JP2013195916A

JP2013195916A - 光偏向器の保持機構

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Publication number: JP2013195916A
Application number: JP2012065455A
Authority: JP
Inventors: Seiji Toyoda; 誠治豊田; Masahiro Ueno; 雅浩上野; Jun Miyatsu; 純宮津; Kaneyuki Imai; 欽之今井; Takashi Sakamoto; 尊坂本; Junya Kobayashi; 潤也小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】ＫＴＮ結晶を冶具に取り付ける場合、試行毎に比誘電率の大きな変動があった。光偏向器として使用した場合には、偏向性能のデータおよび偏向機能の再現性および安定性が問題となる。ＫＴＮ結晶の特有の光路を偏向する基本的な性能にばらつきが生じてしまう問題を解決する必要がある。
【解決手段】本発明は、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器、光スキャナーなどの偏向特性の再現性および安定性を改善した冶具を提供する。本発明の冶具では、ＫＴＮ結晶を保持するための機構として、ＫＴＮ結晶の電極構成面に加える圧力を一定に保つ構成を備えている。さらに、温度制御機構をＫＴＮ結晶の２つの電極面の両側にそれぞれ備えることで、光偏向器の偏向特性の再現性および安定性を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、光偏向器の保持機構に関する。より詳細には、ＫＴＮを使用した光偏向器を保持する機構または治具に関する。

現在、プロジェクタをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡、バーコードリーダ等において、レーザ光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。従来、ポリゴンミラーを回転させる技術、ガルバノミラーにより光の偏向方向を制御する技術、音響光学効果を利用した光回折技術、ＭＥＭＳと呼ばれるマイクロマシーン技術が提案されている。

さらに近年では、電気光学結晶への電荷注入により空間電荷制御状態を実現して電界の傾斜を発生させ、電気光学効果により屈折率の傾斜を生じさせた結果、光偏向させる光偏向器が提案されている（特許文献１）。この電気光学結晶を用いた光偏向器は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり可動部を持たないため、高速の光偏向が可能となる。上述の電気光学結晶としては、タンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）：以下ＫＴＮ）結晶、またはＫＴＮと同様な効果を持つ材料として、他にさらにリチウムを添加したＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）などが知られている。以下では、上述のような電気光学結晶として、ＫＴＮを用いた光偏向器を例に説明する。

図８は、ＫＴＮを用いた光偏向器の構成を示す図である。ＫＴＮ結晶１０１の上下面には、電極１０２、１０３が形成されている。２つの電極間には、制御電圧源１０４から制御電圧が印加される。入射光１０５は、ＫＴＮ結晶１０１の図面左側端面からｚ方向に進み、ＫＴＮ結晶１０１内において偏向を受けて、ｘ軸方向に進行方向を変えた出射光１０６が得られる。制御電圧源１０４からの印加電圧の大きさに応じて、対応する偏向角θが得られる。

ＫＴＮの電気光学効果の詳細については、ＫＴＮの結晶構造および比屈折率の変化について、温度との関係が解析されている（非特許文献１）。さらに、ＫＴＮにおいて特有の空間電荷制御電気光学効果に基づいて、光偏向器としての動作も定量的に解析されている。ＫＴＮは、既存の材料と比べて、より小さい駆動電圧およびより小さな結晶で駆動できるという特徴を持っている。さらに、ＫＴＮは、光の方向を変えるという基本的なデバイスであるため、光通信に限らず、光を扱う様々な分野への応用が考えられている。分光器や医療機器への実用化は既に始まっており、さらに加工機や顕微鏡の分野にも応用が検討されている（非特許文献１）。

図８に示したように、ＫＴＮを偏向動作させるためにはＫＴＮ結晶１０１に制御電圧を加えるほかに、ＫＴＮ結晶の温度を一定の動作温度に維持する機構が必要となる。したがって、ＫＴＮ結晶を利用した光偏向器を駆動しその特性を測定したり、光偏向機能を利用した機器を動作させたりするためには、ＫＴＮ結晶を所定の条件で物理的に保持するための機構または冶具が必要となる。

図９は、ＫＴＮにおける典型的な結晶温度と比誘電率との関係を示した図である。ＫＴＮは、温度を変えると次々と結晶構造を変え、低温側から菱面体晶、斜方晶、正方晶、最も高温側で立方晶となる。ＫＴＮの電気光学効果を利用するために、ＫＴＮが正方晶と立方晶との間の相転移温度より数度高い温度、すなわち立方晶の状態で用いられる。したがって、図９では、比誘電率がピーク値を取る約３５℃の相転移温度よりもわずかに高温側の右下がりの傾斜部においてＫＴＮを動作させる必要がある。この動作領域では比誘電率が温度によって変化するので、光偏向器の動作を安定させるためには、ＫＴＮ結晶の温度を一定値に保つ制御が必須となる。したがって、ＫＴＮを保持する冶具やＫＴＮを含む装置では、温度検出手段とおよび温度制御手段を含む。

国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット

ＮＴＴ技術ジャーナル２００９年１１月号、p.12-15

しかしながら、ＫＴＮを保持する機構または冶具に依存して、観測される誘電率にばらつきが生じる問題があった。誘電率が変動することによって、光偏向器として得られる偏向角にもばらつきが生じて、スキャナーなどとして使用した場合にその性能にばらつきが生じる問題が発生していた。

図１０は、１つのＫＴＮ結晶を１つの冶具に複数回取り付けたときに観測される比誘電率値のばらつき分布を示した度数分布図である。同一のＫＴＮ結晶を、同一の冶具に取り付けて、ＫＴＮ結晶を所定の温度（４０℃）に設定した後で比誘電率の測定を行い、一旦、冶具からこのＫＴＮ結晶を取り外す。その後、再び同様の取り付け作業および測定作業を１５回繰り返した。ＫＴＮ結晶は上下に電極を持っているので、ＬＣＲメータを用いてその静電容量を測定し、計算によって比誘電率を求めた。

図１０の度数分布からわかるように、観測された比誘電率の値は１４０００〜１７５００の範囲の７つの区間（区間幅は５００）でばらついており、正規化標準偏差値は５．７％に相当するばらつきを示している。このように、ＫＴＮ結晶の比誘電率にばらつきが生じると、このＫＴＮ結晶を使って光偏向器を構成した場合、その偏向角に最大で２０％にも及ぶ大きなばらつきが生じてしまう。

図１１は、ＫＴＮ偏向器における制御電圧および偏向角の関係を概念的に示した図である。一般なＫＴＮ結晶を用いた場合、横軸の制御電圧が正の値のときに、縦軸の偏向角は図８においてｘ軸について下向き（偏向角がマイナスの角度）となる関係にある。ここで、ＫＴＮ結晶の比誘電率が変動するとき、比誘電率が大きくなると図１１における制御特性の傾斜が大きくなり偏向角の範囲は広くなる。逆に、比誘電率が小さくなると図１１における制御特性の傾斜が小さくなり偏向角の範囲も狭くなる。

上述のように、ＫＴＮ結晶を冶具に取り付ける度に、比誘電率が変動し、偏向角の範囲が異なってしまうと、光偏向器の性能に変動が生じる。ＫＴＮ結晶を、他の装置内の光偏向器に応用する場合にも、装置性能値のばらつきとなる問題が生じる。図１０に示した標準偏差値が５．７％の比誘電率の変動が生じると、典型的なＫＴＮ結晶の標準的な制御電圧範囲（±５００Ｖ）においては、偏向角の振れ幅に最大で２０％ものばらつきが生じることがわかっている。

図１２は、図１０に示した比誘電率の度数分布を取得するのに使用した、ＫＴＮ結晶を保持する冶具の一般的な構成図である。この明細書では、以後簡単のため、ＫＴＮ結晶を物理的に保持する機構を冶具と呼ぶ。したがって、冶具は、ＫＴＮ結晶の特性値を評価するための実験用の機構である場合もあれば、光偏向器として装置の内部に組み込まれた機構の一部でもある場合もある。また、ＫＴＮ結晶は一定温度の環境で使用されるため、この冶具には温度検出手段および温度可変手段も含む。

ＫＴＮ結晶１は、その上下面をグラファイトシート２ａ、２ｂで挟み込まれた形態で、２つの金属ブロック４、６によって保持されている。上下の金属ブロック４、６を、ねじ９ａ、９ｂによって連結して締め付けることによって、適度な圧力をＫＴＮ結晶１およびグラファイトシート２ａ、２ｂに加えられる。グラファイトシートを介して、金属ブロック４、６とＫＴＮ結晶１との間の電気的接触が形成されている。ＫＴＮ結晶１の両脇には、位置決め用のガイド５ａ、５ｂがある。尚、グラファイトシート２ａ、２ｂは、ＫＴＮ結晶１に高周波制御電圧を印加する場合に、振動によるＫＴＮ結晶の破壊を防止するために挿入されている。グラファイトシートは、適度の弾性を有しているために、高周波電圧によるＫＴＮ結晶自体の振動を吸収することができるからである。

図１２に示した冶具では、さらに、下部金属ブロック４の下にペルチェ素子１０が配置されている。下部金属ブロック４の内部には、サーミスタ３が埋め込まれており、サーミスタ３によって温度を検出して、ペルチェ素子１０により下部金属ブロックを加熱して、ＫＴＮ結晶１および冶具全体を適切な設定温度に維持する。図１２には示されていないが、冶具の外部にまたは冶具の一部として、サーミスタ３およびペルチェ素子１０に接続され、ＫＴＮＥ結晶を一定の温度に維持する制御を行うための制御回路がある。

図１２に示した冶具を使用した場合、上述のようにＫＴＮ結晶を取り付ける試行毎に比誘電率の大きな変動があるため、光偏向器として使用した場合には、偏向性能のデータ、機能の再現性および安定性が問題となる。ＫＴＮ結晶の特有の光路を偏向する基本的な性能にばらつきが生じてしまうこの問題を解決する必要がある。本発明は、上述の課題に鑑みて、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器、光スキャナーなどの偏向特性の再現性および安定性を改善した冶具を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電気光学結晶を保持する冶具において、前記電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により前記結晶内の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記電気光学結晶は、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を偏向させることが可能であり、前記電気光学結晶の前記２つの電極面の第１の面と電気的に接触しおよび前記第１の面を保持する第１の導体保持部、ならびに、第２の面と電気的に接触しおよび前記第２の面を保持する第２の導体保持部と、前記第１の導体保持部および前記第２の導体保持部によって、前記第１の面および前記第２の面にそれぞれ垂直な方向に、前記電気光学結晶に対して所定の圧力を与える圧力付与手段とを備えたことを特徴とする電気光学結晶用の冶具である。

ここで、電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸リチウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）：以下ＫＴＮ）結晶、またはＫＴＮと同様な効果を持つ材料として、他にさらにリチウムを添加したＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）を含む。

請求項２に記載の発明は、請求項１の冶具であって、前記第１の導体保持部および前記第２の導体保持部の少なくともいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ温度可変手段とをさらに備えたことを特徴とする。導体保持部は、実施例における金属ブロックに対応する。

請求項３に記載の発明は、請求項１の冶具であって、前記第１の導体保持部の温度を検出する第１の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ第１の温度可変手段と、前記第２の導体保持部の温度を検出する第２の温度検出手段と、前記第２の温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ第２の温度可変手段とをさらに備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの冶具であって、前記圧力付与手段は、圧縮変位量または伸張変位量に比例した応力を前記電気光学結晶に対して与える弾性体であることを特徴とする。具体的には、弾性体としてばねを含む。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの冶具であって、前記冶具の全体を覆い、熱の移動を妨げる遮蔽箱をさらに備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、電気光学結晶を内部に有する光の偏向機能を備えた装置であって、前記電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により前記結晶内の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記電気光学結晶は、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を偏向させることが可能な装置において、前記電気光学結晶の前記２つの電極面の第１の面と電気的に接触しおよび前記第１の面を保持する第１の導体保持部、ならびに、第２の面と電気的に接触しおよび前記第２の面を保持する第２の導体保持部と、前記第１の導体保持部および前記第２の導体保持部によって、前記第１の面および前記第２の面にそれぞれ垂直な方向に、前記電気光学結晶に対して所定の圧力を与える圧力付与手段と、前記第１の導体保持部および前記第２の導体保持部の少なくともいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ温度可変手段とを備えたことを特徴とする装置である。

請求項７に記載の発明は、請求項６の装置であって、前記第１の導体保持部の温度を検出する第１の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ第１の温度可変手段と、前記第２の導体保持部の温度を検出する第２の温度検出手段と、前記第２の温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ第２の温度可変手段とを備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６または７の装置であって、前記圧力付与手段は、圧縮変位量または伸張変位量に比例した応力を前記電気光学結晶に対して与える弾性体であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器、光スキャナーなどの偏向特性の再現性および安定性を改善した冶具および光偏向機能を有する装置を提供することができる。

図１は、本発明のＫＴＮ結晶の冶具の構成を示す図である。図２は、本発明のＫＴＮ結晶の冶具を使用した場合の測定される比誘電率のばらつきを示す図である。図３は、実施例１の構成のＫＴＮ結晶の冶具で、制御電圧に高周波電圧を印加した場合の金属ブロックの温度変化を示した図である。図４は、本発明の実施例２のＫＴＮ結晶の冶具の構成を示す図である。図５は、実施例２の構成の冶具に、ＫＴＮ結晶を複数回取り付けたときに観測される比誘電率値のばらつき分布を示した度数分布図である。図６は、実施例２の構成の冶具に、ＫＴＮ結晶を複数回取り付けたときに観測される偏向特性のばらつきを示した図である。図７は、実施例１の構成の冶具を遮蔽構造で被ったときの金属ブロックの温度変動を示す図である。図８は、ＫＴＮを用いた光偏向器の構成を示す図である。図９は、典型的なＫＴＮにおける結晶温度と比誘電率との関係を示した図である。図１０は、１つのＫＴＮ結晶を１つの冶具に複数回取り付けたときに観測される比誘電率値のばらつき分布を示した度数分布図である。図１１は、ＫＴＮ偏向器における制御電圧および偏向角の関係を概念的に示した図である。図１２は、従来技術のＫＴＮ結晶を保持する冶具の構成図である。図１３は、ＫＴＮ結晶に圧力を印加したときの比誘電率依存性を示した図である。

本発明は、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器、光スキャナーなどの偏向特性の再現性および安定性を改善した冶具を提供する。さらに、偏向特性の再現性および安定性を改善した光偏向器機能を含む装置を提供する。本発明の冶具では、ＫＴＮ結晶を保持するための機構として、ＫＴＮ結晶の電極構成面に加える圧力を一定に保つ構成を備えているところに特徴がある。さらに、温度制御機構をＫＴＮ結晶の２つの電極面の両側に備えることで、光偏向器の偏向特性の再現性および安定性を高める。

本発明において、冶具という用語は、ＫＴＮ結晶を物理的に保持する機構または構造物を意味する。したがって、冶具は、その光偏向機能を利用するＫＴＮ結晶が含まれている装置内の機構の一部でもあり得る。また、ＫＴＮ結晶の偏向特性などを評価する実験的な用途の使用するための機構でもあり得る。

発明者らは、従来技術における冶具においては、冶具へＫＴＮ結晶を取り付ける際に、ＫＴＮ結晶の電極形成面に加えられる圧力がばらついている可能性に着目した。従来技術の構成の冶具では、ねじ９ａ、９ｂによって上下の２つの金属ブロック６、４とともにＫＴＮ結晶１が結晶厚さ方向（電極形成面に垂直な方向）に、圧着される構成になっていた。しかしながら、ねじの締め付け方の程度によって、ＫＴＮ結晶に実際に加わる圧力は、ばらばらになっていた可能性がある。また、ねじの締め付け方の程度によって、ＫＴＮ結晶、グラファイトシートおよび金属ブロックの表面の相互の熱接触状態の具合も変化する可能性が考えられる。ＫＴＮ結晶の特定の方向に圧力を掛けた場合、比誘電率が変化することも認識されていた。

図１３は、ＫＴＮ結晶に圧力を印加したときの比誘電率依存性を示した図である。２つの異なるサンプルについて、異なる温度において、ＫＴＮ結晶の厚さ方向に圧力（ＭＰａ）を印加して比誘電率を示した。ＫＴＮ結晶の厚さ方向については、電極形成面に垂直方向に与える圧力が高いほど比誘電率が下がる傾向がある。したがって、冶具上でＫＴＮ結晶に加えられる圧力を制御することによって、比誘電率のばらつきが抑えられる可能性がある。

図１は、本発明のＫＴＮ結晶の冶具の構成を示す図である。ＫＴＮ結晶１は、その上下面をグラファイトシート２ａ、２ｂで挟み込まれた形態で、２つの金属ブロック４、６で保持されている。ＫＴＮ結晶の上下面には、制御電圧を印加するための電極が形成されている。上下の金属ブロック４、６を、ねじ９ａ、９ｂによって結合している。本発明の冶具５０は、図１２に示した従来技術の冶具の構成に加えて、ねじ９ａ、９ｂの頭部と上側の金属ブロック６との間に、一定の圧力を加えるばね８ａ、８ｂをそれぞれ有している。ばね８ａおよびばね８ｂの上下には、それぞれスペーサ７ａ、７ｂおよびスペーサ７ｃ、７ｄが挿入されている。このばね８ａ、８ｂによって、ＫＴＮ結晶１の厚さ方向に、ばね８ａ、８ｂの変異量（縮み量）に応じた一定値の圧力が加えられる。

上記一定の圧力は、ＫＴＮ結晶の上下にあるグラファイトシート２ａ、２ｂを介して、金属ブロック４、６に与えられる。グラファイトシート２ａ、２ｂを介して、金属ブロック４、６とＫＴＮ結晶１の上下面との間のそれぞれの電気的接触が形成されている。ＫＴＮ結晶１の両脇には、位置決め用のガイド５ａ、５ｂがある。既に述べたように、グラファイトシート２ａ、２ｂは、ＫＴＮ結晶１に高周波制御電圧を印加する場合に、振動によるＫＴＮ結晶の破壊を防止するために挿入される。

金属ブロック４、６は、ＫＴＮ結晶１の上下面（第１の面および第２の面）とそれぞれ電気的に接触し、および、上下面を一定の圧力で保持することができれば良い。したがって、導電材料であってかつ十分な熱伝導率を持っているものであれば必ずしも金属だけに限られない。

図１２に示した従来技術の冶具と同様に、下部金属ブロック４の下にペルチェ素子１０が配置される。下部金属ブロック４の内部には、サーミスタ３が埋め込まれており、サーミスタ３によって温度を検出して、ペルチェ素子１０により下部金属ブロック４を加熱して、ＫＴＮ結晶１および冶具５０全体を適切な設定温度に維持する。

本発明の冶具５０では、ばね８ａ、８ｂによって、ＫＴＮ結晶１に一定の圧力が加えられる。ばねの応力は、ばねの弾性乗数とばねの変位量との積で決定される。このため、図１の構成の場合、予めばねの弾性乗数がわかっていれば、ばね８ａ、８ｂの圧縮変位量によってＫＴＮ結晶１に加えられる圧力がわかる。ばね８ａ、８ｂに与えられる圧力の範囲では、グラファイトシート２ａ、２ｂは、非弾性体と考えて良いので、ばね８ａ、８ｂによって規定される圧力がそのままＫＴＮ結晶１に加えられるものと考えられる。図１において、スペーサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは本発明の特徴的手段としては必須ではない。ＫＴＮ結晶１の結晶厚さ方向に所望の一定の圧力を加えることができる点が、重要であって、必ずしも図１の冶具の構成のばねである必要はない。図１のようにばねの圧縮時の応力を利用するのではなくて、ばねの伸張時の応力を利用する構成でも良い。また、変位量が管理可能なクリップのような形態でも良い。すなわち、ＫＴＮ結晶の厚さ方向に所望の一定の圧力を加えることが可能な手段であれば、その種類、形態を問わない。

図２は、本発明の冶具を使用した場合の測定されるＫＴＮ結晶の比誘電率のばらつきを示す図である。図２においては、横軸は、冶具へのＫＴＮ結晶の取り付け、比誘電率測定の動作およびＫＴＮ結晶の取り外しの一連の作業を１回の試行とし、この試行を繰り返したときの試行（測定）回数を示す。縦軸は、測定時において比誘電率が一定値の１５０００になるようにするための所要温度を示している。上記の動作を１０回繰り返した場合の所要設定温度のばらつきを、従来構成の冶具を使用した場合と本発明の冶具を使用した場合とで比較して示している。比誘電率は、ＬＣＲメータを使用して、対応する静電容量値を一定に保つように温度調整をおこなって、一定値１５０００に維持された。温度調整は、ペルチェ素子１０に接続されたフィードバック制御回路の設定温度値を変えて行う。

図２から明らかなように、従来技術の冶具を利用した場合においては、所要温度の変化幅で０．６℃以上のばらつきがある。これに対し、本発明の冶具を利用した場合においては、所要温度の変化幅で０．１℃以内のばらつきに抑えられている。設定温度の標準偏差値は、従来技術の冶具で０．１８３、本発明の冶具で０．０４０であった。本発明の圧力制御された冶具を使用することにより、所望の静電容量値、すなわち比誘電率を得るための所要設定温度のばらつきが大幅に抑えられ、等価的に、ＫＴＮ結晶の比誘電率の再現性が大幅に向上した。

上述の本発明の実施例１においては、冶具５０においてＫＴＮ結晶の結晶厚さ方向に加えられる圧力を一定に保つ機構を備えることによって、比誘電率のばらつきを大幅に抑えることができた。しかしながら、ＫＴＮ結晶に制御電圧として高周波電圧を印加した場合、ＫＴＮ結晶自体が発熱を起こすためにＫＴＮ結晶の温度を十分に一定値に保てない問題が新たに見出された。

図３は、実施例１の構成のＫＴＮ結晶の冶具で、制御電圧に高周波電圧を印加した場合の金属ブロック４、６の温度変化を示した図である。図１に示した実施例１の冶具では、下部の金属ブロック４内に備えられたサーミスタ３によって温度検出される。温度変動が生じた場合には、冶具５０の最下部にあるサーミスタ３で検出された温度の変動を相殺するようにペルチェ素子１０によって温度変化が与えられて、ＫＴＮ結晶１は例えば４０℃程度の一定温度に保たれるようにフィードバック制御される。下部の金属ブロック４の温度は、このフィードバック制御動作によって高周波電圧の印加に関係なく一定となる。しかしながら、図３に示したように、高周波電圧（１０ｋＨｚの正弦波で、ピーク値 ±４００Ｖ）を印加した期間において、上部の金属ブロック６には、０．２℃程度の温度変動が生じる。上部金属ブロック６で観察されたこのような温度変動は、グラファイトシート２ｂを介して上部の金属ブロック６の方向へ伝導したＫＴＮ結晶１で発生した熱に対して、ＫＴＮ結晶１より反対側の下部に構成された上述のフィードバック制御要素が十分に機能していないためと考えられる。

図４は、本発明の実施例２のＫＴＮ結晶の冶具の構成を示す図である。本実施例の冶具６０においては、実施例１の冶具の構成と比べて、サーミスタおよびペルチェ素子の組を上下の金属ブロック２５ａ、２５ｂそれぞれに対して設けている点に特徴がある。すなわち、下部のブロック２５ａに対しては、第１のサーミスタ２３ａと第１のペルチェ素子２７が備えられ、上部のブロック２５ｂに対しては、第２のサーミスタ２３ｂと第２のペルチェ素子２８が備えられている。上部の金属ブロック２５ｂに対しても、下部金属ブロック２５ａと同様のフィードバック制御を適用することにより、上下の両方の金属ブロックに対して温度制御がなされることになる。

実施例１と同様に、ＫＴＮ結晶２１の上下面と、下部金層ブロック２５ａ、上部金属ブロック２５ｂとの間にはグラファイトシート２２ａ、２２ｂがそれぞれ挟みこまれている。下部金属ブロック２５ａの下方および上部金属ブロック２５ｂの上方には、さらに追加の金属ブロック２６ａ、２６ｂが配置されている。第１のペルチェ素子２７は、下部金属ブロック２５ａと追加の金属ブロック２６ａとの間に挟まれている。同様に、第２のペルチェ素子２８は、上部金属ブロック２５ｂと追加の金属ブロック２６ｂとの間に挟まれている。

下部金属ブロック２５ａにねじ接触するねじ３０ａ、３０ｂは、管状のスペーサ３１ａ、３１ｂ内を通って、追加の金属ブロック２６ｂの上側に飛び出している。ねじ３０ａ、３０ｂの頭部と追加の金属ブロック２６ｂの間にばね２９ａ、２９ｂを有している。実施例１と同様に、ばね２９ａ、２９ｂで生じる変位量によって決まる一定の圧力がＫＴＮ結晶２１に加えられる。

図４に示した第２の実施例の冶具においては、金属ブロック２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂの形状は、図４に示されたものに何ら限定されないのは言うまでもない。ばね２９ａ、２９ｂによってＫＴＮ結晶２１の結晶厚さ方向（電極形成面に垂直な方向）に所定の一定圧力を加えることができれば、どのような形状・構成でも構わない。ペルチェ素子によって温度制御が可能であれば、下方の金属ブロック２５ａと追加の金属ブロック２６ａとが一体で形成されていても良い。ねじ３０ａ、３０ｂやスペーサ３１ａ、３１ｂの材料についても、上部および下部の金属ブロック２５ａ、２５ｂを介してＫＴＮ結晶に制御電圧を印加可能な絶縁性が得られれば、何の限定もない。

さらに、ばね２９ａ、２９ｂの圧縮時の応力を利用するのではなくて、ばねの伸張時の応力を利用する構成でも良い。また、変位量が管理可能なクリップのような形態でも良い。すなわち、ＫＴＮ結晶の厚さ方向、すなわち電極形成面に垂直な方向に、所望の一定の圧力を加えることが可能な圧力付与手段であれば、その種類、形態を問わない。

図５は、実施例２の構成の冶具に、ＫＴＮ結晶を複数回取り付けたときに観測される比誘電率値のばらつき分布を示した度数分布図である。図１０で示した度数分布と同様の方法でＫＴＮ結晶の取り付けおよび測定を１０回繰り返した。１０回すべての試行で、比誘電率は、１７６７４〜１７８２４の間に分布しており、正規化標準偏差値は１％以内となった。図１２の従来技術による冶具の場合ではばらつき値が５．７％であったのと比べて、比誘電率のばらつきは大幅に抑えられた。

図６は、実施例２の構成の冶具に、ＫＴＮ結晶を複数回取り付けたときに観測される偏向特性のばらつきを示した図である。横軸にＫＴＮ結晶に印加される制御電圧値（Ｖ）を、縦軸に偏向角（ｍｒａｄ）をとって、１０回繰り返したすべての試行のプロットを重ねて示している。偏向角のばらつきは、２．９％となり、従来技術の冶具の場合で、ばらつき値が１０％以上であったのと比べて、偏向角のばらつきは大幅に抑えられた。

上述の実施例２のように、下部および上部金属ブロック２５ａ、２５ｂの両方に、それぞれ温度検出手段を備え、さらに、それぞれの金属ブロックに対して温度可変手段２７、２８を設けるのが最も偏向角の安定性に効果的であるが、実施例１と実施例２の中間的な変形構成もあり得る。例えば、実施例２の構成において、サーミスタ２３ａ、２３ｂは、いずれか一方とする構成も可能である。

また、実施例１の構成において、ペルチェ素子１０を冶具の最下方位置ではなくて、上部の金属ブロック６の上方に配置することもできる。この構成により、サーミスタ３とペルチェ素子１０との間の熱伝導経路の途中にＫＴＮ結晶が配置される。

ＫＴＮ結晶は、フィードバック制御回路に動作によって、一定の温度に設定されて使用される。このため、冶具には、サーミスタなどの温度検出手段と、ペルチェ素子などの温度可変手段を備えている。実施例１の冶具を用いる場合であっても、冶具の周囲の環境をより安定化して、外界の温度変動の影響を受け難くすることによって、比誘電率の変動をさらに抑えることができる。周囲の環境からの温度変動を抑える方法として、冶具全体を例えば、金属で構成された遮蔽構造物で覆うことができる。

図７は、実施例１の構成の冶具を遮蔽構造で被ったときの金属ブロックの温度変動を示す図である。（ａ）は、遮蔽を行わない場合を、（ｂ）は冶具全体を２２．５×１６．５×８ｃｍ³の大きさの金属でできた箱により被った場合を示している。この箱によって、最大外形がおおよそ０．６×６×６ｃｍ³の冶具全体を被っている。

（ａ）、（ｂ）それぞれ、横軸に時間経過を、縦軸には金属ブロックの温度（左縦軸）およびＫＴＮ結晶の静電容量（右縦軸）を示している。曲線１は図１において下部金属ブロック４の温度変動を、曲線２は上部金属ブロック６の温度変動を、曲線３は、ＬＣＲメータによって測定されたＫＴＮ結晶の静電容量値の変動を示す。ここでは、所望の誘電率になるように温度を設定している。

曲線３の静電容量値の変化は、ＫＴＮ結晶の比誘電率の変化を表しているが、曲線３の変動パターンと曲線２の変動パターンとが概ね対応している。したがって、（ａ）において見られる曲線２で表された上部の金属ブロック６の温度変動が偏向角の変動につながる比誘電率の変動の原因となっている。一方、（ｂ）に示されるように、熱の移動を妨げる遮蔽箱で冶具全体を覆うことによって、比誘電率の変動が大幅に抑えられているのがわかる。

以上、詳細に説明してきたように、本発明により、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器、光スキャナーなどの偏向特性の再現性および安定性を改善した冶具を提供することができる。ＫＴＮ結晶の特性の測定のために使用することができ、さらに、ＫＴＮ結晶の偏向作用を利用する装置の一部として利用することができる。

本発明は、光学機器に利用することができる。特にＫＴＮ結晶を用いた光学機器に利用できる。

１、１０１ＫＴＮ結晶
２ａ、２ｂ、２２ａ、２２ｂグラファイトシート
３、２３ａ、２３ｂサーミスタ
４、６、２５ａ、２５ｂ金属ブロック
９ａ、９ｂ、３０ａ、３０ｂねじ
８ａ、８ｂ、２９ａ、２９ｂばね
１０、２７、２８ペルチェ素子
１０２、１０３電極
１０４制御電圧源

Claims

電気光学結晶を保持する冶具において、前記電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により前記結晶内の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記電気光学結晶は、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を偏向させることが可能であり、
前記電気光学結晶の前記２つの電極面の第１の面と電気的に接触しおよび前記第１の面を保持する第１の導体保持部、ならびに、第２の面と電気的に接触しおよび前記第２の面を保持する第２の導体保持部と、
前記第１の導体保持部および前記第２の導体保持部によって、前記第１の面および前記第２の面にそれぞれ垂直な方向に、前記電気光学結晶に対して所定の圧力を与える圧力付与手段と
を備えたことを特徴とする電気光学結晶用の冶具。
前記第１の導体保持部および前記第２の導体保持部の少なくともいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ温度可変手段と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の冶具。
前記第１の導体保持部の温度を検出する第１の温度検出手段と、
前記第１の温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ第１の温度可変手段と、
前記第２の導体保持部の温度を検出する第２の温度検出手段と、
前記第２の温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ第２の温度可変手段と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の冶具。
前記圧力付与手段は、圧縮変位量または伸張変位量に比例した応力を前記電気光学結晶に対して与える弾性体であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の冶具。
前記冶具の全体を覆い、熱の移動を妨げる遮蔽箱をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の冶具。
電気光学結晶を内部に有する光の偏向機能を備えた装置であって、前記電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、電気光学効果により前記結晶内の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記電気光学結晶は、前記制御電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を偏向させることが可能な装置において、
前記電気光学結晶の前記２つの電極面の第１の面と電気的に接触しおよび前記第１の面を保持する第１の導体保持部、ならびに、第２の面と電気的に接触しおよび前記第２の面を保持する第２の導体保持部と、
前記第１の導体保持部および前記第２の導体保持部によって、前記第１の面および前記第２の面にそれぞれ垂直な方向に、前記電気光学結晶に対して所定の圧力を与える圧力付与手段と、
前記第１の導体保持部および前記第２の導体保持部の少なくともいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ温度可変手段と
を備えたことを特徴とする装置。
前記第１の導体保持部の温度を検出する第１の温度検出手段と、
前記第１の温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ第１の温度可変手段と、
前記第２の導体保持部の温度を検出する第２の温度検出手段と、
前記第２の温度検出手段によって測定された温度に基づいて、前記電気光学結晶の温度を所定の温度に保つ第２の温度可変手段と
を備えたことを特徴とする請求項６に記載の装置。
前記圧力付与手段は、圧縮変位量または伸張変位量に比例した応力を前記電気光学結晶に対して与える弾性体であることを特徴とする請求項６または７に記載の装置。