JP2566619B2 - 光・電場下形態可逆応答性光学部品 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種光学系に組み込まれる導光・集光機能
用光学部品、特に焦点可変レンズに関するもので、光及
び電場を併合作用させることにより可逆的な形態変化を
誘起し、機能制御を行なう導光・集光性の光・電場下形
態可逆応答性光学部品に関する。

〔従来の技術〕

最近、高分子鎖にイオン解離しうる残基を有する高分
子ゲルに関する研究が急速に進みつつある。その成果
は、現象理論、応用等多岐にわたりつつあり、今後新し
い機能素材として実用面でも重きをなすものと期待され
る。

光エネルギーを用いることにより、合成高分子の形態
が変化する場合があることは、いくつか例があり知られ
ている。例えば、現代化学1981年７月号第18頁以下にス
ピロピラン型とメロシアニン型との間で可逆的に光異性
化反応をするスピロベンゾピランあるいはシス型とトラ
ンス型との間で同様な異性化学反応をアゾベンゼン（ス
チルベン）を含む高分子を合成し、その溶液に光を照射
すると粘度が変化することが紹介されている。

しかし、従来提案されている例では、その変化の度合
いは極めて小さくこの光に応答する変化を粘度変化以外
の他の特性に利用するためにも変化量の格段の増大が望
まれた。

一方膨潤したヒドロゲルに数ボルトの電圧を印加、切
断を繰り返すことにより、収縮膨潤を起しうることは
知られている（サイエンス218,467（1982年）〕 本発明者らは光に応答して、大きな特性変化を起しう
る系について、鋭意検討の結果、光照射及び電圧印加を
必須条件として両者の併合作用により、短時間に極めて
顕著に形状変化及びその他特性変化を引き起しうる全く
新規な光・電場応答機能を有する高分子ゲルを見出し、
既に特開昭62-55967号として出願開示している。

しかしながら、該系は極めてユニークな特性機能を有
する全く新規な素材だけに、その応答挙動、基本特性等
に関し未だ解明すべき不明な点も多く、それだけに実際
的な応用のための展開については更なる創意工夫のため
の検討が必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、この新たに見出した光・電場応答性高
分子ゲルについて、その本質を究明しつつ、新たな応用
展開に結びつけるべく鋭意検討を行なつた。その結果、
特にその光・電気エネルギーを機械的エネルギーに変換
しうる特性に着目し、光・電場操作により応力を発生せ
しめこれにより、形態・形状変化を可逆的に誘起させる
ことにより透光性光学部品の導光・集光機能を変調制御
しうる形態可逆応答性光学部品を発明するに至つたもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、（Ａ）光照射によりイオン解離しうる残基
を有する高分子ゲルよりなる成形物、（Ｂ）該高分子ゲ
ルに電場を与えるための電極、（Ｃ）該高分子ゲルに光
照射するための光入射装置及び（Ｄ）光・電場印加後非
イオン解離部を構成するに至る透光性樹脂組成物を基本
構成とし、光と電場を併用することを必須条件に機能を
制御操作しうる透光性光学素子であつて、（Ａ）の一部
分又は全部を（Ｃ）により照射することによりイオン解
離してなる組成部を形成し、同時にないしは、照射停止
後速やかに（Ｂ）にて電場を印加するか又は電場印加状
態下に（Ａ）の一部分又は全部を光照射してイオン解離
を誘起することにより、いずれの場合にも光照射イオン
解離部に光電場併用効果にもとずく応力を発生せしめ
る。

本発明でいう透光性光学部品は、前記応力発生組成部
と被応力負荷部からなり、後者は（Ａ）の未照射の非イ
オン解離状態組成部より構成されるか又は本質的に光に
対し非応答性の非イオン解離性の素材により構成されて
なり、前記光・電場併用効果により発生する応力を負荷
し、全体構成形状をダイナミツクに制御し、その導光・
集光機能を可逆的に変調するものである。

更に具体的に、最近注目されつつある焦点可変レンズ
について説明する。第１図及び第２図はその一構成例で
ある。この例では、レンズ本体（1,2）を該用途に適用
可能な透明性にすぐれた光イオン解離性高分子ゲルで構
成し、白金電極（３）を取りつけ接続し、水中に浸漬す
る。このボタン状水膨潤ゲルの周縁部分（斜線部）
（１）のみに、図面には開示されていない光照射手段に
より環状に光照射することにより、同部分にイオン解離
を誘起する。次いで光照射継続下ないし、照射停止後速
やかに白金電極（３）、（３）′間に電圧印加を行なう
ことにより、レンズ本体の形状変化を誘導しレンズ焦点
を移動せしめうる。その機構については、必ずしも明ら
かでないが、光照射によりゲル様高分子にイオン解離を
生ぜしめ、これに電場をかけると電荷移動により電位勾
配が発生し、ポリマー鎖内に固定された電荷間の静電的
反撥効果により応力が生ずるものと推定している。レン
ズ中央部よりの非イオン解離組成部を構成する被応力負
荷部（２）に可塑性素材を用いれば、光電場除去後も形
状保持が可能であり、又高弾性体を用いれば光電場除去
後自動的にもとの形状にもどりうる。いずれにせよ逆電
場を印加することにより逆方向に変形可能であり、電界
強度及び電場の方向を操作することにより可逆的に焦点
を前後に移動せいめうる。

以上の如く、本発明においては、光イオン解離性高分
子ゲルよりなる成形物に、光照射しこれによりイオン解
離組成部を生ぜしめ、更にこの状態で電場を作用せしめ
ることにより、該組成部に応力を発生させこの応力を制
御することにより、必須構成部分である該イオン解離部
及び非イオン解離組成部からなる透光性光学部品の導光
・集光機能を可逆的に操作することが可能となる。

本発明でいう前記高分子ゲルとしては、光照射による
イオン解離の際一方のイオンは高分子に担持結合した荷
電イオンであり、他方の対イオンは移動性に富む低分子
可動イオンを生成しうる系が好ましい。

上記ゲルのイオン解離は光（ｈν）照射によりイオン
解離する残基が高分子の主鎖あるいは側鎖に位置される
例示により例えば次の一般式で表現される。

ここでＡ⁺は高分子に担持結合した荷電イオンであ
り、他方Ｂ^-は移動性に富む低分子可動イオンである。
なお、ＡがアニオンでありＢがカチオンを形成する系で
あつてもよい。

この種の光応答性高分子ゲルは、光と電場の相乗効果
により応答速度が著しく増大し、形態変化も生起される
ものである。

本発明において用いられる高分子ゲルとしては、光照
射によりイオン解離する残基を有する高分子ゲルなら何
でも用いられる。例えば特開昭62-55967号に開示される
下記一般式（Ｉ）で示される構成単位を有する架橋型あ
るいは非架橋型吸水性樹脂よりなる高分子ゲルがその一
例として例示される。

残基に結合しているフエニレン残基である。

上記高分子ゲルは、上記一般式（Ｉ）に対応するビニ
ル系単量体を親水性付与単量体及び必要により架橋性単
量体と共重合することにより容易に得られる。

用いられる親水性付与単量体は、該一般式（Ｉ）に対
応するビニル単量体と共重合し、親水性共重合体を与え
るものであれば何でもよく、例えば（メタ）アクリルア
ミド、（メタ）アクリル酸、ヒドロキシエチル（メタ）
アクリレート、マイレン酸、ビニルピロリドン、ビニル
ピリジン等のようにそれ自身で親水性の高い共重合体を
与えるものが挙げられるが、酢酸ビニル等のように得ら
れた共重合体を処理することにより、例えばビニルアル
コール単位に変性することにより親水性の高い共重合体
を与えるビニル系単量体を包含する。架橋性単量体の導
入が望まれる場合は通常の吸水ゲルの製造方法をそのま
ま採用することができ、反応性の異なる多官能性単量体
あるいは、Ｎ−ヒドロキシメチルアクリルアミド、Ｎ−
アルコキシメチルアクリルアミド等の架橋前駆単量体を
用いて一度可溶性共重合体を合成し、その後に熱、光、
放射線により架橋重合体とする方法を用いることもでき
るが、好ましくは、N,N′−メチレンビス（メタ）アク
リルアミド、ビスヒドロキシエチル（メタ）アクリレー
ト、ジビニルベンゼン、多価アルコールから誘導される
多官能オレフイン等ビニル基を一分子中に２個以上有す
る単量体を共重合することにより導入するのがよい。

本系において用いられる前記一般式（Ｉ）の構造単位
を与える単量体は次式（II）で示される。

（式中Ｘ、ＹおよびＺは前記のとおり）ここで前記式
（II）においてＲ¹、Ｒ²がアルキルアミノ基である単量
体が好ましく用いられる。またＸがシアノ基である方が
水膨潤比において高倍率の光応答性が得られるので好ま
しい。なお、Ｙはメチルでもよいが水素原子であるのが
好ましい。またＺとしては次の如く例示される。

光・電場併合作用による機敏な屈曲等の変形効果を有
効にひき起すべくその膨潤度を必要に応じて規則制御す
るには架橋基の導入あるいは膨潤媒体の補給を断つ即
ち、適度の膨潤ゲル物を膨潤媒体と非混和性媒体との混
合媒体中に包含させればよい。

又、混合媒体系を含め低膨潤媒体の利用もありうる
が、この場合イオン解離度に悪影響を及ぼさないよう配
慮が必要である。水以外の膨潤用または混合膨潤用媒体
としては、ジメチルスルホキシド、低級アルコール等の
誘電性の液体が用いられる。

該光イオン解離高分子ゲルは、フイルム状、シート
状、棒状、球状等任意の形態に成形使用できる。

本発明において用いられる光入射装置としては光がゲ
ルに作用するならば任意の位置に任意の装置を用いるこ
とが出来る。また、光源として、ゲルの種類に応じて、
紫外、可視、近赤外光等の適宜の波長領域のものを選択
すればよい。

もう一つの必須成分である透光性非イオン解離組成部
に用いられる材料としては、 （１） 光イオン解離性前記高分子ゲルを未照射の状態
で使用する場合 （２） 本質的に非イオン解離性可撓性透光材を用いる
場合 のいずれでもよいが、（２）の場合、膨潤剤に対する親
和性が光イオン解離性ゲルと比較的似通つた特性を有す
るものを用いると好都合である。しかし、膨潤挙動の異
なるものでも使用可能であり、その場合特に電気絶縁性
材料を用いた場合、電場印加操作時、光イオン解離部に
対する負荷電場に支障のないよう電極の位置・構成に配
慮が必要である。

いずれにせよ素材の組合せ、電極構成等により、光・
電場応答の仕方及びその程度が大きく異なるので、目的
に応じて適正な選択・設計が必要である。

以下に更に具体的な実施例により本発明の実例を示
す。

（実施例１） アクリルアミド1.30g、ビスアクリルアミド0.13g、ｐ
−ビニルα，α−ビス〔ｐ−（ジメチルアミノ）フエニ
ル〕−フエニルアセトニトリル0.25g、アゾビスイソブ
チロニトリル50mgをジメチルスルホキシドに溶解し、こ
の溶液を窒素雰囲気下、レンズ様ボタン型重合セル内に
て、60℃１時間重合することにより、水膨潤性の架橋重
合体を得た。このレンズゲルを図１の如く水セル中にお
き電極を取りつけた。そしてマスク下500W水銀ランプを
用いゲルの周縁部を紫外光照射すると、被照射部は濃い
緑色に着色し、イオン解離状態を示した。この状態に10
V/cmの電場をかけると、ただちにレンズゲルは電場の方
向に応じてリング状の周縁着色部が収縮ないし拡大を示
し、これにともない中央部無色透明部分が厚みの増加な
いし減少を示した。

光照射または電場印加いずれかの工程がかけた場合に
は、見かけ上短時間周期の変化は何ら示さなかつた。ま
た、本実施例の場合、光を遮断し電場を０ボルトにもど
すとゆるやかにもとの形状に回復した。

（実施例２） 実施例１において、同じく10V/cmの電場印加状態で周
縁部に紫外光を照射した場合も、同様の効果が認められ
た。

（実施例３） 実施例１において、周縁部を同じ三元共重合体で構成
し、中央無色透光部をアクリルアミド−ビスアクリルア
ミド二元共重合体で構成した同じくレンズ成形物を作成
し、図１同様にセツトした。この無色透明ゲルに先ず紫
外光を全面照射すると周縁部のみ緑色に着色した。これ
に電圧印加操作することにより、実施例１と全く同様の
挙動を示した。

【図面の簡単な説明】 第１図及び第２図は本発明の一実施例である焦点可変レ
ンズを説明するための図であり、第１図は外視図、第２
図は第１図のＡ−Ａ′線で切断した場合の平面断面図で
ある。 １……応力発生部 ２……被応力負荷部 3,3′……白金電極 ４……水 ５……セル

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光・電場応答性高分子ゲルを少なくとも一
   部分として構成した成形体、電場発生手段及び光照射手
   段よりなり、該成形体は応力発生組成部と被応力負荷部
   より構成され、該応力発生部は光・電場応答性高分子ゲ
   ルより構成され、該応力発生部に電場印加及び光照射を
   併用し制御することにより該応力発生部に応力を誘起
   し、成形体を所定の形状に形態変化制御することにより
   導光機能を可逆的に変調した光学成形品。
2. 【請求項２】成形体がレンズ様形状であり、該応力発生
   組成部が該成形体の周縁部に存し、電場及び／又は光照
   射の制御により該応力発生組成部の伸張又は収縮により
   被応力負担部の厚さが増大又は減少するようになしたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の焦点可変レンズ。