JP2501578B2 - 成形用金型 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、コンパクトディスクやレーザーディスクな
どの光ディスクの成形に好適に用いられる金型に関する
ものである。

「従来の技術」 原音を高精度に再生できるオーディオレコードとし
て、コンパクトディスクが提供されている。このコンパ
クトディスクには、微少なピット（凹部）の有無によっ
て信号が記録されている。このような光ディスクの製造
は、一般に、ピットに対応する突起を有する薄い円板
（スタンパ）を成形用金型に取り付けて、射出成形法に
より行なわれる。

光ディスクの成形に用いられる成形用金型は、第３図
に示すように、固定側金型１のキャビティ面1aと可動側
金型２のキャビティ面2aとで円板状のキャビティ３が形
成されたもので、この金型の可動側金型２のキャビティ
面2aは鏡面に仕上げられている。そして、このキャビテ
ィ面2aには、中央の凹部４を利用して、スタンパ５が着
脱可能に取り付けられている。このスタンパ５は、ディ
スクの種類に応じて逐次交換される。

従来、この種の成形用金型は、加工上の都合からスタ
バックス（商品名 ウッデホルム社製）などの鋼材によ
って製作されていた。

ところが、この成形用金型にあっては、キャビティ面
2aが傷付き易い問題があった。キャビティ面2aが傷付く
と、その傷のために薄いスタンパ５に変形が生じ、つい
には成形されるデイスクに転写されて、不良品が大量に
生産されてしまう問題がある。

このため従来は、キャビティ面2aに傷が付くと、その
都度キャビティ面2aのメンテナンス（磨き直し）を行わ
なければならず、ディスクの生産効率を向上するうえで
障害となっていた。

このような問題に対処し得る成形用金型として、本発
明者らは先に特願昭61−23594号において、キャビティ
３の一部をセラミックス焼結体で形成した成形用金型を
提案した。第４図は、この成形用金型の一例を示すもの
で、スタンパ５の取り付けられる可動側金型２のキャビ
ティ面2aがセラミックス焼結体からなるセラミックス板
６によって形成されている。この成形用金型によれば、
金型メンテナンスの頻度を大幅に減らすことができる利
点がある。

しかしながら、一般にセラミックス焼結体からポアー
を完全に取り除くことは困難であるので、セラミックス
板６の表面には微細な孔が分布しており、このためスタ
ンパ５に薄目のものを用いると、この孔が成形品に転写
される恐れがあった。このため、先に提案した成形用金
型にあっては、約0.3mm以上の厚目のスタンパ５を用い
なければならず、電鋳によって製造されるスタンパ５の
価格の高騰を招いていた。

「問題点を解決するための手段」 そこで本発明の成形用金型は、光ディスクを成形する
際にスタンパを取り付けて使用される成形用金型であっ
て、ロックウェル硬度（Ａスケール）90以上のセラミッ
クス製薄膜層がセラミックス製の基材に積層されてな
り、かつ該薄膜層の表面粗さが0.02S〜1.2Sに形成され
てなるセラミックス部材の薄膜層積層面によって、少な
くともキャビティのスタンパが取り付けられる面が形成
することによって、上記問題点の解決を図った。

以下、図面を参照して本発明の成形用金型を詳しく説
明する。

第１図は、本発明の成形用金型の一例を示すもので、
上記従来例と同一構成部分には、同一符号を付して説明
を簡略化する。

この例の成形用金型では、スタンパ５の取り付けられ
るキャビティ面2aがセラミックス部材10によって形成さ
れている。

セラミックス部材10は、ドーナツ板状のもので、第２
図に示すように基材10aと薄膜層10bによって形成されて
いる。セラミックス部材10の中央の孔10cはスタンパ取
り付け用凹部４の一部をなしている。このセラミックス
部材10の取り付けは接着剤を用いて行うこともできる
が、この例の成形用金型のセラミックス部材10は固定枠
11によって可動側金型本体2bに挾持固定されている。

このセラミックス部材10の基材10aは、積層されるセ
ラミックス製薄膜層10bの熱膨張率との差ができるだけ
小となるように、セラミックスによって形成されてい
る。この基材10aは、焼結密度が理論密度の85％以上
（炭化珪素の場合は2.74g/cm³以上ということになる）
のセラミックス焼結体で形成されたものが適し、特に望
ましくは理論密度の93％以上（炭化珪素の場合は3.03g/
cm³以上）である。焼結密度が小になると、セラミック
ス焼結体中のポアーが大型化するので、セラミックス部
材10の表面を十分平滑に仕上げることができない不都合
が生じる。

このセラミックス製の基材10aに積層されるセラミッ
クス製薄膜層10bは、セラミックス焼結体中に存在する
ポアーによって形成される基材10aの表面の微細孔を塞
ぐために設けられる層で、少なくともスタンパ５が取り
付けられるキャビティ面2aを覆うように形成されてい
る。この薄膜層10bは、ロックウェル硬度（Ａスケー
ル）90以上のセラミックスによって形成されている。こ
の薄膜層10bの硬さが90未満であると、スタンパ５を取
り替える際の治具などの衝突により、また表面を清掃す
るときなどの摩擦により、セラミックス部材10の形成す
るキャビティ面2aに傷が付きやすくなる不都合が生じ
る。

このセラミックス製薄膜層10bは、乾式コーティング
法によって形成される。ここで乾式コーティング法と
は、物理蒸着法（PVD法）や化学気相析出法（CVD法）等
の、気相状態で薄膜を形成する技術を示す。PVD法とし
ては、電子ビーム蒸着法等の真空蒸着法やスッパッタ
法、イオンプレーティング法、モレキュラビームエピタ
クシー法などを挙げることができる。

このような手段によって形成される薄膜層10bの厚さ
は、50〜200μｍ程度であることが望ましい。薄膜層10b
の膜厚が50μｍ以下になると、セラミックス焼結体中に
存在するポアーによって形成される基材10aの表面の微
細孔を塞ぐことができない場合がある。また、薄膜層10
bの膜厚が200μｍを越えると、不経済である。

このような薄膜層10bおよび基材10aを形成するセラミ
ックス材料には種々のものを利用できる。薄膜層10bと
基材10aは、同一材質であっても良いが、異なる材質で
形成することもできる。ただし、薄膜層10bと基材10aと
を異なる材質で形成する場合は、熱膨張率の近似した材
料を選択して、薄膜層10bにクラックが発生したり、薄
膜層10bが剥離するのを防ぐ必要がある。

利用できるセラミックス材料の具体例としては、炭化
珪素、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミ、ジルコニア、
スピネル、チタンカーバイド、ボロンカーバイドなどを
挙げることができる。

中でも、炭化珪素は、熱伝導率が大きいので、成形時
の冷却を円滑に行うことができ、成形時間を短縮して成
形サイクルの短縮を図ることができる利点がある。

炭化珪素にはα型、β型などがあるが、このセラミッ
クス部材10をなすセラミックス材料には、いずれも用い
ることができる。炭化珪素の焼結法として、加圧焼結す
る方法と、無加圧で焼結する方法と、珪素（Si）と炭素
（Ｃ）を反応させながら焼結する方法があるが、このセ
ラミックス部材10の基材10aにはいずれの方法で製造さ
れた炭化珪素焼結体も利用できる。また、炭化珪素焼結
体は、主成分である炭化珪素（SiC）の微粉末に炭素源
（Ｃ）などを添加して、これを焼結させることで製造さ
れるが、これらに更にSiCの焼結をより円滑に進行させ
るホウ素などを組む添加物（例えば、炭化ホウ素（B
₄C）等）を加えられたものがある。この発明の成形用金
型には、いずれの炭化珪素焼結体をも利用できることは
勿論である。

セラミックス部材10の薄膜層10bを炭化珪素薄膜で形
成する場合、スパッタ法では炭化珪素製のターゲットを
用いる。またCVD法で、炭化珪素薄膜を形成するには、
キャリアーガスとしての水素に四塩化珪素−メタンから
なるソースを混合したガスを用い、減圧下で基材10aを1
400℃程度に加熱する。この場合メタンの代わりにプロ
パンを用いることもできる。また、メチルクロロシラン
を水素と少量のアルゴンに混合したガスを用いて炭化珪
素薄膜を形成することもできる。この場合は、常圧下で
基材10aを1200〜1500℃程度に加熱する。

このような炭化珪素からなるセラミックス部材10を製
作するには、通常はまず、炭化珪素に結合剤及び助剤を
所定量添加しさらに水を所定量加えた後、ホールミル等
でそれらを十分混合してスラリーを作る。ついで、この
スラリーをスプレードライヤー等で処理して顆粒化した
後、この顆粒をプレス等で加圧成形し、成形体を作る。
次いで、この成形体を、旋盤、フライス盤などで所定の
形状に加工した後焼結し、所定の面に研摩加工等を施
し、基材10aを製作する。

次ぎに、この基材10aの研摩された面にCVD法等により
炭化珪素をコーティングし、ついでその面にダイヤラッ
プによる磨き等の仕上げ加工を施し薄膜層10bとして、
セラミックス部材10を完成する。

キャビティ面2aを形成するセラミックス部材10の薄膜
層10bの表面粗さは、0.02S〜1.2S程度であることが望ま
しい。

薄膜層10bの形成された面は、セラミックス焼結体か
らなる基材10aの表面の微細孔が薄膜層10bによって塞が
れているので、高度に平滑化することが可能であるが、
表面粗さ0.02S程度に留どめておくことが望ましい。キ
ャビティ面2aの表面粗さが小になると、取り付けられた
スタンパ５との密着力が大となり、スタンパ５とセラミ
ックス部材10との熱膨張の差によりスタンパ５に微細な
しわが生じる事故が発生し易くなる。この点、本発明の
金型と従来のスタバックス（鋼材）製金型とは根本的に
相違するところで、スタバックス製金型の場合は表面粗
さが0.01S以下でなければならないとされていた。ま
た、表面粗さが1.2Sを越えると、キャビティ面2aの凹凸
がスタンパを介して成形されるディスクに転写される恐
れが増大する。

このようなセラミックス部材10が取り付けられた成形
用金型の固定側金型１・可動側金型２には、成形時の金
型を所定温度に維持するための冷却孔12…がそれぞれ設
けられている。

「作用」 このような構成の成形用金型にあっては、スタンパ５
を交換する際、可動側金型２のキャビティ2aに治具など
が当たっても、成形されるディスクに転写されるような
損傷が生じることはない。

その理由を、本発明者は次ぎのように考察している。

まず、この金型のキャビティ面2aはセラミックス部材
10で形成されているので、治具などが当たっても傷が付
き難い。また、傷が付いてもその傷は浅いものとなる。

しかも、セラミックスは金属材料と異なりもろい材料
なので、キャビティ面2aに損傷を受けても、鋼材のよう
に塑性変形して傷の周囲が盛り上がるようなことはな
い。従って、従来の鋼材からなる金型の場合にはこの盛
り上がった部分に接するスタンパ５の一部分に成形圧力
が集中してそこに変形が生じたが、セラミックス部材を
用いた本発明の金型では、キャビティ面2aに傷が付いて
も盛り上がりは生じない。従って、スタンパ５の一部に
成形圧力が集中することが無く、スタンパ５が変形する
ことも無いので、そのままディスクの生産を継続しても
なんら問題は生じない。

また、このセラミックス部材10は、セラミックス製薄
膜層10bによってその表面が形成されているので、セラ
ミックス焼結体中に存在するポアーによって形成された
基材10aの表面の微細孔が塞がれている。従って、この
セラミックス部材10の形成するキャビティ面2aには、薄
手のスタンパ５を取り付けても、成形品に基材10aのポ
アーに起因する異常は生じない。さらに、キャビティ面
2aを形成するセラミックス部材10の薄膜層10bの表面粗
さが0.02S以上に形成されているので、キャビティ面2a
に取り付けられたスタンパ５とセラミックス部材10との
熱膨張の差によりスタンパ５に微細なしわが生じるのを
防止することができる。また上記表面粗さが1.2S以下に
形成されているので、キャビティ面2aの凹凸がスタンパ
５を介して成形品に転写される恐れはない。

「実施例」 第１図に示した成形用金型を作成した。まず、スタバ
ックスを用いて、可動側金型本体2bと固定側金型１を製
作した。次ぎに、炭化珪素によって外径140mm、内径34m
m、厚さ12.7mmのドーナツ盤状のセラミックス焼結体を
作成してセラミックス部材10の基材10aとした。次い
で、この基材10aをCVD装置にセットした。CVD装置を減
圧した後、基材10aを1400℃に加熱し、次いで装置に四
塩化珪素−プロパンガスからなる混合ガスをキャリアガ
スとしての水素に混合して供給して、基材10aの一方の
面に膜厚140μｍの炭化珪素製薄膜層10bを形成し、セラ
ミックス部材10を得た。

次ぎに、このセラミックス部材10を、可動側金型本体
2bの所定位置に固定枠11を用いて固定した。この後、セ
ラミックス部材10の表面を研削加工しついでダイヤラッ
プ加工して、表面粗さ0.2S、平行度0.002、平面度0.003
に仕上げた。

この成形用金型を使用に供して、その効果を確認し
た。

まず、この成形用金型を射出成形機に取り付けた後、
薄手のスタンパ５（厚さ0.1mm）のセットして、外径120
mm、内径15mm、厚さ1.2mmのレーザーディスクを1000枚
連続成形した。成形は、80℃の温水を冷却孔12…に通
し、300℃の溶融ポリカーボネイト樹脂をキャビティ３
に注入して行った。

成形後、成形品とスタンパ５を調べたところ、成形
品、スタンパ５共に全く異常は見られず、この成形用金
型によれば、0.1mmというような薄いスタンパ５を用い
てもディスクを問題なく生産できることが判明した。

次いで、この成形用金型を用いて、スタンパ５の交換
を行う通常の生産を行なったところ、金型に傷が付く頻
度の従来の金型に比べて減少した。また、従来はスタン
パ交換後に安定した成形が行なわれるまで10〜15ショッ
ト程度の試作が必要であったが、炭化珪素製セラミック
ス部材10が設けられたこの成形用金型では３ショット程
度で充分に安定した成形を行うことができ、この成形用
金型によればスタンパ交換後、短時間で安定した成形に
入ることが可能であることが判明した。

なお、上記実施例にあっては、キャビティ３を形成す
るキャビティ面1a,2aのうち一部（面2a）のみをセラミ
ックス部材10で形成したが、全キャビティ面をセラミッ
クス部材10で形成しても良いことは勿論である。

また、実施例の成形用金型にあっては、冷却孔12…を
可動側金型本体2bに設けたが、セラミックス部材10に冷
却孔12…を設けることもできる。この場合、セラミック
ス部材10の固定は、金型本体2bに固定用インローを設け
これにセラミックス部材10を係止するなどの手段を取る
ことが望ましい。セラミックス部材10に冷却孔を設ける
と、キャビティ面2aの冷却がより円滑に行えるので、セ
ラミックス部材10を形成するセラミックスに熱伝導率の
多少劣るものでも利用できる利点が有る。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明の成形用金型は、キャビ
ティをなすキャビティ面の少なくともスタンパが取り付
けられる部分をセラミックス部材で形成したものなの
で、光ディスク等の成形に用いた場合など、スタンパ交
換時に治具が衝突しても損傷を受け難く、金型メンテナ
ンスの頻度を大幅に減らすことができる。従って、本発
明の成形用金型は、取り扱いが容易で、金型管理の労力
の軽減、金型の使用効率の向上を図ることができ、よっ
てディスクの生産効率向上を実現できるなど、優れた利
点を有するものである。

また、本発明の成形用金型に用いられるセラミックス
部材は、基材の表面にセラミックス製薄膜層が積層され
ているので、セラミックス焼結体中に存在するポアーの
ために基材表面に微細孔が形成されていても、この微細
孔は薄膜層によって塞がれる。従って、本発明の成形用
金型によれば、セラミックス部材によって形成されるキ
ャビティ面を極めて平滑に形成することができる。さら
に、キャビティ面を形成するセラミックス部材の薄膜層
の表面粗さが0.02S〜1.2Sに形成されているので、キャ
ビティ面に取り付けられたスタンパとセラミックス部材
との熱膨張の差によりスタンパに微細なしわが生じるの
を防止することができ、またキャビティ面の凹凸がスタ
ンパを介して成形品に転写される恐れはない。その結
果、本発明の成形用金型では、薄く従って安価なスタン
パを用いても問題なく良好な成形品を製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の成形用金型の一実施例を示す断面図、
第２図は同実施例のＡ部拡大図、第３図従来の成形用金
型を示す断面図、第４図は先に提案した成形用金型を示
す断面図である。 2a……キャビティ面、10……セラミックス部材、10a…
…基材、10b……薄膜層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−100425（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−48492（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−86221（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−80784（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−222975（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−143810（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ディスクを成形する際にスタンパを取り
   付けて使用される成形用金型であって、ロックウェル硬
   度（Ａスケール）90以上のセラミックス製薄膜層がセラ
   ミックス製の基材に積層されてなり、かつ該薄膜層の表
   面粗さが0.02S〜1.2Sに形成されてなるセラミックス部
   材の薄膜層積層面によって、少なくともキャビティのス
   タンパが取り付けられる面が形成されていることを特徴
   とする成形用金型。
2. 【請求項２】セラミックス部材の薄膜層が乾式コーティ
   ング法によって形成されたものであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の成形用金型。
3. 【請求項３】セラミックス部材の基材および薄膜層が、
   炭化珪素からなるものであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項に記載の成形用金型。