(57)【要約】【課題】可変焦点レンズの不要な変形を抑制し、目的とする焦点距離の変化に対応する変化量を実現することを目的とする。【解決手段】光透過面の形状変化により焦点距離が変化するレンズ部２０と、レンズ部２０の形状を変化させる外力を付与する駆動部８０とを有する。駆動部８０は圧電素子５５と押圧子３６と板バネ３４を有する。圧電素子５５の変位により押圧子３６を押圧して板バネ３４を変形させる。板バネ３４の変形により圧電素子５５の支持部材４１に設ける外力付与部材（突起４１ｅ、４１ｆ）を変位させ、レンズ部２０のダイヤフラム９を押圧する。圧電素子５５の変位量を増幅させ、レンズ部２０の変形膜２を変形させる力を付与することができる。【選択図】図７
2009294330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過面の形状変化により焦点距離が変化するレンズ部と、
圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定される板バネと、前記圧電素子の変位方向に配置され、前記板バネの他端に固定されて、前記圧電素子の変位により押圧されて前記板バネを変形させる押圧子と、前記板バネに固定され、前記レンズ部に外力を与える外力付与部材と、を有する駆動部と、を備える
可変焦点レンズ。
【請求項２】
請求項１記載の可変焦点レンズにおいて、
前記圧電素子が積層型圧電素子である可変焦点レンズ。
【請求項３】
請求項１記載の可変焦点レンズにおいて、
前記圧電素子の変位により押圧される前記押圧子の接触領域が線状又は面状である可変焦点レンズ。
【請求項４】
請求項３記載の可変焦点レンズにおいて、
前記押圧子が円筒面を有し、前記円筒面が前記圧電素子の変位により押圧される可変焦点レンズ。
【請求項５】
請求項１記載の可変焦点レンズにおいて、
前記板バネの上に押え部材が配置され、前記板バネの変形領域が略線状の領域とされる可変焦点レンズ。
【請求項６】
請求項１記載の可変焦点レンズにおいて、
前記圧電素子と前記押圧子の固定部とを密着させる弾性部材が設けられる可変焦点レンズ。
【請求項７】
請求項１記載の可変焦点レンズにおいて、
前記外力付与部材が、前記圧電素子を支持する支持部材に設けられる突起である可変焦点レンズ。
【請求項８】
請求項１記載の可変焦点レンズにおいて、
前記レンズ部にダイヤフラムが設けられ、前記外力付与部材が前記ダイヤフラムと接触する構造とされる可変焦点レンズ。
【請求項９】
積層型圧電素子の変位によって弾性部材を変形させ、
前記弾性部材の変形量を増幅して、光透過性基板と変形部との間に液体を有する可変焦点レンズの前記変形部を変形する外力を付与する
ことを特徴とする可変焦点レンズの駆動方法。
【請求項１０】
撮像素子と、
前記撮像素子により光電変換された画像信号を入力して信号処理を行う信号処理部と、
圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定される板バネと、前記圧電素子の変位方向に配置され、前記板バネの他端に固定されて、前記圧電素子の変位により押圧されて前記板バネを変形させる押圧子と、前記板バネに固定され、前記レンズ部に外力を与える外力付与部材と、を有する駆動部と、光透過面の形状変化により焦点距離が変化するレンズ部と、より成る可変焦点レンズを含む撮像レンズ系と、を備える
ことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性膜の変形により焦点距離が変化するいわゆるプレッシャー型の可変焦点レンズとその駆動方法及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
透明部材の間に液体を挿入して焦点距離を変化させる可変焦点レンズが種々提案されている。この可変焦点レンズは、レンズ自体を移動させる駆動機構を設けることなく焦点距離を変化させることができるので、焦点距離調整機能を有する顕微鏡や撮像装置、情報記録再生装置等の各種光学装置において、部品の小型化を実現する手段として注目されている。可変焦点レンズとしては、透明部材の間に２種の液体が挿入され、電圧印加によりエレクトロウェッティング現象を利用して液体界面を変形させるエレクトロウェッティング型と、透明部材と薄板や弾性膜等より成る変形部との間に液体が挿入され、液体に圧力を加えることによって薄膜や弾性膜を変形させるプレッシャー型とに大別される。
【０００３】
プレッシャー型の可変焦点レンズとしては、レンズ内部の液体の量を変化させて変形部を変形させる構成と、液体を収容する容器の形状を変化させることにより変形部を変形させる方法が提案されている。容器の形状を変化させる方法として、駆動部に圧電素子を用いる場合は高速の応答が可能であり、応答特性が必要とされる撮像装置等には適している（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−８１５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された可変焦点レンズにおいては、リング状で平板状の圧電バイモルフを用いて変形部の形状を変化させている。この場合、応答特性は比較的高速であるが、発生する力が比較的弱いという欠点がある。このため、小さい力でも十分な変形量を得るには、変形部の張力を比較的弱くする必要がある。すなわち変形部の張力を強くすることができない。
【０００５】
しかしながら変形部の張力が弱いと、可変焦点レンズの配置によっては、膜の中心が光の透過中心から下方向に重さのためにずれてしまう、いわゆる自重ダレが生じる場合があり、その他不要な変形が生じてしまう恐れがある。つまり圧電バイモルフにより駆動する場合は、ある程度以上の張力をもって膜を形成することができないので、レンズの長期耐久性を確保することや、大型化が難しくなるという問題がある。
【０００６】
これに対し、積層型の圧電素子を用いる場合は比較的大きな力を生じさせることが可能となるが、変位量が少ないため、焦点距離の変化に十分な変形部の変形を生じさせることができないという不都合がある。
【０００７】
以上の問題に鑑みて、本発明は、可変焦点レンズの不要な変形を抑制すると共に、十分な変化量をもって可変焦点レンズの焦点距離を変化させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明による可変焦点レンズは、光透過面の形状変化により焦点距離が変化するレンズ部と、駆動部とを有する。この駆動部は、圧電素子と、この圧電素子に一端が固定される板バネと、圧電素子の変位方向に配置され、板バネの他端に固定されて、圧電素子の変位により押圧されて板バネを変形させる押圧子とを有する。更に、板バネに固定され、レンズ部に外力を与える外力付与部材と、を有する構成とする。
【０００９】
また、本発明による可変焦点レンズの駆動方法は、積層型圧電素子の変位によって弾性部材を変形させ、弾性部材の変形量を増幅して、光透過性基板と変形部との間に液体を有する可変焦点レンズの変形部を変形する外力を付与するものである。
【００１０】
また、本発明による撮像装置は、撮像素子と、撮像素子により光電変換された画像信号を入力して信号処理を行う信号処理部と、上述の本発明構成の可変焦点レンズを含む撮像レンズ系とを有する構成とする。
【００１１】
本発明によれば、上述したように可変焦点レンズのレンズ部の形状を変化させる外力を付与する駆動部として、圧電素子及び圧電素子に一端が固定される板バネと、板バネの他端に固定され、圧電素子の変位により押圧されて板バネを変形させる押圧子とを設ける。そして更に、板バネに固定され、レンズ部に外力を与える外力付与部材と、を備える構成とするものである。このような構成とすることによって、圧電素子の変位量を、板バネを介して増幅させることができる。
【００１２】
したがって、例えば圧電素子として積層型圧電素子を用いることによって、比較的強い力をもって、増幅された変位量を外力として付加することが可能となる。レンズ部の形状を変化させる外力が比較的強くなり、変形部の不要な変形の発生を抑制することができる。またこの場合、変位量が大きくなることによって、十分な変化量をもって可変焦点レンズの焦点距離を変化させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レンズの不要な変形の発生を抑制すると共に、十分な変化量をもって可変焦点レンズの焦点距離を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００１５】
先ず、図１〜図６を参照して、本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズにおけるレンズ部の一例について説明する。図１はこのレンズ部２０の一部を切り欠いた概略斜視構成図である。図１に示すようにこのレンズ部２０は、光学ガラスやＰＣ（ポリカーボネート）等の光透過性材料より成る基板１と、エラストマー等の弾性膜より成る変形部２との間に液体３が封入されて、プレッシャー型の液体レンズとして構成される。液体３としては例えばシリコーンオイル等の光透過性の液体を用いることができる。これら基板１、変形部２及び液体３は、レンズとして利用する光の波長帯域に対して所用の透過率を有する材料とされる。図示の例では基板１が平板状の場合を示すが、所定の曲率を有するレンズ形状であってもよい。また変形部２は、可変焦点レンズの用途に応じて必要な変形量を確保できるものであれば、例えばガラス等の薄板を用いることも可能である。
【００１６】
そしてこの例では、平面が略円形の基板１はリング状の枠体４に接着等により固定される。枠体４はアルミ等より構成される。枠体４の内側面４ａは、例えば基板１の外径とほぼ同じ内径をもつ円筒面とされる。また枠体４の外側面４ｂには、この例では後述する駆動部の枠体に取り付けるためのネジ溝が設けられる。そして枠体４の一方の面のうち変形部２側に、内側面４ａ側に通じる段差４ｃが設けられ、その内側の面４ｄに、上下に貫通する孔部４ｅが設けられる。この例においては、孔部４ｅは環状の面４ｄにおいて略等間隔に設けられ、孔部４ｅを通じて上下に液体３が移動可能となるように構成される。孔部４ｅは図示の例では４個設ける場合を示すが、この個数に限定されるものではない。また、段差４ｃに続いて外径側にかけてもう一つの段差４ｆが設けられ、変形部２を挟む固定部５及び６がこの段差４ｆに嵌合される。変形部２は、平板なリング状の固定部５及び６により周縁部を挟まれて固定され、固定部５及び６と共に、枠体４の段差４ｃにネジ７による共締めされて固定される。
【００１７】
一方、枠体４の変形部２とは反対側の面には、例えばリング状の凹部４ｇが設けられる。弾性体より成り同様にリング状とされるダイヤフラム９が、この凹部４ｇを覆うように、枠体４の変形部２とは反対側の面に接着等により固定される。そして、ダイヤフラム９と枠体４の凹部４ｇとの間、枠体４の孔部４ｅ内、更に段差４ｃと変形部２及び基板１により囲まれた空間内に、液体３が封入される。またダイヤフラム９の外側にはアルミ等よりなり、例えば平板なリング状とされる押圧部材１０が設けられる。
【００１８】
このような構成とすることにより、リング状の押圧部材１０に対して外部から均等な力を付与することで、ダイヤフラム９を内部側に凹ませて、内部の液体３に圧力を加える。そして枠体４の孔部４ｅから内側部分に流入した液体３が、変形部２に圧力を与えることで、変形部２を外側に向けて、より突出するように変形させることができる。
【００１９】
図２は図１におけるＡＡ線上の断面図である。図２において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図２に示すように、変形部２を固定する固定部６と枠体４の変形部２側の面４ｄとの間に、液体３を液密に保持するためにＯリング８を介在させてもよい。図示しないが変形部２を固定する固定部５及び６のネジ止めは、Ｏリング８の外側で行う。押圧部材１０に矢印ａで示すようにダイヤフラム９側に力を付与することで、内部の液体３が図２において上側に押し上げられ、変形部２が矢印ｂで示すように外部に突出するように変形する。このとき、液体３によって均等に変形部２に対して圧力が付与されるので、変形部２の球面形状は精度よく保たれる。
【００２０】
図３は変形部２及び固定部５及び６の一部を切り欠いた斜視構成図である。また、図４にその断面構成図を示す。図３に示すように、変形部２は固定部５及び６にその外周縁部を挟まれて、固定部５及び６に形成されたネジ孔１２にネジを嵌めることで固定される。ネジ孔１２は同数で且つ等間隔に設けることが望ましい。そして、図１及び図２において説明した押圧部材１０によってダイヤフラム９を均等に押圧することによって、図４において破線で示すように、変形部２を精度よい球面形状を保って変形させることができる。
【００２１】
図５は、図１〜図４において説明したレンズ部２０にカバー部１３を被覆した状態の斜視構成図である。枠体４の変形部２側の面に、変形部２を固定する枠体４を覆うようにリング状のカバー部１３がネジ１４により固定される。カバー部１３の中心側には変形部２側に凹む段差１３ａが設けられ、中央部に円形の孔部１３ｂが設けられる。この孔部１３ｂにより光の通路が規制される。
【００２２】
図６は、図５において説明したレンズ部２０の裏面側の斜視構成図である。枠体４のダイヤフラム（図示せず）上にリング状の押圧部材１０が配置され、枠体４の中央部に基板１が露出される。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの駆動部の一例について、図７〜図１１を参照して説明する。図７は、駆動部８０の一例の斜視構成図、図８は駆動部８０の板バネ部３０の分解斜視構成図、図９は駆動部８０の枠体６０の斜視構成図、図１０は圧電素子部４０の分解斜視構成図である。
【００２４】
図７に示すように、この例における駆動部８０は、リング状の枠体６０に板バネ部３０と圧電素子部４０とが固定されて構成される。板バネ部３０は、図７及び図８に示すように、押圧部材３１、押え部材３２及び３３、板バネ３４、固定部材３５、押圧子３６（３６ａ及び３６ｂ）とより構成される。固定部材３５は、細長い直方体状とされてその一面の長手方向中央部に凹部３５ａが設けられた形状とされる。凹部３５ａは対向する側面３５ｅ及び３５ｆ間に貫通して設けられ、板バネ３４の一部、図示の例では略半分が凹部３５ａの底面に嵌合される。
【００２５】
また、固定部材３５の凹部３５ａが貫通する側面のうち一方の側面３５ｅには、円筒状の押圧子３６ａ及び３６ｂが、凹部３５ａによって分断された両端の柱部３５ｃ及び３５ｄにそれぞれ嵌合され、接着等により固定される。この例では押圧子３６は長手方向の長さに対して直径が極めて小さいピン状とされ、その長手方向は、凹部３５ａの底面に嵌合される板バネ３４の板面に略沿う方向に選定される。柱部３５ｃ及び３５ｄの上面にはネジ穴３５ｈが設けられ、ネジ５２ａ及び５２ｂが螺合される。なお、固定部材３５の押圧子３６を嵌合する側面３５ｅとは反対側の側面３５ｆにおいて、長手方向両端部に切り欠き部３５ｇが設けられる。切り欠き部３５ｇを後述するリング状の枠体６０の外側円筒面に沿うように傾斜角度等を選定して形成することにより、枠体６０に取り付けられたときに枠体６０の外側に突出しない形状となる。
【００２６】
板バネ３４は平面長方形状とされ、図示の例では３個ずつ２列のネジ孔３４ｈ１及び３４ｈ２が長辺に沿って設けられる。そして一方の列の３個のネジ孔３４ｈ１が固定部材３５の凹部３５ａに設けられた３個のネジ穴３５ａｈと重なるように形成される。
【００２７】
板バネ３４の上には、２個の押え部材３２及び３３が載置される。押え部材３２及び３３はそれぞれ平面長方形の平板状とされ、その長辺が板バネ３４の長辺が略同じ長さとされ、短辺は板バネ３４の短辺の半分よりやや短い長さとされる。また板バネ３４に設けられる２列のネジ孔３４ｈ１、３４ｈ２のそれぞれに対応するネジ孔３２ｈ、３３ｈが長辺に沿って設けられる。押え部材３２のネジ孔３２ｈから板バネ３４の一列のネジ孔３４ｈ１、更に固定部材３５の凹部３５ａのネジ穴３５ａｈに３個のネジ５１を螺合することで、板バネ３４の短辺方向に分離される半分の領域が固定部材３５に固定される。これにより、板バネ３４のこの場合半分の領域は、固定部材３５に嵌合された押圧子３６に対しても固定される。
【００２８】
他方の押え部材３３の上には、後述する圧電素子部４０の圧電素子５５の変位により発生する力を押圧子３６に伝達する押圧部材３１が載置される。押圧部材３５は、細長い直方体状とされて、一側面の長手方向中央部に、押え部材３３及び板バネ３４を嵌合する凹部３１ａが設けられて両端が柱部３１ｃ及び３１ｄとされる。凹部３１ａは対向する側面３１ｅ及び３１ｆの間に貫通して設けられる。また側面３１ｅ及び３１ｆは平面とされ、側面３１ｅは後述する圧電素子５５の変位方向と直交する端面が当接され、側面３１ｆは上述の押圧子３６の円筒面に当接される。側面３１ｆの長手方向両端部は、固定部材３５と同様に切り欠き部３１ｇとされ、後述する枠体６０の内側円筒面に沿う形状とされる。またこの切り欠き部３１ｅは、後述する圧電素子５５の変位により板バネ３４が屈曲して押圧部材３１が枠体６０側に移動したときに、枠体６０と接触することを回避するように適切な角度で設けることが望ましい。押圧部材３１の上面にはネジ孔３１ｈが設けられる。
【００２９】
そしてこの押圧部材３１を、押え部材３３上から板バネ３４の固定部材３５に固定されていない半分の領域を覆うように載置し、ネジ孔３１ｈ、及び押え部材３３のネジ孔３３ｈ、板バネ３４のネジ孔３４ｈ２に３個のネジ（図示せず）を貫通して、後述する圧電素子部４０の枠体６０に設けるネジ孔に螺合することで、押圧部材３１、押え部材３３及び板バネ３４の半分の領域が固定される。このとき押え部材３２及び３３の長辺側の一辺同士を略平行に配置すると共に、僅かな間隙をもたせて板バネ３４の長辺方向に並列に配置して固定する。このような構成とすることによって、変形応力を受けた板バネ３４の屈曲変形する方向を、押え部材３２及び３３の間の間隙によって、一方向に規制することができる。
【００３０】
次に、図７及び図９を参照して枠体６０を説明する。この例においては、枠体６０はリング状とされ、その内側面にネジ溝６０ｓが設けられる。このネジ溝６０ｓは、前述の図１において説明したレンズ部２０の枠体４の外周面に設けられるネジ溝４ｂに螺合する深さ及びピッチをもって形成される。枠体６０の一端には図８において説明した固定部材３５を固定する固定部６０ａがリング面から立ち上がる形状として設けられる。固定部６０ａの外周面はリング状の枠体６０の外周に沿って延在し、内側面は平面状とされる。そして外周面から内側面に貫通するネジ孔６０ｈが図示の例では２個設けられる。図８に示す固定部材３５の押圧子３６を設ける側面３５ｅとは反対側の側面３５ｆに、これらネジ孔６０ｈと重なるネジ穴（図示せず）が設けられて、固定部材３５が枠体６０の固定部６０ａにネジ止めにより固定される。
【００３１】
圧電素子部４０は、図７及び図１０に示すように、略平板状の支持部材４１の中央部に円形の孔部４１ｉが設けられ、その両端の段差部４１ａ及び４１ｂに一対の直方体状の圧電素子５５（５５ａ及び５５ｂ）が載置されて構成される。この段差部４１ａ及び４１ｂは、圧電素子５５の３つの面を覆う形状とされ、圧電素子５５の変位方向と直交する一端面である固定端５５ｃ及び５５ｄと一側面（図示せず）とが、段差部４１ａ及び４１ｂの側面にそれぞれ接着等により固定される。固定端５５ｃ及び５５ｄの他端は押圧部材３１に当接される端面５５ｅ及び５５ｆとなる。また支持部材４１の段差部４１ａ及び４１ｂの底面の裏面側には、例えば線状の突起４１ｅ及び４１ｆが設けられる。一方、支持部材４１の一端に、段差部４１ａ及び４１ｂの間の領域に、外部に平板状に延在する段差状の固定部４１ｃが設けられる。固定部４１ｃには、図８において説明した板バネ３４のネジ孔３４ｈ２と重なる位置に、ネジ孔４１ｈが設けられる。
【００３２】
そして、上述したように図８に示す押圧部材３１のネジ孔３１ｈ、押え部材３３のネジ孔３３ｈ、板バネ３４のネジ孔３４ｈ２、更に支持部材４１のネジ孔４１ｈに貫通するように、３個のネジ（図示せず）を螺合する。このように固定することで、押圧部材３１と板バネ３４の一端と支持部材４１が固定される。また板バネ３４の一端と圧電素子５５ａ及び５５ｂとが支持部材４１を介して固定される。なお、上述の突起４１ｅ及び４１ｆは、後述する板バネ３４の変形によりレンズ部２０に外力を付与する外力付与部材として設けられ、板バネ３４に固定される。
【００３３】
また、支持部材４１の上面に、圧電素子５５の固定端５５ｃ及び５５ｄの近傍に一対のネジ穴４１ｈｓが設けられ、ネジ５３ａ及び５３ｂがそれぞれ螺合される。図７に示すように、これらのネジ５３ａ及び５３ｂと、固定部材３５の上面に螺合したネジ５２ａ及び５２ｂとの間に、コイルより成る弾性部材５４ａ及び５４ｂを係合させる。これにより、圧電素子５５ａ及び５５ｂの押圧部材３１側の端面５５ｅ及び５５ｆと、押圧部材３１の一方の側面３１ｅとが当接され、押圧部材３１の他方の側面３１ｆと押圧子３６ａ及び３６ｂとが当接される。したがって、圧電素子５５ａ及び５５ｂの変位によって発生する力を、押圧部材３１を介して確実に押圧子３６に加えることができる。
【００３４】
なお、本実施の形態においては、圧電素子５５として積層型圧電素子を用いることが望ましい。積層型圧電素子としては周知の構造のものを用いることが可能である。すなわち、圧電セラミクス等の圧電性物質より成る薄板を数十枚〜数百枚積層したもので、一枚ずつ厚み方向の分極が逆になるように交互に積層して構成される。電極の引き出しは分極の＋同士、−同士が並列に接続される。このような構成とすることにより、印加電圧の向きに対し、全圧電セラミクスの分極の向きが同じになり、圧電縦効果によって積層方向に変位する。この場合、一枚の厚さを薄くすることにより低電圧化を図り、積層数を増やすことによりトータルの変位量を増大させることができる。
【００３５】
圧電素子を構成する圧電性物質としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）やチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｉ，Ｔｉ）Ｏ３）などの圧電セラミクス（多結晶体）等を用いることができる。なお、図７及び図１０においては、圧電素子５５ａ及び５５ｂに電圧を印加する配線や接続端子等を省略している。
【００３６】
以上説明した構成の駆動部８０の裏面側からみた斜視構成図を図１１に示す。図１１において、図７と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図１１に示すように駆動部８０を組み立てた状態で、その枠体６０の内周面のネジ溝６０ｓに、図５に示すレンズ部２０における枠体４の外側面４ｂを螺合させる。このような構成とすることで、レンズ部２０と駆動部８０とが一体となり、本実施の形態に係る可変焦点レンズが構成される。この場合、支持部材４１の裏面の突起４１ｅ及び４１ｆと、図１に示す押圧部材１０とが接触又は僅かな間隙をもって対向するように配置される。
【００３７】
次に、この可変焦点レンズにおいて、圧電素子に電圧を印加して変位させたときの板バネの変形態様について、図１２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図１２（ａ）は、圧電素子５５（５５ａ又は５５ｂ）と、押圧子３６（３６ａ又は３６ｂ）及び板バネ３４の位置関係を簡略化して示す側面図である。図１２においては図７及び図８に示す押圧部材３１を省略して示すが、圧電素子５５の変位に対する押圧子３６への力の作用は同じである。
【００３８】
先ず、図１２（ａ）は、圧電素子５５（５５ａ又は５５ｂ）に電圧が印加されず、非動作の状態を示す。上述したように圧電素子５５として積層型圧電素子を用い、積層方向を長手方向とすると、電圧印加により変位する方向は矢印ｍで示すように長手方向となる。そして圧電素子５５の端面の長手方向、すなわち変位方向に押圧子３６が配置される。押圧子３６は上述したように本実施の形態ではピン状とされる。そして圧電素子５５の端面が変位する方向と直交する平面（この場合は端面自体）に、押圧子３６の円筒面が接するように、固定部材３５に固定される。
【００３９】
板バネ３４は、上述したように平面長方形の平板状であり、その一端、この例では略半分の領域が固定部材３５に固定される。そして板バネ３４の他端、この例では略残りの半分の領域は、上述の図７〜１１において説明したように、圧電素子５５の支持部材４１に固定されて、すなわち圧電素子５５に対して固定される。この例では板バネ３４は短辺方向に分離して、一方が固定部材３５に、他方が圧電素子５５に固定される構成とする。
【００４０】
そして、板バネ３４の固定部材３５に固定される領域と、支持部材４１（図示せず）を介して圧電素子５５に固定される領域は、それぞれ押え部材３２及び３３によって押えられる。上述したようにこの押え部材３２及び３３は、その長辺側の一辺同士が略平行に配置されると共に、僅かな間隙をもたせて板バネ３４の長辺方向に並列に配置されて固定される。このような構成とすることによって、変形応力を受けた板バネ３４の屈曲変形する方向が、押え部材３２及び３３の間の間隙の延長方向と直交する方向、図示の例では図１２の紙面に沿う方向に規制される。
【００４１】
更に、押圧子３６と板バネ３４との位置関係も、板バネ３４が適切に屈曲変形するように選定する。この例では、ピン状の押圧子３６の長手方向と板バネ３４の板面とが平行であるが同一平面上でなく、図１２（ａ）において上方向に僅かにずれた位置となるように、その配置を選定する。
【００４２】
このような配置構成として、圧電素子５５に対して図示しない電圧印加機構によって所定の電圧を印加し、矢印ｍで示す積層方向に変位させる。この状態を図１２（ｂ）に示す。圧電素子５５の端面の変位によって、押圧子３６が圧電素子５５の端面（又は図８に示す押圧部材３１の端面３１ｆ）によって押される。上述したように、押圧子３６は板バネ３４の板面に対して上側にずれた位置に配置されるので、押圧子３６に係る力ｆ１は、板バネ３４に対して固定部材３５側の領域において下向きの力ｆ２として作用する。このため、固定部材３５と圧電素子５５とは相対的に位置がずれて、図１２（ｂ）に示すように板バネ３４の屈曲によって所定の角度をもって傾斜する配置となる。
【００４３】
図１２（ｂ）においては圧電素子５５の位置を固定した状態を示すが、図１２（ｃ）においては固定部材３５の位置を固定した状態を示す。図１２（ｃ）に示すように、この場合圧電素子５５の押圧子３６側の端面とは反対側の端面（図１０に示す固定端５５ｃ及び５５ｄ）が下方に移動して、レンズ部２０への外力付与部材となる突起４１ｅ（４１ｆ）の位置も下方に移動する。このとき、圧電素子５５の積層方向の変位量ｌ１に対して、突起４１ｅ（４１ｆ）の変位量ｌ２は大幅に増幅される。この変位量ｌ２の変位量ｌ１に対する増幅率は、押圧子３６と板バネ３４との位置関係、板バネ３４の屈曲量（弾性係数）、板バネ３４の屈曲位置と力点となる突起４１ｅ（４１ｆ）との位置関係によって、適宜選定可能である。
【００４４】
本例の構成とする場合において、下記の条件とすることで、圧電素子５５の変位量ｌ１に対して外力付与部材である突起４１ｅ（４１ｆ）の変位量ｌ２を略３０倍に増幅できることを確認した。
圧電素子：積層方向の長さが５ｍｍのＰＺＴ
板バネ  ：長辺×短辺が１８ｍｍ×８．５ｍｍ、厚さが０．１５ｍｍの（ＳＵＳ304ＣＳＰ）
押圧子  ：直径１ｍｍのピン状部材
板バネと押圧子との配置：板バネの板面から０．８ｍｍの位置に押圧子を配置
板バネの屈曲位置から突起までの長さ：約１６ｍｍ
この例では圧電素子５５に１５０Ｖの電圧を印加して、積層方向に１０μｍの変位量を発生させ、突起４１ｅ及び４１ｆの変位量を３００μｍとすることができた。
【００４５】
また、この例において、レンズ部２０の変形部２を、基板１を鉛直方向に沿って配置した場合にも自重ダレが生じない程度の張力として固定した場合に、圧電素子５５の変位による力が十分強く、十分な変位量を実現できることを確認した。ここで変形部２の張力としては、コマ収差が０．１λｒｍｓ（λ＝６３２ｎｍ）となる程度の張力とした。変形部の変位量については後述する。
【００４６】
なお、この実施の形態においては押圧子３６としてピン状の部材を用いる例を示すが、押圧子３６の押圧部材３１の端面に当接する領域を、点状でなく線状或いは面状とすることで、押圧部材３１の凹み等の変形を抑制することができる。すなわち、このように押圧子３６をピン状すなわち円筒状とする場合は、当接領域に不要な力の集中を回避して、この部分の変形を抑制できるので、当接部分の変形による変位量の変動を抑えることができる。したがって、当接領域が線状或いは面状となるように、押圧子３６はピン状等の棒状、例えば円筒形又はこれに準ずる形状とすることが望ましい。
【００４７】
次に、本実施の形態に係る可変焦点レンズの収差特性、変形部のヒステリシス特性、応答特性について検討した結果を説明する。
図１３は、変形部２の材質を変えて上述の図１に示すレンズ部２０を構成し、球面収差を測定した結果を示す。この例においては波長６３３ｎｍの光を用いて開口径を８ｍｍとして測定した。実線ａ１〜ａ７の材料は下記の通りである。
【００４８】
ａ１：球面ガラス
ａ２：シリコーンＡ（信越化学工業株式会社製、商品名ＫＥ１９３５）
ａ３：シリコーンＢ
ａ４：シリコーンＣ
ａ５：ウレタン
ａ６：スチレン系エラストマー
ａ７：樹脂（ＰＣ）
【００４９】
図１３の結果から、シリコーンＡの球面収差が最も球面ガラスと近いので、シリコーンＡを用いることが望ましいといえる。その他の材料は球面収差の値が球面ガラスに対して比較的ずれてしまうことが分かる。この結果から、変形部の材料を適切に選定することによって、プレッシャー型の可変焦点レンズにおいて、球面収差を実用上十分に抑制できることがわかる。
【００５０】
次に、上述のシリコーンＡを変形部２として用いた場合のヒステリシス特性を調べた。サンプル数を２とし、それぞれの結果を図１４及び図１５に示す。この例においては、圧電素子５５ａ及び５５ｂに対する駆動電圧を０Ｖから１５０Ｖに変化させ、続いて１５０Ｖから０Ｖに変化させた場合に、変形部２の先端の変位を測定した。図１４及び図１５において実線ｂ１及びｃ１はそれぞれ電圧増加時、実線ｂ２及びｃ２は電圧低減時の変化を示す。各例共に、電圧増加時と低減時のずれが殆どなく、良好なヒステリシス特性を保持できることがわかる。またこのとき、１５０Ｖの電圧値に対して４００μｍの変位量を実現できることがわかる。
【００５１】
更に、駆動電圧の周波数に対する変形部の先端変位量の応答特性について測定した。この場合も変形部２として上述のシリコーンＡを用い、サンプル数を２とした。それぞれの結果を図１６及び図１７に示す。図１６及び図１７において、実線ｄ１及びｅ１はそれぞれ周波数に対する変形部先端変位を出力とするゲインを示し、すなわち伝達関数を示す。また実線ｄ２及びｅ２はそれぞれ周波数に対する位相特性を示す。図１６及び図１７の結果から、周波数が５０Ｈｚ程度までほぼ一定の出力が得られ、また位相が殆ど遅れないことがわかる。また、２００Ｈｚ程度に共振点があることがわかる。この結果から、本実施の形態に係る可変焦点レンズは十分高い周波数まで一定の応答特性が得られ、撮像レンズ系等に用いる場合には実用上十分な高速応答が可能であることがわかる。
【００５２】
また、ステップ応答特性についても測定した。この測定においても、変形部２として上述のシリコーンＡを用い、サンプル数を２とした。それぞれの結果を図１８及び図１９に示す。図１８及び図１９において、実線ｆ１及びｇ１は圧電素子５５ａ及び５５ｂに対する駆動電圧をそれぞれ示し、実線ｆ２及びｇ２は変形部２の先端変位をそれぞれ示す。駆動電圧の変化に対し２０ｍｓ程度のステップ応答特性が得られることがわかる。したがって、例えば撮像装置の可変焦点レンズとして、実用上十分に利用可能であることがわかる。
【００５３】
次に、図２０及び図２１を用いて、図１〜図１１において説明した本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズが撮像光学系に用いられた撮像装置について説明する。図２０は、撮像装置１００の外観の概略構成を示すものであり、例えばデジタルビデオカメラを例としたものである。
【００５４】
図２０に示す撮像装置１００は、中空の外装ケース１０２内部に、撮像光学系、撮像素子、駆動制御回路等が備えられて構成される。
まず、撮像装置１００の外装ケース１０２は、横長の略直方体をなす中空の筐体からなり、長手方向を前後方向にした状態で使用される。図２０では図示されないが、外装ケース１０２の前部にレンズ鏡胴の撮像レンズが臨むように配設される。レンズ鏡胴は、レンズ鏡胴内に配設された撮像光学系の光軸を水平方向に向けた状態で外装ケース１０２に収容される。この例において、撮像光学系の撮像レンズは、上述の可変焦点レンズを含むズームレンズ等を含むものである。外装ケース１０２の内部において、レンズ鏡胴の後部には後述する撮像素子が取り付けられる。そして、レンズ鏡胴の後方であって、外装ケース１０２の後方にはビューファインダ装置１０６が配置される。
【００５５】
外装ケース１０２の上部には、外付けビデオライトや外付けマイクロホン等のアクセサリーが着脱自在に装着されるアクセサリーシューを露出させる開口部が設けられる。アクセサリーシューは、ビューファインダ装置１０６の直前に配置され、通常は、開口部を開閉するシューキャップ１０７によって着脱可能に覆われる。更に、外装ケース１０２の前面の下部には、ステレオ方式のマイクロホン１０８が内蔵されて設けられる。そして、図示しないが、レンズ鏡胴の前面の上部には、外装ケース１０２に一体的に設けられているフラッシュ装置の発光部が配置される。
【００５６】
外装ケース１０２の一方の側面には、この外装ケース１０２を把持するための把持部１１０が設けられる。この把持部１１０は、その内部に収納された、図には表れないメカデッキのカバー部材を兼ねていてもよい。その場合、この把持部１１０の上部を外側へ開くことにより、例えば内蔵されたメカデッキのカセット挿入口が露出され、テープカセット等の着脱操作が可能となる。
【００５７】
更に、把持部１１０の上部後方には、モード選択スイッチを兼ねる電源スイッチ１１２と、静止画の撮影を行うシャッタボタン１１３と、所定の範囲内で画像を連続的に拡大（テレ）又は縮小（ワイド）させるズームボタン１１４が設けられる。更に、電源スイッチ１１２の下方には、図には表れない録画ボタンが設けられる。また、図示しないが、電源スイッチ１１２の下方には録画ボタンが設けられ、その録画ボタンの横、即ち外装ケース１０２の背面には、携帯用電源であるバッテリー装置が着脱可能に装着されるバッテリー収納部が設けられる。
【００５８】
外装ケース１０２の把持部１１０と反対側の面には、連結部材１４０を介して表示装置１０４が姿勢変更可能に取り付けられる。表示装置１０４は、例えば、ビューファインダやタッチパネルの機能を果たすものであり、液晶パネル等より構成される。
【００５９】
図２１に、撮像装置１００の主要部分の概略構成を示すブロック図を示す。
撮像装置１００は、撮像光学系１５１と、撮像光学系１５１を通して結像された被写体光を光電変換することにより、信号として出力する撮像素子１５６と、撮像素子１５６から送られた信号を処理する映像信号処理部１５０とを有する。そして更に、映像信号処理部１５０により所定の映像信号に処理された信号を、記録再生する映像信号記録／再生部１５２とから構成される。
【００６０】
撮像光学系１５１を構成する撮像レンズは、上述した可変焦点レンズを含む構成とされる。
撮像素子１５６は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサや、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等により構成される。
映像信号記録／再生部１５２は、例えばマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）を有する演算回路等を備えて構成される。この映像信号記録／再生部１５２には映像信号処理部１５０の他、映像信号を記録する内部メモリ１５３、前述の表示装置１０４を駆動するモニタ駆動部１５４、撮像光学系１５１を制御する制御部１５５等が接続される。制御部１５５には、ズームボタンの操作等、外部からの操作信号が入力され、制御部１５５からの信号により、撮像光学系１５１のレンズ位置が調整される。
【００６１】
このような構成とする撮像装置１００において、本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズをその撮像光学系１５１に用いることによって、変形部の自重ダレ等による像の歪みを生じることなく、良好な画像を、実用上十分な焦点距離の可変量をもって撮像することができる。また変形膜の材料を適切に選定することで球面収差を抑えることができる。また、積層型の圧電素子を用いることによって、良好なヒステリシス特性と、実用上十分な高速応答性をもって撮像することが可能となる。
【００６２】
なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズのレンズ部の一部を切り欠いた斜視構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズのレンズ部の断面構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズのレンズ部の要部の斜視構成図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズのレンズ部の要部の断面構成図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズのレンズ部の斜視構成図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズのレンズ部の斜視構成図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの駆動部の斜視構成図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの駆動部における板バネ部の分解斜視構成図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの駆動部における枠体の斜視構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの駆動部における圧電素子部の分解斜視構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの駆動部の斜視構成図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの板バネの変形態様の説明図である。
【図１３】可変焦点レンズの球面収差特性を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズにおけるヒステリシス特性を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズにおけるヒステリシス特性を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズにおける応答特性を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズにおける応答特性を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズにおけるステップ応答特性を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズにおけるステップ応答特性を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態に係る撮像装置の斜視構成図である。
【図２１】本発明の実施の形態に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６４】
１．基板、２．変形部、３．液体、４．枠体、９．ダイヤフラム、１０．押圧部材、２０．レンズ部、３０．板バネ部、３１．押圧部材、３２，３３．押え部材、３４．板バネ、３５．固定部材、３６，３６ａ，３６ｂ．押圧子、４０．圧電素子部、４１．支持部材、４１ｅ，４１ｆ．突起（外力付与部材）、５５，５５ａ，５５ｂ．圧電素子、６０．枠体、８０．駆動部、１００．撮像装置
【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】
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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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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