連続冠形状圧電作動変形可能ダイアフラムを有する光学デバイス
液体または気体の流体を含む保持部(1)に取り付けるための区域(2.3)と、非動作位置から可逆的に変形できる中央区域(2.1)とを含む変形可能ダイアフラム(2)と、取付け区域(2.3)と中央区域(2.1)との間の中間区域のダイアフラム(2)を動かして流体(4)を移動させるための作動手段とを有する光学デバイスに関する。作動手段は、複数のアクチュエータを受け取り、中央区域(2.1)を囲む連続圧電冠状部を含み、少なくとも中間区域(2.2)でダイアフラム(2)に取り付けられ、作動手段(5)と、それが取り付けられているダイアフラム(2)とが、少なくとも1つの圧電バイモルフ(B)を形成し、作動手段(5)が、ダイアフラムの中間区域(2.2)から中央区域(2.1)の方にまたは逆の方に流体(4)の移動をもたらし、中央区域(2.1)をその非動作位置に対して変形させるように作動の間半径方向に収縮または拡大する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体を閉じ込め、中央部分のメンブレンの曲率半径を調整するように圧電タイプメンブレンを作動するための手段を備える変形可能メンブレンをもつ光学デバイスに関する。変形可能メンブレンをもつそのような光学デバイスは、可変焦点液体レンズ、能動光学系用の光学収差補正液体レンズ、または可変焦点ミラーとなることが可能である。
【背景技術】
【0002】
液体レンズは、例えば、カメラ機能をもつ携帯電話で使用することができる。多数の開発が進行中であり、それらの中に、特に、自動焦点機能およびズーム機能の開発が含まれる。これらの機能の導入に際して、できるだけ短い応答時間を得るように、さらに、作動時のエネルギー消費量を低減するように、および所与のエネルギー消費量で焦点の変化量を増加させるようにし、一方、そのような装置の複雑な製造を避けるように試みられている。より広範には、コスト、大きさ、およびエネルギー消費量を低減するためにそのような小型カメラのうちのできるだけ多くの構成要素を統合するように試みられている。可視範囲で動作するこれらの小型カメラはコンパクトカメラモジュール(CCM)として知られている。この用途で最も成功した液体レンズ技術は、さしあたり、エレクトロウェッティング原理に基づいた技術である。
【0003】
別の用途は赤外(IR)で動作するカメラに関する。統合に関する進歩は、ほとんどの場合、少なく、光学系はカメラから切り離されている。いくつかの開発が進行中であり、それらの中に、特に、光学系の統合(カメラモジュールの生成)、自動焦点機能の統合などの開発が含まれる。さしあたり、関連する技術的解決策は知られておらず、明確にされる必要がある。
【0004】
変形可能メンブレンミラーの用途では、同じことが反射性である。ミラーの焦点距離、したがってその曲率半径を調整したいことがある。そのようなミラーは眼科または能動光学系で使用することができる。最後に、これらの光学デバイスは、レンズタイプであるかミラーであるかにかかわらず、画像を安定化するのに使用することができる。
【0005】
仏国特許出願第2919073号明細書は、支持体上に固定するための周辺区域を有する柔軟なメンブレンであり、メンブレンと支持体とが所与の体積の流体を閉じ込める、メンブレンと、メンブレンの中央区域を変形するためにメンブレンの中央区域において流体を移動させるための圧電作動手段とを含む光学デバイスを説明している。体積は所与の温度範囲で実質的に一定である。作動手段は、支持体に一方の端部で取り付けられる複数の半径方向マイクロ梁によって形成され、その他方の端部は、中央区域と固定区域との間にある区域でメンブレンに作用する。この構成の1つの欠点は、作動手段が支持体に頼っているので大型となることである。別の欠点は、作動時の所与の大きさおよび所与のエネルギー消費量に対して、デバイスの光学性能が最適でないことである。同様に、所与の大きさおよび所与の光学性能に対して、エネルギー消費量が作動時に高い。
【0006】
他の特許出願は、圧電作動手段をもつ光学デバイスを説明している。米国特許第4802746号明細書は、圧電材料の円柱要素が弾性材料の壁によって2つの端部で閉じられ、その壁が強弾性材料を含む空洞を画定することを説明している。
【0007】
米国特許第4407567号明細書では、可変焦点レンズが膨張室と連通する空洞を含み、空洞が支持体に固定された可動壁によって境界を定められている。
【0008】
国際公開第2008/076399号では、イオン導電性高分子または代替として圧電材料の作動手段が、メンブレンに直接統合されることなしにメンブレンに固定され、デバイスの光軸に実質的に沿って作動力を伝える可変焦点レンズが説明されている。作動手段は、メンブレンの近くに固定された複数の半径方向フィンガを備えた連続冠状部の形態である。
【0009】
米国特許出願第2002/0048096号明細書は半径方向に配置された棒部としての圧電素子の作用により変形可能なレンズまたはミラーを示している。圧電要素が固定されるプレートの下に閉じ込められた流体は存在しない。
【0010】
国際公開第2008/100154号は、透明なカバーによって閉じ込められたゲルまたはエラストマタイプの材料を含む空洞を含む光学デバイスを示している。圧電タイプの作動手段は、ガラスで製作されているカバーのうちの1つと協同する。このカバーの剛性は作動効率への抑制として働き、空洞に含まれる材料は、それがゲルまたはエラストマタイプであるので、作動の作用下で、カバーの中央区域を変形させるような見込み通りのフィードバックを行わない。作動の作用下でゲルまたはエラストマを変形させるのはメンブレンの中央であり、このメンブレンは所与の変形を達成するのに高い剛性を必要とする。そのような光学デバイスは性能が悪い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】仏国特許出願第2919073号明細書
【特許文献2】米国特許第4802746号明細書
【特許文献3】米国特許第4407567号明細書
【特許文献4】国際公開第2008/076399号
【特許文献5】米国特許出願第2002/0048096号明細書
【特許文献6】国際公開第2008/100154号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明の1つの目的は、正確には、上述の欠点、すなわち、大きい、高いエネルギー消費量、および不十分な作動効率を有していないレンズまたはミラーなどの変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【0013】
本発明の別の目的は、メンブレンの変形が光学デバイスの光軸に対して対称であるかどうかにかかわらず、その変形が意図的にかつ非常に細かく調整することができる変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【0014】
本発明の別の目的は、光学収差を低減する変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【0015】
本発明の別の目的は、製造の際に生じる残留応力を、使用中に管理するのをより容易にする変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【0016】
本発明のさらなる別の目的は、室温が変化する場合でさえ不変の焦点距離を維持するように、温度に応じた能動補償を有する変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
これを達成するために、本発明は、ある量の液体または気体の流体を閉じ込めるための支持体上の固定区域と、静止位置から可逆的に変形可能な中央区域とを含む変形可能メンブレンと、固定区域と中央区域との間の中間区域のメンブレンを偏らせて流体を移動させるための作動手段とをもつ光学デバイスを提供する。作動手段は、いくつかの圧電アクチュエータを収容する圧電材料の連続冠状部を含み、各アクチュエータは、1対の電極が連続冠状部を挟むことによって形成され、この連続冠状部が、中央区域に重なることなく中央区域のまわりに取り付けられ、作動手段が、少なくとも中間区域でメンブレンに固定され、作動手段と、それが固定されるメンブレンとが、少なくとも1つの圧電バイモルフを形成し、メンブレンの静止位置に対して中央区域を変形させることを目指して、メンブレンの中間区域から中央区域への、または逆への前記流体の移動をもたらすように作動手段が作動時に半径方向に収縮または拡大する。これは、中央区域の望ましい変形を達成するのに優れた柔軟性を与える。
【0018】
作動手段はいくつかの圧電アクチュエータを含むので、連続冠状部を挟むいくつかの対の電極を有し、1対のうちの少なくとも1つの電極は2つ以上の圧電アクチュエータに共通である。
【0019】
これにより、電気的出力の数を制限し、統合を容易にすることができ、それにより、コンパクトなデバイスがもたらされる。
【0020】
作動手段は、さらに、メンブレンの固定区域に、およびオプションとして直接支持体に固定することができる。作動手段が支持体に固定されているかどうかに応じて、メンブレンの変形は異なる。所望の形態に応じて、作動手段を支持体に固定することまたは固定しないことが有利であることがある。
【0021】
作動手段は、メンブレンの上にある、および/またはメンブレンの下にある、および/またはメンブレンに統合することができる。やはり、多数の可能性が提供される。
【0022】
メンブレンは、少なくとも中間区域における層のスタックと、その間に、より大きい剛性の強化層およびより小さい剛性の層とを含み、より大きい剛性の層は圧電バイモルフの一部である。したがって、中央区域で必要とされる柔軟性、および中間区域で必要とされる剛性を達成することができる。
【0023】
流体を漏出させないために、メンブレンは、中央区域、中間区域、および固定区域において延びる連続層を含むことが好ましい。
【0024】
さらに、メンブレンに固定された補助作動手段も設けることができ、それは1つまたは複数の圧電アクチュエータを収容する圧電材料の不連続冠状部を含み、不連続冠状は連続冠状部と同心で取り付けられ、補助作動手段と、それが固定されるメンブレンとは少なくとも1つの圧電バイモルフを形成する。したがって、中央区域でメンブレンの望ましい変形を達成することが容易である。
【0025】
温度に応じて光学デバイスの焦点距離の変動を補償するための手段を備えることも可能である。これにより、光学デバイスは、約−20℃と+60℃との間の温度範囲で特に調整することなしに動作することができる。
【0026】
補償手段は、連続冠状部の圧電アクチュエータと混同されることがある。
【0027】
補償手段は、中間区域に突き出ることによって固定区域でメンブレンに固定された、または前記流体を基準にしてメンブレンに向き合った支持体に取り付けられた連続冠状部として配置される1つまたは複数の熱バイモルフ要素を含むことができる。
【0028】
圧電アクチュエータは互いに別々に作動することができ、または同時にすべて一緒に作動することができ、またはさらに、グループ単位で同時に作動することができる。これは、中央区域でメンブレンの望ましい変形を達成するのに大きい柔軟性を与える。
【0029】
圧電冠状部に配置され、中間区域においておよびオプションとして固定区域においてメンブレンに固定され、正圧電効果により受動的に動作可能であり、メンブレンの変形をモニタリングするために専用に設けられる1つまたは複数の圧電アクチュエータをさらに備えることができる。
【0030】
光学デバイスは、支持体に取り付けられた保護キャップをさらに含むことができる。キャップは、中央区域で開口を備えることができ、または機密であり、別の流体を閉じ込める。
【0031】
メンブレンは、圧電材料のポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリテレフタレートエチレン、ポリカーボネート、パリレン、エポキシ樹脂、感光性ポリマー、シリコーンから選択された有機材料、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、多結晶シリコン、窒化チタン、ダイヤモンド状炭素、スズインジウム酸化物、アルミニウム、銅、ニッケルから選択された無機質材料で製作することができる。
【0032】
流体の各々は、炭酸プロピレン、水、屈折率液体、光学オイル、もしくはさらにイオン液体から選択された液体、または空気、窒素、およびヘリウムから選択された気体である。
【0033】
圧電材料は、PZT、窒化アルミニウムAlN、ポリフッ化ビニリデンもしくはそのトリフルオロエチレンとのコポリマー、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸鉛、およびチタン酸ビスマスなどのシレナイトで製作することができる。
【0034】
光学デバイスはレンズまたはミラーとすることができる。
【0035】
本発明は、さらに、このように特徴づけられた少なくとも1つの光学デバイスを含むカメラに関する。
【0036】
本発明は、添付図面を参照することによって、決して限定ではなく純粋に表示の目的のために与えられる例示の実施形態の説明を読む際に一層よく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1A】本発明を理解するのに有用な光学デバイスの断面図であり、図1Aの光学デバイスのメンブレンは、図1Cの光学デバイスのメンブレンよりも柔軟である。
【図1B】本発明を理解するのに有用な光学デバイスの上面図である。
【図1C】本発明を理解するのに有用な光学デバイスの断面図である。
【図1D】単一の圧電アクチュエータを伴う本発明を理解するのに有用な別の光学デバイスの上面図である。
【図2A】1対の電極を備える圧電要素の動作の理解を可能にする図である。
【図2B】1対の電極を備える圧電要素の動作の理解を可能にする図である。
【図3A】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3B】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3C】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3D】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3E】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3F】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3G】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図4A】異なるタイプのメンブレンに対するメンブレンの固定を断面で示す図である。
【図4B】異なるタイプのメンブレンに対するメンブレンの固定を断面で示す図である。
【図4C】異なるタイプのメンブレンに対するメンブレンの固定を断面で示す図である。
【図5A】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5B】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5C】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5D】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5E】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5F】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5G】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5H】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5I】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5J】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5K】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5L】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5M】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図6A】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図6B】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図6C】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図6D】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図6E】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図7A】温度の変動に起因する焦点距離の変動を補償するための手段を備えた本発明による光学デバイスを示す図である。
【図7B】温度の変動に起因する焦点距離の変動を補償するための手段を備えた本発明による光学デバイスを示す図である。
【図8A】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8B】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8C】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8D】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8E】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8F】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8G】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図9A】カメラに取り付けられた本発明による光学デバイスを示す図である。
【図9B】カメラに取り付けられた本発明による光学デバイスを示す図である。
【図10A】本発明による光学デバイスと、仏国特許出願第2919073号明細書に記載のものなどの光学デバイスとの間の効率を比較できるようにする図である。
【図10B】本発明による光学デバイスと、仏国特許出願第2919073号明細書に記載のものなどの光学デバイスとの間の効率を比較できるようにする図である。
【図10C】本発明による光学デバイスと、仏国特許出願第2919073号明細書に記載のものなどの光学デバイスとの間の効率を比較できるようにする図である。
【発明を実施するための形態】
【0038】
以下で説明される異なる図の同一、同様、または等価な部分は、ある図から別の図により容易に転じるように同じ参照番号を有する。
【0039】
図で表される様々な部分は、図をより分かりやすくするために、必ずしも均一な縮尺で描かれていない。
【0040】
図1A、1Bに、本発明を理解するのに有用な光学デバイスの第1の実施形態が示される。図1Cは、より大きい剛性のメンブレンをもつ光学デバイスの同じ実施形態を示す。この光学デバイスは光軸XX’と呼ばれる軸のまわりに構成される。それはメンブレン2を含み、その外縁は、この例では皿の形態である支持体1に堅く固定される。したがって、メンブレン2は2.3として参照される固定区域を含み、固定区域は支持体1に重ねられる。メンブレン2は、さらに、光学デバイスの光学場に対応する中央区域2.1を含む。それは点線として示される。皿部は、第1の流体4と呼ばれる液体または気体の流体を収容するように意図される。より一般的には、メンブレン2および支持体1は、流体4が閉じ込められる空洞3を形成することを目的とする。
【0041】
メンブレン2の面の一方は空洞3に含まれる流体4に接触している。メンブレン2の他の面は、周囲空気とすることができる第2の流体4’と接触している。第2の流体4’が閉じ込められる1つの代替を後で見ることになり、第2の流体4’は空気、または別の気体、または液体にさえすることができる。
【0042】
メンブレン2は、第1の流体4と、第1の流体4を基準にして障壁の反対側にある第2の流体4’との間の障壁として働く任意の柔軟な薄膜を意図する。
【0043】
光学デバイスがレンズである場合には、空洞3は、レンズを通って伝搬するための光ビーム(図示せず)にとって透明である底部3.1を有する。さらに、メンブレン2は少なくとも中央区域2.1で光ビームにとって透明である。光学デバイスがミラーである場合、メンブレン2は少なくともその中央区域2.1で反射性である。光ビームは可視ビームとすることができるが、可視範囲を超えて、例えば赤外に拡げることができる。
【0044】
メンブレン2は柔軟であり、空洞3に含まれる流体4の移動の作用下でメンブレン2の中央区域2.1にある流体4の厚さを変化させ、それにより、メンブレン2の中央区域2.1を湾曲させるように、図1Aに示された静止位置から可逆的に変形可能である。空洞3に含まれる流体4は、歪みがメンブレン2に加えられたとき中央区域2.1に移動するように十分に非圧縮性であり、この歪みは中央区域2.1と固定区域2.3との間にある中間区域2.2のメンブレン2に加えられる。流体4は所与の温度範囲で実質的に一定の体積を有する。空洞に含まる流体4は、作動手段5とメンブレン2の中央区域2.1との間の「伝達部」として働く。この流体4は液体または気体とすることができる。作動時に流体のフィードバックを使用して中央区域2.1のメンブレンの変形が得られる。
【0045】
図1A、1Bでは、メンブレン2および支持体1の輪郭は正方形で示されているが、中央区域2.1は円形で示されていることに留意されたい。当然、これらの形状は限定されない。メンブレン2および支持体1は円形、長方形、卵形、またはその他とすることができ、中央区域2.1は正方形、長方形、卵形、またはその他とすることができる。
【0046】
圧電作動手段5は空洞3からの流体4を移動させるために設けられる。圧電作動手段5は中間区域2.2のメンブレン2を偏らせる。作動手段5は、中央区域2.1のまわりに同心的に取り付けられた圧電材料の少なくとも1つの円形の連続冠状部Cに構成される。圧電材料のこの連続冠状部Cは圧電アクチュエータを収容する(図1Aから1Cでは明確には見えない)。メンブレン2が静止位置の図1Aにおけるように平坦である場合、各連続冠状部Cはメンブレン2の面である主面に延びる。他の構成では、メンブレン2の中央区域2.1は静止状態で膨れていることがあり、次に、中間区域2.2は実質的に平坦となることになる。
【0047】
図2A、2Bを参照すると、圧電作動部は、電力供給時に圧電材料に内部電界を印加するための2つの電極20aと20bとの間に全体的にまたは部分的に挟まれた圧電材料のブロック21を含むことに注意されたい。矢印は、製造プロセス中に生じる可能性のある圧電材料の内部バイアスを示す。電源は23で参照される。この電界を使用して、圧電材料のブロック21の機械的変形を制御する。圧電材料のブロック21は単層または多層とし、電極を超えて延びることができる。圧電材料のブロック21の両側にある電極20a、20bが図2A、2Bに見られる。このようにして、逆圧電効果が説明された。
【0048】
圧電材料の連続冠状部Cの電極は、いくつかの図、特に5Cにしか示されていないが、その理由は、その厚さが圧電材料およびさらにメンブレン2の厚さに対して無視できるからである。表示されているように、電極20a、20bは、圧電材料の連続冠状部Cの両方の向かい合った主面に配置され、主面は光学デバイスの光軸に実質的に垂直である。
【0049】
図2Aに、電極20a、20bへのバイアス電圧の印加の前後の圧電材料のブロック21の態様が示される。バイアス電圧を印加した後、ブロック21は、バイアス符号に応じて、電極の面内に延び、この面に対して横方向に収縮し、または逆となる。
【0050】
本発明では、圧電作動手段5は中間区域2.2でメンブレン2に直接固定されるが、固定区域2.3でメンブレン2に固定することもできる。当然、これは必須ではない。しかし、圧電作動手段5は中央区域2.1ではメンブレン2に固定されない。
【0051】
圧電作動手段5およびメンブレン2は、統合されると、少なくとも1つの圧電バイモルフBを形成し、この圧電バイモルフは異質性または同質性とすることができる。より正確には、各圧電アクチュエータと、それが統合されるメンブレンとが、圧電バイモルフを形成する。圧電バイモルフは、バイモルフが同質性の場合、圧電材料の層に、またはバイモルフが異質性の場合、非圧電材料の層に相接する、電極を備えた圧電材料の層を含むことに注意されたい。この場合、圧電材料または非圧電材料のこの層はメンブレン2の層である。
【0052】
圧電アクチュエータ5.1の電極20a、20bにバイアス電圧を印加する際、圧電アクチュエータ5.1を収容する圧電材料の連続冠状部Cは、電極20a、20bに印加されるバイアスに応じて半径方向に収縮または拡大し、この変形は、流体の移動と、その結果、中央区域2.1のメンブレン2の曲率の変化とをもたらす。主として、連続冠状部Cの外半径と内半径との間の差は、バイアス電圧を受けるとき電極20a、20bにおいて変化する。本発明の光学デバイス対象物で正効果を同様に利用することができることが後で分かるであろう。
【0053】
所望の変形を得るのに望ましい電極20a、20bの位置決めは圧電材料の横方向結合に対応する。しかし、当然、例えば、別の結合モード、例えば、縦または剪断モードを保持することができる。
【0054】
図1Aにおいて、細い実線は、メンブレン2が作動手段5によって変形されたときのメンブレン2のプロファイルを示す。この変形により、中央区域2.1にある流体4の厚さは厚くなり、中間区域2.2にある流体4の厚さは薄くなる。これらの観察は、静止位置でのメンブレン2の実質的に平坦なプロファイルと比較して行われた。この図1Aでは、メンブレン2は、それが変形されたとき、中央区域2.1で凸面の曲率を有し、中間区域2.2で凹面を有する。図1Cでは、細い実線は図1Aに示されたものよりも柔軟性の少ないメンブレン2のプロファイルを示す。それは、同じ作動電圧を受けた同じ作動手段5によって変形された。その変形は、中央区域2.1または中間区域2.2のいずれかにおいて、前の場合よりも極めて少ない最大振幅を有する。
【0055】
図1Aから1Cにおいて、作動手段5は単一の圧電アクチュエータのみを含むことが示されている。これは、連続冠状部Cによって支持された単一の対の圧電電極20a、20bのみが設けられていることを意味する。対の電極は圧電材料の連続冠状部Cの両側に配置され、一方の20aは連続冠状部Cの上にあり、他方は下にあり、見えない。
【0056】
対の両方の電極20a、20bは、圧電材料の形態と実質的に同様の円形連続冠状部の形態を有する。実際には、図1Bでは、上にある電極20aのみを見ることができ、圧電材料の連続冠状部および上にある電極は隠されている。電極の少なくとも1つが、王冠の一部の形状である、言い換えれば、図1Dにおけるようなスリット付き王冠形状であることが可能であることになる。それは電極20aである。したがって、単一の圧電アクチュエータの電極の一方は、それが配置されている圧電材料の全面を必ずしも覆わない。そのような構成は非対称作動をより容易にする。図1Bの構成は、当然、より大きい効率を与える。
【0057】
次に、本発明による光学デバイスが図3Aから3Eを参照して説明される。本発明の光学デバイス対象物は、作動手段がいくつかの圧電アクチュエータを集めている圧電材料の少なくとも1つの連続冠状部を含み、各アクチュエータが連続冠状部を挟む1対の電極を含むことを除いて、図1に示されたものと同等である。
【0058】
図3A、3Bの構成では、圧電材料の単一の連続冠状部Cのみがある。図3Aでは、4つの圧電アクチュエータ5.1がある。連続冠状部Cの上にある冠状部セクタの4つの電極20aが区別されている。この例では、4つの電極20aは実質的に同一であり、圧電材料の連続冠状部Cに実質的に規則的に設けられる。一般的な場合、連続冠状部Cの下にある冠状部セクタに、4つの上にある電極に向かい合う4つの電極が同様にあることになる。このために、この場合に対応する下にある電極が示されていない。
【0059】
図3Bでは、8つの電極20bが、上にある冠状部セクタに示されている。これらの両方の図3A、3Bでは、2つの連続冠状部セクタ間の半径方向区域z1により、圧電バイモルフの圧電材料が見える。両方の図は、本発明の同じ光学デバイス対象物の作動手段の両対面を示すことができる。したがって、8つの圧電アクチュエータが設けられる。
【0060】
図3Cでは、圧電材料の2つの連続冠状部C、C’を含み、それの少なくとも一方がいくつかの圧電アクチュエータ5.1を収容する圧電作動手段が示される。2つの連続冠状部C、C’は同心であり、連続冠状部C’は内側にあり、連続冠状部Cは外側にある。連続冠状部Cはメンブレン2の固定区域2.3に重なるが、連続冠状部C’は重ならないことが仮定される。メンブレン2は円形である。複数の圧電アクチュエータ5.1が内側連続冠状部C’に示され、単一のものが外側連続冠状部Cに示されている。図3Cでは、内側連続冠状部C’にある圧電アクチュエータ5.1の上にある電極20aは半径方向に細長いパッドである。下にある電極は見ることができない。
【0061】
図1A、3A、3Bの場合には、冠状部セクタの電極は、電極を支持する圧電材料の連続冠状部Cと実質的に同じである内半径および外半径を有する。冠状部セクタの電極20aまたは20bは、圧電材料の連続冠状部Cの内半径または外半径と異なる少なくとも内半径または外半径を有することができる。図3Dを参照されたい。
【0062】
これは、少なくとも1つの縦方向区域z2により、連続冠状部Cの圧電材料が現れることを意味する。
【0063】
圧電材料の連続冠状部の面上に電極を配置するのに多数の代替があることが理解されよう。
【0064】
圧電アクチュエータの対の両方の電極20a、20bが同様である必要はない。特に、いくつかの圧電アクチュエータは図3A、3Bで既に示したように同じ電極を共有することができる。この共通電極は、例えば、すべての圧電アクチュエータによって、またはそれらのいくつかによって使用されうる。
【0065】
例えば、2つの隣接圧電アクチュエータが同じ電極を共有することを考えることができる。これが、図3Aおよび3Bで示したかったことである。2つの圧電アクチュエータは同じ電極20aを共有するが、それら自体の電極20bを有する。
【0066】
各対の電極20a、20bは他のものとは独立に電力供給されうるが、これは、すべての対の電極が異なる電圧を受けることができることを意味する。したがって、中央領域2.1におけるメンブレン2の変形は反対称、非軸対称とすることができ、非常に多数の変形の可能性がある。しかし、圧電材料の冠状部Cが連続的であることにより、メンブレンに固定された区域がかなり大きくなり、それは、図10Cに示されるように屈曲の剛性に関する欠点なしに作動効率を確実に高める。
【0067】
カメラタイプ装置で使用されるレンズの圧電材料の連続冠状部Cの面の少なくとも一方に不連続電極20a、20bを使用することにより、「移動補正」の主題は、軸対称、反軸対称、または他のレンズジオプター変形を行うことによって簡単に対処することができる。
【0068】
いくつかの圧電アクチュエータ5.1がある場合、メンブレン2の変形をモニタするのに正圧電効果を使用することが可能である。圧電アクチュエータのうちの非作動のものの両端に現れる電圧を取得することができ、一方、同じ連続冠状部の他の圧電アクチュエータが作動される。正圧電効果により受動的に動作することができ、図3Eに示されるようにこのモニタリングのために特に専用に設けられた冠状部として配置される1つまたは複数の圧電アクチュエータを備えることも可能である。圧電材料の内側冠状部Cintは、正効果によりメンブレン2の局所的変形を検出する少なくとも1つの受動圧電アクチュエータ70を収容する。内側冠状部Cintは連続または分割とすることができ、1つまたは複数の圧電アクチュエータを収容する分割片の各々は正効果により動作することができる。内側冠状部Cintは中間区域2.2でメンブレン2に固定され、中央領域2.1に重ならず、固定区域2.3にも重ならない。これは、モニタリングのために専用に設けられるアクチュエータをメンブレンの固定区域に固定することができるので単なる一例である、図3Eの例では、内側冠状部Cintは2つの分割片であり、各々は受動圧電アクチュエータ70を収容する。同じ圧電アクチュエータがメンブレンを断続的に変形するように意図され、メンブレンの変形を断続的にモニタするように意図されることは当然可能である。したがって、圧電アクチュエータはあるときは受動的であり、他のときは能動的であることが可能である。
【0069】
さらなる別の代替は、メンブレンの変形をモニタするために圧電アクチュエータの代わりに別のタイプの応力ゲージを使用することであろう。
【0070】
作動手段5は、圧電材料の連続冠状部Cに配置されたいくつかのユニット圧電アクチュエータ5.1によって形成される。連続冠状部Cは内側冠状部Cintのまわりに配置される。圧電アクチュエータ5.1は逆効果により作動することができる。
【0071】
光学デバイスは補助作動手段5’を含み、圧電材料の少なくとも1つの補助不連続冠状部Cauxが、逆効果により動作するいくつかの補助圧電アクチュエータ5.2を収容することも可能である。補助冠状部Cauxは連続冠状部Cと同心で取り付けられる。それは図3Fにおけるように外側に配置するか、または内側に配置することができる。図を不必要に追加しないために、内側補助冠状部による代替は示されていない。しかし、アクチュエータ70が逆効果により動作している場合、そのような構成が有するはずである態様を理解するために図3Eを参照することができる。この補助冠状部Cauxは中間区域2.2でメンブレン2に固定され、固定区域2.3に重なることができるが、中央区域2.1に重ならない。補助作動手段5’は、さらに、メンブレン2とともに少なくとも1つの圧電バイモルフを形成する。
【0072】
図3Gを参照して、作動手段5はいくつかの圧電アクチュエータを収容する連続冠状部Cを含むこと、およびこの連続冠状部Cは外縁の一方に半径方向に向いた棒部を備え、棒部はユニット圧電アクチュエータ5.10を収容することを意図することができる。これにより、棒部は冠状部C内側にまたは外側に向けることができる。
【0073】
図4Aから4Cを参照して、次に、メンブレン2のいくつかの特徴が与えられる。このメンブレン2は、縁部から中心に進むとき、固定区域2.3、中間区域2.2、および中央区域2.1と呼ばれる、既に説明したような少なくとも3つの区域を含む。中間区域2.2は、作動手段5によって、およびことによると補助作動手段によって直接偏らされる区域である。光学場のために専用に設けられた中央区域2.1は流体4の移動によって変形される。この変形は可逆的であるので、この中央区域2.1の材料は弾性変形領域で機能することになる。その透明の性質、または反対にその反射の性質は、光学デバイスがレンズまたはミラーであるかどうかに応じて選択される。メンブレン2は単一層化し、中央区域2.1から固定区域2.3まで同質とすることができる(図4A)。代替として、メンブレンは図4Bにおけるように多層とすることができ、両方の層は2a、2bで参照される。メンブレンは、中央区域2.1、中間区域2.2、および固定区域2.3の一部で2つの重畳された層2a、2bを有する。この固定区域2.3では、スタックの上にある層2aは、下にある層2bを超えて支持体1上に直接延ばされる。
【0074】
メンブレン2の固定区域2.3は、さらには、支持体1への接着性を有するべきである。図4Bの上にある層2aは、下にある層2bよりも支持体1への接着性が良好であるように選択することができる。
【0075】
メンブレン2の中間区域2.2は、作動手段5によって誘起される変形を増強することができる性質を有することができ、それは、中間区域2.2が、好ましくは、中央区域2.1よりも高い剛性により選択されることになることを意味する。中間区域2.2においてメンブレン2と作動手段5との間に相互作用があるが、それは、圧電バイモルフが配置されるのがこの区域であるからである。
【0076】
中央区域2.1におけるメンブレン2の偏位方向は、圧電材料と、圧電材料の連続冠状部が固定されるメンブレン2の材料との間の機械的性質の差によって決まる。バイアス方向、および圧電材料の連続冠状部の位置も重要である。
【0077】
したがって、メンブレン2は、中央区域2.1にあり、メンブレン2の表面全体を連続的に延びる少なくとも1つのいわゆる主層2bと、メンブレン2の一部、すなわち、メンブレン2の少なくとも中間区域2.2のみを延びる少なくとも1つの強化層2cとによる異質性とすることができる。この場合を示す図4Cでは、主層2bはメンブレン2の表面全体を延び、強化層2cは、この例では、固定区域2.3および中間区域2.2を延びる。強化層2cは図4Bと同じように支持体1に直接重なる。図4Aから4Cでは、作動手段5は省略されている。
【0078】
次に、作動手段5が中間区域2.2に固定されることに加えて固定区域2.3に固定されると仮定して、メンブレン2と作動手段5との間の構成が概説される。図5Aから5Cを参照されたい。これらの図では、メンブレン2は単層化されたように示されているが、これは限定ではない。圧電バイモルフBの形成を促進するのはメンブレン2のこの層である。図5Aにおいて、作動手段5はメンブレン2の上にあり、中間区域2.2および固定区域2.3上を延び、支持体1へ直接延びる。作動手段5は、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4と接触しない。図5Bでは、作動手段5はメンブレン2の下にあり、同じように、中間区域2.2および固定区域2.3へ延びるが、支持体1に重ならない。当然、作動手段5は支持体1に重なることも可能である。作動手段5は、支持体1とメンブレン2との間に閉じ込められた流体4に接触している。両方の図では、作動手段5と支持体1との間の固定は直接的である。
【0079】
図5Cでは、作動手段はメンブレン2の上にあり、中間区域2.2および固定区域2.3へ、ことによると部分的に延びるが、支持体1に直接には重ならない。作動手段5は、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4と接触していない。後者の場合、作動手段5と支持体1との間の固定は間接的である。この図では、作動手段の電極20a、20bが示されている。
【0080】
次に、図5D、5Eを参照すると、作動手段5が支持体1に固定されていない2つの場合が示される。したがって、作動手段5はメンブレン2の固定区域2.3に重ならない。再度、メンブレン2は単層化されているが、多層とすることができる。図5Dでは、作動手段5はメンブレン2の上にある。作動手段5は、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触しない。図5Eでは、作動手段5はメンブレン2の上にあり、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触している。
【0081】
次に、図5F及び5Iにおいて、メンブレンが、中央区域2.1から固定区域2.3まで連続的に延びる主層2bと、中間区域2.2において、図5F、5Iにおけるように主層2bの上にあることが可能な、または図5G、5Hにおけるように下にあることが可能な強化層2cとを含む例が示される。図5Fでは、作動手段5は主層2bと強化層2cとの間に挿入される。作動手段5および強化層2cはメンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触しない。強化層2cは主層2bよりも大きい剛性であり、圧電バイモルフBの形成を促進することになる。主層2bは、必要とされる機械的現象に関して受動的になる。主層2bは、所与の変形を達成するための作動時のエネルギーの過剰消費を避けるようにできるだけ柔軟に構成される。同じエネルギー消費およびメンブレン2の異なる柔軟性に対する異なる変形が図1Aおよび1Cに示されている。
【0082】
図5Gでは、強化層2cが作動手段5と主層2bとの間に挿入される。作動手段5および強化層2cは、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触している。
【0083】
図5Hでは、作動手段5は強化層2cとメンブレン2の主層2bとの間に挿入される。作動手段5および強化層2cは、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触している。
【0084】
図5Iでは、強化層2cは作動手段5と主層2bとの間に挿入される。作動手段5および強化層2cは、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触していない。
【0085】
図5Fおよび5Iでは、作動手段5は支持体1に間接的に固定される。
【0086】
図5Jでは、作動手段5はメンブレン2の主層2bの上にあり、支持体1に固定され、メンブレン2の固定区域2.3を延びる。次に、強化層2cは作動手段5の上にあり、中間区域2.2のみを延び、固定区域2.3に重ならない。
【0087】
図5Kでは、メンブレン2の主層2bは、中間区域2.2および固定区域2.3よりも中央区域2.1で厚い。作動手段5は主層2bの上にあり、中間区域2.2の一部、中央区域2.1から最も遠い部分、および固定区域2.3にのみ延びる。作動手段5ならびに中間区域2.2および固定区域2.3の主層2bの厚さは、中央区域2.1内の主層2bの厚さと実質的に等しい。強化層2cは作動手段5の上にあり、中間区域2.2全体に延び、作動手段5を超えて延びる。
【0088】
しかし、反射または透過の光学的性質が光学デバイスの用途、すなわち、レンズまたはミラーに対応している場合、強化層2cは図5Kにおけるように中央区域2.1で延びることが可能である。この場合、当然、強化層2cにおけるメンブレンの変形は、メンブレンの計画された変形に対応しなければならない。
【0089】
図5Mでは、強化層2cがあり、中央区域2.1にある主層2bは上述のように固定区域2.3までは連続していない。それは中間区域2.2で延びるが、固定区域2.3の前で終わる。次に、強化層2cがそれを引き継ぐ。再度、中央区域2.1で延びるこの層2bは、中間区域2.2よりも中央区域2.1において厚い。強化層2cと、中央区域2.1にある主層2bとの間の組立ては、作動手段5が作動される場合でさえ支持体1およびメンブレン2が閉込めを推進する流体4が空洞から漏出しないように十分に密接していなければならない。この図において、作動は図3Cに示したものと比較することができ、Cで参照される冠状部の一方はメンブレン2上にあり、C’で参照される他方は下にある。
【0090】
図5Lは、本発明による光学デバイスのさらに別の例であり、作動手段5は、支持体1とメンブレン2との間に閉じ込められた流体4に接触し、単層化されているメンブレン2の上にある。
【0091】
作動手段5を備えるメンブレン2は、図5Lに示されるように、支持体1に封着される保護キャップ201で覆われることが可能である。このキャップ201は空洞6の境界を定める。取付けは、例えば、分子接合によって、有機接合によって、陽極接合によって、例えば、キャップ201と封着されるべき支持体1との間に挟まれる例えばAu/SiまたはAu/Snの合金層の共晶接合によって行うことができる。これらの接合技法はマイクロエレクトロニクスおよびマイクロシステム分野で一般に使用されている。
【0092】
キャップ201は第2の流体4’が閉じ込められる空洞6の境界を定め、メンブレン2の上面、すなわち、第1の流体4と接触しない面は第2の流体4’に接触している。少なくともその中央部のキャップ201と、第2の流体4’とは、光学デバイスの性質に応じてメンブレン2で反射されるか、またはそれを通過することになる入射光放射にとって透明であるべきである。
【0093】
キャップ201は、可視の波長を透過させる場合、ガラス、またはポリテレフタレートエチレンPET、ポリナフタレートエチレン、ポリメチルメタクリレートPMMA、ポリカーボネートPCなどの有機材料で製作することができる。変形可能メンブレン2をもつそのような光学デバイスは壊れやすい物体であり、その取扱いが微妙であるので、キャップ201がメンブレン2の保護を行う。
【0094】
支持体1は、本明細書の最初から示してきたように単一体とすることができる。図6Aに示した1つの代替では、それはプレート1.1と統合されたフレーム1.5によって形成され、皿部3を形成することができる。プレート1.1は皿部3の底部を構成し、プレート1.1はそれを通り抜けることになる光放射にとって透明であり、またはミラーの場合には反射性とすることができる。上述で説明したものと比べてメンブレン2、作動手段、流体4に変更はない。
【0095】
透明プレート1.1は、図6Aにおけるように、実質的に一定の厚さであり、平坦で実質的に平行の面のものとすることができる。少なくとも1つの面は図6B、6C、6Dにおけるように構造化することができ、外側面は凸面または凹面である。光学デバイスにとって望ましい光学性能に応じて選択が行われる。それは、レンズを通過することになる光放射を通過させる。フレーム1.5は、作動手段5の命令の処理に関連する回路と統合することができるシリコンなどの半導体材料のものとすることができる。回路は、図に描きこみすぎないように示されていない。透明プレート1.1はガラスまたはプラスチックとすることができる。
【0096】
図6B、6Cでは、透明プレート1.1は凸面構造のものであり、図6Dでは、凹面構造のものである。透明プレート1.1の構造化は、例えば、機械加工または成型により達成することができる。
【0097】
図6Eでは、支持体1はフレーム1.5によって示され、透明プレート1.1は第2のメンブレン200と取り替えられている。第2のメンブレン200は、第1のメンブレン2と実質的に同じ区域を有する層を含む。両方のメンブレン2、200はフレーム1.5に固定され、各々フレーム1.5の主面の一方に固定される。それらは液体4の容器を生成するのに役立つ。これにより、メンブレン2の光学性能は向上することができる。作動手段5は、メンブレン2のうちのただ1つに設けられる。他方のメンブレン20は作動されないが、作動手段5が作動されると、やはり変形される。
【0098】
代替として、他のメンブレン200を作動させるために第2の作動手段を設けることができる。
【0099】
光学デバイスはマイクロエレクトロニクスで知られている技法によって製作することができる。化学蒸着タイプ、物理的電着蒸着タイプ、エピタキシー、熱酸化、蒸着、薄膜圧延の薄層堆積技法などの様々な技法を使用することができる。有機またはゾルゲルタイプ材料をスピンコーティングにより堆積することができる。成型、エンボシング、熱エンボシング、ナノインプリンティング技法を使用して、図6Bから6Dに示されたような基板の底面を構造化することができる。接合技法は、さらに、メンブレン2を支持体1に、または底部3をフレーム1.5に、またはキャップ201を支持体1に接合するのに使用することができ、これらの技法は、例えば、直接接合、共晶接合、陽極接合、および有機接合とすることができる。底部をフレームに接合した後に、薄化ステップ、例えば、ラッピング、化学的薄化、または両方のタイプの組合せを行うことができる。光学デバイスはバッチ式に製造することができ、異なるデバイスのすべてのキャップ201をまとめて製作することができる。
【0100】
メンブレン2は、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリテレフタレートエチレン、ポリカーボネート、パリレン、エポキシ樹脂、感光性ポリマー、Shin−EtsuからのSiNR、またはDow CorningからのWL5150として知られているものなどのシリコーンなどの有機材料、あるいはシリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、多結晶シリコン、窒化チタン、ダイヤモンド状炭素、スズインジウム酸化物、アルミニウム、銅、およびニッケルなどの無機質材料に基づいて製作することができる。天然ゴムまたは合成ゴムは、高い弾性変形を可能にするので、少なくとも中央区域にある層に同様に使用することができる。強化層は、連続冠状部について述べたものから選択された圧電材料で製作することができる。そのとき、圧電バイモルフは同質となることになる。メンブレンは1ミクロンから1ミリメートルにわたる厚さを有する。選択される厚さは、使用される材料および使用される堆積プロセスによって決まる。強化層は約10ナノメートルと数マイクロメートルとの間の厚さを有することになる。
【0101】
流体4、4’の各々は、炭酸プロピレン、水、屈折率液体、光学オイル、もしくはさらにイオン液体のような液体、またはメンブレン2の反対側に存在する流体4に対して屈折ステップインデックスを達成することができる任意の液体とすることができる。気体として、例えば、空気、窒素、およびヘリウムを挙げることができる。
【0102】
作動手段5の圧電材料は、化学式Pb(Zrx,Ti1−x)O3をもつジルコン酸チタン酸鉛であるPZT、窒化アルミニウムAlN、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびそのトリフルオロエチレンコポリマー(TrFE)、酸化亜鉛ZnO、チタン酸バリウムBaTiO3、ニオブ酸鉛PNbO3、チタン酸ビスマスBi4Ti3O12、または2/3に等しい金属/酸素比をもつ酸化物である他のシレナイトから選択することができる。できるだけ高い機械結合係数をもつ圧電材料を有するように試みられる。圧電材料の冠状部の厚さは数百ナノメートルから数マイクロメートルにわたる。この厚さは、印加されるべきバイアス電圧範囲、圧電材料に関連した絶縁破壊電界、および所望の光学性能に適合されるべきである。
【0103】
作動手段の電極は、白金とするか、または酸化物に堆積させることが可能で、チタンが白金と酸化物との間の接着剤として働く場合は白金−チタン二層とすることができる。金またはクロム−金層を使用することもでき、クロムは金の拡散への障壁として働く。別の好適な材料はルテニウムである。このリストは網羅的でない。電極の固有厚は数十ナノメートルから約1ミクロンにわたる。
【0104】
PZTなどの圧電材料の層の堆積は800℃程度の高温でのアニーリングを必要とする。かなり多くの場合、メンブレンの材料はこれらの温度に耐えない。したがって、圧電材料の作動手段が最初に製作され、次に、メンブレンに組み付けられなければならない。本発明による光学デバイスの製造の間、スタックを製作するとき、いくつかの制約を考慮に入れなければならない。
【0105】
発明者らは、本発明の対象の光学デバイスを構成する異なる材料が同じ熱膨脹係数を有していないので、光学デバイスの焦点距離が意図せずに変化させられることがあることが分かった。
【0106】
したがって、温度の変動に起因する焦点距離の変動を補償するための手段を備えることが可能である。図7A、7Bを参照することができる。
【0107】
この補償手段95は、図7Aにおけるように中間区域2.2に突き出すことによって固定区域2.3でメンブレン2に固定された連続冠状部として配置された1つまたは複数の熱バイモルフ要素95.1によって形成され、または図7Bにおけるように皿部3の底部3.1にある1つまたは複数の熱バイモルフ要素95.1によって形成される。これらの熱バイモルフ要素95.1はこの補償のために専用に設けられる。特に、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4の体積増加を、したがってメンブレン2の好ましくない変形を引き起こす温度上昇の影響下で、熱バイモルフ要素95.1は、その厚さを増加させることによって皿部3の体積を増加させるように変形する。異なる熱膨脹係数を有する材料で製作された2つの重畳された層によって形成された熱バイモルフ要素95.1は当業者に問題を提起しない。
【0108】
図7Bの構成において、支持体1は図6Bのものと同様である。熱バイモルフ要素95.1は流体4の側でフレーム1.5に配置され、透明プレート1.1まで突き出る。透明プレート1.1は中央部で凹面であり、外縁に細い溝を含む。膨張接続部96がプレート1.1とフレーム1.5との間に挿入されて、光軸に沿って柔軟性が与えられ、皿部3の体積は増加できるようになる。皿部3の体積増加は、固定区域2.3および/または支持体1の端部でのメンブレン2の変形から生じることになる。これの目的は、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4の膨張が中央区域2.1におけるメンブレン2の偏位に、したがって光学デバイスの焦点距離に影響しないことである。
【0109】
温度の変動の影響下で焦点距離の変動を補償するための手段95は、天候条件に関係なくメンブレンが実質的に一定の残留応力を受けるのにも役立つことができる。したがって、光学デバイスの性能を劣化させることになる過度の圧縮応力または反対に過度の引張りの場合に、メンブレン2のバックリング(buckling)またはクランピング(crumping)が避けられる。
【0110】
メンブレン2の材料の選択は、製造プロセスの要求事項を満たすように、または液体レンズもしくはミラーがいくつかの性能を達成するように行われる。
【0111】
中央区域2.1が柔軟である光学デバイスは所与のエネルギー消費に対してより一層効率的である。シリコーン有機材料は特に好適である。次に、中央区域2.1から固定区域2.3まで延びる有機層上に、例えば、酸化ケイ素および/または窒化ケイ素などの無機質材料の強化層2cを設けることによってメンブレン2を中間区域2.2において堅くすることが好ましい。中央区域2.1が酸化ケイ素または窒化物酸化物であるメンブレン2は同様に好適であることになる。
【0112】
さらに、作動手段5は、メンブレン2に固定された後メンブレン2の予定された挙動を乱さないように配置される。静止状態のメンブレン2の変形は、光学デバイスの望ましい使用目的に適合するべきである。メンブレン2は、静止状態で、実質的に平坦、凹面、または凸面のジオプターを形成することができる。
【0113】
さらに、静止状態で、メンブレン2がクランピングもバックリングも生成しないように十分低い残留圧縮応力下にあるように図られる。同じように、静止状態で、メンブレン2は作動手段5の作動に効率的に反応するように十分低い引張り応力を受けなければならないが、それは、メンブレン2が過度に張力をかけられている場合そうでないことになる。したがって、引張り応力と圧縮応力との間で妥協を見つけなければならない。
【0114】
強化層2cは、作動手段5によって印加された圧力を、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に伝え、それにより、流体4の望ましい移動をもたらすように十分に剛性でなければならない。強化層に使用できるいくつかの材料が以下に列記される。それはチタン、窒化チタン、アルミニウムなどの金属材料とすることができ、その厚さは約10ナノメートルから数マイクロメートルの程度とすることになり、そのヤング率は数十GPaから数百GPaの間にある。それは酸化ケイ素、窒化ケイ素などの材料とすることができ、その厚さは約10ナノメートルから数マイクロメートルの程度とすることになり、そのヤング率は数十GPaから数百GPaの間にある。最後に、それは、感光性ポリマー、特に、ベンゾシクロブテン(BCB)などの有機材料とすることができ、その厚さは数マイクロメートルの程度とすることになり、そのヤング率は数GPaである。
【0115】
次に、本発明による可変焦点をもつ光学デバイスの1つの例示的な製造プロセスが説明される。犠牲層が使用されることになる。図8Aから8Gを参照されたい。
【0116】
開始点は、皿部3がエッチングされている基板100である。基板100は、例えば、ガラスで製作することができる(図8A)。それは支持体1を形成する。犠牲材料101が皿部3に堆積される(図8B)。犠牲材料101は、有機体、例えば、感光性樹脂、または酸化ケイ素などの無機質材料とすることができる。
【0117】
メンブレン2が犠牲材料101上に形成され、その結果、メンブレン2は皿部3の縁部に突き出し、それに固着する(図8C)。メンブレン2用に上記で列記した材料から選択された材料を堆積することができる。堆積はスピンコーティングまたは化学蒸着によって行うことができる。
【0118】
次に、作動手段5が、支持体1に接触して、または接触せずに中間区域2.2に形成される。最終的にいくつかの対の電極が必要とされることを念頭に置いて、まず、後で生じることになる圧電材料の下にある1つまたは複数の電極が製作され、次に、圧電材料の円形連続冠状部が堆積され、その後に上にある電極が続く。図に描きこみすぎないように冠状部も電極も参照されない。使用される技法は、薄層堆積、リソグラフィ、およびエッチングなどのマイクロシステムで使用される従来の技法である(図8D)。次に、メンブレン2は犠牲材料を除去することによって解放される。このために、少なくとも1つの孔107を、犠牲材料101に到達するように光学場(中央区域2.1)の外側で基板100に孔あけすることができる。孔107は貫通孔であり、皿部3に通じる(図8E)。除去は化学的もしくは熱的とする、または酸素プラズマによることができる。次に、皿部3は流体4で充満される(図8F)。充満は、流体4の浸透を促進し、流体が液体である場合泡立ちしないようにするために皿部3を減圧することによって行うことができる。最後に、孔107は、流体4が漏出しないように栓をされる(図8F)。有機材料を使用することができる。ステップの順序は限定ではない。
【0119】
作動手段5は、メンブレン2を解放した後に、例えば、充満する前または後に形成することもできる。作動手段5が、最終的に、支持体1とメンブレン2との間に閉じ込められる流体4の側に配置されなければならない場合、作動手段5はメンブレン2を形成する前に犠牲層101上に形成することもできる。そのような構成では、メンブレン2は作動手段5の上にある。
【0120】
メンブレン2が、静止状態で、膨れ、凹面、または凸面であることが望ましい場合、犠牲層101がメンブレン2への型として使用されるので、好適な曲率が犠牲層101の自由面に付与される。膨れたメンブレン2を得るための別の解決策は、メンブレン2の解放の後にそれをバックリングすることであろう。バックリングは熱的とすることができる。したがって、決定されるパラメータは、メンブレン2と基板との間の熱膨脹係数差、およびメンブレン2の堆積温度である。
【0121】
メンブレン2を保護するために、本発明の光学デバイスは、図5Lで説明したように、支持体1およびキャップ201を組み立てることによって製作することができる。図8Gではキャップ201が固体であることは必須ではなく、それはその中央部が窪んでおり、開口は参照番号202を有する。接着接続部Jを使用して支持体1およびキャップ201を組み立てる。
【0122】
可変焦点距離をもつそのような光学デバイスは、携帯電話のカメラなどのカメラデバイスに使用することができる。図9Aを参照されたい。そのようなカメラデバイスは、液体レンズタイプの本発明による可変焦点距離をもつ少なくとも1つの光学デバイスLを含む対物レンズ80と、基板82に載せられた例えばCCDまたはCMOSタイプの画像センサ81とを縦続して含む。上述の例では、対物レンズ80は、固定焦点距離をもつ少なくとも1つのレンズ83と、本発明による液体レンズLとを含む。以下では、固定焦点距離をもつこのレンズ83は従来の光学ブロックと呼ばれることになる。液体レンズLは、画像センサ81側に従来の光学ブロック83に隣接して置かれる。代替として、従来の光学ブロック83は、液体レンズLと画像センサ81との間にあることができる。従来の光学ブロック83は静的である。以前に見たように、製造プロセスに関しては、液体レンズLはMOEMS(微小光電子機械システム)を採り入れることができる。可変焦点をもつ液体レンズLはある距離に配置され、その距離は対物レンズ80の特性および画像センサ81によって決まるが、この距離が小さい場合、液体レンズLおよび画像センサ81は、それらがAIC(集積回路上(above integrated circuit))技術、またはWLCSP(ウェハレベルチップスケールパッケージ)技術で統合される場合、単に1つの構成要素とすることができる。液体レンズLの焦点距離は、静止状態の液体の圧力、さらに静止状態のメンブレン2の曲率、および液体の反射率を最適化することによって適合される。
【0123】
カメラデバイスが図15Bにおけるようなズーム機能をさらに含む場合、光学ブロック83は、固定焦点距離をもつ少なくとも2つのレンズ83.1、83.2と、2つの液体レンズLおよびL’とにより使用されることになり、図9Bにおけるように、2つの液体レンズLおよびL’の一方は光学ブロック83の両方のレンズ83.1と83.2との間に置かれ、他方は画像センサ81側の光学ブロック83に隣接して置かれる。これらの図9A、9Bでは、LおよびL’で参照される本発明による光学デバイスは極めて概略的に示されており、それらの作動手段5は見ることができない。
【0124】
所与の大きさを有する本発明による光学デバイスでは、作動手段5の区域は、1つまたは複数の圧電アクチュエータを収容する圧電材料の単一の連続冠状部を使用することによって最大にすることができる。作動手段によって供給されるエネルギーを最大にすることができ、それにより、流体の移動を改善し、したがって、一定の供給電圧による光学デバイスの性能を改善し、または同等な光学性能において供給電圧を最小にすることができる。
【0125】
作動手段を中間区域でメンブレンに固定することによって、デバイスの大きさは、作動手段が支持体に固定されている構成と比較して低減することができる。
【0126】
温度の変動に起因する焦点距離の変動を補償するための手段を設けると、所与の範囲では受けた温度に関係なくデバイスの焦点距離を一定に維持することができる。
【0127】
本発明による光学デバイスを、作動手段が仏国特許出願第2919073号明細書におけるような放射状梁のいくつかの圧電アクチュエータを含む光学デバイスと比較するためにシミュレーションが行われた。これらのシミュレーションは、液体の存在なしに構造体を偏らせることにより行われた。
【0128】
図10Aは、連続冠状部として作動手段5を備えた軸対称二次元パターンのメンブレンを示す。パリレン同質層で形成されたメンブレンは2ミリメートルの半径および1マイクロメートルの厚さを有する。連続冠状部は、500マイクロメートルの幅および1マイクロメートルの厚さを有する。それはPZTで製作される。連続冠状部は固定区域で支持体に固定される。
【0129】
図10Bは、マイクロメートル規模の梁50を備えた周期的三次元パターンのメンブレンである。パリレン同質層で形成されたメンブレンは2ミリメートルの半径および1マイクロメートルの厚さを有する。梁は、500マイクロメートルの長さ、100マイクロメートルの幅、および1マイクロメートルの厚さを有する。それはPZTで製作される。梁は固定区域で支持体に固定される。
【0130】
図10Cのグラフは、作動手段に印加されたバイアス電圧の関数として中央区域におけるメンブレンに偏位の変動を示す。Aで参照される曲線は連続冠状部に対応し、Bで参照される曲線は梁に対応する。2つの興味深いレジメンR1、R2を区別することができる。両方の曲線A、Bは交差しており、交点はIで示される。交点Iの左における約0.32Vよりも低いバイアス電圧に対応する第1の領域R1では、梁は最も良好な偏位を与える。連続冠状部は剛性効果を受け、それがエネルギー効率の損失を引き起こす。偏位間の差は最低バイアス電圧(0.1V)では実に25%の程度である。交差Iのポイントの右において0.32Vを超える電圧の第2の領域法R2では、連続冠状部は最も良好な結果を与える。それは、より良好なエネルギー効率をもたらす表面効果から利益を得る。偏位間の差は最も高いバイアス電圧(1V)では実に33%の程度である。
【0131】
本発明のいくつかの実施形態が詳細に説明されたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な改変および変更を行うことができ、特に、多くの他のプロセスを使用してはメンブレンおよび作動手段を製作することができることが理解されよう。
【符号の説明】
【0132】
1 支持体
1.1 プレート
1.5 フレーム
2 メンブレン
2.1 中央区域
2.2 中間区域
2.3 固定区域
2a 層
2b 主層
2c 強化層
3 空洞、皿部
3.1 皿部の底部
4 流体
4’ 第2の流体
5 作動手段
5.1 圧電アクチュエータ
5.10 ユニット圧電アクチュエータ
5.2 補助圧電アクチュエータ
6 空洞
20a、20b 電極
21 圧電材料のブロック
23 電源
50 梁
70 受動圧電アクチュエータ
80 対物レンズ
81 画像センサ
82 基板
83 レンズ、光学ブロック
83.1、83.2 レンズ
95 補償手段
95.1 熱バイモルフ要素
96 膨張接続部
100 基板
101 犠牲層
107 孔
200 第2のメンブレン
201 保護キャップ
202 開口
B 圧電バイモルフ
C、C’ 圧電材料の連続冠状部
Caux 補助不連続冠状部
Cint 内側冠状部
L、L’ 液体レンズ
z1 半径方向区域
z2 縦方向区域
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体を閉じ込め、中央部分のメンブレンの曲率半径を調整するように圧電タイプメンブレンを作動するための手段を備える変形可能メンブレンをもつ光学デバイスに関する。変形可能メンブレンをもつそのような光学デバイスは、可変焦点液体レンズ、能動光学系用の光学収差補正液体レンズ、または可変焦点ミラーとなることが可能である。
【背景技術】
【0002】
液体レンズは、例えば、カメラ機能をもつ携帯電話で使用することができる。多数の開発が進行中であり、それらの中に、特に、自動焦点機能およびズーム機能の開発が含まれる。これらの機能の導入に際して、できるだけ短い応答時間を得るように、さらに、作動時のエネルギー消費量を低減するように、および所与のエネルギー消費量で焦点の変化量を増加させるようにし、一方、そのような装置の複雑な製造を避けるように試みられている。より広範には、コスト、大きさ、およびエネルギー消費量を低減するためにそのような小型カメラのうちのできるだけ多くの構成要素を統合するように試みられている。可視範囲で動作するこれらの小型カメラはコンパクトカメラモジュール(CCM)として知られている。この用途で最も成功した液体レンズ技術は、さしあたり、エレクトロウェッティング原理に基づいた技術である。
【0003】
別の用途は赤外(IR)で動作するカメラに関する。統合に関する進歩は、ほとんどの場合、少なく、光学系はカメラから切り離されている。いくつかの開発が進行中であり、それらの中に、特に、光学系の統合(カメラモジュールの生成)、自動焦点機能の統合などの開発が含まれる。さしあたり、関連する技術的解決策は知られておらず、明確にされる必要がある。
【0004】
変形可能メンブレンミラーの用途では、同じことが反射性である。ミラーの焦点距離、したがってその曲率半径を調整したいことがある。そのようなミラーは眼科または能動光学系で使用することができる。最後に、これらの光学デバイスは、レンズタイプであるかミラーであるかにかかわらず、画像を安定化するのに使用することができる。
【0005】
仏国特許出願第2919073号明細書は、支持体上に固定するための周辺区域を有する柔軟なメンブレンであり、メンブレンと支持体とが所与の体積の流体を閉じ込める、メンブレンと、メンブレンの中央区域を変形するためにメンブレンの中央区域において流体を移動させるための圧電作動手段とを含む光学デバイスを説明している。体積は所与の温度範囲で実質的に一定である。作動手段は、支持体に一方の端部で取り付けられる複数の半径方向マイクロ梁によって形成され、その他方の端部は、中央区域と固定区域との間にある区域でメンブレンに作用する。この構成の1つの欠点は、作動手段が支持体に頼っているので大型となることである。別の欠点は、作動時の所与の大きさおよび所与のエネルギー消費量に対して、デバイスの光学性能が最適でないことである。同様に、所与の大きさおよび所与の光学性能に対して、エネルギー消費量が作動時に高い。
【0006】
他の特許出願は、圧電作動手段をもつ光学デバイスを説明している。米国特許第4802746号明細書は、圧電材料の円柱要素が弾性材料の壁によって2つの端部で閉じられ、その壁が強弾性材料を含む空洞を画定することを説明している。
【0007】
米国特許第4407567号明細書では、可変焦点レンズが膨張室と連通する空洞を含み、空洞が支持体に固定された可動壁によって境界を定められている。
【0008】
国際公開第2008/076399号では、イオン導電性高分子または代替として圧電材料の作動手段が、メンブレンに直接統合されることなしにメンブレンに固定され、デバイスの光軸に実質的に沿って作動力を伝える可変焦点レンズが説明されている。作動手段は、メンブレンの近くに固定された複数の半径方向フィンガを備えた連続冠状部の形態である。
【0009】
米国特許出願第2002/0048096号明細書は半径方向に配置された棒部としての圧電素子の作用により変形可能なレンズまたはミラーを示している。圧電要素が固定されるプレートの下に閉じ込められた流体は存在しない。
【0010】
国際公開第2008/100154号は、透明なカバーによって閉じ込められたゲルまたはエラストマタイプの材料を含む空洞を含む光学デバイスを示している。圧電タイプの作動手段は、ガラスで製作されているカバーのうちの1つと協同する。このカバーの剛性は作動効率への抑制として働き、空洞に含まれる材料は、それがゲルまたはエラストマタイプであるので、作動の作用下で、カバーの中央区域を変形させるような見込み通りのフィードバックを行わない。作動の作用下でゲルまたはエラストマを変形させるのはメンブレンの中央であり、このメンブレンは所与の変形を達成するのに高い剛性を必要とする。そのような光学デバイスは性能が悪い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】仏国特許出願第2919073号明細書
【特許文献2】米国特許第4802746号明細書
【特許文献3】米国特許第4407567号明細書
【特許文献4】国際公開第2008/076399号
【特許文献5】米国特許出願第2002/0048096号明細書
【特許文献6】国際公開第2008/100154号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明の1つの目的は、正確には、上述の欠点、すなわち、大きい、高いエネルギー消費量、および不十分な作動効率を有していないレンズまたはミラーなどの変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【0013】
本発明の別の目的は、メンブレンの変形が光学デバイスの光軸に対して対称であるかどうかにかかわらず、その変形が意図的にかつ非常に細かく調整することができる変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【0014】
本発明の別の目的は、光学収差を低減する変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【0015】
本発明の別の目的は、製造の際に生じる残留応力を、使用中に管理するのをより容易にする変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【0016】
本発明のさらなる別の目的は、室温が変化する場合でさえ不変の焦点距離を維持するように、温度に応じた能動補償を有する変形可能メンブレンをもつ光学デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
これを達成するために、本発明は、ある量の液体または気体の流体を閉じ込めるための支持体上の固定区域と、静止位置から可逆的に変形可能な中央区域とを含む変形可能メンブレンと、固定区域と中央区域との間の中間区域のメンブレンを偏らせて流体を移動させるための作動手段とをもつ光学デバイスを提供する。作動手段は、いくつかの圧電アクチュエータを収容する圧電材料の連続冠状部を含み、各アクチュエータは、1対の電極が連続冠状部を挟むことによって形成され、この連続冠状部が、中央区域に重なることなく中央区域のまわりに取り付けられ、作動手段が、少なくとも中間区域でメンブレンに固定され、作動手段と、それが固定されるメンブレンとが、少なくとも1つの圧電バイモルフを形成し、メンブレンの静止位置に対して中央区域を変形させることを目指して、メンブレンの中間区域から中央区域への、または逆への前記流体の移動をもたらすように作動手段が作動時に半径方向に収縮または拡大する。これは、中央区域の望ましい変形を達成するのに優れた柔軟性を与える。
【0018】
作動手段はいくつかの圧電アクチュエータを含むので、連続冠状部を挟むいくつかの対の電極を有し、1対のうちの少なくとも1つの電極は2つ以上の圧電アクチュエータに共通である。
【0019】
これにより、電気的出力の数を制限し、統合を容易にすることができ、それにより、コンパクトなデバイスがもたらされる。
【0020】
作動手段は、さらに、メンブレンの固定区域に、およびオプションとして直接支持体に固定することができる。作動手段が支持体に固定されているかどうかに応じて、メンブレンの変形は異なる。所望の形態に応じて、作動手段を支持体に固定することまたは固定しないことが有利であることがある。
【0021】
作動手段は、メンブレンの上にある、および/またはメンブレンの下にある、および/またはメンブレンに統合することができる。やはり、多数の可能性が提供される。
【0022】
メンブレンは、少なくとも中間区域における層のスタックと、その間に、より大きい剛性の強化層およびより小さい剛性の層とを含み、より大きい剛性の層は圧電バイモルフの一部である。したがって、中央区域で必要とされる柔軟性、および中間区域で必要とされる剛性を達成することができる。
【0023】
流体を漏出させないために、メンブレンは、中央区域、中間区域、および固定区域において延びる連続層を含むことが好ましい。
【0024】
さらに、メンブレンに固定された補助作動手段も設けることができ、それは1つまたは複数の圧電アクチュエータを収容する圧電材料の不連続冠状部を含み、不連続冠状は連続冠状部と同心で取り付けられ、補助作動手段と、それが固定されるメンブレンとは少なくとも1つの圧電バイモルフを形成する。したがって、中央区域でメンブレンの望ましい変形を達成することが容易である。
【0025】
温度に応じて光学デバイスの焦点距離の変動を補償するための手段を備えることも可能である。これにより、光学デバイスは、約−20℃と+60℃との間の温度範囲で特に調整することなしに動作することができる。
【0026】
補償手段は、連続冠状部の圧電アクチュエータと混同されることがある。
【0027】
補償手段は、中間区域に突き出ることによって固定区域でメンブレンに固定された、または前記流体を基準にしてメンブレンに向き合った支持体に取り付けられた連続冠状部として配置される1つまたは複数の熱バイモルフ要素を含むことができる。
【0028】
圧電アクチュエータは互いに別々に作動することができ、または同時にすべて一緒に作動することができ、またはさらに、グループ単位で同時に作動することができる。これは、中央区域でメンブレンの望ましい変形を達成するのに大きい柔軟性を与える。
【0029】
圧電冠状部に配置され、中間区域においておよびオプションとして固定区域においてメンブレンに固定され、正圧電効果により受動的に動作可能であり、メンブレンの変形をモニタリングするために専用に設けられる1つまたは複数の圧電アクチュエータをさらに備えることができる。
【0030】
光学デバイスは、支持体に取り付けられた保護キャップをさらに含むことができる。キャップは、中央区域で開口を備えることができ、または機密であり、別の流体を閉じ込める。
【0031】
メンブレンは、圧電材料のポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリテレフタレートエチレン、ポリカーボネート、パリレン、エポキシ樹脂、感光性ポリマー、シリコーンから選択された有機材料、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、多結晶シリコン、窒化チタン、ダイヤモンド状炭素、スズインジウム酸化物、アルミニウム、銅、ニッケルから選択された無機質材料で製作することができる。
【0032】
流体の各々は、炭酸プロピレン、水、屈折率液体、光学オイル、もしくはさらにイオン液体から選択された液体、または空気、窒素、およびヘリウムから選択された気体である。
【0033】
圧電材料は、PZT、窒化アルミニウムAlN、ポリフッ化ビニリデンもしくはそのトリフルオロエチレンとのコポリマー、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸鉛、およびチタン酸ビスマスなどのシレナイトで製作することができる。
【0034】
光学デバイスはレンズまたはミラーとすることができる。
【0035】
本発明は、さらに、このように特徴づけられた少なくとも1つの光学デバイスを含むカメラに関する。
【0036】
本発明は、添付図面を参照することによって、決して限定ではなく純粋に表示の目的のために与えられる例示の実施形態の説明を読む際に一層よく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1A】本発明を理解するのに有用な光学デバイスの断面図であり、図1Aの光学デバイスのメンブレンは、図1Cの光学デバイスのメンブレンよりも柔軟である。
【図1B】本発明を理解するのに有用な光学デバイスの上面図である。
【図1C】本発明を理解するのに有用な光学デバイスの断面図である。
【図1D】単一の圧電アクチュエータを伴う本発明を理解するのに有用な別の光学デバイスの上面図である。
【図2A】1対の電極を備える圧電要素の動作の理解を可能にする図である。
【図2B】1対の電極を備える圧電要素の動作の理解を可能にする図である。
【図3A】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3B】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3C】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3D】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3E】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3F】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図3G】本発明による光学デバイスの代替物の上面図である。
【図4A】異なるタイプのメンブレンに対するメンブレンの固定を断面で示す図である。
【図4B】異なるタイプのメンブレンに対するメンブレンの固定を断面で示す図である。
【図4C】異なるタイプのメンブレンに対するメンブレンの固定を断面で示す図である。
【図5A】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5B】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5C】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5D】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5E】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5F】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5G】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5H】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5I】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5J】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5K】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5L】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図5M】メンブレンと作動手段との間の構成を断面で示す図である。
【図6A】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図6B】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図6C】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図6D】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図6E】本発明による、光学デバイスのメンブレンが固定される支持体の構成を示す図である。
【図7A】温度の変動に起因する焦点距離の変動を補償するための手段を備えた本発明による光学デバイスを示す図である。
【図7B】温度の変動に起因する焦点距離の変動を補償するための手段を備えた本発明による光学デバイスを示す図である。
【図8A】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8B】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8C】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8D】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8E】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8F】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図8G】本発明による光学デバイスの製造ステップを示す図である。
【図9A】カメラに取り付けられた本発明による光学デバイスを示す図である。
【図9B】カメラに取り付けられた本発明による光学デバイスを示す図である。
【図10A】本発明による光学デバイスと、仏国特許出願第2919073号明細書に記載のものなどの光学デバイスとの間の効率を比較できるようにする図である。
【図10B】本発明による光学デバイスと、仏国特許出願第2919073号明細書に記載のものなどの光学デバイスとの間の効率を比較できるようにする図である。
【図10C】本発明による光学デバイスと、仏国特許出願第2919073号明細書に記載のものなどの光学デバイスとの間の効率を比較できるようにする図である。
【発明を実施するための形態】
【0038】
以下で説明される異なる図の同一、同様、または等価な部分は、ある図から別の図により容易に転じるように同じ参照番号を有する。
【0039】
図で表される様々な部分は、図をより分かりやすくするために、必ずしも均一な縮尺で描かれていない。
【0040】
図1A、1Bに、本発明を理解するのに有用な光学デバイスの第1の実施形態が示される。図1Cは、より大きい剛性のメンブレンをもつ光学デバイスの同じ実施形態を示す。この光学デバイスは光軸XX’と呼ばれる軸のまわりに構成される。それはメンブレン2を含み、その外縁は、この例では皿の形態である支持体1に堅く固定される。したがって、メンブレン2は2.3として参照される固定区域を含み、固定区域は支持体1に重ねられる。メンブレン2は、さらに、光学デバイスの光学場に対応する中央区域2.1を含む。それは点線として示される。皿部は、第1の流体4と呼ばれる液体または気体の流体を収容するように意図される。より一般的には、メンブレン2および支持体1は、流体4が閉じ込められる空洞3を形成することを目的とする。
【0041】
メンブレン2の面の一方は空洞3に含まれる流体4に接触している。メンブレン2の他の面は、周囲空気とすることができる第2の流体4’と接触している。第2の流体4’が閉じ込められる1つの代替を後で見ることになり、第2の流体4’は空気、または別の気体、または液体にさえすることができる。
【0042】
メンブレン2は、第1の流体4と、第1の流体4を基準にして障壁の反対側にある第2の流体4’との間の障壁として働く任意の柔軟な薄膜を意図する。
【0043】
光学デバイスがレンズである場合には、空洞3は、レンズを通って伝搬するための光ビーム(図示せず)にとって透明である底部3.1を有する。さらに、メンブレン2は少なくとも中央区域2.1で光ビームにとって透明である。光学デバイスがミラーである場合、メンブレン2は少なくともその中央区域2.1で反射性である。光ビームは可視ビームとすることができるが、可視範囲を超えて、例えば赤外に拡げることができる。
【0044】
メンブレン2は柔軟であり、空洞3に含まれる流体4の移動の作用下でメンブレン2の中央区域2.1にある流体4の厚さを変化させ、それにより、メンブレン2の中央区域2.1を湾曲させるように、図1Aに示された静止位置から可逆的に変形可能である。空洞3に含まれる流体4は、歪みがメンブレン2に加えられたとき中央区域2.1に移動するように十分に非圧縮性であり、この歪みは中央区域2.1と固定区域2.3との間にある中間区域2.2のメンブレン2に加えられる。流体4は所与の温度範囲で実質的に一定の体積を有する。空洞に含まる流体4は、作動手段5とメンブレン2の中央区域2.1との間の「伝達部」として働く。この流体4は液体または気体とすることができる。作動時に流体のフィードバックを使用して中央区域2.1のメンブレンの変形が得られる。
【0045】
図1A、1Bでは、メンブレン2および支持体1の輪郭は正方形で示されているが、中央区域2.1は円形で示されていることに留意されたい。当然、これらの形状は限定されない。メンブレン2および支持体1は円形、長方形、卵形、またはその他とすることができ、中央区域2.1は正方形、長方形、卵形、またはその他とすることができる。
【0046】
圧電作動手段5は空洞3からの流体4を移動させるために設けられる。圧電作動手段5は中間区域2.2のメンブレン2を偏らせる。作動手段5は、中央区域2.1のまわりに同心的に取り付けられた圧電材料の少なくとも1つの円形の連続冠状部Cに構成される。圧電材料のこの連続冠状部Cは圧電アクチュエータを収容する(図1Aから1Cでは明確には見えない)。メンブレン2が静止位置の図1Aにおけるように平坦である場合、各連続冠状部Cはメンブレン2の面である主面に延びる。他の構成では、メンブレン2の中央区域2.1は静止状態で膨れていることがあり、次に、中間区域2.2は実質的に平坦となることになる。
【0047】
図2A、2Bを参照すると、圧電作動部は、電力供給時に圧電材料に内部電界を印加するための2つの電極20aと20bとの間に全体的にまたは部分的に挟まれた圧電材料のブロック21を含むことに注意されたい。矢印は、製造プロセス中に生じる可能性のある圧電材料の内部バイアスを示す。電源は23で参照される。この電界を使用して、圧電材料のブロック21の機械的変形を制御する。圧電材料のブロック21は単層または多層とし、電極を超えて延びることができる。圧電材料のブロック21の両側にある電極20a、20bが図2A、2Bに見られる。このようにして、逆圧電効果が説明された。
【0048】
圧電材料の連続冠状部Cの電極は、いくつかの図、特に5Cにしか示されていないが、その理由は、その厚さが圧電材料およびさらにメンブレン2の厚さに対して無視できるからである。表示されているように、電極20a、20bは、圧電材料の連続冠状部Cの両方の向かい合った主面に配置され、主面は光学デバイスの光軸に実質的に垂直である。
【0049】
図2Aに、電極20a、20bへのバイアス電圧の印加の前後の圧電材料のブロック21の態様が示される。バイアス電圧を印加した後、ブロック21は、バイアス符号に応じて、電極の面内に延び、この面に対して横方向に収縮し、または逆となる。
【0050】
本発明では、圧電作動手段5は中間区域2.2でメンブレン2に直接固定されるが、固定区域2.3でメンブレン2に固定することもできる。当然、これは必須ではない。しかし、圧電作動手段5は中央区域2.1ではメンブレン2に固定されない。
【0051】
圧電作動手段5およびメンブレン2は、統合されると、少なくとも1つの圧電バイモルフBを形成し、この圧電バイモルフは異質性または同質性とすることができる。より正確には、各圧電アクチュエータと、それが統合されるメンブレンとが、圧電バイモルフを形成する。圧電バイモルフは、バイモルフが同質性の場合、圧電材料の層に、またはバイモルフが異質性の場合、非圧電材料の層に相接する、電極を備えた圧電材料の層を含むことに注意されたい。この場合、圧電材料または非圧電材料のこの層はメンブレン2の層である。
【0052】
圧電アクチュエータ5.1の電極20a、20bにバイアス電圧を印加する際、圧電アクチュエータ5.1を収容する圧電材料の連続冠状部Cは、電極20a、20bに印加されるバイアスに応じて半径方向に収縮または拡大し、この変形は、流体の移動と、その結果、中央区域2.1のメンブレン2の曲率の変化とをもたらす。主として、連続冠状部Cの外半径と内半径との間の差は、バイアス電圧を受けるとき電極20a、20bにおいて変化する。本発明の光学デバイス対象物で正効果を同様に利用することができることが後で分かるであろう。
【0053】
所望の変形を得るのに望ましい電極20a、20bの位置決めは圧電材料の横方向結合に対応する。しかし、当然、例えば、別の結合モード、例えば、縦または剪断モードを保持することができる。
【0054】
図1Aにおいて、細い実線は、メンブレン2が作動手段5によって変形されたときのメンブレン2のプロファイルを示す。この変形により、中央区域2.1にある流体4の厚さは厚くなり、中間区域2.2にある流体4の厚さは薄くなる。これらの観察は、静止位置でのメンブレン2の実質的に平坦なプロファイルと比較して行われた。この図1Aでは、メンブレン2は、それが変形されたとき、中央区域2.1で凸面の曲率を有し、中間区域2.2で凹面を有する。図1Cでは、細い実線は図1Aに示されたものよりも柔軟性の少ないメンブレン2のプロファイルを示す。それは、同じ作動電圧を受けた同じ作動手段5によって変形された。その変形は、中央区域2.1または中間区域2.2のいずれかにおいて、前の場合よりも極めて少ない最大振幅を有する。
【0055】
図1Aから1Cにおいて、作動手段5は単一の圧電アクチュエータのみを含むことが示されている。これは、連続冠状部Cによって支持された単一の対の圧電電極20a、20bのみが設けられていることを意味する。対の電極は圧電材料の連続冠状部Cの両側に配置され、一方の20aは連続冠状部Cの上にあり、他方は下にあり、見えない。
【0056】
対の両方の電極20a、20bは、圧電材料の形態と実質的に同様の円形連続冠状部の形態を有する。実際には、図1Bでは、上にある電極20aのみを見ることができ、圧電材料の連続冠状部および上にある電極は隠されている。電極の少なくとも1つが、王冠の一部の形状である、言い換えれば、図1Dにおけるようなスリット付き王冠形状であることが可能であることになる。それは電極20aである。したがって、単一の圧電アクチュエータの電極の一方は、それが配置されている圧電材料の全面を必ずしも覆わない。そのような構成は非対称作動をより容易にする。図1Bの構成は、当然、より大きい効率を与える。
【0057】
次に、本発明による光学デバイスが図3Aから3Eを参照して説明される。本発明の光学デバイス対象物は、作動手段がいくつかの圧電アクチュエータを集めている圧電材料の少なくとも1つの連続冠状部を含み、各アクチュエータが連続冠状部を挟む1対の電極を含むことを除いて、図1に示されたものと同等である。
【0058】
図3A、3Bの構成では、圧電材料の単一の連続冠状部Cのみがある。図3Aでは、4つの圧電アクチュエータ5.1がある。連続冠状部Cの上にある冠状部セクタの4つの電極20aが区別されている。この例では、4つの電極20aは実質的に同一であり、圧電材料の連続冠状部Cに実質的に規則的に設けられる。一般的な場合、連続冠状部Cの下にある冠状部セクタに、4つの上にある電極に向かい合う4つの電極が同様にあることになる。このために、この場合に対応する下にある電極が示されていない。
【0059】
図3Bでは、8つの電極20bが、上にある冠状部セクタに示されている。これらの両方の図3A、3Bでは、2つの連続冠状部セクタ間の半径方向区域z1により、圧電バイモルフの圧電材料が見える。両方の図は、本発明の同じ光学デバイス対象物の作動手段の両対面を示すことができる。したがって、8つの圧電アクチュエータが設けられる。
【0060】
図3Cでは、圧電材料の2つの連続冠状部C、C’を含み、それの少なくとも一方がいくつかの圧電アクチュエータ5.1を収容する圧電作動手段が示される。2つの連続冠状部C、C’は同心であり、連続冠状部C’は内側にあり、連続冠状部Cは外側にある。連続冠状部Cはメンブレン2の固定区域2.3に重なるが、連続冠状部C’は重ならないことが仮定される。メンブレン2は円形である。複数の圧電アクチュエータ5.1が内側連続冠状部C’に示され、単一のものが外側連続冠状部Cに示されている。図3Cでは、内側連続冠状部C’にある圧電アクチュエータ5.1の上にある電極20aは半径方向に細長いパッドである。下にある電極は見ることができない。
【0061】
図1A、3A、3Bの場合には、冠状部セクタの電極は、電極を支持する圧電材料の連続冠状部Cと実質的に同じである内半径および外半径を有する。冠状部セクタの電極20aまたは20bは、圧電材料の連続冠状部Cの内半径または外半径と異なる少なくとも内半径または外半径を有することができる。図3Dを参照されたい。
【0062】
これは、少なくとも1つの縦方向区域z2により、連続冠状部Cの圧電材料が現れることを意味する。
【0063】
圧電材料の連続冠状部の面上に電極を配置するのに多数の代替があることが理解されよう。
【0064】
圧電アクチュエータの対の両方の電極20a、20bが同様である必要はない。特に、いくつかの圧電アクチュエータは図3A、3Bで既に示したように同じ電極を共有することができる。この共通電極は、例えば、すべての圧電アクチュエータによって、またはそれらのいくつかによって使用されうる。
【0065】
例えば、2つの隣接圧電アクチュエータが同じ電極を共有することを考えることができる。これが、図3Aおよび3Bで示したかったことである。2つの圧電アクチュエータは同じ電極20aを共有するが、それら自体の電極20bを有する。
【0066】
各対の電極20a、20bは他のものとは独立に電力供給されうるが、これは、すべての対の電極が異なる電圧を受けることができることを意味する。したがって、中央領域2.1におけるメンブレン2の変形は反対称、非軸対称とすることができ、非常に多数の変形の可能性がある。しかし、圧電材料の冠状部Cが連続的であることにより、メンブレンに固定された区域がかなり大きくなり、それは、図10Cに示されるように屈曲の剛性に関する欠点なしに作動効率を確実に高める。
【0067】
カメラタイプ装置で使用されるレンズの圧電材料の連続冠状部Cの面の少なくとも一方に不連続電極20a、20bを使用することにより、「移動補正」の主題は、軸対称、反軸対称、または他のレンズジオプター変形を行うことによって簡単に対処することができる。
【0068】
いくつかの圧電アクチュエータ5.1がある場合、メンブレン2の変形をモニタするのに正圧電効果を使用することが可能である。圧電アクチュエータのうちの非作動のものの両端に現れる電圧を取得することができ、一方、同じ連続冠状部の他の圧電アクチュエータが作動される。正圧電効果により受動的に動作することができ、図3Eに示されるようにこのモニタリングのために特に専用に設けられた冠状部として配置される1つまたは複数の圧電アクチュエータを備えることも可能である。圧電材料の内側冠状部Cintは、正効果によりメンブレン2の局所的変形を検出する少なくとも1つの受動圧電アクチュエータ70を収容する。内側冠状部Cintは連続または分割とすることができ、1つまたは複数の圧電アクチュエータを収容する分割片の各々は正効果により動作することができる。内側冠状部Cintは中間区域2.2でメンブレン2に固定され、中央領域2.1に重ならず、固定区域2.3にも重ならない。これは、モニタリングのために専用に設けられるアクチュエータをメンブレンの固定区域に固定することができるので単なる一例である、図3Eの例では、内側冠状部Cintは2つの分割片であり、各々は受動圧電アクチュエータ70を収容する。同じ圧電アクチュエータがメンブレンを断続的に変形するように意図され、メンブレンの変形を断続的にモニタするように意図されることは当然可能である。したがって、圧電アクチュエータはあるときは受動的であり、他のときは能動的であることが可能である。
【0069】
さらなる別の代替は、メンブレンの変形をモニタするために圧電アクチュエータの代わりに別のタイプの応力ゲージを使用することであろう。
【0070】
作動手段5は、圧電材料の連続冠状部Cに配置されたいくつかのユニット圧電アクチュエータ5.1によって形成される。連続冠状部Cは内側冠状部Cintのまわりに配置される。圧電アクチュエータ5.1は逆効果により作動することができる。
【0071】
光学デバイスは補助作動手段5’を含み、圧電材料の少なくとも1つの補助不連続冠状部Cauxが、逆効果により動作するいくつかの補助圧電アクチュエータ5.2を収容することも可能である。補助冠状部Cauxは連続冠状部Cと同心で取り付けられる。それは図3Fにおけるように外側に配置するか、または内側に配置することができる。図を不必要に追加しないために、内側補助冠状部による代替は示されていない。しかし、アクチュエータ70が逆効果により動作している場合、そのような構成が有するはずである態様を理解するために図3Eを参照することができる。この補助冠状部Cauxは中間区域2.2でメンブレン2に固定され、固定区域2.3に重なることができるが、中央区域2.1に重ならない。補助作動手段5’は、さらに、メンブレン2とともに少なくとも1つの圧電バイモルフを形成する。
【0072】
図3Gを参照して、作動手段5はいくつかの圧電アクチュエータを収容する連続冠状部Cを含むこと、およびこの連続冠状部Cは外縁の一方に半径方向に向いた棒部を備え、棒部はユニット圧電アクチュエータ5.10を収容することを意図することができる。これにより、棒部は冠状部C内側にまたは外側に向けることができる。
【0073】
図4Aから4Cを参照して、次に、メンブレン2のいくつかの特徴が与えられる。このメンブレン2は、縁部から中心に進むとき、固定区域2.3、中間区域2.2、および中央区域2.1と呼ばれる、既に説明したような少なくとも3つの区域を含む。中間区域2.2は、作動手段5によって、およびことによると補助作動手段によって直接偏らされる区域である。光学場のために専用に設けられた中央区域2.1は流体4の移動によって変形される。この変形は可逆的であるので、この中央区域2.1の材料は弾性変形領域で機能することになる。その透明の性質、または反対にその反射の性質は、光学デバイスがレンズまたはミラーであるかどうかに応じて選択される。メンブレン2は単一層化し、中央区域2.1から固定区域2.3まで同質とすることができる(図4A)。代替として、メンブレンは図4Bにおけるように多層とすることができ、両方の層は2a、2bで参照される。メンブレンは、中央区域2.1、中間区域2.2、および固定区域2.3の一部で2つの重畳された層2a、2bを有する。この固定区域2.3では、スタックの上にある層2aは、下にある層2bを超えて支持体1上に直接延ばされる。
【0074】
メンブレン2の固定区域2.3は、さらには、支持体1への接着性を有するべきである。図4Bの上にある層2aは、下にある層2bよりも支持体1への接着性が良好であるように選択することができる。
【0075】
メンブレン2の中間区域2.2は、作動手段5によって誘起される変形を増強することができる性質を有することができ、それは、中間区域2.2が、好ましくは、中央区域2.1よりも高い剛性により選択されることになることを意味する。中間区域2.2においてメンブレン2と作動手段5との間に相互作用があるが、それは、圧電バイモルフが配置されるのがこの区域であるからである。
【0076】
中央区域2.1におけるメンブレン2の偏位方向は、圧電材料と、圧電材料の連続冠状部が固定されるメンブレン2の材料との間の機械的性質の差によって決まる。バイアス方向、および圧電材料の連続冠状部の位置も重要である。
【0077】
したがって、メンブレン2は、中央区域2.1にあり、メンブレン2の表面全体を連続的に延びる少なくとも1つのいわゆる主層2bと、メンブレン2の一部、すなわち、メンブレン2の少なくとも中間区域2.2のみを延びる少なくとも1つの強化層2cとによる異質性とすることができる。この場合を示す図4Cでは、主層2bはメンブレン2の表面全体を延び、強化層2cは、この例では、固定区域2.3および中間区域2.2を延びる。強化層2cは図4Bと同じように支持体1に直接重なる。図4Aから4Cでは、作動手段5は省略されている。
【0078】
次に、作動手段5が中間区域2.2に固定されることに加えて固定区域2.3に固定されると仮定して、メンブレン2と作動手段5との間の構成が概説される。図5Aから5Cを参照されたい。これらの図では、メンブレン2は単層化されたように示されているが、これは限定ではない。圧電バイモルフBの形成を促進するのはメンブレン2のこの層である。図5Aにおいて、作動手段5はメンブレン2の上にあり、中間区域2.2および固定区域2.3上を延び、支持体1へ直接延びる。作動手段5は、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4と接触しない。図5Bでは、作動手段5はメンブレン2の下にあり、同じように、中間区域2.2および固定区域2.3へ延びるが、支持体1に重ならない。当然、作動手段5は支持体1に重なることも可能である。作動手段5は、支持体1とメンブレン2との間に閉じ込められた流体4に接触している。両方の図では、作動手段5と支持体1との間の固定は直接的である。
【0079】
図5Cでは、作動手段はメンブレン2の上にあり、中間区域2.2および固定区域2.3へ、ことによると部分的に延びるが、支持体1に直接には重ならない。作動手段5は、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4と接触していない。後者の場合、作動手段5と支持体1との間の固定は間接的である。この図では、作動手段の電極20a、20bが示されている。
【0080】
次に、図5D、5Eを参照すると、作動手段5が支持体1に固定されていない2つの場合が示される。したがって、作動手段5はメンブレン2の固定区域2.3に重ならない。再度、メンブレン2は単層化されているが、多層とすることができる。図5Dでは、作動手段5はメンブレン2の上にある。作動手段5は、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触しない。図5Eでは、作動手段5はメンブレン2の上にあり、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触している。
【0081】
次に、図5F及び5Iにおいて、メンブレンが、中央区域2.1から固定区域2.3まで連続的に延びる主層2bと、中間区域2.2において、図5F、5Iにおけるように主層2bの上にあることが可能な、または図5G、5Hにおけるように下にあることが可能な強化層2cとを含む例が示される。図5Fでは、作動手段5は主層2bと強化層2cとの間に挿入される。作動手段5および強化層2cはメンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触しない。強化層2cは主層2bよりも大きい剛性であり、圧電バイモルフBの形成を促進することになる。主層2bは、必要とされる機械的現象に関して受動的になる。主層2bは、所与の変形を達成するための作動時のエネルギーの過剰消費を避けるようにできるだけ柔軟に構成される。同じエネルギー消費およびメンブレン2の異なる柔軟性に対する異なる変形が図1Aおよび1Cに示されている。
【0082】
図5Gでは、強化層2cが作動手段5と主層2bとの間に挿入される。作動手段5および強化層2cは、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触している。
【0083】
図5Hでは、作動手段5は強化層2cとメンブレン2の主層2bとの間に挿入される。作動手段5および強化層2cは、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触している。
【0084】
図5Iでは、強化層2cは作動手段5と主層2bとの間に挿入される。作動手段5および強化層2cは、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に接触していない。
【0085】
図5Fおよび5Iでは、作動手段5は支持体1に間接的に固定される。
【0086】
図5Jでは、作動手段5はメンブレン2の主層2bの上にあり、支持体1に固定され、メンブレン2の固定区域2.3を延びる。次に、強化層2cは作動手段5の上にあり、中間区域2.2のみを延び、固定区域2.3に重ならない。
【0087】
図5Kでは、メンブレン2の主層2bは、中間区域2.2および固定区域2.3よりも中央区域2.1で厚い。作動手段5は主層2bの上にあり、中間区域2.2の一部、中央区域2.1から最も遠い部分、および固定区域2.3にのみ延びる。作動手段5ならびに中間区域2.2および固定区域2.3の主層2bの厚さは、中央区域2.1内の主層2bの厚さと実質的に等しい。強化層2cは作動手段5の上にあり、中間区域2.2全体に延び、作動手段5を超えて延びる。
【0088】
しかし、反射または透過の光学的性質が光学デバイスの用途、すなわち、レンズまたはミラーに対応している場合、強化層2cは図5Kにおけるように中央区域2.1で延びることが可能である。この場合、当然、強化層2cにおけるメンブレンの変形は、メンブレンの計画された変形に対応しなければならない。
【0089】
図5Mでは、強化層2cがあり、中央区域2.1にある主層2bは上述のように固定区域2.3までは連続していない。それは中間区域2.2で延びるが、固定区域2.3の前で終わる。次に、強化層2cがそれを引き継ぐ。再度、中央区域2.1で延びるこの層2bは、中間区域2.2よりも中央区域2.1において厚い。強化層2cと、中央区域2.1にある主層2bとの間の組立ては、作動手段5が作動される場合でさえ支持体1およびメンブレン2が閉込めを推進する流体4が空洞から漏出しないように十分に密接していなければならない。この図において、作動は図3Cに示したものと比較することができ、Cで参照される冠状部の一方はメンブレン2上にあり、C’で参照される他方は下にある。
【0090】
図5Lは、本発明による光学デバイスのさらに別の例であり、作動手段5は、支持体1とメンブレン2との間に閉じ込められた流体4に接触し、単層化されているメンブレン2の上にある。
【0091】
作動手段5を備えるメンブレン2は、図5Lに示されるように、支持体1に封着される保護キャップ201で覆われることが可能である。このキャップ201は空洞6の境界を定める。取付けは、例えば、分子接合によって、有機接合によって、陽極接合によって、例えば、キャップ201と封着されるべき支持体1との間に挟まれる例えばAu/SiまたはAu/Snの合金層の共晶接合によって行うことができる。これらの接合技法はマイクロエレクトロニクスおよびマイクロシステム分野で一般に使用されている。
【0092】
キャップ201は第2の流体4’が閉じ込められる空洞6の境界を定め、メンブレン2の上面、すなわち、第1の流体4と接触しない面は第2の流体4’に接触している。少なくともその中央部のキャップ201と、第2の流体4’とは、光学デバイスの性質に応じてメンブレン2で反射されるか、またはそれを通過することになる入射光放射にとって透明であるべきである。
【0093】
キャップ201は、可視の波長を透過させる場合、ガラス、またはポリテレフタレートエチレンPET、ポリナフタレートエチレン、ポリメチルメタクリレートPMMA、ポリカーボネートPCなどの有機材料で製作することができる。変形可能メンブレン2をもつそのような光学デバイスは壊れやすい物体であり、その取扱いが微妙であるので、キャップ201がメンブレン2の保護を行う。
【0094】
支持体1は、本明細書の最初から示してきたように単一体とすることができる。図6Aに示した1つの代替では、それはプレート1.1と統合されたフレーム1.5によって形成され、皿部3を形成することができる。プレート1.1は皿部3の底部を構成し、プレート1.1はそれを通り抜けることになる光放射にとって透明であり、またはミラーの場合には反射性とすることができる。上述で説明したものと比べてメンブレン2、作動手段、流体4に変更はない。
【0095】
透明プレート1.1は、図6Aにおけるように、実質的に一定の厚さであり、平坦で実質的に平行の面のものとすることができる。少なくとも1つの面は図6B、6C、6Dにおけるように構造化することができ、外側面は凸面または凹面である。光学デバイスにとって望ましい光学性能に応じて選択が行われる。それは、レンズを通過することになる光放射を通過させる。フレーム1.5は、作動手段5の命令の処理に関連する回路と統合することができるシリコンなどの半導体材料のものとすることができる。回路は、図に描きこみすぎないように示されていない。透明プレート1.1はガラスまたはプラスチックとすることができる。
【0096】
図6B、6Cでは、透明プレート1.1は凸面構造のものであり、図6Dでは、凹面構造のものである。透明プレート1.1の構造化は、例えば、機械加工または成型により達成することができる。
【0097】
図6Eでは、支持体1はフレーム1.5によって示され、透明プレート1.1は第2のメンブレン200と取り替えられている。第2のメンブレン200は、第1のメンブレン2と実質的に同じ区域を有する層を含む。両方のメンブレン2、200はフレーム1.5に固定され、各々フレーム1.5の主面の一方に固定される。それらは液体4の容器を生成するのに役立つ。これにより、メンブレン2の光学性能は向上することができる。作動手段5は、メンブレン2のうちのただ1つに設けられる。他方のメンブレン20は作動されないが、作動手段5が作動されると、やはり変形される。
【0098】
代替として、他のメンブレン200を作動させるために第2の作動手段を設けることができる。
【0099】
光学デバイスはマイクロエレクトロニクスで知られている技法によって製作することができる。化学蒸着タイプ、物理的電着蒸着タイプ、エピタキシー、熱酸化、蒸着、薄膜圧延の薄層堆積技法などの様々な技法を使用することができる。有機またはゾルゲルタイプ材料をスピンコーティングにより堆積することができる。成型、エンボシング、熱エンボシング、ナノインプリンティング技法を使用して、図6Bから6Dに示されたような基板の底面を構造化することができる。接合技法は、さらに、メンブレン2を支持体1に、または底部3をフレーム1.5に、またはキャップ201を支持体1に接合するのに使用することができ、これらの技法は、例えば、直接接合、共晶接合、陽極接合、および有機接合とすることができる。底部をフレームに接合した後に、薄化ステップ、例えば、ラッピング、化学的薄化、または両方のタイプの組合せを行うことができる。光学デバイスはバッチ式に製造することができ、異なるデバイスのすべてのキャップ201をまとめて製作することができる。
【0100】
メンブレン2は、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリテレフタレートエチレン、ポリカーボネート、パリレン、エポキシ樹脂、感光性ポリマー、Shin−EtsuからのSiNR、またはDow CorningからのWL5150として知られているものなどのシリコーンなどの有機材料、あるいはシリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、多結晶シリコン、窒化チタン、ダイヤモンド状炭素、スズインジウム酸化物、アルミニウム、銅、およびニッケルなどの無機質材料に基づいて製作することができる。天然ゴムまたは合成ゴムは、高い弾性変形を可能にするので、少なくとも中央区域にある層に同様に使用することができる。強化層は、連続冠状部について述べたものから選択された圧電材料で製作することができる。そのとき、圧電バイモルフは同質となることになる。メンブレンは1ミクロンから1ミリメートルにわたる厚さを有する。選択される厚さは、使用される材料および使用される堆積プロセスによって決まる。強化層は約10ナノメートルと数マイクロメートルとの間の厚さを有することになる。
【0101】
流体4、4’の各々は、炭酸プロピレン、水、屈折率液体、光学オイル、もしくはさらにイオン液体のような液体、またはメンブレン2の反対側に存在する流体4に対して屈折ステップインデックスを達成することができる任意の液体とすることができる。気体として、例えば、空気、窒素、およびヘリウムを挙げることができる。
【0102】
作動手段5の圧電材料は、化学式Pb(Zrx,Ti1−x)O3をもつジルコン酸チタン酸鉛であるPZT、窒化アルミニウムAlN、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびそのトリフルオロエチレンコポリマー(TrFE)、酸化亜鉛ZnO、チタン酸バリウムBaTiO3、ニオブ酸鉛PNbO3、チタン酸ビスマスBi4Ti3O12、または2/3に等しい金属/酸素比をもつ酸化物である他のシレナイトから選択することができる。できるだけ高い機械結合係数をもつ圧電材料を有するように試みられる。圧電材料の冠状部の厚さは数百ナノメートルから数マイクロメートルにわたる。この厚さは、印加されるべきバイアス電圧範囲、圧電材料に関連した絶縁破壊電界、および所望の光学性能に適合されるべきである。
【0103】
作動手段の電極は、白金とするか、または酸化物に堆積させることが可能で、チタンが白金と酸化物との間の接着剤として働く場合は白金−チタン二層とすることができる。金またはクロム−金層を使用することもでき、クロムは金の拡散への障壁として働く。別の好適な材料はルテニウムである。このリストは網羅的でない。電極の固有厚は数十ナノメートルから約1ミクロンにわたる。
【0104】
PZTなどの圧電材料の層の堆積は800℃程度の高温でのアニーリングを必要とする。かなり多くの場合、メンブレンの材料はこれらの温度に耐えない。したがって、圧電材料の作動手段が最初に製作され、次に、メンブレンに組み付けられなければならない。本発明による光学デバイスの製造の間、スタックを製作するとき、いくつかの制約を考慮に入れなければならない。
【0105】
発明者らは、本発明の対象の光学デバイスを構成する異なる材料が同じ熱膨脹係数を有していないので、光学デバイスの焦点距離が意図せずに変化させられることがあることが分かった。
【0106】
したがって、温度の変動に起因する焦点距離の変動を補償するための手段を備えることが可能である。図7A、7Bを参照することができる。
【0107】
この補償手段95は、図7Aにおけるように中間区域2.2に突き出すことによって固定区域2.3でメンブレン2に固定された連続冠状部として配置された1つまたは複数の熱バイモルフ要素95.1によって形成され、または図7Bにおけるように皿部3の底部3.1にある1つまたは複数の熱バイモルフ要素95.1によって形成される。これらの熱バイモルフ要素95.1はこの補償のために専用に設けられる。特に、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4の体積増加を、したがってメンブレン2の好ましくない変形を引き起こす温度上昇の影響下で、熱バイモルフ要素95.1は、その厚さを増加させることによって皿部3の体積を増加させるように変形する。異なる熱膨脹係数を有する材料で製作された2つの重畳された層によって形成された熱バイモルフ要素95.1は当業者に問題を提起しない。
【0108】
図7Bの構成において、支持体1は図6Bのものと同様である。熱バイモルフ要素95.1は流体4の側でフレーム1.5に配置され、透明プレート1.1まで突き出る。透明プレート1.1は中央部で凹面であり、外縁に細い溝を含む。膨張接続部96がプレート1.1とフレーム1.5との間に挿入されて、光軸に沿って柔軟性が与えられ、皿部3の体積は増加できるようになる。皿部3の体積増加は、固定区域2.3および/または支持体1の端部でのメンブレン2の変形から生じることになる。これの目的は、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4の膨張が中央区域2.1におけるメンブレン2の偏位に、したがって光学デバイスの焦点距離に影響しないことである。
【0109】
温度の変動の影響下で焦点距離の変動を補償するための手段95は、天候条件に関係なくメンブレンが実質的に一定の残留応力を受けるのにも役立つことができる。したがって、光学デバイスの性能を劣化させることになる過度の圧縮応力または反対に過度の引張りの場合に、メンブレン2のバックリング(buckling)またはクランピング(crumping)が避けられる。
【0110】
メンブレン2の材料の選択は、製造プロセスの要求事項を満たすように、または液体レンズもしくはミラーがいくつかの性能を達成するように行われる。
【0111】
中央区域2.1が柔軟である光学デバイスは所与のエネルギー消費に対してより一層効率的である。シリコーン有機材料は特に好適である。次に、中央区域2.1から固定区域2.3まで延びる有機層上に、例えば、酸化ケイ素および/または窒化ケイ素などの無機質材料の強化層2cを設けることによってメンブレン2を中間区域2.2において堅くすることが好ましい。中央区域2.1が酸化ケイ素または窒化物酸化物であるメンブレン2は同様に好適であることになる。
【0112】
さらに、作動手段5は、メンブレン2に固定された後メンブレン2の予定された挙動を乱さないように配置される。静止状態のメンブレン2の変形は、光学デバイスの望ましい使用目的に適合するべきである。メンブレン2は、静止状態で、実質的に平坦、凹面、または凸面のジオプターを形成することができる。
【0113】
さらに、静止状態で、メンブレン2がクランピングもバックリングも生成しないように十分低い残留圧縮応力下にあるように図られる。同じように、静止状態で、メンブレン2は作動手段5の作動に効率的に反応するように十分低い引張り応力を受けなければならないが、それは、メンブレン2が過度に張力をかけられている場合そうでないことになる。したがって、引張り応力と圧縮応力との間で妥協を見つけなければならない。
【0114】
強化層2cは、作動手段5によって印加された圧力を、メンブレン2と支持体1との間に閉じ込められた流体4に伝え、それにより、流体4の望ましい移動をもたらすように十分に剛性でなければならない。強化層に使用できるいくつかの材料が以下に列記される。それはチタン、窒化チタン、アルミニウムなどの金属材料とすることができ、その厚さは約10ナノメートルから数マイクロメートルの程度とすることになり、そのヤング率は数十GPaから数百GPaの間にある。それは酸化ケイ素、窒化ケイ素などの材料とすることができ、その厚さは約10ナノメートルから数マイクロメートルの程度とすることになり、そのヤング率は数十GPaから数百GPaの間にある。最後に、それは、感光性ポリマー、特に、ベンゾシクロブテン(BCB)などの有機材料とすることができ、その厚さは数マイクロメートルの程度とすることになり、そのヤング率は数GPaである。
【0115】
次に、本発明による可変焦点をもつ光学デバイスの1つの例示的な製造プロセスが説明される。犠牲層が使用されることになる。図8Aから8Gを参照されたい。
【0116】
開始点は、皿部3がエッチングされている基板100である。基板100は、例えば、ガラスで製作することができる(図8A)。それは支持体1を形成する。犠牲材料101が皿部3に堆積される(図8B)。犠牲材料101は、有機体、例えば、感光性樹脂、または酸化ケイ素などの無機質材料とすることができる。
【0117】
メンブレン2が犠牲材料101上に形成され、その結果、メンブレン2は皿部3の縁部に突き出し、それに固着する(図8C)。メンブレン2用に上記で列記した材料から選択された材料を堆積することができる。堆積はスピンコーティングまたは化学蒸着によって行うことができる。
【0118】
次に、作動手段5が、支持体1に接触して、または接触せずに中間区域2.2に形成される。最終的にいくつかの対の電極が必要とされることを念頭に置いて、まず、後で生じることになる圧電材料の下にある1つまたは複数の電極が製作され、次に、圧電材料の円形連続冠状部が堆積され、その後に上にある電極が続く。図に描きこみすぎないように冠状部も電極も参照されない。使用される技法は、薄層堆積、リソグラフィ、およびエッチングなどのマイクロシステムで使用される従来の技法である(図8D)。次に、メンブレン2は犠牲材料を除去することによって解放される。このために、少なくとも1つの孔107を、犠牲材料101に到達するように光学場(中央区域2.1)の外側で基板100に孔あけすることができる。孔107は貫通孔であり、皿部3に通じる(図8E)。除去は化学的もしくは熱的とする、または酸素プラズマによることができる。次に、皿部3は流体4で充満される(図8F)。充満は、流体4の浸透を促進し、流体が液体である場合泡立ちしないようにするために皿部3を減圧することによって行うことができる。最後に、孔107は、流体4が漏出しないように栓をされる(図8F)。有機材料を使用することができる。ステップの順序は限定ではない。
【0119】
作動手段5は、メンブレン2を解放した後に、例えば、充満する前または後に形成することもできる。作動手段5が、最終的に、支持体1とメンブレン2との間に閉じ込められる流体4の側に配置されなければならない場合、作動手段5はメンブレン2を形成する前に犠牲層101上に形成することもできる。そのような構成では、メンブレン2は作動手段5の上にある。
【0120】
メンブレン2が、静止状態で、膨れ、凹面、または凸面であることが望ましい場合、犠牲層101がメンブレン2への型として使用されるので、好適な曲率が犠牲層101の自由面に付与される。膨れたメンブレン2を得るための別の解決策は、メンブレン2の解放の後にそれをバックリングすることであろう。バックリングは熱的とすることができる。したがって、決定されるパラメータは、メンブレン2と基板との間の熱膨脹係数差、およびメンブレン2の堆積温度である。
【0121】
メンブレン2を保護するために、本発明の光学デバイスは、図5Lで説明したように、支持体1およびキャップ201を組み立てることによって製作することができる。図8Gではキャップ201が固体であることは必須ではなく、それはその中央部が窪んでおり、開口は参照番号202を有する。接着接続部Jを使用して支持体1およびキャップ201を組み立てる。
【0122】
可変焦点距離をもつそのような光学デバイスは、携帯電話のカメラなどのカメラデバイスに使用することができる。図9Aを参照されたい。そのようなカメラデバイスは、液体レンズタイプの本発明による可変焦点距離をもつ少なくとも1つの光学デバイスLを含む対物レンズ80と、基板82に載せられた例えばCCDまたはCMOSタイプの画像センサ81とを縦続して含む。上述の例では、対物レンズ80は、固定焦点距離をもつ少なくとも1つのレンズ83と、本発明による液体レンズLとを含む。以下では、固定焦点距離をもつこのレンズ83は従来の光学ブロックと呼ばれることになる。液体レンズLは、画像センサ81側に従来の光学ブロック83に隣接して置かれる。代替として、従来の光学ブロック83は、液体レンズLと画像センサ81との間にあることができる。従来の光学ブロック83は静的である。以前に見たように、製造プロセスに関しては、液体レンズLはMOEMS(微小光電子機械システム)を採り入れることができる。可変焦点をもつ液体レンズLはある距離に配置され、その距離は対物レンズ80の特性および画像センサ81によって決まるが、この距離が小さい場合、液体レンズLおよび画像センサ81は、それらがAIC(集積回路上(above integrated circuit))技術、またはWLCSP(ウェハレベルチップスケールパッケージ)技術で統合される場合、単に1つの構成要素とすることができる。液体レンズLの焦点距離は、静止状態の液体の圧力、さらに静止状態のメンブレン2の曲率、および液体の反射率を最適化することによって適合される。
【0123】
カメラデバイスが図15Bにおけるようなズーム機能をさらに含む場合、光学ブロック83は、固定焦点距離をもつ少なくとも2つのレンズ83.1、83.2と、2つの液体レンズLおよびL’とにより使用されることになり、図9Bにおけるように、2つの液体レンズLおよびL’の一方は光学ブロック83の両方のレンズ83.1と83.2との間に置かれ、他方は画像センサ81側の光学ブロック83に隣接して置かれる。これらの図9A、9Bでは、LおよびL’で参照される本発明による光学デバイスは極めて概略的に示されており、それらの作動手段5は見ることができない。
【0124】
所与の大きさを有する本発明による光学デバイスでは、作動手段5の区域は、1つまたは複数の圧電アクチュエータを収容する圧電材料の単一の連続冠状部を使用することによって最大にすることができる。作動手段によって供給されるエネルギーを最大にすることができ、それにより、流体の移動を改善し、したがって、一定の供給電圧による光学デバイスの性能を改善し、または同等な光学性能において供給電圧を最小にすることができる。
【0125】
作動手段を中間区域でメンブレンに固定することによって、デバイスの大きさは、作動手段が支持体に固定されている構成と比較して低減することができる。
【0126】
温度の変動に起因する焦点距離の変動を補償するための手段を設けると、所与の範囲では受けた温度に関係なくデバイスの焦点距離を一定に維持することができる。
【0127】
本発明による光学デバイスを、作動手段が仏国特許出願第2919073号明細書におけるような放射状梁のいくつかの圧電アクチュエータを含む光学デバイスと比較するためにシミュレーションが行われた。これらのシミュレーションは、液体の存在なしに構造体を偏らせることにより行われた。
【0128】
図10Aは、連続冠状部として作動手段5を備えた軸対称二次元パターンのメンブレンを示す。パリレン同質層で形成されたメンブレンは2ミリメートルの半径および1マイクロメートルの厚さを有する。連続冠状部は、500マイクロメートルの幅および1マイクロメートルの厚さを有する。それはPZTで製作される。連続冠状部は固定区域で支持体に固定される。
【0129】
図10Bは、マイクロメートル規模の梁50を備えた周期的三次元パターンのメンブレンである。パリレン同質層で形成されたメンブレンは2ミリメートルの半径および1マイクロメートルの厚さを有する。梁は、500マイクロメートルの長さ、100マイクロメートルの幅、および1マイクロメートルの厚さを有する。それはPZTで製作される。梁は固定区域で支持体に固定される。
【0130】
図10Cのグラフは、作動手段に印加されたバイアス電圧の関数として中央区域におけるメンブレンに偏位の変動を示す。Aで参照される曲線は連続冠状部に対応し、Bで参照される曲線は梁に対応する。2つの興味深いレジメンR1、R2を区別することができる。両方の曲線A、Bは交差しており、交点はIで示される。交点Iの左における約0.32Vよりも低いバイアス電圧に対応する第1の領域R1では、梁は最も良好な偏位を与える。連続冠状部は剛性効果を受け、それがエネルギー効率の損失を引き起こす。偏位間の差は最低バイアス電圧(0.1V)では実に25%の程度である。交差Iのポイントの右において0.32Vを超える電圧の第2の領域法R2では、連続冠状部は最も良好な結果を与える。それは、より良好なエネルギー効率をもたらす表面効果から利益を得る。偏位間の差は最も高いバイアス電圧(1V)では実に33%の程度である。
【0131】
本発明のいくつかの実施形態が詳細に説明されたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な改変および変更を行うことができ、特に、多くの他のプロセスを使用してはメンブレンおよび作動手段を製作することができることが理解されよう。
【符号の説明】
【0132】
1 支持体
1.1 プレート
1.5 フレーム
2 メンブレン
2.1 中央区域
2.2 中間区域
2.3 固定区域
2a 層
2b 主層
2c 強化層
3 空洞、皿部
3.1 皿部の底部
4 流体
4’ 第2の流体
5 作動手段
5.1 圧電アクチュエータ
5.10 ユニット圧電アクチュエータ
5.2 補助圧電アクチュエータ
6 空洞
20a、20b 電極
21 圧電材料のブロック
23 電源
50 梁
70 受動圧電アクチュエータ
80 対物レンズ
81 画像センサ
82 基板
83 レンズ、光学ブロック
83.1、83.2 レンズ
95 補償手段
95.1 熱バイモルフ要素
96 膨張接続部
100 基板
101 犠牲層
107 孔
200 第2のメンブレン
201 保護キャップ
202 開口
B 圧電バイモルフ
C、C’ 圧電材料の連続冠状部
Caux 補助不連続冠状部
Cint 内側冠状部
L、L’ 液体レンズ
z1 半径方向区域
z2 縦方向区域
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ある量の液体または気体の流体を閉じ込めるための支持体(1)上の固定区域(2.3)と、静止位置から可逆的に変形可能な中央区域(2.1)と、前記固定区域(2.3)と前記中央区域(2.1)との間の中間区域のメンブレン(2)を偏らせて前記流体(4)を移動させるための作動手段とを含む変形可能メンブレン(2)をもつ光学デバイスであって、前記作動手段がいくつかの圧電アクチュエータ(5.1)を収容する圧電材料の連続冠状部を含み、各アクチュエータは1対の電極が前記連続冠状部(C)を挟むことによって形成され、前記連続冠状部が前記中央区域(2.1)に重なることなく前記中央区域(2.1)のまわりに取り付けられ、前記作動手段(5)が少なくとも前記中間区域(2.2)で前記メンブレン(2)に固定され、前記作動手段(5)と、それが固定される前記メンブレン(2)とが少なくとも1つの圧電バイモルフ(B)を形成し、前記メンブレン(2)の静止位置に対して前記中央区域(2.1)を変形させることを目指して、前記メンブレン(2)の前記中間区域(2.2)から前記中央区域(2.1)への、または逆への前記流体(4)の移動をもたらすように前記作動手段(5)が作動時に半径方向に収縮または拡大することを特徴する、光学デバイス。
【請求項2】
1対の電極のうちの少なくとも1つの電極(20a)が2つ以上の圧電アクチュエータに共通である、請求項1に記載の光学デバイス。
【請求項3】
前記作動手段(5)が、さらに、前記メンブレン(2)の前記固定区域(2.3)に、およびオプションとして直接前記支持体(1)に固定される、請求項1または2に記載の光学デバイス。
【請求項4】
前記作動手段(5)が前記メンブレン(2)の上にある、および/または前記メンブレン(2)の下にある、および/または前記メンブレン(2)に統合される、請求項1から3の一項に記載の光学デバイス。
【請求項5】
前記メンブレン(2)が、少なくとも中間区域(2.2)において層(2a、2b)のスタックと、その間に、より大きい剛性の強化層(2c)およびより小さい剛性の層(2b)とを含み、前記より大きい剛性の層(2a)が前記圧電バイモルフ(B)の一部である、請求項1から4の一項に記載の光学デバイス。
【請求項6】
前記メンブレン(2)が、前記中央区域(2.1)、前記中間区域(2.2)、および前記固定区域(2.3)において延びる連続層(2b)を含む、請求項1から5の一項に記載の光学デバイス。
【請求項7】
1つまたは複数の圧電アクチュエータ(5.2)を収容する圧電材料の不連続冠状部(Caux)を含む前記メンブレン(2)に固定された補助作動手段(5’)をさらに含み、前記不連続冠状部(Caux)が前記連続冠状部(C)と同心で取り付けられ、前記補助作動手段(5.2)と、それが固定される前記メンブレン(2)とが少なくとも1つの圧電バイモルフを形成する、請求項1から6の一項に記載の光学デバイス。
【請求項8】
温度に応じて前記光学デバイスの焦点レンズの変動を補償するための手段(95)を含む、請求項1から7の一項に記載の光学デバイス。
【請求項9】
前記補償手段(95)が、前記連続冠状部(C)に収容された前記圧電アクチュエータ(5.1)のうちの少なくとも1つと混同される、請求項8に記載の光学デバイス。
【請求項10】
前記補償手段(95)が、前記中間区域(2.2)に突き出ることによって前記固定区域(2.3)で前記メンブレン(2)に固定された、または前記流体(4)を基準にして前記メンブレン(2)に向き合った前記支持体(1)に取り付けられた連続冠状部として配置される1つまたはいくつかの熱バイモルフ(95.1)を含む、請求項9に記載の光学デバイス。
【請求項11】
前記作動手段(5)の前記圧電アクチュエータ(5.1)が互いに別々にまたは同時にすべて一緒に作動することができる、または、さらに、グループ単位で同時に作動することができる、請求項1から10の一項に記載の光学デバイス。
【請求項12】
圧電材料の連続冠状部(C’)に配置され、前記中間区域(2.2)においておよびオプションとして前記固定区域(2.3)において前記メンブレン(2)に固定され、場合によっては正圧電効果により動作可能であり、前記メンブレン(2)の変形をモニタリングするために専用に設けられる1つまたは複数の圧電アクチュエータ(70)を含む、請求項1から11の一項に記載の光学デバイス。
【請求項13】
前記支持体(1)に取り付けられた保護キャップ(201)をさらに含む、請求項1から12の一項に記載の光学デバイス。
【請求項14】
前記キャップ(201)が、前記中央区域(2.1)で開口(202)を備えるか、または機密であり、別の流体(4’)を閉じ込める、請求項13に記載の光学デバイス。
【請求項15】
前記メンブレン(2)が、圧電材料の、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリテレフタレートエチレン、ポリカーボネート、パリレン、エポキシ樹脂、感光性ポリマー、シリコーンから選択された有機材料、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、多結晶シリコン、窒化チタン、ダイヤモンド状炭素、スズインジウム酸化物、アルミニウム、銅、ニッケルから選択された無機質材料で製作される、請求項1から14の一項に記載の光学デバイス。
【請求項16】
流体(4、4’)の各々が、炭酸プロピレン、水、屈折率液体、光学オイル、もしくはさらにイオン液体から選択された液体、または空気、窒素、およびヘリウムから選択された気体である、請求項1から15の一項に記載の光学デバイス。
【請求項17】
前記圧電材料が、PZT、窒化アルミニウム、ポリフッ化ビニリデンもしくはそのトリフルオロエチレンとのコポリマー、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸鉛、およびチタン酸ビスマスなどのシレナイトで製作される、請求項1から16の一項に記載の光学デバイス。
【請求項18】
レンズまたはミラーであることを特徴とする、請求項1から17の一項に記載の光学デバイス。
【請求項19】
請求項1から18の一項に記載の少なくとも1つの光学デバイス(L、L’)を含むことを特徴とするカメラ。
【請求項1】
ある量の液体または気体の流体を閉じ込めるための支持体(1)上の固定区域(2.3)と、静止位置から可逆的に変形可能な中央区域(2.1)と、前記固定区域(2.3)と前記中央区域(2.1)との間の中間区域のメンブレン(2)を偏らせて前記流体(4)を移動させるための作動手段とを含む変形可能メンブレン(2)をもつ光学デバイスであって、前記作動手段がいくつかの圧電アクチュエータ(5.1)を収容する圧電材料の連続冠状部を含み、各アクチュエータは1対の電極が前記連続冠状部(C)を挟むことによって形成され、前記連続冠状部が前記中央区域(2.1)に重なることなく前記中央区域(2.1)のまわりに取り付けられ、前記作動手段(5)が少なくとも前記中間区域(2.2)で前記メンブレン(2)に固定され、前記作動手段(5)と、それが固定される前記メンブレン(2)とが少なくとも1つの圧電バイモルフ(B)を形成し、前記メンブレン(2)の静止位置に対して前記中央区域(2.1)を変形させることを目指して、前記メンブレン(2)の前記中間区域(2.2)から前記中央区域(2.1)への、または逆への前記流体(4)の移動をもたらすように前記作動手段(5)が作動時に半径方向に収縮または拡大することを特徴する、光学デバイス。
【請求項2】
1対の電極のうちの少なくとも1つの電極(20a)が2つ以上の圧電アクチュエータに共通である、請求項1に記載の光学デバイス。
【請求項3】
前記作動手段(5)が、さらに、前記メンブレン(2)の前記固定区域(2.3)に、およびオプションとして直接前記支持体(1)に固定される、請求項1または2に記載の光学デバイス。
【請求項4】
前記作動手段(5)が前記メンブレン(2)の上にある、および/または前記メンブレン(2)の下にある、および/または前記メンブレン(2)に統合される、請求項1から3の一項に記載の光学デバイス。
【請求項5】
前記メンブレン(2)が、少なくとも中間区域(2.2)において層(2a、2b)のスタックと、その間に、より大きい剛性の強化層(2c)およびより小さい剛性の層(2b)とを含み、前記より大きい剛性の層(2a)が前記圧電バイモルフ(B)の一部である、請求項1から4の一項に記載の光学デバイス。
【請求項6】
前記メンブレン(2)が、前記中央区域(2.1)、前記中間区域(2.2)、および前記固定区域(2.3)において延びる連続層(2b)を含む、請求項1から5の一項に記載の光学デバイス。
【請求項7】
1つまたは複数の圧電アクチュエータ(5.2)を収容する圧電材料の不連続冠状部(Caux)を含む前記メンブレン(2)に固定された補助作動手段(5’)をさらに含み、前記不連続冠状部(Caux)が前記連続冠状部(C)と同心で取り付けられ、前記補助作動手段(5.2)と、それが固定される前記メンブレン(2)とが少なくとも1つの圧電バイモルフを形成する、請求項1から6の一項に記載の光学デバイス。
【請求項8】
温度に応じて前記光学デバイスの焦点レンズの変動を補償するための手段(95)を含む、請求項1から7の一項に記載の光学デバイス。
【請求項9】
前記補償手段(95)が、前記連続冠状部(C)に収容された前記圧電アクチュエータ(5.1)のうちの少なくとも1つと混同される、請求項8に記載の光学デバイス。
【請求項10】
前記補償手段(95)が、前記中間区域(2.2)に突き出ることによって前記固定区域(2.3)で前記メンブレン(2)に固定された、または前記流体(4)を基準にして前記メンブレン(2)に向き合った前記支持体(1)に取り付けられた連続冠状部として配置される1つまたはいくつかの熱バイモルフ(95.1)を含む、請求項9に記載の光学デバイス。
【請求項11】
前記作動手段(5)の前記圧電アクチュエータ(5.1)が互いに別々にまたは同時にすべて一緒に作動することができる、または、さらに、グループ単位で同時に作動することができる、請求項1から10の一項に記載の光学デバイス。
【請求項12】
圧電材料の連続冠状部(C’)に配置され、前記中間区域(2.2)においておよびオプションとして前記固定区域(2.3)において前記メンブレン(2)に固定され、場合によっては正圧電効果により動作可能であり、前記メンブレン(2)の変形をモニタリングするために専用に設けられる1つまたは複数の圧電アクチュエータ(70)を含む、請求項1から11の一項に記載の光学デバイス。
【請求項13】
前記支持体(1)に取り付けられた保護キャップ(201)をさらに含む、請求項1から12の一項に記載の光学デバイス。
【請求項14】
前記キャップ(201)が、前記中央区域(2.1)で開口(202)を備えるか、または機密であり、別の流体(4’)を閉じ込める、請求項13に記載の光学デバイス。
【請求項15】
前記メンブレン(2)が、圧電材料の、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリテレフタレートエチレン、ポリカーボネート、パリレン、エポキシ樹脂、感光性ポリマー、シリコーンから選択された有機材料、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、多結晶シリコン、窒化チタン、ダイヤモンド状炭素、スズインジウム酸化物、アルミニウム、銅、ニッケルから選択された無機質材料で製作される、請求項1から14の一項に記載の光学デバイス。
【請求項16】
流体(4、4’)の各々が、炭酸プロピレン、水、屈折率液体、光学オイル、もしくはさらにイオン液体から選択された液体、または空気、窒素、およびヘリウムから選択された気体である、請求項1から15の一項に記載の光学デバイス。
【請求項17】
前記圧電材料が、PZT、窒化アルミニウム、ポリフッ化ビニリデンもしくはそのトリフルオロエチレンとのコポリマー、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸鉛、およびチタン酸ビスマスなどのシレナイトで製作される、請求項1から16の一項に記載の光学デバイス。
【請求項18】
レンズまたはミラーであることを特徴とする、請求項1から17の一項に記載の光学デバイス。
【請求項19】
請求項1から18の一項に記載の少なくとも1つの光学デバイス(L、L’)を含むことを特徴とするカメラ。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図3G】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図5I】
【図5J】
【図5K】
【図5L】
【図5M】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図8F】
【図8G】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図3G】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図5I】
【図5J】
【図5K】
【図5L】
【図5M】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図8F】
【図8G】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【公表番号】特表2013−504779(P2013−504779A)
【公表日】平成25年2月7日(2013.2.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−528386(P2012−528386)
【出願日】平成22年9月14日(2010.9.14)
【国際出願番号】PCT/EP2010/063430
【国際公開番号】WO2011/032927
【国際公開日】平成23年3月24日(2011.3.24)
【出願人】(502124444)コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成25年2月7日(2013.2.7)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年9月14日(2010.9.14)
【国際出願番号】PCT/EP2010/063430
【国際公開番号】WO2011/032927
【国際公開日】平成23年3月24日(2011.3.24)
【出願人】(502124444)コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
【Fターム(参考)】
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