(57)【要約】【課題】金型から取り出した後のプラスチック成形品の形状変形が極端に少なく高精度な形状寸法のプラスチック成形品を成形できるプラスチック成形用金型及びその設計方法、プラスチック成形品及びその製造方法を提供する。【解決手段】成形に使用する非晶性樹脂材料の熱変形温度以上に加熱され、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック成形品の断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、Ｈ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲にあるとき、離型後の収縮による変形量のみを金型設計値に見込む。少なくとも一部の断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、０．５＜Ｈ／Ｄ＜１．５の範囲にあるとき、離型後の変形量を非晶性樹脂材料と離型時の金型温度とプラスチック成形品のアスペクト比に応じた変形量として金型設計値に見込む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形に使用する非晶性樹脂材料の熱変形温度以上に加熱され、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック成形品を成形するプラスチック成形用金型において、
前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、Ｈ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲にあるとき、離型後の収縮による変形量のみを金型設計値に見込んで形成した
ことを特徴とするプラスチック成形用金型。
【請求項２】
成形に使用する非晶性樹脂材料の熱変形温度以上に加熱され、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック成形品を成形するプラスチック成形品成形用金型において、
少なくとも一部の前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、０．５＜Ｈ／Ｄ＜１．５の範囲にあるとき、
離型後の変形量を
１）使用する非晶性樹脂材料と
２）離型時の金型温度と
３）プラスチック成形品のアスペクト比
に応じた変形量として金型設計値に見込んで形成した
ことを特徴とするプラスチック成形用金型。
【請求項３】
前記金型設計値に見込む変形量は、
曲率形状誤差であることを特徴とする請求項２記載のプラスチック成形用金型。
【請求項４】
前記金型設計値に見込む変形量は、
収縮変形成分を含むことを特徴とする請求項２又は３記載のプラスチック成形用金型。
【請求項５】
離型後の変形量を金型設計値に見込み、請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を設計することを特徴とするプラスチック成形用金型設計方法。
【請求項６】
成形に使用する非晶性樹脂材料の熱変形温度以上に加熱され、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック成形品を成形するプラスチック成形用金型の設計方法であって、
設計すべきプラスチック成形品の前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）がＨ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲にあるか、少なくとも一部の前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、０．５＜Ｈ／Ｄ＜１．５の範囲にあるかを判定し、
前者の場合請求項１記載のプラスチック成形用金型を設計し、
後者の場合請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を設計する
ことを特徴とするプラスチック成形用金型設計方法。
【請求項７】
請求項１〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用して成形したことを特徴とするプラスチック成形品。
【請求項８】
請求項１〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用してプラスチック成形品を成形することを特徴とするプラスチック成形品の製造方法。
【請求項９】
レーザー走査光学系に使用されるプラスチック走査レンズであって、
請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用して成形したことを特徴とするプラスチック走査レンズ。
【請求項１０】
レーザー走査光学系に使用されるプラスチック走査レンズの製造方法であって、
レーザー透過方向の肉厚をＨ、レーザー副走査方向の肉厚をＤとし、請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用してプラスチック走査レンズを成形することを特徴とするプラスチック走査レンズ製造方法。
【請求項１１】
請求項９記載のプラスチック走査レンズを使用して構成したことを特徴とするレーザー走査光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラスチック成形用金型、プラスチック成形品及びその製造方法、プラスチック成形用金型設計方法、プラスチック走査レンズ及びその製造方法、並びに、レーザー走査光学装置に関し、より詳細には、高精度な形状寸法を要求される、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック走査レンズなどのプラスチック成形品（以下、厚肉・偏肉な矩形状を有するプラスチック成形品と略記する。）に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のプラスチック成形品としては、高精度な光学鏡面を有するプラスチックレンズ等、とりわけレーザ方式のデジタル複写機、レーザプリンター、又はファクシミリ装置の光学走査系、ビデオカメラ等の光学機器等に適用されるプラスチック光学素子が挙げられる。
【０００３】
従来、プラスチックレンズの成形方法として、プラスチックレンズを成形する金型をプラスチックのガラス転移温度以上の温度に加熱する工程と、金型のキャビティ内に樹脂の流動可能温度以上に加熱したプラスチック溶融樹脂を注入する射出工程と、金型に取り付けた冷却手段を作動させてキャビティ内の成形プラスチックレンズを冷却する第１冷却工程、第１冷却工程はレンズの表面温度がガラス転移温度の近傍の温度まで冷却速度を高めて冷却する、第１冷却工程に引き続いて金型を冷却し成形レンズ表面の温度がプラスチック材料の熱変形温度に達した時点において、成形プラスチックレンズの中心部の温度がガラス転移点以下で、かつ、熱変形温度以上の温度になるように冷却する第２の冷却工程を含むものが知られている（例えば特許文献１参照。）。
【０００４】
また、他のプラスチックレンズの製造方法として、予め金型キャビティを開いた状態で、成形用熱可塑性樹脂を射出し、その後金型キャビティを加圧圧縮しながら、金型キャビティ面温度を該熱可塑性樹脂の熱変形温度より１０℃高い温度以下まで冷却し、その後成形品を金型キャビティより取り出し、該熱可塑性樹脂の熱変形温度以上に加熱した炉に入れて、３分以上保持した後、徐冷を行い、成形品を得るものが知られている（例えば特許文献２参照。）。
【０００５】
さらに、成形品の形状を実際に測定し、次に目的形状に対する成形品の誤差形状を求め、誤差形状を相殺するように金型形状を修正加工する光学素子の製造方法も知られている（例えば特許文献３参照。）。
【０００６】
近年、様々な形状のプラスチック成形品が、各種用途に用いられるようになってきた。その製造方法は、製造コストが低く大量生産に適した射出成形法を用いることが一般的となっている。射出成形法で製造する際は、加熱溶融された樹脂材料を金型内に射出充填し、冷却固化させる工程において、金型内の樹脂圧力や樹脂温度を均一にすることで、所望の形状寸法精度、内部歪み精度を確保している。
しかし近年、上記の成形法でも要求精度を満足できない場合も生じてきた。具体的には、成形品形状の設計値からのずれが±１μｍ以下を要求される場合もある。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２５３７２３１号明細書
【特許文献２】
特開平０７−２０５２３９号公報
【特許文献３】
特許第２８９８１９７号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１を用いて、従来の成形法を用いても、形状寸法精度低下が生じる原因を説明する。
【０００９】
従来の成形法を用いて、所望のキャビティ形状を高精度に転写し、樹脂を冷却した後、型開きを行いプラスチック成形品を取り出す。この時、成形品温度と金型周囲の雰囲気温度（室温）との差は非常に大きいため、成形品は急冷される。そのため、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すような厚肉・偏肉な矩形状を有する成形品の場合には、同図（ｃ）〜（ｅ）に示すように、薄肉部（断面Ｃ）と厚肉部（断面Ａ）で成形品内部の温度分布が異なってくる。この温度分布が成形品内部の熱応力の発生原因となり、熱応力による形状寸法精度低下を生じさせる。つまり、図１４のプラスチック成形品の長手位置によって、形状寸法変化量も変化することになる。よって、いくら従来の成形法を用いて成形を行い、金型内でキャビティ形状を成形品側に高精度に転写して、内部の均一性を保っても、金型から取り出した後に形状寸法精度低下が生じてしまう。
【００１０】
つまり、プラスチック成形品の製造過程において、上記の現象を改善する必要があるのは、（１）金型取り出し温度が使用樹脂材料の熱変形温度以上であり、且つ、熱変形温度と雰囲気温度に著しい温度差がある場合、（２）成形品が厚肉形状である場合、（３）成形品が高精度な形状寸法を要求される場合の３条件を満たす場合である。
【００１１】
このような問題に対して、以下の三つの方法が考えられている。
まず、金型温度を樹脂のガラス転移点温度以上に高くし、充填された樹脂の冷却速度が樹脂の各部でできるだけ一定になるように金型内において熱変形温度以下になるまで徐冷する方法。この成形方法は、樹脂温度を均一に保ったまま冷却されるために形状寸法精度、内部歪みともに良好な成形品を得ることができる。
【００１２】
また、上記の製造方法を発展させ、金型から成形品を取り出すまでの時間を短縮させる方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。この方法では、成形品の表面温度がプラスチック材料の熱変形温度に達した時点において、成形品の中心部の温度がガラス転移点以下で、かつ、熱変形温度以上の温度になるように冷却している。しかし、この方法は、金型内において徐冷を実施する方法であるため、成形サイクルが増加してしまうことが課題である。
【００１３】
成形サイクルを短縮するために、金型外において徐冷を実施する方法が提案されている（例えば特許文献２参照。）。この方法では、金型キャビティ面温度を該熱可塑性樹脂の熱変形温度より１０℃高い温度以下まで冷却し、その後、成形品を金型キャビティより取り出し、該熱可塑性樹脂の熱変形温度以上に加熱した炉に入れて、３分以上保持した後、室温付近まで徐冷を行っている。
【００１４】
上記方法は、金型外において徐冷をしているため、コスト面での効果は得られるが、金型キャビティより取り出した成形品を、熱可塑性樹脂の熱変形温度以上に加熱した炉に入れるまでの間に、上記形状寸法精度の低下が生じる不具合があった。この金型取り出し時から加熱炉に投入するまでの許容時間は成形品の寸法及び要求仕様により異なる。また、成形品が多数個取りされる場合には、ゲート処理を行うか、ゲート処理前の状態で徐冷を行う必要があり、設備が大掛かりになることが考えられる。
【００１５】
また、前述のように、成形品を金型取り出し後、熱変形温度以下まで均一に徐冷することが必要であるため、加熱炉内の温度分布及び気流が成形品に悪影響を及ぼすことが考えられる。
【００１６】
上記２つの従来例は共に、熱応力による変形を防止する方法であるが、それとは別に、まず成形品の形状を実際に測定し、次に目的形状に対する成形品の誤差形状を求め、誤差形状を相殺するように金型形状を修正加工する方法が考えられている（例えば特許文献３参照。）。しかし、この方法では、実際に成形をし、成形品形状を評価し、設計形状からの誤差分だけ金型形状を修正する工程が必要となるため、コスト、納期両面において不具合がある。
【００１７】
よって、本発明は、上述した点に鑑み、特に金型から取り出した後のプラスチック成形品の形状変形が極端に少なく高精度な形状寸法のプラスチック成形品を成形できるプラスチック成形用金型及びその設計方法を提供することを課題としている。
【００１８】
本発明は、特に金型から取り出した後のプラスチック成形品の形状変形を相殺できるプラスチック成形用金型及びその設計方法を提供することを課題としている。
【００１９】
本発明は、特に金型から取り出した後のプラスチック成形品の形状変形が極端に少なく高精度な形状寸法のプラスチック成形品及びその製造方法を提供することを課題としている。
【００２０】
本発明は、高精度な形状寸法のプラスチック走査レンズ及びその製造方法を提供することを課題としている。
【００２１】
本発明は、特にレーザー透過方向の肉厚をＨ、レーザー副走査方向の肉厚をＤとし、金型から取り出した後のプラスチック走査レンズのアスペクト比（Ｈ／Ｄ）に応じた形状変形を相殺できるプラスチック走査レンズの製造方法を提供することを課題としている。
【００２２】
本発明は、高精度な形状寸法のプラスチック走査レンズを搭載した、従来にない高画質を達成できるレーザー走査光学装置を提供することを課題としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためなされた請求項１記載の発明は、成形に使用する非晶性樹脂材料の熱変形温度以上に加熱され、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック成形品を成形するプラスチック成形用金型において、前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、Ｈ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲にあるとき、離型後の収縮による変形量のみを金型設計値に見込んで形成したことを特徴とするプラスチック成形用金型に存する。
【００２４】
請求項２記載の発明は、成形に使用する非晶性樹脂材料の熱変形温度以上に加熱され、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック成形品を成形するプラスチック成形品成形用金型において、少なくとも一部の前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、０．５＜Ｈ／Ｄ＜１．５の範囲にあるとき、離型後の変形量を
１）使用する非晶性樹脂材料と
２）離型時の金型温度と
３）プラスチック成形品のアスペクト比
に応じた変形量として金型設計値に見込んで形成したことを特徴とするプラスチック成形用金型に存する。
【００２５】
請求項３記載の発明は、前記金型設計値に見込む変形量が、曲率形状誤差であることを特徴とする請求項２記載のプラスチック成形用金型に存する。
【００２６】
請求項４記載の発明は、前記金型設計値に見込む変形量が、収縮変形成分を含むことを特徴とする請求項２又は３記載のプラスチック成形用金型に存する。
【００２７】
請求項５記載の発明は、離型後の変形量を金型設計値に見込み、請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を設計することを特徴とするプラスチック成形用金型設計方法に存する。
【００２８】
請求項６記載の発明は、成形に使用する非晶性樹脂材料の熱変形温度以上に加熱され、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック成形品を成形するプラスチック成形用金型の設計方法であって、設計すべきプラスチック成形品の前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）がＨ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲にあるか、少なくとも一部の前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、０．５＜Ｈ／Ｄ＜１．５の範囲にあるかを判定し、
前者の場合請求項１記載のプラスチック成形用金型を設計し、後者の場合請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を設計することを特徴とするプラスチック成形用金型設計方法に存する。
【００２９】
請求項７記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用して成形したことを特徴とするプラスチック成形品に存する。
【００３０】
請求項８記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用してプラスチック成形品を成形することを特徴とするプラスチック成形品の製造方法に存する。
【００３１】
請求項９記載の発明は、レーザー走査光学系に使用されるプラスチック走査レンズであって、請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用して成形したことを特徴とするプラスチック走査レンズに存する。
【００３２】
請求項１０記載の発明は、レーザー走査光学系に使用されるプラスチック走査レンズの製造方法であって、レーザー透過方向の肉厚をＨ、レーザー副走査方向の肉厚をＤとし、請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用してプラスチック走査レンズを成形することを特徴とするプラスチック走査レンズ製造方法に存する。
【００３３】
請求項１１記載の発明は、請求項９記載のプラスチック走査レンズを使用して構成したことを特徴とするレーザー走査光学装置に存する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を説明する。まず、本発明の実施の形態を説明する前に、本発明を適用しない場合のプラスチック成型品において発生する変形について行った解析結果を説明し、本発明の基本的な考え方の理解を容易にすることから始める。
【００３５】
図１は本発明の予備実験で使用した、レーザプリンター等に用いられるプラスチック成形品としての走査レンズ１の概略図である。同図において、上方に位置する上面と下方に位置する下面が光学面２であり、レーザプリンターに組み込まれて使用される場合には、下面から上面に向かってレーザビームが透過する。また、材質は日本ゼオン社製のシクロオレフィンポリマーＺｅｏｎｅｘ樹脂である。
【００３６】
なお、Ｚｅｏｎｅｘの熱変形温度（荷重たわみ温度）は１２３℃（試験方法ＡＳＴＭ  Ｄ６４８）であり、ガラス転移温度は１３８℃（試験方法ＤＳＣ）である。
【００３７】
また、走査レンズ１の形状寸法は、中央部レンズ厚さＨａ：３５ｍｍ、端部レンズ厚さＨｕ：５ｍｍ、短手長さＤ：１０ｍｍ、長手長さＬ：１６０ｍｍ、アスペクト比Ｈ／Ｄ：０．５〜３．５である。また、入射面主走査曲率：Ｃ１  ＝−９．７×１０−４、出射面主走査曲率：Ｃ１  ＝−９．２×１０−３）であり、入射面副走査曲率：Ｃ２  （０）＝−１．１×１０−２、出射副走査面曲率：Ｃ２  （０）＝−９．０×１０−３である。
【００３８】
図１に示す走査レンズ１は母線方向（長手方向）断面における曲率半径と子線方向（短手方向）断面における曲率半径が異なる所謂トーリックレンズと呼ばれるものであり、特にレーザー走査光学系において使用されるレンズ形状である。光学面の形状を式（１）に示す。
【００３９】
【数１】
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【００４０】
ここで、Ｃ１  は光軸近傍における母線方向の曲率、Ｃ２  は光軸近傍における子線方向の曲率、Ｋ１  は母線方向の円錐定数、Ｋ２  は子線方向の円錐定数、α１  は母線方向のみかけの収縮率（α＝１−成形品の収縮率）、α２  は子線方向のみかけの収縮率、α３  は光線方向のみかけの収縮率である。なお、Ｃ２  、Ｋ２  は母線方向のレンズ高さＸの関数、Ｃ２  （Ｘ）、Ｋ２  （Ｘ）として与えられる。また、上記（１）式の第３項は多項式であり、ｍ及びｎはそれぞれＸ及びＹの次数、Ｍ及びＮはそれぞれＸ及びＹの最大次数、Ａｍｎは多項式の係数を意味している。
【００４１】
また、一般に、成形品の収縮による形状変形を見込んだ金型設計では、等方収縮であると仮定（α１  ＝α２  ＝α３  ）して、例えば、収縮率０．３％の樹脂材料で、曲率半径Ｒ＝２０の光学面が必要ならば、鏡面駒の曲率半径を、２０×１．０００３＝２０．００６というように成形収縮分だけ乗じた寸法に設計するという方法が採られている。本予備実験においても、使用樹脂材料の収縮率０．７％として、同一の方法で設計した金型を使用した。
【００４２】
次に、本発明の予備実験に使用した射出成形用金型を図２の断面概略図に示す。図中、射出成形用金型３は光学面を形成する一対の鏡面駒４と、レンズ側面を形成する一対のキャビティ駒５で囲まれたキャビティ６を有している。金型ベース７には、金型全体を加熱するために、カートリッジヒーター８と、熱電対９を具備し、カートリッジヒーターと熱電対は、金型外部に用意された図示しない別の温度制御装置に連結しておく。
【００４３】
次に，予備実験の動作について説明する。
射出成形用金型３を図示しない射出成形機（ファナック社製  電動射出成形機ＲＯＢＯＳＨＯＴ）にセットし、走査レンズ１の成形を行う。金型は使用樹脂材料の熱変形温度以上（ガラス転移温度未満）である所定の温度になるようにカートリッジヒーター８で加熱しておき、キャビティ６に溶融樹脂を充填する。そして、金型を使用樹脂材料の熱変形温度以上である所定の温度に保持するように、カートリッジヒーター８の温度を調節しておく。
【００４４】
次いで、キャビティ６内に樹脂圧力を発生させて、樹脂を、光学面を形成する一対の鏡面駒４に密着させ、次いで、固化したプラスチック成形品を、図示しない成形品取り出し装置を用いて金型から取り出し、室温放冷している。
【００４５】
上記動作において、シリンダー温度：２９０℃、射出圧力：５０ＭＰａ、成形サイクル：６００ｓｅｃ、金型温度：１３３℃を共通する基準成形条件として、下記の実験１〜４を実施した。
実験１  シリンダー温度：２８５、２９０、２９５℃（３水準）
実験２  射出圧力：４０、５０、６０ＭＰａ（３水準）
実験３  成形サイクル：５５０、６００、６５０ｓｅｃ（３水準）
実験４  金型温度：１３０、１３３、１３６℃（３水準）
【００４６】
ここで、予備実験における成形品温度履歴を図３に示す。予備実験では、プラスチック成形品を金型から取り出した後、室温放冷しているため、金型取り出し時の成形品温度と金型周囲の雰囲気温度（室温）との差は非常に大きく、成形品は急冷される。そのため、厚肉・偏肉形状をした成形品の場合には、薄肉部と厚肉部で成形品内部の温度分布が異なってくる。この温度分布が成形品内部の熱応力の発生原因となり、熱応力による形状寸法精度低下を生じさせる。よって、いくら金型内で鏡面駒４に高精度に転写しても、金型から取り出した後に形状寸法精度低下が生じてしまう。
【００４７】
つまり、プラスチック成形品の製造過程において、上記の現象を改善する必要があるのは、（１）金型取り出し温度が使用樹脂材料の熱変形温度以上であり、且つ、熱変形温度と雰囲気温度に著しい温度差がある場合、（２）成形品が厚肉形状である場合、（３）成形品が高精度な形状寸法を要求される場合の３条件を満たす場合である。
【００４８】
成形された走査レンズ１の光学面２の形状を図示しない超高精度三次元測定機で測定する。測定に際しては、走査レンズ１に設けられた取付基準面を、測定機側の基準面に押圧または吸引して固定し、走査レンズ１が光学システムに固定された状態と同等の外力を走査レンズ１に作用させる。次に図示しない計測プローブを、図４に示されるように、まず、母線の中央部をＸ軸方向に走査してＺ方向の高さ（デプス）を測定し、次に前記計測プローブをＹ軸方向に走査する。走査中に計測プローブの三次元座標を測定することで、レンズ形状を点群データとして測定する。なお、Ｙ軸方向の測定は、Ｘ軸方向に対して複数位置について行われる。予備実験では、一例として、Ｘ軸方向に１ライン、Ｙ軸方向に２３ラインを走査する。
【００４９】
上記形状測定方法によって、基準成形条件における転写面（光学面）の副走査形状測定を行い、結果を図５に示す。図５は横軸にレンズ長手方向の位置（レンズ高さ）、縦軸に短手形状（副走査形状）の曲率誤差ΔＣ２  を示す。図５からは、レンズ周辺部のアスペクト比１に近づくほど形状変形が大きいことがわかる。ここで、図５の結果を、横軸に成形品断面形状のアスペクト比（Ｈ／Ｄ）、縦軸に副走査形状の曲率誤差ΔＣ２  として図６に示す。図６からは、成形品断面形状のアスペクト比が０．５〜１．５にある時、変形が生じ、アスペクト比１を極大値に持つことがわかる。換言すると、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、Ｈ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲にあるとき、変形が生じていないことがわかる。
【００５０】
ここで、走査レンズ１のアスペクト比が１に相当する位置の断面形状模式図を図７に示す。光学面の副走査曲率Ｃ２  は入射面、出射面各々で異なり、また、正負も成形品形状としては反転していることがわかる。図５の結果と合わせて推察すると、副走査形状の曲率誤差ΔＣ２  は入射面と出射面において差がなく、熱応力による変形は、光学面の曲率の正負や大きさには依存しないことがわかる。
【００５１】
また、実験１〜４の成形品を同様の形状測定を行った結果、実験１〜３においては変化がなく、離型後の変形量は、成形条件のうち、金型温度によって変化していることがわかった。実験４における形状測定結果を、図６と同様のグラフ軸で図８に示す。図８からは、金型温度が高くなるほど、副走査形状の曲率誤差ΔＣ２  は大きいことがわかる。これは、熱応力による変形が断面温度分布によって生じているためであり、シリンダー温度や射出圧力、成形サイクルなど他の条件には依存しないことを意味している。言い換えると、離型後の変形は、断面温度分布によって生じる熱応力が、その時点で成形品が持ち得る強度よりも大きい場合に生じると推察でき、また、成形品が持ち得る強度は、使用樹脂材料によって変化すると考えられる。
【００５２】
つまり、副走査形状の曲率誤差ΔＣ２  は、１）使用樹脂材料、２）金型温度、３）プラスチック成形品の形状（アスペクト比）によって変化していると言うことができる。
【００５３】
ここで、離型後の成形品形状の変形を、上記の成形品内部に生じる熱応力による変形と成形品の収縮による変形の加算として考えると、この変形量を予め見込んで設計をすれば、（金型内外における徐冷をせずとも）、離型後の変形を相殺するように、設計することが可能となる。
【００５４】
この結果を踏まえて、第１の実施例について説明する。
プラスチック成形品には、図９の概略図に示すレーザプリンターに用いられる走査レンズ１０を用いる。また、材質は予備実験で使用したシクロオレフィンポリマーＺｅｏｎｅｘ樹脂である。
【００５５】
また、走査レンズ１０の形状寸法は、中央部厚さＨａ：４ｍｍ、端部厚さＨｕ：８ｍｍ、短手長さＤ：１８ｍｍ、長手長さＬ：２００ｍｍ、アスペクト比Ｈ／Ｄ：０．２２〜０．４４であり、光学面曲率：Ｃ１  ＝６．７×１０−４、光学面曲率：Ｃ２  （０）＝−１．４×１０−２である。
【００５６】
走査レンズ１０は、図１に示す走査レンズ１と同様、母線方向（長手方向）断面における曲率半径と子線方向（短手方向）断面における曲率半径が異なる所謂トーリックレンズと呼ばれるものであり、特にレーザー走査光学系において使用されるミラー形状のものである。
【００５７】
走査レンズ１０を成形する金型は、アスペクト比Ｈ／Ｄ＜０．５の範囲にあるため、離型後の変形量ΔＣ２  を見込む必要はなく、予備実験と同様、成形品の収縮率０．７％として計算し、離型後の収縮による変形量のみを金型設計値に見込んで形成される。なお、成形工程の構成及び動作は予備実験と同様である。
【００５８】
本実施例によって製造された走査レンズ１０は、予備実験で得られた成形品のアスペクト比Ｈ／Ｄ＜０．５に相当する領域と遜色ない形状寸法精度を有していた。よって、アスペクト比Ｈ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲において設計されたプラスチック成形品は、離型後の形状変形のうち、アスペクト比と金型温度に依存する変形量ΔＣ２  （成形品内部に生じる熱応力による変形量）は見込む必要がなく、成形品の収縮による変形量のみを金型設計値に見込んで設計をすることで、金型内外における徐冷をせずとも、非常に高精度な形状寸法のプラスチック成形品を製造することができる。
【００５９】
予備実験の結果を踏まえて、第２の実施例について説明する。
プラスチック成形品には予備実験で使用した走査レンズ１と同一形状を用いる。また、材質は予備実験で使用したシクロオレフィンポリマーＺｅｏｎｅｘ樹脂である。
【００６０】
金型設計方法は、予備実験と同様、成形品の収縮率０．７％として計算し、また、金型温度１３３℃における変形量ΔＣ２  を見込んで設計される。算出方法を下式（２）に示す。なお、成形工程の構成及び動作は予備実験と同様である。
金型Ｃ２  （Ｘ）＝成形品Ｃ２  （Ｘ）＋（成形品Ｃ２  （Ｘ）／０．００７＋ΔＣ２  （Ｘ）  ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
【００６１】
次に、本実施例における転写面（光学面）の形状測定結果を図１０に示す。図１０は横軸にレンズ長手方向の位置（レンズ高さ）、縦軸に副走査形状の曲率誤差ΔＣ２  を示す。図１０からは、離型後の成形品形状の変形を、上記した、成形品内部に生じる熱応力による変形と成形品の収縮による変形との加算として考え、この変形量を予め見込んで金型設計をすることで、金型内外における徐冷をせずとも、離型後の変形を相殺するように、設計することが可能となることがわかる。
【００６２】
本実施例によって製造されたプラスチック成形品は、金型から取り出した後のプラスチック成形品の形状変形を相殺できるように金型設計されており、非常に高精度な形状寸法を有する。
【００６３】
本実施例は、上記の走査レンズについて実施しているが、厚肉・偏肉な矩形状のプラスチック成形品で、効果が得られるすべての形状に適用される。
また、高精度な形状寸法を要求される転写面（光学面）形状に関しても平面、球面、非球面、自由曲面、あらゆる形状に適用される。
【００６４】
本実施例は、上記のシクロオレフィンポリマーについて実施しているが、本発明は使用樹脂材料による変形係数が既知となれば、効果が得られるすべての非晶性樹脂材料に適用される。つまり、ガラス転移点と熱変形温度に差がある樹脂材料を使用し、且つ、金型温度が樹脂材料の熱変形温度以上において成形されるプラスチック成形品であれば適用可能である。
【００６５】
本実施例は、樹脂材料を金型内で所望の成形品形状に成形加工する工程を射出成形法で行ったものであるが、本発明は、離型後の冷却過程の変形を相殺することを特徴としているため、成形法にはよらず、射出成形のほかに射出圧縮／プレス成形、ガスアシスト成形や押し出し成形など様々な成形法に適用可能である。
【００６６】
次に、第３の実施例について説明する。
プラスチック成形品には、図１１の概略図に示すレーザプリンターに用いられる走査レンズ１１を用いる。また、材質は第１の実施例で使用したシクロオレフィンポリマーＺｅｏｎｅｘ樹脂である。
【００６７】
走査レンズ１１の形状寸法は、中央部レンズ厚さＨａ：１４ｍｍ、端部レンズ厚さＨｕ：７ｍｍ、短手長さＤ：１４ｍｍ、長手長さＬ：２２０ｍｍ、アスペクト比Ｈ／Ｄ：０．５〜１．０であり、入射面曲率：Ｃ１  ＝６．７×１０−４、出射面曲率：Ｃ１  ＝５．７×１０−４、入射面曲率：Ｃ２  （０）＝−１．４×１０−２、出射面曲率：Ｃ２  （０）＝−３．６×１０−２である。
【００６８】
図１１に示す走査レンズ１１は、図１の走査レンズ１と同様、母線方向（長手方向）断面における曲率半径と子線方向（短手方向）断面における曲率半径が異なる所謂トーリックレンズと呼ばれるものであり、特にレーザー走査光学系において使用されるレンズ形状である。
【００６９】
金型設計方法は、予備実験と同様、成形品の収縮率０．７％として計算し、また、金型温度１３３℃における変形量ΔＣ２  を見込んで設計される。なお、成形工程の構成及び動作は予備実験と同様である。
【００７０】
次に、本実施例における転写面（光学面）の副走査形状測定結果を図１２に示す。図１２は横軸にレンズ長手方向の位置（レンズ高さ）、縦軸に副走査形状の曲率誤差ΔＣ２  を示す。図１２からは、アスペクト比１近傍における変形が相殺されていることがわかる。つまり、熱応力による変形は、曲率誤差で評価する限り、光学面の曲率の正負や大きさ、さらには、第２の実施例の結果と合わせて考えると、成形品のサイズ（断面積）には依存しないことがわかる。
【００７１】
また、離型後の成形品形状の変形を、上記した、成形品内部に生じる熱応力による変形と成形品の収縮による変形との加算として考え、この変形量を予め見込んで設計をすることで、金型内外における徐冷をせずとも、離型後の変形を相殺するように、設計することが可能となることがわかる。
【００７２】
本実施例によって製造されたプラスチック成形品は、金型から取り出した後のプラスチック成形品の形状変形を相殺できるように金型設計されており、非常に高精度な形状寸法を有する。
【００７３】
図１３は、本発明によるレーザー走査光学装置の実施形態であるレーザプリンタやデジタル複写機に搭載される光学システム１２の概略図である。この光学システムは、光源としての半導体レーザ１３、該半導体レーザ１３からの光を所定角度範囲で等角速度的に偏向する偏向面を有する変更手段としての回転多面鏡１４、該回転多面鏡１４にて偏向された光を等速度的な光に変換する光学系としてのレーザ走査光学系１５、及び該レーザ走査光学系１５からの光の方向を変更する折り返しミラー１６等を備えている。ここで、レーザ走査光学系１５には走査レンズ１及び走査レンズ１１が使用されている。
【００７４】
光学システム１２の動作を以下に説明する。半導体レーザ１３から出射された光は、回転多面鏡１４の偏向面近傍に一旦結像される。回転多面鏡１４は一定の角速度で図中の矢印Ｃ方向に回転しており、偏向面近傍に結像された光は回転多面鏡１４の回転に伴って等角速度的に偏向される。偏向された光は、走査レンズ１及び走査レンズ１１を順次透過することで等速度的な光に変換され、折り返しミラー１６で反射されて走査対象である感光体１７の表面を走査する。
【００７５】
例えば光学システム１２がデジタル複写機に使用された場合には、半導体レーザ１３の光は、複写画像に対応する画像情報によって、その光強度が変調されており、この光が感光体１７の表面に結像することによって、感光体表面に複写画像の静電潜像が形成される。従って、走査レンズや走査ミラー等で構成されるレーザ走査光学系の精度、例えば光学面の形状精度、光学素子の配置精度等が、複写画像品質に大きな影響を与えることになる。
【００７６】
従って、本発明に係るレーザプリンタやデジタル複写機では、前述した成形用金型の製造方法によって製造された成形用金型を用いて、例えば、射出成形により成形された走査レンズを使用しているために、光学システムに固定された実使用状態において、設計形状との形状誤差が小さく、設計時の光学的機能を有しており、その結果として正確な走査が可能となり、高画質の画像を形成することができる。特に、カラーレーザプリンタやカラーデジタル複写機に適用した場合に、色ずれの少ない高画質のカラー画像を形成することができる。
【００７７】
次に、第４の実施例について説明する。
プラスチック成形品には第１の実施例で使用した走査レンズ１と同一形状を用いる。また、材質はポリカーボネート樹脂（ＰＣ光学グレード）である。なお、ＰＣの熱変形温度（荷重たわみ温度）は１２１℃（試験方法ＡＳＴＭ  Ｄ６４８）であり、ガラス転移温度は１４５℃（試験方法ＤＳＣ）である。
【００７８】
金型設計方法は、成形品の収縮率０．６％として計算し、また、変形量ΔＣ２  は、第２の実施例と同様に予備実験を行い、金型温度１４２℃における変形量ΔＣ２  を見込んで設計される。また、成形工程の構成は第２の実施例と同様である。
【００７９】
次に，本実施例の動作について説明する。
図２に示す射出成形用金型３を図示しない射出成形機（ファナック社製  電動射出成形機  ＲＯＢＯＳＨＯＴ）にセットし、走査レンズ１の成形を行う。金型は使用樹脂材料の熱変形温度以上（ガラス転移温度未満）である１４２℃になるようにカートリッジヒーター８で加熱しておき、キャビティ６に溶融樹脂を充填する。そして、金型を使用樹脂材料の熱変形温度以上である１４２℃に保持するように、カートリッジヒーター８の温度を調節しておく。次いで、キャビティ６内に樹脂圧力を発生させて、樹脂を、光学面を形成する一対の鏡面駒４に密着させ、次いで、固化したプラスチック成形品を、図示しない成形品取り出し装置を用いて金型から取り出し、室温放冷している。
【００８０】
本実施例によって製造された走査レンズ１は、第２の実施例で得られた成形品と遜色ない形状寸法精度を有していた。よって、使用樹脂材料が変わっても、アスペクト比と金型温度に依存する変形量ΔＣ２  を予備実験により算出しておけば、離型後の成形品形状の変形を、前記した成形品内部に生じる熱応力による変形と成形品の収縮による変形との加算として考え、この変形量を予め見込んで設計をすることで、金型内外における徐冷をせずとも、離型後の変形を相殺するように、設計することが可能となることがわかる。
【００８１】
本実施例によって製造されたプラスチック成形品は、金型から取り出した後のプラスチック成形品の形状変形を相殺できるように金型設計されており、非常に高精度な形状寸法を有する。
【００８２】
なお、上述した実施例では、設計すべきプラスチック成形品の前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）がＨ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲、又は、少なくとも一部の前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、０．５＜Ｈ／Ｄ＜１．５の範囲にある各プラスチック成形品に適した設計方法を選択して得た成形品について説明したが、設計すべきプラスチック成形品の断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）がＨ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲にあるか、少なくとも一部の前記断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、０．５＜Ｈ／Ｄ＜１．５の範囲にあるかを判定することによって、この判定結果によって設計法を選択できるようにした点にも発明が存在する。
【００８３】
この設計方法の決定は、プラスチック成形品の設計段階で分かるアスペクト比によって金型の設計の仕方を決定することができるものであり、例えば金型設計支援プログラムにおいて、成形品の寸法データからアスペクト比を割り出し、その結果によって一方の設計方法を実行するプログラムを自動的に選択する場合に、適用して実施できる。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、成形に使用する非晶性樹脂材料の熱変形温度以上に加熱され、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック成形品を成形するプラスチック成形用金型において、断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、Ｈ／Ｄ＜０．５もしくはＨ／Ｄ＞１．５の範囲にあるとき、離型後の収縮による変形量のみを金型設計値に見込んで形成したプラスチック成形用金型を使用して成形することで、非常に高精度な形状寸法を有するプラスチック成形品を得ることができる。
【００８５】
請求項２記載の発明によれば、成形に使用する非晶性樹脂材料の熱変形温度以上に加熱され、断面が矩形状で厚肉部と薄肉部とが偏って存在するプラスチック成形品を成形するプラスチック成形品成形用金型において、少なくとも一部の断面の縦横比であるアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、０．５＜Ｈ／Ｄ＜１．５の範囲にあるとき、離型後の変形量を、使用する非晶性樹脂材料と離型時の金型温度とプラスチック成形品のアスペクト比とに応じた変形量として金型設計値に見込んで形成したプラスチック成形用金型を使用して成形することで、プラスチック成形品の離型後の形状変形を相殺することができ、非常に高精度な形状寸法を有するプラスチック成形品を得ることができる。
【００８６】
請求項３記載の発明によれば、曲率形状誤差である変形量を金型設計値に見込んで形成したプラスチック成形用金型を使用して成形することで、成形品の大きさによらず、変形量は金型設計値に見込むことができ、非常に高精度な形状寸法を有するプラスチック成形品を得ることができる。
【００８７】
請求項４記載の発明によれば、収縮変形成分を含む変形量を金型設計値に見込んで形成したプラスチック成形用金型を使用して成形することで、成形トライや金型修正加工を重ねることなく、非常に高精度な形状寸法を有するプラスチック成形品を得ることができる。
【００８８】
請求項５記載のプラスチック成形品の成形用金型設計方法により、非常に簡易的な方法で、離型後の変形を相殺する金型設計値を算出することができ、非常に高精度な形状寸法を有するプラスチック成形品を得ることができる。
【００８９】
請求項６記載のプラスチック成形品の成形用金型設計方法により、設計すべきプラスチック成形品の断面の縦横比であるアスペクト比の範囲に応じた設計を決定することで、非常に高精度な形状寸法を有するプラスチック成形品を成形できるプラスチック成形用金型に適した設計法を非常に簡単に選択して行うことができる。
【００９０】
請求項７記載の発明によれば、請求項１〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用して成形したプラスチック成形品は、非常に簡易的な方法で、離型後の変形を相殺する金型設計値を算出して形成したプラスチック成形用金型を使用しているので、非常に高精度な形状寸法を有する。
【００９１】
請求項８記載の発明によれば、請求項１〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用してプラスチック成形品を成形するプラスチック成形品の製造方法により、非常に簡易的な方法で、離型後の変形を相殺する金型設計値を算出することができ、非常に高精度な形状寸法を有するプラスチック成形品を得ることができる。
【００９２】
請求項９記載の発明によれば、請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用して成形したレーザー走査光学系に使用されるプラスチック走査レンズは、非常に高精度な形状寸法を有する。
【００９３】
請求項１０記載の発明によれば、レーザー透過方向の肉厚をＨ、レーザー副走査方向の肉厚をＤとし、請求項２〜４の何れかに記載のプラスチック成形用金型を使用してプラスチック走査レンズを成形するので、非常に高精度な形状寸法を有するプラスチック走査レンズを得ることができる。
【００９４】
請求項１１記載の発明によれば、、請求項９記載のプラスチック走査レンズを使用して構成したレーザー走査光学装置は、設計時の光学的機能を有しており、その結果として正確な走査が可能となり、高画質の画像を形成することができる。特に、カラーレーザプリンタやカラーデジタル複写機に適用した場合に、色ずれの少ない高画質のカラー画像を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の予備実験に使用されたプラスチック成形品の一例である走査レンズを示す概略図である。
【図２】本発明の予備実験に使用した射出成形用金型を示す断面概略図である。
【図３】予備実験における成形品温度履歴を示すグラフである。
【図４】走査レンズの光学面の形状を図示しない超高精度三次元測定機で測定する方法を説明するための説明図である。
【図５】図１の走査レンズの基準成形条件における転写面（光学面）について行った副走査形状測定の結果を示すグラフである。
【図６】アスペクト比（Ｈ／Ｄ）と副走査形状の曲率誤差との関係を示すグラフである。
【図７】走査レンズのアスペクト比が１に相当する位置の断面形状を示す模式図である。
【図８】金型温度によって変化する副走査形状の曲率誤差を示す図６と同様のグラフである。
【図９】第１の実施例において対象プラスチック成形品としているレーザプリンターに用いられる走査レンズを示す概略図である。
【図１０】図９の走査レンズの基準成形条件における転写面（光学面）について行った副走査形状測定の結果を示すグラフである。
【図１１】第３の実施例において対象プラスチック成形品としているレーザプリンターに用いられる走査レンズを示す概略図である。
【図１２】図１１の走査レンズの基準成形条件における転写面（光学面）について行った副走査形状測定の結果を示すグラフである。
【図１３】本発明によるレーザー走査光学装置の実施形態であるレーザプリンタやデジタル複写機に搭載される光学システムを示す概略図である。
【図１４】従来のプラスチック成形品の成形法において発生する形状寸法精度低下が生じる原因を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１    走査レンズ（プラスチック成形品）
２    光学面
３    射出成形用金型（プラスチック成形用金型）
４    鏡面駒
５    キャビティ駒
６    キャビティ
７    金型ベース
８    カートリッジヒーター
９    熱電対
１０  走査レンズ（プラスチック成形品）
１１  走査レンズ（プラスチック成形品）
１２  光学システム（レーザー走査光学装置）
１３  半導体レーザ
１４  回転多面鏡
１５  レーザ走査光学系
１６  折り返しミラー
１７  感光体
【図１】
2004284052.tif 000004
【図２】
2004284052.tif 000005
【図３】
2004284052.tif 000006
【図４】
2004284052.tif 000007
【図５】
2004284052.tif 000008
【図６】
2004284052.tif 000009
【図７】
2004284052.tif 000010
【図８】
2004284052.tif 000011
【図９】
2004284052.tif 000012
【図１０】
2004284052.tif 000013
【図１１】
2004284052.tif 000014
【図１２】
2004284052.tif 000015
【図１３】
2004284052.tif 000016
【図１４】
2004284052.tif 000017