エレクトロウェティング方式を用いた液体光学素子
【課題】エレクトロウェティング現象を用いて光学特性を変化させる液体光学素子において、素子形状を大きくすることなく大きな界面駆動力を得ることができ、応答速度の速い液体光学素子を提供する。
【解決手段】液体光学素子１００は、光学特性を変化させる機能を担う機能部と駆動ポンプ部を有する。駆動ポンプ部は、導電性液体１０４と非導電性液体１０５により形成された界面１１６の端部１１６ｄを保持する保持部１０１ａ、１１０ｂと、保持部に対向する対向部分１０８ｃを含む電極１０８を有する。電極への印加電圧を制御することで、電極に接する界面の端部を変位させて液体を移動させ、液体が連通して存在する機能部の状態を変化させて光学特性を変化させる。電極１０８は、対向部分から保持部の方向に伸びて保持部に近接するように配された近接部分１０８ａ、１０８ｂをも有する。
【解決手段】液体光学素子１００は、光学特性を変化させる機能を担う機能部と駆動ポンプ部を有する。駆動ポンプ部は、導電性液体１０４と非導電性液体１０５により形成された界面１１６の端部１１６ｄを保持する保持部１０１ａ、１１０ｂと、保持部に対向する対向部分１０８ｃを含む電極１０８を有する。電極への印加電圧を制御することで、電極に接する界面の端部を変位させて液体を移動させ、液体が連通して存在する機能部の状態を変化させて光学特性を変化させる。電極１０８は、対向部分から保持部の方向に伸びて保持部に近接するように配された近接部分１０８ａ、１０８ｂをも有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロウェティング現象を用いて光学特性を変化させることが可能な液体光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２種類の非混和な液体を円筒状容器等に封入し、それぞれの液体の接する界面の形状を、エレクトロウェッティング現象を用いて変化させる光学素子が知られている。こうした光学素子は、従来の固体の光学素子のように機械的な移動機構を要することなく光学特性を変化させることができる為、静音性や低消費電力を実現できることに加え、光学ユニットの小型化や応答速度の高速化を達成するのに有効である。この液体光学素子では、互いに非混和な導電性の液体と非導電性の液体が、密閉された容器に封入されている。そして、容器に設けられ導電性液体と絶縁層を介して接する電極と、導電性液体に直接接する電極との間に電圧を印加することで、前記液体が接する界面の形状を、印加電圧に応じて変化させるというものである。
【０００３】
しかし、従来のエレクトロウェティング現象を用いた光学素子は、光学特性を変化させる為の界面の駆動を、光学素子として機能させる界面の端部の接触角を印加電圧により変化させることで行っている。その為、界面の変位は界面端部から始まり界面中心部へと進んで行くことになり、界面中心部の応答が遅れる。したがって、界面の変位が完全に終了する前に当該界面の次の変位動作を行うと、高次モードの界面振動が発生し易く、良好な光学特性が得られないという問題が生じることがある。また、機能部の界面を変化させる為の駆動力も、界面端部における壁面と液体及び液体相互の界面張力により決まる。すなわち、使用する液体や壁面の物性に依存する為、界面の応答速度を速める為に大きな駆動力を得ようとした場合、問題が生じ易い。特に口径の大きい光学素子の高速化において、より問題が生じ易い。
【０００４】
エレクトロウェティング現象を用いた光学素子の技術に関して、次の様なものがある（特許文献１参照）。すなわち、同一容器内において、光学素子として機能する界面部分と、それを駆動する駆動力を発生する為の界面部分を分離し、駆動用の界面を変位させることで、機能部の界面を変位させるというものがある。これによれば、光学素子の界面の形状や大きさに関係なく駆動用の界面を任意に設定できるので、駆動界面を変位させる駆動力を大きくすることができ易い。また、光学素子として機能する界面全体に均一に圧力をかけ易くなるので、上記のような高次モードの界面振動の発生を抑えることができる。したがって、機能部の界面の応答速度を速くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−７９２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された方法は、界面に駆動力を与える複数の電極壁面を並列に配列するという構成のものである。界面の駆動力は、上記不混和な２液の界面と電極面との接触領域（以下、「界面端部の接触線」とも称す）の長さにより決まり、この界面端部の接触線が長いほど、界面を駆動する為の界面張力の作用を大きくすることができる。したがって、変位させる液体流量が同じであれば、界面端部の接触線が長ければ長いほど、単位体積当りの界面張力を大きくでき、より高速な駆動が可能となる。
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の方法では、上記界面端部の接触線の長さは電極壁面の数だけ長くなるに過ぎず、必要な駆動力を確保しようとして電極壁面の数を増やすと、容器そのものが大きくなってしまうことになり易い。本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものである。すなわち、エレクトロウェティング現象を用いて光学特性を変化させる液体光学素子において、素子形状を大きくすることなく比較的大きな界面駆動力が得られ、それにより応答速度を速くすることができる液体光学素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による液体光学素子は、光学特性を変化させる機能を担う機能部と駆動ポンプ部とを有する。駆動ポンプ部は、互いに不混和な導電性液体と非導電性液体により形成された界面の端部を保持する保持部と、保持部に対向する位置に配置された対向部分を有し前記導電性及び非導電性の液体に対して絶縁された電極とを有し、電極に印加される電圧を制御することで、エレクトロウェティング現象により、電極に接する界面の端部を変位させて、保持部と電極によって挟持された前記導電性及び非導電性の液体を移動させることができ、これにより、駆動ポンプ部から前記導電性及び非導電性の液体が連通して存在する機能部の状態を変化させて機能部による光学特性を変化させられる。電極は、対向部分から保持部のある方向に伸びて保持部に近接するように配された近接部分をも有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の液体光学素子によれば、電極と接する界面端部の接触線を、素子形状を大きくすることなく長くでき、機能部の状態を変化させるために大きな駆動力を得るようにすることができる。したがって、液体光学素子の応答速度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施例の概略構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施例における駆動界面を構成するセルを示す図。
【図３】界面保持に関する説明の為の一部断面図。
【図４】本発明の第１の実施例の変形例を示す概略図。
【図５】本発明の第１の実施例における電極形状の変形例を示す説明図。
【図６】本発明の第２の実施例の概略構成及び駆動界面を構成するセルを示す図。
【図７】電極形状による界面駆動力に関する説明図。
【図８】本発明の第３の実施例の概略構成を示す図。
【図９】本発明の第４の実施例の概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特徴は、不混和な２液体の界面の端部を保持する保持部に対向して配された対向部分を有する絶縁電極への印加電圧を制御することで、絶縁電極に接する前記界面の端部を変位させて、保持部と絶縁電極により挟持された前記２液体を移動させることができ、これにより、保持部と絶縁電極を備える駆動ポンプ部から前記２液体が連通して存在する機能部の状態を変化させて光学特性を変化させられる液体光学素子において、絶縁電極に、対向部分から保持部の方向に伸びて保持部に近接するように配された近接部分をも設けることである。ここで、光学特性を変化させる機能を担う機能部は、後述のレンズ機能を有するものの他に種々のものであり得て、駆動ポンプ部から連通して存在する前記２液体の状態の変化で達成できる機能であれば、どの様な機能を担うものでもよい。
【００１２】
以下、図１〜図９を用いて本発明の液体光学素子の実施例を説明する。
（第１の実施例）
第１の実施例の概略の構成を示す図１（ａ）において、液体光学素子としての液体可変焦点レンズ１００は光軸Ｌを含む。図１（ａ）は図１（ｂ）に示す平面Ａ−Ａで切断した断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す平面Ｂ−Ｂで切断した断面図を示す。液体可変焦点レンズ１００は、円筒状部材１０１の両端面を、透明部１０２ａ及び１０３ａを有する封止部材１０２と１０３により接着剤等で封止した構造の密閉容器を備える。この容器の中には導電性液体１０４と非導電性液体１０５が封入されている。導電性液体１０４は、水に塩化ナトリウム或いは臭化ナトリウム等の電解物質を溶解させたものであり、非導電性液体１０５は導電性液体と非混和であるシリコーンオイル等である。また、非導電性液体１０５と導電性液体１０４は、両者が接する界面においてレンズ効果を持たせる為に、互いの屈折率が異なり、さらに重力の影響を受け難くする為に同じ密度になるように調整されている。
【００１３】
円筒状部材１０１と封止部材１０２、１０３で密閉された容器の内部には、別の円筒状部材１１０が配置されている。この円筒状部材１１０は、端面部１１０ｅで封止部材１０３の内面に設けられたリブ状突起１１１により支持され、円筒状部材１０１の内壁面及び封止部材１０２、１０３の内面に対し一定の間隔を隔てて固定されている。円筒状部材１１０の内壁面及び外壁面には、三角形状の断面を有する突起１１０ａ、１１０ｂが円周方向に設けられている。同様に、円筒状部材１０１の内壁面には三角形状断面を有する突起１０１ａが円周方向に設けられている。円筒状部材１１０の外壁面に設けられた突起１１０ｂと円筒状部材１０１の内壁面に設けられた突起１０１ａとの間には、図１（ｂ）に示す如く、コの字波形状に連続的に折り曲げられて蛇腹状に一体化された形状の電極１０８が円周方向に沿って設けられている。つまり、蛇腹状の電極１０８は、当該電極の壁面に垂直な断面の形状がコの字波形状である。このコの字の蛇腹状電極１０８は導電性を有する部材からなり、表面を絶縁性部材１０６により被覆されている。したがって、導電性液体１０４に対しては電気的に絶縁されている。さらに電極１０８は、導電性液体１０４に対し絶縁された導電性部材１０９を介し容器外部に設けられた後述する電圧印加部１２０と電気的に接続されている。
【００１４】
蛇腹状電極１０８の一つであるコの字波形状電極の電極壁面１０８ａ１、１０８ｂ１、１０８ｃ１と、円筒状部材１１０の突起１１０ｂで囲まれた領域に、導電性液体１０４と非導電性液体１０５の界面１１６ｓ１が形成される。同様に、隣接するコの字波形状電極の電極壁面１０８ａ２、１０８ｂ２、１０８ｃ２と、円筒状部材１０１の突起１０１ａで囲まれた領域に、導電性液体１０４と非導電性液体１０５の界面１１６ｓ２が形成される。このように、円筒状部材１１０及び円筒状部材１０１の突起１１０ｂ、１０１ａとコの字の蛇腹状電極１０８によりセル状に分割された界面１１６が円周方向に形成される。界面１１６の光軸Ｌ方向における位置は、界面１１６の端部１１６ｄが円筒状部材１１０及び円筒状部材１０１の突起１１０ｂ、１０１ａの先端（三角形の頂点部）と同じ位置になるように導電性液体１０４と非導電性液体１０５の液量が調整されている。また、円筒状部材１１０の内壁面側には導電性液体１０４と非導電性液体１０５の界面１１５が形成される。この界面の光軸方向における位置は界面１１５の端部１１５ｄが円筒状部材１１０の突起１１０ａの先端（三角形の頂点部）と同じ位置になるように導電性液体１０４と非導電性液体１０５の液量が調整されている。
【００１５】
１０７は導電性液体１０４に直接接している電極である。１２０は電極１０８と電極１０７（したがって導電性液体１０４）との間に電圧を印加する為の電圧印加部である。今、電圧印加部１２０において電極１０８と電極１０７（したがって導電性液体１０４）との間に直流又は交流電圧を印加する。蛇腹状電極１０８のセル状に分割された界面の一つである１１６ｓ１に着目すると、図２に示すように、界面１１６ｓ１は初期状態（電圧０Ｖ）では、壁面と液体及び液体相互の界面張力により決まる１１６ａの位置にある。そして、電圧の印加により、電極壁面１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃに接する界面１１６ａの端部１１６ａ１、１１６ｂ１、１１６ｃ１には、エレクトロウェティング現象により界面１１６ａの界面張力に抗して矢印Ｅ方向に押し下げる力が作用する。一方、界面端部１１６ｄは、後述する理由により円筒状部材１１０の突起１１０ｂに保持された状態で動かないので界面１１６ａは１１６ｂに示す位置に変位する。これにより、非導電性液体１０５は図１（ａ）に示すように下方に押し下げられ、容器内部において矢印Ｃに示す流れが発生し、液体１０５が移動する。この時、レンズとして機能する界面１１５の端部１１５ｄは円筒状部材１１０の突起１１０ａに、後述する理由により保持された状態で動かず、液体の移動により界面１１５は実線１１５ａの状態から破線１１５ｂの状態に変位する。
【００１６】
電圧印加部１２０において印加電圧を切ると、界面１１６ｂの電極壁面と接する界面端部１１６ａ２、１１６ｂ２、１１６ｃ２には界面張力による復元力Ｆ（図２に示す）が作用し、界面１１６ｂは元の１１６ａの状態に戻る。この時、導電性液体１０４は上方に押し上げられ、図１（ａ）に示すように容器内部において矢印Ｄ方向に流れが発生し、液体１０４が移動する。この液体の移動により界面１１５は実線で示す元の位置に戻る。
【００１７】
以上述べたように、駆動ポンプ部の界面１１６は、機能部の界面１１５の曲面形状を変化させ光学特性を変化させる為の駆動界面として機能する。界面１１５の変位量は界面１１６の移動量による流量変化により決まり、界面１１６の変位量は、電圧印加部１２０による電極１０８と電極１０７（したがって導電性液体１０４）に印加される電圧により決まる。すなわち、界面１１５の界面形状の変位量は、電圧印加部１２０による電圧により制御される。また、界面１１６の変位により発生した液体の圧力は界面１１５に対し略均一に作用するので高次の振動モードが界面１１５上に発生し難い。よって、以上の構成は、より大きい口径のレンズや高速で界面を変化させるような液体レンズに対し有効である。
【００１８】
ここで、円筒状部材１１０の突起１１０ａ、１１０ｂ及び円筒状部材１０１の突起１０１ａにより界面端部が保持される理由について以下に述べる。図３（ａ）に示すように、例えば円筒１３０の内側に互いに非混和な液体１３２と液体１３３による界面１３１が形成された場合、界面１３１の曲面形状は壁面と液体及び液体相互の界面張力により決まる。この時、界面端部１３１ａでの界面１３１の接線Ｔと壁面１３０ａとのなす角である接触角θは壁面や液体相互の物性に基づく界面張力により決まる一定値を取る。液体１３２と液体１３３の液量が変化した場合、界面端部１３１ａは壁面１３０ａ上を接触角θは一定のまま、液量比に応じて矢印Ｇ又はＨ方向に移動する。しかし、壁面の形状が図３（ｂ）に示すように突起形状をしており、界面１３１の界面端部１３１ａが突起１３０ｂの頂点Ｐの位置にある場合、接触角は上述したような相互の界面張力により決まる一定値とならない場合が生じる。すなわち、壁面と界面の接触角θ１が上記θより大きい場合、界面１３１の接触角θ１は図３（ｂ）のαで示す角度の範囲では液体１３２と液体１３３の液量比で決まる値となる。そして、液体１３２と液体１３３の液量比が変わった時、界面端部１３１ａは移動することなく頂点Ｐで保持され、界面の曲面形状のみ２点鎖線で示す１３１ｃから１３１ｄのように変化する。但し、接触角θ１が接触角θとなる界面１３１ｃ又は１３１ｄに達した後、さらに液量比が変わった場合、接触角θはそのままで、界面端部１３１ａは突起１３０ｂの壁面１３０ｃまたは１３０ｄに沿って矢印I又はJ方向に移動する。したがって、図１と図２で示した、円筒状部材１１０、１０１の突起１１０ｂ、１０１ａに位置する界面１１６の端部１１６ｄは、壁面と液体とで決まる接触角に達しない領域にある場合、動かずその位置に保持される。同様に、円筒状部材１１０の突起１１０ａに位置する界面１１５の端部１１５ｄも壁面と液体とで決まる接触角に達しない領域にある場合、動かずその位置に保持される。
【００１９】
駆動ポンプ部の駆動界面１１６の駆動力は、電極１０８の壁面と界面１１６の接触部において作用する力である界面張力に依存する。したがって、駆動力を大きくするにはこの電極１０８と界面１１６の接触領域を大きくする、すなわち界面端部の接触線を長くすれば良い。コの字波形状電極の場合、コの字を形成する電極１０８ａ、１０８ｂの有無で液体の変位量は変わらないと見なせるので、コの字波形状に電極を設ける方が界面端部の接触線が長くなる分、駆動力を大きくすることができる。従来の電極を並列に配置して駆動力を増す方法では駆動界面自体も増え、その分、素子形状も大きくなるが、本発明の手法によれば、界面を増やすことなく駆動力を大きくすることができる。コの字の蛇腹状電極の蛇腹の数を増やせば、電極の厚み分、駆動界面が減ることになるが、電極の厚みは、具体的には０.１ｍｍ以下なので実用上無視できるものである。
【００２０】
上記実施例の変形例を説明する。図４は図１で示した液体可変焦点レンズ１００の駆動界面１１６を同心円状に２層に設けた変形例である。図４（ａ）、（ｂ）において、円筒状部材１０１と円筒状部材１１０の間にさらに円筒状部材２１０を同心円状に配置し、コの字の蛇腹状電極２０８を追加したものである。従来の電極を並列に配置し駆動界面を多層にすることで駆動力を大きくする場合に比べ、並列に配置した電極をさらにセル状に小さく分割することにより各層における駆動力を大きくできる。変位させる液体流量を増やす為に駆動界面を多層にする方法が取られるが、そうした際にも本実施例のような方法により、電極を層状に配列する場合より界面端部の接触線を長くすることができ駆動力を大きくできる。
【００２１】
また、上述した実施例では、コの字波形状に一体化した電極を用いたが、電極形状は図５（ａ）或いは図５（ｂ）に示すようなものでも良い。図５（ａ）の構造は、電極１４０の電極壁面１４０ａに対し垂直に電極壁面１４０ｂを設け、これらの電極壁面と電極１４０の対向部にある壁面１４１に設けた界面端部保持部１４１ａとで駆動界面１１６をセル状に分割して駆動するようにしたものである。図５（ｂ）の構造は、円弧波状の電極１４２によって、上述したコの字波形状電極と同様、互いに対向した壁面１４３、１４４に設けた界面端部保持部１４３ａ、１４４ａで挟まれた駆動界面１１６を互いに一定間隔でセル状に分割して駆動するようにしたものである。何れの場合も、電極壁面１４０ｂの間隔或いは円弧波状の電極のピッチを小さくすることで、上述したコの字波形状電極と同様、界面端部の接触線が増え界面１１６に対する駆動力を大きくすることができる。円弧波状の電極や後述の三角波形状の電極では、或るセルにおいて界面保持部の突起に対向する対向部分は、隣接するセルでは界面保持部の突起に近接した近接部分となる。また、或るセルにおいて界面保持部の突起に近接した近接部分は、隣接するセルでは界面保持部の突起に対向する対向部分となる。
【００２２】
ところで、上述に例として挙げたコの字波形状電極の壁面１０８ａ、１０８ｂと界面端部保持部である突起１１０ｂ或いは１０１ａの位置関係は、界面１１６が変位する時、界面端部１１６ｄが固定端として機能すればよく、完全に密着している必要はない。したがって、本明細書において、「近接」という場合、完全に密着する場合の他に、多少の遊びがあって近接している場合も含んで用いられている。多少の遊びがあることは、組み立てにおいて、一体化された電極１０８を突起１１０ｂ、１０１ａの間に組み込む際に必要とされる隙間（具体的には０.１ｍｍ〜０.２ｍｍ程度）を許容して、組み立てを容易にする。また、本実施例で示した、電極部のみを一体化して容器とは別部品にすることは、容器や円筒状部材１１０を絶縁性の樹脂等を素材として成型で製造できるようにし、コストの低減にとって利点となる。さらに、一体化した電極を容器に組み込むという方法で組み立てられるので、組み立て性も良い。
【００２３】
本発明は、従来並列に配置していた電極壁面に対し、それに略垂直な方向に電極壁面を設けることで駆動界面をセル化し、電極壁面に対する界面端部の接触線を増やすことで駆動力を大きくするものである。したがって、図５（ｃ）に示すように円筒状部材１４５の内面に設けた電極（対向部分）１０８と円筒状部材１４６の外壁に設けた界面端部保持部としての突起１４６ａとの間を横断的に結ぶ電極（近接部分）１０８ａが１箇所であるような場合も含む。
【００２４】
（第２の実施例）
図６（ａ）は第２の実施例の概略の構成を示したもので、液体光学素子３００を光軸方向から見た電極形状を示す断面図である。第１の実施例において電極形状をコの字波形状にしたが、本実施例では電極形状を三角波形状にしたものである。図２において、第１の実施例と共通するものは同じ符号を付す。本実施例では、円筒状部材１０１の内壁面に設けられた界面保持部の突起１０１ａ及び容器内部に設けられた円筒状部材１１０の界面保持部の突起１１０ｂの間に、三角波形状に連続的に折り曲げられた蛇腹状の電極３０８が円周方向に設けられている。電極３０８は第１の実施例の電極１０８と同様、導電性を有する部材からなり、表面を絶縁部材（第１の実施例の絶縁部材１０６参照）により被覆されている。液体可変焦点レンズ３００の他の構成は第１の実施例と同じである。
【００２５】
図６（ｂ）は、三角波形状電極による界面の変位を説明する斜視図である。駆動界面３１６は、三角波形状をした電極３０８の壁面３０８ａ、３０８ｂ及び界面端部保持部である円筒状部材１１０に設けられた突起１１０ｂによりセル状に分割され、初期状態（印加電圧０Ｖ）では３１６ａに示す状態にある。電圧印加部１２０（図示せず）により電圧が印加されると、電極壁面３０８ａ、３０８ｂに接する界面３１６ａの端部３１６ａ１、３１６ｂ１にはエレクトロウェティング現象により界面３１６の界面張力に抗して矢印Ｋ方向に押し下げる力が作用する。一方、界面端部３１６ｄは上述した理由により円筒状部材１１０の突起１１０ｂに保持された状態で動かないので界面３１６ａは３１６ｂに示すように変位する。そして、電圧印加部１２０において印加電圧を切ると、電極壁面３０８ａ、３０８ｂと接する界面３１６ｂの界面端部３１６ａ２、３１６ｂ２に界面張力による復元力が矢印Ｍ方向に働き、界面３１６ｂは元の３１６ａの状態になる。
【００２６】
図７は、第１の実施例に示したコの字波形状電極と第２の実施例で示す三角波形状電極とで、どちらが電極壁面に対する界面端部の接触線が大きいかを説明する図である。図７（ａ）はコの字波形状電極における界面変位による流量の変位を模式的に示す図で、この場合は三角柱となる。図７（ｂ）は三角波形状電極における界面変位による流量の変位を模式的に示す図で三角錐となる。ここで、コの字波形状電極による界面及び三角波形状電極による界面は、界面の曲率半径に比べ十分小さいとして界面を平面として扱い、初期状態における界面は水平、すなわち光軸に対し垂直になっているものとする。また、電圧印加によって変位した界面変位量ｈは同じとする。セル化されたコの字波形状電極による界面と三角波形状電極による界面の条件を同じにする為、光軸方向からセルを見た図７（ｃ）において、セルのピッチａ及びセルの幅ｂを同じとする。そして、初期状態における界面の面積を同じとすると、初期の界面は、コの字波形状電極はｐ１−ｐ２−ｐ３−ｐ４で示す四角形、三角波形状電極はｐ１−ｐ５−ｐ６−ｐ４で示す平行四辺形になる。したがって、図７（ａ）に示すコの字波形状電極による流量変位を示す四角柱に対し、三角波形状電極における流量変位は、図７（ｂ）に示す三角錐二つ分が相当することになる。
【００２７】
今、電圧印加後の、コの字波形状電極の初期状態であるＡ面の界面端部における接触線の長さをＬ１（図７（ａ）の１点鎖線で示す）とすると、
Ｌ１＝２・ｂ+ａ ・・・（１）
となる。
また、界面変位により変位する流量の体積をＶ１とすると、
Ｖ１＝ａ・ｂ・ｈ／２ ・・・（２）
となる。
同様に、電圧印加後の三角波形状電極の初期状態であるＢ面の界面端部における接触線の長さをＬ２（図７（ｂ）の１点差線で示す）とすると、
Ｌ２＝２・ｃ
となり、実際の駆動に関わる接触線は２倍になるので、
２・Ｌ２＝４・ｃ ・・・（３）
となる。
そして、界面変位により変位する流量の体積をＶ２とすると、
Ｖ２＝ａ・ｂ・ｈ／６
となり、実際の変位に寄与する体積は２倍になるので、
２・Ｖ２＝ａ・ｂ・ｈ／３ ・・・（４）
となる。
ｃ＝〔（ａ／２）２＋ｂ２〕1/2 として（１）、（３）を２乗し、差を求めると、
（２・Ｌ２）２-Ｌ１２＝（ａ−２ｂ）２+６ａ２+８ｂ２＞０
となり、コの字波形状電極に比べ三角波形状電極の方が界面端部の接触線は長くなる。但し、式（２）、（４）より三角波形状電極の方が体積的には２／３になる為、同じ流量を得る為には、駆動用界面として面積比で１.５倍の数が必要になるが、体積当たりの界面張力による駆動力は大きくなるので優位である。
【００２８】
（第３の実施例）
図８は第３の実施例の概略の構成を示したもので、図８（ａ）は液体光学素子としての液体可変焦点レンズ４００を、光軸Ｌを通る平面で切断した断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＢ−Ｂを通る平面で切断した断面図を示す。上述した第１の実施例及び第２の実施例では駆動界面の移動方向が光軸と略平行となるような構成であったが、本実施例は、駆動界面の移動方向が光軸に対し略垂直になるように構成したものである。尚、上述した実施例と共通するものは同じ符号を付す。
【００２９】
可変焦点レンズ４００は、円筒状部材４０１を第１の実施例と同様、封止部材１０２、１０３により接着剤等で封止した構造の密閉容器を備える。この容器の中には導電性液体１０４と非導電性液体１０５が封入されている。容器内部には、中央部に穴４１０ｃを有する円盤状部材４１０が設けられている。円盤状部材４１０は、電極（対向部分）４０８（図８（ｂ）において破線で示す）に対し垂直且つ光軸Ｌを中心に放射状に設けられた複数の電極（近接部分）４０９により支持されている。そして、円筒状部材４０１の内壁面及び封止部材１０２、１０３の内面に対し一定の間隔を隔てて固定されている。また、円盤状部材４１０の下面にはさらに界面端部を保持する為の突起４１０ｂが設けられている。電極４０８と電極４０９は電気的に導通しており、それぞれ表面を絶縁膜４０６により被覆されている。したがって、これら電極４０８、４０９は導電性液体１０４に対し電気的に絶縁されている。
【００３０】
以上のような構成により、電極４０９の壁面４０９ａ、４０９ｂと電極４０８の壁面４０８ａ及び円盤状部材４１０の突起４１０ｂで囲まれたセル状の領域に、駆動界面４１６が円周方向に形成される。レンズとして機能する機能部の界面４１５は円盤状部材４１０中央の穴４１０ｃの端部に設けられた突起４１０ａの先端位置に界面端部が保持された状態で形成される。
【００３１】
電圧印加部１２０により電圧を印加すると、電極壁面４０８ａ、４０９ａ、４０９ｂに接する駆動界面４１６の端部に、エレクトロウェティング現象により界面張力に抗して力が作用する。そして、実線で示す駆動界面４１６ａは、突起４１０ｂで界面端部が保持された状態で、破線で示す駆動界面４１６ｂに変位する。駆動界面４１６の変位により非導導電性液体１０５は中心部に向かって移動し、レンズとして機能する界面４１５を実線の位置４１５ａから破線の位置４１５ｂに変位させる。そして印加電圧を切ると、電極壁面４０８ａ、４０９ａ、４０９ｂに接する駆動界面４１６の端部は表面張力による復元力により、破線で示す４１６ｂの位置から実線で示す４１６ａの位置に変位する。この駆動界面４１６の変位により、導電性液体１０４は中心部に向かって移動し、界面４１５を破線の位置から元の実線の位置に変位させる。
【００３２】
以上説明したように、駆動界面４１６には電極壁面４０８ａに加え、側面に設けられた電極壁面４０９ａ、４０９ｂによる力が作用する。したがって、電極４０９により駆動界面４１６を小さくセル状に分割すれば、上述した実施例に述べたように大きな駆動力を得ることができる。尚、円盤状部材４１０の突起４１０ｂの方向に伸びる電極４０９と電極４０８とを合わせた形状は、上記第１の実施例及び第２の実施例で述べたコの字波形状或いは三角波形状を有してもよく、こうして蛇腹状電極に置き換えても良い。
【００３３】
（第４の実施例）
図９は第４の実施例の概略の構成を示したもので、図９（ａ）は液体光学素子としての液体可変焦点レンズ５００を、光軸Ｌを通る平面で切断した断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すＢ−Ｂを通る平面で切断した断面図である。本実施例は、上記第３の実施例において電極４０９によってセル状に分割された駆動界面４１６を個別に駆動制御できるようにしたものである。すなわち、本実施例では、絶縁電極は、保持部に対向する対向部分と保持部に近接する近接部分をそれぞれ有する複数の電極部分に電気的に分離され、複数の電極部分は、それぞれ個別に印加電圧が制御される。
【００３４】
電極５０９によりセル状に仕切られた電極５０８は、円周方向にセル毎に電気的に非導通に分割されている。電極５０９の一つである電極５０９−１は、互いに非導通である電極５０９ａ１と５０９ｂ８により構成される。そして、電極５０９ａ１が電極５０８−１と電気的に導通状態で取り付けられ、電極５０９ｂ８が、隣接する電極５０８−８と電気的に導通状態で取り付けられている。同様に、電極５０９−２は互いに非導通である電極５０９ｂ１と電極５０９ａ２により構成される。そして、電極５０９ｂ１が電極５０８−１と、電極５０９ａ２が隣接する電極５０８−２と、それぞれ電気的に導通状態で取り付けられている。このように、電極５０９ａ１及び電極５０９ｂ１と電極５０８−１からなるセル化された電極は、界面４１６をセル状に分割すると同時に、隣接するセル化電極から電気的にも分割されている。また、分割された電極５０８は、電極端子５１１を介して、それぞれのセル化電極に対応して外部に設けられた電圧印加部５２０と電気的に接続されている。そして、セル化された電極への印加電圧を個別に制御することで、分割された駆動界面４１６の変位を、目的に合わせて細かく制御することができる。
【００３５】
上述した実施例では、液体光学素子として可変焦点レンズの例を挙げたが、上述した様に、本発明は、レンズ以外にも、界面の位置ないし状態を変えることにより透過光量を変化させる光学素子等の光学素子にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１００・・可変焦点レンズ（液体光学素子）、１０１ａ、１１０ｂ・・突起（保持部）、１０４・・導電性液体、１０５・・非導電性液体、１０８・・蛇腹状電極（電極）、１０８ａ、１０８ｂ・・電極の近接部分、１０８ｃ・・電極の対向部分、１１５・・機能部の界面、１１６・・駆動界面（駆動ポンプ部の界面）、１１６ｄ・・駆動界面の端部、１２０・・電圧印加部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロウェティング現象を用いて光学特性を変化させることが可能な液体光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２種類の非混和な液体を円筒状容器等に封入し、それぞれの液体の接する界面の形状を、エレクトロウェッティング現象を用いて変化させる光学素子が知られている。こうした光学素子は、従来の固体の光学素子のように機械的な移動機構を要することなく光学特性を変化させることができる為、静音性や低消費電力を実現できることに加え、光学ユニットの小型化や応答速度の高速化を達成するのに有効である。この液体光学素子では、互いに非混和な導電性の液体と非導電性の液体が、密閉された容器に封入されている。そして、容器に設けられ導電性液体と絶縁層を介して接する電極と、導電性液体に直接接する電極との間に電圧を印加することで、前記液体が接する界面の形状を、印加電圧に応じて変化させるというものである。
【０００３】
しかし、従来のエレクトロウェティング現象を用いた光学素子は、光学特性を変化させる為の界面の駆動を、光学素子として機能させる界面の端部の接触角を印加電圧により変化させることで行っている。その為、界面の変位は界面端部から始まり界面中心部へと進んで行くことになり、界面中心部の応答が遅れる。したがって、界面の変位が完全に終了する前に当該界面の次の変位動作を行うと、高次モードの界面振動が発生し易く、良好な光学特性が得られないという問題が生じることがある。また、機能部の界面を変化させる為の駆動力も、界面端部における壁面と液体及び液体相互の界面張力により決まる。すなわち、使用する液体や壁面の物性に依存する為、界面の応答速度を速める為に大きな駆動力を得ようとした場合、問題が生じ易い。特に口径の大きい光学素子の高速化において、より問題が生じ易い。
【０００４】
エレクトロウェティング現象を用いた光学素子の技術に関して、次の様なものがある（特許文献１参照）。すなわち、同一容器内において、光学素子として機能する界面部分と、それを駆動する駆動力を発生する為の界面部分を分離し、駆動用の界面を変位させることで、機能部の界面を変位させるというものがある。これによれば、光学素子の界面の形状や大きさに関係なく駆動用の界面を任意に設定できるので、駆動界面を変位させる駆動力を大きくすることができ易い。また、光学素子として機能する界面全体に均一に圧力をかけ易くなるので、上記のような高次モードの界面振動の発生を抑えることができる。したがって、機能部の界面の応答速度を速くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−７９２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された方法は、界面に駆動力を与える複数の電極壁面を並列に配列するという構成のものである。界面の駆動力は、上記不混和な２液の界面と電極面との接触領域（以下、「界面端部の接触線」とも称す）の長さにより決まり、この界面端部の接触線が長いほど、界面を駆動する為の界面張力の作用を大きくすることができる。したがって、変位させる液体流量が同じであれば、界面端部の接触線が長ければ長いほど、単位体積当りの界面張力を大きくでき、より高速な駆動が可能となる。
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の方法では、上記界面端部の接触線の長さは電極壁面の数だけ長くなるに過ぎず、必要な駆動力を確保しようとして電極壁面の数を増やすと、容器そのものが大きくなってしまうことになり易い。本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものである。すなわち、エレクトロウェティング現象を用いて光学特性を変化させる液体光学素子において、素子形状を大きくすることなく比較的大きな界面駆動力が得られ、それにより応答速度を速くすることができる液体光学素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による液体光学素子は、光学特性を変化させる機能を担う機能部と駆動ポンプ部とを有する。駆動ポンプ部は、互いに不混和な導電性液体と非導電性液体により形成された界面の端部を保持する保持部と、保持部に対向する位置に配置された対向部分を有し前記導電性及び非導電性の液体に対して絶縁された電極とを有し、電極に印加される電圧を制御することで、エレクトロウェティング現象により、電極に接する界面の端部を変位させて、保持部と電極によって挟持された前記導電性及び非導電性の液体を移動させることができ、これにより、駆動ポンプ部から前記導電性及び非導電性の液体が連通して存在する機能部の状態を変化させて機能部による光学特性を変化させられる。電極は、対向部分から保持部のある方向に伸びて保持部に近接するように配された近接部分をも有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の液体光学素子によれば、電極と接する界面端部の接触線を、素子形状を大きくすることなく長くでき、機能部の状態を変化させるために大きな駆動力を得るようにすることができる。したがって、液体光学素子の応答速度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施例の概略構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施例における駆動界面を構成するセルを示す図。
【図３】界面保持に関する説明の為の一部断面図。
【図４】本発明の第１の実施例の変形例を示す概略図。
【図５】本発明の第１の実施例における電極形状の変形例を示す説明図。
【図６】本発明の第２の実施例の概略構成及び駆動界面を構成するセルを示す図。
【図７】電極形状による界面駆動力に関する説明図。
【図８】本発明の第３の実施例の概略構成を示す図。
【図９】本発明の第４の実施例の概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特徴は、不混和な２液体の界面の端部を保持する保持部に対向して配された対向部分を有する絶縁電極への印加電圧を制御することで、絶縁電極に接する前記界面の端部を変位させて、保持部と絶縁電極により挟持された前記２液体を移動させることができ、これにより、保持部と絶縁電極を備える駆動ポンプ部から前記２液体が連通して存在する機能部の状態を変化させて光学特性を変化させられる液体光学素子において、絶縁電極に、対向部分から保持部の方向に伸びて保持部に近接するように配された近接部分をも設けることである。ここで、光学特性を変化させる機能を担う機能部は、後述のレンズ機能を有するものの他に種々のものであり得て、駆動ポンプ部から連通して存在する前記２液体の状態の変化で達成できる機能であれば、どの様な機能を担うものでもよい。
【００１２】
以下、図１〜図９を用いて本発明の液体光学素子の実施例を説明する。
（第１の実施例）
第１の実施例の概略の構成を示す図１（ａ）において、液体光学素子としての液体可変焦点レンズ１００は光軸Ｌを含む。図１（ａ）は図１（ｂ）に示す平面Ａ−Ａで切断した断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す平面Ｂ−Ｂで切断した断面図を示す。液体可変焦点レンズ１００は、円筒状部材１０１の両端面を、透明部１０２ａ及び１０３ａを有する封止部材１０２と１０３により接着剤等で封止した構造の密閉容器を備える。この容器の中には導電性液体１０４と非導電性液体１０５が封入されている。導電性液体１０４は、水に塩化ナトリウム或いは臭化ナトリウム等の電解物質を溶解させたものであり、非導電性液体１０５は導電性液体と非混和であるシリコーンオイル等である。また、非導電性液体１０５と導電性液体１０４は、両者が接する界面においてレンズ効果を持たせる為に、互いの屈折率が異なり、さらに重力の影響を受け難くする為に同じ密度になるように調整されている。
【００１３】
円筒状部材１０１と封止部材１０２、１０３で密閉された容器の内部には、別の円筒状部材１１０が配置されている。この円筒状部材１１０は、端面部１１０ｅで封止部材１０３の内面に設けられたリブ状突起１１１により支持され、円筒状部材１０１の内壁面及び封止部材１０２、１０３の内面に対し一定の間隔を隔てて固定されている。円筒状部材１１０の内壁面及び外壁面には、三角形状の断面を有する突起１１０ａ、１１０ｂが円周方向に設けられている。同様に、円筒状部材１０１の内壁面には三角形状断面を有する突起１０１ａが円周方向に設けられている。円筒状部材１１０の外壁面に設けられた突起１１０ｂと円筒状部材１０１の内壁面に設けられた突起１０１ａとの間には、図１（ｂ）に示す如く、コの字波形状に連続的に折り曲げられて蛇腹状に一体化された形状の電極１０８が円周方向に沿って設けられている。つまり、蛇腹状の電極１０８は、当該電極の壁面に垂直な断面の形状がコの字波形状である。このコの字の蛇腹状電極１０８は導電性を有する部材からなり、表面を絶縁性部材１０６により被覆されている。したがって、導電性液体１０４に対しては電気的に絶縁されている。さらに電極１０８は、導電性液体１０４に対し絶縁された導電性部材１０９を介し容器外部に設けられた後述する電圧印加部１２０と電気的に接続されている。
【００１４】
蛇腹状電極１０８の一つであるコの字波形状電極の電極壁面１０８ａ１、１０８ｂ１、１０８ｃ１と、円筒状部材１１０の突起１１０ｂで囲まれた領域に、導電性液体１０４と非導電性液体１０５の界面１１６ｓ１が形成される。同様に、隣接するコの字波形状電極の電極壁面１０８ａ２、１０８ｂ２、１０８ｃ２と、円筒状部材１０１の突起１０１ａで囲まれた領域に、導電性液体１０４と非導電性液体１０５の界面１１６ｓ２が形成される。このように、円筒状部材１１０及び円筒状部材１０１の突起１１０ｂ、１０１ａとコの字の蛇腹状電極１０８によりセル状に分割された界面１１６が円周方向に形成される。界面１１６の光軸Ｌ方向における位置は、界面１１６の端部１１６ｄが円筒状部材１１０及び円筒状部材１０１の突起１１０ｂ、１０１ａの先端（三角形の頂点部）と同じ位置になるように導電性液体１０４と非導電性液体１０５の液量が調整されている。また、円筒状部材１１０の内壁面側には導電性液体１０４と非導電性液体１０５の界面１１５が形成される。この界面の光軸方向における位置は界面１１５の端部１１５ｄが円筒状部材１１０の突起１１０ａの先端（三角形の頂点部）と同じ位置になるように導電性液体１０４と非導電性液体１０５の液量が調整されている。
【００１５】
１０７は導電性液体１０４に直接接している電極である。１２０は電極１０８と電極１０７（したがって導電性液体１０４）との間に電圧を印加する為の電圧印加部である。今、電圧印加部１２０において電極１０８と電極１０７（したがって導電性液体１０４）との間に直流又は交流電圧を印加する。蛇腹状電極１０８のセル状に分割された界面の一つである１１６ｓ１に着目すると、図２に示すように、界面１１６ｓ１は初期状態（電圧０Ｖ）では、壁面と液体及び液体相互の界面張力により決まる１１６ａの位置にある。そして、電圧の印加により、電極壁面１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃに接する界面１１６ａの端部１１６ａ１、１１６ｂ１、１１６ｃ１には、エレクトロウェティング現象により界面１１６ａの界面張力に抗して矢印Ｅ方向に押し下げる力が作用する。一方、界面端部１１６ｄは、後述する理由により円筒状部材１１０の突起１１０ｂに保持された状態で動かないので界面１１６ａは１１６ｂに示す位置に変位する。これにより、非導電性液体１０５は図１（ａ）に示すように下方に押し下げられ、容器内部において矢印Ｃに示す流れが発生し、液体１０５が移動する。この時、レンズとして機能する界面１１５の端部１１５ｄは円筒状部材１１０の突起１１０ａに、後述する理由により保持された状態で動かず、液体の移動により界面１１５は実線１１５ａの状態から破線１１５ｂの状態に変位する。
【００１６】
電圧印加部１２０において印加電圧を切ると、界面１１６ｂの電極壁面と接する界面端部１１６ａ２、１１６ｂ２、１１６ｃ２には界面張力による復元力Ｆ（図２に示す）が作用し、界面１１６ｂは元の１１６ａの状態に戻る。この時、導電性液体１０４は上方に押し上げられ、図１（ａ）に示すように容器内部において矢印Ｄ方向に流れが発生し、液体１０４が移動する。この液体の移動により界面１１５は実線で示す元の位置に戻る。
【００１７】
以上述べたように、駆動ポンプ部の界面１１６は、機能部の界面１１５の曲面形状を変化させ光学特性を変化させる為の駆動界面として機能する。界面１１５の変位量は界面１１６の移動量による流量変化により決まり、界面１１６の変位量は、電圧印加部１２０による電極１０８と電極１０７（したがって導電性液体１０４）に印加される電圧により決まる。すなわち、界面１１５の界面形状の変位量は、電圧印加部１２０による電圧により制御される。また、界面１１６の変位により発生した液体の圧力は界面１１５に対し略均一に作用するので高次の振動モードが界面１１５上に発生し難い。よって、以上の構成は、より大きい口径のレンズや高速で界面を変化させるような液体レンズに対し有効である。
【００１８】
ここで、円筒状部材１１０の突起１１０ａ、１１０ｂ及び円筒状部材１０１の突起１０１ａにより界面端部が保持される理由について以下に述べる。図３（ａ）に示すように、例えば円筒１３０の内側に互いに非混和な液体１３２と液体１３３による界面１３１が形成された場合、界面１３１の曲面形状は壁面と液体及び液体相互の界面張力により決まる。この時、界面端部１３１ａでの界面１３１の接線Ｔと壁面１３０ａとのなす角である接触角θは壁面や液体相互の物性に基づく界面張力により決まる一定値を取る。液体１３２と液体１３３の液量が変化した場合、界面端部１３１ａは壁面１３０ａ上を接触角θは一定のまま、液量比に応じて矢印Ｇ又はＨ方向に移動する。しかし、壁面の形状が図３（ｂ）に示すように突起形状をしており、界面１３１の界面端部１３１ａが突起１３０ｂの頂点Ｐの位置にある場合、接触角は上述したような相互の界面張力により決まる一定値とならない場合が生じる。すなわち、壁面と界面の接触角θ１が上記θより大きい場合、界面１３１の接触角θ１は図３（ｂ）のαで示す角度の範囲では液体１３２と液体１３３の液量比で決まる値となる。そして、液体１３２と液体１３３の液量比が変わった時、界面端部１３１ａは移動することなく頂点Ｐで保持され、界面の曲面形状のみ２点鎖線で示す１３１ｃから１３１ｄのように変化する。但し、接触角θ１が接触角θとなる界面１３１ｃ又は１３１ｄに達した後、さらに液量比が変わった場合、接触角θはそのままで、界面端部１３１ａは突起１３０ｂの壁面１３０ｃまたは１３０ｄに沿って矢印I又はJ方向に移動する。したがって、図１と図２で示した、円筒状部材１１０、１０１の突起１１０ｂ、１０１ａに位置する界面１１６の端部１１６ｄは、壁面と液体とで決まる接触角に達しない領域にある場合、動かずその位置に保持される。同様に、円筒状部材１１０の突起１１０ａに位置する界面１１５の端部１１５ｄも壁面と液体とで決まる接触角に達しない領域にある場合、動かずその位置に保持される。
【００１９】
駆動ポンプ部の駆動界面１１６の駆動力は、電極１０８の壁面と界面１１６の接触部において作用する力である界面張力に依存する。したがって、駆動力を大きくするにはこの電極１０８と界面１１６の接触領域を大きくする、すなわち界面端部の接触線を長くすれば良い。コの字波形状電極の場合、コの字を形成する電極１０８ａ、１０８ｂの有無で液体の変位量は変わらないと見なせるので、コの字波形状に電極を設ける方が界面端部の接触線が長くなる分、駆動力を大きくすることができる。従来の電極を並列に配置して駆動力を増す方法では駆動界面自体も増え、その分、素子形状も大きくなるが、本発明の手法によれば、界面を増やすことなく駆動力を大きくすることができる。コの字の蛇腹状電極の蛇腹の数を増やせば、電極の厚み分、駆動界面が減ることになるが、電極の厚みは、具体的には０.１ｍｍ以下なので実用上無視できるものである。
【００２０】
上記実施例の変形例を説明する。図４は図１で示した液体可変焦点レンズ１００の駆動界面１１６を同心円状に２層に設けた変形例である。図４（ａ）、（ｂ）において、円筒状部材１０１と円筒状部材１１０の間にさらに円筒状部材２１０を同心円状に配置し、コの字の蛇腹状電極２０８を追加したものである。従来の電極を並列に配置し駆動界面を多層にすることで駆動力を大きくする場合に比べ、並列に配置した電極をさらにセル状に小さく分割することにより各層における駆動力を大きくできる。変位させる液体流量を増やす為に駆動界面を多層にする方法が取られるが、そうした際にも本実施例のような方法により、電極を層状に配列する場合より界面端部の接触線を長くすることができ駆動力を大きくできる。
【００２１】
また、上述した実施例では、コの字波形状に一体化した電極を用いたが、電極形状は図５（ａ）或いは図５（ｂ）に示すようなものでも良い。図５（ａ）の構造は、電極１４０の電極壁面１４０ａに対し垂直に電極壁面１４０ｂを設け、これらの電極壁面と電極１４０の対向部にある壁面１４１に設けた界面端部保持部１４１ａとで駆動界面１１６をセル状に分割して駆動するようにしたものである。図５（ｂ）の構造は、円弧波状の電極１４２によって、上述したコの字波形状電極と同様、互いに対向した壁面１４３、１４４に設けた界面端部保持部１４３ａ、１４４ａで挟まれた駆動界面１１６を互いに一定間隔でセル状に分割して駆動するようにしたものである。何れの場合も、電極壁面１４０ｂの間隔或いは円弧波状の電極のピッチを小さくすることで、上述したコの字波形状電極と同様、界面端部の接触線が増え界面１１６に対する駆動力を大きくすることができる。円弧波状の電極や後述の三角波形状の電極では、或るセルにおいて界面保持部の突起に対向する対向部分は、隣接するセルでは界面保持部の突起に近接した近接部分となる。また、或るセルにおいて界面保持部の突起に近接した近接部分は、隣接するセルでは界面保持部の突起に対向する対向部分となる。
【００２２】
ところで、上述に例として挙げたコの字波形状電極の壁面１０８ａ、１０８ｂと界面端部保持部である突起１１０ｂ或いは１０１ａの位置関係は、界面１１６が変位する時、界面端部１１６ｄが固定端として機能すればよく、完全に密着している必要はない。したがって、本明細書において、「近接」という場合、完全に密着する場合の他に、多少の遊びがあって近接している場合も含んで用いられている。多少の遊びがあることは、組み立てにおいて、一体化された電極１０８を突起１１０ｂ、１０１ａの間に組み込む際に必要とされる隙間（具体的には０.１ｍｍ〜０.２ｍｍ程度）を許容して、組み立てを容易にする。また、本実施例で示した、電極部のみを一体化して容器とは別部品にすることは、容器や円筒状部材１１０を絶縁性の樹脂等を素材として成型で製造できるようにし、コストの低減にとって利点となる。さらに、一体化した電極を容器に組み込むという方法で組み立てられるので、組み立て性も良い。
【００２３】
本発明は、従来並列に配置していた電極壁面に対し、それに略垂直な方向に電極壁面を設けることで駆動界面をセル化し、電極壁面に対する界面端部の接触線を増やすことで駆動力を大きくするものである。したがって、図５（ｃ）に示すように円筒状部材１４５の内面に設けた電極（対向部分）１０８と円筒状部材１４６の外壁に設けた界面端部保持部としての突起１４６ａとの間を横断的に結ぶ電極（近接部分）１０８ａが１箇所であるような場合も含む。
【００２４】
（第２の実施例）
図６（ａ）は第２の実施例の概略の構成を示したもので、液体光学素子３００を光軸方向から見た電極形状を示す断面図である。第１の実施例において電極形状をコの字波形状にしたが、本実施例では電極形状を三角波形状にしたものである。図２において、第１の実施例と共通するものは同じ符号を付す。本実施例では、円筒状部材１０１の内壁面に設けられた界面保持部の突起１０１ａ及び容器内部に設けられた円筒状部材１１０の界面保持部の突起１１０ｂの間に、三角波形状に連続的に折り曲げられた蛇腹状の電極３０８が円周方向に設けられている。電極３０８は第１の実施例の電極１０８と同様、導電性を有する部材からなり、表面を絶縁部材（第１の実施例の絶縁部材１０６参照）により被覆されている。液体可変焦点レンズ３００の他の構成は第１の実施例と同じである。
【００２５】
図６（ｂ）は、三角波形状電極による界面の変位を説明する斜視図である。駆動界面３１６は、三角波形状をした電極３０８の壁面３０８ａ、３０８ｂ及び界面端部保持部である円筒状部材１１０に設けられた突起１１０ｂによりセル状に分割され、初期状態（印加電圧０Ｖ）では３１６ａに示す状態にある。電圧印加部１２０（図示せず）により電圧が印加されると、電極壁面３０８ａ、３０８ｂに接する界面３１６ａの端部３１６ａ１、３１６ｂ１にはエレクトロウェティング現象により界面３１６の界面張力に抗して矢印Ｋ方向に押し下げる力が作用する。一方、界面端部３１６ｄは上述した理由により円筒状部材１１０の突起１１０ｂに保持された状態で動かないので界面３１６ａは３１６ｂに示すように変位する。そして、電圧印加部１２０において印加電圧を切ると、電極壁面３０８ａ、３０８ｂと接する界面３１６ｂの界面端部３１６ａ２、３１６ｂ２に界面張力による復元力が矢印Ｍ方向に働き、界面３１６ｂは元の３１６ａの状態になる。
【００２６】
図７は、第１の実施例に示したコの字波形状電極と第２の実施例で示す三角波形状電極とで、どちらが電極壁面に対する界面端部の接触線が大きいかを説明する図である。図７（ａ）はコの字波形状電極における界面変位による流量の変位を模式的に示す図で、この場合は三角柱となる。図７（ｂ）は三角波形状電極における界面変位による流量の変位を模式的に示す図で三角錐となる。ここで、コの字波形状電極による界面及び三角波形状電極による界面は、界面の曲率半径に比べ十分小さいとして界面を平面として扱い、初期状態における界面は水平、すなわち光軸に対し垂直になっているものとする。また、電圧印加によって変位した界面変位量ｈは同じとする。セル化されたコの字波形状電極による界面と三角波形状電極による界面の条件を同じにする為、光軸方向からセルを見た図７（ｃ）において、セルのピッチａ及びセルの幅ｂを同じとする。そして、初期状態における界面の面積を同じとすると、初期の界面は、コの字波形状電極はｐ１−ｐ２−ｐ３−ｐ４で示す四角形、三角波形状電極はｐ１−ｐ５−ｐ６−ｐ４で示す平行四辺形になる。したがって、図７（ａ）に示すコの字波形状電極による流量変位を示す四角柱に対し、三角波形状電極における流量変位は、図７（ｂ）に示す三角錐二つ分が相当することになる。
【００２７】
今、電圧印加後の、コの字波形状電極の初期状態であるＡ面の界面端部における接触線の長さをＬ１（図７（ａ）の１点鎖線で示す）とすると、
Ｌ１＝２・ｂ+ａ ・・・（１）
となる。
また、界面変位により変位する流量の体積をＶ１とすると、
Ｖ１＝ａ・ｂ・ｈ／２ ・・・（２）
となる。
同様に、電圧印加後の三角波形状電極の初期状態であるＢ面の界面端部における接触線の長さをＬ２（図７（ｂ）の１点差線で示す）とすると、
Ｌ２＝２・ｃ
となり、実際の駆動に関わる接触線は２倍になるので、
２・Ｌ２＝４・ｃ ・・・（３）
となる。
そして、界面変位により変位する流量の体積をＶ２とすると、
Ｖ２＝ａ・ｂ・ｈ／６
となり、実際の変位に寄与する体積は２倍になるので、
２・Ｖ２＝ａ・ｂ・ｈ／３ ・・・（４）
となる。
ｃ＝〔（ａ／２）２＋ｂ２〕1/2 として（１）、（３）を２乗し、差を求めると、
（２・Ｌ２）２-Ｌ１２＝（ａ−２ｂ）２+６ａ２+８ｂ２＞０
となり、コの字波形状電極に比べ三角波形状電極の方が界面端部の接触線は長くなる。但し、式（２）、（４）より三角波形状電極の方が体積的には２／３になる為、同じ流量を得る為には、駆動用界面として面積比で１.５倍の数が必要になるが、体積当たりの界面張力による駆動力は大きくなるので優位である。
【００２８】
（第３の実施例）
図８は第３の実施例の概略の構成を示したもので、図８（ａ）は液体光学素子としての液体可変焦点レンズ４００を、光軸Ｌを通る平面で切断した断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＢ−Ｂを通る平面で切断した断面図を示す。上述した第１の実施例及び第２の実施例では駆動界面の移動方向が光軸と略平行となるような構成であったが、本実施例は、駆動界面の移動方向が光軸に対し略垂直になるように構成したものである。尚、上述した実施例と共通するものは同じ符号を付す。
【００２９】
可変焦点レンズ４００は、円筒状部材４０１を第１の実施例と同様、封止部材１０２、１０３により接着剤等で封止した構造の密閉容器を備える。この容器の中には導電性液体１０４と非導電性液体１０５が封入されている。容器内部には、中央部に穴４１０ｃを有する円盤状部材４１０が設けられている。円盤状部材４１０は、電極（対向部分）４０８（図８（ｂ）において破線で示す）に対し垂直且つ光軸Ｌを中心に放射状に設けられた複数の電極（近接部分）４０９により支持されている。そして、円筒状部材４０１の内壁面及び封止部材１０２、１０３の内面に対し一定の間隔を隔てて固定されている。また、円盤状部材４１０の下面にはさらに界面端部を保持する為の突起４１０ｂが設けられている。電極４０８と電極４０９は電気的に導通しており、それぞれ表面を絶縁膜４０６により被覆されている。したがって、これら電極４０８、４０９は導電性液体１０４に対し電気的に絶縁されている。
【００３０】
以上のような構成により、電極４０９の壁面４０９ａ、４０９ｂと電極４０８の壁面４０８ａ及び円盤状部材４１０の突起４１０ｂで囲まれたセル状の領域に、駆動界面４１６が円周方向に形成される。レンズとして機能する機能部の界面４１５は円盤状部材４１０中央の穴４１０ｃの端部に設けられた突起４１０ａの先端位置に界面端部が保持された状態で形成される。
【００３１】
電圧印加部１２０により電圧を印加すると、電極壁面４０８ａ、４０９ａ、４０９ｂに接する駆動界面４１６の端部に、エレクトロウェティング現象により界面張力に抗して力が作用する。そして、実線で示す駆動界面４１６ａは、突起４１０ｂで界面端部が保持された状態で、破線で示す駆動界面４１６ｂに変位する。駆動界面４１６の変位により非導導電性液体１０５は中心部に向かって移動し、レンズとして機能する界面４１５を実線の位置４１５ａから破線の位置４１５ｂに変位させる。そして印加電圧を切ると、電極壁面４０８ａ、４０９ａ、４０９ｂに接する駆動界面４１６の端部は表面張力による復元力により、破線で示す４１６ｂの位置から実線で示す４１６ａの位置に変位する。この駆動界面４１６の変位により、導電性液体１０４は中心部に向かって移動し、界面４１５を破線の位置から元の実線の位置に変位させる。
【００３２】
以上説明したように、駆動界面４１６には電極壁面４０８ａに加え、側面に設けられた電極壁面４０９ａ、４０９ｂによる力が作用する。したがって、電極４０９により駆動界面４１６を小さくセル状に分割すれば、上述した実施例に述べたように大きな駆動力を得ることができる。尚、円盤状部材４１０の突起４１０ｂの方向に伸びる電極４０９と電極４０８とを合わせた形状は、上記第１の実施例及び第２の実施例で述べたコの字波形状或いは三角波形状を有してもよく、こうして蛇腹状電極に置き換えても良い。
【００３３】
（第４の実施例）
図９は第４の実施例の概略の構成を示したもので、図９（ａ）は液体光学素子としての液体可変焦点レンズ５００を、光軸Ｌを通る平面で切断した断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すＢ−Ｂを通る平面で切断した断面図である。本実施例は、上記第３の実施例において電極４０９によってセル状に分割された駆動界面４１６を個別に駆動制御できるようにしたものである。すなわち、本実施例では、絶縁電極は、保持部に対向する対向部分と保持部に近接する近接部分をそれぞれ有する複数の電極部分に電気的に分離され、複数の電極部分は、それぞれ個別に印加電圧が制御される。
【００３４】
電極５０９によりセル状に仕切られた電極５０８は、円周方向にセル毎に電気的に非導通に分割されている。電極５０９の一つである電極５０９−１は、互いに非導通である電極５０９ａ１と５０９ｂ８により構成される。そして、電極５０９ａ１が電極５０８−１と電気的に導通状態で取り付けられ、電極５０９ｂ８が、隣接する電極５０８−８と電気的に導通状態で取り付けられている。同様に、電極５０９−２は互いに非導通である電極５０９ｂ１と電極５０９ａ２により構成される。そして、電極５０９ｂ１が電極５０８−１と、電極５０９ａ２が隣接する電極５０８−２と、それぞれ電気的に導通状態で取り付けられている。このように、電極５０９ａ１及び電極５０９ｂ１と電極５０８−１からなるセル化された電極は、界面４１６をセル状に分割すると同時に、隣接するセル化電極から電気的にも分割されている。また、分割された電極５０８は、電極端子５１１を介して、それぞれのセル化電極に対応して外部に設けられた電圧印加部５２０と電気的に接続されている。そして、セル化された電極への印加電圧を個別に制御することで、分割された駆動界面４１６の変位を、目的に合わせて細かく制御することができる。
【００３５】
上述した実施例では、液体光学素子として可変焦点レンズの例を挙げたが、上述した様に、本発明は、レンズ以外にも、界面の位置ないし状態を変えることにより透過光量を変化させる光学素子等の光学素子にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１００・・可変焦点レンズ（液体光学素子）、１０１ａ、１１０ｂ・・突起（保持部）、１０４・・導電性液体、１０５・・非導電性液体、１０８・・蛇腹状電極（電極）、１０８ａ、１０８ｂ・・電極の近接部分、１０８ｃ・・電極の対向部分、１１５・・機能部の界面、１１６・・駆動界面（駆動ポンプ部の界面）、１１６ｄ・・駆動界面の端部、１２０・・電圧印加部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学特性を変化させる機能を担う機能部と駆動ポンプ部とを有し、
前記駆動ポンプ部は、互いに不混和な導電性液体と非導電性液体により形成された界面の端部を保持する保持部と、前記保持部に対向する位置に配置された対向部分を有し前記導電性及び非導電性の液体に対して絶縁された電極とを有し、前記電極に印加される電圧を制御することで、エレクトロウェティング現象により、前記電極に接する前記界面の端部を変位させて、前記保持部と前記電極によって挟持された前記導電性及び非導電性の液体を移動させることができ、これにより、前記駆動ポンプ部から前記導電性及び非導電性の液体が連通して存在する前記機能部の状態を変化させて光学特性を変化させられる液体光学素子であって、
前記電極は、前記対向部分から前記保持部のある方向に伸びて前記保持部に近接するように配された近接部分をも有することを特徴とする液体光学素子。
【請求項２】
前記電極は、蛇腹状に一体化された形状を有することを特徴とする請求項１に記載の液体光学素子。
【請求項３】
前記蛇腹状の電極は、当該電極の壁面に垂直な断面の形状が三角波形状またはコの字波形状であることを特徴とする請求項２記載の液体光学素子。
【請求項４】
前記電極は、前記保持部に対向する対向部分と前記保持部に近接する近接部分をそれぞれ有する複数の電極部分に電気的に分離され、
前記複数の電極部分は、それぞれ個別に印加電圧が制御されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の液体光学素子。
【請求項１】
光学特性を変化させる機能を担う機能部と駆動ポンプ部とを有し、
前記駆動ポンプ部は、互いに不混和な導電性液体と非導電性液体により形成された界面の端部を保持する保持部と、前記保持部に対向する位置に配置された対向部分を有し前記導電性及び非導電性の液体に対して絶縁された電極とを有し、前記電極に印加される電圧を制御することで、エレクトロウェティング現象により、前記電極に接する前記界面の端部を変位させて、前記保持部と前記電極によって挟持された前記導電性及び非導電性の液体を移動させることができ、これにより、前記駆動ポンプ部から前記導電性及び非導電性の液体が連通して存在する前記機能部の状態を変化させて光学特性を変化させられる液体光学素子であって、
前記電極は、前記対向部分から前記保持部のある方向に伸びて前記保持部に近接するように配された近接部分をも有することを特徴とする液体光学素子。
【請求項２】
前記電極は、蛇腹状に一体化された形状を有することを特徴とする請求項１に記載の液体光学素子。
【請求項３】
前記蛇腹状の電極は、当該電極の壁面に垂直な断面の形状が三角波形状またはコの字波形状であることを特徴とする請求項２記載の液体光学素子。
【請求項４】
前記電極は、前記保持部に対向する対向部分と前記保持部に近接する近接部分をそれぞれ有する複数の電極部分に電気的に分離され、
前記複数の電極部分は、それぞれ個別に印加電圧が制御されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の液体光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０１２２８（Ｐ２０１３−１０１２２８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５００６（Ｐ２０１１−２４５００６）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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