JP2015138083A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】駆動機構を簡素にしつつ、圧電素子における長さ方向の移動量を増加させ、スペックル除去に有効な光デバイスを提供する。
【解決手段】本実施形態の光デバイスは、電気活性高分子材料で形成される圧電素子と、圧電素子に接して形成される複数の電極と、圧電素子に囲まれる光学素子と、を有し、圧電素子の一方の面と電極との接触面は、圧電素子の他方の面と電極との接触面に対して、圧電素子を介して、ずれた位置に存在し、光学素子は、接触面間の電位差に基づく圧電素子の伸縮に伴って、振動又は回転することにより上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光デバイスに関する。

レーザー光を光源として、スクリーン上に画像を表示するプロジェクタ等において、該光のコヒーレンス性（干渉性）により生じるスクリーン上のスペックル（不規則に発生する光のチラつきやギラつき）は、表示品位及び視認性を低下させることが知られている。

近年、様々な産業応用が進んでいる電気活性高分子（EAP :Electro Active Polymer）を、電気機械式アクチュエータに利用し、光学素子の駆動を緻密に制御することで、光学機器の性能を高めることが期待されている。EAPは、電位に対する応答速度が速い、軽量、低コスト等のメリットを有する。

光源からスクリーンまでの光経路上に配置される反射ミラーを、所定の振幅で振動又は回転させることにより、レーザー光の干渉性を抑制し、スペックルを除去する画質劣化低減装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

又、基板表層部に、使用する光の波長よりも短い周期で繰り返し配列された溝を含むサブ波長構造体を、複数形成し、構造性複屈折作用を利用して多種のランダム偏光を発生させることで、スペックルを解消する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

又、ポリマー膜を挟み形成される電極間に発生する電位差に基づき、ポリマー膜をマクスウェル応力により鉛直方向に収縮させ、ポリマー膜に接する光素子を周期的に振動させることでスペックルを除去する光デバイスが開示されている（例えば、特許文献３参照）。

ところで、光学素子の駆動を制御する電気機械式アクチュエータは、機械的に複雑であり、且つ重厚であるという問題がある。又、電気機械式アクチュエータに利用される圧電素子を、長さ方向に大きく変位させることは、困難であるという問題もある。

特許文献１における画質劣化低減装置は、大型化し易い。

又、特許文献２における偏光解消素子は、スペックルの除去に十分なランダム偏光を発生させることができない。

又、特許文献３における光デバイスでは、電極が、ポリマー膜の両面に対向して形成され、電極に挟まれるポリマー膜の収縮と電極に挟まれないポリマー膜の膨張により、ポリマー膜は、主に厚さ方向に変位している（長さ方向に略変位していない）。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、駆動機構を簡素にしつつ、圧電素子における長さ方向の移動量（変位量）を増加させ、スペックル除去に有効な光デバイスを提供することを目的とする。

本実施の形態の光デバイスは、電気活性高分子材料で形成される圧電素子と、圧電素子に接して形成される複数の電極と、圧電素子に囲まれる光学素子と、を有し、圧電素子の一方の面と電極との接触面は、圧電素子の他方の面と電極との接触面に対して、圧電素子を介して、ずれた位置に存在し、光学素子は、接触面間の電位差に基づく圧電素子の伸縮に伴って、振動又は回転することを要件とする。

本実施の形態によれば、駆動機構を簡素にしつつ、圧電素子における長さ方向の移動量を増加させ、スペックル除去に有効な光デバイスを提供することができる。

本実施の形態に係る光デバイスの構成を例示する図である。 本実施の形態に係る光デバイスの駆動を説明する図である。 実施例に係る光デバイスの構成を例示する図である。 実施例に係る光デバイスの構成を例示する図である。 従来の光デバイスの構成を例示する図である。 ピエゾフィルムに生じる変位を説明する図である。

以下、図面及び表を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

本明細書において、ＸＹＺ直交座標系を定義し、圧電素子の「長さ方向」とは、±Ｘ方向を、圧電素子の「幅方向」とは、±Ｙ方向を、圧電素子の「厚さ方向」とは、±Ｚ方向を指すものとする。

〈実施の形態〉
［光デバイスの構成］
本実施の形態に係る光デバイスの構成の一例について説明する。

図１（Ａ）は、光デバイス１００の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す鎖線Ａ−Ａの断面図である。

図１に示す様に、光デバイス１００は、圧電素子１０１（圧電素子１０１ａ、圧電素子１０１ｂ）、光学素子（スペックル解消素子）１０２、電極１０３（電極１０３ａ、電極１０３ｂ、電極１０３ｃ、電極１０３ｄ）、等を含む。外枠（ケーシング）１０５は、圧電素子１０１の一部と接し、該素子を支持している。圧電素子１０１の中央部には、貫通孔１０６が形成される。

圧電素子１０１は、光学素子１０２を囲む様に形成される。圧電素子１０１は、複数であっても良いし、単数であっても良い。又、圧電素子１０１は、積層構造を有していても良い。圧電素子を積層構造とする場合、単層構造とする場合と比較して、素子強度を向上させることが可能であり、又、±Ｚ方向において、広い範囲で素子に変位を生じさせることが可能である。

圧電素子１０１の両面には、電極が形成され、圧電素子１０１の一方の面（表面）に、少なくとも１個以上の電極（例えば、電極１０３ａ）が形成され、圧電素子１０１の他方の面（裏面）に、少なくとも１個以上の電極（例えば、電極１０３ｃ）が形成される。圧電素子１０１は、接触面間に生じる電位差に基づいて、伸縮する。接触面間とは、例えば、電極１０３ａと圧電素子１０１ａとの接触面と、電極１０３ｂと圧電素子１０１ｂとの接触面との間を指す。圧電素子１０１は、電極１０３の長さ、電極１０３の幅、電極１０３の厚さ、等に依存して、長さ方向（±Ｘ方向）、幅方向（±Ｙ方向）、厚さ方向（±Ｚ方向）における移動量（変位量）を変化させる。

圧電素子１０１の平面形状は、特に限定されず、矩形状、円形状、正多角形状、多角形状、楕円形状等であっても良い。多角形状としては、四角形状、五角形状、六角形状、八角形状等が挙げられる。圧電素子１０１は、少なくとも光学素子１０２に対して、振動又は回転を加えられる様な平面形状を有していれば良い。

圧電素子１０１の材料としては、電気活性高分子材料を用いることが好ましい。電気活性高分子材料としては、例えば、誘電性エラストマー、電歪リラクサ強誘電体ポリマー、圧電性ポリマー、強誘電性高分子、静電収縮高分子、液晶高分子、イオン性ポリマー金属複合材、メカノケミカルポリマー、メカノケミカルゲル、イオン交換樹脂膜−金属錯体、高分子カーボンナノチューブ等が挙げられる。高分子強誘電材料として、柔軟性及び加工性に優れるフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ：polyvinylidene fluoride）を用いることが、特に、好ましい。これらの材料を用いることで、電位に対する応答速度を速め、光デバイス１００の駆動信頼性を高めることができる。

光学素子１０２は、駆動機構（圧電素子１０１、電極１０３、等）により駆動制御され、振動又は回転する。電極１０３に印加される電位に基づいて、圧電素子が、長さ方向、幅方向、厚さ方向に、それぞれ変位することにより、光学素子１０２の駆動は、緻密に制御される。その結果、光学素子１０２により、光強度、光の拡散角度等を高精度にホモジナイズすることが可能になるため、光デバイス１００は、スペックルを十分に除去できる程度に、レーザー光の干渉性を抑制することができる。従って、光学素子１０２をスペックル解消素子と呼ぶこともできる。尚、この光学素子は、光が透過する光透過領域を０．１０μｍ〜数μｍの長さの「碁盤の眼状」や「六角形状」に領域分割された表面に微細構造でλ／４〜λ／２波長板が形成されたものである。更に、領域分割された各領域では、光の光学軸方向がランダムに異なった構造を有している。この素子を時間的に振動させることによって、光の進行する進相軸と遅相軸の位相が異なるように制御される。この効果によってスペックルが解消される。

光学素子１０２の材料としては、誘電性材料、光透過性材料等を用いることが好ましく、例えば、合成石英、光学ガラス、プラスチック等が挙げられる。

電極１０３は、圧電素子１０１の両面に接して形成され、圧電素子１０１の一方の面に形成される電極と、圧電素子１０１の他方の面に形成される電極とは、圧電素子１０１を介して、ずれた（対抗しない）位置に形成される。

例えば、圧電素子１０１ａの一方の面に形成される電極１０３ａと、圧電素子１０１ａの他方の面に形成される電極１０３ｃとは、圧電素子１０１ａを介して、ずれた位置に形成される。つまり、電極１０３ａと圧電素子１０１ａとの接触面は、電極１０３ｃと圧電素子１０１ａとの接触面に対して、圧電素子１０１ａを介して、ずれた（±Ｚ方向において重ならない）位置に存在する。

又、例えば、圧電素子１０１ｂの一方の面に形成される電極１０３ｂと、圧電素子１０１ｂの他方の面に形成される電極１０３ｄとは、圧電素子１０１ｂを介して、ずれた位置に形成される。つまり、電極１０３ｂと圧電素子１０１ｂとの接触面は、電極１０３ｄと圧電素子１０１ｂとの接触面に対して、圧電素子１０１ｂを介して、ずれた（±Ｚ方向において重ならない）位置に存在する。

なお、図１に示す構成では、圧電素子１０１ａと電極１０３ａとの接触面、及び圧電素子１０１ｂと電極１０３ｂとの接触面は、同一平面（ＸＹ平面）上に存在する。又、圧電素子１０１ａと電極１０３ｃとの接触面、及び圧電素子１０１ｂと電極１０３ｄとの接触面は、同一平面（ＸＹ平面）上に存在する。

電極１０３に印加する電位は、特に限定されないが、圧電素子における長さ方向の移動量（変位量）を、増加させることができる電位であることが好ましい。例えば、電極１０３ａに正電位を、電極１０３ｂに負電位を、電極１０３ｃ及び電極１０３ｄにゼロ電位を印加しても良い。電極１０３に印加する電位は、例えば、外部に設置される電源回路（図示せず）等により供給されることが可能である。なお、圧電素子は、ヒステリシス、クリープ等の特性を有するため、圧電素子の移動量を印加電位のみで一意的に決めることはできない。従って、例えば、変位センサ等を利用して、圧電素子の移動量を測定しながら、適宜、最適な印加電位を設定しても良い。

電極１０３の材料としては、導電性の金属材料、圧電素子の伸縮を制限しない軟質の材料、等を用いることが好ましく、例えば、銅、アルミ、カーボン、等が挙げられる。

外枠１０５の構造は、圧電素子１０１（１０１ａ、１０１ｂ）を支持できる構造であれば特に限定されない。例えば、樹脂製材料を用いて、圧電素子１０１を上下方向から支持する構造としても良い。

貫通孔１０６は、圧電素子１０１と光学素子１０２とを接合するために、圧電素子１０１の中央部に形成される。なお、圧電素子１０１の伸縮の自由度を向上させるために、貫通孔１０６の周り（例えば、圧電素子１０１の角部、圧電素子１０１の各辺の端部や中央部、等）に、複数の貫通孔を形成しても良い（例えば、図３の２０６ｂや、図４の３０６ｂ、等）。

貫通孔１０６の形状は、特に限定されるものではないが、円形状、楕円形状であることが好ましい。貫通孔は、光学素子径の６０〜８０％であることが好ましい。光学素子が、□１０＊１０ｍｍの場合、φ６〜φ８ｍｍ程度であることが好ましく、φ１０ｍｍの円形状の場合、直径が６ｍｍ〜８ｍｍ程度であることが好ましく、楕円形状の場合、長軸が６ｍｍ〜８ｍｍ程度、短軸が５ｍｍ〜７ｍｍ程度であることが好ましい。

本実施の形態に係る光デバイス１００によれば、各電極の配置や形状、印加電位等を工夫することにより、圧電素子１０１における±Ｘ方向の移動量を大幅に増加させることができる。該圧電素子１０１により光学素子１０２を囲み、圧電素子１０１の伸縮を利用して光学素子１０２を駆動させることで、光学素子１０２の振動又は回転を緻密に制御することができる。これにより、駆動機構が簡素でありながら、圧電素子における長さ方向の移動量を増加させた、スペックル除去に有効な光デバイスを提供することができる。

［光デバイスの駆動機構］
次に、光デバイス１００の駆動機構について説明する。図２に、圧電素子１０１における長さ方向（±Ｘ方向）の伸縮の様子を示す。

図２に示す様に、光デバイス１００において、電極１０３ａと圧電素子１０１ａとの接触面を、接触面ｓ１、電極１０３ｂと圧電素子１０１ｂとの接触面を、接触面ｓ２、電極１０３ｃと圧電素子１０１ａとの接触面を、接触面ｓ３、電極１０３ｄと圧電素子１０１ｂとの接触面を、接触面ｓ４とする。又、貫通孔１０６の中心を通る直線を、中心線αとする。

図２（Ａ）において、各電極には、電位が印加されていないため、圧電素子１０１は、長さ方向に伸縮しない。この場合における中心線αの位置を基準（ゼロ）とする。

図２（Ｂ）において、各電極に、電位を印加する。例えば、電極１０３ａに正電位を、電極１０３ｂに負電位を、電極１０３ｃ及び電極１０３ｄに０Ｖの電位を印加する。圧電素子１０１ａは、一端が、外枠１０５に固定されているため、他端が、＋Ｘ方向に伸びる。又、圧電素子１０１ｂは、一端が外枠１０５に固定されているため、＋Ｘ方向に縮む。圧電素子１０１が、長さ方向（±Ｘ方向）に伸縮することにより、中心線αは、基準から＋Ｘ方向に距離ｄ１移動する。

図２（Ｃ）において、各電極に、電位を印加する。例えば、電極１０３ａに負電位を、電極１０３ｂに正電位を、電極１０３ｃ及び電極１０３ｄに０Ｖの電位を印加する。圧電素子１０１ａは、一端が外枠１０５に固定されているため、−Ｘ方向に縮む。又、圧電素子１０１ｂは、一端が、外枠１０５に固定されているため、他端が、−Ｘ方向に伸びる。圧電素子１０１が、長さ方向（±Ｘ方向）に伸縮することにより、中心線αは、基準から−Ｘ方向に距離ｄ２移動する。

図２から明らかなように、圧電素子１０１は、電極に印加される電位に基づいて、主に±Ｘ方向に伸縮する。印加電位、印加パターン（例えば、ランダム、一定、等）を適宜調整することにより、圧電素子１０１に所望の変位を生じさせることができる。例えば、電極１０３ｃ又は電極１０３ｄに正電位を印加しても良いし、電極１０３ｃ又は電極１０３ｄに負電位を印加しても良い。

なお、図２（Ｂ）において電極１０３ａに印加する正電位及び図２（Ｃ）において電極１０３ｂに印加する正電位、又、図２（Ｂ）において電極１０３ｂに印加する負電位及び図２（Ｃ）において電極１０３ａに印加する負電位、の絶対値がそれぞれ等しければ、距離ｄ１と、距離ｄ２とは、等しくなる。つまり、この場合、光学素子１０２は、±Ｘ方向に、振幅ｄ１（＝ｄ２）で振動する。

図２（Ａ）から図２（Ｃ）までのステップを繰り返すことにより、圧電素子１０１は、±Ｘ方向に（＋ｘ方向から−ｘ方向へ、又、−ｘ方向から＋ｘ方向へ）伸縮し、所定の振幅で振動する。つまり、複数の電極を、圧電素子１０１を介して、±Ｚ方向においてずれた（対向しない）位置に形成することにより、圧電素子１０１を、長さ方向（±Ｘ方向）に大きく変位させることができる。

本実施の形態に係る光デバイス１００の駆動機構によれば、圧電素子１０１の伸縮特性を、最大限に活用し、光学素子の振動又は回転を、比較的容易に制御することで、光学素子のスペックル解消機能を強化することができる。尚、この光学素子は、光が透過する光透過領域を０．１０μｍ〜数μｍの長さの「碁盤の眼状」や「六角形状」に領域分割された表面に微細構造でλ／４〜λ／２波長板が形成されたものである。更に、領域分割された各領域では光の光学軸方向がランダムに異なった構造を有している。この素子を時間的に振動させることによって、光の進行する進相軸と遅相軸の位相が異なるように制御される。この効果によってスペックルが解消される。

なお、本実施の形態に係る光デバイス１００は、プロジェクタをはじめとして、レーザープリンタ、露光装置、光ファイバ増幅器、分光器、レーザー計測装置、光ピックアップ装置、光学露光装置、光学測定機、偏光解析装置、偏波モード分散補償システム、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、位相差測定装置、レーザー加工装置、医療機器、マイクロマシン、等、レーザー光を光源とした様々な装置や製品、自動車用ＨＵＤ（Head Up Display）、照明装置、３ＤＨ表示装置、及び光学機器、等に適用することが可能である。

〈実施例〉
本実施例では、本実施の形態に係る光デバイスと、比較例の光デバイスとを実際に作製した。実施例のサンプルとして、サンプル１、サンプル２を用いた。比較例のサンプルとして、サンプル３を用いた。

［サンプル１］
図３に、本実施例に係る光デバイス２００（サンプル１）の構成の一例を示す。図３は、光デバイス２００の上面図である。光デバイス２００は、圧電素子（ピエゾフィルム）２０１、光学素子２０２、電極２０３（電極２０３ａ、電極２０３ｂ、電極２０３ｃ、電極２０３ｄ）、電極２０４、等を含む。以下、サンプル１の作製方法の一例を示す。

（１）圧電素子の作製
まず、圧電素子２０１を、作製した。圧電素子２０１としては、クレハ社製（商品名：ＫＦピエゾフィルム）のピエゾフィルムを使用した。圧電素子２０１の形状は、矩形（長方形）状とした。圧電素子２０１の長さは、約２５ｍｍとした。圧電素子２０１の厚さを、変化させて、サンプル１を９個作製した（表１乃至表３参照）。９個のサンプル中、３個のサンプルは、圧電素子２０１の厚さを約１０μｍとし、３個のサンプルは、圧電素子２０１の厚さを約２０μｍとし、３個のサンプルは、圧電素子２０１の厚さを約４０μｍとした。

（２）電極の作製
次に、電極２０３ａ、電極２０３ｂ、電極２０３ｃ、電極２０３ｄ、電極２０４を作製した。電極２０３は、圧電素子２０１の一方の面（表面）において、各辺（４辺）の中央部に作製した。電極２０４は、圧電素子２０１の他方の面（裏面）において、光学素子２０２の周りを囲むように作製した。電極２０３の形状は、矩形（長方形）状とし、電極２０４の形状は、４個の矩形（長方形）が繋がるような形状とした。電極２０３及び電極２０４は、十字状に配置した。

電極２０３と電極２０４との電極間距離ｄ（電極間の最も短い距離を電極間距離ｄと定義する）を、変化させて、各電極を作製した。

圧電素子２０１の厚さを約１０μｍとした３個のサンプルにおいて、電極２０３ｂ（２０３ｄ）と電極２０４との電極間距離ｄを、約０μｍ、約１０μｍ、約２０μｍと変化させた。サンプル名は、それぞれ、サンプル１＿Ａ１、サンプル１＿Ａ２、サンプル１＿Ａ３とした。

圧電素子２０１の厚さを約２０μｍとした３個のサンプルにおいて、電極２０３ｂ（２０３ｄ）と電極２０４との電極間距離ｄを、約０μｍ、約１０μｍ、約２０μｍと変化させた。サンプル名は、それぞれ、サンプル１＿Ｂ１、サンプル１＿Ｂ２、サンプル１＿Ｂ３とした。

圧電素子２０１の厚さを約４０μｍとした３個のサンプルにおいて、電極２０３ｂ（２０３ｄ）と電極２０４との電極間距離ｄを、約０μｍ、約１０μｍ、約２０μｍと変化させた。サンプル名は、それぞれ、サンプル１＿Ｃ１、サンプル１＿Ｃ２、サンプル１＿Ｃ３とした。

各電極は、リード線を介して、ポリマーフィルムシートの両面に配置した。電極配線は、ケーシングの外側に一体化させた。圧電素子２０１は、外枠（ケーシング）２０５により、±Ｚ方向から支持される構造とした。なお、ケーシングの内側に電極配線を一体化させる配線構造としても良い。

（３）貫通孔の作製
次に、貫通孔２０６を、作製した。貫通孔２０６ａは、光学素子２０２を通過する光の透過光量を増加させるための貫通穴であり、圧電素子２０１の中央部に１箇所作製した。貫通孔２０６ｂは、圧電素子２０１の伸縮の自由度を向上させるための貫通穴であり、圧電素子２０１の一方の長辺における−Ｘ方向の角部及び＋Ｘ方向の角部、圧電素子２０１の他方の長辺における−Ｘ方向の角部及び＋Ｘ方向の角部の４箇所に作製した。貫通孔２０６ａの形状は、略円形状とし、貫通孔２０６ｂの形状は、略楕円形状とした。

（４）光学素子の貼り付け
次に、圧電素子２０１の表面に、別途加工してある矩形状の光学素子２０２を、貫通孔２０６ａと重なるように貼り付けた。光学素子２０２の貼り付け方法は、特に限定されないが、例えば、接着剤接合法、分子接合法、等の方法を用いることができる。

分子接合法により、圧電素子２０１と光学素子２０２とを接合する場合、ピエゾフィルムの表面に金属薄膜を形成し、該フィルムの表面上に、トリアジンチオール等の有機分子処理を施すことが好ましい。トリアジンチオールは、一方の反応端に、金属膜と反応し易い−ＳＴ基を、他方の反応端に、シラノール基と反応し易い官能基を有するため、光学素子（石英材質）との化学反応を利用した接合が可能になる。

上述の（１）から（４）までの工程を経ることで、９個のサンプル１（サンプル１＿Ａ１、サンプル１＿Ａ２、サンプル１＿Ａ３、サンプル１＿Ｂ１、サンプル１＿Ｂ２、サンプル１＿Ｂ３、サンプル１＿Ｃ１、サンプル１＿Ｃ２、サンプル１＿Ｃ３）が完成した。

［サンプル２］
図４に、本実施例に係る光デバイス３００（サンプル２）の構成の一例を示す。図４は、光デバイス３００の上面図である。

光デバイス３００は、圧電素子（ピエゾフィルム）３０１、光学素子３０２、電極３０３（電極３０３ａ、電極３０３ｂ、電極３０３ｃ）、電極３０４（電極３０４ａ、電極３０４ｂ、電極３０４ｃ）、等を含む。以下、サンプル２の作製方法の一例を示す。

（１）圧電素子の作製
まず、圧電素子３０１を、作製した。圧電素子３０１としては、クレハ社製（商品名：ＫＦピエゾフィルム）のピエゾフィルムを使用した。圧電素子３０１の形状は、矩形（長方形）状とした。圧電素子３０１の長さは、約２５ｍｍとした。圧電素子３０１の厚さを、変化させて、サンプル２を３個作製した（表４参照）。３個のサンプル中、１個のサンプルは、圧電素子３０１の厚さを約１０μｍとし、１個のサンプルは、圧電素子３０１の厚さを約２０μｍとし、１個のサンプルは、圧電素子３０１の厚さを約４０μｍとした。

（２）電極の作製
次に、電極３０３ａ、電極３０３ｂ、電極３０３ｃ、電極３０４ａ、電極３０４ｂ、電極３０４ｃを、作製した。電極３０３は、圧電素子２０１の一方の面（表面）において、圧電素子３０１の一方の長辺の中央部、圧電素子３０１の他方の長辺における−Ｘ方向の角部及び＋Ｘ方向の角部に作製した。電極３０４は、圧電素子２０１の他方の面（裏面）において、電極３０３と同様に、圧電素子３０１の一方の長辺の中央部、圧電素子３０１の他方の長辺における−Ｘ方向の角部及び＋Ｘ方向の角部に作製した。なお、電極３０４ａと電極３０４ａとは平行になるように、電極３０３ｂと電極３０４ｂとは平行になるように、電極３０４ｃと電極３０４ｃとは平行になるように作製した。電極３０３ａ、電極３０３ｂ、電極３０３ｃは、角度を互いに１２０°づつずらして配置した。又、電極３０４ａ、電極３０４ｂ、電極３０４ｃは、角度を互いに１２０°づつずらして配置した。

なお、電極を配置する際、電極間の角度は、１２０°に特に限定されるものではない。配置する電極の個数をＮとする場合、電極間の角度を３６０°／Ｎ（Ｎは、２以上の整数）としても良い。

電極３０３及び電極３０４の形状は、矩形（長方形）状とした。電極３０３ａと電極３０４ａとの電極間距離ｄ、電極３０３ｂと電極３０４ｂとの電極間距離ｄ、及び電極３０３ｃと電極３０４ｃとの電極間距離ｄは、全て約０μｍとした。サンプル名は、それぞれ、サンプル２＿Ａ１、サンプル２＿Ｂ１、サンプル２＿Ｃ１とした。

各電極は、リード線を介して、ポリマーフィルムシートの両面に配置した。電極配線は、ケーシングの外側に一体化させた。圧電素子３０１は、ケーシング３０５により、±Ｚ方向から支持される構造とした。

（３）貫通孔の作製
次に、貫通孔３０６を、作製した。貫通孔３０６ａは、光学素子３０２を接合するための貫通穴であり、圧電素子３０１の中央部に１箇所作製した。貫通孔３０６ｂは、圧電素子３０１の伸縮の自由度を向上させるための貫通穴であり、圧電素子３０１の一方の長辺における−Ｘ方向の角部及び＋Ｘ方向の角部の左角部、圧電素子３０１の他方の長辺の中央部の３箇所に作製した。貫通孔２０６ａ及び貫通孔２０６ｂの形状は、略円形状とした。

（４）光学素子の貼り付け
次に、圧電素子３０１の表面に、別途加工してあるドーナツ形状の光学素子３０２を、貫通孔３０６ａと重なるように貼り付けた。

上述の（１）から（４）までの工程を経ることで、３個のサンプル２（サンプル２＿Ａ１、サンプル２＿Ｂ１、サンプル２＿Ｃ１）が完成した。

［サンプル３］
図５に、比較例に係る光デバイス４００（サンプル３）の構成の一例を示す。図５は、光デバイス４００の上面図である。光デバイス４００は、圧電素子（ピエゾフィルム）４０１、光学素子４０２、電極４０３、電極４０４、等を含む。以下、サンプル３の作製方法の一例を示す。

（１）圧電素子の作製
まず、圧電素子４０１を、作製した。圧電素子４０１としては、クレハ社製（商品名：ＫＦピエゾフィルム）のピエゾフィルムを使用した。圧電素子４０１の形状は、矩形（長方形）状とした。圧電素子４０１の長さは、約２５ｍｍとした。圧電素子４０１の厚さを、変化させて、サンプル３を３個作製した（表５参照）。３個のサンプル中、１個のサンプルは、圧電素子４０１の厚さを約１０μｍとし、１個のサンプルは、圧電素子４０１の厚さを約２０μｍとし、１個のサンプルは、圧電素子４０１の厚さを約４０μｍとした。サンプル名は、それぞれ、サンプル３＿Ａ１、サンプル３＿Ｂ１、サンプル３＿Ｃ１とした。

（２）電極の作製
次に、電極４０３、電極４０４を、作製した。電極４０３は、圧電素子４０１の一方の面（表面）において、圧電素子４０１の一方の短辺に沿うように作製した。電極４０４は、圧電素子４０１の他方の面（裏面）において、圧電素子４０１の一方の短辺に沿うように作製した。電極４０３と電極４０４とは、圧電素子４０１を介して、±Ｚ方向に重なる（対向する）位置に作製した。従って、図５の上面図では、電極４０３のみ明確に図示されている。電極４０３及び電極４０４の形状は、矩形（長方形）状とした。

各電極は、リード線を介して、ポリマーフィルムシートの両面に配置した。電極配線は、ケーシングの外側に一体化させた。圧電素子４０１は、ケーシング４０６により、±Ｚ方向から支持される構造とした。

（３）貫通孔の作製
次に、貫通孔４０６を、作製した。貫通孔４０６は、光学素子３０２を接合するための貫通穴であり、圧電素子４０１の中央部に１箇所作製した。貫通孔４０６の形状は、略円形状とした。

（４）光学素子の貼り付け
次に、圧電素子４０１の表面に、別途加工してある矩形状の光学素子４０２を、貫通孔４０６と重なるように貼り付けた。

上述の（１）から（４）までの工程を経ることで、３個のサンプル３（サンプル３＿Ａ１、サンプル３＿Ｂ１、サンプル３＿Ｃ１）が完成した。

［ピエゾフィルムに生じる変位］
次に、図６を用いて、ピエゾフィルムに生じる変位の計算結果について説明する。

図６（Ａ）に示す様に、ピエゾフィルムにおいて、長さ方向（±Ｘ方向）の距離をＬ_１［ｍ］、幅方向（±Ｙ方向）の距離をＬ_２［ｍ］、厚さ方向（±Ｚ方向）の距離を厚さＬ_３［ｍ］とする。ピエゾフィルムの一方の面（表面）と、ピエゾフィルムの他方の面（裏面）との間に与える電位差を、電位差Ｖ［Ｖ］とする。

この場合、
フィルム長さ方向に生じる変位δ_１［ｍ］は、
δ_１＝Ｌ_１ｄ_３１Ｅ_３＝Ｌ_１ｄ_３１（Ｖ／Ｌ_３）
・・・式１
で表される。

フィルム幅方向に生じる変位δ_２［ｍ］は、
δ_２＝Ｌ_２ｄ_３２Ｅ_３＝Ｌ_２ｄ_３２（Ｖ／Ｌ_３）
・・・式２
で表される。

フィルム厚さ方向に生じる変位δ_３［ｍ］は、
δ_３＝Ｌ_３ｄ_３３Ｅ_３＝Ｌ_３ｄ_３３（Ｖ／Ｌ_３）
・・・式３
で表される。

式１、式２、式３より、ピエゾフィルムを、各方向に大きく変位させるためには、Ｌ_１［ｍ］、Ｌ_２［ｍ］、Ｌ_３［ｍ］を大きくし（長さ方向の距離、幅方向の距離、厚さ方向の距離を大きくし）、電位差Ｖ［Ｖ］を大きくすれば良いことがわかる。

例えば、Ｌ_１＝Ｌ_２＝２５×１０^−３［ｍ］、Ｌ_３＝４０×１０^−６［ｍ］、Ｖ＝１００［Ｖ］、ｄ_３１＝２５×１０^−１２［ｍ／Ｖ］、ｄ_３２＝２×１０^−１２［ｍ／Ｖ］、ｄ_３３＝３５×１０^−１２［ｍ／Ｖ］とすると、式１より、フィルム長さ方向（±Ｘ方向）に生じる変位δ_１［ｍ］は、１．５６×１０^−６［ｍ］、式２より、フィルム幅方向（±Ｙ方向）に生じる変位δ_２［ｍ］は、１．２５×１０^−７［ｍ］、式３より、フィルム厚さ方向（±Ｚ方向）に生じる変位δ_３［ｍ］は、２．００×１０^−１０［ｍ］となる。

ピエゾフィルムにおいて、圧電定数ｄ_３１と圧電定数ｄ_３３とは、大きく異なる。例えば、図６（Ｂ）に示す様に、ピエゾフィルムに、正方形の貫通孔（２５ｍｍ×２５ｍｍ）を４箇所作製し、長さ方向（±Ｘ方向）の駆動部と、幅方向（±Ｙ方向）の駆動部に、同じ電位差を与えると、長さ方向の変位は、幅方向の変位の約１２倍となる。この際、駆動機構（長さ方向の駆動部、幅方向の駆動部、等を含む機構）により駆動制御される光学素子は、長さ方向に長軸、幅方向に短軸、を有する扁平率の大きな楕円軌道を描いて駆動する。従って、該光学素子に円軌道を描くような駆動を生じさせるためには、幅方向の駆動部の長さを長くし、且つ／又は、幅方向の駆動部に与える電位差を、大きくしなければならない。

つまり、光学素子の駆動に寄与するのは、主にピエゾフィルムの長さ方向（±Ｘ方向）における変位であることがわかる。

［サンプル１のピエゾフィルムに生じる変位δ_１の測定結果］
表１に、サンプル１＿Ａ１、サンプル１＿Ｂ１、サンプル１＿Ｃ１における、変位δ_１［μｍ］の測定結果を示す。ピエゾフィルムの表面と裏面との間には、約１００Ｖの電位差を与えた。なお、表１に示すサンプルの電極間距離ｄは、約０μｍである。

表２に、サンプル１＿Ａ２、サンプル１＿Ｂ２、サンプル１＿Ｃ２における、変位δ_１［μｍ］の測定結果を示す。ピエゾフィルムの表面と裏面との間には、約１００Ｖの電位差を与えた。なお、表２に示すサンプルの電極間距離ｄは、約１００μｍである。

表３に、サンプル１＿Ａ３、サンプル１＿Ｂ３、サンプル１＿Ｃ３における、変位δ_１［μｍ］の測定結果を示す。ピエゾフィルムの表面と裏面との間には、約１００Ｖの電位差を与えた。なお、表３に示すサンプルの電極間距離ｄは、約２００μｍである。

表１の測定結果から、ピエゾフィルムが薄い程、変位δ_１は、大きくなることがわかった。表２の測定結果から、ピエゾフィルムが薄い程、変位δ_１は、大きくなることがわかった。表３の測定結果から、ピエゾフィルムが薄い程、変位δ_１は、大きくなることがわかった。

表１と表２とを比較すると、電極間距離ｄが長い程、変位δ_１は、大きくなることがわかった。表１と表３とを比較すると、電極間距離ｄが長い程、変位δ_１は、大きくなることがわかった。しかしながら、表２と表３とを比較すると、電極間距離ｄが短くなると共に、変位δ_１は、小さくなることがわかった。

従って、電極間距離ｄには、最適値が存在し、長くしすぎても、短くしすぎても、結果的に、変位δ_１を小さくさせてしまうことがわかった。つまり、変位δ_１を考慮しながら、適宜、電極間距離ｄを設定することが好ましいことがわかった。

これより、ピエゾフィルムの厚さ、電極間距離は、ピエゾフィルムにおける±Ｘ方向の変位に寄与することがわかった。

［サンプル２のピエゾフィルムに生じる変位δ_１の測定結果］
表４に、サンプル２＿Ａ１、サンプル２＿Ｂ１、サンプル２＿Ｃ１における、変位δ_１［μｍ］の測定結果を示す。ピエゾフィルムの表面と裏面との間には、約１００Ｖの電位差を与えた。なお、表４に示すサンプルの電極間距離ｄは、約０μｍである。

表４の測定結果から、ピエゾフィルムが薄い程、変位δ_１は、大きくなることがわかった。

サンプル１と同様に、ピエゾフィルムの厚さＬ_３が薄い程、フィルム長さ方向に生じる変位量δ_１は、大きいことがわかった。

これより、サンプル１と同様に、ピエゾフィルムの厚さは、ピエゾフィルムにおける±Ｘ方向の変位に寄与することがわかった。

［サンプル３のピエゾフィルムに生じる変位δ_１、変位δ_２、変位δ_３の測定結果］
表５に、サンプル３＿Ａ１、サンプル３＿Ｂ１、サンプル３＿Ｃ１における、変位δ_１［μｍ］、変位δ_２［μｍ］、変位δ_３［μｍ］の測定結果を示す。ピエゾフィルムの表面と裏面との間には、約１００Ｖの電位差を与えた。

表５の測定結果から、ピエゾフィルムが薄い程、変位δ_１は、大きくなることがわかった。表５の測定結果から、ピエゾフィルムが薄い程、変位δ_２は、大きくなることがわかった。表５の測定結果から、ピエゾフィルムが薄い程、変位δ_３は、大きくなることがわかった。

これより、ピエゾフィルムの厚さは、ピエゾフィルムの±Ｘ方向における変位、ピエゾフィルムの±Ｙ方向における変位、ピエゾフィルムの±Ｚ方向における変位に寄与することがわかった。又、ピエゾフィルムの変位は、ピエゾフィルムの厚さが、約１０μｍであっても、約２０μｍであっても、約４０μｍであっても、±Ｘ方向において、最も大きく変位することがわかった。つまり、光デバイスのスペックル除去に有効な因子は、ピエゾフィルムにおける長さ方向の変位であることが示唆される。

［サンプル１の測定結果とサンプル３の測定結果との比較］
表６に、サンプル１＿Ａ１、サンプル１＿Ｂ１、サンプル１＿Ｃ１における、変位δ_１［μｍ］の測定結果と、サンプル３＿Ａ１、サンプル３＿Ｂ１、サンプル３＿Ｃ１における、変位δ_１［μｍ］の測定結果を示す。ピエゾフィルムの表面と裏面との間には、約１００Ｖの電位差を与えた。

表６の測定結果から、ピエゾフィルムを介して、対向しない（ずれた）位置に電極を形成する場合は、ピエゾフィルムを介して、対向する位置に電極を形成する場合と比較して、変位δ_１は、極めて大きくなることがわかった。

これより、光デバイスにおける電極の配置を工夫することにより、ピエゾフィルムの±Ｘ方向における移動量（変位量）を大幅に増加させることができることが示唆される。

［サンプル２の測定結果とサンプル３の測定結果との比較］
表７に、サンプル２＿Ａ１、サンプル２＿Ｂ１、サンプル２＿Ｃ１における、変位δ_１［μｍ］の測定結果と、サンプル３＿Ａ１、サンプル３＿Ｂ１、サンプル３＿Ｃ１における、変位δ_１［μｍ］の測定結果を示す。ピエゾフィルムの表面と裏面との間には、約１００Ｖの電位差を与えた。

表７の測定結果から、ピエゾフィルムを介して、対向しない（ずれた）位置に電極を形成する場合は、ピエゾフィルムを介して、対向する位置に電極を形成する場合と比較して、変位δ_１は、極めて大きくなることがわかった。

これより、光デバイスにおける電極の配置を工夫することにより、ピエゾフィルムの±Ｘ方向における移動量（変位量）を大幅に増加させることができることが示唆される。

［サンプル１の測定結果とサンプル２の測定結果との比較］
表８に、サンプル１＿Ａ１、サンプル１＿Ｂ１、サンプル１＿Ｃ１における、変位δ_１［μｍ］の測定結果と、サンプル２＿Ａ１、サンプル２＿Ｂ１、サンプル２＿Ｃ１における、変位δ_１［μｍ］の測定結果を示す。ピエゾフィルムの表面と裏面との間には、約１００Ｖの電位差を与えた。

表８の測定結果から、ピエゾフィルムを介して、対向しない（ずれた）位置に電極を形成する場合であっても、各電極の形状や、各電極が形成される位置に依存して、変位δ_１は、変化することがわかった。

サンプル２の構造は、サンプル１の構造と比較して、ピエゾフィルムが振動又は回転する際、構造的な制限（規制）が少ない。このため、サンプル２の構造は、サンプル１の構造と比較して、±Ｘ方向にピエゾフィルムを大きく変位させることができると考えられる。

これより、光デバイスの構造的な制限を減少させるためには、電極の配置及び形状を工夫することが有効であることが示唆される。

上述の全ての結果から、ピエゾフィルムの±Ｘ方向における変位と、電極構造（配置、形状等）、ピエゾフィルム構造（長さ、幅、厚さ、形状等）、貫通孔構造（大きさ、配置、形状等）、等には密接な関係が有り、これらの諸条件を適宜調整し、工夫することにより、ピエゾフィルムに所望の変位を生じさせることができることが示唆される。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１００ 光デバイス
１０１ 圧電素子
１０２ 光学素子
１０３ 電極
１０６ 貫通孔

特開２００５−２５０４７３号公報 特開２０１１−１８０５８１号公報 特開２０１２−５１４７６４号公報

Claims (9)

1. 電気活性高分子材料で形成される圧電素子と、
   前記圧電素子に接して形成される複数の電極と、
   前記圧電素子に囲まれる光学素子と、を有し、
   前記圧電素子の一方の面と前記電極との接触面は、前記圧電素子の他方の面と前記電極との接触面に対して、前記圧電素子を介して、ずれた位置に存在し、
   前記光学素子は、前記接触面間の電位差に基づく前記圧電素子の伸縮に伴って、振動又は回転する、光デバイス。
2. 少なくとも一つの前記電極には正電位が印加され、少なくとも一つの前記電極には負電位が印加される
   請求項１記載の光デバイス。
3. 前記圧電素子は、円形状である
   請求項１又は２記載の光デバイス。
4. 前記圧電素子は、多角形状である
   請求項１又は２記載の光デバイス。
5. 前記圧電素子は、複数の貫通孔を含む
   請求項１乃至４の何れか一項記載の光デバイス。
6. 前記圧電素子は、複数である
   請求項１乃至５の何れか一項記載の光デバイス。
7. 前記電極は、十字状に配置される
   請求項１乃至６の何れか一項記載の光デバイス。
8. 前記電極は、角度を互いに１２０°づつずらして配置される
   請求項１乃至６の何れか一項記載の光デバイス。
9. 前記電極は、角度を互いに３６０°／Ｎ（Ｎは、２以上の整数）づつずらして配置される
   請求項１乃至６の何れか一項記載の光デバイス。

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