JP3746570B2

JP3746570B2 - 鏡筒付き光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP3746570B2
Application number: JP18491196A
Authority: JP
Inventors: ▲吉▼三小宮山; 鉄也谷岡; 功松月; 利尚鎌野
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1996-07-15
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2016-07-15
Also published as: JPH1029825A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ等のガラス製の光学素子と、これを周囲から保持する鏡筒部とを一体的に成形する鏡筒付き光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鏡筒付きレンズは、カメラ用レンズ等の光学機器や、ＣＤ・ＤＶＤ等のピックアップレンズ、光通信装置用における半導体レーザの集光レンズ（ＬＤモジュール）などに、幅広く使用されている。
【０００３】
従来、この様な鏡筒付きレンズを製造する場合、レンズと鏡筒部とを個別に製造した後、それらを機械的に嵌合させるか、あるいは接着材を用いて接着することによってレンズを鏡筒部に対して取付けるのが一般的であった。この場合、レンズ面の研削・研磨などの機械加工や、レンズを鏡筒部に取付ける際のレンズの芯取り加工と鏡筒部の内径加工との寸法合わせ、あるいは鏡筒部とレンズとの接着作業などに非常に多くの工程を要していた。
【０００４】
これに対して、特開平４−２１５２８号公報及び特開平８−７５９７３号公報には、レンズと鏡筒部とを一体的に加熱及びプレス成形する方法が記載されている。この内、特開平４−２１５２８号公報に記載されている方法では、鏡筒部の素材として、その熱膨張係数がレンズのそれよりも大きな材料を使用して、それらの熱膨張係数の差を利用してレンズを鏡筒部に保持させている。一方、特開平８−７５９７３号公報に記載されている方法では、鏡筒部の内部に凸部あるいは凹部を設けることにより、レンズを鏡筒部に保持させている。この様な一体的な成形による鏡筒付きレンズは、後続する工程においてレンズの芯取り加工などを行わずに、直接、装置に組み込めることから、光学機器の組立工程を大幅に短縮する効果が期待できる。
【０００５】
しかし、従来の鏡筒部とレンズとを同時に加熱及びプレス成形する方法には、下記の様にいくつかの問題点があった。
例えば、鏡筒部の素材としてその熱膨張係数がレンズのそれよりも大きな材料を使用した場合、レンズを保持する鏡筒部の熱収縮力が非常に大きくなって、一体成形後のレンズに過大な内部応力を与えてしまう問題がある。更に、熱収縮を利用しているので、保持力の微妙な調整が容易ではなく、一方、鏡筒部とレンズとの熱膨張係数の差を細かく限定すると、鏡筒部の材料の選択が容易ではない。
【０００６】
また、鏡筒部の内部に凸部あるいは凹部を設けることにより、レンズを鏡筒部に保持させる方法の場合、凹部または凸部を設けるための加工工程が必要であり、また、レンズの鏡筒部に対する位置ズレを防止するためには、熱膨張の差などに起因する隙間の発生を確実に防止する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上の様な問題に鑑み、本発明の目的は、レンズ等のガラス製の光学素子を鏡筒部とともに一体的に成形する鏡筒付き光学素子の製造方法において、光学素子に過大な内部応力を発生させることなく、且つ光学素子を鏡筒部に確実に保持させることが可能な鏡筒付き光学素子の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の鏡筒付き光学素子の製造方法は、
金属筒の内側に収容されたガラス素材をガラス転移点以上の温度に加熱する工程と、
金属筒に軸方向の圧縮荷重を加えて弾性領域内で径方向に変形させる工程と、
型を用いてガラス素材に軸方向のプレス成形荷重を加えるとともに、これに伴うガラス素材の径方向の変形を前記金属筒の内壁面で拘束する工程と、
ガラス素材をガラス転移点以下の温度まで冷却する工程と、
ガラス素材に対する前記プレス成形荷重を解除する工程と、
金属筒に対する前記軸方向の圧縮荷重を解除して、ガラス素材のプレス成形によって作成された光学素子を金属筒の内壁面で保持させる工程と、
を備えたことを特徴とする。
（作用）
ガラス素材を金属筒の内部に収容し、このガラス素材をプレス成形して鏡筒付き光学素子を製造する際、ガラス素材をガラス転移点以上の温度に加熱した後、ガラス素材をプレス成形する前、あるいは遅くともプレス成形工程の完了する前に、ガラス素材の周囲の金属筒に軸方向の圧縮荷重を加えて、金属筒を弾性領域内で径方向に押し広げておく。
【０００９】
型を用いてガラス素材に軸方向のプレス成形荷重を加えると、ガラス素材が塑性変形して型面がガラス素材に転写されるとともに、ガラス素材が径方向に広がって金属筒の内壁面に接触し、径方向への変形が拘束される。
【００１０】
プレス成形が終了し、ガラス素材をガラス転移点以下の温度まで冷却した後、プレス成形荷重を解除し、次いで金属筒に対する軸方向の圧縮荷重を解除する。これによって、金属筒が径方向に収縮する結果、ガラス素材のプレス成形によって作成された光学素子の周囲に圧縮力が発生して、光学素子が金属筒（鏡筒部）の内壁面に保持される。以上の様にして、光学素子と鏡筒部とが一体となった鏡筒付き光学素子が製造される。
【００１１】
なお、光学素子の周囲に金属筒（鏡筒部）の内壁面から作用する圧縮力は、プレス成形の際の金属筒の軸方向の圧縮荷重あるいは圧縮変形代を調整することにより、容易に調整することができる。また、プレス成形荷重の解除と金属筒に対する圧縮荷重の解除とは同時に行ってもよく、また、ガラス素材がガラス転移点以下の温度まで冷却されていれば、金属筒に対する圧縮荷重の解除を先に行ってもよい。
【００１２】
好ましくは、金属筒の熱膨張係数がガラス素材の熱膨張係数とほぼ同等の値となる様に金属筒の材料を選択する。これによって、熱収縮に起因する応力が減少するので、金属筒による保持力の調整が一層、容易になる。この場合、例えば、金属筒の熱膨張係数をガラス素材の熱膨張係数の９０％以上、１１０％以下とするとよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の鏡筒付き光学素子の製造方法を実施するためのプレス成形装置の構造を示す概略断面図である。図中、２９はガラス素材（レンズ）、３０は金属筒（鏡筒部）、６は上型、１３は下型を表す。
【００１４】
フレーム１の上部からは固定軸２が下方に向かって伸びている。固定軸２の下端には上型組み立て４がセラミック製の断熱筒３を介して取り付けられている。上型組み立て４は、金属製のダイプレート５、セラミック製の上型６及び超硬合金製の固定ダイ７から構成され、固定ダイ７は、上型６をダイプレート５に固定するとともに型の一部を構成している。
【００１５】
フレーム１の下部には中間プレート１ａが配置され、固定軸２と対向する移動軸９は、中間プレート１ａの中央を摺動可能に貫通して上方に向かって伸びている。中間プレート１ａの下側には駆動装置８が配置され、移動軸９の基部は荷重検出装置８ｂを介して駆動装置８に接続されている。駆動装置８は、サーボモータ８ａを駆動源とし、サーボモータ８ａの回転運動を直線運動推力に変換するスクリュージャッキを内部に備える。移動軸９は、制御装置２８によって上下方向の速度、位置及びプレス力が制御される。
【００１６】
移動軸９の上端には下型組み立て１１がセラミック製の断熱筒１０を介して取り付けられている。下型組み立て１１は、金属製のダイプレート１２、セラミック製の下型１３及び超硬合金製の移動ダイ１４から構成され、移動ダイ１４は、下型１３をダイプレート１２に固定するとともに型の一部を構成している。また、ダイプレート１２の下面には熱電対２７が取り付けられ、下型組み立て１１の温度検出を行う。
【００１７】
固定軸２の回りにはブラケット１５が摺動可能に取り付けられ、ブラケット１５は別の駆動装置（図示せず）によって上下動される。ブラケット１５の下面には、上型組み立て４及び下型組み立て１１の周囲を取囲む様に、透明石英管１６が取り付けられている。透明石英管１６の下端を中間プレート１ａの上面に気密に押し当てることによって、上型組み立て４及び下型組み立て１１の周囲を大気から遮断させる成形室１７が形成される。
【００１８】
ブラケット１５には、更に、透明石英管１６の周囲を取囲む外筒１８が取り付けられ、外筒１８にはランプユニット１９が取り付けられている。ランプユニット１９は、赤外線ランプ２０、その後方に配置された反射ミラー２１、及び反射ミラー２１を冷却する水冷パイプ２２などから構成されており、透明石英管１６の外側から上型組み立て４及び下型組み立て１１を輻射加熱する様になっている。
【００１９】
この他、固定軸２にはガス供給路２３が、移動軸９にはガス供給路２４が、ブラケット１５にはガス供給路２５が、中間プレート１ａには排気口２６が、それぞれ設けられている。不活性ガスをガス供給路２３、２４、２５を介して成形室１７の内部へ所定流量で供給することにより、上型組み立て４、下型組み立て１１及び被プレス材料２９、３０などの冷却が行われる。供給された不活性ガスは、排気口２６から排気される。
【００２０】
次に、このプレス成形装置を用いて、鏡筒付き光学素子を製造する方法について説明する。
図２は、本発明の鏡筒付き光学素子の製造方法に基いて製造される鏡筒付きレンズの一例を示す断面図である。この鏡筒付きレンズは光通信用半導体レーザの集光レンズである。
【００２１】
この鏡筒付きレンズの製造に使用したガラス素材の諸特性を以下に示す。
・メーカ：（株）オハラ社製
・名称：ＳＦＳ−０１
・熱膨張係数：１０×１０^-6
・ガラス転移点：３９３℃
・屈服点：４１３℃
この鏡筒付きレンズの製造に使用した金属筒の材料の諸特性を以下に示す。金属筒の材料としては、熱膨張係数がガラス素材に近いフェライト系ステンレス鋼を使用した。
【００２２】
・名称：ＳＵＳ４３０Ｆ
・熱膨張係数：１０．４×１０^-6
・耐力：２０５Ｎ／ｍｍ²
・引張強さ：４５０Ｎ／ｍｍ²
図３に、この金属筒の製造方法について示す。この例では、外径φ１０ｍｍ、内径φ７ｍｍ、長さ４０ｍｍの金属管をスライサを用いて切断して、長さ４ｍｍの円筒を製作した。
【００２３】
先ず、プレス成形装置（図１）の上型６と下型１３との間にガラス素材２９を及び金属筒３０をセットする。
図４に、プレス成形装置（図１）によるプレス成形前における上下の型４、１１部分の拡大断面図を示す。下型１３の成形面の周囲にはスペーサ３４が配置され、上型６の成形面の周囲にはスペーサ３３が配置される。ガラス素材２９は下型１３の成形面の上に置かれ、ガラス素材２９の周囲を取囲む金属筒３０はスペーサ３４の上に置かれる。
【００２４】
次に、ガラス素材２９及び金属筒３０をガラス転移点以上の温度まで加熱する。この例では４４０℃まで加熱を行った。
ガラス素材２９の加熱終了後、下型１３を上昇させて、下型１３と上型６との間でガラス素材２９をプレス成形して、ガラス素材２９の上下面に型の成形面を転写する。なお、上下の型４、１１を互いに密着させたとき、同時に金属筒３０が上下から弾性領域内で所定量、圧縮される様に、予め、スペーサ３３及び３４の厚みを設定しておく。なお、この例において、プレス荷重は、ガラス素材２９のプレス成形荷重と金属筒３０の軸方向の圧縮荷重とを合わせて４００ｋｇｆであった。また、金属筒３０の圧縮代は０．１３ｍｍであった。
【００２５】
図５に、プレス成形装置（図１）によるプレス成形中における上下の型４、１１部分の拡大断面図を示す。図６に、図５中のガラス素材２９及び金属筒３０の周辺の拡大断面図を示す。なお、図６中、実線はプレス成形によるガラス素材２９及び金属筒３０の変形の様子を表し、破線はガラス素材２９及び金属筒３０のプレス成形前の形状を表す。
【００２６】
ガラス素材２９のプレス成形後、成形室１７内に不活性ガスを流して、上下の型４、１１などとともに、ガラス素材２９及び金属筒３０を冷却する。ガラス素材２９の温度がガラス転移点以下の温度まで下がった後に、上下の型４、１１間のプレス荷重を解除して、プレス成形された鏡筒付きレンズを型から取り出す。
【００２７】
以上の様にして、ガラス素材２９のプレス成形によって作成されたレンズが、弾性領域内で径方向に拡大変形された金属筒３０（鏡筒部）の収縮力によって保持された鏡筒付きレンズが製造される。
【００２８】
以上の工程によって得られた鏡筒付きレンズの型面に対する成形レンズ面の面精度は、λ／１０程度であった。また、繰り返し精度も良好であった。また、実際に半導体レーザの集光レンズとして使用したところ、十分使用できる性能を有していた。また、振動のある機器の中でも、鏡筒からレンズが脱落することも無かった。
【００２９】
なお、以上の例では、金属筒として単純な円筒形状のものを使用したが、鏡筒付きレンズの完成品を機械等に組み込むことなどを考慮して、プレス成形前に、予め、金属筒の外周部にタップ加工などを施しておくこともできる。
【００３０】
また、以上の例では、上型６及び下型１３にそれぞれスペーサ３３及び３４を取り付けて、ガラス素材のプレス成形と金属筒の軸方向の圧縮を、同時に行っているが、個別のプレス駆動部により適宜タイミングを調整して行うようにすることもできる。
【００３１】
なお、金属筒の材料としてガラス素材の熱膨張係数に近い材料を使用することにより、冷却の際の熱収縮量の差に基く熱応力を小さく抑えることが可能であり、過大な応力の発生を防ぐとともに、レンズを保持する圧力の調整が容易になる。
なお、以上の方法は、鏡筒付きレンズに限らず、鏡筒付き回折格子あるいは鏡筒付きプリズムなどの様々な鏡筒付き光学素子の製造にも適用できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の鏡筒付き光学素子の製造方法では、軸方向の圧縮荷重によって弾性領域内で径方向に膨んだ金属筒（鏡筒部）の中でガラス素材（レンズ）をプレス成形し、プレス成形終了後、レンズがガラス転移点以下の温度に下がったところで鏡筒部に対する軸方向の圧縮荷重を解除して、鏡筒部の弾性復元力によってレンズを周囲から保持している。
【００３３】
従って、レンズのプレス成形と、レンズの鏡筒部への取付けが同時に行われる結果、レンズの光軸が鏡筒部の中心軸に自動的に一致し、軸合わせのための工程を特別に設ける必要がない。
【００３４】
また、レンズのプレス成形の完了前に鏡筒部に弾性領域内で変形を与えて、その復元力によってレンズを保持しているので、鏡筒部の内壁面で保持されたレンズの位置ズレあるいは脱落がない。更に、鏡筒部に与える径方向の弾性変形量を、スペ−サの厚さによって、適宜、調整することが可能なので、レンズの内部に過大な応力を発生させることなく、レンズを鏡筒部に保持させることができる。
【００３５】
以上の様に、本発明の鏡筒付き光学素子の製造方法によれば、従来の様な、光学素子を鏡筒部に対して取付ける工程を省略することが可能になり、鏡筒付き光学素子を、安定して安価に大量生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鏡筒付き光学素子の製造方法に使用するプレス成形装置の一例を示す概略断面図。
【図２】鏡筒付きレンズの断面図。
【図３】鏡筒部を構成する金属筒の製造方法を説明する図。
【図４】鏡筒付きレンズのプレス前の状態を示す断面図。
【図５】鏡筒付きレンズのプレス後の状態を示す断面図。
【図６】図５中の鏡筒付きレンズの周辺部分の状態を示す拡大断面図。
【符号の説明】
１・・・フレーム、２・・・固定軸、４・・・上型組み立て、５・・・ダイプレート、６・・・上型、７・・・固定ダイ、８・・・駆動装置、８ａ・・・サーボモータ、８ｂ・・・荷重検出器、９・・・移動軸、１１・・・下型組み立て、１２・・・ダイプレート、１３・・・下型、１４・・・移動ダイ、１５・・・ブラケット、１６・・・透明石英管、１７・・・成形室、１９・・・ランプユニット、２０・・・赤外線ランプ、２３、２４、２５・・・ガス供給路、２６・・・排気口、２７・・・熱電対、２８・・・制御装置部、２９・・・ガラス素材（レンズ）、３０・・・金属筒（鏡筒部）、３３、３４・・・スペーサ。

Claims

金属筒の内側に収容されたガラス素材をガラス転移点以上の温度に加熱する工程と、
金属筒に軸方向の圧縮荷重を加えて弾性領域内で径方向に変形させる工程と、
型を用いてガラス素材に軸方向のプレス成形荷重を加えるとともに、これに伴うガラス素材の径方向の変形を前記金属筒の内壁面で拘束する工程と、
ガラス素材をガラス転移点以下の温度まで冷却する工程と、
ガラス素材に対する前記プレス成形荷重を解除する工程と、
金属筒に対する前記軸方向の圧縮荷重を解除して、ガラス素材のプレス成形によって作成された光学素子を金属筒の内壁面で保持させる工程と、
を備えたことを特徴とする鏡筒付き光学素子の製造方法。
前記ガラス素材と前記金属筒に対する荷重の付与及び解除を、それぞれ同時に行うことを特徴とする請求項１に記載の鏡筒付き光学素子の製造方法。
前記金属筒の熱膨張係数は、前記ガラス素材の熱膨張係数の９０％以上、１１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒付き光学素子の製造方法。