JP2010194805A - 成形用金型およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主に、断熱層を高強度とすることによって、高精度な鏡面や微細パターンを転写できる熱制御成形用金型を得ることができるようにし、以て、成形サイクル短縮を実現することができるようにする。
【解決手段】基材１と、基材１の表面側に設けられた転写層２と、基材１と転写層２との間に介在された断熱層３とを有する成形用金型４であって、断熱層３をポーラス材５で形成すると共に、断熱層３と転写層２との間にシート材６を配置するようにしている。
【選択図】図１

Description

この発明は、成形用金型およびその製造方法に関するものであり、特に、微細パターンを有する超精密な成形品を成形するための成形用金型およびその製造方法に関する。

光ディスクや光学素子等の微細パターン等を有する超精密な（樹脂）成形品を製造することを目的とした高精度な樹脂成形においては、溶融樹脂を射出充填した瞬間から、（樹脂）成形用金型に接した溶融樹脂の熱は成形用金型に奪われて急冷される。そのため、成形用金型に接した溶融樹脂の表面部にはスキン層が形成されて瞬時に固化してしまう。このようなスキン層が溶融樹脂に形成された場合は、成形用金型の形状が樹脂に転写されず、特に、成形用金型が、表面に微細な形状（高精度な鏡面や微細パターン等）を持つ場合に、転写不良が顕著になってしまう。

このような問題に対処するため、成形用金型の内部に断熱層を設けることが考えられている。このように、成形用金型の内部に断熱層を設けることにより、溶融樹脂から供給される熱量を成形用金型の表面に蓄熱することで、上記したスキン層の形成を阻止し、成形用金型の形状を精度良く転写した（樹脂）成形品を得ることができる。また、成形用金型の温度を低く設定することができるため、成形サイクルの短縮を実現することができる。更に、成形サイクルの短縮により、生産性アップによる成形品のコストダウンや、成形用金型の温度を低く設定することによる熱エネルギーの削減というメリットを得ることができる。

そして、成形用金型の内部に、断熱層またはこれに相当するものを設けたものとしては、従来、フィラーが充填された耐熱性高分子材料であるワニスを用いて断熱層を塗布形成したもの（例えば、特許文献１参照）や、多孔金属板を熱反射層として採用したもの（例えば、特許文献２参照）や、高気孔率の多孔質材を熱反射層として採用したもの（例えば、特許文献３参照）、などが知られている。

しかしながら、上記特許文献１では、断熱層はフィラーが充填された耐熱性高分子材料であるワニスを用いて塗布形成されているが、耐熱性高分子材料を成形用金型の一部に使用した場合、断熱効果を得るために耐熱高分子材料は数１０μｍ以上の厚さを必要とするため、耐熱高分子材料の剛性不足から成形時に変形を生じ、成形用金型の転写面の形状精度が劣化するという問題が生じる。

また、上記特許文献２では、熱反射層として多孔金属板が採用されているが、多孔金属板上に鏡面あるいは微細構造を形成する場合、電鋳や無電解メッキによって金属層を形成するのであるが、多孔金属板の多孔による形状の影響をなくすには非常に厚い金属層を形成する必要があることから、熱反射層、即ち、断熱層の効果を得ることができないという問題が生じる。あるいは、金属層を形成する時に多孔の部分に存在する空気によって、金属層に空隙などの欠陥が残ってしまい、高精度の鏡面あるいは微細構造を形成することができないという問題が生じる。

更に、上記特許文献３では、高気孔率の多孔質材が採用されていることから、上記特許文献２と同様に、高精度の鏡面あるいは微細構造を形成することができないという問題が生じる。

なお、上記した以外にも、本発明に至る過程で新たな問題やその他の問題などが発生することも考えられる。このような新たな問題やその他の問題などについては、この欄で記載する代りに本発明の実施の形態の中で説明するものとする。但し、この欄に記載する必要が生じた場合には、実施の形態の当該記載をこの欄にも加えることができるものとする。また、その場合には、この欄の記載として適した表現に修正することができるものとする。

請求項１に記載された発明は、基材と、該基材の表面側に設けられた転写層と、前記基材と転写層との間に介在された断熱層とを有する成形用金型であって、前記断熱層をポーラス材で形成すると共に、前記断熱層と転写層との間にシート材を配置したことを特徴としている。

請求項２に記載された発明は、上記において、前記シート材が、耐熱性樹脂材で構成されたことを特徴としている。

請求項３に記載された発明は、上記において、前記シート材が、金属材で構成されたことを特徴としている。

請求項４に記載された発明は、上記において、前記断熱層が、基材と同じ材料からなるポーラス材で構成されたことを特徴としている。

請求項５に記載された発明は、上記において、前記断熱層が、基材よりも熱伝導率が小さいセラミックス材料からなるポーラス材で構成されたことを特徴としている。

請求項６に記載された発明は、上記において、前記転写層が、無電解ニッケル材で構成されたことを特徴としている。

請求項７に記載された発明は、上記において、前記基材と断熱層との界面に、基材と断熱層とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材を配置するか、または、前記断熱層とシート材との界面に、断熱層と転写層とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材を配置するかの、少なくともどちらか一方または両方を備えたことを特徴としている。

請求項８に記載された発明は、上記成形用金型の製造方法において、前記断熱層を、焼結法により形成することを特徴としている。

請求項９に記載された発明は、上記において、前記焼結法を、放電プラズマ焼結法とすることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、上記構成により、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、断熱層をポーラス材で形成することによって、断熱効果を実現することができる。また、ポーラス材の表面に（緻密な）シート材を配置することによって、ポーラス材の内部に含まれる空気を表面に露出しないようにすることができるので、転写層を緻密なものとすることができる。

請求項２の発明によれば、上記構成により、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、耐熱性樹脂材で構成されたシート材は、弾性変形や塑性変形がし易く、また、シート材をフレキシブルな形状とすることができるため、曲面等の複雑な面に対応することができる。

請求項３の発明によれば、上記構成により、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、金属材で構成されたシート材は、弾性変形や塑性変形がし易く、また、フレキシブルな形状とすることができるため、曲面等の複雑な面に対応することができる。且つ、金属材で構成されたシート材は、耐熱性が高く、転写層を構成する材料（金属材）に対して（金属材同士であることから）、高い密着性を得ることができる。

請求項４の発明によれば、上記構成により、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、基材と同じ材料からなるポーラス材の断熱層は、基材と熱膨張係数や弾性率が同じであるため、熱応力の発生を防ぐことができる。

請求項５の発明によれば、上記構成により、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、セラミックス材料からなるポーラス材の断熱層は、基材よりも熱伝導率が小さいため、高い断熱効果を得ることができる。

請求項６の発明によれば、上記構成により、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、無電解ニッケル材で構成された転写層は、成形実績があり、また、超精密加工が可能な材料であるため、所望の転写面を得ることができる。

請求項７の発明によれば、上記構成により、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、基材と断熱層との界面に、基材と断熱層とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材を配置することにより、上記界面近傍における熱膨張やヤング率の違いによって生じる応力を緩和することができるので、高強度な成形用金型を得ることができる。また、断熱層とシート材との界面に、断熱層と転写層とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材を配置することにより、上記界面近傍における熱膨張やヤング率の違いによって生じる応力を緩和することができるので、高強度な成形用金型を得ることができる。

請求項８の発明によれば、上記構成により、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、断熱層を、焼結法によって形成することにより、粒子状の材料の粒径や焼結時の圧力や温度によってポーラス材の空隙率を制御することができ、熱伝導率や強度を制御することが可能となる。

請求項９の発明によれば、上記構成により、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、焼結法を、放電プラズマ焼結法とすることにより、粒子同士の接触部のみを結合することができるので、簡易にポーラス材を形成することが可能となる。

本発明の実施例１にかかる成形用金型の構成図（拡大側面図）である。 図１の成形用金型を製造する放電プラズマ焼結装置の断面図である。 図１の成形用金型によって成形される成形品を示す図である。 本発明の実施例２にかかる成形用金型の構成図（拡大側面図）である。 図４の成形用金型によって成形される成形品を示す図である。 本発明の実施例３にかかる成形用金型の構成図（拡大側面図）である。 図６の成形用金型によって成形される成形品を示す図である。 シート材を設けた場合における成形用金型の表面形状を示すグラフである。 シート材を設けない場合における成形用金型の表面形状を示すグラフである。

本発明は、主に、断熱層を高強度にすることによって、高精度な鏡面や微細パターンを転写できる熱制御成形用金型を得ることができるようにし、以て、成形サイクル短縮を実現することができるようにすることを目的としている。

以下、本発明を具体化した実施例について、図示例と共に説明する。

＜構成＞まず、構成について説明する。必要に応じて、図１〜図９を参照する。

（１）先ず、図１（または図４、図６）に示すように、基材１と、この基材１の表面側に設けられた転写層２と、これら基材１と転写層２との間に介在された断熱層３とを有する成形用金型４を構成する。そして、このような構成の成形用金型４に対し、断熱層３をポーラス材５で形成する。更に、このポーラス材５とされた断熱層３と、転写層２との間に、シート材６を配置する。

ここで、基材１は、成形用金型４の主要部（金型本体）を構成するものであり、金属材によって構成されている。基材１には、例えば、（マルテンサイト系）ステンレス鋼などの金属材を採用することができる。転写層２は、この成形用金型４によって成形される（樹脂）成形品７（図３、図５、図７など参照）への形状転写のための形状（転写用形状部）を、その表面に形成したものである。この転写用形状部は、例えば、球面や非球面や自由曲面あるいは回折格子やサブ波長構造などの微細パターンや高精度な鏡面等とすることができる。断熱層３としてのポーラス材５については後述する。シート材６は、緻密なものとすることが望ましい。

（２）そして、図１（または図６）に示すように、シート材６が、耐熱性樹脂材１１で構成されるようにする。

ここで、シート材６を構成する耐熱性樹脂材１１には、例えば、ポリアミドイミド、フッ素系樹脂であるポリテトラフルオロエチレン、パーフロロアルコキシ樹脂、ポリビニリデンフルオライド、あるいは、ポリイミドなどを採用することができる。

（３）或いは、図４に示すように、シート材６が、金属材１２で構成されるようにする。

ここで、シート材６を構成する金属材１２には、例えば、ニッケルなどを採用することができる。

（４）また、図４に示すように、断熱層３が、基材１と同じ材料１３からなるポーラス材５で構成されるようにする。

（５）或いは、図１（または図６）に示すように、断熱層３が、基材１よりも熱伝導率が小さいセラミックス材料１４からなるポーラス材５で構成されるようにする。

ここで、断熱層３として、基材１よりも熱伝導率が小さいセラミックス材料１４には、例えば、ジルコニア、アルミナ、チタニアなどを採用することができる。

（６）更に、図１（または図４、図６）に示すように、転写層２が、無電解ニッケル材１５で構成されるようにする。

（７）加えて、必要に応じて、図１（または図６）に示すように、基材１と断熱層３との界面に、基材１と断熱層３とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ（第一の）傾斜材１６を配置する。また、必要に応じて、図１に示すように、断熱層３とシート材６との界面に、断熱層３と転写層２とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ（第二の）傾斜材１７を配置する。これら（第一の）傾斜材１６と（第二の）傾斜材１７とは、少なくともどちらか一方または両方を備えるようにすることができる。

ここで、（第一の）傾斜材１６は、基材１と断熱層３とが異種材料によって構成される場合に設けることができる。また、（第二の）傾斜材１７は、断熱層３と転写層２とが異種材料によって構成される場合に設けることができる。

（８）そして、上記した（ポーラス材５によって構成された）断熱層３を、焼結法により形成する。

ここで、焼結法は、元となる粒子状の材料を加熱焼成して焼結するものである。

（９）更に、上記焼結法として、放電プラズマ焼結法を採用する。

ここで、放電プラズマ焼結法の原理は、圧粉体粒子間隙に低電圧でパルス状の大電流を投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマの高エネルギーを熱伝導・電界拡散などヘ効果的に応用したものである。

この放電プラズマ焼結法には、例えば、図２に示すような、超硬合金製のダイ２１と、上下のパンチ２２，２３とを備えた放電プラズマ焼結装置２４が用いられる。上下のパンチ２２，２３間には、低電圧でパルス状の大電流を投入するための電源装置２５が接続される。この場合、ダイ２１は、（円）筒状とされると共に、上下のパンチ２２，２３は、（円）筒状のダイ２１に摺接嵌合可能な（円）柱状とされている。但し、放電プラズマ焼結装置２４の構成や、ダイ２１および上下のパンチ２２，２３の形状等については、これに限るものではない。

そして、この放電プラズマ焼結装置２４によって、低温から２０００℃以上の高温域において、従来法に比べ２００〜５００℃ほど低い温度域で、昇温・保持時間を含め、概ね２０分以下の短時間で焼結が完了されるようになっている。

このような、放電プラズマ焼結法においては、短時間で焼結を完了するため、焼結が粒子と粒子との界面でのみ進行させることができるので、ポーラス材５を形成するのが容易であるという特徴を有している。放電プラズマ焼結法は、通電焼結法、プラズマ活性化焼結法とも言われており、本発明では、上記原理に基づく焼結法であれば、採用することが可能である。

＜作用＞次に、この実施例の作用について説明する。

断熱層３として第一の候補となるものは樹脂材料である。しかし、樹脂材料は剛性が小さいため変形し易く、成形用金型４の断熱層３としては不向きである。そこで、成形用金型４として使用可能な剛性を持つステンレス鋼やセラミックスのポーラス材５を断熱層３として使用する。これにより、成形用金型４の変形を抑えることが可能となる。例えばステンレスの剛性（ヤング率）は２００ＧＰａであり、耐熱性樹脂材１１であるポリアミドイミドの４０倍程度である。ステンレス鋼のポーラス材５はポロシティの割合を３０％とした場合でも、その剛性は１５０ＧＰａ程度であり、ポリアミドイミドに対して３０倍ほどの剛性値を得ることができる。

一方、ステンレス鋼やセラミックスのポーラス材５を使用することで成形用金型４としての強度を得ることができるが、ポーラス材５の上に転写層２を形成する時に、ポーラス材５の表面形状あるいは表面粗さの影響が表面に出てきてしまう。転写層２を形成するために、例えば、メッキを施すとポーラス材５からのガスの発生（空気の放出）により、メッキ層にポア（空孔）が発生してしまうため、光学素子などのような高精度な成形品７を形成するための緻密な表面を得ることができない。また、転写層２形成のためにＰＶＤ法やＣＶＤ法によるコーティングを施す場合でも、ポーラス材５のポアの影響を避けることはできず、転写層２にはポアが残存してしまう。このようなポーラス材５の表面形状あるいは表面粗さの影響をなくすために、シート材６を、ポーラス材５の転写層２を形成する表面に配置し、ポーラス材５の表面のポアを覆ってから転写層２を形成することで、ポアの影響を無くすことができ、転写層２にポアが発生しない状態にすることができる。具体例として、図８にてシートあり時のメッキ後の表面形状を示す。また、比較例として、図９にてシートなしの時のメッキ後の表面形状を示す。図８および図９によって、図８のものは図９と比べて、ポアの影響の無い、緻密な表面が得られることが、実際に確認された。

本発明による効果は、後述する実施例に記載しているように、先ず、断熱層３を持つ構造とした成形用金型４によって、従来の成形に対して成形時間の短縮が可能となることである。次に、従来例にある断熱層を持つ成形用金型に対しては、緻密な表面を得ることができるので、光学素子などのような高精度な成形品７を形成することが可能となるということである。

このように、この発明によれば、以下のような作用効果を得ることができる。

（１）基材１と、基材１の表面側に設けられた転写層２と、基材１と転写層２との間に介在された断熱層３とを有する成形用金型４であって、断熱層３をポーラス材５で形成すると共に、断熱層３と転写層２との間にシート材６を配置したことにより、以下のような作用効果を得ることができる。

即ち、断熱層３をポーラス材５で形成することによって、断熱効果を実現することができる。

このように、断熱層３をポーラス材５で形成することにより、断熱層３として、耐熱高分子材料を使用した従来の成形用金型４が有する問題、即ち、耐熱高分子材料の剛性不足から成形時に変形を生じ、成形用金型４の転写面の形状精度が劣化するという問題を解決することができる。このことは特に、微細パターンを有する超精密な成形品７を成形する時に、非常に重要なポイントとなる。

また、このような成形用金型４を製作する時には、断熱層３を形成するポーラス材５の表面に樹脂ヘの形状転写のための形状（転写用形状部）を加工することは非常に困難であるので、転写層２として緻密な材料を形成することが必須となる。この転写層２の厚さは、成形用金型４が断熱効果を持つためには大きくても数百μｍとする必要があり、必要以上に厚くすることができない。ポーラス材５に直接転写層２を形成すると、上述したように、転写層２に空隙などの欠陥が残留してしまう。

この発明では、ポーラス材５の表面に（緻密な）シート材６を配置することによって、ポーラス材５の内部に含まれる空気を表面に露出しないようにすることができるので、即ち、ポーラス材５の空気の影響をなくすことができるので、転写層２を緻密なものとすることができる。

これに対し、断熱層３をポーラス材５で形成していない場合には、上記とは反対に、剛性不足を生じることなどが考えられる。また、ポーラス材５の表面に（緻密な）シート材６を配置していない場合には、上記とは反対に、ポーラス材５の空気の影響により、転写層２を緻密にできないことなどが考えられる。

（２）シート材６が、耐熱性樹脂材１１で構成されたことにより、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、耐熱性樹脂材１１で構成されたシート材６は、弾性変形や塑性変形がし易く、また、シート材６をフレキシブルな形状とすることができるため、曲面等の複雑な面に対応することができる。

これに対し、シート材６が、耐熱性樹脂材１１で構成されていない場合には、上記とは反対に、曲面等の複雑な面に対応させられないことなどが考えられる。

（３）シート材６が、金属材１２で構成されたことにより、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、金属材１２で構成されたシート材６は、弾性変形や塑性変形がし易く、また、フレキシブルな形状とすることができるため、曲面等の複雑な面に対応することができる。且つ、金属材１２で構成されたシート材６は、耐熱性が高く、転写層２を構成する材料（金属材）に対して（金属材同士であることから）、高い密着性を得ることができる。

これに対し、シート材６が、金属材１２で構成されていない場合には、上記とは反対に、曲面等の複雑な面に対応させられないことなどが考えられる。また、耐熱性や、転写層２に対する密着性が十分に得られないことなどが考えられる。

（４）断熱層３が、基材１と同じ材料１３からなるポーラス材５で構成されるようにしたことにより、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、基材１と同じ材料１３からなるポーラス材５の断熱層３は、基材１と熱膨張係数や弾性率が同じであるため、熱応力の発生を防ぐことができる。

これに対し、断熱層３が、基材１と同じ材料１３からなるポーラス材５で構成されていない場合には、上記とは反対に、熱応力の発生を防ぐことができないことなどが考えられる。

（５）断熱層３が、基材１よりも熱伝導率が小さいセラミックス材料１４からなるポーラス材５で構成されたことにより、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、セラミックス材料１４からなるポーラス材５の断熱層３は、基材１よりも熱伝導率が小さいため、高い断熱効果を得ることができる。

これに対し、断熱層３が、基材１よりも熱伝導率が小さいセラミックス材料１４からなるポーラス材５で構成されていない場合には、上記とは反対に、高い断熱効果が得られないことなどが考えられる。

（６）転写層２が、無電解ニッケル材１５で構成されたことにより、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、無電解ニッケル材１５で構成された転写層２は、これまで十分な成形実績があり、また、超精密加工が可能な材料であるため、所望の転写面を得ることができる。

これに対し、転写層２が、無電解ニッケル材１５で構成されていない場合には、上記とは反対に、所望の転写面を得られないことなどが考えられる。

（７）基材１と断熱層３との界面に、基材１と断熱層３とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材１６を配置するか、または、断熱層３とシート材６との界面に、断熱層３と転写層２とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材１７を配置するかの、少なくともどちらか一方または両方を備えたことにより、以下のような作用効果を得ることができる。

即ち、基材１と断熱層３との界面に、基材１と断熱層３とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材１６を配置することにより、上記界面近傍における熱膨張やヤング率の違いによって生じる応力を緩和することができるので、高強度な成形用金型４を得ることができる。また、断熱層３とシート材６との界面に、断熱層３と転写層２とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材１７を配置することにより、上記界面近傍における熱膨張やヤング率の違いによって生じる応力を緩和することができるので、高強度な成形用金型４を得ることができる。

これに対し、上記傾斜材１６，１７の少なくとも一方または両方を備えていない場合には、上記とは反対に、界面近傍における熱膨張やヤング率の違いによって生じる応力により、高強度な成形用金型４を得られないことなどが考えられる。

（８）上記した断熱層３を、焼結法により形成することにより、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、断熱層３を、焼結法により形成することにより、粒子状の材料の粒径や焼結時の圧力や温度によってポーラス材５の空隙率を制御することができ、熱伝導率や強度を制御することが可能となる。

これに対し、断熱層３を、焼結法以外で形成した場合には、上記とは反対に、ポーラス材５の空隙率の制御や、熱伝導率や強度の制御ができないことなどが考えられる。

（９）焼結法を、放電プラズマ焼結法としたことにより、以下のような作用効果を得ることができる。即ち、焼結法を、放電プラズマ焼結法とすることにより、粒子同士の接触部のみを結合することができるので、簡易にポーラス材５を形成することが可能となる。

これに対し、焼結法を、放電プラズマ焼結法以外とした場合には、上記とは反対に、粒子同士の接触部のみを結合することができないことにより、簡易にポーラス材５を形成できないことなどが考えられる。

図１〜図３は、この発明の具体的な実施例１を示すものである。

図１は、この実施例の成形用金型４の構成を示すものである。

まず、成形用金型４の基材１を、マルテンサイト系ステンレス鋼によって製作する。そして、この基材１を、図２に示すように、超硬合金製のダイ２１と、上下のパンチ２２，２３とからなる放電プラズマ焼結装置２４の型内（真空チャンバ）に配置する。この際、ダイ２１とパンチ２２，２３とは、所望形状の成形用金型４を形成し得るように、予め加工しておく。

そして、基材１の表面側に対し、以下のようにして、第一の傾斜材１６を形成し得るようにする。即ち、基材１であるマルテンサイト系ステンレス鋼の上に、ジルコニアの粒子とステンレス鋼の粒子とを１：４の体積比に混合したものを配置してパンチ２２，２３で加圧する。パンチ２２を抜いてから、更に、その上に２：３の体積比に混合したものを配置してパンチ２２，２３で加圧する。同様に、体積比が３：２のもの、４：１のものを順次配置してパンチ２２，２３で加圧する。

次に、第一の傾斜材１６の表面側に対し、以下のようにして断熱層３を形成し得るようにする。即ち、上記した第一の傾斜材１６の表面側に、セラミックス材料１４としてのジルコニアの粒子を配置してパンチ２２，２３で加圧する。

更に、断熱層３の表面側に対し、以下のようにして第二の傾斜材１７を形成し得るようにする。即ち、上記した断熱層３の表面側に、ニッケルの粒子とジルコニアの粒子とを１：４の体積比に混合したものを配置してパンチ２２，２３で加圧する。パンチ２２を抜いてから、更に、その上に２：３の体積比に混合したものを配置してパンチ２２，２３で加圧する。同様に、体積比が３：２のもの、４：１のものを順次配置してパンチ２２，２３で加圧する。

そして、放電プラズマ焼結装置２４の真空チャンバ内の真空引きを行ない、その後、電源装置２５により上下のパンチ２２，２３に通電し、パルス電圧を印加する。焼結温度はダイ２１の温度で１１００℃、２分保持、加圧は２５ＭＰａである。その後、３０分間冷却を行ない、放電プラズマ焼結用の型から焼結体を取出すことにより、基材１の表面側に、第一の傾斜材１６と、断熱層３と、第二の傾斜材１７とを順に有する焼結体を備えた金型構造物を形成する。

更に、この金型構造物の焼結した表面に、耐熱性樹脂材１１であるポリアミドイミドのシート材６を接着する。接着は溶剤を用いてシート材６表面を溶かしながら行なうようにする。

更にまた、このシート材６の表面に対して、転写層２として、無電解ニッケルメッキを施す。

そして、このように形成された成形用金型４の表面に、転写用形状部として、切削加工によって回折パターンを形成し、所望の外形寸法に仕上げ加工を行なって、成形用金型４を完成する。

ここで、粒子（ジルコニアの粒子とステンレス鋼の粒子）を焼結した部分は、ポーラスな状態となっており（ポーラス材５）、緻密な焼結体ではないので、熱伝導率が小さくなり、断熱効果を得ることができる。更に、本実施例で断熱層３として採用したジルコニアなどのセラミックス材料１４は、成形用金型４の基材１であるマルテンサイト系ステンレス鋼よりも、熱伝導率が小さいので、より断熱効果が優れている。ちなみに、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）の熱伝導率は２５．２Ｗ／ｍＫで、ジルコニアの熱伝導率は３Ｗ／ｍＫである。

また、基材１と断熱層３との界面には、基材１（ステンレス鋼）と断熱層３（ジルコニア）とを形成する材料からなる傾斜組成を持つ（第一の）傾斜材１６が配置され、また、断熱層３とシート材６との界面には、断熱層３（ジルコニア）と転写層２（ニッケル）とを形成する材料からなる傾斜組成を持つ（第二の）傾斜材１７が、それぞれ配置されている。これら傾斜材１６，１７によって、基材１と断熱層３との間、および、断熱層３と転写層２との間における成形用金型４の製造時や成形使用時での熱応力の緩和効果を得ることができる。

本実施例の成形用金型４を使用し、成形品７として、図３に示すような、回折レンズを成形すると、成形時の型温を１３５℃から４０℃まで下げることできたため、従来１２０秒であった成形サイクルを、５０秒まで短縮することができた。また、成形時に成形用金型４の変形も抑えられ、回折パターンの転写も良好であった。

ここで、断熱層３には、基材１よりも熱伝導率が小さい材料（セラミックス材料１４）を採用しているが、同様の材料として、アルミナ、チタニアも採用することができる。

図４、図５は、この発明の具体的な実施例２を示すものである。

図４は、この実施例の成形用金型４の構成を示すものである。

まず、成形用金型４の基材１を、マルテンサイト系ステンレス鋼によって製作する。

また、断熱層３として、基材１と同じ材料１３であるマルテンサイト系ステンレス鋼の粒子を圧縮して圧粉体を形成する。圧粉体の形成時には、焼結後にポーラスな状態になるように低荷重にて加圧を行なうようにする。この圧粉体を９００℃で１時間程度加熱処理してポーラスな焼結体を形成する（ポーラス材５）。

そして、成形用金型４の基材１と焼結体の間に銀ロウを配置して、６５０℃で５分間、真空中で加熱処理することによって両者を接合する。

更に、この焼結体の表面側に、ニッケル製のシート材６を同じく銀ロウを使用して接着する。

更に、ニッケル製のシート材６の接着後に、無電解ニッケルによって転写層２を形成する。

そして、このように形成された成形用金型４の表面に、転写用形状部として、切削加工によってサブ波長レベルの微細パターンを形成し、所望の外形寸法に仕上げ加工を行なって、成形用金型４を完成する。サブ波長レベルの微細パターンはドライエッチング技術によって形成しても良い。

本実施例の成形用金型４を使用し、成形品７として、図５に示すような、表面にサブ波長レベルの微細パターンを持つレンズを成形すると、成形時の型温を１３５℃から６０℃まで下げることができたため、従来１８０秒であった成形サイクルを、１００秒まで短縮することができた。サブ波長レベルの微細パターンは図５に示すような配列で、このレンズが対象とする可視光に対するサブ波長、即ち、２００ｎｍ程度のピッチや深さのＶ溝により形成されたもので、成形時に成形用金型４の変形も抑えられ、転写も良好であった。

図６、図７は、この発明の具体的な実施例３を示すものである。

図６は、この実施例の成形用金型４の構成を示すものである。

まず、成形用金型４の基材１を、マルテンサイト系ステンレス鋼によって製作する。そして、この基材１を、グラファイト製のダイ２１と上下のパンチ２２，２３とからなる放電プラズマ焼結装置２４の型内（真空チャンバ）に配置する（図２参照）。この際、実施例１の場合と同様に、ダイ２１とパンチ２２，２３とは所望形状の成形用金型４を形成し得るように、予め加工しておく。

そして、基材１の表面側に対し、以下のようにして、第一の傾斜材１６を形成し得るようにする。即ち、基材１であるマルテンサイト系ステンレス鋼の上に、ジルコニアの粒子とステンレス鋼の粒子とを１：４の体積比に混合したものを配置してパンチ２２，２３で加圧する。パンチ２２を抜いてから、更に、その上に２：３の体積比に混合したものを配置してパンチ２２，２３で加圧する。同様に、体積比が３：２のもの、４：１のものを順次配置してパンチ２２，２３で加圧する。

次に、第一の傾斜材１６の表面側に対し、以下のようにして断熱層３を形成し得るようにする。即ち、上記した第一の傾斜材１６の表面側に、セラミックス材料１４としてのジルコニアの粒子を配置してパンチ２２，２３で加圧する。

更に、この場合には、図示されていないが、必要に応じて、断熱層３の表面側に対し、以下のようにして第二の傾斜材１７を形成し得るようにしても良い。即ち、上記した断熱層３の表面側に、ニッケルの粒子とジルコニアの粒子とを１：４の体積比に混合したものを配置してパンチ２２，２３で加圧する。パンチ２２を抜いてから、更に、その上に２：３の体積比に混合したものを配置してパンチ２２，２３で加圧する。同様に、体積比が３：２のもの、４：１のものを順次配置してパンチ２２，２３で加圧する。なお、第二の傾斜材１７は、必要がない場合には、設けないようにすることもできる。

そして、放電プラズマ焼結装置２４の真空チャンバ内の真空引きを行ない、その後、電源装置２５により上下のパンチ２２，２３に通電し、パルス電圧を印加する。焼結温度はダイ２１の温度で１２００℃、２分保持、加圧は２０ＭＰａである。その後、３５分間冷却を行ない、放電プラズマ焼結用の型から焼結体を取出すことにより、基材１の表面側に、第一の傾斜材１６と、断熱層３と（、第二の傾斜材１７と）を順に有する焼結体を備えた金型構造物を形成する。

更に、この金型構造物の焼結した表面に、シート材６として、耐熱性樹脂材１１であるポリアミドイミドをＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）溶媒に溶解させたワニスを塗布した後、乾燥固化させてシート状にする。

更にまた、このシート材６の表面に対して、真空蒸着法やスパッタリング法などのＰＶＤ法で、ニッケル膜を形成する。更にその上に、転写層２として、無電解ニッケルメッキを施す。

そして、このように形成された成形用金型４の表面に、転写用形状部として、切削加工によって回折パタ−ンおよびサブ波長レべルの微細パターンを形成し、所望の外形寸法に仕上げ加工を行なって、成形用金型４を完成する。

少なくとも、基材１と断熱層３との界面には、基材１（ステンレス鋼）と断熱層３（ジルコニア）とを形成する材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材１６が配置されている。この傾斜材１６によって、基材１と断熱層３との間における、成形用金型４の製造時や成形使用時での熱応力の緩和効果を得ることができる。

本実施例の成形用金型４を使用し、成形品７として、図７に示すような、回折レンズを成形すると、成形時の型温を１３５℃から５０℃まで下げることできたため、従来１５０秒であった成形サイクルを、８０秒まで短縮することができた。この回折レンズは、約３μｍの段差からなる回折面上にサブ波長サイズの微細パターンを形成したものである。また、成形時に成形用金型４の変形も抑えられ、転写も良好であった。

ここで、シート材６を構成する耐熱性樹脂材１１として、ポリアミドイミドを採用した例をあげたが、フッ素系樹脂であるポリテトラフルオロエチレン、パーフロロアルコキシ樹脂、ポリビニリデンフルオライドあるいは、ポリイミドとしても良い。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものであるため、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。また、例えば、各実施例に複数の構成が含まれている場合には、特に記載がなくとも、これらの構成の可能な組合せが含まれることは勿論である。また、複数の実施例や変形例が示されている場合には、特に記載がなくとも、これらに跨がった構成の組合せのうちの可能なものが含まれることは勿論である。また、図面に描かれている構成については、特に記載がなくとも、含まれることは勿論である。更に、「等」の用語がある場合には、同等のものを含むという意味で用いられている。また、「ほぼ」「約」「程度」などの用語がある場合には、常識的に認められる範囲や精度のものを含むという意味で用いられている。

本発明によれば、断熱層を高強度にすることによって、高精度な鏡面や微細パターンを転写できる熱制御成形用金型を得ることができるようになり、以て、成形サイクル短縮を実現することができるようになる。

１ 基材
２ 転写層
３ 断熱層
４ 成形用金型
５ ポーラス材
６ シート材
１１ 耐熱性樹脂材
１２ 金属材
１３ 基材と同じ材料
１４ セラミックス材料
１５ 無電解ニッケル材
１６ 傾斜材
１７ 傾斜材
２４ 放電プラズマ焼結装置

特開２００２−１８４０４６ 特開２００７−ｌ５２０１ 特開２００４−２７６５７１

Claims (9)

1. 基材と、該基材の表面側に設けられた転写層と、前記基材と転写層との間に介在された断熱層とを有する成形用金型であって、
   前記断熱層をポーラス材で形成すると共に、
   前記断熱層と転写層との間にシート材を配置したことを特徴とする成形用金型。
2. 前記シート材が、耐熱性樹脂材で構成されたことを特徴とする請求項１記載の成形用金型。
3. 前記シート材が、金属材で構成されたことを特徴とする請求項１記載の成形用金型。
4. 前記断熱層が、基材と同じ材料からなるポーラス材で構成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の成形用金型。
5. 前記断熱層が、基材よりも熱伝導率が小さいセラミックス材料からなるポーラス材で構成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の成形用金型。
6. 前記転写層が、無電解ニッケル材で構成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の成形用金型。
7. 前記基材と断熱層との界面に、基材と断熱層とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材を配置するか、
   または、前記断熱層とシート材との界面に、断熱層と転写層とを形成するそれぞれの材料からなる傾斜組成を持つ傾斜材を配置するかの、
   少なくともどちらか一方または両方を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の成形用金型。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の成形用金型の製造方法において、前記断熱層を、焼結法により形成することを特徴とする成形用金型の製造方法。
9. 前記焼結法を、放電プラズマ焼結法とすることを特徴とする請求項８記載の成形用金型の製造方法。
   

Images