(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光歪効果を生じる光歪素子（１）に光を照射する光源（２）と、
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）の温度を測定する温度測定手段（４）と、
光歪素子（１）に投影される光の光量を制御する制御手段（５）とからなり、
上記制御手段（５）は、光歪効果による光歪素子（１）の伸びが止まった後の熱膨張による光歪素子の伸び量を加えた光歪素子（１）の伸び量が所望の値となったとき、切替の前後で光歪素子に温度変化が生じないように光素子（１）に照射させる光のエネルギ密度（Ｅｄ  ）を低下させて切り換える光歪素子の制御装置。
【請求項２】
光歪素子（１）の伸び量を測定する伸び量測定手段（６）を有し、
上記制御手段（５）は、伸び量測定手段（６）の測定値が光歪素子の伸びが所望の値となったときに、光素子（１）に照射させる光のエネルギ密度（Ｅｄ  ）を切り換える請求項１記載の光歪素子の制御装置。
【請求項３】
光照射前の光歪素子（１）の温度を記憶するメモリ（７）を有し、
上記制御手段（５）は、光歪み効果による光歪素子（１）の伸びが止まった後、光歪素子の伸びが所望の値となったときに、温度測定手段（４）が測定した光歪素子（１）の温度とメモリ（７）が格納している温度との温度差（ΔＴ）を求め、該温度差（ΔＴ）から切替前と切換後で光歪素子に温度変化が生じないエネルギ密度を決定する請求項１または請求項２記載の光歪素子の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光歪素子の制御装置に係り、特に光エネルギを供給され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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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る。従って、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して、精密に制御することが望まれる。
【０００３】
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ＰＬＺＴに光を照射し、非接触でエネルギを供給して、ＰＬＺＴの駆動を制御することができ、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。
【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、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、下降をも考慮して制御を行なう必要がある。
【０００７】
そこで、本願発明は、光歪素子を駆動するに際して、光歪素子の熱による膨張を考慮し、精密な制御を行なうことができる光歪素子の制御装置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】
ここで、光歪素子に光を照射した場合における素子の伸びの要因は、
ａ．光歪効果による伸び
ｂ．熱影響による伸び
の２つがあり、光歪素子の全体としての伸び量は、上記ａの伸び量と、ｂの伸び量との和に略等しいことがわかっている。
発明者は、後述する実験の結果、この２つの伸び量と光歪素子に照射される光のエネルギ密度Ｅｄ  とのあいだには以下の関係があることを見いだした。
【０００９】
▲１▼  光歪効果による伸びの総量は、光のエネルギ密度Ｅｄ  とは無関係である。光のエネルギ密度が高いと伸びる速さが大きくなるだけである。即ち、図３に示すようにエネルギ密度Ｅｄ１，Ｅｄ２，Ｅｄ３（Ｅｄ１＞Ｅｄ２＞Ｅｄ３）の光の照射を同一の光歪素子に行った場合、全ての場合光歪素子の伸び量はｌＳｍａｘに収束する。
【００１０】
▲２▼  熱影響による伸びは、図４に示すように光のエネルギ密度Ｅｄ  が大きくなるほど大きい。
即ち、光のエネルギ密度が大きいほど光歪素子で、光エネルギから熱エネルギに変換される量が大きくなり、温度上昇が大きくなり、熱影響による伸びが大きくなる。
したがって、光のエネルギ密度Ｅｄ  が照射途中で下がると、光歪素子の温度が下がり、この結果熱影響による伸び量が減少することとなる。
即ち、熱影響による伸び量は素子の温度を何らかの手段で調節すれば、制御できる。
【００１１】
▲３▼  図５に示すように、エネルギ密度Ｅｄ  が大きいほど熱平衡状態の素子の温度は高い。
また、図６に示すように、光歪効果による伸びは、熱影響による伸びよりも速く止まる。
【００１２】
発明者は以上の事実から、「光の照射密度を制御することにより光歪素子の伸び量を任意の値に調整するためには、光歪効果による伸びが飽和に達し、熱影響による伸びのみとなった後、熱影響による伸びにより、光歪素子の伸び量が所望の値になったとき、光のエネルギ密度を下げればよい。この時、切換の前後で温度変化が生じないようににし、熱影響による伸び量が変化しないようにする。即ち、光のエネルギ密度を下げた後も、光歪素子を熱平衡状態に保つ必要がある。」ことをつきとめた。
【００１３】
ここで、熱平衡状態とは、照射光により光歪素子が得る熱エネルギと、光歪素子から放出される熱エネルギとが等しく、光歪素子に温度変化が生じないことをいう。
【００１４】
以下、上記実験について簡単に説明する。
上記実験については、本出願の発明者の発明に係る先の特許出願（特願平７−２５１４３０号）に詳しく説明している。
【００１５】
〔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７に示すように、縦ｔ＝１４．５ｍｍ、横幅ｗ＝６ｍｍ、厚さｄ＝３．３ｍｍに切断し、ｔ×ｗ（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。
【００１６】
〔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）の熱による伸縮を測定した。
【００１７】
〔光照射試験〕
本実験では、光源として５００Ｗの超高圧水銀ランプを用い、赤外カットフィルターと２つのバンドパスフィルターで中心波長３６５ｎｍ、バンド幅６ｎｍの平行光を光歪圧電素子であるＰＬＺＴで形成した試料に垂直に照射した。
【００１８】
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）  ）
【００１９】
試料の伸び量は、電気マイクロメータを用いて測定し、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で表示した。
【００２０】
また、試料の温度は、赤外線の非接触温度計（放射温度計）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。
【００２１】
上記実験の結果から、このＰＬＺＴである結果試料に上記の傾向があることが判明したものである。
【００２２】
上記の結果に基づいて、本発明において上記の課題を解決するため以下の手段を採用した。
【００２３】
本発明において、上記の課題を解決するための手段は、光歪効果を生じる光歪素子１に光を照射する光源２と、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、前記光歪素子の温度を測定する温度測定手段４と、光歪素子１に投影される光の光量を制御する制御手段５とからなり、上記制御手段５は、光歪効果による光歪素子１の伸びが止まった後の熱影響による光歪素子の伸び量を加えた光歪素子１の伸び量が所望の値となったとき、切替の前後で光歪素子１に温度変化が生じないように光歪素子１に照射させる光のエネルギ密度Ｅｄ  を低下させて切り換える光歪素子の制御装置である。
【００２４】
本発明に係る光歪素子の制御装置は、光歪素子１の伸び量を測定する伸び量測定手段６を有し、制御手段５は、伸び量測定手段６の測定値が光歪素子の伸びが所望の値となったときに、光歪素子１に照射させる光のエネルギ密度Ｅｄ  を切り換えるものとすることができる。
【００２５】
また、本発明に係る光歪素子の制御装置は、光照射前の光歪素子１の温度を記憶するメモリ７を有し、制御手段５は、光歪効果による光歪素子１の伸びが止まった後、光歪素子の伸びが所望の値となったときに、温度測定手段４が測定した光歪素子１の温度とメモリ７が格納している温度との温度差ΔＴを求め、該温度差ΔＴから切換前と切換後で光歪素子に温度変化が生じないエネルギ密度を決定するものとすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光歪素子の制御装置の実施の形態を説明する。
【００２７】
〔第１の実施の形態〕
図１及び図２は本発明に係る光歪素子の制御装置の実施の形態を示すものである。本実施の形態は上記請求項１、請求項２及び請求項３に相当する。
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、光歪素子１の温度を測定する温度測定手段である放射温度計４と、光歪素子１に投影される光の光量を制御する制御手段５と、伸び量測定手段である電気マイクロメータ６と、光照射前の光歪素子１の温度を記憶するメモリ７とからなる。
【００２８】
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。また、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。
【００２９】
制御手段５は、光歪効果による光歪素子１の伸びが止まった後、電気マイクロメータ６の測定値が光歪素子の伸びが所望の値となったときに、光歪素子に照射される光のエネルギー密度を低下させるものである。また、その切換は、切換前と切換後で光歪素子に温度変化が生じないように光のエネルギ密度を切り換えるものである。
【００３０】
本例では制御手段５は前記光源２に供給する電力の電圧を変更して、光源の消費電力を制御することにより、光源の光量を制御する。
【００３１】
制御装置５は以下の手順で光歪素子１の制御を行なう。
まず、照射開始から、図２（３）に示すようにエネルギ密度Ｅｄ１で光を照射し続ける。このとき、照射開始直前の光歪素子の温度Ｔ０  を計測しメモリ７に記憶する。
【００３２】
このエネルギ密度Ｅｄ１の光照射による光歪効果による伸びは、図２（１）に示すように、比較的早い時間ｔ１  にとまる。この時点で生じている伸びは、図２（１）に示すように、光歪効果による伸びｌＳＭＡＸと、熱影響による伸びｌＨ１との和に等しい。
【００３３】
その後、エネルギ密度Ｅｄ１で光照射を続け電気マイクロメータ７の測定により、光歪素子１の伸び量が所望の伸び（ｌＳＭＡＸ＋ｌＨ２）となったとき、光のエネルギ密度Ｅｄ２に下げる。
【００３４】
光のエネルギ密度Ｅｄ２は、その時点で放射温度計４で測定した光歪素子の温度と、メモリ７に記憶された光照射前の光歪素子の温度Ｔ０  との温度差ΔＴ（即ち、測定した光歪素子１の温度がＴ０  ＋ΔＴとなった）の値により定める。
即ち、この場合熱平衡状態時の光歪素子の温度がＴ０  ＋ΔＴとなるようなエネルギ密度Ｅｄ３の光に切り換えるのである。
【００３５】
この設定されるエネルギ密度の値は、図４に示すように、様々なエネルギ密度（この図ではエネルギ密度Ｅｄ１，Ｅｄ２，Ｅｄ３（Ｅｄ１＞Ｅｄ２＞Ｅｄ３）について示している）に対する熱影響による伸びについて予め測定を行い、この値を制御手段５内にテーブルとして格納し、光歪素子が維持されるべき熱による伸び量が維持されるエネルギ密度Ｅｄ３を得るものとすればよい。
【００３６】
これにより、熱影響による伸びは、温度変化ΔＴにおいて熱平衡状態が保たれるため熱影響による伸びはｌＨ２に保たれることとなる。
また、光歪効果による伸びは、光のエネルギ密度と無関係であるため、照射光のエネルギ密度がＥｄ１からＥｄ３に下がっても伸び量には影響しない。
また、所望の伸び量がｌｓｍａｘ＋ｌＨ３の時には同様に、Ｅｄ１からＥｄ２に下げるようにする。
【００３７】
以上のように、光歪素子の伸び量を任意の値に調整するためには、光歪効果による伸びがおわってから熱影響による伸びとなった後、熱影響による伸びにより、光歪素子の伸び量が所望の値になったとき、光のエネルギ密度を下げ、この時、切換の前後で温度変化が生じないようにし、熱影響による伸び量が変化しないように、即ち、光のエネルギ密度を下げた後も、光歪素子を熱平衡状態に保つように制御することにより、素子の伸び量を所望の値に制御することができる。
【００３８】
〔他の実施の形態〕
上記の実施の形態では、制御手段５は、光源２に供給する電力の電圧を変更して、光源の消費電力を制御することにより、光源の光量を制御した。
しかし、制御手段５の制御方法は他の手段によって、光歪素子１照射される光のエネルギ密度を変化させてもよい。
【００３９】
即ち、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）の位置を制御手段５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ものでもよい。
【００４０】
また、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制御手段５は該パルス状の光の周波数、パルス幅デューティ、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もよい。
例えば、当初光源２が光歪素子１に、供給光パルスの周波数、供給光パルスののパルス幅や光パルスのパルス強度デューティを変化させ、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。
【００４１】
さらに、制御手段５は、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もよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明によれば、光歪素子を駆動するに際して、光歪素子の伸び量の制御を精密に行なうことができる。
従って、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精密に行なうことができるという効果を奏する。
【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制御の状態を示すグラフであり、（１）は時間に対する素子の伸び量、（２）は時間に対する素子の温度変化、（３）は時間に対する素子に照射する光のエネルギ密度を示すグラフである
【図３】光照射時の時間に対する光歪素子の伸びを示すグラフである。
【図４】時間に対する熱影響による光歪素子の伸びを示すグラフである。
【図５】光歪素子の照射する光のエネルギ密度に対する温度変化を示すグラフである。
【図６】異なるエネルギ密度の光を照射した光歪素子の温度変化を示すグラフである。
【図７】実験に使用したＰＬＺＴを示す斜視図である。
【符号の説明】
１  光歪素子
２  光源
３  照明光学系
４  温度測定手段
５  制御手段
６  伸び量測定手段
７  メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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