JPWO2008093511A1 - 光学素子の成形装置及び光学素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

成形材料の性質に関わらず、稼働率を高めることができる光学素子の成形装置及び成形方法を提供する。下型ＬＭに保持キャビティＬＭｂを設け、押圧プランジャＰＰは、上型ＵＭを通って保持キャビティＬＭｂに侵入する構造とする。このようにすることにより、押圧プランジャＰＰは、成形材料ＭＭを押圧する直前まで液体化した樹脂に触れないため、押圧プランジャＰＰと貫通孔ＵＭｃとの隙間に樹脂が流れ込んで硬化することを抑制し、これにより清掃作業による成形動作の中断を抑えることができる。

Description

本発明は、光学素子の成形技術に関し、特に押圧プランジャを用いたトランスファ成形により光学素子を成形する成形装置及び成形方法に関する。

金型の保持キャビティ内で一旦加熱して軟化させた材料を、押圧プランジャにより成形キャビティ内に押し込み、硬化させて成形を行う、いわゆるトランスファ成形が知られている（特許文献１参照）。

図３は、トランスファ成形に用いる金型を示す概略図である。図において、下面に成形キャビティＵＭａを有する上型ＵＭは、上面に成形キャビティＬＭａを有する下型ＬＭに対向して配置されている。下型ＬＭは、中央に貫通孔ＬＭｃを有しており、貫通孔ＬＭｃは、成形キャビティＬＭａにランナーＬＭｂ及びゲートＬＭｄを介して連通している。貫通孔ＬＭｃ内には押圧プランジャＰＰが上下移動可能に配置されている。

成形時には、貫通孔ＬＭｃ内に成形材料ＭＭを配置し、上型ＵＭと下型ＬＭとを合わせた上で、成形材料ＭＭを加熱するなどして溶融させる。そして、押圧プランジャＰＰを上方に突き上げることで、溶融した成形材料ＭＭをランナーＬＭｂ及びゲートＬＭｄを介して成形キャビティＵＭａ、ＬＭａ内に送り込み、更に硬化させる。このような手順により成型品を得ることが出来る。
特開２００６−３４１４２６号公報

成形材料ＭＭとして熱硬化性樹脂等を用いる場合、貫通孔ＬＭｃ内に保持する際は、成形材料ＭＭの形態は粉体であったり、これを圧縮して固めたタブレット状であったり、あるいは常温で液体であったりするが、トランスファ成形においては、これら成形材料ＭＭは適量だけ加熱した金型内に保持される。粉体やタブレット状の固体材料は、加熱により一旦、粘度の低い液状となり、各成形キャビティＵＭａ、ＬＭａヘ流送することができるようになる。その後、金型の温度により成形材料ＭＭが各成形キャビティＵＭａ、ＬＭａ内で硬化する。

一方、成形材料ＭＭとしてＵＶ硬化性樹脂等を用いる場合、これを各成形キャビティＵＭａ、ＬＭａに圧送した状態で保圧をかけ、更に紫外線を照射して樹脂を硬化させることにより、所望の形状の成形品を得ることができる。

ところで、液体状になった成形材料ＭＭを一旦金型内で保持しておくために、金型の分割方向を上下に取り、成形材料ＭＭを溜めておく保持キャビティ（図３では貫通孔ＬＭｃの上部）を下型ＬＭに設けることが一般的であった。
また、加熱された液体状の成形材料ＭＭを各成形キャビティＵＭａ、ＬＭａに圧送するには、保持キャビティの底面に設けた押圧プランジャＰＰを押し上げることで、保持キャビティの容積を減少させ、成形材料ＭＭを保持キャビティからランナーＬＭｂ及びゲートＬＭｄを介して成形キャビティＵＭａ、ＬＭａヘ流していた。

このとき、上型ＵＭと下型ＬＭは閉じている（分割面が密着している）ので、保持キャビティや、樹脂流路となるランナーＬＭｂや、成形キャビティＵＭａ、ＬＭａは密閉状態となっているが、成形材料ＭＭの粘度が非常に低いと、上型ＵＭと下型ＬＭの分割面や、押圧プランジャＰＰと貫通孔ＬＭｃとの隙間に液体状の成形材料ＭＭが流れ込み、成形品質の劣化や作動不良による稼働停止などの問題を生じる恐れがあった。

金型の分割面ヘの成形材料ＭＭの流れ込みは、型締め力の増強、シーリング部材の付加、分割面の平面度や表面粗さの向上などにより、ある程度抑制することができる。
これに対し、押圧プランジャＰＰと貫通孔ＬＭｃとの隙間への成形材料ＭＭの流れ込みは抑制することが難しい。この点を説明すると、押圧プランジャＰＰと貫通孔ＬＭｃとの隙間は、円滑な摺動動作や動作時のかじり防止等のため、通常５〜１０μｍ程度設ける必要がある。しかし、熱硬化性樹脂やＵＶ（紫外線）硬化性樹脂などでは、液体状になったときの粘度が非常に低く、通常は１００ｐｏｉｓｅ以下であり、特に粘度の低い樹脂では１０ｐｏｉｓｅ程度と、ほとんど水のような状態となるので、このような隙間量では容易に液体状の成形材料ＭＭが流れ込んでしまう。
押圧プランジャＰＰと貫通孔ＬＭｃとの隙間に成形材料ＭＭが流れ込んでしまうと、流れ込んだ成形材料ＭＭが金型の熱により加熱されて硬化して詰まり、押圧プランジャＰＰが動作しなくなるという不具合が頻繁に生じた。かかる不具合の対処としては、押圧プランジャＰＰを分解して清掃し、硬化した樹脂を除去する方法しかなく、金型の押圧プランジャＰＰの周辺を分解しやすく設計しておくことが従来では重要であった。しかしながら、金型をいくら分解しやすい構造としても、分解して清掃している間は成形動作が中断しており、機構部が動作可能に復帰しても、熱的に恒常状態に復帰するにはさらに時間がかかるため、この押圧プランジャＰＰの樹脂詰まりにより、稼働率が大幅に低下していた。

更に、硬化した成形品を金型から抜き取って取り出す際に、円筒形状である保持キャビティは容積が大きいのでその内壁の面積も大きく、硬化した樹脂との間に大きな摩擦力が働くこととなる。そのため、金型から成形品を抜き取るときに大きな力を必要とし、場合によっては成形品以外の部分が先に金型から抜けるために、ランナーＬＭｂ等に応力がかかり成形品が破損することもあった。かかる問題は、生産における自動機械で取り出す際の障害となり、人手に頼らざるを得ないので稼働率を大きく下げる原因となっていた。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、成形材料の性質に関わらず、稼働率を高めることができる光学素子の成形装置及び成形方法を提供することを目的とする。

請求の範囲第１項に記載の光学素子の成形装置は、
上型と、
前記上型より重力方向下方に配置され、前記上型と共に成形キャビティを形成するとともに、前記成形キャビティに移送される光学素子成形用の樹脂材料を貯留する保持キャビティを有する下型と、
前記上型を通って延在し、前記保持キャビティから退避する退避位置と、前記保持キャビティ内に侵入する侵入位置との間で往復動作可能である押圧プランジャと、を有し、
前記保持キャビティの内周面は、前記上型に向かって拡開するテーパ形状であることを特徴とするものである。

請求の範囲第２項に記載の光学素子の成形装置は、請求の範囲第１項に記載の発明において、前記押圧プランジャの外周面は、前記保持キャビティの内周面に対応して、前記上型と前記押圧プランジャの相対移動方向に対して３〜５度傾いていることを特徴とするものである。

請求の範囲第３項に記載の光学素子の成形装置は、請求の範囲第１項又は第２項に記載の発明において、前記光学素子成形用の樹脂材料は熱硬化性樹脂であることを特徴とするものである。
熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂と比べて溶融時の粘度が低いので、特に本発明の効果を期待できる。

請求の範囲第４項に記載の光学素子の成形装置は、請求の範囲第１項又は第２項に記載の発明において、前記光学素子成形用の樹脂材料はＵＶ硬化性樹脂であることを特徴とするものである。
ＵＶ硬化性樹脂は熱可塑性樹脂と比べて溶融時の粘度が低いので、特に本発明の効果を期待できる。

請求の範囲第５項に記載の光学素子の成形方法は、
上型と、前記上型より重力方向下方に配置され、光学素子成形用の樹脂材料を貯留する保持キャビティを有する下型と、を合わせることによって、前記上型と前記下型との間に成形キャビティを形成する工程と、
前記上型を通る押圧プランジャを、前記保持キャビティ内の溶融した前記光学素子成形用の樹脂材料に向かって突き出すことにより、前記光学素子成形用の樹脂材料を前記成形キャビティに移送する工程と、
前記光学素子成形用の樹脂材料が硬化した後に、前記押圧プランジャ及び前記上型と、前記下型とを互いに離れる方向に相対移動させる工程と、
前記上型から前記押圧プランジャを突き出した後、前記押圧プランジャを引き込む工程と、を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、光学素子成形用の樹脂材料が硬化した後に、押圧プランジャ及び上型と、下型とを互いに離れる方向に相対移動させたときに、成形品が上型に貼り付いて一体的に離型された場合に、上型から押圧プランジャを突き出すことによって、上型より成形品を離型すると共に、その際に押圧プランジャに成形品が貼り付いていた場合でも、上型へと押圧プランジャを引き込むことで、上型に成形品を突き当てて、押圧プランジャより成形品を分離できる。本発明は、特に成形動作の自動化を実現するのに有効である。

本発明によれば、成形材料の性質に関わらず、稼働率を高めることができる光学素子の成形装置及び成形方法を提供することができる。

本実施の形態にかかる成形装置を構成する金型の断面図である。 押圧プランジャＰＰの変形例を示す図である。 従来のトランスファ成形に用いる金型の断面図である。

符号の説明

ＬＭ 下型
ＬＭａ 成形キャビティ
ＬＭｂ 保持キャビティ
ＬＭｃ ランナー
ＬＭｄ ゲート
ＭＭ 成形材料
ＰＰ 下端部
ＰＰ 押圧プランジャ
ＰＰａ 下端部
ＰＰｂ 周溝
ＵＭ 上型
ＵＭａ 成形キャビティ
ＵＭｃ 貫通孔
ＵＭｃ１ 大径部
ＵＭｃ２ 小径部

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる成形装置を構成する金型の断面図であり、成形工程毎に示しているが、図の上方が重力方向上方となる。
図１（ａ）において、下面に成形キャビティＵＭａを有する上型ＵＭは、上面に成形キャビティＬＭａを有する下型ＬＭに対向して配置されている。上型ＵＭは、中央に貫通孔ＵＭｃを有している。貫通孔ＵＭｃは、上面側の大径部ＵＭｃ１と下面側の小径部ＵＭｃ２とを有する。成形キャビティＵＭａと成形キャビティＬＭａとを合わせることで、請求の範囲でいう成形用の成形キャビティが形成される。

貫通孔ＵＭｃ内に沿って、押圧プランジャＰＰが不図示の駆動源により、図１（ａ）に示す退避位置と、図１（ｃ）に示す侵入位置との間を上下移動可能に配置されている。押圧プランジャＰＰは、下端部ＰＰａを除いて、小径部ＵＭｃ２に対して微小隙間をあけた円柱状をなしているが、下端部ＰＰａは先が細いテーパ形状となっている。貫通孔ＵＭｃの軸線に対する下端部ＰＰａの傾き角θは、３〜５度である。つまり、押圧プランジャＰＰの外周面は、上型ＵＭと押圧プランジャＰＰの相対移動方向に対して３〜５度傾いている。
熱や紫外線によって樹脂が硬化する時に、通常１０〜１５％もの体積収縮を起こす。そのため、保持キャビティＬＭｂのように比較的大きな容積の中では樹脂の収縮量も大きくなり、押圧プランジャＰＰの周辺の樹脂には、押圧プランジャＰＰを大きな力で締め付ける応力が発生し、成形品の抜き取りが困難になる場合がある。そこで、押圧プランジャＰＰに３〜５度の抜き勾配を設けて、少ない力で確実に成形品を分離できるようにしている。

また、貫通孔ＵＭｃに対向して、下型ＬＭの上面には保持キャビティＬＭｂが形成されており、保持キャビティＬＭｂの内周面は、上型ＵＭに向かって拡開するテーパ形状となっている。
押圧プランジャＰＰと貫通孔ＵＭｃとの隙間については、円滑な動作のために、その隙間量を減らすことに限界があるが、液体状の樹脂にこの隙間がさらされる時間を少なくすれば、流れ込む樹脂の量を低減でき、詰まりによる動作不良の発生、及び分解して清掃する間隔を延ばすことができる。
本発明では、図１に示すように、下型ＬＭの上面に保持キャビティＬＭｂを設け、押圧プランジャＰＰは、上型ＵＭを通って保持キャビティＬＭｂに侵入するようにしたので、押圧プランジャＰＰは、光学素子成形用の樹脂材料を押圧する直前まで、保持キャビティＬＭｂ内の液体状の樹脂に触れないようにできるため、押圧プランジャＰＰと貫通孔ＵＭｃとの隙間に樹脂が流れ込んで硬化することを抑制し、これにより清掃作業による成形動作の中断を抑えることができる。

更に、保持キャビティＬＭｂの内周面を、上型ＵＭに向かって拡開するテーパ形状とすることで、硬化した樹脂を保持キャビティＬＭｂから容易に取り出すことができる。保持キャビティＬＭｂは押圧プランジャＰＰの摺動孔の一部ではないから、その形状は任意に設定できる。
保持キャビティＬＭｂと成形キャビティＬＭａは、ランナーＬＭｃ及びそれより断面積が小さいゲートＬＭｄを介してつながっている。尚、ランナーＬＭｃ及びゲートＬＭｄは上型ＵＭに形成されていても良い。

次に、本実施の形態における成形方法について説明する。まず、図１（ａ）に示すように、上型ＵＭと下型ＬＭとを開いた状態で、保持キャビティＬＭｂ内に、粉体状又はペレット状の熱硬化性樹脂（又はＵＶ硬化性樹脂）である成形材料ＭＭを、所定の体積分だけおく。なお、熱硬化性樹脂、ＵＶ硬化性樹脂としては、シリコン樹脂、アリルエステル、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド、ウレタン系樹脂などがある。成形材料ＭＭの体積は、成形キャビティＵＭａ、ＬＭａ、ランナーＬＭｃ、ゲートＬＭｄの容積等を考慮して適量に決定される。押圧プランジャＰＰは退避位置になる。

続いて、図１（ｂ）に示すように、上型ＵＭと下型ＬＭとを相対移動させて分割面同士を合わせ、成形材料ＭＭを加熱して液体状に溶融させる。このとき、不図示のヒータにより成形キャビティＵＭａ、ＬＭａは、硬化温度以上に加熱しておく（ＵＶ硬化性樹脂の場合は不要である）。

かかる状態で、図１（ｃ）に示すように、押圧プランジャＰＰを下降させて、下端部ＰＰａを保持キャビティＬＭｂ内の侵入位置に移動させる。これにより、保持キャビティＬＭｂ内の溶融した成形材料ＭＭは押し出され、上型ＵＭの下面で密閉されたランナーＬＭｃ、ゲートＬＭｄを通過して成形キャビティＵＭａ、ＬＭａ内に充填される。このとき、成形キャビティＵＭａ、ＬＭａは硬化温度以上に加熱されているので、成形材料ＭＭは硬化を開始することとなる（尚、ＵＶ硬化性樹脂の場合は、上型ＵＭ又は下型ＬＭを透明な素材から形成して外部より紫外線を照射することで硬化を開始する）。

成形材料ＭＭが完全に硬化した後に、図１（ｄ）に示すように、上型ＵＭと押圧プランジャＰＰとを相対移動させることなく、下型ＬＭを下降させる。このとき、成形材料ＭＭは、上型ＵＭと押圧プランジャＰＰ側に貼り付いた状態となる。そこで、図１（ｅ）に示すように、上型ＵＭの下面から突き出るように、押圧プランジャＰＰを相対的に下降させる。これは押圧プランジャＰＰを侵入位置へと移動させることで行えるが、これにより成形材料ＭＭは上型ＵＭから離れ、押圧プランジャＰＰの下端部ＰＰａにのみ貼り付いた状態となる。

更に、図１（ｆ）に示すように、下端部ＰＰａが上型ＵＭの貫通孔ＵＭｃ内に引き込まれるように（退避位置へと）、押圧プランジャＰＰを相対的に上昇させる。これにより成形材料ＭＭは、点線で示す位置で上型ＵＭの下面に衝突し、下端部ＰＰaから離れて落下することとなる。その後、成形材料ＭＭをゲート位置で切り離すことで、成形キャビティＵＭａ、ＬＭａの形状を転写した光学素子を得ることができる。

尚、上型ＵＭと下型ＬＭを開いたときに、成形材料ＭＭが下型ＬＭ側に残ってしまう場合がある。これを防止するために、図２に示すように、押圧プランジャＰＰの下端部ＰＰａに周溝ＰＰｂを形成して、下端部ＰＰａの周囲で硬化した成形材料ＭＭが、保持キャビティＬＭｂの密着力よりも大きな保持力が周溝ＰＰｂとの間で生じるようにしても良い。

以上、本発明を実施形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
本発明における「光学素子」としては、例えばレンズ、プリズム、回折格子光学素子（回折レンズ、回折プリズム、回折板）、光学フィルター（空間ローパスフィルター、波長バンドパスフィルター、波長ローパスフィルター、波長ハイパスフィルター等々）、偏光フィルター（検光子、旋光子、偏光分離プリズム等々）、位相フィルター（位相板、ホログラム等々）があげられるが、以上に限られることはない。

Claims (5)

1. 上型と、
   前記上型より重力方向下方に配置され、前記上型と共に成形キャビティを形成するとともに、前記成形キャビティに移送される光学素子成形用の樹脂材料を貯留する保持キャビティを有する下型と、
   前記上型を通って延在し、前記保持キャビティから退避する退避位置と、前記保持キャビティ内に侵入する侵入位置との間で往復動作可能である押圧プランジャと、を有し、
   前記保持キャビティの内周面は、前記上型に向かって拡開するテーパ形状であることを特徴とする光学素子の成形装置。
2. 前記押圧プランジャの外周面は、前記保持キャビティの内周面に対応して、前記上型と前記押圧プランジャの相対移動方向に対して３〜５度傾いていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学素子の成形装置。
3. 前記光学素子成形用の樹脂材料は熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の光学素子の成形装置。
4. 前記光学素子成形用の樹脂材料はＵＶ硬化性樹脂であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の光学素子の成形装置。
5. 上型と、前記上型より重力方向下方に配置され、光学素子成形用の樹脂材料を貯留する保持キャビティを有する下型と、を合わせることによって、前記上型と前記下型との間に成形キャビティを形成する工程と、
   前記上型を通る押圧プランジャを、前記保持キャビティ内の溶融した前記光学素子成形用の樹脂材料に向かって突き出すことにより、前記光学素子成形用の樹脂材料を前記成形キャビティに移送する工程と、
   前記光学素子成形用の樹脂材料が硬化した後に、前記押圧プランジャ及び前記上型と、前記下型とを互いに離れる方向に相対移動させる工程と、
   前記上型から前記押圧プランジャを突き出した後、前記押圧プランジャを引き込む工程と、を有することを特徴とする光学素子の成形方法。