JP4444980B2

JP4444980B2 - 成形体の成形用金型およびこれを用いる成形体の製造方法

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Publication number: JP4444980B2
Application number: JP2007096188A
Authority: JP
Inventors: 伊東　　宏; 数利焼本; 司白銀屋; 章弘内藤; 崇落岩
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2027-04-02
Also published as: JP2008254230A

Description

本発明は、成形体の成形用金型およびこれを用いる成形体の製造方法に関するものである。本発明の成形用金型および製造方法は、プレス成形法、ナノインプリント成形法、ホットエンボス成形法等、樹脂を加圧附形して最終製品を得る成形法に有用である。

現在、サブμｍの超微細な凹凸形状を表面に有するとともに、三次元、薄肉、かつ大面積の形状を有する成形体が、マイクロレンズ・アレイのような電子ディスプレイ用光学部品、マルチモード光導波路のような光情報通信用部品等として求められている。

特許文献１（特許第３８５７７０３号公報）には、表面に微細な凹凸部を有する成形型上に、溶融した熱可塑性樹脂を塗布する塗布工程と、塗布した熱可塑性樹脂を金型によりプレスし、成形体の形状を整えるプレス工程と、塗布した熱可塑性樹脂を冷却し固化させる固化工程とを少なくとも有する成形体の製造方法が開示されている。この技術では、熱可塑性樹脂の塗布の際、該樹脂を吐出する吐出口の先端部と成形型との距離によって最終製品の厚さが規制されるようにし、プレス工程で微細な凹凸部を樹脂に転写している。これにより、超微細加工、高い寸法精度、低残留応力、低複屈折、高光透過性、優れた機械的強度を有する成形体を、超低圧の成形プロセスでありながら、三次元、薄肉、かつ大面積の形状でもって提供可能となるため、当業界では極めて有用である。

また特許文献１に開示された技術では、具体例として、プレス工程において金型を熱可塑性樹脂のガラス転移温度近傍またはそれ以上まで加熱し、その後、金型を冷却して熱可塑性樹脂を冷却・固化させ、製品を取り出している。すなわち、この具体例では１成形サイクル中に金型を加熱・冷却する工程が必要となる。したがってこの加熱・冷却を迅速に行わなければ生産性の向上が望めないことになる。一般的に、熱容量(密度×比熱×体積)の大きい金型全体を急速に加熱冷却するのは困難であることから、理想的には樹脂に接する金型の成形面の表面のみを加熱冷却することが望まれる。しかしながら一般に金型は鋼、ステンレス、銅合金など、比較的熱が伝わり易い材質で製作されるため、局所的に樹脂が接する部位のみを加熱・冷却しようとしても伝熱によって熱が拡散してしまう。したがって、金型の成形面を、効率的かつ迅速に加熱・冷却する技術が求められている。

なお、成形用金型に断熱材を使用する技術は、幾つか知られている。例えば図６に示すように、上金型６１および下金型６２を備え、上金型６１がプレススライド（可動盤）６３と連結し、下金型６２がボルスター（固定盤）６４に固定され、上金型６１および下金型６２からプレススライド６３およびボルスター６４への伝熱を抑制し、各盤および盤に取り付けられた付帯機器(ロードセルなどの電子機器やボールネジや油圧シリンダなどの駆動機器等)の温度上昇を抑制するために、上金型６１とプレススライド６３との間、および、下金型６２とボルスター６４との間に断熱材６５，６６を設置することは公知である。しかし、上金型６１とプレススライド６３との間、および、下金型６２とボルスター６４との間を断熱しても、金型内での熱の拡散を抑制することはできず、加熱・冷却サイクルの短縮には、殆ど効果がない。

また特許文献２（特開平８−２７６４３３号公報）には、溶融状態の熱可塑性樹脂を成形面に押圧して密着させて固化させるための成形面を備えた型体を、金型本体によって支持して成り、所定の加熱手段、冷却手段、嵌合部材を設け、さらに型体の被支持部と前記金型本体の支持部との間に断熱支持部材を設けた成形用金型が開示されている。しかし特許文献２の一形態では、型体の撓みを抑制するため、その裏側を複数本の棒状の補強リブで補強しており、この補強リブの存在により断熱効果が低減する。また、サブμｍの超微細な凹凸形状を表面に有する薄肉の成形体を製造する場合、型体の撓みを最小限に抑制する必要があるが、補強リブで局所的に補強した場合、補強された部位の近傍のたわみは抑えられるが、リブ間の補強された部位から遠い場所(たとえばリブとリブとの間)では型体のたわみが発生し、微細な凹凸形状の転写に重大な悪影響を及ぼす。また製品の厚みのバラツキも生じる。

さらに特許文献３（特開２００６−１１６７５９号公報）には、複数個のゲートを有し、光学材料の面に対応するキャビティの少なくとも一つの面に微細パターンを有するスタンパーと、該スタンパーの裏側に、厚さが０.０１〜１ｍｍであり、熱伝導率が５Ｗ／(ｍ・Ｋ)以下であり、引張り弾性率が２ＧＰａ以上である断熱層を設けてなる光学材料射出成形用金型が開示されている。しかし、スタンパーの裏側に断熱材を設けると、サブμｍの超微細な凹凸形状を表面に有する薄肉の成形体を製造する場合、成形時の圧力によって断熱材が変形し、微細な凹凸形状の転写に重大な悪影響を及ぼす。また製品の厚みのバラツキも生じる。さらに、スタンパーの裏面に断熱材を設けた場合、スタンパー自体の加熱・冷却を断熱材越しに行う必要が生じるため、迅速なスタンパーの加熱・冷却が困難となる。

一方、微細な凹凸形状を表面に有する薄肉の成形体を製造する場合、金型の平行度（金型のプレス方向に直交する方向の上金型および下金型の平行の度合い）が最終製品の形状に大きな影響を及ぼすことを、本発明者らは見出した。平行度が多少なりとも狂っている場合、溶融樹脂および微細な凹凸形状間に均一な圧力がかからず、これにより転写不良が発生する。

したがって本発明の目的は、樹脂が接する金型の成形面を、効率的かつ迅速に加熱・冷却可能とするとともに、微細な凹凸形状を表面に有する薄肉の成形体を製造する場合であっても、該微細な凹凸形状の転写に悪影響を及ぼすことのない、成形体の成形用金型およびこれを用いる成形体の製造方法を提供することである。
また本発明の別の目的は、金型の平行度に多少の狂いが生じていたとしても、成形プロセス中でこれを修正することのできる成形体の成形用金型およびこれを用いる成形体の製造方法を提供することである。

請求項１に記載の発明は、溶融または軟化した樹脂を一対の金型内に装填した後、プレスによって加圧して成形体を得る成形用金型において、
前記成形用金型は、金型本体と、薄型とを備え、
前記金型本体は、前記薄型を支持し、
前記薄型は、加熱手段を有するとともに前記溶融または軟化した樹脂を附形する成形面を有し、
前記一対の金型の少なくとも一方は、前記金型本体と薄型との間に断熱材からなる断熱層を有し、前記断熱層は、第一断熱部材からなる第一断熱層Ａと、前記第一断熱部材よりも縦弾性率の低い第二断熱部材からなる第二断熱層Ｂとから構成され、
前記プレス時、前記第二断熱層Ｂが変形し、前記薄型が動いて前記成形用金型の平行度が修正される
ことを特徴とする成形体の成形用金型である。
請求項２に記載の発明は、前記断熱層は、前記薄型の裏面全域に接触するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の成形用金型である。
請求項３に記載の発明は、前記第二断熱層Ｂは、複数の薄い第二断熱部材を積層し、これにより前記複数の薄い第二断熱部材間に熱抵抗が生じるようにして形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の成形用金型である。
請求項４に記載の発明は、前記成形用金型は、上金型および下金型を有し、前記上金型および下金型のいずれか一方が、成形面として微細な凹凸部を有する薄型と前記薄型を支持する金型本体とを備え、他方が微細な凹凸部を有さない薄型と前記薄型を支持する金型本体とを備え、前記微細な凹凸部を有する薄型を備えた金型が、前記第一断熱層Ａのみからなる断熱層を有し、前記微細な凹凸部を有さない薄型を備えた金型が、前記第一断熱層Ａと第二断熱層Ｂとを有することを特徴とする請求項１に記載の成形用金型である。
請求項５に記載の発明は、前記第一断熱層Ａは、熱伝導率が１６W/(m・K)以下、縦弾性係数が１ＧＰａ以上、かつ厚みが１ｍｍ以上であり、前記第二断熱層Ｂは、熱伝導率が１W/(m・K)以下、縦弾性係数が０．００１ＧＰａ以上、かつ厚みが４０μm以上であることを特徴とする請求項１に記載の成形用金型である。
請求項６に記載の発明は、前記微細な凹凸部が、１０ｎｍ〜１ｍｍの幅または直径を有するとともに、１０ｎｍ〜１ｍｍの深さまたは高さを有する形状であることを特徴とする請求項４に記載の成形用金型である。
請求項７に記載の発明は、得られる成形体の厚さが５０μｍ〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の成形用金型である。
請求項８に記載の発明は、前記薄型が、さらに冷却手段を備えてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の成形用金型である。
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の成形用金型を用い、溶融した樹脂を、成形面を有する薄型上に塗布する塗布工程を少なくとも有することを特徴とする成形体の製造方法である。
請求項１０に記載の発明は、前記塗布工程が、吐出口を備えた塗布装置に熱可塑性樹脂を供給し、前記吐出口の先端部と前記薄型との距離によって最終製品の厚さが規制されるように、前記塗布装置を移動させながら、かつ前記加熱手段によって前記薄型を所望の温度に維持した状態で、最終製品にほぼ近い形状および厚さに、前記成形面を有する薄型上に前記熱可塑性樹脂を吐出する工程であることを特徴とする請求項９に記載の成形体の製造方法である。

本発明によれば、樹脂が接する金型の成形面を、効率的かつ迅速に加熱・冷却可能とするとともに、微細な凹凸形状を表面に有する薄肉の成形体を製造する場合であっても、該微細な凹凸形状の転写に悪影響を及ぼすことのない、成形体の成形用金型およびこれを用いる成形体の製造方法を提供することができる。
また本発明によれば、金型の平行度に多少狂いが生じていたとしても、成形プロセス中でこれを修正することのできる成形体の成形用金型およびこれを用いる成形体の製造方法を提供することができる。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の成形用金型の一実施形態の正面図である。図１に示すように本発明の成形用金型１は、上金型１１および下金型１２からなる一対の金型を備え、溶融した樹脂を金型内に装填した後、または、板状またはフィルム状の固体樹脂を金型内に装填して加熱によって軟化させた後、上金型１１および下金型１２間のプレスによって加圧して成形体を得るように構成されている。上金型１１および下金型１２は、金型本体１１１および１２１と、薄型１１２および１２２とを備えている。金型本体１１１および１２１は薄型１１２および１２２を支持している。上金型１１はプレススライド（可動盤）１４と連結し、下金型１２はボルスター（固定盤）１５に固定されている。薄型は、少なくとも加熱手段を有するとともに溶融または軟化樹脂を附形する成形面を有している。

また、薄型１１２および１２２は加熱手段１１３および１２３を有する。加熱手段としては特に制限するものではないが、例えば（１）温調された水（湯）や油などの熱媒体を、薄型に設けられた該媒体の流路に流通させて加熱する方法；（２）プレートヒータ、カートリッジヒータなどの電熱ヒータを薄型に装着して加熱する方法；（３）ハロゲンランプ、遠赤外線ヒータなど、赤外線を放射する手段を金型内または金型外に設け、赤外線を金型キャビティ裏面（金型内から照射）またはキャビティ表面（金型外から照射）に照射して加熱する方法；（４）誘導加熱する方法；（５）薄型の表面に導電性膜を設け、該導電性膜に通電してジュール発熱させることで加熱する方法などが挙げられる。さらには、上記の手段で金型本体を加熱し、薄型は加熱された金型本体からの伝熱で加熱されてもよい。図１の形態は、上記（１）の方法を採用している。これにより薄型１１２および１２２を局所的に加熱可能となる。また、下金型１２に設けられた薄型１２２は、溶融した樹脂を附形するスタンパー１３からなる成形面を有する。スタンパー１３は、微細な凹凸形状を表面に有する薄肉の成形体を製造する場合、樹脂に転写する微細な凹凸部を有し、その形状としては例えば１０ｎｍ〜１ｍｍの幅または直径を有するとともに、１０ｎｍ〜１ｍｍの深さまたは高さを有する。

また、薄型１１２および１２２は冷却手段（図示せず）を設けるのも好ましい形態である。冷却手段としては、例えば下記のような方法が挙げられる。（１）薄型に設けられた媒体の流路に薄型よりも低い温度の流体を流通させて冷却する方法；（２）薄型に設けられた管路に空気を流通させて冷却する方法；（３）薄型の成形面に空気や揮発性の液体と気体とを混合したミストを吹き付けて冷却する方法；（４）ヒートパイプにより、薄型内の熱を外部に輸送・放出することで冷却する方法；（５）ペルチェ素子などの電気的冷却器によって、薄型の熱を奪って冷却する方法。さらには、上記の手段で金型本体を冷却し、薄型は冷却された金型本体からの伝熱で冷却されてもよい。
上記の加熱・冷却手段を適宜組み合わせて用いるのが好ましい。

金型本体１１１および１２１、薄型１１２および１２２は、金属部材から構成することができ、具体的材料としては、例えばステンレス、鋼、銅合金、アルミニウム合金などが挙げられる。金属部材を用いることによりプレス時の圧力によって金型本体および薄型が撓むことがない。また薄型を急速に加熱・冷却することが可能となる。

金型本体１１１と薄型１１２との間には、断熱材からなる断熱層１１４が設けられ、金型本体１２１と薄型１２２との間には、断熱材からなる断熱層１２４が設けられている。断熱層は、ボルト等の公知の固定手段により金型本体および薄型間に固定されている。断熱層１１４，１２４の存在により、樹脂が接する金型の成形面、すなわち薄型１１２および１２２を、効率的かつ迅速に加熱および冷却することができる。さらに薄型１１２および１２２の温度の均一化に効果を奏する。また、図１の形態において、薄型の裏面全域に断熱層が接触するように配置されている。これにより、プレスの際、面内での支持力が均一となり微細な凹凸形状の転写が良好となり好ましい。

断熱材としては、耐熱性を有するとともに薄型から金型本体への良好な断熱性能を有するものであればとくに制限されないが、例えばフェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、紙、シリコンゴムなどが挙げられる。

また断熱層１１４，１２４の厚さは、プレス時の薄型の加熱温度により適宜設定されるものであるが、例えば４０μｍ〜２０ｍｍである。また断熱層１１４，１２４の熱伝導率は、１６W/(m・K)以下（好ましくは０．０１〜５W/(m・K)）、縦弾性係数が０．００１ＧＰａ以上（好ましくは０．００２〜１００ＧＰａ）であるのがよい。

上記形態では、スタンパー１３の平面性は薄型１２２のスタンパー搭載面の平坦度を確保することで達成される。これにより、断熱性能の高い（比較的剛性の低い）断熱部材を使用しても成形性に悪影響を及ぼさないことになる。

スタンパー１３は、成形体への要求性能に合わせて、上下金型キャビティのいずれの部位に設置されてもよいが、好ましくは、塗布装置によって溶融樹脂が精密塗布される側の金型のキャビティ面に設置すると、低圧力で高精度の微細凹凸形状の転写を行うことができる。本発明では、フォトリソグラフィ法、電気鋳造法、イオンエッチング法などの半導体プロセスを利用してスタンパ表面に微細な凹凸部を形成し、これを成形型として金型内に設置してもよい。スタンパの材質は、ニッケル(またはニッケル合金)、シリコン、ガラスなどが挙げられ、このような材料のみで形成されてもよいし、例えば数十μm〜数mmの厚さを有する板状母材（例えばシリコン基板など）上にニッケルで微細凹凸を形成するなどしてもよい。これとは別に、金型本体のキャビティ面に直接微細凹凸形状を形成してもよい。凹凸部の断面形状は、矩形を基本とするが、テーパー(台形)型、三角型、半円型、半楕円型などでもよい。

図２は、本発明の成形用金型の別の実施形態を説明するための正面図である。図２における成形用金型は、図１の形態の成形用金型とほぼ同じ構成を有するが、断熱層１１４および１２４が、第一断熱部材からなる第一断熱層Ａと、第一断熱部材よりも縦弾性率の低い第二断熱部材からなる第二断熱層Ｂとを有する点が異なっている。

第一断熱層Ａは、熱伝導率が１６W/(m・K)以下（好ましくは０．１〜５W/(m・K)）、縦弾性係数が１ＧＰａ以上（好ましくは３〜１００ＧＰａ）かつ厚みが１ｍｍ以上（好ましくは５〜１０ｍｍ)であるのがよい。第一断熱層Ａを形成するに好ましい第一断熱部材の材料としては、例えばフェノール樹脂などが挙げられる。また第二断熱層Ｂは、熱伝導率が１W/(m・K)以下（好ましくは０．０１〜０．５W/(m・K)）、縦弾性係数が０．００１ＧＰａ以上（好ましくは０．００２〜５ＧＰａ）、かつ厚みが４０μm以上（好ましくは４０〜５０００μｍ)であるのがよい。第一断熱層Ｂを形成するに好ましい第二断熱部材の材料としては、例えば紙やシリコンゴムなどが挙げられる。

また第二断熱層Ｂは、複数の薄い第二断熱部材を積層し、これにより前記複数の薄い第二断熱部材間に熱抵抗が生じるようにして形成されているのが好ましい。これにより断熱性能がさらに向上する。

図３は、第二断熱層Ｂとして複数の薄い第二断熱部材を積層した場合の断熱性能向上の概念図である。
図３（ａ）において、第二断熱層Ｂは、第二断熱部材３１〜３５が積層されて構成されている。図３の上方が薄型側、下方が金型本体側とすると、第二断熱部材３１内における温度分布は、太線３００のようになる。図３の左方が低温側、右方が高温側とすると、第二断熱部材３１の表面温度をＴ₀とした場合、第二断熱部材３１の表面から裏面にかけて太線３００のように温度が低下している。この温度低下の度合いＴ_Aは、第二断熱部材３１の材質および物性（熱伝導率）によって決定される。次に第二断熱部材３１と第二断熱部材３２と間では熱抵抗が生じるために、界面で温度差Ｔ_Bが生じる。これにより第二断熱部材３２の表面温度は、第二断熱部材３１の裏面の温度からＴ_Bを減じた温度となる。この現象が続く第二断熱部材３３〜３５でも生じることにより、結果として第二断熱層Ｂの断熱性能は温度Ｔ₁となり、良好な断熱性能が得られる。また、断熱性能に劣る高い弾性率を有する（硬い）断熱部材であっても積層することにより、断熱層の表面と裏面との間に積層なしの場合よりも大きな温度差を生じさせることが可能となる。これに対し、図３（ｂ）は第二断熱部材を積層しない形態の断熱性能を説明する図であり、この場合第二断熱層Ｂが第二断熱部材３１のみから形成されているため、上記熱抵抗の現象が生じず、断熱層の厚さが図３（ａ）の場合と同じであっても、第二断熱部材３１内における温度分布は、第二断熱部材３１の材質の熱伝導率によって決まる。したがって該温度分布は太線３０１のようになり、結果として第二断熱層Ｂの断熱性能は温度Ｔ₂となり、図３（ａ）の形態に比べて断熱性能が低下している。したがって、第二断熱層Ｂは、複数の薄い第二断熱部材を積層し、これにより複数の薄い第二断熱部材間に熱抵抗が生じるようにして形成されていることが有利であることが分かる。

図３（ａ）の形態では、薄い第二断熱部材を５枚積層した例であるが、本発明において第二断熱層Ｂは、１〜５枚の第二断熱部材から構成されるのが好ましい。
例えば、枚数が少ない場合、シリコンゴムのように縦弾性率が低い材料を使用することで変形しやすくなり、容易に平行度の狂いが調整される。枚数が多い場合は、紙など縦弾性率が比較的大きいが薄い材料を使用すると、材料間の隙間の大小で平行度の狂いが調整される。

図４は、図２で示した形態の本発明の成形用金型が、仮に平行度に多少の狂いが生じている場合であっても、成形プロセス中でこれを修正可能であることを説明するための図である。
図４（ａ）における成形用金型は、図２の形態の成形用金型とほぼ同じ構成を有するが、上金型１１における薄型１１２が何らかの原因で傾き、金型の平行度に多少の狂いが生じている。この場合、断熱層１１４および１２４が存在しないとプレスの際に薄型１１２の左側のみが下金型１２における薄型１２２に強く押し当てられることになり（片あたりする状態）、微細な凹凸形状を溶融した樹脂に転写することができなくなる。しかし本発明のように断熱層１１４および１２４を設けた場合は、断熱層の柔らかさ、とくに第二断熱層Ｂの縦弾性率の低さから、プレスの際に第二断熱層Ｂが変形し、図４（ｂ）の矢印４１，４２に示すように薄型１１２が動いて金型の平行度が修正され、結果として溶融樹脂および微細な凹凸形状間に均一な圧力がかかり、良好な転写が達成される。

なお、微細な凹凸形状を表面に有する薄肉の成形体を製造する場合、とくに本発明の成形用金型を用いて特許文献１（特許第３８５７７０３号公報）に開示された成形体の製造方法を実施する場合、成形面に溶融した熱可塑性樹脂を塗布する際、樹脂を吐出する吐出口の先端部と成形型との距離をミクロンオーダーで精密に調整する必要があり、また一対の金型間の平行度を厳密に確保する必要があるので、スタンパー１３を有する薄型を備えた下金型１２が、縦弾性率の高い第一断熱層Ａのみからなる断熱層を有し、スタンパーを備えていない上金型１１が、第一断熱層Ａと第二断熱層Ｂとを有することが好ましい。スタンパー１３を有する薄型１２２を備えた下金型１２が縦弾性率の高い第一断熱層Ａのみからなる断熱層を有することにより、薄型１２２が撓む恐れがなく、樹脂を吐出する吐出口の先端部と成形型との距離を精密に調整することができるとともに、平行度も確保される。

なお、断熱層の位置はとくに制限されず、上記のように薄型→第一断熱層Ａ→第二断熱層Ｂ→金型本体でもよいし、薄型→第二断熱層Ｂ→第一断熱層Ａ→金型本体でもよい。また上金型と下金型で断熱層Ａ，Ｂの順番を異なるように配置してもよい。また第一断熱層Ａおよび第二断熱層Ｂを交互に積層することもできる。例えば薄型→第二断熱層Ｂ→第一断熱層Ａ→第二断熱層Ｂ→金型本体の構成が挙げられる。さらに上金型に第一断熱層Ａおよび第二断熱層Ｂを設けかつ下金型には第一断熱層Ａのみを設ける上記形態や、上金型に第一断熱層Ａのみを設けかつ下金型に第一断熱層Ａおよび第二断熱層Ｂを設ける形態であってもよい。さらにまた、上金型および下金型共に第一断熱層Ａのみを用いる形態や、上金型および下金型共に第二断熱層Ｂのみを用いる形態であってもよい。
また、上記では一対の金型を鉛直方向に動作する例を示したが、本発明はこれに制限されず、例えば一対の金型を水平方向に動作させてもよい。

次に本発明の成形体の製造方法、とくに本発明の成形用金型を用いて特許文献１（特許第３８５７７０３号公報）に開示された成形体の製造方法を実施する場合について説明する。
図５は、本発明の成形体の製造方法における塗布工程を説明するための図である。成形用金型としては、前記の図２と同様の金型を用いているが、下金型１２における断熱層１２４が、第一断熱層Ａのみからなる点が異なっている。吐出口５１１を備えた塗布装置５１に溶融した熱可塑性樹脂（以下溶融樹脂ということがある）を供給し、スタンパー１３上に、溶融樹脂５０を該吐出口５１１から吐出し、最終製品にほぼ近い形状および厚さに、スタンパー１３の微細な凹凸部に溶融樹脂を充填する。図５の形態では、塗布装置５１を矢印５２方向に移動させながら溶融樹脂５０の吐出を行っている。吐出口５１１の先端部と薄型１２２との距離によって最終製品の厚さが規制される。このとき、薄型１１２および１２２は、加熱手段１１３および１２３によって加熱される。これにより、スタンパー１３に設けられた微細な凹凸部の形状が、溶融樹脂５０に転写される。続いて、溶融樹脂を例えば１０ＭＰａ以下の圧力でプレスし、成形体の形状を整え、図示しない冷却手段により溶融樹脂を冷却し固化させ、得られた製品を成形用金型から取り出す。

なお、熱可塑性樹脂としてはとくに制限されないが、例えばポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、シクロオレフィン(COP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリアリレート(PAR)、ポリイミド(PI)、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリアミド(PA)、ポリエチレン(PE)、ポリアセタール(POM)、エチレン-酢酸ビニル共重合樹脂(EVA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフェニレンオキサイド(PPO)またはこれらの混合物などが挙げられる。また、成形体に求められる性能にあわせて、特別に製造された熱可塑性樹脂でもよい。また熱可塑性樹脂には必要に応じてガラス繊維やカーボンなどの各種充填材や、耐熱安定剤、耐候安定剤、耐電防止剤、スリップ剤、アンチブロッキング剤、防曇剤、滑剤、染料、顔料、天然油、合成油、ワックスなどの公知の各種添加剤を配合することもできる。本発明の方法によれば、厚さが５０μｍ〜５ｍｍの範囲であり、成形体の辺長が厚さの１０００倍を超える薄肉大面積の成形体を得ることができる。

本発明により得られる成形体は、超微細加工、高い寸法精度、低残留応力、低複屈折、高光透過性、優れた機械的強度を有する成形体を、超低圧の成形プロセスでありながら、三次元、薄肉、かつ大面積の形状でもって提供可能であり、例えば、 (a)マイクロレンズアレイ、液晶用導光板、フレキシブルディスプレイ基板、波長板、反射板、位相差板、自由曲面ミラー、LED発光パネル、フレネルレンズなどの電子ディスプレイ分野の基幹部品、(b)フレキシブルポリマー製光導波路、自由曲面回折格子、二次元イメージセンサアレイ、ピックアップレンズ、ホログラム、フレキシブル導波路型照明板などの光情報通信分野の基幹部品、(c)次世代DVD(ブルーレイディスク)、ブルーレイディスクのカバー層、DVD、CD、超薄肉ICカードなどの光記録媒体分野の基幹部品、(d)集積化学チップ、DNAチップ、バイオチップ、プロテインチップ、マイクロ流体デバイス、環境分析チップなどライフサイエンス分野の基幹部品、(e)燃料電池セパレータ、携帯電話超薄肉バッテリーケース、太陽光集光フレネルレンズなど新エネルギー分野の基幹部品、等に好適に用いることができる。

以下、実施例によって本発明をさらに説明する。
実施例１
図２に示す本発明の成形用金型を用い、加熱手段１２３を稼動させて薄型１２２のキャビティ面の表面温度を調べた。加熱手段１２３は、カートリッジヒータ(電熱ヒータ)であり、薄型のヒータ近傍に埋設された温度センサ(熱電対)で検出される薄型内部の温度が170℃になるように温度制御を行った。
金型本体１２１および薄型１２２は、ステンレス鋼(SUS304)からなり、薄型１２２のキャビティ面は正方形の形状をなし、そのサイズは一辺が１１０ｍｍである。
断熱層１２４において、第一断熱層Ａは、厚み５ｍｍのフェノール樹脂製の板(１枚)であり、第二断熱層Ｂは厚み０．５ｍｍの紙を５枚重ねて使用した。第一断熱層Ａは、熱伝導率が0.38W/(m・K)、縦弾性係数が60GPaである。第二断熱層Ｂは、熱伝導率が0.1W/(m・K)、縦弾性係数が3GPaである。第一断熱層Ａは、薄型の裏面全域に接触するように配置した。また第二断熱層Ｂは第二断熱層Ａの裏面全域に接触するように配置した。上記の状態で加熱手段を稼動させ、薄型１２２のキャビティ面の表面温度を調べた。なお、スタンパー１３は設置していない。結果を図７に示す。
図７の表面温度結果から、薄型１２２のキャビティ面の表面温度のばらつきは４℃であった。

比較例１
実施例１において、第一断熱層Ａおよび第二断熱層Ｂを設けなかったこと以外は実施例１を繰り返した。結果を図８に示す。
図８の表面温度結果から、薄型１２２のキャビティ面の表面温度のばらつきは７℃であった。

実施例１の結果から、断熱層の存在により、薄型を効率的かつ迅速に加熱および冷却することができ、また薄型の面内温度を均一に設定することができるので、スタンパー１３を設置して溶融樹脂を塗布した際に、溶融樹脂に良好な転写が達成される。これに対し、比較例１では断熱層が存在していないので、薄型の面内温度に低い場所が存在し、転写不良の発生の恐れがある。

実施例２
下記の装置を用いて成形体の製造を行った。
[塗布装置]
吐出口形状：縦30mm×横1mm。図９に示す形状。
押出・加圧機構：ピストン。
ピストン径：φ10mm。
塗布装置移動自由度：1自由度(塗布方向の前後動)。
駆動方式：サーボモータの回転をボールねじにて直線運動に変換して塗布装置、ピストンを移動。
樹脂加熱手段：シリンダ外周に巻かれた電気ヒータ。吐出部は板状の電気ヒータ。
[金型]
実施例１と同様。上金型１１の第一断熱層Ａおよび第二断熱層Ｂと、金型を構成する材質は、下金型１２と同様。
冷却源：温調水を通媒孔に流す。
[プレス]
最大型締め力：10t。
設定型締め力：1.2t。
[樹脂材料]
材質：アクリル樹脂
メーカ：(株)クラレ
銘柄：パラペット（登録商標）GH1000Sシロアルミ
２５０℃における溶融粘度：約８００Ｐａ．ｓ。

上下金型における薄型の表面設定温度200℃で昇温した後、90℃、4時間で加熱予備乾燥を行ったアクリル樹脂を、塗布装置の加熱シリンダに投入して可塑化した。加熱シリンダの設定温度は250℃とした。薄型１２２のキャビティ面に設置されたスタンパー１３上に、吐出口の先端部と薄型との距離によって最終製品の厚さが規制されるように、塗布装置を移動させながら溶融樹脂を塗布した。塗布速度は、１００ｍｍ／秒、塗布厚さは８０μｍとした。その後、型締め力1.2ton(設定可能な最小プレス力)でプレスした。プレス力を印加したまま、上下金型に通水して約60℃まで冷却した後、金型を開いて成形体をスタンパから離型した。

スタンパー１３は、縦３０ｍｍ、横５０ｍｍの長方形の形状を有し、厚さは０．３ｍｍである。スタンパー１３の形状が忠実に附形された成形体が得られた。

比較例２
実施例２において、上下金型に第一断熱層Ａおよび第二断熱層Ｂを設けなかったこと以外は実施例２を繰り返した。その結果、得られた成形体は、微細形状の一部に充填不良が認められた。

実施例３
実施例２において、上金型１１における金型本体の厚みを不均一にし、上下金型の平行度を０．０１５°狂わせた。それ以外は実施例２と同様である。プレスの際に第二断熱層Ｂが変形し、図４（ｂ）の矢印４１，４２に示すように薄型１１２が動いて金型の平行度が修正され、結果として溶融樹脂および微細な凹凸形状間に均一な圧力がかかり、スタンパー１３の形状が忠実に附形された成形体が得られた。

比較例３
実施例３において、上下金型に第一断熱層Ａおよび第二断熱層Ｂを設けなかったこと以外は実施例３を繰り返した。その結果、プレスの際に薄型１１２が下金型１２における薄型１２２に片あたりし、あたり方の弱い場所では、微細な凹凸形状を溶融した樹脂に完全には転写することができなかった。

実施例４
実施例２において、下金型１２の断熱層を第一断熱層Ａのみに変更したこと以外は、実施例２を繰り返した。その結果、スタンパー１３の形状が忠実に附形された成形体が得られた。なお、スタンパー１３の凹凸形状をさらに微細なものに変更した場合であっても、本実施例４の形態では、実施例２よりも良好な転写が可能であることが判明した。

実施例５
上下金型における第一断熱層Ａおよび第二断熱層Ｂを下記のように変更したこと以外は、実施例２を繰り返した。

本発明によれば、樹脂が接する金型の成形面を、効率的かつ迅速に加熱・冷却可能とするとともに、微細な凹凸形状を表面に有する薄肉の成形体を製造する場合であっても、該微細な凹凸形状の転写に悪影響を及ぼすことのない、成形体の成形用金型およびこれを用いる成形体の製造方法を提供することができる。
また本発明によれば、金型の平行度に多少狂いが生じていたとしても、成形プロセス中でこれを修正することのできる成形体の成形用金型およびこれを用いる成形体の製造方法を提供することができる。
したがって本発明の成形用金型および製造方法は、プレス成形法、ナノインプリント成形法、ホットエンボス成形法等、樹脂を加圧附形して最終製品を得る成形法に有用である。

本発明の成形用金型の一実施形態の正面図である。本発明の成形用金型の別の実施形態を説明するための正面図である。第二断熱層Ｂとして複数の薄い第二断熱部材を積層した場合の断熱性能向上の概念図である。図２で示した形態の本発明の成形用金型が、仮に平行度に多少の狂いが生じている場合であっても、成形プロセス中でこれを修正可能であることを説明するための図である。本発明の成形体の製造方法における塗布工程を説明するための図である。従来の成形用金型を説明するための図である。実施例１の結果を説明するための図である。比較例１の結果を説明するための図である。実施例２で使用した吐出口の形状を説明するための図である。

符号の説明

１本発明の成形用金型
１１上金型
１２下金型
１３スタンパー
３１，３２，３３，３４，３５第二断熱部材
１１１，１２１金型本体
１１２，１２２薄型
１１３，１２３加熱手段
１１４，１２４断熱層
Ａ第一断熱層
Ｂ第二断熱層
５０溶融樹脂
５１塗布装置
５１１吐出口

Claims

溶融または軟化した樹脂を一対の金型内に装填した後、プレスによって加圧して成形体を得る成形用金型において、
前記成形用金型は、金型本体と、薄型とを備え、
前記金型本体は、前記薄型を支持し、
前記薄型は、加熱手段を有するとともに前記溶融または軟化した樹脂を附形する成形面を有し、
前記一対の金型の少なくとも一方は、前記金型本体と薄型との間に断熱材からなる断熱層を有し、前記断熱層は、第一断熱部材からなる第一断熱層Ａと、前記第一断熱部材よりも縦弾性率の低い第二断熱部材からなる第二断熱層Ｂとから構成され、
前記プレス時、前記第二断熱層Ｂが変形し、前記薄型が動いて前記成形用金型の平行度が修正される
ことを特徴とする成形体の成形用金型。
前記断熱層は、前記薄型の裏面全域に接触するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の成形用金型。
前記第二断熱層Ｂは、複数の薄い第二断熱部材を積層し、これにより前記複数の薄い第二断熱部材間に熱抵抗が生じるようにして形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の成形用金型。
前記成形用金型は、上金型および下金型を有し、前記上金型および下金型のいずれか一方が、成形面として微細な凹凸部を有する薄型と前記薄型を支持する金型本体とを備え、他方が微細な凹凸部を有さない薄型と前記薄型を支持する金型本体とを備え、前記微細な凹凸部を有する薄型を備えた金型が、前記第一断熱層Ａのみからなる断熱層を有し、前記微細な凹凸部を有さない薄型を備えた金型が、前記第一断熱層Ａと第二断熱層Ｂとを有することを特徴とする請求項１に記載の成形用金型。
前記第一断熱層Ａは、熱伝導率が１６W/(m・K)以下、縦弾性係数が１ＧＰａ以上、かつ厚みが１ｍｍ以上であり、前記第二断熱層Ｂは、熱伝導率が１W/(m・K)以下、縦弾性係数が０．００１ＧＰａ以上、かつ厚みが４０μm以上であることを特徴とする請求項１に記載の成形用金型。
前記微細な凹凸部が、１０ｎｍ〜１ｍｍの幅または直径を有するとともに、１０ｎｍ〜１ｍｍの深さまたは高さを有する形状であることを特徴とする請求項４に記載の成形用金型。
得られる成形体の厚さが５０μｍ〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の成形用金型。
前記薄型が、さらに冷却手段を備えてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の成形用金型。
請求項１〜８のいずれかに記載の成形用金型を用い、溶融した樹脂を、成形面を有する薄型上に塗布する塗布工程を少なくとも有することを特徴とする成形体の製造方法。
前記塗布工程が、吐出口を備えた塗布装置に熱可塑性樹脂を供給し、前記吐出口の先端部と前記薄型との距離によって最終製品の厚さが規制されるように、前記塗布装置を移動させながら、かつ前記加熱手段によって前記薄型を所望の温度に維持した状態で、最終製品にほぼ近い形状および厚さに、前記成形面を有する薄型上に前記熱可塑性樹脂を吐出する工程であることを特徴とする請求項９に記載の成形体の製造方法。