(57)【要約】【課題】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、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含む変形可能メンブレンをもつ光学デバイスである。【解決手段】作動手段がいくつかのアクチュエータを収容する圧電連続冠状部を含み、冠状部が、中央区域を囲み、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。【選択図】図５Ｃ
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【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、前記作動手段が一つまたは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）が前記メンブレン（２）に少なくとも部分的に統合され、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、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４の一項に記載の光学デバイス。
【請求項６】
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５の一項に記載の光学デバイス。
【請求項７】
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補償手段（９５）を含む、請求項１から６の一項に記載の光学デバイス。
【請求項８】
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７に記載の光学デバイス。
【請求項９】
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８に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
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９の一項に記載の光学デバイス。
【請求項１１】
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１０の一項に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
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１１の一項に記載の光学デバイス。
【請求項１３】
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１２に記載の光学デバイス。
【請求項１４】
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１３の一項に記載の光学デバイス。
【請求項１５】
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１４の一項に記載の光学デバイス。
【請求項１６】
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１５の一項に記載の光学デバイス。
【請求項１７】
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１６の一項に記載の光学デバイス。
【請求項１８】
請求項１から１７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。
【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
【図１Ａ】
2014044446.tif 000003
【図１Ｂ】
2014044446.tif 000004
【図１Ｃ】
2014044446.tif 000005
【図１Ｄ】
2014044446.tif 000006
【図２Ａ】
2014044446.tif 000007
【図２Ｂ】
2014044446.tif 000008
【図３Ａ】
2014044446.tif 000009
【図３Ｂ】
2014044446.tif 000010
【図３Ｃ】
2014044446.tif 000011
【図３Ｄ】
2014044446.tif 000012
【図３Ｅ】
2014044446.tif 000013
【図３Ｆ】
2014044446.tif 000014
【図３Ｇ】
2014044446.tif 000015
【図４Ａ】
2014044446.tif 000016
【図４Ｂ】
2014044446.tif 000017
【図４Ｃ】
2014044446.tif 000018
【図５Ａ】
2014044446.tif 000019
【図５Ｂ】
2014044446.tif 000020
【図５Ｃ】
2014044446.tif 000021
【図５Ｄ】
2014044446.tif 000022
【図５Ｅ】
2014044446.tif 000023
【図５Ｆ】
2014044446.tif 000024
【図５Ｇ】
2014044446.tif 000025
【図５Ｈ】
2014044446.tif 000026
【図５Ｉ】
2014044446.tif 000027
【図５Ｊ】
2014044446.tif 000028
【図５Ｋ】
2014044446.tif 000029
【図５Ｌ】
2014044446.tif 000030
【図５Ｍ】
2014044446.tif 000031
【図６Ａ】
2014044446.tif 000032
【図６Ｂ】
2014044446.tif 000033
【図６Ｃ】
2014044446.tif 000034
【図６Ｄ】
2014044446.tif 000035
【図６Ｅ】
2014044446.tif 000036
【図７Ａ】
2014044446.tif 000037
【図７Ｂ】
2014044446.tif 000038
【図８Ａ】
2014044446.tif 000039
【図８Ｂ】
2014044446.tif 000040
【図８Ｃ】
2014044446.tif 000041
【図８Ｄ】
2014044446.tif 000042
【図８Ｅ】
2014044446.tif 000043
【図８Ｆ】
2014044446.tif 000044
【図８Ｇ】
2014044446.tif 000045
【図９Ａ】
2014044446.tif 000046
【図９Ｂ】
2014044446.tif 000047
【図１０Ａ】
2014044446.tif 000048
【図１０Ｂ】
2014044446.tif 000049
【図１０Ｃ】
2014044446.tif 000050
【外国語明細書】
2014044446000001.pdf