JP4972760B2

JP4972760B2 - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP4972760B2
Application number: JP2005190617A
Authority: JP
Inventors: 篤内藤; 幹司関原; 佳弘奥村
Original assignee: Konica Minolta Advanced Layers Inc
Current assignee: Konica Minolta Advanced Layers Inc
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: JP2006044244A

Description

本発明は、光学素子の製造方法、特に、非晶質ポリオレフィン樹脂製の光学素子を製造するための製造方法に関する。

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。特に、非晶質ポリオレフィン樹脂は、透明性に優れて光学的均質性が高く（複屈折率が小さい）、かつ、微細形状の転写性にも好ましい性質を有しているため、平滑面や回折性能を備えたレンズなどの光学素子の成形に適した材料である（特許文献１参照）。

しかし、非晶質ポリオレフィン樹脂にあっては、材料強度が低いため、射出成形する際に樹脂成形空間への充填後の保圧工程や冷却工程で成形品に発生する残留応力によりクラックが生じたり、表面形状に歪みが生じたり、あるいは、複屈折が大きくなるなどの問題点を有していた。

一方、樹脂成形では成形サイクルの短縮化（ハイサイクル化）が求められており、この種の要請に応えることも重要である。仮に、何らかの手段によって成形精度の向上が図られたとしても、ハイサイクル化が損なわれるのであれば、必ずしも好ましい手段とは言えない。
特開２００２−２２９０７号公報

そこで、本発明の目的は、成形品に生じる残留応力を低減して転写性を向上させるとともに成形品にクラックなどが発生する不具合を効果的に防止でき、かつ、ハイサイクル化を損なうことのない光学素子の製造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の形態である光学素子の製造方法は、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射出成形用金型を用いて非晶質ポリオレフィン樹脂製の光学素子を射出成形する、光学素子の製造方法であって、前記断熱材はチタン合金又はステンレス鋼により形成されており、溶融させた非晶質ポリオレフィン樹脂を金型内の前記樹脂成形空間に充填するための充填工程の完了時に、該樹脂成形空間を構成する金型部材の表面温度を非晶質ポリオレフィン樹脂のガラス転移点温度以上に保つこと、を特徴とする。前記金型コアは断熱材のみで構成されていてもよく、あるいは、該断熱材を保持するコア型を備えていてもよい。

第１の形態である光学素子の製造方法は、光学面を成形するための金型コアが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おり、溶融させた非晶質ポリオレフィン樹脂が樹脂成形空間に充填されたときの該樹脂成形空間の表面温度が非晶質ポリオレフィン樹脂のガラス転移点温度以上に保たれるため、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。従って、転写性が向上するとともに、成形品にクラックが生じたり、成形品の表面形状に歪みが生じたり、複屈折が大きくなるなどの不具合を防止できる。特に、特殊平滑面や微細形状の転写性が向上する。

第２の形態である光学素子の製造方法は、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、前記金型コアは断熱材を備え、該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ている射出成形用金型を用いて非晶質ポリオレフィン樹脂製の光学素子を射出成形する、光学素子の製造方法であって、前記断熱材はチタン合金又はステンレス鋼により形成されており、溶融させた非晶質ポリオレフィン樹脂を金型内の前記樹脂成形空間に充填するための充填工程の完了時に、該樹脂成形空間を構成する金型部材の表面温度を非晶質ポリオレフィン樹脂のガラス転移点温度以上に保つこと、を特徴とする。前記金型コアは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、該断熱材を保持するコア型を備えていてもよい。

第２の形態である光学素子の製造方法は、光学面を成形するための金型コアが断熱材を備えており、溶融させた非晶質ポリオレフィン樹脂が樹脂成形空間に充填されたときの該樹脂成形空間の表面温度が非晶質ポリオレフィン樹脂のガラス転移点温度以上に保たれるため、前記第１の形態である光学素子の製造方法と同様に、充填工程後の保圧工程や冷却工程で生じる残留応力が低減され、転写性が向上するとともに、成形品にクラックが生じたり、成形品の表面形状に歪みが生じたり、複屈折が大きくなるなどの不具合を防止できる。特に、特殊平滑面や微細形状の転写性が向上する。

第１及び第２の形態である光学素子の製造方法において、少なくとも移動側金型と固定側金型とを密接させて前記樹脂成形空間を構成し、移動側金型及び固定側金型はそれぞれ前記金型コアと前記金型キャビティとを組み合わせて構成することができる。

また、前記断熱材の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。

第１及び第２の形態である光学素子の製造方法において、前記非晶質ポリオレフィン樹脂はそれぞれ異なるガラス転移点温度を有する複数の成分を混合したものを用いてもよい。この場合、複数の成分のうち最も高いガラス転移点温度以上に前記金型部材の表面温度を保つことが好ましい。

以下、本発明に係る光学素子の製造方法の実施例について、添付図面を参照して説明する。

（金型の構成、図１〜図７参照）
まず、本発明に係る光学素子の製造方法に用いられる種々の射出成形用金型の構成について説明する。なお、図１〜図７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。

図１は第１例を示し、この金型１Ａは、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１４と、表面加工層１５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、断熱材２４と、表面加工層２５とで構成されている。表面加工層１５，２５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、樹脂成形空間３０を構成する。コア型１２，２２、断熱材１４，２４及び表面加工層２５を金型コアと称し、型板１１，２１を金型キャビティと称する。

型板１１，２１及びコア型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。断熱材１４，２４は、コア型１２，２２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、ＴｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃）、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。また、表面加工層１５，２５は、断熱材１４，２４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。

なお、断熱材１４，２４は、前記の材料に限定されるものではなく、熱伝導率が型板１１，２１及びコア型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。

図２は第２例を示し、この金型１Ｂにおいて、断熱材１４，２４の表面が表面加工面とされている。断熱材１４，２４には、例えば、ポリイミド樹脂などの耐熱性重合体が用いられている。他の部材及びその材料は第１例である金型１Ａと同じである。

図３は第３例を示し、この金型１Ｃにおいて、断熱材１４，２４は比較的厚い焼結セラミックから形成されている。他の部材及びその材料は第１例である金型１Ａと同じである。

図４は第４例を示し、この金型１Ｄにおいて、表面加工層２５には成形品の表面に回折格子を転写するための微細形状が形成されている。他の部材及びその材料は第１例である金型１Ａと同じである。

図５は第５例を示し、この金型１Ｅにおいて、表面加工層１５，２５の両方には成形品の表面に回折格子を転写するための微細形状が形成されている。他の部材及びその材料は第１例である金型１Ａと同じである。

図６は第６例を示し、この金型１Ｆにおいては、金型コアを断熱材１４，２４と表面加工層１５，２５とで構成している。この断熱材１４，２４及び表面加工層１５，２５の材料は第１例である金型１Ａと同じである。また、他の部材及びその材料についても金型１Ａと同じである。

図７は第７例を示し、この金型１Ｇにおいては、金型コアを断熱材１４，２４のみで構成し、該断熱材１４，２４の表面が表面加工面とされている。この断熱材１４，２４には、例えば、ポリイミド樹脂などの耐熱性重合体が用いられている。他の部材及びその材料は第１例である金型１Ａと同じである。

（製造方法の実施例、図８及び図９参照）
本発明に係る製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。図８は金型内における樹脂の温度と圧力の変化を時間（横軸）に沿って示している。また、図９は充填完了時（曲線ｅ参照）での成形品の温度分布、及び、成形品を金型から取り出す離型時（曲線ｆ参照）での成形品の温度分布を示している。

まず、所定の温度に溶融された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）に入る。図８において、曲線ａは樹脂成形空間３０内における樹脂の圧力変化を示している。

樹脂成形空間３０に充填された樹脂の表面温度は曲線ｂに示すように変化し、該樹脂の中心温度は曲線ｃに示すように変化する。非晶質ポリオレフィン樹脂が樹脂成形空間３０に充填されたときの樹脂成形空間３０の表面温度（即ち、充填された樹脂の表面温度、図８の点Ａ参照）は、非晶質ポリオレフィン樹脂のガラス転移点温度以上である。

このように、非晶質ポリオレフィン樹脂が樹脂成形空間３０に充填されたときの樹脂成形空間３０の表面温度が該樹脂のガラス転移点温度以上に保たれるため、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Ｂが小さく、保圧工程や冷却工程での残留応力が低減される。従って、成形品にクラックが生じたり、表面形状に歪みが生じたり、あるいは、複屈折が大きくなるなどの不具合を防止できる。また、平滑面や微細形状の転写性が向上する。

樹脂が樹脂成形空間３０に充填されたときの樹脂成形空間３０の表面温度がガラス転移点温度以上を保つのは、樹脂成形空間３０の周囲に断熱材１４，２４が配置されていることによる。

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。

なお、非晶質ポリオレフィン樹脂はそれぞれ異なるガラス転移点温度を有する複数の成分を混合したものが成形材料として使用される場合もある。この場合は、非晶質ポリオレフィン樹脂が樹脂成形空間３０に充填されたときの樹脂成形空間３０の表面温度を最も高いガラス転移点温度以上に保つようにすればよい。

一方、図８に示す曲線ｄは、金型に断熱材を設けない従来例での非晶質ポリオレフィン樹脂の表面温度の変化を表している。この場合、樹脂成形空間３０に充填されたときの樹脂の表面温度は図８の点Ａ’であり、樹脂の表面部分と中心部分との温度差Ｂ’は比較的大きい。材料強度の低い非晶質ポリオレフィン樹脂にあっては、温度差Ｂ’では残留応力にて成形品にクラックが生じたり、表面形状に歪みが生じたり、複屈折が大きくなる。本発明ではこのような不具合を防止することができる。

また、図９において、曲線ｅは充填完了時での成形品の温度分布を示している。充填完了時における成形品の表面温度は、曲線ｅ上の点Ａであり、ガラス転移点温度以上に保たれている。

成形品を金型から取り出すことができるのは、少なくとも成形品の表面が熱変形温度以下にまで低下した時点であり、この時点を離型可能温度として図８及び図９に示している。図９の曲線ｆは離型時での成形品の温度分布を示し、離型時における成形品の表面温度は、曲線ｆ上の点Ｃであり、離型可能温度以下である。

一方、比較のため、図１０に、金型に断熱材を設けない従来例での成形品の温度分布を示す。曲線ｅ’は充填完了時での成形品の温度分布、曲線ｆ’は離型時での成形品の温度分布をそれぞれ示している。曲線ｅ’，ｆ’から明らかなように、充填完了時における成形品の表面温度は金型設定温度に相当し、ガラス転移点温度以下である。

（成形サイクル）
以上説明した本発明に係る製造方法において、非晶質ポリオレフィン樹脂が樹脂成形空間に充填されたときの樹脂成形空間の表面温度を該樹脂のガラス転移点温度以上に保つことは、樹脂成形空間の周囲に断熱材を配置することにより達成している。

充填時において樹脂成形空間の表面温度を樹脂のガラス転移点温度以上に保つことは、本発明の製造方法以外に、例えば、金型を強制的により高い温度まで加熱する方法（ヒートサイクル成形）や、樹脂成形空間を構成する部材を熱容量の大きいバルク材で被覆する方法を採用することが考えられる。

しかし、金型を強制的に加熱して充填時における樹脂成形空間の表面をガラス転移点温度に保つことは、保圧工程後に成形品を取り出すまでに強制的な冷却工程を必要として時間を要し、ハイサイクル化を損なう。また、バルク材を用いる方法も、バルク材の冷却に時間を要するので、同様に、ハイサイクル化を損なう。

これらに対して、本発明は金型に断熱材を設けるだけで好ましい温度コントロールが可能であり、成形品が取出し可能な温度に低下するまでの時間が短くて済み、ハイサイクル化を損なうことがない。

（他の実施例）
なお、本発明に係る光学素子の製造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７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。

本発明に係る製造方法で使用される金型の第１例を示す断面図である。本発明に係る製造方法で使用される金型の第２例を示す断面図である。本発明に係る製造方法で使用される金型の第３例を示す断面図である。本発明に係る製造方法で使用される金型の第４例を示す断面図である。本発明に係る製造方法で使用される金型の第５例を示す断面図である。本発明に係る製造方法で使用される金型の第６例を示す断面図である。本発明に係る製造方法で使用される金型の第７例を示す断面図である。本発明に係る製造方法において、金型内おける樹脂の温度と圧力の変化を示すグラフである。本発明に係る製造方法において、金型内における成形品の温度分布を示すグラフである。従来の成形方法において、金型内における成形品の温度分布を示すグラフである。

１Ａ〜１Ｇ…金型
１１，２１…型板
１２，２２…コア型
１４，２４…断熱材
１５，２５…表面加工層
３０…樹脂成形空間

Claims

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射出成形用金型を用いて非晶質ポリオレフィン樹脂製の光学素子を射出成形する、光学素子の製造方法であって、
前記断熱材はチタン合金又はステンレス鋼により形成されており、
溶融させた非晶質ポリオレフィン樹脂を金型内の前記樹脂成形空間に充填するための充填工程の完了時に、該樹脂成形空間を構成する金型部材の表面温度を非晶質ポリオレフィン樹脂のガラス転移点温度以上に保つこと、
を特徴とする光学素子の製造方法。
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、前記金型コアは断熱材を備え、該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ている射出成形用金型を用いて非晶質ポリオレフィン樹脂製の光学素子を射出成形する、光学素子の製造方法であって、
前記断熱材はチタン合金又はステンレス鋼により形成されており、
溶融させた非晶質ポリオレフィン樹脂を金型内の前記樹脂成形空間に充填するための充填工程の完了時に、該樹脂成形空間を構成する金型部材の表面温度を非晶質ポリオレフィン樹脂のガラス転移点温度以上に保つこと、
を特徴とする光学素子の製造方法。
前記非晶質ポリオレフィン樹脂はそれぞれ異なるガラス転移点温度を有する複数の成分を混合したものを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子の製造方法。
前記複数の成分のうち最も高いガラス転移点温度以上に前記金型部材の表面温度を保つことを特徴とする請求項３に記載の光学素子の製造方法。
前記金型コアは前記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又は請求項４に記載の光学素子の製造方法。
少なくとも移動側金型と固定側金型とを密接させて前記樹脂成形空間を構成し、移動側金型及び固定側金型はそれぞれ前記金型コアと前記金型キャビティとを組み合わせて構成されてい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光学素子の製造方法。
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ないし請求項６のいずれかに記載の光学素子の製造方法。