Development of Variable Focal Length Lens using Soft Actuator

使用软致动器开发可变焦距镜头

• 批准号: 18560249
• 负责人: TSUCHITANI Shigeki
• 金额: $ 2.56万
• 依托单位: Wakayama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2008
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18560249/
• 关键词: 可変焦点レンズ; 液体レンズ; アクチュエータ; ソフトアクチュエータ; イオン導電性高分子金属接合体; イオン導電性高分子; IPMC

ソフトアクチュエータの一種であるイオン導電性高分子アクチュエータ(IPMC)が柔軟性とアクチュエータ機能を兼ね備えることに着目し、IPMCを用い小型、柔軟で低電圧(数V以下)動作可能な可変焦点レンズを開発することを目的とした。透明で柔軟な容器に液体を封入し、IPMCの加圧力でその形状を変化させ、焦点距離の変化を得る「液体レンズ」式の可変焦点レンズを試作した。容器をイオン導電性高分子で形成し、その一部にアクチュエータ機能を付与することで小型化を図るため、同高分子膜の一部に駆動電極を形成してIPMC化するため「パターン電極形成技術」を開発した。電極のパターン精度は約10mであった。可変焦点レンズを始め様々な用途への応用が可能な空気中動作可能なIPMCの実現を目指し、イオン液体を溶媒とするIPMCを作製し、空気中での長時間(180分)の安定動作を確認した。イオン液体を溶媒とするIPMCでは屈曲は対イオンの移動に支配され、その動作をモデル化するにはIPMCの等価回路決定がポイントであることが分かった。IPMCの交流インピーダンス測定及びIPMCを流れる電流のステップ電圧応答から、約0.1Hz以上の周波数では、IPMCの等価回路は膜抵抗と電気二重層容量の直列回路と膜容量との並列回路で表されることが分かった。イオン液体を溶媒とするIPMCは空気中動作が可能であるが、その動作が周囲の湿度の影響を受けた。上記等価回路における膜抵抗Rは湿度増加に対し指数関数的に減少し、電気二重層容量Cは湿度と共に増加すること、またステップ電圧印加時の変位及び電流の応答の時定数=RCは湿度と共に減少することが分かった。PDMS(Polydimethylsiloxane)の成型により、上部に薄膜状(設計値50m厚)の瞳(直径6mm)を持つ円筒状の容器(φ20×18mm)を作製し、その内部に液体(水)を封入して外部からIPMCで加圧することで瞳部のPDMS膜を撓ませ焦点距離を変化させる構造の可変焦点レンズを試作した。IPMCの動作により瞳の中心で73mの変位を得た。片面に厚み100mのPDMS膜をスピンコートしたシリコン基板を裏面からエッチングにより円形貫通孔(直径4mm)を形成して瞳部を作製し、これと樹脂(アクリル)製の透明容器とを接着して密閉容器を作製し、内部に液体(水)を封入した。シリコン基板を上部からIPMCで加圧して瞳部のPDMS膜に水圧を印加してレンズ状に変形させるタイプの可変焦点レンズを作製し、IPMCの動作により瞳中心で20mの変位が得られた。

ソ フ ト ア ク チ ュ エ ー タ の a で あ る イ オ ン conductivity polymer ア ク チ ュ エ ー タ (IPMC) が softness と ア ク チ ュ エ ー を タ function and ね prepared え る こ と に mesh し, IPMC を い small, soft で low electricity 圧 below number (V) action may な can - focus レ ン ズ を open 発 す る こ と を purpose と し た. Transparent で soft な し, sealed containers に liquid を IPMC の plus pressure で そ の shape を variations change さ せ の, focus distance variations change を must る "liquid レ ン ズ" type の can - focus レ ン ズ を attempt し た. Container を イ オ ン conductivity polymer で form し, そ の a に ア ク チ ュ エ ー タ function を give す る こ と で miniaturization を 図 る た め, with polymer film の a に 駆 moving electrode を form し て IPMC change す る た め "パ タ ー ン electrode forming technology" を open 発 し た. The electrode <s:1> パタ <s:1> accuracy <e:1> is approximately 10mであった. Can - focus レ ン ズ を beginning め others 々 な USES へ の 応 may use が な empty 気 action may な IPMC の be presently を refers し, イ オ ン liquid を solvent と す る IPMC を し, empty in 気 で の (180 points) の stability for a long time action を confirm し た. イ オ ン liquid を solvent と す る IPMC で は buckling は イ seaborne オ ン の mobile に dominate さ れ, そ の action を モ デ ル change す る に は IPMC の 価 circuits such as decision が ポ イ ン ト で あ る こ と が points か っ た. IPMC の communication イ ン ピ ー ダ ン ス measurement and び IPMC を flow れ る current の ス テ ッ プ electric 圧 応 answer か ら, more than 0.1 Hz の cycle for で は, IPMC の は 価 circuit such as membrane resistance と electric 気 の inline circuit of double layer capacity と membrane capacity と の parallel loop で table さ れ る こ と が points か っ た. イ オ ン liquid を solvent と す る IPMC は empty 気 action が may で あ る が, そ の action が weeks 囲 の humidity の を by け た. Written 価 circuits such as に お け る membrane humidity resistance R は raised に requirement by masato し index number of seaborne に reduce し, electricity 気 double layer capacity C は humidity と に raised total plus す る こ と, ま た ス テ ッ プ electrical 圧 Inca の variations and び current の 応 answer の RC は humidity と に reduce total number = す る こ と が points か っ た. PDMS (Polydimethylsiloxane) の molding に よ り, upper に film shape design (nt 50 m thick) の pupil diameter (6 mm) を hold つ has drifted back towards &yen; tubular の container 20 x 18 mm (phi) を as し, そ の に fluid (water) sealed を し て external か ら IPMC で plus 圧 す る こ と で eye ministry の PDMS membrane Youdaoplaceholder0 torsion ませ focal distance を variation させる construction <s:1> variable focal point レ ズを ズを try to make た. The motion of the IPMC <s:1> is によ, the center of the corneal pupil <s:1> is で73m, and the displacement of the を is た. One-sided に み 100 m thick の PDMS membrane を ス ピ ン コ ー ト し た シ リ コ ン inside the substrate を か ら エ ッ チ ン グ に よ り has drifted back towards &yen; shape through hole (diameter of 4 mm) を form し て し the を cropping, the pupil こ れ と resin (ア ク リ ル) system の transparent container と を then し て し the airtight container を cropping, internal に liquid (water) sealed を し た. シ リ コ ン upper substrate を か ら IPMC で plus 圧 し て pupil に の PDMS membrane water 圧 を Inca し て レ ン ズ shape に - shaped さ せ る タ イ プ の can - focus レ ン ズ を as し, IPMC の action に よ り で 20 m の pupil center - who が ら れ た.

项目成果

イオン導電性高分子アクチュエータを用いた可変焦点レンズの開発

使用离子导电聚合物致动器开发可变焦距镜头

• 发表时间: 2009
• 作者: 清水一平;菊地邦友;土谷茂樹
• 通讯作者: 土谷茂樹

Variable-Focal Length Lens using a Soft Actuator

使用软执行器的可变焦距镜头

• 发表时间: 2007
• 作者: K. Kikuchi;M. Miwa and S. Tsuchitani
• 通讯作者: M. Miwa and S. Tsuchitani

Development of Formation Method of Patterned Electrodes in Ionic Polymer Metal Composite

离子聚合物金属复合材料图案化电极形成方法的研究进展

• 发表时间: 2007
• 作者: K. Kikuchi;M. Miwa and S. Tsuchitani
• 通讯作者: M. Miwa and S. Tsuchitani

可変形状液体型の可変焦点レンズ

可变形状液体型变焦镜头

• 发表时间: 2006

Inner Structure/Elastic Modulus Control of Micro Cantilever

微悬臂梁的内部结构/弹性模量控制

• 发表时间: 2008
• 期刊: Journal of JSEM VOl. 8
• 作者: M. Miwa;T. Michinomoto;K. Kikuchi;S. Tsuchitani;S. Yoneyama
• 通讯作者: S. Yoneyama