JP2005262718A - 成形金型及び成形金型のコア製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固定金型と可動金型のうち少なくとも一方の金型内に取り付けられるコアの製作時間を短縮する。
【解決手段】固定金型２０と可動金型３０のうち少なくとも一方の金型（２０又は３０）内にコア（２２又は３２）を取り付け、両金型２０，３０同士を互いに対向させて型締めした時に形成されるキャビティ１４内にコア（２２又は３２）の先端側に形成した光学転写面（２３ａ又は３３ａ）を臨ませて、キャビティ１４内に注入した溶融樹脂により光学部品１５を成形する成形金型１０において、コア（２２又は３２）の先端側に、光学転写面（２３ａ又は３３ａ）をエッチング処理により形成したシリコン材又はガラス材（２３又は３３）を固着させたことを特徴とする成形金型１０を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ，ホログラム素子，回折素子（位相素子），マイクロレンズアレイなどの光学部品を樹脂材を用いて量産性良く高精度に成形するための成形金型及び成形金型のコア製作方法に関するものである。

ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ），ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ），Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃなどの光ディスクに対して、音声情報や映像情報などの情報信号を記録及び／又は再生するための光ピックアップには、対物レンズ，ホログラム素子，回折素子（位相素子）などの光学部品が内蔵されている。

また、液晶ディスプレイには、視野角を拡大するためにマイクロレンズアレイなどが用いられている。

上記した各種の光学部品を樹脂材を用いて射出成形法や圧縮成形法などにより成形しているが、これらの成形法で用いられる成形金型内には光学部品を成形するための光学転写面を有するコアがその光学転写面をキャビティ内に臨ませて取り付けられている。

この際、一般的に、コアはステンレス鋼，スウエーデン鋼などを用いて先端部位に光学部品転写用の光学転写面を機械加工により形成しているが、最近、コアの光学転写面は形状が複雑で且つ微細化傾向にあり、機械加工ではコアの光学転写面の形成が困難になっている。

この改善策として、半導体のエッチング技術を応用し、シリコン材やガラス材に光学部品転写用の光学転写面をエッチング処理により形成し、この光学転写面をマスターとしてニッケルなどの金属を電鋳により転写し、転写した金属母材を機械加工したものをコアとして金型内に取り付ける方式を採用した従来例の金型の作製方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１４５５４６号公報。

図５は従来の金型の作製方法において、金型内に取り付けるコアを電鋳を用いて作製する状態を示した図、
図６は従来の金型の作製方法において、電鋳を用いて作製したコアを金型内に取り付けて光学部品を成形する状態を示した図である。

図５及び図６に示した従来の金型の作製方法は、上記した特許文献１（特開２００３−１４５５４６号公報）に開示されているものであり、ここでは特許文献１を参照して簡略に説明する。

図５に示した如く、金型内に取り付けるコアを電鋳を用いて作製する際に、剛性を有する基板５０上の左右両端に２本の支柱５１，５２がそれぞれ植設されている。また、左側の支柱５１には、支持円筒５３が基板５０と平行に横設され、この支持円筒５３の先端に支柱５２側に向けて球面状の母光学面５４ａを形成した母型５４の下面５４ｃが固定されている。この際、母型５４の母光学面５４ａと端面５４ｂとにニッケル燐層５５が成膜されている。従って、ここでは母光学面５４ａを形成した母型５４が後述する可動コアへのマスターとなる。

一方、右側の支柱５２には、補助母型５６が基板５０と平行で且つ母型５４の母光学面５４ａに対して中心が一致するように母光学面５４ａと対向して横設されている。

そして、点線で示す如く、基板５０，２本の支柱５１，５２，支持円筒５３の外周面と母型５４の下面５４ｃに、絶縁剤５７がスプレーされている。

この後、母型５４及び補助母型５６を２本の支柱５１，５２を介して基板５０上に取り付けたまま、スルファミン酸ニッケル浴中で電鋳処理し、補助母型５６側にニッケル電鋳５８を成長させている。

この際、ニッケル電鋳５８の先端には母型５４の母光学面５４ａを転写した光学転写面５８ａが形成され、この光学転写面５８ａが得られるようにニッケル電鋳５８の先端をカットし、且つ、補助母型５６の支柱５２側の端をカットして、補助母型５６と一体にニッケル電鋳５８を基板５０上から取り外した後に、ニッケル電鋳５８の外周を円筒状に切削し、これを可動コアとして仕上げている。

次に、図６に示した如く、従来例の金型６０では、保持部材６１に支持された固定金型６２と、可動金型６３とが互いに対向して設けられている。また、可動金型６３の開口部６３ａ内には、円筒状に切削されたニッケル電鋳５８を支持した補助母型５６が可動コアとして取り付けられ、この際、ニッケル電鋳５８の光学転写面５８ａは固定金型６２内に形成した光学転写面６２ａと対向してキャビティ６４内に臨んでいる。

そして、固定金型６２の光学転写面６２ａとニッケル電鋳５８の光学転写面５８ａとの間に形成されたキャビティ６４内に溶融樹脂を注入してレンズなどの光学部品（６５）を成形している。

ところで、上記した従来例の金型の作製方法では、マスターとなる母型５４の母光学面５４ａを電鋳により転写し、光学転写面５８ａを有するニッケル電鋳５８を支持した補助母型５６を可動コアとし、この可動コアを可動金型６３内に取り付けることで、固定金型６２と可動金型６３との間に形成されるキャビティ６４内で光学部品（６５）を寸法精度良く成形できるものの、この金型の作製方法では電鋳により金属を成長させる工程に膨大な時間が必要とされ、また、マスターとなる母型５４の母光学面５４ａを電鋳により転写した光学転写面５８ａの欠陥は電鋳が終了しないと判断が行えないという欠点がある。

そこで、固定金型と可動金型のうち少なくとも一方の金型内に取り付けられるコアを、従来例で説明した電鋳によるコアの作製方法に比べてコアの製作時間が短縮でき且つ歩留まりの向上に寄与できる成形金型及び成形金型のコア製作方法が望まれている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、請求項１記載の発明は、固定金型と可動金型のうち少なくとも一方の金型内にコアを取り付け、両金型同士を互いに対向させて型締めした時に形成されるキャビティ内に前記コアの先端側に形成した光学転写面を臨ませて、前記キャビティ内に注入した溶融樹脂により光学部品を成形する成形金型において、
前記コアの先端側に、前記光学転写面をエッチング処理により形成したシリコン材又はガラス材を固着させたことを特徴とする成形金型である。

また、請求項２記載の発明は、前記シリコン材又は前記ガラス材を、接着剤又は金錫などの共晶結合もしくは半田やロー材などの接合材により前記コアの先端側に固着させたことを特徴とする請求項１記載の成形金型である。

更に、請求項３記載の発明は、固定金型と可動金型のうち少なくとも一方の金型内にコアを取り付け、両金型同士を互いに対向させて型締めした時に形成されるキャビティ内に前記コアの先端側に形成した光学転写面を臨ませて、前記キャビティ内に注入した溶融樹脂により光学部品を成形する成形金型のコア製作方法において、
シリコン材又はガラス材の上面側をエッチング処理して前記光学転写面を形成するステップと、
前記光学転写面を形成した前記シリコン材又は前記ガラス材の下面を前記コアの先端側に固着するステップと、
前記シリコン材又は前記ガラス材の外周面を前記前記コアの外周面に合わせて外周加工するか、あるいは、前記シリコン材又は前記ガラス材にエッチング処理した前記光学転写面の中心を基準にして前記シリコン材又は前記ガラス材と前記コアとを外周加工するステップとからなることを特徴とする成形金型のコア製作方法である。

本発明に係る成形金型及び成形金型のコア製作方法によると、樹脂材を用いて光学部品を成形金型内で成形するにあたって、とくに、コアの先端側に、光学部品転写用の光学転写面をエッチング処理により形成したシリコン材又はガラス材を固着させているので、従来例で説明した電鋳によるコアの作製方法に比べてコアの製作時間が短縮でき、且つ、コアの先端側に固着されるシリコン材又はガラス材の光学転写面の欠陥を早期に発見できるため、納期短縮と歩留まりの向上に寄与できる。勿論、コアの光学転写面を機械加工で形成する場合よりも本発明の方が寸法精度の良い光学転写面が得られる。

以下に本発明に係る成形金型及び成形金型のコア製作方法の一実施例を図１乃至図４を参照して詳細に説明する。

図１は本発明に係る成形金型を説明するために固定金型と可動金型とを互いに対向させて型締めした状態を示した縦断面図、
図２は本発明に係る成形金型を用いて樹脂レンズを突き出す動作を説明するための縦断面図、
図３は本発明に係る成形金型のコア製作方法において、コアの先端に固着するシリコン材（又はガラス材）を模式的に示した断面図、
図４（ａ），（ｂ）は本発明に係る成形金型のコア製作方法を説明するための工程図である。

図１に示した如く、本発明に係る成形金型１０は、固定金型２０と可動金型３０とを互いに対向させて型締めした時に形成されるキャビティ１４内に、光学部品として例えば合成樹脂製の樹脂レンズ（１５）を成形できるように構成されている。尚、光学部品としては、樹脂レンズの他に、ホログラム素子，回折素子（位相素子）などでも良いものである。

また、上記した固定金型２０には固定側型部材２１が嵌め込まれており、且つ、この固定側型部材２１の中心部位に固定側コア２２が嵌め込まれている。また、固定側コア２２のうちで可動金型３０側の先端に、レンズ面転写用の光学転写面２３ａを形成したシリコン材（又はガラス材）２３がこの光学転写面２３ａをキャビティ１４内に臨ませて可動金型３０側に向けて固着されている。

また、固定金型２０内には固定側型部材２１の側方近傍に溶融樹脂を流し込むためのスプルー１１が設けられている。

一方、上記した可動金型３０には可動側型部材３１が固定金型２０の固定側型部材２１と対向して嵌め込まれており、且つ、この可動側型部材３１の中心部位に可動側コア３２が固定側コア２２と対向して嵌め込まれている。また、可動側コア３２のうちで固定金型２０側の先端に、レンズ面転写用の光学転写面３３ａを形成したシリコン材（又はガラス材）３３がこの光学転写面３３ａをキャビティ１４内に臨ませて固定金型２０側に設けたシリコン材（又はガラス材）２３の光学転写面２３ａと対向して固着されている。

この際、固定側コア２２の先端に固着させたシリコン材（又はガラス材）２３と、可動側コア３２の先端に固着させたシリコン材（又はガラス材）３３は、本発明の要部を構成する部材であり、共に光学転写面２３ａ，３３ａが半導体のエッチング技術を適用して予め形成されており、これらのシリコン材（又はガラス材）２３，３３については後で詳述する。

また、可動金型３０に嵌め込んだ可動側型部材３１の中心部位には、下方が太径で上方が細径な段付き孔３１ａが貫通して穿設されており、段付き孔３１ａの下方に形成した太径孔内に摺動ブッシュ３４が上下方向に摺動可能に嵌合されていると共に、段付き孔３１ａの上方に形成した細径孔内に可動側コア３２の先端側が摺動ブッシュ３４を介して摺動可能に嵌合されている。

また、摺動ブッシュ３４の中心部位には、下方が細径で上方が太径な段付き孔３４ａが貫通して穿設されており、段付き孔３４ａの上方に形成した太径孔内に可動側コア３２の下端が嵌め込まれ、且つ、可動側コア３２の下端が段付き孔３４ａの下方に形成した細径孔内に挿通された長いボルト３５に連結されている。更に、長いボルト３５は突き出しプレート３６に取り付けたコア支え部材３７に支持されている。また、突き出しプレート３６に取り付けた突き出しピン３８が固定金型２０内のスプルー１１と対向して設けられている。

そして、固定金型２０と可動金型３０とをパーティングラインに沿って突き合わせて型締めした時に、両金型２０，３０間にスプルー１１に続くランナー１２，このランナー１２に続くゲート１３が形成されると共に、固定側コア２２の先端に固着させたシリコン材（又はガラス材）２３の光学転写面２３ａと、可動側コア３２の先端に固着させたシリコン材（又はガラス材）３３の光学転写面２３ａとの間の空間に樹脂レンズ成形用のキャビティ１４が形成されており、スプルー１１から流し込んだ溶融樹脂がランナー１２，ゲート１３を順に経由してキャビティ１４内に注入されることで、樹脂レンズ（１５）が成形されている。

この後、図２に示したように、可動金型３０側から樹脂レンズ１５を離型させる際には、先ず、可動金型３０側を固定金型２０側から樹脂レンズ１５を離型させるように後退した後、更に、可動金型３０側の摺動ブッシュ３４を介して可動側コア３２が樹脂レンズ１５を可動側型部材３１から突き出し、略同時に突き出しピン３８が、ランナー１２による樹脂ランナー部位を可動側型部材３１から剥離するように働く。そして、成形後の樹脂レンズ１５の外周面にゲート１３による樹脂ゲート部位と、ランナー１２による樹脂ランナー部位と、スプルー１１による樹脂スプルー部位とが接続されたまま突き出され、これらの成形部位を可動金型３０側から取り出して、樹脂レンズ１５のみを得ている。

ここで、本発明は、固定側コア２２及び可動側コア３２をステンレス鋼，スウエーデン鋼などを用いて作製した際に、各コア２２，３２の各先端に光学転写面を機械加工により直接形成することなく、予めエッチング処理により光学転写面２３ａ，３３ａを形成したシリコン材（又はガラス材）２３，３３を各コア２２，３２の各先端に固着させていることを特徴とするものである。

即ち、図３に示した如く、シリコン材（又はガラス材）３３は、レンズ面転写用の光学転写面３３ａを上面３３ｂ側からドライエッチング処理により可動側コア３２（図１，図２）の中心と一致させて微視的に見ると階段凹状に精度良く形成して樹脂レンズ１５（図１，図２）の一方の凸面に対応させ、且つ、下面３３ｃを平坦面に形成すると共に、外周面３３ｄを可動側コア３２（図１，図２）の外周面の径よりひとまわり太径に形成している。

勿論、図３では符番をカッコ書きするが、シリコン材（又はガラス材）２３も、レンズ面転写用の光学転写面２３ａを上面２３ｂ側からドライエッチング処理により固定側コア２２（図１，図２）の中心と一致させて微視的に見ると階段凹状に精度良く形成して樹脂レンズ１５（図１，図２）の他方の凸面に対応させ、且つ、下面２３ｃを平坦面に形成すると共に、外周面２３ｄを固定側コア２２（図１，図２）の外周面の径よりひとまわり太径に形成している。

尚、樹脂レンズ１５（図１，図２）のいずれかの面を凹面に形成する場合には、シリコン材（又はガラス材）２３，３３の光学転写面２３ａ，３３ａをドライエッチング処理により微視的に見ると階段凸状に精度良く形成すれば良いものである。

この際、溶融樹脂の温度は２００°Ｃ程度であるのに対してシリコン材（又はガラス材）２３，３３の融点は１４００°Ｃ程度であるので十分絶えられるし、且つ、シリコン材（又はガラス材）２３，３３は剛性も備えているものである。尚、ガラス材は例えば石英ガラスを用いれば良い。

次に、図４（ａ）に示した如く、光学転写面３３ａを上面３３ｂ側に形成したシリコン材（又はガラス材）３３の下面３３ｃを、可動側コア３２の先端面３２ａに中心を合わせて接着剤Ｓにより固着させている。勿論、図４（ａ）では符番をカッコ書きするが、光学転写面２３ａを上面２３ｂ側に形成したシリコン材（又はガラス材）２３の下面２３ｃも固定側コア２２の先端面２２ａに中心を合わせて接着剤Ｓにより固着させている。この際、上記したシリコン材（又はガラス材）３３，２２のコア３２，２２への接着は、接着剤Ｓだけでなく、金錫の共晶結合もしくは半田やロー材などの接合材などを用いても良い。この実施例では接着剤Ｓとして銀（Ａｇ）を含有したアクリル系の熱硬化性接着剤を用いている。更に、シリコン材（又はガラス材）３３，２２のコア３２，２２への接着力を高める場合には、コア３２，２２側にメッキ又は金属膜蒸着などの下地処理を行った後にシリコン材（又はガラス材）３３，２２を接着すれば良い。

この後、図４（ｂ）に示した如く、可動側コア３２の先端面３２ａに接着剤Ｓにより固着させたシリコン材（又はガラス材）３３の外周面３３ｄを可動側コア３２の外周面３２ｂの径に合わせるようにダイヤモンド砥石又は立方晶窒化ホウソ（ＣＢＮ）砥石を用いて円筒研削による外周加工を行うと共に、シリコン材（又はガラス材）３３の先端に例えば０．８ｍｍ〜０．１５ｍｍ程度のＣ面取りを行っている。勿論、図４（ｂ）では符番をカッコ書きするが、固定側コア２２の先端面２２ａに接着剤Ｓにより固着させたシリコン材（又はガラス材）２３も上記と同様に固定側コア２２の外周面２２ｂの径に合わせて外周面２３ｄへの円筒研削による外周加工を行うと共に、シリコン材（又はガラス材）２３の先端にＣ面取りを行えば良い。

上記したシリコン材（又はガラス材）３３，２３の先端にＣ面取りを行うことで、外周加工時のチッピングを低減させ、且つ、外周加工時の歪み取りが行えるので将来的に発生する可能性のあるチッピングを排除できると共に、このシリコン材（又はガラス材）３３，２３により光学部品を成形した際にこのシリコン材（又はガラス材）３３，２３の先端に溶融樹脂が食いつて離型不良が発生する現象を抑えることができる。

尚、上記とは異なって、コア２２，３２を仕上げ寸法よりも大きく作製し、シリコン材（又はガラス材）２３，３３をコア２２，３２に固着させた後に、シリコン材（又はガラス材）２３，３３にエッチング処理により形成された光学転写面２３ａ，３３ａの中心を基準にして、シリコン材（又はガラス材）２３，３３及びコア２２，３２への外周加工を電子制御されたフライス盤などにより同時に行えば良い。

そして、上記のように作製したシリコン材（又はガラス材）２３を接着した固定側コア２２及びシリコン材（又はガラス材）３３を接着した可動側コア３２は、先に図４及び図５を用いて従来例で説明した電鋳によるコアの作製方法に比べてコア２２，３２の製作時間が１／５以下に短縮でき、また、シリコン材（又はガラス材）２３，３３の光学転写面２３ａ，３３ａの欠陥は接着前の検査により除去が可能であるため、納期短縮と歩留まりの向上に寄与できる。勿論、コアの光学転写面を機械加工で形成する場合よりも本発明の方が寸法精度の良い光学転写面が得られる。

尚、この実施例では樹脂レンズ１５の両面が球面又は非球面に形成されているために、固定側コア２２及び可動側コア３２の各先端にシリコン材（又はガラス材）２３及びシリコン材（又はガラス材）３３を固着させた場合について説明したが、ホログラム素子，回折素子（位相素子），マイクロレンズアレイなどの光学部品は一方の面に凹状又は凸状の光学面が形成され、他方の面は平坦な光学面に形成されているものがある。このような場合にはシリコン材（又はガラス材）をドライエッチングして形成する光学転写面は光学部品の一方の面に対応させてコアの先端に接着させるものの、光学部品の他方の面は平坦面であるのでコアの先端にシリコン材（又はガラス材）を接着させなくても良い。従って、コア（２２），（３２）は、固定金型２０と可動金型３０のうち少なくとも一方の金型（２０又は３０）内に取り付ければ良いものである。

本発明に係る成形金型を説明するために固定金型と可動金型とを互いに対向させて型締めした状態を示した縦断面図である。 本発明に係る成形金型を用いて樹脂レンズを突き出す動作を説明するための縦断面図である。 本発明に係る成形金型のコア製作方法において、コアの先端に固着するシリコン材（又はガラス材）を模式的に示した断面図である。 （ａ），（ｂ）は本発明に係る成形金型のコア製作方法を説明するための工程図である。 従来の金型の作製方法において、金型内に取り付けるコアを電鋳を用いて作製する状態を示した図である。 従来の金型の作製方法において、電鋳を用いて作製したコアを金型内に取り付けて光学部品を成形する状態を示した図である。

符号の説明

１０…成形金型、
１１…スプルー、１２…ランナー、１３…ゲート、１４…キャビティ、
１５…樹脂レンズ、
２０…固定金型、２１…固定側型部材、
２２…固定側コア、２２ａ…先端面、２２ｂ…外周面、
２３…シリコン材（又はガラス材）、２３ａ…光学転写面、
２３ｂ…上面、２３ｃ…下面、２３ｄ…外周面、
３０…可動金型、３１…可動側型部材、
３２…可動側コア、３２ａ…先端面、３２ｂ…外周面、
３３…シリコン材（又はガラス材）、３３ａ…光学転写面、
３３ｂ…上面、３３ｃ…下面、３３ｄ…外周面。

Claims (3)

1. 固定金型と可動金型のうち少なくとも一方の金型内にコアを取り付け、両金型同士を互いに対向させて型締めした時に形成されるキャビティ内に前記コアの先端側に形成した光学転写面を臨ませて、前記キャビティ内に注入した溶融樹脂により光学部品を成形する成形金型において、
   前記コアの先端側に、前記光学転写面をエッチング処理により形成したシリコン材又はガラス材を固着させたことを特徴とする成形金型。
2. 前記シリコン材又は前記ガラス材を、接着剤又は金錫などの共晶結合もしくは半田やロー材などの接合材により前記コアの先端側に固着させたことを特徴とする請求項１記載の成形金型。
3. 固定金型と可動金型のうち少なくとも一方の金型内にコアを取り付け、両金型同士を互いに対向させて型締めした時に形成されるキャビティ内に前記コアの先端側に形成した光学転写面を臨ませて、前記キャビティ内に注入した溶融樹脂により光学部品を成形する成形金型のコア製作方法において、
   シリコン材又はガラス材の上面側をエッチング処理して前記光学転写面を形成するステップと、
   前記光学転写面を形成した前記シリコン材又は前記ガラス材の下面を前記コアの先端側に固着するステップと、
   前記シリコン材又は前記ガラス材の外周面を前記前記コアの外周面に合わせて外周加工するか、あるいは、前記シリコン材又は前記ガラス材にエッチング処理した前記光学転写面の中心を基準にして前記シリコン材又は前記ガラス材と前記コアとを外周加工するステップとからなることを特徴とする成形金型のコア製作方法。
   

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