JP2000081503A

JP2000081503A - 可変焦点レンズ装置

Info

Publication number: JP2000081503A
Application number: JP11106474A
Authority: JP
Inventors: Takuya Sasaya; 卓也笹谷; Taku Kaneko; 金子　　卓; Nobuaki Kawahara; 伸章川原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-03-21
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: JP4078575B2; US6188526B1

Abstract

(57)【要約】【課題】温度補償が可能でありながら、構成が簡素で
製造工数が少なく安価に提供することが可能な可変焦点
レンズ装置を提供すること。【解決手段】本発明の可変焦点レンズ装置は、透明弾
性膜５１および透明封止部材４１で内部空間３０を形成
しているレンズ容器３と内部空間３０に充填されている
透明液体６とで構成されたレンズ部材２と、内部空間３
０の内圧を変動させて透明弾性膜５１を変形させレンズ
部材２の焦点を可変とする積層型圧電アクチュエータ１
と、内部空間３０に狭隘な流路９を介して連通するタン
ク８とを有する。タンク８および狭隘な流路９は、熱膨
張および熱収縮によって増減する透明液体６の体積の温
度変動分を吸収し、積層型圧電アクチュエータ１による
圧力の急激な振動成分には対応しない温度補償部７を形
成している。それゆえ、温度補償が可能でありながら、
構成が簡素で製造容易であり安価に提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変焦点レンズ装
置の技術分野に属し、特に焦点の周期的な高速変動に好
適な可変焦点レンズ装置の技術分野に属する。このよう
な可変焦点レンズ装置は、顕微鏡の光学系に組み込んで
焦点位置を高速で振動させることにより、焦点深度を深
める等の用途に好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来技術としては、レンズ部材とは別に
レンズ部材と隣接して加圧部を有する可変焦点レンズ装
置が、特開平８−１１４７０３号公報に開示されてい
る。上記可変焦点レンズ装置では、透明弾性膜に作用す
る透明液体の圧力を計測して目標圧力値になるように加
圧部を制御する制御手段として、一対の圧力測定用歪ゲ
ージと一対の温度補償用歪ゲージとが、透明弾性膜に接
合されている。これら一対の圧力測定用歪ゲージと一対
の温度補償用歪ゲージとは、ホイートストンブリッジ回
路を形成し、同回路からの出力によって透明弾性膜の歪
みが計測される。すると、レンズ部材がもつレンズの度
数（焦点位置）が温度補償されて計測されるので、同計
測値をもって加圧部を駆動する圧電ユニモルフを制御す
れば、透明液体の熱膨張および熱収縮による体積変動も
補償される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来技術による可変焦点レンズ装置では、一対の圧力測
定用歪ゲージと一対の温度補償用歪ゲージとでホイート
ストンブリッジ回路を形成することが必要であったか
ら、簡素な構成ではなかった。また、適正な位置に適正
な角度で各歪ゲージを取り付け、ホイートストンブリッ
ジ回路の構成を行う必要があったので、製造上自動化が
難しく工数がかかってコストの増大を招くという不都合
もあり得た。

【０００４】かといって、透明液体が密閉容器に封止さ
れており、温度補償機能を持たない可変焦点レンズ装置
では、周囲の温度環境の変化や長時間作動による温度上
昇等により透明液体が熱膨張や熱収縮を起こすと、レン
ズの度数が変わり焦点位置が移動してしまう。すなわ
ち、温度補償なしには、精密な焦点位置合わせが困難に
なる場合もありうるので、使用環境や使用目的によって
は、可変焦点レンズ装置に温度補償機能を与えることが
必要な場合がある。

【０００５】そこで本発明は、温度補償が可能でありな
がら、構成が簡素で製造に工数があまりかからず、安価
に提供することが可能な可変焦点レンズ装置を提供する
ことを解決すべき課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、発明者は以下の手段を発明した。（第１手段）本発明の第１手段は、請求項１記載の可変
焦点レンズ装置である。すなわち、本手段には、レンズ
容器によって形成され透明液体が充填されている内部空
間に連通し、熱膨張および熱収縮によって増減する透明
液体の体積のうち温度変動分を吸収する温度補償部が、
装備されている。

【０００７】それゆえ本手段では、周囲の温度環境の変
化や長時間作動による温度上昇等により、レンズ容器の
内部空間に充填されている透明液体が熱膨張や熱収縮を
起こした場合にも、温度補償部によって透明液体の体積
のうち温度変動分が吸収または供給される。その結果、
温度補償用歪ゲージを使用したホイートストンブリッジ
回路等の温度補償回路が装備されていなくても、透明液
体等の温度変化によるレンズ部材の度数の変化（焦点位
置の変化）は抑制され、温度補償を施したと同様の作用
が得られる。すなわち、温度補償回路等の複雑な補償手
段がなくても、簡素に構成され製作工数が比較的少ない
温度補償部の作用により、可変焦点レンズ装置に温度補
償機能が付与される。

【０００８】したがって本手段によれば、温度補償が可
能でありながら、構成が簡素で製造に工数があまりかか
ない安価な可変焦点レンズ装置を提供することができる
という効果がある。なお、アクチュエータとしては、上
記公報の加圧部を採用しても良いが、他の形式のアクチ
ュエータを採用しても良く、特願平８−２９６７８０号
に記載されている積層型圧電アクチュエータを使用する
ことが最も望ましい。

【０００９】また、本手段では、温度補償部は、容積が
可変のタンクと、同タンクとレンズ容器の内部空間とを
連通しながらアクチュエータによる急激な圧力変動によ
っては実質的に流路として機能しない狭隘な流路とをも
つ。それゆえ、熱膨張や熱収縮によって生じる緩慢な圧
力変動によっては、狭隘な流路が流路として機能し、レ
ンズ容器の内部空間の透明液体は、狭隘な流路を通って
タンクとの間を移動する。透明液体の移動は、レンズ容
器の内部空間とタンク内部の圧力差が無くなるまで続
き、その結果、レンズ容器内の透明液体の熱膨張や熱収
縮による圧力変動は、ほとんど無くなるまで抑制され
る。すなわち、レンズ容器内の透明液体の熱膨張や熱収
縮による圧力変動が抑制され、温度補償機能が発揮され
る。

【００１０】逆に、アクチュエータによりレンズ部材を
加振し、無負荷時の圧力を平均として内部空間の透明液
体の圧力を急激に変動させ続けた場合には、狭隘な流路
を通じてレンズ容器の内部空間と上記タンク内との間で
の透明液体の交換はほとんど無い。より正確に言えば、
上記流路を通じて移動する透明液体の量はほんのわずか
であり、しかも透明液体の移動量は、往路と復路とで等
量である。その結果、アクチュエータによるレンズ部材
の加振によっては、レンズ部材の度数の平均値や中心値
がドリフトすることは防止されている。

【００１１】このように高速でレンズ部材を加振する場
合としては、たとえば、網膜残像を生じて感覚的に焦点
深度を深める場合や、撮像手段の露光時間のうちにレン
ズ部材の度数を変えて合焦点画像を撮像する場合があ
る。これらの場合には、温度補償部の狭隘な流路が流路
として機能しないので、アクチュエータによるレンズ部
材の度数の調整が温度補償部によって減殺されずに有効
に作用する。

【００１２】したがって本手段によれば、前述のように
温度保証機能の効果が得られながら、アクチュエータに
よって高速でレンズ部材の度数を変動させる作用がより
有効に発揮されるという効果もある。なお、タンクに吸
収されたりタンクから供給されたりする透明液体の体積
変化としては、レンズ容器の内部空間に充填された透明
液体の分だけではなく、タンクに充填された透明液体の
分も考慮に入れて、タンク等の設計を行うことが望まし
い。また、熱膨張や熱収縮によるレンズ容器およびタン
クの容積変化も考慮されていることが望ましい。

【００１３】（第２手段）本発明の第２手段は、請求項
２記載の可変焦点レンズ装置である。本手段では、上記
タンクは、壁面のうち少なくとも一部を形成する変形容
易な弾性壁をもっているので、わずかな加圧や減圧でも
同弾性壁の変形によって容易にタンクの内部容積が変動
する。それゆえ、レンズ容器の内部空間に充填された透
明液体の体積変動があっても、タンクによって容易に吸
収され、レンズ容器の内部の圧力はほぼ一定に保たれる
ので、レンズ部材の度数に関する温度補償効果が高度に
発揮される。

【００１４】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果がより鮮明に発揮されるという効果がある。（第３手段）本発明の第３手段は、請求項３記載の可変
焦点レンズ装置である。本手段では、上記タンクは、弾
性壁の線膨張率よりも大きな線膨張率をもち上記弾性壁
に外側から接合された温度補償板を有するので、弾性壁
と温度補償板とで、バイメタルのように温度によって凹
凸に変化する壁面が形成される。すなわち、弾性壁およ
び温度補償板の温度が上昇すると、タンクの弾性壁が外
側に凸に膨らむので、タンクの内部容量が増大して、タ
ンクがレンズ容器の内部空間から透明液体を吸い出す。
逆に、弾性壁および温度補償板の温度が低下すると、タ
ンクの弾性壁が内側に凸に膨らむので、タンクの内部容
量が減少して、タンクがレンズ容器の内部空間へ透明液
体を送り出す。

【００１５】それゆえ、弾性壁および温度補償板の線膨
張率、ヤング率および厚さを適正に設定することによ
り、レンズ容器の内部空間に充填された透明液体の熱膨
張や熱収縮による体積変化に相当するだけのタンク容量
の変化が起こるようにすることが可能である。そうすれ
ば、熱膨張や熱収縮による透明液体の圧力変化をほとん
ど完全にタンク容量の変化で吸収し、無くしてしまうこ
とが可能になるので、温度補償機能がより完全になる。

【００１６】したがって本手段によれば、前述の第２手
段の効果に加えて、より精密な温度補償機能が発揮され
るようになるという効果がある。（第４手段）本発明の第４手段は、請求項４記載の可変
焦点レンズ装置である。本手段では、上記タンクは、壁
面のうち少なくとも一部を形成する圧電ユニモルフをも
つので、圧電ユニモルフへの印加電圧を調整することに
より、タンクの内部容積を所定の範囲で任意に変更する
ことができる。それゆえ、何らかの手段でレンズ容器の
内部空間に充填された透明液体の熱膨張や熱収縮による
体積変化を計測ないし推定することができれば、タンク
容量を適正に調整することにより、透明液体の体積変化
をタンクで吸収することが可能になる。

【００１７】ここで、透明液体の体積変化を計測する手
段としては、レンズ容器またはその内部空間に配設され
た温度センサや、レンズ容器またはタンクに配設された
圧力センサを採用することができる。また、透明液体の
体積変化を推定する手段としては、本装置の運用中の焦
点位置の変動をリアルタイムで観測して推定したり、過
去の本装置の運用中の焦点位置の変動や透明液体の温度
履歴等から推定するなどの手段がある。

【００１８】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、より精密な温度補償機能が発揮され
るようになるという効果がある。（第５手段）本発明の第５手段は、請求項５記載の可変
焦点レンズ装置である。本手段では、上記タンクは、狭
隘な流路の開口部よりも高い位置に開口し外部空間と連
通する通気孔をもつ。それゆえ、タンク内での狭隘な流
路の開口部と通気孔の開口部との間に透明液体の液面を
設定すれば、タンク内の圧力は、常に外部空間の圧力と
等価に保たれる。その結果、定常的なレンズ容器の内部
空間での液圧は、外部空間の圧力と等価に落ち着く。

【００１９】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、よりいっそう完全に温度補償機能が
発揮されるという効果がある。なお、タンク内での通気
孔の開口部が、タンク内での狭隘な流路の開口部よりも
十分に高い位置に形成されていれば、熱膨張による透明
液体の体積変動によって透明液体が通気孔から溢れるよ
うな不具合は防止される。

【００２０】（第６手段）本発明の第６手段は、請求項
６記載の可変焦点レンズ装置である。本手段では、上記
タンクは、レンズ容器の周囲に同軸的かつ一体的に形成
されたリング状の空洞部であるから、製造工程が簡素化
されると共に、レンズ部材がコンパクトな円盤状に形成
される。さらに、アクチュエータがレンズ容器と同軸に
配設されていれば、可変焦点レンズ装置全体を軸対称な
形状で構成することが可能になる。このようなアクチュ
エータとしては、たとえば、前述の特願平８−２９６７
８０号に記載されている積層型圧電アクチュエータを採
用することができる。その結果、本手段の可変焦点レン
ズ装置は、軸対称形状でコンパクトに構成されるので、
外観が美しく洗練されるだけではなく、より広い用途に
適用することが可能になる。

【００２１】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、外観が美しく洗練されるだけではな
く、用途も拡がるという効果がある。なお、タンクを形
成している部材は、レンズ部材と同一部材であることが
望ましいが、レンズ部材と別部材から構成されていて
も、レンズ部材に固定されていれば一体的に形成されて
いるものと見なすことにする。

【００２２】（第７手段）本発明の第７手段は、請求項
７記載の可変焦点レンズ装置である。本手段において
は、狭隘な流路では、透明液体が一方へ流れる場合の流
路抵抗と他方へ流れる場合の流路抵抗とが等価である。
それゆえ、アクチュエータによるレンズ部材の焦点が例
えば正弦波的に振動する場合には、狭隘な流路を移動す
る透明液体の流量は、レンズ容器の内部空間からタンク
内への往路と、タンク内からレンズ容器の内部空間への
復路とで同量となる。その結果、無負荷状態を中心とし
てアクチュエータを対称振動の波形で作動させた場合に
は、レンズ容器の内部空間の容積の時間平均は、無負荷
状態での同容積と等価に保たれる。それゆえ、連続して
本手段の可変焦点レンズ装置を運用した場合にも、レン
ズ部材の度数（焦点位置）のドリフトの発生は防止され
る。

【００２３】このように狭隘な流路を設計するには、レ
ンズ容器側での流路開口部とタンク側での流路開口部と
で、開口部付近の形状を同一に形成すればよい。あるい
は、流路の途中にオリフィス等の流れ方向に関して対称
形状の狭隘部が形成されていても良い。したがって本手
段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、アクチュ
エータを振動的に駆動して連続運用した場合にも、レン
ズ部材の度数（焦点位置）のドリフトの発生が防止され
るという効果がある。

【００２４】（第８手段）本発明の第８手段は、請求項
８記載の可変焦点レンズ装置である。本手段では、透明
封止部材は、第二の透明弾性膜で形成されており、二つ
の透明弾性膜が互いに対向しているので、単一の透明弾
性膜をもつ構成に比べて、レンズ度数の変化を倍増させ
ることができる。

【００２５】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、より大きなレンズ度数の変化、すな
わち、より大きな焦点位置の移動距離が得られるという
効果がある。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の可変焦点レンズ装置の実
施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られ
るよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。［実施例１］（実施例１の構成）本発明の実施例１としての可変焦点
レンズ装置は、図１に示すように、積層型圧電アクチュ
エータ１と、積層型圧電アクチュエータ１に駆動されて
度数を変えるレンズ部材２と、レンズ部材２の周囲に形
成された温度補償部７とから構成されている。本実施例
の可変焦点レンズ装置は、その直径が１〜２ｃｍ程度の
オーダにあり、極めて小型軽量である。

【００２７】積層型圧電アクチュエータ１は、複数枚が
同軸に積層されているリング状の圧電バイモルフ１１
と、各圧電バイモルフ１１の外周縁に接合されている外
周連結部材と、各圧電バイモルフ１１の内周縁に接合さ
れている内周連結部材１３とから構成されている。外周
連結部材１２と内周連結部材１３とは、それぞれ直径が
異なる円筒状の部材であって、リング状の圧電バイモル
フ１１と同軸に配設されている。

【００２８】外周連結部材１２と内周連結部材１３との
間での軸長方向の相対移動を大きくする目的で、圧電バ
イモルフ１１の外周縁は外周連結部材１２に剛に接合さ
れているが、圧電バイモルフ１１の内周縁は内周連結部
材１３にほぼモーメントフリーで接合されている。すな
わち、圧電バイモルフ１１の外周縁と外周連結部材１２
とは、レーザ溶接で剛に接合されているが、圧電バイモ
ルフ１１の内周縁と内周連結部材１３とは、シリコーン
ゴム系の接着剤で近似的にモーメントフリーに接合され
ている。

【００２９】このように構成することにより、レンズ容
器３に固定された外周連結部材１２に剛に接合された圧
電バイモルフ１１の変位が少なくて済むので、積層型圧
電アクチュエータ１をより高速で作動させることが可能
になる。その結果、本実施例の可変焦点レンズ装置の応
答時間を短縮することができる。積層型圧電アクチュエ
ータ１は、透明液体６が充填されたレンズ容器３の内部
空間３０の内部の圧力を変動させて透明弾性膜５１を変
形させ、レンズ部材２の焦点を可変とする作用を有す
る。積層型圧電アクチュエータ１は、図示しない駆動電
源装置によって駆動され、レンズ部材２の焦点位置を正
弦波的に数十ｋＨｚ以上の高速で振動させる用途に適す
る。

【００３０】レンズ部材２は、円盤状の透明弾性膜５１
と透明弾性膜５１に対し所定間隔を空けて対向して配設
された透明封止部材４１とで内部空間３０を形成してい
るレンズ容器３と、内部空間３０に充填されている透明
液体６とで構成されている。透明封止部材４１は、軸長
方向に変位が可能なように、積層型圧電アクチュエータ
１の内周連結部材１３との接合部付近では、リング状に
薄く形成されており、同接合部付近で弾性変形が可能に
なっている。一方、透明弾性膜５１は、同心円状に連続
的に適正な厚みをもつガラス弾性膜で形成されており、
中央部付近では圧力変動によりレンズとしての適正な変
形をするように、有限要素法等の応力解析手法をもって
設計されている。また、透明液体６は、具体的にはシリ
コーン油である。

【００３１】レンズ容器３は、ホウ珪酸クラウンガラス
からなる円盤状の第一部材４と、同じ材料からなる円盤
状の第二部材５とが同軸に一体接合されて構成されてい
る。第一部材４は回転対称形状をしており、第二部材５
は狭隘な流路９を除いて回転対称形状をしている。第一
部材４と第二部材５とは、互いに相対する面を光学樹脂
により接合されて、レンズ容器３および温度補償部７を
形成している。

【００３２】レンズ容器３を構成している第一部材４と
第二部材５との接合部は、レンズ容器３に同軸に形成さ
れた内周接合部２１と外周接合部２２とである。内周接
合部２１の内周側にはレンズ容器３の内周空間３０が形
成されており、内周接合部２１と外周接合部２２との間
には、温度補償部７のリング状のタンク８が形成されて
いる。また、内周接合部２１には、第二部材５の接合面
に放射状に形成された複数本の細い溝である狭隘な流路
９が形成されており、内周接合部２１のうち狭隘な流路
９に相当する部分でだけは、第一部材４と第二部材５と
の接合が行われていない。

【００３３】温度補償部７は、レンズ容器３の内周空間
３０に連通し、熱膨張および熱収縮によって増減する透
明液体６の体積のうち温度変動分を吸収する機能をもつ
部分である。すなわち、温度補償部７は、容積が可変の
タンク８と、タンク８とレンズ容器３の内周空間３０と
を連通していながら積層型圧電アクチュエータ１による
急激な圧力変動によっては実質的に流路として機能しな
い狭隘な流路９とを有する。

【００３４】タンク８は、レンズ容器３の周囲に同軸的
かつ一体的に形成されているリング状の空洞部（キャビ
ティ）であり、第一部材４および第二部材５によって内
周接合部２１と外周接合部２２との間に断面矩形の内部
空間を形成している。タンク８では、第二部材５の表面
を形成する壁面８１が透明弾性膜５１よりも薄く形成さ
れて変形容易になっており、タンク８は、壁面のうち一
部に変形容易なリング状の弾性壁８１をもつ。それゆ
え、タンク８の内周空間３０は、所定の範囲で容量可変
となっている。

【００３５】狭隘な流路９は、前述のように第二部材５
の接合面に放射状に形成された複数本の細い溝であり、
狭隘な流路９の両端の開口部は同一の切り落とし形状と
なっている。それゆえ、狭隘な流路９では、透明液体６
が一方へ流れる場合の流路抵抗と他方へ流れる場合の流
路抵抗とが等価である。（実施例１の作用効果）本実施例の可変焦点レンズ装置
は、以上のように構成されているので、大きくわけて以
下の三つの作用効果を発揮する。

【００３６】第１の作用効果は、簡素で安価な構成であ
りながら、温度補償機能が有効に発揮されるということ
である。先ず、透明液体６が適正な温度にあって温度補
正を要しないときに、積層型圧電アクチュエータ１に数
十ｋＨｚオーダの正弦波で印加電圧を加え、積層型圧電
アクチュエータ１によりレンズ部材２を加振した場合を
想定する。

【００３７】すると、図２に示すように、積層型圧電ア
クチュエータ１の内周連結部材１３の端部に透明封止部
材４１が押圧された瞬間には、透明封止部材４１が変位
して内周空間３０の容積を減らすので、透明液体６は圧
迫されて圧力が跳ね上がる。瞬時の圧力変動に対しては
狭隘な流路９は流路として機能しないので、レンズ容器
３の内周空間３０でだけ圧力が高まり、透明弾性膜５１
が押し出されて凸レンズを形成する。逆に、積層型圧電
アクチュエータ１により透明封止部材４１が吸引された
場合には、レンズ容器３の内部圧力が低下して透明弾性
膜５１が吸引され、凹レンズが形成される。

【００３８】すなわち、無負荷時の圧力を平均として、
内部空間３０の透明液体６の圧力は急激に変動させられ
続けるので、狭隘な流路９を通じてレンズ容器３の内部
空間３０とタンク８の内周空間との間での透明液体の交
換はほとんど無い。より正確に言えば、狭隘な流路９を
通じて移動する透明液体６の量はほんのわずかであり、
しかも透明液体６の移動量は、前述のように往路と復路
とで等量である。その結果、積層型圧電アクチュエータ
１によるレンズ部材２の加振によっては、レンズ部材２
のレンズ度数の平均値や中心値がドリフトすることはな
い。それゆえ、積層型圧電アクチュエータ１に正負対称
波形の印加電圧がかけられている限り、レンズ部材２の
レンズ度数のドリフトは防止されているので、本実施例
の可変焦点レンズ装置を連続的に使用することが可能で
ある。

【００３９】次に、周囲の温度環境の変化や連続使用に
よって、レンズ容器３およびタンク８の内部の透明液体
６の温度が上昇した場合を想定する。この場合、ガラス
製の第一部材４および第二部材５よりも透明液体６の膨
張率が高いものとすると、透明液体６の熱膨張によって
透明液体６の体積がゆっくりと増えるので、狭隘な流路
９が流路として作用する。

【００４０】すると、タンク８の内部の透明液体６の圧
力は、レンズ容器３の内部の透明液体６の圧力と等価に
なり、弾性壁８１に対して内部から及ぼす圧力が高まる
ので、図３に示すように弾性壁８１が外側に凸に変形
し、タンク８の内部容積が増える。その結果、タンク８
によって透明液体６の熱膨張による体積の増大分は吸収
され、レンズ容器３の内周空間３０の圧力はほとんど変
動しない。それゆえ、透明液体６の熱膨張によってはレ
ンズ容器３はほとんど変形することがないので、温度補
償の作用が得られる。

【００４１】逆に透明液体６の温度が適正温度から下が
り、透明液体６が熱収縮した場合には、圧力が低下しよ
うとするレンズ容器３の内周空間３０に、タンク８から
狭隘な流路９を通って透明液体６が供給される。すなわ
ち、タンク８の内圧が少し下がることによってタンク８
の壁面の一部を形成している弾性壁８１が内側に凸にへ
こみ、タンク８の内部容積が減ってタンク８から透明液
体６がレンズ容器３の内周空間３０に供給される。その
結果、レンズ容器３の内部の透明液体６にはほとんど圧
力変動が生じないので、レンズ部材２が形成するレンズ
の度数にも変化がほとんど生じることがない。

【００４２】それゆえ、本実施例の可変焦点レンズ装置
では、周囲の温度環境の変化や長時間作動による温度上
昇等により、レンズ容器３の内部空間３０に充填されて
いる透明液体６が熱膨張や熱収縮を起こした場合にも、
温度補償部７によって透明液体６の体積のうち温度変動
分が吸収される。具体的には、弾性壁８１が変形するこ
とによってタンク８の内部容積が変動し、透明液体６の
熱膨張や熱収縮による体積変動分が吸収される。その結
果、温度補償用歪ゲージを使用したホイートストンブリ
ッジ回路等の温度補償回路が装備されていなくても、透
明液体６等の温度変化によるレンズ部材３の度数の変化
（焦点位置の変化）は抑制され、温度補償の作用が得ら
れる。すなわち、温度補償回路等の複雑な補償手段がな
くても、簡素に構成され製作工数が比較的少ない温度補
償部７の作用により、可変焦点レンズ装置に温度補償機
能が付与される。

【００４３】したがって、本実施例の可変焦点レンズ装
置によれば、温度補償が可能でありながら、構成が簡素
で製造に工数があまりかかない安価な可変焦点レンズ装
置を提供することができるという効果がある。第２の作
用効果は、コンパクトかつ回転対称形状に外形が形成さ
れるので、美しいばかりではなく、温度補償機能をもつ
可変焦点レンズ装置の応用範囲が拡がるということであ
る。

【００４４】すなわち、本実施例の可変焦点レンズ装置
では、タンク８は、レンズ容器３の周囲に同軸的かつ一
体的に形成されたリング状の空洞部であるから、製造工
程が簡素化されると共に、レンズ部材２がコンパクトな
円盤状に形成される。さらに、積層型圧電アクチュエー
タ１がレンズ容器３と同軸に配設されているので、可変
焦点レンズ装置全体を軸対称な形状で構成することが可
能になる。その結果、本手段の可変焦点レンズ装置は、
回転対称形状でコンパクトに構成されるので、外観が美
しく洗練されるだけではなく、より広い用途に適用する
ことが可能になる。

【００４５】したがって、本実施例の可変焦点レンズ装
置によれば、前述の第１の効果に加えて、外観が美しく
洗練されるだけではなく、コンパクトであるから用途も
拡がるという効果がある。第３の作用効果は、前述のよ
うに温度補償機能が発揮されながら、高速でレンズ部材
２の度数を変更する場合には、積層型圧電アクチュエー
タ１のストロークの分だけ確実に度数の変更がなされる
ということである。なぜならば、レンズ部材２の内周空
間３０とタンク８内とを連通する流路９が狭隘であっ
て、内周空間３０の急激な圧力変動によっては実質的に
流路として機能せず、内部空間３０に満たされた透明液
体６がタンク８との間でほとんど流通しないからであ
る。

【００４６】すなわち、透明封止部材４１の可動部の直
径をｄ₀とし、狭隘な流路９は円形断面であってその内
径をｄ、長さをＬとし、また、透明液体６の流路９中の
流速をｖ、粘性係数をμとする。すると、短く狭隘な流
路９の中を流れる透明液体６は層流であるから、狭隘な
流路９の管路抵抗による圧力損失ｐは、次の数１で概算
される。

【００４７】

【数１】ｐ＝３４・（１／ｄ）⁴・Ｌ・μ・ｄ₀ ²・ｖ逆に言えば、積層型圧電アクチュエータ１の作動によっ
て生じた内周空間３０とタンク８内との圧力差ｐによっ
て生じる狭隘な流路９内の流速ｖは次の数２で与えら
れ、体積流量Ｖは次の数３で算出される。

【００４８】

【数２】ｖ＝ｐ／｛３４・（１／ｄ）⁴・Ｌ・μ・ｄ₀ ²｝

【００４９】

【数３】Ｖ＝ｖπｄ²／４＝ｐπｄ²／４｛３４・（１／ｄ）⁴・Ｌ・μ・ｄ₀ ²｝そして、レンズ部材２の内周空間３０の中の透明液体６
のタンク８への流出体積は、体積流量Ｖの時間積分とし
て算出される。ところが、積層型圧電アクチュエータ１
が駆動される周波数は、たとえば６０Ｈｚとか数百ヘル
ツとかであり、しかも正負両方向に均等に積層型圧電ア
クチュエータ１を作動させるから、長時間をかけても流
出体積はほとんどゼロのままである。また、流出体積の
時間変動を追っても、一方に流れている時間がごく短い
ので、内周空間３０中の透明液体６の体積の変動はほと
んどない。

【００５０】したがって、温度補償機能が得られなが
ら、高速でレンズ部材２の度数を振動的に変更する場合
には、積層型圧電アクチュエータ１の動作分だけ確実に
度数の変動が得られるという効果がある。このような効
果は、本発明と同一の出願人によって出願された特開平
９−２３０２５２号公報に開示されているように、視覚
の残像現象を利用して観察対象の全体に焦点が合ってい
るように見せかける技術においては、大変に有用であ
る。

【００５１】（実施例１の変形態様１）本実施例の変形
態様１として、透明封止部材４１は、第二の透明弾性膜
で形成されている構成の可変焦点レンズ装置の実施が可
能である。本変形態様では、透明封止部材４１は、第二
の透明弾性膜で形成されており、二つの透明弾性膜４
１，５１が互いに対向しているので、単一の透明弾性膜
５１しかもたない実施例１の構成に比べて、レンズ度数
の変化を倍増させることができる。

【００５２】したがって本変形態様によれば、前述の実
施例１の効果に加えて、より大きなレンズ度数の変化、
すなわち、より大きな焦点位置の移動距離が得られると
いう効果がある。なお、本変形態様に相当する変形態様
は、以下の各実施例に対しても実施することができ、本
変形態様と同様の作用効果が得られる。

【００５３】（実施例１の変形態様２）本実施例の変形
態様２として、積層型圧電アクチュエータ１の構成を変
形させた各種変形態様の実施が可能である。先ず、本実
施例の積層型圧電アクチュエータ１とは逆に、各圧電バ
イモルフ１１の内周縁と内周連結部材１３とを剛に接合
し、各圧電バイモルフ１１の外周縁と外周連結部材１２
とを近似的にモーメントフリーで接合した構成の積層型
圧電アクチュエータを用いた変形態様の実施が可能であ
る。本変形態様では、前述の実施例１の積層型圧電アク
チュエータ１を採用している可変焦点レンズ装置よりも
わずかに応答時間が長くなるが、実施例１に準ずる作用
効果が得られる。

【００５４】また、上記変形態様において、円筒状部材
の外周連結部材１２に代えて、数本の棒状の外周連結部
材が各圧電バイモルフ１１の外周縁に接合された構成の
積層型圧電アクチュエータを採用することも可能であ
る。本変形態様によれば、複数枚が積層された圧電バイ
モルフ１１の間に空気が流通するようになるので、圧電
バイモルフ１１の冷却が良くなり、長時間連続して運用
した場合にも圧電バイモルフ１１の過熱が防止されると
いう効果がある。

【００５５】なお、本変形態様に相当する変形態様は、
以下の各実施例に対しても実施することができ、本変形
態様と同様の作用効果が得られる。［実施例２］（実施例２の構成）本発明の実施例２としての可変焦点
レンズ装置は、図４に示すように、タンク８の壁面のう
ち図中下方のリング状の領域に変形容易なゴム製の弾性
壁８１’をもつ点が、実施例１と大きく異なる。これに
伴い、第二部材５は内周接合部２１を外周縁にもつ直径
がより小さな部材になっており、その代わりに第一部材
４はタンク８の外周壁をも含むやや大きな部材に変更さ
れている。その他の点では、本実施例の可変焦点レンズ
装置は実施例１とほぼ同様の構成を取っている。

【００５６】第一部材４の外周壁のリング状の（図中）
下端面と、第二部材５の底面とは、面一に形成されてい
る。そして、両部材４，５の間に形成されたリング溝状
のタンク８の内部空間の（図中）下面を塞いで、両部材
４，５にリング状ないし平ワッシャ状の薄いゴム板であ
る弾性壁８１’が接着されている。透明液体６であるシ
リコーン油に侵されないように、弾性壁８１’は、例え
ばシリコーンゴムからなり、弾性壁８１’をガラス製の
両部材４，５に接着している接着剤は、シリコーンゴム
系の接着剤である。

【００５７】（実施例２の作用効果）本実施例の可変焦
点レンズ装置では、弾性壁８１’は、曲率をもつ外周壁
を形成せず、曲率のない底部の壁部材になっているの
で、弾性壁８１’のゴム弾性の強弱によってタンク８内
の透明液体６の圧力が影響を受けることがない。また、
実施例１のごく薄いガラス板からなる弾性壁８１と異な
り、外力を受けて容易に割れてしまうような不都合は回
避されている。さらに、実施例１の弾性壁８１よりも、
ゴム製の弾性壁８１’はずっと大きく変形できるので、
熱膨張や熱収縮による透明液体６のより大きな体積変動
をも吸収してしまうことができる。逆に、熱膨張や熱収
縮による透明液体６の体積変動が同程度であれば、タン
ク８を形成しているリング状の溝の幅を狭くし、レンズ
部材２の外形をより小さくすることも可能になる。

【００５８】したがって、本実施例の可変焦点レンズ装
置によれば、実施例１よりも堅牢かつ製造容易でありな
がら、実施例１よりもさらにコンパクトに構成すること
ができるという効果がある。［実施例３］（実施例３の構成）本発明の実施例３としての可変焦点
レンズ装置は、実施例１とほぼ同様の構成であるが、図
５に示すように、タンク８の弾性壁８１の外側から温度
補償板８２が、薄いエポキシ樹脂の接着層により弾性壁
８１に接合されている。温度補償板８２は、例えば亜鉛
やアルミニウム等の金属からなり、ガラス製の弾性壁８
１の線膨張率よりも一桁程度も大きな線膨張率をもって
いるので、互いに張り合わされた弾性壁８１および温度
補償板８２は、一種のバイメタルを形成している。

【００５９】（実施例３の作用効果）本実施例の可変焦
点レンズ装置では、前述のように、タンク８は、弾性壁
８１の線膨張率よりも大きな線膨張率をもち弾性壁８１
に外側から接合された温度補償板８２を有する。それゆ
え、弾性壁８１と温度補償板８２とで、バイメタルのよ
うに温度によって凹凸に変化する壁面が形成される。

【００６０】すなわち、タンク８内の透明液体６が昇温
して弾性壁８１および温度補償板８２の温度が上昇する
と、タンク８の弾性壁８１および温度補償板８２が外側
に凸に膨らむ。その結果、タンク８の内部容量が増大し
て、タンク８がレンズ容器３の内部空間３０から透明液
体６を吸い出す。逆に、弾性壁８１および温度補償板８
２の温度が低下すると、タンク８の弾性壁８１が内側に
凸に膨らむので、タンク８の内部容量が減少して、タン
ク８がレンズ容器３の内部空間３０へ透明液体６を送り
出す。

【００６１】それゆえ、弾性壁８１および温度補償板８
２の線膨張率、ヤング率および厚さを適正に設定するこ
とにより、レンズ容器３の内部空間３０に充填された透
明液体６の熱膨張や熱収縮による体積変化に相当するタ
ンク容量の変化が起こるようにすることが可能である。
そうすれば、熱膨張や熱収縮による透明液体６の体積変
化を、ほとんど完全にタンク８の内部容積の変化で吸収
し、無くしてしまうことが可能になるので、温度補償機
能がより完全になる。

【００６２】したがって、本実施例の可変焦点レンズ装
置によれば、前述の実施例１の効果に加えて、より完全
な温度補償機能が発揮されるように設計することが可能
になるという効果がある。［実施例４］（実施例４の構成）本発明の実施例４としての可変焦点
レンズ装置は、実施例１の構成に加えて、図４に示すよ
うに、タンク８の弾性壁８１に圧電板８４が接合され
て、タンク８の壁面の一部に圧電ユニモルフ８３が形成
されている。すなわち、弾性板としての弾性壁８１と、
弾性壁８１に接合して形成された第一電極８４１と、第
一電極８４１に接合された圧電板８４と、圧電板８４の
表面に形成された第二電極８４２とから、リング状の圧
電ユニモルフ８３が構成されている。またタンク８とは
別体に、第一電極８４１と第二電極８４２との間に適正
な電圧を印加する電圧制御装置８５が装備されており、
両電極８４１，８４２と電圧制御装置８５とは、それぞ
れごく細いリード線で互いに導通している。

【００６３】（実施例４の作用効果）本実施例の可変焦
点レンズ装置では、タンク８の壁面の一部を形成する圧
電ユニモルフ８３をもつので、圧電ユニモルフ８３への
印加電圧を調整することにより、タンク８の内部容積を
所定の範囲で任意に変更することができる。すなわち、
圧電ユニモルフ８３を凹凸に変形させることにより、タ
ンク８の内部容積すなわち容量は変化する。それゆえ、
何らかの手段で透明液体６の熱膨張や熱収縮による体積
変化を計測ないし推定することができれば、タンク８の
容量を適正に調整することにより、透明液体６の体積変
化をタンク８で吸収することが可能になる。

【００６４】ここで、透明液体６の体積変化を計測する
手段としては、レンズ容器３またはその内部空間３０に
配設された温度センサや、レンズ容器３またはタンク８
に配設された圧力センサを採用することができる。ま
た、透明液体６の体積変化を推定する手段としては、本
装置の運用中の焦点位置の変動をリアルタイムで観測し
て推定したり、過去の本装置の運用中の焦点位置の変動
や透明液体の温度履歴等から推定するなどの手段があ
る。

【００６５】なお、本実施例の可変焦点レンズ装置で
は、操作員等の操作によって圧電ユニモルフ８３への印
加電圧を調整し、運用中の焦点位置を能動的に変更する
ことも可能である。したがって本実施例の可変焦点レン
ズ装置によれば、前述の実施例１の効果に加えて、より
完全な温度補償機能が発揮されるようになるとともに、
操作員等の操作によって焦点位置を能動的に調整するこ
とも可能になるという効果がある。

【００６６】［実施例５］（実施例５の構成）本発明の実施例５としての可変焦点
レンズ装置は、図７に示すように、タンク８は、狭隘な
流路９の開口部よりも高い位置に開口し外部空間と連通
する通気孔９’をもつ。本実施例の可変焦点レンズ装置
においては、前述の各実施例と異なり、タンク８の壁面
は全て剛な壁面で構成されており、タンク８の容積は調
整不能である。その他の点では、本実施例の可変焦点レ
ンズ装置の構成は、実施例１の構成とほぼ同様である。

【００６７】通気孔９’は、第一部材４の外周面の一部
に形成された溝として形成されており、一箇所ないし互
いに近接した複数箇所に形成されている。（実施例５の作用効果）本実施例の可変焦点レンズ装置
では、タンク８は、狭隘な流路９の開口部よりも高い位
置に開口し外部空間と連通する通気孔９’をもつ。それ
ゆえ、タンク８の内部空間で狭隘な流路９の開口部と通
気孔９’の開口部との間に透明液体６の液面を設定すれ
ば、タンク８の内部圧力は、外部空間と連通する通気孔
９’によって、常に外部空間の圧力と等価に保たれる。
その結果、定常的なレンズ容器３の内部空間３０での液
圧は、外部空間の圧力と等価に落ち着く。

【００６８】したがって本実施例の可変焦点レンズ装置
によれば、前述の実施例１の効果に加えて、極めて簡素
で製造容易でありながら、よりいっそう完全に温度補償
機能が発揮されるという効果がある。なお、タンク８の
内部に開口する通気孔９’の開口部が、タンク８の内部
での狭隘な流路９の開口部よりも十分に高い位置に形成
されていれば、熱膨張による透明液体６の体積変動によ
って透明液体６が通気孔９’から溢れるような不具合は
防止される。

【００６９】さらに、本実施例可変焦点レンズ装置で
は、通気孔９’は、単一であるか、または互いに近接し
た複数個であるので、本実施例の可変焦点レンズ装置の
使用の態様により傾けて使用したい場合には、通気孔
９’が上方になるように傾けて使用することが可能であ
る。それゆえ、本実施例の可変焦点レンズ装置は、前述
の各実施例のようにタンク８が密閉されていないので、
完全に自由な姿勢で使用することはできないが、通気孔
９’を上方にもってくることによりかなり広い範囲の姿
勢で移用することが可能である。

【００７０】［実施例６］（実施例６の構成）本発明の実施例６としての可変焦点
レンズ装置は、図８に示すように、タンク８を有せず、
互いに連通している狭隘な流路９と外部空間に連通する
通気孔９”とを介して、レンズ容器３の内周空間３０と
外部空間と連通している。その他の点については、本実
施例の可変焦点レンズ装置の構成は、実施例１の構成と
ほぼ同様である。

【００７１】（実施例６の作用効果）本実施例の可変焦
点レンズ装置では、レンズ容器３の内周空間３０が、狭
隘な流路９および通気孔９”を介して直接的に外部空間
に連通しているので、前述の実施例５と同様の作用効果
が得られる。ただし、実施例５と異なってタンク８を有
しないので、透明液体６の熱膨張があまり大きかった
り、積層型圧電アクチュエータ１がレンズ容器３の透明
封止部材４１を押圧したままの状態になると、透明液体
６が外部に溢れ出す恐れがある。透明液体６の溢れ出し
を防止するためには、通気孔９”の外部空間への開口部
に漏斗状の受け皿を接合する手段が有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１としての可変焦点レンズ装置の構成
を示す縦断面図

【図２】実施例１の可変焦点レンズ装置の可変焦点作
用を示す縦断面図

【図３】実施例１の可変焦点レンズ装置の温度補償作
用を示す縦断面図

【図４】実施例２としての可変焦点レンズ装置の構成
を示す縦断面図

【図５】実施例３としての可変焦点レンズ装置の構成
を示す縦断面図

【図６】実施例４としての可変焦点レンズ装置の構成
を示す縦断面図

【図７】実施例５としての可変焦点レンズ装置の構成
を示す縦断面図

【図８】実施例６としての可変焦点レンズ装置の構成
を示す縦断面図

【符号の説明】

１：積層型圧電アクチュエータ１１：圧電バイモルフ１２：外周連結部材１３：内周連結部材２：レンズ部材２１：内周接合部２２：外周接
合部３：レンズ容器３０：内部空間４：第一部材４１：透明封止部材５：第二部材５１：透明弾性膜５２：内周部材
５３：外周部材６：透明液体（シリコーン油）７：温度補償部８：リング状のタンク８１：弾性壁８１’：ゴム製の弾性壁８２：温度補償板８３：圧電ユニモルフ８４：圧電板８４１：第一電極８４２：第二電
極８５：電圧制御装置９：狭隘な流路９’，９”：通気孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円盤状の透明弾性膜と該透明弾性膜に対し
所定間隔を空けて対向して配設された透明封止部材とで
内部空間を形成しているレンズ容器と、該内部空間に充
填されている透明液体とで構成されたレンズ部材と、該内部空間の内部の圧力を変動させて該透明弾性膜を変
形させ、該レンズ部材の焦点を可変とするアクチュエー
タと、を有する可変焦点レンズ装置において、前記内部空間に連通し、熱膨張および熱収縮によって増
減する前記透明液体の体積のうち温度変動分を吸収する
温度補償部を有し、該温度補償部は、容積が可変のタンクと、該タンクと前
記内部空間とを連通しながら前記アクチュエータによる
急激な圧力変動によっては実質的に流路として機能しな
い狭隘な流路とをもつことを特徴とする可変焦点レンズ
装置。
【請求項２】前記タンクは、壁面のうち少なくとも一部
を形成する変形容易な弾性壁をもつ、請求項１記載の可
変焦点レンズ装置。
【請求項３】前記タンクは、前記弾性壁の線膨張率より
も大きな線膨張率をもち該弾性壁に外側から接合された
温度補償板を有する、請求項２記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項４】前記タンクは、壁面のうち少なくとも一部
を形成する圧電ユニモルフをもつ、請求項１記載の可変
焦点レンズ装置。
【請求項５】前記タンクは、前記流路の開口部よりも高
い位置に開口し外部空間と連通する通気孔をもつ、請求項１記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項６】前記タンクは、前記レンズ容器の周囲に同
軸的かつ一体的に形成されたリング状の空洞部である、請求項１記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項７】前記流路では、前記透明液体が一方へ流れ
る場合の流路抵抗と他方へ流れる場合の流路抵抗とが等
価である、請求項１記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項８】前記透明封止部材は、第二の透明弾性膜で
形成されている、請求項１記載の可変焦点レンズ装置。