JP5968033B2 - 傾斜面付きレンズの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバと結合されるレンズの製造方法に係わり、特に、光軸に垂直な面に対して傾斜する傾斜面を備える傾斜面付きレンズの製造方法に関する。
光通信モジュールにおいては、発光素子からの光を光ファイバに結合するために、レンズが使用される。
その際に、光ファイバの端面からの発光素子への反射戻り光を低減させることが知られている。この反射戻り光を低減させる方法として、特許文献1に、光ファイバの斜めカット面と、この光ファイバの斜めカット面と対向する面の一部または全部を傾斜させたレンズとを、突合せて接着剤等で固定する光通信モジュールが開示されている。
このような傾斜面を備えるレンズを製造する方法として、胴型にレンズ素材を入れ加熱し傾斜面を備える金型でプレス成形することが知られている。特許文献2に、プレス成形時に発生するクラック等を対策するために傾斜面の一部に光軸と垂直な面にほぼ平行となる面を備える斜面付円柱レンズが開示されている。
特開昭61−87112号公報 特許第4214694号公報
図10に示すように、特許文献1に開示される光通信モジュール500では、円筒状のホルダ504がロッド状レンズ501と光ファイバ502とを中心に保持している。そして、ロッド状レンズ501の端面501aと、光ファイバ502のコア502aの端面を含む中子503の端面503aとを、光軸505を合わせかつ光学接着剤を介して突き合わせて固定している。その際、ロッド状レンズ501は、その端面の一部を傾斜面としている。また、傾斜面でない端面の一部は光軸505に垂直な面501bである。なお、ロッド状レンズ501は、光ファイバ502のコア502aへの光の導入または光ファイバ502からの光の導出を行うために用いられる。
図11に示すように、特許文献2に開示される斜面付円柱レンズ600は、傾斜面601を備えるレンズであり、603は球面または非球面であり、604は球面または非球面603のレンズの中心軸に相当する光軸である。そして、斜面付円柱レンズ600は、傾斜面601を備え、その一部に光軸604と垂直な面にほぼ平行となる面602を有している。
すなわち、特許文献1および特許文献2においては、図12に示すように、レンズ端面の一部が傾斜面700aであり、且つ該レンズ端面の一部が光軸と垂直な面にほぼ平行となる面700bである。そのため、レンズ素材705は加熱されて、図13に示すように、光軸706に傾斜する面702a及び光軸706に垂直な面702bを有する下金型702でプレス成形される。その際に、光軸706に傾斜する面702aが、レンズ素材705に対して光軸706に垂直な方向のプレス圧力702dを荷重していた。
そのため、図13に示すように、胴型703と金型701、702の隙間のうち、光軸706に垂直な方向のプレス圧力702dが荷重される側(Y1方向側)にレンズ素材705がはみ出して突出部700cを形成していた。その結果、この突出部700cが冷却時の収縮により金型701、702と胴型703との隙間に嵌まり込むために、レンズ700が離型されないことがあった。また、レンズ700の突出部700cが離型の際や輸送時に欠けることや、欠けを起点にしてクラックが生じることがあった。
本発明の目的は、このような課題を顧みてなされたものであり、プレス成形時のレンズ素材のはみ出しを抑制することで、欠けやクラックが生じない傾斜面付きレンズの製造方法を提供することである。
本発明は、光軸に垂直な面に対して傾斜する第1の傾斜面及び第2の傾斜面と、
前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面とが接することで形成される角部と、を有する傾斜面付きレンズの製造方法であって、
前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面を形成する2つの傾斜面を有する金型でレンズ素材に、前記光軸に沿う方向へのプレス圧力を加え、
前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面が、共に平面で、それぞれが前記光軸に垂直な面と0°より大きく90°より小さい傾斜角度をなして、前記角部が前記光軸から外れていると共に外方に向かって***してなり、前記光軸が、前記第1の傾斜面または前記第2の傾斜面のうち、面積が大きく、かつ、前記傾斜角度が小さい方の傾斜面のみを通過するように、前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面を成形することを特徴とする。
このような態様であれば、レンズ素材が、胴型と金型の隙間に、はみ出すことを抑制でき、欠けやクラックが生じることを防止する。
よって、本発明によれば、プレス成形時のレンズ素材のはみ出しを抑制することで、欠けやクラックが生じない傾斜面付きレンズを提供することができる。
また、前記光束が前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面とに跨って入射して異なる方向に出射することを防げるので、光ファイバに前記光束を光学的に効率よく結合することができる。
プレス圧力は前記傾斜面に垂直な方向に荷重され易いので、前記傾斜角度の大きい前記傾斜面ほど、光軸に垂直な方向のプレス圧力が大きくなる。よって、面積が大きい前記傾斜面の前記傾斜角度を小さくすることは、レンズ素材のはみ出しを抑制することに更に好適である。
また、端面が斜めにカットされた光ファイバを面積の大きい前記傾斜面に固定できるので、前記傾斜面に光ファイバを固定する際の作業性が良い。
前記光軸と直交する方向に形成される外形が、矩形であることが好ましい。このような態様であれば、傾斜面付きレンズを光モジュールに組み付ける際に、平面設置することができるので、該光モジュールへの組み付けが簡便である。
本発明によれば、プレス成形時のレンズ素材のはみ出しを抑制することで、欠けやクラックが生じない傾斜面付きレンズを提供することが可能である。
本実施形態における傾斜面付きレンズの平面略図である。 図1に示すA−A線に沿って切断し矢印方向から視る断面略図である。 本実施形態における傾斜面付きレンズを下方向から視る平面略図である。 本実施形態における傾斜面付きレンズの製造方法の説明図である。 本実施形態における傾斜面付きレンズのプレス方法の説明図である。 図5の部分拡大図である。 本実施形態の変形例における傾斜面付きレンズを下方向から視る平面略図である。 本実施形態における傾斜面付きレンズを組み付けた光通信モジュールの断面略図である。 本実施形態における傾斜面付きレンズを組み付けた光通信モジュールの変形例の断面略図である。 特許文献1に開示される光通信モジュールの断面略図である。 特許文献2に開示される斜面付円柱レンズの断面略図である。 従来技術のレンズのプレス方法の説明図である。 図11の部分拡大図である。
各図に示す傾斜面付きレンズに関しては、Y方向が左右方向であり、Y1方向が左方向でY2方向が右方向、X方向が前後方向であり、X1方向が前方向でX2方向が後方向である。また、X方向とY方向の双方に直交する方向が上下方向(Z方向;高さ方向)であり、Z2方向が上方向でZ1方向が下方向である。なお、各図面は、見やすくするために寸法を適宜異ならせて図示している。
本実施形態について、図面に沿って詳細に説明する。図1に、本実施形態における傾斜面付きレンズ1の平面略図を示す。図2に、図1に示す傾斜面付きレンズ1のA−A線に沿って切断し矢印方向から視る断面略図を示す。また、図3に、傾斜面付きレンズ1を下(Z1)方向から視た平面略図を示す。
これら各図に示すように、本実施形態における傾斜面付きレンズ1は、略四角柱状に形成される基部5と、基部5の上(Z2)方向の上側端面7に設けられる非球面レンズ4と、基部5の下(Z1)方向の下側端面6に設けられる第1の傾斜面2および第2の傾斜面3と、を有して構成されてなる。
本実施形態では、基部5の上方向の上側端面7に非球面レンズ4を設けているが、これに限定されることはない。球面レンズ等の光学機能面も可能である。
本実施形態では、基部5の形状を略四角柱状としたが、これに限定されることはない。多角柱状等の他の形状も可能である。
第1の傾斜面2および第2の傾斜面3は、図2に示すように、光軸9に垂直な面から傾斜して形成されてなる。また、両傾斜面2、3の間に角部8が形成されてなり、両傾斜面2、3は角部8を介して接している。そして、角部8は、下(Z1)方向である外方に向かって***し、傾斜面付きレンズ1の断面は、角部8を頂点とする山形状である。また、この山形状の頂点である角部8が光軸9から外れて形成されてなる。
図3に示すように、第1の傾斜面2の面積は、第2の傾斜面3の面積よりも大きい。そして、図2に示すように、第1の傾斜面2の方が、第2の傾斜面3より、光軸9に垂直な面からより小さく傾斜している。
傾斜面付きレンズ1の製造方法を、図4を用いて説明する。図4(a)に示す工程で、プレス装置40を準備する。プレス装置40は、胴型43、非球面レンズの形状を有する上金型41、傾斜面の形状を有する下金型42、およびヒータ44を有して構成されている。
次に、図4(b)に示す工程で、開口部からレンズ素材45を挿入し下金型42上に置く。そして、ヒータ44によってレンズ素材45を軟化点以上に加熱する。本実施形態では、レンズ素材45はガラス素材であるが、ガラス素材に限定されるものではなく、樹脂素材等も可能である。
次に、図4(c)に示す工程で、上金型41及び下金型42によって上下からレンズ素材45をプレスする。その結果、上金型41及び下金型42の金型形状がレンズ素材45に転写されることで、傾斜面付きレンズ1が形成される。
次に、図4(d)に示す工程で、ヒータ44の電源が切られ所定の温度まで冷却される。そして、上金型41及び下金型42が胴型43から引き抜かれ、傾斜面付きレンズ1が上金型41及び下金型42から離型されることで、傾斜面付きレンズ1が製造される。
特許文献1及び特許文献2に開示される従来技術におけるレンズ501、600では、図10及び図11に示すように、一方の端面が光軸505、604に傾斜する面501a、601と光軸505、604に垂直な面501b、602とから構成されている。
そのため、従来技術においては、図12、図13に示すように、上金型701及び下金型702によって上下(Z方向)からレンズ素材705をプレスする工程で、レンズ700の光軸706(Z方向)に傾斜する面702a及びレンズ700の光軸706に垂直な面702bを有する下金型702が用いられる。
そのため、図13に示すように、プレスされる際に、レンズ素材705には、下側(Z1方向)から面702aに垂直な方向のプレス圧力702cと面702bに垂直な方向のプレス圧力702fから合成されるプレス圧力が荷重される。そのため、レンズ素材705は、プレス圧力702f及びプレス圧力702cの光軸706に平行な方向の成分702eとの和からなる上(Z2)方向のプレス圧力と、プレス圧力702cの光軸706に垂直な方向の成分である左(Y1)方向のプレス圧力702dと、によって荷重される。その結果、プレス圧力702dによって、レンズ素材705が左方向に押されて、胴型703と上金型701及び下金型702との左方向に位置する隙間にはみ出して突出部700cが形成されていた。
その結果、冷却過程(図4(d)に相当する従来技術の工程)においてレンズ素材705が収縮することで、レンズ素材705の突出部700cは、上金型701及び下金型702を圧縮していた。そのため、レンズ素材705の突出部700cには、両金型701、702から引っ張り力が荷重されていた。
そのため、レンズ素材705の突出部700cが両金型701、702に密着しているために、図4(d)に相当する従来技術の工程で、レンズ700が、両金型701、702から離型されないことがあった。
また、レンズ700を両金型701、702から離型する際に、レンズ素材705の突出部700cが欠けることがあった。場合によっては、欠けを起点にして、レンズ700にクラックが生じることがあった。また、欠けによって破片が生じていた。このようにして生じた欠け、クラック、や破片等によって、従来技術においては、レンズ700の光学的性能が劣化することがあった。
また、レンズ700の輸送時に、レンズ700の突出部700cが欠けることがあった。場合によっては、欠けを起点にしてレンズ700にクラックが生じることがあった。
冷却過程において上金型701が収縮し、上金型701がレンズ700の光学的機能面700cを圧縮し挟み込むことを避けるために、両金型701、702の熱膨張係数が、レンズ素材705の熱膨張係数より小さくなるように、一般的に部材を選んでいる。よって、冷却過程において、レンズ素材705は、両金型701、702よりも大きく収縮する。
このような課題を顧みて、本実施形態においては、図5、図6に示すように、傾斜面付きレンズ1の光軸9(Z方向)に傾斜する第3の傾斜面42a及び第4の傾斜面42bを有する下金型42が用いられる。そして、第3の傾斜面42aと第4の傾斜面42bとは、互いに向かい合うように傾斜している。
そのため、図4(c)に示す工程で、レンズ素材45には、図6に示すように、下側(Z1方向)から第3の傾斜面42a面に垂直な方向のプレス圧力42cと、第4の傾斜面42bに垂直な方向のプレス圧力42dと、から合成されるプレス圧力が荷重される。そのため、レンズ素材45には、上(Z2)方向のプレス圧力と左右(Y)方向のプレス圧力が荷重される。
上(Z2)方向のプレス圧力については、第3の傾斜面42a及び第4の傾斜面42bから、プレス圧力42eとプレス圧力42fとが同一方向である上(Z2)方向に荷重される。左右(Y)方向のプレス圧力については、第3の傾斜面42aから左(Y1)方向にプレス圧力42gが荷重され、第4の傾斜面42bから右(Y2)方向にプレス圧力42hが荷重される。これらのプレス圧力42g、42hは、逆方向に荷重されるので互いに相殺されて低減される。その結果、プレス圧力は、光軸に略平行で上(Z2)方向に荷重される。
よって、レンズ素材45が左右方向に押されることは抑制される。その結果、レンズ素材45が胴型43と上金型41及び下金型42との隙間にはみ出すことが抑制され、欠けやクラックが生じることは防止される。
そして、レンズ素材45が、第3の傾斜面42a及び第4の傾斜面42bを有する下金型42でプレスされることで、傾斜面付きレンズ1には、第1の傾斜面2及び第2の傾斜面3が形成されてなる。そして、第3の傾斜面42aと第4の傾斜面42bとが互いに向かい合っていることで、図2に示すように第1の傾斜面2と第2の傾斜面3とは、角部8を頂点とし、下(Z1)方向に***する山形状の断面を有している。すなわち、第1の傾斜面2と第2の傾斜面3とは、互いに接することで角部8を形成している。
第3の傾斜面42a及び第4の傾斜面42bが、上下(Z)方向、すなわち光軸9に垂直である水平面となす角度、すなわち傾斜角度を、各々、図5、図6に示すように、該水平面からの角度であるθとθとする。また、第3の傾斜面42a及び第4の傾斜面42bの面積を、各々、SとSとする。そして、図4(c)に示す工程で、レンズ素材45がプレスされる際に、レンズ素材45に荷重される第3の傾斜面42a及び第4の傾斜面42bのプレス圧力42c、42d(両傾斜面42a、42bに垂直方向)を、例えば同じとし、その大きさをPとする。
その際には、レンズ素材45に対して、第3の傾斜面42aが左(Y1)方向にP×S×cos(90°−θ)=P×S×sinθの力を、また、第4の傾斜面42bが右(Y2)方向にP×S×cos(90°−θ))=P×S×sinθの力を荷重する。このように、レンズ素材45には、傾斜角度θ、θの正弦値sinθ、sinθに比例したプレス圧力が左右(Y)方向に加重される。
よって、レンズ素材45に荷重される左右(Y)方向の力が相殺されるためには、S×sinθ=S×sinθであることが必要である。よって、S>Sの場合には、sinθ<sinθが必要である。すなわち、0°<θ及びθ<90°であることを考慮して、θ<θが必要である。すなわち、レンズ素材45に左右(Y)方向の力が荷重されないためには、面積の大きい傾斜面の傾斜角度が、他方の傾斜角度に対して小さいことが必要である。
よって、第3の傾斜面42aと第4の傾斜面42bから、各々、第1の傾斜面2と第2の傾斜面3が形成されることを考慮すると、傾斜面付きレンズ1における面積Sの大きい第1の傾斜面2は、その傾斜角度θが小さいことが好ましい。
よって、図2、図3に示すように、面積の大きい第1の傾斜面2は、面積の小さい第2の傾斜面3より傾斜角度が小さく形成されてなり、レンズ素材のはみ出しが抑制されている。
レンズ縁部5aの面取り等の面積が小さい傾斜面は、図4(c)に示す工程のプレスの際に、レンズ素材45に荷重する力が小さい。よって、面積が小さい傾斜面は、面積の大きい傾斜面に比べて、傾斜の大きさの制約は緩和される。
本実施形態の傾斜面付きレンズ1は、図3に示すように、第1の傾斜面2と第2の傾斜面3との2つの傾斜面を有するとしたが、これに限定されるものではない。傾斜面付きレンズ1は、複数の傾斜面を有することも可能である。
図7に、本実施形態の変形例における傾斜面付きレンズを下方向から視る平面略図を示す。本変形例の傾斜面付きレンズは、図7に示すように、4つの傾斜面2、3、11、12を有する。そして、第1の傾斜面2と第5の傾斜面11、第5の傾斜面11と第2の傾斜面3、第2の傾斜面3と第6の傾斜面12、及び第6の傾斜面12と第1の傾斜面2が、互いに接することで、各々に、外方に向かって***する角部8a、8b、8c、8dを形成している。
そして、第2の傾斜面3の傾斜角度に対して、面積の大きい第1の傾斜面2の傾斜角度は小さく形成されている。また、第5の傾斜面11と第6の傾斜面12は、互いに面積が同じなので、その傾斜角度は同じに形成されている。
次に、本実施形態である傾斜面付きレンズ1を組み付けた光通信モジュールについて説明する。図8に、傾斜面付きレンズ1を組み付けた光通信モジュール20の断面略図を示す。光通信モジュール20には、図8に示すように、基板21上に台座22と傾斜面付きレンズ1とが固定され、台座22上に発光素子23が固定されている。台座22、傾斜面付きレンズ1、および発光素子23を覆うように、基板21上にハウジング24が固定されている。そして、光ファイバ25がハウジング24を貫通して設けられ、光ファイバ25の斜めカット面25bが傾斜面付きレンズ1の第1の傾斜面2に光学接着剤等(図示していない)を介して固定されている。
光ファイバ25の斜めカット面25bを傾斜面付きレンズ1の第1の傾斜面2に固定する際に、図8に示すように、角部8が外方(Y1方向)に向かって***してなることで、傾斜面付きレンズ1の断面が角部8を頂点とする山形状であり、斜めカット面25bは角部8に規制されることがない。すなわち、角部8が山形状の頂点であるので、角部8に妨げられることなく斜めカット面25bを第1の傾斜面2に平行な方向に動かすことができ、光ファイバ25の調整を好適に行うことができる。
また、図8に示すように、発光素子23、傾斜面付きレンズ1が備える非球面レンズ4、及び光ファイバ25は光軸9を一致させて配置されている。そして、発光素子23が発光する光束は、非球面レンズ4によって光ファイバ25のコア25aの端面であるコア端面25cに集光される。そして、コア端面25cに集光された光束は、傾斜が小さい第1の傾斜面2内のみに位置している。
上述のように、傾斜が小さい第1の傾斜面2の面積は、第2の傾斜面3より大きく設けられているので、光ファイバ25の斜めカット面25bは第1の傾斜面2の方に固定し易い。よって、光ファイバ25の斜めカット面25bは、傾斜の小さい、すなわち面積の大きい第1の傾斜面2に固定される。
その際に、発光素子23が発光する光束が、非球面レンズ4によって光ファイバ25のコア25aの端面であるコア端面25cに集光され、集光された光束が、傾斜が小さい第1の傾斜面2の面内のみに位置するように調整される。
このように調整されることで、発光素子23が発光する光束は、第1の傾斜面2のみを通過するので、光ファイバに光学的に効率よく結合される。
傾斜面付きレンズ1は、図1、図2、図3に示すように、その基部5が略四角柱状に形成されてなり、光軸9に直交する方向に形成される外形は矩形である。そのため、光通信モジュール20に組み付ける際に、図8に示すように、基部5の平坦な側面を、光通信モジュール20の基板21上に平面設置することができる。よって、傾斜面付きレンズ1は、光通信モジュール20への組み付けを簡便に行うことができる。
基板21上に接合される基部5の平坦な側面には、あらかじめスパッタ法等の薄膜形成技術によって金属膜が形成されている。そして、この金属膜と基板21とを半田等で接合することにより、傾斜面付きレンズ1は基板21上に固定される。なお、前記金属膜は、例えばチタン、白金、及び金からなる3層積層膜である。
本実施形態の光通信モジュール20は、発光素子23が発光する光束を、傾斜面付きレンズ1が備える非球面レンズ4によって光ファイバ25のコア端面25cに集光しているが、その変形例を図9に示す。
この変形例の光通信モジュール30には、図9に示すように、発光素子23と傾斜面付きレンズ1との間に、コリメートレンズ26が設けられている。発光素子23が発光する光束は、拡散光束としてコリメートレンズ26に入射し、コリメートレンズ26によって平行光束に変えられる。そして、この平行光束は傾斜面付きレンズ1が備える非球面レンズ4によって光ファイバ25のコア端面25cに集光される。このようにして、発光素子23は、コリメートレンズ26と傾斜面付きレンズ1を介して光ファイバ25に光学的に結合されている。
本実施形態の傾斜面付きレンズ1は光通信モジュールに組み込まれるとし、光発光モジュールとして説明したが、これに限定されるものではない。光受光モジュール等の光モジュールも可能である。
1 傾斜面付きレンズ
2 第1の傾斜面
3 第2の傾斜面
4 非球面レンズ
5 基部
5a レンズ縁部
6 下側端面
7 上側端面
8 角部
9 光軸
20、30 光通信モジュール
21 基板
22 台座
23 発光素子
24 ハウジング
25 光ファイバ
25a コア
25b 斜めカット面
25c コア端面
26 コリメートレンズ
40 プレス装置
41 上金型
42 下金型
42a 第3の傾斜面
42b 第4の傾斜面
43 胴型
44 ヒータ
45 レンズ素材

Claims (2)

  1. 光軸に垂直な面に対して傾斜する第1の傾斜面及び第2の傾斜面と、
    前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面とが接することで形成される角部と、を有する傾斜面付きレンズの製造方法であって、
    前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面を形成する2つの傾斜面を有する金型でレンズ素材に、前記光軸に沿う方向へのプレス圧力を加え、
    前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面が、共に平面で、それぞれが前記光軸に垂直な面と0°より大きく90°より小さい傾斜角度をなして、前記角部が前記光軸から外れていると共に外方に向かって***してなり、前記光軸が、前記第1の傾斜面または前記第2の傾斜面のうち、面積が大きく、かつ、前記傾斜角度が小さい方の傾斜面のみを通過するように、前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面を成形することを特徴とする傾斜面付きレンズの製造方法
  2. 前記光軸と直交する方向に形成される外形、矩形とすることを特徴とする請求項1に記載の傾斜面付きレンズの製造方法
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