成形装置
【課題】成形サイクルを短縮しつつも、簡素な構成を用いて優れた外観品質の光学部品を安定して成形できる成形装置を提供する。
【解決手段】断熱層５２ｃ、４２ｃにより、型空間ＣＶからコア型５２，４２への熱伝導が抑制されるので、溶融樹脂の温度が保たれ、コア型５２，４２の転写面形状を精度良く転写できる。又、高熱伝導母材５２ｄ、４２ｄにより速やかに熱を分散させることで、溶融樹脂の熱がこもって局所的な偏りが生じることが抑制され、温度の不均一性を解消できる。
【解決手段】断熱層５２ｃ、４２ｃにより、型空間ＣＶからコア型５２，４２への熱伝導が抑制されるので、溶融樹脂の温度が保たれ、コア型５２，４２の転写面形状を精度良く転写できる。又、高熱伝導母材５２ｄ、４２ｄにより速やかに熱を分散させることで、溶融樹脂の熱がこもって局所的な偏りが生じることが抑制され、温度の不均一性を解消できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ等の光学部品を成形するのに好適な成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒケやウェルドラインの発生を抑制し、複屈折が小さい成形品を得る成形方法として、特許文献１が開示されている。この開示された技術は、誘導加熱により表面加工層のみを選択的に加熱することに関するものである。ここでは一例としては、シクロオレフィン系樹脂（Ｔｇ＝１３８〜１４０℃）を誘導加熱により１４０℃以上の状態で充填し、樹脂の熱変形温度付近（約１２０〜１２５℃）まで冷却してから成形品を取出すことが示されている。しかしながら、この技術には欠点がある。具体的には、誘導加熱により所望の温度に到達するまでの時間や、成形品を安定して取り出せる温度に冷却するまでに時間を要し生産性が悪くなるということである。また、成形品の性能を安定させるために、誘導加熱による温度制御を安定させる必要もある。さらには、通常の金型温度制御装置とは別に、新たな誘導加熱するための温度制御装置が必要になり、また金型に誘導加熱のためのコイルを内蔵するため金型が複雑になり金型製作費が高くなり、加えて新たな生産設備が必要となるため成形品の製造コストが高くなる、という欠点がある。
【０００３】
このように、成形品の外観品質を求める要求の一方で、成形サイクルの短縮を求める要求がある。しかるに、成形サイクルを短縮するには、一般的には金型を温度を下げることが考えられる。しかし、金型温度を下げていると、金型内に充填された樹脂の冷却が早くなり、フローマークやジェッティングなどの外観不良が発生する恐れが高まるため、金型温度を下げるには本来的に限界がある。これに対し、断熱層を有する断熱金型を用いて成形することで、樹脂からの熱の逃げを抑制し外観不良を抑制することが考えられる。しかしながら本発明者の検討によれば、断熱金型を用いて金型温度を下げて成形する場合、製品外形を形成する金型キャビティと、光学面を形成する転写面との間に、大きな温度ムラが発生し、複屈折劣化することが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２７１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、成形サイクルを短縮しつつも、簡素な構成を用いて優れた外観品質の光学部品を安定して成形できる成形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の成形装置は、光学部品を成形する金型を備えた成形装置において、
前記金型は、光学部品を成形する転写面側から順に、表面加工層、熱伝導度が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である断熱層、熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導母材を有し、
成形時における前記金型の温度を、成形しようとする光学部品の素材のガラス転移点温度Ｔｇより低く設定することを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、鋭意研究の結果、単に熱伝導度が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である断熱層のみを金型に設けただけでは、加熱溶融された光学部品の素材を成形する際に、その熱がこもって局所的な偏りが生じ、これにより温度の不均一を招き、複屈折が生じることを突き止めたのである。そして、かかる知見に基づき、金型の母材を熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導性の素材から形成することを導出したのである。つまり、成形時に金型に供給された光学部品の素材の熱がこもって局所的な偏りが生じる前に、断熱層の裏側に設けられた高熱伝導母材により速やかに熱を分散させ、温度の不均一性を解消するようにしたのである。これにより、成形品においてヒケやウェルドラインの発生が抑制され、成形歪みが小さく複屈折が小さい成形品が得られる。又、断熱層を設けることで、成形時における前記金型の温度をガラス転移点温度Ｔｇより低くできるので、大量の熱移動を伴う加熱冷却が不要になり成形サイクルを短くできる。
【０００８】
本発明によると、製品となる光学部品の外観品質や複屈折などの光学特性を損なうことなく冷却時間を短縮でき、サイクルが短い成形により、高い生産性を可能にする。例えば、従来の成形サイクルを半分にできると、金型の製作数を半分に削減できるからコストを半分にでき、さらには１度の成形で複数の光学部品を成形する場合、金型のキャビティ数を半分にしても、同じ時間で同じ個数の光学部品を成形できる。金型のキャビティ数が多くなるに連れて、キャビティ間の成形条件に偏りが生じるから、全てのキャビティに適した成形条件を見つけるのが困難になるが、キャビティ数を減らすことで、容易に成形条件を求めることができ、また生産維持・管理工数の削減が可能となる。高熱伝導母材の熱伝導率を１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすれば、光学特性を損なうことなく冷却時間をさらに短縮できるので、より好ましい。
【０００９】
請求項２に記載の成形装置は、請求項１に記載の発明において、成形時における前記金型の温度は、前記ガラス転移点温度Ｔｇより２０〜７０℃低いことを特徴とする。前記ガラス転移点温度Ｔｇより２０℃以上低くすることで、成形サイクルを有効に減少させることが出来、前記ガラス転移点温度Ｔｇより７０℃以下で高くすることで、光学部品の外観品質を確保できる。前記ガラス転移点温度Ｔｇより３０〜６０℃低くすると、より好ましい。
【００１０】
請求項３に記載の成形装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記高熱伝導母材は、銅合金または超硬合金で形成されていることを特徴とする。これにより、金型母材としての機械物性や加工性と高熱伝導率を兼ね備えた金型母材を得ることができる。
【００１１】
請求項４に記載の成形装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記金型は、一対設けられ、互いに対して相対的に可動となっており、前記金型は、コア型と、前記コア型の周囲に配置される外周型とを有し、前記コア型が、前記表面加工層と、前記断熱層と、前記高熱伝導母材とを有することを特徴とする。前記コア型が、前記表面加工層と、前記断熱層と、前記高熱伝導母材とを有すれば、既存の成形装置でも、コア型だけを入れ替えれば同じ効果を得ることができ、新たな設備が不要となる。
【００１２】
請求項５に記載の成形装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記表面加工層の面粗さは、Ｒａ０．１μｍ以下であることを特徴とする。これにより成形された光学部品に高精度な鏡面を与えることができる。Ｒａ０．０５μｍ以下であれば、より好ましい。
【００１３】
請求項６に記載の成形装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記表面加工層の厚みが、０．１μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする。前記表面加工層の厚みが、０．１μｍ以上であれば、回折構造を転写するための微細構造を加工でき、一方、１ｍｍ以下であれば、例えば断熱層の効果を維持できる。前記表面加工層の厚みを０．１μｍ〜３００μｍとすると、より好ましい。
【００１４】
請求項７に記載の成形装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記断熱層の厚みが、０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする。前記断熱層の厚みが、０．１ｍｍ以上であれば、十分な断熱効果を発揮でき、一方、１０ｍｍ以下であれば、例えば光学部品の成形でも温度の不均一を抑制できる。前記断熱層の厚みを、０．１ｍｍ〜１ｍｍとすると好ましい。
【００１５】
請求項８に記載の成形装置は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、温度調整された液体を循環させることで前記金型の温度調整を行う温度調整装置を有することを特徴とする。これにより、成形時における前記金型の温度を、成形しようとする光学部品の素材のガラス転移点温度Ｔｇより低い任意の値に維持することができる。
【００１６】
高熱伝導母材としては、銅合金、超硬合金（ＷＣ）の他に、アルミ合金、ＡｌＮセラミックス、Ｍｇ合金、銅タングステン（ＣｕＷ）、銅モリブデン（ＣｕＭｏ）、ＳｉＣ、Ａｌ−ＳｉＣなども用いることができる。また国際公開ＷＯ２００９／０５１０９４号公報、特開２０１０−２４８０６４に示されているような黒鉛と金属との焼結成形体なども用いることができる。
【００１７】
断熱層としては、熱伝導度が２０Ｗ／ｍ・ｋ以下のＰＩ（ポリイミド）の他に、ジルコニア、チタン合金、強化ガラス、窒化珪素などを用いることができる。ジルコニアとしては、酸化イットリウムや酸化アルミニウム、酸化マグネシウムで安定化されたものが好適である。
【００１８】
表面加工層は、高熱伝導の金型母材に断熱層を形成後、Ｎｉ合金メッキを施し、その表面に機械加工を行っても良い。このとき断熱層がポリイミドであればスピンコートや、ポリイミドフィルムを接着することで形成できる。また、ジルコニア層であれば、溶射により形成してもよいし、ジルコニアの焼結体などを接着・接合しても良い。
【００１９】
金型温度は、素材のガラス転移点温度（Ｔｇ）よりも３０℃〜６０℃、荷重たわみ温度よりも１０℃から４０℃低く設定しても良い。冷却時間を短く出来る効果がより得られる。
【００２０】
成形に用いる樹脂材料は、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＣＯＰ、ＣＯＣ、変性ＰＣ、変性ポリエステルなどの熱可塑性樹脂を好適に用いることができる。
【００２１】
光学素子には、レンズや平行平板素子の他、医療用チップなどの透明光学素子も含まれる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、成形サイクルを短縮しつつも、簡素な構成を用いて優れた外観品質の光学部品を安定して成形できる成形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施の形態にかかる成形装置１００の概略図である。
【図２】成形状態における固定金型５０及び可動金型４０の断面図である。
【図３】成形装置１００の動作を説明するフローチャートである。
【図４】変形例にかかる金型の断面図である。
【図５】変形例にかかる金型の断面図である。
【図６】変形例にかかる金型の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる成形装置１００の概略図である。成形装置１００は、射出成形を行って成形品ＭＰを作製する本体部分である射出成形機１０と、射出成形機１０から成形品ＭＰを取り出す付属部分である取出し装置２０と、成形装置１００を構成する各部の動作を統括的に制御する制御装置３０とを備える。
【００２５】
射出成形機１０は、固定盤１１と、可動盤１２と、型締め盤１３と、開閉駆動装置１５と、射出装置１６とを備える。射出成形機１０は、可動盤１２と固定盤１１との間に可動金型４０と固定金型５０を挟持して両金型４０，５０を型締めすることにより成形を可能にする。
【００２６】
固定盤１１は、可動盤１２に対向して支持フレーム１４の中央に固定されており、取出し装置２０をその上部に支持する。固定盤１１は、固定金型５０を着脱可能に支持している。なお、固定盤１１は、タイバーを介して型締め盤１３に固定されており、成形時の型締めの圧力に耐え得るようになっている。なお、成形品ＭＰは、光学部品としてのレンズＯＬを複数備えるものであり、これら複数のレンズＯＬは、成形時に付随して形成されるスプルやランナを介して互いに連結されている。
【００２７】
可動盤１２は、スライドガイド１５ａによって固定盤１１に対して進退移動可能に支持されている。可動盤１２は、可動金型４０を着脱可能に支持している。可動盤１２には、その背面にエジェクタ７０が設けられている。エジェクタ７０は、可動金型４０内の成形品ＭＰのランナ部をエジェクタピン７１によって固定金型５０側に押し出すことができ、取出し装置２０による移送を可能にする。なお、成形品を金型から押し出す方法としては、エジェクタピン７１による方法のほか、コア型を突き出す方法などでもよい。
【００２８】
型締め盤１３は、支持フレーム１４の端部に固定されている。型締め盤１３は、型締めに際して、開閉駆動装置１５の動力伝達部１５ｄを介して可動盤１２をその背後から支持する。
【００２９】
開閉駆動装置１５は、スライドガイド１５ａと、動力伝達部１５ｄと、アクチュエータ１５ｅとを備える。スライドガイド１５ａは、可動盤１２を支持するとともに可動盤１２の固定盤１１に対する進退方向に関する滑らかな往復移動を可能にしている。動力伝達部１５ｄは、制御装置３０の制御下で動作するアクチュエータ１５ｅからの駆動力を受けて伸縮する。これにより、固定盤１１に対して可動盤１２が近接したり離間したり自在に進退移動し、結果的に、固定盤１１と可動盤１２とを互いに近接・離間して固定金型５０と可動金型４０との型締め及び型開きを行う。
【００３０】
射出装置１６は、シリンダ１６ａ、原料貯留部１６ｂ、スクリュ１６ｃ、樹脂射出端１６ｄを備える。射出装置１６は、制御装置３０の制御下で適当なタイミングで動作するものであり、樹脂射出端１６ｄから温度制御された状態で溶融樹脂を吐出することができる。射出装置１６は、シリンダ１６ａの樹脂射出端１６ｄを固定盤１１に対して分離可能に接続することができ、固定盤１１を介して、固定金型５０と可動金型４０とを型締めした状態で形成される型空間ＣＶ（図２参照）に連通する流路部分に対して溶融樹脂を所望のタイミングで供給することができる。
【００３１】
温度調節装置１７は、射出成形機１０の金型４０，５０の温度を調節する部分である。温度調節装置１７は、温調回路を有しており、固定金型５０と可動金型４０との温度調節が可能になっている。具体的には、例えば固定側外周型５１と可動側外周型４１とに設けた流体循環路５１ａ、４１ａ（図２参照）に温度調節媒体（油、水等）を供給することにより、固定金型５０と可動金型４０とを必要な温度まで加熱する。なお、媒体を用いずにヒータ等を用いて温度調節をしてもよい。
【００３２】
取出し装置２０は、成形品ＭＰを把持することができるハンド２１と、ハンド２１を３次元的に移動させる３次元駆動装置２２とを備える。取出し装置２０は、制御装置３０の制御下で適当なタイミングで動作するものであり、固定金型５０と可動金型４０とを離間させて型開きした後に、可動金型４０に残る成形品ＭＰを把持して外部に搬出する役割を有する。
【００３３】
制御装置３０は、開閉制御部３１と、射出装置制御部３２と、エジェクタ制御部３３と、取出し装置制御部３４とを備える。開閉制御部３１は、アクチュエータ１５ｅを動作させることによって両金型４０，５０の型締めや型開きを可能にする。射出装置制御部３２は、スクリュ１６ｃ等を動作させることによって両金型４０，５０間に形成された型空間ＣＶ中に所望の圧力で樹脂を注入させる。また、樹脂充填後の保圧の際に一定の保圧値で型空間ＣＶ内を保圧する。エジェクタ制御部３３は、エジェクタ７０を動作させることによって型開き時に可動金型４０に残る成形品ＭＰを可動金型４０内から押し出させる。取出し装置制御部３４は、取出し装置２０を動作させることによって型開き及び離型後に可動金型４０に残る成形品ＭＰを把持して射出成形機１０外に搬出させる。
【００３４】
図２は、成形状態における固定金型５０及び可動金型４０の断面図である。固定金型５０と可動金型４０とは、パーティングラインＰＬを境として開閉可能になっている。
【００３５】
両金型４１，４２に挟まれた空間である型空間ＣＶは、成形品である光学部品としてのレンズの形状に対応するものとなっている。成形されるレンズは、例えば光ピックアップ装置用の対物レンズであり、ＢＤ用の波長の光束に対してＮＡ０．８５以上を満たすレンズである。
【００３６】
固定金型５０は、固定側の入れ子としてのコア型５２と、固定側の入れ子を支持して一体に固定することを可能とした構造を有する外周型５１と、外周型５１及びコア型５２を一体に固定し成形機のプラテンへ取り付けるための取付板５３と、外周型５１を保持する型板５４を備える。ここで、外周型５１と取付板５３とは、入れ子としてのコア型５２を周囲から保持し固定する型部材である。
【００３７】
外周型５１は、パーティングラインＰＬを形成する端面５１ｂを有する。また、外周型５１の先端には、フランジ成形面５１ｃが設けられている。また、外周型５１内部には、コア型５２を挿入支持する円柱状の貫通孔であるコア挿通孔５１ｃが形成されている。なお、外周型５１は、ＳＴＡＶＡＸ（ウッデホルムス社の登録商標）などのＳＵＳ系の鋼等で構成されている。
【００３８】
コア型５２は、コア挿通孔５１ｃに嵌合可能な円筒状の外周側面を有しており、コア型５２の先端には、型空間ＣＶを形成するための光学面転写面５２ａが設けられている。この光学面転写面５２ａは、凹面であり、成形するレンズの一方の光学面を成形する転写面である。
【００３９】
コア型５２は、光学面転写面５２ａ側から順に、表面加工層５２ｂ、断熱層５２ｃ、高熱伝導母材５２ｄから構成されている。
【００４０】
取付板５３は、軸線方向に延在するスプルーＳＰと半径方向に延在するランナーＲＮを内部に形成し、端面５１ｂ、４１ｂの間に形成されたゲートＧＴを介して、外部の射出装置１６と型空間ＣＶとを連通している。
【００４１】
高熱伝導母材５２ｄは、入れ子であるコア型５２を構成する主部であり、熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導材料、具体的には銅合金で構成されている。
【００４２】
断熱層５２ｃは、高熱伝導母材５２ｄよりも熱伝導度が低く、表面加工層５２ｂと高熱伝導母材５２ｄとの間に挟まれて、成形中のレンズの急速な冷却を防止する断熱層としての役割を有する。断熱層５２ｃの形状は、型空間ＣＶの形状に対応している。具体的には、断熱層５２ｃは、光学面転写面５２ａ全体とフランジ面成形面５１ｃの一部に亘って連続的に形成され、その厚さは０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下で略一様である。なお、断熱層５２ｃの熱伝導率は、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の低熱伝導率材料で構成され、例えばジルコニアやアルミナ等のセラミックス、ポリイミド等の樹脂材料を用いて形成することができる。
【００４３】
表面加工層５２ｂは、光学面転写面５２ａ及びフランジ面成形面５１ｃを形成するための層である。表面加工層５２ｂの表面は、光学面転写面５２ａ及びフランジ面成形面５１ｃの一部とに亘って連続的に延びている。表面加工層５２ｂは、その面粗さが、０．１μｍ以下であり、その厚みが、０．１μｍ〜１ｍｍである。尚、成形するレンズの薄肉部は薄くし、厚肉部は厚くしても良い。表面加工層５２ｂ、鏡面加工性に優れ、工具磨耗が小さい切削性の良い材料として、ニッケルリンメッキ層で形成されている。ニッケルリンメッキ層は、無電解ニッケルメッキ法を用いて形成される。このニッケルリンメッキ層の表面加工によって、ニッケルリンメッキ層の表面として精密な形状を有する光学面転写面５２ａが形成されている。さらに、光学面転写面５２ａは、樹脂系の材料で形成された薄い離型膜でコートすることができる。
【００４４】
なお、表面加工層５２ｂは、メッキの剥離を防止するため、コア型５２を覆うようにコア型５２と外周型５１との間にも設けられている。
【００４５】
可動金型４０は、可動側の入れ子としてのコア型４２と、可動側の入れ子を支持して一体に固定することを可能とした構造を有する外周型４１と、外周型４１及びコア型４２を一体に固定し成形機のプラテンへ取り付けるための取付板４３と、外周型を保持する型板４４を備える。ここで、外周型４１と取付板４３とは、入れ子としてのコア型４２を周囲から保持し固定する型部材である。
【００４６】
外周型４１は、パーティングラインＰＬを形成する端面４１ｂを有する。また、外周型４１の先端には、フランジ成形面４１ｄが設けられている。また、外周型４１内部には、コア型４２を挿入支持する円柱状の貫通孔であるコア挿通孔４１ｃが形成されている。なお、外周型４１は、ＳＴＡＶＡＸなどのＳＵＳ系の鋼等で構成されている。
【００４７】
コア型４２は、コア挿通孔４１ｃに嵌合可能な円筒状の外周側面を有しており、コア型４２の先端には、型空間ＣＶを形成するための光学面転写面４２ａが設けられている。この光学面転写面４２ａは、光学面転写面５２ａとは曲率が異なる凹面であり、成形するレンズの他方の光学面を成形する転写面である。
【００４８】
コア型４２は、光学面転写面４２ａ側から順に、表面加工層４２ｂ、断熱層４２ｃ、高熱伝導母材４２ｄから構成されている。
【００４９】
高熱伝導母材４２ｄは、入れ子であるコア型４２を構成する主部であり、熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導材料、具体的には銅合金で構成されている。
【００５０】
断熱層４２ｃは、高熱伝導母材４２ｄよりも熱伝導度が低く、表面加工層４２ｂと高熱伝導母材４２ｄとの間に挟まれて、成形中のレンズの急速な冷却を防止する断熱層としての役割を有する。断熱層４２ｃの形状は、型空間ＣＶの形状に対応している。具体的には、断熱層４２ｃは、光学面転写面４２ａ全体とフランジ面成形面４１ｃの一部に亘って連続的に形成され、その厚さは０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下で略一様である。なお、断熱層４２ｃの熱伝導率は、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の低熱伝導率材料で構成され、例えばジルコニアやアルミナ等のセラミックス、ポリイミド等の樹脂材料を用いて形成することができる。
【００５１】
表面加工層４２ｂは、光学面転写面４２ａ及びフランジ面成形面４１ｃを形成するための層である。表面加工層４２ｂの表面は、光学面転写面４２ａ及びフランジ面成形面４１ｃの一部とに亘って連続的に延びている。表面加工層４２ｂは、その面粗さが、Ｒａ０．１μｍ以下であり、その厚みが、０．１μｍ〜１ｍｍである。尚、成形するレンズの薄肉部は薄くし、厚肉部は厚くしても良い。表面加工層４２ｂ、鏡面加工性に優れ、工具磨耗が小さい切削性の良い材料として、ニッケルリンメッキ層で形成されている。ニッケルリンメッキ層は、無電解ニッケルメッキ法を用いて形成される。このニッケルリンメッキ層の表面加工によって、ニッケルリンメッキ層の表面として精密な形状を有する光学面転写面４２ａが形成されている。さらに、光学面転写面４２ａは、樹脂系の材料で形成された薄い離型膜でコートすることができる。
【００５２】
なお、表面加工層４２ｂは、メッキの剥離を防止するため、コア型４２を覆うようにコア型４２と外周型４１との間にも設けられている。
【００５３】
図３は、成形装置１００の動作を説明するフローチャートである。まず、図３に示すように、成形装置１００の温度調節装置１７を動作させ、両金型４０，５０を成形に適する温度（素材のガラス転移点温度より２０〜７０℃低い温度）まで加熱する（ステップＳ１０）。尚、平滑面で成形サイクルを短くしたい場合は、熱変形温度よりも低くするのが望ましい。特に、回折構造等に対応した微細形状の転写性が要求される場合には、ガラス転移点温度Ｔｇに近い温度とすると良い。
【００５４】
次に、開閉駆動装置１５を動作させ、可動盤１２を前進させて型閉じを開始させる（ステップＳ１１）。開閉駆動装置１５の閉動作を継続することにより、固定金型５０と可動金型４０とが接触する型当たり位置まで可動盤１２が固定盤１１側に移動して型閉じが完了し、開閉駆動装置１５の閉動作を更に継続することにより、固定金型５０と可動金型４０とを必要な圧力で締め付ける型締めが行われる（ステップＳ１２）。
【００５５】
型締め後、射出成形機１０において、射出装置１６を動作させて、型締めされた固定金型５０と可動金型４０との間の型空間ＣＶ中に、加熱された溶融樹脂を必要な圧力で注入する射出を行わせる（ステップＳ１３）。これにより、型締めされたスプルーＳＰ、ランナーＲＮ及びゲートＧＴを介して、固定金型５０と可動金型４０との間の型空間ＣＶ中に樹脂が充填される充填工程が行われる。充填工程後、射出成形機１０は、型空間ＣＶ中の樹脂圧を必要なレベルに保つ（ステップＳ１４）。
【００５６】
成形金型４０は、温度調節装置１７により、型空間ＣＶや金型が適度に加熱されており、射出装置１６から供給される溶融樹脂が緩やかに冷却され、かかる冷却にともなって溶融樹脂が固化し成形が完了するのを待つ（ステップＳ１５）。このとき断熱層５２ｃ、４２ｃにより、型空間ＣＶからコア型５２，４２への熱伝導が抑制されるので、溶融樹脂の温度が保たれ、コア型５２，４２の転写面形状を精度良く転写できる。又、高熱伝導母材５２ｄ、４２ｄにより速やかに熱を分散させることで、溶融樹脂の熱がこもって局所的な偏りが生じることが抑制され、温度の不均一性を解消できる。これにより、成形品においてヒケやウェルドラインの発生が抑制され、成形歪みが小さく複屈折が小さい成形品が得られる。又、断熱層を設けることで、成形時における金型の温度をガラス転移点温度Ｔｇより低くできるので、大量の熱移動を伴う加熱冷却が不要になり成形サイクルを短くできる。
【００５７】
成形完了後、型締めを終了し、開閉駆動装置１５を動作させて、可動盤１２を後退させる型開きが行われる（ステップＳ１６）。これに伴って、可動金型４０が後退し、固定金型５０と可動金型４０とが離間する。この結果、成形品すなわちレンズは、可動金型４０に保持された状態で固定金型５０から離型される。次に、射出成形機１０において、エジェクタ７０を動作させて、成形品の突き出しを行わせる（ステップＳ１７）。具体的には、成形品のスプル部等が、エジェクタピン７１による突き出しによって可動金型４０から離型される。成形品を可動金型４０から離型した後、取出し装置２０を動作させて、突き出された成形品の適所をハンド２１で把持して外部に搬出する（ステップＳ１８）。
【００５８】
（実施例） 本発明者が行った実施例と比較例とを比較して評価した結果を、表１に示す。
表１における評価項目は、冷却時間の短縮効果と、外観、複屈折である。冷却時間の短縮効果については、成形後の冷却条件を短くしていった際における金型から取り出した直後の各条件の成形品（ここでは平行平板とした）温度を、サーモグラフィーで測定することで求めた。すなわち各金型構成／金型温度条件において、荷重たわみ温度よりも成形品の温度が下がるまでに必要となる冷却時間を求めた。外観については、ゲート付近に発生するフローマーク／ジェッティングの発生状況を比較している。これらの外観不良は、比較例１のような一般的な金型構成／金型温度条件では、ゲート部分を通過する際の射出速度を一旦遅くすることで低減・解消することができる。複屈折については、直交ニコルによる観察により評価を行い、比較例１との相対比較の結果を表している。尚、成形する素材にはガラス転移点温度Ｔｇが１４５℃のポリカーボネート樹脂を用い、成形条件は、樹脂温度が２９０℃、保圧条件は８０〜９０ＭＰａである。
【００５９】
【表１】
［仕様］
比較例１（従来技術）：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ、熱伝導度８．４Ｗ／ｍ・Ｋ）、母材はＳＴＡＶＡＸ（厚さ１０ｍｍ、熱伝導度＝２３Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、金型温度は１２０℃とした。
比較例２：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、母材は銅合金（日立製作所製ＨＩＴ ＭＡＸ、熱伝導度＝１９８．７Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ１０ｍｍ）であり、金型温度は１２０℃とした。
比較例３：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、母材はＳＴＡＶＡＸ（厚さ１０ｍｍ、熱伝導度＝２３Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、金型温度は１１０℃とした。
比較例４：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、母材はＺｒＯ2（厚さ１０ｍｍ、熱伝導度＝３Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、金型温度は１００℃とした。
比較例５：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、断熱層はポリイミド（厚さ０．０４ｍｍ、熱伝導度＝０．３Ｗ／ｍ・Ｋ）、母材はＳＴＡＶＡＸ（厚さ１０ｍｍ、熱伝導度＝２３Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、金型温度は１００℃とした。
実施例：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、断熱層はポリイミド（厚さ０．０４ｍｍ、熱伝導度＝０．３Ｗ／ｍ・Ｋ）、母材は銅合金（日立製作所製ＨＩＴ ＭＡＸ、熱伝導度＝１９８．７Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ１０ｍｍ）であり、金型温度は１００℃とした。
【００６０】
［考察］
従来技術に対応する比較例１（冷却時間は１００秒）を基本として評価を行ったところ、母材を、高熱伝導度を有する銅合金に変更した比較例２の場合、冷却時間は２０秒短縮されるが、外観品質が劣化することが分かった。又、比較例１に対して、金型温度を１０℃低下させた比較例３の場合、冷却時間は５０秒短縮されるが、外観品質が劣化し、複屈折も比較例１よりも悪化することが分かった。更に、比較例１に対して、母材をＺｒＯ2に変更し、金型温度を２０℃低下させた比較例４の場合、冷却時間は１０秒短縮され、外観品質は維持されるが、複屈折が比較例１よりも悪化することがわかった。又、比較例１に対して、表面層と母材との間に断熱層を設け、金型温度を２０℃低下させた比較例５の場合、冷却時間は５０秒短縮され、外観品質は維持されるが、複屈折が比較例１よりも悪化することがわかった。これに対し、比較例１に対して、母材を、高熱伝導度を有する銅合金に変更し、表面層と母材との間に断熱層を設け、金型温度を２０℃低下させた実施例の場合、冷却時間は７０秒短縮され、外観品質が維持され、複屈折も比較例１と同程度に良好であることがわかった。これにより本発明の効果が確認できた。
【００６１】
上述した実施の形態では、金型の転写面を非球面形状で示したが、図４に示すような平面や、球面、自由曲面でも同様の効果が得られる。又、表面層にブレーズ、回折等の微細形状が形成されていても良い。
【００６２】
また、表面加工層は電鋳方式により形成しても良い。図５に示すように、製品形状と略同じ形状で加工されたマスターにＮｉ合金メッキを電鋳により所望の厚みに形成し、その積層表面を均一に加工し、脱型して得られるスタンパーとして使用しても良い。この場合、予め形成・金型に組み込まれた「高熱伝導母材＋断熱層」のコアに、先で得られたスタンパーをボルトなどで直接又は、爪部を有する固定部材ＦＸを介して間接的に固定するか、真空吸着等により接触させることで成形可能となる。
【００６３】
また、図６に示すように、表面加工層は電鋳方式により形成し、その裏面に断熱層を貼り付けても良い。製品形状と略同じ形状で加工されたマスターにＮｉ合金メッキを電鋳により積層し、その上から断熱層（更には高熱伝導層）を形成した後に、マスターを脱型することで、断熱層を付与したスタンパーを得ることができる。各層の形成後、表面を均一にするための加工を入れても良い。その場合、予め形成・金型に組み込まれた「高熱伝導母材」のコアに、得られた断熱層つきのスタンパーをボルトなどで直接又は、爪部を有する固定部材ＦＸを介して間接的に固定するか、真空吸着等により接触させることで成形可能となる。
【００６４】
本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 射出成形機
１１ 固定盤
１２ 可動盤
１３ 型締め盤
１４ 支持フレーム
１５ 開閉駆動装置
１５ａ スライドガイド
１５ｄ 動力伝達部
１５ｅ アクチュエータ
１６ 射出装置
１６ａ シリンダ
１６ｂ 原料貯留部
１６ｃ スクリュ
１６ｄ 樹脂射出端
１７ 温度調節装置
２０ 取り出し装置
２１ ハンド
２２ ３次元駆動装置
３０ 制御装置
３１ 開閉制御部
３２ 射出装置制御部
３３ エジェクタ制御部
３４ 装置制御部
４０ 可動金型
４１ 外周型
４１ｂ 端面
４１ｃ コア挿通孔
４１ｄ フランジ成形面
４２ コア型
４２ａ 光学面転写面
４２ｂ 表面加工層
４２ｃ 断熱層
４２ｄ 高熱伝導母材
４３ 取付板
４４ 型板
５０ 固定金型
５１ 外周型
５１ａ 流体循環路
５１ｂ 端面
５１ｃ コア挿通孔
５１ｄ フランジ成形面
５２ コア型
５２ａ 光学面転写面
５２ｂ 表面加工層
５２ｃ 断熱層
５２ｄ 高熱伝導母材
５３ 取付板
５４ 型板
７０ エジェクタ
７１ エジェクタピン
ＣＶ 型空間
ＦＸ 固定部材
ＧＴ ゲート
ＰＬ パーティングライン
ＳＰ スプルー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ等の光学部品を成形するのに好適な成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒケやウェルドラインの発生を抑制し、複屈折が小さい成形品を得る成形方法として、特許文献１が開示されている。この開示された技術は、誘導加熱により表面加工層のみを選択的に加熱することに関するものである。ここでは一例としては、シクロオレフィン系樹脂（Ｔｇ＝１３８〜１４０℃）を誘導加熱により１４０℃以上の状態で充填し、樹脂の熱変形温度付近（約１２０〜１２５℃）まで冷却してから成形品を取出すことが示されている。しかしながら、この技術には欠点がある。具体的には、誘導加熱により所望の温度に到達するまでの時間や、成形品を安定して取り出せる温度に冷却するまでに時間を要し生産性が悪くなるということである。また、成形品の性能を安定させるために、誘導加熱による温度制御を安定させる必要もある。さらには、通常の金型温度制御装置とは別に、新たな誘導加熱するための温度制御装置が必要になり、また金型に誘導加熱のためのコイルを内蔵するため金型が複雑になり金型製作費が高くなり、加えて新たな生産設備が必要となるため成形品の製造コストが高くなる、という欠点がある。
【０００３】
このように、成形品の外観品質を求める要求の一方で、成形サイクルの短縮を求める要求がある。しかるに、成形サイクルを短縮するには、一般的には金型を温度を下げることが考えられる。しかし、金型温度を下げていると、金型内に充填された樹脂の冷却が早くなり、フローマークやジェッティングなどの外観不良が発生する恐れが高まるため、金型温度を下げるには本来的に限界がある。これに対し、断熱層を有する断熱金型を用いて成形することで、樹脂からの熱の逃げを抑制し外観不良を抑制することが考えられる。しかしながら本発明者の検討によれば、断熱金型を用いて金型温度を下げて成形する場合、製品外形を形成する金型キャビティと、光学面を形成する転写面との間に、大きな温度ムラが発生し、複屈折劣化することが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２７１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、成形サイクルを短縮しつつも、簡素な構成を用いて優れた外観品質の光学部品を安定して成形できる成形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の成形装置は、光学部品を成形する金型を備えた成形装置において、
前記金型は、光学部品を成形する転写面側から順に、表面加工層、熱伝導度が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である断熱層、熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導母材を有し、
成形時における前記金型の温度を、成形しようとする光学部品の素材のガラス転移点温度Ｔｇより低く設定することを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、鋭意研究の結果、単に熱伝導度が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である断熱層のみを金型に設けただけでは、加熱溶融された光学部品の素材を成形する際に、その熱がこもって局所的な偏りが生じ、これにより温度の不均一を招き、複屈折が生じることを突き止めたのである。そして、かかる知見に基づき、金型の母材を熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導性の素材から形成することを導出したのである。つまり、成形時に金型に供給された光学部品の素材の熱がこもって局所的な偏りが生じる前に、断熱層の裏側に設けられた高熱伝導母材により速やかに熱を分散させ、温度の不均一性を解消するようにしたのである。これにより、成形品においてヒケやウェルドラインの発生が抑制され、成形歪みが小さく複屈折が小さい成形品が得られる。又、断熱層を設けることで、成形時における前記金型の温度をガラス転移点温度Ｔｇより低くできるので、大量の熱移動を伴う加熱冷却が不要になり成形サイクルを短くできる。
【０００８】
本発明によると、製品となる光学部品の外観品質や複屈折などの光学特性を損なうことなく冷却時間を短縮でき、サイクルが短い成形により、高い生産性を可能にする。例えば、従来の成形サイクルを半分にできると、金型の製作数を半分に削減できるからコストを半分にでき、さらには１度の成形で複数の光学部品を成形する場合、金型のキャビティ数を半分にしても、同じ時間で同じ個数の光学部品を成形できる。金型のキャビティ数が多くなるに連れて、キャビティ間の成形条件に偏りが生じるから、全てのキャビティに適した成形条件を見つけるのが困難になるが、キャビティ数を減らすことで、容易に成形条件を求めることができ、また生産維持・管理工数の削減が可能となる。高熱伝導母材の熱伝導率を１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすれば、光学特性を損なうことなく冷却時間をさらに短縮できるので、より好ましい。
【０００９】
請求項２に記載の成形装置は、請求項１に記載の発明において、成形時における前記金型の温度は、前記ガラス転移点温度Ｔｇより２０〜７０℃低いことを特徴とする。前記ガラス転移点温度Ｔｇより２０℃以上低くすることで、成形サイクルを有効に減少させることが出来、前記ガラス転移点温度Ｔｇより７０℃以下で高くすることで、光学部品の外観品質を確保できる。前記ガラス転移点温度Ｔｇより３０〜６０℃低くすると、より好ましい。
【００１０】
請求項３に記載の成形装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記高熱伝導母材は、銅合金または超硬合金で形成されていることを特徴とする。これにより、金型母材としての機械物性や加工性と高熱伝導率を兼ね備えた金型母材を得ることができる。
【００１１】
請求項４に記載の成形装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記金型は、一対設けられ、互いに対して相対的に可動となっており、前記金型は、コア型と、前記コア型の周囲に配置される外周型とを有し、前記コア型が、前記表面加工層と、前記断熱層と、前記高熱伝導母材とを有することを特徴とする。前記コア型が、前記表面加工層と、前記断熱層と、前記高熱伝導母材とを有すれば、既存の成形装置でも、コア型だけを入れ替えれば同じ効果を得ることができ、新たな設備が不要となる。
【００１２】
請求項５に記載の成形装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記表面加工層の面粗さは、Ｒａ０．１μｍ以下であることを特徴とする。これにより成形された光学部品に高精度な鏡面を与えることができる。Ｒａ０．０５μｍ以下であれば、より好ましい。
【００１３】
請求項６に記載の成形装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記表面加工層の厚みが、０．１μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする。前記表面加工層の厚みが、０．１μｍ以上であれば、回折構造を転写するための微細構造を加工でき、一方、１ｍｍ以下であれば、例えば断熱層の効果を維持できる。前記表面加工層の厚みを０．１μｍ〜３００μｍとすると、より好ましい。
【００１４】
請求項７に記載の成形装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記断熱層の厚みが、０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする。前記断熱層の厚みが、０．１ｍｍ以上であれば、十分な断熱効果を発揮でき、一方、１０ｍｍ以下であれば、例えば光学部品の成形でも温度の不均一を抑制できる。前記断熱層の厚みを、０．１ｍｍ〜１ｍｍとすると好ましい。
【００１５】
請求項８に記載の成形装置は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、温度調整された液体を循環させることで前記金型の温度調整を行う温度調整装置を有することを特徴とする。これにより、成形時における前記金型の温度を、成形しようとする光学部品の素材のガラス転移点温度Ｔｇより低い任意の値に維持することができる。
【００１６】
高熱伝導母材としては、銅合金、超硬合金（ＷＣ）の他に、アルミ合金、ＡｌＮセラミックス、Ｍｇ合金、銅タングステン（ＣｕＷ）、銅モリブデン（ＣｕＭｏ）、ＳｉＣ、Ａｌ−ＳｉＣなども用いることができる。また国際公開ＷＯ２００９／０５１０９４号公報、特開２０１０−２４８０６４に示されているような黒鉛と金属との焼結成形体なども用いることができる。
【００１７】
断熱層としては、熱伝導度が２０Ｗ／ｍ・ｋ以下のＰＩ（ポリイミド）の他に、ジルコニア、チタン合金、強化ガラス、窒化珪素などを用いることができる。ジルコニアとしては、酸化イットリウムや酸化アルミニウム、酸化マグネシウムで安定化されたものが好適である。
【００１８】
表面加工層は、高熱伝導の金型母材に断熱層を形成後、Ｎｉ合金メッキを施し、その表面に機械加工を行っても良い。このとき断熱層がポリイミドであればスピンコートや、ポリイミドフィルムを接着することで形成できる。また、ジルコニア層であれば、溶射により形成してもよいし、ジルコニアの焼結体などを接着・接合しても良い。
【００１９】
金型温度は、素材のガラス転移点温度（Ｔｇ）よりも３０℃〜６０℃、荷重たわみ温度よりも１０℃から４０℃低く設定しても良い。冷却時間を短く出来る効果がより得られる。
【００２０】
成形に用いる樹脂材料は、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＣＯＰ、ＣＯＣ、変性ＰＣ、変性ポリエステルなどの熱可塑性樹脂を好適に用いることができる。
【００２１】
光学素子には、レンズや平行平板素子の他、医療用チップなどの透明光学素子も含まれる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、成形サイクルを短縮しつつも、簡素な構成を用いて優れた外観品質の光学部品を安定して成形できる成形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施の形態にかかる成形装置１００の概略図である。
【図２】成形状態における固定金型５０及び可動金型４０の断面図である。
【図３】成形装置１００の動作を説明するフローチャートである。
【図４】変形例にかかる金型の断面図である。
【図５】変形例にかかる金型の断面図である。
【図６】変形例にかかる金型の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる成形装置１００の概略図である。成形装置１００は、射出成形を行って成形品ＭＰを作製する本体部分である射出成形機１０と、射出成形機１０から成形品ＭＰを取り出す付属部分である取出し装置２０と、成形装置１００を構成する各部の動作を統括的に制御する制御装置３０とを備える。
【００２５】
射出成形機１０は、固定盤１１と、可動盤１２と、型締め盤１３と、開閉駆動装置１５と、射出装置１６とを備える。射出成形機１０は、可動盤１２と固定盤１１との間に可動金型４０と固定金型５０を挟持して両金型４０，５０を型締めすることにより成形を可能にする。
【００２６】
固定盤１１は、可動盤１２に対向して支持フレーム１４の中央に固定されており、取出し装置２０をその上部に支持する。固定盤１１は、固定金型５０を着脱可能に支持している。なお、固定盤１１は、タイバーを介して型締め盤１３に固定されており、成形時の型締めの圧力に耐え得るようになっている。なお、成形品ＭＰは、光学部品としてのレンズＯＬを複数備えるものであり、これら複数のレンズＯＬは、成形時に付随して形成されるスプルやランナを介して互いに連結されている。
【００２７】
可動盤１２は、スライドガイド１５ａによって固定盤１１に対して進退移動可能に支持されている。可動盤１２は、可動金型４０を着脱可能に支持している。可動盤１２には、その背面にエジェクタ７０が設けられている。エジェクタ７０は、可動金型４０内の成形品ＭＰのランナ部をエジェクタピン７１によって固定金型５０側に押し出すことができ、取出し装置２０による移送を可能にする。なお、成形品を金型から押し出す方法としては、エジェクタピン７１による方法のほか、コア型を突き出す方法などでもよい。
【００２８】
型締め盤１３は、支持フレーム１４の端部に固定されている。型締め盤１３は、型締めに際して、開閉駆動装置１５の動力伝達部１５ｄを介して可動盤１２をその背後から支持する。
【００２９】
開閉駆動装置１５は、スライドガイド１５ａと、動力伝達部１５ｄと、アクチュエータ１５ｅとを備える。スライドガイド１５ａは、可動盤１２を支持するとともに可動盤１２の固定盤１１に対する進退方向に関する滑らかな往復移動を可能にしている。動力伝達部１５ｄは、制御装置３０の制御下で動作するアクチュエータ１５ｅからの駆動力を受けて伸縮する。これにより、固定盤１１に対して可動盤１２が近接したり離間したり自在に進退移動し、結果的に、固定盤１１と可動盤１２とを互いに近接・離間して固定金型５０と可動金型４０との型締め及び型開きを行う。
【００３０】
射出装置１６は、シリンダ１６ａ、原料貯留部１６ｂ、スクリュ１６ｃ、樹脂射出端１６ｄを備える。射出装置１６は、制御装置３０の制御下で適当なタイミングで動作するものであり、樹脂射出端１６ｄから温度制御された状態で溶融樹脂を吐出することができる。射出装置１６は、シリンダ１６ａの樹脂射出端１６ｄを固定盤１１に対して分離可能に接続することができ、固定盤１１を介して、固定金型５０と可動金型４０とを型締めした状態で形成される型空間ＣＶ（図２参照）に連通する流路部分に対して溶融樹脂を所望のタイミングで供給することができる。
【００３１】
温度調節装置１７は、射出成形機１０の金型４０，５０の温度を調節する部分である。温度調節装置１７は、温調回路を有しており、固定金型５０と可動金型４０との温度調節が可能になっている。具体的には、例えば固定側外周型５１と可動側外周型４１とに設けた流体循環路５１ａ、４１ａ（図２参照）に温度調節媒体（油、水等）を供給することにより、固定金型５０と可動金型４０とを必要な温度まで加熱する。なお、媒体を用いずにヒータ等を用いて温度調節をしてもよい。
【００３２】
取出し装置２０は、成形品ＭＰを把持することができるハンド２１と、ハンド２１を３次元的に移動させる３次元駆動装置２２とを備える。取出し装置２０は、制御装置３０の制御下で適当なタイミングで動作するものであり、固定金型５０と可動金型４０とを離間させて型開きした後に、可動金型４０に残る成形品ＭＰを把持して外部に搬出する役割を有する。
【００３３】
制御装置３０は、開閉制御部３１と、射出装置制御部３２と、エジェクタ制御部３３と、取出し装置制御部３４とを備える。開閉制御部３１は、アクチュエータ１５ｅを動作させることによって両金型４０，５０の型締めや型開きを可能にする。射出装置制御部３２は、スクリュ１６ｃ等を動作させることによって両金型４０，５０間に形成された型空間ＣＶ中に所望の圧力で樹脂を注入させる。また、樹脂充填後の保圧の際に一定の保圧値で型空間ＣＶ内を保圧する。エジェクタ制御部３３は、エジェクタ７０を動作させることによって型開き時に可動金型４０に残る成形品ＭＰを可動金型４０内から押し出させる。取出し装置制御部３４は、取出し装置２０を動作させることによって型開き及び離型後に可動金型４０に残る成形品ＭＰを把持して射出成形機１０外に搬出させる。
【００３４】
図２は、成形状態における固定金型５０及び可動金型４０の断面図である。固定金型５０と可動金型４０とは、パーティングラインＰＬを境として開閉可能になっている。
【００３５】
両金型４１，４２に挟まれた空間である型空間ＣＶは、成形品である光学部品としてのレンズの形状に対応するものとなっている。成形されるレンズは、例えば光ピックアップ装置用の対物レンズであり、ＢＤ用の波長の光束に対してＮＡ０．８５以上を満たすレンズである。
【００３６】
固定金型５０は、固定側の入れ子としてのコア型５２と、固定側の入れ子を支持して一体に固定することを可能とした構造を有する外周型５１と、外周型５１及びコア型５２を一体に固定し成形機のプラテンへ取り付けるための取付板５３と、外周型５１を保持する型板５４を備える。ここで、外周型５１と取付板５３とは、入れ子としてのコア型５２を周囲から保持し固定する型部材である。
【００３７】
外周型５１は、パーティングラインＰＬを形成する端面５１ｂを有する。また、外周型５１の先端には、フランジ成形面５１ｃが設けられている。また、外周型５１内部には、コア型５２を挿入支持する円柱状の貫通孔であるコア挿通孔５１ｃが形成されている。なお、外周型５１は、ＳＴＡＶＡＸ（ウッデホルムス社の登録商標）などのＳＵＳ系の鋼等で構成されている。
【００３８】
コア型５２は、コア挿通孔５１ｃに嵌合可能な円筒状の外周側面を有しており、コア型５２の先端には、型空間ＣＶを形成するための光学面転写面５２ａが設けられている。この光学面転写面５２ａは、凹面であり、成形するレンズの一方の光学面を成形する転写面である。
【００３９】
コア型５２は、光学面転写面５２ａ側から順に、表面加工層５２ｂ、断熱層５２ｃ、高熱伝導母材５２ｄから構成されている。
【００４０】
取付板５３は、軸線方向に延在するスプルーＳＰと半径方向に延在するランナーＲＮを内部に形成し、端面５１ｂ、４１ｂの間に形成されたゲートＧＴを介して、外部の射出装置１６と型空間ＣＶとを連通している。
【００４１】
高熱伝導母材５２ｄは、入れ子であるコア型５２を構成する主部であり、熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導材料、具体的には銅合金で構成されている。
【００４２】
断熱層５２ｃは、高熱伝導母材５２ｄよりも熱伝導度が低く、表面加工層５２ｂと高熱伝導母材５２ｄとの間に挟まれて、成形中のレンズの急速な冷却を防止する断熱層としての役割を有する。断熱層５２ｃの形状は、型空間ＣＶの形状に対応している。具体的には、断熱層５２ｃは、光学面転写面５２ａ全体とフランジ面成形面５１ｃの一部に亘って連続的に形成され、その厚さは０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下で略一様である。なお、断熱層５２ｃの熱伝導率は、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の低熱伝導率材料で構成され、例えばジルコニアやアルミナ等のセラミックス、ポリイミド等の樹脂材料を用いて形成することができる。
【００４３】
表面加工層５２ｂは、光学面転写面５２ａ及びフランジ面成形面５１ｃを形成するための層である。表面加工層５２ｂの表面は、光学面転写面５２ａ及びフランジ面成形面５１ｃの一部とに亘って連続的に延びている。表面加工層５２ｂは、その面粗さが、０．１μｍ以下であり、その厚みが、０．１μｍ〜１ｍｍである。尚、成形するレンズの薄肉部は薄くし、厚肉部は厚くしても良い。表面加工層５２ｂ、鏡面加工性に優れ、工具磨耗が小さい切削性の良い材料として、ニッケルリンメッキ層で形成されている。ニッケルリンメッキ層は、無電解ニッケルメッキ法を用いて形成される。このニッケルリンメッキ層の表面加工によって、ニッケルリンメッキ層の表面として精密な形状を有する光学面転写面５２ａが形成されている。さらに、光学面転写面５２ａは、樹脂系の材料で形成された薄い離型膜でコートすることができる。
【００４４】
なお、表面加工層５２ｂは、メッキの剥離を防止するため、コア型５２を覆うようにコア型５２と外周型５１との間にも設けられている。
【００４５】
可動金型４０は、可動側の入れ子としてのコア型４２と、可動側の入れ子を支持して一体に固定することを可能とした構造を有する外周型４１と、外周型４１及びコア型４２を一体に固定し成形機のプラテンへ取り付けるための取付板４３と、外周型を保持する型板４４を備える。ここで、外周型４１と取付板４３とは、入れ子としてのコア型４２を周囲から保持し固定する型部材である。
【００４６】
外周型４１は、パーティングラインＰＬを形成する端面４１ｂを有する。また、外周型４１の先端には、フランジ成形面４１ｄが設けられている。また、外周型４１内部には、コア型４２を挿入支持する円柱状の貫通孔であるコア挿通孔４１ｃが形成されている。なお、外周型４１は、ＳＴＡＶＡＸなどのＳＵＳ系の鋼等で構成されている。
【００４７】
コア型４２は、コア挿通孔４１ｃに嵌合可能な円筒状の外周側面を有しており、コア型４２の先端には、型空間ＣＶを形成するための光学面転写面４２ａが設けられている。この光学面転写面４２ａは、光学面転写面５２ａとは曲率が異なる凹面であり、成形するレンズの他方の光学面を成形する転写面である。
【００４８】
コア型４２は、光学面転写面４２ａ側から順に、表面加工層４２ｂ、断熱層４２ｃ、高熱伝導母材４２ｄから構成されている。
【００４９】
高熱伝導母材４２ｄは、入れ子であるコア型４２を構成する主部であり、熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導材料、具体的には銅合金で構成されている。
【００５０】
断熱層４２ｃは、高熱伝導母材４２ｄよりも熱伝導度が低く、表面加工層４２ｂと高熱伝導母材４２ｄとの間に挟まれて、成形中のレンズの急速な冷却を防止する断熱層としての役割を有する。断熱層４２ｃの形状は、型空間ＣＶの形状に対応している。具体的には、断熱層４２ｃは、光学面転写面４２ａ全体とフランジ面成形面４１ｃの一部に亘って連続的に形成され、その厚さは０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下で略一様である。なお、断熱層４２ｃの熱伝導率は、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の低熱伝導率材料で構成され、例えばジルコニアやアルミナ等のセラミックス、ポリイミド等の樹脂材料を用いて形成することができる。
【００５１】
表面加工層４２ｂは、光学面転写面４２ａ及びフランジ面成形面４１ｃを形成するための層である。表面加工層４２ｂの表面は、光学面転写面４２ａ及びフランジ面成形面４１ｃの一部とに亘って連続的に延びている。表面加工層４２ｂは、その面粗さが、Ｒａ０．１μｍ以下であり、その厚みが、０．１μｍ〜１ｍｍである。尚、成形するレンズの薄肉部は薄くし、厚肉部は厚くしても良い。表面加工層４２ｂ、鏡面加工性に優れ、工具磨耗が小さい切削性の良い材料として、ニッケルリンメッキ層で形成されている。ニッケルリンメッキ層は、無電解ニッケルメッキ法を用いて形成される。このニッケルリンメッキ層の表面加工によって、ニッケルリンメッキ層の表面として精密な形状を有する光学面転写面４２ａが形成されている。さらに、光学面転写面４２ａは、樹脂系の材料で形成された薄い離型膜でコートすることができる。
【００５２】
なお、表面加工層４２ｂは、メッキの剥離を防止するため、コア型４２を覆うようにコア型４２と外周型４１との間にも設けられている。
【００５３】
図３は、成形装置１００の動作を説明するフローチャートである。まず、図３に示すように、成形装置１００の温度調節装置１７を動作させ、両金型４０，５０を成形に適する温度（素材のガラス転移点温度より２０〜７０℃低い温度）まで加熱する（ステップＳ１０）。尚、平滑面で成形サイクルを短くしたい場合は、熱変形温度よりも低くするのが望ましい。特に、回折構造等に対応した微細形状の転写性が要求される場合には、ガラス転移点温度Ｔｇに近い温度とすると良い。
【００５４】
次に、開閉駆動装置１５を動作させ、可動盤１２を前進させて型閉じを開始させる（ステップＳ１１）。開閉駆動装置１５の閉動作を継続することにより、固定金型５０と可動金型４０とが接触する型当たり位置まで可動盤１２が固定盤１１側に移動して型閉じが完了し、開閉駆動装置１５の閉動作を更に継続することにより、固定金型５０と可動金型４０とを必要な圧力で締め付ける型締めが行われる（ステップＳ１２）。
【００５５】
型締め後、射出成形機１０において、射出装置１６を動作させて、型締めされた固定金型５０と可動金型４０との間の型空間ＣＶ中に、加熱された溶融樹脂を必要な圧力で注入する射出を行わせる（ステップＳ１３）。これにより、型締めされたスプルーＳＰ、ランナーＲＮ及びゲートＧＴを介して、固定金型５０と可動金型４０との間の型空間ＣＶ中に樹脂が充填される充填工程が行われる。充填工程後、射出成形機１０は、型空間ＣＶ中の樹脂圧を必要なレベルに保つ（ステップＳ１４）。
【００５６】
成形金型４０は、温度調節装置１７により、型空間ＣＶや金型が適度に加熱されており、射出装置１６から供給される溶融樹脂が緩やかに冷却され、かかる冷却にともなって溶融樹脂が固化し成形が完了するのを待つ（ステップＳ１５）。このとき断熱層５２ｃ、４２ｃにより、型空間ＣＶからコア型５２，４２への熱伝導が抑制されるので、溶融樹脂の温度が保たれ、コア型５２，４２の転写面形状を精度良く転写できる。又、高熱伝導母材５２ｄ、４２ｄにより速やかに熱を分散させることで、溶融樹脂の熱がこもって局所的な偏りが生じることが抑制され、温度の不均一性を解消できる。これにより、成形品においてヒケやウェルドラインの発生が抑制され、成形歪みが小さく複屈折が小さい成形品が得られる。又、断熱層を設けることで、成形時における金型の温度をガラス転移点温度Ｔｇより低くできるので、大量の熱移動を伴う加熱冷却が不要になり成形サイクルを短くできる。
【００５７】
成形完了後、型締めを終了し、開閉駆動装置１５を動作させて、可動盤１２を後退させる型開きが行われる（ステップＳ１６）。これに伴って、可動金型４０が後退し、固定金型５０と可動金型４０とが離間する。この結果、成形品すなわちレンズは、可動金型４０に保持された状態で固定金型５０から離型される。次に、射出成形機１０において、エジェクタ７０を動作させて、成形品の突き出しを行わせる（ステップＳ１７）。具体的には、成形品のスプル部等が、エジェクタピン７１による突き出しによって可動金型４０から離型される。成形品を可動金型４０から離型した後、取出し装置２０を動作させて、突き出された成形品の適所をハンド２１で把持して外部に搬出する（ステップＳ１８）。
【００５８】
（実施例） 本発明者が行った実施例と比較例とを比較して評価した結果を、表１に示す。
表１における評価項目は、冷却時間の短縮効果と、外観、複屈折である。冷却時間の短縮効果については、成形後の冷却条件を短くしていった際における金型から取り出した直後の各条件の成形品（ここでは平行平板とした）温度を、サーモグラフィーで測定することで求めた。すなわち各金型構成／金型温度条件において、荷重たわみ温度よりも成形品の温度が下がるまでに必要となる冷却時間を求めた。外観については、ゲート付近に発生するフローマーク／ジェッティングの発生状況を比較している。これらの外観不良は、比較例１のような一般的な金型構成／金型温度条件では、ゲート部分を通過する際の射出速度を一旦遅くすることで低減・解消することができる。複屈折については、直交ニコルによる観察により評価を行い、比較例１との相対比較の結果を表している。尚、成形する素材にはガラス転移点温度Ｔｇが１４５℃のポリカーボネート樹脂を用い、成形条件は、樹脂温度が２９０℃、保圧条件は８０〜９０ＭＰａである。
【００５９】
【表１】
［仕様］
比較例１（従来技術）：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ、熱伝導度８．４Ｗ／ｍ・Ｋ）、母材はＳＴＡＶＡＸ（厚さ１０ｍｍ、熱伝導度＝２３Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、金型温度は１２０℃とした。
比較例２：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、母材は銅合金（日立製作所製ＨＩＴ ＭＡＸ、熱伝導度＝１９８．７Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ１０ｍｍ）であり、金型温度は１２０℃とした。
比較例３：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、母材はＳＴＡＶＡＸ（厚さ１０ｍｍ、熱伝導度＝２３Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、金型温度は１１０℃とした。
比較例４：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、母材はＺｒＯ2（厚さ１０ｍｍ、熱伝導度＝３Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、金型温度は１００℃とした。
比較例５：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、断熱層はポリイミド（厚さ０．０４ｍｍ、熱伝導度＝０．３Ｗ／ｍ・Ｋ）、母材はＳＴＡＶＡＸ（厚さ１０ｍｍ、熱伝導度＝２３Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、金型温度は１００℃とした。
実施例：金型の表面層はニッケルメッキ（厚さ０．０５ｍｍ）、断熱層はポリイミド（厚さ０．０４ｍｍ、熱伝導度＝０．３Ｗ／ｍ・Ｋ）、母材は銅合金（日立製作所製ＨＩＴ ＭＡＸ、熱伝導度＝１９８．７Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ１０ｍｍ）であり、金型温度は１００℃とした。
【００６０】
［考察］
従来技術に対応する比較例１（冷却時間は１００秒）を基本として評価を行ったところ、母材を、高熱伝導度を有する銅合金に変更した比較例２の場合、冷却時間は２０秒短縮されるが、外観品質が劣化することが分かった。又、比較例１に対して、金型温度を１０℃低下させた比較例３の場合、冷却時間は５０秒短縮されるが、外観品質が劣化し、複屈折も比較例１よりも悪化することが分かった。更に、比較例１に対して、母材をＺｒＯ2に変更し、金型温度を２０℃低下させた比較例４の場合、冷却時間は１０秒短縮され、外観品質は維持されるが、複屈折が比較例１よりも悪化することがわかった。又、比較例１に対して、表面層と母材との間に断熱層を設け、金型温度を２０℃低下させた比較例５の場合、冷却時間は５０秒短縮され、外観品質は維持されるが、複屈折が比較例１よりも悪化することがわかった。これに対し、比較例１に対して、母材を、高熱伝導度を有する銅合金に変更し、表面層と母材との間に断熱層を設け、金型温度を２０℃低下させた実施例の場合、冷却時間は７０秒短縮され、外観品質が維持され、複屈折も比較例１と同程度に良好であることがわかった。これにより本発明の効果が確認できた。
【００６１】
上述した実施の形態では、金型の転写面を非球面形状で示したが、図４に示すような平面や、球面、自由曲面でも同様の効果が得られる。又、表面層にブレーズ、回折等の微細形状が形成されていても良い。
【００６２】
また、表面加工層は電鋳方式により形成しても良い。図５に示すように、製品形状と略同じ形状で加工されたマスターにＮｉ合金メッキを電鋳により所望の厚みに形成し、その積層表面を均一に加工し、脱型して得られるスタンパーとして使用しても良い。この場合、予め形成・金型に組み込まれた「高熱伝導母材＋断熱層」のコアに、先で得られたスタンパーをボルトなどで直接又は、爪部を有する固定部材ＦＸを介して間接的に固定するか、真空吸着等により接触させることで成形可能となる。
【００６３】
また、図６に示すように、表面加工層は電鋳方式により形成し、その裏面に断熱層を貼り付けても良い。製品形状と略同じ形状で加工されたマスターにＮｉ合金メッキを電鋳により積層し、その上から断熱層（更には高熱伝導層）を形成した後に、マスターを脱型することで、断熱層を付与したスタンパーを得ることができる。各層の形成後、表面を均一にするための加工を入れても良い。その場合、予め形成・金型に組み込まれた「高熱伝導母材」のコアに、得られた断熱層つきのスタンパーをボルトなどで直接又は、爪部を有する固定部材ＦＸを介して間接的に固定するか、真空吸着等により接触させることで成形可能となる。
【００６４】
本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 射出成形機
１１ 固定盤
１２ 可動盤
１３ 型締め盤
１４ 支持フレーム
１５ 開閉駆動装置
１５ａ スライドガイド
１５ｄ 動力伝達部
１５ｅ アクチュエータ
１６ 射出装置
１６ａ シリンダ
１６ｂ 原料貯留部
１６ｃ スクリュ
１６ｄ 樹脂射出端
１７ 温度調節装置
２０ 取り出し装置
２１ ハンド
２２ ３次元駆動装置
３０ 制御装置
３１ 開閉制御部
３２ 射出装置制御部
３３ エジェクタ制御部
３４ 装置制御部
４０ 可動金型
４１ 外周型
４１ｂ 端面
４１ｃ コア挿通孔
４１ｄ フランジ成形面
４２ コア型
４２ａ 光学面転写面
４２ｂ 表面加工層
４２ｃ 断熱層
４２ｄ 高熱伝導母材
４３ 取付板
４４ 型板
５０ 固定金型
５１ 外周型
５１ａ 流体循環路
５１ｂ 端面
５１ｃ コア挿通孔
５１ｄ フランジ成形面
５２ コア型
５２ａ 光学面転写面
５２ｂ 表面加工層
５２ｃ 断熱層
５２ｄ 高熱伝導母材
５３ 取付板
５４ 型板
７０ エジェクタ
７１ エジェクタピン
ＣＶ 型空間
ＦＸ 固定部材
ＧＴ ゲート
ＰＬ パーティングライン
ＳＰ スプルー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学部品を成形する金型を備えた成形装置において、
前記金型は、光学部品を成形する転写面側から順に、表面加工層、熱伝導度が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である断熱層、熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導母材を有し、
成形時における前記金型の温度を、成形しようとする光学部品の素材のガラス転移点温度Ｔｇより低く設定することを特徴とする成形装置。
【請求項２】
成形時における前記金型の温度は、前記ガラス転移点温度Ｔｇより２０〜７０℃低いことを特徴とする請求項１に記載の成形装置。
【請求項３】
前記高熱伝導母材は、銅合金、または超硬合金で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形装置。
【請求項４】
前記金型は、一対設けられ、互いに対して相対的に可動となっており、前記金型は、コア型と、前記コア型の周囲に配置される外周型とを有し、前記コア型が、前記表面加工層と、前記断熱層と、前記高熱伝導母材とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成形装置。
【請求項５】
前記表面加工層の面粗さは、Ｒａ０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成形装置。
【請求項６】
前記表面加工層の厚みが、０．１μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成形装置。
【請求項７】
前記断熱層の厚みが、０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の成形装置。
【請求項８】
温度調整された液体を循環させることで前記金型の温度調整を行う温度調整装置を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の成形装置。
【請求項１】
光学部品を成形する金型を備えた成形装置において、
前記金型は、光学部品を成形する転写面側から順に、表面加工層、熱伝導度が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である断熱層、熱伝導度が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導母材を有し、
成形時における前記金型の温度を、成形しようとする光学部品の素材のガラス転移点温度Ｔｇより低く設定することを特徴とする成形装置。
【請求項２】
成形時における前記金型の温度は、前記ガラス転移点温度Ｔｇより２０〜７０℃低いことを特徴とする請求項１に記載の成形装置。
【請求項３】
前記高熱伝導母材は、銅合金、または超硬合金で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形装置。
【請求項４】
前記金型は、一対設けられ、互いに対して相対的に可動となっており、前記金型は、コア型と、前記コア型の周囲に配置される外周型とを有し、前記コア型が、前記表面加工層と、前記断熱層と、前記高熱伝導母材とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成形装置。
【請求項５】
前記表面加工層の面粗さは、Ｒａ０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成形装置。
【請求項６】
前記表面加工層の厚みが、０．１μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成形装置。
【請求項７】
前記断熱層の厚みが、０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の成形装置。
【請求項８】
温度調整された液体を循環させることで前記金型の温度調整を行う温度調整装置を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の成形装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７５４５７（Ｐ２０１３−７５４５７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７２５７（Ｐ２０１１−２１７２５７）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
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