JP6089212B2 - 鏡筒一体型レンズ - Google Patents

Description

本発明は、鏡筒とガラスレンズを一体化した鏡筒一体型レンズに関する。

図１に示すような光通信システムに設けられるレーザ光源１には、レーザ光源１を構成する半導体チップ２から射出された発散光束を光ファイバ３に集光させる光学素子４が配置されている。そして、この光学素子４は、筒状の鏡筒５の内周部分にガラスレンズ６を一体化したもの（以下、鏡筒一体型レンズと称す）が知られている。

そして、このような鏡筒一体型レンズ４は、鏡筒５の内部で硝材を成形可能温度まで加熱し加圧成形することで、硝材が鏡筒５の内周部分で押し広げられ、加圧型の成形面が硝材に転写されるとともに鏡筒５の内周面と当接する。その後、冷却段階に於いて鏡筒５の収縮作用によりガラスレンズ６が鏡筒５の内周面に圧接され一体化される。

なお、このような鏡筒一体型レンズ４に於いて低コスト化を進めるにあたり、従来、鏡筒５として切削加工品を用いていたのであるが、現在は、より低コストなプレス加工品を採用する検討が進められている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００９−８６０７５号公報

しかしながら、鏡筒一体型レンズ４は、鏡筒５の内周面にガラスレンズ６を圧接支持する構成であることから、鏡筒５の強度が必要となる。すなわち、この部分の強度が不足した場合、ガラスレンズ６を支持する圧接力が低下し、鏡筒５とガラスレンズ６との間における気密性の確保が困難となる。なお、このような鏡筒一体型レンズは、半導体レーザから射出された発散光束を光ファイバ３に集光させるカップリングレンズとして用いられ、鏡筒５とガラスレンズ６で構成する閉空間において半導体チップ２に対する気密封止の役割を果たしたりするため、この部分における圧接力の低下は重要な問題となる。

そこで、特許文献１の鏡筒５ではガラスレンズ６と当接する部分の厚みを増やすことが提案されているが、この場合プレス加工する板金は部分的に厚みの異なる特殊な板金を用いる必要があり低コスト化には不利な構成となっていた。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、鏡筒一体型レンズにおける鏡筒とガラスレンズの当接部分における気密性を高めることを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、鏡筒の内周面にガラスレンズを圧接支持した鏡筒一体型レンズにおいて、鏡筒の内周面におけるガラスレンズと当接する部分に、ガラスレンズに包含された凸部を設けるとともに凸部の裏面に当たる鏡筒の外周面に凹部を設けた構成とした。

この構造により、鏡筒一体型レンズの気密性を高めることが出来るのである。

本発明に係る光通信システムのレーザ光源を示す断面図 （ａ）〜（ｃ）同レーザ光源を構成する鏡筒一体型レンズの成形方法を示す図 同鏡筒一体型レンズを構成する鏡筒の膨張収縮状態を示す図 同鏡筒一体型レンズの鏡筒とガラスレンズの当接部分を示す拡大図 （ａ）〜（ｄ）同鏡筒の成形方法を示す図

以下、本発明の一実施の形態における鏡筒５とカップリング機能を有するガラスレンズ６を一体化した鏡筒一体型レンズ４について図を用いて説明する。

図１は光通信システムのレーザ光源１を示した断面図であり、ステム７と、このステム７の主面に実装した基台８とこの基台８の主面に実装した半導体チップ２と、ステム７の主面に実装され半導体チップ２を封口する鏡筒一体型レンズ４とで構成されている。なお、鏡筒一体型レンズ４は半導体チップ２からから射出された発散光束を光ファイバ３に集光するカップリングレンズとして機能する。

鏡筒一体型レンズ４は、ステンレスからなる筒状の鏡筒５の内周部分にカップリング機能を有するガラスレンズ６を一体化したもので、鏡筒５の下面がステム７に溶接する基準面となる。なお、鏡筒一体型レンズ４は、ステム７と鏡筒一体型レンズ４で形成する半導体チップ２を囲む閉空間には窒素ガスが充填され還元雰囲気に保たれており半導体チップ２の酸化を防止しており、鏡筒一体型レンズ４に対しても鏡筒５とガラスレンズ６との当接面において内外の気密性確保が求められている。

次に、この鏡筒一体型レンズ４の製造方法を説明する。この鏡筒一体型レンズ４は図２（ａ）に示すように加熱・加圧成形装置９の内部にガラスレンズ６を形成する硝材６ａと鏡筒５が配置される。なお加熱・加圧成形装置９は、ガラスレンズ６の下面を転写する固定型１０と、ガラスレンズ６の上面を転写する摺動型１１と、固定型１０に対する摺動型１１の摺動をガイドする胴型１２と、これらの温度を制御するヒータ（特に図示せず）で構成される。

そして、加熱・加圧成形装置９の内部に配置された硝材６ａの温度を熱転移点以上のプレス成形可能な温度に昇温させ、図２（ｂ）に示すように摺動型１１を摺動させて硝材６ａを加圧成形し、冷却した後に図２（ｃ）に示すように摺動型１１を上昇させ、鏡筒５の内周面にガラスレンズ６が圧接支持された鏡筒一体型レンズ４を取り出すのである。

次に、ガラスレンズ６が鏡筒５の内周面に圧接支持される原理について説明する。図３は加熱・加圧成形における鏡筒５の膨張収縮状態を示したもので、昇温前の鏡筒５を破線で示し、成形温度に昇温した後の鏡筒５を実線で示している。ここに示すように、鏡筒５は昇温による熱膨張により内径および外径が大きくなる。そして、成形温度まで昇温され内径が大きくなった鏡筒５の内部で図２（ｂ）に示すように硝材６ａを加圧成形により鏡筒５の内周面にまで押し広げられる。なお、鏡筒５の線熱膨張係数は、ガラスレンズ６の線熱膨張係数より大きいものを用いているので、加圧成形後の冷却段階において線熱膨張係数が大きい鏡筒５の熱収縮量がガラスレンズ６より大きくなるため、ガラスレンズ６の外周部分に鏡筒５から圧接力が働き、ガラスレンズ６を鏡筒５が圧接支持することになる。

なお、この鏡筒一体型レンズ４においては、低価格化を実現するために、鏡筒５としてプレス加工品を採用している。実際には板厚が０．２ｍｍのステンレス板からプレス加工により成形したものを用いている。このため鏡筒５の強度が低くなるため、図２（ｂ）に示す加圧成形時のガラスレンズ６からの押圧力や冷却時の圧接力が加わる鏡筒５のガラスレンズ６との当接部分の強度を確保することが重要となる。すなわち、この部分の強度が低ければガラスレンズ６を圧接支持する力が小さくなり、鏡筒５とガラスレンズ６の当接部における気密性が低くなってしまうという問題が生じる。

そこで、ガラスレンズ６を圧接支持する力の低下を防止するために、図４に示すように、鏡筒５の内周面に凸部１３を設けるとともにこの凸部１３の裏面側に当たる鏡筒５の外周面に凹部１４を設けている。この構成によれば、凸部１３が鏡筒５の内周面に対してリブの役割を果たし強度を確保できるとともにガラスレンズ６の脱落を防止する係止機能を備えることになる。また、硝材６ａが加圧成形により押し広げられる過程において鏡筒５の内周面において凸部１３の先端から当接が始まり、この凸部１３を包含するようにして鏡筒５の内周面と接合するので、量産工程において凸部１３を中心とした当接状態が安定する。この結果、鏡筒一体型レンズ４における気密性を安定的に確保することができる。なお、この凸部１３は鏡筒５の内周面に沿って環状に連続して設けることが好ましいが、環状に断続配置しても効果を得ることができる。さらに、凸部１３はガラスレンズ６と当接する部分でありこの当接部分に角部が存在すると熱収縮の段階でこの角部に応力集中が発生しガラスレンズ６の割れ、欠けにつながるため、凸部１３は湾曲形状とすることが望ましい。

また、凸部１３の裏面部分に凹部１４を設けることでもガラスレンズ６を圧接支持する力の低下を防止することができる。この点については、加圧成形時に鏡筒５が硝材６ａの押し拡がりにより胴型１２の内周面と当接することに起因する熱収縮作用の低下に基づくものである。つまり、鏡筒５の熱収縮作用によるガラスレンズ６の圧接は、成形温度によって熱膨張した鏡筒５内でガラスレンズ６を成形し、その後の熱収縮によりガラスレンズ６を圧接するものである。しかしながら、硝材６ａの押し広がりに伴う押圧力により鏡筒５の外周を胴型１２の内周面に押し付けてしまうと、熱膨張による変形とは異なる押圧力に伴う変形が別途生じてしまう。この押圧力に伴う形状変化は熱膨張による変形とは異なるものであるため、冷却段階での熱収縮力のばらつきにつながり、結果として均一な圧縮応力が得られにくく気密性の確保が困難となる。

しかし、この凸部１３の裏面側に凹部１４を設けることで、加圧成形において最初に当接して撓みの中心となる凸部１３が矢印で示すように外側に膨らんだとしても、その裏面側に凹部１４が設けられているので、その分、胴型１２と当接するまでの距離を稼いでいるので、熱膨張以外の変形を抑制することができ、結果としてガラスレンズ６に対する圧接力の低下を抑制することができる。

なお、このような鏡筒５を成形するにあたっては、先ず図５（ａ）に示すように平板のステンレス板１６をプレス型１７により筒状部１８を形成する、次いで図５（ｂ）に示すように筒状部１８の上端側から径の大きいプレス型２０により筒状部１８の一端側の径を拡張させる。なお、この時、凸部１３および凹部１４を設ける部分は押え型１９により変形防止している。次いで、図５（ｃ）に示すように他端側から径の大きいプレス型２１により筒状部１８の下端側の径を拡張することで、両端側の径の拡張部分の間に凸部１３と凹部１４を成形することができる。次いで図５（ｄ）に示すように鏡筒５の下面にプロジェクション１５を形成することで鏡筒５を成形することができる。なお、この工法を採用するために、鏡筒５に対して環状に形成される凸部１３は一周回分のみ設けることが好ましい。

本発明に係る鏡筒一体型レンズは、気密性を高めることができ、特に、半導体レーザを用いた光源装置において有用となるものである。

４ 鏡筒一体型レンズ
５ 鏡筒
６ ガラスレンズ
１３ 凸部
１４ 凹部

Claims (6)

1. 鏡筒の内周面にガラスレンズを圧接支持した鏡筒一体型レンズに於いて、前記鏡筒の内周面における前記ガラスレンズと当接する部分に、前記ガラスレンズに包含された凸部を設けるとともに、前記鏡筒の外周面における前記凸部の裏面側に凹部を設けたことを特徴とする鏡筒一体型レンズ。
2. 凸部は鏡筒の内周面に沿って環状に配置したことを特徴とする請求項１に記載の鏡筒一体型レンズ。
3. 凸部は、鏡筒の内周面に於いて一周回のみ設けたことを特徴とする請求項２に記載の鏡筒一体型レンズ。
4. 凸部は湾曲形状であることを特徴とする請求項１に記載の鏡筒一体型レンズ。
5. ガラスレンズは鏡筒の内周部分で加熱、加圧成形されたことを特徴とする請求項１に記載の鏡筒一体型レンズ。
6. 鏡筒の線熱膨張係数はガラスレンズの線熱膨張係数より大きいことを特徴とする請求項５に記載の鏡筒一体型レンズ。

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