JP4258353B2

JP4258353B2 - 光学素子

Info

Publication number: JP4258353B2
Application number: JP2003371903A
Authority: JP
Inventors: 一啓和田; 洋幸服部
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: US7133223B2; US20050094294A1; JP2005132002A

Description

本発明は光学素子に係わり、さらに詳しくは、成形により形成され、少なくとも一方の面に光学機能部、この光学機能部よりも周辺側の部分にフランジ部を備えた光学素子に関する。

従来より光学素子として、少なくとも一方の面に光学機能部とその周辺側にフランジ部を有し、光学機能部は可動型キャビティ部の光学機能部の成形部分で成形され、光学機能部を金型より突き出さるものが知られている。

このような光学素子の成形型構造としては、型開き状態において成形品である光学素子が残る方の金型である可動型側に光学機能部に対応する雄型の型面（可動型キャビティ部の光学機能部の成形部分）を設けるとともに、この可動型に光学素子を突き出し機構を設けたものがある。そして、この突き出し機構の端面を、光学機能部の面に対応する型面（可動型キャビティ部の光学機能部の成形部分）すなわち光学機能部の面そのものとしている。これにより、この可動型から光学素子を離型させる際に、その光学機能部の面部分を介して成形品が確実に押し出されるようになっている。なお、成形材料の湯は湯口（スプルー）、湯道（ランナ）、注入口（ゲート）の順に流れ、成形品空間（キャビティ）に流入するようになっている（例えば、特許文献１、２参照）。

ここで一例の光学素子について詳しく図面を参照して説明する。図８は従来例の光学素子の正面図（ａ）、光軸断面図（ｂ）、フランジ部の拡大光軸断面（ｃ）である。図８において、光学素子７０は成形品の正レンズである。光学素子７０は微細形状７１１ａのある光学機能部７１ａを有する物体側の面７１、非球面の光学機能部を有する像側の面７２、さらに外周に傾斜部７３ａのあるフランジ部７３から構成されている。物体側の面７１は可動型側で成形され、一方、像側の面７２は固定型側で成形される。
特開２００２−２００６５２号公報特開２００２−２００６５４号公報

しかしながら、従来の光学素子として下記のような問題がある。

（１）成形品（光学素子）は、湯が湯口（スプルー）、湯道（ランナ）、注入口（ゲート）の順に流れ、成形品空間（キャビティ）に流入し、ゲートでカットして成形品となる。金型は可動型と固定型に別れて開かれて、一般には、スプルー、ランナ、ゲートと成形品（光学素子）が一体となった状態で可動型に残るが、型を開く際に、成形品と可動型キャビティ部の間にわずかの隙間が発生すると、成形された光学機能部が熱収縮し、熱収縮した光学機能部を、可動型の光学機能部に対応する型面（可動型キャビティ部の光学機能部の成形部分）で成形品を突き出すと、型面と熱収縮した光学機能部の面形状が一致していないので、型面により熱収縮した光学機能部に変形を生じさせるという問題があることが分かった。特に、光学機能部の表面に微細な段差を有する複数の輪帯からなる微細形状が形成されていると、微細形状が精度よく成形されないという問題となる。

ここで、この微細形状が精度よく成形されない予想される原因について図を参照して説明する。図９は図８の微細形状の成形工程を示す模式図である。図９（ａ）は光学機能部に対応する型面（可動型キャビティ部の光学機能部の成形部分）と微細形状との隙間が大きい場合であり、図９（ｂ）は光学機能部に対応する型面と微細形状との隙間が小さい場合を示している。

図９において、最初に、型面６２１１ａと光学機能部７１ａの微細形状７１１ａとの隙間が大きい場合について説明する。可動型側に成形品が残るが型面６２１１ａと光学機能部７１ａの微細形状７１１ａとの隙間が生じたとする（図ａ１参照）。すると、成形品が冷却により光軸と直交する方向に熱収縮する（図ａ２参照）。ここで、型面６２１１ａで光学機能部７１ａを突き出すと、型面６２１１ａと熱収縮した光学機能部の面形状が一致していないので、型面６２１１ａにより熱収縮した光学機能部７１ａに変形（エッジつぶれ）を生じさせてしまうと推測される（図ａ３参照）。

また、型面６２１１ａと光学機能部７１ａの微細形状７１１ａの隙間が小さい場合について説明する。可動型側に成形品が残るが、わずかの型面６２１１ａと光学機能部７１ａの微細形状７１１ａとの隙間があるとする（図ｂ１参照）。すると、成形品が冷却により光軸と直交する方向に熱収縮し（図ｂ２参照）、さらに、型面６２１１ａで光学機能部７１ａを突き出すと、型面６２１１ａと熱収縮した光学機能部の面形状が一致していないので、型面により変形形状として、図ｂ２に示す形状で終わるものと、図ｂ３に示す形状で終わるものがあると推測される。

なお、光学機能部に対応する型面６２１１ａと微細形状７１１ａとの隙間あっても、なくても、成形品のフランジ部７３にある傾斜部７３ａは光軸Ｘとのなす角度が略４５°と大きく、光学素子７０が成形後に熱収縮すると、傾斜部７３ａは、雄型６２２ａのフランジ部の型面Ｋで阻止されることなく収縮する。

（２）また、成形品は、可動型と固定型に別れて開かれ、一般にはスプルー、ランナ、ゲートと成形品（光学素子）がついた状態で可動型に残るが、ゲート以降の光学素子７０の可動型キャビテイ部で成形される部分が可動型より離型する分離力をＦ１とし、ゲート以降の光学素子７０の固定型キャビティ部で成形される部分が固定型キャビティ部より離型する力を分離力をＦ２としたとき、Ｆ１、Ｆ２は成形温度、成形加圧力等の変動により変動しやすく、一般にはスプルー、ランナ、ゲートと成形品（光学素子）がついた状態で成形品が可動型に残るものの、成形品が可動型キャビティ部に残っている状態が必ずしも一定ではなく、成形品が常に可動型キャビティ部に密着しているとは限らないという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、光学素子を樹脂材料の成形品で製造する際に上記のような問題が生じないような光学素子を得ることを目的とする。

上記の本発明の目的は下記の手段により達成できる。

（１）少なくとも一方の面に光学機能部とその周辺側にフランジ部を有する光学素子において、前記光学素子はプラスチック材料からなり、前記光学機能部は、段差を有する複数の輪帯からなる形状を有し、前記フランジ部の前記光学機能部側の面に前記光学素子の光軸とのなす角度が、１°〜２０°の傾斜面からなる熱収縮阻止部を設けたことを特徴とする光学素子。

ここで使用する用語の意味につて説明する。「光学素子」は、少なくとも一方の面に光学機能部を有し、光学機能部は金型の可動型側で成形され、光学機能部が可動型の光学機能部に対応する型面で突き出されて取り出される成形加工された素子であり、例えば、光学素子として、物体側の面に微細形状を有する光学機能部を有し像側の面に非球面の光学機能部を有するレンズ、また、少なくとも一方の面に光軸に対して垂直な平面を光軸に対して同心円状の輪帯として階段状に形成して構成されたレンズなどをいう。

「光学機能部」は、光入射面、射出面の少なくとも一方を有する光学的機能を果たす光学面をいう。

「微細形状」は、前述の光学機能部に形成した微細な凹凸の形状をいい、例えば、微細な段差を有する複数の輪帯からなる形状、光軸に対して垂直な平面を光軸に対して同心円状の輪帯として階段状に形成した形状、回折現象を起こす形状などをいう。

以上のように構成した光学素子は下記のような効果を奏する。

前記（１）に記載の発明によれば、フランジ部に成形加工時の光学素子光軸と直交する方向への熱収縮を阻止する熱収縮阻止部を設けたので、可動型の光学機能部に対応する雄型の型面と成形品の光学機能部との間にわずかの隙間があっても、成形された光学機能部が熱収縮阻止部により熱収縮が抑えられ、成形した光学機能部を型面で突き出しても、型面と成形した光学機能部の面形状が一致しているので、型面により成形した光学機能部に変形を生じない。したがって、光学素子を樹脂材料の成形品で製造する際に、上記ような従来技術の課題で述べた問題が生じないような光学素子を得ることができるようになった。特に、光学機能部の微細形状が精度よく成形されるようになった。

以下、本発明の各実施の形態の光学素子について図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
最初に、請求項１、２、７、８に係わる実施の形態の光学素子について図面を参照して説明する。図１は実施の形態１における光学素子の正面図（ａ）、光軸断面図（ｂ）、フランジ部の拡大光軸断面図（ｃ）である。図２は図１のフランジ部の熱収縮阻止部の例を示す光軸断面図である。

図１、２において、光学素子１０Ａは正のパワーを持つ単レンズであり、微細形状１１ａを有する光学機能部１ａを形成した物体側の面１、非球面の光学機能部を有する像側の面２、さらにレンズの外周に設けたフランジ部３により構成されている。

光学素子１０Ａは、成形品であり、物体側の面１は金型の可動型キャビティ部で成形され、像側の面２は金型の固定型キャビティ部で成形されたものである。

フランジ部３の物体側の面１側には成形時の熱収縮を防止する熱収縮阻止部３１ａを有している。この熱収縮阻止部の一例について説明する。図２（ａ）に示す熱収縮阻止部３１１ａの面は光軸Ｘに対し角度θだけ傾いている。この角度θは０°から２５°の角度が選択される。

角度の下限を超えると、θが負（マイナス）となり、成形品（光学素子１０Ａ）は可動型より取り出せなくなる。また、角度の上限を超えると、熱収縮阻止部３１１ａが熱収縮の際に雄型６２２ａの突起部Ｋ（図４参照）を滑り、光軸と直交する方向に収縮しようとするのを阻止できなくなり、また、光学素子１０Ａの物体側の面１と可動型の雄型６２２ａ（図４参照）の型面６２２１ａとに隙間が生じた場合、わずかではあるが、熱収縮阻止部３１１ａが雄型から離れると、熱収縮阻止部３１１ａは光軸と直交する方向に収縮しようとするので好ましくない。角度θは好ましくは１°から２０°である。

図２（ａ）に示す熱収縮阻止部３１１ａは、成形加工時に、金型内で成形品（光学素子１０Ａ）が冷却する際に、光学機能部１ａが光軸Ｘと直交方向に熱収縮するのを防止する。詳しくは、光学素子が光軸と直交する方向に成形品が収縮しようとするのを熱収縮阻止部３１１ａが可動型の雄型６２２ａの突起部Ｋ（図４参照）で阻止し変形できなくしている。

次に、図２（ｂ）に示す熱収縮阻止部３１２ａの面は光軸Ｘに対し略平行となっている
。このことにより、型面６２２１ａ（図４参照）とフランジ部３が光軸と平行方向にずれたとしても、熱収縮阻止部３１２ａは光軸Ｘに対し略平行となっているので、熱収縮阻止部３１１ａは光軸と直交する方向に成形品が収縮しようとするを阻止できる。また、図２（ｃ）に示す熱収縮阻止部３１３ａは、図２（ａ）と同様の効果を有し、さらに、傾斜面３１３ｂにより成形加工時の湯流れをよくできる形状としたものである。図２（ｄ）に示す熱収縮阻止部３１４ａは、図２（ａ）と同様の効果を有し、さらに、傾斜面３１４ｂにより成形加工時の湯流れをよくできる形状としたものである。

ここで、光学素子１０Ａの成形加工について説明する。図３は本発明の光学素子を成形する成形機の概略構成を示す断面図であり、図４は成形工程における型開き前の状態図（ａ）と成形品突き出し状態図（ｂ）である。

図３、４において、成形機は、ホッパ５１、スクリュウ５２、シリンダ５３、ヒータ５４、ノズル５５、金型６０等で構成され、金型６０は、固定型６２１、可動型６２２に別れ、固定型６２１には雌型６２１ａ、固定型キャビティ部６２１ｂを有し、可動型６２２には雄型６２２ａ、可動型キャビティ部６２２ｂ、突き出し部６２２ｃ等を有している。

この光学素子１０Ａの成形加工工程は、先ず、プラスッチック材料をホッパ５１に入れ、スクリュウ５２により材料をノズル５５の方向に搬送する。その間にシリンダ５３の外周に設けたヒータ５４で材料を溶解する。融けたプラスチック材をノズル５５、スプルー８１より金型６０のランナー８２、ゲート８３、キャビティに注入し、加圧して成形品（光学素子１０Ａ）を作る（図４（ａ）参照）。その後、成形品は固化後、可動型６２２と固定型６２１に別れて開かれ、可動型６２２側に成形品が残る。

熱収縮阻止部３１ａ（図２の３１１ａから３１１４ａ）の面は光軸Ｘに対し角度は０°から２５°となっており、成形加工時に、金型内で成形品が冷却する際に、成形品が光軸と直交する方向に収縮しようとするのを熱収縮阻止部３１１ａが突起部Ｋに阻止され変形できなくしている。その後、成形品は雄型６２２ａで突き出され取り出され、成形品が完成する。

以上のように、成形品と可動型キャビティ部の間にわずかの隙間が生じたとしても、成形された光学機能部が熱収縮阻止部により可動型側の光学機能部の熱収縮が抑えられ、成形した光学機能部を、可動型の光学機能部に対応する型面で成形品を突き出しても、型面と成形した光学機能部の面形状が一致しているので、型面により成形した光学機能部に変形を生じさせないようになる。特に、光学機能部の微細形状が精度よく成形されることとなる。

（実施の形態２）
請求項３、５、６、７、８に係わる実施の形態の光学素子について図面を参照して説明する。図５は実施の形態２における光学素子の正面図（ａ）、光軸断面図（ｂ）、フランジ部の拡大光軸断面図（ｃ）である。

図５において、光学素子１０Ｂは正のパワーの単レンズであり、微細形状の光学機能部を有する物体側の面１、非球面の光学機能部を有する像側の面２、さらに外周に設けたフランジ部３で構成されている。光学素子１０Ｂは、成形品であり、物体側の面１は金型の可動型側で成形され、像側の面２は金型の固定型側で成形されたものである。なお図中、ＰＬは成形のパーティングラインを示している。

ここで、可動型キャビティ部で成形されるフランジ部が可動型キャビティ部から離型する力（分離力）、固定型キャビティ部で成形されるフランジ部（図５の３２ｂ参照）が固定型キャビティ部から離型する力（分離力）について説明する。

光学素子１０Ｂの可動型で成形される部分（物体側の面の光学機能部とフランジ部）が可動型キャビティ部６２２ｂより離型する力をＦ１とし、光学素子１０Ｂの固定型で成形される部分（像側の面の光学機能部とフランジ部）が固定型キャビティ部６２１ｂより離型する力をＦ２とする。さらに、可動型キャビティ部で成形されるフランジ部（図５の３２ａ参照）が、可動型キャビティ部から離型する力を分離力ｆ１とし、固定型キャビティ部で成形されるフランジ部（図５の３２ｂ参照）が、固定型キャビティ部から離型する力を分離力ｆ２とする。分離力ｆ１と分離力ｆ２を、Ｆ１がＦ２より大きくなるように設定する。

さらに詳しく図５に示す光学素子１０Ｂで例示して説明すると、フランジ部３の可動型で成形される部分３２ａの形状を変化させて所定の分離力ｆ１になるようにする。同様にして、フランジ部３の固定型で成形される部分３２ｂの形状を変化させて所定の分離力ｆ２になるようにする。

説明を簡単にするため、光学素子１０Ｂの可動型で成形される光学機能部が可動型キャビティ部より離型する力と、光学素子１０Ｂの固定型で成形される光学機能部が固定型キャビティ部より離型する力とが等しいと仮定した場合について説明する。この場合、フランジ部３の可動型で成形される部分３２ａは可動型キャビティ部との接触面積を多くすると共に光軸Ｘに対し平行に近い面を多くして可動型との分離をし難くして所定の大きい分離力ｆ１にする。また、フランジ部３の固定型で成形される部分３２ｂは、固定型キャビティ部との接触面積を少なくすると共に光軸Ｘに対し直角に近い面を多くして固定型との分離をしやすくし前記分離力ｆ１より小さい分離力ｆ２にする。このように、分離力ｆ１を分離力ｆ２より大きくなるように設定することにより、前述した分離力ｆ１と分離力ｆ２を、Ｆ１がＦ２より大きくなるように設定することができる。即ち、成形品（光学素子１０Ｂ）を可動型キャビティ部に密着できる。

以上により、光学素子を樹脂材料の成形品で製造する際に、可動型と固定型に別れて開かれた後、成形品を可動型側と密着した状態で残すことができ、型面による成形品の突き出しがあっても、光学機能部を変形させることなく取り出せる。たとえ、可動型キャビティ部と成形品との隙間が仮に発生したとしても、その隙間は従来に比べ格段に少なくすることができ、これにより型面を介して成形品が確実に押し出され、光学機能部の成形精度がよくなる。

（実施の形態３）
請求項４、５、６、７、８に係わる実施の形態の光学素子について図面を参照して説明する。図６は実施の形態３における光学素子の正面図（ａ）、光軸断面図（ｂ）、フランジ部の拡大光軸断面図（ｃ）である。実施の形態３の光学素子は、実施の形態１および２の機能をそれぞれ組み合わせ相乗効果を発揮させるようにしたものである。実施の形態１と２と異なる部分を中心に説明する。

図６において、光学素子１０Ｃは正のパワーを持つ単レンズであり、微細形状の光学機能部を有する物体側の面１、非球面の光学機能部を有する像側の面２、さらに外周に設けたフランジ部３で構成されている。光学素子１０Ｃは、成形品であり、物体側の面１は金型の可動型キャビティ部で成形され、像側の面２は金型の固定型キャビティ部で成形されたものである。

フランジ部３の物体側の面１には成形時の熱収縮を防止する熱収縮阻止部３１ａがあり、熱収縮阻止部３１ａは光軸Ｘと略平行になっており、さらに、光学素子１０Ｃの可動型で成形される部分が可動型キャビティ部６２２ｂより離型する力をＦ１とし、光学素子１０Ｃの固定型で成形される部分が固定型キャビティ部６２１ｂより離型する力をＦ２としたとき、Ｆ１はＦ２より大きくなるように、フランジ部３の可動型キャビティ部で成形される部分３２ａの形状を変化させ、また、フランジ部３の固定型キャビティ部で成形される部分３２ｂの形状を変化させている。なお、Ｆ１は分離力公差の最小値であり、Ｆ２は分離力公差の最大値である。

実施の形態３では、物体側の面１と像側の面２の光学機能部での分離力を等しいとした場合について例示して図６により説明する。この場合、フランジ部３の可動型キャビティ部で成形される部分３２ａは可動型キャビティ部との接触面積を多くすると共に、光軸Ｘに対し平行に近い面を多くして可動型との分離をし難くしている。また、フランジ部３の固定型キャビティ部で成形される部分３２ｂは、固定型キャビティ部との接触面積を少なくすると共に、光軸Ｘに対し直角に近い面を多くして固定型との分離をしやすくしている。

以上により、光学素子は成形固化後、可動型と固定型に別れて開かれる工程で、成形品が可動型側と密着した状態で残すことができ、例え、成形品を可動型キャビティ部よりわずかに離れてもその量は格段に少なくすることができる。仮に、成形品と可動型キャビティ部間にわずかの隙間があっても、型面と熱収縮した光学機能部の面形状が一致しているので、熱収縮した光学機能部を、型面で成形品を突き出しても、型面により熱収縮した光学機能部に変形を生じない。特に、光学機能部の微細形状の成形精度がよくなる。

なお、本発明の光学素子は上記の実施の形態１から３に限定されるものではなく、他の一例として下記のようなものがある。図７は本発明の他の光学素子の模式光軸断面図である。図７（ａ）に示す光学素子は、像側の面２が可動型で成形され、凹面の光学機能部に光軸Ｘを中心とした輪帯の微細形状を有している。図７（ｂ）に示す光学素子は、物体側の面１が可動型で成形され、平面の光学機能部に光軸Ｘを中心とした輪帯の微細形状を有している。図７（ｃ）に示す光学素子は、像側の面２が可動型で成形され、平面の光学機能部に光軸Ｘを中心とした輪帯の微細形状を有している。図７（ｄ）に示す光学素子は、物体側の面１が可動型で成形され、凹面の光学機能部に光軸Ｘを中心とした段階状輪帯の微細形状を有している。図７（ｅ）に示す光学素子は、物体側の面１が可動型で成形され、平面の光学機能部に光軸Ｘを中心とした段階状輪帯の微細形状を有している。

実施の形態１における光学素子の正面図（ａ）、光軸断面図（ｂ）、フランジ部の拡大光軸断面図（ｃ）である。図２は図１のフランジ部の熱収縮阻止部の例を示す光軸断面図である。本発明の光学素子を成形する成形機の概略構成を示す断面図である。成形工程における型開き前の状態図（ａ）と成形品突き出し状態図（ｂ）である。実施の形態２における光学素子の正面図（ａ）、光軸断面図（ｂ）、フランジ部の拡大光軸断面図（ｃ）である。実施の形態３における光学素子の正面図（ａ）、光軸断面図（ｂ）、フランジ部の拡大光軸断面図（ｃ）である。本発明の他の光学素子の模式光軸断面図である。従来例の光学素子の正面図（ａ）、光軸断面図（ｂ）、フランジ部の拡大光軸断面（ｃ）である。図８の微細形状の成形工程を示す模式図である。

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ光学素子
１物体側の面
１ａ光学機能部
１１ａ微細形状
２像側の面
３フランジ部
３１ａ熱収縮阻止部
６０金型
６２１固定型
６２１ｂ固定型キャビティ部
６２２可動型
６２２ｂ可動型キャビティ部
６２２ｃ突き出し部

Claims

少なくとも一方の面に光学機能部とその周辺側にフランジ部を有する光学素子において、
前記光学素子はプラスチック材料からなり、
前記光学機能部は、段差を有する複数の輪帯からなる形状を有し、
前記フランジ部の前記光学機能部側の面に前記光学素子の光軸とのなす角度が、
１°〜２０°の傾斜面からなる熱収縮阻止部を設けたことを特徴とする光学素子。