JP2005161849A - Mold for molding optical element, optical element molding method and optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばデジタルビデオディスクプレヤー等の光学機器に使用されるレンズ、プリズム、ミラー等の高精度な光学素子の成形型、成形方法及び光学素子に関するものである。 The present invention relates to a molding die, a molding method, and an optical element for high-precision optical elements such as lenses, prisms, and mirrors used in optical equipment such as a digital video disk player.
従来、光学機器に使用されるレンズ等の光学素子の成形方法としては、特許文献1に開示されているように、光学素子の成形材料である樹脂ペレットを加熱混錬溶融し、これを成形型に形成されたキャビティ内に射出充填して成形する射出成形方法がある。
Conventionally, as a method for molding an optical element such as a lens used in an optical device, as disclosed in
以下に一般的な従来の成形型及び成形方法で得られる光学素子について、図7、図8を用いて説明する。 An optical element obtained by a general conventional mold and molding method will be described below with reference to FIGS.
図7は、複数個の光学素子を射出成形方法により同時に成形する射出成形機の概略断面図であり、15はホッパ、16は樹脂ペレットからなる成形材料、17は射出シリンダ、18は加熱シリンダ、19はスクリュ、20はノズル、21は固定ダイプレート、22は移動ダイプレート、23は型締めシリンダ、5は固定側の光学素子成形型、10は可動側の光学素子成形型、4はスプルー、3はランナー、2はゲート、1は成形中の光学素子である。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an injection molding machine that simultaneously molds a plurality of optical elements by an injection molding method. 15 is a hopper, 16 is a molding material made of resin pellets, 17 is an injection cylinder, 18 is a heating cylinder, 19 is a screw, 20 is a nozzle, 21 is a fixed die plate, 22 is a movable die plate, 23 is a clamping cylinder, 5 is a fixed-side optical element mold, 10 is a movable-side optical element mold, 4 is a sprue, 3 is a runner, 2 is a gate, and 1 is an optical element being molded.
まず、ホッパ15に成形材料16を投入し、この成形材料16はスクリュ19の回転に伴い、ノズル20の方向へと移動する。成形材料16はスクリュ19及び加熱シリンダ18により加熱混錬溶融される。そして、ノズル20から、スプルー4、ランナー3、及びゲート2を通過して、各々に必要な光学形成面が形成された光学素子成形型5、10のキャビティ内に射出され、充填される。光学素子成形型5、10は所定の温度、例えば成形材料16の荷重たわみ温度近傍に設定されており、そして光学素子1が成形されて冷却され、取り出し可能な状態になると、光学素子成形型10を開き、ゲートカットを行い、スプルー4、ランナー3、ゲート2から切り離し、成形された光学素子1を取り出す。
First, the
図8(a)は前述の射出成形方法で同一の光学特性をもつ6つの光学素子が成形された成形品30の概略上面図であり、図8(b)は同概略断面図である。4はスプルー、3は前記スプルー4から放射状に延びたランナー、2は各ランナー3の先端のゲート、1は各ゲート2の先端に放射状に成形された光学素子である。
前述した従来の固定側及び可動側の光学素子成形型には、複数個のインサート型が取付けられ、かつこの各インサート型によるキャビティの形状と光学形成面は同一形状であるため、射出成形方法によって得られた光学素子は同じ光学特性のもの、すなわち1種類の光学素子であることから、これは大量生産には適している。しかしながら少量他品種生産や例えば光学機器に要求される光学特性として複数個のレンズを組み合わせた組レンズで構成する必要がある場合には、それぞれ光学素子毎の成形型を用意する必要があり、非常に高価な光学素子成形型を複数種用意することは非経済的である。また光学素子毎の成形型とその射出成形条件の設定や、各光学素子毎に成形型の切り替え等の手間や時間を必要とするため、設備の稼働率や作業効率が悪く、その結果、得られた光学素子が非常に高価なものとなる。 A plurality of insert molds are attached to the above-mentioned conventional fixed side and movable side optical element molding dies, and the shape of the cavity and the optical forming surface of each insert mold are the same, so that the injection molding method is used. Since the obtained optical element has the same optical characteristics, that is, one type of optical element, it is suitable for mass production. However, when it is necessary to construct a small amount of other varieties or a combination lens that combines a plurality of lenses as optical characteristics required for optical equipment, for example, it is necessary to prepare a mold for each optical element. It is uneconomical to prepare a plurality of expensive optical element molds. In addition, it takes time and effort to set the mold for each optical element and its injection molding conditions, and to switch the mold for each optical element, resulting in poor equipment availability and work efficiency. The obtained optical element becomes very expensive.
本発明は、少なくとも2種類の異なる光学特性を持つ光学素子を同時に成形することにより、上記のような従来の課題を解決するものである。 The present invention solves the above-described conventional problems by simultaneously molding at least two types of optical elements having different optical characteristics.
この本発明によれば、高価な成形型の数が削減され、射出成形条件の設定回数も低減されるため、少量他品種生産や光学特性の異なる複数個のレンズを組み合わせた組レンズの成形等に最適であり、そして設備の稼働率や作業効率が向上し、光学素子を安価に提供できる利点がある。 According to the present invention, the number of expensive molding dies is reduced and the number of injection molding conditions set is also reduced. Therefore, the production of a combination lens combining a plurality of lenses with a small amount of other types of production and optical characteristics, etc. In addition, there is an advantage that the operating rate and work efficiency of the equipment are improved, and the optical element can be provided at a low cost.
以下に説明する各実施の形態における射出成形機については、図7を参照して説明した複数個の光学素子を射出成形方法により同時に成形する射出成形機と同種のものであるため、これを適用し、その説明は省略する。また、光学素子成形型及び成形品等の各構成部分について、従来例と同一構成部分については同一符号が附してあり、その重複部分の説明は省略する。 The injection molding machine in each embodiment described below is the same type as the injection molding machine that simultaneously molds a plurality of optical elements described with reference to FIG. The description is omitted. Moreover, about each component part, such as an optical element shaping | molding die and a molded product, the same code | symbol is attached | subjected about the same component part as a prior art example, and description of the duplication part is abbreviate | omitted.
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1について、図1及び図2を用いて説明する。
(Embodiment 1)
First,
図1は本発明の実施の形態1における光学素子成形型の概略断面図であり、図2は実施の形態1における射出成形方法で成形された成形品30の概略上面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an optical element molding die according to
図1に示す光学素子成形型5、10は、プリハードン鋼、ステンレス鋼(S55C、HPM、NAK)等を材料とし、この成形型5、10に形成された凹部等に取付けられ、所望の光学面を有する光学素子を形成するための光学形成面を有するインサート型(図示せず)は、超硬合金を材料として製作したものを用いた。言うまでもないが、光学素子成形型5、10は前述の材料以外でも射出成形に使用可能なものであればよい。また、インサート型の材料は所望の光学特性を有する光学素子の成形が可能であればステンレス鋼(STAVAX)等を基材として、その表面に例えば無電解ニッケルメッキを施したものを加工してインサート型として用いてもよい。ただし、強度を考えた場合、超硬合金を基材として用いるのが好ましい。また、離型性の向上や、型の酸化、腐食防止のために表面に保護膜等を施してもよい。
The optical
本発明は、光学特性が異なる少なくとも2種類の光学素子を同時成形により成形することにあり、図2はその成形品30の例を示している。ここでは3つの光学素子1aは同じ光学特性を有するグループであり、また他の3つの光学素子1bはそれぞれ同じ光学特性を有するグループである。ただし、前記光学素子1aのグループは光学素子1bのグループよりも小径で体積が異なり、かつ光学素子1bのグループとは異なる光学特性を有している。
The present invention is to mold at least two types of optical elements having different optical characteristics by simultaneous molding, and FIG. 2 shows an example of the molded
なお、上記の成形品30において、2a、2bはゲート、3a、3bはランナー、4はスプルーであり、これらは光学素子1a、1bの成形のために光学素子成形型5,10に射出される成形材料の通路によりスプルー4を中心に一体成形される。
In the molded
前記成形品30を成形する光学素子成形型5、10に備えられた複数の対をなすインサート型によって形成されるキャビティは大径の光学素子1bを成形する大径のキャビティ31と、それよりも小径の光学素子1aを成形する小径のキャビティ32が構成され、そしてこれらの光学形成面によって光学素子1a、1bに所望の光学面が形成されるように設計製作されており、その2種類のキャビティ31と32の容積差は2:1である。
A cavity formed by a plurality of pairs of insert molds provided in the
この実施の形態1における光学素子成形型5、10では、上述のように一回の成形工程で6個の光学素子が成形されるようにキャビティ31と32が放射状に配置され、かつキャビティバランスをとるために容積の異なる(種類が異なる)キャビティを交互に配置している。すなわち、体積が異なる光学素子1aを成形するキャビティ32と光学素子1bを成形するキャビティ31を交互に配置する理由は、光学素子成形型5、10において、成形材料をキャビティに充填する時に生じる成形材料量差によってその光学素子成形型5、10に伝わる温度差のバランスを取り、また成形材料の異なる充填力で高められたキャビティ内圧で光学素子成形型5、10を押し開こうとする力のバランスを取り、また、光学素子成形型5、10の型閉め力の均一化を図ることによって安定に体積が異なる光学素子が成形されるようにするためである。本実施の形態に示す金型を使用し、容積の異なるキャビティを交互に配置せずに成形した場合の光学素子は、一部の光学素子が所望の特性が得られなかったが、容積が異なるキャビティを交互に配置して成形して得られた光学素子は、すべての光学素子の性能が良好であった。
In the
上記光学素子成形型5、10において、キャビティの容積が異なる2種類の光学素子の同時成形において、成形材料の射出条件、充填条件、保圧条件、成形型温度条件等の射出成形条件に加え、異なる容積のキャビティのバランスをとるためにキャビティの小さい光学素子1aのランナー3aの形状が大きくなるように光学素子成形型5のランナー形成部5aを光学素子1bのランナー形成部5bよりも図1に示すように左右方向に幅広に形成し、各光学素子1aに対する各光学素子1bのキャビティの容積差をランナ−形成部5aの容積増大により吸収するようにしている。したがって、ランナー形成部5aは容積差吸収部を兼ねている。
In the
このように、各光学素子1aと1bを成形するキャビティの容積差をランナー形成部の容積を変える手段を用い、これにより成形される2種類の光学素子の光学特性がもっとも良好で、安定した成形が行われる最適な条件を得る。
As described above, the means for changing the volume of the runner forming portion is used to change the volume difference between the cavities for molding the
次に、上記の光学素子成形型を用いて2種類の光学素子の成形について説明する。射出成形機は図7に示す従来の一般的な成形機を使用し、これに組み込まれた光学素子成形型5、10のキャビティ31、32内に加熱溶融混錬された成形材料を射出充填する。成形材料としては、ポリオレフィン系樹脂(ガラス転移点Tg=150℃、熱変形温度Tt=125℃)を用いた。
Next, molding of two types of optical elements using the above-described optical element mold will be described. As the injection molding machine, a conventional general molding machine shown in FIG. 7 is used, and the melted and kneaded molding material is injected and filled into the
そして、射出成形条件(射出条件、充填条件、保圧条件、成形型温度条件等)として最適と思われる条件にて各光学素子を成形した結果、その光学素子の光学特性、すなわち各収差は下記表1のようになった。なお収差の単位はmλであり、光学特性の評価方法は、干渉計を用いて透過波面収差(測定波長λ=632.8nm)の測定を行い、代表的な光学特性である非点収差、コマ収差、球面収差を確認した。各収差は小さければ小さいほど望ましいが、ここでは各収差の規格範囲を35mλ以下とし、良好な光学特性であるとした。 As a result of molding each optical element under conditions that seem to be optimal as injection molding conditions (injection conditions, filling conditions, holding pressure conditions, mold temperature conditions, etc.), the optical characteristics of the optical elements, that is, the respective aberrations are as follows: It became like Table 1. The unit of aberration is mλ, and the optical property evaluation method is to measure the transmitted wavefront aberration (measurement wavelength λ = 632.8 nm) using an interferometer, and to obtain representative optical properties such as astigmatism and coma. Aberration and spherical aberration were confirmed. Each aberration is preferably as small as possible, but here, the standard range of each aberration is set to 35 mλ or less, and good optical characteristics are assumed.
下記の表1において、3つの光学素子1aはそれぞれ1a−1、1a−2、1a−3で示し、また3つの光学素子1bはそれぞれ1b−1、1b−2、1b−3で示している。
In Table 1 below, the three
上記表1に示したように、2種類の異なる光学特性からなる光学素子1a、1bの全ての収差が規格を満たすことができた。
As shown in Table 1, all the aberrations of the
なお、高性能の光学特性を必要とする場合は、可能な限りキャビティ容積差が少ない光学特性の異なる光学素子を同時成形するようにすればよい。 When high performance optical characteristics are required, optical elements having different optical characteristics with as little cavity volume difference as possible may be simultaneously molded.
上記の例では、ランナー形成部5aが容積差吸収部を兼ねたものであるが、ゲート2部に容積差吸収部を設けてもよく、これは成形材料の通路であればよい。
In the above example, the
ここで、上記実施の形態1の比較例として、ランナー形成部5aに容積吸収部を設けることなく、すなわちゲート2a、2b、ランナー3a、3b等をそれぞれにおいて同一形状として上記と同じ2種類のキャビティにて成形した光学素子1a、1bの光学特性、すなわち各収差を下記表2に示す。この比較例における光学特性の評価方法は、上記の実施形態1におけるものと同様である。
Here, as a comparative example of the first embodiment, the
なお、この表2においても3つの光学素子1aはそれぞれ1a−1、1a−2、1a−3で示し、また3つの光学素子1bはそれぞれ1b−1、1b−2、1b−3で示している。
In Table 2, the three
上記表2から明らかなように、光学素子1aのグループは全ての収差について規格を満たしているが、光学素子1bのグループは全ての収差について規格を満たしてはいなかった。
As apparent from Table 2 above, the group of
なお、この比較例においては、光学素子成形型の各ゲート部に成形材料の流入を止めるストッパーを設けることにより、このストッパーを操作して同じ光学特性の光学素子のみ成形、または必要な光学素子のみを選択して成形することができるものである。 In this comparative example, by providing a stopper for stopping the inflow of the molding material at each gate portion of the optical element molding die, only the optical element having the same optical characteristics is molded by operating this stopper, or only the necessary optical element. Can be selected and molded.
(実施の形態2)
次に、実施の形態2について、図3及び図4を参照して説明する。この実施の形態2において、実施の形態1と同一構成部分には同一符号を附し、実施の形態1と異なる点について説明する。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and differences from the first embodiment will be described.
まず、図4に示す成形品30において、各光学素子1aの周囲にその各光学素子1aの光学特性に影響しない延在部33が一体に設けられている。この延在部33は図3に示すようにキャビティ31の容積に対するキャビティ32の容積差を吸収するために、光学形成面に影響しない部分のキャビティ32の径を大きくした容積差吸収部32aによって成形された部分である。
First, in the molded
上記のように、キャビティ32に容積差吸収部32aを設けることによっても上記の実施の形態1と同様に光学特性の異なる光学素子1a、1bを同時に成形することができるものである。
As described above, by providing the volume
なお、光学素子1aに形成される延在部33はその光学特性に何ら影響するものではないことから、そのままの状態で光学機器に搭載されてもよく、また必要に応じて切り離してもよい。
In addition, since the
(実施の形態3)
この実施の形態3について、図5の成形品30を参照して説明する。なお、ここの説明では上記実施の形態1と同一構成部分には同一符号を附し、異なる部分について説明する。
(Embodiment 3)
This
図5において、実施の形態1と同様に、3つの光学素子1aは同一の光学特性を有し、また3つの光学素子1bは前記光学素子1aと異なる光学特性を有する。そして前記光学素子1aのグループと光学素子1bのグループはそれぞれ光学素子1a、1b、ゲート2a、2b、ランナー3a、3bともに実質的に同一の形状と体積からなる。また、光学素子成形型5、10においてはキャビティ31、32、ゲート2、ランナー3はそれぞれ実質的に同一の形状と容積に形成されている。
In FIG. 5, like the first embodiment, the three
前記光学素子1aのグループのキャビティ31は光学形成面の形状は同一であり、また光学素子1bのグループのキャビティ32は光学形成面の形状も同一である。しかし光学素子1aのグループのキャビティ31は光学形成面の形状と、光学素子1bのグループのキャビティ32の光学形成面の形状は異なる。
The
このような構成によっても、光学特性の異なる光学素子を同時に成形することができるものであり、高価な成形型の数が削減され、射出成形条件の設定回数も低減されるため、少量他品種生産や光学特性の異なる複数個のレンズを組み合わせた組レンズの成形等に最適である。 Even with such a configuration, optical elements having different optical characteristics can be molded simultaneously, the number of expensive molds is reduced, and the number of injection molding conditions set is also reduced. It is most suitable for molding a combination lens that combines a plurality of lenses having different optical characteristics.
なお、上記の各実施の形態では光学特性が異なる2種類の光学素子を各複数個成形するものについて説明したが、これらの数は上記の数に限られるものではない。 In each of the above-described embodiments, two types of optical elements having different optical characteristics are molded. However, the number is not limited to the above-described number.
(実施の形態4)
次に、実施の形態4について図6を参照して説明する。この実施の形態4は例えば上記実施の形態1における光学素子1a、1bの成形において、その光学素子の光学性能に影響するゲート部の幅を規定するものであり、光学素子成形型の構成は、実施の形態1と同様であるため、これを援用し、その説明は省略する。この実施の形態4では、実施の形態1と同様に異なる容積のキャビティのバランスをとるために小さいキャビティで成形される小さい光学素子1aのランナー3aの形状が大きくなるように光学素子成形型5のランナー形成部5aを大きいキャビティで成形される光学素子1bのランナー形成部5bよりも図1に示すように左右方向に幅広に形成し、各光学素子1aに対する各光学素子1bのキャビティの容積差をランナー形成部5aの容積増大により吸収するようにしている。したがって、ランナー形成部5aは容積差吸収部を兼ねている。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, for example, in the molding of the
さらに、実施の形態1と同様に、6個の光学素子が成形されるように同一容積の3個のキャビティ31とこれとは容積が異なる同一容積のキャビティ32が放射状に配置され、かつキャビティバランスをとるためにその異なる容積のキャビティを交互に配置している。
Further, similarly to the first embodiment, three
図6(a)と(b)は前記キャビティ32と31により成形された異なる大きさの光学素子1a、1bを含む成形体の形状を示した平面図であり、各々の光学素子1a、1bの外径をL1、L2、各ゲート部2a、2bの幅をG1、G2とし、そして、各ゲート部およびランナー部を含んで光学素子1a、1bの外形端から所定の寸法までの総容積をT1、T2とする。なお、光学素子1a、1bの外形端から寸法X=15mmの長さまでの各容積T1とT2が略同容積となるように成形型を設計した。
6 (a) and 6 (b) are plan views showing the shape of a molded body including
このような光学素子成形型を用い、実施の形態1と同様の成形方法で直径が4mmの3個の光学素子1aと直径が8mmの3個の光学素子1bをゲート部2a、2bの幅を変えて成形した。外径の小さい光学素子1a(G1/L1=K1)と外径の大きい光学素子1b(G2/L2=K2)について、これらの光学素子としての光学面の性能を透過波面収差で評価したところ、表3の(a)、(b)に示すように、光学素子1aと光学素子1bのいずれにおいても光学性能の良品範囲は0.1<G/L<0.4であった。
Using such an optical element mold, three
なお、前記のようにゲート幅が、成形される光学素子の光学性能、すなわち、収差に影響することは、成形時に樹脂成形材料のキャビティへの充填時にそのキャビティの内圧がゲート幅の大きさによって変化することに起因するものと思われ、光学素子の外径に対してゲート幅が小さすぎる場合には、キャビティの内圧が高くなり過ぎ、一方、ゲート幅が大きすぎる場合には、キャビティの内圧が適正値より低くなり過ぎることによるものと推測される。 As described above, the gate width affects the optical performance of the optical element to be molded, that is, aberration, because the internal pressure of the cavity when the resin molding material is filled into the cavity during molding depends on the size of the gate width. If the gate width is too small with respect to the outer diameter of the optical element, the internal pressure of the cavity becomes too high, whereas if the gate width is too large, the internal pressure of the cavity Is presumably due to the fact that the value becomes too lower than the appropriate value.
上記の評価結果から、異なる体積の光学素子を同時に成形する成形方法においては、複数のキャビティの容積差をそれぞれ吸収する容積差吸収部を設けてスプルー、ランナー部を含んだ容積を各々略同容積とし、かつ、光学素子の外径Lとゲート幅Gの関係が0.1<K<0.4となる成形型を用いて成形することにより、光学性能の良好な複数の体積が異なる光学素子を得ることができる。 From the above evaluation results, in the molding method for molding optical elements having different volumes at the same time, a volume difference absorbing portion that absorbs the volume difference between the plurality of cavities is provided, and the volume including the sprue and the runner portion is substantially the same volume. In addition, by molding using a mold in which the relationship between the outer diameter L of the optical element and the gate width G is 0.1 <K <0.4, it is possible to obtain a plurality of optical elements having different optical volumes and different optical volumes. it can.
この実施の形態4では2種類の光学素子について検討したが、これに限らず、体積が異なる3種類以上の光学素子を同時に同一成形型で成形する場合にも、同様に成形型を設計すれば、光学性能の良好な光学素子が得られる。 In the fourth embodiment, two types of optical elements have been studied. However, the present invention is not limited to this, and when three or more types of optical elements having different volumes are simultaneously molded with the same molding die, the molding die can be similarly designed. An optical element with good optical performance can be obtained.
以上のように本発明は、少なくとも2種類の異なる光学特性を持つ光学素子を同時に成形することができるため、少量他品種生産や光学特性の異なる複数個の光学素子を組み合わせた組レンズの成形等に最適である。 As described above, since the present invention can simultaneously mold at least two types of optical elements having different optical characteristics, it is possible to produce a small amount of other kinds of products, molding a combination lens combining a plurality of optical elements having different optical characteristics, etc. Ideal for.
1a、1b 光学素子
2a、2b ゲート
3a、3b ランナー
4 スプルー
5、10 光学素子成形型
5a ランナー形成部(容積差吸収部)
31、32 キャビティ
32a 容積差吸収部
33 延在部
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- 2004-11-12 JP JP2004328742A patent/JP2005161849A/en active Pending
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