JP4563092B2 - 熱可塑性プラスチックのプレス成形装置及びプレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性プラスチックのプレス成形装置及びプレス成形方法に係り、特に、熱可塑性プラスチックからなる素材シートの表面に微細な凹凸パターンを高精度に転写するに好適なプレス成形装置及びプレス成形方法に関する。

近年、光ディスク、回折格子、導光板及びマイクロレンズアレイなどの光学デバイスには、その小型化・薄形化及び高性能化を図るため、ナノスケールの微細な凹凸パターンを表面に形成することが求められている。

従来より、プラスチック成形体の表面に微細な凹凸パターンを形成する方法としては、成形品の表面に形成使用とする凹凸パターンの雌形を有する金型キャビティ内に溶融プラスチック材料を注入する射出成形法が使われてきた。この方法は、成形品の形状や成形材料に関する制約が少ない優れた方法であるが、溶融プラスチック材料を冷えた金型キャビティ内に注入するので、溶融プラスチック材料が金型キャビティ内で流動不足になりやすく、転写される凹凸パターンの微細化や高精度化に限界がある。また、光学デバイスのように薄形の成形品については、金型キャビティ内における溶融プラスチック材料の流動不足が顕著になり、かつ成形収縮も大きくなることから、成形品に大きな残留応力が発生しやすいという問題も生じる。

この成形品に生じる残留応力は、樹脂材料としてポリカーボネートやポリスチレン等の高屈折率材料を用いた場合に特に大ききな問題となる。即ち、導光板やマイクロレンズアレイなどの光学デバイスにおいては、デバイス材料の屈折率が高いほど高特性が得られるので、本来的にはポリカーボネートやポリスチレン等の高屈折率材料を用いて製造することが好ましいが、この種の樹脂材料中には分子骨格中に外部場によって分極しやすい芳香族環を有するため、成形体中に残留応力が生じると複屈折と呼ばれる屈折率異方性をもたらし、光学歪みを生じて却って特性を悪化させる。そのため、従来においては、残留応力の発生を避けるためにあえてポリメチルメタクリレートや非晶質ポリオレフィン等の低高屈折率材料を用いて光学デバイスを射出成形するという方法が取られている。

かかる問題に対処するため、近年、射出成形法に代わる光学デバイスの成形方法として、図６に示すように、ヒータ１０１が一体に備えられた上金型１０２とヒータ１０３が一体に備えられた下金型１０４との間に熱可塑性プラスチックからなる素材シート１０５を挟み込み、素材シート１０５にヒータ１０１，１０３の熱を加えてその表面を軟化した後、素材シート１０５に押圧力を加えてその表面に上金型１０２及び下金型１０４の表面に形成された所要の凹凸パターン１０６，１０７を転写するホットエンボス法と呼ばれるプレス成型法の一種を適用することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このホットエンボス法によれば、ポリカーボネートやポリスチレン等の高屈折率材料を用いて薄形の光学デバイスを成形した場合にも、樹脂の流動不足や成形収縮をほとんど生じないので、成形体中に発生する残留応力を緩和することができる。
特開２００３−１７０５号公報

しかるに、従来のホットエンボス法においては、ヒータ１０１が一体に備えられた上金型１０２とヒータ１０３が一体に備えられた下金型１０４とを有するプレス成形装置を用いるので、素材シート１０５の挟み込み後にヒータ１０１，１０３に通電して素材シート１０５を所定温度まで加熱し、所望のプレス成形体１０８が成形された後にヒータ１０１，１０３への通電を遮断してプレス成形体１０８を所定温度まで冷却しなくてはならないので、射出成形法に比べてショットサイクルが長く、生産性が悪いという問題がある。

また、残留応力が小さいプレス成形体１０８を得るためには、平坦性が良好で残留応力が小さい素材シート１０５を用意しなくてはならず、大量生産が可能で安価な押出成形品を素材シート１０５として用いることができないので、製品であるプレス成形体１０８が高価になるという問題もある。

本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであり、その目的は、安価にして微細な凹凸パターンが高精度に転写されたプレス成形体を高能率に製造可能なプレス成形装置及びプレス成形方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、熱可塑性プラスチックのプレス成形装置については、挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の表裏両面に押圧力を加える成形用金型と、この成形用金型を介して前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の表裏両面に熱を加えるヒータとを備え、前記ヒータは、前記成形用金型に対して密着及び離隔可能に構成されており、前記成形用金型に密着したときには、前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材を表裏両面側から加熱でき、前記成形用金型から離隔したときには、前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材を表裏両面側から放冷できるという構成にした。また、成形用金型は、上金型と、該上金型を保持する上ステージと、下金型と、該下金型を保持する下ステージとからなるという構成にした。さらに、前記ヒータは、前記成形用金型を、前記熱可塑性プラスチック素材のガラス転移温度以上溶融温度以下に加熱可能であるという構成にした。

このように、成形用金型とヒータとをそれぞれ独立の別体に形成し、成形用金型に対するヒータの密着と成形用金型からのヒータの離隔とを可能にすると、ヒータへの通電を断続することなく、所定温度に加熱されたヒータを成形用金型に密着させることによって素材シートの加熱を行うことができ、また、成形用金型からヒータを離隔させることによって素材シートの放冷を行うことができるので、ヒータの加熱放冷に要する時間を省略することができ、プレス成形のショットサイクルを高速化することができる。

一方、熱可塑性プラスチックのプレス成形方法については、挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の表裏両面に押圧力を加える成形用金型と、この成形用金型を介して前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の表裏両面に熱を加えるヒータとを備え、前記ヒータが前記成形用金型に対して密着及び離隔可能に構成されたプレス成形装置を用い、前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の加熱時には、前記ヒータを前記成形用金型に密着して、前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材を表裏両面側から加熱し、プレス成形された前記熱可塑性プラスチック素材の冷却時には、前記ヒータを前記成形用金型から離隔して、前記プレス成形された熱可塑性プラスチック素材を表裏両面側から放冷するという構成にした。また、前記成形用金型を、上金型と、該上金型を保持する上ステージと、下金型と、該下金型を保持する下ステージとから構成すると共に、前記ヒータとして、前記上金型及び前記下金型を前記熱可塑性プラスチック素材のガラス転移温度以上溶融温度以下に加熱可能なものを用いるという構成にした。

このように、素材シートの加熱工程においては成形用金型と所定温度まで予め加熱されたヒータとを密着させ、素材シートの放熱工程においては成形用金型からヒータを離隔させると、ヒータへの通電を断続することなく、成形用金型にヒータを密着させることによって素材シートの加熱を行うことができ、また、成形用金型からヒータを離隔させることによって素材シートの放冷を行うことができるので、ヒータの加熱放冷に要する時間を省略することができ、プレス成形のショットサイクルを高速化することができる。

本発明のプレス成形装置は、成形用金型とヒータとをそれぞれ独立の別体に形成し、成形用金型に対するヒータの密着と成形用金型からのヒータの離隔とを可能にしたので、ヒータの加熱放冷に要する時間を省略することができてプレス成形のショットサイクルを高速化することができ、プレス成形体の生産性を高めることができる。

本発明のプレス成形方法は、素材シートの加熱工程においては成形用金型と所定温度まで予め加熱されたヒータとを密着させ、素材シートの放熱工程においては成形用金型からヒータを離隔させるので、ヒータの加熱放冷に要する時間を省略することができてプレス成形のショットサイクルを高速化することができ、プレス成形体の生産性を高めることができる。

以下、本発明に係る熱可塑性プラスチックのプレス成形装置及びこれを用いた熱可塑性プラスチックのプレス成形方法の実施形態例を図１乃至図５に基づいて説明する。図１は実施形態例に係るプレス成形装置の構成図、図２はプレス成形方法の第１例を示すフローチャート、図３はプレス成形方法の第２例を示すフローチャート、図４は第２例に係るプレス成形方法の効果を模式的に示す説明図、図５はプレス成形方法の第３例を示すフローチャートである。

図１に示すように、実施形態例に係るプレス成形装置は、下面に微細な凹凸パターン１が形成された上金型２と、上金型２を保持する上ステージ３と、上ステージ３を介して上金型２を加熱する上ヒータ４と、上面が平滑な平面状に形成された下金型５と、下金型５を保持する下ステージ６と、下ステージ６を介して下金型５を加熱する下ヒータ７とを備えており、上金型２及び下金型５並びに上ステージ３及び下ステージ６をもって素材シート８をプレス成形するための成形用金型が構成されている。なお、図１の例では、上金型２の下面にのみ微細な凹凸パターン１が形成されているが、下金型５の上面にのみ微細な凹凸パターン１を形成することもできるし、上金型２の下面と下金型５の上面の双方に微細な凹凸パターン１を形成することもできる。

上金型２は、シリコンウエハにパターニングされた凹凸パターンをニッケルめっきに転写することにより作製できる。即ち、シリコンウエハ上に塗布されたレジストを所要の露光パターンで露光し、レジストの感光部分を除去した後に、シリコンウエハのレジスト形成面を異方性エッチングすることによって所要の凹凸パターンが形成されたシリコンウエハを得、次いで当該シリコンウエハの凹凸パターン形成面にニッケルの無電解めっきを施し、シリコンウエハとニッケルめっきの界面を剥離することにより上金型２を作製できる。上金型２の下面に形成される凹凸パターン１は、作製しようとするプレス成形体の種類、例えばディスク基板、導光板、回折素子又はマイクロレンズアレイに応じて適宜のパターンに形成される。一方、下金型５は、厚さが均一なニッケル板の両面を鏡面研磨加工することにより作製できる。

上ステージ３及び下ステージ６は、上金型２及び下金型５を保持して素材シート８に所要の押圧力を付与可能な適度の剛性を有すると共に、上ヒータ４及び下ヒータ７の熱を速やかに上金型２及び下金型５に伝達可能な適度の熱容量を有するように設計される。

上ヒータ４及び下ヒータ７は、上ステージ３及び下ステージ６とはそれぞれ独立の別体に形成されており、所要のタイミングで上ステージ３及び下ステージ６と密着し、また所要のタイミングで上ステージ３及び下ステージ６から離隔するように構成されている。この上ヒータ４及び下ヒータ７のヒータ温度は、上ステージ３及び下ステージ６と密着したときに、素材シート８を構成する熱可塑性プラスチックのガラス転移温度以上溶融温度以下に上金型２及び下金型５を加熱可能な温度に設定される。具体的には、成形用金型の熱伝導性によって変化するが、およそ熱可塑性プラスチックのガラス転移温度より３０℃乃至１５０℃高い温度に設定される。

素材シート８は、熱可塑性プラスチックをもって形成され、その平面形状、平面サイズ及び厚さは、作製しようとするプレス成形体の種類に応じて適宜形成される。なお、導光板やマイクロレンズアレイなどの光学デバイスを製造する場合には、光学デバイスの高性能化を図るため、構造中に芳香族をもつ熱可塑性プラスチック、例えばポリカーボネートやポリスチレン等のように屈折率が高い熱可塑性プラスチックよりなる素材シート８を用いることが特に好ましい。この素材シート８は、押出成形法、射出成形法及びプレス成形法などの適宜の方法で作製することができる。

次に、前記構成のプレス成形装置を用いたプレス成形方法の第１例を図２に基づいて説明する。

プレス成形の開始前、上金型２と下金型５とは所定の間隔を隔てて型開きされており、また上ヒータ４及び下ヒータ７は、素材シート８を構成する熱可塑性プラスチックのガラス転移温度以上の所定の温度に加熱されている。この状態で、まず、下金型５の上面に素材シート８を位置決めして載置する（手順Ｓ１）。次に、上金型２を下降して上金型２と下金型５との間に素材シート８を挟み込み、素材シート８に所要の押圧力を負荷する（手順Ｓ２）。次に、上ステージ３及び下ステージ６の背面に上ヒータ４及び下ヒータ７を密着し、ヒータ４，７の熱で素材シート８の表面を軟化する（手順Ｓ３）。これによって素材シート８の表面に組成流動が生じ、素材シート８の表面に上金型２の下面に形成された凹凸パターン１が転写されて、所要のプレス成形品が成形される。しかる後に、上ヒータ４及び下ヒータ７を上ステージ３及び下ステージ６から離隔してプレス成形品を材料である可塑性プラスチックのガラス転移温度以下の所定温度まで放冷し（手順Ｓ４）。次いで上金型２と下金型５とを型開きし（手順Ｓ５）、上金型２又は下金型５からプレス成形品を剥がし取る（手順Ｓ６）。

本例のプレス成形方法は、成形用金型を構成する上ステージ３及び下ステージ６と上ヒータ４及び下ヒータ７とをそれぞれ独立の別体に形成し、上ステージ３及び下ステージ６に対する上ヒータ４及び下ヒータ７の密着と上ステージ３及び下ステージ６からの上ヒータ４及び下ヒータ７の離隔とを所要のタイミングで行うようにしたので、上ヒータ４及び下ヒータ７への通電を断続することなく、素材シート８の加熱と放冷とを行うことができる。よって、従来例に係るプレス成形装置のようにヒータへの通電を開始してからヒータが所定温度に加熱されるまでの時間とヒータへの通電を遮断してからヒータが所定温度に放冷されるまでの時間を省略することができ、プレス成形のショットサイクルを高速化することができる。

上金型２としてＤＶＤ用スタンパを用いると共に素材シート８として厚さが０．６ｍｍでガラス転移温度が１３０℃のポリカーボネートシートを用い、ヒータ温度を２１０℃、プレス圧力を１０Ｋｇ／ｃｍ^２として図２の手順でＤＶＤ用基板のプレス成形を行ったところ、製品であるプレス成形体にはスタンパに形成されたディスクパターンを正確に転写することができた。ＤＶＤ用基板のプレス成形に要した時間は約１０秒であり、従来法のプレス成形時間（約３００秒）に比べて大幅にショットサイクルを短縮することができた。

次に、前記構成のプレス成形装置を用いたプレス成形方法の第２例を図３及び図４に基づいて説明する。

前記第１例に係るプレス成形方法では、プレス成形の段階で素材シート８の残留応力を緩和することができないので、残留応力が低く光学的等方性に優れたプレス成形品を得るためには、残留応力が低く光学的等方性に優れた素材シート８を使用しなくてはならず、プレス成形品が高コスト化する。本例のプレス成形方法は、かかる不都合を解消するものであって、図３に示すように、上ステージ３及び下ステージ６の背面に上ヒータ４及び下ヒータ７を密着して素材シート８の表面を軟化した後（手順Ｓ１３）、上金型２と下金型５とで素材シート８を５μｍ／ｓ以下のゆっくりしたプレス速度で厚さ方向に圧縮し、素材シート８の厚さを初期値の８０％程度まで減少させる（手順Ｓ１４）。その他については図２に示した前記第１例に係るプレス成形方法と同じであるので、説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、押出成形された素材シート８は、押出方向にプラスチックポリマー鎖が分子配向しており、大きな残留応力が残留して光学的異方体になっている。この素材シート８を軟化状態で厚さ方向に５μｍ／ｓ以下というゆっくりとしたプレス速度で圧縮すると、図４（ｂ）に示すように、プラスチックポリマー鎖の分子配向が低速プレスによる攪拌効果で断ち切られ、素材シート８中の分子配向が低下する。よって、押出成形された高屈折率熱可塑性プラスチックからなる素材シート８を用いて複屈折が小さなプレス成形品を作製することができ、プレス成形品の低コスト化及び高性能化を図ることができる。

押出成形された厚さ１．０ｍｍのポリカーボネートシートを、表面が平滑に形成された上金型と下金型の間に挟み込み、ヒータ温度が１７０℃、プレス圧力が２Ｋｇ／ｃｍ^２、プレス速度が３μｍ／ｓという条件でプレスしたところ、プレスの前後で複屈折が２５０ｎｍから４０ｎｍに大幅に減少した。

次に、前記構成のプレス成形装置を用いたプレス成形方法の第３例を図５に基づいて説明する。

前記第２例に係るプレス成形方法は、素材シート８を５μｍ／ｓ以下というゆっくりしたプレス速度で厚さ方向に圧縮する工程を含むので、プレス成形品のショットサイクルを十分に高めることが困難になる。本例のプレス成形方法は、かかる不都合を解消するものであって、図５に示すように、下金型５の上面に素材シート８を位置決めして載置する工程（手順Ｓ２３）に先立ち、押出成形などによって作製された高屈折率熱可塑性プラスチックシートを表面が平滑に形成された上金型と下金型の間に挟み込み、加圧加温下で５μｍ／ｓ以下のゆっくりしたプレス速度で厚さ方向に圧縮して素材シート８を製造する（手順Ｓ２１）。次いで、製造された素材シート８の外径寸法を整えたり、その後の工程に必要な位置決め孔を開口するなどの整形処理を行う（手順Ｓ２２）。その他については図２に示した前記第１例に係るプレス成形方法と同じであるので、説明を省略する。

本例のプレス成形方法は、高屈折率熱可塑性プラスチックシートの残留応力を低減する工程及び素材シート８を整形処理する工程と素材シート８の表面に所要の凹凸パターン１を転写する工程とを別工程にしたので、凹凸パターン１の転写工程及びその後の工程を高能率に行うことができる。

実施形態例に係るプレス成形装置の構成図である。 プレス成形方法の第１例を示すフローチャートである。 プレス成形方法の第２例を示すフローチャートである。 第２例に係るプレス成形方法の効果を模式的に示す説明図である。 プレス成形方法の第３例を示すフローチャートである。 従来例に係るプレス成形装置の構成図である。

符号の説明

１ 凹凸パターン
２ 上金型
３ 上ステージ
４ 上ヒータ
５ 下金型
６ 下ステージ
７ 下ヒータ
８ 素材シート

Claims (5)

1. 挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の表裏両面に押圧力を加える成形用金型と、この成形用金型を介して前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の表裏両面に熱を加えるヒータとを備え、
   前記ヒータは、前記成形用金型に対して密着及び離隔可能に構成されており、前記成形用金型に密着したときには、前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材を表裏両面側から加熱でき、前記成形用金型から離隔したときには、前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材を表裏両面側から放冷できることを特徴とする熱可塑性プラスチックのプレス成形装置。
2. 前記成形用金型は、上金型と、該上金型を保持する上ステージと、下金型と、該下金型を保持する下ステージとからなることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性プラスチックのプレス成形装置。
3. 前記ヒータは、前記成形用金型を、前記熱可塑性プラスチック素材のガラス転移温度以上溶融温度以下に加熱可能であることを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の熱可塑性プラスチックのプレス成形装置。
4. 挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の表裏両面に押圧力を加える成形用金型と、この成形用金型を介して前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の表裏両面に熱を加えるヒータとを備え、前記ヒータが前記成形用金型に対して密着及び離隔可能に構成されたプレス成形装置を用い、
   前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材の加熱時には、前記ヒータを前記成形用金型に密着して、前記挟み込まれた熱可塑性プラスチック素材を表裏両面側から加熱し、プレス成形された前記熱可塑性プラスチック素材の冷却時には、前記ヒータを前記成形用金型から離隔して、前記プレス成形された熱可塑性プラスチック素材を表裏両面側から放冷することを特徴とする熱可塑性プラスチックのプレス成形方法。
5. 前記成形用金型を、上金型と、該上金型を保持する上ステージと、下金型と、該下金型を保持する下ステージとから構成すると共に、前記ヒータとして、前記上金型及び前記下金型を前記熱可塑性プラスチック素材のガラス転移温度以上溶融温度以下に加熱可能なものを用いたことを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性プラスチックのプレス成形方法。

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