JPWO2021084586A1 - ディスプレイ用レンズの成型方法、ディスプレイ用レンズの金型セット - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂を積層してディスプレイ用レンズを射出成型する方法であって、より成形精度の高い射出成型方法を提供することを課題とする。【解決手段】上記課題解決のため、ディスプレイ用レンズの一次側半体の射出成型工程において、二次側半体との接合面央部を二次側半体射出成型時に二次側半体の面内応力が厚さ方向で偏って分布しないで均一に近くなるように凹状に成型する一次側半体成型工程と、一次側半体の接合面上に二次側半体を射出成型する二次側半体成型工程と、からなるディスプレイ用レンズの成型方法などを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、ディスプレイ用レンズを射出成型するための方法などに関する。

ヘッドランプの投影用レンズなどのような厚肉の樹脂レンズを射出成型により製造する場合、溶融樹脂が冷却固化するまでに多くの時間を要し生産性が悪く、また厚肉であるため溶融樹脂の固化に伴う収縮が大きくなり成型不良をもたらすという問題があった。

そこで、生産性と成型精度の向上を図るため、一次成型用金型により成型した一次成型品を、さらに別の金型にセットし一次成型品に樹脂が重なるように射出して二次成型するプロジェクタ型ヘッドランプ用レンズ方法が提案されている（特許文献１）。

特開２００８−１０７４９０号公報

特許文献１に記載の発明は、生産性の向上には寄与するものの、近年需要増加が著しいヘッドアップディスプレイなどのディスプレイ用のレンズに求められる成型精度を実現することはできない。プロジェクタ型ヘッドランプ用レンズに求められる成型精度は、光源からの光を集光し所定方向に配光することができれば足りる程度であるのに対して、ディスプレイ用のレンズは文字や図形などから構成される様々な情報をウィンドウスクリーンやコンバイナーに明瞭に投影する必要があり、これを実現するための成型精度は一段と高いものになるからである。

上記課題を解決するために本発明において、以下のディスプレイ用レンズの成型方法などを提供する。すなわち、ディスプレイ用レンズの一次側半体の射出成型工程において、二次側半体との接合面央部を二次側半体射出成型時に二次側半体の面内応力が厚さ方向で偏って分布しないで均一に近くなるように凹状に成型する一次側半体成型工程と、一次側半体の接合面上に二次側半体を射出成型する二次側半体成型工程と、からなるディスプレイ用レンズの成型方法を提供する。

また、上記のディスプレイ用レンズの成型方法であって、二次側半体成型工程は、一次側半体との接合面に対向する対向面央部が厚さ方向の収縮を補うために完成レンズ形状に沿う仮想金型に対比して凹状に成型されている二次側半体成型用金型を用いて行われるディスプレイ用レンズの成型方法を提供する。

また、上記いずれかのディスプレイ用レンズの成型方法であって、二次側半体成型工程は、一次側半体のディスプレイ用レンズ機能領域の外側である非機能領域上に重ねて樹脂を重複射出するように行われるディスプレイ用レンズの成型方法を提供する。

また、ディスプレイ用レンズの一次側半体を成型するための金型であって、二次側半体との接合面を構成する金型面はその央部に、二次側半体射出成型時に二次側半体の面内応力が厚さ方向で偏って分布しないで均一に近くなるように凸状部を有するディスプレイ用レンズの一次側半体成型用金型と、ディスプレイ用レンズの二次側半体成型用金型と、からなるディスプレイ用レンズの金型セットを提供する。

また、上記の金型セットであって、前記二次側半体成型用金型は、一次側半体との接合面と対向する金型の面央部に凹状部を有するディスプレイ用レンズの金型セットを提供する。

また、ディスプレイ用レンズの一次側半体の射出成型工程において、二次側半体との接合面央部を凸状に成型する一次側半体成型工程と、一次側半体の接合面上に二次側半体を射出成型する二次側半体成型工程と、からなるディスプレイ用レンズの成型方法を提供する。

以上のような構成をとる本発明によって、生産性の向上を実現するだけでなく、文字や図形などの情報を明瞭に投影するためのディスプレイ用レンズに求められる成型精度を得ることができる。

実施形態１のディスプレイ用レンズの成型方法の工程を示すフロー図 成型されたディスプレイ用レンズの一例を示す概念図 実施形態１の成型方法を実現するための金型セットの一例を示す概念図 一次側半体の接合面上に二次側半体を成型する態様を示す概念図 一次側半体の接合面周縁に***や沈降を設けた態様を示す概念図 実施形態２の成型方法を行うための金型の一例を示す概念図 実施形態３の成型方法を行うための金型の一例を示す概念図

以下に、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。
＜実施形態１＞
＜実施形態１ 概要＞

本実施形態は、一次側半体を射出成型により成型し、一次側半体に二次側半体を積層して一体化したディスプレイ用レンズを成型する方法であり、二次側半体と接合する一次側半体の接合面央部を凹状に成型することに特徴を有する。
＜実施形態１ 構成＞

図１は、本実施形態の成型方法の工程を示すフロー図である。図示するように、本実施形態の成型方法は、一次側半体成型工程０１０１と、二次側半体成型工程０１０２と、からなる。

「一次側半体」とは、二度の射出成型によりディスプレイ用レンズを成型するにあたり、先に行う射出成型により成型されるディスプレイ用レンズの一部である。また、「二次側半体」とは、一次側半体の成型後に行われる射出成型によって成型されるディスプレイ用レンズの残りの部分である。そして、一次側半体と二次側半体とが一体化してディスプレイ用レンズとなる。

「ディスプレイ用レンズ」とは、画像をスクリーンなどに投影するためのレンズであり、例えば、自動車や飛行機などのウィンドウスクリーンに画像を投影するためのヘッドアップディスプレイ用のレンズや、壁やスクリーンなどに画像を投影するためのプロジェクタ用のレンズなどである。

図２は、成型されたディスプレイ用レンズの一例を示す概念図である。ディスプレイ用レンズ０２００は、一次側半体０２０１に二次側半体０２０２が積層されて一体化したものであり、一次側半体と二次側半体のそれぞれにかまぼこ形状のレンズ面が形成されている。また、図中の斜線領域は、一次側半体と二次側半体との接合面０２０３である。なお、本実施形態の成型方法は、後述するように接合面の形状に特徴を有するものであるが、ここでは簡略化して単なる平面で接合面を示した。

図３は、本実施形態のディスプレイ用レンズの成型方法を実現するための金型セットの一例を示す概念図であり、断面を示している。なお、成型するレンズ形状は図２に示したようなかまぼこ形状のレンズであるとしている。また、かかる断面は短手方向で切断した場合を示している。図３（ａ）に示すように、金型セット０３００は、固定金型０３０１と、固定金型に対して回動可能な回動金型０３０２と、からなる。

回動金型０３０２は、一次側半体を成型するための第一金型面０３０３を２つ有する。また、固定金型０３０１は、一次側半体を成型するための一次側半体成型用キャビティ０３０４を第一金型面０３０３と形成する凸状金型面０３０５と、二次側半体を成型するための二次側半体成型用キャビティ０３０６を成型された一次側半体と形成する第二金型面０３０７とを有する。また、固定金型には、一次側半体成型用キャビティへ樹脂を注入するための注入路０３０８と、二次側半体成型用キャビティへ樹脂を注入するための注入路０３０９が備わる。なお、二次側半体用の注入路は、二次側半体の長手方向の側面凹部に相当する位置から二次側半体成型用キャビティに樹脂が注入されるようにゲートを設けることが好ましい。二次側半体成型用キャビティ内でゲートからの最遠部までの距離をできるだけ短くなるような位置にゲートを設けることが、注入される樹脂に生じる温度勾配を少なくするからである。なお、図示しないが排気のためのベントも備わっている。

図３を用いて、以下に一次側半体成型工程と二次側半体成型工程とを説明する。
＜実施形態１ 一次側半体成型工程＞

「一次側半体成型工程」は、ディスプレイ用レンズの一次側半体の射出成型工程において、二次側半体との接合面央部を二次側半体射出成型時に二次側半体の面内応力が厚さ方向で偏って分布しないで均一に近くなるように凹状に成型する工程である。

まず、一次側半体成型用キャビティ０３０４へ樹脂注入路０３０８を介して図示しない樹脂射出装置から溶融状態の樹脂を射出する。射出した樹脂は射出圧力を維持した状態で金型が徐冷して一次側半体が成型される。このとき央部に凸状部を有する凸状金型面０３０５により、一次側半体における二次側半体との接合面の央部が凹状に成型される。そして、成型された一次側半体を収納したまま回動金型０３０２は１８０°回動する（図３（ｂ））。なお、接合面を凹状に成型する技術的意義は後述する。
＜実施形態１ 二次側半体成型工程＞

「二次側半体成型工程」は、一次側半体の接合面上に二次側半体を射出成型する工程である。図３（ｂ）に示すように、二次側半体成型用キャビティ０３０６に一次側半体０３０１０が存在する状態で樹脂注入路０３０９を介して樹脂を注入する。注入された樹脂は一次側半体の接合面上に積層して二次側半体０３１１が形成され（図３（ｃ））、さらに一次側半体と二次側半体とが一体化してディスプレイ用レンズとして成型される。また、二次側半体成型用キャビティに樹脂を射出するとともに、一次側半体成型用キャビティにも樹脂を射出することで、一次側半体も併せて成型することができる。

なお、一次側半体成型用キャビティあるいは二次側半体成型用キャビティへ樹脂を射出して注入する注入路０３０７や注入路０３０９の位置などは、図３に示した場合に限られず一次側半体や二次側半体の形状などに応じて適宜定めることができる。

上述した一次側半体成型工程及び二次側半体成型工程における金型温度、樹脂温度、射出圧力などは、樹脂の種類や特性、一次側半体と二次側半体のそれぞれの形状、環境温度など諸々の条件によって適宜設定される。例えば、シクロオレフィンポリマーを材料として成型する場合、金型温度を１２０〜１５０℃、樹脂温度を２６０〜２８０℃、射出圧力を１８０〜２００Ｍｐａ程度にそれぞれ設定して行う。

また、上述した例においては、一の固定金型と一の回動金型とによって一次側半体と二次側半体とを成型する態様を示したが、一次側半体を成型するための金型と、二次側半体を成型するための金型を、別個に用意して一次側半体と二次側半体とをそれぞれ成型するようにしてもよい。
＜実施形態１ 一次側半体の接合面＞

二次側半体との接合面央部を二次側半体射出成型時に二次側半体の面内応力が厚さ方向で偏って分布しないで均一に近くなるように凹状に成型する。このように成型する意義について図４を用いて説明する。

図４は、一次側半体の接合面上に二次側半体を成型する態様を示す概念図である。図４（ａ）は、一次側半体の接合面央部を平板状に成型した場合を示している。二次側半体射出成型工程において、一次側半体０４０１はある程度固化している。そして、射出された二次側半体を成型するための樹脂０４０２は、一次側半体の接合面０４０３に接する。ここで、一次側半体の接合面は射出された樹脂の温度に対して低温であるため、一次側半体の接合面と接した樹脂は急冷され、射出された樹脂内部に温度勾配が生じる。そのため、二次側半体となる樹脂内の応力であって、成型後の二次側半体の表面（すなわちディスプレイ用レンズの表面）としての目標面０４０４と略平行方向の応力である面内応力が樹脂の厚さ方向０４０５において不均一となる（図中の両端矢印）。射出される樹脂の収縮量は、冷却速度に依存して変化する。つまり冷却速度が速い一次半体との接合面側の領域での収縮量が大きくなる。二次側半体の樹脂は、一次側半体上及び二次側半体を形作る金型面に囲まれた領域に注がれる。一次側半体は固化温度以下になっており、最初に一次側半体に至った射出樹脂は、相対的に急冷される一方、成形品内部で射出口に近い領域の樹脂は相対的に徐冷される。従って収縮量に差が出る（収縮量が分布する）こととなる。

その結果、図４（ｂ）に示すように、樹脂が冷却固化して成型された二次側半体０４０６は、目標面０４０７側における樹脂の収縮長Ｓ１よりも、接合面側０４０８での樹脂の収縮長Ｓ２の方が長くなる。つまり、二次側半体の両端部において目標面側と接合面側とで樹脂の収縮が不均一となる。射出成型において樹脂の収縮率を鑑みて、収縮分を充填できるように圧力をかけてキャビティ内に射出することは本技術分野において行われていることであるが、キャビティの端部領域の樹脂に不均一な収縮が生じた場合には、成型後に歪みなどが生じやすくなってしまう。このような歪みは、たとえわずかなものであったとしても、画像を明瞭に投影するためのディスプレイ用レンズにおいては問題となる。

図４（ｃ）は、一次側半体の接合面の央部を凹状に成型した場合を示している。この場合においても、接合面０４０９側と目標面０４１０側とでは樹脂内部の応力は上述したように接合面側が強くなり目標面側との不均一が生じる。ここで、接合面側の応力は央部から端部にかけての傾斜面に沿ったものとなる（Ｌ１）。しかし、面内応力でみると、Ｌ１の応力は面内方向の成分Ｌ２は傾斜角θに応じてＬ１より小さくなる。このように接合面の央部を凹状に成型することにより、二次側半体の面内応力を厚さ方向において均一に近くすることができる。その結果、二次側半体の端部において目標との差分を厚さ方向において均一に近くなり、収縮分の充当を良好に行うことができ、最終成型品であるディスプレイ用レンズの成型精度を高めることに資するのである。なお、図４（ｃ）は、図４（ｂ）で示した態様との違いを説明するためのものであり、同様の量の樹脂を注入した場合の態様を示している。実際には二次側半体の表面が目標面に近づくように十分な量の樹脂が注入されるので、図示するように表面の央部が凹状となることはない。また、ゲートが設けられる二次側半体の長手方向の側面領域には溝や傾斜を設けておいてもよい。ゲート側の側面領域は一般的に充填されるのがもっとも遅くなるため他の領域に比べて十分な圧力がかかる状態が短くなりがちであるが、溝などを設けることで注入当初から樹脂が流れやすくすることで圧力がかかり始めるタイミングが早くなり成型時に十分な圧力がかかるからである。

また、一次側半体の接合面の央部を凹状に成型することに加え、図５に示すように、接合面０５０１の周縁を***０５０２させたり（図５（ａ））沈降０５０３させたり（図５（ｂ））することで、接合面の周縁に段が生じるように成型してもよい。このように成型することで、接合面の面積を大きくし、かつ接合面の向きに変化を与えることができ、一次側半体と二次側半体との接合がより強固になる。なお、このような***や沈降を周縁に設ける場合には、それらの周縁が実施形態３において述べるディスプレイ用レンズの非機能領域に設けられることが好ましい。***や沈降などの段差がある領域は、平坦な領域に比べて相対的に樹脂が行き届きにくい場合が生じ得るが、非機能領域に設けることで機能領域への影響を防止することができるからである。

本実施形態のディスプレイ用レンズの射出成型方法によれば、文字や図形などを明瞭に投影することのできる成型精度のレンズを成型することができる。また、従来技術（特許文献１など）により成型された積層樹脂レンズは、冷熱衝撃試験（例えば、−７０℃〜１００℃）によりクラックや端面剥離などの不具合が生じることが多々あったが、本実施形態の射出成型方法によればそのような不具合が生じることはない。
＜実施形態１ 金型セット＞

本実施形態のディスプレイ用レンズの成型方法を実現するための金型セットを提供することができる。すなわち、ディスプレイ用レンズの金型セットとして、二次側半体との接合面を構成する金型面はその央部に、二次側半体射出成型時に二次側半体の面内応力が厚さ方向で偏って分布しないで均一に近くなるように凸状部を有するディスプレイ用レンズの一次側半体成型用金型と、ディスプレイ用レンズの二次側半体成型用金型と、からなるディスプレイ用レンズの金型セットを提供することができる。

図３に示した例においては、一次側半体成型用キャビティ０３０４を形成するための可動金型０３０２の第一金型面０３０３と固定金型０３０１の凸状金型面０３０５とが一次側半体成型用金型に相当し、二次側半体成型用キャビティ０３０６を形成するための固定金型０３０１の第二金型面０３０７が二次側半体成型用金型に相当する。
＜実施形態１ 効果＞

本実施形態により、文字や図形などの情報を明瞭に投影するためのディスプレイ用レンズに求められる成型精度を得ることができる成型方法を提供することができる。
＜実施形態２＞
＜実施形態２ 概要＞

本実施形態は、実施形態１のディスプレイ用レンズの成型方法を基本とし、二次側半体の厚さ方向の収縮分を補うための金型を用いて二次側半体成型工程を行うことを特徴とする。
＜実施形態２ 構成＞

本実施形態のディスプレイ用レンズの成型方法は、実施形態１と同様に一次側半体成型工程と、二次側半体成型工程と、からなる。そして、本実施形態における二次側半体成型工程は、一次側半体との接合面に対向する対向面央部が厚さ方向の収縮を補うために完成レンズ形状に沿う仮想金型に対比して凹状に成型されている二次側半体金型を用いて行われる。

図６は、本実施形態の成型方法を行うための金型の一例を示す概念図である。図示するように、二次側半体成型用金型は、固定金型０６０１の第二金型面０６０２で構成され、二次側半体成型工程では、回動金型０６０３の第一金型面側０６０４には一次側半体０６０５が存在している。そして、固定金型の第二金型面における一次側半体との接合面０６０６に対向する対向面央部０６０７は、完成レンズ形状に沿う仮想金型０６０８に対比して凹状に成型されている。このように成型された金型に樹脂を充填して成型することにより、成型される二次側半体の厚さ方向の収縮が補われ、固化した際の完成レンズの形状が目標のとおりとなる。
＜実施形態２ 金型セット＞

本実施形態のディスプレイ用レンズの成型方法を実現するための金型セットも提供することができる。すなわち、実施形態１の金型セットを基本とし、二次側半体成型用金型は、一次側半体との接合面と対向する金型の面央部に凹状部を有するディスプレイ用レンズの金型セットを提供することができる。

図６に示した例においては、固定金型０５０１の第二金型面０５０７が二次側半体成型用金型に相当し、この第二金型面は面央部に凹状部を有している。
＜実施形態２ 効果＞

本実施形態によれば、二次側半体の成型の際の厚さ方向の収縮分が補われることで、成型精度に優れるディスプレイ用レンズの成型を行うことができる。
＜実施形態３＞
＜実施形態３ 概要＞

本実施形態は、実施形態１又は２を基本とし、二次側半体成型工程において、一次側半体のディスプレイ用レンズ機能領域の外側にも二次側半体を成型するための樹脂を重ねて射出して成型することを特徴とする。
＜実施形態３ 構成＞

本実施形態のディスプレイ用レンズの成型方法は、実施形態１又は２を基本とし、一次側半体成型工程と、二次側半体成型工程と、からなる。そして、本実施形態における二次側半体成型工程は、一次側半体のディスプレイ用レンズ機能領域の外側である非機能領域上に重ねて樹脂を重複射出するように行われる。

図７は、本実施形態の成型方法を行うための金型の一例を示す概念図である。図示するように、一次側半体成型工程で成型された一次側半体０７０１は、その両端を除いた部分がディスプレイ用レンズとしての機能を果たす機能領域０７０２となっている。また、その両端の部分を非機能領域０７０３とする。非機能領域は、例えばディスプレイ用レンズを他の装置などに取り付けるための部分として用いられる。

そして、図示するように、二次側半体成型用金型を構成する固定金型０７０４の第二金型面０７０５は、注入された樹脂が一次側半体の非機能領域０７０３に重複するように形成されている。このような二次側半体成型用金型により、一次側半体と二次側半体との接合面を機能領域の外側である非機能領域にまで及ぼすことができる。実施形態２で説明したように接合面側の端部は歪みが相対的に生じやすいが、そのような端部を非機能領域とすることで、万一歪みなどが生じたとしても非機能領域にてとどまり、機能領域に歪みが及ばないようにすることができる。
＜実施形態３ 効果＞

本実施形態によれば、ディスプレイ用レンズの機能領域での成型精度をより向上させることができる。
＜実施形態４＞
＜実施形態４ 概要＞

本実施形態のディスプレイ用レンズの成型方法は、一次側半体成型の際に二次側半体との接合面央部を凸状に成型することを特徴とする。
＜実施形態４ 構成＞

本実施形態のディスプレイ用レンズの成型方法は、一次側半体成型工程と、二次側半体成型工程と、からなる。実施形態１の成型方法との相違は、二次側半体との接合面央部を凸状に成型することにあり、成型の対象となるディスプレイ用レンズは同様である。

ディスプレイ用レンズは、凸面レンズであることが多い。このような場合、一次側半体成型工程において、一次側半体の二次側半体の接合面を凸状に成型することで、二次側半体のレンズ面と接合面との距離を全体的に均一に近づけることができる。これにより、二次側半体の厚さの不均一さを低減し、樹脂内部の応力の均一化を図ることができ、成型精度向上を図ることができる。また、接合面を凸状に成型することにより一次側半体との接合面に傾斜が生じ、傾斜の分接合面の長さが、接合面を平坦にした場合よりも相対的に長くなる。金型面に対して相対的に低温である接合面の長さを長くすることにより、相対的に収縮率の高い接合面側での樹脂の収縮量と、相対的に収縮率の低い金型面側での樹脂の収縮量とを近づけることができる。これにより二次側半体の端面を金型面の端部に沿わせることができ、歪みなどが生じることを防止することができる。
＜実施形態４ 効果＞

本実施形態のディスプレイ用レンズの成型方法により、成形精度の向上を図ることができる。

０１０１ 一次側半体成型工程
０１０２ 二次側半体成型工程
０２００ ディスプレイ用レンズ
０２０１ 一次側半体
０２０２ 二次側半体
０２０３ 接合面
０３００ 金型セット
０３０１ 固定金型
０３０２ 回動金型
０３０３ 第一金型面
０３０４ 一次側半体成型用キャビティ
０３０５ 凸状金型面
０３０６ 二次側半体成型用キャビティ
０３０７ 第二金型面
０３０８ 注入路
０３０９ 注入路
０３１０ 一次側半体
０３１１ 二次側半体

Claims (6)

1. ディスプレイ用レンズの一次側半体の射出成型工程において、二次側半体との接合面央部を二次側半体射出成型時に二次側半体の面内応力が厚さ方向で偏って分布しないで均一に近くなるように凹状に成型する一次側半体成型工程と、
   一次側半体の接合面上に二次側半体を射出成型する二次側半体成型工程と、
   からなるディスプレイ用レンズの成型方法。
2. 二次側半体成型工程は、一次側半体との接合面に対向する対向面央部が厚さ方向の収縮を補うために完成レンズ形状に沿う仮想金型に対比して凹状に成型されている二次側半体成型用金型を用いて行われる請求項１に記載のディスプレイ用レンズの成型方法。
3. 二次側半体成型工程は、一次側半体のディスプレイ用レンズ機能領域の外側である非機能領域上に重ねて樹脂を重複射出するように行われる請求項１又は請求項２に記載のディスプレイ用レンズ成型方法。
4. ディスプレイ用レンズの一次側半体を成型するための金型であって、二次側半体との接合面を構成する金型面はその央部に、二次側半体射出成型時に二次側半体の面内応力が厚さ方向で偏って分布しないで均一に近くなるように凸状部を有するディスプレイ用レンズの一次側半体成型用金型と、
   ディスプレイ用レンズの二次側半体成型用金型と、からなるディスプレイ用レンズの金型セット。
5. 前記二次側半体成型用金型は、一次側半体との接合面と対向する金型の面央部に凹状部を有する請求項３に記載のディスプレイ用レンズの金型セット。
6. ディスプレイ用レンズの一次側半体の射出成型工程において、二次側半体との接合面央部を凸状に成型する一次側半体成型工程と、
   一次側半体の接合面上に二次側半体を射出成型する二次側半体成型工程と、
   からなるディスプレイ用レンズの成型方法。

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