of the pair of first levers 141 in a more balanced manner.
- the distance from the portion of the edge of the first optical function portion 17 closest to the mirror surface 11a to the end 141b of the pair of first levers 141 opposite to the movable mirror 11 is The distance from the portion of the edge of the one optical function portion 17 farthest from the mirror surface 11 a to the end portion 141 b opposite to the movable mirror 11 in each of the pair of first levers 141 is larger. As a result, it is possible to realize the suppression of the increase in the distance between the movable mirror 11 and the first optical function unit 17 and the securing of the respective lengths of the pair of first levers 141 in a more balanced manner.
- the first elastic support portion 14 further includes a pair of second levers 142 extending along the main surface 12a from the both sides of the first optical function portion 17 in the Y axis direction to the movable mirror 11 side.
- the connection between the pair of first levers 141, the pair of second levers 142, and the base 12 is realized via the plurality of torsion bars 143, 144, and 145.
- the second elastic support portion 15 includes a pair of fourth levers 152 in addition to the pair of third levers 151, and the pair of third levers 151, the pair of fourth levers 152, and the base 12 The connection between them is realized via a plurality of torsion bars 153, 154, 155.
- each first lever 141 is connected to the movable mirror 11 via the plurality of torsion bars 143 arranged on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- an end 151a of each third lever 151 on the movable mirror 11 side is connected to the movable mirror 11 via a plurality of torsion bars 153 arranged on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- the length of each torsion bar 143 arranged on the same axis can be shortened.
- the lengths of the torsion bars 143 arranged on the same axis can be shortened.
- the link 146 is bridged between the end portions 141 a of the first levers 141 on the movable mirror 11 side, and opposite to the movable mirrors 11 of the second levers 142.
- a link 147 is bridged between the side ends 142a.
- the link 156 is bridged between the ends 151a of the third levers 151 on the movable mirror 11 side, and the fourth levers 152 are opposite to the movable mirror 11 on the opposite side.
- a link 157 is bridged between the ends 152a.
- the actuator unit 16 has comb-shaped electrodes 161 and 162 disposed along the outer edge of the movable mirror 11. Thereby, the electrostatic force generated by the comb-tooth electrodes 161 and 162 can be efficiently used as the driving force of the movable mirror 11.
- the main body 111 of the movable mirror 11 is provided with a wall 112 that surrounds the mirror surface 11a when viewed in the Z-axis direction.
- the wall portion 112 functions as a beam, it is possible to suppress deformation (warpage, deflection, etc.) of the mirror surface 11a while achieving thinning of the main body portion 111.
- the first optical function unit 17 is a light passing opening provided in the base 12.
- an optical element such as the fixed mirror 21 can be disposed at a position overlapping the first optical function unit 17.
- the base 12, the movable mirror 11, the actuator portion 16, the first elastic support portion 14, the second elastic support portion 15, and the first optical function portion 17 are configured by an SOI substrate. As a result, it is possible to obtain the optical device 10 in which each configuration is easily and accurately formed by the MEMS technology.
- the optical device 10 has a pair of third levers 151 in which the second elastic support portion 15 extends along the principal surface 12 a from the movable mirror 11 to both sides of the second optical function portion 18. And the length of the pair of third levers 151 in the direction in which the second optical function portion 18 is arranged is larger than the shortest distance between the outer edge of the mirror surface 11 a and the edge of the second optical function portion 18. Thus, it is possible to suppress the decrease in the movable performance of the movable mirror 11 and the increase in the size of the entire device while achieving multifunctionality of the device.
- the hard mask 80 and the hard mask 90 are properly used, and the plurality of electrode pads 121 and 122 and the mirror surface 11a are formed in different steps.
- a metal film suitable for each can be formed.
- the wall portion 112 of the movable mirror 11 is formed by etching the surface of the support layer 51 opposite to the intermediate layer 53 through the mask subjected to the predetermined patterning. .
- the drive unit 13 may have an elastic support portion connected to the base 12 and the movable mirror 11 in addition to the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15.
- the fixed mirror 21 may be provided not only directly below the first optical function unit 17 as the optical module 1 but also directly below the second optical function unit 18. With this configuration, while the second optical function unit 18 is used in the same manner as the first optical function unit 17 to achieve multifunctionalization of the device, it is possible to suppress the decrease in the movable performance of the movable mirror and the upsizing of the entire device. Can.
- the first optical function unit 17 and the second optical function unit 18 which are light passing openings may be hollow or may be made of a material having optical transparency to the measurement light L0.
- each of the brackets 113 and 114 of the movable mirror 11, the bracket 148 of the first lever 141, and the brackets 158 of the third lever 151 are provided three by three.
- each of the brackets 113 and 114, the bracket 148, and the bracket 158 has a shape in which two of the three are bent in a crank shape on the same side, and one is It has a shape bent in a crank shape on the opposite side to the other two.
- the first elastic support portion 14 has three torsion bars 143.
- Each torsion bar 143 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- a torsion bar 143 is bridged between the end of the bracket 148 and the end of the bracket 113, which face each other.
- a torsion bar 143 is bridged between a bracket 148 and a bracket 113 which are cranked on opposite sides.
- the second elastic support 15 has three torsion bars 153.
- the three torsion bars 153 are disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- a torsion bar 153 is bridged between the end of the bracket 158 and the end of the bracket 114, which face each other.
- a torsion bar 153 is stretched between a bracket 158 and a bracket 114 which are cranked in opposite directions.
- the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 pass through the center of the movable mirror 11 and also pass through the center of the movable mirror 11 and perpendicular to the Y axis direction. Also with respect to the plane, they do not have mutually symmetrical structures.
- each of the first lever 141 and the third lever 151 is connected to the movable mirror 11 via the three torsion bars 143 and 153 arranged on the same axis.
- the brackets 113 and 114 of the movable mirror 11 are provided.
- the bracket 148 of the first lever 141, and the bracket 158 of the third lever 151 are provided.
- the length of each of the plurality of torsion bars 143 and 153 arranged on the same axis can be made shorter than the configuration shown in FIG. 3. As a result, the movement of the movable mirror 11 in the X-axis direction can be suppressed.
- the brackets 113 and 114 of the movable mirror 11, the bracket 148 of the first lever 141, and the bracket 158 of the third lever 151 are provided one by one.
- the bracket 113 and the bracket 158 have a shape bent in a crank shape on the same side when viewed from the Z-axis direction.
- the bracket 114 and the bracket 148 have a shape bent like a crank on the same side (but the side opposite to the bracket 113) when viewed in the Z-axis direction.
- the first elastic support portion 14 has only one torsion bar 143.
- the torsion bar 143 is disposed on an axis parallel to the Y-axis direction.
- a torsion bar 143 is bridged between the end of the bracket 148 and the end of the bracket 113 which face each other.
- the second elastic support portion 15 has only one torsion bar 153.
- the torsion bar 153 is disposed on an axis parallel to the Y-axis direction.
- a torsion bar 153 is bridged between the end of the bracket 158 and the end of the bracket 114, which face each other.
- the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 pass through the center of the movable mirror 11 and also pass through the center of the movable mirror 11 and perpendicular to the Y axis direction. Also with respect to the plane, they do not have mutually symmetrical structures.
- the structure shown in (b) of FIG. 12 the structure is simplified as compared with the configuration shown in FIG.
- the brackets 113 and 114 of the movable mirror 11, the bracket 148 of the first lever 141, and the brackets 158 of the third lever 151 are provided two by two.
- Each of the brackets 113 and 114, the bracket 148, and the bracket 158 has a shape in which one side and the other side are bent in a crank shape on the opposite side to each other.
- the pair of torsion bars 143 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction. A torsion bar 143 is bridged between the end of the bracket 148 and the end of the bracket 113, which face each other.
- a torsion bar 143 is bridged between a bracket 148 and a bracket 113 which are cranked on opposite sides.
- the pair of torsion bars 153 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- a torsion bar 153 is bridged between the end of the bracket 158 and the end of the bracket 114, which face each other.
- a torsion bar 153 is stretched between a bracket 158 and a bracket 114 which are cranked in opposite directions.
- the actuator unit 16 includes a pair of electrode support members 163 supporting the pair of comb electrodes 161 and the comb electrodes 161 and the movable mirror via the electrode support members 163.
- 11 further includes a pair of connecting portions 164 connecting the same.
- the pair of electrode support members 163 and the pair of connection portions 164 are configured by the device layer 52.
- the pair of electrode support members 163 and the pair of connection portions 164 are disposed one by one on both sides of the main body portion 111 in the Y-axis direction parallel to the major surface 12 a.
- Each electrode support member 163 is disposed along the outer edge of the movable mirror 11.
- the end portion 163a of each electrode support member 163 extends to the first optical function portion 17 side
- the end portion 163b of each electrode support member 163 extends to the second optical function portion 18 side.
- Each comb-tooth electrode 161 extends from the side surface of the corresponding electrode support member 163 in the Y-axis direction, and is located between the comb teeth of the corresponding comb-tooth electrode 162.
- the pair of connecting portions 164 connect the corresponding comb electrode 161 to each side of the movable mirror 11. That is, the pair of comb electrodes 161 are separated from the outer edges of the base 12 and the movable mirror 11 and disposed along the outer edge of the movable mirror 11. According to this, since the pair of comb electrodes 161 are separated from the outer edge of the movable mirror 11, it is highly possible to prevent metal from adhering to the comb electrodes 161, 162 when forming the mirror surface 11a.
- the movable mirror 11 has one bracket 113 and one bracket 114.
- Each of the bracket 113 and the bracket 114 has a shape bent in a crank shape on the opposite side when viewed from the Z-axis direction.
- the first lever 141 has three brackets 148.
- the third lever 151 has three brackets 158.
- two of the three brackets 148 have a rectangular shape, and one has a cranked shape opposite to the bracket 113.
- two of the three brackets 158 When viewed in the Z-axis direction, two of the three brackets 158 have a rectangular shape, and one has a cranked shape opposite to the bracket 114.
- a torsion bar 143 is bridged between the tip of the cranked bracket 148 and the tip of the bracket 113.
- a torsion bar 143 is bridged between each rectangular bracket 148 and the corresponding end portion 163 a of the electrode support member 163 on the first optical function portion 17 side. That is, three torsion bars 143 are connected to one crank-shaped bracket 148 and two rectangular brackets 148, respectively.
- the three torsion bars 143 are disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- a torsion bar 153 is bridged between the tip of the cranked bracket 158 and the tip of the bracket 114.
- a torsion bar 153 is bridged between each rectangular bracket 158 and the corresponding end portion 163 b of the electrode support member 163 on the second optical function portion 18 side. That is, three torsion bars 153 are respectively connected to one crank-shaped bracket 158 and two rectangular brackets 158.
- the three torsion bars 153 are disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 pass through the center of the movable mirror 11 and also pass through the center of the movable mirror 11 and perpendicular to the Y axis direction. Also with respect to the plane, they do not have mutually symmetrical structures.
- the end 141a on the movable mirror 11 side of each of the pair of first levers 141 is connected to the movable mirror 11 via a torsion bar or a spring.
- An end 141 b of the pair of first levers 141 opposite to the movable mirror 11 is connected to the base 12 via a torsion bar.
- the end 151a on the movable mirror 11 side of each of the pair of third levers 151 is connected to the movable mirror 11 via a torsion bar or a spring.
- the end 151 b of the pair of third levers 151 opposite to the movable mirror 11 is connected to the base 12 via a torsion bar.
- the pair of second levers 142 and the pair of fourth levers 152 are not provided. Therefore, in this configuration, the structures of the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 can be simplified.
- the first optical function portion 17 is not a light passing opening defined by the pair of first levers 141 and the plurality of links 146 and 147 and the like, but the pair of first levers 141. And the like are light passage openings formed in the SOI substrate 50 separately.
- the maximum distance between the pair of first levers 141 in the Y axis direction is larger than the maximum width of the first optical function unit 17 in the Y axis direction (maximum width when viewed from the Z axis direction).
- the second optical function unit 18 is not provided on the SOI substrate 50 separately from the pair of third levers 151 and the like, instead of the light passage opening defined by the pair of third levers 151 and the plurality of links 156 and 157 and the like. It is a light passing opening formed.
- the maximum distance between the pair of third levers 151 in the Y axis direction is larger than the maximum width of the second optical function unit 18 in the Y axis direction (maximum width when viewed from the Z axis direction).
- the movable mirror 11 has two brackets 113 and two brackets 114. Both the bracket 113 and the bracket 114 have a rectangular shape when viewed from the Z-axis direction.
- the first lever 141 has one bracket 148.
- the third lever 151 has one bracket 158. Both the bracket 148 and the bracket 158 have a rectangular shape when viewed from the Z-axis direction.
- the tip end of the bracket 148 is located between the two brackets 113 in the Y-axis direction.
- a torsion bar 143 is bridged between the tip of each bracket 113 and the tip of the bracket 148. That is, two torsion bars 143 are connected to one bracket 148.
- the two torsion bars 143 are disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction with the bracket 148 interposed therebetween.
- the tip end of the bracket 158 is located between the two brackets 114 in the Y-axis direction.
- a torsion bar 153 is bridged between the end of each bracket 114 and the end of the bracket 158. That is, two torsion bars 153 are connected to one bracket 158.
- the two torsion bars 153 are disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction with the bracket 158 interposed therebetween.
- the movable mirror 11 has one bracket 113 and one bracket 114. Both the bracket 113 and the bracket 114 have a rectangular shape when viewed from the Z-axis direction.
- the first lever 141 has two brackets 148.
- the third lever 151 has two brackets 158. Both the bracket 148 and the bracket 158 have a rectangular shape when viewed from the Z-axis direction.
- the tip of the bracket 113 is located between the two brackets 148 in the Y-axis direction.
- a torsion bar 143 is bridged between the tip of each bracket 148 and the tip of the bracket 113. That is, two torsion bars 143 are connected to one bracket 113.
- the two torsion bars 143 are disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction with the bracket 113 interposed therebetween.
- the tip of the bracket 114 is located between the two brackets 158 in the Y-axis direction.
- a torsion bar 153 is stretched between the tip of each bracket 158 and the tip of the bracket 114. That is, two torsion bars 153 are connected to one bracket 114. The two torsion bars 153 are disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction with the bracket 158 interposed therebetween.
- the structures shown in (a) of FIG. 14 and (b) of FIG. 14 can further simplify the structure.
- the movable mirror 11 has one bracket 113 and one bracket 114. Both the bracket 113 and the bracket 114 have a rectangular shape when viewed from the Z-axis direction.
- the first lever 141 has two brackets 148.
- the third lever 151 has two brackets 158. Both the bracket 148 and the bracket 158 have a rectangular shape when viewed from the Z-axis direction.
- the tip of the bracket 113 is located between the two brackets 148 in the Y-axis direction.
- the tip of the bracket 114 is located between the two brackets 158 in the Y-axis direction.
- each of the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 has a plurality of springs 149, instead of the torsion bars 143 and 153. It has 159. Unlike the torsion bars 143, 153 having only one rotation axis, the plurality of springs 149, 159 have a plurality of rotation axes parallel to the Y-axis direction.
- a spring 149 is stretched between the tip of each bracket 148 and the tip of the bracket 113. That is, two springs 149 are connected to one bracket 113.
- a spring 159 is stretched between the tips of the two brackets 158 and the tips of the brackets 114.
- two springs 159 are connected to one bracket 114.
- the springs 149 and 159 have a plurality of rotation axes parallel to the Y-axis direction, a torsion having only one rotation axis The amount of rotation at each rotation axis is reduced more than the bars 143 and 153.
- impact resistance in the X-axis direction can be improved.
- the two springs 149 have the same shape.
- the spring 149 has a shape in which one S-shaped portion is sandwiched between two Z-shaped portions when viewed in the Z-axis direction.
- the Z-shaped portion has one rotation axis parallel to the Y-axis direction, and the S-shaped portion has three rotation axes parallel to the Y-axis direction.
- the tip of one Z-shaped portion is connected to one bracket 148, and one end of an S-shaped portion is connected to the other end of the one Z-shaped portion.
- the tip of the other Z-shaped part is connected to the other end of the S-shaped part, and the bracket 113 is connected to the other end of the other Z-shaped part.
- the two springs 159 have the same shape.
- the spring 159 has a configuration in which one inverted S-shaped portion (a portion obtained by inverting the S-shaped portion horizontally) is sandwiched between two inverted Z-shaped portions when viewed from the Z-axis direction. .
- the inverted Z-shaped portion has one rotation axis parallel to the Y-axis direction, and the inverted S-shaped portion has three rotation axes parallel to the Y-axis direction.
- the tip of one inverted Z-shaped portion is connected to one bracket 158, and one end of the inverted S-shaped portion is connected to the other end of the one inverted Z-shaped portion.
- the other end of the inverted S-shaped portion is connected to the tip of the other inverted Z-shaped portion, and the other end of the other inverted Z-shaped portion is connected to the bracket 114.
- the first elastic support 14 and the second elastic support 15 do not have a symmetrical structure with respect to a plane passing through the center of the movable mirror 11 and perpendicular to the Y-axis direction.
- one spring 149 has a shape in which one S-shaped portion is sandwiched between two Z-shaped portions when viewed from the Z-axis direction. doing.
- the Z-shaped portion has one rotation axis parallel to the Y-axis direction, and the S-shaped portion has three rotation axes parallel to the Y-axis direction.
- the other spring 149 has a configuration in which one inverted S-shaped portion is sandwiched between two inverted Z-shaped portions when viewed from the Z-axis direction.
- the inverted Z-shaped portion has one rotation axis parallel to the Y-axis direction, and the inverted S-shaped portion has three rotation axes parallel to the Y-axis direction.
- the Z-shaped portion of one spring 149 and the inverted Z-shaped portion of the other spring 149 are connected to the bracket 148, respectively.
- one spring 159 has a shape in which one S-shaped portion is sandwiched between two Z-shaped portions when viewed from the Z-axis direction. doing.
- the Z-shaped portion has one rotation axis parallel to the Y-axis direction, and the S-shaped portion has three rotation axes parallel to the Y-axis direction.
- the other spring 159 has a configuration in which one inverted S-shaped portion is sandwiched between two inverted Z-shaped portions when viewed from the Z-axis direction.
- the inverted Z-shaped portion has one rotation axis parallel to the Y-axis direction, and the inverted S-shaped portion has three rotation axes parallel to the Y-axis direction.
- the Z-shaped portion of one spring 159 and the inverted Z-shaped portion of the other spring 159 are connected to the bracket 158, respectively.
- one end of the Z-shaped portion of one spring 149 is connected to the bracket 148, and the other end is connected to the S-shaped portion on the movable mirror 11 side than the one end.
- One end of the inverted Z-shaped portion of the other spring 149 is connected to the bracket 148, and the other end is connected to the inverted S-shaped portion on the movable mirror 11 side than the one end.
- One end of the Z-shaped portion of one spring 159 is connected to the bracket 158, and the other end is connected to the S-shaped portion on the movable mirror 11 side than the one end.
- One end of the inverted Z-shaped portion of the other spring 159 is connected to the bracket 158, and the other end is connected to the inverted S-shaped portion on the movable mirror 11 side than the one end.
- one end of the Z-shaped portion of one spring 149 is connected to the bracket 148, and the other end is connected to the S-shaped portion on the first optical function portion 17 side than the one end. .
- One end of the inverted Z-shaped portion of the other spring 149 is connected to the bracket 148, and the other end is connected to the inverted S-shaped portion closer to the first optical function portion 17 than the one end.
- One end of the Z-shaped portion of one spring 159 is connected to the bracket 158, and the other end is connected to the S-shaped portion on the second optical function portion 18 side than the one end.
- the other end of the inverted Z-shaped portion of the other spring 159 is connected to the bracket 158 and the other end is connected to the inverted S-shaped portion on the second optical function portion 18 side than the one end.
- the brackets 113 and 114, the bracket 148, the bracket 158, the torsion bar 143, and the torsion bar 153 all have the same configuration as that shown in FIG. 12 (a). .
- the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 pass through the center of the movable mirror 11 and also pass through the center of the movable mirror 11 and perpendicular to the Y axis direction. Also with respect to the plane, they do not have mutually symmetrical structures.
- the brackets 113 and 114 of the movable mirror 11, the bracket 148 of the first lever 141, and the brackets 158 of the third lever 151 are provided three by three.
- the first elastic support portion 14 has three torsion bars 143.
- the second elastic support 15 has three torsion bars 153.
- three or more of each of the brackets 113 and 114 of the movable mirror 11, the bracket 148 of the first lever 141, and the bracket 158 of the third lever 151 are provided. Good.
- the length of each of the plurality of torsion bars 143 and 153 arranged on the same axis can be made shorter than the configuration shown in FIG. 3. As a result, the movement of the movable mirror 11 in the X-axis direction can be suppressed.
- the brackets 113 and 114, the bracket 148, the bracket 158, the torsion bar 143, and the torsion bar 153 all have the same configuration as that of FIG. 12B. .
- the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 pass through the center of the movable mirror 11 and also pass through the center of the movable mirror 11 and perpendicular to the Y axis direction. Also with respect to the plane, they do not have mutually symmetrical structures.
- the brackets 113 and 114 of the movable mirror 11, the bracket 148 of the first lever 141, and the bracket 158 of the third lever 151 are provided one by one.
- the first elastic support portion 14 has only one torsion bar 143.
- the second elastic support portion 15 has only one torsion bar 153. According to this, the structure is simplified more than the configuration shown in FIG.
- the brackets 113 and 114, the bracket 148, the bracket 158, the torsion bar 143, and the torsion bar 153 all have the same configuration as that shown in FIG.
- the first elastic support portion 14 and the second elastic support portion 15 pass through the center of the movable mirror 11 and also pass through the center of the movable mirror 11 and perpendicular to the Y axis direction. Also with respect to the plane, they do not have mutually symmetrical structures.
- the brackets 113 and 114 of the movable mirror 11, the bracket 148 of the first lever 141, and the brackets 158 of the third lever 151 are provided two by two.
- the first elastic support portion 14 has two torsion bars 143.
- the second elastic support 15 has two torsion bars 153.
- the brackets 113 and 114, the bracket 148, the bracket 148, the torsion bar 143, and the torsion bar 153 all have the same configuration as that shown in FIG. .
- the brackets 113 and 114 of the movable mirror 11, the bracket 148 of the first lever 141, and the brackets 158 of the third lever 151 are provided two by two.
- the first elastic support portion 14 has two torsion bars 143.
- the second elastic support 15 has two torsion bars 153.
- the movable mirror 11 has a pair of flanges 115 and 116 instead of the pair of brackets 113 and the pair of brackets 114.
- the pair of flanges 115, 116 is formed by the device layer 52.
- the end 141a of each first lever 141 is located on both sides of the flange 115 in the Y-axis direction.
- the first optical function portion 17 is defined by at least a flange 115, a pair of first levers 141, and a link 146.
- a torsion bar 143 is bridged between each end 141 a and the flange 115. That is, the end 141 a of each first lever 141 is connected to the movable mirror 11 via the pair of torsion bars 143.
- the pair of torsion bars 143 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- the pair of first levers 141 extend from the movable mirror 11 to both sides of the first optical function portion 17 in the Y-axis direction along the main surface 12 a of the base 12. Between an end 141 b of one first lever 141 and an end 142 a of one second lever 142, and an end 141 b of the other first lever 141 and an end 142 a of the other second lever 142 The torsion bars 144 are respectively bridged between them.
- the link 146 is bridged between the end 141 b of each first lever 141.
- the link 146 extends in the Y-axis direction along the edge of the first optical function portion 17.
- the link 147 extends in the Y-axis direction along the link 146 on the side opposite to the first optical function unit 17 with respect to the link 146.
- each third lever 151 is located on both sides of the flange 116 in the Y-axis direction.
- the second optical function portion 18 is defined by at least a flange 116, a pair of third levers 151, and a link 156.
- a torsion bar 153 is bridged between each end 151 a and the flange 116. That is, the end 151 a of each third lever 151 is connected to the movable mirror 11 via the pair of torsion bars 153.
- the pair of torsion bars 153 is disposed on the same axis parallel to the Y-axis direction.
- the pair of third levers 151 extend from the movable mirror 11 to both sides of the second optical function portion 18 in the Y-axis direction along the main surface 12 a of the base 12. Between the end 151b of one third lever 151 and the end 152a of one fourth lever 152, and the end 151b of the other third lever 151 and the end 152a of the other fourth lever 152 The torsion bars 154 are respectively bridged between them.
- the links 156 are bridged between the ends 151 b of the third levers 151.
- the link 156 extends in the Y-axis direction along the edge of the second optical function portion 18.
- the link 157 extends in the Y-axis direction along the link 156 on the side opposite to the second optical function unit 18 with respect to the link 156.
- the movable mirror 11 is not provided with the wall portion 112, and the metal film is formed on the surface of the main portion 111 on the main surface 12a side to provide the mirror surface 11a It is done.
- the fixed mirror 21 (mirror surface 21a) as the first optical function unit 17 is provided on one side of the movable mirror 11 in the X-axis direction.
- the fixed mirror 21 is provided on the major surface 12 a of the device layer 52. That is, in the configurations shown in FIG. 20 and FIG. 21, the light passing opening portions functioning as the first optical function portion 17 and the second optical function portion 18 are not formed in the SOI substrate 50. In the configurations shown in FIGS.
- the brackets 113 and 114, the bracket 148, the bracket 158, the torsion bar 143, and the torsion bar 153 all have the same configuration as that shown in FIG.
- the optical device 10 including the movable mirror 11 and the fixed mirror 21 can be realized while suppressing the enlargement of the entire apparatus.
- the fixed mirror 21 and the support 22 positioned directly below the first optical function unit 17 may not be provided as long as the area in which the movable mirror 11 moves is secured.
- the light reflected by the fixed mirror 21 in the above embodiment is reflected by the first optical function unit 17.
- each of the optical paths P1 and P2 in the beam splitter unit 3 is adjusted at the front stage of the first optical function unit 17 so that the optical path difference of the light split by the half mirror surface 31 is corrected. preferable.
- the fixed mirror 21 is not only provided on one side of the movable mirror 11 in the X-axis direction as the first optical function unit 17 when viewed from the Z-axis direction.
- the second optical function unit 18 may be provided on the other side of the movable mirror 11 in the X-axis direction.
- the actuator unit is not limited to the electrostatic actuator, and may be, for example, a piezoelectric actuator, an electromagnetic actuator, or the like.
- the optical module 1 is not limited to what comprises FTIR, You may comprise another optical system.
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Abstract
本発明は、可動ミラーのミラー面の大型化を図りつつも、可動ミラーの可動性能の低下及び装置全体の大型化を抑制することができる光学デバイスを提供することを目的とする。 本発明の光学デバイス(10)は、主面を有するベース(12)と、主面に平行な平面に沿ったミラー面を有する可動ミラー(11)と、主面に垂直な第1方向に沿って移動可能となるように可動ミラーを支持する第1弾性支持部(14)及び第2弾性支持部(15)と、第1方向に沿って可動ミラーを移動させるアクチュエータ部(16)と、第1方向に垂直な第2方向における可動ミラーの一方の側に配置された第1光学機能部(17)と、を備える。第1弾性支持部(14)は、可動ミラー(11)から、第1方向及び第2方向に垂直な第3方向における第1光学機能部の両側に、主面に沿って延在する一対の第1レバー(141)を有する。第2方向における一対の第1レバー(141)のそれぞれの長さ(A1)は、ミラー面(11a)の外縁と第1光学機能部(17)の縁との間の最短距離(D1)よりも大きい。
Description
本開示は、光学デバイスに関する。
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術によってSOI(Silicon On Insulator)基板に干渉光学系が形成された光モジュールが知られている(例えば、特許文献1参照)。このような光モジュールは、高精度な光学配置が実現されたFTIR(フーリエ変換型赤外分光分析器)を提供し得るため、注目されている。
しかし、上述したような光モジュールには、例えば可動ミラーのミラー面のサイズがSOI基板に対する深堀加工の達成度に依存する点で、次のような課題がある。すなわち、SOI基板に対する深堀加工の達成度は最大でも500μm程度であるため、可動ミラーのミラー面の大型化によってFTIRにおける感度を向上させるのには限界がある。その一方で、ミラー面の大型化に伴って可動ミラーが大型化すると、可動ミラーの可動性能が低下したり、他の光学機能部が設けられた場合に装置全体が大型化したりするおそれがある。
本開示は、可動ミラーのミラー面の大型化を図りつつも、可動ミラーの可動性能の低下及び装置全体の大型化を抑制することができる光学デバイスを提供することを目的とする。
本開示の一側面の光学デバイスは、主面を有するベースと、主面に平行な平面に沿ったミラー面を有する可動ミラーと、ベース及び可動ミラーに接続され、主面に垂直な第1方向に沿って移動可能となるように可動ミラーを支持する第1弾性支持部及び第2弾性支持部と、第1方向に沿って可動ミラーを移動させるアクチュエータ部と、第1方向から見た場合に、第1方向に垂直な第2方向における可動ミラーの一方の側に配置された第1光学機能部と、を備え、第1弾性支持部は、可動ミラーから、第1方向及び第2方向に垂直な第3方向における第1光学機能部の両側に、主面に沿って延在する一対の第1レバーを有し、第2方向における一対の第1レバーのそれぞれの長さは、ミラー面の外縁と第1光学機能部の縁との間の最短距離よりも大きい。
上記光学デバイスでは、可動ミラーが、ベースの主面に平行な平面に沿ったミラー面を有している。これにより、可動ミラーのミラー面の大型化を図ることができる。また、第1弾性支持部が、可動ミラーから第1光学機能部の両側に主面に沿って延在する一対の第1レバーを有しており、可動ミラーと第1光学機能部とが並ぶ方向における一対の第1レバーのそれぞれの長さが、ミラー面の外縁と第1光学機能部の縁との間の最短距離よりも大きい。これにより、可動ミラーと第1光学機能部との間の距離の増大が抑制されるため、装置全体の大型化を抑制することができる。更に、第1弾性支持部において一対の第1レバーのそれぞれの長さが確保されるため、可動ミラーの可動性能の低下を抑制することができる。以上により、上記光学デバイスによれば、可動ミラーのミラー面の大型化を図りつつも、可動ミラーの可動性能の低下及び装置全体の大型化を抑制することができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、第3方向における一対の第1レバー間の最大距離は、第3方向における第1光学機能部の最大幅以上であってもよい。これによれば、可動ミラーと第1光学機能部との間の距離の増大の抑制と、一対の第1レバーのそれぞれの長さの確保とを、よりバランス良く実現することができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、第1光学機能部の縁のうちミラー面に最も近い部分から、一対の第1レバーのそれぞれにおける可動ミラーとは反対側の端部までの距離は、第1光学機能部の縁のうちミラー面から最も遠い部分から、一対の第1レバーのそれぞれにおける可動ミラーとは反対側の端部までの距離よりも大きくてもよい。これによれば、可動ミラーと第1光学機能部との間の距離の増大の抑制と、一対の第1レバーのそれぞれの長さの確保とを、よりバランス良く実現することができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、第1弾性支持部は、第3方向における第1光学機能部の両側から、可動ミラー側に、主面に沿って延在する一対の第2レバーを更に有し、一対の第1レバーのそれぞれにおける可動ミラー側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介して可動ミラーに接続されており、一対の第1レバーのそれぞれにおける可動ミラーとは反対側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介して一対の第2レバーのそれぞれにおける可動ミラーとは反対側の端部に接続されており、一対の第2レバーのそれぞれにおける可動ミラー側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介してベースに接続されていてもよい。これによれば、可動ミラーの可動範囲の増大、及び可動ミラーの可動効率の向上(可動ミラーの駆動に要する駆動力の低減)を図ることができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、一対の第1レバーのそれぞれにおける可動ミラー側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介して可動ミラーに接続されており、一対の第1レバーのそれぞれにおける可動ミラーとは反対側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介してベースに接続されていてもよい。これによれば、第1弾性支持部の構造の単純化を図ることができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、一対の第1レバーのそれぞれにおける可動ミラー側の端部は、第3方向に平行な同一の軸線上に配置された複数のトーションバーを介して可動ミラーに接続されていてもよい。これによれば、同一の軸線上に配置された複数のトーションバーのそれぞれの長さを短くすることができる。その結果、第2方向への可動ミラーの移動、及び第1方向に平行な軸線回りの可動ミラーの回転を抑制することができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、アクチュエータ部は、可動ミラーの外縁に沿って配置された櫛歯電極を有してもよい。これによれば、櫛歯電極によって生じる静電気力を可動ミラーの駆動力として効率良く利用することができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、櫛歯電極は、可動ミラーの外縁から離間しており、アクチュエータ部は、櫛歯電極と可動ミラーとを連結する連結部を更に有してもよい。これによれば、例えばミラー面が金属層の表面である場合に、当該金属層の櫛歯電極への付着を防止することができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、可動ミラーは、ミラー面が設けられた本体部と、本体部に設けられ、第1方向から見た場合にミラー面を包囲する壁部と、を有してもよい。これによれば、壁部が梁として機能するため、本体部の薄型化を図りつつも、ミラー面の変形(反り、撓み等)を抑制することができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、第1光学機能部は、ベースに設けられた光通過開口部であってもよい。これによれば、ベースの主面に垂直な第1方向から見た場合に第1光学機能部と重なる位置に、固定ミラー等の光学素子を配置することができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、第1光学機能部は、ベースに設けられた固定ミラーであってもよい。これによれば、可動ミラー及び固定ミラーを備える光学デバイスを、装置全体の大型化を抑制しつつ、実現することができる。
本開示の一側面の光学デバイスでは、ベース、可動ミラー、アクチュエータ部、第1弾性支持部、第2弾性支持部及び第1光学機能部は、SOI基板によって構成されていてもよい。これによれば、各構成がMEMS技術によって容易且つ高精度に形成された光学デバイスを得ることができる。
本開示の一側面の光学デバイスは、第1方向から見た場合に、第2方向における可動ミラーの他方の側に配置された第2光学機能部を更に備え、第2弾性支持部は、可動ミラーから、第3方向における第2光学機能部の両側に、主面に沿って延在する一対の第3レバーを有し、第2方向における一対の第3レバーのそれぞれの長さは、ミラー面の外縁と第2光学機能部の縁との間の最短距離よりも大きくてもよい。これによれば、装置の多機能化を図りつつも、可動ミラーの可動性能の低下及び装置全体の大型化を抑制することができる。
本開示によれば、可動ミラーのミラー面の大型化を図りつつも、可動ミラーの可動性能の低下及び装置全体の大型化を抑制することができる光学デバイスを提供することが可能となる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する部分を省略する。
[光モジュールの構成]
[光モジュールの構成]
図1に示されるように、光モジュール1は、ミラーユニット2及びビームスプリッタユニット3を備えている。ミラーユニット2は、光学デバイス10及び固定ミラー21を有している。光学デバイス10は、可動ミラー11を含んでいる。光モジュール1では、ビームスプリッタユニット3、可動ミラー11及び固定ミラー21によって、測定光L0について干渉光学系が構成されている。干渉光学系は、ここでは、マイケルソン干渉光学系である。
光学デバイス10は、可動ミラー11に加え、ベース12、駆動部13、第1光学機能部17及び第2光学機能部18を含んでいる。ベース12は、主面12aを有している。可動ミラー11は、主面12aに平行な平面に沿ったミラー面11aを有している。可動ミラー11は、主面12aに垂直なZ軸方向(Z軸に平行な方向、第1方向)に沿って移動可能となるようにベース12において支持されている。駆動部13は、Z軸方向に沿って可動ミラー11を移動させる。第1光学機能部17は、Z軸方向から見た場合に、Z軸方向に垂直なX軸方向(X軸に平行な方向、第2方向)における可動ミラー11の一方の側に配置されている。第2光学機能部18は、Z軸方向から見た場合に、X軸方向における可動ミラー11の他方の側に配置されている。第1光学機能部17及び第2光学機能部18のそれぞれは、ベース12に設けられた光通過開口部であり、Z軸方向における一方の側及び他方の側に開口している。
固定ミラー21は、主面12aに平行な平面に沿ったミラー面21aを有している。固定ミラー21は、ベース12に対する位置が固定されている。ミラーユニット2においては、可動ミラー11のミラー面11a及び固定ミラー21のミラー面21aが、Z軸方向における一方の側(ビームスプリッタユニット3側)に向いている。
ミラーユニット2は、光学デバイス10及び固定ミラー21に加え、支持体22、サブマウント23及びパッケージ24を有している。パッケージ24は、光学デバイス10、固定ミラー21、支持体22及びサブマウント23を収容している。パッケージ24は、底壁241、側壁242及び天壁243を含んでいる。パッケージ24は、例えば、直方体箱状に形成されている。パッケージ24は、例えば、30×25×10(厚さ)mm程度のサイズを有している。底壁241及び側壁242は、一体的に形成されている。天壁243は、Z軸方向において底壁241と対向しており、側壁242に固定されている。天壁243は、測定光L0に対して光透過性を有している。ミラーユニット2では、パッケージ24によって空間Sが形成されている。空間Sは、例えば、パッケージ24に設けられた通気孔や隙間等を介してミラーユニット2の外部に開放されている。このように空間Sが気密な空間でない場合、パッケージ24内に存在する樹脂材料からのアウトガスや、パッケージ24内に存在する水分等に起因するミラー面11aの汚染や曇り等を抑制することができる。なお、空間Sは、高い真空度が維持された気密な空間、或いは窒素等の不活性ガスが充填された気密な空間であってもよい。
底壁241の内面には、サブマウント23を介して、支持体22が固定されている。支持体22は、例えば、矩形板状に形成されている。支持体22は、測定光L0に対して光透過性を有している。支持体22におけるサブマウント23とは反対側の表面22aには、光学デバイス10のベース12が固定されている。つまり、ベース12は、支持体22によって支持されている。支持体22の表面22aには、凹部22bが形成されており、光学デバイス10と天壁243との間には、隙間(空間Sの一部)が形成されている。これにより、可動ミラー11がZ軸方向に沿って移動させられた際に、可動ミラー11及び駆動部13が支持体22及び天壁243に接触することが防止される。
サブマウント23には、開口23aが形成されている。固定ミラー21は、開口23a内に位置するように、支持体22におけるサブマウント23側の表面22cに配置されている。つまり、固定ミラー21は、支持体22におけるベース12とは反対側の表面22cに配置されている。固定ミラー21は、Z軸方向から見た場合に、X軸方向における可動ミラー11の一方の側に配置されている。固定ミラー21は、Z軸方向から見た場合に、光学デバイス10の第1光学機能部17と重なっている。
ミラーユニット2は、複数のリードピン25及び複数のワイヤ26を更に有している。各リードピン25は、底壁241を貫通した状態で、底壁241に固定されている。各リードピン25は、ワイヤ26を介して駆動部13と電気的に接続されている。ミラーユニット2では、可動ミラー11をZ軸方向に沿って移動させるための電気信号が、複数のリードピン25及び複数のワイヤ26を介して駆動部13に付与される。
ビームスプリッタユニット3は、パッケージ24の天壁243によって支持されている。具体的には、ビームスプリッタユニット3は、天壁243における光学デバイス10とは反対側の表面243aに光学樹脂4によって固定されている。光学樹脂4は、測定光L0に対して光透過性を有している。
ビームスプリッタユニット3は、ハーフミラー面31、全反射ミラー面32及び複数の光学面33a,33b,33c,33dを有している。ビームスプリッタユニット3は、複数の光学ブロックが接合されることで構成されている。ハーフミラー面31は、例えば誘電体多層膜によって形成されている。全反射ミラー面32は、例えば金属膜によって形成されている。
光学面33aは、例えばZ軸方向に垂直な面であり、Z軸方向から見た場合に、光学デバイス10の第1光学機能部17及び固定ミラー21のミラー面21aと重なっている。光学面33aは、Z軸方向に沿って入射した測定光L0を透過させる。
ハーフミラー面31は、例えば光学面33aに対して45°傾斜した面であり、Z軸方向から見た場合に、光学デバイス10の第1光学機能部17及び固定ミラー21のミラー面21aと重なっている。ハーフミラー面31は、Z軸方向に沿って光学面33aに入射した測定光L0の一部をX軸方向に沿って反射し且つ当該測定光L0の残部をZ軸方向に沿って固定ミラー21側に透過させる。
全反射ミラー面32は、ハーフミラー面31に平行な面であり、Z軸方向から見た場合に可動ミラー11のミラー面11aと重なっており且つX軸方向から見た場合にハーフミラー面31と重なっている。全反射ミラー面32は、ハーフミラー面31によって反射された測定光L0の一部をZ軸方向に沿って可動ミラー11側に反射する。
光学面33bは、光学面33aに平行な面であり、Z軸方向から見た場合に可動ミラー11のミラー面11aと重なっている。光学面33bは、全反射ミラー面32によって反射された測定光L0の一部をZ軸方向に沿って可動ミラー11側に透過させる。
光学面33cは、光学面33aに平行な面であり、Z軸方向から見た場合に固定ミラー21のミラー面21aと重なっている。光学面33cは、ハーフミラー面31を透過した測定光L0の残部をZ軸方向に沿って固定ミラー21側に透過させる。
光学面33dは、例えばX軸方向に垂直な面であり、X軸方向から見た場合にハーフミラー面31及び全反射ミラー面32と重なっている。光学面33dは、測定光L1をX軸方向に沿って透過させる。測定光L1は、可動ミラー11のミラー面11a及び全反射ミラー面32で順次に反射されてハーフミラー面31を透過した測定光L0の一部と、固定ミラー21のミラー面21a及びハーフミラー面31で順次に反射された測定光L0の残部との干渉光である。
以上のように構成された光モジュール1では、光モジュール1の外部から光学面33aを介してビームスプリッタユニット3に測定光L0が入射すると、測定光L0の一部は、ハーフミラー面31及び全反射ミラー面32で順次に反射されて、可動ミラー11のミラー面11aに向かって進行する。そして、測定光L0の一部は、可動ミラー11のミラー面11aで反射されて、同一の光路(後述する光路P1)上を逆方向に進行し、ビームスプリッタユニット3のハーフミラー面31を透過する。
一方、測定光L0の残部は、ビームスプリッタユニット3のハーフミラー面31を透過した後、第1光学機能部17を通過し、更に、支持体22を透過して、固定ミラー21のミラー面21aに向かって進行する。そして、測定光L0の残部は、固定ミラー21のミラー面21aで反射されて、同一の光路(後述する光路P2)上を逆方向に進行し、ビームスプリッタユニット3のハーフミラー面31で反射される。
ビームスプリッタユニット3のハーフミラー面31を透過した測定光L0の一部と、ビームスプリッタユニット3のハーフミラー面31で反射された測定光L0の残部とは、干渉光である測定光L1となり、測定光L1は、ビームスプリッタユニット3から光学面33dを介して光モジュール1の外部に出射する。光モジュール1によれば、Z軸方向に沿って可動ミラー11を高速で往復動させることができるので、小型且つ高精度のFTIRを提供することができる。
支持体22は、ビームスプリッタユニット3と可動ミラー11との間の光路P1と、ビームスプリッタユニット3と固定ミラー21との間の光路P2との間の光路差を補正する。具体的には、光路P1は、ハーフミラー面31から、全反射ミラー面32及び光学面33bを順次に介して、基準位置に位置する可動ミラー11のミラー面11aに至る光路であって、測定光L0の一部が進行する光路である。光路P2は、ハーフミラー面31から、光学面33c及び第1光学機能部17を順次に介して、固定ミラー21のミラー面21aに至る光路であって、測定光L0の残部が進行する光路である。支持体22は、光路P1の光路長(光路P1が通る各媒質の屈折率を考慮した光路長)と光路P2の光路長(光路P2が通る各媒質の屈折率を考慮した光路長)との差が小さくなるように、光路P1と光路P2との間の光路差を補正する。なお、支持体22は、例えば、ビームスプリッタユニット3を構成する各光学ブロックと同一の光透過性材料によって形成することができる。その場合、支持体22の厚さ(Z軸方向における長さ)は、X軸方向におけるハーフミラー面31と全反射ミラー面32との距離と同一とすることができる。
[光学デバイスの構成]
[光学デバイスの構成]
図2及び図3に示されるように、ベース12、可動ミラー11の可動部、駆動部13、第1光学機能部17及び第2光学機能部18は、SOI基板50によって構成されている。つまり、光学デバイス10は、SOI基板50によって構成されている。光学デバイス10は、例えば、矩形板状に形成されている。光学デバイス10は、例えば、15×10×0.3(厚さ)mm程度のサイズを有している。SOI基板50は、支持層51、デバイス層52及び中間層53を含んでいる。具体的には、支持層51は、SOI基板50の第1シリコン層である。デバイス層52は、SOI基板50の第2シリコン層である。中間層53は、SOI基板50の絶縁層であり、支持層51とデバイス層52との間に配置されている。可動ミラー11及び駆動部13は、MEMS技術(パターニング及びエッチング)によってデバイス層52の一部に一体的に形成されている。
ベース12は、支持層51、デバイス層52及び中間層53によって形成されている。ベース12の主面12aは、デバイス層52における中間層53とは反対側の表面である。ベース12において主面12aと対向する主面12bは、支持層51における中間層53とは反対側の表面である。光モジュール1では、ベース12の主面12aと支持体22の表面22aとが互いに接合されている(図1参照)。
可動ミラー11は、可動部である本体部111及び壁部112を有している。本体部111は、デバイス層52によって形成されている。本体部111における主面12b側の表面111aには、金属膜が形成されることで、ミラー面11aが設けられている。壁部112は、支持層51及び中間層53によって形成されている。壁部112は、本体部111の表面111aに設けられている。壁部112は、Z軸方向から見た場合にミラー面11aを包囲している。一例として、壁部112は、Z軸方向から見た場合に、本体部111の外縁の内側において当該外縁に沿うように、且つ、Z軸方向から見た場合に、ミラー面11aの外縁の外側において当該外縁に沿うように、本体部111の表面111aに設けられている。
可動ミラー11は、可動部である一対のブラケット113及び一対のブラケット114を更に有している。一対のブラケット113及び一対のブラケット114は、デバイス層52によって形成されている。一対のブラケット113は、第1光学機能部17側に突出するように、本体部111の側面のうち第1光学機能部17側の領域に設けられている。各ブラケット113は、Z軸方向から見た場合に、同一の側にクランク状に屈曲した形状を呈している。一対のブラケット114は、第2光学機能部18側(第1光学機能部17とは反対側)に突出するように、本体部111の側面のうち第2光学機能部18側の領域に設けられている。各ブラケット114は、Z軸方向から見た場合に、同一の側(ただし、各ブラケット113とは反対側)にクランク状に屈曲した形状を呈している。
駆動部13は、第1弾性支持部14、第2弾性支持部15及びアクチュエータ部16を有している。第1弾性支持部14、第2弾性支持部15及びアクチュエータ部16は、デバイス層52によって形成されている。
第1弾性支持部14及び第2弾性支持部15は、ベース12及び可動ミラー11に接続されている。第1弾性支持部14及び第2弾性支持部15は、Z軸方向に沿って移動可能となるように可動ミラー11を支持している。
第1弾性支持部14は、一対の第1レバー141、一対の第2レバー142、複数のトーションバー143,144,145、複数のリンク146,147及び一対のブラケット148を含んでいる。一対の第1レバー141は、可動ミラー11から、Z軸方向及びX軸方向に垂直なY軸方向(Y軸に平行な方向、第3方向)における第1光学機能部17の両側に、ベース12の主面12aに沿って延在している。本実施形態では、一対の第1レバー141は、可動ミラー11と第1光学機能部17との間から、Y軸方向における第1光学機能部17の両側に、ベース12の主面12aに沿って延在している。一対の第1レバー141は、Z軸方向から見た場合に、第1光学機能部17の縁に沿って延在している。一対の第2レバー142は、Y軸方向における第1光学機能部17の両側から、可動ミラー11側に、ベース12の主面12aに沿って延在している。一対の第2レバー142は、Z軸方向から見た場合に、一対の第1レバー141の外側においてX軸方向に沿って延在している。
リンク146は、各第1レバー141における可動ミラー11側の端部141a間に掛け渡されている。リンク147は、各第2レバー142における可動ミラー11とは反対側の端部142a間に掛け渡されている。各リンク146,147は、Z軸方向から見た場合に、第1光学機能部17の縁に沿って延在している。一対のブラケット148は、可動ミラー11側に突出するように、リンク146における可動ミラー11側の側面に設けられている。各ブラケット148は、Z軸方向から見た場合に、同一の側(ただし、各ブラケット113とは反対側)にクランク状に屈曲した形状を呈している。一方のブラケット148の先端部は、Y軸方向において一方のブラケット113の先端部と対向している。他方のブラケット148の先端部は、Y軸方向において他方のブラケット113の先端部と対向している。
一方のブラケット148の先端部と一方のブラケット113の先端部との間、及び、他方のブラケット148の先端部と他方のブラケット113の先端部との間には、それぞれ、トーションバー143が掛け渡されている。互いに反対側にクランク状に屈曲したブラケット148とブラケット113との間に、トーションバー143が掛け渡されている。つまり、各第1レバー141の端部141aは、一対のトーションバー143を介して可動ミラー11に接続されている。一対のトーションバー143は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
一方の第1レバー141における可動ミラー11とは反対側の端部141bと一方の第2レバー142の端部142aとの間、及び、他方の第1レバー141における可動ミラー11とは反対側の端部141bと他方の第2レバー142の端部142aとの間には、それぞれ、トーションバー144が掛け渡されている。つまり、各第1レバー141の端部141bは、一対のトーションバー144を介して各第2レバー142の端部142aに接続されている。一対のトーションバー144は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
一方の第2レバー142における可動ミラー11側の端部142bとベース12との間、及び、他方の第2レバー142における可動ミラー11側の端部142bとベース12との間には、それぞれ、トーションバー145が掛け渡されている。つまり、各第2レバー142の端部142bは、一対のトーションバー145を介してベース12に接続されている。一対のトーションバー145は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
第2弾性支持部15は、一対の第3レバー151、一対の第4レバー152、複数のトーションバー153,154,155、複数のリンク156,157及び一対のブラケット158を含んでいる。一対の第3レバー151は、可動ミラー11から、Y軸方向における第2光学機能部18の両側に、ベース12の主面12aに沿って延在している。本実施形態では、一対の第3レバー151は、可動ミラー11と第2光学機能部18との間から、Y軸方向における第2光学機能部18の両側に延在している。一対の第3レバー151は、Z軸方向から見た場合に、第2光学機能部18の縁に沿って延在している。一対の第4レバー152は、Y軸方向における第2光学機能部18の両側から、可動ミラー11側に、ベース12の主面12aに沿って延在している。一対の第4レバー152は、Z軸方向から見た場合に、一対の第3レバー151の外側においてX軸方向に沿って延在している。
リンク156は、各第3レバー151における可動ミラー11側の端部151a間に掛け渡されている。リンク157は、各第4レバー152における可動ミラー11とは反対側の端部152a間に掛け渡されている。各リンク156,157は、Z軸方向から見た場合に、第2光学機能部18の縁に沿って延在している。一対のブラケット158は、可動ミラー11側に突出するように、リンク156における可動ミラー11側の側面に設けられている。各ブラケット158は、Z軸方向から見た場合に、同一の側(ただし、各ブラケット114とは反対側)にクランク状に屈曲した形状を呈している。一方のブラケット158の先端部は、Y軸方向において一方のブラケット114の先端部と対向している。他方のブラケット158の先端部は、Y軸方向において他方のブラケット114の先端部と対向している。
一方のブラケット158の先端部と一方のブラケット114の先端部との間、及び、他方のブラケット158の先端部と他方のブラケット114の先端部との間には、それぞれ、トーションバー153が掛け渡されている。互いに反対側にクランク状に屈曲したブラケット158とブラケット114との間に、トーションバー153が掛け渡されている。つまり、各第3レバー151の端部151aは、一対のトーションバー153を介して可動ミラー11に接続されている。一対のトーションバー153は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
一方の第3レバー151における可動ミラー11とは反対側の端部151bと一方の第4レバー152の端部152aとの間、及び、他方の第3レバー151における可動ミラー11とは反対側の端部151bと他方の第4レバー152の端部152aとの間には、それぞれ、トーションバー154が掛け渡されている。つまり、各第3レバー151の端部151bは、一対のトーションバー154を介して各第4レバー152の端部152aに接続されている。一対のトーションバー154は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
一方の第4レバー152における可動ミラー11側の端部152bとベース12との間、及び、他方の第4レバー152における可動ミラー11側の端部152bとベース12との間には、それぞれ、トーションバー155が掛け渡されている。つまり、各第4レバー152の端部152bは、一対のトーションバー155を介してベース12に接続されている。一対のトーションバー155は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
第1光学機能部17は、少なくとも、一対の第1レバー141及び複数のリンク146,147によって、画定されている。第1弾性支持部14において、X軸方向における各第1レバー141の長さA1(第1光学機能部17の両側において延在する部分の長さであり、例えば、Y軸方向から見た第1光学機能部17と重なる部分の長さ)は、ミラー面11aの外縁と第1光学機能部17の縁との間の最短距離D1(Z軸方向から見た場合における最短距離)よりも大きい。Y軸方向における一対の第1レバー141間の最大距離D2は、Y軸方向における第1光学機能部17の最大幅W1(Z軸方向から見た場合における最大幅)に等しい。第1光学機能部17の縁のうちミラー面11aに最も近い部分から、各第1レバー141の端部141bまでの距離D3(Z軸方向から見た場合における距離)は、第1光学機能部17の縁のうちミラー面11aから最も遠い部分から、各第1レバー141の端部141bまでの距離D4(Z軸方向から見た場合における距離)よりも大きい。
第2光学機能部18は、少なくとも、一対の第3レバー151及び複数のリンク156,157によって、画定されている。第2弾性支持部15において、X軸方向における各第3レバー151の長さA2(第2光学機能部18の両側において延在する部分の長さであり、例えば、Y軸方向から見た第2光学機能部18と重なる部分の長さ)は、ミラー面11aの外縁と第2光学機能部18の縁との間の最短距離D5(Z軸方向から見た場合における最短距離)よりも大きい。Y軸方向における一対の第3レバー151間の最大距離D6は、Y軸方向における第2光学機能部18の最大幅W2(Z軸方向から見た場合における最大幅)に等しい。第2光学機能部18の縁のうちミラー面11aに最も近い部分から、各第3レバー151の端部151bまでの距離D7(Z軸方向から見た場合における距離)は、第2光学機能部18の縁のうちミラー面11aから最も遠い部分から、各第3レバー151の端部151bまでの距離D8(Z軸方向から見た場合における距離)よりも大きい。
第1弾性支持部14と第2弾性支持部15とは、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面に関しても、また、可動ミラー11の中心を通り且つY軸方向に垂直な平面に関しても、互いに対称の構造を有していない。ただし、第1弾性支持部14のうち一対のブラケット148を除いた部分と、第2弾性支持部15のうち一対のブラケット158を除いた部分とは、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面に関しても、また、可動ミラー11の中心を通り且つY軸方向に垂直な平面に関しても、互いに対称の構造を有している。
アクチュエータ部16は、Z軸方向に沿って可動ミラー11を移動させる。アクチュエータ部16は、可動ミラー11の外縁に沿って配置された一対の櫛歯電極161及び一対の櫛歯電極162を有している。一方の櫛歯電極161は、可動ミラー11の本体部111の側面のうち、一方のブラケット113と一方のブラケット114との間の領域111bに設けられている。他方の櫛歯電極161は、可動ミラー11の本体部111の側面のうち、他方のブラケット113と他方のブラケット114との間の領域111cに設けられている。一方の櫛歯電極162は、ベース12のデバイス層52の側面うち、本体部111の領域111bから離間した状態で当該領域111bに沿うように延在する領域に設けられている。他方の櫛歯電極162は、ベース12のデバイス層52の側面うち、本体部111の領域111cから離間した状態で当該領域111cに沿うように延在する領域に設けられている。一方の櫛歯電極161及び一方の櫛歯電極162においては、一方の櫛歯電極161の各櫛歯が一方の櫛歯電極162の各櫛歯間に位置している。他方の櫛歯電極161及び他方の櫛歯電極162においては、他方の櫛歯電極161の各櫛歯が他方の櫛歯電極162の各櫛歯間に位置している。
ベース12には、複数の電極パッド121,122が設けられている。各電極パッド121,122は、デバイス層52に至るようにベース12の主面12bに形成された開口12c内において、デバイス層52の表面に形成されている。各電極パッド121は、第1弾性支持部14及び可動ミラー11の本体部111を介して、又は、第2弾性支持部15及び可動ミラー11の本体部111を介して、櫛歯電極161と電気的に接続されている。各電極パッド122は、デバイス層52を介して、櫛歯電極162と電気的に接続されている。ワイヤ26は、各電極パッド121,122と各リードピン25との間に掛け渡されている。
以上のように構成された光学デバイス10では、複数のリードピン25及び複数のワイヤ26を介して、複数の電極パッド121と複数の電極パッド122との間に電圧が印加されると、例えばZ軸方向における一方の側に可動ミラー11を移動させるように、互いに対向する櫛歯電極161及び櫛歯電極162間に静電気力が生じる。このとき、第1弾性支持部14及び第2弾性支持部15において各トーションバー143,144,145,153,154,155が捩れて、第1弾性支持部14及び第2弾性支持部15に弾性力が生じる。光学デバイス10では、複数のリードピン25及び複数のワイヤ26を介して駆動部13に周期的な電気信号を付与することで、Z軸方向に沿って可動ミラー11をその共振周波数レベルで往復動させることができる。このように、駆動部13は、静電アクチュエータとして機能する。
[光学デバイスの製造方法]
[光学デバイスの製造方法]
光学デバイス10の製造方法の一例について、図4~図7を参照して説明する。図4~図7には、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面(図3参照)に沿った断面で各構成が示されている。
まず、図4の(a)に示されるように、SOI基板50を準備する。続いて、所定のパターニングが施されたマスクを介して、支持層51における中間層53とは反対側の表面にエッチングを施すことで、図4の(b)に示されるように、支持層51及び中間層53における所定の領域を除去する。当該所定の領域は、可動ミラー11、駆動部13、第1光学機能部17、第2光学機能部18及び複数の開口12cに対応する領域である(図3参照)。当該所定の領域の除去により、可動ミラー11の壁部112、一対の開口12c等が形成される。図4の(b)には、可動ミラー11の壁部112及び一対の開口12cが示されている。
続いて、図5の(a)に示されるように、支持層51における中間層53とは反対側の表面にハードマスク80を接合する。ハードマスク80には、複数の貫通孔80aが形成されている。複数の貫通孔80aは、複数の開口12cに対応するように、ハードマスク80に形成されている。つまり、複数の貫通孔80aは、1つの開口12cと1つの貫通孔80aとが互いに連通するように、ハードマスク80に形成されている。このようなハードマスク80は、例えばシリコンによって形成可能である。続いて、図5の(b)に示されるように、ハードマスク80を介して金属を蒸着することで、複数の開口12c内におけるデバイス層52の表面に、複数の電極パッド121,122を形成する(図3参照)。
続いて、ハードマスク80を取り外し、図6の(a)に示されるように、支持層51における中間層53とは反対側の表面にハードマスク90を接合する。ハードマスク90には、貫通孔90aが形成されている。貫通孔90aは、可動ミラー11の壁部112の開口に対応するように、ハードマスク90に形成されている。つまり、貫通孔90aは、壁部112の開口と貫通孔90aとが互いに連通するように、ハードマスク90に形成されている。このようなハードマスク90は、例えばシリコンによって形成可能である。続いて、図6の(b)に示されるように、ハードマスク90を介して金属を蒸着することで、可動ミラー11の壁部112の開口内におけるデバイス層52の表面に、金属膜の表面であるミラー面11aを形成する。
続いて、ハードマスク90を取り外し、所定のパターニングが施されたマスクを介して、デバイス層52における中間層53とは反対側の表面にエッチングを施すことで、図7に示されるように、デバイス層52における所定の領域を除去する。これにより、可動ミラー11、駆動部13、第1光学機能部17及び第2光学機能部18が形成される(図3参照)。
以上により、光学デバイス10が得られる。なお、光学デバイス10の製造はウェハレベルで実施され、最後にダイシングが実施されることで複数の光学デバイス10が同時に得られる。上述した光学デバイス10の製造方法では、電極パッド121,122を形成した後にミラー面11aを形成しているが、ミラー面11aを形成した後に電極パッド121,122を形成してもよい。
次に、光学デバイス10の製造方法の変形例について、図8~図11を参照して説明する。図8~図11には、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面(図3参照)に沿った断面で各構成が示されている。
まず、図8の(a)に示されるように、SOI基板50を準備する。続いて、所定のパターニングが施されたマスクを介して、デバイス層52における中間層53とは反対側の表面にエッチングを施すことで、図8の(b)に示されるように、デバイス層52における所定の領域を除去する。これにより、可動ミラー11、駆動部13、第1光学機能部17及び第2光学機能部18が形成される(図3参照)。図8の(b)には、可動ミラー11の本体部111が示されている。
続いて、所定のパターニングが施されたマスクを介して、支持層51における中間層53とは反対側の表面にエッチングを施すことで、図9に示されるように、支持層51及び中間層53における所定の領域を除去する。当該所定の領域は、可動ミラー11、駆動部13、第1光学機能部17、第2光学機能部18及び複数の開口12cに対応する領域である(図3参照)。当該所定の領域の除去により、可動ミラー11の壁部112、一対の開口12c等が形成される。図9には、可動ミラー11の壁部112及び一対の開口12cが示されている。
続いて、図10の(a)に示されるように、支持層51における中間層53とは反対側の表面にハードマスク80を接合する。ハードマスク80には、複数の貫通孔80aが形成されている。複数の貫通孔80aは、複数の開口12cに対応するように、ハードマスク80に形成されている。つまり、複数の貫通孔80aは、1つの開口12cと1つの貫通孔80aとが互いに連通するように、ハードマスク80に形成されている。このようなハードマスク80は、例えばシリコンによって形成可能である。続いて、図10の(b)に示されるように、ハードマスク80を介して金属を蒸着することで、複数の開口12c内におけるデバイス層52の表面に、複数の電極パッド121,122を形成する(図3参照)。
続いて、ハードマスク80を取り外し、図11の(a)に示されるように、支持層51における中間層53とは反対側の表面にハードマスク90を接合する。ハードマスク90には、貫通孔90aが形成されている。貫通孔90aは、可動ミラー11の壁部112の開口に対応するように、ハードマスク90に形成されている。つまり、貫通孔90aは、壁部112の開口と貫通孔90aとが互いに連通するように、ハードマスク90に形成されている。このようなハードマスク90は、例えばシリコンによって形成可能である。続いて、図11の(b)に示されるように、ハードマスク90を介して金属を蒸着することで、可動ミラー11の壁部112の開口内におけるデバイス層52の表面に、金属膜の表面であるミラー面11aを形成する。続いて、図11の(c)に示されるように、ハードマスク90を取り外す。
以上により、光学デバイス10が得られる。なお、光学デバイス10の製造はウェハレベルで実施され、最後にダイシングが実施されることで複数の光学デバイス10が同時に得られる。上述した光学デバイス10の製造方法では、電極パッド121,122を形成した後にミラー面11aを形成しているが、ミラー面11aを形成した後に電極パッド121,122を形成してもよい。また、上述した光学デバイス10の製造方法では、デバイス層52のエッチングを行った後に、支持層51のエッチングを行い、その後に、ハードマスク80,90を用いて金属膜(電極パッド122、ミラー面11a)を形成しているが、支持層51のエッチングを行った後に、デバイス層52のエッチングを行い、その後に、ハードマスク80,90を用いて金属膜を形成してもよい。
[作用及び効果]
[作用及び効果]
光学デバイス10では、可動ミラー11がベース12の主面12aに平行な平面に沿ったミラー面11aを有するため、可動ミラー11のミラー面11aの大型化を図ることができる。また、このようなミラー面11aを有する可動ミラー11を、第1弾性支持部14及び第2弾性支持部15によってベース12に接続して、Z軸方向に駆動することで、光路長が変更され得る。
上記構成では、第1及び第2弾性支持部14,15がベース12に接続される部分から第1及び第2弾性支持部14,15が可動ミラーに接続される部分までの第1及び第2弾性支持部14,15のそれぞれの長さが大きいほど、可動ミラー11の可動範囲が向上すると共に、可動ミラー11の駆動に要する駆動力が低減されて可動効率も向上する。一方で、第1及び第2弾性支持部14,15の長さが大きいほど、第1及び第2弾性支持部14,15の配置スペースが拡大する。したがって、ベース12に上記可動ミラー11以外の第1及び第2光学機能部17,18を配置する場合、第1及び第2弾性支持部14,15の配置スペースを確保するために上記可動ミラー11と第1及び第2光学機能部17,18との間の距離が拡大され、これによって光学デバイス10が大型化するおそれがある。
光学デバイス10では、第1弾性支持部14が、可動ミラー11から第1光学機能部17の両側に主面12aに沿って延在する一対の第1レバー141を有しており、可動ミラー11と第1光学機能部17とが並ぶ方向における一対の第1レバー141のそれぞれの長さが、ミラー面11aの外縁と第1光学機能部17の縁との間の最短距離よりも大きい。これにより、可動ミラー11と第1光学機能部17との間の距離の増大が抑制されるため、装置全体の大型化を抑制することができる。更に、第1弾性支持部14において一対の第1レバー141のそれぞれの長さが確保されるため、可動ミラー11の可動性能の低下を抑制することができる。以上により、上記光学デバイス10によれば、可動ミラー11のミラー面11aの大型化を図りつつも、可動ミラー11の可動性能の低下及び装置全体の大型化を抑制することができる。
光学デバイス10では、Y軸方向における一対の第1レバー141間の最大距離が、Y軸方向における第1光学機能部17の最大幅に等しい。このため、可動ミラー11と第1光学機能部17との間の距離の増大の抑制と、一対の第1レバー141のそれぞれの長さの確保とを、よりバランス良く実現することができる。
光学デバイス10では、第1光学機能部17の縁のうちミラー面11aに最も近い部分から、一対の第1レバー141のそれぞれにおける可動ミラー11とは反対側の端部141bまでの距離が、第1光学機能部17の縁のうちミラー面11aから最も遠い部分から、一対の第1レバー141のそれぞれにおける可動ミラー11とは反対側の端部141bまでの距離よりも大きい。これにより、可動ミラー11と第1光学機能部17との間の距離の増大の抑制と、一対の第1レバー141のそれぞれの長さの確保とを、よりバランス良く実現することができる。
光学デバイス10では、第1弾性支持部14が、Y軸方向における第1光学機能部17の両側から可動ミラー11側に主面12aに沿って延在する一対の第2レバー142を更に有しており、一対の第1レバー141、一対の第2レバー142及びベース12の相互間の接続が、複数のトーションバー143,144,145を介して実現されている。同様に、第2弾性支持部15が、一対の第3レバー151に加え、一対の第4レバー152を有しており、一対の第3レバー151、一対の第4レバー152及びベース12の相互間の接続が、複数のトーションバー153,154,155を介して実現されている。これにより、可動ミラー11の可動範囲の増大、及び可動ミラー11の可動効率の向上(可動ミラー11の駆動に要する駆動力の低減)を図ることができる。
光学デバイス10では、各第1レバー141における可動ミラー11側の端部141aが、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置された複数のトーションバー143を介して可動ミラー11に接続されている。同様に、各第3レバー151における可動ミラー11側の端部151aが、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置された複数のトーションバー153を介して可動ミラー11に接続されている。これにより、同一の軸線上に配置された各トーションバー143の長さを短くすることができる。同様に、同一の軸線上に配置された各トーションバー143の長さを短くすることができる。その結果、X軸方向への可動ミラー11の移動、及びZ軸方向に平行な軸線回りの可動ミラー11の回転を抑制することができる。
光学デバイス10では、第1弾性支持部14において、各第1レバー141における可動ミラー11側の端部141a間にリンク146が掛け渡されており、各第2レバー142における可動ミラー11とは反対側の端部142a間にリンク147が掛け渡されている。同様に、第2弾性支持部15において、各第3レバー151における可動ミラー11側の端部151a間にリンク156が掛け渡されており、各第4レバー152における可動ミラー11とは反対側の端部152a間にリンク157が掛け渡されている。これにより、可動ミラー11の移動の安定性を向上させることができる。また、各リンク146,147が、Z軸方向から見た場合に、第1光学機能部17の縁に沿って延在している。これにより、装置全体の大型化を抑制することができる。
光学デバイス10では、アクチュエータ部16が、可動ミラー11の外縁に沿って配置された櫛歯電極161,162を有している。これにより、櫛歯電極161,162によって生じる静電気力を可動ミラー11の駆動力として効率良く利用することができる。
光学デバイス10では、可動ミラー11の本体部111に、Z軸方向から見た場合にミラー面11aを包囲する壁部112が設けられている。これにより、壁部112が梁として機能するため、本体部111の薄型化を図りつつも、ミラー面11aの変形(反り、撓み等)を抑制することができる。
光学デバイス10では、第1光学機能部17が、ベース12に設けられた光通過開口部である。これにより、ベース12の主面12aに垂直なZ軸方向から見た場合に第1光学機能部17と重なる位置に、固定ミラー21等の光学素子を配置することができる。
光学デバイス10では、ベース12、可動ミラー11、アクチュエータ部16、第1弾性支持部14、第2弾性支持部15及び第1光学機能部17が、SOI基板によって構成されている。これにより、各構成がMEMS技術によって容易且つ高精度に形成された光学デバイス10を得ることができる。
光学デバイス10は、第2弾性支持部15が、可動ミラー11から第2光学機能部18の両側に主面12aに沿って延在する一対の第3レバー151を有しており、可動ミラー11と第2光学機能部18とが並ぶ方向における一対の第3レバー151のそれぞれの長さが、ミラー面11aの外縁と第2光学機能部18の縁との間の最短距離よりも大きい。これにより、装置の多機能化を図りつつも、可動ミラー11の可動性能の低下及び装置全体の大型化を抑制することができる。
光学デバイス10の製造方法では、ハードマスク80とハードマスク90とを使い分けて、複数の電極パッド121,122とミラー面11aとを異なる工程で形成する。これにより、例えば、複数の電極パッド121,122を構成する金属膜の仕様と、ミラー面11aを構成する金属膜の仕様とが互いに異なる場合に、それぞれに適した金属膜を形成することができる。
光学デバイス10の製造方法では、所定のパターニングが施されたマスクを介して、支持層51における中間層53とは反対側の表面にエッチングを施すことで、可動ミラー11の壁部112を形成する。これにより、ミラー面11aを形成する際に、ミラー面11aを形成するための金属の飛散を壁部112によって防止することができる。このため、ミラー面11aを形成する際にミラー面11aの周辺への金属の付着が確実に防止され得る。したがって、製造効率を更に向上することができる。
[変形例]
[変形例]
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されない。例えば、各構成の材料及び形状は、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。その一例として、駆動部13は、第1弾性支持部14及び第2弾性支持部15の他に、ベース12及び可動ミラー11に接続されている弾性支持部を有していてもよい。
固定ミラー21は、光モジュール1のように第1光学機能部17の直下のみに配置されるだけでなく、第2光学機能部18の直下に設けられてもよい。この構成によって、第2光学機能部18を第1光学機能部17と同様に使用して装置の多機能化を図りつつも、可動ミラーの可動性能の低下及び装置全体の大型化を抑制することができる。光通過開口部である第1光学機能部17及び第2光学機能部18は、空洞であってもよいし、測定光L0に対して光透過性を有する材料によって構成されていてもよい。
図12の(a)に示される構成では、可動ミラー11のブラケット113,114、第1レバー141のブラケット148、及び第3レバー151のブラケット158が3つずつ設けられている。ブラケット113,114、ブラケット148、及びブラケット158のいずれも、Z軸方向から見た場合に、3つのうち、2つは同一の側にクランク状に屈曲した形状を有しており、1つは他の2つとは反対側にクランク状に屈曲した形状を有している。
図12の(a)に示される構成では、第1弾性支持部14は、3つのトーションバー143を有している。各トーションバー143は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。互いに対向するブラケット148の先端部とブラケット113の先端部との間には、それぞれ、トーションバー143が掛け渡されている。互いに反対側にクランク状に屈曲したブラケット148とブラケット113との間に、トーションバー143が掛け渡されている。第2弾性支持部15は、3つのトーションバー153を有している。3つのトーションバー153は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。互いに対向するブラケット158の先端部とブラケット114の先端部との間には、それぞれ、トーションバー153が掛け渡されている。互いに反対側にクランク状に屈曲したブラケット158とブラケット114との間に、トーションバー153が掛け渡されている。第1弾性支持部14と第2弾性支持部15とは、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面に関しても、また、可動ミラー11の中心を通り且つY軸方向に垂直な平面に関しても、互いに対称の構造を有していない。
図12の(a)に示される構成では、第1レバー141及び第3レバー151のそれぞれが、同一の軸線上に配置された3つのトーションバー143,153を介して可動ミラー11に接続されている。このように、光学デバイス10は、可動ミラー11のブラケット113,114、第1レバー141のブラケット148、及び第3レバー151のブラケット158のそれぞれが、3つ以上設けられている構成であってもよい。これによれば、図3に示されている構成よりも、同一の軸線上に配置された複数のトーションバー143,153のそれぞれの長さを短くすることができる。その結果、X軸方向への可動ミラー11の移動を抑制することができる。
図12の(b)に示される構成では、可動ミラー11のブラケット113,114、第1レバー141のブラケット148、及び第3レバー151のブラケット158が1つずつ設けられている。ブラケット113及びブラケット158は、Z軸方向から見た場合に、同一の側にクランク状に屈曲した形状を有している。ブラケット114及びブラケット148は、Z軸方向から見た場合に、同一の側(ただし、ブラケット113とは反対側)にクランク状に屈曲した形状を有している。
図12の(b)に示される構成では、第1弾性支持部14は、トーションバー143を1つのみ有している。トーションバー143は、Y軸方向に平行な軸線上に配置されている。互いに対向するブラケット148の先端部とブラケット113の先端部との間には、トーションバー143が掛け渡されている。第2弾性支持部15は、トーションバー153を1つのみ有している。トーションバー153は、Y軸方向に平行な軸線上に配置されている。互いに対向するブラケット158の先端部とブラケット114の先端部との間には、トーションバー153が掛け渡されている。第1弾性支持部14と第2弾性支持部15とは、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面に関しても、また、可動ミラー11の中心を通り且つY軸方向に垂直な平面に関しても、互いに対称の構造を有していない。図12の(b)に示される構成では、図3に示される構成よりも、構造の単純化が図られている。
図13の(a)に示される構成では、可動ミラー11のブラケット113,114、第1レバー141のブラケット148、及び第3レバー151のブラケット158が2つずつ設けられている。ブラケット113,114、ブラケット148、及びブラケット158のいずれも、一方と他方とが互いに反対側にクランク状に屈曲した形状を有している。一対のトーションバー143は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。互いに対向するブラケット148の先端部とブラケット113の先端部との間には、それぞれ、トーションバー143が掛け渡されている。互いに反対側にクランク状に屈曲したブラケット148とブラケット113との間に、トーションバー143が掛け渡されている。一対のトーションバー153は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。互いに対向するブラケット158の先端部とブラケット114の先端部との間には、それぞれ、トーションバー153が掛け渡されている。互いに反対側にクランク状に屈曲したブラケット158とブラケット114との間に、トーションバー153が掛け渡されている。
図13の(b)に示される構成では、アクチュエータ部16は、一対の櫛歯電極161を支持する一対の電極支持部材163、及び、各電極支持部材163を介して櫛歯電極161と可動ミラー11とを連結する一対の連結部164を更に有する。一対の電極支持部材163及び一対の連結部164は、デバイス層52によって構成されている。一対の電極支持部材163及び一対の連結部164は、主面12aに平行なY軸方向において、本体部111の両側に1つずつ配置されている。
各電極支持部材163は、可動ミラー11の外縁に沿って配置されている。各電極支持部材163の端部163aは第1光学機能部17側に延在しており、各電極支持部材163の端部163bは第2光学機能部18側に延在している。各櫛歯電極161は、対応する電極支持部材163の側面からY軸方向に延在して、対応する櫛歯電極162の各櫛歯間に位置している。一対の連結部164は、対応する櫛歯電極161を可動ミラー11の各側に連結している。つまり、一対の櫛歯電極161は、ベース12及び可動ミラー11の外縁から離間していると共に、可動ミラー11の外縁に沿って配置されている。これによれば、一対の櫛歯電極161が可動ミラー11の外縁から離間しているため、ミラー面11aの成膜時に櫛歯電極161,162に金属が付着することを高度に防止することができる。
図13の(b)に示される構成では、可動ミラー11は、1つのブラケット113と1つのブラケット114を有している。ブラケット113及びブラケット114は、いずれも、Z軸方向から見た場合に、互いに反対側にクランク状に屈曲した形状を有している。第1レバー141は、3つのブラケット148を有している。第3レバー151は、3つのブラケット158を有している。Z軸方向から見た場合に、3つのブラケット148のうち、2つは矩形状を有しており、1つはブラケット113と反対側にクランク状に屈曲した形状を有している。Z軸方向から見た場合に、3つのブラケット158のうち、2つは矩形状を有しており、1つはブラケット114と反対側にクランク状に屈曲した形状を有している。
図13の(b)に示される構成では、クランク状に屈曲した形状のブラケット148の先端部とブラケット113の先端部との間には、トーションバー143が掛け渡されている。各矩形状のブラケット148と対応する電極支持部材163の第1光学機能部17側の端部163aとの間には、トーションバー143が掛け渡されている。つまり、3つのトーションバー143が、1つのクランク状に屈曲した形状のブラケット148と2つの矩形状のブラケット148とにそれぞれ接続されている。当該3つのトーションバー143は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
図13の(b)に示される構成では、クランク状に屈曲した形状のブラケット158の先端部とブラケット114の先端部との間には、トーションバー153が掛け渡されている。各矩形状のブラケット158と対応する電極支持部材163の第2光学機能部18側の端部163bとの間には、トーションバー153が掛け渡されている。つまり、3つのトーションバー153が、1つのクランク状に屈曲した形状のブラケット158と2つの矩形状のブラケット158とにそれぞれ接続されている。当該3つのトーションバー153は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。第1弾性支持部14と第2弾性支持部15とは、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面に関しても、また、可動ミラー11の中心を通り且つY軸方向に垂直な平面に関しても、互いに対称の構造を有していない。
図14~図18に示される構成では、一対の第1レバー141のそれぞれにおける可動ミラー11側の端部141aが、トーションバー又はばねを介して可動ミラー11に接続されている。一対の第1レバー141のそれぞれにおける可動ミラー11と反対側の端部141bは、トーションバーを介してベース12に接続されている。一対の第3レバー151のそれぞれにおける可動ミラー11側の端部151aは、トーションバー又はばねを介して可動ミラー11に接続されている。一対の第3レバー151のそれぞれにおける可動ミラー11とは反対側の端部151bは、トーションバーを介してベース12に接続されている。図14~図18に示される構成では、一対の第2レバー142及び一対の第4レバー152は、設けられていない。したがって、この構成では、第1弾性支持部14及び第2弾性支持部15の構造の単純化を図ることができる。
図14~図18に示される構成では、第1光学機能部17は、一対の第1レバー141及び複数のリンク146,147等によって画定された光通過開口部ではなく、一対の第1レバー141等とは別にSOI基板50に形成された光通過開口部である。この場合、Y軸方向における一対の第1レバー141間の最大距離は、Y軸方向における第1光学機能部17の最大幅(Z軸方向から見た場合における最大幅)よりも大きい。同様に、第2光学機能部18は、一対の第3レバー151及び複数のリンク156,157等によって画定された光通過開口部ではなく、一対の第3レバー151等とは別にSOI基板50に形成された光通過開口部である。この場合、Y軸方向における一対の第3レバー151間の最大距離は、Y軸方向における第2光学機能部18の最大幅(Z軸方向から見た場合における最大幅)よりも大きい。
図14の(a)に示される構成では、可動ミラー11は、2つのブラケット113と2つのブラケット114を有している。ブラケット113及びブラケット114は、いずれも、Z軸方向から見た場合に矩形状を有している。第1レバー141は、1つのブラケット148を有している。第3レバー151は、1つのブラケット158を有している。ブラケット148及びブラケット158はいずれも、Z軸方向から見た場合に矩形状を有している。
図14の(a)に示される構成では、Y軸方向において、ブラケット148の先端部は、2つのブラケット113の間に位置している。各ブラケット113の先端部とブラケット148の先端部との間には、トーションバー143が掛け渡されている。つまり、2つのトーションバー143が、1つのブラケット148に接続されている。当該2つのトーションバー143は、ブラケット148を挟んで、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
図14の(a)に示される構成では、Y軸方向において、ブラケット158の先端部は、2つのブラケット114の間に位置している。各ブラケット114の先端部とブラケット158の先端部との間には、トーションバー153が掛け渡されている。つまり、2つのトーションバー153が、1つのブラケット158に接続されている。当該2つのトーションバー153は、ブラケット158を挟んで、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
図14の(b)に示される構成では、可動ミラー11は、1つのブラケット113と1つのブラケット114を有している。ブラケット113及びブラケット114は、いずれも、Z軸方向から見た場合に矩形状を有している。第1レバー141は、2つのブラケット148を有している。第3レバー151は、2つのブラケット158を有している。ブラケット148及びブラケット158はいずれも、Z軸方向から見た場合に矩形状を有している。
図14の(b)に示される構成では、Y軸方向において、ブラケット113の先端部は、2つのブラケット148の間に位置している。各ブラケット148の先端部とブラケット113の先端部との間には、トーションバー143が掛け渡されている。つまり、2つのトーションバー143が、1つのブラケット113に接続されている。当該2つのトーションバー143は、ブラケット113を挟んで、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
図14の(b)に示される構成では、Y軸方向において、ブラケット114の先端部は、2つのブラケット158の間に位置している。各ブラケット158の先端部とブラケット114の先端部との間には、トーションバー153が掛け渡されている。つまり、2つのトーションバー153が、1つのブラケット114に接続されている。当該2つのトーションバー153は、ブラケット158を挟んで、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。図14の(a)及び図14の(b)に示される構成では、構造の単純化を更に図ることができる。
図15の(a)及び(b)並びに図16に示される構成では、可動ミラー11は、1つのブラケット113と1つのブラケット114を有している。ブラケット113及びブラケット114はいずれも、Z軸方向から見た場合に矩形状を有している。第1レバー141は、2つのブラケット148を有している。第3レバー151は、2つのブラケット158を有している。ブラケット148及びブラケット158はいずれも、Z軸方向から見た場合に矩形状を有している。Y軸方向において、ブラケット113の先端部は、2つのブラケット148の間に位置している。Y軸方向において、ブラケット114の先端部は、2つのブラケット158の間に位置している。
図15の(a)及び(b)並びに図16に示される構成では、第1弾性支持部14及び第2弾性支持部15のそれぞれが、トーションバー143,153の代わりに、複数のばね149,159を有する。複数のばね149,159は、1つのみの回転軸を有するトーションバー143,153と異なり、Y軸方向に平行な複数の回転軸を有している。各ブラケット148の先端部とブラケット113の先端部との間には、ばね149が掛け渡されている。つまり、2つのばね149が、1つのブラケット113に接続されている。2つのブラケット158の先端部とブラケット114の先端部との間には、ばね159が掛け渡されている。つまり、2つのばね159が、1つのブラケット114に接続されている。図15の(a)及び(b)並びに図16に示される構成では、ばね149,159がY軸方向に平行な複数の回転軸を有しているため、1つのみの回転軸を有するトーションバー143,153よりも、各回転軸における回転量が低減される。また、X軸方向に対する衝撃耐性を向上することができる。
図15の(a)に示される構成では、2つのばね149が同一の形状を有している。ばね149は、Z軸方向から見た場合に、2つのZ字形状部分に1つのS字形状部分が挟まれた形状を有している。Z字形状部分はY軸方向に平行な1つの回転軸を有しており、S字形状部分はY軸方向に平行な3つの回転軸を有している。1つのブラケット148に一方のZ形状部分の先端が接続され、当該一方のZ字形状部分の他端にS字形状部分の一端が接続されている。S字形状部分の他端には他方のZ字形状部分の先端が接続され、当該他方のZ字形状部分の他端にブラケット113が接続されている。
図15の(a)に示される構成では、2つのばね159が同一の形状を有している。ばね159は、Z軸方向から見た場合に、2つの逆Z字形状部分に1つの逆S字形状部分(S字形状を左右反転した形状の部分)が挟まれた構成を有している。逆Z字形状部分はY軸方向に平行な1つの回転軸を有しており、逆S字形状部分はY軸方向に平行な3つの回転軸を有している。1つのブラケット158に一方の逆Z形状部分の先端が接続され、当該一方の逆Z字形状部分の他端に逆S字形状部分の一端が接続されている。逆S字形状部分の他端には他方の逆Z字形状部分の先端が接続され、当該他方の逆Z字形状部分の他端にブラケット114が接続されている。第1弾性支持部14と第2弾性支持部15とは、可動ミラー11の中心を通り且つY軸方向に垂直な平面に関して、互いに対称の構造を有していない。
図15の(b)及び図16に示される構成では、一方のばね149は、Z軸方向から見た場合に、2つのZ字形状部分に1つのS字形状部分が挟まれた形状を有している。Z字形状部分はY軸方向に平行な1つの回転軸を有しており、S字形状部分はY軸方向に平行な3つの回転軸を有している。他方のばね149は、Z軸方向から見た場合に、2つの逆Z字形状部分に1つの逆S字形状部分が挟まれた構成を有している。逆Z字形状部分はY軸方向に平行な1つの回転軸を有しており、逆S字形状部分はY軸方向に平行な3つの回転軸を有している。一方のばね149のZ字形状部分と他方のばね149の逆Z字形状部分とが、それぞれブラケット148に接続されている。
図15の(b)及び図16に示される構成では、一方のばね159は、Z軸方向から見た場合に、2つのZ字形状部分に1つのS字形状部分が挟まれた形状を有している。Z字形状部分はY軸方向に平行な1つの回転軸を有しており、S字形状部分はY軸方向に平行な3つの回転軸を有している。他方のばね159は、Z軸方向から見た場合に、2つの逆Z字形状部分に1つの逆S字形状部分が挟まれた構成を有している。逆Z字形状部分はY軸方向に平行な1つの回転軸を有しており、逆S字形状部分はY軸方向に平行な3つの回転軸を有している。一方のばね159のZ字形状部分と他方のばね159の逆Z字形状部分とが、それぞれブラケット158に接続されている。
図15の(b)に示される構造では、一方のばね149のZ字形状部分は、一端がブラケット148に接続され、他端が一端よりも可動ミラー11側においてS字形状部分に接続されている。他方のばね149の逆Z字形状部分は、一端がブラケット148に接続され、他端が一端よりも可動ミラー11側において逆S字形状部分に接続されている。一方のばね159のZ字形状部分は、一端がブラケット158に接続され、他端が一端よりも可動ミラー11側においてS字形状部分に接続されている。他方のばね159の逆Z字形状部分は、一端がブラケット158に接続され、他端が一端よりも可動ミラー11側において逆S字形状部分に接続されている。
図16に示される構造では、一方のばね149のZ字形状部分は、一端がブラケット148に接続され、他端が一端よりも第1光学機能部17側においてS字形状部分に接続されている。他方のばね149の逆Z字形状部分は、一端がブラケット148に接続され、他端が一端よりも第1光学機能部17側において逆S字形状部分に接続されている。一方のばね159のZ字形状部分は、一端がブラケット158に接続され他端が一端よりも第2光学機能部18側においてS字形状部分に接続されている。他方のばね159の逆Z字形状部分は、一端がブラケット158に接続され他端が一端よりも第2光学機能部18側において逆S字形状部分に接続されている。
図17の(a)に示される構成では、ブラケット113,114、ブラケット148、ブラケット158、トーションバー143、及びトーションバー153はいずれも、図12の(a)と同様の構成を有している。第1弾性支持部14と第2弾性支持部15とは、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面に関しても、また、可動ミラー11の中心を通り且つY軸方向に垂直な平面に関しても、互いに対称の構造を有していない。可動ミラー11のブラケット113,114、第1レバー141のブラケット148、及び第3レバー151のブラケット158が3つずつ設けられている。第1弾性支持部14は、3つのトーションバー143を有している。第2弾性支持部15は、3つのトーションバー153を有している。このように、光学デバイス10は、可動ミラー11のブラケット113,114、第1レバー141のブラケット148、及び第3レバー151のブラケット158のそれぞれが、3つ以上設けられている構成であってもよい。これによれば、図3に示されている構成よりも、同一の軸線上に配置された複数のトーションバー143,153のそれぞれの長さを短くすることができる。その結果、X軸方向への可動ミラー11の移動を抑制することができる。
図17の(b)に示される構成では、ブラケット113,114、ブラケット148、ブラケット158、トーションバー143、及びトーションバー153はいずれも、図12の(b)と同様の構成を有している。第1弾性支持部14と第2弾性支持部15とは、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面に関しても、また、可動ミラー11の中心を通り且つY軸方向に垂直な平面に関しても、互いに対称の構造を有していない。可動ミラー11のブラケット113,114、第1レバー141のブラケット148、及び第3レバー151のブラケット158が1つずつ設けられている。第1弾性支持部14は、トーションバー143を1つのみ有している。第2弾性支持部15は、トーションバー153を1つのみ有している。これによれば、図3に示されている構成よりも、構造の単純化が図られている。
図18の(a)に示される構成では、ブラケット113,114、ブラケット148、ブラケット158、トーションバー143、及びトーションバー153はいずれも、図3と同様の構成を有している。第1弾性支持部14と第2弾性支持部15とは、可動ミラー11の中心を通り且つX軸方向に垂直な平面に関しても、また、可動ミラー11の中心を通り且つY軸方向に垂直な平面に関しても、互いに対称の構造を有していない。可動ミラー11のブラケット113,114、第1レバー141のブラケット148、及び第3レバー151のブラケット158が2つずつ設けられている。第1弾性支持部14は、2つのトーションバー143を有している。第2弾性支持部15は、2つのトーションバー153を有している。
図18の(b)に示される構成では、ブラケット113,114、ブラケット148、ブラケット148、トーションバー143、及びトーションバー153はいずれも、図13の(a)と同様の構成を有している。可動ミラー11のブラケット113,114、第1レバー141のブラケット148、及び第3レバー151のブラケット158が2つずつ設けられている。第1弾性支持部14は、2つのトーションバー143を有している。第2弾性支持部15は、2つのトーションバー153を有している。
図19に示される構成では、可動ミラー11は、一対のブラケット113及び一対のブラケット114の代わりに、一対のフランジ115,116を有している。一対のフランジ115,116は、デバイス層52によって形成されている。各第1レバー141の端部141aは、Y軸方向においてフランジ115の両側に位置している。第1光学機能部17は、少なくとも、フランジ115、一対の第1レバー141、及びリンク146によって、画定されている。各端部141aとフランジ115との間には、トーションバー143が掛け渡されている。つまり、各第1レバー141の端部141aは、一対のトーションバー143を介して可動ミラー11に接続されている。一対のトーションバー143は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
一対の第1レバー141は、可動ミラー11から、Y軸方向における第1光学機能部17の両側に、ベース12の主面12aに沿って延在している。一方の第1レバー141の端部141bと一方の第2レバー142の端部142aとの間、及び、他方の第1レバー141の端部141bと他方の第2レバー142の端部142aとの間には、それぞれ、トーションバー144が掛け渡されている。
図19に示される構成では、リンク146は、各第1レバー141の端部141b間に掛け渡されている。リンク146は、第1光学機能部17の縁に沿ってY軸方向に延在している。リンク147は、リンク146に対して第1光学機能部17とは反対側において、リンク146に沿ってY軸方向に延在している。
図19に示される構成では、各第3レバー151の端部151aは、Y軸方向においてフランジ116の両側に位置している。第2光学機能部18は、少なくとも、フランジ116、一対の第3レバー151、及びリンク156によって、画定されている。各端部151aとフランジ116との間には、トーションバー153が掛け渡されている。つまり、各第3レバー151の端部151aは、一対のトーションバー153を介して可動ミラー11に接続されている。一対のトーションバー153は、Y軸方向に平行な同一の軸線上に配置されている。
一対の第3レバー151は、可動ミラー11から、Y軸方向における第2光学機能部18の両側に、ベース12の主面12aに沿って延在している。一方の第3レバー151の端部151bと一方の第4レバー152の端部152aとの間、及び、他方の第3レバー151の端部151bと他方の第4レバー152の端部152aとの間には、それぞれ、トーションバー154が掛け渡されている。
図19に示される構成では、リンク156は、各第3レバー151の端部151b間に掛け渡されている。リンク156は、第2光学機能部18の縁に沿ってY軸方向に延在している。リンク157は、リンク156に対して第2光学機能部18と反対側において、リンク156に沿ってY軸方向に延在している。
図20及び図21に示される構成では、可動ミラー11に壁部112が設けられておらず、本体部111における主面12a側の表面に金属膜が形成されることで、ミラー面11aが設けられている。また、Z軸方向から見た場合に、X軸方向における可動ミラー11の一方の側に、第1光学機能部17として固定ミラー21(ミラー面21a)が設けられている。当該固定ミラー21は、デバイス層52の主面12a上に設けられている。つまり、図20及び図21に示される構成では、第1光学機能部17及び第2光学機能部18として機能する光通過開口部がSOI基板50に形成されていない。なお、図20及び図21に示される構成では、ブラケット113,114、ブラケット148、ブラケット158、トーションバー143、及びトーションバー153はいずれも、図18と同様の構成を有している。図20及び図21に示される構成により、可動ミラー11及び固定ミラー21を備える光学デバイス10を、装置全体の大型化を抑制しつつ、実現することができる。
図20及び図21に示される構成では、可動ミラー11が移動する領域が確保されていれば、第1光学機能部17の直下に位置する固定ミラー21及び支持体22はなくてもよい。この構成では、上記実施形態において固定ミラー21で反射される光が、第1光学機能部17で反射される。この場合、ハーフミラー面31で分割された光の光路差が補正されるように、第1光学機能部17の前段部でビームスプリッタユニット3内の各光路P1,P2が調整されていることが好ましい。
図20及び図21に示される構成において、固定ミラー21は、Z軸方向から見た場合に、第1光学機能部17として、X軸方向における可動ミラー11の一方の側に設けられるだけでなく、第2光学機能部18として、X軸方向における可動ミラー11の他方の側に設けられてもよい。この構成によって、第2光学機能部18を第1光学機能部17と同様に使用して装置の多機能化を図りつつも、可動ミラーの可動性能の低下及び装置全体の大型化を抑制することができる。
アクチュエータ部は、静電アクチュエータに限定されず、例えば、圧電式アクチュエータ、電磁式アクチュエータ等であってもよい。また、光モジュール1は、FTIRを構成するものに限定されず、他の光学系を構成するものであってもよい。
上述した一の実施形態又は変形例における各構成は、他の実施形態又は変形例における各構成に任意に適用することができる。
10…光学デバイス、11…可動ミラー、11a…ミラー面、12…ベース、12a…主面、14…第1弾性支持部、15…第2弾性支持部、16…アクチュエータ部、17…第1光学機能部、18…第2光学機能部、50…SOI基板、111…本体部、112…壁部、141…第1レバー、141a,141b…端部、142…第2レバー、142a,142b…端部、143,144,145…トーションバー、151…第3レバー、161,162…櫛歯電極、164…連結部。
Claims (13)
- 主面を有するベースと、
前記主面に平行な平面に沿ったミラー面を有する可動ミラーと、
前記ベース及び前記可動ミラーに接続され、前記主面に垂直な第1方向に沿って移動可能となるように前記可動ミラーを支持する第1弾性支持部及び第2弾性支持部と、
前記第1方向に沿って前記可動ミラーを移動させるアクチュエータ部と、
前記第1方向から見た場合に、前記第1方向に垂直な第2方向における前記可動ミラーの一方の側に配置された第1光学機能部と、を備え、
前記第1弾性支持部は、前記可動ミラーから、前記第1方向及び前記第2方向に垂直な第3方向における前記第1光学機能部の両側に、前記主面に沿って延在する一対の第1レバーを有し、
前記第2方向における前記一対の第1レバーのそれぞれの長さは、前記ミラー面の外縁と前記第1光学機能部の縁との間の最短距離よりも大きい、光学デバイス。 - 前記第3方向における前記一対の第1レバー間の最大距離は、前記第3方向における前記第1光学機能部の最大幅以上である、請求項1に記載の光学デバイス。
- 前記第1光学機能部の前記縁のうち前記ミラー面に最も近い部分から、前記一対の第1レバーのそれぞれにおける前記可動ミラーとは反対側の端部までの距離は、前記第1光学機能部の前記縁のうち前記ミラー面から最も遠い部分から、前記一対の第1レバーのそれぞれにおける前記可動ミラーとは反対側の前記端部までの距離よりも大きい、請求項1又は2に記載の光学デバイス。
- 前記第1弾性支持部は、前記第3方向における前記第1光学機能部の両側から、前記可動ミラー側に、前記主面に沿って延在する一対の第2レバーを更に有し、
前記一対の第1レバーのそれぞれにおける前記可動ミラー側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介して前記可動ミラーに接続されており、
前記一対の第1レバーのそれぞれにおける前記可動ミラーとは反対側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介して前記一対の第2レバーのそれぞれにおける前記可動ミラーとは反対側の端部に接続されており、
前記一対の第2レバーのそれぞれにおける前記可動ミラー側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介して前記ベースに接続されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の光学デバイス。 - 前記一対の第1レバーのそれぞれにおける前記可動ミラー側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介して前記可動ミラーに接続されており、
前記一対の第1レバーのそれぞれにおける前記可動ミラーとは反対側の端部は、少なくとも1つのトーションバーを介して前記ベースに接続されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の光学デバイス。 - 前記一対の第1レバーのそれぞれにおける前記可動ミラー側の前記端部は、前記第3方向に平行な同一の軸線上に配置された複数のトーションバーを介して前記可動ミラーに接続されている、請求項4又は5に記載の光学デバイス。
- 前記アクチュエータ部は、前記可動ミラーの外縁に沿って配置された櫛歯電極を有する、請求項1~6のいずれか一項に記載の光学デバイス。
- 前記櫛歯電極は、前記可動ミラーの前記外縁から離間しており、
前記アクチュエータ部は、前記櫛歯電極と前記可動ミラーとを連結する連結部を更に有する、請求項7に記載の光学デバイス。 - 前記可動ミラーは、
前記ミラー面が設けられた本体部と、
前記本体部に設けられ、前記第1方向から見た場合に前記ミラー面を包囲する壁部と、を有する、請求項1~8のいずれか一項に記載の光学デバイス。 - 前記第1光学機能部は、前記ベースに設けられた光通過開口部である、請求項1~9のいずれか一項に記載の光学デバイス。
- 前記第1光学機能部は、前記ベースに設けられた固定ミラーである、請求項1~9のいずれか一項に記載の光学デバイス。
- 前記ベース、前記可動ミラー、前記アクチュエータ部、前記第1弾性支持部、前記第2弾性支持部及び前記第1光学機能部は、SOI基板によって構成されている、請求項1~11のいずれか一項に記載の光学デバイス。
- 前記第1方向から見た場合に、前記第2方向における前記可動ミラーの他方の側に配置された第2光学機能部を更に備え、
前記第2弾性支持部は、前記可動ミラーから、前記第3方向における前記第2光学機能部の両側に、前記主面に沿って延在する一対の第3レバーを有し、
前記第2方向における前記一対の第3レバーのそれぞれの長さは、前記ミラー面の前記外縁と前記第2光学機能部の縁との間の最短距離よりも大きい、請求項1~12のいずれか一項に記載の光学デバイス。
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