专利名称：光学元件成形装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于成形光学元件的光学元件成形装置，特别是，涉及成形具有小尺寸(外部直径为2mm到12mm)和高精度(表面粗糙度Ra为20nm或更小)的每一个光学元件的光学元件成形装置。
背景技术：
近来诸如物镜的光学元件采用热塑塑料树脂以注模的方式成形(例如，参照专利文件1和2)。因为，通过使用塑料成形光学元件，可以很迅速的生产同样构造的产品，这种成形很适宜批量生产。使用塑料透镜的光学仪器逐年向小型化和更高性能的趋势发展。伴随这一趋势，塑料透镜更加小型化和具有更高性能的要求日益增加。
此外，作为用于光学元件批量生产的技术，已研制出通常所说的用于在一次合模和树脂注射操作中成形多个模制产品的多腔成形技术。用于多腔成形的模具具有位于固定模具中心的一个主流道和排列在主流道周围的多个流道。即，透镜传递部分安排在主流道周围。在多腔成形技术中，在减少每个传递部分传递性能的变化的同时如何增加模制产品的数量对商业利润有着巨大影响。
〔专利文件1〕第11(1999)-42685号已公开但未审查的日本专利申请〔专利文件2〕第2001-272501号已公开但未审查的日本专利申请然而，上面的多个具有小尺寸和高精度的光学元件的成形在以下几个方面存在问题。具体而言，众所周知，在光学元件注射成形中，浇口和流道的各自形状对成形的传递性能和模制产品的稳定性有影响。还应注意的是主流道的形状以及浇口和流道的形状对成形的传递性能和模制产品的稳定性会施加影响。
例如，当浇口的厚度(在下文中“浇口厚度”)较小时，树脂的流动通道在浇口处急剧变窄。为保证良好的传递性能，、所以不得不以高速度注射树脂。这会引起大的切变热。导致树脂在高温条件下质量降低。同时，应力很可能集中在浇口附近从而出现明显的双折射。而且，这样的成形产品很可能在模具分离期间产生变形及缺乏产品的稳定性。
如果主流道的出口的直径较小，树脂的温度会迅速下降。这将使注射树脂到传递部分不够充分从而引起难以达到良好的传递性能。此外，将不可避免地产生另外一些缺点诸如模制产品的脱模失败，保留在固定模具中，及模具分离失败。相反，如果主流道的出口直径大，将要花费较长时间冷却和凝固主流道中的树脂。换言之，冷却时间(持续时间)的确定取决于凝固主流道中的树脂所需要的时间。这样就很难缩短生产周期。树脂的注射压力和速度将会不稳定，导致成形产品的不稳定。
发明内容
本发明可以克服传统光学元件成形装置的上述问题中的至少一个，提供一种成形小尺寸和高精度光学元件并能获得具有良好传递性能和稳定性的成形产品的装置。
本发明的其它目的和优点将在下面的描述中部分地提出将通过描述而变得明显，也可以从本发明的实践中认识到。本发明的目的和优点可以通过特别是附属权利要求中指出的工具及其组合来实现和认识到。
为达到本发明的目的，本发明提供了一种可同时生产多个光学元件的光学元件成形装置，它包括固定模具；能与固定模具接触且从固定模具分离的活动模具；其中受压时处于接触状态的固定模具和活动模具配有主流道，流道，浇口，和成形传递部分，树脂材料通过主流道，流道，浇口注射进入成形传递部分产生多个光学元件，每个光学元件的外径为2mm到12mm，表面粗糙度为20nm或更小，浇口和流道具有被分别确定为满足条件(1)0.2＜“最小浇口厚度”/“最大流道厚度”＜1(1)的厚度。
依据本发明的光学元件成形装置，具体地，布置成满足有关浇口和横浇道尺寸之间的关系的上面的条件(1)。换而言之，上面的条件(1)能够避免浇口处流动通道的面积的急剧减小，并达到良好的树脂流动性。从而确保出色的传递性能。因为减少了浇口附近的应力，也就减少了双折射。
包括在此并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例且与说明书一道用来解释本发明的目的，优点和原理。
在图中，图1是在示意性地展示出较佳实施例中塑料透镜成形机器(模具处于分离状态)结构的视图；图2是示意性地示出塑料透镜成形机器(模具在压力下处于接触状态)结构的视图；图3是示意性地展示用于塑料透镜的模具结构的剖面侧视图；图4是示出用于塑料透镜的模具的压力接触表面的视图；图5A是矩形浇口的剖面图(浇口高＜浇口宽)；图5B是圆形浇口的剖面图(浇口高＜浇口宽)；图6A是另一个矩形浇口的剖面图(浇口高＞浇口宽)；图6B是另一个圆形浇口的剖面图(浇口高＞浇口宽)；图7A是一个矩形流道的剖面图(长的横向)；图7B是一个圆形流道的剖面图(长的横向)；图8A是另一个矩形流道的剖面图(长的横向)；图8B是另一个圆形流道的剖面图(长的横向)；图9是示出主流道形状的说明性图；图10是示出模具整个结构的剖面图。
具体实施例方式
现参照附图对本发明的较佳实施例作出详细说明。在本实施例中，本发明被应用于塑料透镜的成形机器上。要成形的产品(物品)是外部直径在2mm到12mm之间和具有表面粗糙度Ra为20nm或更小的光学表面的塑料透镜。塑料透镜包括透镜部分和形成在透镜部分周围的凸缘部分。凸缘部分是由透镜托架或类似物支撑的部分。此类塑料透镜可应用在光学摄像管设备的光学摄像管光学系统中、带有内置式相机的蜂窝电话的图像光学系统中及其它一些产品。
图1和图2示意地示出了本实施例中的成形机器100的结构。具体是，图1示出了模具的分开状态；图2示出了模具的压力接触状态。图3和图4，图10示意地示出了本实施例中的模具的结构。特别是，图3和图10是示出模具压力接触状态的剖面侧视图；图4示出了固定的模具的压力接触表面。应注意的是图3是图10虚线所表示部分的放大图。
更具体地说，如图1和图2中所示，在本实施例中的塑料透镜成形机器100包括配置有固定模具1的固定模板10和配置有能够与固定模具1分开的及在压力下与固定模具1接触的活动模具2的活动模板20。在本实施例中的成形机器100是能够产生约为150吨(150kN)合模力的小型成形机器。
模板10设有入口，通过入口熔化的树脂从注射部件80被注射入模具1。注射部件80可以是预塑化类型或同轴螺杆型。
成形机器100的构成如图3所示。型腔11插入固定模具1的基模13中，型芯12插入型腔11。类似的，型腔21插入活动模具2的基模23中，型芯22插入型腔21中。即，型腔和型芯构成了基模中的插入物。在本说明书中，用于形成塑料透镜的透镜部分的传递部分的组成的部件被称为“型芯”，用于形成安排在透镜周围的凸缘部分的传递部分组成的部件被称为“型腔”。
从压力接触面(PL表面)一侧看去，基模13的外部形状为矩形。如图4所示，从压力接触面一侧看去，型腔11的外部形状也为矩形。从压力接触面一侧看去，型芯12的外部形状为圆形。活动模具2在结构上与基模13相同。
具体是，基模13设有凹腔(凹口)以接受型腔11。这个凹腔的宽度比型腔11的宽度略大。型腔11插入基模13时在型腔11和基模13之间产生的间隙由垫块来填充。垫块可调节型腔11的位置及固定型腔11。
当活动模具2与固定模具1压力接触时，在组合的模具1和2中出产生空穴(见图3和10)。这个空穴提供了成形传递部分50，浇口51，流道52和主流道53形成流动通道，熔化的树脂通过流动通道从入口流入流道52。
传递部件(型芯和型腔)的传递部分的表面最好采用金属电镀。金属电镀层具有预先确定的厚度，其厚度范围从10微米到100微米。为在传递表面上提供光路差异保持结构(例如衍射透镜)，最好对电镀层机加工(切削)。为提高模具的分离性能和保护模具，可以使用氮化铬，氮化钛，类金刚石碳(DLC)等等进行表面处理。这可以提高在成形和传递期间的树脂在模具中的流动性能，提高模制产品从模具中的脱离性能(模具的分离性能)。
下面对本实施例中由成形机器100生产塑料透镜的过程加以说明。应注意的是在本实施例中中成形机器100采用的是可以同时生产出多个塑料透镜的多腔成形机器，但为了便于说明将仅对一个要成形的塑料透镜加以描述。在此成形机器100处于两个模具受压彼此接触在一起的状态，熔化的树脂依次通过主流道，流道52和浇口被注射入成形传递部分50。在注入模具的树脂分布在成形传递部分50周围然后冷却和凝固之后，活动模具2从固定模具1处分离开来。模制产品被喷射器或类似物射出。射出的模制产品由塑料透镜本体整体构成，设置在塑料透镜本体光学表面的外围的凸缘部分、其它部分与主流道53，流道52和浇口51相对应。与浇口51相对应的部分在随后的切割过程中被切除。这样生产出了塑料透镜。
关于塑料透镜的成形条件，例如，在采用无定形的聚烯氢树脂作为熔化树脂的情况下，模具的温度是120℃；树脂的温度是280℃；注射速度是50mm/秒；保压压力是100Mpa。无定形的聚烯氢树脂可以包括Zeonex品牌商品(Zeon公司)和Apel品牌商品(Mitsui化工)。
关于在本实施例中用于成形机器100中的塑料树脂，可采用通常用于光学材料的透明树脂材料。例如，最好使用在第2004-144951号，第2004-144953号，第2004-144954号日本专利申请中提出的适当的树脂。特别是，树脂可包括聚丙烯树脂，环烯树脂，聚碳酸酯树脂，聚酯类树脂，聚醚类树脂，聚酰氨树脂，聚亚酰氨树脂或类似物。
当温度上升时树脂的折射率会下降，而大多数无机物在温度上升时折射率会增加。此处，有一种已知技术通过让上面两种特性起作用互相否定以使折射率免于变化。为达到上述目的，30nm或更小的无机物，较好的，20nm或更小的无机物，最好的，在10到15nm范围内的无机物作为基材分散于树脂中。
下面将描述浇口51，流道52，主流道53的各自形状。本实施例中的成形机器100设有矩形剖面的浇口51和圆形剖面的流道52。在实施例中，浇口51在其高度方向的的尺寸(图3中的“a”)称为“浇口高度”；在其宽度方向的的尺寸(图4中的“b”)称为“浇口宽度”；它的长度(图3中的“L1”)称为“浇口长度”。此外，流道52在其高度方向的的尺寸(图3中的“A”)称为“流道高度”；在其宽度方向的的尺寸(图4中的“B”)称为“流道宽度”。
此外，在本说明书中位于浇口高度和浇口宽度之间的较小尺寸称为“浇口厚度”。更具体地说，如图5A和5B所示，当浇口高度比浇口宽度小时，浇口高度称为浇口厚度。另一方面，如图6A和6B所示，当浇口高度比浇口宽度大时，浇口宽度称为浇口厚度。光学透镜成形机器通常设计成浇口高度比浇口宽度小(图5A和5B)。
因此在下面的说明中，描述了浇口高度被称为浇口厚度的例子。浇口的厚度可以沿浇口的通道方向变化，例如扇形的浇口。就此而论，浇口通道的最小浇口厚度称为“最小浇口厚度”。
在本说明书中位于流道高度和流道宽度之间的较大尺寸称为“流道厚度”。更具体地说，如图7A和7B所示，当流道在剖面中为横向长时，沿宽度方向的尺寸称为流道厚度。另一方面，如图8A和8B所示，当流道为垂直方向长时，垂直方向的尺寸称为流道厚度。在树脂前进方向的流道52厚度不必均匀一致，因此，从主流道53到浇口51延伸的通道的最大流道厚度称为“最大流道厚度”。
此外，如图9所示，从熔化树脂的入口到与流道52接合处的主流道53的长度(图9中L2)称为“主流道长度”，熔化树脂的入口的直径(图9中的Rin)称为“入口直径”，与流道52连接部分的直径(图9中的Rout)称为“出口直径”。
本申请人根据试验发现了最小浇口厚度和最大流道厚度的关系及浇口长度和最大流道厚度之间的关系，从而定义了达到良好传递能力的合适比率。
本发明实施例的成形机器100中，最小浇口厚度和最大流道厚度的比率确定为满足以下条件(1)0.2＜“最小浇口厚度”/“最大浇口厚度”＜1(1)如果这个比率是0.2或更小，树脂的流动会在浇口51处急剧受限，引起填充性能的下降。这将导致传递性的下降。此外，应力集中在浇口51附近从而将会明显出现双折射。另一方面，如果比率是1.0或更大，浇口将不起浇口的作用。因而很难控制单独的成形传递部分50的传递能力。
而且，在本发明实施例的成形机器100中，浇口长度和最大流道厚度的比率确定为满足以下条件(2)0.4＜“浇口长度”/“最大流道厚度”＜4(2)如果比率是0.4或更小，会对继发的过程产生影响。具体是，浇口的长度太短不容易从成形产品上切除浇口51，或是流道厚度太大导致更长的生产周期。如果比率是4或更大，相反，浇口长度太长，在模具分离期间导致变形。
而且，本申请人根据试验发现了在主流道53出口直径，适宜于传递性的主流道长度，主流道53的出口直径，主流道53的内部直径之中的关系，从而定义了适宜于获得良好传递性的比率。
本发明实施例的成形机器100中，主流道53的出口直径确定为满足以下条件(3)1.0mm＜“主流道出口直径”＜5.5mm(3)
如果主流道53的出口直径是1.0mm或更小，树脂的温度会迅速下降，将导致填充到成形传递部分50的不充分。相反，当主流道53的出口直径是5.0mm或更大，将要花更长时间冷却和凝固主流道53，且生产周期也会变得更长。
此外，本发明实施例的成形机器100中，主流道长度确定为满足以下条件(4)10mm＜“主流道长度”＜40mm(4)如果主流道长度是10mm或更小，固定模1的基模13必须设有用于喷嘴(注射部件80)插入的凹口。因而模具的刚度将降低。从而，模具夹和喷嘴接触则导致模具变形。相反，如果主流道长度是40mm或更大，在到达流道52之前树脂的温度将会大幅下降。这将导致填充到成形传递部分50的不充分。此外，在模具打开的时候模具会有更大的阻力，导致脱模失败模制零件留在固定模具中。
本发明实施例的成形机器100中，主流道53出口直径和入口直径之间的比率确定为满足以下条件(5)1＜“主流道出口直径”/“主流道入口直径”＜8(5)如果这个比率是1或更小，主流道53的形状是一个倒锥形。这将不可避免地导致脱模失败模制零件留在固定模具中。相反，如果这个比率是8或更大，熔化的树脂将向着出口方向急剧变宽地在主流道中流动。因此树脂注射压力和速度将变得不稳定。从而将降低成形的稳定性。延伸性54(见图9)将会变大。
在模具机器100中，每种形状的浇口51，流道52，主流道53由上述细节确定。具体是，“最小浇口厚度”/“最小流道厚度”确定在0.2到1范围之间(条件(1))，从而避免了流动的剧烈限制以稳定树脂的温度。这样可以获得良好的传递性。还可以阻止应力集中在浇口51附近，以使得浇口附近的双折射被减少。另外，“浇口长度”/“最大流道厚度”确定在0.4到4范围之间(条件(2))，从而分离模具时的变形及缩短生产周期。如上所述，因为每种尺寸的浇口51和流道52满足上述条件(1)和(2)，能够为生产小尺寸和高精度光学元件的装置提供良好的传递性和模制产品的稳定性。主流道53的出口直径确定在大于1.0mm到小于5.5mm的范围内(条件(3))，从而提高了树脂的流动性能和确保了良好的传递性。进一步，主流道长度确定在大于10mm到小于40mm的范围内(条件(4))，从而进一步提高了流动性能和确保了良好的传递性。还能够防止脱模失败和模具分离失败从而保持成形的稳定性。此外，主流道53的“出口直径”/“入口直径”确定在大于1到小于8的范围内(条件(5))，从而能够放止脱模失败和模具分离失败从而保持成形的稳定性。同样延伸性54也被抑制。因此，当主流道53的尺寸满足上述条件(3)，(4)，(5)时，能够获得良好的传递性能和良好的模制产品稳定性能。
实施例仅仅为一个例子并不作为对本发明的限制。在不背离本发明的实质特征的情况下本发明可以其它具体形式体现。例如，注射部件并不局限于预塑化类型或同轴螺杆型，可以是一列式柱塞型。
在实施例100的成形机器中，用于成形塑料透镜的模具配置为分开的型芯和型腔，但不局限于此。即，模具可以配置成型芯和型腔的一体化组合物(整体提供透镜部分的传递部分和凸缘部分的传递部分)。
实施例中成形机器100中的浇口51剖面为矩形但也可以是圆形。剖面是圆形的流道52可以换成矩形剖面。
至于作为要成形产品的光学元件，当当作为基材的塑料树脂与微粒相混合，对混合方法没有特别限制。可使用任何一种下面的方法。即，将塑料树脂和微粒单独制备再将二者相互混合的方法；在包含已制备好的微粒的条件下制备塑料树脂的方法；在制备好的塑料树脂是存在的条件下制备微粒的方法；同时制备塑料树脂和微粒的方法等等。特别是一种合适的方法，例如，塑料树脂溶解于其中的一种溶液和微粒分散于其中的另一种溶液均匀地分散且均匀地混合在一起；从而通过混合溶解度很差的塑料树脂和溶液，以获得了期望的成份的物质。然而，混合的方法并不局限于以上所述。
此外，并不特别限制光学元件中塑料树脂和微粒之间的混合程度。但是，最好是均匀地混合二者。在混合水平不充分的情况下，光学性能特别是折射率，阿贝数和光的传递都会受到影响。再者，树脂的加工性能如热塑性，熔化塑性及类似性能会受到影响。因为混合程度会受到制备方法的影响，在考虑塑料树脂和微粒的性能时应选择合适的方法。为均匀地混合塑料树脂和微粒，可以适当地使用直接将塑料树脂和微粒组合在一起的方法。
从上述说明中显而易见，依据本发明可以提供一种具有良好传递性能和模制产品的稳定性的成形具有各自小尺寸和高精度的光学元件的光学元件成形装置。
权利要求
1.一种可同时生产多个光学元件的光学元件成形装置，它包括固定模具；能与固定模具接触和从固定模具分离的活动模具；其中受压时处于接触状态的固定模具和活动模具配有主流道，流道，浇口，和成形传递部分，树脂材料通过主流道，流道，浇口注射入成形传递部分产生多个光学元件，每个光学元件的外径为2mm到12mm，表面粗糙度为20nm或更小，以及浇口和流道具有被分别确定为满足条件(1)的厚度0.2＜“最小浇口厚度”/“最大流道厚度”＜1 (1)。
2.如权利要求所述1的光学元件成形装置，其特征在于其中浇口和流道具有被分别确定为满足条件(2)的预定长度和厚度0.4＜“浇口长度”/“最大流道厚度”＜4 (2)。
3.如权利要求所述1的光学元件成形装置，其特征在于其中主流道具有被确定为满足条件(3)的预定直径1.0mm＜“主流道出口直径”＜5.5mm (3)。
4.如权利要求所述1的光学元件成形装置，其特征在于其中主流道具有被确定为满足条件(4)的预定长度10mm＜“主流道长度”＜40mm (4)。
5.如权利要求所述1的光学元件成形装置，其特征在于主流道的出口和入口中的每一个具有被确定为满足条件(5)的预定直径1＜“主流道出口直径”/“主流道入口直径”＜8 (5)。
6.如权利要求所述1的光学元件成形装置，其特征在于其中活动模具在合模力为150kN或更小的压力时与固定模具接触。
7.如权利要求所述1的光学元件成形装置，其特征在于该装置还包括可以插入活动模具和固定模具中的至少一个的传递部件，其中传递部件设有成形传递部分。
8.如权利要求所述1的光学元件成形装置，其特征在于在一次合模操作中至少生产出四个光学元件。
全文摘要
本发明的目的是提供一种生产小尺寸和高精度光学元件的光学元件成形装置并获得良好的传递性能和成形产品的稳定性。一种多腔成形机器100具有浇口51，流道52，主流道53，其形状分别满足条件(1)到(5)(1)“最小浇口厚度”/“最大流道厚度”范围在大于0.2到小于1.0之间；(2)“浇口长度”/“最大流道厚度”范围在大于0.4到小于4.0之间；(3)“主流道出口直径”范围在大于1.0mm到小于5.0之间；(4)“主流道长度”范围在大于10到小于40nm之间；(5)“主流道出口直径”/“主流道入口直径”范围在大于1和小于8之间。
文档编号B29L11/00GK1765608SQ20051011649
公开日2006年5月3日 申请日期2005年10月24日 优先权日2004年10月29日
发明者内藤笃, 关原干司, 奥村佳弘, 松本朗彦 申请人:柯尼卡美能达精密光学株式会社