JP4863445B2 - 熱硬化性プラスチック材料の成形方法 - Google Patents
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ところが、このように熱硬化性プラスチック材料を外部からの伝導熱で加熱する場合には、材料中で対流現象が生じやすくどうしても加熱ムラが生じてしまう。単に硬化させるだけであれば大きな問題はないが、特にレンズ、フィルター、計器カバー等の透明なプラスチックで光が透過することを前提とした光学的な要素のあるプラスチック製品では透過率や屈折率等について極力均一になることを求められる。そのため、従来からそのようなプラスチック製品では伝導熱で加熱する成形方法では対流を生じさせないように数十時間をかけて非常にゆっくりと加熱処理を行っている。
しかし、このように長時間をかけて製品を得る場合では容易に量産化に対応できず、製品当たりのプラント稼働時間が長くなることから高コスト化も招来していた。
更に、同じ条件でマイクロ波を照射したとしても物体の組成によって温度履歴が異なるため、熱硬化性プラスチック材料の調合条件によってマイクロ波の照射条件も区々とならざるを得ない。このようなことから、マイクロ波による誘電加熱において、正確に温度を計測し、その温度に基づいてマイクロ波の照射量を調節する技術が求められていた。
)。
しかし、上記のように光学的な要素のあるプラスチック製品では透過率や屈折率等について極力均一になることを求められるため、誘電加熱効果によって成形されるプラスチック製品の光学的な要素に関して更なる高品質化が求められていた。
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、マイクロ波による誘電加熱効果によって熱硬化性プラスチック材料を硬化させる際に、正確に温度を計測しマイクロ波の照射量を調節するとともに加熱雰囲気を制御して高品質の熱硬化性プラスチック材料を成形する成形方法を提供することにある。
また、請求項2の発明では請求項1に記載の発明の構成に加え、前記温度センサが検出した温度を目標温度として前記加熱雰囲気中の温度を制御することをその要旨とする。
また、請求項3の発明では請求項1に記載の発明の構成に加え、前記加熱雰囲気中の温度はマイクロ波による誘電加熱の安定期において前記温度センサの検出した温度と一定の温度差で同期させて制御することをその要旨とする。
一方、このようにマイクロ波加熱する複数の母型を同時に加熱雰囲気中に配置して加熱手段によって加熱する。この際に加熱雰囲気の加熱履歴はダミー母型によって検出した温度情報に同期させて制御する。
具体的な制御手段としては例えばダミー母型内に配設された温度センサを第1の温度センサとし、加熱雰囲気中に第2の温度センサを配設する。そして、第1の温度センサと第2の温度センサで検出される値の差を所定の目標設定値として制御することが挙げられる。
特に誘電加熱の安定期において前記温度センサの検出した温度と一定の温度差で同期させて制御することが製品の品質向上の点から好ましい。但し、温度の昇降時においては必ずしも一定の温度差でなくともよく、例えば安定期における加熱初期においては温度差を小さく設定し、加熱終期に至るほど温度差を大きく設定する等の制御も可能である。
また、前記加熱雰囲気中の温度は前記温度センサの検出した温度以上に上がらないように制御することが好ましい。加熱雰囲気中の温度を温度センサの検出した温度以上に上げてしまうと温度センサが加熱雰囲気中の温度を検出してこれに影響を受けることとなってマイクロ波の照射量の正確な制御ができなくなってしまうからである。
ここに、温度センサは直接熱硬化性プラスチック材料中に浸漬するようにしてもよいが、温度センサを保護部材によって包囲して温度センサ自身は熱硬化性プラスチック材料と直接接することがないように保護部材によって包囲するようにしてもよい。例えば、温度センサを比較的融点の高い熱可塑性プラスチック製薄膜(例えばナイロン製薄膜)で包囲したり、硬質の鞘部材に挿入し、この鞘部材を熱硬化性プラスチック材料中に浸漬させるようにしてもよい。このようにすれば温度センサは熱硬化性プラスチック材料が硬化しても容易に取り出すことができ、何度も使い回すことが可能となる。
母型は複数の型枠と同型枠を連結する連結部材とによって内部に熱硬化性プラスチック材料が充填されるキャビティが形成されことが多い。例えば、レンズの製造においては第1及び第2の型枠を連結部材としてのガスケットで連結し、内部に熱硬化性プラスチック材料が充填されるキャビティが形成される。このような連結部材には熱硬化性プラスチック材料を充填するための充填口が開口されるが、その際に充填口からキャビティ内に熱硬化性プラスチック材料が充填された後に前記保護部材を充填口からキャビティ内に挿入して保護部材の基部寄りで充填口を塞ぐようにすることが好ましい。これによって保護部材は温度センサを保護するのみならず熱硬化性プラスチック材料をキャビティ内に封入する蓋の役割も果たすこととなり、作業効率の向上と部品の削減を図ることが可能となる。
つまり、所定の第1の時間帯において第1の基準温度を設定し、第1の基準温度をオーバーしないように加熱制御する。加熱制御はマイクロ波発生装置の出力を下げたり入り切りすることで実行可能である。第1の時間帯を経過し、第2の時間帯においては第1の基準温度より高い第2の基準温度を設定し、その第2の基準温度をオーバーしないように加熱制御する。このように段階的にある時間帯において一定の温度を維持させながら全体として徐々に昇温するような制御が製品の品質上好ましい。この時間帯は比較的細かく設定することが製品の品質向上の点から好ましい。加熱手段によって加熱される加熱雰囲気もこのような履歴で同期することとなる。
まず、プラスチックレンズの成形に使用されるマイクロ波反応装置について説明する。 図1に示すように、架台1の天板部1a上にマイクロ波反応装置の一部をなすキャビティ2が設置され、同キャビティ2に対してマイクロ波供給ユニット3と熱風循環ユニット4が接続されている。キャビティ2に隣接する位置にはコントロールボックス5が設置されている。
キャビティ2は上下左右及び背面の各壁面から構成された本体7と同本体7の前面に配置される前面扉8から構成されている。前面扉8は図示しないヒンジによって開閉可能に支持されている。キャビティ2の上部には前面扉8の閉鎖状態で唯一キャビティ2内部とキャビティ2外部とを連通する3本の第1及び第2のシールドパイプ11a,11bが配設されている。キャビティ2の左右側面にはキャビティ2内部の照明装置12が配設されている。キャビティ2の側面であって前面扉8側のドグ9と干渉する位置には前面扉8の閉鎖状態を検出するリミットスイッチ10が配設されている。
図2に示すようにキャビティ2の底部13は二重構造となっており、設置床面13aの下部には床下空間Sが形成されている。図7に示すように、設置床面13aの四隅位置にはキャビティ2内部と空間Sとを連通するパンチングメタルで覆われた空気流通孔14が形成されている。
図1における第1の水平ダクト25aの右端には吸気口26が形成されている。同図における第2の水平ダクト25aの右端には排気口29が形成されている。図3に示すように、吸気口26、排気口29に面した位置及び垂直ダクト25cの上部寄り位置にはそれぞれ絞り弁30a〜30cが併設されている。各絞り弁30a〜30cはハンドルHを操作して絞り弁30a〜30cを回動させ熱風循環ユニット4を循環する空気の流通状態の制御を行う。
図4に示すように、プラスチックレンズ用の母型31は第1の型枠32、第2の型枠33及び連結部材としてのガスケット34から構成されている。第1の型枠32及び第2の型枠33は表裏とも同じ曲率の球面から構成されたメニスカス形状のガラス製の円形板状体とされている。
第1の型枠32の裏面は成形されるプラスチックレンズの表面(物体側)を成形するための曲面とされ、第2の型枠33の表面は成形されるプラスチックレンズの裏面(眼球側)を成形するための曲面とされている。ガスケット34はエラストマー製の可撓性リング体であって、図5及び図6に示すように、ガスケット34内周には径方向の断面において内方に突起した形状の支持突条35が形成されている。ガスケット34には内外を連通させる充填口36が開口されている。
熱硬化性プラスチック材料Mが充填された母型31は基本的に製品としてプラスチックレンズを成形するための製品用母型31Aと、温度履歴を計測するためのダミー母型31Bとに分かれる。本実施の形態では複数の製品用母型31Aに対し1つのダミー母型31Bが用意される。図5に示すように製品用母型31Aの充填口36には栓39が取り付けられ、図6に示すようにダミー母型31Bには試験管形状のセンサ保護管40が取り付けられる。センサ保護管40は熱硬化性プラスチック材料中に進出し、装着状態でその下端がほぼ上下方向の中央位置に配置される。
母型ホルダー41は脚部42と脚部42の中央に立設された支柱43を備えている。支柱43の下端寄りは脚部42に固着された軸受けスリーブ44によって支持されており、支柱43は軸心回りに自転可能とされている。支柱43の上半身には雄ネジ部43aが形成されている。
支柱43には上下2枚のターンテーブル45,46が装着されている。両ターンテーブル45,46は中央に支柱43に挿通させるための軸受け孔47が中央位置に形成された円盤形状のプラスチック製の板体であって、同軸受け孔47を中心に台形形状の透孔48が放射状に形成されている。
両ターンテーブル45,46の対向面45a,46a側であって透孔48に面した内側角部及び外側角部には母型31の外周曲率と同じ曲率に形成された当接面50が形成されている。上側の第1のターンテーブル45は下側の第2のターンテーブル46に対して支柱43の軸方向に沿って接離可能とされている。第1のターンテーブル45の下部位置にはネジ部材49が配設されている。ネジ部材49は雄ネジ部43aに螺合されており、雄ネジ部43aが形成された支柱43の所定位置に停止配置させることが可能である。第1のターンテーブル45は所定位置に配置されたネジ部材49によって下方から支持される。
母型31は両ターンテーブル45,46の透孔48が上下方向において正対する位置において透孔48位置にセットされる。図3に示すようにセット状態において母型31は上下4箇所の当接面50によって支持されることとなる。母型31は当接面50以外の部分はキャビティ2内の空間に露出することとなる。
コントロールボックス5には各センサ51,52によって検出された温度を表示するモニター53と操作部54が配設されている。操作部54はマイクロ波反応装置全体のメインスイッチ、熱風発生器22のメインスイッチを含み、マイクロ波発振器15の出力設定、制御すべき温度の目標値の設定等の操作を行う。架台1の図1における右側方にはシグナル55が配設されている。
マイクロ波反応装置はコントロールボックス5に内蔵されたコントローラ61によって制御されている。コントローラ61は図示しないメモリやマイクロプロセッサ(MPU)、タイマ等から構成されている。図9に示すように、コントローラ61にはリミットスイッチ10、マイクロ波発振器15、モータ23、電熱ヒータ28、センサ51,52、モニター53、操作部54、シグナル55が接続されている。また、コントローラ61には経時的な温度履歴をグラフ化して表示するとともにデータ化して保存することが可能なコンピュータ端末装置57が接続されている。
コントローラ61は操作部54の操作によって以下のように設定された加熱履歴に従ってマイクロ波発振器15の入り切りの制御をする。尚2)〜6)が加熱安定期に相当する。
1)予備段階:50℃に達するまで予熱。50℃に達した時間が以下のステージでの計測時間の始期(加熱スタートタイム)とされる。
2)第1のステージ: 80℃を目標上限温度として60分加熱
3)第2のステージ:100℃を目標上限温度として60分加熱
4)第3のステージ:110℃を目標上限温度として10分加熱
5)第4のステージ:120℃を目標上限温度として10分加熱
6)第5のステージ:130℃を目標上限温度として40分加熱
まず、ステップS1においてコントローラ61はマイクロ波発振器15をオン状態とする。この時、コントローラ61は装置29に比較的低い出力でマイクロ波を発振させる。これは熱硬化性プラスチック材料Mの温度が低い段階での急激な誘電加熱による製品への悪影響を防止するためである。
次いで、ステップS2においてコントローラ61は第1のセンサ51によって検出された温度Δ1が50℃に達したかどうかを判断する。ここで、温度Δ1が50℃に達するまでは前記出力条件でマイクロ波が発振される。一方、温度Δ1が50℃に達したと判断するとステップS3においてコントローラ61は内蔵するタイマ回路による時間計測を開始するとともに、マイクロ波発振器15の前記出力をわずかにアップさせる。この温度Δ1が50℃に達したときの時間計測開始時を「加熱スタートタイム」とする。
このように、ステップS4〜S8では温度Δ1が50℃に達してから少なくとも加熱スタートタイムから60分以内においては80℃を限界温度として加熱されることとなる。
コントローラ61はステップS10において温度Δ1が100℃の基準温度に達したかどうかを判断し、達していなければステップS11においてアップされた出力でマイクロ波の発振を維持させる。一方、温度Δ1が100℃に達したと判断するとステップS11において温度Δ1が80℃に達してから60分(つまり加熱スタートタイムから120分)が経過したかどうかを判断する。この時、60分経過していないと判断するとステップS12において一旦マイクロ波発振器15をオフ状態とする。これによって第2のステージにおいて100℃以上に材料Mの温度が上昇することが防止される。そして、コントローラ61はステップS15において温度Δ1が100℃以下に下がったかどうかを判断し、温度が下がらなければそのままステップS13のルーチンを繰り返し、温度が下がった場合には再びステップS14でマイクロ波発振器15をオン状態とし、処理はステップS10に戻る。
このように、ステップS10〜S14では温度Δ1が一旦80℃に達してから少なくとも60分以内においては100℃を上限温度として加熱されることとなる。
これに対し、ステップS11において120分が経過したと判断した場合には、ステップS15においてオン状態にあるマイクロ波発振器15の出力をアップさせる。
・続く第3のステージでは更にアップされた出力で120分経過後130分以内においては110℃以下に保つように制御される。
・続く第4のステージでは更にアップされた出力で130分経過後140分以内においては120℃以下に保つように制御される。
・続く第5のステージでは更にアップされた出力で140分経過後180分以内においては130℃以下に保つように制御される。これらの詳しい処理は省略する。
そして、トータルとして180分が経過したと判断した場合には、コントローラ61はステップS16においてマイクロ波発振器15をオフ状態として、加熱処理を終了させる。
ステップS51においてコントローラ61はモータ23及び電熱ヒータ28をオン状態とする。この際に手動にて吸気口26の絞り弁30aを適宜調整して外気を導入状態とするとともに垂直ダクト25cの絞り弁30cを調整して流速を制御する。次いで、ステップS52において「加熱スタートタイム」から180分経過したかどうかを判断し、経過していなければステップS53において第2のセンサ52で検出した温度Δ2と第1のセンサ51で検出した温度Δ1とを比較し、Δ1−Δ2が15以上かどうか(つまりキャビティ2内の温度がダミー母型31Bよりも15℃よりも低いかどうか)を判断する。ここで15以上と判断した場合には未だキャビティ2内の温度が低すぎるとしてヒータ23をオフとさせずステップS52のルーチンを所定タイミングで繰り返す。
次いで、ステップS54で「加熱スタートタイム」から180分経過したかどうか、つまり所定の加熱処理が終了したかどうかを判断する。ここで180分が経過していないと判断した場合には依然として加熱制御が必要であるためステップS55で再度Δ1−Δ2が15以上かどうかを判断する。そして、ここで15以上と判断した場合にはキャビティ2内の温度が低すぎるとしてステップS56でヒータ23を再度オン状態とし、ステップS52に戻る。
一方、Δ1−Δ2が15以上ではないと判断した場合にはステップS55のルーチンを所定タイミングで繰り返す。
これに対してステップS54で「加熱スタートタイム」から180分経過したと判断した場合には母型31の加熱処理が完了したとしてステップS57で一定時間後モータ23をオフ状態とする。併せて排気口29の絞り弁30bを手動にて操作して熱風と外気を入れ替えて徐々に温度の降下を図る。
加熱安定期におけるこのようなルーチンによってキャビティ2内の温度は常に第1のセンサ51で検出したダミー母型31B内の温度Δ1よりも15℃程度低く同期して推移することとなる。
(1)製品用母型31Aとダミー母型31Bとはまったく同じ母型で充填されるプラスチック材料も同じであるため、加熱条件として両者はまったく同じといえる。更に、センサ本体38はダミー母型31B内部に挿入されて内部の温度を検出するようになっている。これらの点から非常に正確に温度データを得ることができ最適な条件での加熱制御に極めて貢献する。
(2)センサ本体38はセンサ保護管20によって直接熱硬化性プラスチック材料Mに接触することがないので、材料Mが熱硬化した後にセンサ本体38だけを取り出すことができるため、センサ本体38を使い回すことができ経済的である。また、センサ保護管20はダミー母型31Bの充填口36を塞ぐ栓の役割もするのでこの点でも栓を別部材で用意しなくてよく経済的である。
(3)マイクロ波によってモノマー内部から最適な温度履歴で加熱できるとともに、これと同期して外部からも加熱するようにしているため、対流現象が生じにくく非常に高品質の製品を作ることができる。
(4)単にキャビティ2内を加熱するだけではなく、モノマー内部よりも若干低い温度で外部から加熱させるようにしているため、第1のセンサ51がキャビティ2の雰囲気の影響を受けにくくなっている。
・上記実施の形態では加熱安定期でも第1及び第2のセンサ51,52の温度差は一定であったが、これを各ステージで一定ではないように設定することも可能である。モノマーの成分によっては上記と異なる設定が好ましい場合もあるからである。
・上記実施の形態では第1及び第2のセンサ51,52の温度差を15℃に設定したがこれを変更することは可能である。モノマーの成分によっては上記と異なる温度が好ましい場合もあるからである。また、第1及び第2のセンサ51,52の温度差をない(つまりモノマー内部温度に対してキャビティ2の雰囲気中の目標温度を同一とする)ようにしてもよい。
・上記実施の形態ではコントローラ61によって一元的に制御したが、一部の機器について他の制御手段で制御するようにしても構わない。
・上記制御ルーチンは一例であって他の制御方法であっても構わない。例えば上記では温度上昇とともに出力も大きくしていったが、出力は常に大きくする必要はない。つまり、出力を変えずに加熱時間と加熱温度だけで制御するようにしてもよい。また、すべてのステージで出力をアップさせていかなくともよい。
・上記ではトータルの加熱時間を180分に設定したがこれは適宜変更可能である。
・上記ではマイクロ波発振器15の入り切りによって基準温度を維持するように制御していたが、入り切りではなく出力の大小でも構わない。
・上記では導波管型のマイクロ波発振器15を使用したが、その他のマイクロ波発生装置でもよい。例えば、超音波併用型のマイクロ波発生装置であればマイクロ波との相乗効果が期待される。
・その他、本発明の趣旨を逸脱しない態様で実施することは自由である。
Claims (3)
- 熱硬化性プラスチック材料をマイクロ波によって誘電加熱することで硬化させて所定の形状に成形する成形方法であって、
複数用意された母型内に調合した熱硬化性プラスチック材料を注入し、複数の同母型に対してマイクロ波を照射し誘電加熱するとともに、少なくとも1つの母型内には熱硬化性プラスチック材料の温度を検出するための温度センサを配設し、同温度センサの検出した温度情報に基づいてマイクロ波の照射量を経時的に制御する一方、
加熱手段によって加熱される加熱雰囲気中に複数の前記母型を配置するとともに、同加熱雰囲気中の温度を前記温度センサが検出した温度情報に基づいて同温度センサの検出した温度に同期させ、かつ前記温度センサの検出した温度以上に上がらないように制御することを特徴とする熱硬化性プラスチック材料の成形方法。 - 前記温度センサが検出した温度を目標温度として前記加熱雰囲気中の温度を制御することを特徴とする請求項1に記載の熱硬化性プラスチック材料の成形方法。
- 前記加熱雰囲気中の温度はマイクロ波による誘電加熱の安定期において前記温度センサの検出した温度と一定の温度差で同期させて制御することを特徴とする請求項1に記載の熱硬化性プラスチック材料の成形方法。
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