JP2006264149A - 射出成形用金型及び該金型を用いる光学部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形サイクルを短縮し、廃棄する樹脂の量を減少し、ヒケなどの局所変形のない光拡散板などの大型の光学部材を得ることができる射出成形用金型及び該金型を用いる光学部材の製造方法を提供する。
【解決手段】射出成形機ノズル側の第一のランナー及び金型キャビティ側の第二のランナーを有する射出成形用金型であって、第一のランナーが該ランナー内の樹脂を溶融状態に保つ加熱手段を有し、第二のランナーが該ランナー内の樹脂を冷却固化する冷却手段を有することを特徴とする射出成形用金型、及び、熱可塑性樹脂の射出成形による光学部材の製造方法において、射出成形機ノズル側の第一のランナー及び金型キャビティ側の第二のランナーを有する射出成形用金型を用い、第一のランナーを加熱して該ランナー内の樹脂を溶融状態に保ち、第二のランナーを冷却して該ランナー内の樹脂を固化せしめることを特徴とする光学部材の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、射出成形用金型及び該金型を用いる光学部材の製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、ホットランナーとコールドランナーを有し、成形サイクルを短縮し、廃棄する樹脂の量を減少し、ヒケなどの局所変形のない光学部材を得ることができる射出成形用金型及び該金型を用いる光学部材の製造方法に関する。

電圧をかけると分子の並び方が変化するという液晶の性質を利用した液晶表示装置は、パーソナルコンピュータ、薄型テレビジョン、車載用パネル、携帯情報端末などに広く用いられている。液晶自体は発光しないので、液晶表示装置は外部の光源を必要とし、液晶表示装置の側縁に光源が配置されるサイドライト方式と、液晶表示装置の背部に光源が配置される直下方式が実用化されている。サイドライト方式は、装置ユニットを薄くすることができるが、輝度が低いので、高輝度が要求される大型の液晶表示装置には、直下方式が適している。
サイドライト方式、直下方式ともに、熱可塑性樹脂よりなる光学部材が重要な機能を果たしており、直下方式では光拡散板が使用されている。直下方式の液晶表示装置では、装置筐体の背部に複数本の冷陰極管などの光源を配置し、光拡散板により入射した光を拡散させて輝度の均一な面状の光に変換する。必要に応じて、冷陰極管の背後に反射板を設け、光拡散板の裏面にグラデーション印刷を施し、光拡散板の前面に集光シート、拡散シートなどを重ねる。光拡散板には、光線透過率と光拡散性のバランスがよく、反りがなく十分な強度を有し、輝度むらを少なくできることが要求される。
光拡散板の材料としては、光拡散剤を含有する熱可塑性樹脂の成形品が用いられることが多いが、熱可塑性樹脂のみを用い、成形品表面の形状を工夫する場合もある。光拡散板の成形法としては、押出成形法、キャスト法、射出成形法などがある。押出成形法によれば、光拡散板の原材料シートを効率的に生産することができるが、光拡散板にするための後加工に手間がかかり、材料の無駄が発生する。キャスト法によれば、強度が高く、光学的な歪みのない光拡散板を得ることができるが、生産性は高くない。射出成形法によれば、後加工の工程数が少なく、短時間で光拡散板を製造することができるが、キャビティ側面のサイドゲートから溶融した熱可塑性樹脂を射出する従来の方法では、大型の光拡散板の射出成形は技術的に困難である。光拡散板の光入射面に多数個のピンポイントゲートを設けると、大型の光拡散板の射出成形法による製造が可能になる。ホットランナーとピンポイントゲートを有する金型を用いると、短い成形サイクルで効率的に大型の光拡散板を射出成形することができるが、得られた光拡散板を液晶表示装置に実装したとき、液晶表示画面にピンポイントゲート跡付近にヒケや変形に原因する輝度むらが発生して、表示画面の画質が低下するという問題が生じていた。

本発明は、成形サイクルを短縮し、廃棄する樹脂の量を減少し、ヒケなどの局所変形のない光拡散板などの大型の光学部材を得ることができる射出成形用金型及び該金型を用いる光学部材の製造方法を提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ホットランナーとコールドランナーを組み合わせ、射出成形機ノズル側の第一のランナーをホットランナーとし、金型キャビティ側の第二のランナーをコールドランナーとすることにより、成形サイクルを短縮し、廃棄する樹脂の量を減少し、成形品に焼け異物の発生がなく、液晶表示装置に組み込んだときにピンポイントゲート跡付近のヒケや変形による輝度むらのない大型の光拡散板の製造が可能となることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）射出成形機ノズル側の第一のランナー及び金型キャビティ側の第二のランナーを有する射出成形用金型であって、第一のランナーが該ランナー内の樹脂を溶融状態に保つ加熱手段を有し、第二のランナーが該ランナー内の樹脂を冷却固化する冷却手段を有することを特徴とする射出成形用金型、及び、
（２）熱可塑性樹脂の射出成形による光学部材の製造方法において、射出成形機ノズル側の第一のランナー及び金型キャビティ側の第二のランナーを有する射出成形用金型を用い、第一のランナーを加熱して該ランナー内の樹脂を溶融状態に保ち、第二のランナーを冷却して該ランナー内の樹脂を固化せしめることを特徴とする光学部材の製造方法、
を提供するものである。

本発明のホットランナーとコールドランナーを組み合わせたランナーを有する射出成形用金型を用いると、光拡散板などの大型の光学部材を、短い成形サイクルで、廃棄するランナーの量が少なく、経済的に製造することができる。また、金型キャビティ側にコールドランナーを有するので、金型キャビティの温度がゲート付近で上昇することがなく、成形品にゲート付近の冷却が不十分なことによる局所的な変形やヒケを生ずることがない。さらに、ホットランナー内で滞留し、劣化した溶融樹脂は、コールドランナー内で固化するので、成形品への焼け異物の混入が少なく、大型の光学部材の歩留まりが向上する。

本発明の射出成形用金型は、射出成形機ノズル側の第一のランナー及び金型キャビティ側の第二のランナーを有する射出成形用金型であって、第一のランナーが該ランナー内の樹脂を溶融状態に保つ加熱手段を有し、第二のランナーが該ランナー内の樹脂を冷却固化する冷却手段を有する。
図１は、本発明の射出成形用金型の一態様の説明図である。本態様の金型は、固定側取付板１、固定側型板２、可動側型板３及び可動側取付板４からなる。固定側取付板１に射出成形機ノズル側の第一のランナー５が設けられ、固定側型板２に金型キャビティ側の第二のランナー６が設けられ、可動側型板３に金型キャビティ７が設けられている。固定側取付板は、成形機の固定側ダイプレートに取り付けられ、固定側型板は、ガイドピン（図示しない。）の上を摺動する。
第一のランナーは、固定側取付板に設けられた加熱手段により加熱され、第一のランナー内の樹脂は溶融状態に保たれる。第二のランナーは、固定側型板に設けられた冷却手段により冷却され、第二のランナー内の樹脂は冷却固化する。射出成形機のノズルから射出された溶融樹脂は、スプルー８より第一のランナー５に流入し、すでに第一のランナー内に滞留している溶融樹脂を押し出しながら、第一のランナーのゲート９を経由して空隙となっている第二のランナー６に流入し、さらに第二のランナーのゲート１０を経由して金型キャビティ７を充填する。本態様の金型においては、第二のランナーの両端に樹脂溜まり１１が設けられている。第二のランナー内の樹脂と金型キャビティ内の樹脂が冷却固化したとき、金型が開き、固定側取付板と固定側型板の間から第二のランナー部分の樹脂が取り出され、固定側型板と可動側型板の間から成形品が取り出される。
本発明ではスプルーもランナーに含めるものとする。
第二ランナーの長さはランナー全長に対して、０.１倍以上０.９倍以下であることが好ましく、０.２倍以上０.８倍以下であることがより好ましい。０.９倍より大きいと成形サイクルが延び、廃棄ランナーも多くなりすぎ、０.１倍より小さいときはピンポイントゲート跡付近にヒケや局所的変形が発生するおそれがある。

本発明の金型において、第一のランナーの加熱手段に特に制限はなく、例えば、固定側取付板に埋め込んだヒーター、固定側取付板に設けた油性熱媒体流路などによる外部加熱、ランナーの中心に加熱体を設ける内部加熱などを挙げることができる。これらの中で、熱媒体による加熱は、温度制御性が良好なので、好適に用いることができる。本発明の金型において、第二のランナーの冷却手段に特に制限はなく、例えば、固定側型板に設けた水性熱媒体流路、油性熱媒体流路などを挙げることができる。第二のランナーが設けられた固定側型板は、金型キャビティが設けられた可動側型板と同じ温度に制御することが好ましい。金型キャビティ温度を低くするほど溶融樹脂の冷却固化を速めて成形サイクルを短縮することができるが、金型キャビティ表面の転写性や、成形品の歪みの発生などを考慮して、金型キャビティ温度を選定することが好ましい。
本発明の射出成形用金型は、第一のランナーが加熱され第一ランナー内の樹脂が溶融状態を保っているので、コールドランナーと比較して、廃棄するランナー部材料を少なくし、射出時間を短縮し、射出量の減少により射出成形機の能力を有効に利用することができる。また、ホットランナーを用いて射出成形すると、ホットランナーのゲート付近の温度は金型キャビティ温度より高くなるので、成形品の冷却が不十分になり局所的な変形やヒケを生じやすい。本発明の金型は、第二のランナーを設けた固定側型板を冷却するので、金型キャビティ面をすべて一定の温度とすることができ、歪みや局所的な変形のない光学的特性に優れた成形品を製造することができる。

本発明の金型において、第一のランナーのゲートは、ピンポイントゲート又はバルブゲートとして、金型が開いたときの溶融樹脂の洩れを防ぐことが好ましい。本発明の金型において、第二のランナーに特に制限はなく、例えば、ピンポイントゲート、エッジゲート、ファンゲート、サブマリンゲート、リングゲート、ディスクゲート、タブゲート、フィルムゲートなどを挙げることができる。これらの中で、ピンポイントゲートは、大型の成形品に対して多数設けることができ、配置の自由度が大きく、ゲート跡の処理が容易なので、好適に用いることができる。また、ピンポイントゲートでは、溶融樹脂の流れが絞られ、樹脂の粘性抵抗により圧力低下が生じ、圧力低下によるエネルギーの損失は、熱に変換されて樹脂の加熱に使用されるので、成形品の残留応力を小さくすることができる。
本発明の金型を用いて射出成形すると、第一のランナー内に滞留していた溶融樹脂は、第二のランナー内を流れる際に、ランナーの外壁にまず速度がゼロの境界層を形成する。境界層はただちに熱を外壁に伝えて温度が低下し、この状態で境界層はかなりの厚さとなる。その結果、第一のランナーの中に滞留して劣化を生じた溶融樹脂のかなりの部分は、第二のランナー内で固化し、金型キャビティに送られないので、焼け異物の少ない成形品を得ることができる。必要に応じて、第二のランナーの両端に樹脂溜まりを設け、第一のランナー内に溶融状態で滞留していた樹脂を樹脂溜まりに導いて冷却固化させ、熱履歴の長い溶融樹脂の金型キャビティへの流入量を減少させることができる。射出成形機のシリンダーは、窒素ガス置換により溶融樹脂の劣化を防止することができるが、金型のホットランナーは窒素ガス置換が容易ではないので、第一のランナー内に滞留した溶融樹脂の金型キャビティへの流入を防ぐことにより、高品質の成形品を得ることができる。

本発明の光学部材の製造方法においては、熱可塑性樹脂の射出成形による光学部材の製造方法において、射出成形機ノズル側の第一のランナー及び金型キャビティ側の第二のランナーを有する射出成形用金型を用い、第一のランナーを加熱して該ランナー内の樹脂を溶融状態に保ち、第二のランナーを冷却して該ランナー内の樹脂を固化せしめる。本発明方法によれば、ヒケや局所的な変形がなく、焼け異物などの混入の少ない光学部材を、短い成形サイクルで、廃棄するランナー部分の量を少なくして、経済的に製造することができる。本発明方法は、直下型バックライトの光拡散板やライティングカーテンなどの大型の光学部材の製造に特に好適に適用することができる。また、サイドライト型バックライトの導光板、リアープロジェクションＴＶのフレネルレンズ等にも適用できる。
本発明方法に用いる熱可塑性樹脂に特に制限はなく、例えば、脂環式構造を有する樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体樹脂、(メタ)アクリル酸エステル−芳香族ビニル化合物共重合体好ましくはメタクリル酸メチル−スチレン共重合体樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルスルホンなどを挙げることができる。これらの中で、脂環式構造を有する樹脂、メタクリル樹脂及び(メタ)アクリル酸エステル−芳香族ビニル化合物共重合体を好適に用いることができ、脂環式構造を有する樹脂を特に好適に用いることができる。脂環式構造を有する樹脂は、溶融樹脂の流動性が良好なので、ピンゲートやフィルムゲートを用い、低い射出圧力で金型のキャビティを充填することができ、吸湿性が極めて低いので、寸法安定性に優れ、光拡散板に反りを生ずることがなく、比重が小さいので光学部材を軽量化することができる。また、脂環式構造を有する樹脂を本発明の製造方法に用いる場合、他の樹脂に比べてウエルドラインが発生しにくい。
脂環式構造を有する樹脂としては、主鎖又は側鎖に脂環式構造を有する重合体樹脂を挙げることができる。主鎖に脂環式構造を有する重合体樹脂は、機械的強度と耐熱性が良好なので、特に好適に用いることができる。脂環式構造は、飽和環状炭化水素構造であることが好ましく、その炭素数は、４〜３０であることが好ましく、５〜２０であることがより好ましく、５〜１５であることがさらに好ましい。脂環式構造を有する重合体樹脂中の脂環式構造を有する繰り返し単位の割合は、５０重量％以上であることが好ましく、７０重量％以上であることがより好ましく、９０重量％以上であることがさらに好ましい。

脂環式構造を有する樹脂としては、例えば、ノルボルネン系単量体の開環重合体若しくは開環共重合体又はそれらの水素添加物、ノルボルネン系単量体の付加重合体若しくは付加共重合体又はそれらの水素添加物、単環の環状オレフィン系単量体の重合体又はその水素添加物、環状共役ジエン系単量体の重合体又はその水素添加物、ビニル脂環式炭化水素系単量体の重合体若しくは共重合体又はそれらの水素添加物、ビニル芳香族炭化水素系単量体の重合体又は共重合体の芳香環を含む不飽和結合部分の水素添加物などを挙げることができる。これらの中で、ノルボルネン系単量体の重合体の水素添加物及びビニル芳香族炭化水素系単量体の重合体の芳香環を含む不飽和結合部分の水素添加物は、機械的強度と耐熱性に優れるので、特に好適に用いることができる。

メタクリル樹脂は、透明性に優れ、強靭でひびが入りにくいので、光学部材として好適に用いることができる。メタクリル樹脂としては、ＪＩＳ Ｋ ６７１７に規定されるメタクリル酸メチル重合物を８０％以上含むメタクリル樹脂成形材料を挙げることができる。この規格に規定されるメタクリル樹脂の中で、ビカット軟化点温度９６〜１００℃、メルトフローレート８〜１６の指定分類コード１００−１２０のメタクリル樹脂は、適度な流動性と強度を有するので、好適に用いることができる。
(メタ)アクリル酸アルキルエステル−芳香族ビニル化合物共重合体は、芳香族ビニル系単量体と低級アルキル基を有する(メタ)アクリル酸アルキルエステル系単量体とを共重合して得られる。
芳香族ビニル系単量体としては、スチレン、α−メチルスチレン、ｍ−メチルスチレン、ｐ−メチルスチレン、ｏ−クロルスチレン、ｐ−クロルスチレン等が挙げられる。これらを単独若しくは２種以上併用して使用してもよい。
低級アルキル基を有する(メタ)アクリル酸アルキルエステル系単量体としては、炭素数１〜４のアルキル基、好ましくは炭素数１又は２のアルキル基を有する(メタ)アクリル酸アルキルエステルが挙げられ、具体的にはメタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチルが挙げられる。これらを単独若しくは２種以上併用して使用してもよい。

前記共重合体を構成する各成分の割合は、芳香族ビニル系単量体が９５〜５重量％、低級アルキル基を有する(メタ)アクリル酸アルキルエステル系単量体が５〜９５重量％の範囲である。中でも、光学特性、成形性などの点から、上記芳香族ビニル系単量体が６０〜２０重量％、低級アルキル基を有する(メタ)アクリル酸アルキルエステル系単量体が８０〜４０重量％の範囲が好ましい。
本発明方法においては、樹脂成形材料に、必要に応じて、その他のポリマー、各種配合剤または充填剤を単独あるいは２種以上含有させて射出成形することが出来る。その他のポリマーとしては、ポリブタジエン、ポリアクリレートなどのゴムまたは樹脂が挙げられる。

配合剤としては、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、近赤外線吸収剤、染料や顔料などの着色剤、滑剤、可塑剤、帯電防止剤、蛍光増白剤などの配合剤が挙げられる。また、本発明の製造方法で得られる光拡散板に光拡散剤を配合する場合には、ポリスチレン系重合体、ポリシロキサン系重合体またはこれらの架橋物からなる微粒子、フッ素系樹脂、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、シリカ、タルクなどを使用することもできる。これらの中で、ポリスチレン系重合体、ポリシロキサン系重合体又はこれらの架橋物からなる微粒子は、分散性が良好であり、耐熱性に優れ、成形時の黄変がないので、特に好適に用いることができる。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
実施例１
脂環式構造を有する樹脂［日本ゼオン(株)、ゼオノア１０６０Ｒ］９９重量部とシリコーン樹脂微粒子［ジーイー東芝シリコーン(株)、トスパール１２０、平均粒子径２.０μｍ］１重量部を混合し、二軸押出機を用いてストランド状に押し出し、ペレタイザーで切断することにより、光拡散板用ペレットを調製した。この光拡散板用ペレットから、射出成形機（型締力８,３３８ｋＮ）を用いて、光拡散板を成形した。
図１に示す第一ランナーと第二ランナーを有する金型を用いて、射出成形を行った。金型のキャビティ寸法は、縦６００ｍｍ、横１,０２０ｍｍ、深さ２.０ｍｍであり、溶融樹脂が概略均等に供給され、かつ成形品内部にガス残りが生じないような○で示す位置に８個のピンポイントゲート１０を有している。◎で示すスプルー８に射出成形機から溶融樹脂が供給され、●で示すホットノズルまでがホットランナー（第一のランナー）であり、ホットランナーマニホールドの温度を２６０℃に、ホットランナーノズルの温度を２４０℃に保った。●で示すホットノズルから○で示すゲート１０までがコールドランナー（第二のランナー）で、全ランナーの長さが３,１９０ｍｍ、コールドランナーの長さは２,２２０ｍｍであり、コールドランナーの温度を８５℃に保った。シリンダー温度２８０℃、射出速度１３０ｍｍ／ｓ、保圧１００ＭＰａ、金型キャビティ温度８５℃で光拡散板を射出成形した。成形サイクル１０５秒で成形することができ、光拡散板１００枚を射出成形した。
得られた光拡散板を目視により観察したところ、ピンポイントゲート跡付近にヒケや局所的な変形は認められなかった。光拡散板１００枚中、２枚に焼け異物が認められた。廃棄するコールドランナー部分の樹脂の重量は、光拡散板１枚あたり８０ｇであった。

比較例１
図２に示すホットランナーを有する金型を用い、実施例１と同様にして、光拡散板の射出成形を行った。
金型のキャビティ寸法は、実施例１と同じであり、◎で示すスプルーに射出成形機から溶融樹脂が供給され、●で示す位置に８個のバルブゲートを有している。ランナー全長は３,０９０ｍｍである。ホットランナーマニホールドの温度を２６０℃に、ホットランナーノズルの温度を２４０℃に保った。シリンダー温度２８０℃、射出速度１３０ｍｍ／ｓ、保圧８０ＭＰａ、金型キャビティ温度８５℃で光拡散板を射出成形した。成形サイクル７０秒で成形することができ、光拡散板１００枚を射出成形した。ゲート付近の金型キャビティの温度は、１３０℃まで上昇した。
得られた光拡散板を目視により観察したところ、ピンポイントゲート跡付近に局所変形とヒケが生じていた。光拡散板１００枚中、１０枚に焼け異物が認められた。
比較例２
図３に示すコールドランナーを有する金型を用い、実施例１と同様にして、光拡散板の射出成形を行った。
金型のキャビティ寸法は、実施例１と同じであり、○で示す位置に８個のピンポイントゲートを有している。全ランナーの長さが３,０９０ｍｍ、コールドランナーの長さは７０４.８ｍｍであり、コールドランナーの温度を８５℃に保った。シリンダー温度２８０℃、射出速度１３０ｍｍ／ｓ、保圧１００ＭＰａ、金型キャビティ温度８５℃で光拡散板を射出成形した。成形サイクル１３０秒で成形することができ、光拡散板１００枚を射出成形した。
得られた光拡散板を目視により観察したところ、ピンポイントゲート跡付近にヒケや局所的な変形は認められなかった。光拡散板１００枚中、１枚に焼け異物が認められた。廃棄するコールドランナー部分の樹脂の重量は、光拡散板１枚あたり１４０ｇであった。
実施例１及び比較例１〜２の結果を、第１表に示す。

第１表に見られるように、射出成形機ノズル側の第一ランナーを加熱してランナー内の樹脂を溶融状態に保ち、金型キャビティ側の第二ランナーを冷却してランナー内の樹脂を固化させた実施例１においては、コールドランナーを用いた比較例２に比べて、成形サイクルが短く、廃棄するランナーの量が少なく、光拡散板の外観は同等に良好であり、焼け異物の発生もほぼ同等に少ない。ホットランナーを用いた比較例１では、成形サイクルが短く、廃棄するランナーが発生しないが、金型キャビティ温度がゲート付近で上昇し、成形品のゲート跡付近に局所的な変形とヒケができ、焼け異物も多数発生する。

本発明のホットランナーとコールドランナーを組み合わせたランナーを有する射出成形用金型を用いると、光拡散板などの大型の光学部材を、短い成形サイクルで、廃棄するランナーの量が少なく、経済的に製造することができる。また、金型キャビティ側にコールドランナーを有するので、金型キャビティの温度がゲート付近で上昇することがなく、成形品に局所的な変形とヒケを生ずることがない。さらに、ホットランナー内で滞留し、劣化した溶融樹脂は、コールドランナー内で固化するので、成形品への焼け異物の混入が少なく、大型の光学部材の歩留まりが向上する。

本発明の射出成形用金型の一態様の説明図である。 比較例１で用いたホットランナー金型の説明図である。 比較例２で用いたコールドランナー金型の説明図である。

符号の説明

１ 固定側取付板
２ 固定側型板
３ 可動側型板
４ 可動側取付板
５ 第一のランナー
６ 第二のランナー
７ 金型キャビティ
８ スプルー
９ 第一のランナーのゲート
１０ 第二のランナーのゲート
１１ 樹脂溜まり

Claims (2)

1. 射出成形機ノズル側の第一のランナー及び金型キャビティ側の第二のランナーを有する射出成形用金型であって、第一のランナーが該ランナー内の樹脂を溶融状態に保つ加熱手段を有し、第二のランナーが該ランナー内の樹脂を冷却固化する冷却手段を有することを特徴とする射出成形用金型。
2. 熱可塑性樹脂の射出成形による光学部材の製造方法において、射出成形機ノズル側の第一のランナー及び金型キャビティ側の第二のランナーを有する射出成形用金型を用い、第一のランナーを加熱して該ランナー内の樹脂を溶融状態に保ち、第二のランナーを冷却して該ランナー内の樹脂を固化せしめることを特徴とする光学部材の製造方法。

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