JPWO2015136830A1 - 光学デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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寿彰 堀江
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晋輔 中園
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Abstract

光学デバイスは、回動可能な光学機能面(2)を有する光学素子(1)と、光学素子(1)を支持するベース(3)と、光学素子(1)およびベース(3)を収納するパッケージ(4)と、を備え、パッケージ(4)は、光学素子(1)およびベース(3)を囲む壁部(5)と、壁部(5)の一方の開口部(6a)を封口するとともに光学機能面(2)に対する光路を形成する透光性の窓部(7)と、壁部(5)の他方の開口部(6b)を封口する底板(8)と、を備える。

Description

本発明は、回動可能な光学機能面を有する光学素子がパッケージ内部に配置される光学デバイスおよびその製造方法に関する。
従来、光学デバイスは、光学素子を収容する凹部を有するハウジングと、ハウジングの開口部分に配置される蓋を有する。蓋には、透明な窓が形成される。ハウジングと蓋は、低融点ガラス等で接合される。また、別の光学デバイスは、光学素子を配置するパッケージ部材と、窓部を一体化した金属キャップを有する。キャップは、ベース基板上に設けられ、光学素子を金属キャップの内部に収容する。そして、金属キャップとベース基板は、シーム溶接される。これらの構造により、従来の光学デバイスでは、光学素子を収容する内部が封止される。
尚、本出願の発明に関する先行技術文献としては、例えば、特許文献1や特許文献2が知られている。
特開2006−184905号公報 特開2011−151357号公報
しかしながら、このような光学デバイスでは、製造過程において光学素子及び光学デバイスの特性が劣化するという課題がある。そのため、光学素子及び光学デバイスの特性の劣化を低減することが望まれている。
本開示に係る光学デバイスは、回動可能な光学機能面を有する光学素子と、光学素子を支持するベースと、光学素子およびベースを収納するパッケージとを備える。パッケージは、光学素子およびベースを囲む壁部と、壁部の一方の開口部を封口するとともに光学機能面に対する光路を形成する透光性の窓部と、壁部の他方の開口部を封口する底板とを有する。
本開示に係る光学デバイスは、光学デバイス及び光学素子の製造過程における特性劣化を低減することができる。
図1は、本開示に係る実施の形態における光学デバイスの分解斜視図である。 図2は、本開示に係る光学デバイスの使用状態を示す模式図である。 図3は、本開示に係る光学デバイスの光学素子の正面図である。 図4は、本開示に係る光学デバイスの製造方法を示す模式図である。 図5は、本開示に係る光学デバイスにおける光学素子とベースが一体化された構造を示す模式図である。 図6は、本開示に係るベースが壁部内に配置された状態を示す模式図である。 図7は、本開示に係るベース内における光学素子の変位の制限方法を示す模式図である。 図8は、本開示に係る他の実施形態における光学素子の正面図である。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
(実施の形態)
図1は光学デバイスの一例である光走査デバイス9を示した図であり、図2はその使用状態を示す模式図である。光走査デバイス9では、パッケージ4の内部に回動可能な反射面を有する光学素子1が配置される。光走査デバイス9は、光学素子1の反射面の回動を制御することで、光走査デバイス9に入射された入射光21の反射角を制御し、出射光22を所定の領域内に走査する。パッケージ4は、窓部7と壁部5と底板8とを含む。
なお、光学素子1はベース3を介してパッケージ4内に配置される。これにより、光学素子1は、回動可能な状態である。
次に、光学素子1の構造について図3を用いて説明する。光学素子1は、光学機能面2を有する可動板2aと、可動板2aの回動軸18に沿って延出するように配置された一対の振動梁11と、この一対の振動梁11を介して可動板2aを支持する枠状の固定部10を備える。つまり、振動梁11は、一端が固定部10に支持され、他端が光学機能面2を有する可動板2aに接続されている。光学機能面2は、例えば、反射面である。振動梁11は複数の直線部11aと折返し部11bとを接続したミアンダ形状の構造である。それぞれの直線部11aには、直線部11aに上下方向の撓み振動を与える駆動部12が配置されている。
なお、駆動部12は、例えば、上部電極と下部電極との間に圧電体層が配置された積層構造体である(図示せず)。駆動部12は、上部電極と下部電極の間に制御電圧を印加することで、直線部11aを上下方向に撓振動させることができる。例えば、光走査デバイス9は、隣り合う直線部11aに配置された駆動部12を逆方向に撓ませることにより、回動軸18を中心として可動板2aを回動させることができる。さらに、直線部11aには、モニタ部13が駆動部12に沿って配置される。モニタ部13は、駆動部12と同様の構造を有する。モニタ部13は、直線部11aに生じる振動から波形信号を生成する。生成した波形信号は、可動板2aの駆動制御に利用される。これら駆動部12及びモニタ部13は、配線部(図示せず)によって、それぞれ、固定部10に配置された電極パッド14aへ接続される。
光学素子1は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)プロセスで形成された平板構造を有する。例えば、光学素子1は、Si基板に対するドライエッチングによる形状加工、スパッタリングによる成膜、及びエッチングによるパターン成形などを用いて形成される。
図2に示すように、ベース3には、振動梁11と可動板2aとの振動領域に相当する部分に空間を設けるための凹部3aが配置される。ベース3は、外周部分に位置する固定部10で光学素子1を支持する。つまり、ベース3は、固定部10に接続されている。このように、ベース3は、振動梁11及び可動板2aの回動を可能とする懸架構造を有する。
パッケージ4は、両端開口の筒状の壁部5と、一方の開口部6を封口する窓部7と、他方の開口部6を封口する底板8とを備える。光学素子1およびベース3は、パッケージ4に収納されている。壁部5は、光学素子1及びベース3の外周を囲むように配置される。ベース3は、壁部5で支持されている。壁部5は、セラミクス等で形成されている。窓部7は、壁部5に設けられている複数の開口部6のうち、入射光21及び出射光22の光路側の開口部6aを封口している。窓部7は、光路上に設けられており、透光性を有する。例えば、窓部7は、光学ガラスで形成される。そして、壁部5と窓部7は、低融点ガラスで一体化されている。底板8は、壁部5の開口部6のうち、窓部7と反対側の開口部6bを封口する。底板8は、金属板で形成される。そして、底板8は、シーム溶接により壁部5の端面と一体化されている。このような構成とすることにより、光走査デバイス9において、光学素子1が収容されるパッケージ内部の気密性を高めることができる。
パッケージ4の開口部6における封口過程は、2つの工程を含む。1つの工程は、窓部7と壁部5を、低融点ガラスを用いて接着し、開口部6aを封口する工程である。もう1つの工程は、壁部5と底板8とをシーム溶接により溶接し、開口部6bを封口する工程である。低融点ガラスでの接着工程における加熱処理の温度は、600度程度である。接着工程の加熱処理は、パッケージ4の全体に熱の影響を及ぼす。一方、シーム溶接の工程は、加熱処理温度は高温であるが、加熱箇所が溶接する部分であるため周囲への熱の影響が少ないという特徴がある。したがって、このように封口工程を2つの工程に分けて行うことにより、光走査デバイス9は、製造過程における特性劣化を低減できる。
以下、光走査デバイス9の製造方法を説明する。
図4は、光走査デバイス9のパッケージ4の封口プロセスを示している。
まず、壁部5の開口部6aに窓部7が配置される。そして、壁部5と窓部7とは低融点ガラス7aを用いて接着される。接着工程では、低融点ガラスを溶融させるため、加熱処理が行われる。次いで、光学素子1とベース3は組み立て体27として一体化される。組み立て体27は、開口部6aが窓部7で封口された壁部5に対して挿入され、組み立てた27と壁部5が接続される。次いで、壁部5の開口部6bに底板8が配置され、シーム溶接8aにより底板8と壁部5の開口部6bの端面とが一体化される。このように、熱の影響が大きい低融点ガラス7aによる接着は光学素子1の挿入前に行われる。そのため、低融点ガラス7aを用いた接着の熱処理過程が光学素子1に与える影響を防止できる。その後、光学素子1を配置した状態での底板8による封口プロセスが、熱影響の及ぼす範囲が小さいシーム溶接8aにより行われる。これにより、パッケージ4の内部に配置された光学素子1の加熱処理に伴う特性劣化を抑制できる。
なお、駆動部12を構成する圧電体層としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)薄膜が用いられる。PZT薄膜は、高温処理に対する特性劣化が生じ易い。そのため、上述した構成により加熱処理の影響をより抑制することができる。
また、パッケージ4において、窓部7は光学ガラスで形成され、壁部5はセラミクスで形成されている。光学ガラスとセラミクスは、熱膨張係数が近接している。そのため、窓部7と壁部5の熱処理における膨張・収縮量の差が小さいので、熱処理過程後に残留する内部応力を抑制することができる。その結果、内部応力に伴う窓部7の変形及びクラックの発生といった熱処理過程にともなう光走査デバイス9の特性劣化を抑制することができる。
なお、壁部5と窓部7の加熱処理に対する膨張収縮量の差が小さいことは、シーム溶接8aでの加熱処理に対しても同様である。
なお、壁部5として、コバールなどの金属材料を用いる場合も考えられる。しかし、その場合は、窓部7を形成する光学ガラスとの熱膨張の差が大きくなり、シーム溶接の加熱処理においても、金属からなる壁部5の熱収縮応力が窓部7に作用する。熱収縮応力は、窓部7の平坦度の劣化、及び窓部7のクラックの発生の原因となる。窓部7の平坦度の劣化は、入射光線及び出射光線に悪い影響を与える。また、窓部7に生じるクラックは、パッケージ4の気密性の低下の原因となる。そのため、熱収縮応力の影響を低減するため、壁部5のシーム溶接部を光学ガラスから遠ざける構成とすることが必要となる。この場合、パッケージ全体が大型化し、その分コストも増大する。
この点においても、窓部7を光学ガラスで形成し、壁部5をセラミクスで形成することにより、シーム溶接による熱収縮応力の影響を小さくすることができる。したがって、光走査デバイス4は、シーム溶接箇所と窓部7との間隔を狭めることができ、結果として、光走査デバイスを小型化できる。
また、光走査デバイス9は、ベース3を介して壁部5に光学素子1を接続する構造である。このように、溶接箇所がベース3と接しない構造であることにより、シーム溶接8aが光学素子1に与える熱の影響を低減できる。
光学素子1には、駆動部12に制御信号を印加するための制御信号経路が形成される。光走査デバイス9において、ベース3は、第1ベース15と第2ベース16とからなる分割構造である。第1ベース15は、光学素子1より窓部7側に配置される。第1ベース15は、壁部5で支持されている。第1ベース15は、光学機能面2に対応する位置に、光を透過する領域を有する。この領域は、光透過性の材料で形成される。なお、光を透過する領域は、第1ベースに設けられた貫通した孔であってもよい。第2ベース16は、底板8側に配置される。光学素子1からパッケージ4の外部に至る制御信号経路は、光学素子1から第2ベース16を介して壁部5に接続されるように設けられる。
光学素子1とベース3を一体化する一例を具体的に示す。
図5は、光学素子1と第2ベース16が一体化された構造を示す模式図である。
まず、第2ベース16に光学素子1が配置される。そして、光学素子1に設けられた電極パッド14aと第2ベース16に設けた電極パッド14bの間をワイヤボンディングにより接続する。次いで、第1ベース15を第2ベース16上に、光学素子1を覆うように配置し、ベース3と光学素子1を組み立て体27として一体化させる。一体化した組み立て体27を、図4に示すように窓部7を接着した壁部5の内部に挿入する。
図6は、組み立て体27を挿入した壁部5を、開口部6b側から見た平面図である。
図6に示すように、壁部5の開口部6bには第2ベース16の裏面側に露出した電極パッド14dが設けられている。電極パッド14dは、図5に示す回り込み電極14cを介して電極パッド14bと接続されている。壁部5は、内側に電極パッド14eが設けられている。そして、電極パッド14dは電極バッド14eとワイヤボンディングにより接続されている。このような構成で複数の電極パッドを接続することにより、特に複雑な工程を設けることなく制御信号経路を形成することができる。なお、壁部5は特に図示していないが内部電極を有する。電極パッド14eは、内部電極を介して壁部5の外周面に設けられた側面電極24と接続されている。このように、光学素子1に接続される制御信号経路は、壁部か5から第2ベース16を介して光学素子1に至る経路で構成される。
ベース3は、第1ベース15と第2ベース16を含む分割構造である。光学素子1は、第1ベース15と第2ベース16との間に設けられている。そして、光学素子1は、図2に示すように窓部7に対して傾斜するように配置されている。つまり、光学素子1と窓部7は非平行に配置されている。具体的には、ベース3と光学素子1との接合平面が入射光21の窓部7の入射面と非平行に設けられている。ベース3と光学素子1との接合平面は、ベース3の分割面で形成される面である。ベース3の分割面は、第1ベース15と光学素子1との接合面、及び、第2ベース16と光学素子1との接合面を意味する。光学素子1と窓部7が平行に設けられると、表面反射光23の方向と光学素子1からの出射光22の方向が近似し、表面反射光23が、光学素子1を介して射出される出射光22の走査領域内にノイズとして現れる。そのため、光学素子1と窓部7とを非平行に設けることにより、表面反射光23がノイズとして現れることを防止できる。
図7は、光走査デバイス9の変形例を示す断面図である。
光学素子1は第1ベース15と第2ベース16で挟持される。第1ベース15と第2ベース16は、内面に光学素子1の可動板2aの変位の制限を行う当接部25が形成されている。これにより、強い衝撃等で、振動梁11が変形することで光学素子1が損傷を受けるのを防ぐことができる。当接部25は、破線で示した可動板2aの回動を妨げないように、可動範囲26と重ならない位置に設けられる。当接部25は、回動軸18において最も可動板2aに近接することが望ましい。また、回動軸18付近以外の部分において、可動板2aの回動による空気抵抗が増加することなく、回動周波数又は振幅に影響を与えない必要最小限の空隙が当接部25の周囲に確保されることが望ましい。
なお、上述した一実施の形態では、光学素子1として図3に示す固定部10と可動板2aを回動軸18に沿って延出した振動梁11で接続した1軸走査型の構成を例に挙げて説明したが、本開示はこの実施の形態に限定されるものではない。例えば、光走査デバイス9は、図8に示すように、2軸走査型の光学素子を用いた構成でもよい。光学素子28は、図1の可動板2aの位置に可動枠17が設けられる。可動枠17は、振動梁11に接続される。このとき、振動梁11が第1の振動梁に対応する。可動枠17は、内側に第2の振動梁19と、光学機能面2を有する。第2の振動梁19は、回動軸18と直交する第2の回動軸20を有する。第2の振動梁19は、一端が可動枠17に接続され他端が可動板2aに接続される。つまり、可動板2aには、第2の回転軸20を回動中心とする一対の第2の振動梁19に接続される。このとき、回動軸18が第1の回動軸に対応する。そして、第2の振動梁19の内端に可動板2aが接続される。可動板2aには、光学機能面2が配置されている。第1の振動梁11には、第1の駆動部が設けられ、第2の振動梁19には、第2の駆動部が設けられる。第1の駆動部及び第2の駆動部は、それぞれ、上部電極と、下部電極と、上部電極と下部電極との間に配置された圧電体層とを備える。この構造によって、可動板2aとして、外側の振動梁11による回動軸18を回動中心とした光走査と、内側の第2の振動梁19による第2の回動軸20を回動中心とした光走査の組み合わせによる2軸走査型の構成を実現できる。本構成の光走査デバイスにおいても、上述した効果と同様の効果を奏することができる。また、上述したシーム溶接8aの溶接箇所と窓部7との間隔が小さくでき小型化できるという効果に加えて、2軸走査型構成においては、素子構造が複雑となる分、その実現面積を確保できるという効果を奏する。
また、上述した一実施の形態では、光学機能面2として可動板2aに反射面を形成した光走査デバイスを例に挙げて説明したが、本開示はこの実施の形態に限定されるものではない。例えば、光学素子は、光学機能面2として可動板2aに焦電膜からなる光検出面を形成してもよい。光検出面を有する光学素子を用いた光学デバイスは、光検出デバイスとして用いることができる。このように、本開示内容は、回動可能な光学機能面2を有する光学素子1をパッケージ4内部に配置する光学デバイスに適応することができる。
以上のように、本実施の形態における光学デバイスは、回動可能な光学機能面を有する光学素子と、光学素子を支持するベースと、光学素子およびベースを収納するパッケージと、を備え、パッケージは、光学素子およびベースを囲む壁部と、壁部の一方の開口部を封口するとともに光学機能面に対する光路を形成する透光性の窓部と、壁部の他方の開口部を封口する底板と、を備える光学デバイス。
また、本実施の形態に係る一態様において、光学素子は、ベースに接続される固定部と、一端が固定部に支持され他端が光学機能面を有する可動板に接続された振動梁と、振動梁を振動させる駆動部と、を備え、駆動部は、上部電極と、下部電極と、上部電極と下部電極との間に配置された圧電体層とを備えていてもよい。
また、本実施の形態に係る一態様において、窓部は光学ガラスで形成され、壁部はセラミクスで形成され、底板は金属板で形成され、窓部と壁部は低融点ガラスで接続されており、壁部と底板は溶接されていてもよい。
また、本実施の形態に係る一態様において、ベースは、壁部で支持されていてもよい。
また、本実施の形態に係る一態様において、ベースは、光学素子の窓部側に設けられる第1ベースと、底板側に設けられる第2ベースとからなる分割構造を含み、第1ベースは壁部で支持され、光学素子に接続される制御信号経路は、壁部から第2ベースを介して光学素子に至る経路で構成されていてもよい。
また、本実施の形態に係る一態様において、光学素子と第1ベースまたは第2ベースとの接続箇所で形成される接合平面が、窓部に対して非平行であってもよい。
また、本実施の形態に係る一態様において、第1ベースおよび第2ベースは光学素子の変位を制限してもよい。
また、本実施の形態に係る一態様において、光学機能面は反射面であってもよい。
また、本実施の形態に係る一態様において、光学機能面は光検出面であってもよい。
また、本実施の形態に係る一態様において、光学素子は、ベースに接続される固定部と、一端が固定部に接続され他端が可動枠に接続された第1の振動梁と、第1の振動梁を振動させる第1の駆動部と、を備え、可動枠は、光学機能面を有する可動板と、一端が可動枠に接続され他端が可動板に接続されるとともに、第1の振動梁の第1の回動軸と異なる第2の回動軸を有する第2の振動梁と、第2の振動梁を振動させる第2の駆動部と、を備え、第1の駆動部及び第2の駆動部は、それぞれ上部電極と、下部電極と、上部電極と下部電極との間に配置された圧電体層とを備えていてもよい。
また、本実施の形態における光学デバイスの製造方法は、回動可能な光学機能面を有する光学素子と、光学素子を支持するベースと、光学素子およびベースを収納するパッケージと、を備える光学デバイスの製造方法であって、パッケージは、光学素子およびベースを囲む壁部と、光学機能面に対する光路を形成するとともに壁部の一方の開口部を封口する透光性の窓部と、壁部の他方の開口部を封口する底板と、を含み、光学デバイスの製造方法は、壁部の一方の開口部に窓部を配置して低融点ガラスで接着する工程と、ベースに光学素子を一体化する工程と、窓部が一体化された壁部に、光学素子が一体化されたベースを接続する工程と、光学素子が一体化されたベースおよび窓部を一体化した壁部の他方の開口部に底板を配置しシーム溶接で接合する工程と、を含む。
以上、一つまたは複数の態様に係る光学デバイスについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本開示、車載用などの光学デバイスにおいて有効である。
1,28 光学素子
2 光学機能面
2a 可動板
3 ベース
4 パッケージ
5 壁部
6 開口部
7 窓部
7a 低融点ガラス
8 底板
8a シーム溶接
9 光走査デバイス
10 固定部
11 振動梁
12 駆動部
14a,14b,14c,14d,14e 電極パッド
15 第1ベース
16 第2ベース
17 可動枠
18 回動軸
19 第2の振動梁
20 第2の回動軸
21 入射光
22 出射光
23 表面反射光
24 外部電極
25 突接部
26 可動領域

Claims (11)

  1. 回動可能な光学機能面を有する光学素子と、
    前記光学素子を支持するベースと、
    前記光学素子および前記ベースを収納するパッケージと、を備え、
    前記パッケージは、前記光学素子および前記ベースを囲む壁部と、
    前記壁部の一方の開口部を封口するとともに前記光学機能面に対する光路を形成する透光性の窓部と、
    前記壁部の他方の開口部を封口する底板と、を備える光学デバイス。
  2. 前記光学素子は、前記ベースに接続される固定部と、
    一端が前記固定部に支持され他端が光学機能面を有する可動板に接続された振動梁と、
    前記振動梁を振動させる駆動部と、を備え、
    前記駆動部は、上部電極と、下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配置された圧電体層とを備える請求項1に記載の光学デバイス。
  3. 前記窓部は光学ガラスで形成され、
    前記壁部はセラミクスで形成され、
    前記底板は金属板で形成され、
    前記窓部と前記壁部は低融点ガラスで接続されており、
    前記壁部と前記底板は溶接されている請求項2に記載の光学デバイス。
  4. 前記ベースは、前記壁部で支持される請求項3に記載の光学デバイス。
  5. 前記ベースは、前記光学素子の前記窓部側に設けられる第1ベースと、
    前記底板側に設けられる第2ベースとからなる分割構造を含み、
    前記第1ベースが前記壁部で支持され、
    前記光学素子に接続される制御信号経路は、前記壁部から前記第2ベースを介して前記光学素子に至る経路で構成される請求項4に記載の光学デバイス。
  6. 前記光学素子と前記第1ベースまたは前記第2ベースとの接続箇所で形成される接合平面が、前記窓部に対して非平行である請求項5に記載の光学デバイス。
  7. 前記第1ベースおよび前記第2ベースは前記光学素子の変位を制限する請求項5に記載の光学デバイス。
  8. 前記光学機能面は反射面である請求項1に記載の光学デバイス。
  9. 前記光学機能面は光検出面である請求項1に記載の光学デバイス。
  10. 前記光学素子は、前記ベースに接続される固定部と、
    一端が前記固定部に接続され他端が可動枠に接続された第1の振動梁と、
    前記第1の振動梁を振動させる第1の駆動部と、を備え、
    前記可動枠は、光学機能面を有する可動板と、
    一端が前記可動枠に接続され他端が前記可動板に接続されるとともに、前記第1の振動梁の第1の回動軸と異なる第2の回動軸を有する第2の振動梁と、
    前記第2の振動梁を振動させる第2の駆動部と、を備え、
    前記第1の駆動部及び前記第2の駆動部は、それぞれ上部電極と、下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配置された圧電体層とを備える請求項1に記載の光学デバイス。
  11. 回動可能な光学機能面を有する光学素子と、
    前記光学素子を支持するベースと、
    前記光学素子および前記ベースを収納するパッケージと、を備える光学デバイスの製造方法であって、
    前記パッケージは、
    前記光学素子および前記ベースを囲む壁部と、
    前記光学機能面に対する光路を形成するとともに前記壁部の一方の開口部を封口する透光性の窓部と、
    前記壁部の他方の開口部を封口する底板と、を含み、
    前記光学デバイスの製造方法は、
    前記壁部の一方の開口部に前記窓部を配置して低融点ガラスで接着する工程と、
    前記ベースに前記光学素子を一体化する工程と、
    前記窓部が一体化された前記壁部に、前記光学素子が一体化された前記ベースを接続する工程と、
    前記光学素子が一体化された前記ベースおよび前記窓部を一体化した前記壁部の前記他方の開口部に前記底板を配置しシーム溶接で接合する工程と、を含む光学デバイスの製造方法。
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