JP2006150734A - 光学素子成形方法および成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラスチック光学素子成形品において、光学素子として使用しない部分にヒケを発生させることで内部歪みを低減しかつ低圧で成形可能とすることを目的とする。
【解決手段】 光学素子の非光学面を樹脂のガラス転移点以上、ガラス転移点＋３０℃以下の温度とし、かつ光学面をガラス転移点以下の温度とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高精度が要求される光学素子成形品を射出成形や射出圧縮成形などを用いて成形する際の成形方法および金型に関するものであり、特にレーザープリンタや複写機の走査光学系に用いられるｆθレンズなどのようなプラスチック光学素子において、その成形での冷却収縮過程における内部歪みの低減に関するものである。

近年、レーザー走査光学系に用いられるｆθレンズなどのようなプラスチック光学素子においては、その光学面の形状精度の向上とともに、複屈折の低減が強く求められている。複屈折が生ずる原因は、樹脂の冷却収縮過程における冷却速度の局部的な差により樹脂内部に発生する内部歪みであるため、特に肉厚の大きい部分と小さい部分との差が大きい形状すなわち偏肉形状光学素子の場合には複屈折が大きくなる傾向がある。複屈折が大きくなると、レーザービームのスポット径の肥大を招き、走査光学系としての光学性能が満足できないためにその対策が重要になっている。

一方では、従来技術において、光学素子の光学面以外の部分に意図的にひけを発生させることで、内部歪みを低減し、複屈折を低減させるという技術が開示されている。

特開2000-84945号公報は、冷却過程においてキャビティ駒を樹脂から離隔するように摺動させることにより、樹脂とキャビティ駒の間に強制的に空隙を作り、レンズの側面に不完全転写部すなわちひけを発生させるものである。

特開平11-19956号公報は、圧縮成形において光学的有効範囲外にある凸部をヒータによりひけ発生の臨界温度以上に加熱することで所定の部分に意図的にひけを発生させるものである。

特開2002-103405号公報は、光学素子の非光学面もしくはその一部の温度を、光学面の温度よりも高くかつガラス転移点よりも低くして成形し、非光学面にひけを誘発するものである。
特開2000-84945号公報 特開平11-19956号公報 特開2002-103405号公報

しかしながら、上記従来例の特開2000-84945号公報は、キャビティ駒を摺動する駆動源が必要になるために、金型構造が複雑になり、多数個取りへの対応が困難、金型コスト高になるなどの問題があった。

また、上記従来例の特開平11-19956号公報は、ひけ発生の臨界温度というものが何度に相当するのかという点が明確に開示されていないために、凸部を加熱する場合の目標温度が不明確であり、実質上はひけを発生させるための発明としては不十分といえるものであった。

また、上記従来例の特開2002-103405号公報については、その内容に基づき実際に成形実験を行ったところ、光学素子の非光学面もしくはその一部の温度を光学面の温度よりも高くかつガラス転移点よりも低くしても、必ずしも非光学面にひけを誘発できるとは限らない結果となり、発明としては不十分といえるものであった。

そこで本出願に係わる発明の目的は、光学素子の内部歪みを低減して複屈折を低減させることであり、光学面に対応する金型部材の温度と、非光学面に対応する金型部材の温度を適切に制御することにより、光学面以外の部分に意図的にひけを発生させる成形方法および成形品を提供することにある。さらには、その成形用金型は多数個取りに対応可能で比較的低コストなものとすることである。

前記目的を達成するため、本出願に係わる第１の発明は、プラスチック光学素子の成形方法において、光学面に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以下の温度としかつ、非光学面の一部に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以上でガラス転移点＋３０℃以下の温度とした状態で、樹脂を充填、冷却したのち成形品を金型から取り出すことを特徴とする。

この成形方法において、非光学面に対応する金型の温度を光学面の温度以上にすることにより、樹脂の冷却収縮が相対的には非光学面が光学面に比べて遅くなるため固化も遅れ、その結果非光学面のみにひけを発生させるという作用がある。また、光学面に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以下の温度とすることにより、光学面の面精度を向上させる作用がある。さらに、非光学面の一部に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以上とすることにより、非光学面の樹脂が軟化した状態となり、ひけがよりいっそう発生しやすくなるという作用がある。ここで非光学面の一部に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点を３０℃以上超えた温度とした場合には、非光学面の樹脂がほとんど固化しないまま金型から取り出すことになり、光学面を含めた成形品全体の形状精度が極端に悪くなることを確認し、これらの実験の結果、形状精度を保つことができる温度は樹脂のガラス転移点＋３０℃以下であることがわかった。

前記目的を達成するため、本出願に係わる第２の発明は、プラスチック光学素子の成形用金型において、光学面に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以下の温度としかつ、非光学面の一部に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以上でガラス転移点＋３０℃以下の温度とするような温度調節装置を設けたことを特徴とする。この構成において、光学面と非光学面に対応する金型部材をそれぞれ個別に最適な温度に制御することができるという作用がある。

前記目的を達成するため、本出願に係わる第３の発明は、プラスチック光学素子の成形用金型において、非光学面の一部に対応する金型部材を入れ子構造としたうえで、ヒータおよびヒータ制御用温度センサーを設けたことを特徴とする。

この構成において、非光学面の一部に対応する金型部材を入れ子構造とすることで、光学面に対応する金型部材に対して断熱作用があり、温度調節を個別に行うことができる作用がある。ヒータおよびヒータ制御用温度センサーを設けたことで、非光学面の金型部材のみを高い温度に最適に制御することができるという作用がある。

前記目的を達成するため、本出願に係わる第４の発明は、プラスチック光学素子の成形用金型において、非光学面の一部に対応する金型部材を入れ子構造としたうえで、温度調節用水管回路を設けたことを特徴とする。

この構成において、非光学面の一部に対応する金型部材を入れ子構造とすることで断熱作用があり、温度調節用水管回路に温調媒体を流すことにより、光学面と非光学面を異なる温度に最適に温度調節できるという作用がある。

前記目的を達成するため、本出願に係わる第５の発明は、プラスチック光学素子であって、その非光学面の一部にひけを発生させたことを特徴とする。

この構成において、非光学面の一部にひけを発生させることにより、光学素子の内部歪みを低減して複屈折を低減させるという作用がある。

以上説明したように、本発明の成形方法および成形用金型によれば、光学面に対応する金型部材は形状精度を高くできる温度に、かつ非光学面に対応する金型部材はひけが起きやすい温度にそれぞれ制御できるために、光学面は精度良好でかつ非光学面の一部のみにひけを発生させることができ、光学素子の内部歪みを低減して複屈折を低減させることができるという効果がある。さらにはその温度調節装置はヒータや水管など比較的簡素であるために、金型構造としても従来レベルの多数個取りが可能でかつ金型コストも安いという効果がある。

（第１の実施例）
図１は本発明の特徴を最も良く表す図面であり、走査光学系に使用されるｆθレンズ４個取り射出成形用金型の可動側平面図である図２におけるA−A’断面図である。1はレンズキャビティ、２は可動側金型、３は固定側金型、４は光学面１を形成する金型鏡面駒、５は光学面２を形成する金型鏡面駒、６は非光学面を形成するスライド入れ子駒、７はスライド入れ子駒６の内部に設けたカートリッジヒータ、８はスライド入れ子駒６の内部に設けた温度センサー、９は温度調節水管である。

図３および図４は図１，２の金型において成形したｆθレンズの斜視図であり、１０は光学面１に相当するレンズ面で金型鏡面駒４に対応し、１１は光学面２に相当するレンズ面で金型鏡面駒５に対応する。１２、１３はレンズの非光学面であり、スライド入れ子駒６に対応する。１４および１５はそれぞれ非光学面１２および１３に発生したひけであり、非光学面の一部にのみひけが発生し、光学面にはひけは発生していない。

ここで、温調水管９には金型温調機より所要温度の温調水を流すことにより、金型鏡面駒４および５付近の温度を樹脂のガラス転移点以下になるように調節した。さらに、スライド入れ子駒６については、温度センサー８で検出した温度に対してヒータ７をPID制御することにより、スライド入れ子駒の温度が樹脂のガラス転移点以上、ガラス転移点＋３０℃以下になるように調節した。

図５はスライド入れ子駒６を成形品側から見た図である。16が非光学面12または13に対応する面であり、17が内蔵したヒータの発熱部分である。このように、ヒータ発熱部を非光学面の範囲内に収まる位置に小さめに設置したことにより、ヒータの熱が非光学面に効率的に伝わるが光学面には伝わりにくく、その結果、光学面と非光学面を異なる温度に制御することを容易にした。さらには、非光学面を形成する部分が入れ子駒になっており、さらにスライドするために、光学面を形成する金型鏡面駒に対してはすき間があり、断熱作用がある。この構造も、光学面と非光学面を異なる温度に制御することを容易にしている。

以下に具体的な成形条件とその結果を示す。

成形樹脂：日本ゼオン（株）製、ゼオネックスE48R、ガラス転移点１３７℃
樹脂温度：２７０℃
光学面の型温度：１３０℃（樹脂のガラス転移点より低い）
成形圧力：６０〜１００Mpa

以上のように、非光学面の型温度がガラス転移点１３７℃より低い場合には、ひけは起こらず、ガラス転移点以上でガラス転移点＋３０℃以下の場合に、非光学面に意図的にひけを発生させることができた。またガラス転移点＋３０℃より高い場合には、非光学面と共に光学面にもひけが発生し、光学素子として使用不可能なレベルの形状精度になった。

ここで成形した、非光学面にひけ小、もしくはひけ大のレンズは、光学面の形状精度は規格内にできており、かつ内部歪みが少ないために複屈折が少なく、その結果、走査系の光学性能としては十分満足できるものであった。

これらの結果は光学面の型温度を樹脂のガラス転移点１３７℃以下の範囲内で、様々に変化させて成形しても同様の傾向であった。また、異なる樹脂材料を使った場合においても同様の傾向であった。

（第２の実施例）
図６は第２の実施例を説明する図面であり、走査光学系に使用されるｆθレンズ４個取り射出成形用金型の可動側平面図である図２におけるA−A’断面図である。非光学面を形成するスライド入れ子駒６の内部に温度調節水管１８を設けた。

温調水管９には金型温調機より所要温度の温調水を流すことにより、金型鏡面駒４および５付近の温度を樹脂のガラス転移点以下になるように調節しつつ、温調水管１８には異なる温度の温調水を流すことにより、非光学面を形成するスライド入れ子駒の温度を樹脂のガラス転移点以上になるように調節した。

このように、非光学面を形成するスライド入れ子駒に温調水管を設けることにより、金型構成の都合等でヒータを設けることができない場合においても、適切な温度調節が可能になるという効果がある。

また実施例１と同様に、非光学面を形成する部分が入れ子駒になっており、さらにスライドするために、光学面を形成する金型鏡面駒に対してはすき間があり、断熱作用がある。この構造のため、光学面と非光学面を異なる温度に制御することを容易にしている。

この型構成においても、非光学面にひけを発生させ、かつ光学面の形状精度は規格内であり、内部歪みが少ないために複屈折が少なく、走査系の光学性能を十分満足できるレンズが得られた。

（第３の実施例）
図７は第３の実施例を説明する図面であり、走査光学系に使用されるｆθレンズ４個取り射出成形用金型の可動側平面図である図２におけるA−A’断面図である。非光学面を形成するスライド入れ子駒１９を低熱伝導率材料で構成した。ここでは通常の金型材料である炭素鋼やステンレス鋼に比較して、熱伝導率が著しく小さい、例えばジルコニアなどの材料を使用した。

この構成においては、温調水管９に金型温調機より所要温度の温調水を流すことにより、金型鏡面駒４および５付近の温度を樹脂のガラス転移点以下になるように調節し、非光学面を形成するスライド入れ子駒には個別な温調を必要としない。

レンズキャビティに溶融した樹脂を射出充填すると、金型鏡面駒からは熱が奪われて樹脂が冷却されるが、非光学面部分では熱伝導率が低いために樹脂の熱の移動速度が遅く、逆に熱がこもる現象が起きる。このために、数ショット連続成形すれば、非光学面を形成するスライド入れ子駒の温度が樹脂のガラス転移点以上まで上昇させることができる。

以上の作用により、この型構成においても、非光学面にひけを発生させ、かつ光学面の形状精度は規格内であり、内部歪みが少ないために複屈折が少なく、走査系の光学性能を十分満足できるレンズが得られた。

本発明の第１の実施例における走査光学系に使用されるｆθレンズ４個取り射出成形用金型の断面図である。 本発明の第１の実施例における走査光学系に使用されるｆθレンズ４個取り射出成形用金型の可動側平面図である。 図１，２の金型において成形したｆθレンズの斜視図である。 図１，２の金型において成形したｆθレンズの斜視図であり、図３とは別の角度からみた図である。 スライド入れ子駒を成形品側から見た図である。 第２の実施例を説明する図面であり、走査光学系に使用されるｆθレンズ４個取り射出成形用金型の断面図である。 第３の実施例を説明する図面であり、走査光学系に使用されるｆθレンズ４個取り射出成形用金型の断面図である。

符号の説明

１ レンズキャビティ
２ 可動側金型
３ 固定側金型
４ 固定側金型鏡面駒
５ 可動側金型鏡面駒
６ スライド入れ子駒
７ カートリッジヒータ
８ 温度センサー
９ 温度調節水管
１０ 光学面１
１１ 光学面２
１２ 非光学面
１３ 非光学面
１４ ひけ
１５ ひけ
１６ 非光学面に対応するスライドの面
１７ ヒータの発熱部分
１８ 温度調節水管
１９ 低熱伝導率のスライド入れ子駒

Claims (5)

1. 射出成形もしくは射出圧縮成形によるプラスチック光学素子の成形方法において、光学面に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以下の温度としかつ、非光学面の一部に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以上でガラス転移点＋３０℃以下の温度とした状態で、樹脂を充填、冷却したのち成形品を金型から取り出すことを特徴とする、光学素子の成形方法。
2. 射出成形もしくは射出圧縮成形によるプラスチック光学素子の成形用金型において、光学面に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以下の温度としかつ、非光学面の一部に対応する金型部材の温度を樹脂のガラス転移点以上でガラス転移点＋３０℃以下の温度とするような温度調節装置を設けたことを特徴とする、光学素子成形用金型。
3. 前記温度調節装置は、非光学面の一部に対応する金型部材を入れ子構造としたうえで、ヒータおよびヒータ制御用温度センサーを設けたことを特徴とする、請求項２に記載の光学素子成形用金型。
4. 前記温度調節装置は、非光学面の一部に対応する金型部材を入れ子構造としたうえで、温度調節用水管回路を設けたことを特徴とする、請求項２に記載の光学素子成形用金型。
5. 射出成形もしくは射出圧縮成形によるプラスチック光学素子であって、前記請求項１に記載の方法により成形することにより、その非光学面の一部にひけを発生させたことを特徴とする、プラスチック光学素子。

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