JP2006334795A

JP2006334795A - 成形金型

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Publication number: JP2006334795A
Application number: JP2005158799A
Authority: JP
Inventors: Naoki Mitsui; 直樹三井; Akio Kimura; 章男木村; Hiroyoshi Ogasawara; 弘義小笠原
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】金型内に取り付けられるコアの製作時間が短縮でき、歩留まりが向上し、安価な成形金型を提供する。
【解決手段】固定金型（２０）及び可動金型（３０）を有し、両金型同士を互いに対向させて型締めした際に形成されるキャビティ（１４）内に溶融樹脂を注入して光学部品（１５）を成形する成形金型（１０）であって、固定金型及び可動金型の少なくとも一方に取り付けられたコア（２２，３２）と、光学部品（１５）の表面形状がエッチング処理により転写形成された転写面（２３ａ，３３ａ）を有し転写面（２３ａ，３３ａ）がキャビティ内部を臨むようコアに固着された転写面部（２３，３３）とを備え、転写面部をシリコンにより形成すると共にコアをコバールにより形成した。
【選択図】図２

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に関するものである。

ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ），ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ），Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃ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に電鋳により転写し、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構造を採用した成形金型がある（例えば、特許文献１参照）。

図５は従来の成形金型の作製工程において、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は従来の成形金型の作製工程において、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に示した従来の成形金型の作製工程は、特許文献１に開示されているものであり、ここではその特許文献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。
特開２００３−１４５５４６号公報

ところで、上記した従来例の成形金型では、その製作工程において、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内に取り付けている。

これにより、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の製作時間が短縮でき、製作工程における歩留まりが向上し、安価な成形金型が望まれている。

上記の課題を解決するために、本願発明は手段として次の構成を有する。
〔１〕固定金型（２０）及び可動金型（３０）を有し、両金型（２０，３０）同士を互いに対向させて型締めした際に形成されるキャビティ（１４）内に溶融樹脂を注入して光学部品（１５）を成形する成形金型（１０）であって、
前記固定金型（２０）及び可動金型（３０）の少なくとも一方に取り付けられたコア（２２，３２）と、前記光学部品（１５）の表面形状がエッチング処理により転写形成された転写面（２３ａ，３３ａ）を有し、この転写面（２３ａ，３３ａ）が前記キャビティ（１４）の内部を臨むように前記コア（２２，３２）に固着された転写面部（２３，３３）と、を備え、前記転写面部（２３，３３）をシリコンにより形成すると共に、前記コア（２２，３２）をコバールにより形成して成ることを特徴とする成形金型（１０）である。

〔２〕固定金型（２０）及び可動金型（３０）を有し、両金型（２０，３０）同士を互いに対向させて型締めした際に形成されるキャビティ（１４）内に溶融樹脂を注入して光学部品（１５）を成形する成形金型（１０）であって、
前記固定金型（２０）及び可動金型（３０）の少なくとも一方に取り付けられたコア（２２，３２）と、前記光学部品（１５）の表面形状がエッチング処理により転写形成された転写面（２３ａ，３３ａ）を有し、この転写面（２３ａ，３３ａ）が前記キャビティ（１４）の内部を臨むように前記コア（２２，３２）に固着された転写面部（２３，３３）と、を備え、前記転写面部（２３，３３）を形成する材料はシリコンであり、前記コア（２２，３２）を形成する材料は、その熱膨脹係数が前記転写面部（２３，３３）の熱膨脹係数に対して０．８〜１．３倍であることを特徴とする成形金型（１０）である。

本発明に係る成形金型によると、コアの製作時間が短縮でき、また、コアの先端側に固着される転写面部の光学転写面の欠陥を早期に発見できるため、歩留まりが向上し、納期も短縮できる。
また、コアの光学転写面の寸法精度が、それを機械加工で形成する場合より格段に良好となる。

以下に本発明に係る成形金型の一実施例を図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において、コアの先端に固着する転写面部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におけるコア製作工程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を形成した転写面部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。この転写面部２３は、シリコン材により形成される。

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を形成した転写面部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側に設けた転写面部２３の光学転写面２３ａと対向して固着されている。この転写面部３３もシリコン材により形成される。

この際、固定側コア２２の先端に固着させた転写面部２３と、可動側コア３２の先端に固着させた転写面部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、これらの転写面部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転写面部２３の光学転写面２３ａと、可動側コア３２の先端に固着させた転写面部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を形成した転写面部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。
光学転写面２３ａ，３３ａをさらに具体的に説明すると、この光学転写面２３ａ，３３ａは、成形する光学部材の表面形状の少なくとも一部を、エッチング処理により転写形成した面である。

即ち、図３に示した如く、転写面部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、転写面部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、転写面部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転写面部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、転写面部２３，３３は剛性も備えているものである。

次に、図４（ａ）に示した如く、光学転写面３３ａを上面３３ｂ側に形成した転写面部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側に形成した転写面部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、上記した転写面部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、転写面部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転写面部３３，２２を接着すれば良い。

また、この接着において、接着剤についてはその硬化反応に伴い、また、金錫の共晶結合，半田あるいはロー材などの接合材については、その溶融，凝固時の加熱，冷却に伴い、膨脹，収縮が生じる。
ここで、例えば、コア３２，２２の材料としてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用いたとすると、その熱膨脹率は１７．１×１０^-6（Ｋ^-1）であり、シリコン材で形成された転写面部３３，２３の熱膨脹率が４．２×１０^-6（Ｋ^-1）であるから、両者の熱膨脹率の比は約４であり、その差は極めて大きい。
従って、上述した膨脹，収縮で転写面部３３，２３に反りが生じたり、接合面に剥離が生じたりする場合がある。

そこで実施例においては、コア３２，２２を、鉄−ニッケル−コバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）合金（一般的にコバールと称される）で形成している。
コバールの熱膨脹率は５．３×１０^-6（Ｋ^-1）であるから、このコバールを用いることで、コア３２，２２と転写面部３３，２３との熱膨張率の比は１．２６になり、両者の差は極めて小さくなる。
従って、転写面部３３，２３に反りが生じることはなく、より寸法精度の良い光学転写面が得られる。また、接合面に剥離が生じることがないので、信頼性が高く、長寿命の成形金型が得られる。

また、発明者らの詳細な検討により、転写面部３３，２３の反りが実用上許容される範囲内となり、また、接合面の剥離が生じない熱膨脹率の比は、０．８〜１．３の範囲であることが判明した。
従って、転写面部３３，２３のシリコン材の熱膨張率が、上述した４．２×１０^-6（Ｋ^-1）の場合には、コア材として、３．４〜５．５×１０^-6（Ｋ^-1）の熱膨脹率を有する金属材料を用いればよい。

工程の説明にもどり、転写面部３３，２３をコア３２，２２に接着した後、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により固着させた転写面部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、転写面部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により固着させた転写面部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、転写面部２３の先端にＣ面取りを行えば良い。

上記した転写面部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、この転写面部３３，２３により光学部品を成形した際にこの転写面部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、転写面部２３，３３をコア２２，３２に固着させた後に、転写面部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、転写面部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転写面部２３を接着した固定側コア２２及び転写面部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、転写面部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の各先端に転写面部２３及び転写面部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転写面部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転写面部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において、コアの先端に固着する転写面部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における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…転写面部、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…転写面部、３３ａ…光学転写面、
３３ｂ…上面、３３ｃ…下面、３３ｄ…外周面。

Claims

固定金型及び可動金型を有し、両金型同士を互いに対向させて型締めした際に形成されるキャビティ内に溶融樹脂を注入して光学部品を成形する成形金型であって、
前記固定金型及び可動金型の少なくとも一方に取り付けられたコアと、
前記光学部品の表面形状がエッチング処理により転写形成された転写面を有し、この転写面が前記キャビティの内部を臨むように前記コアに固着された転写面部と、を備え、
前記転写面部をシリコンにより形成すると共に、前記コアをコバールにより形成して成ることを特徴とする成形金型。
固定金型及び可動金型を有し、両金型同士を互いに対向させて型締めした際に形成されるキャビティ内に溶融樹脂を注入して光学部品を成形する成形金型であって、
前記固定金型及び可動金型の少なくとも一方に取り付けられたコアと、
前記光学部品の表面形状がエッチング処理により転写形成された転写面を有し、この転写面が前記キャビティの内部を臨むように前記コアに固着された転写面部と、を備え、
前記転写面部を形成する材料はシリコンであり、前記コアを形成する材料は、その熱膨脹係数が前記転写面部の熱膨脹係数に対して０．８〜１．３倍であることを特徴とする成形金型。