JP2001113580A

JP2001113580A - 射出成形装置

Info

Publication number: JP2001113580A
Application number: JP30024499A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Kuroda; 聖昭黒田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】光学面などのような高精度な表面を持つ射出
成形品を製造する場合、射出成形品の表面にウェルド不
良やヒケ不良が発生したり、複屈折が大きくなったりす
る。【解決手段】成形材料が充填されるキャビティ２２に
臨む光学成形面２１を有する金型１１〜１８と、この金
型１１〜１８を加熱するための高周波誘導加熱コイル２
６と、光学成形面２１近傍の金型１１〜１８の温度を検
出する温度センサ２８,２９と、この温度センサ２８,２
９による検出温度に基づいて高周波誘導加熱コイル２６
による金型１１〜１８の加熱状態を制御する制御手段と
を具え、光学成形面２１を構成する金属薄膜層２０と、
この金型薄膜層２０を保持する断熱層１９とを金型１１
〜１８に形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金型を用いて樹脂
などを所定の形状に成形するための射出成形装置に関
し、特に光学面を持った低複屈折の光学素子を成形する
際に有効なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、合成樹脂を用いてミラーやレンズ
あるいはプリズムなどの光学素子を射出成形する際に問
題となるのは、ウェルド不良やヒケ不良などが発生する
ことであり、ウェルド不良は、成形部品の中央部が薄肉
となる凹レンズなどを射出成形する場合に特に多く見ら
れる。

【０００３】ウェルド不良に関しては、樹脂の射出速度
を遅くすることによって解消される場合があるが、射出
速度をあまり遅くすると、流動中に樹脂が冷却されてし
まい、光学面の転写不良が発生してしまう。このような
ことから、特許第２６１８１００号や特公平６−６３０
４号公報に開示された成形金型や射出成形装置が提案さ
れている。特許第２６１８１００号に記載された成形金
型は、成形金型のキャビティに臨む光学面をＴiＮ(窒化
チタン)またはＴiＣＮ(炭窒化チタン)の薄膜で形成する
と共にこの薄膜と金型本体との間に電気絶縁層を設け、
薄膜に電流を流してそのジュール熱により薄膜を加熱
し、これによってウェルドを消滅するようにしたもので
ある。また、特公平６−６３０４号に記載された射出成
形装置は、キャビティに臨む金型の成形面を磁性体で形
成すると共に金型内部に高周波誘導加熱コイルを設け、
さらにキャビティの部分の温度に基づき、高周波誘導加
熱コイルによるキャビティの温度を制御するようにした
ものである。

【０００４】一方、ヒケ不良に関しては、成形圧を高く
することによって解消可能であるが、射出成形品の冷却
収縮時における成形歪みが大きくなってしまい、複屈折
が大きくなって光学素子としての特性に問題が生ずる。
そこで、特公平６−９８６４２号公報に開示された射出
成形用金型が提案されており、金型に形成された光学面
と対向する成形面を粗面に形成し、キャビティ内への溶
融樹脂の充填完了の直前に射出を停止し、保圧を加える
ことなく冷却固化することにより、溶融樹脂と光学面お
よび粗面の成形面との密着力の差を利用して粗面の成形
面側にヒケを発生させ、光学面にヒケが発生するのを防
止している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特許第２６１８１００
号に開示された成形金型を用いた場合、金型表面に形成
される薄膜の電気抵抗値を０.１〜数Ω程度に設定しな
ければならず、使用可能な薄膜がＴiＮやＴiＣＮに限定
されたり、その厚さを０.２〜２.０μmよりも厚くする
ことができないという問題がある。特に、射出成形され
る光学素子の光学面が非球面の場合、これを形成するた
めの金型を製造する際に、光学面を１００μm程度修正
研磨する必要があり、硬度が極めて高いＴiＮやＴiＣＮ
を１００μm以上の厚さに成膜してこれを研磨すること
は、金型の製造の容易性やコストなどの点で非現実的で
ある。

【０００６】また、特公平６−６３０４号に開示された
射出成形装置を用いた場合、キャビティの部分の温度を
検出する温度センサを光学素子の光学面となる部分に露
出させることができないので、光学面を形成する磁性体
の厚みを温度センサが埋設できる程度まで厚くする必要
がある。しかしながら、磁性体の厚みを厚くすること
は、その熱容量も増大することから高周波誘導加熱コイ
ルを大掛かりなものにしなければならず、結果として射
出成形装置全体の大型化を招来する。

【０００７】一方、ヒケ対策として提案された特公平６
−９８６４２号公報の射出成形用金型では、実際問題と
してキャビティ内への樹脂の充填完了の直前に射出を停
止し、保圧を加えず安定して寸法精度を達成することが
非常に難しく、充填樹脂量が不足気味になるとショート
不良を引き起し、また充填樹脂量が多めの場合には光学
面にヒケが発生し、さらに充填樹脂量が多過ぎると成形
歪みが大きくなって大きな複屈折が生ずる。

【０００８】

【発明の目的】本発明の目的は、光学面などのような高
精度な表面を持つ射出成形品を製造する場合、射出成形
品の表面にウェルド不良やヒケ不良が発生せず、しかも
低複屈折を維持し得る射出成形装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による射出成形装
置は、成形材料が充填されるキャビティに臨む成形面を
有する金型と、この金型を加熱するための高周波誘導加
熱手段と、前記成形面近傍の前記金型の温度を検出する
温度センサと、この温度センサによる検出温度に基づい
て前記高周波誘導加熱手段による前記金型の加熱状態を
制御する制御手段とを具え、前記金型には前記成形面を
構成する金属薄膜層と、この金型薄膜層を保持する断熱
層とが形成されていることを特徴とするものである。

【００１０】本発明によると、制御手段を介して高周波
誘導加熱手段を機能させると、金属薄膜層にうず電流が
発生してジュール熱により金属薄膜層が発熱し、キャビ
ティに臨む形成面の温度が上昇する。この金属薄膜層は
断熱層に保持されているため、金属薄膜層で発生する熱
は断熱層で遮断され、金型の他の部分にはそれほど伝達
されず、金属薄膜層のみが有効に加熱されて成形面の転
写に効果的に作用する。

【００１１】金属薄膜層の加熱状態は、温度センサによ
る検出温度に基づいて制御装置により制御され、成形面
の温度を理想的に保って成形面におけるウェルド不良の
ない安定した成形が行われる。この場合、低圧成形を行
うことによって成形面以外の所にヒケを発生させ、これ
によって低複屈折の射出成形品が安定成形される。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明による射出成形装置におい
て、成形面が光学面であってもよく、金型がコア部とこ
のコア部を囲む抱き駒とを有し、金属薄膜層および断熱
層をコア部に設け、金属薄膜層を囲むように高周波誘導
加熱手段を抱き駒に設け、金属薄膜層に臨むように温度
センサを抱き駒に設けるようにしてもよい。

【００１３】高周波誘導加熱手段が主として金属薄膜層
に渦電流を発生させてこれを加熱するものであってもよ
く、温度センサが金属薄膜層の温度を検出するものであ
ってもよく、断熱層がジルコニアまたはポリイミドで構
成されていてもよい。

【００１４】また、制御手段が温度センサによる検出温
度とあらかじめ設定した目標温度とを比較し、温度セン
サによる検出温度が目標温度となるように高周波誘導加
熱手段の作動をクローズドループ制御するものであって
もよい。

【００１５】

【実施例】本発明による射出成形装置をレーザービーム
プリンタに組み込まれるｆ−θレンズの製造に応用した
実施例について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明
するが、本発明はこのような実施例に限らず、これらを
さらに組み合わせたり、この明細書の特許請求の範囲に
記載された本発明の概念に包含されるべき他の技術にも
応用することができる。

【００１６】本実施例における射出成形装置の金型の主
要部の構造を図１に示し、そのII−II矢視断面構造を図
２に示し、その制御ブロックを図３および図４にそれぞ
れ示す。すなわち、図示しない射出シリンダが連結され
る固定側金型１１は、冷却水が流される冷却ジャケット
１２を組み込んだ固定側抱き駒１３と、この固定側抱き
駒１３に囲まれた状態で保持される固定側コア１４とを
具え、この固定側金型１１と対向して図示しない型締め
装置が連結される可動側金型１５は、冷却水が流される
冷却ジャケット１６を組み込んだ可動側抱き駒１７と、
この可動側抱き駒１７に囲まれた状態で当該可動側抱き
駒１７に保持される可動側コア１８とを具える。上述し
た固定側抱き駒１３および可動側抱き駒１７を構成する
材料として、特別な制約はないけれども、一般的にはＳ
ＵＳなどの非磁性材料や銅合金などを採用することが好
ましい。また、固定側コア１４および可動側コア１８を
構成する材料としては、大同特殊鋼株式会社のＮＡＫ５
５やオーストリア国ボーラー社のＳＴＡＶＡＸなどの一
般的な金型材料の他に、成形サイクルを短縮する目的で
銅合金、例えば神戸製鋼所株式会社のＨＲ７５０を用い
ることが有効である。

【００１７】固定側コア１４および可動側コア１８の先
端部は、断熱層１９を介して金属薄膜層２０で覆われて
おり、ｆ−θレンズの光学面を形成する光学成形面２１
がこの金属薄膜層２０の表面に形成されている。本実施
例では、断熱層１９を構成する材料としてジルコニア
（ＺrＯ2）を採用しており、ＣＶＤ法やスパッタリング
法などを用いて固定側コア１４および可動側コア１８の
先端部にそれぞれ形成することができる。また、本実施
例における金属薄膜層２０は、光学成形面２１が非球面
であっても加工が比較的容易なＫＮめっき（ニッケル化
学めっき）を５０〜１００μm程度の厚みに形成したも
のである。

【００１８】可動側抱き駒１７には、固定側コア１４お
よび可動側コア１８の金属薄膜層２０と可動側抱き駒１
７とで囲まれたキャビティ２２と、固定側抱き駒１３に
形成された図示しない樹脂通路とを接続するゲート２３
が形成されており、このゲート２３には、固定側抱き駒
１３に形成された図示しない樹脂通路が連通しており、
上述した射出シリンダから供給される溶融樹脂は、樹脂
通路からゲート２３を介してキャビティ２２内に射出さ
れるようになっている。

【００１９】キャビティ２２に臨む光学成形面２１を有
する金属薄膜層２０ならびにこの金属薄膜層２０と固定
側コア１４,可動側コア１８との間に介在する断熱層１
９は、固定側コア１４,可動側コア１８の先端部の外周
部分まで延在し、電気絶縁層２４を介してこの金属薄膜
層２０の延在部分２５を囲むように固定側抱き駒１３お
よび可動側抱き駒１７に装着される本発明の高周波誘導
加熱手段としての高周波誘導加熱コイル２６は、固定側
抱き駒１３および可動側抱き駒１７の外に引き出される
図示しないリード線を介して高周波電源２７に接続して
いる。高周波電源２７から高周波誘導加熱コイル２６に
電力が供給されると、金属薄膜層２０にうず電流が発生
してジュール熱により金属薄膜層２０が発熱し、キャビ
ティ２２に臨む光学形成面２１の温度が上昇する。この
金属薄膜層２０は断熱層１９に保持されているため、金
属薄膜層２０で発生する熱は断熱層１９で遮断され、固
定側コア１４,可動側コア１８にはそれほど伝達され
ず、また、固定側抱き駒１３,可動側抱き駒１７は冷却
ジャケット１２,１６内を流れる冷却水によって冷却さ
れているため、金属薄膜層２０のみが有効に加熱される
こととなる。この高周波電源２７の出力としては、１５
KＷ以下で駆動周波数が３０KＨz〜６００KＨzであるこ
とが好ましい。高周波電源２７の出力が１５KＷを越え
ると、高周波誘導加熱コイル２６および金属薄膜層２０
のみならず、固定側コア１４および可動側コア１８まで
も加熱してしまうため、好ましくない。

【００２０】なお、固定側抱き駒１３および可動側抱き
駒１７の高周波誘導加熱コイル２６と高周波電源２７と
の接続は、これら２つの高周波誘導加熱コイル２６から
発生する磁束が相殺されないように、同期して接続する
ことが好ましい。

【００２１】上述した光学成形面２１近傍の温度を検出
するため、検出端が金属薄膜層２０の延在部分２５に達
する一対の温度センサ２８,２９が固定側抱き駒１３お
よび可動側抱き駒１７にそれぞれ設けられている。本実
施例における温度センサ２８,２９は、熱電対や白金抵
抗体あるいは赤外線などを利用したものである。

【００２２】温度センサ２８,２９によって検出された
検出温度Ｔmは、本発明における制御手段としての制御
装置３０の比較部３１に送信され、この制御装置３０の
温度設定部３２にてあらかじめ設定された目標温度Ｔr
と比較され、その差ΔＴが算出される。そして、この温
度差ΔＴに対応して高周波誘導加熱コイル２６に対する
加熱量をＰＩＤ制御するＰＩＤ演算部３３にて算出し、
さらにこのＰＩＤ演算部３３にて算出された加熱量に対
応する高周波電源２７にて出力すべき供給電力量を電力
量算出部３４にて算出し、高周波電源２７に対する駆動
が制御される。

【００２３】なお、温度設定部３２にて設定される目標
温度Ｔrは、光学成形面２１の温度と温度センサ２８,２
９によって検出される金属薄膜層２０の延在部分２５の
温度との関係をあらかじめ測定しておき、光学成形面２
１の温度がガラス転移点温度Ｔg以上となるように設定
することが好ましい。

【００２４】従って、図１に示すような型締め状態にお
いて、射出シリンダからキャビティ２２内に溶融樹脂を
射出するが、これがキャビティ２２内で硬化する際にヒ
ケを発生する程度の低圧で射出する。この場合、光学成
形面２１はガラス転移点温度Ｔg以上に加熱されている
ため、この光学成形面２１に近接するキャビティ２２内
の樹脂Ｗにウェルドは発生せず、光学光学成形面２１以
外の成形面、つまり金属薄膜層２０で囲まれていない部
分は加熱されないため、この部分に近接するキャビティ
２２内の樹脂Ｗは、すぐに固化して収縮を始める。これ
に対し、光学成形面２１近傍のキャビティ２２内の樹脂
Ｗは、光学成形面２１が高周波誘導加熱されているた
め、すぐには固化せず、光学成形面２１に密着した状態
で冷却が進み、ガラス転移点温度Ｔgを越えて固化が始
まるが、金属薄膜層２０で囲まれていない部分に近接す
るキャビティ２２内の樹脂Ｗは、すでに固化しているた
め、光学成形面２１に引っ張られて図２に示すようなヒ
ケ３５が発生する。その際、光学成形面２１の温度は、
樹脂の熱変形温度よりも高い方が好ましい。また、金属
薄膜層２０で囲まれていない部分の温度は、熱変形温度
を上回らない程度に高い方が好ましい。この結果、射出
成形されるｆ−θレンズの光学面にはヒケやウェルドが
発生せず、しかも低圧で成形されているために成形歪み
の少ない低複屈折の高精度なｆ−θレンズを得ることが
できる。

【００２５】上述した実施例では、断熱層１９としてジ
ルコニア（ＺrＯ2）を採用したが、このようなセラミッ
クス以外に耐熱性の良好な樹脂などを用いることも可能
である。また、金属薄膜層２０以外の部分の冷却をより
確実に行うため、固定側コア１４および可動側コア１８
にも冷却機構を組み込むようにしてもよい。

【００２６】このような本発明による射出成形装置の他
の実施例における金型の主要部の構造を図５に示すが、
先の実施例と同一機能の部材には、これと同一符号を記
すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわ
ち、本実施例における断熱層１９は、熱伝導率が０.０
０２cal/cm・sec・℃以下でガラス転移点温度Ｔgが２０
０℃以上のポリイミドを採用しており、０.０２〜２mm
の厚さを有し、フッ素を含有しないものである。また、
固定側コア１４および可動側コア１８の中央部には、冷
却水を流すための冷却ジャケット３６,３７が埋設され
ており、可能な限り金属薄膜層２０のみ加熱されるよう
に配慮している。

【００２７】

【発明の効果】本発明によると、制御手段を介して高周
波誘導加熱手段により金属薄膜層にうず電流を発生さ
せ、これによって金属薄膜層を加熱してキャビティに臨
む形成面の温度を上昇させる一方、金属薄膜層で発生す
る熱を断熱層で遮断し、金属薄膜層のみを有効に加熱す
るようにしたので、射出成形品にウェルド不良が発生し
ない。また、金属薄膜層の加熱状態は、温度センサを用
いて制御手段により制御されるため、成形面の温度を理
想的に保つことが可能であり、低圧成形を行うことによ
って成形面以外の所にヒケを発生させ、これによって低
複屈折の射出成形品を安定成形することができる。

【００２８】さらに、高周波誘導加熱手段によって金属
薄膜層のみ加熱すれば良いので、低容量の高周波電源を
使用することができる上、そのための冷却設備を省略す
ることも可能であり、射出成形装置全体を小型化および
低コスト化することができる。しかも、熱容量の小さな
金属薄膜層のみを加熱することができるので、成形面以
外の部分にヒケが発生した後に金型を強制冷却すること
により、成形サイクル時間を短くしてその生産効率を上
げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による射出成形装置の一実施例の主要部
の構造を表す断面図である。

【図２】図１に示した実施例におけるII−II矢視断面図
である。

【図３】図１に示した実施例における制御ブロック図で
ある。

【図４】図１に示した実施例における制御手段における
制御ブロック図である。

【図５】本発明によると射出制御装置の他の実施例の主
要部の構造を表す断面図である。

【符号の説明】

１１固定側金型１２冷却ジャケット１３固定側抱き駒１４固定側コア１５可動側金型１６冷却ジャケット１７可動側抱き駒１８可動側コア１９断熱層２０金属薄膜層２１光学成形面２２キャビティ２３ゲート２４電気絶縁層２５金属薄膜層の延在部分２６高周波誘導加熱コイル２７高周波電源２８,２９温度センサ３０制御装置３１比較部３２温度設定部３３ＰＩＤ演算部３４電力量算出部３５ヒケ３６,３７冷却ジャケットＷ樹脂Ｔm 検出温度Ｔr 目標温度 ΔＴ検出温度と目標温度との差

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２９Ｃ 45/74 Ｂ２９Ｃ 45/74 45/78 45/78 // Ｂ２９Ｌ 11:00 Ｂ２９Ｌ 11:00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成形材料が充填されるキャビティに臨む
成形面を有する金型と、この金型を加熱するための高周波誘導加熱手段と、前記成形面近傍の前記金型の温度を検出する温度センサ
と、この温度センサによる検出温度に基づいて前記高周波誘
導加熱手段による前記金型の加熱状態を制御する制御手
段とを具え、前記金型には前記成形面を構成する金属薄
膜層と、この金型薄膜層を保持する断熱層とが形成され
ていることを特徴とする射出成形装置。
【請求項２】前記金型を冷却するための冷却手段をさ
らに具えたことを特徴とする請求項１に記載の射出成形
装置。
【請求項３】前記金型は、コア部とこのコア部を囲む
抱き駒とを有し、前記金属薄膜層および前記断熱層が前
記コア部に設けられ、前記高周波誘導加熱手段が前記金
属薄膜層を囲むように前記抱き駒に設けられ、前記温度
センサが前記金属薄膜層に臨むように前記抱き駒に設け
られていることを特徴とする請求項１または請求項２に
記載の射出成形装置。
【請求項４】前記高周波誘導加熱手段は、主として前
記金属薄膜層に渦電流を発生させてこれを加熱すること
を特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の射
出成形装置。
【請求項５】前記温度センサは、前記金属薄膜層の温
度を検出するものであることを特徴とする請求項１から
請求項４の何れかに記載の射出成形装置。
【請求項６】前記制御手段は、前記温度センサによる
検出温度とあらかじめ設定した目標温度とを比較し、前
記温度センサによる検出温度が前記目標温度となるよう
に前記高周波誘導加熱手段の作動をクローズドループ制
御することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか
に記載の射出成形装置。
【請求項７】前記断熱層は、ジルコニアまたはポリイ
ミドで構成されていることを特徴とする請求項１から請
求項６の何れかに記載の射出成形装置。
【請求項８】前記成形面が光学面であることを特徴と
する請求項１から請求項７の何れかに記載の射出成形装
置。