JP3984498B2 - 成形用金型および、これを用いるプラスチックの成形方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高精度なプラスチック成形品（特にレンズ、ミラー等の光学素子）の製造技術に関する。本発明の応用分野としては、複写機、ファクシミリ、レーザビームプリンタ等の光走査系に用いられるプラスチックレンズ、プラスチックミラーの成形が挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ方式のデジタル複写機、プリンター、又はファクシミリ装置の光書き込みユニットには、レーザービームの結像、及び各種補正機能を有する矩形状のレンズ、ミラー等の光学素子が用いられている。
【０００３】
近年これらの光学素子は、製品のコストダウンの要求でガラス製からプラスチック製へと変化し、また複数の機能を最少限の素子で補うため、その転写面形状も、球面のみならず複雑な非球面形状を有するようになってきている。また、レンズの場合には、レンズ厚が厚く、また長手方向でレンズ厚が一定ではない偏肉形状が多くなっている。
【０００４】
その製造方法としては、製造コストが低く大量生産に適した射出成形法が一般的である。射出成形法で製造する際は、加熱溶融された樹脂材料を金型内に射出充填し冷却固化させる工程において、金型内の樹脂圧力や樹脂温度が均一になることが、所望の形状精度を確保するために望ましい。
【０００５】
しかし、レンズ厚が偏肉形状の場合、充填された樹脂の冷却速度が長手方向の各部で異なり、体積収縮量に差が生じるために形状精度が悪化する不具合があった。また、レンズ厚が大きい場合には、樹脂の冷却過程で体積収縮量が大きいため、ひけが発生しやすくなる。このひけ発生を防止するために射出圧力を大きくすると（樹脂の充填量を多くすると）、内部歪みが大きくなり光学性能に悪影響を及ぼす不具合が生じていた。
【０００６】
このような問題に対して、以下の成形方法が提案されている。
（１）金型温度を樹脂のガラス転移点温度（Ｔｇ点）以上に高くし、充填された樹脂の冷却速度が長手方向の各部でできるだけ一定になるように、熱変形温度以下になるまで徐冷する方法。この成形方法によれば、樹脂温度を均一に保ったまま冷却することができるため形状精度が高く、内部歪みが小さい良好な成形品を得ることが可能となる。
【０００７】
しかし、この成形方法では、樹脂温度を成形品各部で均一に保ったまま徐冷する必要があるため、成形サイクルが非常に長くなり、生産性が劣り成形品のコストが高くなる欠点がある。
【０００８】
（２）一定温度の金型内に溶融樹脂を射出充填した後、転写面（レンズ面）以外の面を構成するキャビテイ駒を樹脂から離隔する方向に移動させ、その箇所に優先的にひけを発生させる（樹脂冷却過程で成形品の機能上不要な箇所に優先的にひけを発生させる）ことで、転写面の形状精度を向上させる成形方法。この成形方法によれば、非常に低圧低充填での成形が可能になるため、高い形状精度とともに、内部歪みも小さい良好な成形品を生産性良く得ることができる。
【０００９】
しかし、この成形方法を用いても、近年のデジタル複写機やプリンタ等の製品の高画質化・低コスト化の要求に伴い、レンズ、ミラーなどの部品に要求される精度やコストが厳しくなってきているため、以下に示す問題点が生じている。これについて図１６、図１７をもとに説明する。
【００１０】
図１６はこの成形方法を示す模式的断面図であり、（ａ）は樹脂を射出充填した直後の状態を、（ｂ）はキャビティ駒の離隔時を、（ｃ）は樹脂徐冷時をそれぞれ示している。図１７は、この成形方法の問題点説明図であって、（ａ）は成形品の温度ムラを示す模式的断面図、（ｂ）は成形品の形状精度の低下状態を示す模式的断面図、（ｃ）は成形工程の経過時間とキャビティ内樹脂の温度との関係を示すグラフである。図１６，１７に記載された主な符号について説明すると、１００ａは射出充填された溶融樹脂、１００ｂは冷却中の樹脂、１００ｃは成形品である。１０１は金型、１０１ａはキャビティ、１０２はキャビティ駒（キャビティ形成用の可動入れ子）、１０３，１０４は転写面である。キャビティ駒１０２は金型１０１内に摺動自在に挿入され、その先端面は、キャビティを形成するとともに、成形品１００ｃの非転写面１０５を形成している。
【００１１】
成形工程では図１６に示すように、転写面１０３，１０４を有する金型キャビテイ内に溶融樹脂１００ａを射出充填した後、この樹脂の軟化温度未満まで冷却する間に、キャビテイ駒１０２を、冷却中の樹脂１００ｂから離隔する方向に移動させる（キャビテイ駒１０２の非転写面１０５を後退させる）。符号１０６はこのとき形成される空隙である。これにより樹脂の空気層に接している部分に、ひけ１００ｄを優先的に発生させる。ついで、樹脂全体の温度が金型内で均一、かつほぼ金型温度になるまで冷却した後、金型から成形品を取り出す。
【００１２】
ところが上記空隙１０６では、金型キャビテイを構成している金属材料と比較して、非常に熱が移動しにくい。そのため、樹脂が金型キャビテイの壁面（金型のキャビティ形成面）と接している部分と、空隙１０６に接している部分とでは樹脂の冷却速度に差が生じ、成形品内に非対称な温度分布が生じながら冷却が進み、形状精度の低下や内部歪みが発生してしまう。
【００１３】
すなわち、図１７（ａ）において冷却中の樹脂のうち、上記ひけが発生する部分（空隙１０６内の空気と接触する部分）をＡ点とし、このＡ点と反対側の部分（金型のキャビティ形成面と接触している部分）をＢ点とすると、成形工程の経過時間とこれらＡ点、Ｂ点の温度との関係は図１７（ｂ）のとおりとなる。この図に示すように、成形工程が開始されてから空隙１０６が形成されるまでは、Ａ点、Ｂ点間に温度差は生じていない。しかし、空隙形成とともに、これらに温度差が生じ、成形品取出時にようやく同一温度になる。このため、図１７（ｃ）に示すように、成形品１００ｃの転写面（レンズ面）がキャビティ形状と同一にならず（転写面が精確に転写されない）、形状精度が低下してしまう。
【００１４】
また、金型内で樹脂温度が均一に、ほぼ金型温度になるまで冷却してから成形品を取り出すため、通常の射出成形の場合と比較して成形サイクルが長くなる。したがって、より高精度な成形品を、より低コストで得るためには、成形方法の改善が必要となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、その目的は、金型キャビティに射出充填された溶融樹脂の非転写面を均一に冷却することにより、転写面が冷却されるときの該転写面の温度ムラを抑えて成形品の形状精度低下を防ぎ、もって、より高精度な成形品を低コストで得ることができる成形用金型および、これを用いるプラスチック成形品の製造方法を提供することにある。
【００１６】
上記目的達成のため、第１の発明は、溶融樹脂を金型内に射出充填した後、その軟化温度未満まで冷却する間に、樹脂の非転写面とキャビティ駒の先端面とにより金型内に形成される空隙全体に冷却気体を均等に供給して樹脂の非転写面側をムラなく冷却することにより、転写面全体を均一に冷却するように構成した成形用金型および、これを用いるプラスチック成形品の製造方法を提供するものである。
【００１７】
また上記目的達成のため、第２の発明は、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を金型内に設け、溶融樹脂を金型内に射出充填した後、その軟化温度未満まで冷却する間に、キャビティ駒で樹脂の非転写面側を冷却するとともに、該冷却によって樹脂の転写面側の温度が低下するのを、前記温度維持手段で防止するように構成した成形用金型および、これを使用するプラスチック成形品の製造方法を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１及び９に係る発明は、転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記キャビティ駒内に冷却用媒体の流路を形成し、該流路を温度制御された冷却用媒体の供給手段に連絡したことを特徴とする成形用金型である。
【００２４】
請求項２に係る発明は、請求項１において、温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に形成された空気層であることを特徴とする成形用金型である。
【００２５】
請求項３に係る発明は、転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記温度維持手段が電熱ヒータと、該電熱ヒータの発熱温度を所定温度に制御するヒータ制御手段とを備えていることを特徴とする成形用金型である。請求項４に係る発明は、請求項３において電熱ヒータが、個別に通電発熱する複数の発熱素子を配列して構成されていることを特徴とする成形用金型である。請求項５に係る発明は、請求項３または４において、転写面の近傍に電熱ヒータを複数、転写面を包囲する形態で配備したことを特徴とする成形用金型である。
【００２６】
請求項６に係る発明は、転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記温度維持手段が、金型部材内に形成された加熱用媒体の流路と、該流路に温度制御された加熱用媒体を供給する加熱用媒体供給手段とを備えていることを特徴とする成形用金型である。請求項７に係る発明は、請求項６において、加熱用媒体の流路を金型部材内のキャビティ近傍部位に複数、転写面を包囲する形態で配備したことを特徴とする成形用金型である。請求項８に係る発明は、転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に配備された、低熱伝導性材料からなる保温部材であることを特徴とする成形用金型である。
【００２７】
請求項１０に係る発明は、請求項３〜８のいずれか１項において、キャビティ駒として、キャビティに臨む給気口が先端面に形成され該給気口に連なる圧縮気体の供給流路（以下、給気流路）が形成されたものを設け、前記給気口からキャビティに供給された圧縮気体を当該金型外に排気する排気流路を適所に形成したことを特徴とする成形用金型である。請求項１１に係る発明は、請求項１０において、キャビティ駒に形成された給気流路を、温度・流量の少なくとも一方が制御された圧縮気体を供給する圧縮気体供給手段（圧縮気体供給源と、これに連なる圧縮気体の温度調節装置及び／又は圧縮気体の流量制御弁）に連絡したことを特徴とする成形用金型である。請求項１２に係る発明は、請求項３〜７のいずれか１項に記載の成形用金型を用いるプラスチックの射出成形方法であって、あらかじめ温度維持手段を作動させておき、溶融樹脂をその軟化温度未満に加熱された金型に射出充填し、溶融樹脂を軟化温度未満まで冷却する過程で、キャビティ駒を金型部材に対し摺動移動させてキャビティから離隔させることにより、キャビティ駒の非転写面とキャビティ内樹脂との間に空隙を形成し、該空隙をキャビティ駒で冷却することにより、非転写面に接触していた樹脂面を冷却することを特徴とするプラスチックの成形方法である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、第１〜第３の実施の形態は第１発明に係るものであり、第４〜第８の実施の形態は第２発明に係るものである。
【００２９】
第１の実施の形態
図１は本発明によるプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図であり、（ａ）は樹脂を射出充填した直後の状態を、（ｂ）はキャビティ駒離隔時の状態を示している。
【００３０】
金型１の本体１０を、金型部材１１〜１５で構成する。これらの金型部材は成形品の転写面を形成するためのものである。キャビティ１０ａを、これら金型部材１１〜１５の内面（転写面）と、キャビティ駒２１の先端面すなわち非転写面２１ａとにより区画形成する。金型部材１１内にキャビティ駒（可動入れ子）２１を、その内周面に摺動移動自在に設ける。金型部材１４，１５により互いに対向する転写面１４ａ，１５ｂを形成する。非転写面２１ａの全体を、金型部材１１の転写面で環状に包囲した形態とするとともに、金型部材１１の内周面に排気流路２３を複数、キャビティ駒の摺動移動方向に形成する。この排気流路２３は、キャビティまで貫通させず、転写面の手前で終端させる。したがって、金型が閉じた図１（ａ）の状態では、排気流路２３はキャビティ１０ａと連通していない。
【００３１】
金型部部材１４，１５はそれぞれ、前記転写面のうち成形品の品質を左右する重要な上記転写面１４ａ，１５ａを形成する。図１（ａ）と図１５（ａ）との対比で明らかなように、この金型１が例えば、図１５（ａ）に示す光学レンズ２００の成形用金型である場合、転写面１４ａ，１５ａの一方はレンズ面２０１を、他方はレンズ面２０２をそれぞれ形成するためのものである。したがって、これらレンズ面の形状精度を高くするとともに、これらレンズ面近傍の樹脂内の歪みを非常に小さくすることが、レンズの品質を高めるために重要となる。
【００３２】
キャビティ駒２１内に圧縮気体（空気、窒素ガスなど）の給気流路２２を複数、その摺動移動方向に形成する。これら給気流路の先端部をキャビティ１０ａ内に開口させることにより、キャビティ１０ａへの圧縮気体供給口すなわち給気口２２ａとする。これらの給気口は、キャビティ駒先端面の全体にわたって均等に分布させた形態で形成する。
【００３３】
上記給気流路２２を温度調節装置３２および流量制御弁３３を介して、冷却用の圧縮気体を供給するための気体供給源３４に連絡する。温度調節装置３２は、気体供給源３４からの圧縮気体を所定温度に調節するためのものである。圧力制御装置３１は、キャビティ駒２１を摺動移動させるためのものであると同時に、キャビティ１０ａに溶融樹脂を充填する際に該樹脂の圧力（射出圧力）でキャビティ駒２１がキャビティから後退しないようにこれに押圧力を付与するものである。
【００３４】
また、本実施の形態の金型では、（１）キャビティ駒の先端面形状（輪郭線の形状）を、該先端面を包囲する金型部材１１の環状転写面の外側輪郭線の形状とおおむね相似とし、かつ（２）キャビティ駒に形成された複数の給気口２２ａの全体が内接する図形の形状を、金型部材１１の前記環状転写面の外側輪郭線の形状とおおむね相似とする。キャビティ１０ａを上記（１）のように構成することで、ひけの発生に起因する金型内樹脂の移動が転写面劣化（転写面の転写精度低下）に与える影響を防止することができ、高精度な成形品をより確実に得ることができる。
【００３５】
また、キャビティ１０ａを上記（２）のように構成することにより、キャビティ内樹脂の非転写面をより均一に冷却する（キャビティ駒後退で形成される空隙を均一に冷却する）ことができ、高精度な成形品をより確実に得ることができる。なお上記環状転写面の幅は、図１（ａ）（ｂ）において転写面１４ａと非転写面２１ａとの距離および、転写面１５ａと非転写面２１ａとの距離に等しい。
【００３６】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度以下に加熱された金型１のゲート（図示せず）からキャビテイ１０ａ内に射出充填する（図１（ａ））。そして、充填された樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、キャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に摺動移動させることで空隙４０を形成する（図１（ｂ））。これにより、排気流路２３が空隙４０と連通する。ついで、空隙内の気体に接する樹脂面（非転写面）を冷却する。この場合、流量・温度が制御された圧縮気体を給気口２２ａから空隙４０に供給して空隙内を冷却し、冷却後の気体を排気流路２３を介して大気中に排出する。以下、従来技術と同様にして、樹脂全体の温度が金型内で均一、かつほぼ金型温度になるまで冷却した後、金型から成形品を取り出す。図１（ａ）（ｂ）において、符号１６は充填された溶融樹脂、符号１７は冷却中の樹脂である。
【００３７】
この成形工程では、キャビティ内の樹脂の冷却が進み、樹脂圧力が所定値になったときに、キャビティ駒１０ａを後退させることで、その先端面（非転写面）と樹脂との間に空隙４０を形成する。この空隙に対面する部分の樹脂は、他の部分に比べて動きやすくなるため、冷却により生じる応力を吸収しながら凹状のひけを形成する。その結果、転写面において歪みの少ない成形品を得ることができる。また、上記のように非転写面２１ａを包囲する金型部材１１の環状転写面を形成することで、空隙形成時の成形品の変形が転写面１４ａ，１５ａに及ぼす悪影響が軽減されるため、形状精度がより高い成形品を得ることができる。
【００３８】
上記成形方法による場合の、成形品内の温度測定結果を図２に示す。図２（ａ）において符号Ａ１は、冷却中の樹脂のうち、ひけが発生する側の面の上端近傍部分、符号Ａ２は同じく下端近傍部分である。符号Ｂ１はＡ１と反対側の部分（金型部材のキャビティ形成面と接触している部分）、符号Ｂ２はＡ２と反対側の部分である。ひけが発生する側の面の温度分布、すなわち、ひけ発生面側の樹脂位置と樹脂温度との関係および、上記キャビティ形成面側の樹脂位置と樹脂温度との関係は図２（ｂ）のとおりとなる。この図において太い実線はＡ１からＡ２までの範囲の温度分布曲線、細い実線はＢ１からＢ２までの範囲の温度分布曲線である。この図で明らかなように、ひけが発生する側の樹脂表面温度の分布、これと反対側の樹脂表面温度の分布は均等であり、しかも双方の分布間に温度差は実質的に生じていない。
【００３９】
このような結果が得られたのは、空隙４０を形成するキャビティ駒２１の先端面全体にわたって給気口２２ａを複数、均等に分布させて設けたことにより、樹脂面全体を均一に冷却することができるからである。そのため、従来の成形金型で生じていた、空隙と接する樹脂面の温度ムラを大幅に低減することができる。また、圧縮気体の流量・温度を最適化することで、成形品内の非対称な温度分布を防ぐことができ、成形品の形状精度を更に向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、内部歪みも非常い小さい高性能な製品を得ることができる。
【００４０】
第２の実施の形態
図３は、成形用金型の構造を示す模式的断面図である。この成形用金型１は、図１のキャビティ駒２１とな異なる特異構造のキャビティ駒５１を配備して構成されている。このキャビティ駒５１は、その後端部を形成する板状部材の先端面に、直線状のピン５２を複数本、当該キャビティ駒の摺動移動方向に平行に突設するとともに、これらのピン５２の先端面を面一に揃えたものである。すなわち、複数のピン５２同士間の間隙により、給気流路５３を複数、互いに平行（キャビティ駒の摺動移動方向に平行）に形成し、ピン５２の先端面によりキャビティの非転写面を形成するとともに、該先端面に給気口を開口したものである。なお、符号５４は金型部材に形成した排気流路である。この金型のその他の構造は、図１の金型１と同様である。
【００４１】
この金型による成形工程は図１の金型と同様で、溶融樹脂をその軟化温度以下に加熱された金型１のゲート（図示せず）から金型キャビテイ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、キャビテイ駒５１を樹脂から離隔する方向に摺動移動させて空隙４０を形成する。その後、流量・温度が制御された圧縮気体を供気口から空隙４０を供給し、排気流路５４を介して大気中に排出することで、空隙内の圧縮気体に接する樹脂面を冷却する。
【００４２】
上記成形方法による場合の、成形品内の温度測定結果を図４に示す。図４（ａ）における符号Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の意味は、図２（ａ）について説明したものと、図４（ｂ）に示すグラフの意味は、図２（ｂ）について説明したものと、それぞれ同じである。
【００４３】
この図４（ｂ）で明らかなように、ひけが発生する側の樹脂表面温度の分布および、これと反対側の樹脂表面温度の分布は均等であり、しかも双方の分布間に温度差は実質的に生じていない。したがって、図３の金型によれば、従来の金型で生じていた、空隙と接する側の樹脂面の温度ムラを大幅に低減することができる。また、圧縮気体の流量・温度を最適化することで、成形品内の非対称な温度分布を防ぐことができ、形状精度を更に向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、内部歪みが非常い小さい高性能な成形品を得ることができる。また、上記キャビティ駒５１では、上記のように互いに平行な複数のピン同士の間隙により、冷却気体の給気流路および給気口を形成したので、部材に微細加工を施すことなく冷却気体を空隙４０に供給することができる。さらに、実験によれば給気口の口径を０．０５ｍｍ以下にすることでバリの発生や、樹脂とキャビティ駒５１先端面との密着力が大きくなることに起因する成形品の変形を防止することができる。
【００４４】
第３の実施の形態
図５は、成形用金型の構造を示す模式的断面図である。この成形用金型１は、図１のキャビティ駒２１とな異なる特異構造のキャビティ駒６１を配備して構成したものである。このキャビティ駒６１では、前半部に径が比較的大きな凹部を形成し、この凹部内に多孔質材料かなる通気性部材６２を挿入固定して、その先端面により非転写面を形成する。通気性部材６２内には多数の空孔が該部材全体にわたって均一に分布しており、通気性部材６２の先端面および後端面には前記空孔が露出している。したがって、圧縮気体の給気流路は、通気性部材内の空孔によって多数形成され、給気口は通気性部材先端面に露出する空孔により多数形成される。キャビティ駒６１の後半部に給気流路６３を形成し、その一端部を前記凹部に、他端部を圧縮気体の供給源（図略）にそれぞれ連通させる。また、金型部材の内周面に排気流路６４を、キャビティ駒６１の摺動移動方向に平行に複数本形成する。この金型のその他の構成は、図１と同様である。
【００４５】
この金型による成形工程は、図１の金型による場合と同様で、流量・温度が制御された冷却用圧縮気体を、給気流路６３を介して上記多数の給気口から供給する。このキャビティ駒６１では、通気性部材６２の先端面に多数の給気口が、該先端面全体にわって均一に分布形成されている。したがって、このキャビティ駒６１によれば、樹脂の非転写面全体を極めて高い均等性をもって冷却することができる。
【００４６】
上記成形方法による場合の、成形品内の温度測定結果を図６に示す。この図で明らかなように、ひけが発生する側の樹脂表面温度の分布、これと反対側の樹脂表面温度の分布は均等であり、しかも双方の分布間に温度差は実質的に生じていない。その理由は、圧縮気体が多孔質の通気性部材６２から空隙４０内に均等に供給されるため、樹脂の非転写面全体を極めて均一に冷却することができるからである。このため、本実施の形態の金型によれば、第２の実施の形態に係る金型と同等または、これよりも優れた成形結果が得られ、成形品の形状精度が著しく高く、しかも内部歪みが非常に小さい光学レンズ等の精密プラスチック成形品を製造することができる。
【００４７】
通気性部材６２の空孔径は０．０５ｍｍ以下が好ましく、これによりバリの発生や、樹脂とキャビティ駒６１先端面との密着力が大きくなることに起因する成形品の変形を防止することができる。通気性部材６２を形成する材料としてはセラミッス、鋼鉄等が挙げられるが、その熱的性質（熱伝導率・比熱）および比重が、この通気性部材６２以外の金型構成部分の材料のそれと同等のものから適宜選択することが望ましい。このように、熱的性質および比重が同等の材料で金型を構成することにより、特に高精度・高性能な成形品を得ることができる。その理由は、キャビテイ駒６１を摺動移動させて空隙４０を形成させる前に、キャビティ内の樹脂温度に非対称な温度分布が発生するのを防止することができるからである。
【００４８】
第４の実施の形態
図７は、成形用金型１の構造を示す模式的断面図であり、（ａ）は樹脂を射出充填する直前の状態を、（ｂ）は樹脂充填後のキャビティ駒離隔時の状態をそれぞれ示している。この金型１では、給気流路２２をキャビティ駒２１内に一つまたは複数形成し、金型部材１１の内周面に排気流路２３を複数形成する。この金型１の全体を所定温度に保持するための温調手段（図示せず）を適所に配備する。また、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段（加熱部材）として、電熱ヒータ（通電加熱型のヒータ）７１を金型転写面近傍に複数配置する。これらのヒータは、熱電対が検出する温度に応じて出力を制御し、温度を一定に保つものである。なお、その他の金型構成要素の構造は図１の金型と同様である。
【００４９】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満の温度に加熱された金型のゲート（図略）からキャビテイ１０ａに射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、キャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させることで空隙４０を形成し、この空隙を金型部材１１の排気流路２３（凹溝）と連通させる。この空隙４０に圧縮気体を供給流路２２を介して供給し、排気流路２３を介して排出することで空隙４０と接する樹脂面を冷却する。
【００５０】
従来の金型では、圧縮気体により樹脂を冷却する際、金型の転写面も冷却されてしまう。これは、金型が（熱伝導性の良い）金属材料からなるためである。これに対し、本実施の形態の金型では、これを金属材料で構成した場合でも、転写面１４ａ，１５ａの近傍に設けたヒータ７１により、これら転写面の温度を空隙４０形成前と同じ温度に保つことができる。
【００５１】
図８（ａ）（ｂ）に、成形品内および金型の温度測定結果を示す。これらの図の意味は、図２についての説明で明らかであるから、重複する説明は省略する。図８（ｂ）から、空隙４０を冷却する前後で成形品内および金型の温度は殆ど変わらないことが分かる。このように、本実施の形態によれば、従来の金型で生じていた転写面の温度低下を防ぐことができ、金型温度の低下や金型温度ムラに起因する成形品の形状精度劣化を防ぐことができ、形状精度を向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、温度ムラが低減したことにより、内部歪みも非常い少ない高品質の成形品を得ることができる。
【００５２】
第５の実施の形態
図９は金型１の構造を示す模式的断面図であり、キャビティ駒離隔時の状態を示している。図１の金型が空隙冷却用の手段として、圧縮気体を供給するように構成したものであるのに対し、図９の金型１は、キャビティ駒を冷却することで、間接的に空隙を冷却するように構成する。すなわち、摺動自在のキャビテイ駒２１内に水、油などの冷却用媒体が流れる循環配管２１ｂを挿入配備し、この循環配管を、外部配管を介して冷却用媒体の温調装置２５に連結する。この温調装置２５には冷却用媒体の循環ポンプ（図略）を配備する。また、金型１全体の温度を保持するための温調手段（図略）以外に、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段（加熱部材）として、転写面近傍に加熱媒体として熱水、加熱油などの加熱流体を流す加熱流体供給配管７２を挿入配備する。その他の部分の構成は、図７（ａ）と同様とする。
【００５３】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満に加熱された金型のゲート（図示せず）から金型キャビティ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、摺動可能なキャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させ空隙４０を形成する。ついで、キャビテイ駒２１に冷却用媒体を流すことにより空隙４０を冷却し、この空隙により樹脂面（非転写面）を冷却する。
【００５４】
従来の金型では、冷却媒体によりキャビティ駒を冷却して樹脂を冷却するようにしているが、このような構造では、金型材料が金属製で熱伝導性が良いため、金型の転写面も冷却されてしまう。これに対し、本実施の形態の金型では、転写面近傍に加熱流体を流す配管を配備したことにより、転写面の温度を空隙形成前と同じ温度に保つことができる。
【００５５】
図１０に示すように、本実施の形態の金型によれば、従来の金型で生じていた転写面の温度低下を防ぐことができ、金型温度の低下や、金型の温度ムラに起因する成形品の形状精度劣化を防ぎ、形状精度を向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、温度分布が低減したことにより、内部歪みも非常い小さい成形品を得ることができる。
【００５６】
第６の実施の形態
図１１（ａ）は金型１の構造を示す模式的断面図であり、キャビティ駒離隔時の状態を示している。図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。この金型１では、摺動可能なキャビテイ駒２１内に、外部の圧縮気体供給源（図略）と連通する給気流路２２を形成する。また、金型１全体の温度を保持するための温調手段（図示せず）以外に、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段（加熱手段）として、転写面近傍に電熱ヒータ（通電加熱を行うヒータ）７３を複数、キャビティ２１の摺動方向に平行に、かつ上記Ｃ−Ｃ線断面図において、キャビティを包囲する状態で設ける。その他の部分の構造は図７と同様とする。
【００５７】
成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満に加熱（手段は図略）された金型のゲート（図示せず）から金型キャビティ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、摺動可能なキャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させ空隙４０を形成する。ついで、圧縮気体を給気流路２２から流入し、排気流路２３から排出することで、空隙４０と接する樹脂面を冷却する。転写面近傍に加熱手段として上記ヒータ７３を上記態様で設けたことにより、成形品が長尺かつ偏肉な形状の場合にも、成形品の長手方向転写面の温度ムラを低減し、非常に高精度な成形品を得ることが可能となる。
【００５８】
第７の実施の形態
図１２（ａ）は金型１の構造を示す模式的断面図であり、キャビティ駒離隔時の状態を示している。図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。この金型１では、摺動可能なキャビテイ駒２１内に、外部の圧縮気体供給源（図略）と連通する給気流路２２を一つまたは複数形成する。また、金型１全体の温度を保持している温調手段（図示せず）以外に、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段（加熱手段）としてヒータ７４を転写面近傍に複数、かつキャビティ１０ａの長手方向に沿って配備する。このヒータ７４は、内部の発熱素子を複数に分割し、個別に通電加熱を行うことができる構造とする。
【００５９】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満に加熱された金型のゲート（図示せず）から金型キャビティ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、摺動可能なキャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させ空隙４０を形成させる。ついで、圧縮気体を給気流路２２から流入し、排気流路２３から排出することで、空隙４０と接する樹脂面を冷却する。転写面近傍に加熱媒体として、上記構造のヒータを上記態様で配備したので、成形品が長尺かつ偏肉な形状の場合にも、金型構造を複雑にすることなく成形品の長手方向転写面の温度ムラを低減することができ、非常に高精度な成形品を得ることが可能となる。
【００６０】
第８の実施の形態
図１３は金型１の構造を示す模式的断面図であり、キャビティ駒離隔時の状態を示している。この金型１では、摺動可能なキャビテイ駒２１内に、外部の圧縮気体供給源（図略）と連通する給気流路２２を形成する。また、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段として、低熱伝導性材料（例えばセラミックス材料）からなる伝熱抑制部材である保温部材２６を、転写面を形成する金型部材１１とキャビティ駒２１との間に配備する。すなわち上記保温部材２６を、キャビティ駒２１を包囲する形態で、かつこの保温部材２６の端部が空隙４０に臨む形態で設ける。図７の金型が上記温度維持手段として電熱ヒータ７１を設けたものであるのに対し、本実施の形態の金型は、上記温度維持手段として保温部材２６を配備した点で図７の金型と相違する。本実施の形態の金型のその他の部分の構成は、図７と同様である。
【００６１】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満に加熱された金型のゲート（図示せず）から金型キャビティ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、摺動可能なキャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させ空隙４０を形成する。ついで、圧縮気体を給気流路２２から供給し、排気流路２３から排出することで、空隙４０と接する樹脂面を冷却する。
【００６２】
従来の金型では、この圧縮気体で樹脂を冷却する際、転写面も冷却されてしまう。これに対し、本実施の形態の金型では、保温部材２６を上記態様で配備したことにより、転写面の温度を空隙形成前と同じ温度に保つことが可能となる。
【００６３】
図１４に成形品内および金型の温度測定結果を示す。この図で明らかなように、従来の金型で生じていた非転写面の温度低下を防ぐことができ、形状精度を向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、内部歪みも非常い小さい成形品を得ることができる。また、転写面の温度を維持する手段として、保温部材２６に替えて空気層（断熱層）を適所に形成することも、非常に容易かつ有効な手段であり、空隙冷却に伴う転写面の温度低下をこの空気層で抑えることができる。
【００６４】
実施例および比較例
上記第１〜第３の実施の形態に係る成形用金型（実施例）と、図１６に示す成形用金型（比較例）とを用意し、光学レンズを成形した。この場合、それぞれの金型では同一形状・寸法のキャビティを形成して成形した。図１５（ａ）は光学レンズ各部の設計寸法（狙いの寸法：単位ｍｍ）を示す説明図、図１５（ｂ）は、成形で得られた光学レンズの寸法測定結果の説明図である。図１５（ｂ）で明らかなように、本発明の実施例によれば、転写面すなわちレンズ面２０１，２０２の形状・寸法精度が比較例に比べて非常に高い成形品を得ることができる。
【００６５】
また、本発明の成形用金型によれば、通常の射出成形法と同等の成形サイクルでプラスチック成形品を得ることができるため生産性も高く、比較例低コストで高性能の成形品を提供することが可能となる。さらに、これらのプラスチック成形品の製造方法で成形した光学素子は形状精度が高いうえ、内部歪みが非常に少ないため、この光学素子を用いた光学系は焦点位置ずれや、ビームスポット径の肥大化のない、高い光学性能を得ることができる。
【００６６】
なお、上記実施の形態および実施例では、排気流路を金型部材の内周面に形成したが、これに替えてキャビティ駒の外周面に形成することもできる。また、給気流路を金型部材の内周面に形成し、キャビティ駒に排気流路を形成してもよい。さらに、キャビティ駒内に給気流路を形成するとともに、キャビティ駒の外周面および金型部材の内周面に排気流路を形成することもできる。
【００６７】
また、キャビティに圧縮気体を供給するようにしたが、これに替えて、真空ポンプで吸引した大気をキャビティに供給するように構成することもできる。また、上記実施の形態および実施例では、キャビティ駒２１をキャビティから後退させることで空隙４０を形成するようにしたが、キャビティ駒２１を後退させず圧縮気体をキャビティに供給し、それまで樹脂に密着していたキャビティ駒の先端面を、圧縮気体の圧力によって樹脂面から剥がすことで空隙を形成することもできる。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明に係る成形用金型およびプラスチックの成形方法で成形したプラスチック成形品は、転写面の形状精度が非常に良く、しかもこれらの金型および成形方法は、金型の加熱昇温、溶融樹脂の射出充填、保圧・徐冷、成形品取出しの工程を経る通常の射出成形金型の場合と同等の生産性を有するものである。したがって、本発明の成形用金型で成形された光学素子は、形状・寸法精度が非常に高いうえ、内部歪みが非常に小さく、この光学素子を用いた光学系では、焦点位置ずれやビームスポット径の肥大化のない、高い光学性能を得ることができる。以下、請求項別の効果についてまとめる。
【００７３】
請求項１（成形用金型）、請求項１２の発明（プラスチックの成形方法）では、キャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、後退したキャビティ駒と樹脂の非転写面との間に形成される空隙をこのキャビティ駒で冷却するように構成するとともに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備したので、空隙冷却時の転写面温度の低下を防ぐことができ、かつ転写面の温度のムラを防止することが可能となり、そのうえ成形品の生産性も高い。このため、転写面の温度ムラが大幅に低減され、形状精度が高く、内部歪みが非常に小さい高品質のプラスチック成形品を低コストで提供することができる。
【００７４】
請求項１の発明では、キャビティ駒をキャビティから後退させることにより確実に空隙が形成されるため、非転写面に凸状または凹凸状のひけを確実に誘導することができるので、高精度の成形品を、より確実に成形することができる。請求項１０の発明では、上記空隙をキャビティ駒からの圧縮気体で冷却するようにしたので、樹脂の非転写面を非常に効率良く冷却することができ、高精度な成形品を、より確実に得ることができる。請求項１１の発明では、空隙に供給される圧縮気体の温度及び／又は流量が制御されていることにより、更に高精度な成形品を安定して得ることができる。
【００７５】
請求項１及び９の発明では、キャビティ駒に冷却用媒体を流すことで、上記空隙を冷却するようにしたため、樹脂の非転写面を効率良く冷却することができ、高精度な成形品を得ることができる。請求項３の発明では、転写面を所定温度に維持するための温度維持手段として、電熱ヒータを配備したので、空隙冷却時の転写面の温度低下を、比較的簡易な金型構造で確実に防止することができる。
【００７６】
請求項４の発明では電熱ヒータを、個別に通電発熱する複数の発熱素子を配列して構成したので、また請求項５の発明では、転写面の近傍に電熱ヒータを複数、転写面を包囲する形態で配備したので、電熱ヒータによる加熱の精度が向上する。このため請求項４，５の発明では、成形品が長尺かつ偏肉形状の場合にも、成形品の長手方向転写面の温度分布を低減することができ、非常に高精度な成形品を得ることができる。
【００７７】
請求項６の発明では、上記温度維持手段が、金型部材内に形成された加熱用媒体の流路と、該流路に温度制御された加熱用媒体を供給する加熱用媒体供給手段とを備え、金型内が加熱用媒体で加熱されるように構成したので、比較的簡易な金型構造で、空隙冷却時の転写面の温度低下を防ぐことができる。請求項７の発明では、加熱用媒体の流路を金型部材内のキャビティ近傍部位に複数、転写面を包囲する形態で配備したので、空隙冷却時の転写面温度低下を、より高精度に防止することができる。
【００７８】
請求項８の発明では温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に配備された、低熱伝導性材料からなる保温部材であることにより、また請求項２の発明では温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に形成された空気層であることにより、それぞれ、加熱手段を設けることなく簡易な金型構造で、空隙冷却時の転写面の温度低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図２】（ａ）は図１の成形方法による成形品内の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図４】（ａ）は図３の成形方法による成形品内の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図６】（ａ）は図５の成形方法による成形品内の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図８】（ａ）は図７の成形方法による成形品内および金型の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図１０】（ａ）は図９の成形方法による成形品内および金型の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係るもので、（ａ）プラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図であり、（ｂ）はそのＣ−Ｃ線断面図である。
【図１２】本発明の第７の実施の形態に係るもので、（ａ）プラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図であり、（ｂ）はそのＤ−Ｄ線断面図である。
【図１３】本発明の第８の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図１４】（ａ）は図１３の成形方法による成形品内および金型の温度測定要領の説明図であり、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図１５】（ａ）は本発明の金型（実施例）および、従来の金型（従来例）で成形しようとする光学レンズの概略斜視図、（ｂ）はこれら実施例と従来例との、成形結果（成形品の形状精度）を比較して示すグラフである。
【図１６】従来の成形用金型の構造および、これによる成形工程を示す説明図である。
【図１７】図１６の成形用金型および成形工程の問題点説明図である。
【符号の説明】
１ 成形用金型
１０ 本体
１０ａ キャビティ
１１〜１５ 金型部材
１４ａ 転写面
１５ａ 転写面
１６ 溶融樹脂
１７ 冷却中の樹脂
２１ キャビティ駒
２１ａ 非転写面
２１ｂ 循環配管
２２ 給気流路
２２ａ 給気口
２３ 排気流路
２５ 温調装置
２６ 保温部材
３１ 圧力制御装置
３２ 温度調節装置
３３ 流量制御弁
３４ 気体供給源
４０ 空隙
５１ キャビティ駒
５２ ピン
５３ 給気流路
５４ 排気流路
６１ キャビティ駒
６２ 通気性部材
６３ 給気流路
６４ 排気流路
７１ 電熱ヒータ
７２ 加熱流体供給配管
７３ ヒータ
７４ ヒータ
１００ａ 充填された溶融樹脂
１００ｂ 冷却中の樹脂
１００ｃ 成形品
１００ｄ ひけ
１０１ 金型
１０１ａ キャビティ
１０２ キャビティ駒（可動入れ子）
１０３ 転写面
１０４ 転写面
１０５ 非転写面
１０６ 空隙
２００ 光学レンズ
２０１ レンズ面
２０２ レンズ面
【発明の属する技術分野】
本発明は、高精度なプラスチック成形品（特にレンズ、ミラー等の光学素子）の製造技術に関する。本発明の応用分野としては、複写機、ファクシミリ、レーザビームプリンタ等の光走査系に用いられるプラスチックレンズ、プラスチックミラーの成形が挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ方式のデジタル複写機、プリンター、又はファクシミリ装置の光書き込みユニットには、レーザービームの結像、及び各種補正機能を有する矩形状のレンズ、ミラー等の光学素子が用いられている。
【０００３】
近年これらの光学素子は、製品のコストダウンの要求でガラス製からプラスチック製へと変化し、また複数の機能を最少限の素子で補うため、その転写面形状も、球面のみならず複雑な非球面形状を有するようになってきている。また、レンズの場合には、レンズ厚が厚く、また長手方向でレンズ厚が一定ではない偏肉形状が多くなっている。
【０００４】
その製造方法としては、製造コストが低く大量生産に適した射出成形法が一般的である。射出成形法で製造する際は、加熱溶融された樹脂材料を金型内に射出充填し冷却固化させる工程において、金型内の樹脂圧力や樹脂温度が均一になることが、所望の形状精度を確保するために望ましい。
【０００５】
しかし、レンズ厚が偏肉形状の場合、充填された樹脂の冷却速度が長手方向の各部で異なり、体積収縮量に差が生じるために形状精度が悪化する不具合があった。また、レンズ厚が大きい場合には、樹脂の冷却過程で体積収縮量が大きいため、ひけが発生しやすくなる。このひけ発生を防止するために射出圧力を大きくすると（樹脂の充填量を多くすると）、内部歪みが大きくなり光学性能に悪影響を及ぼす不具合が生じていた。
【０００６】
このような問題に対して、以下の成形方法が提案されている。
（１）金型温度を樹脂のガラス転移点温度（Ｔｇ点）以上に高くし、充填された樹脂の冷却速度が長手方向の各部でできるだけ一定になるように、熱変形温度以下になるまで徐冷する方法。この成形方法によれば、樹脂温度を均一に保ったまま冷却することができるため形状精度が高く、内部歪みが小さい良好な成形品を得ることが可能となる。
【０００７】
しかし、この成形方法では、樹脂温度を成形品各部で均一に保ったまま徐冷する必要があるため、成形サイクルが非常に長くなり、生産性が劣り成形品のコストが高くなる欠点がある。
【０００８】
（２）一定温度の金型内に溶融樹脂を射出充填した後、転写面（レンズ面）以外の面を構成するキャビテイ駒を樹脂から離隔する方向に移動させ、その箇所に優先的にひけを発生させる（樹脂冷却過程で成形品の機能上不要な箇所に優先的にひけを発生させる）ことで、転写面の形状精度を向上させる成形方法。この成形方法によれば、非常に低圧低充填での成形が可能になるため、高い形状精度とともに、内部歪みも小さい良好な成形品を生産性良く得ることができる。
【０００９】
しかし、この成形方法を用いても、近年のデジタル複写機やプリンタ等の製品の高画質化・低コスト化の要求に伴い、レンズ、ミラーなどの部品に要求される精度やコストが厳しくなってきているため、以下に示す問題点が生じている。これについて図１６、図１７をもとに説明する。
【００１０】
図１６はこの成形方法を示す模式的断面図であり、（ａ）は樹脂を射出充填した直後の状態を、（ｂ）はキャビティ駒の離隔時を、（ｃ）は樹脂徐冷時をそれぞれ示している。図１７は、この成形方法の問題点説明図であって、（ａ）は成形品の温度ムラを示す模式的断面図、（ｂ）は成形品の形状精度の低下状態を示す模式的断面図、（ｃ）は成形工程の経過時間とキャビティ内樹脂の温度との関係を示すグラフである。図１６，１７に記載された主な符号について説明すると、１００ａは射出充填された溶融樹脂、１００ｂは冷却中の樹脂、１００ｃは成形品である。１０１は金型、１０１ａはキャビティ、１０２はキャビティ駒（キャビティ形成用の可動入れ子）、１０３，１０４は転写面である。キャビティ駒１０２は金型１０１内に摺動自在に挿入され、その先端面は、キャビティを形成するとともに、成形品１００ｃの非転写面１０５を形成している。
【００１１】
成形工程では図１６に示すように、転写面１０３，１０４を有する金型キャビテイ内に溶融樹脂１００ａを射出充填した後、この樹脂の軟化温度未満まで冷却する間に、キャビテイ駒１０２を、冷却中の樹脂１００ｂから離隔する方向に移動させる（キャビテイ駒１０２の非転写面１０５を後退させる）。符号１０６はこのとき形成される空隙である。これにより樹脂の空気層に接している部分に、ひけ１００ｄを優先的に発生させる。ついで、樹脂全体の温度が金型内で均一、かつほぼ金型温度になるまで冷却した後、金型から成形品を取り出す。
【００１２】
ところが上記空隙１０６では、金型キャビテイを構成している金属材料と比較して、非常に熱が移動しにくい。そのため、樹脂が金型キャビテイの壁面（金型のキャビティ形成面）と接している部分と、空隙１０６に接している部分とでは樹脂の冷却速度に差が生じ、成形品内に非対称な温度分布が生じながら冷却が進み、形状精度の低下や内部歪みが発生してしまう。
【００１３】
すなわち、図１７（ａ）において冷却中の樹脂のうち、上記ひけが発生する部分（空隙１０６内の空気と接触する部分）をＡ点とし、このＡ点と反対側の部分（金型のキャビティ形成面と接触している部分）をＢ点とすると、成形工程の経過時間とこれらＡ点、Ｂ点の温度との関係は図１７（ｂ）のとおりとなる。この図に示すように、成形工程が開始されてから空隙１０６が形成されるまでは、Ａ点、Ｂ点間に温度差は生じていない。しかし、空隙形成とともに、これらに温度差が生じ、成形品取出時にようやく同一温度になる。このため、図１７（ｃ）に示すように、成形品１００ｃの転写面（レンズ面）がキャビティ形状と同一にならず（転写面が精確に転写されない）、形状精度が低下してしまう。
【００１４】
また、金型内で樹脂温度が均一に、ほぼ金型温度になるまで冷却してから成形品を取り出すため、通常の射出成形の場合と比較して成形サイクルが長くなる。したがって、より高精度な成形品を、より低コストで得るためには、成形方法の改善が必要となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、その目的は、金型キャビティに射出充填された溶融樹脂の非転写面を均一に冷却することにより、転写面が冷却されるときの該転写面の温度ムラを抑えて成形品の形状精度低下を防ぎ、もって、より高精度な成形品を低コストで得ることができる成形用金型および、これを用いるプラスチック成形品の製造方法を提供することにある。
【００１６】
上記目的達成のため、第１の発明は、溶融樹脂を金型内に射出充填した後、その軟化温度未満まで冷却する間に、樹脂の非転写面とキャビティ駒の先端面とにより金型内に形成される空隙全体に冷却気体を均等に供給して樹脂の非転写面側をムラなく冷却することにより、転写面全体を均一に冷却するように構成した成形用金型および、これを用いるプラスチック成形品の製造方法を提供するものである。
【００１７】
また上記目的達成のため、第２の発明は、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を金型内に設け、溶融樹脂を金型内に射出充填した後、その軟化温度未満まで冷却する間に、キャビティ駒で樹脂の非転写面側を冷却するとともに、該冷却によって樹脂の転写面側の温度が低下するのを、前記温度維持手段で防止するように構成した成形用金型および、これを使用するプラスチック成形品の製造方法を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１及び９に係る発明は、転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記キャビティ駒内に冷却用媒体の流路を形成し、該流路を温度制御された冷却用媒体の供給手段に連絡したことを特徴とする成形用金型である。
【００２４】
請求項２に係る発明は、請求項１において、温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に形成された空気層であることを特徴とする成形用金型である。
【００２５】
請求項３に係る発明は、転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記温度維持手段が電熱ヒータと、該電熱ヒータの発熱温度を所定温度に制御するヒータ制御手段とを備えていることを特徴とする成形用金型である。請求項４に係る発明は、請求項３において電熱ヒータが、個別に通電発熱する複数の発熱素子を配列して構成されていることを特徴とする成形用金型である。請求項５に係る発明は、請求項３または４において、転写面の近傍に電熱ヒータを複数、転写面を包囲する形態で配備したことを特徴とする成形用金型である。
【００２６】
請求項６に係る発明は、転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記温度維持手段が、金型部材内に形成された加熱用媒体の流路と、該流路に温度制御された加熱用媒体を供給する加熱用媒体供給手段とを備えていることを特徴とする成形用金型である。請求項７に係る発明は、請求項６において、加熱用媒体の流路を金型部材内のキャビティ近傍部位に複数、転写面を包囲する形態で配備したことを特徴とする成形用金型である。請求項８に係る発明は、転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に配備された、低熱伝導性材料からなる保温部材であることを特徴とする成形用金型である。
【００２７】
請求項１０に係る発明は、請求項３〜８のいずれか１項において、キャビティ駒として、キャビティに臨む給気口が先端面に形成され該給気口に連なる圧縮気体の供給流路（以下、給気流路）が形成されたものを設け、前記給気口からキャビティに供給された圧縮気体を当該金型外に排気する排気流路を適所に形成したことを特徴とする成形用金型である。請求項１１に係る発明は、請求項１０において、キャビティ駒に形成された給気流路を、温度・流量の少なくとも一方が制御された圧縮気体を供給する圧縮気体供給手段（圧縮気体供給源と、これに連なる圧縮気体の温度調節装置及び／又は圧縮気体の流量制御弁）に連絡したことを特徴とする成形用金型である。請求項１２に係る発明は、請求項３〜７のいずれか１項に記載の成形用金型を用いるプラスチックの射出成形方法であって、あらかじめ温度維持手段を作動させておき、溶融樹脂をその軟化温度未満に加熱された金型に射出充填し、溶融樹脂を軟化温度未満まで冷却する過程で、キャビティ駒を金型部材に対し摺動移動させてキャビティから離隔させることにより、キャビティ駒の非転写面とキャビティ内樹脂との間に空隙を形成し、該空隙をキャビティ駒で冷却することにより、非転写面に接触していた樹脂面を冷却することを特徴とするプラスチックの成形方法である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、第１〜第３の実施の形態は第１発明に係るものであり、第４〜第８の実施の形態は第２発明に係るものである。
【００２９】
第１の実施の形態
図１は本発明によるプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図であり、（ａ）は樹脂を射出充填した直後の状態を、（ｂ）はキャビティ駒離隔時の状態を示している。
【００３０】
金型１の本体１０を、金型部材１１〜１５で構成する。これらの金型部材は成形品の転写面を形成するためのものである。キャビティ１０ａを、これら金型部材１１〜１５の内面（転写面）と、キャビティ駒２１の先端面すなわち非転写面２１ａとにより区画形成する。金型部材１１内にキャビティ駒（可動入れ子）２１を、その内周面に摺動移動自在に設ける。金型部材１４，１５により互いに対向する転写面１４ａ，１５ｂを形成する。非転写面２１ａの全体を、金型部材１１の転写面で環状に包囲した形態とするとともに、金型部材１１の内周面に排気流路２３を複数、キャビティ駒の摺動移動方向に形成する。この排気流路２３は、キャビティまで貫通させず、転写面の手前で終端させる。したがって、金型が閉じた図１（ａ）の状態では、排気流路２３はキャビティ１０ａと連通していない。
【００３１】
金型部部材１４，１５はそれぞれ、前記転写面のうち成形品の品質を左右する重要な上記転写面１４ａ，１５ａを形成する。図１（ａ）と図１５（ａ）との対比で明らかなように、この金型１が例えば、図１５（ａ）に示す光学レンズ２００の成形用金型である場合、転写面１４ａ，１５ａの一方はレンズ面２０１を、他方はレンズ面２０２をそれぞれ形成するためのものである。したがって、これらレンズ面の形状精度を高くするとともに、これらレンズ面近傍の樹脂内の歪みを非常に小さくすることが、レンズの品質を高めるために重要となる。
【００３２】
キャビティ駒２１内に圧縮気体（空気、窒素ガスなど）の給気流路２２を複数、その摺動移動方向に形成する。これら給気流路の先端部をキャビティ１０ａ内に開口させることにより、キャビティ１０ａへの圧縮気体供給口すなわち給気口２２ａとする。これらの給気口は、キャビティ駒先端面の全体にわたって均等に分布させた形態で形成する。
【００３３】
上記給気流路２２を温度調節装置３２および流量制御弁３３を介して、冷却用の圧縮気体を供給するための気体供給源３４に連絡する。温度調節装置３２は、気体供給源３４からの圧縮気体を所定温度に調節するためのものである。圧力制御装置３１は、キャビティ駒２１を摺動移動させるためのものであると同時に、キャビティ１０ａに溶融樹脂を充填する際に該樹脂の圧力（射出圧力）でキャビティ駒２１がキャビティから後退しないようにこれに押圧力を付与するものである。
【００３４】
また、本実施の形態の金型では、（１）キャビティ駒の先端面形状（輪郭線の形状）を、該先端面を包囲する金型部材１１の環状転写面の外側輪郭線の形状とおおむね相似とし、かつ（２）キャビティ駒に形成された複数の給気口２２ａの全体が内接する図形の形状を、金型部材１１の前記環状転写面の外側輪郭線の形状とおおむね相似とする。キャビティ１０ａを上記（１）のように構成することで、ひけの発生に起因する金型内樹脂の移動が転写面劣化（転写面の転写精度低下）に与える影響を防止することができ、高精度な成形品をより確実に得ることができる。
【００３５】
また、キャビティ１０ａを上記（２）のように構成することにより、キャビティ内樹脂の非転写面をより均一に冷却する（キャビティ駒後退で形成される空隙を均一に冷却する）ことができ、高精度な成形品をより確実に得ることができる。なお上記環状転写面の幅は、図１（ａ）（ｂ）において転写面１４ａと非転写面２１ａとの距離および、転写面１５ａと非転写面２１ａとの距離に等しい。
【００３６】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度以下に加熱された金型１のゲート（図示せず）からキャビテイ１０ａ内に射出充填する（図１（ａ））。そして、充填された樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、キャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に摺動移動させることで空隙４０を形成する（図１（ｂ））。これにより、排気流路２３が空隙４０と連通する。ついで、空隙内の気体に接する樹脂面（非転写面）を冷却する。この場合、流量・温度が制御された圧縮気体を給気口２２ａから空隙４０に供給して空隙内を冷却し、冷却後の気体を排気流路２３を介して大気中に排出する。以下、従来技術と同様にして、樹脂全体の温度が金型内で均一、かつほぼ金型温度になるまで冷却した後、金型から成形品を取り出す。図１（ａ）（ｂ）において、符号１６は充填された溶融樹脂、符号１７は冷却中の樹脂である。
【００３７】
この成形工程では、キャビティ内の樹脂の冷却が進み、樹脂圧力が所定値になったときに、キャビティ駒１０ａを後退させることで、その先端面（非転写面）と樹脂との間に空隙４０を形成する。この空隙に対面する部分の樹脂は、他の部分に比べて動きやすくなるため、冷却により生じる応力を吸収しながら凹状のひけを形成する。その結果、転写面において歪みの少ない成形品を得ることができる。また、上記のように非転写面２１ａを包囲する金型部材１１の環状転写面を形成することで、空隙形成時の成形品の変形が転写面１４ａ，１５ａに及ぼす悪影響が軽減されるため、形状精度がより高い成形品を得ることができる。
【００３８】
上記成形方法による場合の、成形品内の温度測定結果を図２に示す。図２（ａ）において符号Ａ１は、冷却中の樹脂のうち、ひけが発生する側の面の上端近傍部分、符号Ａ２は同じく下端近傍部分である。符号Ｂ１はＡ１と反対側の部分（金型部材のキャビティ形成面と接触している部分）、符号Ｂ２はＡ２と反対側の部分である。ひけが発生する側の面の温度分布、すなわち、ひけ発生面側の樹脂位置と樹脂温度との関係および、上記キャビティ形成面側の樹脂位置と樹脂温度との関係は図２（ｂ）のとおりとなる。この図において太い実線はＡ１からＡ２までの範囲の温度分布曲線、細い実線はＢ１からＢ２までの範囲の温度分布曲線である。この図で明らかなように、ひけが発生する側の樹脂表面温度の分布、これと反対側の樹脂表面温度の分布は均等であり、しかも双方の分布間に温度差は実質的に生じていない。
【００３９】
このような結果が得られたのは、空隙４０を形成するキャビティ駒２１の先端面全体にわたって給気口２２ａを複数、均等に分布させて設けたことにより、樹脂面全体を均一に冷却することができるからである。そのため、従来の成形金型で生じていた、空隙と接する樹脂面の温度ムラを大幅に低減することができる。また、圧縮気体の流量・温度を最適化することで、成形品内の非対称な温度分布を防ぐことができ、成形品の形状精度を更に向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、内部歪みも非常い小さい高性能な製品を得ることができる。
【００４０】
第２の実施の形態
図３は、成形用金型の構造を示す模式的断面図である。この成形用金型１は、図１のキャビティ駒２１とな異なる特異構造のキャビティ駒５１を配備して構成されている。このキャビティ駒５１は、その後端部を形成する板状部材の先端面に、直線状のピン５２を複数本、当該キャビティ駒の摺動移動方向に平行に突設するとともに、これらのピン５２の先端面を面一に揃えたものである。すなわち、複数のピン５２同士間の間隙により、給気流路５３を複数、互いに平行（キャビティ駒の摺動移動方向に平行）に形成し、ピン５２の先端面によりキャビティの非転写面を形成するとともに、該先端面に給気口を開口したものである。なお、符号５４は金型部材に形成した排気流路である。この金型のその他の構造は、図１の金型１と同様である。
【００４１】
この金型による成形工程は図１の金型と同様で、溶融樹脂をその軟化温度以下に加熱された金型１のゲート（図示せず）から金型キャビテイ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、キャビテイ駒５１を樹脂から離隔する方向に摺動移動させて空隙４０を形成する。その後、流量・温度が制御された圧縮気体を供気口から空隙４０を供給し、排気流路５４を介して大気中に排出することで、空隙内の圧縮気体に接する樹脂面を冷却する。
【００４２】
上記成形方法による場合の、成形品内の温度測定結果を図４に示す。図４（ａ）における符号Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の意味は、図２（ａ）について説明したものと、図４（ｂ）に示すグラフの意味は、図２（ｂ）について説明したものと、それぞれ同じである。
【００４３】
この図４（ｂ）で明らかなように、ひけが発生する側の樹脂表面温度の分布および、これと反対側の樹脂表面温度の分布は均等であり、しかも双方の分布間に温度差は実質的に生じていない。したがって、図３の金型によれば、従来の金型で生じていた、空隙と接する側の樹脂面の温度ムラを大幅に低減することができる。また、圧縮気体の流量・温度を最適化することで、成形品内の非対称な温度分布を防ぐことができ、形状精度を更に向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、内部歪みが非常い小さい高性能な成形品を得ることができる。また、上記キャビティ駒５１では、上記のように互いに平行な複数のピン同士の間隙により、冷却気体の給気流路および給気口を形成したので、部材に微細加工を施すことなく冷却気体を空隙４０に供給することができる。さらに、実験によれば給気口の口径を０．０５ｍｍ以下にすることでバリの発生や、樹脂とキャビティ駒５１先端面との密着力が大きくなることに起因する成形品の変形を防止することができる。
【００４４】
第３の実施の形態
図５は、成形用金型の構造を示す模式的断面図である。この成形用金型１は、図１のキャビティ駒２１とな異なる特異構造のキャビティ駒６１を配備して構成したものである。このキャビティ駒６１では、前半部に径が比較的大きな凹部を形成し、この凹部内に多孔質材料かなる通気性部材６２を挿入固定して、その先端面により非転写面を形成する。通気性部材６２内には多数の空孔が該部材全体にわたって均一に分布しており、通気性部材６２の先端面および後端面には前記空孔が露出している。したがって、圧縮気体の給気流路は、通気性部材内の空孔によって多数形成され、給気口は通気性部材先端面に露出する空孔により多数形成される。キャビティ駒６１の後半部に給気流路６３を形成し、その一端部を前記凹部に、他端部を圧縮気体の供給源（図略）にそれぞれ連通させる。また、金型部材の内周面に排気流路６４を、キャビティ駒６１の摺動移動方向に平行に複数本形成する。この金型のその他の構成は、図１と同様である。
【００４５】
この金型による成形工程は、図１の金型による場合と同様で、流量・温度が制御された冷却用圧縮気体を、給気流路６３を介して上記多数の給気口から供給する。このキャビティ駒６１では、通気性部材６２の先端面に多数の給気口が、該先端面全体にわって均一に分布形成されている。したがって、このキャビティ駒６１によれば、樹脂の非転写面全体を極めて高い均等性をもって冷却することができる。
【００４６】
上記成形方法による場合の、成形品内の温度測定結果を図６に示す。この図で明らかなように、ひけが発生する側の樹脂表面温度の分布、これと反対側の樹脂表面温度の分布は均等であり、しかも双方の分布間に温度差は実質的に生じていない。その理由は、圧縮気体が多孔質の通気性部材６２から空隙４０内に均等に供給されるため、樹脂の非転写面全体を極めて均一に冷却することができるからである。このため、本実施の形態の金型によれば、第２の実施の形態に係る金型と同等または、これよりも優れた成形結果が得られ、成形品の形状精度が著しく高く、しかも内部歪みが非常に小さい光学レンズ等の精密プラスチック成形品を製造することができる。
【００４７】
通気性部材６２の空孔径は０．０５ｍｍ以下が好ましく、これによりバリの発生や、樹脂とキャビティ駒６１先端面との密着力が大きくなることに起因する成形品の変形を防止することができる。通気性部材６２を形成する材料としてはセラミッス、鋼鉄等が挙げられるが、その熱的性質（熱伝導率・比熱）および比重が、この通気性部材６２以外の金型構成部分の材料のそれと同等のものから適宜選択することが望ましい。このように、熱的性質および比重が同等の材料で金型を構成することにより、特に高精度・高性能な成形品を得ることができる。その理由は、キャビテイ駒６１を摺動移動させて空隙４０を形成させる前に、キャビティ内の樹脂温度に非対称な温度分布が発生するのを防止することができるからである。
【００４８】
第４の実施の形態
図７は、成形用金型１の構造を示す模式的断面図であり、（ａ）は樹脂を射出充填する直前の状態を、（ｂ）は樹脂充填後のキャビティ駒離隔時の状態をそれぞれ示している。この金型１では、給気流路２２をキャビティ駒２１内に一つまたは複数形成し、金型部材１１の内周面に排気流路２３を複数形成する。この金型１の全体を所定温度に保持するための温調手段（図示せず）を適所に配備する。また、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段（加熱部材）として、電熱ヒータ（通電加熱型のヒータ）７１を金型転写面近傍に複数配置する。これらのヒータは、熱電対が検出する温度に応じて出力を制御し、温度を一定に保つものである。なお、その他の金型構成要素の構造は図１の金型と同様である。
【００４９】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満の温度に加熱された金型のゲート（図略）からキャビテイ１０ａに射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、キャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させることで空隙４０を形成し、この空隙を金型部材１１の排気流路２３（凹溝）と連通させる。この空隙４０に圧縮気体を供給流路２２を介して供給し、排気流路２３を介して排出することで空隙４０と接する樹脂面を冷却する。
【００５０】
従来の金型では、圧縮気体により樹脂を冷却する際、金型の転写面も冷却されてしまう。これは、金型が（熱伝導性の良い）金属材料からなるためである。これに対し、本実施の形態の金型では、これを金属材料で構成した場合でも、転写面１４ａ，１５ａの近傍に設けたヒータ７１により、これら転写面の温度を空隙４０形成前と同じ温度に保つことができる。
【００５１】
図８（ａ）（ｂ）に、成形品内および金型の温度測定結果を示す。これらの図の意味は、図２についての説明で明らかであるから、重複する説明は省略する。図８（ｂ）から、空隙４０を冷却する前後で成形品内および金型の温度は殆ど変わらないことが分かる。このように、本実施の形態によれば、従来の金型で生じていた転写面の温度低下を防ぐことができ、金型温度の低下や金型温度ムラに起因する成形品の形状精度劣化を防ぐことができ、形状精度を向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、温度ムラが低減したことにより、内部歪みも非常い少ない高品質の成形品を得ることができる。
【００５２】
第５の実施の形態
図９は金型１の構造を示す模式的断面図であり、キャビティ駒離隔時の状態を示している。図１の金型が空隙冷却用の手段として、圧縮気体を供給するように構成したものであるのに対し、図９の金型１は、キャビティ駒を冷却することで、間接的に空隙を冷却するように構成する。すなわち、摺動自在のキャビテイ駒２１内に水、油などの冷却用媒体が流れる循環配管２１ｂを挿入配備し、この循環配管を、外部配管を介して冷却用媒体の温調装置２５に連結する。この温調装置２５には冷却用媒体の循環ポンプ（図略）を配備する。また、金型１全体の温度を保持するための温調手段（図略）以外に、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段（加熱部材）として、転写面近傍に加熱媒体として熱水、加熱油などの加熱流体を流す加熱流体供給配管７２を挿入配備する。その他の部分の構成は、図７（ａ）と同様とする。
【００５３】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満に加熱された金型のゲート（図示せず）から金型キャビティ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、摺動可能なキャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させ空隙４０を形成する。ついで、キャビテイ駒２１に冷却用媒体を流すことにより空隙４０を冷却し、この空隙により樹脂面（非転写面）を冷却する。
【００５４】
従来の金型では、冷却媒体によりキャビティ駒を冷却して樹脂を冷却するようにしているが、このような構造では、金型材料が金属製で熱伝導性が良いため、金型の転写面も冷却されてしまう。これに対し、本実施の形態の金型では、転写面近傍に加熱流体を流す配管を配備したことにより、転写面の温度を空隙形成前と同じ温度に保つことができる。
【００５５】
図１０に示すように、本実施の形態の金型によれば、従来の金型で生じていた転写面の温度低下を防ぐことができ、金型温度の低下や、金型の温度ムラに起因する成形品の形状精度劣化を防ぎ、形状精度を向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、温度分布が低減したことにより、内部歪みも非常い小さい成形品を得ることができる。
【００５６】
第６の実施の形態
図１１（ａ）は金型１の構造を示す模式的断面図であり、キャビティ駒離隔時の状態を示している。図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。この金型１では、摺動可能なキャビテイ駒２１内に、外部の圧縮気体供給源（図略）と連通する給気流路２２を形成する。また、金型１全体の温度を保持するための温調手段（図示せず）以外に、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段（加熱手段）として、転写面近傍に電熱ヒータ（通電加熱を行うヒータ）７３を複数、キャビティ２１の摺動方向に平行に、かつ上記Ｃ−Ｃ線断面図において、キャビティを包囲する状態で設ける。その他の部分の構造は図７と同様とする。
【００５７】
成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満に加熱（手段は図略）された金型のゲート（図示せず）から金型キャビティ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、摺動可能なキャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させ空隙４０を形成する。ついで、圧縮気体を給気流路２２から流入し、排気流路２３から排出することで、空隙４０と接する樹脂面を冷却する。転写面近傍に加熱手段として上記ヒータ７３を上記態様で設けたことにより、成形品が長尺かつ偏肉な形状の場合にも、成形品の長手方向転写面の温度ムラを低減し、非常に高精度な成形品を得ることが可能となる。
【００５８】
第７の実施の形態
図１２（ａ）は金型１の構造を示す模式的断面図であり、キャビティ駒離隔時の状態を示している。図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。この金型１では、摺動可能なキャビテイ駒２１内に、外部の圧縮気体供給源（図略）と連通する給気流路２２を一つまたは複数形成する。また、金型１全体の温度を保持している温調手段（図示せず）以外に、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段（加熱手段）としてヒータ７４を転写面近傍に複数、かつキャビティ１０ａの長手方向に沿って配備する。このヒータ７４は、内部の発熱素子を複数に分割し、個別に通電加熱を行うことができる構造とする。
【００５９】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満に加熱された金型のゲート（図示せず）から金型キャビティ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、摺動可能なキャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させ空隙４０を形成させる。ついで、圧縮気体を給気流路２２から流入し、排気流路２３から排出することで、空隙４０と接する樹脂面を冷却する。転写面近傍に加熱媒体として、上記構造のヒータを上記態様で配備したので、成形品が長尺かつ偏肉な形状の場合にも、金型構造を複雑にすることなく成形品の長手方向転写面の温度ムラを低減することができ、非常に高精度な成形品を得ることが可能となる。
【００６０】
第８の実施の形態
図１３は金型１の構造を示す模式的断面図であり、キャビティ駒離隔時の状態を示している。この金型１では、摺動可能なキャビテイ駒２１内に、外部の圧縮気体供給源（図略）と連通する給気流路２２を形成する。また、転写面１４ａ，１５ａの温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段として、低熱伝導性材料（例えばセラミックス材料）からなる伝熱抑制部材である保温部材２６を、転写面を形成する金型部材１１とキャビティ駒２１との間に配備する。すなわち上記保温部材２６を、キャビティ駒２１を包囲する形態で、かつこの保温部材２６の端部が空隙４０に臨む形態で設ける。図７の金型が上記温度維持手段として電熱ヒータ７１を設けたものであるのに対し、本実施の形態の金型は、上記温度維持手段として保温部材２６を配備した点で図７の金型と相違する。本実施の形態の金型のその他の部分の構成は、図７と同様である。
【００６１】
プラスチックの成形に際しては溶融樹脂を、その軟化温度未満に加熱された金型のゲート（図示せず）から金型キャビティ内に射出充填した後、樹脂をその軟度温度未満にまで冷却する過程において、摺動可能なキャビテイ駒２１を樹脂から離隔する方向に移動させ空隙４０を形成する。ついで、圧縮気体を給気流路２２から供給し、排気流路２３から排出することで、空隙４０と接する樹脂面を冷却する。
【００６２】
従来の金型では、この圧縮気体で樹脂を冷却する際、転写面も冷却されてしまう。これに対し、本実施の形態の金型では、保温部材２６を上記態様で配備したことにより、転写面の温度を空隙形成前と同じ温度に保つことが可能となる。
【００６３】
図１４に成形品内および金型の温度測定結果を示す。この図で明らかなように、従来の金型で生じていた非転写面の温度低下を防ぐことができ、形状精度を向上させることができる。また、成形品が光学レンズの場合には、内部歪みも非常い小さい成形品を得ることができる。また、転写面の温度を維持する手段として、保温部材２６に替えて空気層（断熱層）を適所に形成することも、非常に容易かつ有効な手段であり、空隙冷却に伴う転写面の温度低下をこの空気層で抑えることができる。
【００６４】
実施例および比較例
上記第１〜第３の実施の形態に係る成形用金型（実施例）と、図１６に示す成形用金型（比較例）とを用意し、光学レンズを成形した。この場合、それぞれの金型では同一形状・寸法のキャビティを形成して成形した。図１５（ａ）は光学レンズ各部の設計寸法（狙いの寸法：単位ｍｍ）を示す説明図、図１５（ｂ）は、成形で得られた光学レンズの寸法測定結果の説明図である。図１５（ｂ）で明らかなように、本発明の実施例によれば、転写面すなわちレンズ面２０１，２０２の形状・寸法精度が比較例に比べて非常に高い成形品を得ることができる。
【００６５】
また、本発明の成形用金型によれば、通常の射出成形法と同等の成形サイクルでプラスチック成形品を得ることができるため生産性も高く、比較例低コストで高性能の成形品を提供することが可能となる。さらに、これらのプラスチック成形品の製造方法で成形した光学素子は形状精度が高いうえ、内部歪みが非常に少ないため、この光学素子を用いた光学系は焦点位置ずれや、ビームスポット径の肥大化のない、高い光学性能を得ることができる。
【００６６】
なお、上記実施の形態および実施例では、排気流路を金型部材の内周面に形成したが、これに替えてキャビティ駒の外周面に形成することもできる。また、給気流路を金型部材の内周面に形成し、キャビティ駒に排気流路を形成してもよい。さらに、キャビティ駒内に給気流路を形成するとともに、キャビティ駒の外周面および金型部材の内周面に排気流路を形成することもできる。
【００６７】
また、キャビティに圧縮気体を供給するようにしたが、これに替えて、真空ポンプで吸引した大気をキャビティに供給するように構成することもできる。また、上記実施の形態および実施例では、キャビティ駒２１をキャビティから後退させることで空隙４０を形成するようにしたが、キャビティ駒２１を後退させず圧縮気体をキャビティに供給し、それまで樹脂に密着していたキャビティ駒の先端面を、圧縮気体の圧力によって樹脂面から剥がすことで空隙を形成することもできる。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明に係る成形用金型およびプラスチックの成形方法で成形したプラスチック成形品は、転写面の形状精度が非常に良く、しかもこれらの金型および成形方法は、金型の加熱昇温、溶融樹脂の射出充填、保圧・徐冷、成形品取出しの工程を経る通常の射出成形金型の場合と同等の生産性を有するものである。したがって、本発明の成形用金型で成形された光学素子は、形状・寸法精度が非常に高いうえ、内部歪みが非常に小さく、この光学素子を用いた光学系では、焦点位置ずれやビームスポット径の肥大化のない、高い光学性能を得ることができる。以下、請求項別の効果についてまとめる。
【００７３】
請求項１（成形用金型）、請求項１２の発明（プラスチックの成形方法）では、キャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、後退したキャビティ駒と樹脂の非転写面との間に形成される空隙をこのキャビティ駒で冷却するように構成するとともに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備したので、空隙冷却時の転写面温度の低下を防ぐことができ、かつ転写面の温度のムラを防止することが可能となり、そのうえ成形品の生産性も高い。このため、転写面の温度ムラが大幅に低減され、形状精度が高く、内部歪みが非常に小さい高品質のプラスチック成形品を低コストで提供することができる。
【００７４】
請求項１の発明では、キャビティ駒をキャビティから後退させることにより確実に空隙が形成されるため、非転写面に凸状または凹凸状のひけを確実に誘導することができるので、高精度の成形品を、より確実に成形することができる。請求項１０の発明では、上記空隙をキャビティ駒からの圧縮気体で冷却するようにしたので、樹脂の非転写面を非常に効率良く冷却することができ、高精度な成形品を、より確実に得ることができる。請求項１１の発明では、空隙に供給される圧縮気体の温度及び／又は流量が制御されていることにより、更に高精度な成形品を安定して得ることができる。
【００７５】
請求項１及び９の発明では、キャビティ駒に冷却用媒体を流すことで、上記空隙を冷却するようにしたため、樹脂の非転写面を効率良く冷却することができ、高精度な成形品を得ることができる。請求項３の発明では、転写面を所定温度に維持するための温度維持手段として、電熱ヒータを配備したので、空隙冷却時の転写面の温度低下を、比較的簡易な金型構造で確実に防止することができる。
【００７６】
請求項４の発明では電熱ヒータを、個別に通電発熱する複数の発熱素子を配列して構成したので、また請求項５の発明では、転写面の近傍に電熱ヒータを複数、転写面を包囲する形態で配備したので、電熱ヒータによる加熱の精度が向上する。このため請求項４，５の発明では、成形品が長尺かつ偏肉形状の場合にも、成形品の長手方向転写面の温度分布を低減することができ、非常に高精度な成形品を得ることができる。
【００７７】
請求項６の発明では、上記温度維持手段が、金型部材内に形成された加熱用媒体の流路と、該流路に温度制御された加熱用媒体を供給する加熱用媒体供給手段とを備え、金型内が加熱用媒体で加熱されるように構成したので、比較的簡易な金型構造で、空隙冷却時の転写面の温度低下を防ぐことができる。請求項７の発明では、加熱用媒体の流路を金型部材内のキャビティ近傍部位に複数、転写面を包囲する形態で配備したので、空隙冷却時の転写面温度低下を、より高精度に防止することができる。
【００７８】
請求項８の発明では温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に配備された、低熱伝導性材料からなる保温部材であることにより、また請求項２の発明では温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に形成された空気層であることにより、それぞれ、加熱手段を設けることなく簡易な金型構造で、空隙冷却時の転写面の温度低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図２】（ａ）は図１の成形方法による成形品内の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図４】（ａ）は図３の成形方法による成形品内の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図６】（ａ）は図５の成形方法による成形品内の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図８】（ａ）は図７の成形方法による成形品内および金型の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図１０】（ａ）は図９の成形方法による成形品内および金型の温度測定要領の説明図、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係るもので、（ａ）プラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図であり、（ｂ）はそのＣ−Ｃ線断面図である。
【図１２】本発明の第７の実施の形態に係るもので、（ａ）プラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図であり、（ｂ）はそのＤ−Ｄ線断面図である。
【図１３】本発明の第８の実施の形態に係るプラスチック成形用金型および、これによる成形方法を示す模式的断面図である。
【図１４】（ａ）は図１３の成形方法による成形品内および金型の温度測定要領の説明図であり、（ｂ）は温度測定結果を示すグラフである。
【図１５】（ａ）は本発明の金型（実施例）および、従来の金型（従来例）で成形しようとする光学レンズの概略斜視図、（ｂ）はこれら実施例と従来例との、成形結果（成形品の形状精度）を比較して示すグラフである。
【図１６】従来の成形用金型の構造および、これによる成形工程を示す説明図である。
【図１７】図１６の成形用金型および成形工程の問題点説明図である。
【符号の説明】
１ 成形用金型
１０ 本体
１０ａ キャビティ
１１〜１５ 金型部材
１４ａ 転写面
１５ａ 転写面
１６ 溶融樹脂
１７ 冷却中の樹脂
２１ キャビティ駒
２１ａ 非転写面
２１ｂ 循環配管
２２ 給気流路
２２ａ 給気口
２３ 排気流路
２５ 温調装置
２６ 保温部材
３１ 圧力制御装置
３２ 温度調節装置
３３ 流量制御弁
３４ 気体供給源
４０ 空隙
５１ キャビティ駒
５２ ピン
５３ 給気流路
５４ 排気流路
６１ キャビティ駒
６２ 通気性部材
６３ 給気流路
６４ 排気流路
７１ 電熱ヒータ
７２ 加熱流体供給配管
７３ ヒータ
７４ ヒータ
１００ａ 充填された溶融樹脂
１００ｂ 冷却中の樹脂
１００ｃ 成形品
１００ｄ ひけ
１０１ 金型
１０１ａ キャビティ
１０２ キャビティ駒（可動入れ子）
１０３ 転写面
１０４ 転写面
１０５ 非転写面
１０６ 空隙
２００ 光学レンズ
２０１ レンズ面
２０２ レンズ面
Claims (12)
- 転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記キャビティ駒内に冷却用媒体の流路を形成し、該流路を温度制御された冷却用媒体の供給手段に連絡したことを特徴とする成形用金型。
- 温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に形成された空気層であることを特徴とする請求項１に記載の成形用金型。
- 転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記温度維持手段が電熱ヒータと、該電熱ヒータの発熱温度を所定温度に制御するヒータ制御手段とを備えていることを特徴とする成形用金型。
- 電熱ヒータが、個別に通電発熱する複数の発熱素子を配列して構成されていることを特徴とする請求項３に記載の成形用金型。
- 転写面の近傍に電熱ヒータを複数、転写面を包囲する形態で配備したことを特徴とする請求項３または４に記載の成形用金型。
- 転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記温度維持手段が、金型部材内に形成された加熱用媒体の流路と、該流路に温度制御された加熱用媒体を供給する加熱用媒体供給手段とを備えていることを特徴とする成形用金型。
- 加熱用媒体の流路を金型部材内のキャビティ近傍部位に複数、転写面を包囲する形態で配備したことを特徴とする請求項６に記載の成形用金型。
- 転写面と非転写面とによりキャビティを画成した成形用金型において、先端面が非転写面を形成し、かつキャビティ内を冷却する機能を有するキャビティ駒を設け、さらに、転写面の温度をキャビティへの樹脂充填直前の温度に維持するための温度維持手段を適所に配備し、前記キャビティ駒を、金型部材に対し摺動移動させることによりキャビティに対し接近・離隔自在とし、前記温度維持手段が、転写面を形成する金型部材とキャビティ駒との間の適所に配備された、低熱伝導性材料からなる保温部材であることを特徴とする成形用金型。
- キャビティ駒内に冷却用媒体の流路を形成し、該流路を温度制御された冷却用媒体の供給手段に連絡したことを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載の成形用金型。
- キャビティ駒として、キャビティに臨む給気口が先端面に形成され該給気口に連なる圧縮気体の供給流路（以下、給気流路）が形成されたものを設け、前記給気口からキャビティに供給された圧縮気体を当該金型外に排気する排気流路を適所に形成したことを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載の成形用金型。
- キャビティ駒に形成された給気流路を、温度・流量の少なくとも一方が制御された圧縮気体を供給する圧縮気体供給手段に連絡したことを特徴とする請求項１０に記載の成形用金型。
- 請求項３〜７のいずれか１項に記載の成形用金型を用いるプラスチックの射出成形方法であって、あらかじめ温度維持手段を作動させておき、溶融樹脂をその軟化温度未満に加熱された金型に射出充填し、溶融樹脂を軟化温度未満まで冷却する過程で、キャビティ駒を金型部材に対し摺動移動させてキャビティから離隔させることにより、キャビティ駒の非転写面とキャビティ内樹脂との間に空隙を形成し、該空隙をキャビティ駒で冷却することにより、非転写面に接触していた樹脂面を冷却することを特徴とするプラスチックの成形方法。
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