JP5311797B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂の射出成形方法に関する。より詳しくは、溶融樹脂に気体を溶解させることで溶融樹脂の粘度を低下させて、金型表面を成形品表面へ高度に転写させる射出成形方法に関する。

一般的に、射出成形においては、金型を成形樹脂のガラス転移温度より低い温度に保ち、その金型内に溶融樹脂を充填、保圧、冷却して成形品を得る。

詳しくは、まず樹脂充填工程において、流動樹脂先端のファウンテンフローにより金型表面と接した溶融樹脂はガラス転移温度より低い金型によって冷却され、スキン層と呼ばれる高粘度層が形成される。その後、樹脂保圧工程において、スキン層を金型表面に対して加圧することで、金型表面を成形品表面へ転写し、保持・冷却することで成形品を得る。よって、金型表面を成形品表面に高度に転写させるためには、樹脂保圧工程前におけるスキン層の粘度を小さく保つ必要がある。

このため、従来技術においては、金型を成形樹脂のガラス転移温度より低く、かつその範囲で最も高い温度に保つことで、スキン層の粘度を小さく保つ方法が取られた。しかしながら、この方法では、金型温度が高いために溶融樹脂から金型への熱伝達が小さく、樹脂冷却工程が長くなることで成形品の生産性が低下する問題があった。

また、従来技術では、金型内にヒータなど加熱媒体を設置して、樹脂保圧工程まで金型温度をガラス転移温度より高く保つ方法が取られた。そうすることで、スキン層の粘度を小さくして金型表面を樹脂表面に高度に転写させて、その後の樹脂冷却工程において金型温度をガラス転移温度より低くして溶融樹脂を固化させ、成形品を得ていた。しかしながら、この方法では金型温度を昇温および冷却する時間が必要になり、成形サイクルが長く生産性が低下する問題があった。

以上の問題を解決しながら金型表面を成形品表面へ高度に転写させる方法として、特許文献１には、成形樹脂に対して空気の２倍以上の溶解度を持つガス体を金型キャビティ内に充填して、次いで溶融樹脂を充填する射出成形方法が開示されている。そのようにして、ガス体を樹脂表面に溶解させて成形樹脂の固化温度を低下させることで、スキン層の粘度を小さくして金型表面を成形品表面に高度に転写させる効果があるとしている。

また、特許文献２では、溶融樹脂に溶解させるガス体として二酸化炭素を用いて、あらかじめ溶融樹脂に二酸化炭素を溶解させて、さらに金型キャビティ内に二酸化炭素を充填して、次いで金型キャビティ内に溶融樹脂を充填する射出成形方法が開示されている。そのようにして、ガス体を樹脂に溶解させて成形樹脂の固化温度を低下させることで、スキン層の粘度を小さくして金型表面を成形品表面に高度に転写させる効果があるとしている。

また、特許文献３では、成形樹脂をキャビティ内に充填完了後、樹脂充填を一度停止させて、二酸化炭素を成形樹脂とキャビティ面間に注入して、次いで保圧工程に移行する射出成形方法が開示されている。そのようにして、ガス体を樹脂表面に溶解させて、成形樹脂の固化温度を低下させることで、スキン層の粘度を小さくして金型表面を成形品表面に高度に転写させる効果があるとしている。
特開平０９−２３６７６３号公報 特開平１０−５３８３８６号公報 特開２００６−３３５０１１号公報

しかしながら、上記特許文献１および特許文献２に記載の射出成形方法では、次のような問題が生じる。すなわち、ノズル先端に樹脂経路を機械的開閉するニードル弁をもつシャットオフノズルを使用した場合、溶融樹脂がニードル弁近傍で滞留してしまい、滞留樹脂の熱履歴増加によって溶融樹脂が炭化してしまう。この炭化した樹脂は、溶融樹脂によって金型内に運ばれると、特に透明材料を使う光学素子において、樹脂ゴミとして成形不良の原因となる。

以上の問題は、ノズル先端に樹脂経路を開放したオープンノズルを用いることによって回避することが可能であるが、オープンノズルを使用すると次のような別の問題が生じる。まず、図６に示すように、ガス体１３を配管１１を介して金型キャビティ３、ゲート４、ランナー５、スプル６に充填・昇圧する工程において、ガス体１３の昇圧完了までの間に、射出成形装置の可塑化装置内１９の溶融樹脂１０はガス体１３により加圧される。このとき、ガス体１３と溶融樹脂１０の接する界面１４において、ガス体１３が溶融樹脂１０に局所的に過剰に溶解する。よって、その後の充填工程における溶融樹脂１０の発泡や樹脂粘度が局所的に低下することによる樹脂流動の不安定化、それに伴う金型内の樹脂圧力の不安定化などの成形不良が生じる。

また、上記特許文献３に記載の射出成形方法では次のような問題が生じる。すなわち、二酸化炭素を金型キャビティと成形品表面間へ導入するため、金型キャビティ内の成形樹脂圧力を小さくする必要があり、制御が非常に複雑になる。また、成形樹脂をキャビティ内に充填完了後、樹脂充填を一度停止させて、二酸化炭素を成形樹脂とキャビティ面間に注入する為、成形樹脂と二酸化炭素界面で局所的に過剰に二酸化炭素が溶融樹脂に溶解する。よって、金型内の樹脂圧力の不安定化や金型表面を成形樹脂表面に転写させるときに、転写面内で局所的な転写分布が発生してしまう。また、分岐したランナーによって複数の成形品を同時に成形する場合、各々のキャビティ間で保圧前成形樹脂のキャビティ充填量の均一化、供給する二酸化炭素の昇圧時間と昇圧圧力を精密に制御する必要になる。よって、通常の射出成形に比べて複雑な制御が必要になるので、キャビティ毎の成形品寸法精度差が大きくなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。そして、オープンノズルを使用して溶融した熱可塑性樹脂を金型に充填する射出成形方法において、成形樹脂への気体溶解を安定させて金型表面を成形品表面へ高度に転写させつつ成形品寸法精度を安定化させることを目的とする。さらに、本発明は、複数のキャビティ間での転写および成形品寸法精度ばらつきを小さくすることも可能である。

本発明の光学素子の製造方法は、ノズル先端の樹脂経路が開放されたオープンノズルを用いて、溶融した熱可塑性樹脂を金型に供給し、前記供給された樹脂を、スプル、ランナー、ゲートを介してキャビティに充填し、光学素子を成形する光学素子の製造方法であって、前記樹脂のフローフロントが前記スプルに位置している時、二酸化炭素または炭化水素を含む気体を前記金型へ注入することを開始することを特徴とする。

本発明にしたがうことで、熱可塑性樹脂の射出成形において、溶融樹脂に気体を溶解させることで溶融樹脂の粘度を低下させて、金型表面を成形品表面へ高度に転写させることができる。また、本発明にしたがうことで、金型内部への気体注入を溶融樹脂の充填工程にて行うことで、溶融樹脂への気体の過剰な溶解を防止することが可能であり、成形品外観、寸法精度の成形品ばらつきを低減することができる。さらに、本発明にしたがうことで、ランナーによって分離された複数のキャビティをもつ成形品において、転写、成形品外観、寸法精度のキャビティ間におけるばらつきを小さくすることができる。

以下、本発明の熱可塑性樹脂を金型に充填する射出成形方法について、図を参照しながら詳細に説明する。

最初に、本発明の概略を説明する。本発明の装置および方法では、従来技術と異なり、溶融樹脂の充填工程において炭化水素を含む気体を金型キャビティ、ゲート、ランナー、スプル内に注入開始して昇圧させることにより、溶融樹脂フローフロントにおいて、溶融樹脂に気体を溶解させる。よって、金型内の気体圧力上昇と伴に溶解樹脂の気体溶解量が増加することで、溶融樹脂に局所的に大きな溶解が発生せず、樹脂の流動を安定化させることが可能になる。また、ランナーによって分離された複数のキャビティを持つ成形品に対して用いる場合、金型内への気体注入開始およびその昇圧を樹脂充填開始からスプル充填完了までの間に行うことで、ランナーを介して各々のキャビティ間で気体圧力を均一に保つことができる。したがって、複数のキャビティ間での金型表面の成形品表面への転写、外観、寸法精度を均一に保つことが可能である。

ここで、前記炭化水素を含む気体としては、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパンなどが好ましい。これらは不活性ガスであるため、成形時の安全性を確保することが可能である。

まず、本発明の射出成形方法で用いる射出成形装置を説明する。本実施形態においては、炭化水素を含むガスとして二酸化炭素を用いている。

図２に示されているのは、本発明で用いる射出成形装置の全体図である。該装置は、成形装置１８、可塑化装置１９、金型１および２、高圧ガス製造供給装置２０、から構成されており、可塑化装置のノズル先端の樹脂経路にはオープンノズル７を用いている。

図３に示されているように、前記装置において、成形樹脂は、可塑化装置１９のホッパー１７を介して加熱されたシリンダ８内に導入され、それからシリンダ８内のスクリュー９が回転することで、溶融しながらオープンノズル７へと輸送される。次に、溶融樹脂はオープンノズル７の先端部で任意の体積を計量され、スクリュー９が移動することでオープンノズル７先端にある溶融樹脂は金型内に供給される。ここで、固定側金型１と可動側金型２は、成形装置１８によって型締めされ、その接合面にキャビティ３を形成している。この金型キャビティ３は、オープンノズル７先端と金型内のスプル６、ランナー５、ゲート４を介して流通している。

高圧ガス製造供給装置２０は、高圧ガスボンベ２１より供給された二酸化炭素を加圧して、配管１１を介して金型キャビティ３に供給する。配管１１は、弁１５によって任意に開閉可能である。このときのガス圧力は大気圧以上として、成形品表面の転写を確認しながら決定するが、ここでは高圧ガス製造装置および金型をガス圧保持するのためのシール構造にすることが求められる。したがって、ガス圧力は、シール部材のゴム材が圧力保持できる１５ＭＰａ以下であることが好ましい。また、金型キャビティ３内の二酸化炭素１３は、配管１２を介して金型外に排出されることが可能である。この配管１２は、弁１６によって任意に開閉可能である。

次に、図３、図４、図１、図５の順に示されている成形工程図を参照しながら、本発明の射出成形方法を詳細に説明する。

まず、図３に示すように、可塑化装置１９によりシリンダ８内に溶融樹脂１０を所望量計量して、次いで固定側金型１と可動側金型２を成形装置１８によって型締めする。

次いで、図４に示すように、可塑化装置１９のスクリュー９を前進させて、固定側金型１のスプル６に溶融樹脂１０を供給する。

次いで、図１に示すように、溶融樹脂１０がスプル６内の所望の位置に達した時点で、弁１５を開放して、配管１１を介して二酸化炭素１３を金型に供給する。この二酸化炭素１３は、固定側金型内の流路を通り、図９のガス注入口２６およびガス流路２５を介して、図８に記載の溝２８からキャビティ３に注入される。それから、ゲート４、ランナー５およびスプル６を通じて溶融樹脂１０を加圧する。図７に示すように、注入された二酸化炭素１３は、溶融樹脂１０との界面であるフローフロントから溶融樹脂内に浸透して溶融樹脂の粘度を低下させて、ついで溶融樹脂の流れに沿って、金型表面に達する。

ここで、溝２８は、溶融樹脂１０は通過できないが、二酸化炭素１３は通過できる１０μｍ以下の溝深さであることが求められる。また、この溝２８は、溶融樹脂１０に満たされていないキャビティ３、ゲート４、ランナー５およびスプル６を二酸化炭素１３で昇圧する必要があるため、溶融樹脂１０の最終充填部分であることが好ましい。

二酸化炭素１３を金型に供給するときのスプル６への溶融樹脂１０の充填量は、二酸化炭素１３の圧力によって溶融樹脂１０の逆流が発生して可塑化装置１９のオープンノズル７内に二酸化炭素１３が入らない量であることが好ましい。

また、二酸化炭素１３の金型キャビティ３への注入開始時間は、任意の可塑化装置１９の可塑化スクリューの位置、もしくは溶融樹脂１０の充填工程開始後の時間によって制御され、成形装置から信号出力して弁１５を開放することで行う。

ランナー５を分岐させて、複数のキャビティ３を有する金型を用いる場合、図１に示すように、二酸化炭素１３が０．１ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下の圧力になった時点における溶融樹脂１０のフローフロントが、スプル６の内部にあることが好ましい。溶融樹脂１０充填前の金型キャビティ３は、空気が閉じ込められており、大気圧になっている。したがって、二酸化炭素圧力は、大気圧以上で金型内に供給され溶融樹脂１０に溶解して金型表面を成形品表面へ高度に転写させることが可能である。また、ガス圧力が１５ＭＰａを超えると、それに対応して金型内のガス圧力を保持するシール構造が必要になる。特に、金型温度を１００℃以上の高温にした場合、ガスシール部材２９として耐熱性の高いフッ素ゴムが必要になるが、耐圧性が低いため、１５ＭＰａを超えるガス圧力になるとシールが困難になる。

ここで、スプル６は、各図に示してあるように、オープンノズル７と金型１、２の中間地点にある。これによって、ランナー５およびゲート４を介して、複数のキャビティ３間で二酸化炭素１３の圧力が等しくなり、溶融樹脂１０が二酸化炭素１３の圧力による流動抵抗を受けながら、複数のキャビティ３に均一に流動することができる。また、複数のキャビティ３において要求される成形品の寸法精度が許容できる場合、二酸化炭素１３が０．１ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下の圧力になった時点における溶融樹脂１０のフローフロントがランナー５にあってもよい。この場合、複数のキャビティ間において、寸法精度や金型表面の成形品表面への転写量差異が発生するものの、局所的な二酸化炭素の溶融樹脂への溶解が無い。よって、金型表面を成形樹脂表面に転写させるときに、転写面内での局所的な転写分布防止効果がある。

次いで、高圧ガス製造装置２０によって、二酸化炭素１３の圧力を０．１ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下の圧力に保ちつつ、さらに溶融樹脂１０を射出することで充填工程を終了する。それから、図５に示すように、樹脂保圧工程を実施する。ゲートシールとともに保圧工程を終了して、弁１５を閉鎖して二酸化炭素１０の注入を停止する。それとあわせて弁１６を開放し、図９に示されているガス排出路、配管１２を介して金型内の二酸化炭素１３を放出する。

その後、樹脂冷却工程にて十分な成形品の冷却を行い、成形装置１８の型締め力を開放して、固定側金型１と可動側金型２を分離し、パーティングライン面より成形品を取り出す。

以上に記載の本発明の方法によって製作される成形品としては、次のものが挙げられる。すなわち、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズ、フレネルレンズ、トーリックレンズ、ｆθレンズ、プリズム、ミラー、導光板といった表面粗さ、もしくは微細形状などの金型表面を高精度転写させることが求められる光学素子である。

本発明の射出成形方法における、気体注入完了時の段階を説明する図である。 本発明の射出成形装置の概略図である。 本発明の射出成形方法における、溶融樹脂射出前の段階を説明する図である。 本発明の射出成型方法における、気体注入開始時の段階を説明する図である。 本発明の射出成形方法における、保圧の段階を説明する図である。 従来の射出成形方法における、射出前にキャビティ内を気体注入した状態を説明する図である。 金型スプル内の樹脂流動過程における、樹脂と二酸化炭素との界面における樹脂流動方向を説明する図である。 可動側金型をパーティング面から見た、ガス流路を説明する図である。 固定側金型をパーティング面から見た、ガス流路を説明する図である。

符号の説明

１ 固定側金型
２ 可動側金型
３ キャビティ
４ ゲート
５ ランナー
６ スプル
７ オープンノズル
８ シリンダ
９ スクリュー
１０ 溶融樹脂
１１ 配管１
１２ 配管２
１３ 二酸化炭素
１４ 成形樹脂と二酸化炭素の界面
１５ 弁１
１６ 弁２
１７ ホッパー
１８ 成形装置
１９ 可塑化装置
２０ 高圧ガス製造供給装置
２１ 二酸化炭素ボンベ
２２ 樹脂の流れ方向
２３ 樹脂と金型の界面
２４ 二酸化炭素と金型の界面
２５ ガス流路
２６ ガス注入路
２７ ガス排出路
２８ ガス流路と金型キャビティをつなぐ溝
２９ ガスシール部材

Claims (5)

1. ノズル先端の樹脂経路が開放されたオープンノズルを用いて、溶融した熱可塑性樹脂を金型に供給し、前記供給された樹脂を、スプル、ランナー、ゲートを介してキャビティに充填し、光学素子を成形する光学素子の製造方法であって、
   前記樹脂のフローフロントが前記スプルに位置している時、二酸化炭素または炭化水素を含む気体を前記金型へ注入することを開始することを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 前記気体の金型への注入は、前記樹脂を金型に供給する可塑化スクリューの位置、または前記樹脂の金型への供給を開始してからの時間によって開始されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 前記金型は前記スプルから分岐した前記ランナー、前記ゲートおよび前記キャビティを複数有し、前記気体の注入圧力が０．１ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下になった時点における前記樹脂のフローフロントは、前記スプルまたは前記ランナーにあることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記キャビティへの充填が終了するまで、前記気体の圧力は０．１ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下に保持されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記炭化水素は、メタン、エタン、プロパンであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。