(57)【要約】【課題】キャビティ近傍の入れ子の温度分布を少なくし、金型から取り出した後のプラスチック成形品の収縮量ばらつきが少なく、優れた形状寸法精度を有するようにしたプラスチック成形用金型を提供する。【解決手段】射出成形用金型３は、光学面を形成する鏡面駒４（ＳＵＳ系の鋼材）とキャビティ入れ子５（金属−セラミックス複合材）で囲まれたキャビティ６を有する。キャビティ入れ子５と金型ベース７（炭素鋼）には、金型を加熱するカートリッジヒータ８と熱電対９を有し、温度制御装置に連結される。さらに、カートリッジヒータ８とキャビティ入れ子５の間に、高熱伝導率・高熱膨張率材料層１０（銅合金）が設けられる。金属−セラミックス複合材は、Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金とＳｉＣ系のセラミックスを非加圧金属浸透法により複合された材料であり、ＳｉＣ含有率は５５体積％である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率の異なる材質からなる複数の部材を組み合わせてキャビティを構成するプラスチック成形用金型において、温度制御部材を有する入れ子の少なくとも一部は、金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とするプラスチック成形用金型。
【請求項２】
前記温度制御部材と前記金属−セラミックス複合材料の間に、高熱伝導率且つ高熱膨張率材料層を設けることを特徴とする請求項１記載のプラスチック成形用金型。
【請求項３】
前記金属−セラミックス複合材料は、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料であることを特徴とする請求項１または２記載のプラスチック成形用金型。
【請求項４】
前記セラミックス粉末またはセラミックス繊維の含有量は、４０〜６０体積％であることを特徴とする請求項３記載のプラスチック成形用金型。
【請求項５】
前記高熱伝導率且つ高熱膨張率材料層は、銅または銅合金からなることを特徴とする請求項２〜４いずれか記載のプラスチック成形用金型。
【請求項６】
前記高熱伝導率且つ高熱膨張率材料層は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項２〜４いずれか記載のプラスチック成形用金型。
【請求項７】
前記温度制御部材は、カートリッジヒータからなることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載のプラスチック成形用金型。
【請求項８】
前記温度制御部材は、フィルムヒータからなることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載のプラスチック成形用金型。
【請求項９】
前記温度制御部材は、加熱または冷却媒体管からなることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載のプラスチック成形用金型。
【請求項１０】
前記入れ子のうち、転写面を形成するキャビティ入れ子以外は、前記金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とする請求項１〜９いずれか記載のプラスチック成形用金型。
【請求項１１】
前記入れ子のうち、摺動面を有する入れ子以外は、前記金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とする請求項１〜９いずれか記載のプラスチック成形用金型。
【請求項１２】
前記金属−セラミックス複合材料からなる入れ子及び該入れ子が構成するキャビティを含む全体が、より低熱伝導率の材料で覆われていることを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載のプラスチック成形用金型。
【請求項１３】
請求項１〜１２いずれか記載のプラスチック成形用金型により成形されたことを特徴とするプラスチック成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック成形品を成形するための成形用金型及びプラスチック成形品に関し、特に高精度な形状寸法が要求される熱可塑性プラスチック成形品を成形するための成形用金型及びプラスチック成形品に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。特に、レーザ方式のデジタル複写機、レーザプリンタ、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では、プラスチックレンズのようなプラスチック光学素子として高精度な光学鏡面を有するプラスチック成形品が多用されている。
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。
【０００３】
特許文献１に記載された「金型の温度制御方法および金型の温度制御装置」は、金型のキャビティに対向させて金型の内部または外部に少なくとも２本以上の棒状ヒータを設け、棒状ヒータの内部の発熱素子を複数に分割して個々の発熱素子を加熱するようにした金型の温度制御方法であって、前記棒状ヒータの各発熱素子を少なくとも２つ以上のグループに分類し、各グループ毎に個別に設定された温度サイクルに基づいて発熱素子の加熱量を制御する金型の温度制御方法に関し、キャビティ全体の温度分布を均一にすることができ、成型品の形状精度が悪化したり光学歪みが発生すること防止することを特徴としている。
【０００４】
また、特許文献２に記載された「プラスチック成形型」は、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料からなるプラスチック成形型であって、軽量であるため作業性が良く、高剛性であるため撓むことがなく、熱膨張率が金属と比較して小さいため高精度な成形が可能であり、しかも耐熱性に優れていることを特徴としている。
【特許文献１】特開平１１−１７０３２３号公報
【特許文献２】特開２００２−１５５３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記したように、高精度な光学鏡面を有するプラスチックレンズ等のプラスチック成形品を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が、この方法では、樹脂の充填直後の温度分布はキャビティ内の樹脂体積に応じた分布をなしている。
【０００６】
このため、キャビティ形状が複雑、且つ、肉厚に極端な差がある場合、そのまま冷却しても温度分布が均一にならず、形状精度の悪化や光学歪みが発生し、特に高精度が要求される光学部品等では問題になっている。
【０００７】
ここで、不均一な温度分布が問題となる理由を説明する。
射出成形法では、成形品は金型から取り出した後、外気によって冷却され収縮する。つまり、金型内で形状を転写していたとしても、成形品取り出し時において、成形品に温度分布があると、金型から取り出した後に、収縮量の違いによって形状精度の悪化が生じることになる。
【０００８】
また、従来の金型温度制御方法では、樹脂と金型の温度差の激しい射出充填直後と温度差の少ない離型前では当然温度分布の程度が異なり、成形の全工程で温度分布均一化を保つことは困難である。さらに、金型の設定温度を変更する等、条件が変化した場合にも温度分布が変化してしまい、均一化が保てなくなる等の不具合があった。
【０００９】
そこで、上記問題点を改善するために、以下に示す２つの方法が考えられる。
（１）例えば、銅や銅合金、またはアルミニウムやアルミニウム合金等の高熱伝導率材料をキャビティ入れ子に使用する方法。
この方法のように、金型温度均一化のために、金型材料に高熱伝導率材料を使用する場合、例えば高熱伝導率材料として銅やアルミニウムを使用した場合、銅やアルミニウムは従来の金型用鋼材と比較して熱膨張係数が大きいため、形状寸法が金型温度等の影響を強く受けることになり、成形品の形状寸法精度が劣る。また、銅やアルミニウム等と他の鋼材を併せて金型に使用する場合は、入れ子間の接触が悪い等の不具合がある。
【００１０】
また、特許文献２に記載されたプラスチック成形型のように、高熱伝導材料に金属−セラミックス複合材料を使用した場合は、鋼材に比べて加工が難しく、加工精度が低下する。その結果、所望の形状の成形品が得られない等の不具合がある。
【００１１】
（２）特許文献１に記載された金型の温度制御方法及び金型の温度制御装置のように、金型の複数箇所で個別に設定した温度制御を行う方法。
この方法は、温度分布均一化には大きな効果が得られるが、温度制御点数の増加に伴い、成形中の操作性及びメンテナンス性を含めた段取り性において不具合があった。特に、多数個取りの成形においては、より顕著である。
【００１２】
本発明は、前記従来技術が有する問題点を解決するためになされたものであって、請求項１、７、８、９の発明は、熱伝導率の異なる複数の材質を組み合わせてキャビティを構成するプラスチック成形用金型において、温度制御部材を有する入れ子の少なくとも一部が、金属−セラミックス複合材料からなることで、キャビティ近傍の金型温度分布が極端に少ないプラスチック成形用金型を提供することを目的とする。
【００１３】
また、請求項２、５、６の発明は、温度制御部と金属−セラミックス複合材料の間に、高熱伝導、且つ、高熱膨張材料層を設けることで、温度制御部材とキャビティ入れ子の界面接触状態を向上させた、金型温度分布が極端に少ないプラスチック成形用金型を提供することを目的とする。
【００１４】
また、請求項３、４の発明は、金属−セラミックス複合材料が、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料であるプラスチック成形用金型において、セラミックス粉末またはセラミックス繊維の含有量は、４０〜６０体積％であることで、キャビティ入れ子間の接触状態を向上させた、金型温度分布が極端に少ないプラスチック成形用金型を提供することを目的とする。
【００１５】
また、請求項１０、１１の発明は、熱伝導率の異なる複数の材質を組み合わせてキャビティを構成するプラスチック成形用金型において、キャビティ入れ子のうち、前記金属−セラミックス複合材料の使用箇所を制限することで、高精度な形状寸法のプラスチック成形品を製造できる金型を低コストで提供することを目的とする。
【００１６】
また、請求項１２の発明は、金属−セラミックス複合材料からなるキャビティ入れ子及びキャビティ入れ子が構成するキャビティを含む全体が、より低熱伝導な材料で覆われていることで、熱容量の低下分を補填し、外乱要因に強く、キャビティ近傍の金型温度分布が極端に少ないプラスチック成形用金型を提供することを目的とする。
【００１７】
また、請求項１３の発明は、金型から取り出した後のプラスチック成形品の収縮量ばらつきが極端に少なく、優れた形状寸法精度を有するプラスチック成形品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１に係る発明は、熱伝導率の異なる材質からなる複数の部材を組み合わせてキャビティを構成するプラスチック成形用金型において、温度制御部材を有する入れ子の少なくとも一部は、金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とする。
【００１９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のプラスチック成形用金型において、前記温度制御部材と前記金属−セラミックス複合材料の間に、高熱伝導率且つ高熱膨張率材料層を設けることを特徴とする。
【００２０】
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載のプラスチック成形用金型において、前記金属−セラミックス複合材料は、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料であることを特徴とする。
【００２１】
請求項４に係る発明は、請求項３記載のプラスチック成形用金型において、前記セラミックス粉末またはセラミックス繊維の含有量は、４０〜６０体積％であることを特徴とする。
【００２２】
請求項５に係る発明は、請求項２〜４いずれか記載のプラスチック成形用金型において、前記高熱伝導率且つ高熱膨張率材料層は、銅または銅合金からなることを特徴とする。
【００２３】
請求項６に係る発明は、請求項２〜４いずれか記載のプラスチック成形用金型前において、前記高熱伝導率且つ高熱膨張率材料層は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする。
【００２４】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６いずれか記載のプラスチック成形用金型において、前記温度制御部材は、カートリッジヒータからなることを特徴とする。
【００２５】
請求項８に係る発明は、請求項１〜６いずれか記載のプラスチック成形用金型において、前記温度制御部材は、フィルムヒータからなることを特徴とする。
【００２６】
請求項９に係る発明は、請求項１〜６いずれか記載のプラスチック成形用金型において、前記温度制御部材は、加熱または冷却媒体管からなることを特徴とする。
【００２７】
請求項１０に係る発明は、請求項１〜９いずれか記載のプラスチック成形用金型において、前記入れ子のうち、転写面を形成するキャビティ入れ子以外は、前記金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とする。
【００２８】
請求項１１に係る発明は、請求項１〜９いずれか記載のプラスチック成形用金型において、前記入れ子のうち、摺動面を有する入れ子以外は、前記金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とする。
【００２９】
請求項１２に係る発明は、請求項１〜１１いずれか記載のプラスチック成形用金型において、前記金属−セラミックス複合材料からなる入れ子及び該入れ子が構成するキャビティを含む全体が、より低熱伝導率の材料で覆われていることを特徴とする。
【００３０】
請求項１３に係る発明は、請求項１〜１２いずれか記載のプラスチック成形用金型により成形されたプラスチック成形品であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１に係る発明の作用効果
熱伝導率の異なる材質からなる複数の部材を組み合わせてキャビティを構成するプラスチック成形用金型において、温度制御部材を有する入れ子の少なくとも一部が、金属−セラミックス複合材料からなることで、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができる。
【００３２】
請求項２に係る発明の作用効果
温度制御部材と金属−セラミックス複合材料の間に、高熱伝導、且つ、高熱膨張材料層を設けることで、材料間の熱膨張率差を利用して、温度加熱時には、クリアランスをなくすことができ、その結果、効率的な温度制御を行うことができ、また、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができる。
【００３３】
請求項３に係る発明の作用効果
金属−セラミックス複合材料が、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料であることで、熱伝導が大きいことを利用し、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができる。
【００３４】
請求項４に係る発明の作用効果
金属−セラミックス複合材料が、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料であるプラスチック成形用金型において、セラミックス粉末またはセラミックス繊維の含有量が、４０〜６０体積％であることで、金型の他の鋼材との熱膨張率を揃えられ、キャビティ入れ子間の接触状態を向上させることができ、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができる。
【００３５】
請求項５に係る発明の作用効果
温度制御部と金属−セラミックス複合材料の間に設ける高熱伝導、且つ、高熱膨張材料層が銅または銅合金からなることで、高熱伝導、且つ、高熱膨張な材料特性を確保することができ、金型の他の鋼材との熱膨張率を揃えられ、キャビティ入れ子間の接触状態を向上させることができ、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができる。
【００３６】
請求項６に係る発明の作用効果
温度制御部と金属−セラミックス複合材料の間に設ける高熱伝導、且つ、高熱膨張材料層がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることで、高熱伝導、且つ、高熱膨張な材料特性を確保することができ、金型の他の鋼材との熱膨張率を揃えられ、キャビティ入れ子間の接触状態を向上させることができ、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができる。
【００３７】
請求項７に係る発明の作用効果
温度制御部材がカートリッジヒータからなることで、金型メンテナンス時等、操作性に優れ、また、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができる。
【００３８】
請求項８に係る発明の作用効果
温度制御部材がフィルムヒータからなることで、キャビティを効率的に温度制御することができ、また、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができる。
【００３９】
請求項９に係る発明の作用効果
温度制御部材が加熱または冷却媒体管からなることで、連続成形時の温度安定性に優れ、また、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができる。
【００４０】
請求項１０に係る発明の作用効果
熱伝導率の異なる材質からなる部材を複数の組み合わせてキャビティを構成するプラスチック成形用金型において、キャビティ入れ子のうち、転写面を形成するキャビティ入れ子（鏡面駒）以外が前記金属−セラミックス複合材料であり、金属−セラミックス複合材料の使用箇所を制限することで、高精度な形状寸法のプラスチック成形品を製造できる金型を低コストに製造することができる。特に、転写面の形状精度に優れたプラスチック成形品を製造できる。
【００４１】
請求項１１に係る発明の作用効果
熱伝導率の異なる複数の材質を組み合わせてキャビティを構成するプラスチック成形用金型において、キャビティ入れ子のうち、摺動面を有する入れ子以外が前記金属−セラミックス複合材料であり、金属−セラミックス複合材料の使用箇所を制限することで、加工精度に適した金型設計をすることで、高精度な形状寸法のプラスチック成形品を製造できる金型を低コストに製造することができる。特に、転写面の形状精度に優れ、バリのない高精度な形状寸法のプラスチック成形品を製造できる。
【００４２】
請求項１２に係る発明の作用効果
前記金属−セラミックス複合材料からなる入れ子及び該入れ子が構成するキャビティを含む全体が、より低熱伝導な材料で覆われているで、キャビティ入れ子の密度が小さく、その結果、熱容量が小さい金型において、低熱伝導率な外枠が外乱要因から、キャビティ周辺の温度を守る効果が得られる。さらに、その内側に、温度制御部材を有することで、優れた温度応答性、温度安定性を得られる。
【００４３】
請求項１３に係る発明の作用効果
請求項１〜１１記載のプラスチック成形用金型により成形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収縮量ばらつきが極端に少なく、高精度な形状寸法を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明は、特に高精度な形状寸法が要求される熱可塑性プラスチック成形品を成形するための成形用金型及びプラスチック成形品に関するもので、熱伝導率の異なる材質からなる複数の部材を組み合わせてキャビティを構成するプラスチック成形用金型において、温度制御部材を有する入れ子の少なくとも一部は、金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とする。なお、入れ子とは、金型のコアやキャビティにはめ込まれる別部品を意味する。
本発明は、温度制御部材を有する入れ子の少なくとも一部が、金属−セラミックス複合材料からなることで、キャビティ近傍の金型温度分布を極端に小さくすることができ、金型から取り出した後のプラスチック成形品の収縮量ばらつきが極端に少なく、高精度な形状寸法を有するプラスチック成形品を提供することができる。
【実施例１】
【００４５】
以下、本発明の実施例１のプラスチック成形用金型について説明する。
図１は、本発明の実施例１の射出成形用金型で成形した、レーザプリンタ等に用いられる走査レンズの斜視図である。
図１に示す走査レンズ１において、上面と下面が光学面２であり、レーザプリンタ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。
【００４６】
図１に例示する走査レンズ１の形状寸法は、次の通りである。
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
また、Ｚｅｏｎｅｘの主な物性値は次の通りである。
熱変形温度（荷重たわみ温度）  ：１２３℃  （試験方法ＡＳＴＭ  Ｄ６４８）
ガラス転移温度  ：１３８℃  （試験方法ＤＳＣ）
【００４７】
次に、本発明の実施例１の射出成形用金型について説明する。
図２は、本発明の実施例１の射出成形用金型を示す断面図である。
実施例１の射出成形用金型３は、光学面を形成する１対の鏡面駒４と、鏡面駒側面に位置する２対のキャビティ入れ子５で囲まれたキャビティ６を有している。キャビティ入れ子５と金型ベース７には、金型を加熱するためにカートリッジヒータ８と熱電対９を具備し、カートリッジヒータ８と熱電対９は、射出成形用金型３の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。さらに、カートリッジヒータ８とキャビティ入れ子５の間に、高熱伝導率・高熱膨張率材料層１０が設けられている。
【００４８】
また、金型の材質については、鏡面駒４はＳＵＳ系の鋼材、キャビティ入れ子５は金属−セラミックス複合材、金型ベース７は炭素鋼、高熱伝導率・高熱膨張率材料層１０は銅合金によって形成されている。
【００４９】
ここで、金型材の物性値（熱伝導率、熱膨張率）は、表１に示す通りである。
鏡面駒４はウッデホルム社製のＳＴＡＶＡＸ（ＳＵＳ系）、キャビティ入れ子５はセランクス社製のＰＳＩ−５５（金属−セラミックス複合材）、金型ベース７はＮＫＫ製のＳ５５Ｃ（炭素鋼）、高熱伝導率・高熱膨張率材料層１０は神戸製鋼製のＨＲ７５０（銅合金）を使用している。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
次に、実施例１の射出成形用金型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。射出成形用金型３は使用樹脂材料のガラス転移温度直下の１３５℃になるようにカートリッジヒータ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ガラス転移温度以下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８の温度を調節しておく。
【００５２】
次に、キャビティ６内に樹脂圧力を発生させて、樹脂を光学面形成のための一対の鏡面駒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。
【００５３】
図３は、実施例１の射出成形用金型３を用いて成形したプラスチック成形品における成形品温度履歴を示すグラフである。
実施例１の射出成形用金型３を用いて成形したプラスチック成形品では、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、成形品は冷却され、収縮する。そのため、成形品に不均一な温度分布があると、金型から取り出した後に、収縮量の違いによって形状精度の悪化が生じることになる。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。
【００５４】
図４は、実施例１で形成されたプラスチック成形品の温度分布測定結果と比較例のプラスチック成形品の温度分布測定結果を比較して示すグラフである。
ここで、実施例１の射出成形用金型におけるキャビティ入れ子５の材質は、セランクス社製のＰＳＩ−５５（金属−セラミックス複合材）からなるものであったが、比較例のキャビティ入れ子の材質を日立金属社製のＨＰＭ３８（ＳＵＳ系）に変更した（以下、比較例という）。
比較例では、樹脂の温度分布はキャビティ内の樹脂体積（成形品肉厚）に応じた分布をなしており、レンズ高さ中心位置で温度が最も高く、端部で低くなっている。
これに対して、実施例１で形成されたキャビティ入れ子５の測定結果は、成形品長手方向の温度分布で±０.５℃以内と極めて温度分布が少ない。必要な温度分布は、成形品仕様によって異なるが、成形品形状精度で０.３μｍ以下を求める場合には、成形品温度分布は１℃以内が望ましい。
【００５５】
つまり、プラスチック成形品の製造過程において、前記の現象を改善する必要があるのは、（１）プラスチック成形品の金型取り出し温度と雰囲気温度に著しい温度差がある場合、（２）プラスチック成形品が厚肉・偏肉形状である場合、（３）プラスチック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。
【００５６】
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。
【００５７】
図５は、走査レンズの光学面の形状を超高精度三次元測定機で測定する際の計測プローブの走査方向を示す図である。
図示しない計測プローブを図５に示すように、まず母線の中央部をＸ軸方向に走査（主走査）してＺ方向の高さ（デプス）を測定し、次に計測プローブをＹ軸方向に走査（副走査）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。実施例１による走査レンズでは、１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。
【００５８】
図６は、前記形状測定方法によって、実施例１によるプラスチック成形品と比較例のプラスチック成形品の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、測定結果を比較して示すグラフである。図６のグラフにおいて、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ΔＣを示す。
図６から、実施例１のプラスチック成形品は長手方向の収縮量が安定しており、所望の形状精度を得ることができている。
【００５９】
図７は、プラスチック成形品の温度と形状精度の関係について示すグラフである。
図７は、横軸にプラスチック成形品長手方向の温度（レンズ高さ０ｍｍとの温度差）ΔＴ、縦軸に副走査形状の曲率誤差ΔＣとして、実施例１のプラスチック成形品と比較例のプラスチック成形品の測定結果を比較して示しており、プラスチック成形品の形状精度は温度分布に依存していることがわかる。
【００６０】
実施例１の射出成形用金型で使用した金属−セラミックス複合材について説明する。
キャビティ入れ子５の材質であるセランクス社製のＰＳＩ−５５（金属−セラミックス複合材）は、Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金とＳｉＣ系のセラミックスを非加圧金属浸透法により複合された材料であり、ＳｉＣ含有率が５５体積％である。
【００６１】
図８は、金属−セラミックス複合材における、ＳｉＣ含有率と熱膨張率の関係を示すグラフである。
図８に示すように、ＳｉＣ含有率を約４０〜６０体積％にすることで、金型の他の鋼材との熱膨張率を揃えることができ、キャビティ入れ子間の接触状態を向上させることができる。
【００６２】
実施例１の射出成形用金型に設けられている高熱伝導率・高熱膨張率材料層１０について説明する。
通常、金型のヒータ穴にヒータを挿入して使用する場合、ヒータ穴とヒータの間にはクリアランスが存在し、且つ、空気の熱伝導率は極めて小さいため、効率的に温度制御を行うことは難しい。しかし、実施例１の射出成形用金型のようにヒータ（温度制御部）とキャビティ入れ子５（金属−セラミックス複合材料）が有するヒータ穴との間に、高熱伝導率・高熱膨張率材料層（銅合金）を設けることで、材料間の熱膨張率差を利用して、温度加熱時にはクリアランスをなくすことができる。その結果、効率的な温度制御を行うことができ、またプラスチック成形品の温度分布を小さくすることができる。実施例１の射出成形用金型では、高熱伝導率・高熱膨張率材料層として銅合金を使用したが、その他、アルミニウムまたはアルミニウム合金等、鋼材と比較して高熱伝導率、且つ高熱膨張率の特性を有する材料であれば、利用可能である。
【００６３】
実施例１の射出成形用金型で、金型ベース７に炭素鋼を用いたのは、切削性に優れている点、低コストな点、さらにキャビティ入れ子５に比べて低熱伝導率であるためである。
つまり、温度制御部であるカートリッジヒータ８を含むキャビティ入れ子５及びキャビティ入れ子が構成するキャビティ６の全体を覆うように、金型ベース７が存在することで、実施例１の射出成形用金型３のように、キャビティ入れ子５の密度が小さく、その結果熱容量が小さい金型において、低熱伝導率の金型ベース７が外乱要因から、キャビティ周辺の温度を守る効果が得られる。さらに、その内側に温度制御部を有することで、優れた温度応答性、温度安定性が得られる。
【００６４】
実施例１の射出成形用金型は、キャビティ近傍の金型温度分布が極端に少ない。また、実施例１の射出成形用金型を用い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収縮量ばらつきが小さく、非常に高精度な形状寸法を有する。
【００６５】
実施例１の射出成形用金型は、走査レンズを成形する例において実施しているが、厚肉・偏肉なプラスチック成形品で、前記効果が得られる全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。
【００６６】
また、実施例１の射出成形用金型は、シクロオレフィンポリマーについて実施しているが、使用樹脂材料によらず、前記効果が得られる全ての熱可塑性プラスチックに適用される。つまり、（１）プラスチック成形品の金型取り出し温度と雰囲気温度に著しい温度差がある場合、（２）プラスチック成形品が厚肉・偏肉形状である場合、（３）プラスチック成形品が高精度な形状寸法を要求されるプラスチック成形品である場合、であれば適用可能である。
【００６７】
実施例１の射出成形用金型は、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、金型温度を均一にし、金型から取り出した後のプラスチック成形品収縮量ばらつきを小さくすることを特徴としているため、成形法には依らず、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等、様々な成形法に適用可能である。
【実施例２】
【００６８】
次に、実施例２の射出成形用金型について説明する。
図９は、レーザプリンタに用いられる走査レンズの概略斜視図である。
図９に示す走査レンズ１１の材質は、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ光学グレード）であって、ポリカーボネート樹脂の主な物性値及び走査レンズの形状寸法は次の通りである。
【００６９】
ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）
熱変形温度（荷重たわみ温度）  ：  １２１℃  （試験方法ＡＳＴＭ  Ｄ６４８）
ガラス転移温度  ：  １４５℃  （試験方法ＤＳＣ）
走査レンズの形状寸法
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
【００７０】
図１０は、実施例２の射出成形用金型におけるキャビティ周辺の断面図である。
光学面を形成する一対の鏡面駒４と、鏡面駒側面に位置する２対のキャビティ入れ子５で囲まれたキャビティ６を有しており、光学面を形成する１対の鏡面駒４には、成形品取り出し時に使用する突出しピン１２が備えられている。キャビティ入れ子５には、金型を加熱するための油温調用パイプ１３と、熱電対９が備えられている。さらに、油温調用パイプ１３とキャビティ入れ子５の間に、高熱伝導率・高熱膨張率材料層１０が設けられている。
【００７１】
また、射出成形用金型３の材質は、実施例１の射出成形用金型と同様に、それぞれ鏡面駒４はＳＵＳ系の鋼材、キャビティ入れ子５は金属−セラミックス複合材、高熱伝導・高熱膨張材料層１０はアルミニウム合金から形成されている。
【００７２】
次に、実施例２の射出成形用金型の動作について説明する。
射出成形用金型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ガラス転移温度直下の１４２℃になるように油温調用パイプ１３内に油を流通させ、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、射出成形用金型３を使用樹脂材料のガラス転移温度以下である所定の温度に保持するように、油温調用パイプ１３内の油の温度を調節しておく。
【００７３】
次に、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１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突出しピン１２を用いて突出し、図示しない成形品取り出し装置を用いて射出成形用金型から取り出し、室温放冷している。
【００７４】
ここで、実施例２の射出成形用金型では、突出しピン１２を鏡面駒４に備えている。それは、高熱伝導材料に金属−セラミックス複合材料を使用した場合には、鋼材に比べて加工が難しく、加工精度が低下する。その結果、所望の形状の成形品が得られない等の不具合がある。実施例２の射出成形用金型の場合には、突出しピン１２の周辺にバリが発生する。
【００７５】
また、金属−セラミックス複合材料が摺動面に使われる場合には、耐磨耗性が問題となる。仮に、突出しピン１２が鋼材で、摺動面に相当する部材が金属−セラミックス複合材料である場合は、金属−セラミックス複合材料の金属成分が欠けてきたり、また突出しピン１２が摺動により削られ、突出しピン周辺にバリが発生する不具合がある。
【００７６】
つまり、熱伝導率の異なる複数の材質を組み合わせてキャビティを構成するプラスチック成形用金型において、キャビティ入れ子のうち、金属−セラミックス複合材料の使用箇所を制限し、加工精度に適した金型設計をすることで、高精度な形状寸法のプラスチック成形品を製造する金型を低コストで提供することができる。
【００７７】
実施例２の射出成形用金型は、キャビティ近傍の金型温度分布が極端に少ない。また、実施例２の射出成形用金型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収縮量ばらつきが小さく、非常に高精度な形状寸法を有する。
【実施例３】
【００７８】
次に、実施例３の射出成形用金型について説明する。
実施例３の射出成形用金型で成形するプラスチック成形品は、実施例２で成形した走査レンズ１１と同一形状とする。また、材質は実施例１で使用した走査レンズ１と同様のシクロオレフィンポリマー（Ｚｅｏｎｅｘ）である。
【００７９】
図１１は、実施例３の射出成形用金型におけるキャビティ周辺の断面図である。
光学面を形成する１対の鏡面駒４と、鏡面駒４の側面に位置する２対のキャビティ入れ子５で囲まれたキャビティ６を有しており、光学面を形成する一対の鏡面駒４には、成形品取り出し時に使用する突出しピン１２が備えられている。キャビティ入れ子５には、金属−セラミックス複合材からなる部分１４と、金型を加熱するためのフィルムヒータ１５と、熱電対９を具備している。さらに、フィルムヒータ１５と金属−セラミックス複合材からなる部分１４の間に、高熱伝導・高熱膨張材料層１０が設けられている。
【００８０】
また、射出成形用金型の材質は実施例１の射出成形用金型と同様に、それぞれ、鏡面駒４はＳＵＳ系の鋼材、キャビティ入れ子５はＳＵＳ系の鋼材と金属−セラミックス複合材からなる部分１４、高熱伝導・高熱膨張材料層１０はアルミニウム合金からなっている。
【００８１】
次に、実施例３の射出成形用金型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１１の成形を行う。金型は使用樹脂材料のガラス転移温度直下の１３５℃になるようにフィルムヒータ１５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、射出成形用金型３を使用樹脂材料のガラス転移温度以下である所定の温度に保持するように、フィルムヒータ１５の温度を調節しておく。
【００８２】
次に、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、突出しピン１２を用いて突出し、図示しない成形品取り出し装置を用いて射出成形用金型３から取り出し、室温放冷している。
【００８３】
ここで、実施例３の射出成形用金型３では、キャビティ入れ子５には、金属−セラミックス複合材からなる部分１４とＳＵＳ系の鋼材からなる部分を有している。つまり、熱伝導率の異なる複数の材質を組み合わせてキャビティ６を構成する射出成形用金型において、温度制御部を有する入れ子の少なくとも一部が、金属−セラミックス複合材料からなる金型構造をしている。
また、実施例３の射出成形用金型３では、金型の温度制御部がフィルムヒータ１５からなっており、キャビティ６を効率的に温度制御することができている。
【００８４】
実施例３の射出成形用金型はキャビティ近傍の金型温度分布が極端に少ない。また、実施例３の射出成形用金型を用いて成形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収縮量ばらつきが小さく、非常に高精度な形状寸法を有する。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施例１の射出成形用金型で成形したレーザプリンタ等に用いられる走査レンズの斜視図である。
【図２】実施例１の射出成形用金型を示す断面図である。
【図３】実施例１の射出成形用金型を用いて成形したプラスチック成形品における成形品温度履歴を示すグラフである。
【図４】実施例１のプラスチック成形品の温度分布測定結果と比較例のプラスチック成形品の温度分布測定結果を比較して示すグラフである。
【図５】走査レンズの光学面の形状を超高精度三次元測定機で測定する際の計測プローブの走査方向を示す図である。
【図６】実施例１のプラスチック成形品と比較例のプラスチック成形品の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、測定結果を比較して示すグラフである。
【図７】プラスチック成形品の温度と形状精度の関係について、実施例１のプラスチック成形品と比較例のプラスチック成形品の測定結果を比較して示すグラフである。
【図８】金属−セラミックス複合材における、ＳｉＣ含有率と熱膨張率の関係を示すグラフである。
【図９】レーザプリンタに用いられる走査レンズの概略斜視図である。
【図１０】実施例２の射出成形用金型におけるキャビティ周辺の断面図である。
【図１１】実施例３の射出成形用金型におけるキャビティ周辺の断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１…走査レンズ、２…光学面、３…射出成形用金型、４…鏡面駒、５…キャビティ入れ子、６…キャビティ、７…金型ベース、８…カートリッジヒータ、９…熱電対、１０…高熱伝導・高熱膨張材料層、１１…走査レンズ、１２…突出しピン、１３…油温調用パイプ、１４…金属−セラミックス複合材からなる部分、１５…フィルムヒータ。
【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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【図１１】
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