JP5779852B2 - 波長可変干渉フィルター、光モジュール、および光分析装置 - Google Patents
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Description
この特許文献1に記載の光学フィルター装置(波長可変干渉フィルター)は、対向配置された第一基板、および第二基板を有し、これらの第一基板および第二基板の対向する面には、それぞれ可動ミラーおよび固定ミラーが設けられている。
また、第一基板において、可動ミラーは、基板中央部の第一部分に設けられ、第一部分の外周には、第一部分よりも厚み寸法が小さい、可撓性を有する第二部分が設けられている。そして、第一基板の第二部分の第二基板に対向する面には、第一電極が設けられ、第二基板の第一電極に対向する面には、第一電極と所定の距離を開けて対向配置される第二電極が設けられている。
このような波長可変干渉フィルターでは、第一電極および第二電極間の間に電圧を印加すると、静電引力により第一基板の第二部分が第二基板側に撓み、可動ミラーおよび固定ミラーの間のギャップ寸法が変化する。これにより、波長可変干渉フィルターは、第一電極および第二電極間の電圧を制御することで、入射光から、ミラー間のギャップ寸法に応じた波長の光を取り出すことが可能となる。
本発明の波長可変干渉フィルターにおいて、前記第一層は、前記圧縮電極層および前記引張電極層の他方と、前記第二層との間に積層され、前記他方と前記二層とを密着させる密着層であることが好ましい。
また、波長可変干渉フィルターの製造時では、第一電極および第二電極の間に駆動電圧を印加していない初期状態で、第一反射膜および第二反射膜のギャップの寸法を設定値(初期ギャップ寸法)に設定する。この際、第一基板に撓みがある場合、ギャップ寸法を正確に初期ギャップ寸法に設定することができないという問題がある。これに対して、本願発明では、第一基板の撓みが低減されるため、第一反射膜および第二反射膜のギャップを精度良く初期ギャップ寸法に合わせ込むことができる。
ここで、第一電極を構成する圧縮電極層の面積および引張電極層の面積を同一面積とし、圧縮電極層の圧縮応力の大きさ、および膜厚寸法の積の絶対値と、引張電極層の引張応力の大きさ、および膜厚寸法の積の絶対値が同一であれば、圧縮電極層が第一基板に及ぼす力と、引張電極層が第一基板に及ぼす力とが力が釣り合い、第一電極の内部応力に起因する第一基板の撓みが防止される。これにより、第一反射膜および第二反射膜が平行に維持され、波長可変干渉フィルターの分解能をより向上させることができる。
したがって、第一基板を撓ませて、波長可変干渉フィルターから射出させる光の波長を変化させた場合でも、分解能の低下を抑えることができる。
ここで、第二基板は、静電引力や、第二電極の内部応力等により撓むことがない剛性を有する固定基板であるため、このような絶縁層を設けた場合でも、絶縁層の内部応力により第二基板が撓むことがなく、第一反射膜および第二反射膜の平行精度を高く維持することができる。
ここで、光分析装置としては、上記のような光モジュールにより検出された光の光量に基づいて、干渉フィルターに入射した光の色度や明るさなどを分析する光測定器、ガスの吸収波長を検出してガスの種類を検査するガス検出装置、受光した光からその波長の光に含まれるデータを取得する光通信装置などを例示することができる。
本発明では、上述したように、光モジュールにより、所望波長の光の正確な光量を検出することができるため、光分析装置の分析処理部では、このような正確なデータに基づいて、正確な光分析処理を実施できる。
〔1.測色装置の全体構成〕
図1は、本発明に係る実施形態の測色装置(光分析装置)の概略構成を示す図である。
この測色装置1は、本発明の光分析装置であり、図1に示すように、被検査対象Aに光を射出する光源装置2と、本発明の光モジュールである測色センサー3と、測色装置1の全体動作を制御する制御装置4とを備えている。そして、この測色装置1は、光源装置2から射出される光を被検査対象Aにて反射させ、反射された検査対象光を測色センサー3にて受光し、測色センサー3から出力される検出信号に基づいて、検査対象光の色度、すなわち被検査対象Aの色を分析して測定する装置である。
光源装置2は、光源21、複数のレンズ22(図1には1つのみ記載)を備え、被検査対象Aに対して白色光を射出する。複数のレンズ22には、コリメーターレンズが含まれていてもよく、この場合、光源装置2は、光源21から射出された白色光をコリメーターレンズにより平行光とし、図示しない投射レンズから被検査対象Aに向かって射出する。
なお、本実施形態では、光源装置2を備える測色装置1を例示するが、例えば被検査対象Aが液晶パネルなどの発光部材である場合、光源装置2が設けられない構成としてもよい。
測色センサー3は、本発明の光モジュールを構成する。この測色センサー3は、図1に示すように、本発明の波長可変干渉フィルターを構成するエタロン5と、エタロン5を透過する光を受光して検出する検出部31と、エタロン5で透過させる光の波長を可変する電圧制御部6と、を備えている。また、測色センサー3は、エタロン5に対向する位置に、被検査対象Aで反射された反射光(検査対象光)を、内部に導光する図示しない入射光学レンズを備えている。そして、この測色センサー3は、エタロン5により、入射光学レンズから入射した検査対象光のうち、所定波長の光のみを分光し、分光した光を検出部31にて受光する。
検出部31は、複数の光電交換素子により構成されており、受光量に応じた電気信号を生成する。そして、検出部31は、制御装置4に接続されており、生成した電気信号を受光信号として制御装置4に出力する。
図2は、本発明の波長可変干渉フィルターを構成するエタロン5の概略構成を示す平面図であり、図3は、エタロン5の概略構成を示す断面図である。
エタロン5は、図2に示すように、平面正方形状の板状の光学部材であり、一辺が例えば10mmに形成されている。このエタロン5は、図3に示すように、本発明の第二基板である固定基板51、および本発明の第一基板である可動基板52を備えている。これらの2枚の基板51,52は、それぞれ例えば、ソーダガラス、結晶性ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラスなどの各種ガラスや、水晶などにより形成されている。そして、これらの2つの基板51,52は、外周部近傍に形成される接合部513,523が、例えば常温活性化接合やプラズマ重合膜を用いたシロキサン接合などにより、接合されることで、一体的に構成されている。
さらに、固定基板51と可動基板52との間には、固定反射膜56および可動反射膜57の間のギャップの寸法を調整するための静電アクチュエーター54が設けられている。この静電アクチュエーター54は、固定基板51側に設けられる本発明の第二電極としての固定電極541と、可動基板52側に設けられる本発明の第一電極としての可動電極542とを備えている。
固定基板51は、厚みが例えば500μmに形成されるガラス基材を加工することで形成される。具体的には、図3に示すように、固定基板51には、エッチングにより電極形成溝511および反射膜固定部512が形成されている。この固定基板51は、可動基板52に対して厚み寸法が大きく形成されており、固定電極541および可動電極542間に電圧を印加した際の静電引力や、固定電極541の内部応力による固定基板51の撓みはない。
また、固定基板51には、電極形成溝511から、固定基板51の外周縁の頂点方向(例えば図2における左下方向、および右上方向)に向かって延出する一対の引出形成溝(図示略)が設けられている。
また、この固定電極541の外周縁から、一対の引出形成溝(図2では、右上方向)に沿って伸びる固定引出電極541Aが設けられている。この固定引出電極541Aの先端には、固定電極パッド541Bが形成され、この固定電極パッド541Bが電圧制御部6に接続されている。この固定引出電極541Aは、固定電極541の成膜時に同時に形成されるものであり、固定電極541と同様、複数の電極層(ITO,Cr、Au)が順に積層されて構成されている。
なお、絶縁膜543の膜厚寸法としては、特に限定はされず、必要な絶縁耐圧に応じて設定されていればよい。
ただし、固定電極541および可動電極542の間に作用する静電引力は、固定電極541および可動電極542の距離の二乗に反比例する。したがって、これら固定電極541および可動電極542の距離が近接するほど、印加電圧に対する静電引力も増大し、ギャップの変動量も大きくなる。特に、本実施形態のエタロン5のように、ギャップの可変寸法が微小な場合(例えば250nm〜450nm)、ギャップの制御が困難となる。したがって、上記のように、反射膜固定溝を形成する場合であっても、電極形成溝511の深さ寸法をある程度確保する方が好ましく、本実施形態では、例えば、1μmに形成されることが好ましい。
可動基板52は、厚みが例えば200μmに形成されるガラス基材をエッチングにより加工することで形成される。
具体的には、可動基板52は、図2に示すような平面視において、基板中心点を中心とした円形の可動部521と、可動部521と同軸であり可動部521を保持する保持部522と、を備えている。
ここで、この可動反射膜57は、上述した固定反射膜56と同一の構成の反射膜が用いられる。
そして、この保持部522の固定基板51に対向する面には、固定電極541と、約1μmの隙間を介して対向する、リング状の可動電極542が形成されている。
具体的には、可動電極542は、可動基板52の表面から順に、第一電極層544、第二電極層545、第三電極層526の順に積層されて構成されている。ここで、第一電極層544は、面方向に沿って作用する内部応力の方向が、第一電極層544の外周縁から層中心部に向かう圧縮方向である、圧縮応力を有している。また、第二電極層545は、内部応力の方向が、層中心部から第二電極層545の外周縁に向かう引張方向である、引張応力を有している。さらに、第三電極層546は、引張応力を有している。すなわち、第一電極層544は、本発明の圧縮電極層を構成し、第二電極層545および第三電極層546は、本発明の引張電極層を構成する。
また、第二電極層545および第三電極層546は、金属膜をスパッタリングにより成膜することで形成される膜であり、例えば、本実施形態では、第二電極層545として、10nmのCr、第三電極層546として、100nmのAuが形成されている。
なお、本実施形態では、第一電極層544、第二電極層545、および第三電極層546の三層により可動電極542が構成される例を示すが、例えば、4層以上の電極層を備える構成としてもよく、2層のみの構成、例えば、圧縮応力を有する第一電極層544(ITO)と、引張応力を有する第三電極層546(Au)のみで構成されてもよい。ただし、Auで構成された第三電極層546は、ITOで構成された第一電極層544との密着性が悪く、第一電極層544上に第三電極層546を積層した場合、剥離等が発生する場合がある。これに対して、Crは、ITOおよびAuの双方に対して良密着性を示し、第一電極層544と第三電極層546との間にCrで構成された第二電極層545を設けることで、上述のような剥離等の問題を回避できる。
同様に、第二電極層545、第三電極層546として、引張応力を有するCr,Auを例示したが、その他の金属膜を用いてもよい。スパッタリングにより成膜された際に引張応力を示す金属としては、例えば、Cu,Al,Ag,Ti,W,Mo等が挙げられる。
F∝σ0×t0=(σ1×t1)+(σ2×t2)+(σ3×t3) …(1)
|σ1×t1|=|(σ2×t2)+(σ3×t3)| …(2)
この可動引出電極542Aは、可動電極542の成膜時に同時に形成されるものであり、可動電極542を同様の構成を有している。したがって、可動引出電極542Aの内部応力が可動基板52に及ぼす力も「0」となり、これによる可動基板52の撓みはない。
電圧制御部6は、制御装置4からの入力される制御信号に基づいて、静電アクチュエーター54の固定電極541および可動電極542に印加する電圧を制御する。
制御装置4は、測色装置1の全体動作を制御する。
この制御装置4としては、例えば汎用パーソナルコンピューターや、携帯情報端末、その他、測色専用コンピューターなどを用いることができる。
そして、制御装置4は、図1に示すように、光源制御部41、測色センサー制御部42、および本発明の分析処理部を構成する測色処理部43などを備えて構成されている。
光源制御部41は、光源装置2に接続されている。そして、光源制御部41は、例えば利用者の設定入力に基づいて、光源装置2に所定の制御信号を出力し、光源装置2から所定の明るさの白色光を射出させる。
測色センサー制御部42は、測色センサー3に接続されている。そして、測色センサー制御部42は、例えば利用者の設定入力に基づいて、測色センサー3にて受光させる光の波長を設定し、この波長の光の受光量を検出する旨の制御信号を測色センサー3に出力する。これにより、測色センサー3の電圧制御部6は、制御信号に基づいて、利用者が所望する光の波長のみを透過させるよう、静電アクチュエーター54への印加電圧を設定する。
次に、上記エタロン5の製造方法について、図面に基づいて説明する。
(5−1.固定基板の製造)
まず、固定基板51の製造素材である厚み寸法が500μmの石英ガラス基板を用意し、この石英ガラス基板の表面粗さRaが1nm以下となるまで両面を精密研磨する。そして、固定基板51の可動基板52に対向する面に電極形成溝511形成用のレジストを塗布して、塗布されたレジストをフォトリソグラフィ法により露光・現像して、電極形成溝511が形成される箇所をパターニングする。
次に、ウェットエッチングにより、反射膜固定面512Aの深さ寸法まで固定基板51をエッチングする。そして、反射膜固定面512Aにレジストを形成して、さらにエッチング処理をすることで、図4(A)に示すように、電極形成溝511を形成する。
さらに、固定基板51に、接合部513が形成される領域だけが露出するパターンのレジストを形成し、ポリオルガノシロキサンを用いたプラズマ重合膜をプラズマCVD法により成膜し、リフトオフにより、レジストを除去する。以上により、図4(D)に示すように、固定基板51が形成される。
可動基板52の形成では、予め可動電極542の各電極層の成膜条件を設定して、その成膜条件で各電極層544,545,546を成膜した際の内部応力を測定する。例えば、本実施形態では、第一電極層544、第二電極層545、および第三電極層546をスパッタリングにより成膜する。この場合、第一電極層544の成膜条件を、例えば成膜対象基板(可動基板52)の温度を250度、真空チャンバー内圧力を0.5Pa、ターゲットに印加する電力を200Wとし、この成膜条件でスパッタリングにより成膜された第一電極層544の内部応力を測定する。また、第二電極層545および第三電極層546の成膜条件を、例えば成膜対象基板の温度を常温(20度)、真空チャンバー内圧力を0.2Pa、ターゲットに印加する電力を200Wとし、この成膜条件でスパッタリングにより成膜された第二電極層545および第三電極層546の内部応力を測定する。
そして、シミュレーションにより、上記式(2)を満たす各電極層544,545,546の厚み寸法を決定する。ここでは、シミュレーションにより、第一電極層544の厚み寸法が100nm、第二電極層545の厚み寸法が10nm、第三電極層546の厚み寸法が100nmと決定されたものとする。
そして、可動基板52の一面(固定基板51とは反対側の面)に、フォトリソグラフィ法によりレジストを形成した後、ウェットエッチングを行うことにより、図5(B)に示すように、可動部521および保持部522を形成する。
さらに、図6(D)に示すように、可動基板の接合部523に、ポリオルガノシロキサンを用いたプラズマ重合膜をプラズマCVD法により成膜する。
以上により、可動電極542の内部応力による撓みがない可動基板52が形成される。
固定基板51及び可動基板52の接合では、まず、固定基板51の接合部513及び可動基板52の接合部523をそれぞれ活性化させる表面活性化工程を実施する。この表面活性化工程では、接合部513や接合部523の表面の分子結合が切断し、終端化されていない結合手を生じさせる。
この後、固定基板51の接合部513及び可動基板52の接合部523を重ね合わせて接合させ加圧接合させる。
この時、可動電極542の内部応力による可動基板52の撓みがないため、可動面521Aおよび可動反射膜57にも撓みが生じない。したがって、固定反射膜56および可動反射膜57を平行に維持することができ、加圧接合時に加える圧力を制御することで、所望の初期ギャップを精度よく設定することができる。
上述したように、上記実施形態のエタロン5は、可動基板52上に成膜される可動電極542が、第一電極層544、第二電極層545、および第三電極層546により構成され、第一電極層544は、圧縮応力を有し、第二電極層545および第三電極層546は、引張応力を有している。このため、第一電極層544の圧縮応力が可動基板52に及ぼす力と、第二電極層545および第三電極層546の引張応力が可動基板52に及ぼす力とが互いに打ち消しあい、可動基板52を撓ませる力が低減される。このため、可動基板52の撓みが防止され、可動反射膜57の撓みも防止される。したがって、可動反射膜57と固定反射膜56との平行精度を良好に維持でき、エタロン5の分解能を向上させることができる。
このため、第一電極層544の圧縮応力が可動基板52に及ぼす力、第二電極層545および第三電極層546の引張応力が可動基板52に及ぼす力を、釣り合わせることができ、より確実に可動基板52の撓みを防止でき、可動反射膜57の撓みを防止することができる。
これに対して、上記実施形態のエタロン5では、上述のように、可動電極542による可動基板52の撓みが防止され、可動反射膜57および固定反射膜56を平行に維持することができるため、反射膜56,57間の初期ギャップを一様に揃えることができる。したがって、所望のギャップ寸法に精度よく合わせ込むことができる。この場合、所望のギャップ寸法以上にギャップを設定する必要がなくなるので、エタロン5を駆動させるための電圧値も小さくすることができ、省電力化を図ることができる。
このような金属酸化物膜は、例えばスパッタリングにより成膜された際、特別な後処理を実施することなく圧縮応力を有する膜となり、金属膜は、例えばスパッタリングにより成膜された際に、特別な後処理を実施することなく引張応力を有する膜となる。したがって、特別な後処理を実施することなく、容易に圧縮応力を有する第一電極層544と、引張応力を有する第二、第三電極層545,546を成膜することができ、製造工程を簡略化することができる。
このような構成では、第一電極層544と可動基板52との密着性を良好にすることができ、可動基板52の剥離を防止することができる。
このように、可動部521および保持部522を設ける構成では、例えば保持部522が設けられない平行平板状の可動基板等に比べて、小さい駆動電圧で保持部522を撓ませ、可動部521を移動させることができ、省電力化を図ることができる。また、可動部521に比べて、保持部522が撓みやすくなっているため、可動基板52に静電引力が加わった際、保持部522が大きく撓み、可動部521の撓みが防止される。これにより、可動基板52を固定基板51側に撓ませた場合でも、可動部521の可動面521Aの撓みを防止することができ、可動反射膜57の撓みを防止することができる。
したがって、可動基板52を固定基板51側に撓ませた場合であっても、反射膜56,57の平行精度を維持することができ、エタロン5の分解能の低下を防止できる。
また、このような剛性の小さい保持部522に可動電極542を形成する場合、可動電極542の内部応力により保持部522を撓ませる力が作用すると、保持部522が容易に撓んでしまう。これに対して、本実施形態では、上述のように、可動電極542の各電極層544,545,546が上記式(2)の条件に基づいて成膜されており、保持部522を撓ませる力Fが作用しないので、保持部522の撓みを防止することができる。
また、固定基板51は、厚み寸法が十分大きく形成され、固定電極541の内部応力や、静電引力等による撓みがないため、上述のような絶縁膜543を設けた場合であっても、絶縁膜の内部応力により固定基板51が撓むことがなく、固定反射膜56および可動反射膜57間の平行精度を良好に維持できる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
第一電極層544として、ガラスである可動基板52と良密着性のITOを形成することが好ましいが、例えば、スパッタリングによる成膜後にアニール処理を実施することで、引張応力を有するITOの第一電極層544を形成することができる。また、スパッタリングによる成膜は、圧縮応力を有する膜が形成されやすく、蒸着法による成膜は、引張応力を有する膜が形成されやすい。したがって、所定の蒸着条件で、蒸着法により成膜することで、引張応力を有するITOの第一電極層544を形成してもよい。
このように、第一電極層544として、引張応力を有する引張電極層を形成した場合、第二電極層545および第三電極層546のうち少なくともいずれか一方を、圧縮応力を有する圧縮電極層とすることで、各電極層の内部応力による可動基板52に与える力が打ち消し合い、可動基板52の撓みを低減させることが可能となる。
さらに、固定基板51および可動基板52の双方に可動部が設けられ、これらの可動部がそれぞれ厚み方向に対して変位可能な構成などとしてもよく、この場合、固定電極541および可動電極542の双方を、圧縮電極層および引張電極層を積層した積層構造としてもよい。
保持部522としては、可動部521を固定基板51に対して進退移動可能に保持する構成であればよく、例えば、複数の架橋部により構成されていてもよい。この場合、これらの架橋部の全部、または、可動基板52の中心点に対して対象となる位置に設けられる架橋部に可動電極542を形成する。これにより、架橋部の撓みバランスを良好にでき、可動反射膜57を固定反射膜56に対して平行に維持した状態で、可動部521を移動させることができる。
例えば、本発明の光モジュールを、波長可変干渉フィルターであるエタロン5により取り出された光を検出部により受光することで、ガス特有の吸収波長を検出するガス検出モジュールとして用いることもでき、光分析装置として、ガス検出モジュールにより検出された吸収波長からガスの種類を判別するガス検出装置として用いることもできる。
さらには、例えば、光モジュールは、光ファイバーなどの光伝達媒体により伝送された光から所望の波長の光を抽出する光通信モジュールとしても用いることができる。また、光分析装置として、このような光通信モジュールから抽出された光からデータをデコード処理し、光により伝送されたデータを抽出する光通信装置として用いることもできる。
Claims (9)
- 第一基板と、
前記第一基板に対向する第二基板と、
前記第一基板の前記第二基板に対向する面に設けられた第一反射膜と、
前記第二基板の前記第一基板に対向する面に設けられ、前記第一反射膜とギャップを介して対向する第二反射膜と、
前記第一基板の前記第二基板に対向する面に設けられた第一電極と、
前記第二基板の前記第一基板に対向する面に設けられ、前記第一電極に対してギャップを介して対向する第二電極と、を備え、
前記第一電極は、前記第一基板の基板表面に沿う面方向に対する内部応力の方向が圧縮方向である圧縮電極層と、内部応力の方向が引張方向である引張電極層と、を積層して形成され、
前記圧縮電極層および前記引張電極層の一方は、第一層と、前記第一層とは材料が異なる第二層と、を有し、
前記第一層および前記第二層は、前記一方が前記圧縮電極層である場合、前記圧縮方向の内部応力を有し、前記一方が前記引張電極層である場合、前記引張方向の内部応力を有する
ことを特徴とする波長可変干渉フィルター。 - 請求項1に記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記第一層は、前記圧縮電極層および前記引張電極層の他方と、前記第二層との間に積層され、前記他方と前記第二層とを密着させる密着層である
ことを特徴とした波長可変干渉フィルター。 - 請求項1または請求項2に記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記圧縮電極層の内部応力および膜厚寸法の積の絶対値と、前記引張電極層の内部応力および膜厚寸法の積の絶対値とが、同値である
ことを特徴とした波長可変干渉フィルター。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記圧縮電極層は、金属酸化物の膜であり、
前記引張電極層は、金属膜である
ことを特徴とした波長可変干渉フィルター。 - 請求項4に記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記第一基板は、ガラスにより形成され、
前記第一電極のうち、前記第一基板に接する層は、前記圧縮電極層である
ことを特徴とした波長可変干渉フィルター。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記第一基板は、
前記第一反射膜が設けられた可動部と、
前記可動部を前記第二基板に対して進退移動可能に保持する保持部と、を備え、
前記保持部は、厚み方向に対する剛性が前記可動部の厚み方向に対する剛性よりも小さく、
前記第一電極は、前記保持部に設けられた
ことを特徴とした波長可変干渉フィルター。 - 請求項1から請求項6のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターにおいて、
前記第二基板は、前記第一電極および前記第二電極に電圧を印加して静電引力を付与した際に、静電引力により変形しない固定基板であり、
前記第二電極上に、前記第二電極の前記第一基板に対向する面を覆う絶縁膜が設けられた
ことを特徴とした波長可変干渉フィルター。 - 請求項1から請求項7のいずれかに記載の波長可変干渉フィルターと、
前記波長可変干渉フィルターを透過した光を検出する検出部と、を備えた
ことを特徴とする光モジュール。 - 請求項8に記載の光モジュールと、
前記光モジュールの前記検出部により受光された光に基づいて、前記光の光特性を分析する分析処理部と、を備えた
ことを特徴とする光分析装置。
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