JP2008142954A - 無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法及び無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機 - Google Patents

Abstract

【課題】特に無機粒子が混合された樹脂材料を用いて成形を行うに際し、ショット間バラツキがなく寸法が安定し、部分的な性能バラツキのない成形品が得られると共に、スクリューに掛かる負荷抵抗を低減した射出成形方法及び射出成形機を得る。
【解決手段】摺動及び回動自在なスクリューと、先端にノズルを有し該スクリューの外側を覆うシリンダと、該シリンダ内に樹脂材料を供給可能なホッパと、を有する射出成形機を用い、樹脂材料をホッパからシリンダ内に供給する工程、樹脂材料をシリンダとスクリューの外周部との間を通過させる工程、及び、スクリューの摺動により樹脂材料をノズルから金型内へ射出する工程と、を有する無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法で、樹脂材料をシリンダとスクリューの外周部との間を通過させる工程において、樹脂材料をスクリューから発せられる熱で加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は射出成形機に関し、特にガラス転位点温度が高く、粘性の高い材料の成形に適した射出成形機及び射出成形方法に関するものである。

従来より、先端にノズルを有するシリンダにスクリューを摺動回動自在に内蔵し、シリンダの外周面にヒーターを設けた射出成形機が知られている。

このような射出成形機の機構は、シリンダとスクリューとノズルとで構成される。シリンダ外周には成形用の原料である粒状又は粉体の樹脂を溶融する電熱器が設けられ、ホッパから入ってくる原料をシリンダ内で溶融する。シリンダ内には回転運動及びピストン運動が可能なスクリューが設けられる。溶融された原料はそのスクリューの回転で更に攪拌、溶融、練合及び押出作用を受ける。金型への射出注入はそのスクリューをピストン運動させることによる圧縮圧力により金型へ注入し、所望の形状の製品が成形される。

また、上記の構成の射出成形機の溶融樹脂の射出時の逆流防止及び実効スクリュー長さの確保を目的として、内周面と外周面で方向の異なる螺旋が形成された円筒状のスクリューを軸方向に動かすことなく回動させることで蓄圧室に溶融樹脂を送り込み、内側に設けられたヒーターカートリッジを有するプランジャーを往復摺動させることで、蓄圧室内の溶融樹脂をノズルを介して金型へ射出する成形機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この射出成形機においては、スクリューの外側に設けられた外側スクリューによりホッパから供給された原材料をノズルとは反対方向に送り、スクリューの内側に設けられた内側スクリューによりノズル方向へ送り出す構成とすることで、実効スクリュー長さを確保している。この際、シリンダの外側に設けたヒータと、プランジャー内側に設けたヒータにより同時に加熱を行っている。
特開平６−１２６７９２号公報 国際公開番号Ｗ００５／００６３２２号

光ピックアップ装置等の精密な光学装置に用いられる光学素子としては、ガラスレンズや樹脂製のレンズが知られている。ガラスレンズに比較して、樹脂製のレンズは射出成形により製造可能であり低コストで製造できる為、樹脂製のレンズが特に好まれる。特に、光ピックアップ装置用の対物レンズはフォーカシング特性、トラッキング特性を良好にするため、光軸方向や光軸と垂直な方向に駆動される必要がある為、軽量化が求められており、このため樹脂材料を用い射出成形によって製作されることが望まれている。しかしながら、樹脂製レンズは軽量であるが、光ピックアップ装置の光学素子として用いられた場合、温度変化に対し屈折率が変化してしまう為、それに伴う収差変化が問題となる場合があった。

この問題に対し、近年、樹脂材料中に十分に小さい無機粒子を混合させることで、透明性を保ちながら樹脂材料の屈折率の温度変化を小さく抑える技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特に、温度変化に伴う屈折率変化ｄｎ／ｄｔが互いに逆符号となる樹脂材料と無機粒子を混合することで樹脂材料の屈折率変化を抑えることが提案されている。

一方、発明者らの鋭意検討の結果、無機粒子を混合させた樹脂材料は、無機粒子を混合しない樹脂材料に比較して、ガラス転位点温度が高い、粘性が高い、熱伝導率が高い、という特性を有することが判明した。

上記特許文献１に記載された成形機で、無機粒子を混合させた樹脂材料を用いて成形を行った場合、材料の粘性が高いため、内周面及び外周面の２重に形成されたスクリューでは、材料の粘性が高いためスクリューに掛かる負荷抵抗が大きくなってしまう問題が発生することがわかった。また、また、多数の構成部材を有する複雑な構成であるが故に、成形機内の部分的な温度のバラツキが大きくなり、熱伝導率が高い無機粒子混合樹脂材料を成形する場合、温度の低い部分で更に粘度が上がり、スクリューが回転が困難になったり、場所によって異なる熱履歴を有する為、成形物の性質が部分的に異なってしまうという問題が発生することがわかった。更に、樹脂材料がシリンダとスクリューの外周の間にあるときはシリンダ外周のヒータにより加熱され、スクリューの内周とプランジャーの間にあるときはプランジャーのヒーターにより加熱される構成である為、やはり樹脂材料の温度安定性が悪く、成形品質やショット間バラツキが大きくなることがわかった。また、スクリューで温度が冷やされた樹脂材料がスクリューに付着し、滞留することで樹脂材料に部分的に長時間熱がかかることとなり、変性、変色、微粒子の凝集等の問題が発生することが判明した。更に、樹脂材料の熱履歴が大きく異なることになる結果、光ピックアップ装置用の光学素子のような高い精度が求められる成形物に用いた場合は、部分的な性能のバラツキが問題となることがわかった。

本発明は上記問題に鑑み、特に無機粒子が混合された樹脂材料を用いて成形を行うに際し、安定した可塑化状態を得て、ショット間バラツキのなく寸法が安定しており、部分的な性能のバラツキもない成形品が得られると共に、スクリューに掛かる負荷抵抗を低減できる無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法及び無機材料混合樹脂材料用の射出成形機を得ることを目的とするものである。

上記の目的は、下記に記載する発明により達成される。

１．摺動及び回動自在なスクリューと、先端にノズルを有し該スクリューの外側を覆うシリンダと、該シリンダ内に無機粒子が混合された樹脂材料を供給可能なホッパと、を有する射出成形機を用い前記樹脂材料を前記ホッパから前記シリンダ内に供給する工程、前記樹脂材料を前記シリンダと前記スクリューの外周部との間を通過させる工程、及び、前記スクリューの摺動により前記樹脂材料を前記ノズルから金型内へ射出する工程と、を有する無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法であって、前記樹脂材料を前記シリンダと前記スクリューの外周部との間を通過させる工程において、前記樹脂材料を前記スクリューから発せられる熱で加熱することを特徴とする無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法。

２．前記樹脂材料を前記シリンダと前記スクリューの外周部との間を通過させる工程において、更に、前記樹脂材料を前記シリンダから発せられる熱で加熱することを特徴とする１に記載の無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法。

３．摺動及び回動自在なスクリューと、先端にノズルを有し該スクリューの外側を覆うシリンダと、該シリンダ内に無機粒子が混合された樹脂材料を供給可能なホッパと、を有し、前記樹脂材料を前記シリンダと前記スクリューの外周部との間を通過させ、前記スクリューの摺動により前記樹脂材料を前記ノズルから金型に射出するよう構成された無機粒子混合材料成形用射出成形機であって、前記スクリュー内に第１の発熱部が設けられていることを特徴とする無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。

４．前記シリンダの外部に、前記シリンダを介してシリンダ内を加熱可能な第２の発熱部が設けられていることを特徴とする３に記載の無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。

５．前記シリンダの外部に、保温材が設けられていることを特徴とする３に記載の無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。

６．前記第１の発熱部は、前記スクリューの内部に設けられたコイル状、棒状もしくは筒状のヒータであることを特徴とする３〜５のいずれかに記載の無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。

７．前記第１の発熱部は、前記スクリューの内部を加熱された液状物が循環させられるものであることを特徴とする３〜５のいずれかに記載の無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。

驚くべきことに、上記１．の構成によれば、無機粒子混合樹脂材料を成形する際の、スクリューへの樹脂材料の付着、スクリュー付近における樹脂材料の滞留等の問題が起こらず、安定した可塑化状態を得て、ショット間バラツキがなく寸法が安定しており、部分的な性能のバラツキもない成形品が得られると共に、スクリューに掛かる負荷抵抗を低減できる無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法を得ることが可能となった。特に、光ピックアップ装置用の光学素子のような精密な光学系に用いられる光学素子を成形する場合に、部分的な性能のバラツキがなく、収差が低減された光学素子を得ることが可能な射出成形方法を得ることができる。

上記２．の構成によれば、更にシリンダ側からも加熱することにより、より均一に加熱を行うことができる為、更に部分的な性能のバラツキのない成形物を得ることができる射出成形方法が得られる。

上記３．の構成によれば、上記１．と同様の効果を得ることができる無機粒子混合樹脂材料用の射出成形機を得ることができる。

上記４．の構成によれば、上記２．と同様の効果を有する射出成形機が得られる。

上記５．の構成によれば、前記シリンダ外部に保温材を設けることにより、より安定して樹脂材料を加熱することができる。

上記６．の構成によれば、簡易な構成でスクリュー内部に発熱部を設けることができる。

上記７．の構成によれば、簡易な構成でスクリュー内部に発熱部を設けることができるとともに、発熱部の故障によりスクリューを交換する必要がない為、長期間使用できる射出成形機を得ることができる。

以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

まず、本実施の形態に係る射出成形機を説明する。

図１は、本実施の形態に係る射出成形機の概略を示す模式断面図である。

同図において、１は射出成形機であり、この射出成形機１において、１１はシリンダ、１２はスクリュー、１３は逆流防止弁、１４はホッパ、１６はノズルである。なお、不図示であるが、スクリュー１２には、シリンダ１１内で回転させるためのモータ及び摺動させるための油圧シリンダが連結されており、回転、摺動が可能となっている。

２は金型であり、この金型２において、２１は固定側の金型部、２２は可動側の金型部、２３は突き出し部である。

本実施の形態における射出成形機１のスクリュー１２内には、第１の発熱部１７が組み付けられており、また、シリンダ１１の外周にはバンド状の第２の発熱部１８が設置されている。このスクリュー１２内に組み付けられた第１の発熱部１７及びシリンダ１１の外周の第２の発熱部１８により、ホッパ１４から供給される樹脂材料１５を加熱するようになっている。本実施の形態においては、シリンダ１１の外部に第２の発熱部１８を設けているが、第２の発熱部１８の替わりに、シリンダ外周を保温材で覆う構成であってもよい。

スクリュー１２内に設けられる第１の発熱部１７としては、コイル状、板状、棒状もしくは筒状等のヒータを用いることも可能であるし、加熱された液状物、例えば油を循環させることでスクリュー１２を加熱する構成としてもよい。ヒータとしては特に制限はなく、従来公知のボビン式ヒータ、コイル式ヒータ、マイカヒータ、スペースヒータ、石英管ヒータ等を用いることができる。シリンダ１１の外部に設けられる第２の発熱部１８としては、特に制限はなく、帯状のヒータでシリンダを覆う構成、長尺状のヒータを複数設置する構成、長尺状のヒータをシリンダ外部にコイル状に巻きつける構成等が挙げられる。

ホッパ１４から供給される無機粒子混合樹脂材料１５は、スクリュー１２とシリンダ１１の間を、スクリュー１２の回転によりノズル１６方向に移動する際に、第１の発熱部１７によるスクリュー１２から発せられる熱及び、第２の発熱部１８によるシリンダ１１の外周から発せられる熱と、スクリューの回転による剪断発熱により可塑化溶融、混練がなされるようになっている。本実施の形態においては、無機粒子と樹脂材料を単一のホッパ１４から供給される構成とされているが、無機粒子供給用のホッパと樹脂材料供給用のホッパを別途設けて、シリンダ１１内で混合される構成とすることも可能である。

図２は、本実施の形態に係る射出成形機１の動作の概略を示す図である。同図（ａ）は金型の型締め時の状態、同図（ｂ）は金型へ樹脂を射出する状態、同図（ｃ）は金型を冷却する状態、同図（ｄ）は成形品の離型時の状態を示している。同図は、説明の重複を避けるため、同機能部材には同符号を付与して説明する。

同図（ａ）に示す金型２が油圧により閉じられた型締状態において、スクリュー１２は不図示のモータにより図示矢印方向に回転させられている。ホッパ１４から供給される無機微粒子混合樹脂材料１５は、スクリュー１２とシリンダ１１の間を通過する際に、スクリュー１２の内側に組み付けられた第１の発熱部１７及びシリンダ１１の外周のバンド状の第２の発熱部１８により加熱されると共に、スクリューの回転による剪断発熱により可塑化溶融、混練がなされる。このとき、シリンダ１１の内部のスクリュー１２の先端とノズル１６の間に、溶融した無機粒子混合樹脂材料１５が滞留する。

次いで、同図（ｂ）に示すように、スクリュー１２を図示矢印方向に摺動させ、ノズル１６から金型２内へ溶融した無機粒子混合樹脂材料１５を射出する。このスクリュー１２の摺動は、不図示の油圧シリンダにより行われる。この後、スクリュー１２の摺動の上死点で所定時間停止させて保圧状態を維持する。

この後、同図（ｃ）に示すように、スクリュー１２を図示矢印Ａ方向に回転させると共に、図示矢印Ｂ方向にスクリュー１２の摺動の下死点まで摺動させる。この時、金型２は冷却状態とされ、金型２内の無機粒子混合樹脂材料１５は金型の形状が転写された状態で固化する。

更にこの後、同図（ｄ）に示すように、可動側の金型部２２が固定側の金型部２１から離間し、突き出し部２３により、製品である成形品３０が離型されて、１回の成形が終了する。

以上の動作を繰り返すことにより、射出成形機１と金型２により、連続的に射出成形が行われる。

このように、無機粒子混合樹脂材料１５をスクリュー１２とシリンダ１１の間を一方向に通過するよう構成し、スクリュー１２内に設けられた第１の発熱部１７により加熱することで樹脂ペレットを安定して溶融、混練、射出することが可能となった。更に、シリンダ１１の外周に組み付けられた第２の発熱部１８を設けることにより、スクリュー及びシリンダから発せられる熱の双方から加熱するよう構成することで、樹脂ペレットに対する加熱部の接触面積が大きくなり、溶融が容易となると共に、樹脂材料の温度分布を均一とすることができる。この可塑化の安定化により、ショット間バラツキを抑制することができ、成形品質の安定化を可能にできる。

また、上記のような構成とすることにより、特にガラス転位点温度、粘性、熱伝導率が高い等の性質を有する無機粒子混合樹脂材料を使用した成形に際し、安定した可塑化状態を得ることができ、ショット間バラツキがなく寸法が安定しており、部分的な性能のバラツキもない成形品が得られると共に、スクリューに掛かる負荷抵抗を低減できる無機粒子混合樹脂材料の射出成型方法及び無機材料混合樹脂材料用の射出成形機を得ることが可能となる。

なお、無機粒子混合樹脂材料に分散される無機粒子としては、特に制限はないが、以下のようなものが上げられる。

例えば、フッ化バリウム、ダイアモンド、炭酸カルシウム、フッ化カルシウム、臭化セシウム、臭化セシウム、沃化セシウム、臭化カリウム、塩化カリウム、フッ化カリウム、沃化カリウム、リン酸チタンカリウム、ホウ酸リチウム、フッ化リチウム、沃素酸リチウム、アルミン酸リチウム、臭化ナトリウム、塩化ナトリウム、フッ化ナトリウム、沃化ナトリウム、石英、硫化亜鉛等である。

また、無機粒子として酸化物微粒子も挙げられる。より具体的には、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化ベリリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化錫、酸化鉛等である。

さらに無機粒子として複合金属化合物も挙げられる。より具体的には、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＰＬＺＴ〔（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３〕、ＬｉＡｌＳｉＯ４、Ｓｃ２Ｗ３Ｏ１２、ＰｂＴｉＯ３、Ｌｕ２Ｗ３Ｏ１２、ＺｒＷ２Ｏ８、ＡｌＰＯ４等である。

なお、これらの無機粒子は２種類以上の粒子を併用しても良く、また同一粒子内にこれらの中から２種類以上の成分が存在しても良い。また、レンズの光線透過率を損なわないようにするために、これらの無機粒子の平均粒径は４０ｎｍ以下であることが好ましい。

なお、上記の実施の形態では、スクリューの内側とシリンダの外周とにヒーターが配置された最も好ましい例で説明したが、スクリューの内側にヒーターが組み付けられ、シリンダの外周には保温材を設けた射出成形機でも同様の効果を得ることができる。

本実施の形態に係る射出成形機の概略を示す模式断面図である。 本実施の形態に係る射出成形機の動作の概略を示す図である。

符号の説明

１ 射出成形機
２ 金型
１１ シリンダ
１２ スクリュー
１３ 逆流防止弁
１４ ホッパ
１５ 樹脂材料
１６ ノズル
１７ 第１の発熱部
１８ 第２の発熱部
２１ 金型部（固定側）
２２ 金型部（可動側）
２３ 突き出し部
３０ 成形品

Claims (7)

1. 摺動及び回動自在なスクリューと、先端にノズルを有し該スクリューの外側を覆うシリンダと、該シリンダ内に無機粒子が混合された樹脂材料を供給可能なホッパと、を有する射出成形機を用い前記樹脂材料を前記ホッパから前記シリンダ内に供給する工程、前記樹脂材料を前記シリンダと前記スクリューの外周部との間を通過させる工程、及び、前記スクリューの摺動により前記樹脂材料を前記ノズルから金型内へ射出する工程と、を有する無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法であって、
   前記樹脂材料を前記シリンダと前記スクリューの外周部との間を通過させる工程において、
   前記樹脂材料を前記スクリューから発せられる熱で加熱することを特徴とする無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法。
2. 前記樹脂材料を前記シリンダと前記スクリューの外周部との間を通過させる工程において、更に、前記樹脂材料を前記シリンダから発せられる熱で加熱することを特徴とする請求項１に記載の無機粒子混合樹脂材料の射出成形方法。
3. 摺動及び回動自在なスクリューと、先端にノズルを有し該スクリューの外側を覆うシリンダと、該シリンダ内に無機粒子が混合された樹脂材料を供給可能なホッパと、を有し、前記樹脂材料を前記シリンダと前記スクリューの外周部との間を通過させ、前記スクリューの摺動により前記樹脂材料を前記ノズルから金型に射出するよう構成された無機粒子混合材料成形用射出成形機であって、
   前記スクリュー内に第１の発熱部が設けられていることを特徴とする無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。
4. 前記シリンダの外部に、前記シリンダを介してシリンダ内を加熱可能な第２の発熱部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。
5. 前記シリンダの外部に、保温材が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。
6. 前記第１の発熱部は、前記スクリューの内部に設けられたコイル状、棒状もしくは筒状のヒータであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。
7. 前記第１の発熱部は、前記スクリューの内部を加熱された液状物が循環させられるものであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の無機粒子混合樹脂材料成形用射出成形機。

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