JP7837593B2

JP7837593B2 - 精密位置決め装置及び光学装置

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Publication number: JP7837593B2
Application number: JP2024545422A
Authority: JP
Inventors: 仁西野
Original assignee: Tamagawa Holdings Co., Ltd.
Current assignee: Tamagawa Holdings Co., Ltd.
Priority date: 2022-09-07
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2026-03-31
Anticipated expiration: 2042-10-19
Also published as: JPWO2024053119A1; WO2024053119A1

Description

本発明は、光学素子の可動性を３次元的に持たせることができる精密位置決め装置及び光学装置に関する。

１９６０年代にレーザーが発明されて以来、光計測技術は著しく発展した。１９７０年代に半導体レーザーが発明されてからは小型の計測装置の研究開発が活発化し、１９８０年代には、半導体レーザーを内蔵した計測装置が実用化された。近年では、これまで高価で大型であった計測装置と同じ機能・性能を維持した状態で携帯可能とした計測装置の開発が活発化している。その手法は、大きく分けて、微細加工技術を用いたものと、光導波路を用いたものがある。

前者は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によるもので、例えば、非特許文献１にあるように、ウエハレベルでの光学素子、特に可動性を持たせたものが主流となっている。しかしながら、ウエハレベルでの作製ゆえに、２次元的な構造物が多く、また、ばね機構を持たせる場合、共振特性を利用すると大きな変位を得られるが静的な可動が困難といった問題がある。

後者は、光導波路がウエハ状に形成されており、光が通過するところは、ＳｉＮ等の材料で、空気中を通過するよりも損失があり、また、光を導入するところでも大きな損失がある。例えば、非特許文献２のようにセンサの利用の場合は、光の強度を上げることで解決するが、光子を制御するような微弱な光を制御する場合は、損失の影響が計測に大きな影響を及ぼすという問題があった。

O. Solgaard, A. A. Godil, R. T. Howe, L. P. Lee, Y. Peter and H. Zappe, "Optical MEMS: From Micromirrors to Complex Systems," in Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 23, no. 3, pp. 517-538, June 2014, doi: 10.1109/JMEMS.2014.2319266. Sepulveda, Borja, et al. "Optical biosensor microsystems based on the integration of highly sensitive Mach-Zehnder interferometer devices." Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 8.7 (2006): S561.

このように、ＭＥＭＳ技術のみのアプローチだけ、もしくは、光導波路のアプローチによるだけでは、光子のような微弱な光の精密制御は困難であり、大型の光学システムの小型化と自動制御をすることが課題となっている。

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、光子のような微弱な強度の光の制御も可能とすることができる精密位置決め装置及びそれを用いた光学装置を提供することにある。

本発明の精密位置決め装置は、光学素子と、光学素子を支持する支持部とを備え、支持部は、電気配線が立体的に配設された複数の構造物と、電気配線に電気的に接続された複数の圧電アクチュエータとを接合することにより、光学素子を、複数の回転軸を中心として回動可能とすると共に、回転軸の少なくとも１つの方向に移動可能とするように構成されたものである。

本発明の光学装置は、レーザー発振器と、レーザー発振器からのレーザー光を受光するフォトダイオードと、レーザー発振器及びフォトダイオードが配設された回路基板と、回路基板に配設され、レーザー発振器からフォトダイオードまでの光路上に配置された本発明の少なくとも１つの精密位置決め装置とを備えたものである。

本発明によれば、電気配線が立体的に配設された複数の構造物と、電気配線に電気的に接続された複数の圧電アクチュエータとを接合することにより、光学素子を、複数の回転軸を中心として回動可能とすると共に、回転軸の少なくとも１つの方向に移動とするようにしたので、微細加工技術、特に、実装の技術を利用して、三次元な電気配線と構造を持たせることができ、光子のような微弱な強度の光の制御を可能とすることができる。また、微弱な光以外にも、高強度な光の制御も可能であり、広く汎用性を持たせることができる。更に、回路基板上に集積することができるので、電気機械光学制御システムを実現することができ、系全体での小型化を達成することができる。

本発明の一実施の形態に係る精密位置決め装置の構成を表す図である。図１に示した精密位置決め装置の配線構成を表す図である。図１に示した精密位置決め装置の位置を表す座標である。図１に示した精密位置決め装置のミラーの製造工程を表す図である。図１に示した精密位置決め装置の素子側第１構造物の製造工程を表す図である。図１に示した精密位置決め装置の支持側第１構造物の製造工程を表す図である。図１に示した精密位置決め装置の第２構造物の製造工程を表す図である。図１に示した精密位置決め装置の各構造物を接合する製造工程を表す図である。図１に示した精密位置決め装置を用いた光学装置の構成を表す図である。図１に示した精密位置決め装置の利用例を説明する図である。本発明の変形例１の構成を表す図である。本発明の変形例１の他の構成を表す図である。本発明の変形例１の利用例を説明する図である。本発明の変形例２の構成を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る精密位置決め装置１の全体構成を表すものであり、図１（Ａ）は精密位置決め装置１を上から見た構成を示し、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示したＩ方向から見た構成を示し、図１（Ｃ）は図１（Ａ）に示したＩＩ方向から見た構成を示している。図２は、精密位置決め装置１の配線構成を表すものである。図２（Ａ）は素子側第１構造物５３を光学素子２の側から見た構成、図２（Ｂ）は光学素子２を素子側第１構造物５３の側から見た構成、図２（Ｃ）は素子側第１構造物５３を支持側第１構造物５４の側から見た構成、図２（Ｄ）は支持側第１構造物５４を素子側第１構造物５３の側から見た構成、図２（Ｅ）は第２構造物５２を支持側第１構造物５４の側から見た構成、図２（Ｆ）は支持側第１構造物５４を第２構造物５２の側から見た構成、図２（Ｇ）は第２構造物５２を第２構造物５２の反対側から見た構成を示している。

この精密位置決め装置１は、光学素子２と、光学素子２を支持する支持部３とを備えており、光学素子２の可動性を３次元的に持たせることができるものである。光学素子２は、例えば、光学装置を構成する各要素であり、ミラー、レンズ、プリズム、フィルター、又は、回折格子等が挙げられる。光学素子２の大きさは、例えば、２０ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であればより好ましく、１００μｍ以上１０ｍｍ以下であれば更に好ましい。小型化することができるからである。光学素子２の大きさというのは、例えば、光学素子２の最大長さである。なお、本実施の形態では、光学素子２としてミラーを用いる場合を例に挙げて具体的に説明する。ミラーは、例えば、シリカガラス、ほう珪酸ガラス、低熱膨張結晶化ガラス等のセラミックスやシリコン等の誘電体よりなる素子基板２１の一面に、ＳｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_３等の誘電体多層膜よりなる反射膜２２が形成され、他面に素子側電極部２３が形成されている。

支持部３は、電気配線が立体的に配設された複数の構造物と、電気配線に電気的に接続された複数の圧電アクチュエータとを有している。支持部３は、複数の構造物と、複数の圧電アクチュエータとを組み合わせて接合することにより、光学素子２を、複数の回転軸を中心として回動可能とすると共に、回転軸の少なくとも１つの方向に移動可能とするように構成されている。

具体的には、例えば、支持部３は、構造物として第１構造物５１と第２構造物５２とを有しており、圧電アクチュエータとして複数の第１圧電アクチュエータ６１と複数の第２圧電アクチュエータ６２とを有している。第１圧電アクチュエータ６１は、第１構造物５１と光学素子２との間に配設されている。第１圧電アクチュエータ６１は、例えば、３個以上であり、光学素子２について、Ｘ軸及びＺ軸を回転軸として回動可能とすると共に、Ｙ軸方向に移動可能とするように配置されている。第２圧電アクチュエータ６２は、第１構造物５１と第２構造物５２との間に配設されている。第２圧電アクチュエータ６２は、例えば、３個以上であり、光学素子２について、Ｘ軸及びＹ軸を回転軸として回動可能とすると共に、Ｚ軸方向に移動可能とするように配置されている。

これにより、支持部３は、光学素子２を、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸を回転軸として回動可能とすると共に、Ｙ軸方向、及び、Ｚ軸方向に移動可能とするように構成されている。なお、図１，２では、第１圧電アクチュエータ６１及び第２圧電アクチュエータ６２をそれぞれ４個配設した場合を示している。また、図１，２では、わかりやすくするために、第１圧電アクチュエータ６１及び第２圧電アクチュエータ６２に梨地を付して示している。

第１構造物５１は、例えば、シリカガラス、ほう珪酸ガラス、低熱膨張結晶化ガラス等のセラミックスやシリコン等の誘電体により構成されている。第１構造物５１は、例えば、第１圧電アクチュエータ６１が接合された素子側第１構造物５３と、第２圧電アクチュエータ６２が接合され、素子側第１構造物５３を支持する支持側第１構造物５４とを有している。素子側第１構造物５３は、例えば、Ｙ軸に対して垂直な面を有しており、このＹ軸に対して垂直な面に第１圧電アクチュエータ６１が接合されている。支持側第１構造物５４は、例えば、Ｚ軸に対して垂直な面を有しており、このＺ軸に対して垂直な面に第２圧電アクチュエータ６２が接合されている。第２構造物５２は、例えば、シリカガラス、ほう珪酸ガラス、低熱膨張結晶化ガラス等のセラミックスやシリコン等の誘電体により構成されており、第１構造物５１を支持するものである。第２構造物５２は、例えば、Ｚ軸に対して垂直な面を有しており、このＺ軸に対して垂直な面に第２圧電アクチュエータ６２が接合されている。

素子側第１構造物５３、支持側第１構造物５４、及び、第２構造物５２は、例えば、板状であり、一対の平面及び４つの側面を有している。素子側第１構造物５３、支持側第１構造物５４、及び、第２構造物５２の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。これらの平面の大きさは、例えば、０．１ｍｍ×０．１ｍｍ以上、２０ｍｍ×２０ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ×０．１ｍｍ以上、１０ｍｍ×１０ｍｍ以下であればより好ましい。

素子側第１構造物５３は、例えば、支持側第１構造物５４に対して１つの側面を対向させて配設されており、一方の平面に第１圧電アクチュエータ６１が接合されている。素子側第１構造物５３には、第１圧電アクチュエータ６１が接合された一方の平面から支持側第１構造物５４と対向する側面にかけて、電気配線として複数の第１電気配線４１が設けられている。第１電気配線４１が設けられた一方の平面と側面との角部は、少なくとも第１電気配線４１が設けられている領域において、面取りされていることが好ましい。第１電気配線４１を容易に形成することができるからである。

第１電気配線４１の両端には第１電極部４２がそれぞれ設けられている。第１電気配線４１のうち１つは、第１圧電アクチュエータ６１の光学素子２の側と電気的に接続されるものである。例えば、一方の第１電極部４２において、導電性ポリマー等よりなる接続部６３により光学素子２の素子側電極部２３と電気的に接続されている。他の第１電気配線４１は、一方の第１電極部４２において、第１圧電アクチュエータ６１の素子側第１構造物５４の側と個別に電気的に接続されている。これにより、第１電気配線４１は、第１圧電アクチュエータ６１に電圧を印加することができるようになっている。

支持側第１構造物５４は、例えば、一方の平面に素子側第１構造物５３が配設され、他方の平面に第２圧電アクチュエータ６２が接合されている。支持側第１構造物５４には、素子側第１構造物５３が配設された一方の平面から側面を介し第２圧電アクチュエータ６２が接合された他方の平面にかけて、電気配線として複数の第２電気配線４３が設けられている。第２電気配線４３が設けられた一方の平面と側面との角部、及び、側面と他方の平面との角部は、少なくとも第２電気配線４３が設けられている領域において、面取りされていることが好ましい。第２電気配線４３を容易に形成することができるからである。第２電気配線４３は、第１電気配線４１を電源に対して電気的に接続するものであり、第２電気配線４３の両端には第２電極部４４がそれぞれ設けられている。一方の第２電極部４４は、第１電気配線４１の他方の第１電極部４２に対して個別に電気的に接続されている。また、支持側第１構造物５４の他方の平面には、各第２圧電アクチュエータ６２と電気的に接続される第１構造物側電極部５５が設けられている。

第２構造物５２は、例えば、一方の平面に第２圧電アクチュエータ６２が接合されている。第２構造物５２には、一方の平面から側面を介し他方の平面にかけて、電気配線として複数の第３電気配線４５及び複数の第４電気配線４６が設けられている。第３電気配線４５又は第４電気配線４６が設けられた一方の平面と側面との角部、及び、側面と他方の平面との角部は、少なくとも第３電気配線４５又は第４電気配線４６が設けられている領域において、面取りされていることが好ましい。第３電気配線４５及び第４電気配線４６を容易に形成することができるからである。

第３電気配線４５は、第２電気配線４３を介して第１電気配線４１を電源に対して電気的に接続するものであり、第３電気配線４５の両端には第３電極部４７がそれぞれ設けられている。一方の第３電極部４７は、第２電気配線４３の他方の第２電極部４４と、導電性ポリマー等よりなる接続部６４により個別に電気的に接続されている。他方の第３電極部４７は、例えば、精密位置決め装置１を配設する図示しない回路基板等に対して電気的に接続される。

第４電気配線４６の両端には第４電極部４８がそれぞれ設けられている。第４電気配線４６のうち１つは、第２圧電アクチュエータ６２の支持側第１構造物５４の側と電気的に接続されるものであり、一方の第４電極部４８において、導電性ポリマー等よりなる接続部６４により第１構造物側電極部５５と電気的に接続されている。他の第４電気配線４６は、一方の第４電極部４８において、第２圧電アクチュエータ６２の第２構造物５２の側と個別に電気的に接続されている。これにより、第４電気配線４６は、第２圧電アクチュエータ６２に電圧を印加することができるようになっている。他方の第４電極部４８は、例えば、精密位置決め装置１を配設する図示しない回路基板等に対して電気的に接続される。

第１電気配線４１、第１電極部４２、第２電気配線４３、第２電極部４４、第３電気配線４５、第４電気配線４６、第３電極部４７、第４電極部４８、素子側電極部２３、及び、第１構造物側電極部５５は、例えば、金（Ａｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属により構成されている。これらの厚みは、例えば、１００ｎｍから１０００ｎｍ程度である。なお、これらと素子側第１構造物５３、支持側第１構造物５４、又は、第２構造物との間に、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）等の金属よりなる密着層を設けるようにしてもよい。密着層の厚みは、例えば、１ｎｍから２０ｎｍ程度である。第１電極部４２と第２電極部４４とは、例えば、はんだ又は、ＹＡＧレーザー等を用いたガラス同士の溶接により電極間を接触させ導通させる、もしくは、導電性ポリマーを介して導通させることができる。

第１圧電アクチュエータ６１と第１電極部４２及び素子側電極部２３、並びに、第２圧電アクチュエータ６２と第４電極部４８及び第１構造物側電極部５５は、例えば、導電性ポリマーにより接合することが好ましい。可動性を持たせるためである。第１圧電アクチュエータ６１及び第２圧電アクチュエータ６２は、例えば、電圧を調整することにより、厚み方向、すなわち電圧の印加方向に伸縮するように構成されている。これにより、電圧に応じて第１圧電アクチュエータ６１及び第２圧電アクチュエータ６２の厚みが変化し、光学素子２を、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸を回転軸として回動可能とすると共に、Ｙ軸方向、及び、Ｚ軸方向に移動可能とするようになっている。

例えば、図３に示したように、精密位置決め装置１の位置を距離ｌだけ離れた２つの座標系で表すと、座標系０（基準座標）に関する同時変換行列^０Ｔ_１は式１で表され、座標系１に関する同時変換行列^１Ｔ_２は式２で表され、基準座標系から見た座標系０、座標系１の回転／移動に関する同時変換行列^０Ｔ_２は式３で表される。各同時変換行列をかけることで、光学素子２のＸ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸を回転軸とした回動と、Ｙ軸方向、及び、Ｚ軸方向の移動とを電気的に制御することができるようになっている。

この精密位置決め装置１は、例えば、次にようにして製造することができる。図４から図８は精密位置決め装置１の製造工程を表すものである。まず、例えば、精密位置決め装置１の各構成部材、すなわち、光学素子２であるミラー、素子側第１構造物５３、支持側第１構造物５４、及び、第２構造物５２をそれぞれ作製する。ミラーは、例えば、まず、図４（Ａ）に示したように、ガラス等よりなる基板を所定の大きさに切断して素子基板２１を形成し、次いで、図４（Ｂ）に示したように、素子基板２１の一面にスパッタ等により誘電体多層膜よりなる反射膜２２を形成し、続いて、図４（Ｃ）に示したように、素子基板２１の他面にスパッタ等により金属膜よりなる素子側電極部２３を形成する。

素子側第１構造物５３は、例えば、まず、図５（Ａ）に示したように、ガラス等よりなる基板７１を用意し、図５（Ｂ）（Ｃ）に示したように、側面の第１電気配線４１の形成位置に対応してドリル加工等により貫通孔７２を形成する。その際、貫通孔７２に皿ザグリ穴を形成し、第１電気配線４１を形成する一面と側面との角部を面取りすることが好ましい。なお、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）を一面側から見た構成であり、図５（Ｂ）は図５（Ｃ）のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面構成を示している。次いで、例えば、図５（Ｄ）に示したように、基板７１の一面に、第１電気配線４１及び第１電極部４２の形成領域を開口したステンシルマスク７３を形成する。続いて、例えば、図５（Ｅ）に示したように、スパッタリング等により第１電気配線４１及び第１電極部４２を形成し、ステンシルマスク７３を除去する。その後、例えば、図５（Ｆ）に示したように、基板７１を所定の大きさに切断する。その際、１つの側面は、貫通孔７２を切断するように形成する。

支持側第１構造物５４も素子側第１構造物５３と同様にして形成することができる。例えば、まず、図６（Ａ）に示したように、ガラス等よりなる基板７１を用意し、側面の第２電気配線４３の形成位置に対応してドリル加工等により貫通孔７２を形成する。その際、両面において貫通孔７２に皿ザグリ穴を形成することが好ましい。次いで、例えば、図６（Ｂ）に示したように、基板７１の一面に、第２電気配線４３及び第２電極部４４の形成領域を開口したステンシルマスクを形成し、スパッタリング等により第２電気配線４３及び第２電極部４４を形成し、ステンシルマスクを除去する。続いて、例えば、図６（Ｃ）に示したように、基板７１の他面に、第２電気配線４３、第２電極部４４、及び、第１構造物側電極部５５の形成領域を開口したステンシルマスクを形成し、スパッタリング等により第２電気配線４３、第２電極部４４及び、第１構造物側電極部５５を形成し、ステンシルマスクを除去する。その後、例えば、図６（Ｄ）に示したように、基板７１を所定の大きさに切断する。その際、１つの側面は、貫通孔７２を切断するように形成する。

第２構造物５２も素子側第１構造物５３と同様にして形成することができる。例えば、まず、図７（Ａ）に示したように、ガラス等よりなる基板７１を用意し、側面の第３電気配線４５及び第４電気配線４６の形成位置に対応してドリル加工等により貫通孔７２を形成する。その際、両面において貫通孔７２に皿ザグリ穴を形成することが好ましい。次いで、例えば、図７（Ｂ）に示したように、基板７１の一面に、第３電気配線４５、第４電気配線４６、第３電極部４７、及び、第４電極部４８の形成領域を開口したステンシルマスクを形成し、スパッタリング等により第３電気配線４５、第４電気配線４６、第３電極部４７、及び、第４電極部４８を形成し、ステンシルマスクを除去する。続いて、例えば、図７（Ｃ）に示したように、基板７１の他面に、第３電気配線４５、第４電気配線４６、第３電極部４７、及び、第４電極部４８の形成領域を開口したステンシルマスクを形成し、スパッタリング等により第３電気配線４５、第４電気配線４６、第３電極部４７、及び、第４電極部４８を形成し、ステンシルマスクを除去する。その後、例えば、図７（Ｄ）に示したように、基板７１を所定の大きさに切断する。その際、２つの側面は、貫通孔７２を切断するように形成する。

次に、例えば、図８（Ａ）に示したように、素子側第１構造物５３の第１電極部４２に、第１圧電アクチュエータ６１を導電性ポリマーにより接合すると共に、導電性ポリマーよりなる接続部６３を接合する。続いて、例えば、図８（Ｂ）に示したように、第１圧電アクチュエータ６１と素子側電極部２３とを導電性ポリマーにより接合すると共に、第１電極部４２と素子側電極部２３とを導電性ポリマーよりなる接続部６３により接合する。次いで、例えば、図８（Ｃ）に示したように、第２構造物５２の第３電極部４７に、導電性ポリマーよりなる接続部６４を接合し、更に、第４電極部４８に、第２圧電アクチュエータ６２を導電性ポリマーにより接合すると共に、導電性ポリマーよりなる接続部６５を接合する。続いて、例えば、図８（Ｄ）に示したように、第２圧電アクチュエータ６２と第１構造物側電極部５５とを導電性ポリマーにより接合すると共に、第４電極部４８と第１構造物側電極部５５とを導電性ポリマーよりなる接続部６５により接合し、また、第３電極部４７と第２電極部４４とを導電性ポリマーよりなる接続部６４により接合する。その後、例えば、第２電極部４４と第１電極部４２とをはんだ又は、ＹＡＧレーザー等を用いたガラス同士の溶接により電極間を接触させて導通させる。これにより、図１に示した精密位置決め装置１が得られる。

この精密位置決め装置１は、光学装置に用いることができる。例えば、光学素子２をミラーにより構成すれば、ミラーによりレーザー光の反射方向を調整することにより、レーザー光の光路を調整することができる。光学装置として、例えば、マッハツェンダー干渉計による試料の測定系を例に挙げて説明する。

図９は、マッハツェンダー干渉計による試料の測定系の構成を表すものである。この測定系は、例えば、レーザー発振器８１と、レーザー発振器８１からのレーザー光を受光するフォトダイオード８２と、レーザー発振器８１及びフォトダイオード８２が配設された回路基板８３と、回路基板８３に配設され、レーザー発振器８１からフォトダイオード８２までの光路上に配置された２個の精密位置決め装置１とを備えている。精密位置決め装置１は、光学素子２としてミラーを有している。レーザー発振器８１と一方の精密位置決め装置１との間の光路上には、レーザー発振器８１の側から順に、レンズ８４、１／２λ波長板８５、ハーフミラー８６が回路基板８３上に配設されている。他方の精密位置決め装置１とフォトダイオード８２との間の光路上には、他方の精密位置決め装置１の側から順に、ハーフミラー８７、偏光板８８、レンズ８９が回路基板８３上に配設されている。

一方の精密位置決め装置１のミラーの位置は、レーザー発振器８１から発信されたレーザー光がハーフミラー８６を通過し、一方の精密位置決め装置１のミラーで反射され、ハーフミラー８７で反射されてフォトダイオード８２に入射するように、一方の精密位置決め装置１の支持部３により調整される。また、他方の精密位置決め装置１のミラーの位置は、レーザー発振器８１から発信されたレーザー光がハーフミラー８６で反射され、他方の精密位置決め装置１のミラーで反射され、ハーフミラー８７を通過してフォトダイオード８２に入射するように、他方の精密位置決め装置１の支持部３により調整される。この計測系では、ハーフミラー８６と一方の精密位置決め装置１のミラーとの間に試料Ｍを配置し、試料Ｍの屈折率と空気の屈折率との差による光路差から試料Ｍの屈折率を測定する。

なお、本実施の形態では、マッハツェンダー干渉計による試料の測定系として、２個の精密位置決め装置１を備える場合について説明したが、光学装置としては、少なくとも１つの精密位置決め装置１を備えていればよい。

また、この精密位置決め装置１は、例えば、図１０に示したように、第１地球局９１と第２地球局９２との間の第１人工衛星９３を介したＢＢＭ９２方式の量子暗号通信や、又は、第３地球局９４と第２人工衛星９５との間のＢＢ８４方式の量子暗号通信において、光学素子２の精密位置決めに用いることができる。ＢＢＭ９２方式の量子暗号通信では、第１人工衛星９３から量子もつれ状態にあった２光子を分岐して第１地球局９１と第２地球局９２にそれぞれ光子を送る。ＢＢ８４方式の量子暗号通信では、第３地球局９４から第２人工衛星９５へ光子を送る。

このように、本実施の形態の精密位置決め装置１によれば、電気配線が立体的に配設された複数の構造物と、電気配線に電気的に接続された複数の圧電アクチュエータとを接合することにより、光学素子２を、複数の回転軸を中心として回動可能とすると共に、回転軸の少なくとも１つの方向に移動とするようにしたので、微細加工技術、特に、実装の技術を応用して、三次元な電気配線４と構造を持たせることができ、光子のような微弱な強度の光の制御を可能とすることができる。また、微弱な光以外にも、高強度な光の制御も可能であり、広く汎用性を持たせることができる。更に、回路基板の上に集積することができるので、電気機械光学制御システムを実現することができ、系全体での小型化を達成することができる。

第１の実施の形態では、支持側第１構造物５４の側面とミラーの反射膜２２の面とを平行にして素子側第１構造物５３を支持側第１構造物５４に対して配設する場合について示したが、例えば、図１１に示したように、支持側第１構造物５４の側面に対してミラーの反射膜２２の面をＺ軸を回転軸として４５°回転させて、素子側第１構造物５３を支持側第１構造物５４に対して配設するようにしてもよい。図１１（Ａ）は精密位置決め装置１を上から見た構成、図１１（Ｂ）は支持側第１構造物５４の素子側の面の配線構成を示している。

また、例えば、図１２に示したように、支持側第１構造物５４の素子側の面に、素子側第１構造物５３の配設位置を２つ設け、ミラーの反射膜２２の面を支持側第１構造物の側面に対してＺ軸を回転軸として４５°回転させる場合と、ミラーの反射膜２２の面を支持側第１構造物５４の側面と平行にする場合のどちらかを選択して配設することができるようにしてもよい。図１２（Ａ）はミラーの反射膜２２の面を支持側第１構造物の側面に対して４５°回転させて配設した場合の構成、図１２（Ｂ）はミラーの反射膜２２の面を支持側第１構造物５４の側面と平行にして配設した場合の構成、図１２（Ｃ）は支持側第１構造物５４の素子側の面の配線構成を示している。

この変形例では、例えば、図１２（Ｃ）に示したように、支持側第１構造物５４の素子側の面において、素子側第１構造物５３の向きに対応して、各第２電気配線４３に２つの第２電極部４４がそれぞれ設けられている。素子側第１構造物５３の第１配設位置は、ミラーの反射膜２２の面と支持側第１構造物の側面とをＺ軸を回転軸として４５°回転させて配設する位置であり、素子側第１構造物５３の第２配設位置は、ミラーの反射膜２２の面と支持側第１構造物５４の側面とを平行にして配設する位置である。第１配設位置及び第２配設位置は、素子側第１構造物５３を配設したときに、第１電極部４２が設けられた側面の反射膜２２に沿った長さ方向の中心位置が、支持側第１構造物５４の素子側の面の中心位置と一致していることが好ましい。

図１３は、精密位置決め装置１をレーザー光の反射に利用する場合の光路を矢印で示したものである。第１配設位置に素子側第１構造物５３を配設した場合には、例えば、図１３（Ａ）に示したようにレーザー光を反射し、第２配設位置に素子側第１構造物５３を配設した場合には、例えば、図１３（Ｂ）に示したようにレーザー光を反射する。このように、精密位置決め装置１を配設する場所に応じて、素子側第１構造物５３の配設位置を第１配設位置と第２配設位置とで任意に選択することができる。

（変形例２）
第１の実施の形態では、素子側第１構造物５３、支持側第１構造物５４、及び、第２構造物５２の側面に第１電気配線４１、第２電気配線４３、第３電気配線４５、又は、第４電気配線４６を形成する際に、基板７１に貫通孔７２を設け、その内壁に金属膜を形成し、貫通孔７２を通るように切断する場合について説明したが、基板７１を所定の大きさに切断したのちに、第２構造物５２の側面に第１電気配線４１、第２電気配線４３、第３電気配線４５、第４電気配線４６を設けるようにしてもよい。図１４に変形例２の構成例を示す。変形例２では、例えば、素子側第１構造物５３の第１電気配線４１を形成する一方の平面と側面との角部は面取りされていることが好ましい。また、支持側第１構造物５４の第２電気配線４３を形成する一方の平面と側面との角部、及び、側面と他方の平面との角部は、面取りされていることが好ましい。更に、第２構造物５２の第３電気配線４５又は第４電気配線４６を形成する一方の平面と側面との角部、及び、側面と他方の平面との角部は、面取りされていることが好ましい。第１電気配線４１、第２電気配線、第３電気配線４５及び第４電気配線４６を容易に形成することができるからである。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態及に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、各構成要素について具体的に説明したが、他の構成要素を備えていてもよい。また、各構成要素の説明は一例を示したものであり、異なっていてもよい。

１…精密位置決め装置、２…光学素子、３…支持部、２１…素子基板、２２…反射膜、２３…素子側電極部、４１…第１電気配線、４２…第１電極部、４３…第２電気配線、４４…第２電極部、４５…第３電気配線、４６…第４電気配線、４７…第３電極部、４８…第４電極部、５１…第１構造物、５２…第２構造物、５３…素子側第１構造物、５４…支持側第１構造物、５５…第１構造物側電極部、６１…第１圧電アクチュエータ、６２…第２圧電アクチュエータ、６３，６４，６５…接続部、７１…基板、７２…貫通孔、７３…ステンシルマスク、８１…レーザー発振器、８２…フォトダイオード、８３…回路基板、８４，８９…レンズ、８５…１／２λ波長板、８６，８７…ハーフミラー、８８…偏光板、９１…第１地球局、９２…第２地球局、９３…第１人工衛星、９４…第３地球局、９５…第２人工衛星

Claims

光学素子と、前記光学素子を支持する支持部とを備え、
前記支持部は、電気配線が立体的に配設された複数の構造物と、前記電気配線に電気的に接続された複数の圧電アクチュエータとを接合することにより、前記光学素子を、複数の回転軸を中心として回動可能とすると共に、前記回転軸の少なくとも１つの方向に移動可能とするように構成され、
前記支持部は、前記構造物として第１構造物と第２構造物とを有すると共に、前記圧電アクチュエータとして複数の第１圧電アクチュエータと複数の第２圧電アクチュエータとを有し、
前記第１圧電アクチュエータは、前記第１構造物と前記光学素子との間に配設され、前記光学素子について、Ｘ軸及びＺ軸を回転軸として回動可能とすると共に、Ｙ軸方向に移動可能とするように配置され、
前記第２圧電アクチュエータは、前記第１構造物と前記第２構造物との間に配設され、前記光学素子について、Ｘ軸及びＹ軸を回転軸として回動可能とすると共に、Ｚ軸方向に移動可能とするように配置された
ことを特徴とする精密位置決め装置。
前記光学素子はミラーであることを特徴とする請求項１記載の精密位置決め装置。
前記ミラーによりレーザー光の反射方向を調整することにより、レーザー光の光路を調整することを特徴とする請求項２記載の精密位置決め装置。
レーザー発振器と、
前記レーザー発振器からのレーザー光を受光するフォトダイオードと、
前記レーザー発振器及び前記フォトダイオードが配設された回路基板と、
前記回路基板に配設され、前記レーザー発振器から前記フォトダイオードまでの光路上に配置された請求項１に記載された少なくとも１つの精密位置決め装置と
を備えたことを特徴とする光学装置。