JP5067664B2 - 光学素子用成形金型及び光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂の成形技術に関し、特に光学素子の成形に適した成形金型及びそれにより成形された光学素子に関する。

近年、波長４００ｎｍ程度の青紫色半導体レーザを用いて、情報の記録及び／又は再生（以下、「記録及び／又は再生」を「記録／再生」と記載する）を行える高密度光ディスクシステムの研究・開発が急速に進んでいる。一例として、ＮＡ０．８５、光源波長４０５ｎｍの仕様で情報記録／再生を行う光ディスク、いわゆるＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ（以下、ＢＤという）では、ＤＶＤ（ＮＡ０．６、光源波長６５０ｎｍ、記憶容量４．７ＧＢ）と同じ大きさである直径１２ｃｍの光ディスクに対して、１層あたり２３〜２７ＧＢの情報の記録が可能である。この光ディスクを本明細書では高密度光ディスクと呼ぶ。

ところで、このような光ディスク用光学素子は、樹脂の射出成形により形成され一般的に可動金型と固定金型とを備えた金型を用い、これらを型締めした際にこれらの金型間に得られる空間（キャビティ）内に樹脂を充填し、加熱加圧を行う射出成形により成形される。ここで、このように溶融した樹脂を圧送して射出成形等を行う場合、キャビティ内の空気が残存し、そのまま樹脂が固化した際に成形品の形状を損ねる恐れがある。これに対し、特許文献１に示すように、溶融した樹脂を供給するゲート以外にキャビティに連通した空気逃げ路（エアベント）を設け、射出成形時に不要な空気を逃がすようにしている成形方法が知られている。
特開２００４−２６４５３８号公報

ところが、このようなエアベントを設ける成形方法においては逆に以下のような問題も生じる事がある。すなわち、このようなエアベント内に樹脂が侵入してしまい、それが固化する事により、予期しないバリ（エアベントバリ）が発生するという問題である。特に樹脂材料として熱可塑性樹脂よりも成形前の粘度が低い熱硬化性樹脂や紫外線硬化樹脂を素材として使用した場合、狭い隙間に樹脂が入り込みやすく、エアベントバリの発生がより一層高まる原因となる。

しかし、このようなバリに対しては、通常ゲートで行われているような処理と同様なカット処理、例えばカッター等の工具を使って切除する処理を採用することは現実的でない。

というのも、そもそもバリは発生しない事が好ましいのが常識であるため、形成されてしまうバリは発生頻度、発生量も成形条件によって不均一で、予め形成される事が予定されているゲートと比べて非常に薄く、脆いという特徴がある。そのため、ゲートと同じような切断方法でカットをしても、細かな切断粉が発生して当該レンズとの組み付け位置に挟まることで組み付けに悪影響を及ぼしたり、切断位置が定まらず切断時に光学素子に余計な応力がかかり歪みが生じ、光学素子の特性が量産品で安定しなくなる等の不具合が生じる。

なお、特許文献１の方法では、かかる不具合に対してバリ長さや位置を所定範囲内に調整するなどして対処している。しかしながら前述したように、このようなバリは元々発生を予定していないものであるため、係る調整は結果としてゲートからの樹脂の圧力の調整など成形条件の調整に繋がり、光学素子特性とのバランスを取りながらの調整は、より困難を極めることとなる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、手間がかからず高品質な光学素子を成形できる成形金型及び光学素子を提供することを目的とする。

本発明における第１の形態は、樹脂製光学素子を成形する光学素子用成形金型であって、２つの光学面のうちの一方の光学面を転写する転写面を有する可動側金型と、２つの光学面のうちの他方の光学面を転写する転写面を有する固定側金型と、を有し、前記可動側及び固定側金型は、前記可動側及び固定側金型を当接させて型締めする際に互いに対向する対向面を各々有し、前記可動側及び固定側金型の各対向面の一部は、型締めされた前記金型間にキャビティを形成すると共に、当該キャビティ内へ外部から樹脂材料を供給するためのゲートと、前記キャビティ内から空気を排出するためのエアベントとを形成し、前記エアベントを形成する前記可動側及び固定側金型の各対向面のうち少なくとも一方には、前記エアベント内に供給される樹脂が固化して形成されるエアベント樹脂部の一部の断面積を部分的に小さくする突部が形成されていることを特徴とする光学素子用成形金型である。

本発明における第２の形態は、前記突部は突出方向に沿って先端が細くなっている形状であることを特徴とする前記第１の形態に係る光学素子用成形金型である。

本発明における第３の形態は、前記エアベントは、前記突部が設けられていない部分に対して前記突部が設けられる部分の断面積が５０〜７０％の断面積になっていることを特徴とする前記第１又は第２の形態のいずれかに係る光学素子用成形金型である。

本発明における第４の形態は、前記ゲートと前記エアベントとは、前記成形装置によって成形される光学素子の光軸に対して互いに対称な位置に形成されていることを特徴とする前記第１〜第３の形態のいずれか一つに係る光学素子用成形金型である。

本発明における第５の形態は、前記光学素子はNA０．８以上の対物レンズであることを特徴とする前記第１〜第４の形態のいずれか一つに係る光学素子用成形金型である。

本発明における第６の形態は、光学面と、その外周に円形に形成されたフランジ部とを樹脂成形により形成された光学素子において、前記フランジ部には、前記フランジ部の一部を直線状に切り欠く様に形成された切り欠き面を備え、前記切り欠き面には、前記フランジ部に連なるエアベント樹脂部の一部を切除してその残り部分により形成されたエアベント樹脂切除部を有し、前記エアベント樹脂切除部の端部は、光軸中心から前記フランジ部外周までの外周半径よりも内側に位置すると共に、前記エアベント樹脂切除部の端部以外の断面積よりも小さく形成されていることを特徴とする光学素子である。

本発明における第７の形態は、前記フランジ部には、前記フランジ部に連なるゲート部を切除することにより形成されたゲート切除部を前記切り欠き部とは異なる位置に配置したことを特徴とする前記第６の形態に係る光学素子である。

本発明における第８の形態は、前記ゲート切除部と前記エアベント樹脂切除部とは、前記光学素子の光軸に対して互いに対称な位置に形成されていることを特徴とする前記第７の形態に係る光学素子である。

本発明における第９の形態は、前記エアベント樹脂切除部の端部の断面積は、前記エアベント樹脂切除部の端部以外の断面積に対して５０〜７０％の断面積をもって形成されていることを特徴とする前記第６〜第８の形態のいずれか一つに係る光学素子である。

本発明における第１０の形態は、前記エアベント樹脂切除部の端部は、前記光学素子の他の表面部分よりも面粗度が大きいことを特徴とする前記第６〜第９の形態のいずれか一つに係る光学素子である。

本発明における第１１の形態は、前記光学素子は、NA０．８以上の光ピックアップ装置用対物レンズであることを特徴とする前記第６〜第１０の形態のいずれか一つに係る光学素子である。

なお、ここでいう「突部」とは、形成面から局所的に突出している部分は勿論、当該構成が形成されるエアベントの端部に、他端側から断面積が小さくなるように隆起してそのまま一端に接続している構成であっても良い。

本発明によれば、従来の成形の考え方、即ち、バリは出来るだけ発生しないよう抑制する、という考え方から、逆にエアベントに樹脂を侵入する事を許容される程度に高い圧力で積極的に樹脂をキャビティ内に供給し、それによって逆に形成されるエアベント内の固化樹脂、つまりエアベント樹脂部はゲートの切断と異なる、簡易且つ光学素子やその位置決めに影響を与えないような切断が行える成形金型を提供するものである。その結果として得られる光学素子は、光学特性の良い安定した品質のものとなる。このことは特に高密度光ディスクの情報記録面に対して情報記録／再生のためにレーザ光を集光するNA０．８以上の高ＮＡの対物レンズのように曲率の大きな対物レンズであっても、エアベントへの樹脂侵入を気にすることなく高い圧力で樹脂を供給できるため隅々まで樹脂が転写され、結果として光学特性の高い、安定した対物レンズが提供できる、という作用効果に繋がるものである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる成形装置を用いて樹脂を成形する工程を示す図である。図２は、本実施の形態にかかる成形装置を型締めした状態で拡大した断面図である。図３は、固定型２０の一部を可動型１０側から見た図である。

図１において、可動型（第１の型）１０は、複数の第１光学転写面（第１転写面）１１ａと、第１フランジ転写面１１ｂとを有する。固定型（第２の型）２０は、複数の第２光学転写面（第２転写面）２１ａと、第２フランジ転写面２１ｂと、その間に形成されたスプール２２と、第２フランジ転写面２１ｂとスプール２２とを接続するランナー２３とを有する。ランナー１２と第２フランジ転写面２１ｂとの間には、ゲート（入口流路）ＧＴが形成されている。スプール２２は樹脂の供給部であるノズルＮに接続されている。

図２、３において、固定型２０の表面には、第２フランジ転写面２１ｂと外部とをつなぐ浅い溝２４が形成されている。これにより、型締めした状態では、対向する可動型１０の下面との間で薄い断面のエアベント（エアベント）ＡＢが形成され、第１転写面１１と第２転写面２１とで形成されるキャビティＣＢと、型の外部とを空気が移動可能に連通している。本実施の形態では、可動型１０の下面から突出する方向に沿って細く形成された、エアベントの方向と平行な方向の断面で見た場合に三角状の壁状の突部１３が、略溝幅でエアベントＡＢ内に突出するように形成されている。突部１３の突出量Δは、エアベントＡＢの当該突部が形成されていない部分のエアベントの方向とは直交する方向の断面の断面積に対して５０〜７０％の断面積となるように設定されるのが好ましい。

図３において、固定型２０の第２フランジ転写面２１ｂを形成する内周は、浅い溝２４が接続する位置が内方へと張り出している。即ち、第２フランジ転写面２１ｂを形成する内周は、光学転写面２１ａの中心Ｏから半径Ｒの円周面２１ｃと、円周面２１ｃの周方向両端Ｐを弦状に接続してなる平面２１ｄとからなる。ここで、可動型１０の突部１３の先端は、一点鎖線で示すように、中心Ｏからの距離Ｌ（Ｌ＜Ｒ）の位置にある。

この突部１３の位置は、成形後の光学素子で見た場合、当該光学素子に形成されたエアベント樹脂部がこの位置を超えて外側まで形成された場合に、後述するような切断作業を行って得られるエアベント樹脂部切除後の残部、つまりフランジ部に連なるエアベント樹脂切除部の端部の位置に相当する事となる。

次に、光学素子の成形方法について説明する。まず、図１（ａ）に示すように、固定型２０の上方に可動型１０をセットする。その後、図１（ｂ）に示すように、固定型２０に対して可動型１０を密着させて、所定の保圧にて型締めを行う。

更に可動型１０と固定型２０とをヒータ５０により加熱することにより、型締め時点での光学転写面１１ａ、２１ａを所定温度まで加熱した後、ノズルＮから任意の圧力に加圧された状態で樹脂を供給する（図１（ｃ）参照）。このとき、エアベントＡＢからキャビティＣＢ内に残存している空気が抜けるので、キャビティＣＢ内にエア溜まりが形成されることが抑制され、転写面に樹脂が精度良く密着することができる。

その後、溶融した樹脂が転写面１１ａ、１１ｂ，２１ａ、２１ｂの形状を転写した状態で固化した後、型温度を低下させて樹脂を冷却して固化させる。尚、型内に供給する素材が熱硬化性樹脂の場合には、硬化温度まで加熱することで固化させることができる。

その後、可動型１０を上方に移動させて型開きを行うと、成形品Ｍが可動型１０に貼り付いた状態で上昇する。このとき、エアベントＡＢ内に樹脂が侵入して固化した場合に、成形品に付随するエアベント樹脂部が形成される。かかる場合、例えば絞り部から内側の浅い溝２４の抜き勾配に対し、外側の抜き勾配を浅くすることで型開き時の抵抗を相対的に大きくすれば、型開き時の応力で、突起１３を起点としてエアベント樹脂部が折損し、固定型２０側に残存するようになる。これにより、型開きとエアベント樹脂部の除去とを同時に行うことができ、製造工数の低減を図れる。

これに対し別方法として、エアベント樹脂部を成形品Ｍに付随させた状態で残し、更に後工程で折損作業を行う方法も取る事ができる。

図４は、後工程で成形品Ｍからエアベント樹脂部を除去する状態を示す図であるが、成形品Ｍはスプール中央から光学素子ＯＥ毎に切り離した状態である。図５は、エアベント樹脂部を除去した後の成形品Ｍを光学素子ＯＥの光軸方向から見た図である。図６は、図５に示す折損した後の残ったエアベント樹脂部ＢＲ、即ちエアベント樹脂切除部を矢印VI方向に見た図であり、図７は、図５に示すエアベント樹脂部ＢＲを矢印VII方向に見た図である。

図４において、作業者は、手ＨでスプールＳＰ側を把持し、ピンセットＰＳでエアベント樹脂部の先端側を挟持し、下向き（又は上向きでも良い）の力を加えると、局所的に断面積が他の部分よりも小さくなっている突部１３に対応して形成された断面三角溝状のノッチＮＴに応力集中が生じることにより、これを起点としてエアベント樹脂部が容易に、且つ確実に所定位置で折損するができる。尚、フランジ部を支持しつつ、先にゲートをカットすることも出来、これにより光学面の歪みに与える影響を小さく抑えることができる。

このような突部を設ける構成をとることにより、従来工具で行っていた切断作業を、応力の小さな手作業でも切断する事が可能となり、また切断位置も当該所定位置に定まるため確実に切断する事ができる。

図６，７に示すように、折損された後のフランジ部に残ったエアベント樹脂切除部ＢＲの先端面は、突起１３の形状を転写した滑らかなテーパ面ＢＲ１と、折損した面粗度の大きい破断面ＢＲ２とからなる。ここで、エアベント樹脂切除部ＢＲの高さＡが一様であるとすると、破断面ＢＲ２の高さをＢとしたときに、Ｂ／Ａ＝０．５〜０．７となる。

図５に示すように、光学素子ＯＥは、光学転写面１１ａ、２１ａから転写された光学面ＯＥ１と、フランジ転写面１１ｂ、２１ｂから転写されたフランジ部ＯＥ２とを有している。更に、フランジ部ＯＥ２の外周面は、いわゆるＤカットと呼ばれるように、所定角度範囲である半径Ｒの円筒面ＯＥ２ａと、円筒面ＯＥ２ａの周方向両端を弦状につないで切り欠いたような切欠面ＯＥ２ｂとを有している。エアベント樹脂切除部ＢＲは、切欠面ＯＥ２ｂの中央に形成されており、その先端、即ちエアベント切除部の端部は、光学面ＯＥ１の光軸Ｘから距離Ｌ（Ｌ＜Ｒ）の位置にある。尚、距離Ｌを半径Ｒに近づければ、光学面の歪みに与える影響を小さく抑えることができる。勿論、エアベント樹脂切除部ＢＲの切欠面ＯＥ２ｂからの突出量をゼロに近づければ近づけるほど、取り扱い性に優れた光学素子ＯＥとできることは言うまでも無い。

従って上述の様な成形後の光学素子は、ゲートを図で示す位置で切断した後、半径Ｒの内周を有する鏡枠などに設置する際に、バリＢＲが邪魔にならないという利点がある。尚、ゲートを切断したゲート切除部ＧＴは、光学面ＯＥ１の光軸Ｘを中心とする回転方向の位相決めのために用いられるが、かかる場合、エアベント樹脂切除部ＢＲは、折損以外の成形された光学素子表面は勿論、切断されたゲート切除部ＧＴの切断痕に比べても面粗度が大きいので、位相決めを行う作業者がエアベント樹脂切除部ＢＲとゲート切除部ＧＴとを見誤る恐れも少ない。

なお本実施例ではゲートの一部をフランジ部に残して切除したゲート切除部を例に説明したが、特にこれに限定されるものではなく、フランジ部の円周形状にそってゲート部をきれいに除去した光学素子であっても良い。

本実施の形態によれば、可動型１０に、突部１３が形成されているので、エアベントＡＢ内で樹脂材が固化して形成されたエアベント樹脂部は突部１３に対応してノッチＮＴが生じることとなるから、これを起点として折損せしめることで、容易にエアベント樹脂部を光学素子ＯＥから分離でき、更にカット時のように切断粉の処理に時間をかけることはない。又、エアベント樹脂部の折損は必ず同じ位置（光軸から距離Ｌ）で行われるので、光学面ＯＥ１に与える歪みを最小限に抑え、光学素子ＯＥの品質を安定化させると共に、後工程での処理を低減することができる。

図８は、変形例にかかる突部を示す図である。図８（ａ）に示す突部１３のように、断面が三角形状でなく、図８（ｂ）に示す突部１３’のように、断面が半円形状であっても良く、更には図８（ｃ）に示す突部１３”のように、断面が矩形状であっても良い。但し、応力集中が生じやすいノッチを形成するためには、図８（ａ）に示す突部が望ましい。突部は可動型金型側の表面ではなく固定型金型側の表面に形成されても良く、或いは可動型金型側と固定型金型側の双方に形成されていてもよい。更に、ゲートとエアベント樹脂部の位相関係は、光軸に対して互いに対称、すなわち各々が１８０度の位置にあれば、成形時にキャビティ内の樹脂が循環しやすくなりエアの残存を抑制できるため好ましい。但し係る位置は必ずしもこれに限定されるものではなく、９０度又はそれ以外の位相関係で任意に配置することができる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

本実施の形態にかかる樹脂の成形工程を示す図である。 本実施の形態にかかる成形装置を型締めした状態で拡大した断面図である。 固定型２０の一部を可動型１０側から見た図である。 後工程で成形品Ｍからエアベント樹脂部を除去する状態を示す図である。 エアベント樹脂部を除去した後の成形品Ｍを光学素子ＯＥの光軸方向から見た図である。 図５に示すエアベント樹脂部ＢＲを矢印VI方向に見た図である。 図５に示すエアベント樹脂部ＢＲを矢印VII方向に見た図である。 変形例にかかる突部を示す図である。

符号の説明

１０ 可動型
１１ 転写面
１１ａ 光学転写面
１１ｂ フランジ転写面
１２ ランナー
１３ 突起
２０ 固定型
２１ａ 光学転写面
２１ｂ フランジ転写面
２１ｃ 円周面
２１ｄ 平面
２２ スプール
２３ ランナー
２４ 溝
５０ ヒータ
ＡＢ エアベント
ＢＲ エアベント樹脂部
ＢＲ１ テーパ面
ＢＲ２ 破断面
ＣＢ キャビティ
ＧＴ ゲート
Ｈ 手
Ｍ 成形品
Ｎ ノズル
ＮＴ ノッチ
Ｏ 中心
ＯＥ 光学素子
ＯＥ１ 光学面
ＯＥ２ フランジ部
ＯＥ２ａ 円筒面
ＯＥ２ｂ 切欠面
ＰＳ ピンセット
ＳＰ スプール
Ｘ 光軸

Claims (11)

1. 樹脂製光学素子を成形する光学素子用成形金型であって、
   ２つの光学面のうちの一方の光学面を転写する転写面を有する可動側金型と、
   ２つの光学面のうちの他方の光学面を転写する転写面を有する固定側金型と、を有し、
   前記可動側及び固定側金型は、前記可動側及び固定側金型を当接させて型締めする際に互いに対向する対向面を各々有し、
   前記可動側及び固定側金型の各対向面の一部は、型締めされた前記金型間にキャビティを形成すると共に、当該キャビティ内へ外部から樹脂材料を供給するためのゲートと、前記キャビティ内から空気を排出するためのエアベントとを形成し、
   前記エアベントを形成する前記可動側及び固定側金型の各対向面のうち少なくとも一方には、前記エアベント内に供給される樹脂が固化して形成されるエアベント樹脂部の一部の断面積を部分的に小さくする突部が形成されていることを特徴とする光学素子用成形金型。
2. 前記突部は突出方向に沿って先端が細くなっている形状であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子用成形金型。
3. 前記エアベントは、前記突部が設けられていない部分に対して前記突部が設けられる部分の断面積が５０〜７０％の断面積になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子用成形金型。
4. 前記ゲートと前記エアベントとは、前記成形装置によって成形される光学素子の光軸に対して互いに対称な位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光学素子用成形金型。
5. 前記光学素子はNA０．８以上の対物レンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学素子用成形金型。
6. 光学面と、その外周に円形に形成されたフランジ部とを樹脂成形により形成された光学素子において、
   前記フランジ部には、前記フランジ部の一部を直線状に切り欠く様に形成された切り欠き面を備え、前記切り欠き面には、前記フランジ部に連なるエアベント樹脂部の一部を切除してその残り部分により形成されたエアベント樹脂切除部を有し、前記エアベント樹脂切除部の端部は、光軸中心から前記フランジ部外周までの外周半径よりも内側に位置すると共に、前記エアベント樹脂切除部の端部以外の断面積よりも小さく形成されていることを特徴とする光学素子。
7. 前記フランジ部には、前記フランジ部に連なるゲート部を切除することにより形成されたゲート切除部を前記切り欠き部とは異なる位置に配置したことを特徴とする請求項６記載の光学素子。
8. 前記ゲート切除部と前記エアベント樹脂切除部とは、前記光学素子の光軸に対して互いに対称な位置に形成されていることを特徴とする請求項７記載の光学素子。
9. 前記エアベント樹脂切除部の端部の断面積は、前記エアベント樹脂切除部の端部以外の断面積に対して５０〜７０％の断面積をもって形成されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一つに記載の光学素子。
10. 前記エアベント樹脂切除部の端部は、前記光学素子の他の表面部分よりも面粗度が大きいことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載の光学素子。
11. 前記光学素子は、NA０．８以上の光ピックアップ装置用対物レンズであることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一つに記載の光学素子。

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