JP2015018094A - 形状可変光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】形状可変光学素子２０において、光反射面３１を所望の曲面形状に変形させる。【解決手段】制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）との間に電圧を印加した際に、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）は、それぞれ、長手方向の中央部６０が対向電極層領域３０Ａ側（或いは、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）側）に凸になるように屈曲する。このため、駆動用電極層（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）は、それぞれ対応する電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に沿うように円弧になる。このとき、すべてのｊについてΔＸｄ（ｉ、ｊ）＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）?Ｘθ（ｉ、ｊ）が成立する。これに伴い、光反射面３１は、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）のそれぞれの屈曲に伴って曲面形状に変形する。【選択図】図１

Description

本発明は、形状可変光学素子に関するものである。

従来、形状可変光学素子において、電解質膜と、電解質膜の表面側に配置されている複数の第１電極層と、電解質膜の裏面側に配置されている複数の第２電極層とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

複数の第１電極層および複数の第２電極層は、それぞれ、厚み方向から視て正方形に形成されている。そして、複数の第１電極層は、それぞれ、複数の第２電極層のうち対応する第２電極層に対して電解質膜を介して対向するように配置されている。第１、第２の電極層の間に第１電極層毎に制御回路が電圧を印加する際に、第１、第２の電極層の間の電界に沿ってイオンが第１電極層毎に移動することにより、電解質膜が第１電極層毎に屈曲することになる。このため、電解質膜を複数の第１電極層および複数の第２電極層とともに、第１電極層毎に変形させることが可能になる。

特許４６４６５３０号明細書

本発明者は、上記特許文献１の電解質膜の第１電極層側（或いは、第２電極層側）に光反射面を配置して、電解質膜の変形に伴って光反射面を変形させる形状可変光学素子を構成することを検討した。

形状可変光学素子によって光源から出射される光を所望の方向に反射させるには、形状可変光学素子をそれに対応した曲面形状に変形させることが必要になる。しかし、複数の第１電極層および複数の第２電極層は、それぞれ、上述の如く、厚み方向から視て正方形に形成されている。このため、複数の第１電極層および複数の第２電極層が、それぞれ、面方向に亘って剛性が同一になっている場合には、複数の第１電極層の剛性と複数の第２電極層の剛性とが電解質膜の変形を妨げることとなり、電解質膜を４隅を吊り上げた座布団のような曲面形状以外に変形させることができない。これにより、光反射面を所望の曲面形状に変形させることができない。

本発明は上記点に鑑みて、光反射面を所望の曲面形状に変形させることを可能にした形状可変光学素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電解質膜（ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ））と、電解質膜の一面に沿って膜状に形成されている第１電極層（３０）と、電解質膜のうち一面に対する反対側の他面に沿う膜状で、かつ短冊状に形成されている複数の第２電極層と、第１の電極層および複数の第２電極層のうちいずれか一方に対して他方の反対側に配置されて光を反射する光反射面（３１）と、を備え、第１電極層と複数の第２電極層との間に制御回路（４０）から電圧が与えられた際に、第１電極層と複数の第２電極層との間の電界に沿ってイオンが電解質膜内を第２電極層毎に移動して、電解質膜が第１電極層および複数の第２電極層とともに、第２電極層毎に屈曲するようになっており、ｉを第２電極層のＹ方向の座標とし、ｊを第２電極層のＸ方向の座標とした複数の第２電極層は、Ｘ方向に平行になるようにそれぞれ配置されて、かつマトリックス状に配列されている複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）を備え、制御回路から第１電極層と複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）との間に電圧が印加された際に、電解質膜が駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）毎に屈曲して、すべてのｊについて複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）がそれぞれ円弧になり、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）における円弧の長さをΔＸｄとし、曲率半径をＸｒ（ｉ、ｊ）とし、中心角をＸθ（ｉ、ｊ）としたときに、ΔＸｄ＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）×Ｘθ（ｉ、ｊ）が駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）毎に成立して光反射面が曲面状に形成されるようになっていることを特徴とする。

以上により、制御回路から第１電極層と複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）との間に駆動用電極層毎に所定の電圧を印加することにより、光反射面を所望の曲面形状に変形させることが可能になる。

なお、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）における円弧の長さとは、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）の長手方向一端と長手方向他端との間において駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）の面に沿うように測定される最短距離のことである。

請求項２に記載の発明では、複数の第２電極層は、Ｙ方向に平行になるようにそれぞれ配置されて、かつマトリックス状に配列されている複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）を備え、複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）のうち対向する２つの駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）、Ｘ（ｉ＋１、ｊ）と、複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）のうち対向する２つの駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）、Ｙ（ｉ、ｊ＋１）とが矩形領域を囲むように複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）および複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）が配列されており、制御回路から第１電極層と複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）との間に電圧が印加された際に、すべてのｉについて複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）がそれぞれ円弧になり、駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）における円弧の長さをΔＹｄとし、曲率半径をＹｒ（ｉ、ｊ）とし、中心角をＹθ（ｉ、ｊ）としたときに、ΔＹｄ＝Ｙｒ（ｉ、ｊ）×Ｙθ（ｉ、ｊ）が駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）毎に成立して光反射面が曲面状に形成されることを特徴とする。

以上により、制御回路から第１電極層と複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）との間に駆動用電極層毎に所定の電圧を印加することにより、多くの種類の曲面形状に光反射面を変形させることが可能になる。

なお、駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）における円弧の長さとは、駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）の長手方向一端と長手方向他端との間において駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）の面に沿うように測定される最短距離のことである。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す図である。 第１実施形態における形状可変光学素子の正面図である。 第１実施形態における形状可変光学素子の背面図である。 図２中IV−IV断面図である。 第１実施形態における形状可変光学素子を背面側から視た透視図である。 第１実施形態における形状可変光学素子の製造工程を示すフローチャートである。 第１実施形態におけるヘッドアップディスプレイの電気的構成を示す図である。 第１実施形態における形状可変光学素子の作動を示す図である。 第１実施形態における形状可変光学素子を構成する電解質膜を示す図である。 第１実施形態において駆動用電極層の円弧の長さ、曲率半径、および中心角の関係を示す図である。 第１実施形態において、形状可変光学素子の駆動用電極層の作動を示す図である。 第１実施形態の形状可変光学素子において、線Ｓ１とその目標としている曲線ＳＫとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態における形状可変光学素子の作動を説明するための図である。 第２実施形態における形状可変光学素子の形状としての目標値を示す図である。 第２実施形態の駆動用電極層において線Ｓ２とその目標としている曲線ＳＫ’との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に本発明の形状可変光学素子が適用される自動車用のヘッドアップディスプレイ１の第１実施形態の構成を示す。

ヘッドアップディスプレイ１は、図１に示すように、表示装置１０、および形状可変光学素子２０を備える。表示装置１０は、表示光を面状に出力する。形状可変光学素子２０は、表示装置１０から出力される面状の表示光をフロントウインドシールド２１に向けて反射する。形状可変光学素子２０は、その形状が変更されて、焦点距離や反射方向を変える光学素子である。

次に、本実施形態の形状可変光学素子２０の構成ついて図２〜図４を参照して説明する。

本実施形態の形状可変光学素子２０は、図２、図３、および図４に示すように、電極層３０、駆動用電極層Ｘ（１、１）、Ｘ（１、２）、・・・Ｘ（１、ｎ）、Ｘ（２、１）、Ｘ（２、２）、・・・Ｘ（２、ｎ）、・・・Ｘ（ｍ、１）、Ｘ（ｍ、２）、・・・Ｘ（ｍ、ｎ）、および駆動用電極層Ｙ（１、１）、Ｙ（１、２）、・・・Ｙ（１、ｎ）、Ｙ（２、１）、Ｙ（２、２）、・・・Ｙ（２、ｎ）、・・・Ｙ（ｍ、１）、Ｙ（ｍ、２）、・・・Ｙ（ｍ、ｎ）を備える。

なお、図２、図３、図４は、説明の便宜上、ｍ＝３、ｎ＝３とした例を示している。

ここで、駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）をそれぞれ駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）で表し、駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）をそれぞれ駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）で表した場合、ｉ、ｊは次のように定義される。すなわち、ｉは、１≦ｉ≦ｍを満たす整数であって、駆動用電極層のＹ方向の座標となる。ｊは、１≦ｊ≦ｎを満たす整数であって、駆動用電極層のＸ方向の座標となる。

図２の電極層３０は、薄膜状に形成されたもので、面方向に直交する方向（図１中紙面手前側）から見て四角形に形成されたものである。電極層３０の表面は、表示装置１０から発生する面状の光を反射する光反射面３１を構成している。

図３の駆動用電極層Ｘ（１、１）、・・・、Ｘ（ｍ、ｎ）および駆動用電極層Ｙ（１、１）、・・・Ｙ（ｍ、ｎ）は、電極層３０の裏面側に配置されている。駆動用電極層Ｘ（１、１）、・・・Ｘ（ｍ、ｎ）および駆動用電極層Ｙ（１、１）、・・・Ｙ（ｍ、ｎ）は、それぞれ、薄膜状で、かつ短冊状に形成されている。駆動用電極層Ｘ（１、１）、・・・Ｘ（ｍ、ｎ）は、それぞれ、電極層１０の裏面側において、長手方向がＸ方向に平行になるように配置されている。駆動用電極層Ｘ（１、１）、・・・Ｘ（ｍ、ｎ）は、ｍ×ｎのマトリックス状に配列されている。

駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）は、それぞれ、薄膜状で、かつ短冊状に形成されている。駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）は、それぞれ、電極層１０の裏面側において、長手方向がＹ方向に平行になるように配置されている。駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）は、ｍ×ｎのマトリックス状に配列されている。

ここで、駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）のうち対向する２つの駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）、Ｘ（ｉ＋１、ｊ）と、駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・・Ｙ（ｍ、ｎ）のうち対向する２つの駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）、Ｙ（ｉ、ｊ＋１）とが矩形状領域を囲むように配置されている。例えば、駆動用電極層Ｘ（１、１）、Ｘ（２、１）と、駆動用電極層Ｙ（１、１）、Ｙ（１、２）とが矩形状領域Ａ（図３参照）を囲むように配置されている。

本実施形態では、電極層３０、駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）、および駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）は、それぞれ、アルミニウム、銀、金等の導電性金属膜からなるのである。

図４に図３中IV−IV断面図を示す。図５に、形状可変光学素子２０において、駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）および駆動用電極層Ｙ（１、１）、・・・・Ｙ（ｍ、ｎ）を透視した背面図を示す。図４、図５は、説明の便宜上、ｍ＝３、ｎ＝３とした例を示している。

図４および図５に示すように、電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）との間には、電解質膜ＤＸ（１、１）が設けられている。同様に、電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、２）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）との間には、電解質膜ＤＸ（１、２）、・・・ＤＸ（１、ｎ）、ＤＸ（２、１）、ＤＸ（２、２）、・・・ＤＸ（２、ｎ）、ＤＸ（ｍ、１）、ＤＸ（ｍ、２）、・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）が設けられている。電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）は、駆動用電極層Ｘ（１、１）、・・・Ｘ（ｍ、ｎ）と同様に、ｍ×ｎのマトリックス状に配列されている。電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）は、駆動用電極層Ｘ（１、１）、・・・Ｘ（ｍ、ｎ）のうち対応する駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）に対向するように配置されている。例えば、電解質膜ＤＸ（１、１）は、駆動用電極層Ｘ（１、１）に対向するように配置されている。電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）は、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）毎に独立して設けられている。

電極層３０と駆動用電極層Ｙ（１、１）との間には、電解質膜ＤＹ（１、１）が設けられている。同様に、電極層３０と駆動用電極層Ｙ（１、２）、・・・Ｙ（１、ｎ）、Ｙ（２、１）、Ｙ（２、２）、・・・Ｙ（２、ｎ）、・・・Ｙ（ｍ、１）、Ｙ（ｍ、２）、・・・Ｙ（ｍ、ｎ）との間には、電解質膜ＤＹ（１、２）、・・・ＤＹ（１、ｎ）、ＤＹ（２、１）、ＤＹ（２、２）、・・・ＤＹ（２、ｎ）、・・・ＤＹ（ｍ、１）、ＤＹ（ｍ、２）、・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）が設けられている。電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）は、駆動用電極層Ｙ（１、１）、・・・Ｙ（ｍ、ｎ）と同様に、ｍ×ｎのマトリックス状に配列されている。電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）は、駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）のうち対応する駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）に対向するように配置されている。例えば、電解質膜ＤＹ（１、１）は、駆動用電極層Ｙ（１、１）に対向するように配置されている。電解質膜ＤＹ（１、１）・・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）は、駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）毎に独立して設けられている。

本実施形態の電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、および電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）は、それぞれ、短冊状でかつ薄膜状に形成されているイオン交換樹脂にイオン液体（電解液）が含浸されているものである。イオン交換樹脂としては、例えば、Nafion（Du pont社製）、Flemion（旭硝子社製）、Aciplex（旭化成社製）等の、陽イオン交換樹脂が用いられる。

本実施形態の電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、および電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）のそれぞれを弾性変形可能な半透膜３５によって囲むように形成されている。半透膜３５は、電極３３の裏面に沿って薄膜状に形成されている。半透膜３５は、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、およびＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）のうち２つの電解質膜の間において陽イオンが移動することを阻害する材料からなる多孔質膜である。本実施形形態では、半透膜３５としてはセロファン、酢酸セルロース、或いはポリメタルクリル酸メチル樹脂からなるものである。

次に、本実施形態の形状可変光学素子２０の製造方法について図６を参照して説明する。

まず、第１の工程では、Ｘ方向に平行に配置される短冊状の陽イオン交換樹脂膜を（ｍ×ｎ）個、基板の一面上に形成する。このとき、（ｍ×ｎ）個の陽イオン交換樹脂膜は、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）に対応するもので、ｍ×ｎのマトリックス状に配列される。

次に、Ｙ方向に平行に配置される短冊状の陽イオン交換樹脂膜を（ｍ×ｎ）個、基板の一面上に形成する。このとき、（ｍ×ｎ）個の陽イオン交換樹脂膜は、電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）に対応するもので、ｍ×ｎのマトリックス状に配列される。

これにより、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、および電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）をそれぞれ構成する（２×ｍ×ｎ）個の陽イオン交換樹脂膜が基板上に形成されることになる。このような（２×ｍ×ｎ）個の陽イオン交換樹脂膜の周囲を基板の面方向から囲むように半透膜３５を形成する。これにより、（２×ｍ×ｎ）個の陽イオン交換樹脂膜と半透膜３５とから構成される樹脂膜が基板上に成形されることになる（ステップ１００）。

次の第２の工程では、樹脂膜の表面全体に銀等の導電性金属のナノ粒子を溶媒に混ぜた導電性ペーストを塗布して、樹脂膜の表面全体に導電性金属膜を形成する（ステップ１１０）。

次の第３の工程では、導電性金属膜の表面を研磨して光反射面３１を形成する（ステップ１２０）。これにより、導電性金属膜の片面全体に電極層３０が形成されることになる。次の第４の工程では、樹脂膜から基板を剥がす（ステップ１３０）。

次の第５に工程にて、樹脂膜の裏面に銀等の導電性金属のナノ粒子を溶媒に混ぜた導電性ペーストを塗布して、（２×ｍ×ｎ）個の短冊状の導電性金属膜を形成する。（２×ｍ×ｎ）個の導電性金属膜は、（２×ｍ×ｎ）個の陽イオン交換樹脂膜に対してそれぞれ対向するように配置されている。これにより、駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）、および駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）が形成されることになる。

次に、第６工程で、（２×ｍ×ｎ）個の陽イオン交換樹脂膜にイオン液体を含浸させる（ステップＳ１５０）。このことにより、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、および電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）が形成される。以上により、形状可変光学素子２０の製造が完了することになる。

次に、本実施形態のヘッドアップディスプレイ１の電気回路構成について説明する。図７は、説明の便宜上、ｍ＝３、ｎ＝３とした例を示している。

ヘッドアップディスプレイ１は、図７に示すように、制御回路４０を備える。制御回路４０は、電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）との間に直流電圧を駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）毎に付与する。これにより、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）が屈曲する。これに伴い、電極層３０のうち電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に対向する対向電極層領域３０Ａ（図８参照）と駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）とが電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に沿うように変形する。図８（ａ）、（ｂ）は、対向電極層領域３０Ａ、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）および電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）を模式的に示す図である。

例えば、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）が陰極電極で、対向電極層領域３０Ａが陽極電極になるように制御回路４０が駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）および対向電極層領域３０Ａの間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）内を駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）および対向電極層領域３０Ａの間の電界に沿って駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）側に移動する。このため、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）の長手方向（図９参照）の中央部６０が駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）側に凸になるように屈曲する。これに伴い、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）および対向電極層領域３０Ａが電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に沿うように変形する（図８（ａ）参照）。

例えば、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）が陽極電極で、対向電極層領域３０Ａが陰極電極になるように制御回路４０が駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）および対向電極層領域３０Ａの間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）内を駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）および対向電極層領域３０Ａの間の電界に沿って対向電極層領域３０Ａ側に移動する。このため、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）の長手方向（図９参照）の中央部６０が対向電極層領域３０Ａ側に凸になるように屈曲する。これに伴い、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）および対向電極層領域３０Ａが電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に沿うように変形する（図８（ｂ）参照）。なお、図８（ａ）、（ｂ）中の制御回路４０を電源の記号で示している。

制御回路４０が電極層３０および駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）の間に印加する電圧が大きくなるほど、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）が大きく屈曲する。すなわち、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）の長手方向一端を固定した状態で、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）の長手方向他端が変位する量とすると，駆動用電極Ｘ（ｉ，ｊ）の間に印加する電圧が大きくなるほど，電解質ＤＸ（ｉ，ｊ）の変位量は大きくなる。

なお、制御回路４０が電極層３０および駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）の間に電圧を印加すると、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）の長手方向の中央部６０だけでなく、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）の短手方向（図９参照）の中央部も対向電極層領域３０Ａ側、或いは駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）側に凸になるように屈曲する。しかし、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）が短冊状に形成されているので、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）において、長手方向の中央部６０の変位量に比べて、短手方向の中央部の変位量は極めて小さくなる。このため、本実施形形態では、短手方向の中央部の変位量を零と見なしている。

次に、本実施形態の形状可変光学素子２０の作動について図１０〜図１２を参照して説明する。図１１、図１２は、説明の便宜上、ｍ＝３、ｎ＝３とした例を示している。

まず、制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）との間に直流電圧ＶＸ（１、１）・・・ＶＸ（ｍ、ｎ）を印加する。直流電圧ＶＸ（ｉ、ｊ）は、電極層３０と駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）の間に印加される電圧である。

このとき、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）は、それぞれ上述の如く、長手方向の中央部６０が対向電極層領域３０Ａ側（或いは、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）側）に凸になるように屈曲する。このため、駆動用電極層（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）は、それぞれ対応する電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に沿うように円弧になる。このとき、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）における前記円弧の長さをΔＸｄ（ｉ、ｊ）とする（図１０参照）。図１０は、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）における円弧の長さΔＸｄ（ｉ、ｊ）を模式的に示した図である。

ここで、円弧の長さΔＸｄ（ｉ、ｊ）とは、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）の長手方向一端と長手方向他端との間において駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）の面に沿うように測定される最短距離のことである。そして、図１１に示すように、曲率半径をＸｒ（ｉ、ｊ）とし、中心角をＸθ（ｉ、ｊ）としたときに、すべてのｊ（つまり、ｊ＝１、２、・・・ｎ）についてΔＸｄ（ｉ、ｊ）＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）×Ｘθ（ｉ、ｊ）が成立する。

ここで、形状可変光学素子２０の形状としての目標値が図１４のようになっているとし、そのときのあるｉの位置での曲線がＳＫ（図１２中実線）になっているとする。いま、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）の図３中の右端のＺ座標をＦＸ（ｉ、ｊ）とすると、すべてのｊについて駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）の右端の座標（ｉ、ｊ、ＦＸ（ｉ、ｊ））を結ぶ線Ｓ１（図１２中鎖線）が、目標としている曲線ＳＫから一定の距離以上は離れないように、すべてのｊ（つまり、ｊ＝１、２、３）についてΔＸｄ（ｉ、ｊ）＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）×Ｘθ（ｉ、ｊ）を満たすようにΔＸｄ（ｉ、ｊ）、Ｘｒ（ｉ、ｊ）、Ｘθ（ｉ、ｊ）を決める。このことによって、すべてのｊについて駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）からなる線Ｓ１（図１２中鎖線）が、曲線ＳＫ（図１２中実線）に近づくことになり、目標の曲面を一定の誤差で追従する曲面を得ることができる。

これに伴い、電極層３０は、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）のそれぞれの屈曲に伴って曲面形状に変形する。このため、光反射面３１は、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）のそれぞれの屈曲に伴って曲面形状に変形する。

ここで、制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）との間に与える直流電圧ＶＸ（１、１）・・・ＶＸ（ｍ、ｎ）を変化させることにより、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）を変位させることができる。これに伴い、すべてのｊ（つまり、ｊ＝１、２、・・・ｎ）についてΔＸｄ（ｉ、ｊ）＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）×Ｘθ（ｉ、ｊ）が成立した状態で、Ｘｒ（ｉ、ｊ）、Ｘθ（ｉ、ｊ）を変化させることができる。したがって、光反射面３１を所望の曲面形状から一定の誤差以内の曲面形状に変形させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）との間に電圧を印加した際に、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）は、それぞれ上述の如く、長手方向の中央部６０が対向電極層領域３０Ａ側（或いは、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）側）に凸になるように屈曲する。このため、駆動用電極層（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）は、それぞれ対応する電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に沿うように円弧になる。このとき、すべてのｊについてΔＸｄ（ｉ、ｊ）＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）×Ｘθ（ｉ、ｊ）が成立する。これに伴い、光反射面３１は、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）のそれぞれの屈曲に伴って曲面形状に変形する。

ここで、制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）との間に与える直流電圧ＶＸ（１、１）・・・ＶＸ（ｍ、ｎ）を変化させることにより、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）を変位させることができる。これに伴い、すべてのｊ（つまり、ｊ＝１、２、・・・ｎ）についてΔＸｄ（ｉ、ｊ）＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）×Ｘθ（ｉ、ｊ）が成立した状態で、Ｘｒ（ｉ、ｊ）、Ｘθ（ｉ、ｊ）を変化させることができる。したがって、光反射面３１を所定の曲面形状から一定の誤差以内の曲面形状に変形させることができる。さらに、この方法をとればＸ（ｉ、ｊ）が成す円弧とＸ（ｉ、ｊ＋１）が成す円弧の継ぎ目において曲面の接線は連続となるので、鏡面として反射した像も滑らかに映すことができる。

また、電解質膜が駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）毎に独立して設けられていなく、駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）に対して共通の一つの電解質膜が設けられている場合には、次の問題が生じる。

すなわち、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）を屈曲させるために駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）と電極層３０との間に制御回路４０の出力電圧が印加された際、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に隣接する電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ−１）内の陽イオンが前記出力電圧によって、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）側に移動する場合がある。この場合、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）および電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ−１）が不要に変化する恐れがある。

これに対して、本実施形態では、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）および電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）のそれぞれを半透膜３５によって囲むように形成されている。このため、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に隣接する電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ−１）内の陽イオンが電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）側に移動することを半透膜３５が未然に防ぐことができる。これにより、電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）および電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ−１）が不要に変化することを未然に防ぐことができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）との間に電圧を印加した例について説明したが、これに加えて、本第２実施形態では、制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）との間に電圧を印加した例について図１３〜図１５を参照して説明する。図１３、図１４、図１５は、説明の便宜上、ｍ＝３、ｎ＝３とした例を示している。

まず、制御回路４０は、上記第１実施形態と同様に、電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）との間に直流電圧ＶＸ（１、１）・・・ＶＸ（ｍ、ｎ）を印加する。

この際に、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）は、それぞれ屈曲する。このため、駆動用電極層（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）は、それぞれ対応する電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）に沿うように円弧になる。このとき、すべてのｊ（つまり、ｊ＝１、２、・・・ｎ）についてΔＸｄ（ｉ、ｊ）＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）×Ｘθ（ｉ、ｊ）が成立する。

さらに、制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）との間に直流電圧ＶＹ（１、１）・・・ＶＹ（ｍ、ｎ）を印加する。直流電圧ＶＹ（ｉ、ｊ）は、電極層３０と駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）の間に印加される電圧を示す。

この際に、電解質膜ＤＹ（１、１）・・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）は、それぞれ長手方向の中央部６０が対向電極層領域３０Ａ側（或いは、駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）側）に凸になるように屈曲する。このため、駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）は、それぞれ対応する電解質膜ＤＹ（ｉ、ｊ）に沿うように円弧になる。このとき、駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）における前記円弧の長さをΔＹｄ（ｉ、ｊ）とする。ここで、円弧の長さΔＹｄ（ｉ、ｊ）とは、駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）の長手方向一端と長手方向他端との間において駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）の面に沿うように測定される最短距離のことである。そして、図１３に示すように、曲率半径をＹｒ（ｉ、ｊ）とし、中心角をＹθ（ｉ、ｊ）としたときに、すべてのｉ（つまり、ｉ＝１、２、・・・ｍ）についてΔＹｄ（ｉ、ｊ）＝Ｙｒ（ｉ、ｊ）×Ｙθ（ｉ、ｊ）が成立する（図１３参照）。

ここで、形状可変光学素子２０の形状としての目標値が図１４のようになっているとし、そのときのあるｊの位置での曲線がＳＫ’（図１５中実線）になっているとする。いま、駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）の図３中の下端のＺ座標をＦＹ（ｉ、ｊ）とすると、すべてのｉについて駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）の下端の座標（ｉ、ｊ、ＦＹ（ｉ、ｊ））を結ぶ線Ｓ２（図１５中鎖線）が、目標としている曲線ＳＫ’から一定の距離以上は離れないようにするために、すべてのｉ（つまり、ｉ＝１、２、・・・ｍ）についてΔＹｄ（ｉ、ｊ）＝Ｙｒ（ｉ、ｊ）×Ｙθ（ｉ、ｊ）を満たすようにΔＹｄ（ｉ、ｊ）、Ｙｒ（ｉ、ｊ）、Ｙθ（ｉ、ｊ）を決める。このことによって、すべてのｉについて駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）からなる線Ｓ２（図１５中鎖線）が、曲線ＳＫ’（図１５中実線）に近づくことになり、目標の曲面を一定の誤差で追従する曲面を得ることができる。

これに伴い、電極層３０は、電解質膜ＤＹ（１、１）・・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）のそれぞれの屈曲に伴って曲面形状に変形する。このため、光反射面３１は、電解質膜ＤＹ（１、１）・・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）のそれぞれの屈曲に伴って曲面形状に変形する。

ここで、制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）との間に与える直流電圧ＶＹ（１、１）・・・ＶＹ（ｍ、ｎ）を変化させることにより、電解質膜ＤＹ（１、１）・・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）を変位させることができる。これに伴い、すべてのｉ（つまり、ｉ＝１、２、・・・ｍ）についてΔＹｄ（ｉ、ｊ）＝Ｙｒ（ｉ、ｊ）×Ｙθ（ｉ、ｊ）が成立した状態で、Ｙｒ（ｉ、ｊ）、Ｙθ（ｉ、ｊ）を変化させることができる。

以上により説明した本実施形態によれば、制御回路４０が電極層３０と駆動用電極層Ｘ（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）の間に印加する電圧を駆動用電極層毎に制御するとともに、電極層３０と駆動用電極層Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）との間に印加する電圧を駆動用電極層毎に制御する。このため、すべてのｊ（つまり、ｊ＝１、２、・・・ｎ）についてΔＸｄ（ｉ、ｊ）＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）×Ｘθ（ｉ、ｊ）が成立した状態で、Ｘｒ（ｉ、ｊ）、Ｘθ（ｉ、ｊ）が変化する。これに加えて、すべてのｉ（つまり、ｉ＝１、２、・・・ｍ）についてΔＹｄ（ｉ、ｊ）＝Ｙｒ（ｉ、ｊ）×Ｙθ（ｉ、ｊ）が成立した状態で、Ｙｒ（ｉ、ｊ）、Ｙθ（ｉ、ｊ）が変化する。したがって、上記第１実施形態と比べて、多くの種類の曲面形状に光反射面３１を変形させることができる。したがって、光反射面３１を、例えば球面状（或いは、ドーム状）にすることが可能になる。

（他の実施形態）
上記第１、第２の実施形態では、駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）毎に電解質膜ＤＸ（ｉ、ｊ）を設け、かつ駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）毎に電解質膜ＤＹ（ｉ、ｊ）を設けた例について説明したが、これに代えて、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、および電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）のそれぞれに共通した１つの電解質膜を設けてもよい。

上記第１、第２の実施形態では、光反射面３１を電極層３０に対して電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）の反対側に配置した例について説明したが、これに代えて、駆動用電極層（１、１）・・・Ｘ（ｍ、ｎ）、Ｙ（１、１）・・・Ｙ（ｍ、ｎ）に対して電極層３０の反対側に光反射面３１を設けてもよい。

上記第１、第２の実施形態では、電極層３０の一面を光反射面３１とした例について説明したが、これに代えて、電極層３０以外の別の部材によって光反射面３１を形成してもよい。

上記第１、第２の実施形態において、電解質膜ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、および電解質膜ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ）として、陽イオンが移動する陽イオン交換樹脂を用いた例について説明したが、これに代えて、陰イオンが移動する陰イオン交換樹脂を用いてもよい。

上記第１、第２の実施形態では、表示装置１０から出力される面状の表示光を形状可変光学素子２０が反射した例について説明したが、これに代えて、表示装置１０から出力される線状の表示光を形状可変光学素子２０が反射してもよい。

上記第１、第２の実施形態では、本発明に係る形状可変光学素子２０をヘッドアップディスプレイ１に適用した例について説明したが、これに代えて、顕微鏡、望遠鏡などの各種の光学機器に本発明に係る形状可変光学素子２０を適用してもよい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記第１、第２の実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

１ ヘッドアップディスプレイ
１０ 表示装置
２０ 形状可変光学素子
３０ 電極層
３１ 光反射面
４０ 制御回路
Ｘ（ｉ、ｊ） 駆動用電極層
Ｙ（ｉ、ｊ） 駆動用電極層
ＤＸ（ｉ、ｊ） 電解質膜
ＤＹ（ｉ、ｊ） 電解質膜

Claims (5)

1. 電解質膜（ＤＸ（１、１）・・・ＤＸ（ｍ、ｎ）、ＤＹ（１、１）・・・ＤＹ（ｍ、ｎ））と、前記電解質膜の一面に沿って膜状に形成されている第１電極層（３０）と、前記電解質膜のうち前記一面に対する反対側の他面に沿う膜状で、かつ短冊状に形成されている複数の第２電極層と、前記第１の電極層および前記複数の第２電極層のうちいずれか一方に対して他方の反対側に配置されて光を反射する光反射面（３１）と、を備え、
   前記第１電極層と前記複数の第２電極層との間に制御回路（４０）から電圧が与えられた際に、前記第１電極層と前記複数の第２電極層との間の電界に沿ってイオンが前記電解質膜内を前記第２電極層毎に移動して、前記電解質膜が前記第１電極層および前記複数の第２電極層とともに、前記第２電極層毎に屈曲するようになっており、
   ｉを前記第２電極層のＹ方向の座標とし、ｊを前記第２電極層のＸ方向の座標とした前記複数の第２電極層は、Ｘ方向に平行になるようにそれぞれ配置されて、かつマトリックス状に配列されている複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）を備え、
   前記制御回路から前記第１電極層と前記複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）との間に前記電圧が印加された際に、前記電解質膜が前記駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）毎に屈曲して、すべてのｊについて前記複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）がそれぞれ円弧になり、前記駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）における前記円弧の長さをΔＸｄとし、曲率半径をＸｒ（ｉ、ｊ）とし、中心角をＸθ（ｉ、ｊ）としたときに、ΔＸｄ＝Ｘｒ（ｉ、ｊ）×Ｘθ（ｉ、ｊ）が前記駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）毎に成立して前記光反射面が曲面状に形成されるようになっていることを特徴とする形状可変光学素子。
2. 前記複数の第２電極層は、Ｙ方向に平行になるようにそれぞれ配置されて、かつマトリックス状に配列されている複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）を備え、
   前記複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）のうち対向する２つの駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）、Ｘ（ｉ＋１、ｊ）と、前記複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）のうち対向する２つの駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）、Ｙ（ｉ、ｊ＋１）とが矩形領域を囲むように前記複数の駆動用電極層Ｘ（ｉ、ｊ）および前記複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）が配列されており、
   前記制御回路から前記第１電極層と前記複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）との間に前記電圧が印加された際に、すべてのｉについて前記複数の駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）がそれぞれ円弧になり、前記駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）における前記円弧の長さをΔＹｄとし、曲率半径をＹｒ（ｉ、ｊ）とし、中心角をＹθ（ｉ、ｊ）としたときに、ΔＸｄ＝Ｙｒ（ｉ、ｊ）×Ｙθ（ｉ、ｊ）が前記駆動用電極層Ｙ（ｉ、ｊ）毎に成立して前記光反射面が曲面状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の形状可変光学素子。
3. 前記電解質膜は複数設けられており、
   前記複数の電解質膜は、それぞれ、前記第１電極層および前記第２電極層の間に前記第２電極層毎に独立して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の形状可変光学素子。
4. 前記複数の電解質膜のうち隣接する２つの前記電解質膜の間には、前記隣接する２つの前記電解質膜の間で前記イオンの移動を妨げるイオン通過防止部材（３５）が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の形状可変光学素子。
5. 前記光反射面は、前記第１電極層に対して前記電解質膜の反対側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の形状可変光学素子。

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