JP4815898B2 - 射出成形用金型及び射出成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形用金型及び射出成形方法、特に、レンズや導光板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、小型軽量のレンズ、プリズムプレート（モバイル機器などに用いられるＬＥＤ照明板）、導光板などが種々開発されており、光ピックアップ装置の対物レンズ、コリメートレンズなど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。この種の光学素子にあっては、回折のための微細形状、プリズム面やブレーズ面などの微細形状、あるいは、平滑面を高精度に転写することのできる射出成形用金型が要求されている。

従来、特許文献１には、高精度での転写性を達成するため、図１０に示すように、型板５１の中央部分に配置したコア型５２と表面加工層５４との間に断熱材５３を設けた成形用金型５０が提案されている。微細形状であるブレーズ面５４ａを形成した表面加工層５４とコア型５５との間に樹脂成形空間６０が形成されている。断熱材５３は好ましくはセラミックの溶射層であり、表面加工層５４は好ましくはニッケルのメッキ層である。

この金型５０では、微細形状（ブレーズ面５４ａ）の背部に断熱材５３が配置されているため、樹脂充填後におけるブレーズ面５４ａの保温性が向上し、微細形状を成形品に高精度で転写することが可能になった。しかし、ブレーズ面５４ａに隣接する樹脂成形空間部分５１ａでは、熱伝導率が比較的大きい型板５１が露出しており、この部分５１ａでは充填された溶融樹脂の放熱が大きく、微細形状への転写性に悪影響を与えるという問題点が見出された。
特開２００２−９６３３５号公報

そこで、本発明の目的は、微細形状の転写性のより一層の向上を図ることのできる射出成形用金型及び射出成形方法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、溶融された樹脂材の樹脂成型空間への充填を開始してから金型を温度調整せずに保圧工程へ移行し、保圧工程の後に冷却工程を経て成型品を取り出す射出成型方法で光学素子を射出成形するための射出成形用金型において、光学面を成形するための金型コアと、該金型コアを取り囲むように配置された金型キャビティとが組み合わされて構成され、前記金型コアは第１の断熱材によって樹脂成形空間を構成する面が形成され、前記金型キャビティが樹脂成形空間に臨む部分に第２の断熱材を設け、前記第２の断熱材はヒータを介することなく前記樹脂成形空間に臨んでいること、を特徴とする。前記金型コアは第１の断熱材のみで構成されていてもよく、あるいは、該第１の断熱材を保持するコア型を備えていてもよい。

第１の発明に係る射出成形用金型においては、光学面を成形するための金型コアが第１の断熱材によって樹脂成形空間を構成する面が形成されているため、樹脂成形空間に充填された樹脂の保温性が良好であり、特に、樹脂成形空間の構成面に形成された微細形状の転写性が向上する。さらに、金型キャビティが樹脂成形空間に臨む部分に第２の断熱材を設けたため、微細形状に隣接する部分で樹脂の放熱が少なくなり、微細形状の転写性がより一層向上する。

第２の発明は、溶融された樹脂材の樹脂成型空間への充填を開始してから金型を温度調整せずに保圧工程へ移行し、保圧工程の後に冷却工程を経て成型品を取り出す射出成型方法で光学素子を射出成形するための射出成形用金型において、光学面を成形するための金型コアと、該金型コアを取り囲むように配置された金型キャビティとが組み合わされて構成され、前記金型コアは第１の断熱材を備え、該第１の断熱材の表面に別の素材で樹脂成形空間を構成する面が形成され、前記金型キャビティが樹脂成形空間に臨む部分に第２の断熱材を設け、前記第２の断熱材はヒータを介することなく前記樹脂成形空間に臨んでいること、を特徴とする。前記金型コアは前記第１の断熱材と樹脂成形空間構成面のみで構成されていてもよく、あるいは、該第１の断熱材を保持するコア型を備えていてもよい。

第２の発明に係る射出成形用金型においては、光学面を成形するための金型コアが第１の断熱材を備えているため、かつ、金型キャビティが樹脂成形空間に臨む部分に第２の断熱材を設けたため、前記第１の発明に係る射出成形用金型と同様に、樹脂成形空間に充填された樹脂の保温性が良好であり、微細形状の転写性が向上する。

第１及び第２の発明に係る射出成形用金型において、第１及び第２の断熱材の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。それらの材料としては、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金、セラミック又は耐熱性樹脂のいずれかを用いることが好ましい。

第３の発明に係る射出成形方法は前記第１又は第２の発明に係る射出成形用金型を用いて樹脂材から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３の発明に係る射出成形方法において、樹脂成形空間への樹脂の充填が完了して保圧工程へ移行する際の、樹脂成形空間を構成する面の温度及び第２の断熱材の樹脂成形空間に臨む面の温度がともにガラス転移点温度以上であることが好ましい。保圧工程へ移行する際にも樹脂の流動性が保持され、樹脂成形空間での収縮分を補う樹脂がゲート部分を通じて補充される。これにて、より高性能の光学素子を得ることができる。

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、断熱材１３と、表面加工層１４とで構成されている。固定側金型２０は一様に中実なコア型２２にて構成されている。コア型１２、断熱材１３及び表面加工層１４を金型コアと称し、型板１１を金型キャビティと称する。

表面加工層１４は、レンズ、ミラー、プリズムプレート、導光板などの成形品（光学素子）の光学面形状に対応して仕上げられており、回折格子、プリズム面やブレーズ面などの微細形状１４ａが形成されている。また、樹脂成形空間３０は表面加工層１４とコア型２２と型板１１の内周上縁部とで構成されている。

コア型１２，２２は、通常の金型母材材料、例えば、炭素鋼やステンレス鋼などの金属材料で製作されている。炭素鋼の熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、汎用熱間ダイス鋼（ＪＩＳ規格、ＳＫＤ６１）の熱伝導率は３４Ｗ／ｍ・Ｋである。

一方、型板１１は断熱材にて形成されている。ここでの断熱材は、熱伝導率が前記コア型１２，２２よりも低い種々の材料が用いられ、熱伝導率が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（Ｓｉ_３Ｎ_４、２０Ｗ／ｍ・Ｋ）やチタン酸アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３・ＴｉＯ_２、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。

断熱材１３は、コア型１２上に溶射したセラミック、ポリイミド樹脂などの有機系材料（耐熱性重合体）、低熱伝導材である焼結セラミック、チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂなど）、サーメット（チタン酸アルミニウム、ＴｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３）、ステンレス鋼（フェライト系、オーステナイト系など）、ニッケル合金（インコネル、ＦｅＮｉ）などにより形成されている。前記セラミックとしては、ジルコニア系、窒化珪素系、窒化チタンなどを用いることができる。表面加工層１４は、断熱材１３上に非鉄金属材料、例えば、ニッケルをメッキして形成されている。

また、断熱材１３及び断熱材である型板１１は、前記の材料に限定されるものではなく、熱伝導率がコア型１２，２２よりも低い材料、例えば、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であればいかなる材料であってもよい。ポリイミド樹脂などの有機系材料（耐熱性重合体）でもよい。

本第１実施例によれば、コア型１２と表面加工層１４との間に断熱材１３を備えているため、樹脂成形空間３０に充填された樹脂の保温性が良好であり、特に、表面加工層１４に形成された微細形状１４ａの転写性が向上する。

さらに、樹脂成形空間３０の一部を構成する型板１１は表面加工層１４に隣接する部分１１ａを有しているが、型板１１の全体が断熱材にて形成されているため、微細形状１４ａに隣接する部分１１ａでの樹脂の放熱が少なくなり、微細形状１４ａの転写性がより一層向上する。

（第２実施例、図２参照）
第２実施例である金型１Ｂは、図２に示すように、可動側金型１０を構成する型板１１の内周上縁部であって樹脂成形空間３０の一部を構成する部分に、換言すれば、型板１１と表面加工層１４との間に環状の断熱材１５を介在させたものである。

この金型１Ｂにおいて、型板１１は通常の金型母材材料で製作されている。断熱材１５は、第１実施例で示した熱伝導率の低い種々のステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金にて形成されている。あるいは、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）などで形成してもよい。さらに、ポリイミド樹脂（熱伝導率０．２８Ｗ／ｍ・Ｋ）などの耐熱性重合体で形成することも可能である。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る。なお、他の部材及びその材料は第１実施例である金型１Ａと同じである。

本第２実施例によれば、コア型１２と表面加工層１４との間に断熱材１３を備えているため、樹脂成形空間３０に充填された樹脂の保温性が良好であり、特に、表面加工層１４に形成された微細形状１４ａの転写性が向上する。

さらに、樹脂成形空間３０の一部を構成する型板１１と表面加工層１４との間に断熱材１５が介在されているため、微細形状１４ａに隣接する部分での樹脂の放熱が少なくなり、微細形状１４ａの転写性がより一層向上する。

（第３実施例、図３参照）
第３実施例である金型１Ｃは、図３に示すように、前記第２実施例である金型１Ｂにおける断熱材１５に代えて断熱材１６を設けたものである。断熱材１６の材料は断熱材１５と同様であり、他の構成及び材料は第２実施例と同様である。従って、その作用効果も第２実施例と同様である。

（第４実施例、図４参照）
第４実施例である金型１Ｄは、図４に示すように、可動側金型１０のみならず固定側金型２０も、一様に中実な型板２１と、一様に中実なコア型２２と、断熱材２３と、表面加工層２４とで構成したものである。表面加工層２４は、表面加工層１４と同様に、成形品（光学素子）の光学面形状に対応して仕上げられており、微細形状２４ａが形成されている。

断熱材２３及び表面加工層２４の材料は前記第１実施例と同様である。また、型板１１，２１は断熱材にて形成されている。その材料は、第１実施例で型板１１の材料として示したものと同様である。また、コア型１２，２２の材料も第１実施例でコア型１２の材料として示したものと同様である。

本第４実施例によれば、コア型１２，２２と表面加工層１４，２４との間に断熱材１３，２３を備えているため、樹脂成形空間３０に充填された樹脂の保温性が良好であり、特に、表面加工層１４、２４に形成された微細形状１４ａ，２４ａの転写性が向上する。

さらに、樹脂成形空間３０の一部を構成する型板１１，２１は表面加工層１４，２４に隣接する部分１１ａ，２１ａを有しているが、型板１１，２１の全体が断熱材にて形成されているため、微細形状１４ａ，２４ａに隣接する部分１１ａ，２１ａでの樹脂の放熱が少なくなり、微細形状１４ａ，２４ａの転写性がより一層向上する。また、樹脂はその表裏面で保温されるため、成形品に反りが発生するおそれもなくなる。

（第５実施例、図５参照）
第５実施例である金型１Ｅは、図５に示すように、型板１１，２１の内周縁部であって樹脂成形空間３０の一部を構成する部分に環状の断熱材１７，２７を設けたものである。この断熱材１７，２７の材料は前記第２実施例で断熱材１５の材料として示したものと同様である。

他の構成及びその材料は、型板１１，２１が通常の金型母材材料で製作されている以外は、前記第４実施例と同様である。また、その作用効果も第４実施例と同様である。

（第６実施例、図６参照）
第６実施例である金型１Ｆは、図６に示すように、湾曲したレンズを成形するためのもので、各構成部材は前記第３実施例である金型１Ｃと同様であり、その材料も同じである。従って、その作用効果も第３実施例と同様である。

第７実施例である金型１Ｇは、図７に示すように、コア型１２を断熱材にて構成し、該コア型１２の表面に微細形状１２ａを形成したものである。ここでのコア型１２の材料は前記第１実施例などで説明した断熱材１３と同じであり、他の構成も第１実施例と同様である。

第８実施例である金型１Ｈは、図８に示すように、断熱材からなるコア型１２に表面加工層１４を設けたものである。ここでのコア型１２の材料は前記第１実施例などで説明した断熱材１３と同じであり、他の構成も第１実施例と同様である。

第９実施例である金型１Ｉは、図９に示すように、コア型１２上に断熱材１３を設け、該断熱材１３の表面に微細形状１３ａを形成したものである。他の構成は前記第１実施例と同様である。

（成形方法）
ここで、前記金型１Ａ〜１Ｉを用いた射出成形方法についてその概略を説明する。

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型開きを行い、成形品を図示しないエジェクトピンなどで突き出す。

以上の成形工程において、樹脂は比較的高温の溶融状態で樹脂成形空間３０に充填される。この充填開始時において、樹脂成形空間３０に面する金型各要素の成形面の表面温度、具体的には、金型キャビティの樹脂成形空間３０を構成する面（部分１１ａや断熱材１５，１６など）の温度Ｔｃａと、コア型の樹脂成形空間３０を構成する面（表面加工層１４など）の温度Ｔｃｏは樹脂のガラス転移点温度Ｔｇよりも低い。

充填が開始されると、充填された樹脂の熱を受けて樹脂成形空間３０の温度が上昇し、断熱効果によって前記温度Ｔｃａ、Ｔｃｏは前記温度Ｔｇよりも高くなり、その状態を保持する。そして、樹脂の充填が終了して保圧工程が始まる時点においても、前記温度Ｔｃａ、Ｔｃｏは前記温度Ｔｇ以上に保持される。このような温度設定は、金型の温度調整を行うことによっても可能であるが、本発明に係る金型を用いれば、その断熱効果にて金型をことさら温度調整する必要がなく、保圧工程へ移行する際の温度Ｔｃａ、Ｔｃｏを温度Ｔｇ以上に保持することができる。

このような温度設定により、樹脂成形空間３０での収縮分についての樹脂の供給がなされ、転写性が向上する。なお、前記温度Ｔｃａ、Ｔｃｏは、前記温度Ｔｇ以上であれば同じ温度である必要はない。

樹脂成形空間３０内において、樹脂は充填完了直後から低下し始める。しかし、前記金型１Ａ〜１Ｉにおいては、微細形状１４ａ，２４ａの背部には断熱材１３，２３が配置されているため、樹脂成形空間３０に射出された樹脂の保温性が良好であり、また、樹脂成形空間３０を構成する金型の少なくとも一部分が断熱材にて形成されているため、樹脂の放熱が少なくなり、微細形状１４ａ，２４ａの転写性が向上する。

（実験結果）
本発明者らは、前記第４実施例である金型１Ｄを用いて両面に回折構造を有する光学素子を実験的に成形し、その光学性能を測定した。また、比較のため、従来の一様な素材からなる金型を用いて同様の光学素子を成形した。

成形に用いた樹脂は非晶質ポリオレフィン樹脂である日本ゼオン社製ＺＥＯＮＥＸ Ｅ４８Ｒであり、ブルーレイ／ＤＶＤ／ＣＤ互換ピックアップ用の回折素子を成形した。本発明に係る金型によれば、樹脂成形空間３０の周囲に配置した断熱材の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下において回折構造は良好に転写され、回折効率は８２．５％以上であった。また、成形サイクルタイムは従来の金型と同じで、量産にも問題なく適用でき、メンテナンスにも支障は生じなかった。

一方、従来の金型で成形した場合、転写性が低くて回折効率が８０％を下回り、しかも、金型への樹脂の付着が発生してメンテナンス性に劣っていた。

（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９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実施例を示す断面図である。 本発明に係る金型の第２実施例を示す断面図である。 本発明に係る金型の第３実施例を示す断面図である。 本発明に係る金型の第４実施例を示す断面図である。 本発明に係る金型の第５実施例を示す断面図である。 本発明に係る金型の第６実施例を示す断面図である。 本発明に係る金型の第７実施例を示す断面図である。 本発明に係る金型の第８実施例を示す断面図である。 本発明に係る金型の第９実施例を示す断面図である。 従来の射出成形用金型を示す断面図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｉ…金型
１１，２１…型板
１２，２２…コア型
１３，２３…断熱材
１４，２４…表面加工層
１４ａ，２４ａ…微細形状
１５，１６，１７，２７…断熱材
３０…樹脂成形空間

Claims (9)

1. 溶融された樹脂材の樹脂成型空間への充填を開始してから金型を温度調整せずに保圧工程へ移行し、保圧工程の後に冷却工程を経て成型品を取り出す射出成型方法で光学素子を射出成形するための射出成形用金型において、
   光学面を成形するための金型コアと、該金型コアを取り囲むように配置された金型キャビティとが組み合わされて構成され、
   前記金型コアは第１の断熱材によって樹脂成形空間を構成する面が形成され、
   前記金型キャビティが樹脂成形空間に臨む部分に第２の断熱材を設け、
   前記第２の断熱材はヒータを介することなく前記樹脂成形空間に臨んでいること、
   を特徴とする射出成形用金型。
2. 前記金型コアは前記第１の断熱材を保持するコア型を備え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。
3. 溶融された樹脂材の樹脂成型空間への充填を開始してから金型を温度調整せずに保圧工程へ移行し、保圧工程の後に冷却工程を経て成型品を取り出す射出成型方法で光学素子を射出成形するための射出成形用金型において、
   光学面を成形するための金型コアと、該金型コアを取り囲むように配置された金型キャビティとが組み合わされて構成され、
   前記金型コアは第１の断熱材を備え、該第１の断熱材の表面に別の素材で樹脂成形空間を構成する面が形成され、
   前記金型キャビティが樹脂成形空間に臨む部分に第２の断熱材を設け、
   前記第２の断熱材はヒータを介することなく前記樹脂成形空間に臨んでいること、
   を特徴とする射出成形用金型。
4. 前記金型コアは前記第１の断熱材を保持するコア型を備えていることを特徴とする請求項３に記載の射出成形用金型。
5. 前記第１及び第２の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ないし請求項４のいずれかに記載の射出成形用金型。
6. 前記第１及び第２の断熱材はステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金、セラミック又は耐熱性樹脂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５のいずれかに記載の射出成形用金型。
7. 前記第１及び第２の断熱材はジルコニア系、窒化珪素系、窒化チタン又はチタン酸アルミニウムから選ばれるセラミックからなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の射出成形用金型。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の射出成形用金型を用いて樹脂材から光学素子を成形することを特徴とする射出成形方法。
9. 樹脂成形空間への樹脂の充填が完了して保圧工程へ移行する際の、樹脂成形空間を構成する面の温度及び第２の断熱材の樹脂成形空間に臨む面の温度がともにガラス転移点温度以上であることを特徴とする請求項８に記載の射出成形方法。

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