JP2006142521A - 射出成形方法と成形金型及び成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノオーダーレベルや微細な高アスペクト形状の転写により製造される形状精度に優れたプラスチック成形品を成形する。
【解決手段】溶融樹脂１２を高速充填中において、メルトフロントがスタンパ４の微細な凹凸パターン３を通過している間、常時、圧力センサ７の検出圧力が２ＭＰａ程度になるように可動駒６をアクチュエータ９により変速制御しながら可動させ、キャビティ２内に樹脂圧力を発生させ、溶融樹脂１２をスタンパ４の微細な凹凸パターン３のＶ溝内に瞬時に入り込ませて、溶融樹脂１２がスタンパ４に触れた瞬間に微細な凹凸パターン３を転写し、メルトフロントが進行して樹脂固化層１３が形成されても、樹脂固化層１３の表面にスタンパ４の凹凸パターン３を確実に転写する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、熱可塑性樹脂の成形品を射出成形するときの、樹脂充填時の転写を促進し、金型表面の微細な凹凸形状を成形品表面に高精度に転写する射出成形方法と成形金型及び成形品、特に回折光学素子（フレネルレンズ）や光ホログラムなどの光情報記録媒体、液晶パネルのバックライト用導光板及び光ディスク基板など樹脂により表面に微細な凹凸形状を有する成形品を高精度な成形に関するものである。

熱可塑性樹脂の射出成形においては、通常、樹脂を金型キャビティに充填するのに十分な流動性を持つ温度まで加熱、溶融して成形する。この溶融樹脂の流動性は、金型キャビティへの充填の容易さを決めるだけでなく、充填後に十分な圧力がキャビティ内の樹脂へ伝わるかどうかも左右するため、成形品に要求される金型表面の微細な凹凸の高精度な転写にも影響を与える。この流動性を表す一つの指標として溶融樹脂の粘度がある。

溶融樹脂の粘度を低く保つためには、例えば樹脂温度を高くする方法や金型温度をガラス転移温度（Ｔｇ）以上に高くする方法がある。しかし、樹脂温度を高くすると、樹脂そのものや添加剤の熱分解を引き起こし、成形品の強度低下や樹脂劣化物による異物の発生などの不具合がある。また、金型温度を高くすると、金型内の樹脂の冷却が遅くなり、成形サイクルが長くなる問題もある。

また、射出成形用金型は、通常、熱伝導性の良好な金属材料によって構成されている。このような金型を使用して射出成形する場合、キャビティ内に充填されつつある溶融樹脂は金型表面への放熱によって急速に冷却して表面に固化層が形成する。すなわち、充填工程では金型内における溶融樹脂の内圧が比較的低いため、溶融樹脂は型表面にあまり強く圧接されず型表面の微細な凹凸を高精度に転写しないまま充填が進行する。この状態で固化層が形成されると、充填完了時に所定の高圧が付加されたとしても、型表面の微細な凹凸は成形品に十分に転写されなくなってしまう。

このような問題を解消するため、特許文献１に示された射出成形方法は、樹脂が充填される金型のキャビティの体積を、射出成形機のノズルの先端から樹脂の射出が開始されてから樹脂が金型のキャビティ末端に達するまでの時間で除すことにより求められる充填速度が６５cm³/秒以上になるように充填速度を高く設定して冷却固化を減らし、高い転写性を得るようにしている。また、特許文献１に示された成形金型は、固定側の金型と可動側の金型を開いた状態で、金型の表面を高周波誘導コイルで均一に加熱した後、高周波誘導コイルを待避させて型締め動作を行うようにしている。

さらに、特許文献３に示された成形金型は、キャビティ型の表面に断熱層を形成し、充填された溶融樹脂の熱量によりキャビティ型表面を瞬時に昇温して、充填された樹脂を低粘度の状態を保ち、樹脂表面にキャビティ型表面を均一に、かつ忠実に転写するようにしている。この方法は、断熱による樹脂冷却速度の抑制と、樹脂の熱による金型温度の上昇を同時に実現でき、従来よりも低い金型温度による成形が可能であり、結果としてサイクルタイムを短くすることもできている。

また、特許文献４に示すように、特定量の二酸化炭素を溶融樹脂に溶解して溶融粘度を低下させて成形するようにしている。

熱可塑性樹脂は材料の温度を高くし、かつ、非ニュートン流体の特性を生かして高速射出等によりせん断発熱させることによって粘度を低下させるが、約100ポアズ程度が下限であり、金型への充填後、樹脂温度よりも100℃以上と低い温度で温度制御された金型に接することによる急激な表面の粘度上昇は前記方法等で一時的に抑制しても、樹脂そのものがもつ物性以上には変えられないため低粘度化に限界がある。

光ディスク基板などの成形品は、従来、射出圧縮成形法により製造されている。この射出圧縮成形法は、大別して２種類ある。

第１の方法は、特許文献５に示されているように、金型接合面が一定量だけ開くように樹脂の射出圧力よりも金型の型締め力を下げて樹脂を充填し、キャビティ内に溶融樹脂が充満するために射出圧力が増圧することに対応して型締め力を増圧し、金型接合面を所定内に保ち、その後、型締め力を上げてキャビティ内の樹脂に圧縮力を負荷してスタンパの微細凹凸構造を転写するようにしている。この方法は、いわゆるローリンクス法による射出圧縮であり、型の開閉を利用して成形する方法である。すなわち、成立条件としてＰＬ面（金型接合面）が型開する「樹脂圧力＞型締め力」の関係が必要である。この射出圧縮成形法は、通常の射出成形のように、スプルー及びランナー部を介して金型キャビティ内の樹脂に圧力を付加するよりも、面内圧力分布を小さくできるため、残留応力分布（複屈折分布）を小さくできる。しかしながら前述したように金型による樹脂冷却により樹脂固化層が形成されているため、型表面の微細な凹凸は成形品に十分に転写されなくなってしまう。

第２の方法は、特許文献６に示すように、樹脂の充填圧力で開かないように高圧で型締めされた金型のキャビティ内に、溶融された熱可塑性樹脂が、せん断発熱で分解されない程度の高速で充填された後、射出圧力を０ｋｇ／ｃｍ^２にし、金型のゲートがシールされてからコア圧縮を行う方法である。この方法は、高速充填後にコア圧縮（圧縮駒による射出圧縮）する成形法であり、高速で充填するため、金型による樹脂冷却は少なくなるが、樹脂表面層において固化層が生成しており、圧縮による効果が十分に得られないという短所がある。

また、その他の転写阻害因子としては、微細な凹凸の内部に樹脂が充填されたときの残留ガスや表面張力（ぬれ性）、あるいは樹脂と金型表面の摩擦等による影響があるものと考えられる。残留ガスに対しては、特許文献７に記載されるように、キャビティ及びキャビティへの樹脂充填箇所を含む成形空間を密閉し、成形空間内を真空排気する方法などがある。

前記した方法を組み合わせることにより、表面の微細な凹凸を転写することが試みられ、例えば、光ディスク基板のパターンレベルであるアスペクト比が「１」程度以下のサブミクロンオーダーの転写では十分であるが、ナノオーダーレベルや微細な高アスペクト形状の転写では限界がある。例えば、ＤＶＤのような薄肉円板状ディスクの成形には、表面に情報データが微細な凹凸で形成され、金型内に収納される薄板であるスタンパに形成された微細な凹凸に対する高精度な転写性が要求される。金型キャビティに充填される樹脂は、充填によって金型キャビティ面に接触するが、理想的には金型キャビティ面に充填樹脂が接触し冷却して表面に薄い膜が表面に発生するのとほぼ同時に転写が完了している状態が望ましい。換言すれば、ゲートからキャビティ内に充填された樹脂が転写するべき微細な凹凸パターンに触れた瞬間に樹脂圧力を発生させることができれば、金型による樹脂冷却を防止でき、低粘度な樹脂表面がスタンパの微細な凹凸に密に接触して微細な凹凸を高精度に転写することが可能となる。

このような理由から、微細な凹凸に対する高精度な転写を実現するには、できるだけ低粘度な樹脂に圧力を付与することが効果的である。しかしながら従来の射出成形においては、例えば図２４に示すように、キャビティ２内を流動中の樹脂１２のフローフロント先端は自由面であり、いくら圧力を付与しようとしても、樹脂は微細な凹凸への充填（転写）よりも容易なフローフロント先端へ流れやすく、樹脂１２がスタンパ４に接すると同時に転写を完遂することはできない。換言すれば、キャビティ２内を流動する樹脂先端（以下、メルトフロントという）の進行方向と微細な凹凸３への充填方向の圧力バランスにより転写性が決まると考えられる。

この圧力バランスを変えるために、特許文献９に示すように、キャビティの内圧を大気圧よりも大きくした状態でキャビティに成形材料を導入する方法がある。しかしながらこの方法は、スタンパの微細な凹凸の内部に樹脂が充填される際にガスが残留する不具合がある。
特開平１１−２１６７５３号公報 特開２００２−１８７１８１号公報 特許第３３６６７３９号公報 特許第３２１８３９７号公報 特開平９−１０９２１１号公報 特開２００１−９８８３号公報 特開２００２−６７０７３号公報 特開平８−２８１６９２号公報

この発明は、前記不具合を解消し、ナノオーダーレベルや微細な高アスペクト形状の転写により製造される形状精度に優れたプラスチック成形品を成形することができる射出成形方法と成形金型及び成形品を提供することを目的とするものである。

この発明の射出成形方法は、少なくとも一つ以上の面に微細な凹凸パターンを有する成形金型を用いて成形品を射出成形により製造する射出成形方法において、前記成形金型のキャビティ内を流動中の樹脂先端の流動を抑制して流動中の樹脂が微細な凹凸パターン通過時における樹脂圧力を高めることを特徴とする。

前記樹脂先端の流動を、樹脂流動方向と同一方向に可動する可動部材により抑制したり、樹脂先端の流動抵抗を高めて抑制すると良い。

また、前記樹脂先端の流動を、樹脂の流動にしたがってキャビティ厚さを可変して抑制したり、高粘性流体の流体圧により抑制しても良い。

この発明の成形金型は、少なくとも一つ以上の面に微細な凹凸パターンを有し、成形品を射出成形により製造する成形金型において、キャビティ内を流動中の樹脂先端の流動を抑制して流動中の樹脂が微細な凹凸パターン通過時における樹脂圧力を高める流動抑制手段を有することを特徴とする。

前記流動抑制手段は、樹脂流動方向と同一方向に可動する可動部材により抑制すると良い。また、可動部材の背面に設けた弾性部材の弾性力により樹脂流動を抑制すると良い。

また、前記流動抑制手段は、樹脂の流動方向に弾性変形するシール部材を有しても良い。

さらに、前記流動抑制手段は、樹脂の流動にしたがってキャビティ厚さを可変しても良い。

また、前記流動抑制手段は、キャビティの樹脂流動方向の末端に断面積の小さな連絡路を介して連結された流体貯留部とあらかじめキャビティに封入された高粘性流体とを有し、キャビティに充填された樹脂により高粘性流体が連結路を通って流体貯溜部に流入するときの流体抵抗により樹脂の流動を抑制しても良い。

この発明の成形品は、前記成形金型により成形され、微細な凹凸パターンを高精度に転写されたことを特徴とする。

この発明は、少なくとも一つ以上の面に微細な凹凸パターンを有する成形金型を用いて成形品を射出成形するとき、成形金型のキャビティ内を流動中の樹脂先端の流動を抑制して流動中の樹脂が微細な凹凸パターン通過時における樹脂圧力を高め、溶融樹脂がキャビティのスタンパに触れた瞬間に微細な凹凸パターンを転写することにより、微細な凹凸パターンを高精度に転写することができ、形状精度に優れた成形品を成形することができる。

図１は、この発明の射出成形金型におけるキャビティ周辺の断面概略図である。成形金型１のキャビティ２は、微細な凹凸パターン３が形成されたスタンパ４と、スタンパ４の対向面を形成するキャビティ入れ子５と、溶融樹脂がスタンパ４の微細な凹凸パターン３を通過する時に、流動する樹脂先端（以下、メルトフロントという）の流動を防止し、流動に伴ってメルトフロントの流動方向と同一方向に可動するキャビティ２の末端に備えられた可動駒６で構成し、キャビティ２及びキャビティ２への樹脂充填箇所を含む成形空間を密閉するため、シール部材例えばＯリングをＰＬ面に備えている。可動駒６にはキャビティ２内の樹脂圧力を検出するための圧力センサ７とキャビティ２内を脱気するためのガスベント８を有し、背面はアクチュエータ９に取り付けられている。圧力センサ７とアクチュエータ９は制御装置に連結され、ガスベント８はバルブを介して真空ポンプに連結されている。また、成形金型１には、キャビティ２周辺を加熱するために、温度制御装置に連結されたカートリッジヒーターと熱電対を有する。

この成形金型１は、例えば図２（ａ）の平面図と（ｂ）の側面図及び（ｃ）の部分拡大図に示す液晶パネルのバックライトモジュール等に用いられる導光板１０を形成するものである。この導光板１０は熱可塑性非晶性樹脂であるＰＭＭＡ樹脂（光ディスクグレード）、例えば三菱レイヨン社製のＭＦＲ（メルトマスフローレート）が２１ｇ／１０min（２３０℃、３７.３Ｎ）；試験方法ＡＳＴＭ Ｄ１２３８で、ＨＤＴ（熱変形温度）が９０℃（１.８２ＭＰａ）；試験方法ＡＳＴＭ Ｄ６４８の商品名アクリペットで形成され、上面に例えばＶ溝ピッチ１μｍで深さ0.5μｍの微細な凹凸パターンの転写面１１を有し、この転写面１１をスタンパ３に形成された微細な凹凸パターンで転写する。

この導光板１０を成形金型１で成形するときの工程を図３の工程図を参照して説明する。成形金型１を射出成形機、例えばファナック社製の超高速射出成形機（SUPERSHOT100i)にセットし、成形金型１を使用樹脂材料のガラス転移温度直下の例えば９５℃になるようにカートリッジヒーターで加熱しておく。そしてガスベント８から真空ポンプによりキャビティ２内を脱気する。この状態で図３（ａ）に示すように、キャビティ２内に溶融樹脂１２を高速充填する。このとき成形金型１を使用樹脂材料のガラス転移温度以下である９５℃の温度に保持するように、カートリッジヒーターの温度を調節しておく。

この溶融樹脂１２を高速充填中において、メルトフロントがスタンパ４の微細な凹凸パターン３を通過している間、常時、キャビティ２内に樹脂圧力を発生させて、圧力センサ７の検出圧力が２ＭＰａ程度になるように可動駒６をアクチュエータ９により変速制御しながら可動させる。このようにメルトフロントの圧力を、常時、２ＭＰａ程度に保持することにより、キャビティ２内に高速充填されている溶融樹脂１２は、図３（ａ）に示すように、スタンパ４の微細な凹凸パターン３のＶ溝内に瞬時に入り込むことができ、溶融樹脂１２がスタンパ４に触れた瞬間に微細な凹凸パターン３を転写することができる。したがってメルトフロントが進行し、図３（ｂ）に示すように、樹脂固化層１３が形成されても、樹脂固化層１３の表面にスタンパ４の凹凸パターン３を確実に転写して導光板１０の転写面１１を高精度に形成することができる。キャビティ２内に溶融樹脂１２を充填した後、固化したプラスチック成形品を成形金型１から成形品取出装置を用いて取り出し、室温放冷して導光板１０を作製する。

このように可動駒６をアクチュエータ９により可動させる速度は、キャビティ２内のフローフロント速度及び設定・制御する圧力センサー７の値によるが、転写に必要なメルトフロントの樹脂圧力が確保される限りにおいては、できるだけ高速で可動させることが望ましい。すなわち、溶融樹脂１２はキャビティ２の壁に接した段階で冷却されるため、溶融樹脂１２の内部が冷却される前に、流動に伴って微細な凹凸パターン３の溝に随時転写していく必要がある。また、キャビティ２内を溶融樹脂１２充填前に脱気しておくことにより、残留ガスがなくなり、スタンパ４の微細な凹凸パターン３の末端まで溶融樹脂１２を充填（転写）することができる。

ここで、比較例１として、図４に示すように、可動駒６を可動させずに、キャビティ２の最終可動位置に固定したまま、同一条件で成形した場合を、比較例２として、図５に示すように、可動駒６を可動させずに、キャビティ２の最終可動位置に固定して射出圧縮成形を行った場合、具体的には、ＰＬ面が一定量だけ開くように溶融樹脂１２の射出圧力よりも金型の型締め力を下げて溶融樹脂１２を高速充填し、キャビティ２内に溶融樹脂１２が充満するために射出圧力が増圧することに対応して型締め力を増圧し、ＰＬ面を所定位置に保ち、その後、型締め力を上げてキャビティ２内の樹脂に圧縮力を負荷（コア圧縮）してスタンパ４の微細な凹凸パターン３を転写した。

この発明の成形方法と比較例１及び比較例２により成形された導光板１０の短手方向中央の形状を測定した結果を、導光板１０の長手方向（樹脂流動方向）の座標値Ｈに対する微細な凹凸パターン３の転写率Ｔの変化を図６に示す。図６においてＡはこの発明の成形方法で成形した導光板１０の転写率、Ｂは比較例１、Ｃは比較例２により形成した導光板１０の転写率を示す。図６に示すように、この発明の成形方法で成形した導光板１０は比較例１や比較例２と比べて導光板１０の長手方向に対して優れた形状精度を有している。すなわち、比較例１では、長手方向全体に渡って転写率が小さく、また、キャビティ３末端に向かうに従い、転写率が小さくなっている。この傾向は、成形条件における射出圧力及び保圧水準を変えても変わらなかった。すなわち、射出圧力及び保圧をいくら高く設定しても、射出成形により樹脂に圧力を付与する場合、キャビティ２内を流動中のメルトフロントは自由面であり、いくら圧力を付与しようとしても、溶融樹脂１２は微細な凹凸パターン３の溝への充填（転写）よりも容易なメルトフロントへ流れやすく、溶融樹脂１２が金型に接すると同時に転写を完遂することはできないと考えられる。また、比較例２では、長手方向全体の転写率分布は比較例１と比べて改善されているが、転写率はこの発明の成形方法と比べて小さい。すなわち比較例２では、比較例１のように、スプルー及びランナー部を介してキャビティ２内の溶融樹脂１２に圧力を付加するよりも、面内圧力分布を小さくできるため、転写率分布を小さくできる。しかし前述したように樹脂表層においては、金型による樹脂冷却により樹脂固化層が形成されているため、圧縮を行っても十分に転写されないと考えられる。

また、可動駒６のメルトフロントに接する面の形状を、図７の断面図に示すように、スタンパ４側に溶融樹脂１２が流れやすいようにテーパ形状にすることにより、スタンパ４の微細な凹凸パターン３方向に、より大きな樹脂圧力を発生させることができ、より高転写を得ることができる。

前記説明では樹脂圧力を一定に保つように、可動駒６を変速制御したが、転写に必要なメルトフロントの樹脂圧力が確保される限りにおいては、可動駒６を一定速度制御にしても良い。このように可動駒６を一定速度制御することにより、金型構造及び可動駒制御を簡素化することができる。

また、図８（ａ），（ｂ）に示すように、可動駒６の背面に、固定部材１４に固定されたばねやゴム等の弾性部材１５を設け、弾性部材１５の弾性力でメルトフロントの樹脂圧力を確保するようにしても良い。このように弾性部材１５でメルトフロントの樹脂圧力を確保することにより、可動駒６の制御装置を不要にすることができ、成形金型装置の構成を簡略化することができる。

前記説明では導光板１０を成形する成形金型１について説明したが、例えば、回折光学素子（フレネルレンズ）、マイクロレンズアレイ、光ホログラムなどの光情報記録媒体、光ディスク読み取り及び書き込み装置に用いられるピックアップレンズなど、成形品形状には依らず、メルトフロントに常時、樹脂圧力を発生させることで、高速充填中に溶融樹脂１２がスタンパ４の微細な凹凸からなるパターンに触れた瞬間に転写させることができるすべての成形品形状に適用することができる。また、微細な凹凸パターン３は両面にあっても、同様にして適用することができる。さらに、微細な凹凸パターン３は複数あっても良く、連続パターンであっても単独パターンであっても良い。また、高精度な形状精度を要求される転写形状に関しても平面、球面、非球面、自由曲面、あらゆる形状に適用される。また、使用樹脂材料によらず、すべての熱可塑性プラスチックに適用することができる。

例えば図９（ａ）の平面図と（ｂ）の側面図及び（ｃ）の部分拡大図に示す光ディスク基板１６を成形する成形金型１ａは、図１０に示すように、キャビティ２ａ内部に円筒状の弾性リング１７、例えば耐熱ゴム製のＯリング等を設けておけば良い。この場合、ゲート１８からキャビティ２ａに高速射出された溶融樹脂１２は弾性リング１７の弾性力によりメルトフロントの樹脂圧力が確保され、スタンパに形成された微細な凹凸パターンを高精度に転写することができる。

また、図１１（ａ）の斜視図と（ｂ）の部分拡大断面図に示すように、表面１９に微小な円錐構造２０が例えば周期250ｎｍで配列されている無反射板２１の微小な円錐構造２０のパターンも同様にして高精度に転写して成形することができる。

この無反射板２１は表面１９の円錐構造２０に光を入射すると、円錐構造２０により上部から下部に向かって屈折率の平均値が徐々に増加することを利用している。光の反射は屈折率に差のあるところで生じるが、徐々に平均屈折率が変化する構造を作ることにより反射が抑制される。また、反射抑制効果は広い波長帯域、入射角度に対しても有効である。

この無反射板２１を成形する成形金型１ｂは、図１２に示すように、円錐構造２０に相当する微細な凹凸パターン２２を有するスタンパ４ｂとスタンパ４ｂの対向面を形成するキャビティ入れ子５ｂと、キャビティ入れ子５ｂに備えられた複数の可動駒６ｂでキャビティ２ｂを構成している。複数の可動駒６ｂは、樹脂の流動方向に対して傾斜方向に配置され、樹脂充填に伴って上流側から順次可動するように制御装置に連結し、樹脂充填に伴って上流側から順次可動する。この成形金型１ｂを使用して無反射板２１を成形するとき、高速充填されている溶融樹脂１２のメルトフロントがスタンパ４ｂの微細な凹凸パターン２２を通過している間、上流側の可動駒６ｂで樹脂圧力を発生させ、溶融樹脂１２の流動に伴って可動駒６ｂを順次可動させ、流動中のメルトフロントに自由面を設けず、メルトフロントの樹脂圧力を高めるように成形する。このようにメルトフロントに、常時、樹脂圧力を発生させることにより、溶融樹脂１２がスタンパ４ｂの微細な凹凸パターン２２に触れた瞬間に円錐構造２０を転写させることができている。この場合、複数の可動駒６ｂを可動させる方法は、油圧シリンダ、空圧シリンダ、ボールネジ（ネジ送り機構）、アクチュエータなどのいずれを適用しても良い。

前記説明では可動駒６や弾性リング１７でキャビティ２内の溶融樹脂１２のメルトフロントに、常時、樹脂圧力を発生させる場合について説明したが、他の流体の流体圧によりメルトフロントに、常時、樹脂圧力を発生させるようにしても良い。

例えば図１３（ａ）の平面図と（ｂ）の断面図に示すように、上面に微細なブレーズド形状の凹凸パターン３ｃを有し、格子ピッチが徐々に微細になる回折光学素子であり、レーザープリンタ等の走査レンズとして用いられるフレネルレンズ２３を成形する成形金型１ｃのキャビティ２ｃは、微細な凹凸パターン３ｃに相当する微細な凹凸パターンを有するスタンパ４ｃと、スタンパ４ｃの対向面を形成するキャビティ入れ子５ｃで構成されている。このキャビティ２ｃは、ゲートと反対側には、キャビティ２ｃと略同等の体積で構成された流体貯留部２４が、樹脂流動直交方向のキャビティ断面積よりも小さく、スタンパ４ｃの微細な凹凸パターンの開口面積よりはるかに大きな断面積の連結路２５により連結されている。流体貯留部２４の末端位置にはアクチュエータに連結した可動部材２６を有し、連結路２５には開閉自在なシール機構２７を有する。また、キャビティ２ｃにはあらかじめ充填される溶融樹脂よりも高粘度なシリコーン誘導体やゲル上高分子等の高粘性流体２８をあらかじめ封入しておく。

この成形金型１ｃでフレネルレンズ２３を成形するとき、シール機構２７を開にした状態でシリンダ２９から溶融樹脂１２をキャビティ２ｃに高速充填する。キャビティ２ｃに溶融樹脂１２を充填すると、図１４（ｂ）に示すように、充填している溶融樹脂１２の充填圧力によりキャビティ２ｃに封入した高粘性流体２８が連結路２５を通って流体貯留部２４内に流入する。この高粘性流体２８が断面積の小さい連結路２５を通るときの流体抵抗により流動が抑制され、溶融樹脂１２のメルトフロントがスタンパ４ｃの微細な凹凸パターンを通過している間、高粘性流体２８が溶融樹脂１２のメルトフロントの流動を抑制、常時、メルトフロントに樹脂圧力が発生し、溶融樹脂１２がスタンパ４ｃの微細な凹凸パターンに触れた瞬間に、溶融樹脂１２に微細な凹凸パターンを転写することができる。

溶融樹脂１２をキャビティ２ｃに充填後、図１４（ｃ）に示すように、シール機構２７により連結路２４を閉にしてキャビティ２ｃと流体貯留部２４を分離し、キャビティ２ｃ内で固化した成形品を取り出す。その後、図１４（ｄ）に示すように、シール機構２４を開にしてアクチュエータにより可動部材２６を可動させて、流体貯留部２４に流入された高粘性流体２８をキャビティ２ｃに戻し、再び成形サイクルを繰り返す。

このように高粘性流体２８が連結路２４を通るときの流体抵抗を利用して溶融樹脂１２のメルトフロントがスタンパ４ｃの微細な凹凸パターンを通過している間、常時、メルトフロントに樹脂圧力を発生させるようにしたから、溶融樹脂１２がスタンパ４ｃの微細な凹凸パターンに触れた瞬間に、溶融樹脂１２に微細な凹凸パターンを忠実に転写することができ、良質なフレネルレンズ２３を成形することができる。

また、図１５に示すように、流体貯留部２４の代わりにキャビティ２ｃを、連結路４を介して直列に連結し、一方のキャビティ２ｃに高粘性流体２８を封入しておき、高粘性流体２８を封入したキャビティ２ｃに溶融樹脂１２を高速充填して他方のキャビティ２ｃに高粘性流体２８を送り込むことを繰り返すことにより、フレネルレンズ２３を連続的に成形することができる。

このように高粘性流体２８を利用する場合、あらかじめ封入しておく高粘性流体２８としては、充填される溶融樹脂１２よりも高粘度な材料であり、スタンパ４ｃの微細な凹凸パターンに流入して残留しないように、ぬれ性の低い材料であることが望ましい。ここで、ぬれ性を決めるのは、ぬれの起きる前後の表面エネルギの差であり、ぬれ性の程度としては、例えば、液滴が固体であるスタンパ４ｃ面上に落ちてレンズ状になる「付着ぬれ」程度であることが望ましく、「付着ぬれ」程度の接触角が大きい材料であれば、使用樹脂材料が流動中、カウンタープレッシャー相当の圧力を付与しても流入を防ぐことができる。逆に、液滴がスタンパ４ｃ面上を広がる「拡張ぬれ」のような材料では残留する可能性がある。

また、高粘性流体２８の温度を制御することにより、スタンパ２ｃ表層からの放熱を防ぎ、且つ、スタンパ２ｃを表面加熱することも可能である。

また、図９に示す光ディスク基板１６の微小凹凸パターンも同様にして高粘性流体２８を利用して転写することができる。例えば図１６の（ａ）の平面図と（ｂ）の側面断面図に示すように、光ディスク基板１６を成形する成形金型１ｄのキャビティ２ｄの外周部に流体貯留部２４が、樹脂流動直交方向のキャビティ断面積よりも小さな断面積の連結路２５により連結されている。

この成形金型１ｄで光ディスク基板１６を成形するとき、まず、図１６（Ｂ）に示すように、ゲート１８からキャビティ２ｄに高粘性流体２８を溶融状態で充填し、次に光ディスク基板１６を形成する溶融樹脂１２をキャビティ２ｄに充填する。キャビティ２ｄに溶融樹脂１２を充填すると、図１６（Ｃ）に示すように、充填している溶融樹脂１２の充填圧力によりキャビティ２ｄに充填した高粘性流体２８が連結路２５を通って流体貯留部２４内に流入し、断面積の小さい連結路２５を通るときの流体抵抗により流動が抑制され、溶融樹脂１２のメルトフロントがスタンパの微細な凹凸パターンを通過している間、高粘性流体２８が溶融樹脂１２のメルトフロントの流動を抑制し、常時、メルトフロントに樹脂圧力が発生して溶融樹脂１２がスタンパの微細な凹凸パターンに触れた瞬間に溶融樹脂１２に微細な凹凸パターンを転写することができる。

前記各説明ではキャビティ２に溶融樹脂１２を高速充填しているときに、キャビティ２内を流動する溶融樹脂１２のメルトフロントに直接圧力を加えてメルトフロントの流動を抑制する場合について説明したが、溶融樹脂１２のメルトフロントの流体抵抗を高めてメルトフロントの流動を抑制しても良い。

例えば導光板１０を成形する成形金型１ｅは、図１７に示すように、微細な凹凸パターン３が形成されたスタンパ４ｅは複数に分割され、分割された各スタンパ片４ｉ〜４ｍの背面には、それぞれ制御装置に連結されたアクチュエータ２９ｉ〜２９ｍを有する。スタンパ４ｅの対向面を形成するキャビティ入れ子５の各スタンパ片４ｉ〜４ｍと対向する位置には制御装置のアンプに接続された圧力センサ３０ｉ〜３０ｍを有し、キャビティ２の溶融樹脂流動方向の先端部には、キャビティ２内を脱気するためのガスベント８を有する。スタンパ４ｅとキャビティ入れ子５で形成するキャビティ２の初期厚さは、溶融樹脂１２のメルトフロントが通過するときの抵抗が大きくなるように導光板１０の厚さよりはるかに小さく設定されている。

この成形金型１ｅを使用して導光板１０を成形するときは、成形金型１ｅを使用樹脂材料のガラス転移温度直下の温度になるようにカートリッジヒーターで加熱し、ガスベント８から２真空ポンプによりキャビティ２内を脱気した状態で、図１８（ａ）に示すように、キャビティ２内に溶融樹脂１２を高速充填する。この高速充填中に、溶融樹脂１２のメルトフロントが、例えばスタンパ片４ｉの微細な凹凸パターン３に接触する。このときキャビティ２の初期厚さが導光板１０の厚さよりはるかに小さく設定されているため、溶融樹脂１２のメルトフロントの流体抵抗は大きくなってメルトフロントの流動を抑制し、溶融樹脂１２の樹脂圧力は大きくなる。この樹脂圧力をスタンパ片４ｉと対向するキャビティ入れ子５に設けた圧力センサ３０ｉで検出し、検出した圧力が一定値例えば２ＭＰａを超えたときに、アクチュエータ２９ｉによりスタンパ片４ｉを樹脂流動方向とは垂直方向に移動して、キャビティ入れ子５とスタンパ片４ｉの間隔を導光板１０の厚さに応じた厚さにする。この動作を溶融樹脂１２のメルトフロントの流動に伴い、図１８（ｂ）に示すように、各スタンパ片４ｊ，４ｋと順次行い、図１８（ｃ）に示すように、キャビティ２の末端であるスタンパ片４ｍまで繰り返す。

このように圧力センサ３０ｉ〜３０ｍの検出圧力が例えば２ＭＰａを超えるまでキャビティ入れ子５とスタンパ片４ｉ〜４ｍの間隔を小さく保持するから、溶融樹脂１２がスタンパ片４ｉ〜４ｍの微細な凹凸パターン３に触れる瞬間の樹脂圧力を大きくすることができ、溶融樹脂１２に微細な凹凸パターン３を忠実に転写することができる。

キャビティ２に高速充填された溶融樹脂１２はキャビティ壁に接した段階で冷却されるため、樹脂内部が冷却される前に流動に伴って微細な凹凸に逐次転写していく必要があり、スタンパ片４ｉ〜４ｍを可動させるタイミングは、キャビティ２内のメルトフロント速度及び設定・制御する圧力によるが、転写に必要なメルトフロントの樹脂圧力が確保される限りにおいては、できるだけ樹脂が低粘度なうちに可動させることが望ましい。

ここで比較のために、図１９に示すように、スタンパ片４ｉ〜４ｍを最終可動位置に固定したまま、同一条件で成形し、成形した導光板１０の長手方向（樹脂流動方向）の座標値に対する微細な凹凸パターン３の転写率の変化を図２０に示す。図２０においてＡはスタンパ片４ｉ〜４ｍを可動した場合、Ｂはスタンパ片４ｉ〜４ｍを最終可動位置に固定した場合を示す。図２０に示すように、スタンパ片４ｉ〜４ｍを可動した場合は優れた形状精度を有していることが確認できた。また、図２１の長手方向の座標値に対する樹脂圧力の変化特性図に示すように、キャビティ２の初期厚さを小さくすることにより、メルトフロントのみ圧力勾配を大きくとることができ、流動中に転写を完遂することができる。さらに、メルトフロント通過後のキャビティ厚さを大きくすることにより、ゲートからメルトフロント全体の圧力勾配を小さく抑えることができ、メルトフロントへ効率良く圧力を伝播することができる。

なお、スタンパ片４ｉ〜４ｍを最終可動位置に固定した場合は、長手方向全体に渡って転写率が小さく、キャビティ末端に向かうに従い転写率が小さくなっている。この傾向は、成形条件における射出圧力及び保圧水準を変えても変わらなかった。すなわち、射出圧力及び保圧をいくら高く設定しても、射出成形により樹脂に圧力を付与する場合、スプルー及びランナー部を介して、金型キャビティ内の樹脂に圧力を付加するため、いくら圧力を付与しようとしても、樹脂が金型に接すると同時に転写を完遂することはできないと考えられる。

前記説明ではスタンパ４ｅを複数のスタンパ片４ｉ〜４ｍに分離して各スタンパ片４ｉ〜４ｍを順次移動してキャビティ２の厚さを可変した場合について説明したが、図２２に示すように、キャビティ入れ子５を複数に分離して、溶融樹脂１２の流動方向に沿って順次キャビティ２の厚さを変えるようにしても良い。

また、前記説明では導光板１０を成形する場合について示したが、光ディスク基板や回折光学素子（フレネルレンズ）、マイクロレンズアレイ、光ホログラムなどの光情報記録媒体、光ディスク読み取り及び書き込み装置に用いられるピックアップレンズなども同様にして成形することができる。

例えば図９に示す光ディスク基板１６を成形する場合、図２２に示すように成形金型１ｆの微細な凹凸パターンが形成されたスタンパ４ｆの対向面を形成してキャビティ２を構成するキャビティ入れ子５を、溶融樹脂１２の流動方向とは垂直な方向に可動する複数の可動入れ子５ａ〜５ｇで構成し、キャビティ２の初期厚さを光ディスク基板１６の厚さより小さくしておく。そしてゲート１８から溶融樹脂を高速充填しているとき、溶融樹脂１２のメルトフロントの流動を抑制して溶融樹脂１２の樹脂圧力は大きくしながら、可動入れ子５ａ〜５ｇを順次移動してキャビティ２の厚さを可変し、光ディスク基板１６を成形する。

このようにしてキャビティ２の初期厚さを光ディスク基板１６の厚さより小さい状態で、溶融樹脂１２を射出することにより、微細な凹凸からなるパターンに触れる瞬間の樹脂圧力を大きくし、溶融樹脂１２がスタンパ４ｆの微細な凹凸からなるパターンに触れた瞬間に樹脂に凹凸パターンを転写させることができ、高精度な光ディスク基板１６を作製することができる。

この発明における第１の成形金型キャビティ周辺の構成を示す断面概略図である。 導光板の構成図である。 第１の成形金型による成形工程を示す工程図である。 比較例１の構成図である。 比較例２の成形工程を示す工程図である。 樹脂流動方向に対する転写率の変化特性図である。 第２の成形金型の構成を示す断面図である。 第３の成形金型の構成を示す断面図である。 光ディスク基板の構成図である。 第４の成形金型の構成図である。 無反射板の構成図である。 第５の成形金型の構成図である。 フレネルレンズの構成図である。 第６の成形金型の構成図である。 第７の成形金型の構成図である。 第８の成形金型の構成図である。 第９の成形金型の構成図である。 第９の成形金型による成形工程を示す工程図である。 比較例の成形金型の構成図である。 樹脂流動方向に対する転写率の他の変化特性図である。 樹脂流動方向に対する樹脂圧力の変化特性図である。 第１０の成形金型の構成図である。 第１０の成形金型の構成図である。 従来例の樹脂流動状態を示す断面図である。

符号の説明

１；成形金型、２；キャビティ、３；微細な凹凸パターン、４；スタンパ、
５；キャビティ入れ子、６；可動駒、７；圧力センサ、８；ガスベント、
９；アクチュエータ、１０；導光板、１１；転写面、１２；溶融樹脂、
１３；樹脂固化層、１４；固定部材、１５；弾性部材、１６；光ディスク基板、
１７；弾性リング、１８；ゲート、２１；無反射板、２２；凹凸パターン、
２３；フレネルレンズ、２４；流体貯留部、２５；連結路、２６；可動部材、
２７；シール機構、２８；高粘性流体、２９；アクチュエータ、
３０；圧力センサ。

Claims (12)

1. 少なくとも一つ以上の面に微細な凹凸パターンを有する成形金型を用いて成形品を射出成形により製造する射出成形方法において、
   前記成形金型のキャビティ内を流動中の樹脂先端の流動を抑制して、流動中の樹脂が微細な凹凸パターン通過時における樹脂圧力を高めることを特徴とする成形品の射出成形方法。
2. 前記樹脂先端の流動を、樹脂流動方向と同一方向に可動する可動部材により抑制する請求項１記載の成形品の射出成形方法。
3. 前記樹脂先端の流動を、樹脂先端の流動抵抗を高めて抑制する請求項１記載の成形品の射出成形方法。
4. 前記樹脂先端の流動を、樹脂の流動にしたがってキャビティ厚さを可変して抑制する請求項１記載の成形品の射出成形方法。
5. 前記樹脂先端の流動を、高粘性流体の流体圧により抑制する請求項１記載の成形品の射出成形方法。
6. 少なくとも一つ以上の面に微細な凹凸パターンを有し、成形品を射出成形により製造する成形金型において、
   キャビティ内を流動中の樹脂先端の流動を抑制して流動中の樹脂が微細な凹凸パターン通過時における樹脂圧力を高める流動抑制手段を有することを特徴とする成形金型。
7. 前記流動抑制手段は、樹脂流動方向と同一方向に可動する可動部材により抑制する請求項６記載の成形金型。
8. 前記可動部材は、背面に設けた弾性部材の弾性力により樹脂流動を抑制する請求項７記載の成形金型。
9. 前記流動抑制手段は、樹脂の流動方向に弾性変形するシール部材を有する請求項６記載の成形金型。
10. 前記流動抑制手段は、樹脂の流動にしたがってキャビティ厚さを可変する請求項６記載の成形金型。
11. 前記流動抑制手段は、キャビティの樹脂流動方向の末端に断面積の小さな連絡路を介して連結された流体貯留部とあらかじめキャビティに封入された高粘性流体とを有し、キャビティに充填された樹脂により高粘性流体が連結路を通って流体貯溜部に流入するときの流体抵抗により樹脂の流動を抑制する請求項６記載の成形金型。
12. 請求項６乃至１１のいずれかに記載の成形金型により成形されたことを特徴とする成形品。
    
    

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