JP2005511362A - 熱可塑性合成材料製光学部品の射出成形方法 - Google Patents

Abstract

この方法は、１つのレンズの各成形サイクルについて、−成形キャビティ内壁を前記材料の成形温度以上の加熱温度にするステップと、−成形キャビティを前記材料で充填するステップと、−充填の終わりに、このようにして成形キャビティ内に導入された前記材料の圧力を圧縮圧力まで増大させるステップと、−成形された前記材料を材料の溶融温度を下回る型抜き温度まで冷却するために、成形キャビティ内壁を、前記型抜き温度を下回る冷却温度にするステップとを含む。前記材料による成形キャビティの充填は加熱温度が達成される前に開始する。前記材料の圧縮圧力および成形キャビティ内壁の加熱温度は、これら双方が達成された後、所定の時間維持される。

Description

本発明は、射出成形により得られる眼用レンズ、計測器用レンズまたは精密光学部品のような熱可塑性合成材料製の光学部品の製造に関する。

熱可塑性合成材料製眼用レンズの成形は多くの場合、射出により行われ、この方法は、プラスチック原料を完成レンズに直接的に変えることを可能にする。この種類の方法によるレンズの製造においては、ガラス転移点を上回る温度で溶融されるように熱可塑性材料が前もって加熱されることが知られている。この形態で材料は、金型内に設けられた適切な形状および寸法の成形凹部中へ高圧下で導入される。次に、このようにして成形されたレンズを金型から取り出す前に材料を冷却させて固化させる。通常は、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートまたはポリカーボネートコポリマー、ポリノルボルネン、ポリスチレン、環状ポリオレフィンまたはそのコポリマー等のような熱可塑性樹脂を材料として用いる。

目的に応じた光学品質を有する眼用レンズを得るために、とりわけ不規則な変形または残留内部応力を回避するために特定の対策を講じなければならず、これらの変形または応力は、複屈折のような望ましくない異方性または光学収差を生じる。

この点において、金型内の成形キャビティ内壁の製作について特別な考慮がなされる。多くの場合、成形キャビティは２つのシェル上に形成され、これらのシェルは各々、完成レンズに付与しようとする曲率に対応する適切な曲率を有する成形面を呈する。これらのシェルは一般にステンレス鋼製であり、光学研磨、すなわち鏡の研磨仕上げに類似した研磨仕上げを呈する。

さらに、成形キャビティ内への材料の射出を連続した２つの段階、すなわち、成形キャビティが徐々に充填される本来の意味での第１の充填段階と成形キャビティの完全な充填後に生じる過剰充填または圧縮の第２の段階、で行うことがしばしば推奨される。この第２の過剰充填または圧縮段階は、成形キャビティ内にこのようにして導入された材料に高圧を所定の時間かけるものであり、ヒケを除去し、材料の正確な密度を保証し、有害な内部応力をある程度低減することを目的とする。この保持圧力が射出機自身により生成される場合には、過剰充填と言う。この保持圧力が成形シェルの接近の結果である場合には、圧縮と言う。

成形用具および操作モードに適用されるこれらの対策に、プラスチック材料および成形の間の金型の加熱に適用される対策を付加する必要がある。通常、金型は、１つのサイクルから次のサイクルにかけて成形キャビティ内壁温度を調節するため、および成形されたレンズからの熱量除去を加速するために冷却液循環流路を備えている。

成形キャビティ内に導入された合成材料表面に、射出完了前の表面冷却による、コールド「スキン」が形成されることを回避するために、米国特許第ＵＳ−５３７６３１７号明細書（１９９４年１２月２７日発行）において、成形キャビティ内への材料導入前に、このキャビティ内壁を、前記合成材料のガラス転移温度を上回る成形温度に加熱することが提案された。とりわけ、ガラス転移温度が約１６０℃であるポリカーボネートであれば、成形キャビティ内壁は約２６０℃の温度に加熱される。

しかしながら、この文献の教示によれば、成形キャビティ内壁の加熱は、成形キャビティ内への材料射出が開始する前に、完全に完了されなければならない。その理由は、この文献中に記載される技術の根本的な目的が、注入時の溶融材料の表面固化を防ぐこと、従って、充填の間に応力が発生することを極力防止することだからである。この教示によれば、応力を弛緩することが問題なのではなく、反対に、応力の発生を事前に回避することが問題である。

この技術により大きな不都合が生じる。すなわち、それぞれの所要時間がほとんど短縮できない加熱段階および射出段階が連続することにより、サイクル時間がかなり長くなる。さらに、成形キャビティ内壁の加熱にもかかわらず、充填の間に、高圧および材料が受けるクリープによって材料中に内部応力が必然的に引き起こされる。次にこれらの応力は、射出直後に（すなわち、過剰充填または圧縮段階後直ちに）始まる材料の急速な冷却により凝固および維持される。

本発明の目的は、サイクル時間を長くすることなく、そのうえサイクル時間を短縮し、レンズの光学品質を向上させつつ、このように成形されたレンズ内の残留応力をさらに低減することである。

とりわけこの目的を実現するために、本発明に従って、成形凹部を含む金型を用いて熱可塑性合成材料製眼用レンズのような光学部品の射出成形方法が提示され、前記材料は、ガラス転移温度以上の温度であらかじめ溶融されており、この方法は、１つのレンズの各成形サイクルについて、
− 成形キャビティ内壁を、前記材料の成形温度以上の加熱温度にするステップと、
− 成形キャビティを前記材料で充填するステップと、
− 充填の終わりに、このようにして成形キャビティ内に導入された前記材料の圧力を圧縮圧力まで増大させるステップと、
− 成形された前記材料を材料の溶融温度を下回る型抜き温度まで冷却するために、成形キャビティ内壁を、前記型抜き温度を下回る冷却温度にするステップとを含み、
前記材料による成形キャビティの充填は加熱温度が達成される前に開始し、前記材料の圧縮圧力および成形キャビティ内壁の加熱温度は、これら双方が達成された後、所定の時間維持される。

従って、サイクル時間は短縮される。なぜならば、成形キャビティ内壁の加熱は、材料の射出と並行して行われるからである。次に、射出の後には、温度維持段階が続き、この段階の間、射出の間に生じ得た内部応力が弛緩される。すなわち、本発明によれば、肝心なことは、材料の射出および成形キャビティ内における圧力下での成形の結果生じる材料の内部応力の弛緩を可能にするために、成形された合成材料、特にその表面が、射出が実施された後、材料のガラス転移温度を上回る温度に維持されることである。ただし、射出開始前に（金型に関して）成形温度がまだ到達されていないことは問題ではなく、内部応力圧力の緩和はいずれにせよ射出完了後に行われるであろう。合成材料のすべての物理的および化学的特性はこのようにして保存、あるいはより正確には混乱なく回復される。

充填は、成形キャビティ内壁の温度上昇と同時または温度上昇の間に開始できる。従って、
− 前記材料による成形キャビティの充填と成形キャビティ内壁の温度上昇とが同時に開始するか、
− 前記材料による成形キャビティの充填が、成形キャビティ内壁の温度上昇の間に開始する。より正確には、充填は、成形キャビティ内壁の温度上昇開始後、３０秒未満および／または５秒以上で開始する。

また一方では、前記材料による成形キャビティの充填が終了し、加熱温度が到達される前に前記材料の圧力上昇が開始することが有利なことがある。成形キャビティ内壁が加熱温度に達する前に、前記材料の圧縮圧力が達成されるようにすることさえ可能である。

加熱温度および冷却温度ならびにそれらの取得期限について言えば、とりわけ前記材料がポリカーボネートである場合に有利である、個別にまたは組み合わせて取られた、以下の値を実験により定義することができた：
− 加熱温度は、用いた熱可塑性材料のガラス転移温度以上の１６．６〜６６．６℃（３０〜１２０°Ｆ）であり、ガラス転移温度が１４８．９℃（３００°Ｆ）のポリカーボネートについては、これは、１６５．５〜２１５．５℃（３３０〜４２０°Ｆ）の加熱温度に対応し、
− 冷却温度は、前記材料の成形温度下以下の１１．１〜５５．５℃（２０〜１００°Ｆ）であり、ガラス転移温度が１４８．９℃（３００°Ｆ）のポリカーボネートについては、これは、９３．４〜１３７．８℃（２８０〜２００°Ｆ）の冷却温度に対応し、
− 成形キャビティ内壁の冷却温度から加熱温度までの温度上昇時間は、３０秒〜１５０秒、好ましくは約６０秒であり、
− 成形キャビティ内壁の加熱温度から冷却温度までの温度下降時間は、３０秒〜１５０秒、好ましくは、約６０秒であり、
− 前記材料の圧縮圧力および成形キャビティ内壁加熱温度が達成された後、これらが維持される時間は５秒以上であり、好ましくは、１０秒〜３０秒である。

本発明のその他の特徴および利点は、非限定的な例として与えられる特定の実施の形態の以下の記述を読むことにより明らかになる。

添付図面を参照する。
本発明による射出成形方法を実施するために、図１および図２に関連して以下で説明される金型のような正確な温度制御手段を有する金型を用いる。しかしながら、本発明による方法は、フランス特許第ＦＲ−２５２５５２５号および米国特許第ＵＳ−５３７６３１７号において詳細に記載されるような加熱および冷却手段を含むその他の手段を用いても実施でき、これらの文献の教示は、この点について参照により本出願に明確に組み込まれる。

図１および図２に示される金型は２つのハーフブロック１、２を備え、これらのハーフブロックは各々、軸Ａの円筒形輪郭の成形凹部３、４をそれぞれ少なくとも１つ含む。
２つのハーフブロック１、２は、例えば軸線Ａに沿った並進運動に従って、凹部３、４へ直接アクセスできるようにする開放配置と閉鎖配置との間で相互に可動であり、閉鎖配置においては、２つのハーフブロック１、２は、図２においてＪで示される横断接合平面に沿った接合面５、６によって接触し、さらにこれらの凹部３、４は、補完し合い所望の成形キャビティ７を形成する。

実際には、各ハーフブロック１、２は、好ましくは３、４のような複数の凹部を含んでおり、閉鎖配置において、これらの凹部は、対になって補完し合い、同じ金型で、複数のレンズを同時に成形することを可能にする７のような複数の成形キャビティを形成する。
各凹部３、４は、シェル１１、１２の有効面９、１０により横断方向に画成されている。図に例示される例において、上側シェル１１の有効面９が凹面であるのに対して、下側シェル１２の有効面１０は凸面である。

各シェル１１、１２は、軸線Ａのチューブ状ジャケット１３、１４内に収容されており、ジャケットは、シェル１１、１２の有効面９、１０を補足して凹部３、４を側方で画成する軸線Ａの円筒形内面１５、１６を呈する。面９、１０、１５、１６はこのように、凹部３、４の、従って成形キャビティ７の内壁を形成する。
各シェル１１、１２およびこれに関連したジャケット１３、１４は、固有かつ両面性の熱伝達手段を備えている。「両面性の」は、シェル１１、１２およびそのジャケット１３、１４の加熱にも冷却にも適した手段を意味する。「固有の」は、外部起源でなく、構成において、各シェル１１、１２および各ジャケット１３、１４に直接的に影響する手段を意味する。

より正確には、この場合には、シェル１１、１２およびジャケット１３、１４の固有かつ両面性の熱伝達手段は、冷却流体の内部循環回路という形で実現される。従って、回路１７、１８は各シェル１１、１２用とし、回路１９、２０は各ジャケット１３、１４用として区別する。この実施の形態は当然ながら限定的なものでなく、例えば、抵抗、ガス循環内部回路、対流手段等を設けることができるであろう。
その一方でさらに、実施の形態がどのようなものであれ、ジャケット１３、１４の固有かつ両面性の熱伝達手段、すなわち、この場合には回路１９、２０は、シェル１１、１２の手段１７、１８から独立しているのが有利であろう。この独立により、金型の閉鎖配置において、シェル１１、１２の有効面９、１０およびジャケット１３、１４の内面１５、１６により形成される成形キャビティ７内壁の温度勾配を、時間的だけでなく成形キャビティ７周囲の空間的にも、より精密に調節することが可能になる。

各シェル１１、１２は、
− 台座２１、２２、および
− 台座２１、２２に取り付けられかつ有効面９、１０を有する取り外し可能なインサート２３、２４の、２つの部分を含む。

台座２１、２２は、前記シェル１１、１２の熱伝達手段全部、すなわち回路１７、１８全体を収容する。従って、インサート２３、２４は、どのような固有の熱伝達手段も持っておらず、従って、台座２１、２２との熱伝達によりもっぱら温度調節される。
各インサート２３、２４は、帽子の形状を呈し、この形状のおかげで、台座の足の部分を除いて、台座２１、２２のヘッド部分２５、２６を覆う。

回路１７、１８により構成される台座の熱伝達手段は、帽子状のインサート２３、２４により覆われる台座のヘッド部分２５、２６に作用する。
例示された例において、台座２１、２２はそれ自身２つの部分、すなわち、基部２７、２８と、基部２７、２８の縮径ヘッド部分３１、３２を覆う蓋またはキャップ２９、３０とを含んでいる。このヘッド部分３１、３２はその端部に段差３３、３４を有し、この段差は、蓋２９、３０と共に、軸線Ａの環状形の冷却流体循環回路１７、１８を画成する。

供給流路３９、４０が、軸線Ａに沿って基部２７、２８中に設けてある。この流路は、環状回路１７、１８に通じており、高温または低温流体の供給ダクト（図示せず）を端部に取り付ける継手（図示せず）を収容するのに適した注入口４１、４２を有している。同様に、熱交換後に流体を除去できるように、戻り流路（図示せず）が基部２７、２８中に設けてある。
ジャケット１３、１４は、ジャケット１３、１４の軸線Ａの円筒形外面から凹ませて設けられた環状溝３５、３６を有している。この溝は、ジャケット１３、１４の外面上に嵌着されたチューブ状の膜材３７、３８により閉鎖されて、軸線Ａの環状形の冷却流体循環回路１９、２０を形成する。

説明されたばかりの金型を用いる熱可塑性合成材料製レンズの射出成形は、以下のよう行われる。
材料、この場合にはポリカーボネートを、前もってガラス転移温度以上の成形温度で溶融する。次にレンズを、全く同じに繰り返される一連の成形サイクルにより、連続成形される。

レンズの各成形サイクルは、図３にＥ１〜Ｅ６で示される６つの主要ステップに分割される。ステップＥ１、Ｅ２、Ｅ４、Ｅ５およびＥ６は連続しているのに対して、発明によれば、ステップＥ３は、ステップＥ１およびＥ２と並行して行われる。
第１のステップＥ１は、成形キャビティ７を熱可塑性材料で充填することである。
第２のステップＥ２は、充填の終わりに行われ、成形キャビティ内にこのようにして導入された前記材料の圧力を圧縮圧力まで増大させることである。

ステップＥ１およびＥ２と並行して行われる第３のステップＥ３は、面９、１０、１５、１６により形成される成形キャビティ７内壁を加熱することである。この内壁は、サイクル（下記参照）の終わりには、材料の成形温度を下回るいわゆる冷却温度にある。スキン効果を回避し、内部応力の弛緩を可能にするため、成形キャビティ７の内壁は、熱可塑性材料の成形温度以上の加熱温度にされる。

加熱温度の選択は、妥協の問題である。すなわち、加熱温度が高くなればなるほど、内部応力の弛緩は良好になるが、サイクル持続時間がより長くなる。試験では、用いた材料のガラス転移温度以上の１６．６〜６６．６℃（３０〜１２０°Ｆ）で満足すべき結果が得られた。ガラス転移温度が１４８．９℃（３００°Ｆ）のポリカーボネートについては、これは、１６５．５〜２１５．５℃（３３０〜４２０°Ｆ）の加熱温度に対応し、好ましくは約１９３．３°（３８０°Ｆ）である。「約」は、±１０％の誤差を意味する。
成形キャビティ内壁の冷却温度から加熱温度までの温度上昇時間は、３０秒〜１５０秒、好ましくは約６０秒である。

ステップＥ３がステップＥ１およびＥ２と同時に行われることは、成形キャビティ７の内壁の加熱温度が到達される前に充填が開始することを意味することが理解される。射出（充填および圧縮）と「並行する」この加熱により、サイクル持続時間を大きく短縮することが可能になる。
例示される例において、前記材料による成形キャビティの充填および成形キャビティ内壁温度の上昇は同時に開始する。

しかしながら、反対に、前記材料による成形キャビティの充填を成形キャビティ内壁の温度上昇の間に開始するようにできるであろう。例えば、前記材料による成形キャビティの充填を、成形キャビティ内壁の温度上昇開始から６０秒以上後に開始できる。ただしこのケースでは、サイクル時間を増大させないために、成形キャビティ内壁の温度上昇開始後３０秒以内に前記材料による成形キャビティの充填が開始するのが好ましい。

いずれにせよサイクル時間を短縮するため、前記材料による成形キャビティの充填のステップＥ１が終了し、前記材料の圧力上昇のステップＥ２は、ステップＥ３の前、すなわち加熱温度Ｔ２が達成される前に開始する。図３に例示される例ではそうではないが、加熱温度が達成される前に、ステップＥ２が終了、すなわち前記材料の圧縮圧力が達成されるようにすることさえできる。

第４のステップＥ４は、前記材料の圧縮圧力および成形キャビティ内壁の加熱温度を、これら双方が達成された後、所定の時間維持することである。
前記材料の圧縮圧力および成形キャビティ内壁の加熱温度が達成された後、これらが維持される時間は５秒以上であり、好ましくは１０秒〜３０秒である。
第５のステップＥ５は、成形された前記材料を材料の溶融温度を下回る型抜き温度まで冷却するために、成形キャビティ内壁を、前記型抜き温度を下回る冷却温度にすることである。冷却温度は、前記材料の成形温度以下の１１．１〜５５．５℃（２０〜１００°Ｆ）である。ガラス転移温度が１４８．９℃（３００°Ｆ）のポリカーボネートについては、これは、９３．４〜１３７．８℃（２８０〜２００°Ｆ）の冷却温度に対応し、好ましくは、１２１．１℃（２５０°Ｆ）である。
成形キャビティ内壁の加熱温度から冷却温度までの温度下降時間は、３０秒〜１５０秒、好ましくは、約６０秒である。

第６のステップＥ６は、固化させたレンズを取り出すことである。この目的のために、金型は当然取り出し前に開かれ、取り出し後に再び閉じられる。

開放配置にある、成形キャビティの軸線を含む平面により切られた本発明による方法を実施するための金型の成形キャビティを含む区域の部分図である。 閉鎖配置にある、成形キャビティの軸線を含む平面により切られた本発明による方法を実施するための金型の成形キャビティを含む区域の部分図である。 本発明による成形方法の連続したステップの間の、時間に対する成形キャビティ内壁の温度曲線を表すグラフである。

Claims (12)

1. 成形凹部を含む金型を用いる熱可塑性合成材料製光学レンズの射出成形方法であって、前記材料は、ガラス転移温度以上の温度であらかじめ溶融されており、１つのレンズの各成形サイクルについて、
   − 成形キャビティ内壁を、前記材料の成形温度以上の加熱温度にするステップと、
   − 成形キャビティを前記材料で充填するステップと、
   − 充填の終わりに、このようにして成形キャビティ内に導入された前記材料の圧力を圧縮圧力まで増大させるステップと、
   − 成形された前記材料を材料の溶融温度を下回る型抜き温度まで冷却するために、成形キャビティ内壁を、前記型抜き温度を下回る冷却温度にするステップとを含む方法において、
   前記材料による成形キャビティの充填は加熱温度が達成される前に開始し、前記材料の圧縮圧力および成形キャビティ内壁の加熱温度は、これら双方が達成された後、所定の時間維持されることを特徴とする方法。
2. 前記材料による成形キャビティの充填および成形キャビティ内壁の温度上昇は同時に開始する請求項１に記載の方法。
3. 前記材料による成形キャビティの充填は、成形キャビティ内壁の温度上昇の間に開始する請求項１に記載の方法。
4. 前記材料による成形キャビティの充填は、成形キャビティ内壁の温度上昇開始後３０秒以内に開始する請求項３に記載の方法。
5. 前記材料による成形キャビティの充填は、成形キャビティ内壁の温度上昇開始後５秒以上後に開始する請求項３または４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記材料による成形キャビティの充填が終了し、加熱温度が達成される前に前記材料の圧力上昇が開始する先行請求項の少なくとも１項に記載の方法。
7. 前記材料の圧縮圧力は、加熱温度が達成される前に達成される請求項６に記載の方法。
8. 加熱温度は、前記材料のガラス転移温度以上の１６．６〜６６．６℃である先行請求項の少なくとも１項に記載の方法。
9. 冷却温度は、前記材料のガラス転移温度以下の１１．１〜５５．５℃である先行請求項の少なくとも１項に記載の方法。
10. 成形キャビティ内壁の冷却温度から加熱温度までの温度上昇時間は、３０秒〜１５０秒、好ましくは、約６０秒である先行請求項の少なくとも１項に記載の方法。
11. 成形キャビティ内壁の加熱温度から冷却温度までの温度下降時間は、３０秒〜１５０秒、好ましくは、約６０秒である先行請求項の少なくとも１項に記載の方法。
12. 前記材料の圧縮圧力および成形キャビティ内壁の加熱温度が達成された後、これらが維持される時間は、５秒以上であり、好ましくは１０秒〜３０秒である先行請求項の少なくとも１項に記載の方法。

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