JP2000075111A - 可変焦点レンズ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】透明な弾性体や動作流体を可変焦点レンズ部と
する可変焦点レンズ装置において、温度ドリフト現象の
発生を抑制するとともに耐熱性を向上させる。 【解決手段】外力による形状変化により焦点が変化する
可変焦点レンズ部１０ａと、レンズ部１０ａに外力を付
与してレンズ部１０ａを形状変化させるアクチュエータ
部１０ｂとからなる可変焦点光学素子１０を、断熱機構
２０の収容空間部に収容保持して外部からの熱を遮断す
ることにより、レンズ部１０ａの温度ドリフト現象の発
生を抑制するとともに耐熱性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変焦点レンズ部
におけるレンズの焦点を可変制御する可変焦点レンズ装
置に関するもので、当該可変焦点レンズ装置は、顕微
鏡、顕微鏡カメラ装置、その他医療用、工業用のカテー
テル、プルーブの先端に装備される光学レンズ等、広い
分野に応用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】可変焦点レンズ装置の一形式として、特
開昭６０−８４５０２号公報に示されているように、ス
チレンゴム等の透明な弾性体にて形成された可変焦点レ
ンズ部を備えた可変焦点レンズ装置がある。また、可変
焦点レンズ装置の他の一形式として、特開昭６３−２２
９４０１号公報に示されているように、透明弾性膜等に
て形成された収容空間に透明な動作流体を封入してなる
可変焦点レンズ部を備えた可変焦点レンズ装置がある。
なお、後者の形式の可変焦点レンズ装置については、本
特許出願人もまた、特願平８−２９６７８０号出願にて
提案している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
透明な弾性体や動作流体にて可変焦点レンズ部のレンズ
を構成する可変焦点レンズ装置においては、弾性体や動
作流体が装置の周囲温度の変化に応じて膨張または収縮
し、レンズの光学特性が大きく変化する所謂温度ドリフ
ト現象が発生するという問題がある。

【０００４】また、当該可変焦点レンズ装置において
は、例えば、医療用の内視鏡等の医療器具に適用される
場合には、医療器具が使用の都度オートクレーブ等にて
熱滅菌処理に付されることから、この熱滅菌処理の温度
には十分には耐えられないという問題がある。従って、
本発明の目的は、透明な弾性体や動作流体にて可変焦点
レンズ部のレンズを構成する可変焦点レンズ装置におい
て、温度ドリフト現象の発生を抑制するとともに、医療
器具に用いた場合には、熱滅菌処理に対して十分な耐熱
性を確保することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明においては、可変
焦点レンズ装置を、弾性を有するレンズの外力による形
状変化により焦点が変化する可変焦点レンズ部と、該可
変焦点レンズ部と一体で可変焦点光学素子を構成し該レ
ンズに外力を付与して該レンズを形状変化させるアクチ
ュエータ部と、該可変焦点光学素子を断熱的に保持する
断熱機構とを備えた構成としているものであり、かかる
構成を採ることにより、可変焦点レンズ部における温度
ドリフト現象の発生の抑制と耐熱性の向上を図るもので
ある。

【０００６】

【発明の作用・効果】従って、本発明に係る可変焦点レ
ンズ装置によれば、可変焦点光学素子を断熱的に保持す
る断熱機構の機能により、可変焦点光学素子を構成する
可変焦点レンズ部での温度ドリフト現象の発生を抑制で
き、また、可変焦点光学素子の耐熱性の向上を図ること
ができる。

【０００７】しかして、本発明に係る可変焦点レンズ装
置においては、前記アクチュエータ部を、中央部に貫通
孔を有するリング状の弾性板の少なくとも一方の表面に
圧電板を接合してなる複数枚の圧電変形素子と、各圧電
変形素子の外周縁部を積層状態で連結する外周連結部材
と、各圧電変形素子の内周縁部を積層状態で連結して可
変焦点レンズ部に対する光路を形成するとともに可変焦
点レンズ部のレンズに外力を付与する内周連結部材とに
より構成することができる。

【０００８】かかる構成によれば、各圧電変形素子の内
周縁側を連結している内周連結部材が中央部に円筒状の
光路を形成しているため、単一のアクチュエータ部で可
変焦点レンズ部を駆動することができる。この場合、ア
クチュエータ部を可変焦点レンズ部のレンズに同軸的に
配置することができるため、アクチュエータ部にて発生
する駆動力を可変焦点レンズ部のレンズに全周囲均等に
付与することができて、レンズに非対称な歪みを発生さ
せることがない。

【０００９】また、本発明に係る可変焦点レンズ装置に
おいては、前記可変焦点レンズ部を、円盤状の透明弾性
膜と、中心部に光を透過する透過部を有する加圧用弾性
膜と、透明弾性膜と加圧用弾性膜が形成する密閉空間部
に封入される動作流体とにより構成することができる。
かかる構成によれば、アクチュエータ部の駆動により、
可変焦点レンズ部を構成する加圧用弾性膜および動作流
体を介して、透明弾性膜を変形してレンズの焦点を可変
制御することができるため、レンズの焦点を高速で可変
制御し得る可変焦点レンズ装置を提供することができ
る。

【００１０】なお、本発明に係る可変焦点レンズ装置に
おいては、可変焦点レンズ部を構成する透明弾性膜をホ
ウケイ酸ガラスまたはこれを主体とするガラスにて形成
すること、可変焦点レンズ部を構成する動作流体として
シリコーンオイルまたはグリセリンを採用することがで
きる。また、本発明に係る可変焦点レンズ装置において
は、断熱機構の主要部を発泡樹脂からなる断熱材にて形
成すること、断熱機構を空気層または真空層を備えた気
密構造体とすること、または潜熱蓄熱剤を備えた気密構
造体とすることができる。これらの場合、断熱機構にお
ける可変焦点光学素子に対する入力光および出力光の透
過部位をガラスまたは透明な樹脂にて形成する。また、
潜熱蓄熱剤としては、パラフィンまたはフッ素化合物を
使用することが好ましい。

【００１１】断熱機構を空気層または真空層を備えた気
密構造体とすれば、断熱機構の可変焦点光学素子を収容
している収容空間部に対する断熱効果を高めて、温度ド
リフト現象の発生を一層抑制することができる。また、
断熱機構を潜熱蓄熱剤を備えた気密構造体とすれば、断
熱機構の可変焦点光学素子を収容している収容空間部の
昇温を所定時間、潜熱蓄熱剤の融点、気化点以内の温度
に保持することができて、可変焦点光学素子の耐熱性を
飛躍的に向上させることができる。

【００１２】

【実施例】（第１実施例）図１には、本発明に係る可変
焦点レンズ装置の第１実施例が示されており、また、図
２には、当該可変焦点レンズ装置を構成する可変焦点光
学素子の構造と動作状態が示されている。当該可変焦点
レンズ装置は、可変焦点光学素子１０と断熱機構２０と
からなり、可変焦点光学素子１０は、可変焦点レンズ部
１０ａとアクチュエータ部１０ｂとにより構成されてい
る。

【００１３】可変焦点レンズ部１０ａは、中央部に貫通
孔を有するガラス製の基板１１、透明弾性膜１２、加圧
用弾性膜１３、中央部に貫通孔を有するガラス製のスペ
ーサ１４、および動作流体１５にて構成されている。透
明弾性膜１２は、ホウケイ酸ガラス等のガラス薄板にて
形成されているもので、基板１１の一方の端面に紫外線
硬化樹脂からなる接着剤等にて接合されて屈折面を形成
している。加圧用弾性膜１３は、透明弾性膜１２と同様
のガラス薄板にて形成された透明膜、または、ステンレ
ス製の薄板にガラス製の窓部を接合して形成された膜で
あり、基板１１の他方の端面に透明弾性膜１２と同様に
接合されている。これらの基板１１、透明弾性膜１２、
および加圧用弾性膜１３は密封空間を形成しており、こ
の密封空間に動作流体１５が封入されている。

【００１４】動作流体１５には、透明弾性膜１２および
加圧用弾性膜１３の界面での光の反射を抑えるためにシ
リコーンオイルを用いることが好ましく、また、シリコ
ーンオイルより熱膨張の小さい動作流体としてグリセリ
ンを用いることも好ましい。アクチュエータ部１０ｂに
は、本特許出願人の出願に係る特願平８−２９０７８０
号出願にて提案している積層型圧電アクチュエータが採
用されており、アクチュエータ部１０ｂは、複数枚の板
状の圧電変形素子１６、各圧電変形素子１６を外周縁側
にて連結する複数本の棒状の外周連結部材１７ａ、パイ
プ状の内周連結部材１７ｂ、および各圧電変形素子１６
の内周縁側にそれぞれ接合されて各圧電変形素子１６を
内周連結部材１７ｂに連結する複数の内周接合部材１７
ｃにて構成されている。各圧電変形素子１６は、中央部
に貫通孔を有する弾性板１６ａの両表面に圧電板１６
ｂ，１６ｃを接合してなるバイモルフ型の圧電変形素子
である。

【００１５】アクチュエータ部１０ｂは、各外周連結部
材１７ａの一端に固定された固定用リング１７ｄを可変
焦点レンズ部１０ａの加圧弾性膜１３の表面に接合した
状態で可変焦点レンズ部１０ａに連結されていて、内周
連結部材１７ｂの一端が加圧弾性膜１３の表面の中央部
に当接して接合されている。この状態で、内周連結部材
１７ｂの貫通孔は、可変焦点レンズ部１０ａに対する光
路を形成している。なお、アクチュエータ部１０ｂは駆
動手段１８を備えており、駆動手段１８は外周連結部材
１７ａと内周連結部材１７ｂ間に電圧を印加すべく機能
する。

【００１６】かかるアクチュエータ部１０ｂにおいて
は、駆動手段１８により電圧が印加されると、図２の
（ａ）または（ｂ）に示すように、各圧電変形素子１６
が変形して内周連結部材１７ｂを可変焦点レンズ部１０
ａに対して前進または後退させる。これにより、可変焦
点レンズ部１０ａにおいては、透明弾性膜１２、および
加圧用弾性膜１３が変形してレンズ特性を変化させ、焦
点距離を可変とする。

【００１７】しかして、当該可変焦点レンズ装置におい
ては、可変焦点レンズ部１０ａとアクチュエータ部１０
ｂからなる可変焦点光学素子１０が断熱機構２０にて断
熱的に保持されている。断熱機構２０は、第１断熱窓部
２０ａ、第２断熱窓部２０ｂ、および、これら両断熱窓
部２０ａ，２０ｂを連結する断熱連結部２０ｃからなる
もので、これらの各構成部２０ａ〜２０ｃは互いに液密
的に接合されて円筒状の収容空間部を構成しており、こ
の収容空間部に可変焦点光学素子１０が収容されてい
る。

【００１８】断熱機構２０を構成する第１断熱窓部２０
ａは、内部に気密性の空間部２１ａを有するガラス製の
基板２１ｂからなるもので、空間部２１ａには乾燥空気
が充填されている。第２断熱窓部２０ｂは第１断熱窓部
２０ａと同様、内部に気密性の空間部２２ａを有するガ
ラス製の基板２２ｂからなるもので、空間部２２ａには
乾燥空気が充填されている。断熱連結部２０ｃは、発泡
樹脂からなる筒状を呈するもので、その一端に第１断熱
窓部２０ａが液密的に接合され、かつ、その他端に第２
断熱窓部２０ｂが液密的に接合されている。

【００１９】断熱機構２０において、第１断熱窓部２０
ａは断熱機構２０の収容空間部に収容されている可変焦
点光学素子１０の可変焦点レンズ部１０ａの一端面側に
対向して位置し、かつ、第２断熱窓部２０ｂは断熱機構
２０の収容空間部に収容されている可変焦点光学素子１
０のアクチュエータ部１０ｂの他端側に対向して位置し
ていて、可変焦点光学素子１０に対する光の透過を許容
する。

【００２０】かかる構成の可変焦点レンズ装置において
は、可変焦点レンズ部１０ａおよびアクチュエータ部１
０ｂからなる可変焦点光学素子１０が全て断熱機構２０
の収容空間部に収容されて、可変焦点光学素子１０の機
能を全く損なうことなく断熱的に保持されている。この
ため、可変焦点光学素子１０における温度ドリフト現象
の発生を抑制することができるとともに、耐熱性を大幅
に向上させることができる。

【００２１】以上説明したように、当該可変焦点レンズ
装置においては、断熱機構２０を構成する各断熱窓部２
０ａ，２０ｂの空間部２１ａ，２２ａに乾燥空気を充填
している例を示しているが、空間部２１ａ，２２ａを真
空状態に形成することができる。この場合には、空間部
２１ａ，２２ａに乾燥空気を充填した場合に比較して断
熱効果が高く、温度ドリフト現象の発生を一層抑制する
ことができるとともに、耐熱性を一層大幅に向上させる
ことができる。

【００２２】なお、断熱機構２０において、各断熱窓部
２０ａ，２０ｂを構成する各基板２１ｂ，２２ｂの形成
材料としては、石英ガラス等のガラスの外に、ポリカ−
ボネート、ポリメチルメタアクリレート等の透明度の高
い合成樹脂が好適に使用される。また、断熱連結部２０
ｃの形成材料としては、ポリウレタン、ポリフェノー
ル、ポリスチレン、ポリカーボネート等からなる発泡樹
脂の外に、発泡ゴム等の発泡性の高分子材料が好適に使
用される。 （第２実施例）図３には、本発明に係る可変焦点レンズ
装置の第２実施例が示されている。当該可変焦点レンズ
装置は、第１の実施形態の可変焦点レンズ装置とは同一
の可変焦点光学素子１０を採用しているが、可変焦点光
学素子１０を断熱保持する断熱機構３０が相違する。

【００２３】断熱機構３０は、内殻部３０ａと外殻部３
０ｂとからなる二重構造のもので、内殻部３０ａは、ガ
ラス製の一対の基板３１，３２と、発泡樹脂等断熱材か
らなる断熱筒体３３にて構成されているもので、これら
の各構成部材３１〜３３は互いに液密的に接合されて円
筒状の収容空間部を形成しているとともに、断熱筒体３
３の外周に環状の凹所を形成している。内殻部３０ａの
収容空間部には、可変焦点光学素子１０が収容されてい
る。

【００２４】外郭部３０ｂは、ガラス製の一対の基板３
４，３５と、発泡樹脂等断熱材からなる断熱筒体３６に
て構成されているもので、これらの各構成部材３４〜３
６は互いに液密的に接合されて円筒状の収容空間部を形
成している。また、断熱筒体３６はその内周側にて、内
殻３０ａの各基板３１，３２の外周側に液密的に接合さ
れていて、両基板３１，３４間および両基板３２，３５
間に円盤状の空間部３７ａ，３７ｂを、また、両断熱筒
体３３，３６間に円環状の空間部３７ｃを形成してい
る。これらの各空間部３７ａ〜３７ｃには乾燥空気が充
填されている。なお、各空間部３７ａ〜３７ｃを真空状
態に形成してもよい。

【００２５】かかる構成の可変焦点レンズ装置において
は、可変焦点レンズ部１０ａおよびアクチュエータ部１
０ｂからなる可変焦点光学素子１０が全て断熱機構３０
の収容空間部に収容されて、可変焦点光学素子１０の機
能を全く損なうことなく断熱的に保持されている。この
ため、可変焦点光学素子１０における温度ドリフト現象
の発生を抑制することができるとともに、耐熱性を大幅
に向上させることができる。

【００２６】しかして、当該可変焦点レンズ装置におい
ては、特に、断熱機構３０を構成する両空間部３７ａ、
３７ｂにより形成される円盤状の断熱層、および、大径
の円環状の空間部３７ｃにより形成される円環状の断熱
層が収容空間部への熱の侵入を大きく遮断し、可変焦点
光学素子１０における温度ドリフト現象の発生を一層抑
制することができるとともに、耐熱性を一層大幅に向上
させることができる。 （第３実施例）図４には、本発明に係る可変焦点レンズ
装置の第３実施例が示されている。当該可変焦点レンズ
装置は、第１および第２の実施形態の可変焦点レンズ装
置とは同一の可変焦点光学素子１０を採用しているが、
可変焦点光学素子１０を断熱的に保持する断熱機構４０
が相違する。

【００２７】断熱機構４０は、内殻部４０ａと外殻部４
０ｂとからなる二重構造のものであり、内殻部４０ａ
は、ガラス製の一対の基板４１，４２と、発泡樹脂等断
熱材からなる断熱筒体４３にて構成されているもので、
これらの各構成部材４１〜４３は互いに液密的に接合さ
れて円筒状の収容空間部を形成している点、この収容空
間部に可変焦点光学素子１０が収容されている点、およ
び、外郭部４０ｂは、ガラス製の一対の基板４４，４５
と、発泡樹脂等断熱材からなる断熱筒体４６にて構成さ
れているもので、これらの各構成部材４４〜４６は互い
に液密的に接合されて円筒状の収容空間部を形成してい
る点、各空間部４７ａ，４７ｂに乾燥空気が充填され、
または真空状態にされて断熱層が形成されれている点
で、第２の実施形態の可変焦点レンズ装置の断熱機構３
０と類似している。

【００２８】しかしながら、断熱機構４０においては、
両基板４４，４５および両断熱筒体４３，４６にて形成
されている環状の空間部４７ｃに潜熱蓄熱材４８が充填
されている点で、断熱機構３０とは相違する。潜熱蓄熱
材４８は、当該可変焦点レンズ装置の熱滅菌処理に対す
る耐熱性を付与するもので、潜熱蓄熱材４８としては、
熱滅菌処理温度において固相から液相へ相変化を生じる
化合物、または、液相から気相へ相変化を生じる化合物
を採用することができる。例えば、当該可変焦点レンズ
装置の熱滅菌処理に対しては、パラフィン等の固体化合
物やフッ素化合物等の液体化合物（スリーエム社製の商
品名フロリート等）が好適に採用される。

【００２９】当該可変焦点レンズ装置を医療用の光学器
具に適用する場合には、オートクレーブ内で熱滅菌処理
されるため、熱滅菌処理温度に対して十分な耐熱性を備
えていることが肝要である。この場合、熱滅菌処理が例
えば１３５℃で５分間なされるとすれば、融点が５０℃
程度の潜熱蓄熱剤４８を用いると、空間部４７ｃに充填
されている潜熱蓄熱剤４８の全てが固相から液相へ相変
化する間は、潜熱蓄熱材４８は融点である５０℃以上に
は昇温しない。このため、潜熱蓄熱剤４８で覆蓋されて
いる内殻４０ａ内の収容空間部は潜熱蓄熱剤４８の融点
である５０℃以上には昇温せず、可変焦点光学素子１０
の耐熱性を飛躍的に向上させることができる。

【００３０】なお、この潜熱蓄熱剤４８の空間部４７ｃ
への充填量は、オートクレーブ内で１３５℃の水蒸気が
５分間に当該可変焦点レンズ装置に与える熱量と、潜熱
蓄熱剤４８の単位重量当たりの潜熱から設定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例に係る可変焦点レンズ装置の断面
図である。

【図２】同可変焦点レンズ装置を構成する可変焦点光学
素子の動作説明図（ａ），（ｂ）である。

【図３】本発明の他の一例に係る可変焦点レンズ装置の
断面図である。

【図４】本発明のさらに他の一例に係る可変焦点レンズ
装置の断面図である。

【符号の説明】

１０…可変焦点光学素子、１０ａ…可変焦点レンズ部、
１０ｂ…アクチュエータ部、１１…基板、１２…透明弾
性膜、１３…加圧用弾性膜、１４…スペーサ、１５…動
作流体、１６…圧電変形素子、１６ａ…弾性板、１６
ｂ，１６ｃ…圧電板、１７ａ…外周連結部材、１７ｂ…
内周連結部材、１７ｃ…内周接合部材、１８…駆動手
段、２０…断熱機構、２０ａ…第１断熱窓部、２０ｂ…
第２断熱窓部、２０ｃ…断熱連結部、２１ａ，２２ａ…
空間部、２１ｂ，２２ｂ…基板、３０…断熱機構、３０
ａ…内殻部、３０ｂ…外殻部、３１，３２…基板、３３
…断熱筒体、３４，３５…基板、３６…断熱筒体、３７
ａ，３７ｂ，３７ｃ…空間部、４０…断熱機構、４０ａ
…内殻部、４０ｂ…外殻部、４１，４２…基板、４３…
断熱筒体、４４，４５…基板、４６…断熱筒体、４７
ａ，４７ｂ，４７ｃ…空間部、４８…潜熱蓄熱剤。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性を有するレンズの外力による形状変
   化により焦点が変化する可変焦点レンズ部と、 該可変焦点レンズ部と一体で可変焦点光学素子を構成し
   該レンズに外力を付与して該レンズを形状変化させるア
   クチュエータ部と、 該可変焦点光学素子を断熱的に保持する断熱機構と、を
   備えていることを特徴とする可変焦点レンズ装置。
2. 【請求項２】 前記アクチュエータ部は、 中央部に貫通孔を有するリング状の弾性板の少なくとも
   一方の表面に圧電板を接合してなる複数枚の圧電変形素
   子と、 該各圧電変形素子の外周縁部を積層状態で連結する外周
   連結部材と、 該各圧電変形素子の内周縁部を積層状態で連結して前記
   可変焦点レンズ部に対する光路を形成するとともに該可
   変焦点レンズ部のレンズに外力を付与する内周連結部材
   と、により構成されている請求項１に記載の可変焦点レ
   ンズ装置。
3. 【請求項３】 前記可変焦点レンズ部は、 円盤状の透明弾性膜と、 中心部に光を透過する透過部を有する加圧用弾性膜と、 該透明弾性膜と加圧用弾性膜が形成する密閉空間部に封
   入される動作流体と、により構成されている請求項１に
   記載の可変焦点レンズ装置。
4. 【請求項４】 前記可変焦点レンズ部を構成する透明弾
   性膜は、ホウケイ酸ガラスまたはこれを主体とするガラ
   スにて形成されている請求項３に記載の可変焦点レンズ
   装置。
5. 【請求項５】 前記可変焦点レンズ部を構成する動作流
   体は、シリコーンオイルまたはグリセリンである請求項
   ３に記載の可変焦点レンズ装置。
6. 【請求項６】 前記断熱機構は、発泡樹脂からなる断熱
   材を主要構成部材としている請求項１に記載の可変焦点
   レンズ装置。
7. 【請求項７】 前記断熱機構は、空気層または真空層を
   備えた気密構造体である請求項１または６に記載の可変
   焦点レンズ装置。
8. 【請求項８】 前記断熱機構は、潜熱蓄熱剤を備えた気
   密構造体である請求項１または６に記載の可変焦点レン
   ズ装置。
9. 【請求項９】 前記潜熱蓄熱剤は、パラフィンまたはフ
   ッ素化合物である請求項８に記載の可変焦点レンズ装
   置。
10. 【請求項１０】 前記断熱機構における前記可変焦点光
    学素子に対する入力光および出力光の透過部位が、ガラ
    スまたは透明な樹脂にて形成されている請求項１，６，
    ７または８に記載の可変焦点レンズ装置。