CN101183174A

CN101183174A - 可变形镜

Info

Publication number: CN101183174A
Application number: CNA2007101694857A
Authority: CN
Inventors: 田中史记; 前田重雄
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2008-05-21
Also published as: JP2008129099A; EP1923730A1; US20080117489A1

Abstract

一种可变形镜，包括：具有镜面的镜基板；支承构件，其支承该镜基板，并具有沿近似垂直于该镜基板的方向延伸的通孔；电极部，其设置于支承构件的与支承该镜基板的表面相对的底侧，以覆盖所述通孔的至少一部分；以及致动器，其插入所述通孔内，并结合和固定到所述电极部上，当经由该电极部向所述致动器供电时，所述致动器伸展和收缩以使该镜面以及该镜基板变形。

Description

可变形镜

技术领域

本发明涉及一种可变形镜，其设置在光盘装置、数码相机、放映机或其它光学设备的光学系统中，且可以通过改变其镜面形状来执行入射光束的光学畸变的校正。

背景技术

传统地，提出有各种关于可变形镜的方案，该可变形镜能够通过改变其镜面形状而校正入射光束的光学畸变等。例如，JP-A-H02-166403公开了一种可变形镜，该镜包括：由刚性体构成的支承构件；支承在支承构件上、具有一定程度的柔软度或挠性的绝缘支承构件；支承在该绝缘支承构件上的镜；将镜与刚性支承杆连接的多个压电杆。通过将电压施加于压电杆以使压电杆伸展和收缩，使这种可变形镜能够形成理想的镜曲面。此外，JP-A-H05-333274也公开了一种可变形镜，其可以通过利用柱状压电致动器沿垂直于镜面的方向伸展和收缩而使其镜面变形。

然而，在JP-A-H02-166403或JP-A-H05-333274中公开的可变形镜具有很难缩减整个装置的尺寸的缺点。因此，如JP-A-2004-347753所公开的，提出一种可变形状的镜元件(可变形镜)，其通过形成包括压电膜的薄膜而制造。关于JP-A-2004-347753中公开的可变形状镜元件，由于该镜由薄膜制成，一个优点就是该镜可以沿其厚度方向显著地减小尺寸。然而，由于使镜变形的驱动力是从压电膜获得，所以其缺点在于很难获得足够的镜位移。

在上述情况下，发明人已开发出一种可变形镜，其能够通过利用致动器101沿垂直于镜面的方向(箭头所示方向)伸展和收缩来使镜102变形，从而控制其镜面103的形状变化，如图6A和图6B所示。根据该可变形镜，可以应用能够增大镜的位移的优点。注意图6A和6B是用于解释可变形镜的镜面103的变形原理的示意图。图6A示出镜面103变形前的状态，而图6B示出镜面103变形后的状态。在图6A和6B中，附图标记104表示用于固定镜102的支承柱。

然而，通过利用柱状致动器101的伸展和收缩而改变镜面103的形状的可变形镜的问题在于装置的尺寸变大，与上述在JP-A-H02-166403或JP-A-H05-333274中公开的可变形镜的问题一样。除此之外，还有包括装置的不易制造等多种问题。下文中，将参照示出传统可变形镜的结构的图7对这些问题进行详细描述。

图7是示出传统的可变形镜200的结构的分解立体图。该可变形镜200设置有：基座201；镜202，其设置为与基座201相对；支承柱203，其形成于基座201上以支承镜202；以及致动器204，其通过伸展和收缩使镜202变形，以使镜面变形。致动器204由压电元件构成，经由形成在基座201上的布线图案205向压电元件供电。

关于具有上述结构的可变形镜200，为确保足够的刚度，基座201的厚度尤其应当较大。因此，存在装置尺寸沿厚度方向变大的问题。此外，还有另一个必须增大基座201的厚度的原因。也就是说，必须将待加工为布线图案205的硅等制成的基板层叠到基座201上，用以在基座201上形成布线图案205。在这种情况下，如果基座201的厚度较薄，当用于形成布线图案205的硅基板层叠在基座201上时，基座201容易弯曲并导致较差的加工特性。由于这个原因，基座201的厚度需要增大到一定程度。

还有，在可变形镜200中，由于很难通过打线结合(wire bonding)等方法从致动器204中抽出金属线，因此形成有布线图案205，用以向致动器204供电。在这种情况下，布线图案基座201上需要用于形成布线图案205的空间。因此将增大基座201的面积，并且将增大可变形镜的尺寸。

此外，由于所述布线图案205的存在，很难使基座201的板面面积与镜202的板面面积相同。因此，在可变形镜的制造过程中，在装配过程之后很难将各装置彼此分离。例如，存在的问题在于，因为位于镜202和基座201之间的部分在镜202的周缘是空的，如果通过使用钻石轮划片机(dicing saw)执行切割以适应基座201的尺寸，在切割中容易发生破损。

还有，在所述的可变形镜200具有该结构的情况下，支承柱203和致动器204应当定位，以便将它们结合到基座201上。这种情况下，需要在制造过程中使它们定位的夹具，且存在的问题在于，由于需要夹具的连接和分离步骤，使得制造过程变得复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变形镜，该可变形镜可以增大镜的位移，并可以容易地制成紧凑的尺寸。

本发明的可变形镜包括：具有镜面的镜基板；支承构件，其支承镜基板并具有沿近似垂直于镜基板的方向延伸的通孔；电极部，其设置在支承构件的、与支承镜基板的表面相对的底侧，以便覆盖所述通孔的至少一部分；以及致动器，其插入所述通孔并结合和固定到所述电极部上，当经由电极部供电时，所述致动器伸展和收缩以使镜面和镜基板变形。

根据这种结构，由于为致动器供电的电极部形成在用于支承镜基板的支承构件上，且致动器结合并固定到电极部，所以不需要使用传统结构中所必需的用于形成电极图案(electrode pattern)的基板，因而可以减小该装置的厚度。另外，因为能够容易地经由形成在支承构件上的电极部向致动器供电，可以避免由于布线图案的原因而增大该装置的尺寸，从而可减小变形镜的尺寸。另外，因为致动器可以通过形成在支承构件上的通孔定位，所以不需要使用在传统制造过程中所需的夹具，从而能够简化制造过程。另外，由于镜基板通过致动器的伸展和收缩而变形，所以能够增大镜面的变形。

而且，关于本发明，在具有上述结构的可变形镜中，支承构件优选地由绝缘的刚性体形成。

根据这种结构，由于支承构件由绝缘的刚性体形成，所以能够容易地增大镜面的变形。

而且，关于本发明，在具有上述结构的可变形镜中，致动器优选为包括压电材料和电极的压电致动器。

根据这种结构，因为所述致动器是压电致动器，所以能够容易地实现。

而且，关于本发明，在具有上述结构的可变形镜中，所述压电致动器优选为层叠(laminated)压电致动器，其包括交替层叠的多层压电材料和交替层叠的多层电极。

根据这种结构，由于所述压电致动器是层叠压电致动器，所以可以增大所产生的力，并且增大镜面的变形。

而且，关于本发明，在具有上述结构的可变形镜中，可以采用这样一种结构，在该结构中，电极层交替连接到第一公用电极和第二公用电极，第一公用电极和第二公用电极设置在大体平行于压电致动器的层叠方向的侧面上，以交替地作为不同极性的电极，第一公用电极和第二公用电极均电连接到压电致动器的结合于电极部的结合表面，且电极部设置有给第一公用电极供电的电极和给第二公用电极供电的电极。

根据这种结构，在形成于支承构件上的电极部上形成两个电极，且经由所述两个电极向压电致动器供电以驱动压电致动器。因此，用于供电的布线不复杂。

而且，关于本发明，在具有上述结构的可变形镜中，在俯视图中镜基板优选地具有与支承构件相同的形状和相同的尺寸。

根据这种结构，由于在俯视图中镜基板具有与支承构件相同的形状和相同的尺寸，所以能够容易地执行装配过程之后的装置的分离。

附图说明

图1是示出根据本实施例的可变形镜的结构的分解立体图；

图2是示出根据本实施例的可变形镜的结构的总俯视图，该图是从图1的底侧观看的示意图；

图3是图1中所示的可变形镜在组装状态下的沿III-III线剖切的总剖面图；

图4是示出根据本实施例的设置在可变形镜中的致动器的结构的总剖面图；

图5是镜基板的俯视图，其示出镜基板与支承构件的结合位置；

图6A是用于解释使可变形镜的镜面变形的原理的示意图，其示出了镜面变形前的状态；

图6B是用于解释使可变形镜的镜面变形的原理的示意图，其示出了镜面变形后的状态；

图7是示出传统可变形镜结构的分解立体图。

具体实施方式

下文中将参照附图描述本发明的实施例。注意在此描述的实施例是示例，且本发明不局限于这里描述的实施例。另外图中的尺寸、厚度等是为了便于理解而示出，所以附图并非总是与真实结构相匹配。

(可变形镜的结构)

图1是示出根据本实施例的可变形镜的结构的分解立体图。图2是示出根据本实施例的可变形镜的结构的总俯视图，该图是从图1的底侧观看的示意图。图3是图1中所示的可变形镜在组装状态下沿III-III线剖切的总剖面图。图4是示出根据本实施例的设置在可变形镜上的致动器的结构的总剖面图。注意图4还示出电极部，致动器结合和固定在该电极部上。下文中，主要参照图1-4描述根据本实施例的可变形镜。

附图标记1表示可变形镜，该可变形镜可以通过改变其镜面形状来校正入射光束的光学畸变。该可变形镜1包括：镜基板2，其具有镜面2a；支承构件3，其支承镜基板2；电极部4，其形成在支承构件3的支承镜基板2的表面3a的底侧；致动器5，其插入形成于支承构件3内的通孔3b中并且结合和固定到电极部4上。以下将详细描述各个部分。

当致动器5通过其伸展和收缩而按压镜基板2时，镜基板2变形，使得其镜面2a变形。因此，镜基板2的厚度应当较薄，以使其可以通过致动器5的伸展和收缩而变形。另一方面，要求该镜基板具有一定程度的刚性，以使其在依靠致动器5的伸展和收缩而导致的变形中不致破裂。考虑到这一点，在本实施例中镜基板2由硅(Si)基板制成，且硅基板的厚度大约是100微米。

尽管在本实施例中用硅作为镜基板2的材料，但是本发明不局限于这种结构。只要能够使镜基板2较薄且具有一定程度的刚性，也可以使用其它材料。另外，构成镜基板2的硅基板的厚度不局限于本实施例中的值，而是可以根据其用途等进行修改。

通过在镜基板2上形成铝(Al)层来获得镜基板2的镜面2a。该铝层通过气相沉积(vapor deposition)、溅射(sputtering)等形成。注意镜面2a的材料并不局限于铝，而可以是诸如金(Au)、银(Ag)等多种其它材料的其中之一，只要该材料能够提供与进入可变形镜1的镜面2a的光束的反射光相关的理想的反射系数。另外，尽管在本实施例中镜基板2的整个上表面用作镜面2a，但本发明不局限于这种结构。考虑到入射光束的入射直径，可以采用反射层形成于镜面2a的有限面积内的另一种结构或其它的结构。

当结合于镜基板2时，支承构件3具有支承镜基板2的功能。该支承构件3形成为矩形固体形状，当从其顶部(从镜面2a)观看时，该矩形固体形状具有与矩形镜基板2相同的形状和相同的尺寸。镜基板2结合于支承构件3的位置是图5中所示的带阴影线的周缘位置。因为支承构件3仅在周缘部分与镜基板2结合，当致动器5在结合部分内伸展和收缩时，可以使镜基板2变形。注意图5是镜基板2的俯视图，其示出镜基板2与支承构件3的结合位置。

例如，支承构件3通过阳极键合(anodic bonding)而结合于镜基板2上。注意，其并不局限于阳极键合，可以使用其它的结合方法。例如，可以采用使用粘接剂的方法或热压结合(thermo compression bonding)方法，在该热压结合方法中，例如将待加工为结合层的金层放置在支承构件3和镜基板2之间，并在400～550摄氏度范围内的高温下施加压力。如果使用热压结合方法，结合层可以是其它金属层或合金层，而不是金层。例如，可以使用铝层、锡层、金一锡合金层等。

另外，支承构件3还设置有四个通孔3b，所述通孔沿大体上垂直于镜基板2的方向延伸。四个通孔3b适合于容置致动器5。注意，通孔3b的位置被确定为使其所容置的致动器5位于穿过支承构件3中心的交叉方向，并使它们相对于支承构件3的中心对称。

支承构件3由绝缘材料制成，在本实施例中是玻璃。然而，其并不局限于玻璃，还可以是陶瓷等。此外，支承构件3优选地是刚性体，通过致动器5的伸展和收缩而使镜基板2产生变形，以使镜基板2的变形较大。同样由于这一观点，支承构件3优选地由玻璃或陶瓷制成。

支承构件3的支承镜基板2的表面3a的底侧设置有多个电极部4，用以覆盖通孔3b。电极部4可以设置为覆盖通孔3b的部分或整体的面积。也就是说，电极部4设置在支承构件3的表面3a的底侧，该支承构件3在能使插入通孔3b中的致动器5被结合和支承的位置处支承镜基板2(参见图2)。在本实施例中，电极部4包括正电极4a和负电极4b，所述正电极4a和负电极4b构成一个电极部的一对电极，并且可变形镜1设置有四个电极部4。

通过例如阳极键合或通过使用粘接剂，将硅基板结合到支承构件3而形成电极部4。此外，正电极4a和负电极4b的各硅的表面均设置有利用例如气相沉积等形成的导电材料，而通过电镀等在内部形成导电材料的通孔6设置于正电极4a和负电极4b的各个硅上。由于如上所述地构建了正电极4a和负电极4b，所以能够从外部向致动器5供电。

尽管可以经由本实施例中的通孔6从外部向致动器5供电，但是本发明不局限于这种结构。例如，可以采用经由其中填充有导电材料的孔的另一种结构。此外，尽管在本实施例中，电极部4通过形成在电极部4硅基板表面和通孔6上的导电材料而具有电极的功能，但是电极部4当然也可以由导电材料制成以使其具有电极的功能。

致动器5是所谓的层叠压电致动器，该致动器可以通过调节施加于压电材料的电压来控制其压电材料的伸展和收缩。致动器5插入形成在支承构件3中的通孔3b内，并结合和固定于电极部4。

如图4所示，致动器5具有一种结构，在该结构中，多层压电材料10和多层内部电极11交替层叠。内部电极包括内部电极11a和内部电极11b两种类型。内部电极11a连接到设置在致动器5侧面上的第一公用电极12a，而内部电极11b连接到设置在致动器5的与其上设置有第一公用电极12a的侧面相对的另一侧面上的第二公用电极12b。也就是说，设置在致动器5上的内部电极11包括交替排列的不同的极性(正电极和负电极)。

注意第一公用电极12a经由金属膜13a(在本实施例中是金膜)电连接到致动器5的下表面，而第二公用电极12b经由金属膜(在本实施例中是金膜)13b电连接到致动器5的下表面。因此，致动器5的正电极和负电极可以从该致动器的下侧抽出。

此外，对夹在内部电极11a和11b之间的压电材料10进行极化处理以使其沿图4中箭头所示方向被极化。注意上述极化处理指的是施加热和高压直流(DC)电场的处理，以使压电材料10内的电偶极子沿固定的方向统一，以获得压电活性(piezoelectric activity)。

致动器5的多层压电材料10排列为交替地具有相反的极化方向。根据这种结构，当在包括交替排列的正电极和负电极的内部电极11上施加电压时，多层压电材料10全部都伸展或收缩。因此，公知地这种结构能够通过低的驱动电力获得大的位移(大的生成力)。

注意施加电压的结果是使第一公用电极12a成为正电极而第二公用电极12b成为负电极，并且因此当在本实施例中施加电压时，压电材料10伸展。此外，通过调节压电材料10的伸展量来控制致动器5的伸展和收缩。

压电材料10由压电特性优良的锆钛酸铅(Pb(Zr_xTi_1-x)O₃)制成。然而，构成致动器5的压电材料10的种类不局限于此，而可以根据其用途和制造条件改变。例如，致动其可以由诸如包括钛酸钡(BaTiO₃)的压电陶瓷或包括PVDF(聚偏二氟乙烯，polyvinylidene fluoride)的高聚物等其他压电材料制成。

通过例如在致动器5和电极部4之间放置作为待结合层的金层，并在400～550摄氏度范围内的高温下施加压力来执行致动器5和电极部4之间的结合。在这种情况下，结合层可以是其它金属层或合金层，而不是金层。例如，可以使用金-锡合金层等。

注意，因为在本实施例中，致动器5的下表面上形成金膜，所以可以省略在致动器5和电极部4之间放置金层的步骤。然而，为了保证致动器和电极部的充分结合，可以通过气相沉积方法或溅射方法形成金层。可选择地，可以将金箔作为金层来放置。可选择地，当然也可以使用导电粘接剂将致动器5结合到电极部4上。

致动器5并不结合到镜基板2上。致动器5不结合到镜基板2上的原因是，如果致动器5与镜基板2结合，镜基板2的镜面2a可能产生畸变，而这种畸变应当尽可能地减小。如果畸变的出现不构成问题，那么致动器5可以结合在镜基板2上。

根据本实施例，尽管四个致动器5设置于可变形镜1内，本发明并不局限于这种结构。可以增加形成在支承构件3内的通孔3b的数量，以便能够设置更多的致动器5。相反地，可以减少致动器5的数量。本实施例的结构的优点在于致动器5能够以密集方式设置，由于布线图案与传统结构相比不复杂，从而可以增加致动器5的数量。

此外，在本实施例中致动器5的高度与支承构件3的高度相同。然而，本发明并不局限于这种结构。致动器5可以高于支承构件3。在这种情况下，即使致动器5不与镜基板2结合，仍可以在施加电压于致动器5上时通过压电材料10的伸展和收缩来控制镜基板2的变形。因此，可以增大镜面2a的变形量。

此外，尽管在本实施例中致动器5是层叠压电致动器，本发明并不局限于这种结构。例如，除了层叠型的压电致动器之外，还可以是其它类型的压电致动器。

此外，当在本实施例中驱动致动器5时，经由电极部4的正电极4a和负电极4b向致动器5供电，而本发明并不局限于这种结构，可以在不脱离本发明目的的情况下在本发明的范围内修改这种结构。也就是说，可以修改为另一种结构，在该结构中例如电极部4上只设置有正电极或负电极，而另一电极设置于镜基板2的下表面。此外，当在致动器5上施加电压时通过利用压电材料10的伸展和收缩来控制镜基板2的变形，可以使设置在电极部4上的两个电极能够在正电极和负电极之间切换，而不需要将它们中的一个固定为正电极并将另一个固定为负电极。

而且，尽管上述可变形镜1的整体形状是矩形固体形状，但本发明并不局限于这种结构，在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内对该结构做各种修改。例如，可变形镜的整体形状可以是圆柱形等。

(用于可变形镜的制造方法)

下面，将描述用于根据本实施例的可变形镜1的制造方法。注意此处描述的制造方法仅为示例，且可以有其它适合于制造该可变形镜的方法。首先，在待加工为支承构件3的玻璃基板上通过蚀刻工艺形成供致动器5插入其中的通孔3b(第一步)。注意该蚀刻工艺可以是干法蚀刻或湿法蚀刻。

将待加工为电极部4的硅基板通过阳极键合而结合到具有通孔3b的玻璃基板上(第二步)。使用平板印刷方法和蚀刻方法，仅留下作为电极部4所必需的部分(第三步)。注意电极部4的通孔6也在这一时刻形成。利用电镀方法等在通孔6内形成导电材料。

从供致动器5插入的侧面使用气相沉积方法或溅射方法在电极部4的表面上形成金层(第四步)。将致动器5插入通孔3b中，并通过上述的热压结合方法将致动器5结合于电极部4上(第五步)。注意在这种情况下，可以利用通孔3b而不使用任何夹具完成致动器5的配准(registration)。

在第五步中待插入的致动器5比待加工为支承构件3的玻璃基板的厚度长。因此，在致动器5结合并固定在电极部4上之后，压平致动器5以使其具有与玻璃基板相同的高度(第六步)。之后，将待加工为镜基板2的硅基板通过阳极键合而结合在待加工为支承构件3的玻璃基板上(第七步)。通过气相沉积方法在待加工为镜基板2的硅基板上形成反射层(例如，铝层等)。最后，通过钻石轮划片机切割分离各个装置并获得可变形镜1(第九步)。

如上所述，当制造可变形镜1时，不需要使用在传统可变形镜200的制造过程中定位致动器5所需的夹具(参见图7)，从而减少了制造步骤。此外，因为可以制作与俯视图中的支承构件3形状相同和尺寸相同的镜基板2，所以当通过使用钻石轮划片机切割时，装置破裂的可能性很小。因此，在装配过程完成后容易分离该装置(可变形镜)。

本发明的可变形镜能够增大镜的位移，并容易制造为较小的尺寸。因此，其作为设置在诸如光盘装置、视频放映机、数码相机等的光学装置的光学系统中的可变形镜是有益的。

Claims

1.一种可变形镜，包括：

具有镜面的镜基板；

支承构件，其支承该镜基板，并具有沿近似垂直于该镜基板的方向延伸的通孔；

电极部，其设置于该支承构件的、与用于支承该镜基板的表面相对的底侧上，以覆盖所述通孔的至少一部分；以及

致动器，其插入所述通孔内，并结合和固定到所述电极部上，当经由该电极部向所述致动器供电时，所述致动器伸展和收缩以使该镜面以及该镜基板变形。

2.如权利要求1所述的可变形镜，其中该支承构件由绝缘刚性体形成。

3.如权利要求1所述的可变形镜，其中所述致动器是包括压电材料和电极的压电致动器。

4.如权利要求1所述的可变形镜，其中在俯视图中该镜基板具有与该支承构件相同的形状和相同的尺寸。

5.如权利要求2所述的可变形镜，其中所述致动器是包括压电材料和电极的压电致动器。

6.如权利要求2所述的可变形镜，其中在俯视图中该镜基板具有与该支承构件相同的形状和相同的尺寸。

7.如权利要求3所述的可变形镜，其中所述压电致动器是包括交替层叠的多层压电材料和交替层叠的多层电极的层叠压电致动器。

8.如权利要求3所述的可变形镜，其中在俯视图中该镜基板具有与该支承构件相同的形状和相同的尺寸。

9.如权利要求5所述的可变形镜，其中所述压电致动器是包括交替层叠的多层压电材料和交替层叠的多层电极的层叠压电致动器。

10.如权利要求5所述的可变形镜，其中在俯视图中该镜基板具有与该支承构件相同的形状和相同的尺寸。

11.如权利要求7所述的可变形镜，其中所述多层电极交替地连接到第一公用电极和第二公用电极，所述第一公用电极和第二公用电极设置在近似平行于所述压电致动器的层叠方向的侧面上，以交替地作为不同极性的电极，各所述第一公用电极和第二公用电极均电连接到所述压电致动器的、与所述电极部结合的结合表面上，且该电极部设置有用于给所述第一公用电极供电的电极和用于给所述第二公用电极供电的电极。

12.如权利要求7所述的可变形镜，其中在俯视图中该镜基板具有与该支承构件相同的形状和相同的尺寸。

13.如权利要求9所述的可变形镜，其中所述多层电极交替连接到第一公用电极和第二公用电极，所述第一公用电极和第二公用电极设置在近似平行于所述压电致动器的层叠方向的侧面上，以交替地作为不同极性的电极，各所述第一公用电极和第二公用电极均电连接到所述压电致动器的、与所述电极部结合的结合表面上，且该电极部设置有用于给所述第一公用电极供电的电极和用于给所述第二公用电极供电的电极。

14.如权利要求9所述的可变形镜，其中在俯视图中该镜基板具有与该支承构件相同的形状和相同的尺寸。

15.如权利要求11所述的可变形镜，其中在俯视图中该镜基板具有与该支承构件相同的形状和相同的尺寸。

16.如权利要求13所述的可变形镜，其中在俯视图中该镜基板具有与该支承构件相同的形状和相同的尺寸。