JP2004058470A

JP2004058470A - 光学素子成形用金型及び光学素子の成形方法

Info

Publication number: JP2004058470A
Application number: JP2002220306A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Fukazawa; 深沢　元浩
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】安価な生産設備でかつ生産性良く高精度な回折光学素子を製造できるようにする。
【解決手段】樹脂材料からなる長尺状の光学素子１を成形するための光学素子成形用金型であって、樹脂材料に所定の表面形状を転写するための少なくとも一対の成形面１７，１８と、一対の成形面の光学素子の長手方向両端部に対応する位置付近に配置された温度センサー２，３，４，５とを具備する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂製の光学素子を成形する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザービームプリンター（ＬＢＰ）やデジタル複写機等の光学走査系を構成する光学素子にはプラスチックレンズが使用されてきたが、最近、製品の性能向上、コンパクト化、コストダウンの要求目的を満たすべく、回折光学に基づく光学系が設計され実用化が試みられている（例えば特開平１１−３３７８５３号公報）。
【０００３】
上記回折光学素子の回折格子は、０．１〜１０μｍの高さをもつ鋸刃形状をしており、光学有効面である２面のうち片面もしくは両面の全域に設けられ、ベース形状に対して非常に微細なものとなっている。
【０００４】
そして、最近の製品の高性能化に伴い、上記回折格子の形状精度は更なる高精度化が要求され、また生産性も同時に達成したものでなくてはならなくなっている。
【０００５】
従来、上記の回折格子の様な微細な凹凸形状を良好に形成するためには、金型温度を樹脂材料のガラス転移温度もしくはそれ以上の一定な温度で温調するか、ヒーター等を使用し、一時的にキャビティに相当する金型部材を昇温することが公知の技術として知られている。
【０００６】
これは樹脂材料の流動性が良い物性領域で加圧することにより、金型キャビティ表面上の微細凹凸への樹脂材料の流入を容易にするためである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一定な金型温度での成形において、金型温度をガラス転移温度もしくはそれ以上で成形した場合、樹脂が固化する温度以上で金型から取出すことになり、回折格子またはベース面形状を歪ませる様な不具合を生じる。
【０００８】
これを改善するために、ヒーター等を使用して金型のキャビティに相当する金型部材を一時的にガラス転移温度以上になるように昇温し、安全に金型から取出せる温度まで冷却させるヒートサイクルを用いる方法があるが、良好な製品を得るためにはその冷却時間を長く要するため、生産コストが嵩むことになっていた。
【０００９】
また、ヒートサイクル成形による手法は生産設備が大掛かりなものとなるため、生産性の上で好ましくない。
【００１０】
このように、回折格子の様な微細な凹凸形状を良好に得ようとした場合、成形サイクルが長時間化する傾向があり、生産コストの増加に繋がっていた。
【００１１】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価な生産設備でかつ生産性良く高精度な回折光学素子を製造できるようにすることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる光学素子成形用金型は、樹脂材料からなる長尺状の光学素子を成形するための光学素子成形用金型であって、前記樹脂材料に所定の表面形状を転写するための少なくとも一対の成形面と、該一対の成形面の前記光学素子の長手方向両端部に対応する位置付近に配置された温度センサーとを具備することを特徴としている。
【００１３】
また、この発明に係わる光学素子成形用金型において、前記一対の成形面は、一方が前記樹脂材料に回折格子形状を転写する成形面であり、他方が前記樹脂材料にトーリック面を転写する成形面であることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明に係わる光学素子の成形方法は、樹脂材料からなり、少なくとも一面に回折格子形状を有する光学素子を成形するための光学素子の成形方法であって、前記光学素子に前記回折格子形状を転写する金型の成形面の表面温度を、前記金型内に前記樹脂材料を射出する時には該樹脂材料のガラス転移温度未満に調節し、前記樹脂材料の保圧工程においては前記樹脂材料のガラス転移温度以上に調節することを特徴としている。
【００１５】
また、この発明に係わる光学素子の成形方法において、前記光学素子は、前記回折格子形状を有する面とは反対側の面にトーリック面を備え、前記金型の前記回折格子形状を転写する成形面の表面温度と、前記トーリック面を転写する成形面の表面温度とを略同一に調整することを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態について説明する。
【００１７】
本願発明者は、上記で述べた課題に対して、安価な生産設備かつ低コストで目標とする形状精度を得ることができる射出成形用金型および成形方法について検討を行なった。
【００１８】
まず、本実施形態では、一端部をゲートとするキャビティにおいて、金型キャビティ表面の長手方向両端付近にそれぞれ表面温度を検出できるセンサーを設けている。
【００１９】
これは回折格子の微細な凹凸を成形するにあたり、金型キャビティ表面の温度を詳細に検出し管理する必要があるためである。
【００２０】
また、本実施形態では、射出前における金型キャビティ表面の温度をガラス転移温度未満に保ち、保圧工程移行時にガラス転移温度以上に上昇させる様に金型の温度を設定する。
【００２１】
これは金型キャビティ表面の温度は射出された樹脂の放熱により、設定した温調温度より上昇される現象に着目し、回折格子の転写に対して十分な効果が期待でき、かつ過剰な温度上昇とならない温調温度を実現しようとするものである。
【００２２】
また、回折格子の様な微細な凹凸形状は射出成形機側からの保圧力がかかった瞬間に形成される。よってその形成においては保圧工程切換え時の瞬間において、金型キャビティ表面の全域がガラス転移温度以上に上昇しているだけで良く、その後は直ちにその温度が低下する様にすることが、成形サイクルを最短にするうえでも好ましく、この要求に対して最適な条件となる。
【００２３】
また、射出前におけるキャビティ表面温度をガラス転移温度未満にすることにより、金型から取出す時の成形品を十分な剛性に保つことができる。
【００２４】
また、本実施形態では、回折格子を有する面とその他面のトーリック面において温度差を生じないように温調温度を設定する。
【００２５】
これは、片面の回折格子を転写させるための温度条件を前述したように設定した場合、その他面のトーリック面を成形する金型キャビティ表面温度と温度差が生じ、温度差に起因した収縮量の差から生ずるそり変形を防ぐ目的で行なうものである。
【００２６】
以下に、本実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態に係わる金型の断面図である。
【００２８】
図１において、回折光学素子（本実施形態ではｆθプラスチックレンズ）は、その回折格子面を固定側鏡面駒９で、その反対のトーリック面１８を可動側鏡面駒１１で成形される。固定側鏡面駒９の表面上に形成された回折格子面１７を拡大したものを図２に示す。その形状は平面を基準としたピッチＰ＝２０〜１００μｍ程度で、高さＨ＝１．５μｍ程度の鋸刃状となっており、超鋼合金にＫＮメッキ膜を施し、このメッキ膜をダイヤモンドバイトで切削することにより製作される。
【００２９】
キャビティ１の長手方向一端部をゲート８として、その両端部付近のキャビティ表面に温度センサー２，３，４，５を固定側可動側両面に配置し、温度モニター装置を使用して成形中の温度波形を逐次収集できる様にしている。
【００３０】
回折格子を成形する固定側の金型１０は、温調機２０により温調経路１３，１４によって温調され、トーリック面１８を成形する可動側の金型１２は、温調機１９により温調経路１５，１６によって温調される。この構成により、可動側、固定側がそれぞれ個別に温調できる。
【００３１】
図３は、本実施形態の金型を適用して成形した回折格子を有する長尺ｆθプラスチックレンズの外形形状を示す図であり、図４はその断面図である。
【００３２】
レンズの外形形状は長さ約１２０ｍｍ、幅１５ｍｍ程度、高さ１０ｍｍ程度である。回折格子は２１で示すような楕円状に形成され、長手方向のピッチ間隔は光学設計により変化させたものとなっている。また、２４，２５，２６，２７は表面温度センサー痕であり、２８はゲート痕である。
【００３３】
使用した材料はシクロオレフィン樹脂（日本ゼオン（株）製、グレードＺＥＯＮＥＸＥ４８Ｒ）であり、ガラス転移温度１３８℃である。また図１におけるノズル６の温度を２７０℃としている。
【００３４】
まず、キャビティ１の表面の温度センサー２，３，４，５で温度の実測値をモニターしながら、この検出温度がガラス転移温度未満となるように、温調機１９，２０により温調経路１３，１４，１５，１６を用いて適当な温度設定（１２６〜１３４℃）で温調する。
【００３５】
次に、一連の成形工程に移り、成形機の可塑化装置ノズル６の温度２７０℃で可塑化された樹脂材料を金型注入口７より射出し、ゲート８を通過させて、キャビティ１に流入充填することにより内圧が上昇し、保圧工程に移行し、設定する保圧設定値までキャビティ内を加圧させる。
【００３６】
この時の、回折格子１７を有する固定側のキャビティのゲート側表面温度センサー２と反ゲート側表面温度センサー３のモニター値は図５（ａ）（金型温調温度１３０℃）に示す様な波形を示す。また、設定温調温度と保圧工程切換え時における上記それぞれの検出実測温度の関係を図５（ｂ）に示す。
【００３７】
この結果、金型を１３０℃以上の温調温度に設定することにより、ゲート端部、反ゲート端部ともにガラス転移温度１３８℃以上で保圧工程に移行することがわかる。
【００３８】
そして、保圧工程、冷却固化時間を経て、パーティングラインＰＬより金型が分割され、成形品レンズを取出す。
【００３９】
上記工程を経て成形された回折格子の状態と各種条件における転写率（金型の高さをＨ、成形品の高さをｈとした時、ｈ／Ｈで表わす）の関係を図６と図７に示す。
【００４０】
金型キャビティ表面温度がガラス転移温度以上に上昇しない条件においては、回折格子の転写率は図６（ａ）、図７（ａ）に示すように保圧力の大きさに依存し、大きいほど転写率は向上する傾向にあり、特に反ゲート部付近における依存傾向は大きい。これは、試供した樹脂材料がガラス転移温度を境に、温度が高い場合は変形が容易で、低い場合は変形し難い物性によるものである。そして、金型キャビティの表面温度がガラス転移温度未満での条件では、キャビティ流動中にゲート側より固化が進み変形し難い状態になることで、ゲートからの加圧力を反ゲート付近まで伝播し難くなり、その剛性に打ち克つ高い圧力を必要とする。しかし、製品として使用できる転写量を確保しようとそて保圧力を大きくしすぎると、逆に転写性が低下する傾向がある。これは過剰な圧力により離型時に金型とこじれ変形を生じた結果である。その時における回折格子の状態を図８に示す。
【００４１】
つまり、金型キャビティ表面の温度がガラス転移温度未満の条件においては、その転写量をかせぐためには保圧力による成形品への加圧に頼るしかなく、たとえ転写はできたとしても、形状を崩すことなく金型から取出すことができず、製品として必要な形状精度を得ることは困難である。
【００４２】
これに対して、金型キャビティ表面の温度がガラス転移温度以上に上昇する条件においては、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように保圧力の大きさへの依存度が少なく、大小広範囲な領域において転写量が期待でき、保圧力が小さい領域においても製品として使用できる十分な転写量を得ることができた。
【００４３】
しかし、回折格子を成形する面のみに注目した温度条件とした場合、その弊害として反対のトーリック面と温度差を生じ、そり変形の要因となってしまった。図９に両面に温度差を生じている場合と、冷却中にゲート側の表面温度センサー２，４間と反ゲート側の表面温度センサー３，５間に温度差が生じない様に、温調機２０と、温調機１９の設定温度を調節した場合の形状誤差量を比較したものを示す。
【００４４】
その結果、温度差を生じている場合のそりが８５ミクロンであるのに対して、温度差を生じないように設定した場合、そりを５０ミクロンに低減することができた。
【００４５】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、長尺キャビティの長手方向端部２個所に表面温度センサーを金型に配した簡単な装置構成で、回折格子を良好に形成し、成形サイクルを最短にできる成形条件を設定できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安価な生産設備でかつ生産性良く高精度な回折光学素子を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる射出成形用金型の断面図である。
【図２】回折格子を成形する金型キャビティ表面の拡大図である。
【図３】回折格子を有する長尺ｆθプラスチックレンズの外形形状を示す図である。
【図４】図３に示すレンズの回折格子面の拡大図である。
【図５】（ａ）は図１に示す金型に設置したゲート側と反ゲート側の表面温度センサーの検出温度と成形工程時間の関係を示した図であり、（ｂ）は温調設定温度と保圧工程切換え時の温度の関係を示した図である。
【図６】（ａ）は温調設定温度１２６℃（保圧工程切換え時の表面温度１３５℃）で成形した反ゲート付近の回折格子の状態を示した図であり、（ｂ）は温調設定温度１３０℃（保圧工程切換え時の表面温度１３８℃）で成形した反ゲート付近の回折格子の状態を示した図である。
【図７】保圧力とゲート付近の転写率の関係を示した図である。
【図８】過剰な保圧力の負荷により形状を崩した回折格子の状態を示す図である。
【図９】回折格子を有する面とその反対のトーリック面の金型キャビティ表面温度差と形状誤差量の関係を示した図である。
【符号の説明】
１　キャビティ
２，３，４，５　温度センサー
６　可塑化装置
７　スプール
８　ゲート
９　固定側鏡面駒
１０　固定側型板
１１　可動側鏡面駒
１２　可動側型板
１３，１４，１５，１６　温調経路
１７　回折格子を有する面
１８　トーリック面
１９，２０　温調機
２１　回折格子面
２３　回折格子（横断面）
２４，２５，２６，２７　表面温度センサー痕
２８　ゲート痕

Claims

樹脂材料からなる長尺状の光学素子を成形するための光学素子成形用金型であって、
前記樹脂材料に所定の表面形状を転写するための少なくとも一対の成形面と、該一対の成形面の前記光学素子の長手方向両端部に対応する位置付近に配置された温度センサーとを具備することを特徴とする光学素子成形用金型。
前記一対の成形面は、一方が前記樹脂材料に回折格子形状を転写する成形面であり、他方が前記樹脂材料にトーリック面を転写する成形面であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
樹脂材料からなり、少なくとも一面に回折格子形状を有する光学素子を成形するための光学素子の成形方法であって、
前記光学素子に前記回折格子形状を転写する金型の成形面の表面温度を、前記金型内に前記樹脂材料を射出する時には該樹脂材料のガラス転移温度未満に調節し、前記樹脂材料の保圧工程においては前記樹脂材料のガラス転移温度以上に調節することを特徴とする光学素子の成形方法。
前記光学素子は、前記回折格子形状を有する面とは反対側の面にトーリック面を備え、前記金型の前記回折格子形状を転写する成形面の表面温度と、前記トーリック面を転写する成形面の表面温度とを略同一に調整することを特徴とする請求項３に記載の光学素子の成形方法。