(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形方法であって、
第１の型部材と、型を閉鎖するために、前記第１の型部材に向かって及び離れて移動することができる少なくとも１つの可動式型部材とを有する射出型を提供する工程であって、型空洞が、前記第１の型部材又は可動式型部材のうちの少なくとも１つに形成され、前記空洞が、その中に少なくとも１つのゲートを有し、更に、超音波エネルギー源が、前記空洞に超音波エネルギーを印加するように位置付けられる、工程と、
前記型を閉鎖する工程であって、それにより、前記少なくとも１つのゲートが溶融（コ）ポリマー源と流体的に接続される、工程と、
前記型を、１０４℃〜１１６℃の前記空洞に隣接して測定される型温まで加熱する工程と、
その後、前記空洞及び前記ゲートを前記溶融（コ）ポリマーで実質的に充填するために、前記閉鎖した型の前記少なくとも１つのゲートを通じて、前記空洞中に前記溶融（コ）ポリマーを射出する工程と、
前記ゲート内の前記溶融（コ）ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程と、
前記型温が約１１６℃〜１２２℃まで上昇するまで、前記ゲート内の前記凝固した（コ）ポリマーを再溶融することなく、前記閉鎖した型の前記空洞内の前記溶融（コ）ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程であって、それにより、前記溶融（コ）ポリマー中の任意の流動誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、前記型温が約１０１℃〜１０７℃まで低下するまで、前記閉鎖した型を冷却する工程と、
その後、前記型温が約１１６℃〜１２２℃まで増加するまで、前記閉鎖した型を加熱する工程であって、それにより、前記溶融（コ）ポリマー中の任意の熱誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、前記溶融（コ）ポリマーが前記型内で凝固するまで、前記型を冷却させる工程であって、それにより、射出成形物品を形成する、工程と、を含む、方法。
【請求項２】
前記型温が約１１６℃〜１２２℃の間まで上昇するまで、前記閉鎖した型の前記空洞内の前記溶融（コ）ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程が、前記ゲート内の前記溶融（コ）ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程の後のみ開始される、請求項１に記載の成形方法。
【請求項３】
前記溶融（コ）ポリマーを前記空洞中に射出する工程が、前記空洞内の前記溶融（コ）ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加することを更に含む、請求項１に記載の成形方法。
【請求項４】
前記型空洞を加熱する工程が、電気抵抗加熱、電磁誘導加熱、誘電加熱、熱電加熱、超音波エネルギーの印加による加熱、又はそれらの組み合わせを使用して実施される、請求項１に記載の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は２０１１年３月１５日出願の米国特許仮出願第６１／４５２，９２５号の利益を主張するものであり、その開示の全容を本明細書に援用するものである。
【０００２】
（発明の分野）
本開示は、超音波支援成形方法及び関連した精密に形状決定された成形物品に関し、より具体的には、精密に形状決定された光学素子を生産するための超音波支援射出成形方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
成形物品は周知であり、一般的に利用されている。その中又はその上に形成される繊細な構造を有する成形物品は、成形、並びに続く処理及び取扱が困難であり得る。射出成形の小型で繊細な物品は、典型的には、型空洞中に溶融（コ）ポリマーを射出する工程と、溶融（コ）ポリマーが型空洞内の小さい隙間に流入することを可能にするのに十分な時間にわたって型空洞中に、溶融（コ）ポリマーに更なる熱を印加する工程と、続いて、溶融（コ）ポリマーが型空洞内で凝固することを可能にするために、型を冷却させる工程であって、それにより、射出成形物品を形成する、工程と、によって達成される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様では、本開示は、
第１の型部材と、型を閉鎖するために、第１の型部材に向かって及び離れて移動することができる少なくとも１つの可動式型部材とを有する射出型を提供する工程であって、型空洞が、第１の型部材又は可動式型部材のうちの少なくとも１つに形成され、空洞が、その中に少なくとも１つのゲートを有し、更に、超音波エネルギー源が、空洞に超音波エネルギーを印加するように位置付けられる、工程と、
型を閉鎖する工程であって、それにより、少なくとも１つのゲートが溶融（コ）ポリマー源と流体的に接続される、工程と、
型を、１０４℃〜１１６℃の空洞に隣接して測定される型温まで加熱する工程と、
その後、空洞及びゲートを溶融（コ）ポリマーで実質的に充填するために、閉鎖した型の少なくとも１つのゲートを通じて、空洞中に溶融（コ）ポリマーを射出する工程と、
ゲート内の溶融（コ）ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程と、型温が約１１６℃〜１２２℃まで上昇するまで、ゲート内の凝固した（コ）ポリマーを再溶融することなく、閉鎖した型の空洞内の溶融（コ）ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程であって、それにより、溶融（コ）ポリマー中の任意の流動誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、型温が約１０１℃〜１０７℃まで低下するまで、閉鎖した型を冷却する工程と、その後、型温が約１１６℃〜１２２℃まで増加するまで、閉鎖した型を加熱する工程であって、それにより、溶融（コ）ポリマー中の任意の熱誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、溶融（コ）ポリマーが型内で凝固するまで、型を冷却させる工程であって、それにより、射出成形物品を形成する、工程と、を含む、成形方法を記載する。
【０００５】
いくつかの例示の実施形態では、１０４℃〜１１６℃の型温まで型を加熱する工程は、型を閉鎖する工程の後に生じる。上記の例示の成形方法のいずれかにおいて、型温が約１１６℃〜１２２℃の間まで上昇するまで、閉鎖した型の空洞内の溶融（コ）ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程は、ゲート内の溶融（コ）ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程の後のみ開始される。いくつかの例示の実施形態では、溶融（コ）ポリマーを空洞中に射出する工程は、空洞内の溶融（コ）ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加することを更に含む。ある特定の例示の実施形態では、ゲート内の（コ）ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程は、空洞への超音波エネルギーの印加を中断することを含む。
【０００６】
上記の成形方法の更なる例示の実施形態では、閉鎖した型の少なくとも１つのゲートを通じて、空洞中に溶融（コ）ポリマーを射出する工程は、約０．５〜約０．６秒かかる。いくつかの例示の実施形態では、ゲート内の（コ）ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程は、空洞中への溶融（コ）ポリマーの射出を開始した後、約２秒で開始され、約６１秒で終了する。
【０００７】
更なる例示の実施形態では、空洞内の溶融（コ）ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程は、空洞中への溶融（コ）ポリマーの射出を開始した後、約６１秒で開始され、約８０秒で終了する。更なる例示の実施形態では、型温が約１０１℃〜１０７℃まで低下するまで、閉鎖した型を冷却させる工程は、空洞中への溶融（コ）ポリマーの射出を開始した後、約６２秒で開始され、約２３７秒で終了する。
【０００８】
ある特定の例示の実施形態では、型温が約１１６℃〜１２２℃まで上昇するまで、閉鎖した型を加熱する工程は、空洞中への溶融（コ）ポリマーの射出を開始した後、約７０秒〜１１５秒で開始され、加熱が開始された後、約７０〜１１０秒で終了する。いくつかの例示の実施形態では、型を閉鎖する工程から、（コ）ポリマーが型内で凝固するまでの合計経過時間は、少なくとも約１４５秒、及び約２４０秒未満である。
【０００９】
上記の態様及び実施形態のうちのいくつかの特定の例示の実施形態では、成形方法は更に、エジェクター手段を用いて、型空洞から射出成形物品を取り外す工程を含む。いくつかの例示の実施形態では、エジェクター手段は、エジェクターピン、リフター、ストリッパープレート、又はそれらの組み合わせのうちの１つ以上から選択される。
【００１０】
上記の成形方法の更なる例示の実施形態では、空洞中に射出される溶融（コ）ポリマーの量は、型空洞を充填するために必要とされる量を超え、過剰な（コ）ポリマーは、ベントを通じて空洞から流出する。ある特定の例示の実施形態では、型空洞中に溶融（コ）ポリマーを射出する工程は、マニホールドから溶融（コ）ポリマーを射出することを含む。いくつかの例示の実施形態では、入口ゲートは、型空洞の一側面の中心にある。他の例示の実施形態では、溶融（コ）ポリマーは、第１の型部材に隣接する型空洞の第１の側面から型空洞に射出され、超音波エネルギーは、可動式型部材に隣接する型空洞の第２の側面から印加される。
【００１１】
上記の成形方法の更なる例示の実施形態では、型空洞を加熱する工程は、電気抵抗加熱、電磁誘導加熱、誘電加熱、熱電加熱、超音波エネルギーの印加による加熱、又はそれらの組み合わせを使用して実施される。いくつかの特定の例示の実施形態では、型空洞を加熱する工程は、電気抵抗加熱を使用して実施され、更に、型空洞内の溶融（コ）ポリマーの温度を、１分あたり少なくとも約１３℃の速度で増加させるために十分な速度で、型空洞内の（コ）ポリマーを加熱することを可能にするように、少なくとも１つの電気抵抗ヒーターが、型空洞に近接して位置付けられる。
【００１２】
上記の成形方法のいずれかのある特定の例示の実施形態では、型は、鋼、ステンレス鋼、銅、ベリリウム、アルミニウム、それらの合金、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む。いくつかの例示の実施形態では、超音波エネルギー源は、超音波振動子を備え、更に、共鳴ホーン、ブースター、導波路、又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを備えるか、又は備えない。
【００１３】
別の態様では、本開示は、前の成形方法のいずれかに従って製造される、成形物品を記載する。いくつかの例示の実施形態では、成形物品は、レンズ、プリズム、ミラー、ライトパイプ、回折格子、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される射出成形された光学素子である。ある特定の例示の実施形態では、成形物品は、複屈折の実質的な非存在、残留応力の実質的な非存在、ひけマークの実質的な非存在、ニットマークの実質的な非存在、溶接線の実質的な非存在、ボイドの実質的な非存在、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの有益特性を示す。いくつかの特定の例示の実施形態では、（コ）ポリマーは、（メタ）アクリル（コ）ポリマーを含む。
【００１４】
本開示の例示の実施形態の多様な観点及び利点を、「課題を解決するための手段」として記述した。上記の概要は、本発明の図解された各実施形態、又は本発明のあらゆる実施を記載するものではない。図及び以下の詳細な説明は、本明細書に開示された原理を使用する特定の好ましい実施形態を更に具体的に例示する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示のある特定の実施形態に従った、例示の精密に形状決定された物品の斜視図。
【図２】本開示のある特定の実施形態に従った、例示の射出成形システムの概略的側面図。
【図３】本開示のある特定の実施形態の実施に有用な、閉鎖位置で示される、第１の型部材と、少なくとも１つの可動式型部材とを含む例示の超音波支援射出成形システムの概略的側面図。
【図４】本開示のある特定の実施形態の実施に有用な、図３の例示の超音波支援射出成形システムの例示の第１の型部材の線４に沿った斜視図。
【図５Ａ】本開示のある特定の実施形態に従った、超音波支援成形プロセスの例示のプロセスタイミング図。
【図５Ｂ】本開示のある特定の実施形態に従った、例示の成形プロセス中の図５Ａに示されるプロセスタイミング配列を使用して得られる型温及びヒーターデューティサイクルの図。
【図６Ａ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の底面図の複屈折写真。
【図６Ｂ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の側面図の複屈折写真。
【図７Ａ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の底面図の複屈折写真。
【図７Ｂ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の側面図の複屈折写真。
【図８Ａ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の底面図の複屈折写真。
【図８Ｂ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の側面図の複屈折写真。
【図９Ａ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の底面図の複屈折写真。
【図９Ｂ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の側面図の複屈折写真。
【図１０Ａ】従来の非超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（ビーム分離プリズム）の底面図の複屈折写真。
【図１０Ｂ】従来の非超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（ビーム分離プリズム）の側面図の複屈折写真。
【図１０Ｃ】従来の非超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（ビーム分離プリズム）の傾斜側面図の複屈折写真。
【図１１Ａ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（ビーム分離プリズム）の底面図の複屈折写真。
【図１１Ｂ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（ビーム分離プリズム）の側面図の複屈折写真。
【図１１Ｃ】本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（ビーム分離プリズム）の傾斜側面（１１Ｃ）図の複屈折写真。
【００１６】
原寸大で描写されない場合がある、上で識別された図面は、本開示の様々な実施形態を説明するが、詳細な説明で言及されるように、他の実施形態も検討される。いかなる場合でも、本開示は、制限を表すことではなく、例示的実施形態の表示によって、ここに開示される発明を説明する。本発明の範囲及び趣旨の中で、多くの他の修正及び実施形態が、当業者によって考案され得ることを理解されたい。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書及び添付の実施形態において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、その内容について別段の明確な指示がない限り、複数の指示対象を包含する。したがって、例えば「化合物（a compound）」を含有する微細繊維への言及は、２種以上の化合物の混合物を含む。本明細書及び添付の実施形態において使用されるとき、用語「又は」は、その内容が特に明確に指示しない限り、一般的に「及び／又は」を包含する意味で用いられる。
【００１８】
本明細書で使用するとき、末端値による数値範囲での記述には、その範囲内に包含されるあらゆる数値が含まれる（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８、４、及び５を含む）。
【００１９】
特に指示がない限り、明細書及び実施形態に使用されている量又は成分、性質の測定値などを表す全ての数は、全ての例において、用語「約」により修飾されていることを理解されたい。したがって、特に指示がない限り、先行の本明細書及び添付の実施形態の列挙に記載の数値的パラメーターは、本開示の教示を利用して当業者により得ることが求められる所望の性質に応じて変化し得る。最低限でも、また、請求される実施形態の範囲への同等物の原則の適用を限定する試行としてではなく、少なくとも各数値パラメーターは、報告された有効数字の数を考慮して、そして通常の概算方法を適用することによって解釈されなければならない。
【００２０】
以下の用語集の定義された用語について、請求項又は明細書の他の箇所で異なる定義が提供されない限り、これらの定義が出願全体に適用されるものとする。
【００２１】
用語
用語「（コ）ポリマー」は、ホモポリマー又はコポリマーを意味する。
【００２２】
モノマーに対する用語「（メタ）アクリル酸」とは、アルコールとアクリルの酸又はメタクリルの酸、例えばアクリル酸又はメタクリル酸との反応生成物として形成されたビニル官能性アルキルエステルを意味する。（コ）ポリマーに関して、この用語は、１つ以上の（メタ）アクリル酸モノマーを重合させることによって形成される、（コ）ポリマーを意味する。
【００２３】
用語「サイクル時間」は、第１の型部材と可動式型部材との間にキャリアウェブを有する状態で、射出成形装置を閉じてから、キャリアウェブを割り出し、１つ又は複数の成形物品を型空洞区域から離れる方向に動かし、次の成形サイクルのためにキャリアウェブの一部を配置するまでの時間を意味する。各成形サイクル中、サイクル時間は、型空洞（インサート内のいずれのマイクロ空洞も含む）を溶融（コ）ポリマーで実質的に満たしてから、（コ）ポリマーの軟化点未満まで（コ）ポリマーを冷却可能にするほど十分でなければならない。
【００２４】
型に関しては、用語「機構」は、プリズム又はレンズ等、成形される物品の形を少なくとも部分的に画定することができる、型空洞内の三次元の空洞、へこみ、又はくぼみを意味する。
【００２５】
精密な光学素子（例えば、レンズ、ミラー、プリズム、ビームスプリッター、偏光子、回折格子、ライトパイプ等）が、多種多様な工業及び消費者製品で使用される。例えば、精密な光学素子は、電子表示デバイス（例えば、液晶ディスプレー及びプロジェクター、テレビ、コンピュータモニター、電子書籍リーダー、携帯電話、ＭＰ３プレーヤー等）において主要なコンポーネントである。かかるデバイスの重量及び製造費の両方を低減したいという願望によって動かされ、製造者らは、近年、かかる光管理応用において従来使用されるより重く、かつより高価なガラス光学コンポーネントの代わりに、成形されたプラスチック材料から形成される光学素子を使用し始めている。
【００２６】
精密成形されたプラスチック光学素子の生産における主な課題の１つは、高度な光管理応用における所望の製品性能要件を達成するために、成形の精密さ及び品質の高い基準を満たす必要があることである。プラスチック光学部品の射出成形に対する一般的な実施は、典型的には、鋳造、射出圧縮、バリオサーム応答成形、低速サーボ駆動プラスチック射出、及び／又はそれらの組み合わせ等の方法の使用を伴う。かかる実施は、スクリーン、回折格子、及び一部の単純なレンズ又はミラー等の単純な光学素子の成形に有用である。
【００２７】
しかしながら、過去１０年にわたって、大部分が平坦な、又はわずかに湾曲した光学面から、有意な量の複合曲率、並びに厚型及び薄型の壁部分を有し、かかる技術の適用性又は使用を制限するものへと、光学における複雑性が生じている。更に、光学部品は現在、これらのよく知られている技術のいくつかが考慮されることさえ妨げる、かなり厳しい寸法公差仕様を有する。
【００２８】
本開示は、精密成形されたプラスチック光学コンポーネント、例えば、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）の製造に有用な精密成形方法を記載する。ＰＢＳが、本開示全体にわたって、例示の精密成形されたプラスチック光学素子として使用されるが、本明細書に記載される方法及び装置は、他の精密な光学素子（例えば、レンズ、ミラー、プリズム、偏光子、回折格子、ライトパイプ等）を生産するために有利に適用され得ることが理解されるであろう。
【００２９】
現在開示された方法は、非常に高い光透過率、低いかすみ、及び最小の複屈折を有する、不均一な壁の厚さの光学プリズムを射出成形するプロセスを支援するために、超音波エネルギーを使用する。音響調整された金属ホーンを使用して、型中の光学プリズム空洞を超音波振動させることによって、いくつかの例示の実施形態では、最終部品において、熱及び剪断誘起応力の発現を低減すると同時に、射出成形サイクル時間を大幅に削減することが可能である。成形中の局所的型温熱循環と組み合わせた超音波エネルギーの使用は、サイクル時間の低減によって単位原価を引き下げるのも助ける、精密成形されたプラスチック光学素子の光学複屈折の商業的に有意な改良を可能にする。
【００３０】
本開示は、いくつかの例示の実施形態において、非常に高い光透過率、低いかすみ、及び最小の複屈折を有する、不均一な壁の厚さの偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）プリズムを射出成形するプロセスを超音波的に支援するための方法を例示する。音響調整された金属ホーンを使用して、型中の光学プリズム空洞を超音波振動させることによって、最終部品において、熱及び剪断誘起応力の発現を低減すると同時に、射出成形サイクル時間を大幅に削減することが可能である。
【００３１】
したがって、現在開示された精密成形方法の例示の実施形態において、型機構の充填は、成形サイクルの一部としての、印加された超音波エネルギーの使用及び／又は型部品のＥＭＩ加熱によって支援される。（コ）ポリマー溶融物が型空洞を充填した後、（コ）ポリマーのガラス転移温度を下回る温度まで型が冷却され、空洞からの成形物品の押し出しを可能にする。本発明のプロセスにおけるプロセスパラメーターの組み合わせは、当該技術分野において既知であるものよりも短い成形サイクル時間を可能にする。現在開示されたプロセス及び装置は、良好な忠実度（すなわち、非常に小さい型機構の良好な複製性能）、及び２０秒以下の成形サイクル時間を有する、射出成形微細構造化物品（５μｍ未満の寸法を有する機構を有するもの）を可能にする。
【００３２】
型の非常に小さい機構への充填は、型温を調整するための伝熱手段の利用を制御する、動的な型温循環によって支援される。動的な型温循環では、最初に、射出される（コ）ポリマーの軟化温度を上回る温度（例えば、ポリカーボネートの場合には１４９℃超）まで、型が加熱される。高い型温は、（コ）ポリマーの溶融粘度を低く保って、型機構の充填を促進し、粘弾性のスキニングを最小限に抑えるのを助ける。成形部品の形成後、軟化点未満まで型が冷却され、溶融（コ）ポリマーの凝固を助ける。型温熱循環の方法は、ＰＣＴ国際公開第２００５／０８２５９６号及び米国特許第５，３７６，３１７号に記載される。
【００３３】
動的な型温循環の有効性は、型の加熱速度及び冷却速度によって制限される。熱伝導の高い材料（例えば、ベリリウム−銅合金）を用いて、伝熱を向上させることができるが、伝熱速度は、油のような、用いられる伝熱手段の特性によって制限される。
【００３４】
本開示の様々な例示の実施形態について、ここで特に図面を参照して説明する。本発明の例示の実施形態は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正形態及び変更形態を取ることができる。それ故に、本発明の実施形態は次に記載される例示の実施形態に限定されるべきではなく、請求項及びそのいずれかの等価物に記載される限定によって制御されるべきであることは理解される必要がある。
【００３５】
精密成形されたプラスチック光学素子
一態様では、本開示は、以下に更に記載される成形方法のいずれかに従って製造される、精密成形物品を提供する。いくつかの例示の実施形態では、精密成形物品は、レンズ、プリズム、ミラー、ライトパイプ、回折格子、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される、射出成形された光学素子である。
【００３６】
ここで図面を参照すると、図１は、偏光ビーム分離（ＰＢＳ）プリズム１００の形態の例示の精密成形されたプラスチック光学素子に対する３次元部品形状全体の斜視図を提供する。プリズムは、平坦背面の平面１０２、並びにレンズ（図示せず）を通した源（例えば、図示されない発光ダイオード源）から放出される光の誘導を助ける、曲面（球面１０４及び鞍状面１０６）のセットからなる。球面１０４及び鞍状面１０６は、プリズム縁部１１０で接合される。任意の光学平面１０８が、球面１０４と平面１０２との間の転移として使用され得る。
【００３７】
偏光ビームスプリッター（例えば、マイクロプロジェクターにおける）として使用されるときにプリズム１００の性能にとって重要なのは、球面１０４及び鞍状面１０６の正確な曲率要件を満たし、加えて、成形部品の厚さ（１１２）にわたって非常に低い複屈折を維持する、極端に平坦な平面１０２（約３マイクロメートル（μｍ）の平坦性）の必要性である。
【００３８】
残念ながら、多くの物理的欠陥（例えば、ニットライン、ボイド、及びひけ）、並びに／又は光学的欠陥（例えば、溶融（コ）ポリマーが型ゲートを通過する際、又は型の頂点若しくは角に入る際に生成される、例えば熱及び／又は剪断誘起残留応力によって引き起こされる複屈折）が、従来の射出成形方法を使用したプラスチック光学素子の成形中にもたらされ得る。更に、かかる物理的及び光学的欠陥が概して、当該技術分野において既知である一方で、これらの欠陥を引き起こす明確な要因、及びそれらを制御するための方法は、これまで知られておらず、かかる要因の同定、並びに精密成形されたプラスチック光学素子における物理的及び光学的欠陥を制御するための方法の発明は、本開示の範囲内である。
【００３９】
例えば、光学プリズム上のニットライン形成の発現は、主に、溶融プラスチックが空洞に入る際のその折りによって起こる。非常に低いレイノルズ数流れ（約１０−４）は、根本的に、急速に凝固する粘性樹脂が、冷たい空洞に入る際に混合することを阻止し、したがって、ニットラインが形成される。ボイド及びひけの開始は、急速な収縮差、及び冷却中のプラスチックの比体積の変化に耐えるには不十分なパッキング圧力の結果である。更に、プラスチック収縮の発現はまた、熱誘起応力をもたらし、それは次いで、複屈折及び高レベルの遅延特性を引き起こす。
【００４０】
溶融射出中に超音波エネルギーを型空洞に直接印加することによって、剪断及び熱誘起応力の効果を軽減すると同時に、特徴的な粘度曲線の疑似低応力及び疑似高速度領域において動作する能力を有することが可能である。
【００４１】
物理的及び／又は光学的欠陥の最小限化にとって重要な別の成形パラメーターは、冷却時間である。冷却時間は、急速に凝固する溶融プラスチックが、型開放及び部品押し出しの前に、型空洞内にとどまる時間の長さとして、本明細書で定義される。また、スキン及び芯冷却速度の予測モデルは、全部品の厚さに対する冷却モデル全体と同様の、冷却プロファイルにおける傾向も予測する。これらの予測は、超音波エネルギーが存在しない場合、最終部品が任意の部分的変形又は物理的欠陥を有しないことを確実にするために、４２０秒を超える冷却時間が必要とされることを示唆する。超音波エネルギーは、加熱バレルから冷たい型空洞中への移動に関連する熱衝撃を緩和するのを助けるため、いくつかの例示の実施形態では、型からの実質的に欠陥のない精密成形物品の押し出しの前に必要とされる冷却時間要件を低減することが可能である。
【００４２】
したがって、ある特定の例示の実施形態では、本開示に従った精密成形物品は、複屈折の実質的な非存在、残留応力の実質的な非存在、ひけマークの実質的な非存在、ニットマークの実質的な非存在、溶接線の実質的な非存在、ボイドの実質的な非存在、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの有益特性を示す。
【００４３】
精密成形されたプラスチック光学素子に対する射出成形システム
更なる態様では、本開示は、成形システムを記載する。図２は、示される、本開示の別の例示の実施形態に従った、例示の射出成形システム２００の概略的側面図を提供する。射出成形システムは、基部２０２上に載置されてもよい。図示される実施形態では、システム２００は、溶融されるプラスチック材料（例えば、プラスチックペレット）を受容するためのホッパー２０４と、システム２００に電力供給するためのモーター２０８と、射出ポート２１０を通して、超音波ホーン（図３に示される）が取り付けられる射出成形装置２１２へと、プラスチック材料を溶融及び供給するための加熱バレル又はチャンバ２０６とを含む。
【００４４】
図３は、本開示のある特定の実施形態の実施に有用な、閉鎖位置で示される、第１の型部材２２４と、少なくとも１つの可動式型部材２２８とを含む例示の超音波支援射出型２１２の概略的側面図を提供する。図示される実施形態では、第１の型部材２２４は固定され（可動式であってもよいが）、第２の型部材２２８は、精密成形されたプラスチック光学素子（図示せず）の取り外しを促進するために、第１の型部材２２４から離れて、又は成形作業中に型面２２６との密閉を形成するために、第１の型部材２２４に向かって可動である。いくつかの例示の実施形態では、１０４℃〜１１６℃の型温まで、型を加熱する工程は、型を閉鎖する工程の後に生じる。
【００４５】
ある特定の例示の実施形態では、溶融（コ）ポリマーを型空洞中に射出する工程は、マニホールド（図面には示されない）から、射出ポート２１０を通して、溶融（コ）ポリマーを射出することを含む。マニホールドは、型面２２６に形成されるスプルー２２２と流体連通し、かつ型空洞１００’（図３には示されない、図４を参照されたい）と流体連通して、溶融（コ）ポリマーを配置する。スプルー２２２は、射出成形作業中の溶融（コ）ポリマーの型空洞１００’への射出を促進する。
【００４６】
スプルー２２２と射出ポート２１０との間の流体連通は、第１の型部材２２４の型面２２６が、成形作業の準備中及び成形作業中に、可動式型部材２２８に対して密閉されるときに形成される、溶融（コ）ポリマー流路２２０によって提供される。いくつかの例示の実施形態では、型空洞１００’は、可動式型部材２２８を第１の型部材２２４の表面に接近して移動させ、射出成形機によって提供される十分な力で、型部材を締め付けることによって、その表面で密閉される。次いで、溶融（コ）ポリマーは、型空洞１００’を溶融（コ）ポリマーで充填するために、圧力下で型空洞１００’に射出される。
【００４７】
図３の示される実施形態では、射出成形装置２１２の可動式型部材２２８は、溶融（コ）ポリマーが型空洞１００’内にある間、溶融（コ）ポリマーに補助エネルギーを印加するためのメカニズムを有する。図示される実施形態では、このメカニズムは超音波ホーン２１４であり、このホーンは、超音波振動エネルギーを生成するように構成される。ある特定の現在好ましい例示の実施形態では、溶融（コ）ポリマーは、可動式型部材２２８に隣接する型空洞１００’の第１の側面から型空洞１００’に射出され、超音波エネルギーは、第１の型部材２２４に隣接する型空洞１００’の第２の側面から、超音波エネルギー源（例えば、超音波ホーン２１４）を使用して印加される。
【００４８】
いくつかの例示の実施形態では、超音波エネルギー源は、任意のブースター２１６、任意の導波路２１８、又はそれらの組み合わせを有する、超音波振動子２１８及び少なくとも１つの共鳴超音波ホーン２１４を備える。超音波ホーン２１４は、好ましくは固体であるが、中空であってもよい。ホーン用の構築材料は当該技術分野の技量の範囲内であるが、典型的には、チタン、アルミニウム、鋼、又はセラミックである。現在好ましい実施形態では、ホーン材料は、所望の精密成形された光学素子の表面仕上げ要件により、Ｐ−２０鋼が選択される。
【００４９】
超音波エネルギーは概して、超音波振動子２１８及び２１８’に所望の周波数及び振幅の電気エネルギーを供給するために、例えば、５０〜５，０００ワット、より好ましくは１００〜４，５００ワット、更により好ましくは１５０〜４，０００ワットの範囲の電源（図面には示されない）を使用して供給される。振動子２１８〜２１８’に供給される電気エネルギーは、ブースター２１６及び２１６’を使用して増幅又はブーストされ得る超音波振動エネルギーに変換され、超音波ホーン２１４を介して伝送される。
【００５０】
超音波エネルギーの周波数は、５，０００〜６０，０００Ｈｚ、好ましくは１０，０００〜６０，０００Ｈｚ、より好ましくは２０，０００Ｈｚ〜６０，０００Ｈｚ、又は更には２０，０００〜４０，０００Ｈｚの範囲であってもよい。２０，０００Ｈｚの周波数においては、超音波ホーン２１４の頂点間振幅は、典型的には１２７μｍ未満であり、５１μｍ未満であってもよい。ホーン振幅は、ホーンの形と励起入力の関数である。７．５〜１５μｍの範囲の振幅が特に有用であることが分かっている。現在好ましい実施形態では、超音波ホーン２１４は、１：１ゲインブースターで超音波エネルギーを供給するように構成され、１００％振幅でホーンの表面で測定される最大変位は、頂点間で０．７ミル（０．０１８ｍｍ）である。
【００５１】
超音波振動エネルギーは、型空洞１００’内の溶融（コ）ポリマーに伝送される。超音波振動は、射出成形プロセスにおける速度−圧力の切換え中（すなわち、射出成形機が、型空洞１００’の（コ）ポリマー溶融物での充填から、型空洞１００’内での圧力の増加に切り換える期間）に使用されてもよい。溶融（コ）ポリマーに付与される超音波エネルギーは、材料を型空洞１００’内で更に流動させる。
【００５２】
図３に示される１つの例示の現在好ましい実施形態では、超音波ホーン２１４は、第１の型部材２２４に隣接して位置付けられるように示される。精密成形物品（例えば、偏光ビームスプリッター、図３には示されない）の形状に対応する、型空洞（図４の１００’を参照されたい）は、超音波ホーン２１４が超音波エネルギーを第１の型部材２２４の型空洞１００’に直接印加し得るように、第１の型部材２２４の型面２２６に形成される。超音波ホーン２１４が動作中に高い力荷重を経験するため、かつ第２の型部材２２８が閉鎖するときのたわみを最小限に抑えるために、ホーンは、好ましくは、２つの強固に載置されたブースター２１６及び２１６’によって支持され、各ブースターは、図３に示されるように、超音波エネルギー振動子２１８及び２１８’に接続される。各超音波エネルギー振動子２１８及び２１８’は、超音波エネルギー源（図面には示されない）に接続される。
【００５３】
超音波ホーン２１４に対するクロスホーン構成が、図３に示される。空洞内でホーン２１４を支持し、なおも超音波ホーン２１４、対応するブースター２１６及び２１６’、並びに超音波エネルギー振動子２１８及び２１８’によって形成される各ホーンスタックを独立して共鳴させる方法を有すると同時に、超音波エネルギー振動子２１８及び２１８’を、第１の型部材２２４の外側でそれらのそれぞれの垂直又は水平配向で維持するように、クロスホーンが選択された。第１の型部材２２４を超音波ホーン２１４に固定するために、ダイ載置穴２３３がボルト（図示せず）と共に使用される。
【００５４】
図３はまた、超音波エネルギー振動子２１８及び２１８’から放出されるそれぞれの超音波エネルギー波２１７及び２１７’の軸方向の波腹が、超音波ホーン２１４の軸方向中心に近接した波の交差点における振動節、並びに超音波ホーン２１４の、ブースター２１６及び２１６’、並びに型面２２６のそれぞれとの接合点における振動波腹を生成するように、超音波ホーン２１４が、ブースター２１６及び２１６’並びに超音波エネルギー振動子２１８及び２１８’に対して構成されることを示す。
【００５５】
ここで図４を参照すると、図３の例示の第１の型部材２２４の斜視図が、図３の線４に沿ってより詳細に示される。示される例示の実施形態では、第１の型部材２２４は、入口ランナー２２５を通して型空洞１００’と流体連通している、スプルー２２２に接続される入口ゲート２２７を含み、それは、溶融（コ）ポリマーを型空洞１００’中に誘導する。スプルー２２２は、射出成形作業中の溶融（コ）ポリマーの、入口ゲート２２７を通った型空洞１００’への射出を促進する。いくつかの例示の実施形態では、入口ゲート２２７は、好ましくは、図４に示されるように、型空洞の一側面の中心に、又は中心に近接して位置付けられる。
【００５６】
単一の入口ゲート２２７が、空洞１００’の長手方向側面の中心に近接して、空洞１００’に入るものとして示され、それは、図１の光学ビーム分離プリズムの形状を有するものとして、例示目的で示されるが、複数の入口ゲートも使用され得、及び／又は入口ゲート（複数を含む）に対する他の位置があってもよい。したがって、ゲート（又は複数のゲート）の再配置又は空洞１００’の形状の変化は、当業者レベルの範囲内であると理解される。
【００５７】
加えて、図４に示されるように、入口ランナー２２５からのガス除去を促進するために、図４に示されるようにスプルー２２２と流体連通して、任意のコールドスラグ又はライザー２２３が配置されてもよい。型空洞１００’の溶融（コ）ポリマーでの完全な充填を促進するために、任意のオーバーフローランナー２３１が、型空洞１００’と流体連通して配置されてもよい。任意のオーバーフローランナー２３１は、任意の出口ゲート２２９を通して型空洞１００’に接続される。任意のオーバーフローランナー２３１は更に、第１の型部材２２４の外部と流体連通しているエアベント通路（図示せず）と流体連通して、任意に配置されてもよい。任意のオーバーフローランナー２３１は、例えば、第１の型部材２２４の型面２２６及び／又は第２の型部材２２８の型面中に押付又は形成されてもよい。
【００５８】
いくつかの例示の実施形態では、入口ランナー２２５は、好ましくは、第１の型部材２２４の型面２２６が可動式型部材２２８に対して密閉されるときに形成される分割線のもう一方の側に拡張される。したがって、かかるいくつかの現在好ましい実施形態では、この修正は、入口ランナー２２５内の圧力低下を低減する役割を果たし得る。この変化はまた、より低い充填圧力、したがって、成形部品中のより少ない残留応力の使用を可能にし得る。更なる現在好ましい実施形態では、入口ゲート２２７は、（コ）ポリマー溶融物が型空洞１００’に入る際にジェッティング及び応力成長を低減するために、拡大されてもよい（例えば、断面幅又は直径において）。
【００５９】
超音波ホーンは、超音波振動エネルギーを（コ）ポリマー溶融物に伝達させ、その結果、それが、型空洞１００’中、並びにいくつかの例示の実施形態では、第１の型部材２２４に形成される（及び任意に可動式型部材２２８に共形成される）スプルー２２２、入口ゲート２２７、任意のコールドスラグ又はライザー２２３、任意の出口ゲート２２９、及び任意のオーバーフローランナー２３１中により容易に流動するようにする。型空洞１００’に近接した入口ゲート２２７の位置付けは、他のゲート位置（例えば、第１の型部材２２４’の周辺）と比較して、入口ゲート２２７及び型空洞１００’に超音波振動エネルギーを印加するために必要とされる電力（すなわち、ワット数）を低減するという利点を有する。
【００６０】
入口ゲート２２７は、成形部品（図面には示されない）上にゲートウェルの形成をもたらし、成形部品に厚さ、したがって、成形部品の冷却時間を追加し、それは、成形部品の冷却によるゲートウェル内の樹脂収縮と関連する、成形部品内のより高い残留応力をもたらし得る。いくつかの例示の実施形態では、超音波エネルギーの第１の型部材２２４への印加は、成形部品の冷却によるゲートウェル内の樹脂収縮に起因するこれらの残留応力を低減又は排除し得る。
【００６１】
超音波振動エネルギーの第１の型部材２２４への印加はまた、第１の型部材２２４に形成される（及び任意に可動式型部材２２８に共形成される）スプルー２２２、入口ランナー２２５、入口ゲート２２７、型空洞１００’、任意のコールドスラグ又はライザー２２３、任意の出口ゲート２２９、及び任意のオーバーフローランナー２３１内の閉じ込められた空気の通気を向上させ得る。例示の第１の型部材２２４が図４に示されること、並びに多くの代替の型空洞、スプルー、ゲート、ライザー、及びランナー構成（かかる型機構の数及び位置の両方を含む）が可能であり、かつ当業者レベルの範囲内であることが理解されるべきである。
【００６２】
いくつかの特定の例示の実施形態では、成形装置は更に、当業者によく知られているように、エジェクター手段（図面には示されない）を用いて、型空洞１００’から射出成形物品を取り外すための手段を含む。いくつかの例示の実施形態では、エジェクター手段は、エジェクターピン、リフター、ストリッパープレート、又はそれらの組み合わせのうちの１つ以上から選択される。
【００６３】
いくつかの例示の実施形態では、第１の型部材２２４及び可動式型部材２２８のうちの一方又は両方は、鋼、ステンレス鋼、銅、ベリリウム、アルミニウム、それらの合金、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む。好ましくは、型空洞１００’の内外への良好な伝熱を達成するために、少なくとも第１の型部材２２４が、鋼、ステンレス鋼、銅、ベリリウム、アルミニウム、それらの合金、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む。
【００６４】
（コ）ポリマー溶融物の型空洞１００’中への充填及びパッキング中の型空洞の金属表面の温度は、用いる特定の（コ）ポリマーに左右される。温度は、型空洞’中への（コ）ポリマーの流動を向上させる低い溶融粘度をもたらすほど十分に高いが、（コ）ポリマーを劣化させるほどは高くないのが望ましい。成形（コ）ポリマーに対する典型的な型温は、充填及びパッキング中、約６０℃〜約２００℃、より好ましくは１００℃〜１９０℃、更により好ましくは１２０℃〜１７５℃の範囲、及び型からの成形部品の押し出し中、６５℃〜１２０℃、より好ましくは７０℃〜１１０℃、更により好ましくは７５℃〜１０５℃の範囲である。
【００６５】
温度は、任意の好適な伝熱手段、例えば、型空洞１００’に近接して位置付けられる電気抵抗加熱（例えば、図４に示されるように位置付けられる、任意の電気抵抗カートリッジヒーター２３２）によって制御され得る。型空洞１００’に近接して、第１の型部材２２４に位置付けられて示される、任意の電気抵抗カートリッジヒーター２３２は、型空洞１００’の急速加熱を提供するために使用されてもよい。任意の電気抵抗カートリッジヒーターは、好ましくは、図４に示されるように、矩形基部の両方の短い縁部に沿って、プリズム形状の型空洞１００’の短い縁部に平行に位置付ける。
【００６６】
１つの現在好ましい実施形態では、電気抵抗カートリッジヒーター２３２は、ヒーターが型空洞１００’内の（コ）ポリマーに急速加熱を提供するように、型空洞１００’に対して位置付けられる。したがって、ある特定の例示の実施形態では、少なくとも１つの電気抵抗カートリッジヒーターは、型空洞１００’の約１０ｍｍ、より好ましくは９ｍｍ、８ｍｍ、７ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ内、又は更には０．５ｍｍ以下に位置付けられる。ある特定のそのような現在好ましい実施形態では、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの急速加熱は、少なくとも約５℃／秒、より好ましくは少なくとも１０℃／秒、少なくとも１５℃／秒、少なくとも２０℃／秒、少なくとも２５℃／秒、又は更には少なくとも３０℃／秒の型空洞１００’内の（コ）ポリマーの温度上昇率を達成する。
【００６７】
更なる現在好ましい実施形態では、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの温度により近似する温度を測定するために、温度センサー（図面には示されない）、例えば、熱電対、サーミスタ、抵抗温度装置（ＲＴＤ）等が、型空洞１００’に近接して配置される。したがって、ある特定の例示の実施形態では、少なくとも１つの温度センサーが、型空洞１００’の約１０ｍｍ、より好ましくは９ｍｍ、８ｍｍ、７ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、又は更には１ｍｍ内に位置付けられる。
【００６８】
１つの特定の実施形態では、電気抵抗加熱は、第１の型部材２２４（図４）内の電気的接続を作製することと、第１の型部材２２４に電力を印加し、それにより、第１の型部材２２４自体を抵抗ヒーターとして使用することとを含む。かかる配列において、例えば、約４０〜１５０アンペア及び約０．５〜４ボルトで型部材２２４に電気を供給するために、高電流、定電圧変圧器（図示せず）が使用され得る。
【００６９】
型空洞はまた、加えて又は代替として、他の既知の手段、例えば、型空洞１００’内の（コ）ポリマーを加熱又は冷却するための適切な熱伝導流体の循環による対流加熱によって、加熱又は冷却されてもよい。したがって、更なる例示の実施形態では、型空洞１００’に極めて近接して位置付けられる、管（複数を含む）（図面には示されない）内を循環する、循環熱伝導流体（例えば、加熱に使用される６０℃〜１５０℃の温度範囲の油、又は冷却に使用される２７℃〜６０℃の温度範囲の水）もまた、電気抵抗ヒーターの代わりに、あるいはそれに加えて使用されてもよい。他の例示の実施形態では、放射エネルギー（例えば、赤外線ランプ又はレーザー等の印加された赤外線）、及び／又は外部対流熱源からの熱気流（例えば、ヒートガン等の強制空気ヒーター）が、型空洞１００’内の（コ）ポリマーを加熱するために使用されてもよい。
【００７０】
かかる例示の実施形態では、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの急速加熱及び／又は冷却は、有利に達成され得る。ある特定のそのような現在好ましい実施形態では、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの急速加熱は、少なくとも約５℃／秒、より好ましくは少なくとも１０℃／秒、少なくとも１５℃／秒、少なくとも２０℃／秒、少なくとも２５℃／秒、又は更には少なくとも３０℃／秒の型空洞１００’内の（コ）ポリマーの温度上昇率を達成する。他のそのような現在好ましい実施形態では、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの急速冷却は、少なくとも約５℃／秒、より好ましくは少なくとも１０℃／秒、少なくとも１５℃／秒、少なくとも２０℃／秒、少なくとも２５℃／秒、又は更には少なくとも３０℃／秒の型空洞１００’内の（コ）ポリマーの温度低下率を達成する。
【００７１】
型空洞１００’内の（コ）ポリマーの急速加熱及び冷却の利点をもたらし得る、更なる例示の実施形態では、型空洞１００’及び／又は型空洞１００’の周囲の金属を加熱するために、電気抵抗ヒーターの代わりに、又はそれに加えて、型空洞１００’に極めて近接して位置付けられる電磁誘導（ＥＭＩ）ヒーター（図面には示されない）が更に使用されてもよい。好適なＥＭＩヒーターは、当該技術分野において既知であり、概して、電磁誘導コイルを含有する誘導コイルハウジングを含む。好適なＥＭＩ加熱装置は、米国カンザス州ウィチタ（Wichita）のＭＳＩオートメーション社（MSI Automation, Inc.）のような企業から市販されている。典型的なＥＭＩヒーターは、１〜５ＫＷの電力を有することになり、表面加熱のために２５〜４５０ＫＨｚの範囲の出力周波数をもたらす。
【００７２】
ある特定の例示の実施形態では、ＥＭＩヒーターは、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの急速加熱及び／又は冷却が達成され得るように、型空洞１００’に近接して位置付けられる。例えば、ＥＭＩヒーターは、第１の型部材２２４内において、型空洞に近い位置に置くことができる。ある特定のそのような現在好ましい実施形態では、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの急速加熱は、少なくとも約５℃／秒、より好ましくは少なくとも１０℃／秒、少なくとも１５℃／秒、少なくとも２０℃／秒、少なくとも２５℃／秒、又は更には少なくとも３０℃／秒の型空洞１００’内の（コ）ポリマーの温度上昇率を達成する。他のそのような現在好ましい実施形態では、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの急速冷却は、少なくとも約５℃／秒、より好ましくは少なくとも１０℃／秒、少なくとも１５℃／秒、少なくとも２０℃／秒、少なくとも２５℃／秒、又は更には少なくとも３０℃／秒の型空洞１００’内の（コ）ポリマーの温度低下率を達成する。
【００７３】
いくつかの例示の実施形態では、ＥＭＩ加熱は、動的な型温循環（以下に更に論じられる）と有利に併用されてもよい。微細又はナノ機構によって物品を射出成形する際に（例えば、精密光学素子）、（コ）ポリマー溶融物が露出される表面の温度は、成形物品の品質に影響を及ぼすことがあり、動的な型温循環と組み合わせたＥＭＩ加熱は、各成形サイクルにおいてその表面温度を迅速に上昇させる手段として使用される。
【００７４】
ＥＭＩ加熱は、型空洞の表面に集中するため、型空洞への充填後、急速な放熱（例えば、取り囲んでいる金属の塊、及び熱伝導流体への）が起こる場合がある。一般に、電磁誘導コイルハウジングと型プレート面との間隙が約１．５〜２ｍｍの範囲であることによって、概ね類似の温度プロファイル（すなわち、インサート温度−誘導コイル電力設定曲線）が得られ、一方、１０１６μｍというより狭い間隙では、その結果生じる、型インサートの温度上昇は、比較誘導活性化時間（３〜８秒）において、より高かった。
【００７５】
精密成形されたプラスチック光学素子のためのプラスチック材料
成形物品を作製するための射出成形プロセスで用いられる（コ）ポリマーは、型空洞及びインサートの所望のパターンを正確に複製する機能、成形（コ）ポリマーの強度性及び強靭性、並びに成形（コ）ポリマーの目的用途との互換性等の特性に基づき選択される、様々な（コ）ポリマーを含んでもよい。例えば、（コ）ポリマー又は（コ）ポリマーブレンドを選択してもよい。
【００７６】
いくつかの特定の例示の実施形態では、（コ）ポリマーは、（メタ）アクリル（コ）ポリマーを含む。
【００７７】
いくつかの現在好ましい（コ）ポリマー材料は、３００℃及び１．２ｋｇの重量で、ＡＳＴＭ  Ｄ１２３８によって測定される、５ｇ／１０分、１０ｇ／１０分、又は２０ｇ／１０分を超えるメルトフローインデックス、１００％を超える（ＡＳＴＭ試験Ｄ６３８（２．０ｉｎ／分（５．０８ｃｍ／分）によって測定される）破断点引張伸び、並びに衝撃強度（５ｆｔ−ｌｂ／インチ（２．６７Ｎ−ｍ／ｃｍ）を超える（ＡＳＴＭ  Ｄ２５６「Ｎｏｔｃｈｅｄ  Ｉｚｏｄ」２３℃によって測定される）を示し得る。好適な（コ）ポリマーとしては、ポリフェニルスルフィド、ポリカーボネート（例えば、Ｓａｂｉｃ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ（マサチューセッツ州ピッツフィールド）からのＬＥＸＡＮ  ＨＰＳ１Ｒ樹脂）、ポリプロピレン、アセタール、アクリル、ポリエーテルイミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、及びそのような（コ）ポリマーのブレンドが挙げられるが、これらに限定されない。
【００７８】
精密成形されたプラスチック光学素子の製造方法
他の例示の実施形態では、本開示は、以下の工程を含む成形方法を記載する。
【００７９】
第１の型部材と、型を閉鎖するために、第１の型部材に向かって及び離れて移動することができる少なくとも１つの可動式型部材とを有する射出型を提供する工程であって、型空洞が、第１の型部材又は可動式型部材のうちの少なくとも１つに形成され、空洞が、その中に少なくとも１つのゲートを有し、更に、超音波エネルギー源が、空洞に超音波エネルギーを印加するように位置付けられる、工程と、型を閉鎖する工程であって、それにより、少なくとも１つのゲートが溶融（コ）ポリマー源と流体的に接続される、工程と、
型を、１０４℃〜１１６℃の空洞に隣接して測定される型温まで加熱する工程と、その後、空洞及びゲートを溶融（コ）ポリマーで実質的に充填するために、閉鎖した型の少なくとも１つのゲートを通じて、空洞中に溶融（コ）ポリマーを射出する工程と、
ゲート内の溶融（コ）ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程と、型温が約１１６℃〜１２２℃まで上昇するまで、ゲート内の凝固した（コ）ポリマーを再溶融することなく、閉鎖した型の空洞内の溶融（コ）ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程であって、それにより、溶融（コ）ポリマー中の任意の流動誘起応力を実質的に緩和する、工程と、その後、型温が約１０１℃〜１０７℃まで低下するまで、閉鎖した型を冷却する工程と、
その後、型温が約１１６℃〜１２２℃まで増加するまで、閉鎖した型を加熱する工程であって、それにより、溶融（コ）ポリマー中の任意の熱誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、溶融（コ）ポリマーが型内で凝固するまで、型を冷却させる工程であって、それにより、射出成形物品を形成する、工程。
【００８０】
上記の成形方法の更なる例示の実施形態では、閉鎖した型の少なくとも１つのゲートを通じて、空洞中に溶融（コ）ポリマーを射出する工程は、約０．５〜約０．６秒かかる。いくつかの例示の実施形態では、ゲート内の（コ）ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程は、空洞中への溶融（コ）ポリマーの射出を開始した後、約２秒で開始され、約６１秒で終了する。更なる例示の実施形態では、空洞内の溶融（コ）ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程は、空洞中への溶融（コ）ポリマーの射出を開始した後、約６１秒で開始され、約８０秒で終了する。
【００８１】
更なる例示の実施形態では、型温が約１０１℃〜１０７℃まで低下するまで、閉鎖した型を冷却させる工程は、空洞中への溶融（コ）ポリマーの射出を開始した後、約６２秒で開始され、約２３７秒で終了する。ある特定の例示の実施形態では、型温が約１１６℃〜１２２℃まで上昇するまで、閉鎖した型を加熱する工程は、空洞中への溶融（コ）ポリマーの射出を開始した後、約７０秒〜１１５秒で開始され、加熱が開始された後、約７０〜１１０秒で終了する。いくつかの例示の実施形態では、型を閉鎖する工程から、（コ）ポリマーが型内で凝固するまでの合計経過時間は、少なくとも約１４５秒、及び約２４０秒未満である。
【００８２】
上記の例示の成形方法のいずれかにおいて、型温が約１１６℃〜１２２℃の間まで上昇するまで、閉鎖した型の空洞内の溶融（コ）ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程は、ゲート内の溶融（コ）ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程の後のみ開始される。いくつかの例示の実施形態では、溶融（コ）ポリマーを空洞中に射出する工程は、空洞内の溶融（コ）ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加することを更に含む。ある特定の例示の実施形態では、ゲート内の（コ）ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程は、空洞への超音波エネルギーの印加を中断することを含む。
【００８３】
上記の成形方法の更なる例示の実施形態では、空洞中に射出される溶融（コ）ポリマーの量は、型空洞を充填するために必要とされる量を超え、過剰な（コ）ポリマーは、ベントを通じて空洞から流出する。
【００８４】
（コ）ポリマー溶融物の型空洞１００’への射出の一部は、型空洞内のある特定の圧力１００’（「充填圧力」）に達することに基づいてもよい。充填圧力（例えば、３．５〜２５０メガパスカル（ＭＰａ）、又は３４．５〜１３８ＭＰａの範囲）が、有限時間（「ホールド時間」と称される）の間、印加されてもよい。いくつかの例示の実施形態では、少なくとも約１０ＭＰａ、より好ましくは約５０ＭＰａ、更により好ましくは少なくとも約１００ＭＰａ、１５０ＭＰａ、又は更には２００ＭＰａの充填圧力が、型空洞１００’の均一な充填を達成するために使用されてもよい。続いて、充填圧力が解放され、型空洞内の材料が、通常（コ）ポリマーの軟化温度以下である押し出し温度まで冷却される。続いて、型部材を分離して、成形物品を型空洞から取り出す。
【００８５】
現在好ましい成形方法に対する有用な成形パラメーターは、６０〜３６０ｍｍ／秒の射出速度、３．５〜２０７ＭＰａ、より好ましくは１０３〜１３８ＭＰａの好ましい充填圧力、０．５〜１０秒のホールド時間、４９°〜１５０℃、好ましくは１２１℃未満の射出における型温（ポリカーボネートの場合）、４９°〜１３８℃、好ましくは１２１℃未満の押し出しにおける型温（ポリカーボネートの場合）である。１００％でホーンの表面で測定される最大振幅は、好ましくは、頂点間で０．７ミル（０．０１８ｍｍ）である。
【００８６】
成形方法の予想外の結果及び利点
ある特定の例示の実施形態では、成形物品は、複屈折の実質的な非存在、残留応力の実質的な非存在、ひけマークの実質的な非存在、ニットマークの実質的な非存在、溶接線の実質的な非存在、ボイドの実質的な非存在、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの有益特性を示す。
【００８７】
任意の特定の理論によって束縛されるものではないが、（コ）ポリマー溶融物と型空洞面との間の温度差が、急速加熱及び／又は冷却が本発明の成形プロセスで使用される時に低減されるため（既知の技術と比較して）、得られる成形物品は、従来のプロセスで成形される部品と同一の程度の収縮は経験しないと現在考えられている。急速加熱及び／又は冷却なしで製造される物品は、異方性を示す４５°交差偏光子の下で見られる干渉縞を示し、一方で、上記の急速加熱及び／又は冷却を使用して製造される光学素子は、異方性の低減を示す偏光下で、明らかに異なるパターンを示した。急速加熱及び／又は冷却の使用により、収縮による型内応力は、低減され得るか、又は更には排除され得る。
【００８８】
本開示の代表的な実施形態を上述し、そして更に実施例として以下にも例示しているが、これらは、本発明の範囲を多少なりとも限定する意図はない。逆に、言うまでもなく明らかであるが、本明細書中の説明を読むことによって、本開示の趣旨及び／又は添付の請求項の範囲を逸脱することなく当業者に示唆され得る様々な他の実施形態、修正、及びそれらの均等物を採用することができる。
【実施例】
【００８９】
以下の実施例は、本開示の範囲内の例示の実施形態を示すことを目的とする。本開示の広い範囲に記載される数値範囲及びパラメーターが近似値であるにも関わらず、特定の実施例に記載される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いずれの数値もそれらの各試験測定値において見られる標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含む。最低限でも、また、特許請求の範囲への同等物の原則の適用を限定する試行としてではなく、少なくとも各数値パラメーターは、報告された有効数字の数を考慮して、そして通常の概算方法を適用することによって解釈されなければならない。
【００９０】
材料
２つの（コ）ポリマーを本実施例で使用した。
【００９１】
アクリペットＷＦ−１００は、光学等級［非常に低いかすみ（０．５％）、高い光透過率（９２．４％）］のアクリルコポリマー（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．（日本、東京）から入手可能）である。
【００９２】
アルケマＶ８２５−１００は、アクリルコポリマー（Ａｒｋｅｍａ，Ｉｎｃ．（ペンシルベニア州フィラデルフィア）から入手可能）である。
【００９３】
試験方法
ひけマーク、ニットライン等の成形欠陥が、間接照明下で成形物品中に視覚的に観察された。
【００９４】
成形部品内の残留応力が、入射偏光を使用して視覚的に評価され、交差偏光子のセットを通して成形部品を観察した。このよく知られている複屈折試験構成は、概して、ＡＳＴＭ  Ｄ４０９３−９５（２０１０）、「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｒｅｓｉｄｕａｌ  Ｓｔｒａｉｎｓ  ｉｎ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｏｒ  Ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔ  Ｐｌａｓｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」に記載される。残留応力を測定するための基準は、視覚的定性的方法であり、部品を１〜５でランク付けし、５が優、１が不良であった。
【００９５】
装置
概して図１に示される精密な光学部品（例えば、ビーム分離プリズム）を成形するために、概して図２〜３に示される超音波支援射出成形装置２１２を使用した。第１の型部材２２４を、任意のコールドスラグ若しくはライザー２２３、又は任意のオーバーフローランナー２３１を有さずに構成した。型空洞１００’内の（コ）ポリマーの急速加熱を達成するために、電気抵抗カートリッジヒーター２３２を型空洞１００’に近接して位置付けた。
【００９６】
交差超音波ホーン２１４を使用した。図３に示されるように、超音波ホーン２１４を２つの１：１の直角に位置付けられたブースター２１６〜２１６’に接続し、各ブースター２１６〜２１６’を超音波振動子２１８〜２１８’に接続し、それぞれは、電力源に接続される。好適な超音波ホーン、ブースター、振動子、及び電源は、当該技術分野においてよく知られている（例えば、米国特許第５，０１７，３１１号（Ｆｕｒｕｓａｗａら）、同第６，４６４，４８５号（Ｉｉｄａら）、及びＰＣＴ国際公開第２００８／１５７５９２号（Ｆｅｒｇｕｓｏｎら）を参照されたい）。
【００９７】
本開示の例示の実施形態に記載される超音波ホーン２１４をチタンで製造した。１００％振幅でホーンの型面で測定された振幅は、頂点間で０．８０ミル（２０マイクロメートル）に決定した。無負荷条件下でホーンを開始するために、型が閉鎖し始めるとすぐに、第１の型部材２２４に近接して位置付けられる近接スイッチを、各超音波ホーンに対する超音波エネルギー源に開始信号を提供するために使用した。
【００９８】
準備例
超音波パラメーターの有意性を評価するために、かつニットライン及びひけマーク等の物理的特性に対するその効果、並びに応力等の光学特性を評価するために、実験を実施した。実験に対する因子は、プレトリガー超音波振幅、圧力トリガー超音波振幅、圧力時間、冷却時間、及びアニーリング時間であった。この場合のプレトリガーは、型が閉鎖し、空洞が充填されている間に、ホーンが振動し始める時に伝達される。プレトリガー時間を６．４５秒で一定に保持する一方で、振幅の規模を１０％〜６４％まで変化させた。
【００９９】
プレトリガー時間が経過した後、溶融（コ）ポリマーをスプルー２２２に射出し、型空洞１００’は充填し始めた。射出速度を一定に保持した（０．９ｉｎ／秒（２２．９ｃｍ／秒））。いったん空洞が満たされると、ゲートの凍結を助けるために、超音波振動を停止した。いったん入口ゲートが凍結すると（すなわち、ゲート内の（コ）ポリマーが凝固すると）、超音波振動を再び作動させた。超音波振動エネルギーの型空洞１００’へのかかるポストトリガー印加は、圧力トリガーと称され、本実験において１０％〜５０％の規模で変化させられる。圧力トリガーは、成形サイクルの充填及び保持段階中に生じる。圧力トリガー時間は、超音波エネルギーが超音波ホーンに印加される持続時間に関して言及され、１０秒〜１５５秒まで変化させられた。
【０１００】
冷却時間を３０秒〜３００秒まで変化させた。部品を押し出した後、次いで、アニーリング目的で、部品を９０°Ｆ（３２℃）で空気対流式オーブンに入れる。アニーリング時間を０〜６．５分（３９０秒）まで変化させた。型の二等分の温度を一定に保持し、以下の通りにした。型Ａ面（固定された第１の型部材２２４）を約２３０°Ｆ（約１２１℃）、及び型Ｂ面（可動式型部材２２８）を約２５０°Ｆ（約１２１℃）。ここで、第１の型部材２２４は、型空洞１００’の反対側で、超音波ホーンに隣接する（すなわち、型の「Ａ面」）。いかなる任意の追加の成形後アニーリングも、約６分間、従来のオーブンで、約９０°Ｆ（約３２℃）で実施した。
【０１０１】
成形パラメーターと、得られる成形部品形状上の型空洞への超音波エネルギーの印加と、成形部品における残留応力との間の関係を理解するために、準備実験を実施した。準備実験において変化させた成形パラメーターの範囲は、以下の通りである。
【０１０２】
１．プレトリガー振幅：１０％〜６４％
２．圧力トリガー振幅：１０％〜５０％
３．冷却時間：３０秒〜３００秒
４．アニーリング時間：０〜３９０秒
５．圧力トリガー時間：１０秒〜１５５秒
これらの準備実験に対する反応を、以下の通りに測定した。
【０１０３】
１．ニットラインは、光学ビーム分離プリズムにおいて視覚的に観察された。
【０１０４】
２．ひけマークは、光学ビーム分離プリズムにおいて視覚的に観察された。
【０１０５】
３．残留応力は、頂部から見られるように、光学ビーム分離プリズムにおける複屈折として視覚的に観察された（光学ビーム分離プリズムは、その平坦表面上に置かれた）。
【０１０６】
４．残留応力は、頂部から見られるように、光学ビーム分離プリズムにおける複屈折として視覚的に観察された（光学ビーム分離プリズムは、その側面上に置かれた）。
【０１０７】
５．残留応力は、光学ビーム分離プリズムの平坦側面の角において見られるように、光学ビーム分離プリズムにおける複屈折として視覚的に観察された（光学ビーム分離プリズムは、その平坦表面上に置かれた）。
【０１０８】
４つの変数が、成形された光学物品における残留応力に対して最大の効果を有することが発見された。１つ目は、プレトリガー振幅と称される、充填サイクル中の超音波振動エネルギーの印加である。２つ目は、成形サイクルの冷却サイクル時間中に印加される、超音波振動エネルギーの振幅である、圧力振幅である。サイクルの終わりの冷却時間及びアニーリングは、成形物品における残留応力に対して最大の効果を有する、２つの他の変数である。以下の更なる観察を行った。
【０１０９】
１．分析は、超音波振動の振幅が、プレトリガー及び圧力トリガーの両方において有意な要因であることを示した。
【０１１０】
２．型に印加される超音波エネルギーのタイミング（すなわち、プレトリガー及び圧力トリガー持続時間）は、ひけ線及びフラッシュ形成に影響を及ぼす。
【０１１１】
３．超音波エネルギーの型空洞への印加は、入口ゲートが完全に凍結した後（すなわち、入口ゲート内の（コ）ポリマーが、少なくとも部分的に凝固した後）に開始した。これは、フラッシュの量、及び超音波エネルギー電力供給からのピーク電力の需要を大幅に低減した。
【０１１２】
４．サイクルに対するヒーターのタイミングも同等に重要である。
【０１１３】
５．超音波エネルギーの印加は、型内の（コ）ポリマーに対するホールド時間中に、最初に開始した。
【０１１４】
６．超音波振動エネルギーの印加により、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの温度は、急速に上昇する。
【０１１５】
７．印加された超音波振動エネルギーの持続時間及び振幅（％）が、このピーク温度に影響を及ぼすことに留意されたい。応力の最適な低減は、より短い印加時間にわたって、超音波振動エネルギーのより高い振幅印加の下で達成され得る。
【０１１６】
８．型空洞１００’内の（コ）ポリマーが冷却し始めた後、温度は、設定点の型温に達し、成形プロセスの冷却サイクルにおいて、一定温度を維持するために、電気抵抗カートリッジヒーターを作動させた。
【０１１７】
９．成形部品における残留応力は、冷却時間中にカートリッジヒーターで一定温度に維持することによって低減される。冷却時間中のより長い浸漬時間は、電気抵抗カートリッジヒーターが、型空洞１００’内の（コ）ポリマーの一定又はほぼ一定の温度を維持することを可能にし、したがって、成形物品における残留応力を低減すると考えられる。
【０１１８】
（実施例１）
実施例１は、以下の条件で決定される、本開示の現在好ましい実施形態を示す。
【０１１９】
１．４５％の超音波ホーン振幅（頂点間で０．３５ミル又は８．７５マイクロメートル）
２．２０秒の音波処理時間
３．７０秒の加熱時間
４．１１５秒のヒーター遅延時間
アクリペットＷＦ−１００（Ｒｕｎ  １）及びアルケマＶ８２５−１００（Ｒｕｎ  ２）を、本実施例で別々に使用した。
【０１２０】
図５Ａは、本開示のある特定の実施形態に従った、超音波支援成形プロセスの例示のプロセスタイミング図である。図５Ａに示されるタイミング図は、超音波振動エネルギーの印加における遅延、及び電気抵抗カートリッジヒーターへの電気エネルギーの印加の遅延に対して使用されるタイミングを示す。型の二等分が閉鎖されているときに型に超音波振動エネルギーを印加するために、超音波ホーンをプレトリガーするために近接スイッチを使用した。型の二等分が開放されているときにこのスイッチを閉鎖することによって、無負荷条件下で、超音波ホーンの振動周波数を調整し、それにより、各射出成形サイクルに対するホーンの再調整を可能にし、超音波振動エネルギーの型空洞１００’へのより一貫した印加を可能にすることが可能であった。
【０１２１】
これらの要因を変化させることによって試料を生成し、４つの基準の反応に対して評価した：４つの角全てにおける応力、ゲート応力、頂面から見られるような部品における応力、及び側面から見られるような部品における応力。
【０１２２】
説明に役立つ例示の実施形態では、超音波振動エネルギーを超音波ホーン２１４（図３）から、溶融（コ）ポリマー源（例えば、スプルー２２２）と流体連通している少なくとも１つの入口ゲート２２７に接続される型空洞１００’（図４）に印加するように、超音波エネルギー源を位置付けた。型を１０４〜１１６℃の温度まで予加熱し、型空洞１００’中に溶融（コ）ポリマーを射出した。
【０１２３】
入口ゲート２２７内の溶融（コ）ポリマーが少なくとも部分的に凝固するまで型を冷却した後、温度が約１１６〜１２２℃まで上昇するまで、入口ゲート２２７内の凝固した（コ）ポリマーを再溶融することなく、超音波エネルギーを型に印加し、それにより、流動誘起応力を実質的に緩和した。次いで温度が１０１〜１０７℃まで低下するまで型を冷却し、その後、温度が１１６〜１２２℃まで上昇するまで加熱し、それにより、熱誘起応力を実質的に緩和した。次いで、溶融（コ）ポリマーが凝固するまで型を冷却し、それにより、精密成形されたプラスチック光学素子（又は部品）を形成した。
【０１２４】
図５Ｂは、本開示の例示の実施形態に従った、例示の成形プロセス中の図５Ａに示されるプロセスタイミング配列を使用して得られる、型温及びヒーターデューティサイクルの図である。図５Ｂは、超音波振動エネルギーの印加及びカートリッジヒーターによる、型温の上昇を示す。それはまた、成形サイクル中に、部品の浸漬時間をもたらすように、ヒーターが作動させられるときを示す（すなわち、百分率として表されるヒーターデューティサイクル）。図５Ｂに示される温度測定値を得る際に、型のＢ面（可動式型部材２２８）において、カートリッジヒーターと空洞壁との間に熱電対を位置付けた。
【０１２５】
図５Ｂに示されるように、溶融（コ）ポリマーを型に射出するにつれて、温度（型空洞１００’に近接して位置付けられる熱電対によって測定されるような）は、その約２１３°Ｆ（約１００．６℃）の予加熱温度から、約２１８°Ｆ（約１０３℃）まで上昇した。続いて、（コ）ポリマーは冷却し始めた。約２１３°Ｆ（約１００．６℃）の初期温度に達し、ゲートが凍結した時点で（すなわち、ゲート内の（コ）ポリマーが少なくとも部分的に、又は更には完全に凝固したら）、超音波振動エネルギーを再び作動させた。これは、（コ）ポリマーのピーク熱変形温度（約２４２°Ｆ（約１４０℃））に近づくように、温度を上昇させた（図５Ｂ中の温度上昇によって示されるように）。
【０１２６】
熱電対によって測定される空洞温度が約２１７°Ｆ（約１０３℃）に達した後、次いで、型空洞１００’内の（コ）ポリマーを浸漬時間を与えた。この浸漬時間後、振動超音波エネルギーの印加によって達成されるものと同様の約２４５°Ｆ（約１１８℃）のピーク温度を達成するように、電気抵抗カートリッジヒーターにエネルギー供給した。ピーク温度において、空洞温度を約７０秒間維持した。図５Ｂ中の下側曲線は、電気抵抗カートリッジヒーターが２４０°Ｆ（１１６℃）の設定点温度を維持しようとする際のデューティサイクルを示す。
【０１２７】
熱循環及び超音波振動エネルギーの印加を用いて、より短いサイクル時間が達成されたが、成形部品において、わずかなかすみが見られた。品質を向上させるために、６分間、約９０°Ｆ（約３２℃）で、対流式オーブン中で部品をアニーリングした。アニーリングは、成形部品の残留かすみを除去した。本発明者らは、製造において成形機械の後に位置付けられる連続式オーブンの使用を検討するため、アニーリングは、成形プロセスに実質的なサイクル時間を追加せず、ここで、第１の部分は６分時間を相殺するが、その後、他の全ての部分は相殺しない。したがって、サイクル時間は、成形サイクル時間のみと比較される。
【０１２８】
送風バルブから出てくる信号を伴う射出サイクルの開始時に、音波遅延及びヒーター時間の両方を開始した。型が閉鎖し始めるとすぐに、タイミングを開始した。０．２秒のカートリッジビルトアップ速度が達成されるとすぐに、音波遅延及びヒーター遅延タイマーの両方を開始した。６０秒の遅延後、超音波振動子２１８を作動させ、１１５秒の遅延後、電気抵抗カートリッジヒーターを作動させた。超音波振動子及びヒーターに対する両方のタイマーが同時に動作したことに留意されたい。また、部品押し出しを含む、射出成形サイクル時間全体が、典型的には、たったの約４分であったことにも留意されたい。
【０１２９】
アニーリングがニットラインに影響を及ぼす主要な変数ではないことが推測できるように、ＷＦ１００及びＶ８２５材料の両方がニットラインを有しない、許容できる部品を有するために、より長い冷却時間が必要であった。ひけマークの排除のために、ＷＦ１００及びＶ８２５−１００材料の両方に対して、より長い冷却時間が好ましい。Ｖ８２５−１００に対する冷却時間が、アニーリングに反応しなかった一方で、ＷＦ１００に対して、冷却時間は、約６分（３６０秒）を超えるアニーリング時間を用いて短縮することが可能である。
【０１３０】
成形部品における残留応力に影響を及ぼす主な要因が、冷却時間、及び冷却段階中の超音波振幅である一方で、部品形状に影響を及ぼす主な要因は、冷却時間及びアニーリング時間である。角の残留応力に影響を及ぼす、ＷＦ１００に対する２つの主要な変数は、冷却時間及び圧力トリガー振幅である。Ｖ８２５−１００の場合、主要な変数は、冷却時間及びアニーリング時間であったが、ＷＦ１００は、成形された精密な光学コンポーネントの所望の光学的透明度を生成しなかった。
【０１３１】
側面の残留応力に影響を及ぼす、ＷＦ１００に対する２つの主要な変数は、冷却時間及び圧力トリガー振幅である。Ｖ８２５−１００の場合、主要な変数は、冷却時間及びアニーリング時間であり、アニーリング時間の増加により、本発明者らは、Ｖ８２５−１００に対してより良好な光学的透明度を得られる可能性があると思われる。頂面の残留応力に影響を及ぼす、ＷＦ１００に対する２つの主要な変数は、冷却時間及び圧力トリガー振幅である。Ｖ８２５−１００の場合、主要な変数は、冷却時間及びアニーリング時間であり、アニーリング時間の増加により、本発明者らは、Ｖ８２５−１００に対してより良好な光学的透明度を得られる可能性があると思われる。
【０１３２】
冷却時間は、ＷＦ１００に対して、ひけマーク、ニットライン、及び応力に影響を及ぼす主要な変数である。ＷＦ１００に対する角の応力に影響を及ぼす主要な変数は、成形中の超音波振動の使用である。しかしながら、超音波がプラスの形でＶ８２５−１００に影響を及ぼすという決定的証拠はない。それでもやはり、Ｖ８２５−１００材料が非常に異なり、超音波振動エネルギーの印加の任意の効果を見るために、本実験で実行されたものよりも高い温度である必要があり得ることに留意されたい。射出速度及び／又はゲート設計等の成形パラメーターもまた、Ｖ８２５−１００における応力に異なって影響を及ぼし得る。
【０１３３】
図６Ａ〜９Ｂは、超音波エネルギーを使用した、及び使用しない、偏光ビーム分離プリズムの形態の射出成形された光学素子のいくつかの代表的な画像を提供する。部品に内在する複屈折を明確に示すために、交差偏光子下で画像を撮影した。
【０１３４】
図６Ａ〜６Ｂは、本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の底面（図６Ａ）及び側面（図６Ｂ）図の複屈折写真である。図６Ａ〜６Ｂは、上記の型内加熱のみの使用による成形欠陥及び残留応力の有益な低減を示す。
【０１３５】
図７Ａ〜７Ｂは、本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の底面（図７Ａ）及び側面（図７Ｂ）図の複屈折写真である。図７Ａ〜７Ｂは、上記の型内加熱及び上記の成形後アニーリング工程の使用による成形欠陥及び残留応力の有益な低減を示す。
【０１３６】
図８Ａ〜８Ｂは、本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の底面（図８Ａ）及び側面（図８Ｂ）図の複屈折写真である。図８Ａ〜８Ｂは、上記の型内加熱、及び成形プロセス中の上記の超音波振動エネルギーの印加の使用による成形欠陥及び残留応力の有益な低減を示す。
【０１３７】
図９Ａ〜９Ｂは、本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（プリズム）の底面（図９Ａ）及び側面（図９Ｂ）図の複屈折写真である。図９Ａ〜９Ｂは、上記の型内加熱、成形プロセス中の上記の超音波振動エネルギーの印加、及び上記の成形後アニーリング工程の使用による成形欠陥及び残留応力の有益な低減を示す。
【０１３８】
図１０Ａ〜１０Ｃは、従来の非超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（ビーム分離プリズム）の底面（図１０Ａ）、側面（図１０Ｂ）、及び傾斜側面（１０Ｃ）図の複屈折写真である。
【０１３９】
図１１Ａ〜１１Ｃは、本開示の例示の超音波支援射出成形方法に従って調製される、例示の精密に形状決定された光学素子（ビーム分離プリズム）の底面（図１１Ａ）、側面（図１１Ｂ）、及び傾斜側面（１１Ｃ）図の複屈折写真である。
【０１４０】
本明細書である特定の例示の実施形態を詳細に説明したが、当然のことながら、当業者は上述の説明を理解した上で、これらの実施形態の代替物、変更物、及び均等物を容易に想起することができるであろう。したがって、本開示は、本明細書で以上に述べた例示の実施形態に不当に限定されるべきではないと理解すべきである。更に、本明細書にて参照される全ての出版物、公開された特許出願及び交付された特許は、それぞれの個々の出版物又は特許が参照により援用されることを明確にかつ個別に指示したかのごとく、それらの全体が同じ範囲で、参照により本明細書に援用される。様々な例示の実施形態を上で説明した。これら及び他の実施形態は、開示される実施形態の以下の列挙の範囲内である。
本願発明に関連する発明の実施形態について以下に列挙する。
[実施形態１]
成形方法であって、
第１の型部材と、型を閉鎖するために、前記第１の型部材に向かって及び離れて移動することができる少なくとも１つの可動式型部材とを有する射出型を提供する工程であって、型空洞が、前記第１の型部材又は可動式型部材のうちの少なくとも１つに形成され、前記空洞が、その中に少なくとも１つのゲートを有し、更に、超音波エネルギー源が、前記空洞に超音波エネルギーを印加するように位置付けられる、工程と、
前記型を閉鎖する工程であって、それにより、前記少なくとも１つのゲートが溶融（コ）ポリマー源と流体的に接続される、工程と、
前記型を、１０４℃〜１１６℃の前記空洞に隣接して測定される型温まで加熱する工程と、
その後、前記空洞及び前記ゲートを前記溶融（コ）ポリマーで実質的に充填するために、前記閉鎖した型の前記少なくとも１つのゲートを通じて、前記空洞中に前記溶融（コ）ポリマーを射出する工程と、
前記ゲート内の前記溶融（コ）ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程と、
前記型温が約１１６℃〜１２２℃まで上昇するまで、前記ゲート内の前記凝固した（コ）ポリマーを再溶融することなく、前記閉鎖した型の前記空洞内の前記溶融（コ）ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程であって、それにより、前記溶融（コ）ポリマー中の任意の流動誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、前記型温が約１０１℃〜１０７℃まで低下するまで、前記閉鎖した型を冷却する工程と、
その後、前記型温が約１１６℃〜１２２℃まで増加するまで、前記閉鎖した型を加熱する工程であって、それにより、前記溶融（コ）ポリマー中の任意の熱誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、前記溶融（コ）ポリマーが前記型内で凝固するまで、前記型を冷却させる工程であって、それにより、射出成形物品を形成する、工程と、を含む、方法。
[実施形態２]
１０４℃〜１１６℃の前記型温まで前記型を加熱する工程が、前記型を閉鎖する工程の後に生じる、実施形態１に記載の成形方法。
[実施形態３]
前記型温が約１１６℃〜１２２℃の間まで上昇するまで、前記閉鎖した型の前記空洞内の前記溶融（コ）ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程が、前記ゲート内の前記溶融（コ）ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程の後のみ開始される、実施形態１又は２に記載の成形方法。
[実施形態４]
前記溶融（コ）ポリマーを前記空洞中に射出する工程が、前記空洞内の前記溶融（コ）ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加することを更に含む、実施形態１〜３のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態５]
前記ゲート内の前記（コ）ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程が、前記空洞への超音波エネルギーの印加を中断することを含む、実施形態４に記載の成形方法。
[実施形態６]
前記閉鎖した型の前記少なくとも１つのゲートを通じて、前記空洞中に前記溶融（コ）ポリマーを射出する工程が、約０．５〜約０．６秒かかる、実施形態１〜５のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態７]
前記ゲート内の前記（コ）ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程が、前記空洞中への前記溶融（コ）ポリマーの前記射出を開始した後、約２秒で開始され、約６１秒で終了する、実施形態１〜６のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態８]
前記空洞内の前記溶融（コ）ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程が、前記空洞中への前記溶融（コ）ポリマーの前記射出を開始した後、約６１秒で開始され、約８０秒で終了する、実施形態１〜７のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態９]
前記型温が約１０１℃〜１０７℃まで低下するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程が、前記空洞中への前記溶融（コ）ポリマーの前記射出を開始した後、約６２秒で開始され、約２３７秒で終了する、実施形態１〜８のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態１０]
前記型温が約１１６℃〜１２２℃まで上昇するまで、前記閉鎖した型を加熱する工程が、前記空洞中への前記溶融（コ）ポリマーの前記射出を開始した後、約７０秒〜１１５秒で開始され、加熱が開始された後、約７０〜１１０秒で終了する、実施形態１〜９のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態１１]
前記型を閉鎖する工程から、前記（コ）ポリマーが前記型内で凝固するまでの合計経過時間が、少なくとも約１４５秒、及び約２４０秒未満である、実施形態１〜１０のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態１２]
エジェクター手段を用いて、前記型空洞から前記射出成形物品を取り外す工程を更に含む、実施形態１〜１１のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態１３]
前記エジェクター手段が、エジェクターピン、リフター、ストリッパープレート、又はそれらの組み合わせのうちの１つ以上から選択される、実施形態１２に記載の成形方法。
[実施形態１４]
前記空洞中に射出される溶融（コ）ポリマーの量が、前記型空洞を充填するために必要とされる量を超え、過剰な（コ）ポリマーが、ベントを通じて前記空洞から流出する、実施形態１〜１３のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態１５]
前記型空洞中に前記溶融（コ）ポリマーを射出する工程が、マニホールドから前記溶融（コ）ポリマーを射出することを含む、実施形態１〜１４のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態１６]
前記入口ゲートが、前記型空洞の一側面の中心にある、実施形態１〜１５のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態１７]
前記溶融（コ）ポリマーが、前記第１の型部材に隣接する前記型空洞の第１の側面から前記型空洞に射出され、前記超音波エネルギーが、前記可動式型部材に隣接する前記型空洞の第２の側面から印加される、実施形態１〜１６のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態１８]
前記型空洞を加熱する工程が、電気抵抗加熱、電磁誘導加熱、誘電加熱、熱電加熱、超音波エネルギーの印加による加熱、又はそれらの組み合わせを使用して実施される、実施形態１〜１７のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態１９]
前記型空洞を加熱する工程が、電気抵抗加熱を使用して実施され、更に、前記型空洞内の前記溶融（コ）ポリマーの温度を、１分あたり少なくとも約１３℃の速度で増加させるために十分な速度で、前記型空洞内の前記（コ）ポリマーを加熱することを可能にするように、少なくとも１つの電気抵抗ヒーターが、前記型空洞に近接して位置付けられる、実施形態１８に記載の成形方法。
[実施形態２０]
前記型が、鋼、ステンレス鋼、銅、ベリリウム、アルミニウム、それらの合金、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、実施形態１〜１９のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態２１]
前記超音波エネルギー源が、超音波振動子を備え、更に、共鳴ホーン、ブースター、導波路、又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを備えるか、または備えない、実施形態１〜２０のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態２２]
実施形態１〜２１のいずれか一項に従って製造される、成形物品。
[実施形態２３]
前記成形物品が、レンズ、プリズム、ミラー、ライトパイプ、回折格子、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される射出成形された光学素子である、実施形態２２に記載の成形物品。
[実施形態２４]
前記成形物品が、複屈折の実質的な非存在、残留応力の実質的な非存在、ひけマークの実質的な非存在、ニットマークの実質的な非存在、溶接線の実質的な非存在、ボイドの実質的な非存在、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの有益特性を示す、実施形態２２又は２３に記載の成形物品。
[実施形態２５]
前記（コ）ポリマーが、（メタ）アクリル（コ）ポリマーを含む、実施形態１〜２４のいずれか一項に従って製造される成形物品。
【図１】
0005908928.tif 000002
【図２】
0005908928.tif 000003
【図３】
0005908928.tif 000004
【図４】
0005908928.tif 000005
【図５Ａ】
0005908928.tif 000006
【図５Ｂ】
0005908928.tif 000007
【図６Ａ】
0005908928.tif 000008
【図６Ｂ】
0005908928.tif 000009
【図７Ａ】
0005908928.tif 000010
【図７Ｂ】
0005908928.tif 000011
【図８Ａ】
0005908928.tif 000012
【図８Ｂ】
0005908928.tif 000013
【図９Ａ】
0005908928.tif 000014
【図９Ｂ】
0005908928.tif 000015
【図１０Ａ】
0005908928.tif 000016
【図１０Ｂ】
0005908928.tif 000017
【図１０Ｃ】
0005908928.tif 000018
【図１１Ａ】
0005908928.tif 000019
【図１１Ｂ】
0005908928.tif 000020
【図１１Ｃ】
0005908928.tif 000021