JP2013068875A - 可変焦点レンズおよびその製造方法ならびに可変焦点レンズを備えた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２種の媒質の界面を光の屈折面とする可変焦点レンズにおいて、環境温度の変動に拘わらず圧電アクチュエータを安定的に駆動する。
【解決手段】
第１および第２の液体Ｌ１，Ｌ２をそれぞれ収容する液室４５，４６を有すると共に、当該液室を連通する光路孔２８が形成された容器と、これら液室内における第１および第２の液体の圧力または体積を変動させる圧電アクチュエータ３５とを備えた可変焦点レンズ１４において、光路孔には、光が通過する第１および第２の液体の界面が形成され、圧電アクチュエータは、第１および第２の液室を仕切るように設けられ、第１または第２の媒質側に変位可能である構成とした。
【選択図】図５

Description

本発明は、焦点距離を変更可能な可変焦点レンズおよびその製造方法ならびに可変焦点レンズを備えた撮像装置に関する。

近年、媒質（液体等）の界面形状を変化させることにより焦点距離を変更する可変焦点レンズが開発されている。例えば、互いに屈折率が異なる２種の液体の界面を光の屈折面とする可変焦点レンズであって、２種の液体を収容する容器と、２種の液体の一方の圧力または体積を変動させるピエゾ素子を用いた圧電アクチュエータとを備え、容器内の２種の液体は互いに混和しない状態で接触して界面を形成すると共に、その界面に光を通過させるように光路が配置され、圧電アクチュエータの駆動によって界面の曲率を変化させることにより焦点距離を変更可能としたものが存在する（特許文献１参照）。

このような液状の媒質を用いる可変焦点レンズでは、光学ガラス製のレンズ部材を用いる可変焦点レンズの場合に比べて、コンパクトな構成でありながら、焦点距離の制御を高速に行うことができるという利点がある。

特開２００９−２１７２４９号公報

ところで、上記特許文献１に記載の従来技術では、圧電アクチュエータは、一方の液体が収容される液室の開口部に配置されることにより、当該一方の液体の圧力または体積を変動させることが可能となっている。

しかしながら、上記従来技術では、環境温度の変動（すなわち、液体の膨張・収縮等）により容器内の圧力が増減すると、圧電アクチュエータの駆動（振幅等）に悪影響を及ぼし得るという問題があった。加えて、この種の可変焦点レンズでは、圧電アクチュエータの駆動により、液体の界面形状をより高速に変化させることが望ましい。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、環境温度の変動に拘わらず圧電アクチュエータを安定的に駆動して、２種の媒質の界面形状（すなわち、焦点距離）を変化させることを可能とした可変焦点レンズおよびその製造方法ならびに可変焦点レンズを備えた撮像装置を提供することを主目的とする。

本発明の可変焦点レンズは、互いに屈折率が異なる第１および第２の媒質の界面を光の屈折面とする可変焦点レンズであって、前記第１および第２の媒質をそれぞれ収容する第１および第２の液室を有すると共に、当該第１および第２の液室を連通する光路孔が形成された容器と、前記第１および第２の液室内における前記第１および第２の媒質の圧力または体積を変動させる圧電アクチュエータとを備え、前記光路孔には、前記光が通過する前記第１および第２の媒質の界面が形成され、前記圧電アクチュエータは、前記第１および第２の液室を仕切るように設けられ、前記第１または第２の媒質側に変位可能であることを特徴とする。

このように本発明によれば、環境温度の変動に拘わらず圧電アクチュエータを安定的に駆動して、媒質の界面形状を高速に変化させることが可能となるという優れた効果を奏する。

第１実施形態に係る可変焦点レンズ１４を内蔵した撮像装置１の斜視図 図１中のカメラ部３の内部構成を示す断面図 第１実施形態に係る可変焦点レンズ１４の一部切り欠き斜視断面図 第１実施形態に係る可変焦点レンズ１４の分解斜視図 第１実施形態に係る可変焦点レンズ１４の動作を示す模式的断面図 図５（Ａ）中のVI部に対応する可変焦点レンズ１４のピン止め部３３の詳細形状を示す説明図 図５（Ａ）中のVII部に対応する気泡貯留部４３における気泡の状態を示す説明図（（Ａ）高圧時、（Ｂ）低圧時） 第２実施形態に係る可変焦点レンズ１４を示す模式的断面図 図８中のIX部に対応する可変焦点レンズ１４の変形例を示す図 第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の分解斜視図 第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の断面図 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図（（Ａ）平面図および（Ｂ）B−B線断面図） 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図（（Ａ）平面図および（Ｂ）B−B線断面図） 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図（（Ａ）平面図および（Ｂ）B−B線断面図） 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図（（Ａ）平面図および（Ｂ）B−B線断面図） 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図（（Ａ）平面図および（Ｂ）B−B線断面図） 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図（（Ａ）平面図および（Ｂ）B−B線断面図） 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図（（Ａ）平面図および（Ｂ）B−B線断面図） 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図（（Ａ）平面図および（Ｂ）B−B線断面図） 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す模式図（（Ａ）平面図および（Ｂ）B−B線断面図） 図２３（Ａ）中の駆動部７２を下面側から視た図 図２３（Ａ）中XXV−XXV線断面図 図２３（Ａ）中XXVI−XXVI線断面図 図１１の可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す図 第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の配線構造を示す要部平面図 第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の配線構造を示す要部断面図 第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の配線構造の変形例を示す模式的断面図 第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の駆動部７２の変形例を示す模式的断面図 第４実施形態に係る可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す図 第４実施形態に係る可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す図 第５実施形態に係る可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す図 第５実施形態に係る可変焦点レンズ１４の膜製造工程を示す図

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、互いに屈折率が異なる第１および第２の媒質の界面を光の屈折面とする可変焦点レンズであって、前記第１および第２の媒質をそれぞれ収容する第１および第２の液室を有すると共に、当該第１および第２の液室を連通する光路孔が形成された容器と、前記第１および第２の液室内における前記第１および第２の媒質の圧力または体積を変動させる圧電アクチュエータとを備え、前記光路孔には、前記光が通過する前記第１および第２の媒質の界面が形成され、前記圧電アクチュエータは、前記第１および第２の液室を仕切るように設けられ、前記第１または第２の媒質側に変位可能である構成とする。

これによると、２つの液室を仕切るように設けられた圧電アクチュエータを第１または第２の媒質側に変位させる構成としたため、環境温度等の変化により可変焦点レンズの内部圧力が変化した場合でも、圧電アクチュエータの両側（第１および第２の媒質側）の圧力を常に等しく保持することができる。したがって、環境温度の変動に拘わらず圧電アクチュエータを安定的に駆動して、２種の媒質の界面形状（すなわち、焦点距離）を変化させることが可能となる。

また、第２の発明は、上記第１の発明に関し、前記圧電アクチュエータは、前記光路孔の少なくとも一部を画成する光路開口を有する構成とする。

これによると、容器の大型化を回避しつつ、圧電アクチュエータによって２つの液室を仕切る構成を容易に実現できる。

また、第３の発明は、上記第２の発明に関し、前記光路開口は、前記光路孔における最小径部を画成する構成とする。

これによると、第１および第２の媒質の界面の位置（周縁の位置）を圧電アクチュエータの光路開口の内周縁部に固定することができ、２種の媒質の界面形状を安定的に変化させることが可能となる。

また、第４の発明は、上記第３の発明に関し、前記圧電アクチュエータが、圧電体を一対の電極で挟持した膜状の圧電素子からなり、当該一対の電極における一方の電極により、前記光路孔における前記最小径部を画成する構成とする。

これによると、一方の電極に形成された開口によって最小径部を画成できるため、第１および第２の媒質の界面の位置を簡易かつ高精度に設定することが可能となる。

また、第５の発明は、上記第４の発明に関し、前記圧電アクチュエータが、互いに大きさの異なる圧電体を有する複数の圧電アクチュエータを含む構成とする。

これによると、圧電アクチュエータの駆動状態（圧力または体積の変動量）を複数段階で調節することが可能となる。

また、第６の発明は、上記第１〜第５の発明のいずれかに関し、前記第１および第２の液室の少なくとも一方の内壁には、前記第１または第２の媒質に混入された気泡を貯留する凹部が形成され構成とする。

これによると、第１または第２の媒質の圧力が変動した場合でも、凹部内の気泡が収縮または膨張することにより、容器の破損や媒質の漏れ等を防止することができる。

また、第７の発明は、上記第１または第２の発明に関し、前記容器には、前記光路孔を閉鎖すると共に、前記第１および第２の媒質の境界をなす透明膜が設けられた構成とする。

これによると、光路孔に最小径部を設ける必要がなく、その加工精度の影響を受けずに界面を所望の曲率に安定的に変形させることができる。

また、第８の発明は、上記第１の発明に関し、前記光路孔の内周には、前記光路孔における最小径部を画成する環状の尖形凸部が形成された構成とする。

これによると、第１および第２の媒質の界面の位置（周縁の位置）を尖形凸部に固定することができ、２種の媒質の界面形状を安定的に変化させることが可能となる。

また、第９の発明は、上記第１〜第８の発明のいずれかに関し、前記第１および第２の媒質の一方は、フッ素系の液体を用いる構成とする。

これによると、可変焦点レンズとして必要な非電離性等の性質を保ちながらその組成を任意に変更可能とすることができ、所望の屈折率、密度をもつ液体を容易に得ることができる。

また、第１０の発明は、上記第１から第９の発明のいずれかに係る可変焦点レンズの製造方法であって、前記圧電アクチュエータをＭＥＭＳ構造体として形成することを特徴とする。

これによると、圧電アクチュエータを２つの液室を仕切るように設け、当該圧電アクチュエータを第１または第２の媒質側に変位させる構成を容易かつ高精度に実現できる。

また、第１１の発明は、上記第１から第９の発明のいずれかに係る可変焦点レンズを、被写体を撮像するカメラ部に備えた撮像装置である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る可変焦点レンズ１４を内蔵した撮像装置１の斜視図であり、図２は、図１中のカメラ部３の内部構成を示す断面図である。

この撮像装置１は、焦点距離を変更しながら被写体（ここでは、略六角錐形の立体物）２を撮像するものである。撮像により取得した複数の画像データは、図示しないＰＣ(Personal Computer)等の画像処理装置によって合成処理することにより、画像領域全体においてピントの合った撮像画像を得ることができる。撮像装置１は、例えば、書画カメラとしての使用に好適である。

図１に示すように、撮像装置１は、被写体２を撮像するカメラ部３と、このカメラ部３を保持するアーム４を有するスタンド部５とを備える。スタンド部５は、ユーザが撮像の操作指示等を行うための複数の操作ボタン６を有している。また、撮像装置１は、図示しない通信制御部および外部インターフェースによって画像処理装置との間で画像データや各種制御信号を送受信可能である。

図２に示すように、カメラ部３の内部には、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)やＣＣＤ(Charge Coupled Device Image Sensor)等からなるイメージセンサ１１が設けられている。イメージセンサ１１の下方には、上下の固定焦点レンズ１２，１３と、これら固定焦点レンズ１２，１３の間に配置された可変焦点レンズ１４とからなる光学系１５が設けられている。光学系１５では、光軸Ｃが上下方向に沿って配置されており、被写体２からの光は、固定焦点レンズ１３、可変焦点レンズ１４および固定焦点レンズ１２を順次通過してイメージセンサ１１の受光面に結像される。なお、光学系１５の構成（例えば、固定焦点レンズの形状、数量および配置等）は、ここに示したものに限らず、撮像装置１に必要とされる光学特性に応じて種々の変更が可能である。

図３は、可変焦点レンズ１４の一部切り欠き斜視断面図であり、図４は、可変焦点レンズ１４の分解斜視図である。

可変焦点レンズ１４は、下部プレート２１と、下部レンズ２２と、メニスカスプレート２３と、駆動プレート２４と、気泡貯留プレート２５と、上部レンズ２６と、上部プレート２７とが下側から順に積層された構成を有している。各プレート２１，２３〜２５，２７は略円板状をなし、各々の中央部には、被写体からの光が通る光路孔２８を画成する開口２１ａ，２３ａ〜２５ａ，２７ａが設けられている。各プレート２１，２３〜２５，２７は、レンズ２２，２６を保持した状態で互いに接着されて一体に固定される。

下部レンズ２２は、平凸レンズからなり、上下に重なり合う下部プレート２１およびメニスカスプレート２３の間に介装され、それぞれの開口２１ａ，２３ａの間を閉鎖するように配置される。下部レンズ２２と下部プレート２１との間には、密封用のＯリング３１が取り付けられる。なお、下部レンズ２２は、少なくとも被写体からの光が通過する領域が所定のレンズ機能を果たすものであればよい（上部レンズ２６についても同様）。

メニスカスプレート２３の開口２３ａの周囲には、図４に示すように、周方向に等しい間隔で複数の貫通孔３２が設けられている。また、詳細は後述するが、開口２３ａの周面における上下方向の中間位置には、環状の尖形凸部として形成されたピン止め部３３が設けられている。

駆動プレート２４は、メニスカスプレート２３の複数の貫通孔３２を閉鎖するように、メニスカスプレート２３の上部に重ね合わされる。駆動プレート２４の開口２４ａの周囲には、複数の凹部３４が設けられている。これら凹部３４は、平面視において台形状をなしており、周方向に互いに等しい間隔で配置されている。また、駆動プレート２４には、各凹部３４の底壁（すなわち、貫通孔３２を閉鎖する仕切り壁）３４ａの上面側には、圧電アクチュエータ３５（図５参照）がそれぞれ設けられている。各圧電アクチュエータ３５は、電圧の印加により屈曲振動可能な膜状の圧電素子であり、ここでは図示しないが、平板状の上部電極（第１電極）と下部電極（第２電極）との間に圧電体が挟み込まれた積層構造を有している。各凹部３４の底壁３４ａは、圧電アクチュエータ３５の駆動時に振動板として機能する。電源のＧＮＤが接続される下部電極は、各圧電アクチュエータ３５に共有される。

圧電体は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）から形成され、上部電極および下部電極は、それぞれニッケル材料および白金（Ｐｔ）から形成される。ここでは、底壁３４ａとは別に下部電極を用いることとしたが、各凹部３４の底壁３４ａを下部電極として用いる構成も可能である。なお、圧電アクチュエータ３５の構成は、周知の圧電素子の構成を適用することにより種々の変更が可能である。

上部レンズ２６は、平凸レンズからなり、上下に重なり合う気泡貯留プレート２５および上部プレート２７の間に介装され、それぞれの開口２５ａ，２７ａの間を閉鎖するように配置される。上部レンズ２６と気泡貯留プレート２５および上部プレート２７の間には、それぞれ密封用のＯリング４０，４１が取り付けられる。

図３に示すように、気泡貯留プレート２５の開口２５ａを外囲するようにその下面側に設けられた環状凹部４２には、複数（ここでは、５つ）の気泡貯留部４３が設けられている。これら気泡貯留部４３は、開口２５ａと同心に配置された互いに径の異なる円環状の溝として設けられている。なお、気泡貯留部４３の溝深さは、内側の２つが浅く設定されており、外側の３つが深く設定されているが、これに限らずそれらの配置を含めて種々の変更が可能である。また、上下方向が変更され得る撮像装置に可変焦点レンズ１４を適用する場合には、メニスカスプレート２３側に同様の気泡貯留部を設けてもよい。

図５は、可変焦点レンズ１４の動作を示す模式的断面図（（Ａ）界面ＩＦが凸形、（Ｂ）界面ＩＦが凹形）であり、図６は、図５（Ａ）中のVI部に対応する可変焦点レンズ１４のピン止め部３３の詳細形状を示す説明図であり、図７は、図５（Ａ）中のVII部に対応する気泡貯留部４３における気泡の状態を示す説明図（（Ａ）高圧時、（Ｂ）低圧時）である。

上述のように組み立てられた各プレート２１，２３〜２５，２７は、内部の密閉空間に液体等の媒質を収容可能な容器を形成する。ここでは、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、下部プレート２１、下部レンズ２２、メニスカスプレート２３および駆動プレート２４により、下部液室（第１の液室）４５が画成される。また、メニスカスプレート２３、駆動プレート２４、気泡貯留プレート２５、上部レンズ２６および上部プレート２７により、上部液室（第２の液室）４６が画成される。これら下部液室４５と上部液室４６とは、光路孔２８の一部を画成するメニスカスプレート２３の開口２３ａにより連通状態にある。

下部液室４５は、メニスカスプレート２３の開口２３ａにより画成される下部界面形成室５１と、各貫通孔３２によって画成される複数の下部圧力室５２とを有しており、下部界面形成室５１と複数の下部圧力室５２とは、各貫通孔３２に対応して設けられた各下部通路５３（図４を併せて参照）を介して連通状態にある。各下部圧力室５２の上部開口は、上面に圧電アクチュエータ３５が設けられた底壁３４ａによって閉鎖されている。下部液室４５には、第１の液体（第１の媒質）Ｌ１が収容される。

また、上部液室４６は、メニスカスプレート２３、駆動プレート２４および気泡貯留プレート２５の開口２３ａ〜２５ａにより画成される上部界面形成室５５と、駆動プレート２４の各凹部３４および気泡貯留プレート２５の環状凹部４２によって画成される上部圧力室５６とを有しており、上部界面形成室５５と上部圧力室５６とは、各下部通路５３に対応して設けられた各上部通路５７（図４を併せて参照）を介して連通状態にある。上部液室４６には、第２の液体（第２の媒質）Ｌ２が収容される。

なお、可変焦点レンズ１４の内部に形成される液室４５，４６の構成（すなわち、容器の構成）については、少なくとも圧電アクチュエータ３５により第１および第２の液体Ｌ１，Ｌ２の圧力または体積を変動させることが可能な限りにおいて、ここに示すものに限定されず種々の変更が可能である。

ここで、第１の液体Ｌ１は、水系の液体（すなわち、純水または水を主成分とする液体等）からなり、第２の液体Ｌ２は、油系の液体（すなわち、シリコーンオイル等の常温で流動性を有する油またはこの油を主成分とする液体）からなる。第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とは、互いに屈折率が異なり、かつ互いに混和しないように各成分が選択される。ここでは、上側に位置する第２の液体Ｌ２の比重は、第１の液体Ｌ１の比重よりも小さくなるように設定されている。第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とは、メニスカスプレート２３の開口２３ａ内で互いに接触した状態にあり、ピン止め部３３を周縁とした界面ＩＦを形成する。つまり、下部液室４５と上部液室４６とは、ピン止め部３３に形成される界面ＩＦの位置で仕切られる。

第１の液体Ｌ１を構成する水系の液体としてフッ素系の液体を用いると、可変焦点レンズとして必要な非電離性等の性質を保ちながらその組成を任意に変更可能となる。よって、所望の屈折率、密度をもつ液体を容易に得ることができる。つまり、任意の「印加電圧対レンズパワー」特性をもたせることや、内部の２種の液体（第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２）の密度を厳密に合わせることで重力変動の大きな使用条件においても安定した作動状態を実現できることになる。

この可変焦点レンズ１４では、圧電アクチュエータ３５が油系の第２の液体Ｌ２のみと接触する（すなわち、水系の第１の液体Ｌ１とは接触しない）構成としたため、水分に起因する圧電体の劣化等を防止することができ、圧電アクチュエータ３５を長期間安定して駆動させることができる。なお、下部液室４５および上部液室４６にそれぞれ収容される媒質は、両者の界面が光の屈折面として機能し得る程度に流動または変形可能な限りにおいて、厳密に液体に限定される必要はない。

ピン止め部３３の先端は、平面視において円形（好ましくは真円形）をなし、メニスカスプレート２３の開口２３ａにおける最小径部を画成する。これにより、可変焦点レンズ１４では、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２との界面ＩＦの面積を最小に留めようとする（すなわち、凸形または凹形に変形する界面ＩＦの周縁位置をピン止め部３３に留めようとする）ピン止め効果が生じる。

この場合、例えば、図６中に２点鎖線で示すように、ピン止め部３３の先端を鋭角に形成することでより大きなピン止め効果が得られるが、機械加工ではそのような先端形状を実現することは困難である。そこで、本実施形態では、図６中に実線で示すように、ピン止め部３３の先端形状（断面形状）を放電加工により２次曲線（ここでは、Ｙ＝Ｘ^２）状とすることにより、ピン止め部３３の加工を容易としつつ高いピン止め効果を得ている。

上記構成の可変焦点レンズ１４において、圧電アクチュエータ３５の下部電極および上部電極にそれぞれ正および負またはその逆向きの電圧を印加すると、圧電アクチュエータ３５は、収縮または伸長し、これにより、図５（Ａ）または図５（Ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ３５は底壁３４ａと共に凹状または凸状に変形する。

より詳細には、図５（Ａ）に示すように、圧電アクチュエータ３５が凹状に変形すると、この変形した圧電アクチュエータ３５によって下部圧力室５２内の第１の液体Ｌ１が押圧される。これにより、下部液室４５の容積が小さくなって第１の液体Ｌ１の圧力が高まり、メニスカスプレート２３の開口２３ａ内では、第１の液体Ｌ１を上部液室４６側（上方）に押し込む力が生じる。一方、圧電アクチュエータ３５の変形により、上部圧力室５６の容積は拡大するため、メニスカスプレート２３の開口２３ａ内では、第２の液体Ｌ２を上部液室４６側に引き込む力が生じる。その結果、メニスカスプレート２３の開口２３ａ内において、界面ＩＦを高速で凸形に変形させることができる。

逆に、図５（Ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ３５が凸状に変形すると、メニスカスプレート２３の開口２３ａ内では、第２の液体Ｌ２を下部液室４５側（下方）に押し込む力が生じる一方、第１の液体Ｌ１を下部液室４５側に引き込む力が生じる。その結果、メニスカスプレート２３の開口２３ａ内において、界面ＩＦを高速で凹形に変形させることができる。

このように、圧電アクチュエータ３５の下部電極および上部電極に対して正負が逆転する所定の電圧を印加することにより、上記図５（Ａ），（Ｂ）に示した動作を周期的に行わせることができる。つまり、撮像装置１では、界面ＩＦを所望の曲率に高速で変化させながら（すなわち、焦点距離を所望の大きさに高速で変化させながら）撮像を行うことができる。なお、本実施形態では、界面ＩＦを凹形および凸形の双方に変形させる構成としたが、界面ＩＦを凹形または凸形の一方のみに変形させる構成としてもよい。

上記構成の可変焦点レンズ１４では、圧電アクチュエータ３５は、光路孔２８を介して連通する下部液室４５（下部圧力室５２）および上部液室４６（上部圧力室５６）を、光路孔２８とは異なる位置において仕切るように設けられ、第１の液体Ｌ１または第２の液体Ｌ２側に変位可能な構成としている。これにより、可変焦点レンズ１４では、環境温度等の変化により可変焦点レンズ１４の内部圧力が変化した場合でも、圧電アクチュエータ３５の両面（上側および下側）の圧力を常に等しく保持できるため、両面の圧力のバランスが崩れて圧電アクチュエータ３５の動作（振動時の振幅等）に悪影響が及ぶことを防止できる。したがって、可変焦点レンズ１４では、焦点距離制御を安定的に実施することが可能となる。

その一方で、環境温度等の変化により可変焦点レンズ１４の内部圧力が過度に上昇または下降すると、第１の液体Ｌ１および第２の液体Ｌ２が膨張または収縮して下部液室４５および上部液室４６の密閉構造に悪影響を及ぼす可能性がある。そこで、可変焦点レンズ１４では、予め気泡貯留部４３に気体Ｇ（例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガス）を貯留しており、これら気体Ｇの収縮または膨張によって内部圧力を調整可能としている。

つまり、図７（Ａ）に示すように、可変焦点レンズ１４の内部圧力が上昇すると、気泡貯留部４３の気体Ｇは、標準体積（図７（Ａ）中に破線で示す）から収縮する。また、図７（Ｂ）に示すように、可変焦点レンズ１４の内部圧力が下降すると、気泡貯留部４３の気体Ｇは、標準体積（図７（Ｂ）中に破線で示す）から膨張する。なお、可変焦点レンズ１４では、気泡貯留部４３を互いに径の異なる環状の溝として複数設けたため、気泡が光路孔２８に移動して撮像に悪影響を及ぼすことを防止できる。

＜第２実施形態＞
図８は、第２実施形態に係る可変焦点レンズ１４を示す模式的断面図であり、図９は、図８中のIX部に対応する可変焦点レンズ１４の変形例を示す図である。図８および図９では、上述の第１実施形態と同様の構成要素について同一の符号が付されている。また、第２実施形態において、以下で特に言及しない事項については、第１実施形態の場合と同様とする。

図８に示すように、第２実施形態に係る可変焦点レンズ１４では、光路孔２８において、下部液室４５と上部液室４６とが弾性を有する透明膜６１によって仕切られている点において第１実施形態の場合とは異なる。これにより、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とは直接接触せずに透明膜６１によって両者の界面が形成される。透明膜６１は、平面視において円形をなす薄膜（例えば、厚さ５０μｍ）であり、透明膜６１の周縁部はメニスカスプレート２３と駆動プレート２４との間に挟持されている。なお、透明膜６１は、少なくとも被写体からの光が通過する領域が撮像可能な程度に透明なものであればよく、例えば、透明膜６１を形成する材料としてシリコーン樹脂を用いることができる。

図８では、上述の図５（Ａ）の場合と同様に、圧電アクチュエータ３５が凹形に変形した状態を示しており、これにより、光路孔２８内では、透明膜６１が上部液室４６側（上方）に押し込まれるように弾性変形し、凸形の界面が形成される。

第２実施形態に係る可変焦点レンズ１４では、第１実施形態の場合のようなピン止め部３３（図５参照）は不要となるため、ピン止め部３３の先端の加工精度に因らずに、界面を所望の曲率に安定的に変形させることができる。また、界面の変形動作を高速で繰り返す際にも、透明膜６１によってダンピングの効果が得られるという利点もある。

なお、上記構成の可変焦点レンズ１４では、後述するように、シリコンウエハ上に半導体集積回路作製技術を用いて微細加工を施すことにより、駆動プレート２４をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造体として形成することができる。これにより、透明膜６１の上面側の変形端となる駆動プレート２４のエッジ部２４ｅを精度良く形成することができ、凸形の界面の変形精度を向上させることができる。さらに、図９に示すように、透明膜６１の下面側の変形端となるメニスカスプレート２３のエッジ部２３ｅをＭＥＭＳ構造体として形成すれば、凹形の界面の変形精度も向上させることができる。

＜第３実施形態＞
図１０および図１１は、それぞれ第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の分解斜視図および断面図である。図１０および図１１では、上述の第１実施形態と同様の構成要素について同一の符号が付されている（後述する図１２〜図３１も同様。）。また、第３実施形態において、以下で特に言及しない事項については、第１実施形態の場合と同様とする。なお、図１１では、図示の都合上、必要に応じて各構成要素間の相対的なサイズ（断面図における厚みや平面図における幅等）を変更しており、各構成要素の実用上のサイズとは必ずしも一致しない（以後の図についても同様。）。

図１０に示すように、可変焦点レンズ１４は、光学材料からなるガラス基板７１と、ＭＥＭＳ構造体である駆動部７２と、金属製の封止体７３と、平凸レンズからなる封止ガラス７４とが下側から順に積層された構成を有している。駆動部７２および封止体７３は略円板状をなし、それぞれの中央部には、被写体からの光が通る光路孔２８を画成する開口７２ａ，７３ａが設けられている。

図１１に示すように、可変焦点レンズ１４では、封止体７３の上壁に形成された開口７３ａが封止ガラス７４によって閉鎖される一方、封止体７３の下部の開口７３ｂがガラス基板７１によって閉鎖される。これにより、組み立てられた封止体７３、封止ガラス７４およびガラス基板７１は、内部の密閉空間に液体等の媒質を収容可能な容器を形成する。この密閉空間は、ガラス基板７１の上面に固着された駆動部７２によって仕切られ、ガラス基板７１と駆動部７２との間に下部液室（第１の液室）４５が画成される一方、駆動部７２と封止体７３との間に上部液室（第２の液室）４６が画成される。これら下部液室４５と上部液室４６とは、駆動部７２の開口７２ａにより連通状態にある。また、下部液室４５には、光路孔２８から半径方向に延びる仕切り壁（図１５の１１７参照）が周方向に所定の間隔で複数設けられており、第１実施形態における下部圧力室５２と同様の複数の下部圧力室が形成されている。

駆動部７２は、円環状の側壁部８１の上に平板状の圧電アクチュエータ３５が設けられた構成を有している。各圧電アクチュエータ３５は、ニッケル材料からなる下部電極（第２電極）８２と、白金（Ｐｔ）からなる上部電極（第１電極）８３との間にＰＺＴからなる圧電体８４が挟みこまれた積層構造を有している。円板状をなす下部電極８２の外周縁部の下面は、側壁部８１の上端に接続されている。ここでは、下部電極８２が振動板として機能する。

また、駆動部７２において、円板状をなす下部電極８２の中央には開口８２ａが形成されている。開口８２ａは、駆動部７２に形成される光路孔２８において最小径部を画成し、これにより、開口８２ａの内周縁部はピン止め部として機能する。この場合、開口８２ａの内周縁部の厚さを無視できる程度に小さくする（例えば、１〜２μｍとする）ことにより、開口８２ａの内周端を上述の第１実施形態におけるピン止め部３３（図５参照）の先端と同様に機能させることができる。

このような構成により、第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４では、駆動部７２は、ガラス基板７１と共に下部液室４５を画成し、第１実施形態における２つの部材（駆動プレート２４およびメニスカスプレート２３）と同様の機能を果たす。なお、ガラス基板７１は、少なくとも光路孔２８に対応する部位がレンズ機能を有する構成とすることができる。また、変形例として、ガラス基板７１の外周縁を覆うように封止体７３をかしめ固定していわゆるＣＡＮパッケージを構成することにより、内部の密閉空間における圧力変動の許容度を高めることができる。

次に、第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の製造工程について説明する。図１２から図２７は、それぞれ図１１に示した可変焦点レンズ１４の一製造工程の模式図である。なお、図１０に示したように、可変焦点レンズ１４の各構成要素の外形は平面視において円形となるが、ここでは、簡単のため平面視における各構成要素の外形を正方形とし、これに対応させるように各構成要素の他の部位も図示している。

まず、図１２に示すように、シリコンウエハからなる基材１０１上にＰｔからなる第１電極層１０２（上部電極８３に相当）、ＰＺＴからなる圧電体層１０３（圧電体８４に相当）およびニッケルからなる第２電極層１０４（下部電極８２に相当）を順次積層する。各層１０２〜１０４の厚みは適宜設定可能であるが、好ましくは、第１電極層１０２の厚みは0.1〜1μｍ、圧電体層１０３の厚みは2〜10μｍ、第２電極層１０４の厚みは1〜10μｍの範囲内でそれぞれ設定するとよい。

なお、基材１０１にアライメントマークを形成しておくことにより、各層１０２〜１０４について高い位置精度を確保することができる。また、可変焦点レンズにおいて圧電体の変形を必要としない領域には、圧電体層１０３と第２電極層１０４との間に絶縁体層（例えば、感光性ポリイミド層）を形成しておくとよい。これにより、圧電アクチュエータの駆動の信頼性が高まる。

次に、図１３に示すように、第２電極層１０４上にドライフィルムレジストからなるレジスト層１１１を形成した後、所望のパターンにて露光および現像する。このとき、レジスト層１１１では、後の光路孔およびその周囲の下部圧力室を画成する側壁を形成する部分が除去され、当該除去部分において第２電極層１０４が露出する。

次に、図１４に示すように、第２電極層１０４の露出部位をシード層としてニッケル電鋳を実施し、当該露出部位にニッケル電鋳層１１２を形成する。このとき、レジスト層１１１と共にニッケル電鋳層１１２に対して研削加工を行うことにより、ニッケル電鋳層１１２を適切な厚み（例えば、140〜150μｍ）に調整する。なお、下部電極としてニッケル以外の金属材料を用いることもできるが、その場合には、ニッケル電鋳を実施する第２電極層１０４の部位にシード層としてニッケル層を形成しておくとよい。

次に、図１５に示すように、全てのレジスト層１１１を剥離・除去する。これにより、４つの下部圧力室５２Ａ〜５２Ｄの周壁が完成する。各下部圧力室５２Ａ〜５２Ｄの周壁は、後に光路孔２８が形成される中央部を囲むように内側に形成された内壁１１５と、外側に形成された外壁１１６と、これら内壁１１５と外壁１１６との間のスペースを仕切るように周方向に所定の間隔で複数形成された仕切り壁１１７とから構成されている。内壁１１５には、各下部圧力室５２Ａ〜５２Ｄと中央部（光路孔）とを連通するための下部通路５３が設けられている。なお、上述のように、外壁１１６の形状は円形（円弧状）とすることができる。また、下部圧力室の数（すなわち、仕切り壁１１７の数）は、ここに示したものに限らず適宜変更することができる。

次に、図１６に示すように、図１５に示した構造体を上下反転させて、ニッケル電鋳層１１２の下端をガラス基板７１に接着する。続いて、図１７に示すように、基材１０１を所定の厚みまで研削し、その後、エッチングガスを用いたドライエッチングを実施して基材１０１を全て除去する。このとき、使用するエッチングガスは、第１電極層１０２がエッチングストッパとなるように選択する。

次に、図１８に示すように、第１電極層１０２上にレジスト層１２１を形成した後、所望の形状にて露光および現像する。このとき、レジスト層１２１は、第１電極層１０２における変位領域（すなわち、圧電アクチュエータの各圧電体が変位する領域に対応する領域）と、後に上部電極を外部と電気的に接続するための電極リード１２３Ａ〜１２３Ｄ（図２８参照）の領域とを覆うようにパターン形成される。このとき、圧電体層１０３の下側に形成されたニッケル電鋳層１１２とのアライメントを行うため、図示しないアライメントマークを基準にマスクパターンを形成してレジスト層１２１を露光するとよい。

次に、図１９に示すように、エッチングガスを用いたドライエッチングを実施して第１電極層１０２の露出部位を除去し、その後、レジスト層１２１を剥離・除去する。これにより、第１電極層１０２のパターニングが終了（上部電極が完成）する。

次に、図２０に示すように、第１電極層１０２および圧電体層１０３上にレジスト層１２５を形成した後、所望の形状にて露光および現像する。このとき、レジスト層１２５は、圧電体層１０３において後に各圧電体が形成される領域を覆うようにパターン形成される。その後、圧電体層１０３に対してエッチング（例えば、フッ硝酸を用いたウェットエッチング）を行った後、レジスト層１２５を除去する。これにより、図２１に示すように、圧電体層１０３において光路孔を形成する領域（図１１中の下部電極８２の開口８２ａよりも若干大きな円形）を除去すると共に、下方の下部圧力室５２Ａ〜５２Ｄにそれぞれ対応する後の各圧電体に相当する領域を分離する。

次に、図２２に示すように、第１電極層１０２、第２電極層１０４および圧電体層１０３上にレジスト層１２６を形成した後、所望の形状にて露光および現像する。このとき、レジスト層１２６は、第２電極層１０４における後の下部電極８２の開口８２ａ（図１１参照）以外の領域を覆うようにパターン形成される。その後、第２電極層１０４に対してエッチングを行い、下部電極８２の開口８２ａに相当する貫通孔を形成する。これにより、図２３〜図２６に示すように、ガラス基板７１上の駆動部７２が完成する。

次に、図２７（図１１を併せて参照）に示すように、駆動部７２が形成されたガラス基板７１に封止体７３を接着する。このとき、封止体７３の開口７３ａから下部液室４５に対して第１の液体Ｌ１を注入し、続いて上部液室４６に対して第２の液体Ｌ２を注入する。第１の液体Ｌ１の注入量は、メニスカスレベルが下部電極８２の開口８２ａと一致するように設定する。その後、封止体７３の開口７３ａを封止ガラス７４により閉鎖して内部空間を密閉する。

図２８および図２９は、それぞれ第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の配線構造を示す模式的な要部平面図および要部断面図であり、図３０は、可変焦点レンズ１４の配線構造の変形例を示す模式的断面図である。

上記製造工程では説明を省略したが、可変焦点レンズ１４では、駆動部７２を形成した後（封止体７３の接着前）に下部電極８２および上部電極８３を外部と電気的に接続するための配線が行われる。図２８に示すように、制御線１３１Ａ，１３１Ｂおよび制御線１３１Ｃ，１３１Ｄは、それぞれＦＰＣ(Flexible Printed Circuits)１３２上に一纏めにパターン形成され、図示しないＡＣＦ(Anisotropic Conductive Film)を介して上部電極８３に形成された電極リード１２３Ａ〜１２３Ｄに接続される。また、コモン線１３３は、図示しないＡＣＦを介して下部電極８２の外周部に接続される。なお、コモン線１３３は、制御線１３１Ａ，１３１Ｂと共にＦＰＣ１３２に形成してもよい。

ＦＰＣ１３２（コモン線１３３も同様）は、図２９に示すように、駆動部７２の側面に沿ってガラス基板７１側に導かれ、このガラス基板７１と封止体７３の間を通して外部に引き出される。この場合、ＦＰＣ１３２は多少の厚みを有するため、ガラス基板７１または封止体７３の少なくとも一方にＦＰＣ１３２を外部に導くための切欠き部や貫通孔を設けるとよい。最終的に、ガラス基板７１と封止体７３とはＦＰＣ１３２を引き出した状態で接着され、内部空間は密閉される。

このような構成において、コモン線１３３に図示しない電源のＧＮＤを接続すると共に、制御線１３１Ａ〜１３１Ｄに所定の電位を印加することで、駆動部７２（圧電アクチュエータ３５）を駆動することができる。なお、図３０に示すように、上部液室４６内に圧電アクチュエータ３５用のドライバ１４１を搭載した基板１４２を設け、当該ドライバ１４１を介して上部電極８３および下部電極８２に電圧を印加してもよい。この場合、外部からの制御信号をシリアル信号とすることにより、制御線１３１の数を低減できるという利点がある。

図３１は、第３実施形態に係る可変焦点レンズ１４の駆動部７２の変形例を示す模式的断面図である。上記可変焦点レンズ１４では、図１０にも示したように、複数の圧電アクチュエータ３５は、周方向に互いに等しい間隔で配置され且つ互いに同一の大きさ（平面視における面積）を有している。これら各圧電アクチュエータ３５の大きさはこれに限らず、例えば、次のような変更が可能である。

図３１に示すように、互いに圧電体および上部電極の大きさが異なる３つの圧電アクチュエータ３５Ａ〜３５Ｃを１組（図３１中の破線枠参照）として、これらを周方向に互いに等しい間隔で配置する。ここで、平面視における圧電アクチュエータ３５Ａ〜３５Ｃの有効面積（下部圧力室５２を押圧可能な面積）をそれぞれＳ１〜Ｓ３とすると、これら有効面積Ｓ１〜Ｓ３は、各圧電アクチュエータ３５Ａ〜３５Ｃの１回の駆動により移動する液体の量Ｍ１〜Ｍ３が所定の関係（ここでは、Ｍ３＝４×Ｍ１、Ｍ２＝２×Ｍ１）となるように設定される。

各組の圧電アクチュエータ３５Ａ〜３５Ｃは、個別にＯＮ・ＯＦＦ可能であるため、８段階の駆動状態（移動させる液体の量）をとることが可能である。したがって、全８組の圧電アクチュエータ３５Ａ〜３５Ｃを用いることにより、５７段階の駆動状態をとることができる。これにより、界面ＩＦの曲率変化量を高い精度で制御することが可能となる。なお、圧電アクチュエータ３５の形状は種々の変更が可能であり、例えば、中心角を円弧状に切り欠いた扇形としてもよい。また、ここに示した駆動部７２の変形例は、第１および第２実施形態の圧電アクチュエータ３５に対しても同様に適用可能である。

＜第４実施形態＞
図３２および図３３は、それぞれ第４実施形態に係る可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す図である。図３２および図３３では、上述の第３実施形態と同様の構成要素について同一の符号が付されている。また、第４実施形態において、以下で特に言及しない事項については、第３実施形態の場合と同様とする。

図３２に示すように、第４実施形態に係る可変焦点レンズ１４では、図１２に示した構成において第２電極層１０４上に膜形成層１４５を形成する。ここでは、膜形成層１４５はＳｉＯ_２からなる。その後、第３実施形態の場合と同様に各工程を実施し、最終的に図３３（第３実施形態の図２６に対応）に示すように、円板状とした膜形成層１４５で第２電極８２の開口８２ａを閉鎖する構成とする。このような構成は、開口８２ａを形成する工程において、ＳｉＯ_２をストップ材として反応を止めることにより実現できる。膜形成層１４５は、変形可能な程度の厚み（例えば、2μｍ）で形成されており、図８に示した透明膜６１と同様に機能させることができる。なお、膜形成層１４５の材料としては、ＳｉＯ_２に限らず他の材料（ＳｉＯＮ等）を用いてもよい。

＜第５実施形態＞
図３４は、第５実施形態に係る可変焦点レンズ１４の一製造工程を示す図であり、図３５は、可変焦点レンズ１４の膜製造工程を示す図である。図３４および図３５では、上述の第３実施形態と同様の構成要素について同一の符号が付されている。また、第５実施形態において、以下で特に言及しない事項については、第３実施形態の場合と同様とする。

図３４に示すように、第５実施形態に係る可変焦点レンズ１４では、図１６に示した構成においてニッケル電鋳層１１２とガラス基板７１との間に熱剥離シート層１５１を形成する。熱剥離シート層１５１は、ポリエステルフィルム基材の両面にそれぞれ熱剥離粘着材を付着させたものであり、その粘着力は高温環境下において略ゼロとなる。

このような構成において、上述の図２６と同様に駆動部７２を形成した後、図３５（Ａ）に示すように、高温環境下においてガラス基板７１から駆動部７２を一旦分離する。その後、下部電極８２の下面側をシリコーン樹脂のプールに浸漬した後に引き上げることにより、図３５（Ｂ）に示すように、下部電極８２の開口８２ａにシリコーン樹脂からなる透明膜６１を形成することができる。なお、下部電極８２の上面側をシリコーン樹脂のプールに浸漬することにより、図３５（Ｂ’）に示すように、透明膜６１の凸状の方向を逆転させることができる。この透明膜６１の形成方法は、第２実施形態の図８の場合にも同様に適用することができる。

本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。各実施形態では、各構成要素およびその説明に関して方向を示す用語を用いたが、各構成要素の配置は必ずしもそれらの方向に限定されるものではない。なお、上記実施形態に示した本発明に係る可変焦点レンズおよび撮像装置の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

本発明に係る可変焦点レンズおよびその製造方法ならびに可変焦点レンズを備えた撮像装置は、環境温度の変動に拘わらず圧電アクチュエータを安定的に駆動して、２種の媒質の界面形状（すなわち、焦点距離）を変化させることを可能とし、焦点距離を変更可能な可変焦点レンズおよびその製造方法ならびに可変焦点レンズを備えた撮像装置として有用である。

１ 撮像装置
３ カメラ部
１１ イメージセンサ
１４ 可変焦点レンズ
２１ 下部プレート
２２ 下部レンズ
２３ メニスカスプレート
２４ 駆動プレート
２４ａ 開口（光路開口）
２５ 気泡貯留プレート
２６ 上部レンズ
２７ 上部プレート
２８ 光路孔
３３ ピン止め部（尖形凸部）
３４ａ 底壁
３５ 圧電アクチュエータ
４３ 気泡貯留部（凹部）
４５ 下部液室（第１の液室）
４６ 上部液室（第２の液室）
５１ 下部界面形成室
５２ 下部圧力室
５３ 下部通路
５５ 上部界面形成室
５６ 上部圧力室
５７ 上部通路
６１ 透明膜
７１ ガラス基板
７２ 駆動部
７３ 封止体
７４ 封止ガラス
８１ 側壁部
８２ 下部電極
８２ａ 開口（光路開口）
８３ 上部電極
８４ 圧電体
１０１ 基材
１０２ 第１電極層
１０３ 圧電体層
１０４ 第２電極層
１１２ ニッケル電鋳層
Ｃ 光軸
Ｇ 気体
ＩＦ 界面
Ｌ１ 第１の液体（第１の媒質）
Ｌ２ 第２の液体（第２の媒質）

Claims (11)

1. 互いに屈折率が異なる第１および第２の媒質の界面を光の屈折面とする可変焦点レンズであって、
   前記第１および第２の媒質をそれぞれ収容する第１および第２の液室を有すると共に、当該第１および第２の液室を連通する光路孔が形成された容器と、
   前記第１および第２の液室内における前記第１および第２の媒質の圧力または体積を変動させる圧電アクチュエータとを備え、
   前記光路孔には、前記光が通過する前記第１および第２の媒質の界面が形成され、
   前記圧電アクチュエータは、前記第１および第２の液室を仕切るように設けられ、前記第１または第２の媒質側に変位可能であることを特徴とする可変焦点レンズ。
2. 前記圧電アクチュエータは、前記光路孔の少なくとも一部を画成する光路開口を有することを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
3. 前記光路開口は、前記光路孔における最小径部を画成することを特徴とする請求項２に記載の可変焦点レンズ。
4. 前記圧電アクチュエータは、圧電体を一対の電極で挟持した膜状の圧電素子からなり、当該一対の電極における一方の電極により、前記光路孔における前記最小径部を画成することを特徴とする請求項３に記載の可変焦点レンズ。
5. 前記圧電アクチュエータは、互いに大きさの異なる圧電体を有する複数の圧電アクチュエータを含むことを特徴とする請求項４に記載の可変焦点レンズ。
6. 前記第１および第２の液室の少なくとも一方の内壁には、前記第１または第２の媒質に混入された気泡を貯留する凹部が形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
7. 前記容器には、前記光路孔を閉鎖すると共に、前記第１および第２の媒質の境界をなす透明膜が設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変焦点レンズ。
8. 前記光路孔の内周には、前記光路孔における最小径部を画成する環状の尖形凸部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の可変焦点レンズ。
9. 前記第１および第２の媒質の一方は、フッ素系の液体を用いることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の可変焦点レンズ。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の可変焦点レンズの製造方法であって、
    前記圧電アクチュエータをＭＥＭＳ構造体として形成することを特徴とする可変焦点レンズの製造方法。
11. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の可変焦点レンズを、被写体を撮像するカメラ部に備えた撮像装置。

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