JP2005185090A

JP2005185090A - 移動機構及びそれを用いた小型カメラ、ゴニオメーターとファイバースコープ

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Publication number: JP2005185090A
Application number: JP2004337823A
Authority: JP
Inventors: Toru Nakagawa; 徹中川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2024-11-22
Also published as: JP4628755B2

Abstract

【課題】カメラのピントを合わせるためにレンズと撮像素子の距離を調整するための小型化が容易で低電圧駆動できる移動機構とこの移動機構を用いた小型カメラ等を提供する。
【解決手段】第一構造体(101)と第二構造体(102)の間に液体(103)が配置され、液体(103)に電圧を印加してエレクトロウェッティング現象により液体(103)の形状を変化させて、第一構造体(101)と第二構造体(102)の間隔を調整する。これにより、小型化が容易で低電圧駆動できる位置移動機構を提供でき、さらに、この移動機構を用いた小型カメラ等を提供できる。また、この移動機構は、マイクロマシンの位置移動機構としても利用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スチルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話用カメラ等に使用される位置移動機構及びそれを用いた小型カメラに関する。

スチルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話用カメラ等は、撮影対象物の像をレンズを通して固体撮像素子又は電荷結合素子(CCD)や相補型金属酸化膜半導体集積回路(CMOS)などの撮像素子上に投影する仕組みになっている。撮像素子上にピントのあった像を投影するためには、レンズと撮影対象物との距離に応じて、レンズと撮像素子間の距離を調整する必要がある。

スチルカメラやビデオカメラでは、ピントを合わせるために、小型モータ等を用いてレンズを機械的に動かしてレンズと撮像素子の距離を調整している。これに対して、携帯電話搭載の微小カメラは、大きさの制限から、レンズを動かすような機械的機構を設けることは難しい。そのため、焦点深度の大きい広角レンズを用いてピント合わせを不要にしている。しかし、携帯電話用カメラにも、遠方にある物体から数cm程度の近距離にある物体までを撮影する機能が要求されている。現在の広角レンズだけではこのような機能を満足できないために、小型のカメラにおいてもピントを合わせるための機構が求められている。

モータを使わずにレンズを移動する方法は多数あり、その中でも、圧電素子を利用する方法は簡単で微小化が可能である。圧電体に所定の方向に電界を加えると圧電体の電気的分極モーメントの大きさが変わり、それに伴い伸縮する。この伸縮を利用すればレンズを移動することができる。

これとは別に、レンズ形状を変形させて焦点距離を変化させてピントを合わせる方法が提案されている。

特許文献１では、少なくとも一面側が透明弾性膜によって構成された圧力室内に作動油を封入して、透明弾性膜に作用する作動液による圧力によって透明弾性膜を変形させて焦点距離が可変制御されるようにしたレンズが記されている。このレンズにおいては、透明弾性膜の変形形状がレンズ収差の発生が小さくなるように最適化されるとともに、圧力室内の作動油の圧力を透明弾性膜に形成された圧力センサで計測し、その値を基に作動油の圧力を調整することにより、作動油の熱膨張及び収縮などによる焦点距離の変動も抑制するようにしている。

特許文献２では、第一電極と導電性弾性板との間に電位差を与えることによりクーロン力による吸引力を発生させて両者の間隔を狭め、その結果、両者の間隔から排斥された透明液体の体積をもって、透明弾性板の中央部分を透明液体に背向して凸に突出して変形させる可変焦点レンズについて記されている。

特許文献３では、エレクトロウェッティング現象を用いた可変焦点レンズが提案されている。透明電極上に撥水処理した透明な絶縁膜を形成し、その上に液滴を設置し、この液滴をレンズとして用いる。下部電極と液体間に電圧を印加すると液体／絶縁膜界面に電荷が発生して液体／絶縁膜の界面張力が低下するため液体の形状が変化する。この変化により焦点距離が可変なレンズが実現する。
特開平8-114703号公報特開平11-133210号公報特表2001-519539号公報

圧電体を用いてレンズを移動する方法は、構造が単純でサイズも小さくできる。例えば、板状に加工した強誘電体の二つの面の間に電界を加えた場合、電気双極子がこの面に垂直な場合、圧電体は面内方向に伸縮する。例えば、強誘電体としてLiNbO₃を用い、板厚が0.1mmで、板面積が縦：10mm、横：10mmである場合、面内方向に2μm縮めるためには1000V近くの電圧を加える必要がある。圧電定数の高い強誘電体やその形状を工夫することによりある程度印加電圧を下げることができるが、一般に圧電体に数百Vの電圧を印加する必要がある。携帯電話のような機器でこのような電圧を印加することは困難である。

特許文献１〜３の方法は、圧電体を用いる場合に比べると印加する電圧は小さくても良い。しかし、このような方法ではレンズの形状を精密に制御することは困難であり、歪みのないきれいな像を取り込むことは難しい。また、特許文献３では、レンズの形状は液体の表面張力によって球状となる。よりきれいな像を撮影するためにはレンズ形状が双曲線形状の非球面レンズが必要であるが、特許文献３の方法では困難である。

本発明は、レンズの形状を変えるのではなく、カメラのピントを合わせるためにレンズと撮像素子の距離を調整するための、小型化が容易で低電圧駆動できる移動機構を提供することにある。さらに、この移動機構を用いた小型カメラを提供する。

本発明の移動機構は、第一構造体と第二構造体の間に液体が配置され、前記液体に電圧を印加することにより、エレクトロウェッティング現象により前記液体の形状を変化させて、前記第一構造体と前記第二構造体の間隔を調整することを特徴とする。

本発明の別の移動機構は、第一構造体と第二構造体の隙間に液体が配置され、前記第一構造体と第二構造体がともに前記液体に接触し、前記第一構造体と第二構造体がお互い離れない束縛力を備えた移動機構であって、前記第一構造体の液体と接触する側の面が、第一電極と、前記第一電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第一撥水膜を含み、前記第二構造体の液体と接触する側の面には周辺に第二撥水膜が形成された第二電極が形成され、前記液体が前記第二電極及び前記第二撥水膜の両方に接触しており、前記第一電極と前記第二電極間に電圧を印加する手段を備え、前記電圧を変化することによりエレクトロウェッティング現象により前記液体の形状を変化させて前記第一構造体と前記第二構造体の面間隔を調整することを特徴とする。

本発明のカメラは、第一構造体と第二構造体の間に液体が配置され、前記液体に電圧を印加することにより、エレクトロウェッティング現象により前記液体の形状を変化させて、前記第一構造体と前記第二構造体の間隔を調整する移動メカニズムにより、撮像素子とレンズの距離を調整することを特徴とする。

本発明のゴニオメータは、第一構造体と第二構造体の間に液体が配置され、前記液体に電圧を印加することにより、エレクトロウェッティング現象により前記液体の形状を変化させて、前記第一構造体と前記第二構造体の間隔を調整する移動機構を用いたことを特徴とする。

本発明のファイバースコープは、第一構造体と第二構造体の間に液体が配置され、前記液体に電圧を印加することにより、エレクトロウェッティング現象により前記液体の形状を変化させて、前記第一構造体と前記第二構造体の間隔を調整する移動機構により、撮像素子の向きを調整することを特徴とする。

本発明は、小型化が容易で低電圧駆動できる位置移動機構を提供でき、さらに、この移動機構を用いた小型カメラを提供できる。また、この移動機構は、マイクロマシンの位置移動機構としても利用できる。

本発明者は、エレクトロウェッティング現象を用いることにより、小型化が容易で低電圧駆動できる位置移動機構が実現できることを見出した。そして、この移動機構を利用すれば、ピントが正確に制御できる小型カメラを実現できることを見出した。

本発明における「エレクトロウェッティング現象」とは、液体が接触している基材表面近傍の電荷密度が変化することにより、液体と基材表面間の界面張力が変化し、その結果、液体と基材間の濡れ性が変化する現象をいう。

まず、前記エレクトロウェッティング現象について図７Ａ−Ｂにより説明する。図７Ａ−Ｂにおいて、７０１は液体、７０２は撥水膜、７０３は基材、７０４は電極、７０５は電圧を印加しない時の接触角、７０６，７１２は液滴の高さ、７０７は液体の表面張力を示すベクトル、７０８は撥水膜の表面エネルギーを示すベクトル、７０９は液体と撥水膜の界面張力を示すベクトル、７１１は電圧印加時の液体の接触角、７１３は電圧印加時の界面張力、７１４は白金線、７１５は電圧印加手段である。

図７Ａで示すように、下部電極／絶縁膜／撥水膜上に液滴をおくと、液滴は下記のYoungの式（１）で示される接触角θを有する。

γs ＝ γlcosθ + γls0 (1)
（但し、γs は撥水膜の表面張力、γlは液体の表面張力、γls0は、液体と撥水膜間の界面張力である。）
図７Ｂに示すように、液体に細い電極線を挿入し、この電極線と下部電極間に電圧Vを加えると液体と撥水膜界面に電荷が生じ、この電荷によって液体と撥水膜の界面張力は低下する。

絶縁膜と撥水膜で形成される単位面積当たりのコンデンサー容量をC、加えた電圧をVとすると次の（2）式が成り立つ。

γls ＝ γls0 − 1/2×C×V² （2）
（但し、γls0は、V=0の時の界面張力である。）
前記式（1）と（2）から次の(3)式が導出できる。

cosθ（V）= cosθ（0） + 1/2×C×V² （3）
（但し、cosθ（V）は電圧Vにおけるcosθ、cosθ（0）はV=0のcosθである。）
従って、図７Ｂで示すように、電圧を印加することによりθは小さくなる。これに伴い、液体と撥水膜との接触面積が大きくなり、液面の高さは小さくなる。

図８Ａは凸形状の液体にはさまれた２つの平板の模式図であり、図８Ｂはエレクトロウェッティング現象によって形状が変化した液体にはさまれた２つの平板の模式図である。図８Ａ−Ｂにおいて、８０１は二つの平板に挟まれた液体、８０５，８０６，８１０，８１１は板と液体との接触領域、８０４，８１３は凸形状、８０７，８１２は二平板の間隔、８０８，８０９，８１４，８１５は板が液体から受ける抗力である。

図８Ａは、二つの平板が液体が挟まれた状態を示した模式図である。下部の平板は動かないように固定されており、重力は紙面内で下向きに働いているとする。面と接触していない部分の液体の形８０４（以後液体の形状という）は凸形状であるとする。このとき、液体の内部の圧力は外部圧力よりも△Pだけ高くなる。従って、液体は板面に対して圧力ΔPを及ぼす。△Pは以下に示すYoung-Laplaceの式（４）から求められる。

ΔP = 2γl／R0 （４）
（但し、γlは液体の表面張力、R0は液体の曲率半径である。）
上部の平板と液体の接触面積をSとすると、板は上向きに、2γl／R0×Sの抗力を受ける。上部の板はこの液体からの力と重力によって釣り合うので、二つの平板は一定間隔に保たれる。

ここで、エレクトロウェッティング現象を利用して液体と二つの面との接触角を小さくした場合を考える。図８Ｂは、エレクトロウェッティング現象によって図８Ａの液体の接触角を小さくした場合の模式図である。接触角が小さくなると、液体は広がり液体の高さが小さくなるので、面間隔は小さくなる。これに伴い、液体とそれぞれの面との接触面積、及び、液体の曲率半径は大きくなる。

このとき、上部平板に働く上方の力は、2γl／R１×S’となる。ただし、R1、S'はそれぞれ液体の曲率半径、液体と上部板との接触面積である。この斥力と重力によって二つの面の間隔が一定に保たれる。従って、エレクトロウェッティング現象を利用すれば、二つの面の間隔を調整することが可能となる。

以下に本発明の位置移動機構を示す。

（位置移動機構１）
図１において、１０１は第１構造体、１０２は第２構造体、１１１は第１構造体の基材、１１２は第２構造体の基材、１０３は液体、１０７は第１撥水膜、１０８は第２撥水膜、１０６は絶縁膜、１０５は第一電極、１０９は第２電極、１１０は第１電極と第２電極間に電圧を印加する手段である。

図１に示すように、第一構造体１０１と第二構造体１０２の隙間に液体１０３が配置され、前記第一構造体と第二構造体はともに前記液体に接触している。前記第一構造体と第二構造体がお互い離れないような束縛力１０４が作用する。これは前記液体の表面張力によるものである。前記第一構造体の液体と接触する側の面は、第一電極１０５と、前記第一電極上に形成された絶縁膜１０６と、前記絶縁膜上に形成された第一撥水膜１０７とからなる。前記第二構造体の液体と接触する側の面には周辺に第二撥水膜１０８が形成された第二電極１０９が配置されている。前記液体は前記第二電極及び前記第二撥水膜の両方に接触している。前記第一電極と前記第二電極間に電圧を印加し、電圧変化することによりエレクトロウェッティング現象をおこさせ、前記液体の形状を変化させて前記第一構造体と前記第二構造体の面間隔を調整する。

図１に示すように、液体１０３は第２電極１０９周辺の第２撥水膜１０８と必ず接触している。第１電極と第２電極間に電圧を印加しても、第２撥水膜と液体界面には電荷が誘起されないので、第２撥水膜と液体との静的接触角θ１１３は常に一定である。特に、θが９０度以上の場合、液体は常に凸形状となり、液体の内部圧は外気圧よりも高くなり、構造体１と２の間隔を広げる方向の抗力が発生する。この抗力が、二つの構造体に働く束縛力１０４と釣り合い、二つの構造体の間隔は保たれる。第１電極と第２電極間に電圧を印加すると、エレクトロウェッティング現象により第一撥水膜上の液体は広がり液体の高さは変わるため、構造体１と構造体２の間隔は小さくなる。このようにして、印加する電圧を調整することにより、二つの構造体の間隔を制御することが可能となる。本発明において、液体の第二撥水膜に対する好ましい静的接触角θは、９０度以上１５０度以下の範囲である。前記静的接触角θが９０度未満であると、液体は広がり、構造体１と構造体２の間隔を広げる機能が低下する。

（位置移動機構２）
本発明の好ましい形態は、移動機構１において、第１構造体と第２構造体の間に、液体と混ざり合わない充填用液体が満たされており、前記充填液が凹形状であって、前記充填用液体の表面張力によって束縛力が発生する。

図２は、本発明の位置移動機構の一例の模式図である。第１構造体１０１と第２構造体１０２の間に充填用液体２１を満たし、かつ、この２つの構造体及び液体１０３に接触していない部分における充填用液体２１の液面形状２２（以後、液体の形状と記す）が凹形状になるようにしている。この凹形状の充填液体が二つの構造体の束縛力となる。他の符号は図１と同一のものを示すので省略する。

図９を用いて、充填液が凹形状の場合に束縛力が発生する機構を示す。液体によって挟まれた二つの平板91、92があり、液体が凹形状の場合、液体は外部の圧力に対してΔP'だけ負圧となり、二つの面を近づけようとする圧力が働く。ΔP’は、（４）式と同様に、求めることができる。

ΔP'＝2γl／Rx （５）
（但し、γlは液体の表面張力、Rxは液面の曲率半径である。）
従って、平板と液体との接触面積をSxとすると、平板はΔP'×Sx の力で引き合うことになる。なお、９３は二つの平板に挟まれた液体、９４は凹形状、９５，９６は板と液体との接触領域、９７，９８は板が液体から受ける引力である。

本発明によれば、束縛力を充填液によって発生させるため、束縛力発生機構が単純となり、位置移動機構の大きさを小さくすることが可能となる。

（位置移動機構３）
本発明のより好ましい位置移動機構は、位置移動機構１において、第一構造体の絶縁体上には撥水膜の形成されていない親水性の領域があり、前記親水性の領域に液体が接触している。

図３に、位置移動機構の一例の模式図を示す。この位置移動機構においては、絶えず、液体１０３は親水性の位置３１を中心とする位置にあるため、再現性良く二つの構造体の位置を制御することが可能となる。

一般に、撥水領域接触する液体はその位置が変わりやすい。これは、フッ素樹脂の板に置かれた液体は、板を傾けると容易に転がり落ちることからも明らかである。図１０Ａ−Ｂで示すように、二つの構造体において、印加する電圧が同じでも、液体の位置が変わると、構造体の間隔やその位置関係が異なる可能性がある。図１１Ａ‐Ｂにおいて、３０１は液体、３０２は基材、３０３は親水性領域である。図１１Ａ−Ｂで示すように、液体が親水性領域と撥水性領域の両方に接している場合、その液体は、図１１Ａで示すような位置にあるよりも、図１１Ｂで示すような親水性領域を中心とした位置にいる方がエネルギー的に安定となる。従って、本位置移動機構において、液体の一部は親水性領域に接しているため、液体の中心は必ずこの親水性領域に位置する。この結果、第一電極と第二電極間に電圧を印加したりしなかったりする操作を繰り返しても、液体の中心位置は、必ず親水性領域にあるので、二つの構造体の位置関係を再現性良く制御することが可能となる。

（位置移動機構４）
本発明のより好ましい位置移動機構は、位置移動機構１において、親水性の領域が凹部形状である。

図４は、本発明の位置移動機構の一例を示す模式図である。親水性領域41が凹部形状であれば、液体と親水性部分の接触面積が大きくなるため、液体の中心は凹部にとどまりやすく、位置移動操作を繰り返しても液体の中心位置は一定に保たれる。そのため、再現性良く二つの構造体の位置の制御が可能となる。

（位置移動機構５）
本発明のより好ましい位置移動機構は、第一構造体において、第１電極の面積が撥水膜の面積よりも小さく、液体が電極の真上の位置に位置している。

図５は、本発明の位置移動機構の一例を示す模式図である。第１電極と第２間に電圧を印加すると、電極上部の撥水膜上にある液体エレクトロウェッティング現象によって広がる。しかし、電極が下部にない撥水膜上ではその界面張力は変化しないため、いくら電圧を高くしても、液体は電極のある範囲52より外には広がらない。従って、二つの構造体の最小間隔を正確に制御することが可能となる。図５において、１０１は第１構造体、１０２は第２構造体、１１１は第１構造体の基材、１１２は第２構造体の基材、１０３は液体、２１は充填用液体、１０７は第１撥水膜、１０８は第２撥水膜、５３，１０６は絶縁膜、３１は親水性領域、５１は第１電極、１０９は第２電極、１１０は第１電極と第２電極間に電圧を印加する手段である。５２はエレクトロウェッティング現象の起こる範囲を示す矢印である。

（位置移動機構６）
本発明のより好ましい位置移動機構は、位置移動機構１〜５において、液体が２個以上配置されている。

図６は、本発明の位置移動機構の一例を示す模式図である。液体が一つの場合に比べると、構造体１と２の傾斜角を安定に保つことが可能となる。図６において、６０１は第１構造体、６０２は第２構造体、６０３は第２構造体の基材、６０４は第１構造体の基材、６０５は液体、６０６は充填用液体、６０７は第１撥水膜、６１３は第２撥水膜、６０８，６０９は絶縁膜、６１０は親水性領域、６１４は第１電極、６１１は第２電極、６１２は第１電極と第２電極間に電圧を印加する手段である。

（位置移動機構７）
本発明のより好ましい位置移動機構は、位置移動機構６において、印加する電圧の値を液体ごとに独立に設定できる手段を備えている。

図１６は、本発明の位置移動機構の一例を示す模式図である。電圧を印加する手段１（６１５）と手段２（６１６）によって各液体に独立に電圧を印加できるので、第１構造体６０１と第２構造体６０２の距離と向き合う面の傾きを調整することが可能となる。例えば、電圧印加手段１によって左側の液体のみに電圧を印加すれば、第１構造体と第２構造体の図中左側の距離が狭まるので、両構造体の傾きが変わる。図１６では液体が２個配置されている場合を示しているが、紙面に対して手前と奥にそれぞれ液体を加えれば、第１構造体と第２構造体の向かい合う面の角度を自由に変えることが可能となる。

また、本発明の小型カメラは、移動機構１〜７の位置移動機構により撮像素子とレンズの距離を調整する。

また、本発明のゴニオメータは、１〜７の移動機構により、面の傾きを調整する。
また、本発明のファイバースコープは、ファイバーの一方の先端に小型カメラが設置されていて、ここで取り込んだ映像信号をファイバーの他方の先端に伝達する構造であって、小型カメラのレンズの方向を移動機構１〜７を用いたゴニオメータで調整する。

以下、本発明の理解を容易にするため、本発明の実施形態について説明するが、本発明は、この実施形態に挙げられたもののみに限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１２は、本発明の位置移動機構の模式図である。第一構造体１０１、液体１０３、第２構造体１０２近傍の断面図を図１に示す。本実施形態では、第１構造体は固定筒４０４の底面の一部となっている。第２構造体１０２は筒内を上下に移動できるようになっている。重力は紙面内で下方向に働いているとする。従って、図中、第２構造体に働く束縛力１０４は重力である。

固定筒４０４は内径１０ｍｍ、高さ３０ｍｍの形状で、材質はポリカーボネート樹脂である。第１構造体１０１は、厚み１００μｍのシリコン基板１１１（図１参照。図１２では第１構造体１０１の一部に含まれる。）、厚み１００ｎｍの白金電極１０５（図１の第１電極。）、厚み１００ｎｍのチタン酸ジルコン酸鉛１０６（以下ＰＺＴと記述。図１では絶縁膜。）、厚み１ｎｍ程度の撥水膜１０７（図１では第１撥水膜。）からなり、これが固定筒４０４に固定されている。また、第２構造体１０２は厚み１００μｍ円盤状のポリカーボネートであり、中心に直径１ｍｍの白金電極１０９（図１の第２電極。）が形成されており、この白金電極の周りには、第１構造体と同じ第２撥水膜１０８が形成されている。第１構造体と第２構造体の隙間には、１ｍＭのＫＣｌ水溶液６００μｌ（図１では液体。）が挿入されている。溶液は第２構造体の中心に位置し、第２電極と接触している。第１電極と第２電極には、ＤＣ電圧が印加できるようになっている。本実施例の位置移動機構では、ＤＣ５Ｖを印加することによって、第２構造体が第１構造体に５００μｍ近づくように設計されている。

以下に、第１構造体と第２構造体の作製方法を説明する。
（１）第１構造体の作製方法
シリコン基板上に、第１電極を真空スパッタリング法で形成した後、引き続き、ＰＺＴを真空スパッタリング法によって形成した。作製したＰＺＴ表面に、１１０℃のオゾン雰囲気中でＵＶ光を１０分間照射した。その後、基材をＣＦ₃（ＣＦ₂）₇Ｃ₂Ｈ₄ＳｉＣｌ₃が１ｖｏｌ％溶解したｎ−ヘキサデカンとクロロホルムの混合溶媒（体積比で４：１）に３時間浸漬し、その後、基材をクロロホルムで洗浄した。これらの浸漬と洗浄の操作は、窒素雰囲気中で行った。その後、基材を水洗した。この結果、ＰＺＴには厚み１ｎｍ以下の撥水性単分子膜が形成された。
（２）第２構造体の作製方法
メタルマスクを用いた真空スパッタリング法によって、厚み１００μｍ円盤状のポリカーボネート基材に第２電極を作製した。その後、電極を形成した基材面に、室温でオゾンと雰囲気中でＵＶ光を１０分間照射した。その後、基材を、ＣＦ₃（ＣＦ₂）₇Ｃ₂Ｈ₄ＳｉＣｌ₃が１ｖｏｌ％溶解したｎ−パーフルオロオクタン溶媒に３時間浸漬し、その後、基材をｎ−パーフルオロオクタンで洗浄した。これらの浸漬と洗浄の操作は、窒素雰囲気中で行った。その後、基材を水洗した。次に、電極が形成された基材面にメタルマスクを密着させ、電極部のみに酸素プラズマを照射して電極上の撥水性単分子膜を除去した。この結果、第２電極上以外に厚み１ｎｍ以下の撥水性単分子膜が形成された第２構造体が作製できた。

液体として、１ｍＭのＫＣｌ水溶液を滴下させたときの第二撥水膜に対する静的接触角θは、１２０度であった。

本実施例で用いたＰＺＴ薄膜は誘電率が７００と高いため、（３）式においてコンデンサ−容量Ｃが大きくなり、低電圧印加でも大きなエレクトロウェッティング現象を得ることができる。さらに、本実施例で用いた単分子膜は膜厚が１ｎｍ以下と小さいため、（３）式において容量Ｃが大きくなり低電圧印加でも大きなエレクトロウェッティング現象を得ることができる。また、本実施例の単分子膜はＰＺＴ表面とシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ）しているので、膜が剥離することが無く、耐久性の高い位置移動機構を実現することが可能となる。

なお、本実施例では絶縁膜としてPZTを用いたが、これに限る必要はない。用いる絶縁膜は、（３）式で、容量Cを大きくするために、誘電率の大きな強誘電体が望ましい。強誘電体としては、PZTにマグネシウム、マンガン、コバルト、鉄、ニッケル、ニオブ、スカンジウム、タンタル、ビスマス、タンタルなどを添加したもの等がある。また、バリウム酸ストロンチウム酸チタン酸化合物も有用である。

また、撥水膜も単分子膜に限る必要はなく、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂を用いても良い。また、ＣＦ₃（ＣＦ₂）₇Ｃ₂Ｈ₄Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₃、アルコール、水、酸性触媒の混合溶液を塗布することでも撥水膜を形成することが可能である。また、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄、ＣＦ₃（ＣＦ₂）₇Ｃ₂Ｈ₄Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₃、アルコール、水、酸性触媒の混合溶液を塗布後、焼成することでも撥水膜を形成することが可能である。

また、本実施例では、液体として、１ｍＭのＫＣｌ水溶液を用いたが、これに限る必要はなく、他の水溶液、有機溶剤、もしくは、水溶液と有機溶剤の混合物を用いても良い。特に、低電圧で液体と絶縁膜との界面張力を大きく変化させるためには、液体と絶縁膜界面に多くの電荷を発生させる必要があるので、用いる液体は電解液であることが好ましい。

水溶性の電解液としては、例えば、ＮａＣｌ水溶液、ＮａＢｒ水溶液、ＮＨ₄Ｃｌ水溶液、様々な塩を含む緩衝溶液などがある。有機溶剤を用いた電解液の場合は、溶媒としては無水酢酸、メタノール、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホアミドが使用でき、電解質としては、ＮａＣｌＯ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＫＯＨ、ＫＯＣＨ₃、ＮａＯＣＨ₃、ＬｉＣｌ、ＮＨ₄Ｃｌ、ｎ−（ＣＨ₃Ｃ₃Ｈ₆）₄Ｎi、Ｍｇ（ＣｌＯ₄）₂、ＮａＢＦ₄などが使用できる。また、微量の水溶性電解液を含む、アルコール系溶媒、各種エステル類、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素、ハロゲン化炭化水素、その他の種々の油なども使用できる。塩又は電解質の好ましい存在量は10^-4質量％以上30質量％以下の範囲である。

（実施の形態２）
図１３は、本発明の位置移動機構の模式図である。図２は、第１構造体１０１、液体１０３、第２構造体１０２近傍の断面図である。本発明の基本的な構造は実施の形態１と同様であるが、充填用液体２１が新たに加えられている。１００１は固定筒である。本実施の形態では、充填用液体として、比重1.0、粘度10ｃＰｓ（センチポイズ）の有機変性シリコーン油（Gelest製、フェニルメチルシロキサンホモポリマー）を用いた。充填用液体の量は、内部に液体１０３を完全に含み、内部に気泡が入らず、さらに、第１構造体と第２構造体の隙間からはみ出ないように調整した。充填用液体の表面張力は30dyne/cm程度であり、充填された時の液面は凹形状であった。このため、充填液は外部圧に比べて負圧になり、第１構造体と第２構造体間には引力が働くようになる。この引力が、第１構造体と第２構造体を束縛する力となる。

束縛力が重力の場合は、固定筒を傾けたり逆さまにしたりすると、二つの構造体に挟まれている液体が両構造体から離れて位置移動機構として動作しなくなるが、充填用液体の表面張力を束縛力とした場合は、固定筒がどのような傾きにあっても、充填液体は両構造体に接触しており、位置移動機構として動作することができる。

本実施例では充填用液体として比重が水に近いシリコーン油を用いているため、浮力によって液体１０３の位置がずれることは無い。

なお、充填用液体はシリコーン油に限る必要はなく、例えば、フッ素系油を用いても良い。液体１０３が水溶液の場合、フッ素系油はシリコーン以上に水との親和性がないので、長時間たっても液体が充填用液体に溶け出すことはなく、長時間の使用に耐え得る位置移動機構が実現できる。

（実施の形態３）
実施の形態２と同様の位置移動機構を形成した。ただし、第１構造体の絶縁体上には撥水膜の形成されていない親水性の領域があり、前記親水性の領域に液体が接触している。本実施の形態の第１構造体、液体、第２構造体付近の断面図を図３に示す。第１構造体１０１の中心に直径1mmの円形の親水性領域３１を形成している。この親水性領域は、撥水膜形成後、直径1mmの円形の穴の空いたメタルマスクを撥水膜に密着させ、メタルマスクに酸素プラズマを照射することにより形成した。すなわち、穴の空いた部分にある撥水膜だけ酸素プラズマが当たり撥水膜が除去されると同時に、PZTが親水化された。

親水性の領域に液体が接触していることにより、液体は親水性領域を中心とした位置からずれることがないので、第１構造体と第２構造体の位置関係がずれることがない。

（実施の形態４）
実施の形態３と同様の位置移動機構を作製した。ただし、親水性領域は凹形状とした。図４に第１構造体、液体、第２構造体付近の断面図を示す。親水性領域４１は、底面が直径1mmの円で、深さが80nmの凹部形状となっている。この凹部は、撥水膜を形成する前に、PZT膜に、フォトリソグラフィー法によって穴を開けた。PZT膜のエッチング液にはフッ酸と硝酸の混合水溶液を用いた。その後、実施の形態３と同様に、撥水膜を形成後、凹部のみの撥水膜を酸素プラズマ処理によって除いた。

本実施形態においては親水性領域が平らな場合に比べて液体の接触面積が増大し、液体は親水性領域から離れにくい。従って、位置移動操作を繰り返しても、液体の中心位置は必ず親水性領域にあってずれることはなく、第１構造体と第２構造体の位置関係を正確に保つことが可能となる。

（実施の形態５）
実施の形態３と同様に位置移動機構を作製した。ただし、第一構造体において、第一電極の面積が撥水膜の面積よりも小さく、液体が電極の真上の位置になるようにした。第１構造体、液体、第２構造体付近の断面図を図５に示す。

第１電極５１の形状は、直径５ｍｍの円形とした。この中心には親水性の領域３１がある。第１電極と第２間に電圧を印加すると、電極上部の撥水膜上にある液体エレクトロウェッティング現象によって広がる。しかし、電極が下部にない撥水膜上ではその界面張力は変化しないため、いくら電圧を高くしても液体は電極のある範囲５２より外には広がらない。従って、二つの構造体の最小間隔を正確に制御することが可能となる。

（実施の形態６）
図１４Ａに、本実施の形態の模式図を示す。図１４Ｂは第１構造体６０１を上部から見た平面図であり、第１撥水膜６０７上の液体６０５の配置を模式的に示している。図６は、第１構造体、液体、第２構造体付近の断面図である。本発明の基本的な構造は、実施の形態５と同じであるが、液体６０５が多数個配置されているところが異なる。液体が一つの場合に比べ、本実施例のように液体が多数個ある場合、二つの構造体の傾斜角を安定に保つことが可能となる。

第１撥水膜上には、体積が０．５μｌの液体６０５を、液体の中心間隔が２ｍｍとなるように多数個配置されている。ただし、液体は、第１構造体の周囲から２ｍｍの範囲に収まるようになっている（図中点線６１５の内側）。なお、配置された液体の第１撥水膜との接触領域は、電圧を印加しない状態で、直径０．２ｍｍの円内領域であった。また、図６で示すように、液体の中心部分６１０は親水性領域とした。親水領域は、直径５０μｍの円内部領域とした。また、それぞれの親水性領域の下に、直径１ｍｍの円形の第１電極６１４を形成した。また、第２構造体６０２の第２電極６１１は、第１電極６１４の真上に位置するようにし、形状は、直径５０μｍの円形とした。

本位置移動機構は、第１電極と第２電極間にＤＣ５Ｖの電圧を印加したとき第１構造体と第２構造体の間隔が１００μｍだけ接近するように設計されている。

（実施の形態７）
本実施の形態の小型カメラの模式図を図１５に示す。実施の形態６で示した位置移動機構の第２構造体６０２に撮像素子１００３が固定されている。撮像素子の上部には対物レンズ１００２が設置されている。撮影対象物は対物レンズ１００２を通して撮像素子１００３に像を結ぶ。像のピント合わせは、第２構造体６０２が上下に移動し、撮像素子１００３と対物レンズ１００２の距離を調整すること行う。実施の形態６と同様、第１電極と第２電極間にＤＣ５Ｖの電圧を印加したとき第１構造体と第２構造体の間隔が１００μｍ移動できる。

（実施の形態８）
本実施の形態のゴニオメータは、実施の形態６において、各液体に印加する電圧を独立に制御できる機構を備える。基本的な構造は図１４と同じであるが、各液体に独立に電圧印加するための機構を備えている。また、第２構造体６０２の外径は、固定筒の内径より1mm値小さめに設計することにより、第２構造体が筒内で自由に傾くことができるようになっている。

（実施の形態９）
本実施の形態のファイバースコープ全体の概略図を図１７Ａに示す。本発明のファイバースコープは、柔軟性がある細長い円筒形のファイバースコープ１６１の一方の末端１６２に小型カメラが取り付けられ、他方の末端１６３には小型カメラで撮影した画像情報をファイバーを通して取り出すための機構が備わっている（取り出すための機構は図示せず）。図１７Ｂは、小型カメラの設置されているファイバースコープ末端１６２部分の拡大模式図である。この部分の基本的な構造は実施の形態８と同じであるが、第２構造体１６４には撮像素子とレンズを備えた小型カメラが固定されている点で異なる（カメラの構造の詳細は図では示さず）。本カメラでは焦点深度の深いレンズを使用してピント合わせを不要にしている。そのため、本カメラで撮影する対象物の画質は、実施の形態７の場合に比べると劣るが、撮影する対象と撮影目的によってはその要求を充分満足することができる。図１７Ｂに示すように、本カメラにおいては、それぞれの液体６０５に電圧を独立に印加して第２構造体１６４の傾きを自由に調整できるので、撮影する対象物の位置に合わせてカメラの向きを合わせることが可能である。２１は充填用液体、１０１は第１構造体、１００１は固定筒である。

［産業上の利用可能性］
本発明の位置移動機構を用いれば、小型化が容易で、低電力で位置を移動できるので、医療用マイクロマシンの位置移動機構としても利用できる。たとえば、胃カメラや大腸カメラの先端に設置する手術用アクチュエータなどにも利用できる。

本発明の一実施形態における位置移動機構の断面を示す模式図。本発明の一実施形態における位置移動機構の断面を示す模式図。本発明の一実施形態における位置移動機構の断面を示す模式図。本発明の一実施形態における位置移動機構の断面を示す模式図。本発明の一実施形態における位置移動機構の断面を示す模式図。本発明の一実施形態における位置移動機構の断面を示す模式図。本発明の一実施形態における撥水膜上に滴下された液体の状態を示す模式図であり、Ａは撥水膜上に滴下された液体の状態を示した模式図、Ｂはエレクトロウェッティング現象によって形状が変化した液体の状態を示した模式図。本発明の一実施形態における液体の状態を示した模式図であり、Ａは２つの平板にはさまれた凸形状の液体の模式図であり、Ｂはエレクトロウェッティング現象によって形状が変化した液体にはさまれた２つの平板の模式図。本発明の一実施形態における凹形状の液体にはさまれた２つの平板の模式図。本発明の一実施形態における液体にはさまれた２つの平板の模式図であり、ＡとＢで液体の位置が異なる例を示す。本発明の一実施形態における撥水性と親水性の領域に同時に接触した液体の模式図であり、Ａは初期の状態、Ｂはエネルギーが安定な状態を示す。本発明の一実施形態における位置移動機構を示す模式図。本発明の一実施形態における位置移動機構を示す模式図。本発明の一実施形態における位置移動機構を示す模式図であり、Ａは本発明の位置移動機構を示す模式図、Ｂは第１構造体を上部から見た平面図、液体の配置を示す。本発明の一実施形態のカメラを示す模式図。本発明の一実施形態における位置移動機構の断面を示す模式図。Ａは本実施の一実施形態におけるファイバースコープ全体の概略図、Ｂは同、小型カメラの設置されているファイバー末端部分の拡大模式図。

符号の説明

101,601,201,601 第１構造体
102,602,202,602 第２構造体
103,605,701,710,301 液体
104 束縛力
51,105,614 第１電極
106,608,703、609、53 絶縁膜
107,607 第１撥水膜
108,613 第２撥水膜
109,611 第２電極
110,612 第１電極と第２電極間に電圧を印加する手段
111,604 第１構造体の一部
112,603 第２構造体の一部
113 液体と第２撥水膜との静的接触角
21,606 充填用液体
22 充填用液体の形状
31,303,610 親水性領域
41 凹領域
52 エレクトロウェッティング現象の起こる範囲を示す矢印
615 液体が配置される範囲を示す線
702 撥水膜
704 電極
705 電圧を印加しない時の接触角
706,712 液滴の高さ
707 液体の表面張力を示すベクトル
708 撥水膜の表面エネルギーを示すベクトル
709 液体と撥水膜の界面張力を示すベクトル
711 電圧印加時の液体の接触角
713 電圧印加時の界面張力
714 白金線
715 電圧印加手段
91,802 上部の平板
92,803 下部の平板
93,801,203 二つの平板に挟まれた液体
94 凹形状
95,96,805,806,810,811 板と液体との接触領域
97,98 板が液体から受ける引力
804,813 凸形状
807,812 二平板の間隔
808,809,814,815 板が液体から受ける抗力
204 位置がずれた液体
302 撥水性領域
304 親水性領域を中心位置とする液体
404,1001 固定筒
1002 対物レンズ
1003 撮像素子

Claims

第一構造体と第二構造体の間に液体が配置され、前記液体に電圧を印加することにより、エレクトロウェッティング現象により前記液体の形状を変化させて、前記第一構造体と前記第二構造体の間隔を調整する移動機構。
前記第一構造体の液体と接触する側の面が、第一電極と、前記第一電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第一撥水膜を含む請求項１に記載の移動機構。
前記第二構造体の液体と接触する側の面には周辺に第二撥水膜が形成された第二電極が形成され、前記液体が前記第二電極及び前記第二撥水膜の両方に接触している請求項１に記載の移動機構。
前記第一構造体と第二構造体との間の前記液体の表面張力により、前記第一構造体と第二構造体がお互い離れない束縛力を備えた請求項１に記載の移動機構。
前記液体の第二撥水膜に対する静的接触角θが90度より大きい請求項３に記載の移動機構。
前記第一構造体と第二構造体の間に前記液体と混ざり合わない充填用液体が満たされており、前記充填用液体の前記第一構造体、前記第二構造体及び前記液体に接触していない部分における液面形状が凹形状である請求項１に記載の移動機構。
前記第一構造体の絶縁体上には撥水膜の形成されていない親水性の領域があり、前記親水性の領域に前記液体が接触している請求項２に記載の移動機構。
前記親水性の領域が凹部形状である請求項７に記載の移動機構。
前記第一構造体において、第一電極の面積が撥水膜の面積よりも小さく、前記液体が電極の真上の位置に位置している請求項２に記載の移動機構。
前記液体が２個所以上配置されている請求項１に記載の移動機構。
前記液体に印加する電圧の値を前記液体ごとに独立に設定できる手段を備えた請求項１０記載の移動機構。
前記第一構造体と第二構造体を含めた周囲に枠体をさらに備えた請求項１０記載の移動機構。
第一構造体と第二構造体の隙間に液体が配置され、前記第一構造体と第二構造体がともに前記液体に接触し、
前記第一構造体の液体と接触する側の面が、第一電極と、前記第一電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第一撥水膜を含み、
前記第二構造体の液体と接触する側の面には周辺に第二撥水膜が形成された第二電極が形成され、
前記液体が前記第二電極及び前記第二撥水膜の両方に接触しており、
前記第一電極と前記第二電極間に電圧を印加する手段を備える移動機構。
前記液体の第二撥水膜に対する静的接触角θが９０度より大きい請求項１３に記載の移動機構。
前記第一構造体と第二構造体の間に前記液体と混ざり合わない充填用液体が満たされており、前記充填用液体の前記第一構造体、前記第二構造体及び前記液体に接触していない部分における液面形状が凹形状である請求項１に記載の移動機構。
前記第一構造体の絶縁体上には撥水膜の形成されていない親水性の領域があり、前記親水性の領域に液体が接触している請求項１３に記載の移動機構。
前記親水性の領域が凹部形状である請求項１６に記載の移動機構。
前記第一構造体において、第一電極の面積が撥水膜の面積よりも小さく、前記液体が電極の真上の位置に位置している請求項１３に記載の移動機構。
前記液体が２個所以上配置されている請求項１３に記載の移動機構。
前記液体に印加する電圧の値を前記液体ごとに独立に設定できる手段を備えた請求項１９に記載の移動機構。
第一構造体と第二構造体の間に液体が配置され、前記液体に電圧を印加することにより、エレクトロウェッティング現象により前記液体の形状を変化させて、前記第一構造体と前記第二構造体の間隔を調整する移動メカニズムにより、撮像素子とレンズの距離を調整することを特徴とするカメラ。
第一構造体と第二構造体の間に液体が配置され、前記液体に電圧を印加することにより、エレクトロウェッティング現象により前記液体の形状を変化させて、前記第一構造体と前記第二構造体の間隔を調整する移動機構を用いたことを特徴とするゴニオメータ。
第一構造体と第二構造体の間に液体が配置され、前記液体に電圧を印加することにより、エレクトロウェッティング現象により前記液体の形状を変化させて、前記第一構造体と前記第二構造体の間隔を調整する移動機構により、撮像素子の向きを調整することを特徴とするファイバースコープ。