JP2017007187A - モールド成形品の製造方法及び製造装置及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】転写後に成形品を上下のモールドからスムーズかつ所望の方向に安定して離型することが可能な成形品の製造方法、製造装置、光学素子を提供する。【解決手段】所望のパターンが形成された一対のモールド４，５を用い、モールド４のパターンの外周にはモールド５のパターンよりも深い溝部４ａが形成され、各モールド４，５間にエネルギ硬化性樹脂１２を挟み込み、各モールド４，５間に挟み込んだ液状のエネルギ硬化性樹脂１２にエネルギを付与してエネルギ硬化性樹脂１２を硬化させるとき、エネルギ硬化性樹脂１２と溝部４ａとの界面でエネルギ硬化性樹脂１２とモールド４との剥離を発生させ、この剥離に流体を侵入させてモールド４のパターン内側まで剥離を進行させ、成形品６をモールド４から離型させる。【選択図】図６

Description

本発明は、モールド成形品の製造方法に関する。

従来、複数の微小なレンズを並べることにより構成されるマイクロレンズアレイが、例えば液晶パネルに適用されている。このようなマイクロレンズアレイを用いることにより、各レンズによって各画素に入射する光を集光することで光利用効率が向上し、表示画面を明るくすることができる。

また近年では、携帯電話等の電子端末に小型で薄型の撮像ユニットが搭載されており、このような撮像ユニットのコストを低減させるため製造工程の簡略化が求められている。そこで、例えば面上に複数のレンズ（レンズアレイ）を同時形成し、切断して複数のレンズをそれぞれ分離させることでレンズモジュールを量産する方法が知られている。この方法により数百から数千個のレンズを一度に製作することができるため、量産効果が大きくコスト低減が図られる。

このようなモールド成形品の製造方法としては、予め所望のレンズ反転形状等の転写パターンが形成された平板状の上モールド及び下モールドを用意し、各モールド間で液状の光硬化性または熱硬化性等のエネルギ硬化性の樹脂を挟み込み、転写パターンを樹脂に転写させる方法が知られている。また、ナノインプリントリソグラフィの分野における被転写基板からモールドを引き離す工程において、離型をスムーズに行い離型時間を短縮させる技術が知られている。これは、モールドのパターン形成領域の外側領域に、光硬化性樹脂との離脱を開始させる箇所を作るための離型形状を設けた技術である（例えば「特許文献１」参照）。

しかし、今までのモールド成形品の製造方法では、モールド内の転写面が大きくなるに伴いモールドの転写面と樹脂接触面積とが大きくなるため、転写後にモールドから成形品を離型する際の離型抵抗が大きくなり、成形品にクラックや変形が生じてしまう。また、この離型抵抗は上下のモールドの転写パターンに応じて異なるため、成形品を所望の離型方向に安定して取り出すことができず、装置の連続稼働にも支障を来してしまうという問題点があった。

「特許文献１」に開示された技術では、モールド上に離型を開始させる箇所を作成し離型をスムーズに行っている。しかし、基板上に保持された光硬化性樹脂に接触させたモールドを離型することを前提として、一つのモールド面内で離型を開始させる箇所を作成することで離型力を弱めようとしているに過ぎない。これにより、上下一組の平板状モールドによって得られる成形品の離型方向を安定制御して成形品を取り出すことはできず、装置の連続稼働にも支障を来してしまうという問題点は解消されない。

本発明は上述した問題点を解決し、転写後に成形品を上下のモールドからスムーズかつ所望の方向に安定して離型することが可能な成形品の製造方法、製造装置、光学素子の提供を目的とする。

本発明は、所望のパターンが形成された一対のモールドを用い、一方の前記モールドの前記パターンの外周には他方の前記モールドの前記パターンよりも深い溝部が形成され、前記各モールド間にエネルギ硬化性樹脂を挟み込み、前記所望のパターンの反転形状を前記エネルギ硬化性樹脂に転写させるモールド成形品の製造方法であって、前記各モールド間に挟み込んだ液状の前記エネルギ硬化性樹脂にエネルギを付与して該エネルギ硬化性樹脂を硬化させるとき、前記エネルギ硬化性樹脂と前記溝部との界面で前記エネルギ硬化性樹脂と一方の前記モールドとの剥離を発生させ、前記剥離に流体を侵入させて一方の前記モールドの前記パターン内側まで前記剥離を進行させ、成形品を一方の前記モールドから離型させることを特徴とする。

本発明によれば、エネルギ硬化性樹脂を硬化させるとき、硬化に伴うエネルギ硬化性樹脂の体積収縮量が溝部と接している部分において最大となることを利用し、両者の界面でエネルギ硬化性樹脂と一方のモールドとの剥離を発生させる。そして、この剥離部に外気を侵入させて一方のモールドのパターン内側まで剥離を進行させるので、一方のモールドから成形品を容易に離型させることができ、離型方向を制御することが可能となる。これにより、一組のモールドによって得られる成形品の離型方向を安定制御して取り出すことができ、支障を来すことなく装置の連続稼働を行うことができる。

従来の技術を説明する概略図である。 本発明の第１の実施形態に用いられる各モールドを説明する概略図である。 本発明の第１の実施形態に用いられる各モールド及び製造されるレンズアレイを説明する概略図である。 本発明の一実施形態に用いられるレンズ成形装置の概略図である。 本発明の一実施形態におけるレンズ成形方法を説明する概略図である。 本発明の第１の実施形態における熱硬化性樹脂の挙動を説明する概略図である。 本発明の第２の実施形態に用いられる各モールドを説明する概略図である。 本発明の第２の実施形態に用いられる各モールド及び製造されるレンズアレイを説明する概略図である。 本発明の第２の実施形態における熱硬化性樹脂の挙動を説明する概略図である。 本発明の第３の実施形態に用いられるノズル及びエア供給元を説明する概略図である。

先ず始めに、「背景技術」の欄に記載した「特許文献１」の問題点について、図１を用いて説明する。この技術は、ナノインプリントリソグラフィであり、被転写と凹凸パターンとからなるモールドとの間に液体状の紫外線硬化性樹脂であるレジストを充填し、このレジストに向けてモールドを通して紫外線を照射することによりレジストを硬化させるものである。レジスト硬化後にモールドを被転写基板から離脱させると、被転写基板上にはパターンが転写されたレジストが残る。この技術では、モールド上に離型開始点を設けることでモールドを被転写基板から容易に離脱させることを目的としている。

図１（Ａ）には、従来の技術を構成する要素として、モールド１、基板２、レジスト３を模式的に示している。モールド１のレジスト３と接触する部分のうち、レジスト３に転写される凹凸形状のパターンが形成された領域をパターン領域１ａとする。また、パターン領域１ａの外周の少なくとも一部に形成された非パターン領域１ｂには、パターン領域１ａ内の凹部よりも深い離型形状である凹部１ｃが形成されている。

図１（Ｂ）に示すように、モールド１を基板２上に配置されたレジスト３に接触させると、パターン領域１ａの凹部及び非パターン領域１ｂの凹部１ｃにレジスト３が入り込む。凹部１ｃ内では、ある程度上部の隙間を残してレジスト３が入り込む場合もある。この状態で、モールド１を介して紫外線が照射されるとレジスト３が硬化し、この硬化に伴いレジスト３では体積収縮が発生する。これにより、凹部１ｃとレジスト３との間では隙間が生じることとなる。一方、パターン領域１ａ内の凹部に充填されているレジスト３も同様に収縮するが、パターン領域１ａ内の凹部は凹部１ｃに比して大幅に体積が小さいため、レジスト３の収縮量が小さくレジスト３はほぼ忠実な形状を再現する。

このように、非パターン領域１ｂに凹部１ｃを設けたことにより、硬化後のレジスト３とモールド１との間に隙間を形成することができ、この隙間を離型開始点としてモールド１とレジスト３とを容易に離型することができる。離型開始点の形成により、これがない場合に比して離型力が小さくてすみ、また短時間で離型を行うことができる。

従来の技術では、エネルギ硬化性樹脂であるレジスト３が基板２上に塗布されており、硬化後のレジスト３は基板２上に固着していることを前提としている。すなわち、離型の方向は一方向に限られており、離型方向を制御するという概念はない。一方、常温において液状であるエネルギ硬化性樹脂を用いてモールド成形品を作製する方法が知られている。これは、予め所望のパターン反転形状が形成された上下一対のモールドを用意し、下側モールドに樹脂を塗布した後に上側モールドと樹脂とを密着させ（上下一対のモールドで樹脂を挟持し）、熱や光等のエネルギを付与する。これにより樹脂を硬化させると共に、樹脂にモールド形状を転写させる方法が一般的である。この方法では、モールドと硬化後の樹脂との密着力のバランスにより離型方向が不安定となるという問題点があり、上述した従来の技術ではこの問題点を解決することはできない。

本発明は、上述した問題点に対し、転写後の成形品を一対のモールドからスムーズかつ所望の方向に安定して離型することを目的としている。以下、図面を用いて本発明の特徴部を説明する。なお、本発明はエネルギ硬化性樹脂全般に適用可能であるが、以下の実施形態ではエネルギ硬化性樹脂として熱硬化性樹脂を用いた例を説明する。

図２は、本発明の第１の実施形態に用いられる、互いに円板状の上モールド４と下モールド５とを示している。各モールド４，５を用い、モールド成形品である光学素子として図３に示す片側鏡面のレンズアレイ６を成形する。一方のモールドであって第２のモールドである上モールド４は、所望のパターンである第２のパターン４ｂとしてレンズアレイ６の鏡面部６ｂを形成する。上モールド４の第２のパターン４ｂよりも外周側である成形品外周縁部に相当する部位には、第２のパターン４ｂよりも深く形成された溝部４ａが設けられている。他方のモールドであって第１のモールドである下モールド５は、所望のパターンである第１のパターン５ａとしてレンズアレイ６のレンズ面６ｃを形成する。

図４は、本発明の第１の実施形態に用いられるモールド成形品の製造装置であるレンズ成形装置を示しており、レンズ成形装置１７は上下２枚のダイプレート７，８を有している。各ダイプレート７，８の四隅にはタイバー９が配設されており、タイバー９を介して上ダイプレート７または下ダイプレート８の少なくとも一方が上下動可能（本形態では上ダイプレート７のみ可動）に構成されている。各ダイプレート７，８には、成形する樹脂を加熱するためのエネルギ発生手段であるヒータ１０が設けられている。ヒータ１０は、必ずしも各ダイプレート７，８に設けられている必要はなく、ヒータ１０を有する加熱板等が各ダイプレート７，８に設けられていてもよい。エネルギ発生手段としてはヒータ１０には限定されず、使用されるエネルギ硬化性樹脂に応じて熱媒体や赤外線、さらには紫外線等の発生手段を用いることも可能である。各ダイプレート７，８には、それぞれ上下の各モールド４，５が取り付けられる。また、レンズ成形装置１７の外部には、下モールド５上の所望の位置にエネルギ硬化性樹脂である熱硬化性樹脂１２を供給する樹脂供給装置１１が配設されている。

上述したレンズ成形装置１７を用いたレンズアレイ６の製造方法を、図５を用いて以下に説明する。
先ず、樹脂供給装置１１のノズルを各ダイプレート７，８間に移動させ、下モールド５上の所望の位置に液状の熱硬化性樹脂１２を載置させる（図５（Ａ）参照）。下モールド５上への熱硬化性樹脂１２の載置完了後、樹脂供給装置１１のノズルが各ダイプレート７，８間から外れる装置外部に退避する。次に上ダイプレート７を下降させ、上ダイプレート７に取り付けられた上モールド４を熱硬化性樹脂１２に接触させる。各モールド４，５によって挟持された熱硬化性樹脂１２は、各モールド４，５間の間隔が狭まるに連れて広がり、各モールド４，５間を充填していく（図５（Ｂ）参照）。

次に、各ダイプレート７，８に配設された各ヒータ１０に通電を行い、各モールド４，５間の温度を熱硬化性樹脂１２のゲル化温度（樹脂の流動性がなくなり硬化が開始される温度）以上に昇温させ、熱硬化性樹脂１２を硬化させる（図５（Ｃ）参照）。この状態から上ダイプレート７を上昇させると、上モールド４が硬化してレンズアレイ６となった熱硬化性樹脂１２から離間し、レンズアレイ６が下モールド５上に載置された状態で成形される（図５（Ｄ）参照）。ここでレンズアレイ６には、図３に示すように、その鏡面部６ｂの外形縁部にリブ形状６ａが転写形成され、端部が肉厚となって剛性が向上される。

次に、図５（Ｃ）に示した熱硬化性樹脂１２の硬化時、及び図５（Ｄ）に示したレンズアレイ６からの上モールド４の離型時における熱硬化性樹脂１２の挙動について、図６を用いて説明する。
図５（Ｃ）に示す状態からヒータ１０に通電すると、熱硬化性樹脂１２は硬化するに伴いその体積が収縮する。一般的に樹脂の体積収縮は肉厚部分で大きいため、図６（Ａ）における溝部４ａ及び第１のパターン５ａと接している領域の熱硬化性樹脂１２が収縮する。さらに、溝部４ａの深さは第１のパターン５ａの深さよりも深い。このため、溝部４ａと接触している部分の熱硬化性樹脂１２の収縮量が大きく、図６（Ｂ）に示すように上モールド４から熱硬化性樹脂１２が硬化して形成されたレンズアレイ６が剥がれ、両者間に空隙が生じる。この空隙は外気と通じているため、離型を開始すると上モールド４とレンズアレイ６との間に外気が入り込んで離型が促進され、図６（Ｃ）に示すように上モールド４からレンズアレイ６が離型される。

上述の構成によれば、熱硬化性樹脂１２を硬化させるとき、硬化に伴う熱硬化性樹脂１２の体積収縮量が溝部４ａと接している部分において最大となることを利用し、両者の界面で熱硬化性樹脂１２と上モールド４との剥離を発生させる。そして、この剥離部に外気を侵入させて上モールド４の第２のパターン４ｂの内側まで剥離を進行させるので、上モールド４からレンズアレイ６を容易に離型させることができ、離型方向を制御することが可能となる。これにより、一組のモールド４，５によって得られるレンズアレイ６の離型方向を安定制御して取り出すことができ、支障を来すことなく装置の連続稼働を行うことができる。上記実施形態では、溝部４ａの形状として階段状に形成されたものを示したが、溝部の形状はこれに限定されず、例えば図６（Ｄ）に示す斜線状や図６（Ｅ）に示す円弧状のものを用いてもよい。

図７は、本発明の第２の実施形態に用いられる、互いに円板状の上モールド１３と下モールド１４とを示している。各モールド１３，１４を用い、モールド成形品である光学素子として図８に示す両凸面のレンズアレイ１５を成形する。一方のモールドであって第２のモールドである上モールド１３は、所望のパターンである第２のパターン１３ａとしてレンズアレイ１５の凸面部１５ａを形成する。他方のモールドであって第１のモールドである下モールド１４は、所望のパターンである第１のパターン１４ａとしてレンズアレイ１５の凸面部１５ｃを形成する。また下モールド１４は、上モールド１３の第２のパターン１３ａの両端と対応する位置に鏡面部１４ｂがそれぞれ設けられている。

上述した各モールド１３，１４をレンズ成形装置１７に取り付けてレンズアレイ１５を製造したときの、熱硬化性樹脂１２の硬化時及びレンズアレイ１５からの上モールド１３の離型時における熱硬化性樹脂１２の挙動について、図９を用いて説明する。なお、レンズ成形装置１７を用いたレンズアレイ１５の製造は、図５に示した第１の実施形態と同様に行われる。

各モールド１３，１４によって熱硬化性樹脂１２を挟持して加熱を行うと、熱硬化性樹脂１２の硬化に伴う熱硬化性樹脂１２の体積収縮が生じる。このときの収縮量は肉厚部ほど大きいため、レンズ頂点付近において収縮量が大きくなり、鏡面部１４ｂと対応するレンズアレイ１５の鏡面部１５ｂ（図８参照）は収縮量が少なく、また密着力が高いために鏡面部１４ｂに密着している（図９（Ａ）参照）。この状態で上モールド１３を上昇させると、上モールド１３とレンズアレイ１５との隙間に外気が入り込む（図９（Ｂ）参照）。このとき、鏡面部１４ｂと対向する上モールド１３の第２のパターン１３ａが溝部として機能する。上モールド１３を完全に上昇させると、レンズアレイ１５が上モールド１３から完全に離型され、下モールド１４上に残る（図９（Ｃ）参照）。

上述の構成においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この第２の実施形態では、レンズアレイ１５の外周縁部における、レンズアレイ１５の各モールド１３，１４からの剥がれ具合の違いがポイントであり、各モールドのうちの一方が鏡面仕上げの場合には、他方は鏡面に比して多少の凹凸が設けられていればよい。また、上下方向におけるレンズ部での大きさの違いは関係しない。なお、図９（Ｅ）に示すように上モールド１３の端部が熱硬化性樹脂１２に覆い被さるような態様では、上モールド１３と熱硬化性樹脂１２との界面に剥離部が生じない虞がある。そのため、本発明の作用効果を確実に発現させる場合には、図９（Ｄ）に示すように、上モールド１３の端部が熱硬化性樹脂１２に覆い被さることがないように構成することが望ましい。

図１０は、本発明の第３の実施形態を示している。この第３の実施形態は、第１または第２の実施形態において、さらにモールドとエネルギ硬化性樹脂との界面に生じた剥離部への外気の侵入を促進させる機構である。

上モールド４とレンズアレイ６との界面に生じた剥離部である隙間に対して、ノズル１６ａからエアを噴出することにより噴出させたエアを隙間に侵入させ、上モールド４とレンズアレイ６との剥離を進行させて上モールド４からレンズアレイ６を離型させる。エア供給元１６ｂは、製造装置の外部に設けられている。この実施形態によれば、上モールド４からレンズアレイ６を確実に離型させることができるので、レンズアレイ６の離型方向をさらに安定制御して取り出すことができ、装置の連続稼働の信頼性をさらに向上することができる。なお、ノズル１６ａから噴出するエアは、熱硬化性樹脂１２の急冷による熱分布を回避するため温風であることが望ましい。

第３の実施形態では、上モールドとモールド成形品との界面に生じた剥離部にエアを侵入させる構成を示したが、侵入させる流体はエアに限られず、窒素等の他の流体であってもよい。なお、第３の実施形態中におけるエアとは、通常は空気である。また、上述した各実施形態では、上モールドとモールド成形品とを剥離させる構成を示したが、下モールドとモールド成形品とを剥離させ、モールド成形品を上モールドに密着させる構成としてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上述した各実施形態ではエネルギ硬化性樹脂として熱硬化性樹脂を示したが、エネルギ硬化性樹脂はこれに限られず、光、紫外線、熱等のエネルギ硬化性樹脂全般に適用可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

４，１３ 一方のモールド、第２のモールド（上モールド）
４ａ 溝部
４ｂ，１３ａ 第２のパターン
５，１４ 他方のモールド、第１のモールド（下モールド）
５ａ，１４ａ 第１のパターン
６，１５ モールド成形品である光学素子（レンズアレイ）
６ａ リブ形状
１０ エネルギ発生手段（ヒータ）
１２ エネルギ硬化性樹脂（熱硬化性樹脂）
１７ モールド成形品の製造装置（レンズ成形装置）

特開２００６−２４５０７２号公報

Claims (5)

1. 所望のパターンが形成された一対のモールドを用い、一方の前記モールドの前記パターンの外周には他方の前記モールドの前記パターンよりも深い溝部が形成され、前記各モールド間にエネルギ硬化性樹脂を挟み込み、前記所望のパターンの反転形状を前記エネルギ硬化性樹脂に転写させるモールド成形品の製造方法であって、
   前記各モールド間に挟み込んだ液状の前記エネルギ硬化性樹脂にエネルギを付与して該エネルギ硬化性樹脂を硬化させるとき、前記エネルギ硬化性樹脂と前記溝部との界面で前記エネルギ硬化性樹脂と一方の前記モールドとの剥離を発生させ、前記剥離に流体を侵入させて一方の前記モールドの前記パターン内側まで前記剥離を進行させ、成形品を一方の前記モールドから離型させるモールド成形品の製造方法。
2. 請求項１記載のモールド成形品の製造方法において、
   前記溝部により前記成形品の剛性を向上させるリブ形状が形成されることを特徴とするモールド成形品の製造方法。
3. 請求項１または２記載のモールド成形品の製造方法において、
   前記成形品が平板型のレンズであることを特徴とするモールド成形品の製造方法。
4. 第１のパターンを有する第１のモールドと、
   第２のパターンと、前記第２のパターンの外周に前記第１のパターンよりも深く形成された溝部とを有し、前記第１のモールドに対して上下動する第２のモールドと、
   エネルギを発生させるエネルギ発生手段とを備え、
   前記第１のモールドと前記第２のモールドとの間にエネルギ硬化性樹脂を配置した後、前記第１のモールドと前記第２のモールドとの距離を相対的に縮めて前記第１のモールドと前記第２のモールドとで前記エネルギ硬化性樹脂を挟持し、この状態で前記エネルギ発生手段を作動させてエネルギを発生させることにより前記エネルギ硬化性樹脂を硬化させ、前記エネルギ硬化性樹脂と前記溝部との界面で前記エネルギ硬化性樹脂と前記第２のモールドとの剥離を発生させ、前記剥離に流体を侵入させて前記第２のモールドの前記第２のパターン内側まで前記剥離を進行させ、成形品を前記第２のモールドから離型させるモールド成形品の製造装置。
5. 請求項４記載のモールド成形品の製造装置によって製造される光学素子であって、
   前記溝部により剛性を向上させるリブ形状が形成されることを特徴とする光学素子。

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