JP6135353B2 - 金型構造、転写成形装置、転写成形方法、及び、光学部材形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、金型構造、転写成形装置、転写成形方法、及び、光学部材形成装置に関するものである。

従来、転写成形するための金型構造として、特許文献１に記載された、第一の型と第二の型の間で転写板により樹脂フィルムを加熱・加圧して微細な凹凸パターンの転写成形を行うようにしたものがある。

しかしながら、特許文献１には、前記従来の金型構造では、転写成形中に気泡が生じた場合の除去方法についての言及はない。

特開２００５−３１０２８６号公報

本発明は、転写成形で発生する気泡を効果的に除去することができる構成を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、
溶融させて供給した樹脂の表裏面に転写成形する転写成形手段を備えた金型構造であって、
前記転写成形手段は、
前記樹脂の表面に転写成形する第１転写部材と、
前記樹脂の裏面に転写成形する第２転写部材と、
を備え、
前記転写部材のいずれか一方は、
前記転写面に形成される凹所と、
前記凹所に接続される少なくとも１本の溝部と、
を備え、
前記転写部材は、前記凹所に沿って連通するように形成される補助溝部を有し、
前記溝部は、前記補助溝部を介して前記凹所に接続したものである。

この構成により、両転写部材によって既に溶融状態にある樹脂の表裏面に転写成形しているので、成形時間を短縮化することができる。また、凹所に接続される溝部を形成しているので、凹所内で発生した気泡を溝部を介して除去することができる。また、凹所から排出された気泡を一時的に補助溝部に貯留し、溝部を介してより一層、スムーズに排出することができる。

前記溝部は、前記凹所以上の深さを有するのが好ましい。

この構成により、凹所内で発生した気泡を、段差のない、あるいは、さらに深くなった溝部を介してスムーズに排出することができる。

前記第１転写部材は回転駆動可能で、ガイドローラと所定間隔で配置される第１転写ローラで構成し、前記第２転写部材は、前記第１転写ローラと所定間隔で配置される回転駆動可能な第２転写ローラで構成するのが好ましい。

この構成により、樹脂には、ガイドローラと第１転写ローラの間を通過する際、第１転写ローラで一方の面を転写成形することができ、第１転写ローラと第２転写ローラの間を通過する際、第２転写ローラで他方の面を転写成形することができる。これにより、転写成形を連続的に行うことができ、効率的な転写成形を実現可能となる。

前記転写部材のいずれか一方は、搬送可能で、前記樹脂が供給される第１金型で構成し、残る他方の転写部材は、搬送されて所定位置に位置決めされた前記第１金型に対して接離可能に対向する第２金型で構成するのが好ましい。

この構成により、第１金型上に溶融した樹脂を直接供給し、第１金型を移動させて第２金型を型締めするだけで、簡単に成形品を得ることができる。

前記溝部は、前記金型の外部に連通しているのが好ましい。

この構成により、凹所内で発生した気泡を溝部を介して外部へと導くことができ、より一層スムーズに除去することができる。

本発明によれば、両転写部材によって既に溶融状態にある樹脂の表面に転写成形しているので、成形時間を短縮化することができる。また、凹所に連続する溝部を形成しているので、凹所内で発生した気泡を溝部を介して除去することができる。

第１実施形態に係る光学部材形成装置の概略説明図である。 図１の第１転写ローラの展開図（ａ）、側面図（ｂ）、及び、正面図（ｃ）である。 図２の凹所の部分拡大図である。 第２実施形態に係る光学部材形成装置の概略説明図である。 （ａ）は図１及び図３の転写部材の部分拡大断面図、（ｂ）はその平面図である。 （ａ）は残留気泡を除去するために最適なスリット幅寸法を求めるために行った解析結果を示すグラフ図、（ｂ）はその評価表である。 （ａ）は第１及び第２実施形態の第１変形例、（ｂ）は第２変形例をそれぞれ示す部分平面図である。 （ａ）は第１及び第２実施形態の第３変形例、（ｂ）は第４変形例、（ｃ）は第５変形例、（ｄ）は第６変形例をそれぞれ示す部分平面図である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「側」、「端」を含む用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光学部材形成装置の概略を示す。この光学部材形成装置は、溶融樹脂をシート状にして押し出す材料供給装置１と、押し出されたシート状樹脂１００の表裏面に転写成形する転写成形装置２とを備える。

材料供給装置１は、上部に設けたホッパー３を介して投入したペレット状の樹脂材料を、本体４内に回転可能に設けたスクリュー５によって下方側へと搬送しながら溶融させる。そして、下端部に設けたＴダイ６のダイ出口からシート状にして押し出す。ダイ出口は、下型３０の搬送方向に直交する水平方向に延びる長尺なスリット状のものである。ダイ出口の幅方向の隙間や、Ｔダイ６からの樹脂の供給量は自由に調整可能となっている。

転写成形装置２は、ガイドローラ７と、一対の転写ローラ（第１転写ローラ８及び第２転写ローラ９）とで構成されている。これらローラは水平方向に所定間隔で配置されている。ガイドローラ７と第１転写ローラ８は、Ｔダイ６の下方側に配置され、そのダイ出口から鉛直下方に供給されるシート状樹脂の両面に圧着する。

図２の展開図に示すように、第１転写ローラ８の表面には、幅方向に延びる凹所１０と、凹所１０から直交する一方の周方向に延びる複数の第１溝部１１と、反対側の周方向に延びる複数の第２溝部１２とがそれぞれ形成されている。凹所１０、第１溝部１１及び第２溝部１２は線対称に配置されている。すなわち、凹所１０が周方向に所定間隔で配置され、各凹所１０から対向する方向に第１溝部１１が延び、反対方向に第２溝部１２が延びている。また、各第１溝部１１は、凹所１０の間で幅方向に延びる連通溝１３にそれぞれ連通されている。

図３に示すように、凹所１０は、垂直面１０ａ、底面１０ｂ、傾斜面１０ｃ及び両端面（図示せず）で囲まれた空間である。傾斜面１０ｃには、幅方向に複数の円弧状領域１４が並設され、各円弧状領域１４の下半分には、断面略三角形をした多数本の突条部が径方向に延在している。

凹所１０には、溶融した樹脂の一部が流入して厚肉部１５が形成される。厚肉部１５の高さ寸法はサブミリオーダで形成されている（ここでは０．５ｍｍ）。傾斜面に形成される突条部の突出寸法（表面粗さ）は、ミクロンオーダからサブミクロンオーダで形成されている（ここでは２μｍ）。これら突条部が形成される領域も転写面に含まれ、厚肉部１５の端面側に配置される複数の光源から入射した光を屈曲させて傾斜面１０ｃからの漏出を抑制する。

各第１溝部１１は、円弧状領域１４の間に位置するように形成されており、ガス抜き溝として機能する。各第１溝部１１の深さ寸法は、凹所１０の深さ寸法以上に設定されている（ここでは同一深さに設定されている）。また各第１溝部１１の幅寸法は、凹所１０内に流入した溶融状態の樹脂の流出量を必要最小限に抑えつつ、凹所１０内に気泡が残留しない値に設定されている。

各第２溝部１２は、断面略半円状であり、成形品の表面に、前記厚肉部１５に連続する断面円弧状の突条１６を幅方向に複数並設した状態で形成する。

第２転写ローラ９は、ミクロンオーダからサブミクロンオーダの深さを有する複数の半球面状の小凸部を幅方向及び周方向に任意の間隔で配置した転写面が形成されている。これにより、転写先である樹脂の上面に複数の半球状の小凹部を形成することができる。これら小凹部を形成された面は反射面となり、光源からの光を上面側へと反射させ、光を射出する働きをする。なお、小凸部は半球面状に限らず、例えば、断面三角形等の種々の形状であってもよい。さらに、小凸部に限らず、小凹部を形成してもよい。

（動作）
次に、前記構成からなる転写成形装置２の動作について説明する。

材料供給装置１の本体４内にホッパー３を介して樹脂ペレットを供給し、内部のスクリュー５を回転させながら供給した樹脂ペレットを溶融させる。そして、溶融樹脂をＴダイ６のダイ出口からシート状として転写成形装置２へと供給する。

転写成形装置２では、供給されたシート状樹脂が、まず、ガイドローラ７と第１転写ローラ８の間を通過する。このとき、シート状樹脂の一方の面に第１転写ローラ８の形状、すなわち凹所１０と第２溝部１２とによって厚肉部１５と複数の突条１６とがそれぞれ形成される。このとき、主に凹所１０で気泡が発生することがあるが、この気泡は第１転写ローラ８の回転に伴って第１溝部１１を介して排出される。したがって、シート状樹脂にボイドが形成されたり、焼け等が発生したりする等、欠陥が発生することはない。

なお、転写成形後のシート状樹脂は、支持台１０１上に搬送され、そこでカッター１０２によって所定長さに切断されることにより光学部材（ここでは導光板）が得られる。

前記第１実施形態では、凹所１０、第１溝部１１、第２溝部１２及び連通溝１３の配置パターンが展開図で、連通溝１３の中心に対して線対称となるように形成したが、周方向に連続するように形成することも可能である。この場合、凹所１０と第２溝部１２とを連続して配置し、ガス抜き溝として作用する第１溝部１１を不要とすることができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る光学部材形成装置の概略を示す。この光学部材形成装置は、後述する下型３０を搬送する搬送部材１７と、下型３０に材料を供給するための材料供給装置１８と、供給された材料を転写成形して光学部材を形成する転写成形装置１９とを備える。

搬送部材１７は、材料供給装置１の第１下方支持台２０と、これに連続して配置される転写成形装置１９の第２下方支持台２４との間で、下型３０を搬送するためのものである。搬送部材１７は、図示しないが、下型３０を支持する支持台と、この支持台を搬送するための搬送機構（ソレノイド、アクチュエータ、ステッピングモータ等）とで構成されている。搬送機構による搬送位置は、支持台に載置する下型３０の位置をセンサやカメラ等により検出し、材料供給装置１及び転写成形装置２に対して正確に位置決めできるようになっている。

材料供給装置１は、第１下方支持台２０の上方側に配置され、ホッパー２１から供給されたペレットを、内部のスクリュー２２で搬送しながら溶融させる。そして、得られた溶融樹脂を、Ｔダイ２３のダイ出口から、搬送部材１７によって搬送される下型３０へと供給する。前記第１実施形態と同様に、ダイ出口は、下型３０の搬送方向に直交する水平方向に延びる長尺なスリット状のものである。ダイ出口の幅（下型３０の搬送）方向の隙間や、Ｔダイ６からの樹脂の供給量は自由に調整可能となっている。搬送部材１７によって下型３０を搬送しながら、Ｔダイ６から溶融樹脂をシート状にして転写成形装置２へと供給する。なお、供給する溶融樹脂は、シート状であるのが理想の形ではあるが、他の形状であっても後述する転写成形を行うことはできる。例えば、断面が長方形状の棒状として供給したり、楕円形状で供給したりしても転写成形は可能である。

転写成形装置１９は、第２下方支持台２４の４隅に昇降可能な支柱２５を備え、その上部には昇降プレート２６が一体化されている。昇降プレート２６の下面には、上型２７が取り付けられている。上型２７は、上型用加熱ヘッド２８と、その下面に固定される上型用転写プレート２９とからなる。上型用加熱ヘッド２８は、上型用転写プレート２９を所望の温度に温調する。

上型用転写プレート２９は、下型用転写プレート３２と同様に、ニッケルクロム合金を平面視矩形の板状としたものである。上型用転写プレート２９は、ミクロンオーダからサブミクロンオーダの深さを有する複数の半球面状の小凸部をｘ軸方向及びｙ軸方向に任意の間隔で配置した転写面が形成されている。これにより、転写先である樹脂の上面に複数の半球状の小凹部を形成することができる。これら小凹部を形成された面は反射面となり、光源からの光を上面側へと反射させる働きをする。なお、小凸部は半球面状に限らず、例えば、断面三角形等の種々の形状であってもよい。さらに、小凸部に限らず、小凹部を形成してもよい。

第２下方支持台２４には、前記搬送部材１７によって下型３０が搬送され、所定位置に位置決めされる。下型３０は、下型用加熱ヘッド３１の上面に下型用転写プレート３２を配置したものである。下型用加熱ヘッド３１は、図示しないヒータが内蔵され、下型用転写プレート３２を所望の温度に温調する。

下型用転写プレート３２は、ニッケルクロム合金を平面視矩形の板状としたものである。図５に示すように、下型用転写プレート３２の上面には、幅方向に延びる凹所３３が形成されている。凹所３３は、垂直面３３ａ、底面３３ｂ、傾斜面３３ｃ及び両端面（図示せず）で囲まれた空間である。傾斜面３３ｃには、幅方向に複数の円弧状領域３４が並設され、各円弧状領域３４の下半分には、断面略三角形をした多数本の突条部が径方向に延在している。

凹所３３には、溶融した樹脂の一部が流入して厚肉部３５が形成される。厚肉部３５の高さ寸法はサブミリオーダで形成されている（ここでは０．５ｍｍ）。傾斜面に形成される突条部の突出寸法（表面粗さ）は、ミクロンオーダからサブミクロンオーダで形成されている（ここでは２μｍ）。これら突条部が形成される領域も転写面に含まれ、厚肉部３５の端面側に配置される複数の光源から入射した光を屈曲させて傾斜面３３ｃからの漏出を抑制する。

また、下型用転写プレート３２の上面には、凹所３３から外部まで接続する複数の溝部３６が形成されている。各溝部３６は、凹所３３が延びる幅方向（ｙ軸方向）に対して直交する方向（ｘ軸方向）に形成するのが好ましいが、交差するように形成するだけでもよい。これにより、溝部３６の長さを最も短くできる。

各溝部３６は、円弧状領域３４の間に位置するように形成されている。各溝部３６の深さ寸法は、凹所３３の深さ寸法以上に設定されている（ここでは同一深さに設定されている）。また各溝部３６の幅寸法は、凹所３３内に流入した溶融状態の樹脂の流出量を必要最小限に抑えつつ、凹所３３内に気泡が残留しない値に設定されている。溝部３６の幅寸法については、狭いと大きな気泡が発生しやすく、逆に広いと多数の小さな気泡が発生しやすい点に着目し、大小いずれの気泡をも効率的に除去できる値を実験により求めた。その結果は図６に示す通りであり、溝部３６の幅寸法を０．５ｍｍとした場合に大小いずれの気泡をも効率的に除去可能となった。

このように、前記構成の下型用転写プレート３２によれば、凹所３３から外部に接続した溝部３６を、円弧状領域３４の間の背後に形成することにより、凹所３３内の空気を溶融樹脂が流入する際にスムーズに外部へと導くことができる。しかも、凹所３３内に流入した溶融樹脂の一部が溝部３６にも流出する。さらに、溝部３６の深さ寸法が凹所３３の深さ寸法以上であるので、凹所３３から溝部３６に至る領域で空気が残留することもない（溝部３６の深さ寸法が凹所３３の深さ寸法よりも小さければ角部が形成され、その角部に空気が残留する恐れがある。）。したがって、凹所３３内に空気が残留することがなく、厚肉部３５にボイドが発生することもない。また、凹所３３内に空気が残留したとしても僅かであるので、成形樹脂に焼けが発生することもなく、加圧力によって溶融樹脂中にボイドを発生させることなく溶け込ませることができる。

（動作）
次に、前記構成からなる光学部材形成装置の動作について説明する。
まず、材料供給装置１８の本体内にホッパー２１を介して樹脂ペレットを供給し、内部のスクリュー２２を回転させながら供給した樹脂ペレットを溶融させる。一方、第１下方支持台２０に、搬送部材１７によって下型用加熱ヘッド３１上に下型用転写プレート３２を載置した下型３０を移動させて位置決めする。

続いて、搬送部材１７を駆動して下型３０を水平方向に移動させながら、スクリュー２２を回転させてＴダイ２３のダイ出口からシート状の溶融樹脂を供給する。供給した溶融樹脂は下型用転写プレート３２の上面の所定領域に溶融樹脂が塗布されたような状態となる。また、下型用加熱ヘッド３１により下型用転写プレート３２を温調し、溶融樹脂を溶融状態又は半溶融状態に維持する。

下型用転写プレート３２の上面への溶融樹脂の供給が完了すれば、搬送部材１７を駆動して下型３０を転写成形装置２へと移動させる。転写成形装置２では、下型３０を所定位置に位置決めする。上型２７では、上型用加熱ヘッド２８により上型用転写プレート２９が所定温度に温調されている。ここで、上型２７を降下させて下型３０に当接させて型締めする。材料供給装置１８で供給される樹脂は既に溶融しており、下型３０及び上型２７は所定温度に温調されているため、溶融樹脂はスムーズに上型用転写プレート２９及び下型用転写プレート３２にそれぞれ形成した形状を短時間で転写される。このとき、凹所３３では、他の部分に比べて樹脂量が多くなり気泡が発生しやすくなるが、凹所３３には複数の溝部３６が連通しており、発生した気泡はこの溝部３６を介して金型の外部へと排出される。また、凹所３３内で気泡が圧縮されることがないため、焼け等の問題も発生しない。さらに、たとえ凹所３３内に微小量の空気が残留したとしても、十分な加圧力が作用しているため、溶融樹脂内にボイドを発生させることなく溶け込ませることができる。

このようにして転写成形が行われれば、上下各加熱ヘッドにより上下各転写プレートを冷却させる。このとき、順次所定温度まで冷却されるに従って、型締めによる加圧力を段階的に弱くする。そして、溶融樹脂が固化すれば、型を開き成形品である導光板を、ロボットアーム等で取り出す。

このように、型締めによる加圧力を段階的に弱くしながら樹脂の冷却を行うようにしているので、成形品に残留応力が発生しにくい。したがって、成形品が後に反り等の変形を発生させたりすることがない。

なお、本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、前記第１転写ローラ１０及び前記下型用転写プレート３２に形成した溝部１１及び３６は、例えば、次のように構成することもできる。
すなわち、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、溝部１１及び３６は肉厚部１５及び３５を形成するための凹所１０及び３３内に食い込むように延在しておいてもよい。
図８に示すように、溝部１１及び３６を構成してもよい。図８（ａ）では、溝部１１及び３６の先端はシート状樹脂の外側まで延在されている。図８（ｂ）では、溝部１１及び３６の先端はシート状樹脂内に配置されている。図８（ｃ）では、溝部１１及び３６の先端には気泡を溜めるための貯留用の補助溝部３６ａが設けられている。図８（ｄ）では、溝部１１及び３６は幅広に形成されている。

溝部１１及び３６は同一ピッチである必要はなく、適宜、異ならしめてもよい。溝部１１及び３６は、同一幅寸法，同一深さ寸法を有する必要はなく、末広がりの幅寸法，深さ寸法を有するものであってもよい。溝部１１及び３６の流路断面積は一様に増大あるいは一様に減少するだけでもよく、あるいは、増大および減少を繰り返してもよい。溝部１１及び３６は直線状である必要はなく、湾曲していてもよく、蛇行していてもよい。隣接する溝部１１及び３６はと平行である必要はなく、奥行き方向が同一である必要もない。特に、溝部１１及び３６の延在方向は、例えば、成形品を導光板として使用する場合であっても、必ずしも入光方向に対して平行とする必要もない。溝部１１及び３６は、凹所１０に沿って直接、接続するように形成してもよい。溝部１１及び３６は、少なくとも１本の他の溝部１１及び３６を介して接続するように凹所１０及び３３から離して形成してもよい。溝部１１及び３６は、前述の形状を必要に応じて組み合わせた構成としてもよい。

１…材料供給装置
２…転写成形装置
３…ホッパー
４…本体
５…スクリュー
６…Ｔダイ
７…ガイドローラ
８…第１転写ローラ
９…第２転写ローラ
１０…凹所
１１…第１溝部
１２…第２溝部
１３…連通溝
１４…円弧状領域
１５…厚肉部
１６…突条
１７…搬送部材
１８…材料供給装置
１９…転写成形装置
２０…第１下方支持台
２１…ホッパー
２２…スクリュー
２３…Ｔダイ
２４…第２下方支持台
２５…支柱
２６…昇降プレート
２７…上型
２８…上型用加熱ヘッド
２９…上型用転写プレート
３０…下型
３１…下型用加熱ヘッド
３２…下型用転写プレート
３３…凹所
３４…円弧状領域
３５…厚肉部
３６…溝部

Claims (7)

1. 溶融させて供給した樹脂の表裏面に転写成形する転写成形手段を備えた金型構造であって、
   前記転写成形手段は、
   前記樹脂の表面に転写成形する第１転写部材と、
   前記樹脂の裏面に転写成形する第２転写部材と、
   を備え、
   前記転写部材のいずれか一方は、
   前記転写面に形成される凹所と、
   前記凹所に接続される少なくとも１本の溝部と、
   を備え、
   前記転写部材は、前記凹所に沿って連通するように形成される補助溝部を有し、
   前記溝部は、前記補助溝部を介して前記凹所に接続したことを特徴とする金型構造。
2. 前記溝部は、前記凹所以上の深さを有することを特徴とする請求項１に記載の金型構造。
3. 前記第１転写部材は回転駆動可能で、ガイドローラと所定間隔で配置される第１転写ローラで構成し、前記第２転写部材は、前記第１転写ローラと所定間隔で配置される回転駆動可能な第２転写ローラで構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の金型構造。
4. 前記転写部材のいずれか一方は、搬送可能で、前記樹脂が供給される第１金型で構成し、残る他方の転写部材は、搬送されて所定位置に位置決めされた前記第１金型に対して接離可能に対向する第２金型で構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の金型構造。
5. 前記溝部は、前記金型の外部に連通していることを特徴とする請求項４に記載の金型構造。
6. 前記請求項１から５のいずれか１項に記載の金型構造を備えたことを特徴とする転写成形装置。
7. 樹脂を溶融させて供給する材料供給装置と、
   前記請求項４又は５に記載の金型構造を備えた転写成形装置と、
   前記転写成形装置の一方の転写部材を、前記材料供給装置から供給される溶融した樹脂を受取可能な位置と、残る他方の転写部材とで転写成形可能な位置との間で移動させる搬送部材と、
   を備えたことを特徴とする光学部材形成装置。

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