JP5203493B2

JP5203493B2 - 成形装置および成形方法

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Publication number: JP5203493B2
Application number: JP2011215474A
Authority: JP
Inventors: 孝博仲橋; 宏之花戸
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: JP2013075379A; US20140217626A1; TW201313434A; US10286615B2; CN103813894A; TWI469859B; WO2013046887A1

Description

本発明は、成形装置および成形方法に関し、特に、レンズ等の複雑な形状を有する成形物を高精度に成形可能な成形装置および成形方法に関する。

従来より、樹脂材料からレンズ等の成形物を成形するために、所定の形状を転写するための転写面を有するモールドの当該転写面を樹脂材料に押し当て、樹脂材料を硬化させることにより、成形物を成形する圧縮成形技術が用いられている。上記樹脂材料としては、例えば、熱可塑性、熱硬化性もしくは光硬化性の材料が用いられ、樹脂材料を加熱するか、あるいは樹脂材料に光を照射することにより、樹脂材料を硬化させる。

このような圧縮成形技術は、例えば特許文献１および２に開示されている。

特開平０３−０９９８１３号公報（１９９１年４月２５日公開）特開平１０−１８０７８６号公報（１９９８年７月７日公開）

近年、微細な形状を有する製品には、更なる高精度化が望まれており、例えば、レンズ成形の分野では、光学系の高性能化にともなって、レンズ形状の高精度化がますます重要となっている。しかしながら、上記従来の成形技術では、成形物の形状誤差が大きいため、高精度化が難しいという問題がある。

具体的には、特許文献１および２に開示されている圧縮成形技術では、樹脂材料に転写面を押し当てた後、樹脂材料の硬化が完了するまで、モールドの位置は固定される。しかしながら、樹脂材料は硬化に伴って収縮するため、モールドの転写面が樹脂材料に追従できず、成形物のサイズが転写面によって規定されるサイズよりも小さくなる。そのため、予め樹脂材料の硬化収縮を考慮して、転写面のサイズを成形物のサイズよりも大きくする必要がある。よって、成形物の形状が複雑な場合や、樹脂材料の硬化収縮率が大きい場合は、成形物の形状誤差が大きくなってしまう。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、高精度に成形物を成形できる成形装置および成形方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る成形装置は、誘電体材料に所定の形状を転写するための第１の転写面を有する第１のモールドと、前記誘電体材料に所定の形状を転写するための第２の転写面を有し、当該第２の転写面が前記第１の転写面と対向している第２のモールドと、前記第１の転写面上に供給され、前記第２の転写面が押し当てられた前記誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化手段とを備える成形装置であって、前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させる間に、前記誘電体材料に圧力を印加する圧力印加手段と、前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させている間に、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電界の形成を開始する電界形成手段とを備えることを特徴としている。

上記の構成によれば、第１のモールドの第１の転写面上に供給された材料に、第２のモールドの第２の転写面が押し当てられた状態で、硬化手段が前記材料を硬化させることにより、成形物が成形される。ここで、硬化手段が材料を硬化させる間、材料は硬化収縮する。これに対し、材料が硬化されている間に、圧力印加手段によって材料に圧力が印加されるとともに、第１のモールドと第２のモールドとの間に電界が形成されるため、硬化が完了するまで、圧力および電界による静電引力によってモールドが材料に追従して、モールドと材料との接触状態が維持される。そのため、材料の硬化収縮に起因する成形物の形状誤差を大幅に低減することができる。

したがって、高精度に成形物を成形できる成形装置を提供することができる。

上記の課題を解決するために、本発明に係る成形装置は、基板と、誘電体材料に所定の形状を転写するための転写面を有するモールドと、前記基板上に供給され、前記転写面が押し当てられた前記誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化手段とを備える成形装置であって、前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させる間に、前記誘電体材料に圧力を印加する圧力印加手段と、前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させている間に、前記モールドと前記基板との間に電界の形成を開始する電界形成手段とを備えることを特徴としている。

上記の構成によれば、基板上に供給された材料に、モールドの転写面が押し当てられた状態で、硬化手段が前記材料を硬化させることにより、成形物が成形される。ここで、硬化手段が材料を硬化させる間、材料は硬化収縮する。これに対し、材料が硬化されている間に、圧力印加手段によって材料に圧力が印加されるとともに、モールドと基板との間に電界が形成されるため、硬化が完了するまで、圧力および電界による静電引力によってモールドが材料に追従して、モールドと材料との接触状態が維持される。そのため、材料の硬化収縮に起因する成形物の形状誤差を大幅に低減することができる。

上記の課題を解決するために、本発明に係る成形方法は、誘電体材料に所定の形状を転写するための第１の転写面を有する第１のモールドの前記第１の転写面上に誘電体材料を供給する供給工程と、誘電体材料に所定の形状を転写するための第２の転写面を有する第２のモールドの前記第２の転写面を、供給された前記誘電体材料に押し当てた状態で、当該誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化工程とを有する成形方法であって、前記硬化工程の間、前記誘電体材料に圧力を印加し、前記誘電体材料を硬化させている間に、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電界の形成を開始することを特徴としている。

上記の構成によれば、第１のモールドの第１の転写面上に供給された材料に、第２のモールドの第２の転写面が押し当てられた状態で、前記材料を硬化することにより、成形物が成形される。ここで、硬化工程では、材料が硬化収縮する。これに対し、硬化工程の間、材料に圧力が印加されるとともに、第１のモールドと第２のモールドとの間に電界が形成されるため、硬化が完了するまで、圧力および電界による静電引力によってモールドが材料に追従して、モールドと材料との接触状態が維持される。そのため、材料の硬化収縮に起因する成形物の形状誤差を大幅に低減することができる。

したがって、高精度に成形物を成形できる成形方法を提供することができる。

上記の課題を解決するために、本発明に係る成形方法は、基板上に誘電体材料を供給する供給工程と、誘電体材料に所定の形状を転写するための転写面を有するモールドの前記転写面を、供給された前記誘電体材料に押し当てた状態で、当該誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化工程とを有する成形方法であって、前記硬化工程の間、前記誘電体材料に圧力を印加し、前記誘電体材料を硬化させている間に、前記基板と前記モールドとの間に電界の形成を開始することを特徴としている。

上記の構成によれば、基板上に供給された材料に、モールドの転写面が押し当てられた状態で、前記材料を硬化することにより、成形物が成形される。ここで、硬化工程では、材料が硬化収縮する。これに対し、硬化工程の間、材料に圧力が印加されるとともに、モールドと基板との間に電界が形成されるため、硬化が完了するまで、圧力および電界による静電引力によってモールドが材料に追従して、モールドと材料との接触状態が維持される。そのため、材料の硬化収縮に起因する成形物の形状誤差を大幅に低減することができる。

本発明に係る成形装置では、前記電界形成手段は、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電圧を印加することにより、前記電界を形成してもよい。

本発明に係る成形方法では、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電圧を印加することにより、前記電界を形成してもよい。

本発明に係る成形装置では、前記電界形成手段は、前記モールドと前記基板との間に電圧を印加することにより、前記電界を形成してもよい。

本発明に係る成形方法では、前記基板と前記モールドとの間に電圧を印加することにより、前記電界を形成してもよい。

本発明に係る成形装置および成形方法では、前記成形物はレンズであることが好ましい。

上記のように、本発明は、高精度に成形物を成形することができるので、複雑な形状を有するレンズの成形に特に好適である。

以上のように、本発明に係る成形装置は、誘電体材料に所定の形状を転写するための第１の転写面を有する第１のモールドと、前記誘電体材料に所定の形状を転写するための第２の転写面を有し、当該第２の転写面が前記第１の転写面と対向している第２のモールドと、前記第１の転写面上に供給され、前記第２の転写面が押し当てられた前記誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化手段とを備える成形装置であって、前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させる間に、前記誘電体材料に圧力を印加する圧力印加手段と、前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させている間に、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電界の形成を開始する電界形成手段とを備える構成である。

また、本発明に係る成形方法は、誘電体材料に所定の形状を転写するための第１の転写面を有する第１のモールドの前記第１の転写面上に誘電体材料を供給する供給工程と、誘電体材料に所定の形状を転写するための第２の転写面を有する第２のモールドの前記第２の転写面を、供給された前記誘電体材料に押し当てた状態で、当該誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化工程とを有する成形方法であって、記硬化工程の間、前記誘電体材料に圧力を印加し、前記誘電体材料を硬化させている間に、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電界の形成を開始する構成である。

したがって、高精度に成形物を成形できる成形装置および成形方法を提供できるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係るレンズ成形装置の構成を示す図である。図１に示すレンズ成形装置において、モールドの転写面上に樹脂材料を供給した状態を示す図である。樹脂材料にモールドの転写面を押し当てた状態を示す図である。モールド間に電界を形成して、圧力を印加しながら、樹脂材料を硬化させている状態を示す図である。樹脂材料の硬化時の状態を示す模式図である。硬化した樹脂材料からモールドの転写面を引き離した状態を示す図である。樹脂材料に印加する圧力およびモールド間に印加する電圧と、成形物の形状誤差との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係るレンズ成形装置の構成を示す図である。

以下では、本発明に係る成形装置の一例として、レンズを成形するレンズ成形装置について説明する。

〔実施形態１〕
本発明の第１の実施形態について図１〜図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

（レンズ成形装置１００の構成）
図１は、本実施形態に係るレンズ成形装置１００の構成を示す図である。レンズ成形装置１００は、樹脂材料からレンズを成形する装置であり、モールド１、モールド２、加熱装置３ａ・３ｂ、支持装置４、ロードセル５、圧力制御部６、直流電源７、スイッチ８、絶縁プレート９ａ・９ｂおよび断熱プレート９ｃを備えている。

モールド１は、特許請求の範囲に記載の第１のモールドに相当するものであり、加熱装置３ａ上に設けられている。また、モールド２は、特許請求の範囲に記載の第２のモールドに相当するものであり、支持装置４によってモールド１の上方に支持されている。

モールド１は、樹脂材料に所定のレンズ形状を転写するための転写面１ａを有しており、転写面１ａの中心部には、凹部が形成されている。同様に、モールド２も、樹脂材料に所定のレンズ形状を転写するための転写面２ａを有しており、転写面２ａの中心部には、凹部が形成されている。また、転写面２ａは転写面１ａと対向している。

加熱装置３ａ・３ｂは、特許請求の範囲に記載の硬化手段に相当するものであり、それぞれモールド１・２を加熱することにより、モールド１の転写面１ａ上に供給された樹脂材料を硬化させる。加熱の開始／終了は、シーケンスプログラム等によって制御してもよいし、手動で制御してもよい。

ロードセル５は、支持装置４とモールド２との間に設けられている。ロードセル５は、自身にかかる荷重を検知して、当該荷重を電気信号に変換して出力する。ロードセル５からの電気信号は、圧力制御部６に入力される。

支持装置４は、支持体４ａおよび駆動軸４ｂを備えている。支持体４ａはロードセル５に接合されており、駆動軸４ｂによって伸縮可能となっている。これにより、支持装置４は、モールド２を図中上下に移動させることができる。

圧力制御部６は、ロードセル５からの電気信号に基づいて支持装置４の支持体４ａの伸縮制御を行うものである。後述するように、圧力制御部６は、モールド１・２間に供給された樹脂材料が硬化される間に、当該樹脂材料に圧力が印加されるように、支持装置４を制御する。

なお、圧力制御部６は、支持装置４に内蔵されていてもよい。また、支持装置４および圧力制御部６は、特許請求の範囲に記載の圧力印加手段を構成している。

直流電源７は、特許請求の範囲に記載の電界形成手段に相当するものである。直流電源７の出力電圧は、例えば６ＫＶであり、直流電源７は、スイッチ８を介してモールド２に接続されている。一方、モールド１はＧＮＤに接続されている。さらに、モールド１と加熱装置３ａとの間に、絶縁プレート９ａが設けられ、モールド２と加熱装置３ｂとの間に、絶縁プレート９ｂが設けられている。

断熱プレート９ｃは、加熱装置３ｂとロードセル５との間に配置されている。これにより、ロードセル５は、加熱装置３ｂの熱による影響を受けることがない。

上記の構成により、スイッチ８をＯＮさせると、モールド１とモールド２との間に電界を形成することができる。すなわち、モールド１・２は、電界を形成するための電極としても機能する。

なお、電界を形成するために、モールド１に直流電源７を接続し、モールド２を接地してもよい。あるいは、モールド１・２を接地せずに、モールド１とモールド２との間に直流電圧をかけてもよい。あるいは、直流電源７の代わりに交流電源を用いて電界を形成してもよい。

（レンズの成形工程）
続いて、レンズ成形装置１００におけるレンズの成形工程について、図２〜図６を参照して説明する。

まず、図２に示すように、ディスペンサ１０を用いて、モールド１の転写面１ａ上に樹脂材料１１を供給する（供給工程）。樹脂材料１１は、特許請求の範囲に記載の誘電体材料に相当するものであり、本実施形態では、加熱されることにより硬化する熱硬化性樹脂であるとともに、電界を与えることにより分極が生じる誘電体である。

続いて、図３に示すように、支持装置４がモールド２を下方に移動させて、モールド２の転写面２ａを樹脂材料１１に押し当てる。この状態で、加熱装置３ａ・３ｂによりモールド１・２および樹脂材料１１を加熱することにより、樹脂材料１１を硬化させる（硬化工程）。

樹脂材料１１が硬化している間、図４に示すように、樹脂材料１１に圧力が印加される。具体的には、ロードセル５が検知する荷重に基づいて、圧力制御部６が、硬化途中の樹脂材料１１にかかる圧力を算出し、当該圧力が所定の値になるように支持装置４を制御する。さらに、樹脂材料１１が硬化している間、スイッチ８がＯＮすることにより、モールド１とモールド２との間に電界が形成される。

図５は、樹脂材料１１の硬化時の状態を示す模式図である。同図に示すように、硬化収縮により、樹脂材料１１は、モールド２と接触している部分がモールド２から離間するように変形する。これに対し、硬化時に樹脂材料１１に圧力が印加されるとともに、モールド１とモールド２との間に電界が形成される。

樹脂材料１１は絶縁体であるため、誘電分極によって、樹脂材料１１のモールド２と対向する部分（上側）は、負に帯電し、樹脂材料１１のモールド１と対向する部分（下側）は、正に帯電する。一方、モールド２は負に帯電し、モールド１は正に帯電する。このため、図中上向きの矢印に示すように、樹脂材料１１をモールド２に引き寄せる静電引力が発生する。

よって、硬化が完了するまで、モールド２が樹脂材料１１に追従して、モールド２と樹脂材料１１との接触状態が維持される。したがって、樹脂材料１１の硬化収縮に起因するレンズ形状の誤差を大幅に低減することができる。

硬化が完了すると、図６に示すように、支持装置４がモールド２を上昇させ、転写面２ａを樹脂材料１１から引き離す。これにより、レンズ２１が成形される。

（効果の検証）
図７は、樹脂材料に印加する圧力およびモールド間に印加する電圧と、成形物の形状誤差との関係を示すグラフである。

従来の成形装置では、樹脂材料を硬化させる間、２つのモールドの位置が固定されるので、樹脂材料の硬化収縮による成形物の形状誤差が大きく、発明者による実験では、従来の成形装置における成形物の形状誤差は、０．２１８６μｍであった。一方、樹脂材料の硬化時に１０Ｎの圧力を印加した場合、成形物の形状誤差は０．１０５８μｍであった。さらに、本実施形態のように、樹脂材料の硬化時に１０Ｎの圧力を印加するとともに、１．５ＫＶ、４．５ＫＶ、６．０ＫＶの電圧を印加した場合における成形物の形状誤差は、それぞれ、０．０４６５μｍ、０．０４６４μｍ、０．０２３９μｍであった。特に、印加電圧が６．０ＫＶの場合では、圧力のみ印加する場合に比べ、転写精度を約５倍向上させることができ、さらに、圧力を印加しない構成に比べ、転写精度を約１０倍向上させることができた。

このように、硬化途中の樹脂材料へ圧力を印加するとともに、２つのモールド間に電界を形成することにより、成形物の形状誤差をさらに低減することができた。

特に、硬化収縮率が大きい樹脂材料を用いる場合、従来の成形装置では成形物の形状誤差が非常に大きくなる。これに対し、本実施形態では、モールドが樹脂材料に追従するので、成形物の形状誤差を大幅に改善することができる。

〔実施形態２〕
本発明の第２の実施形態について図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

図１４は、本実施形態に係るレンズ成形装置２００の構成を示す図である。レンズ成形装置２００は、樹脂材料からレンズを成形する装置であり、モールド２、加熱装置３ａ・３ｂ、支持装置４、ロードセル５、圧力制御部６、直流電源７、スイッチ８および絶縁プレート９ａ・９ｂ、断熱プレート９ｃおよび基板１２を備えている。すなわち、レンズ成形装置２００は、前記の実施形態１に係るレンズ成形装置１００において、モールド１を基板１２に置き換えた構成である。

前記の実施形態１において説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記している。また、本実施形態における、レンズの成形工程は、前記の実施形態１におけるものと略同一である。

このように、本発明は、２つのモールドによって成形物を成形する構成だけでなく、本実施形態のように、１つのモールドと１つの基板とを用いて成形物を成形する構成にも適用可能である。

〔実施形態の総括〕
以上のように、本発明に係る成形装置および成形方法によって、成形物を高精度に成形することができる。

また、検証実験では、樹脂材料に印加する圧力を１０Ｎとしたが、圧力の具体的な数値は、用いられる樹脂材料の種類などによって適宜設定される。なお、成形物の形状が複雑な場合、樹脂材料の硬化収縮は均等ではないため、印加される圧力が、モールドを硬化収縮分だけ追従させる程度であっても、形状の精度はあまり向上しない。そのため、モールドの移動が樹脂材料の硬化収縮を上回り、モールドが樹脂材料を積極的に押圧する程度の圧力を印加することが望ましい。

また、樹脂材料に印加する圧力は、樹脂材料が硬化する間、一定であってもよいし、変化してもよい。例えば、樹脂材料の硬化の進行に従って、印加する圧力を徐々に低下させてもよい。

また、上述した各実施形態では、上側のモールドを介して樹脂材料に圧力を印加する構成であったが、圧力を印加する方向はこれに限定されない。例えば、図１に示す構成において、上側のモールド２の位置を変化させずに、下側のモールド１を押し上げることにより、樹脂材料に圧力を印加する構成であってもよい。同様に、図８に示す構成において、モールド２の位置を変化させずに、基板１２を押し上げることにより、樹脂材料に圧力を印加する構成であってもよい。

また、上述した各実施形態では、樹脂材料として熱硬化性樹脂を用いたが、これに限定されない。例えば、ＵＶを照射されることにより硬化する光硬化性樹脂を用いてもよい。この場合、加熱装置の代わりに、ＵＶ照射装置が用いられる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、レンズ成形装置およびレンズ成形方法だけでなく、レンズ以外のあらゆる成形物を成形するための成形装置および成形方法に適用することができる。

１モールド（第１のモールド）
１ａ転写面（第１の転写面）
２モールド（第２のモールド）
２ａ転写面（第２の転写面）
３ａ加熱装置（硬化手段）
３ｂ加熱装置（硬化手段）
４支持装置（圧力印加手段）
４ａ支持体
４ｂ駆動軸
５ロードセル
６圧力制御部（圧力印加手段）
７直流電源（電界形成手段）
８スイッチ
９ａ絶縁プレート
９ｂ絶縁プレート
９ｃ断熱プレート
１０ディスペンサ
１１樹脂材料（誘電体材料）
１２基板
２１レンズ（成形物）
１００レンズ成形装置（成形装置）
２００レンズ成形装置（成形装置）

Claims

誘電体材料に所定の形状を転写するための第１の転写面を有する第１のモールドと、
前記誘電体材料に所定の形状を転写するための第２の転写面を有し、当該第２の転写面が前記第１の転写面と対向している第２のモールドと、
前記第１の転写面上に供給され、前記第２の転写面が押し当てられた前記誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化手段とを備える成形装置であって、
前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させる間に、前記誘電体材料に圧力を印加する圧力印加手段と、
前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させている間に、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電界の形成を開始する電界形成手段とを備えることを特徴とする成形装置。
基板と、
誘電体材料に所定の形状を転写するための転写面を有するモールドと、
前記基板上に供給され、前記転写面が押し当てられた前記誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化手段とを備える成形装置であって、
前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させる間に、前記誘電体材料に圧力を印加する圧力印加手段と、
前記硬化手段が前記誘電体材料を硬化させている間に、前記モールドと前記基板との間に電界の形成を開始する電界形成手段とを備えることを特徴とする成形装置。
前記電界形成手段は、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電圧を印加することにより、前記電界を形成することを特徴とする請求項１に記載の成形装置。
前記電界形成手段は、前記モールドと前記基板との間に電圧を印加することにより、前記電界を形成することを特徴とする請求項２に記載の成形装置。
前記成形物はレンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の成形装置。
誘電体材料に所定の形状を転写するための第１の転写面を有する第１のモールドの前記第１の転写面上に誘電体材料を供給する供給工程と、
誘電体材料に所定の形状を転写するための第２の転写面を有する第２のモールドの前記第２の転写面を、供給された前記誘電体材料に押し当てた状態で、当該誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化工程とを有する成形方法であって、
前記硬化工程の間、前記誘電体材料に圧力を印加し、前記誘電体材料を硬化させている間に、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電界の形成を開始することを特徴とする成形方法。
基板上に誘電体材料を供給する供給工程と、
誘電体材料に所定の形状を転写するための転写面を有するモールドの前記転写面を、供給された前記誘電体材料に押し当てた状態で、当該誘電体材料を硬化させて成形物を成形する硬化工程とを有する成形方法であって、
前記硬化工程の間、前記誘電体材料に圧力を印加し、前記誘電体材料を硬化させている間に、前記基板と前記モールドとの間に電界の形成を開始することを特徴とする成形方法。
前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間に電圧を印加することにより、前記電界を形成することを特徴とする請求項６に記載の成形方法。
前記基板と前記モールドとの間に電圧を印加することにより、前記電界を形成することを特徴とする請求項７に記載の成形方法。
前記成形物はレンズであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の成形方法。