JP2007261197A - 射出成形用金型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面に高アスペクト比の微細な凹凸構造を持った樹脂製マイクロ部品をＭ射出成形によって成形するには、微細な構造であるため成形品Ｍへの正確な転写ができない問題があった。また、高速高圧の樹脂注入は、微細構造に変形をきたし、離型後の成形品の欠損を招いていた。
【解決手段】 射出成形用金型装置の可動側及び固定側のキャビティ金型を板状の入子（１ｆ．１ｍ）で構成し、該板状の入子の反キャビティ面側である背面に直接熱を伝導させるための冷却手段（５）と加熱手段（３）とを背面方向に沿って区域分けして配置する。冷却手段（５）は入子（１）の背面の中央部付近に、加熱手段（３）をその周辺部に熱絶縁（４）して配置している。さらに、冷却手段（５）と加熱手段（３）と入子（１）とを含む全体を断熱材（９）で包囲して、全体としても断熱シールドしている。
【選択図】 図２

Description

本願発明は、溶融樹脂を金型内に射出して樹脂成形品を得る射出成形用金型装置に関し、特に、表面に高アスペクト比の微細構造を持った樹脂製マイクロ部品の射出成形用金型装置に関する。

マイクロ化学チップやマイクロ分析チップ、液晶ディスプレイのバックライト内の導光板、コンパクトディスク基板等は、表面に数百マイクロメートル（μｍ）から数十ナノメートル（ｎｍ）単位の微細な凹凸構造をもった樹脂製品であり、その製造は、主に、溶融樹脂を金型内に注入して成形品を得る射出成形法により行われている。

例えば、コンパクトディスクの成形においては、その基板の表面の凹凸構造が幅０．５μｍ程度で深さ０．１μｍ程度と比較的浅いため、金型表面温度の適正化を図りながら、射出直後に金型内の入子を移動させるなどして、キャビティ内圧力を高め、これによって金型表面構造を樹脂成形品に転写して製造する射出圧縮成形法などが用いられている。

一方、金型温度を樹脂材料の軟化点以下の一定温度に制御して、幅と高さの比が０．５以上の高アスペクト比の微細凹凸構造を成形品に転写するには、金型内に注入された樹脂のスキン層が軟化点以下に冷却される前に、キャビティ内の樹脂の圧力をキャビティ面の微細構造を転写できる圧力まで上げる必要がある。そのため、材料の特性上許される範囲で樹脂温度を高くしてキャビティ内に高速で注入して、速やかにキャビティ内圧を上げる必要がある。しかし、アスペクト比の高い微細構造の場合には、微細な凹部の底面や隅角まで十分に樹脂を流入させることが困難であるため、正確に転写した微細形状の成形品ができないという問題があった。さらに、キャビティ内への溶融樹脂の高速かつ高圧注入は、キャビティ面に形成されたアスペクト比の高い微細構造に変形をきたし、離型時の離型抵抗の増加から成形品の一部を欠損させるなどの問題があった。

この問題を避けるため、金型温度を樹脂材料の軟化点以上の温度まで昇温させて置いて、キャビティ面の微細構造を変形させない程度の低い圧力で溶融樹脂を注入した後に、金型を樹脂の軟化点以下の温度まで降温して、成形品を取り出すヒートサイクル成形法が用いられている。

しかし、このヒートサイクル成形法には、昇温・降温に時間がかかり成形サイクルタイムが長くなる問題があり、その解決として種々の技術的構成が提案されている。

例えば、特開昭６３−１８２１１９号においては、金型入子（明細書では「インサート」）内部に電熱手段のカートリッジヒーターとエアー送風による冷却用通路を設けて、短時間で金型入子の表面を温度制御する技術が開示されている。

また、特開平０６−３２８５３８号においては、金型にキャビティ面を構成する入子を嵌装配置し、この入子の反キャビティ面側に冷媒液路を形成すると共にこの冷媒液路内に加熱ヒーターを配置する構成が開示されている。

さらに、特開平１１−３４８０４１号においては、金型内のキャビティ面に近い位置に小口径管路からなる回路Ａを形成すると共に、遠い位置に大口径管路からなる冷却用回路Ｂを形成して常時冷却水を流して置き、金型の昇温が必要な時（溶融樹脂の充填時）にのみ、所定時間だけ上記回路Ａに水蒸気を通気させて加熱することによって、金型の昇温と冷却とを繰り返す方式の技術が開示されている。
特開昭６３−１８２１１９号 特開平０６−３２８５３８号 特開平１１−３４８０４１号

しかし、上記した特開昭６３−１８２１１９（特許文献１）の開示技術は、金型のキャビティ部を構成する入子（明細書では「インサート」）に加熱用電熱ヒーターと冷却媒体（エアー）用通路をそれぞれ別に設ける構成を採ってはいるが、入子の全体領域において加熱と冷却を繰り返しているためにエネルギー効率が悪くなる欠点があった。さらに、入子の周囲との熱流により、キャビティ周囲の金型部材をも不要な加熱と冷却とを繰り返すことになるため、熱容量が大きくなって、効率的なサイクルタイムの短縮が図れていない問題がある。加えて、入子内部に加熱手段や冷却回路を形成するものであるため、入子自体のコスト高をも招き、種々仕様の成形品に迅速に対応させることができないという問題も有している。

また、特開平０６−３２８５３８（特許文献２）の開示技術では、キャビティを入子で構成し、この入子を直接加熱冷却する方式で少ない熱容量で効率的な処理を主眼としているが、冷却と加熱との熱分布領域が同一であるため、成形サイクルタイム毎に加熱と冷却を繰り返す行程の場合にはやはりエネルギー効率に問題があった。

さらにまた、特開平１１−３４８０４１（特許文献３）の開示技術は、加熱用回路Ａをキャビティ面から近い位置に、冷却用回路Ｂをそれより遠い位置に配設する構成を採っているが、キャビティ付近以外の金型内流路とその周囲の金型部材、及び金型外の流路においては同じように同一領域を加熱・冷却することになり、やはりエネルギー効率が悪いという問題があった。

また、この技術的手法をマイクロメーター単位の微細な凹凸構造を転写するための金型に適用すると、冷却用回路と加熱用回路が接近して回路間の温度勾配が大きくなってしまうことに加えて、相対的に加熱用回路の管路径が小さくなって十分な熱量が得られず、必要な熱量を迅速に供給できない問題がある。さらに、熱媒体として水や水蒸気を用いているため、小さい領域における管路の気密性の確保と熱手段の配置、さらにはこれらの保守管理に慎重さが要求されている。そのための製造及び保守に高コストを要し実際上は実現性に乏しいものであった。

そこで、上述した種々課題を解決するため、本発明の射出成形金型は次のような新規な技術的思想を提案するものである。

本発明の技術的思想において必須な構成要件は、溶融樹脂を金型内に射出して成形品を得る射出成形用金型装置において、キャビティ金型を入子で構成すると共に、該入子の反キャビティ面（以下「背面」と言う。）に直接伝熱させる冷却手段と加熱手段とをそれぞれ区域分けして配置したことを特徴としている。

この冷却手段と加熱手段とを区域分けした配置の好ましい構成としては、冷却手段を入子の背面の中心部付近に配置すると共に加熱手段を冷却手段の周辺部付近に配置することである。好ましくは、冷却手段と加熱手段との間には熱移動を阻止するように断熱材で熱絶縁する。

また、可動側及び固定側のそれぞれにおいて、入子、冷却手段、及び加熱手段を含む全体を断熱材で包囲して断熱シールドしたことを特徴としている。

上記冷却手段の構成については、種々の構成があるが、入子の背面へ流動性冷媒が直接接触して熱伝導させる構成とすることが好ましく、例えば、入子の背面側に開放した溝を入子の背面に密着させることにより流動性冷媒（例えば、ガスや液体）が流通する管路を形成する構成としてもよい。

次に、上記構成の固定側及び可動側の各入子、各冷却手段、及び各加熱手段は、固定側及び可動側の各入子の温度勾配が、パーティング面に対して対称となるように形成して配置することがより好ましい。また温度勾配が同じになるために、温度分布のほかに加熱と冷却の時間をも制御することが好ましい。

本発明は、上記構成により、次のような、顕著な効果を奏する。すなわち、射出成形が困難であった、外形寸法が３０ｍｍ×２０ｍｍ程度で厚さが１ｍｍ以下で、表面に数１００μｍ（マイクロメ−トル）から数１０ｎｍ（ナノメ−トル）で幅と高さの比が１対０．５から１対５のアスペクト比の高い微細な凹凸構造を持つ、例えばマイクロ化学チップやマイクロ分析チップなどの樹脂製マイクロ部品を安定して、かつ短い成形サイクルタイムで製造することができる。

また、加熱手段と冷却手段を別体とすると共に互いに独立した別回路で作動するように構成し、かつ互いに断熱絶縁して熱移動の防止を図っているため、無駄の無い効率良い加熱と冷却をレスポンス良く繰り返すことができる。またキャビティを構成する入子を板状に形成してその背面側に冷却手段を直接接触させているため効果的な伝熱を行うことができる。さらに、固定側・可動側を略同容量の入子のみで構成しているため、少ない熱容量で効率良く短時間で温度の昇降を繰り返すことができる。

また、冷却媒体に液体を用いる場合には、漏洩を考慮して金型内の流路の接続部に漏れ防止シールの必要があるが、好ましい例として気体を用いる場合は、その必要がなくより簡易な構造とすることができ、回路構成を小型化して熱容量を低減することができる。

さらにまた、入子及び加熱手段と冷却手段とを含めた全体を断熱シ−ルドして周囲の型板や受板などの金型構造部材への熱流出を防止しているため、効率的な入子の昇温と降温を行うことができる。

本願で提供する溶融樹脂を金型内に射出して成形品を得る射出成形用金型装置に関する発明を実施するための最良の形態は、可動側及び固定側のキャビティ金型を板状の入子で構成し、該板状の入子の反キャビティ面側である背面に直接熱を伝導させるための冷却手段と加熱手段とを背面に沿って区域分けして配置する。好ましくは冷却手段を入子の背面の中央部付近に配置し、加熱手段をその周辺部に配置することである。さらに、この冷却手段と加熱手段との間には、その手段間の熱移動を遮断するために少なくともいずれか一方の手段を断熱材で包囲するなどして熱絶縁する。

加えて、上記手段間の熱絶縁が施された冷却手段及び（又は）加熱手段と入子を含む全体を断熱材で包囲して、全体としても断熱シールドするようにしている。

以下に、本願発明の実施例について、図１、図２に実施例図に基づいて、詳細に説明する。図１は本発明に係る射出成形用金型装置を示す概略縦断面図であり、図２は本願発明の要部を拡大して示す概略縦断面図である。

図示する樹脂射出成形機の基本的構成は、次のとおりである。図面上において、上下端部にそれぞれ固定側取付板２０及び可動側取付板３０とが対向して配置され、該固定側取付板２０の下面側には固定側型板２１が取付られており、この固定側型板２１と接離してパーティング面を構成する可動側型板３１が配置される。可動側型板３１は下面側に受板３２が取り付けられ、この受板３２はスペーサーブロック３３によって一定の可動空間が確保されて可動側取付板３０によって支持されている。前記可動空間には上下２枚のエジェクタープレート３４、３４を支持台として型開き時の成形品の離型時に作動するエジェクターピン３５が立設配置されている。２２、３６はカートリッジヒーターであり固定側取付板３０、及び受板３２にそれぞれ適宜の位置に埋設状に配置している。これにより各型板２１，３１の温度を所定の温度に維持しており、同様に配置した温度センサ（例えば、熱電対）２３、３７、によって温度管理をしている。

以上の基本的な構成は、特に本願において発明した部分でなく従来装置と特に変わりがないため、これ以上の詳細な構成の説明については省略する。

本願発明の主眼は、固定側型板２０及び可動側型板３１の接離面（パーティング面）の間に配設したキャビティ部の構成にある。すなわち、成形品の表面に微細な凹凸面を転写するための金型に入子１を用い、かつ熱絶縁を施して入子１を小さい熱容量で温度の昇降を繰り返すように構成したものである。

本実施例は、入子１を厚さ３ｍｍの板状に形成しており、固定側入子１ｆの表面には幅１００μｍ深さ５０μｍの溝断面からなる流路構造（図示省略。）と、幅２０μｍ高さ４０μｍ長さ１００μｍの壁面構造を転写するための微細な凹凸構造（図示省略。）を形成しており、かつ可動側入子１ｍには２０ｍｍ×２０ｍｍ深さ０．４ｍｍの薄板状のマイクロ分析用のチップ外形形状を彫り込み形成している。また、固定側、可動側のそれぞれの入子１ｆ，１ｍの中心にはそれぞれに温度センサとしての熱電対２を埋設状に設置しており、ここからの温度情報を基に入子の温度を監視して昇温・降温の制御を行っている。

可動側、固定側の各入子１ｆ，１ｍの背面の中央部付近を除いた周辺部には、例えば、ベリリウム銅合金製のブロック内にカートリッジヒーターを配置した加熱手段３を接合しており、かつこの入子１と接する面以外の部分については、例えばジルコニアセラミックス製の断熱材４で包囲して、その周囲と共に後述の冷却手段５との断熱を図っている。これにより加熱手段３からの熱流が入子１以外の周辺部に流れることを防ぎ、少ない熱容量で迅速にかつ効率的な昇温を可能としている。

一方、可動側、固定側の各入子１ｆ，１ｍの背面（反キャビティ面側）の中央部付近には、断面が幅２ｍｍ深さ２ｍｍの溝条の回路から構成した冷却手段５を当接させて配設している。この溝条の回路に開口側を入子１の背面に当接密着させることによって管路６を形成している。この管路６は、流動性冷媒としての冷却ガスが流入路７から流入して流出路８から排出する回路構成をしている。このように入子１背面が管路６の一側面を担っているため、この背面に直接冷却ガスが触れることになるため効率的な除熱による入子１の降温を行うことができる。

また、加熱手段３を背面の縁部付近に、また冷却手段５を背面の中心部付近に配置することにより、熱の溜まりやすい中心部付近を効率良く除熱することによって、入子全体としては均一な温度分布の状態で降温することができることとなる。本実施例では冷却ガスに、空気、窒素、又はヘリウムを使用するが、ヘリウムを使った場合には、空気や窒素より降温時間を約３割短縮することができる。

さらに、入子１、加熱手段３、及び冷却手段５の全体を包囲するように例えばジルコニアセラミックス製等の断熱材９を配設して、昇温・降温を繰り返す部分をその周辺部から熱絶縁し、キャビティ部の昇温・降温を効率的に短時間で行えるようにしている。

固定側取付板２０と可動側型板３１に当接した受板３１にはそれぞれカートリッジヒーター２２，３６と熱電対２３，３７が設置されて、金型全体の温度を成形品取り出し温度より１０℃低い温度に設定している。これにより、金型全体の温度が安定して成形品Ｍや入子１にたわみやひずみを生じさせることなく、高精度な金型開閉を行うことができ、これにより表面に微細構造を転写成形した小片な樹脂製の成形品Ｍを損傷与えずに安定して離型することができた。

本実施例では、樹脂材料に軟化点温度が９４℃のＰＭＭＡ樹脂（旭化成ケミカルズ株式会社製ＤＥＬＰＥＴ ５６０Ｆ）を用い、前述の金型で、樹脂温度を２３０℃、金型温度を７０℃として、射出前に加熱手段３のカートリッジヒーター（電気ヒーター）２２，３６に通電して入子１を昇温し、可動側・固定側の入子１ｆ，１ｍの温度が１３０℃に到達した直後に樹脂をキャビティ内に射出する。射出と同時に加熱手段３である電気ヒーターの通電を止め、同時に冷却ガスの電磁バルブ（流路開閉弁）を開けて冷却ガスを流通させて入子１ｆ，１ｍを冷却する。入子温度を８０℃まで降温させた時点で金型（対面当接した入子）を開き、エジェクターピン３５により成形品Ｍを金型から突き出して脱型させる。かかる工程を繰り返すことにより、３０秒の成形サイクルタイムで安定してマイクロ分析用のチップ基板を成形することができた。

また、固定側・可動側のキャビティ近傍の温度制御をする部分の構造を、金型開き面（パーティング面）に対して対称となるように構成して、昇温・降温速度や温度勾配や温度分布がほぼ同じとなるように設定することで残留応力分布の差異による成形品Ｍの変形やひずみを抑えることができた。その結果、０．４ｍｍの薄板状のチップでありながらも、反りの無い転写精度の高い成形品Ｍを得ることができた。

本発明に係る射出成形用金型装置を示す概略縦断面図である。 本願発明の要部を拡大して示す概略縦断面図である。

符号の説明

１ｆ 固定側入子
１ｍ 可動側入子
２ 熱電対
３ 加熱手段
４ 断熱材
５ 冷却手段
６ 管路
７ 流入路
８ 流出路
９ 断熱材
２０ 固定側取付板
２１ 固定側型板
２２ カートリッジヒーター
２３ 熱電対
３０ 可動側取付板
３１ 可動側型板
３２ 受板
３３ スペーサーブロック
３４ エジェクタープレート
３５ エジェクターピン
３６ カートリッジヒーター
３７ 熱電対
Ｍ 成型品

Claims (6)

1. 溶融樹脂を金型内に射出して成形品を得る射出成形用金型装置において、キャビティ金型を入子で構成し、該入子の反キャビティ面に伝熱させる冷却手段と加熱手段とをそれぞれ区域分けして配置したことを特徴とする射出成形用金型装置。
2. 冷却手段と加熱手段の配置において、
   冷却手段を入子の反キャビティ面の中心部付近に配置すると共に加熱手段を冷却手段の周辺部付近に配置したことを特徴とする請求項１記載の射出成形用金型装置。
3. 冷却手段と加熱手段との間を熱絶縁したことを特徴とする請求項１、又は２記載の射出成形用金型装置。
4. 入子、冷却手段、及び加熱手段を含む全体を断熱シールドしたことを特徴とする請求項１、２、又は３記載の射出成形用金型装置。
5. 冷却手段の構成において、
   流動性冷媒が入子の反キャビティ面へ直接接触して熱伝導させる構成としたことを特徴とする請求項１、２、３、又は４記載の射出成形用金型装置。
6. 固定側及び可動側の各入子の温度勾配が、パーティング面に対して対称となるように、固定側及び可動側の各入子、各冷却手段、及び各加熱手段を形成して配置したことを特徴とする請求項１、２、３、４、又は５記載の射出成形用金型装置。
   

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