JP6947240B2

JP6947240B2 - 光デバイス

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Publication number: JP6947240B2
Application number: JP2020055722A
Authority: JP
Inventors: 栗原　誠; 誠栗原
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2036-04-15
Also published as: JP2020112816A

Description

本発明は光デバイスに関する。

プロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等の投射型の画像表示装置には、液晶表示素子や光偏向器等の光デバイスが用いられている。特許文献１には、光偏向器の一例としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用した光スキャナが記載されている。

特開２００５−１４８４５９号公報

光スキャナの偏向駆動されているミラーにレーザ光が照射されると、レーザ光はミラーによって反射され、ミラーの偏向方向に走査される。このような光スキャナによってレーザ光が水平方向及び垂直方向に走査されることで、スクリーン上に画像を表示させることができる。

ミラーが偏向駆動している状態では、ミラーは、周囲の空気と擦れ合うことにより帯電する。ミラーが帯電すると、空気中のパーティクル、ドライエッチング等の加工時に発生した残渣、接着剤のアウトガス成分等の不純物がミラーに付着する。その結果、ミラーが曇った状態になる。曇った状態のミラーにレーザ光が照射されると、レーザ光の一部が散乱してレーザ光のスポット形状や光量が変化するため、画像品位を悪化させる要因となる。

本発明は、ミラーの曇りを低減し、画像品位の悪化を抑制することができる光デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、凹部及び前記凹部の底面に形成された導電性のダイパッドを有するパッケージと、前記凹部に収容されて前記ダイパッドに固定され、偏向駆動するミラーを有する光学素子と、前記光学素子の上方に配置され、前記ミラーに対応する位置に前記ミラーの外形よりも大きな開口部を有する導電性の遮光板とを備え、前記ミラーは導電性を有する活性層で形成され、前記活性層と前記ダイパッドとは導電性部材を介して接続されていることを特徴とする光デバイスを提供する。

本発明の光デバイスによれば、ミラーの曇りを低減し、画像品位の悪化を抑制することができる。

第１実施形態の光デバイスを示す構成図である。図１のＡ−Ａで切断した光デバイスの断面図である。図１のＢ−Ｂで切断した光デバイスの断面図である。光偏向素子を示す構成図である。図４のＣ−Ｃで切断した光偏向素子の断面図である。第２実施形態の光デバイスを示す構成図である。

［第１実施形態］
図１〜図５を用いて、第１実施形態の光デバイスを説明する。第１実施形態では、光デバイスとして、ＭＥＭＳ技術を利用した光スキャナを例に挙げて説明する。図１〜図３は第１実施形態の光デバイスである光スキャナ１を示している。なお、説明をわかりやすくするために、図１は、図２及び図３に示す蓋部がない状態を示している。

図１〜図３に示すように、光スキャナ１は、パッケージ１０と、光学素子の一形態である光偏向素子２０と、導電性を有する遮光板３０と、ＬＩＤと呼ばれる蓋部４０とを備える。

パッケージ１０は、凹部１１を有する筐体１２と、凹部１１の底面１１ａに形成された導電性を有するダイパッド１３と、凹部１１の段部１１ｂに形成された導電性を有するボンディングパッド１４ａ〜１４ｆと、筐体１２の上面１２ａに形成されたシールリング１５とを備える。

筐体１２は、複数のシート状のセラミック材料が積層された積層構造を有する。底面１１ａ、段部１１ｂ、及び上面１２ａは互いに異なるセラミック層により形成されている。段部１１ｂは底面１１ａよりも高い位置に形成され、上面１２ａは段部１１ｂよりも高い位置に形成されている。ダイパッド１３、ボンディングパッド１４ａ〜１４ｆ、及びシールリング１５は、金属材料により形成されている。光偏向素子２０は筐体１２の凹部１１に収容され、ダイパッド１３に固定されている。

図４及び図５を用いて光偏向素子２０を説明する。

図４に示すように、光偏向素子２０は、支持体２２と、アーム２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂと、トーションバー２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂと、圧電素子２７，２８と、ミラー２９とを有する。

支持体２２は枠状の平面形状を有する。支持体２２の枠内の空隙部には、アーム２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂと、トーションバー２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂと、ミラー２９とが配置されている。

アーム２３ａは、一端側が支持体２２に固定され、他端側がトーションバー２５ａの一端側に接続されている。アーム２３ｂは、一端側が支持体２２に固定され、他端側がトーションバー２５ｂの一端側に接続されている。アーム２４ａは、一端側が支持体２２に固定され、他端側がトーションバー２６ａの一端側に接続されている。アーム２４ｂは、一端側が支持体２２に固定され、他端側がトーションバー２６ｂ一端側に接続されている。

アーム２３ａとアーム２３ｂとは、一対のアームを構成し、ミラー２９の重心ＣＧを通り、回動中心軸ＣＡと直交する中心線ＣＬを線対称として対向配置されている。アーム２４ａとアーム２４ｂは、一対のアームを構成し、中心線ＣＬを線対称として対向配置されている。アーム２３ａとアーム２４ａとは、回動中心軸ＣＡを線対称として対向配置されている。アーム２３ｂとアーム２４ｂとは、回動中心軸ＣＡを線対称として対向配置されている。

トーションバー２５ａは、一端側がアーム２３ａに接続され、他端側がミラー２９に接続されている。トーションバー２５ｂは、一端側がアーム２３ｂに接続され、他端側がミラー２９に接続されている。トーションバー２６ａは、一端側がアーム２４ａに接続され、他端側がミラー２９に接続されている。トーションバー２６ｂは、一端側がアーム２４ｂに接続され、他端側がミラー２９に接続されている。

圧電素子２７は、アーム２３ａ上の領域及びアーム２３ｂ上の領域を含んで形成されている。圧電素子２８は、アーム２４ａ上の領域及びアーム２４ｂ上の領域を含んで形成されている。

圧電素子２７及び圧電素子２８は、下電極と圧電体と上電極とが積層された積層構造を有する。支持体２２上には、圧電素子２７の上電極から延伸する引き出し電極２７ａ、及び、圧電素子２７の下電極から延伸する引き出し電極２７ｂが形成されている。また、支持体２２上には、圧電素子２８の下電極から延伸する引き出し電極２８ａ、及び、圧電素子２８の上電極から延伸する引き出し電極２８ｂが形成されている。

図５に示すように、光偏向素子２０は、支持体層２１ａ上に、ＢＯＸ層２１ｂと、活性層２１ｃと、絶縁層２１ｄと、下電極層２１ｅと、圧電層２１ｆと、上電極層２１ｇとが積層された積層構造を有する。光偏向素子２０は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハをＭＥＭＳ技術を用いて微細加工することで作製することができる。

支持体層２１ａはシリコン層で形成されている。活性層２１ｃは、不純物がドーピングされたシリコン層で形成されているため、導電性を有する。ＢＯＸ層２１ｂ及び絶縁層２１ｄはシリコン酸化層で形成されている。下電極層２１ｅはＴｉ膜上にＰｔ膜が積層された積層構造を有する。圧電層２１ｆはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）層である。上電極層２１ｇは、Ｔｉ膜上にＡｕ膜が積層された積層構造を有する。

支持体２２は、支持体層２１ａとＢＯＸ層２１ｂと活性層２１ｃとの積層構造を有する。アーム２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ、トーションバー２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ、及びミラー２９は、活性層２１ｃで形成されている。

圧電素子２７，２８の上電極及び引き出し電極２７ａ，２８ｂは、上電極層２１ｇで形成され、圧電素子２７，２８の下電極及び引き出し電極２７ｂ，２８ａは、下電極層２１ｅで形成されている。圧電素子２７，２８の圧電体は圧電層２１ｆで形成されている。なお、図２及び図３では、圧電素子２７，２８の図５に示す層構成を省略して示している。

図１に示すように、引き出し電極２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂは、パッケージ１０のボンディングパッド１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとボンディングワイヤ１６により電気的に接続されている。ダイパッド１３は、グランド（ＧＮＤ）端子であるボンディングパッド１４ｅとボンディングワイヤ１６により電気的に接続されている。なお、ダイパッド１３をＧＮＤ端子としてもよい。

図２に示すように、光偏向素子２０の側面には、ダイパッド１３と活性層２１ｃとを電気的に接続する導電性部材１７が形成されている。導電性部材１７として銀ペーストを用いてもよい。

図２及び図３に示すように、遮光板３０は、筐体１２の凹部１１に収容され、光偏向素子２０の上方（蓋部４０側）に配置されている。即ち、光偏向素子２０はダイパッド１３と遮光板３０との間隙に配置されている。遮光板３０は凹部１１の段部１１ｂに固定されている。遮光板３０は導電性のプレート（例えばステンレス鋼板）を黒色処理したものである。図１に示すように、遮光板３０は、ＧＮＤ端子であるボンディングパッド１４ｆと電気的に接続されている。

遮光板３０のボンディングパッド１４ｆと接続される領域は黒色処理されていない。そのため、遮光板３０とボンディングパッド１４ｆとを例えば銀ペーストを介して電気的に接続することができる。遮光板３０は、ミラー２９に対応する位置に、ミラー２９の外形よりも大きな開口部３１を有する。

図２及び図３に示すように、ダイパッド１３上のミラー２９及びその周囲に対応する領域に反射防止部材１８が固定されている。反射防止部材１８は金属箔（例えばアルミニウム箔）を黒色処理したものである。反射防止部材１８は、遮光板３０の開口部３１よりも大きな外形を有することが望ましい。

蓋部４０は、パッケージ１０（具体的にはパッケージ１０のシールリング１５）に固定されている。蓋部４０とシールリング１５とをシーム溶接することにより、蓋部４０とパッケージ１０とを封止することができる。窒素雰囲気または真空中で蓋部４０とパッケージ１０とを封止することが好ましい。これにより、パッケージ１０と蓋部４０とは密閉された内部空間を形成し、内部空間は窒素雰囲気または真空状態に維持される。

蓋部４０は、フランジ部４１とカバーガラス４２とを有する。フランジ部４１は、例えばコバールプレートをプレス成型することにより形成することができる。カバーガラス４２の片面または両面に反射防止膜を形成することが好ましい。これにより、カバーガラス４２に入射するレーザ光の反射を低減することができる。

光スキャナ１の駆動方法を説明する。外部から、パッケージ１０のボンディングパッド１４ａ，１４ｂ、ボンディングワイヤ１６、及び、引き出し電極２７ａ，２７ｂを介して、圧電素子２７の上電極及び下電極に、所定の周波数または調整された周波数の交流電圧を印加する。上電極と下電極との間に形成されている圧電体は、交流電圧値に応じた圧電効果によって変形を繰り返す。

アーム２３ａ，２３ｂは、圧電素子２７の圧電体の変形の影響を受け、支持体２２に固定された一端側を支点として、それぞれの他端側が図４における紙面手前奥方向に振動する。

アーム２３ａ，２３ｂの振動は、トーションバー２５ａ，２５ｂを介してミラー２９に伝達される。これにより、ミラー２９は回動中心軸ＣＡまわりに往復回転駆動する。

圧電素子２７に印加される交流電圧の周波数は、ミラー２９、トーションバー２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ、及び、アーム２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂからなる振動系の共振周波数であり、ミラー２９が共振駆動するように設定または調整される。

交流電圧値に応じてミラー２９の偏向角を設定または調整することができる。すなわち、交流電圧値を大きくすることでミラー２９の偏向角を大きくすることができ、交流電圧値を小さくすることでミラー２９の偏向角を小さくすることができる。

ミラー２９の往復回転駆動がトーションバー２６ａ，２６ｂを介してアーム２４ａ，２４ｂに伝達される。これにより、アーム２４ａ，２４ｂはアーム２３ａ，２３ｂとは逆位相に振動する。

アーム２４ａ，２４ｂの振動により、圧電素子２８では、圧電素子２７に印加された交流電圧とはほぼ逆位相の関係にある交流電圧が生成される。圧電素子２８で生成された交流電圧に基づいて、圧電素子２７に印加される交流電圧を調整することができる。

圧電素子２７，２８の一方はミラー２９を偏向駆動させるための駆動手段として機能し、他方はミラー２９の偏向駆動の状態を検出する検出手段として機能する。

また、圧電素子２７，２８の両方に互いに逆位相の交流電圧を印加することで、一方の圧電素子２７に交流電圧を印加する場合よりもミラー２９の偏向角を大きくすることも可能である。

なお、第１実施形態では、ミラーを偏向駆動させるための駆動手段として圧電素子を形成したが、これに限定されるものではない。ミラーを偏向駆動させるための他の駆動手段として、静電力を利用してミラーを偏向駆動させる静電アクチュエータ等を用いることもできる。

また、第１実施形態では、ミラーの偏向駆動の状態を検出する検出手段として圧電素子を形成したが、これに限定されるものではない。ミラーの偏向駆動の状態を検出する他の検出手段として、ピエゾ抵抗素子をトーションバーに形成する手段やミラーにレーザ光を照射してその反射角度を検出する手段等を用いることもできる。

ミラー２９が偏向駆動している状態で、外部からミラー２９に向けてレーザ光を照射する。レーザ光は、カバーガラス４２と遮光板３０の開口部３１とを通過してミラー２９に照射される。レーザ光はミラー２９によって反射され、ミラー２９の偏向方向に走査される。従って、往復回転駆動するミラー２９にレーザ光を照射することにより、レーザ光をミラー２９の偏向角に応じて走査させることができる。

光偏向素子２０はＧＮＤ端子に接続されたダイパッド１３と遮光板３０との間隙に配置されている。これにより、ミラー２９は、遮光板３０とダイパッド１３とによってシールドされた状態にある。そのため、蓋部４０とパッケージ１０とによって密閉された内部空間内に、パーティクル、ドライエッチング等の加工時に発生した残渣、接着剤のアウトガス成分等の不純物が存在していたとしても、これらの不純物のミラー２９への付着を、遮光板３０とダイパッド１３とによって低減することができる。

内部空間が窒素雰囲気である場合、ミラー２９を偏向駆動させると、ミラー２９は、周囲の窒素と擦れ合うことにより帯電する。ミラー２９に帯電した電荷は、導電性部材１７を介してダイパッド１３に移動する。ダイパッド１３はボンディングワイヤ１６を介してＧＮＤ端子であるボンディングパッド１４ｅに接続されている。これにより、ミラー２９に帯電した電荷をＧＮＤに逃がすことができる。

従って、内部空間内に、パーティクル、ドライエッチング等の加工時に発生した残渣、接着剤のアウトガス成分等の不純物が存在していたとしても、ミラー２９の帯電を防止することができる。よって、偏向駆動しているミラー２９への不純物の付着を低減することができる。

第１実施形態の光デバイス（光スキャナ１）によれば、ミラー２９に帯電する電荷を導電性部材１７を介してＧＮＤに逃がすことができ、内部空間内の不純物のミラー２９への付着を、遮光板３０とダイパッド１３とによって低減することができる。従って、不純物の付着によって発生するミラー２９の曇りを防止することができるので、画像品位の悪化を低減することが可能になる。

遮光板３０と光偏向素子２０と反射防止部材１８との位置関係を説明する。遮光板３０と光偏向素子２０との距離を短くすると、ミラー２９に対する遮光板３０のシールド性を向上させることができる。また、遮光板３０と光偏向素子２０との距離を短くすると、ミラー２９によって反射されたレーザ光の走査範囲の外縁が遮光板３０によって阻害される、いわゆる“蹴られ”を防止することができる。

一方、遮光板３０と光偏向素子２０との距離を短くすると、振動しているアーム２３ａ，２３ｂが遮光板３０に接触してしまう場合がある。そのため、振動しているアーム２３ａ，２３ｂが遮光板３０に接触しない範囲で、遮光板３０と光偏向素子２０との距離を短くすることが望ましい。遮光板３０と光偏向素子２０との距離は例えば２００μｍである。

レーザ光の一部がミラー２９に照射させずにミラー２９の外側を通ってダイパッド１３に照射される場合がある。ダイパッド１３で反射されたレーザ光は迷光となり、画像品位を悪化させる要因となる。そこで、ダイパッド１３上に反射防止部材１８を配置することにより、ダイパッド１３でのレーザ光の反射を反射防止部材１８により防止することができる。ミラー２９の反射防止部材１８と対向する面に反射防止膜を形成するようにしてもよい。

カバーガラス４２を、偏向駆動してない状態のミラー２９に対して傾斜した状態に配置することが好ましい。カバーガラス４２を傾斜させることにより、ミラー２９により反射されたレーザ光がカバーガラス４２におけるミラー２９側の面で反射して、ミラー２９に戻ることによる迷光の発生を低減することができる。

［第２実施形態］
図６を用いて、第２実施形態の光デバイスを説明する。第２実施形態では、光デバイスとして、ＭＥＭＳ技術を利用した光スキャナを例に挙げて説明する。図６は図２に対応する。

第２実施形態の光デバイスは、第１実施形態の光デバイスと比較して、反射防止部材１８に替えて、筐体１２にざぐり部を形成する点で相違し、それ以外の構成は第１実施形態と同じである。なお、説明をわかりやすくするために、第１実施形態と同じ構成部には同じ符号を付す。

図６に示すように、光デバイスの一形態である光スキャナ１０１は、パッケージ１１０と、光偏向素子２０と、遮光板３０と、蓋部４０とを備える。

パッケージ１１０は、凹部１１１を有する筐体１１２と、凹部１１１の底面１１１ａに形成されたダイパッド１１３及びざぐり部１１４と、凹部１１１の段部１１１ｂに形成されたボンディングパッド１４ａ〜１４ｆと、筐体１１２の上面１１２ａに形成されたシールリング１５とを備える。

筐体１１２は、複数のシート状のセラミック材料が積層された積層構造を有する。底面１１１ａ、ざぐり部１１４、段部１１１ｂ、及び上面１１２ａは互いに異なるセラミック層により形成されている。ざぐり部１１４は底面１１ａよりも低い位置に形成され、段部１１ｂは底面１１ａよりも高い位置に形成され、上面１２ａは段部１１ｂよりも高い位置に形成されている。ダイパッド１１３、ボンディングパッド１４ａ〜１４ｆ、及びシールリング１５は、金属材料により形成されている。

ざぐり部１１４は、底面１１１ａのミラー２９及びその周囲に対応する領域に形成されている。ダイパッド１１３は、ざぐり部１１４が形成されている領域に開口部１１３ａを有する。ざぐり部１１４及び開口部１１３ａは、遮光板３０の開口部３１よりも大きな外形を有することが望ましい。

ダイパッド１１３は、ＧＮＤ端子であるボンディングパッド１４ｅとボンディングワイヤ１６により電気的に接続されている。なお、ダイパッド１１３をＧＮＤ端子としてもよい。

光偏向素子２０の側面には、ダイパッド１１３と活性層２１ｃとを電気的に接続する導電性部材１７が形成されている。

ミラー２９を偏向駆動させている状態で、外部からミラー２９に向けてレーザ光を照射する。レーザ光は、カバーガラス４２と遮光板３０の開口部３１とを通過してミラー２９に照射される。レーザ光はミラー２９によって反射され、ミラー２９の偏向方向に走査される。従って、往復回転駆動するミラー２９にレーザ光を照射することにより、レーザ光をミラー２９の偏向角に応じて走査させることができる。

光偏向素子２０はＧＮＤ端子に接続されたダイパッド１１３と遮光板３０との間隙に配置されている。これにより、ミラー２９は、遮光板３０とダイパッド１１３とによってシールドされた状態にある。そのため、蓋部４０とパッケージ１０とによって密閉された内部空間内に、パーティクル、ドライエッチング等の加工時に発生した残渣、接着剤のアウトガス成分等の不純物が存在していたとしても、これらの不純物のミラー２９への付着を、遮光板３０とダイパッド１１３とによって低減することができる。

内部空間が窒素雰囲気である場合、ミラー２９を偏向駆動させると、ミラー２９は、周囲の窒素と擦れ合うことにより帯電する。ミラー２９に帯電した電荷は、導電性部材１７を介してダイパッド１１３に移動する。ダイパッド１１３はボンディングワイヤ１６を介してＧＮＤ端子であるボンディングパッド１４ｅに接続されている。これにより、ミラー２９に帯電した電荷をＧＮＤに逃がすことができる。

第２実施形態の光デバイス（光スキャナ１０１）によれば、ミラー２９に帯電する電荷を導電性部材１７を介してＧＮＤに逃がすことができ、内部空間内の不純物のミラー２９への付着を、遮光板３０とダイパッド１１３とによって低減することができる。従って、不純物の付着によって発生するミラー２９の曇りを防止することができるので、画像品位の悪化を抑制することが可能になる。

レーザ光の一部がミラー２９に照射させずにミラー２９の外側を通って筐体１１２の凹部１１１の底面１１１ａに照射される場合がある。ミラー２９の外側を通って底面１１１ａに照射されるレーザ光は、ダイパッド１１３の開口部１１３ａを通ってざぐり部１１４で吸収される。

これにより、ダイパッド１３でのレーザ光の反射に起因する画像品位の悪化を抑制することができる。ミラー２９のざぐり部１１４と対向する面に反射防止膜を形成するようにしてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、第２実施形態では、パッケージ１１０の筐体１１２の凹部１１１の底面１１１ａにざぐり部１１４が形成された構成としたが、ダイパッド１１３に開口部１１３ａのみが形成された構成としてもよい。また、ざぐり部１１４またはダイパッド１１３の開口部１１３ａに対応する領域に反射防止部材１８を配置するようにしてもよい。

また、第１及び第２実施形態では、光デバイスとして、ＭＥＭＳ技術を利用した光スキャナを例に挙げて説明したが、本発明はＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）素子等の液晶表示素子に対しても適用することができる。具体的には、液晶表示素子の画素領域に対応する開口部を有するアパーチャマスクを、第１及び第２実施形態の光スキャナにおける遮光板と同様にＧＮＤ端子に接続することにより、不純物の画素領域への付着を低減することができる。これにより、従来よりも画像品位の悪化を抑制することができる。

１，１０１光スキャナ（光デバイス）
１０，１１０パッケージ
１１，１１１凹部
１１ａ，１１１ａ底面
１３，１１３ダイパッド
２０光偏向素子（光学素子）
２９ミラー
３０遮光板
３１開口部
４０蓋部

Claims

凹部及び前記凹部の底面に形成された導電性のダイパッドを有するパッケージと、
前記凹部に収容されて前記ダイパッドに固定され、偏向駆動するミラーを有する光学素子と、
前記光学素子の上方に配置され、前記ミラーに対応する位置に前記ミラーの外形よりも大きな開口部を有する導電性の遮光板と
を備え、
前記ミラーは導電性を有する活性層で形成され、
前記光学素子は、少なくとも支持体層と前記活性層が積層される積層構造を有し、前記活性層の側面から導電性部材を介して前記ダイパッドに接続されている
ことを特徴とする光デバイス。
前記ダイパッド上の前記ミラー及びその周囲に対応する領域に固定された反射防止部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記パッケージは、前記凹部の底面の前記ミラー及びその周囲に対応する領域に形成されたざぐり部をさらに有し、
前記ダイパッドは、前記ざぐり部が形成されている領域に開口部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記パッケージに固定された蓋部をさらに備え、前記パッケージと前記蓋部とは密閉された内部空間を形成し、
前記内部空間は、窒素雰囲気または真空状態に維持されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光デバイス。