JPWO2012070286A1 - Lens unit - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のレンズユニットの鏡筒は磁化し、磁性パーティクルが鏡筒に付着し、レンズユニットの組み込みで電子機器等に磁性パーティクルが持ち込まれ、電子機器の性能が劣化していた。【解決手段】鏡筒の非磁性化と、鏡筒とレンズとの熱膨張係数差を20×10-7/℃以下とすることで、レンズの性能劣化及び破損を防止するとともに筒状の鏡筒に付着するパーティクルを大幅に低減するレンズユニットを提供する。A lens barrel of a conventional lens unit is magnetized, magnetic particles adhere to the lens barrel, and magnetic particles are brought into an electronic device or the like by incorporating the lens unit, and the performance of the electronic device is deteriorated. The lens barrel is made non-magnetic, and the difference in thermal expansion coefficient between the lens barrel and the lens is 20 × 10 −7 / ° C. or less, so that the lens performance is prevented from being deteriorated and damaged, and the cylindrical mirror is prevented. Provided is a lens unit that greatly reduces particles adhering to a cylinder.
Description
本発明は、モバイル製品やプロジェクタなどの電子機器及び光通信機器等に、光学部品として使用される鏡筒とレンズとを一体化したレンズユニットに関する。 The present invention relates to a lens unit in which a lens barrel and a lens used as optical components are integrated in electronic devices such as mobile products and projectors, optical communication devices, and the like.
モバイル製品やプロジェクタなどの電子機器及び光通信機器等に、光学部品として、図14に示す鏡筒付きレンズユニット6が広く使われている。従来技術である特許文献1に記載された鏡筒付きレンズユニット6は、鏡筒7と、レンズ8と、鏡筒7とレンズ8を接合する低融点ガラス9から構成されている。
A
鏡筒7の材料として、レンズ8の熱膨張係数よりも少なくとも20×10-7/℃以上高い熱膨張係数を有するオーステナイト系ステンレスSUS304、SUS316、SUS321が使用されている。As the material of the
また、酸化鉛を含む低融点ガラス9が使用されており、人体に有害であると同時に環境を汚染する。
Further, a low
また、鏡筒7とレンズ8を低融点ガラス9で接合する従来技術では、低融点ガラス9に関連する製造過程の不具合や低融点ガラス9自体の不具合が発生していた。例えば、特許文献2に記載されるように、酸化鉛が含有された低融点ガラス9は、水中もしくは高温高湿の環境下において、変性する場合があった。この変性した低融点ガラス9は剥離しやすく、剥離してレンズ8や光ファイバに付着し、透過光量を低減させていた。
Further, in the conventional technique in which the
酸化鉛を含む低融点ガラス9を使用しないで、筒状の鏡筒とレンズのみでレンズユニットを製作する製法は、前記レンズの材質として無鉛ガラスを使用するため処理温度が高温化した。そのため、従来技術のように、前記レンズの熱膨張係数よりも少なくとも20×10-7/℃以上高い熱膨張係数を有する金属で前記筒状の鏡筒を形成すると、前記レンズに大きな応力が生じ、複屈折等による性能劣化やクラック等の破損が発生した。In the manufacturing method in which the lens unit is manufactured using only the cylindrical lens barrel and the lens without using the low
特許文献1に記載された従来技術では、鏡筒7の材料として、オーステナイト系ステンレスSUS304、SUS321が使用されていた。ところが、前記ステンレス鋼は、冷間加工(切削、冷間圧造等)を行なうとマルテンサイト変態を起し磁化することが知られている。
In the prior art described in
よって、切削加工時に鏡筒7が磁化し、その後の工程で鏡筒7に磁性パーティクルが付着する。そして該磁性パーティクルが電子機器及び光通信機器等に持ち込まれ、電子機器等
の持ち運びの際の振動や機器内で可動するモータ等の影響で脱落し、光学部品に付着し光学性能を劣化させる問題があった。Therefore, the
本発明の目的は、レンズの性能劣化及び破損を防止するとともに筒状の鏡筒に付着するパーティクルを大幅に低減するレンズユニットを提供することである。 An object of the present invention is to provide a lens unit that prevents deterioration and breakage of a lens and significantly reduces particles adhering to a cylindrical barrel.
本発明のレンズユニットは、筒状の鏡筒と前記筒状の鏡筒の内周面に固定されたレンズとからなり、前記固定は前記レンズが軟化点以上で溶融され常用温度で固化されてなり、前記筒状の鏡筒が非磁性体であること、前記筒状の鏡筒と前記レンズとの熱膨張係数の差が20×10-7/℃以下であること、前記筒状の鏡筒より前記レンズの熱膨張係数が小さいことを特徴とする。The lens unit of the present invention comprises a cylindrical lens barrel and a lens fixed to the inner peripheral surface of the cylindrical lens barrel, and the fixing is performed by melting the lens at a softening point or higher and solidifying at a normal temperature. The cylindrical lens barrel is a non-magnetic material, the difference in thermal expansion coefficient between the cylindrical lens barrel and the lens is 20 × 10 −7 / ° C. or less, and the cylindrical mirror The thermal expansion coefficient of the lens is smaller than that of the tube.
このような態様であれば、前記筒状の鏡筒が非磁性体からなるので、その切削加工時に磁化することがないので、その後の工程で前記筒状の鏡筒に付着する磁性パーティクルを大幅に低減できる。 In such an embodiment, since the cylindrical lens barrel is made of a non-magnetic material, it is not magnetized during the cutting process, so that magnetic particles adhering to the cylindrical lens barrel in the subsequent process are greatly reduced. Can be reduced.
このような態様であれば、前記レンズに加重される応力は充分に小さいので、前記レンズは、複屈折等により性能を劣化させること及びクラック等で破損することはない。 In such an embodiment, since the stress applied to the lens is sufficiently small, the lens does not deteriorate in performance due to birefringence or the like, and is not damaged due to a crack or the like.
よって、本発明によれば、前記レンズの性能劣化や破損を防止するとともに前記筒状の鏡筒に付着するパーティクルを大幅に低減するレンズユニットを提供することができる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a lens unit that prevents performance deterioration and breakage of the lens and significantly reduces particles adhering to the cylindrical lens barrel.
前記筒状の鏡筒が、チタンまたはチタン合金であることが好ましい。
このような態様であれば、前記筒状の鏡筒は非磁性体であり、前記筒状の鏡筒と前記レンズとの熱膨張係数の差は20×10-7/℃以下であり、前記筒状の鏡筒より前記レンズの熱膨張係数は小さくなる。It is preferable that the cylindrical lens barrel is titanium or a titanium alloy.
In such an aspect, the cylindrical barrel is a non-magnetic material, and the difference in thermal expansion coefficient between the cylindrical barrel and the lens is 20 × 10 −7 / ° C. or less, The thermal expansion coefficient of the lens is smaller than that of the cylindrical lens barrel.
前記筒状の鏡筒とレンズが気密に接合されていることが好ましい。
このような態様であれば、気密封止を必要とする電子部品を製作できるとともに気密封止を必要とする電子機器及び光通信機器の筐体に取りつけることが可能である。It is preferable that the cylindrical lens barrel and the lens are hermetically bonded.
With such an aspect, it is possible to manufacture an electronic component that requires hermetic sealing and attach it to the casing of an electronic device or optical communication device that requires hermetic sealing.
前記筒状の鏡筒が円筒状であることが好ましい。
このような態様であれば、前記筒状の鏡筒が前記レンズを締め付ける応力が、前記筒状の鏡筒と前記レンズが接する面に沿って均一になるため、締め付けが効果的になるとともに前記レンズにクラックや割れ等の不具合が発生し難くなる。The cylindrical barrel is preferably cylindrical.
According to such an aspect, the stress that the cylindrical lens barrel fastens the lens becomes uniform along the surface where the cylindrical lens barrel and the lens are in contact with each other. Problems such as cracks and cracks are less likely to occur in the lens.
前記レンズが非球面レンズであることが好ましい。
非球面レンズは、球面収差を抑えるのでプロジェクタなどの電子機器の像面を鮮明にし、光通信機器の結合効率も向上させる。The lens is preferably an aspheric lens.
Since the aspheric lens suppresses spherical aberration, the image surface of an electronic device such as a projector is sharpened, and the coupling efficiency of the optical communication device is improved.
前記筒状の鏡筒の前記レンズに接する部分の外径が、前記レンズの外径の20.5倍以下であることが好ましい。
この態様であれば、前記筒状の鏡筒が前記レンズを保持し且つ締め付ける応力を小さくできるので、前記レンズにクラックや割れ等の不具合が発生し難くなる。It is preferable that an outer diameter of a portion of the cylindrical barrel that is in contact with the lens is 20.5 times or less of an outer diameter of the lens.
According to this aspect, since the stress that holds and tightens the lens by the cylindrical lens barrel can be reduced, it is difficult for the lens to have a defect such as a crack or a crack.
本発明によれば、前記筒状の鏡筒が非磁性体からなるので、その切削加工時に磁化することがないので、その後の工程で前記筒状の鏡筒に付着する磁性パーティクルを大幅に低減できる。 According to the present invention, since the cylindrical lens barrel is made of a non-magnetic material, it is not magnetized at the time of cutting, so that magnetic particles adhering to the cylindrical lens barrel in the subsequent process are greatly reduced. it can.
本発明によれば、レンズに加重される応力は充分に小さいので、前記レンズは、その性能を劣化させること及びクラック等で破損をすることはない。 According to the present invention, since the stress applied to the lens is sufficiently small, the lens does not deteriorate its performance and does not break due to cracks or the like.
よって、本発明によれば、前記レンズの性能劣化や破損を防止するとともに前記筒状の鏡筒に付着するパーティクルを大幅に低減するレンズユニットを提供することが可能である。 Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a lens unit that prevents performance deterioration and breakage of the lens and significantly reduces particles adhering to the cylindrical barrel.
図1、図2は、本発明を適用した第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニット1を示す。非磁性鏡筒2は、円筒状であり、非磁性のチタンからなる。非磁性鏡筒2の内側に非球面レンズ3が設けられている。
1 and 2 show a
本発明では、磁化率の絶対値が5×10-6cm3/g以下である物質を非磁性としている。In the present invention, a substance having an absolute value of magnetic susceptibility of 5 × 10 −6 cm 3 / g or less is made nonmagnetic.
第一の実施形態では、非磁性鏡筒2の材質はチタンとしたが、これに限られない。磁化率の絶対値が5×10-6cm3/g以下である物質から選択できる。チタン、ビスマス、タリウム、タングステン、タンタル、スズ、アルミニウム、クロム、マグネシウム、ガリ
ウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、モリブデン、イリジウム、オスミウム、レニウム、金、白金、亜鉛、銀、銅いずれかの金属またはふたつ以上からなる合金、前記金属及び前記合金に不純物を添加したものからも選択できる。また、非磁性のステンレス鋼からも選択できる。また、前記金属及び前記合金は、レンズとの熱膨張係数の差が20×10-7/℃以下であり、前記レンズより熱膨張係数が大きく、その融点が前記レンズの軟化点より大きいことが必要である。In the first embodiment, the material of the
現時点の公表されたデータから、非磁性の物質と前記レンズの硝種において、熱膨張係数の差が20×10-7/℃以下で、前記レンズより熱膨張係数が大きく、前記非磁性の物質の融点が前記レンズの軟化点より大きいことを満足する組み合わせは、表1に示すように、以下となる。銅と(株)住田光学ガラス製の硝種であるK−PKF80、K−GFK70、K−GFK68、クロムまたはチタンと(株)オハラ(株)製の硝種であるL−BAL35または住田光学ガラス製の硝種であるK−PBK40、K−VC89、非磁性であるSUS305、SUS316またはSUS316Lと(株)住田光学ガラス製の硝種であるK−CaFK95、K−PG325、K−PG375の組み合わせである。From the data published at the present time, the difference in thermal expansion coefficient between the non-magnetic substance and the lens type of the lens is 20 × 10 −7 / ° C. or less, and the thermal expansion coefficient is larger than that of the lens. As shown in Table 1, the combinations satisfying that the melting point is larger than the softening point of the lens are as follows. Made of copper and K-PKF80, K-GFK70, K-GFK68, chrome or titanium glass types made by Sumita Optical Glass Co., Ltd., and L-BAL35 or Sumita Optical Glass made by Ohara Co., Ltd. It is a combination of K-PBK40 and K-VC89 which are glass types, SUS305, SUS316 or SUS316L which is non-magnetic and K-CaFK95, K-PG325 and K-PG375 which are glass types made by Sumita Optical Glass Co., Ltd.
第一の実施形態では非球面レンズ3及び円筒状の非磁性鏡筒2を設けたが、レンズの形状は非球面以外も可能であり、筒状の鏡筒の形状も円筒状以外も可能である。
In the first embodiment, the
第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニット1の製造方法を図3により説明する。まず始めに、切削加工によって非磁性材に貫通孔を形成することで非磁性鏡筒2を製作する(a)。この非磁性鏡筒2をプレス装置に設置し、開口部からレンズ素材30を挿入し下型33の上に置き(b)、ヒータ31によってレンズ素材30の軟化点以上に加熱する(c)。次に、光学機能面形成部を有する上型32及び下型33によりレンズ素材30をプレスすることで光学機能面形成部の形状をレンズ素材30に転写する(d)。非球面レンズ3と非磁性鏡筒2とを一体化するとともに、光学機能面をも同時に形成する。次に、複数個の非磁性鏡筒付きレンズユニット1を成膜装置34に設置し、成膜源35を加熱する等によって前記光学機能面の表裏に光学機能膜を成膜する(e)。前記光学機能膜の材料としてはフッ化マグネシウムや二酸化珪素などの反射防止膜を形成する材料が用いられる。
The manufacturing method of the
非磁性鏡筒2の熱膨張係数は、非球面レンズ3の熱膨張係数より大きくなるように選ばれている。プレス成形によって非球面レンズ3は非磁性鏡筒2と一体形成された後、レンズ素材30の軟化点以上から常用温度に戻る冷却過程で、非磁性鏡筒2は非球面レンズ3よりも大きく収縮するため、非球面レンズ3は非磁性鏡筒2に締め付けられ強固に及び気密に固定される。
The thermal expansion coefficient of the
第一の実施形態では、低融点ガラス等の接着層を用いることなく、非球面レンズ3は非磁性鏡筒2に直接に強固に及び気密に固定される。
In the first embodiment, the
図4は、第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニット1を、画像表示装置であるプロジェクタ100に搭載した第一の適用例を示す模式図である。ランプ101からの光は、非磁性鏡筒付きレンズユニット1で集光され、モータ102aによって回転する三色に色分けされたカラーホイール102を通り、再び非磁性鏡筒付きレンズユニット1で集光され、独立に動く超微細な数十万〜数百万個の鏡を備えた光半導体103で反射され、投射レンズ104によってスクリーンに投影される。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a first application example in which the
ところで、磁性体の金属及びその金属屑は、金属加工で磁化することが一般的に知られている。これは、金属加工で発生する熱により前記金属及び前記金属屑の温度がキュリー温度を越え、駆動モータ等からの漏洩磁場、地磁気等によって磁化すると考えられる。 By the way, it is generally known that a magnetic metal and its metal scrap are magnetized by metal processing. This is considered that the temperature of the metal and the metal scrap exceeds the Curie temperature due to heat generated in metal processing, and is magnetized by a leakage magnetic field from the drive motor or the like, geomagnetism, or the like.
Ni含有量が少ないオーステナイト系ステンレスは、冷間加工(切削、冷間圧造等)を行なうとマルテンサイト変態を起し磁化することが知られている。この磁化は、化学成分と冷間加工率とに関連して影響を受ける。よって、Ni含有量が少ない、オーステナイト系ステンレスSUS304、SUS321には、加工量に伴いマルテンサイト変態し磁化するものがある。 It is known that austenitic stainless steel with a low Ni content undergoes martensitic transformation and becomes magnetized when cold working (cutting, cold heading, etc.) is performed. This magnetization is affected in relation to the chemical composition and the cold work rate. Therefore, some austenitic stainless steels SUS304 and SUS321 with a low Ni content undergo martensitic transformation and become magnetized with the amount of processing.
本発明による第一の実施形態では、非磁性鏡筒2はチタンで形成されているので、非磁性であるとともに冷間加工等により磁化することはない。
In the first embodiment according to the present invention, the
特許文献1に記載されたオーステナイト系ステンレスSUS304、SUS321から形成された鏡筒7は切削加工時に磁化し、図15に示すように、その後の工程で磁性パーティクル202が鏡筒7に付着し、鏡筒付きレンズユニット6をプロジェクタ100に搭載すると、磁性パーティクル202がプロジェクタ100の筐体内に持ち込まれることがあった。
The
プロジェクタ100の持ち運び、取り扱い及びモータ102aで発生する振動により、鏡筒7に付着した磁性パーティクル202は、鏡筒7より脱落しレンズ8や投射レンズ104等の表面に付着する。
The
また、図4に示すように、非磁性鏡筒付きレンズユニット1の近傍にはモータ102aがあり、この永久磁石からの漏洩磁場は、常時、非磁性鏡筒付きレンズユニット1に印加されている。従来技術の磁化した鏡筒7の場合には、この漏洩磁場によって消磁され、磁性パーティクル202の鏡筒7に対する付着力が弱まり、磁性パーティクル202がレンズ8や投射レンズ104等の表面へ付着し易くなる。
Further, as shown in FIG. 4, there is a
モータ102aをシールドすれば前記問題は低減するが、これは小型化に反する。逆に言えば、非磁性鏡筒付きレンズユニット1は、シールドをしないで前記不具合を防ぐことができるので、小型化に適している。
If the
上述のように、磁性パーティクル202が非球面レンズ3や投射レンズ104等の表面に付着すると、画像表示装置であるプロジェクタ100の画像欠陥となり問題であった。ところが、本発明によれば、非磁性鏡筒付きレンズユニット1は磁化しない非磁性鏡筒2を備えているために、磁性パーティクル202等が非磁性鏡筒2に付着することは、従来技術に比べて大幅に低減された。
As described above, if the
よって、本発明によれば、非磁性鏡筒2を備えることで、筒状の鏡筒に磁性パーティク202が付着することを大幅に低減するレンズユニットを提供することができ、電子機器及び光通信機器等への磁性パーティクル202の持ち込みを大幅に低減した。
Therefore, according to the present invention, by providing the
また、第一の適用例である図4に示すカラーホイール102には、回転角度の検出のための磁気センサ及びブラシレスモータ用磁気センサが搭載されている。ブラシレスモータは、モータ102aが高速回転するために高性能・長寿命の要求から使用され、ブラシレスモータには回転角度の検出のために磁気センサが搭載されている。
Further, the
鏡筒付きレンズユニット6を、プロジェクタ100に搭載した場合、磁化した鏡筒7からの磁界が、前記磁気センサの感受面に作用して出力電圧が発生する。この出力電圧が回
転角度の誤差となり、カラーホイール102の高精度な制御が損なわれ、その結果、プロジェクタ100に対する高輝度、且つ高画質な要求が損なわれていた。When the
本発明によれば、非磁性鏡筒付きレンズユニット1は磁化しないので、前記磁気センサから誤差となる出力電圧は発生しない。よって、カラーホイール102の高精度な制御が可能となり、高輝度、且つ高画質なプロジェクタ100を提供することができる。
According to the present invention, since the
第一の適用例として画像表示装置であるプロジェクタ100の例を説明したが、プロジェクタ100に限定されるものではない。例えば、近年は、モバイル製品や高輝度の半導体レーザを光源に使うことで小型化したマイクロプロジェクタなどの持ち運び容易な製品に鏡筒付きレンズユニットが使用され始めている。これらの製品に適用しても、本発明は有効である。
Although the example of the
マイクロプロジェクタとしては、例えば、三原色のレーザ光が照明レンズで垂直方向の一次元照明光にされ、この一次元照明光が微細なMEMS(Micro Electro−Mechanical Systems)デバイスで回折され一次元像となり、この一次元像の回折光のみが投射レンズを通り集光され、走査ミラーで水平方向に走査されて二次元像がスクリーンに投影されるものがある。 As a micro projector, for example, three primary colors of laser light are converted into vertical one-dimensional illumination light by an illumination lens, and this one-dimensional illumination light is diffracted by a fine MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) device to form a one-dimensional image. In some cases, only the diffracted light of this one-dimensional image is collected through a projection lens, and is scanned in the horizontal direction by a scanning mirror to project a two-dimensional image onto a screen.
近年、大量の情報を高速に授受するために、光通信網の需要が高まっている。図5は、第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニット1を、このような光通信における送受信モジュール300に搭載した第二の適用例である。
In recent years, the demand for optical communication networks is increasing in order to exchange a large amount of information at high speed. FIG. 5 shows a second application example in which the
発光素子であるレーザーダイオード303から射出された光は、非磁性鏡筒付きレンズ
ユニット1によって集光され合波フィルタ302を通り光ファイバ301に入射するとともに、光ファイバ301から射出された光は、合波フィルタ302によって反射され非磁性鏡筒付きレンズユニット1によって集光され受光素子であるフォトダイオード304に入射する。The light emitted from the
第一の適用例と同じように、鏡筒付きレンズユニット6を送受信モジュール300に搭載した場合には、送受信モジュール300に発生する振動等により、鏡筒7に付着した磁性パーティクル202等が、鏡筒7より脱落しレンズ8や合波フィルタ302等の表面に付着することが考えられる。この結果、光強度が劣化する、また、磁性パーティクル202等が大きい場合には光が送受信されない故障の原因となる。
As in the first application example, when the
本発明によれば、非磁性鏡筒2に付着する磁性パーティクル202を大幅に低減できるので、鏡筒付きレンズユニット6を光通信機器である送受信モジュール300に搭載することで発生する光強度が劣化する、また、磁性パーティクル202が大きい場合には光が送受信されないと言う不具合を大幅に低減することができた。
According to the present invention, the
本発明によれば、上述した製造方法によって、例えば、図1に示すように非磁性鏡筒2と非球面レンズ3とのみで一体化された非磁性鏡筒付きレンズユニット1が得られる。と
ころが、従来技術では、図14に示すように鏡筒7、レンズ8及び低融点ガラス9から鏡筒付きレンズユニット6が構成されている。According to the present invention, by the manufacturing method described above, for example, as shown in FIG. 1, a
また、特許文献2に記載されるように、酸化鉛を含有した低融点ガラス9は、湿気に弱く、時間が経過するにつれて変化し、表面に微細なクラックが入る。また、低融点ガラス9は、微細なクラックによって剥離する。剥離した低融点ガラス9は、レンズ8に付着し、その表面に微細なクラックが入ることで白濁し、レンズ8の透明度を阻害する。また、剥離によってレンズ接合強度が低下し、甚だしい場合にはレンズ8の脱落が生じることさえある。
Moreover, as described in
本発明によれば、低融点ガラス9を含まないので、低融点ガラス9に関連する製造過程の不具合や低融点ガラス9自体の不具合が発生することはない。
According to the present invention, since the low-melting
特許文献1に記載される従来技術では、レンズ8とレンズ8より僅かに大きい内径を有する鏡筒7と低融点ガラス9とを、低融点ガラス9が融ける450℃まで加熱昇温させ、低融点ガラス9を鏡筒7とレンズ8との隙間に流入させ充填させた後に、常用温度まで冷却することにより固定していた。その際、低融点ガラス9の熱膨張係数を鏡筒7より小さくレンズ8より大きくすることで、鏡筒7の収縮によるレンズ8への応力を緩和していた。
In the prior art described in
本発明によれば、鉛を含む低融点ガラスを使用しないで、例えば、図1に示すように、非磁性鏡筒2と非球面レンズ3とのみで非磁性鏡筒付きレンズユニット1を形成する。そのため、図3に示す上述した製造方法では、レンズ素材30の軟化点程度に加熱する必要がある。第一の実施形態では、レンズ素材30として無鉛ガラス(株式会社オハラ製:L−BAL35)を使用しており、その軟化点は619℃である。
According to the present invention, the
第一の実施形態では、レンズ素材30として無鉛ガラス(株式会社オハラ製:L−BAL35)を使用しているが、これに限定されるものではない。筒状の鏡筒との熱膨張係数の差が20×10-7/℃以下であり、且つ前記筒状の鏡筒より熱膨張係数が小さい、無鉛ガラスなら使用可能である。In the first embodiment, lead-free glass (manufactured by OHARA, Inc .: L-BAL35) is used as the
本発明は、特許文献1に記載される従来技術に比べて、製造方法が高温化する。よって、特許文献1に記載される従来技術のように、レンズの熱膨張係数よりも少なくとも20×10-7/℃以上高い熱膨張係数を有する材料で筒状の鏡筒を形成すると、前記レンズに大きな応力が生じ、複屈折等による性能劣化やクラック等の破損が発生した。Compared with the prior art described in
よって、本発明によれば、前記筒状の鏡筒と前記レンズとの熱膨張係数の差が20×10-7/℃以下であること及び前記筒状の鏡筒より前記レンズの熱膨張係数が小さいことが必要であった。このことを、以下に説明する。Therefore, according to the present invention, the difference in thermal expansion coefficient between the cylindrical barrel and the lens is 20 × 10 −7 / ° C. or less, and the thermal expansion coefficient of the lens from the cylindrical barrel. Needed to be small. This will be described below.
図6に示す前記レンズである円柱50と前記筒状の鏡筒である円筒51の構成で、円柱50の軟化点から常用温度(25℃)に冷却された時に、円柱50と円筒51に加重される応力を計算する。ここでは、計算を簡単にするために、前記レンズを円柱50に、前記筒状の鏡筒を円筒51としたが、実際的に問題はないと考える。ただし、α=熱膨張係数、T=軟化点−25、σ=応力、E=ヤング率であり、添字の1は円柱を、添字の2は円筒を意味する。また、添字のzはz軸方向、添字のrはr軸方向を意味する。Lは、円柱50と円筒51のz軸方向の長さであり、D1は円柱50の外径、D2は円筒51の外径である。
In the configuration of the
z軸方向について、熱による収縮長さ=L×α×T、応力による収縮長さ=L×σ/Eであり、円柱50と円筒51の収縮長さは同じなので
L×(α1×T+σ1z/E1)=L×(α2×T+σ2z/E2) (1)
外力は加重されていないので、
S1×σ1z+S2×σ2z=0 (2)ただし、S1=円柱50の断面積、S2=円筒50の断面積である。
式(1)と式(2)から
σ1z=S2×E1×E2×(α2−α1)×T/(S1×E1+S2×E2) (3)σ2z=−S1×E1×E2×(α2−α1)×T/(S1×E1+S2×E2)(4)と求まる。In the z-axis direction, the contraction length due to heat = L × α × T, the contraction length due to stress = L × σ / E, and the contraction length of the
Since the external force is not weighted,
S1 * [sigma] 1z + S2 * [sigma] 2z = 0 (2) where S1 = the cross-sectional area of the
From equations (1) and (2), σ1z = S2 × E1 × E2 × (α2−α1) × T / (S1 × E1 + S2 × E2) (3) σ2z = −S1 × E1 × E2 × (α2−α1) XT / (S1 * E1 + S2 * E2) (4)
r軸方向について、熱による収縮長さ=D1×α×T、応力による収縮長さ=D1×σ
/Eであり、円柱50の外径と円筒51の内径の収縮長さは同じなので、
D1×(α1×T+σ1r/E1)=D1×(α2×T+σ2r/E2) (5)
外力は加重されていないので、
π×D1×L×(σ1r+σ2r)=0 (6)式(5)と式(6)から
σ1r=E1×E2×(α2−α1)×T/(E1+E2) (7)
σ2r=−E1×E2×(α2−α1)×T/(E1+E2) (8)
と求まる。About r-axis direction, shrinkage length due to heat = D1 × α × T, shrinkage length due to stress = D1 × σ
/ E, and the contraction length of the outer diameter of the
D1 × (α1 × T + σ1r / E1) = D1 × (α2 × T + σ2r / E2) (5)
Since the external force is not weighted,
π × D1 × L × (σ1r + σ2r) = 0 (6) From equations (5) and (6), σ1r = E1 × E2 × (α2−α1) × T / (E1 + E2) (7)
σ2r = −E1 × E2 × (α2−α1) × T / (E1 + E2) (8)
It is obtained.
第一の実施形態における、前記レンズである円柱50に加重される応力σ1zと応力σ1rを計算する。円柱50は無鉛ガラス(株式会社オハラ製:L−BAL35)からなり、円筒51はチタンからなる。L−BAL35の軟化点は619℃であり、T=619℃−25℃(常用温度)=594℃である。α1=81×10-7/℃、α2=84×10-7/℃、E1=10.08×1010N/m2、E2=10.63×1010N/m2である。また、D1=0.0038m、D2=0.005mであり、S1=π×(D1/2)×(D1/2)、S2=π×(D2/2)×(D2/2)−π×(D1/2)×(D1/2)である。これらの値を、式(3)と式(7)に代入して計算すると、
σ1z=7.8×106N/m2
σ1r=9.2×106N/m2
と求まる。In the first embodiment, the stress σ1z and the stress σ1r applied to the
σ1z = 7.8 × 10 6 N / m 2
σ1r = 9.2 × 10 6 N / m 2
It is obtained.
ところが、特許文献1に記載された従来技術のように、円筒51にオーステナイト系ステンレスSUS304を使用すると、α2=184×10-7/℃、E2=19.3×1010N/m2であり、他は上記の値を使い計算すると、
σ1z=3.6×108N/m2
σ1r=4.1×108N/m2
と求まる。However, when austenitic stainless steel SUS304 is used for the
σ1z = 3.6 × 10 8 N / m 2
σ1r = 4.1 × 10 8 N / m 2
It is obtained.
よって、本発明のように円筒51をチタンから形成するのに比べて、特許文献1に記載
のオーステナイト系ステンレスSUS304で形成すると、円柱50に加重される応力がほぼ100倍大きくなり、第一の実施形態である非球面レンズ3に、その性能劣化やクラック等の破損が発生した。Therefore, compared with the case where the
非特許文献1に破壊する直前の最大の引張り応力である引張り強さが示されている。引張り強さは機械的強度とも言われ、本発明では機械的強度と記述した。この非特許文献1によれば、ガラスの機械的強度は、3×107〜9×107N/m2である。本発明の実施
形態1の応力σ1zと応力σ1rはガラスの機械的強度以下であるが、特許文献1に記載のオーステナイト系ステンレスSUS304を使用すると機械的強度を越えてしまう。
ところで、α2=81×10-7/℃(L−BAL35と同じ)+20×10-7/℃、E2=10.63×1010N/m2(チタンと同じ)とし、他は第一の実施形態の数値を使い計算すると、
σ1z=5.2×107N/m2
σ1r=6.2×107N/m2
となる。この値は、ガラスの機械的強度とほぼ同じである。Incidentally, the α2 = 81 × 10 -7 / ℃ ( same as L-BAL35) + 20 × 10 -7 /℃,E2=10.63×10 10 N / m 2 ( same as titanium) and the other first When calculating using the numerical values of the embodiment,
σ1z = 5.2 × 10 7 N / m 2
σ1r = 6.2 × 10 7 N / m 2
It becomes. This value is almost the same as the mechanical strength of glass.
このように、前記筒状の鏡筒と前記レンズとの熱膨張係数の差が20×10-7/℃以下であること及び前記筒状の鏡筒より前記レンズの熱膨張係数が小さくすることで、前記レンズを前記筒状の鏡筒に強固に固定することができるとともに、前記レンズに加重される応力をほぼガラスの機械的強度以下とすることができた。Thus, the difference in thermal expansion coefficient between the cylindrical barrel and the lens is 20 × 10 −7 / ° C. or less, and the thermal expansion coefficient of the lens is made smaller than that of the cylindrical barrel. Thus, the lens could be firmly fixed to the cylindrical lens barrel, and the stress applied to the lens could be made substantially lower than the mechanical strength of the glass.
さて、式(3)を見て分かるように、前記筒状の鏡筒の断面積S2を小さくすると、z軸方向のレンズに加重される応力σ1zは小さくなる。よって、前記レンズに機械的強度以上に応力が加重されて破壊することを防止するためには、前記筒状の鏡筒の断面積S2を小さくすることが有効である。 As can be seen from Equation (3), when the cross-sectional area S2 of the cylindrical lens barrel is reduced, the stress σ1z applied to the lens in the z-axis direction is reduced. Therefore, it is effective to reduce the cross-sectional area S2 of the cylindrical barrel in order to prevent the lens from being damaged by being stressed more than the mechanical strength.
一方、r軸方向のレンズに加重される応力σ1rは、形状には依存しなく、熱膨張係数、ヤング率及び軟化点に依存している。よって、r軸方向のレンズに加重される応力σ1rを小さくするためには、前記レンズ及び前記筒状の鏡筒の材質を適切に選択する必要がある。 On the other hand, the stress σ1r applied to the lens in the r-axis direction does not depend on the shape but depends on the thermal expansion coefficient, Young's modulus, and softening point. Therefore, in order to reduce the stress σ1r applied to the lens in the r-axis direction, it is necessary to appropriately select materials for the lens and the cylindrical lens barrel.
図7に、式(3)、式(7)に、第一の実施形態における数値を代入して計算し、前記レンズに加重される応力と前記筒状の鏡筒の外径との関係を示した。ただし、α1=81×10-7/℃、α2=84×10-7/℃、T=軟化点−25=614−25=594℃、E1=10.08×1010N/m2、E2=10.63×1010N/m2、また、D1=3.8×10-3mであるのでS1=1.13×10-5m2である。FIG. 7 shows the relationship between the stress applied to the lens and the outer diameter of the cylindrical lens barrel by substituting the numerical values in the first embodiment into the expressions (3) and (7). Indicated. However, α1 = 81 × 10 −7 / ° C., α2 = 84 × 10 −7 / ° C., T = softening point−25 = 614-25 = 594 ° C., E1 = 10.008 × 10 10 N / m 2 , E2 = 10.63 × 10 10 N / m 2 , and since D1 = 3.8 × 10 −3 m, S1 = 1.13 × 10 −5 m 2 .
図7を見ると、前記レンズ及び前記筒状の鏡筒の材質で決まる応力σ1rは9.2×106N/m2と一定であり、前記筒状の鏡筒の外径が小さくなるに従い応力σ1zは小さくなる。即ち、前記レンズ及び前記筒状の鏡筒の材質を適切に選んで応力σ1rを小さくし、前記筒状の鏡筒の形状を
σ1z≦σ1r (9)
となるように選べば、前記レンズに加重される応力を小さくできるので、軟化点から常用温度(25℃)への冷却で生じる応力による前記レンズの破壊を抑制することができる。この場合、前記筒状の鏡筒に加重される応力は大きくなるが、前記筒状の鏡筒は前記レンズに比べ機械的強度が大きいこと、また、この大きくなった応力が前記筒状の鏡筒を変形させ前記レンズに加重される応力を緩和するので好ましい。Referring to FIG. 7, the stress σ1r determined by the material of the lens and the cylindrical lens barrel is constant at 9.2 × 10 6 N / m 2, and as the outer diameter of the cylindrical lens barrel decreases. The stress σ1z becomes small. That is, the material of the lens and the cylindrical barrel is appropriately selected to reduce the stress σ1r, and the shape of the cylindrical barrel is σ1z ≦ σ1r (9)
Since the stress applied to the lens can be reduced, the destruction of the lens due to the stress generated by cooling from the softening point to the normal temperature (25 ° C.) can be suppressed. In this case, the stress applied to the cylindrical barrel is increased, but the cylindrical barrel has a higher mechanical strength than the lens, and the increased stress is applied to the cylindrical mirror. This is preferable because the tube is deformed to relieve the stress applied to the lens.
式(9)に、式(3)、式(7)を代入して、両辺をE1×E2×(α2−α1)×Tで割って、
S2/(S1×E1+S2×E2)≦1/(E1+E2)
となり、両辺を整理すると、
S2≦S1
となる。次に、
S1=π×(D1/2)×(D1/2)、S2=π×(D2/2)×(D2/2)−π×
(D1/2)×(D1/2)であるので、
D2≦20.5×D1 (10)
を得る。よって、前記筒状の鏡筒の外径(D2)は、前記レンズの外径(D1)を20.5倍した値よりも小さく選ぶことが適切である。Substituting Equation (3) and Equation (7) into Equation (9), dividing both sides by E1 × E2 × (α2−α1) × T,
S2 / (S1 × E1 + S2 × E2) ≦ 1 / (E1 + E2)
And when both sides are organized,
S2 ≦ S1
It becomes. next,
S1 = π × (D1 / 2) × (D1 / 2), S2 = π × (D2 / 2) × (D2 / 2) −π ×
Since (D1 / 2) × (D1 / 2),
D2 ≦ 2 0.5 × D1 (10)
Get. Therefore, the outer diameter of said tubular barrel (D2), it is appropriate to choose less than the value that is 2 to 0.5 times the outer diameter (D1) of the lens.
上述したように、軟化点から常用温度(25℃)への冷却で生じる応力を小さくするためには、前記レンズが接する前記筒状の鏡筒の外径を小さくすれば良い。また、冶工具等で取り扱い易くするためには、突出部が設けられて前記筒状の鏡筒の外径が大きい方が好ましい。この二つを両立するための変形例を、図8、図10、図12に平面略図、図9、図11、図13に断面略図によって示した。これらの変形例では、筒状の鏡筒に対し前記レンズに接する部分の外径は小さく、他の部分に大きい外径を設けている。 As described above, in order to reduce the stress generated by cooling from the softening point to the normal temperature (25 ° C.), the outer diameter of the cylindrical lens barrel that is in contact with the lens may be reduced. Moreover, in order to make it easy to handle with a tool or the like, it is preferable that a protruding portion is provided and the outer diameter of the cylindrical lens barrel is large. Modified examples for achieving both of these are shown in schematic plan views in FIGS. 8, 10, and 12, and in schematic cross sections in FIGS. In these modified examples, the outer diameter of the portion in contact with the lens is small with respect to the cylindrical lens barrel, and the large outer diameter is provided in the other portions.
1 非磁性鏡筒付きレンズユニット
2 非磁性鏡筒
3 非球面レンズ
6 鏡筒付きレンズユニット
7 鏡筒
8 レンズ
9 低融点ガラス
30 レンズ素材
31 ヒータ
32 上型
33 下型
34 成膜装置
35 成膜源
50 円柱
51 円筒
100 プロジェクタ
101 ランプ
102 カラーホイール
102a モータ
103 光半導体
104 投射レンズ
202 磁性パーティクル
300 送受信モジュール
301 光ファイバ
302 合波フィルタ
303 レーザーダイオード
304 フォトダイオードDESCRIPTION OF
Claims (6)
前記筒状の鏡筒の内周面に固定されたレンズと、
からなり、
前記固定は前記レンズが軟化点以上で溶融され常用温度で固化されてなり、
前記筒状の鏡筒が非磁性体であること、
前記筒状の鏡筒と前記レンズとの熱膨張係数の差が20×10-7/℃以下であること、前記筒状の鏡筒より前記レンズの熱膨張係数が小さいこと、
を特徴とするレンズユニット。A cylindrical barrel,
A lens fixed to the inner peripheral surface of the cylindrical barrel;
Consists of
The fixing is performed by melting the lens at a softening point or higher and solidifying at a normal temperature.
The cylindrical barrel is a non-magnetic material;
The difference in thermal expansion coefficient between the cylindrical lens barrel and the lens is 20 × 10 −7 / ° C. or less, the thermal expansion coefficient of the lens is smaller than that of the cylindrical lens barrel,
Lens unit characterized by
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