(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却によって固化・収縮する高温溶融状態の成形材料を成形型の空隙部に注入し、前記成形材料を冷却させて微小穴，微小溝等の微小空間を有する微小構造体を成形する方法において、
前記成形材料を冷却した後、前記成形材料の収縮が完了する直前に、前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却し、前記微小構造体を前記成形型の部分から分離する工程を含むことを特徴とする微小構造体の成形方法。
【請求項２】
前記工程は、前記成形材料が熱変形温度近傍の温度に達した時、前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却する構成の請求項１記載の微小構造体の成形方法。
【請求項３】
前記工程は、前記微小空間に対応する前記成形型の部分にヒートパイプの吸熱部を当接し、前記吸熱部が吸熱した熱を前記ヒートパイプの放熱部から放熱することによって前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却する構成の請求項１記載の微小構造体の成形方法。
【請求項４】
前記ヒートパイプの前記放熱部からの放熱は、前記放熱部を冷却溶媒により冷却することによって行う構成の請求項３記載の微小構造体の成形方法。
【請求項５】
冷却によって固化・収縮する高温溶融状態の成形材料を成形型の空隙部に注入し、前記成形材料を冷却させて微小穴，微小溝等の微小空間を有する微小構造体を成形する成形装置において、前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却する冷却手段と、前記成形材料を冷却した後、前記成形材料の収縮が完了する直前に、前記冷却手段を制御して前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却させる制御手段とを備えたことを特徴とする微小構造体の成形装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記成形材料が熱変形温度近傍の温度に達した時、前記冷却手段を制御して前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却させる構成の請求項５記載の微小構造体の成形装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記空隙部に注入された前記成形材料の温度を検出する温度センサを備え、前記温度センサが検出した前記成形材料の温度に基づいて、前記冷却手段を制御して前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却させる構成の請求項５記載の微小構造体の成形装置。
【請求項８】
前記冷却手段は、前記微小空間に対応する前記成形型の部分に当接された吸熱部、および前記吸熱部が吸熱した熱を放熱する放熱部を有するヒートパイプを備えた構成の請求項５記載の微小構造体の成形装置。
【請求項９】
前記冷却手段は、前記ヒートパイプの前記放熱部を冷却溶媒によって冷却する冷却槽と、前記冷却溶媒を前記冷却槽に導入する冷却溶媒流路と、前記冷却溶媒流路を開閉する開閉手段とを備えた構成の請求項８記載の微小構造体の成形装置。
【請求項１０】
前記ヒートパイプの吸熱部は、断熱材を介して前記微小空間に対応する前記成形型の部分に当接された構成の請求項８記載の微小構造体の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小構造体の成形方法および成形装置に関し、特に、インクジェットプリンタのインク吐出ヘッドのように多数の円筒状微小穴や微小溝等が配列されている樹脂部品を成形するのに好適な微小構造体の成形方法および成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の成形方法としては、特開平５−２６９８００号公報に示されるものがある。この成形方法は、開閉自在で型締時に内部にキャビティを形成する固定型および可動型を備え、可動型にキャビティ内に配置される多数のコアピンを植設し、これら全てのコアピンの内部に冷却用流体通路を設けた金型装置を用いたものであり、キャビティのコアピンを除く部分に高温溶融状態の成形材料を注入し、成形材料を冷却・固化させるとともに、冷却用流体通路に水を供給し、成形体を離型する方法である。この方法により、基板部に多数のコアピンに対応する多数の円筒状部が林立した成形体が成形される。コアピンを冷却して離型抵抗を小さくした後に離型させるので、成形体を無理なく離型させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の成形方法によると、コアピンの内部に冷却用流体通路を設けているので、より微小な構造を有する成形体の成形には不向きである。
また、コアピンの冷却タイミングによっては、離型抵抗を小さくできないおそれがある。
【０００４】
従って、本発明の目的は、より微小な構造を有する微小構造体を精度良く成形し得る微小構造体の成形方法および成形装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、冷却によって固化・収縮する高温溶融状態の成形材料を成形型の空隙部に注入し、前記成形材料を冷却させて微小穴，微小溝等の微小空間を有する微小構造体を成形する方法において、前記成形材料を冷却した後、前記成形材料の収縮が完了する直前に、前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却し、前記微小構造体を前記成形型の部分から分離する工程を含むことを特徴とする微小構造体の成形方法を提供する。
本発明は、上記目的を達成するため、冷却によって固化・収縮する高温溶融状態の成形材料を成形型の空隙部に注入し、前記成形材料を冷却させて微小穴，微小溝等の微小空間を有する微小構造体を成形する成形装置において、前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却する冷却手段と、前記成形材料を冷却した後、前記成形材料の収縮が完了する直前に、前記冷却手段を制御して前記微小空間に対応する前記成形型の部分を冷却させる制御手段とを備えたことを特徴とする微小構造体の成形装置を提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体の成形装置を示す。この成形装置１は、固定型２と、固定型２に対し上方向Ｕおよび下方向Ｄに可動可能な可動型３と、離型を容易にするための冷却ユニット４とを有する。
【０００７】
固定型２は、固定板２０と、この固定板２０の上面に取り付けられた固定金型２１とを備えている。固定板２０には、射出機から高温溶融状態の樹脂成形材料５が供給されるスプルー２２が取り付けられている。固定金型２１には、ガイドピン３３をガイドするガイド孔２１ａと、可動型３との間でキャビティ２３を構成する凹部２１ｂが形成されており、キャビティ２３とスプルー２２との間には、樹脂成形材料５の流路を形成する図示しないランナーとゲートが配置されている。キャビティ２３には、キャビティ２３に注入される樹脂成形材料５の温度を検出する温度センサ６を臨ませている。
【０００８】
可動型３は、可動板３０と、この可動板３０に支柱３１によって取り付けられた可動金型３２と、可動板３０に取り付けられ、固定金型２１のガイド孔２１ａに沿って移動するガイドピン３３と、可動型３を上方向Ｕへ移動させて離型させる際、可動金型３２と固定金型２１との間に形成されたキャビティ２３内で固化した樹脂成形体１５を下方向Ｄへ押し戻すエジェクタ３４とを備えている。可動板３０には、エジェクタ３４を下方向Ｄへ押し込むエジェクタロッド７を挿通させるための挿通孔３０ａが形成されている。可動金型３２には、厚さ２ｍｍの断熱材３５を介してコアプレート３６が取り付けられている。コアプレート３６には、炭素鋼等の金属からなる円柱状の複数のコア３７が、可動金型３２に形成された貫通孔３２ａを通して取り付けられている。複数のコア３７は、成形されるべき樹脂成形体１５の円筒状微小穴１５ａに対応する位置に配置される。
【０００９】
エジェクタ３４は、可動板３０に設けられたガイド孔３０ｂにガイドされるガイドピン３４０と、ガイドピン３４０に取り付けられた上側エジェクタプレート３４１ａおよび下側エジェクタプレート３４１ｂと、エジェクタプレート３４１（３４１ａ，３４１ｂ）に取り付けられ、可動金型３２に設けられたガイド孔３２ｂを通して樹脂成形体１５を下方向Ｄへ押し戻すエジェクタピン３４２とから構成されている。
【００１０】
冷却ユニット４は、先端の吸熱部４１ａがコア／ヒートパイプ接続部４０によってコアプレート３６に結合された直径７ｍｍのヒートパイプ４１と、ヒートパイプ４１の後端の放熱部４１ｂ側に配置され、冷却水等の冷却溶媒４２が満たされた冷却槽４３とを備えている。冷却槽４３には、冷却溶媒導入バルブ４４が介装された冷却溶媒導入路４５と、冷却溶媒排出バルブ４６が介装された冷却溶媒排出路４７とを設けている。冷却溶媒導入バルブ４４および冷却溶媒排出バルブ４６は、例えば、電磁弁が適用される。この冷却ユニット４は、冷却溶媒導入バルブ４４と冷却溶媒排出バルブ４６の開閉を適宜調整することにより、図示しない冷却溶媒供給手段から冷却溶媒導入路４５を通って、新しい冷却溶媒４２が冷却槽４３内に供給され、ヒートパイプ４１の放熱部４１ｂが冷却溶媒４２と熱交換して放熱を行い、同時に、熱を吸収した冷却溶媒４２が冷却溶媒排出路４７を通って外部へ排出されるようになっている。コア／ヒートパイプ接続部４０は、レイアウトの自由度が大きい可動型３側に配置することが望ましく、さらに望ましくはコア３７側接触面以外は型本体と接触せず、空間を介した配置となるのが良い。また、上記空間は広ければ広いほど良い。このような配置にすることで、熱容量の大きい型本体の影響を低減することができ、コア３７とヒートパイプ４１の熱交換が効率よく行われる。
【００１１】
図２(a) ，(b) は、コア／ヒートパイプ接続部４１を示す。コア／ヒートパイプ接続部４１は、ヒートパイプ４１の吸熱部４１ａを挟持する一対の上側ヒートパイプホルダー４０ａおよび下側ヒートパイプホルダー４０ｂを有し、一対のヒートパイプホルダー４０ａ，４０ｂは、コアベースプレート３６とともに取付けボルト４０ｃで断熱材３５に取り付けられている。ヒートパイプ４１は、図２(b) の構造分解図に示すように、ヒートパイプホルダー４０ａ，４０ｂの内溝に密着して内包されている。上側ヒートパイプホルダー４０ａは、ステンレスからなり、コアベースプレート３６の反対側に配置され、下側ヒートパイプホルダー４０ｂは、ステンレスより熱伝導性に優れている黄銅からなり、コアベースプレート３６に密着して配置されている。これにより、ヒートパイプ４１とコアベースプレート３６との熱交換効率が向上する。また、断熱材３５は、図示しないネジによって可動金型３２に取り付けられ、可動金型３２に設けたザグリ部３２ｃに、断熱材３５’を設けている。これにより、コア３７とコアベースプレート３６との間の熱交換効率が向上する。
【００１２】
図３は、本成形装置１の制御系を示す。本成形装置１は、成形装置１全体を制御する制御部１０を有し、この制御部１０に、制御部１０のプログラムやデータ等を記憶するメモリ１１と、可動型３を上方向Ｕおよび下方向Ｄに移動させる油圧シリンダ等の可動型駆動部１２と、エジャクタロッド７を上方向Ｕおよび下方向Ｄに移動させる油圧シリンダ等のエジャクタ駆動部１３と、高温溶融状態の樹脂成形材料５をスプルー２２に供給する射出機１４とを接続するとともに、上記温度センサ６，冷却溶媒導入バルブ４４および冷却溶媒排出バルブ４６を接続している。
【００１３】
制御部１０は、メモリ１１が記憶するプログラムに基づいて、高温溶融状態の樹脂成形材料５をキャビティ２３内に注入して冷却した後、樹脂成形材料５の収縮が完了する直前に、すなわち、樹脂成形材料５が熱変形温度近傍（ガラス転移点，軟化点ともいう。）の温度に達した時、冷却ユニット４を制御してコア３７を急冷させるようにしている。
【００１４】
次に、本成形装置１の動作を説明する。まず、固定型２に可動型３をガイドピン３３に沿って接近させ、図１に示すように、金型分割面８で両者を密着させ、固定型２の固定金型２１と可動型３の可動金型３２との間にキャビティ２３を形成する。
次に、オペレータが図示しない起動スイッチを押下すると、制御部１０は、射出機１４を制御して１５０〜３００℃に溶融した樹脂成形材料５をスプルー２２に供給させる。高温溶融状態の樹脂成形材料５は、スプルー２２からランナーとゲートを通ってキャビティ２３内に注入される。キャビティ２３内に注入された溶融樹脂成形材料５は、キャビティ２３内のコア３７以外の部分に充填され、数秒〜数分で１００℃以下まで冷えて固化・収縮し、樹脂成形体１５が形成される。
【００１５】
図４は、成形装置１の動作状態を示す。制御部１０は、溶融樹脂成形材料５を冷却する際、温度センサ６からの樹脂成形材料５の検出温度に基づいて、樹脂成形体１５の温度が熱変形温度に下がった時点で、図４に示すように、可動型駆動部１２を制御して金型分割面８から可動型３をガイドピン３３に沿って移動させ、金型を開く。この時、制御部１０は、冷却溶媒導入バルブ４４と冷却溶媒排出バルブ４６を開け、所定量の冷却溶媒４２を冷却槽４３内に導入する。ヒートパイプ４１が急冷され、その結果、コア３７が冷却収縮し、樹脂成形体１５のコア３７に対する圧縮力が低下して、離型性が向上する。ここで、制御部１０は、エジェクタ駆動部１３を制御してエジェクタプレート３４１ａ，３４１ｂを外部エジェクタロッド７で押すことで、エジェクタピン３４２を引き出し、樹脂成形体１５をコア３７から分離する。これにより、不良欠損がなく、寸法や内側面平滑性が高精度の微小構造を有する樹脂成形体１５が得られる。
【００１６】
図５は、上記第１の実施の形態に係る成形装置１によって成形された樹脂成形体１５の一例を示す。上記第１の実施の形態に係る成形装置１によって複数のコア３７に対応した複数の円筒状微小穴１５ａを有する樹脂成形体１５が形成される。
【００１７】
上記構成の効果を説明する。樹脂成形体１５は、一般に、成形収縮により最大で充填時の約９８〜９９％の寸法に収縮する。一方、金属からなるコア３７は、、冷却収縮により樹脂充填時の約９９．８〜９９．９％の寸法に収縮する。そして、コア３７は樹脂成形体１５に対し圧入状態になる。このため、樹脂成形体１５を十分に冷却し、成形収縮がほぼ完了する時点で、コア３７の圧入状態をそのままにしたまま、樹脂成形体１５をコア３７から引き離すと、微小構造を有する樹脂部品の成形においては、形状の欠損や寸法精度の劣化が発生する場合がある。
これに対して、本実施の形態によれば、成形収縮が完了しておらず、樹脂成形体１５の寸法が充填時の約９９％以上に留まっている熱変形温度近傍でコア３７を急冷して寸法収縮させてコア３７と樹脂成形体１５との界面応力を低減させた状態で樹脂成形体１５とコア３７の分離を行っているので、離型性を向上させることができる。この結果、形状の欠損や寸法精度の劣化を招くことなく、微小構造を有する微小構造体を精度良く成形することができる。
また、コア３７の内部に冷却用流体通路を設ける必要がないので、微小なコア３７を用いることができることから、より微小な構造を有する微小構造体を成形することができる。
【００１８】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る成形装置の要部を示す。この成形装置１は、第１の実施の形態とは、コア３７のみが異なり、他は第１の実施の形態と同様に構成されている。この第２の実施の形態に係るコア３７は、薄板状を有し、キャビティ２３の底面から離れてキャビティ２３内に配置されている。
【００１９】
図７は、上記第２の実施の形態に係る成形装置１によって成形された樹脂成形体１５の一例を示す。上記第２の実施の形態に係る成形装置１によって複数のコア３７に対応した複数の微小溝１５ｂを有する樹脂成形体１５が形成される。
【００２０】
【実施例】
＜実施例１＞
図１〜図４に示す第１の実施の形態の成形装置１を用いて樹脂成形体１５としてインクジェットプリンタ印字ヘッドのインク吐出ヘッドのノズルプレートを成形した。ノズルプレートは、樹脂成形材料５としてポリアミドイミド樹脂を用い、外形寸法０．５ｍｍ×２ｍｍ×１０ｍｍを有し、口径０．０６ｍｍの円筒状微小穴１５ａが０．０９ｍｍピッチで配列されている。本実施例では、このノズルプレートを図１〜図４に示す成形装置１を用いて、射出成形温度が３５０℃、金型温度が２１０℃の射出成形工程で成形した。型締めされた固定型２および可動型３内に充填されたポリアミドイミド樹脂の温度が、熱変形温度である２７０℃に冷却された時点で、冷却溶媒導入バルブ４４と冷却溶媒排出バルブ４６を開け、冷却槽４３内に冷却溶媒４２として温度１０℃の冷却水を流した上で、可動型３を開き、エジェクタピン３４２を引き出して、成形されたノズルプレートをコア３７から分離した。
寸法測定の結果、成形されたノズルプレートに配列された円筒状微小穴１５ａの口径寸法精度は±０．００５ｍｍ、ピッチ精度は±０．００８ｍｍとなり、寸法や内側面平滑性を精度良く保ち、円筒状微小穴１５ａに形状欠損の無い高精度なノズルプレートが得られた。また、ノズルプレートをコア３７から分離する際の分離力を測定したところ、コア３７を冷却しない場合に比べて約１５％の低減効果が認められた。
【００２１】
＜実施例２＞
図６に示す第２の実施の形態の成形装置１を用いて樹脂成形体１５としてインクジェットプリンタ印字ヘッドのインク流路成形体を実施例１と同様に成形した。インク流路成形体は、樹脂成形材料５としてポリアミドイミド樹脂を用い、外形寸法幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍ、高さ１ｍｍを有し、微小溝１５ｂとして幅０．０３ｍｍ、高さ０．０３ｍｍ、ピッチ０．０６ｍｍのインク流路が形成されている。また、微小溝１５ｂ間のインク流路壁は幅０．０３ｍｍ、高さ０．０３ｍｍである。
寸法測定の結果、インク流路とインク流路壁の寸法精度が±０．００５ｍｍ、ピッチ精度が±０．００６ｍｍとなり、寸法や内側面平滑性を精度良く保ち、インク流路やインク流路壁に形状欠損が無い高精度なインク流路成形体が得られた。
【００２２】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々に変形実施できる。
例えば、上記実施の形態では、温度センサ６の検出温度に基づいてコア３７を冷却したが、キャビティ２３内に樹脂成形材料５を注入してからの経過時間に基づいてコア３７を冷却する等のように時間制御によってコア３７の冷却タイミングを検出してもよい。
また、空冷によってコア３７を冷却してもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、成形材料を冷却した後、成形材料の収縮が完了する直前に、微小空間に対応する成形型の部分を冷却して微小構造体の成形型からの分離を容易にした後、離型を行っているので、より微小な構造を有する微小構造体を精度良く成形し得る微小構造体の成形方法および成形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る成形装置の断面図である。
【図２】  (a) は第１の実施の形態に係る成形装置の要部断面図、(b) は構造分解図である。
【図３】第１の実施の形態に係る成形装置の制御系を示すブロック図である。
【図４】第１の実施の形態に係る成形装置の動作状態を示す断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係る成形装置によって成形されたノズルプレートの斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る成形装置の要部断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る成形装置によって成形されたインク流路の斜視図である。
【符号の説明】
１  成形装置
２  固定型
３  可動型
４  冷却ユニット
５  樹脂成形材料
６  温度センサ
７  エジェクタロッド
９  金属分割面
１５  樹脂成形体
１５ａ  円筒状微小穴
１５ｂ  微小溝
２２  スプルー
２０  固定板
２１  固定金型
２１ａ  ガイド孔
２３  キャビティ
３０  可動板
３０ａ  挿通孔
３０ｂ  ガイド孔
３１  支柱
３２  可動金型
３２ａ  貫通孔
３２ｂ  ガイド孔
３２ｃ  ザグリ部
３３  ガイドピン
３４  エジェクタ
３５，３５’  断熱材
３６  コアプレート
３７  コア
４０  コア／ヒートパイプ接続部
４０ａ，４０ｂ  ヒートパイプホルダー
４０ｃ  取付けボルト
４１  ヒートパイプ
４１ａ  吸熱部
４１ｂ  放熱部
４２  冷却溶媒
４３  冷却槽
４４  冷却溶媒導入バルブ
４５  冷却溶媒導入路
４６  冷却溶媒排出バルブ
４７  冷却溶媒排出路
３４０  ガイドピン
３４１ａ  上側エジェクタプレート
３４１ｂ  下側エジェクタプレート
３４２  エジェクタピン
Ｄ  下方向
Ｕ  上方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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