KR20000057678A - 안과용 렌즈 제조를 위한 중합 공정 시스템 - Google Patents

Abstract

액체 수지를 중합하기 위해 열과 빛의 조합을 이용하는 안과용 렌즈 제조를 위한 렌즈 제조 시스템이 개인용 컴퓨터를 기초로 하는 구조를 가진다. 전자 안정기는 시스템의 광원으로부터 나오는 빛을 조절한다. 시스템에 필요한 모든 냉각은 시스템의 전원부의 냉각팬에 의해 제공된다. 바코드 판독용 펜은 재료와 수지 사이의 적합성을 검사하고, 적합한 경화사이클이 구동되도록 보장하고, 모뎀은 자동적인 재주문과 시스템의 재고 제어를 용이하게 하는 시스템 원격 접속을 가능하게 한다.

Description

안과용 렌즈 제조를 위한 중합 공정 시스템{POLYMERIC PROCESSING SYSTEM FOR PRODUCING OPHTHALMIC LENSES}

열적 프로파일(thermal profile)의 조절과 더불어, 렌즈 제조 시스템은 안과용 렌즈를 만드는 경화램프의 빛의 지속시간 및 그 시간을 조절한다. 전형적으로, 빛은 그 발광 노출량을 조절하는 기계 셔터로 조정된다. 그러나, 기계 셔터는 반드시 원하는 정도로 빛을 잘 조정하지는 않는다. 또한, 셔터를 포함한 기계부는 깨질 우려가 있고 따라서 렌즈 제조 시스템에 있어 신뢰도 문제를 일으킨다. 또한, 일부 렌즈 제조 시스템은 액정 공간 광 조절기(LCSLMs)를 사용하는 데, 이것은 깨끗한 상태에서 본질적으로 전도가 제한되므로 시스템 작동중 가열되는 경향이 있다.

또한, 종래의 렌즈 제조 시스템은 열에너지 조절에 상대적으로 비효율적이다. 그 결과로, 렌즈 주조 시스템은 전형적으로 다수의 팬 및/또는 순환 펌프로서 잉여 냉각을 요구한다.

종래의 렌즈 제조 시스템을 이용하는 개업 검안사들과 렌즈 제조업자들이 직면하는 또다른 문제점은 단일 초점 렌즈와 기타 광학 예비품의 상당량의 재고품을 보관하는 것이다. 또한, 다양한 종류의 렌즈 재료, 수지 및 시스템의 관련 경화사이클로부터 어느 하나를 선택해야 하는 데서 야기되는 잠재적인 실수에 대한 우려가 항상 존재한다.

결론적으로, 개선된 안과용 렌즈 제조 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

광학 예비품, 웨이퍼 또는 단일 초점 렌즈 위의 얇은 수지층을 경화시킴으로써, 안과용 렌즈를 만드는 방법과 시스템은 미국특허 5,219,497호에 설명되어 있는 것과 같이 매우 잘 알려져 있다. 부가적인 광학 형성물의 위치와 렌즈 경화재를 선택하는 방법은 미국특허 5,178,800호에 설명되어 있다. 또한, 단일 시각 렌즈 위에 단량체 수지층을 중합시키는 데 열과 빛의 조합을 이용하는 방법은 미국특허 5,470,892호와 5,147,585호에 설명되어 있다. 이들 모든 특허가 본 발명에서 참조되어 결합된다.

도1은 본 발명의 렌즈 제조 시스템의 개략적인 사시도이다.

도2는 도1의 렌즈 제조 시스템을 위한 전자 시스템의 전자 블록 다이아그램이다.

도3은 도1의 렌즈 제조 시스템의 열 시스템과 광학 시스템의 개략적인 정면도이다.

도4는 도1의 렌즈 제조 시스템의 경화 챔버의 측단면도이다.

도5는 도1의 렌즈 제조 시스템의 경화 챔버의 정단면도이다.

도6은 도1의 렌즈 제조 시스템의 후단면도이다.

도7은, 대표적인 경화 사이클로서 램프 듀티 사이클(duty cycle)에 따른 오븐 온도, 주형 온도, 램프 온도를 포함하는, 도1의 렌즈 제조 시스템의 선택된 열-특성 플롯이다.

도8은 도1의 렌즈 제조 시스템의 자동 재고 목록 및 공정 변수 특징의 개략도이다.

따라서, 본 발명은 선행 기술의 결점을 최소화하는 개선된 안과용 렌즈 제조 시스템을 제공한다. 본 시스템은 단일 초점 렌즈 위의 수지층을 경화시키기 위해 열과 자외선 및/또는 가시광선을 조합하여 사용하는 빠르고 효과적인 안과용 렌즈 제조를 위한 구성요소의 독특한 조합을 포함한다. 특히, 본 발명은 사무실 내에서도 공정이 가능한 렌즈 제조 시스템을 제공하는 데, 높은 품질의 안과용 렌즈를 광학 수지 구성성분에 따라 다르지만 전형적으로 15분에서 40분 사이라는 짧은 경화시간에 제조할 수 있다. 본 시스템은 특히 양 초점 및 다 초점 안과용 렌즈 제조에도 잘 적용될 수 있다. 그러나, 단일 초점 렌즈 위의 균일한 수지층을 경화시키기 위해 사용될 수도 있다.

본 시스템은 마이크로프로세서에 의해 제어되고, 이는 개인용 컴퓨터에 기초한 구조를 가지도록 렌즈 제조 시스템을 개선한다. 개인용 컴퓨터에 기초한 시스템의 이용은 본 발명의 두 가지 중요한 특징을 이행할 수 있도록 한다. 광학 스캐너(scanner) 또는 바 코드-스캐닝용 막대(wand) 또는 펜이 구비되어 수지 튜브(tube)와 단일 초점 렌즈 겉봉 위의 정보를 자동적으로 읽어들임으로써 본 시스템이 본 시스템 상에서 수행된 모든 처방을 검색할 수 있도록 한다. 또한 이 정보를 검색함으로써, 마이크로프로세서가 재료와 수지 사이의 적합성을 체크할 수 있도록 하고 적합한 경화 사이클이 작동되도록 보장할 수 있다.

또한, 본 시스템은 시스템에 저장된 정보에 대해 원격적으로 접근할 수 있도록 하는 모뎀이 구비된다. 시스템에 모뎀을 구비함으로써 렌즈 제조용 재료의 자동적인 재주문과 연속적인 저장이 무척 용이하게 된다.

본 시스템은 매우 반복적인 경화 결과를 발생시키는 높은 정도의 적당한 열 방사와 자외선 및/또는 가시광선의 방사를 제공한다. 이 결과는 램프를 경화 챔버와 분리하고 공기유동을 제공하여 램프를 냉각함에 의해 시스템의 광원 효율을 극대화함으로써 개선된다. 특히, 시스템 전원부의 냉각팬은 시스템에 필요한 모든 냉각을 실질적으로 제공하기 위해 사용된다. 이것은 부가적인 냉각팬 또는 순환 펌프가 필요없도록 하고, 따라서 더욱 조용한 시스템을 제공하는 장점을 가진다.

또한 본 시스템은 경화 램프를 조정하기 위해 사용되는 일련의 전자 안정기에 공급되는 전력을 조정함으로써, 경화 램프로부터 나오는 빛을 일시적으로 조절하는 매카니즘을 제공한다. 광원을 조절하기 위해 전자 안정기를 사용함으로써 선행 기술에서 사용된 기계 셔터 및 LCSLMs와 같은 조절수단에서의 문제점들을 극복할 수 있다.

또한 본 시스템은 요구 전력이 매우 낮으면서도 열 에너지를 관리하는 독특하고 매우 효율적인 방법을 제공한다. 열 관리 시스템의 요소로서, 본 장치의 경화 챔버 내에 분리 플리넘(plenum)이 구비되어, 가열요소로부터 들어오는 뜨거운 공기를 경화 챔버 외부로 유동하는 복귀 공기로부터 분리한다. 분리 플리넘은 경화 챔버 내의 온도 균형을 조절하기 위해 경화 챔버 내에 설치될 수 있다.

본 발명의 상기 및 기타의 특징과 장점은 이하 도면에 따른 상세한 설명에 따라 더 잘 이해될 것이다.

이제 도면에 따라, 도1에 렌즈 제조 시스템의 양호한 실시예가 도시되어 있다. 이 시스템(10)은 컴퓨터에 기초한 구조를 가지고, 안과용 렌즈 특히 이중 초점 렌즈와 다중 초점 렌즈를 제조하는 경화 챔버를 포함하는 데, 단일 초점 렌즈의 수지층을 경화시키기 위해 열방사와 화학선 방사 특히 자외선 및/또는 가시광선의 조합을 이용한다. 경화 챔버는 절연된 오븐(12)과 이 오븐(12)의 위와 아래에 배치된 자외선원 및/또는 가시광선원(14; 도3)을 포함한다. 상기 광원(14)은 주형 트래이(16)가 배치되어 있는 오븐 내부에 자외선 및/또는 가시광선을 제공한다. 이하에서 더욱 자세히 설명되다시피, 전자 안정기(18)가 광원에 의해 경화 챔버에 적용되는 빛을 조절하기 위해 구비된다.

단일 초점 렌즈 위에서 경화되는 수지를 수용하는 주형이 주형 트레이(16) 위에 설치된다. 분배 조립체(20)는 수지가 자동적으로 주형 트레이의 주형 속으로 분배되게 한다. 현재의 양호한 실시예에서, 분배 조립체(20)는 시스템의 배출 주사기로부터 수지를 배출하는 스텝퍼 모터(stepper motor;22;도2)와 플런저를 포함한다. 스텝퍼 모터(22)는 양호하게는 0.01 밀리리터에 가까운 양의 수지를 조심스럽게 분배할 수 있다. 추가 분배 조립체(24)가 시스템의 분배 용량을 늘리기 위해 추가될 수도 있다.

이들 구성요소는 시스템(11)의 외피(11) 내에 수용되는 데, 이 외피는 양호하게는 냉각 압연 강판으로 제조되나, 또한 알루미늄 또는 플라스틱과 같은 다른 적당한 재료로도 제조될 수 있다.

역광 액정 디스플레이(26)는 시스템 상태를 표시하고, 시스템의 정보를 사용자에게 알린다. 램프 시간, 경화 상태, 오븐 조건과 같은 기타의 시스템 정보는 시스템의 상태 표시 패널(30)의 상부를 따라 위치하는 발광 다이오우드(LED;28) 상에 표시된다. 시스템 정면의 키패드(29)는 시스템 조작자가 다양한 옵션을 선택할 수 있게 하고 데이터를 입력할 수 있도록 한다.

광학 센서 또는 바코드 스캐닝용 막대(31)는 시스템에 수지와 렌즈 재료에 관한 데이터와 같은 렌즈 공정 처리변수로서 타당한 적절한 정보의 자동적인 입력을 용이하게 한다. 또한, 시스템 내부의 모뎀(33;도2)은 단일 초점 렌즈, 웨이퍼, 수지와 같은 광학 랜즈 제조공정에서 사용되는 재료의 자동적인 재주문과 이에 따른 저장을 용이하게 한다. 또한 시스템(10)은 시스템의 소프트웨어를 설치하고 업그레이드하기 위한 플로피 디스크 드라이버(32)를 포함한다.

이제 도2로 돌아가 보면, 전자 제어 시스템의 양호한 실시예가 도시된다. 본 발명의 전자 시스템의 핵심은 양호하게는 인텔 386, 486, 586 마이크로프로세서를 장착한 마더보드(34)이다. 마더보드(34)를 사용함으로써, 렌즈 제조 시스템이 개인용 컴퓨터(PC)에 기초한 구조를 가지게 되는 데, 이 구조는 현재도 이용가능한 컴퓨터에 기초하지 않은 렌즈 제조 시스템에 비해 다수의 구별되는 장점을 지닌다. 예를 들어, PC에 기초한 구조는 C나 C++과 같은 고급 언어로 시스템을 위한 소프트웨어를 개선하고 관리할 수 있도록 한다. PC에 기초한 구조의 또다른 장점은 개인용 컴퓨터를 위해 설계된 또다른 부가적인 하드웨어를 사용할 수 있다는 것이다. 개인용 컴퓨터에 사용가능한 모듈러 "플러그 앤드 플레이(plug and play)" 기술을 이용함으로써, 가령 바코드 스캐닝용 막대(31)와 모뎀(33)과 같이 마더보드(34)와 통신하는 새롭고 중요한 특징부들이, 그 개발 시간 및 관련 비용에 대한 투자를 최소로 하면서 렌즈 제조 시스템에 추가될 수 있다.

인터페이스 보드(36)는 마더보드(34)와 시스템의 나머지 부분 사이에 표준 AT 버스를 통해 통신 링크를 제공한다. 인터페이스 보드(36)의 주요 목적은 AT 버스와 시스템 구성요소 사이에 필요한 논리 링크를 제공하는 것이다. 인터페이스 보드(36)는 전원 개폐를 위한 모든 논리 수준이 디지털 전자부의 나머지 부분으로부터 광학적으로 격리되는 일련의 스위칭 전자부(38)에 디지털 논리를 제공한다. 예를 들어, 광학적으로 격리된 드라이버(40, 42)는 가령 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFETs)와 같은 전력 트랜지스터를 개폐하기 위해 사용되는 데, 이는 12 VDC 전력을 전자 안정기(18)에 연결하거나 제거하기 위한 것이다.

오븐(12)의 가열 소자(44)는 115 VAC 또는 240VAC 의 전원으로 구동되고, 또한 제로 교차 검파에 의해 광학적으로 격리된 트라이액(TRIAC)을 스위칭함으로써 조종된다. 제로 교차 검파는 AC 스위칭 도중 원하지 않는 잡음을 방지한다. 또한 제로 교차 검파는 적합하고 효율적인 시스템 가열을 위한 가열 소자(44)의 펄스 폭 조절 제어를 용이하게 한다.

직류 전동기(46)는 경화 챔버 내에서 열을 순환시키는 오븐 팬(48)을 회전시키기 위해 사용된다. 이 전동기를 제어하기 위한 논리 레벨도 또한 광학적으로 격리되고 높은 전력의 MOSFETs 를 통해 제어된다. 또한, 경화 챔버 내에 배치된 열 센서(50)는 온도 정보를 인터페이스 보드(36)에 직접적으로 제공한다.

다중 입출력 보드(52)는 마더보드(34)와 시스템 컴퓨터의 하드 드라이브(54) 사이의 통신을 제공하기 위해 사용된다. 하드 드라이브(54)는 시스템 소프트웨어와 시스템 작동자의 재료 사용 경위를 저장하기 위해 사용된다. 다중 입출력 보드(52)는 또한 시스템 소프트웨어를 설치하고 업그레이드하기 위한 3.5 인치 디스크 드라이브와 같은 플로피 디스크 드라이브(32)와의 통신도 제공한다. 또한, 다중 입출력 보드(52)는 렌즈와 수지에 관한 정보를 수지 튜브와 렌즈의 겉봉 상의 바코드를 통해 직접적으로 시스템에 입력하는 바코드 스캐닝용 막대(31)에 연결되는 통신 포트를 제공한다.

광학 센서(56)는 분배 조립체(20)의 스텝퍼 모터(22)의 동작을 제한하기 위해 사용된다. 분배 조립체(20)는 인터페이스 보드(36)에 직접 연결된 충전 스위치(58)를 눌러서 작동된다.

또한, 키패드(29)는 시스템 작동자가 명령을 인터페이스 보드(36)에 직접 입력할 수 있게 하는 데, 상기 인터페이스 보드는 명령을 마더보드(34)로 전달한다.시스템의 상태에 관한 정보를 알려주는 역광 LCD 디스플레이(26)도 또한 인터페이스 보드와 연결되는 데, 이 인터페이스 보드가 정보를 마더보드로부터 LCD 디스플레이로 전달한다.

시스템의 전원(55)은 마더보드, 하드 드라이브, 플로피 드라이브, 전자 안정기와 같은 PC 구성요소들을 작동하기에 충분한 용량을 가진 표준적인 PC용 전원이다. 이때문에 단 하나의 전원을 요구하는 더욱 간단한 시스템 설계가 가능해진다. 더욱이, 아래에서 설명되다시피, 냉각 시스템은 전원의 냉각팬(57)이 램프 및 전자 안정기를 포함하는 시스템의 다양한 전자 구성요소에 필요한 모든 냉각을 실질적으로 제공하도록 간단하지만 세련된 구조를 가진다.

도3은 본 발명의 광학 및 열 시스템에 대한 현재의 양호한 실시예를 도시한다. 열과 자외선 및/또는 가시광선의 고도로 조절된 조합이 경화챔버 내에 배치된 단일 초점 렌즈 위의 액체수지를 중합하기 위해 사용된다. 양호하게는, 광원(14)은 시스템의 열원으로부터 분리되어 열적으로는 격리된다. 도3 내지 도6에서 도시되듯이, 광원(14)은 경화 오븐(12)의 상부 및 하부에 배치된다. 가열된 오븐의 외부에 광원을 배치하는 것은 램프를 오븐보다 낮은 온도로 유지시켜 램프 효율을 극대화한다. 예를 들어, 오븐이 화씨 220도(104.4。C) 정도로 뜨겁더라도, 램프는 화씨 80도(26.7。C) 내지 화씨120도(48.9。C) 사이를 유지한다. 램프를 저온으로 유지하는 것은 램프 수명 증대 및 우수한 램프 효율에 중요하다.

광원(14)으로는 양호하게는, 가령 필립스 PLS-9W/08, PLS-9W/10, PLS-9W/27과 같은, 300에서 400 나노미터 사이에서 최대 조도를 가지는 자외선 및/또는 가시광선의 형광관 램프가 있다. 램프가 각기 다른 선 주파수(50 내지 60 헤르쯔)에서 작동하지만, 주파수가 높은 데서 작동될 수록 램프 효율은 높아진다.

전자 안정기(18)는 광원(14)에서 나오는 자외선 및/또는 가시광선을 조절하기 위해 사용된다. 전자 안정기의 사용은 빛을 조절하는 명쾌한 방법을 제공한다. 전자 안정기에 공급되는 직류 전동기를 개폐함으로써, 램프는 쉽게 개폐되어 수지에 투사되는 자외선 및/또는 가시광선의 양을 조절할 수 있다. 이것은 이미 언급한 바와 같은 이유에서 액정 공간 광 조절기 및 기계 셔터를 사용하는 것보다 양호하다. 위에서 언급했다시피, MOSFETs는 양호하게는 전자 안정기(18)에 12 VDC의 전력을 공급하거나 단절시키기 위해 구비된다. 전자 안정기는 또한 선 전압이나 선 주파수의 변화와는 관계없이 램프에 적합한 AC 전력을 공급한다. 현재의 양호한 실시예에서, 전자 안정기는 보딘(Bodine) 12TPL7-9E 또는 이와 동등한 것이고, 12 VDC의 전원으로부터 20 내지 30 kHz의 AC 전력을 만들어낸다. 위에서 설명한대로, 전자 안정기는 양호하게는 PC 전원의 12 V의 레일(rail)에 의해 전력공급을 받는다.

오븐(12)은 스테인레스 스틸이나 알루미늄 같은 내구성 있는 재료로 만들어지고, 유리섬유나 고온 폼 러버와 같은 적당한 재료로 열적으로 절연된다. 광원(14)은 경화 오븐의 외부에 배치되므로, 광학 포트(60)는 빛이 경화 챔버 내부로 전달되도록 오븐(12)내에 만들어진다. 도3 내지 도6의 실시예에서, 두 광학 포트(60)는 경화 오븐(12)의 윗면(62)과 아랫면(64) 내에 각각 구비되어, 빛이 경화 오븐의 주형에 도달할 수 있도록 한다. 광학 포트(60)는 양호하게는 광학적으로 360 내지 600 나노미터에서 적어도 90 퍼센트의 광투과도를 가지는 고온 유리로 만들어진다. 광학 포트의 올바른 배치를 보장하기 위해서는, 스테인레스 스틸이나 양극산화 처리된 냉간 압연 스틸로 만들어진 금속 링과 고온 폼 러버 개스킷이 사용된다.

광학 포트(60)는 오븐(12)으로 들어가는 빛의 균일성을 보장하기 위해 양호하게는 시준 반사기(66)에 의해 둘러싸여진다. 균일한 광밀도는 단일 초점 렌즈에 추가적인 광학부를 형성하는 수지의 균일한 경화에 매우 중요하다.

이제 도4 내지 도6를 참조하여, 경화 챔버에 관해 부가적으로 상세히 설명할 것이다. 도4는 유리섬유 또는 폼 절연체의 층(68)으로 둘러싸인 경화 오븐(12)의 측단면도이다. 광학 포트(60)는 자외선 및/또는 가시광선이 상부 및 하부를 통해 경화 오븐 속으로 들어갈 수 있도록 한다. 주형 트레이(16)는 경화 오븐(12)내에 배치되고, 금속 트레이(72)에 의해 지지되어 배치되는 한쌍의 주형(70)을 포함한다. 주형(70)은 유리 또는 플라스틱으로 될 수 있고, 양호하게는 크라운 유리로 연마되거나 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌-폴리프로필렌 공중합체와 같은 투명한 플라스틱으로 주조된다.

경화 오븐(12)을 작동하는 동안, 액체 수지와 한쌍의 플라스틱 단일 초점 렌즈는 주형(70)내에 배치된다. 오븐은 저항 가열 요소(44)를 가로지르는 농형 팬(48)에 의한 유동 공기에 의해 가열된다. 팬(48)은 직류전동기(46)에 의해 구동되고, 공기를 모터 내부쪽으로 그 회전축을 따라 끌어당기고 이 공기를 모든 방향으로 송풍하도록 설계된다. 가열 요소와 주형 사이에 배치된 특별하게 설계된 분리 플리넘(74)은 오븐 전체에 걸쳐 가열 공기의 안정적인 순환을 용이하게 한다.

이제 도5에서, 경화 챔버(12)의 정단면도가 도시된다. 이 관점에서, 분리 플리넘(74)은 오븐의 폭보다 약 45 % 좁게 도시된다. 이것이 가열요소(44)를 가로질러 유동하는 뜨거운 공기가 오븐의 상단(75)을 고르게 가로질러 오븐(12)으로 들어 가도록 하며, 오븐 하단으로부터의 복귀 공기가 오븐 하단의 좌측(77) 및 우측(79)으로부터 고르게 이끌려 나오도록 한다. 분리 플리넘(72)의 위치가 오븐내의 온도 밸런스를 조절하기 위해 오븐에 비해 상대적으로 좌측 또는 우측으로 이동할 수도 있다는 데 주의하여야 한다.

또한, 열 센서(50)가 오븐(12)의 우측 모서리 상단(81)에 위치한다. 열 센서(50)의 위치는 오븐 온도를 정확하고 대표적으로 측정하는 데 중요하다. 일반적으로, 도5에서 도시된 배치가 오븐 팬(48)의 반시계 회전 방향과 일치하고 있는 데, 왜냐하면 이것이 측정지점에서 가장 얇은 공기의 층류가 흐르기 때문이다.

냉각 시스템의 또다른 특징이 전체 시스템의 후단면도인 도6에 도시된다. 복수의 루버(80)가 시스템의 측벽에 위치하여 냉각공기가 시스템에 들어오도록 한다. 루버(80)는 원하지 않는 빛의 누수를 방지하며 램프 위로의 공기 유동을 촉진시키는 일련의 덕트 부품(82)으로 부분적으로 덮혀진다. 냉각 공기는 덕트를 통해 들어오고 시스템 전원(55) 위의 냉각팬(57)에 의해 시스템의 하반부를 가로지르게 된다. 이런 방법으로 공기 유동을 조정함으로써, 가장 차가운 공기가 램프(14)를 가로지르도록 유입되고, 램프에 의해 생성된 열을 제거하고, 램프가 고효율로 작동하도록 유지한다. 잔여 공기는 시스템(10) 하부의 좌측면(85)에 장착된 섀시(84) 위에 배치된 시스템 전자요소를 가로질러 유동한다. 섀시(84)는 바코드 스캐닝용 막대(31)를 시스템에 연결하기 위한 다중 입출력 보드(52)의 시리얼 포트에 쉽게 접속할 수 있도록 한다. 또한, 모뎀(33)도 섀시(84) 후면을 통해 쉽게 접속가능하다.

냉각 시스템은 수지를 제대로 경화시키기 위해 광학 및 열 시스템과 함께 작동된다. 수지를 제대로 경화시키는 것은 오븐의 열조절에 의해서도 영향을 받는다는 것을 유의하여야 한다. 현재의 양호한 실시예에서, 오븐 온도는 비례-적분-미분 (PID) 제어 알고리즘에 의해 신중하게 제어된다. PID 제어 알고리즘은 본원에서 참고하는 첨부된 부록 A에 설명되어 있다. 이 알고리즘은 가열 요소에 가해지는 전기 전력의 펄스 폭 조절 제어를 위한 올바른 듀티 사이클을 결정한다. 이런 방법으로, 최소 오버슈트로서 온도 설정점에 도달될 수 있다. 가열 전력의 펄스폭 조절 제어는 또한 최대 듀티 사이클이 세계 각국에서 사용되는 다양한 교류 전위에 맞도록 조절되게 한다. 양호하게는 최대 100 %의 듀티사이클 및 120 VAC 에서 350 watt의 전력을 제공하는 가열 요소가 시스템에 채택된다. 전력은 전압의 제곱에 비례하므로, 동일한 가열기는 최대 25 %의 듀티 사이클 및 240 AVC 에서도 350 watt의 전력을 제공한다. 이런 방법으로, 동일한 가열요소가 120 VAC 또는 240 VAC에 사용될 수 있고, 수지의 경화에 필요한 모든 열에너지를 여전히 공급한다. 결과적으로, 본 발명에서 제공되는 렌즈 제조 시스템은 전세계적으로 통용될 수 있다.

일반적으로, 경화 오븐의 열제어는 일정하고 반복가능한 경화 결과를 얻기 위해 일정 범위내로의 제한이 필요하다. 현재의 양호한 실시예에서, 시스템은 아래와 같은 열제어특성을 가진다 : (1) 오븐 내의 실제 공기 온도는 전체 경화사이클 내내 설정점 온도에 비해 화씨 +/- 5도(2.8。C) 이내로 제어된다 ; (2) 좌측에서 우측으로의 주형 온도 변화는 화씨 7.5도(4.2。C) 이상이 되어서는 아니된다 ; (3) 온도의 램프 변화율은 분당 화씨 15도(8.3。C) 이상이 되어서는 아니된다 ; (4) 오븐의 온도는 화씨 220도(104.4。C)를 넘어서는 아니된다.

이와 유사하게, 램프 세기도 일정하고 반복가능한 경화 결과를 얻기 위해 일정 범위내로의 제한이 필요하다. 현재의 양호한 실시예에서, 램프의 세기는 390 나노미터의 정격파장에서 2000 내지 3000 mJ/㎠ 사이의 값을 가진다. 다양한 종류의재료 및 렌즈에 의해 반복된 실험에 의해서도, 이러한 수준의 열 및 광학 제어와 이러한 제한이 최종 생산품이 일정한 결과를 유지하도록 하기 위해 요구된다는 것이 밝혀졌다. 저항, 접착성, 광학 및 표면 성질과 같은 성질들은 이와는 달리 정반대로 영향을 받을 것이다.

도7은 본 발명에 의해 제조된 한쌍의 안과용 렌즈에 관한 대표적인 경화 프로파일(profile)을 도식적으로 예시한다. 위쪽 점선(87)은 시스템의 소프트웨어에 프로그램된 온도 설정점을 표시한다. 이 온도 프로파일은 수지의 화학성질, 렌즈 재료의 종류, 렌즈 디자인의 종류를 포함하는 다양한 인자에 의해 측정된다. 위쪽 실선(89)은 실제의 오븐 온도이고, J-형 열전대로 오븐 가운데 지점으로부터 측정된다. 또한, 가운데의 점선(91)은 좌측 주형(70a)의 온도를 표시하고, 가운데 실선(93)은 우측 주형(70b)의 온도를 표시한다.

선들에 의해 표시되듯이, 주형온도는 좌측에서부터 우측까지 매우 일정한 데 이는 매우 신중하게 공기 유동을 조절한 결과이다. 주형 온도는 유리 또는 플라스틱 주형의 커다란 열 매스(mass)로 인해 공기의 온도보다 항상 낮다. 이것은 렌즈 제조시 열 프로파일을 개선하는 데 고려해야 할 매우 중요한 요소이다.

도7은 경화 과정 중의 시스템의 램프 프로파일을 나타낸다. 경화 과정 중 최초 5분간은 광원이 켜지지 않고, 주형, 렌즈 및 수지가 빛을 받지 않고 미세하게 온도가 상승한다. 사이클의 그다음 5분간은, 오븐의 상단 및 하단으로부터의 화학선 방사원의 동시적인 깜박거림으로 인해, 오븐 온도가 매우 완만한 비율로 상승한다. 최초 10분이 지난 후에는, 오븐 온도가 최종 정정 온도에 이를 때까지 계속 상승하도록, 램프가 계속 켜진 상태로 된다.

오븐이 가열되는 도중, 경화 챔버 내의 다른 온도도 경화 과정에 간접적인 영향을 미칠 수 있으므로 모니터하는 것이 중요하다. 도7에서 하부의 실선(95)은 시스템의 상부 램프의 가운데 부분 근처의 공기온도를 표시한다. 이 실선은, 상부 램프(14a) 근처의 온도가 경화 사이클의 최초 10분 동안은, 같은 기간동안 오븐이 실제로 대략 화씨 115도(46.1。C)에서 화씨 130도(54.4。C)로 가열되는 데도 불구하고, 느리지만 꾸준히 감소한다는 사실을 나타낸다는 것에 유의하여야 한다. 이것은 오븐과 램프 사이에 매우 작은 열 전달이 있다는 것을 알려준다. 최초 10분 후에 램프가 계속적으로 켜져 있으면, 램프 근처의 공기 온도가 경화 사이클의 끝부분에서 대략 화씨 120도(48.9。C)로 될 때 까지 서서히 상승하는 것을 분명히 알 수 있다. 이것은 램프 근처의 주요 열원은 램프 그 자체라는 사실을 알려준다.

도7의 그래프 하부의 점선(97)은 시스템 하부의 램프(14b)의 가운데 부분 근처의 온도를 표시한다. 상부 램프와 비슷한 추이를 따르면서도, 이 지점에서 공기 순환이 조금 더 잘 되므로 하부 램프의 온도는 결코 화씨 105도(40.6。C)를 넘지 않는다.

도7 하부의 긴 점선(99)은 시스템 내부의 디지털 전자부 부근의 공기 온도를 표시한다. 여기서, 온도는 전체 경화 사이클을 통해 화씨 110도(43.3。C) 이하의 상대적으로 낮은 상태를 유지한다. 도7에 표시되듯이, 매우 작은 열에너지가 경화 오븐(12)으로부터 나머지 시스템으로 실제적으로 누수된다.

이제 도8에서, 시스템(10)에 스캐닝용 막대(31)와 모뎀(33) 구성요소를 사용하는 것에 대해 더욱 자세히 설명하기로 한다. PC를 기초로한 구조의 시스템에서, 이들 구성요소는 본 발명이 재고를 자동적으로 추적하고 재주문할 수 있게 할 뿐만 아니라, 안과용 렌즈 제조의 공정 변수를 생성할 수 있도록 한다. 예를 들어 수지 튜브(100)는 수지의 화학적 성질, 유통기한, 제품 번호 및 독특한 식별 번호에 관한 바코드화된 정보(102)를 포함한다. 이와 유사하게, 단일 초점 렌즈의 겉봉(106) 상에 바코드화된 정보(104)는, 예를 들어 재료형태, 렌즈의 초점 거리, 난시교정력 및 독특한 식별 번호에 관한 정보를 포함한다. 바코드 스캐닝용 막대(31)로 시스템으로 전해지는 정보를 검색함으로써, 시스템 작동자는 시스템에 의해 사용되는 재료에 관한 정보를 완전하게 기록하기 위해 필요한 정보를 시스템에 제공할 수 있고, 따라서 시스템에 의해 수행되는 모든 명령을 탐지할 수 있게 한다. 또한, 이러한 정보는 시스템이 재료와 수지간의 조화도를 자동적으로 탐지할 수 있게 하고, 적당한 경화 사이클의 구동을 보장한다.

코드화된 데이터는 시스템 후면의 시리얼 포트를 통해 직접적으로 시스템에 전달된다. 모뎀선(33)은 시스템이 원격적으로 접속될 수 있도록 한다; 따라서 렌즈 주조에 관한 모든 기록이 중앙 사무국(110)으로 전송될 수 있다. 일단 중앙 사무국(110)이 시스템 위치로부터 주조에 관한 공정일지를 검사한 후에는, 시스템 작동자의 재고를 비축하기 위한 정확한 재료가 시스템 작동자의 요구에 따라 육로나 항공 수송수단으로 운송될 수 있다. 이것은 작동자와 재료공급자 모두에 중요한 이점을 제공한다. 시스템 작동자는 제조업자로부터의 신속한 재공급을 신뢰할 수 있다면 재료의 재고를 더욱 소량으로 유지할 수 있다. 또한 재료 공급자는 지역내 시장을 통틀어 모든 시스템의 가동 평균치에 근거하여 제품 생산을 위한 가동 스케줄을 짤 수 있다. 더욱이, 주조 공정 일지에 원격 접속함으로써, 재료 공급자는 시스템 작동자가 위치한 현장에서 물리적인 검사를 하지 않고서도 현재 재료의 현장 재고량을 유지할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 당해 기술 분야에서 숙련된 지식을 가진 당업자들에게는 본 발명의 창조적인 개념과 동떨어지지 않은 더욱 다양한 수정예가 가능할 것이다. 따라서, 첨부한 청구항의 범위 안에서는, 본 발명이 상기의 특정 실시예에 대해 설명된 것과는 달리 실시될 수도 있다.

부 록 A

이노테크(INNOTECH) 렌즈 시스템 챔버의 PID 제어 알고리즘

서언

오븐 온도를 원하는 온도(설정점)로 정확하게 제어(조정)하기 위해, 조정가능한 수식이 도입된다. 이 수식은 비례, 적분, 미분(PID) 수식이라 불린다. 미분 인자는 사용되지 않는다. PID 수식은 비례인자(정정(원하는)온도와 실제(측정된)온도간의 오차값에 직접 비례하는 Pterm)와 적분인자(오차값의 추이를 나타내는 Iterm)를 가진다. 열조정과정에는 예열모드, 디폴트모드, 경화모드의 3가지 모드가 있다. 적분인자는 열조정 모드에 따라 2가지 방법으로 계산된다.

PID 수식은 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

PIDout = Pterm + Iterm

여기서, 열조정 모드에 따라,

[수학식 2]

Pterm = PconstWARM * Error

Iterm = IconstWARM * (최종 6 Errors의 평균)

또는,

[수학식 3]

Pterm = PconstDEFAULT * Error

Iterm = IconstDEFAULT * (최종 6 Errors의 평균)

또는,

[수학식 4]

Pterm = PconstCURE * Error

Iterm = ItermPREVIOUS + [Error * (2/IconstCURE)]

오븐 가열은 매 550 ms 시간 간격으로 개폐된다. 이 550 ms 시간 간격은 50 개의 11 ms 증분으로 나누어진다. 550 ms 시간 간격의 시작점에서, 오븐 가열은 ON 상태로 되고, 이후 PID 출력값에 기초하여 오븐가열은 이들 50 개의 가능한 11 ms 증분들 중 하나에서 OFF 상태로 되어, 다음 550 ms 시간 간격이 시작될 때까지 OFF 상태를 유지한다. 550 ms 시간 간격 중 오븐 가열이 ON 상태인 시간과 오븐 가열이 OFF 상태인 시간이 듀티 사이클이라 불린다. 예를 들어, 오븐 가열이 550 ms 시간 간격 중 절반(25 * 11ms = 275ms)동안 ON 상태라면 듀티 사이클은 50 %이고, 5분의 1(10 * 11ms = 110ms)동안 ON 상태라면 듀티사이클은 20%이다. 이 ON과 OFF 듀티 사이클은 오븐 가열이 작동되지 않는 상태가 아니라면 매 550 ms 마다 반복된다.

Pconst와 Iconst 값은 유틸리티 메뉴에서 조정될 수 있다. 이 값들은 0 에서 99 사이의 값으로 조정될 수 있다. Pconst의 경우, 값이 커질수록 오차에 대한 수정 비례반응이 더욱 커진다. 예열모드 및 디폴트모드에서의 Iconst의 경우, 값이 커질수록 오차의 순간 추이에 기초한 수정 적분반응이 더욱 커진다. 경화모드에서의 Iconst의 경우, 값이 작아질수록 수정 반응이 제로 오차를 만들기 위해 필요한 값으로 더 빨리 제로-인(zero-in)할 것이다.

PID 수식에서 Pterm과 Iterm을 계산하면,

[수학식 5]

Pterm = PconstCURE * TETPerr

Iterm = ItermPREVIOUS + [(TEMPerr * (1/IconstCURE)]

여기서 ItermPREVIOUS는 선행 평균 측정치에 의해 계산된다.

PID 출력값 계산

매초 3번 A/D 열센서의 값이 읽혀지고 3 요소의 순화 버퍼에 저장되고, 가장 최근에 읽혀진 이들 세 값의 평균치가 계산된다.

550 ms 시간 간격의 시작점에서, 새롭게 측정된 온도가 현재의 A/D 열센서 검색값의 평균치에 기초하여 계산된다. 이 측정 온도 값은 다음과 같이 계산된다:

A/D 검색값 0 은 화씨 70도와 동등하고,

A/D 검색값 225 는 화씨 230도와 동등하다라고 가정하면;

따라서, 전체 온도 변화범위 = 화씨 230도 - 화씨 70도 = 화씨 160도

[수학식 6]

TEMPmeas = 화씨 70도 + x

여기서 x 는 화씨 0도에서 160도 사이의 값이다.

이는 다음의 비례식으로 나타내어진다:

[수학식 7]

화씨x도/화씨160도 = y/255 여기서 y=A/D검색값(0-225)

따라서 TEMPmeas = 화씨70도 + 화씨x도

= 화씨70도 + [y*(화씨160도/255)]

예열모드나 디폴트모드의 경우는:

현재의 정정온도와 TEMPmeas 사이의 오차와 평균오차를 계산한다.

[수학식 8]

TEMPerr = TEMPset - TEMPmease

ERRORbuff = ERRORbuff + TEMPerr

(ERRORbuff는 항상 이전 6개의 TEMPerr을 포함한다).

ERRORavg = ERRORbuff/6

PID 수식의 비례변수와 적분변수를 계산한다. 상수는 열조정모드에 따라 DEFAULT나 WARM이 될 수 있다.

[수학식 9]

Pterm = PconstDEFAULT * TEMPerr

Iterm = IconstDEFAULT * ERRORavg

PIDout = Pterm + Iterm

경화모드에서는 :

[수학식 10]

TEMPerr = TEMPset - TEMPmeas

듀티 사이클의 계산

듀티사이클은 PID출력에 기초한다. 550ms 시간간격이 시작될 때, OFFcnts는 가열이 OFF 상태로 될 때까지의 11ms 증분의 갯수(가능한 50개 중)이다.

아래의 비례식을 보면:

[수학식 11]

OFFcnts/50 = PIDout/500

따라서,

[수학식 12]

듀티사이클 = OFFcnts/50 * 100%

500은 PIDout의 허용된 최대값이다. 이것은 500보다 크거나 같은 PID 출력치는 50개의 11ms 증분 또는 100% 듀티사이클과 동등하다는 것을 의미한다.

듀티사이클은 또한 오븐 가열기에 공급되는 교류 전위에 따라 약해진다(감소한다). 만일 교류전위가 120 VAC라면, 듀티사이클의 어떠한 출력의 약화도 필요없다. 그러나, 만일 교류전위가 240 VAC라면(전압이 두배가 되면 전력은 4배가 되므로 그 비율은 4/1이다), 오븐 가열기에 공급되는 출력(듀티사이클)이 4분의1로 약해질 필요가 있다.

따라서,

[수학식 13]

OFFcnts(약화된 후) = [x * (100 - ATTENconst)]/100

그리고,

[수학식 14]

듀티사이클 = OFFcnts(약화된 후)/50

요약하면,

매 550ms 간격마다, 오븐가열이 OFF 상태가 될 때까지의 11ms 간격(50개중에)의 수가 PID 출력값(약화도 가능)에 기초하여 계산된다. 오븐가열은 그후 ON 상태가 된다(만일 적어도 하나의 ON상태인 11ms 간격이 계산되었다면). 계산된 11ms간격의 숫자가 전해지면, 오븐 가열은 OFF상태가 되고, 그다음 550ms 간격이 시작되는 지점에서 사이클이 다시 반복될 때까지, OFF상태를 유지한다.

Claims (20)

1. 개인용 컴퓨터로 제어되는 안과용 렌즈를 제조하기 위한 렌즈 제조 시스템에 있어서,

   경화 챔버와, 렌즈 제조 시스템을 제어하기 위한 마이크로프로세서를 포함하고;

   상기 경화 챔버와 마이크로프로세서는 하나의 유니트 내에 일체로 수용되는 렌즈 제조 시스템.
2. 제1항에 있어서, 마이크로프로세서와 연결되어 작동되는 광학 스캐너를 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
3. 제1항에 있어서, 마이크로프로세서와 연결되어 작동되는 모뎀을 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 광학 스캐너는 바코드 스캐닝용 막대를 포함하는 렌즈 제조 시스템.
5. 제3항에 있어서, 경화 챔버 외부에 배치되고 경화 챔버와 열적으로 절연되는 하나 이상의 광원을 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 하나 이상의 광원을 조정하기 위한 전자 안정기를 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
7. 제6항에 있어서, 시스템에 필요한 모든 냉각을 실질적으로 제공하는 냉각팬을 가진 전원부를 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
8. 하나 이상의 광원과 하나 이상의 광원을 조정하기 위한 하나 이상의 전자 안정기를 포함하는 안과용 렌즈 제조를 위한 렌즈 제조 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 안정기를 제어하기 위한 전자 장치를 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 전자 장치는 전력 트랜지스터를 포함하는 렌즈 제조 시스템.
11. 경화 챔버와;

    하나의 유니트 안에 상기 경화 챔버와 일체로 수용되는 렌즈 제조 시스템을 제어하기 위한 마이크로프로세서와;

    시스템에 필요한 모든 냉각을 실질적으로 제공하는 냉각팬을 가진 마이크로프로세서 전원부를 포함하는 렌즈 제조 시스템.
12. 제11항에 있어서, 경화 챔버 외부에 배치되는 하나 이상의 광원과, 상기 유니트의 가장자리에 상기 냉각팬과 대향하여 위치한 다수의 루버를 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 다수의 루버에 대응하여 하나 이상의 광원 상으로 냉각 공기를 유도하기 위한 덕트 구조물을 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
14. 상단과 하단을 가지는 경화 챔버와;

    경화 챔버 내에 배치된 주형 트레이와;

    경화 챔버 뒤쪽으로 경화 챔버 상단에 상당히 인접하게 배치된 가열요소와;

    가열요소 바로 밑으로 경화 챔버 하단에 인접하게 배치된 오븐팬과;

    경화 챔버 내의 주형과 가열요소 사이에 배치되고, 가열요소로부터 나오는 뜨거운 공기 유동을 오븐팬으로 들어가는 복귀 공기 유동으로부터 분리하기 위한 분리 플리넘을 포함하는 안과용 렌즈 제조를 위한 렌즈 제조 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 경화 챔버는 그 폭이 상기 분리 플리넘의 폭보다는 실제로 큰 폭을 갖는 후벽을 가지는 렌즈 제조 시스템.
16. 제15항에 있어서, 상기 분리 플리넘의 폭은 상기 경화 챔버 후벽의 폭의 대략 55%인 렌즈 제조 시스템.
17. 안과용 렌즈 제조를 위한 개인용 컴퓨터 제어식 렌즈 제조 시스템에 있어서,

    경화 챔버와;

    경화 챔버에 열을 제공하는 장치와;

    경화 챔버에 빛을 제공하는 장치와;

    열 제공 장치 및 빛 제공 장치를 제어하기 위해 시스템 내에 일체화된 마이크로프로세서 장치를 포함하고,

    개인용 컴퓨터를 기초로 한 구조를 가지는 렌즈 제조 시스템.
18. 제17항에 있어서, 안과용 렌즈의 공정 변수로서 적합한 코드화된 정보를 광학적으로 스캐닝하기 위한 장치를 추가적으로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
19. 제18항에 있어서, 안과용 렌즈의 공정 변수를 저장하기 위한 장치를 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.
20. 제19항에 있어서, 렌즈 제조 시스템으로의 원격 접속을 위한 장치를 추가로 포함하는 렌즈 제조 시스템.