JP2017185759A - プラスチックレンズおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学面形状誤差の非軸対称成分が小さくなるプラスチックレンズを提供する。【解決手段】 レンズ部と、前記レンズ部の外側に形成されたリブ部と、前記リブ部の一部から外側に突出した突出部を有し、前記リブ部の厚みは、前記レンズ部のレンズ面の開口端の厚みの１．４倍以上であることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、カメラやビデオ、光ピックアップ装置等の光学機器に使用されるレンズに関するものである。特に直径が１０ｍｍ以下のプラスチックレンズ（本明細書においては小径プラスチックレンズと称する場合がある）に関するものである。

射出成形によって製造される小径プラスチックレンズは、その小ささゆえ金型からの離型や鏡筒への組込み作業に困難が伴うことが多い。

従来技術においても、金型から取り出す時の工夫や鏡筒への組込み作業をしやすくするためのレンズ形状などが開示されている。

例えば特許文献１によれば、製品部に接続する突出部およびランナー部分、スプルー部分をエジェクタピンで押し、製品部を入子で押し、成形品離型後に入子を停止しエジェクタピンをさらに動作させることで入子から製品部を取り出す手法が開示されている。

特開２０１０−１２６９３号

小径プラスチックレンズを射出成形によって製造するときに用いる射出成形用金型において、レンズの光学面を成形するために、高精度に加工された駒（本明細書においては鏡面駒と称する場合がある）が金型内に配置されている。そしてこの鏡面駒は主に旋削加工により製作される。鏡面駒は、旋回する刃物で加工するフライカットと呼ばれる方法により製作されることもあるが、小径プラスチックレンズの場合は鏡面駒の径が小さくまた光学設計によっては加工半径が極めて小さいために、フライカットによる製作が困難な場合が多い。一方、旋削加工の場合は、鏡面駒を光軸に沿って回転させ刃物を当てて加工するため、回転軸に対し対称な面は加工しやすく、また加工速度も早いことが特徴である。

しかし、プラスチックレンズを射出成形する場合、光学設計値どおりに高精度に加工した鏡面駒を用いてもプラスチックの収縮挙動により所望のレンズを得ることができない。プラスチックレンズの設計値からの誤差量を鏡面駒の加工量に載せ補正加工を行うのが一般的である。この際に前述したとおり旋削加工は軸対称加工であるから、軸対称ではない形状誤差は補正することができない。そのため成形品形状誤差の非軸対称成分が小さくなるように成形条件等を設定する必要がある。

非軸対称の成形品形状誤差が発生する一因として離型力、離型抵抗が軸対称に発生しないことが挙げられる。ここで上記特許文献１に記載されている従来技術による射出成形金型の断面図を図８に示す。またこの金型で成形されたプラスチックレンズの断面図を図９に示す。

製品部８１を可動側鏡面駒８３が押圧し製品部８１に接続する被押圧部８２をエジェクタピン８４が押圧しランナー部をエジェクタピン８６が押圧する構造になっている。しかしながらこの構造では、レンズのツバ部８８の厚みが薄く、また、被押圧部８２の厚みがツバ部８８の厚みと同じであるため、ツバ部８８、被押圧部８２が変形しやすい。このため、エジェクタピンの押圧により発生する曲げモーメントがレンズの光学有効部８９にまで影響し、レンズの面精度の悪化を招いてしまう。またエジェクタピン８４が押圧する被押圧部８２はゲートとは反対側の反ゲート側に１か所設けられたのみであり、ランナー部を押圧するエジェクタピン８６と合わせてもランナー部から反ゲート側に向かう方向にしか離型力を発生しない。そのため成形品形状誤差においてランナー部から反ゲート側に向かう方向と、その方向に直交する方向では誤差量が異なり、旋削加工では補正できなくなってしまう。

そこで、本発明の目的は、軸対称ではない離型力、離型抵抗の影響が成形品光学面まで及ぶことなく、成形品形状誤差の非軸対称成分が小さいレンズを提供することにある。

本発明のプラスチックレンズは、レンズ部と、前記レンズ部の外側に形成されたリブ部と、前記リブ部の一部から外側に突出した突出部を有し、前記リブ部の厚みは、前記レンズ部のレンズ面の開口端の厚みの１．４倍以上であることを特徴とする。

本発明のプラスチックレンズの製造方法は、プラスチックレンズを転写する形状が形成された固定側駒および可動側駒を突き合わせてキャビティを形成し、前記キャビティに樹脂を注入して成形することを特徴とする。

本発明のプラスチックレンズによれば突出部とツバ形状の間に、レンズ面の開口端よりも厚いリブ形状を有している。このためリブ形状の外側で軸対称ではない離型力や離型抵抗が発生したとしてもリブの内側にある光学面への影響を小さくすることができる。

本発明のレンズ斜視図である。 本発明に使用する射出成形用金型断面図である。 本発明の第一実施形態におけるレンズ断面図である。 本発明の第一実施形態における樹脂流動の様子である。 本発明の第一実施形態における樹脂流動の様子である。 レンズ評価時の測定方向を示した図である。 本発明の第二実施形態におけるレンズ断面図である。 従来技術による射出成形用金型断面図である。 従来技術によるレンズ断面図である。

（第一の実施形態）
図１は本発明の第一実施形態におけるプラスチックレンズ１の斜視図である。このようなプラスチックレンズは射出成形により製造され、材料としては日本ゼオン社製ＺＥＯＮＥＸ Ｅ４８Ｒ（登録商標）や三菱ガス化学社製ユピゼータ（登録商標）、大阪ガス化学社製ＯＫＰ（登録商標）などを用いることができる。

図１において、９はレンズ部、８はツバ部、１０はリブ部，２は突出部、１１はゲート痕、１２はリブ部の外周面を示す。つまり、本発明の第一実施形態のプラスチックレンズ１の形状は、レンズ部９の周りにツバ部８があり、その外側にリブ部１０、さらにその外側に突出部２がある構成になっている。プラスチックレンズ１を射出成形するための金型には、突出部２を成形するための空間それぞれに隣接してエジェクタピンが配置される。そして、成形品であるプラスチックレンズ１を金型から離型する際、突出部２のそれぞれをエジェクタピンによって金型から押し出すことでプラスチックレンズ１を金型から離型させることができる。特に、レンズ部９の、直径が１０ｍｍ以下であり、最小肉厚が０．５ｍｍ以下であるプラスチックレンズであると、本発明の効果の発現がより顕著になる。リブ部１０は円環状であることが好ましい。円環状であると、軸対称ではない離型力、離型抵抗の影響をより抑えることができる。また、Ｏはプラスチックレンズの光軸を示し、レンズ部９の中心を通る。

突出部２は一つでもよいし複数個あってもよい。各突出部２は、例えばレンズ部より小径の円柱形状がリブ部１０と接合している。本実施形態においては円柱形状である例を示したがこれに限ることはなく、四角柱形状であってもよい。ただ円柱形状であると離型抵抗を小さく抑えることができるためより好ましい。また、各突出部のリブ部１０との接合領域は、リブ部１０の光軸方向から見て３％以上１０％以下の長さで接していることが好ましい。これによりエジェクタピンの離型力を成形品であるプラスチックレンズ１に伝えることができ、かつ鏡筒への組込みの際に鏡筒と接する外周面の長さを十分にとることができる。

本明細書においては、レンズ部９、ツバ部８、リブ部１０をレンズ形状部と称する場合がある。また、レンズ形状部を成形するため金型内に形成されたキャビティに樹脂を注入するための入り口であるゲートの部分であったことが推察されるゲートの痕跡部分をゲート痕１１と称することにする。さらに、ゲート痕１１のリブ部１０と接している部分の中心と、光軸Ｏに対して軸対称の位置を反ゲート痕と称する。また、反ゲート痕側に突出部２があるとは、ゲート痕１１のリブ部１０と接している部分の中心と反ゲート痕を結ぶ線と垂直に交わる線上に突出部２のリブ部１０と接している部分の中心があること。あるいは、垂直に交わる線上より反ゲート痕側に突出部２のリブ部１０と接している部分の中心があることをいう。

Ａ−Ａは、光軸方向から見て、ゲート痕１１のリブ部１０と接している部分の中心と、光軸の中心を結ぶ線、そして光軸の中心と、突出部２のリブ部１０と接している部分（領域）の中心とを結ぶ線である。本明細書においては、ゲート痕１１のリブ部１０と接している部分（領域）の中心と、反ゲート痕を結ぶ線の方向をゲート痕反ゲート痕方向と称する場合がある。

突出部２は、反ゲート痕にリブ部１０と接している部分（領域）の中心がある突出部が１つ、ゲート痕反ゲート痕方向に直交する方向にリブ部１０と接している部分の中心がある突出部がそれぞれ１つずつの計３つ設けていることが好ましい。これは、ランナー部を突出すエジェクタピンと合わせてバランスよく離型できるためである。しかし、本発明における突出部の個数としてはこの限りではない。突出部２の個数は反ゲート痕側に１つでも構わないし、ゲート痕から±１２０度方向に１つずつの２つでも構わないし、３つ以上でも構わない。ただ突出部の個数が多いと鏡筒とレンズが接する外周面１２の幅が小さくなり、レンズを鏡筒に組み込む際の組立精度が落ちるおそれがあるため注意が必要である。また必ずしもレンズ形状部に対して対称に配置されなくても構わないが、反ゲート痕側に少なくとも１つ設けることが好ましい。ゲート痕から±１２０度方向に１つずつのように反ゲート痕に突出部２がない形状の場合、後述するエアトラップが発生する可能性があるので注意が必要である。

またツバ部８は存在しなくても構わない。その場合、レンズ部９の最外縁部、つまりレンズを構成する曲面の最外周の部分（本明細書においてはレンズ面の開口端と称する）より外側にただちにリブ部１０が形成される。

突出部２の厚みはリブ部１０の厚みと同じでもよいが、リブ部１０以上の厚みになると成形サイクルが長くなる可能性がある。またレンズを組込む時にリブ部をレンズ間隔調整に用いる場合があり、突出部２の厚みがリブ部２の厚みより大きいと他部品との干渉等により組込み精度の悪化を招く可能性がある。

本実施形態においては、レンズ部９は凸メニスレンズである例を示したが、凸レンズであっても凹レンズ、凹メニスレンズであってもよい。図１におけるＡ−Ａ断面の模式図を図３に示す。レンズ面の開口端の厚みをａ、リブ形状の厚みをｂ、突出部の厚みをｃとしたときに以下の条件を満足するように各寸法を設定することが好ましい。
ｂ≧１．４ａ （１）

成形品が金型から離型する際、図３において突出部２およびランナー部が図中上側からエジェクタピンによって押圧されることとなる。そして、レンズ部およびリブ部には離型手段を設けていないことから、離型する際、抵抗力が発生するため、成形品には曲げモーメントが発生する。しかしながらｂ≧１．４ａであると、レンズのツバ部の最も肉厚の薄くなる部分、すなわちレンズ面の開口端厚みよりも十分に厚いリブ部がレンズ部を囲んでいるため、曲げモーメントに耐えることができ変形を抑えることができる。つまりこのリブ部によって、曲げモーメントによるレンズ面の形状精度の悪化を防ぐことができる。さらにこのリブ部はレンズ鏡筒にレンズを組み込む際に隣のレンズに設けたリブ部と突き当てることにより、レンズ間隔を調整する部材として用いてもよい。これにより鏡筒への組込みが容易でレンズ間隔が高精度なレンズユニットを得るという効果も期待できる。

次に、本発明の第一の実施形態におけるプラスチックレンズの製造方法について説明する。

図２は、本発明の第一実施形態におけるプラスチックレンズを得るための射出成形用金型の断面図である。図１と同じ機能を有する部分には同じ符号を付し、説明を省略する。７は固定側駒（固定側鏡面駒と称する場合もある）、３は可動側駒（可動側鏡面駒と称する場合もある）、４、６はエジェクタピンである。固定側鏡面駒７および可動側鏡面駒３には、レンズ形状部（レンズ部、ツバ部、リブ部、外周面）を転写し成形するための形状が、鏡面駒を光軸に沿って回転させ刃物を当てて加工する旋削加工によって加工されている。旋削加工による加工は、リブ部１０によって、軸対称ではない離型力、離型抵抗の影響が成形品光学面まで及ぶことを抑制できたため、成形品形状誤差の非軸対称成分が小さいレンズを得ることができたため可能となる。また、レンズ形状部の光学的に非常に重要な部分を成形するための形状を旋削加工によって簡単に加工することができるようになったため、軸対称の高精度な光学性能を有するプラスチックレンズを成形することが可能となる。さらに、レンズ形状部（レンズ部、ツバ部、リブ部、外周面）を転写し成形するための形状を分割することなく一つの駒で連続して加工することも可能である。分割することなく一つの駒で連続して加工すると金型としての寸法精度が出しやすくなるという効果も有している。つまり、固定側駒７、可動側駒３は、レンズ部９、ツバ部８、リブ部１０、外周面１２を転写し成形するための形状、突出部２を成形するための形状、そしてゲート２１１を分割することなく一つの駒で加工してもよい。そして、固定側鏡面駒７および可動側鏡面駒３を突き合わせてキャビティを形成する。キャビティは、レンズ部９、ツバ部８、リブ部１０、外周面１２を転写し成形するための形状、突出部２を成形するための形状、そしてゲート２１１を成形するための空間である。そして、突出部２を成形するための空間にそれぞれ隣接してエジェクタピン４，６が配置されている。このキャビティにゲート２１１から樹脂を注入してプラスチックレンズを成形する。固化させた後、金型を開き、エジェクタピンを成形された突出部２に突出して、キャビティからプラスチックレンズを取りだし、プラスチックレンズを製造する。

また、図３に示すように、レンズ面の開口端の厚みをａ、リブ形状の厚みをｂ、突出部の厚みをｃとしたときに、成形品が以下の式（２）を満足するように固定側鏡面駒７および可動側鏡面駒３を加工しておくことが好ましい。
（ｃ−ａ）≧（ｂ−ａ）／２ （２）

レンズ部９、ツバ部８、リブ部１０、外周面１２、突出部２を成形するための形状およびゲート２１１を分割することなく一つの駒で加工すると、樹脂注入前にキャビティ内に存在しているガス（空気）の逃げる隙間が少なくなってしまう。すると、ガス（空気）がキャビティ内に残ってしまい、エアトラップと呼ばれる窪みが形成されてしまう可能性がある。式（２）を満足するように加工しておくことで、このエアトラップと呼ばれる窪みを抑制することが可能となる。

ここで図４、図５を用いてエアトラップが発生する過程を説明する。図４は（ｃ−ａ）が０．０５ｍｍ、（ｂ−ａ）／２が０．１２５ｍｍであり、式（２）を満たさない場合の、樹脂流動の様子を示したものである。図４、図５は、図３と同じ箇所の断面模式図である。図３と重複する図番、説明は省略し、異なる部分のみ説明する。図４（ａ）は樹脂流動先端が反ゲート痕側のリブ部に差し掛かったところである。図４は図３と同様、図１におけるＡ−Ａ断面を図示しているので、当然ながら実際の樹脂流動は３次元で進んでおり円環リブ形状はツバ部に比べて断面積が大きいため樹脂が流動しやすくなっている。リブ部の厚みに対し突出部の厚みが小さい場合、図４（ｂ）のように樹脂流動先端が図中Ｂ点リブ部と突出部の接点、実際には３次元なので稜線）に達した際に、リブ部にガス１３が取り残される。このガス１３はキャビティ外に逃げることができないため、樹脂圧により潰されはするが樹脂が充填されない部分として残る。これがエアトラップとなる。それに対し図５は、（ｃ−ａ）が０．１５ｍｍ、（ｂ−ａ）／２が０．１２５ｍｍであり、式（２）を満たす場合の樹脂流動の様子を示したものである。リブ部の厚みに対し突出部の厚みが十分に大きいため、図５（ｂ）に示したように図中Ｂ点に樹脂流動先端が達したときには円環リブ形状部のガスはほとんど突出部側に追い出されている。その結果、図５（ｃ）のようにエアトラップのないレンズ成形品を得ることができる。

（実施例１、２および比較例１）
次に本発明の第一実施形態における実施例および比較例を説明する。実施例および比較例として図３に図示した成形品の寸法ａ，ｂ，ｃが表１のようになるように金型を作製した。なお成形したプラスチックレンズの中央部の最大肉厚（光軸上の厚み）は０．８ｍｍであった。

材料として日本ゼオン社製ＺＥＯＮＥＸ Ｅ４８Ｒ（登録商標）を用いた。ＺＥＯＮＥＸ Ｅ４８Ｒのガラス転移温度は約１３８℃であるので、金型の固定可動の鏡面駒温度が約１３０℃になるように金型温調機を用いて温度調節した。射出成形機に金型を取付け３０トンの型締力をかけ、２７０℃で溶融した樹脂材料を射出成形機より射出充填し７０ＭＰａの保圧をかけた。

ここで図６を用いてレンズの評価方法を説明する。レンズの表面を形状測定機で計測しレンズ面の曲率半径を測定する。測定する方向はゲート痕反ゲート痕方向１４（仮にＸ方向とする）およびそれに直交する方向１５（仮にＹ方向）とする。このような測定を行うためには例えばテイラーホブソン社製フォームタリサーフ（登録商標）などを用いることができる。このレンズ面の曲率半径の設計値はＲ＝２ｍｍであるが、要求性能を満足するための規格として上記ゲート痕反ゲート痕方向の曲率半径Ｒｘとそれに直交する方向の曲率半径Ｒｙの差分が±０．３μｍ以下であることが求められる。

上記のように得られた実施例１、実施例２、比較例１のレンズの曲率半径を表２にまとめた。

表２に示したとおり、実施例１および実施例２は規格をクリアしたものの比較例１においては規格をオーバーしてしまった。これは表１に示したように寸法ｂの値が実施例１および実施例２では寸法ａの１．４倍以上となっていたのに対し、比較例１では１．４倍未満となっているために、リブ部の剛性が足りず離型力や離型抵抗の非軸対称性の影響を受けたためと考えられる。

一方で、実施例２においては反ゲート痕側のリブ形状においてエアトラップの発生がみられた。これは突出部厚みｃの寸法が小さく円環リブ形状部のガスが逃げきれずにトラップしたために発生したものと考えられる。

（第二の実施形態）
図７は本発明の第二実施形態におけるプラスチックレンズの断面図である。第一実施形態と同じ機能を有する部分については同じ符号を付し、説明を省略する。第一の実施形態と異なる点としてはレンズ部９が凹メニスレンズとなっていることである。もちろん凹レンズであっても同じ効果を発揮する。この第二実施形態のプラスチックレンズを得るための金型構成は第一実施形態と同様の金型を用いることができる。

ここで第二実施形態のレンズ形状においては、第一実施形態と同様ツバ部８が存在しなくても構わない。この場合、レンズ開口端よりただちにリブ部に接続するが凹レンズ（凹メニスレンズ）においては開口端においてレンズ肉厚が最大になるので、むしろツバ部がない方が自然であるとも言える。これは鏡筒への組込みなどの観点も鑑み設計者が自由に設定することができる。

（実施例３、実施例４および比較例２）
次に本発明の第二実施形態における実施例および比較例を説明する。実施例および比較例として図７に図示した寸法ａ，ｂ，ｃを表３のように設定した。なおレンズ中央部の最小肉厚は０．４ｍｍである。

材料として三菱ガス化学社製ユピゼータＥＰ−５０００（登録商標）を用いた。ユピゼータＥＰ−５０００のガラス転移温度は約１４５℃であるので、金型の固定可動の鏡面駒温度が約１３５℃になるように金型温調機を用いて温度調節した。射出成形機に金型を取付け３０トンの型締力をかけ、２６０℃で溶融した樹脂材料を射出成形機より射出充填し６０ＭＰａの保圧をかけた。

このレンズ面の曲率半径の設計値はＲ＝３ｍｍであるが、要求性能を満足するための規格として上記ゲート痕反ゲート痕方向の曲率半径Ｒｘとそれに直交する方向の曲率半径Ｒｙの差分が±２．５μｍ以下であることが求められる。

上記のように得られた実施例３、４、比較例２のレンズの曲率半径を表４にまとめる。

表４に示したとおり、実施例３および実施例４は規格をクリアしたものの比較例２においては規格をオーバーしてしまった。これは表３に示したように寸法ｂの値が実施例３および実施例４では寸法ａの１．４倍以上となっていたのに対し、比較例２では１．４倍未満となっているために、リブ部の剛性が足りず離型力や離型抵抗の非軸対称性の影響を受けたためと考えられる。

一方で実施例４においては反ゲート側のリブ部においてエアトラップがみられた。これは突出部厚みｃの寸法が小さくリブ部のガスが逃げきれずにトラップしたために発生したものと考えられる。また図７のように凹メニスレンズであってリブ部とレンズ中心の厚みが光軸に対し反対方向にある場合、レンズ部を流動してくる樹脂は円環リブ形状のないレンズ厚みがある方が流れやすくなっている。そのため、リブ部に樹脂が流動しにくくエアトラップが発生しやすいと考えられる。実施例３においては円環リブ形状厚みに対し突出部厚みが十分に大きいためにエアトラップのないレンズ成形品を得ることができた。

１ レンズ
２ 突出部
３ 可動側駒
７ 固定側駒
４，６ エジェクタピン
５ 抱き駒
８ ツバ部
９ レンズ部
１０ リブ部
１１ ゲート痕
１２ 外周面
１３ エアトラップ

Claims (9)

1. レンズ部と、前記レンズ部の外側に形成されたリブ部と、前記リブ部から外側に突出した突出部を有し、前記リブ部の厚みは、前記レンズ部のレンズ面の開口端の厚みの１．４倍以上であることを特徴とするプラスチックレンズ。
2. 前記突出部の厚みｃは、前記開口端の厚みをａ、前記リブ部の厚みをｂとしたときに以下の式を満足することを特徴とする請求項１記載のプラスチックレンズ。
   （ｃ−ａ）≧（ｂ−ａ）／２
3. 前記レンズ部の直径は１０ｍｍ以下であり、最小肉厚が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のプラスチックレンズ。
4. 前記突出部は、円柱形状であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項記載のプラスチックレンズ。
5. 前記突出部の、前記リブ部と接合されている領域は、前記リブ部の光軸方向から見た外周の長さに対して、３％以上１０％以下の長さを有していることを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項記載のプラスチックレンズ。
6. 前記突出部を、反ゲート痕側に１つ有していることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載のプラスチックレンズ。
7. 前記突出部を３つ有していることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載のプラスチックレンズ。
8. 請求項１乃至６いずれか一項記載のプラスチックレンズを転写する形状が形成された固定側駒および可動側駒を突き合わせてキャビティを形成し、前記キャビティに樹脂を注入して成形することを特徴とするプラスチックレンズの製造方法。
9. 前記プラスチックレンズを転写する形状は旋削加工によって加工されていることを特徴とする請求項８記載のプラスチックレンズの製造方法。

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