JP2007249174A

JP2007249174A - 可変形状鏡

Info

Publication number: JP2007249174A
Application number: JP2006311600A
Authority: JP
Inventors: Kenji Murakami; 賢治村上; Masahiro Nishio; 真博西尾
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2007-09-27
Also published as: US20070188897A1; EP1821127A1; US7397593B2

Abstract

【課題】変形部の圧力変化に伴う応答特性の変化を自己診断する機能を持つ可変形状鏡を提供すること。
【解決手段】反射面１０５が形成された変形部１０４と、変形部１０４の外周を固定する固定部１０８と、変形部１０４に形成されたＧＮＤ電極１０７と、ＧＮＤ電極１０７に対向して設けられた駆動電極１１２と、ＧＮＤ電極１０７と駆動電極１１２との間に印加された電圧によって変形部１０４を変形させる駆動信号源１２６とを備え、大気圧よりも低い圧力で封止された可変形状鏡１００であって、封止内部の圧力変化に伴う変形部１０４の応答特性変化を検出する容量検出回路２０９が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射面形状を連続的に可変することができる可変形状鏡に関する。特に、半導体製造技術を応用して作製された小型の可変形状鏡に関するものである。

従来、可変形状鏡を減圧封止して用いる構成が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。図２３の（ａ）は従来技術の可変形状鏡１０の斜視構成、（ｂ）は断面構成をそれぞれ示している。また、図２４は、可変形状鏡１０の他の断面構成を示している。

図２４に示すように、可変形状鏡１０において、反射面が形成されたメンブレン（薄膜）１１にＧＮＤ（グラウンド）が形成されている。ＧＮＤに対向する位置に間隔をおいて複数の駆動電極１３が形成されている。そして、駆動電極１３とＧＮＤとの間に電圧を印加する。これにより、発生する静電引力でメンブレン１１、即ち反射面を変形させる。

また、反射面が形成されている面に対向して真空封止用のガラス蓋１２が設けられている。ガラス蓋１２の反射面に対向する面に導電性薄膜１４が成膜されている。導電性薄膜１４に電圧を印加する。これにより、発生する静電引力と駆動電極１３を用いた静電引力とを合わせて反射面を凹凸に変形させることができる。これにより、光線Ｌの反射方向を変えることができる。

静電引力を利用する静電駆動方式の場合、ＧＮＤと駆動電極１３間の間隔が狭い。このため、メンブレン１１を駆動する際に間隔内部の空気がダンパー（エアダンピング）となる。この結果、メンブレン１１の応答特性が悪くなる。そこで、可変形状鏡１０を２．０Ｔｏｒｒに減圧して、エアダンピングの影響を抑えている。

Ｐ．Ｇｒｏｓｓｏｅｔ．ａｌ．， "Ｔｈｅｍｅｍｂｒａｎｅｍｉｒｒｏｒａｓａｎａｄａｐｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔ"，ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ６７，Ｎｏ３，Ｍａｒｃｈ１９７７

しかしながら、可変形状鏡を真空雰囲気で用いる場合、封止技術の問題により、封止内部の圧力は経時的に変化する。この圧力変化に伴い可変形状鏡の応答特性が変化してしまう。従って、所望の応答が得られないという問題が起きている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、真空雰囲気中で所望の応答が得られる可変形状鏡を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、発明によれば、反射面が形成された変形部と、変形部の外周を固定する固定部と、変形部に形成された第１の電極と、第１の電極に対向して設けられた第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に印加された電圧によって変形部を変形させる駆動手段とを備え、大気圧よりも低い圧力で封止された可変形状鏡であって、封止内部の圧力変化に伴う変形部の応答特性変化を検出するモニタ手段が設けられていることを特徴とする可変形状鏡を提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、モニタ手段は、少なくとも一部が変形部に設けられた振動する変形部の振動波形を検出する振動検出器を有し、変形部の変形振幅変化を振動検出器で検出し、圧力と変形振幅の関係に基づいて変形部の応答特性をモニタすることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、モニタ手段は、変形部が共振振動しているときのＱ値を検出するＱ値検出器を有し、圧力とＱ値との関係に基づいて変形部の応答特性をモニタすることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、モニタ手段は、振動検出器によって得られる変形部の振動波形と、駆動手段から出力される駆動信号との位相差を検出する位相差検出回路を有し、圧力と位相差との関係に基づいて変形部の応答特性をモニタすることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、モニタ手段は、変形部が共振振動しているときの共振周波数を検出する共振周波数検出器を有し、圧力と共振周波数との関係に基づいて変形部の応答特性をモニタすることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、振動検出器は、第１の電極と第２の電極との間の容量を検出する容量検出器であることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、振動検出器は、第１の電極に対向して設けられた第３の電極を有し、振動検出器は、第１の電極と第３の電極との間の容量を検出する容量検出器であることが望ましい。

また、他の本発明によれば、反射面が形成された変形部と、変形部の外周を固定する固定部と、変形部に形成された第１の電極と、第１の電極に対向して設けられた第２の電極と、第１の電極及び第２の電極との間に印加された電圧によって変形部を変形させる駆動手段とを備え、大気圧よりも低い圧力で封止された可変形状鏡であって、封止内部の圧力を検出する圧力センサが設けられていることを特徴とする可変形状鏡を提供できる。

本発明に係る可変形状鏡は、封止された変形部の圧力変化に伴う応答特性の変化を自己診断するという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる可変形状鏡の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明の実施例１に係る可変形状鏡について説明する。図１は、可変形状鏡１００の基本構成の上面図を示している。図２は、図１で示したＡ−Ａ’断面における断面構成（側面）を示している。

図２の断面図に示すように可変形状鏡１００には、セラミックパッケージ１０１と封止ガラス１０２とで気密封止可能な封止内部１１４が形成されている。封止内部１１４には可変形状鏡ユニット１０３が形成されている。封止内部１１４は、減圧されている。

可変形状鏡ユニット１０３は、ミラー基板１１１とスペーサ１０９と電極基板１１０とから構成されている。ミラー基板１１１は、変形部１０４と変形部１０４を固定する固定部１０８とで構成される。さらに、変形部１０４は、反射面１０５と弾性膜１０６とＧＮＤ電極１０７とで構成されている。

また、固定部１０８は、変形部１０４に比べて厚みがあり剛性が高い。このため、固定部１０８は、変形部１０４を変形させる力では変形しない。変形部１０４を形成している弾性膜１０６は、固定部１０８まで延在し、ミラー基板１１１全面に形成されている。

電極基板１１０は、変形部１０４に対向する位置に駆動電極１１２を有している。ミラー基板１１１と電極基板１１０とは、スペーサ１０９を介して間隔をおいて組み立てられている。さらに、可変形状鏡ユニット１０３は、セラミックパッケージ１０１に固定される。

ミラー基板１１１と、電極基板１１０と、スペーサ１０９と、セラミックパッケージ１０１とのそれぞれの固定に用いられる接着または接合法は、減圧して封止することから減圧下でガスが出にくい方法を採用するのが望ましい。封止は、減圧雰囲気中で接合用金属層１１３を用いて封止ガラス１０２とセラミックパッケージ１０１を接合（金属接合：ハンダや金を用いる）することで行われる。接合のみならず接着による場合でも良い。

図１に示すようにミラー基板１１１は、電極基板１１０よりも少なくとも一辺が小さくなっている。ミラー基板１１１が対向しない電極基板１１０上には、駆動用引出し電極１１６とＧＮＤ用引出し電極１１７とが形成されている。

駆動用引出し電極１１６とＧＮＤ用引出し電極１１７には、それぞれワイヤボンディングなどを用いて金属ワイヤ１１８が結線されている。駆動用引出し電極１１６とＧＮＤ用引出し電極１１７は、金属ワイヤを介してセラミックパッケージ１０１の電極１２１ａに接続されている。そして、セラミックパッケージ１０１のピンは、後述する外部の電源等に接続されている。

セラミックパッケージ１０１の電極１２１ａも封止内部１１４に作製されており、金属ワイヤ１１８も含めて封止されている。電極基板１１０上には圧力センサ１２０が取り付けられている。圧力センサ１２０もワイヤボンディングによる金属ワイヤ１１８でセラミックパッケージ１０１の電極１２１ａに電気的に接続されている。

圧力センサ１２０の方式は、ダイアフラム型センサ、ピラニゲージなどが考えられる。また、近年はセンサの小型化が進んでいるため、セラミックパッケージ１０１に収納できるサイズで実用化されている圧力センサ１２０もある。圧力センサ１２０によって封止内部１１４の圧力を測定する。

図３、図４は、可変形状鏡１００を分解した構成をそれぞれ示している。図３は電極基板１１０を示している。図４はミラー基板１１１を示している。電極基板１１０上の駆動電極１１２は、配線を介して駆動用引出し電極１１６に電気的に接続している。駆動電極１１２は、第２の電極に相当する。

ＧＮＤ用引出し電極１１７は、配線を介して電気接続用導電材１２１ｂに接続されている。電気接続用導電材１２１ｂは、電極基板１１０上に形成されたスペーサ１０９と同じ高さを有している。これにより、ミラー基板１１１と電極基板１１０が組み立てられたとき、ミラー基板１１１上のＧＮＤ電極１０７と電極基板１１０上のＧＮＤ用引出し電極１１７を電気的に接続させることができる。

スペーサ１０９は、減圧時に電極基板１１０とミラー基板１１１との間の空気を逃がすために電極基板１１０上に分割されて配置されている。しかしながら、スペーサ１０９は、必ずしも分割する必要は無い。ただし、スペーサ１０９を分割しない場合にはスペーサ１０９の一部に開口を設け、空気を逃がすことができる構成にすることが望ましい。

図４は、反射面１０５が形成されている面の裏面の構成を示している。変形部１０４と固定部１０８の全面に一様にＧＮＤ電極１０７となる金属膜が成膜されている。ＧＮＤ電極１０７は第１の電極に相当する。組立て時に電気接続用導電材１２１ｂに対向する位置を図では形式的に導電材用接続部１１９として示す。

電極基板１１０の基板材料としては、ガラス等の絶縁性の材料を用いる。また、基板材料として、導体または半導体を用いることもできる。その場合には駆動電極１１２と基板材料との間に絶縁薄膜を成膜する。

駆動電極１１２や配線、駆動用引出し電極１１６、ＧＮＤ用引出し電極１１７は、同じ膜から一体に形成されており、単層で作製することができる。材料はアルミまたは銅などが用いられる。図示しないが、引出し電極以外の配線または駆動電極１１２上に絶縁膜をさらに形成するとよい。これにより、例えば、変形部１０４が駆動電極１１２に接触してしまった際のショートを防ぐことができる。

ミラー基板１１１は、固定部１０８にシリコンを用いる。変形部１０４を形成する材料にはポリイミド等の有機膜や薄いシリコン等の無機膜を用いる。形状安定性を重視する場合にはシリコン膜が有利である。ただし、シリコン膜のときは、変形に大きな力が必要となる。

変形部１０４に相当する部分は、固定部１０８を形成するシリコンが除去されている。また、変形部１０４上には反射面１０５が形成されている。反射面１０５の材料は、可変形状鏡１００に照射される光の波長によって異なる。例えば、アルミ、金、誘電体多層膜が用いられる。アルミを用いた場合には酸化防止用としてシリコン酸化物をアルミ上に成膜する。

次に可変形状鏡１００の駆動方法について図５、図６、図７を用いて説明する。図５において、セラミックパッケージ１０１のピン１１５のうち、駆動用引出し電極１１６と電気的に接続されたピンを駆動電極ピン１２３とする。同様に、ＧＮＤ用引出し電極１１７に電気的に接続されたセラミックパッケージ１０１のピン１１５をＧＮＤ電極ピン１２２とする。

駆動電極ピン１２３には駆動信号源１２６（駆動電圧源）が接続されている。また、ＧＮＤ電極ピン１２２は、ＧＮＤに接地している。駆動信号源１２６に電圧が印加されると駆動電極１１２に電圧が印加される。そして、変形部１０４に形成されたＧＮＤ電極１０７との電位差によって静電力が発生する。その静電力は引力であることから変形部１０４は駆動電極１１２方向に変形する。このように、駆動信号源１２６、駆動電極１１２、およびＧＮＤ電極１０７を含めたものが駆動手段に対応する。

また、スペーサ１０９の高さによって決まる間隔を静電ギャップと呼ぶ。静電ギャップ量は駆動力に影響を与えると共に変形部１０４の変形量にも影響を与える。静電ギャップ量の最小値は反射面１０５の最大変形量からおよそ推測することができる。一般的には最大変形量の約３倍以上の静電ギャップ量が必要とされる。

さらに、図１で示す圧力センサ１２０に電気的に接続される圧力センサ電極ピン１２４には圧力センサ用電源圧力表示装置１２５が接続されている。これにより、圧力センサ１２０に電気信号を送ると共にセンシング結果を表示することができる。

図６、図７は、ミラー基板１１１が備える変形部１０４上の反射面１０５の変形について示している。図６の（ａ）、（ｂ）は、電圧を印加していない場合を示している。また、図７の（ａ）、（ｂ）は、電圧を印加した場合について示している。

駆動電極１１２に電圧を印加しないとき、反射面１０５は、平面形状を維持する。これによって、平行な光線Ｌが入射すると、図７の(ａ)に示すように出射光、即ち反射光は、平行光のままである。

駆動電極１１２に電圧を印加するとき、反射面１０５は変形し曲面形状に変化する。その曲面によって、平行な光線Ｌが入射すると図７の(ｂ)に示すように出射光、即ち反射光は、焦点位置Ｐへ集光される。電圧を変化させることによって、反射面１０５の凹面形状や曲率半径が変わると、焦点位置Ｐを変えることができる。

次に、図８を用いて封止内部１１４の圧力と変形部１０４の周波数応答特性について説明する。図において、横軸は変形部１０４の駆動周波数である。また、縦軸は駆動電極１１２に印加する駆動信号と変形部１０４の振動波形の比をデシベル表示したものであり、変形部１０４の駆動ゲインを示している。

図８において、封止内部１１４の圧力が以下の場合について説明する。
（１）曲線Ｇ１：大気
（２）曲線Ｇ２：１００００Ｐａ
（３）曲線Ｇ３：１０００Ｐａ
（４）曲線Ｇ４：５００Ｐａ

封止内部１１４の圧力が大気状態の場合、特性曲線Ｇ１では駆動周波数が大きくなるに従って駆動ゲインが低下してしまう。即ち変形部１０４は、高い周波数領域で応答性が悪くなる。また、図８から明らかなように、封止内部１１４の圧力が下がるに従って、曲線Ｇ２、曲線Ｇ３、曲線Ｇ４と、その応答性は改善されていく。

図２に示すように、可変形状鏡１００において、変形部１０４に形成されたＧＮＤ電極１０７と電極基板１１０に形成された駆動電極１１２との間隔、すなわち静電ギャップが変形部１０４の面積に比べて小さい。このため、静電ギャップ内の空気がダンパーとなっている。そのため、静電ギャップ内のエアを減圧することでダンピングを抑えることができる。静電駆動型を用いた可変形状鏡１００の構成で高速に駆動する場合は、可変形状鏡ユニット１０３を最適な減圧条件で封止することが望ましい。

さらに、変形部１０４のステップ応答特性を考える。図９は、矩形波信号を駆動電極１１２に印加した場合の変形部１０４の変形の様子を示している。図９の(ａ)に示すような矩形波信号を駆動電極１１２に印加する。矩形波信号に対する変形部１０４の変形は、封止内部１１４の圧力によって変化する。図９の(ｂ)は、封止内部１１４を高真空にした場合の結果を示す。横軸は時間ｔ、縦軸は変位ｄを示している。封止内部１１４を高真空にした場合、静電ギャップ内の空気によるダンパーが無い状態となる。このため、矩形波信号の高周波成分によって変形部１０４は共振駆動が励起される。これにより、（ｂ）に示すようなリンギングが発生し、変形が安定せずいつまでも振動している。

これに対し、図９の(ｄ)に示すように封止内部１１４が大気圧の場合には、静電ギャップ内の空気によるダンピングにより、変形部１０４の応答性は悪くなってしまう。駆動信号の矩形波よりも変形が遅れ、且つ変形量が小さくなる。

図９の(ｃ)は、封止内部１１４を最適に圧力調整した場合の結果である。圧力を所定の範囲にすることで変形部１０４は駆動信号に追随した変形をするようになる。このように、周波数応答特性とステップ応答特性の結果から、封止内部１１４の圧力には最適領域があることがわかる。変形部１０４のサイズや静電ギャップ量にも依存するが、その最適領域は１Ｐａ〜１０００Ｐａ程度であることがわかる。

圧力センサ１２０は、封止内部１１４の圧力が最適領域内にあることをモニタするために用いられる。そして、封止内部１１４の圧力に基づいて、変形部１０４の周波数応答特性やステップ応答特性の変化を判断することができる。

次に、本発明の実施例２に係る可変形状鏡２００について説明する。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１０は、可変形状鏡２００の基本構成の上面構成を示している。また、図１１、図１２は、それぞれ可変形状鏡２００をミラー基板１１１と電極基板１１０とに分離した状態を示している。

可変形状鏡２００は、実施例１で説明した圧力センサ１２０の代わりに、振動検出器を用いている。振動検出器は、変形部１０４の振動波形を検出する。これにより、変形部１０４の応答性をモニタする構成となっている。

振動検出器は、変形部１０４と駆動電極１１２との間の静電容量を測定する。これにより、変形部１０４の変形量や振幅量、さらに振動波形を検出できる。そして、検出結果から変形部１０４の応答性を求めることができる。

振動検出器は、容量センサ電極２０３と、ＣＯＭ電極２０４と、参照信号源２０８と、容量検出回路２０９とから構成されている。図１１に示すように、容量センサ電極２０３は、駆動電極１１２の中心付近に、駆動電極１１２と電気的に独立して形成されている。ＣＯＭ電極２０４は、容量センサ電極２０３に対向して形成され、実施例１で示すところのＧＮＤ電極１０７に相当する。

参照信号源２０８は、図１３に示すように、容量センサ電極２０３に電気的に接続されているセラミックパッケージ１０１の容量センサ電極ピン２０６に接続されている。そして、容量検出回路２０９は、ＣＯＭ電極２０４と配線を介して電気的に接続されているＣＯＭ電極ピン２０５に接続されている。また、参照信号源２０８、容量センサ電極２０３、ＣＯＭ電極２０４、および容量検出回路２０９を含めたものがモニタ手段に対応する。

図１３では、参照信号源２０８と駆動信号源１２６と容量検出回路２０９とは、共通でＧＮＤを用いているが別々に設けても良い。ここで、ＣＯＭ電極２０４は実施例１におけるＧＮＤ電極１０７と同様に、第１の電極に対応する。また、容量センサ電極２０３は、第３の電極に対応する。

また、図１４に示すように、上述した構成に加えて、Ｑ値検出器２１１を設けても良い。Ｑ値検出器２１１は、容量検出回路２０９に接続され、変形部１０４が共振振動しているときのＱ値を検出する。

Ｑ値は、変形部１０４を共振周波数で振動させたときの振幅の増加分を示す値である。この場合、変形部１０４が共振振動しているときのＱ値と圧力の関係は封止する前に事前に圧力が変更可能な雰囲気中で測定しておく。そして、その関係に基づいて変形部１０４の応答特性を求める。共振時のＱ値はエアダンピングが大きいときに低く、エアダンピングが小さくなるに応じてＱ値は高くなる。このため、共振時のＱ値を測定すれば変形部１０４の応答特性変化をモニタすることができる。なお、Ｑ値の詳細については、後述する。

次に、図１３、図１４（可変形状鏡２１０）を参照して、振動検出器の作用を説明する。参照信号源２０８は、正弦波の信号を容量センサ電極２０３に印加する。参照信号は、ＣＯＭ電極２０４と容量センサ電極２０３との間の容量変化に基づいて変化し出力信号となる。出力信号は、ＣＯＭ電極２０４を通じてＣＯＭ電極ピン２０５に接続された容量検出回路２０９に至る。容量検出回路２０９は、出力信号に基づいてＣＯＭ電極２０４と容量センサ電極２０３との間の容量を検出することができる。

容量センサ電極２０３を中心に設けたのは、変形部１０４の変形量が中心付近で一番大きいため、容量変化も最も大きくなることと、実施例１に示すように、全面が駆動電極１１２の場合に比べても変形部１０４の変形形状に大きな影響を与えないためである。

なお、駆動方式は、実施例１と同様に駆動電極１１２に電圧を印加する方式である。従って、変形部１０４は、駆動電極１１２側に変形する。ＣＯＭ電極２０４と容量センサ電極２０３との間は平行平板型のコンデンサと見ることができる。変形部１０４が変形することによりＣＯＭ電極２０４と容量センサ電極２０３との間隔が変わる。このことから容量が変化する。この結果、容量検出回路２０９の出力信号は、変形部１０４の変形量を示している。

さらに、図１５（可変形状鏡２２０）に示すように、駆動信号源１２６から出力される駆動波形と、容量検出回路２０９から出力される振動波形とを入力し、駆動波形と振動波形の位相差を検出する位相差検出回路２１２を設ける構成としても良い。位相差から応答特性を知ることもできる。

次に、振動検出器を用いた場合と、さらに位相差検出回路２１２を用いた場合の変形部１０４の応答特性検出方法を説明する。駆動信号の周波数を変えながらＣＯＭ電極２０４と容量センサ電極２０３との間の容量変化を振動検出器で検出した結果を図１６に示す。図１６は、変形部１０４の周波数応答特性示している。なお、横軸は周波数である。また、図１６の(ａ)の縦軸は駆動信号に対する変形部１０４の駆動波形の位相差について示している。図１６の(ｂ)の縦軸は駆動信号に対する変形部１０４の駆動波形の比をデシベルで示したもの（以下、適宜「ゲイン」と呼ぶ）である。

大気雰囲気中では周波数が大きくなるに応じて、位相もゲインも小さくなっていく。これに対し、減圧雰囲気中では変形部１０４の第１共振周波数ｆ１に至るまでは、ほぼ位相もゲインも変化がない。第１共振周波数ｆ１を越えると、ゲインは減少に転じる。ただし、第２共振周波数ｆ２などでゲインが大きくなることもある。

位相差については、共振時に位相が１８０度回り、その後も第２共振周波数ｆ２等で位相が１８０度回っていく。このときの変形部１０４の駆動波形は、容量検出回路２０９によって検出することができる。また、駆動信号が共振周波数ｆ１、ｆ２と一致したとき、変形部１０４の変形量は大きくなる。その変化量を上述したようなＱ値と呼んでいる。Ｑ値検出器２１１によりＱ値を検出することで変形部１０４の応答性をモニタすることもできる。

Ｑ値検出器２１１を簡易的に考えると、共振時の変形量が３ｄＢ低下した変形量の周波数を周波数の増減の両方向について検出する。そして、その差分で共振周波数を除した値により表すことで示すことができる。即ち、次式で表すことができる。

Ｑ=Ｆｒ／（Ｆｆ−Ｆｂ）
ただし、
Ｑ:Ｑ値、
Ｆｒ：変形部１０４の共振周波数
Ｆｆ：共振周波数から高周波側に変形量が３ｄＢ低下したところの周波数
Ｆｂ：共振周波数から低周波側に変形量が３ｄＢ低下したところの周波数

Ｑ値は、可変形状鏡ユニット１０３を封止する減圧量によって変化する。図１７に示すように封止内部１１４の圧力が高くなると(エアダンピングが大きくなると)、Ｑ値は小さくなる。共振時のＱ値を測定すれば変形部１０４の応答特性変化をモニタすることができる。

封止内部１１４の圧力は、実施例１で説明したように変形部１０４の周波数応答特性とステップ応答特性を維持するための最適領域がある。封止内部１１４の圧力が、その領域内にあることをモニタすることで変形部１０４の周波数応答特性やステップ応答特性を判断することができる。

実施例２は、圧力変化に伴う変形部１０４の応答特性の変化が、変形部１０４と駆動電極１１２間のエアダンピングの影響であることから、エアダンピングの変化に伴って変化するパラメータを検出し、変形部１０４の応答特性の変化を求める例である。

変形部１０４の応答特性は、変形部１０４を任意の周波数で振動させたときの変形部１０４の振幅値を変形部１０４の振動を検出する振動検出器で測定することでモニタされる。変形部１０４の振幅値は、封止内部１１４がある圧力値になるまでは一定値であり、その圧力値を超えると小さくなる。したがって、振幅値をモニタすることで、封止内部１１４がある圧力値以下にあるか否かの確認ができると共に、振幅値が変化し始める圧力範囲内では振幅値を検出することで圧力を知ることができる。

変形部１０４の振幅値と圧力の関係は封止する前に、圧力が変更可能な雰囲気中で測定しておき、その関係に基づいて変形部１０４の応答特性を求める。上述のように、封止内部１１４の圧力が高くなるに応じて、同じ駆動信号に対する変形部１０４の振幅値が小さくなる。駆動周波数が可変形状鏡２００で用いられる最大周波数であるとき、変形部１０４の駆動感度が変わるか否かで変形部１０４の応答特性を直接知ることもできる。変形部１０４が共振振動しているときのＱ値と圧力の関係も、封止する前に圧力が変更可能な雰囲気中で測定し、その関係に基づいて変形部１０４の応答特性を求めておくことができる。

その他の振動検出器を用いた別のモニタ機能について説明する。図１６において、減圧状態では、位相差およびゲインは共振周波数よりも低い周波数領域でほぼ一定の値を示している。これに対し、大気状態ではいずれの値も低下している。ゲインについては図８に示している通り、その低下は封止内部１１４の圧力によって変化し、圧力が高くなるに連れて次第にゲインは低下していく。

位相差検出回路２１２によって検出される位相差についてもゲインと同じことが言える。封止内部１１４が、所定の圧力値になるまでは位相差は一定値であり、その圧力を超えると位相差が大きくなる。位相差は圧力によって変化し、圧力が高くなるに応じて次第に位相遅れが増加していく。

従って、変形部１０４を任意の周波数で振動させたときに、振動検出器でゲインまたは位相差検出回路２１２を用いて位相差を確認することで封止内部１１４の圧力がゲインや位相差が一定になる圧力範囲であるか否かを確認できる。同時に、その圧力範囲を下回るときには、ゲインや位相差から圧力を測定することができる。

この場合もＱ値と同じく、可変形状鏡２００を封止する前に圧力測定可能な減圧可能なチャンバで可変形状鏡２００の変形部１０４のゲインまたは位相差と圧力の関係を振動検出器で調べ、圧力テーブルを作成しておく。これにより、封止内部１１４での圧力の測定が可能になる。さらに、診断機能として直接的には最大駆動周波数でのゲインまたは位相差を確認することで、封止された可変形状鏡２００が使用可能か否かを判断することもできる。

本構成は実施例１と異なり、可変形状鏡以外に圧力センサ１２０などを必要とせず可変形状鏡２００が自ら自己診断機能を有している。このため、部品点数が少なく、構成が単純化され、組立てが容易になる。

なお、この発明の実施形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。図１８、図１９に示す可変形状鏡２３０のように、容量センサ電極２０３と駆動電極１１２を兼用する構成でも良い。

その場合、駆動電極１１２は、駆動兼容量センサ電極３０１として用いられる。なお、可変形状鏡２３０の構成は、実施例１で示した圧力センサ１２０を除いた構成と同じである。本構成における容量検出手段の例を、それぞれ図２０（可変形状鏡２３０）、図２１（可変形状鏡２４０）に示す。さらに、位相差検出回路２１２を用いて駆動波形と変形部１０４の振動波形の位相差を検出する構成について図２２（可変形状鏡２５０）に示す。

図２０、図２１、図２２に示すいずれの構成においても、駆動兼容量センサ電極３０１に電気的に接続されている駆動兼容量センサ電極ピン３０３には信号重畳器３０４が接続されている。信号重畳器３０４には参照信号源２０８と駆動信号源１２６が接続されている。信号重畳器３０４は、駆動信号と参照信号とを重畳した重畳信号を形成するために用いられる。

ミラー基板１１１に形成されたＣＯＭ電極２０４に電気的に接続されたＣＯＭ電極ピン２０５には容量検出回路２０９が接続されている。参照信号は駆動信号と重畳され駆動電極１１２に至る。従って、本構成での振動検出器は参照信号源２０８と駆動兼容量センサ電極３０１とＣＯＭ電極２０４と容量検出回路２０９によって構成される。

重畳信号の参照信号成分はＣＯＭ電極２０４と駆動兼容量センサ電極３０１との間の容量変化に基づいて変化し出力信号となる。出力信号は、ＣＯＭ電極２０４通じてＣＯＭ電極ピン２０５に接続された容量検出回路２０９に至る。容量検出回路２０９は出力信号に基づいてＣＯＭ電極２０４と駆動兼容量センサ電極３０１との間の容量を検出することができる。

変形部１０４の共振振動時のＱ値から変形部１０４の応答性をモニタする場合には、図２１のようにＱ値検出器２１１を容量検出回路２０９に接続する構成でも良い。さらに、位相差から変形部１０４の応答性をモニタする場合には、図２２のように位相差検出回路２１２を容量検出回路２０９に接続する構成でも良い。

本変形例の作用効果は、実施例２と同様の部分については省略するが、実施例２の形態と異なり、容量センサ電極２０３を設ける必要が無いため、変形部１０４全体に駆動電極１１２を構成することができる。このため、変形部１０４全面に駆動力を発生させることができる。この結果、変形部１０４がより所望の変形形状をなすことが可能となる。

次に、本発明の実施例３に係る可変形状鏡２００について説明する。実施例１および実施例２と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図２５は、図１３に示す振動検出器を有する可変形状鏡２００の構成に対し、さらに容量検出回路に共振周波数検出回路３０６を接続した構成を示している。共振周波数検出回路３０６は、また駆動信号源１２６にも接続されている。共振周波数検出回路３０６の検出概念には大きく分けて次のＡ、Ｂの２タイプがある。

Ａ．変形部１０４の振幅値を最大になる周波数を検出する方式、
Ｂ．駆動波形と振動波形の位相差が９０度になる周波数を検出する方式

Ａの方式にはさらに２つの検出方法がある。１番目の検出方法は、図２６の（ａ）に示すように、駆動周波数を共振周波数を含む領域（掃引領域）で掃引し、掃引後に変形部１０４の振幅値が最大になる周波数を求める方法である。

２番目の検出方法は、図２６の（ｂ）に示すように、駆動周波数を共振周波数を含む領域でステップ的に掃引し、各ステップで前後の変形部１０４の振幅値を比較し、後ステップの振幅値が前ステップの振幅値よりも小さくなったときの前ステップの周波数を共振周波数とする方法である。

図２６の（ｂ）に示した方法はさらに駆動周波数のステップ量を細かくし、掃引方向を逆転して同様の検出を行い、これを繰り返すことにより、共振周波数の精度を高めることも可能である。

上述のＢの方式は、図２６の（ｃ）、（ｄ）に示すとおり、Ａで示した方法で検出対象を振幅値から駆動波形と振動波形の位相とする事で求める方法である。

図２７は、上述した方法に基づき、封止内部の圧力を変化させながら駆動周波数を掃引して共振周波数を求めた結果を示している。共振周波数は、変形部１０４の駆動ゲインが最大になる周波数である。共振周波数は、圧力の増加に伴って共振周波数が高くなる方向にシフトする。

図２８は、横軸を圧力とし、縦軸に共振周波数をとったグラフを示している。実施例１で示したように、封止内部の最適な圧力範囲は１Ｐａ〜１０００Ｐａ程度であるが、圧力範囲はギャップ量にも依存し、図２８で示す構成では圧力範囲を１Ｐａ〜１５０Ｐａとして示している。

図からも明らかなように、この圧力領域で圧力と共振周波数には相関関係が有り、変形部１０４の共振周波数から圧力を知ることができ、従って変形部１０４の応答性変化をモニタすることができる。

なお、この発明の実施形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。図２９に示す可変形状鏡２３０のように、容量センサ電極と駆動電極を兼用する構成においても共振周波数検出回路３０６を用いて共振周波数を検出して変形部１０４の応答性をモニタしてもよい。図２９に示す構成は、基本的に図２０に示された構成と同じであり、共振周波数検出回路３０６が容量検出回路２０９および駆動信号源１２６に接続されている。

本変形例の作用効果は、実施例２と同様の部分については省略する。図２８に示すとおり、圧力と共振周波数には線形関係が有り、圧力に依存せずに一定の感度で変形部１０４の応答性変化をモニタすることが可能である。

Ｑ値によって変形部１０４の応答特性変化をモニタする場合、図３０に示すとおりＱ値と圧力の関係は非線形であるのに対し、共振周波数と圧力との間に線形関係があるため、広い圧力範囲でモニタが可能となる特徴を有している。

なお、５０Ｐａよりも低い圧力範囲であれば共振周波数でモニタリングするよりもＱ値でモニタリングする方が検出感度が高い。また、Ｑ値は、その検出のために共振周波数と、共振周波数の増減方向に変形部の変形量を３ｄＢ低下したところの周波数とを検出して求める為、測定点が３点存在する。これに対し、共振周波数による応答性変化のモニタは、共振周波数一点のみを測定するだけである。このため、共振周波数による応答性変化のモニタは、Ｑ値によるモニタリングよりも検出アルゴリズムを簡略化することができ、検出回路を単純化できる。

以上のように、本発明にかかる可変形状鏡は、反射面形状が連続的に可変する可変形状鏡に有用である。

実施例１に係る可変形状鏡の基本構成の上面図である。実施例１に係る可変形状鏡の基本構成の断面図である。実施例１の電極基板を示す図である。実施例１のミラー基板を示す図である。実施例１に係る可変形状鏡の基本回路構成の図である。電圧を印加しない場合の変形部上の反射面の変化を示す図である。電圧を印加した場合の変形部上の反射面の変化を示す図である。封止内部の圧力と変形部の周波数特性を示す図である。駆動電極への印加信号と変形部の変形量を示す図である。実施例２に係る可変形状鏡の基本構成の上面図である。実施例２の電極基板を示す図である。実施例２のミラー基板を示す図である。実施例２に係る可変形状鏡の基本回路構成図である。実施例２の変形例に係る可変形状鏡の基本回路構成図である。実施例２の他の変形例に係る可変形状鏡の基本回路構成図である。変形部の位相、ゲインの周波数応答特性を示す図である。封止内部の圧力とＱ値の関係を示す図である。実施例２の変形例の可変形状鏡における電極基板を示す図である。実施例２の変形例の可変形状鏡におけるミラー基板を示す図である。実施例２の変形例に係る可変形状鏡の基本回路構成図である。実施例２の変形例に係る可変形状鏡の他の基本回路構成図である。実施例２の変形例に係る可変形状鏡のさらに別の基本回路構成図である。従来の可変形状鏡の外観図である。従来の可変形状鏡の駆動方式を説明する図である。実施例３に係る可変形状鏡の基本回路構成図である。共振周波数検出回路の検出概念を説明する図である。封止内部の圧力と変形部の周波数特性を示す図である。封止内部の圧力と共振周波数の関係を示す図である。実施例３の変形例に係る可変形状鏡の基本回路構成図である。封止内部の圧力とＱ値の関係を示す図である。

符号の説明

１００、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０可変形状鏡
１０１セラミックパッケージ
１０２封止ガラス
１０３可変形状鏡ユニット
１０４変形部
１０５反射面
１０６弾性膜
１０７ＧＮＤ電極
１０８固定部
１０９スペーサ
１１０電極基板
１１１ミラー基板
１１３接合用金属層
１１４封止内部
１１５セラミックパッケージのピン
１１６駆動用引出し電極
１１７ＧＮＤ用引出し電極
１１８金属ワイヤ
１１９導電材用接続部
１２０圧力センサ
１２１ａセラミックパッケージの電極
１２１ｂ電気接続用導電材
１２２ＧＮＤ電極ピン
１２３駆動電極ピン
１２４圧力センサ電極ピン
１２５圧力センサ用電源圧力表示装置
１２６駆動信号源
２０１ＣＯＭ用引出し電極
２０２容量センサ用引出し電極
２０３容量サンサ電極
２０４ＣＯＭ電極
２０５ＣＯＭ電極ピン
２０６容量センサ電極ピン
２０７駆動電極ピン
２０８参照信号源
２０９容量検出回路
２１１Ｑ値検出器
２１２位相差検出回路
３０１駆動兼容量センサ電極
３０２駆動兼容量センサ用引出し電極
３０３駆動兼容量センサ電極ピン
３０４信号重畳器
３０６共振周波数検出回路
１０可変形状鏡
１１メンブレン
１２ガラス蓋
１３、１１２駆動電極
１４導電性薄膜

Claims

反射面が形成された変形部と、
前記変形部の外周を固定する固定部と、
前記変形部に形成された第１の電極と、
前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加された電圧によって前記変形部を変形させる駆動手段とを備え、
大気圧よりも低い圧力で封止された可変形状鏡であって、
封止内部の圧力変化に伴う前記変形部の応答特性変化を検出するモニタ手段が設けられていることを特徴とする可変形状鏡。
前記モニタ手段は、少なくとも一部が前記変形部に設けられた振動する前記変形部の振動波形を検出する振動検出器を有し、
前記変形部の変形振幅変化を前記振動検出器で検出し、
圧力と変形振幅の関係に基づいて前記変形部の応答特性をモニタすることを特徴とする請求項１に記載の可変形状鏡。
前記モニタ手段は、前記変形部が共振振動しているときのＱ値を検出するＱ値検出器を有し、
圧力とＱ値との関係に基づいて前記変形部の応答特性をモニタすることを特徴とする請求項２に記載の可変形状鏡。
前記モニタ手段は、前記振動検出器によって得られる前記変形部の振動波形と、前記駆動手段から出力される駆動信号との位相差を検出する位相差検出回路を有し、
圧力と位相差との関係に基づいて前記変形部の応答特性をモニタすることを特徴とする請求項２に記載の可変形状鏡。
前記モニタ手段は、前記変形部が共振振動しているときの共振周波数を検出する共振周波数検出器を有し、
圧力と共振周波数との関係に基づいて前記変形部の応答特性をモニタすることを特徴とする請求項２に記載の可変形状鏡。
前記振動検出器は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の容量を検出する容量検出器であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の可変形状鏡。
前記振動検出器は、前記第１の電極に対向して設けられた第３の電極を有し、
前記振動検出器は、前記第１の電極と前記第３の電極との間の容量を検出する容量検出器であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の可変形状鏡。
反射面が形成された変形部と、
前記変形部の外周を固定する固定部と、
前記変形部に形成された第１の電極と、
前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極との間に印加された電圧によって前記変形部を変形させる駆動手段とを備え、
大気圧よりも低い圧力で封止された可変形状鏡であって、
封止内部の圧力を検出する圧力センサが設けられていることを特徴とする可変形状鏡。