JP4209936B2 - 可変焦点レンズ装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変焦点レンズ装置に関するものであり、より具体的には液体界面の形状をアクチュエータで駆動することにより焦点を可変とするレンズ装置に関するものである。

従来の可変焦点レンズ装置の代表的なものとして、複数組み合わせした固体レンズの一部を光軸方向に可動とするものがある。しかし、この方式では光軸方向への移動距離の制約から薄型化が困難であり、これに対して薄型化が可能な液体レンズを用いた可変焦点レンズが提案されている。

従来の液体レンズを用いた可変焦点レンズ装置としては、屈折率の異なる２液界面により形成された液滴をレンズとし、かつ一方の液体をイオン導電性、もう一方の液体を絶縁性とし、これらの２液界面に設けた電極と、イオン導電性の液体中に設けた対向電極との間に電圧を印加することにより、液滴の形状を変化させるものがあった。例えば特許文献１にはこのような構成の液体レンズが開示されている。電圧の印加でこのような２液界面の形状を変化できるのは２液界面と電極よりなる、液体―液体―固体（電極）界面の表面張力バランスが、電圧印加により変化することを主な駆動原理としており、このような現象は、エレクトロウエッティング現象と呼ばれている。特許文献１の模範的な実施形態では、印加する電圧は２５０Ｖとしており、比較的高い電圧印加を要する。

また、特許文献２には、エレクトロウエッティング現象を利用した別の可変焦点レンズ装置が開示されている。電圧印加によりレンズ形状の優れた調整性能を実現する目的で、２液界面の接触角のヒステリシスやスティックスリップを軽減するため、電極表面に絶縁層と、さらに液界面と接する潤滑層をその上に形成する構成が開示されている。特許文献２中の実施形態の一例としては、ポリイミド誘電体層の上に高フッ化ポリマーの薄膜を形成するとしている。２液界面の接触角変化には、同時に液体―液体―固体界面点の位置移動を伴うのでその制御は十分に濡れ性を制御された表面上でなされる必要があり、非常に小さな表面張力のバランスで制御されているため、外力による外乱に弱い難点がある。

特表２００１−５１９５３９号公報 特開２００３−１７７２１９号公報

前記背景技術で述べたエレクトロウエッティング現象を利用した可変焦点レンズ装置では、非常に小さな表面張力のバランスで制御されているため、外力による外乱に弱い欠点がある。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、外力による外乱に対して液体レンズの形状を安定に保持できる可変焦点レンズ装置を提供するものである。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明によれば、第１の液体と、
前記第１の液体と混和せずに前記第１の液体との間で光軸方向と交差する方向沿いの界面を形成可能でかつ前記第１の液体とは異なる屈折率を持つ第２の液体と、
前記第１の液体と前記第２の液体が封止されるセルと、
前記光軸方向に貫通する開口部を有し、前記開口部の端縁又は内壁面で形成されるエッジ部が前記セル内で前記第１の液体と前記第２の液体の２つの液体の前記界面に接触して前記エッジ部により前記界面が固定されかつ前記２つの液体の界面に当接した状態で前記光軸方向に平行移動可能な開口部材と、
前記開口部材に連結されて、前記開口部材を前記光軸方向に平行移動させることにより、前記開口部材の開口部内に形成された液体レンズの前記２つの液体の界面の形状を制御して、前記液体レンズによる焦点の位置を前記光軸方向に可変とするアクチュエータとを備える可変焦点レンズ装置を提供する。

以下説明するように、本発明によれば、前記２つの液体の界面が、前記２つの液体の界面に当接する前記開口部材の前記エッジ部で固定されており、前記開口部材に連結された前記アクチュエータで前記開口部材を駆動することにより、前記２つの液体の界面の形状を制御して、前記液体レンズによる焦点の位置を可変とする構成により、前記２つの液体の界面が前記開口部材の前記エッジ部で固定されているため、外力による外乱に対して液体レンズの形状を安定に保持できるという効果を有する。

さらに、前記背景技術で述べたエレクトロウエッティング現象を利用した可変焦点レンズでは、比較的大きな電圧印加を要するという欠点があったが、本発明では、駆動に高電圧を要するエレクトロウエッティング現象を用いないため、低電圧駆動型のアクチュエータで駆動することができ、従って昇圧回路を省くことができて省電力の可変焦点レンズ装置を提供することができる。

本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、先ず本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、第１の液体と、
前記第１の液体と混和せずに前記第１の液体との間で界面を形成可能でかつ前記第１の液体とは異なる屈折率を持つ第２の液体と、
前記第１の液体と前記第２の液体が封止されるセルと、
前記セル内で前記第１の液体と前記第２の液体の２つの液体の界面がエッジ部で固定されかつ前記２つの液体の界面に当接した状態で移動可能な開口部材と、
前記開口部材に連結されて、前記開口部材を移動させることにより、前記開口部材の開口部内に形成された液体レンズの前記２つの液体の界面の形状を制御して、前記液体レンズによる焦点の位置を可変とするアクチュエータとを備えることを特徴とする可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、前記２つの液体の界面が、前記２つの液体の界面に当接する前記可動な開口部材のエッジ部で固定されているから、外力による外乱に対して前記液体レンズの形状を安定に保持することができる。さらに、駆動に高電圧を要するエレクトロウエッティング現象を用いないため、低電圧駆動型のアクチュエータで駆動することができる。

本発明の第２態様によれば、前記第１の液体が非水溶性であり、前記アクチュエータが電気刺激型のポリマーアクチュエータであり、かつ前記電気刺激型のポリマーアクチュエータが、前記非水溶性の前記第１の液体中に内包されていることを特徴とする第１の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、アクチュエータが電気刺激型のポリマーアクチュエータであり、前記非水溶性の第１の液体中に内包されているため、水分を遮断した環境下でポリマーアクチュエータを動作させることができ、水分の存在下での劣化を防止することができ、サイクル寿命、信頼性に優れたものとすることができる。

本発明の第３態様によれば、前記非水溶性の第１の液体がイオン性液体であり、前記電気刺激型のポリマーアクチュエータが、前記イオン性液体のアニオン又はカチオンの出入りに伴うイオン駆動型のポリマーアクチュエータである第２の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、低い電圧で駆動可能であるとともに、駆動に要するアニオン又はカチオンが第１の液体であるイオン性液体から供給できるため、アクチュエータに必要な電解質層を兼ね備えることができ好都合である。

本発明の第４態様によれば、前記非水溶性の第１の液体がエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）であることを特徴とする第３の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、イオン半径が比較的大きい有機カチオン又はアニオンの出入りに伴うポリマーの伸縮を利用することができるので、発生変位の大きなアクチュエータとすることができる。

本発明の第５態様によれば、前記第２の液体が水溶性であり、前記水溶性の第２の液体が水より比重の大きい物質の水溶液であることを特徴とする第２の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、水溶液濃度を変えることにより、水溶液の密度を精密に調整することが可能となる。

本発明の第６態様によれば、前記水溶性の第２の液体がポリタングステン酸ナトリウム水溶液であることを特徴とする第５の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、比較的密度の大きいイオン性液体に対して、広範囲の密度の水溶液を得ることができる。

本発明の第７態様によれば、前記アクチュエータが、薄板状の屈曲動作する電気刺激型のポリマーアクチュエータであることを特徴とする第１の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、２つの液体の界面の形状変化に要する開口部材の移動距離は小さいので薄型とすることができる液体レンズの特徴を活かし、薄型の可変焦点レンズ装置を提供することができる。

本発明の第８態様によれば、前記第１の液体と前記第２の液体及び前記開口部材がほぼ同じ密度を持つことを特徴とする第１の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、外力による外乱に対してさらに液体レンズの形状を安定に保持できる可変焦点レンズ装置を提供することができる。

本発明の第９態様によれば、前記開口部材が、密度の異なる複数の部材よりなる複合材料であることを特徴とする第８の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、開口部材の密度を、密度の異なる複数部材の含有比率を変化させることにより精密に調整することが可能となる。

本発明の第１０態様によれば、前記開口部材に撥水性又は疎水性の表面処理を施すことを特徴とする第１の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、開口部材のエッジ部で固定された２つの液体の界面がより安定に固定される効果を有するとともに、広範囲な開口部材の材質を選択することが可能となる。

本発明の第１１態様によれば、前記開口部材が円形であり、前記アクチュエータが、複数個かつ前記円形の開口部材の接線方向沿いにかつ前記液体レンズの光軸回りに点対称に配置され、かつ、前記アクチュエータの全てが同期して駆動制御されることを特徴とする第１の態様に記載の可変焦点レンズ装置を提供する。

このような構成によれば、前記複数のアクチュエータにより、開口部材を光軸方向沿いに確実に平行移動させることができて、前記開口部材の開口部内に形成された液体レンズの前記２つの液体の界面の形状を精度良く制御できて、前記液体レンズによる焦点の位置を精度よく可変調節させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１実施形態における可変焦点レンズ装置の断面図、図１Ｃは本発明の第１実施形態における可変焦点レンズ装置の平面図（図１Ａ及び図１Ｂの断面図を下から眺めた、アクチュエータの断面の平面図）を示している。図１Ａと図１Ｂの違いは、液体レンズ６の曲率が異なることであり、このように液体レンズ６の曲率が異なることにより、光軸９上の異なる位置に焦点１１をそれぞれ結ぶ様子を図１Ａと図１Ｂに示している。ここでは、図１Ａの焦点１１の位置が、図１Ｂの焦点１１の位置よりも液体レンズ６に近い位置となっている。

絶縁性の第１の液体１と第１の液体１との上に位置する絶縁性の第２の液体２とは混和せず界面３を形成している。このように混和せず界面３を形成させるためには、第１の液体１と第２の液体２の密度をほぼ等しくすればよい。すなわち、重力の影響による液体レンズ６の歪防止や、落下、衝突等の外力による外乱に強くするには、第１の液体１と第２の液体２との２つの液体の密度がほぼ等しくすることが、より望ましい。

絶縁性のリング状の開口部材４のエッジ部５Ａは、第１の液体１と第２の液体２との界面３に当接して、２つの液体１，２の界面（２液界面）３Ａ，３Ｂを形作っている。ここで、開口部材４の内側の２液界面３Ａは、液体レンズ６を形成する２液界面であり、開口部材４の外側の２液界面３Ｂは、液体レンズ６として機能しない２液界面である。開口部材４はリング状で円形の開口部４ａを有し、２液界面３Ａの表面張力により円形開口部４ａの２液界面３Ａは液体レンズ６を形成している。２液界面はエッジ部５Ａ、５Ｂを越えて濡れ進むことなくこれらのエッジ部で固定される。

ここで、液体レンズ６を形成する２液界面３Ａと、液体レンズ６として機能しない別の液界面３Ｂを設けた理由は、第１の液体１と第２の液体２ともセル１４に封止されているので、それぞれの体積は一定であり、開口部材４の開口部４ａに形成される液体レンズ６の部位で容積が変わるのを、この別の液界面３Ｂで吸収することができるようにするためである。開口部材４のエッジ部５Ａと同様に、封止部材１３に設けたエッジ部５Ｂでこの液界面を固定することは、外力による外乱に強くする上で好ましい効果がある。

開口部材４の下面の円形凸部４ｄには、複数のアクチュエータ７のそれぞれの一端が光軸９回りに点対称に連結されており（一例として、図１Ｃでは、光軸９回りに９０度間隔にかつ円形の開口部材４の接線方向沿いに配置された４個のアクチュエータ７のそれぞれの一端が開口部材４に連結されかつそれぞれの他端が後述する封止部材１３に連結されており）、全てのアクチュエータ７は、１つのアクチュエータ駆動制御部５４により同期して駆動制御されるようにしている。よって、アクチュエータ駆動制御部５４の駆動制御の下に、全てのアクチュエータ７の屈曲方向８への同期した屈曲動作により、開口部材４は光軸９の方向に平行移動するように進退駆動される。無限遠から液体レンズ６に入射する光線１０は焦点１１に集光され、開口部材４の光軸９の方向の位置に応じて、液体レンズ６の曲率が変わり、焦点１１の位置が図１Ａと図１Ｂのように移動する。

第１の液体１と第２の液体２、可動な開口部材４及びアクチェータ７は、絶縁性でかつ円板状の透明板１２Ａ，１２Ｂと透明板１２Ａ，１２Ｂの外周部に円環状に配置されて第１の液体１と第２の液体２とを封止する絶縁性の封止部材１３により形成される絶縁性のセル１４の内部に収容されている。

このように、前記可変焦点レンズ装置は、円板状の透明板１２Ａ，１２Ｂと透明板１２Ａ，１２Ｂの外周部に円環状に配置された封止部材１３とで構成されたセル１４の内部空間に、第１の液体１と第１の液体１との上に位置する第２の液体２とが収納され、かつ、第１の液体１と第２の液体２との界面３に開口部材４が当接され、アクチュエータ駆動制御部５４の制御に基づく複数のアクチュエータ７の駆動により開口部材４が光軸６の方向沿いに進退かつ平行移動するとともに、開口部材４の円形の開口部４ａ内の２液界面３Ａで液体レンズ６を構成するようにしている。

このような構成によれば、液界面３が、前記２液の界面３に当接しかつ光軸９の方向に可動な開口部材４のエッジ部５Ａで固定されているから、外力による外乱に対して液体レンズ６の形状を安定に保持することができる。さらに、駆動に高電圧を要するエレクトロウエッティング現象を用いないため、下記するように、低電圧駆動型のアクチュエータ７で駆動することができる。

なお、液体レンズ６が形成される物理的メカニズムを、図１Ｄ及び図１Ｅに示す原理説明図（端面図）により説明する。図１Ｄ及び図１Ｅの構成要素は、図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃと同様であるが、説明の便宜上、アクチュエータ７による駆動部分の構成要素は図１Ｄ及び図１Ｅでは省略している。図１Ｄは、開口部材４が第２の液体２中にあって、２液（２つの液体１，２）の界面３Ａ，３Ｂを第１の液体１に押し込む前の状態を示している。図１Ｅは、開口部材４を第１の液体１の側に押し込んだ後の状態を示している。図１Ｄにおける２液の界面３Ａ及び３Ｂは、説明の都合上、平面であるとすると、図１Ｅにおける２液の界面３Ａ及び３Ｂは、開口部材４の押し込みによって、上向き凸に湾曲する。このとき、第１の液体１及び第２の液体２の容積はそれぞれ変わらず、かつ、第１の液体１及び第２の液体２はセル１４内に密閉されて封止されているから、図１Ｅのハッチングで示した容積部分Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２の容積には次の関係が成り立つ。
Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＝Ｂ１＋Ｂ２

ここで、容積部分Ａ１は、開口部材４が第１の液体１内に押し込まれた部分の容積である。容積部分Ａ２は、開口部材４が第１の液体１内に押し込まれたときに、開口部材４の開口部４ａの内側の近傍の第２の液体２が開口部材４とともに第１の液体１内に押し込まれる部分の容積である。容積部分Ａ３は、開口部材４が第１の液体１内に押し込まれたときに、開口部材４の開口部４ａの外側の近傍の第２の液体２が開口部材４とともに第１の液体１内に押し込まれる部分の容積である。容積部分Ｂ１は、開口部材４が第１の液体１内に押し込まれたときに、開口部材４の開口部４ａの内側に位置する第１の液体１が開口部４ａ内で上向き凸に湾曲するように盛り上がる部分の容積である。容積部分Ｂ２は、開口部材４が第１の液体１内に押し込まれたときに、開口部材４の開口部４ａの外側に位置する第１の液体１が開口部４ａ外で上向き凸に湾曲するように盛り上がる部分の容積である。

２液の界面３Ａ，３Ｂにおける表面張力により、開口部材４の開口部４ａの内側の液界面３Ａは、無重力下では球面になることが知られているが、本発明の前記第１実施形態にかかる液体レンズ６においても、開口部材４のエッジ部５の形状が円の場合には、液体レンズ６は、ほぼ球面レンズになる。特に、２液の密度と開口部材４の密度を合わせることによって構成される、より好ましい実施例の場合には、２液の界面は、無重力と等価な状態となり、２液の界面を真球に、より近づけることができる。

図２は第１実施形態のアクチュエータ７の動作原理を示す断面図である。アクチュエータ７の一例として、導電性のポリマー層２０Ａ、２０Ｂが、固体電解質２１を挟むことにより短冊状の電気刺激型のポリマーアクチュエータ７を構成しており、アクチュエータ７の固定端となる絶縁性の固定部材３２により固定されている。なお、図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃでは封止部材１３がこの固定部材３２の機能を兼ねている。導電性のポリマー層２０Ａ、２０Ｂには、アクチュエータ駆動制御部５４の制御の下にそれぞれ動作制御される電源３０及びスイッチ３１が接続されており、電源３０により電圧を導電性のポリマー層２０Ａ、２０Ｂに印加することにより、固体電解質２１のイオンが導電性ポリマー２０Ａと導電性ポリマー２０Ｂとに出入りすることにより屈曲駆動される。なお、図１Ａでは、一見すると、２つのアクチュエータ駆動制御部５４が存在するように見えるが、理解しやすくするためにそれぞれ図示しているだけであって、実際には、図１Ｃに示すように、１つのアクチュエータ駆動制御部５４ですべての電源３０及びスイッチ３１を制御することが好ましい。図１Ｂなど、他の図では、説明しやすくするため、アクチュエータ駆動制御部５４と電源３０とスイッチ３１は、その一部又は全ての図示を適宜省略している。
イオンは、印加電圧の極性に応じた方向に移動し、図２で示す場合では、カチオン（正イオン）が導電性ポリマー層２０Ａから固体電解質２１の方に抜けて導電性ポリマー層２０Ａが縮み、導電性ポリマー層２０Ｂには逆にカチオンが固体電解質２１から入り込み、イオンの嵩が増すことにより導電性ポリマー層２０Ｂが伸びることにより、このアクチュエータ７は下向き凸に屈曲駆動される。図２とは逆の場合では、カチオン（正イオン）が導電性ポリマー層２０Ｂから固体電解質２１の方に抜けて導電性ポリマー層２０Ｂが縮み、導電性ポリマー層２０Ａには逆にカチオンが固体電解質２１から入り込み、イオンの嵩が増すことにより導電性ポリマー層２０Ａが伸びることにより、このアクチュエータ７は上向き凸に屈曲駆動される。前記説明ではカチオンの出入りでアクチュエータ７の屈曲動作原理を説明したが、アニオン（負イオン）の出入り、あるいは両者の出入りでも同様に屈曲動作させることができる。

なお、これらの各屈曲型のアクチュエータ７は平板の薄板状であるので、薄型の可変焦点レンズ装置を構成するのに適している。ここで、一例として、アクチュエータ７を構成する導電性ポリマー層２０Ａ及び２０Ｂの厚みはそれぞれ１０μｍ〜２５μｍ程度、固体電解質２１の厚みは１０μｍ〜１００μｍ程度とすることができ、アクチュエータ７の総厚みは３０μｍ〜１５０μｍ程度の厚みとすることができる。また、一例として、開口部材４の厚みは１ｍｍ程度の厚みとすることができるので、アクチュエータ７の厚みはセル１４の厚みを薄くする上で制約となることがなく、セル厚みが数ｍｍの薄型の可変焦点レンズ装置を構成することができる。

この電気刺激型のアクチュエータ７は、第１の液体１中に内包するよう配置しており、この第１の液体１を非水溶性の液体とすることで、水分を遮断した環境下で、ポリマーアクチュエータを動作させることができ、水分の存在下での劣化を防止することができ、サイクル寿命、信頼性に優れたものとすることができる。

アクチュエータ７を構成する導電性のポリマー層２０Ａ，２０Ｂを構成する導電性のポリマーとしては、ポリマーそれ自体で電子導電性を有する、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェインなどの有機導電性ポリマーや、炭素系微粒子を分散した導電性のポリマーなどが、前述の動作原理で作用させることができる。

以下、この第１実施形態のいくつかの実施例について説明する。

（実施例１）
導電性のポリマーとして、ピロールのモノマーを支持電解質層となるプロピレンカーボネート中に溶解した有機溶媒中で、カーボン電極を析出電極としてガルバノスタットモード（定電流制御モード）にてポリピロールを電解重合により合成した膜を用い、固体電解質として、イオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）をゲル化した膜を用いて、図２で示した構成のアクチュエータを得た。

第１の液体として、メチルフェニル系のシリコーンオイルを用いた。このオイルは非水溶性である。第２の水溶性の液体として、塩化ナトリウム水溶液を用いた。図２に示すごとく、前記アクチュエータは、非水溶性の第１の液体であるシリコーンオイル中に配置した。このような構成のアクチュエータは、±１Ｖ〜２Ｖの低駆動電圧で駆動可能である。

このポリマーアクチュエータでは、主に、ＥＭＩカチオンがポリピロール膜に出入りすることにより屈曲駆動される。イオン半径が比較的大きい有機カチオンであるＥＭＩカチオンの出入りに伴うポリマーの伸縮を利用することができるので、発生変位の大きなアクチュエータとすることができる。

本発明のこの第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置において、重力の影響によるレンズの歪防止や、落下、衝突等の外力による外乱に強くするには、第１の液体と第２の液体との２液の密度がほぼ等しくすることが、より望ましい。

本第１実施例で用いたシリコーンオイルの密度を、振動式密度計で計測したところ、１．０７ｇ／ｃｍ^２であった。第２の水溶性の液体としては、塩化ナトリウム水溶液を用いた。振動式密度計で塩化ナトリウムと水との混合比を調整することにより、密度１．０７ｇ／ｃｍ^２の水溶液を精密に調整して得ることができた。両者とも透明の液体で、かつ混和することなく液体レンズが形成できた。屈折率をアッベ屈折率計を用いて測定したところ、シリコーンオイルの屈折率は１．５１であり、前記塩化ナトリウム水溶液の屈折率は１．３５であり、異なる屈折率を持つ液体レンズが形成可能であることが分かった。小さい曲率変化で大きな焦点位置変化を得る上で、屈折率差は大きいほうが望ましい。同等の密度及び異なる屈折率を持つ材料の組み合わせを得るために、第１の非水溶性の液体として、前記シリコーンオイル系以外にも、各種有機物とその混合物を適用することが可能である。さらに、前記第１の非水溶性の液体は、外力による外乱に強くするため、その流動性を抑制する目的で増粘剤を添加したものであったり、高分子クロスリンク構造を有するゲル化された流動体であってもよい。

なお、本実施例の第２の水溶性の液体として塩化ナトリウム水溶液の例を述べたが、低温での使用を可能とするためエチレングリコール水溶液等の不凍性の液を使用することがより好ましい。

（実施例２）
実施例１と同様、導電性のポリマーとして、ピロールのモノマーを支持電解質層となるプロピレンカーボネート中に溶解した有機溶媒中で、カーボン電極を析出電極としてガルバノスタットモード（定電流制御モード）にてポリピロールを電解重合により合成した膜を用い、固体電解質として、イオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）をゲル化した膜を用いて、図２で示した構成のアクチュエータを得た。

第１の液体として、この固体電解質ゲルの電解質材料として用いたイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）を用いた。この電解液は、ＥＭＩ有機カチオンとＴＦＳＩアニオンよりなるイオン結合性の常温で液体である常温溶融塩であり、非水溶性である。

このような構成のアクチュエータは、±１Ｖ〜２Ｖの低駆動電圧で駆動可能であるとともに、駆動に要するアニオン又はカチオンが、第１の液体であるイオン性液体から供給できるため、アクチュエータに必要な電解質層を兼ね備えることができて好都合である。

このポリマーアクチュエータでは、主に、ＥＭＩカチオンがポリピロール膜に出入りすることにより屈曲駆動される。イオン半径が比較的大きい有機カチオンであるＥＭＩカチオンの出入りに伴うポリマーの伸縮を利用することができるので、発生変位の大きなアクチュエータとすることができる。

イオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）の密度を振動式密度計で計測したところ、１．５２ｇ／ｃｍ^２であった。第２の水溶性の液体として、ポリタングステン酸ナトリウム水溶液を用いた。ポリタングステン酸ナトリウムは、水より比重の大きい水溶性の物質で、広範囲の密度を持った水溶液を得ることができる。ポリタングステン酸ナトリウムを質量比で４０％〜４２％の水溶液を作製し、振動式密度計で水との混合比を調整することにより、密度１．５２ｇ／ｃｍ^２の水溶液を精密に調整して得ることができた。両者とも透明の液体で、かつ混和することなく、液体レンズが形成できた。

屈折率をアッベ屈折率計を用いて測定したところ、エチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）の屈折率は１．４３、前記ポリタングステン酸ナトリウム水溶液の屈折率は１．４０であり、異なる屈折率を持つ液体レンズが形成可能であることが分かった。

次に、リング状の開口部材の材質として、それぞれ、密度の異なる複数の部材よりなる複合材料としてガラス繊維含有ポリアミド（密度１．６５ｇ／ｃｍ^２）、密度の異なる複数の部材よりなる複合材料としてガラス繊維含有ポリフェニレンサルファイド（密度１．６６ｇ／ｃｍ^２）、ポリエーテルエーテルケトン（密度１．３０ｇ／ｃｍ^２）、ＰＴＦＥ（密度２．１４ｇ／ｃｍ^２）の３種類を用いて、前記２液界面にこのリング状の開口部材を当接させた状態で１Ｇの重力加速度で加振試験を実施したところ、ガラス繊維含有ポリアミドのリング状の開口部材の場合と、ガラス繊維含有ポリフェニレンサルファイドのリング状の開口部材の場合には、液体レンズ界面の乱れがほとんど認められなかったが、ＰＴＦＥのリング状の開口部材の場合には明らかな液体レンズ界面の乱れが認められた。この結果、本発明のこの第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置を、落下や衝突などの外力による外乱に強くするためには、第１の液体１と第２の液体２との２液の密度に合せて、開口部材４の密度もほぼ同じ（具体的には、例えば、差が±０．３ｇ／ｃｍ^２以内）にすることが好ましいことが分かった。

実験に用いたガラス繊維含有プラスチックはガラス繊維の含有比が５０％のものであったが、この含有比を調整することにより、開口部材４の密度を第１の液体１と第２の液体２の密度に精密に合せることができる。

実験に用いたリング状の開口部材はいずれもイオン性液体と濡れにくい傾向があったが、開口部材４に撥水性又は親水性の表面処理を施すことにより、開口部材４のエッジ部５Ａで固定された２液界面３が、より安定に固定される効果を有するとともに、開口部材４の材質を広範囲に選択することが可能である。特に、開口部材４の、第１の液体１と第２の液体２と接する部位の濡れ性を、表面処理により調整することにより、エッジ部５Ａの固定を、より強固なものにすることができる。

（実施例３）
次に、リング状の開口部材のエッジ部の形状について実験した結果について述べる。

図８Ａに示すリング状の開口部材４の断面図において、エッジ部５Ａを拡大した断面図を図８Ｂ及び図８Ｃに示す。図８Ｂはエッジ部５Ａの角度θを鋭角に形成した場合、図８Ｃはその角度θを鈍角にした場合をそれぞれ示す。ガラス繊維含有ポリフェニレンサルファイド製の内径４．５ｍｍ、外径９ｍｍ、厚み０．８ｍｍのリング状の開口部材４を用い、その内径のエッジ部５Ａが様々な角度を持つリング状の開口部材４を作製した。エチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）を第１の液体１として用い、第２の液体２として、実験の便宜上、密度合わせをしていない純水を用いて、これらの２液界面３に、リング状の開口部材４を第２の液体２から押し込み、エッジ部５Ａで２液界面が固定される様子を観察した。

以下の表１はこの実験の結果をまとめたもので、図８Ｂのようにエッジ部５Ａの角度θが鋭角の場合（３０°、４５°、７０°）及び直角（９０°）の場合、エッジ部５Ａによる２液界面３の固定はいずれも良好であった。しかし、図８Ｃのようにエッジ部５Ａの角度θが鈍角の場合、１１０°ではリング状の開口部材４の押し込みが進み、液面曲率が小さくなると、２液界面３がリング状の開口部材４の内側の側面４Ａ側に濡れ進む現象が観測された。さらにエッジ部５Ａの角度θが１３５°及び１５０°の場合には、２液界面３はエッジ部５Ａではなく、エッジ部の反対側のエッジ部５Ａ−１で固定することが観測された。以上の観察結果から、エッジ部５Ａの角度θは鋭角又は直角が好ましく、鈍角は適用可能な範囲はあるが、好ましくないことがわかった。

以上の実験で用いたリング状の開口部材４のエッジ部５Ａの曲率はＲ０．１ｍｍ以下であったが、この曲率半径を０．５ｍｍとしたものを作製し、これを用いてエッジ部５Ａの固定の様子を観測した。図９Ａ及び図９Ｂにエッジ部５Ａの断面図を示す。図９Ａは、リング状部材４を２液界面３Ａに押し込み開始した段階での２液界面３Ａの様子を示す。２液界面３Ａは、エッジ部５Ａである、曲率半径０．５ｍｍの面取り部５Ａを濡れ進むことが観測された。図９Ｂは、さらに、リング状の開口部材４を押し込んだ状態を示しており、２液界面３Ａがエッジ部５Ａである面取り部５Ａと側面４Ａの境界部まで濡れ進んだ以降は、この部位で２液界面３Ａが固定されているのが観測された。以上の観察からエッジ部５Ａに曲率を持たせることは適用可能であるが、固定を強固にする観点では、シャープなエッジ部５Ａであることが望ましい。

リング状の開口部材４の開口部４ａの内径は、１ｍｍ以下のマイクロレンズの領域から数１０ｍｍ程度のものが適用可能と思われるが外力による外乱に強くする観点では小径の方が好ましい。リング状の開口部材４の厚みは、同様に外力による外乱に強くする観点では、強度上、その形状を保持できる範囲で例えば０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の薄く、それ自体の質量が小さいものが好ましい。

開口部材４のエッジ部５Ａは、開口部材４の開口部４ａの上下いずれかの端縁に限るものではなく、開口部材４の開口部４ａの内壁面の中間部に形成されるようにしてもよい。例えば、図１０は、開口部材４のエッジ部５Ａの構成の別の例を示す断面図である。第２の液体２に親水性の表面処理膜１５Ａを開口部材４の開口部４ａの内壁面の第２の液体側（図１０では例えば上半分側）に形成し、第２の液体２に撥水性の表面処理膜１５Ｂを開口部材４の開口部４ａの内壁面の第１の液体側（図１０では例えば下半分側）に形成し、その表面処理膜１５Ａと表面処理膜１５Ｂとの境界にエッジ部５Ａを構成した例である。具体的には、第２の液体２が水溶液の場合、親水性処理としてシランカップリング剤膜を形成し、撥水性処理としてテフロン（登録商標）系膜を形成することにより、このようなエッジ部５Ａを構成することができる。このようなエッジ部５Ａは、開口部材４の開口部４ａの内壁面の中央部分に形成するものに限らず、表面処理膜１５Ａと表面処理膜１５Ｂとの領域を適宜調整して形成することにより、内壁面の任意の場所に形成することができる。

以上、２液の界面３Ａを開口部材４のエッジ部５Ａで固定する方法に関して述べたが、２液界面３Ａがこのエッジ部５Ａを越えて濡れ進み、２液界面３Ａが、より確実に破壊されないようにするため、開口部材４の可動範囲を制限することにより、２液界面３Ａのエッジ部５Ａでの変化角度に制限を加えることがより望ましい。開口部材４の可動範囲を制限する具体的な例としては、図１Ｅに示すように、ストッパとして機能する突起４ｐを透明板１２Ｂの内面に配置して、開口部材４が突起４ｐに接触することにより、開口部材４の下限位置を規制するようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態における可変焦点レンズ装置について説明する。

図３は、本発明の第２実施形態における可変焦点レンズ装置の断面図である。アクチュエータ７Ａの配置は、図１Ｂの平面図でのアクチュエータ７の配置と同様であるので、平面図は省略した。図４は、本発明の第２実施形態における可変焦点レンズ装置のアクチュエータ７Ａの動作原理を示す断面図である。この第２実施形態では、電気刺激型のアクチュエータ７Ａが、第１の液体１である電解液中に内包させている特長を活かし、この第１の液体１中に、他の電極（対向電極２２Ａ，２２Ｂ）を別に設けることにより、アクチュエータ７Ａの駆動性能を向上させるものである。アクチュエータ７Ａも、第１実施形態のアクチュエータ７と同様に、アクチュエータ駆動制御部５４の制御の下に駆動制御される。

第１実施形態と同様、導電性のポリマー層２０Ａ，２０Ｂを構成する導電性のポリマーとして、ピロールのモノマーを支持電解質層となるプロピレンカーボネート中に溶解した有機溶媒中で、カーボン電極を析出電極としてガルバノスタットモード（定電流制御モード）にてポリピロールを電解重合により合成した膜を用い、固体電解質として、イオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）をゲル化した膜を用いて、図４で示した構成のアクチュエータ７Ａを同様に得た。第１の液体として、この固体電解質ゲルの電解質材料として用いたイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）を用いた。

このような構成のアクチュエータ７Ａは、対向電極２２Ａ及び対向電極２２Ｂにも、図４中で示した極性で（言い換えれば、導電性のポリマー層２０Ａ，２０Ｂと対向電極２２Ａ及び対向電極２２Ｂとは、第１の液体１を介して互いに対向する電極同士の極性は異なるように）電源３０から電圧を印加することにより、伸縮する導電性のポリマー層２０Ａ及び２０Ｂの両面から（固体電解質２１側及び第１の液体１である電解液側の両方の界面から）イオンの出入りが可能であるため、大きな駆動変位が得られるとともに、速やかにイオンの出入りが可能であることから、アクチュエータ７Ａに高速な駆動動作をさせることができる。なお、図４では、一例として、カチオン（正イオン）が、導電性ポリマー層２０Ａから、導電性ポリマー層２０Ａと対向電極２２Ａとの間の第１液体１の方に及び固体電解質２１の方に抜けて、導電性ポリマー層２０Ａが矢印４０Ｂのように縮み、導電性ポリマー層２０Ｂには、逆に、カチオンが、固体電解質２１から及び導電性ポリマー層２０Ｂと対向電極２２Ｂとの間の第１液体１からそれぞれ入り込み、イオンの嵩が増すことにより導電性ポリマー層２０Ｂが矢印４０Ａのように伸びることにより、このアクチュエータ７Ａは下向き凸に屈曲駆動されている。電圧を逆に印加すれば、逆の動作がそれぞれ行なわれる。

なお、本発明においては、前記実施例１及び実施例２で述べた２液材料以外にも、各種オイルと有機溶媒との組み合わせ、例えばシリコーンオイルとアルコール類の組み合わせや、各種イオン液体と有機溶媒との組み合わせ等、混和せず屈折率の異なる２液の組み合わせを用いるようにしてもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態における可変焦点レンズ装置について説明する。

図５は本発明の第３実施形態における可変焦点レンズ装置の断面図である。アクチュエータ７Ｂの配置は、図１Ｂの平面図のアクチュエータ７の配置と同様であるので、平面図は省略した。図６は、本発明の第３実施形態における可変焦点レンズ装置のアクチュエータ７Ｂの動作原理を示す断面図である。この第３実施形態はこれまでに述べた第１及び第２実施形態と異なり、固体電解質２１を用いない形式のアクチュエータ７Ｂの場合であり、電気刺激型のアクチュエータ７Ｂが、第１の液体１である電解液中に内包させている特長を活かし、電解液１中に他の電極２２を別に設けることによりアクチュエータ７Ａの構成を簡便化でき、従って製造のしやすい構成としたものである。アクチュエータ７Ｂも、第１実施形態のアクチュエータ７と同様に、アクチュエータ駆動制御部５４の制御の下に駆動制御される。

図６に示した通り、この構成のアクチュエータ７Ａでは、導電性のポリマー層２０と対向電極２２との間に電圧を電源３０から印加することにより、屈曲動作するものである。伸縮する導電性のポリマー層２０は、非伸縮性部材２３と貼り合わされた構成となっており、導電性のポリマー層２０がイオンの出入りにより伸縮するのに対して、非伸縮性部材２３は伸縮しないため、結果として、導電性のポリマー層２０と非伸縮性部材２３とが貼り合わされて構成されたアクチュエータ７Ａが屈曲駆動されることになる。

この構成のアクチュエータ７Ａは次ように簡便なプロセスで製作することができた。ポリピロールを電解重合法で形成するためには、析出させるための電極が必要であるので、非伸縮性部材２３として機能するポリイミド膜の表面に、先ず金薄膜を蒸着し、この電極（図示せず。）上に伸縮部材として機能するポリピロール膜を直接電解重合して形成することにより、このような、アクチュエータ７Ａとして貼り合わせた構造を得ることができた。また対向電極２２は、透明板１２Ｂのセル内面上に形成した透明電極とすることもできる。

導電性のポリマーとして、ポリピロール膜を用い、第１の液体としてイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）を用いた。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態は、本発明の前記第１〜第３実施形態にかかる可変焦点レンズ装置を撮像装置に適用した例である。前記撮像装置のブロック図の一例を図１１に示す。

撮像装置は、アクチュエータ駆動制御部５４を含む前記可変焦点レンズ装置５０と、撮像合焦点判定部５５と、撮像板５１と、像記録再生部５６とより構成されている。

この撮像装置では、アクチュエータ７，７Ａ，又は７Ｂにより駆動される液体レンズ６を有する可変焦点レンズ装置５０の光軸９の付近にある被写体５２の像を、撮像板５１上に、被写体の像５３として像を結ばせるため、撮像板５１から出力された撮像信号により判定部５５で合焦点を判断する。合焦点を判断した判定部５５からの信号がアクチュエータ駆動制御部５４に入力されて、入力された信号に基づき、アクチュエータ駆動制御部５４により、全てのアクチュエータ７，７Ａ，又は７Ｂを同期して駆動制御する。具体的には、判定部５５で焦点が合っていないと判断された場合には、アクチュエータ駆動信号が判定部５５からアクチュエータ駆動制御部５４に入力されて、入力された信号に基づき、アクチュエータ駆動制御部５４により、全てのアクチュエータ７，７Ａ，又は７Ｂを同期して駆動されて、開口部材４が光軸９の方向沿いに進退するように平行移動して、液体レンズ６の曲率を変化させて、焦点１１の位置を調節する。判定部５５で合焦点と判断されたとき、アクチュエータ駆動制御部５４による全てのアクチュエータ７，７Ａ，又は７Ｂの駆動を停止するとともに、合焦点された像信号は判定部５５から像記録再生部５６に送られて、像記録再生部５６で記録又は再生される。

なお、前記第１〜第３実施形態の開口部材４は、図７Ａに示すようにリング状で円形の開口部４ａを持ったものについて述べたが、このような液体レンズ６は、例えば、携帯電話等の薄型携帯端末に搭載するカメラ用可変焦点レンズ装置として有用である。また、図７Ｂに示すように楕円形の開口部材４Ｂの開口部４ｂを楕円にすることにより横長画像の周辺部の歪を補正するようにすることができる。

さらに、開口部材４Ｃが図７Ｃに示すように矩形状で矩形の開口部４ｃを持ったものの場合には液体レンズ６はシリンドリカルレンズを形成する。このようなレンズは例えばプリンター光学系用の可変焦点レンズ装置として有用である。

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の可変焦点レンズ装置は、携帯機器、携帯端末機、電子ペーパーなどに装着される各種光学装置の焦点位置の可変機能（光学変調機能）を付与する装置として利用可能である。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
図１Ａは、本発明の第１実施形態における可変焦点レンズ装置の断面図である。 図１Ｂは、本発明の第１実施形態における可変焦点レンズ装置の断面図である。 図１Ｃは、本発明の第１実施形態における可変焦点レンズ装置の平面図である。 図１Ｄは、本発明の前記第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置の液体レンズが形成される物理的メカニズムを説明するための原理説明図であって、開口部材が第２の液体中にあって、２液の界面を第１の液体に押し込む前の状態を示す図である。 図１Ｅは、本発明の前記第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置の液体レンズが形成される物理的メカニズムを説明するための原理説明図であって、開口部材を第１の液体の側に押し込んだ後の状態を示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態における可変焦点レンズ装置のアクチュエータの動作原理を示す断面図である。 図３は、本発明の第２実施形態における可変焦点レンズ装置の断面図である。 図４は、本発明の第２実施形態における可変焦点レンズ装置のアクチュエータの動作原理を示す断面図である。 図５は、本発明の第３実施形態における可変焦点レンズ装置の断面図である。 図６は、本発明の第３施形態における可変焦点レンズ装置のアクチュエータの動作原理を示す断面図である。 図７Ａは、本発明の前記第１〜第３実施形態にかかる可変焦点レンズ装置の開口部材の平面図である。 図７Ｂは、本発明の前記実施形態の変形例にかかる可変焦点レンズ装置の楕円形状の開口部材の平面図である。 図７Ｃは、本発明の前記実施形態の別の変形例にかかる可変焦点レンズ装置の矩形状の開口部材の平面図である。 図８Ａは、本発明の前記第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置の開口部材の断面図である。 図８Ｂは、本発明の前記第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置の開口部材の１つの例のエッジ部の拡大断面図である。 図８Ｃは、本発明の前記第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置の開口部材の別の例のエッジ部の拡大断面図である。 図９Ａは、本発明の前記第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置の開口部材のある曲率半径を有するエッジ部の拡大断面図である。 図９Ｂは、本発明の前記第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置の開口部材の別の曲率半径を有するエッジ部の拡大断面図である。 図１０は、本発明の前記第１実施形態にかかる可変焦点レンズ装置の開口部材のエッジ部の構成する別の例を示す断面図である。 図１１は、本発明の第４実施形態であって、本発明の前記第１から第３実施形態のいずれかの可変焦点レンズ装置を適用した撮像装置のブロック図である。

Claims (10)

1. 第１の液体と、
   前記第１の液体と混和せずに前記第１の液体との間で光軸方向と交差する方向沿いの界面を形成可能でかつ前記第１の液体とは異なる屈折率を持つ第２の液体と、
   前記第１の液体と前記第２の液体が封止されるセルと、
   前記光軸方向に貫通する開口部を有し、前記開口部の端縁又は内壁面で形成されるエッジ部が前記セル内で前記第１の液体と前記第２の液体の２つの液体の前記界面に接触して前記エッジ部により前記界面が固定されかつ前記２つの液体の界面に当接した状態で前記光軸方向に平行移動可能な開口部材と、
   前記開口部材に連結されて、前記開口部材を前記光軸方向に平行移動させることにより、前記開口部材の開口部内に形成された液体レンズの前記２つの液体の界面の形状を制御して、前記液体レンズによる焦点の位置を前記光軸方向に可変とするアクチュエータとを備える可変焦点レンズ装置。
2. 前記第１の液体が非水溶性であり、前記アクチュエータが、電気刺激型のポリマーアクチュエータであり、かつ前記電気刺激型のポリマーアクチュエータが、前記非水溶性の前記第１の液体中に内包されている請求項１に記載の可変焦点レンズ装置。
3. 前記非水溶性の第１の液体がイオン性液体であり、前記電気刺激型のポリマーアクチュエータが、前記イオン性液体のアニオン又はカチオンの出入りに伴うイオン駆動型のポリマーアクチュエータである請求項２に記載の可変焦点レンズ装置。
4. 前記非水溶性の第１の液体がエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）である請求項３に記載の可変焦点レンズ装置。
5. 前記第２の液体が水溶性であり、前記水溶性の第２の液体が水より比重の大きい物質の水溶液である請求項２に記載の可変焦点レンズ装置。
6. 前記水溶性の第２の液体がポリタングステン酸ナトリウム水溶液である請求項５に記載の可変焦点レンズ装置。
7. 前記アクチュエータが、薄板状の屈曲動作する電気刺激型のポリマーアクチュエータである請求項１に記載の可変焦点レンズ装置。
8. 前記第１の液体と前記第２の液体及び前記開口部材が同じ密度を持つ請求項１に記載の可変焦点レンズ装置。
9. 前記開口部材に撥水性又は親水性の表面処理を施す請求項１に記載の可変焦点レンズ装置。
10. 前記開口部材が円形であり、前記アクチュエータが、複数個かつ前記円形の開口部材の接線方向沿いにかつ前記液体レンズの光軸回りに点対称に配置され、かつ、前記アクチュエータの全てが同期して駆動制御される請求項１に記載の可変焦点レンズ装置。

Images