(57)【要約】【課題】気泡のない成型体を低圧で形成する。【解決手段】プレス成型用金型１の側面部材４は、互いに略平行な下面４０Ｂ及び上面４０Ａを有し、これら下面４０Ｂ及び上面４０Ａと略垂直方向の中心軸Ｌ１を中心とした軸対称の形状を有する開口部（キャビティ２）により貫通されている。開口部の内側側周面６は、第１平面側から順に、中心軸Ｌ１を中心とする円筒形状の第１側周面６Ａと、第１側周面６Ｂよりも半径が大きく中心軸Ｌ１を中心とする円筒形状の第２側周面６Ｂと、第２側周面６Ｂよりも半径が大きく中心軸Ｌ１を中心とする円筒形状の第３側周面６Ｃと、を有するとともに、第１側周面６Ａ及び第２側周面６Ｂの間と、第２側周面６Ｂ及び第３側周面６Ｃの間と、に中心軸Ｌ１と略垂直方向の平面をそれぞれ有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに略平行な第１平面及び第２平面を有し、これら第１平面及び第２平面と略垂直方向の軸を中心とした軸対称の形状を有する開口部により貫通された成型用金型部材であって、
前記開口部の内側側周面は、
前記第１平面側から順に、
前記軸を中心とする円筒形状の第１側周面と、
前記第１側周面よりも半径が大きく前記軸を中心とする円筒形状の第２側周面と、
前記第２側周面よりも半径が大きく前記軸を中心とする円筒形状の第３側周面と、を有するとともに、
前記第１側周面及び前記第２側周面の間と、前記第２側周面及び前記第３側周面の間と、に前記軸と略垂直方向の平面をそれぞれ有することを特徴とする成型用金型部材。
【請求項２】
前記開口部の前記軸方向の高さを４Ｗとしたとき、
前記第１側周面、前記第２側周面及び前記第３側周面の前記軸方向の長さがそれぞれＷ、Ｗ及び２Ｗであることを特徴とする請求項１に記載の成型用金型部材。
【請求項３】
前記第１側周面、前記第２側周面及び前記第３側周面の半径がそれぞれ、３Ｗ、４Ｗ及び６Ｗであることを特徴とする請求項２に記載の成型用金型部材。
【請求項４】
前記軸を含む断面内で、
前記第１平面を延長した直線及び前記軸の交点と、前記第３側周面における第２平面側の端部とを結んだ直線は、
前記第１側周面における前記第１平面側の端部と、前記第３側周面における第１平面側の端部とを結んだ直線に対し、略平行となっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の成型用金型部材。
【請求項５】
互いに略平行な第１平面及び第２平面を有し、これら第１平面及び第２平面と略垂直方向の軸を中心とした軸対称の形状を有する開口部により貫通された側面形成用金型部材と、
前記開口部における前記第１平面側の開口を遮蔽する第１加圧部材と、
前記開口部における前記第２平面側の開口を遮蔽する第２加圧部材と、を有し、
これら第１加圧部材及び第２加圧部材の少なくとも一方によって、前記開口部に充填された成型材料に加圧することにより、当該成型材料を所定の形状に成型するプレス成型用金型であって、
前記第１加圧部材及び前記第２加圧部材により前記開口部が遮蔽された状態で、
前記開口部の内側側周面は、
前記第１平面側から順に、
前記軸を中心とする円筒形状の第１側周面と、
前記第１側周面よりも半径が大きく前記軸を中心とする円筒形状の第２側周面と、
前記第２側周面よりも半径が大きく前記軸を中心とする円筒形状の第３側周面と、を有するとともに、
前記第１側周面及び前記第２側周面の間と、前記第２側周面及び前記第３側周面の間と、に前記軸と略垂直方向の平面をそれぞれ有することを特徴とするプレス成型用金型。
【請求項６】
前記第１加圧部材及び前記第２加圧部材により前記開口部が遮蔽された状態で、
前記開口部の前記軸方向の高さを４Ｗとしたとき、
前記第１側周面、前記第２側周面及び前記第３側周面の前記軸方向の長さがそれぞれＷ、Ｗ及び２Ｗであることを特徴とする請求項５に記載のプレス成型用金型。
【請求項７】
前記第１加圧部材及び前記第２加圧部材により前記開口部が遮蔽された状態で、
前記第１側周面、前記第２側周面及び前記第３側周面の半径がそれぞれ、３Ｗ、４Ｗ及び６Ｗであることを特徴とする請求項６に記載のプレス成型用金型。
【請求項８】
少なくとも請求項１〜４の何れか一項に記載の成型用金型部材を用いて成型されたことを特徴とする成型体。
【請求項９】
請求項５〜７の何れか一項に記載のプレス成型用金型により成型されたことを特徴とする成型体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成型体を形成するために用いられる成形用金型部材及びプレス成型用金型と、これら成形用金型部材またはプレス成型用金型により成形された成型体とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、樹脂などによって成型体を形成するための金型として、プレス成型用金型がある。このプレス成型用金型は、内部の開口部（キャビティ）に充填された成形材料を加圧することにより、所望の形態の成型体を形成するようになっている。
【０００３】
ところで、光学用途の成型体などを形成する場合には、成型体に透光性が必要とされるため、成型体中には気泡のないことが望ましい。
そのため、近年、成型体中の気泡を低減する技術として、金型に真空脱気装置を取り付けて成形材料中の気泡を除去する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−９４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術によって成型体を形成する場合には、成形材料を金型に充填する前に真空脱気装置内で循環させる必要があり、金型に充填する分の成形材料に加え、脱気装置に充填する分の成形材料が必要となり、成形材料のロスが大きくなってしまう。更に、従来の金型を用いた場合は、脱気のためにプレス時に相当の圧力を成形材料に加える必要があるため、加圧によって成形材料が変質したり、金型の寿命が短くなったりする問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、成形材料のロスを抑えながら、気泡のない成型体を低圧で形成することのできる成形用金型部材及びプレス成型用金型と、気泡のない成型体とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、
互いに略平行な第１平面及び第２平面を有し、これら第１平面及び第２平面と略垂直方向の軸を中心とした軸対称の形状を有する開口部により貫通された成型用金型部材であって、
前記開口部の内側側周面は、
前記第１平面側から順に、
前記軸を中心とする円筒形状の第１側周面と、
前記第１側周面よりも半径が大きく前記軸を中心とする円筒形状の第２側周面と、
前記第２側周面よりも半径が大きく前記軸を中心とする円筒形状の第３側周面と、を有するとともに、
前記第１側周面及び前記第２側周面の間と、前記第２側周面及び前記第３側周面の間と、に前記軸と略垂直方向の平面をそれぞれ有することを特徴とする。
【０００７】
ここで、本発明において「互いに略平行な第１平面及び第２平面」とは、第１平面及び第２平面が正確に平行である場合だけでなく、第１平面及び第２平面が平行でない場合であっても、第１平面と第２平面とを延長した２平面がなす角度のうち、小さい方の角度が１０度以下となる場合も含むことを意味する。なお、本発明において、他の部分で「略平行」という場合にも、上記と同様の範囲を含むことを意味する。
【０００８】
また、「第１平面及び第２平面と略垂直方向の軸」とは、第１平面及び第２平面の各々の法線と当該軸のなす角度のうち、小さい方の角度が１０°以下である場合を含むことを意味する。同様に、「前記軸と略垂直方向の平面」とは、前記平面の法線と前記軸とのなす角度のうち、小さい方の角度が１０°以下である場合を含むものとする。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、開口部の側周面は一方の開口から他方の開口に向かって軸と垂直の方向にシフトしているので、この開口部をキャビティとし、キャビティ内部の材料に対して軸方向に圧力を加えた場合には、従来と比較して低い圧力を加えた場合であっても、軸と垂直の方向への応力が発生し、材料中の気泡は側周面の段部に沿って、キャビティ内の外周側領域に押し込まれる。また、本発明者らの検討の結果、このような効果は、段部を２段、即ち側周面を３つの領域に分割した場合に顕著となることがわかった。従って、脱気装置を用いることなく低圧で成型しても、中心軸に近い領域では成形体中の気泡が少なくなる。よって、得られた成型物のうち、中心軸に近い部分のみを残して加工することにより、気泡の少ない成型体を得ることができる。また、成型体が光学素子である場合には、このような加工しなくとも、中心軸に近い部分のみを光学的な利用領域、即ち光線透過領域とすることで、気泡の影響の少ない光学素子とすることができる。
【００１０】
また、脱気装置を用いることなく低圧で成型しても気泡のない成型体を形成することができるため、樹脂材料のロスを少なくすることができるとともに、加圧によって樹脂が変質したり金型の寿命が短くなったりするのを防止することができる。
【００１１】
更に、気泡のない成型体を形成するために金型中の材料を脱気したり、材料に高い圧力を加えたりする必要がないため、従来と比較して、装置の大型化を防止することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の成型用金型部材において、
前記開口部の前記軸方向の高さを４Ｗとしたとき、
前記第１側周面、前記第２側周面及び前記第３側周面の前記軸方向の長さがそれぞれＷ、Ｗ及び２Ｗであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２に記載の成型用金型部材において、
前記第１側周面、前記第２側周面及び前記第３側周面の半径がそれぞれ、３Ｗ、４Ｗ及び６Ｗであることを特徴とする。
【００１４】
ここで、開口部、第１側周面、第２側周面及び第３側周面の長さ及び半径は、１０％以内の誤差を含んでいてもよいものとする。
請求項２または請求項３記載の発明によれば、請求項１と同様の効果を顕著に得ることができる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の成型用金型部材において、
前記軸を含む断面内で、
前記第１平面を延長した直線及び前記軸の交点と、前記第３側周面における第２平面側の端部とを結んだ直線は、
前記第１側周面における前記第１平面側の端部と、前記第３側周面における第１平面側の端部とを結んだ直線に対し、略平行となっていることを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【００１７】
請求項５記載の発明は、
互いに略平行な第１平面及び第２平面を有し、これら第１平面及び第２平面と略垂直方向の軸を中心とした軸対称の形状を有する開口部により貫通された側面形成用金型部材と、
前記開口部における前記第１平面側の開口を遮蔽する第１加圧部材と、
前記開口部における前記第２平面側の開口を遮蔽する第２加圧部材と、を有し、
これら第１加圧部材及び第２加圧部材の少なくとも一方によって、前記開口部に充填された成型材料に加圧することにより、当該成型材料を所定の形状に成型するプレス成型用金型であって、
前記第１加圧部材及び前記第２加圧部材により前記開口部が遮蔽された状態で、
前記開口部の内側側周面は、
前記第１平面側から順に、
前記軸を中心とする円筒形状の第１側周面と、
前記第１側周面よりも半径が大きく前記軸を中心とする円筒形状の第２側周面と、
前記第２側周面よりも半径が大きく前記軸を中心とする円筒形状の第３側周面と、を有するとともに、
前記第１側周面及び前記第２側周面の間と、前記第２側周面及び前記第３側周面の間と、に前記軸と略垂直方向の平面をそれぞれ有することを特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
請求項６記載の発明は、請求項５に記載のプレス成型用金型において、
前記第１加圧部材及び前記第２加圧部材により前記開口部が遮蔽された状態で、
前記開口部の前記軸方向の高さを４Ｗとしたとき、
前記第１側周面、前記第２側周面及び前記第３側周面の前記軸方向の長さがそれぞれＷ、Ｗ及び２Ｗであることを特徴とする。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項６に記載のプレス成型用金型において、
前記第１加圧部材及び前記第２加圧部材により前記開口部が遮蔽された状態で、
前記第１側周面、前記第２側周面及び前記第３側周面の半径がそれぞれ、３Ｗ、４Ｗ及び６Ｗであることを特徴とする。
【００２１】
請求項６または７記載の発明によれば、請求項５と同様の効果を顕著に得ることができる。
【００２２】
請求項８記載の発明は、成型体において、
少なくとも請求項１〜４の何れか一項に記載の成型用金型部材を用いて成型されたことを特徴とする。
請求項８記載の発明によれば、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
請求項９記載の発明は、成型体において、
請求項５〜７の何れか一項に記載のプレス成型用金型により成型されたことを特徴とする。
請求項９記載の発明によれば、請求項５〜７に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、従来に比較して、低圧で気泡の少ない成型体を形成することができる。また、脱気装置を必要とせず、従来に比較して低圧で気泡の少ない成型体を形成可能であるため、成型装置の大型化を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るプレス成型用金型１の概略構成を示す断面図である。
【００２６】
この図に示すように、プレス成型用金型１は中心軸Ｌ１に対して軸対称であり、内部に円柱状のキャビティ（開口部）２を有している。なお、本実施の形態においては、中心軸Ｌ１の軸方向を上下方向として説明する
【００２７】
キャビティ２の内部には、鏡面処理などの表面処理が施されており、図示しない樹脂注入装置から成形材料が注入されるようになっている。
このキャビティ２は、上下方向に接離可能な加圧部材３，５及び側面形成用金型部材（以下、単に側面部材とする）４によって形成されている。
【００２８】
加圧部材３，５は、キャビティ２の下端面，上端面をなしている。これら加圧部材３，５は、図示しない加圧装置によって上下動することにより、側面部材４と密着しつつキャビティ２の内部を中心軸Ｌ１の軸方向に加圧可能となっている。なお、本実施の形態においては、加圧部材３，５は、内側面の平坦な円盤状の部材となっているが、図２に示すように、成型体の形状に合わせてキャビティ２の端面領域に窪み部分Ｋを有していても良い。更に、加圧部材３，５の内側面はキャビティ２の内部側に突出した形状であっても良く、凹凸形状を有していても良い。
【００２９】
側面部材４は、本発明に係る成型用金型部材であり、図１に示すように、互いに略平行で中心軸Ｌ１に略直交する上面４０Ａ及び下面４０Ｂを有しており、上面４０Ａから下面４０Ｂにかけて軸対称の開口部が貫通した形状となっている。この側面部材４の側周面６は、一方の開口から他方の開口に向かって円筒形状の第１側周面６Ａ〜第３側周面６Ｃが中心軸Ｌ１と垂直の方向にシフトする形状を有し、加圧部材５の側から加圧部材３の側に向かって半径が小さくなるように階段状をなしている。つまり、キャビティ２の側周面６は、キャビティ２の軸に垂直方向の２つの平面（段部）により第１側周面６Ａ〜第３側周面６Ｃに分割され、階段状をなしている。
【００３０】
これら第１側周面６Ａ〜第３側周面６Ｃは、加圧部材３，５によって側面部材４の上下が遮蔽された状態での中心軸Ｌ１の軸方向における側周面６の高さを４Ｗとした場合に、当該軸方向における長さが、Ｗ、Ｗ、２Ｗとなっている。また、第１側周面６Ａ〜第３側周面６Ｃにより形成される円筒形状において、当該中心軸Ｌ１と垂直方向の半径ａ、ｂ、ｃはそれぞれ３Ｗ、４Ｗ、６Ｗとなっている。なお、第１側周面６Ａの半径ａは、必要とする成型体の半径以上、より詳細には、当該成型体の軸に垂直な方向における半径以上であることが好ましい。また、第１側周面６Ａ〜第３側周面６Ｃの長さや半径は、１０％以内の誤差を含んでいても良い。
【００３１】
また、中心軸Ｌ１を含んだ側面部材４の断面において、中心軸Ｌ１及び加圧部材３の交点３０と、加圧部材５及び第３側周面６Ｃの交点５０とを結んだ直線Ｌ２は、第１側周面６Ａ及び加圧部材３の交点３０ａと、第３側周面６Ｃにおける加圧部材３側の端点５０ａとを結んだ直線Ｌ３に対して、略平行となっている。
【００３２】
続いて、上記プレス成型用金型１を使用した成型体の製造方法について説明する。なお、このプレス成型用金型１によって成型する成型体としては、透明性を要求される光学用途の成型体が好ましい。
【００３３】
まず、成形材料の溶融温度に加熱された加圧部材３及び側面部材４を密着させておき、これら加圧部材３，側面部材４で形成されるキャビティ２内部に、溶融した成形材料を流し込む。なお、成形材料の量は、キャビティ２の容積の１．３倍程度が好ましい。また、使用する成形材料としては、従来より公知の樹脂材料を用いることができる。
【００３４】
次に、成形材料の溶融温度に加熱された加圧部材５を側面部材４に密着させ、加圧部材３，５によってキャビティ２の内部を上下方向から所定の圧力、例えば７．０〜１０．０ＭＰａで加圧することにより、成形材料を所定の形状に成形する。
【００３５】
このように、キャビティ２内部の材料に対して軸方向に圧力を加えた場合には、従来と比較して低い圧力を加えた場合であっても、図３に示すように、当該材料には半径方向への応力が発生し、材料中の気泡１００は側周面６の段部に沿ってキャビティ２内の外周側領域に押し込まれ、中心軸Ｌ１側の領域には存在しない状態となる。特にこのような効果は、側周面６の高さを４Ｗとした場合、第１側周面６Ａ〜第３側周面６Ｃの軸方向における長さがＷ、Ｗ、２Ｗである場合に顕著となり、更に第１側周面６Ａ〜第３側周面６Ｃの半径が３Ｗ、４Ｗ、６Ｗである場合に特に顕著となる。
【００３６】
次に、成型物が冷却された後に、加圧部材３，５を上下に引き離すことにより、成型物をプレス成型用金型１から取り出す。
【００３７】
そして、成型物のうち中心軸Ｌ１に近い部分、例えば第１側周面６Ａの半径ａを有する円柱部分のみを残して切削・研磨などの加工を施すことにより、光学素子などの成型体が形成される。但し、外側の領域を取り除く加工を施さずに、中心軸Ｌ１に近い部分を光学的な利用領域（光が透過する領域）とした光学素子としても良い。
【００３８】
以上のプレス成型用金型１によれば、従来と比較して低い圧力を加えた場合であっても、材料中の気泡を側周面６の階段部分に沿ってキャビティ２内の外周側領域に押し込むことができるため、成型物のうち、中心軸Ｌ１に近い部分のみを残して加工することにより、気泡のない成型体を形成することができる、つまり、気泡のない成型体を低圧で形成することができる。また、成型体が光学素子である場合には、このような加工しなくとも、中心軸に近い部分のみを光学的な利用領域、即ち光線透過領域とすることで、気泡の影響の少ない光学素子とすることができる。
【００３９】
また、脱気装置中に成型材料を循環させることなく低圧で成型しても気泡のない成型体を形成することができるため、樹脂材料のロスを少なくすることができるとともに、低圧で成型体を成型することができるため、加圧によって樹脂が変質したり、金型の寿命が短くなったりするのを防止することができる。
【００４０】
更に、気泡のない成型体を形成するために金型中の材料を脱気したり、材料に高い圧力を加えたりする必要がないため、従来と比較して、装置の大型化を防止することができる。
【００４１】
なお、上記実施の形態においては、従来より低い圧力をキャビティ２内の成形材料に加えることとして説明したが、従来以上の圧力を加えることとしても良い。この場合には、より確実に気泡のない成型体を形成することができる。
【００４２】
また、プレス成型用金型１には、加圧装置が接続されていることとして説明したが、キャビティ２内を脱気する脱気装置を更に接続することとしても良い。
【実施例１】
【００４３】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４４】
（１）試料の作製
図４（ａ）に示される領域（１）〜（９）の何れかを下記表１に示すパターンで取り除くことにより、加圧部材３の側から加圧部材５の側に向かって内周面が階段状をなした側面部材４を、１９種類形成した。なお、これらの組合せは、領域（１）〜（９）を取り除くことによって得られる階段状のパターン全てを網羅している。
【００４５】
次に、この側面部材４と加圧部材３，５とを組み合わせてプレス成型用金型を形成し、試料（１）〜（１９）とした。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
ここで、表１中の「ａ」〜「ｄ」は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、中心軸Ｌ１の軸方向における側面部材の長さを４とした場合の、各側周面における半径の値である。より詳細には、「ａ」は側面部材の下端部での半径であり、「ｂ」は領域（７）〜（９）のうち、試料作成後に残される領域によって規定される半径である。同様に「ｃ」は領域（４）〜（６）のうち、残される領域によって規定される半径であり、「ｄ」は領域（１）〜（３）のうち、残される領域によって規定される半径である。
【００４８】
（２）成型体における気泡の有無の評価
以上の試料（１）〜（１９）によって成型物を１０個ずつ成型した後、各成型物のうち、半径ａを有する部分のみを残して切削・研磨などの加工を施すことにより、成型体を作成した。
各成型体における気泡の発生状況を以下の評価基準に基づいて評価したところ、上記表１に示される結果が得られた。
【００４９】
（２．１）評価基準
「×」：大きめの気泡が必ず入る。
「○」：小さめの気泡が時々入るが、その頻度は成型体１０個のうち、３個以下。
「◎」：絶対気泡が入らない。
【００５０】
上記表１に示すように、側周面の段数が３の試料（試料番号５，６，８，１１，１２，１３，１５，１７，１８参照）では、段数が２，４の試料と比較して気泡の発生が少ないことが分かった。なお、ここで段数とは、側周面が分割されている数を表す。例えば、「段数が３」もしくは「側周面が３段」とは、側周面が２つの段部により３つの領域に分割されている場合を表す。即ち段数は、分割された側周面の数に相当する。
【００５１】
また、側周面が３段の試料の中でも、図４（ｂ）に示すように、側周面の長さを４とした場合に、中心軸Ｌ１の軸方向における第１側周面，第２側周面，第３側周面の長さが１：１：２であり、第１側周面，第２側周面，第３側周面の半径が３：４：６である試料（試料番号１５参照）では、特に気泡の発生が少ないことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るプレス成型用金型を示す断面図である。
【図２】加圧部材の変形例を示す図である。
【図３】本発明に係るプレス成型用金型内での気泡の動きを説明するための図である。
【図４】実施例における各試料を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５３】
１      プレス成型用金型
２      キャビティ（開口部）
３，５  加圧部材
４      側面部材
６      側周面
６Ａ    第１側周面
６Ｂ    第２側周面
６Ｃ    第３側周面
４０Ａ  上面（第２平面）
４０Ｂ  下面（第１平面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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