JP2002240110A - プラスチック光学素子の射出成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 射出成形によって成形されるプラスチック光
学素子の光学面の形状精度を向上させるための金型の再
加熱を不要として成形サイクルを短縮する。 【解決手段】 溶融した樹脂を金型のキャビティ内に射
出充填し、冷却した後、金型から取り出してプラスチッ
ク光学素子とする。少なくともゲートがシールするまで
の間、キャビティに充填された樹脂の表面温度をガラス
転移点以上の温度に保った状態で樹脂に保圧を加えるこ
とにより、成形サイクルを短縮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歪みが少なく面形
状精度が良好なプラスチック光学素子を短い成形サイク
ルで成形することが可能なプラスチック光学素子の射出
成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の様々な射出成形機や周辺装置の開
発により、薄肉製品のハイサイクル成形等の様々な付加
価値を有した射出成形方法が可能となっている。例え
ば、光学面の精度を向上させる方法として、特公平６−
５３３７５号公報には、樹脂の軟化点以上に加熱した金
型のキャビティ内に樹脂を射出して冷却した後、金型を
樹脂の軟化点以上に再加熱する方法が記載されている。
また、特公平６−５１３３２号公報には、樹脂をキャビ
ティ内に射出して冷却した後、樹脂の固化温度以上の再
加熱しながら圧縮し、その後、樹脂の熱変形温度以下ま
で冷却する方法が記載されている。

【０００３】プラスチック光学素子の場合、光学面の形
状精度を確保することが成形上の大きな課題となってい
る。光学面の形状精度が確保できない主要因は、成形品
の部位によって冷却速度が相違することや成形時の加圧
分布によってキャビティ内部に歪みが生じることに起因
しており、これらの要因が成形品の表面に現れることに
よって形状精度が悪化している。上述した特公平６−５
３３７５号公報、特公平６−５１３３２号公報に記載さ
れた成形方法では、圧力分布が緩和できるため、成形品
の内部の歪みを抑えることができ、これにより、良好な
形状精度を得ることが可能となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た方法は光学面の形状精度を向上させることが可能であ
るが、金型を再加熱して、再度冷却するために、成形サ
イクルが長くなる問題がある。また、これらの方法に限
らず、プリズム等の厚肉のプラスチック光学素子の成形
では、キャビティの内部歪みが発生し易いため、この歪
みを緩和するために金型内部で十分に徐冷する必要があ
る。このため、同様に成形サイクルが長くなっている。
そして、このように成形サイクルが長くなることは、量
産性に欠けると共に、製品コストが高騰する原因とな
る。

【０００５】本発明は、このような従来の問題点を考慮
してなされたものであり、良好な形状精度の光学面を有
したプラスチック光学素子を短い成形サイクルで成形す
ることができ、これにより量産性に適合することが可能
なプラスチック光学素子の射出成形方法を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、溶融した樹脂を金型のキャビテ
ィ内に射出充填し、冷却した後、金型から取り出してプ
ラスチック光学素子とする射出成形方法において、少な
くともゲートがシールするまでの間、前記キャビティに
充填された樹脂の表面温度をガラス転移点以上の温度に
保った状態で樹脂に保圧を加えることを特徴とする。

【０００７】このように、キャビティ内の樹脂の表面温
度をガラス転移点以上に保った状態で樹脂に保圧を加え
ることにより、キャビティに加えられる圧力分布を低減
させることができる。このため、再加熱や長い徐冷が不
要となり、成形サイクルを短縮することが可能となる。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１記載のプラス
チック光学素子の射出成形方法であって、前記キャビテ
ィに射出充填される樹脂の充填ピーク圧力が発生する時
点での樹脂の表面温度を、ガラス転移点よりも５０℃以
内の高温とすることを特徴とする。

【０００９】このように樹脂の充填圧力のピーク時に、
樹脂の表面温度をガラス転移点以上とすることにより、
樹脂の粘性が高くなるため、充填ピーク圧力を抑制する
ことができる。これにより、離型時における光学面の形
状精度の低下を防止することができる。

【００１０】以下、本発明をさらに詳細に説明する。

【００１１】図３は従来の射出成形を示し、可動側型板
及び固定側型板が型締めされることにより、金型には形
成を樹脂の行うキャビティ６が形成される。このキャビ
ティ６には、スプルー１ａ、ランナー１ｂ及びゲート１
ｃからな樹脂流路１が連通している。また、キャビティ
６の周囲には、金型を冷却する温調媒体が循環する媒体
流路４が配置されている。

【００１２】図４は従来の成形状態を示し、従来の射出
成形では、金型の温度は成形に用いる樹脂のガラス転移
点以下に設定されているが、スプルー及びランナーから
なる樹脂流路１の形成部分は、溶融樹脂２の流動・充填
に伴い、溶融樹脂２と接触する表面３の温度が樹脂から
の熱伝導により加熱されて瞬間的にガラス転移点を上回
る。そして、媒体流路４内に供給される温調媒体との熱
交換により徐々に設定温度まで冷却される。

【００１３】その一方で、樹脂２は金型表面３との接触
によって熱を奪われるため、図４に示すように、表面に
スキン層５を形成しながらキャビティ６に充填される。
そして、キャビティ６内に充填される頃には、スキン層
５が成長しており、金型との接触部分では固化が開始し
ている。キャビティ６への樹脂の充填後、スキン層５は
成長しながら圧力が加えられるため、スキン層５が成長
した固化部分と、未だ溶融状態にある樹脂のキャビティ
中心部７との間に加圧ムラが生じる。この加圧ムラが固
化の進行に伴って内部歪みとして残留する。

【００１４】このようにして残留した内部歪みは、樹脂
を金型の内部で十分な時間保持するか、或いは再加熱な
どによりアニールしないと、金型からの取り出しで金型
から解放された際に、成形品の表面の微細な変形として
現れて面精度の劣化要因となる。従って、短いサイクル
で良好な面精度を確保するためには、充填・保圧工程に
おける内部の残留歪みを低減する必要がある。

【００１５】図１及び図２は、本発明の作用を説明する
ものである。

【００１６】金型１１はスプルー１２、ランナー１３を
介してゲート１６からキャビティ１４内に溶融樹脂を充
填するようになっている。この場合、キャビティ１４は
図示しない複数の光学面を有する入子及び光学面を有さ
ない複数の入子から構成されている。金型１１には金型
の温度調整を行う温調媒体が流れる。このため、金型１
１には、温調流路１５が形成されている。

【００１７】温調流路１５は、金型１１の光学面を有し
た入子の表面温度がキャビティ１４に充填された樹脂か
らの熱伝達によって、その表面温度が樹脂のガラス転移
点を上回り、且つ保圧工程において少なくともゲート１
６がシールするまで、この温度状態が維持されるような
配置設計及び温度設定がなされている。

【００１８】これにより保圧工程でキャビティ１４に加
えられた圧力は、樹脂の溶融状態で且つキャビティ１４
内の樹脂の粘性状態がより均一に近い状態でキャビティ
１４の隅々まで伝播される。このため、キャビティ１４
への圧力影響がなくなるゲート１６のシール以降に固化
層が発生するための加圧分布が極めて小さくなり、キャ
ビティ１４内部に残留する応力分布も小さくなる。この
結果として、残留歪みが少ない成形品を得ることができ
る。

【００１９】図２は請求項２の作用を説明する特性図で
あり、特性曲線Ａがキャビティ１４内に充填された樹脂
の温度変化を、特性曲線Ｂがキャビティ１４内の圧力変
化を示す。キャビティ１４内に充填された樹脂の粘性が
高過ぎる場合には、キャビティ１４内部での充填ピーク
圧力が立ち易く、金型内の光学面を有する入子と樹脂と
の密着力が高まり、金型内部からの取り出し時（離型
時）に成形品に負荷がかかることから面形状精度が悪化
する。請求項２においては、このときにおける樹脂の表
面温度Ｔをガラス転移点ＴＧに対し、５０℃以内の高温
としている。このような高温とすることにより、樹脂の
粘性の増大及びこれに伴う充填ピーク圧力を抑制するこ
とができる。これにより、離型時における光学面の形状
精度の低下を防止することができる。なお、上記温度Ｔ
の範囲は、好ましくは２０℃、更に好ましくは１０℃以
内の高温が良好である。

【００２０】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図５及び図６は
本発明の実施の形態１であり、図５はこの実施の形態に
用いる射出成形用金型を示し、第６図は図５におけるキ
ャビティ２１内部の樹脂の表面温度及び内部圧力の変化
を示す。

【００２１】図５において、固定側入子２２、可動側入
子２３及び図示を省略した光学面を形成するスライド入
子によってプリズム形成用のキャビティ２１が形成され
ている。キャビティ２１にはゲート３５が連通してお
り、溶融樹脂はスプルーブッシュ２４、ランナー２５及
びゲート３５を介してキャビティ２１内に射出充填され
る。

【００２２】固定側取付板２６には固定側型板２７が取
り付けられ、可動側取付板３６には固定側型板２７に対
向する可動側型板２８が取り付けられている。上述した
スプルーブッシュ２４は固定側取付板２６から固定側型
板２７にかけて挿入されることにより、内部がランナー
２５に連通している。

【００２３】図示を省略するが、金型の温度調整を行う
温調媒体の温調流路は、固定側取付板２６、固定側型板
２７及び可動側型板２８に配置されるのに加えて、固定
側入子２２及び可動側入子２３にも配置されており、こ
れにより、温調媒体は、固定側取付板２６、固定側型板
２７及び可動側型板２８を流動すると共に、固定側型板
２７及び可動側型板２８を介して固定側入子２２及び可
動側入子２３にも流動する。なお、固定側型板２７及び
固定側入子２２、可動側型板２８及び可動側入子２３の
温調流路の接続部分は、それぞれ図示を省略したシール
リングによってシーリングされて温調媒体が漏れ出ない
ようになっている。

【００２４】また、可動側入子２３には、その温度をモ
ニターする熱電対３２が挿入されている。この熱電対３
２の先端は、パーティングラインから１０ｍｍ離れた位
置となるように設定されている。さらに、固定側入子２
２には、接触式熱電対３３及び圧力センサー３４が挿入
されている。接触式熱電対３３はキャビティ２１に充填
されたときの溶融樹脂の表面温度をモニターし、圧力セ
ンサー３４はキャビティ２１に充填されたときの溶融樹
脂の圧力をモニターする。

【００２５】この実施の形態において、成形用の樹脂と
しては、ガラス転移点Ｔｇが１３８℃の非晶性ポリオレ
フィン系樹脂を使用している。これに対し、可動側入子
２３の熱電対３２は、成形時の可動側入子２３の平均温
度が１３１．５℃に温調されるようにモニターしてい
る。

【００２６】図６はこの実施の形態の成形方法であり、
特性曲線Ａ１はキャビティ２１内に充填された樹脂の温
度変化を、特性曲線Ｂ１はキャビティ２１内の圧力変化
を示す。

【００２７】図６に示すように、溶融樹脂の射出開始か
らゲートがシールされるまでに約６秒を要し、この６秒
の間における樹脂の表面温度はガラス転移点（Ｔｇ＝１
３８℃）を上回った状態となっており、この６秒の間、
樹脂に保圧が加えられている。また、キャビティ２１の
内圧のピークが発生する際の温度はガラス転移点より１
０℃高い、１４８℃となるように温調されている。

【００２８】このようにして成形された成形品を、成形
サイクル１２０秒で取り出した際の光学面の形状精度は
極めて良好となっていた。一方、ゲートシール時には、
樹脂の表面温度がガラス転移点を２℃程度下回るように
温調設定した条件、具体的には固定側入子２２及び可動
側入子２３に温調媒体を供給しないで、可動側入子２３
の温度が同等になるように温調設定した成形条件では、
光学面を同程度の形状精度とするために倍近い成形サイ
クルが必要となった。従って、この実施の形態では、成
形サイクルが５０％近く短縮されている。

【００２９】（実施の形態２）図７〜図９は、本発明の
実施の形態２であり、図７はこの実施の形態２に用いる
射出成形用金型を、図８は図７における金型各部の成形
１ショットの温度変化を、図９は図７におけるキャビテ
ィ４１内部の樹脂の表面温度及び内部圧力の変化を示
す。

【００３０】図７において、光学面を有する固定側入子
４２及び光学面を有する可動側入子４３レンズ形成用の
キャビティ４１が形成されている。キャビティ４１には
ゲート４９が連通しており、溶融樹脂はスプルーブッシ
ュ４４、ランナー４５及びゲート４９を介してキャビテ
ィ４１内に射出されて充填される。

【００３１】固定側取付板４６には固定側型板４７が取
り付けられ、可動側取付板５６には固定側型板４７に対
向する可動側型板４８が取り付けられている。スプルー
ブッシュ４４は固定側取付板４６から固定側型板４７に
かけて挿入されることにより、内部がランナー４５に連
通している。

【００３２】図示を省略するが、金型の温度調整を行う
温調媒体の温調流路は、固定側取付板４６、固定側型板
４７及び可動側型板４８に配置されるのに加えて、固定
側入子４２及び可動側入子４３にも配置されており、こ
れにより、温調媒体は、固定側取付板４６、固定側型板
４７及び可動側型板４８を流動すると共に、固定側型板
４７及び可動側型板４８を介して固定側入子４２及び可
動側入子４３にも流動する。固定側型板４７及び固定側
入子４２、可動側型板４８及び可動側入子４３の温調流
路の接続部分は、それぞれ図示を省略したシールリング
によってシーリングされて温調媒体が漏れ出ないように
なっている。

【００３３】可動側入子４３には、その温度をモニター
する熱電対５２が挿入されている。この熱電対５２の先
端は、パーティングラインから１０ｍｍ離れた位置とな
るように設定されている。また、固定側入子４２には、
接触式熱電対５３及び圧力センサー５４が挿入されてい
る。接触式熱電対５３はキャビティ４１に充填されたと
きの溶融樹脂の表面温度をモニターし、圧力センサー５
４はキャビティ４１に充填されたときの溶融樹脂の圧力
をモニターする。

【００３４】この実施の形態において、成形用の樹脂と
しては、ガラス転移点Ｔｇが１３８℃の非晶性ポリオレ
フィン系樹脂を使用している。これに対し、可動側入子
４３の熱電対５２は、成形時の可動側入子４３の平均温
度が１３０．５℃に温調されるようにモニターしてい
る。

【００３５】図８は上記条件で溶融樹脂がキャビティ４
１内に充填されたときの温度変化を示す。溶融樹脂がキ
ャビティ４１内に充填されたときの成形１ショットの金
型各部の温度は、充填直後に１〜２℃前後上昇し、その
後収束するように変化するが、固体側入子４２及び可動
側入子４３では、バラツキがほとんどなく、１３０．５
℃となっている。また、スプルーブッシュ４４では、こ
れより低い１２５℃となっている。

【００３６】図９において、特性曲線Ａ２はキャビティ
４１内に充填された樹脂の温度変化を、特性曲線Ｂ２は
キャビティ４１内の圧力変化を示している。同図に示す
ように、溶融樹脂の射出開始からゲートがシールされる
までに約４．５秒を要し、この４．５秒の間における樹
脂の表面温度はガラス転移点（Ｔｇ＝１３８℃）を上回
った状態となっており、この４．５秒の間、樹脂に保圧
が加えられている。また、キャビティ４１の内圧のピー
クが発生する際の温度はガラス転移点より９℃高い、１
４７℃となるように温調されている。

【００３７】このようにして成形された成形品を、成形
サイクル７０秒で金型から取り出した際の光学面の形状
精度は極めて良好となっていた。これに対し、固定側入
子４２及び可動側入子４３への温調媒体の供給を停止
し、固定側型板４７及び可動側型板４８への温調媒体の
供給だけで固定側入子４２及び可動側入子４３の温度を
同じ１３０。５０Ｃになるように条件設定した成形で
は、成形サイクルを５０％延長しても同等レベルの面形
状精度を得ることができなかった。これは同じ入子温度
にするために、固定側型板４７及び可動側型板４８に対
する温調の設定温度を上げる必要があり、その分、スプ
ルーブッシュ４４の温度が８０℃上昇し、これにより固
定側入子４２及び可動側入子４３と樹脂との間の密着力
が高まり、離型時の光学面の形状精度が悪化したためで
ある

【００３８】（実施の形態３）この実施の形態では、図
５に示す実施の形態１の金型を用い、ガラス転移点Ｔｇ
が１１０℃のポリメチルメタクリレート樹脂の成形を行
った。この実施の形態では、先端が可動側入子２３のパ
ーティングラインより１０ｍｍ離れた位置となるように
挿入された熱電対３２のモニター値で成形時の平均温度
が１０６℃となるように温調した。

【００３９】図１０は上記成形条件で充填されたときの
キャビティ２１内部の樹脂の表面温度及び内部圧力の変
化であり、特性曲線Ａ３はキャビティ２１内に充填され
た樹脂の温度変化を、特性曲線Ｂ３はキャビティ２１内
の圧力変化を示す。

【００４０】図１０に示すように、溶融樹脂の射出開始
からゲートがシールされるまでに約５秒を要し、この５
秒の間における樹脂の表面温度はガラス転移点（Ｔｇ＝
１１０℃）を上回った状態となっており、この５秒の
間、樹脂に保圧が加えられている。また、キャビティ２
１の内圧のピークが発生する際の温度はガラス転移点よ
り８℃高い、１１６℃となっている。

【００４１】このようにして成形された成形品を、成形
サイクル１００秒で取り出した際の光学面の形状精度は
極めて良好となっていた。これに対し、ゲートシール時
には、樹脂の表面温度がガラス転移点を１℃程度下回る
ように温調設定した条件、具体的には固定側入子２２及
び可動側入子２３に温調媒体を供給しないで、可動側入
子２３の温度が同等になるように温調設定した成形条件
では、光学面を同程度の形状精度とするために倍近い成
形サイクルが必要となった。従って、この実施の形態で
は、成形サイクルが４５％近く短縮されている。

【００４２】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、キャビティ内
の樹脂の表面温度をガラス転移点以上に保った状態で樹
脂に保圧を加えて圧力分布を低減させるため、再加熱や
長い徐冷が不要となり、成形サイクルを短縮することが
できる。

【００４３】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
と同様な効果を有するのに加えて、樹脂の充填圧力のピ
ーク時に樹脂の表面温度をガラス転移点以上として、充
填ピーク圧力を抑制するため、離型時における光学面の
形状精度の低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される金型の断面図である。

【図２】本発明の方法を説明する特性図である。

【図３】従来の方法に用いる金型の断面図である。

【図４】従来の方法によるキャビティ内での樹脂の挙動
を示す断面図である。

【図５】本発明の実施の形態１及び３に用いる金型の断
面図である。

【図６】実施の形態１の成形条件を示す特性図である。

【図７】実施の形態２に用いる金型の断面図である。

【図８】実施の形態２の成形における金型各部の温度変
化を示す特性図である。

【図９】実施の形態２の成形条件を示す特性図である。

【図１０】実施の形態３の成形条件を示す特性図であ
る。

【符号の説明】

２１ ４１ キャビティ ３５ ４９ ゲート

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融した樹脂を金型のキャビティ内に射
   出充填し、冷却した後、金型から取り出してプラスチッ
   ク光学素子とする射出成形方法において、 少なくともゲートがシールするまでの間、前記キャビテ
   ィに充填された樹脂の表面温度をガラス転移点以上の温
   度に保った状態で樹脂に保圧を加えることを特徴とする
   プラスチック光学素子の射出成形方法。
2. 【請求項２】 前記キャビティに射出充填される樹脂の
   充填ピーク圧力が発生する時点での樹脂の表面温度を、
   ガラス転移点よりも５０℃以内の高温とすることを特徴
   とする請求項１記載のプラスチック光学素子の射出成形
   方法。