JP5430413B2 - 可変焦点レンズ及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
また、前記目的を達成するために以下の発明態様を提供する。
ストッパ構造によって規制する変位量以上の変位を発生させるに足る駆動信号を与えることで、アクチュエータの変位量の上限が当該ストッパ構造で所定値に制限されるため、簡易な駆動制御で一定の体積変化量を確保することができる。
図2に示したダイアフラム構造の共振周波数を構造解析ソフト(ANSYS 11.0;株式会社富士システム製)により求めた。本実施例における層構造としては、上部電極及び下部電極は他の層よりも膜厚が薄く、共振周波数への影響は小さいため省略して計算しており、圧電体(PZT)の膜厚5μm、振動板(Si)の厚み10μmの積層構造(PZT(5μm)/Si(10μm))とし、支持体となるシリコン(Si)の厚みを200μmとした。
・ヤング率:50GPa、等方性材料
・ポワソン比:0.3 (ただし、解析の結果にはほとんど影響しない。)
・密度:8g/cm3
[シリコン(Si)のパラメータ]
・実際には異方性材料であるが、(100)面を想定し、以下のパラメータを用いた。
・ヤング率:131GPa
・ポワソン比:0.3
・密度:2.33g/cm3
上記の条件で求めた開口幅と共振周波数の関係を図3に示す。図3は、ダイアフラムの開口幅が小さくなるほど共振周波数は高くなることを示している。
次に、上記と同様の構造において、圧電体膜に電圧を印加したときの圧力室(第1液室に相当)の体積変化量(排除体積)を求めた。電圧を印加する範囲は、一辺を開口幅(図2中のD)に対して8割とする正方形であり、かつ開口幅に対して中心とした。
・圧電定数d31:250pm/V
・印加電圧:50V
なお、圧電定数d33,d15は計算結果に影響しないため、どんな値でもよい。また、圧電体の誘電率(ε)も計算結果に影響しないため、どんな値でもよい。
図5において、この(1)式で表される直線よりも下の領域(図中「b」で示した領域)では、界面を半球形状にするに足る体積変化を得ることができない。また、開口幅が3.0mm以上の領域(図中「c」で示した領域)は、共振周波数が低くなるため、高速応答に適さない。
図6は、本発明の他の実施形態に係る可変焦点レンズの構造を示す断面図であり、図7はその平面図である。図6及び図7において、図1で説明した例と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図6及び図7で例示したように、複数の圧電アクチュエータ50を配置し、その配置された各圧電アクチュエータ50に対して、全て一定の電圧が印加されるように構成される。例えば、共通の駆動回路から出力される駆動信号(電圧信号)を各圧電アクチュエータ50に対応するスイッチを介して各圧電アクチュエータ50に印加する回路構成とし、スイッチのオン・オフによって、動作させる圧電アクチュエータ50の個数を制御する。
圧電アクチュエータ50のダイアフラム構造が一定の体積変化量(排除体積)以上には変化できないように、その変位量を規制するストッパ構造を設ける態様が好ましい。
また、複数個の圧電アクチュエータ50のダイアフラムの構造を全て同じにし、個々の圧電アクチュエータ50を駆動したときのそれぞれの体積変化量(排除体積)を一定にすることで、同時に駆動する圧電アクチュエータの数に応じた焦点距離の階調変化を得ることができる。
また、複数個の圧電アクチュエータによる他の階調制御の方法として、図4で説明した開口幅と体積変化量の関係から、体積変化量が丁度2の累乗倍で増加していく関係になるアクチュエータをそれぞれ1つずつ、合計でM個(ただし、M≧2)備える構成とする。もちろん、これらM個の各圧電アクチュエータについて、いずれも共振周波数が20kHz以上とする(図4参照)。
本発明によれる可変焦点レンズは、高速応答が可能であり、空間解像力も高いため、高速三次元スキャナーや全焦点顕微鏡システムなどに好適であり、動的な対象への高速追従が可能になる。また、小型化により携帯電話機等の電子機器に搭載することも可能である。
Claims (12)
- 液体状の媒質の界面を光の屈折面として利用する可変焦点レンズであって、
前記媒質を収容する容器と、
前記媒質の界面の曲率を変化させる圧電アクチュエータと、を備え、
前記圧電アクチュエータは、
振動板上に下部電極と上部電極に挟まれた圧電体が積層形成されたダイアフラム構造を有し、前記圧電体のd31方向の変位によって前記振動板が撓むユニモルフ型のアクチュエータであり、
当該圧電アクチュエータの共振周波数が20kHz以上であり、
前記媒質として、互いに混合することのない、屈折率の異なる2種類以上の媒質が用いられ、
これら異なる媒質同士が接する界面が前記屈折面として機能し、
当該界面で接する異なる媒質のうち、どちらか一方の媒質に前記圧電アクチュエータを作用させ、当該一方の媒質の圧力又は体積を変化させることにより前記界面を変動させることを特徴とする可変焦点レンズ。 - 請求項1において、
前記媒質として、互いに屈折率の異なる第1媒質と第2媒質とが用いられ、
前記容器は、前記第1媒質を収容する第1収容部と、前記第2媒質を収容する第2収容部とが開口部を介して連通した構造を有し、
当該開口部に前記第1媒質と前記第2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収容部の壁面の一部に配置され、当該第1収容部の容積を変化させるものであることを特徴とする可変焦点レンズ。 - 請求項1又は2において、
前記圧電体は、スパッタ法又はゾルゲル法で作製された薄膜であることを特徴とする可変焦点レンズ。 - 請求項1乃至3のいずれか1項において、
前記圧電アクチュエータを複数個備えることを特徴とする可変焦点レンズ。 - 請求項4において、
前記複数個の前記圧電アクチュエータがそれぞれ独立して駆動することができる配線構造を有し、これら各圧電アクチュエータは、印加する信号のオン/オフによって、駆動状態と非駆動状態とを切り換える二値駆動方式で駆動されることを特徴とする可変焦点レンズ。 - 請求項5において、
前記複数個の圧電アクチュエータとして、駆動時における排除体積が互いに等しい複数個の圧電アクチュエータが設けられていることを特徴とする可変焦点レンズ。 - 請求項5において、
前記複数個の圧電アクチュエータとして、駆動時における排除体積が互いに異なるM個(M≧2)の圧電アクチュエータが設けられ、
これらM個の圧電アクチュエータは、それぞれの排除体積が2N×Vminで表される関係にある(ただし、Nは0≦N<Mを満たす整数、VminはM個の圧電アクチュエータのうち最小の排除体積である。)ことを特徴とする可変焦点レンズ。 - 液体状の媒質の界面を光の屈折面として利用する可変焦点レンズであって、
前記媒質を収容する容器と、
前記媒質の界面の曲率を変化させる複数個の圧電アクチュエータと、を備え、
前記圧電アクチュエータは、
振動板上に下部電極と上部電極に挟まれた圧電体が積層形成されたダイアフラム構造を有し、当該圧電アクチュエータの共振周波数が20kHz以上であり、
前記複数個の前記圧電アクチュエータがそれぞれ独立して駆動することができる配線構造を有し、これら各圧電アクチュエータは、印加する信号のオン/オフによって、駆動状
態と非駆動状態とを切り換える二値駆動方式で駆動されるものであり、
前記複数個の圧電アクチュエータとして、駆動時における排除体積が互いに異なるM個(M≧2)の圧電アクチュエータが設けられ、
これらM個の圧電アクチュエータは、それぞれの排除体積が2N×Vminで表される関係にある(ただし、Nは0≦N<Mを満たす整数、VminはM個の圧電アクチュエータのうち最小の排除体積である。)ことを特徴とする可変焦点レンズ。 - 請求項5乃至8のいずれか1項において、
前記各圧電アクチュエータは、それぞれ駆動時における排除体積が所定体積となるように、前記振動板の変位量を制限するストッパ構造を有することを特徴とする可変焦点レンズ。 - 液体状の媒質の界面を光の屈折面として利用する可変焦点レンズであって、
前記媒質を収容する容器と、
前記媒質の界面の曲率を変化させる圧電アクチュエータと、を備え、
前記圧電アクチュエータは、
振動板上に下部電極と上部電極に挟まれた圧電体が積層形成されたダイアフラム構造を有し、前記圧電体のd31方向の変位によって前記振動板が撓むユニモルフ型のアクチュエータであり、
当該圧電アクチュエータの共振周波数が20kHz以上であり、
前記圧電アクチュエータを複数個備え、
前記複数個の前記圧電アクチュエータがそれぞれ独立して駆動することができる配線構造を有し、これら各圧電アクチュエータは、印加する信号のオン/オフによって、駆動状態と非駆動状態とを切り換える二値駆動方式で駆動され、
前記各圧電アクチュエータは、それぞれ駆動時における排除体積が所定体積となるように、前記振動板の変位量を制限するストッパ構造を有することを特徴とする可変焦点レンズ。 - 請求項5乃至10のいずれか1項に記載の可変焦点レンズにおける前記複数個の前記圧電アクチュエータに対して、駆動用の信号を選択的に印加し、当該印加する信号のオン/オフによって、駆動する圧電アクチュエータの個数を制御することにより、前記界面の曲率を多段階に変更することを特徴とする可変焦点レンズの駆動方法。
- 液体状の媒質の界面を光の屈折面として利用する可変焦点レンズの駆動方法であって、
前記可変焦点レンズは、
前記媒質を収容する容器と、
前記媒質の界面の曲率を変化させる圧電アクチュエータと、を備え、
前記圧電アクチュエータは、
振動板上に下部電極と上部電極に挟まれた圧電体が積層形成されたダイアフラム構造を有し、前記圧電体のd31方向の変位によって前記振動板が撓むユニモルフ型のアクチュエータであり、
当該圧電アクチュエータの共振周波数が20kHz以上であり、
前記圧電アクチュエータを複数個備え、
前記複数個の前記圧電アクチュエータがそれぞれ独立して駆動することができる配線構造を有し、これら各圧電アクチュエータは、印加する信号のオン/オフによって、駆動状態と非駆動状態とを切り換える二値駆動方式で駆動され、
前記可変焦点レンズにおける前記複数個の前記圧電アクチュエータに対して、駆動用の信号を選択的に印加し、当該印加する信号のオン/オフによって、駆動する圧電アクチュエータの個数を制御することにより、前記界面の曲率を多段階に変更することを特徴とする可変焦点レンズの駆動方法。
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