JP6508476B2 - 液晶レンズ - Google Patents

Description

本発明は、液晶レンズの改良技術に関する。

液晶レンズは、液晶分子が一方向に配向している液晶層に電圧を印加し、この液晶分子の配向制御を行うことで屈折率を変化させるデバイスであり、モータ等の機械的な駆動部を持たずに焦点距離を可変できるという特徴を有する。

従来の液晶レンズは、特許文献１に開示されるように、第１の電極を有する第１の基板（第１の主壁部）と、第１の電極と対向する第２の電極を有する第２の基板（第２の主壁部）と、第１の電極と第２の電極との間に配される液晶層とを主に備える。さらに液晶レンズは、第１の電極と液晶層との間に高抵抗膜（高抵抗層）を有する（同文献の００２６等参照）。

第１の電極は、円形の開口を有する第１電極部と、この開口の内部に配された第２電極部とを有する。第１の基板の第１の電極に係る第１電極部と、第２の基板における第２の電極との間には、所定の電圧（Ｖ１）が印加される。また、第１の電極に係る第２電極部と第２の電極との間には、別途所定の電圧（Ｖ２）が印加される。なお、第２の電極は、グラウンド電極とされている（同文献の００２４、００２５及び図１参照）。

上記構成の液晶レンズは、第１の電極と第２の電極との間に生じる軸対称的な不均一電界により、液晶層に含まれる液晶分子に配向効果を生じさせ、放物面状の屈折率分布を得る。また、液晶レンズは、高抵抗膜を介して誘電結合が生じる結果としての電位分布の中継効果により、軸対称の不均一電界を好適に生じさせる。これにより、低電圧による液晶レンズの駆動が可能になる。

特開２０１４−３５４７０号公報

従来の液晶レンズでは、高抵抗膜を利用して低電圧にて駆動するように構成されているが、近年では、さらに駆動電圧を低減化した液晶レンズの実現が求められている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、駆動電圧を低減することが可能な液晶レンズを提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、円形の開口を有する第１電極部及び前記開口の内側に配される第２電極部を有する第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配される液晶層と、第１の電極と第２の電極とに交流電圧を印加する電源と、を備える液晶レンズにおいて、前記電源が、第１矩形波を有する電圧を前記第１電極部に印加する第１電源と、前記第１矩形波と同位相の第２矩形波を有する電圧を前記第２電極部に印加する第２電源と、前記第１矩形波及び前記第２矩形波に対して位相が１８０°異なる第３矩形波を有する電圧を前記第２の電極に印加する第３電源と、を備えることに特徴づけられる。

かかる構成によれば、第３矩形波を第１矩形波及び第２矩形波に対して位相反転させることにより、液晶レンズの駆動電圧を可及的に低減できる。すなわち、第１電極部における電圧をＶ１とし、第２電極部における電圧をＶ２とし、位相反転された第３矩形波による電圧をＶ３とすると、第１電極部と第２の電極との電圧の差をＶ１−Ｖ３とすることができる。同様に、第２電極部と第２の電極との電圧の差をＶ２−Ｖ３とすることができる。すなわち、従来のように第２の電極をグラウンド電極とした場合と比較すると、第３電源によって位相反転された第３矩形波を有する電圧Ｖ３を第２の電極に印加することで、第１の電極と第２の電極の間の電圧を低減することが可能になる。これにより、液晶レンズは、その光学的パワーを低下させることなく、駆動電圧のみを低減させることができる。

また、本発明に係る液晶レンズは、前記第１の電極と前記液晶層との間に配される高抵抗膜をさらに備えることが望ましい。これに限らず、液晶レンズは高抵抗膜を有さずともよく、前記第１の電極を有する基板を備えており、前記基板が前記第１の電極と前記第２の電極との間に介在してなる構成であってもよい。

本発明によれば、液晶レンズを従来よりも低電圧で駆動することが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る液晶レンズの断面図である。 液晶レンズにおける第１の電極を示す平面図である。 各電極に印加する電圧の波形を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る液晶レンズの断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図３は、本発明に係る液晶レンズの第１実施形態を示す。

図１及び図２に示すように、液晶レンズ１は、第１の電極２を有する第１の基板３と、この第１の基板３に対向する第２の電極４を有する第２の基板５と、第１の基板３と第２の基板５との間に介在する第３の基板６とを備える。また、液晶レンズ１は、第１の基板３と第３の基板６との間に介在する第１の液晶層７と、第２の基板５と第３の基板６との間に介在する第２の液晶層８とを備える。さらに液晶レンズ１は、第１の基板３と第３の基板６との間に介在する第１のスペーサ９と、第２の基板５と第３の基板６との間に介在する第２のスペーサ１０とを備える。

第１の基板３は、透明なガラス板により構成されるが、これに限定されるものではない。第１の基板３は、第１の電極２の他、この第１の電極２を覆う絶縁膜１１と、この絶縁膜１１に積層される高抵抗膜１２と、この高抵抗膜１２に積層される配向膜１３とを備える。

第１の電極２は、平面視矩形状に構成され、第１の基板３の一方の面に形成されている。第１の電極２は、例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の透明導電性酸化物を蒸着法、スパッタ法その他の方法により第１の電極２に固着してなるが、第１の電極２の形状及び材質はこれに限定されない。

図１及び図２に示すように、第１の電極２は、第１電極部１４と第２電極部１５とを有する。第１電極部１４は、円形の開口１４ａと、この開口１４ａを第１電極部１４の外縁部まで連通させる直線状の連通口１４ｂとを有する。開口１４ａ及び連通口１４ｂは、第２電極部１５を第１電極部１４の内側に配するためのものである。

図１に示すように、第１電極部１４は、交流電圧を印加する電源（以下「第１電源」という）１６に接続されている。第１電源１６は、第１電極部１４における外縁部の一部に接続される。この第１電源１６により、第１電極部１４には所定の交流波形を有する電圧が印加される。

図２に示すように、第２電極部１５は、円形に構成される本体部１５ａと、この本体部１５ａと一体に構成される端子部１５ｂとを有する。本体部１５ａは、第１電極部１４の開口１４ａの内側に配置されている。本体部１５ａは、この開口１４ａの寸法よりも若干小さな径により構成されており、第１電極部１４に接触していない。端子部１５ｂは、本体部１５ａの一部から半径方向外方に突出する直線状の部分である。端子部１５ｂは、第１電極部１４の連通口１４ｂの内側に配置されている。端子部１５ｂは、その幅寸法が連通口１４ｂの幅寸法よりも若干小さくされており、第１電極部１４に接触していない。

図１に示すように、第２電極部１５は、第１電源１６とは独立した交流電源（以下「第２電源」という）１７に接続されている。第２電源１７は、第２電極部１５の端子部１５ｂに接続される。この第２電源１７により、第２電極部１５には所定の交流波形を有する電圧が印加される。

絶縁膜１１は、可視光で透明な膜であり、ＳｉＯ_２等の酸化物により構成され、又は、ＡｌＮ、ＳｉＮ等の窒化物、ＭｇＦ_２、ＣＦ_２等のフッ化物、ＺｎＳ等の硫化物等の非酸化物により構成され得る。絶縁膜１１は、第１電極部１４、第２電極部１５を被覆することで、第１の電極２と第２の電極４とを絶縁する。

絶縁膜１１の厚みは、３００ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましく、３００ｎｍ〜６００ｎｍがより好ましく、３００ｎｍ〜４００ｎｍが最も好ましい。絶縁膜１１の厚みが３００ｎｍより薄い場合には、第１の電極２と、高抵抗膜１２との間で、絶縁破壊が生じる可能性がある。絶縁膜１１の厚みが１０００ｎｍより厚い場合には、第１の電極２と第２の電極４とにより形成される電界が各液晶層７，８に十分に作用しない可能性がある。

高抵抗膜１２は、第１電極部１４の開口１４ａの中心部にまで軸対称の電界が好適に発生し得るようにするためのものである。高抵抗膜１２は、酸化亜鉛、アルミニウム亜鉛酸化物、インジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、ガリウム亜鉛酸化物、シリコン亜鉛酸化物、スズ亜鉛酸化物、ホウ素亜鉛酸化物、及びゲルマニウム亜鉛酸化物のうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。これに限らず、絶縁膜１１が非酸化物で構成される場合には、高抵抗膜１２の抵抗値を安定化させるために、高抵抗膜１２を例えばＩＧＺＯ（インジウムガリウム亜鉛酸化物）により構成することが望ましい。

高抵抗膜１２の厚みは、２０ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましく、５０ｎｍ〜５００ｎｍがより好ましく、７０ｎｍ〜２００ｎｍが最も好ましい。高抵抗膜１２の厚みが２０ｎｍより薄い場合、高抵抗膜１２の厚みが１０００ｎｍより厚い場合の何れの場合も、高抵抗膜１２としての機能が十分に発揮できない可能性がある。

高抵抗膜１２のシート抵抗は、１００ｋΩ／ｓｑ〜１００ＧΩ／ｓｑが好ましく、５００ｋΩ／ｓｑ〜１０ＧΩ／ｓｑがより好ましく、１ＭΩ／ｓｑ〜１ＧΩ／ｓｑが最も好ましい。高抵抗膜１２のシート抵抗が、１００ｋΩ／ｓｑより小さい場合、１００ＧΩ／ｓｑより大きい場合の何れの場合も、高抵抗膜１２としての機能が十分に発揮できない可能性がある。

配向膜１３は、例えばラビング処理で微小な溝部が形成されたポリイミド膜により構成され得るが、これに限定されるものではない。この配向膜１３の作用により、第１の液晶層７に含まれる液晶分子は、プレチルト角で配向され得る。

第２の基板５は、透明なガラス板により構成されるが、これに限定されるものではない。第２の基板５は、その一方の表面に固定される第２の電極４を、第１の基板３における第１の電極２に対向させるように設けられる。

第２の基板５に形成される第２の電極４は、第１の電極２と同様に、平面視矩形状に構成される。第２の電極４は、例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の透明導電性酸化物を蒸着法、スパッタ法その他の方法により第１の電極２に固着してなるが、これに限定されない。

第２の電極４は、第１電源１６、第２電源１７とは独立した交流電源（以下「第３電源」という）１８に接続されている。第３電源１８は、第２の電極４における外縁部の一部に接続される。この第３電源１８により、第２の電極４には、所定の交流波形を有する電圧が印加される。

第２の基板５は、上記の第２の電極４の他、第２の液晶層８に面するように設けられる配向膜１９を有する。配向膜１９は、第２の電極４を覆うように積層されている。配向膜１９は、例えばラビング処理されたポリイミド膜などにより構成され得るが、これに限定されない。この配向膜１９の作用により、第２の液晶層８に含まれる液晶分子は、プレチルト角で配向される。

第３の基板６は、透明なガラス板により構成されるが、これに限定されるものではない。第３の基板６は、第１の基板３及び第２の基板５と同形でほぼ同じ面積を有する。第３の基板６は、その両面に配向膜２０，２１を有する。一方の配向膜２０は、第１の液晶層７に面し、他方の配向膜２１は、第２の液晶層８に面する。各配向膜２０，２１は、第１の基板３の配向膜１３、第２の基板５の配向膜１９と同様にラビング処理されたポリイミド膜により構成され得るが、これに限定されない。これらの配向膜２０，２１の作用により、各液晶層７，８に含まれる液晶分子は、プレチルト角で配向される。

第１の液晶層７は、第１の基板３と第３の基板６と第１のスペーサ９とにより区画される空間にホモジニアス液晶を収容してなる。また、第２の液晶層８は、第２の基板５と第３の基板６と第２のスペーサ１０とにより区画される空間にホモジニアス液晶を収容してなる。各液晶層７，８は、各電源１６〜１８による電圧の印加によって生じた電界の作用により、液晶分子を所定のチルト角に配向させる。

第１のスペーサ９及び第２のスペーサ１０は、金属製のものであり、例えばアルミニウムにより環状の板部材として構成されるが、これに限定されるものではない。各スペーサ９，１０の厚みは、各液晶層７，８の厚みや各液晶層７，８に要求される応答速度等に応じて適宜設定できる。各スペーサ９，１０の厚みは、例えば１０μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。

以下、上記構成の液晶レンズ１の動作について図３を参照しながら説明する。本実施形態に係る液晶レンズ１では、図３（ａ）に示すように、振幅がＶ１となる矩形波（以下「第１矩形波」という）を有する電圧（電位）が第１電極部１４に印加される。また、図３（ｂ）に示すように、振幅がＶ２となる矩形波（以下「第２矩形波」という）を有する電圧（電位）が第２電極部１５に印加される。また、図３（ｃ）に示すように、振幅がＶ３となる矩形波（以下「第３矩形波」という）を有する電圧（電位）が第２の電極４に印加される。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、第１矩形波と第２矩形波とは同位相とされており、図３（ｃ）に示すように、第３矩形波は、第１矩形波及び第２矩形波とは１８０°位相が異なっている。

このように、第３矩形波を第１矩形波及び第２矩形波に対して位相反転させることにより、液晶レンズ１の駆動電圧を可及的に低減できる。すなわち、位相反転された第３矩形波により、第１の基板３の第１電極部１４と、第２の基板５の第２の電極４との電圧の差（電位差）をＶ１−Ｖ３とすることができる。同様に第１の基板３の第２電極部１５と第２の基板５の第２の電極４との電圧の差（電位差）をＶ２−Ｖ３とすることができる。

すなわち、従来のように第２の電極４をグラウンド電極とした場合と比較すると、第３電源１８によって位相反転された第３矩形波を有する電圧Ｖ３を印加することで、第１の電極２と第２の電極４の間の電圧を低減することが可能になる。従来のように第２の電極４をグラウンド電極とした場合に、例えばＶ１＝１００Ｖｒｍｓ、Ｖ２＝６０Ｖｒｍｓ、Ｖ＝ＧＮＤと仮定すると、本実施形態に係る液晶レンズ１によって同一の電界を発生させるために、Ｖ１＝＋５０Ｖｒｍｓ、Ｖ２＝＋１０Ｖｒｍｓ、Ｖ３＝−５０Ｖｒｍｓとする（「＋」、「−」の表記は同時刻における電圧状態を意味する）。このように、本実施形態に係る液晶レンズ１を使用すれば、従来と比較して駆動電圧（最大値）を１／２にまで低減することが可能である。

以上によれば、液晶レンズ１は、その光学的パワーを低下させることなく、駆動電圧のみを低減させることができる。したがって、この液晶レンズ１を駆動する回路の負荷を可及的に低減でき、ひいては液晶レンズ１が組み込まれたデバイスの小型化に大きく寄与することとなる。

図４は、本発明に係る液晶レンズの第２実施形態を示す。上記の第１実施形態では、高抵抗膜１２を有する液晶レンズ１を例示したが、本実施形態に係る液晶レンズ１は高抵抗膜１２を有していない。具体的には、第１の基板３は、その一方の面に第１の電極２が形成されてなり、他方の面を第２の基板５の第２の電極４に対向させるように配置されている。

すなわち、この液晶レンズ１は、第１の電極２と第２の電極４との間に第１の基板３が介在してなる。このような構成の液晶レンズ１であっても、第１電源１６及び第２電源１７によって、同位相の第１矩形波及び第２矩形波を有する電圧Ｖ１，Ｖ２を第１電極部１４及び第２電極部１５に印加するとともに、第３電源１８によって位相反転された（１８０°位相の異なる）第３矩形波を有する電圧Ｖ３を第２の電極４に印加することにより、液晶レンズ１を低電圧で駆動することが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記の実施形態では、第１の基板３、第２の基板５及び第３の基板６を有してなる液晶レンズ１を例示したが、これに限定されない。例えば、液晶レンズ１は、第３の基板６、第２の液晶層８及び第２のスペーサ１０を省略し、第１の基板３、第２の基板５、第１の液晶層７及び第１のスペーサ９により構成されてもよい。

１ 液晶レンズ
２ 第１の電極
４ 第２の電極
７ 第１の液晶層（液晶層）
８ 第２の液晶層（液晶層）
１２ 高抵抗膜
１４ 第１電極部
１４ａ 開口
１５ 第２電極部
１６ 第１電源
１７ 第２電源
１８ 第３電源

Claims (3)

1. 円形の開口を有する第１電極部及び前記開口の内側に配される第２電極部を有する第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配される液晶層と、前記第１の電極と前記第２の電極とに交流電圧を印加する電源と、を備える液晶レンズにおいて、
   前記電源は、第１矩形波を有する電圧を前記第１電極部に印加する第１電源と、前記第１矩形波と同位相の第２矩形波を有する電圧を前記第２電極部に印加する第２電源と、前記第１矩形波及び前記第２矩形波に対して位相が１８０°異なる第３矩形波を有する電圧を前記第２の電極に印加する第３電源と、を備えてなる液晶レンズ。
2. 前記第１の電極と前記液晶層との間に配される高抵抗膜をさらに備える請求項１に記載の液晶レンズ。
3. 前記第１の電極を有する基板を備えており、
   前記基板は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介在してなる請求項１に記載の液晶レンズ。

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