電気光学デバイス
【課題】ＫＴＮ結晶で生ずる電歪による衝撃を導電性弾性体に吸収させ、信頼性の高い高速の電気光学デバイスを提供する。
【解決手段】ＫＴＮ結晶と、該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と、前記第１の面と接触する第１の導電性弾性体と、該第１の導電性弾性体の前記ＫＴＮ結晶と接触する面と対向する面に接触する第１の金属ブロックと、前記第２の面と接触する第２の導電性弾性体と、該第２の導電性弾性体の前記ＫＴＮ結晶と接触する面と対向する面に接触する第２の金属ブロックとを備え、前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加することを特徴とする。
【解決手段】ＫＴＮ結晶と、該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と、前記第１の面と接触する第１の導電性弾性体と、該第１の導電性弾性体の前記ＫＴＮ結晶と接触する面と対向する面に接触する第１の金属ブロックと、前記第２の面と接触する第２の導電性弾性体と、該第２の導電性弾性体の前記ＫＴＮ結晶と接触する面と対向する面に接触する第２の金属ブロックとを備え、前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加することを特徴とする。
【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、タンタル酸ニオブ酸カリウムを用いて、光スキャナモジュール、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】
現在、プロジェクターをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡等において、レーザ光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。光を偏向するデバイスとして、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、音響光学効果を利用した光回折型の光偏向器、電気光学結晶プリズムなどが知られている。近年、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、電気光学結晶であるタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶を用いた光スキャナが注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
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結晶に入射したビームが偏向して、ＫＴＮ結晶から出射される現象が観測される。
【０００４】
図１に、従来のＫＴＮ結晶を用いたＫＴＮ光スキャナの構成を示す。ＫＴＮ光スキャナは、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、従来の電気光学結晶プリズムで実現できない大きな偏向角を得ることができる。また、直流電圧に替えて交流電圧を電極間に印加することにより、偏向される光ビームの偏向角を時間的に変化させることもできる。ＫＴＮ光スキャナは、電気光学定数の大きさによって定まる応答周波数の範囲内の交流電圧に応答することができ（例えば、非特許文献１の図４参照）、１ｋＨｚ以上の高い周波数の交流電圧に対しても応答することができる。
【０００５】
図２に、従来のＫＴＮ光スキャナに電界を印加するための構成を示す。ＫＴＮ光スキャナに電界を印加するためには、正極および負極が形成されているＫＴＮ結晶２３の両面に、金属ブロック２１，２２をコンタクトして電界を印加する。金属ブロック２１，２２は、ＫＴＮ結晶２３に電界を印加するための役割と、ＫＴＮ結晶２３を、偏向される光の光軸上に固定する、すなわちホルダーとしての役割とを有している。また、直方体であるＫＴＮ結晶２３の少なくとも下面には金属ブロック２２を配置してホルダーとし、金属ブロック２１の代わりに、金属プローバを用いてコンタクトさせることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６／１３７４０８号パンフレット
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Toshihiro Itoh, Masahiro Sasaura, Seiji Toyoda, Katsue Manabe, Koichiro Nakamura and Kazuo Fujiura, ”High-frequency response of electro-optic single crystal KTaxNb1-xO3 in paraelectric phase,”in Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science and Photonic Applications, Systems and Technologies 2005 (Optical Society of America, Washington, DC, 2005), JTuC36
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気光学結晶に電界を印加すると、圧電効果や電歪効果により、その物理的形状が変化することが知られている。圧電効果とは、歪が印加電界に比例する現象であり、電歪効果とは、歪が印加電界の二乗に比例する現象である。その物理的形状の変化は、圧電効果と電歪効果との和で表される。一般的に、中心対称性を有する結晶系においては、圧電効果が生じないため、電歪効果のみとなる。ＫＴＮ結晶は、中心対称性を有する立方晶に属するので、電歪効果のみとなる。
【０００９】
図１に示したように、直方体状のＫＴＮ結晶に平行平板電極を設け、一様な電界Ｅ1を（１００）方向に印加した場合、電歪効果による形状変化のみを生じる。電界に平行な方向の歪ｘ1および電界に垂直な方向の歪ｘ2，ｘ3は、下式で表される。
ｘ1＝Ｍ11Ｅ12 （式１）
ｘ2＝ｘ3＝Ｍ12Ｅ12 （式２）
ここで、Ｍ11、Ｍ12は電歪定数である。Ｍ11＞０であり、Ｍ12＜０であるため、電界に平行な方向は伸び、電界に垂直な方向は縮むことになる。従来のＫＴＮ光スキャナにおいては、大きな電界を印加したときに、金属ブロックとコンタクトしているＫＴＮ結晶の一面と固い金属ブロックとの間に、歪による大きな応力がＫＴＮ結晶に付与される。このため、ＫＴＮ結晶にクラックが発生し、ＫＴＮ光スキャナを、大きな電界で駆動するのに障害となっていた。特に、数時間程度の短い駆動時間においてクラックが発生し、動作特性が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、このような問題に鑑みて、電極として導電性ゴムを用い、電歪による衝撃を導電性ゴムに吸収させ、信頼性の高い高速の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】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、電気光学デバイスとしての第１の実施態様は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、該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と、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の金属ブロックと、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の金属ブロックとを備え、前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加することを特徴とする。
【００１２】
光スキャナモジュールとしての第２の実施態様は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、該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と、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の金属ブロックと、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の金属ブロックとを備え、前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加し、前記ＫＴＮ結晶に前記電界の印加方向と垂直にレーザ光を入射することにより、前記レーザ光を偏向させることを特徴とする。
【００１３】
可変焦点レンズとしての第３の実施態様は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、該ＫＴＮ結晶の第１の面上に形成された第１の正極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の正極と向かい合う位置に形成された第１の負極と、前記第１の面上に形成され、前記第１の正極とは間隔をおいて配置された第２の負極と、前記第２の面上に形成され、前記第２の負極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の正極と、前記第１および第２の正極、前記第１および第２の負極のそれぞれに接触する４つの導電性弾性体と、前記第１の正極および前記第２の負極と接触する導電性弾性体の前記正極および負極と接触する面と対向する面に接触する第１の金属ブロックと、前記第１の負極および前記第２の正極と接触する導電性弾性体の前記負極および正極と接触する面と対向する面に接触する第２の金属ブロックとを備え、前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、前記第１および第２の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、金属ブロックとＫＴＮ結晶との間に導電性弾性体を設けたことにより、ＫＴＮ結晶に電界を印加しても特性が経時的に劣化することがない。電歪効果に起因して生ずる金属ブロックとＫＴＮ結晶との間の衝撃を、導電性弾性体により吸収することができ、光スキャナ動作時のＫＴＮ結晶のクラックの発生を抑制することができる。これにより、信頼性の高い高速の光スキャナモジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のＫＴＮ結晶を用いたＫＴＮ光スキャナの構成を示す図である。
【図２】従来のＫＴＮ光スキャナに電界を印加するための構成を示す図である。
【図３】ＫＴＮ結晶に歪が生じた状態を示す図である。
【図４】実施例１にかかる光スキャナモジュールの構成を示す正面図である。
【図５】実施例２にかかる光スキャナモジュールの構成を示す正面図である。
【図６】実施例４にかかる可変焦点レンズの構成を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
ＫＴＮ結晶に電圧を印加すると、結晶の高電界電気伝導に伴う空間電荷が発生する。ここでいう高電界電気伝導とは、電圧と電流の関係がオームの法則からはずれ、電流が電圧に対して非線形に増大する空間電荷制限状態にある領域における電気伝導をいう。この空間電荷制限状態にある領域では、電極から注入される電流に対して結晶内のバルク電流が小さい場合、結晶内に空間電荷が形成される。空間電荷制限状態では、ＫＴＮ結晶内に発生した空間電荷によって電界が終端され、ＫＴＮ結晶内の電界分布に傾斜が生じる。
【００１７】
空間電荷制限状態にある厚さｄのＫＴＮ結晶に正極と接地された負極との間に電圧Ｖを印加すると、以下の式で表される電界Ｅの空間分布が現れる。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ここでｘは、負極から対向する正極に向かう方向における負極と接するＫＴＮ結晶の側面からの位置であり、ｘ0は電気光学結晶と電極の物質により決まる定数である。式（３）の右辺のマイナス符号は、電界が正極から負極に向かっていることを示している。
【００２０】
この電界の傾斜により、屈折率の変化量に傾斜を生じさせ、ビームの光軸に対して垂直な断面上の光の進行速度分布に傾斜を生じさせる。結果として、光が結晶中を伝搬する間、光の進行方向は、屈折率の傾斜に応じて連続的に変化させられ、偏向角を累積することになる。従って、電界の傾斜を大きくすれば、光スキャナのビームの偏向を効率的に大きくすることができる。
【００２１】
次に、式（３）に注目すると、ｘ0は電極から電気光学結晶へのキャリアの注入効率に依存する量であり、ｘ0が小さいほど注入効率が高くなる。ｘ0が小さくできれば、正極と負極との間の電界の差が大きくなり、それに伴い屈折率の傾斜も大きくなることから、ビームの偏向を効率的に大きくすることができる。ｘ0＝０とは、ｘ＝０のとき、負極において電界が０であることから、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き、キャリアの注入効率が増大する。ここで、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。
【００２２】
仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｃｓ（２．１４）、Ｒｂ（２．１６）、Ｋ（２．３）、Ｓｒ（２．５９）、Ｂａ（２．７）、Ｎａ（２．７５）、Ｃａ（２．８７）、Ｌｉ（２．９）、Ｙ（３．１）、Ｓｃ（３．５）、Ｌａ（３．５）、Ｍｇ（３．６６）、Ａｓ（３．７５）、Ｔｉ（３．８４）、Ｈｆ（３．９）、Ｚｒ（４．０５）、Ｍｎ（４．１）、Ｉｎ（４．１２）、Ｇａ（４．２）、Ｃｄ（４．２２）、Ｂｉ（４．２２）、Ｔａ（４．２５）、Ｐｂ（４．２５）、Ａｇ（４．２６）、Ａｌ（４．２８）、Ｖ（４．３）、Ｎｂ（４．３）、Ｔｉ（４．３３）、Ｚｎ（４．３３）、Ｓｎ（４．４２）、Ｂ（４．４５）、Ｈｇ（４．４９）、Ｃｒ（４．５）、Ｓｉ（４．５２）、Ｓｂ（４．５５）、Ｗ（４．５５）、Ｍｏ（４．６）、Ｃｕ（４．６５）、Ｆｅ（４．７）、Ｒｕ（４．７１）、Ｏｓ（４．８３）、Ｔｅ（４．９５）、Ｒｅ（４．９６）、Ｂｅ（４．９８）、Ｒｈ（４．９８）のいずれかを用いることができる。（）内は仕事関数を示し、単位はｅＶである。
【００２３】
図３に、ＫＴＮ結晶に歪が生じた状態を示す。式（３）に示したように、結晶内部の電界の大きさが傾斜している空間電荷制限状態では、式（１），（２）に示したように、歪の大きさにも傾斜を生じることになる。図１に示したように正極から負極に向かって直流電圧を印加した場合、図３（ａ）に示したようにＫＴＮ結晶３１は反っていると考えられる。また、正極と負極に印加する電圧の向きを交互に入れかえて、一定周波数で繰り返し印加した場合、ＫＴＮ結晶３２は、図３（ｂ）に示したような運動を繰り返すと考えられる。このとき、ＫＴＮ結晶３２は、周波数に応じて、電極にコンタクトされている金属ブロックに、物理的接触を繰り返す。この物理的接触による衝撃によって、ＫＴＮ結晶にクラックなどが発生してしまうと考えられる。
【００２４】
そこで、本実施形態では、金属ブロックとＫＴＮ結晶との間に導電性の弾性体を設け、電歪効果に起因して生ずる衝撃を導電性弾性体に吸収させ、クラックの発生を抑制することとした。絶縁性の弾性体を用いたのではＫＴＮ結晶に電界を印加できないため、衝撃を吸収する弾性体は導電性である必要がある。
【００２５】
導電性弾性体の一例として導電性ゴムを用いる。導電性ゴムは、一般に絶縁性ポリマに導電性物質を分散させた複合導電材料である。添加する導電性物質の種類および添加量によって、導電性ゴムの導電率を、１０-6Ω・ｍ〜１０6Ω・ｍの広範囲に設定することができる。絶縁性ポリマとしては、主にシリコーンゴム（樹脂）が用いられる。シリコーンゴムは、架橋のコントロールが容易であるため、シリコーンゴムに添加する導電性物質の種類によって選択できる特性の領域が、他の合成ゴムなどに比べ広いというメリットを有する。さらに、シリコーンゴムは、天然ゴム、合成ゴムのように、軟化剤や老化防止剤などの電子部品を汚染、腐食させる各種添加剤を使用する必要がなく、耐熱性や難燃性に優れている。添加材としては、カーボンブラック、導電性酸化チタン、導電性酸化亜鉛が用いられる。中でも、カーボンブラックは、加工性、成形性、コストに優れ、１０-2Ω・ｍ〜１０6Ω・ｍ程度の広範囲の導電率を選択できるので広く用いられる。
【００２６】
本実施形態では、導電性ゴムとして、０．０１Ω・ｍ〜０．１Ω・ｍに調整されたカーボンブラック系シリコーンゴムを用いる。導電性ゴムの電気抵抗はなるべく低いほうが、電圧印加時によるジュール熱を抑えられ、ＫＴＮ光スキャナの特性を安定化できるためである。より好ましくは、これよりも小さい導電率を有する導電性ゴムを用いる。また、ゴムの衝撃に対する性能指標として、衝撃エネルギーの残留率を表す、反発弾性が指標として用いられている。例えば、反発弾性が８０％とは、２０％の衝撃エネルギーをゴムが緩和・吸収したことを意味する。すなわち、反発弾性が小さいほどゴムに与えられた衝撃エネルギーを緩和・吸収することができる。本実施形態では、反発弾性が４０％〜５０％の導電性ゴムを用いた。より好ましくは、これよりも小さい反発弾性を有する導電性ゴムを用いる。
【００２７】
導電性ゴムの面積は、ＫＴＮ結晶に形成された電極の面積より小さい方が望ましい。もし、電極の面積より大きな導電性ゴムを用いた場合、結晶上に形成された電極以外の部分において、結晶と導電性ゴムとが直接接触する。この接触した部分から電荷が注入される可能性があり、光スキャナとして設計されたスキャナ動作と異なる動作になってしまうからである。
【００２８】
なお、添加材として導電性酸化チタン、導電性酸化亜鉛を添加した導電性ゴムを用いても、同様の効果があるため、導電性ゴムはカーボンブラック系導電性ゴムに限定されるものではない。また、本発明は、光スキャナだけではなく、ＫＴＮ結晶を用いた光デバイスにも適用することができる。光デバイスでは、例えば、光変調器、光スイッチ、可変焦点レンズなどが挙げられる。
【実施例１】
【００２９】
図４に、実施例１にかかる光スキャナモジュールの構成を示す。ＫＴＮ結晶４３は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、４ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍの形状に成形した。４ｍｍ×１．５ｍｍの面を光学入射面とし、４ｍｍ×５ｍｍの面を電極面とした。電極構造としては、結晶面からＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順に積層したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造とした。電極の大きさは、４ｍｍ×５ｍｍである。ＫＴＮ結晶４３の光学入射面と電極面ともに、光学研磨を行っている。
【００３０】
導電性ゴム４２、４４は、厚さ１ｍｍ、３．８ｍｍ×４．８ｍｍの形状であり、カーボンブラックがフィラーとして添加されている。導電率は、０．０５Ω・ｍであり、反発弾性は５０％である。金属ブロック４１、４５は、厚さ３ｍｍ、５ｍｍ×６ｍｍのアルミまたはジュラルミンを用いる。ここで、ＫＴＮ結晶の電極に接触する金属ブロックの面積は、ＫＴＮ結晶の電極の面積以上であればよく、この数字に限定されるものではない。また、この図面には図示していないが、金属ブロック４１、４５に穴をあけ、絶縁ねじを用いてクランプしている。
【００３１】
このＫＴＮ結晶４３の相転移温度は３５℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用する。温度制御にはペルチェ素子を用いる。この温度におけるＫＴＮ単結晶４３の比誘電率は２０，０００である。ＫＴＮ結晶４３の光学入射面からレーザ光を入射（電界の印加方向と垂直）し、金属ブロック４１、４５を介して±６００Ｖの電圧を印加したところ、電界の印加方向に約１００ｍｒａｄの偏向を確認した。正極と負極に印加する電圧の向きを交互に入れかえて、一定周波数で繰り返し印加した場合、１００ｋＨｚまで光偏向することを確認した。また、３ｋＨｚ、±６００Ｖを印加して、４０時間以上連続運転後も偏向角の変動がないことを確認した。
【実施例２】
【００３２】
図５に、実施例２にかかる光スキャナモジュールの構成を示す。ＫＴＮ結晶５２は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、４ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍの形状に成形した。４ｍｍ×１．５ｍｍの面を光学入射面とし、４ｍｍ×５ｍｍの面を電極面とした。電極構造は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕとした。電極の大きさは、４ｍｍ×５ｍｍである。ＫＴＮ結晶４３の光学入射面と電極面ともに、光学研磨を行っている。
【００３３】
導電性ゴム５３は、厚さ１ｍｍ、３．８ｍｍ×４．８ｍｍの形状であり、カーボンブラックがフィラーとして添加されている。導電率は、０．０５Ω・ｍであり、反発弾性は５０％である。金属ブロック５１、５４は、厚さ３ｍｍ、５ｍｍ×６ｍｍのアルミまたはジュラルミンを用いる。ここで、ＫＴＮ結晶の電極に接触する金属ブロックの面積は、ＫＴＮ結晶の電極の面積以上であればよく、この数字に限定されるものではない。また、この図面には図示していないが、金属ブロック５１、５４に穴をあけ、絶縁ねじを用いてクランプしている。
【００３４】
このＫＴＮ結晶５２の相転移温度は３５℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用する。温度制御にはペルチェ素子を用いる。この温度におけるＫＴＮ単結晶５２の比誘電率は２０，０００である。ＫＴＮ結晶５２の光学入射面からレーザ光を入射（電界の印加方向と垂直）し、金属ブロック５１、５４を介して±６００Ｖの電圧を印加したところ、電界の印加方向に約１００ｍｒａｄの偏向を確認した。正極と負極に印加する電圧の向きを交互に入れかえて、一定周波数で繰り返し印加した場合、１００ｋＨｚまで光偏向することを確認した。また、３ｋＨｚ、±６００Ｖを印加して、４０時間以上連続運転後も偏向角の変動がないことを確認した。
【００３５】
本実施形態では、電気光学結晶としてＫＴＮ結晶を用いたが、この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。例えば、ＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶は、電気光学定数の大きい電気光学結晶と知られている。
【実施例３】
【００３６】
実施例３では、図４に示した実施例１にかかる光スキャナモジュールの導電性ゴム４２、４４に代えて、導電性弾性体としてグラファイトシートを用いた。グラファイトシートとは、天然黒鉛または天然高分子から製造されたシート状のである。例えば、大塚電機製（http://www.otsuka-el.co.jp/product/pro01.html）またはパナソニック製（http://industrial.panasonic.com/www-cgi/jvcr13pz.cgi?J+PZ+2+AYA0002+0+4+JP）のグラファイトシートが知られている。
【００３７】
実施例３のスキャナモジュールは、導電性ゴム４２、４４をグラファイトシートに置き換えた以外は、実施例１と同じ構成となっている。ＫＴＮ結晶４３は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、４ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍの形状に成形した。４ｍｍ×１．５ｍｍの面を光学入射面とし、４ｍｍ×５ｍｍの面を電極面とした。電極構造としては、結晶面からＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順に積層したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造とした。電極の大きさは、４ｍｍ×５ｍｍである。ＫＴＮ結晶４３の光学入射面と電極面ともに、光学研磨を行っている。
【００３８】
グラファイトシートの導電率は異方性を有しており、シートの面内方向は、例えば、７×１０-6Ω・ｍであり、厚さ方向は、例えば、０．０１５Ω・ｍである。いずれの方向の導電率も導電ゴムと比較して良好な導電性を示す。厚さは、典型的な値として、０．０２５ｍｍ〜０．５ｍｍのグラファイトシートが知られている。実施例３では、厚さが０．２５ｍｍのグラファイトシートを用いる。面積は、実施例１と同様に３．８ｍｍ×４．８ｍｍとした。金属ブロック４１、４５は、厚さ３ｍｍ、５ｍｍ×６ｍｍのアルミまたはジュラルミンを用いる。この図面には図示していないが、金属ブロック４１、４５に穴をあけ、絶縁ねじを用いてクランプしている。
【００３９】
このＫＴＮ単結晶４３の相転移温度は３５℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用する。温度制御にはペルチェ素子を用いる。この温度におけるＫＴＮ単結晶４３の比誘電率は２０，０００である。±６００Ｖの電圧を印加したところ、約１００ｍｒａｄの偏向を確認した。正極と負極に印加する電圧の向きを交互に入れかえて、一定周波数で繰り返し印加した場合、１００ｋＨｚまで光偏向することを確認した。また、３ｋＨｚ、±６００Ｖを印加して、４０時間以上連続運転後も偏向角の変動がないことを確認した。
【実施例４】
【００４０】
図６に、実施例４にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板６０の上面に正極６１と負極６２とを、下面に負極６３と正極６４とを形成する。基板６０は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、７ｍｍ×７ｍｍ×（厚さＴ＝）４ｍｍの形状に成形する。基板６０の６面とも、結晶の（１００）面に平行とし、光学研磨を行っている。このＫＴＮ単結晶は、相転移温度３５℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用する。この温度での比誘電率は２０，０００である。４つの電極は、０．８ｍｍ×７ｍｍの帯状で、同一面上の電極の間隔は４ｍｍとする。２つの電極対は、基板６０の７ｍｍ×７ｍｍの面上に、白金（Ｐｔ）を蒸着して形成されている。電極の各辺は、基板６０の辺に平行である。
【００４１】
これら４つの電極とほぼ同じ面積で厚さ１ｍｍの導電性ゴム６５、６６、６７、６８を、各々正極６１、負極６２、負極６３、正極６４に密着させ、電気的なコンタクトをとる。さらに、支持板７３、７４に、外部との配線を行うための円筒上の金属電極６９、７０、７１、７２を貫通させ、導電ゴムおよび金属電極との電気的なコンタクトをとる。これらの金属電極６１〜６４を用いて、外部電源から基板６０に電圧を印加する。支持板７３、７４は、図には明示していないホルダーを用いて固定してある。また、支持板７３、７４は、絶縁性のものであれば何でもよく、プラスチックやセラミックスが挙げられる。また、実施例４に記載した構造は、電気的コンタクトをとるための一実施例にすぎず、導電ゴムを用いて電圧を印加する構造であればどんな構造でもよい。
【００４２】
この可変焦点レンズを、４０℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を、基板６０の光学入射面から入射する。入射方向は、電界の印加方向と垂直であり、図６に示した矢印の方向（ｘ軸方向）である。光の偏光は直線で、振動電界の方向は、電界の印加方向と平行なｚ軸方向である。レーザ光は、正極６１と負極６３とからなる第１の電極対の間を透過してから、負極６２と正極６４からなる第２の電極対の間を透過して、基板６０から出射される。
【００４３】
上下電極間に１０００Ｖの電圧を印加すると、基板６０から出射する光は、ｚ軸方向に集光され、シリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は７２ｃｍである。ここで、印加電圧を５００Ｖにすると、集光効果は小さくなり、焦点距離は２９０ｃｍになる。また、電圧を印加しない場合は、当然集光効果はなく、焦点距離は無限大である。従って、印加電圧を０Ｖから１０００Ｖまで変化させることにより、焦点距離を無限大から７２ｃｍまで変化させることができる。焦点距離の変更は、印加電圧を変更するだけなので、応答時間は１μｓ以下であり、従来の可変焦点レンズの応答時間と比較して、３桁以上改善されている。
【００４４】
また、光の進行方向はそのままに、偏光を９０度回転させて測定を行う。つまり、光の振動電界の方向をｙ軸方向とする。この場合は、凹レンズとして機能する。印加電圧が１０００Ｖのとき、焦点距離は９３ｃｍである。従って、印加電圧を０Ｖから１０００Ｖまで変化させることにより、焦点距離を無限大から９３ｃｍまで変化させることができる。
【００４５】
なお、実施例４では、導電ゴムを用いているが、実施例３のようにグラファイトシートを用いてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１１，２３，３１，３２，４３，５２ ＫＴＮ結晶
１２，６１，６４ 正極
１３，６２，６３ 負極
２１，２２，４１，４５，５１，５４ 金属ブロック
４２，４４，５３，６５〜６８ 導電性ゴム
６０ 基板
６９〜７２ 金属電極
７３、７４ 支持板
【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、タンタル酸ニオブ酸カリウムを用いて、光スキャナモジュール、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】
現在、プロジェクターをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡等において、レーザ光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。光を偏向するデバイスとして、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、音響光学効果を利用した光回折型の光偏向器、電気光学結晶プリズムなどが知られている。近年、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、電気光学結晶であるタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶を用いた光スキャナが注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
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結晶に入射したビームが偏向して、ＫＴＮ結晶から出射される現象が観測される。
【０００４】
図１に、従来のＫＴＮ結晶を用いたＫＴＮ光スキャナの構成を示す。ＫＴＮ光スキャナは、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、従来の電気光学結晶プリズムで実現できない大きな偏向角を得ることができる。また、直流電圧に替えて交流電圧を電極間に印加することにより、偏向される光ビームの偏向角を時間的に変化させることもできる。ＫＴＮ光スキャナは、電気光学定数の大きさによって定まる応答周波数の範囲内の交流電圧に応答することができ（例えば、非特許文献１の図４参照）、１ｋＨｚ以上の高い周波数の交流電圧に対しても応答することができる。
【０００５】
図２に、従来のＫＴＮ光スキャナに電界を印加するための構成を示す。ＫＴＮ光スキャナに電界を印加するためには、正極および負極が形成されているＫＴＮ結晶２３の両面に、金属ブロック２１，２２をコンタクトして電界を印加する。金属ブロック２１，２２は、ＫＴＮ結晶２３に電界を印加するための役割と、ＫＴＮ結晶２３を、偏向される光の光軸上に固定する、すなわちホルダーとしての役割とを有している。また、直方体であるＫＴＮ結晶２３の少なくとも下面には金属ブロック２２を配置してホルダーとし、金属ブロック２１の代わりに、金属プローバを用いてコンタクトさせることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６／１３７４０８号パンフレット
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Toshihiro Itoh, Masahiro Sasaura, Seiji Toyoda, Katsue Manabe, Koichiro Nakamura and Kazuo Fujiura, ”High-frequency response of electro-optic single crystal KTaxNb1-xO3 in paraelectric phase,”in Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science and Photonic Applications, Systems and Technologies 2005 (Optical Society of America, Washington, DC, 2005), JTuC36
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気光学結晶に電界を印加すると、圧電効果や電歪効果により、その物理的形状が変化することが知られている。圧電効果とは、歪が印加電界に比例する現象であり、電歪効果とは、歪が印加電界の二乗に比例する現象である。その物理的形状の変化は、圧電効果と電歪効果との和で表される。一般的に、中心対称性を有する結晶系においては、圧電効果が生じないため、電歪効果のみとなる。ＫＴＮ結晶は、中心対称性を有する立方晶に属するので、電歪効果のみとなる。
【０００９】
図１に示したように、直方体状のＫＴＮ結晶に平行平板電極を設け、一様な電界Ｅ1を（１００）方向に印加した場合、電歪効果による形状変化のみを生じる。電界に平行な方向の歪ｘ1および電界に垂直な方向の歪ｘ2，ｘ3は、下式で表される。
ｘ1＝Ｍ11Ｅ12 （式１）
ｘ2＝ｘ3＝Ｍ12Ｅ12 （式２）
ここで、Ｍ11、Ｍ12は電歪定数である。Ｍ11＞０であり、Ｍ12＜０であるため、電界に平行な方向は伸び、電界に垂直な方向は縮むことになる。従来のＫＴＮ光スキャナにおいては、大きな電界を印加したときに、金属ブロックとコンタクトしているＫＴＮ結晶の一面と固い金属ブロックとの間に、歪による大きな応力がＫＴＮ結晶に付与される。このため、ＫＴＮ結晶にクラックが発生し、ＫＴＮ光スキャナを、大きな電界で駆動するのに障害となっていた。特に、数時間程度の短い駆動時間においてクラックが発生し、動作特性が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、このような問題に鑑みて、電極として導電性ゴムを用い、電歪による衝撃を導電性ゴムに吸収させ、信頼性の高い高速の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】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、電気光学デバイスとしての第１の実施態様は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、該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と、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の金属ブロックと、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の金属ブロックとを備え、前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加することを特徴とする。
【００１２】
光スキャナモジュールとしての第２の実施態様は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、該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と、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の金属ブロックと、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の金属ブロックとを備え、前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加し、前記ＫＴＮ結晶に前記電界の印加方向と垂直にレーザ光を入射することにより、前記レーザ光を偏向させることを特徴とする。
【００１３】
可変焦点レンズとしての第３の実施態様は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、該ＫＴＮ結晶の第１の面上に形成された第１の正極と、前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の正極と向かい合う位置に形成された第１の負極と、前記第１の面上に形成され、前記第１の正極とは間隔をおいて配置された第２の負極と、前記第２の面上に形成され、前記第２の負極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の正極と、前記第１および第２の正極、前記第１および第２の負極のそれぞれに接触する４つの導電性弾性体と、前記第１の正極および前記第２の負極と接触する導電性弾性体の前記正極および負極と接触する面と対向する面に接触する第１の金属ブロックと、前記第１の負極および前記第２の正極と接触する導電性弾性体の前記負極および正極と接触する面と対向する面に接触する第２の金属ブロックとを備え、前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、前記第１および第２の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、金属ブロックとＫＴＮ結晶との間に導電性弾性体を設けたことにより、ＫＴＮ結晶に電界を印加しても特性が経時的に劣化することがない。電歪効果に起因して生ずる金属ブロックとＫＴＮ結晶との間の衝撃を、導電性弾性体により吸収することができ、光スキャナ動作時のＫＴＮ結晶のクラックの発生を抑制することができる。これにより、信頼性の高い高速の光スキャナモジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のＫＴＮ結晶を用いたＫＴＮ光スキャナの構成を示す図である。
【図２】従来のＫＴＮ光スキャナに電界を印加するための構成を示す図である。
【図３】ＫＴＮ結晶に歪が生じた状態を示す図である。
【図４】実施例１にかかる光スキャナモジュールの構成を示す正面図である。
【図５】実施例２にかかる光スキャナモジュールの構成を示す正面図である。
【図６】実施例４にかかる可変焦点レンズの構成を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
ＫＴＮ結晶に電圧を印加すると、結晶の高電界電気伝導に伴う空間電荷が発生する。ここでいう高電界電気伝導とは、電圧と電流の関係がオームの法則からはずれ、電流が電圧に対して非線形に増大する空間電荷制限状態にある領域における電気伝導をいう。この空間電荷制限状態にある領域では、電極から注入される電流に対して結晶内のバルク電流が小さい場合、結晶内に空間電荷が形成される。空間電荷制限状態では、ＫＴＮ結晶内に発生した空間電荷によって電界が終端され、ＫＴＮ結晶内の電界分布に傾斜が生じる。
【００１７】
空間電荷制限状態にある厚さｄのＫＴＮ結晶に正極と接地された負極との間に電圧Ｖを印加すると、以下の式で表される電界Ｅの空間分布が現れる。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ここでｘは、負極から対向する正極に向かう方向における負極と接するＫＴＮ結晶の側面からの位置であり、ｘ0は電気光学結晶と電極の物質により決まる定数である。式（３）の右辺のマイナス符号は、電界が正極から負極に向かっていることを示している。
【００２０】
この電界の傾斜により、屈折率の変化量に傾斜を生じさせ、ビームの光軸に対して垂直な断面上の光の進行速度分布に傾斜を生じさせる。結果として、光が結晶中を伝搬する間、光の進行方向は、屈折率の傾斜に応じて連続的に変化させられ、偏向角を累積することになる。従って、電界の傾斜を大きくすれば、光スキャナのビームの偏向を効率的に大きくすることができる。
【００２１】
次に、式（３）に注目すると、ｘ0は電極から電気光学結晶へのキャリアの注入効率に依存する量であり、ｘ0が小さいほど注入効率が高くなる。ｘ0が小さくできれば、正極と負極との間の電界の差が大きくなり、それに伴い屈折率の傾斜も大きくなることから、ビームの偏向を効率的に大きくすることができる。ｘ0＝０とは、ｘ＝０のとき、負極において電界が０であることから、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き、キャリアの注入効率が増大する。ここで、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ未満であることが好ましい。
【００２２】
仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｃｓ（２．１４）、Ｒｂ（２．１６）、Ｋ（２．３）、Ｓｒ（２．５９）、Ｂａ（２．７）、Ｎａ（２．７５）、Ｃａ（２．８７）、Ｌｉ（２．９）、Ｙ（３．１）、Ｓｃ（３．５）、Ｌａ（３．５）、Ｍｇ（３．６６）、Ａｓ（３．７５）、Ｔｉ（３．８４）、Ｈｆ（３．９）、Ｚｒ（４．０５）、Ｍｎ（４．１）、Ｉｎ（４．１２）、Ｇａ（４．２）、Ｃｄ（４．２２）、Ｂｉ（４．２２）、Ｔａ（４．２５）、Ｐｂ（４．２５）、Ａｇ（４．２６）、Ａｌ（４．２８）、Ｖ（４．３）、Ｎｂ（４．３）、Ｔｉ（４．３３）、Ｚｎ（４．３３）、Ｓｎ（４．４２）、Ｂ（４．４５）、Ｈｇ（４．４９）、Ｃｒ（４．５）、Ｓｉ（４．５２）、Ｓｂ（４．５５）、Ｗ（４．５５）、Ｍｏ（４．６）、Ｃｕ（４．６５）、Ｆｅ（４．７）、Ｒｕ（４．７１）、Ｏｓ（４．８３）、Ｔｅ（４．９５）、Ｒｅ（４．９６）、Ｂｅ（４．９８）、Ｒｈ（４．９８）のいずれかを用いることができる。（）内は仕事関数を示し、単位はｅＶである。
【００２３】
図３に、ＫＴＮ結晶に歪が生じた状態を示す。式（３）に示したように、結晶内部の電界の大きさが傾斜している空間電荷制限状態では、式（１），（２）に示したように、歪の大きさにも傾斜を生じることになる。図１に示したように正極から負極に向かって直流電圧を印加した場合、図３（ａ）に示したようにＫＴＮ結晶３１は反っていると考えられる。また、正極と負極に印加する電圧の向きを交互に入れかえて、一定周波数で繰り返し印加した場合、ＫＴＮ結晶３２は、図３（ｂ）に示したような運動を繰り返すと考えられる。このとき、ＫＴＮ結晶３２は、周波数に応じて、電極にコンタクトされている金属ブロックに、物理的接触を繰り返す。この物理的接触による衝撃によって、ＫＴＮ結晶にクラックなどが発生してしまうと考えられる。
【００２４】
そこで、本実施形態では、金属ブロックとＫＴＮ結晶との間に導電性の弾性体を設け、電歪効果に起因して生ずる衝撃を導電性弾性体に吸収させ、クラックの発生を抑制することとした。絶縁性の弾性体を用いたのではＫＴＮ結晶に電界を印加できないため、衝撃を吸収する弾性体は導電性である必要がある。
【００２５】
導電性弾性体の一例として導電性ゴムを用いる。導電性ゴムは、一般に絶縁性ポリマに導電性物質を分散させた複合導電材料である。添加する導電性物質の種類および添加量によって、導電性ゴムの導電率を、１０-6Ω・ｍ〜１０6Ω・ｍの広範囲に設定することができる。絶縁性ポリマとしては、主にシリコーンゴム（樹脂）が用いられる。シリコーンゴムは、架橋のコントロールが容易であるため、シリコーンゴムに添加する導電性物質の種類によって選択できる特性の領域が、他の合成ゴムなどに比べ広いというメリットを有する。さらに、シリコーンゴムは、天然ゴム、合成ゴムのように、軟化剤や老化防止剤などの電子部品を汚染、腐食させる各種添加剤を使用する必要がなく、耐熱性や難燃性に優れている。添加材としては、カーボンブラック、導電性酸化チタン、導電性酸化亜鉛が用いられる。中でも、カーボンブラックは、加工性、成形性、コストに優れ、１０-2Ω・ｍ〜１０6Ω・ｍ程度の広範囲の導電率を選択できるので広く用いられる。
【００２６】
本実施形態では、導電性ゴムとして、０．０１Ω・ｍ〜０．１Ω・ｍに調整されたカーボンブラック系シリコーンゴムを用いる。導電性ゴムの電気抵抗はなるべく低いほうが、電圧印加時によるジュール熱を抑えられ、ＫＴＮ光スキャナの特性を安定化できるためである。より好ましくは、これよりも小さい導電率を有する導電性ゴムを用いる。また、ゴムの衝撃に対する性能指標として、衝撃エネルギーの残留率を表す、反発弾性が指標として用いられている。例えば、反発弾性が８０％とは、２０％の衝撃エネルギーをゴムが緩和・吸収したことを意味する。すなわち、反発弾性が小さいほどゴムに与えられた衝撃エネルギーを緩和・吸収することができる。本実施形態では、反発弾性が４０％〜５０％の導電性ゴムを用いた。より好ましくは、これよりも小さい反発弾性を有する導電性ゴムを用いる。
【００２７】
導電性ゴムの面積は、ＫＴＮ結晶に形成された電極の面積より小さい方が望ましい。もし、電極の面積より大きな導電性ゴムを用いた場合、結晶上に形成された電極以外の部分において、結晶と導電性ゴムとが直接接触する。この接触した部分から電荷が注入される可能性があり、光スキャナとして設計されたスキャナ動作と異なる動作になってしまうからである。
【００２８】
なお、添加材として導電性酸化チタン、導電性酸化亜鉛を添加した導電性ゴムを用いても、同様の効果があるため、導電性ゴムはカーボンブラック系導電性ゴムに限定されるものではない。また、本発明は、光スキャナだけではなく、ＫＴＮ結晶を用いた光デバイスにも適用することができる。光デバイスでは、例えば、光変調器、光スイッチ、可変焦点レンズなどが挙げられる。
【実施例１】
【００２９】
図４に、実施例１にかかる光スキャナモジュールの構成を示す。ＫＴＮ結晶４３は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、４ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍの形状に成形した。４ｍｍ×１．５ｍｍの面を光学入射面とし、４ｍｍ×５ｍｍの面を電極面とした。電極構造としては、結晶面からＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順に積層したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造とした。電極の大きさは、４ｍｍ×５ｍｍである。ＫＴＮ結晶４３の光学入射面と電極面ともに、光学研磨を行っている。
【００３０】
導電性ゴム４２、４４は、厚さ１ｍｍ、３．８ｍｍ×４．８ｍｍの形状であり、カーボンブラックがフィラーとして添加されている。導電率は、０．０５Ω・ｍであり、反発弾性は５０％である。金属ブロック４１、４５は、厚さ３ｍｍ、５ｍｍ×６ｍｍのアルミまたはジュラルミンを用いる。ここで、ＫＴＮ結晶の電極に接触する金属ブロックの面積は、ＫＴＮ結晶の電極の面積以上であればよく、この数字に限定されるものではない。また、この図面には図示していないが、金属ブロック４１、４５に穴をあけ、絶縁ねじを用いてクランプしている。
【００３１】
このＫＴＮ結晶４３の相転移温度は３５℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用する。温度制御にはペルチェ素子を用いる。この温度におけるＫＴＮ単結晶４３の比誘電率は２０，０００である。ＫＴＮ結晶４３の光学入射面からレーザ光を入射（電界の印加方向と垂直）し、金属ブロック４１、４５を介して±６００Ｖの電圧を印加したところ、電界の印加方向に約１００ｍｒａｄの偏向を確認した。正極と負極に印加する電圧の向きを交互に入れかえて、一定周波数で繰り返し印加した場合、１００ｋＨｚまで光偏向することを確認した。また、３ｋＨｚ、±６００Ｖを印加して、４０時間以上連続運転後も偏向角の変動がないことを確認した。
【実施例２】
【００３２】
図５に、実施例２にかかる光スキャナモジュールの構成を示す。ＫＴＮ結晶５２は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、４ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍの形状に成形した。４ｍｍ×１．５ｍｍの面を光学入射面とし、４ｍｍ×５ｍｍの面を電極面とした。電極構造は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕとした。電極の大きさは、４ｍｍ×５ｍｍである。ＫＴＮ結晶４３の光学入射面と電極面ともに、光学研磨を行っている。
【００３３】
導電性ゴム５３は、厚さ１ｍｍ、３．８ｍｍ×４．８ｍｍの形状であり、カーボンブラックがフィラーとして添加されている。導電率は、０．０５Ω・ｍであり、反発弾性は５０％である。金属ブロック５１、５４は、厚さ３ｍｍ、５ｍｍ×６ｍｍのアルミまたはジュラルミンを用いる。ここで、ＫＴＮ結晶の電極に接触する金属ブロックの面積は、ＫＴＮ結晶の電極の面積以上であればよく、この数字に限定されるものではない。また、この図面には図示していないが、金属ブロック５１、５４に穴をあけ、絶縁ねじを用いてクランプしている。
【００３４】
このＫＴＮ結晶５２の相転移温度は３５℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用する。温度制御にはペルチェ素子を用いる。この温度におけるＫＴＮ単結晶５２の比誘電率は２０，０００である。ＫＴＮ結晶５２の光学入射面からレーザ光を入射（電界の印加方向と垂直）し、金属ブロック５１、５４を介して±６００Ｖの電圧を印加したところ、電界の印加方向に約１００ｍｒａｄの偏向を確認した。正極と負極に印加する電圧の向きを交互に入れかえて、一定周波数で繰り返し印加した場合、１００ｋＨｚまで光偏向することを確認した。また、３ｋＨｚ、±６００Ｖを印加して、４０時間以上連続運転後も偏向角の変動がないことを確認した。
【００３５】
本実施形態では、電気光学結晶としてＫＴＮ結晶を用いたが、この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。例えば、ＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶は、電気光学定数の大きい電気光学結晶と知られている。
【実施例３】
【００３６】
実施例３では、図４に示した実施例１にかかる光スキャナモジュールの導電性ゴム４２、４４に代えて、導電性弾性体としてグラファイトシートを用いた。グラファイトシートとは、天然黒鉛または天然高分子から製造されたシート状のである。例えば、大塚電機製（http://www.otsuka-el.co.jp/product/pro01.html）またはパナソニック製（http://industrial.panasonic.com/www-cgi/jvcr13pz.cgi?J+PZ+2+AYA0002+0+4+JP）のグラファイトシートが知られている。
【００３７】
実施例３のスキャナモジュールは、導電性ゴム４２、４４をグラファイトシートに置き換えた以外は、実施例１と同じ構成となっている。ＫＴＮ結晶４３は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、４ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍの形状に成形した。４ｍｍ×１．５ｍｍの面を光学入射面とし、４ｍｍ×５ｍｍの面を電極面とした。電極構造としては、結晶面からＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順に積層したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造とした。電極の大きさは、４ｍｍ×５ｍｍである。ＫＴＮ結晶４３の光学入射面と電極面ともに、光学研磨を行っている。
【００３８】
グラファイトシートの導電率は異方性を有しており、シートの面内方向は、例えば、７×１０-6Ω・ｍであり、厚さ方向は、例えば、０．０１５Ω・ｍである。いずれの方向の導電率も導電ゴムと比較して良好な導電性を示す。厚さは、典型的な値として、０．０２５ｍｍ〜０．５ｍｍのグラファイトシートが知られている。実施例３では、厚さが０．２５ｍｍのグラファイトシートを用いる。面積は、実施例１と同様に３．８ｍｍ×４．８ｍｍとした。金属ブロック４１、４５は、厚さ３ｍｍ、５ｍｍ×６ｍｍのアルミまたはジュラルミンを用いる。この図面には図示していないが、金属ブロック４１、４５に穴をあけ、絶縁ねじを用いてクランプしている。
【００３９】
このＫＴＮ単結晶４３の相転移温度は３５℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用する。温度制御にはペルチェ素子を用いる。この温度におけるＫＴＮ単結晶４３の比誘電率は２０，０００である。±６００Ｖの電圧を印加したところ、約１００ｍｒａｄの偏向を確認した。正極と負極に印加する電圧の向きを交互に入れかえて、一定周波数で繰り返し印加した場合、１００ｋＨｚまで光偏向することを確認した。また、３ｋＨｚ、±６００Ｖを印加して、４０時間以上連続運転後も偏向角の変動がないことを確認した。
【実施例４】
【００４０】
図６に、実施例４にかかる可変焦点レンズの構成を示す。電気光学材料を板状に加工した基板６０の上面に正極６１と負極６２とを、下面に負極６３と正極６４とを形成する。基板６０は、ＫＴＮ単結晶から、ブロックを切り出し、７ｍｍ×７ｍｍ×（厚さＴ＝）４ｍｍの形状に成形する。基板６０の６面とも、結晶の（１００）面に平行とし、光学研磨を行っている。このＫＴＮ単結晶は、相転移温度３５℃であったので、これを少し上回る４０℃で使用する。この温度での比誘電率は２０，０００である。４つの電極は、０．８ｍｍ×７ｍｍの帯状で、同一面上の電極の間隔は４ｍｍとする。２つの電極対は、基板６０の７ｍｍ×７ｍｍの面上に、白金（Ｐｔ）を蒸着して形成されている。電極の各辺は、基板６０の辺に平行である。
【００４１】
これら４つの電極とほぼ同じ面積で厚さ１ｍｍの導電性ゴム６５、６６、６７、６８を、各々正極６１、負極６２、負極６３、正極６４に密着させ、電気的なコンタクトをとる。さらに、支持板７３、７４に、外部との配線を行うための円筒上の金属電極６９、７０、７１、７２を貫通させ、導電ゴムおよび金属電極との電気的なコンタクトをとる。これらの金属電極６１〜６４を用いて、外部電源から基板６０に電圧を印加する。支持板７３、７４は、図には明示していないホルダーを用いて固定してある。また、支持板７３、７４は、絶縁性のものであれば何でもよく、プラスチックやセラミックスが挙げられる。また、実施例４に記載した構造は、電気的コンタクトをとるための一実施例にすぎず、導電ゴムを用いて電圧を印加する構造であればどんな構造でもよい。
【００４２】
この可変焦点レンズを、４０℃で温度制御した状態で、コリメートしたレーザ光を、基板６０の光学入射面から入射する。入射方向は、電界の印加方向と垂直であり、図６に示した矢印の方向（ｘ軸方向）である。光の偏光は直線で、振動電界の方向は、電界の印加方向と平行なｚ軸方向である。レーザ光は、正極６１と負極６３とからなる第１の電極対の間を透過してから、負極６２と正極６４からなる第２の電極対の間を透過して、基板６０から出射される。
【００４３】
上下電極間に１０００Ｖの電圧を印加すると、基板６０から出射する光は、ｚ軸方向に集光され、シリンドリカル凸レンズとして機能する。焦点距離は７２ｃｍである。ここで、印加電圧を５００Ｖにすると、集光効果は小さくなり、焦点距離は２９０ｃｍになる。また、電圧を印加しない場合は、当然集光効果はなく、焦点距離は無限大である。従って、印加電圧を０Ｖから１０００Ｖまで変化させることにより、焦点距離を無限大から７２ｃｍまで変化させることができる。焦点距離の変更は、印加電圧を変更するだけなので、応答時間は１μｓ以下であり、従来の可変焦点レンズの応答時間と比較して、３桁以上改善されている。
【００４４】
また、光の進行方向はそのままに、偏光を９０度回転させて測定を行う。つまり、光の振動電界の方向をｙ軸方向とする。この場合は、凹レンズとして機能する。印加電圧が１０００Ｖのとき、焦点距離は９３ｃｍである。従って、印加電圧を０Ｖから１０００Ｖまで変化させることにより、焦点距離を無限大から９３ｃｍまで変化させることができる。
【００４５】
なお、実施例４では、導電ゴムを用いているが、実施例３のようにグラファイトシートを用いてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１１，２３，３１，３２，４３，５２ ＫＴＮ結晶
１２，６１，６４ 正極
１３，６２，６３ 負極
２１，２２，４１，４５，５１，５４ 金属ブロック
４２，４４，５３，６５〜６８ 導電性ゴム
６０ 基板
６９〜７２ 金属電極
７３、７４ 支持板
【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）結晶と、
該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と、
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の金属ブロックと、
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の金属ブロックとを備え、
前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加することを特徴とする電気光学デバイス。
【請求項２】
タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、
該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と、
少なくとも前記第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の金属ブロックと、
前記第２の面と接触する第２の金属ブロックとを備え、
前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加することを特徴とする電気光学デバイス。
【請求項３】
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または２に記載の電気光学デバイス。
【請求項４】
前記導電性弾性体は、導電性ゴムからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電気光学デバイス。
【請求項５】
前記導電性弾性体は、グラファイトシートからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電気光学デバイス。
【請求項６】
タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、
該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と、
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の金属ブロックと、
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の金属ブロックとを備え、
前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加し、前記ＫＴＮ結晶に前記電界の印加方向と垂直にレーザ光を入射することにより、前記レーザ光を偏向させることを特徴とする光スキャナモジュール。
【請求項７】
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６に記載の光スキャナモジュール。
【請求項８】
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７に記載の光スキャナモジュール。
【請求項９】
タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、
該ＫＴＮ結晶の第１の面上に形成された第１の正極と、
前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の正極と向かい合う位置に形成された第１の負極と、
前記第１の面上に形成され、前記第１の正極とは間隔をおいて配置された第２の負極と、
前記第２の面上に形成され、前記第２の負極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の正極と、
前記第１および第２の正極、前記第１および第２の負極のそれぞれに接触する４つの導電性弾性体と、
前記第１の正極および前記第２の負極と接触する導電性弾性体の前記正極および負極と接触する面と対向する面に接触する第１の金属ブロックと、
前記第１の負極および前記第２の正極と接触する導電性弾性体の前記負極および正極と接触する面と対向する面に接触する第２の金属ブロックとを備え、
前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記第１および第２の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする可変焦点レンズ。
【請求項１】
タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、
該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と、
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の金属ブロックと、
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の金属ブロックとを備え、
前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加することを特徴とする電気光学デバイス。
【請求項２】
タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、
該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と、
少なくとも前記第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の金属ブロックと、
前記第２の面と接触する第２の金属ブロックとを備え、
前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加することを特徴とする電気光学デバイス。
【請求項３】
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または２に記載の電気光学デバイス。
【請求項４】
前記導電性弾性体は、導電性ゴムからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電気光学デバイス。
【請求項５】
前記導電性弾性体は、グラファイトシートからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電気光学デバイス。
【請求項６】
タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、
該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と、
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の金属ブロックと、
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の金属ブロックとを備え、
前記第１および第２の金属ブロックの間に電圧を印加して、前記ＫＴＮ結晶に電界を印加し、前記ＫＴＮ結晶に前記電界の印加方向と垂直にレーザ光を入射することにより、前記レーザ光を偏向させることを特徴とする光スキャナモジュール。
【請求項７】
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６に記載の光スキャナモジュール。
【請求項８】
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７に記載の光スキャナモジュール。
【請求項９】
タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3、０＜ｘ＜１）結晶と、
該ＫＴＮ結晶の第１の面上に形成された第１の正極と、
前記第１の面に対向する第２の面上に形成され、前記第１の正極と向かい合う位置に形成された第１の負極と、
前記第１の面上に形成され、前記第１の正極とは間隔をおいて配置された第２の負極と、
前記第２の面上に形成され、前記第２の負極と向かい合う位置に形成され、前記第１の陰極とは間隔をおいて配置された第２の正極と、
前記第１および第２の正極、前記第１および第２の負極のそれぞれに接触する４つの導電性弾性体と、
前記第１の正極および前記第２の負極と接触する導電性弾性体の前記正極および負極と接触する面と対向する面に接触する第１の金属ブロックと、
前記第１の負極および前記第２の正極と接触する導電性弾性体の前記負極および正極と接触する面と対向する面に接触する第２の金属ブロックとを備え、
前記第１の面と直交する第３の面から光を入射させたとき、前記第１の陽極および前記第１の陰極からなる第１の電極対の間を透過してから、前記第２の陽極および前記第２の陰極からなる第２の電極対の間を透過して、前記第３の面に対向する第４の面から光が出射するように光軸が設定され、
前記第１および第２の電極対の間の印加電圧を変えることにより、前記第４の面から出射された光の焦点を可変することを特徴とする可変焦点レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−８２２７（Ｐ２０１１−８２２７Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９２３６０（Ｐ２０１０−９２３６０）
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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