JP2008221773A - 射出成形型 - Google Patents

Abstract

【課題】成型体からの放熱効率を高めることのできる射出成形型を提供する。
【解決手段】この射出成形型には、基材上で切削加工により光学転写面の形状加工が施されたメッキ層と、当該メッキ層の外側に配置された表面層と、前記メッキ層と前記表面層との間に配置された中間層とが備えられている。メッキ層の熱伝導率をα、中間層の熱伝導率をβ、表面層の熱伝導率をγとすると、以下の式（１）を満たす。
γ＜α＜β・・・（１）
【選択図】図３

Description

本発明は、成形体を形成するための射出成形型に関する。

従来、光学素子などの成形体を射出成形する射出成形型は、成形体の外形に対応するキャビティを有している。

このキャビティは、メッキの施された基材上に、成型体の離型を容易化するためのフッ素含有層が積層されることによって内面が形成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３０４９９１号公報

しかしながら、上記のような射出成形型においては、射出成形時にキャビティ内部の溶融樹脂から基材への放熱効率が悪く、成型体表面が固化し難くなってしまう。特に、成型体が光学素子である場合には、光学機能面の中央部分はキャビティの側周面から離れているため、いっそう固化し難くなる。そして、表面が未固化の状態で成型体を射出成形型から離型すると、未固化部分が成形型表面への密着力に負けて破損したり、この破損部分が成形型に残存して次回の射出成形による成型体に悪影響を与えたりしてしまう。

本発明の課題は、成型体からの放熱効率を高めることのできる射出成形型を提供することである。

請求項１記載の発明における射出成形型は、
基材上で切削加工により光学転写面の形状加工が施されたメッキ層と、当該メッキ層の外側に配置された表面層と、前記メッキ層と前記表面層との間に配置された中間層とを備え、
前記メッキ層の熱伝導率をα、前記中間層の熱伝導率をβ、前記表面層の熱伝導率をγとすると、以下の式（１）を満たすことを特徴としている。
γ＜α＜β・・・（１）

請求項２記載の発明は、請求項１記載の射出成形型において、
前記中間層は、金属被膜からなることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の射出成形型において、
前記表面層は、フッ素含有化合物被膜からなることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の射出成形型において、
前記中間層と前記表面層との間には、酸化物被膜からなる酸化物層が配置されていることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、
前記基材上に、前記メッキ層、前記中間層、前記酸化物層及び前記表面層が連続して積層されていることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の射出成形型において、
前記メッキ層は、ニッケルを主成分とする被膜であることを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の射出成形型において、
前記中間層の厚みは、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることを特徴としている。

本発明によれば、中間層の熱伝導率βがメッキ層，表面層の熱伝導率α，γよりも大きいため、表面層を介して成型体から積極的に熱を吸収することができ、メッキ層及び基材に放出することができる。従って、従来と比較して成型体からの放熱効率を高めることができる。

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。
まず、本発明に係る射出成形型を備える成形機について説明する。
図１は、成形機１の概略構成を示す概念図である。

この図に示すように、成形機１は、プラスチック材料の搬送方向における上流側から下流側に向かって、ホッパ５１と、シリンダ５３と、ノズル５５と、本発明に係る射出成形型２等とを備えている。

ホッパ５１は、プラスチック材料が供給される部分であり、シリンダ５３に連結されている。シリンダ５３は、内部にスクリュー５２を備えるとともに、先端部でノズル５５に連結されており、ホッパ５１から供給されたプラスチック材料をスクリュー５２によってノズル５５側に押し出すようになっている。また、このシリンダ５３の側面には、シリンダ５３内部のプラスチック材料を溶融させるためのヒータ５４が設けられている。

ノズル５５は、シリンダ５３から押し出されたプラスチック材料を射出成形型２に射出する部分であり、後述する射出成形型２のスプルー２１に連通している。

射出成形型２は、ノズル５５に対して固定された固定型３と、当該固定型３に対して接離可能な可動型４を有しており、これら固定型３及び可動型４が当接することによってプラスチック材料の流路としてのスプルー２１、ランナー２２及びゲート２３と、プラスチック材料を成形するためのキャビティ２４とを形成するようになっている。

固定型３は、キャビティ２４の中央側部分を形成する第１部材３１と、周辺側部分を形成する第２部材３２とを有している。

図２（ａ）に示すように、第１部材３１には、可動型４に対向して成形面３１ａが設けられており、成型体である光学素子１０の一方のレンズ面１０ａを形成するようになっている。なお、この成形面３１ａには、微細な輪帯状の回折パターンが設けられていても良い。

一方、第２部材３２には、成形面３１ａの周りを囲む環状の成形面３２ａが設けられており、光学素子１０の外周部にフランジ１１を形成するようになっている。

以上の第１部材３１及び第２部材３２は、ともに単一の鋼材で形成され、互いに一体的に固定されている。

また、可動型４は、キャビティ２４の周辺側部分を形成する型本体４２と、中央側部分を形成する突き出し型４１とを有している。

型本体４２には、突き出し型４１における後述の成形面４１ａの周りを囲む溝状の成形面４２ａが設けられており、光学素子１０の周囲にフランジ１１を形成するようになっている。

突き出し型４１には、固定型３に対向する成形面４１ａが設けられており、光学素子１０の他方のレンズ面１０ｂを形成するようになっている。なお、本実施の形態においては、この成形面４１ａは、全体として凹面になっており、微細な輪帯状の回折パターンＤＰを有している。ここで、回折パターンＤＰの深さは、数μｍ程度となっている。

この突き出し型４１は、図１，図２（ｂ）に示すように、型本体４２の孔４２ｂ中に嵌合した状態でＸ方向に摺動可能となっており、型本体４２に対して突き出し型４１を摺動させる突き出し部材４３に連結されている。

図３は射出成形型２の表面部分を拡大した断面図である。この図３に示すように、射出成形型２は例えばセラミックス材からなる基材１０１を備えており、この基材１０１上には、メッキ層１０２と、中間層１０３と、表面層１０５とが連続して積層されている。

メッキ層１０２は、基材１０１の表面上に、例えば２０μｍ以上、１００μｍ以下の厚さで積層されており、Ｎｉ（ニッケル）とＰ（リン）とを含有する被膜から形成されている。ここでメッキ層１０２の主成分はＮｉである。このメッキ層１０２に対して、切削加工に基づく光学転写面の形状加工が施されて、回折パターンＤＰが形成されるようになっている。

中間層１０３は、メッキ層１０２の表面上に、例えば５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の厚さで積層されており、金属被膜から形成されている。ここで、金属被膜は、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）の少なくとも１つから形成されている。

表面層１０５は、中間層１０３の表面上に、例えば１ｎｍ以上、５ｎｍ以下の厚さで積層されており、フッ素含有化合物被膜から形成されている。

これら中間層１０３及び表面層１０５は、それぞれ蒸着によって製膜されている。

ここで、Ｎｉを主成分とするＮｉとＰを含有する被膜の熱伝導率αと、金属被膜の熱伝導率βと、フッ素含有化合物被膜の熱伝導率γとは、式（１）の関係となっている。

γ＜α＜β・・・（１）

つまり、メッキ層１０２（Ｎｉを主成分とするＮｉとＰを含有する被膜）の熱伝導率α、中間層１０３（金属被膜）の熱伝導率β、表面層１０５（フッ素含有化合物被膜）の熱伝導率γの関係が式（１）を満たすことになる。

続いて、上記の成形機１を使用した成形体の製造方法について説明する。なお、この成形機１によって成形する成形体としては、透明性を要求される光学用途の成形体が好ましい。

まず、プラスチック材料をホッパ５１に入れ、スクリュー５２によりノズル５５の方向に搬送しつつ、ヒータ５４で溶融させる。

次に、融けたプラスチック材をノズル５５、スプルー２１より射出成形型２のランナー２２、ゲート２３、キャビティ２４に注入し、加圧成形する（図２（ａ）参照）。

次に、プラスチック材料が固化する際には、その熱は表面層１０５を介してメッキ層１０２及び基材１０１に吸収されることになる。そして、プラスチック材料が固化して成型体（光学素子１０）が形成されたら、可動型４を固定型３から離間させる。これにより、可動型４側に成型体が残る。

そして、突き出し部材４３によって突き出し型４１を型本体４２から突出させることにより、型本体４２から成型体を取り出し、成型体の製造が完成する（図２（ｂ）参照）。

以上の射出成形型２によれば、中間層１０３の熱伝導率βがメッキ層１０２，表面層１０５の熱伝導率α，γよりも大きいため、表面層１０５を介して成型体から積極的に熱を吸収することができ、メッキ層１０２及び基材１０１に放出することができる。従って、従来と比較して成型体からの放熱効率を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、本実施形態では、メッキ層１０２と、中間層１０３と、表面層１０５とが連続して基材１０１上に積層されている場合を例示しているが、図４に示すように、中間層１０３と表面層１０５との間に酸化物層１０４を介在させてもよい。具体的には、酸化物層１０４は、例えばＳｉ（珪素）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）の少なくとも１つからなる酸化物被膜から形成されている。ここで、各酸化物被膜の熱伝導率を例示すると、ＳｉＯ_２の熱伝導率は１．９Ｗ／ｍ・Ｋ、ＴｉＯ_２の熱伝導率は１．２Ｗ／ｍ・Ｋ、ＺｒＯ_２の熱伝導率は２．５Ｗ／ｍ・Ｋである。

ここで、Ｎｉを主成分とするＮｉとＰを含有する被膜の熱伝導率αと、金属被膜の熱伝導率βと、酸化物被膜の熱伝導率δと、フッ素含有化合物被膜の熱伝導率γとは、式（２）の関係となっている。

γ＜δ＜α＜β・・・（２）

つまり、メッキ層１０２（Ｎｉを主成分とするＮｉとＰを含有する被膜）の熱伝導率α、中間層１０３（金属被膜）の熱伝導率β、酸化物層１０４（酸化物被膜）の熱伝導率δと、表面層１０５（フッ素含有化合物被膜）の熱伝導率γの関係が式（２）を満たすことになる。
この関係が満たされることで、メッキ層１０２よりも熱伝導率の低い酸化物層１０４が中間層１０３と表面層１０５との間に介在する場合であっても、中間層１０３が表面層１０５及び酸化物層１０４を介して成型体から積極的に熱を吸収し、メッキ層１０２及び基材１０１に放出することができ、従来と比較して成型体からの放熱効率を高めることができる。

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。

（１）射出成形型２の作製
セラミックス材からなる基材１０１の表面上にメッキにより厚さ５０μｍのメッキ層１０２を製膜した。このメッキ層１０２は、Ｎｉを主成分とするＮｉとＰを含有する被膜であり、その熱伝導率は８．４Ｗ／ｍ・Ｋである。
このメッキ層１０２を製膜された基材をブランク材として、メッキ層１０２に対してダイヤモンドバイトを用いて光学転写面として使用される領域全体を切削加工しつつ、光学転写面上にピッチ８μｍで深さ２μｍの輪帯状の段差を形成するように切削加工を施した。こうして、光学転写面の形状加工を施した後、以下のような製膜を施して輪帯状の段差を有する光学素子用の射出成形型を製造した。

同様に、蒸着によって、メッキ層１０２の表面上に中間層１０３を製膜した。この中間層１０３の層厚、素材、熱伝導率は表１に示す。

そして、蒸着によって中間層１０３の表面上に厚さ３ｎｍの表面層１０５を製膜した。この表面層１０５は、フッ素含有化合物被膜であり、その熱伝導率は０．２４Ｗ／ｍ・Ｋである。

（２）評価
中間層１０３の厚さや、素材の異なる射出成形型２をそれぞれ成形機１に取り付けて、多数の光学素子１０を繰り返し成形し、光学素子１０と射出成形型２とを離間した際、当該射出成形型２にプラスチック材料が付着しているかを目視により判断した。なお、比較例として、中間層を設けていない射出成形型を用意し、この射出成形型により多数の光学素子１０を繰り返し成形した。ここで、新品の射出成形型により成形を開始し、プラスチック材料が付着するまでの期間を「付着発生サイクル」とする。比較例の付着発生サイクルを１とし、各実施例の付着発生サイクルを評価した。評価基準は、以下の通りである。

◎：付着発生サイクルが比較例の４．５倍以上。
○：付着発生サイクルが比較例の２．５倍〜４．５倍。
△：付着発生サイクルが比較例の３倍以上。ただし、転写性が◎、○よりも劣る。
▲：付着発生サイクルが比較例の１倍〜２．５倍。ただし、転写性が◎、○よりも劣る。

この表１に示すように、いずれの素材で中間層１０３を形成した場合においても、付着発生サイクルが比較例に比べ長期化することが分かった。特に、中間層１０３の層厚が５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の範囲においては、付着発生サイクルが比較例よりも２．５倍以上長くなることが分かった。

本実施形態に係る射出成形型を備える成形機の概略構成を示す概念図である。 図１の成型機に備わる固定型と可動型を表す説明図であり、（ａ）は固定型と可動型が近接した状態を表し、（ｂ）は固定型と可動型が離間した状態を表している。 本実施形態に係る射出成形型の表面部分を拡大した断面図である。 本実施形態に係る射出成形型の変形例を示す断面図である。

符号の説明

２ 射出成形型
１０１ 基材
１０２ メッキ層
１０３ 中間層
１０４ 酸化物層
１０５ 表面層

Claims (7)

1. 基材上で切削加工により光学転写面の形状加工が施されたメッキ層と、当該メッキ層の外側に配置された表面層と、前記メッキ層と前記表面層との間に配置された中間層とを備え、
   前記メッキ層の熱伝導率をα、前記中間層の熱伝導率をβ、前記表面層の熱伝導率をγとすると、以下の式（１）を満たすことを特徴とする射出成形型。
   γ＜α＜β・・・（１）
2. 請求項１記載の射出成形型において、
   前記中間層は、金属被膜からなることを特徴とする射出成形型。
3. 請求項１又は２記載の射出成形型において、
   前記表面層は、フッ素含有化合物被膜からなることを特徴とする射出成形型。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の射出成形型において、
   前記中間層と前記表面層との間には、酸化物被膜からなる酸化物層が配置されていることを特徴とする射出成形型。
5. 請求項４記載の発明において、
   前記基材上に、前記メッキ層、前記中間層、前記酸化物層及び前記表面層が連続して積層されていることを特徴とする射出成形型。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の射出成形型において、
   前記メッキ層は、ニッケルを主成分とする被膜であることを特徴とする射出成形型。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の射出成形型において、
   前記中間層の厚みは、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることを特徴とする射出成形型。

Images