CN101657320A - 光学元件制造方法、光学元件制造设备和光学元件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了从粉状纳米复合材料制造光学元件的方法,所述粉状纳米复合材料包括含有无机细颗粒的热塑性树脂。所述方法包括:通过加热所述粉状纳米复合材料制备块状的中间体;和通过热压成型所述中间体形成具有最终形状的光学元件。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件制造方法、光学元件制造设备和光学元件;特别地,本发明涉及用纳米复合材料形成光学元件的技术。
背景技术
随着近来光学信息记录装置(比如便携式照相机、DVD、CD和MO驱动器)的性能提高、小型化和成本降低,这些光学信息记录装置中使用的光学元件(比如光学透镜或过滤器)非常需要优异的材料和方法开发。
特别地,塑料透镜比无机材料(比如玻璃)重量更轻且更难以破裂,并可处理成多种形状,且可以低成本生产。因此,塑料透镜的应用不仅快速扩展至玻璃透镜,也扩展至上述光学透镜。随着这样的扩展,为了使透镜变薄,需要增大材料本身的折射率,或相对于热膨胀和温度的变化稳定光学折射率。已获得多种方法以改进光学折射率并抑制热膨胀系数和光学折射率相对于温度的变化。例如,已获得使用纳米复合材料作为透镜材料的方法,在所述纳米复合材料中,无机细颗粒(比如金属细颗粒)分散在塑料树脂中(参考例如JP-A-2006-343387、JP-A-2002-47425、JP-A-2003-155415和JP-A-2006-213895)。
当用这种纳米复合材料形成光学元件时,对于需要高透明度的光学元件,当无机细颗粒分散在塑料树脂中时,需要使无机细颗粒的粒径至少小于所使用的光的波长以减少光散射。此外,为了减少透射光强度因瑞利散射(Rayleigh scattering)造成的衰减,需要制备并分散尺寸为15nm或更小的均匀纳米颗粒。
为了制备其中无机细颗粒分散在塑料树脂中的纳米复合材料,有下列方法。
(1)直接将所述无机细颗粒放入塑料树脂中并在其中混合。
(2)将所述无机细颗粒混入液体溶剂中后,加热所述溶剂以除去所述溶剂。
(3)混合单体和所述无机细颗粒后,聚合所述单体以含有所述无机细颗粒。
然而,在所述方法(1)中,当颗粒密度高时颗粒团聚,使得制得的光学元件不透明;在方法(3)中,聚合时的收缩率大,且难以控制形状,使得例如,不能以必需的精度成型便携式小尺寸照相机透镜或读取透镜(pick-uplens)。在方法(2)中,可以形成具有最高品质的透镜。然而,在常规方法(2)中仍需要一些时间除去溶剂。
因此,在方法(2)中除去溶剂的干燥步骤中,通过雾化并干燥包括无机细颗粒的溶液,所述溶液的表面积增大,由此除去溶剂的时间减少。根据此方法,可以在相对短时间内制造具有均匀性质的纳米复合材料。然而,获得的材料是微细粉末的形状,这样所述粉末飘动、灰尘等易于混入所述粉状纳米复合材料中,且在传送时易于引起堵塞。因此,用于成型透镜的各个步骤中的处理变得困难。
此外,在JP-A-2006-343387描述的光学元件和制造所述光学元件的方法中,将其中细颗粒分散在树脂中的纳米复合材料注射成型成预制品,并压制所述预制品以制造光学元件。然而,当注射成型所述包括细颗粒的树脂材料时,所述细颗粒可部分团聚,因而担忧产品不会变透明。为了防止这样的颗粒团聚,当细颗粒和树脂材料结合时,流动性降低,从而注射成型会变得不可能。
如前所述,通过将纳米颗粒分散在树脂材料中,折射率增大,且相对于温度变化,折射率和体积稳定。尽管折射率和热稳定性因细颗粒的加入量的增大而改进,但纳米复合树脂的流动性反而变差。特别地,为了提高折射率,必须分散大量细颗粒,使得流动性变得更差。
因此,当注射成型纳米复合树脂时,即使在高温下也不能获得注射成型所需的树脂流动性,因而难以成型良好的产品。
发明内容
本发明的目的在于提供光学元件制造方法、光学元件制造设备和光学透镜,其中通过提高其处理性能,粉状纳米复合材料容易地成型成光学元件,并且即使流动性差的材料也可以稳定地形成具有所需光学特性的光学元件。
本发明的上述目的可通过下列光学元件制造方法实现。
(1)从粉状纳米复合材料制造光学元件的方法,所述粉状纳米复合材料包括含有无机细颗粒的热塑性树脂,
所述方法包括:
通过加热所述粉状纳米复合材料制备块状的中间体;并
通过热压成型所述中间体形成具有最终形状的光学元件。
根据该光学元件制造方法,由于所述块状中间体通过加热所述粉状纳米复合材料制备,且所述中间体通过热压成型形成具有最终形状的光学元件,在光学元件成型过程中不处理粉末,因而处理性能改进。此外,通过从粉状材料形成块状中间体,可以容易地进行形成光学元件(比如透镜)所需的高精度的重量(体积)控制。例如,为了形成用于安装在移动电话上的小尺寸照相机的光学透镜,需要以相对于约50mg的总透镜重量0.1mg的精度控制其重量。然而,由于粉末容易移动、浮动和附着,难以高精度测量粉末状态下的材料的重量以将粉末成型成透镜,当这种粉末形成例如棒状(块状)中间体时,可用长度测量代替重量测量,长度测量易于高精度测量,从而可以大大改进处理性能。
(2)根据(1)的光学元件制造方法,其中一块所述中间体形成一个光学元件。
根据该光学元件制造方法,由于一个光学元件由一块中间体形成,可以高精度地设置光学元件的最终形状的重量(体积),并简化制造过程。
(3)根据(1)或(2)的光学元件制造方法,其中所述粉状纳米复合材料的平均粒径为1mm或更小。
根据该光学元件制造方法,通过使用平均粒径为1mm或更小的粉末,可以提高生产力。即,在纳米复合粉末中,例如,当将其中分散了树脂和无机细颗粒的溶液制成微液滴,干燥所述液滴并制成粉末时,由于粉末的平均粒径为1mm或更小,表面积的增大加快了该干燥步骤中的干燥。
(4)根据(1)或(2)的光学元件制造方法,所述方法还包括,在制备所述中间体后,通过热压缩所述中间体制备形状接近于最终形状的预制品,
其中形成所述光学元件是通过在所述预制品的两侧形成光学功能表面来进行的。
根据该光学元件制造方法,热压缩所述中间体以制备形状接近于光学元件的最终形状的预制品后,通过模压成型在所述预制品的两个表面上形成光学功能表面。因此,可通过不需要高精度的便宜的模具经济地制备所述预制品。该预制品通过具有高精度的模具模压成型,由此在所述预制品的两个表面上肯定形成具有高精度的光学功能表面,并可制造具有优异的光学特性的光学元件。
(5)根据(1)到(4)任意一项的光学元件制造方法,其中所述中间体的制备包括:加热并熔化所述粉状纳米复合材料;通过挤出成型挤出熔化的纳米复合材料;并切割所需体积的挤出的纳米复合材料以制备所述中间体。
根据该光学元件制造方法,加热并熔化所述粉状纳米复合材料后,通过挤出成型挤出所需体积的熔化的纳米复合材料并切割,以制备中间体。因此,形成具有固定截面的中间体,且易于进行高精度的重量(体积)控制。即,代替粉末的重量测量(其难以在短时间内以高精度进行),进行中间体的长度测量,由此容易以高精度控制重量(体积)。
(6)根据(1)到(4)任意一项的光学元件制造方法,其中所述中间体的制备包括:加热并熔化所述粉状纳米复合材料;通过挤出成型挤出熔化的纳米复合材料的棒状体,所述棒状体具有恒定截面;并切割所述棒状体以制备所述中间体。
根据该光学元件制造方法,通过挤出成型制造具有恒定截面的纳米复合材料的棒状体后,切割该棒状体,以制备中间体。因此,通过利用具有固定截面的棒状体的长度和其体积成比例的事实,可容易地制备所需量的中间体。
(7)根据(1)或(2)的光学元件制造方法,其中所述中间体的制备包括热压缩所述粉状纳米复合材料以形成形状接近于最终形状的中间体。
根据该光学元件制造方法,所述粉状纳米复合材料可通过容易的步骤形成预制品,同时连续步骤中的处理性能得以提高,可以减少全部步骤的数量。
(8)从粉状纳米复合材料形成光学元件的光学元件制造设备,所述粉状纳米复合材料包括含有无机细颗粒的热塑性树脂,所述设备包括:
第一形成单元,其将所述粉状纳米复合材料装入容器中并加热所述粉状纳米复合材料以制备块状中间体;和
第二形成单元,其包括至少两个模具,所述模具具有将要转移到所述中间体上的光学功能表面,其中所述中间体夹在所述模具之间并被热压成型。
根据该光学元件制造设备,提供了加热装入容器中的粉状纳米复合材料以制备块状中间体的第一形成单元,和通过热压成型在至少两个模具之间的中间体,将光学功能表面转移到所述中间体的两个表面上的第二形成单元。即,将所述粉状纳米复合材料成型成处理性能优异的中间体后,在中间体上形成光学功能表面。因此,在抑制步骤数增加的同时,可以高精度制造光学元件。
(9)根据(8)的光学元件制造设备,其中所述第一形成单元包括:
加热单元,其加热装入所述容器中的粉状纳米复合材料;
挤出成型单元,其挤出成型通过加热熔化的纳米复合材料;和
切割单元,其切割所需量的所述挤出的纳米复合材料。
根据该光学元件制造设备,通过所述加热单元加热装入所述容器中的粉状纳米复合材料以制造熔化的纳米复合材料后,通过挤出成型单元挤出所述熔化的纳米复合材料,并通过切割装置按所需量切割所述挤出的纳米复合材料以形成中间体。因此,可以容易地连续形成中间体。此外,当从具有恒定截面的管挤出纳米复合材料时,通过测量挤出长度,可以高精度控制中间体的重量(体积)。
(10)通过根据(1)到(6)任意一项的光学元件制造方法成型的光学元件。
根据该光学元件,由于所述光学元件由重量(体积)受到高精度控制的粉状纳米复合材料制造,所述光学元件具有高精度和优异的光学特性。
根据(10)的光学元件,其中所述光学元件是透镜。
根据该光学元件,可以容易地获得具有优异的光学特性的透镜。
有利效果
根据本发明实施方案,通过提高处理性能,其中热塑性树脂中含有无机细颗粒的粉状纳米复合材料易于成型成光学元件,且可以成型具有稳定的光学特性的光学元件。
附图说明
图1的流程图显示根据本发明第一实施方案的光学元件制造方法的示意性程序;
图2是从纳米复合粉末形成块状中间体的中间体形成设备的主要部分纵向截面图;
图3的流程图显示通过中间体形成设备形成中间体的程序;
图4的说明性视图显示挤出一定量中间体的操作;
图5的说明性视图显示通过压缩成型中间体成型光学元件的步骤;
图6的流程图显示根据本发明第二实施方案的光学元件制造方法的示意性程序;
图7的说明性视图显示通过热压缩块状中间体成型预制品的步骤;
图8的说明性视图显示通过压缩成型设备从预制品成型光学元件的步骤;
图9的流程图显示第三实施方案中的光学元件制造方法的示意性程序;
图10的说明性视图显示通过热压缩纳米复合粉末直接从所述纳米复合粉末成型预制品的步骤;
图11的图形显示第四实施方案中的光学元件制造方法的示意性程序,其中显示了制备截面固定的棒状纳米复合材料并切割所述棒状纳米复合材料以制备中间体的步骤的实例,
其中一些标记数字和符号的描述阐述如下:
15活塞(挤出单元)
19料斗(容器)
21加热器(加热单元)
31切割器(切割单元)
33上模具
33a光学功能转移表面
35下模具
35a光学功能转移表面
41上模具
43下模具
51上模具
53下模具
61纳米复合粉末
61A流态化纳米复合材料
63中间体
65预制品
67光学元件
67a光学功能表面
100中间体形成设备(第一形成单元,光学元件制造设备)
200压缩成型设备(第二形成单元,光学元件制造设备)
300预制品成型设备(光学元件制造设备)
400预制品成型设备(光学元件制造设备)
发明详述
下面将参考附图详细描述根据本发明的光学元件制造方法和光学元件制造设备的示例性实施方案。
在下列实施方案中描述的本发明的要点是:当从可以形成具有优异的透明度、高折射率和优异的光学特性的光学元件的纳米复合材料形成光学元件时,难以处理的粉状纳米复合材料一次形成重量(体积)易于控制的中间体,此后所述中间体成型成光学元件,由此可以制造具有高精度的光学元件。
(第一实施方案)
首先描述根据本发明的光学元件制造方法的第一实施方案。
图1的流程图显示根据本发明第一实施方案的光学元件制造方法的示意性程序。
如图1所示,纳米复合粉末通过后面将要描述的中间体形成设备,通过加热步骤(步骤1:S1)、挤出步骤(S2)和切割步骤(S3)形成块状中间体63。然后,加热所述中间体63(S4)并通过模压成型压缩,由此制造光学元件67比如透镜。所述纳米复合粉末是平均粒径各为1到15nm的无机细颗粒分散在热塑性树脂中的材料,其细节将在后面描述。
下面按顺序描述上述步骤。首先,通过图2所示的中间体形成设备进行加热步骤S1、挤出步骤S2和切割步骤S3。图2是从所述复合粉末形成块状中间体的中间体形成设备的主要部分纵向截面图。图2显示的结构是一实例,本发明不局限于该结构。
中间体形成设备100是第一成型单元,其加热纳米复合粉末61以成型块状中间体63,它包括材料喷射机构11。材料喷射机构11的圆筒13具有通孔13a,所述通孔13a在上下方向上从下端部分13b延伸到上端部分13c。该通孔13a的横截面的形状恒定为圆形,且在所述通孔13a的整体中其横截面的直径(截面)是一致的。
理想地,所述通孔13a的横截面的直径是10mm或更小,实际上约为0.5到7mm。当所述通孔13a的横截面的直径较小时,高精度测量是可能的。然而,当它太小时,每次喷射的喷射体积减小,因此需要多次喷射,需要额外的测量时间。
活塞15的一部分从所述上端部分13c插入所述圆筒13的通孔13a中。挤出通过加热熔化的纳米复合材料61A的活塞15具有伸长的形状,其截面形状和圆筒13的几乎相同,并且所述活塞15可沿上下方向滑入所述通孔13a中。所述活塞15的基端侧和通过伺服马达或步进马达驱动的活塞上下机构16相连,活塞15沿上下方向滑入所述圆筒13中。此外,所述材料喷射机构11包括未显示的位移传感器,所述活塞15在行程方向(strokedirection)的移动距离通过所述位移传感器检测。关于所述用于测量移动行程的位移传感器,可以使用例如光学传感器(比如激光位移测量计)、接触型传感器、静电容量传感器等。这些圆筒13、活塞15、活塞上下机构16、位移传感器起到挤出成型单元的作用。
另一方面,塑化机构17与所述圆筒13的外表面的一部分连接。所述塑化机构17包括用于储存纳米复合粉末61(其为产品的原料)的料斗19。在所述塑化机构17的外表面上,设置加热器21作为加热单元,其加热并熔化所述纳米复合粉末61,从而使所述纳米复合材料61A流态化。
所述塑化机构17通过来自所述加热器21的热和材料之间的摩擦热熔化所述纳米复合粉末61,以产生具有流动性的流态化的纳米复合材料61A,在借助于螺杆17a搅拌所述纳米复合材料61A的同时,将所述纳米复合材料61A引导至喷射侧的前面,并朝所述圆筒13的通孔13a喷射所述纳米复合材料61A。朝所述通孔13a喷射的纳米复合材料61A通过流径17b注入所述圆筒13的通孔13a中。在所述流径17b中间,设置单向阀(checkvalve)23,用于防止所述纳米复合材料61A逆流至所述塑化机构17侧。所述塑化部分的温度理想地在(玻璃化转变温度Tg-20℃)到(Tg+200℃)的范围内,更理想地在Tg到(Tg+150℃)的范围内,进一步理想地在(Tg+20℃)到(Tg+120℃)的范围内。为了所述材料的流动性,可在高压下引入可溶气体(比如二氧化碳或氮气)。
在所述圆筒13内,嵌入加热器20以保持所述纳米复合材料61A的温度在玻璃化转变温度或更高。在所述圆筒13的外部,在合适的放置位置设置用于保温的绝热材料25。
在喷射孔27附近,在和所述通孔13a连通的开口部分安装压力传感器29,喷射孔27位于在所述圆筒13的下端部分13b和,所述圆筒13的通孔13a与延伸自所述塑化机构17的所述流径17b的会合点之间。所述压力传感器29检测施加在所述喷射孔27附近的纳米复合材料61A上的压力。
此外,在所述喷射孔27周围,安装切割器31作为用于切割喷射的纳米复合材料61A的切割单元。所述切割器31由一对设置于所述喷射孔27右边和左边的刀片31a、31b组成。所述刀片31a、31b往复运动,从而切割从所述喷射孔27喷射出的纳米复合材料61A。
所述切割器31已加热至稍高于所述纳米复合材料61A的玻璃化转变温度Tg的温度((Tg+20℃)到(Tg+130℃)的范围内)。这是因为:当所述切割器31的温度是常温时,所述纳米复合材料61A从所述刀片部分硬化,且在切割期间所述纳米复合材料61A散开;当所述切割器31的温度过高时,所述纳米复合材料61A粘至所述切割器31的刀片31a、31b。
下面将参考图3到5描述通过由此构造的中间体形成设备100形成中间体63的程序中的各个步骤的内容。
图3的流程图显示通过由此构造的中间体形成设备形成中间体的程序,图4的说明性视图显示按预定量挤出中间体的操作。
如图3所示,为了制备中间体63,首先,将储存在所述料斗19中的纳米复合粉末61供给所述塑化机构17(S11)。然后,用所述加热器21加热所述纳米复合粉末61,并给予所述纳米复合粉末61流动性,从而制造流态化的纳米复合材料61A(S12)。此时,如图4(a)所示,插入所述圆筒13的通孔13a中的活塞15位于所述流径17b的上部,流径17b与所述塑化机构17的内部空间和所述圆筒13的通孔13a连通(在挤出的上游侧)。
优选地,使将所述材料放入所述塑化机构17的所述料斗19受到振动(超声波振动、物理力振动等),使得所述纳米复合粉末61到所述螺杆17a的流动不停止。此外,为了强制将所述纳米复合粉末61供给所述螺杆17a,可设置与所显示的螺杆17a独立的另外的螺杆,或可使用泵以供给所述纳米复合粉末61。此外,由于所述纳米复合粉末61容易因热溶解,优选地,所述纳米复合粉末61在最高在紧靠所述塑化机构17的塑化部分的位置用水等冷却,以防止所述增速部分的热最高传递至所述纳米复合粉末61的位置。
然后,如图4(b)所示,基于上述位移传感器(未显示)检测的位置信息,所述活塞15通过所述活塞上下机构16在所述通孔13内向上移动,并旋转所述螺杆17a,以将所述通过加热流态化的纳米复合材料61A喷射至所述圆筒13的通孔13a。由此,所述通孔13a充满所述纳米复合材料61A(S13)。在所述纳米复合材料61A填充期间,所述切割器31处于关闭状态。
然后,如图4(c)所示,在所述切割器31关闭的状态下,所述活塞15向下移动至参考位置h0,并将注入所述通孔13a的所述纳米复合材料61A的下端下压至所述喷射孔27的位置(S14)。此时,关闭所述单向阀23,以防止所述纳米复合材料61A逆流至所述塑化机构17。此外,通过使所述纳米复合材料61A从所述喷射孔27伸出一点,可用所述切割器31切割所述伸出部分以调节所述纳米复合材料61A的端表面。
然后,如图4(d)所示,分开所述切割器31的刀片31a和31b,以打开所述喷射孔27(S15),且基于由所述位移传感器检测的位置信息,将所述活塞15向下移动预定距离Δh(在参考位置h0和h1之间)(S16)。由此,注入所述圆筒13的通孔13a中的所述纳米复合材料61A逐渐从所述喷射孔27喷射出。通过所述圆筒13内的所述加热器20将从所述喷射孔27喷射出的纳米复合材料61A加热至等于或高于玻璃化转变温度的温度。
然后,如图4(e)所示,驱动所述切割器31,从而切割从所述喷射孔27喷射的纳米复合材料61A,并将切割部分和通孔13a内的纳米复合材料61A分离(S17)。切断的纳米复合材料用作压缩成型的中间体63,后面将描述。
所述通孔13a中的纳米复合材料61A的压力随着所述活塞15的移动而增大。因此,理想地:停止所述活塞15后,所述压力传感器29证实压力减至常压,然后进行所述纳米复合材料61A的切割。因此,消除因压力产生的所述纳米复合材料61A的密度变化的影响,从而获得以较高精度测量重量(体积)的柱形中间体63。此外,用所述切割器31切割可在下述状态下进行:从所述喷射孔27喷射的纳米复合材料61A是热的,或在冷却从所述喷射孔27喷射的纳米复合材料61A后。然而,考虑到能量损失,优选在热的状态下切割。此外,所述中间体63的形状不局限于在所显示的实施例中的柱状,也可以是棒状。就棒状中间体63而言,通过合适的切割单元进一步将它切割成接近于最终形状(透镜)的尺寸,切割的部分用作连续阶段中的中间体63。此外,当喷射的纳米复合材料是棒状时,所述中间体63的形状可用切割单元调节或可通过加热引起的热变形调节。
此外,当所述中间体63在玻璃化转变温度或更高温度下处理时,理想地,夹持所述中间体63的夹部由非粘合材料形成。特别地,关于所述非粘合材料,可以使用氟碳树脂或热喷涂接触面积小的材料。此外,为了保持所述中间体63的温度高,理想地,在与所述中间体63的温度几乎相同的温度下预热所述夹部。
重复上述操作直到获得预设数量的中间体63(S18)。此外,关于喷射模式,除上述一次纳米复合材料填充进行多次喷射的方式外,还存在多种方式。例如,一次填充材料通过一次喷射用尽的方式,和一个中间体63通过多次填充制备的方式。这些方式可根据所述中间体63的尺寸或设定体积的精度适当使用。
如上所述,当所述流态化的纳米复合材料61A的密度和温度恒定时,在所述中间体63的重量与所述通孔13a的内部空间的横截面积和所述活塞15的移动行程相乘获得的体积之间满足比例关系,所述中间体63的重量测量可替换为所述活塞的移动行程测量,从而可以高精度控制重量(体积)。例如,即使当用于小尺寸照相机的光学透镜在相对于约50mg的透镜总重量0.1mg精度的重量控制下成型,所述重量(体积)控制通过易于高精度测量的长度测量进行。因此,具有所需形状的光学透镜可以高精度成型而不降低光学特性。
在上述实施例中,尽管挤出方向向下,但不局限于该方向,也可以向上或横向。当向上时,由于挤出的材料的形状变得接近于更为球形的形状,其材料易于制成透镜。
通过所述中间体形成设备100以高精度测量一个接一个制备的中间体63用未显示的处理机构夹持并送至下一步骤;模压成型步骤。所述中间体63通过下面将描述的模压成型步骤成型成光学元件67。因此,由于粉状材料替换为块状材料,在各个步骤期间材料的处理性能可大大提高。当所述中间体63保持在等于或高于玻璃化转变温度Tg(最高约Tg+30℃)的温度时被运输时,可以减少下个步骤中的加热时间。
图5的说明性视图显示通过压缩成型(模压成型)所述中间体成型光学元件的步骤;
压缩成型设备(模压成型设备)200(其为第二成型单元)包括至少两个模具;上模具33和下模具35。在该实施方案中,所述设备200包括三个模具,即上述模具33、35和配合所述上模具33和所述下模具35中的外部模具37。在所述上模具33的下表面和所述下模具35的上表面,以高尺寸精度形成用于分别将光学功能表面(透镜表面)67a、67b转移至光学元件67的光学功能转移面33a、35a。此外,该压缩成型设备200包括未显示的用于加热各个模具的加热机构。
如图5(a)所示,在所述模具33、35彼此分离的状态下,为了由所述中间体63成型光学模具67,将一个由所述中间体形成设备100形成的中间体63放在装入所述外部模具37中的所述下模具35上。此时,所述中间体63放在所述模具的中心。将放入所述模具中的中间体63加热至预定温度后,如图5(b)所示,将所述上模具33朝所述下模具35移动。因此,如图5(c)所示,在所述外部模具37中,且在所述上模具33和所述下模具35之间压制所述中间体63,从而成型成产品的形状。然后,在加压状态下冷却所述中间体63后,如图5(d)所示,打开所述上下模具33、35,取出压缩成型(模压成型)的透镜(光学元件)67。关于中间体63的加热方法,可以适当地使用通过加热模具的传导热传递,通过激光或红外线加热所述中间体63的方法等,且其加热方法没有特别限制。关于加热模具的方法,为了以高速度和高精度进行加热和冷却,使用用加热组合单元(heat block)进行传导热传递的类型,或通过射频感应加热直接加热模具的类型。然而,模具加热类型没有特别限制。
模压成型期间内所述中间体63的温度优选在(玻璃化转变温度Tg)到(Tg+250℃)的范围内,更优选在Tg到(Tg+200℃)的范围内,进一步优选在(Tg+20℃)到(Tg+150℃)的范围内。当所述中间体63的温度高时,不仅需要时间冷却所述中间体63且生产力降低,而且所述材料因热变差,且产生着色和透明度降低的问题。相反,当所述温度过低时,因压制产生双折射,使得作为透镜的品质下降。模压成型期间的压制在下述状态下进行:压力在0.005到100kg/mm2的范围内,优选在0.01到50kg/mm2的范围内,进一步优选在0.05到25kg/mm2的范围内。压制速度为0.1到1000kg/秒;压制时间为0.1到900秒,优选为0.5到600秒,更优选为1到300秒。此外,压制开始的时机可以是在加热后即刻开始,或为了均匀加热,在固定时间后(使中间体的内部温度均匀)开始。
当把所述中间体63放入压缩成型设备时,所述模具的温度可以高于或低于玻璃化转变温度Tg。然而,优选地,所述模具温度较高,因为加热所述中间体63是在短时间内完成的。此外,由于所述中间体63在冷却期间收缩,根据冷却的进展程度进行压制,从而模具形状(光学功能转移面33a、35a)可以较高的精度转移。例如,检测所述模具或中间体63的温度,根据该检测的温度,可控制压制速度。此外,通过高精度测量所述中间体形成设备100的活塞15的移动行程,将放入所述压缩成型设备200中的中间体63的重量控制在很小的变化范围内。考虑到成型性,所述中间体63的尺寸(直径d)优选为所述光学元件(透镜)67的直径D的1/4到3/4那么大,更优选为约1/2。
在该实施方案的光学元件制造方法中,最终产品光学元件67由几乎为柱形的中间体63通过一次压缩成型形成。因此,需要以高精度制造所述压缩成型设备200的模具,特别是转移光学功能表面67a、67b的光学功能转移面33a、35a。此外,为了令人满意地转移所述光学功能表面67a、67b,理想地,在Tg或更高的温度下,以相对低的速度(例如,5到50℃/分钟)冷却所述中间体的同时,为所述中间体赋予所述光学元件的形状。
如上所述,根据所述实施方案,当所述光学元件由可形成具有优异的透明度、高折射率和优异的光学特性的纳米复合材料形成时,难于处理的粉状纳米复合材料形成易于控制重量(体积)的中间体,从而可以改进处理性能。此外,由于该中间体的重量(体积)可以高精度设置,形成的光学元件的厚度可以和设计一致,从而可以制造具有高性能和高精度的光学元件。
(第二实施方案)
下面将参考图6到8描述根据本发明的光学元件制造方法的第二实施方案。
图6的流程图显示根据本发明第二实施方案的光学元件制造方法的示意性程序,图7的说明性视图显示通过热压缩块状中间体成型预制品的步骤,图8的说明性视图显示通过压缩成型设备(模压成型设备)从预制品成型光学元件的步骤。
如图6所示,在该实施方案的光学元件制造方法中,通过和第一实施方案相似的加热步骤(S1)、挤出步骤(S2)和切割步骤(S3),形成块状中间体。然后,在压缩步骤S5中压缩所述中间体,从而成型成形状接近于光学元件(透镜)的形状的预制品。此后,在模压成型步骤(S6)中压制所述预制品,以制造最终产品光学元件。该实施方案与第一实施方案的不同在于压缩步骤(S5)和模压成型步骤(S6)。
上述从纳米复合粉末61形成中间体63的加热步骤(S1)、挤出步骤(S2)和切割步骤(S3),以及中间体形成设备与图1到5中显示的相同。因此,省略它们的描述。
如图6和7所示,将由中间体形成设备100在重量(体积)控制下形成的中间体63送至预制品成型设备300,并成型成预制品65,所述预制品成型设备300执行压缩步骤(S5)中的加工。所述预制品成型设备300包括上模具41、下模具43、和配合所述上模具41和下模具43的外部模具45。所述上模具41的下表面41a和所述下模具43的上表面43a形成的形状分别接近于最终产品光学元件67的形状。然而,只要所述预制品成型设备300可将所述中间体63成型成接近于所述光学元件67的形状的形状,所述上模具41的下表面41a和所述下模具43的上表面43a的形状不需要相当的精度。因此,模具的制造成本便宜。
如图7所示,将由所述中间体形成设备100形成的中间体63放在设置于所述外部模具45中的下模具43上,并在所述上模具41和所述下模具43之间压制,从而成型成预制品65(S6)。
当成型预制品6时,当用于预制品65的模具是凹的(凸透镜的情形)时,理想地,使所述预制品65表面的曲率大于产品形状。此外,在所述预制品65成型期间的压制条件与第一实施方案中所述中间体63的模压成型步骤中的条件相似。
如图8所示,将以接近于所述光学元件67的形状的形状成型的预制品65放在构造和图5已描述的设备相似的压缩成型设备200的下模具35上,并在外部模具37中在上模具33和下模具35之间压制,同时加热,从而成型成产品形状(图8(b))。在加压状态下冷却所述预制品后,打开所述上下模具33、35,取出通过压缩成型获得的产品光学元件67(图8(c))。
根据该实施方案中的光学元件制造方法,由于产品光学元件67通过两次压缩成型分步成型,难以保留应力,且所述具有较高精度的光学元件67具有易于制造的趋势。此外,获得与第一实施方案中的制造方法相似的操作优势。此外,甚至可以高精度制成形状难以在第一实施方案中形成的光学元件。
(第三实施方案)
下面将参考图9和图10描述根据本发明的光学元件制造方法的第三实施方案。
图9的流程图显示第三实施方案中的光学元件制造方法的示意性程序,图10的说明性视图显示通过热压缩纳米复合粉末直接从所述纳米复合粉末成型预制品的步骤。
在该实施方案的光学元件示意性制造方法中,如图9所示,将纳米复合粉末按照原样放入预制品成型设备中,并通过加热步骤(S7)和压缩步骤(S8)成型成形状接近于透镜(光学元件)形状的预制品。然后,在与第二实施方案中相似的模压成型步骤(S9)中,制造最终产品光学元件。该实施方案与第二实施方案的不同在于预制品成型方法。
如图10所示,预制品成型设备400至少包括上模具51、下模具53、和配合所述上模具51和下模具53的外部模具55。所述上模具51的下表面51a和所述下模具53的上表面53a的形状分别接近于最终产品光学元件67的形状。然而,只要所述预制品成型设备400可成型形状接近于所述光学元件67的形状的预制品65,则不需要相当的精度。因此,模具的制造成本便宜。
下面将描述具体程序。如图10所示,将粉状的纳米复合粉末61放在设置于所述外部模具55中的所述下模具53上(图10(a)),并在所述上模具51和所述下模具53之间压制,同时加热,从而成型成预制品65(图10(b))。然后,向上移动所述下模具53,并从所述预制品成型设备400取出所述预制品65(图10(c))。
此外,如前所述,当成型预制品65时,当用于预制品65的模具是凹的(凸透镜的情形)时,理想地,使预制品65表面的曲率大于产品形状。在该预制品65成型期间的压制条件与第一实施方案中所述中间体63的模压成型步骤中的条件相似。
通常,难以在短时间内以良好的精度测量粉状的纳米复合粉末61的重量。在该实施方案中,粗略测量纳米复合粉末61的重量(体积)后,将所述纳米复合粉末放入预制品成型设备400中,并压缩成型成具有预定厚度的预制品65。由此,从所述预制品成型设备400取出的预制品65的形状稳定地接近于所述光学元件67的形状。在该步骤中,不必对所述预制品65进行高精度的重量(体积)控制,但所述预制品65最小限度需要从粉末体变成固体。此外,如果需要,可对所述成型的预制品65进行加工,使所述预制品65的形状接近于最终形状,比如切割凸缘65a的外部。当进行这样的加工时,将待放入预制品成型设备400的模具中的纳米复合粉末61装入所述模具中,而不必特别知道重量(体积),额外的粉末被吸收在所述凸缘65a中,从而可以更简化预制品成型步骤。此外,通过使所述预制品的形状接近于最终形状,可以提高连续阶段的模压成型步骤的加工精度。
如图8所述,将由此成型以使形状接近于所述光学元件67的形状的预制品65放在模压成型设备200中的下模具35上,并压入外部模具37中上模具33和下模具35之间,同时加热,以成型成产品形状。然后,在加压状态下冷却成型的预制品65后,打开所述上下模具33、35。由此,取出通过压缩成型获得的产品光学元件67。
根据该实施方案的制造方法,由于粉状的纳米复合粉末61直接成型成预制品65,在连续步骤中的工件(预制品)的处理性能改进,并且在各个步骤中的操作数量可以减少,从而可以加快成型周期。
此外,当从粉末成型块状预制品时,为了约束被封闭在材料中的留在粉末之间的空气导致转移差或比如光学应变的缺陷,可使压缩成型期间的气氛为CO2气氛、氮气气氛、或真空气氛。所述CO2和氮气在树脂材料中的溶解度高,且不像空气一样封闭或留在材料中。
此外,关于成型周期的减少,对于各个压缩成型,用CO2或氮气替换所述气氛比真空气氛更有优势。此外,CO2气氛更为优选,因为CO2比氮气溶解度高。
(第四实施方案)
下面将参考图11描述根据本发明的光学元件制造方法的第四实施方案。
图11的说明性视图显示制备截面固定的棒状纳米复合材料,并切割所述棒状纳米复合材料以制备中间体的步骤的实例。
在该实施方案中,将在第一实施方案中描述的从塑化机构17喷射的纳米复合材料61A挤出在传送带71上,从而制备截面固定的棒状纳米复合材料61B。此时,通过以恒定速度旋转所述塑化机构17的螺杆17a,在恒定条件下进行挤出,从而所述纳米复合材料61A的挤出速度可以高精度恒定。此外,将挤出的纳米复合材料61A放置于传送速度几乎和喷射速度相称的传送带71上,由此获得密度和截面恒定的棒状纳米复合材料61B。
如上所述制备使密度和截面恒定的所述纳米复合材料61B后,以预定长度切割所述棒状纳米复合材料61B,以获得中间体。关于切割方法,可采用多种方法,比如通过激光加热切割。例如,将所述棒状纳米复合材料61B的一端压在支座部分75,可通过安装在距该支座部分75预定距离的切割器73以预定长度切割所述纳米复合材料61B。由此,可通过测量所述棒的长度来测量制造透镜所需的体积,从而可以高精度控制重量(体积)。
当用所述切割器73切割所述纳米复合材料61B时,和第一实施方案中的切割器31的情形相似,所述切割器73的温度设置为比所述纳米复合材料的玻璃化转变温度Tg高的温度(约Tg+50℃)。
根据该实施方案,制备所述棒状纳米复合材料61B的挤出步骤,和以所需的长度切割所述棒状纳米复合材料61B以获得中间体63的切割步骤可彼此独立进行。因此,各个步骤可在最佳环境条件下进行。例如,当在下述状态下切割所述纳米复合材料61B时,由于热膨胀产生尺寸误差:所述状态为,纳米复合材料61B的温度不从挤出步骤中的高温降低。然而,当所述切割步骤和所述挤出步骤分离时,可在充分冷却的状态下切割所述纳米复合材料61B。此外,在一次性制备大量的棒状纳米复合材料61B后,也可以一次性进行这些棒状纳米复合材料61B的切割步骤,这提高了生产力。此外,也易于使切割步骤中的环境温度恒定,从而加工精度提高。
本发明不局限于上述实施方案,而可适当地作修改和改进。
下面将详细地描述本发明的光学元件制造方法中使用的纳米复合材料(其中热塑性树脂中含有无机细颗粒)。
尽管下面描述的组分特征的解释基于本发明的典型实施方案,但本发明不局限于这些实施方案。
(无机细颗粒)
在本发明使用的有机和无机复合材料中,无机细颗粒的数均粒径设置为1到15nm。当所述无机细颗粒的数均粒径太小时,构成颗粒的物质的固有特征可改变。相反,当所述无机细颗粒的数均粒径太大时,瑞利散射的影响变显著,从而所述有机和无机复合材料的透明度可大大减小。因此,需要将本发明中的无机细颗粒的数均粒径设置为1到15nm,优选为2到13nm,更优选为3到10nm。
关于本发明使用的无机细颗粒,例如有氧化物细颗粒、硫化物细颗粒、硒化物细颗粒、碲化物细颗粒等。更具体地说,有二氧化钛细颗粒、氧化锌细颗粒、氧化锆细颗粒、氧化锡细颗粒、硫化锌细颗粒等。优选地,有二氧化钛细颗粒、氧化锆细颗粒、和硫化锌细颗粒,更优选地有二氧化钛细颗粒和氧化锆细颗粒。然而,所述无机细颗粒不限于这些颗粒。在本发明中,可使用一种无机细颗粒,或可一起使用多种颗粒。此外,像核-壳型颗粒一样,核心和外部的组成不同。
本发明中使用的无机细颗粒在波长589nm时的折射率优选为1.90到3.00,更优选为1.90到2.70,进一步优选为2.00到2.70。当使用折射率为1.90或更大的无机细颗粒时,容易制备折射率大于1.65的有机和无机复合材料。当所述颗粒和树脂之间的折射率差异大时,易发生散射。因此,当使用折射率为3.00或更小的无机细颗粒时,存在易于制备透射率为80%或更高的有机和无机复合材料的趋势。本发明中的折射率是用阿贝折射仪(ATAGO CO.,LTD.的DR-M4)在25℃的温度下相对于波长589nm的光测量的值。
(热塑性树脂)
对用于本发明的热塑性树脂的结构没有特别限制,其实例包括具有已知结构的树脂,比如聚(甲基)丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯咔唑、聚烯烃、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚硫氨酯、聚酰亚胺、聚醚、聚硫醚、聚醚酮、聚砜和聚醚砜。最重要的是,在本发明中,优选在聚合物链末端或在侧链中,具有能和无机细颗粒形成任意化学键的官能团的热塑性树脂。这样的热塑性树脂的优选实例包括:
(1)在聚合物链末端或在侧链中具有选自下列基团的官能团的热塑性树脂:
式
(其中R11、R12、R13和R14各自独立地表示氢原子、取代或未取代的烷基、取代或未取代的烯基、取代或未取代的炔基、或取代或未取代的芳基)、-SO3H、-OSO3H、-CO2H和-Si(OR15)m1R16 3-m1(其中R15和R16各自独立地表示氢原子、取代或未取代的烷基、取代或未取代的烯基、取代或未取代的炔基、或取代或未取代的芳基,且m1表示1到3的整数);和
(2)由疏水片段和亲水片段组成的嵌段共聚物。
下面详细描述热塑性树脂(1)。
热塑性树脂(1):
用于本发明的热塑性树脂(1)在聚合物链末端或在侧链中具有能和无机细颗粒形成化学键的官能团。此处使用的“化学键”包括例如共价键、离子键、配位键和氢键,当存在多个官能团时,各个官能团可以和无机细颗粒形成不同的化学键。是否能形成化学键通过当在有机溶剂中混合热塑性树脂和无机细颗粒时,所述热塑性树脂的官能团是否能和无机细颗粒形成化学键判断。所述热塑性树脂的官能团都可以和无机细颗粒形成化学键,或其一部分可以和无机细颗粒形成化学键。
用于本发明的热塑性树脂优选为具有由下式(1)表示的重复单元的共聚物。这样的共聚物可通过共聚由下式(2)表示的乙烯单体获得。
式(1):
式(2):
在式(1)和(2)中,R表示氢原子、卤素原子或甲基,X表示选自下列组的二价连接基:-CO2-、-OCO-、-CONH-、-OCONH-、-OCOO-、-O-、-S-、-NH-和取代或未取代的亚芳基,并优选为-CO2-或对亚苯基。
Y表示碳数为1到30的二价连接基,所述碳数优选为1到20,更优选为2到10,进一步优选为2到5。其具体实例包括亚烷基(alkylene)、亚烷氧基、亚烷氧基羰基、亚芳基、亚芳氧基、亚芳氧基羰基、和包含它们的组合的基团。其中,优选亚烷基。
q表示0到18的整数,优选为0到10的整数,更优选为0到5的整数,进一步优选为0到1的整数。
Z是在上式中显示的官能团。
下面阐述由式(2)表示的单体的具体实例,但可用于本发明的单体不限于此。
q=5和6的混合物。
q=4和5的混合物。
在本发明中,关于其他种类的能和式(2)表示的单体共聚的单体,可使用在J.Brandrup,Polymer Handbook,第2版,第2章,1-483页,WileyInterscience(1975)中描述的单体。
其具体实例包括具有一个可加聚不饱和键的化合物,选自苯乙烯衍生物、1-乙烯萘、2-乙烯萘、乙烯基咔唑、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、烯丙基化合物、乙烯醚、乙烯酯、二烷基衣康酸酯、和上述富马酸的二烷基酯或单烷基酯。
用于本发明的热塑性树脂(1)的重均分子量优选为1,000到500,000,更优选为3,000到300,000,进一步优选为10,000到100,000。当所述热塑性树脂(1)的重均分子量为500,000或更小时,形成加工性往往提高,并且当它为1,000或更大时,动力学强度往往提高。
在用于本发明的热塑性树脂(1)中,和无机细颗粒键合的官能团的数量平均为每一个聚合物链0.1到20,更优选为0.5到10,进一步优选为1到5。当所述官能团的数量平均为每一个聚合物链20或更少时,往往避免了所述热塑性树脂(1)和多个无机细颗粒配位,以在溶液状态下引起粘度上升或凝胶化,且当官能团的平均数为每一个聚合物链0.1或更大时,往往得到无机细颗粒的稳定分散体。
在用于本发明的热塑性树脂中,玻璃化转变温度优选为80到400℃,更优选为130到380℃。当使用玻璃化转变温度为80℃或更高的树脂时,易于获得具有足够耐热性的光学元件。此外,当使用玻璃化转变温度为400℃或更小的树脂时,成型易于进行。
如上所述,在根据本发明的光学元件的材料,即纳米复合材料中,通过也在树脂中提供特定结构的单元结构,不损害其中分散无机细颗粒的有机和无机复合材料的高折射率和高透明度,可以改进从模具脱离的脱模性。
根据上述材料,可提供具有优异的脱模性、高折射率和高透明度的有机和无机复合材料;并可提供通过包括其有机和无机复合材料构成的光学元件,所述光学元件具有高精度、高折射率和高透明度。
下面简单描述在上述各个实施方案中使用的粉状纳米复合材料的制造方法。
在所述实施方案的纳米复合材料中,在溶剂(比如有机溶剂)中混合上述无机细颗粒和所述热塑性树脂。通过从制得的纳米复合物溶液中除去溶剂,获得粉状纳米复合材料。
从快速干燥的角度来看,该纳米复合粉末的平均粒径优选设置为1mm或更小。例如,当把其中分散了所述树脂和所述无机细颗粒的溶液制成微液滴,并干燥所述液滴且制成粉状时,当粉末的平均粒径为1mm或更小,表面积的增大加快了干燥。此外,当所述平均粒径超过1mm时,直到干燥完成的时间变长,这引起工时增加。
关于从上述纳米复合物溶液除去溶剂的方法,多种类型的干燥方法是适用的,例如,热传递干燥型、内生热干燥型、和非加热干燥型。特别地,有室干燥、隧道式干燥、带式干燥、旋转干燥、直流旋转干燥、搅拌槽干燥、流化床干燥、喷射干燥器、气动输送干燥、真空冷冻干燥、真空干燥、红外线干燥、内生热干燥和管式干燥器。然而,所述干燥方法不局限于这些类型。此外,可组合两种或多种上述干燥类型。
就纳米复合树脂溶液而言,和通常的树脂溶液相似,当纳米复合树脂的密度通过干燥增大时,所述溶液的粘度增大,从而存在溶剂的扩散速度快速下降的性质。因此,用于干燥的表面积越大的干燥方法越好。因此,具体地,旋转干燥、直流旋转干燥、搅拌槽干燥、流化床干燥、喷雾干燥器、气动输送干燥、和真空冷冻干燥是理想的。就气动输送干燥而言,如果必要,可通过旋转分散器、粉碎器、喷墨头、或分配头(dispenser head)将所述溶液制成液滴(微细化(disintegrate))。
为了提高生产力,所述表面越大,干燥进行越快。特别地,优选微细化所述溶液以干燥,从而干燥后所述粉末的平均直径变成2mm或更小,更优选为0.5mm或更小。因此,关于干燥方法,喷雾干燥器和气动输送干燥更为优选。
为了防止因热品质劣化(着色、混合杂质、或细颗粒分散差),优选地,在干燥期间在所述材料上的热负荷较小。特别地,喷雾干燥器、气动输送干燥、真空干燥、和真空冷冻干燥更为优选。
从生产力的角度来看,干燥时间较短是好的。因此,可组合上述干燥方法。为了提高干燥速率(以减少剩余溶剂量),可在上述干燥后使用真空干燥。
此外,在上述干燥前,可借助于离心方法、压滤、或再沉淀通过沉淀浓缩所述材料。在喷射干燥期间内液体粘度优选为1000cP或更小,更优选为500cP或更小,进一步优选为100cP或更小(液体粘度可通过溶液密度调节)。
对于本领域技术人员,在不脱离发明的精神或范围的前提下可对所描述的本发明实施方案作多种修改和变化是显而易见的。因此,意在使本发明覆盖与权利要求及它们的等同相一致的本发明的所有修改和变化。
本申请基于2007年3月30日提出的日本专利申请No.JP2007-95372要求外国优先权,在此以引用的方式将其内容并入。
Claims (11)
1.从粉状纳米复合材料制造光学元件的方法,所述粉状纳米复合材料包括含有无机细颗粒的热塑性树脂,
所述方法包括:
通过加热所述粉状纳米复合材料制备块状的中间体;和
通过热压成型所述中间体来形成具有最终形状的光学元件。
2.权利要求1的方法,其中一块所述中间体形成一个光学元件。
3.权利要求1或2的方法,其中所述粉状纳米复合材料的平均粒径为1mm或更小。
4.权利要求1或2的方法,所述方法还包括,在制备所述中间体后,通过热压缩所述中间体制备形状接近于最终形状的预制品,
其中形成所述光学元件是通过在所述预制品的两侧形成光学功能表面来进行的。
5.权利要求1或2的方法,其中所述中间体的制备包括:加热并熔化所述粉状纳米复合材料;通过挤出成型挤出熔化的纳米复合材料;并切割所需体积的挤出的纳米复合材料以制备所述中间体。
6.权利要求1或2的方法,其中所述中间体的制备包括:加热并熔化所述粉状纳米复合材料;通过挤出成型挤出熔化的纳米复合材料的棒状体,所述棒状体具有恒定截面;并切割所述棒状体以制备所述中间体。
7.权利要求1或2的方法,其中所述中间体的制备包括热压缩所述粉状纳米复合材料,以形成形状接近于最终形状的中间体。
8.光学元件制造设备,所述设备用粉状纳米复合材料形成光学元件,所述粉状纳米复合材料包括含有无机细颗粒的热塑性树脂,所述设备包括:
第一形成单元,其将所述粉状纳米复合材料装入容器中,并加热所述粉状纳米复合材料,以制备块状中间体;和
第二形成单元,其包括至少两个模具,所述模具具有将要转移到所述中间体上的光学功能表面,其中所述中间体夹在所述模具之间并被热压成型。
9.权利要求8的光学元件制造设备,其中所述第一形成单元包括:
加热单元,其加热装入所述容器中的所述粉状纳米复合材料;
挤出成型单元,其挤出成型通过加热熔化的所述纳米复合材料;和
切割单元,其切割所需量的挤出的所述纳米复合材料。
10.光学元件,其通过权利要求1或2的方法形成。
11.权利要求10的光学元件,其为透镜。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100224 |