(57)【要約】【課題】透明プラスチック樹脂材料を用いて複屈折の少ないレンズ等の光学部品を成形するために、金型の温度をガラス転移温度以上からガラス転移温度以下へ徐冷すると成形のサイクルタイムが通常の成形と比べて非常に長くなっていた。【解決手段】金型内へ射出される成形樹脂の射出時点における温度以下であって、成形樹脂の大気圧におけるガラス転移温度以上である金型のキャビティ内へ、可塑化された成形樹脂をゲートを介して加圧して注入し、成形樹脂が注入された後にゲートをゲート封止機構により封止し、ガラス転移温度以上であって当該ガラス転移温度近傍の温度範囲にある金型で成形樹脂を温度降下させ、その後、ガラス転移温度以上で金型を開き、成形品を金型から取り出すことで上記課題を解決する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型内へ射出される成形樹脂の射出時点における温度以下であって、成形樹脂の大気圧におけるガラス転移温度以上である金型のキャビティ内へ、可塑化された前記成形樹脂をゲートを介して加圧して注入し、成形樹脂が注入された後にゲートをゲート封止機構により封止し、前記ガラス転移温度以上であって当該ガラス転移温度近傍の温度範囲にある金型内で成形樹脂を温度降下させ、その後、前記ガラス転移温度以上で金型を開き、成形品を前記金型から取り出す射出成形方法。
【請求項２】
前記ゲートが封止された後の前記金型のキャビティ内にある前記成形樹脂の質量を、大気圧のもとで前記キャビティの容積と同じ体積の成形樹脂が常温で有する質量から、大気圧のもとで前記キャビティの容積と同じ体積の成形樹脂が前記金型を開くときの温度で有する質量までの範囲内とした請求項１に記載の射出成形方法。
【請求項３】
前記可塑化された成形樹脂をゲートを介して加圧して注入した後、注入する圧力を断ち、その後にゲート封止機構によりゲートを封止する請求項２に記載の射出成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複屈折の少ない成形品を作るための射出成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、複屈折が問題となる用途の光学部品には材料としてガラスが用いられてきたが、ガラス製光学部品は樹脂成形品と比べてコストが高かった。そこで、通常の安価な透明プラスチック樹脂材料を用いて複屈折の少ないレンズ等の光学部品を成形する方法を提案するものとして下記の特許文献１が存在する。この特許文献１には、プラスチック成形による光学部品の複屈折が成形時に生じる残留応力に起因することに着目し、その残留応力を小さくするための成形方法が示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６２−１１６１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その方法によれば、金型の温度をガラス転移温度以上からガラス転移温度以下へと徐冷する必要がある。特許文献１の実施例では１℃／分から数℃／分程度の徐冷が示されており、成形のサイクルタイムは通常の成形と比べて非常に長くならざるを得ない。成形時間が長ければ生産数量が少なくなるため、依然として光学部品は高価なものとなってしまう。
【０００５】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的とする所は、偏光特性を利用する用途に使用可能な複屈折の少ないプラスチックの光学部品を短い時間で成形可能にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明による射出成形方法は、金型内へ射出される成形樹脂の射出時点における温度以下であって、成形樹脂の大気圧におけるガラス転移温度以上である金型のキャビティ内へ、可塑化された成形樹脂をゲートを介して加圧して注入し、成形樹脂が注入された後にゲートをゲート封止機構により封止し、ガラス転移温度以上であって当該ガラス転移温度近傍の温度範囲にある金型で成形樹脂を温度降下させ、その後、ガラス転移温度以上で金型を開き、成形品を金型から取り出す射出成形方法である。
【０００７】
ガラス転移温度とは、ゴム状の状態の高分子物質を冷却していくと、ある温度でガラス状の固い状態に相が変化するがその変化を起す温度をいう。
【０００８】
ガラス転移温度以上であってガラス転移温度近傍の温度範囲とは、ガラス転移温度温度からせいぜいガラス転移温度の２０度上、好ましくは１０度上までの範囲を指す。
【０００９】
本発明では、ゲート封止機構によりゲートを封止した後は、金型のキャビティ内の成形樹脂は、成形樹脂の注入経路から遮断され、キャビティ内に閉じ込められることになる。
【００１０】
成形樹脂が注入された直後から冷却中、さらに金型を開くまで終始金型温度がガラス転移温度以上であることから、金型内の成形樹脂全体が常にゴム状の状態となる。さらに、キャビティ内の成形樹脂が、温度と圧力の異なるキャビティ外部の成形樹脂と繋がりが断たれることから、従来の成形法においては特にゲート近傍で顕著に生じていた成形樹脂の温度勾配と圧力勾配が減少し、キャビティ内の成形樹脂の圧力分布と温度分布を均一に近づけることができる。従って、成形樹脂は等圧に保たれたまま冷却され、残留応力が少ない成形が可能となる。
【００１１】
また、型を開くときの温度とガラス転移温度の差が僅かであるため、型開き後に成形品がガラス状となるまでの形状変化が少なく、その間の冷却による内部応力の発生が小さい。ガラス転移温度以下から常温までの間の冷却では成形品はガラス状であることから、体積変化は小さく、このときに発生する内部応力も小さい。
【００１２】
従って、この発明の成形方法により、通常の光学部品に使用される透明樹脂を用いて、複屈折が少ない光学部品を成形することが可能となる。通常の光学部品に使用される透明樹脂には、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの、これまで通常の成形方法では残留応力のために複屈折が生じて使用できないとされていた透明プラスチックが含まれる。
【００１３】
この発明によると、先に示した特許文献１のように金型の温度をガラス転移温度以下に徐冷することを要しないので成形時間が短い。また、金型を開いた後、次の成形のために金型の温度をガラス転移温度以下からガラス転移温度以上に上昇させるための時間も不要となり、成形のための準備時間も短くなる。すなわち、成形の１サイクルに要する時間を短縮することができる。
【００１４】
この発明の一実施態様においては、ゲートが封止された後の金型のキャビティ内にある成形樹脂の質量を、大気圧のもとでキャビティの容積と同じ体積の成形樹脂が常温で有する質量から、大気圧のもとでキャビティの容積と同じ体積の成形樹脂が金型を開くときの温度で有する質量までの範囲内とする。
【００１５】
ここで常温とは、成形された成形品が通常置かれる周囲温度であり、せいぜい摂氏１０度から３０度の間である。また摂氏２３度あるいは摂氏２５度と定める場合を含む。
【００１６】
ここでいう「ゲートが封止された後の金型のキャビティ内にある成形樹脂の質量を、常温においてキャビティの容積と同じ体積の成形樹脂が有する質量から、金型を開くときの温度においてキャビティの容積と同じ体積の成形樹脂が有する質量の範囲内とする」ための方法は、キャビティ内に注入する成形樹脂の質量を直接計量して管理する方法のほか、間接的に質量と一定の関係を有するパラメータを測定して管理する方法でも良い。つまり、温度、圧力、体積や、さらにそれらの値と一定の関係を有する成形条件上のパラメータを制御することで等価的に質量を制御しても良い。例えば、既知の金型のキャビティの容積と、事前にデータとして取得した成形樹脂の温度及び圧力に対する密度の特性に基づいて、キャビティ内の成形樹脂の温度と圧力を測定することにより、キャビティ内の成形樹脂の質量を求め、所望の質量となるように注入する成形樹脂の圧力を制御することができる。また、質量は成形機側における成形樹脂の温度及びキャビティ内への注入体積との関係から求めても良い。成形中にリアルタイムにこれらのパラメータを測定して質量を算出しても良いし、事前に条件だしで測定しておき、成形中には質量を算出しなくても良い。例えば、事前に成形樹脂温度、圧力等の成形条件を様々に変えて成形品を作り、出来上がった成形品の質量を測定して、最適な成形条件を定め、成形するときには成形樹脂温度と圧力のみ制御しても良い。
【００１７】
この実施態様によれば、金型を開くときの成形品の圧力が大気圧と同等もしくは僅かに高い圧力であるため、成形品がゴム状であっても型開きのときに生じる形状変化が少ない。従って型から取り出すときの変形も少なくすることができる。また、型を開くまでの間、金型のキャビティ内に隙間無く成形樹脂が満たされ、成形樹脂内の圧力はほぼ均一となり、内部応力が少なくなる。すなわち、複屈折の少ない成形品を作ることが可能となる。金型寸法通りの成形品を作るという観点からも都合が良い。
【００１８】
ゲートが封止された後の金型のキャビティ内にある成形樹脂の質量を、常温においてキャビティの容積と同じ体積の成形樹脂が有する質量から、金型を開くときの温度においてキャビティの容積と同じ体積の成形樹脂が有する質量までの範囲内とすることは次の方法でも実現することができる。すなわち、可塑化された成形樹脂をゲートを介して加圧して注入した後、注入する圧力を断ち、その後にゲート封止機構によりゲートを封止する方法である。この方法においては、まず、加圧注入により予定した質量より多い質量の成形樹脂がキャビティ内に注入される。次に、注入する圧力を断ち、その後にゲート封止機構によってゲートを封止が行われるまでの間に、充填されたキャビティ内の成形樹脂はゲートから流出し、金型のキャビティ内の成形樹脂の質量が減少するとともに圧力が低下する。その後、ゲートを封止してキャビティ内の成形樹脂の質量を確定する。キャビティ内の圧力もしくは注入する圧力を断った後ゲートを封止するまでの時間を管理すれば、キャビティ内の成形樹脂の質量が予定した質量となるように調節することができる。キャビティ内の成形樹脂圧力を計測し、上記の質量に対応する圧力になったときにゲートを封止する制御としても良いし、時間による制御の場合は条件出しによって時間を事前に定めても良い。これらの方法による場合、ゲートが封止を完了するまでのタイムラグまで考慮することが望ましい。
【００１９】
この実施態様によれば、成形樹脂をキャビティ内に高速に注入することが可能となる。注入が高速に行われれば、注入開始時にキャビティに注入された成形樹脂と注入完了時に注入された成形樹脂間との温度差を小さくすることができるので、金型のキャビティ内での成形樹脂の温度勾配も少なくなり、温度を均一にすることができる。従って、よりいっそう複屈折の少ない成形が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の方法を以下に説明する。
【００２１】
図１は本発明の成形方法の実施に使用する成形機の一例における金型とその周辺部分の断面図である。この図は２個取りの金型であり、ここでは成形樹脂が充填された状態を示している。符号１は射出シリンダ、２はロングノズルであり、３ａは図示していない射出成形装置本体に固定した固定部材（固定プラテン）、３ｂは射出成形装置本体に固定した可動部材（可動プラテン）、４ａが固定側金型、４ｂが可動側金型を示す。５ａは固定側金型のキャビティ面、５ｂは可動側金型のキャビティ面を示し、両方で成形キャビティを構成する。６はスプルー、７はランナー、８は成形品、９はゲート部である。ゲート部の開口の大きさは紙面と垂直方向において、成形品８のゲート部側の側面の大きさよりも小さい。１０はガイドピン、１１はリターンピン、１２はゲートシャットピン、１３はノックアウトピン、１４はゲートシャットピン１２を駆動するためのゲートシャット用ノックアウトプレートであり、１５はノックアウトピン１３を駆動するための成形品突出し用ノックアウトプレートである。１６は突出し棒を示し、１７は断熱板、１８は冷却水孔を示している。
【００２２】
以下に、本発明の実施形態の成形方法を段階ごとに図を参照しながら説明する。
【００２３】
この成形方法では、図２に示すような、回帰反射型光電スイッチ用の投光レンズと受光レンズとを一体化し、さらにはセンサのカバーまで兼用した形状のレンズを成形する。なお、成形品はこのようなレンズに限るものではなく、ＣＤやＤＶＤ，ＭＤなどのディスク状情報記録媒体の基板であっても良いし、その他の光学フィルタ等のその他の光学部品に用いる板状基板であっても良い。なお、成形品の形状は、温度変化による膨張および収縮が等方的に生じる形状、例えば薄い板状の形状やその組合せ、あるいは薄い板に近い形状であれば、より複屈折の少ない成形が可能となる。
【００２４】
最初に、金型は図１に図示されているように固定側金型４ａと可動側金型４ｂとが閉じられて型締めされ、ロングノズル２の先端が固定側金型４ａのスプルー６に押しあてられて可塑化された成形樹脂が注入される。成形樹脂はアクリルで、可塑化されており、温度は２７０℃から２８０℃に保たれている。注入された成形樹脂は、スプルー６、ランナー７、ゲート９を経てキャビティ面５ａと５ｂにより構成されるキャビティ内へ注入される。射出圧力は１５００  ｋｇｆ／ｃｍ２  〜  ２０００  ｋｇｆ／ｃｍ２程度であり、このとき、ゲートシャットピン１２はゲート９を遮断しない位置にある。冷却水孔１８には圧力を高めた冷却水を循環させることで金型温度を一定温度に保っている。本実施形態の成形方法における成形樹脂のアクリルのガラス転移温度は１０２℃であり、金型温度はガラス転移温度よりわずかに高い温度で１０６℃に保たれている。
【００２５】
次に、成形樹脂のキャビティ内への注入が完了した後、注入圧力の保圧を断ち、その後にゲート９をゲートシャットピン１２により遮断してキャビティ内の成形樹脂を封止する。その状態を図３に示している。尚、ゲート９が遮断された状態でのキャビティ内部の容積は約４０６ｍｍ２であり、キャビティ内部に注入される成形樹脂の質量は０．３７ｇから０．４２ｇの間の質量とされる。突出し棒１６を押し出すことでゲートシャット用ノックアウトプレート１４が押され、ゲートシャットピン１２が押し出されてゲートを遮断している。ゲート遮断後のキャビティ内の圧力を１０００  ｋｇｆ／ｃｍ２  〜  １５００  ｋｇｆ／ｃｍ２にするため、注入圧力の保圧を断ってからゲート封止が完了するまでの時間は０．１秒から１秒程度の範囲で制御される。金型温度は終始１０６℃に保ち、ゲートを封止したあと３５秒間放置した後、金型を開き、成形品を突出して取り出す。この３５秒間の間に、成形樹脂がほぼ金型温度まで冷却される。成形品が取り出されるときの状態を図４に示している。可動側金型４ｂが固定側金型４ａから引き離され、その状態で突出し棒１６がさらに押し出されることでノックアウトプレート１５が押され、ノックアウトピン１３が押し出される。これにより、可動側金型４ｂのキャビティ面５ｂに納まっている成形品が取り出される。金型をガラス転移温度以上で開くため、金型を開いたときの成形品はゴム状で、局所的に応力が集中すると変形してしまうことから、ノックアウトピンの数を多くして平均的にレンズ部周辺の成形品全体を突出すようにしている。
【００２６】
この一連の成形に要する時間は、金型を閉じるのに２秒、成形樹脂を射出開始してから樹脂充填完了しゲートを封止するまでに２．５秒、冷却時間が３５秒、金型を開くのに２秒、突出して成形品を取り出すのに２秒であり、合計しても４５秒程度である。特許文献１に示されているような成形方法では冷却時間だけで数分から数十分を要することから、これと比較して成形の１サイクルが短いことがわかる。従って、量産効率が高く、コストを低くすることができる。
【００２７】
本実施形態の成形方法によって成形された図２に対応するレンズのリタデーション（複屈折による位相差）分布の測定結果を図５に示す。また、通常の成形方法のように金型の温度をガラス転移温度よりかなり低い温度である８０℃にして成形した場合のリタデーション分布の測定結果を図６に示す。両者を比較すると、本発明の成形方法により複屈折が大幅に低減されていることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明によれば、通常の光学部品に使用される透明樹脂を用いて、複屈折の少ない光学部品を成形することができる。また、金型の温度をガラス転移温度以下に冷却する成形方法と比較して成形時間が短い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成形方法の実施の形態で使用する成形機の一例における金型とその周辺部分の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態によって成形される成形品の形状を示した図である。
【図３】図１の成形機について、ゲートを封止した状態での成形機を示した断面図である。
【図４】図１の成形機について、成形品を突出す状態の成形機を示した断面図である。
【図５】本発明の実施の形態によって成形された成形品のリタデーションの分布を示す図である。
【図６】金型がガラス転移温度より十分低い温度に設定された通常の成形方法により成形された成形品のリタデーションの分布を示す図である。
【符号の説明】
１      射出シリンダ
２      ロングノズル
３ａ    射出成形装置本体に固定した固定部材（固定プラテン）
３ｂ    射出成形装置本体に固定した可動部材（可動プラテン）
４ａ    固定側金型
４ｂ    可動側金型
５ａ    固定側金型のキャビティ面
５ｂ    可動側金型のキャビティ面
６      スプルー
７      ランナー
８      成形品
９      ゲート部
１０    ガイドピン
１１    リターンピン
１２    ゲートシャットピン
１３    ノックアウトピン
１４    ゲートシャット用ノックアウトプレート
１５    ノックアウトプレート
１６    突出し棒
１７    断熱板
１８    冷却水孔
【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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