(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状の透明弾性膜と該透明弾性膜に対し所定間隔を空けて対向して配設された透明封止部材とで内部空間を形成しているレンズ容器と、該内部空間に充填されている透明液体とで構成されたレンズ部材と、
該内部空間の内部の圧力を変動させて該透明弾性膜を変形させ、該レンズ部材の焦点を可変とするアクチュエータと、
を有する可変焦点レンズ装置において、
前記内部空間に連通し、熱膨張および熱収縮によって増減する前記透明液体の体積のうち温度変動分を吸収する温度補償部を有し、
該温度補償部は、容積が可変のタンクと、該タンクと前記内部空間とを連通しながら前記アクチュエータによる急激な圧力変動によっては実質的に流路として機能しない狭隘な流路とをもつことを特徴とする可変焦点レンズ装置。
【請求項２】
前記タンクは、壁面のうち少なくとも一部を形成する変形容易な弾性壁をもつ、請求項１記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項３】
前記タンクは、前記弾性壁の線膨張率よりも大きな線膨張率をもち該弾性壁に外側から接合された温度補償板を有する、
請求項２記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項４】
前記タンクは、壁面のうち少なくとも一部を形成する圧電ユニモルフをもつ、請求項１記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項５】
前記タンクは、前記流路の開口部よりも高い位置に開口し外部空間と連通する通気孔をもつ、
請求項１記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項６】
前記タンクは、前記レンズ容器の周囲に同軸的かつ一体的に形成されたリング状の空洞部である、
請求項１記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項７】
前記流路では、前記透明液体が一方へ流れる場合の流路抵抗と他方へ流れる場合の流路抵抗とが等価である、
請求項１記載の可変焦点レンズ装置。
【請求項８】
前記透明封止部材は、第二の透明弾性膜で形成されている、
請求項１記載の可変焦点レンズ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変焦点レンズ装置の技術分野に属し、特に焦点の周期的な高速変動に好適な可変焦点レンズ装置の技術分野に属する。このような可変焦点レンズ装置は、顕微鏡の光学系に組み込んで焦点位置を高速で振動させることにより、焦点深度を深める等の用途に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術としては、レンズ部材とは別にレンズ部材と隣接して加圧部を有する可変焦点レンズ装置が、特開平８−１１４７０３号公報に開示されている。
上記可変焦点レンズ装置では、透明弾性膜に作用する透明液体の圧力を計測して目標圧力値になるように加圧部を制御する制御手段として、一対の圧力測定用歪ゲージと一対の温度補償用歪ゲージとが、透明弾性膜に接合されている。これら一対の圧力測定用歪ゲージと一対の温度補償用歪ゲージとは、ホイートストンブリッジ回路を形成し、同回路からの出力によって透明弾性膜の歪みが計測される。すると、レンズ部材がもつレンズの度数（焦点位置）が温度補償されて計測されるので、同計測値をもって加圧部を駆動する圧電ユニモルフを制御すれば、透明液体の熱膨張および熱収縮による体積変動も補償される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来技術による可変焦点レンズ装置では、一対の圧力測定用歪ゲージと一対の温度補償用歪ゲージとでホイートストンブリッジ回路を形成することが必要であったから、簡素な構成ではなかった。また、適正な位置に適正な角度で各歪ゲージを取り付け、ホイートストンブリッジ回路の構成を行う必要があったので、製造上自動化が難しく工数がかかってコストの増大を招くという不都合もあり得た。
【０００４】
かといって、透明液体が密閉容器に封止されており、温度補償機能を持たない可変焦点レンズ装置では、周囲の温度環境の変化や長時間作動による温度上昇等により透明液体が熱膨張や熱収縮を起こすと、レンズの度数が変わり焦点位置が移動してしまう。すなわち、温度補償なしには、精密な焦点位置合わせが困難になる場合もありうるので、使用環境や使用目的によっては、可変焦点レンズ装置に温度補償機能を与えることが必要な場合がある。
【０００５】
そこで本発明は、温度補償が可能でありながら、構成が簡素で製造に工数があまりかからず、安価に提供することが可能な可変焦点レンズ装置を提供することを解決すべき課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、発明者は以下の手段を発明した。
（第１手段）
本発明の第１手段は、請求項１記載の可変焦点レンズ装置である。すなわち、本手段には、レンズ容器によって形成され透明液体が充填されている内部空間に連通し、熱膨張および熱収縮によって増減する透明液体の体積のうち温度変動分を吸収する温度補償部が、装備されている。
【０００７】
それゆえ本手段では、周囲の温度環境の変化や長時間作動による温度上昇等により、レンズ容器の内部空間に充填されている透明液体が熱膨張や熱収縮を起こした場合にも、温度補償部によって透明液体の体積のうち温度変動分が吸収または供給される。その結果、温度補償用歪ゲージを使用したホイートストンブリッジ回路等の温度補償回路が装備されていなくても、透明液体等の温度変化によるレンズ部材の度数の変化（焦点位置の変化）は抑制され、温度補償を施したと同様の作用が得られる。すなわち、温度補償回路等の複雑な補償手段がなくても、簡素に構成され製作工数が比較的少ない温度補償部の作用により、可変焦点レンズ装置に温度補償機能が付与される。
【０００８】
したがって本手段によれば、温度補償が可能でありながら、構成が簡素で製造に工数があまりかかない安価な可変焦点レンズ装置を提供することができるという効果がある。
なお、アクチュエータとしては、上記公報の加圧部を採用しても良いが、他の形式のアクチュエータを採用しても良く、特願平８−２９６７８０号に記載されている積層型圧電アクチュエータを使用することが最も望ましい。
【０００９】
また、本手段では、温度補償部は、容積が可変のタンクと、同タンクとレンズ容器の内部空間とを連通しながらアクチュエータによる急激な圧力変動によっては実質的に流路として機能しない狭隘な流路とをもつ。
それゆえ、熱膨張や熱収縮によって生じる緩慢な圧力変動によっては、狭隘な流路が流路として機能し、レンズ容器の内部空間の透明液体は、狭隘な流路を通ってタンクとの間を移動する。透明液体の移動は、レンズ容器の内部空間とタンク内部の圧力差が無くなるまで続き、その結果、レンズ容器内の透明液体の熱膨張や熱収縮による圧力変動は、ほとんど無くなるまで抑制される。すなわち、レンズ容器内の透明液体の熱膨張や熱収縮による圧力変動が抑制され、温度補償機能が発揮される。
【００１０】
逆に、アクチュエータによりレンズ部材を加振し、無負荷時の圧力を平均として内部空間の透明液体の圧力を急激に変動させ続けた場合には、狭隘な流路を通じてレンズ容器の内部空間と上記タンク内との間での透明液体の交換はほとんど無い。より正確に言えば、上記流路を通じて移動する透明液体の量はほんのわずかであり、しかも透明液体の移動量は、往路と復路とで等量である。その結果、アクチュエータによるレンズ部材の加振によっては、レンズ部材の度数の平均値や中心値がドリフトすることは防止されている。
【００１１】
このように高速でレンズ部材を加振する場合としては、たとえば、網膜残像を生じて感覚的に焦点深度を深める場合や、撮像手段の露光時間のうちにレンズ部材の度数を変えて合焦点画像を撮像する場合がある。これらの場合には、温度補償部の狭隘な流路が流路として機能しないので、アクチュエータによるレンズ部材の度数の調整が温度補償部によって減殺されずに有効に作用する。
【００１２】
したがって本手段によれば、前述のように温度保証機能の効果が得られながら、アクチュエータによって高速でレンズ部材の度数を変動させる作用がより有効に発揮されるという効果もある。
なお、タンクに吸収されたりタンクから供給されたりする透明液体の体積変化としては、レンズ容器の内部空間に充填された透明液体の分だけではなく、タンクに充填された透明液体の分も考慮に入れて、タンク等の設計を行うことが望ましい。また、熱膨張や熱収縮によるレンズ容器およびタンクの容積変化も考慮されていることが望ましい。
【００１３】
（第２手段）
本発明の第２手段は、請求項２記載の可変焦点レンズ装置である。
本手段では、上記タンクは、壁面のうち少なくとも一部を形成する変形容易な弾性壁をもっているので、わずかな加圧や減圧でも同弾性壁の変形によって容易にタンクの内部容積が変動する。それゆえ、レンズ容器の内部空間に充填された透明液体の体積変動があっても、タンクによって容易に吸収され、レンズ容器の内部の圧力はほぼ一定に保たれるので、レンズ部材の度数に関する温度補償効果が高度に発揮される。
【００１４】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果がより鮮明に発揮されるという効果がある。
（第３手段）
本発明の第３手段は、請求項３記載の可変焦点レンズ装置である。
本手段では、上記タンクは、弾性壁の線膨張率よりも大きな線膨張率をもち上記弾性壁に外側から接合された温度補償板を有するので、弾性壁と温度補償板とで、バイメタルのように温度によって凹凸に変化する壁面が形成される。すなわち、弾性壁および温度補償板の温度が上昇すると、タンクの弾性壁が外側に凸に膨らむので、タンクの内部容量が増大して、タンクがレンズ容器の内部空間から透明液体を吸い出す。逆に、弾性壁および温度補償板の温度が低下すると、タンクの弾性壁が内側に凸に膨らむので、タンクの内部容量が減少して、タンクがレンズ容器の内部空間へ透明液体を送り出す。
【００１５】
それゆえ、弾性壁および温度補償板の線膨張率、ヤング率および厚さを適正に設定することにより、レンズ容器の内部空間に充填された透明液体の熱膨張や熱収縮による体積変化に相当するだけのタンク容量の変化が起こるようにすることが可能である。そうすれば、熱膨張や熱収縮による透明液体の圧力変化をほとんど完全にタンク容量の変化で吸収し、無くしてしまうことが可能になるので、温度補償機能がより完全になる。
【００１６】
したがって本手段によれば、前述の第２手段の効果に加えて、より精密な温度補償機能が発揮されるようになるという効果がある。
（第４手段）
本発明の第４手段は、請求項４記載の可変焦点レンズ装置である。
本手段では、上記タンクは、壁面のうち少なくとも一部を形成する圧電ユニモルフをもつので、圧電ユニモルフへの印加電圧を調整することにより、タンクの内部容積を所定の範囲で任意に変更することができる。それゆえ、何らかの手段でレンズ容器の内部空間に充填された透明液体の熱膨張や熱収縮による体積変化を計測ないし推定することができれば、タンク容量を適正に調整することにより、透明液体の体積変化をタンクで吸収することが可能になる。
【００１７】
ここで、透明液体の体積変化を計測する手段としては、レンズ容器またはその内部空間に配設された温度センサや、レンズ容器またはタンクに配設された圧力センサを採用することができる。また、透明液体の体積変化を推定する手段としては、本装置の運用中の焦点位置の変動をリアルタイムで観測して推定したり、過去の本装置の運用中の焦点位置の変動や透明液体の温度履歴等から推定するなどの手段がある。
【００１８】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、より精密な温度補償機能が発揮されるようになるという効果がある。
（第５手段）
本発明の第５手段は、請求項５記載の可変焦点レンズ装置である。
本手段では、上記タンクは、狭隘な流路の開口部よりも高い位置に開口し外部空間と連通する通気孔をもつ。それゆえ、タンク内での狭隘な流路の開口部と通気孔の開口部との間に透明液体の液面を設定すれば、タンク内の圧力は、常に外部空間の圧力と等価に保たれる。その結果、定常的なレンズ容器の内部空間での液圧は、外部空間の圧力と等価に落ち着く。
【００１９】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、よりいっそう完全に温度補償機能が発揮されるという効果がある。
なお、タンク内での通気孔の開口部が、タンク内での狭隘な流路の開口部よりも十分に高い位置に形成されていれば、熱膨張による透明液体の体積変動によって透明液体が通気孔から溢れるような不具合は防止される。
【００２０】
（第６手段）
本発明の第６手段は、請求項６記載の可変焦点レンズ装置である。
本手段では、上記タンクは、レンズ容器の周囲に同軸的かつ一体的に形成されたリング状の空洞部であるから、製造工程が簡素化されると共に、レンズ部材がコンパクトな円盤状に形成される。さらに、アクチュエータがレンズ容器と同軸に配設されていれば、可変焦点レンズ装置全体を軸対称な形状で構成することが可能になる。このようなアクチュエータとしては、たとえば、前述の特願平８−２９６７８０号に記載されている積層型圧電アクチュエータを採用することができる。その結果、本手段の可変焦点レンズ装置は、軸対称形状でコンパクトに構成されるので、外観が美しく洗練されるだけではなく、より広い用途に適用することが可能になる。
【００２１】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、外観が美しく洗練されるだけではなく、用途も拡がるという効果がある。
なお、タンクを形成している部材は、レンズ部材と同一部材であることが望ましいが、レンズ部材と別部材から構成されていても、レンズ部材に固定されていれば一体的に形成されているものと見なすことにする。
【００２２】
（第７手段）
本発明の第７手段は、請求項７記載の可変焦点レンズ装置である。
本手段においては、狭隘な流路では、透明液体が一方へ流れる場合の流路抵抗と他方へ流れる場合の流路抵抗とが等価である。それゆえ、アクチュエータによるレンズ部材の焦点が例えば正弦波的に振動する場合には、狭隘な流路を移動する透明液体の流量は、レンズ容器の内部空間からタンク内への往路と、タンク内からレンズ容器の内部空間への復路とで同量となる。その結果、無負荷状態を中心としてアクチュエータを対称振動の波形で作動させた場合には、レンズ容器の内部空間の容積の時間平均は、無負荷状態での同容積と等価に保たれる。それゆえ、連続して本手段の可変焦点レンズ装置を運用した場合にも、レンズ部材の度数（焦点位置）のドリフトの発生は防止される。
【００２３】
このように狭隘な流路を設計するには、レンズ容器側での流路開口部とタンク側での流路開口部とで、開口部付近の形状を同一に形成すればよい。あるいは、流路の途中にオリフィス等の流れ方向に関して対称形状の狭隘部が形成されていても良い。
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、アクチュエータを振動的に駆動して連続運用した場合にも、レンズ部材の度数（焦点位置）のドリフトの発生が防止されるという効果がある。
【００２４】
（第８手段）
本発明の第８手段は、請求項８記載の可変焦点レンズ装置である。
本手段では、透明封止部材は、第二の透明弾性膜で形成されており、二つの透明弾性膜が互いに対向しているので、単一の透明弾性膜をもつ構成に比べて、レンズ度数の変化を倍増させることができる。
【００２５】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、より大きなレンズ度数の変化、すなわち、より大きな焦点位置の移動距離が得られるという効果がある。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の可変焦点レンズ装置の実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
［実施例１］
（実施例１の構成）
本発明の実施例１としての可変焦点レンズ装置は、図１に示すように、積層型圧電アクチュエータ１と、積層型圧電アクチュエータ１に駆動されて度数を変えるレンズ部材２と、レンズ部材２の周囲に形成された温度補償部７とから構成されている。本実施例の可変焦点レンズ装置は、その直径が１〜２ｃｍ程度のオーダにあり、極めて小型軽量である。
【００２７】
積層型圧電アクチュエータ１は、複数枚が同軸に積層されているリング状の圧電バイモルフ１１と、各圧電バイモルフ１１の外周縁に接合されている外周連結部材と、各圧電バイモルフ１１の内周縁に接合されている内周連結部材１３とから構成されている。外周連結部材１２と内周連結部材１３とは、それぞれ直径が異なる円筒状の部材であって、リング状の圧電バイモルフ１１と同軸に配設されている。
【００２８】
外周連結部材１２と内周連結部材１３との間での軸長方向の相対移動を大きくする目的で、圧電バイモルフ１１の外周縁は外周連結部材１２に剛に接合されているが、圧電バイモルフ１１の内周縁は内周連結部材１３にほぼモーメントフリーで接合されている。すなわち、圧電バイモルフ１１の外周縁と外周連結部材１２とは、レーザ溶接で剛に接合されているが、圧電バイモルフ１１の内周縁と内周連結部材１３とは、シリコーンゴム系の接着剤で近似的にモーメントフリーに接合されている。
【００２９】
このように構成することにより、レンズ容器３に固定された外周連結部材１２に剛に接合された圧電バイモルフ１１の変位が少なくて済むので、積層型圧電アクチュエータ１をより高速で作動させることが可能になる。その結果、本実施例の可変焦点レンズ装置の応答時間を短縮することができる。
積層型圧電アクチュエータ１は、透明液体６が充填されたレンズ容器３の内部空間３０の内部の圧力を変動させて透明弾性膜５１を変形させ、レンズ部材２の焦点を可変とする作用を有する。積層型圧電アクチュエータ１は、図示しない駆動電源装置によって駆動され、レンズ部材２の焦点位置を正弦波的に数十ｋＨｚ以上の高速で振動させる用途に適する。
【００３０】
レンズ部材２は、円盤状の透明弾性膜５１と透明弾性膜５１に対し所定間隔を空けて対向して配設された透明封止部材４１とで内部空間３０を形成しているレンズ容器３と、内部空間３０に充填されている透明液体６とで構成されている。透明封止部材４１は、軸長方向に変位が可能なように、積層型圧電アクチュエータ１の内周連結部材１３との接合部付近では、リング状に薄く形成されており、同接合部付近で弾性変形が可能になっている。一方、透明弾性膜５１は、同心円状に連続的に適正な厚みをもつガラス弾性膜で形成されており、中央部付近では圧力変動によりレンズとしての適正な変形をするように、有限要素法等の応力解析手法をもって設計されている。また、透明液体６は、具体的にはシリコーン油である。
【００３１】
レンズ容器３は、ホウ珪酸クラウンガラスからなる円盤状の第一部材４と、同じ材料からなる円盤状の第二部材５とが同軸に一体接合されて構成されている。第一部材４は回転対称形状をしており、第二部材５は狭隘な流路９を除いて回転対称形状をしている。第一部材４と第二部材５とは、互いに相対する面を光学樹脂により接合されて、レンズ容器３および温度補償部７を形成している。
【００３２】
レンズ容器３を構成している第一部材４と第二部材５との接合部は、レンズ容器３に同軸に形成された内周接合部２１と外周接合部２２とである。内周接合部２１の内周側にはレンズ容器３の内周空間３０が形成されており、内周接合部２１と外周接合部２２との間には、温度補償部７のリング状のタンク８が形成されている。また、内周接合部２１には、第二部材５の接合面に放射状に形成された複数本の細い溝である狭隘な流路９が形成されており、内周接合部２１のうち狭隘な流路９に相当する部分でだけは、第一部材４と第二部材５との接合が行われていない。
【００３３】
温度補償部７は、レンズ容器３の内周空間３０に連通し、熱膨張および熱収縮によって増減する透明液体６の体積のうち温度変動分を吸収する機能をもつ部分である。すなわち、温度補償部７は、容積が可変のタンク８と、タンク８とレンズ容器３の内周空間３０とを連通していながら積層型圧電アクチュエータ１による急激な圧力変動によっては実質的に流路として機能しない狭隘な流路９とを有する。
【００３４】
タンク８は、レンズ容器３の周囲に同軸的かつ一体的に形成されているリング状の空洞部（キャビティ）であり、第一部材４および第二部材５によって内周接合部２１と外周接合部２２との間に断面矩形の内部空間を形成している。タンク８では、第二部材５の表面を形成する壁面８１が透明弾性膜５１よりも薄く形成されて変形容易になっており、タンク８は、壁面のうち一部に変形容易なリング状の弾性壁８１をもつ。それゆえ、タンク８の内周空間３０は、所定の範囲で容量可変となっている。
【００３５】
狭隘な流路９は、前述のように第二部材５の接合面に放射状に形成された複数本の細い溝であり、狭隘な流路９の両端の開口部は同一の切り落とし形状となっている。それゆえ、狭隘な流路９では、透明液体６が一方へ流れる場合の流路抵抗と他方へ流れる場合の流路抵抗とが等価である。
（実施例１の作用効果）
本実施例の可変焦点レンズ装置は、以上のように構成されているので、大きくわけて以下の三つの作用効果を発揮する。
【００３６】
第１の作用効果は、簡素で安価な構成でありながら、温度補償機能が有効に発揮されるということである。
先ず、透明液体６が適正な温度にあって温度補正を要しないときに、積層型圧電アクチュエータ１に数十ｋＨｚオーダの正弦波で印加電圧を加え、積層型圧電アクチュエータ１によりレンズ部材２を加振した場合を想定する。
【００３７】
すると、図２に示すように、積層型圧電アクチュエータ１の内周連結部材１３の端部に透明封止部材４１が押圧された瞬間には、透明封止部材４１が変位して内周空間３０の容積を減らすので、透明液体６は圧迫されて圧力が跳ね上がる。瞬時の圧力変動に対しては狭隘な流路９は流路として機能しないので、レンズ容器３の内周空間３０でだけ圧力が高まり、透明弾性膜５１が押し出されて凸レンズを形成する。逆に、積層型圧電アクチュエータ１により透明封止部材４１が吸引された場合には、レンズ容器３の内部圧力が低下して透明弾性膜５１が吸引され、凹レンズが形成される。
【００３８】
すなわち、無負荷時の圧力を平均として、内部空間３０の透明液体６の圧力は急激に変動させられ続けるので、狭隘な流路９を通じてレンズ容器３の内部空間３０とタンク８の内周空間との間での透明液体の交換はほとんど無い。より正確に言えば、狭隘な流路９を通じて移動する透明液体６の量はほんのわずかであり、しかも透明液体６の移動量は、前述のように往路と復路とで等量である。その結果、積層型圧電アクチュエータ１によるレンズ部材２の加振によっては、レンズ部材２のレンズ度数の平均値や中心値がドリフトすることはない。それゆえ、積層型圧電アクチュエータ１に正負対称波形の印加電圧がかけられている限り、レンズ部材２のレンズ度数のドリフトは防止されているので、本実施例の可変焦点レンズ装置を連続的に使用することが可能である。
【００３９】
次に、周囲の温度環境の変化や連続使用によって、レンズ容器３およびタンク８の内部の透明液体６の温度が上昇した場合を想定する。この場合、ガラス製の第一部材４および第二部材５よりも透明液体６の膨張率が高いものとすると、透明液体６の熱膨張によって透明液体６の体積がゆっくりと増えるので、狭隘な流路９が流路として作用する。
【００４０】
すると、タンク８の内部の透明液体６の圧力は、レンズ容器３の内部の透明液体６の圧力と等価になり、弾性壁８１に対して内部から及ぼす圧力が高まるので、図３に示すように弾性壁８１が外側に凸に変形し、タンク８の内部容積が増える。その結果、タンク８によって透明液体６の熱膨張による体積の増大分は吸収され、レンズ容器３の内周空間３０の圧力はほとんど変動しない。それゆえ、透明液体６の熱膨張によってはレンズ容器３はほとんど変形することがないので、温度補償の作用が得られる。
【００４１】
逆に透明液体６の温度が適正温度から下がり、透明液体６が熱収縮した場合には、圧力が低下しようとするレンズ容器３の内周空間３０に、タンク８から狭隘な流路９を通って透明液体６が供給される。すなわち、タンク８の内圧が少し下がることによってタンク８の壁面の一部を形成している弾性壁８１が内側に凸にへこみ、タンク８の内部容積が減ってタンク８から透明液体６がレンズ容器３の内周空間３０に供給される。その結果、レンズ容器３の内部の透明液体６にはほとんど圧力変動が生じないので、レンズ部材２が形成するレンズの度数にも変化がほとんど生じることがない。
【００４２】
それゆえ、本実施例の可変焦点レンズ装置では、周囲の温度環境の変化や長時間作動による温度上昇等により、レンズ容器３の内部空間３０に充填されている透明液体６が熱膨張や熱収縮を起こした場合にも、温度補償部７によって透明液体６の体積のうち温度変動分が吸収される。具体的には、弾性壁８１が変形することによってタンク８の内部容積が変動し、透明液体６の熱膨張や熱収縮による体積変動分が吸収される。その結果、温度補償用歪ゲージを使用したホイートストンブリッジ回路等の温度補償回路が装備されていなくても、透明液体６等の温度変化によるレンズ部材３の度数の変化（焦点位置の変化）は抑制され、温度補償の作用が得られる。すなわち、温度補償回路等の複雑な補償手段がなくても、簡素に構成され製作工数が比較的少ない温度補償部７の作用により、可変焦点レンズ装置に温度補償機能が付与される。
【００４３】
したがって、本実施例の可変焦点レンズ装置によれば、温度補償が可能でありながら、構成が簡素で製造に工数があまりかかない安価な可変焦点レンズ装置を提供することができるという効果がある。
第２の作用効果は、コンパクトかつ回転対称形状に外形が形成されるので、美しいばかりではなく、温度補償機能をもつ可変焦点レンズ装置の応用範囲が拡がるということである。
【００４４】
すなわち、本実施例の可変焦点レンズ装置では、タンク８は、レンズ容器３の周囲に同軸的かつ一体的に形成されたリング状の空洞部であるから、製造工程が簡素化されると共に、レンズ部材２がコンパクトな円盤状に形成される。さらに、積層型圧電アクチュエータ１がレンズ容器３と同軸に配設されているので、可変焦点レンズ装置全体を軸対称な形状で構成することが可能になる。その結果、本手段の可変焦点レンズ装置は、回転対称形状でコンパクトに構成されるので、外観が美しく洗練されるだけではなく、より広い用途に適用することが可能になる。
【００４５】
したがって、本実施例の可変焦点レンズ装置によれば、前述の第１の効果に加えて、外観が美しく洗練されるだけではなく、コンパクトであるから用途も拡がるという効果がある。
第３の作用効果は、前述のように温度補償機能が発揮されながら、高速でレンズ部材２の度数を変更する場合には、積層型圧電アクチュエータ１のストロークの分だけ確実に度数の変更がなされるということである。なぜならば、レンズ部材２の内周空間３０とタンク８内とを連通する流路９が狭隘であって、内周空間３０の急激な圧力変動によっては実質的に流路として機能せず、内部空間３０に満たされた透明液体６がタンク８との間でほとんど流通しないからである。
【００４６】
すなわち、透明封止部材４１の可動部の直径をｄ0 とし、狭隘な流路９は円形断面であってその内径をｄ、長さをＬとし、また、透明液体６の流路９中の流速をｖ、粘性係数をμとする。すると、短く狭隘な流路９の中を流れる透明液体６は層流であるから、狭隘な流路９の管路抵抗による圧力損失ｐは、次の数１で概算される。
【００４７】
【数１】
ｐ＝３４・（１／ｄ）4・Ｌ・μ・ｄ02・ｖ
逆に言えば、積層型圧電アクチュエータ１の作動によって生じた内周空間３０とタンク８内との圧力差ｐによって生じる狭隘な流路９内の流速ｖは次の数２で与えられ、体積流量Ｖは次の数３で算出される。
【００４８】
【数２】
ｖ＝ｐ／｛３４・（１／ｄ）4・Ｌ・μ・ｄ02｝
【００４９】
【数３】
Ｖ＝ｖπｄ2／４
＝ｐπｄ2／４｛３４・（１／ｄ）4・Ｌ・μ・ｄ02｝
そして、レンズ部材２の内周空間３０の中の透明液体６のタンク８への流出体積は、体積流量Ｖの時間積分として算出される。ところが、積層型圧電アクチュエータ１が駆動される周波数は、たとえば６０Ｈｚとか数百ヘルツとかであり、しかも正負両方向に均等に積層型圧電アクチュエータ１を作動させるから、長時間をかけても流出体積はほとんどゼロのままである。また、流出体積の時間変動を追っても、一方に流れている時間がごく短いので、内周空間３０中の透明液体６の体積の変動はほとんどない。
【００５０】
したがって、温度補償機能が得られながら、高速でレンズ部材２の度数を振動的に変更する場合には、積層型圧電アクチュエータ１の動作分だけ確実に度数の変動が得られるという効果がある。このような効果は、本発明と同一の出願人によって出願された特開平９−２３０２５２号公報に開示されているように、視覚の残像現象を利用して観察対象の全体に焦点が合っているように見せかける技術においては、大変に有用である。
【００５１】
（実施例１の変形態様１）
本実施例の変形態様１として、透明封止部材４１は、第二の透明弾性膜で形成されている構成の可変焦点レンズ装置の実施が可能である。
本変形態様では、透明封止部材４１は、第二の透明弾性膜で形成されており、二つの透明弾性膜４１，５１が互いに対向しているので、単一の透明弾性膜５１しかもたない実施例１の構成に比べて、レンズ度数の変化を倍増させることができる。
【００５２】
したがって本変形態様によれば、前述の実施例１の効果に加えて、より大きなレンズ度数の変化、すなわち、より大きな焦点位置の移動距離が得られるという効果がある。
なお、本変形態様に相当する変形態様は、以下の各実施例に対しても実施することができ、本変形態様と同様の作用効果が得られる。
【００５３】
（実施例１の変形態様２）
本実施例の変形態様２として、積層型圧電アクチュエータ１の構成を変形させた各種変形態様の実施が可能である。
先ず、本実施例の積層型圧電アクチュエータ１とは逆に、各圧電バイモルフ１１の内周縁と内周連結部材１３とを剛に接合し、各圧電バイモルフ１１の外周縁と外周連結部材１２とを近似的にモーメントフリーで接合した構成の積層型圧電アクチュエータを用いた変形態様の実施が可能である。本変形態様では、前述の実施例１の積層型圧電アクチュエータ１を採用している可変焦点レンズ装置よりもわずかに応答時間が長くなるが、実施例１に準ずる作用効果が得られる。
【００５４】
また、上記変形態様において、円筒状部材の外周連結部材１２に代えて、数本の棒状の外周連結部材が各圧電バイモルフ１１の外周縁に接合された構成の積層型圧電アクチュエータを採用することも可能である。本変形態様によれば、複数枚が積層された圧電バイモルフ１１の間に空気が流通するようになるので、圧電バイモルフ１１の冷却が良くなり、長時間連続して運用した場合にも圧電バイモルフ１１の過熱が防止されるという効果がある。
【００５５】
なお、本変形態様に相当する変形態様は、以下の各実施例に対しても実施することができ、本変形態様と同様の作用効果が得られる。
［実施例２］
（実施例２の構成）
本発明の実施例２としての可変焦点レンズ装置は、図４に示すように、タンク８の壁面のうち図中下方のリング状の領域に変形容易なゴム製の弾性壁８１’をもつ点が、実施例１と大きく異なる。これに伴い、第二部材５は内周接合部２１を外周縁にもつ直径がより小さな部材になっており、その代わりに第一部材４はタンク８の外周壁をも含むやや大きな部材に変更されている。その他の点では、本実施例の可変焦点レンズ装置は実施例１とほぼ同様の構成を取っている。
【００５６】
第一部材４の外周壁のリング状の（図中）下端面と、第二部材５の底面とは、面一に形成されている。そして、両部材４，５の間に形成されたリング溝状のタンク８の内部空間の（図中）下面を塞いで、両部材４，５にリング状ないし平ワッシャ状の薄いゴム板である弾性壁８１’が接着されている。透明液体６であるシリコーン油に侵されないように、弾性壁８１’は、例えばシリコーンゴムからなり、弾性壁８１’をガラス製の両部材４，５に接着している接着剤は、シリコーンゴム系の接着剤である。
【００５７】
（実施例２の作用効果）
本実施例の可変焦点レンズ装置では、弾性壁８１’は、曲率をもつ外周壁を形成せず、曲率のない底部の壁部材になっているので、弾性壁８１’のゴム弾性の強弱によってタンク８内の透明液体６の圧力が影響を受けることがない。また、実施例１のごく薄いガラス板からなる弾性壁８１と異なり、外力を受けて容易に割れてしまうような不都合は回避されている。さらに、実施例１の弾性壁８１よりも、ゴム製の弾性壁８１’はずっと大きく変形できるので、熱膨張や熱収縮による透明液体６のより大きな体積変動をも吸収してしまうことができる。逆に、熱膨張や熱収縮による透明液体６の体積変動が同程度であれば、タンク８を形成しているリング状の溝の幅を狭くし、レンズ部材２の外形をより小さくすることも可能になる。
【００５８】
したがって、本実施例の可変焦点レンズ装置によれば、実施例１よりも堅牢かつ製造容易でありながら、実施例１よりもさらにコンパクトに構成することができるという効果がある。
［実施例３］
（実施例３の構成）
本発明の実施例３としての可変焦点レンズ装置は、実施例１とほぼ同様の構成であるが、図５に示すように、タンク８の弾性壁８１の外側から温度補償板８２が、薄いエポキシ樹脂の接着層により弾性壁８１に接合されている。温度補償板８２は、例えば亜鉛やアルミニウム等の金属からなり、ガラス製の弾性壁８１の線膨張率よりも一桁程度も大きな線膨張率をもっているので、互いに張り合わされた弾性壁８１および温度補償板８２は、一種のバイメタルを形成している。
【００５９】
（実施例３の作用効果）
本実施例の可変焦点レンズ装置では、前述のように、タンク８は、弾性壁８１の線膨張率よりも大きな線膨張率をもち弾性壁８１に外側から接合された温度補償板８２を有する。それゆえ、弾性壁８１と温度補償板８２とで、バイメタルのように温度によって凹凸に変化する壁面が形成される。
【００６０】
すなわち、タンク８内の透明液体６が昇温して弾性壁８１および温度補償板８２の温度が上昇すると、タンク８の弾性壁８１および温度補償板８２が外側に凸に膨らむ。その結果、タンク８の内部容量が増大して、タンク８がレンズ容器３の内部空間３０から透明液体６を吸い出す。逆に、弾性壁８１および温度補償板８２の温度が低下すると、タンク８の弾性壁８１が内側に凸に膨らむので、タンク８の内部容量が減少して、タンク８がレンズ容器３の内部空間３０へ透明液体６を送り出す。
【００６１】
それゆえ、弾性壁８１および温度補償板８２の線膨張率、ヤング率および厚さを適正に設定することにより、レンズ容器３の内部空間３０に充填された透明液体６の熱膨張や熱収縮による体積変化に相当するタンク容量の変化が起こるようにすることが可能である。そうすれば、熱膨張や熱収縮による透明液体６の体積変化を、ほとんど完全にタンク８の内部容積の変化で吸収し、無くしてしまうことが可能になるので、温度補償機能がより完全になる。
【００６２】
したがって、本実施例の可変焦点レンズ装置によれば、前述の実施例１の効果に加えて、より完全な温度補償機能が発揮されるように設計することが可能になるという効果がある。
［実施例４］
（実施例４の構成）
本発明の実施例４としての可変焦点レンズ装置は、実施例１の構成に加えて、図４に示すように、タンク８の弾性壁８１に圧電板８４が接合されて、タンク８の壁面の一部に圧電ユニモルフ８３が形成されている。すなわち、弾性板としての弾性壁８１と、弾性壁８１に接合して形成された第一電極８４１と、第一電極８４１に接合された圧電板８４と、圧電板８４の表面に形成された第二電極８４２とから、リング状の圧電ユニモルフ８３が構成されている。またタンク８とは別体に、第一電極８４１と第二電極８４２との間に適正な電圧を印加する電圧制御装置８５が装備されており、両電極８４１，８４２と電圧制御装置８５とは、それぞれごく細いリード線で互いに導通している。
【００６３】
（実施例４の作用効果）
本実施例の可変焦点レンズ装置では、タンク８の壁面の一部を形成する圧電ユニモルフ８３をもつので、圧電ユニモルフ８３への印加電圧を調整することにより、タンク８の内部容積を所定の範囲で任意に変更することができる。すなわち、圧電ユニモルフ８３を凹凸に変形させることにより、タンク８の内部容積すなわち容量は変化する。それゆえ、何らかの手段で透明液体６の熱膨張や熱収縮による体積変化を計測ないし推定することができれば、タンク８の容量を適正に調整することにより、透明液体６の体積変化をタンク８で吸収することが可能になる。
【００６４】
ここで、透明液体６の体積変化を計測する手段としては、レンズ容器３またはその内部空間３０に配設された温度センサや、レンズ容器３またはタンク８に配設された圧力センサを採用することができる。また、透明液体６の体積変化を推定する手段としては、本装置の運用中の焦点位置の変動をリアルタイムで観測して推定したり、過去の本装置の運用中の焦点位置の変動や透明液体の温度履歴等から推定するなどの手段がある。
【００６５】
なお、本実施例の可変焦点レンズ装置では、操作員等の操作によって圧電ユニモルフ８３への印加電圧を調整し、運用中の焦点位置を能動的に変更することも可能である。
したがって本実施例の可変焦点レンズ装置によれば、前述の実施例１の効果に加えて、より完全な温度補償機能が発揮されるようになるとともに、操作員等の操作によって焦点位置を能動的に調整することも可能になるという効果がある。
【００６６】
［実施例５］
（実施例５の構成）
本発明の実施例５としての可変焦点レンズ装置は、図７に示すように、タンク８は、狭隘な流路９の開口部よりも高い位置に開口し外部空間と連通する通気孔９’をもつ。本実施例の可変焦点レンズ装置においては、前述の各実施例と異なり、タンク８の壁面は全て剛な壁面で構成されており、タンク８の容積は調整不能である。その他の点では、本実施例の可変焦点レンズ装置の構成は、実施例１の構成とほぼ同様である。
【００６７】
通気孔９’は、第一部材４の外周面の一部に形成された溝として形成されており、一箇所ないし互いに近接した複数箇所に形成されている。
（実施例５の作用効果）
本実施例の可変焦点レンズ装置では、タンク８は、狭隘な流路９の開口部よりも高い位置に開口し外部空間と連通する通気孔９’をもつ。それゆえ、タンク８の内部空間で狭隘な流路９の開口部と通気孔９’の開口部との間に透明液体６の液面を設定すれば、タンク８の内部圧力は、外部空間と連通する通気孔９’によって、常に外部空間の圧力と等価に保たれる。その結果、定常的なレンズ容器３の内部空間３０での液圧は、外部空間の圧力と等価に落ち着く。
【００６８】
したがって本実施例の可変焦点レンズ装置によれば、前述の実施例１の効果に加えて、極めて簡素で製造容易でありながら、よりいっそう完全に温度補償機能が発揮されるという効果がある。
なお、タンク８の内部に開口する通気孔９’の開口部が、タンク８の内部での狭隘な流路９の開口部よりも十分に高い位置に形成されていれば、熱膨張による透明液体６の体積変動によって透明液体６が通気孔９’から溢れるような不具合は防止される。
【００６９】
さらに、本実施例可変焦点レンズ装置では、通気孔９’は、単一であるか、または互いに近接した複数個であるので、本実施例の可変焦点レンズ装置の使用の態様により傾けて使用したい場合には、通気孔９’が上方になるように傾けて使用することが可能である。それゆえ、本実施例の可変焦点レンズ装置は、前述の各実施例のようにタンク８が密閉されていないので、完全に自由な姿勢で使用することはできないが、通気孔９’を上方にもってくることによりかなり広い範囲の姿勢で移用することが可能である。
【００７０】
［実施例６］
（実施例６の構成）
本発明の実施例６としての可変焦点レンズ装置は、図８に示すように、タンク８を有せず、互いに連通している狭隘な流路９と外部空間に連通する通気孔９”とを介して、レンズ容器３の内周空間３０と外部空間と連通している。その他の点については、本実施例の可変焦点レンズ装置の構成は、実施例１の構成とほぼ同様である。
【００７１】
（実施例６の作用効果）
本実施例の可変焦点レンズ装置では、レンズ容器３の内周空間３０が、狭隘な流路９および通気孔９”を介して直接的に外部空間に連通しているので、前述の実施例５と同様の作用効果が得られる。
ただし、実施例５と異なってタンク８を有しないので、透明液体６の熱膨張があまり大きかったり、積層型圧電アクチュエータ１がレンズ容器３の透明封止部材４１を押圧したままの状態になると、透明液体６が外部に溢れ出す恐れがある。透明液体６の溢れ出しを防止するためには、通気孔９”の外部空間への開口部に漏斗状の受け皿を接合する手段が有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１としての可変焦点レンズ装置の構成を示す縦断面図
【図２】  実施例１の可変焦点レンズ装置の可変焦点作用を示す縦断面図
【図３】  実施例１の可変焦点レンズ装置の温度補償作用を示す縦断面図
【図４】  実施例２としての可変焦点レンズ装置の構成を示す縦断面図
【図５】  実施例３としての可変焦点レンズ装置の構成を示す縦断面図
【図６】  実施例４としての可変焦点レンズ装置の構成を示す縦断面図
【図７】  実施例５としての可変焦点レンズ装置の構成を示す縦断面図
【図８】  実施例６としての可変焦点レンズ装置の構成を示す縦断面図
【符号の説明】
１：積層型圧電アクチュエータ
１１：圧電バイモルフ
１２：外周連結部材
１３：内周連結部材
２：レンズ部材    ２１：内周接合部    ２２：外周接合部
３：レンズ容器    ３０：内部空間
４：第一部材    ４１：透明封止部材
５：第二部材    ５１：透明弾性膜    ５２：内周部材    ５３：外周部材
６：透明液体（シリコーン油）
７：温度補償部
８：リング状のタンク
８１：弾性壁    ８１’：ゴム製の弾性壁
８２：温度補償板
８３：圧電ユニモルフ
８４：圧電板    ８４１：第一電極    ８４２：第二電極
８５：電圧制御装置
９：狭隘な流路    ９’，９”：通気孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004078575.tif 000006
【図６】
0004078575.tif 000007
【図７】
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【図８】
0004078575.tif 000009