JP2009113423A - 射出成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却歪の発生を押え、さらにウエルド形成を抑制して精度の高い光学レンズなどの成形品が得られ、しかも成形時の付帯設備などに特別な装置を必要としない射出成形用金型を提供する。
【解決手段】断熱層３ａ、３ｂは、キャビティ１内に形成される成形品である光学レンズの厚みに対応させて、最も厚みの大きな中央部の厚みＤ１に対してｄ１及びｄ２、また、厚みの薄い外周部の厚みＤ２に対してｄ３、ｄ４となるように、ｄ１、ｄ２はｄ３、ｄ４より薄く形成され、光学レンズの外形に沿ってｄ１、ｄ２から漸次、連続的に厚くなるように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラスチック樹脂を溶融した溶融樹脂を固定型と可動型とを閉塞し形成されたキャビティに射出して固化させる射出成形用金型に関する。

従来、光学素子、例えば、ミラー、レンズ、或いはプリズム等のプラスチック光学素子の射出成型においては、成形品の厚みが内周部と外周部で違いがあるために、成形時の冷却に差異が生じ、冷却ひずみにより形状の変化や内部応力の偏在で複屈折率の変化が発生する。また、射出速度はあまり速く出来ないので厚み差のために溶融樹脂の流れの違いが出てウエルドを発生しやすく、光学特性を損なうことが多い。
このような問題に対処するために、光学部品の射出成形において、キャビティ内に理想的な温度勾配を作り出すために、キャビティ周囲に温度制御された流体（エアー）を流し、成形品の中心部から先に冷却されるようにし、外周部は保温効果をもたせて、その状態で金型全体を冷却固化し、冷却に伴う体積収縮をキャビティ周縁部に配した圧縮リング機構で成形樹脂を圧縮し、ヒケの発生を防ぐものが提案されている。（例えば、特許文献１参照）
また、レンズの射出成形において鏡面にウエルドやひけ発生を押え、且つ低複屈折となるように、コア面を金属薄膜層と断熱層で構成し、コアの周囲に高周波誘導加熱コイルを配した金型構成としたものも提案されている。（例えば、特許文献２参照）
特開２００６−６９０２３公報 特開２０００−２４６７６９公報

しかしながら、特許文献１記載のものでは、金型キャビティ内温度の正確な検出とそれに伴った冷却媒体の正確な温度制御及び流量制御が必要となり、成形に必要な金型構造も含めた付帯設備にコストがかかるという問題がある。
また、特許文献２記載のものでも、レンズ面に沿って均一厚みで金属薄膜層と断熱層が構成され、金属薄膜層を高周波誘導加熱コイルにより加熱して充填された樹脂表面温度を昇温させるものであるために、冷却はレンズの中央部と外周部等の厚さの差異によって時間的な違いが生じ、均一な冷却ができず、レンズ形状の変化や内部応力の偏在が発生する。さらに、高周波誘導加熱装置の使用により付帯設備費用が高くなるという問題がある。
本発明は、上記実情を考慮してなされたものであり、冷却歪の発生を押え、さらにウエルド形成を抑制して精度の高い光学レンズなどの成形品が得られ、しかも成形時の付帯設備などに特別な装置を必要としない射出成形用金型を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、溶融樹脂を固定型と可動型とを閉塞し形成されたキャビティに射出して固化させる射出成形用金型において、前記キャビティは、金型母材、断熱層及び金型表面層により積層された入り子で形成されており、前記断熱層は、前記キャビティ内に形成される成形品の厚みに対応させて当該成形品の厚みが厚い部分で薄く、当該成形品の厚みが薄い部分で厚くなるように、該断熱層の厚みを変化させたことを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１記載の射出成形用金型において、前記断熱層は、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１記載の射出成形用金型において、前記断熱層は、セラミックスで形成されていることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１項記載の射出成形用金型において、前記断熱層は、前記成形品の厚みに対応させて連続的に厚みを変化させていることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れか１項記載の射出成形用金型において、前記金型表面層は、前記金型母材に比較して熱伝導率が高い部材により構成されているであることを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項５記載の射出成形用金型において、前記金型表面層は、前記成形品の厚みに対応させて当該成形品の厚みが厚い部分で薄く、当該成形品の厚みが薄い部分で厚くなるように、厚みを変化させたことを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項１乃至６の何れか１項記載の射出成形用金型において、前記成形品は、光学レンズであることを特徴とする。

本発明によれば、前記キャビティは、金型母材、断熱層及び金型表面層の順で積層されて形成された入り子で形成されており、前記断熱層は、前記キャビティ内に形成される成形品の厚みに対応させて当該成形品の厚みが厚い部分で薄く、当該成形品の厚みが薄い部分で厚くなるように、厚みを変化させることによって、冷却歪の発生を押え、さらにウエルド形成を抑制して精度の高い光学レンズなどの成形品が得られ、しかも成形時の付帯設備などに特別な装置を必要としない射出成形用金型を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明による一実施形態のプラスチック光学凸面レンズの射出成型用金型の概略構成を示す断面図である。本実施形態の射出成形用金型は、固定型５と可動型６を備えており、可動型６を固定型５に対して矢印Ａ方向に移動させて固定型５と可動型６とを閉塞させてキャビティ１を形成している。そして、このキャビティ１内に溶融したプラスチック樹脂を射出、固化してプラスチック光学レンズを成型し、分割面５ａ１と６ａ１で矢印Ａ方向に型開きを行って、プラスチック光学レンズ成型品を取り出すようになっている。なお、本実施形態における射出成形用金型においては、図では省略しているが、温度調節手段により温度制御された可動側型板、固定側型板等を備えている。
キャビティ１を構成する固定型５と可動型６の入子５ａ、６ａは、それぞれ、ＳＴＡＶＡＸやＨＰＭ３８等の金型鋼材からなる金型母材４ａ、４ｂ上に、例えば、ポリイミド等の熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を被着して積層された断熱層３ａ、３ｂが形成されている。断熱層３ａ、３ｂの中央部には、成形品となるレンズ形状に沿った球面状の凹部３ａ１及び３ｂ１がエッチング等の方法で形成されており、さらに、この断熱層３ａ、３ｂ上には、成形品となるレンズの外形を形成するニッケル金属等の金型母材４ａ、４ｂより熱伝導率が高く比熱の低い金属からなる金型表面層２ａ、２ｂが形成されている。

断熱層３ａ、３ｂは、キャビティ１内に形成される成形品である光学レンズの厚みに対応させて、図１に示すように、最も厚みの大きな中央部の厚みＤ１に対してｄ１及びｄ２、また、厚みの薄い外周部の厚みＤ２に対してｄ３、ｄ４となるように、ｄ１、ｄ２はｄ３、ｄ４より薄く形成され、光学レンズの外形に沿ってｄ１、ｄ２から漸次、連続的に厚くなるように形成されている。従って、キャビティ１内に射出された樹脂と金型表面層２ａ、２ｂが接触すると、樹脂温度（ポリカーボネート材の場合は、３００〜３３０℃）は金型に吸収されて温度低下するが、金型表面層２ａ、２ｂの熱は、下層に設けた断熱層３ａ、３ｂによって金型母材４ａ、４ｂへの伝熱を遮られるので金型表面層２ａ、２ｂに滞留し金型表面層２ａ、２ｂの温度が上昇する。この金型表面層２ａ、２ｂの上昇する温度は、断熱層３ａ、３ｂの層厚が厚いほど高くなるので、キャビティ１形状の周辺部に配置した断熱層３ａ３１、３ｂ３の層厚を厚くしておくことでキャビティ１の中央部の金型表面層２ａ１、２ｂ１より周辺部の金型表面層２ａ２、２ｂ２の温度が高くなる。

キャビティ１内に充填された樹脂は、次に金型内への熱伝導により冷却されるが、断熱層の層厚をレンズ形状に沿って、中央部の断熱層３ａ２、３ｂ２の層厚を厚く、周辺部３ａ３、３ｂ３の層厚を薄くすると、周辺部の薄いところが早く冷却され、中央部の冷却が遅れる。しかし、本実施形態に係る金型では、周辺部の断熱層３ａ３、３ｂ３の層厚を厚く、中央部の断熱層３ａ２、３ｂ２を薄く形成させることにより、周辺部の熱伝導が中央部での熱伝導に比べて小さく、冷却が遅れるので成形品内部の温度が略均一に冷却されることになる。従って、樹脂の充填時には、断熱層３ａ、３ｂの厚い周辺部３ａ３、３ｂ３の表面温度が高くなり、充填時期の遅れに伴う成形品の周辺部へのウエルドの生成を抑制することが可能となる。また、樹脂の冷却時には、断熱層３ａ、３ｂの厚い周辺部３ａ３、３ｂ３の熱伝導を遅らせることで成形品内部温度が均一に冷却されることになるので、ウエルド発生の抑制された冷却歪の発生の抑制された高精度のレンズ成形品を提供することが可能となる。
また、断熱層３ａ、３ｂの材質として、ポリイミド等の熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を使用する場合には、金型母材４ａ、４ｂ上に積層することにより、断熱効果の優れた金型入子を提供することが可能となり、成形品内部温度をより均一に冷却することが可能となる。

本実施形態の射出成形用金型においては、前述の断熱層３ａ、３ｂの層厚を調製するために、金型母型４ａ、４ｂの中央部からキャビティ１の周辺部を越えた領域に亘って突出した球面状の突出部４ａ１、４ｂ１が形成されており、この突出部４ａ１、４ｂ１の突出面に沿って断熱層３ａ、３ｂが形成されている。従って、この突出部４ａ１，４ｂ１によって、キャビティ１を取り巻く領域における断熱層３ａ、３ｂの層厚を適正に調節することが可能となり、成形品の内部温度の調整をより精度良く行うことができる。このように、断熱層３ａ、３ｂの層厚を連続的に変化させる方法として、成形品が厚い部分は、予め比較的加工の容易な金型母材４ａ、４ｂにおいて、断熱層３ａ、３ｂの中央部３ａ２、３ｂ２の層厚が薄くなるように金型母材４ａ、４ｂの中央部の層厚を厚くし、金型母材４上に断熱層３ａ、３ｂを積層した後、成形品形状に合わせて断熱層３ａ、３ｂの表面を仕上げることによって、樹脂充填時及び冷却工程におけるキャビティ１の表面の温度勾配を抑え、均一な温度分布を実現することが可能であり、冷却歪およびウエルドの発生を抑えることができる。

次に、本発明による他の実施形態の射出成形用金型について、図２に基づいて説明する。図２は、本発明による他の実施形態の射出成形用金型の概略構成を示す図であり、図１で示す実施形態と同一構成については、同一符号を付し、説明は省略する。
この実施形態においては、前述の図１で示す実施形態とは、断熱層の材質として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等のセラミックス材を使用している点が相違している。そして、このようなセラミックス材をＣＶＤ法またはスパッタリング法などで金型母材４ａ、４ｂ上に積層し、中央部を切削、研磨してキャビティ１の形状に沿った凹部が形成されて断熱層３ａ、３ｂが形成されている。このようなセラミックス材で断熱層３ａ、３ｂを形成したときには、前述の熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂からなる断熱層に比べ硬度が高く、機械的強度を強めることができる。

さらに、本実施形態の射出成形用金型においては、図２に示すように、断熱層３ａ、３ｂの表面を仕上げる際に、成形品の厚みが薄い周辺部２ａ２、２ｂ２においては金型表面層２ａ、２ｂの層厚を厚くし、成形品の厚みが厚い中央部２ａ１、２ｂ１においては金型表面層２ａ、２ｂの層厚が薄くなるように加工時に補正している。このような補正を行うことで仕上げ金型表面層２ａ、２ｂの厚さを連続的に変化させることが可能であり、樹脂充填時及び冷却工程におけるキャビティ１の表面の温度勾配を抑え、均一な温度分布を実現することが可能であり、冷却歪およびウエルドの発生を抑えることができる。
このように、成形品が薄い部分においては金型表面層２ａ、２ｂが厚く、成形品が厚い部分においては金型表面層２ａ、２ｂが薄く且つ断熱層３ａ、３ｂが薄くなるように、金型表面層２ａ、２ｂに対しては断熱層３ａ、３ｂの形状を補正し、断熱層３ａ、３ｂの厚さに関しては、金型母材４ａ、４ｂの形状を厚くすることで成形品形状に合わせて金型表面層２ａ、２ｂ及び断熱層３ａ、３ｂを相反する厚みとすることが可能であり、樹脂充填時及び冷却工程におけるキャビティ１表面の温度勾配を抑え、均一な温度分布を実現することが可能であり、冷却歪およびウエルドの発生を抑えることができる。

本発明による一実施形態の射出成形用金型の概略構成を示す断面図である。 本発明による他の実施形態の射出成形用金型の入り子の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１ キャビティ、２ａ、２ｂ 金型表面層、２ａ１、２ｂ１ 金型表面層中央部、２ａ２、２ｂ２ 金型表面層周辺部、３ａ、３ｂ 断熱層、３ａ１，３ｂ１ 断熱層凹部、３ａ２、３ｂ２ 断熱層中央部、３ａ３、３ｂ３ 断熱層周辺部、４ａ、４ｂ 金型母材、４ａ１，４ｂ１ 突出部、５ 固定型、５ａ 固定型入り子、６ 可動型、６ａ 可動型入り子

Claims (7)

1. プラスチック樹脂を溶融した溶融樹脂を固定型と可動型とを閉塞し形成されたキャビティに射出して固化させる射出成形用金型において、
   前記キャビティは、金型母材、断熱層及び金型表面層により積層された入り子で形成されており、前記断熱層は、前記キャビティ内に形成される成形品の厚みに対応させて当該成形品の厚みが厚い部分で薄く、当該成形品の厚みが薄い部分で厚くなるように、該断熱層の厚みを変化させたことを特徴とする射出成形用金型。
2. 請求項１記載の射出成形用金型において、
   前記断熱層は、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする射出成形用金型。
3. 請求項１記載の射出成形用金型において、
   前記断熱層は、セラミックスで形成されていることを特徴とする射出成形用金型。
4. 請求項１乃至３の何れか１項記載の射出成形用金型において、
   前記断熱層は、前記成形品の厚みに対応させて連続的に厚みを変化させていることを特徴とする射出成形用金型。
5. 請求項１乃至４の何れか１項記載の射出成形用金型において、
   前記金型表面層は、前記金型母材に比較して熱伝導率が高い部材により構成されているであることを特徴とする射出成形用金型。
6. 請求項５記載の射出成形用金型において、
   前記金型表面層は、前記成形品の厚みに対応させて当該成形品の厚みが厚い部分で薄く、当該成形品の厚みが薄い部分で厚くなるように、該金型表面層の厚みを変化させたことを特徴とする射出成形用金型。
7. 請求項１乃至６の何れか１項記載の射出成形用金型において、
   前記成形品は、光学レンズであることを特徴とする射出成形用金型。

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