JP5219617B2 - 光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば光束を反射させる光学素子及びその製造方法に関するものである。

光学素子を精度良く保持すると共に光学有効面の基準を位置決めするために、光学素子に位置決め基準面を設けて、保持部材に固定する技術は特許文献１などに開示されている。

光学素子は量産が容易であることから、樹脂などの射出成形によって成形されることが多い。しかし、射出成形によって作製される光学素子は、小型化を目的として光学素子の厚みを薄くしてしまうと、型内での樹脂流れが悪くなり、光学有効面に悪影響を及ぼすことがある。そのため、或る程度の厚さを確保すると、小型化の妨げとなっている。また、装置内の雰囲気温度が高温化してきており、光学素子の熱膨張による変形によって、光学面の形状が変化し光学性能を低下させる問題が発生する。

近年では光学素子の小型化に対応し、熱による変形の問題を回避するために、特許文献２で開示されているような非晶質材料であるアモルファス金属を素材として、プレス成形によって光学素子を成形する技術が研究されている。アモルファス金属はガラス転移温度まで熱を加えることによって半融解状態になり、その状態でプレス成形することで粘性流動を起こし、成形型の形状を精度良く転写させることができる。

アモルファス金属は樹脂よりもヤング率も大きく、また射出成形のように成形材料の型内での流れを考慮する必要がないため、樹脂の射出成形よりも光学素子の厚みを薄くすることが可能となり、光学素子の小型化を実現できる。更に、線膨張係数も樹脂と比較して小さいため、装置内の高温化においても熱膨張が小さく、熱膨張による光学性能の低下も少ない。

特開平５−３４５５３号公報 特公平７−１２２１２０号公報

光学素子を光学装置等に取り付ける際には位置決めを行うために、光学素子に位置決め基準を設ける必要がある。しかし、アモルファス金属による位置決め基準の作製方法については、これまで開示されていない。

図２２（ａ）はプレス成形する前の素材１の側面部２は、側面部２が押し拡げられる方向の成形型３の内壁部４に略平行で、素材１を作製する段階での面粗さの悪い面が形成されている場合を示している。素材１の側面部２をプレス成形することによって、図２２（ｂ）に示すように、面形状は成形型の形状にならうが、面粗さが悪いままの光学素子が形成される。

このように、位置決め基準部が粗面で形成されている光学素子を保持部材に固定すると、設計値に対して傾いて固定してしまうなどの問題がある。また、プレス成形前に素材１の側面部２を研磨して面粗さを良くしておくと、成形後の位置決め基準部の面粗さは良くなるが、二次加工を必要とすることになり望ましくない。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、加工精度の良い位置決め基準部が得られる光学素子及びその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の本発明に係る光学素子の製造方法は、素材の位置決め基準部となる部位を成形型に対して非平行な形状とし、前記素材を加熱し、成形型を用いたプレス成形により前記素材の外形から素材材料を析出させて前記成形型の内壁によって新生面を形成し、該新生面を前記位置決め基準部としたことを特徴としている。

また、本発明による光学機器の製造方法は、素材の位置決め基準部となる部位を成形型に対して非平行な形状とし、前記素材を加熱し、成形型を用いたプレス成形により前記素材の外形から素材材料を析出させて前記成形型の内壁によって新生面を形成し、該新生面を前記位置決め基準部とする光学素子製造工程と、該光学素子製造工程において製造した前記光学素子の新生面を、前記光学機器の基準部に突き当てる工程と、を備えることを特徴としている。

本発明に係る光学素子及びその製造方法によれば、位置決め基準部は素材材料が析出した新生面により形成するので、二次加工を要せず、製造工程の簡略化を図り、精度の良い保持が可能となる。

本発明を図１〜図２１に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１の光学素子を成形する前のアモルファス金属から成る素材１１の斜視図、図２はこの素材１１をプレス成形することによって形成された光学素子２１の斜視図を示している。

素材１１の下面部１２は、プレス成形後に光学素子２１の光学反射面２２を形成する部位である。また、素材１１の側面部１３に光学素子２１の位置決め基準部２３が形成され、側面部１４に光学素子２１の位置決め基準部２４が形成される。これらの位置決め基準部２３、２４は、図示しない保持部材に固定する際の光学素子２１の位置決め用となる。

図１に示す素材１１の長さＬｓ１、Ｌｓ２は、図２に示す成形後の光学素子２１のそれぞれに対応する長さＬ１、Ｌ２よりも小さくされている。素材１１のプレス方向である厚みｔｓは、プレス成形後の光学素子２１の体積と等しくなるように形成されている。素材１１の長さＬｓ１、Ｌｓ２が光学素子２１の外形である長さＬ１、Ｌ２よりも小さく形成されているため、素材１１の厚みｔｓは光学素子２１の厚みｔよりも厚く形成されている。

本実施例１では、側面部１３、１４の２つの面に位置決め基準部２３、２４を配置する形状としたが、位置決め基準部はこの２面に限らず１面のみでもよいし、全周でもよい。また、位置決め基準部は側面部１３、１４以外の非光学面に設けることができる。以後、素材１１の側面部１３、１４は、同じ過程で光学素子２１の位置決め基準部２３、２４を形成するため、素材１１の側面部１３から位置決め基準部２３を形成する過程について説明する。

図３は光学有効面を具備した光学素子２１を成形する一般的なプレス成形における工程の断面図であり、図１のＸ−Ｘを通過する断面を示している。素材１１を成形型の下型３１の内部に挿入した後に、成形型全体を素材１１のガラス転移温度を超える温度まで加熱する。その後に、上型３２によって素材１１をＡ方向にプレス成形することによって、素材１１の側面部１３がＢ方向に粘性流動で移動し、下型３１の側面の内壁部３３に当接する。これによって、素材１１の側面部１３には、下型３１の内壁部３３の形状が転写され、位置決め基準部２３が形成される。

図４は図３における隅部の拡大図であり、プレス成形前の素材１１と下型３１の内壁部３３との位置関係を示している。側面部１３は上下面に面取りがされており、面取部１５が交差して下型３１の内壁部３３に最初に接触する頂点部１６が形成されている。本実施例では、面取りの大きさを上下対称としたが、上下の面取りの大きさが異なってもよい。また、面取りの角度については、プレス後に形成される位置決め基準部２３となる面、即ち下型３１の内壁部３３に対して平行でないようにされている。

図５（ａ）に示すように、図４の状態から素材１１を上型３２によってプレス成形することにより、側面部１３の頂点部１６が下型３１の内壁部３３に当接する。これにより、素材１１の頂点部１６における素材を覆う酸化膜が、プレスによって生じた素材１１の内部圧力によって破れ、矢印で示すように素材１１の内部から素材材料が析出する。析出した素材材料は、図５（ｂ）に示すように下型３１の内壁部３３に押し当てられて新生面２５が形成され、この新生面２５は光学素子２１の位置決め基準部２３となる。

新生面２５は素材１１の側面部１３から素材材料が析出するため、位置決め基準部２３には、素材１１の側面部１３が有していた粗面は残留していない。そのため、新生面２５は下型３１の内壁部３３の面粗さを転写しており、面粗さの良い位置決め基準部２３が形成される。

光学素子２１の位置決め基準部２３が当接する保持部材３４の形状は、図６（ａ）に示すような面接触だけでなく、（ｂ）の線接触や、（ｃ）の点接触等のような形状でも、光学素子２１の位置を精度良く規定することができる。

新生面２５による位置決め基準部２３は、図７に示すように光学素子２１の側面部１３における面取部１５のように、素材１１の側面部１３の面取部１５を残すようにしてもよい。このとき、面取部１５は素材１１の側面部１３を形成していた粗面のままであるが、新生面２５により形成された位置決め基準部２３は面粗さの良い面で形成されている。

図８に示す実施例２では、実施例１における素材１１の側面部１３の形状が異なるのみで、図２に示すプレス成形による光学素子２１を成形する過程は同一である。なお、実施例１と同一個所の部位は同じ符号としている。

図８は実施例１の図４に対応し、プレス成形前の素材１１と下型３１の内壁部３３との位置関係を示している。側面部１３には面取部１５が設けられており、側面部１３の片側に頂点部１６が形成されている。

本実施例２では、光学反射面２２を形成する面側に頂点部１６を設けているが、上下が入れ換わっていてもよい。また、面取りの角度はプレス後に形成される位置決め基準部２３となる面、即ち下型３１の内壁部３３に対して非平行とされている。

図９（ａ）に示すように、素材１１を上型３２によってプレス成形すると、側面部１３の頂点部１６が下型３１の内壁部３３に当接する。このとき、頂点部１６における素材を覆う酸化膜が、プレスによって生じた素材１１の内部圧力によって破れ、矢印で示すように素材１１の内部から素材材料が析出する。

図９（ｂ）に示すように、析出した素材材料は下型３１の内壁部３３に押し当てられ、新しい面として新生面２６が形成され、この新生面２６は光学素子２１の位置決め基準部２３となる。

新生面２６は素材１１の頂点部１６から素材材料が析出するため、光学素子２１に形成された新生面２６による位置決め基準部２３には、下型３１の内壁部３３の面粗さを転写されており、極めて面粗さの良い位置決め基準部が形成されている。

図９（ｂ）において、新生面２６による位置決め基準部２３を側面部１３の全面に構成するようにしたが、図１０に示すように、素材１１の側面部１３に面取部１５を残すようにしてもよい。このとき、面取部１５は素材１１の側面部１３を形成していた粗面で形成されているが、新生面２６による位置決め基準部２３は面粗さの良い面で形成されている。

図１１は実施例３の断面図を示し、プレス成形前の素材１１と下型３１の内壁部３３との位置関係を示し、側面部１３は円弧部１７として形成されている。

図１２（ａ）に示すように、素材１１を上型３２によってプレス成形することにより、円弧部１７の頂点部１６が下型３１の内壁部３３に当接した際に、頂点部１６における素材を覆う酸化膜が、プレスによって生じた素材１１の内部圧力によって破れる。これにより矢印で示すように素材１１の内部から素材材料が析出する。

図１２（ｂ）に示すように析出した素材材料は下型３１の内壁部３３に押し当てられ、新しい面を形成した新生面２７が形成され、光学素子２１の位置決め基準部２３となる。

この場合に、新生面２７による位置決め基準部２３を側面部１３の全体に構成するように示したが、図１３に示すように、光学素子２１の一部に素材１１の側面部１３の円弧部１７を残すようにしてもよい。このとき、円弧部１７は素材１１の側面部１３を形成していた粗面で形成されているが、新生面２７から成る位置決め基準部２３は面粗さの良い面で形成されている。

図１４は実施例４のプレス成形前の素材１１と下型３１の内壁部３３との位置関係の断面図を示し、側面部１３は面取部１５と粗面部１８により形成されている。理解を容易にするため、粗面部１８の面粗さを強調して図示している。

図１５（ａ）に示すように素材１１を上型３２によってプレス成形すると、側面部１３の粗面部１８が下型３１の内壁部３３に当接する。このとき、面取部１５と粗面部１８との境界部分における素材を覆う酸化膜が、プレスによって生じた素材１１の内部圧力によって破れ、矢印で示すように素材１１の内部から素材材料が析出する。

図１５（ｂ）に示すように、析出した素材材料は下型３１の内壁部３３に押し当てられ、新生面２８が形成され、この新生面２８は光学素子２１の位置決め基準部２３となる。新生面２８は素材１１の側面部１３の面取部１５と粗面部１８の境界部分から析出する。このため、光学素子２１に形成された位置決め基準部２３は、素材１１の側面部１３が有していた粗面部１８と新生面２８との２種類の部分で形成されている。

新生面２８は下型３１の内壁部３３の面粗さを転写しており、面粗さの良い位置決め基準部２３が形成されているため、光学素子２１の位置決めを行う際は、保持部材３４の基準部を光学素子２１の新生面２８に当接するようにする。新生面２８を用いて保持部材３４との位置決めを行うため、新生面２８は粗面部１８よりも広い面積とすることが望ましい。

図１５において、新生面２８による位置決め基準部２３を粗面部１８以外の側面部全体に構成するように示したが、図１６に示すように光学素子２１の位置決め基準部２３に、素材１１の面取部１５を残すようにしてもよい。このとき、面取部１５は素材１１の側面部１３を形成していた粗面で形成されているが、新生面２８で形成されている位置決め基準部２３は面粗さの良い面で形成されている。

図１７は実施例５の素材４１の形状を示し、側面部４２にはプレス成形後に位置決め基準部２３となる突起部４３が設けられている。突起部４３は頂点部を形成するように面取りしているが、先の実施例で示したように円弧状で形成してもよいし、頂点部がないような形状であってもよい。突起部４３の頂点部における稜線方向は素材４１の厚み方向であるが、この方向に限ることはなく、その数も１個所だけでなく複数個所に設けてもよい。

素材４１をプレス成形することによって、図１８に示す光学素子５１が形成され、この光学素子５１には新生面５２から成る位置決め基準部５３が形成されている。

図１９（ａ）はプレス方向から見たプレス成形前の素材４１と下型６１の内壁部６２との位置関係を示している。素材４１には突起部４３が設けられ、下型６１の内壁部６２には位置決め基準部５３を作成する凹部６３が形成されている。

図１９（ｂ）に示すように素材４１をプレス成形することにより、突起部４３が凹部６３に当接した際に、接触個所における素材を覆う酸化膜が、プレスによって生じた素材４１の内部圧力によって破れ、矢印で示すように素材４１の内部から素材材料が析出する。突起部４３が下型３１の凹部６３に接触する前に側面部４２が下型６１の内壁部６２に接触してしまうと、突起部４３から素材材料が析出しなくなり、新生面５２を形成しなくなる。このため、突起部４３と凹部６３は素材４１の側面部４２と下型６１の内壁部６２が接触する前に接触させる高さで形成させておくことによって、光学素子５１の位置決め基準部５３が形成されるようにしておく。

図２０に示すように、析出した素材材料は下型６１の内壁部６２に押し当てられ新生面５２を形成し、光学素子５１の位置決め基準部５３を形成する。本実施例５では、光学素子５１の位置決め基準部５３のみが新生面５２で形成されているため、光学素子５１の側面部４２において、位置決め基準部５３以外の側面部４２は粗面で形成されている。

本実施例５の新生面５２による位置決め基準部５３は平面で形成したが、図２１（ａ）に示すように円弧状の位置決め基準部５３であってもよい。また、図２１（ｂ）に示すように、新生面５２は半球状の位置決め基準部５３のように形成してもよい。

これらは素材４１において突起部４３を形成させておくことによって、光学素子５１の側面部４２に、部分的に新生面５２による位置決め基準部５３を形成させることが可能となる。

この実施例５において、位置決め基準部５３は保持に用いる例を示したが、位置決め基準部５３は保持するためだけでなく、複数の光学素子５１や他の光学部品との位置決めを行うために使用してよい。また型構造に関しても、本実施例５では上型が可動する構成で説明したが、可動部は下型６１であってもよい。

本発明は上述の実施例１〜５の何れかの方法で作成した光学素子や、この光学素子を持つ光学機器（撮像装置、画像投影装置）に対しても適用可能である。

素材の斜視図である。 光学素子の斜視図である。 プレス成形工程の説明図である。 図３の隅部の拡大図である。 プレス成形工程の説明図である。 保持部材の斜視図である。 プレス成形後の光学素子の断面図である。 実施例２のプレス成形工程の説明図である。 プレス成形工程の説明図である。 プレス成形後の光学素子の断面図である。 実施例３の成形工程の説明図である。 プレス成形工程の説明図である。 プレス成形後の光学素子の断面図である。 実施例４の成形工程の説明図である。 プレス成形工程の説明図である。 プレス成形後の光学素子の断面図である。 実施例５の素材の斜視図である。 光学素子の斜視図である。 プレス成形工程の説明図である。 プレス成形後の光学素子の断面図である。 光学素子の斜視図である。 従来例の説明図である。

符号の説明

１１、４１ 素材
１３、１４、４２ 側面部
１５ 面取部
１６ 頂点部
１７ 円弧部
１８ 粗面部
２１、５１ 光学素子
２２ 光学反射面
２３、２４、５３ 位置決め基準部
２５〜２８、５２ 新生面
３１、６１ 下型
３２ 上型
３３、６２ 内壁部
３４ 保持部材
４３ 突起部
６３ 凹部

Claims (4)

1. 素材の位置決め基準部となる部位を成形型に対して非平行な形状とし、前記素材を加熱し、成形型を用いたプレス成形により前記素材の外形から素材材料を析出させて前記成形型の内壁によって新生面を形成し、該新生面を前記位置決め基準部としたことを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 前記プレス成形前の前記素材の前記位置決め基準部となる部位を、面取りによって前記非平行な形状に形成することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 前記プレス成形前の前記素材の前記位置決め基準部となる部位を、円弧部によって形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の製造方法。
4. 光学機器の製造方法であって、
   素材の位置決め基準部となる部位を成形型に対して非平行な形状とし、前記素材を加熱し、成形型を用いたプレス成形により前記素材の外形から素材材料を析出させて前記成形型の内壁によって新生面を形成し、該新生面を前記位置決め基準部とする光学素子製造工程と、
   該光学素子製造工程において製造した前記光学素子の新生面を、前記光学機器の基準部に突き当てる工程と、
   を備えることを特徴とする光学機器の製造方法。

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