JP2022147478A - Method for manufacturing plastic element and apparatus for manufacturing plastic element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラスチック素子の製造方法、及びプラスチック素子の製造装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a plastic element and a manufacturing apparatus for a plastic element.
近年、Tof(Time of Flight)を利用した3次元センシングの照度の均一性を高めて測距精度を向上させるために、マイクロレンズアレイや回折光学素子といったマイクロ・ナノオーダーの微細構造を有する光学素子が使われている。 In recent years, in order to improve the uniformity of illuminance in three-dimensional sensing using Tof (Time of Flight) and improve the accuracy of distance measurement, optical elements with micro/nano-order fine structures, such as microlens arrays and diffractive optical elements, have been developed. is used.
このような光学素子の製造方法としては、予め所望の光学面の反転形状が形成された平板状の上モールド及び下モールドの間で液状の熱硬化性樹脂を挟み込み、加熱することによって、反転形状を樹脂に転写させて、樹脂を硬化させる方法が知られている。 As a method for manufacturing such an optical element, a liquid thermosetting resin is sandwiched between a flat plate-shaped upper mold and a lower mold in which a desired inverted shape of the optical surface is formed in advance, and heated to obtain an inverted shape. is transferred to a resin and the resin is cured.
また、常温で液体の熱硬化性樹脂は、加熱による架橋反応で硬化する過程で体積収縮が発生するため、ヒケの発生や形状精度の低下といった転写不良が発生する。このような問題に対して、熱硬化性樹脂の粘度が向上するゲル化点で硬化収縮により負圧が発生することを検知して加圧するシステムが知られている(例えば、特許文献1)。 In addition, a thermosetting resin that is liquid at room temperature undergoes volumetric shrinkage in the course of curing due to a crosslinking reaction caused by heating. In order to solve such a problem, a system is known in which pressure is applied by detecting the generation of negative pressure due to cure shrinkage at the gelation point where the viscosity of the thermosetting resin increases (for example, Patent Document 1).
しかしながら、従来の技術は、ゲル化点を検知し、それをフィードバックする等の高精度なセンサや複雑な制御機構が必要となる。また、生産性を上げるため加熱速度を速めるほど制御が困難になり、プラスチック素子の転写精度が低下する問題がある。 However, the conventional technology requires a highly accurate sensor and a complicated control mechanism for detecting the gelation point and feeding it back. In addition, as the heating rate is increased in order to improve productivity, the control becomes more difficult, and there is a problem that the transfer accuracy of the plastic element is lowered.
本発明の課題は、簡単な構成でプラスチック素子の転写精度を向上させることができるプラスチック素子の製造方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a plastic element that can improve the transfer accuracy of the plastic element with a simple configuration.
本発明の一態様は、所定のパターンが転写された熱硬化性樹脂を加熱により硬化させて、プラスチック素子を成形するプラスチック素子の製造方法であって、一対のモールド間に熱硬化性樹脂を挟んで前記一対のモールドを固定する工程と、前記一対のモールドを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、を有し、前記一対のモールドの少なくとも一方は、前記熱硬化性樹脂に接して前記パターンを転写する転写部と、加熱により前記転写部が前記熱硬化性樹脂を圧縮する圧縮方向に膨張する膨張部と、を有し、前記膨張部の膨張量が、前記熱硬化性樹脂の硬化収縮量以上である。 One aspect of the present invention is a method for manufacturing a plastic element, in which a thermosetting resin to which a predetermined pattern has been transferred is cured by heating to form a plastic element, wherein the thermosetting resin is sandwiched between a pair of molds. and a step of heating the pair of molds to cure the thermosetting resin, wherein at least one of the pair of molds is in contact with the thermosetting resin. and an expanding portion that expands in a compression direction in which the transfer portion compresses the thermosetting resin by heating, and the amount of expansion of the expanding portion is equal to the amount of expansion of the thermosetting resin. is greater than or equal to the amount of curing shrinkage.
本発明の一態様によれば、簡単な構成でプラスチック素子の転写精度を向上させることができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to improve the transfer accuracy of a plastic element with a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態について、説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below.
<プラスチック素子の製造方法>
本実施形態に係るプラスチック素子の製造方法は、所定のパターンが転写された熱硬化性樹脂を加熱により硬化させて、プラスチック素子を成形する。
<Method for manufacturing plastic element>
In the method of manufacturing a plastic element according to the present embodiment, a thermosetting resin having a predetermined pattern transferred thereon is cured by heating to form a plastic element.
本実施形態のプラスチック素子の製造方法は、本実施形態に係る液体組成物は、一対のモールド間に熱硬化性樹脂を挟んで一対のモールドを固定する工程と、一対のモールドを加熱して熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、を有する。 The method for producing a plastic element of the present embodiment comprises the steps of fixing a pair of molds by sandwiching a thermosetting resin between the pair of molds, and heating the pair of molds to heat the liquid composition according to the present embodiment. and a step of curing the curable resin.
一対のモールドの少なくとも一方は、熱硬化性樹脂に接してパターンを転写する転写部と、加熱により転写部が熱硬化性樹脂を圧縮する圧縮方向に膨張する膨張部と、を有し、膨張部の膨張量が、熱硬化性樹脂の硬化収縮量以上である。 At least one of the pair of molds has a transfer portion that transfers the pattern in contact with the thermosetting resin, and an expansion portion that expands in a compression direction in which the transfer portion compresses the thermosetting resin due to heating. is greater than or equal to the curing shrinkage of the thermosetting resin.
本実施形態のプラスチック素子の製造方法は、具体的には、図1に示す装置により実現される。図1は、プラスチック素子の製造装置を示す模式図である。 Specifically, the method for manufacturing a plastic element of this embodiment is realized by the apparatus shown in FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an apparatus for manufacturing a plastic element.
図1に示すプラスチック素子の製造装置100は、上側ダイプレート10、下側ダイプレート20と、ガイド70、80を有する駆動部と、上側ダイプレート10に形成され、伝熱部31、加熱部32、冷却部33を有する温調部30と、下側ダイプレート20に形成され、伝熱部41、加熱部42、冷却部43を有する温調部40と、を有する。
A plastic
プラスチック素子の製造装置100は、さらに制御部(図示せず)を有し、この制御部により駆動部及び温調部30、40が制御される。なお、制御部は、中央処理装置(CPU)及びメモリーを有し、駆動部及び温調部30、40に有線または無線で通信可能に接続されている。
The plastic
上側ダイプレート10には、温調部30を介して上側モールド50が形成されている。上側モールド50は、加熱により熱膨張する膨張部51と、転写部52を有する。第1実施形態では、転写部52は、上側モールド50の転写面を構成し、転写部52には、プラスチック素子に転写される所定のパターン形状が形成されている。上側モールド50では、膨張部51と転写部52が一体に形成されている。
An
下側ダイプレート20には、温調部40を介して下側モールド60が形成されている。下側モールド60は、加熱により熱膨張する膨張部61と、転写部62を有する。第1実施形態では、転写部62は、下側モールド60の転写面を構成し、プラスチック素子に転写される所定の鏡面形状が構成されている。下側モールド60では、膨張部61と転写部62が一体に形成されている。
A
本明細書において、上側モールド50および下側モールド60は、本実施形態の一対のモールドの一例であり、このうち上側モールド50は、本実施形態の一対のモールドの少なくとも一方の一例である。
In this specification, the
なお、転写部62には、上側モールド50の転写部52と同様に、プラスチック素子に転写される所定のパターン形状が形成されていてもよい。また、転写部62には、転写部52に代えて、プラスチック素子に転写される所定のパターン形状が形成されていてもよい。
Note that the
上側モールド50と下側モールド60の間には熱硬化性樹脂90が配置される。本実施形態では、駆動部の動作に伴って、上側モールド50が固定された下側モールド60側に動き、転写部52が熱硬化性樹脂90と接することで、熱硬化性樹脂90の形状が変形する。また、温調部30、40の温度によって上下のモールド50、60の温度が制御され、熱硬化性樹脂90の加熱硬化、冷却が行われる。
A
本明細書において、熱硬化性樹脂は、熱硬化性を有するもつ合成樹脂であり、硬化後は溶媒に溶けず、再加熱しても軟化しないものを示す。熱硬化性樹脂は、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、樹脂等が挙げられる。 In this specification, a thermosetting resin is a synthetic resin having thermosetting properties, which is insoluble in a solvent after curing and does not soften even when reheated. Thermosetting resins are not particularly limited, and examples thereof include epoxy resins, urethane resins, acrylic resins, urea resins, melamine resins, phenol resins, and resins.
上側モールド50の膨張部51は、高熱膨張部材で構成されている。高熱膨張部材としては、線膨張係数が10×10-6/℃以上50×10-6/℃以下の材質が好ましく、より好ましくは15×10-6/℃以上45×10-6/℃以下の材質、さらに好ましくは20×10-6/℃以上35×10-6/℃以下の材質である。このような高熱膨張部材としては、例えば、アルミニウム(線膨張係数:27×10-6/℃)を用いることができる。
The
上側モールド50の厚さは、任意であるが、上側モールド50の膨張部51が、高熱膨張部材で構成されている場合は、熱伝導を考慮して、例えば、20mm以上60mm以下にするのが好ましく、より好ましくは30mm以上50mm以下、さらに好ましくは35mm以上45mm以下である。
The thickness of the
下側モールド60の膨張部61は、低熱膨張部材で構成されている。低熱膨張部材としては、線膨張係数が10×10-6/℃未満の材質が好ましく、より好ましくは8×10-6/℃以下の材質、さらに好ましくは5×10-6/℃以下の材質である。なお、低熱膨張部材における線膨張係数の下限値は、限定されず、通常は0.1×10-6/℃である。このような低熱膨張部材としては、例えば、シリコン(線膨張係数:3.9×10-6/℃)を用いることができる。
The
なお、本実施形態では、上側を高熱膨張部材、下側を低熱膨張部材としたが、加熱によって転写面に圧縮応力が加わればよく、上側が低熱膨張部材、下側が高熱膨張部材であっても、上下両側が高熱膨張部材であってもよい。これにより、温調部30、40の温度に応じて高熱膨張部材が熱膨張し、転写方向に圧縮応力がかかる作用機序を構築することができる。
In this embodiment, the high thermal expansion member is used on the upper side and the low thermal expansion member is used on the lower side. , both upper and lower sides may be high thermal expansion members. As a result, it is possible to establish a working mechanism in which the high thermal expansion member thermally expands in accordance with the temperature of the
ここで、本実施形態のプラスチック素子の製造方法を実行する工程の手順について説明する。図2~図5は、プラスチック素子の製造方法を示すフローチャートである。図6~図10は、第1実施形態の製造工程を示す。図11は、プラスチック素子の製造工程と熱膨張による加圧との関係を示す。 Here, a procedure of steps for executing the method for manufacturing a plastic element according to the present embodiment will be described. 2-5 are flow charts showing a method of manufacturing a plastic element. 6 to 10 show the manufacturing process of the first embodiment. FIG. 11 shows the relationship between the manufacturing process of the plastic element and the pressure due to thermal expansion.
本実施形態のプラスチック素子の製造方法は、樹脂塗布工程、型閉じ工程、加熱工程、冷却工程、型開き工程(図2、ステップS1~S5)を有する。 The method for manufacturing a plastic element according to the present embodiment includes a resin coating process, a mold closing process, a heating process, a cooling process, and a mold opening process (steps S1 to S5 in FIG. 2).
樹脂塗布工程(図2、ステップS1)では、上側ダイプレート10と下側ダイプレート20は離れた位置で待機する(図3、ステップS11)。このとき、上側モールド50の転写部52は熱硬化性樹脂90から離れた位置に待機される(図6)。温調部30、40は、一定温度に予備加熱した状態が保持される(図4、ステップS21)。下側モールド60に液体の熱硬化性樹脂90を塗布する(図5、ステップS31)。
In the resin coating process (FIG. 2, step S1), the
型閉じ工程(図2、ステップS2)では、上側ダイプレート10を下降させ、待機位置から距離D1の位置で停止させる(図3、ステップS12、S13)。これにより、上側モールド50は、下側モールド60に対して固定される。また、上側モールド50の転写部52も、待機位置から距離D1だけ下降した位置で停止し、熱硬化性樹脂90と接する(図7)。
In the mold closing step (FIG. 2, step S2), the
このとき、圧力挙動は、ほぼゼロに近い値を取る(図11の実線の左側)。なお、樹脂材料と接することでわずかに正の圧力が発生するが、液体のためほぼゼロとみなすことができる。 At this time, the pressure behavior takes a value close to zero (left side of the solid line in FIG. 11). Although a slight positive pressure is generated by contact with the resin material, it can be regarded as almost zero because it is a liquid.
なお、型閉じ工程(図2、ステップS2)は、本実施形態において、一対のモールド間に熱硬化性樹脂を挟んで一対のモールドを固定する工程の一例である。 The mold closing step ( FIG. 2 , step S2) is an example of a step of fixing a pair of molds by sandwiching a thermosetting resin between them in this embodiment.
加熱工程(図2、ステップS3)では、温調部30、40により加熱を開始する(図4、ステップS22)。これにより、上側モールド50、下側モールド60も加熱される。このとき、高熱膨張部材で構成された上側モールド50は、熱膨張する。
In the heating step (FIG. 2, step S3), heating is started by the
そのため、駆動部(上側ダイプレート10)は動いていないにもかかわらず、上側モールド50の転写部52は、さらに距離D2だけ下降する(図8)。その結果、熱硬化性樹脂90が硬化収縮しても転写方向に圧縮応力がかかる(図11の(A)点および(B)点)。
Therefore, although the drive section (upper die plate 10) is not moving, the
さらに、温調部30、40により加熱を保持すると(図4、ステップS23)、温調部30、40による加熱温度が一定になり、熱膨張量も一定値に落ち着くため、圧力は一定となる(図11の(C)点)。このとき、上側モールド50の転写部52の下降は停止する(図8)。
Furthermore, when the heating is maintained by the
また、熱硬化性樹脂90は、ゲル化した熱硬化性樹脂91となり体積収縮(硬化収縮)が起こるが、膨張した上側モールド50からの圧縮応力により、転写部52に密着したままとなる(図8)。
Further, the
一方、高熱膨張部材を用いない通常の成形方法(上側モールド150と下側モールド160)の場合、加熱を開始して熱硬化性樹脂190がゲル化すると体積収縮(硬化収縮)が起こる(図11の(E)点)。
On the other hand, in the case of a normal molding method (
このとき、上側モールド150の転写面とゲル化した熱硬化性樹脂191の密着があるうちは、引張応力が働くため負圧が発生する。さらに、収縮が進んで耐えきれなくなると、ゲル化した熱硬化性樹脂191が上側モールド150の転写面から剥がれ圧力ゼロとなる(図11(F))。
At this time, as long as the transfer surface of the
また、先行技術(特許文献1)の場合は、この工程で負圧を検知し、駆動部を制御してダイプレート位置を微調整するという複雑なフィードバック制御を実施しているが、本実施形態では、このような複雑な構成や制御を行うことなく、加熱するだけで転写性を向上させることができる。 In addition, in the case of the prior art (Patent Document 1), complicated feedback control is performed by detecting the negative pressure in this process and controlling the drive unit to finely adjust the die plate position. However, the transferability can be improved only by heating without performing such a complicated configuration and control.
本明細書において、加熱工程は、本実施形態における一対のモールドを加熱して熱硬化性樹脂を硬化させる工程の一例である。 In this specification, the heating step is an example of a step of heating the pair of molds in the present embodiment to harden the thermosetting resin.
冷却工程(図2、ステップS4)では、温調部30、40による冷却を開始する(図4、ステップS24)。これにより、膨張状態の上側モールド50は収縮して元に戻る。これに伴い、上側モールド50の転写部52は、上昇して元の位置(待機位置から距離D1の位置)に戻る。その後、温調部30、40による冷却を終了する(図4、ステップS25)。
In the cooling step (FIG. 2, step S4), cooling by the
なお、硬化して固体化した熱硬化性樹脂(成形品)92も冷却により熱収縮するため、上側モールド50と成形品は互いに剥がれる方向に力が働く(図9)。その結果、圧力はゼロに近づく(図11の(D)点)。このとき、成形品92は十分固まって固体になっているので、型から剥がれてもプラスチック素子として転写精度は維持されたものとなる。
Since the hardened and solidified thermosetting resin (molded article) 92 also thermally shrinks when cooled, a force acts in the direction in which the
型開き工程(図2、ステップS5)では、上側ダイプレート10を上昇させ、待機させると、上側モールド50の転写部52は、上昇して待機状態に戻る(図3、ステップS14、S15)。これにより、成形品92をプラスチック素子として取り出すことができる(図5、ステップS32)。
In the mold opening step (FIG. 2, step S5), the
なお、型開き工程(図2、ステップS5)の後、ステップS1~S5を繰り返す場合は、樹脂塗布工程(図2、ステップS1)に戻り、ステップS1~S5を実行する。ステップS1~S5を繰り返さない場合は、ステップを終了する。 If steps S1 to S5 are to be repeated after the mold opening step (step S5 in FIG. 2), the process returns to the resin coating step (step S1 in FIG. 2) and steps S1 to S5 are executed. If steps S1 to S5 are not to be repeated, the steps are terminated.
なお、ステップS1~S5を繰り返す場合は(図2、ステップS6)、上側ダイプレート10は上昇したまま待機する(図3、ステップS15、ステップ16)。このとき、温調部30、40は、次の成形に備えて、一定温度に予備加熱した状態が保持され(図4、ステップS26、S27)、再度、下側モールド60に液体の熱硬化性樹脂90が塗布される(図5、ステップS33)。
When steps S1 to S5 are repeated (FIG. 2, step S6), the
高熱膨張部材を用いない成形方法の場合、図11に示すように、加熱工程において、熱硬化性樹脂が転写面から剥がれ、圧力ゼロとなる。熱硬化性樹脂が未硬化の状態で剥がれが発生するため、成形品にはヒケが発生したり、形状精度が悪化したりする(図12、図14)。 In the case of a molding method that does not use a high thermal expansion member, as shown in FIG. 11, in the heating process, the thermosetting resin is peeled off from the transfer surface and the pressure becomes zero. Since the thermosetting resin is peeled off in an uncured state, the molded product may suffer from sink marks and poor shape accuracy (FIGS. 12 and 14).
これに対して、本実施形態では、高熱膨張部材が用いられることで、加熱工程において、熱硬化性樹脂が硬化収縮しても、上側モールド50(膨張部51)の熱膨張により転写方向に圧縮応力がかかる。そのため、成形品92のヒケを抑制し、形状精度を向上させることができる(図12、図13)。
On the other hand, in the present embodiment, by using a high thermal expansion member, even if the thermosetting resin cures and shrinks in the heating process, the thermal expansion of the upper mold 50 (expansion portion 51) compresses in the transfer direction. stress is applied. Therefore, it is possible to suppress the sink mark of the molded
なお、上側モールド50の熱膨張による転写部52の移動量(図11の距離D2)、すなわち膨張部51の膨張量が、樹脂の硬化収縮量以上であれば、転写面から樹脂が離れることはない。この場合、熱硬化性樹脂90に対して転写部52のパターンを確実に転写させることができる。
If the amount of movement of the
例えば、予備加熱温度を100℃、加熱温度を150℃、熱硬化性樹脂の硬化収縮量を5%、成形品の厚さを1mmとする。また、前述の通り、上側モールド50の材質をアルミニウム(線膨張係数:27×10-6/℃)とし、その厚さを40mmとすると、以下の通り、熱膨張量が硬化収縮量以上になる関係(熱膨張量≧硬化収縮量)が成立し、熱硬化性樹脂90に対して転写部52のパターン形状を確実に転写することができる。
For example, the preheating temperature is 100° C., the heating temperature is 150° C., the curing shrinkage of the thermosetting resin is 5%, and the thickness of the molded product is 1 mm. Further, as described above, if the material of the
上側モールドの熱膨張量:27×10-6/℃×(150℃-100℃)×40mm=54um
熱硬化性樹脂の硬化収縮量:1mm×5%=50um
Thermal expansion amount of upper mold: 27×10 −6 /° C.×(150° C.-100° C.)×40 mm=54 um
Cure shrinkage amount of thermosetting resin: 1 mm x 5% = 50 um
また、上側モールド50、下側モールド60をいずれもアルミニウムで作製した場合、各モールド50、60の厚さは半分の20mmであっても、上下のモールド50、60の膨張量を併せれば硬化収縮量を上回ることができる。
In addition, when both the
一方、上側モールド50、下側モールド60をいずれもシリコン(線膨張係数:3.9×10-6/℃)で作製した場合、
上側モールドの熱膨張量:3.9×10-6/℃×(150℃-100℃)×40mm=7.8um
となり硬化収縮量を大きく下回る。
On the other hand, when both the
Thermal expansion amount of upper mold: 3.9×10 −6 /° C.×(150° C.-100° C.)×40 mm=7.8 um
and is much lower than the amount of curing shrinkage.
熱硬化性樹脂の硬化収縮量(50um)以上にするには、モールドの厚さを上下ともに128mm以上にする必要がある。厚さが100mmを上回るモールドでは熱伝導に時間がかかりすぎ、タクトタイムが大幅に延びるため、現実的ではない。このような観点からも、上側モールド50、下側モールド60の少なくとも一方に、アルミニウムのような高熱膨張部材を用いるのが好ましい。
In order to increase the curing shrinkage amount (50 μm) or more of the thermosetting resin, the thickness of the mold must be 128 mm or more at both the top and bottom. A mold with a thickness of more than 100 mm is not practical because it takes too much time for heat conduction and the tact time is greatly extended. From this point of view as well, it is preferable to use a high thermal expansion member such as aluminum for at least one of the
このように、第1実施形態によれば、簡単な構成でプラスチック素子の転写精度を向上させることができる。 Thus, according to the first embodiment, it is possible to improve the transfer accuracy of the plastic element with a simple configuration.
図15は、第2実施形態の製造装置を示す。図16~図20は、第2実施形態の製造工程を示す。なお、第2実施形態の第1実施形態と共通する部分には、同一の符号を付して説明を省略する。 FIG. 15 shows the manufacturing apparatus of the second embodiment. 16 to 20 show the manufacturing process of the second embodiment. In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the part which is common in 1st Embodiment of 2nd Embodiment, and description is abbreviate|omitted.
第2実施形態の製造装置では、上側モールド50の膨張部51と転写部52とが別部材で構成されている。具体的には、膨張部51が、転写部52と温調部30との間に配置され、加熱により膨張することで、転写部52に対する圧力調整部を構成することができる。
In the manufacturing apparatus of the second embodiment, the
第2実施形態では、さらに、転写部52の膨張量が、膨張部51の膨張量より小さくなるように、転写部52の材質が選定される。具体的には、上側モールド50の転写部52の材質は、下側モールド60と同じ低熱膨張材料で構成されている。
Further, in the second embodiment, the material of the
例えば、プラスチック素子に転写されるパターンがφ100um程度のマイクロレンズを数万個並べたマイクロレンズアレイの場合、高熱膨張部材であるアルミニウムに機械加工で形状を作り込むことは困難である。この場合は、シリコン(線膨張係数:3.9×10-6/℃)やガラス基板(線膨張係数:0.6×10-6/℃)に対して半導体プロセスで加工する方が望ましい。ただし、シリコンやガラスは、線膨張係数が非常に小さい。 For example, in the case of a microlens array in which tens of thousands of microlenses with a diameter of about 100 μm are arranged in a pattern transferred to a plastic element, it is difficult to create a shape by machining aluminum, which is a high thermal expansion member. In this case, it is preferable to process silicon (linear expansion coefficient: 3.9×10 −6 /° C.) or glass substrate (linear expansion coefficient: 0.6×10 −6 /° C.) by a semiconductor process. However, silicon and glass have very small coefficients of linear expansion.
そこで、第2実施形態では、上側モールド50の転写部52にシリコン等の低熱膨張部材を用い、上側モールド50の膨張部51にはアルミニウム等の高熱膨張部材を用いることで、転写面の加工性と転写性を両立することができる。また、転写する樹脂材料の硬化収縮量に応じた膨張部51の厚みの調整や、膨張部51の材質変更により様々な樹脂材料に対応することが可能である。
Therefore, in the second embodiment, a low thermal expansion member such as silicon is used for the
例えば、膨張部51をアルミニウム(線膨張係数:27×10-6/℃)とし、その厚さを40mmで作製し、予備加熱温度を100℃、加熱温度を150℃、熱硬化性樹脂の硬化収縮量を5%、成形品92の厚さを1mmとする。この場合、第1実施形態と同様に、熱膨張量が硬化収縮量以上になる関係(熱膨張量≧硬化収縮量)が成立し、熱硬化性樹脂90に対して転写部52のパターン形状を確実に転写することができる。
For example, the
なお、上側モールド50において、シリコンやガラスの転写部52にパターン形状を形成する場合は、上述のようにウエハプロセスが用いられるが、転写部52の厚さは1mm以下であり熱伝導性に問題はない。
In the
第2実施形態において転写性が向上する作用機序は、第1実施形態と同様であり、加熱工程において、上側モールド50の膨張部51が熱膨張することで、転写部52が距離D4だけ下降することで、加熱温度に応じた圧力がかかる(図17~図18)。 The action mechanism for improving the transferability in the second embodiment is the same as in the first embodiment. By doing so, a pressure corresponding to the heating temperature is applied (FIGS. 17 and 18).
なお、第2実施形態の下側モールド60の膨張部61と転写部62とは、一体に形成されているが、上側モールド50と同様に、膨張部61と転写部62とが別部材で構成されていてもよい。その場合、膨張部61は、転写部62と温調部40との間に配置され、加熱により膨張することで、転写部62に対する圧力調整部を構成することができる。
Although the
第2実施形態では、転写部52の膨張量が膨張部51の膨張量より小さいため、転写部52の形状は、熱硬化性樹脂が圧縮される圧縮方向だけでなく、該圧縮方向と直交する方向にも変化しにくい。これにより、転写部52によるパターン形状の転写精度は、熱硬化性樹脂の圧縮方向の硬化収縮に対してだけでなく、該圧縮方向と直交する方向の硬化収縮に対しても、向上させることができる。
In the second embodiment, since the amount of expansion of the
また、第2実施形態では、上側モールド50の転写部52を膨張部51とは別部材の低熱膨張部材で構成することにより、上側モールド50自体が熱膨張しても、パターン形状の転写精度の低下を抑制することができる。
Further, in the second embodiment, the
図21は、第3実施形態の製造装置を示す。図22は、第3実施形態の製造装置を構成する上側モールドの加熱前の状態を示し、図23は、第3実施形態の製造装置を構成する上側モールドの加熱時の状態を示す。図24~図25は、第3実施形態の製造工程を示す。図26は、第3実施形態の製造工程で得られたプラスチック素子を示す。なお、第3実施形態の第2実施形態と共通する部分には、同一の符号を付して説明を省略する。 FIG. 21 shows the manufacturing apparatus of the third embodiment. FIG. 22 shows the state before heating of the upper mold that constitutes the manufacturing apparatus of the third embodiment, and FIG. 23 shows the state of the upper mold that constitutes the manufacturing apparatus of the third embodiment during heating. 24 and 25 show the manufacturing process of the third embodiment. FIG. 26 shows a plastic element obtained by the manufacturing process of the third embodiment. In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the part which is common in 2nd Embodiment of 3rd Embodiment, and description is abbreviate|omitted.
第3実施形態の製造装置では、上側モールド50が、圧縮方向と直交する方向に膨張部51と隣接する非膨張部53を有する。非膨張部53は、膨張部51の周囲に配置されている。第3実施形態では、膨張部51が平面視で矩形状を有し、非膨張部53が膨張部51平面視で矩形状に囲む形状を有する(図22)。
In the manufacturing apparatus of the third embodiment, the
非膨張部53の形状は、特に限定されない。本実施形態では、平面視で輪郭が矩形状の環状形状を有する。
The shape of the
また、非膨張部53は、熱により膨張しない、または膨張しても膨張量がわずかな部分である。非膨張部53の材質は、特に限定されないが、例えば、下側モールド60と同様に、シリコン等の低熱膨張部材を用いることができる。
The
また、第3実施形態では、膨張部51の圧縮方向に、転写部52が設けられている。これにより、上側モールド50が加熱されると、膨張部51が膨張して、転写部52は下降し、非膨張部53は下降しない。加熱により下降する転写部52は、硬化後の熱硬化性樹脂(成形品)92の有効領域92Aとなり、加熱しても下降しない非膨張部53は、成形品92の非有効領域92Bを構成する。
Further, in the third embodiment, the
ここで、有効領域は、プラスチック素子における所望のパターン形状(もしくは鏡面)を形成したい領域である。例えば、光学素子であれば、光の透過・反射といった機能を担う領域を示す。また、外装部品であれば、所望の外観を担保したい領域を示す。一方、非有効領域は、必ずしも所望のパターン形状(もしくは鏡面)が得られている必要はない。すなわち、ヒケなどの転写不良が生じても素子として問題にならない領域を示す。 Here, the effective area is an area where a desired pattern shape (or mirror surface) is desired to be formed on the plastic element. For example, in the case of an optical element, it indicates a region that performs functions such as transmission and reflection of light. In the case of an exterior part, it indicates an area where a desired appearance is desired. On the other hand, the non-effective area does not necessarily have a desired pattern shape (or mirror surface). In other words, it indicates a region in which even if transfer defects such as sink marks occur, there is no problem as an element.
第3実施形態では、成形品92の有効領域92Aを投影した部分のみに上側モールド50の転写部52が設けられているため、加熱時に有効領域92Aが非有効領域92Bに対して凸になって加圧される(図23)。一方、非有効領域92Bは、熱膨張による加圧効果が働かないために、有効領域92Aに対して熱硬化性樹脂90の拘束が弱くなる。
In the third embodiment, the
その結果、熱硬化性樹脂90は内側に向かって収縮できるため、硬化後の熱硬化性樹脂92の内側にある有効領域92Aで転写性が向上し、外側の非有効領域92Bには収縮によるヒケが発生する。すなわち、非有効領域92Bにヒケを逃がすことで、熱硬化性樹脂90の転写性を向上させることができる。
As a result, since the
また、熱硬化性樹脂90の硬化後は、固体化した熱硬化性樹脂(成形品)92の外周部(非有効領域92B)が上側モールド50の非膨張部53から剥がれるために、型開き後工程の際に成形品92が離型しやすくなる。
Further, after the
また、第3実施形態では、膨張部51が周囲の非膨張部53に規制されるため、熱膨張による転写部52の移動量を大きくすることができる。
Further, in the third embodiment, since the
図27は、第4実施形態の製造装置を示す。図28~図32は、第4実施形態の製造工程を示す。図33は、第4実施形態の製造装置を構成する下側モールドの一例を示す。図34は、第4実施形態の製造装置を構成する下側モールドの一例を示す。なお、第4実施形態の第2実施形態と共通する部分には、同一の符号を付して説明を省略する。 FIG. 27 shows the manufacturing apparatus of the fourth embodiment. 28 to 32 show the manufacturing process of the fourth embodiment. FIG. 33 shows an example of a lower mold that constitutes the manufacturing apparatus of the fourth embodiment. FIG. 34 shows an example of a lower mold that constitutes the manufacturing apparatus of the fourth embodiment. In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the part which is common in 2nd Embodiment of 4th Embodiment, and description is abbreviate|omitted.
第4実施形態の製造装置では、上側モールド50と下側モールド60との間に、上側モールド50と下側モールド60の間隔を規制するスペーサ部63が形成されている(図27)。
In the manufacturing apparatus of the fourth embodiment, a
プラスチック素子の製造では、加熱工程が含まれるため、装置を稼働させ続けると装置全体に熱が溜まり、上述の第2実施形態等の場合、上側モールド50の膨張部51の熱膨張量もわずかに変化し、成形品の寸法にばらつきが生じる原因となる。また、温調部30、40の温度ムラがあると、上側モールド50の転写部52内でも加圧ムラが発生し、結果として転写部52の並行度が低下する可能性が考えられる。
Since the production of plastic elements includes a heating process, heat accumulates in the entire apparatus as the apparatus continues to operate. change and cause variations in the dimensions of the molded product. Further, if there is temperature unevenness in the
これに対して、第4実施形態では、上側モールド50と下側モールド60との間に、スペーサ部63が設けられている。これにより、上側モールド50と下側モールド60の間隔が規制され、熱硬化性樹脂を圧縮する間隔を調整することができので、成形品の厚さ方向の形状精度が向上する。
In contrast, in the fourth embodiment, a
具体的には、スペーサ部63は、下側モールド60の表面の外周部に平面視で環状に設けられている(図33)。図30の加熱工程で、上側モールド50の転写部52が下降する途中で下側モールド60に設けられたスペーサ部63に突き当たる。これにより、上側モールド50の転写部52と下側モールド60の転写部62との間隔が一定に固定される。
Specifically, the
また、第4実施形態では、下側モールド60の外周部に設けられたスペーサ部63に突き当たることにより転写面の並行度が向上する。これにより、成形品の厚さ方向の形状精度がさらに向上する効果が得られる。
In addition, in the fourth embodiment, the parallelism of the transfer surface is improved by abutting against the
また、第4実施形態では、スペーサ部63の圧縮方向の高さが、加熱前の熱硬化性樹脂90の圧縮方向の厚みより低いことが好ましい(図28、図29)。スペーサ部63の圧縮方向の高さが、加熱前の熱硬化性樹脂90の圧縮方向の厚みより低くすることで、上側モールド50による加圧が不足することを防ぐことができる。
In the fourth embodiment, the height of the
なお、スペーサ部63の材質は、特に限定されないが、膨張部51の線膨張係数より小さく、かつ、割れにくい材料が好ましい。例えば、下側モールド60及びスペーサ部63をニッケルーリン合金(線膨張係数:12×10-6/℃)で一体化して作ることで、成形品の厚さ方向の形状精度がさらに向上する。
Although the material of the
なお、スペーサ部63は、図33の例では、下側モールド60の外周部の全周に亘って一つのスペーサで構成されているが、スペーサ部63の形状は、この形態に限定されない。例えば、図34に示すように、下側モールド60の四隅に複数のスペーサ部63を形成してもよい。このように複数のスペーサ部63を部分的に設けることで、型開き後工程で成形品92を離型する際にスペーサ部63が邪魔になりにくい。
In the example of FIG. 33, the
なお、第4実施形態では、上側モールド50と下側モールド60の間隔を規制するスペーサ部が、下側モールド60に設けられているが、スペーサを設ける位置はこれに限定されない。例えば、上側モールド50にスペーサ部が形成されていてもよく、上側モールド50及び下側モールド60の両方にスペーサ部が形成されていてもよい。
In addition, in the fourth embodiment, the spacer portion that regulates the gap between the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to specific embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the invention described in the claims. .
<プラスチック素子>
本実施形態のプラスチック素子は、上述のプラスチック素子の製造方法によって製造される。具体的には、上述のプラスチック素子の製造装置100を用いることで、得られた熱硬化性樹脂の硬化体(成形品)が本実施形態のプラスチック素子となり得る。
<Plastic element>
The plastic element of this embodiment is manufactured by the method for manufacturing a plastic element described above. Specifically, by using the plastic
このようにして得られるプラスチック素子は、上述のように、熱硬化性樹脂の硬化体である成形品のヒケが抑制され、形状精度に優れたものとなる(図13)。そのため、このようなプラスチック素子は、マイクロレンズアレイや回折光学素子といったマイクロ・ナノオーダーの微細構造を有する光学素子の用途に適用することができる。 As described above, the plastic element obtained in this manner suppresses the occurrence of sink marks in the molded article, which is a cured body of thermosetting resin, and has excellent shape accuracy (FIG. 13). Therefore, such a plastic element can be applied to applications of optical elements having a micro-/nano-order fine structure, such as microlens arrays and diffractive optical elements.
<プラスチック素子の製造装置>
本実施形態のプラスチック素子の製造装置は、所定のパターンが転写された熱硬化性樹脂を加熱により硬化させて、プラスチック素子を成形するプラスチック素子の製造装置であって、一対のモールドと、一対のモールドの少なくとも一方を、前記一対のモールド間に熱硬化性樹脂が挟まれる位置に移動させる駆動部と、前記一対のモールドを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる加熱部と、を有し、前記一対のモールドの少なくとも一方は、前記熱硬化性樹脂に接して前記パターンを転写する転写部と、加熱により前記転写部が前記熱硬化性樹脂を圧縮する圧縮方向に膨張する膨張部と、を有し、前記膨張部の膨張量が、前記熱硬化性樹脂の硬化収縮量以上である。
<Plastic element manufacturing equipment>
The apparatus for manufacturing a plastic element according to the present embodiment is an apparatus for manufacturing a plastic element by heating and curing a thermosetting resin to which a predetermined pattern has been transferred to form a plastic element. a driving unit that moves at least one of the molds to a position where the thermosetting resin is sandwiched between the pair of molds; and a heating unit that heats the pair of molds to cure the thermosetting resin. , at least one of the pair of molds includes a transfer portion for transferring the pattern in contact with the thermosetting resin; and an expansion portion for expanding in a compression direction in which the transfer portion compresses the thermosetting resin by heating; and the amount of expansion of the expansion portion is greater than or equal to the amount of curing shrinkage of the thermosetting resin.
具体的には、本実施形態のプラスチック素子の製造装置は、上述のプラスチック素子の製造方法を実現する製造装置100を用いることができる(図1~図10)。
Specifically, as the plastic element manufacturing apparatus of the present embodiment, a
本実施形態のプラスチック素子の製造装置では、上述のように、高熱膨張部材が用いられることで、加熱工程において、熱硬化性樹脂が硬化収縮しても、上側モールド50(膨張部51)の熱膨張により転写方向に圧縮応力がかかる。そのため、成形品92のヒケを抑制し、形状精度を向上させることができる(図12、図13)。
As described above, in the plastic element manufacturing apparatus of the present embodiment, even if the thermosetting resin cures and shrinks in the heating process, the heat of the upper mold 50 (expansion portion 51) is reduced by using the high thermal expansion member. Due to the expansion, a compressive stress is applied in the transfer direction. Therefore, it is possible to suppress the sink mark of the molded
100 製造装置
10 上側ダイプレート
20 下側ダイプレート
30 温調部
31 伝熱部
32 加熱部
33 冷却部
40 温調部
41 伝熱部
42 加熱部
43 冷却部
50 上側モールド
51 膨張部
52 転写部
53 非膨張部
60 下側モールド
61 膨張部
62 転写部
63 スペーサ部
70 ガイド
80 ガイド
90 熱硬化性樹脂
91 ゲル化した熱硬化性樹脂
92 固体化した熱硬化性樹脂(成形品)
92A 有効領域
92B 非有効領域
REFERENCE SIGNS
92A
Claims (8)
一対のモールド間に熱硬化性樹脂を挟んで前記一対のモールドを固定する工程と、
前記一対のモールドを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、を有し、
前記一対のモールドの少なくとも一方は、
前記熱硬化性樹脂に接して前記パターンを転写する転写部と、
加熱により前記転写部が前記熱硬化性樹脂を圧縮する圧縮方向に膨張する膨張部と、を有し、
前記膨張部の膨張量が、前記熱硬化性樹脂の硬化収縮量以上である、プラスチック素子の製造方法。 A method for manufacturing a plastic element by heating and curing a thermosetting resin to which a predetermined pattern has been transferred to form a plastic element,
A step of fixing the pair of molds by sandwiching a thermosetting resin between the pair of molds;
a step of heating the pair of molds to cure the thermosetting resin;
At least one of the pair of molds,
a transfer unit that transfers the pattern in contact with the thermosetting resin;
an expansion section that expands in a compression direction in which the transfer section compresses the thermosetting resin by heating;
The method of manufacturing a plastic element, wherein the amount of expansion of the expansion portion is equal to or greater than the amount of curing shrinkage of the thermosetting resin.
一対のモールドと、
一対のモールドの少なくとも一方を、前記一対のモールド間に熱硬化性樹脂が挟まれる位置に移動させる駆動部と、
前記一対のモールドを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる加熱部と、を有し、
前記一対のモールドの少なくとも一方は、
前記熱硬化性樹脂に接して前記パターンを転写する転写部と、
加熱により前記転写部が前記熱硬化性樹脂を圧縮する圧縮方向に膨張する膨張部と、を有し、
前記膨張部の膨張量が、前記熱硬化性樹脂の硬化収縮量以上である、プラスチック素子の製造装置。 A plastic element manufacturing apparatus for molding a plastic element by heating and curing a thermosetting resin to which a predetermined pattern has been transferred,
a pair of molds;
a driving unit that moves at least one of the pair of molds to a position where the thermosetting resin is sandwiched between the pair of molds;
a heating unit that heats the pair of molds to cure the thermosetting resin;
At least one of the pair of molds,
a transfer unit that transfers the pattern in contact with the thermosetting resin;
an expansion section that expands in a compression direction in which the transfer section compresses the thermosetting resin by heating;
An apparatus for manufacturing a plastic element, wherein the amount of expansion of the expansion portion is equal to or greater than the amount of curing shrinkage of the thermosetting resin.
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