JP6668581B2 - プラスチック成形品を製造するための方法、金型インサート、および、射出成形金型 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチック成形品を製造するための方法、金型インサート、保持装置、および、射出成形金型、並びに、この方法で製造されたプラスチック成形品に関する。

プラスチックから作られている光学部品を製造するために、射出成形金型が使用されることが知られている。

例えば、特許文献１は、回折レンズを製造するための射出成形金型を開示している。この射出成形金型は、レンズ形状キャビティを形成する２つの金型半分を備える。一方の金型半分は、ダイが挿入される凹部を有する。ダイは、この金型半分により形成されたキャビティの全面を形成し、キャビティに対向する面に射出成形時にプラスチック成形品に成形される構造を備える。

ＥＰ０８７８２９１Ａ１

本発明の目的は、射出成形により更なる光学的効果を備えたプラスチック成形品を製造するための方法、金型インサート、および、射出成形金型を提供することである。更に、本発明の目的は、そのようなプラスチック成形品を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を備える方法、請求項１８の特徴を備える金型インサート、請求項２４の特徴を備える保持装置、および、請求項２７の特徴を備える射出成形金型、並びに、請求項３１の特徴を備えるプラスチック成形品により達成される。

プラスチック成形品を製造するための方法では、回折面レリーフを備える金型インサートが用いられる。金型インサートは、射出成形金型の一方の金型半分に挿入され、この金型半分は、少なくとも他方の金型半分と共にプラスチック成形品を製造するためのキャビティを形成する。回折面レリーフが金型半分により形成されたキャビティの表面の一部を形成するように、金型インサートは射出成形金型に挿入される。そして、プラスチック成形品は、射出成形金型を用いた射出成形により成形される。

通常、射出成形金型は、キャビティを形成する２つの金型半分を備える。しかしながら、複数部品金型も用いることができる。キャビティを形成する２以上の部品を備える金型の場合でも、ここでは、各部品は金型半分と呼ばれる。

射出成形金型のキャビティは、ここでは、成形品の製造を補助し、プラスチック成形品を成形するものを意図する。更に、射出成形金型のキャビティ、例えば、ゲートシステムは、ここでは、キャビティの構成要素としてみなされない。

金型インサートは、回折面レリーフを備え、回折面レリーフが金型半分で形成される射出成形金型のキャビティの表面の一部を形成するように、金型インサートは射出成形金型の一方の金型半分に挿入される。一方の金型半分は、他方の金型半分と共にプラスチック成形品を製造するためのキャビティを形成する。

プラスチック成形品を製造するための射出成形金型は、少なくとも他の金型半分と共にプラスチック成形品を製造するためのキャビティを形成する少なくとも一方の金型半分を備える。金型半分は、回折面レリーフを備える金型インサートが挿入される受け部を有し、回折面レリーフは、金型半分により形成される射出成形金型のキャビティの内面の一部を形成する。

上記射出成形金型および金型インサートを用いて上記方法により製造されたプラスチック成形品は、プラスチック成形品の表面の一部にのみ広がる回折面レリーフを備える。

上記方法では、光学部品として設計する必要のない回折光学エレメントを備えるプラスチック成形品を得ることができる。回折面レリーフで覆われていない表面の一部は、他の機能を有する。これにより、回折面レリーフは、例えば、装飾目的、偽造防止目的、または、碑文として用いられる。回折面レリーフで覆われていない表面の一部は、他の光学機能に利用可能である。したがって、例えば、装飾回折エレメントを再帰反射器のような非回折エレメントと組み合わせることができる。射出成形プロセスの間に、例えば、ＩＭＤフィルムまたはＩＭＬラベル（ＩＭＤ＝Ｉｎ Ｍｏｌｄ Ｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ、ＩＭＬ＝Ｉｎ Ｍｏｌｄ Ｌａｂｅｌｌｉｎｇ）を用いて回折面レリーフで覆われていない表面の一部を装飾することができる。また、回折面レリーフで覆われていない表面の一部をその後のプロセスにおける別の方法で装飾、および／または、回折面レリーフで覆われていない表面の一部に機能性コーティングを設けることもできる。同様に、複数部品射出成形において、回折面レリーフで覆われていない表面の一部を不透明な他の射出成形材料から形成することができる。同様に、回折面レリーフで覆われていない表面の一部を高光沢および平坦にすることができ、高い透明度にすることができる。

回折面レリーフで覆われた表面の一部は、表面レリーフにより平坦性および高い光沢性も有していないが、例えば、隣接する高光沢および平坦面に対して光学コントラスを形成する。このコントラストは、実際に必要な場合もあり、不要な場合もある。このコントラストが不要な場合は、コントラスは、例えば、回折面レリーフと隣接する高光沢および平坦面との間の移行領域により隠される。移行領域は、わずかな構造および／または高光沢および平坦面に向けて小さくなる縮小構造を有する。

金型インサートとして、金型インサートには回折面レリーフが設けられ、回折面レリーフは、回折マイクロ構造および特に曲面マクロ構造の加法的または減法的重ね合わせにより形成される。マクロ構造は、マクロ曲率、または、回折マイクロ構造が配置され、所望の通り形成された自由曲面として形成される。

マクロ構造は、プラスチック成形品の反対面により規定された表面構造に相当することが好ましい。マクロ構造により規定されたプラスチック成形品の概念マクロ面と射出成形品の反対面との間の距離が、少なくとも回折面レリーフの非水平領域において、略一定であり、好ましくは最高で±２０％、更に好ましくは最高で±１０％変化するように、マクロ構造が選択されることが好ましい。例えば、２ｍｍ〜３ｍｍの厚さの部品の場合、壁厚は最高で０．４ｍｍ変化する。したがって、射出成形品の一定の壁厚が達成され、全ての領域において優れた安定性を達成することができる。このため、脆弱ポイントまたは所定の破壊ポイントは形成されない。それに応じて、射出成形金型のキャビティの対向壁面は、少なくとも金型インサートの領域において、常に間隔を有する。結果として、上記方法により、プラスチック成形品を製造することができる。

これにより、回折マイクロ構造を所望の通り成形された表面に組み込むことができる。特に既存の部品の形状を選択または変更することなく、回折面を既存の部品に取り入れることができる。周知の方法および射出成形金型と異なって、回折マイクロ構造を曲面に取り入れることができる。したがって、回折マイクロ構造が部品に組み込まれる場合、平坦または水平領域を設ける必要はない。このため、回折面レリーフを備えるプラスチック成形品の発展における設計自由度は制限されることはない。

既存の射出成形工具に対する大幅な変更も不要となる。対応する金型インサートを設け、挿入することのみが必要となる。回折マイクロ構造が既存の部品に将来設けられると、高い設計柔軟性および低変更費用が実現する。

マイクロ構造は、５００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下の平均間隔を有する極小値または極大値の構造エレメントを意図する。

回折マイクロ構造は、１００本／ｍｍ以上、好ましくは３００本／ｍｍ以上、更に好ましくは８００本／ｍｍ〜２８００本／ｍｍの間の空間周波数を有することが好ましい。回折マイクロ構造のレリーフ深さは、５０ｎｍ〜１００μｍの間、好ましくは２００ｎｍ〜１０μｍの間であることが好ましい。

回折マイクロ構造は、２Ｄ／３Ｄホログラム、キノフォーム、フーリエホログラム、光学機能に応じて算出されたコンピュータ合成ホログラム（ＣＧＨ）、または、ＫＩＮＥＧＲＡＭ（登録商標）またはＴＲＵＳＴＳＥＡＬ（登録商標）であることが好ましい。これらは、１または２次元周期回折格子、等方性または異方性マット構造（構造パラメータの統計的変動）、連続または段階位相関数（特に２、４、または、８ステップ）による非対称ブレーズド回折格子、レンズ形状構造、または、これらの構造の１以上の組み合わせの構造からなる。

レリーフパラメータ、特に空間周波数およびレリーフ深さに関し、反射光観察および／または透過光観察において、光学可変効果が得られるように、マイクロ構造が設計されることが好ましい。マイクロ構造が約１．５〜１．６の屈折率を有する透明プラスチック材料に成形された場合、この光学可変効果は、特定の光源（ＬＥＤ、レーザポインタ、所定の間隔を有する点光源等）を任意で用いて観察者に視認可能となる。

マクロ構造は、互いに１０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上、更に好ましくは１００μｍ〜５００μｍの間で離れた極小値または極大値の構造エレメントを意図する。

金型インサートとして、金型インサートにマクロ構造が設けられていることが更に好ましい。マクロ構造は、少なくとも領域において、１以上の曲率を有する自由曲面を表す。いずれの場合でも、１以上の曲率は、回折面レリーフの横範囲の少なくとも１００倍および最大０．１倍、好ましくは少なくとも１０倍および最大０．２５倍、更に好ましくは少なくとも５倍および最大０．３３倍の曲率半径を有し、および／または、いずれの場合でも、１以上の曲率は、特に１００ｍｍの横範囲において、１００００ｍｍ〜１０ｍｍの範囲、好ましくは１０００ｍｍ〜２５ｍｍの範囲、更に好ましくは５００ｍｍ〜３３ｍｍの範囲の曲率半径を有する。しかしながら、大きな曲率半径、すなわち、より平坦な曲面とすることもできる。回折面レリーフの局所マクロ曲率は、部品の一定の壁厚の要件から算出された部品の外形により予め決められる。

回折面レリーフの横範囲は、表面レリーフのエッジカーブ上の２点の間の最大距離、すなわち、例えば、円形表面レリーフの場合は直径、または、長方形表面レリーフの場合は対角線を意図する。円形または長方形に加え、特に表面レリーフを部品に芸術的に組み込むために、表面レリーフの異なる成形形状を用いることができる。例えば、表面レリーフの形状を多角形、または、連続凸および／または凹曲線、特に数学関数曲線により領域に区切ることができる。

上記曲率半径の場合、回折マイクロ構造を、容易にマクロ構造に重ね合わせることができる。これにより、所望の回折効果の歪曲を補正することができる。

金型インサートの準備の間、まず、仮回折面レリーフが基板の表面、特に平坦金属部に形成される。そして、基板が再形成され、金型インサートが形成される。再形成の間、仮表面レリーフを金型インサートの回折面レリーフに変形させる。

曲面に適用することなく、平坦部品に表面レリーフを取り込む周知の方法を用いることができる。

基板は、深絞りにより再形成されることが好ましい。基板の材料の硬度よりも低い硬度を有する工具が深絞りに用いられることが好ましい。これにより、深絞りの工具による回折マイクロ構造の損傷が防止される。

仮回折面レリーフを形成するために、まず、仮回折面レリーフが成形されるマスターエレメント、特にフォトレジストを備えるマスターエレメントが設けられ、そして、基板がマスターエレメントにより成形されることが有益である。

そのようなマスターエレメントが設けられるとすぐに、多くの基板をマスターエレメントの複製として容易に製造することができる。これは、各個別基板へ直接、仮表面レリーフを取り込む場合に比べて製造を容易にする。特にフォトレジストへのマイクロ構造の直接組み込みは、金属基板へのマイクロ構造の直接組み込みよりも容易である。

仮回折面レリーフは、レーザビームリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィ等のリソグラフィプロセス、または、マスクを用いた照明およびＵＶ照明により、放射線感受性のフォトレジスト層（この場合、照明およびその後の現像）として、マスターエレメントおよび／または基板に組み込まれることが好ましい。これは、仮回折面レリーフの高速かつ柔軟な成形を可能とする。

仮回折面レリーフは、特別に算出されたコンピュータ合成ホログラムとして、および／または、特別に算出されたキネフォームとして、および／または、ホログラフ的に記録されたフーリエホログラムとして、マスターエレメントおよび／または基板に組み込まれることが好ましい。

仮回折面レリーフの成形後、マスターエレメントへの金属、特にニッケルのガルバニック堆積により基板が製造されることが好ましい。これにより、仮回折面レリーフは、マスターエレメントからより硬い金属基板へ高い品質で転写される。このため、マスターエレメントは、まず、例えば導電性ニスの塗布により導電性とされる。その後、亜鉛めっき浴で被覆されたマスターエレメントに電圧を印加することにより、金属を堆積させることができる。

堆積した基板の層厚は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍが好ましい。このような基板は、射出成形のための金型インサートでの使用に十分耐えることができ、容易に深絞りにより再形成される。

仮回折面レリーフを成形すべく、仮回折面レリーフを表す関数Ｆ２を決定するために、補正関数Ｋが特定され、達成する回折効果を表す関数Ｆ１に適用されることが好ましい。

したがって、変形の間、補正関数Ｋは、仮回折面レリーフの変更または歪曲を特徴付けることができ、例えば、平坦な表面プロファイルの変形の間、変形によりもたらされるマクロ表面プロファイルを規定することができる。

達成する回折効果を表す関数Ｆ１から、成形されるマイクロ構造Ｍをまず決定することができ、再形成によりもたらされる変形が相殺されるように、マイクロ構造を補正関数Ｋに応じて予め変形させることができる。

例えば、補正関数Ｋが変形によりもたらされる対応の歪曲マトリックスによる平坦面の変更を示す場合、Ｆ２を例えば以下のように決定することができる。
Ｆ２＝Ｋ^-1＊Ｍ（Ｆ１）

更に、特定されたマイクロ構造Ｍを、例えば、マクロ構造に（倍に増えていく方法で）重ね合わせることができる。マクロ構造は、逆補正関数を表し、変形によりもたらされる平坦面の変形に対する逆成形を示す。

補正関数Ｋが特定されることが好ましい。補正関数Ｋは、変形によりもたらされる光学効果を表す、または、変形によりもたらされる光学効果を少なくとも部分的に相殺するために必要な光学機能を特定する。例えば、基板が再形成により球状に変形した場合、補正関数Ｋは、例えば、対応する球面レンズまたは逆球面レンズの光学機能を示す。

補正関数Ｋが再成形により仮回折面レリーフの後の変形による仮回折面レリーフの回折効果の変更を表す、または、少なくとも部分的に相殺することが好ましい。

この補正関数Ｋは、達成される回折効果を表す関数Ｆ１に適用されることが好ましい。補正関数Ｋにより表される回折効果を考慮して回折効果が算出され、Ｆ１に応じて達成される回折効果が達成され、これから仮回折面レリーフが特定される。

仮回折面レリーフのホログラフィック生成の間、これは、補正関数の光学機能をもたらす対応するレンズ／レンズシステムが対称ビームまたは参照ビームに取り込まれることで実現する。

関数Ｆ１は、完成したプラスチック成形品にどのような光学効果が生じるかを表す。関数Ｆ１に基づいて、仮表面構造が基板に成形されると、深絞りの間の仮回折面レリーフの変形により完成したプラスチック成形品で所望の光学効果を達成することができず、例えば、歪曲ホログラムが示される。これは、補正関数Ｋを関数Ｆ１に提供することで回避される。得られた関数Ｆ２は、変形後、所望の効果をもたらす回折面構造を得るために、どの仮回折面が基板に取り込まれる必要があるかを表す。

金型インサートは、締め付け具により射出成形金型に固定される。これにより、射出成形の間、金型インサートが確実に保持される。金型インサートは、全辺で締め付け具により保持され、特に非ポジティブロックおよび／またはポジティブロックにより保持されることが好ましい。

金型インサートは、射出成形金型のアンダーカットに保持されることが更に好ましい。これにより、金型インサートは、非ポジティブロックおよび／またはポジティブロックにより固定され、キャビティの表面に取り付けられる。結果として、段差のない完成したプラスチック成形品を得ることができる。

確実に固定するために、金型インサートを射出成形金型に接着させることもできる。

金型インサートを固定するために、対応の受け部を射出成形金型に設けることが好ましい。少なくとも１つのダイをこの受け部に設けることが好ましい。金型インサートが挿入されると、このダイにより所定の接触圧がキャビティと反対側の金型インサートにかかる。これにより、射出成形の間の金型インサートのたるみが防止される。このたるみは、表面レリーフを変形させ、このたるみによりプラスチック成形品の所望の光学特性が損なわれる。

金型インサートは、少なくとも１つのマークを備えることが好ましい。これにより、金型インサートが射出成形金型に挿入されるとき、金型インサートの正しい方向が認識可能となる。金型インサートの方向は、所望の光学効果の方向を決定する。光学効果の種類に応じて、正しい方向または配置が重要である。しかしながら、特定の光学効果のために、方向を所望の通りとすることができる。

射出成形金型に金型インサートを嵌合するために、金型インサートのための保持装置を設けることができる。この金型インサートは、少なくとも１つの金型半分と共にプラスチック成形品を製造するための１つの金型半分に挿入される。保持装置で保持された金型インサートの回折面レリーフが金型半分により形成された射出成形のキャビティの表面の一部を形成する。保持装置は、特に金型インサートが挿入される円筒基部を備える。これにより、金型インサートの扱いが容易となり、金型インサートを損傷から保護することができる。特に嵌合されている間、直接接触することはなくなる。

基部は、金型インサートを保持するための少なくとも１つのアンダーカット、および／または、金型インサートを射出成形金型に付着させるための少なくとも１つの付着フランジを有することが好ましい。金型インサートを保持するための締め付け具を設けることができる。基部での金型インサートの固定は、上記した射出成形金型での金型インサートの直接固定に相当する。

保持装置をカバーにより封止することができる。金型インサートが嵌合されると、カバーは、円筒基部の一端面を封止し、他端面は金型インサートで封止される。これにより、射出成形金型に容易に挿入され、安定して保持されるコンパクト装置が得られる。

基部内の残りのキャビティを適切なダイで満たすことができる。結果として、射出成形の間、金型インサートが動く隙間がなくなり、金型インサートの変形が防止される。基部にストッパーを設けることもでき、ストッパーにより、基部が射出成形金型において正確な位置に固定される。正確な位置に固定されるように、金型インサートをストッパーで止める。

上記方法で製造されたプラスチック成形品は、透明または不透明プラスチック、特にＰＭＭＡ、ＰＥＴ−Ｇ、ＡＢＳまたはＰＣから形成されることが好ましい。

上記種類のプラスチック成形品を様々なものに適用することができる。したがって、プラスチック成形品を、特に自動車の照明装置の構成要素にすることができる。光学的に浮動するモチーフ、例えば、ロゴ、シンボル、模様等を回折面レリーフにより投射することができる。このようなプラスチック成形品を逆光スイッチまたは他の制御エレメントに用いることができる。ここでは、回折面エレメントは、それぞれの制御エレメントの機能を示す浮動シンボルを表示させる。

以下に、本発明を実施例および図面を参照して詳細に説明する。

締め付けを用いて射出成形金型に固定された金型インサートの実施例の図である。 接着固定を用いて射出成形金型に固定された金型インサートの実施例の図である。 深絞りによる再形成の間の金型インサートの実施例の図である。 操作中のプラスチック成形品を示す概略図である。 金型インサートを備えるダイを示す概略図である。 金型インサートの実施例の曲率形状を示す概略図である。

回折面レリーフ２をプラスチック成形品１に成形するために、金型インサート３は、射出成形金型５の受け部４に挿入される。金型インサート３は、挿入状態で射出成形金型のキャビティ５１に対向する面３１に成形される表面レリーフ３２を有する。射出成形金型５の封止後、キャビティ５１は成形化合物で満たされる。その結果、表面レリーフ３２は、プラスチック成形品１に成形される。

表面レリーフ３２は、キャビティ５１の表面５２の一部のみを形成する。すなわち、プラスチック成形品１の表面１１の一部は平坦である。

回折面レリーフ２をコンピュータ合成ホログラム、フーリエホログラム、または、キノフォームとすることができる。したがって、シンボル、ロゴ、サイン、写真等のモチーフの浮動画像を透過光で作ることができる。レリーフは、１００本／ｍｍおよび３０００本／ｍｍの間の空間周波数、および／または、１００ｎｍ〜１０μｍのレリーフ深さを有することが好ましい。

図１および２は、それぞれ、射出成形金型５への金型インサート３の異なる固定方法を示す。図１では、金型インサート３は、ダイスリーブ６０のアンダーカット５３でダイ６により非ポジティブロックにより保持されている。図示された実施例では、段差または隙間がダイスリーブ６０の隣接面と金型インサート３の表面レリーフ３２との間に形成されている。図２では、金型インサート３は、アンダーカットによりダイスリーブ６０に固定されている。金型インサート３は、ポジティブロックによりダイスリーブ６０の隣接面に取り付けられ、ダイ６に接着する。図１の例と異なり、アンダーカットによる固定は、プラスチック成形品１の段差となる隙間を作らないことから、アンダーカットによる固定は有益である、また、金型インサート３も接着によりダイ６に良好に取り付けられる。ダイ６を受けるダイスリーブ６０は、射出成形金型５の受け部４に挿入され、固定、好ましくはねじ止めされる。

図５は、金型インサート３を備えるダイ６を示す。金型インサート３はダイ６に固定されている。ダイ６は、挿入されるように形成される。ダイ６は、対応して成形されたダイスリーブ６０に嵌合する。このため、ダイ６は、底面にストッパー６２を備える。これにより、ダイ６は、所望の深さまでダイスリーブ６０に嵌合し、反対側の金型インサート３は、所望の方法でダイスリーブ６０の隣接面に接触する。ダイ６がダイスリーブ６０に固定されるように、ダイスリーブ６０は、底面のカバー６１により封止、特にねじ止めされる。そして、ダイスリーブ６０は、射出成形金型５の受け部４に挿入され、ねじ止めにより受け部に固定される。ダイスリーブ６０はストッパー６３を備える。これにより、ダイスリーブ６０は、キャビティ５１内で所望の深さまで射出成形金型５の受け部４に挿入され、所望の方法でキャビティ５１の隣接面に接触する。受け部４とスリーブ６０との間およびダイスリーブ６０とダイ６との間の公差または間隔は、約０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍが好ましく、約０．０２ｍｍ〜０．０３ｍｍが特に好ましい。

金型インサート３を製造するために、まず、平坦なマスターが製造される。平坦なマスターはフォトレジスト層を備える。仮回折面レリーフ７がフォトレジスト層に刻み込まれる。これは、例えば、レーザまたは電子ビーム、または、マスクを用いた照射により行われる。これは、１μｍ程度の解像度を達成する。単一または多重露光が可能となり、２、４、または、８ステップ表面プロファイルが得られる。そして、フォトレジストが現像され、結果として、仮回折面レリーフが形成される。

そして、フォトレジストは導電ニスで被覆される。亜鉛めっき浴では、電圧が導電ニス層に印加され、金属、好ましくはニッケルがマスターに堆積する。層厚は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍである。このように製造された金属体も仮回折面レリーフを有する。金属体のコピーを次々に直流的に準備することができる。

回折面構造２を備える所望通り成形されたプラスチック成形品１を提供するために、この金属体を製造されるプラスチック成形品の形状とする必要がある。図３に示すように、これは深絞りで行われる。ここでは、所望の形が得られるまで、金属体をダイ８とカウンタホルダ９との間で変形させる。このように得られた金型インサート３を自由に切断することができる。金型インサート３に固定エレメントを設けることもできる。ダイ８およびカウンタホルダ９には、金属体よりも軟らかい材料が用いられる。ニッケルから成る場合は、例えば、スチールからなる深絞り工具が使用される。これにより、仮回折面レリーフ７の損傷が防止される。

深絞りの場合、回折面レリーフの横範囲の少なくとも１００倍および最高０．１倍、好ましくは少なくとも１０倍および最高０．２５倍、更に好ましくは少なくとも５倍および最高０．３３倍の曲率半径を有する曲面を製造することができる。曲率半径の範囲は、１００ｍｍの横範囲の場合、１００００ｍｍ〜１０ｍｍの範囲、好ましくは１０００ｍｍ〜２５ｍｍの範囲、特に好ましくは５００ｍｍ〜３３ｍｍの範囲とすることができる。

直径５０ｍｍの表面レリーフ２では、金型インサート３の厚さが０．５ｍｍ〜１ｍｍの場合、例えば、４．８ｍｍの深絞りを達成することができ、金型インサート３の厚さが０．５ｍｍの場合、２．４ｍｍの深絞りを達成することができる。直径が１００ｍｍの表面レリーフ２では、金型インサート３の厚さが０．５ｍｍの場合、例えば、１０ｍｍの深絞りを達成することができる。

図６は、簡易球体再形成形状の金型インサート３の想定基平面の頂点の高さｈと曲率半径ｒとの関係を示す。曲面領域の横範囲ｓの場合、以下の通り、曲率半径が得られる。

表面レリーフの直径が１００ｍｍであり、絞り深さｈが１１ｍｍの場合、曲率半径は約１１９ｍｍである。絞り深さが３３ｍｍの場合、曲率半径は５４ｍｍである。しかしながら、より複雑な自由曲面の場合、この関係を適用する必要はない。

仮回折面レリーフ７は、深絞りにより変形され、光学特性を変更する。これは、仮回折面レリーフ７の設計を考慮する必要がある。このため、変形後所望の回折面レリーフ２が得られる仮回折面レリーフ７を製造する必要がある。

これを達成するために、まず、関数Ｆ１が特定され、関数Ｆ１は、所望の回折効果を示す。このような関数は、例えば、以下の通り、算出および示される。

ＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ（コンピュータ合成ホログラム））の算出方法は、点光源原理に基づいている。投影されるエレメント（例えば、星）は自己発光点光源に分解され、ホログラムはこれらの点光源のそれぞれについて算出される。全体のホログラムは、それぞれのホログラムの全ての重ね合わせにより算出される。このようして得られた全位相関数は、設計波長（例えば、赤ＬＥＤ、波長６４０ｎｍ）の回折位相関数に変換される。得られた回折位相関数に基づき回折面レリーフを製造するために使用されるリソグラフィ方法、例えば、約１μｍの最小特徴サイズのレーザビームリソグラフィ方法に応じて、回折面レリーフはフォトレジストシステムに刻み込まれる。ここでは、最小特徴サイズは、最小可能構造サイズおよび最大可能回折角または最大可能フォーカス関数を決定する。

更に、補正関数Ｋが特定される。補正関数Ｋは、変形の間の仮回折面レリーフの変更および変形によりもたらされる光学効果を特徴とする。

金型インサート３が簡易球面曲率形状を有する場合、対応して反対に成形された球面曲率形状において、例えば、補正関数Ｋが得られる。

金型インサート３の曲率形状と反対に形成された補正位相関数が考慮されるように、補正関数ＫがＣＧＨを用いた回折全位相関数の算出に適用される。

金型インサート３の曲率の対象性が回折面レリーフ２により示されるモチーフの対象性に合致する場合、補正は特に簡単である。対象の２つの中心が上下に配置されるように、例えば、回転対称モチーフおよび金型インサート３の同様の回転対称曲率を重ね合わせることができる。特別な例は、球体セクタ形状の曲率および星型のモチーフである。球体セクタの中心と星の中心とが上下に配置されることが好ましい。これにより、更なる曲率による星の歪曲が光学効果に大きな影響を与えることはない。別の例では、モチーフの曲率の対象を分析することにより、曲率が所望の光学効果に大きく干渉しない解像度を得ることができる。

歪曲の補正における重要変数は、特に回折面レリーフ２の曲率半径Ｒ、回折面レリーフ２の横範囲Ｌｄ、透過投影された強度パターンの横範囲Ｌｉ、および、光源の発散角である。関連した状況では、Ｌｄは略Ｌｉに相当する。Ｌｄ／Ｒ＜＝２の範囲内では、補正は簡単に行われる。

補正関数Ｋを関数Ｆ１に適用することにより、仮回折面レリーフ７を示す関数Ｆ２を算出することができる。このようにして算出された仮回折面レリーフ７が金属体に組み込まれると、所望の回折効果を示す回折面レリーフ２を完成した金型インサート３およびプラスチック成形品１で得ることができる。

表面レリーフ２および７の算出では、プラスチック成形品１の所望の使用目的に重要なパラメータが考慮される。プラスチック成形品が、例えば、照明装置に取り付けられると、光学浮動効果が透過光でもたらされ、観察距離、観察角、光源からの距離、光源の発散角、および、残りのフォーカス光学系が考慮される。自身のフォーカス機能を計算的に回折面レリーフ７に組み込むことができる。組み込まれたフォーカス機能と外部の光学系による部分フォーカスとの組み合わせにより、特に良い結果が得られる。光源の発散角（半角）は５°〜６０°の範囲内にある必要がある。

金型インサート３が上記方法で製造され、射出成形金型に挿入された後、プラスチック成形品１を射出成形により製造することができる。回折効果が透過光で視認可能となると、透明プラスチック、例えば、ＰＭＭＡ（透過率９２％）、ＰＥＴ−Ｇ（透過率９１％）、ＡＢＳ（透過率８５％）、または、ＰＣ（透過率８８％）を用いる必要がある。しかしながら、反射光で観察でき、不透明または半透明プラスチック、または、インサート成形方法で使用することのできる表面構造を取り入れることもできる。透過によるエレメントの回折面レリーフの構造深さは、反射によるエレメントよりも大きい必要がある。例えば、透過によるエレメントの回折面レリーフの構造深さは、約０．５μｍ〜３μｍであり、反射によるエレメントの回折面レリーフの構造深さは、約０．１μｍ〜０．５μｍである。尚、回折面レリーフの光学効果の可視性および輝度を向上させるために、このような不透明プラスチックが反射強化層を含むことが有益である。

射出成形の間、通常、圧力は８００バール〜２０００バールであり、温度は２２０℃〜３２０℃の間である。金型インサート３は、そのような状況に容易に耐えられる。約１００００〜５００００回の成形オペレーションの後、特に射出成形工具の通常のメンテナンスの枠組み内で金型インサート３の交換が必要になる。

金型インサート３の使用は、成形オペレーションのサイクルタイムに不利益ではない。これは、主に、形状およびサイズ、並びに、プラスチック成形品１の壁厚によるものである。これは、射出成形材料の冷却時間は、これらサイズ、特に壁厚によるものであるからである。成形オペレーションのサイクルタイムは、通常、５秒〜１８０秒、特に１０秒〜１８０秒の間である。

図４は、光学フォーカスエレメント、ここでは、両凸集光レンズ８を備える光源７、ここでは、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ（発光ダイオード））を用いたオペレーション位置における本発明に係るプラスチック成形品１を示す。回折面レリーフ２は、フォーカスエレメントにより所望の発散角を有する光を用いて透過照明される。距離Ｌは、約０．５ｃｍ〜１０ｃｍであることが好ましい。回折面レリーフ２を透過した光により、観察距離Ａで肉眼で認識可能な光学効果７３が得られる。観察距離Ａは、約２０ｃｍ〜５００ｃｍが好ましい。しかしながら、効果７３はこの範囲外でも視認可能である。

効果７３を得るために、５点星、約５μｍ〜１０μｍの最小格子周期および約１μｍ〜１．５μｍの構造深さを有する回折レリーフ構造をもたらす準連続回折位相関数がコンピュータ合成ホログラムとして算出される。上記した通り、回折面レリーフ２は、所望の発散角または所望の光学効果に必要な光の光路の補正を含む。この補正は、マクロ構造（この例では、部品曲率は球体変形）に沿って適用される。

したがって、図４に示された照明装置７が得られる。４５度の発散角（半角）を有する赤ＬＥＤは、光源７１に使用され、プラスチック成形品１の透明プラスチック材料を照明または背後から照明する。コリメート光を製造するために、または、ＬＥＤの発散角を小さくするために、光がマクロ構造に沿って適用され、更なるフォーカス光学系７２が凸レンズとして形成される。凸レンズの焦点距離は４０ｍｍであり、直径は２０ｍｍである。ＬＥＤ７１とフォーカス光学系７２との間の距離は、１０ｍｍであり、フォーカス光学系７２と回折面レリーフ２との間の長さは、約４０ｍｍである。

回折面レリーフ２の領域では、プラスチック成形品１の表面は、１２０ｍｍの曲率半径を有する球面シェルを形成する。回折面レリーフ３は、直径約３５ｍｍの円である。回折面構造２の後ろに約５ｃｍ〜１０ｃｍで現れ、観察者により視認される約３０ｍｍ×３０ｍｍのサイズの星形状の光学効果７３が得られる。理想的な観察距離は、回折面構造２の約４ｍ〜５ｍ前である。観察者は、光軸に対して若干オフセット状態、例えば、上方または下方に位置する。

上記方法では、様々なプラスチック成形品１を製造することができる。回折面レリーフ２は、自由曲面に配置することができることから、プラスチック成形品を設計する間に回折面レリーフ２を自由に設計することができる。特に、更なる変更を行わずに回折効果を既存の設計に組み込むことができる。

回折面レリーフ２は、プラスチック成形品１の表面１１の一部のみを占領することから、更なる光学機能または他の機能をプラスチック成形品に組み込むことができる。

光学浮動モチーフ（部品の面の前または後ろに現れる）を投影する照明装置、光学浮動シンボルにより表示されるバックライト付きスイッチ、または、制御エレメントを適用することができる。

Claims (15)

1. プラスチック成形品を製造するための方法であって、
   回折面レリーフを備える金型インサートが設けられ、金型インサートは、射出成形金型の一方の金型半分に挿入され、前記一方の金型半分は、他方の金型半分と共に前記プラスチック成形品を製造するためのキャビティを形成し、前記回折面レリーフが前記金型半分により形成された前記キャビティの表面の一部を形成するように、前記金型インサートは前記射出成形金型に挿入され、前記プラスチック成形品は、前記射出成形金型を用いて射出成形により成形され、前記金型インサートの準備の間、まず、仮回折面レリーフが基板の表面に形成され、前記基板は、前記金型インサートを形成するように再形成され、再形成の間、前記仮回折面レリーフは、前記金型インサートの前記回折面レリーフに変形することを特徴とする方法。
2. 金型インサートとして、金型インサートには前記回折面レリーフが設けられ、前記回折面レリーフは、回折マイクロ構造および曲面マクロ構造の加法的または減法的な重ね合わせにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 金型インサートとして、金型インサートには前記マクロ構造が設けられ、前記マクロ構造は、１以上の曲率により少なくとも部分的に曲げられた自由曲面を表し、前記１以上の曲率は、いずれの場合でも、前記回折面レリーフの横範囲の少なくとも１０倍および最大０．１倍の曲率半径を有し、および／または、前記１以上の曲率は、いずれの場合でも、１００００ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の曲率半径を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記仮回折面レリーフを形成するために、まず、前記仮回折面レリーフが成形されるマスターエレメントが設けられ、前記基板が前記マスターエレメントにより成形され、前記仮回折面レリーフは、リソグラフィおよび／またはレーザまたは電子ビームおよび／またはマスクを用いた照明により前記マスターエレメントおよび／または前記基板に成形されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記回折面レリーフの成形後、前記基板は、金属の前記マスターエレメントへのガルバニック堆積により製造され、更なる基板は、金属のガルバニック堆積により前記製造された基板から製造されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記仮回折面レリーフを成形すべく、前記仮回折面レリーフを表す関数（Ｆ２）を決定するために、補正関数（Ｋ）が特定され、前記補正関数（Ｋ）は関数（Ｆ１）に適用され、前記関数（Ｆ１）は、達成する回折効果を表し、前記補正関数（Ｋ）は、再形成による前記仮回折面レリーフの後の変形による前記仮回折面レリーフの前記回折効果の変更を表し、または、少なくとも部分的に相殺することを特徴する請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記金型インサートは、締め付け具により前記射出成形金型に固定され、および／または、前記射出成形金型のアンダーカットに保持され、および／または、前記射出成形金型に接着することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法を用いてプラスチック成形品を製造するための金型インサートであって、前記金型インサートは、基板の表面に仮回折面レリーフを成形し、前記基板を変形させることで製造される回折面レリーフを備え、前記回折面レリーフが前記金型半分により形成された前記射出成形金型の前記キャビティの表面の一部を形成するように、前記射出成形金型の一方の金型半分に挿入され、前記一方の金型半分は、他方の金型半分と共に前記プラスチック成形品を製造するための前記キャビティを形成することを特徴とする金型インサート。
9. 前記回折面レリーフは、回折マイクロ構造および曲面マクロ構造の加法的または減法的な重ね合わせにより形成され、前記マクロ構造は、１以上の曲率により少なくとも部分的に曲げられた自由曲面を表し、前記１以上の曲率は、いずれの場合でも、前記回折面レリーフの横範囲の少なくとも１００倍および最大０．１倍の曲率半径を有し、および／または、前記１以上の曲率は、いずれの場合でも、１００００ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の曲率半径を有することを特徴とする請求項８に記載の金型インサート。
10. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法に用いられ、請求項８または９に記載の金型インサートの保持装置であって、前記保持装置に保持された金型インサートの前記回折面レリーフが前記金型半分により形成された前記射出成形金型の前記キャビティの表面の一部を形成するように、前記金型インサートは、射出成形金型の一方の金型半分に挿入され、前記一方の金型半分は、少なくとも他方の金型半分と共に前記プラスチック成形品を製造するためのキャビティを形成し、前記保持装置は、前記金型インサートが挿入される円筒基部を備えることを特徴とする保持装置。
11. 前記円筒基部は、前記金型インサートを保持するための少なくとも１つのアンダーカット、および／または、前記金型インサートを前記円筒基部に接着させるための接着フランジ、および／または、前記金型インサートを保持するための締め付け具を備えることを特徴とする請求項１０に記載の保持装置。
12. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法を用いてプラスチック成形品を製造するための射出成形金型であって、前記射出成形金型は、少なくとも一方の金型半分を有し、前記一方の金型半分は、少なくとも他方の金型半分と共に前記プラスチック成形品を製造するためのキャビティを形成し、前記回折面レリーフが前記金型半分により成形された前記射出成形金型の前記キャビティの内面の一部を形成するように、前記金型半分は、請求項８または９に記載の回折面レリーフを備える前記金型インサート、および／または、請求項８または９に記載の金型インサートを備える請求項１０または１１に記載の保持装置が挿入される受け部を有することを特徴とする射出成形金型。
13. 前記金型インサートを保持するために、少なくとも１つの締め付け具が前記受け部に設けられ、および／または、前記受け部は、前記金型インサートを保持するための少なくとも１つのアンダーカット、および／または、前記金型インサートを前記射出成形金型に接着させるための少なくとも１つの接着フランジを有し、および／または、少なくとも１つのダイが設けられ、これにより、前記金型インサートが挿入されると、前記キャビティと反対側の前記金型インサートに所定の接触圧がかかることを特徴とする請求項１２に記載の射出成形金型。
14. プラスチック成形品であって、前記プラスチック成形品の表面の一部にのみ広がる回折面レリーフを備え、前記回折面レリーフは、回折マイクロ構造および曲面マクロ構造の加法的または減法的な重ね合わせにより形成され、前記マクロ構造により規定された前記プラスチック成形品の概念マクロ面と前記プラスチック成形品の反対面との間の距離が、少なくとも前記回折面レリーフの非水平領域において、一定であることを特徴とするプラスチック成形品。
15. 前記マクロ構造は、１以上の曲率による少なくとも部分的に曲げられた自由曲面を表し、前記１以上の曲率は、いずれの場合でも、前記回折面レリーフの横範囲の少なくとも１００倍および最大０．１倍の曲率半径を有し、および／または、前記１以上の曲率は、いずれの場合でも、１００００ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の曲率半径を有し、および／または、前記マイクロ構造は、３００本／ｍｍ〜２８００本／ｍｍの間の空間周波数、および／または、５０ｎｍ〜１００μｍの間のレリーフ深さを有することを特徴とする請求項１４に記載のプラスチック成形品。