JPH0846259A - 光歪圧電素子 - Google Patents
光歪圧電素子Info
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- JPH0846259A JPH0846259A JP6181356A JP18135694A JPH0846259A JP H0846259 A JPH0846259 A JP H0846259A JP 6181356 A JP6181356 A JP 6181356A JP 18135694 A JP18135694 A JP 18135694A JP H0846259 A JPH0846259 A JP H0846259A
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- JP
- Japan
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- light
- piezoelectric element
- irradiation
- plzt
- wavelength
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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-
- G—PHYSICS
- G12—INSTRUMENT DETAILS
- G12B—CONSTRUCTIONAL DETAILS OF INSTRUMENTS, OR COMPARABLE DETAILS OF OTHER APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G12B1/00—Sensitive elements capable of producing movement or displacement for purposes not limited to measurement; Associated transmission mechanisms therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
- G10K15/04—Sound-producing devices
- G10K15/046—Sound-producing devices using optical excitation, e.g. laser bundle
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Abstract
(57)【要約】
【目的】光歪圧電素子の光の吸収量を上げ、応答性を向
上させることを目的とする。 【構成】所定波長の光を照射面に照射させることにより
歪効果を生ずる光歪圧電素子において、前記照射面に前
記光の波長λに対し、 0.85λ≦Ra≦1.15λ の表面粗さRaを設けて構成した。
上させることを目的とする。 【構成】所定波長の光を照射面に照射させることにより
歪効果を生ずる光歪圧電素子において、前記照射面に前
記光の波長λに対し、 0.85λ≦Ra≦1.15λ の表面粗さRaを設けて構成した。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光アクチュエータに用
いられる光歪圧電素子の表面に工夫をこらして応答速度
を向上させた素子に関するものである。
いられる光歪圧電素子の表面に工夫をこらして応答速度
を向上させた素子に関するものである。
【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
収すると伸びる光歪効果を有する強誘電体セラミックス
であり、光エネルギーを直接機械エネルギーに変換する
ことができる。一方、近年マイクロマシンの研究が盛ん
に行われているが、アクチュエータにエネルギーを供給
する際にリード線などを用いることは困難であり、遠方
から非接触でエネルギーを供給できることが望まれる。
いう)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3 は、光を吸
収すると伸びる光歪効果を有する強誘電体セラミックス
であり、光エネルギーを直接機械エネルギーに変換する
ことができる。一方、近年マイクロマシンの研究が盛ん
に行われているが、アクチュエータにエネルギーを供給
する際にリード線などを用いることは困難であり、遠方
から非接触でエネルギーを供給できることが望まれる。
【0003】そのため、PLZTを光アクチュエータと
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、応
答性が通常の圧電素子の使用方法に比べると桁違いに遅
く、PLZTを光アクチュエータとして使用する際の大
きな問題となっていた。
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、応
答性が通常の圧電素子の使用方法に比べると桁違いに遅
く、PLZTを光アクチュエータとして使用する際の大
きな問題となっていた。
【0004】ところで、発明者らの実験によれば、PL
ZTの光歪圧電素子の試料に所定波長の光を照射したと
きに発生する伸び量、起電流、起電圧を電気マイクロメ
ータ、エレクトロメータ、表面電位計を用いて測定する
と図5に示すようになり、光のエネルギー密度Edをパ
ラメータとするPLZTの伸び量は図6(a)のように
変化する。
ZTの光歪圧電素子の試料に所定波長の光を照射したと
きに発生する伸び量、起電流、起電圧を電気マイクロメ
ータ、エレクトロメータ、表面電位計を用いて測定する
と図5に示すようになり、光のエネルギー密度Edをパ
ラメータとするPLZTの伸び量は図6(a)のように
変化する。
【0005】また、図5に示すように、PLZTは光を
吸収すると直ちに起電流、起電圧、伸びを発生するが、
伸びの応答性は起電流及び起電圧の応答性に比べはるか
に小さい。
吸収すると直ちに起電流、起電圧、伸びを発生するが、
伸びの応答性は起電流及び起電圧の応答性に比べはるか
に小さい。
【0006】また、図6(b)に示すように、光のエネ
ルギー密度が大きくなるに従い、起電流の値が大きくな
り伸び量の応答性が向上しているが、ある程度のレベル
で飽和状態に達している。以上の結果、光の吸収により
生じるPLZTの伸びは両電極端に発生する電位差によ
る逆圧電効果であり、両電極端の電位差はPLZTの光
の吸収による励起電子が分極方向に沿って移動すること
によって発生するものといえる。
ルギー密度が大きくなるに従い、起電流の値が大きくな
り伸び量の応答性が向上しているが、ある程度のレベル
で飽和状態に達している。以上の結果、光の吸収により
生じるPLZTの伸びは両電極端に発生する電位差によ
る逆圧電効果であり、両電極端の電位差はPLZTの光
の吸収による励起電子が分極方向に沿って移動すること
によって発生するものといえる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従って、PLZTの吸
収する光量によって励起する電子の数が限られるため、
照射する光のエネルギー密度を上げるだけではPLZT
の応答性の向上には限界があった。そこで、本願発明
は、光歪圧電素子であるPLZTの光の吸収量を上げ、
応答性を向上させた光歪圧電素子を提供することを目的
とする。
収する光量によって励起する電子の数が限られるため、
照射する光のエネルギー密度を上げるだけではPLZT
の応答性の向上には限界があった。そこで、本願発明
は、光歪圧電素子であるPLZTの光の吸収量を上げ、
応答性を向上させた光歪圧電素子を提供することを目的
とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明者は、
実験の結果、光歪圧電素子の光の吸収量を上げ、応答性
を高いものとするために、光歪圧電素子の光の照射面
に、照射する光の波長λ程度の表面粗さRaを設けると
有効であることを見いだした。
実験の結果、光歪圧電素子の光の吸収量を上げ、応答性
を高いものとするために、光歪圧電素子の光の照射面
に、照射する光の波長λ程度の表面粗さRaを設けると
有効であることを見いだした。
【0009】そして、本発明において、上記の課題を解
決するための第1の手段は、所定波長の光を照射面に照
射させることにより歪効果を生ずる光歪圧電素子におい
て、前記照射面に前記光の波長λに対し 0.85λ≦Ra≦1.15λ の表面粗さRaを設けたものである。ここで、表面粗さ
の程度を0.85λ≦Ra≦1.15λとしたのは、実
験により、これ以下、及び以上では、応答性がそれほど
良好とならないことが確認されたからである。
決するための第1の手段は、所定波長の光を照射面に照
射させることにより歪効果を生ずる光歪圧電素子におい
て、前記照射面に前記光の波長λに対し 0.85λ≦Ra≦1.15λ の表面粗さRaを設けたものである。ここで、表面粗さ
の程度を0.85λ≦Ra≦1.15λとしたのは、実
験により、これ以下、及び以上では、応答性がそれほど
良好とならないことが確認されたからである。
【0010】また、上記光歪圧電素子は、PLZTセラ
ミックスを使用することができ、この場合には照射する
光の波長λを365nmとして、照射面にこの波長λに
対応する表面粗さRaを設けることが好ましい。
ミックスを使用することができ、この場合には照射する
光の波長λを365nmとして、照射面にこの波長λに
対応する表面粗さRaを設けることが好ましい。
【0011】ここで表面粗さRaは中心線平均粗さを表
し、粗さ曲線からその中心線の方向に測定長lの部分を
抜き取り、この抜取り部分の中心線をX軸、縦倍率の方
向をY軸とし、粗さ曲線をy=f(x)としたとき、次
の式1で与えられる値である。
し、粗さ曲線からその中心線の方向に測定長lの部分を
抜き取り、この抜取り部分の中心線をX軸、縦倍率の方
向をY軸とし、粗さ曲線をy=f(x)としたとき、次
の式1で与えられる値である。
【0012】
【数1】 (JISB0601参照)
【0013】
【作用】本発明によれば、光歪圧電素子の表面に、照射
する光の所定波長に対して所定幅の大きさの表面粗さを
設けることにより、照射させる光の吸収効率を上げ、応
答性を高めることができると考えられる。
する光の所定波長に対して所定幅の大きさの表面粗さを
設けることにより、照射させる光の吸収効率を上げ、応
答性を高めることができると考えられる。
【0014】
【実施例】以下本発明に係る光歪圧電素子の実施例を図
面に基づいて説明する。図1は実験装置の概略図を示す
ものである。この例では、光源1には500Wの水銀ラ
ンプを用い、赤外線カットフィルター2と2つのバンド
パスフィルター3,4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の試料5
に垂直に照射する。ここで、中心波長を365nmとし
たのは、このPLZTに対しては、この波長の光が最も
変位を生じさせるとの報告に基づく(K.Uchno et al.,
Photostrictive effect in (Pb, La)(Zr,Ti)O3. Ferroe
lectristics,64,pp.199-208.(1985)参照)。
面に基づいて説明する。図1は実験装置の概略図を示す
ものである。この例では、光源1には500Wの水銀ラ
ンプを用い、赤外線カットフィルター2と2つのバンド
パスフィルター3,4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の試料5
に垂直に照射する。ここで、中心波長を365nmとし
たのは、このPLZTに対しては、この波長の光が最も
変位を生じさせるとの報告に基づく(K.Uchno et al.,
Photostrictive effect in (Pb, La)(Zr,Ti)O3. Ferroe
lectristics,64,pp.199-208.(1985)参照)。
【0015】PLZTは,La:Zr:Ti=3:5
2:48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。実験には図4に示すように、PLZT
を縦30mm、横15mm、厚さt=1.5、2.0、
3.0mm、および縦5mm、横15mm、厚さt=
1.5mmの大きさにカットした試料を用い、光の照射
面(縦30mm×横15mm、および縦5mm×横15
mmの面)に表面粗さRaを設ける。
2:48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。実験には図4に示すように、PLZT
を縦30mm、横15mm、厚さt=1.5、2.0、
3.0mm、および縦5mm、横15mm、厚さt=
1.5mmの大きさにカットした試料を用い、光の照射
面(縦30mm×横15mm、および縦5mm×横15
mmの面)に表面粗さRaを設ける。
【0016】例えば、表面粗さRa=420nmとする
場合には、ガラス基台上で砥粒#800又は#1000
の粉末状の酸化アルミニウム(Al2 O3 )と水とを用
いて、鏡面仕上げしたPLZTの試料の照射面を研磨
し、触針式表面粗さ測定機で表面粗さを測定し、所定の
表面粗さであることを確認した。また試料の縦方向の両
端面(横15mm×厚さtの面)には銀焼付けにより電
極を設け、135℃のシリコンオイル中で10kV/c
m、3分間の分極処理を行った。
場合には、ガラス基台上で砥粒#800又は#1000
の粉末状の酸化アルミニウム(Al2 O3 )と水とを用
いて、鏡面仕上げしたPLZTの試料の照射面を研磨
し、触針式表面粗さ測定機で表面粗さを測定し、所定の
表面粗さであることを確認した。また試料の縦方向の両
端面(横15mm×厚さtの面)には銀焼付けにより電
極を設け、135℃のシリコンオイル中で10kV/c
m、3分間の分極処理を行った。
【0017】本実施例では、波長365nmの光をPL
ZTの試料5に照射したときに発生する伸び量、起電
流、起電圧の測定を行うが、それぞれの測定装置とし
て、図1に示すように、電気マイクロメーター6、エレ
クトロメーター7、表面電位計8を用い、これらのデー
タを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9で表示した。なお、電気マイクロメータ
ー6とPLZTの試料5との間は、電荷の漏れを防ぐた
めにベークライトで絶縁した。
ZTの試料5に照射したときに発生する伸び量、起電
流、起電圧の測定を行うが、それぞれの測定装置とし
て、図1に示すように、電気マイクロメーター6、エレ
クトロメーター7、表面電位計8を用い、これらのデー
タを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9で表示した。なお、電気マイクロメータ
ー6とPLZTの試料5との間は、電荷の漏れを防ぐた
めにベークライトで絶縁した。
【0018】ここで、図2に示す典型的なPLZTの伸
び量の時間変化に基づいて、素子の応答性の判定方法を
説明する。図2から、PLZTは光の照射初期に急激な
伸びが生じるが、時間とともに伸び量の傾きが減少して
いる。アクチュエータの材料としては、初期の伸びの立
ち上がりが大きく直線的に伸びるものほど理想的である
ので、照射初期の立ち上がり部分を含む数分間をアクチ
ュエータとして使用できる範囲と考え、本願発明の実施
例においては、光の照射後のある一定時間(3分間)当
たりの変化量をもって応答性を判定する。
び量の時間変化に基づいて、素子の応答性の判定方法を
説明する。図2から、PLZTは光の照射初期に急激な
伸びが生じるが、時間とともに伸び量の傾きが減少して
いる。アクチュエータの材料としては、初期の伸びの立
ち上がりが大きく直線的に伸びるものほど理想的である
ので、照射初期の立ち上がり部分を含む数分間をアクチ
ュエータとして使用できる範囲と考え、本願発明の実施
例においては、光の照射後のある一定時間(3分間)当
たりの変化量をもって応答性を判定する。
【0019】図3は、PLZTの光の照射面に8nm、
230nm、340nm、420nm、690nmのそ
れぞれの表面粗さを設けたPLZTの応答性の変化を示
している。なお、PLZTの試料は縦30mm、横15
mm、厚さ2.0mmのものを用い、照射する波長36
5nmの光のエネルギー密度は350mW/cm2 であ
る。Raは平均表面粗さを示すパラメータである。この
実験結果によれば、照射光の所定波長365nmと同じ
大きさの表面粗さを含む340nm〜420nmの表面
粗さのときに一番応答性が良く、光の吸収量が増加し、
それ以下、及びそれ以上では光の応答性が低下している
ことが判る。
230nm、340nm、420nm、690nmのそ
れぞれの表面粗さを設けたPLZTの応答性の変化を示
している。なお、PLZTの試料は縦30mm、横15
mm、厚さ2.0mmのものを用い、照射する波長36
5nmの光のエネルギー密度は350mW/cm2 であ
る。Raは平均表面粗さを示すパラメータである。この
実験結果によれば、照射光の所定波長365nmと同じ
大きさの表面粗さを含む340nm〜420nmの表面
粗さのときに一番応答性が良く、光の吸収量が増加し、
それ以下、及びそれ以上では光の応答性が低下している
ことが判る。
【0020】ここでこのグラフから、光の波長λに対し
て、実用的であると見積もれる表面粗さRaの上限は、
(420−365)/365=0.15から 表面粗さRa≦(1+0.15)λ とでき、同様に下限は、同じ値0.15を採用して、
(1−0.15)λ≦表面粗さRaとできる。よって、
照射面に所定波長λに対し、 0.85λ≦Ra≦1.15λ の表面粗さRaを設けることで応答性を向上させること
ができることがわかる。
て、実用的であると見積もれる表面粗さRaの上限は、
(420−365)/365=0.15から 表面粗さRa≦(1+0.15)λ とでき、同様に下限は、同じ値0.15を採用して、
(1−0.15)λ≦表面粗さRaとできる。よって、
照射面に所定波長λに対し、 0.85λ≦Ra≦1.15λ の表面粗さRaを設けることで応答性を向上させること
ができることがわかる。
【0021】尚、本願発明によれば、上記実施例に限定
されず、例えば400nm〜800nmの可視光の波長
域や近赤外光の波長域においても、照射する光の所定波
長λに対して、0.85λ≦Ra≦1.15λを満たす
表面粗さRaを照射面に設けることで、光歪圧電素子の
応答性を向上させることができる。
されず、例えば400nm〜800nmの可視光の波長
域や近赤外光の波長域においても、照射する光の所定波
長λに対して、0.85λ≦Ra≦1.15λを満たす
表面粗さRaを照射面に設けることで、光歪圧電素子の
応答性を向上させることができる。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本願発明によれば、
所定波長の光を照射面に照射させることにより歪効果を
生ずる光歪圧電素子において、前記照射面に前記光の所
定波長λに対し、0.85λ≦Ra≦1.15λの表面
粗さRaを設けることとしたから、光歪圧電素子の照射
面に照射される光の吸収効率を上げ、光照射による歪み
発生の応答性を高めることができ、光歪圧電素子をマイ
クロマシンの駆動装置に応用することができるという効
果を奏する。
所定波長の光を照射面に照射させることにより歪効果を
生ずる光歪圧電素子において、前記照射面に前記光の所
定波長λに対し、0.85λ≦Ra≦1.15λの表面
粗さRaを設けることとしたから、光歪圧電素子の照射
面に照射される光の吸収効率を上げ、光照射による歪み
発生の応答性を高めることができ、光歪圧電素子をマイ
クロマシンの駆動装置に応用することができるという効
果を奏する。
【図1】本発明に係る光歪圧電素子の特性の測定手段を
示す図である。
示す図である。
【図2】PLZTに光を照射したときの、光の照射時間
とPLZTの伸びとの関係を示すグラフである。
とPLZTの伸びとの関係を示すグラフである。
【図3】実施例に係るPLZTに光を照射したときの応
答性と、PLZTの照射面に設けた表面粗さとの関係を
示すグラフである。
答性と、PLZTの照射面に設けた表面粗さとの関係を
示すグラフである。
【図4】試料であるPLZTの形状を示す斜視図であ
る。
る。
【図5】PLZTに光を照射したときの光の照射時間
と、光歪圧電素子の伸び、起電圧及び起電流との関係を
示すグラフである。
と、光歪圧電素子の伸び、起電圧及び起電流との関係を
示すグラフである。
【図6】照射光のエネルギー密度を変化させた場合にお
いて、PLZTの光の照射時間と、光歪圧電素子の伸
び、及び起電流の関係を示すグラフである。
いて、PLZTの光の照射時間と、光歪圧電素子の伸
び、及び起電流の関係を示すグラフである。
1 水銀ランプ 2 赤外線カットフィルター 3 バンドパスフィルター 4 バンドパスフィルター 5 試料(PLZTセラミックス) 6 電気マイクロメーター 7 エレクトロメーター 8 表面電位計 9 データ表示手段
【手続補正書】
【提出日】平成6年8月8日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図3
【補正方法】変更
【補正内容】
【図3】
Claims (2)
- 【請求項1】所定波長の光を照射面に照射させることに
より歪効果を生ずる光歪圧電素子において、 前記照射面に前記光の波長λに対し、 0.85λ≦Ra≦1.15λ の表面粗さRaを設けたことを特徴とする光歪圧電素
子。 - 【請求項2】上記光歪圧電素子は、PLZTセラミック
スであり、上記所定波長λは365nmである請求項1
記載の光歪圧電素子。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6181356A JPH0846259A (ja) | 1994-08-02 | 1994-08-02 | 光歪圧電素子 |
US08/509,133 US5585961A (en) | 1994-08-02 | 1995-07-31 | Photostrictive device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6181356A JPH0846259A (ja) | 1994-08-02 | 1994-08-02 | 光歪圧電素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0846259A true JPH0846259A (ja) | 1996-02-16 |
Family
ID=16099292
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6181356A Pending JPH0846259A (ja) | 1994-08-02 | 1994-08-02 | 光歪圧電素子 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5585961A (ja) |
JP (1) | JPH0846259A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6728024B2 (en) * | 2000-07-11 | 2004-04-27 | Technion Research & Development Foundation Ltd. | Voltage and light induced strains in porous crystalline materials and uses thereof |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3567028B2 (ja) * | 1995-09-28 | 2004-09-15 | 株式会社トプコン | 光歪素子の制御装置及び制御方法 |
US6385363B1 (en) * | 1999-03-26 | 2002-05-07 | U.T. Battelle Llc | Photo-induced micro-mechanical optical switch |
US6999221B1 (en) | 2003-11-17 | 2006-02-14 | Alabama A&M University | Bimorphic polymeric photomechanical actuator |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3997690A (en) * | 1975-05-27 | 1976-12-14 | Honeywell Inc. | Method of adjusting refractive index of PLZT optical coating on optical element |
FR2646525B1 (fr) * | 1988-12-26 | 1993-11-26 | Mitsubishi Mining Cement Co Ltd | Appareil de commutation a commande photonique |
JP2605140B2 (ja) * | 1989-05-30 | 1997-04-30 | 三菱マテリアル 株式会社 | 光学装置 |
US5095515A (en) * | 1989-11-20 | 1992-03-10 | George Seaver | Photoelastic optical switch and optical systems employing the optical switch |
US5383048A (en) * | 1993-02-03 | 1995-01-17 | Seaver; George | Stress-optical phase modulator and modulation system and method of use |
US5502781A (en) * | 1995-01-25 | 1996-03-26 | At&T Corp. | Integrated optical devices utilizing magnetostrictively, electrostrictively or photostrictively induced stress |
-
1994
- 1994-08-02 JP JP6181356A patent/JPH0846259A/ja active Pending
-
1995
- 1995-07-31 US US08/509,133 patent/US5585961A/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US5585961A (en) | 1996-12-17 |
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