(57)【要約】【課題】より高精度な形状であるとともに内部の屈折率が均一なプラスチック光学素子を効率良く製造する。【解決手段】金型２内で成形加工して取り出したレンズ１に対して、徐冷工程１０で樹脂材料で定まる所定の温度範囲において所定の冷却速度で徐冷を行い、レンズ１の内部に凍結された残留応力を非常に小さくして転写面形状が劣化することを防ぐ。その後、徐冷工程１０の温度範囲の下限値以下にあるレンズ１に対して、再加熱徐冷工程１１で樹脂材料で定まる所定の温度範囲内の一定温度に昇温して一定時間保持した後に所定の冷却速度で徐冷を行い、レンズ１の内部を均質化して、形状精度が高精度であるとともに内部の屈折率が均一なレンズ１を得る。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂材料を金型内で所望の成形品形状に成形加工する成形工程と、金型外へ取り出した成形品に対して、樹脂材料で定まる所定の温度範囲において所定の冷却速度で徐冷を行う徐冷工程と、該徐冷工程の温度範囲の下限値以下にある成形品に対して、樹脂材料で定まる所定の温度範囲内の一定温度に昇温して一定時間保持した後に所定の冷却速度で徐冷を行う再加熱徐冷工程とを備えたことを特徴とするプラスチック光学素子の製造方法。
【請求項２】
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と、金型外へ取り出した成形品に対して、樹脂材料で定まる所定の温度範囲において所定の冷却速度で徐冷を行う徐冷工程と、該徐冷工程に引き続いて、樹脂材料で定まる所定の温度範囲内の一定温度に一定時間保持した後に所定の冷却速度で徐冷を行う再加熱徐冷工程とを備えたことを特徴とするプラスチック光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記徐冷工程における所定の温度範囲は、樹脂材料のガラス転移温度未満で熱変形温度以上の範囲であり、徐冷速度は１℃／分以上で１０℃／分以下である請求項１又は２記載のプラスチック光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記再加熱徐冷工程における所定の温度範囲は、樹脂材料のガラス転移温度より−１０℃から−４０℃の範囲で、徐冷速度は３℃／分以下である請求項１，２又は３記載のプラスチック光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記樹脂材料を金型内で所望の成形品形状に成形加工する際の金型温度は、徐冷工程における所定の温度範囲の上限温度と略一致している請求項１乃至４のいずれかに記載のプラスチック光学素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のプラスチック光学素子の製造方法で製造されたことを特徴とするプラスチック光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種プラスチックレンズ、例えば複写機やファクシミリ，レーザプリンタ等の光走査系等に用いられるプラスチックレンズ等のプラスチック光学素子の製造方法及びプラスチック光学素子、特に形状と光学特性の精度の向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平７−２０５２３９号公報
【特許文献２】特開平１１−２８７４５号公報
電子写真方式を使用したデジタル複写機やプリンタ及びファクシミリ装置等の光書込みユニットには、画像情報を含むレーザビームを結像するとともにため各種補正機能を有する矩形状のレンズやミラー等の光学素子が用いられている。
【０００３】
近年これらの光学素子は、製品のコストダウンの要求に対応するため、材料はガラスから成形加工できるプラスチックへと変化している。また、複数の機能を最小限の光学素子で補うため、その表面形状も球面のみならず複雑な非球面形状を有するようになってきている。例えばレンズの場合には、その形状はレンズ厚さが大きくなり、長手方向で厚さが一定ではない偏肉形状である場合が多くなってきている。
【０００４】
このプラスチック光学素子を製造するときは、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である。この射出成形法で製造する際、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が均一にすることが、所望の形状精度を確保するために望ましい。このように金型内の樹脂圧力や樹脂温度が均一にして成形した後、図６に示すように、金型２を開いて成形品１６を取り出すとき、成形品温度と金型周囲の雰囲気温度（室温）との差は、通常、１００℃以上と非常に大きく、成形品１６は急冷される。このため成形品１６が、図７に示すように、偏肉形状をした例えば凸レンズ１６ａや凹レンズ１６ｂのような場合、薄肉部１７で冷却速度が大きく固化が早く進行し、厚肉部１８では冷却速度が小さく固化が遅れ、体積収縮量に差が生じるため、レンズ内部に残留応力１９が凍結され、形状精度が悪化する不具合があった。また、レンズの厚さが大きい場合には、樹脂の冷却過程で体積収縮量が大きいためにひけが発生しやすくなる。このひけ発生を防止するために、樹脂の充填量を多くして射出成形圧力を大きくすると、内部歪みが大きくなり光学性能に悪影響を及ぼす不具合が生じていた。
【０００５】
このような不具合を解消するため、例えば特許文献１に示すように、あらかじめ金型キャビテイ面が成形用の熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱した金型に溶融樹脂を射出した後、金型キャビテイを加圧圧縮しながら金型キャビテイ面温度を樹脂の熱変形温度より１０℃高い温度以下まで冷却した後、成形品を金型キャビテイより取り出し、熱可塑樹脂の熱変形温度以上に加熱した炉に入れて再加熱して一定時間保持した後、室温まで徐冷して、成形品の冷却速度が長手方向の各部でできるだけ一定になるようにして、成形品の内部歪を小さくしている。
【０００６】
また、成形品にひけが生じることを防ぐために、特許文献２に示すように、金型のキャビテイ内に溶融樹脂を射出充填して加圧した後に、例えばレンズ面以外の面を構成するキャビテイ駒を樹脂から離隔する方向に移動させ、レンズ面以外の個所に優先的にひけを発生させてレンズ面の形状精度を向上させるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１に示すように、金型から取り出したレンズを昇温して一定温度に保持してから徐冷する際に、レンズ面の形状は、レンズ内部に凍結された残留応力が解放されることにより変化して形状精度が低下してしまうという短所がある。
【０００８】
また、アニール処理を行うとき、再加熱した成形品を例えば冷却速度０．５℃／分で室温まで徐冷していると、成形サイクルが長くなり、成形品のコストが非常に高くなるという短所もある。
【０００９】
この発明は係る短所を改善し、より高精度な形状であるとともに内部の屈折率が均一なプラスチック光学素子を効率良く製造することができる製造方法及びプラスチック光学素子を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るプラスチック光学素子の製造方法は、樹脂材料を金型内で所望の成形品形状に成形加工する成形工程と、金型外へ取り出した成形品に対して、樹脂材料で定まる所定の温度範囲において所定の冷却速度で徐冷を行う徐冷工程と、該徐冷工程の温度範囲の下限値以下にある成形品に対して、樹脂材料で定まる所定の温度範囲内の一定温度に昇温して一定時間保持した後に所定の冷却速度で徐冷を行う再加熱徐冷工程とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るプラスチック光学素子の他の製造方法は、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と、金型外へ取り出した成形品に対して、樹脂材料で定まる所定の温度範囲において所定の冷却速度で徐冷を行う徐冷工程と、該徐冷工程に引き続いて、樹脂材料で定まる所定の温度範囲内の一定温度に一定時間保持した後に所定の冷却速度で徐冷を行う再加熱徐冷工程とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
前記徐冷工程における所定の温度範囲は、樹脂材料のガラス転移温度未満で熱変形温度以上の範囲であり、徐冷速度は１℃／分以上で１０℃／分以下にして、成形された光学素子の内部の残留応力を低減する。
【００１３】
また、再加熱徐冷工程における所定の温度範囲は、樹脂材料のガラス転移温度より−１０℃から−４０℃の範囲で、徐冷速度は３℃／分以下にして、成形された光学素子の内部を均質化する。
【００１４】
さらに、樹脂材料を金型内で所望の成形品形状に成形加工する際の金型温度を、徐冷工程における所定の温度範囲の上限温度と略一致させて、樹脂に対する転写面の形状転写性を向上させる。
【００１５】
この発明のプラスチック光学素子は前記製造方法で製造され、内部歪画なく、内部の屈折率が均一であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明のプラスチック光学素子の製造方法を示す工程図である。例えばプラスチックのレンズ１を射出成形法で作製する金型２は、図１（ａ）に示すように、所定のレンズ形状の転写面３が設けられた固定側型板４と、固定側型板４とでキャビテイ５を形成する可動側型板６を有する。この金型２で熱可塑性樹脂を成形してレンズ１を作製するとき、金型２を油や水やヒータなどの温調手段を用いて一定温度に保つ。この金型２の温度は使用する樹脂のガラス転移温度の直下に設定し、レンズ形状の転写面３の形状転写性を向上させ、近年の複写機等の高画質化に伴いレンズ面形状に非常に高い精度例えばｎｍのオーダーが要求されるレンズ面を転写するようにする。この一定温度に保った金型２のキャビテイ５内に溶融した樹脂を射出充填し、圧力を加えた状態で冷却して樹脂に転写面３の形状を転写し、所望の形状のレンズ１に成形する。
【００１７】
その後、金型２を開いて成形したレンズ１を取り出して、残留応力を除き、性質を改良するアニール処理を行う。このアニール処理を行うとき、図２の温度可変特性図に示すように、金型２を開いて成形したレンズ１を取り出した直後の徐冷工程１０と再加熱徐冷工程１１を有する。徐冷工程１０では、金型２を開いて取り出したレンズ１を、図１（ｂ）に示すように、内部温度が可変できる恒温槽やオープン等の加熱装置１２に収納し、所定の温度範囲で徐冷を行う。この徐冷工程１０で徐冷する所定の温度範囲は、使用する樹脂のガラス転移温度Ｔｇ未満で熱変形温度以上での範囲とする。また、冷却速度Ａは、１℃／分以上で１０℃／分以下とする。この徐冷速度Ａを１℃／分以下にすると、金型２内の樹脂温度分布によりレンズ１に生じていた残留応力が解放されてしまい、金型２の転写面３を高精度に転写したレンズ１のレンズ面の形状を変化させてしまう。また、徐冷速度Ａを１０℃／分以上にすると、レンズ１の薄肉部で早く冷却して固化が早く進行し、厚肉部では遅く冷却して固化が遅れることにより、レンズ１の内部に残留応力が凍結されてしまう。これに対して徐冷工程１０の冷却速度Ａを１℃／分以上で１０℃／分以下とすることにより、レンズ１の内部に凍結される残留応力は非常に小さいくなる。したがって、レンズ１を所定温度範囲の下限値で加熱装置７から取り出して室温２より室温まで急冷しても、レンズ１の内部に残留応力は発生しないですみ、レンズ１のレンズ面の形状精度を向上させることができる。
【００１８】
このようにして形成されたレンズ１には、金型２内で成形するときの樹脂の温度分布により、屈折率分布が生じている。再加熱徐冷工程１１では、このレンズ１の内部に生じている屈折率の分布を低減してレンズ１を均質化する。この再加熱徐冷工程１１に入ると、図１（ｃ）に示すように、徐冷工程用の加熱装置１２から取り出したレンズ１を、図１（ｄ）に示すように、再加熱徐冷工程用の加熱装置１３に収納し、再度所定の温度まで昇温して一定時間保持して屈折率分布を低減させた後、所定の温度範囲で徐冷する。この再加熱徐冷工程１１で昇温してレンズ１を保持する温度と徐冷する温度範囲は、図２の温度変化特性図に示すように、使用する樹脂のガラス転移温度Ｔｇに対して、（Ｔｇ−１０）℃以下で（Ｔｇ−４０）℃以上の範囲とし、冷却速度Ｂは３℃／分以下にする。この冷却速度Ｂを３℃／分以上にすると、レンズ１を一定温度に保持することにより低減した屈折率分布を再度発生させてしまう。また、レンズ１を一定温度で保持する時間は１５分以上が好ましい。この保持時間は屈折率分布の仕様により適宜決定すればよい。この再加熱徐冷工程１１でレンズ１を所定の温度範囲で一定温度に保持して徐冷する際、レンズ１の内部に残留応力が凍結していないため、レンズ面形状が劣化することなく屈折率分布を低減でき、高精度な形状と屈折率が均質なレンズ１を形成することができる。
【００１９】
また、徐冷工程１０で徐冷して内部の残留応力を非常に小さいくしたレンズ１は、徐冷後に室温まで急冷しても内部に残留応力は発生しないですむから、徐冷工程１０が終了した後、室温まで冷却した複数のレンズ１を再加熱徐冷工程１１で加熱装置１３に収納して処理することができ、レンズ１の生産性を向上することができる。
【００２０】
前記説明では、徐冷工程１０で徐冷して内部の残留応力を非常に小さいくしたレンズ１を室温まで冷却した後、再加熱徐冷工程１１に入る場合について説明したが、図３の温度変化特性図に示すように、徐冷工程１０と再加熱徐冷工程１１を連続的に行っても良い。この場合は、図４に示すように、レンズ１の搬送部１４を有し、加熱気体や赤外線により搬送部１４の異動方向の沿って温度分布が可変できる加熱装置１５を使用することにより、金型２から取り出したレンズ１に対して徐冷工程１０と再加熱徐冷工程１１を連続的に行うことができる。
【００２１】
【実施例】
例えば図５（ａ）に示すように、長さＬ＝１２０ｍｍ、厚肉部の厚さｔ１＝３０ｍｍ、薄肉部の厚さｔ２＝８ｍｍ、幅Ｗ＝８ｍｍのレンズ１を、徐冷工程１０と再加熱徐冷工程１１とを有するこの発明の製造方法で作製し、同じ形状のレンズ１を従来の製造方法で作製した。そしてこの各レンズ１の形状と屈折率分布を測定した結果を図５の（ｂ）と（ｃ）に示す。図５（ｂ），（ｃ）において、（Ａ）はこの発明の製造方法により作製したレンズ１の測定結果を示し、（Ｂ）は従来の製造方法で作製したレンズ１の測定結果を示す。図５（ｂ）に示すように、従来の製造方法で作製したレンズ１は厚肉部と薄肉部で形状誤差が２．５μｍあり、厚肉部における精度は設計値から大きくずれていたが、この発明の製造方法で作製したレンズ１は長手方向の全体に渡りほぼ設計値であり、厚肉部と薄肉部の形状誤差は１μｍ以下非常に小さかった。また、図５（ｃ）に示すように、従来の製造方法で作製したレンズ１は大きな屈折率分布があり、中心と幅方向の両端部における屈折率差は３×１０−４あったが、この発明の製造方法で作製したレンズ１の屈折率分布は非常に小さく、中心と幅方向の両端部における屈折率差は３×１０−５あり、高精度な形状と屈折率が均質なレンズ１を形成することができた。
【００２２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、金型内で所望の成形品形状に成形加工して金型外へ取り出した成形品に対して、徐冷工程で樹脂材料で定まる所定の温度範囲において所定の冷却速度で徐冷を行い、成形品の内部に凍結された残留応力を非常に小さくして転写面形状が劣化することを防ぎ、その後、徐冷工程の温度範囲の下限値以下にある成形品に対して、再加熱徐冷工程で樹脂材料で定まる所定の温度範囲内の一定温度に昇温して一定時間保持した後に所定の冷却速度で徐冷を行い、成形品の内部を均質化することにより、形状精度が高精度であるとともに内部の屈折率が均一な光学素子を得ることができる。
【００２３】
また、金型内で所望の成形品形状に成形加工して金型外へ取り出した成形品に対して、樹脂材料で定まる所定の温度範囲において所定の冷却速度で徐冷を行う徐冷工程と、樹脂材料で定まる所定の温度範囲内の一定温度に一定時間保持した後に所定の冷却速度で徐冷を行う再加熱徐冷工程とを連続的に行うことにより、高精度な光学素子を生産性良く作製することができる。
【００２４】
また、徐冷工程における所定の温度範囲を、樹脂材料のガラス転移温度未満で熱変形温度以上の範囲とし、徐冷速度は１℃／分以上で１０℃／分以下にすることにより、成形品の内部に凍結された残留応力を非常に小さくして転写面形状の精度を向上させることができる。
【００２５】
また、再加熱徐冷工程における所定の温度範囲を、樹脂材料のガラス転移温度より−１０℃から−４０℃の範囲とし、徐冷速度を３℃／分以下にすることにより転写面形状の精度を高めた光学素子の内部を均質化して、光学素子の屈折率分布を大幅に低減することができる。
【００２６】
さらに、樹脂材料を金型内で所望の成形品形状に成形加工する際の金型温度を、徐冷工程における所定の温度範囲の上限温度と略一致させることにより、樹脂に対する転写面の形状転写性を向上させ、良質な光学素子を得ることができる。
【００２７】
また、この製造方法で製造された光学素子は、転写面の形状制度が高いとともに内部の屈折率が均一であり、非常に優れた光学特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のプラスチック光学素子の製造方法を示す工程図である。
【図２】上記製造方法の徐冷工程と再加熱工程の温度変化特性図である。
【図３】第２の製造方法の徐冷工程と再加熱工程の温度変化特性図である。
【図４】第２の製造方法の工程図である。
【図５】実施例のレンズ形状と形状測定結果及び屈折率測定結果を示す図である。
【図６】従来の製造方法を示す工程図である。
【図７】従来の製造方法で作製した成形品の残留応力を示す模式図である。
【符号の説明】
１；レンズ、２；金型、３；転写面、４；固定側型板、５；キャビテイ、
６；可動側型板、１０；徐冷工程、１１；再加熱徐冷工程。
【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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