JP2021061308A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】フレーム部とガラス部との気密性を確保し得る光学デバイスを実現する。【解決手段】光学デバイス１０は、基板２０と、基板２０上に実装された光学素子３０と、ガラス付きリッド４０と、を備える。ガラス付きリッド４０は、フレーム部５０と、貫通孔５２を閉塞しつつ天板部５１に取り付けられた板状のガラス部４１とを有し、基板２０と共に光学素子３０を封止する。フレーム部５０は、中央に貫通孔５２を有する環状の天板部５１、天板部５１の全周囲の外縁部５１Ｃと接続しつつ下側に向かって延びる筒状の側壁部５３、側壁部５３の全周囲の下端部５３Ｂから外側に向かって張り出して基板２０に接合される環状のフランジ部５４を備える。天板部５１の厚さＴ２がガラス部４１の厚さＴ１以上である。側壁部５３の厚さＴ３が天板部５１の厚さＴ２より小さい。【選択図】図３

Description

本発明は、光学デバイスに関する。

特許文献１には、半導体型投射デバイスが開示されている。この半導体型投射デバイスは、セラミック基板の上面の凹部内に光学素子の一つであるＤＭＤ本体が実装してあり、ウィンドウリッドが基板上に凹部を塞いで接合されてなる構成である。ウィンドウリッドは、フレーム部材とガラス板部材とよりなる。このウィンドウリッドは、ガラス板部材の厚さが３ｍｍであり、フレーム部材の天板部の厚さが０．３ｍｍであり、フレーム部材のフランジ部の厚さが０．２５ｍｍである。

特開２００５−３１１１０７号公報

ところで、特許文献１に開示された装置では、ウィンドウリッドのフレーム部を基板に接合すると、フレーム部材に応力が加わり、その結果フレーム部材が変形する虞がある。そして、この変形によりフレーム部材とガラス板部材とが剥離してしまい、フレーム部材とガラス板部材との間の気密性が損なわれるおそれがある。

そこで、上述した課題の少なくとも一部を解決するために、フレーム部とガラス部との間の気密性を確保し得る光学デバイスを実現する。

本開示の一態様の光学デバイスは、
基板と、
前記基板上に実装された光学素子と、
中央に貫通孔を有する環状の天板部、前記天板部の全周囲の外縁部と接続しつつ下側に向かって延びる筒状の側壁部、前記側壁部の全周囲の下端部から外側に向かって張り出して前記基板に接合される環状のフランジ部を備えるフレーム部と、前記貫通孔を閉塞しつつ前記天板部に取り付けられた板状のガラス部とを有し、前記基板と共に前記光学素子を封止するガラス付きリッドと、
を備える光学デバイスであって、
前記天板部の厚さが前記ガラス部の厚さ以上であり、
前記側壁部の厚さが前記天板部の厚さより小さい。

上記の光学デバイスは、天板部の厚さをガラス部の厚さ以上とすることで、天板部の剛性を確保して、天板部の変形を抑制できる。その一方、側壁部の厚さを天板部の厚さより小さくすることで、フランジ部に加わった応力を、側壁部が変形することにより天板部に及びにくくする。この結果、天板部とガラス部とが剥離することを抑制でき、フレーム部とガラス部との間の気密性を維持できる。

本開示に係る光学デバイスにおいて、前記側壁部の高さが前記ガラス部の厚さ以下であってもよい。側壁部の高さがガラス部の厚さ以下であると、側壁部の高さがガラス部の厚さより大きい構成に比して、ガラス部を光学素子に近接させることができる。これにより、ガラス部の板面方向のサイズを小さくしても、光がガラス部を介して光学素子に斜め方向から入射することができ、ガラス部の小型化を図れる。一方、側壁部の高さがガラス部の厚さ以下である構成では、側壁部の高さがガラス部の厚さより大きい構成に比して、側壁部の高さが短く、側壁部が変形しにくい構成である。そのため、フランジ部に加わった応力が天板部に及びやすくなる。これに対し、上記光学デバイスは、天板部の厚さをガラス部の厚さ以上とすると共に、側壁部の厚さを天板部の厚さより小さくしているため、側壁部の高さがガラス部の厚さ以下である構成であっても、天板部とガラス部とが剥離することを抑制でき、フレーム部とガラス部との間の気密性を維持できる。

本開示に係る光学デバイスにおいて、前記フランジ部の厚さが前記側壁部の厚さより小さくてもよい。この構成によれば、フランジ部が変形しやすくなり、フレーム部が基板に接合される際にフレーム部に応力が加わりにくくすることができる。一方、側壁部は、フランジ部より厚いから、天板部を確実に支持することができる。

本開示に係る光学デバイスにおいて、前記ガラス部は、低融点ガラスにより前記天板部に接合されてなるものであってもよい。これにより、天板部とガラス部との密着性を向上させることができる。一方、低融点ガラスはガラス特有の引張応力により割れが生じやすい性質を有する。そのため、ガラス部が天板部に低融点ガラスにより接合されてなる構成では、天板部が変形してしまうことにより、ガラス部と天板部とが剥離することがある。これに対し、上記光学デバイスは、天板部の厚さをガラス部の厚さ以上とすると共に、側壁部の厚さを天板部の厚さより小さくしているため、ガラス部が低融点ガラスにより天板部に接合されてなる構成であっても、ガラス部と天板部とが剥離することを抑制でき、フレーム部とガラス部との間の気密性を維持できる。

上記一態様の光学デバイスでは、フレーム部材とガラス部との間の気密性を確保することができる。

図１は、第１実施形態に係る光学デバイスを示す斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線で切断した光学デバイスの断面図である。 図３は、図２の一部を拡大した拡大断面図である。 図４は、光学デバイスを示す上面図である。

＜第１実施形態＞
光学デバイス１０は、図１及び図２に示すように、基板２０、光学素子３０、ガラス付きリッド４０を備える。この光学デバイス１０は、空間光変調器として用いられる。以下の説明では、基板２０に対して光学素子３０が配置される側を光学デバイス１０の上側とし、基板２０に対して光学素子３０が配置される側とは反対側を光学デバイス１０の下側として、各部を説明する。

基板２０は、電子デバイス用パッケージとも称されるものである。基板２０の材質はセラミックスを例示できる。基板２０は、上面２０Ａ側に凹み形状をなすキャビティ２１を有し、キャビティ２１内に光学素子３０が配置されている。基板２０は、キャビティ２１の周囲に枠状の第１接合部２５が設けられている。第１接合部２５は、ガラス付きリッド４０を基板２０に接合するための接合部である。つまり、第１接合部２５の上面２５Ａがガラス付きリッド４０との接合面となる。第１接合部２５の材質はコバールを例示できる。基板２０は、シーム溶接によってガラス付きリッド４０が第１接合部２５に接合されて、キャビティ２１内が気密封止された構成となっている。図２及び図４において、シーム溶接された部分は、溶接部２６として示されている。

光学素子３０は、多数の微小鏡面を平面に配列したミラーであるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）で構成される。光学素子３０は、基板２０上に実装され、微小鏡面の傾斜角度に応じた方向に光を反射する構成となっている。

ガラス付きリッド４０は、フレーム部５０と、ガラス部４１とを有し、基板２０と共に光学素子３０を封止する。フレーム部５０とガラス部４１は、互いに気密に接合されて、ガラス付きリッド４０を構成する。

フレーム部５０は、天板部５１、側壁部５３、フランジ部５４を備える。フレーム部５０の材質はニッケル膜付コバールを例示できる。コバールは、常温での熱膨張率が硬質ガラスに近く、フレーム部５０とガラス部４１の接合において、気密性を確保するという観点で好ましい。

天板部５１は、中央に貫通孔５２を有する環状の部分である。天板部５１は、貫通孔５２がガラス部４１より一回り小さい平面視矩形状をなし、全体として、ガラス部４１より一回り大きい枠板状をなす。天板部５１は、厚さ方向を上下方向に沿わせた姿勢となる。天板部５１は、下面５１Ｂに第２接合部６０が設けられている（図３参照）。第２接合部６０は、ガラス部４１を天板部５１に接合するための接合部である。つまり、天板部５１の下面５１Ｂがガラス部４１との接合面となる。第２接合部６０の材質は低融点ガラスを例示できる。低融点ガラスは、溶融温度が硬質ガラス及びコバールより低く、かつ、天板部５１とガラス部４１との密着性が良好であり、天板部５１とガラス部４１とを気密に接合するという観点において好ましい。

側壁部５３は、天板部５１の全周囲の外縁部５１Ｃと接続しつつ下側に向かって延びる筒状の部分である。側壁部５３は、厚さ方向を上下方向と直交する方向に沿わせた姿勢となる。側壁部５３は、天板部５１を下方から支持し、天板部５１と基板２０の上面２０Ａとの間の空間を確保する支持部となる。側壁部５３は、ガラス部４１の周囲を囲むとともに、ガラス部４１の外周面４１Ｃと自身の内周面５３Ａとの間に隙間を有して配置されている（図３参照）。このような構成により、仮に側壁部５３が変形した場合であっても、側壁部５３の内周面５３Ａからガラス部４１の外周面４１Ｃに力が作用しないようになっている。

フランジ部５４は、側壁部５３の全周囲の下端部５３Ｂから周方向外側に向かって張り出し、基板２０に接合される環状の部分である。なお、本発明の「周方向」とは、上下方向と直交する方向を指す。また、本発明において、側壁部５３で囲まれた領域を側壁部５３の内側とし、側壁部５３に対して内側とは反対側を側壁部５３の外側とする。フランジ部５４は、側壁部５３の周囲を囲む枠板状をなし、厚さ方向を上下方向に沿わせた姿勢となる。フランジ部５４の下面５４Ｂは、側壁部５３の下面と面一状に連なる。フランジ部５４は、第１接合部２５の上方に重なる形で配置され、溶接部２６を介して第１接合部２５に接合されている。

ガラス部４１は、貫通孔５２を閉塞しつつ天板部５１に取り付けられた板状の部材である。ガラス部４１は、矩形平板状をなし、厚さ方向を上下方向に沿わせた姿勢で天板部５１の下方に配置される。ガラス部４１は、ガラス部４１の上面４１Ａと天板部５１の下面５１Ｂとの間に第２接合部６０を介在させる形で、天板部５１に接合されている（図３参照）。ガラス部４１の材質は硬質ガラスを例示できる。ガラス部４１は、光学素子３０の微小鏡面に入射する光と、光学素子３０の微小鏡面で反射した光が厚さ方向に沿って透過するように構成される。ガラス部４１の厚さＴ１は、強度を確保するという観点から、０．５ｍｍ以上が好ましく、１．０ｍｍ以上がより好ましい。ガラス部４１の厚さＴ１の上限値は特に定めるものではないが、通常３．０ｍｍ以下である。

続いて、ガラス付きリッド４０の各部の寸法について説明する。なお、本発明において、「ガラス部の厚さ」は、ガラス部において最も厚さ方向の寸法が小さい部分の厚さとする。また、「天板部の厚さ」は、天板部において最も厚さ方向の寸法が大きい部分の厚さとする。また、本願において、「側壁部の厚さ」は、側壁部において最も厚さ方向の寸法が小さい部分の厚さとする。「側壁部の高さ」は、側壁部の内周面における上端と下端の上下方向における距離であって、側壁部の周方向においてこの距離が最も小さい部分の距離とする。「フランジ部の厚さ」は、フランジ部において最も厚さ方向の寸法が小さい部分の厚さとする。なお、ガラス付きリッド４０のガラス部４１、天板部５１、側壁部５３、フランジ部５２は、どの部位においても略同じ厚さを有しているため、それぞれの最小厚さ、最大厚さについては、例えば断面を取得し、その最大厚さ、最小厚さと置き換えることも可能である。

図３に示すように、天板部５１の厚さＴ２はガラス部４１の厚さＴ１以上である。なお、ガラス部が各部で異なる厚さを有する構成において、天板部の厚さはガラス部の最大厚さ以上であってもよい。また、天板部が各部で異なる厚さを有する構成において、天板部の最小厚さはガラス部の厚さ以上であってもよい。本実施形態のガラス部４１は全域にわたって略同じ厚さであり、天板部５１は全域にわたって略同じ厚さである。天板部５１は、ガラス部４１との接合部位を含む全域において、ガラス部４１のいずれの部位よりも厚さが大きい構成となっている。

側壁部５３の厚さＴ３は天板部５１の厚さＴ２より小さい。このような構成により、側壁部５３の厚さＴ３が天板部５１の厚さＴ２と同等かそれ以上である構成に比して、側壁部５３が変形し易くなっている。この側壁部５３の厚さＴ３は天板部５１の厚さＴ２の１／２以下であってもよい。なお、側壁部が各部で異なる厚さを有する構成において、側壁部の最大厚さは天板部の厚さより小さくてもよい。また、天板部が各部で異なる厚さを有する構成において、側壁部の厚さは天板部の最小厚さより小さくてもよい。本実施形態の側壁部５３は、全域にわたって略同じ厚さである。

側壁部５３の高さＨ３はガラス部４１の厚さＴ１以下である。この側壁部５３の高さＨ３は、ガラス部４１の厚さ方向における側壁部５３の寸法である。言い換えれば、側壁部５３の高さＨ３は、天板部５１の下面５１Ｂを基準とした、側壁部５３の下方への突出高さである。ガラス部４１は天板部５１の下面５１Ｂに第２接合部６０を介して接合されており、ガラス部４１の下面４１Ｂは、第２接合部６０の厚さとガラス部４１の厚さＴ１の分、天板部５１の下面５１Ｂより下方に位置する。つまり、側壁部５３の高さＨ３がガラス部４１の厚さＴ１以下である構成では、ガラス部４１の下面５１Ｂが側壁部５３の下端部５３Ｂより下方に配置される。なお、ガラス部が各部で異なる厚さを有する構成において、側壁部の高さはガラス部における天板部の下面に接合される部分の厚さ以下であってもよい。

フランジ部５４の厚さＴ４は側壁部５３の厚さＴ３より小さい。このような構成により、フランジ部５４の厚さＴ４が側壁部５３の厚さＴ３と同等かそれ以上である構成に比して、フランジ部５４が変形し易くなっている。フランジ部５４において、側壁部５３から径方向外側に向かって張り出す寸法は、側壁部５３の厚さＴ３より大きい。なお、フランジ部が各部で異なる厚さを有する構成において、フランジ部の最大厚さは側壁部の厚さより小さくてもよい。側壁部が各部で異なる厚さを有する構成において、フランジ部の厚さは側壁部の最小厚さより小さくてもよい。本実施形態のフランジ部５４は、全域にわたって略同じ厚さである。

続いて、ガラス付きリッド４０を基板２０にシーム溶接する手順について説明する。シーム溶接はローラ電極（図示せず）がフランジ部５４上を回転移動している間、溶接電流を流して、ローラ電極の移動軌跡に沿って溶接部２６を形成する溶接方法である。ガラス付きリッド４０のフランジ部５４と基板２０の第１接合部２５は、溶接部２６によって全周に亘って接合される。この際、基板２０が長方形状であれば長手方向から先にシーム溶接を実施することにより、溶接部２６に発生する応力を小さくすることができる。また、図４の矢印で示すように、基板２０の中央側から外側に向かってシーム溶接すると、熱ひずみにより発生する熱応力を小さくすることができる。図４の矢印に付したギリシャ数字は、シーム溶接を実施する順番を表している。この場合、溶接部２６は基板２０の中央側において重なり代２７を設けることが好ましい。重なり代２７は、溶接時に熱ひずみにより発生する応力を小さくするという観点において、溶接部２６の延びる方向において０．１ｍｍ〜５ｍｍとすることが好ましく、０．５ｍｍ〜３ｍｍとすることがより好ましい。

続いて、本実施形態の光学デバイス１０の作用について説明する。基板２０は、製造上の誤差等により、第１接合部２５の上面２５Ａにおける平坦性にわずかながらばらつきを生じ得る。仮に、第１接合部２５の上面２５Ａが下方に湾曲しているとして、光学デバイス１０の作用を説明する。このような基板２０にガラス付きリッド４０をシーム溶接等により接合すると、フランジ部５４が第１接合部２５の上面２５Ａの湾曲形状に倣って変形する。光学デバイス１０は、フランジ部５４が湾曲することにより、フランジ部５４と第１接合部２５との気密性が確保される。一方、フランジ部５４が湾曲すると、フランジ部５４は引っ張り応力を生じる。フランジ部５４で生じた引っ張り応力は、フレーム部５０全体の変形を招く要因となる。本実施形態の光学デバイス１０は、天板部５１よりフランジ部５４側に位置する側壁部５３がフランジ部５４からの引っ張り応力によって湾曲して、天板部５１にかかる応力が緩和される。このため、光学デバイス１０は、天板部５１の湾曲が低減される。天板部５１の湾曲が低減されると、天板部５１から第２接合部６０に作用する応力が小さくなり、天板部５１とガラス部４１とが剥離することを抑制できる。

続いて、本実施形態の光学デバイス１０の効果について説明する。本実施形態の光学デバイス１０は、天板部５１の厚さＴ２をガラス部４１の厚さＴ１以上とすることで、天板部５１の剛性を確保して、天板部５１の変形を抑制できる。さらに、本実施形態の光学デバイス１０は、側壁部５３の厚さＴ３を天板部５１の厚さＴ２より小さくすることで、フランジ部５４に加わった応力を、側壁部５３が変形することにより天板部５１に及びにくくする。この結果、天板部５１とガラス部４１が剥離することを抑制できる。

したがって、本実施形態の光学デバイス１０は、フレーム部５０とガラス部４１との気密性を維持することができる。本実施形態の光学デバイス１０を作成して、その効果を確認する実証実験を行った。作成した光学デバイス１０を１２０℃に熱したフッ素系不活性液体に浸漬したところ、光学デバイス１０から泡の発生は無く、光学デバイス１０の気密性が維持できていることが確認できた。

本実施形態では、側壁部５３の高さＨ３がガラス部４１の厚さＴ１以下である。側壁部５３の高さＨ３がガラス部４１の厚さＴ１以下とすると、側壁部５３の高さＨ３がガラス部４１の厚さＴ１より大きい構成に比して、ガラス部４１を光学素子３０に近接させることができる。このため、ガラス部４１の板面方向のサイズを小さくしても、光がガラス部４１を介して光学素子３０に斜め方向から入射することができ、ガラス部４１の小型化を図れる。一方、側壁部５３の高さＨ３がガラス部４１の厚さＴ１以下である構成では、側壁部５３の高さがガラス部４１の厚さより大きい構成に比して、側壁部５３の高さが短く、側壁部５３が変形しにくい構成である。そのため、フランジ部５４に加わった応力が天板部５１に及びやすくなる。これに対し、本実施形態の光学デバイス１０は、天板部５１の厚さＴ２をガラス部４１の厚さＴ１以上とすると共に、側壁部５３の厚さＴ３を天板部５１の厚さＴ１より小さくしているため、側壁部５３の高さＨ３がガラス部４１の厚さＴ１以下である構成であっても、天板部５１とガラス部４１とが剥離することを抑制でき、フレーム部５０とガラス部４１との気密性を維持できる。

本実施形態では、フランジ部５４の厚さＴ４が側壁部５３の厚さＴ３より小さい。この構成によれば、フランジ部５４が変形しやすくなり、フレーム部５０が基板２０に接合される際にフレーム部５０に応力が加わりにくくすることができる。一方、側壁部５３は、フランジ部５４より厚いから、天板部５１を確実に支持することができる。

本実施形態では、ガラス部４１は、低融点ガラスにより天板部５１に接合されてなる。これにより天板部５１とガラス部４１との密着性を向上させることができる。一方、低融点ガラスはガラス特有の引張応力により割れが生じやすい性質を有する。そのため、ガラス部４１が天板部５１に低融点ガラスにより接合されてなる構成では、天板部５１が変形してしまうことにより、ガラス部４１と天板部５１とが剥離することがある。これに対し、本実施形態の光学デバイス１０は、天板部５１の厚さＴ１をガラス部４１の厚さＴ２以上とすると共に、側壁部５３の厚さＴ３を天板部５１の厚さＴ１より小さくしているため、ガラス部４１が低融点ガラスにより接合されてなる構成であっても、ガラス部４１と天板部５１とが剥離することを抑制でき、フレーム部５０とガラス部４１との間の気密性を維持できる。

＜他の実施形態＞
本発明は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述又は後述の実施形態の特徴は、矛盾しない範囲であらゆる組み合わせが可能である。また、上述又は後述の実施形態のいずれの特徴も、必須のものとして明示されていなければ省略することもできる。更に、上述した実施形態を、次のように変更してもよい。

光学素子は、ＤＭＤの代わりに、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）で構成されてもよい。この場合、光学デバイスはＣＭＯＳセンサーとして用いることができる。

上記実施形態以外にも、基板の形状及び各部の寸法と、ガラス付きリッドの形状及び各部の寸法は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、基板の実装面がキャビティを有しない平面状である構成において、側壁部の高さをガラス部の厚さ以上としてもよい。また、上記実施形態以外にも、各部の材質、各部の接合方法は適宜変更可能である。

本願において、光学デバイスの上下方向を基板に対して光学素子が配置される位置を基準として定めたが、光学デバイスは、この上下方向を鉛直方向と一致させた姿勢で設置されてもよく、この上下方向を鉛直方向とは異なる方向に沿わせた姿勢で設置されてもよい。

１０…光学デバイス
２０…基板
３０…光学素子
４０…ガラス付きリッド
４１…ガラス部
５０…フレーム部
５１…天板部
５１Ｃ…外縁部
５２…貫通孔
５３…側壁部
５３Ｂ…下端部
５４…フランジ部
５４Ｂ…下面
６０…第２接合部（低融点ガラス）

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に実装された光学素子と、
   中央に貫通孔を有する環状の天板部、前記天板部の全周囲の外縁部と接続しつつ下側に向かって延びる筒状の側壁部、前記側壁部の全周囲の下端部から外側に向かって張り出して前記基板に接合される環状のフランジ部を備えるフレーム部と、前記貫通孔を閉塞しつつ前記天板部に取り付けられた板状のガラス部とを有し、前記基板と共に前記光学素子を封止するガラス付きリッドと、
   を備える光学デバイスであって、
   前記天板部の厚さが前記ガラス部の厚さ以上であり、
   前記側壁部の厚さが前記天板部の厚さより小さい、
   光学デバイス。
2. 前記側壁部の高さが前記ガラス部の厚さ以下である、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記フランジ部の厚さが前記側壁部の厚さより小さい、請求項１又は請求項２に記載の光学デバイス。
4. 前記ガラス部は、低融点ガラスにより前記天板部に接合されてなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学デバイス。

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