(57)【要約】【課題】球形の熱可塑性素材を球体型の略中心に位置決めして成形し、内部応力の偏りをなくした成形品を得る。【解決手段】球状に加工された球体型５を加圧方向に移動自在に収容する型本体１と、この型本体１に対向配置される対向型８と、型本体１及び対向型８を案内するスリーブ型９とを有すると共に、型本体１に形成された貫通孔２内で、球体型５を貫通孔２の開口部２ａから対向型８側に向けて所定量突出させる突き押し部材６を有している。【選択図】図１
2006281747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性素材を加熱、加圧して成形する成形用型において、
球状に加工され球面の一部が成形面となる球体型と、
該球体型を前記加圧方向に移動自在に収容する孔が形成された型本体と、
該型本体に対向配置される対向型と、
前記型本体及び前記対向型を摺動自在に案内する案内型と、
前記孔内で前記球体型を前記成形面の裏側から支持すると共に、該球体型を、前記孔の開口部から前記対向型側に向けて所定量突出させる突き押し部材と、を有する、
ことを特徴とする成形用型。
【請求項２】
前記開口部を、前記球体型の直径よりも小さく絞むように形成した、
ことを特徴とする請求項１に記載の成形用型。
【請求項３】
前記開口部の孔径を、該開口部からの前記球体型の突出量が所定値となるように設定した、
ことを特徴とする請求項２に記載の成形用型。
【請求項４】
熱可塑性素材を加熱、加圧して成形する成形方法において、
球状に加工され球面の一部が成形面となる球体型を、前記加圧方向に延設された型本体の孔に移動自在に収容し、
前記孔の開口部に、前記孔の径と同等又は同等以上の球形の前記熱可塑性素材を載置して位置決めし、
加熱成形時に、前記孔内で前記球体型を前記成形面の裏側から支持する突き押し部材により、前記球体型を前記開口部から前記対向型側に向けて所定量突出するように移動させると共に、
前記型本体に対向して配置された対向型を前記型本体側に相対的に移動させて、前記熱可塑性素材を加圧成形する、
ことを特徴とする成形方法。
【請求項５】
前記熱可塑性素材は、成形後に研削や研磨等の二次加工が施されて製品となる、
ことを特徴とする請求項４に記載の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形用型及び成形方法に関し、特にプラスチック、ガラス等の熱可塑性素材を成形する成形用型及び成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、プラスチック、ガラス等の熱可塑性素材から光学素子を成形する成形用型において、転写面として半球部（例えば凹面、ただし完全な半球に満たない場合を含む）を有する光学素子を成形する場合、型は前記半球部と該半球部から続く平面部とから構成されている。しかし、この部分を成形手段のみで製作するのは困難なため、従来は、この半球部と平面部との接続部分を、成形後にグラインダ等を用いた研削加工（二次加工）により仕上げていた。但し、このような複雑な曲面形状を有する部分の研削加工には、熟練技術が必要とされ、かつ多大の工数を要するため、短時間に成形用型を製造することは困難であった。
【０００３】
これに対し、特許文献１には、型本体の中心軸線上に球心が略位置するように、かつ球面の一部が成形面となるように、型材料としての球体を型本体に嵌合したり、又は螺子による締結等の手段によって球体を固定して成形用型を得る旨が開示されている。これによれば、特に曲率の小さな凸形状の成形面を有する成形用型を安価に得ることができるというものである。
【特許文献１】実開昭６３−９４９２９号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された技術のように、球状の成形用型を用いて熱可塑性素材に球状部分を押し付けて成形する場合、特に、熱可塑性素材として球形の素材を用いた場合は、該球形の熱可塑性素材を球状の成形用型の中心に安定して載置することは困難であった。これは、球の上に球を載せるのは困難だからである。このため、例えば成形品としての光学素子の光軸に対して、球形の熱可塑性素材を加熱軟化させて均等に広げるように成形することが難しかった。
【０００５】
その結果、成形時に、成形品の円周方向に対して熱可塑性素材の変形中に素材の流動ムラが発生し、偏った内部応力が発生することとなり、十分な面精度の光学素子を得ることが困難であった。
【０００６】
本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、熱可塑性素材を球体型の略中心に位置決めしてから成形することで、加熱軟化した熱可塑性素材の流動ムラを防止しつつ球体型に対して均等に広げるように変形させて内部応力の偏りをなくした成形品を得ることのできる成形用型及び成形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、熱可塑性素材を加熱、加圧して成形する成形用型において、
球状に加工され球面の一部が成形面となる球体型と、
該球体型を前記加圧方向に移動自在に収容する孔が形成された型本体と、
該型本体に対向配置される対向型と、
前記型本体及び前記対向型を摺動自在に案内する案内型と、
前記孔内で前記球体型を前記成形面の裏側から支持すると共に、該球体型を、前記孔の開口部から前記対向型側に向けて所定量突出させる突き押し部材と、を有することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の成形用型において、
前記開口部を、前記球体型の直径よりも小さく絞むように形成した、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の成形用型において、
前記開口部の孔径を、該開口部からの前記球体型の突出量が所定値となるように設定した、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、熱可塑性素材を加熱、加圧して成形する成形方法において、
球状に加工され球面の一部が成形面となる球体型を、前記加圧方向に延設された型本体の孔に移動自在に収容し、
前記孔の開口部に、前記孔の径と同等又は同等以上の球形の前記熱可塑性素材を載置して位置決めし、
加熱成形時に、前記孔内で前記球体型を前記成形面の裏側から支持する突き押し部材により、前記球体型を前記開口部から前記対向型側に向けて所定量突出するように移動させると共に、
前記型本体に対向して配置された対向型を前記型本体側に相対的に移動させて、前記熱可塑性素材を加圧成形する、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の成形方法において、
前記熱可塑性素材は、成形後に研削や研磨等の二次加工が施されて製品となる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、加熱前の球形の熱可塑性素材を型の略中心に位置決めできるので、熱可塑性素材の流動ムラを防止しつつ球体型に対して略均等に広げるように変形させることができ、よって、内部応力の偏りをなくした成形品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施の形態］
図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の成形用型と該成形用型による成形工程を示す図である。同図（ａ）において、成形用型１０は、プラスチック、ガラス等を球形にした熱可塑性素材７を加熱、加圧して光学素子を成形するものである。この成形用型１０は、球状に加工されて球面の一部が成形面となる球体型５と、この球体型５を加圧方向に移動自在に収容する貫通孔２が形成された中空円筒状の型本体１と、この型本体１に対向配置される対向型８と、これら型本体１及び対向型８を摺動自在に案内するスリーブ型（案内型）９とを有している。
【００１４】
型本体１と貫通孔２とは、その中心線が略一致するように形成されていて、この貫通孔２内には、球体型５を下方（球体型５の成形面の裏側）から支持する突き押し部材６が配置されている。この突き押し部材６は、貫通孔２に収容された球体型５を、図の下方から上方の対向型８側に向けて押圧し、貫通孔２の開口部２ａから所定量突出させる役目をなす。
【００１５】
本実施の形態では、貫通孔２の開口部２ａに、該開口部２ａの径と略同じか又はそれよりも大径の球形の熱可塑性素材７を載置する。このとき、球体型５は開口部２ａよりも内側に没入した状態で支持されているため、球形の熱可塑性素材７は開口部２ａの周縁に載置され、その自由度が自然に拘束されて位置決めされる。この状態で、型本体１と対向型８をスリーブ型９内に挿入する。更に、対向型８を球形の熱可塑性素材７の上面に軽く当接させて、貫通孔２の開口部２ａから球形の熱可塑性素材７が離脱しないようにする。
【００１６】
なお、本実施の形態では、貫通孔２の開口部２ａに、球形の熱可塑性素材７を載置した場合について説明したが、これに対し、例えば対向型８と球形型５を上下逆に配置し、対向型８上に球形の熱可塑性素材７を型本体１で位置決めし、球形型５を挿入すれば同様の効果が得られる。一方、対向型８上に平面素材を載置して成形することも考えられる。しかし、この場合は、対向型８の平面上に平面素材を重ねて載置することとなり、両者の中間に空気が閉じ込められて良好な転写性を得ることが難しい。
【００１７】
次いで、図１（ｂ）に示すように、熱可塑性素材７等を含む成形用型１０を図示しないヒータで加熱し、熱可塑性素材７を変形可能な温度まで昇温させる。更に、突き押し部材６を貫通孔２の開口部２ａ側に突き上げて、球形型５を開口部２ａから所定量突出させる。この状態から、対向型８を型本体１側の加圧方向に所定圧で押し込んで（矢印方向）、熱可塑性素材７を加圧成形する。
【００１８】
以上により、図１（ｃ）に示すように、略円盤状の成形品１５が成形されて、球体型５に面する側の略中央に球面状の凹面１５ａが形成される。なお、この場合、貫通孔２の開口部２ａと球形型５との間に若干の隙間ｇがあると、この隙間ｇに熱可塑性素材７の溶融部分が入り込み、凹面１５ａの周囲にばり１５ｂが発生することがあるので、前記隙間ｇを可能な限り小さくするのが好ましい。
【００１９】
また、本実施の形態では、温度による構成部材の線膨張係数を一定にするため、型本体１、球体型５、突き押し部材６、対向型８、スリーブ型９の材質として、全て超硬合金（ＷＣ）を用いた。更に、本実施の形態では、成形用型１０に貫通孔２を１個有する場合について説明したが、これに限らず、成形用型１０に例えば複数の貫通孔２および内部に挿入する球形型５を隣接して併設することもできる。こうすることで、レンズ１個の中に複数の成形面を有するレンズアレイを得ることができる。
【００２０】
なお、図１（ｃ）に示したように、熱可塑性素材７は、成形された後に凹面１５ａの周囲にばり１５ｂが発生した場合は、研削や研磨等により二次加工が施されて、このばり１５ｂが削除されて製品となる。また、ばり等を除去する場合の他、例えば成形により熱可塑性素材７を略製品に近い形状に成形し、最終的には研削や研磨等の二次加工により高精度な製品を得るようにしても良い。
【００２１】
本実施の形態によれば、成形前に予め球形の熱可塑性素材７を球形型５の中心線上に載置することができるので、球形の熱可塑性素材７を球形型５と対向型８との間に挟持して成形した時に、中心軸線に対し溶融樹脂を周囲略均等に広げることが可能となり、偏肉も改善されて良好な成形品を得ることができる。また、成形素材として加工コストの低い安価な球形の熱可塑性素材７を用いることができ、精度も確保しやすい等の利点を有する。更に、球形型５は安価で高精度に製造することができるので、交換部品（消耗部品）とすることで、成形用型１０の再生・修正を容易に行うことができる。
【００２２】
［第２の実施の形態］
図２（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施の形態の成形用型とその成形工程を示す図である。なお、前述した実施の形態と同一又は相当する部材には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２３】
この実施の形態では、球体型５を本体バネ１１のバネ圧で付勢すると共に、対向型８を対向バネ１２のバネ圧に抗して付勢するようにしている。この場合、対向バネ１２のバネ定数は、本体バネ１１のバネ定数よりも大きく設定されている。
【００２４】
図２（ａ）（ｂ）において、対向型８を下方に押圧することで、本体バネ１１が対向バネ１２よりも先行して縮んで、対向型８と突き押し部材６とが接近する。これにより、突き押し部材６が型本体１に対して相対移動して、加熱軟化した球形の熱可塑性素材７に球形型５が押し込まれる。更に、対向型８を下方に押圧すると、対向バネ１２も縮み、対向型８が突き押し部材６側に移動して球形の熱可塑性素材７が加圧成形される。そして、図２（ｃ）に示すように、所望の中肉の成形品１５が得られる。
【００２５】
本実施の形態の場合、型本体１と突き押し部材６との間に配置されたストッパ１３の高さによって、突き押し部材６の押し上げ量、すなわち開口部２ａからの球形型５の突出量を制御することができる。また、図３に示すように、このときの突出量Ｔは、開口部２ａの絞り部２ｂの孔径Ｄを所定値に設定することで、制御することができる。例えば、貫通孔２の開口部２ａの絞り部２ｂの孔径Ｄを、開口部２ａから球形型５が突出する突出量Ｔに合わせた値とする。
【００２６】
次に、図３に基づき、突出量Ｔから孔径Ｄを求めてみる。
球形型５の曲率をＲとすると、
Ｔ＝Ｒ−√（Ｒ2−（Ｄ2／４））となり、
これを解くと、
Ｄ＝２×√（２ＲＴ−Ｔ2）
という関係式から導き出すことができる。
【００２７】
本実施の形態によれば、成形前に予め球形の熱可塑性素材７を球形型５の略中心線上に載置することができるので、加熱軟化した球形の熱可塑性素材７が中心線に対し均等に流動し、これにより必要な面精度の成形品を得ることができる。また、開口部２ａを、球体型５の直径よりも小さい絞り部２ｂに形成したので、成形品１５として、球面から成る凹面１５ａの外周部にできるばり１５ｂを抑制することができる。更に、軟化した球形の熱可塑性素材７が貫通孔２内に侵入すると、貫通孔２内での動作に支障をきたすことになるが、本実施の形態では、２つのバネ１１，１２の強さを関係付けることによって、球形型５の押し込み順序を規制し、型本体１の貫通孔２内に軟化した球形素材７が侵入しないように配慮している。
【００２８】
［第３の実施の形態］
図４（ａ）〜（ｅ）は、第３の実施の形態の成形用型とその成形工程を示す図である。この実施の形態では、図４（ａ）（ｂ）に示すように、突き押し部材６の受け面に、塑性金属１７（又は弾性体）を介して球形型５を支持し、前記受け面における球形型５のキズの発生を防止するものである。この塑性金属１７としては、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｌなどである。なお、上記以外でも、球形型５のキズの発生を防止すべく、例えば突き押し部材６の受け面を、球形型５とぴったり嵌まりあう曲面形状としても良い。
【００２９】
次いで、図４（ｃ）に示すように、貫通孔２の開口部２ａに、該開口部２ａの径と略同じか又はそれよりも大径の球形の熱可塑性素材７を、開口部２ａの絞り部２ｂの周縁に載置して位置決めする。更に、対向型８を球形の熱可塑性素材７の上面に軽く当接させる。
【００３０】
次いで、図４（ｄ）に示すように、熱可塑性素材７等を含む成形用型１０を図示しないヒータで加熱し、熱可塑性素材７を変形可能な温度まで昇温させる。更に、突き押し部材６を貫通孔２の開口部２ａ側に突き上げて、球形型５を絞り部２ｂから所定量突出させる。この状態から、対向型８を加圧方向に所定圧で押し込んで（矢印方向）、熱可塑性素材７を加圧成形し、図４（ｅ）に示すような成形品１５を得る。
【００３１】
本実施の形態によれば、球形型５の一部を、突き押し部材６の受け面全体で支持することができるので、成形時に使用されない球形型５の球面に生じるキズの発生を防止することができる。これにより、例えば成形後に、球形型５の成形面を裏返し変更して型を新規にすることができる。
【００３２】
［第４の実施の形態］
図５（ａ）〜（ｄ）は、第４の実施の形態の成形用型とその成形工程を示す図である。この実施の形態では、第２の実施の形態の成形動作順序を、ピン１８，２１を順次抜くことにより実施するものである。
【００３３】
図５（ａ）において、対向型８には、型本体１側に向けて常時所定の成形荷重（矢印方向）が付加されている。また、対向型８には、側方から内・外スリーブ型９，１９を貫通するようにピン１８が嵌入されていて、外スリーブ型１９には長孔２０が形成されている。これにより、前記ピン１８は、この長孔２０内を対向型８の加圧方向に自由に移動することができる。また、型本体１を下方にて支持する本ピン２１は、外スリーブ型１９を貫通して配設されている。この状態では、対向型８に前述した成形荷重（矢印方向）を付与しても、型本体１や突き押し部材６等は移動しない。
【００３４】
次いで、図５（ｂ）に示すように、図示しないヒータにて成形用型１０を加熱し、球形の熱可塑性素材７を軟化させる。この状態で、まず下方の本ピン２１を側方に抜き（矢印方向）、これにより、球形型５を支えている突き押し部材６を相対的に型本体１内に押し込むようにする。すると、球形型５は、開口部２ａの絞り部２ｂから所定量だけ熱可塑性素材７側に突出する。
【００３５】
次に、図５（ｃ）に示すように、本ピン２１を抜いたまま、上方のピン１８を対向型８から側方に抜くと、対向型８は、成形荷重（矢印方向）により熱可塑性素材７側に移動して該熱可塑性素材７を加圧する。これにより、熱可塑性素材７は所望の体積になるまで加圧変形される。なお、このときの対向型８の移動規制は、対向型８が内スリーブ型９の上端面９ａに当接することにより行われる。こうして、図５（ｄ）に示すように、成形用型１０を冷却した後に成形品１５が得られる。
【００３６】
この実施の形態によれば、第２の実施の形態（図２）のようなバネ１１，１２を用いないので、型本体１とスリーブ型９間の摺動が不安定な場合とか、熱可塑性素材７の軟化状態のばらつきに拘らず、各部材の高さ位置（押し込み量）を固定的に設定することができる。これにより、安定した精度の成形品１５を得ることができる。
【００３７】
［第５の実施の形態］
図６（ａ）〜（ｃ）は、第５の実施の形態の成形用型とその成形工程を示す図である。この実施の形態では、図６（ａ）に示すように、成形装置３０には、対向して加熱プレート２３，２４が配置されており、この加熱プレート２３，２４間に成形用型１０を挟持固定して加熱を行うものである。この成形装置３０では、加圧成形時に、対向する前記加熱プレート２３，２４の中央部に形成された穴部２７，２８から、加圧軸２５，２６を進退自在に突出させ、これにより成形用型１０を挟持加圧して成形する構成となっている。
【００３８】
すなわち、図６（ｂ）に示すように、型本体１とスリーブ型９を、対向する加熱プレート２３，２４間に固定的に挟持し、成形用型１０を加熱して球形の熱可塑性素材７を軟化させる。そして、突き押し部材６を、下方の加熱プレート２４側から加圧軸２６で上方に突き押し、球形型５を所定位置まで開口部２ａの絞り部２ｂから突出させる。次に、対向型８を熱可塑性素材７側に加圧軸２５で押し込み、所定の体積になるまで熱可塑性素材７を加圧成形する。そして、図６（ｃ）に示すように、成形用型１０を冷却した後、成形品１５を取り出す。
【００３９】
本実施の形態によれば、第２の実施の形態のようにバネ１１，１２を用いた場合は、摺動抵抗などの不安定により動作順序にやや不安定さが残り、また、第３の実施の形態のように固定ピン１８，２１を用いた場合は、その動作の自動化に困難さがあるが、本実施形態によれば、成形用型１０を、対向する加熱プレート２３，２４で強固に固定した上で、成形動作を上下片側づつ順序良く行えるため、動作の自動化の適応に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】（ａ）（ｂ）は第１の実施の形態の成形用型とその成形工程を示す図、（ｃ）はその成形品を示す図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は第２の実施の形態の成形用型とその成形工程を示す図、（ｃ）はその成形品を示す図である。
【図３】貫通孔の開口部の寸法と球形型の突出量との関係を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は第３の実施の形態の成形用型とその成形工程を示す図、（ｅ）はその成形品を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は第４の実施の形態の成形用型とその成形工程を示す図、（ｄ）はその成形品を示す図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は第５の実施の形態の成形用型とその成形工程を示す図、（ｃ）はその成形品を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１      型本体
２      貫通孔
２ａ    開口部
２ｂ    絞り部
５      球体型
６      突き押し部材
７      球形の熱可塑性素材
８      対向型
９      スリーブ型
１０    成形用型
１１    本体バネ
１２    対面バネ
１５    成形品
１５ａ  凹面
１５ｂ  ばり
１８    ピン
１９    外スリーブ型
２０    長孔
２１    ピン
３０    成形装置
【図１】
2006281747.tif 000003
【図２】
2006281747.tif 000004
【図３】
2006281747.tif 000005
【図４】
2006281747.tif 000006
【図５】
2006281747.tif 000007
【図６】
2006281747.tif 000008