(57)【要約】【課題】樹脂成形過程における樹脂充填工程において樹脂の温度が低下しにくく、また冷却工程において急速に樹脂温度を低下させることを可能にし、転写性と外観良品化を向上させる。【解決手段】金属板５の内部に薄膜発熱体６を設けて、金属薄膜４の表面である転写面４ａの温度を急速に加熱することを可能にし、また、金属板５の下に減圧気体室７を設け、減圧気体室７内を減圧することに応じて熱伝導率が低下する現象を利用して、樹脂充填工程にて樹脂の熱が金型に奪われて樹脂温度が急激に低くなるのを解消する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が熱可塑性樹脂組成物のガラス転移温度よりも低い温度で保持された樹脂充填空間に、ガラス転移温度よりも高い温度まで加熱された熱可塑性樹脂組成物を流し込み冷却することにより樹脂成形品を得る樹脂成形に用いる樹脂成形金型において、前記樹脂充填空間の近傍箇所に減圧気体室を設けたことを特徴とする樹脂成形金型。
【請求項２】
表面が熱可塑性樹脂組成物のガラス転移温度よりも低い温度で保持された樹脂充填空間部に、ガラス転移温度よりも高い温度まで加熱された熱可塑性樹脂組成物を流し込み冷却することにより樹脂成形品を得る樹脂成形に用いる樹脂成形金型において、前記樹脂充填空間部の近傍箇所に薄膜発熱体を設けたことを特徴とする樹脂成形金型。
【請求項３】
表面が熱可塑性樹脂組成物のガラス転移温度よりも低い温度で保持された樹脂充填空間部に、ガラス転移温度よりも高い温度まで加熱された熱可塑性樹脂組成物を流し込み冷却することにより樹脂成形品を得る樹脂成形に用いる樹脂成形金型において、前記樹脂充填空間部の近傍箇所に減圧気体室を設けると共に、薄膜発熱体を設けたことを特徴とする樹脂成形金型。
【請求項４】
前記樹脂充填空間部の周囲で、かつ前記減圧気体室に近接しない箇所に断熱材を設けたことを特徴とする請求項１または３記載の樹脂成形金型。
【請求項５】
前記樹脂充填空間部の周囲で、かつ前記減圧気体室に近接しない箇所にヒータを設けたことを特徴とする請求項１，３または４記載の樹脂成形金型。
【請求項６】
前記減圧気体室に不活性ガスを充填したことを特徴とする請求項１，３，４または５記載の樹脂成形金型。
【請求項７】
前記減圧気体室における圧力を適正圧力に調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１，３または４〜６いずれか１項記載の樹脂成形金型。
【請求項８】
前記減圧気体室に、金属または断熱材またはそれらの組合せ体からなる支柱を設けたことを特徴とする請求項１，３または４〜７いずれか１項記載の樹脂成形金型。
【請求項９】
複数の前記支柱を等間隔あるいは不均等な間隔に配置したことを特徴とする請求項８記載の樹脂成形金型。
【請求項１０】
前記支柱における前記減圧気体室との接触部位に熱伝導率の高い薄膜体を介在させたことを特徴とする請求項８または９記載の樹脂成形金型。
【請求項１１】
前記減圧気体室を複数設置し、樹脂成形品の表面形状または肉厚の状態に応じて、各減圧気体室における気体密度を設定したことを特徴とする請求項１，３または４〜８いずれか１項記載の樹脂成形金型。
【請求項１２】
樹脂成形品の表面形状または肉厚の状態に応じて、前記減圧気体室の設置部位の大きさを設定したことを特徴とする請求項１，３または４〜１１いずれか１項記載の樹脂成形金型。
【請求項１３】
前記減圧気体室に、樹脂射出後の冷却工程において前記樹脂充填空間裏面に接触して放熱させる冷却用ブロックを設けたことを特徴とする請求項１，３または４〜１２いずれか１項記載の樹脂成形金型。
【請求項１４】
前記冷却用ブロックの熱を受けて放熱する伝熱材を設けたことを特徴とする請求項１３記載の樹脂成形金型。
【請求項１５】
請求項２記載の樹脂成形金型を用い樹脂成形金型を用いて樹脂成形を行う樹脂成形装置であって、前記樹脂充填空間の温度を検知する検知手段と、この検知手段により得られた温度データに基づいて請求項２記載の薄膜発熱体の発熱時間，タイミングを制御し、前記樹脂充填空間の温度を安定化させる制御手段とを備えたことを特徴とする樹脂成形装置。
【請求項１６】
請求項１３または１４記載の樹脂成形金型を用い樹脂成形金型を用いて樹脂成形を行う樹脂成形装置であって、前記樹脂充填空間の温度を検知する検知手段と、この検知手段により得られた温度データに基づいて請求項１３または１４記載の冷却用ブロックと前記樹脂充填空間との接触時間，タイミングを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする樹脂成形装置。
【請求項１７】
請求項１〜１４いずれか１項記載の樹脂成形金型を用い、表面が熱可塑性樹脂組成物のガラス転移温度よりも低い温度で保持された樹脂充填空間に、ガラス転移温度よりも高い温度まで加熱された熱可塑性樹脂組成物を流し込み冷却することにより樹脂成形品を得る樹脂成形方法であって、成形時における前記樹脂充填空間表面の最高温度を、該熱可塑性樹脂組成物のガラス転移温度をＴｇとして、（Ｔｇ＋１℃）〜（Ｔｇ＋２００℃）の範囲内に設定することを特徴とする樹脂成形方法。
【請求項１８】
前記減圧気体室内の圧力を、成形形状の転写性を考慮して設定することを特徴とする請求項１７記載の樹脂成形方法。
【請求項１９】
樹脂成形品の表面形状または肉厚にあわせて、前記減圧気体室を複数設置し、各減圧気体室ごとに気体密度を設定することを特徴とする請求項１７〜１８いずれか１項記載の樹脂成形方法。
【請求項２０】
樹脂成形品の表面形状または肉厚にあわせて、前記減圧気体室の各部位における設置面積を変え、部位によっては減圧気体室を設置しないようにすることを特徴とする請求項１７〜１９いずれか１項記載の樹脂成形方法。
【請求項２１】
樹脂射出後の冷却工程において、前記減圧気体室に設置した冷却用ブロックを介して樹脂充填空間表面の熱を放熱することを特徴とする請求項１７〜２０いずれか１項記載の樹脂成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な３次元的形状を有した樹脂成形品の成形を可能にする樹脂成形金型および樹脂成形装置ならびに樹脂成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱可塑性樹脂を射出成形方法あるいはブロー成形法などを用いて成形する場合、金型表面転写性を向上させること、あるいはウエルドライン，フローマークなどが発生することによる外観不良を低減した外観上の良品化が求められている。従来、前記表面転写性を良くし、外観不良を低減するためには、一般に高い金型温度あるいは樹脂温度，高い射出圧力，高速射出などの成形条件を最適化することにより目的を達成させてきた。
【０００３】
図１０は従来の樹脂成形金型の一例を示す断面図であり、１は金型固定部、２は金型可動部、３は熱可塑性樹脂組成物Ａが流し込まれる樹脂充填空間部、４は樹脂充填空間部３の底部に設けられた金属薄膜である。
【０００４】
この金型を用いて樹脂成形を行う場合、特に影響が大きい成形条件は金型温度であり、両金型１，２の温度を高くすることが好ましい。すなわち、樹脂充填工程において樹脂充填空間部３内の熱が金型可動部２に伝達（矢印方向）し難くすることが重要であり、従来では両金型１，２の温度を高く設定する方法が採用されてきた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２８５１６９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金型全体の温度を高くすることは、溶融した熱可塑性樹脂を成形品として取り出すことができる温度になるまで金型内で冷却するために、長い冷却時間を要するということにつながり、生産効率の低下をまねくという問題がある。
【０００７】
このため、金型の温度を急激に加熱／冷却することができる方法が要求されており、これらの要求に対して、従来では金型に加熱用と冷却用の配管を設け、成形工程に応じて熱媒体と冷媒体とを交互に循環させて加熱／冷却する方法が採用されている（特許文献１参照）。
【０００８】
しかし、この従来の方法では、熱エネルギの消費量が高く、生産効率も向上しない。これらのことから、樹脂充填工程では樹脂の温度が低下しにくく、冷却工程では急速に樹脂温度を低下させることができる成形金型，成形方法が望まれている。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解決し、樹脂成形過程における樹脂充填工程において樹脂の温度が低下しにくく、また冷却工程において急速に樹脂温度を低下させることを可能にし、転写性と外観良品化を向上させることができる樹脂成形金型および樹脂成形装置ならびに樹脂成形方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る樹脂成形金型および樹脂成形装置ならびに樹脂成形方法は、表面が熱可塑性樹脂組成物のガラス転移温度よりも低い温度で保持された樹脂充填空間部に、ガラス転移温度よりも高い温度まで加熱された熱可塑性樹脂組成物を流し込み冷却することにより樹脂成形品を得る樹脂成形に用いる樹脂成形金型において、前記樹脂充填空間部の近傍箇所に、減圧気体室または薄膜発熱体の少なくともいずれか一方を設けたものであり、これにより、薄膜発熱体の発熱制御にて、加熱温度をコントロールすることができるため、樹脂充填工程において樹脂温度が低下してしまうことを抑制することができ、また減圧気体室の圧力制御によっても、その熱伝導率をコントロールすることができ、樹脂温度低下を抑制できる。また、冷却工程において冷却ブロックの当接により急速に樹脂温度を低下させることを可能にし、転写性と外観良品化を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、既に説明している部材に対応する部材には同一符号を付すことにする。
【００１２】
図１は本発明の実施形態を説明するための樹脂成形金型の断面図であり、１は金型固定部、２は金型可動部、３は熱可塑性樹脂組成物Ａが流し込まれる樹脂充填空間部、４は、樹脂充填空間部３の底部表面に設けられ、かつＮｉまたはＣｕなどの金属薄膜処理が施され、さらに微小な凹凸が形成された金属薄膜、５は、金属薄膜４の設置位置より下部に設けられ、内部に薄膜発熱体６が組み込まれた金属板、７は金属薄膜５の設置位置より下部の金型可動部２に設けられた減圧気体室である。
【００１３】
金属板５内部に設けられた薄膜発熱体６は、金属薄膜４の表面である転写面４ａの温度を急速に加熱させるために設置したものであり、また樹脂充填工程において樹脂の熱が金型に奪われて樹脂温度が急激に低くなるのを解消するために、金属板５の下に減圧気体室７を設けている。すなわち、減圧気体室７において、減圧することに応じて熱伝導率が低下する現象を利用することにより、樹脂温度の低下をコントロールしている。
【００１４】
減圧気体室７において用いる気体としては、特に限定されないが、コストを考慮すると空気を用いることがよい。しかし、長期間高温度で空気溶存酸素と接触すると、材料によっては酸化などの問題が発生するおそれがあるので、その問題を解消するために窒素などの不活性ガスを用いることが好ましい。
【００１５】
さらに、減圧気体室７における気体密度は、気体圧力によって管理することが可能である。図２は減圧気体室７に設置する圧力調整機構の一例を示す断面図であり、減圧気体室７の側壁に外気と連通する通孔２１を穿設し、この通孔２１に移動可能にピストン２２を設け、このピストン２２の拡径部２２ａを、減圧気体室７の内壁に設けた弾性リング体２３に対向設置し、さらに拡径部２２ａを弾性リング２３に付勢するスプリング２４を支持枠体２５内に設けた構造である。
【００１６】
減圧気体室７の圧力は、ピストン２２に加わる減圧力による力Ｐと、ピストン２２に加わるスプリング２４の弾性力による力Ｑとの関係で決定され、力Ｐが弱くなるとピストン２２の拡径部２２ａが弾性リング体２３に密着し、これにより減圧力が大きくなる。また力Ｐが強くなるとピストン２２の拡径部２２ａが弾性リング体２３から離れて、通孔２１から外気が入り込むことになり、減圧力が小さくなる。
【００１７】
このように減圧気体室７の圧力を調整することにより、減圧時には真空状態に近づくので気体密度が低下する。すると若干であるが熱伝導率が低下する。熱伝導率が低下すると、金属薄膜４表面の転写面４ａにおける温度が下がり難くなり、金型の微細形状が成形品に転写しやすくなる。すなわち、転写性を向上させるために、減圧気体室７を減圧して真空に近づけるように圧力を調整するのである。そして、転写性を向上させる場合は圧力，気体密度を低く、また冷却工程の時間を短縮する場合は圧力を高くするように調整する。
【００１８】
また、樹脂充填空間部３における減圧気体室７が存在しない部位から熱が逃げるため、図３，図４に示すように、断熱材８あるいはヒータ９を、樹脂充填空間部３における減圧気体室７が存在しない部位（本例では樹脂充填空間部３における周壁）に設置することが有効である。
【００１９】
本実施形態において、減圧気体室７の減圧力，射出成形の射出圧力，金型保圧力により樹脂充填空間部３が僅かに膨張する問題が生じるため、図５に示すように、減圧気体室７に支柱１０を設け、機械的強度を大きくすることが望ましい。
【００２０】
しかし、支柱１０は金属板５に当接あるいは近接し、その部分から樹脂充填空間部３の熱が放熱されるため、金属薄膜４の転写面４ａに局所的温度斑による転写斑が起こり得るが、その場合は、該当接あるいは近接部分に断熱材１１を設置することによって転写斑の発生を解決することができる。また、金属板５の下部に熱伝導の良い熱高伝導性薄膜１２を形成して、前記温度斑を低減化する方法も有効である。
【００２１】
さらに、減圧気体室７の気体密度を可変にすることにより、減圧気体室７の熱伝導率を可変させることができ、このことを利用することで減圧気体室７の断熱効果を微調整することができる。これにより樹脂温度あるいは射出速度などの、一般的なパラメータのみで条件を定める場合よりも、より最適な条件設定が可能になる。
【００２２】
また、肉厚部と肉薄部とが存在する成形品の成形では、金型に肉厚部１３ａと肉薄部１３ｂとが形成され、成形面の部位による転写性の違いが発生するという問題があるが、この問題は、図６に示すように、成形品の肉厚が異なる部位に合わせて減圧気体室７ａ，７ｂを設け、各減圧気体室７ａ，７ｂの圧力を変化させるようにするか、または図７に示すように、成形品の肉厚が異なる部位に合わせて減圧気体室７ｃを設けたり、あるいは減圧気体室を設けないように設定することにより解決することができる。図７に示す例では肉厚部１３ｃのみに対応させて減圧気体室７ｃを設置している。
【００２３】
また、樹脂充填後の冷却工程において、タクトタイム短縮化のために転写面４の急速冷却が要求されるが、それに対する方法として、図８に示すように、金属板５の下部に直接あるいは間接的に冷却用ブロック１５を接触させ、当該接触部から冷却用ブロック１５へ樹脂充填空間部３内の樹脂温度を放熱させる構造にするとよい。さらに、冷熱用ブロック１５を減圧気体室７に上下動自在に設け、冷熱用ブロック１５の熱を、次の冷却工程までの間に冷却用ブロック冷却部材１６に当接させて外部へ放熱する機構を導入するとよい。
【００２４】
図８の金型を用い、冷却用ブロック１５を上下動させるための樹脂成形装置としては、例えば、樹脂充填後の冷却工程には冷却用ブロック１５を上昇させて金属板５の下部に接触させ、また次の冷却工程までの間に冷却用ブロック１５を下降させて冷却用ブロック冷却部材１６に当接させるようにする冷却用ブロック上下駆動機構を、ピン構造の操作部材にて手動操作したり、あるいは前記冷却用ブロック上下駆動機構を、ＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）１７などにより駆動制御することが考えられる。
【００２５】
冷却用ブロック１５の材質として熱伝導性の良い材料を用いれば効果的である。また冷却用ブロック１５に当接して冷却する冷却用ブロック冷却部材１６に銅などの熱伝導率の高い材質を用い、その冷却用ブロック冷却部材１６を金型外部まで伝熱性の良い材料で接続することにより、冷却用ブロック１５の熱を金型外部へ放熱することができる。特に、冷却用ブロック冷却部材１６を、図８に示すように、金型外部において波型形状１８にすることによって、外気との接触面積を広くすることにより、放熱をさらに効果的にすることができる。
【００２６】
薄膜発熱体６による加熱時間と冷却ブロック１５による冷却時間、あるいは動作タイミングを設定するため、図９に示す樹脂成形装置では、転写面４ａおよび転写面４ａ付近の部材（本例では金属板５，冷却用ブロック１５）に温度検知センサ１９を設置し、その温度検知データをＭＰＵ２０に出力し、ＭＰＵ２０において、転写面４ａがあらかじめ設定された所定温度に保持されるように演算処理して、コントロール信号を薄膜発熱体６の発熱駆動部と冷却用ブロック１５の移動駆動部とへ送って駆動することにより、転写面４ａに対する加熱／冷却を行う温度フィードバック機能を具備している。
【００２７】
次に、前記実施形態の樹脂成形金型，成形方法，成形装置の具体的実施例を説明する。
【００２８】
（実施例１）
図１に示す樹脂成形金型では、金属薄膜４として、Ｃｕメッキ（Ｎｉメッキでもよい）が薄膜金属処理された金属薄板を使用し、薄膜発熱体６として、通電装置に電気的に接続されたＩＴＯ薄膜を使用した。金属板５の厚さは３〜２０ｍｍにした。この厚さは、金属薄膜４の転写面４ａにおける昇温／冷却速度あるいは強度などに基づいて設定すべきであるが、望ましくは５〜１０ｍｍ程度がよい。
【００２９】
減圧気体室７は、厚さを１〜１０ｍｍとし、内部圧力を１０〜１０５Ｐａに設定した。また射出樹脂温度は、１７０〜３００℃に設定し、使用する熱可塑性樹脂のガラス転移温度をＴｇとして、転写面４ａの温度が（Ｔｇ＋１℃）〜（Ｔｇ＋２００℃）になるまで薄膜発熱体６に通電した。また、金型全体を温調機構（図示せず）を用いて室温〜１５０℃の所定温度に保持した。
【００３０】
図３，図４に示すように、減圧気体室７が作用しない樹脂充填空間部３に、断熱材８あるいはヒータ９を設置して、樹脂生成物の急激な冷却を抑制することも効果であった。
【００３１】
また、減圧気体室７の圧力設定において、転写性を考慮した最適圧力に設定する必要がある。転写性を向上させるためには減圧気体室７の内部圧力を低くするように調整し、また冷却時間を短縮したい場合は圧力を高くするように調整した。
【００３２】
（実施例２）
図５に示す樹脂成形金型は、基本的に実施例１にて説明した構造および成形方法と同一だが、異なる点は減圧気体室７に支柱１０を設けたことであって、支柱１０の先端に形成する断熱材１１としてＡｌ２Ｏ３などのセラミックス（ポリイミドなどの樹脂でもよい）を用い、断熱材１１の厚みは０．０５ｍｍ以上に設定した。支柱１０の設定は、支柱１０の固定方法，手段によって適宜設定する必要があるが、本例では支柱１０を固定するためにビスを使用したため、そのビスの径と溝ピッチと長さなどに基づいて、支柱１０の高さｈと幅ｗの関係が０．５＜ｈ／ｗ＜６となるように設定した。
【００３３】
（実施例３）
部分的に肉厚が異なる成形品を成形する際には、図６，図７に示す樹脂成形金型を用いた。基本的に実施例１にて説明した構造および成形方法と同一だが、減圧気体室７ａ，７ｂを２つ設けたり、減圧気体室７ｃを部分的に配置した点が異なる。
【００３４】
図６に示す例では、成型品の厚さが０．７ｍｍ以上の肉厚部分１３ａの減圧気体室７ａを１０５Ｐａ以下に設定し、また成型品の厚さが０．７ｍｍ以下の薄肉部分１３ｂの減圧気体室７ｂを１０４Ｐａ以下に設定した。また図７に示す例では、成型品の厚さが０．７ｍｍ以下の肉薄部分１３ｃのみに減圧気体室７ｃを設置し、それ以外の部分には減圧気体室を設置しなかった。
【００３５】
（実施例４）
図８に示す樹脂成形金型も、基本的に実施例１にて説明した構造および成形方法と同一だが、本例では減圧気体室７に冷却用ブロック１５を設け、樹脂充填後の冷却工程において冷却用ブロック１５を移動させ、金属板５に近接させて樹脂充填空間部３内の熱を放熱するようにした。ここで冷却用ブロック１５として、グラフアイトあるいは銅など熱伝導の良い材料を用いた。
【００３６】
（実施例５）
図９は図８に示す樹脂成形金型を用いた樹脂成形装置の構成を示しており、転写面４ａおよびその近傍の部材に温度検知センサ１９を設置した。そして、樹脂充填工程直前に薄膜発熱体６による転写面４ａの加熱と、樹脂充填後の冷却工程に冷却用ブロック１５による転写面４ａの冷却とを繰り返した。
【００３７】
その際、加熱／冷却時間を制御するために、図９に示すように、温度検知センサ１９により検知した温度検知データをＭＰＵ２０に出力し、温度検知センサ１９からの温度情報があらかじめ設定されている所定温度になるように薄膜発熱体６と冷却用ブロック１５の動作を制御する温度フィードバック機能を備えた。
【００３８】
また、本例では転写面４ａの温度を、成型に用いる熱可塑性樹脂のＴｇに対して、（Ｔｇ＋１℃）〜（Ｔｇ＋２００℃）になるように設定したが、それを実現するために薄膜発熱体６による加熱を０．５〜３０ｓｅｃ、また冷却用ブロック１５による冷却を０．５〜６０ｓｅｃ内で行うように時間，タイミング制御を行った。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る樹脂成形金型および樹脂成形装置ならびに樹脂成形方法によれば、薄膜発熱体の発熱制御にて、加熱温度をコントロールすることができるため、樹脂充填工程において樹脂温度が低下してしまうこと抑制することができ、また、減圧気体室の圧力制御にて、その熱伝導率をコントロールすることができるため、冷却工程において急速に樹脂温度を低下させることを可能にし、転写性の向上と外観良品化とを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明するための樹脂成形金型の断面図
【図２】本実施形態における減圧気体室に設置される圧力調整機構の構成例を示す断面図
【図３】本実施形態における樹脂充填空間部において断熱材を設けた構成例を示す断面図
【図４】本実施形態における樹脂充填空間部においてヒータを設けた構成例を示す断面図
【図５】本実施形態における減圧気体室に支柱を設けた構成例を示す断面図
【図６】本実施形態における減圧気体室を複数設置した構成例を示す断面図
【図７】本実施形態における減圧気体室を部分的に設置した構成例を示す断面図
【図８】本実施形態における減圧気体室に冷却用ブロックを設けた構成例を示す断面図
【図９】図８に示す樹脂成形金型を用いた樹脂成形装置の概略構成図
【図１０】従来の樹脂成形金型の一例を示す断面図
【符号の説明】
１  金型固定部
２  金型可動部
３  樹脂充填空間部
４  金属薄膜
４ａ  転写面
５  金属板
６  薄膜発熱体
７，７ａ，７ｂ，７ｃ  減圧気体室
８  断熱材
９  ヒータ
１０  支柱
１１  断熱材
１２  熱高伝導性薄膜
１３ａ，１３ｃ  肉厚部
１３ｂ  肉薄部
１５  冷却用ブロック
１６  冷却用ブロック冷却部材
１７，２０  ＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）
１９  温度検知センサ
２１  通孔
２２  ピストン
２３  弾性リング体
２４  スプリング
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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