(57)【要約】【課題】ＫＴＮ結晶の振動に伴う超音波の効果的な減殺を図るとともに、ＫＴＮ結晶の温度制御を容易にする。【解決手段】ＫＴＮ結晶２１の対向する面に形成された電極対に電圧を印加することにより、ＫＴＮ結晶内に屈折率分布を誘起する電気光学デバイスにおいて、前記電極対２２，２３は、導電性弾性体２４を介して、導電性支持体２５，２６に接続されている。導電性支持体２５，２６の側面は、光を透過する絶縁性の封止板２７で覆われている。封止板２７の内側には、絶縁性の液体２８が充填されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶の第１の面および該第１の面と対向する第２の面に形成された電極対に電圧を印加することにより、前記ＫＴＮ結晶内に屈折率分布を誘起する電気光学デバイスにおいて、
前記第１の面に形成された第１の電極と接触する第１の導電性弾性体と、
該第１の導電性弾性体の前記第１の電極と接触する面と対向する面に接触する第１の導電性支持体と、
前記第２の面に形成された第２の電極と接触する第２の導電性弾性体と、
該第２の導電性弾性体の前記第２の電極と接触する面と対向する面に接触する第２の導電性支持体と、
前記第１および第２の導電性支持体に固定され、前記ＫＴＮ結晶を絶縁性の液体で封止するための絶縁性の封止板と
を備えたことを特徴とする電気光学デバイス。
【請求項２】
前記第１および第２の導電性弾性体は、前記ＫＴＮ結晶の最低次の固有振動モードの節にあたる部分に接触していることを特徴とする請求項１に記載の電気光学デバイス。
【請求項３】
前記第１および第２の導電性支持体は、前記第１および第２の導電性弾性体が接触する面に、複数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電気光学デバイス。
【請求項４】
前記ＫＴＮ結晶の固有振動数ω1と前記絶縁性の液体による抵抗値κとが、κ〜１．５／ω1となるように、複数の溝が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電気光学デバイス。
【請求項５】
前記ＫＴＮ結晶は、カリウムを除く周期律表Ｉａ族、またはＩＩａ族の１または複数種を添加不純物として含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電気光学デバイス。
【請求項６】
前記電極対は、前記ＫＴＮ結晶の電気伝導に寄与するキャリアに対してオーミック接触となる材料からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電気光学デバイス。
【請求項７】
前記ＫＴＮ結晶の電気伝導に寄与するキャリアが電子のとき、前記電極対の材料は、仕事関数が５．０ｅＶ未満であることを特徴とする請求項６に記載の電気光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学デバイスに関し、より詳細には、電気光学効果を用いた光デバイスであって、電圧制御によって光の方向を変化させる光偏向器、または焦点距離を制御する可変焦点レンズに適用することができる電気光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気光学効果を有する結晶として、ＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶、またはＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶が知られている。ＫＴＮ結晶は、立方晶において大きな２次の電気光学効果を有している。電極材料としてＴｉなどの電荷注入型の電極を用いて、ＫＴＮ結晶に電界を印加すると、ＫＴＮ結晶内部において、電界の大きさに傾斜が生じる。ＫＴＮ結晶の有する大きな電気光学効果によって、この電界の傾斜に応じた屈折率の大きな傾斜が起こり、ＫＴＮ結晶に入射した光が偏向して、ＫＴＮ結晶から出射される現象が観測される。
【０００３】
このような電気光学効果を用いた光デバイスは、機械駆動部がなく、高速・広角な光偏向を実現できる光制御素子として、光の方向を変化させる光偏向器、焦点距離を制御する可変焦点レンズとして適用することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１に、従来のＫＴＮ結晶を用いた光偏向器の構成を示す。光偏向器は、直方体のＫＴＮ結晶１１の対向する面に、平行平板である正極１２と負極１３とが形成されている。正極１２と負極１３との間に直流電圧を印加することにより、入射光を、電界の印加方向に偏向させ、出射光として出力することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６／１３７４０８号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kenji Uchino, et.al., ”Anomalous Temperature Dependence of Electrostrictive Coefficient in KTN,”J. of Physical Society of Japan, Vol.51, No.10, October 1982, p.3242-3244
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１によれば、ＫＴＮ結晶は、電圧印加に伴う結晶の変形（電歪）を有するために、高周波駆動に伴う超音波の発生が不可避であるという問題があった。電歪係数をＱ、分極をＰ、電界をＥ、真空の誘電率をε0、比誘電率をεrとすると、歪ｘは、下式で表される。
【０００８】
【数１】
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【０００９】
例えば、ＫＴＮ結晶の正負電極間の厚み１ｍｍ、比誘電率εr＝３００００とし、正負電極間に４００Ｖの電圧を印加すると、結晶内に４００Ｖ／ｍｍの一様な電界が発生する。このとき、ＫＴＮ結晶は、厚み方向に１．１μｍ伸びることになる。
【００１０】
また、空間電荷制限電流によって負極から正極に向かって距離の平方根に比例した電界が発生する場合、正負電極の幅を６ｍｍとすると、図２に示すように、正極を内側として湾曲する。電極の中央と端とでは３．８μｍの変位が生じることになる。
【００１１】
この変位が高速で発生することにより、超音波が発生する。超音波の発生を抑えるために、ＫＴＮ結晶を金属板などの剛性の高い材料で挟み込むと、ＫＴＮ結晶が破壊されやすくなる。逆に、ＫＴＮ結晶に自由な運動をさせると、一度誘起された超音波がなかなか減衰しない。その結果、超音波に伴う光弾性効果により、ＫＴＮ結晶内を透過する光にビーム歪みなどの悪影響をもたらすことになる。
【００１２】
このような問題点を解決するために、超音波を吸収するゴムなどの弾性体を用いてＫＴＮ結晶を挟み込むことが考えられる。理想的には、ＫＴＮ結晶との音響インピーダンスを整合させ、発生した超音波がＫＴＮ結晶内に留まらないようにする。しかし、この方法では、ゴムの熱伝導率が低いために、ＫＴＮ結晶がゴムに対して行った仕事によって発生した熱がこもってしまう。ＫＴＮ結晶を用いた光デバイスは、温度制御が必須であるため、熱伝導率が低いゴムのために温度制御が困難になる。温度制御と超音波の効果的な減殺を両立する手法が望まれている。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＫＴＮ結晶の振動に伴う超音波の効果的な減殺を図るとともに、ＫＴＮ結晶の温度制御が容易な電気光学デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ＫＴＮ結晶の第１の面および該第１の面と対向する第２の面に形成された電極対に電圧を印加することにより、前記ＫＴＮ結晶内に屈折率分布を誘起する電気光学デバイスにおいて、前記第１の面に形成された第１の電極と接触する第１の導電性弾性体と、該第１の導電性弾性体の前記第１の電極と接触する面と対向する面に接触する第１の導電性支持体と、前記第２の面に形成された第２の電極と接触する第２の導電性弾性体と、該第２の導電性弾性体の前記第２の電極と接触する面と対向する面に接触する第２の導電性支持体と、前記第１および第２の導電性支持体に固定され、前記ＫＴＮ結晶を絶縁性の液体で封止するための絶縁性の封止板とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記第１および第２の導電性支持体は、前記第１および第２の導電性弾性体が接触する面に、複数の溝が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、ＫＴＮ結晶を絶縁性の液体で封止することにより、ＫＴＮ結晶の振動は、液体の流れの誘起にエネルギーを取られて急速に減衰するので、超音波の効果的な減殺を図ることが可能となる。また、ＫＴＮ結晶の振動に伴って液体の流れを誘発し、液体全体の温度が金属電極と同じになり、ＫＴＮ結晶の温度を均一に保つことができる。さらに、第１および第２の導電性支持体には複数の溝が形成されているので、液体と導電性支持体の接触面積を大きくし、かつ、液体の流れの方向を制御できるので、さらにＫＴＮ結晶の温度制御が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のＫＴＮ結晶を用いた光偏向器の構成を示す図である。
【図２】ＫＴＮ結晶に電圧を印加したときの変形を示す図である。
【図３】ＫＴＮ結晶に印加する電圧を切った直後の固有振動を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる電気光学デバイスの構成を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる電気光学デバイスの構成を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態にかかる電気光学デバイスの構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施例にかかる電気光学デバイスの構成を示す図である。
【図８】導電性支持体に形成された溝を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、ＫＴＮ結晶またはＫＬＴＮ結晶を、導電性弾性体を介して導電性支持体によって支え、ＫＴＮ結晶またはＫＬＴＮ結晶を絶縁性の液体中に浸す。この液体の流動性と、導電性支持体に形成された溝の深さ、面積とを、最も超音波を減殺するように調整し、かつ、この液体が導電性支持体とＫＴＮ結晶またはＫＬＴＮ結晶との間で流れることにより、温度制御を行う。
【００１９】
最初に、超音波の減殺方法について説明する。ＫＴＮ結晶およびＫＬＴＮ結晶は、電歪効果を有する弾性体であるから、固有振動数ω1，ω2，ω3，…を有する。特に最低周波数のω1を有する固有振動の変位
【００２０】
【数２】
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【００２１】
を抑えることを目的としている。固有振動モードであるから、変位ｕは式（１）に従う。
【００２２】
【数３】
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【００２３】
ここで、ω1は、有効バネ常数ｋと、有効質量をｍ*用いて、
【００２４】
【数４】
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【００２５】
で表わされる。さらに、周囲を流体で覆うことにより、速度に比例した減衰項
【００２６】
【数５】
2011248231.tif 000007
【００２７】
が付け加わることにより、
【００２８】
【数６】
2011248231.tif 000008
【００２９】
が、固有振動モードが従う新たな方程式となる。ｓ＝ω1ｔとして、式（２）を整理すると、
【００３０】
【数７】
2011248231.tif 000009
【００３１】
となる。
【００３２】
図３に、ＫＴＮ結晶に印加する電圧を切った直後の固有振動を示す。横軸は時間と固有周波数の積、縦軸は、振幅値をｔ＝０における振幅で規格化している。各曲線のパラメータは、抵抗値κと固有周波数ωの積である。ω1κが０から４の範囲において、最低次の固有モードの振動がどの様に減衰するかを示している。ｔ＝０で瞬時に電圧を切った後に、固有振動の振幅変化を計算した図である。図３によれば、ω1κがおよそ１．５のとき、振動が素早く減衰することが分かる。
【００３３】
従って、ＫＴＮ結晶またはＫＬＴＮ結晶の固有振動数ω1を測定し、結晶を取り巻く液体による抵抗値κが、κ〜１．５／ω1となるように調整すれば、超音波の効率的な減衰が期待できる。
【００３４】
図４に、本発明の第１の実施形態にかかる電気光学デバイスの構成を示す。電気光学デバイスは、直方体のＫＴＮ結晶２１の対向する面に、正極と負極の電極対となる金属電極２２，２３が形成されている。金属電極２２，２３のそれぞれは、４つの導電性弾性体２４を介して、導電性支持体２５，２６に接続されている。導電性支持体２５，２６の側面は、光を透過する絶縁性の封止板２７で覆われている。封止板２７の内側には、絶縁性の液体２８が充填されている。
【００３５】
図５に、本発明の第２の実施形態にかかる電気光学デバイスの構成を示す。第１の実施形態と異なる点は、導電性支持体３５，３６であり、ＫＴＮ結晶２１を支持する面に、断面が四角形の溝が形成されている。
【００３６】
図６に、本発明の第３の実施形態にかかる電気光学デバイスの構成を示す。第１の実施形態と異なる点は、導電性支持体４５，４６であり、ＫＴＮ結晶２１を支持する面に、断面がＶ字型の溝が形成されている。
【００３７】
液体２８による抵抗、すなわち抵抗値κは、液体自身の粘性抵抗だけではなく、液体を囲む壁面にも左右される。図４に示した溝の無い導電性支持体よりも、図５，６に示した溝が形成されている導電性支持体に挟まれている方が、液体の流れに対する抵抗が小さくなり、その結果としてＫＴＮ結晶２１の動きに対する抵抗が小さくなる。
【００３８】
また、ＫＴＮ結晶２１の変位により発生した超音波によって、液体中にも超音波が発生し、導電性支持体で反射する。この反射波によってＫＴＮ結晶２１が影響を受けることも考えられる。図５，６に示した溝が形成されている導電性支持体であれば、ＫＴＮ結晶２１へ到達する反射波の到着時刻がばらつくために、ＫＴＮ結晶２１への影響を軽減することが期待できる。
【００３９】
最適な抵抗値κをもたらす溝の形状（幅、深さなど）、本数は、ＫＴＮ結晶の形状、絶縁性の液体の密度、粘性に左右される。理論的に溝の最適形状を求めることは、一般的に困難であるから、実験によって超音波の減衰が最速になるように決定する。
【００４０】
導電性支持体に適切な溝を形成することにより、超音波の減衰を図ることを説明したが、溝の存在は、液体と導電性支持体の接触面積を大きくし、かつ、液体の流れの方向を制御できることを意味している。これは、支持体を熱伝導の高い金属で作っておけば、結晶の振動に伴って液体の流れを誘発することになる。結果として、液体全体の温度が金属電極と同じになり、ＫＴＮ結晶の温度を均一に保つことができる。
【００４１】
さらに、導電性支持体を覆う絶縁性の封止板にも熱伝導性の高い材料を用いれば、２つの導電性支持体が均熱化され、導電性支持体の温度が一定に保たれている限り、ＫＴＮ結晶の温度を一定に保つことができる。ＫＴＮ結晶の振動は、液体の流れの誘起にエネルギーを取られて急速に減衰する。
【実施例】
【００４２】
図７に、本発明の一実施例にかかる電気光学デバイスの構成を示す。電気光学デバイスは、直方体のＫＴＮ結晶５１の対向する面に、正極と負極の電極対となる金属電極５２，５３が形成されている。ＫＴＮ結晶５１は、厚みが１ｍｍ、縦横が５×５ｍｍの直方体であり、相転移温度は３０度である。金属電極５２，５３は、結晶面からＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順に積層したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造であり、大きさは５×５ｍｍである。
【００４３】
金属電極５２，５３のそれぞれは、４つの導電性弾性体５４を介して、導電性支持体５５，５６に接続されている。導電性弾性体５４は、ＫＴＮ結晶５１の最低次の固有振動モードの節にあたる部分に配置されている。導電性弾性体５４は、厚み０．２ｍｍの導電性ゴムであり、一辺が３ｍｍの正方形である。導電性支持体５５，５６は、厚み５ｍｍ、縦横が７×１０ｍｍのアルミニウムである。ＫＴＮ結晶５１を支持する面には、幅０．５ｍｍ、深さ１ｍｍの溝が１ｍｍピッチで刻まれている。
【００４４】
導電性支持体５５，５６は、絶縁性の支持柱５９で接続されている。導電性支持体５５，５６と支持柱５９の側面は、光を透過する絶縁性の封止板５７で覆われている。支持柱５９は、電気的には絶縁体でありかつ熱伝導性の高い窒化アルミニウム製であり、高さが１．４ｍｍ、縦横が２．２×７ｍｍである。支持柱５９とＫＴＮ結晶５１との間隔は、０．３ｍｍである。封止板５７は、厚さ０．２ｍｍ、縦横が１０×１１．４ｍｍのサファイア板であり、熱伝導性接着剤を用いて導電性支持体５５，５６と支持柱５９の側面に接着されている。封止板５７は、導電性支持体５５，５６に固定され、ＫＴＮ結晶５１を絶縁性の液体で封止することができれば、どのような形状であってもよい。なお、封止板５７の光が通る部分に、レンズやホログラフィックデバイスなどを形成して、集光、発散、回折などの機能を持たせることも可能である。
【００４５】
封止板５７の内側には、絶縁性の液体５８が充填されている。液体５８は、パーフルオロヘキサン（Ｃ6Ｆ14）を主成分とする３Ｍ製のフロリナートを用いた。
【００４６】
導電性支持体５６には、ペルチェ素子６０が熱伝導性接着剤を用いて接着され、導電性支持体５５には、熱電対６１が熱伝導性接着剤を用いて接着されている。ペルチェ素子６０は、熱電対６１を用いて測温された温度に対してフィードバックがかけられ、３５．０±０．３度となるように温度制御される。
【００４７】
導電性支持体５５，５６には電源が接続され、−４００Ｖのバイアス電圧が、印加される。さらに、立ち上がり時間、立ち下がり時間が共に０．５μｓ、ピーク電圧が４００Ｖの三角波状のパルスを、繰り返し周期５００ｋＨｚで印加する。このような三角波状のパルス列に対して、直前のパルスの影響を受けることなくパルス応答が可能である。
【００４８】
図８に、導電性支持体に形成された溝のバリエーションを示す。図８（ａ）は、直線パターンであり、図７に示した実施例のパターンである。図８（ｂ）は、複数の溝が交差しているパターンであり、より抵抗を少なくする構造である。図８（ｃ）は、直線パターンの変形であり、導電性支持体の外側に配置された溝ほど、外側に屈曲して配置されている。これも抵抗を少なくする効果がある。
【００４９】
図８（ｄ）は、波線パターンであり、直線パターンに較べて、より抵抗を大きくする効果がある。図８（ｅ）は、溝の広さが導電性支持体の外側に向かうほど広くなるパターンである。同じ抵抗であっても流れを遅くする効果があり、導電性ゴムへの負荷が小さくなり耐久性が増す。一方で、温度の均一性が悪くなる。図８（ｆ）は、図８（ａ）の直線パターンを導電性支持体の四辺に対して傾けたパターンである。角度によっては最も安定して温度制御が出来る可能性がある。これら全てのパターンにおいて、断面がＶ字型の溝、四角形の溝などのバリエーションが可能である。
【００５０】
本実施形態では、電気光学結晶としてＫＴＮ結晶を用いて説明したが、例えば、ＫＬＴＮ結晶のように、ＫＴＮ結晶に添加不純物として、カリウムを除く周期律表Ｉａ族、またはＩＩａ族の１または複数種を含むようにしてもよい。電極材料としてＴｉを用いて説明したが、電荷を注入して空間電荷制限状態を利用する形態では、電極と電気光学結晶とが理想的なオーミック接触であればよい。ＫＴＮ結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数が小さくなるにつれて、オーミック接触に近づくので、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。また、導電性弾性体として、導電性ゴムの他にグラファイトシートを用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の電気光学デバイスは、光偏向器として、レーザーレーダー、レーザー顕微鏡、分光器などへの応用が可能であり、可変焦点レンズとして、レーザー加工機、高速度カメラへの応用が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１１，２１，５１  ＫＴＮ結晶
１２  正極
１３  負極
２２，２３，５２，５３  金属電極
２４，５４  導電性弾性体
２５，２６，３５，３６，４５，４６，５５，５６  導電性支持体
２７，５７  封止板
２８，５８  絶縁性の液体
５９  支持柱
【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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【図８】
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