(57)【要約】【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。
2012070286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
を特徴とするレンズユニット。
【請求項２】
前記筒状の鏡筒が、チタンまたはチタン合金であることを特徴とする請求項１に記載のレンズユニット。
【請求項３】
前記筒状の鏡筒と前記レンズが気密に接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のレンズユニット。
【請求項４】
前記筒状の鏡筒が円筒状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のレンズユニット。
【請求項５】
前記レンズが非球面レンズであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のレンズユニット。
【請求項６】
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倍以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のレンズユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３１３７７９号公報
【特許文献２】特開２００７−１９２９９０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】東京天文台「理科年表」、昭和５８年１１月３０日、丸善Ｐ物２５（４４１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。
【発明の効果】
【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットを上面側から見て示す平面略図である。
【図２】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットの図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面略図である。
【図３】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットの製造方法の説明図である。
【図４】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットをプロジェクタに搭載した第一の適用例を示す模式図である。
【図５】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットを、光通信用送受信モジュールに搭載した第二の適用例を示す模式図である。
【図６】温度が変化する時に生じる応力を計算するための説明図である。
【図７】第一の実施形態におけるレンズに加重される応力と鏡筒の外径との関係を示すグラフである。
【図８】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットの第一の変形例を上側から見て示す平面略図である。
【図９】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットの第一の変形例であり、図８におけるＩＸ−ＩＸ線に沿って切断した断面略図である。
【図１０】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットの第二の変形例を上側から見て示す平面略図である。
【図１１】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットの第二の変形例であり、図１０におけるＸＩ−ＸＩ線に沿って切断した断面略図である。
【図１２】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットの第三の変形例を上側から見て示す平面略図である。
【図１３】第一の実施形態である非磁性鏡筒付きレンズユニットの第三の変形例であり、図１２におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿って切断した断面略図である。
【図１４】従来技術である鏡筒とレンズと低融点ガラスとから構成される鏡筒付きレンズユニットの断面略図である。
【図１５】従来技術である鏡筒付きレンズユニットの鏡筒が磁化し磁性パーティクが付着した様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
【表１】
2012070286.tif 000003
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【符号の説明】
【００７６】
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
【図１】
2012070286.tif 000004
【図２】
2012070286.tif 000005
【図３】
2012070286.tif 000006
【図４】
2012070286.tif 000007
【図５】
2012070286.tif 000008
【図６】
2012070286.tif 000009
【図７】
2012070286.tif 000010
【図８】
2012070286.tif 000011
【図９】
2012070286.tif 000012
【図１０】
2012070286.tif 000013
【図１１】
2012070286.tif 000014
【図１２】
2012070286.tif 000015
【図１３】
2012070286.tif 000016
【図１４】
2012070286.tif 000017
【図１５】
2012070286.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成23年10月6日(2011.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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前記鏡筒の内周面と一体にしてなり、
前記筒状の鏡筒が非磁性体であること、
前記レンズが無鉛ガラスからなること、
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。
【請求項２】
前記筒状の鏡筒が、チタンまたはチタン合金であることを特徴とする請求項１に記載のレンズユニット。
【請求項３】
前記筒状の鏡筒と前記レンズが気密に接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のレンズユニット。
【請求項４】
前記筒状の鏡筒が円筒状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のレンズユニット。
【請求項５】
前記レンズが非球面レンズであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のレンズユニット。
【請求項６】
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倍以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のレンズユニット。
【国際調査報告】
2012070286.tif 000019
2012070286.tif 000020
2012070286.tif 000021
2012070286.tif 000022