JP4679264B2 - レンズキャップの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光半導体装置に使用するレンズキャップの製造に関するものである。

レーザーダイオード、フォトダイオード、発光ダイオードなどの光半導体装置に適用される従来のレンズ付き蓋体（レンズキャップ）としては、レンズ装着孔を備えた蓋体にレンズ素材を溶着しているものがあった。その製造方法としては、蓋体本体（キャップ本体）とレンズ素材とを治具内に配置したのち加熱して、レンズ素材を加熱溶融することで所定の形状にレンズ素材を成形すると共にレンズをレンズ装着孔に気密状態に溶着しているものがあった（例えば、下記特許文献１参照）。

図２は、前記特許文献１に記載された従来のレンズ付き蓋体（レンズキャップ）の断面形状を示すものであり、図３（ａ）、（ｂ）はその製造工程フローを示す工程断面図である。

図２において、金属などから形成された略筒状の蓋体（キャップ本体）１０１に形成されたレンズ装着孔１０２にガラスなどのレンズ素材を加熱溶融しレンズ部１０４は所定のレンズ表面の曲面形状などに成形されている。

図３（ａ）、（ｂ）において、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

従来のレンズ付き蓋体の製造方法は、頂部にレンズ装着孔１０２を備えた略筒体状の蓋体（キャップ本体）１０１とガラスなどのレンズ素材１０３とをカーボングラファイト製のレンズ外側面形状を規制成形するための表面形状規制部１０６を備えた治具１０５内に配置して（図３（ａ））、レンズ素材１０３を加熱して溶融することにより表面形状規制部１０６を利用して所定の曲面形状にレンズ素材１０３を成形するとともに、レンズ装着孔１０２に気密にレンズ素材１０３を溶着して蓋体１０１本体にレンズ部１０４を設けている（図３（ｂ））。さらに図示していないが、レンズ素材材の溶着を良好にするためにキャップ本体の表面にあらかじめ設けられていた酸化被膜を化学研磨により除去し、次に、キャップ本体にめっきを施した後、チッソ雰囲気などの非酸化性雰囲気中において、レンズ素材レンズの表面の傷、曇りを除去するために加熱による透化処理を適宜施していた。
特開２００３−２５８３５２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、キャップ本体とガラスレンズ溶着部の溶着面積（断面図の場合、キャップ本体に接するレンズ溶着部（レンズの縁部）の厚さ）が小さいため、機械的強度が弱い、また、レンズ形状についてキャップ本体の外側の形状のみ成形されるため使用用途に制限が掛かる課題を有していた。即ち、レンズ形状についてキャップ本体の外側の形状のみ成形されるため、各種要求に応じて、配光特性を要求の満足できるものになるようレンズ形状を成形できない場合があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、キャップ本体とガラスレンズ溶着部の溶着面積（断面図の場合、キャップ本体に接するレンズ溶着部（レンズの縁部）の厚さ）を大きくでき、レンズ装着の機械的強度を強め、また、ガラスレンズ表面の曲面形状などをキャップ本体の内外で成形するためレンズの配光特性を要求に応じたものにすることができ、従って使用用途を広め、さらにガラスの貼り付き位置のコントロールやガラス気泡、張り付不足等のガラス溶着時の問題を解決したレンズキャップの製造方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のレンズキャップの製造方法は、レンズキャップ本体内側面側のレンズ仮成形体内側表面を成形するための所定の成形面を有する突起部を有した治具に、レンズ装着孔を有した略筒状のキャップ本体を前記突起部がキャップ本体内側に装着されるように載置し、前記キャップ本体外側でレンズ装着孔上にレンズの素材であるガラス材を搭載するガラス材搭載工程と、
前記ガラス材を溶融する温度以上に加熱してキャップ本体のレンズ装着孔とその近傍にガラス材を溶着しレンズ仮成形体を成形する中間レンズキャップ生成品形成工程と、
前記中間レンズキャップ生成品を、レンズキャップ本体外側面側のレンズ外側面を形成するための、レンズ外側面形状と対応する成形面が形成された下型治具に、レンズ仮成形体外側面側が、前記下型治具の成形面側になるように載置し、前記中間レンズキャップ生成品のキャップ本体内側面内部にレンズ内側面形状と対応する成形面が形成された上型治具を搭載して、前記中間レンズキャップ生成品のガラス部を挟圧するとともに、前記中間レンズキャップ生成品を前記ガラス材の溶融する温度以上に加熱して前記レンズ仮成形体を所定のレンズ形状に成形するレンズキャップ成形工程と、
前記レンズキャップ成形品を、レンズ表面部が非接触状態となるようにレンズキャップ保持治具に搭載し、前記ガラス材の軟化点以上に加熱して前記レンズを透化するレンズ透化工程とを備えたことを特徴とする。

前記レンズキャップの製造方法においては、前記中間レンズキャップ生成品形成工程において、前記レンズキャップ本体外側面側のレンズ仮成形体外側表面は前記ガラス材の表面張力のみで成形し、前記キャップ本体の内側面側のレンズ仮成形体内側表面は前記ガラス材の自重と前記所定の成形面を有する突起部を有した治具の前記所定の成形面で成形することが好ましい。

また、前記レンズキャップの製造方法においては、レンズキャップ本体内側面側のレンズ仮成形体内側表面を成形するための所定の成形面を有する突起部が、目的とする所定のレンズ内側面表面形状と対応するか、又はそれと近似する表面形状の成形面を有する突起部であることが好ましい。

以上のように、本発明のレンズキャップの製造方法によれば、レンズ仮成形体内側表面を支持し成形するための所定の成形面を有する突起部の高さ、成形面の形状などでレンズとキャップ本体との溶着部の面積を調整することができ、機械的強度が強く、レンズキャップ外側面側と内側面側の目的とするレンズの両面の表面形状を所定の位置で所定の形状に成形でき、しかも溶着時の気泡、張り付き不足が無いレンズキャップを作製することができる。

また、前記中間レンズキャップ生成品形成工程において、前記レンズキャップ本体外側面側のレンズ仮成形体外側表面は前記ガラス材の表面張力のみで成形し、前記キャップ本体の内側面側のレンズ仮成形体内側表面は前記ガラス材の自重と前記所定の成形面を有する突起部を有した治具の前記所定の成形面で形成する本発明の好ましい態様とすることにより、レンズ仮成形体外側表面形成時に、その面を治具の表面形状成形部で挟圧しないので、レンズ仮成形体成形時に空気の抱きこみを防止して、気泡の発生をより少なくでき好ましい。気泡の発生は、レンズ性能を低下、場合によっては、レンズを不良品としてしまうばかりでなく、キャップ本体とレンズの縁である溶着部界面に発生した気泡はレンズのキャップ本体への張り付き不足の原因となる。通常、発生した気泡はキャップ本体とレンズの縁である溶着部界面に比較的集中しやすくなる傾向がある。本発明方法は、これらを結果的に防止でき、好ましい。

また、前記レンズキャップの製造方法において、レンズキャップ本体内側面側のレンズ仮成形体内側表面を成形するための所定の成形面を有する突起部が、目的とする所定のレンズ内側面表面形状と対応するか、又はそれと近似する表面形状の成形面を有する突起部である本発明の好ましい態様とすることにより、レンズ仮成形体内側表面の形状が、最終目的とする所定のレンズ内側面表面形状と同一かそれに近似しているので、最終工程の下型治具と上型治具とによる前記中間レンズキャップ生成品のガラス部を挟圧する際に、上型治具によるレンズ内側面形状に対応する成形面の形状が、レンズ仮成形体内側表面の形状と大きく異ならないので、空気の抱きこみがより良好に防止でき、気泡の発生をより少なくできるので好ましい。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態におけるレンズキャップの製造工程フローを示す断面図である。

図１（ａ）〜（ｅ）において、レンズ装着孔を備え表面に予め酸化皮膜が形成されたキャップ本体１は、カーボングラファイト製の治具１５にレンズを構成する素材である円盤状に形成されたガラス材２とともに配置する（図１（ａ））。

キャップ本体１は、特に限定するものではないが、通常、素材として金属が用いられ、本実施の形態では、レンズ用ガラス材として用いる硼珪酸ガラスの熱膨張係数とほぼ同等ないしはそれに近い熱膨張係数を有する、通称「コバール」と称される鉄−ニッケル−コバルト合金（鉄５３ｗｔ％、Ｎｉ２８ｗｔ％、Ｃｏ１８ｗｔ％含有）を用いた。レンズ用ガラスとの接着性を向上させるために設けられる酸化被膜は、このキャップ本体１の表面を酸化することにより形成されている。キャップ本体１は、胴部が筒状（通常、円筒状）であり、一方の開口部はキャップ本体１の径より若干狭められた径を有し、レンズが装着されるキャップ開口端１ａを有する。他方の開口部は、キャップ本体１より裾部１ｂが外側に張り出しているものを用いた。図１（ａ）における上方から見たと仮定した裾部１ｂの最外縁部の平面形状ラインは、丸が一般的であるが、これに限定されるものではなく、四角形その他の多角形など、支障がない限り任意である。

また、治具の材料としても、レンズ用のガラスの溶融成形の温度で変形や軟化が生じないこと、溶融ガラスを成形後、ガラスと離型性があればよいが、更に、所望の特定の形に加工しやすいこと、コストが比較的安いことなどから、ここではカーボングラファイト製の治具を用いた。

キャップ本体１とガラス材２とを治具１５に配置する方法は、レンズ用ガラス溶着時、治具上のレンズ仮成形体内側表面を支持し成形するための所定の成形面４を有する突起物３がキャップ本体１内側に収まるように載置し、キャップ本体１上面のレンズ装着孔（キャップ開口端１ａ側）の上側にガラス材２を載置し、キャップ本体１外周側を固定治具５により固定している。

固定治具５は、キャップ本体１外周側を取り囲んでキャップ本体１を内部に挿入できる円柱状の穴を有している。

ガラス材２の大きさは、目的とするレンズの形状、大きさ、キャップ本体１の内側面とガラスレンズ溶着部との溶着面積をどの程度にするかなどに応じて変わるので、特に限定するものではないが、通常、レンズ装着孔の径より大きく、キャップ本体１の胴部外径より若干大きく、具体的には、例えば、キャップ本体１の胴部外径より直径で０．２〜０．５ｍｍ程度大きくしたものを用いると、キャップ本体１とガラス材との接着力が向上しやすく好ましい。尚、１´は、複数個のレンズキャップを同時に製造する場合の、隣接して設けられる同様の製造ユニット（図示省略）に配置されるキャップ本体の一部を図示したものである。

治具１５の突起物３の成形面４はガラス材２を溶融してレンズ仮成形体を形成する中間レンズキャップ生成品形成工程（図１（ｂ）で示す工程）のレンズ仮成形体の内面形状（レンズキャップ本体内側面側のレンズ仮成形体内側表面６ｂ側）に合わせた表面形状の成形面４を有している。

つぎに、治具全体をガラス材２が溶融する温度まで加熱し、キャップ本体１の内側にガラス材２を溶着するとともに、内側面側の表面形状が成形面４で成形され所定の形状のレンズ仮成形体とした中間生成品を形成する（図１（ｂ））。

このとき、溶融したガラス材２の自重による重力により、成形面４上にガラス材２が導入されることになる。

これによれば、溶融したガラス材２をキャップ本体に溶着させると同時に、レンズキャップ本体内側面側のレンズ仮成形体内側表面を所定の形状に予備成形することができ、ガラス材２に外部から加圧力を加えずに、溶着させるため、気泡の抱きこみや、気泡がガラスとキャップ本体内側面の界面に存在することによるレンズの貼り付き不足が生じることがない。

また、ガラス材２をキャップ本体１の内側にまで延在しているため（図１（ｂ）の溶着部１６参照）、機械的強度が強くすることを可能としている。

さらに、治具突起物３の高さと成形面４の形状などでキャップ本体１の内側のガラス貼り付き位置とガラス量を設定できる。

このように、治具１５における成形面４を有する突起物３は、突起物３の高さや、成形面４の形状などを適宜選択することにより、キャップ本体１の内側のガラス貼り付き位置とキャップ本体１の内側面とガラスレンズとの溶着部１６の面積を調整することができる。したがって、キャップ本体とガラスレンズ溶着部の溶着面積を必要な大きさにコントロールでき、レンズ装着の機械的強度を強めることができる。

以上に説明した中間レンズキャップ生成品形成工程は、本来、キャップ本体とガラスレンズ溶着部の溶着面積を必要な大きさにコントロールするための工程であるから、成形面４の形状は、必ずしも最終的に得られる目的とするレンズのレンズキャップ本体内側面側のレンズ内側表面６ｂ（図１（ｄ）または（ｅ）参照）と全く同一形状にしておく必要はない。それでも前述したように、目的とするレンズ内側面表面形状と対応するか、又はそれと近似する表面形状の成形面４、言い換えれば、図１（ｃ）の上型治具９のレンズ内側表面６ｂを成形するための成形面８の形状と同一ないしはそれと近似する表面形状の成形面４としたものを用いて予備成形しておく方が、成形面４の形状と成形面８の形状が大きく異なっている場合に比べ図１（ｃ）のガラスレンズ内側表面と外側表面を目的とする所定のレンズ表面形状に最終的に成形する際に、空気の抱きこみがより生じにくく、気泡の発生をより少なくできるので好ましい。

つぎに、図１（ｃ）に示すように、レンズキャップ本体外側面側のレンズ外側面を形成するための、レンズ外側面６ａの目的とする形状と対応する成形面１０が形成されており中間レンズキャップ生成品が装着し得る凹部を有する下型治具１１に前記中間レンズキャップ生成品を載置し、中間レンズキャップ生成品の内側に挿入可能で、レンズの内側面６ｂ成形面８を有した上型治具９を中間レンズキャップ生成品の内側に載置した後、前記ガラス材の溶融する温度以上に加熱しガラスレンズ６の内側面６ｂ及び外側面６ａをそれぞれ治具９と１１の成形面８、１０と同じ形状に成形する（図１（ｃ））。尚、成形面８、１０の形状は、目的とするレンズの形状、例えば、両凸型の凸レンズ、平凸型の凸レンズ、両凹型の凹レンズ、正メニスカス型、負メニスカス型、などなどに応じて選択される。

このとき、レンズがレンズ外側面６ａ成形用治具１１とレンズ内側面６ｂ成形用治具９とにより挟圧されるとともに、中間生成品を載置した治具１１と９はガラスの溶融温度以上になるように加熱し、レンズ素材のガラス材として、硼珪酸ガラスを用いた場合、約８８０℃を最高温度として溶融成形し、その後冷却される。

これによれば、ガラスレンズ１３の外側面６ａおよび内側面６ｂを目的とする任意の形状に成形することができ、様々な用途に対応することのできるレンズキャップを得ることができる。

また、加熱処理を施す前に予め、エアーガンなどの圧縮空気などを用いてガラスレンズ６表面の付着物を除去しても良い。

つぎに、ガラスレンズの外側面６ａおよび内側面６ｂが治具に接触することが無いよう、キャップ本体１を支持する様にレンズキャップ保持治具１４に載置し、成形後のガラスレンズ１３のガラス材が軟化する温度約６００〜７８０℃に加熱する（図１（ｄ））。

このとき、成形後のガラスレンズ１３の最表面のみが溶融し流動性を有する状態とし、化学研磨によるガラスレンズ１３の表面の荒れや、それに伴うくもり現象や、製品同士や治具との接触による物理的な傷を、極表面のみを溶融すること（加熱時間を短時間にするなど）でレンズを透化、即ち透明にしている。

これによれば、ガラスレンズ１３の極表面のみを溶融することから、成形後のガラスレンズ１３の外形寸法は殆どが変わることなく、表面の荒れや、それに伴うくもり現象や、製品同士や治具との接触による物理的な傷のみを取り除くことができる。

つぎに、要求性能、用途などに応じてキャップ本体に必要に応じ、適宜めっき皮膜を形成する。めっきは、防錆、発光および受光の効率を良くするためとか、その他にステムなどとの接着性改善、装飾目的などで形成される。無電解ニッケルめっき、電解ニッケルめっき、金めっき、銀めっきなどが用いられ、めっき方法としては、特に限定するものではないが、主にバレルめっき法が採用される。その他、要求に応じ整列めっき法なども用いられる。

かくして、本実施形態による製造方法で得られたレンズキャップの断面図を図１（ｅ）に示した。但し、図１（ｅ）には、めっき被膜などの図示は省略している。

なお、本実施の形態例においては、レンズキャップ本体と溶融ガラスとの溶着工程において、レンズキャップ本体とガラスとの接着性を向上させるために、レンズキャップ本体の表面にあらかじめ酸化被膜を設けているが、このようにレンズキャップ本体の表面に酸化被膜を設けた場合には、レンズキャップ本体とガラスとの溶着工程後、レンズの透化処理の前、めっきする場合にはめっき工程の前に、酸化被膜を化学研磨により除去しておく。化学研磨剤としては、酸化被膜を除去できるものであればよいが、例えば、過酸化水素、弗化アンモニウムを主成分とした溶液や、過酸化水素、硫酸、弗酸を主成分とした溶液などが挙げられる。

本発明は光半導体装置に使用するレンズキャップの製造方法として有用であり、特にガラスレンズの成形及びキャップ本体とガラスレンズ溶着部の溶着面積を調整でき、レンズ装着の機械的強度を強め、また、ガラスレンズの両表面の形状をキャップ本体のレンズ内側面及び外内側面の両面とも治具の成形面で成形するためレンズの配光特性を要求に応じたものにすることができ、従って使用用途を広め、さらにガラスの貼り付き位置のコントロールやガラス気泡、張り付不足等のガラス溶着時の問題を解決したレンズキャップの製造に適している。

本発明の実施の形態におけるレンズキャップの製造工程フローを示す断面図 従来のレンズキャップの断面図 従来のレンズキャップの製造工程フローを示す断面図

符号の説明

１ キャップ本体
１ａ レンズが装着されるキャップ開口端
１ｂ キャップ本体の裾部
２ ガラス材
３ 治具１５の成形面４を有する突起物
４ レンズ仮成形体内側表面を成形するための成形面
５ 固定治具
６ 溶着後のガラスレンズ（レンズ仮成形体）
８ 上型治具９のレンズ内側面６ｂ用の成形面
９ 上型治具
１０ 下型治具１１のレンズ外側面６ａ用の成形面
１１ 下型治具
１２ 成形後のレンズキャップ
１３ 成形後のガラスレンズ
１４ レンズ透化時に使用するレンズキャップ保持治具
１５ 中間レンズキャップ生成品形成工程で用いる治具
１６ キャップ本体１の内側面とガラスレンズとの溶着部
１０１ 従来例のキャップ本体
１０２ 従来例のレンズ装着孔
１０３ 従来例のレンズ素材
１０４ 従来例のレンズ部
１０５ 従来例の治具
１０６ 従来例の表面形状規制部

Claims (3)

1. レンズキャップ本体内側面側のレンズ仮成形体内側表面を成形するための所定の成形面を有する突起部を有した治具に、レンズ装着孔を有した略筒状のキャップ本体を前記突起部がキャップ本体内側に装着されるように載置し、前記キャップ本体外側でレンズ装着孔上にレンズの素材であるガラス材を搭載するガラス材搭載工程と、
   前記ガラス材を溶融する温度以上に加熱してキャップ本体のレンズ装着孔とその近傍にガラス材を溶着しレンズ仮成形体を成形する中間レンズキャップ生成品形成工程と、
   前記中間レンズキャップ生成品を、レンズキャップ本体外側面側のレンズ外側面を形成するための、レンズ外側面形状と対応する成形面が形成された下型治具に、レンズ仮成形体外側面側が、前記下型治具の成形面側になるように載置し、前記中間レンズキャップ生成品のキャップ本体内側面内部にレンズ内側面形状と対応する成形面が形成された上型治具を搭載して、前記中間レンズキャップ生成品のガラス部を挟圧するとともに、前記中間レンズキャップ生成品を前記ガラス材の溶融する温度以上に加熱して前記レンズ仮成形体を所定のレンズ形状に成形するレンズキャップ成形工程と、
   前記レンズキャップ成形品を、レンズ表面部が非接触状態となるようにレンズキャップ保持治具に搭載し、前記ガラス材の軟化点以上に加熱して前記レンズを透化するレンズ透化工程とを備えたことを特徴とするレンズキャップの製造方法。
2. 前記中間レンズキャップ生成品形成工程において、前記レンズキャップ本体外側面側のレンズ仮成形体外側表面は前記ガラス材の表面張力のみで成形し、前記キャップ本体の内側面側のレンズ仮成形体内側表面は前記ガラス材の自重と前記所定の成形面を有する突起部を有した治具の前記所定の成形面で形成する請求項１記載のレンズキャップの製造方法。
3. レンズキャップ本体内側面側のレンズ仮成形体内側表面を成形するための所定の成形面を有する突起部が、目的とする所定のレンズ内側面表面形状と対応するか、又はそれと近似する表面形状の成形面を有する突起部である請求項１または２に記載のレンズキャップの製造方法。
   
   

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