JP2009023101A

JP2009023101A - 成形金型及び成形方法

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Publication number: JP2009023101A
Application number: JP2007185440A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Yamada; 基弘山田; Osamu Masuda; 修増田; Hiroshi Miyakoshi; 博史宮越
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-07-17
Also published as: JP5339021B2

Abstract

【課題】簡単な構成で所望する微細形状を成形材に損傷無く形成でき、また金型の微細形状にも損傷を与えることのない成形金型及び成形方法を提供する。
【解決手段】成形材に押圧及び離型することによって成形材に形状を転写する微細形状を有する成形金型の、前記微細形状が加工された微細形状領域と該微細形状領域と接する前記微細形状が加工されていない未加工領域の境界線のうち、少なくとも前記微細形状領域が離型を開始する離型開始端面の形状を鋸歯状のぎざぎざの形状とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、成形金型及び成形方法に関し、特に高アスペクト比の微細形状を有する光学素子等を成形するのに好適な成形金型及び成形方法に関する。

近年、光学部品、情報記録媒体、バイオ製品関連等において、部材に微細な形状を形成することが求められてきている。

例えば、近年、急速に発展している光ピックアップ装置の分野では、極めて高精度な対物レンズなどの光学素子が用いられている。樹脂やガラスなどの素材を、成形金型（以下、金型とも略す）を用いてそのような光学素子に成形すると、均一な形状の製品を迅速に製造することができるため、かかる金型成形はそのような用途の光学素子の大量生産に適していると言える。

更に、近年の光ピックアップ装置は、より短波長の半導体レーザからの光束を用いて、ＨＤＤＶＤ（ＨｉｇｈＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎＤＶＤ）、ＢＤ（Ｂｌｕｅ−ｒａｙ−Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に対して高密度な情報の記録及び再生を行えるものが開発されており、その光学系の収差特性改善のため、微細構造である解析構造を光学面に設けることが行われている。また、そのような高密度な情報の記録及び、または再生を行える光ピックアップ装置であっても、従来から大量に供給されたＣＤ、ＤＶＤに対しても情報の記録及び再生を確保する必要があり、そのため波長選択制を備えた解析構造を設けることも行われている。また、ＤＶＤ、ＣＤなど互換可能に情報の記録及び再生を行える光ピックアップ装置において、光学系を共通化するために位相差を与える波長板が用いられるが、微細構造を有するものも開発されている。

上記のように部材に微細な形状を形成するため、例えば光学面に微細な形状を形成するため、微細な形状が形成された金型を樹脂、ガラス等の成形材に押圧、転写して、微細な形状を有する成形材を生産する技術が開発されてきている。

一般的に前記金型を用いての、樹脂、ガラス等の成形において、金型から成形材を剥がす離型の際の離型力が大きいと離型が困難になり、成形材及び金型に損傷を与えることがある。特に、前述のような微細な形状が形成された金型を用いて、微細な形状を樹脂、ガラス等に転写し成形する、所謂インプリント方法の成形では、前記離型力が大きいと、成形材に転写された微細な形状及び金型に形成された微細な形状に損傷を与え易くなる。

前記離型力を小さくするための対応として、金型の材料と化学的に反応する官能基を有するパーフルオロポリエーテルで被覆してなるインプリント用金型が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、微細パターンが形成された領域の外側に離型開始点を作るための離型形状を設けることが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

また、金型と成形材の離型に際し、金型と成形材を保持する保持部材とを軸で接続して相対的に回動可能とし、即ち前記金型と前記成形材が相対的に回動可能とし、軸から最も離れた点から前記金型と前記成形材の離型を開始することが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−２８３３５４号公報特開２００６−２４５０７２号公報特開２００７−４４９０５号公報

特許文献１は、離型剤を用い離型力の減少を図るものである。しかしながら、微細形状領域の離型開始点の離型力を小さくすることは困難である。

特許文献２は、本来のパターン転写に必要のない領域に離型開始点を作るための離型形状を設け、離型をスムーズに開始するものである。本来のパターン転写に必要のない領域の離型の開始はスムーズになるが、本来必要とするパターン領域の離型開始においては、離型力が増加し、スムーズさを維持することが困難である。また、本来の転写に必要のない領域に離型形状を設けるため、金型生産における歩留まりとスループットを低下させてしまう。

特許文献３は、離型に際し、軸から最も離れた金型と成形材の接触点の応力が高まり、ここから離型が開始される。これにより、離型をスムーズに行うものである。しかしながら、微細形状領域の離型開始において、離型力を小さくすることは困難である。

このように上記対応を行っても、微細形状の構造周期、即ち形状ピッチの微細化及び高アスペクト比化にともない離型力が上昇し、このため成形材の本来必要とする微細形状部分の損傷及び金型の損傷を生ずることがあった。

ここで、アスペクト比とは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように微細構造の凹部または凸部の幅をＡ、深さまたは高さをＢとした時に、Ｂ／Ａで現される値をいう。

本発明は上記状況に鑑みなされたもので、簡単な構成で所望する微細形状を成形材に損傷無く形成でき、また金型の微細形状にも損傷を与えることのない成形金型及び成形方法を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の構成及び方法により達成される。
１．成形材に押圧及び離型することによって成形材に形状を転写する微細形状を有する成形金型であって、前記微細形状が加工された微細形状領域と該微細形状領域と接する前記微細形状が加工されていない未加工領域を有し、前記微細形状領域と前記未加工領域との境界線は鋸歯状の形状であることを特徴とする成形金型。
２．前記鋸歯状の形状は、鋸歯状の一辺の長さが所定の長さの範囲であることを特徴とする１に記載の成形金型。
３．前記鋸歯状の形状は、鋸歯状の先端の角度が所定の角度の範囲であることを特徴とする１または２に記載の成形金型。
４．少なくとも、成形材と成形金型が離型する際に前記微細形状領域が離型を開始する離型開始端面が、鋸歯状の形状であることを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の成形金型。
５．成形材をガラス転移温度以上に加熱し、１乃至４の何れかに記載の金型を成形材に押圧及び離型することによって成形金型の微細形状を成形材に転写することを特徴とする成形方法。
６．前記成形材は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂或いはガラスであることを特徴とする５に記載の成形方法。
７．光硬化性樹脂を１乃至４の何れかに記載の成形金型に接触させて光を照射し、硬化させることにより、成形金型の微細形状を前記光硬化性樹脂に転写することを特徴とする成形方法。

上記のように、成形金型の微細形状領域と未加工領域の境界線を鋸歯状の、即ちぎざぎざの形状とすることにより、金型と成形材の離型に際し、前記ぎざぎざの頂点に応力が集中し前記頂点から離型が開始されるので、微細形状領域を小さな離型力で離型することが可能となる。これにより、成形材の損傷を減少させることができ、成形材の歩留まりを向上することができる。また、金型の損傷を減少させることができる。

また、金型の微細形状領域の全面に微細形状を形成するだけでよく、即ち微細形状領域外に離型形状等を形成する必要がないため、金型に形成された形状の管理が容易になる。

以下、図を参照しながら本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明が適用可能な成形装置１００の一例を示す概略部分図である。

図１において、フレーム（不図示）に固定されたベース１の上方に金型固定プレート２が相対移動可能に配置されている。ベース１及び金型固定プレート２は、金属、例えばＳＵＳ等で形成される。ベース１の上部には、シート状の樹脂、ガラス等の成形材Ｐが載置される。

中空である金型固定プレート２の内部には、電源ＥにスイッチＳＷを介して接続されたヒータ４が配置されている。又、金型固定プレート２の上部には、駆動部である油圧シリンダ６のピストン棒６ａが連結されている。ピストン棒６ａは、不図示の油圧源から油圧シリンダ６に加圧された作動油が供給されることにより図の下方に移動し、油圧源へと作動油が戻ることで図の上方へと移動するようになっている。ベース１の内部には、冷却用配管５が配置されている。冷却用配管５は、ベース１の代わりに、金型固定プレート２に設けても良い。

金型固定プレート２の下面には、金型３が取り付けられる。金型３の下面には、成形材Ｐに転写する微細な形状が形成されている。図２は、前記微細な形状の一例を示す模式図である。本実施の形態では、微細な形状として、複数の板状の構造物である型突起（壁ともいう）ＭＡを等ピッチΔで形成している。ピッチΔは１００〜４００ｎｍであり、型突起ＭＡの高さは、１０００〜２５００ｎｍであるが、本実施の形態に限定されるものではない。また、前記形状は直線状、輪帯状等があり、本実施の形態に限定されるものではない。金型３の微細な形状が形成された面、即ち転写面には離型材が塗布される。

次に、図１に示す成型装置１００を用いての成形工程について説明する。

成形材Ｐは、ベース１に載置される。スイッチＳＷを投入することで、電源Ｅから供給される電力により金型３の背面側に設けたヒータ４を加熱し、金型３の温度を上昇させる（図１（ａ））。この段階では、ベース１の冷却用配管５には、冷却水は注入されていない。

金型３の温度が設定温度に近づいたら、油圧シリンダ６を駆動して、金型３の微細形状を、成形材Ｐに接触させた後、押圧する（図１（ｂ））。これにより、金型３の微細形状が成形材Ｐに転写される。所定時間が経過した後に、冷却用配管５に冷却水を注入することで、金型３を急速に冷却し、同時にスイッチＳＷを遮断することで、ヒータ４の加熱を停止させる（図１（ｃ））。

更に、金型３の温度が所定温度まで低下したら、油圧シリンダ６を逆方向に駆動して金型固定プレート２を上昇させ、ベース１より離間させる（図１（ｄ））。この時、本実施の形態では、成形材Ｐは金型３に密着した状態で、金型３とともにベース１より離間する。金型３から成形材Ｐを剥がす、即ち離型については後述する。

次に金型３を冷却していた冷却水を排出する。以上が、金型３により成形材Ｐに微細形状を転写するための工程の１サイクルである。

次に、金型３からの成形材Ｐの離型について説明する。

前述の図１（ｄ）に示す、金型３の微細形状が転写された状態の成形材Ｐは、金型３から離型される。

図３は、離型機構の形態（第１の形態）の一例を示す概略図である。前記離型機構は、クランプ１１、離型力センサ１２、プランジャー１３を含み構成される。

図３に示すように、微細形状が転写され金型３に密着した状態の成形材Ｐは、一端側ＰＳをクランプ１１で保持され、プランジャー１３により矢印Ｙ１に引っ張られ、他端側ＰＥに向かって剥がされて金型３より離型する。クランプ１１とプランジャー１３との間には、離型力検出機構として離型力センサ１２を設けることができる。離型力センサ１２で離型力を検出し、離型の際の離型力、離型速度等の制御を行ってもよい。離型力センサ１２は、例えばロードセル等を用いることができる。

図４は、離型機構の別な形態（第２の形態）の一例を示す概略図である。図４に示す形態において、金型３の微細形状を成形材Ｐに転写する成形工程は、図１に示す形態での図１（ｃ）に示す工程までは同じである。即ち、図４（ｃ）に示す状態は、図１（ｃ）に示す状態と同じである。なお、図４では、図１（ａ）及び図１（ｂ）に相当する図は省略している。

図４に示す形態が図１に示す第１の形態と異なる点は、ベース１Ａの構成にある。図４に示すように、ベース１Ａは軸１Ｂを介してフレーム（不図示）に対して回動自在に支持される。軸１Ｂの中心線ＣＬは金型の押圧方向と直交する成形材Ｐの上面を含む平面に沿って（図４では紙面垂直方向に）延在させると好ましい。

図４に示す形態では、図４（ｃ）の工程の次に、図４（ｄ）に示すように、軸１Ｂ回りにベース１Ａを回動機構（不図示）により矢印Ｔ方向に回動させる。これにより、金型３と成形材Ｐとは、軸１Ｂから最も離れた点（図４では最も左側の位置）で応力が高まり、ここから離型が始まる。ベース１Ａの代わりに金型固定プレート２を回動させてもよい。また、両方を回動させてもよい。なお、成形材Ｐはベース１Ａに載置されるとともに固定される。固定の方法としては、例えば、両面粘着テープによる固定、真空吸着等を挙げることができる。

次に、本発明に係る微細形状領域と未加工領域との境界線の鋸歯状の形状を有する金型について説明する。

前述のように、微細形状の構造周期、即ち形状ピッチの微細化及び高アスペクト比化にともない離型力が上昇し、このため成形材の本来必要とする微細形状部分の損傷及び金型の損傷を生じやすくなる。そこで、金型３と成形材Ｐとの離型力を調査した結果、金型３と成形材Ｐが離型しはじめる瞬間の離型力が最も大きいことが明らかとなった。従って、小さな離型力、即ち成形材Ｐが金型３から剥がれる変位が小さい状態で微細形状領域の離型が開始できれば、微細形状部分の損傷及び金型の損傷を防止することが可能である。

そこで、本発明は、金型３の微細形状領域と未加工領域との境界線を鋸歯状のぎざぎざの形状とすることにより、微細形状境域の離型において、小さな力で離型が開始できるようにしたものである。

図６及び図７は、成形材Ｐと金型３の一例を示す図である。図１に示す金型３と成形材Ｐを、図６は側面から見た側面図で、図７は成形材Ｐ側から金型３方向に見た下面図であり、成形材Ｐに金型３が押圧された状態を表す。

金型３は微細形状が加工された微細形状領域３２と微細形状が加工されていない未加工領域３３とを有する。微細形状領域３２と未加工領域３３とは、境界線３１で分けられ、境界線３１は、鋸歯状のぎざぎざの形状で形成される。微細形状領域は３２は、境界線３１の内側であり、未加工領域３３は境界線３１の外側である。

微細形状領域３２は、鋸歯状のぎざぎざ形状から外れた有効内部３４（図７の二点鎖線内側）と、ぎざぎざ形状内の有効外部３５（図７の二点鎖線と境界線３１で囲まれた部分）とに分けられる。有効内部３４は、金型３の形状が成形材Ｐに転写され、成形材Ｐが離型された時に、成形材Ｐの有効となる部分、即ち成形品として用いられる部分であり、また有効外部３５は成形品として用いられない部分、即ちロスとなる部分である。従って、有効外部３５の面積は小さいことが好ましい。

金型３からの成形材Ｐの剥離は、ＰＳ側から開始され、ＰＥ側に向かって剥離される。

図１１は、金型３の微細形状領域３２と未加工領域３３との境界線３１を表す模式図である。図１１（ａ）は図７に示した実施例であり、図１１（ｂ）は前記境界線を比較例として円上に形成した例である。金型３の形状を成形材Ｐに転写した後、成形材Ｐは矢印Ｘａ方向に金型３から剥がされる。離型には、図３及び図４に示した離型機構を用いることができる。

図１２は、図１１に示す境界線の形状の場合の離型性をＦＥＭ（有限要素法）を用いてシミュレーションした結果を表す図である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示す境界線を有する金型３で成形材Ｐに転写を行い、それぞれに剥離時に成形材Ｐに一定の変位を与え、図１１（ａ）の鋸歯状の波形の頂点Ｐ１とそれに対応する図１１（ｂ）の一点Ｐ２の応力を解析したものである。この解析から、図１２に示すように、同じ変位を与えた時に鋸歯状のぎざぎざ形状の方が形状外周部における応力が大きくなり剥がれやすくなることがわかる。このことは、図１１（ａ）に示す形状の方が、図１１（ｂ）の示す形状よりも小さな力（変位）で離型が開始できることを示す。これにより、成形材Ｐの損傷を減少させることができ、成形材Ｐの歩留まりを向上することができる。また、金型３の損傷を減少させることができる。図１１（ｂ）に示す形状では離型に際し大きな力（変位）が必要となり、金型３の有効内部３４にスジ状のクラック等の損傷が発生しやすくなる。また、成形品Ｐにもスジ状のクラックが発生しやすくなり、欠陥が生じやすくなる。

ここで、本発明に係る金型３が用いられる光学素子等においては、一般的に有効径Ｒは円形及び楕円形が多い。そのため、鋸歯状のぎざぎざの一辺の長さＬが大きいと有効外部３５の面積が大きくなる。有効外部面積３５が大きくなると成形材Ｐの全体面積も大きくなり、ロスが大きくなる。前記ロスを少なくするため、一辺の長さＬは所定の長さの範囲で設定される。図８は、一辺の長さＬと有効外部３５の面積の関係を示す図である。図８に示す曲線は、ｙを有効外部３５の面積とすると、下記の近似式で表すことができる。

ｙ＝１４１ｌｎ（Ｌ）＋４３
有効外部３５の面積は、ロスを少なくするために微細形状領域３２の２０％以下が好ましい。更に、ぎざぎざ形状の効果を出すため、一辺の長さＬは下記の範囲であることが好ましい。

０．００１Ｒ＜Ｌ＜０．１５Ｒ
一辺の長さＬが０．００１Ｒ以下であると、ぎざぎざの形状が小さくなり、ぎざぎざの形状とした効果が減少する。また、０．１５Ｒ以上であると、ロスが２０％より大きくなる。

図９及び図１０は図７に示した境界線３１の変形例である。有効径Ｒはそれぞれ図に示す寸法となる。また、剥離はぎざぎざの形状面側から行われる。

前記鋸歯状のぎざぎざの形状の先端の角度は所定の角度に設定される。先端の角度θは、３０°≦θ≦１２０°であることが好ましい。３０°未満では成形材Ｐに転写されたぎざぎざの形状の強度が低下し、ぎざぎざの形状の先端部が破損しやすくなり、金型３から剥離できない部分が生ずることがある。また、１２０°を超えると、ぎざぎざの形状の先端部に掛かる応力がぎざぎざ形状の辺に分散され、低下するために離型性が低下する。

また、成形材Ｐの全体のロスを少なくするため、成形材Ｐの外形寸法も小さいことが好ましい。

図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、微細形状領域３２、即ち境界線３１の形状の変形例である。図１３（ａ）、（ｂ）、（ｄ）に示すように、剥離の方向が決まっている場合（図の場合には図面右側から）には、鋸歯状のぎざぎざの形状は、少なくとも剥離が開始される端面に形成されていればよい。

金型３を用いての成形としては、成形材Ｐをガラス転移温度以上に加熱し、金型３を成形材Ｐに押圧及び離型することによって金型３の微細形状を成形材Ｐに転写する方法がある。前記成形材Ｐとして、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂或いはガラスを挙げることができる。前記ガラスとしては、バルクのガラスに加え、ゾルゲルガラス、ＳＯＧ（スピンオングラス）も用いることができる。

また、成形材Ｐに光硬化性樹脂を用いることもできる。この場合の成形方法は、光硬化性樹脂を金型３に接触させて光を照射し、硬化させることにより、金型３の微細形状を前記光硬化性樹脂に転写する。

上記のように、金型３の微細形状領域３２と未加工領域３３の境界線３１を鋸歯状の、即ちぎざぎざの形状とすることにより、金型３と成形材Ｐの離型に際し、前記ぎざぎざの頂点に応力が集中し前記頂点から離型が開始されるので、微細形状領域３２を小さな離型力で離型することが可能となる。これにより、成形材Ｐの損傷を減少させることができ、成形材Ｐの歩留まりを向上することができる。また、金型３の損傷を減少させることができる。

また、金型３の微細形状領域３２の全面に微細形状を形成するだけでよく、即ち微細形状領域３２外に離型形状等を形成する必要がないため、金型に形成された形状の管理が容易になる。

本発明が適用可能な成形装置の一例を示す概略部分図である。微細な形状の一例を示す模式図である。離型機構の形態（第１の形態）の一例を示す概略図である。離型機構の別な形態（第２の形態）の一例を示す概略図である。アスペクト比の説明図である。成形材Ｐに金型３が押圧された状態を表す側面図である。成形材Ｐに金型３が押圧された状態を表す下面図である。一辺の長さと有効外部の面積の関係を示す図である。図７に示した形状の変形例である。図７に示した形状の変形例である。金型の微細形状領域と未加工領域との境界線を表す模式図である。離型性をシミュレーションした結果を表す図である。図７に示した形状の変形例である。

符号の説明

１、１Ａベース
１Ｂ軸
２金型固定プレート
３金型
３１境界線
３２微細形状領域
３３未加工領域
３４有効内部
３５有効外部
１００成型装置
Ｐ成形材
Ｒ有効径

Claims

成形材に押圧及び離型することによって成形材に形状を転写する微細形状を有する成形金型であって、
前記微細形状が加工された微細形状領域と該微細形状領域と接する前記微細形状が加工されていない未加工領域を有し、
前記微細形状領域と前記未加工領域との境界線は鋸歯状の形状であることを特徴とする成形金型。
前記鋸歯状の形状は、鋸歯状の一辺の長さが所定の長さの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の成形金型。
前記鋸歯状の形状は、鋸歯状の先端の角度が所定の角度の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の成形金型。
少なくとも、成形材と成形金型が離型する際に前記微細形状領域が離型を開始する離型開始端面が、鋸歯状の形状であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の成形金型。
成形材をガラス転移温度以上に加熱し、請求項１乃至４の何れかに記載の金型を成形材に押圧及び離型することによって成形金型の微細形状を成形材に転写することを特徴とする成形方法。
前記成形材は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂或いはガラスであることを特徴とする請求項５に記載の成形方法。
光硬化性樹脂を請求項１乃至４の何れかに記載の成形金型に接触させて光を照射し、硬化させることにより、成形金型の微細形状を前記光硬化性樹脂に転写することを特徴とする成形方法。