JPH11174209A - 射出成形によって光学レンズを製造するためのガラス充填透明プラスチック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度と湿度の変化によって生じる変形に耐性
のあるプラスチック／ガラス複合光学部品の製造方法を
提供する。 【解決手段】 実質的に本発明は、同じ吸収分散能特性
および屈折率を有する光学プラスチックと光学ガラスを
選択する（１０，１２）。これらをよく混ぜ合わせる
（１８）。例えば、ガラスペレットとプラスチックペレ
ットを乾式混合する。この混合物を光学プラスチックの
融点まで加熱する（２０）。この比較的低い温度ではガ
ラスペレットは変形しない。ガラスペレットの円滑なガ
ラス表面に溶融プラスチックが湿潤したような状態で、
普通の射出成形処理を行って、混合物からガラス充填透
明光学部品を成形する（２２）。ガラスとプラスチック
の屈折率および／または分散吸収能特性は、意図的に僅
かにミスマッチさせてもよい。ミスマッチの程度は光学
部品の最終目的によって定まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、射出成形
によって得られる透明プラスチックから製造される光学
部品に関し、特に、射出成形によって製造されるガラス
充填プラスチック光学部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレー
ト）、ポリスチレン、ポリカーボネートなどの透明プラ
スチックから製造される光学部品は、普通、射出成形に
よって製造される。これらのプラスチック製光学部品
は、ガラス製光学部品と比較すると、温度や湿度の変化
に敏感であるとの弱点が指摘されるのが常であった。そ
の結果、苛酷な環境に用いられる光学製品の製造に使用
するのには、ガラスの方が好ましい材料とされている。
しかし、ガラスは、材料コストも製作要求値について
も、プラスチックより高価である。研磨や艶出しといっ
た方法でなく圧縮成形法でガラス製光学部品を製作して
もである。

【０００３】繊維で強化したプラスチック、特に熱可塑
性プラスチックの製造は、複合材料製造技術に周知であ
り、構造用部品がこれら複合材料から製造される。これ
ら複合材料は、普通、不透明である。複合材料の製造法
の一つの例は、シュラーブ（Ｓｃｈｌａｒｂ）らの米国
特許第５，５９５，６９６号に教示されている。シュラ
ーブらの教示によると、繊維強化ペレット、特に、ガラ
ス繊維チョップで強化されたペレットは、該繊維を熱可
塑性プラスチックの溶融物に混ぜ、これを押し出し成形
することによって製造される。

【０００４】ガータイセン（Ｇｅｒｔｅｉｓｅｎ）らの
米国特許第４，３８８，４２２号には、電磁波干渉を遮
蔽する特性を改良する複合プラスチック材が教示されて
いる。この材料は、繊維強化熱可塑性樹脂組成物を射出
成形するに際し、熱可塑性樹脂マトリクスに金属化ガラ
スと炭素繊維とを混ぜ合わせることによって製造され
る。

【０００５】アーレンス（Ａｈｒｅｎｓ）らの米国特許
第４，３２３，６２３号には、強度の大きい複合プラス
チック構造材の製造法が教示されている。この構造材
は、サンドイッチコア構造を備える複合プラスチックで
ある。コア材は、ガラスの小さな中空球を含有するエポ
キシ樹脂のような熱硬化性樹脂マトリクスの周りに、熱
硬化性マトリクス、好ましくはエポキシ樹脂を含浸させ
た繊維材層が形成された構造である。

【０００６】ハンブレン（Ｈａｍｂｌｅｎ）の米国特許
第４，０２２，８５５号には、傾斜屈折率を有するプラ
スチック製光学部品を製造する方法が教示されている。
この方法では、異なる屈折率を有する二つのコーポリマ
ー生成可能モノマー組成物を組み合わせて用いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、ガラ
スとプラスチックとの複合材料から光学部品材を製造す
る方法については何ら教示されていない。更に、ガラス
／プラスチック複合材料を射出成形して光学部品を製造
するのは、プラスチック光学部品を射出成形するのと同
様に経済的であり、同時に上に述べたようなプラスチッ
ク光学部品に関する問題を克服するものであるとは、従
来の技術には示唆されていない。

【０００８】従って、本発明の目的は、射出成形光学部
品に好適なガラス充填透明プラスチック複合材を提供す
ることである。

【０００９】本発明の別の目的は、ガラス充填透明プラ
スチック光学部品を射出成形する方法を提供することで
ある。

【００１０】本発明の更に別の一つの目的は、温度・湿
度の変化に基づくプラスチック光学部品の変形を安定化
する方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】簡単に言えば、本発明の
上記及び他の多数の機能、目的、利点は、本明細書に記
載の特許請求の範囲、詳細な説明、および図面を読め
ば、容易に明らかになろう。これらの機能、目的および
利点は、同じ吸収並びに分散特性は勿論のこと実質的に
同じ屈折率を有する光学プラスチックと光学ガラスを選
択することによって達成される。上記二つの材料を選択
した後、これらをよく混ぜ合わせる。例えば、ガラスペ
レットとプラスチックペレットとを乾式混合する。次い
で、この混合物を、光学プラスチックの融点まで加熱す
る。しかし、ガラスペレットの方は、この比較的低い温
度では変形しない。ガラスペレットの円滑なガラス表面
に溶融プラスチックが湿潤したような状態で、この混合
物を普通の射出成形処理に用いて、ガラス充填透明光学
部品を成形する。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１を参照する。ここには、ガラ
ス充填透明プラスチックを用い、光学部品を射出成形す
る本発明の方法で行われるステップの概略が示されてい
る。本発明の方法を行うのに肝要なのは、機能ボックス
１０で示される光学ガラスを選択するステップと、機能
ボックス１２で示される光学プラスチックを選択するス
テップである。選択基準は、光学ガラスと光学プラスチ
ックとが、実質的に同じ屈折率(index of refraction)
と同じ吸収並びに分散特性(absorption and dispersion
characteristics)を有することである。普通は、光学プ
ラスチックを最初に選択し、次に、この光学プラスチッ
クに実質的にマッチングする屈折率を備える光学ガラス
を選択する。所望の屈折率を備えた光学ガラスが手許に
ないこともある。しかし、ガラスの屈折率および吸収並
びに分散特性は、ガラス製造技術に熟達した者にとって
は容易に修正可能なものである。これらのガラス特性は
ガラスの組成を変えることによって修正可能である。

【００１３】屈折率は、以下の式で与えられることが知
られている。

【００１４】

【数１】 ここに、ｎは屈折率で、Ｖは分子容の値(molecular vol
ume number)で、Ｒは分子屈折(molecular refraction)
と呼ばれているものである。変数Ｒは当該物質に特有な
量であり、温度や圧力や集塊状態に依存しない。屈折率
は、分子屈折が大きくなれば大きくなり、分子容が小さ
くなれば大きくなる。屈折率は、Ｏ^2-イオンの偏極率を
増すか、単位容あたりの酸素イオンを増すかして大きく
することもできる。

【００１５】図２（ａ）〜（ｅ）（Ｔ．イズミタニ著の
「光学ガラス」から引用）は、周期表の多くの群におけ
るイオン半径と分子屈折並びに分子容との関係を示す。
図２（ａ）〜（ｅ）に示されている通り、また「光学ガ
ラス」に議論されている通り、分子屈折と分子容は、二
価と三価のイオンの場合はイオン半径が大きくなるにつ
れて大きくなる。屈折率も大きくなる。従って、低い価
数イオンの含有のガラスでは、屈折率は、酸素イオンの
偏極率によって決定される。一方、高い価数のイオン、
すなわち、五価以上のイオン含有のガラスでは、分子屈
折と分子容とは、共にイオン半径が大きくなるにつれて
小さくなり、屈折率は大きくなる。従って、高い価数イ
オン含有のガラスでは、屈折率は、Ｏ^2-イオンの充填度
によって決定される。換言すれば、作用の偏極率に与え
る効果が低価数イオン含有のガラスの屈折率を支配し、
一方、作用が与える配位数が高価数イオン含有のガラス
の屈折率を決める。

【００１６】屈折率は、光の波長に従って変わる。この
結果分光が生じる。屈折率と光の周波数との関係は、例
えば、ドルーデ・フォークト（Ｄｒｕｄｅ−Ｖｏｉｇ
ｔ）の分散の式で与えられる。

【００１７】

【数２】 ここに、Ｎ₁は単位容積当たりの酸素イオンの数、ｅと
ｍはそれぞれ電子の電荷と質量、ν_0iは酸素イオンの吸
収能の固有周波数、ｆ_iは振動子の強度、νは光の周波
数である。図３（これもＴ．イズミタニ著の「光学ガラ
ス」から引用）に示されるように、普通、紫外線領域に
吸収帯が２または３本、赤外線領域に１本ある。イズミ
タニが述べているように、吸収が起こる波長の近くで
は、上述の式に示されているように屈折率は急に大きく
なり、次いで波長がこれより大きくなると次第に小さく
なる。上式（２）から、屈折率ｎ_d、平均分散能(mean d
ispersion)ｎ_f−ｎ_c、およびアッベ数(Abbe number)は
以下のように表される。

【００１８】

【数３】

【数４】

【数５】 また、イズミタニが述べているように、屈折率と平均分
散能は、共にＮ₁、ｆ、ν₀の関数である。しかし、平均
分散能ｎ_f−ｎ_cは、分母にν²を含む項を２個有してい
るので、紫外線吸収波長に、より強く影響される。換言
すれば、屈折率は充填度、振動子強度、および吸収波長
の関数であるけれども、分散能は、主に吸収波長によっ
て定まると考えることができる。更に分かることは、近
似としては、アッベ数は、紫外線吸収波長だけの関数で
あり、ν₀が大きくなるにつれて大きくなるということ
である。

【００１９】前述の議論から明らかになることは、光学
プラスチックを選択してしまえば、その後に、光学ガラ
スに求められる所望の特性を、ガラス製造技術に熟達し
た者、例えば、大きなガラス製造業者に提供することが
できる。ガラス製造に熟達した者はこれを受けて、所望
の屈折率、吸収能並びに分散能特性を発揮する組成を有
する光学ガラスを製造することができる。

【００２０】選択したガラスは、図１の機能ボックス１
４に示されるように、ビーズ状に形成するのが好まし
い。実質的に球状で、直径は１ｍｍ未満のマイクロビー
ズを形成するのが最も好ましい。光学プラスチックは、
機能ボックス１６に示されるように、ペレット状に形成
するのが好ましい。ガラスビーズの量は、混合物の約１
０％〜約５０容量％の範囲とするのが好ましい。次に、
ガラスビーズとプラスチックペレットの混合物を、機能
ボックス２０に示されるように、プラスチックペレット
を溶融するに十分な温度（普通は約１００℃）に加熱す
る。この結果、溶融プラスチックにガラスマイクロビー
ズが含まれたスラリーが得られる。次に、このスラリー
を（機能ボックス２２に示されるように）所望の形状の
光学部品に成形する。成形は、射出成形が好ましく、や
り方は、プラスチック単独の光学部品を射出成形するの
と同じである。

【００２１】例ではあるが、ショット（Ｓｃｈｏｔｔ）
ＳＫ−５光学ガラスは、ＨｅＮｅ波長（６３２８Å）の
箇所にポリスチレン光学プラスチックと殆ど同一の屈折
率を有することに注目されたい。ポリスチレン光学プラ
スチックの溶融物に小さな粒のＳＫ−５光学ガラスを埋
め込んで実験を行った。この実験は、プラスチック射出
成形を頭に置いて、ガラスペレットをプラスチックペレ
ットと乾式混合することによって行った。この混合物を
ガラス皿に載せ、炉で加熱し、約１００℃でプラスチッ
クを溶融させた。勿論、ガラスはこの比較的低温では変
形しない。しかし、プラスチックの方は、円滑なガラス
表面を湿潤し、ガラスと周囲のプラスチック媒体との間
の境界を隠してしまった。違いが分散であることを除け
ば、埋め込んだガラスは見分けをつけるのが難しかっ
た。ストレスと二重屈折の問題は残ったが、これらも、
ガラスをマイクロビーズとして導入すれば、大幅に小さ
くすることができると考えられる。試験を行ったＳＫ−
５光学ガラスのペレットは、粒径が比較的大きく、形状
も扁円球状で最大直径は約１０ｍｍもあった。ストレス
と二重屈折とを少なくするには、この寸法を、例えば、
直径１ｍｍ未満程度にして、ガラスマイクロビーズと溶
融プラスチックとの混合物を射出成形に適するようにす
ることが必要と思われる。ガラスマイクロビーズには熱
を加えて表面処理を行うのが好ましい。熱処理によって
ガス抜きと水分除去を行えば、経年変化作用を最小限に
抑えられる。これは、ガラス充填ペレットを製造する際
にも行われ、この方法は、ガラス充填不透明プラスチッ
クペレットを製造する現行方法と概略同じである。プラ
スチックに対するガラス（またはガラスに対するプラス
チック）の光学特性のマッチングを更に改良し、この技
術を広い範囲の用途に適用できるように改良すること
も、望ましいと思われる。前に述べたように、これは、
ガラス製造の当業者にとっては、比較的簡単である。ガ
ラス充填透明プラスチックを射出成形して製造される光
学部品ができれば、プラスチック１００％の透明プラス
チックを射出成形して製造される光学部品よりも格段に
便益が大きいと考えられる。すなわち、ガラス充填透明
プラスチックの光学部品の方が、強度が大きく、温度や
湿度の変化に強くなる。

【００２２】透明プラスチック樹脂とガラスマイクロビ
ーズの屈折率および／または分散能特性を僅かにミスマ
ッチさせることが望ましい場合も存在することも考えら
れる。例えば、拡散体(diffuser)として機能する光学部
品を製造するのが望ましい場合がある。これは、透明プ
ラスチック樹脂とガラスマイクロビーズの屈折率および
／または分散能特性を僅かにミスマッチさせることによ
って行うことができる。屈折率の「僅か」のミスマッチ
とは、ΔＮが小数点以下２桁目の違いである。例えば、
屈折率１．５７１２と１．５９２５とは「僅か」にミス
マッチしたものである。このミスマッチは、所望の光散
乱特性(light scattering properties)を備えた拡散体
を製造するために意図して作ることができる。ミスマッ
チングは、アンチエイリアシング(anti-aliasing)用の
ブレフィルターを規定するのに用いることもできる。

【００２３】プラスチック媒体とガラス埋込体との間の
屈折率マッチングと分散能マッチングを得るには、基本
的に三つの方法がある。第一の方法は、上に議論したよ
うに、既存の光学プラスチック材とマッチする屈折率お
よび分散特性を有するガラスを開発することである。第
二の方法は、既存の光学ガラスとマッチする屈折率およ
び分散特性を有する光学プラスチック材を開発すること
である。第三の方法は、既存の光学ガラスと既存の光学
プラスチック材の屈折率および分散能特性を両者共に変
えることである。異なる光学的機能(optical coordinat
es)（屈折率や分散能）を備えるガラスを処方するには
どんなことが必要であるかについては、従来の技術
（Ｔ．イズミタニ著の「光学ガラス」を参照のこと）で
既知である。これは、モノクロ用途に対して屈折率マッ
チが必要となるだけの場合は、勿論もっと簡単になる。

【００２４】本発明を行う別法としては、光学ガラスを
最初に選択することが考えられる。次に、所望の屈折率
および同じ吸収並びに分散能特性を有する光学プラスチ
ックを選択することができる。マッチングする屈折率お
よび同じ吸収並びに分散能特性を有する光学プラスチッ
クが手許に無い場合は、光学プラスチックを製造する当
業者が光学プラスチックを再処方し、所望の性質を得る
ことは可能であると思われる。光学プラスチックを新た
に製造するのに用いられるポリマーを種々混ぜ合わせれ
ば、屈折率および吸収並びに分散能特性が変わったもの
を製造することができる。しかし、屈折率を大幅に変え
るには、プラスチックを調合するよりもガラスを仕様に
合わせる方が実施可能性が高い。極めて多種類のガラス
が市場にあるけれども、光学プラスチックは市販されて
いる種類が比較的少ないということがこの証拠である。

【００２５】特性のマッチングを行うために、光学ガラ
スと光学プラスチックの両者の処方を変えることができ
る場合にも、本発明の方法を行うことができることが明
白である。換言すれば、第一屈折率Ａを有する手許の光
学ガラスを選択し、また第二屈折率Ｂを有する手許の光
学プラスチックを選択することができる。光学プラスチ
ックにマッチさせるために屈折率Ｂを有する光学ガラス
を得るように光学ガラスの処方を変えるのではなく、ま
た光学ガラスにマッチさせるために屈折率Ａを有する光
学プラスチックを得るように光学プラスチックの処方を
変えるのではなく、屈折率ＡでもなくＢでもない屈折率
とマッチングさせるために光学ガラスと光学プラスチッ
クの処方を両者共に変えることができる。プラスチック
の屈折率に近似するようにガラスの屈折率を大幅に変え
るのが好ましい。次に、プラスチックの屈折率を小幅に
変えれば、マッチングをファインチューニングできる。

【００２６】本明細書に記載された本発明を行う好まし
い方法では、ガラスビーズとプラスチックとを固体の形
で最初に混合したけれども、最初にプラスチックを溶融
し、次いでプラスチック溶融物にマイクロビーズを添加
してスラリーを生成させることもできる。

【００２７】前の記載から分かるように、本発明は上述
の目的を全て達成するようになされたものであり、他の
利点も生ずるが、これら利点は本方法に明白であり、か
つ本方法に固有である。

【００２８】本発明のある種の機能や組み合わせは、有
用なものであり、本発明の他の機能や組み合わせに相関
させて用いることができる。このことは、特許請求の範
囲で考慮されているものであり、特許請求の範囲に含ま
れる。

【００２９】本発明に関しては、その特許請求の範囲か
ら逸脱せずに多くの態様が可能となるので、本明細書に
記載され、添付の図面に示されているものは全て説明目
的であり、決して本発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ガラス充填透明プラスチックを製造し、これ
を用いて光学レンズを射出成形する本発明の方法のステ
ップの概略を示す図である。

【図２】 多くの元素についてイオン半径と分子屈折並
びに分子容との関係を示すグラフ、周期表の第ＩＩＩａ
群の元素についてイオン半径と分子屈折並びに分子容と
の関係を示すグラフ、周期表の第ＩＶａ群の元素につい
てイオン半径と分子屈折並びに分子容との関係を示すグ
ラフ、周期表の第Ｖａ群の元素についてイオン半径と分
子屈折並びに分子容との関係を示すグラフ、及び、周期
表の第ＶＩａ群の元素についてイオン半径と分子屈折並
びに分子容との関係を示すグラフを示す図である。

【図３】 ガラス中における波長対吸収能並びに分散能
をプロットしたグラフを示す図である。

【符号の説明】

１０ ガラスの選択、１２ プラスチックの選択、１４
ビーズの形成、１６ペレットの形成、１８ 混合、２
０ 加熱、２２ 成形。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学部品を製造する方法において、 （ａ）既知の屈折率を有する光学プラスチックを選択
   し、 （ｂ）既知の屈折率を有する光学ガラスを選択し、 （ｃ）前記選択された光学ガラスと前記選択された光学
   プラスチックとを共に混ぜ合わせて、混合物とし、 （ｄ）前記混合物を加熱して前記光学プラスチックを溶
   解し、スラリーを形成し、 （ｅ）前記スラリーを成形して光学部品を形成すること
   を特徴とする光学部品製造方法。
2. 【請求項２】 前記光学プラスチックの前記屈折率が、
   前記光学ガラスの前記屈折率と実質的にマッチングする
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 （ａ）既知の屈折率を有する一体的形成
   の光学プラスチック塊と、 （ｂ）前記一体的形成の光学プラスチック塊に埋め込ま
   れた既知の屈折率を有する複数の光学ガラス成分と、 を含むことを特徴とする成形された光学部品。