(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に絶縁膜が形成された第１の電極と、
前記第１の電極の前記絶縁膜の側に対向配置された第２の電極と、
前記絶縁膜が形成された第１の電極と前記第２の電極との間に封入されて互いに分離した状態を保つ透明な極性液体および不透明な無極性液体と、
前記絶縁膜上の円形状の領域を取り囲むように設けられた外壁とを備え、
前記無極性液体は、前記外壁に対して親和性を有し、
前記絶縁膜上の前記円形状の領域が、隔壁によって複数のサブ領域に放射状に区画され、
前記サブ領域ごとに、前記無極性液体が設けられている
液体光学素子。
【請求項２】
前記外壁の近傍の前記外壁よりも内側の領域には電極が設けられていない
請求項１記載の液体光学素子。
【請求項３】
前記円形状の領域は４つのサブ領域に区画されている
請求項１または請求項２に記載の液体光学素子。
【請求項４】
前記隔壁は、側面部が前記無極性液体に対して親和性を有すると共に、上面部が前記極性液体に対して親和性を有する
請求項１記載の液体光学素子。
【請求項５】
前記無極性液体は、芳香族炭化水素を含んで構成されている
請求項１記載の液体光学素子。
【請求項６】
表面に絶縁膜が形成された第１の電極と、
前記第１の電極の前記絶縁膜の側に対向配置された第２の電極と、
前記絶縁膜が形成された第１の電極と前記第２の電極との間に封入されて互いに分離した状態を保つ透明な極性液体および不透明な無極性液体と、
前記絶縁膜上の円形状の領域を取り囲むように設けられた外壁とを備え、
前記絶縁膜上の前記円形状の領域が、隔壁によって複数のサブ領域に放射状に区画され、
前記サブ領域ごとに、前記無極性液体が設けられており、
前記外壁の近傍の前記外壁よりも内側の領域には電極が設けられていない
液体光学素子。
【請求項７】
前記円形状の領域は４つのサブ領域に区画されている
請求項６に記載の液体光学素子。
【請求項８】
前記無極性液体は、直鎖型炭化水素を含んで構成されている
請求項６記載の液体光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電的に濡れ性を制御するエレクトロウェッティング現象を利用した液体光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カメラなどに搭載される光学絞りなどの光学素子は、一般に直径が数ｍｍ程度（主に直径２〜８ｍｍ）であり、角のある黒色シャッタ板を開閉させて光量を調節する。このため、カメラ内部に駆動装置を内蔵する必要があり、大掛かりとなる。また、シャッタ板の角に起因する光芒やシャッタ板形に起因する回折像が写真に写ってしまい、滑らかな光量調節が困難である。
【０００３】
そこで、静電的に濡れ性を制御して液体の変形や変位を発生させるエレクトロウェッティング現象を用いた光学素子（以下、液体光学素子という）、上記のような光学絞りの分野に応用されている。例えば、図１７（Ａ）に示したようなカメラの光学絞り２００が提案されている（特許文献１，２参照）。この光学絞り２００では、一対の基板２０１，２０２のそれぞれの対向面に電極２０３，２０８が設けられており、電極２０３上には絶縁膜２０４が形成されている。また、絶縁膜２０４と電極２０８との間には、着色された不透明な極性液体層２０６と、透明な無極性液体層２０７が封止されている。このような構成において、電極間に電圧が印加されると、極性液体層２０６の濡れ性が変化して、透明な無極性液体層２０７が変形し、光の透過量が変化する（図１７（Ｂ））。これにより、シャッタ板を機械的に開閉させて光量調節を行う場合と比べて、装置全体の小型化を実現できると共に、液体を変形させて透過光量を調節するため、滑らかな光量調節が可能となる。
【特許文献１】特開２００７−２０９１１２号公報
【特許文献２】特開２００１−２２８３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１，２のような構成では、４０Ｖ程度の高電圧駆動が必要であり、また、電圧に対する応答速度が遅いという問題があった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、印加電圧に応じて透過光量を調節すると共に、低電圧駆動および高速応答化を実現することが可能な液体光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の液体光学素子は、表面に絶縁膜が形成された第１の電極と、第１の電極の絶縁膜の側に対向配置された第２の電極と、絶縁膜が形成された第１の電極と第２の電極との間に封入されて互いに分離した状態を保つ透明な極性液体および不透明な無極性液体と、絶縁膜上の円形状の領域を取り囲むように設けられた外壁とを備え、無極性液体が外壁に対して親和性を有するものである。また、絶縁膜上の円形状の領域が、隔壁によって複数のサブ領域に放射状に区画され、サブ領域ごとに無極性液体が設けられている。
【０００７】
本発明の液体光学素子では、第１および第２の電極間に電圧が印加されると、その電圧の大きさに応じて、絶縁膜の極性液体に対する濡れ性が変化し、極性液体は絶縁膜に対する接触面積を増大（縮小）するように変形する。これにより、絶縁膜上に配置された無極性液体は、絶縁膜に対する接触面積を縮小（増大）するように変形（移動）する。このとき、無極性液体が、絶縁膜上の領域を囲むように設けられた外壁に対して親和性を有していることにより、無極性液体は外壁に沿って集まるように変形（移動）する。すなわち、電圧を印加した際に、無極性液体は、領域の端部に向けて変形する一方、極性液体は、領域の中央部から無極性液体を分け入るように変形する。
【０００８】
本発明の他の液体光学素子は、表面に絶縁膜が形成された第１の電極と、第１の電極の絶縁膜の側に対向配置された第２の電極と、絶縁膜が形成された第１の電極と第２の電極との間に封入されて互いに分離した状態を保つ透明な極性液体および不透明な無極性液体と、絶縁膜上の円形状の領域を取り囲むように設けられた外壁とを備え、外壁の近傍の外壁よりも内側の領域には電極が設けられていないものである。また、絶縁膜上の円形状の領域が、隔壁によって複数のサブ領域に放射状に区画され、サブ領域ごとに無極性液体が設けられている。
【０００９】
本発明の他の液体光学素子では、第１および第２の電極間に電圧が印加されると、その電圧の大きさに応じて、絶縁膜の極性液体に対する濡れ性が変化し、極性液体は絶縁膜に対する接触面積を増大（縮小）するように変形する。これにより、絶縁膜上に配置された無極性液体は、絶縁膜に対する接触面積を縮小（増大）するように変形（移動）する。このとき、絶縁膜上の領域を囲むように設けられた外壁近傍の外壁よりも内側の領域には電極が設けられていないことにより、無極性液体は外壁に沿って集まるように変形（移動）する。すなわち、電圧を印加した際に、無極性液体は、領域の端部に向けて変形する一方、極性液体は、領域の中央部から無極性液体を分け入るように変形する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の液体光学素子によれば、絶縁膜が形成された第１の電極と第２の電極との間に、透明な極性液体層と不透明な無極性液体層とを設け、無極性液体が、絶縁膜上の領域を取り囲むように設けられた外壁に対して親和性を有するようにしたので、印加電圧に応じて透過光量を調節すると共に、低電圧駆動および高速応答化を実現することができる。
【００１１】
本発明の他の液体光学素子によれば、絶縁膜が形成された第１の電極と第２の電極との間に、透明な極性液体層と不透明な無極性液体層とを設け、絶縁膜上の領域を取り囲むように設けられた外壁の近傍の外壁よりも内側の領域に電極を設けないようにしたので、印加電圧に応じて透過光量を調節すると共に、低電圧駆動および高速応答化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る光学絞り１の概略構成を表す断面図である。光学絞り１は、静電的に濡れ性を制御するエレクトロウェティング現象を利用して、液体の変形ならびに変位を発生させることで透過光量を調節する装置である。この光学絞り１には、対向配置された下部基板１０と上部基板１１との間に、下部基板１０の側から下部電極（第１電極）１２、絶縁膜１３、外壁１４および上部電極（第２電極）１７が設けられている。また、絶縁膜１３と上部電極１７との間には、極性液体層１５と無極性液体層１６とが封止層１８によって封止されている。
【００１４】
下部基板１０および上部基板１１は、ガラスや透明樹脂などの透明性を有する材料により構成されている。特に、光量調節を行うことに鑑みて透明性の高い材料が好ましい。また、充分な耐熱性を有し、平面方向の寸法安定性の高い材料が好ましい。さらに、装置全体の薄型化のために、できるだけ薄型の基板とすることが好ましい。
【００１５】
例えば、透明樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリサルフォン（ＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン等の高分子材料が挙げられ、これらのうち少なくとも１種を含むプラスチック基板が用いられる。具体的には、ポリイミド（ＰＩ）基板（例えば、ネオプリムＬ（商品名：三菱ガス化学製）、耐熱温度：２８５℃、光透過率９０％（厚さ１００μｍ））、フッ素樹脂基板（耐熱温度：２５０℃）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）基板（例えば、スミライトＦＳ（商品名：住友ベークライト株式会社製）、耐熱温度：１８０℃、光透過率８８％（厚さ５５０ｎｍ））、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）基板（耐熱温度：１６０℃）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板（耐熱温度：１４０℃）などが挙げられる。
【００１６】
下部電極１２および上部電極１７は、透明性を有する電極材料、例えば、Ｉｎ2Ｏ3（酸化インジウム）とＳｎＯ2（酸化スズ）との混合物（ＩＴＯ：酸化インジウムスズ）、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3などにより構成されている。この他にも、ＩＴＯ、ＳｎＯ2もしくはＩｎ2Ｏ3に、スズ（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）などをドーピングしたもの、例えばフッ素−ドープ酸スズ（ＦＴＯ）が用いられる。また、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）や、ＺｎＯにアルミニウム（Ａｌ）をドープしたＡＺＯ、ＺｎＯにガリウム（Ｇａ）をドープしたＧＺＯ、ＺｎＯにインジウム（Ｉｎ）をドープしたものなどが用いられる。
【００１７】
また、下部電極１２は、絶縁膜上の外壁１４によって囲まれた領域よりも一回り小さくなるように設けられている。すなわち、領域Ｐには、外壁１４の近傍で外壁１４よりも内側の領域に電極のない領域が設けられている。
【００１８】
絶縁膜１３は、下部電極１２と上部電極１７との構造的に絶縁するためのものである。ここで、絶縁膜１３は、無電界下において、極性液体層１５よりも無極性液体層１６に対して親和性が大きい材料によって構成されている。絶縁膜１３の材料としては、撥水性を有するもの、例えばフッ素原子を含有する分子材料が好適に用いられる。また、誘電率の大きな材料を用いることが好ましい。絶縁膜１３の厚みは、絶縁強度の観点からは厚い方が好ましく、誘電率を大きくする観点からは薄い方が好ましい。
【００１９】
このような絶縁膜１３の具体的な材料としては、フルオロアルキル系高分子が挙げられ、例えば、ビニリデンフッ素共重合体、ヘキサフルオロイソブチレン含有高分子、エチレン共重合体、パーフルオロジメチルジオキソール共重合体、液晶性シクロブタンなどが挙げられる。その一例を、化１（1,1,2,4,4,5,5,6,7,7-decafluoro-3-oxa-1,6-heptadiene）に示す。
【００２０】
【化１】
0005239393.tif 000002
【００２１】
外壁１４は、絶縁膜１３上に、光学絞り１の領域Ｐを囲むように設けられている。言い換えると、外壁１４によって囲まれる領域が、領域Ｐとなっている。この外壁１４の具体的な構成については後述する。
【００２２】
極性液体層１５および無極性液体層１６は、絶縁膜１３と上部電極１７との間に互いに混じり合うことなく２層に分かれて存在している。例えば、無極性液体層１６は、絶縁膜１３上の外壁１４によって囲まれた領域に配置されている。また、極性液体層１５は、外壁１４と無極性液体層１６を覆うように配置されている。
【００２３】
極性液体層１５は、光透過性を有すると共に、無極性液体層１６と交じり合わない材料により構成されている。また、電圧に対する応答速度の観点から低粘度であることが好ましい。極性液体層１５の材料としては、可視光に対して透明な材料、例えば、純水、塩化カリウムや塩化ナトリウムなどの電解質を溶かした水溶液、分子量の小さなアルコール（メチルアルコール、エチルアルコール）などが挙げられる。
【００２４】
無極性液体層１６は、遮光性を有すると共に、極性液体層１５と交じり合わない材料により構成されている。また、電圧に対する応答速度の観点から低粘度であることが好ましい。無極性液体層１６としては、ベンゼン、トルエン、ｎ−ヘキサン、ｎ−オクタン、ｎ−デカン、ｎ−ドデカン、ｎ−ヘキサデカン、ウンデカン等の炭化水素系材料、キシレン、メシチレン、ブチルベンゼン、１,１−ジフェニルエチレンなどのうち少なくとも一種を含む無極性溶媒に、例えば可視光に対して黒色となる染料や顔料などの色素を含有したものが用いられる。但し、本実施の形態では、無極性液体層１６として、外壁１４に対して親和性を有する材料、例えばｐ−キシレンなどの芳香族炭化水素材料を用いた場合を例に挙げて説明する。
【００２５】
無極性液体層１６に含有される色素としては、上記のような無極性溶媒に良く溶け（または分散し）、例えば４５０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６５０ｎｍ付近に吸収帯を有する材料やこれらの材料を組み合わせたものが用いられる。その一例を化２に示す。
【００２６】
【化２】
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【００２７】
封止層１８は、粘着性のシリコーンテープなどのシール剤であり、極性液体層１５や無極性液体層１６の漏れを防ぐと共に、下部基板１０と上部基板１１との間の距離、すなわちセルギャップを一定間隔に保持するためのものである。なお、この封止層１８の外側に、さらに光硬化型もしくは熱硬化型などの接着層が設けられていてもよい。
【００２８】
また、光学絞り１には、図示しない制御部が設けられている。制御部には、例えば電源部と、電圧のオン状態、オフ状態を切り替えるためのスイッチ部とが設けられ、上述した下部電極１２と上部電極１７との間に任意の大きさの電圧を印加することができるようになっている。このような光学絞り１は、例えば小型カメラの開口絞りやシャッタとして好適に用いられ、その領域Ｐの直径は、数ｍｍ程度、例えば２ｍｍ〜８ｍｍである。
【００２９】
次に、図２を参照して外壁１４および下部電極１２の具体的な構成について説明する。
【００３０】
図２は、絶縁膜１３上に設けられた外壁１４の平面構成を表す模式図である。このように、外壁１４は、絶縁膜１３の表面に沿って環状、すなわち、絶縁膜１３上の領域を円形状に取り囲むように設けられている。また、下部電極１２は、この環状の外壁１４よりも一回り内側の領域に、外壁１４と同心円形状となるように設けられている。
【００３１】
このような外壁１４の材料としては、ＣＨ基を含有する分子からなる材料を用いるのがよい。例えば、光加工性が良好であり、有機溶媒にほとんど膨潤しない程度にまで架橋したアクリル系樹脂や、化３に示したようなエポキシ系樹脂などの高分子材料が好適である。また、極性液体層１５に溶解したり反応したりしないことが好ましい。具体的には、光硬化型のエポキシ樹脂（ＳＵ−８３０３５，ＳＵ−８５０５０：化薬マイクロケム株式会社製）が用いられる。なお、これらの材料が光重合することにより、外壁１４の表面は疎水的（親油的）となる。
【００３２】
【化３】
0005239393.tif 000004
【００３３】
次に、図３〜図７を参照して、上記のような光学絞り１の製造方法について説明する。
【００３４】
まず、下部基板１０上に下部電極１２を形成する。例えば、図３に示したように、上述した材料よりなる下部基板１０上に、上述した材料よりなる透明電極材料を例えばスパッタリング法により成膜する。なお、同様にして、上述の材料よりなる上部基板１１上に、上部電極１７を形成する（図示せず）。
【００３５】
次いで、下部電極１２を例えばフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、下部電極１２の端部領域を除去する。この際、まず図４（Ａ）に示したように、成膜した下部電極１２上に、例えばポジ型のフォトレジスト膜１１０を、例えばスピンコート法により塗布形成したのち、フォトレジスト膜１１０表面を、所定の開口パターンを有するフォトマスク１１１を用いて露光する。こののち、現像処理を施すことにより、パターニングされたフォトレジスト膜１１０を形成する（図４（Ｂ））。続いて、パターニングされたフォトレジスト膜１１０側の面を、例えばウェットエッチングしたのちフォトレジスト膜１１０を除去することにより、下部電極１２をパターニングする（図４（Ｃ））。
【００３６】
次いで、図５に示したように、パターニングした下部電極１２の全面を覆うように、上述した材料よりなる絶縁膜１３を、例えばスピンコート法、ディップコート法、蒸着法などにより成膜する。この際、絶縁膜１３の表面に撥水処理を施すようにしてもよい。
【００３７】
次いで、形成した絶縁膜１３上に外壁１４を形成する。まず、図６（Ａ）に示したように、絶縁膜１３上に、光硬化型の樹脂層１４−１を形成する。この際、例えば上述したようなエポキシ樹脂に、例えば化４に示したようなスルホニウム塩を光酸発生剤として加えるようにしてもよい。
【００３８】
【化４】
0005239393.tif 000005
【００３９】
続いて、図６（Ｂ）に示したように、例えば、所定の領域に開口が設けられたマスク１１２を用いて、形成した樹脂層１４−１に光照射を行う。こののち、加熱処理、現像処理などを施すことにより、例えば環状の外壁１４を得る（図６（Ｃ））。この際、外壁１４の表面は、樹脂層１４−１の光重合によって親油的となる。
【００４０】
次いで、図７に示したように、外壁１４を形成した絶縁膜１３上に、例えば上述したような色素を溶解させた無極性液体を、外壁１４によって囲まれた領域に注入し、絶縁膜１３上の領域を無極性液体で被覆することにより無極性液体層１６を形成する。そして、この無極性液体層１６の上面から、上述した材料よりなる極性液体を注入することにより、極性液体層１５を形成する。
【００４１】
最後に、無極性液体層１６および極性液体層１５が形成された下部基板１０と、上部電極１７が形成された上部基板１１とを、極性液体層１５と上部電極１７とが対向するように重ね合わせ、封止層１８によって封止する。以上により、図１に示した光学絞り１を完成する。
【００４２】
次に、本実施の形態の光学絞り１の作用、効果について説明する。図８および図９は、極性液体層１５および無極性液体層１６の変形の様子を表す模式図であり、図８（Ａ）は電圧を印加していない状態（Ｖ＝０）、図８（Ｂ）は電圧を印加した状態（Ｖ＝Ｖ１）を示す。図９（Ａ），（Ｂ）は、図８（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ対応する平面図である。
【００４３】
光学絞り１では、図８（Ａ）および図９（Ａ）に示したように、電圧を印加していない状態では、外壁１４によって囲まれた領域Ｐ内で、可視光に対して黒色となるように着色された無極性液体層１６が絶縁膜１３の全面を覆い、この無極性液体層１６の上層に極性液体層１５が配置された状態で安定している。よって、電圧を印加していない状態では、入射光の光路は無極性液体層１６によって遮断され、透過光量はほぼ０（ゼロ）となる。なお、芳香族炭化水素材料を用いた無極性液体層１６の表面形状は、電圧を印加していない状態において、絶縁膜１３の側に凸となる。
【００４４】
一方、図示しない制御部の制御によって下部電極１２と上部電極１７との間に電圧が印加されると、両電極間に電界が発生する。これにより、絶縁膜１３内において電界方向へ分極電荷が発生し、絶縁膜１３の表面に電荷が蓄積され、いわゆる電荷二重層状態となる。このとき、極性液体層１５は極性を有しているので、電荷の存在により、絶縁膜１３の近傍へクーロン力によって引き寄せられる。すなわち、印加する電圧が大きくなるにつれて、絶縁膜１３の極性液体層１５に対する濡れ性が大きくなる。これにより、極性液体層１５は、絶縁膜１３との接触面積を増大させるように変形する。一方、無極性液体層１６は、無極性であるがゆえにクーロン力は発生しない。このため、無極性液体層１６は、変形する極性液体層１５に押し出されて絶縁膜１３上の一部の領域に集まるように移動する。すなわち、無極性液体層１６は、絶縁膜１３との接触面積を縮小させるように変形する。なお、このとき、芳香族炭化水素材料の凝集力が比較的弱いため、領域Ｐの中央付近からちぎれるようにして外壁１４の近傍へ移動する。
【００４５】
ここで、絶縁膜１３の極性液体層１５に対する濡れ性の変化は、以下の式（１）〜（３）によって説明することできる。但し、γLVを液体と基体との界面張力、γSVを固体と気体との界面張力、γSLを固体と液体との界面張力、γEWを電界の強さによる界面張力、ε0を真空の誘電率、εrを絶縁膜１３の比誘電率、Ｖを印加電圧の大きさ、ｄを下部電極１１と上部電極１７との間の距離（電極間ギャップ）とする。これら式（１）〜（３）により、極性液体層１５の絶縁膜１３に対する接触角θは、電圧Ｖの大きさに応じて変化することがわかる。よって、印加電圧の大きさに応じて、極性液体層１５の界面形状、すなわち濡れ性が変化する。
γLVcosθ＝γSV−γSL＋γEW      ………（１）
γEW＝ｄ×σL2／２×ε0×εr     ………（２）
σL＝ε0×εr×Ｖ／ｄ          ………（３）
【００４６】
上述したように、電圧を印加することによって、絶縁膜１３の極性液体層１５に対する濡れ性が大きくなり、無極性液体層１６は、絶縁膜１３との接触面積を縮小するように変形する。これにより、面内では、可視光に対して黒色となる領域が小さくなるため、領域Ｐ全体として光の透過領域が大きくなる。また、印加する電圧の大きさに応じて、極性液体層１５の絶縁膜１３に対する濡れ性が変化するため、これに伴って無極性液体層１６の変形量も変化する。
【００４７】
このとき、領域Ｐを囲うように絶縁膜１３上に設けられた外壁１４に対して、無極性液体層１６が親和性を有していることにより、図８（Ｂ）および図９（Ｂ）に示したように、無極性液体層１６は外壁１４に沿って集まるように変形（移動）する。すなわち、電圧を印加した際に、無極性液体層１６は、領域Ｐの端部に向けて変形する（図８（Ｂ）中の点線矢印）一方、極性液体層１５は、領域Ｐの中央部から無極性液体層１６を分け入るように変形する（図８（Ｂ）中の実線矢印）。これにより、領域Ｐのうち、中央の領域が開口部２０となる。
【００４８】
以上のように、光学絞り１によれば、絶縁膜１３と上部電極１７との間に、極性液体層１５と無極性液体層１６とを設けるようにしたので、印加電圧の大きさに応じて絶縁膜１３の極性液体層１５に対する濡れ性を変化させ、無極性液体層１６を変形（移動）させることができる。このとき、極性液体層１５が可視光に対して透明で、無極性液体層１６が可視光に対して黒色となるように着色されているので、極性液体層１５および無極性液体層１６のそれぞれの形状を変化させることにより透過光量の調節が可能となる。
【００４９】
ここで、図１７（Ａ）に示したような従来の光学絞り２００では、絶縁膜２０４上に環状の外壁２０８が形成され、この環状の外壁２０８によって囲まれる領域内に、無極性液体層２０７、極性液体層２０６がこの順に設けられている。このような光学絞り２００では、一対の電極２０３，２０８の間に電圧が印加されると、極性液体層２０６の濡れ性が変化して、無極性液体層２０７が絶縁膜２０４上で変形する（図１７（Ｂ））。このとき、光学絞り２００では、極性液体層２０６が黒色となるように着色されており、無極性液体層２０７が透明となっている。このため、無極性液体層２０７を上部の電極２０８に接するように変形させて光を透過させるようになっている。
【００５０】
ところが、このような光学絞り２００では、電圧を印加した際に、絶縁膜上で無極性液体層が集まる領域、すなわち変形（移動）する方向性が定まらず、これによって駆動電圧が高くなったり、電圧に対する応答速度が遅くなってしまう。
【００５１】
これに対し、本実施の形態の光学絞り１によれば、領域Ｐを囲うように設けられた外壁１４に対して、無極性液体層１６が親和性を有するようにしたので、無極性液体層１６の変形する方向性を定め、無極性液体層１６を領域Ｐの端部に、極性液体層１５を領域Ｐの中央部に、それぞれ高速に変形させることができる。これにより、駆動電圧を低くすると共に、電圧に対する応答速度を速くすることができる。また、無極性液体層１６が不透明性、極性液体層１５が透明性を有するようにしたので、領域Ｐの中央に開口（透過領域）が形成されると共に、印加電圧に応じて、その開口の大きさを変化させることができる。以上により、印加電圧に応じて透過光量を調節すると共に、低電圧駆動および高速応答化を実現することが可能となる。
【００５２】
また、下部電極１２を、基板面内方向において、外壁１４によって囲まれる領域よりも一回り小さくなるようにしたので、絶縁膜１３上の外壁１４の近傍に電荷の蓄積されない領域を設けることができる。上述したように、絶縁膜１３表面における電荷の蓄積によって極性液体層１５に対する濡れ性が大きくなり、この濡れ性の大きくなった領域で極性液体層１５が安定して存在する。このため、絶縁膜１３上に電荷の蓄積されない領域があれば、無極性液体層１６はその領域に必然的に追いやられる。よって、無極性液体層１６を、外壁１４の近傍領域、すなわち領域Ｐの端部に向けて変形させ易くすることができ、光学絞りにおいて低電圧駆動および高速応答化を実現し易くなる。
【００５３】
なお、従来のように、極性液体層を着色した場合には、極性液体層に含有された色素によって、電圧印加時に電荷が発生し、絶縁破壊を引き起こし易くなる。これに対し、本実施の形態では、無極性液体層１６を不透明、極性液体層１５を透明としたので、このような色素に起因する絶縁破壊が発生しにくくなる。
【００５４】
［変形例］
次に、本実施の形態の光学絞り１の変形例について説明する。
【００５５】
図１０は、変形例に係る光学絞り２の概略構成を表す断面図である。図１１は、光学絞り２の壁の平面構成を表す模式図である。光学絞り２は、絶縁膜１３上の外壁１４によって囲まれる領域を複数のサブ領域に区画する隔壁２４が設けられ、このサブ領域内に無極性液体層１６が配置されること以外は、上記第１の実施の形態の光学絞り１と同様の構成となっている。よって、以下では、上記第１の実施の形態の光学絞り１と同様の構成要素については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００５６】
隔壁２４は、絶縁膜１３上の外壁１４によって囲まれる領域、すなわち領域Ｐ内を、例えばマトリクス状（格子状）のサブ領域に区画するようになっている。そして、この隔壁２４によって区画されたサブ領域ごとに、無極性液体層１６が配置され、これらサブ領域ごとに配置された全ての無極性液体層１６を覆うように極性液体層１５が設けられている。
【００５７】
また、隔壁２４は、例えば上述した外壁１４と同様の材料により構成されている。但し、隔壁２４の上面部２４ｂは、極性液体層１５に対して親和性（親水性）を有するようになっている。この場合、隔壁２４の上面部２４ｂに対して、例えばＵＶ／ＯＺＯＮＥ処理などの親水化処理を施すようにする。あるいは、隔壁２４の全面に対して親水化処理を施すようにしてもよく、このようにした場合であっても、無極性液体層１６として芳香族炭化水素材料を用いた場合には、無極性液体層１６との相互作用により、隔壁２４の側面部２４ａは外観上親油的となる。
【００５８】
このように、領域Ｐを複数のサブ領域に区画する隔壁２４をさらに設け、この区画された領域ごとに無極性液体層１６を配置するようにしてもよい。これにより、上記実施の形態の光学絞り１と同等の効果を得ることができる。また、電圧を印加することにより、各サブ領域内で変形する無極性液体層１６の変形量（移動量）が小さくなるため、低電圧駆動および高速応答化を実現し易くなる。
【００５９】
また、上記のように領域Ｐを分割した場合には、例えば、領域Ｐのうち中央部に配置されたサブ電極から端部に配置されたサブ電極にかけて同心円形状となるように順次電圧を印加する領域を変化させることにより、例えば図１２（Ａ）〜（Ｅ）に示したように、開口（透過領域）のサイズを変化させるようにする。但し、図１２（Ａ）は電圧をいずれのサブ電極にも印加していない場合、図１２（Ｂ）〜（Ｄ）は中央部から端部へ段階的に電圧印加領域を増加していった場合、図１２（Ｅ）は全てのサブ電極に電圧を印加した場合の光学絞り１の領域Ｐ全体の開口の様子を示したものである。このように、絶縁膜１３上の領域を隔壁２４によって複数のサブ領域に区画することにより、開口サイズを調節することができ、領域Ｐの任意の位置で透過率が異なるように光量を調節することが可能となる。
【００６０】
また、隔壁２４の上面部２４ｂが親水性を有していることで、隔壁２４によって囲まれる各サブ領域内に配置された無極性液体層１６が、隣接するサブ領域に流出することを防ぐことができる。よって、各無極性液体層１６を安定して配置させることができる。
【００６１】
なお、本変形例では、無極性液体層１６が分割されたサブ領域ごとに設けられ、極性液体層１５が、各サブ領域に共通の層として設けられた構成を例に挙げて説明したが、極性液体層１５の構成はこれに限定されない。例えば、各サブ領域をそれぞれ構造的に独立させ、各サブ領域内に無極性液体層１６と極性液体層１５とを１：１の個数比で設けるようにしてもよい。
【００６２】
また、サブ領域ごとに分割された下部電極１２を複数設けた構成を例に挙げて説明したが、下部電極１２はサブ領域ごとに分割されていなくともよい。すなわち、隔壁２４のマトリクス状のパターンに対応して下部電極を配置する必要はない。例えば、領域Ｐを任意の数、任意の面積のブロックに分け、このブロックごとに下部電極を分割して、例えば図１２（Ａ）〜（Ｅ）に示したような開口サイズとなるように、駆動するようにしてもよい。
【００６３】
また、隔壁の形成パターンは、上述したマトリクス状に限定されず、例えば、図１３（Ａ），（Ｂ）に示したように、領域Ｐを放射状に例えば４つのサブ領域ＰS−１，ＰS−２，ＰS−３，ＰS−４に分割するようなパターンであってもよい。このような場合であっても、例えば外壁１４の壁面の無極性液体層１６に対する親和性を調節すれば、電圧印加時において、図１３（Ｂ）に示したように中央部に開口を設けることができ、また、印加電圧の大きさに応じて開口サイズを調節することができる。
【００６４】
［第２の実施の形態］
図１４は、第１の実施の形態に係る光学絞り３の概略構成を表す断面図である。光学絞り３は、無極性液体層２６として、直鎖型炭化水素材料、例えば、ｎ−ドデカンなどを用いていること以外は、上記第１の実施の形態の光学絞り１と同様の構成となっている。よって、上記第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００６５】
無極性液体層２６として直鎖型炭化水素材料を用いた場合、電圧を印加していない状態（Ｖ＝０）では、無極性液体層２６の表面形状は、上部電極１７の側に凸となる（図１５（Ａ））。一方、下部電極１２と上部電極１７との間に、電圧を印加した状態（Ｖ＝Ｖ１）では、絶縁膜１３上の全面を覆っていた無極性液体層２６が、領域Ｐの隔壁１４の近傍へ集まるように移動する（図１５（Ｂ））。これは、外壁１４の近傍に電極のない領域（電荷の発生しない領域）が設けられているため、上述したように、この電極のない領域に無極性液体層２６が必然的に追いやられることによるものである。
【００６６】
このように、無極性液体層として直鎖型炭化水素を用いた場合にも、第１電極を外壁１４よりも一回り小さくなるような平面構成とすれば、電圧無印加時の表面形状や電圧印加による挙動が異なるものの、上記第１の実施の形態の光学絞り１とほぼ同等の効果を得ることが可能となる。
【実施例】
【００６７】
次に、上記のような光学絞り１の具体的な実施例について説明する。
【００６８】
実施例として、図１に示したような光学絞り１を、領域Ｐ全域の大きさ（セルサイズ）をφ１（直径１ｍｍ）として、実際に作製した。まず、厚み０．７ｍｍの無アルカリ性のガラスからなる下部基板１０上に、表面抵抗が１００Ω／mm2のＩＴＯ膜（下部電極１２）を成膜し、フォトリソグラフィ法により下部電極１２のパターニングを行った。具体的には、下部電極１２上へポジ型感光性レジストをスピンコートしたのち、光照射および現像処理によってレジストをパターニングし、混酸（１８wt％−ＨＣｌ，１０wt％−ＨＮＯ3，７２wt％−Ｈ2Ｏ) によりエッチングした。また、この際、平面形状が直径０．７５ｍｍの円形となるようにパターニングした。
【００６９】
次いで、パターニングした下部電極１２の表面に、化１で表される材料を６wt％含有したパーフルオロトリブチルアミン溶液をスピンコートして、厚み５００ｎｍの絶縁膜１３を下部電極１２を覆うように形成した。続いて、絶縁膜１３上に、化３で表されるエポキシ樹脂を、化４のスルホニウム塩（光酸発生剤）を用いて光カチオン重合により硬化させた。この際、エポキシ : シクロペンタノン : スルホニウム塩 : プロピレンカーボネート＝９：１６：１：１の重量比で混合した溶液をスピンコートして成膜したのち、光照射処理、加熱処理、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートによる現像処理を施すことにより、絶縁膜１３上に図２に示したような環状の外壁１４を形成した。
【００７０】
次いで、手動又は機械により、ｎ−ドデカンとｐ−キシレンとの混合液に対し、化２に示したような黒色の色素を溶解させたものを、絶縁膜１３上の外壁１４によって囲まれた領域に注入し、無極性液体層１６を形成した。そして、この無極性液体層１６の表面へ極性液体層１５として水を注入したのち、上部電極１７が形成された上部基板１１を貼り合わせ、封止層１８により、全体の厚み（セルギャップ）が１２５μｍとなるように封止した。
【００７１】
上記のようにして作製した実施例に係る光学絞りについて、電圧を印加しない状態における透過率曲線を図１６に示す。このように、電圧を印加しない状態（黒色時）では、特に波長３５０ｎｍから６５０ｎｍの領域において吸収率が高く、十分に黒色を表現できていることがわかる。
【００７２】
また、下部電極１２と上部電極１７との間に、＋２０Ｖと−２０Ｖとを交互に繰り返す矩形波電圧（以下、単に±２０Ｖの矩形波電圧という）を印加すると、電圧印加前には領域Ｐの全域を覆っていた各無極性液体層１６は、直ちに領域Ｐの隅へ追いやられ、十分に透明を表現できていることが視覚的に観察された。
【００７３】
次いで、印加電圧を、±２０Ｖと０Ｖとを交互に繰り返す矩形波電圧とすると、領域Ｐ全体では、黒色と透明とが高速に切り替わって表示されることが確認された。すなわち、電圧の切り替えに対して、光学絞りの開閉動作が高速に行われることが示された。また、上述した結果から、実施例に係る光学絞りでは、透明から黒色、および黒色から透明を切り替えるための駆動電圧が約２０Ｖであることがわかる。
【００７４】
また、印加電圧を、±２０Ｖの矩形波電圧とした場合に、電圧印加前後の無極性液体層１６のセルサイズに対する存在比率から応答速度を算出した。但し、領域Ｐ全体の面積に対して、無極性液体層１６の占める面積が最小となる時（すなわち、透過面積が最大となる透明時）と、最大となる時（すなわち、透過面積が最小となる黒色時）との切り替えに要する時間を応答速度とする。この結果、応答速度は、５００ｍｓ（ミリ秒）以下となり、実用上十分な速度であった。
【００７５】
また、印加電圧を、±２０Ｖと０Ｖとを交互に１Ｈｚで５万回繰り返す矩形波電圧としたところ、電圧印加前後において、無極性液体層１６の変化率やスペクトル形状にほとんど変化がなく、実用上十分に優れた耐久性を有していることが確認された。
【００７６】
また、印加電圧を、±０Ｖから±２０Ｖにかけて徐々に増加するような矩形波電圧とすると、領域Ｐ全体の色合いが黒色に近い状態から白色に近い状態へ徐々に変化することが確認された。また逆に、±２０Ｖから±０Ｖと、徐々に低減するような矩形波電圧とすると、白色に近い状態から黒色に近い状態へ徐々に変化することが確認された。すなわち、印加する電圧の大きさにより色調を調節することができ、ＮＤフィルタのようなグレー表示を行うことも可能であることがわかる。
【００７７】
一方、上記実施例の比較例として、図１７（Ａ），（Ｂ）に示したような従来の光学絞り２００（セルサイズ：φ１）を作製した。この際、まず、上記実施例と同様にして下部基板２０１上に下部電極２０３、絶縁膜２０４を形成したのち、壁面２０５を、面内方向において環状となるように形成した。但し、下部電極２０３については、セルサイズと同等の大きさとなるように形成した。
【００７８】
次いで、シリコンオイルを、絶縁膜２０４上の壁面２０５によって囲まれる円形の領域内に注入することにより無極性液体層２０７を形成した。さらにその表面へ、黒色顔料（親水性カーボンブラック）が溶解した水を注入することにより、極性液体層２０６を形成した。ここで、無極性液体層２０７（シリコンオイル）と極性液体層２０６（水）との比重を同一にするために、水に塩化物イオンを溶解させた。この上に、上部電極２０８が形成された上部基板２０２を重ね合わせ、封止層２０９によって全体の厚みが１２５μｍとなるように封止することにより、光学絞り２００を作製した。
【００７９】
このようにして作製した光学絞り２００において、下部電極２０３と上部電極２０８との間に電圧を印加した。この際、印加電圧を、０Ｖから±２０Ｖの矩形波電圧へ変化させても、ほとんど無極性液体層２０７に変化はみられず、図１７（Ａ）に示したような状態のままであった。そこで、両電極間に±４０Ｖの矩形波電圧を印加すると、無極性液体層２０７が中央部に集まるように変形し、図１７（Ｂ）に示したような状態（透明時）となった。また、この際、応答速度はいずれも１０ｓ（秒）程度であった。
【００８０】
また、一部の絶縁膜表面で絶縁破壊が起こっていることがわかった。これは、色素が極性液体層に分散しており、電荷を持った色素が電解質として機能したためと考えられる。
【００８１】
ここで、表１に、上述した実施例および比較例における駆動電圧および応答速度についての測定結果をまとめたものを示す。このように、無極性液体層１６が、領域Ｐを囲む外壁１４に対して親和性を有すると共に、無極性液体層を着色して極性液体層を透明とすることにより、駆動電圧が低くなり、応答速度が速くなっていることがわかる。また、極性液体層と無極性液体層との比重調整も不要であるため、絶縁破壊を引き起こす要因となる塩化物イオンなどを加える必要がなくなり、材料の選定が容易となる。
【００８２】
【表１】
0005239393.tif 000006
【００８３】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記第１の実施の形態では、領域Ｐの端部に下部電極のない領域が設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、領域Ｐの全域に下部電極が形成された構成であっても、本発明と同等の効果を得ることができる。
【００８４】
また、上記実施の形態等では、外壁１４が絶縁膜１３上に環状となるように設けられた構成を例に挙げて説明したが、外壁１４の平面構成は、これに限定されず、例えば正方形や正六角形などの正多角形であってもよい。
【００８５】
また、上記実施の形態等では、絶縁膜表面に外壁や隔壁を形成した構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば絶縁膜上にさらに撥水膜などを形成し、この撥水膜上に壁面を設けるようにしてもよい。この場合、撥水膜は、可動部分となる無極性液体層や極性液体層と接触するため、これらに対して疎水性の大きい材質であることが好ましい。また、下部電極と上部電極とを構造的に絶縁させるために、誘電率が大きい材質であることが好ましい。例えば、フッ素系のポリマーであるＰＶｄＦやＰＴＦＥなどが用いられる。
【００８６】
また、上記実施の形態等では、絶縁膜上にエポキシ樹脂などを光重合させることによって、親油的な外壁を形成したのち、この外壁によって囲まれる領域に無極性液体を注入して、無極性液体層を設けるようにしたが、これに限定されず、形成した外壁表面に親水化処理を施したのち、無極性液体を注入するようにしてもよい。なお、第１の実施の形態において、上記のように外壁の表面に親水化処理を施したとしても、芳香族炭化水素材料と外壁との相互作用により外観上は親油的となる。
【００８７】
また、上記実施の形態等では、下部電極の全面を覆うように絶縁膜が設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば下部電極上の外壁に対向する領域に、ブラックマトリクスを設け、このブラックマトリクスを覆うように絶縁膜を設けるようにしてもよい。これにより、外壁が形成された領域に入射する光が遮断され、外壁での光の散乱などを抑制することができる。
【００８８】
また、上記実施の形態等では、本発明の液体光学素子として、カメラなどに用いられる光学絞りを例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば領域Ｐを一つの画素（ピクセル）として複数配置し、これら複数の画素に対して画像信号に基づく電圧をそれぞれ印加することにより、画像を表示する表示装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光学絞りの概略構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した外壁および下部電極の平面構成を表す模式図である。
【図３】図１に示した光学絞りの製造工程を表す断面図である。
【図４】図３に続く工程を表す断面図である。
【図５】図４に続く工程を表す断面図である。
【図６】図５に続く工程を表す断面図である。
【図７】図６に続く工程を表す断面図である。
【図８】図１に示した光学絞りの作用を説明するための断面模式図である。
【図９】図１に示した光学絞りの作用を説明するための平面模式図である。
【図１０】本発明の一実施の形態の一変形例に係る光学絞りの概略構成を表す断面図である。
【図１１】図１０に示した光学絞りの外壁の平面構成を表す模式図である。
【図１２】図１０に示した光学絞りの開口の様子を表す模式図である。
【図１３】図１０に示した光学絞りの他の変形例を表す模式図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態に係る光学絞りの概略構成を表す断面図である。
【図１５】図１４に示した光学絞りの作用を説明するための断面模式図である。
【図１６】本発明の一実施の形態の一実施例に係る光学絞りの波長に対する透過率を表す特性図である。
【図１７】比較例に係る従来の光学絞りの概略構成を表す断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１，２…光学絞り、１０…下部基板、１１…上部基板、１２…下部電極、１３…絶縁膜、１４，２４…外壁、１５…極性液体層、１６，２６…無極性液体層、１７…上部電極、１８…封止層、Ｐ…領域。
【図１】
0005239393.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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