JP2007125780A - 成形用型及びその製造方法、熱可塑性素材の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス部材の成形面を除く部分を、該ガラス部材よりも熱伝導率の高い型基材で覆い加熱時間を短縮する。
【解決手段】成形用型１は、熱可塑性素材５の成形温度よりも高い歪点温度を有するガラス部材８、９を型として成形するもので、熱可塑性素材５を挟んで対向配置され、ガラス部材８、９の夫々の成形面８ａ、９ａを除く部分を夫々型基材６、７にて覆われた１対のガラス型２、３を有する。また、この１対のガラス型２、３を嵌挿するスリーブ型４を備えている。型基材６、７は、ガラス部材８、９よりも熱伝導率が高い材料からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラス型により熱可塑性素材を成形する成形用型及びその製造方法、熱可塑性素材の成形方法に関する。

従来、熱可塑性素材の成形技術として、対向配置された１対の型部材間に熱可塑性素材を配置し、これら１対の型部材と熱可塑性素材を加熱して軟化させ、該熱可塑性素材を押圧成形する手段が用いられている。

このような成形技術において、例えばガラスを型として用いた場合、ガラス無垢の型だと、金属に比してガラス自身の熱伝導率が悪いため、成形作業のサイクルタイムが伸び生産性が落ちてしまう。これに対し、単にサイクルタイムを短くしようとして、成形工程から冷却工程に急に移行すると、ガラスは引張応力に弱いため、ヒートショックで割れてしまう。

これに対し、例えば特許文献１には、光学素子の成形温度よりもガラス転移温度が高いガラス材料からなる型基材に、その型基材の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する超硬合金からなる棒状部材を一体に設け、かつ棒状部材の一部を型基材から突出させて、この棒状部材を成形時にプレスヘッドに接触させて成形する技術が開示されている。これにより、光学素子の成形時には、ガラスのみからなる型基材で成形するよりも、超硬合金を介して熱が移動するため加熱冷却がスムーズに進行し、成形時間を短縮できるというものである。
特開２００５−１２６２５８号公報（第３頁、図１）

しかしながら、特許文献１では、ガラス材料からなる型基材と、超硬合金からなる棒状部材との縦弾性係数（ヤング率）の差が大きいため、例えば冷却時には棒状部材よりも型基材の方が大きく収縮する。そして、この場合、ガラスは引張応力に弱いため、型基材に引張り応力が作用し該型基材が破損し易いという課題があった。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ガラス部材の成形面を除く部分を該ガラス部材よりも熱伝導率の高い型基材で覆うことで、加熱時間を短縮し、冷却時のヒートショックを防止し得る成形用型及びその製造方法、熱可塑性素材の成形方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、熱可塑性素材の成形温度よりも高い歪点温度を有するガラス部材を型として、前記熱可塑性素材を成形する成形用型において、
前記熱可塑性素材を挟んで対向配置され、前記ガラス部材の成形面を除く部分を型基材にて覆われた１対のガラス型と、
該１対のガラス型を嵌挿するスリーブ型と、を備え、
前記型基材は、前記ガラス部材よりも熱伝導率が高い材料からなる、ことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の成形用型において、
前記型基材と前記スリーブ型とは、線膨張係数が略等しい材料からなる、ことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の成形用型において、
前記型基材は、前記ガラス部材を嵌合可能な嵌合部を有する、ことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の成形用型において、
前記ガラス部材は、前記型基材よりも線膨張係数が大きく、
前記嵌合部に嵌合された前記ガラス部材は加熱されて膨張し、しまり嵌めで前記型基材に接合される、ことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、ガラス部材を型として用い、熱可塑性素材を成形する成形用型の製造方法において、
前記ガラス部材の成形面となる部分を除いて該ガラス部材を型基材に嵌合し、
該型基材に嵌合した前記ガラス部材とマスタ型を対向配置した状態でスリーブ型に嵌挿し、
前記ガラス部材と前記型基材を所定温度に加熱した状態で、前記マスタ型と前記ガラス部材を相対的に接近移動して前記ガラス部材に成形面を形成し、
この成形面の形成と略同時に、軟化した前記ガラス部材を型基材内で広がるようにして一体的に接合する、ことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の成形用型の製造方法において、
前記型基材は、前記ガラス部材よりも熱伝導率が高い材料からなる、ことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項５又は６に記載の成形用型の製造方法において、
前記ガラス部材は前記型基材よりも線膨張係数が大きく、加熱状態では前記ガラス部材が前記型基材内で膨張して、しまり嵌めで接合される、ことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項５〜７のいずれかに記載の成形用型の製造方法において、
前記マスタ型は、前記ガラス部材の前記成形面の冷却時の収縮誤差を打ち消す形状に形成されている、ことを特徴とする。

請求項９に係る発明は、ガラス部材を型として用いる熱可塑性素材の成形方法において、
前記ガラス部材を該ガラス部材よりも熱伝導率が高い型基材に嵌合してガラス型を形成し、このガラス型を１対として、前記熱可塑性素材を挟んで対向配置してスリーブ型に嵌挿し、
前記１対のガラス型と前記熱可塑性素材を所定温度に加熱した状態で、前記１対のガラス型を相対的に接近移動して前記熱可塑性素材を成形する、ことを特徴とする。

本発明によれば、ガラス部材の成形面を除く部分を覆う型基材は、前記ガラス部材よりも熱伝導率が高い材料からなるので、ガラス部材の成形面を除く部分を該ガラス部材よりも熱伝導率の高い型基材で覆うことで、加熱時間を短縮し、冷却時のヒートショックを防止することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の成形用型１の構成を示す図である。

同図において、成形用型１は、熱可塑性素材（ガラス、ポリエチレン、ポリカーボネイト等）５を挟んで対向する一対の上ガラス型２と下ガラス型３、及び該一対の上下ガラス型２、３を嵌挿するスリーブ型４を有している。この下ガラス型３とスリーブ型４は、ヒータを兼ねている台座１０上に載置されている。

上ガラス型２は、型基材６と該型基材６に形成された嵌合部１６に嵌合されたガラス部材８を有している。このガラス部材８は、略円柱形状をなしており、その成形面８ａは、熱可塑性素材５に形状を転写する凹面部と、その凹面部の外周に設けられた平面部とから構成されている。なお、本実施の形態では、熱可塑性素材５に形状を転写する面を凹面部としたが、これに限らず凸球面や非球面等としても良い。そして、この型基材６は、ガラス部材８の成形面８ａを除く側面及び底面を覆う有底筒状をなしている。また、同様に、下ガラス型３は、型基材７と該型基材７に形成された嵌合部１７に嵌合されたガラス部材９を有している。この型基材７は、ガラス部材９の成形面９ａを除く側面及び底面を覆う有底筒状をなしている。

本実施形態では、この型基材６、７は、ガラス部材８，９よりも熱伝導率が高く、かつスリーブ型４と線膨張係数が略等しい材料（例えばタングステン合金製）を用いている。また、ガラス部材８、９は、熱可塑性素材５の成形温度よりも高い歪点温度を有している。

上ガラス型２と下ガラス型３は、スリーブ型４の内部で、それぞれの成形面８ａ、９ａが対向するように当該スリーブ型４の両端側から嵌挿されている。本実施形態では、上ガラス型２がスリーブ型４の軸方向に摺動自在となっている。この上ガラス型２の上部には、該上ガラス型２を押圧する上下方向に移動可能でヒータも兼ねているプレス軸１３が配置されている。また、熱可塑性素材５は、ガラス部材９の成形面９ａ上に載置されている。なお、符号１１，１２は、型基材６、７の底面に形成した空気孔である。

また、図１は、室温での状態を示し、型基材６、７とガラス部材８，９との間に若干のクリアランス１４，１５を有している。これは、ガラス部材８，９の線膨張係数が型基材６、７の線膨張係数よりも大きい場合を例としたためであり、加熱時にはこのクリアランス１４，１５はなくなる。

この成形用型１を用いて熱可塑性素材５を成形する方法について説明する。
まず、図１に示すように、下ガラス型３をスリーブ型４に挿入し、これら下ガラス型３とスリーブ型４を台座１０に載置する。次いで、下ガラス型３の成形面２ａに熱可塑性素材５を載置し、更に上ガラス型２をスリーブ型４に挿入する。そして、この成形用型１を、図２に示す加熱ステージに移動させて、この加熱ステージにて熱可塑性素材５が軟化するような所定温度に加熱する。

この加熱工程では、上ガラス型２の上方に配置された上下方向に移動可能でヒータも兼ねているプレス軸１３を下降させ、型基材６の底面に接触させる。
このとき、型基材６、７は、ガラス部材８，９よりも熱伝導率が高い材料を用いているので、加熱源からの熱は、台座１０、プレス軸１３→型基材６、７→ガラス部材８，９→熱可塑性素材５へと早急に伝達される。このため、加熱時間を短縮することができる。

また、型基材６は、加熱されたプレス軸１３が直接、ガラス部材８に接触させないようにしているため、ガラス部材８が急激な温度変化によって割れることを防止することができる。

図３は、成形工程を示しており、この成形工程では、プレス軸１３を所定の加圧力で上ガラス型２を加圧して、加熱軟化した熱可塑性素材５を成形する。このとき、前述したように、型基材６、７とガラス部材８，９との間のクリアランス１４，１５が略ない状態で加圧するので、チルトやシフトのない高精度な成形品を得ることができる。

更に、図示しないが、冷却工程では、冷却ステージに移動させて、冷却されたプレス軸と台座により所定の保持圧で上ガラス型２を保圧しながら成形用型１を冷却する。このとき、加熱時と同様に、型基材６、７として、ガラス部材８，９よりも熱伝導率が高い材料を用いているので、冷却時間を短縮することができる。

また、加熱時と同様に、型基材６は、冷却されたプレス軸が直接、ガラス部材８に接触させないようにしているため、ガラス部材８が急激な温度変化によって割れることを防止することができる。
（第２の実施の形態）
図４〜図６は、成形用型２０の製造方法の実施の形態を示す図である。以下、この成形用型２０の製造方法について説明する。

まず、図４に示すように、台座２１に超硬合金等からなるマスタ型２２と、該マスタ型２２を挿嵌したスリーブ型２３を載置する。マスタ型２２は、後述するガラス型２６との対向面側に成形面２２ａを有している。次に、このマスタ型２２に対向するように、成形前のガラス型２６をスリーブ型２３に挿入する。このガラス型２６は、例えばタングステン合金製からなる型基材２４と、該型基材２４に保持された円柱形状のガラス部材２５を有している。この型基材２４は、ガラス部材２５の成形面２５ａとなる対向面２５ｂを除く、側面及び底面を覆う有底筒状をなしている。

マスタ型２２の成形面２２ａは、ガラス部材２５の成形面２５ａの冷却時の収縮誤差を打ち消す形状に、変形を見込んで形成されている。また、スリーブ型２３の内径と型基材２４の外径との嵌合クリアランスは、例えば５μｍ程度に加工し、熱間でもこのクリアランスが広がらないように、スリーブ型２３と型基材２４とは同じ材質で作成する。なお、符号３１はヒータである。

こうして、図５に示すように、台座２１上に、マスタ型２２とガラス型２６を挿入したスリーブ型２３をセットし、全体を加熱してプレス軸２７で押圧成形することにより、マスタ型２２の成形面２２ａがガラス部材２５に転写される。このとき、軟化したガラス部材２５が型基材２４内で広がって、ガラス部材２５と型基材２４が一体的に接合される。

これにより、図６に示すように、型基材２４とガラス部材２５とが一体的に接合したガラス型２６を有する成形用型２０を得ることができる。
以上において、室温では、ガラス部材２５は、型基材２４の嵌合部３２に所定のクリアランスを有して保持されている。型基材２４の線膨張率よりもガラス部材２５の線膨張率が大きいときは、加熱状態で図５に示したように、プレス軸２７を下降させて押圧すると、ガラス部材２５が側方（スリーブ型２３の方向）に広がって、成形される。なお、加熱状態では、このときガラスには粘弾性により内部応力は発生しない。

その後の冷却工程において、ガラス部材２５の収縮が型基材２４の収縮よりも大きいので、離型させないために型基材２４の嵌合部３２の内面又はガラス部材２５の外周部に、型基材２４とガラス部材２５とが安定して接合（一体化）される接合層を作るべく、酸化ケイ素、アルミナ、貴金属等によるコート処理を行う。

また、室温では、ガラス部材２５は、型基材２４の嵌合部３２に所定のクリアランスを有して保持されるが、型基材２４の線膨張率よりもガラス部材２５の線膨張率が小さいときは、加熱状態でプレス軸２７を下降させて成形すると、ガラス部材２５が側方（スリーブ型２３の方向）に広がって、上記クリアランスはなくなる。さらに冷却により、適度な嵌合状態となる。

以上において、型基材２４とガラス部材２５との接合をより確実にするために、図７に示すように、型基材２４の嵌合部３２の内側（ガラス部材２５と接合する面）を、逆テーパ状の内壁にすると良い。また、図８又は図９に示すように、型基材２４の嵌合部３２の内側（ガラス部材２５と接合する面）に、穴２９や突起３０を設けても良い。
（第３の実施の形態）
本実施の形態では、基材リング３５内に、所定のクリアランスをもってガラス部材３９を保持し、このガラス部材３９をマスタ型３７に押し当てて成形用型４０を得るものである。

すなわち、図１０に示すように、型基材３４を円筒形状の基材リング３５と円板形状の基材ベース３６に分け、基材リング３５とマスタ型３７の材料として、スリーブ型３８よりも線膨張率の大きな材料を用いる。このとき、スリーブ型３８内で、マスタ型３７の外周部と基材リング３５との間には、基材リング３５よりも薄肉のスペーサ４１が介装されている。

そして、マスタ型３７と基材リング３５等を加熱し、熱間でマスタ型３７と基材リング３５がスリーブ型３８としまり嵌めとなった状態で、基材ベース３６をプレス軸４２で押圧する。すると、軟化したガラス部材３９が基材リング３５内で広がって、マスタ型３７の成形面３７ａがガラス部材３９に転写され、該ガラス部材３９に成形面３９ａが形成される。

本実施の形態によれば、図１１に示すように、ガラス部材３９を、外径を基準としたマスタ型３７の偏心精度を劣化させずに、該マスタ型３７の成形面３７ａをガラス部材３９に転写して高精度な成形用型４０を得ることができる。

第１の実施の形態の成形用型の断面正面図である。 同上の加熱時の断面正面図である。 同上の成形時の断面正面図である。 第２の実施の形態の成形用型の製造方法の断面正面図である。 同上の成形時の部分断面正面図である。 同上の成形用型の断面正面図である。 同上の成形用型の断面正面図である。 同上の成形用型の断面正面図である。 同上の成形用型の断面正面図である。 第３の実施の形態の成形用型の製造方法の断面正面図である。 同上の成形用型の断面正面図である。

符号の説明

１ 成形用型
２ 上ガラス型
３ 下ガラス型
４ スリーブ型
５ 熱可塑性素材
６ 上型基材
７ 下型基材
８ ガラス部材
８ａ 成形面
９ ガラス部材
９ａ 成形面
１０ 台座
１６ 嵌合部
１７ 嵌合部
２０ 成形用型
２１ 台座
２２ マスタ型
２２ａ 成形面
２３ スリーブ型
２４ 型基材
２５ ガラス部材
２５ａ 成形面
２５ｂ 対向面
２６ ガラス型
２８ 内壁
２９ 穴
３０ 突起
３２ 嵌合部
３４ 型基材
３５ 基材リング
３６ 基材ベース
３７ マスタ型
３７ａ 成形面
３８ スリーブ型
３９ ガラス部材
３９ａ 成形面
４０ 成形用型

Claims (9)

1. 熱可塑性素材の成形温度よりも高い歪点温度を有するガラス部材を型として、前記熱可塑性素材を成形する成形用型において、
   前記熱可塑性素材を挟んで対向配置され、前記ガラス部材の成形面を除く部分を型基材にて覆われた１対のガラス型と、
   該１対のガラス型を嵌挿するスリーブ型と、を備え、
   前記型基材は、前記ガラス部材よりも熱伝導率が高い材料からなる、
   ことを特徴とする成形用型。
2. 前記型基材と前記スリーブ型とは、線膨張係数が略等しい材料からなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の成形用型。
3. 前記型基材は、前記ガラス部材を嵌合可能な嵌合部を有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の成形用型。
4. 前記ガラス部材は、前記型基材よりも線膨張係数が大きく、
   前記嵌合部に嵌合された前記ガラス部材は加熱されて膨張し、しまり嵌めで前記型基材に接合される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の成形用型。
5. ガラス部材を型として用い、熱可塑性素材を成形する成形用型の製造方法において、
   前記ガラス部材の成形面となる部分を除いて該ガラス部材を型基材に嵌合し、
   該型基材に嵌合した前記ガラス部材とマスタ型を対向配置した状態でスリーブ型に嵌挿し、
   前記ガラス部材と前記型基材を所定温度に加熱した状態で、前記マスタ型と前記ガラス部材を相対的に接近移動して前記ガラス部材に成形面を形成し、
   この成形面の形成と略同時に、軟化した前記ガラス部材を型基材内で広がるようにして一体的に接合する、
   ことを特徴とする成形用型の製造方法。
6. 前記型基材は、前記ガラス部材よりも熱伝導率が高い材料からなる、
   ことを特徴とする請求項５に記載の成形用型の製造方法。
7. 前記ガラス部材は前記型基材よりも線膨張係数が大きく、加熱状態では前記ガラス部材が前記型基材内で膨張して、しまり嵌めで接合される、
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の成形用型の製造方法。
8. 前記マスタ型は、前記ガラス部材の前記成形面の冷却時の収縮誤差を打ち消す形状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の成形用型の製造方法。
9. ガラス部材を型として用いる熱可塑性素材の成形方法において、
   前記ガラス部材を該ガラス部材よりも熱伝導率が高い型基材に嵌合してガラス型を形成し、このガラス型を１対として、前記熱可塑性素材を挟んで対向配置してスリーブ型に嵌挿し、
   前記１対のガラス型と前記熱可塑性素材を所定温度に加熱した状態で、前記１対のガラス型を相対的に接近移動して前記熱可塑性素材を成形する、
   ことを特徴とする熱可塑性素材の成形方法。