JP2022114701A - Ultrasonic liquid crystal lens and method for controlling the same - Google Patents

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Daisuke Koyama
ミエコ ヂアス オナカ ジェシカ
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Abstract

To provide an ultrasonic liquid crystal lens capable of expanding a lens diameter.SOLUTION: An ultrasonic liquid crystal lens 1 includes: an annular ultrasonic transducer 3; a lens 4 including a liquid crystal layer; and a drive unit 5 for applying an electric signal to the ultrasonic transducer 3 to generate an ultrasonic wave. The ultrasonic transducer 3 includes four electrodes 31-34 divided into four in a circumferential direction; and the drive unit 5 applies the electric signal obtained by shifting a phase for every 90° in the circumferential direction to the four electrodes 31-34 to generate an ultrasonic progressive wave propagated in the circumferential direction of the lens 4 and form a progressive wave mode changing an orientation of a liquid crystal molecule in a peripheral part of the liquid crystal layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

特許法第30条第2項適用申請有り (1)公開年月日、令和2年9月6日、IEEE International Ultrasonics Symposium2020の予稿集 (2)発表年月日、令和2年9月11日、IEEE International Ultrasonics Symposium2020(米国ネバダ州ラスベガスにて開催)の集会Patent Law Article 30, Paragraph 2 application filed (1) Date of publication, September 6, 2020, IEEE International Ultrasonics Symposium 2020 Proceedings (2) Date of publication, September 11, 2020 Meeting at the IEEE International Ultrasonics Symposium 2020 (held in Las Vegas, Nevada, USA)

本発明は、超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic liquid crystal lens and a control method for an ultrasonic liquid crystal lens.

超音波式液晶レンズとしては、例えば、特許文献1に記載のものが知られている。特許文献1に記載の超音波式液晶レンズは、中央開口部を有する環状の超音波振動子と、中央開口部に配置された液晶層を含むレンズとを備える。特許文献1に記載の超音波式液晶レンズは、超音波振動子で発生させた超音波のたわみ振動によって液晶層の液晶分子の配向を変化させることで、レンズとして機能させることができ、超音波振動子に印加する電気信号の電圧値を制御することで、焦点距離を制御することができる。 As an ultrasonic liquid crystal lens, for example, one described in Patent Document 1 is known. The ultrasonic liquid crystal lens described in Patent Document 1 includes an annular ultrasonic transducer having a central opening, and a lens including a liquid crystal layer disposed in the central opening. The ultrasonic liquid crystal lens described in Patent Document 1 can function as a lens by changing the orientation of liquid crystal molecules in a liquid crystal layer by flexural vibration of ultrasonic waves generated by an ultrasonic oscillator. The focal length can be controlled by controlling the voltage value of the electrical signal applied to the vibrator.

しかしながら、特許文献1に記載の超音波式液晶レンズでは、たわみ振動による圧力がレンズの中心部に集中するため、レンズの中心部においてのみ液晶分子の配向が変化し、結果的に、レンズ径(レンズとして機能する領域)が小型化してしまうという問題がある。 However, in the ultrasonic liquid crystal lens described in Patent Document 1, since the pressure due to bending vibration concentrates on the center of the lens, the orientation of the liquid crystal molecules changes only in the center of the lens, and as a result, the lens diameter ( There is a problem that the area functioning as a lens is miniaturized.

特開2018-92069号公報JP 2018-92069 A

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、レンズ径を拡大することが可能な超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic liquid crystal lens capable of enlarging the lens diameter and a method for controlling the ultrasonic liquid crystal lens. be.

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波式液晶レンズは、
中央開口部を有する環状の超音波振動子と、
前記中央開口部に配置された液晶層を含み、中心部および前記中心部の周りの周辺部を有するレンズと、
前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部と、
を備える超音波式液晶レンズであって、
前記超音波振動子は、周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備え、
前記駆動部は、
前記N個の電極に対して周方向に位相を(360/N)°の整数倍ずつずらした前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせて、前記液晶層の前記周辺部における液晶分子の配向を変化させる進行波モードを有する
ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the ultrasonic liquid crystal lens according to the present invention includes:
an annular ultrasonic transducer having a central opening;
a lens comprising a liquid crystal layer disposed in said central opening and having a central portion and a peripheral portion around said central portion;
a driving unit that applies an electric signal to the ultrasonic transducer to generate ultrasonic waves;
An ultrasonic liquid crystal lens comprising
The ultrasonic transducer includes N electrodes (N is an integer of 3 or more) divided into N in the circumferential direction,
The drive unit
Applying the electrical signal whose phase is shifted by integral multiples of (360/N)° in the circumferential direction to the N electrodes to generate a traveling wave of the ultrasonic wave that propagates in the circumferential direction of the lens. and a traveling wave mode for changing the orientation of liquid crystal molecules in the peripheral portion of the liquid crystal layer.

この構成によれば、超音波の進行波により液晶層の周辺部の圧力を高めて周辺部における液晶分子の配向を変化させることで、レンズ径を拡大することができる。 According to this configuration, the lens diameter can be increased by increasing the pressure on the peripheral portion of the liquid crystal layer by the traveling wave of the ultrasonic wave to change the orientation of the liquid crystal molecules in the peripheral portion.

前記超音波式液晶レンズにおいて、
前記駆動部は、
同位相の前記電気信号を前記N個の電極に印加し、前記液晶層に前記超音波の定在波を生じさせて、前記液晶層の前記中心部における液晶分子の配向を変化させる定在波モードを有するよう構成できる。
In the ultrasonic liquid crystal lens,
The drive unit
The electrical signals in phase are applied to the N electrodes to generate a standing wave of the ultrasonic waves in the liquid crystal layer, thereby changing the orientation of the liquid crystal molecules in the central portion of the liquid crystal layer. It can be configured to have modes.

前記超音波式液晶レンズにおいて、
前記N個の電極は、同一の形状であってもよい。
In the ultrasonic liquid crystal lens,
The N electrodes may have the same shape.

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波式液晶レンズの制御方法は、
中央開口部を有する環状に形成されるとともに周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備える超音波振動子と、前記中央開口部に配置された液晶層からなるレンズと、前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部とを備える超音波式液晶レンズの制御方法であって、
前記駆動部により前記N個の電極に対して周方向に位相を(360/N)°の整数倍ずつずらした前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせて、前記液晶層の中心部の周りの周辺部における液晶分子の配向を変化させる第1ステップを含むことを特徴とする。
In order to solve the above problems, a method for controlling an ultrasonic liquid crystal lens according to the present invention includes:
An ultrasonic vibrator formed in an annular shape having a central opening and having N electrodes (N is an integer of 3 or more) divided in the circumferential direction, and a liquid crystal layer disposed in the central opening. A control method for an ultrasonic liquid crystal lens comprising a lens and a driving unit for applying an electric signal to the ultrasonic transducer to generate ultrasonic waves,
The driving unit applies the electrical signals whose phases are shifted by integral multiples of (360/N)° in the circumferential direction to the N electrodes, and the traveling wave of the ultrasonic wave propagates in the circumferential direction of the lens. to change the orientation of the liquid crystal molecules in the periphery around the center of the liquid crystal layer.

この構成によれば、超音波の進行波により液晶層の周辺部の圧力を高めて周辺部における液晶分子の配向を変化させることで、レンズ径を拡大することができる。 According to this configuration, the lens diameter can be increased by increasing the pressure on the peripheral portion of the liquid crystal layer by the traveling wave of the ultrasonic wave to change the orientation of the liquid crystal molecules in the peripheral portion.

前記超音波式液晶レンズの制御方法は、
前記駆動部により同位相の前記電気信号を前記N個の電極に印加し、前記液晶層に前記超音波の定在波を生じさせて、前記液晶層の前記中心部における液晶分子の配向を変化させる第2ステップを含んでもよい。
The method for controlling the ultrasonic liquid crystal lens includes:
The electric signals having the same phase are applied to the N electrodes by the driving unit, and the standing wave of the ultrasonic wave is generated in the liquid crystal layer to change the orientation of the liquid crystal molecules in the central portion of the liquid crystal layer. A second step of allowing the

本発明によれば、レンズ径を拡大することが可能な超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic liquid crystal lens capable of enlarging the lens diameter and a method for controlling the ultrasonic liquid crystal lens.

本発明に係る超音波式液晶レンズであって、(A)は平面図、(B)は断面図である。1A is a plan view of an ultrasonic liquid crystal lens according to the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view thereof. FIG. 電気信号を印加していないときの液晶分子の配向を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the orientation of liquid crystal molecules when no electrical signal is applied; 液晶分子の配向およびレンズ径を示す図であって、(A)は定在波モードにおける図、(B)は進行波モードにおける図である。It is a figure which shows the orientation of a liquid crystal molecule, and a lens diameter, (A) is a figure in standing wave mode, (B) is a figure in traveling wave mode. 進行波モードにおけるレンズの振動振幅を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the vibration amplitude of a lens in traveling wave mode; 定在波モードにおけるレンズのリタデーション変化を示す図である。It is a figure which shows the retardation change of the lens in standing wave mode. 進行波モードにおけるレンズのリタデーション変化を示す図である。It is a figure which shows the retardation change of the lens in traveling wave mode.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法の実施形態について説明する。 Embodiments of an ultrasonic liquid crystal lens and an ultrasonic liquid crystal lens control method according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

[超音波式液晶レンズ]
図1に、本発明の一実施形態に係る超音波式液晶レンズ1を示す。超音波式液晶レンズ1は、基板2と、超音波振動子3と、レンズ4と、駆動部5とを備える。
[Ultrasonic liquid crystal lens]
FIG. 1 shows an ultrasonic liquid crystal lens 1 according to one embodiment of the present invention. The ultrasonic liquid crystal lens 1 includes a substrate 2 , an ultrasonic transducer 3 , a lens 4 and a driving section 5 .

基板2は、円盤状に形成されたガラス基板である。基板2は、30[mm]の径、0.5[mm]の厚みを有する。 The substrate 2 is a disk-shaped glass substrate. The substrate 2 has a diameter of 30 [mm] and a thickness of 0.5 [mm].

超音波振動子3は、中央開口部を有する円環形状の圧電超音波振動子であり、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で構成されている。超音波振動子3は、20[mm]の内径、30[mm]の外径、1[mm]の厚みを有する。 The ultrasonic transducer 3 is an annular piezoelectric ultrasonic transducer having a central opening, and is made of lead zirconate titanate (PZT). The ultrasonic transducer 3 has an inner diameter of 20 [mm], an outer diameter of 30 [mm], and a thickness of 1 [mm].

超音波振動子3は、周方向に4分割された4個のアルミニウム電極(第1電極31、第2電極32、第3電極33および第4電極34)を備える。4個のアルミニウム電極は、いずれも互いに絶縁された正電極および負電極からなり、同一形状である。 The ultrasonic transducer 3 has four aluminum electrodes (a first electrode 31, a second electrode 32, a third electrode 33 and a fourth electrode 34) divided into four in the circumferential direction. The four aluminum electrodes consist of a positive electrode and a negative electrode insulated from each other, and have the same shape.

第1電極31は、第1正電極31aおよび第1負電極31bからなる。第2電極32は、第2正電極32aおよび第2負電極32bからなる。第3電極33は、第3正電極33aおよび第3負電極33bからなる。第4電極34は、第4正電極34aおよび第4負電極34bからなる。第1負電極31b、第2負電極32b、第3負電極33bおよび第4負電極34bは、超音波振動子3の下面側(基板2側)に形成された共通の負電極に接続されている。 The first electrode 31 consists of a first positive electrode 31a and a first negative electrode 31b. The second electrode 32 consists of a second positive electrode 32a and a second negative electrode 32b. The third electrode 33 consists of a third positive electrode 33a and a third negative electrode 33b. The fourth electrode 34 consists of a fourth positive electrode 34a and a fourth negative electrode 34b. The first negative electrode 31b, the second negative electrode 32b, the third negative electrode 33b, and the fourth negative electrode 34b are connected to a common negative electrode formed on the lower surface side (substrate 2 side) of the ultrasonic transducer 3. there is

レンズ4は、超音波振動子3の中央開口部に配置されている。図2に示すように、レンズ4は、対向配置された第1基板41および第2基板42と、第1基板41の下面側に設けられた第1配向膜43と、第2基板42の上面側に設けられた第2配向膜44と、液晶層45とを含む。液晶層45は、液晶分子46を含む。 A lens 4 is arranged in the central opening of the ultrasonic transducer 3 . As shown in FIG. 2, the lens 4 includes a first substrate 41 and a second substrate 42 facing each other, a first alignment film 43 provided on the lower surface side of the first substrate 41, and an upper surface of the second substrate 42. It includes a second alignment film 44 provided on the side and a liquid crystal layer 45 . Liquid crystal layer 45 includes liquid crystal molecules 46 .

第1基板41は、径が15[mm]、厚みが0.5[mm]の円盤状に形成されたガラス基板である。第2基板42は、基板2のうちの第1基板41に対向した部分である。 The first substrate 41 is a disk-shaped glass substrate having a diameter of 15 [mm] and a thickness of 0.5 [mm]. The second substrate 42 is a portion of the substrate 2 facing the first substrate 41 .

第1配向膜43および第2配向膜44は、液晶分子46のプレチルト角が90度となる垂直配向膜であり、ポリイミド系の材料で構成される。 The first alignment film 43 and the second alignment film 44 are vertical alignment films in which the pretilt angle of the liquid crystal molecules 46 is 90 degrees, and are made of a polyimide-based material.

液晶層45は、ネマティック液晶の液晶分子46を含み、スペーサ(例えば、PETフィルム)によって200[μm]の厚みが確保される。液晶層45の周囲は、シール材(例えば、エポキシ樹脂)によってシールされている。液晶分子46は、超音波振動子3が超音波を発生させていないとき、第1配向膜43および第2配向膜44に対して垂直に立ち上がった状態になる。 The liquid crystal layer 45 includes liquid crystal molecules 46 of nematic liquid crystal, and has a thickness of 200 [μm] by spacers (for example, PET film). The periphery of the liquid crystal layer 45 is sealed with a sealing material (for example, epoxy resin). The liquid crystal molecules 46 stand vertically with respect to the first alignment film 43 and the second alignment film 44 when the ultrasonic oscillator 3 does not generate ultrasonic waves.

駆動部5は、進行波モードと定在波モードとを有し、超音波振動子3に電気信号(交流電圧信号)を印加して超音波を発生させるよう構成される。駆動部5は、第1電極31に接続される第1駆動部51と、第2電極32に接続される第2駆動部52と、第3電極33に接続される第3駆動部53と、第4電極34に接続される第4駆動部54とを含む。第1駆動部51~第4駆動部54は、それぞれ独立して電気信号の位相、電圧値および周波数を制御できる。 The driving unit 5 has a traveling wave mode and a standing wave mode, and is configured to apply an electric signal (AC voltage signal) to the ultrasonic transducer 3 to generate ultrasonic waves. The driving unit 5 includes a first driving unit 51 connected to the first electrode 31, a second driving unit 52 connected to the second electrode 32, a third driving unit 53 connected to the third electrode 33, and a fourth driving portion 54 connected to the fourth electrode 34 . The first driving section 51 to the fourth driving section 54 can independently control the phase, voltage value and frequency of the electric signal.

定在波モード時の駆動部5は、同位相の電気信号を超音波振動子3に印加する。すなわち、第1駆動部51~第4駆動部54が、それぞれの接続先の第1電極31~第4電極34に、同位相の電気信号を印加する。第1電極31~第4電極34は、電気信号に応じた所定の周波数の超音波を発生させる。例えば、第1電極31~第4電極34は、レンズ4の共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させる。 In the standing wave mode, the drive unit 5 applies in-phase electric signals to the ultrasonic transducer 3 . That is, the first driving section 51 to the fourth driving section 54 apply electric signals of the same phase to the first electrode 31 to the fourth electrode 34 to which they are connected. The first to fourth electrodes 31 to 34 generate ultrasonic waves of a predetermined frequency according to the electric signal. For example, the first to fourth electrodes 31 to 34 generate ultrasonic waves having a frequency matching the resonance frequency of the lens 4 .

第1電極31~第4電極34で発生した超音波がレンズ4に伝搬すると、レンズ4では超音波の定在波(音響定在波)、具体的には1次モードのたわみ振動の定在波が発生する。1次モードのたわみ振動とは、振動強度がレンズ4の中心から外周面に向かって連続的に小さくなる振動のことをいう。なお、本発明では、レンズ4の中心およびその近傍を中心部とし、中心部の周り(レンズ4全体のうち中心部以外のところ)を周辺部とする。 When the ultrasonic waves generated by the first electrode 31 to the fourth electrode 34 propagate to the lens 4, the standing wave (acoustic standing wave) of the ultrasonic wave, specifically the flexural vibration of the primary mode, occurs in the lens 4. waves are generated. The flexural vibration in the primary mode refers to vibration in which the vibration intensity continuously decreases from the center of the lens 4 toward the outer peripheral surface. In the present invention, the center of the lens 4 and its vicinity are defined as the central portion, and the area around the center (out of the entire lens 4 other than the central portion) is defined as the peripheral portion.

レンズ4でたわみ振動の定在波が発生すると、レンズ4において(例えば、液晶層45と第1配向膜43との境界面および液晶層45と第2配向膜44との境界面において)、定在波の音響放射力による圧力が働く。定在波の音響放射力による圧力は、レンズ4の中心部で高くなる。 When a standing wave of flexural vibration is generated in the lens 4 , a constant Pressure due to the acoustic radiation force of existing waves acts. The pressure due to the acoustic radiation force of standing waves is higher at the center of the lens 4 .

図3(A)に示すように、定在波の音響放射力による圧力は、レンズ4の中心部における液晶分子46の配向を変化させる。例えば、定在波の音響放射力による圧力は、レンズ4の中心部における液晶層45の厚みをわずかに変化させることで(本実施形態では、わずかに大きくすることで)、中心部における液晶分子46の配向を変化させる。なお、図3では、厚みの変化は示していない。また、中心部における中心に位置する液晶分子46は、軸対称性を有し安定しているため、配向変化が生じない。 As shown in FIG. 3(A), the pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave changes the orientation of the liquid crystal molecules 46 at the center of the lens 4 . For example, the pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave can be adjusted by slightly changing (in this embodiment, slightly increasing) the thickness of the liquid crystal layer 45 at the center of the lens 4, so that the liquid crystal molecules at the center 46 orientation is changed. Note that FIG. 3 does not show changes in thickness. In addition, since the liquid crystal molecules 46 positioned at the center of the central portion are axially symmetrical and stable, the alignment does not change.

定在波モードでは、レンズ4の中心部における液晶分子46の配向を変化させるので、レンズ4の中心部のみがレンズとして機能する。換言すれば、レンズ4の中心部がレンズ径D1となる。 In the standing wave mode, the orientation of the liquid crystal molecules 46 at the center of the lens 4 is changed, so only the center of the lens 4 functions as a lens. In other words, the central portion of the lens 4 has the lens diameter D1.

進行波モード時の駆動部5は、第1電極31~第4電極34に対して周方向に位相を90°ずつずらした電気信号を印加する。すなわち、第1駆動部51が第1電極31に印加する電気信号に対して、第2駆動部52が第2電極32に印加する電気信号は90°の位相差を有し、第3駆動部53が第3電極33に印加する電気信号は180°の位相差を有し、第4駆動部54が第4電極34に印加する電気信号は270°の位相差を有する。第1電極31~第4電極34は、各電気信号に応じた超音波を発生させる。 In the traveling wave mode, the drive unit 5 applies electrical signals whose phases are shifted by 90° in the circumferential direction to the first electrode 31 to the fourth electrode 34 . That is, the electric signal applied to the first electrode 31 by the first driving unit 51 has a phase difference of 90° between the electric signal applied to the second electrode 32 by the second driving unit 52, and the electric signal applied to the second electrode 32 by the first driving unit 51 has a phase difference of 90°. The electrical signal applied by the 53 to the third electrode 33 has a phase difference of 180°, and the electrical signal applied to the fourth electrode 34 by the fourth driver 54 has a phase difference of 270°. The first to fourth electrodes 31 to 34 generate ultrasonic waves corresponding to the electrical signals.

第1電極31~第4電極34で発生した超音波がレンズ4に伝搬すると、レンズ4では、周方向に伝搬する超音波の進行波(音響進行波)、すなわち、たわみ振動の進行波が発生する。 When the ultrasonic waves generated by the first electrode 31 to the fourth electrode 34 propagate to the lens 4, the lens 4 generates a traveling wave (acoustic traveling wave) of the ultrasonic wave propagating in the circumferential direction, that is, a traveling wave of flexural vibration. do.

レンズ4でたわみ振動の進行波が発生すると、レンズ4において(例えば、液晶層45と第1配向膜43との境界面および液晶層45と第2配向膜44との境界面において)、進行波の音響放射力による圧力が働く。進行波の音響放射力による圧力は、レンズ4の周辺部で高くなる。 When a traveling wave of flexural vibration is generated in the lens 4, the traveling wave occurs in the lens 4 (for example, at the interface between the liquid crystal layer 45 and the first alignment film 43 and the interface between the liquid crystal layer 45 and the second alignment film 44). pressure due to the acoustic radiation force of The pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave is higher at the periphery of the lens 4 .

図3(B)に示すように、進行波の音響放射力による圧力は、主にレンズ4の周辺部における液晶分子46の配向を変化させる。中心部における中心に位置する液晶分子46は、軸対称性のため配向変化が生じないが、中心部における周辺部側に位置する液晶分子46は、わずかに配向変化が生じる。その結果、進行波モードでは、レンズ4の中心部および周辺部がレンズとして機能する。換言すれば、レンズ4の中心部および周辺部がレンズ径D2となる。 As shown in FIG. 3B, the pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave mainly changes the orientation of the liquid crystal molecules 46 in the peripheral portion of the lens 4 . The liquid crystal molecules 46 located in the center of the center do not change their orientation due to the axial symmetry, but the liquid crystal molecules 46 located on the peripheral side of the center slightly change their orientation. As a result, in traveling wave mode, the central and peripheral portions of lens 4 function as lenses. In other words, the center and peripheral portions of the lens 4 have the lens diameter D2.

[超音波式液晶レンズの制御方法]
本発明の一実施形態に係る超音波式液晶レンズの制御方法は、上記の超音波式液晶レンズ1の制御方法である。すなわち、当該制御方法は、主にレンズ4の周辺部における液晶分子46の配向を変化させる第1ステップと、レンズ4の中心部における液晶分子46の配向を変化させる第2ステップとを含む。
[Method of controlling ultrasonic liquid crystal lens]
A control method for an ultrasonic liquid crystal lens according to an embodiment of the present invention is the control method for the ultrasonic liquid crystal lens 1 described above. That is, the control method mainly includes a first step of changing the orientation of the liquid crystal molecules 46 in the peripheral portion of the lens 4 and a second step of changing the orientation of the liquid crystal molecules 46 in the central portion of the lens 4 .

第1ステップでは、駆動部5(第1駆動部51~第4駆動部54)が、第1電極31~第4電極34に対して周方向に位相を90°ずつずらした電気信号を印加し、レンズ4の周方向に伝搬するたわみ振動の進行波を生じさせる。第1駆動部51~第4駆動部54が出力する各電気信号は、位相のみ相違し、電圧値および周波数は共通している。 In the first step, the driving section 5 (the first driving section 51 to the fourth driving section 54) applies electrical signals whose phases are shifted by 90° in the circumferential direction to the first electrode 31 to the fourth electrode 34. , produces a traveling wave of flexural vibration that propagates in the circumferential direction of the lens 4 . The electrical signals output by the first driving section 51 to the fourth driving section 54 differ only in phase, and have the same voltage value and frequency.

レンズ4でたわみ振動の進行波が発生すると、レンズ4には進行波の音響放射力による圧力が働き、その圧力はレンズ4の周辺部で高くなる。これにより、レンズ4の周辺部における液晶分子46の配向が変化し、レンズ4の中心部における液晶分子46の配向もわずかに変化して、レンズ4の中心部および周辺部がレンズとして機能する。 When a traveling wave of flexural vibration is generated in the lens 4 , pressure due to the acoustic radiation force of the traveling wave acts on the lens 4 , and the pressure increases in the peripheral portion of the lens 4 . As a result, the orientation of the liquid crystal molecules 46 in the peripheral portion of the lens 4 changes, and the orientation of the liquid crystal molecules 46 in the central portion of the lens 4 also slightly changes, so that the central portion and the peripheral portion of the lens 4 function as lenses.

第2ステップでは、駆動部5(第1駆動部51~第4駆動部54)が、第1電極31~第4電極34に対して同相の電気信号を印加し、レンズ4にたわみ振動の定在波を生じさせる。第1駆動部51~第4駆動部54が出力する各電気信号は、電圧値および周波数も共通している。 In the second step, the drive unit 5 (first drive unit 51 to fourth drive unit 54) applies in-phase electrical signals to the first electrode 31 to fourth electrode 34, and the lens 4 is subjected to constant bending vibration. cause a wave. The electrical signals output by the first driving section 51 to the fourth driving section 54 have the same voltage value and frequency.

レンズ4でたわみ振動の定在波が発生すると、レンズ4には定在波の音響放射力による圧力が働き、その圧力はレンズ4の中心部で高くなる。その結果、レンズ4の中心部における液晶分子46の配向が変化して、レンズ4の中心部のみがレンズとして機能する。 When a standing wave of flexural vibration is generated in the lens 4 , pressure due to the acoustic radiation force of the standing wave acts on the lens 4 , and the pressure increases at the center of the lens 4 . As a result, the orientation of the liquid crystal molecules 46 at the central portion of the lens 4 changes, and only the central portion of the lens 4 functions as a lens.

第1ステップおよび第2ステップにおいて、第1駆動部51~第4駆動部54が、電気信号の電圧値を変化させると、音響放射力による圧力の大きさが変化し、レンズ4の焦点距離が変化する。また、第1駆動部51~第4駆動部54による各電気信号の電圧値の変化量が異なる場合、焦点距離に加えて、XY平面における焦点位置も制御することができる。 In the first step and the second step, when the first driving section 51 to the fourth driving section 54 change the voltage value of the electric signal, the magnitude of the pressure due to the acoustic radiation force changes, and the focal length of the lens 4 changes. Change. Further, when the amount of change in the voltage value of each electric signal by the first driving section 51 to the fourth driving section 54 is different, it is possible to control not only the focal length but also the focal position on the XY plane.

[評価実験]
次に、超音波式液晶レンズ1およびその制御方法の評価実験について説明する。
[Evaluation experiment]
Next, an evaluation experiment for the ultrasonic liquid crystal lens 1 and its control method will be described.

図4に、進行波モードにおけるレンズ4の振動振幅を示す。図4の横軸はレンズ4の径方向(X方向)の位置を示し、レンズ4の中心を0とする。図4から、たわみ振動の振動強度がレンズ4の周辺部で高くなっており、中心部で低くなっていることが分かる。 FIG. 4 shows the vibration amplitude of the lens 4 in traveling wave mode. The horizontal axis of FIG. 4 indicates the position of the lens 4 in the radial direction (X direction), with the center of the lens 4 being 0. As shown in FIG. From FIG. 4, it can be seen that the vibration intensity of the flexural vibration is high at the periphery of the lens 4 and low at the center.

図5および図6は、偏光顕微鏡を用いて、クロスニコル下でオルソスコープ観察を行った時のレンズ4の上面の画像である。図5は定在波モード時、図6は進行波モード時の画像である。図5は、図中の0.42[mm]のところがレンズ4のレンズ径D1であることを示し、図6は、図中の0.83[mm]のところがレンズ4のレンズ径D2であることを示す。すなわち、定在波モードから進行波モードに切り替えることで、レンズ径が拡大することが分かる。 5 and 6 are images of the upper surface of the lens 4 when orthoscopic observation is performed under crossed Nicols using a polarizing microscope. 5 is an image in the standing wave mode, and FIG. 6 is an image in the traveling wave mode. 5 shows the lens diameter D1 of the lens 4 at 0.42 [mm] in the drawing, and FIG. 6 shows the lens diameter D2 of the lens 4 at 0.83 [mm] in the drawing. indicates that That is, it can be seen that the lens diameter is enlarged by switching from the standing wave mode to the traveling wave mode.

[変形例]
以上、本発明に係る超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
[Modification]
Although the embodiments of the ultrasonic liquid crystal lens and the ultrasonic liquid crystal lens control method according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments.

本発明に係る超音波式液晶レンズは、環状の超音波振動子と、超音波振動子の中央開口部に配置された液晶層を含むレンズと、超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部と、を備える超音波式液晶レンズであって、超音波振動子は、周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備え、駆動部は、N個の電極に対して周方向に位相を(360/N)°の整数倍ずつずらした電気信号を印加し、レンズの周方向に伝搬する超音波の進行波を生じさせて、液晶層の周辺部における液晶分子の配向を変化させる進行波モードを有するのであれば、適宜構成を変更できる。 An ultrasonic liquid crystal lens according to the present invention includes a ring-shaped ultrasonic oscillator, a lens including a liquid crystal layer disposed in a central opening of the ultrasonic oscillator, and an ultrasonic wave by applying an electric signal to the ultrasonic oscillator. an ultrasonic liquid crystal lens that generates sound waves, wherein the ultrasonic transducer includes N electrodes (N is an integer of 3 or more) divided in the circumferential direction, and the driving unit includes: , N electrodes are applied with electrical signals whose phases are shifted by integral multiples of (360/N)° in the circumferential direction to generate traveling waves of ultrasonic waves that propagate in the circumferential direction of the lens. As long as it has a traveling wave mode that changes the orientation of the liquid crystal molecules in the peripheral portion, the configuration can be changed as appropriate.

上記実施形態では、駆動部5は、第1電極31~第4電極34に対して周方向に位相を90°の1倍ずつずらした電気信号を印加しているが、例えば、90°の2倍ずつずらした電気信号を印加してもよい。その場合、第1駆動部51が第1電極31に印加する電気信号に対して、第2駆動部52が第2電極32に印加する電気信号は180°の位相差を有し、第3駆動部53が第3電極33に印加する電気信号は360°の位相差を有し、第4駆動部54が第4電極34に印加する電気信号は540°の位相差を有する。 In the above-described embodiment, the drive unit 5 applies electrical signals whose phases are shifted by 1 times 90° in the circumferential direction to the first electrode 31 to the fourth electrode 34. Electrical signals shifted by a factor of two may be applied. In this case, the electric signal applied to the first electrode 31 by the first driving unit 51 has a phase difference of 180° between the electric signal applied to the second electrode 32 by the second driving unit 52, and the third driving unit 51 applies the electric signal to the second electrode 32. The electric signal applied to the third electrode 33 by the unit 53 has a phase difference of 360°, and the electric signal applied to the fourth electrode 34 by the fourth driving unit 54 has a phase difference of 540°.

本発明に係る超音波式液晶レンズの制御方法は、駆動部によりN個の電極に対して周方向に位相を(360/N)°の整数倍ずつずらした電気信号を印加し、レンズの周方向に伝搬する超音波の進行波を生じさせて、液晶層の中心部の周りの周辺部における液晶分子の配向を変化させる第1ステップを含むのであれば、適宜構成を変更できる。 In the method for controlling an ultrasonic liquid crystal lens according to the present invention, an electrical signal whose phase is shifted by an integral multiple of (360/N)° in the circumferential direction is applied to N electrodes by a driving unit, The configuration can be modified as appropriate so long as it includes a first step of generating a traveling wave of ultrasonic waves propagating in a direction to change the orientation of the liquid crystal molecules in the periphery around the center of the liquid crystal layer.

1 超音波式液晶レンズ
2 基板
3 超音波振動子
31 第1電極
31a 第1正電極
31b 第1負電極
32 第2電極
32a 第2正電極
32b 第2負電極
33 第3電極
33a 第3正電極
33b 第3負電極
34 第4電極
34a 第4正電極
34b 第4負電極
4 レンズ
41 第1基板
42 第2基板
43 第1配向膜
44 第2配向膜
45 液晶層
46 液晶分子
5 駆動部
51 第1駆動部
52 第2駆動部
53 第3駆動部
54 第4駆動部
1 Ultrasonic Liquid Crystal Lens 2 Substrate 3 Ultrasonic Vibrator 31 First Electrode 31a First Positive Electrode 31b First Negative Electrode 32 Second Electrode 32a Second Positive Electrode 32b Second Negative Electrode 33 Third Electrode 33a Third Positive Electrode 33b Third negative electrode 34 Fourth electrode 34a Fourth positive electrode 34b Fourth negative electrode 4 Lens 41 First substrate 42 Second substrate 43 First alignment film 44 Second alignment film 45 Liquid crystal layer 46 Liquid crystal molecules 5 Driving unit 51 Third 1 driving section 52 2nd driving section 53 3rd driving section 54 4th driving section

Claims (5)

中央開口部を有する環状の超音波振動子と、
前記中央開口部に配置された液晶層を含み、中心部および前記中心部の周りの周辺部を有するレンズと、
前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部と、
を備える超音波式液晶レンズであって、
前記超音波振動子は、周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備え、
前記駆動部は、
前記N個の電極に対して周方向に位相を(360/N)°の整数倍ずつずらした前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせて、前記液晶層の前記周辺部における液晶分子の配向を変化させる進行波モードを有する
ことを特徴とする超音波式液晶レンズ。
an annular ultrasonic transducer having a central opening;
a lens comprising a liquid crystal layer disposed in said central opening and having a central portion and a peripheral portion around said central portion;
a driving unit that applies an electric signal to the ultrasonic transducer to generate ultrasonic waves;
An ultrasonic liquid crystal lens comprising
The ultrasonic transducer includes N electrodes (N is an integer of 3 or more) divided into N in the circumferential direction,
The drive unit
Applying the electrical signals whose phases are shifted by integral multiples of (360/N)° in the circumferential direction to the N electrodes to generate traveling waves of the ultrasonic waves that propagate in the circumferential direction of the lens. 9. An ultrasonic liquid crystal lens, characterized by having a traveling wave mode for changing the orientation of liquid crystal molecules in said peripheral portion of said liquid crystal layer.
前記駆動部は、
同位相の前記電気信号を前記N個の電極に印加し、前記液晶層に前記超音波の定在波を生じさせて、前記液晶層の前記中心部における液晶分子の配向を変化させる定在波モードを有する
ことを特徴とする請求項1に記載の超音波式液晶レンズ。
The drive unit
The electrical signals in phase are applied to the N electrodes to generate a standing wave of the ultrasonic waves in the liquid crystal layer, thereby changing the orientation of the liquid crystal molecules in the central portion of the liquid crystal layer. 2. The ultrasonic liquid crystal lens according to claim 1, having a mode.
前記N個の電極は、同一の形状である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の超音波式液晶レンズ。
3. The ultrasonic liquid crystal lens according to claim 1, wherein said N electrodes have the same shape.
中央開口部を有する環状に形成されるとともに周方向にN分割されたN個の電極(Nは3以上の整数)を備える超音波振動子と、前記中央開口部に配置された液晶層からなるレンズと、前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部とを備える超音波式液晶レンズの制御方法であって、
前記駆動部により前記N個の電極に対して周方向に位相を(360/N)°の整数倍ずつずらした前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせて、前記液晶層の中心部の周りの周辺部における液晶分子の配向を変化させる第1ステップを含む
ことを特徴とする超音波式液晶レンズの制御方法。
An ultrasonic vibrator formed in an annular shape having a central opening and having N electrodes (N is an integer of 3 or more) divided in the circumferential direction, and a liquid crystal layer disposed in the central opening. A control method for an ultrasonic liquid crystal lens comprising a lens and a driving unit for applying an electric signal to the ultrasonic transducer to generate ultrasonic waves,
The driving unit applies the electrical signals whose phases are shifted by integral multiples of (360/N)° in the circumferential direction to the N electrodes, and the traveling wave of the ultrasonic wave propagates in the circumferential direction of the lens. , to change the orientation of the liquid crystal molecules in the periphery around the center of the liquid crystal layer.
前記駆動部により同位相の前記電気信号を前記N個の電極に印加し、前記液晶層に前記超音波の定在波を生じさせて、前記液晶層の前記中心部における液晶分子の配向を変化させる第2ステップを含む
ことを特徴とする請求項4に記載の超音波式液晶レンズの制御方法。
The electric signals having the same phase are applied to the N electrodes by the driving unit, and the standing wave of the ultrasonic wave is generated in the liquid crystal layer to change the orientation of the liquid crystal molecules in the central portion of the liquid crystal layer. 5. The method of controlling an ultrasonic liquid crystal lens according to claim 4, comprising a second step of allowing
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