JP2010058461A - 光学部品製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エジェクタピンの先端面をレンズ部等の光学機能面を転写する成形面として利用する光学部品の製造装置において、板状本体の面上に複数のレンズ部を有したマイクロアレイレンズのような光学部品を転写性よく、成形品離型時における変形、反りを抑制しつつ射出成形する。
【解決手段】固定側金型２に向けて進退可能に構成され金型閉止時に第１のキャビティ３と連通することにより光学部品成形用のキャビティ本体Ｃを形成する第２のキャビティ１１を有した可動側金型１０と、可動側金型を貫通し且つ一端を第２のキャビティの成形面に開口させた複数のエジェクタピン挿通穴２０と、該各エジェクタピン挿通穴内に進退自在に支持されて一端面を一端開口から第２のキャビティ内に突出可能に構成されたエジェクタピン２５、３０と、複数のエジェクタピンのうちの光学部品の光学機能面に対応する位置にある成形・離型兼用エジェクタピン２５の先端部に光学機能面形成部２５ａを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、高度な寸法精度が要求されるプラスチックレンズ等の樹脂製光学部品を射出成形用金型を用いて成形する光学部品の製造装置の改良に関し、特に樹脂製光学部品を成形する場合に、レンズ等の光学機能面の表面形状及び微細形状の転写性を向上させると共に、成形品離型時における変形、反りを抑制できるようにした光学部品の製造装置に関する。

従来、高度な寸法精度が要求されるプラスチックレンズ等の樹脂製光学部品を射出成形用金型を用いて成形する光学樹脂レンズの製造装置（射出成形装置）として、特許文献１に開示された先行技術がある。この光学樹脂レンズの製造装置は、開閉可能な上金型と下金型とで形成したキャビティ内に樹脂を充填して、複数個の樹脂レンズを成形するための装置である。この装置においては、キャビティから成形品を離型させる場合に、エジェクタピンによりランナーを押し上げるようにしている。この先行技術では、ランナー部の離型性向上を目的としており、重要な光学機能面及びその周辺の離型性に関しては十分な効果が得られ難い。このため、金型のキャビティに設けた成形面の形状を高精度に転写することが難しかった。
また、特許文献２には、レンズ光学機能面の擦り傷低減の為の先行技術が開示されている。この従来技術は、２本のエジェクタピンを備え、第１エジェクタピンの先端平面にレンズ形成面が形成され、第２エジェクタピンは離型専用である。更に、成形品突き出し時に第１エジェクタピンと第２エジェクタピンを同期して突き出し、その後、第１エジェクタピンを降下させて球面レンズの表面に発生する擦り傷を抑制する旨が記載されている。特許文献２の目的は単品としての球面レンズを形成することにあり、薄肉の板状体の面上に複数のレンズが一体化されているマイクロアレイレンズ等の光学部品には応用し難い技術である。また、成形対象物となる具体的なレンズ形状に関して記載されておらず、主に成形法が記載されているに過ぎない。
特開平０８−３３２６４３号公報 特開平１１−４２６８５号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、エジェクタピンの先端面をレンズ部等の光学機能面を転写する成形面として利用する光学部品の製造装置において、板状本体の面上に複数のレンズ部を有したマイクロアレイレンズのような光学部品を転写性よく、成形品離型時における変形、反りを抑制しつつ射出成形することができる光学部品の製造装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、第１のキャビティを有した固定側金型と、前記固定側金型に向けて進退可能に構成され金型閉止時に該第１のキャビティと連通することにより光学部品成形用のキャビティ本体を形成する第２のキャビティを有した可動側金型と、前記可動側金型を貫通し且つ一端を前記第２のキャビティの成形面に開口させた複数のエジェクタピン挿通穴と、該各エジェクタピン挿通穴内に進退自在に支持されて一端面を前記一端開口から前記第２のキャビティ内に突出可能に構成されたエジェクタピンと、前記各エジェクタピンを一括して進退させるエジェクタピン進退機構と、を備え、複数の前記エジェクタピンのうちの前記光学部品の光学機能面に対応する位置にある成形・離型兼用エジェクタピンの先端部に光学機能面形成部を設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、金型閉止時に形成される前記キャビティ本体内に溶融樹脂を射出中、或いは射出終了後に、前記成形・離型兼用エジェクタピンの先端部を該キャビティ本体内に突出し、所定時間経過後に該突出位置から退避させるように構成したことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１、又は２において、前記成形・離型兼用エジェクタピンの突出量を調整可能に構成したことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１、２、又は３において、前記キャビティ本体に対して、前記エジェクタピン挿通穴と成形・離型兼用エジェクタピンとの隙間より、正圧、或いは負圧を供給する正圧・負圧供給手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、成形・離型兼用エジェクタピンの先端に設けた成形面を利用して光学有効面を転写するようにしているので、レンズ面及びレンズ表面の微細形状を確実に転写でき、且つ、離型性向上により、反り、変形を抑制した薄肉板状の光学部品を作製できる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光学部品製造装置について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る射出成形用金型（光学部品製造装置）の構成を示す縦断面図であり、図２は可動側金型のキャビティの平面図であり、図３（ａ）及び（ｂ）は成形・離型兼用エジェクタピンと離型専用エジェクタピンの先端部の構成を説明する図であり、図４（ａ）及び（ｂ）は成形・離型兼用エジェクタピンによる成形方法の一例を示す断面図であり、図５（ａ）及び（ｂ）は成形・離型兼用エジェクタピンによる他の成形方法の一例を示す断面図である。
図１に示すように、光学樹脂レンズの製造装置（光学部品製造装置）１としての射出成形用金型は、下面に第１のキャビティ３を有した固定側金型２と、固定側金型２に向けて進退可能に構成され金型閉止時に第１のキャビティ３と連通することにより光学部品成形用のキャビティ本体Ｃを形成する第２のキャビティ１１を上面に有した可動側金型１０と、固定側金型２に貫通形成されて第１のキャビティ３内に溶融樹脂を供給するスプルブッシュ６１と、可動側金型１０を貫通し且つ一端を第２のキャビティ１１の成形面１１ａに開口させた複数のエジェクタピン挿通穴２０と、各エジェクタピン挿通穴２０内に進退自在に支持されて一端面を一端開口２０ａから第２のキャビティ１１内に突出可能に構成された二種類のエジェクタピン２５、３０と、各エジェクタピン２５、３０を一括して進退させるエジェクタピン進退機構４０と、正圧・負圧供給手段７０と、を備えている。

固定側金型２に対する可動側金型１０の移動方向は本例のように垂直方向であってもよいし、水平方向であってもよい。可動側金型１０は、金型取付け板１５により支持されて図示しない駆動機構によって昇降する。
本発明の光学部品製造装置１は、薄肉の板状体の面上にレンズ部（光学機能面）を複数箇所配置した構成を有したマイクロレンズアレイを製造する手段である。
第１のキャビティ３の成形面３ａは、図４、図５等に示した成形品としてのマイクロレンズアレイ５０の板状体５１の平坦な裏面を転写する面であり、鏡面状、或いは凹状となっている。
固定側金型２には、キャビティＣ内に成形機ノズル６０から溶融樹脂を注入するためのスプルブッシュ６１が設けられている。スプルブッシュ６１と対向する可動側金型１０には、先端部がＺ字形状のＺピン６５が貫通配置されている。このＺピン６５は、基端部をエジェクタプレート４１により固定的に支持されており、可動側金型１０に設けた挿通孔２１に挿通されているため、エジェクタプレート４１の昇降動作に伴って昇降する。また、Ｚピン６５は、Ｚ字状の先端部にアンダーカットと呼ばれるテーパーが設けられており、溶融樹脂をそこに流し込んで冷却固化させ、金型開き時にそのテーパー角の抵抗により、成形品を可動側金型１０に保持させる役割を担っている。

第２のキャビティ１１の成形面１１ａは、マイクロレンズアレイ５０の表面を転写する面であり、凹状、或いは鏡面状となっている。
可動側金型１０に形成した第２のキャビティ１１の成形面１１ａは、凹状、或いは鏡面状の平面となっている。
第１のキャビティ３は、横断面形状がＨ形、その他、キャビティレイアウトにより多種多様な形状を有したランナー成形部１２と、ランナー成形部１２の両側方に連通して形成された薄肉板状の光学部品成形部１３と、から構成されている。
本発明では、マイクロレンズアレイ５０の表面側に設けたレンズ部（光学機能面）５２については、成形・離型兼用エジェクタピン２５の先端面に設けた成形面である光学機能面形成部２５ａによって成形する。

図２に示すように第２のキャビティ１１の成形面１１ａには、エジェクタピン挿通穴２０が複数個開口しており、内側に位置する二列（６個）のエジェクタピン挿通穴２０内には成形・離型兼用エジェクタピン（第１のエジェクタピン）２５が進退自在に支持され、外周縁に沿って配置された８個のエジェクタピン挿通穴２０内には離型専用エジェクタピン３０が進退自在に支持されている。
複数のエジェクタピン２５、３０のうち、マイクロレンズアレイのレンズ部５２（光学部品の光学機能面）に対応する位置にある成形・離型兼用エジェクタピン（第１のエジェクタピン）２５の先端面には光学機能面形成部２５ａが形成されている。成形・離型兼用エジェクタピンは、レンズ部成形機能と、成形品突き出し機能の２つの機能を併有している。
離型専用エジェクタピン３０は、成形品を突き出して離型させる機能を有している。
両エジェクタピン２５、３０による突き出しによって、ランナー成形部１２と薄肉板状の光学部品成形部１３内で成形を受けた一体構造の成形品が離型される。

成形・離型兼用エジェクタピン２５は、成形品としてのマイクロレンズアレイ５０の光学部品仕様（マイクロレンズの個数や配列の仕方）により、マイクロレンズのコア領域（レンズの光学有効領域）に相当する可動側金型の領域に適宜配置される為、成形・離型兼用エジェクタピン２５の数、太さは、各光学部品仕様により異なる。
各エジェクタピン２５、３０を一括して進退させるエジェクタピン進退機構４０は、各エジェクタピン２５、３０の基端部を固定して昇降するエジェクタプレート４１と、エジェクタプレート４１を昇降させる図示しない駆動機構と、を備えている。可動側金型１０の背面と金型取付け板１５との間にはエジェクタプレート４１の可動スペースとしての空間１６が形成され、この空間内に露出する各エジェクタピン２５、３０の胴部にはコイルバネ（弾性部材）１７が巻き回され、各エジェクタピン２５、３０を突出方向（上方）へ弾性付勢している。
エジェクタピン２５、３０の胴部とエジェクタピン挿通穴２０の内壁との間に、Ｏリング１８等のシール性を確保できる材料、部品を使用し、密閉性を高め、正圧・負圧供給手段７０によってエジェクタピンとエジェクタピン挿通穴２０との隙間からのみエアの吹き出し、キャビティ本体内空気の真空引きができる構造とした。

なお、薄肉板状の光学部品形状に対応して、各キャビティにはレンズ形成と離型の目的とした成形・離型兼用エジェクタピン２５が６本、成形品の縁に一定間隔で配置された第２エジェクタピン３０が８本設けられ、Ｈ形若しくはキャビティレイアウトにより多種多様な形状のランナーを金型部より離型するために、可動側金型１０３内にもエジェクタピン３０を１本以上常設させる。
成形時には、両金型２、１０を閉じた状態で、図１に示した如き退避位置にあるエジェクタプレート４１を上昇（前進）させて両エジェクタピン２５、３０の先端部をキャビティ本体Ｃ内の溶融樹脂に突き出す。この時、コイルバネ１７が圧縮される。エジェクタプレート４１が下降（後退）する時は、圧縮されたコイルバネ１７の復元力によりエジェクタプレート４１は後退する。この動作は、金型のキャビティＣ内で溶融樹脂が冷却固化した後で、金型がある一定量開いてから行われるインターロック機構によって実現される。
本発明では、光学部品製造装置１を搭載する成形機の制御プログラムにより、両金型が閉じている状態でも、エジェクタプレート４１の駆動機構を駆動させるようにした。それにより、溶融樹脂がキャビティ本体Ｃ内に充填された時、成形・離型兼用エジェクタピン２５を微量に突き出すことができ、成形・離型兼用エジェクタピンの先端に設けた光学機能面形成部２５ａによりレンズ面やレンズ表面に加工されるべき微細形状を確実に転写できる。この突き出し状態を維持したままキャビティ本体内の樹脂は冷却固化され、その後、金型が開いて光学部品が取り出される。

また、溶融樹脂がキャビティ本体Ｃ内に充填された状態で、成形・離型兼用エジェクタピン２５を突き出すことなく、溶融樹脂が冷却固化した後で、成形品を取り出す成形方法も可能である。この２つの成形方法は光学部品製造装置１が搭載される成形機の制御プログラムの変更により切り替えることができる。
この制御プログラムについて更に説明すると、仮に、射出成形時に離型兼用エジェクタピン２５を突き出す量をキャビティ本体Ｃの厚さ寸法以上となるように誤って入力した場合、成形・離型兼用エジェクタピン２５の先端部が対向する第１のキャビティ３の成形面３ａと接触或いは衝突する恐れがある。これに対して本発明に係る制御プログラムでは、キャビティ本体Ｃの厚さ寸法との関係で、成形・離型兼用エジェクタピン２５が突き出す量を入力できる範囲に制限を設けているため、誤った値が入力されても、入力エラーとなり表示部にその旨の表示をする。
本プログラムにより許容される入力範囲（成形・離型兼用エジェクタピンが転写時に突き出せる量）は、成形毎の突き出しバラツキと、成形された成形品の強度等から、キャビティ本体の厚み−０．１ｍｍを成形・離型兼用エジェクタピンを転写時に突き出せる最大量とした。

図６（ａ）及び（ｂ）は成形・離型兼用エジェクタピンをキャビティ本体内の溶融樹脂に対して突き出さないで成形を行った場合の成形品の要部形状を示す断面図であり、（ｃ）及び（ｄ）は成形・離型兼用エジェクタピンをキャビティ本体内の溶融樹脂に対して突き出して成形を行った場合の成形品の要部形状を示す断面図である。
このように同じ成形・離型兼用エジェクタピン２５を用いた場合であっても突き出しの有無、突き出し量の大小によって得られる成形品の要部形状（光学機能面の形状）が異なってくる。
また、成形しようとする光学部品の仕様、形状により、成形・離型兼用エジェクタピンの本数や、その径は異なる。本件では、板状部５１の面上に、φ０．３ｍｍ、高さ１５０μｍのレンズ部５２が６つ配置されたマイクロレンズアレイ５０にて説明する。

図２に示した例に係る光学部品仕様では、マイクロレンズが６個、即ち成形・離型兼用エジェクタピン２５が６本設置され、成形品の外縁部は成形品大きさから最適本数を求めた結果第２エジェクタピン３０が８本設置される。成形・離型兼用エジェクタピン２５の径はレンズ部５２の直径により異なるが、レンズ部５２の直径φ０．３ｍｍに対し、成形・離型兼用エジェクタピンの直径を０．３ｍｍにした場合、成形・離型兼用エジェクタピン自体の強度不足となり、成形・離型兼用エジェクタピンの破損、変形、コア部とのかじりが発生することから、レンズ部５２の直径が微小な場合でも、成形・離型兼用エジェクタピン２５は最低φ２ｍｍ以上の太さを必要とする。直径がφ２ｍｍ以上のレンズ部の場合は、レンズ部直径に対し、レンズ全表面を使用することも考慮して、レンズ直径＋最低０．２ｍｍのエジェクタピン径にすることが好ましい。離型専用エジェクタピン３０に関しては、φ２ｍｍ以上であれば、強度十分である為、離型時に不具合は発生しない。
正圧・負圧供給手段７０は、可動側金型１０の内部に形成した通気配管７１を介して各エジェクタピン挿通穴２０と接続されており、通気配管７１を介してキャビティ本体Ｃ内に正圧と負圧を選択的に供給するように構成されている。

次に本発明の光学部品製造装置による溶融樹脂射出工程における正圧・負圧供給手段７０の動作について、図７、図８に基づいて説明する。図７は射出時の状態を示す断面図であり、図８は離型時の状態を示す断面図である。
まず、溶融樹脂が成形機ノズル６０から金型スプルブッシュ部６１及びランナー部１２を通過してキャビティ本体Ｃ内に充填される。その樹脂が充填される直前まで、正圧・負圧供給手段７０から負圧を供給してキャビティ本体内の空気を通気配管より排気する（図７参照）。排気は、成形・離型兼用エジェクタピン２５とエジェクタピン挿通穴２０の内壁との間には必ずかじり防止の為の隙間を設ける為、その隙間を経由して通気配管を通じて行う。排気は、実際には、真空ポンプ、コンバム等の付帯装置にて行う。
キャビティ本体Ｃ内への溶融樹脂の充填後、樹脂をそれぞれの光学部品形状に成形し、冷却固化させる。
その後、金型を開放し、成形・離型兼用エジェクタピン２５と離型専用エジェクタピン３０を同期して突出させることにより成形品を成形面１１ａから離型させる。

この成形品離型時に、正圧・負圧供給手段７０に設けた電磁弁等の切替え手段を切替え制御して、通気配管７１より正圧（圧縮空気）をキャビティ本体Ｃ内へ向けて供給し、圧縮空気を吹き出す。成形品を離型する際に、圧縮空気を吹き出すことで、離型性を向上させる事が可能となり、取り出し時の成形品の変形、反りを低減することができる。この離型時に吹き出す圧縮空気の圧力は種々の実験により、０．１Ｍｐａ〜０．８Ｍｐａの範囲が好ましく、０．２Ｍｐａ〜０．６Ｍｐａの範囲がより好ましいことが明かである。
なお、本例では、負圧供給による排気と、圧縮空気の供給時に共通の通気配管７１を使用したが、別々の配管を設けてもよい。
本件光学部品製造装置は、光学部品に使用されるＰＭＭＡ（アクリル樹脂）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、ＣＯＣ（シクロオレフィンコポリマー）、ＰＣ（ポリカーボネート）等一般的に光学部品に使用される樹脂すべてに対して適用できる光学部品製造装置である。
本件、光学部品製造装置を用いることにより、レンズ形状、及び、レンズ表面に加工された微細形状の転写性が向上された光学部品となり、且つ、成形品の反り、変形が低減された光学部品が製造できる。

なお、図９（ａ）及び（ｂ）はマイクロレンズアレイを成形する際に成形・離型兼用エジェクタピン２５を突き出さないことによって成形されるレンズ部の形状と、突き出すことによって形成されるレンズ部の形状を示している。
レンズ部の配置、レイアウトが同じマイクロレンズアレイを製造する場合であっても、成形・離型兼用エジェクタピン２５を突き出さない場合には図９（ａ）に示したようにレンズ部に外周の溝部５３が浅くなり、突き出す場合には（ｂ）に示すように溝部５３が深くなる。レンズ部５２の曲率は同じであるが、溝部の深さを変えることによるメリットは次のような点にある。
即ち、（ａ）のように溝部５３の深さが浅い場合における光入射面からレンズ焦点までの距離と、（ｂ）のように深い場合の距離とが異なってくるが、従来の金型では（ａ）のように溝部を浅く構成した後で焦光点を調整するには溝部深さを再加工する必要があったが、本発明では成形時に焦点までの距離を成形・離型兼用エジェクタピン２５の突出量の調整のみにより調整できることとなる。つまり、成形・離型兼用エジェクタピン２５の突出長を種々調整可能に構成することにより製造されるレンズの焦光点を調整できることとなる。
次に、成形・離型兼用エジェクタピン２５の先端面を微量突き出すことにより溶融樹脂にレンズ形状を転写することにより、通常の射出成形法によるよりも転写性を向上させて更に微細なパターンを溶融樹脂に転写させることができる。
本発明によれば、成形・離型兼用エジェクタピンの先端に設けた成形面を利用して光学有効面を転写するようにしているので、レンズ面及びレンズ表面の微細形状を確実に転写でき、且つ、離型性向上により反り、変形を抑制した薄肉板状の光学部品を作製できる。

本発明の一実施形態に係る射出成形用金型（光学部品製造装置）の構成を示す縦断面図である。 可動側金型のキャビティの平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は成形・離型兼用エジェクタピンと離型専用エジェクタピンの先端部の構成を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）は成形・離型兼用エジェクタピンによる成形方法の一例を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は成形・離型兼用エジェクタピンによる他の成形方法の一例を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は成形・離型兼用エジェクタピンをキャビティ本体内の溶融樹脂に対して突き出さないで成形を行った場合の成形品の要部形状を示す断面図であり、（ｃ）及び（ｄ）は成形・離型兼用エジェクタピンをキャビティ本体内の溶融樹脂に対して突き出して成形を行った場合の成形品の要部形状を示す断面図である。 本発明の光学部品製造装置による溶融樹脂射出工程における正圧・負圧供給手段の動作についての説明図である。 本発明の光学部品製造装置による溶融樹脂射出工程における正圧・負圧供給手段の動作についての説明図である。 （ａ）及び（ｂ）はマイクロレンズアレイを成形する際に成形・離型兼用エジェクタピンを突き出さないことによって成形されるレンズ部の形状と、突き出すことによって形成されるレンズ部の形状を示した図である。

符号の説明

１…光学部品製造装置、２…固定側金型、３…第１のキャビティ、３ａ…成形面、１０…可動側金型、１１…第２のキャビティ、１１ａ…成形面、１２…ランナー成形部、１３…光学部品成形部、１６…空間、１７…コイルバネ、１８…Ｏリング、２０…エジェクタピン挿通穴、２０ａ…一端開口、２１…挿通孔、２５…成形・離型兼用エジェクタピン、２５ａ…光学機能面形成部、３０…離型専用エジェクタピン、４０…エジェクタピン進退機構、４１…エジェクタプレート、５０…マイクロレンズアレイ、５１…板状体、５２…レンズ部、５３…溝部、６０…成形機ノズル、６１…スプルブッシュ、７０…正圧・負圧供給手段、７１…通気配管

Claims (4)

1. 第１のキャビティを有した固定側金型と、前記固定側金型に向けて進退可能に構成され金型閉止時に該第１のキャビティと連通することにより光学部品成形用のキャビティ本体を形成する第２のキャビティを有した可動側金型と、前記可動側金型を貫通し且つ一端を前記第２のキャビティの成形面に開口させた複数のエジェクタピン挿通穴と、該各エジェクタピン挿通穴内に進退自在に支持されて一端面を前記一端開口から前記第２のキャビティ内に突出可能に構成されたエジェクタピンと、前記各エジェクタピンを一括して進退させるエジェクタピン進退機構と、を備え、
   複数の前記エジェクタピンのうちの前記光学部品の光学機能面に対応する位置にある成形・離型兼用エジェクタピンの先端部に光学機能面形成部を設けたことを特徴とする光学部品製造装置。
2. 請求項１において、金型閉止時に形成される前記キャビティ本体内に溶融樹脂を射出中、或いは射出終了後に、前記成形・離型兼用エジェクタピンの先端部を該キャビティ本体内に突出し、所定時間経過後に該突出位置から退避させるように構成したことを特徴とする光学部品製造装置。
3. 請求項１、又は２において、前記成形・離型兼用エジェクタピンの突出量を調整可能に構成したことを特徴とする光学部品製造装置。
4. 請求項１、２、又は３において、前記キャビティ本体に対して、前記エジェクタピン挿通穴と成形・離型兼用エジェクタピンとの隙間より、正圧、或いは負圧を供給する正圧・負圧供給手段を備えたことを特徴とする光学部品製造装置。

Images