JP2009157145A - 液晶レンズ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶レンズを構成する輪帯電極の間隙を通過する光によって収差や解析が発生するため、この液晶レンズをカメラに使用した場合、写真画像がボケてしまうという問題がある。
【解決手段】 複数の輪帯電極と前記複数の輪帯電極を接続する電圧降下抵抗とを形成したセグメント基板と、対向電極を形成した対向基板とを有する液晶レンズにおいて、前記セグメント基板上の輪帯電極と電圧降下抵抗を覆う範囲に印刷法によって形成された高抵抗膜が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、各々電極を有する透明な基板間に液晶材料を充填して液晶セルを構成し、前記電極間の電圧印加により屈折率を変化させて焦点距離を可変とした液晶レンズに関する。

従来光ディスク装置やカメラ等の合焦点機構における可変焦点レンズとして、液晶材料の複屈折性を利用して光路長を電気的に制御する液晶レンズが提案されている。
この液晶レンズは透過光に光路差を与えて焦点を可変するものであり、その一例としては、少なくとも一方の基板がレンズ形状に形成された対向する２枚の透明基板と、この透明基板の互いに対向する側の面にそれぞれ設けられた一様な透明電極と、この透明電極に挟まれたレンズ形状の空間内に封入された液晶材料とよりなり、前記透明電極への印加電圧を制御する事によって屈折率を可変するレンズ形状型の液晶レンズがある。（例えば、特許文献１参照）

また、他の例としては、平坦な２枚の透明基板を対向させ、一方の透明基板の内面には光軸を中心に設けられた複数の同心状の輪帯電極と、これらの輪帯電極に接続して各輪帯電極に電位勾配を与える電圧降下抵抗を設け、他方の透明基板には輪帯電極に対向する下部電極を設け、この透明電極に挟まれた平坦な空間内に封入された液晶材料とよりなり、前記輪帯電極を構成する各透明電極への印加電圧を異ならせることにより、半径方向に電圧分布を発生させて屈折率を可変する平行基板型の液晶レンズがある。（例えば、特許文献２参照）

以下図面により従来の液晶レンズに付いて説明する。図７〜図１０は特許文献２に記載された従来例の液晶レンズを本発明に対比して示すものであり、図７は従来例の液晶レンズの断面図、図８は輪帯電極を形成したセグメント基板の平面図、図９は対向電極を形成した対向基板の平面図、図１０（ａ）は図８のＡ−Ａ断面図、図１０（ｂ）は輪帯電極による液晶の屈折率分布を示す波形図である。

図７は従来例の液晶レンズの断面図であり、本発明にも適用されるものである。液晶レンズ４０は後述する輪帯電極を形成したセグメント基板５０と対向電極を形成した対向基板６０とをシール材７０を介して一体化し、この２枚の透明基板に挟まれた平坦な空間内に液晶材料８０を封入して平行基板型の液晶レンズが構成されており、セグメント基板５０の突出部分が外部回路との接続部５０ａとなっている。またセグメント基板５０と対向基板６０の内面には配向処理がなされているが、本発明の要旨に直接関係しないので図示及び詳しい説明は省略した。

図８は図７に示すセグメント基板５０の電極形成面を示す平面図であり、透明基板１の内側面には光軸を中心に５個の輪帯電極２が設けられ、各輪帯電極間には所定の間隙ｄが形成されている。そしてこの各輪帯電極２の一部には配線用のスリット３が設けられ、このスリット３の部分には５個の輪帯電極２を電気的に接続する電圧降下抵抗４と、中心の輪帯電極２ａへの接続電極５が設けられている。さらに、透明基板１の接続部５０ａには電圧降下抵抗４との接続電極６と後述する対向基板６０からの電極を接続する接続電極７が形成されている。

図９は図７に示す対向基板６０の電極形成面を示す平面図であり、透明基板１１の内側面には対向電極１２と接続電極１７が形成されている。そして図７に示す如くセグメント基板５０と対向基板６０とを、その電極形成面を内側にして対向配置し、シール材７０によって一体化することにより液晶レンズ４０が完成する。この組立て工程において対向基板６０の接続電極１７とセグメント基板５０の接続電極７とを導電部材によって接続することにより、液晶レンズ４０を駆動するための、すべての接続電極が透明基板１の接続部５０ａに形成される。

次に、液晶レンズ４０の駆動動作について説明する。外部の電源回路（図示せず）から２つの接続端子５，６間に所定のセグメント電圧が供給されると電圧降下抵抗４には電流が流れて電圧降下が発生し、各部分に異なる電圧が発生する。この結果電圧降下抵抗４の異なる部分に接続された各輪帯電極２には、異なる電圧が供給されて、半径方向に電位勾配が発生する。また対向基板６０の対向電極１２に共通電圧である対抗電圧が供給されることにより液晶材料８０には屈折率分布が発生する。

上記液晶レンズ４０の駆動動作による液晶材料８０の屈折率分布を図１０に示す。すなわち図１０（ａ）は図８に示すセグメント基板５０のＡ−Ａ断面図で、各輪帯電極２の位置を示しており、図１０（ｂ）は各輪帯電極２による液晶材料８０の屈折率分布を示している。図１０（ｂ）に示す如く各輪帯電極２には電圧降下抵抗４によって供給される電圧分布が発生し、この電圧分布によって液晶材料８０への屈折率分布が発生するものである。すなわち液晶材料８０の屈折率分布は、電圧降下抵抗４の抵抗構成と所定のセグメント電圧によって、各輪帯電極２に印加される電位勾配が決定し、この電位勾配に従ってレンズ状の屈折率分布を発生する。しかし、この屈折率分布は各輪帯電極２の存在する位置には発生するが、各輪帯電極２間の間隙ｄには発生せず櫛歯状の欠落部となる。

特許昭６３−２０６７２１号公報 特開平５−５３０８９号公報

特許文献１に示すレンズ形状型の液晶レンズに比べて、特許文献２に示す平行基板型の液晶レンズは構成がシンプルで製造が容易であるというメリットがあるが、反面輪帯電極によってレンズ作用を行わせているため、輪帯電極を構成するセグメント電極間の間隙を通過する光によって収差や解析が発生するため、この液晶レンズをカメラに使用した場合、写真画像がボケてしまうという問題がある。

特許文献２にはこのセグメント電極間の間隙を通過する光の対策として、隣接する輪帯電極同士を輪帯電極接続膜で接続することが提案されており、この輪帯電極接続膜の条件として輪帯電極より導電率の低い膜材料を使用することが述べられている。しかし、特許文献２には輪帯電極接続膜を設けることが述べられているが、この輪帯電極接続膜の具体的な製造方法に付いては何も述べられていない。

本発明の目的は輪帯電極を用いた平行基板型の液晶レンズにおいて、セグメント電極間の間隙を通過する光による収差や解析の発生を防止するための高抵抗膜を備えた液晶レンズ装置及び液晶レンズの製造方法を提供するものである。

上記目的を達成するために本発明の液晶レンズ装置では、複数の輪帯電極と前記複数の輪帯電極を接続する電圧降下抵抗とを形成したセグメント基板と、対向電極を形成した対向基板とをシール材を介して一体化し、この２枚の透明基板に挟まれた空間内に液晶材料を封入した液晶レンズにおいて、前記セグメント基板上の輪帯電極と電圧降下抵抗を覆う範囲に印刷法によって形成された高抵抗膜が設けられていることを特徴とする。

前記高抵抗膜は有機インジュウムと有機スズをバインダーと高沸点溶剤に溶かしたＩＴＯインキを、印刷して焼成した被膜であることを特徴とする。

前記高抵抗膜の膜厚は５０〜５００オングストロームの範囲であることを特徴とする。

前記高抵抗膜の比抵抗は１０^−７〜１０^−１０範囲であることを特徴とする。

前記ＩＴＯインキの金属含有率は０．２〜０．３％であることを特徴とする。

前記高抵抗膜の有機インジュウムと有機スズとの金属濃度割合は略１：３であることを特徴とする。

複数の輪帯電極と前記複数の輪帯電極を接続する電圧降下抵抗とを形成したセグメント基板と、対向電極を形成した対向基板とをシール材を介して一体化し、この２枚の透明基板に挟まれた空間内に液晶材料を封入した液晶レンズの製造方法において、前記セグメント基板に前記複数の輪帯電極と電圧降下抵抗とをフォトエッチング法にて形成するフォトエッチング工程と、前記複数の輪帯電極と電圧降下抵抗との形成範囲にインジュームとスズの有機化合物をバインダーと高沸点溶剤中に溶かしたＩＴＯインキを印刷法によって被膜形成する印刷工程と、前記印刷されたＩＴＯインキを焼成して高抵抗膜を形成する焼成工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば液晶レンズにおける、輪帯電極を被覆する高抵抗膜の形成を少ない工数で行うことができ、また要求される抵抗値の管理が容易であるため、液晶レンズ性能が高く製造コストの安い、液晶レンズ装置を提供できる。

また上記の如く、ＩＴＯインキの組成条件と印刷条件を管理することによって、高抵抗膜として要求される条件を工程の単純な印刷法で達成することが出来た。

以下、図面により本発明の実施の形態に付いて詳細に説明する。なお前記図７〜図１０に示す公知の液晶レンズは基本的に本発明にも適用するものであり、同一要素には同一番号を付して説明を省略する。

図１は本発明の第１実施形態を示す液晶レンズの断面図であり、液晶レンズ１０は図７に示す公知の液晶レンズ４０と基本構成は同じであり、セグメント基板２０の構成のみが異なるものである。また図２、図３は図１に示すセグメント基板２０及び対向基板６０の電極形成面を示す平面図であり、各々図８に示すセグメント基板５０及び図９に示す対向基板６０に対応している。
従って図２、図３において図８、図９と同一要素には同一番号を付して説明を省略する。

図２に示すセグメント基板２０と図８に示すセグメント基板５０との異なるところは、輪帯電極２と電圧降下抵抗４を覆う範囲に印刷法によって形成された高抵抗膜８が設けられていることである。

次に図２に示すセグメント基板２０における各電極膜の特性に付いて説明する。まず輪帯電極２は一般に用いられている１ＴＯによる透明電極膜であり、フォトエッチング法によって形成され、１００Ω／Ｃｍ^２のシート抵抗値を有する。また電圧降下抵抗４は輪帯電極２と同一の電極膜であるが、その抵抗値の比は１００〜１００００倍の範囲である。さらに高抵抗膜８はＩｎ（インジューム）とＳｎ（スズ）の有機化合物をバインダーと高沸点溶剤中に溶かしたＩＴＯインキを印刷法によってパターン化し、乾燥、焼成によって高抵抗膜としたものであり、１００ＫΩ／Ｃｍ^２のシート抵抗値を有し、その膜厚は５０〜５００オングストロームの範囲である。

すなわち、高抵抗膜８の条件としては、輪帯電極２に比べて十分高い抵抗値を有し、またガラスや液晶の比抵抗より低い比抵抗を有することであり、その比抵抗値としては１０^−７〜１０^−１０範囲である。また図３に示す対向基板６０は図９に示す対向基板６０と同一である。

次に上記液晶レンズ１０の駆動動作による液晶材料８０の屈折率分布を図４に示す。すなわち図４（ａ）は図２に示すセグメント基板２０のＡ−Ａ断面図で、各輪帯電極２の位置を示しており、透明基板１、輪帯電極２、間隙ｄの構成は図１０（ａ）のセグメント基板５０と同じである。すなわちセグメント基板２０がセグメント基板５０と異なるところは輪帯電極２の形成領域が高抵抗膜８で被覆されているところである。

図４（ｂ）は各輪帯電極２と高抵抗膜８による液晶材料８０の屈折率分布を示している。図４（ｂ）に示す如く各輪帯電極２には電圧降下抵抗４によって供給される電圧分布が発生し、この電圧分布によって液晶材料８０への屈折率分布が発生することは図１０（ｂ）に示すセグメント基板５０と同じである。しかしセグメント基板２０においては各輪帯電極２の間隙ｄが高抵抗膜８で接続されているため、各輪帯電極２間の間隙ｄには、高抵抗膜８によって隣り合う２つの輪帯電極２間の電位差を補完する傾斜電位が発生する。この結果図４（ｂ）に示すごとく点線で示す屈折率分布の櫛歯状の欠落部が補完されて連続的な屈折率分布が得られる。

すなわち本発明における液晶材料８０の屈折率分布は、電圧降下抵抗４の抵抗構成と高抵抗膜８と所定のセグメント電圧によって、各輪帯電極２に印加される電位勾配が決定し、この電位勾配に従って液晶材料８０への連続的なレンズ状の屈折率分布を発生することができる。

次に本発明のセグメント基板２０における電極膜形成方法を説明する。図５はセグメント基板２０に電極膜を形成する工程図である。（イ）は基板工程であり、透明基板１としては厚みが0.２１ｍｍのガラスを用いる。そして透明基板１の表面は経時劣化しやすいため、ＩＴＯ膜の蒸着前に酸化セリュームの研磨剤にて研磨を行った結果、表面の微細な凹凸がなくなり、またガラスの光学的な歪もとれて液晶レンズ特性を安定させることができた。

（ロ）はＩＴＯ膜付け工程であり、ＩＴＯ膜１２はスパッタリング蒸着で膜形成を行い、シート抵抗は１００〜５００Ω／Ｃｍ^２ で、高透過率のものを用いた。
この高透過率ＩＴＯ膜１２は、厚みが１００〜２００オングストロームであり、ＩｎとＳｎの酸化物をターゲットとして用いて比抵抗を低く抑えている。（ハ）はレジスト塗布工程であり、ＩＴＯ膜１２を形成した透明基板１をアルコールと純水で洗浄して乾燥させた後、ロールコータやスピンナーを用いてフォトレジスト１３を薄く塗布した。このフォトレジスト１３を薄くすることで露光・現像などの解像度を良くすることができるため、０．７〜１．５μｍの厚さにしている。

（ニ）は露光・現像工程であり、マスクを用いてフォトレジスト１３をパターン化している。このパターン化工程により、図２に示す輪帯電極２、電圧降下抵抗４、接続電極５，６，７がパターン化される。（ホ）はエッチング工程であり、ＩＴＯ膜のエッチング液として塩酸濃度１０％の溶液で、１０分程度かけてエッチングを行い、フォトレジスト１３の無い部分のＩＴＯ膜１２が完全に取れていることを確認した。輪帯電極２の間隙ｄの幅は１０μｍと狭く、高抵抗膜８の抵抗距離を決めるため精度が極めて厳しい条件となる。
この精度を出すためにエッチング液の劣化管理、エッチング液浸漬時間管理、エッチング液温度管理等を厳密に行うことで、間隙ｄの距離公差を５％以下におさえることができた。

（ヘ）はレジスト剥離工程であり、剥離液によるフォトレジスト１３の剥離を行って後に、アルカリ性を示すソーダ成分の残渣を残さないように８０℃の温純水で超音波洗浄を行い、十分な乾燥を行った。これはレジストや剥離液の残渣が残ると高抵抗膜８の抵抗値がバラツキ、液晶レンズの動作が不安定になる危険性があるためである。

これまでの工程（イ）〜（ヘ）は、フォトレジスト法によるものであり、この後の高抵抗膜８の形成には印刷法を用いている。（ト）は高抵抗膜印刷工程であり、高抵抗膜８用のＩＴＯインキとしてはＩｎとＳｎの有機化合物をバインダーと高沸点溶剤中に溶かしたもので、金属成分の含有率は０．２〜０．３％である。このＩＴＯインキを４００メッシュのステンレス板のスクリーンを用いたスクリーン印刷法によって、輪帯電極２及び電圧降下抵抗４の形成範囲に厚さ約２０μｍの未乾燥高抵抗膜８ａを形成した。

（チ）は焼成工程であり、前記未乾燥高抵抗膜８ａを５００℃で焼成することによりＩｎとＳｎの有機化合物であるＩＴＯインキが金属酸化膜になり、光透過性の透明電極膜である高抵抗膜８が形成され、セグメント基板２０が完成する。以上の工程（ト）及び工程（チ）が印刷法による高抵抗膜８の形成工程である。

次に本発明の特徴であるＩＴＯインキについて説明する。本実施形態におけるＩＴＯインキは前述のようにＩｎとＳｎの有機化合物をバインダーと高沸点溶剤中に溶かしたもので、Ｉｎ化合物はインジュームアセチルアセトナートで、Ｓｎ化合物はジプチルスズ・ジオクテートであり、バインダーとしてはニトロセルロースとピクリン酸溶液を用い、それに高沸点溶剤で粘度調整を行ってスクリーン印刷に適した２〜５万ＣＰＳに調整した。また、ＩｎとＳｎとの金属濃度割合は焼成後の抵抗値に大きく作用することが知られており、ＩｎとＳｎとの金属比率が５：１程度で最小になる。今回は高抵抗膜８として安定した高抵抗薄膜を得る必要があるため、ＩｎとＳｎとの金属濃度割合を１：３にして、金属比率５：１に比べて約１００倍の比抵抗率を有する高抵抗膜８を得ることができた。

また、金属成分の比率調整は比較的簡単で、金属含有率が５％程度まで印刷性に悪影響を及ぼさない範囲で調整できる。５％以上であると焼成によりインキ組成物のほとんどが除去されることになるが、酸化金属は被膜として基板上に残る。またスクリーン印刷における未乾燥のＩＴＯインキ膜厚はスクリーンのメッシュ版の厚さに関係するが、４００メッシュのステンレス版を用いた場合、約２０μｍの厚さになる。そして５％の金属含有率の場合、焼成後には０．３μｍの酸化膜が基板上に成膜できる。

しかしこの０．３μｍ程度の膜厚であると酸化金属膜には微細なクラックが観察されるようになり、抵抗値が不安定になってくる。その対策としてＩＴＯインキの金属含有率を５％より下げることで焼成後の％膜厚を薄くするとともにクラック発生も防止でき、抵抗値の不安定要素を解消した。また抵抗値と膜厚は反比例の関係にあるので、膜厚を薄くすることで抵抗値を大きくすることが可能となり、希望する高抵抗膜８が形成できた。すなわちＩｎとＳｎの有機化合物であるＩＴＯインキを５００℃の高温で焼成することにより光透過性に優れた金属酸化膜を形成し、この時の印刷条件及び金属濃度条件を制御することで、薄くて抵抗値の高い高抵抗膜８を形成することができた。

本発明の実施形態におけるＩＴＯインキの成分配合は以下の通りである。
インジュームアセチルアセトナート ０．７％
ジプチルスズ・ジオクテート ２．３％
混合系有機溶剤 ６７．４％
ニトロセルロース １８．５％
ピクリン酸溶液 １１．１％

次に液晶レンズの高抵抗膜８の形成における、従来の透明電極膜形成方法と本発明に用いた印刷法との関係を説明する。
一般に透明電極を目的とする金属酸化膜の形成法としては以下のような方法がある。
（１）高温熱分析法
高温に保持した基板上に金属化合物溶液をスプレー式にて塗布した後、基板を熱分解処理させて金属酸化物の被膜を形成する。
（２）蒸着、スパッタリング法
金属または金属酸化物を真空において蒸着させて金属酸化物の被膜を形成する。
（３）気相成長法
有機金属化合物を減圧下で基板上に塗付した後、酸化分解させて金属酸化物の被膜を形成する。
（４）ディッピング法（浸漬法）
有機または無機金属化合物の極めて希薄な溶液中に基板を浸漬し、その後焼成により金属酸化物の被膜を形成する。
（５）印刷法
有機金属化合物をバインダーと高沸点溶剤中に溶かしたＩＴＯインキを印刷し、その後焼成により金属酸化物の被膜を形成する。

このうち（１）〜（４）の方法はすべて、全面被膜形成方式であるため、金属酸化物の被膜を形成した後に、目的のパターン以外の金属酸化物の被膜をエッチング処理で除去する必要がある。これに対し（５）の印刷法は、印刷によって必要なパターンが形成されているためエッチング処理が不要であり、またＩＴＯインキの金属濃度条件や印刷条件を制御することで、薄くて抵抗値の高い金属酸化物の被膜を形成できるものである。

すなわち、本発明においては輪帯電極２や電圧降下抵抗４のようなパターン精度の必要な部分の電極被膜形成には、パターン形成精度の高いフォトレジスト法を採用し、また輪帯電極２及び電圧降下抵抗４の形成領域を覆うだけで、それほどパターン形成精度を必要としない高抵抗膜８の電極被膜形成にはパターン形成精度がそれほど高くは無いが、被膜形成工程が少なく、抵抗値の管理が容易な印刷法を組み合わせて採用しているものである。

図６は本発明の第２実施形態を示すセグメント基板の電極形成面を示す平面図である。図６に示すセグメント基板３０の基本的構成は図２に示すセグメント基板２０と同じであり、異なるところは電圧降下抵抗４ａの構成を１本の直線ではなくコ字状にして各輪帯電極２の間を接続させたことである。この構成によれば各輪帯電極２の間の抵抗値を、電圧降下抵抗４ａのコ字形状の線幅を変えることで最適化することができる。

本発明による液晶レンズは実施の形態に示したカメラに限定されず、ディスクのピックアップ装置や内視鏡等の医療機器、さらにはメガネの度数調整用等に利用可能である。

本発明の第１の実施形態を示す液晶レンズの断面図。 図１に示すセグメント基板の電極形成面を示す平面図。 図１に示す対向基板の電極形成面を示す平面図。 （ａ）は図２に示すセグメント基板のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図４（ａ）に示すセグメント基板における、各輪帯電極と高抵抗膜による液晶材料の屈折率分布示す。 本発明のセグメント基板に電極膜を形成する工程図。 本発明の第２の実施形態を示すセグメント基板の電極形成面を示す平面図。 従来の液晶レンズの断面図。 従来のセグメント基板の電極形成面を示す平面図。 従来の対向基板の電極形成面を示す平面図。 （ａ）は図８に示すセグメント基板のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１０（ａ）に示すセグメント基板における、各輪帯電極による液晶材料の屈折率分布示す。

符号の説明

１ 透明基板
２、２ａ 輪帯電極
４、４ａ 電圧降下抵抗
５、６、７ 接続電極
８ 高抵抗膜
１０、４０ 液晶レンズ
１２ ＩＴＯ膜
１３ フォトレジスト
２０，３０，５０ セグメント基板
６０ 対向基板
７０ シール剤
８０ 液晶材料

Claims (7)

1. 複数の輪帯電極と前記複数の輪帯電極を接続する電圧降下抵抗とを形成したセグメント基板と、対向電極を形成した対向基板とをシール材を介して一体化し、この２枚の透明基板に挟まれた空間内に液晶材料を封入した液晶レンズにおいて、前記セグメント基板上の輪帯電極と電圧降下抵抗を覆う範囲に印刷法によって形成された高抵抗膜が設けられていることを特徴とする液晶レンズ装置。
2. 前記高抵抗膜は有機インジュウムと有機スズをバインダーと高沸点溶剤に溶かしたＩＴＯインキを、印刷して焼成した被膜である請求項１記載の液晶レンズ装置。
3. 前記高抵抗膜の膜厚は５０〜５００オングストロームの範囲である請求項２記載の液晶レンズ装置。
4. 前記高抵抗膜の比抵抗は１０^−７〜１０^−１０範囲である請求項２記載の液晶レンズ装置。
5. 前記ＩＴＯインキの金属含有率は０．２〜０．３％である請求項２記載の液晶レンズ装置。
6. 前記高抵抗膜の有機インジュウムと有機スズとの金属濃度割合は略１：３である請求項５記載の液晶レンズ装置。
7. 複数の輪帯電極と前記複数の輪帯電極を接続する電圧降下抵抗とを形成したセグメント基板と、対向電極を形成した対向基板とをシール材を介して一体化し、この２枚の透明基板に挟まれた空間内に液晶材料を封入した液晶レンズの製造方法において、前記セグメント基板に前記複数の輪帯電極と電圧降下抵抗とをフォトエッチング法にて形成するフォトエッチング工程と、前記複数の輪帯電極と電圧降下抵抗との形成範囲にインジュームとスズの有機化合物をバインダーと高沸点溶剤中に溶かしたＩＴＯインキを印刷法によって被膜形成する印刷工程と、前記印刷されたＩＴＯインキを焼成して高抵抗膜を形成する焼成工程とを有することを特徴とする液晶レンズの製造方法。
   
   

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