JP4290449B2

JP4290449B2 - 加熱プレス用成形型、これを用いたシリカガラスの製造方法

Info

Publication number: JP4290449B2
Application number: JP2003080110A
Authority: JP
Inventors: 浩之後藤
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004284893A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加熱プレス用成形型、これを用いたシリカガラスの製造方法に係わり、特に割り型の被成形材の噛み込みを防止した加熱プレス用成形型、これを用いたシリカガラスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱軟化性素材の成形には、加熱プレス加工が一般的に行われている。その場合、離型性を考慮して、被成形材と成形型の熱膨張率を可能な限り一致させあるいは、成形型の方が被成形材よりも熱膨張率が小さくなるように考慮されている。
【０００３】
しかしながら、このような従来の加熱プレス用成形型を用い、シリカガラス（石英ガラスと言うこともある）など低熱膨張率の被成形材を成形する際、適当な成形型材料の入手が困難である。このため、転写パターンの壁面に角度を付け、冷却時に成形型が収縮しても被成形材を噛み込まず、滑って離型する方向に移動するよう成形型を設計する方策が採られている。しかし、この方法では、成形型の側面の形状保持、特に垂直に立った壁面を被成形材に与えることができない。
【０００４】
すなわち、図９のような加熱プレス用成形型２２の構成を考えた場合、昇温後に被成形材Ｍの熱膨張係数よりも下型２３の熱膨張係数が大きい場合、下型２３の収縮により被成形材Ｍを噛み込んで、下型２３から被成形材Ｍが離型できないか、あるいは、下型２３が破損するおそれがある。また、プレス成形時、上型２４からの圧力が、被成形材Ｍの外周部ほど変形によって逃げてしまうため、微細なパターンの変形や転写不足が発生する問題があった。
【０００５】
また、図９に示す上記従来の成形型で問題となる噛み込みを回避するために、図１０に示すように、加熱プレス用成形型３２の下型３３を分割し、複数個の下分割型３３ｚとするものが提案されている。しかしながら、この下型３３は、冷却時の収縮による応力発生を回避できるが、下型３３の成形側面３３ａ_１から積極的な被成形材Ｍへの加圧は期待できず、逆に分割面のズレにより下分割型３３ｚ間に隙間が生じて、被成形材Ｍの形状に悪影響を与える問題があった。
【０００６】
なお、断面三角形状の凹状成形面が設けられた下型を２分割したガラス成形型があるが、この成形型は、上記従来の後者と成形型同様に、冷却時の収縮による応力発生を回避できるが、下型の成形側面から積極的な被成形材への加圧は期待できず、逆に分割面のズレにより下分割型間に隙間が生じて、被成形材の形状に悪影響を与える（例えば、特許文献１など）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−９２３２号公報（段落番号［０００８］、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、成形型の収縮により被成形物を噛み込むことがなく、微細なパターンや転写が可能で、被成形材を所望の形状に成形できる加熱プレス用成形型、これを用いたシリカガラスの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、加熱して軟化させた被成形材をプレス成形するのに用いられる加熱プレス用成形型であって、この成形型を構成し正方形板状の凹状成形面が形成された一方の型は、複数に分割された分割型からなり、この分割型の外周に設けられ先細の凸状嵌合部を、一方の型が取り付けられ、固定軸上に固定された台座に設けられた先細の凹状嵌合部に嵌合することにより一体的に保持され、前記成形型を構成する他方の型により、被成形材を介して一方の型を押圧し、前記正方形板状の凹状成形面の成形側面により被成形材を押圧することを特徴とする加熱プレス用成形型が提供される。これにより、成形型の収縮により被成形物を噛み込むことがなく、微細なパターンや転写が可能で、また、被成形材を所望の形状に成形できる加熱プレス用成形型が実現される。
【００１０】
好適な一例では、前記成形型は、ガラス状カーボンで形成される。これにより、型の表面の離型膜が不要になる。
【００１１】
また、他の好適な一例では、前記一方の型は、その成形側面と同一方向の面で分割される。これにより、一方の型の収縮により被成形材の噛み込みが発生せず、さらに、一方の型に加わる力は、成形側面同士を接近させる方向に引き付ける分力を発生させやすくなる。
【００１２】
また、他の好適な一例では、前記先細の凸状嵌合部及び前記先細の凹状嵌合部は、円錐状あるいは角錐状である。これにより、一方の型に加わる力から、成形側面同士を接近させる方向に引き付ける分力を確実に発生させることができる。
【００１３】
また、他の好適な一例では、前記先細の凹状嵌合部の深さを変えることにより、前記凹状成形面の成形側面と成形主面に加わる力配分を調整することができる。
【００１４】
また、他の好適な一例では、前記凹状成形面の少なくとも成形主面にガラス状カーボン製の成形体が取り付けられる。これにより、凹状成形面の全面に取り付けられる場合には、前記成形体を交換可能にすることで、下型の劣化による交換をなくし、成形コストの低減が図れ、成形主面にのみ取り付けた場合には、分割型の分割面の段差が一層軽減される。
【００１５】
また、本発明の他の態様によれば、請求項１〜６のいずれかの成形型を用いて成形するシリカガラスの製造方法である。これにより、成形型の収縮により被成形物を噛み込むことがなく、微細なパターンや転写が可能で、被成形材を所望の形状に成形できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる加熱プレス用成形型の第１実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明に係わる加熱プレス用成形型の第１実施形態を組み込んだ成形装置の概念図である。
【００１９】
図１に示すように、成形装置１には、本発明に係わるプレス用成形型２が組み込まれている。この本発明に係わるプレス用成形型２は、正方形板状の凹状成形面３ａが形成され一方の型としての下型３と、凹状成形面３ａに収納された被成形材、例えばシリカガラスＭを押圧し、凹状成形面３ａに進入する平面視正方形で柱状の他方の型としての上型４で構成されている。
【００２０】
上記下型３は、熱軟化性素材である被成形材として熱膨張率が小さいガラス等と高温で反応し難い材質、例えば、ガラス状カーボン、モリブデン、タングステン、超硬などが用いられる。被成形材としてシリカガラスが用いられる場合には、ガラス状カーボンが好ましく、その理由として、ガラス状カーボンは、フルフリールアルコールなどの熱硬化性樹脂を成形後、加圧下で徐々に加熱し、硬化後炭素化して製造され、無配向組織を有し、さらに、高耐熱性、高耐食性、高強度、高硬度を有する。また、ガラス状カーボンは、一般的な型材料とは異なり、ガラスとの間の離型性に優れ、型の表面の離型膜が不要になる。
【００２１】
また、下型３の形状は、順次断面積が減少する先細形状をなし、成形側面３ａ_１と成形主面３ａ_２からなる凹状成形面３ａが形成された円板形状の下型主部３ｂと、この下型主部３ｂから突出する円錐あるいは多角錐状の凸状嵌合部３ｃとからなっている。上記成形主面３ａ_２には、例えば図２（ａ）、（ｂ）に示すような頂部を有する凸部が形成されている。
【００２２】
さらに、図３及び図４に示すように、下型３は、成形側面３ａ_１と同一方向の面（垂直面）で、下分割型３ｚに均等に４分割されて各々平面視扇状をなし、図１に示すように、使用時、下型３の凸状嵌合部３ｃが、台座５に設けられた円錐あるいは多角錐状の凹状嵌合部５ａに嵌合して、一体的に保持されている。これにより、四方より被成形材を均等に押さえ付けることが可能な構成となっており、成形型２からの圧力が、平板状の被成形材へ均一に分配されるように考慮されている。なお、円錐あるいは多角錐の凹状嵌合部の深さを変えることにより、押圧する圧力に対する成形側面と成形主面の圧力配分が適当に調整される。
【００２３】
さらに、台座５は固定軸６上に固定されている。
【００２４】
上記上型４は、下型３と同様に、被成形材と反応し難い材質としてガラス状カーボン等が用いられ、油圧手段（図示せず）によって昇降する移動軸７に取り付けられている。プレス用成形型２は、ランプユニット８等の加熱手段により、使用時加熱されている。
【００２５】
次に本発明に係わる加熱プレス用成形型の第１実施形態を用いた成形方法について説明する。
【００２６】
図１に示すように、下型３の凸状嵌合部３ｃは台座５の凹状嵌合部５ａに嵌合され、下分割型３ｚは一体的に保持されて、下型３が形成されており、下型３及び上型４は、予め加熱されている。
【００２７】
この予熱された下型３の凹状成形面３ａに軟化状態のシリカガラスＭを収納し、移動軸７を降下させて、上型４を降下させ、シリカガラスＭを押圧する。
【００２８】
これにより、シリカガラスＭは下型３及び上型４の形状に沿って成形される。
【００２９】
図１及び図５に示すように、このとき、移動軸７の降下に伴って固定軸６との間の構成物に加わる力ｆは、下型３の凸状嵌合部３ｃと台座５の凹状嵌合部５ａの接触面で、この接触面に垂直な分力ｆ_ｖと平行な分力ｆ_ｈに分解され、分力ｆ_ｈにより、下分割型３ｚの成形側面３ａ_１同士を接近させる方向への力が加わり、結果として、下分割型３ｚの成形側面３ａ_１が被成形材Ｍの側面へ積極的に押し付けられる。同時に下分割型３ｚとの分割面同士が密着し、被成形材Ｍの形状変化に対する影響も軽減できる。シリカガラスＭは下型３及び上型４の形状に沿って成形される。
【００３０】
また、下型３は、その成形側面３ａ_１と同一方向の面で、下分割型３ｚに均等に４分割されているので、下型３の収縮により被成形材Ｍの噛み込みが発生せず、さらに、下型３に加わる力ｆは、成形側面３ａ_１同士を接近させる方向に引き付ける分力ｆ_ｈを発生させやすい。また、下型３の凸状嵌合部３ｃと台座５の凹状嵌合部５ａが、円錐状あるいは角錐状に形成されているので、下型３に加わる力ｆから、成形側面３ａ_１同士を接近させる方向に引き付ける分力ｆ_ｈを確実に発生させることができる。
【００３１】
さらに、成形工程において、成形型の熱膨張率を被成形材と同等、あるいはより小さくできない場合にも、力ｆにより被成形材が水平方向に広がろうとした結果、プレス成形用型の下型３を水平方向に広げようとする力が生じてもそれに打勝って、分力ｆ_ｈにより、成形側面３ａ_１同士を接近させる方向に引き付けて、被成形材の周辺部での変形を抑制し、プレス成形型により、被成形材の側壁成形を可能とすると共に、成形型全面に確実に圧力を加えることができるようになり、プレス成形型に転写パターンを形成しておけば、刻印、特殊形状の転写精度を向上させることができるとともに、被成形物の隅々まで精密な成形を行うことができる。また、成形型と被成形材の熱膨張係数の差によって被成形材が噛み込まれるおそれがある場合でも、側面形状を管理しながら精度よくプレス加工を行うことができる。
【００３２】
また、本発明に係わる加熱プレス用成形型の第２実施形態について説明する。
【００３３】
本第２実施形態は、上述した第１実施形態が下型全体に被成形材と反応し難い材質を使用するのに対して、被成形材と接する部位に被成形材と反応し難い材質を使用するものである。
【００３４】
例えば、図６に示すように、第２実施形態のプレス用成形型２Ａは、共に一般的な金属製の下型３Ａと上型４Ａで構成され、下型３Ａの凹状成形面３Ａａには、その成形主面３Ａａ_２に敷設された板状で被成形材と反応し難い材質としてのガラス状カーボン製の成形板１１Ａと、その成形側面３Ａａ_１に付設されたガラス状カーボン製の成形側板１２Ａが設けられている。他の構成は図１に示す加熱プレス用成形型と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。
【００３５】
このように少なくとも凹状成形面３Ａａの成形主面３Ａａ_２にガラス状カーボン製の成形板１１Ａが設けられているので、下分割型３Ａｚの分割面の段差を一層軽減することができ、また、被成形材と接する部位のみにガラス状カーボンを使用して交換可能な別構成とすることで、下型の劣化による交換をなくし、成形コストの低減が図れる。
【００３６】
このように本発明の加熱用プレス成形型を用いれば、シリカガラスの成型を容易に行うことができるし、表面に例えば、５００μｍ以下の凹凸模様等の精密なパターンを転写したシリカガラスを得ることも容易にできるようになる。
【００３７】
勿論、１μｍ以下の凹凸模様はさらに精度よく転写できる。
【００３８】
【実施例】
図２のような高さ１００μｍ、幅２００μｍのＶ突起のパターンを施した□４０ｍｍ、厚さ３ｍｍのガラス状カーボン板を下型にし、□４０ｍｍ、厚さ２ｍｍの石英（シリカガラス）板を、四方と上型をガラス状カーボンの鏡面研磨板で囲んで図６に示した形でプレスを行った。その際、下型と上型の温度は１４５０℃、加圧は２．５ｋＮ、加圧時間は８０秒であった。また比較例として、四方の内向かい合った１組の側壁を拘束するガラス状カーボン鏡面研磨板をセットせず、変形が可能な状態で、同一条件にてプレスを行い、前述の図６での転写性と比較した。上記プレスは温度が安定してから加圧を開始し、加圧終了後に加えていた圧力を完全に取り除き、その後に降温を開始した。これは石英が十分に軟化しないうちに加圧した場合、パターン付き下型を破損する可能性があるためと、加圧しながら温度を下げた場合、石英とガラス状カーボンの熱膨張率の差から生じた応力が、本発明の効果により緩和することができないためである。以上のプレスの結果、図８に示すようなＶ突起の裾野にある未転写領域は、図７（ｂ），（ｃ）で示すように、未転写領域Ｕ_３〜Ｕ_４およびＵ_５，Ｕ_０が、側壁拘束をしなかった場合（図７（ａ）のＵ_１，Ｕ_２）に比べ、図６に示した型で拘束した場合には縮小していることが分かった。このことから、本発明での側壁拘束によって転写性が大幅に向上したことが確認された。また、上記プレスを実施しても、石英にもガラス状カーボン型にも破損は生じなかった。型のＶ突起と比較して、本手法によるプレスでもまだ転写性は甘いが、これは窒素雰囲気中のためにエア溜まりが発生した影響であり、図７（ｃ）のように真空中で行えば未転写領域Ｕ_５およびＵ_６が殆ど認められないことからも明らかな通り改善されることが実験から分かっている。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば図３においては、下分割型３ｚは４分割されているが、２分割の方がセッティングが容易である。また、分割は対角方向に直線で行なわれているが、曲線等でもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係わる加熱プレス用成形型によれば、成形型の収縮により被成形物を噛み込むことがなく、微細なパターンや転写が可能で、被成形材を所望の形状に成形できる加熱プレス用成形型を提供することができる。
【００４１】
また、本発明に係わるシリカガラスの製造方法によれば、成形型の収縮により被成形物を噛み込むことがなく、微細なパターンや転写が可能で、被成形材を所望の形状に成形できるシリカガラスの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる加熱プレス用成形型の第１実施形態の使用状態を示す概念図。
【図２】（ａ）は本発明に係わる加熱プレス用成形型の第１実施形態の下型の成形主面の平面図、（ｂ）はその断面図。
【図３】本発明に係わる加熱プレス用成形型の第１実施形態の下型の平面図。
【図４】図３の下型を構成する下分割型の側面図。
【図５】本発明に係わる加熱プレス用成形型の使用時の力の状態を示す説明図。
【図６】本発明に係わる加熱プレス用成形型の第２実施形態の使用状態を示す概念図。
【図７】本発明に係わる加熱プレス用成形型及び比較例を用いた試験結果図を示し、（ａ）は比較例、（ｂ）は一実施例、（ｃ）は他の実施例である。
【図８】成形試験において比較例に発生する未転写領域の概念図。
【図９】従来の加熱プレス用成形型の使用状態を示す概念図。
【図１０】従来の加熱プレス用成形型の使用状態を示す概念図。
【符号の説明】
１成形装置
２プレス用成形型
３下型
３ａ凹状成形面
３ａ_１成形側面
３ａ_２成形主面
３ｂ下型主部
３ｃ凸状嵌合部
３ｚ下分割型
４上型
５台座
５ａ凹状嵌合部
６固定軸
７移動軸
８ランプユニット
Ｍシリカガラス
Ｕ_１〜Ｕ_６未転写領域

Claims

加熱して軟化させた被成形材をプレス成形するのに用いられる加熱プレス用成形型であって、この成形型を構成し正方形板状の凹状成形面が形成された一方の型は、複数に分割された分割型からなり、この分割型の外周に設けられ先細の凸状嵌合部を、一方の型が取り付けられ、固定軸上に固定された台座に設けられた先細の凹状嵌合部に嵌合することにより一体的に保持され、前記成形型を構成する他方の型により、被成形材を介して一方の型を押圧し、前記正方形板状の凹状成形面の成形側面により被成形材を押圧することを特徴とする加熱プレス用成形型。
前記成形型は、ガラス状カーボンで形成されることを特徴とする請求項１に記載の加熱プレス用成形型。
前記一方の型は、その成形側面と同一方向の面で分割されることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱プレス用成形型。
前記先細の凸状嵌合部及び前記先細の凹状嵌合部は、円錐状あるいは角錐状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の加熱プレス用成形型。
前記先細の凹状嵌合部の深さを変えることにより、前記凹状成形面の成形側面と成形主面に加わる力配分を調整することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の加熱プレス用成形型。
前記凹状成形面の少なくとも成形主面にガラス状カーボン製の成形板が取り付けられることを特徴とする請求項５に記載の加熱プレス用成形型。
請求項１〜６のいずれかの成形型を用いて成形するシリカガラスの製造方法。