JP3406276B2 - マイクロミラー素子並びにそれを用いた光ピックアップ装置 - Google Patents

マイクロミラー素子並びにそれを用いた光ピックアップ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高密度光記録媒体の
光ピックアップ装置に関し、特に、光線位置制御及び光
信号検出のためのマイクロミラー素子並びにそれを用い
た光ピックアップ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】最近マルチメディア技術の急速な発達
は、情報記録装置の大容量化、高速化、情報記録密度に
対する単価の低廉化などに大きな影響を受けている。パ
ーソナルコンピュータの性能向上とインターネットな
ど、データ通信の急速な普及、VOD(Video On Deman
d)、高品位テレビジョンの出現などにより、動画像、音
声信号を含む大量のデータを実時間で処理できる大容量
情報記録媒体の必要性が更に要求されている。
【0003】既存のHDD(Hard Disk Drive)の記録密
度を高め、かつ容量を増加させることにより、その要求
に応じるための磁器記録装置の商品が現れているが、磁
器記録方式の場合、記録密度の物理的限界のため、平方
インチ当たり10ギガバイト以上を実現することは非常
に難しい。
【0004】光学係を用いた情報記録装置は、コンパク
トディスク系列の一般化を初めとして、パーソナルコン
ピュータの主要補助記憶装置として定着し、より広範囲
なマルチメディア環境に適用可能なデジタル多機能ディ
スク(digital versatile disc:DVD)システムへも
実用化されている。
【0005】特に、光学方式の情報記録装置は速い応答
速度、非接触式ピックアップなどの長所を有し、特に、
記録/再生のためのレーザー光源の波長範囲までデータ
が高密度化できるという長所がある。ここで、データの
高密度化は、データビット間の間隔またはデータトラッ
ク間の間隔であるトラックピッチが記録/再生用光源の
波長範囲程度に縮小することを意味する。従って、記録
/再生用レーザービームがトラックピッチの位置に正確
に照射されるようレーザービームの位置を調節できる光
学系が高密度光情報記録装置において重要な課題となっ
ている。
【0006】マイクロマシーニング技術を用いた超微細
光学系の出現は前述したような超精密レーザービームの
変位制御を実現できる技術として期待されている。
【0007】光情報記録装置のみならず、新概念の画像
表示装置であるテキサスインスツルメント社のDMD
(Digital Mirror Display)の例は微少光学素子のマイ
クロミラーの配列を応用したものである。
【0008】また、多結晶シリコンの表面マイクロマシ
ーニング(surface micromaching)を用いたバーコード
判読用レーザービームスキャナに関する研究(J.Microe
lectromech. Syst. vol. 7, no. 1, pp. 27-37, 1998)
も報告されるなど、マイクロマシーニングにより実現可
能な超微細光学系の応用分野が拡大されている。
【0009】図1は従来の技術に係る光ピックアップ装
置を概略的に示したものである。図1のように、従来の
光ピックアップ装置は、光源のレーザーダイオド21か
らレーザービームが出力され、そのレーザービームは視
準レンズ22、集束レンズ24、26、28及び光分割
器23、 サブマウント25の45°傾斜面に位置した
ミラー30などが適宜整列された光学系の要素を通過し
て、入力光がディスク27の表面の特定のデータビット
位置に到達した後、ディスク27の表面から再び反射さ
れ、光信号検出用フォトダイオド素子29に到達するこ
とによって、特定データのディジタル符号(0又は1)
を判別している。
【0010】ミラー30はレーザービームが光ディスク
上の特定の位置にあるデータを探すことができるよう細
かく移動する。このミラーの微細な移動はボイスコイル
モータアクチュエータなどの位置調節装置によって制御
されている。
【0011】しかし、上記従来技術の光学系は、光源の
位置調節やミラーの反射角度の微細な調整など、入力光
の位置調節に限られており、しかも、その構造が非常に
複雑となって、単価が高いという短所がある。
【0012】上記従来の光ピックアップ装置は次のよう
な問題点があった。 第一、従来の光学系は光源の位置調節や反射角度の変化
など、入力光の位置調節にのみ限られており、光の位置
調節精密度においても多少落ちる。 第二、従来の光学系は部品の数が多く、大きくて複雑で
あるため、量産性が良くなく、単価が高い。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題を解決するため成されたもので、光線の位置調節機
能と光信号検出の機能を一体化して光学系の部品数を減
らし、光学系の構成を単純化させることのできるマイク
ロミラー素子並びにそれを用いた光ピックアップ装置を
提供することにその目的がある。
【0014】本発明の他の目的は微細駆動ミラーを用い
て、入力光線の位置調節精密度を向上させることのでき
るマイクロミラー素子並びにそれを用いた光ピックアッ
プ装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るフォトダイオドが集積したマイクロミ
ラー素子は、基板上に形成されるミラー駆動部と、ミラ
ー駆動部によって上下に平行に移動し、入射光の位置を
微細調節して反射させ、前記光の一部を透過させる光分
割ミラー部と、光分割ミラー部の下部に位置して、前記
光分割ミラー部から透過した光を感知する光感知部とを
備え、前記光感知部はpn接合フォトダイオド、ピン接
合フォトダイオドのうち何れかからなっている。
【0016】ミラー駆動部は印加される制御信号に従っ
て変位が発生する圧電アクチュエータと、光分割ミラー
部と圧電アクチュエータに連結され、前記圧電アクチュ
エータの変位を前記光分割ミラー部へ伝達して、前記光
分割ミラー部を移動させる連結部と、圧電アクチュエー
タの変位を制御する制御部とを備え、圧電アクチュエー
タは基板とミラー部との間に所定の厚さに形成されるス
ペーサと、基板の表面に対して一定の間隔離れて形成さ
れる片持ちばりと、片持ちばりの上部或いは内部に形成
される圧電体とを更に備えている。
【0017】また、光分割ミラー部は入射光の一部は反
射させ、光の他の一部は透過させるミラーと、ミラーの
下部面に形成され、ミラーを支持する透明支持体とを更
に備え、ミラーはグレーティングハーフミラー、フレネ
ルレンズのうち何れかからなっている。
【0018】本発明に係るマイクロミラー素子を用いた
光ピックアップ装置は、光を発生する光源モジュール
と、光源モジュールから発生した光を光記録媒体の表面
に集束する第1、第2集束部と、その第1、第2集束部
の間に位置し、前記第1集束部を介して入射する光の位
置を微細調節して、前記第2集束部を介して前記光記録
媒体に反射させ、その光記録媒体から反射し返した光を
検知して電気的信号に変換するマイクロミラー素子とを
備えている。
【0019】この様にすることで、光の微細位置調節の
ための分光ミラーと光信号検出のためのフォトダイオド
を一つの一体型素子に集積化して、光学系の大きさを超
小型化し、光学系の組立過程を単純化して量産性を高
め、光学系の単価を減少させることができる。また、ミ
ラー駆動のための微細アクチュエータを結合させ、光の
位置調節精密度を改良することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るマイクロミラ
ー素子並びにそれを用いた光ピックアップ装置の好適な
実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。図2aは
本発明に係るマイクロミラー素子の構造を示す斜視図で
あり、図2bは図2aのI−I線で一部切断してマイク
ロミラー素子の内部構造を示す斜視図である。
【0021】まず、図2aないし図2bに示すように、
本発明のマイクロミラー素子は、光分割ミラーを駆動さ
せるミラー駆動部と、ミラー駆動部によって上下に移動
する光分割ミラー部と、光分割ミラー部の下部に位置し
て、光分割ミラー部から透過した光を感知する光感知部
とから構成されている。
【0022】ここで、光感知部は、シリコン基板1の上
部または内部に拡散やイオン注入などのドーピング工程
で、必要な面積を有するように形成されたpnまたはピ
ン接合フォトダイオド7で構成されている。フォトダイ
オド7の表面に、入射光の反射損失を最小化するため
に、回折防止膜を追加で形成させてもよい。
【0023】そして、ミラー駆動部は片持ちばり3と、
圧電物質からなる圧電アクチュエータ5と、圧電アクチ
ュエータと光分割ミラー部とを連結させる連結部である
ヒンジ(図示せず)と、圧電アクチュエータの変位を制
御する制御部(図示せず)とから構成されている。
【0024】ここで、圧電アクチュエータの片持ちばり
3は、基板1の端部に所定の厚さに形成されたスペーサ
ー2によって、基板1の中央部分に位置したフォトダイ
オド7の表面上から一定の間隔離れるように形成され
る。フォトダイオド7の表面から離れた片持ちばり3
は、光分割ミラー部に対して対称的に形成され、連結ヒ
ンジによって光分割ミラー部の支持体4に連結される。
ここで、対称に形成される片持ちばりは一例であり、そ
の他にも多様な方式で形成され得る。
【0025】また、光分割ミラー部は入射光の一部は反
射させ、光の他の一部は透過させるミラー6と、ミラー
6の下部面に形成され、ミラー6を支持する透明支持体
4とから構成されている。ここで、ミラー6はグレーテ
ィングハーフミラー、またはフレネルレンズのような形
態で、入力光に対して反射度の高い物質より形成され
る。そして、光分割ミラー部の透明支持体4は片持ちば
り3と同様に、フォトダイオド7の表面から一定の間隔
離れて形成される。
【0026】本実施形態においては圧電アクチェータ5
への電圧印加に応じて湾曲する片持ちばり3によって支
持部4をフォトダイオード7に対して並進移動させるも
のであり、ほぼ正方形の支持部4の各辺に沿って配置さ
れた片持ちばり3の先端部がそれぞれの対応する辺の側
面のほぼ中央に図示しないヒンジにより回転自在に取り
付けられている。圧電アクチェータ5は片持ちばり3の
表面にその長手方向に沿って配置されている。圧電アク
チェータ5は片持ちばりの表面である必要はなく、片持
ちばりの内部に配置しても良い。このように圧電アクチ
ェータ5が片持ちばり3の長手方向に配置されているの
で、圧電アクチェータ5へ電圧を加えて圧電アクチェー
タ5を変位させると、片持ちばり3もそれに応じて湾曲
するように変位する。片持ちばり3の先端部が支持体の
各辺のほぼ中央に取り付けられているので、結局支持
体、すなわちミラーが並進運動する。アクチェータ5へ
加える電圧を同一にしないとミラーをフォトダイオード
7の面に対してわずかに傾斜させることができるのは理
解できるであろう。
【0027】このように構成される本発明のマイクロミ
ラー素子は、光の微細位置調節のための光分割ミラー
と、光信号検出のためのフォトダイオド、及び光分割ミ
ラーを駆動させる微細アクチュエータが一体化されてい
るので、これを光ピックアップ装置に適用すると、光ピ
ックアップ装置の構造が非常に簡単となる長所がある。
【0028】図3は本発明によるマイクロミラー素子を
用いた光ピックアップ装置を概略的に示す図面であり、
図3に示すように、本発明の光ピックアップ装置はレー
ザー光源13と、第1、第2集束レンズ14、15と、
サブマウント12の45°傾斜面に位置した平行駆動光
分割マイクロミラー素子11とから構成されている。こ
の素子11は図2で説明した素子である。
【0029】以下、本発明の光ピックアップ装置の動作
を説明する。まず、レーザー光原13から放出した記録
/再生用レーザービームは第1集束レンズ14に入射さ
れ、その第1集束レンズ14によって、フォトダイオド
が集積されたた平行駆動光分割マイクロミラー素子11
に集束した後、その一部が反射して第2集束レンズ15
に入射した後、データが記録/再生される光ディスク1
6のデータマーク位置に集束する。
【0030】ここで、平行駆動光分割マイクロミラー素
子11は、レーザービームの進行方向と45°をなすサ
ブマウント12上に装着され、入射するレーザービーム
の経路を微細に変化させることにより、光ディスク16
上に集束するレーザービームの位置を微細に調節する。
即ち、レーザービームの位置をデータトラックピッチよ
り小さく制御することにより、高密度データマークのト
ラックピッチを正確に探すことができる。
【0031】次いで、光ディスク16に記録されたデー
タマークに集束したレーザービームはデータマークから
反射され、その光路を逆行して、第2集束レンズ15を
経、マイクロミラー素子11のフォトダイオドに入射し
てデータを判別する。マイクロミラー素子11内のフォ
トダイオドは第2集束レンズ15から入射するレーザー
ビームの光量を電気的信号に変換するが、この電気的信
号には光ディスク16に記録された情報が含まれてい
る。
【0032】このように、本発明では45°サブマウン
ト12上に組み立てられた平行駆動光分割マイクロミラ
ー素子11を用いて、光ディスクのデータピッチトラッ
キングの精密度を高めることができ、従来のように光分
割器、視準レンズなどが必要でないから、光学系の大き
さを最小に縮小できるという長所がある。
【0033】以下、このような長所を有する光ピックア
ップ装置のうち、本発明の核心となる平行駆動光分割マ
イクロミラー素子の駆動原理をより詳しく説明する。
【0034】図4は本発明に係る平行駆動光分割マイク
ロミラーによる記録/再生用レーザービームの反射を示
す断面図であって、図4に示すように、平行駆動光分割
マイクロミラーの位置を精密に調節することにより、反
射したレーザービームの光経路を精密に調節することが
できる。
【0035】図4に示すように、基板上にマイクロマシ
ーニング工程などで加工して実現されたマイクロミラー
が、それに連結された圧電アクチュエータの変形によっ
て上/下に微細に移動する。即ち、マイクロミラーは外
部の制御部から印加される電圧/電流に比例して平行変
位hが発生する。この平行変位hが発生すると、入力レ
ーザービームの光軸はdだけ変化する。dとhの関係は
入力レーザービームとサブマウント12とがなす45°
角度により次のように求められる。 d=h/tan 45°=√2h
【0036】従って、図4のように、光ディスク16の
反射度または吸収係数はディスクの位置によって異な
る。圧電アクチュエータ(3,5)でマイクロミラーの
変位を調節して、特定波長のレーザービームを吸収する
光ディスクの領域18に照射するレーザービーム31
を、反射度の高い光ディスクの領域17へのレーザービ
ーム33へ移動させるように制御することができる。こ
のようにして、光学的性質の異なる各データ領域17、
18から反射するレーザービームを平行駆動光分割マイ
クロミラーの下に集積されているフォトダイオドに戻
し、光ディスク16の各データ領域17、18に対する
情報を判読できる。
【0037】もし、この種の素子をバーコード判読器に
応用する場合も前記過程を経てバーコード情報を復元/
判別できる。
【0038】図5a及び図5bはマイクロミラー素子の
駆動原理をより詳細に示す図面であって、図5aはマイ
クロミラー素子に電源を印加してない場合であり、図5
bはマイクロミラー素子に電源を印加した場合である。
【0039】図5aに示すように、サブマウント12に
取り付けられたマイクロミラー素子の圧電アクチュエー
タ5の上部と片持ちばりの表面に形成された電極にそれ
ぞれ電源を連結する。電圧を印加しないと圧電アクチュ
エータ5は変化しない。従って、入射するレーザービー
ムは透明支持体4に支持されたミラー6によって、その
一部31が反射して光ディスクに向かい、残りは反射防
止膜8を経てフォトダイオド7に入射する。そして、光
ディスクに向いたレーザービーム31はその経路に位置
した光ディスクの情報を有して反射して戻り、その反射
して戻ったレーザビーム32の一部はミラー4を透過し
てフォトダイオド7に入射し、残りはミラー4により反
射する。
【0040】一方、図5bに示すように、電源に駆動電
圧が印加されると、圧電アクチュエータ5の変形によっ
てミラー4は垂直方向に変位が発生する。従って、入射
するレーザービームは、変位が発生したミラー4によっ
て、その一部33が反射して光ディスクに向かい、残り
は反射防止膜8を経てフォトダイオド7に入射する。
【0041】そして、光ディスクに向いたレーザビーム
34はその経路に位置した光ディスクの情報を有して反
射して返り、その反射したレーザービーム34の一部は
ミラー4を透過してフォトダイオド7に入射し、残りは
ミラー4によって反射する。ここで、フォトダイオド7
は光ディスクから情報を有して反射し返した光を感知す
るが、そのフォトダイオドの出力を用いて、図6に示す
ように光情報をデジタル化する。
【0042】まず、フォトダイオドの受光量または光強
度により変化するフォトダイオド出力電流IPDをデジタ
ル変換基準電流(又はしきい値電流:Irefと比較す
る。このとき、基準電流に比べて大きいフォトダイオド
の出力電流は光ディスクの情報領域のうち、反射度の高
い領域からレーザービームが反射し返したと判断して、
デジタルコード「1」に付与する。そして、基準電流に
比べて小さいフォトダイオドの出力電流は、光ディスク
の情報領域のうち、吸収領域からレーザービームが反射
し返した場合と判断して、デジタルコード「0」を付与
する。ここで、フォトダイオドの出力電流は光源から出
力したレーザービームの一部と光ディスクから反射して
戻ったレーザービームの一部とを合わせた光量の電流と
なる。
【0043】また、弁別可能なデータビットの幾何学的
大きさは、平行駆動光分割マイクロミラーの駆動解像度
と、ミラーから反射した光が光ディスクに集束するとき
光の焦点大きさとにより決定される。ここで、微細アク
チュエータの駆動解像度は数十ナノメータが容易に実現
でき、結局、弁別可能な最小データビットの大きさは入
力光源の波長と集束光学レンズの開口数(NA)によっ
て下限が決定される。
【0044】このように、本発明によるマイクロミラー
素子並びにそれを用いた光ピックアップ装置は、マイク
ロマシーニング技法及び半導体一貫工程のフォトリソグ
ラフィ工程などにより光学系の要素を集積化できるの
で、光学系の組立/整列過程を減らして、整列精密度を
改善することができる。
【0045】また、本発明は超精密光線位置調節特性と
光の集束機能とを結合するので、高密度光情報記録装置
に応用可能であり、ミラー駆動と駆動による光学特性の
変化を検出して、その検出光信号をミラー駆動のための
フィードバック信号に活用する閉鎖形制御に用いること
ができる。
【0046】また、ミラーを平板面に対して平行に駆動
させるため、DMDや光スキャナで用いられているミラ
ーの傾斜方式に比べビーム位置調節の空間分解能が高め
られ、このような分解能向上により、高密度光情報記録
媒体のピックアップに活用できる。
【0047】それ以外も本発明は光情報記録システム、
超精密レーザービームスキャナ、オプティカルステアリ
ング装置(optical steering device)などその応用分野
が広がっている。
【0048】
【発明の効果】以上で説明したように、本発明に係るマ
イクロミラー素子並びにそれを用いた光ピックアップ装
置は次のような効果がある。本発明は光部品のミラー、
光信号検出フォトダイオド、光線位置調節器を一体化/
集積化することにより、光学系の大きさを超小型化する
ことができ、また、シリコン半導体一貫の製造工程及び
マイクロマシーニング技法を用いて製作することによ
り、製品の単価を節減し、製作素子間の均一度を向上さ
せ、光学部品の数を減らすことができ、光学系部品の組
立工程を大幅減少させることができる。
【0049】また、平行駆動微細アクチュエータを用い
て光線の位置調節をナノメータ水準に制御できると共
に、位置制御した光線で判別可能な光媒体の情報を集積
したフォトダイオドを用いて判読できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の技術による光ピックアップ装置を概略的
に示す図面。
【図2a】本発明によるマイクロミラー素子の構造を示
す斜視図。
【図2b】図2aのI−I線上によるマイクロミラー素
子の内部構造を示す斜視図。
【図3】本発明によるマイクロミラー素子を用いた光ピ
ックアップ装置を概略的に示す図面。
【図4】本発明による平行駆動光分割マイクロミラーに
よる記録/再生用レーザービームの反射を示す断面図。
【図5a】本発明によるマイクロミラー素子に電源を印
加してない場合のレーザービームの反射を示す断面図。
【図5b】本発明によるマイクロミラー素子に電源を印
加した場合のレーザービームの反射を示す断面図。
【図6】フォトダイオドの出力電流を用いて光情報をデ
ジタル化したグラフ。
【符号の説明】
1:基板 2:スペーサー 3:片持ちばり 4:支持体 5:アクチュエータ 6:ミラー 7:フォトダイオド 8:回折防止膜 11:マイクロミラー素子 12:サブマウント 13:光源 14:第1集束レンズ 15:第2集束レンズ 16:光デ ィスク 17:反射領域 18:吸収領域 31、32、33、34:反射光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G11B 7/13 G11B 7/13 7/135 7/135 A H01L 31/0232 H01L 31/02 D (56)参考文献 特開 平2−192039(JP,A) 特開 昭58−102341(JP,A) 特開 昭54−17703(JP,A) 特開 平11−353676(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 26/00 - 26/08

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上下に平行に移動して、入射光の位置を
    微細調節して反射させ、入射光の一部を透過させる光分
    割ミラー部と、印加される制御信号に従って変位が発生する圧電アクチ
    ュエータと、前記光分割ミラー部と圧電アクチュエータ
    に連結され、前記圧電アクチュエータの変位を前記光分
    割ミラー部へ伝達して、前記光分割ミラー部を移動させ
    る連結部と、前記圧電アクチュエータの変位を制御する
    制御部とからなるミラー駆動部と、 前記光分割ミラー部の下部に位置して、前記光分割ミラ
    ー部から透過した光を感知する光感知部とにより構成さ
    れることを特徴とするマイクロミラー素子。
  2. 【請求項2】 前記圧電アクチュエータはマイクロミラ
    ー素子の縁部に所定の厚さに形成されるスペーサと、 基板の表面に対して一定の間隔離れて形成される片持ち
    ばりと、 前記片持ちばりの上部或いは内部に形成される圧電体と
    からなることを特徴とする請求項に記載のマイクロミ
    ラー素子。
  3. 【請求項3】 前記片持ちばりは前記光分割ミラー部に
    一定の間隔を置いて形成され、前記光分割ミラー部に対
    して対称的に形成されることを特徴とする請求項に記
    載のマイクロミラー素子。
  4. 【請求項4】 前記光分割ミラー部は入射光の一部は反
    射させ、光の他の一部は透過させるミラーと、 前記ミラーの下部面に形成され、ミラーを支持する透明
    支持体とを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の
    マイクロミラー素子。
  5. 【請求項5】 前記ミラーはグレーティングハーフミラ
    ー、フレネルレンズのうち何れか一つであることを特徴
    とする請求項に記載のマイクロミラー素子。
  6. 【請求項6】 前記光感知部は基板の上部または内部に
    形成されたpn接合フォトダイオド、ピン接合フォトダ
    イオドのうち何れか一つであることを特徴とする請求項
    1に記載のマイクロミラー素子。
  7. 【請求項7】 前記光感知部の表面には反射防止膜が形
    成されることを特徴とする請求項1に記載のマイクロミ
    ラー素子。
  8. 【請求項8】 前記光分割ミラー部は前記光感知部に対
    して一定の間隔離れて形成されることを特徴とする請求
    項1に記載のマイクロミラー素子。
  9. 【請求項9】 光を発生する光源モジュールと、 前記光源モジュールから発生した光を光記録媒体の表面
    に集束する第1、第2集束部と、 前記第1、第2集束部の間に位置するとともに前記第1
    集束部を介して入射する入射光の入射方向と45゜をな
    すサブマウント上に装着され、前記入射光を反射させて
    前記第2集束部を介し前記光記録媒体に入射させるミラ
    ーと、前記ミラーを前記サブマウント面に対して直角方
    向に移動させることにより前記ミラー上における前記入
    光の位置を微細調節しこの微細調節された入射光に応
    じた反射光を前記光記録媒体に入射させる圧電アクチュ
    エータと、前記圧電アクチュエータの制御に基づき前記
    ミラー側から前記光記録媒体に入射され前記光記録媒体
    により反射されて前記ミラーを透過する光を検知する
    と、この検知光を電気的信号に変換する光感知部とから
    なるマイクロミラー素子とにより構成されることを特徴
    とするマイクロミラー素子を用いた光ピックアップ装
    置。
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