JP6198757B2 - ロッドレンズを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、それぞれがシャフト部分と凸レンズ部分とを有しており且つ均質に一体成形されたロッドレンズを製造する方法に関する。更に本発明は、この新規な方法により製造されたロッドレンズ及びロッドレンズのマトリックス配列に関する。

ロッドレンズ自体はよく知られており、伸長されたシャフト部分と、シャフト部分の少なくとも一方の端部に設けられたレンズ部分とを有している。このようなロッドレンズは、プリフォームを押し型内で溶融し、且つ押型成形により変形させることにより、プリフォームから製造される。鋳造法プロセスでの製造も知られている（ＵＳ２０１０／３２７４７０Ａ）。

ＫＲ１０１３０６４８１Ｂ１から公知のマイクロオプティカルコンポーネントは、基板内に形成されており、複数のマイクロガラスレンズを含む１つのコンポーネントアレイの形態で製造されてよい。基板は、１つ以上のエッチングされたキャビティを有しており、１つ以上のキャビティを満たすように、１つ以上のガラスブランクス（ガラス粗成形品）が、基板の上面で溶融され、基板の上面及び下面をエッチングして、マイクロガラスレンズの製造は完了する。

上述した従来技術による方法は、製造コストのかなりの上昇を被る。

ＵＳ２０１０／３２７４７０Ａ ＫＲ１０１３０６４８１Ｂ１

よって、本発明の課題は、高品質なロッドレンズを製造するための、コスト効率の良い方法を提供することにある。高品質とは、太陽電池、光センサ、ＬＥＤ、光ファイバ及びレーザといった光学製品を用いたフォーカシング、コリメーション及び結像において、損失の少ない導光が可能になることを云う。

この課題は本発明に基づき、
それぞれがシャフト部分と凸レンズ部分とを有しており且つ均質に一体成形されたロッドレンズを製造する方法において、
イ）ロッドレンズを形成すべき、少なくとも１つの生ガラス体を用意し、
ロ）前記生ガラス体の、前記レンズ部分を画定することになる部分が型から突出するように、前記生ガラス体を受容且つ支持する型を用意し、
ハ）前記型から突出している前記生ガラス体の部分が、空気中又はガス中で、球状又はほぼ球状の表面を有するドーム形に変形する温度で、前記生ガラス体を溶融し、
ニ）このようにして製造されたロッドレンズを冷却し、
ホ）該ロッドレンズを前記型から取り出す
ことにより解決される。

ロッドレンズは、シャフト部分と、シャフト端部の凸レンズ部分とを有している。本発明によるこのようなロッドレンズは、最小限の光損失を示すように、均質に一体成形されている。製造には、表面粗さを有していてよい複数の生ガラス体が用意される。これらの生ガラス体は、型の適当なキャビティに受容且つ支持されており、各生ガラス体の一部は、型から突出している。生ガラス体のこの部分が、処理後、ロッドレンズのレンズ部分を画定することになる。生ガラス体の処理は、生ガラス体の、型から突出している部分が、空気又はガス環境において、球状又はほぼ球状の表面を有するドーム形に変形する温度での溶融により、達成される。この変形はある程度、生ガラス体の、突出している液状端部における表面張力により生ぜしめられ、その結果、露出しているガラス表面は、最小サイズになる。このことが一旦生じると、ロッドレンズを通常、ガラス焼鈍し炉内で長時間冷却することが可能になる。これにより、ロッドレンズ内の収縮応力及び条痕の如何なる形成も防止される。その後、ロッドレンズは型から取り出される。

このようにして製造されたロッドレンズは、均質に一体成形されている、即ち、シャフト部分とレンズ部分とを備えてワンピースに成形されている。レンズ部分は、火仕上げ品質の、球状又はほぼ球状の表面を有している。火仕上げ品質とは、表面粗さが極めて低いことを意味する。例えば、(ランダム）二乗平均平方根粗さは０．１μｍ、（ランダム）平均粗さは８０．５ｎｍ、及びピークトゥバレー粗さは３９８ｎｍである。

シャフト部分は、一定のロッド断面を有する角柱形又は円筒形を有していてよい。しかしながらシャフト部分は、任意に六角ベースをも備える角錐台形を有しているか、又は円錐台形を有していることも可能である。このような場合、ロッドレンズは先細になる断面又は拡張する断面を有している。

型からのロッドレンズの取り出しを容易にするためには、型の材料が、製造されるロッドレンズの熱膨張率よりも小さな熱膨張率を有していると、有利である。これにより、冷却中、製造されたロッドレンズは型よりも大きく収縮することになる。

ワンピース型の代わりに、ツーピース又はマルチピース型を使用してもよく、このことは特に、レンズ部分からシャフト部分のベースを見たときに、拡張している断面を有するロッドレンズを製造しようとする場合に考慮される。

型の材料には、グラファイト、セラミック、ガラス、ガラスセラミック及び金属が想定されている。

ロッドレンズの製造原理を示した図である。 粗面を呈する出発ガラス体を基にした製造を示す図である。 角錐台形のシャフトを有するロッドレンズの製造を示す図である。 図３に示すロッドレンズに類似しているが、脚部を備えるロッドレンズの製造を示す図である。 マトリックス配列されたロッドレンズアレイを示す図である。 出発材料としての生ガラス体、及び製造された、焼鈍し後のロッドレンズの写真を示す図である。 生ガラス体の表面粗さのグラフである。 ロッドレンズの表面粗さのグラフである。 ロッドレンズの表面輪郭を示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、生ガラス体１から出発する、凸レンズ部分１１とシャフト部分１２とを有するロッドレンズ１０の製造が概略的に示されている。生ガラス体１は、製造後にレンズ部分１１を画定することになる生ガラス体１の一部が型２から突出するように、型２のキャビティ内にある程度挿入される。生ガラス体１からのロッドレンズ１０の製造は、型２内で、生ガラス体１が溶融してその表面積が最小になる温度で熱処理することによって行われる。その結果、球状又はほぼ球状の表面を有する、球面ドーム形状が形成される。この球状表面の表面品質は極めて高く、火仕上げ品質と呼ばれている。

製造中、ロッドレンズは型２によって支持されているとはいえ、未だ生焼け／液状である。応力割れ及び条痕を避けるために、未だ高温のロッドレンズはゆっくりと冷却され、これは通常、ガラス焼鈍し炉内で行われる。冷却中、ロッドレンズ１と型２とは共に収縮するが、型２の収縮は、ロッドレンズ１よりもはるかに少ない。このことは、型２の材料が、ロッドレンズ１０の熱膨張率よりも小さな熱膨張率を有していることによって達成される。よって、仕上げられたロッドレンズ１０が一度十分に冷却されると、ロッドレンズ１０は型２のキャビティから容易に取り出すことができる。

図２には、生ガラス体がブロックから切断されるときに生じるような、若干の表面粗さを有する生ガラス体１が示されている。若干の粗さは、研削加工によっても残される。このような生ガラス体１が型２のキャビティに挿入されると、若干の空気が生ガラス体１の表面と、型２の内面との間に残留することになる。しかしながら、生ガラス体１が溶融すると、生ガラス体１は型２の壁に到達するまで広がって、通常、閉じ込められた空気を押し退ける。よって、シャフト部分１２の表面仕上げは、型２の表面品質に相応したものになる。これとは関係なく、レンズ部分１１の表面品質は、周囲空気又は周囲ガスに関連した表皮形成により決定され、このことは、結果としてほぼ球状の表面を生ぜしめる。

図３には、断面が拡大しているシャフト部分１３を有するロッドレンズ１０の製造が示されている。このシャフト部分１３は、任意に六角ベースも備える角錐台形を有していてよいが、円錐台形も同様に可能である。型２は、ロッドレンズの形に適合されており、最初は自由空間３を有している。自由空間３は、生ガラス体１が溶融すると満たされる。自由空間３は、型の形状の点からみると、アンダカットのようなものである。よって型は、仕上げられたロッドレンズを型からより一層簡単に取り出すことができるようにするために、２つ又は３つ以上の部分から作られることになる。

図４には、図３に示した実施形態の変化態様が示されており、型２のキャビティが付加的に、壁面凹部４を有しており、壁面凹部４には、ロッドレンズ１０の脚部１４が注型されることになる。このような脚部１４は、固定目的に特に役立つものである。

図５には、１つのアレイを形成し且つシャフト部分１２でもってホルダ３０内に固定されている複数のロッドレンズ１０のマトリックス配列が示されている。

図６には、生ガラス体からロッドレンズを製造する方法の結果が示されている。出発材料は、６．３ｍｍの長さ及び５．８ｍｍの直径を有していた。焼鈍し後のロッドレンズは、７ｍｍの長さと共に、直径が５．８ｍｍのシャフト部分を有していた。球状表面の半径は３ｍｍであった。

図７には、出発材料の表面において測定された粗さ曲線のグラフが示されている。このグラフから、(ランダム）二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さは０．４０μｍ、（ランダム）平均粗さ（Ｒａ）は３２６．４３ｎｍ、及びピークトゥバレー（ＰＶ）粗さは２０６４．４３ｎｍであることが導き出される。測定値は、白色光干渉計を用いて得られたものである。

図８には、白色光干渉計を用いて測定された、ロッドレンズの表面において測定された粗さが示されている。(ランダム）二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さは０．１０μｍであり、（ランダム）平均粗さ（Ｒａ）は８０．５２ｎｍであり、且つピークトゥバレー（ＰＶ）粗さは３９７．６９ｎｍである。

図９には、白色光干渉計を用いて測定された、レンズの表面輪郭の図解が示されている。球状表面は、３ｍｍの半径を有している。

１ 生ガラス体、 ２ 型、 ３ 自由空間、４ 壁面凹部、 １０ ロッドレンズ、 １１ 凸レンズ部分、 １２ シャフト部分、 ３０ ホルダ

Claims (7)

1. それぞれがシャフト部分と凸レンズ部分とを有しており且つ均質に一体成形されたロッドレンズを製造する方法において、以下のステップ、
   イ）ロッドレンズを形成すべき、少なくとも１つの生ガラス体を用意し、
   ロ）前記生ガラス体の、前記レンズ部分を画定することになる部分が型から突出するように、前記生ガラス体を受容且つ支持する、キャビティを有する型を用意し、
   ハ）前記型から突出している前記生ガラス体の部分が、空気中又はガス中で、球状又はほぼ球状の表面を有するドーム形に変形する温度で、前記生ガラス体を溶融し、
   ニ）このようにして製造されたロッドレンズを冷却し、
   ホ）該ロッドレンズを前記型から取り出す、
   を有することを特徴とする、複数のロッドレンズを製造する方法。
2. 前記ステップロ）は、ツーピース又はマルチピース型を用意することを含み、前記ステップホ）は、ツーピース又はマルチピース型の使用を含んでいる、請求項１記載の方法。
3. 前記型は、グラファイト、セラミックス、ガラス、ガラスセラミックス及び金属を有する群から選択された材料から製造されている、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記型の材料は、製造される前記ロッドレンズの熱膨張率よりも小さな熱膨張率を有しており、これにより、前記ロッドレンズは前記ステップニ）の間に、前記型から離間する、請求項３記載の方法。
5. 前記レンズ部分は、火仕上げ品質の、球状又はほぼ球状の表面を有していることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記シャフト部分は、一定のロッド断面を備える角柱形又は円筒形を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記シャフト部分は、任意に六角ベースを備える角錐台形、又は円錐台形を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。