JP3567028B2 - 光歪素子の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光歪素子の制御装置及び制御方法に係り、特に光エネルギを供給して駆動する強誘電体セラミックスである光歪素子へのエネルギ供給制御に適した光歪素子の制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＬＺＴセラミックス（以下ＰＬＺＴという）：（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ は、光を吸収すると伸びるという光歪効果を有する強誘電体セラミックスであり、光歪素子として光エネルギを直接機械エネルギに変換することができる。
【０００３】
近年マイクロマシンの研究が盛んに行われているが、マイクロマシンを駆動するアクチュエータにエネルギを供給する際にリード線などを用いることは困難であり、このようなアクチュエータには遠方から非接触でエネルギを供給できることが望まれる。
【０００４】
このため、ＰＬＺＴに光を照射することにより、ＰＬＺＴに非接触でエネルギを供給してその駆動を制御することができるので、ＰＬＺＴをマイクロマシンのアクチュエータとして利用することが期待されている。
しかしながら、このようにＰＬＺＴを光歪圧電素子として使用すると、その入力エネルギ量に対する応答性は、素子に電圧を加えるという通常の圧電素子の使用方法と比較し、桁違いに遅いものとなる。
【０００５】
ここで、光歪素子であるＰＬＺＴの応答性は、供給した光の単位面積あたりのエネルギ量（エネルギ密度）に依存し、供給する光のエネルギ密度が大きければ大きい程、応答性が向上する傾向がある。
また、光歪素子が吸収した光エネルギは、光歪効果によって微小な伸びを生じさせることに使われる他に、熱エネルギにも変換され、光歪素子の温度が上昇する。この熱により、光歪素子の残留分極が減少させられ、光歪素子は収縮したり、熱膨張によって伸びたりしてその結果伸び量の制御が難しくなる。なお、当然光歪素子の温度は供給する光のエネルギ密度が大きい程その温度の上昇は大きいものとなる。
【０００６】
そして、光歪素子をマイクロマシンのアクチュエータとして使用する場合には、光歪素子を小型化しなければならず、光歪素子自体の熱容量が小さくなって光照射による素子の熱変化の影響が大きくなるので、素子の温度上昇をなるべく少なくする必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、光歪素子をアクチュエータ材料として使う場合、高い応答性が必要であり、かつ、熱の発生が小さいこと（理想的には０であること）が望ましい。しかしながら、応答性を向上させるためには供給する光エネルギ量をできるだけ大きくしなければならないし、熱の発生を抑えるためには、逆に供給する光エネルギ量を小さくしなければならなず、これらの相反する両条件を満足させることは難しい。
【０００８】
そこで、本願発明は、光歪素子を駆動する上で、急激な温度の上昇を招くことなく高い応答性を得ることができる光歪素子の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の発明者らは、実験の結果、上記の課題を解決して光歪素子に急激な温度上昇を招くことなく、高い応答性を得るために、光歪素子に光エネルギを供給する際に、単位時間あたりに供給する光のエネルギ量を時間的に変化させることが有効であることを見出した。
【００１０】
このような事実は以下の実験で検証することができた。
以下、この実験について説明する。
【００１１】
〔試料〕
試料１５である光歪素子、ＰＬＺＴは，Ｌａ：Ｚｒ：Ｔｉ＝３：５２：４８のモル比の組成を有するペロブスカイト構造の強誘電体である。
また、試料１５は、図６に示すように、縦ｔ＝１４．５ｍｍ、横幅ｗ＝６ｍｍ、厚さｄ＝３．３ｍｍに切断し、ｔ×ｄ（１４．５ｍｍ×６ｍｍ）の面を光照射面とした。また、ｗ×ｄ（６ｍｍ×３．３ｍｍ）の両面にＡｇ焼き付けによって電極２１を設け、ｔ（１４．５ｍｍ）方向に１５０℃のシリコンオイル中で１０ｋＶ／ｃｍの電界（矢印Ｐで示した）をかけ、４０分の分極処理を行った。
【００１２】
〔加熱試験〕
試料１５を電気炉で直接加熱し、試料１５の分極方向（ｔ＝１４．５ｍｍ方向）の熱膨張を測定した。この時の試料１５の膨張の様子を図７に示し、これによりえた膨張係数を表１に示す。尚、図７（１）は昇温時の状態を示し、図７（２）は降温時の状態を示す。
【００１３】
【表１】
【００１４】
〔光照射試験〕
本実験では、図５（１）に示すように、光源１１として５００Ｗの水銀ランプを用い、赤外カットフィルター１２と２つのバンドパスフィルター１３，１４で中心波長３６５ｎｍ、バンド幅６ｎｍの平行光を光歪圧電素子であるＰＬＺＴで形成した試料１５に垂直に照射した。
【００１５】
ここで、中心波長を３６５ｎｍとしたのは、このＰＬＺＴに対しては、光歪効果が最も良く現れるとの報告に基づく（Ｋ．Ｕｃｈｉｎｏ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｏｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ （Ｐｂ， Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３． Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｓｔｉｃｓ，６４，ｐｐ．１９９−２０８．（１９８５） 。
【００１６】
試料１５の伸び量は、電気マイクロメータ１６を用いて測定し、ｘ−ｙプロッタ、パーソナルコンピュータであるデータ表示装置１７で表示した。ここで、電気マイクロメータ１６と試料１５との間は、図５（２）に示すように、絶縁体１９で電気的に絶縁した。
【００１７】
また、試料１４の温度は、赤外線の非接触温度計（放射温度計）１８で測定した。尚、光のエネルギ密度は５０ｍＷ／ｃｍ２ 、１２０ｍＷ／ｃｍ２ とした２つの条件で測定を行った。
【００１８】
図８は各エネルギ密度で実験したときの試料１５の時間経過に対する伸び量を示し、図９は試料１５の温度を示している。エネルギ密度が大きいほど伸び量及び温度変化が大きく、応答性も高いことがわかる。
【００１９】
そして、図９と表１とから、試料１５の熱影響による伸びを求めた。
光を照射したときに発生する伸びを、熱影響によるものと光歪効果によるものに分離した結果を図１０及び図１１に示す。
【００２０】
この結果からこのＰＬＺＴである結果試料１５に以下の傾向があることが判明した。
【００２１】
▲１▼ 光歪効果による伸びは、光のエネルギ密度に関係なくほぼ一定である。
▲２▼ 熱影響による伸びはエネルギ密度が大きい程大きい。
▲３▼ 光を照射するとすぐに光歪効果による伸びが発生して飽和に達し、時間が経つにつれ熱影響による伸びが大きくなる。
従って、ＰＬＺＴに光を照射したときに発生する伸びは、照射初期には光歪効果による伸びが支配的で、遅れて熱による伸びが現れることになる。
【００２２】
また、
▲４▼ 高エネルギ密度の光をＰＬＺＴに照射することによって、大きな光励起電流が発生する。この光励起電流の大きさが大きいほど、両電極間の電位差を早く飽和させ、応答性が良くなる。
▲５▼ 急激な温度変化によって、大きな焦電流が発生する。光励起電流と焦電流によって、より早く両電極間の電位差が飽和する。その結果、高エネルギ密度の光を照射することは、応答性を高める効果がある。
【００２３】
上記の結果により、初期に高エネルギ量の光を照射して応答性を高め、その後、光歪効果による伸びが飽和に達したら、伸び量を維持し、温度上昇をできるだけ抑えられる程度の低エネルギ量の光を照射することで、応答性が良く、熱の発生を小さくすることができることが判明した。
【００２４】
上記の結果に基づいて、本発明において上記課題を解決するため以下の手段を採用した。
本発明の第１の手段は、光歪効果を生じる光歪素子（１）に光を照射する光源（２）と、前記光源（２）からの光を前記光歪素子（１）に投影する照明光学系（３）と、前記光歪素子（１）に投影される光の光量を、前記光歪素子（１）による光歪効果が飽和する時点までは前記光歪素子（１）に大きな歪を生じさせる程度に増加し、前記飽和時点以降では前記光歪素子（１）の歪みを維持するのに足りる範囲で熱影響による伸びが無視できる程度に低下させることにより制御する制御手段（４）とからなる光歪素子の制御装置である。
【００２５】
本発明の第２の手段は、前記制御手段（４）が前記光源（２）における消費電力を制御する光歪素子の制御装置である。
【００２６】
本発明の第３の手段は、前記制御手段（４）が、前記照明光学系（３）を構成する光学素子の一部の位置を変化させて、前記光歪素子（１）に投影される光の光量を変化させる光歪素子の制御装置である。
【００２７】
本発明の第４の手段は、前記光源（２）がパルス状に変調した光を照射する光源（２）であり、かつ前記制御手段（４）が前記パルス状に変調した光の周波数、パルス幅、または強度を変えて前記光歪素子（１）に投影される光の光量を変化させる光歪素子の制御装置である。
【００２８】
本発明の第５の手段は、前記制御手段（４）が前記照明光学系（３）の光路中にＮＤフィルタ（５）を挿入して前記光歪素子（１）に投影される光の光量を変化させる光歪素子の制御装置である。
【００２９】
本発明の第６の手段は、前記制御手段（４）が前記光歪素子（１）の温度、起電力又は起電流を測定する測定手段（６）を備え、該測定手段（６）の出力に基づいて前記光歪素子（１）に投影される光の光量を制御する光歪素子の制御装置である。
【００３０】
本発明の第７の手段は、光歪素子（１）に照射される光の光量を、前記光歪素子（１）による光歪効果が飽和する時点までは前記光歪素子（１）に大きな歪を生じさせる程度に増加し、前記飽和時点以降では前記光歪素子（１）の歪みを維持するのに足りる範囲で熱影響による伸びが無視できる程度に低下させる光歪素子の制御方法である。
【００３５】
本発明によれば、光歪素子を駆動するのに際して、光歪素子に供給する光の単位時間あたりのエネルギ量を時間的に変化させることで、応答性を高めつつ光歪素子の温度上昇を抑えることができる。
【００３６】
即ち、本発明では、光歪素子に照射される光量は、光歪効果による素子の歪み量が飽和する時点までは光歪素子に大きな歪みを生じさせる程度にされ、光歪素子の歪みがそれ以上大きくならなくなった時点からは、光歪素子に照射される光の光量は光歪素子の歪みを維持するのに足り、光の照射により光歪素子に与えられる熱影響による伸びが無視できるようになる程度にまで低下される。
【００３７】
これにより、光歪素子の熱による歪みは最小限になり、光歪素子を照射する光により高い応答性で制御することができるものとなるとともに、光の照射による光歪素子の温度の上昇を抑えることができる。
従って、本願発明によれば、光歪素子の歪み量の制御を、光歪素子の熱上昇による影響を受けることなく行なうことができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる光歪素子の制御装置の実施の形態を説明する。
【００３９】
〔第１の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第４、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本実施の形態に係る光歪素子の制御装置は、アクチュエータとして使用する光歪素子として上述したＰＬＺＴを使用し、図１に示すように、この光歪素子１に光を照射する光源２と、前記光源２からの光を前記光歪素子１に投影する照明光学系３と、前記光歪素子１に投影される光の光量を制御する制御手段４とからなる。
【００４０】
光源２は上述したフィルタを有した超高圧水銀灯を使用するが、その他の光源、例えば紫外線レーザ等を使用できる。また、光歪素子１の種類の違い等に基づいて他の波長域の光源を使用することも可能である。
また、照明光学系３は、レンズ、光ファイバ等で構成された光学系で、光を上記光歪素子１に照射する。
制御手段４は、前記光歪素子１に所定光量の光を所定時間投影し、該所定時間経過後投影される光の光量が低下するように制御する。
【００４１】
即ち、本例では、制御手段４を、前記光歪素子１による光歪効果が飽和する時点で前記照射される光の光量を熱影響による伸びが無視できる量に低下させるようにする。
【００４２】
本例では制御手段４は、前記光源２に供給する電力の電圧を変更することにより光源の消費電力を調整し、光源の光量を制御する。
例えば、上記〔課題を解決するための手段〕の項で説明したＰＬＺＴの試料（図６に示した）を使用して光の波長３６５ｎｍ、光のエネルギ密度５０ｍＷ／ｃｍ２ の光を約２分間照射したとき光歪効果による伸びが飽和するから、前記照射を２分行ったのち光の強度を例えば約２０ｍＷ／ｃｍ２ とする（６０％程度低下させる）と、光歪素子の伸びが止まらず、かつ、光歪素子の温度が上昇しない。
【００４３】
また、同一上記のＰＬＺＴと同一のＰＬＺＴの試料（図６に示した）を使用して光の波長３５６ｎｍ、光のエネルギ密度１２０ｍＷ／ｃｍ２ の光を約１分間照射したとき光歪効果による伸びが飽和するから、前記照射を１分行ったのち光の強度を約３０ｍＷ／ｃｍ２ とする（７５％程度低下させる）と、光歪素子の伸びが止まらず、かつ、光歪素子の温度が上昇しない。
【００４４】
〔第２の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第４、第８、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では、上記第１の実施の形態の用に光歪素子１を特定することなく、制御手段４は光歪素子１の温度を測定するための温度測定手段６として非接触で光歪素子の温度を測定する放射温度計、あるいは光歪素子１に接続したサーミスタ、熱電対を備え、前記制御手段４は該温度測定手段の出力に基づいて前記光歪素子１に投影される光の光量を制御する。
即ち、本実施例では光歪素子１の温度がある温度ｔ１ まで上昇し始めたことを検知した段階で制御装置４は光源２の光量を減少させ、光歪素子１の伸び量が一定となり、かつ、光歪素子の温度が上昇しない量とする。
そして、制御手段４は、光歪素子１の温度を検出しつつ、光歪素子１の温度が上昇しない程度に光量を調整する。
【００４５】
〔第３の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第４、第９、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では、制御手段４は光歪素子１の近傍に第２の光歪素子７を備えている。そして、制御手段４は、この第２の光歪素子７の起電流、起電圧を測定し、この測定値に基づき前記光歪素子１に投影される光の光量を制御する。
【００４６】
即ち、本実施例ではこの第２の光歪素子１の起電流Ｉ、起電圧Ｖを測定する。そして例えばＩ＝Ｉ０ 、Ｖ＝Ｖ０ になった場合に光歪素子１の光歪効果が飽和したと判断し、光源２からの光の強度を低下させるように制御する。また単位時間当たりの起電流、起電圧の変化量ΔＩ、ΔＶを検出することにより、飽和の有無を判断することもできる。
【００４７】
〔第４の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第５、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では、制御手段４は、前記照明光学系３を構成する光学素子の一部の位置を変化させることにより、前記光歪素子１に投影される光の光量を変化させる。なお、光の照射量は、上記第１の実施の形態と同様に予め時間を定めて調節を行なうようにしてもよいし、第２の実施の形態、または第３の実施の形態と同様に温度、起電流、起電力を測定しながら調節するようにしてもよい。
【００４８】
そして、本例では、図２に示すように、照明光学系を構成する光学素子である集光レンズ（凸レンズ）２０の位置を、制御手段４に設けた直動機構等で、光歪素子１に対して前後に移動することにより、光歪素子に投影される光の光量を変化させる。
即ち、集光レンズ２０の位置を実線に示した位置Ａに配置して、光源１からの光の殆どを光歪素子１に照射する状態と、集光レンズ２０を仮想線で示した位置Ｂ、即ち、上記実線で示した集光レンズの位置より、光歪素子１側に移動して、光源からの光の一部を光歪素子１に照射する状態に変更するものである。
【００４９】
〔第５の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第６、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では光歪素子１に光を照射する光源２をパルス状の光を照射するものとしている。
【００５０】
そして、制御手段４は該パルス状の光の周波数、パルス幅、または強度を変えることにより、前記光歪素子１に投影される光の光量を変化させるようにしている。
例えば、当初光源２が光歪素子１に、図３（１）に示すように、時刻Ｔｉ からＴｉ＋１ までの時間Ｔに、期間ｔ０ の間エネルギＥ０ をｎ回供給するものとしたとき、制御手段４は例えば図３（２）に示すように時刻Ｔｉ からＴｉ＋１ の間に、期間ｔ０ の間エネルギＥ０ をｍ回（ｍ＜ｎ）供給する。即ち供給光パルスの周波数を変更することにより光歪素子に供給する光量を変更する。
これにより、光歪素子に供給される光のエネルギは、当初に供給されていたエネルギのｎ／ｍになる。これらの値Ｅ０ 、Ｔ、ｍ、ｎ等の値は適宜必要に応じて定めることができる。
【００５１】
そして、適宜に供給していた光パルスのパルス幅を１ 図３（１），（３）に示すように、ｔ０ からｔ１ に（ｔ０ ＞ｔ１ ）したり、光パルスのパルス強度を図３（１），（４）に示すようにＥ０ から、Ｅ１ に（Ｅ０ ＞Ｅ１ ）にして、若しくはこれらを組み合わせて光歪素子に照射する光量を調節することができる。
【００５２】
なお、光の照射量は、上記第１の実施の形態と同様に予め時間を定めて調節を行なうようにしてもよいし、第２の実施の形態、または第３の実施の形態と同様に温度、起電流、起電力を測定しながら調節するようにしてもよい。
【００５３】
〔第６の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第７、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では、制御手段４は、図４に示すように照明光学系３の光路中に入射光の光量を減少させるフィルターであるＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒ）フィルタ５を挿入することにより、前記光歪素子１に投影される光の光量を変化させるようにしている。
【００５４】
すなわち、本例では、ＮＤフィルタは、光歪素子１に照射される光の光量を予め選んだ光量に減衰させて照射する。
なお、光の照射量は、上記第１の実施の形態と同様に予め時間を定めて調節を行なうようにしてもよいし、第２の実施の形態、または第３の実施の形態と同様に温度、起電流、起電力を測定しながら調節するようにしてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光歪素子に照射される光量は、光歪効果による素子の歪み量が飽和する時点までは光歪素子に大きな歪みを生じさせる程度にされ、光歪素子の歪みがそれ以上大きくならなくなった時点からは、光歪素子に照射される光の光量は光歪素子の歪みを維持するのに足り、光の照射により光歪素子に与えられる熱影響による伸びが無視できるようになる程度にまで低下されるので、光歪素子の熱による歪みは最小限になり、光歪素子を照射する光により高い応答性で制御することができるものとなるとともに、光の照射による光歪素子の温度の上昇を抑えることができる。
従って、本願発明によれば、光歪素子の歪み量の制御を、光歪素子の熱上昇による影響を受けることなく行なうことができ、光歪素子をマイクロマシン等のアクチュエータとして使用するに際して、光歪素子の駆動制御を良好に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光歪素子の制御装置の原理及び第１乃至第３の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明に係る光歪素子の制御装置の第４の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明に係る光歪素子の制御装置の第５の実施の形態における光の強度の状態を示すグラフである。
【図４】本発明に係る光歪素子の制御装置の第６の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明に係る光歪素子の制御装置及び制御方法の作動を検証した実験装置の概要を示す図であり、（１）はその全体図、（２）は（１）中のＡ部の拡大図である。
【図６】図５に示した実験に使用した試料を示す斜視図である。
【図７】試料熱膨量の測定結果を示すグラフであり、（１）は昇温時、（２）は降温時の試料の温度と伸び量との関係を示すグラフである。
【図８】図５に示した実験における試料の光照射による時間と伸び量との関係を示すグラフである。
【図９】図５に示した実験における試料の光照射による時間と試料の温度との関係を示すグラフである。
【図１０】試料に５０ｍＷ／ｃｍ２ の光を照射したときの時間と、全体の伸び量、熱による伸び量及び光歪効果による伸び量を示すグラフである。
【図１１】試料に１２０ｍＷ／ｃｍ２ の光を照射したときの時間と、全体の伸び量、熱による伸び量及び光歪効果による伸び量を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 光歪素子
２ 光源
３ 照明光学系
４ 制御手段
６ 測定手段
７ 第２の光歪素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、光歪素子の制御装置及び制御方法に係り、特に光エネルギを供給して駆動する強誘電体セラミックスである光歪素子へのエネルギ供給制御に適した光歪素子の制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＬＺＴセラミックス（以下ＰＬＺＴという）：（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ は、光を吸収すると伸びるという光歪効果を有する強誘電体セラミックスであり、光歪素子として光エネルギを直接機械エネルギに変換することができる。
【０００３】
近年マイクロマシンの研究が盛んに行われているが、マイクロマシンを駆動するアクチュエータにエネルギを供給する際にリード線などを用いることは困難であり、このようなアクチュエータには遠方から非接触でエネルギを供給できることが望まれる。
【０００４】
このため、ＰＬＺＴに光を照射することにより、ＰＬＺＴに非接触でエネルギを供給してその駆動を制御することができるので、ＰＬＺＴをマイクロマシンのアクチュエータとして利用することが期待されている。
しかしながら、このようにＰＬＺＴを光歪圧電素子として使用すると、その入力エネルギ量に対する応答性は、素子に電圧を加えるという通常の圧電素子の使用方法と比較し、桁違いに遅いものとなる。
【０００５】
ここで、光歪素子であるＰＬＺＴの応答性は、供給した光の単位面積あたりのエネルギ量（エネルギ密度）に依存し、供給する光のエネルギ密度が大きければ大きい程、応答性が向上する傾向がある。
また、光歪素子が吸収した光エネルギは、光歪効果によって微小な伸びを生じさせることに使われる他に、熱エネルギにも変換され、光歪素子の温度が上昇する。この熱により、光歪素子の残留分極が減少させられ、光歪素子は収縮したり、熱膨張によって伸びたりしてその結果伸び量の制御が難しくなる。なお、当然光歪素子の温度は供給する光のエネルギ密度が大きい程その温度の上昇は大きいものとなる。
【０００６】
そして、光歪素子をマイクロマシンのアクチュエータとして使用する場合には、光歪素子を小型化しなければならず、光歪素子自体の熱容量が小さくなって光照射による素子の熱変化の影響が大きくなるので、素子の温度上昇をなるべく少なくする必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、光歪素子をアクチュエータ材料として使う場合、高い応答性が必要であり、かつ、熱の発生が小さいこと（理想的には０であること）が望ましい。しかしながら、応答性を向上させるためには供給する光エネルギ量をできるだけ大きくしなければならないし、熱の発生を抑えるためには、逆に供給する光エネルギ量を小さくしなければならなず、これらの相反する両条件を満足させることは難しい。
【０００８】
そこで、本願発明は、光歪素子を駆動する上で、急激な温度の上昇を招くことなく高い応答性を得ることができる光歪素子の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の発明者らは、実験の結果、上記の課題を解決して光歪素子に急激な温度上昇を招くことなく、高い応答性を得るために、光歪素子に光エネルギを供給する際に、単位時間あたりに供給する光のエネルギ量を時間的に変化させることが有効であることを見出した。
【００１０】
このような事実は以下の実験で検証することができた。
以下、この実験について説明する。
【００１１】
〔試料〕
試料１５である光歪素子、ＰＬＺＴは，Ｌａ：Ｚｒ：Ｔｉ＝３：５２：４８のモル比の組成を有するペロブスカイト構造の強誘電体である。
また、試料１５は、図６に示すように、縦ｔ＝１４．５ｍｍ、横幅ｗ＝６ｍｍ、厚さｄ＝３．３ｍｍに切断し、ｔ×ｄ（１４．５ｍｍ×６ｍｍ）の面を光照射面とした。また、ｗ×ｄ（６ｍｍ×３．３ｍｍ）の両面にＡｇ焼き付けによって電極２１を設け、ｔ（１４．５ｍｍ）方向に１５０℃のシリコンオイル中で１０ｋＶ／ｃｍの電界（矢印Ｐで示した）をかけ、４０分の分極処理を行った。
【００１２】
〔加熱試験〕
試料１５を電気炉で直接加熱し、試料１５の分極方向（ｔ＝１４．５ｍｍ方向）の熱膨張を測定した。この時の試料１５の膨張の様子を図７に示し、これによりえた膨張係数を表１に示す。尚、図７（１）は昇温時の状態を示し、図７（２）は降温時の状態を示す。
【００１３】
【表１】
〔光照射試験〕
本実験では、図５（１）に示すように、光源１１として５００Ｗの水銀ランプを用い、赤外カットフィルター１２と２つのバンドパスフィルター１３，１４で中心波長３６５ｎｍ、バンド幅６ｎｍの平行光を光歪圧電素子であるＰＬＺＴで形成した試料１５に垂直に照射した。
【００１５】
ここで、中心波長を３６５ｎｍとしたのは、このＰＬＺＴに対しては、光歪効果が最も良く現れるとの報告に基づく（Ｋ．Ｕｃｈｉｎｏ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｏｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ （Ｐｂ， Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３． Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｓｔｉｃｓ，６４，ｐｐ．１９９−２０８．（１９８５） 。
【００１６】
試料１５の伸び量は、電気マイクロメータ１６を用いて測定し、ｘ−ｙプロッタ、パーソナルコンピュータであるデータ表示装置１７で表示した。ここで、電気マイクロメータ１６と試料１５との間は、図５（２）に示すように、絶縁体１９で電気的に絶縁した。
【００１７】
また、試料１４の温度は、赤外線の非接触温度計（放射温度計）１８で測定した。尚、光のエネルギ密度は５０ｍＷ／ｃｍ２ 、１２０ｍＷ／ｃｍ２ とした２つの条件で測定を行った。
【００１８】
図８は各エネルギ密度で実験したときの試料１５の時間経過に対する伸び量を示し、図９は試料１５の温度を示している。エネルギ密度が大きいほど伸び量及び温度変化が大きく、応答性も高いことがわかる。
【００１９】
そして、図９と表１とから、試料１５の熱影響による伸びを求めた。
光を照射したときに発生する伸びを、熱影響によるものと光歪効果によるものに分離した結果を図１０及び図１１に示す。
【００２０】
この結果からこのＰＬＺＴである結果試料１５に以下の傾向があることが判明した。
【００２１】
▲１▼ 光歪効果による伸びは、光のエネルギ密度に関係なくほぼ一定である。
▲２▼ 熱影響による伸びはエネルギ密度が大きい程大きい。
▲３▼ 光を照射するとすぐに光歪効果による伸びが発生して飽和に達し、時間が経つにつれ熱影響による伸びが大きくなる。
従って、ＰＬＺＴに光を照射したときに発生する伸びは、照射初期には光歪効果による伸びが支配的で、遅れて熱による伸びが現れることになる。
【００２２】
また、
▲４▼ 高エネルギ密度の光をＰＬＺＴに照射することによって、大きな光励起電流が発生する。この光励起電流の大きさが大きいほど、両電極間の電位差を早く飽和させ、応答性が良くなる。
▲５▼ 急激な温度変化によって、大きな焦電流が発生する。光励起電流と焦電流によって、より早く両電極間の電位差が飽和する。その結果、高エネルギ密度の光を照射することは、応答性を高める効果がある。
【００２３】
上記の結果により、初期に高エネルギ量の光を照射して応答性を高め、その後、光歪効果による伸びが飽和に達したら、伸び量を維持し、温度上昇をできるだけ抑えられる程度の低エネルギ量の光を照射することで、応答性が良く、熱の発生を小さくすることができることが判明した。
【００２４】
上記の結果に基づいて、本発明において上記課題を解決するため以下の手段を採用した。
本発明の第１の手段は、光歪効果を生じる光歪素子（１）に光を照射する光源（２）と、前記光源（２）からの光を前記光歪素子（１）に投影する照明光学系（３）と、前記光歪素子（１）に投影される光の光量を、前記光歪素子（１）による光歪効果が飽和する時点までは前記光歪素子（１）に大きな歪を生じさせる程度に増加し、前記飽和時点以降では前記光歪素子（１）の歪みを維持するのに足りる範囲で熱影響による伸びが無視できる程度に低下させることにより制御する制御手段（４）とからなる光歪素子の制御装置である。
【００２５】
本発明の第２の手段は、前記制御手段（４）が前記光源（２）における消費電力を制御する光歪素子の制御装置である。
【００２６】
本発明の第３の手段は、前記制御手段（４）が、前記照明光学系（３）を構成する光学素子の一部の位置を変化させて、前記光歪素子（１）に投影される光の光量を変化させる光歪素子の制御装置である。
【００２７】
本発明の第４の手段は、前記光源（２）がパルス状に変調した光を照射する光源（２）であり、かつ前記制御手段（４）が前記パルス状に変調した光の周波数、パルス幅、または強度を変えて前記光歪素子（１）に投影される光の光量を変化させる光歪素子の制御装置である。
【００２８】
本発明の第５の手段は、前記制御手段（４）が前記照明光学系（３）の光路中にＮＤフィルタ（５）を挿入して前記光歪素子（１）に投影される光の光量を変化させる光歪素子の制御装置である。
【００２９】
本発明の第６の手段は、前記制御手段（４）が前記光歪素子（１）の温度、起電力又は起電流を測定する測定手段（６）を備え、該測定手段（６）の出力に基づいて前記光歪素子（１）に投影される光の光量を制御する光歪素子の制御装置である。
【００３０】
本発明の第７の手段は、光歪素子（１）に照射される光の光量を、前記光歪素子（１）による光歪効果が飽和する時点までは前記光歪素子（１）に大きな歪を生じさせる程度に増加し、前記飽和時点以降では前記光歪素子（１）の歪みを維持するのに足りる範囲で熱影響による伸びが無視できる程度に低下させる光歪素子の制御方法である。
【００３５】
本発明によれば、光歪素子を駆動するのに際して、光歪素子に供給する光の単位時間あたりのエネルギ量を時間的に変化させることで、応答性を高めつつ光歪素子の温度上昇を抑えることができる。
【００３６】
即ち、本発明では、光歪素子に照射される光量は、光歪効果による素子の歪み量が飽和する時点までは光歪素子に大きな歪みを生じさせる程度にされ、光歪素子の歪みがそれ以上大きくならなくなった時点からは、光歪素子に照射される光の光量は光歪素子の歪みを維持するのに足り、光の照射により光歪素子に与えられる熱影響による伸びが無視できるようになる程度にまで低下される。
【００３７】
これにより、光歪素子の熱による歪みは最小限になり、光歪素子を照射する光により高い応答性で制御することができるものとなるとともに、光の照射による光歪素子の温度の上昇を抑えることができる。
従って、本願発明によれば、光歪素子の歪み量の制御を、光歪素子の熱上昇による影響を受けることなく行なうことができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる光歪素子の制御装置の実施の形態を説明する。
【００３９】
〔第１の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第４、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本実施の形態に係る光歪素子の制御装置は、アクチュエータとして使用する光歪素子として上述したＰＬＺＴを使用し、図１に示すように、この光歪素子１に光を照射する光源２と、前記光源２からの光を前記光歪素子１に投影する照明光学系３と、前記光歪素子１に投影される光の光量を制御する制御手段４とからなる。
【００４０】
光源２は上述したフィルタを有した超高圧水銀灯を使用するが、その他の光源、例えば紫外線レーザ等を使用できる。また、光歪素子１の種類の違い等に基づいて他の波長域の光源を使用することも可能である。
また、照明光学系３は、レンズ、光ファイバ等で構成された光学系で、光を上記光歪素子１に照射する。
制御手段４は、前記光歪素子１に所定光量の光を所定時間投影し、該所定時間経過後投影される光の光量が低下するように制御する。
【００４１】
即ち、本例では、制御手段４を、前記光歪素子１による光歪効果が飽和する時点で前記照射される光の光量を熱影響による伸びが無視できる量に低下させるようにする。
【００４２】
本例では制御手段４は、前記光源２に供給する電力の電圧を変更することにより光源の消費電力を調整し、光源の光量を制御する。
例えば、上記〔課題を解決するための手段〕の項で説明したＰＬＺＴの試料（図６に示した）を使用して光の波長３６５ｎｍ、光のエネルギ密度５０ｍＷ／ｃｍ２ の光を約２分間照射したとき光歪効果による伸びが飽和するから、前記照射を２分行ったのち光の強度を例えば約２０ｍＷ／ｃｍ２ とする（６０％程度低下させる）と、光歪素子の伸びが止まらず、かつ、光歪素子の温度が上昇しない。
【００４３】
また、同一上記のＰＬＺＴと同一のＰＬＺＴの試料（図６に示した）を使用して光の波長３５６ｎｍ、光のエネルギ密度１２０ｍＷ／ｃｍ２ の光を約１分間照射したとき光歪効果による伸びが飽和するから、前記照射を１分行ったのち光の強度を約３０ｍＷ／ｃｍ２ とする（７５％程度低下させる）と、光歪素子の伸びが止まらず、かつ、光歪素子の温度が上昇しない。
【００４４】
〔第２の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第４、第８、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では、上記第１の実施の形態の用に光歪素子１を特定することなく、制御手段４は光歪素子１の温度を測定するための温度測定手段６として非接触で光歪素子の温度を測定する放射温度計、あるいは光歪素子１に接続したサーミスタ、熱電対を備え、前記制御手段４は該温度測定手段の出力に基づいて前記光歪素子１に投影される光の光量を制御する。
即ち、本実施例では光歪素子１の温度がある温度ｔ１ まで上昇し始めたことを検知した段階で制御装置４は光源２の光量を減少させ、光歪素子１の伸び量が一定となり、かつ、光歪素子の温度が上昇しない量とする。
そして、制御手段４は、光歪素子１の温度を検出しつつ、光歪素子１の温度が上昇しない程度に光量を調整する。
【００４５】
〔第３の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第４、第９、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では、制御手段４は光歪素子１の近傍に第２の光歪素子７を備えている。そして、制御手段４は、この第２の光歪素子７の起電流、起電圧を測定し、この測定値に基づき前記光歪素子１に投影される光の光量を制御する。
【００４６】
即ち、本実施例ではこの第２の光歪素子１の起電流Ｉ、起電圧Ｖを測定する。そして例えばＩ＝Ｉ０ 、Ｖ＝Ｖ０ になった場合に光歪素子１の光歪効果が飽和したと判断し、光源２からの光の強度を低下させるように制御する。また単位時間当たりの起電流、起電圧の変化量ΔＩ、ΔＶを検出することにより、飽和の有無を判断することもできる。
【００４７】
〔第４の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第５、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では、制御手段４は、前記照明光学系３を構成する光学素子の一部の位置を変化させることにより、前記光歪素子１に投影される光の光量を変化させる。なお、光の照射量は、上記第１の実施の形態と同様に予め時間を定めて調節を行なうようにしてもよいし、第２の実施の形態、または第３の実施の形態と同様に温度、起電流、起電力を測定しながら調節するようにしてもよい。
【００４８】
そして、本例では、図２に示すように、照明光学系を構成する光学素子である集光レンズ（凸レンズ）２０の位置を、制御手段４に設けた直動機構等で、光歪素子１に対して前後に移動することにより、光歪素子に投影される光の光量を変化させる。
即ち、集光レンズ２０の位置を実線に示した位置Ａに配置して、光源１からの光の殆どを光歪素子１に照射する状態と、集光レンズ２０を仮想線で示した位置Ｂ、即ち、上記実線で示した集光レンズの位置より、光歪素子１側に移動して、光源からの光の一部を光歪素子１に照射する状態に変更するものである。
【００４９】
〔第５の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第６、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では光歪素子１に光を照射する光源２をパルス状の光を照射するものとしている。
【００５０】
そして、制御手段４は該パルス状の光の周波数、パルス幅、または強度を変えることにより、前記光歪素子１に投影される光の光量を変化させるようにしている。
例えば、当初光源２が光歪素子１に、図３（１）に示すように、時刻Ｔｉ からＴｉ＋１ までの時間Ｔに、期間ｔ０ の間エネルギＥ０ をｎ回供給するものとしたとき、制御手段４は例えば図３（２）に示すように時刻Ｔｉ からＴｉ＋１ の間に、期間ｔ０ の間エネルギＥ０ をｍ回（ｍ＜ｎ）供給する。即ち供給光パルスの周波数を変更することにより光歪素子に供給する光量を変更する。
これにより、光歪素子に供給される光のエネルギは、当初に供給されていたエネルギのｎ／ｍになる。これらの値Ｅ０ 、Ｔ、ｍ、ｎ等の値は適宜必要に応じて定めることができる。
【００５１】
そして、適宜に供給していた光パルスのパルス幅を１ 図３（１），（３）に示すように、ｔ０ からｔ１ に（ｔ０ ＞ｔ１ ）したり、光パルスのパルス強度を図３（１），（４）に示すようにＥ０ から、Ｅ１ に（Ｅ０ ＞Ｅ１ ）にして、若しくはこれらを組み合わせて光歪素子に照射する光量を調節することができる。
【００５２】
なお、光の照射量は、上記第１の実施の形態と同様に予め時間を定めて調節を行なうようにしてもよいし、第２の実施の形態、または第３の実施の形態と同様に温度、起電流、起電力を測定しながら調節するようにしてもよい。
【００５３】
〔第６の実施の形態〕
本実施の形態は上記第１、第２、第３、第７、第１０及び第１１の手段に相当するものである。
本例では、制御手段４は、図４に示すように照明光学系３の光路中に入射光の光量を減少させるフィルターであるＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒ）フィルタ５を挿入することにより、前記光歪素子１に投影される光の光量を変化させるようにしている。
【００５４】
すなわち、本例では、ＮＤフィルタは、光歪素子１に照射される光の光量を予め選んだ光量に減衰させて照射する。
なお、光の照射量は、上記第１の実施の形態と同様に予め時間を定めて調節を行なうようにしてもよいし、第２の実施の形態、または第３の実施の形態と同様に温度、起電流、起電力を測定しながら調節するようにしてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光歪素子に照射される光量は、光歪効果による素子の歪み量が飽和する時点までは光歪素子に大きな歪みを生じさせる程度にされ、光歪素子の歪みがそれ以上大きくならなくなった時点からは、光歪素子に照射される光の光量は光歪素子の歪みを維持するのに足り、光の照射により光歪素子に与えられる熱影響による伸びが無視できるようになる程度にまで低下されるので、光歪素子の熱による歪みは最小限になり、光歪素子を照射する光により高い応答性で制御することができるものとなるとともに、光の照射による光歪素子の温度の上昇を抑えることができる。
従って、本願発明によれば、光歪素子の歪み量の制御を、光歪素子の熱上昇による影響を受けることなく行なうことができ、光歪素子をマイクロマシン等のアクチュエータとして使用するに際して、光歪素子の駆動制御を良好に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光歪素子の制御装置の原理及び第１乃至第３の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明に係る光歪素子の制御装置の第４の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明に係る光歪素子の制御装置の第５の実施の形態における光の強度の状態を示すグラフである。
【図４】本発明に係る光歪素子の制御装置の第６の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明に係る光歪素子の制御装置及び制御方法の作動を検証した実験装置の概要を示す図であり、（１）はその全体図、（２）は（１）中のＡ部の拡大図である。
【図６】図５に示した実験に使用した試料を示す斜視図である。
【図７】試料熱膨量の測定結果を示すグラフであり、（１）は昇温時、（２）は降温時の試料の温度と伸び量との関係を示すグラフである。
【図８】図５に示した実験における試料の光照射による時間と伸び量との関係を示すグラフである。
【図９】図５に示した実験における試料の光照射による時間と試料の温度との関係を示すグラフである。
【図１０】試料に５０ｍＷ／ｃｍ２ の光を照射したときの時間と、全体の伸び量、熱による伸び量及び光歪効果による伸び量を示すグラフである。
【図１１】試料に１２０ｍＷ／ｃｍ２ の光を照射したときの時間と、全体の伸び量、熱による伸び量及び光歪効果による伸び量を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 光歪素子
２ 光源
３ 照明光学系
４ 制御手段
６ 測定手段
７ 第２の光歪素子
Claims (7)
- 光歪効果を生じる光歪素子（１）に光を照射する光源（２）と、
前記光源（２）からの光を前記光歪素子（１）に投影する照明光学系（３）と、
前記光歪素子（１）に投影される光の光量を、前記光歪素子（１）による光歪効果が飽和する時点までは前記光歪素子（１）に大きな歪を生じさせる程度に増加し、前記飽和時点以降では前記光歪素子（１）の歪みを維持するのに足りる範囲で熱影響による伸びが無視できる程度に低下させることにより制御する制御手段（４）とからなることを特徴とする光歪素子の制御装置。 - 前記制御手段（４）が前記光源（２）における消費電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の光歪素子の制御装置。
- 前記制御手段（４）が、前記照明光学系（３）を構成する光学素子の一部の位置を変化させて、前記光歪素子（１）に投影される光の光量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光歪素子の制御装置。
- 前記光源（２）がパルス状に変調した光を照射する光源（２）であり、かつ前記制御手段（４）が前記パルス状に変調した光の周波数、パルス幅、または強度を変えて前記光歪素子（１）に投影される光の光量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光歪素子の制御装置。
- 前記制御手段（４）が前記照明光学系（３）の光路中にＮＤフィルタ（５）を挿入して前記光歪素子（１）に投影される光の光量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光歪素子の制御装置。
- 前記制御手段（４）が前記光歪素子（１）の温度、起電力又は起電流を測定する測定手段（６）を備え、該測定手段（６）の出力に基づいて前記光歪素子（１）に投影される光の光量を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光歪素子の制御装置。
- 光歪素子（１）に照射される光の光量を、前記光歪素子（１）による光歪効果が飽和する時点までは前記光歪素子（１）に大きな歪を生じさせる程度に増加し、前記飽和時点以降では熱影響による伸びが無視できる程度に低下させることを特徴とする光歪素子の制御方法。
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