JP2014218083A - 合成樹脂製光学レンズの成型方法及びこの方法で製造した光学レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】光学レンズの屈折率に偏差が生じにくくて高い信頼性が得られ、材料の使用率が高くて製造コストが低廉な、合成樹脂製光学レンズの成型方法及びこの方法で製造された光学レンズを提供すること。【解決手段】金型の下金型と上金型を開放した状態で加熱し、軟化した樹脂粒状物を下金型内に充填した後、上金型と下金型を相対させて型締めし、充填された樹脂粒状物に対して加熱と垂直加圧を行ってから、金型を冷却して降温させ、溶融状態の樹脂を冷却・固化して光学レンズを形作り、その後、上金型と下金型を分離して光学レンズを取り出す。【選択図】図１

Description

本発明は、合成樹脂を素材とする合成樹脂製光学レンズの成型方法及びこの方法で製造した光学レンズに関する。

光学レンズ等の光学素子は映像製品に広く応用されており、映像の投影や読み取りに用いられている。
一般的に光学レンズを製造する材料としては合成樹脂またはガラスが使用されるが、そのうち、合成樹脂を使用して光学レンズを製造する従来の方法では、プラスチック射出成型技術を利用し、合成樹脂を金型成型して光学レンズを取得している。
金型成形におけるモールド加工では、いくつかのキャビティ及び各キャビティに連通されたスプルーが形成され、モールドが作業温度まで予熱されて、合成樹脂の顆粒が加熱により溶融状態とされた後、モールドの射入口から加圧されてモールド内に射出注入され、溶融した樹脂がスプルーを経由してキャビティ内に注入される。その後モールドの温度を下げてキャビティ内の樹脂を冷却し、定型させて光学レンズとしてから、最後にキャビティ内の光学レンズを取り出し、前記光学レンズに対してトリミングを行い、各種映像設備の製品に組み込むことができる製品となる。

射出成型技術を利用して製造する光学レンズの製造方法では、金型スプルーとキャビティの隣接箇所に注入口が形成されるが、合成樹脂製光学レンズはレンズ表面の光学性能の関係で、注入口を光学レンズの側面に設けるしかなく、溶融した樹脂がスプルーを経由して注入口から側面よりキャビティ内に注入されるプロセスにおいて、樹脂の流動の関係により、まずキャビティに注入された樹脂がキャビティ表面に接触して温度低下と固化が開始される。

ところが、後続でキャビティに進入する樹脂はキャビティがいっぱいになるまで続々とキャビティに向かって注入され、このときキャビティ表面とキャビティ中間に位置する樹脂の温度が不均一になり、最後に射出成型設備が保圧を加えて、樹脂を光学レンズに成型する。
このために、キャビティ表面とキャビティ中間の樹脂に制御し難いせん断応力が発生し、また側面加圧の関係で、光学レンズの注入口近くの部分の内圧が最大になり、注入口から遠い部分ほど内圧が小さくなって、せん断応力が不均等になる。このせん断応力を制御するために金型の温度を高くする必要があるため、成型時間も相対して長くなる。しかも、上述のせん断応力によって光学レンズの屈折率に偏差が生じやすく、屈折率均一性の信頼性に影響を与える。

光学レンズの製造に用いる合成樹脂材料は、加熱溶融を経て冷却・定型後、リサイクルして再度光学レンズの製造に用いることはできない。これを踏まえ、前述の射出成型により光学レンズを製造する従来の方法では、スプルー内の樹脂が光学レンズの成型に充分に利用されず、材料利用率において不利である。さらに言うと、合成樹脂を使用して製造される光学レンズは、優れた耐候性、透光性を備え、吸水性が低くなければならないので、光学レンズ製造に用いる樹脂材料の価格が高くなりがちであり、樹脂材料の利用率は光学レンズの製造コストに直接的な影響を形成するため、前述の従来技術では、合成樹脂製光学レンズの製造コストが高くなってしまう。

本発明が解決しようとする課題は、光学レンズの屈折率に偏差が生じにくくて、屈折率均一性に高い信頼性が得られ、材料の使用率が高くて製造コストが低廉な、合成樹脂製光学レンズの成型方法及びこの方法で製造された光学レンズを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の合成樹脂製光学レンズの成型方法は、以下の工程を含む。
樹脂の予熱：光学レンズの素材となる樹脂粒状物を加熱して予熱温度ＰＨＴ１まで昇温させ、樹脂粒状物を溶融に近い軟化状態にして、適切な定量と形状に制御する。
金型の除塵及び予熱：前記金型が下金型と上金型で構成され、かつ前記上金型と前記下金型の間に光学レンズの成型に用いるキャビティが形成されるものであって、金型の下金型と上金型を開放した状態で、前記上金型及び前記下金型の内部空間が無塵の乾燥したエリアとなるように制御され、かつ前記上金型及び前記下金型の表面が加熱されて成型温度ＰＨＴ２まで昇温され、かつＰＨＴ２＞ＰＨＴ１とする。
金型充填：ＰＨＴ１まで予熱昇温された定量の軟化した樹脂粒状物を前記金型の下金型のキャビティ内に充填する。
型締め・保圧：前記上金型と前記下金型を相対させて型締めし、前記上金型及び前記下金型が前記キャビティ内に充填された樹脂粒状物に対して加熱と垂直加圧を行い、軟化した樹脂粒状物を昇温させて、かつ前記キャビティに充満させる。
冷却・定型：前記金型を冷却して降温させ、前記キャビティ内の樹脂を冷却・固化して、光学レンズを形作る。
離型：前記上金型と前記下金型を分離して、光学レンズを取り出す。

離型工程を行った後、順に金型の除塵及び予熱工程、金型充填工程、型締め・保圧工程、冷却・定型工程及び離型工程を行い、繰り返し連続的に合成樹脂製光学レンズを製造することができる。
本発明の光学レンズは、前述の合成樹脂製光学レンズの成型方法を行って製造される。

本発明の合成樹脂製光学レンズの成形方法によれば、ホットプレスプロセスで合成樹脂製光学レンズを製造することで、発生する応力が減少するため、光学レンズの屈折率が均一となり、品質の信頼性が向上し、かつ金型にスプルーを設置する必要がなく、これにより樹脂材料の利用率を高め、光学レンズの製造コストを抑制することができる。
本発明の光学レンズは、部位によって屈折率に偏差が発生し難く、屈折率が均一化される。

本発明の実施例１に係る光学レンズ製造工程のフローチャートである。

（実施例１）
図１に示すように、実施例１の合成樹脂製光学レンズの成型方法は、次の工程を含む。
樹脂の予熱：光学レンズの素材となる樹脂粒状物を加熱して予熱温度ＰＨＴ１まで昇温させ、樹脂粒状物を溶融に近い軟化状態にして、適切な定量と形状に制御する。ここで、溶融に近い軟化状態とは、樹脂粒状物の粒がまだ僅かに残っている状態をいう。
実施例１では、光学レンズの素材となる樹脂材料としてポリカーボネート樹脂（帝人株式会社製、商品番号；ＡＤ−５５０３）を用い、この樹脂材料を成型して、製造しようとする光学レンズの重量、寸法に適した形状及び寸法の樹脂粒状物を製造した。この樹脂粒状物のガラス転移温度ＴＧ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｇｌａｓｓ）は１４０℃〜１５０℃であり、溶融温度ＴＭ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ）は２２０℃〜２３０℃である。また、ＴＧ＜ＰＨＴ１であって、ＰＨＴ１は約１８５℃とした。

金型の除塵及び予熱：複数の異なる金型に対して加熱を行う。前記金型は主に下金型と上金型で構成され、かつ前記上金型と前記下金型の間に光学レンズの成型に用いる１つのキャビティが形成される。
金型の下金型と上金型を開放した状態で、予め濾過乾燥した空気を上金型と下金型に吹き付けることで前記上金型及び前記下金型の内部空間が無塵の乾燥したエリアとなるように制御する。
かつ、前記上金型及び前記下金型の表面が加熱されて成型温度ＰＨＴ２まで昇温される。上金型及び下金型の加熱は、熱源からの熱輻射、熱対流、熱伝導、誘電加熱、熱風加熱等から１種類又は複数種類を選択して行う。
なお、ＰＨＴ１＜ＰＨＴ２≦ＴＭである。即ち、ＰＨＴ２は、２３０℃と等しいか低く、１８５℃より高い温度であるが、樹脂粒状物の応力発生を抑え、品質を向上させて量産性を高めるために１８５℃（ＰＨＴ１）に近い温度とする。

金型充填：ＰＨＴ１まで予熱昇温された定量の軟化した樹脂粒状物を前記金型の下金型の前記キャビティ内に充填する。

型締め・保圧：前記上金型と前記下金型を相対させて型締めし、吸気設備を利用し、前記キャビティ内の空気を吸引して真空状態とする。また、前記上金型及び前記下金型が前記キャビティ内に充填された樹脂粒状物に対してそれぞれ加熱と垂直加圧を行い、軟化した樹脂粒状物を昇温させて各前記キャビティに充満させる。前記キャビティ内の空気を吸引して真空状態とすることにより、製造される光学レンズの品質を高める。

冷却・定型：前記金型を冷却して降温させ、各前記キャビティ内の樹脂をそれぞれガラス転移温度ＴＧ以下まで冷却し、固化させて光学レンズを形作る。

離型：前記上金型と前記下金型を分離して、光学レンズを取り出す。

前述の合成樹脂製光学レンズの成型方法において、離型工程を行った後、順に金型の除塵及び予熱工程、金型充填工程、型締め・保圧工程、冷却・定型工程及び離型工程を行い、繰り返し連続的に合成樹脂製光学レンズを製造することができる。

前述の工程により、ホットプレスプロセスで合成樹脂製光学レンズを製造するため、一定温度により、一定量の樹脂材料を一定形状に加工できて、均一な品質が保証され、予熱された金型キャビティ中で垂直加圧が行われてレンズの光軸が形成され、キャビティ内の各所の樹脂が均一な温度・圧力となり、光学レンズ内のせん断応力が非常に小さく、光学レンズの屈折率に偏差が生じにくく、屈折率均一性の信頼性が高まる。
さらに、金型に従来の射出金型のようにスプルーを設置する必要がなく、これにより光学レンズの素材となる樹脂材料の利用率を高め、合成樹脂製光学レンズの製造コストを抑制することができる。

（実施例２）
実施例２と実施例１の違いは、樹脂の予熱工程において、樹脂材料を加熱して樹脂粒状物を形成し、かつ、樹脂粒状物の温度を予熱温度ＰＨＴ１に保持し、樹脂粒状物に別途加熱を行うことなく、この樹脂粒状物を後続の金型充填工程で金型に充填する点である。これにより、合成樹脂製光学レンズの製造工程における熱エネルギー利用率を高めることができる。

本発明では、光学レンズの素材となる樹脂材料として、ポリメチルメタクリレート樹脂、ＡＤＣ樹脂等の光学用透明樹脂を用いることもできる。この場合、予熱温度ＰＨＴ１及び成型温度ＰＨＴ２を使用する樹脂材料のガラス転移温度ＴＧ及び溶融温度ＴＭに応じて、ＴＧ＜ＰＨＴ１＜ＰＨＴ２≦ＴＭとなるよう調整する。

Claims (4)

1. 金型を用いた合成樹脂製光学レンズの成型方法であって、
   樹脂の予熱：光学レンズの素材となる樹脂粒状物を加熱して予熱温度ＰＨＴ１まで昇温させ、樹脂粒状物を溶融に近い軟化状態にし、かつ、前記樹脂粒状物のガラス転移温度をＴＧとした時、ＴＧ＜ＰＨＴ１である工程と、
   金型の除塵及び予熱：前記金型が下金型と上金型で構成され、かつ前記上金型と前記下金型の間に光学レンズの成型に用いる１つのキャビティが形成されるものであって、金型の下金型と上金型を開放した状態で、前記上金型及び前記下金型の内部空間が無塵の乾燥したエリアとなるように制御され、かつ前記上金型及び前記下金型の表面が加熱されて成型温度ＰＨＴ２まで昇温され、前記樹脂粒状物の溶融温度をＴＭとした時、ＰＨＴ１＜ＰＨＴ２≦ＴＭである工程と、
   金型充填：ＰＨＴ１まで予熱昇温された定量の軟化した樹脂粒状物を前記金型の下金型のキャビティ内に充填する工程と、
   型締め・保圧：前記上金型と前記下金型を相対させて型締めし、前記上金型及び前記下金型が前記キャビティ内に充填された樹脂粒状物に対して加熱と垂直加圧を行い、軟化した樹脂粒状物を昇温させて前記キャビティに充満させる工程と、
   冷却・定型：前記金型を冷却して降温させ、各前記キャビティ内の溶融状態の樹脂を冷却・固化して、光学レンズを形作る工程と、
   離型：前記上金型と前記下金型を分離して、光学レンズを取り出す工程と、
   を含むことを特徴とする、合成樹脂製光学レンズの成型方法。
2. 離型工程を行った後、順に金型の除塵及び予熱工程、金型充填工程、型締め・保圧工程、冷却・定型工程及び離型工程を行い、繰り返し連続的に合成樹脂製光学レンズを製造することを特徴とする、請求項１に記載の合成樹脂製光学レンズの成型方法。
3. 型締め・保圧の工程において、前記上金型と前記下金型を相対させて型締めするとき、前記キャビティ内を真空にすることを特徴とする請求項１に記載の合成樹脂製光学レンズの成型方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の合成樹脂製光学レンズの成型方法により製造されたことを特徴とする、合成樹脂製光学レンズ。

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