JP2004249640A

JP2004249640A - 高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置

Info

Publication number: JP2004249640A
Application number: JP2003043756A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Matsushita; 泰典松下; Manabu Nishikawa; 西川　　学
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】高精度プラスチックス製光学部品を得るための金型の冷却装置に係り、特に転写面内精度（転写面の金型に対する偏差）の優れた成形品を高効率に製造できる金型の冷却装置を安価に提供することを目的とする。
【解決手段】キャビティー型とコア型との一対からなる熱可塑性樹脂用金型の該キャビティー型及びコア型の外側にヒータープレートと冷却プレートとを順次に配置し、ヒータープレートは並行した多数本の伝熱ヒーターを有していて該ヒータの長手方向に温度分布調整可能な機能を具備しており、かつ冷却プレートは並行した多数本の冷却液路を有していて該冷却液路のうちの何本かの冷却液路を流れる冷却液とその他の冷却液路を流れる冷却液が互いに向流になるように配置したことを特徴とする高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱可塑性樹脂原料を使用してオーバーヘッドプロジェクター、ウィンドディスプレイ、フロントプロジェクター、デジタルカメラ、ヘッドアップディスプレイ、複写機、レーザープリンター、その他光学機器に使用する光学部品、特に成形表面の粗さがナノメートルオーダーの平滑性及び形状偏差量が数十ミクロン以下の形状精度が要求される光学部品等の高精度プラスチックス製光学部品を製造する為の金型の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度なプラスチック製光学製品を成形する方法としては、射出圧縮成型法、高温射出成型法、プレス成型法等があるが、投射レンズ（特許文献１参照）、投射ミラー（特許文献２参照）のような、金型転写面内の高低差が１５ｍｍ以上の曲率を有した非球面或いは球面形状であって１００ｃｍ^２以上の面積を有するものを転写面内精度（転写面の金型形状に対する偏差）を１００μｍ以下に実現するためには冷却時のキャビティ型及びコア型の面内温度分布（特に成形樹脂のガラス転移温度付近での）を極めて小さく抑えることが必要である。
【０００３】
上記の諸元を有する金型を使用して成形された成形品の転写面内精度を１００μｍ以下に実現するためには、長時間かけて金型面内の温度分布を安定させながら冷却するか、又は高精度な温度調節器を冷却パターンに合わせて複数器使用し精密な温度コントロールする等、高額な初期設備投資を必要とし、または成形工程において長時間を要し量産性に乏しかった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１３９６１０
【特許文献２】
特開２００２−２２８８１５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は金型転写面内の高低差が１５ｍｍ以上の曲率、転写面積１００ｃｍ^２以上及び転写面内精度を１００μｍ以下を必要とする高精度なプラスチック製光学製品を高額な温度調節器を必要とせずに、かつ短時間の成形サイクルを可能とした高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題を解決した高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置であってその要旨は、
（１）キャビティー型とコア型との一対からなる熱可塑性樹脂用金型の該キャビティー型及びコア型の外側に、ヒータープレートと冷却プレートとを順次に配置し、ヒータープレートは並行した多数本の電熱ヒーターを有していて該ヒータの長手方向に温度分布調整可能な機能を具備しており、かつ冷却プレートは並行した多数本の冷却液路を有していて該冷却液路のうちの何本かの冷却液路を流れる冷却液とその他の冷却液路を流れる冷却液が互いに向流になるように配置したことを特徴とする高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置である。
（２）キャビティー型とコア型との一対からなる熱可塑性樹脂用金型の該キャビティー型及びコア型の内部に、電熱ヒーターと冷却液路とを並行して複数本を設け、電熱ヒーターはその長手方向に温度分布調整可能な機能を具備しており、かつ冷却液路のうちの何本かの冷却液路を流れる冷却液とその他の冷却液路を流れる冷却液が互いに向流になるように配置したことを特徴とする高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置である。
（３）電熱ヒーターは、長手方向に二箇所以上のコントロールが可能なものであることを特徴とする上記（１）〜（２）何れかの高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置である。
（４）冷却液路の各々には、流量調整バルブを設けたことを特徴とする上記（１）〜（３）何れかの高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置を添付図面に基づいて説明する。
図１は高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置の一実施例の縦断面図である。
図２は高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置の他の実施例の縦断面図である。
図３はヒータープレートの一実施例の平面斜視図である。
図４は冷却プレートの一実施例の平面断面図である。
図５は冷却プレートの他の実施例の平面断面図である。
図６はキャビティー型の概略図である。
図７は高精度プラスチックス製光学部品用金型の内部に、電熱ヒーターと冷却液路とを設けた一実施例の縦断面図である。
【０００８】
図１及び２において、１はキャビティー型であって、当該キャビティー型１は鏡面仕上げされた非球面形状を有する。
２はコア型であって、当該コア型２とキャビティー型１の一対によって熱可塑性樹脂成形体７を成形する金型を構成する。
３及び４は周枠であって、当該周枠３、４によってキャビティー型１及びコア型２が挟持されてセッチングされている。
【０００９】
図１において、５はヒータープレートであって、当該ヒータープレート５は並行した多数本の電熱ヒーターの挿入用孔５−１を有し、キャビティー型１及びコア型２の外側に接触して配置されいる。
６は冷却プレートであって、該冷却プレート６は並行した多数本の冷却液路６−１（図１）、６−２及び６−３（図２）を有し、ヒータープレート５の外側に接触して配置されている。
そして、ヒータープレート５に設けられている電熱ヒーターの挿入用孔の長手方向と冷却プレート６の設けられている冷却液路とは、直交配置（図１）であっても並行配置（図２）の何れであっても良い。
図２において、冷却液路６−２は紙面に対して奥から手前に冷却液が流れる冷却液路を示し、一方冷却液路６−３は紙面に対して手前から奥に冷却液が流れる冷却液路を示しており、両冷却液路を交互に並行して配置した例である。
上述の通り、ヒータープレート５及び冷却プレート６の二枚のプレートの組合せによって、キャビティー型１及びコア型２よりなる金型の冷却装置を構成している。
【００１０】
図３において、ヒータープレート５に設けられた電熱ヒーターの挿入用孔５−１内の長手方向には、分割された３本の電熱ヒーター５−２Ａ、５−２Ｂ及び５−２Ｃが内挿されており、当該電熱ヒーターは各々別個に温度調整が可能な機能を具備している。
この各電熱電熱ヒーター５−２Ａ、５−２Ｂ及び５−２Ｃは、各々少なくとも５ｃｍ×５ｃｍ（２５ｃｍ^２）面積程度を温度制御できるような性能を有していることが好ましい。
【００１１】
図４においては、冷却プレート６に設けられた冷却液路６−２Ａ及び６−２Ｂと冷却液路６−３Ａ、６−３Ｂ及び６−３Ｃとは、冷却液が交互に向流するように配置された例である。
図５においては、冷却プレート６に設けられた右側の２本の冷却液路６−２Ａ及び６−２Ｂと左側の２本の冷却液路６−３Ａ及び６−３Ｂとは、冷却液が向流となるように配置されており、また冷却プレート６の中央部に位置する冷却液路６−２Ｃと６−３Ｃも向流するように配置された例である。
このように、本発明は冷却プレート６の両端面より冷却液を流入する向流冷却液路を配置したので、冷却プレート６の一端面のみ冷却液を流入する冷却液路配置の場合のように当該一端面が局部的に過冷になる虞がなく、冷却プレート６を全体的に均等に冷却することができる。
【００１２】
各冷却液路の入口部には、流量調整バルブ６−４を設け、当該各バルブ６−４の開度を調整することにより冷却液の流量をコントロールすると共に、ヒータープレート５に設けられている各電熱ヒーターを温度調整することにより、金型内壁の温度分布を４℃以内に制御できる機能を具備している。
また、ヒータープレート５及び冷却プレート６は熱伝導率λが５０Ｗ／ｍ・ｋ以上の材料を用い、一般的にはアルミニウム合金の使用が好ましく、更に銅合金を用いることがより好ましい。
【００１３】
図６において、キャビティー型１の代表的な形状であって、即ち金型転写面内の高低差Ｈ_１が１５ｍｍ以上の曲率を有した非球面形状で１００ｃｍ^２以上の面積を有し、かつキャビティー型１の底面から非球面形状の最低厚みＨ_２が３０ｍｍを有する金型には、本発明の冷却装置が好適に利用できる。
【００１４】
図７は、キャビティー型１及びコア型２の内部に直接に電熱ヒータ挿入用孔５−１と冷却液路６−２、６−３とを並行して交互に複数本設けた例である。
そして電熱ヒータ挿入用孔５−１内の長手方向には、図３に示した構造と同様に分割された３本の電熱ヒーター５−２Ａ、５−２Ｂ及び５−２Ｃが内挿されており、当該電熱ヒーターは各々別個に温度調整が可能な機能を具備している。
冷却液路６−２、６−３は冷却液が互いに向流になるように配置され、その各々には流量調整バルブが設けられている。
この図７において、キャビティー型１及びコア型２の内部に電熱ヒータ挿入用孔と冷却液路とを直接設けるに際し、金型に加工を施しても当該金型に必要強度が確保され、またこの加工作業の影響で当該金型の転写面精度が悪化しない場合に採用することができる。
また、金型内部に設けられる上記電熱ヒータ挿入用孔と冷却液路の配置箇所は、キャビティー型１の転写面及びコア型２の熱可塑性樹脂成形体面からの厚み方向の距離が一定になるように配置するのが好ましい。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
ガラス転移温度が１４０℃（ＤＳＣ法）の非晶性ポリオレフィン（ゼオノア：日本ゼオン（株）製）を１００℃、４８時間真空中で乾燥したものを、下記式（１）からなる非球面形状を有し、縦（光軸方向）：１６０ｍｍ、横方向（光軸と垂直）：１６０ｍｍ、厚さ：８ｍｍの大きさで、図６におけるＨ_２が３０ｍｍ、Ｈ_１が３０ｍｍの樹脂成形金型内で加熱溶融させながら厚み方向に、プレス圧力０．７ＭＰａで２４０℃、５０分加熱して賦形した。
その後２４０℃から１００℃まで、樹脂の収縮に追従できるように厚み方向に０．５ＭＰａの圧力を加えた状態で４０分をかけて徐冷して成形体７を得た。
【００１６】
当該成形体７を得るために使用したヒータープレート５は図３に示す構造であって、７０７５系アルミニウム合金製、３００ｍｍ角であって各々５０ｍｍ×５０ｍｍ角のエリアが温度制御できる性能の多分割電熱ヒーターを具備した構造である。
上記の徐冷工程時において、キャビティー型１側のヒータープレート５は図３の電熱ヒーター５−２Ｂの温度は当初２４０℃に設定し、電熱ヒーター５−２Ａ、５−２Ｃの温度はこれよりも５℃低く設定した。
一方、コア型２側のヒータープレート５は図３の電熱ヒーター５−２Ａ、５−２Ｃの温度は当初２４０℃に設定し、電熱ヒーター５−２Ｂの温度はこれよりも１０℃低く設定した。
【００１７】
また、キャビティー型１側の冷却プレート６は図４に示す態様で冷却液路６−３Ｂを流量調整バルブ６−４で閉止し、冷却液路６−２Ａ、６−２Ｂを流れる冷却水量を均等にしてその合計水量が１５Ｌ／ｍｉｎ、同様にして冷却液路６−３Ａ、６−３Ｃを流れる冷却水量を均等にしてその合計水量が１５Ｌ／ｍｉｎに流量調整バブル６−４にて調整した。
一方、コア型２側の冷却プレート６は図４に示す態様で冷却液路６−３Ａ、６−３Ｃを流量調整バルブ６−４で閉止し、冷却液路６−２Ａ、６−２Ｂを流れる冷却水量を均等にしてその合計水量が１５Ｌ／ｍｉｎ、冷却液路６−３Ｂを流れる冷却水量を１５Ｌ／ｍｉｎに流量調整バブル６−４にて調整した。
【００１８】
上記の様に、冷却プレート６に一定量の冷却水を流しながらヒータープレート５の各電熱ヒーターの温度を制御して、キャビティー型１における金型最低厚み（Ｈ_２）部分の温度と金型最大厚み（Ｈ_１＋Ｈ_２）部分の温度差を４℃以内に維持しながら樹脂温度を２４０℃から１００℃まで降下させて成形体７を成形した後、１００℃の状態で成形体７を金型より取り出した。
このようにして得られた成形体７の転写面の基準形状に対する最大偏差は４０μｍであった。
【００１９】
Ｚ（ｈ）＝ｃｈ^２／（１＋√（１−（１＋ｋ）ｃ^２ｈ^２））＋Ａｈ^４＋Ｂｈ^６＋Ｃｈ^８＋Ｄｈ^１０……（１）
（ｃ＝１／ｒ，ｃ：曲線，ｒ：半径，ｋ：円錐率，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは係数）
ｒ＝−１６０
ｋ＝−８．０
Ａ＝７．０^−９
Ｂ＝−９．０^−１４
Ｃ＝６．５^−１９
Ｄ＝−２．０^−２４
【００２０】
（比較例１）
実施例１において、型内における２４０℃の溶融樹脂を樹脂温度１００℃まで徐冷して成形体７を得る工程において、キャビティ型１側及びコア側２の冷却プレート６は図４における冷却プレート６の冷却液路６−２Ａ及び６−２Ｂを流れる冷却水量を均等にしてその合計冷却水量が１５Ｌ／ｍｉｎ、また冷却液路６−３Ａ、６−３Ｂ、６−３Ｃを流れる冷却水量を均等にしてその合計冷却水量が１５Ｌ／ｍｉｎに流量調整バルブ６−４にて一定流量に調整した。
一方キャビティ型１側及びコア側２のヒータープレート５に挿入されている各電熱ヒーターは全て同温度で制御しながら、２４０℃から１００℃まで樹脂の収縮に追従できるように０．５ＭＰａの圧力を加えた状態で４０分かけて徐冷して成形体７を成形した後、１００℃の状態で成形体７を金型より取り出した。
なお、徐冷して樹脂温度が１００℃に達した時点でのキャビティー型１における金型最低厚み（Ｈ_２）部分の温度と金型最大厚み（Ｈ_１＋Ｈ_２）部分の温度差が１０℃であった。このようにして得られた成形体７の転写面の基準形状に対する最大偏差は６０μｍであった。
【００２１】
（比較例２）
実施例１において、型内における２４０℃の溶融樹脂を樹脂温度１００℃まで徐冷して成形体７を得る工程において、キャビティ型１側及びコア側２の冷却プレート６は図４における冷却プレート６の冷却液路６−２Ａ及び６−２Ｂを流れる冷却水量を均等にしてその合計冷却水量が１５Ｌ／ｍｉｎ、また冷却液路６−３Ａ、６−３Ｂ、６−３Ｃを流れる冷却水量を均等にしてその合計冷却水量が１５Ｌ／ｍｉｎに流量調整バルブ６−４にて一定流量に調整した。
一方キャビティ型１側及びコア側２のヒータープレート５に挿入されている各電熱ヒーターは全て同温度で制御しながら、２４０℃から１００℃まで樹脂の収縮に追従できるように０．５ＭＰａの圧力を加えた状態で、２４０℃から１６０℃まで１５分、１６０℃で３０分、１６０℃から１４０℃まで１０分、１４０℃で３０分、１４０℃から１００℃まで３０分、及び１００℃で３０分、合計１４５分かけて徐冷することによって、キャビティー型１における金型最低厚み（Ｈ_２）部分の温度と金型最大厚み（Ｈ_１＋Ｈ_２）部分の温度差を４℃以内に維持して成形体７を成形した後、１００℃の状態で成形体７を金型より取り出した。このようにして得られた成形体７の転写面の基準形状に対する最大偏差は４０μｍであった。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の金型冷却装置は、高額な初期設備投資を必要とせず比較的に成形サイクルが短いので生産性に優れている。
また、得られた成形体７の転写面の基準形状に対する最大偏差が小さいので、高精度が要求されるプラスチックス製光学部品の金型冷却装置として好適に使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置の一実施例の縦断面図。
【図２】高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置の他の実施例の縦断面図。
【図３】ヒータープレートの一実施例の平面斜視図。
【図４】冷却プレートの一実施例の平面断面図。
【図５】冷却プレートの他の実施例の平面断面図。
【図６】キャビティー型の概略図。
【図７】高精度プラスチックス製光学部品用金型の内部に、電熱ヒーターと冷却液路とを設けた一実施例の縦断面図。
【符号の説明】
１…キャビティー型
２…コア型
３、４…周枠
５…ヒータープレート
５−１…電熱ヒーター挿入用孔
５−２Ａ、５−２Ｂ、５−２Ｃ…電熱ヒーター
６…冷却プレート
６−１、６−２、６−３…冷却液路
６−２Ａ、６−２Ｂ、６−３Ａ、６−３Ｂ、６−３Ｃ…冷却液路
６−４…流量調整バルブ
７…熱可塑性樹脂成形体

Claims

キャビティー型とコア型との一対からなる熱可塑性樹脂用金型の該キャビティー型及びコア型の外側に、ヒータープレートと冷却プレートとを順次に配置し、ヒータープレートは並行した多数本の電熱ヒーターを有していて該ヒータの長手方向に温度分布調整可能な機能を具備しており、かつ冷却プレートは並行した多数本の冷却液路を有していて該冷却液路のうちの何本かの冷却液路を流れる冷却液とその他の冷却液路を流れる冷却液が互いに向流になるように配置したことを特徴とする高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置。
キャビティー型とコア型との一対からなる熱可塑性樹脂用金型の該キャビティー型及びコア型の内部に、電熱ヒーターと冷却液路とを並行して複数本を設け、電熱ヒーターはその長手方向に温度分布調整可能な機能を具備しており、かつ冷却液路のうちの何本かの冷却液路を流れる冷却液とその他の冷却液路を流れる冷却液が互いに向流になるように配置したことを特徴とする高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置。
電熱ヒーターは、長手方向に二箇所以上のコントロールが可能なものであることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載の高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置。
冷却液路の各々には、流量調整バルブを設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の高精度プラスチックス製光学部品用金型の冷却装置。