JP2007293349A - 曲面の接触面を有する液体レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】内部流体と対向する接触面が曲面から成る液体レンズが提供される。
【解決手段】本発明は、電気湿潤現象（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｗｅｔｔｉｎｇ）を用いて焦点距離調節を行うようになっている液体レンズにおいて、絶縁膜を形成して電極が連結されたベースと、上記ベース上の第１流体と、上記第１流体上の第２流体と、上記第１及び第２流体を密封し電極が連結され光透過性材料であるカバーと、を含み、上記ベースと第１及び第２流体との接触面は曲面を形成する液体レンズを提供する。本発明によると、液体レンズに電圧を印加する場合、流体の境界面の曲率変化が敏感に行われるか、または鈍感に行われるようにしてそのような特性に合う様々な電子機器に応用が可能で、厚さの薄い薄型の構造で製作可能であるという効果が得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、内部流体と対向する接触面が曲面に成っている液体レンズに関するものであって、より詳細には、内部の液体が接触する面を曲面で形成することにより、電圧変化に応じて敏感または鈍感に液体の接触角が変化するようにし、それによって様々な焦点距離の設計が可能で、薄い厚さの構造が得られるように成っている曲面の接触面を有する液体レンズに関する。

一般に、絶縁された電極に電気を通すと、液体の表面張力が変わって接触している物質を浸すことの出来る電気湿潤（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）作用が起き、これを用いて焦点を変えることが出来る液体レンズが開示されている。

図１にはこのような電気湿潤（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）を用いる従来の液体レンズ２００が図示されている。このような液体レンズ２００は、絶縁体２１０の上部に電解液２２０が配置され、上記絶縁体２１０の下部には電極２３０が形成された構造である。そして、上記電極２３０と電解液２２０に電流を流すと、絶縁体２１０上の電解液２２０の界面角（θ）、即ち接触角が変わることになる。

即ち、絶縁体２１０の表面中に電解液２２０の液滴がある場合、絶縁体２１０と電解液２２０、電解液２２０と気体２２５、絶縁体２１０と気体２２５との間の界面が形成され、このうち電解液２２０と絶縁体２１０との間の接触角（θ）はヤングの式（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ）によって決まる。

γＳＬ−γＳＧ＝γＬＧ・ＣＯＳθ：Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ
ここで、Ｓ：絶縁体、Ｌ：電解液、Ｇ：気体を表し、γは各材質による表面張力係数（Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を表す。

ここで、上記電解液２２０の材質を伝導性流体にし、接触する絶縁体２１０を絶縁膜（Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）にして構成した後、上記電解液２２０及び絶縁体２１０の後に形成された電極２１２、２２２に電圧をかけると表面張力係数が変わることになる。このような表面張力係数はリップマン数式（Ｌｉｐｐｍａｎｎ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ）による。

γ＝γ０−（１／２）ｃＶ２：Ｌｉｐｐｍａｎｎ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ
上記のように印加電圧Ｖと絶縁膜の誘電率ｃによって表面張力係数が変化し、それによって電圧によりこのように変化された絶縁体２１０と電解液２２０との間の表面張力係数γＳＬが変化し、このような表面張力係数の変化により接触角（θ）のコサイン（Ｃｏｓｉｎｅ）値が変わる。

従って、上記数式から分かるように、接触角（θ）のコサイン値は印加電圧Ｖの自乗に比例する。

このような基本原理を用いて構成した従来の液体レンズ３００が図２に図示されている。

これは、透明な基板３１０ａ、３１０ｂの内部に、密度が大体同一の非伝導性流体３３０のオイルと伝導性流体３５０の電解液を充填し、上記基板３１０ａ、３１０ｂの外側に絶縁体３１０と電極３３２、３５２を形成して上記伝導性流体３５０に電圧をかけるよう構成されたものである。

従って、このような液体レンズ３００は、透過性メタル電極を通じて伝導性流体３５０に供給される電圧を調節すると、図２において点線で図示された通り、絶縁体３１０と伝導性流体３５０の接触角（θ）が変化され、それによって伝導性流体３５０の電解液と非伝導性流体３３０のオイルとの間の界面形状が変わるようになり、これを通過する光の焦点距離が変化するようになったものである。

ところが、上記のような従来の液体レンズ３００は、伝導性流体３５０と非伝導性流体３３０との境界面が接触する接触面である絶縁体３１０の形態が平面かつ傾斜した構造である。従って、このような従来の液体レンズ３００は、電圧の変化に応じて接触角（θ）を変化させることは可能であるが、このような従来の接触角（θ）を変化させること以外の他の機能を有することが出来なかった。

例えば、電圧の変化に応じて流体の界面での曲率形成が速やかにまたは鈍感に行われ、接触角（θ）が異なるよう変化される場合に対して効果的に対応出来なかった。

もし、このように流体の曲率形成が速く行われたり、または鈍感に行われたりして接触角（θ）が異なるよう変化すると、焦点距離をより多様に設けることができ、液体レンズの高さをさらに低くする薄型の液体レンズの具現も可能である。しかし、従来にはこのような技術が開発されたことがない。

本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためのものであって、その目的は、電圧を印加する場合、流体の境界面の曲率変化が敏感に行われるか、または鈍感に行われるようにしてそのような特性に合う様々な電子機器に応用可能であるよう改善された曲面の接触面を有する液体レンズを提供することにある。

そして本発明は、他の目的として、接触面の形状によって厚さの薄い薄型の構造で製作可能なため、電子機器の製品の小型化にさらに適するよう改善された曲面の接触面を有する液体レンズを提供することにある。

また本発明は、さらに他の目的として、液体レンズ内の流体に対して量的変化を与える場合にも、これに効果的に対応して所望の焦点距離を容易に得られるようにすることにより、より多様に製品設計を行うことが出来るよう改善された曲面の接触面を有する液体レンズを提供することにある。

上記のような目的を達成すべく、本発明は、電気湿潤現象（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｗｅｔｔｉｎｇ）を用いて焦点距離調節を行うようになっている液体レンズにおいて、
絶縁膜を形成して電極が連結されたベースと、
上記ベース上の第１流体と、
上記第１流体上の第２流体と、
上記第１及び第２流体を密封し電極が連結され光透過性材料であるカバーと、を含み、上記ベースと第１及び第２流体との接触面は曲面を形成することを特徴とする曲面の接触面を有する液体レンズを提供する。

また好ましくは、上記接触面は、凸面を形成することを特徴とする曲面の接触面を有する液体レンズを提供する。

そして好ましくは、上記接触面は、凹面を形成することを特徴とする曲面の接触面を有する液体レンズを提供する。

また好ましくは、上記接触面は、凸面と凹面を両方とも形成することを特徴とする曲面の接触面を有する液体レンズを提供する。

そして好ましくは、上記接触面は、曲面と直線面を両方とも形成することを特徴とする曲面の接触面を有する液体レンズを提供する。

本発明によると、液体レンズに電圧を印加する場合、流体の境界面の曲率変化が敏感に行われるか、または鈍感に行われるようにしてそのような特性に合う様々な電子機器に応用出来るよう改善された効果が得られる。

そして本発明は、接触面の形状によって厚さの薄い薄型の構造に製作可能なため電子機器の製品の小型化にさらに適するよう改善された効果が得られる。

さらに本発明は、液体レンズ内の流体に対して量的変化を与える場合にも、これに効果的に対応して所望の焦点距離を容易に得るようにすることにより、さらに多様に製品設計を行うことが出来る。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照してより詳細に説明する。
本発明による曲面の接触面を有する液体レンズ１は、図３に図示された通り、絶縁膜２２を形成して電極２５ａが連結されたベース１０を有する。

上記ベース１０は電気伝導性材料から成り、凹んだ上部空間を形成し、上記凹んだ上部空間には絶縁膜２２がコーティングされて形成されている。

上記絶縁膜２２は、その上部側に配置される第１流体３０及び第２流体４０をベース１０に連結された電極２５ａの電源から確実に絶縁させるべきで、光透過性の材料から成るものである。

また、上記ベース１０上において下部側に位置した第１流体３０は、非伝導性流体か伝導性流体であることが出来る。上記第１流体３０が非伝導性流体の場合、その上に配置される第２流体４０は伝導性流体で、上記第１流体３０が伝導性流体の場合、第２流体４０は非伝導性流体である。
上記第１流体３０と第２流体４０はほぼ同一の密度を有する。

そして好ましく、上記第１流体３０と第２流体４０は、光透過性材質で、相違な屈折率を有して相互混合されないものである。
また本発明は、上記伝導性流体に電源を供給するための電極２５ｂを含む。

図３では第２流体４０が伝導性流体で、第１流体３０は非伝導性流体の場合であり、伝導性流体の第２流体４０に電源を供給するためカバー５０に電極２５ｂが形成される。

このような電極２５ａ、２５ｂは相違な極性の直流または交流電源が連結される。

このような伝導性流体に印加される電源は、上記絶縁膜２２によってベース１０に印加される電源とは確実に遮断される。上記絶縁膜２２は、第１及び第２流体３０、４０が対向する接触面２２ａを形成する。

一方、本発明は、上記のような第１流体３０と第２流体４０を密封で囲むようカバー５０を装着するが、上記カバー５０は光透過性材料から成り、その下部には陽極電極２５ｂが形成されて外部電源に電気的に連結され、上記カバー５０に接する伝導性流体の第２流体４０に電源を供給する。

もし、上記第２流体４０が非伝導性流体の場合は、第１流体３０に電源を供給するよう上記電極２５ｂはその位置が他に変更され、そのような電極の位置変更は、当業者であれば容易に構造変更ができるためこれに係わるより詳細な説明は省略する。

また上記カバー５０は、ベース１０の上部空間に密封接合され、その内部で上記第１流体３０と第２流体４０を密封で囲むものである。

また本発明は、上記ベース１０と第１及び第２流体３０、４０との接触面２２ａは曲面を形成する。図３において上記接触面２２ａは凸面を形成しており、図４において上記接触面２２ａは凹面を形成している。
上記構造において接触面２２ａは絶縁膜２２の一部を構成する。

そして好ましくは、上記接触面２２ａは凸面と凹面を両方とも形成したり、上記接触面２２ａは曲面と直線面を両方とも形成する構造から成ることが出来る。

未説明符号９０は、陰極電極２５ａと陽極電極２５ｂに印加される電源の電圧大きさと形状を調節するための電圧調節手段である。

上記のように構成された本発明による曲面の接触面を有する液体レンズ１は、ベース１０に形成された電極２５ａとカバー５０に形成された電極２５ｂを通じて電源が供給されると、上記電極２５ａ、２５ｂに外部から印加される電圧の大きさに応じて伝導性流体である第２流体４０と絶縁膜２２との間の接触角（θ）が決定され、この接触角（θ）を維持しつつ表面エネルギーを最小化する形状で第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐが形成される。

このように印加される電圧の大きさに応じて形成される第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐの形状は、電圧の大きさによって異なる曲率を形成し、それによって本発明の液体レンズ１は異なる焦点距離を有することになる。

図３に図示された構造では、上記ベース１０と、第１及び第２流体３０、４０が対向する接触面２２ａが凸面を形成している。このような構造では、電極２５ａ、２５ｂに電圧が印加されると、第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐは、上記接触面２２ａが直線面である構造に比べてその曲率が小さく形成される。

このような場合、上記電極２５ａ、２５ｂに電圧が印加される前の第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐの形状（点線参照）から電圧が印加された後の第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐの形状（実線参照）に変化する過程において、上記接触面２２ａに沿って移動する第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐは、単位時間内に相対的に少なく移動（変化）するので、このような構造は電圧によって界面Ｐの移動速度が遅く、界面Ｐの形状が鈍感に変化する構造である。

一方、図４に図示された構造では、上記ベース１０と、第１及び第２流体３０、４０が対向する接触面２２ａが凹面を形成している。このような構造では、電極２５ａ、２５ｂに電圧が印加されると、第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐは、上記接触面２２ａが直線面の構造に比べてその曲率が大きく形成される。

このような場合、上記電極２５ａ、２５ｂに電圧が印加される前の第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐの形状（点線参照）から、電圧が印加された後の第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐの形状（実線参照）に変化する過程において、上記接触面２２ａに沿って移動する第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐは、単位時間内に相対的に多く移動（変化）するため、このような構造は電圧によって界面Ｐの移動速度が速く、界面Ｐの形状が敏感に変化する構造である。

従って、本発明では上記のように接触面２２ａの形状を調節することにより、電圧に対して界面Ｐの曲率の変化が鈍感あるいは敏感な液体レンズ１を製作することが出来る。

図５には、これに関して従来の液体レンズの構造と本発明の液体レンズの構造が比較して図示されている。

図５（ａ）に図示された従来の構造では、第１流体３０と第２流体４０が入った空間の高さＨが０．７５の大きさを有し、接触面２２ａは直線面を有する。このような状態で電極（未図示）に電圧が印加されると、第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐの形状は、左側図から右側図に変化される。このように変化されると接触角（θ）は７０．７°を形成し、第１流体３０の曲率半径はＲ１．２である。

このような構造から、図５（ｂ）に図示された通り、液体レンズの高さＨを低くすると、即ち接触面２２ａを直線面に維持しつつ高さＨを０．６５と低くすると、第１流体３０と第２流体４０が位置するための空間が必要なため、ベース側の直径Ｄが大きくなる。

このような状態で電極に電圧が印加されると、第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐの形状は、左側図から右側図に変化される。このように変化されると接触角（θ）は４８．１°を形成し、第１流体３０の曲率半径はＲ１．７である。

一方、本発明によると、図５（ｃ）に図示された通り、液体レンズの高さＨを０.６５と低くし接触面２２ａを凹面に形成したものである。

このような状態で電極に電圧が印加されると、第１流体３０と第２流体４０との間の界面Ｐの形状は,左側図から右側図に変化される。このように変化されると接触角（θ）は７０．９°を形成し、第１流体の曲率半径はＲ１．０である。

このような対比からも分かるように、本発明は従来の構造に比べて液体レンズの焦点距離を同一に維持させつつ、液体レンズの高さＨを薄型にすることが出来るものである。このような薄型の構造は、より機器を小型化するに有利な長所を有するものである。

また本発明は、図６に図示された通り、液体レンズに注入される第１流体３０と第２流体４０の量を異なるようにする場合にも、接触面２２ａの曲率を変更させることにより、効果的に対応できるものである。

図６（ａ）には、液体レンズの接触面２２ａの形状が直線と曲線の組み合せの形態で構成されている。これは、電極に電圧が印加される前の第１流体３０と第２流体４０との間の界面ＰがＲ６．６の曲率半径を有するものである。

この状態から電圧を印加して界面Ｐの形状を変化させると、第１流体３０と第２流体４０との間の界面ＰがＲ１．２の曲率半径を有するようにしたものである。

このような構造について図６（ｂ）には、液体レンズに注入される第１流体３０と第２流体４０の量が図６（ａ）に比べて大きく増加している。

このような場合、本発明では上記接触面２２ａの曲率をさらに凹むよう構成して同一の電圧に対して同一のＲ１．２の曲率半径を第１流体３０と第２流体４０との界面Ｐで有するようにすることが出来る。

従って、本発明では液体レンズ１に注入される流体の量が異なるよう変化させる場合にも、単純に接触面２２ａの曲率を変更させることにより、これに効果的に対応することが出来る。

上記の本発明は、特定の実施例に関して図示され説明されたが、これは単なる例示として本発明を説明するため記載されたもので、本発明をこのような特定構造で制限するのではない。当業界において通常の知識を有する者であれば、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変形できることが分かる。しかし、このような修正及び変形構造は、何れも本発明の権利範囲内に含まれることを明らかにする。

従来の技術による一般の電気湿潤の基本原理を示した説明図である。 従来の技術による一般の液体レンズを図示した断面図である。 本発明による曲面の接触面を有する液体レンズにおいて凸した曲面を有する構造を図示した断面図である。 本発明による曲面の接触面を有する液体レンズにおいて凹んだ曲面を有する構造を図示した断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、従来の技術による液体レンズと本発明による液体レンズから行われる界面変化を対比して図示した断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による液体レンズにおいて内部に注入される流体量に効果的に対応する構造を図示した断面図である。

符号の説明

１ 本発明による液体レンズ
１０ ベース
２２ 絶縁膜
２２ａ 接触面
２５ａ、２５ｂ 電極
３０ 第１流体
４０ 第２流体
５０ カバー
９０ 電圧調節手段
２００ 従来の液体レンズ
２１０ 絶縁体
２１２、２２２ 電極
２２０ 電解液
２５ 気体
２３０ 電極
３１０ａ、３１０ｂ 基板
３３０ 非伝導性流体
３３２、３５２ 電極
３５０ 伝導性流体
Ｐ 界面
θ 接触角

Claims (5)

1. 電気湿潤現象（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｗｅｔｔｉｎｇ）を用いて焦点距離調節を行うようになっている液体レンズにおいて、
   絶縁膜を形成して電極が連結されたベースと、
   前記ベース上の第１流体と、
   前記第１流体上の第２流体と、
   前記第１及び第２流体を密封し電極が連結され光透過性材料であるカバーと、
   を含み、前記ベースと第１及び第２流体との接触面は曲面を形成することを特徴とする曲面の接触面を有する液体レンズ。
2. 前記接触面は、凸面を形成することを特徴とする請求項１に記載の曲面の接触面を有する液体レンズ。
3. 前記接触面は、凹面を形成することを特徴とする請求項１に記載の曲面の接触面を有する液体レンズ。
4. 前記接触面は、凸面と凹面を両方とも形成することを特徴とする請求項１に記載の曲面の接触面を有する液体レンズ。
5. 前記接触面は、曲面と直線面を両方とも形成することを特徴とする請求項１に記載の曲面の接触面を有する液体レンズ。

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