JP5143694B2 - 金型装置及びこれを用いた成形体の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、金型装置及びこれを用いた成形体の製造方法に係り、特にプレス成形などにより成形体を製造するための金型であって対向する一対の金型を互いに加圧することで成形体を得る装置及び方法に関している。

現在、数十ｎｍ〜数百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樹脂成形体が、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として求められている。
特許文献１に開示された樹脂成形技術は、樹脂を残留応力の緩和時間の短い溶融状態で微細凹凸に直接塗布することにより最終形状に近い形に附形を行い、その後の加圧附形時（この時点での樹脂温度は金型温度にまで下がっている）は、微細な凹凸部の隅部を樹脂が充填できる最小限の加圧に留めて過度の充填を防ぐことで、光情報通信用部品等に求められる、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樹脂製超微細構造体成形を得られる工法である。

しかし、概ねの成形体形状が附形される樹脂塗布時や加圧附形時に、金型が熱変形してしまっていては、成形品に変形や残留応力が発生し、問題となる。また、この工法では成形プロセスの中で金型温度を樹脂の溶融温度から取り出し可能な温度（流動停止温度、ガラス転移温度、結晶化温度等）以下まで冷却するため、附形時に残留応力が緩和した場合でも冷却時に成形体内部に冷却の時間差が生じた場合は熱応力が発生し、また、一時的な金型の熱変形によりその温度での緩和の限度を超える外的な力が作用した場合には残留応力が生じ、成形プロセスの完了時の成形体にこれらに起因する残留応力や歪みが残存することになる。

図５に特許文献２に開示されたこの種の従来の金型装置の構成を示す。金型装置は、上金型１１と下金型２１とを備えており、上金型１１は、型取付板１２に固定された主型１３と、主型１３に断熱板１４を介して取り付けられたキャビティ型１５を有している。同様に、下金型２１は、型取付板２２に固定された主型２３と、主型２３に断熱板２４を介して取り付けられたキャビティ型２５を有している。

双方のキャビティ型１５及び２５の対向面が成形体を得る対象表面を構成し、これらのキャビティ型１５及び２５には、それぞれ対象表面側に金型加熱用ヒータ１６及び２６が、反対象表面側に冷却用配管１７及び２７が配設されている。一方、双方の主型１３及び２３には、それぞれ冷却用配管１８及び２８が配設されている。
また、上金型１１の対象表面には鏡面仕上げが施工され、下金型２１の対象表面には微細凹凸を有するスタンパ３０が配置されている。スタンパ３０は、キャビティ型２５に形成された吸着用溝３１を介して吸着固定され、スタンパ３０の周囲には機械的固定のためのスタンパ押さえ３２が配置されている。

図６に示されるように、双方のキャビティ型１５及び２５は、それぞれ対応する型取付板１２及び２２から主型１３及び２３、断熱板１４及び２４を貫通する複数本の支持ボルト１９及び２９によって固定されている。これらの支持ボルト１９及び２９により、上金型１１及び下金型２１は、それぞれ一体構造の形態をなしている。
下金型２１のキャビティ型２５には、吸着用溝３１に連通する真空吸着回路３３が配設されている。

特開２００７−７６１７８号公報 特開２００７−３０４３２号公報

このような従来の金型装置において、金型加熱用ヒータ１６及び２６に通電して、キャビティ型１５及び２５の温度を上昇させた場合、図７に示されるように、支持ボルト１９及び２９の存在により断熱板１４及び２４の近傍においてはキャビティ型１５及び２５の熱膨張が拘束される一方、金型加熱用ヒータ１６及び２６が位置する対象表面側ではキャビティ型１５及び２５の熱膨張による伸びが発生する。その結果、上下のキャビティ型１５及び２５が互いに凸形状に変形を起こす。すなわち、キャビティ型１５及び２５の対象表面同士は反り合って、凸形状同士が相対することになる。この状態で上金型１１と下金型２１とを合わせると、図８に示すように、対象表面の中央部分Ａのみが接触し、不均一な圧力分布が起こり、外周部の加圧附形が不完全なものになる。

また、キャビティ型１５及び２５は、耐食性などを考慮して一般にステンレス系材料で製作されているが、ステンレス系材料は比較的熱伝導性が低く、金型加熱用ヒータ１６及び２６で発生した熱は、キャビティ型１５及び２５の全体に迅速且つ均一に伝わりにくく、不均一な温度分布を形成する。その結果、ますます前述のキャビティ型１５及び２５の変形現象は増長されることになる。

さらに、金型加熱用ヒータ１６及び２６への通電を停止し、キャビティ型１５及び２５内の冷却用配管１７及び２７へ通水すると、図９に示されるように、支持ボルト１９及び２９が存在する断熱板１４及び２４側でキャビティ型１５及び２５の熱膨張が拘束されると共に冷却用配管１７及び２７の付近では熱収縮による縮みが発生する。このとき、金型加熱用ヒータ１６及び２６が存在する対象表面側では、まだ加熱時の熱による伸びが残っており、キャビティ型１５及び２５が熱伝導の悪いステンレス系材料であることも合い重なって、反対象表面側と対象表面側上との間で、熱変形（伸びと縮み）に差が生じることになる。その結果、キャビティ型１５及び２５が凸形状に変形を起こす。すなわち、キャビティ型１５及び２５の対象表面同士は反り合って、凸形状同士が相対する。これにより、図１０に示すように、対象表面の中央部分Ｂのみが接触し、不均一な圧力分布が起こることになる。

また、冷却用配管１７及び２７への通水で、キャビティ型１５及び２５に急速冷却がかかることから、反対象表面側と対象表面側上との間で起こる熱変形（伸びと縮み）に、加熱時よりも大きな差が生ずる。その結果、相対する凸形状同士は、より大きく変形してしまう。成形体は微細凹凸部によって金型に拘束されている為、金型が更に反るような形状の変化をすると、成形体の内部にマクロ的には延伸、局部的には微細凹凸部の底等に圧縮変形やずり変形による応力を発生する。また、キャビティ型と成形体との間の接触熱抵抗は成形体表面各部の圧力に影響されるので、キャビティ型が更に反ることで、圧力分布の不均一がより顕著になると、成形体面内において、ガラス転移温度に到達する時間に差を生じる。そうすると、先に冷却された部分の熱収縮により、未だガラス転移温度に冷却されていない部分が延伸されてしまう。また、キャビティ型自体の熱伝導が不充分な場合も、冷却管の配置に応じた温度分布が生じ、同様の問題が生じる。既に温度低下により、樹脂の緩和時間が長くなっているため、この時点で発生した歪は、以後のプロセスで除去することは難しい。

また、結晶性樹脂については、結晶化温度を通過する際の冷却速度が成形体各部でばらつくと、結晶化度が異なることになり、その結果、収縮率に差を生じ、成形体のソリ、ウネリ変形を生ずる。
さらに、成形体と金型表面との付着力は、双方の温度に支配されており、これらの面内に温度のばらつきがあると、付着力の不均一性により成形体の離型が円滑にできなくなる。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、高品質の成形体を得ることができる金型装置を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような金型装置を用いて成形体を製造する方法を提供することも目的としている。

この発明に係る金型装置は、それぞれ成形体を得るための対象表面を有する一対の金型を対向して配置すると共に互いに加圧することにより成形体を製造し、少なくとも一方の金型は、対象表面側から、対象表面を形成する対象表面構成部材と、対象表面構成部材を保持すると共に加熱手段と冷却手段の双方を具備するキャビティ型と、キャビティ型を保持する主型とを備えた金型装置において、加熱手段及び冷却手段がそれぞれキャビティ型に対して対象表面と平行な面内方向にも対象表面と垂直な方向にも対称に配置されたものである。

好ましくは、キャビティ型を対象表面と平行な面内のほぼ中央部の１箇所で主型に締結保持する支持棒と、キャビティ型の周縁部を主型に対して押さえつける押さえ治具とを備えている。
さらに、支持棒の熱変形を拘束することなく支持棒の主型からの脱落を防止するための固定具を備えることが好ましい。
このとき、支持棒は対象表面と垂直な方向に延びて一端部がキャビティ型にネジ止めされると共に他端部に形成されたテーパ部を有し、固定具は対象表面と平行な方向に延びると共に先端部に形成されたテーパ部を有し、支持棒のテーパ部と固定具のテーパ部が互いに勘合するように構成することができる。

また、押さえ治具は、キャビティ型の熱変形を拘束することなくキャビティ型を押さえるためにキャビティ型の周縁部に当接する弾性体を有することが好ましい。
キャビティ型の構成材料は、従来使用されているステンレス系の鋼材（熱伝導度：約２０Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導性の良いものを使用する。望まれる素材の熱伝導率の範囲は少なくとも７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、望ましくは１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上ある材料から剛性や比熱等の他の特性を加味して選択する、例えばベリリウム銅合金がこの候補となる。
さらに、キャビティ型と主型の間に挟持された断熱板を備えることが好ましい。
なお、対象表面構成部材としては、微細凹凸が形成された対象表面を有するスタンパ、または、平坦な対象表面を有する平面板を用いることができる。

この発明に係る成形体の製造方法は、以上のような金型装置を用い、加熱手段によりキャビティ型の温度を上昇させる工程と、一対の金型を互いに加圧することにより成形体を得る工程と、冷却手段によりキャビティ型の温度を下降させる工程と、得られた成形体を金型装置から取り出す工程とを備えた方法である。

この発明によれば、加熱手段及び冷却手段がそれぞれキャビティ型に対して対象表面と平行な面内方向にも対象表面と垂直な方向にも対称に配置されているので、加熱時においても冷却時においてもキャビティ型の反りの発生が防止され、高品質の成形体を得ることが可能となる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に実施の形態に係る金型装置の構成を示す。金型装置は、上金型４１と下金型６１とを備えている。上金型４１は、型取付板４２に固定された主型４３と、主型４３に断熱板４４を介して取り付けられたキャビティ型４５と、キャビティ型４５に押さえ部材４６により着脱自在に保持された平面板４７とを有している。平面板４７は、断面台形状を有しており、短辺側に成形体を得るための平坦な対象表面４８が形成されている。この平面板４７は、キャビティ型４５に形成された吸着用溝４９を介して吸着固定され、対象表面４８には鏡面仕上げが施工されている。

同様に、下金型６１は、型取付板６２に固定された主型６３と、主型６３に断熱板６４を介して取り付けられたキャビティ型６５と、キャビティ型６５に押さえ部材６６により保持されたスタンパ６７とを有し、スタンパ６７に成形体を得るための対象表面６８が形成されている。このスタンパ６７は、キャビティ型６５に形成された吸着用溝６９を介して吸着固定され、対象表面６８には、成形体に微細形状を転写するための微細凹凸が形成されている。

双方のキャビティ型４５及び６５には、それぞれ厚さ方向の中央部に冷却手段を構成する冷却用配管５０及び７０が配設されると共に、冷却用配管５０及び７０の対象表面側及び反対象表面側の双方にそれぞれ加熱手段を構成する金型加熱用ヒータ５１及び７１が配設されている。これら冷却用配管５０及び７０、金型加熱用ヒータ５１及び７１は、それぞれキャビティ型４５及び６５に対して対象表面４８及び６８と平行な面内方向にも、対象表面４８及び６８と垂直な方向すなわち厚さ方向にも対称に配置されている。

一方、双方の主型４３及び６３には、それぞれ冷却用配管５２及び７２が配設されている。
さらに、型取付板４２及び６２には、それぞれキャビティ型４５及び６５の側方にまで延びる押さえ治具５３及び７３が取り付けられており、これら押さえ治具５３及び７３の先端部により耐熱ゴム等からなる弾性体５４及び７４を介してキャビティ型４５及び６５の周縁部が主型４３及び６３に対して押さえつけられている。

図２に示されるように、キャビティ型４５及び６５の断熱板４４及び６４側の面内のほぼ中央部の１箇所に支持棒５５及び７５の一端部がネジ止めされている。この支持棒５５及び７５は、対象表面４８及び６８と垂直な方向に延びて主型４３及び６３を貫通し、他端部が型取付板４２及び６２に形成された溝に係合すると共にこの他端部に凹状のテーパ部５６及び７６が形成されている。
また、型取付板４２及び６２に形成された溝には側方から固定具５７及び７７が挿入され、固定具５７及び７７の先端部に形成された凸状のテーパ部５８及び７８が支持棒５５及び７５のテーパ部５６及び７６に勘合し、これにより、支持棒５５及び７５の熱変形を拘束することなく支持棒５５及び７５の主型４３及び６３からの脱落が防止されている。
このような構成により、キャビティ型４５及び６５は、ほぼ中央の１点で保持固定されると共に、押さえ治具５３及び７３と弾性体５４及び７４によって熱変形の拘束から解放されている。

また、キャビティ型４５及び６５には、吸着用溝４９及び６９に連通する真空吸着回路５９及び７９が配設されている。
なお、キャビティ型４５及び６５は、熱伝導性に優れた良熱伝導材、例えばベリリウム銅から形成されている。
型取付板４２及び６２は、図示しないプレス装置の型取付盤に上金型４１及び下金型６１を取り付けるためのものであり、主型４３及び６３に配設された冷却用配管５２及び７２は、プレス装置の型取付盤への熱の伝導を軽減するためのものである。

次に、この実施の形態に係る金型装置を用いて成形体を製造する方法について説明する。
まず、金型加熱用ヒータ５１及び７１に通電してキャビティ型４５及び６５の温度を上昇させ、スタンパ６７上に例えば溶融樹脂を塗布し、上金型４１と下金型６１を互いに加圧することにより成形体を得る。その後、冷却用配管５０及び７０に通水してキャビティ型４５及び６５の温度を下降させ、得られた成形体を金型装置から取り出す。

ここで、金型加熱用ヒータ５１及び７１に通電してキャビティ型４５及び６５の温度を上昇させたときには、図３に示されるように、中央１点の支持棒５５及び７５によるキャビティ型４５及び６５の固定方法に起因して、キャビティ型４５及び６５の熱膨張を拘束する力は発生しない。また、キャビティ型４５及び６５内に配置されている金型加熱用ヒータ５１及び７１及び冷却用配管５０及び７０が、それぞれキャビティ型４５及び６５の面内方向にも厚さ方向にも対称の相似型な配置形態を有することで、キャビティ型４５及び６５の反りが防止される。すなわち、相似型な配管形態をとることによって、キャビティ型４５及び６５の熱膨張による伸びが、キャビティ型４５及び６５内部で均一にバランスよく発生し、その結果として、キャビティ型４５及び６５における反りの発生が防止されることとなる。この状態で、上金型４１と下金型６１を互いに合わせると、対象表面４８及び６８の全体が均等に接触し、均一な圧力分布を得ることができる。

また、キャビティ型４５及び６５が熱伝導性に優れた材料、例えばベリリウム銅から製作されていることで、金型加熱用ヒータ５１及び７１で発生した熱は、キャビティ型４５及び６５の全体に迅速且つ均一に伝わりやすく、均一な温度分布が達成される。その結果、ますますキャビティ型４５及び６５に反りが発生するおそれは小さくなる。
ここで、表1と図１１に素材の異なる従来構造の金型（比較例１及び２）と本発明の金型（実施例）との加熱時に発生する反りをシミュレーションした解析条件と結果を示す。

素材の熱伝導度が良くなれば反りが低減されることは既に述べたが、同じ従来構造で比較した場合、１５０ｍｍの解析範囲の反りの変位差は熱伝導度の悪い比較例１の５．５μｍに対し、５倍以上の熱伝導率を持つ素材の比較例２でも２．５μｍと半減する程度であった。これに対し、本発明の金型構造を用いた場合、変位差は０．５μｍと同じ素材の比較例２と比べても１／５に激減することが分かる。このシミュレーション結果から、高熱伝導材を使用することに加えて、本発明の構造を用いることで、変位差を極めて小さく抑えることが実現可能になることが確認された。

金型加熱用ヒータ５１及び７１への通電を停止し、キャビティ型４５及び６５内の冷却用配管５０及び７０へ通水すると、キャビティ型４５及び６５内に配置されている金型加熱用ヒータ５１及び７１及び冷却用配管５０及び７０がそれぞれキャビティ型４５及び６５の面内方向にも厚さ方向にも対称の相似型な配置形態を有することやキャビティ型４５及び６５が熱伝導性の優れた材料からなることも重なり合い、図４に示すように、キャビティ型４５及び６５内部において冷却用配管５０及び７０を挟んだ対象表面側と反対象表面側との間で、キャビティ型４５及び６５の収縮による縮みが均一にバランスよく発生し、その結果として、キャビティ型４５及び６５における反りが防止される。また、これにより、対象表面４８及び６８の全体が均一に接触し、均一な圧力分布を得ることができる。

ここで、図１２に実施例と比較例１における金型面内の温度プロファイルを示す。これは、図１３に示すように、キャビティ型４５（または１５）の平面板４７と接する面（概ね１６０ｍｍ角）において、中央部の１００ｍｍ角の四隅と中心、各辺の中点の計９点の温度を、熱電対を設置して実測したものである。比較例１では、冷却中の各地点の温度変化がばらついてしまうが、本発明の実施例では、冷却中でも各測定点がほぼ一致したプロファイルを描いた。９０℃通過時の両者を比較すると、温度差、時間差、冷却速度差のいずれについても本発明の実施で改善しており、均等な冷却が得られていることが分かる。

なお、キャビティ型４５及び６５の側方に配置された押さえ治具５３及び７３によりキャビティ型４５及び６５の周縁部を主型４３及び６３に対して押さえつけることで、中央１点のみの支持による回転のおそれ等の不安定な支持を補助することができる。また、この押さえ治具５３及び７３とキャビティ型４５及び６５との接触部位には、キャビティ型４５及び６５を完全に拘束しないよう弾性体５４及び７４が配置されているため、キャビティ型４５及び６５の反りが発現することは回避される。

また、上金型４１の対象表面４８を形成する平面板４７がキャビティ型４５に押さえ部材４６により着脱自在に保持されているので、対象表面４８が損傷した場合においても、平面板４７のみを交換すれば済み、対象表面の損傷による成形作業の長期中断のおそれが解消される。
さらに、平面板４７は断面台形状を有し、成形体を得る対象表面４８が短辺側に形成されてテーパ形状を有しているので、離型の際に熱収縮によって成形体が平面板４７に抱きつくために離型困難になることが回避され、良好な離型状況を確保することが可能となる。

なお、上記の実施の形態では、上金型４１と下金型６１のそれぞれが、対象表面４８及び６８側から、平面板４７及びスタンパ６７と、加熱手段と冷却手段の双方を具備するキャビティ型４５及び６５と、断熱板４４及び６４と、主型４３及び６３とを備える構成を有していたが、これに限るものではなく、上金型４１と下金型６１の少なくとも一方がこのような構成を有する金型装置にこの発明を適用することができる。

この発明の実施の形態に係る金型装置の構成を示す断面図である。 実施の形態に係る金型装置を示す他の断面図である。 実施の形態に係る金型装置の加熱時の様子を示す断面図である。 実施の形態に係る金型装置の冷却時の様子を示す断面図である。 従来の金型装置の構成を示す断面図である。 従来の金型装置を示す他の断面図である。 従来の金型装置の加熱時の様子を示す断面図である。 従来の金型装置の加熱時の対象表面の様子を示す図である。 従来の金型装置の冷却時の様子を示す断面図である。 従来の金型装置の冷却時の対象表面の様子を示す図である。 本発明の金型と従来構造の金型の加熱時に発生する反りをシミュレーションした結果を示すグラフである。 実施例と比較例１における金型面内の温度プロファイルを示すグラフである。 図１２の温度プロファイルの測定位置を示す図である。

符号の説明

４１ 上金型、４２，６２ 型取付板、４３，６３ 主型、４４，６４ 断熱板、４５，６５ キャビティ型、４６，６６ 押さえ部材、４７ 平面板、４８，６８ 対象表面、４９，６９ 吸着用溝、５０，５２，７０，７２ 冷却用配管、５１，７１ 金型加熱用ヒータ、５３，７３ 押さえ治具、５４，７４ 弾性体、５５，７５ 支持棒、５６，５８，７６，７８ テーパ部、５７，７７ 固定具、５９．７９ 真空吸着回路。６１ 下金型、６７ スタンパ。

Claims (9)

1. それぞれ成形体を得るための対象表面を有する一対の金型を対向して配置すると共に互いに加圧することにより成形体を製造し、
   少なくとも一方の金型は、前記対象表面側から、前記対象表面を形成する対象表面構成部材と、前記対象表面構成部材を保持すると共に加熱手段と冷却手段の双方を具備するキャビティ型と、前記キャビティ型を保持する主型とを備えた金型装置において、
   前記加熱手段及び前記冷却手段がそれぞれ前記キャビティ型内の前記対象表面と平行な面であって、前記キャビティ型の中心に位置する面を基準面として、該基準面について面対称に配置され、
   前記キャビティ型を該キャビティ型内の前記対象表面と平行な面のほぼ中央部の１箇所で前記主型に締結保持する支持棒と、
   前記キャビティ型の周縁部を前記主型に対して押さえつける押さえ治具と
   を備えたことを特徴とする金型装置。
2. 前記支持棒の熱変形を拘束することなく前記支持棒の前記主型からの脱落を防止するための固定具を備えた請求項１に記載の金型装置。
3. 前記支持棒は前記対象表面と垂直な方向に延びて一端部が前記キャビティ型にネジ止めされると共に他端部に形成されたテーパ部を有し、
   前記固定具は前記対象表面と平行な方向に延びると共に先端部に形成されたテーパ部を有し、
   前記支持棒のテーパ部と前記固定具のテーパ部が互いに勘合する請求項２に記載の金型装置。
4. 前記押さえ治具は、前記キャビティ型の熱変形を拘束することなく前記キャビティ型を押さえるために前記キャビティ型の周縁部に当接する弾性体を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の金型装置。
5. 前記キャビティ型は、良熱伝導材からなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の金型装置。
6. 前記キャビティ型は、ベリリウム銅からなる請求項５に記載の金型装置。
7. 前記キャビティ型と前記主型の間に挟持された断熱板を備えた請求項１〜６のいずれか一項に記載の金型装置。
8. 前記対象表面構成部材は、微細凹凸が形成された対象表面を有するスタンパ、または、平坦な対象表面を有する平面板からなる請求項１〜７のいずれか一項に記載の金型装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の金型装置を用いる成形体の製造方法であって、
   前記加熱手段により前記キャビティ型の温度を上昇させる工程と、
   一対の前記金型を互いに加圧することにより成形体を得る工程と、
   前記冷却手段により前記キャビティ型の温度を下降させる工程と、
   得られた成形体を前記金型装置から取り出す工程と
   を備えたことを特徴とする成形体の製造方法。

Images