JP4948190B2 - 樹脂成形品および光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、筒形状の樹脂成形品、および樹脂成形品を具備する光学機器に関するものである。

樹脂成形品をピンポイントゲート方式で成形する際、成形品の離型方向とゲート流入方向が一定である方が単純な金型構造で構成できる。これは、切断後におけるランナー部の離型と成形品の離型方向が一定であるため、一方向の金型開閉動作で成形品の離型とランナー部の離型が可能であるためである。

筒状の樹脂成形品を成形する際も同様であり、成形品の離型方向である円筒内部のスラスト方向とゲート流入方向が一定である方が単純な金型構造で構成される。そのため、円筒の端面に樹脂流入口が設置されることが多い。

このように円筒の端面に樹脂流入口が設置される円筒形状の樹脂成形品においては、円筒形状の真円度あるいは円筒度などの精度を確保するために、円筒形状の側面に設定されている柱部の中央に樹脂流入口が設置されていた（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−５１７６号公報

従来の円筒形樹脂成形品について、図４に示す円筒形樹脂成形品の外観斜視図を参照して詳しく説明する。

図４において、筒形状の樹脂成形品１の成形時、樹脂が流入するゲート２が樹脂成形品１の端面３に設置され、樹脂成形品１において、ゲート２から離れた位置、例えば図４のＮ部分に充填される樹脂は、先にゲート２を通過した樹脂で形成されているため、樹脂成形品１が金型から取り出されるまでの時間を金型表面によって温度が下げられる。一般的に採用される冷却時間であると、前記樹脂は金型表面温度まで冷却され金型の表面温度で保温される。

一方、ゲート２付近のＭ部分に充填される樹脂は、ゲート２で樹脂の流路が急激に狭くなるため、せん断発熱が生じて高温になっており、成形品が金型から取り出されるまでの時間も短く、十分に金型温度まで降温されず、ゲート２から離れたＮ部分とゲート２付近のＭ部分とにおいて温度差が発生する。

ところで、近年、デジタルスチルカメラの需要拡大に伴い成形サイクルを短縮して、一台の成形機が単位時間で生産する円筒形樹脂成形品の生産量を増やすようにしている。このため成形サイクルの短縮が必須となっており、成形工程において十分に冷却時間が確保できないことが多くなっている。

図４において、樹脂成形品１が金型から離型された直後、ゲート２から離れたＮ部分とゲート２付近のＭ部分とにおいて温度差が発生しているため、Ｎ部分とＭ部分との樹脂が大気中で常温になるまで時間差が生じる。つまり、樹脂の収縮量に差が生じることになる。

図５（ａ）〜（ｃ）は前記樹脂成形品の収縮による変形の説明図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は（ａ）における矢印Ｐ方向から見た斜視図、（ｃ）は（ｂ）におけるＱ−Ｑ部分断面図であって、上述したように、Ｎ部分とＭ部分との樹脂が大気中で常温になるまで時間差が生じる結果、ゲート２が設置されているＭ部分の端面３は大きく収縮し、樹脂成形品１における円筒の中心に向かって円が小さくなろうとし、ゲート２と反対の端面３に向かって矢印Ｒ方向に変形しようとする。

一方、ゲート２から離れたＮ部分付近の端面３はゲート２付近のＭ部分に比べて収縮する量が小さく、また周りの樹脂との温度差も少ないため、均一に収縮して円形状を保つ。前記のような変形が発生することにより、端面３の平面度が歪んでしまうという課題を有していた。

図６（ａ）〜（ｃ）は従来の円筒形状の樹脂成形品をゲートを中心とした位置から側面を見た図であって、本例のようなゲート２を有するピンポイントゲート方式の金型においてゲート２が切断される過程を示している。

図６（ａ）の状態において、成形された従来の円筒形状の樹脂成形品１は、型開きに伴い、図６（ｂ）に示すように、矢印Ｓ方向にゲート２を介して引っ張られる力を受ける。そして、図６（ｃ）に示すように、ゲート２が切断されるまでの間、Ｓ方向へ引っ張られる力は円筒形状の樹脂成形品１に加わるため、樹脂成形品１を変形させ、樹脂成形品１の端面３における平面度の確保が困難であった。

図５，図６にて説明した前記２つの現象から従来の円筒形状の樹脂成形品１では、樹脂の温度差による収縮差によって端面３がゲート２と反対側の面に向かって変形し、また、ゲート２の切断工程発生する引張り力によってゲート２の方向に変形する。つまりゲート２付近の端面３は相反する方向へ変形しており、端面３は激しくうねりを持った状態になる。

この種の円筒形状の樹脂成形品が構成部材として用いられるデジタルスチルカメラにおいては、近年、高倍率化が求められ、レンズの構成枚数は増加し、各レンズ位置の高精度化が求められている。これに伴い、各レンズを駆動させる役割を担う鏡筒樹脂部品においても位置の高精度化が求められ、鏡筒樹脂部品の精度不良は、光学特性に大きく影響を及ぼし、解像不良につながる。

しかし、前記従来の樹脂成形品の構成では円筒形状の真円度や円筒度の精度に比べて、極端に円筒端面の平面度を確保することができず、平面に固定されるレンズが傾くといった問題、あるいは円筒端面で位置決めされる円筒形状の樹脂部品が傾き、位置精度が確保できないという問題が発生する。このため、円筒内部にレンズを配置して製品として組み立てた後、レンズの光軸が設計した値と大幅に異なり、必要な光学特性を満足できず不良品となることが多かった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであって、筒形状の樹脂成形品における端面の平面度を確保することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、端面に樹脂流入ゲートを有する筒形状の樹脂成形品において、前記ゲートの樹脂流入方向における当該樹脂成形品の筒形状面に開口部を設け、前記開口部は矩形形状であり、開口部のゲート側の面とゲートが設置されている当該樹脂成形品の端面との間の５ｍｍ以下の距離をａ、開口部のゲート側の面の長手方向の巾をｂとしたとき、下式（１）を満たすことを特徴とする。
（０．８×Ｅ×ｔ）／（Ａ×Ａ×Ｂ×Π）≦（ａ×ａ×ａ）／（ｂ×ｂ×ｂ）‥‥（１）
ただし、Ｅ：樹脂の引張弾性率、Ａ：ゲート直径、Ｂ：樹脂の破壊応力、ｔ：ゲート面と開口部の間を形成する樹脂成形品肉厚、Π：円周率。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の樹脂成形品において、開口部のゲート側の面が、筒形状の内径から外径に向かって開口面積が広がる勾配面であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の樹脂成形品において、開口部が略矩形形状であり、開口部のゲート側の面に隣接するコーナーが曲面であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の樹脂成形品において、当該樹脂成形品の筒形状が円筒形状であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、筒形状の樹脂成形品と、該樹脂成形品の筒内部に少なくとも１つのレンズが配置される光学機器において、前記樹脂成形品として請求項１〜請求項４の何れかに記載の樹脂成形品を用いたことを特徴とする。

前記構成によって、樹脂成形品の開口部において、ゲート付近の樹脂を効率良く冷却することができるため、筒形状の樹脂成形品において離型された直後の筒状端面の温度を均一にすることができ、従来のような収縮差によってゲートが設置されている端面のゲートとは反対方向における面への変形を抑制することができる。

本発明の樹脂成形品によれば、筒形状における端面のうねりの状態が改善されるため、端面の平面度を確保することができる。

特に光学機器の部品においては、ゲートが設置されている端面の平面度が確保できることにより、特別な手段，構成を用いることなく、端面での位置決めが可能になり、小型化などにおいて有効である。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態である円筒形状の樹脂成形品の外観斜視図、図２（ａ），（ｂ）は、本実施の形態における円筒形状の樹脂成形品と該成形品を成形するための金型との説明図であって、（ａ）はゲート位置を中心とした断面図、（ｂ）は要部（Ｘ部分）の拡大断面図、図３（ａ）〜（ｃ）はゲートを中心とした本実施の形態における樹脂成形品のゲート切断工程の説明図である。図１〜図３において、図４〜図６にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

本実施の形態における円筒形状の樹脂成形品１１は、筒形状面をなす側面１１ａにおけるゲート２の流入方向に、長方形状の開口部１２を有している。この開口部１２は、図２に示す凸部１３ａが設けられている金型入れ駒１３と、対をなす金型入れ駒１４とにより形成される。

本実施の形態の構成によれば、成形時、ゲート２を通過してゲート２から離れたＮ部分に到達した溶融樹脂と、このＮ部分に最終充填される樹脂とは、金型１３の表面と接触している間、冷却される。それに対し、ゲート２付近のＭ部分に最終充填される樹脂は、金型１３の表面と接触している時間が短いが、Ｍ部分の熱は開口部１２の内周壁における樹脂との接触面１２ａを介して、金型入れ駒１３，１４に伝導される。

このため、従来の樹脂成形品の形状に比べて、Ｍ部分の樹脂成形品１１の冷却効率が向上し、樹脂成形品１１が金型入れ駒１３，１４から取り出されるとき、ゲート２から離れているＮ位置とゲート２付近のＭ位置との樹脂温度差が、金型温度とほぼ一定になる。これにより樹脂成形品１１が離型された後、円筒形状の端面３の温度が常温に下がるまでの時間差が一定となり、この部位における収縮差による変形が抑制され、端面３の平面度に改善される。

また、本実施の形態では、開口部１２におけるゲート２側の面である接触面１２ａを、図２（ｂ）に示すように、樹脂成形品１１の側面の内面から外面に向かって開口面積が広がるような勾配面にしている。

このため、ゲート２を通過した樹脂は、開口部１２の上面つまり接触面１２ａに到達した後、接触面１２ａに沿って樹脂成形品１１の円筒形状における円周方向へ充填していき、このとき、円筒内面に充填された樹脂は遠心力で円筒の外周方向に押しやられるが、接触面１２ａが前記勾配面を有していることにより、遠心力で円周の外側へ押しやられる樹脂と接触面１２ａがより垂直に近い角度で接触することになり、樹脂の繊維勾配の乱れを減少させると共に、樹脂の流れの乱れによるガスの巻き込みを削減することになって、樹脂成形品１１における開口部１２とゲート２間を良好に樹脂充填させることが可能になり、この部位における強度を向上させることができる。

図３（ａ）〜（ｃ）を参照して、本ゲート２のようなピンポイントゲート方式の金型における本実施の形態のゲート切断工程について説明する。

金型開閉時にゲート２を切断するとき、図３（ｂ）に示すように、矢印Ｆ方向へ引っ張られる力を受けてゲート２が切断がされる。図３（ｃ）に示すゲート２が完全に切断するまでの間、金型入れ駒１３は成形品の開口部１２に存在して樹脂成形品１１を保持しており、ゲート抜き方向（Ｆ方向）へ引っ張られる力は樹脂成形品１１にも及ぶが、開口部１２のコーナー１２ｂを支点としてゲート２付近はゲート抜き方向へ撓み、ゲート２と樹脂成形品１１の端面３とのなす角度が成形時よりも大きくなり、ゲート２と樹脂成形品１１の端面３との接触部にクラックが発生しやすくなる。

これにより、本実施の形態では、従来に比べてゲート２が樹脂成形品１１から切断されるときの切断力が大幅に小さくなり、切断するまでの引張り力が吸収される。このため樹脂成形品１１の引張りによる伸びが大幅に削減され、端面３の平面度が確保される。また、開口部１２によりゲート２側へ加わる力も開口部１２のコーナー１２ｂを支点とした撓みで緩和されるため、従来よりも歪が少なくなる。

次に、図３（ａ）を参照して本実施の形態における詳細寸法について説明する。

冷却時の収縮において、樹脂成形品１１における円筒形状の直径Ｄが大きくなると、樹脂成形品１１が離型するときの温度は、ゲート２から離れたＮ部分と同じになる範囲が拡がる。これにより、ゲート２付近のＭ部分における変形範囲が円筒形状の直径に占める割合が低くなり、Ｍ部分の変形量は少なくなる。

ゲート切断時における引張り力Ｅに対して、円筒形状の直径Ｄや全長Ｌが大きくなると、樹脂の剛性が増すため、引張り力による歪量が少なくなる。また、円筒形状の直径Ｄが小さいと、ゲート２から離れているＮ位置の流動樹脂における金型と接触している時間および面積が小さいため、ゲート２付近のＭ位置とゲート２から離れているＮ位置との樹脂間における温度差が少なくなり、収縮差は発生しにくくなる。

したがって、樹脂成形品１１の円筒形状の直径Ｄが３０〜５０ｍｍ程度であって、円筒形状の全長Ｌが円筒形状の直径Ｄの１倍以下の樹脂成形品であるとき、開口部１２を設けることにより円筒形状の端面３の平面度を確保することができる効果がより顕著に現れる。

ここで、Ａをゲート２の直径、Ｂを樹脂の破壊応力、Ｅを樹脂の引張弾性率、ｔをゲート面と開口部１２間を形成する樹脂成形品の肉厚、Πを円周率としたとき、ゲート２の断面積は（Ａ×Ａ×Π／４）と表され、ゲート２を切断するために必要な力は（ゲート断面積×樹脂の破壊応力）、すなわち、（Ａ×Ａ×Π／４）×Ｂと表される。

ゲート２の切断時において、開口部１２とゲート２の設置面間の樹脂が引張られ、このゲート抜き方向に引張られる距離が多いと、開口部１２のコーナー１２ｂにクラックが入る恐れがあるため、ゲート抜き方向へのたわみ量は０．０５ｍｍ以下が望ましい。

以上のことにより、図３（ａ）に示すように、開口部１２におけるゲート２側の面からゲート２までの距離をａ、開口部１２の巾をｂとしたとき、この部位を梁とみなすと、開口部１２を固定とする両端支持の梁の計算式から下式のようになる。

０．０５≧ゲート抜き方向への撓み量＝（ゲート切断に加わる力×ｂ^３）／（４８×Ｅ×Ｉ）、Ｉ（断面２次モーメント）＝ｔ×ａ^３／１２
よって、０．０５≧（（Ａ×Ａ×Π／４）×Ｂ×ｂ^３）／（４８×Ｅ×ｔ×ａ^３／１２）となり、
（０．８×Ｅ×ｔ）／（Ａ×Ａ×Ｂ×Π）≦（ａ×ａ×ａ）／（ｂ×ｂ×ｂ）‥‥（１）
と表される。

本実施の形態における各部の詳細寸法について一例を説明する。

ゲート２の直径Ａは０．８〜１．２ｍｍであるが、本例では０．８ｍｍとした。樹脂成形品１１の肉厚ｔは０．８〜１．５ｍｍであるが、本例では０．８ｍｍとした。また鏡筒用の樹脂成形品１１としてポリカーボネートのガラスフィラー添付材料を用い、この樹脂特性は一般的に破壊応力が１００〜１３０Ｍｐａ（１０．２〜１３．３Ｋｇｆ／ｍｍ^２）である。金型入れ駒１３，１４の強度を考慮し、開口部１２の巾ｂを５ｍｍ、開口部１２の高さｃを３ｍｍと設定する。また、一般的に用いられる樹脂材料のポリカーボネートのガラスフィラー添付１０％のときの引張弾性率Ｅは４４８Ｋｇ／ｍｍ^２である。

以上より、前記（１）式を用いると、ゲート２と開口部１２までの距離ａは２．８ｍｍ以上必要であると算出される。

ゲート２と開口部７との距離ａは、距離が近いほどゲート２付近の樹脂量が減少するため開口部１２による冷却の効率は良くなるが、距離を近づけ過ぎると樹脂の流路が狭くなるため、充填性が悪くなり、樹脂成形品１１の流動末端でショートが発生するといった問題が発生する。ゲート２の樹脂流動方向と垂直な断面積と、図２（ｂ）におけるゲート２に近い樹脂成形品１１の断面部分１１ａの面積が、（ゲート２の断面積＜断面１１ａの面積）の関係を満たす必要がある。

また、ゲート２と開口部１２との距離ａは５ｍｍ以下であることが望ましい。これは、距離が長くなると、ゲート２付近の樹脂成形品１１の冷却効率が低下するためである。また、ゲート２付近がゲート抜き方向Ｆへ引張られる際、開口部１２のコーナー１２ｂにクラックが入らないように、コーナー１２ｂに半径＝０．５ｍｍ以上の曲面形状のフィレットを設けるとよい。

なお、本実施の形態では開口部１２を１つ設けた例を説明したが、ゲートが複数ある場合は、その複数のゲートに対応して複数の開口部を設けることも考えられる。

また、本実施の形態では、円筒形状の樹脂成形品について説明したが、三角や四角などの多角形形状の筒形状にも本発明は適用することができる。

特に、レンズを具備する光学部品のように高精度とユニットの小型化が求められる部品において効果的であり、ゲート２が設置されている円筒形状における端面３の平面度が確保できれば、端面３でレンズの位置決めを行うことができ、従来のようにゲートが設置されている面をレンズが固定されている位置から離す必要がなくなり、光学部品ユニットの小型化が可能となる。また、ゲートが設置されている端面を位置決めとして用いることもできるため、別途位置決め形状をゲート設置端面から離れた位置に設定する必要がなくなり、これもユニットの小型化に有効となる。

本発明は、樹脂成形品において筒形状の端面における平面度を確保する効果を有し、精度が必要とされるカメラ用の鏡筒部品などの樹脂成形品に適用できる。特に光学系のレンズを装着する鏡筒に用いると好適である。より詳細にはフィルムカメラやデジタルスチルカメラなどの携帯光学機器に特に有効である。

本発明の実施の形態である円筒形状の樹脂成形品の外観斜視図 （ａ），（ｂ）は本実施の形態における円筒形状の樹脂成形品と該成形品を成形するための金型との説明図、（ａ）はゲート位置を中心とした断面図、（ｂ）は要部（Ｘ部分）の拡大断面図 （ａ）〜（ｃ）はゲートを中心とした本実施の形態における樹脂成形品のゲート切断工程の説明図 従来の円筒形樹脂成形品の外観斜視図 （ａ）〜（ｃ）は従来の樹脂成形品の収縮による変形の説明図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は（ａ）における矢印Ｐ方向から見た斜視図、（ｃ）は（ｂ）におけるＱ−Ｑ部分断面図 （ａ）〜（ｃ）は従来の円筒形状の樹脂成形品をゲートを中心とした位置から側面を見た図

符号の説明

２ ゲート
３ 樹脂成形品の端面
１１ 樹脂成形品
１２ 開口部
１２ａ 開口部の接触面（勾配面）
１２ｂ 開口部のコーナー
１３，１４ 金型入れ駒
１３ａ 凸部
ａ ゲートと開口部までの距離
ｂ 開口部の巾
ｃ 開口部の高さ
Ｄ 樹脂成形品の円筒部分の直径
Ｎ 樹脂成形品におけるゲートから離れている部分
Ｍ 樹脂成形品におけるゲート近傍の部分
Ｌ 樹脂成形品の全長

Claims (5)

1. 端面に樹脂流入ゲートを有する筒形状の樹脂成形品において、前記ゲートの樹脂流入方向における当該樹脂成形品の筒形状面に開口部を設け、
   前記開口部は矩形形状であり、前記開口部の前記ゲート側の面と前記ゲートが設置されている当該樹脂成形品の端面との間の５ｍｍ以下の距離をａ、前記開口部のゲート側の面の長手方向の巾をｂとしたとき、下式（１）を満たすことを特徴とする樹脂成形品。
   （０．８×Ｅ×ｔ）／（Ａ×Ａ×Ｂ×Π）≦（ａ×ａ×ａ）／（ｂ×ｂ×ｂ）‥‥（１）
   ただし、Ｅ：樹脂の引張弾性率、Ａ：ゲート直径、Ｂ：樹脂の破壊応力、ｔ：ゲート面と開口部の間を形成する樹脂成形品肉厚、Π：円周率。
2. 前記開口部の前記ゲート側の面が、筒形状の内径から外径に向かって開口面積が広がる勾配面であることを特徴とする請求項１記載の樹脂成形品。
3. 前記開口部が略矩形形状であり、前記開口部の前記ゲート側の面に隣接するコーナーが曲面であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の樹脂成形品。
4. 当該樹脂成形品の筒形状が円筒形状であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の樹脂成形品。
5. 筒形状の樹脂成形品と、該樹脂成形品の筒内部に少なくとも１つのレンズが配置される光学機器において、前記樹脂成形品として請求項１〜請求項４の何れかに記載の樹脂成形品を用いたことを特徴とする光学機器。

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