JPH0416793A - 光歪みアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光エネルギーによって形状が歪む光歪み効果
を利用したアクチュエータに関する。

［背景技術］ 第１３図（ａ）に示すものは、光歪みアクチュエータの
従来例であり、光エネルギーによって伸張する光歪み材
料からなるプレート１０２と光エネルギーによって収縮
する光歪み材料からなるプレート１０３を一体に貼り合
わせたバイモルフ形の光歪み素子ｌｏｔの一端を固定部
１０４に固定したものである。この光歪み素子１０１の
表面に光１０５が照射されると、第１３図（ｂ）に示す
ように、光歪み効果によって光歪み素子１０１が湾曲し
、その自由端がＰ。からＰへ変位する。

光歪み効果の原理は、強誘電体の持つ光の照射で大きな
電圧を発生する現象（光起電力効果）と、電圧をかける
と伸縮する現象〔圧電効果〕の重畳作用である。なお、
ここでいう光起電力効果は、半導体のＰＮ接合に基づく
ものとは全く異なり、光で励起された電子が強誘電体の
自発分極に由来して、特定の方向をもって移動すること
により起こるものである。また、光歪み材料としては、
例えばニオブ、タングステンなどを添加したジルコン酸
チタン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）等の圧電セラミックス
を材料とすることができる。バイモルフ形の光歪み素子
は、例えば２枚のＰＬＺＴ板を貼り合わせたものであり
、それぞれのＰＬＺＴ板の分極方向は互いに逆向ぎとな
っている。しかして、光歪み素子に光が当たると、光の
当たったＰＬＺＴ板の両端に光起電圧が発生する。それ
と同時に、光起電圧による圧電効果のため、一方のＰＬ
ＺＴ板の長さが光歪み効果でわずかに伸び、他方のＰＬ
ＺＴ板は、わずかに縮む。２枚のＰＬＺＴ板は貼り合わ
されているので、この結果、光照射によって光歪み素子
が全体的に屈曲するのである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第１３図（ａ）（ｂ）に示したような従
来の光歪みアクチュエータにあっては、光歪み素子の表
面に光を照射させるための空間（光源から光歪み素子ま
での空間）を周囲に確保する必要があり、このために光
歪みアクチュエータの全体形状が大きくなり、集積性も
悪くなるという問題があった。さらに、光エネルギーを
高密度で７クチユエータに照射できないという欠点があ
った。

本発明は、叙上の従来例の問題点に鑑みてなされたもの
であり、その主な目的とするところは、光歪みアクチュ
エータの形状を小形化すると共に集積度な高め、かつ、
光エネルギーを高密度でアクチュエータに照射させ、効
率よ（アクチュエータを歪ませることにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光歪みアクチュエータは、光エネルギーによっ
て歪みを発生させる１種もしくは２種以上の光歪み材料
によって形成された光歪みアクチュエータであって、前
記光歪み材料の表面もしくは前記光歪み材料の間の界面
に光導波層を設けたことな特徴としている。

［作用コ 本発明にあっては、光導波層の受光端から光を送り込む
と、光エネルギーは光導波層内を伝搬して広がり、光導
波層と光歪み材料との境界面から光歪み材料に吸収され
、光歪みアクチュエータを動作させる。

しかして、光エネルギーは、光導波層内にとじ込められ
ながら伝搬されるので、光アクチュエータの外部へ逃げ
に＜＜、光エネルギーを光歪み材料へ効率的に吸収させ
ることができ、しかも光導波層を通じて高密度の光エネ
ルギーを送ることができるので、効果的に光歪み効果を
起こさせて光歪みアクチュエータの動作を大きくするこ
とができる。

また、光は、空間を経由することなく光導波層を通って
伝搬されるので、光歪みアクチュエータの周囲に光エネ
ルギー伝搬経路としての空間が必要なくなり、光アクチ
ュエータの素子形状を小形化することかでき、いくつか
の光学的素子を一体に形成する場合には、集積度を向上
させることができる。

さらに、光エネルギーは光導波層を伝搬させられるので
、空間から光歪みアクチュエータに光を照射しにくいよ
うな使用環境下においても光歪みアクチュエータを動作
させることが可能になる。

［実施例コ 以下、本発明の実施例を添付図に基づいて詳述する。

第１図に示すものは、本発明の第一の実施例の光歪みア
クチュエータ１であり、１対のプレート２．３を一体に
貼り合わせたバイモルフ形の光歪み素子４の両面に、そ
れぞれ光導波層５を形成したものである。光歪み素子４
の一方のプレート２は、光エネルギーによって伸張する
光歪み材料によって形成されており、他方のプレート３
は、光エネルギーによって収縮する光歪み材料によって
形成されている。光導波層５は、両プレート２゜３の外
面の全面に形成されており、先導波層５の屈折率は、外
部空間（空気）の屈折率よりも大きく、両プレート２，
３の屈折率よりも小さくなっていることが好ましい。こ
のため、光導波層５内を伝搬する光は、外部空間側への
漏洩は極めて小さく、光導波層５内を伝搬されているう
ちに、光歪み素子４側へ吸収される。また、光導波層５
の材料は、特に限定されるものではないが、例えばＳｍ
Ｏ２等をプレート２，３の表面に蒸着させたり、あるい
は２２法等によって透明有機材料をプレート２，３の表
面に塗布したりすることができる。

この光歪み素子４は、一端を固定部６に垂直に固定され
ており、両光導波層５の受光端には光ファイバー７が光
結合されている。

しかして、両光ファイバー７から光導波層５に光を入射
させると、光エネルギーが光導波層５内に広がり、光歪
み素子４へ吸収される。このため、光歪み効果によって
、一方のプレート２が伸張すると共に他方のプレート３
が収縮し、両プレート２．３が貼り合わせられているた
め、光歪みアクチュエータ１が湾曲し、その自白端８が
変位するのである。

第２図に示すものは、本発明の第二の実施例の光歪みア
クチュエータ１１である。この光歪みアクチュエータ１
１にあっては、光エネルギーによって収縮する光歪み材
料（あるいは、光エネルギーによって伸張する光歪み材
料でもよい。）によって形成された１枚のプレート状を
した光歪み素子１２の片面の全面に光導波層１３を積層
してあり、光導波層１３の一端には、光ファイバー７が
光結合されている。また、光歪みアクチュエータ１１の
一端は、第３図に示すように、固定ＮＩ６に垂直に固定
されている。

しかして、光ファイバー７から光導波層１３内に光を入
射させると、光エネルギーは光導波層１３内に広がり、
片面のみから光歪み素子１２へ吸収される。光歪み素子
１２の光導波層１３から光エネルギーを吸収した片面は
収縮するが、反対側の面では光エネルギーの吸収がない
ために伸縮せず、この結果光歪みアクチュエータ１１が
湾曲し、その自由端１４が変位する。このように、光歪
み素子１２の表面に光導波層１３を形成すれば、バイモ
ルフ形でない単層構造の光歪みアクチュエータを製作す
ることができる。

第４図（ａ）　（ｂ）に示すものは、本発明の第三の実
施例の光歪みアクチュエータ２１である。この実施例に
あっては、光歪み材料からなる１枚のプレート状をした
光歪み素子１２の片面に光導波層１３を形成し、この光
歪み素子１２の一端を固定部２２の端面に略平行に固定
している。光歪み素子１２の上面と固定部２２の上面と
は夏−となっており、光導波層１３の受光端には、固定
部２２の上面に形成された光導波路２３が光結合されて
いる。

しかして、光導波路２３から光導波層１３へ光を入射さ
せていない状態では、第４図（ａ）に示すように、光歪
みアクチュエータ２１は真っ直ぐな状態を保っているが
、光導波路２３から光導波層１３内に光が入射されると
、光歪みアクチュエータ２１が反応して、第４図（ｂ）
のように湾曲する（この場合、光歪み材料が光エネルギ
ーによって収縮するものとしている。）。

第５図に示すものは、本発明の第四の実施例の光歪みア
クチュエータ３１であって、直角に光を伝搬させるため
の構造を示している。この実施例にあっては、光歪み材
料からなる１枚のプレート状をした光歪み素子３２の一
端を固定部３６の端面に直角に固定してあり、光歪み素
子３２の固定部３６側の表面に光導波層３３を形成しで
ある。

一方、固定部３６の上面に形成された光導波路３７の端
部が光導波層３３の受光端３４に光結合されている。さ
らに、光導波層３３の受光端３４において、光歪み素子
３２の表面には４５°の傾斜角度を持つミラ一部３５を
設けである。すなわち、このミラ一部３５は、光導波層
３３の面及び光導波路３７の面に対して４５度の角度を
なしており、その表面には蒸着等の方法によって反射率
の高い金属材料を成膜されている。そして、光導波層３
３の受光端３４はミラ一部３５の上に形成されており、
光導波路３７はミラ一部３５において光導波層３３の受
光端３４に結合されている。

しかして、光導波路３７から光導波層３３の受光端３４
へ光が垂直に入射されると、受光端３４へ入射した光は
、ミラ一部３５で反射して直角に折曲げられ、光導波層
３３内へ広がる。

第６図（ａ）に示すものは、本発明の第五実施例の光歪
みアクチュエータ４１である。これは、光歪み材料から
なる光歪み素子１２の一方表面に光導波層１３を形成し
、光導波層１３の表面の全面に光散乱層４２を設けたも
のであり、第２図に示した光アクチュエータ１１Φ光導
波層１３の上に、さらに光散乱層４２を付加した構造と
なっている。

光散乱層４２は、光導波層１３からくる光を乱反射させ
ることを目的としており、例えば表面を粗面処理された
低屈折率材料の層によって形成することができる。

光ファイバー７や光導波路から光導波層１３に光が入射
させられると、入射光線は光導波層１３内で全反射を繰
り返しながら広がってゆくが、光散乱層４２で乱反射さ
れるため、光導波層１３と光歪み素子１２の境界面にお
いて入射角度が全反射角よりも小さくなり、光導波層１
３側から光歪み素子１２側へ光が進入しやすくなり、光
歪み素子１２への光エネルギーの吸収効率が向上する。

すなわち、第６図（ｂ）に示すものは、光導波層１３内
における光強度であり、横軸Ｘは光導波層１３の受光端
からの距離である。光散乱層４２を設けていない、例え
ば第２図のような光歪みアクチュエータ１１では、光導
波層ｌＳ内における光強度が第６図（ｂ）の曲線口（破
線）のようになるのに対し、光導波層１３の表蘭に光散
乱層４２を設けると、曲線イ（実線）のように速やかに
光強度が減少する。すなわち、光散乱層４２を設けると
、光歪み素子１２内への光吸収効率が向上する。なお、
光散乱層４２は、光歪み素子１２と光導波層１３との間
に設けてもよい。

第７図に示すものは、本発明の第六実施例の光歪みアク
チュエータ５１であって、バイモルフ形の光歪み素子４
の両面に形成された光導波層５の全面に光学的不透明層
５２を設け、光学的不透明層５２によって光導波層５を
覆ったものである。

しかして、光導波層５の表面に光学的不透明層５２を設
けているので、光導波層５内に外部からの光が侵入せず
、外乱光の影響を遮断することができる。この光学的不
透明層５２は、例えば不透明塗膜を印刷したり、金属膜
を蒸着させることにより容易に形成することかできるが
、金属膜の光学的不透明層５２であれば、光導波層５内
の光エネルギーが光学的不透明層５２に吸収されること
なく反射されるので、光歪み素子４に効果的に光エネル
ギーを吸収させることができる。

なお、このようなバイモルフ形の光歪みアクチュエータ
において、第６図のような光散乱層な両面の光導波層の
上に設けてもよく、また第２図のような片面のみに光導
波層をもつ光歪みアクチュエータにおいて、第７図のよ
うな光学的不透明層を片面の光導波層の上に設けてもよ
い。さらに、片面のみに光導波層をもつ光歪みアクチュ
エータにおいて、光導波層と光歪み素子のそれぞれの表
面に光学的不透明層を設け、光歪み素子側でも外乱光の
影響をカットしてもよい。

第８図に示すものは、本発明の第七実施例の光歪みアク
チュエータ６１であって、光エネルギーを吸収すること
によって伸張する光歪み材料によって形成されたプレー
トθ２と、光エネルギーを吸収することによって収縮す
る光歪み材料によって形成されたプレート６３との間に
、はぼ均一な厚みの光導波層６Ｓを挟み込み、一体に貼
り合わせたものである。これは、両プレート８２．６３
からなる光歪み素子８４の内部に光導波層６５を挿入し
た構造であり、光導波層８５には光ファイバー７や光導
波路が接続される。

しかして、光フアイバー７等から光導波層６５内に光が
入射させられると、光が光導波層６５内に広がり、光導
波層６５の両面から両プレート６２．６３へ吸収され、
光歪みアクチュエータ６１が湾曲して自白端が変位する
ものである。

なお、この実施例において、光導波層６５の受光端と反
対側の端面（図では、上端面）に光学的不透明層や光散
乱層を形成してもよい。

第９図に示すものは、本発明の第八実施例の光歪みアク
チュエータ７１である。この実施例では、１対のプレー
ト６２．６３からなる光歪み素子６４の内部にくさび形
をした光導波層７２を形成している。すなわち、受光端
７３側では、光導波層７２の厚みが大きくなっており、
受光端７３と反対側の端７４では、光導波層７２の厚み
がＯとなって両プレート６２．６３の端部同士が接触し
ている。この実施例では、光導波層７２の受光端７３と
反対側の端７４が閉じているので、光導波層７２内の光
が受光端と反対側から外部へ抜は圧ることかなく、光歪
み素子６４への光エネルギーの吸収効率が向上させられ
る。また、この実施例では、伝搬光が放射モードとなり
易くなっているので、光導波層７２の材質（屈折率）に
制約を受けない。

本発明の光歪みアクチュエータは、種々の機器に用いる
ことができ、例えばマイクロバルブに用いることができ
る。第１０図は、液体や気体等の流体を送るための流体
管８１に流量調整用のマイクロバルブ８２を設けたもの
であり、流体管８１の流下側には、流体の流量を検出さ
せるためのレーザドツプラー計などの流量センサー８３
が設けられている。また、流量センサー８３と光量制御
部８４とは、光ファイバー８５によって接続されており
、流量センサー８３で検出された流量信号は、光ファイ
バー８５を通じて光量制御部８４へ送られる。光量制御
部８４は、主として、半導体レーザ素子や発光ダイオー
ド等の光源と内部変調器（あるいは、外部変調器）から
構成されている。

また、光量制御部８４とマイクロバルブ８２内の光歪み
アクチュエータも光ファイバー８６によって接続されて
おり、光量制御部５４は、流量センサー８３で検出して
いる流量値が設定値から外れると、光ファイバー８６を
通じてマイクロバルブ８２の光歪みアクチュエータへ伝
送している光エネルギーの強度を変調させ、設定値の流
量が得られるようにマイクロバルブ８２をフィードバッ
ク制御する。このように、流量の制御系に電気を用いず
、光エネルギーを用いれば、電気火花等による発火の恐
れがあるような流体の流量も安全に制御することができ
る。

第１１図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）に示すものは、上記の
ような流体管８１に設けられたマイクロバルブ８２の具
体的構造及びその動作を示す断面図である。すなわち、
マイクロバルブ８２の筒体８７内には、流路と垂直に光
歪みアクチュエータ８８が配設されており、光歪みアク
チュエータ８８の一端は筒体８７に固定され、自由端は
筒体８７の内面に設けられた凹部８９内に納められてい
る。光歪みアクチュエータ８８には、光ファイバー８８
が接続されており、光量制御部８４から光エネルギーが
伝送されていない場合には、第１１図（ａ）に示すよう
に、光歪みアクチュエータ８８の自由端は、凹部８９の
縁のストッパー９０に当接し、マイクロバルブ８２の流
路を完全に閉じ、流量は０となる。これに対し、光ファ
イバー８６を通じて伝送される光エネルギーが増加する
と、第１１図（ｂ）（Ｃ）に示すように、光歪みアクチ
ュエータ８８が湾曲して大きく曲がり（例えば、第１１
図（ｂ）は光強度１０％、第１１図（ｃ）は光強度５ｏ
％〕、筒体８７の内周と光歪みアクチュエータ８８の自
由端の間の隙間が大きくなり、流量が増加する。

なお、腐食性ガスや反応性ガス等の雰囲気中で使用され
る場合には、光歪みアクチュエータの全体をポリテトラ
フルオロエチレン（ＰＴＰＥ）等のフッ素系樹脂などで
コーティングしてもよい。

第１２図（ａ）　（ｂ）に示すものは、別な構造のマイ
クロバルブ８２な示す断面図である。この実施例では、
マイクロバルブ８２の筒体９１の内側面に筒体９１の軸
心方向と平行な凹部９２を設け、この凹部９２内に光歪
みアクチュエータ９゛３を配置し、光歪みアクチュエー
タ９３の一端を凹部９２内の端部に固定している。しか
して、光ファイバー８６から光エネルギーが伝送されて
いない場合には、光歪みアクチュエータ９３は変形せず
、マイクロバルブ８２の開口率が１００％となっている
ので、第１２図（ａ）に示すように、大きな流量が得ら
れる。これに対し、光ファイバー８６から大きな強度の
光エネルギーが伝送されると、光歪みアクチュエータ９
３が大ぎく湾曲し、第１２区（ｂ）に示すように、マイ
クロバルブ８２の流路を完全に閉じ、流体の流量をＯに
する。そして、第１２図（ａ）の状態と第１２図（ｂ）
の状態との中間においては、適当な流量を得ることがで
きる。

［発明の効果］ 本発明によれば、光導波層を通じて光歪みアクチュエー
タへ光エネルギーを送ることができるので、高密度の光
エネルギーを入射させることができると共に光エネルギ
ーが外部へ逃げにくく、光エネルギーを効率的に使用し
て光歪みアクチュエータの動作を大きくすることができ
る。さらに、光歪みアクチュエータの周囲に、光を伝播
させて光エネルギーを照射させるための空間が必要なく
なるので、光歪みアクチュエータの素子形状を小形化で
き、また、集積度も向上させることができる。

さらに、空間から光を照射するのが困難な環境下でも使
用でき、光学的に制御できるので、電気的アクチュエー
タの使用が困難なところでも使用できる。また、バイモ
ルフ形以外の種々の構造の光歪みアクチュエータを製作
することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す断面図、第２図は
本発明の第二の実施例を示す斜視図、第３図は同上の実
施例の断面図、第４図（ａ）（ｂ）はいずれも本発明の
第三の実施例を示す断面図、第５図は本発明の第四の実
施例な示す断面図、第６図（ａ）は本発明の第五の実施
例を示す断面図、第６図（ｂ）は同上の実施例における
光導波層距離と光強度との関係を示す図、第７図は本発
明の第六の実施例を示す断面図、第８図は本発明の第七
の実施例を示す断面図、第９図は本発明の第への実施例
を示す断面図、第１０図は同上の光歪みアクチュエータ
を応用したマイクロバルブの使用例を示す概略図、第１
１図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）は同上のマイクロバルブ内
における光歪みアクチュエータの動作を説明する断面図
、第１２図（ａ）　（ｂ）はマイクロバルブ内における
光歪みアクチュエータの別な構造と動作を説明する断面
図、第１３図（ａ）　（ｂ）は従来例の光歪みアクチュ
エータを示す断面図である。 １．１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１．８８
．９３は光歪みアクチュエータ、５，１３．３３．８５
．７２は光導波層である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光エネルギーによって歪みを発生させる１種もし
   くは２種以上の光歪み材料によって形成された光歪みア
   クチュエータであって、 前記光歪み材料の表面もしくは前記光歪み材料の間の界
   面に光導波層を設けたことを特徴とする光歪みアクチュ
   エータ。