JP2015138083A - 光デバイス - Google Patents
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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
【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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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L1[m]、幅方向(±Y方向)の距離をL2[m]、厚さ方向(±Z方向)の距離を厚さL3[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δ1[m]は、
δ1=L1d31E3=L1d31(V/L3)
・・・式1
で表される。
フィルム長さ方向に生じる変位δ1[m]は、
δ1=L1d31E3=L1d31(V/L3)
・・・式1
で表される。
フィルム幅方向に生じる変位δ2[m]は、
δ2=L2d32E3=L2d32(V/L3)
・・・式2
で表される。
δ2=L2d32E3=L2d32(V/L3)
・・・式2
で表される。
フィルム厚さ方向に生じる変位δ3[m]は、
δ3=L3d33E3=L3d33(V/L3)
・・・式3
で表される。
δ3=L3d33E3=L3d33(V/L3)
・・・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、L1[m]、L2[m]、L3[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、L1=L2=25×10−3[m]、L3=40×10−6[m]、V=100[V]、d31=25×10−12[m/V]、d32=2×10−12[m/V]、d33=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δ1[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δ2[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δ3[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d31と圧電定数d33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δ1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δ1[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δ1[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1と表2とを比較すると、電極間距離dが長い程、変位δ1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δ1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δ1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δ1を小さくさせてしまうことがわかった。つまり、変位δ1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δ1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δ1[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δ1[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。
サンプル1と同様に、ピエゾフィルムの厚さL3が薄い程、フィルム長さ方向に生じる変位量δ1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δ1、変位δ2、変位δ3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δ1[μm]、変位δ2[μm]、変位δ3[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δ1[μm]、変位δ2[μm]、変位δ3[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。
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δ1[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δ1[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δ1[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δ1[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。
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δ1[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δ1[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δ1[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δ1[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。
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δ1[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δ1[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δ1[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δ1[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。
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
101 圧電素子
102 光学素子
103 電極
106 貫通孔
Claims (9)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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2014
- 2014-01-21 JP JP2014008454A patent/JP2015138083A/ja active Pending
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