JP2007219521A - 信頼性が確保された液体レンズ用絶縁液及びその絶縁液を用いた液体レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】液体レンズ用絶縁液に好適なシリコーンオイルを提供する。
【解決手段】式（１）乃至（３）のうちの少なくとも一つの化合物を含む、液体レンズ用絶縁液に使用されるシリコーンオイル。

上記式中、Ｒ_１乃至Ｒ_６は互いに独立して、アルキル基及びハロゲンで置換されていてもよいフェニル基、並びに分子量２００以下のシラノ−ル基、アルキル基及びアルコキシ基から成る群から選択される置換基である。このようなシリコーンオイルを含む液体レンズ用絶縁液は、液体レンズ用流体として要求される密度、屈折率、表面張力及び粘度を満足し、有機添加物の添加量を最小限にすることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、液体レンズの流体に関するものであって、より具体的には、液体レンズ用の絶縁性流体に好適な分子構造を持つシリコーンオイル及びこれを含む絶縁液に関する。

最近、モバイル通信機器及びコンピュータ産業の急激な発展と共に消費者の多様な要求に応じて、レンズを用いた自動焦点調節機能（Ａ／Ｆ）と光学ズーム機能に関する開発競争が世界的に激しい状態にある。一般的に、自動焦点調節機能及びズーム機能には、大まかに（１）機械的レンズ移動方式と（２）レンズの曲率を変更する方式、及び（３）レンズの物性を変化させる方式とがある。デジタルカメラ等に常用されている従来の多焦点光学レンズの場合、固定の屈折率を有する数枚のレンズを使用してレンズの間の距離を機械的に変化させなければならないため、値段が高く広い空間が必要という制約がある。従って、体積に対する制約が大きいノート型パソコンや携帯電話のカメラの場合、ほとんど自動焦点調節機能がないレンズを装着しているのが実情である。

一方、液体レンズ（ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｎｓ ｏｒ ｆｌｕｉｄ ｌｅｎｓ）は、電気湿潤現象（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）を用いてレンズの曲率を変更することにより、自動焦点調節機能とズーム機能をレンズ自体が備える新たな技術であって、消費電力が小さく小型化することが可能であるため、多くのカメラ、モバイル通信機器などの超小型光学ズームレンズとして使用することができ、またコンピュータ関連部品や光学製品に応用できる。

液体レンズには、絶縁性流体（絶縁液）と伝導性流体（電解液）が使用されるが、このうち絶縁液は化学的に安定でなければならず、液体レンズの作動温度及び保存温度の範囲で安定して駆動できなければならない。また、絶縁液の密度及び粘度が、電解液と近似していないと電圧の印加に応じて容易に駆動することができず、電解液と絶縁液との界面を保持することもできない。さらに、電解液と絶縁液とは、表面張力の差は小さいほど、屈折率の差は大きいほど、界面の安定性が増し素子の特性が向上する。

従来の液体レンズに関する特許文献は、単にシリコーンオイルが液体レンズの絶縁液に使用できるということが示されているだけであり、液体レンズ用絶縁液に好適なシリコーンオイルが具体的に開示されている文献はない。従って、従来の液体レンズ用絶縁液には一般的なシリコーンオイルが使用されているにすぎない。

しかし、一般的なシリコーンオイルは、液体レンズ用絶縁液として要求される条件、即ち密度、屈折率、粘度及び表面張力を満足しないという問題がある。従って、従来は一般的なシリコーンオイルに有機添加物などを多量に添加して液体レンズ用絶縁液として要求される上記条件を満たしているのが実情である。

本発明者は研究を重ねた結果、上述した有機添加物が疎水性であり、このような有機添加物が多量に添加された絶縁液は、同じ疎水性である液体レンズの内部表面に付着しやすくなり十分な駆動特性を示さない等、液体レンズの駆動に様々な悪影響を与えることを発見し、上記有機添加物の添加量を最小限にする必要があることを見いだした。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決する液体レンズ用絶縁液に好適なシリコーンオイルの提供を目的とし、さらに液体レンズの作動温度及び保存温度の範囲で安定して駆動し、電解液に対し良好な密度、屈折率、粘度及び表面張力特性が得られる少量の有機添加物を含む液体レンズ用絶縁組成物を提供することを目的とする。

上記のような上記液体レンズ用絶縁液に好適なシリコーンオイル、及び少量の有機添加物を含む液体レンズ用絶縁組成物を提供することにより、多量の有機添加物による液体レンズの駆動に及ぼす悪影響を最小限にすることを目的とする。

さらに、本発明における液体レンズ用絶縁組成物を用いた絶縁液と電解液を含む液体レンズモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の第１の例として、
次式（１）乃至（３）のうちの少なくとも一つの化合物を含む、液体レンズ用絶縁液に使用されるシリコーンオイルであって、

上記式中、Ｒ_１乃至Ｒ_６は互いに独立して、アルキル基及び／またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基、並びに分子量が２００以下のシラノ−ル基、アルキル基及びアルコキシ基から成る群から選択される置換基であることを特徴とするシリコーンオイルが提供される。

本発明の第２の例として、
上記シリコーンオイルを８５乃至９０重量％と、
有機添加物を１０乃至１５重量％と、
を含む液体レンズ用絶縁組成物が提供される。

本発明の第３の例として、
上記液体レンズ用絶縁組成物を用いた液体レンズ用絶縁液が提供される。

本発明の第４の例として、
透明蓋と、
上記絶縁液及び電解液で構成される液体レンズ用流体を含むケースと、
上記電解液に電気を供給する電極と、
電解液と接する一側の電極を覆う絶縁膜と、
を含む液体レンズモジュールが提供される。

本発明におけるシリコーンオイルを液体レンズ用絶縁液に使用することにより、従来に比べて有機添加物の添加量を減少させることができ、少量の有機添加物を使用するだけで絶縁液として要求される条件を容易に満足することができ、多量の有機添加物の使用により引き起こされる悪影響を排除し液体レンズ用流体の駆動安定性を確保することができる。

以下、本発明をより具体的に説明する。
本発明者は、電解液と絶縁液の相関関係を考慮した結果、シリコーンオイルの密度、粘度、屈折率及び表面張力を調節することにより、液体レンズ用の絶縁液に使用できることを発見した。これに基づき、シリコーンオイルの基礎的物性を体系的に確立して適用するため、分子計算化学を導入して各構造のシリコーンオイルが有し得る予想物性値を計算して実際測定値と比較検討することにより、液体レンズ用絶縁液に適用可能なシリコーンオイルの分子構造の最適化を図った。

本発明において、液体レンズ用絶縁液に使用されるシリコーンオイルは、次の式（１）乃至（３）のうちの少なくとも一つの化合物を含むことができる。

但し、上記式（１）乃至（３）において、Ｒ_１乃至Ｒ_６は互いに独立して、アルキル基及び／またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基、並びに分子量２００以下のシラノ−ル基、アルキル基及びアルコキシ基から選択される置換基である。

液体レンズ用絶縁液により好適なシリコーンオイルとしては、上記式（２）で示された構造を有する化合物が挙げられる。

さらに好ましくは、上記式（２）において、Ｒ_１及びＲ_２は互いに独立して、アルキル基及び／またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基で、Ｒ_３及びＲ_４は互いに独立して、分子量が２００以下のシラノ−ル基、アルキル基及びアルコキシ基から成る群から選択される置換基である。

このような式（１）乃至（３）のうちの少なくとも一つの化合物を含むシリコーンオイルは、密度が０．９４５乃至０．９９５ｇ／ｃｍ^３で、粘度が８．０乃至２１．５ｍＰａ・ｓで、屈折率が１．５０乃至１．５１ｎ_Ｄ２０の値を有する。

さらに好ましいシリコーンオイルの例としては、上記式（２）から誘導される次式（４）乃至（６）のうちの少なくとも一つの化合物を含むものである。より好ましくは、式（４）及び（５）のうちの少なくとも一つの化合物を含むシリコーンオイルが挙げられ、式（４）の化合物からなるシリコーンオイルが最も好ましい。

上記式（４）乃至（６）の構造を有するシリコーンオイルに関する密度、粘度、表面張力及び屈折率を測定してその値を次の表１に表した。

一般に液体レンズ用絶縁液は、密度が１ｇ／ｃｍ^３以上で、粘度１０ｍＰａ・ｓ以下で、屈折率が１．５ｎ_Ｄ２０以上の値を有することが好ましい。このように絶縁液の好ましい物性範囲と本発明におけるシリコーンオイルの物性の差は、有機添加物を少量添加して適切に調節することにより、液体レンズ用絶縁液として最適化を図ることができる。

上記表１において、Ｒ_３及びＲ_４の分子量が大きいほど密度が低くなり、粘度が増加することが分かる。シリコーンオイルの密度が低いほど、そして粘度が大きいほど有機添加物の含量を増加させないと液体レンズ用絶縁液として使用できないため、Ｒ_３及びＲ_４の分子量は９０以下の値を有することがより好ましいことが分かる。

このように液体レンズに好適な物性を有する絶縁液を得るために、液体レンズ絶縁組成物に配合される有機添加物としては、ジブロモへキサン、ジクロロベンゼン、１−ブロモ−３−クロロベンゼン、１−ブロモ−２−クロロベンゼン、ブロモベンゼン、テトラブロモ−へキサン、１,１０−ジクロロデカンまたは１−クロロナフタレン等が挙げられる。

上記のような有機添加物をシリコーンオイルに添加することにより、絶縁液の密度を高めたり、粘度を低くすることができ、液体レンズに好適な物性を有する絶縁液を提供することができる。

例えば、上記式（４）の化合物において、有機添加物を添加することにより、密度を１ｇ／ｃｍ^３以上に上昇させることができ、式（５）の化合物においては有機添加物を添加することにより、密度を上昇させ粘度を低下をさせることができる。

しかし、従来の一般的なシリコーンオイルを使用する場合、有機添加物を３０重量％程度と多量に添加して、密度、粘度、屈折率及び表面張力を液体レンズ用絶縁液として適するよう調節した。しかし、このような有機添加物は疎水性であるため、有機添加物を多量に含んだ絶縁液は、疎水性である液体レンズの内部表面に付着しやすくなりレンズの駆動特性及び界面安定性に悪影響を及ぼす。従って、有機添加物は使用しないことが最も好ましいが、シリコーンオイルのみでは液体レンズの絶縁液として適した物性を有しないため使用せざるを得ないのが実情である。

従って、このような有機添加物の使用は最小限にすることが好ましい。本発明は、絶縁液に使用されるシリコーンオイルの分子構造を最適化することにより、有機添加物の使用を最小限にすることができる。

本発明における液体レンズ用絶縁組成物は、上記式（１）乃至（３）のうちの少なくとも一つの化合物を含むシリコーンオイルを８５乃至９０重量％、及び有機添加物を１０乃至１５重量％を含むことができる。有機添加物の量が１０重量％未満の場合、絶縁液の密度及び粘度を調節する能力が十分でなく、１５重量％を超過する場合には、密度及び粘度の過度の増減を引き起こし、また、多量の有機添加物を使用する場合に現れる問題点を伴うため好ましくない。

上記式（１）乃至（３）の化合物を含むシリコーンオイルにおいて、Ｒ_１乃至Ｒ_６は互いに独立して、アルキル基またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基、並びに分子量２００以下のシラノ−ル基、アルキル基及びアルコキシ基から成る群から選択される置換基である。

上記シリコーンオイルとしては、式（２）の化合物を含むものがより好ましく、さらに好ましくは、式（２）においてＲ_１及びＲ_２がアルキル基またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基で、Ｒ_３及びＲ_４が分子量２００以下のシラノ−ル基、アルキル基及びアルコキシ基から成る群から選択される置換基を有する化合物を含むシリコーンオイルである。

上記式（２）の化合物に関する具体的な例として、上記式（４）乃至（６）の化合物が挙げられ、式（４）または（５）の化合物がさらに好ましく、式（４）の化合物が最も好ましい。

本発明おけるシリコーンオイルを使用して液体レンズ用絶縁液を製造することができる。上記シリコーンオイルには有機添加物を添加することができ、これらから得られた液体レンズ用絶縁液は、密度が電解液と同一かつ１ｇ／ｃｍ^３以上であって、屈折率が電解液より大きく且つ１．５ｎ_Ｄ２０以上であって、粘度が１０ｍＰａ・ｓ以下で且つ電解液の粘度との差が０．５ｍＰａ・ｓ以内で電解液とほぼ同一で、表面張力が３０ｍＮ／ｍ以下であって、絶縁液として要求される条件を満足することができる。

このようなシリコーンオイルは、従来に比べて少量の有機添加物を添加することにより、より効果的に絶縁液を作製することができる。従って、多量の有機添加物により引き起こされる駆動特性を不安定にするという問題点を解決することが可能となる。

また、本発明における液体レンズ用絶縁組成物を使用して液体レンズ用の流体を提供することができる。上記液体レンズ用の流体は、本発明における絶縁組成物を使用した絶縁液、及び電気伝導性の電解液から構成され、上記絶縁液と電解液との間には界面が形成される。本発明における絶縁組成物を使用した絶縁液は、有機添加物の含有量が少ないため、電解液との界面の安定性が向上し、液体レンズの駆動時でも界面を安定的に保持することが可能である。

さらに、本発明によって得られた液体レンズ用流体を使用して液体レンズモジュールを提供することができる。上記液体レンズモジュールは、透明蓋と、電解液と絶縁液を含むケースと、上記電解液に電気を供給する電極と、電解液と接する一側の電極を覆う絶縁膜とを含む。

上記式（４）及び（５）の化合物からなるシリコーンオイルと一般的なシリコーンオイルの密度、屈折率、粘度及び表面張力を測定してこれらを比較し、さらに電気伝導性を有する電解液と比較して、絶縁液として要求される条件を満足するか否かを判断した。

比重瓶を用いて密度を測定し、アッベ屈折器を用いて屈折率を測定し、単一円筒型回転粘度計を用いて粘度を測定し、ＫＲＵＳＳ ｋ１０ＳＴを用いて表面張力を測定した。

式（４）の化合物からなるシリコーンオイルは、Ｒ_１、Ｒ_２＝フェニル基で、Ｒ_３、Ｒ_４＝イソプロピル基で、式（５）の化合物からなるシリコーンオイルは、Ｒ_１、Ｒ_２＝フェニル基で、Ｒ_３、Ｒ_４＝ブチル基である。一般的なシリコーンオイルとして、信越化学工業から市販される商品名ＫＦ５６の物性を測定し、電解液として商品名ＳＥＬ０２を使用して物性を測定した。

絶縁液の物性は、密度が１ｇ／ｃｍ^３以上で、屈折率が１．５ｎ_Ｄ２０以上、粘度が１０ｍＰａ・ｓ以下で、表面張力が３０ｍＮ／ｍ以下の値を有する場合に、液体レンズ用絶縁液として適したものと評価し、さらに、電解液との相関関係において密度が電解液と同一で、屈折率が電解液より大きく、粘度が電解液とほぼ同一でその差が０．５ｍＰａ・ｓ未満の場合に液体レンズ用流体として適しているものと評価した。上記試料に対する上記物性の測定結果は次の表２の通りであった。

上記表２から分かるように、本発明におけるシリコーンオイルは、密度、屈折率、粘度及び表面張力が絶縁液として要求される値に近似している。従って、密度、屈折率、粘度及び表面張力を調節するために最小限の有機添加物を添加するだけで容易に上記条件を満足することができ、また電解液との相関関係においても満足することができる。

一方、一般的なシリコーンオイルであるＫＦ５６は、密度、粘度及び表面張力に対しては要求条件を満足するが、屈折率においては不十分である。そのため、多量の有機添加物を添加しなければならないという問題点があり好ましくない。

図１は、本発明の式（４）の化合物を使用した絶縁液と、電解液としてＳＥＬ０２を使用した液体レンズ用流体の駆動特性を図示したものであり、駆動が安定しており優れた特性を示した。

本発明における式（４）の化合物からなるシリコーンオイルを含む絶縁液を使用した液体レンズ用流体の駆動特性を図示した概略図である。

Claims (14)

1. 次式（１）乃至（３）のうちの少なくとも一つの化合物を含む、液体レンズ用絶縁液に使用されるシリコーンオイル。
   

   

   前記式中、Ｒ_１乃至Ｒ_６は互いに独立して、アルキル基及び／またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基、並びに分子量２００以下のシラノ−ル基、アルキル基またはアルコキシ基から成る群から選択される置換基である。
2. 前記化合物が、式（２）の化合物であることを特徴とする請求項１に記載の液体レンズ用絶縁液に使用されるシリコーンオイル。
3. 前記Ｒ_１及びＲ_２は、アルキル基及び／またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基であり、Ｒ_３及びＲ_４は、分子量２００以下のシラノ−ル基、アルキル基またはアルコキシ基から選択される置換基であることを特徴とする請求項２に記載の液体レンズ用絶縁液に使用されるシリコーンオイル。
4. 前記Ｒ_３及びＲ_４は、分子量が９０以下のシラノ−ル基、アルキル基またはアルコキシ基から選択される置換基であることを特徴とする請求項３に記載の液体レンズ用絶縁液に使用されるシリコーンオイル。
5. 前記シリコーンオイルが、次式（４）乃至（６）のうちの少なくとも一つの化合物を含むことを特徴とする請求項３に記載の液体レンズ用絶縁液に使用されるシリコーンオイル。
   

   
6. 前記シリコーンオイルが、密度０．９４５乃至０．９９５ｇ／ｃｍ^３、屈折率１．５０乃至１．５１ｎ_Ｄ２０及び粘度８乃至２１．５ｍＰａ・ｓの値を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の液体レンズ用絶縁液に使用されるシリコーンオイル。
7. 次式（１）乃至（３）のうちの少なくとも一つの化合物を含むシリコーンオイルであって、
   

   

   前記式中、Ｒ_１乃至Ｒ_６は互いに独立して、アルキル基及び／またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基、並びに分子量２００以下のシラノ−ル基、アルキル基及びアルコキシ基から成る群から選択される置換基であることを特徴とするシリコーンオイルを８５乃至９０重量％と、
   有機添加物を１０乃至１５重量％と、
   を含む液体レンズ用絶縁組成物。
8. 前記シリコーンオイルが、前記式（２）の化合物を含み、
   前記式中、Ｒ_１及びＲ_２はアルキル基及び／またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基で、Ｒ_３及びＲ_４は分子量２００以下のシラノ−ル基、アルキル基及びアルコキシ基から成る群から選択される置換基であることを特徴とする請求項７に記載の液体レンズ用絶縁組成物。
9. 前記シリコーンオイルが、次式（４）乃至（６）のうちの少なくとも一つの化合物を含むことを特徴とする請求項８に記載の液体レンズ用絶縁組成物。
   

   
10. 前記有機添加物が、ジブロモへキサン、ジクロロベンゼン、１−ブロモ−３−クロロベンゼン、１−ブロモ−２−クロロベンゼン、ブロモベンゼン、テトラブロモ−へキサン、１，１０−ジクロロデカン及び１−クロロナフタレンから成る群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載の液体レンズ用絶縁組成物。
11. 次式（１）乃至（３）のうちの少なくとも一つの化合物を含むシリコーンオイルであって、
    

    

    前記式中、Ｒ_１乃至Ｒ_６は互いに独立して、アルキル基及び／またはハロゲンで置換されていてもよいフェニル基、並びに分子量が２００以下のシラノ−ル基、アルキル基及びアルコキシ基から成る群から選択される置換基であることを特徴とするシリコーンオイルと、
    有機添加物と、
    を含む液体レンズ用絶縁組成物。
12. 前記シリコーンオイルが、次式（４）乃至（６）のうちの少なくとも一つの化合物を含むことを特徴とする請求項１１に記載の液体レンズ用絶縁組成物。
    

    
13. 前記液体レンズ用絶縁組成物は、密度が電解液と同一且つ１ｇ／ｃｍ^３以上であって、屈折率が電解液より大きく且つ１.５ｎ_Ｄ２０以上であって、粘度が１０ｍＰａ・ｓ以下で且つ電解液の粘度との差が０．５ｍＰａ・ｓ以内であることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の液体レンズ用絶縁組成物。
14. 透明蓋と、
    電解液と絶縁液を含むケースと、
    前記電解液に電気を供給する電極と、
    前記電解液と接する一側の電極を覆う絶縁膜と、を含み、
    前記絶縁液が、請求項７乃至請求項１３の何れか一項に記載の液体レンズ用絶縁組成物を含むことを特徴とする液体レンズモジュール。

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