JP2016151692A - 液体レンズ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】形状変化量が大きい液体レンズ層を有する液体レンズ装置を提供する。
【解決手段】 液体レンズ装置は、透明基板１、下部電極層２、撥油性の
スペーサ層３、油性の液体レンズ層４、封止層５、上部電極層６’及びスペーサ層３の側面に設けられた親油性のコーティング層７よりなる。上部電極層６’は封止層５の周縁部に環状に設けられている。下部電極層２と上部電極層６’との間に電圧Ｖを印加すると、液体レンズ層４の中央部では、小さな引力が発生し、液体レンズ層４の周縁部では、大きな引力が発生する。従って、液体レンズ層４の媒体が周縁部から中央部へ移動し、液体レンズ層４の焦点距離は小さくなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は可変焦点の液体レンズ装置に関する。

図５は第１の従来の液体レンズ装置を示す断面図である（参照：特許文献１）。

図５の液体レンズ装置は、透明基板１、インジウム錫酸化物（ITO）よりなるシート状の下部電極層２、下部電極層２の周囲に設けられた撥油性のアモルファス系フッ素樹脂よりなるスペーサ層３、シリコーンオイル等よりなる液体レンズ層４、液体レンズ層４を封止するポリパラキシリレンよりなる封止層５、及び薄い金（Au）よりなるシート状の上部電極層６によって構成されている。

図５の液体レンズ装置においては、下部電極層２と上部電極層６との間に電圧Vを印加して液体レンズ層４の曲率を制御して可変焦点距離もしくは可変配光性を実現する。すなわち、下部電極層２と上部電極層６との間に電圧Vを印加すると、下部電極層２と上部電極層６との間に引力が発生する。このとき、液体レンズ層４の中央部では、電極間距離が大きいので、小さな引力が発生し、他方、液体レンズ層４の周縁部では、電極間距離が小さいので、大きな引力が発生する。従って、液体レンズ層４の体積が一定であるので、液体レンズ層４の媒質が周縁部から中央部に移動し、液体レンズ層４の焦点距離は小さくなる。この結果、液体レンズ層４の焦点距離もしくは配光性は下部電極層２と上部電極層６との間に印加される電圧Vに応じて変化することになる。

上述の図５に示す液体レンズ装置は次の利点を有する。
１）振動、重力等の外力及び温度変化のような外乱があっても、液体レンズ層４の曲率が変形しにくい。この場合、直径をたとえば10mm以上に大きくした場合にあっても、液体レンズ層４の曲率が変形しにくい。従って、外乱に強いレンズを提供できる。
２）液体レンズ層４を封入するケーシングの形状が液体レンズ層４の形状に影響しないので、高精度の３次元加工は不要となり、この結果、小型化できると共に、製造コストを低減できる。

しかしながら、図５に示す第１の従来の液体レンズ装置においては、液体レンズ層４の焦点位置の制御のための印加電圧用の上部電極層６は液体レンズ層４全体に金（Au）を蒸着させて形成される。従って、上部電極層６は可視光の大部分を吸収するので、液体レンズ装置の光透過性が非常に悪い。しかも、液体レンズ層４の形状変化による焦点距離もしくは配光性の変化量は不十分である。

図６は第２の従来の液体レンズ装置を示す断面図である（参照：特許文献２）。

図６においては、図５のシート状の上部電極層６の代りに、封止層５の周縁部のみに設けられ環状をなしている図７に示す上部電極層６’を設ける。これにより、上部電極層６’の占有面積が小さくなった分、液体レンズ装置の光透過性が向上する。

下部電極層２と上部電極層６’との間に電圧Vを印加した場合、液体レンズ層４の中央部では、上部電極層６’が存在しないので、引力はほとんど発生せず、他方、液体レンズ層４の周縁部では、電極間距離が小さいので、比較的大きな引力が発生する。従って、液体レンズ層４の媒質の周縁部から中央部への移動量は図５の液体レンズ層４に比較して増大する。この結果、液体レンズ層４の焦点距離は図５の液体レンズ層４に比較して大きく変化する。このようにして、電圧無印加時に、長い焦点距離あるいは広い配光性を示し、電圧印加時に、短い焦点距離あるいは狭い配光性を示すことができる。

特開２００８−１９７６１１号公報 特開２０１４−２０２８０４号公報

しかしながら、図６に示す第２の従来の液体レンズ装置においても、液体レンズ層４の形状変化による焦点距離もしくは配光性の変化量は不十分であるという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る液体レンズ装置は、透明基板と、透明基板上に設けられた下部電極層と、下部電極層の周縁部に設けられた撥油性のスペーサ層と、スペーサ層によって囲まれかつ下部電極層上に設けられた油性の液体レンズ層と、スペーサ層と液体レンズ層との界面近傍に設けられた親油性部材と、スペーサ層上に位置する周縁部及び液体レンズ上に位置する中央部よりなり、液体レンズ層を封止する封止層と、封止層の上面の一部に設けられた上部電極層とを具備し、下部電極層と上部電極層との間に電圧を印加することにより液体レンズ層の厚さを変化させるようにしたものである。

親油性部材は液体レンズ層とスペーサ層との接触角の拘束を緩和し、液体レンズ層の最外縁部分と水平面との角度を小さくする。従って、液体レンズ層の外縁部分における下部電極層と上部電極層との距離がさらに小さくなる。

本発明によれば、液体レンズ層の外縁部分における下部電極層と上部電極層との距離がさらに小さくなるので、液体レンズ層の形状変化をさらに大きくでき、従って、焦点距離もしくは配光性の変化をさらに大きくできる。

本発明に係る第１の液体レンズ装置の実施の形態を示す断面図である。 図１のコーティング層の作用を説明するための断面図である。 本発明に係る第２の液体レンズ装置の実施の形態を示す断面図である。 本発明に係る第３の液体レンズ装置の実施の形態を示す断面図である。 第１の従来の液体レンズ装置を示す断面図である。 第２の従来の液体レンズ装置を示す断面図である。 図６の上部電極層の上面図である。

図１は本発明に係る液体レンズ装置の第１の実施の形態を示す断面図である。

図１においては、図６のスペーサ層３の下部電極層２の法線方向の液体レンズ層４側の側面に５μｍ以下の幅の親油性のコーティング層７を設ける。尚、コーティング層７に代えて、スペーサ層３の当該側面にプラズマ処理等を用いて表面処理を施してもよい。

次に、図１の液体レンズ装置の各部を詳細に説明する。

透明基板１は、ガラス、ポリエチレンテレフタラート樹脂、アクリル樹脂等よりなる。

下部電極層２はITOよりなる。但し、上面視でリング状に形成する場合には、銅、アルミニウム、金等の金属でもよい。

スペーサ層３は撥油性の材料、たとえばポリテトラフルオロエチレンもしくはアモルファス系フッ素樹脂たとえばアモルファスフルオロカーボンポリマよりなる。

液体レンズ層４はたとえばシリコーンオイル、液体パラフィン等の油性の液体媒質である。油性の液体レンズ層４は低蒸気圧、非導電性である。

封止層５は好ましくはポリパラキシリレンもしくはポリイミドよりなる。

上部電極層６’は薄いITOあるいは金（Au）、アルミニウム（Al）等よりなる。

コーティング層７は親油性の二酸化チタン、シリカ等により形成される。尚、コーティング層７の代りに、プラズマ処理等を用いて表面処理を施すこともできる。

次に、図１の液体レンズ装置の製造方法を説明する。

始めに、透明基板１上にITOよりなるシート状の下部電極層２を形成し、フォトリソグラフィ／エッチング法によってパターニングする。

次に、アモルファス系フッ素樹脂をスピンコート法によって均一に被膜し、次いで、フォトリソグラフィ／エッチング法によってパターニングしてスペーサ層３を下部電極層２の周縁部に形成する。

次に、スペーサ層３の側面にコーティング層７を形成する。尚、コーティング層７を形成する代りに、上述のプラズマ処理等による表面処理を施すこともできる。

次に、下部電極層２上に上述の液体媒質を滴下する。この場合、スペーサ層３と液体媒質の表面張力の関係で接触角が拘束され、上方へ盛り上がった状態となって液体レンズ層４を形成する。但しコーティング層７により、液体レンズ層４とスペーサ層３の接触角の拘束は、緩和される。

次に、液体レンズ層４の表面上に、ポリパラキシリレンよりなる厚さ約1μmの封止層５を真空蒸着法もしくは化学的気相成長（ＣＶＤ）法によって形成する。尚、この場合、蒸着重合する他の材料たとえばポリイミドでもよい。ポリパラキシリレンの形成は、ガス流路で連結された原料気化室、熱分解室、蒸着室よりなる装置で行われる。ここで、
原料気化室の温度、真空度は100〜200°C、133Pa(1 Torr)、
熱分解室の温度、真空度は450〜700°C、66.5〜133Pa (0.5〜1 Torr)
蒸着室の温度、真空度は25〜30°C、13.3〜0.133Pa (0.1〜0.001 Torr)
である。原料気化室では、ポリパラキシリレンの原料であるジパラキシリレンの気化を行う。熱分解室では、ジパラキシリレンを熱分解してパラキシリレンラジカルを発生する。蒸着室では、パラキシリレンラジカルがサンプル台に設置したサンプル、つまり、スペーサ層３及び液体レンズ層４に付着する。パラキシリレンラジカルは付着と同時に気相重合して高分子量のポリパラキシリレンとなり、封止層５が形成されることになる。

最後に、封止層５上に、厚さ約10〜100nmの金（Au）あるいはアルミニウム（Al）、あるいはITOを形成し、フォトリソグラフィ／エッチング法によってパターニングして環状の上部電極層６’を封止層５の周縁部に形成する。

図１においては、スペーサ層３の側面に親油性のコーティング層７を設けることにより、液体レンズ層４への電圧印加時の性能を向上できる。つまり、後述のごとく、液体レンズ層４とスペーサ層３との界面における液体レンズ層４の水平面に対する角度が減少し、静電気力による液体レンズ層４の周縁部を潰すための力に対する液体レンズ層４の抵抗力が低下する。従って、静電気力による引力で印加する電圧が同一の場合、図６（従来）の場合よりも液体レンズ層４の周縁部が潰されることになり、液体レンズ層４の中央部の突出量が大きくなる。この結果、焦点距離の変化量及び配光性の変化量についての機能が向上する。逆に、同等の液体レンズ層４の変化量を実現するには、印加電圧を低下でき、この結果、消費電力を低減できる。

次に、図１のコーティング層７の作用について図２を参照して説明する。

図６（従来）のごとく、スペーサ層３が液体レンズ層４と直接接触していると、液体レンズ層４に対するスペーサ層３の大きな反撥力によって液体レンズ層４は盛上り、従って、液体レンズ層４の最外縁部分との水平面との角度α１は大きくなる。これに対し、図１のごとく、スペーサ層３の側面に親油性のコーティング層７を設けると、液体レンズ層４とスペーサ層３の接触角の拘束は緩和され、この結果、液体レンズ層４の最外縁部分と水平面との角度α２が従来の場合の角度α１に比較して小さくなる。従って、液体レンズ層４の外縁部分における下部電極層２と上部電極層６’との距離がさらに小さくなり、同一の静電気力でも下部電極層２と上部電極層６’との距離つまり液体レンズ層４の厚さの変化量がさらに大きくなる。この結果、液体レンズ層４の形状変化量がさらに大きくなる。

図３は本発明に係る液体レンズ装置の第２の実施の形態を示す断面図である。

図３においては、図１のコーティング層７の代りに、スペーサ層３上に親油性のコーティング層８を設けてある。コーティング層８の厚さは１μｍ以下であり、その端面は液体レンズ層４に接触している。尚、この場合も、コーティング層８に代えて、スペーサ層３をプラズマ処理等による表面処理を施してもよい。

図３においても、スペーサ層３上の親油性のコーティング層８は液体レンズ層４とスペーサ層３の接触角の拘束を緩和する。従って、図３に示す液体レンズ装置も図１に示す液体レンズ装置と同様な動作を行う。

図４は本発明に係る液体レンズ装置の第３の実施の形態を示す断面図である。

図４においては、図１のコーティング層７の代りに、下部電極層２上に親油性のコーティング層９を設けてある。コーティング層９の厚さは１μｍ以下であり、その端面は液体レンズ層４に接触している。尚、この場合も、コーティング層９に代えて、下部電極層２をプラズマ処理等による表面処理を施してもよい。

図４においても、下部電極層２上の親油性のコーティング層９は液液体レンズ層４とスペーサ層３の接触角の拘束を緩和する。従って、図４に示す液体レンズ装置も図１に示す液体レンズ装置と同様な動作を行う。

尚、上述の実施の形態においては、親油性のコーティング層を設けているが、親油性である必要はなく、親水性であっても、液体レンズ層４とスペーサ層３の接触角の拘束を緩和できる親油性部材であればよい。

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る液体レンズ装置は、モバイル端末用オートフォーカスレンズ、モバイル端末用レンズ、カプセル内視鏡用オートフォーカスレンズ、カプセル内視鏡用ズームレンズ等の可変焦点レンズ、及び照明器具用、モバイル端末用、カプセル内視鏡用等の可変配光レンズに利用できる。

１：透明基板
２：下部電極層
３：スペーサ層
４：液体レンズ層
５：封止層
６、６’：上部電極層
７、８、９：コーティング層

Claims (8)

1. 透明基板と、
   前記透明基板上に設けられた下部電極層と、
   前記下部電極層の周縁部に設けられた撥油性のスペーサ層と、
   前記スペーサ層によって囲まれかつ前記下部電極層上に設けられた油性の液体レンズ層と、
   前記スペーサ層と前記液体レンズ層との界面近傍に設けられた親油性部材と、
   前記スペーサ層上に位置する周縁部及び前記液体レンズ層上に位置する中央部よりなり、前記液体レンズ層を封止する封止層と、
   前記封止層の上面の一部に設けられた上部電極層と
   を具備し、
   前記下部電極層と前記上部電極層との間に電圧を印加することにより前記液体レンズ層の厚さを変化させるようにした液体レンズ装置。
2. 前記親油性部材は前記スペーサ層の前記液体レンズ層側の側面に設けられた親油性コーティング層である請求項１に記載の液体レンズ装置。
3. 前記親油性部材は前記スペーサ層上に設けられ、前記液体レンズ層に接触した端面を有する親油性コーティング層である請求項１に記載の液体レンズ装置。
4. 前記親油性部材は前記下部電極層上に設けられ、前記液体レンズ層に接触した端面を有する親油性コーティング層である請求項１に記載の液体レンズ装置。
5. 前記コーティング層の代りに、前記スペーサ層の前記液体レンズ層との界面に表面処理を施した請求項２に記載の液体レンズ装置。
6. 前記コーティング層の代りに、前記スペーサ層上に表面処理を施した請求項３に記載の液体レンズ装置。
7. 前記コーティング層の代りに、前記下部電極層上に表面処理を施した請求項４に記載の液体レンズ装置。
8. 前記上部電極層は前記封止層の周縁部上に環状に設けられた請求項１に記載の液体レンズ装置。
   

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