JP4815897B2

JP4815897B2 - 射出成形用金型及び射出成形方法

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Publication number: JP4815897B2
Application number: JP2005190618A
Authority: JP
Inventors: 幹司関原; 篤内藤; 佳弘奥村
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: JP2006044245A

Description

本発明は、射出成形用金型及び射出成形方法、特に、レンズなど小型軽量の光学素子を成形するための射出成形用金型及び該金型を用いた射出成形方法に関する。

近年では、樹脂材料及び射出成形技術の発展により、小型軽量の樹脂製レンズが種々開発されており、光ピックアップ装置や携帯電話などの光学素子としての需要が高まっている。この種の樹脂製レンズにあっては、回折光学素子などの微細形状や平滑面を高精度に転写することのできる金型が要求されている。

一般に、金型の樹脂成形空間とランナ部分との間に位置するゲート部分は細いため、樹脂成形空間への樹脂の充填完了後の保圧工程でゲート部分に充填されている樹脂が樹脂成形空間の成形品よりも比較的早く固化する。そのため、樹脂成形空間内の樹脂への保圧が減少して収縮分を補う樹脂の供給が不足し、成形品においては表面の微細形状や平滑面の面精度の低下（転写性の低下）、樹脂の収縮による中心部分への引っ張り応力で複屈折が大きくなるなどの問題点を生じていた。

特許文献１には、高い面精度と少ない残留歪みの光学素子を得るための金型が開示されている。この金型は、ゲートを配置した側面部分を除く他の側面部分を構成する金型部材をスライド構造とし、成形品をスムーズに離型できるようにしたものである。しかしながら、この金型では、前述のゲート部分における樹脂の固化に起因する転写性の低下や、樹脂成形空間内での樹脂の収縮による引っ張り応力の増大には対処できていない。
特開２００２−１８７１６８号公報

そこで、本発明の目的は、ゲート部分での樹脂の温度低下を抑制することにより、転写性の向上を図り、かつ、樹脂の収縮による応力の緩和を図ることのできる射出成形用金型を提供することにある。

以上の目的を達成するため、第１の発明は、樹脂成形空間、ランナ部、及び該樹脂成形空間とランナ部との間に位置するゲート部分を備えた射出成形用金型であって、前記樹脂成形空間、前記ランナ部、及び前記ゲート部分のうちの前記ゲート部分のみの少なくとも表面部が断熱材によって構成されており、前記ゲート部分は金型に嵌入された断熱材からなり、前記断熱材はチップ状部材又は樹脂成型空間を構成するコアを囲むスリーブ状であること、を特徴とする。前記断熱材の表面に別の素材でゲート部分を構成する面が形成されていてもよい。

第１の発明に係る射出成形用金型にあっては、ゲート部分のみの少なくとも表面部分が断熱されているため、樹脂成形空間への樹脂充填後の保圧工程においてゲート部分に充填されている樹脂の温度低下が抑制され、固化する時間が若干遅れる。このことは、保圧工程においてゲート部分の樹脂が流動性を有することを意味し、樹脂成形空間内での収縮分を補う樹脂の供給が行われる。従って、成形品においては表面の微細形状や平滑面の面精度が低下することがなく、転写性が向上する。また、樹脂の収縮による中心部分への引っ張り応力が緩和され、複屈折が低減して高性能の成形品（光学素子）を得ることができる。

さらに、断熱材の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。このような断熱材としてはステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金又はセラミックのいずれかを用いることができる。

第２の発明に係る射出成形方法は、前記射出成形用金型を用いて光学素子を成形することを特徴とする。前記射出成形用金型の利点を活かして高性能の光学素子を得ることができる。

第２の発明に係る射出成形方法において、溶融した樹脂を金型内に流入させる際に、樹脂成形空間への樹脂充填完了時においても成形品の肉厚中心温度がガラス転移点温度以上であることが好ましい。あるいは、溶融した樹脂を金型内に流入させる際に、成形品の肉厚中心温度がガラス転移点温度以下になった時点においてもゲート部分の肉厚中心温度がガラス転移点温度を保持していること、または、成形品の肉厚中心温度がガラス転移点温度になると同時にゲート部分の肉厚中心温度がガラス転移点温度になることが好ましい。

以下、本発明に係る射出成形用金型及び射出成形方法の実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、各実施例を示す図面においては、共通する部材には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

（第１実施例、図１及び図２参照）
第１実施例である金型１Ａは、図１に示すように、可動側金型１０と固定側金型２０とからなる。可動側金型１０は、一様に中実な型板１１と、一様に中実なコア型１２と、スリーブ状の断熱材１３とで構成されている。固定側金型２０は、一様に中実な型板２１と、一様に中実なコア型２２と、スリーブ状の断熱材２３とで構成されている。樹脂成形空間３０はコア型１２，２２の互いに対向する端面と、断熱材１３，２３の縁部にて構成されている。コア型１２，２２及び断熱材１３，２３を金型コアと称し、型板１１，２１を金型キャビティと称する。

また、型板１１，２１の分割面の一側部にはランナ１５が形成されている。そして、断熱材１３，２３にはランナ１５から樹脂成形空間３０に至るゲート１６が形成されている。即ち、ゲート１６は断熱材１３，２３の互いに対向する端面に凹部として形成されている。

なお、樹脂成形空間３０の表面はレンズなどの成形品の所定形状に対応して仕上げられており、ニッケルメッキなどで表面加工層が形成されていてもよい。

型板１１，２１及びコア型１２，２２は、通常の金型母材材料である炭素鋼などの金属材料で製作されている。例えば、汎用熱間ダイス鋼（ＪＩＳ規格、ＳＫＤ６１）を材料とする場合、その熱伝導率は３４Ｗ／ｍ・Ｋである。

断熱材１３，２３は、熱伝導率が型板１１，２１及びコア型１２，２２よりも低い種々の材料が用いられる。熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼（熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ）、オーステナイト系ステンレス鋼（１６Ｗ／ｍ・Ｋ）、チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、熱伝導率７．５Ｗ／ｍ・Ｋ）、ニッケル合金（インコネル、熱伝導率１５Ｗ／ｍ・Ｋ）、セラミックである窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄、２０Ｗ／ｍ・Ｋ）やチタン酸アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃・ＴｉＯ₂、１．２Ｗ／ｍ・Ｋ）などである。勿論、これら以外の材料を使用することは可能であり、セラミックは各種の組成のものを使用でき、金属はステンレス合金、チタン合金、ニッケル合金を好適に使用できる。また、ポリイミド樹脂などの有機系材料（耐熱重合体）であってもよい。

図２は前記第１実施例である金型１Ａの変形例を示す。この金型１Ａ’は、スリーブ状の断熱材１３を可動側金型１０にのみ設け、固定側金型２０からは断熱材を省略したものである。

以下に説明する本発明の作用効果は、断熱材１３，２３を設けたことによって発揮されるが、可動側金型１０のみに断熱材１３を設けた場合にあっても発揮される。逆に、固定側金型２０のみに断熱材２３を設けてもよい。

（第２実施例、図３参照）
第２実施例である金型１Ｂは、図３に示すように、型板１１，２１に形成した溝部にチップ状の断熱材１４，２４を設けたものである。樹脂成形空間３０はコア型１２，２２の互いに対向する端面にて構成されている。

また、型板１１，２１の分割面の一側部に形成されたランナ１５から樹脂成形空間３０に至るゲート１６は、断熱材１４，２４の互いに対向する端面に凹部として形成されている。

型板１１，２１及びコア型１２，２２の材料は前記第１実施例で説明したとおりである。チップ状の断熱材１４，２４の材料も第１実施例で説明した熱伝導率が比較的低い、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金、セラミックなどを使用することができる。

また、本第２実施例においても、図２に示した変形例と同様に、チップ状の断熱材１４を可動側金型１０にのみ設けてもよい。以下に説明する本発明の作用効果は、断熱材１４，２４を設けたことによって発揮されるが、可動側金型１０のみに断熱材１４を設けた場合にあっても発揮される。逆に、固定側金型２０のみに断熱材２４を設けてもよい。

（第３実施例、図４参照）
第３実施例である金型１Ｃは、図４に示すように、型板１１，２１に凹部として形成したゲート１６の内面に断熱材を被膜として形成したものである。この断熱被膜はセラミックの溶射膜、ニッケル、コバルトなどの金属メッキ膜、窒化チタンなどのチタン系の蒸着膜、チタン系（ＴｉＮなど）のコート膜、ポリイミド樹脂（熱伝導率０．２８Ｗ／ｍ・Ｋ）などの耐熱性重合体の塗布膜として形成されている。なお、膜厚は任意に設定できる。型板１１，２１及びコア型１２，２２の材料は前記第１実施例で説明したとおりである。

また、本第３実施例においても、図２に示した変形例と同様に、断熱被膜を可動側金型１０にのみ設けてもよい。以下に説明する本発明の作用効果は、断熱被膜を設けたことによって発揮されるが、可動側金型１０のみに断熱被膜を設けた場合にあっても発揮される。逆に、固定側金型２０のみに断熱被膜を設けてもよい。

さらに、前記断熱材の表面に該断熱材とは別の素材でゲート１６を構成する面が形成されていてもよい。例えば、断熱材をセラミックの溶射膜で形成し、その表面にニッケルメッキを施してもよい。

（第４〜第７実施例、図５〜図８参照）
以下に示す第４〜第７実施例は、主に、樹脂成形空間３０の構成に関するものである。基本的には前記第１実施例として示した金型１Ａの変形例として説明するが、第２及び第３実施例の変形例として適用することも可能である。

図５は第４実施例を示し、この金型１Ａにおいては、コア型１２，２２に断熱材３１，４１を設け、該断熱材３１，４１の表面が成形品の表面加工面とされている。

図６は第５実施例を示し、この金型１Ａにおいては、コア型１２，２２に設けた断熱材３１，４１上に表面加工層３２，４２が形成されている。表面加工層３２，４２は非鉄金属材料、例えば、ニッケルをメッキして形成されている。

図７は第６実施例を示し、この金型１Ａにおいては、コア型が断熱材３１，４１で構成され、該断熱材３１，４１の表面が成形品の表面加工面とされている。

図８は第７実施例を示し、この金型１Ａにおいては、コア型である断熱材３１，４１上に表面加工層３２，４２が形成されている。表面加工層３２，４２の材料は前記第５実施例で示したとおりである。

以上の如く、樹脂成形空間３０の周囲に断熱材３１，４１を配置することにより、溶融させた樹脂が樹脂成形空間３０に充填されたときの該樹脂成形空間の表面温度が高く保たれ、充填された樹脂の表面部分（スキン層）と中心部分との温度差が小さく、その後の保圧工程や冷却工程で生じる残留応力が低減される。

（成形工程、図９及び図１０参照）
次に、本発明に係る射出成形方法について説明する。ここでは、前記金型１Ａ〜１Ｃを用いた射出成形の工程について説明する。

図９は金型内における樹脂の温度の変化を時間（横軸）に沿って示している。図９中、曲線ａはゲート１６の中心部分での樹脂の温度変化を示し、曲線ｂは樹脂成形空間３０の中心部分での樹脂の温度変化を示している。また、曲線ｃは、比較のために、断熱材を設けていない従来の金型のゲートの中心部分における樹脂の温度変化を示している。

成形は、まず、所定の温度に溶融された樹脂（例えば、非晶質ポリオレフィン樹脂）をランナ１５からゲート１６を通じて樹脂成形空間３０内に充填し、充填が完了すると直ちに保圧工程に入る。保圧工程は樹脂成形空間３０に充填された樹脂が温度低下によって若干収縮する分を補うために樹脂に対して所定の圧力を所定の時間だけ保持しておく工程である。保圧工程の後、冷却工程（自然冷却）に入り、少なくとも樹脂（成形品）の表面が熱変形温度以下にまで低下した時点で成形品を金型から取り出す。

樹脂の温度は充填完了直後から低下し始める。断熱材を設けていない従来の金型では、図９の曲線ｃで示すように、保圧工程中にゲート１６部分の樹脂がガラス転移点温度以下にまで低下し（点Ｂ参照）、固化し始める。この状態を図１０（Ｂ）に示し、ランナ１５の中心部分３１と樹脂成形空間３０の中心部分３３の樹脂はガラス転移点温度以上であって流動性を保持している。しかし、ゲート１６部分の樹脂は固化して流動性をほとんど失っているため、樹脂成形空間３０内の樹脂への保圧はかからず、収縮分を補う樹脂が供給されなくなる。そのため、成形品においては表面形状の転写性が低下し、収縮による中心部分への引っ張り応力で複屈折率が大きくなるなどの不具合を有していた。

これに対して、前記金型１Ａ〜１Ｃでは、ゲート１６部分に断熱材を設けているため、図９の曲線ａで示すように、保圧工程完了後の点Ａに至ってゲート１６部分の樹脂がガラス転移点温度以下に低下し、固化し始める。前記点Ｂから点Ａまでの時間差ΔＡでの樹脂の状態を図１０（Ａ）に示し、ランナ１５の中心部分３１、樹脂成形空間３０の中心部分３３の樹脂のみならず、ゲート１６の中心部分３２の樹脂もガラス転移点温度以上であって流動性を保持している。なお、中心部分３３の樹脂がガラス転移点温度になると同時にゲート１６の中心部分３２がガラス転移点温度になってもよい。

このように、保圧工程においてゲート１６部分の樹脂が流動性を保持しているため、樹脂成形空間３０での収縮分を補う樹脂がゲート１６を通じて補充される。従って、成形品においては表面の微細形状や平滑面の面精度が低下することなく、転写性が向上する。また、樹脂の収縮による中心部分への引っ張り応力が緩和され、複屈折が低減して高性能の成形品（光学素子）を得ることができる。

ちなみに、非晶質ポリオレフィン樹脂のガラス転移点温度の具体例を示すと、例えば、日本ゼオン社製ＺＥＯＮＥＸ、Ｅ４８Ｒは１３９℃、同じくＺＥＯＮＥＸ、３３０Ｒは１２３℃である。さらに、三井石油化学工業社製ＡＰＥＬ、ＡＰＬ５０１４は１３５℃であり、ＪＳＲ社製ＡＲＴＯＮ、ＦＸ４７２７は１２５℃である。

また、ゲート１６に設けた前記断熱材に関して、その熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ、７Ｗ／ｍ・Ｋ、１７Ｗ／ｍ・Ｋ、２０Ｗ／ｍ・Ｋの種々の材料を用いて実験を行ったところ、好ましい転写性が得られた。

（断熱材を片側にのみ設ける場合）
なお、ゲート１６部分に断熱材を設ける形態は、図１、図３及び図４に示したように、可動側金型１０及び固定側金型２０の両方に設けること好ましい。しかし、図２に示したように、可動側又は固定側いずれか一方の金型にのみ設けた場合であってもゲート部分の樹脂の温度低下を抑制する効果を有する。

ゲート１６の形状は、通常、可動側及び固定側に均等な大きさに振り分けられている場合もあるが、この振り分けが不均等な場合もある。可動側又は固定側のいずれかの金型にのみ断熱材を設ける場合、ゲート１６の形状が大きく振り分けられている可動側又は固定側の金型に設けることが好ましい。

（他の実施例）
なお、本発明に係る射出成形用金型及び射出成形方法は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

特に、金型構造の細部は任意であり、使用材料として前記実施例で示した具体的な材料は例示であることは勿論である。また、図１〜図８において、金型１０が固定側であり、金型２０が可動側であってもよい。あるいは、中間金型部材を備えたスリープレート方式の成形用金型であってもよい。

本発明に係る金型の第１実施例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は可動側金型の平面図である。前記第１実施例の変形例を示す断面図である。本発明に係る金型の第２実施例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は可動側金型の平面図である。本発明に係る金型の第３実施例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は可動側金型の平面図である。金型の第４実施例を示す断面図である。金型の第５実施例を示す断面図である。金型の第６実施例を示す断面図である。金型の第７実施例を示す断面図である。本発明に係る金型を使用する射出成形工程での金型内における樹脂の温度変化を示すグラフである。射出成形の保圧工程での樹脂の状態を示し、（Ａ）は本発明に係る金型を使用した場合の説明図、（Ｂ）は従来の金型を使用した場合の説明図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｃ…金型
１１，２１…型板
１２，２２…コア型
１３，２３…スリーブ状断熱材
１４，２４…チップ状断熱材
１５…ランナ
１６…ゲート
３０…樹脂成形空間
３１，４１…断熱材
３２，４２…表面加工層

Claims

樹脂成形空間、ランナ部、及び該樹脂成形空間とランナ部との間に位置するゲート部分を備えた射出成形用金型であって、
前記樹脂成形空間、前記ランナ部、及び前記ゲート部分のうちの前記ゲート部分のみの少なくとも表面部が断熱材によって構成されており、
前記ゲート部分は金型に嵌入された断熱材からなり、
前記断熱材はチップ状部材又は樹脂成型空間を構成するコアを囲むスリーブ状であること、
を特徴とする射出成形用金型。
前記断熱材の表面に別の素材でゲート部分を構成する面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の射出成形用金型。
前記断熱材の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の射出成形用金型。
前記断熱材はステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金又はセラミックのいずれかからなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の射出成形用金型。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の射出成形用金型を用いて光学素子を成形することを特徴とする射出成形方法。
溶融した樹脂を金型内に流入させる際に、樹脂成形空間への樹脂充填完了時においても成形品の肉厚中心温度がガラス転移点温度以上であることを特徴とする請求項５に記載の射出成形方法。
溶融した樹脂を金型内に流入させる際に、成形品の肉厚中心温度がガラス転移点温度以下になった時点においても前記ゲート部分の肉厚中心温度がガラス転移点温度を保持していること、または、成形品の肉厚中心温度がガラス転移点温度になると同時に前記ゲート部分の肉厚中心温度がガラス転移点温度になることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の射出成形方法。