JPH01166004A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、自ら変形することにより光路を変更しうる光
学素子に関する。

〈従来の技術〉 従来の自ら変形することにより光路を変更しうる光学素
子としては、弾性体の容器に液体をつめ、その液圧でそ
の形状を変化させて焦点距離を制御するもの（特開昭５
５−３６８７５号公報）や、上記形状を変化させるため
に圧電体を使用するもの（特開昭５６−１１０４０３号
公報、特開昭５８−８５４１５号公報）が提案されてい
る。また、例えばシリコンゴムの如きの弾性体を開口部
から突出または沈降させることにより、開口部で弾性体
が形成する光学表面を任意に変形し、所望の焦点距離を
得る可変焦点の光学素子が提案されている（特開昭６０
−８４５０２号公報）。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、従来の光学素子においては、■　いわゆ
る液体レンズは、液溜や加圧装置が必要で小型化が難か
しく、 ■　圧電体を使用した場合は焦点距離の可変量が小さく
、 ■　弾性体を変形する際にその機構が複雑であ　リ　、 という種々の問題があった。

本発明は以上述べた事情に鑑み、自ら変形して光路を変
更する光学素子であって、構造が簡易でコンパクトなも
のを提供することを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 前記目的を達成するための本発明の構成は、相対向して
設けられた円環状の一対の平板とこれら平板間の内周縁
部及び外周縁部同志を両平板間の距離が可変となるよう
に連結する内隔壁及び水が通過しうる外隔壁とで囲まれ
た円環状の空間内に電圧を印加することにより収縮しう
る含水高分子ゲルを内封してなり且っ該含水高分子ゲル
に接触する電極を有するゲル封入部と、上記平板の開口
を覆うよう内周縁部にそれぞれ設けられて相対向する光
透過性の弾性膜と上記内隔壁との間に水と相溶しない透
明な液体を封入してなるレンズ部と、上記外隔壁を介し
て上記ゲル封入部と連通する水保持部とを有し、上記電
極へ印加する電圧を変化させることにより上記平板間の
距離が変化してレンズ部の焦点距離が変化することを特
徴とする。

また他の構成は、相対向して設けられた円環状の一対の
平板とこれら平板間の内周縁部及び外周縁部同志を両平
板間の距離が可変となるように連結する外隔壁及び水を
通過しうる内隔壁とで囲まれた円環状の空間内に電圧を
印加することにより収縮しうる含水高分子ゲルを内封し
てなり且っ該含水高分子ゲルに接触する電極を有するゲ
ル封入部と、上記平板の開口を覆うよう内周縁部にそれ
ぞれ設けられて相対向する光透過性の弾性膜と上記内隔
壁との間に水を封入してなるレンズ部とからなり、上記
電極へ印加する電圧を変化させることによりレンズ部の
焦点距離が変化することを特徴とする。

本発明で用いた上記含水高分子ゲルは、数Ｖから数十Ｖ
の直流電圧を印加すると、水を放出しながら収縮する性
質を有する（高分子３６巻５月号１１９ｇ？）。本発明
は、この含水高分子ゲルの性質を利用して、自ら変形し
て光路を変更しうる光学素子としたものである。

本発明にかかる高分子ゲルは天然物又は合成化合物のア
ニオン、カチオン及びベタイン等のイオン性基を含有す
るポリマーのゲルをいう。

例えばアニオン性基含有ポリマーとしては、特公昭４１
−１２８３５号、同５７−３３７７７号、同５９−７７
２４号、特開昭５７−１０５４７１号、同５１−８１１
２’３号、同５３−３９１１９号、同５２−６７３１８
号、同５５−９８７４６号、同５６−５’５３７号、同
５３−１３４１１号、同５５−９８７４５号、同５３−
１８６８７号、米国特許第３７４６５４７号、同第３７
６７４１０号、英国特許第１４２１９３０号、仏画特許
２１１７８１５７号などの公報に記載されている化合物
が有用である。

アニオン性基含有ポリマーの好ましい例としてす下の一
般式（Ｉｌ〜一般式（社）であられされる化合物をあげ
ることができる。

一般式ｍ 葛 Ｑ″′ｅｎＭｅ 式中、Ａは共重合可能なエチレン性不飽和モノマーを共
重合したモノマー単位をあられし、２種以上のモノマー
単位を含んでも良い。

一般式ｆＩ）のＡで示されるエチレン性不飽和モノマー
の例は、スチレン、ヒドロキシメチルスチレン、α−メ
チルスチレン、４−ビニルピリジン、Ｎ−ビニルピロリ
ドン、１−ビニルイミダゾール、２−メチル−１−ビニ
ルイミダゾール、脂肪酸のモノエチレン性不飽和エステ
ル（例えば酢酸ビニル）、無水マレイン酸、エチレン性
不飽和のモノカルボン酸もしくはジカルボン酸のエステ
ル（例えばｎ−ブチルアクリレ−）、Ｎ、Ｎ−ジエチル
アミノエチルメタクリレート、２−ヒドロキシエチルア
クリレートおよびメタクリレートなど）、エチレン性不
飽和エーテル（例えばメチルビニルエーテルなど）、エ
チレン性不飽和モノカルボン酸、もしくはジカルボン酸
のアミド（例えばアクリルアミド、Ｎ−（１，１−ジメ
チル−３−オキソブチル）アクリルアミド、Ｎ−イソプ
ロピルアクリルアミド、（Ｎ−（３−アクリルアミドプ
ロピル）−Ｎ、Ｎ−ジメチルアンモニオ）アセテートベ
タインなど）があげられる。

Ｒ”は水素原子または１から６個の炭素原子を有する低
級アルキル基（例えばメチル基、エチル基、ブチル基な
ど）をあられし、この中で水素原子、またはメチル基が
特に好ましい。

Ｌは単結合もしくは２価の連結基であり置換されていて
も良い。好ましくはアルキレン基、アリーレン基、又は
これらの基と一〇−１れる結合を１つあるいは複数組み
あわせることにより形成される２価の基である。Ｒ２は
水素原子、又は１〜１０個の炭素原子を有するアルキル
基、アラルキル基をあられす。特に好ましくは、Ｌは −ＣＯＮＨＣ（ＣＨり、ＣＨ２−、、−ＣＯＯＣＨ２Ｃ
Ｈ２０−１−Ｃ００ＣＨ２ＣＨ２０ＣＯＣＨ２ＣＨ２−
１−ＣＯＮＨＣＩ（２Ｃ［（２０−１−ＣＯＮ　ＨＣＨ
２ＣＲ２０ＣＯＣＨ２ＣＲ２−１−ＣＯＯＣＨ２ＣＨ２
−１−ＣＯＮ　ＨＣＨ２ＣＲ２−１および単結合である
。

Ｑｏｅはアニオン性基をあられし、好ましくはカルボキ
シル基、スルホ基、ホスホン酸基である。

ｎは１または２であり、Ｑ″ｅの種類によって規定され
る。（例えばＱ′。がスルホ基、カルボキシル基などで
はｎ　＝　１である。）Ｍｏは水素イオン、１価の金属
・イオン、アンモニウムカチオンをあられし、水素イオ
ン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、アンモニウム
イオンが好ましい。

Ｒ′ 位は２種以上の異な゛ったモノマー単位の混合物であっ
ても良い。

ＸｐＹはモル百分率をあられし、ＸはＯないし９９、ｙ
は１ないし１００の値をとる。

好ましくは、Ｘは０ないし７５、ｙは２５ないし１００
である。

一般式（社） ］　　　　１ Ｙ Ｉ ｚ 式中、Ａ、Ｘ、ｙは一般式（Ｉ）の定義と同じ定義であ
り、一般式ｔＩ”ｌの項で好ましいと列挙されたものが
この場合にも好ましい例である。

Ｒ３、Ｒ４は一般式（Ｉ）のＲ１と同定義であり、同じ
であっても異なっても良い。Ｒ３、Ｒ４は水素原子が好
ましい。

Ｘは水素原子、１価の金属原子、アンモニウム塩をあら
れし、水素原子、ナトリウム原子、カリウム原子が好ま
しい。Ｙは一〇−ま１０個の炭素原子を有するアルキル
基、アラルキル基、アリール基をあられす。）、−０−
が好ましい。ＺはＲ６で定義されたものの他にＹが一〇
−のときは１価の金属原子、アンモニウム塩をあられし
、水素原子、ナトリウム原子、カリウム原子が好ましい
。

また、望ましいアニオン性基含有ポリマーの具体例を以
下に示すが、本発明はこれに限定されない。

また、カチオン性基含有ポリマー、としては特開昭５６
−４７０３６号、特公昭５９−３９７３９号、米国特許
筒４，３０４，８５２号、同第４，３４３，８９４号、
同第４．３６２．８１２号、同第４．３３０．６１８号
等に記載されているもの、及びベタイン基含有ポリマー
としては、例えば米国特許筒４、４９５．２７５号、同
第４．２６６、０１５号、同第４、２２９．５２４号、
に記載されるものが望ましい。

望ましいカチオン性基、ベタイン基を含有するポリマー
の具体例を以下に示す。

〈作　　　用〉 前記第一の構成において、含水高分子ゲルに電圧を印加
すると外隔壁から水を放出しながらゲルが収縮して平板
間の距離が収縮する。

これにより弾性膜の周縁部の距離が大から小となるので
該弾性膜が変形される。

第二の構成において電圧を印加すると、弾性膜内に水が
流入するとともにこれらを支持する平板間の距離も収縮
し、弾性膜がさらに大きく変形する。

一方、電圧の印加を止めると含水高分子ゲルは放出され
た水を吸収しながら膨潤し、弾性膜がもとへもどる。

く実　施　例〉 す下、本発明の好適な実施例を説明する。

第１図（ａｌ、（ｂｌは本発明の第１実施例にかかる光
学素子の収縮状態を示す断面図である。

これらの図面に示すように、本実施例にかかる光学素子
ＩＡのケーシング２は円筒形のケーシング本体３の軸方
向両端面の中央部に開口４を形成したものであり、その
内方の両端面内側の間には軸方向に移動可能なリング状
の仕切り５が設けられている。すなわち第１の端面（図
中下側、以下「下面」という）６の内側には二重の円環
状の内壁６ａ、６ｂが、第２の端面（図中上側、以下「
上面」という）７の内側には二重の円環状の内壁７ａ、
７ｂがそれぞれ突設される一方、仕切り５の上下面には
これら内壁６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂにそれぞれ摺動自在
に嵌合する内壁５ａ〜５ｄが突設されており、内壁５ａ
、５ｂと６ａ。

６ｂ、内壁５ｃ、５ｄと７ａ、７ｂとがそれぞれ嵌合す
る乙とにより仕切り５は軸方向に移動自在に支持されて
いる。またこれにより仕切り５と下面６及び上面７間に
は、内壁５ａ。

５ｂ、６ａ、６ｂに囲まれた空間Ａと内壁５ｃ。

５ｄ、７ａ、７ｂに囲まれた空間Ｂとが形成されている
。

この室内Ａの内側を仕切る内壁５ｂ、６ｂは水密状態で
摺動可能でまた外側を仕切る内壁５ａ、６ａには水を通
過する通過孔が設けられており、内壁５ａ、６ａの外側
には防水性のフレキシブル膜８で囲まれた空間Ｃが形成
されている。

そして空間Ａ内には含水高分子ゲル９が空間Ｃ内には水
がそれぞれ封入されており、下面６の内側と仕切り５の
下面側には含水高分子ゲル９に接触する電極１０が貼着
されている。

一方空間Ｂには仕切り５とほぼ同径のばね１１が設けら
れており、このばね１１により仕切り５が下面６に向っ
て押圧されている。

また仕切り５の中央開口部５ｅと下面６の開口４との周
縁部には中央部が外側へ突出する光透過性の凸状の弾性
膜１２が相対向するように設けられており、これら弾性
膜１２の間に凸状レンズ状の空間りを形成している。

この弾性膜１２は、例えばシリコーンゴム等の伸縮自在
に変形可能な樹脂で成形したものであり、この空間り内
は水と相溶しない、例えば、四塩化炭素、エチレンク四
ライド等のハロゲン化炭化水素、鉱物油等のオイルで光
透過性の内封液が封入されている。この内封液は内壁５
ｂ、６ｂから空間Ａへは排出されないようになっている
。

ここで上述した含水高分子ゲル９は電圧を電極１０に印
加しない状態では仕切り５をばね１１に抗して上方へ移
動させた空間Ａに膨潤した状態で内封されている。この
ときフレキシブル膜８は折りたたまれて収縮した状態で
空間Ｃを形成しており、この内部には水が満たされてい
る。この含水高分子ゲル９に数Ｖ〜数十Ｖの電圧を印加
すると該ゲルは水を空間Ｃに放出する。かくて空間Ａは
軸方向に収縮し空間Ｃはフレキシブル膜８を伸ばした状
態に膨張する。このように電圧の印加により下面６と仕
切り５との距離が収縮するようになる。

一方、弾性膜１２内の内封液は含水高分子ゲル９に電圧
を印加しない状態、すなわち仕切り５と下面６との距離
が最大のときに一杯に満たされているので、電圧を印加
して上述したように含水高分子ゲル９が収縮して仕切り
５と下面６との距離が収縮すると第１図（ｂ）のように
弾性膜１２の周縁部の距離が縮もうとするので該弾性膜
１２が伸びて中央部が突出したので曲率が大の凸状レン
ズとなる。−方、印加を止めると元の曲率にもどる。す
なわち、光学素子ＩＡばゲルに電圧を印加することによ
り焦点距離が変化するレンズとなる。

次に本発明の第２実施例について説明する。

本実施例の光学素子は、第１実施例の光学素子ＩＡと同
様なケーシング２を用いており、第１実施例でば含水高
分子ゲルが保持していた水を該ゲルに電圧を印加すると
、該ゲルの封入されていた空１ＩＹＡから外周に設けた
空間Ｃへ移動させていたものを、逆に内側に設けたレン
ズ状の空間り内へ移動させるようにしたものであり、第
１実施例と重複する部材の説明は省略する。

第２図（ａｌ、（ｂ）は第２実施例にかかる光学素子の
収縮状態を示す断面図である。これらの図面に示すよう
に、光学素子ＩＢのケーシング２は第１実施例で用いた
ケーシング本体３のフレキシブル膜８が形成する空間Ｃ
を除いたものである。すなわち第１の端面（下面）６と
第２の端面（上面）７どの間には軸方向に移動可能な仕
切り５が設けられており、これらから突設した内壁５　
ａ’、　５　ｂ’、　６　ａ’。

６ｂ’と内壁５ｃ、５ｄと７ｍ、７ｂとがそれぞれ嵌合
することにより空間Ａと、空間Ｂとが形成されている。

この室内Ａの内側を仕切る内壁５ｂ’、６ｂ’は水密状
態で摺動可能で水を通過する通過孔が設けられており、
また内壁５ｇ’、６ａ’は水が外側にもれないようにな
っている。

この空間Ａ内には含水高分子ゲル９が封入されており、
このゲル９に接触するように電極１０が設けられている
。また空間Ｂ内にばばね１１が設けられている。

また仕切り５の中央開口部５ｅと下面６の開口４とには
凸状の光透過性の弾性膜１２が相対向するように設けら
れており、これら弾性膜１２の間に凸状レンズ状の空間
りを形成している。この空間り内には水が封入されてレ
ンズを形成している。

ここで上述した含水高分子ゲル９は電圧を電極１０に印
加しない状態では仕切り５をばね１１に抗して上方へ移
動させた空間Ａに膨潤した状態で内封されている。この
とき弾性膜１２が形成するレンズは曲率を小となってい
る（第２図（ａ））。そして乙の含水高分子ゲル９に電
圧を印加すると該ゲルは内壁５ｂ′。

６　ｂ’を介して水が内封されているレンズ内に放出す
る。かくて空間Ａは軸方向に収縮し、空間りには水が流
入するとともに仕切り５と下面６との距離が収縮するの
で弾性膜１２が伸びて曲率が大となる凸状レンズとなる
（第２図（ｂ））。すなわち、この光学素子ＩＢも電圧
を印加することにより焦点距離が変化するレンズとなる
。

この場合第１実施例の光学素子に比べて同条件であれば
レンズを構成する部分に含水高分子ゲルの放出する水を
流入させるので弾性膜の曲率の変化が大となる。

〈発明の効果〉 以上実施例とともに詳しく説明したように本発明の光学
素子は、含水高分子ゲルに印加する電圧を変化させるこ
とにより収縮・膨潤する含水高分子ゲルを用いたので、
簡易な構成で自ら変形して焦点距離が変化するレンズを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ｆａｌ、（ｂ）は第１実施例にかかる光学素子の
収縮状態を示す縦断面図、第２図（ａ）、（ｂ）は第２
実施例にかかる光学素子の収縮状態を示す縦断面図であ
る。 図　面　中、 ＩＡ、ＩＢは光学素子、 ９は含水素分子ゲル、 １０は電極である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）相対向して設けられた円環状の一対の平板とこれら
   平板間の内周縁部及び外局縁部同志を両平板間の距離が
   可変となるように連結する内隔壁及び水が通過しうる外
   隔壁とで囲まれた円環状の空間内に電圧を印加すること
   により収縮しうる含水高分子ゲルを内封してなり且つ該
   含水高分子ゲルに接触する電極を有するゲル封入部と、
   上記平板の開口を覆うよう内周縁部にそれぞれ設けられ
   て相対向する光透過性の弾性膜と上記内隔壁との間に水
   と相溶しない透明な液体を封入してなるレンズ部と、上
   記外隔壁を介して上記ゲル封入部と連通する水保持部と
   を有し、上記電極へ印加する電圧を変化させることによ
   り上記平板間の距離が変化してレンズ部の焦点距離が変
   化することを特徴とする光学素子。 ２）相対向して設けられた円環状の一対の平板とこれら
   平板間の内周縁部及び外周縁部同志を両平板間の距離が
   可変となるように連結する外隔壁及び水を通過しうる内
   隔壁とで囲まれた円環状の空間内に電圧を印加すること
   により収縮しうる含水高分子ゲルを内封してなり且つ該
   含水高分子ゲルに接触する電極を有するゲル封入部と、
   上記平板の開口を覆うよう内周縁部にそれぞれ設けられ
   て相対向する光透過性の弾性膜と上記内隔壁との間に水
   を封入してなるレンズ部とからなり、上記電極へ印加す
   る電圧を変化させることによりレンズ部の焦点距離が変
   化することを特徴とする光学素子。