JPWO2015114773A1

JPWO2015114773A1 - 射出成形装置及び射出成形方法

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Publication number: JPWO2015114773A1
Application number: JP2014524971A
Authority: JP
Inventors: 拓也上野; 弘幸笹原; 智也山下
Original assignee: Nalux Co Ltd
Current assignee: Nalux Co Ltd
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2017-03-23
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Abstract

表面にサブ波長構造を備えた光学素子を成形することのできる射出成形装置を提供する。射出成形装置は、第１の取付板（１０１）と、弾性部材（１０５）と、前記第１の取付板に少なくとも前記弾性部材を介して取り付けた第１の金型部材（１０９）と、第２の取付板（１２５）と、前記第２の取付板に直接または他の部材を介して取り付けた第２の金型部材（１１３）とを備え、前記第１及び第２の取付板の間の距離を変更できるように構成され、前記第１の金型部材は、前記第１及び第２の金型部材によって形成されるキャビティ内に注入された樹脂の圧力によって前記弾性部材の対抗力に抗して前記第１の取付板の方向に移動し、前記第１の取付板が、前記第２の取付板の方向に移動する際には、前記第１の取付板と一体となって移動するように構成され、前記第１及び第２の金型部材の少なくとも一方が、サブ波長構造用の金型の面を含む。

Description

本発明は、射出圧縮成形に使用される射出成形装置及び射出成形方法に関する。

射出成形装置においては、溶融した樹脂を金型装置のキャビティ内に充填し、冷却し、固化させることによって成形品を成形する。金型装置は、キャビティを形成する複数の金型部材から構成され、型締装置によって該複数の金型部材を互いに接触させ、または、距離をとることによって、型閉、型締及び型開を行うことができるように構成されている。ここで、型閉とは、金型部材間の距離を空けた状態から金型部材のパーティング面が接触するまでの状態をいう。また、型締とは、金型部材のパーティング面を接触させて金型部材に締付力を付与している状態をいう。

成形品の品質を向上させるために、キャビティがわずかに拡大された状態で樹脂を充填し、その後、キャビティに充填された樹脂を圧縮する射出成形圧縮法が開発されている。射出成形圧縮法の一つであるローリンクス法においては、溶融樹脂をキャビティ内に射出する前に、キャビティの容積を成形品の容積よりも拡大しておき、溶融樹脂を射出してキャビティに溶融樹脂を充填した後に、キャビティの容積を減少させてキャビティ内の溶融樹脂を加圧し圧縮する。この場合、パーティング面の隙間に樹脂が漏れ出してバリが発生することを防止するために、油圧シリンダーやスプリングによって、パーティング面は、互いに押し付け合うように構成されている。上述のローリンクス法は、高い精度を要求されるレンズなどの光学素子の成形に使用される（特許文献１）。

他方、反射防止の目的で、レンズの表面に、従来の多層膜の代わりに、可視光の波長以下の周期を有する微細格子を形成する方法が開発されている（特許文献２）。このような可視光の波長以下の周期を有する微細格子をサブ波長構造（ＳＷＳ）と呼称する。

ところで、ローリンクス法によって、表面にＳＷＳを備えたレンズを成形する場合に、キャビティの容積を成形品の容積よりも拡大しておき、溶融樹脂を射出してキャビティに溶融樹脂を充填した後に、キャビティの容積を減少させてキャビティ内の溶融樹脂を加圧し圧縮する際に、金型表面のＳＷＳ対応部分の溶融樹脂への転写を高い精度で行うことができないという問題があった。このため、金型表面のＳＷＳ対応部分の樹脂への転写を行うために、たとえば、射出成形装置に追加の加熱装置などを設置する必要があり、成形装置及び成形プロセスが煩雑とならざるを得なかった。

特開2008-279784号公報特開2001-272505号公報

したがって、表面にＳＷＳを備えた光学素子を成形することのできる、射出圧縮成形に使用される簡単な射出成形装置及び簡単な射出成形方法に対するニーズがある。

本発明の第１の態様による射出成形装置は、第１の取付板と、弾性部材と、前記第１の取付板に少なくとも前記弾性部材を介して取り付けた第１の金型部材と、第２の取付板と、前記第２の取付板に直接または他の部材を介して取り付けた第２の金型部材とを備え、前記第１の取付板と前記第２の取付板との間の距離を変更できるように構成された射出成形装置であって、前記第１の金型部材は、前記第１の金型部材及び前記第２の金型部材によって形成されるキャビティ内に注入された樹脂の圧力によって前記弾性部材の対抗力に抗して前記第１の取付板の方向に移動し、前記第１の取付板が、前記第２の取付板の方向に移動する際には、前記第１の取付板と一体となって移動するように構成され、前記第１の金型部材及び前記第２の金型部材の少なくとも一方が、サブ波長構造用の金型の面を含む。

本態様の射出成形装置によれば、キャビティに溶融樹脂が充填される間に前記弾性部材の対抗力以上の力に対応する圧力が溶融樹脂にかけられる。したがって、前記弾性部材の対抗力を適切に定めれば、キャビティに溶融樹脂が充填される間に、前記第１の金型部材及び前記第２の金型部材の少なくとも一方の、サブ波長構造用の金型の形状を溶融樹脂に転写することができる。このため、溶融樹脂のスキン層が成長する前に、微細構造の溶融樹脂への転写を高い精度で行うことができる。

本発明の第１の態様の第１の実施形態によれば、前記弾性部材は、前記第１の取付板または前記他の部材の、前記第１の金型部材に面した面の凹部に取り付けられ、射出後に前記第１の取付板が前記第２の取付板の方向に移動する際には、前記第１の金型部材が前記面の前記凹部の周囲に接することにより前記第１の取付板と一体となって移動するように構成されている。

本実施形態によれば、上記の簡単な構造によって、前記第１の金型部材が、キャビティ内に注入された樹脂の圧力によって前記弾性部材の対抗力に抗して前記第１の取付板の方向に移動し、前記第１の取付板が、前記第２の取付板の方向に移動する際には、前記第１の取付板と一体となって移動するようにすることができる。

本発明の第１の態様の第２の実施形態によれば、前記弾性部材がバネである。

本実施形態によれば、所定のバネ定数のバネを選択することにより容易に所望の対抗力を実現することができる。

本発明の第２の態様による射出成形方法は、第１の取付板と、弾性部材と、前記第１の取付板に少なくとも前記弾性部材を介して取り付けた第１の金型部材と、第２の取付板と、前記第２の取付板に直接または他の部材を介して取り付けた第２の金型部材とを備え、前記第１の取付板と前記第２の取付板との間の距離を変更できるように構成された射出成形装置を使用する射出圧縮成形方法であって、射出中に前記第１の金型部材及び前記第２の金型部材によって形成されるキャビティ内に注入した溶融樹脂の圧力によって、前記弾性部材を収縮させることにより前記キャビティの容積を増加させながら、前記第１の金型部材の、サブ波長構造に対応する微細構造部分の形状の、溶融樹脂への転写を行うステップと、射出後に、前記第１の取付板を、前記第１の金型部材とともに前記第２の取付板の方向に移動させ前記キャビティの容積を減少させて前記キャビティ内の樹脂を圧縮するステップと、を含む。

本態様の射出成形方法によれば、射出中に前記第１の金型部材及び前記第２の金型部材によって形成されるキャビティ内に注入した溶融樹脂の圧力によって、前記弾性部材を収縮させることにより前記キャビティの容積を増加させながら、前記第１の金型部材の、サブ波長構造に対応する微細構造部分の形状の、溶融樹脂への転写を行う。このため、溶融樹脂のスキン層が成長する前に、微細構造の溶融樹脂への転写を高い精度で行うことができる。

射出圧縮成形に使用される本発明の一実施形態による射出成形装置の構成を示す図である。本発明の一実施形態による射出成形装置による射出圧縮成形方法を説明するための流れ図である。本発明の一実施形態による射出成形装置の、キャビティの容積が十分に増加した状態を示す図である。本発明の一実施形態による射出成形装置の、油圧シリンダーを収縮させて、キャビティの容積を小さくした状態を示す図である。表面にＳＷＳを備えたレンズの構成の一例を示す図である。射出圧縮成形に使用される従来の射出成形装置の構成を示す図である。従来の射出成形装置による射出圧縮成形方法を説明するための流れ図である。従来の射出成形装置の、ステップＳ２０５０が終了した状態を示す図である。

図６は、射出圧縮成形に使用される従来の射出成形装置１００Ａの構成を示す図である。射出成形装置１００Ａは、第１の取付板１０１、第１の受板１０３Ａ、油圧シリンダー１０７、第１の鏡面駒（第１の金型部材）１０９Ａ、第１の型板１１１、第２の鏡面駒（第２の金型部材）１１３、第２の型板１１５、第２の受板１１７、エジェクタプレート１１９及び１２１、スペーサブロック１２３、及び第２の取付板１２５を含む。第１の鏡面駒１０９Ａ及び第２の鏡面駒１１３の間には樹脂が注入されるキャビティ３０１が形成される。図６及び図８において、キャビティ３０１を斜線で示す。第１の取付板１０１、第１の受板１０３Ａ、油圧シリンダー１０７、及び第１の鏡面駒１０９Ａは、相互に連結されて固定されている。図６は、油圧シリンダー１０７が伸長した状態を示す。油圧シリンダー１０７が伸長することによって、第１の受板１０３Ａと第１の型板１１１との間の距離が大きくなり、キャビティ３０１の容積が増大している。

図７は、従来の射出成形装置１００Ａによる射出圧縮成形方法を説明するための流れ図である。

図７のステップＳ２０１０において、型締を開始する。具体的には、第１の型板１１１、及び第２の型板１１５をパーティング・ライン（ＰＬ）で接触させた状態で以下の動作を行う。

図７のステップＳ２０２０において、油圧シリンダー１０７を伸長させて、第１の取付板１０１、第１の受板１０３Ａ、及び第１の鏡面駒１０９Ａを、キャビティ３０１の容積を増加させるように移動させる。図６は、従来の射出成形装置１００Ａの、ステップＳ２０２０が終了した状態を示す図である。

この状態で、第１の鏡面駒１０９のキャビティ３０１に接する凹面の頂点と第２の鏡面駒１１３のキャビティ３０１に接する面との間の距離、すなわち、キャビティ３０１の高さは、一例として、２３．６リメータである。

図７のステップＳ２０３０において、射出を開始し、キャビティ３０１に溶融樹脂を注入する。

図７のステップＳ２０４０において、キャビティ３０１内の溶融樹脂の圧力によって、溶融樹脂がキャビティ３０１を充填したかどうかを判断する。樹脂がキャビティ３０１を充填した後に次のステップＳ２０５０に進む。

図７のステップＳ２０５０において、油圧シリンダー１０７を収縮させて、第１の取付板１０１、第１の受板１０３Ａ、及び第１の鏡面駒１０９Ａを、キャビティ３０１の容積を減少させるように移動させる。この動作によって、キャビティ３０１内の溶融樹脂が加圧され圧縮される。

図８は、従来の射出成形装置１００Ａの、ステップＳ２０５０が終了した状態を示す図である。第１の受板１０３Ａと第１の型板１１１が互いに接触し、キャビティ３０１の容積は、図６に示した容積と比較して減少している。

この状態で、第１の鏡面駒１０９のキャビティ３０１に接する凹面の頂点と第２の鏡面駒１１３のキャビティ３０１に接する面との間の距離、すなわち、キャビティ３０１の高さは、一例として、２３ミリメータである。

すなわち、図７のステップＳ２０５０においては、キャビティ３０１の高さが２３．６ミリメータから２３ミリメータとなるように油圧シリンダー１０７の収縮が行われ、その結果、キャビティ３０１に充填した溶融樹脂が圧縮される。

図７のステップＳ２０６０において、キャビティ３０１内の樹脂を冷却する。

図７のステップＳ２０７０において、型開を行う。具体的には、エジェクタピン１２２を取り付けたエジェクタプレート１１９及び１２１を図示しないエジェクタ装置で突き上げて成形品を取り出す。

図５は、表面にＳＷＳを備えたレンズの構成の一例を示す図である。２本の点線の内側がレンズ２０１の有効範囲である。レンズ２０１の有効範囲において、面Ａ及びＢには、ＳＷＳが形成されている。これらのＳＷＳを形成するために、第１の鏡面駒１０９Ａ及び第２の鏡面駒１１３は、これらのＳＷＳに対応する微細構造部分を有する。この微細構造部分の形状が溶融樹脂に転写されることにより、レンズ２０１のＳＷＳが形成される。

ところで、微細構造部分の形状が溶融樹脂に転写されるには、溶融樹脂がその表面張力に抗して微細構造部分に入り込む必要があり、そのためには溶融樹脂の圧力が所定値より高くなる必要がある。上述のステップＳ２０３０からステップＳ２０４０において、キャビティ３０１に溶融樹脂が充填される間に、第１の鏡面駒１０９Ａ及び第２の鏡面駒１１３の表面にかかる溶融樹脂の圧力は、該表面のＳＷＳに対応する微細構造部分の形状が溶融樹脂に転写される上記の所定値に達することはない。したがって、キャビティ３０１に溶融樹脂が充填される間に、第１の鏡面駒１０９Ａ及び第２の鏡面駒１１３のＳＷＳに対応する微細構造部分の形状が溶融樹脂に転写されることはない。ステップＳ２０５０において、キャビティ３０１に充填した溶融樹脂が圧縮される際に、第１の鏡面駒１０９Ａ及び第２の鏡面駒１１３の表面にかかる溶融樹脂の圧力は、該表面のＳＷＳに対応する微細構造部分の形状が溶融樹脂に転写される上記の所定値に達する。しかし、この段階では、溶融樹脂の表面にスキン層が成長してしまう。この結果、樹脂の粘度が高くなるので、変形開始圧力が上昇し、溶融樹脂の圧力が上記の所定値に達しても、微細構造の溶融樹脂への転写が高い精度で行われない。

このように、第１の鏡面駒１０９Ａ及び第２の鏡面駒１１３のＳＷＳ対応部分を樹脂に転写してレンズ２０１の面ＡのＳＷＳを形成するのが困難であった。したがって、図７に示した従来の射出圧縮方法によって、その面にＳＷＳを備えたレンズ２０１を成形するのは困難であった。

図１は、射出圧縮成形に使用される本発明の一実施形態による射出成形装置１００の構成を示す図である。射出成形装置１００は、第１の取付板１０１、第１の受板１０３、弾性部材１０５、油圧シリンダー１０７、第１の鏡面駒（第１の金型部材）１０９、第１の型板１１１、第２の鏡面駒（第２の金型部材）１１３、第２の型板１１５、第２の受板１１７、エジェクタプレート１１９及び１２１、スペーサブロック１２３、及び第２の取付板１２５を含む。弾性部材１０５は、第１の受板１０３及び第１の鏡面駒１０９の間に取り付けられている。ここで、弾性部材とは、他から力を受けると対抗力を生じながら収縮し、力を取り除くと収縮した状態から元に戻る、バネ、ゴム、クッションなどの部材である。本実施形態において、弾性部材１０５はバネである。弾性部材１０５が伸縮することにより、第１の受板１０３及び第１の鏡面駒１０９の間の距離は変化しうる。第１の鏡面駒１０９及び第２の鏡面駒１１３の間には樹脂が注入されるキャビティ３０１が形成される。図１、図３及び図４において、キャビティ３０１を斜線で示す。第１の取付板１０１、第１の受板１０３、及び油圧シリンダー１０７は、相互に連結されて固定されている。

本実施形態において、直径６０ミリメータの４個のレンズが同時に成形される。また、直径５０ミリメータの６個のシリンダーが備わる。各シリンダーには、１５０ｋｇ・ｆ／ｃｍ^２の圧力を与える。

ここで、エジェクタプレート１１９及び１２１が設置されている側を可動側、設置されていない側を固定側と呼称する。本実施形態において、「第１の」と形容される部材は、固定側の部材に対応し、「第２の」と形容される部材は、可動側の部材に対応する。本実施形態においては、鏡面駒に結合された弾性部材１０５は固定側の部材（第１の受板１０３）に取り付けられている。他の実施形態において、鏡面駒に結合された弾性部材１０５は、可動側の部材に取り付けてもよい。

図２は、本発明の一実施形態による射出成形装置１００による射出圧縮成形方法を説明するための流れ図である。

図２のステップＳ１０１０において、型締を開始する。具体的には、第１の型板１１１、及び第２の型板１１５をパーティング・ライン（ＰＬ）で接触させた状態で以下の動作を行う。

図２のステップＳ１０２０において、油圧シリンダー１０７を伸長させて、第１の取付板１０１、及び第１の受板１０３を、第１の受板１０３と第１の型板１１１との間の距離が所定の大きさとなるように移動させる。

図２のステップＳ１０３０において、弾性部材（バネ）１０５によって、第１の鏡面駒１０９が、キャビティ３０１の容積を減少させるように移動するのを確認する。図１は、本発明の一実施形態による射出成形装置１００の、ステップＳ１０３０が終了した状態を示す図である。

図２のステップＳ１０４０において、射出を開始し、キャビティ３０１に溶融樹脂を注入する。キャビティ３０１に所定量の溶融樹脂が注入されると、第１の鏡面駒１０９のキャビティ３０１に接する面が、キャビティ３０１の溶融樹脂の圧力を受ける。その結果、弾性部材（バネ）１０５が収縮し、第１の鏡面駒１０９が第１の受板１０３の方向に後退する。ここで、溶融樹脂の注入圧力は、０．９メガパスカル（ＭＰａ）である。

弾性部材の反抗力、たとえば、バネ定数は、溶融樹脂の注入中、すなわち、第１の鏡面駒１０９の後退中に、第１の鏡面駒１０９及び第２の鏡面駒１１３の表面にかかる溶融樹脂の圧力が、該表面のＳＷＳに対応する微細構造部分の形状が溶融樹脂に転写される所定値を超えるように定める。具体的に、本実施形態において、弾性部材１０５は、バネ定数が、１６．１ｋｇ・ｆ／ｍｍである２本のバネから構成される。

上述のようにバネ定数を適切に定めることにより、キャビティ３０１に溶融樹脂が充填される間（ステップＳ１０４０からステップＳ１０５０までの間）に、第１の鏡面駒１０９及び第２の鏡面駒１１３の微細構造部分の形状が溶融樹脂に転写される。

図２のステップＳ１０５０において、キャビティ３０１の溶融樹脂の圧力によってキャビティ３０１の容積が十分に増加したかどうかを判断する。

図３は、本発明の一実施形態による射出成形装置１００の、キャビティ３０１の容積が十分に増加した状態を示す図である。第１の受板１０３及び第１の鏡面駒１０９の間に取り付けられたバネ１０５は収縮し、第１の受板１０３及び第１の鏡面駒１０９の、それぞれの対向する面が接している。ここで、バネ１０５は、第１の受け板１０３の、第１の型板１１１に対向する面の凹部に取り付けられており、バネが収縮した状態で、第１の受け板１０３の、第１の型板１１１に対向する面の凹部の周囲が、第１の型板１１１の面に接触するように構成されている。

この状態で、第１の鏡面駒１０９のキャビティ３０１に接する凹面の頂点と第２の鏡面駒１１３のキャビティ３０１に接する面との間の距離、すなわち、キャビティ３０１の高さは、一例として、２３．６ミリメータである。

図２のステップＳ１０６０において、油圧シリンダー１０７を収縮させて、第１の受板１０３を、第１の型板１１１との間の距離が小さくなるように移動させる。この際、第１の受板１０３及び第１の鏡面駒１０９の間に取り付けられたバネ１０５は収縮し、第１の受板１０３及び第１の鏡面駒１０９の、それぞれ対向する面が接しているので、鏡面駒１０９も、第１の受板１０３とともに第１の型板１１１の方向へ移動する。その結果、キャビティ３０１の容積は小さくなり、キャビティ内の樹脂は圧縮される。最終的に、第１の受板１０３、及び第１の型板１１１の、それぞれの対抗する面が接するまで、油圧シリンダー１０７を収縮させる。

図４は、本発明の一実施形態による射出成形装置１００の、油圧シリンダー１０７を収縮させて、キャビティ３０１の容積を小さくした状態を示す図である。第１の受板１０３、及び第１の型板１１１の、それぞれの対向する面が接している。

すなわち、図２のステップＳ１０６０においては、キャビティ３０１の高さが２３．６ミリメータから２３ミリメータとなるように油圧シリンダー１０７の収縮が行われ、その結果、キャビティ３０１に充填した溶融樹脂が圧縮される。

図２のステップＳ１０７０において、キャビティ３０１内の樹脂を冷却する。

図２のステップＳ１０８０において、型開を行う。具体的には、具体的には、エジェクタピン１２２を取り付けたエジェクタプレート１１９及び１２１を図示しないエジェクタ装置で突き上げて成形品を取り出す。

従来技術においては、溶融樹脂がキャビティに充填される間（ステップＳ２０３０からステップＳ２０４０の終了まで）に鏡面駒のＳＷＳの微細構造の溶融樹脂への転写が行われず、溶融樹脂がキャビティに充填された後（ステップＳ２０４０の終了後）、溶融樹脂の圧縮及び鏡面駒のＳＷＳの微細構造の溶融樹脂への転写が同時に行われる（ステップＳ２０５０）。

従来技術においては、キャビティに溶融樹脂が充填された後に、溶融樹脂を圧縮する段階で鏡面駒のＳＷＳの微細構造の溶融樹脂への転写を行うので、溶融樹脂の表面にスキン層が成長してから微細構造の樹脂への転写が行われることとなる。表面にスキン層が成長することによって樹脂の粘度が高くなるので、変形開始圧力が上昇し、微細構造の樹脂への転写が高い精度で行われない。

これに対して、本発明においては、溶融樹脂がキャビティに充填される間（ステップＳ１０４０からステップＳ１０５０までの間）に鏡面駒のＳＷＳの微細構造の溶融樹脂への転写が行われ、その後に溶融樹脂の圧縮が行われる（ステップＳ１０６０）。

このように、本発明においては、キャビティに溶融樹脂が充填される間に鏡面駒のＳＷＳの微細構造の溶融樹脂への転写を行うので、樹脂のスキン層が成長する前に、鏡面駒のＳＷＳの微細構造へ所定値以上の圧力で溶融樹脂を接触させて、微細構造の樹脂への転写を行うことができる。このため、鏡面駒のＳＷＳの微細構造の樹脂への転写を高い精度で行うことができる。

Claims

第１の取付板と、弾性部材と、前記第１の取付板に少なくとも前記弾性部材を介して取り付けた第１の金型部材と、第２の取付板と、前記第２の取付板に直接または他の部材を介して取り付けた第２の金型部材とを備え、前記第１の取付板と前記第２の取付板との間の距離を変更できるように構成された射出成形装置であって、
前記第１の金型部材は、前記第１の金型部材及び前記第２の金型部材によって形成されるキャビティ内に注入された樹脂の圧力によって前記弾性部材の対抗力に抗して前記第１の取付板の方向に移動し、前記第１の取付板が、前記第２の取付板の方向に移動する際には、前記第１の取付板と一体となって移動するように構成され、前記第１の金型部材及び前記第２の金型部材の少なくとも一方が、サブ波長構造用の金型の面を含む射出成形装置。
前記弾性部材は、前記第１の取付板または前記他の部材の、前記第１の金型部材に面した面の凹部に取り付けられ、射出後に前記第１の取付板が前記第２の取付板の方向に移動する際には、前記第１の金型部材が前記面の前記凹部の周囲に接することにより前記第１の取付板と一体となって移動するように構成された請求項１に記載の射出成形装置。
前記弾性部材がバネである請求項１または２に記載の射出成形装置。
第１の取付板と、弾性部材と、前記第１の取付板に少なくとも前記弾性部材を介して取り付けた第１の金型部材と、第２の取付板と、前記第２の取付板に直接または他の部材を介して取り付けた第２の金型部材とを備え、前記第１の取付板と前記第２の取付板との間の距離を変更できるように構成された射出成形装置を使用する射出圧縮成形方法であって、
射出中に前記第１の金型部材及び前記第２の金型部材によって形成されるキャビティ内に注入した溶融樹脂の圧力によって、前記弾性部材を収縮させることにより前記キャビティの容積を増加させながら、前記第１の金型部材の、サブ波長構造に対応する微細構造部分の形状の、溶融樹脂への転写を行うステップと、
射出後に、前記第１の取付板を、前記第１の金型部材とともに前記第２の取付板の方向に移動させ前記キャビティの容積を減少させて前記キャビティ内の樹脂を圧縮するステップと、を含む射出圧縮成形方法。