JP4599086B2 - 成形用金型 - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネルのバックライト用導光板や光ディスク基板など樹脂により表面に微細な凹凸形状を有する成形品を高い精度で成形するための成形用金型に関する。

従来では、キャビティ内のガスを真空吸引することで残留ガスの影響を無くし、通気性鋼材にてキャビティを形成し、離型時に金型外部から通気性鋼材に空気を送ることでキャビティ面と樹脂との間の密着を小さくし、または、キャビティ面と樹脂との接触面積を少なくすることで密着力を低減させる技術が提案されている（例えば特許文献１ないし３参照）。
特許文献１に開示された熱可塑性樹脂製精密成形品の製造方法では、成形品表面に凹状通路を形成するため、対応する金型の凸部の根本にガス抜き用の溝を形成する。
特許文献２に開示された射出成形装置では、通気性鋼材にてキャビティを形成し、成形過程に合わせてキャビティから吸引、キャビティに加圧する。
また、特許文献３に開示された金型、光学記録媒体および支持基板では、キャビティを構成する面を粗面とし、基板の密着性を低減させる。
特開２００３−９４４９５公報 特開平１０−８０９３７号公報 特開２００３−６７９８７公報

液晶パネルのバックライト用導光板のプリズム面の三角波面や、光ディスク基板の記録信号を読み書きするための案内溝のような微細な凹凸形状を精度良く転写するためには、金型温度を高くして、金型表面に接する樹脂の粘度を低い状態にして転写する方法が有効である。しかし、高い型温度の成形で微細な形状を転写しようとした場合、問題点が２点ある。１点目は、微細な形状を転写するために、金型の微細凹凸パターンの凹部分に樹脂を充填させるが、このとき、キャビティ内の空気、樹脂ガスが凹部分に充填している樹脂の先端に残り充填を妨げることによって高精度な転写ができなくなる。２点目は、高い型温度で成形するため、金型表面と樹脂の密着性が高くなり、成形品の金型からの離型性が悪くなる。１点目については、キャビティ内のガスを真空吸引することで残留ガスの影響を無くする、または、特許文献１のように転写パターンにもガス抜き用の溝を形成し、残留ガスをキャビティ外へ放出することで真空引きなしで高精度の転写を行うことが提案されている。これらの方法では、キャビティ内のガスによる影響は小さくなり、転写性は向上するが、逆に転写パターンに樹脂が密着することによる離型性の悪化については解決されていない。２点目の問題については、特許文献２の通気性鋼材にてキャビティを形成し、離型時に金型外部から通気性鋼材に空気を送ることによってキャビティ面と樹脂の間の密着を小さくする解決方法が提案されている。また、特許文献３では、キャビティ表面を粗面にすることによって、キャビティ面と樹脂との接触面積を少なくすることで密着力を低減させる方法が提案されている。しかし、特許文献２の場合、通気性鋼材にある空気孔の大きさは３〜７μｍであり、その表面粗さは微細な凹凸形状の大きさと同じであるため通気性材料で微細な凹凸形状を作成することは難しい。また、特許文献３はキャビティ面が平面のため、粗面処理はラッピング、ドライエッチングで可能であるが、微細な凹凸形状の場合、この処理方法で微細凹凸表面に粗面加工を施すことは困難である。前記従来技術では、転写性が悪くなる要因は金型上の微細な凹凸パターンの凹部分に樹脂が充填するさい、微細な凹凸パターンの凹部分内に樹脂ガスなどが抜けきれず、樹脂と微細な凹凸パターンの間に封入される状態になるため微細な凹凸パターンが転写できない。前記従来技術では、転写性が悪くなる要因は金型上の微細な凹凸パターンの凹部分に樹脂が充填するさい、微細な凹凸パターンの凹部分内に樹脂ガスなどが抜けきれないためガス抜き用溝を設けるが、このガス抜き用溝に樹脂が充填するため微細凹凸パターンの表面が粗くなる。従来はこのような微細な凹凸パターンを有する成形品はホットエンボス法に代表される熱圧縮成形によるものが一般的である。しかし、熱圧縮成形は、圧縮時に金型温度を昇温させて樹脂表面を加熱し、その後、金型を加圧、冷却させて樹脂を固化させ、金型から取り出す。そのため、樹脂の加熱冷却の時間が長く、加熱冷却サイクルのためエネルギー利用も効率的ではない。本発明の目的は、上述した実情を考慮して、微細な凹凸形状の高い転写精度と、良好な離型性の両立が可能な成形用金型を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、少なくとも１つの面に微細な凹凸によるパターンを有する成形品を射出成形により製造するための成形用金型において、成形品の微細な凹凸パターンに対応する可動側金型面の微細凹凸パターンの凹部分の底面部を、固定側金型と可動側金型で形成されるキャビティのみに連通する気孔を有する気孔層とし、該気孔層を微小粒子の積層にて形成する成形用金型を特徴とする。
また、気孔層が凹部分ごとに独立している。更に、気孔層の気孔の幅が０．１５μｍ以下である。

本発明によれば、成形品の微細な凹凸パターンに対応する可動側金型面の微細凹凸パターンの凹部分の底面部を、固定側金型と可動側金型で形成されるキャビティのみに連通する気孔を有する気孔層とし、該気孔層を微小粒子の積層にて形成する。よって、微細凹凸パターンに残留するガスによる転写率の悪化を防ぐことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は射出成形装置を示す概略図である。図１において、固定プラテン２に固定金型３を取り付けている。可動プラテン７は型開閉時に前後へ移動することができ、油圧、またはトグル機構で圧力を加えることができる型締め機構と結合している。
この可動プラテン７には可動金型６が取り付けてある。固定金型３と可動金型６を閉じることによって形成されるキャビティ４の一面に微細凹凸パターンを有する駒５を取り付ける。
射出成形方法であるが、可動プラテン７を前進させて、固定側金型３と可動側金型６を閉じることで形成するキャビティ４に、図１の右側に位置する可塑化装置（図示せず）により溶融された樹脂をノズル１から充填する。
キャビティ４に充填された樹脂は金型で冷却され固化する。その後、可動側プラテン７を後退させて、金型を開き、キャビティ４から成形品を取り出す。この動作を繰り返す。
図２は可動側プラテン７に取り付けられた可動側金型をキャビティ面から見た斜視図である。可動側金型６に設けられたキャビティ４の底面部に微細な凹凸パターン１０を有する駒（またはスタンパ）５が組み込まれている。

図３はキャビティの一面（駒５）に設けられた微細な凹凸パターンの一例として、矩形に形成されたパターンを示す概略斜視図である。キャビティ４の一面に設けられた微細凹凸パターン１０は矩形（テーパーを有した山、谷型）に形成されたパターンである。
微細な凹凸パターン１０は、レーザ光や電子線によるリソグラフィ、電鋳による光ディスクのスタンパ作成工法やＬＩＧＡプロセスによって形成されることができる。
まず、基板上にポリメチルアクリレート（ＰＭＭＡ）を被覆した積層板にレーザ光を直接照射するか、または凹凸パターンの凸部が遮蔽されたパターンのマスクを介してＸ線を照射する。
次いで、レーザ光やＸ線が照射されて分解したＰＭＭＡを取り除くと、レーザが照射されなかった部分またはマスクで遮蔽された部分が凸となる凹凸パターンが形成される。
この凹凸パターンをマスタ型にして電鋳することで、Ｎｉ層を形成する。マスタ型から分離したＮｉ層を金属ブロックに貼り付けることで微細な凹凸パターン１０を有する駒５を作成する。
成形品の微細な凹凸パターンに対応する、金型キャビティ４（駒５）面の微細な凹凸パターン１０の凹部分１２の底面部が径φ０．１５μｍ以下の気孔を有する気孔層１７となっており、また、各凹部分１２の底面部の気孔層１７はそれぞれ他の凹部分１２の底面部の気孔層１７とは繋がらず独立した形状であり、キャビティ４の外へは繋がっていない成形用金型と射出成形機を用いる。
可動金型６のキャビティ４上の微細な凹凸パターン１０を転写するために、樹脂１３を微細な凹凸パターン１０に充填するさい、微細な凹凸パターン１０の凹部分１２に充填している樹脂１３先端部にキャビティ４内の空気、ガスが残存する。
しかし、樹脂１３をさらに充填することによって微細な凹凸パターン１０の底面部にある気孔層１７に樹脂１３先端部に残存したガスを追い出し、圧縮させることによって転写したい凹凸パターン形状を形成する。
気孔層１７の気孔径は０．１５μｍ以下と十分に小さいため、樹脂１３は気孔層１７内には充填できないので、微細な凹凸パターン１０の表面は気孔の跡がない面が形成される。残存ガスが極微細凹部分へ押し込められるため、表面に残存ガスによるひけ状の跡が形成されずに微細な凹凸パターンを精度良く形成できる。
また、離型時には型開により型締め圧力が解放されるので、気孔層に圧縮された残存ガスがキャビティ４面と樹脂１３の間に放出され、キャビティ４面から樹脂１３を剥離させる作用を起こすため、離型が促進される。

図４は従来例に係る成形用金型（気孔層を有しない凹凸パターンを有する）で成形したときの微細な凹凸パターンの転写状態（断面）を示す断面図である。次に、上記成形用金型で成形したときの微細な凹凸パターン１０の転写状態（断面）を図４によって説明する。
射出成形装置で射出された樹脂１３は、この樹脂１３から排出される樹脂ガスと固定側金型３および可動側金型６により形成されたキャビティ４にある空気を押し出しながら充填する。
このとき樹脂ガスおよび押し出される空気は固定側金型３および可動側金型６の間からこれらの金型の外に排出される。しかし、駒５の表面にある微細凹凸パターン１０の凹部分１２に、樹脂１３充填のさいに排出されなかったガス１４が僅かに残る。
このガス１４が、微細な凹凸パターン１０と樹脂１３の間に介在するため、微細な凹凸パターン１０の凹部分１２内を樹脂１３で充填することが不可能になり、転写率の低下を引き起こす。

図５は上記欠点を解決するためになされた本発明を説明する断面図である。微細な凹凸パターン１０の凹部分１２の底面部１５を粒径０．５μｍ以下の微小粒子１６の積層で形成する。ここで、粒径０．５μｍの微小粒子１６が密接に接触した場合、その粒子間の大きさは粒径の約１／３となる。
このため、微小粒子１６間に形成させる気孔の幅は０．１５μｍ以下となる。幅が０．１５μｍで有れば、樹脂１３は気孔に充填することはない。ここで、底面部１５の微小粒子１５の積層の厚みは、微細な凹凸パターン１０内に残留したガスを収容できる任意の形、深さに設定されてよい。
微小粒子１６は、粒径が０．５μｍ以下で、樹脂１３の成形温度以上の耐熱性があればその材質はとくに限定はされないが、微粒子化し易い金Ａｕや銀Ａｇと用いるととくに好都合である。
積層された銀は粒径が小さいため、その融点はバルクな銀（約９６０℃）より低くなり、約２００℃で微小粒子１６の表層が溶け始め、気孔を形成した状態で隣接する微小粒子１６および微細な凹凸パターン１０と一体化される。つまり、微小粒子１６が焼結された状態で、微小な多孔質を形成した状態となる。
気孔を有する底面部１５が形成された微細な凹凸パターン１０に樹脂１３が充填されると、まず、凸部の上面１５に樹脂１３が接する。次に、微細な凹凸パターン１０の凹部分１２に樹脂１３が充填されるが、樹脂１３と微細な凹凸パターン１０の凹部分１２の間にガスが残留する。

図６は微細な凹凸パターンの凹部分に残留ガスが介在しない状態を示す概略図である。図６に示すように、残留ガスが微細な凹凸パターン１０の凹部分１２の底面部１５にある微小粒子１６の層に追い込まれる。
それによって、樹脂１３は微細凹凸パターン１０の凹部分１２に残留ガスが介在せずに充填される。この状態で樹脂１３が冷却固化することで、微細な凹凸パターン１０を精度良く転写することができる。
次に、成形品を取り出す段階で、可動側プラテン７が後退し型開き動作により成形中に金型に与えていた圧力が解放される。このとき、樹脂充填時に微細な凹凸パターンの底面部１５にある微小粒子１６の気孔層１７に押し込まれて圧縮された残留ガスが放出される。
それによって、微細凹凸パターン１０から樹脂１３を押し出す動きになると共に、微細な凹凸パターン１０と樹脂１３の間に拡がることで、微細な凹凸パターン１０への樹脂１３の密着性を低くする。
そのため、微細な凹凸パターン１０からの成形品の離型性が良くなり、離型時の抵抗により成形品の微細凹凸パターン１０や、成形品形状を変形させる不具合が生じない。
また別の例として、微細な凹凸パターン１０の凹部分１２の底面部１５を粒径０．２μｍ以下のポリスチレン製の微小粒子１６を積層し、ポリスチレン製の微小粒子１６の間に酸化チタンの粉末をゲル化させて充填する。
その後、高温に加熱することで、ポリスチレン製の微小球は蒸発し、酸化チタンは焼結されるので、気孔を有する底面部１５が形成される。酸化チタンは焼結での収縮により、ポリスチレン製の微小粒子１６の粒径より小さくなる。
幅が０．１５μｍであれば、樹脂１３は気孔に充填することはない。ここで、底面部１５の微小粒子１６の積層の厚みは、微細凹凸パターン１０内に残留したガスが収容できる任意の形、深さに設定されてよい。
焼結によって気孔を形成した底面部１５は状微細凹凸パターン１０と一体化される。ここで、微小粒子１６間に充填する材料はセラミクスを作成する他の材料であってもよい。

図７は微細な凹凸パターンの積層形成の工程を示す概略断面図である。図８は微細な凹凸パターンの形成を示す概略断面図である。図９は微細凹凸パターンの電鋳工程を示す概略断面図である。図１０はガラス基板とアクリル樹脂の剥離工程を示す概略断面図である。図１１は剥離したアクリル樹脂およびＮｉ層を高温で加熱する焼成の工程を示す概略断面図である。
さらに、粒径０．１５μｍ以下の微小粒子１６の層を形成してから微細凹凸パターン１０を形成してもよい。この場合、積層形成（図７）、微細凹凸パターン形成（図８）、電鋳（図９）、剥離（図１０）、焼成（図１１）の工程を経る。
図７の積層形成の工程では、ガラス基板２０の上にアクリル樹脂２１をスピンコートで厚みを制御して塗布する。次にアクリル樹脂２１上にポリスチレン製の微小粒子１６を積層する。
図８の微細な凹凸パターン形成工程では、図７で作成した各層にＦＩＢ、レーザ光などで微細な凹凸パターン１０を形成する。図９の電鋳工程では、図８で作成した微細な凹凸パターン１０をマスタとして無電解電鋳でＮｉ層２３を形成する。このとき、微小粒子１６の間をＮｉで埋めることができる。

図１０の剥離工程では、ガラス基板２０とアクリル樹脂２１、微小粒子１６層およびＮｉ層２３を剥離する。図１１の焼成工程では、剥離したアクリル樹脂２１およびＮｉ層２３を高温で加熱することでアクリル層２１および微小粒子１６層を蒸発させる。
以上のプロセスによりの底面部１５に径０．１５μｍの気孔を有する微細凹凸パターン１０を形成することができる。このＮｉ層２３を駒５に貼り付けて成形することで、微細凹凸パターン１０を高精度に転写し、離型による変形がない成形品を得ることができる。
微細凹凸パターン１０の底面部１５の気孔が個々に独立していることにより、成形時に残留ガスを圧縮しておくことができ、微細な凹凸パターン１０の凹部分内に樹脂ガスなどが抜けきれ無くても微細な凹凸パターン形状を高精度に転写できる。
極微細凹部分の形状の幅を０．１５μｍ以下にすることによって、成形時の樹脂１３が極微細凹部分に充填せず、表面性が良好で高精度の微細凹凸パターン１０を得ることができる。
微細凹凸パターン１０の凹部分１２の底面部１５に微小粒子１６を積層することで、微細な凹凸パターン１０の凹部分にガス抜き用の形状を簡易に、幅０．１５μｍ以下の気孔を形成することができるので、微細な凹凸パターンの転写が高精度にできる成形用金型を安価に提供できる。

射出成形装置を示す概略図。 可動側プラテンに取り付けられた可動側金型をキャビティ面から見た斜視図。 キャビティの一面に設けられた微細な凹凸パターンの一例として、矩形に形成されたパターンを示す概略斜視図。 従来例による成形用金型で成形したときの微細な凹凸パターンの転写状態（断面）を示す断面図。 本発明を説明する断面図。 微細な凹凸パターンの凹部分に残留ガスが介在しない状態を示す概略図。 微細な凹凸パターンの積層形成の工程を示す概略断面図。 微細な凹凸パターンの形成を示す概略断面図。 微細な凹凸パターンの電鋳工程を示す概略断面図。 ガラス基板とアクリル樹脂の剥離工程を示す概略断面図。 剥離したアクリル樹脂およびＮｉ層を高温で加熱する焼成の工程を示す概略断面図。

符号の説明

３ 固定金型
４ キャビティ
５ 駒
６ 可動金型
１０ 微細な凹凸パターン
１２ 微細な凹凸パターンの凹部分
１３ 樹脂
１５ 気孔を有する底面部
１６ 微小粒子
１７ 気孔層

Claims (3)

1. 少なくとも１つの面に微細な凹凸によるパターンを有する成形品を射出成形により製造するための成形用金型において、
   前記成形品の微細な凹凸パターンに対応する可動側金型面の微細凹凸パターンの凹部分の底面部を、固定側金型と可動側金型で形成されるキャビティのみに連通する気孔を有する気孔層とし、該気孔層を微小粒子の積層にて形成することを特徴とする成形用金型。
2. 前記気孔層が凹部分ごとに独立していることを特徴とする請求項１記載の成形用金型。
3. 前記気孔層の気孔の幅が０．１５μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の成形用金型。

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