JP2018031834A - エンコーダ用光学レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】エンコーダを小型化しやすい光学レンズを提供する。【解決手段】屈折率が１．６５以上でＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５系のガラスからなり、高さが５ｍｍ以下であって、組成として、モル％で、ＳｎＯ；３３．５〜９０％、Ｐ２Ｏ５＋ＳｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３；０．１〜６６．５％を含有し、ガラス転移点が２００℃以上、３０〜２００℃の範囲で熱膨張係数が２００×１０−７／℃以下、ヤング率が６０ＧＰａ以下、光弾性定数が２×１０−１２／Ｐａ以下である。【選択図】なし

Description

本発明は、エンコーダ用光学レンズに関するものである。

近年ロボット工学の発展に伴い、医療用、産業用のロボット等において関節（軸）の駆動を厳密に制御することが重要である。軸の制御には、磁気式や光学式のエンコーダが用いられ、ロボット等では多くの軸を駆動させるため、エンコーダはできるだけ小型である必要がある。光学式のエンコーダでは発光ダイオードからの光をレンズによりコリメートし、コリメートされた光が、回転盤を通過して受光器に受信される。光をコリメートするレンズとして、樹脂レンズの使用が検討されている。（例えば、特許文献１参照）

特開２００８−００３４６６号公報

しかしながら、樹脂レンズは屈折率が低いため、エンコーダを小型化しにくく、ロボット等に使用されるエンコーダには使用しにくいという問題がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、エンコーダを小型化しやすい光学レンズを提供することを目的とする。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、屈折率が１．６５以上のガラスからなり、高さが５ｍｍ以下であることを特徴とする。エンコーダに使用するレンズとして、屈折率の高いガラスを使用することにより、焦点距離が短くなるためエンコーダを小型化しやすい。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスからなることが好ましい。ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスは、高屈折率を達成しやすいため、本発明の光学レンズとして好適である。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、組成として、モル％で、ＳｎＯ ３３．５〜９０％、Ｐ_２Ｏ_５＋ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３ ０．１〜６６．５％を含有するガラスからなることが好ましい。ここで、「Ｐ_２Ｏ_５＋ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３」は、Ｐ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２及びＢ_２Ｏ_３の含有量の合量を意味する。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、ガラス転移点が２００℃以上のガラスからなることが好ましい。このようにすれば、高温下でも、変形しにくく、焦点距離の変化が起こりにくい。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、３０〜２００℃の範囲で熱膨張係数が２００×１０^−７／℃以下のガラスからなることが好ましい。このようにすれば、温度変化による変形が原因の焦点距離の変化が起こりにくい。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、ヤング率が６０ＧＰａ以下のガラスからなることが好ましい。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、光弾性定数が２×１０^−１２／Ｐａ以下のガラスからなることが好ましい。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、レンズ面に反射防止膜が付与されていることが好ましい。

本発明によれば、エンコーダを小型化しやすい光学レンズを提供することができる。

エンコーダの基本構造を示す模式的断面図である。 本発明の光学レンズの一実施形態を示す模式的断面図である。

まず、エンコーダの原理、構造について図１を用いて説明する。エンコーダは、モーター等の回転機構の機械的な位置変化や速度を電気信号にて出力するセンサである。具体的には、発光ダイオード１から出た拡散光を光学レンズ２によりコリメートする。レンズ２を透過したコリメート光は、回転機構３の回転軸４に備え付けられた光透過部５ａ、光遮断部５ｂを有する回転盤５により透過または遮断される。回転盤５の光透過部５ａを透過した光は、受光器６で検出される。受光器６は、受光した光量に応じた電気信号を出力する。この電気信号により、回転機構３の機械的な位置変化や速度の情報を得ることが出来る。

次に本発明のエンコーダ用光学レンズを説明する。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、屈折率（ｎｄ）が１．６５以上であって、１．７５以上、特に１．８５以上であるガラスからなることが好ましい。屈折率が低すぎると、焦点距離が長くなるためエンコーダを小型化しにくくなる。

図２に、本発明の光学レンズの一実施形態に係る模式的断面図を示す。レンズの高さＨ（最大厚み）は、５ｍｍ以下であって、４ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、特に０．８ｍｍ以下が好ましい。レンズの高さが大きすぎると、エンコーダを小型化しにくくなる。レンズの高さＨ／レンズの幅Ｗは、１以下、０．８以下、特に０．６以下が好ましい。レンズの高さＨ／レンズの幅Ｗが大きすぎると、エンコーダが小型化しにくくなる。レンズ形状は、特に限定されないが、平凸形状が好ましい。平凸形状にすると光をコリメートしやすくなる。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、ガラス転移点が２００℃以上、２２０℃以上、特に２４０℃以上のガラスからなることが好ましい。ガラス転移点が低すぎると、高温下で変形しやすくなり、焦点距離の変化が起こりやすくなる。上限は特に限定されないが、プレス成形性を考慮すると、６５０℃以下、６００℃以下、特に５００℃以下であることが好ましい。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、３０〜２００℃の範囲で熱膨張係数が２００×１０^−７／℃以下、１８０×１０^−７／℃以下、特に１６０×１０^−７／℃以下のガラスからなることが好ましい。熱膨張係数が大きすぎると、温度変化による変形が大きくなり、焦点距離の変化が起こりやすくなる。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、ヤング率が６０ＧＰａ以下、５０ＧＰａ以下、４５ＧＰａ以下、特に４０ＧＰａ以下のガラスからなることが好ましい。ヤング率が大きすぎると、金型から離形しにくく、冷却時に割れやすくなる。

本発明のエンコーダ用光学レンズは、光弾性定数が２×１０^−１２／Ｐａ以下、１．５×１０^−１２／Ｐａ以下、１．０×１０^−１２／Ｐａ以下、特に０．５×１０^−１２／Ｐａ以下のガラスからなることが好ましい。光弾性定数が大きすぎると、収差による焦点ズレが起こりやすくなる。

なお、光透過率の向上を目的として、エンコーダ用光学レンズのレンズ面に反射防止膜を付与しても構わない。反射防止膜は、ＭｇＦ_２膜、誘電体多層膜等を用いることができる。

ガラスとしては、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスであることが好ましい。ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスは、高屈折率及び高分散という光学特性を有する。

ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスとしては、モル％で、ＳｎＯ ３３．５〜９０％、Ｐ_２Ｏ_５＋Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２ ０．１〜６６．５％を含有するものが好ましい。以下に、各成分の含有量を上記のように特定した理由を説明する。なお、特に断りがない場合、以下の成分含有量に関する説明において、「％」は「モル％」を意味する。

ＳｎＯは、高屈折率かつ高分散の光学特性を達成し、化学耐久性を向上させるための成分である。ＳｎＯの含有量は３３．５〜９０％、３５〜８８％、４０〜８６％、５０〜８５％、特に５７．５〜８３％であることが好ましい。ＳｎＯの含有量が少なすぎると、高屈折率特性を達成しにくくなり、また、耐侯性や化学耐久性が低下する傾向がある。一方、ＳｎＯの含有量が多すぎると、耐失透性が低下する傾向がある。

Ｐ_２Ｏ_５、Ｂ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２はガラスの骨格を構成する成分である。また、ガラスの透過率を高める成分であり、紫外域付近の透過率低下を抑制したり、吸収端を低波長側にシフトさせることができる。特に、高屈折率のガラスの場合は、これらの成分による透過率向上の効果が得られやすい。また、失透を抑制する効果も有する。Ｐ_２Ｏ_５、Ｂ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２の含有量は、合量で０．１〜６６．５％、１０〜６０％、１５〜５７．５％、２０〜５５％、特に２５〜４７％であることが好ましい。これらの成分の含有量が少なすぎると、前記効果が得られにくくなり、一方、多すぎると、ＳｎＯ_２の含有量が相対的に少なくなって、屈折率が低下しやすくなる。

なお、Ｐ_２Ｏ_５、Ｂ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２の各成分の好ましい含有量は以下の通りである。

Ｐ_２Ｏ_５の含有量は０．１〜６６．５％、１〜６０％、３〜５７．５％、４〜５５％、５〜５０％、特に１０〜４７％であることが好ましい。Ｐ_２Ｏ_５の含有量が多すぎると、屈折率が低下しやすくなる。また、耐侯性や化学耐久性が低下しやすくなる。

Ｂ_２Ｏ_３の含有量は０〜６６．５％、０．１〜６６．５％、１〜６０％、３〜５７．５％、４〜５５％、５〜５０％、特に１０〜４７％であることが好ましい。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、屈折率が低下しやすくなる。また、耐侯性や化学耐久性が低下しやすくなる。

ＳｉＯ_２の含有量は０〜６６．５％、０．１〜６６．５％、１〜６０％、３〜５７．５％、４〜５５％、５〜５０％、特に１０〜４７％であることが好ましい。ＳｉＯ_２の含有量が多すぎると、屈折率が低下しやすくなる。また、未溶解による脈理や泡がガラス中に残り、光学レンズとしての要求品位を満たさなくなる可能性がある。

本発明を構成するガラスには、上記成分以外にも以下の成分を含有させることができる。

ＺｎＯは融剤として作用する成分である。また、耐候性を向上させたり、ガラス化を安定にする効果もある。ＺｎＯの含有量は０〜５０％、０〜３０％、０〜１０％、０．１〜５％、特に０．２〜１％であることが好ましい。ＺｎＯの含有量が多すぎると、失透しやすくなったり、光透過率が低下しやすくなる。

なお、Ｐ_２Ｏ_５＋ＳｎＯ＋ＴｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋ＺｎＯの含有量が５０％以上、６０％以上、特に７０％以上であると、耐失透性、耐侯性、化学耐久性にも優れ、かつ、可視域または近紫外域の光透過率に優れたガラスが得られやすくなる。Ｐ_２Ｏ_５＋ＳｎＯ＋ＴｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋ＺｎＯの含有量の上限は特に限定されず、１００％であってもよいが、他の成分を含有させる場合は、９９％以下、さらには９８％以下にしてもよい。なお、「Ｐ_２Ｏ_５＋ＳｎＯ＋ＴｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ」は、Ｐ_２Ｏ_５、ＳｎＯ、ＴｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３及びＺｎＯの含有量の合量を意味する。

Ａｌ_２Ｏ_３は、ＳｉＯ_２やＢ_２Ｏ_３とともにガラス骨格を構成することが可能な成分である。また、耐候性を向上させる効果がある。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は０〜１０％、特に０．１〜５％であることが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、失透しやすくなる。また、溶融性が低下したり、光透過率が低下する傾向がある。

ＺｒＯ_２は耐候性を向上させる成分である。ただし、その含有量が多すぎると、耐失透性が低下したり、溶融温度が上昇して光透過率が低下しやすくなる。従って、ＺｒＯ_２の含有量は０〜２％、０〜１．５％、０．１〜１％、特に０．２〜０．５％であることが好ましい。

Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＷＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３及びＧｅＯ_２は耐侯性及び化学耐久性を高める成分である。また、これらの成分を含有させることにより、屈折率を調整することができる。Ｌａ_２Ｏ_３＋Ｇｄ_２Ｏ_３＋Ｔａ_２Ｏ_５＋ＷＯ_３＋Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｙ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３＋ＧｅＯ_２の含有量は０〜３０％、０．１〜２０％、０．３〜１５％、０．５〜１０％、特に１〜７．５％であることが好ましい。これらの成分の含有量が多すぎると、耐失透性の低下、溶融温度の上昇、あるいは光透過率の低下等の不具合が生じやすくなる。なお、「Ｌａ_２Ｏ_３＋Ｇｄ_２Ｏ_３＋Ｔａ_２Ｏ_５＋ＷＯ_３＋Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｙ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３＋ＧｅＯ_２」は、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＷＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３及びＧｅＯ_２の含有量の合量を意味する。

ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯ（アルカリ土類金属酸化物）は融剤として作用する成分である。また、耐候性を向上させる効果がある。ただし、これらの成分の含有量が多すぎると、液相温度が上昇（液相粘度が低下）して、溶融または成形工程中に失透物が析出しやすくなる。以上に鑑み、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量は０〜３０％、０．５〜２５％、１〜２０％、特に２〜１５％であることが好ましい。なお、「ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ」は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの含有量の合量を意味する。

Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏはガラス転移点を低下させる成分である。Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏの含有量は０〜１０％、特に０〜８％であることが好ましい。Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏの含有量が多すぎると、失透しやすくなり、化学耐久性も低下する傾向がある。また、光透過率が低下しやすくなる。なお、「Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ」は、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの含有量の合量を意味する。

清澄剤として、Ｃｌ、ＳまたはＢｒを含有させてもよい。Ｃｌ＋Ｓ＋Ｂｒの含有量は０〜１％、０．０１〜１％、特に０．０５〜０．５％であることが好ましい。Ｃｌ＋Ｓ＋Ｂｒの含有量が多すぎると、溶融時に揮発して溶融容器が腐食しやすくなる。なお、「Ｃｌ＋Ｓ＋Ｂｒ」は、Ｃｌ、Ｓ及びＢｒの含有量の合量を意味する。また、他の清澄剤として、Ｓｂ_２Ｏ_３またはＳｎＯ_２を含有させることができる。Ｓｂ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_２の含有量は各々０〜１％、０．０１〜１％、特に０．０５〜０．５％であることが好ましい。Ｓｂ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２の含有量が多すぎると、光透過率が低下しやすくなる。

Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ及びＣｏＯは光透過率を低下させる成分である。よって、これら成分は実質的に含有しない（具体的には、各々０．１％未満）ことが好ましい。

Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｔｂ及びＥｒ等の希土類成分も光透過率を低下させるおそれがあるため、これらの成分の含有量は酸化物換算で各々１％未満であることが好ましい。

Ｉｎ及びＧａは光透過率を低下させるおそれがあり、また高価であるため、実質的に含有しない（具体的には、酸化物換算で各々０．１％未満）ことが好ましい。

なお、環境上の理由から、鉛成分（例えばＰｂＯ）及びヒ素成分（例えばＡｓ_２Ｏ_３）を実質的に含有しない（具体的には、各々０．１％未満）ことが好ましい。

次に、本発明のエンコーダ用光学レンズを製造する方法を説明する。まず、所望の組成を有し、屈折率が１．６５以上のガラスとなるように調合したガラス原料を加熱溶融して、ガラス融液を得る。溶融雰囲気は、不活性雰囲気であることが好ましい。不活性雰囲気は、窒素、アルゴンまたはヘリウム雰囲気のいずれでも構わないが、安価である点から特に窒素雰囲気が好ましい。雰囲気制御を行わずに溶融した場合、つまり大気中で溶融した場合、ガラスが酸化され、ブツが発生する傾向がある。また、溶融温度は、８００〜１２００℃、特に９００〜１１００℃が好ましい。溶融温度が高いと、溶融容器から溶出した不純物が原因となって、着色が強まり、透明なガラスが得られ難い。溶融温度が低いと、ガラス原料が十分に溶解しないため、未溶解のブツが発生しやすくなる。溶融容器としては、耐火物、石英ガラス、白金、金、グラッシーカーボン等が使用できる。

次に、溶融ガラスをノズルの先端から滴下して液滴状ガラスを作製し、プリフォームガラスを得る。または、溶融ガラスを急冷鋳造して一旦ガラスブロックを作製し、研削、研磨、洗浄してプリフォームガラスを得る。なお、ノズルの材質としては、溶融容器と同様のものを用いることができる。なお、ノズルに対するガラスのぬれ性が高いと、成形脈理が発生しやすくなる。金製ノズルは、ガラスのぬれ性が低く、成形脈理の発生を抑制できるため好ましい。

続いて、精密加工を施した金型中にプリフォームガラスを投入して軟化状態となるまで加熱しながら加圧成形し、金型の表面形状をプリフォームガラスに転写させる。このようにして、エンコーダ用光学レンズを得ることができる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
モル％で、ＳｎＯ ７２％、Ｐ_２Ｏ_５ ２８％、になるように原料を調合し、窒素雰囲気中にて金製容器を用いて７００〜１０００℃で１時間溶融することにより、ガラス融液を得た。次に、金製ノズルからガラス融液を成形型に滴下して、プリフォームガラスを得た。精密加工を施した金型中にプリフォームガラスを投入して軟化点で加熱しながら加圧成形し、金型の表面形状をプリフォームガラスに転写し、前面曲率半径 ２０ｍｍ、高さ ４ｍｍの平凸レンズを得た。その後、得られた光学ガラスレンズについて、焦点距離、屈折率、ガラス転移点、熱膨張係数を評価した。得られた光学ガラスレンズは、屈折率は、１．８４７と大きく、焦点距離が２３．６ｍｍであった。また、ガラス転移点は、２２０℃、熱膨張係数（３０〜２００℃）は、１４５×１０^−７／℃であった。

（実施例２）
実施例１と同様の方法にて、前面曲率半径 １０ｍｍ、高さ０．５ｍｍの平凸レンズを得た。得られた光学レンズの焦点距離は、１２．０ｍｍであった。なお、屈折率、ガラス転移点、及び、熱膨張係数は、実施例１と同様であった。

（実施例３）
実施例１と同様の方法にて、前面曲率半径 １０ｍｍ、後面曲率半径 １０ｍｍ、高さ０．５ｍｍの両凸レンズを得た。得られた光学レンズの焦点距離は、６．１ｍｍであった。なお、屈折率、ガラス転移点、及び、熱膨張係数は、実施例１と同様であった。

（比較例）
ポリメタクリル酸メチル樹脂の平凸レンズ（前面曲率半径、高さ共に実施例１と同様）について、焦点距離、屈折率、ガラス転移点、熱膨張係数を評価した。屈折率は、１．６０と実施例１よりも小さく、焦点距離が３３．３ｍｍと実施例１よりも大きくなった。焦点距離が長くなると、エンコーダの小型化が困難である。ガラス転移点は９０℃であり、実施例１より低くなった。そのため、高温下で変形しやすくなり、焦点距離の変化が起こりやすいと考えられる。熱膨張係数（３０〜２００℃）は、６００×１０^−７／℃であり、実施例１より高くなった。そのため、温度変化による変形が大きくなり、焦点距離の変化が起こりやすくなると考えられる。

焦点距離は、焦点距離測定装置を用いて測定を行った。

屈折率はヘリウムランプのｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する測定値で示した。

ガラス転移点は、マクロ型示差熱分析計を用いて１０００℃まで測定して得られたチャートにおいて第一の変曲点の値を採用した。

熱膨張係数は、ＤＩＬＡＴＯ ＭＥＴＥＲを用いて、３０〜２００℃の範囲で測定を行った。

１ 発光ダイオード
２ 光学レンズ
３ 回転機構
４ 回転軸
５ 回転盤
５ａ 光透過部
５ｂ 光遮断部
６ 受光器
Ｈ 高さ
Ｗ 幅

Claims (8)

1. 屈折率が１．６５以上のガラスからなり、高さが５ｍｍ以下であることを特徴とするエンコーダ用光学レンズ。
2. ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスからなることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ用光学レンズ。
3. 組成として、モル％で、ＳｎＯ ３３．５〜９０％、Ｐ_２Ｏ_５＋ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３ ０．１〜６６．５％を含有するガラスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ用光学レンズ。
4. ガラス転移点が２００℃以上のガラスからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンコーダ用光学レンズ。
5. ３０〜２００℃の範囲で熱膨張係数が２００×１０^−７／℃以下のガラスからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエンコーダ用光学レンズ。
6. ヤング率が６０ＧＰａ以下のガラスからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエンコーダ用光学レンズ。
7. 光弾性定数が２×１０^−１２／Ｐａ以下のガラスからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエンコーダ用光学レンズ。
8. レンズ面に反射防止膜が付与されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のエンコーダ用光学レンズ。