特許 7517653 超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-08

(45)【発行日】2024-07-17

(54)【発明の名称】超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/13 20060101AFI20240709BHJP

【ＦＩ】

G02F1/13 505

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021011098

(22)【出願日】2021-01-27

(65)【公開番号】P2022114701

(43)【公開日】2022-08-08

【審査請求日】2023-10-11

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （１）公開年月日、令和２年９月６日、ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ２０２０の予稿集 （２）発表年月日、令和２年９月１１日、ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ２０２０（米国ネバダ州ラスベガスにて開催）の集会

(73)【特許権者】

【識別番号】503027931

【氏名又は名称】学校法人同志社

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小山 大介

(72)【発明者】

【氏名】ジェシカ ミエコ ヂアス オナカ

【審査官】近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－２０１３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９２０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５１５９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３１８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１４２８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６１５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８９７０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｂ ３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中央開口部を有する環状の超音波振動子と、
前記中央開口部に配置された液晶層を含み、中心部および前記中心部の周りの周辺部を有するレンズと、
前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部と、
を備える超音波式液晶レンズであって、
前記超音波振動子は、周方向にＮ分割されたＮ個の電極（Ｎは３以上の整数）を備え、
前記駆動部は、
前記Ｎ個の電極に対して周方向に位相を（３６０／Ｎ）°の整数倍ずつずらした前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせて、前記液晶層の前記周辺部における液晶分子の配向を変化させる進行波モードを有する
ことを特徴とする超音波式液晶レンズ。

【請求項2】

前記駆動部は、
同位相の前記電気信号を前記Ｎ個の電極に印加し、前記液晶層に前記超音波の定在波を生じさせて、前記液晶層の前記中心部における液晶分子の配向を変化させる定在波モードを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波式液晶レンズ。

【請求項3】

前記Ｎ個の電極は、同一の形状である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波式液晶レンズ。

【請求項4】

中央開口部を有する環状に形成されるとともに周方向にＮ分割されたＮ個の電極（Ｎは３以上の整数）を備える超音波振動子と、前記中央開口部に配置された液晶層からなるレンズと、前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部とを備える超音波式液晶レンズの制御方法であって、
前記駆動部により前記Ｎ個の電極に対して周方向に位相を（３６０／Ｎ）°の整数倍ずつずらした前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせて、前記液晶層の中心部の周りの周辺部における液晶分子の配向を変化させる第１ステップを含む
ことを特徴とする超音波式液晶レンズの制御方法。

【請求項5】

前記駆動部により同位相の前記電気信号を前記Ｎ個の電極に印加し、前記液晶層に前記超音波の定在波を生じさせて、前記液晶層の前記中心部における液晶分子の配向を変化させる第２ステップを含む
ことを特徴とする請求項４に記載の超音波式液晶レンズの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波式液晶レンズとしては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の超音波式液晶レンズは、中央開口部を有する環状の超音波振動子と、中央開口部に配置された液晶層を含むレンズとを備える。特許文献１に記載の超音波式液晶レンズは、超音波振動子で発生させた超音波のたわみ振動によって液晶層の液晶分子の配向を変化させることで、レンズとして機能させることができ、超音波振動子に印加する電気信号の電圧値を制御することで、焦点距離を制御することができる。

【0003】

しかしながら、特許文献１に記載の超音波式液晶レンズでは、たわみ振動による圧力がレンズの中心部に集中するため、レンズの中心部においてのみ液晶分子の配向が変化し、結果的に、レンズ径（レンズとして機能する領域）が小型化してしまうという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－９２０６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、レンズ径を拡大することが可能な超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波式液晶レンズは、
中央開口部を有する環状の超音波振動子と、
前記中央開口部に配置された液晶層を含み、中心部および前記中心部の周りの周辺部を有するレンズと、
前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部と、
を備える超音波式液晶レンズであって、
前記超音波振動子は、周方向にＮ分割されたＮ個の電極（Ｎは３以上の整数）を備え、
前記駆動部は、
前記Ｎ個の電極に対して周方向に位相を（３６０／Ｎ）°の整数倍ずつずらした前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせて、前記液晶層の前記周辺部における液晶分子の配向を変化させる進行波モードを有する
ことを特徴とする。

【0007】

この構成によれば、超音波の進行波により液晶層の周辺部の圧力を高めて周辺部における液晶分子の配向を変化させることで、レンズ径を拡大することができる。

【0008】

前記超音波式液晶レンズにおいて、
前記駆動部は、
同位相の前記電気信号を前記Ｎ個の電極に印加し、前記液晶層に前記超音波の定在波を生じさせて、前記液晶層の前記中心部における液晶分子の配向を変化させる定在波モードを有するよう構成できる。

【0009】

前記超音波式液晶レンズにおいて、
前記Ｎ個の電極は、同一の形状であってもよい。

【0010】

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波式液晶レンズの制御方法は、
中央開口部を有する環状に形成されるとともに周方向にＮ分割されたＮ個の電極（Ｎは３以上の整数）を備える超音波振動子と、前記中央開口部に配置された液晶層からなるレンズと、前記超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部とを備える超音波式液晶レンズの制御方法であって、
前記駆動部により前記Ｎ個の電極に対して周方向に位相を（３６０／Ｎ）°の整数倍ずつずらした前記電気信号を印加し、前記レンズの周方向に伝搬する前記超音波の進行波を生じさせて、前記液晶層の中心部の周りの周辺部における液晶分子の配向を変化させる第１ステップを含むことを特徴とする。

【0011】

この構成によれば、超音波の進行波により液晶層の周辺部の圧力を高めて周辺部における液晶分子の配向を変化させることで、レンズ径を拡大することができる。

【0012】

前記超音波式液晶レンズの制御方法は、
前記駆動部により同位相の前記電気信号を前記Ｎ個の電極に印加し、前記液晶層に前記超音波の定在波を生じさせて、前記液晶層の前記中心部における液晶分子の配向を変化させる第２ステップを含んでもよい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、レンズ径を拡大することが可能な超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る超音波式液晶レンズであって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

【図2】電気信号を印加していないときの液晶分子の配向を示す図である。

【図3】液晶分子の配向およびレンズ径を示す図であって、（Ａ）は定在波モードにおける図、（Ｂ）は進行波モードにおける図である。

【図4】進行波モードにおけるレンズの振動振幅を示す図である。

【図5】定在波モードにおけるレンズのリタデーション変化を示す図である。

【図6】進行波モードにおけるレンズのリタデーション変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法の実施形態について説明する。

【0016】

［超音波式液晶レンズ］
図１に、本発明の一実施形態に係る超音波式液晶レンズ１を示す。超音波式液晶レンズ１は、基板２と、超音波振動子３と、レンズ４と、駆動部５とを備える。

【0017】

基板２は、円盤状に形成されたガラス基板である。基板２は、３０［ｍｍ］の径、０．５［ｍｍ］の厚みを有する。

【0018】

超音波振動子３は、中央開口部を有する円環形状の圧電超音波振動子であり、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されている。超音波振動子３は、２０［ｍｍ］の内径、３０［ｍｍ］の外径、１［ｍｍ］の厚みを有する。

【0019】

超音波振動子３は、周方向に４分割された４個のアルミニウム電極（第１電極３１、第２電極３２、第３電極３３および第４電極３４）を備える。４個のアルミニウム電極は、いずれも互いに絶縁された正電極および負電極からなり、同一形状である。

【0020】

第１電極３１は、第１正電極３１ａおよび第１負電極３１ｂからなる。第２電極３２は、第２正電極３２ａおよび第２負電極３２ｂからなる。第３電極３３は、第３正電極３３ａおよび第３負電極３３ｂからなる。第４電極３４は、第４正電極３４ａおよび第４負電極３４ｂからなる。第１負電極３１ｂ、第２負電極３２ｂ、第３負電極３３ｂおよび第４負電極３４ｂは、超音波振動子３の下面側（基板２側）に形成された共通の負電極に接続されている。

【0021】

レンズ４は、超音波振動子３の中央開口部に配置されている。図２に示すように、レンズ４は、対向配置された第１基板４１および第２基板４２と、第１基板４１の下面側に設けられた第１配向膜４３と、第２基板４２の上面側に設けられた第２配向膜４４と、液晶層４５とを含む。液晶層４５は、液晶分子４６を含む。

【0022】

第１基板４１は、径が１５［ｍｍ］、厚みが０．５［ｍｍ］の円盤状に形成されたガラス基板である。第２基板４２は、基板２のうちの第１基板４１に対向した部分である。

【0023】

第１配向膜４３および第２配向膜４４は、液晶分子４６のプレチルト角が９０度となる垂直配向膜であり、ポリイミド系の材料で構成される。

【0024】

液晶層４５は、ネマティック液晶の液晶分子４６を含み、スペーサ（例えば、ＰＥＴフィルム）によって２００［μｍ］の厚みが確保される。液晶層４５の周囲は、シール材（例えば、エポキシ樹脂）によってシールされている。液晶分子４６は、超音波振動子３が超音波を発生させていないとき、第１配向膜４３および第２配向膜４４に対して垂直に立ち上がった状態になる。

【0025】

駆動部５は、進行波モードと定在波モードとを有し、超音波振動子３に電気信号（交流電圧信号）を印加して超音波を発生させるよう構成される。駆動部５は、第１電極３１に接続される第１駆動部５１と、第２電極３２に接続される第２駆動部５２と、第３電極３３に接続される第３駆動部５３と、第４電極３４に接続される第４駆動部５４とを含む。第１駆動部５１～第４駆動部５４は、それぞれ独立して電気信号の位相、電圧値および周波数を制御できる。

【0026】

定在波モード時の駆動部５は、同位相の電気信号を超音波振動子３に印加する。すなわち、第１駆動部５１～第４駆動部５４が、それぞれの接続先の第１電極３１～第４電極３４に、同位相の電気信号を印加する。第１電極３１～第４電極３４は、電気信号に応じた所定の周波数の超音波を発生させる。例えば、第１電極３１～第４電極３４は、レンズ４の共振周波数に一致した周波数をもつ超音波を発生させる。

【0027】

第１電極３１～第４電極３４で発生した超音波がレンズ４に伝搬すると、レンズ４では超音波の定在波（音響定在波）、具体的には１次モードのたわみ振動の定在波が発生する。１次モードのたわみ振動とは、振動強度がレンズ４の中心から外周面に向かって連続的に小さくなる振動のことをいう。なお、本発明では、レンズ４の中心およびその近傍を中心部とし、中心部の周り（レンズ４全体のうち中心部以外のところ）を周辺部とする。

【0028】

レンズ４でたわみ振動の定在波が発生すると、レンズ４において（例えば、液晶層４５と第１配向膜４３との境界面および液晶層４５と第２配向膜４４との境界面において）、定在波の音響放射力による圧力が働く。定在波の音響放射力による圧力は、レンズ４の中心部で高くなる。

【0029】

図３（Ａ）に示すように、定在波の音響放射力による圧力は、レンズ４の中心部における液晶分子４６の配向を変化させる。例えば、定在波の音響放射力による圧力は、レンズ４の中心部における液晶層４５の厚みをわずかに変化させることで（本実施形態では、わずかに大きくすることで）、中心部における液晶分子４６の配向を変化させる。なお、図３では、厚みの変化は示していない。また、中心部における中心に位置する液晶分子４６は、軸対称性を有し安定しているため、配向変化が生じない。

【0030】

定在波モードでは、レンズ４の中心部における液晶分子４６の配向を変化させるので、レンズ４の中心部のみがレンズとして機能する。換言すれば、レンズ４の中心部がレンズ径Ｄ１となる。

【0031】

進行波モード時の駆動部５は、第１電極３１～第４電極３４に対して周方向に位相を９０°ずつずらした電気信号を印加する。すなわち、第１駆動部５１が第１電極３１に印加する電気信号に対して、第２駆動部５２が第２電極３２に印加する電気信号は９０°の位相差を有し、第３駆動部５３が第３電極３３に印加する電気信号は１８０°の位相差を有し、第４駆動部５４が第４電極３４に印加する電気信号は２７０°の位相差を有する。第１電極３１～第４電極３４は、各電気信号に応じた超音波を発生させる。

【0032】

第１電極３１～第４電極３４で発生した超音波がレンズ４に伝搬すると、レンズ４では、周方向に伝搬する超音波の進行波（音響進行波）、すなわち、たわみ振動の進行波が発生する。

【0033】

レンズ４でたわみ振動の進行波が発生すると、レンズ４において（例えば、液晶層４５と第１配向膜４３との境界面および液晶層４５と第２配向膜４４との境界面において）、進行波の音響放射力による圧力が働く。進行波の音響放射力による圧力は、レンズ４の周辺部で高くなる。

【0034】

図３（Ｂ）に示すように、進行波の音響放射力による圧力は、主にレンズ４の周辺部における液晶分子４６の配向を変化させる。中心部における中心に位置する液晶分子４６は、軸対称性のため配向変化が生じないが、中心部における周辺部側に位置する液晶分子４６は、わずかに配向変化が生じる。その結果、進行波モードでは、レンズ４の中心部および周辺部がレンズとして機能する。換言すれば、レンズ４の中心部および周辺部がレンズ径Ｄ２となる。

【0035】

［超音波式液晶レンズの制御方法］
本発明の一実施形態に係る超音波式液晶レンズの制御方法は、上記の超音波式液晶レンズ１の制御方法である。すなわち、当該制御方法は、主にレンズ４の周辺部における液晶分子４６の配向を変化させる第１ステップと、レンズ４の中心部における液晶分子４６の配向を変化させる第２ステップとを含む。

【0036】

第１ステップでは、駆動部５（第１駆動部５１～第４駆動部５４）が、第１電極３１～第４電極３４に対して周方向に位相を９０°ずつずらした電気信号を印加し、レンズ４の周方向に伝搬するたわみ振動の進行波を生じさせる。第１駆動部５１～第４駆動部５４が出力する各電気信号は、位相のみ相違し、電圧値および周波数は共通している。

【0037】

レンズ４でたわみ振動の進行波が発生すると、レンズ４には進行波の音響放射力による圧力が働き、その圧力はレンズ４の周辺部で高くなる。これにより、レンズ４の周辺部における液晶分子４６の配向が変化し、レンズ４の中心部における液晶分子４６の配向もわずかに変化して、レンズ４の中心部および周辺部がレンズとして機能する。

【0038】

第２ステップでは、駆動部５（第１駆動部５１～第４駆動部５４）が、第１電極３１～第４電極３４に対して同相の電気信号を印加し、レンズ４にたわみ振動の定在波を生じさせる。第１駆動部５１～第４駆動部５４が出力する各電気信号は、電圧値および周波数も共通している。

【0039】

レンズ４でたわみ振動の定在波が発生すると、レンズ４には定在波の音響放射力による圧力が働き、その圧力はレンズ４の中心部で高くなる。その結果、レンズ４の中心部における液晶分子４６の配向が変化して、レンズ４の中心部のみがレンズとして機能する。

【0040】

第１ステップおよび第２ステップにおいて、第１駆動部５１～第４駆動部５４が、電気信号の電圧値を変化させると、音響放射力による圧力の大きさが変化し、レンズ４の焦点距離が変化する。また、第１駆動部５１～第４駆動部５４による各電気信号の電圧値の変化量が異なる場合、焦点距離に加えて、ＸＹ平面における焦点位置も制御することができる。

【0041】

［評価実験］
次に、超音波式液晶レンズ１およびその制御方法の評価実験について説明する。

【0042】

図４に、進行波モードにおけるレンズ４の振動振幅を示す。図４の横軸はレンズ４の径方向（Ｘ方向）の位置を示し、レンズ４の中心を０とする。図４から、たわみ振動の振動強度がレンズ４の周辺部で高くなっており、中心部で低くなっていることが分かる。

【0043】

図５および図６は、偏光顕微鏡を用いて、クロスニコル下でオルソスコープ観察を行った時のレンズ４の上面の画像である。図５は定在波モード時、図６は進行波モード時の画像である。図５は、図中の０．４２［ｍｍ］のところがレンズ４のレンズ径Ｄ１であることを示し、図６は、図中の０．８３［ｍｍ］のところがレンズ４のレンズ径Ｄ２であることを示す。すなわち、定在波モードから進行波モードに切り替えることで、レンズ径が拡大することが分かる。

【0044】

［変形例］
以上、本発明に係る超音波式液晶レンズおよび超音波式液晶レンズの制御方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

【0045】

本発明に係る超音波式液晶レンズは、環状の超音波振動子と、超音波振動子の中央開口部に配置された液晶層を含むレンズと、超音波振動子に電気信号を印加して超音波を発生させる駆動部と、を備える超音波式液晶レンズであって、超音波振動子は、周方向にＮ分割されたＮ個の電極（Ｎは３以上の整数）を備え、駆動部は、Ｎ個の電極に対して周方向に位相を（３６０／Ｎ）°の整数倍ずつずらした電気信号を印加し、レンズの周方向に伝搬する超音波の進行波を生じさせて、液晶層の周辺部における液晶分子の配向を変化させる進行波モードを有するのであれば、適宜構成を変更できる。

【0046】

上記実施形態では、駆動部５は、第１電極３１～第４電極３４に対して周方向に位相を９０°の１倍ずつずらした電気信号を印加しているが、例えば、９０°の２倍ずつずらした電気信号を印加してもよい。その場合、第１駆動部５１が第１電極３１に印加する電気信号に対して、第２駆動部５２が第２電極３２に印加する電気信号は１８０°の位相差を有し、第３駆動部５３が第３電極３３に印加する電気信号は３６０°の位相差を有し、第４駆動部５４が第４電極３４に印加する電気信号は５４０°の位相差を有する。

【0047】

本発明に係る超音波式液晶レンズの制御方法は、駆動部によりＮ個の電極に対して周方向に位相を（３６０／Ｎ）°の整数倍ずつずらした電気信号を印加し、レンズの周方向に伝搬する超音波の進行波を生じさせて、液晶層の中心部の周りの周辺部における液晶分子の配向を変化させる第１ステップを含むのであれば、適宜構成を変更できる。

【符号の説明】

【0048】

１ 超音波式液晶レンズ
２ 基板
３ 超音波振動子
３１ 第１電極
３１ａ 第１正電極
３１ｂ 第１負電極
３２ 第２電極
３２ａ 第２正電極
３２ｂ 第２負電極
３３ 第３電極
３３ａ 第３正電極
３３ｂ 第３負電極
３４ 第４電極
３４ａ 第４正電極
３４ｂ 第４負電極
４ レンズ
４１ 第１基板
４２ 第２基板
４３ 第１配向膜
４４ 第２配向膜
４５ 液晶層
４６ 液晶分子
５ 駆動部
５１ 第１駆動部
５２ 第２駆動部
５３ 第３駆動部
５４ 第４駆動部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】