JP2006187969A - レンズ成形金型 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビティ内へ射出後、圧縮をかける装置の複雑化や圧縮される形状の制限の課題を解決し、繰り返し利用できる光学樹脂成形金型を提供することを目的とする。
【解決手段】可動側金型と固定側金型が１対となるレンズ成形金型であって、可動側金型は、可動側金型スリーブと、可動側金型スリーブに収納される光学面を形成する可動側金型インサートを備え、可動側金型インサートの材料の線膨張係数値が、前記可動側金型スリーブの材料の線膨張係数値より大きいことを特徴とするレンズ成形金型により、圧縮プロセスが導入でき、内部密度が均一で安定して転写性に優れた高品質の光学樹脂成形品を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミラー、レンズなどの光学部品において、射出成形による光学樹脂成形部品の成形金型に関するものである。

従来の光学樹脂成形部品の成形方法を図４と図５に示す。

光学樹脂成形部品などの精密成形分野では、転写精度の確保や内部歪み低減の手段としての射出圧縮成形技術は周知の事実である。たとえば圧縮の方法として、図４（例えば、非特許文献１参照）は、成形機の型締め力のみによって圧縮させる方法であり、具体的には型締め時に２段型締めを行う。また、圧縮用の別駆動装置の付加によって、型締め方向と異なる方向からでも圧縮する方法もある。（例えば、特許文献１参照）図５は、型締め方向と異なる方向から圧縮する方法を示し、別駆動装置として油圧シリンダ４４などの他、弾性体の組み込みによっても可能である。上記以外の方法で成形機の突き出しロッドを圧縮用に兼用する方法もある。これらはいずれもキャビティの圧縮を金型外装置の作用によってなされるものである。
最新の射出成形技術 廣恵章利編（第１４８頁、図２．８．４） 特開平３−１６２９２４号公報（第１図）

しかしながら、前記従来の構成では、下記に示すような課題がある。２段型締め方法では、型締め完了前段階の金型パーティング面に隙間を設けた状態（１段型締め）で射出し、その後型締めを完了（２段型締め）させて隙間を詰めることで圧縮が行なわれる。したがって、１段型締め時における金型パーティング面からの樹脂漏れを防ぐには樹脂端面部を型締め方向で勘合する喰い切り面（インロー）にする必要がある。このため型構造が制約され、更にサイドゲートに対応するためには金型構造が複雑化する課題を有していた。

また、圧縮用の駆動装置を付加する方法では、必要な投影面積に作用させる圧縮力を駆動装置で対応する必要があるために、圧縮の必要な投影面積が大きい成形品については必然的に駆動装置も長大なものとなる。このため成形品の大きさが制限される課題を有していた。

また、弾性体を組み込む方法では、圧縮量は射出圧によって変形できる量となるため射出圧によって変形した値以上を圧縮力として作用させることはできなかった。

更に、成形機突き出しロッドを圧縮に兼用する方法では、成形品に圧縮を加える部分の投影面積に見合う力が必要とされるため、圧縮を加える部分の投影面積が大きい成形品については突き出し機構が長大なものとなる。このため成形品の大きさが制限される課題を有していた。特にこの場合は成形機本体の限られたスペースとなるため、さらに装置の大きさが制限され成形可能な圧縮力は、圧縮用の駆動装置を付加する方法に比べて小さくなる。

本発明は、上記の課題を解決するもので、成形機の構成や動作および付加装置に頼らず、また金型にも特別な構造を必要とすることなく、シンプル且つ所定の圧縮量で繰り返すことのできる安定性に優れた成形プロセスによって、高品質の光学樹脂成形部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のレンズ成形金型は、レンズ光学面を形成する金型インサートと金型スリーブの線膨張係数値を最適化させて構成することで上記課題を解決するものである。具体的には圧縮を必要とする光学面を形成する部材の線膨張係数値を他の部材よりも大きくする。これにより他の部材よりも温度を高くすることで光学面を形成する部材の変化量が他の部材の変化量よりも大きくなり、相対的に光学面がキャビティ寸法の縮小方向に移動して圧縮が行なわれるものである。したがって本構成によって得られるレンズ成形金型では金型温度を所定量変化させることで所定の圧縮量を得ることができるものである。

以上のように、本発明のレンズ成形金型によれば成形機や金型装置の基本構成には何ら変更を加えずに金型温度コントロールだけでキャビティ内に樹脂成形材料を射出後、キャビティ容積を圧縮させることができる。このため射出圧力を高くして充填バランスをくずすことなく均一に充填密度を高くすることができ、安定した高品質の光学樹脂成形部品を得ることができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光学樹脂成形金型および装置の断面図である。

図１は本発明による光学樹脂成形方法示す縦断面図である。図１において光学樹脂成形金型３は可動側金型１と固定側金型２で形成されており、射出成形装置の型締め装置（図示せず）を介して型締め用の可動プラテン４および固定側プラテン５にそれぞれ取り付けられており、型締め動作時には可動プラテン４の移動にともなって可動側金型１が移動して固定側金型２と互いに組み合うように配置固定されている。射出シリンダー２３と射出シリンダー２３の先端にあるノズル２２が光学樹脂成形金型３に組み込まれているスプルブッシュ２１に当接し、スプル１３、ランナ１２およびゲート１１を介してキャビティ８に連通している。ノズル先端は射出時にスプルブッシュ２１に当接させるとともに射出保圧完了後は型開き時のキャビ残りを防止するためにスプルブッシュ２１から後退させて引き離す。

図１において光学面を形成する可動側金型インサート６ａは、連接する可動側金型スリーブ６ｂに対して線膨張係数が大きくなるように構成されて可動側金型１に組み込まれており、さらに線膨張を有効に作用させるため光軸に垂直方向の寸法を長くとって取り付け板１６に固定されている。また、固定側金型２には固定側金型インサート７ａが対向する位置に組み込まれており、連接して固定側金型スリーブ７ｂがある。光学面を形成する可動側金型インサート６ａや可動側金型１や固定側金型２には温度コントロールのために加熱用のヒータ３０を内蔵させ、加熱媒体を供給可能としておく。

次にこれらの装置を用いて所望の光学樹脂成形部品Ｋを得るための工程について説明する。

（ａ）型締め
図１において、成形機の型締機構（図示せず）の動作により、可動側金型１が固定側金型２へ当接するように移動して型締めが行われる。型締めにより光学面を形成する可動側金型インサート６ａと対向する固定側金型２に組み込まれている固定側金型インサート７ａとの間には型内空間であるところのキャビティ８が形成される。図２が型締めを行ったときの図である。光学樹脂成形金型３は常温よりも高く射出成形に適した一定の温度に維持されている。

（ｂ）樹脂射出
型締め完了後、射出シリンダー２３の前方部分に所定の光学樹脂成形部品Ｋを得るために必要な射出体積（ランナやオーバーフローを含む冷却固化して取り出される総体績）に相当する量が予め計量されて滞留させる。この滞留樹脂Ｓが、射出シリンダー２３内に組み込まれたスクリュウ２４の前進動作（射出動作）によって、ノズル２２からスプル１３を通過し、ランナ１２からゲート１１を通じてキャビティ８へと送られる。この時、金型は成形温度に保持されている。光学面を形成する可動側金型インサート６ａと可動側金型スリーブ６ｂ、固定側金型インサート７ａと固定側金型スリーブ７ｂは予め各々の線膨張係数値が異なっていても樹脂の射出時の温度でキャビティ寸法が設計値となるようにして組み込まれている。

射出完了後、キャビティ８内に送り込まれた樹脂に押し圧（保圧動作）をかけて成形品の転写性向上が行なわれる。

（ｃ）金型昇温
射出完了後、可動側金型インサート６ａの温度を上昇させる。温度上昇は光学面を形成する可動側金型インサート６ａに予め組み込まれたヒータ３０の加熱や加熱媒体温度の上昇または加熱媒体をより高温のものと切り替えて流すことによってなされる。可動側金型インサート６ａは可動側金型スリーブ６ｂよりも線膨張係数値を大きくすることで、光学面を形成する可動側金型インサート６ａは可動側金型スリーブ６ｂよりも寸法が拡大（光軸に対して垂直方向に寸法が拡大する構成）することでキャビティ８の寸法が縮小されて結果キャビティ８が圧縮される。例えば、可動側金型インサート６ａの線膨張係数値を３０×１０^-6〔／℃・ｍｍ〕とし、可動側金型スリーブ６ｂの線膨張係数値を１０×１０^-6〔／℃・ｍｍ〕とした場合、線膨張係数差は、２０×１０^-6〔／℃・ｍｍ〕となる。

（ｄ）圧縮量
光軸方向の厚みが４ｍｍである光学樹脂成形部品について、１００ＭＰａの射出圧力で射出後２００ＭＰａまで圧縮が必要とするプロセスを考えた時の比容積の変化とその時の圧縮量を示すとともに光学面を形成する金型インサートの長さおよび昇温量について以下に概算値を示す。なお樹脂は〔日本ゼオン（株）ＺＥＯＮＯＲ １４２０Ｒ 〕を例にとって述べる。ＰＶＴ線図から
キャビティ射出直後２８０℃ １００ＭＰａの時比容積０．００１０２５〔ｍ³／ｋｇ〕
圧縮条件 ２００ＭＰａの時比容積０．０００９８５〔ｍ³／ｋｇ〕
比容積の比が所望の圧縮量となる ０．００１０２５／０．０００９８５＝１．０４０６したがって４ｍｍ厚の光学部品の圧縮必要量は４−４／１．０４０６＝０．１６〔ｍｍ〕となる。

線膨張係数の差によって前記０．１６〔ｍｍ〕の圧縮量を達成するためには、光学面を形成する金型インサートの全長および線膨張係数差をそれぞれ２００〔ｍｍ〕、２０×１０^-6〔／℃・ｍｍ〕で構成すれば、０．１６／（２０×１０^-6×２００）＝４０℃ となり４０℃の温度差で必要条件を満たす。

上述に示すとおり、可動側金型インサート６ａのみ昇温させることによって、キャビティ８を所望量圧縮することが可能である。なお昇温によって樹脂成形材料のガラス転移点温度以上となるように設定することが望ましい。

（ｅ）冷却
可動側金型インサート６ａを（ｄ）圧縮量で示した温度について昇温させ、キャビティ８の圧縮が行なわれた後、光学樹脂成形部品Ｋの取り出し温度まで冷却させて固化させる。昇温開始前温度にもよるが、温度が取り出し温度以下になれば、特に昇温前と同じ温度になるまで冷却させなくともよい。この場合は次ショットの射出前までに所定の金型温度に冷却させればよい。

（ｆ）取り出し
冷却凝固後、光学樹脂成形部品Ｋは型締め装置（図示せず）により型開き動作が行なわれ、可動側金型１に組み込まれた突き出し装置１５により金型より離型され、成形品取り出し装置（図示せず）により光学樹脂成形金型３から取り出される。光学樹脂成形部品Ｋを光学樹脂成形金型３より取り出し後、再び型締め動作に入ることで成形サイクルが完了する。

かかる構成によれば、成形機や金型装置に特別な装置を用いることなく、金型キャビティ８内に樹脂を射出後、内部密度均一化のためのキャビティ圧縮が可能となり安定化され且つ、安定して内部密度が均一化され且つ表面転写性に優れた光学樹脂成形部品を得ることができる。

（ｇ）キャビティ拡大
昇温によりキャビティ８を圧縮する方向で作用する可動側金型インサート６ａは冷却過程ではキャビティ８を拡大する方向で作用する。取り出し時の温度が、変形を起こさない温度以下の条件であれば、キャビティ８の拡大による内部歪みの低減をした光学樹脂成形部品Ｋを得ることが可能となる。

以上実施の形態１について説明を加えたが、本実施の形態において、線膨張係数値を大きくしたところの可動側金型インサート６ａを可動側金型１だけに設けたが固定側金型２だけにしてもよく、また可動側金型１および固定側金型２の両方に設けてもよい。また（ｄ）圧縮量で示した成形条件は１例を示すもので成形条件を既定するものでもなく、ＰＶＴ線図から得られた値についても概略値である。樹脂についても特に既定されることなく、同様な考え方で用いることが可能である。説明で用いた線膨張係数差の値については、材料を特定するものではなく計算例として示したものである。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における光学樹脂成形金型および装置の断面図である。

図３は本発明による光学樹脂成形方法示す縦断面図である。図３において光学樹脂成形金型３は可動側金型１と固定側金型２で形成されており、射出成形装置の型締め装置（図示せず）を介して型締め用の可動側プラテン４および固定側プラテン５にそれぞれ取り付けられており、型締め動作時には可動側プラテン４の移動にともなって可動側金型１が移動して固定側金型２と互いに組み合うように配置固定されている。射出シリンダー２３と射出シリンダー２３の先端にあるノズル２２が光学樹脂成形金型３に組み込まれているスプルブッシュ２１に当接し、スプル１３、ランナ１２およびゲート１１を介してキャビティ８に連通している。ノズル先端は射出時にスプルブッシュ２１に当接させるとともに射出保圧完了後は型開き時のキャビ残りを防止するためにスプルブッシュ２１から後退させて引き離す。

図３において光学面を形成する金型インサート６ａは、連接する可動側金型スリーブ６ｂに対して線膨張係数値が大きい金型インサートベース９と連接されて可動側金型１に組み込まれており、さらに線膨張を有効に作用させるため可動側金型インサートベース９は光軸に垂直方向の寸法を長くとって取り付け板１６に固定されている。また、固定側金型２には固定側金型インサート７ａが対向する位置に組み込まれており、連接して固定側金型スリーブ７ｂがある。光学面を形成する可動側金型インサート６ａや可動側金型インサートベース９や可動側金型１や固定側金型２には温度コントロールのために加熱用のヒータ３０を内蔵させ、加熱媒体を供給可能としておく。光学面を形成する可動側金型インサート６ａと可動側金型インサートベース９は、基本的に圧力を受けることができればよく、それぞれを接合する必要はない。もちろん接合しても何らの問題も生じない。

次にこれらの装置を用いて所望の光学樹脂成形部品Ｋを得るための工程について説明する。

（ａ）型締め
図３において、成形機の型締機構（図示せず）の動作により、可動側金型１が固定側金型２へ当接するように移動して型締めが行われる。型締めにより光学面を形成する可動側金型インサート６ａと対向する固定側金型２に組み込まれている固定側金型インサート７ａとの間には型内空間であるところのキャビティ８が形成される。図３に示すように、光学樹脂成形金型３は常温よりも高く射出成形に適した一定の温度に維持されている。

（ｂ）樹脂射出
型締め完了後、射出シリンダー２３の前方部分に所定の光学樹脂成形部品Ｋを得るために必要な射出体積（ランナやオーバーフローを含む冷却固化して取り出される総体績）に相当する量が予め計量されて滞留させる。この滞留樹脂Ｓが、射出シリンダー２３内に組み込まれたスクリュウ２４の前進動作（射出動作）によって、ノズル２２からスプル１３を通過し、ランナ１２からゲート１１を通じてキャビティ８へと送られる。この時、金型は成形温度に保持されている。光学面を形成する可動側金型インサート６ａに連接する金型インサートベース９、可動側スリーブ６ｂ、固定側金型インサート７ａと固定側金型スリーブ７ｂは、予め各々の線膨張係数値が異なっていても樹脂の射出時の温度でキャビティ寸法が設計値となるようにして組み込まれている。

射出完了後、キャビティ８内に送り込まれた樹脂に押し圧（保圧動作）をかけて成形品の転写性向上が行なわれる。

（ｃ）金型昇温
射出完了後、可動側金型インサート６ａと連接する可動側金型インサートベース９の温度を上昇させる。温度上昇は可動側金型インサートベース９に予め組み込まれたヒータ３０の加熱や加熱媒体温度の上昇または加熱媒体をより高温のものと切り替えて流すことによってなされる。金型インサートベース９は、可動側金型インサート６ａおよび可動側金型スリーブ６ｂよりも線膨張係数値の大きい部材で構成することで他の部材よりも寸法が拡大するのでその結果、可動側金型インサート６ａの光学面が見かけ上光軸に対して垂直方向に寸法が拡大することでキャビティ８の寸法が縮小されて結果キャビティ８が圧縮される。可動側金型インサート６ａとそれに連接する可動側金型インサートベース９が接合されていなくとも圧力が加わる方向であるため各々が分離する心配はない。例えば、可動側金型インサートベース９の線膨張係数値を３０×１０^-6〔／℃・ｍｍ〕とし、可動側金型インサート６ａおよび可動側金型スリーブ６ｂの線膨張係数値を１０×１０^-6〔／℃・ｍｍ〕とした場合、線膨張係数差は、２０×１０^-6〔／℃・ｍｍ〕となる。

（ｄ）圧縮量
光軸方向の厚みが４ｍｍである光学樹脂成形部品について、１００ＭＰａの射出圧力で射出後２００ＭＰａまで圧縮が必要とするプロセスを考えた時の比容積の変化とその時の圧縮量を示すとともに可動側金型インサートベース９の長さおよび昇温量について以下に概算値を示す。なお樹脂は〔日本ゼオン（株）ＺＥＯＮＯＲ １４２０Ｒ 〕を例にとって述べる。ＰＶＴ線図から
キャビティ射出直後２８０℃ １００ＭＰａの時比容積０．００１０２５〔ｍ³／ｋｇ〕
圧縮条件 ２００ＭＰａの時比容積０．０００９８５〔ｍ³／ｋｇ〕
比容積の比が所望の圧縮量となり ０．００１０２５／０．０００９８５＝１．０４０６したがって４ｍｍ厚の光学部品の圧縮必要量は４−４／１．０４０６＝０．１６〔ｍｍ〕となる。

線膨張係数の差によって前記０．１６〔ｍｍ〕の圧縮量を成するためには、可動側金型インサートベース９の全長および線膨張係数差をそれぞれ２００〔ｍｍ〕、２０×１０^-6〔／℃・ｍｍ〕で構成すれば０．１６／（２０×１０^-6×２００）＝４０℃ となり４０℃の温度差で必要条件を満たす。

上述に示すとおり、可動側金型インサートベース９のみ昇温させることによって、キャビティ８を所望量圧縮することが可能である。なお昇温によって樹脂成形材料のガラス転移点温度以上となるように設定することが望ましい。

（ｅ）冷却
可動側金型インサートベース９を（ｄ）圧縮量で示した温度について昇温させ、キャビティ８の圧縮が行なわれた後、光学樹脂成形部品Ｋが取り出し温度になるまで冷却させて固化させる。昇温開始前温度にもよるが、温度が取り出し温度以下になれば、特に昇温前と同じ温度になるまで冷却させなくともよい。この場合は次ショットの射出前までに所定の金型温度に冷却させればよい。

（ｆ）取り出し
冷却凝固後、光学樹脂成形部品Ｋは型締め装置（図示せず）により型開き動作が行なわれ、可動側金型１に組み込まれた突き出し装置１５により光学樹脂成形金型３より離型され、成形品取り出し装置（図示せず）により光学樹脂成形金型３から取り出される。樹脂成形部品Ｋを光学樹脂成形金型３より取り出し後、再び型締め動作に入ることで成形サイクルが完了する。

かかる構成によれば、成形機や金型装置に特別な装置を用いることなく、金型キャビティ８内に樹脂を射出後、内部密度均一化のためのキャビティ圧縮が可能となり安定化され且つ、安定して内部密度が均一化され且つ表面転写性に優れた光学樹脂成形部品を得ることができる。

（ｇ）キャビティ拡大
昇温によりキャビティ８を圧縮する方向で作用する可動側金型インサートベース９の冷却過程ではキャビティ８を拡大する方向で作用する。取り出し時温度を光学樹脂成形部品Ｋが変形を起こさない温度以下の条件であれば、キャビティ８の拡大による内部歪みの低減をした光学樹脂成形部品Ｋを得ることが可能となる。光学面を形成する可動側金型インサート６ａとそれに連接する可動側金型インサートベース９が接合されていない場合、キャビティ８の拡大方向ではそれぞれが引き離される方向で力が働くが、キャビティ８の内圧によって可動側金型インサート６ａは可動側金型インサートベース９に追従する動作となるので問題は生じない。

以上実施の形態２について説明を加えたが、本実施の形態において、線膨張係数値を大きくしたところの可動側金型インサートベース９を可動側金型１だけに設けたが固定側金型２だけにしてもよく、また可動側金型１および固定側金型２の両方に設けてもよい。また（ｄ）圧縮量で示した成形条件は１例を示すもので成形条件を既定するものでもなく、ＰＶＴ線図から得られた値についても概略値である。樹脂についても特に既定されることなく、同様な考え方で用いることが可能である。説明で用いた線膨張係数差の値については、材料を特定するものではなく計算例として示したものである。

本発明のレンズ成形金型は、高品質で安定した光学樹脂成形部品を得ることが可能であり、レンズ・ミラーなどの光学樹脂成形部品の用途に適応できる。

本発明の実施の形態１におけるレンズ成形金型を備えた光学樹脂射出成形装置を示す断面図 本発明の実施の形態１における型締め時を示す断面図 本発明の実施の形態２におけるレンズ成形金型を備えた光学樹脂射出成形装置を示す断面図 公知の圧縮成形方法を示す図 従来の光学樹脂成形装置を示す断面図

符号の説明

１ 可動側金型
２ 固定側金型
３ 光学樹脂成形金型
４ 可動側プラテン
５ 固定側プラテン
６ａ 可動側金型インサート
６ｂ 可動側金型スリーブ
７ａ 固定側金型インサート
７ｂ 固定側金型スリーブ
８ キャビティ
９ 可動側金型インサートベース
１１ ゲート
１２ ランナ
１３ スプル
１５ 突き出し装置
１６ 取り付け板
２１ スプルブッシュ
２２ ノズル
２３ 射出シリンダー
２４ スクリュウ
３０ 金型加熱装置（ヒータ）
Ｓ シリンダ内滞留溶融樹脂
Ｋ 光学樹脂成形部品

Claims (4)

1. 可動側金型と固定側金型が一対となるレンズ成形金型であって、
   前記可動側金型は、可動側金型スリーブと、前記可動側金型スリーブに収納される光学面を形成する可動側金型インサートを備え、
   前記可動側金型インサートの材料の線膨張係数値が、前記可動側金型スリーブの材料の線膨張係数値より大きいことを特徴とするレンズ成形金型。
2. 可動側金型と固定側金型が一対となるレンズ成形金型であって、
   前記固定側金型は、固定側金型スリーブと、前記固定側金型スリーブに収納される光学面を形成する固定側金型インサートを備え、
   前記固定側金型インサートの材料の線膨張係数値が、前記固定側金型スリーブの材料の線膨張係数値より大きいことを特徴とするレンズ成形金型。
3. 可動側金型と固定側金型が一対となるレンズ成形金型であって、
   前記可動側金型は、光学面を形成する可動側金型インサートと、前記可動側金型インサートの光学面と反対方向に連接する可動型金型インサートベースとを備え、
   前記可動側金型インサートベースの材料の線膨張係数値は、前記可動側インサートの材料の線膨張係数値よりも大きいことを特徴とするレンズ成形金型。
4. 可動側金型と固定側金型が一対となるレンズ成形金型であって、
   前記固定側金型は、光学面を形成する固定側金型インサートと、前記固定側金型インサートの光学面と反対方向に連接する固定側金型インサートベースとを備え、
   前記固定側金型インサートベースの材料の線膨張係数値は、前記固定側インサートの材料の線膨張係数値よりも大きいことを特徴とするレンズ成形金型。

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