JP4899964B2 - 光学レンズ及びレンズ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金型の内部に溶融した樹脂材料を充填して光学レンズを製造するレンズ製造方法に関するものである。

近年、レーザビームプリンタ、レーザファクシミリ等で使用されている光走査装置において、樹脂材料により成形したプラスチックレンズ（光学レンズ）が使用されている。光走査装置によって照射されるレーザビームによって感光体ドラム等に画像が書き込まれるため、高精度な画像を感光体ドラム等に書き込むためには高精度で製造したプラスチックレンズを使用する必要がある。

一般的に光走査装置に使用されるプラスチックレンズは長尺のものが多く、高精度なプラスチックレンズを成形により製造しようとすると、金型からの離型時にプラスチックレンズが変形しないよう、複数のエジェクターピンにより金型からプラスチックレンズを離型させることが必要である。そこで複数のエジェクターピンによりプラスチックレンズが押される箇所を確保するため、特許文献１に記載されているようにプラスチックレンズの外周に鍔部を設けることが考えられる。その具体的な構成を図８に示す。

図８（ａ）はプラスチックレンズの平面図であり、図８（ｂ）はプラスチックレンズの一部分を示す斜視図である。

図８（ｂ）に示すようにプラスチックレンズ１０００の中央部には、光学機能を有するレンズ部１００１が設けられており、レンズ部１００１の長手方向における断面形状はメニスカス形状となっている。また、レンズ部１００１の外周には、プラスチックレンズ１０００の成形時にエジェクターピンにより押される鍔部１００２が設けられている。

図９はプラスチックレンズを成形する金型の構造を示した概略図である。

プラスチックレンズ１０００を成形する金型は、基本的に金型２０００と金型３０００により構成される。レンズ部１００１の一方の面は金型２０００内に配置された不図示の入子の金型で形成され、レンズ部１００１の他方の面は金型３０００内に配置された不図示の入子の金型で成形される。

金型２０００と金型３０００が接触する位置で溶融した樹脂材料がキャビティに充填され、充填された樹脂材料がある程度冷却されると、金型２０００と金型３０００が離間する。そしてプラスチックレンズ１０００の鍔部１００２を複数のエジェクターピン３００１で押して、金型３０００からプラスチックレンズ１０００が離型される。

このようにプラスチックレンズ１０００の鍔部１００２を複数のエジェクターピン３００１で押すことによって、離型時にプラスチックレンズ１０００が変形せず、高精度のレンズ部１００１を有するプラスチックレンズ１０００を製造することが出来る。
特開２０００−１１１８２１号公報

図１０（ａ）は、図８で示したプラスチックレンズ１０００の斜視図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すｘ部分の断面図である。

図１０に示すプラスチックレンズ１０００ではレンズ部１００１が光学機能を発揮するため、レンズ部１００１を高精度で製造する必要がある。従って、プラスチックレンズ１０００を成形する場合、溶融した樹脂材料の合流ムラであるウエルドがレンズ部１００１に発生しないよう、プラスチックレンズ１０００の長手方向における端部（図１０（ａ）におけるｙ部分）より、まずレンズ部１００１から充填されるように金型に溶融した樹脂材料を充填させる。

プラスチックレンズ１０００における断面は図１０（ｂ）で示すように、レンズ部１００１と鍔部１００２により構成されているわけであるが、レンズ部１００１の厚さＹが小さく、鍔部１００２の厚さＸが大きいと、充填された樹脂材料が鍔部１００２に流れやすくなってしまい、レンズ部１００１にウエルドが発生しやすい。特に図１０（ｃ）で示すようにレンズ部１００１の短手方向の形状が凹形状となっているプラスチックレンズは、レンズ部１００１の厚みが中央部で小さいため、特にウエルドが発生しやすい。従って、短手方向の断面形状が凹形状であるレンズ部１００１を有するプラスチックレンズ１０００では、鍔部１００２の最大の厚さと、レンズ部１００１の最小の厚さとの関係を適正な範囲に設定する必要がある。

また、プラスチックレンズ１０００の小型化や適正な成形条件等の観点でも鍔部１００２の最大の厚さとレンズ部１００１の最小の厚さを考慮する必要がある。

そこで、本発明の目的は、成形した際にレンズ部におけるウエルドを防止する光学レンズ及びレンズ製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る光学レンズは、
短手方向の断面形状が凹形状であるレンズ部と、当該レンズ部の外側に位置する鍔部と、を有し、長手方向における前記鍔部を含めた最大長さＡと、短手方向における前記鍔部を含めた最大長さＢが６≦Ａ／Ｂ≦３０の関係式を満たす光学レンズであって、
前記鍔部における最大の厚さＸと、前記レンズ部における最小の厚さＹが、以下の関係式を満たすことを特徴とするものである。
０．３≦Ｘ／Ｙ≦０．９
２．０ｍｍ≦Ｘ≦３．０ｍｍ
３．２ｍｍ≦Ｙ≦７．５ｍｍ
また、本発明に係るレンズ製造方法は、
請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学レンズを、成形により製造するレンズ製造方法であって、
光学レンズの外周面に相当する箇所に以下の関係式を満たす抜きテーパを設けた金型を使用し、当該金型の内部に溶融した樹脂材料を充填して光学レンズを製造することを特徴とするものである。
３°≦Ｔ≦１０°
但し、Ｔは、前記光学レンズの光軸と前記抜きテーパがなす角度である。

本発明に係る光学レンズであれば適正な形状であるため、成形した際にレンズ部におけるウエルドを防止することが出来る。また、本発明に係るレンズ製造方法によれば、成形時の変形を抑制して適正な形状を有する光学レンズを製造することが出来る。

まず、本発明に係るプラスチックレンズ（光学レンズ）を使用する光走査装置について説明する。

図１は光走査装置を示す斜視図である。

光走査装置１０は、ハウジング１１の中に、半導体レーザ１２、回転多面鏡１５、ｆθレンズ１６等が設置された構成となっている。

半導体レーザ１２から射出したレーザビームＬは、コリメートレンズ１３により平行光となり、第１結像光学系の第１シリンドリカルレンズ１４を透過して高速で回転する回転多面鏡１５に入射する。回転多面鏡１５で反射したレーザビームＬは、ｆθレンズ１６、第２シリンドリカルレンズ１７から成る第２結像光学系を透過して反射ミラー１８に入射し、感光体ドラム１に所定のスポット径で照射される。感光体ドラム１上への画像情報の書込は、レーザビームＬをインデックスセンサ１９で検知することにより、所定のタイミングで実行される。

第２シリンドリカルレンズ１７はトロイダル面や自由曲面を用いてもよいが、ここではこれらを総称して「シリンドリカルレンズ」と呼んでいる。

本発明に係るプラスチックレンズ（光学レンズ）を使用する光走査装置として、図１に示すような構成をとった場合、第２シリンドリカルレンズ１７は、短手方向に凹の形状であるため、短手方向すなわち副走査方向の集光力を得るために、少なくともｆθレンズ１６または反射ミラー１８のいずれかに、副走査方向に正の屈折力を負荷する必要がある。

このように光走査装置１０によりレーザビームＬが照射されることにより、感光体ドラム１には潜像画像が書き込まれる。なお、本実施形態では感光体ドラム１にレーザビームＬを照射しているが、被照射体は感光体ドラムに限られず、感光体フィルム等の他の被照射体であってもよい。

図１における第２シリンドリカルレンズ１７は本発明に係るプラスチックレンズであり、金型の内部に溶融した樹脂材料を充填して成形される。

なお、本発明に係るプラスチックレンズを図１に示す光走査装置１０では第２シリンドリカルレンズ１７に使用しているが、光走査装置に使用されるレンズであれば他のレンズに使用しても構わない。以下、第２シリンドリカルレンズ１７を単にプラスチックレンズ１７という。

図２はプラスチックレンズ１７の詳細図である。

図２（ａ）はプラスチックレンズ１７の斜視図、図２（ｂ）はプラスチックレンズ１７の正面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）におけるプラスチックレンズ１７のＣ−Ｃ断面図、図２（ｄ）はプラスチックレンズ１７の側面図である。

図２（ｂ）で示すように、プラスチックレンズ１７の中央部には光学機能を有するレンズ部１７Ａが設けられている。また、レンズ部１７Ａの外側には箱状に鍔部１７Ｂが設けられている。また、図２（ｃ）で示すように、レンズ部１７Ａは図の上方向に凸のメニスカス形状となっている。

プラスチックレンズ１７を金型により成形する場合は、鍔部１７Ｂの面をエジェクターピンで押すことによりプラスチックレンズ１７が金型から離型される。プラスチックレンズ１７を製造するレンズ製造方法については後述する。

図２（ｄ）で示すように、プラスチックレンズ１７の外周面には同一面上にレンズ位置決め部１７Ｃ〜１７Ｅが形成されている。レンズ位置決め部１７Ｃは突起形状となっており、プラスチックレンズ１７を光走査装置１の設置台２０（図１参照）に設置する際の基準となる（つまり、位置決めの基準となる）。

また、レンズ位置決め部１７Ｄと１７Ｅもプラスチックレンズ１７を設置台２０に設置する際の基準となり、レンズ位置決め部１７Ｄと１７Ｅはプラスチックレンズ１７の走査（光学レンズの光軸）方向に略平行な面を有する。鍔部底面に略垂直な面を有するとも言える。プラスチックレンズ１７の設置台２０への設置を容易にするため、レンズ位置決め部１７Ｄ、１７Ｅの長さαとプラスチックレンズ１７の高さβとの関係は以下の関係式を満足することが好ましい。
１／３≦α／β≦２／３ ・・・（１）
より好ましくは、以下の関係式を満たすことである。
１／２≦α／β≦２／３ ・・・（１）’
プラスチックレンズ１７において、外周面に設けられている位置決め部１７Ｄ，１７Ｅに相当する走査方向に略平行な面を持つ位置決め部は、プラスチックレンズ１７では２つ設けられているが、少なくとも２つ以上あれば、良好にプラスチックレンズ１７を設置台２０に設置させることが出来る。

なお、レンズ位置決め部は、光学レンズを長手方向から見た際に（図２（ｄ）の状態）、光学レンズの長手方向中心（１７Ｃの位置）と光学レンズ端部との中間の位置よりも、光学レンズ端部よりの位置に、シンメトリに設けられていることが好ましい。また、レンズ位置決め部の光学レンズ長手方向の長さγは、１ｍｍ以上、１５ｍｍ以下であることが好ましい。

プラスチックレンズ１７は長尺のレンズであり、図２（ａ）に示すようにプラスチックレンズ１７の長手方向における鍔部１７Ｂを含めた最大長さＡと、短手方向における鍔部１７Ｂを含めた最大長さＢとの関係が以下の（２）式を満たす形状である。
６≦Ａ／Ｂ≦３０ ・・・（２）
本発明の効果をより顕著に得られる形状は、以下の（２）’式を満たす形状であり、本発明の効果を更に顕著に得られる形状は、以下の（２）”式を満たす形状である。
１０≦Ａ／Ｂ≦３０ ・・・（２）’
２０≦Ａ／Ｂ≦３０ ・・・（２）”
次にプラスチックレンズ１７を金型により製造する方法を詳しく説明する。

図３及び図４はプラスチックレンズ１７の長手方向における金型の断面図である。

プラスチックレンズ１７の外形は基本的に第１金型１００と第２金型２００により成形される。プラスチックレンズ１７におけるレンズ部１７Ａの成形に関しては後述する。

第１金型１００と第２金型２００が接触する位置で溶融した樹脂材料がゲート４０１よりキャビティ３００に射出され充填される。溶融した樹脂材料の充填はランナー４００及びゲート４０１を経路として実行される。図３で示すように、プラスチックレンズ１７の長手方向の端部に相当する箇所から金型の内部に溶融した樹脂材料を充填し、プラスチックレンズ１７のレンズ部から樹脂材料を充填するようにする。このようにすれば、レンズ部におけるウエルドを防止することが可能である。

充填された樹脂材料がある程度冷却されると、第１金型１００に対して第２金型２００がａ方向に移動し、図４に示すように第１金型１００と第２金型２００が離間する。５００はプラスチックレンズ１７のレンズ部１７Ａを成形するための第３金型であり、第１金型１００と第２金型２００が離間することにより図４のように見える状態となる。

第１金型１００と第２金型２００が離間した状態ではプラスチックレンズ１７は第２金型２００側に残っている。その後、図４に示すｂ方向に複数のエジェクターピン２０１がプラスチックレンズ１７の鍔部１７Ｂを押すことにより、プラスチックレンズ１７が第２金型２００から離型される。

プラスチックレンズ１７におけるレンズ部１７Ａの成形に関しては図５及び図６を用いて説明する。

図５はプラスチックレンズ１７のレンズ部１７Ａにおける金型の断面図である。

プラスチックレンズ１７の外形は図３及び図４で説明したように第１金型１００と第２金型２００により成形されるが、プラスチックレンズ１７のレンズ部１７Ａは第３金型５００と第４金型６００により成形される。図５で示すように、レンズ部１７Ａの一方の光学面１７１Ａは第１金型１００の中に位置する第３金型５００により成形され、レンズ部１７Ａの他方の光学面１７２Ａは第２金型２００の中に位置する第４金型６００により成形される。

図６はプラスチックレンズ１７の短手方向における金型の断面図である。

図６に示すようにプラスチックレンズ１７の鍔部１７Ｂは第１金型１００と第２金型２００により成形され、光学面１７１Ａ、１７２Ａで構成されるレンズ部１７Ａは第３金型５００と第４金型６００により成形される。またプラスチックレンズ１７の鍔部１７Ｂを複数のエジェクターピン２０１が押す構造になっている。

図３及び図４で説明したように、充填された樹脂材料がある程度冷却されると、第１金型１００、第３金型５００に対して、第２金型２００、第４金型４００がａ方向に移動し、その後、複数のエジェクターピン２０１がプラスチックレンズ１７の鍔部１７Ｂをｂ方向に押すことにより、プラスチックレンズ１７が第２金型２００及び第４金型４００から離型される。エジェクターピン２０１により押される鍔部１７Ｂの厚さｔは１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。

プラスチックレンズ１７の鍔部１７Ｂは、エジェクターピンの突き出し跡として、複数の凹部を有することになる。

複数のエジェクターピン２０１によるプラスチックレンズ１７の突き出しが行われるため、第２金型２００にはプラスチックレンズ１７に接触する箇所（プラスチックレンズ１７の外周面に相当する箇所）に抜きテーパＴが設置されている。抜きテーパＴの角度（テーパ方向と、走査（光軸）方向とがなす角度）は第２金型２００からの離型性、レンズ部１７Ａのウエルド等の観点から、３°以上１０°以下であることが好ましく、特に５°以上９°以下であることが好ましい。このような抜きテーパの角度にすれば、成形時の変形を抑制してプラスチックレンズ１７を製造することが出来る。

図７（ａ）はプラスチックレンズ１７の斜視図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すＤ部分の断面図である。

プラスチックレンズ１７におけるレンズ部１７Ａは光学機能を発揮させるため、短手方向の形状が凹形状となっている。なお、凹形状の曲率は大きくなり過ぎない事が好ましい。より具体的には、レンズ部短手方向中央における光軸方向の距離（図７（ｂ）におけるＹ）と、レンズ部短手方向端部における光軸方向の距離（図７（ｂ）におけるＹ’）とが以下の関係式を満たすことが好ましい。
０．９≦Ｙ／Ｙ’＜１ ・・・（３）
プラスチックレンズ１７ではレンズ部１７Ａが光学機能を発揮するため、レンズ部１００１を高精度で製造する必要がある。従って、プラスチックレンズ１７を成形する場合、溶融した樹脂材料の合流ムラであるウエルドがレンズ部１７Ａに発生しないよう、プラスチックレンズ１０００の長手方向における端部（図７（ａ）におけるＥ部分）より、まずレンズ部１７Ａから充填されるように金型に溶融した樹脂材料を充填させる。

プラスチックレンズ１７における断面は図７（ｂ）で示すように、レンズ部１７Ａと鍔部１７Ｂにより構成されているわけであるが、レンズ部１７Ａの厚さが小さく、鍔部１７Ｂの厚さが大きいと、充填された樹脂材料が鍔部１７Ｂに流れやすくなってしまい、レンズ部１７Ａにウエルドが発生しやすい。特に図７（ｃ）で示すようにレンズ部１７Ａの短手方向の形状が凹形状となっているプラスチックレンズは、レンズ部１７Ａの厚みが中央部で小さいため、特にウエルドが発生しやすい。また、長手方向における断面形状がメニスカス形状である場合、長手方向の全体を通してレンズ厚が薄くなりやすいため、よりウェルドが発生しやすくなる。

従って、長手方向における断面形状がメニスカス形状であって短手方向の断面形状が凹形状であるレンズ部を有するプラスチックレンズ１７では、図７（ｂ）に示す鍔部１７Ｂの最大の厚さＸ（走査方向と直交する方向の断面における鍔部１７Ｂの最大の厚さ）と、レンズ部１７Ａの最小の厚さＹ（走査方向と直交する方向の断面におけるレンズ部１７Ａの最小の厚さ）との関係を適正な範囲に設定する必要がある。

まず、ＸとＹの各々について検討すると、ＸやＹが小さすぎると溶融した樹脂材料が金型におけるレンズ部１７Ａや鍔部１７Ｂに充填されにくくなる。また、大きすぎるとプラスチックレンズ１７が大きくなってしまったり、成形時にひけ等の問題が発生してしまったりする。そこで、Ｘは鍔部１７Ｂの機能（複数のエジェクターピンにより押される等の機能）、Ｙはレンズ部１７Ａの機能（光学機能）を考慮し、ＸとＹは以下の範囲に設定することが好ましい。
２．０ｍｍ≦Ｘ≦３．０ｍｍ ・・・（４）
３．２ｍｍ≦Ｙ≦７．５ｍｍ ・・・（５）
このＸとＹの範囲を考慮し、ＸとＹの適正な関係を求めるため、本発明者は実験を通じて検討した。その結果を以下の表１に示す。

実験の評価項目はレンズ部１７Ａにおけるウエルドの状態であり、表１において「◎」は大変良好、「○」は良好、「△」はやや不良、「×」は不良を表す。

上記（４）式、（５）式を考慮してレンズ部１７Ａにおけるウエルドの状態を判断すると、Ｘ／Ｙの適正範囲は以下の範囲となる。
０．３≦Ｘ／Ｙ≦０．９ ・・・（６）
このように鍔部１７Ｂの最大の厚さＸと、レンズ部１７Ａの最小の厚さＹを上記（４）式〜（６）式の範囲に設定にすれば、プラスチックレンズ１７が適正な形状となるため、成形した際にレンズ部におけるウエルドを防止することが出来る。

本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、本発明は当該実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

光走査装置を示す斜視図である。 プラスチックレンズの詳細図である。 プラスチックレンズの長手方向における金型の断面図である。 プラスチックレンズの長手方向における金型の断面図である。 プラスチックレンズのレンズ部における金型の断面図である。 プラスチックレンズの短手方向における金型の断面図である。 プラスチックレンズの断面構造に関する詳細図である。 外周に鍔部を設けたプラスチックレンズの説明図である。 プラスチックレンズを成形する金型の構造を示した概略図である。 プラスチックレンズの断面構造に関する詳細図である。

符号の説明

１７ プラスチックレンズ
１７Ａ レンズ部
１７Ｂ 鍔部
１７Ｃ、１７Ｄ、１７Ｅ 位置決め部
１００ 第１金型
２００ 第２金型
２０１ エジェクターピン
５００ 第３金型
６００ 第４金型

Claims (7)

1. 短手方向の断面形状が凹形状であるレンズ部と、当該レンズ部の外側に位置する鍔部と、を有し、長手方向における前記鍔部を含めた最大長さＡと、短手方向における前記鍔部を含めた最大長さＢが６≦Ａ／Ｂ≦３０の関係式を満たす光学レンズであって、
   前記鍔部における最大の厚さＸと、前記レンズ部における最小の厚さＹが、以下の関係式を満たすことを特徴とする光学レンズ。
   ０．３≦Ｘ／Ｙ≦０．９
   ２．０ｍｍ≦Ｘ≦３．０ｍｍ
   ３．２ｍｍ≦Ｙ≦７．５ｍｍ
2. 長手方向における断面形状がメニスカス形状である請求項１に記載の光学レンズ。
3. 光学レンズの外周面にレンズ位置決め部を有する請求項１または２に記載の光学レンズ。
4. 前記レンズ位置決め部は光学レンズの片側の外周面に少なくとも２つ以上設けられている請求項３に記載の光学レンズ。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学レンズを、成形により製造するレンズ製造方法であって、
   光学レンズの外周面に相当する箇所に以下の関係式を満たす抜きテーパを設けた金型を使用し、当該金型の内部に溶融した樹脂材料を充填して光学レンズを製造することを特徴とするレンズ製造方法。
   ３°≦Ｔ≦１０°
   但し、Ｔは、前記光学レンズの光軸と前記抜きテーパがなす角度である。
6. 光学レンズの長手方向における端部に相当する箇所から前記金型の内部に溶融した樹脂材料を充填する請求項５に記載のレンズ製造方法。
7. 前記鍔部をエジェクターピンで押すことにより、前記金型から光学レンズを離型させる請求項５又は６に記載のレンズ製造方法。

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