JP4808177B2 - 成形体の製造方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、成形体の製造方法および装置に関するものであり、詳しくは、金型のキャビティ面に傷つけることなく、得られる成形体のバリ取りを容易にする成形体の製造方法および装置に関するものである。

現在、サブ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等として求められている。

特許文献１（特許第３８５７７０３号公報）には、表面に微細な凹凸部を有する成形型上に、溶融した熱可塑性樹脂を塗布する塗布工程と、塗布した熱可塑性樹脂を金型によりプレスし、成形体の形状を整えるプレス工程と、塗布した熱可塑性樹脂を冷却し固化させる固化工程とを少なくとも有する成形体の製造方法が開示されている。この技術では、熱可塑性樹脂の塗布の際、該樹脂を吐出する吐出口の先端部と成形型との距離によって最終製品の厚さが規制されるようにしている。これにより、超微細加工、高い寸法精度、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成形体を、超低圧の成形プロセスでありながら、三次元、薄肉、かつ大面積の形状でもって提供可能となるため、当業界では極めて有用である。

一般的に、対向して配置される一対の金型を用い、金型を嵌合させ、装填された樹脂を加圧し、閉じられたキャビティ間で形成される閉空間の形状に樹脂の形状を整えて成形体を得る際、成形体周囲に余剰部分（不要バリ部分）が出現する。この余剰部分は製品として不必要な部分であり、製品部分と余剰部分とを分離するための手間と時間を要する後処理工程が必要となる。特に、前記特許文献１に開示された成形体の製造方法を実施し、電子ディスプレイ用光学部品や光情報通信用部品を製造する場合、製品には厳密な寸法精度が求められる。したがって、余剰部分も厳密な精度でもって分離する必要がある。従来、余剰部分は人手によってカッター等で厳密に切断分離されており、この後処理工程は、時間的にも費用的にも無視できないものとなっている。

また、前記特許文献１の技術において、表面に微細な凹凸形状を有する成形体は、金型と強固に粘着し、離型が非常に困難であるという問題点がある。この課題を解決するために、本発明者は特許文献２（特開２００６−３５５５４７号公報）において、上金型および下金型を微量開いた後、成形体とキャビティとの間に微小空間を形成させ、そこに流体を侵入せしめ、成形体と金型を離型する方法を提案した。
この方法は、金型から表面に微細な凹凸形状を有する成形体を良好に離型することができるが、一方で流体として水を用いた場合、金型にサビが発生するという別の問題点もある。
特許第３８５７７０３号公報 特開２００６−３５５５４７号公報

本発明の目的は、金型のキャビティ面に傷つけることなく、不要バリ部分の分離を容易にする成形体の製造方法および装置を提供することにある。
また本発明の別の目的は、不要バリ部分の分離が容易であるとともに、成形体と金型との良好な離型を可能にする成形体の製造方法および装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、（１）対向して配置される第一および第二金型間に溶融または軟化した樹脂を装填する工程と、
（２）前記第一および第二金型を嵌合させ、前記樹脂を加圧し、閉じられたキャビティ間で形成される閉空間の形状に前記樹脂の形状を整え、その際に、前記第一金型に設けられたカッター部を前記樹脂に接触させ、成形体の最終形状を囲むように前記樹脂に溝部を形成する工程と、
（３）前記カッター部および第一金型間の間隙部から構成された孔部から前記成形体を真空引きし、両金型を開き、前記第一金型に前記成形体を吸着させ、続いて、前記孔部から圧縮空気を吹き出し、前記第一金型から前記成形体を離型する工程とを有する成形体の製造方法であって、
前記カッター部は、前記キャビティ内で前記樹脂に対して前後進可能であり、
前記（２）工程において、前記カッター部は、前記キャビティ内で前記樹脂に対して後進している位置にあるとき、前記カッター部および第一金型間の間隙部は、前記樹脂と接触しないように構成されてなることを特徴とする成形体の製造方法である。
請求項２に記載の発明は、前記第二金型が、その表面に微細な凹凸部を有することを特徴とする請求項１に記載の成形体の製造方法である。
請求項３に記載の発明は、前記第一金型のキャビティ面が鏡面を有することを特徴とする請求項２に記載の成形体の製造方法である。
請求項４に記載の発明は、対向して配置される第一および第二金型と、
前記第一および第二金型の型開閉および前記金型のキャビティ面間の加圧が可能な加力発生器と、を有し、
前記第一金型にはカッター部が設けられ、前記第一および第二金型を嵌合させ、前記第一および第二金型間に装填された溶融または軟化した樹脂を閉じられたキャビティ間で形成される閉空間の形状に整え、その際に、前記第一金型に設けられたカッター部を前記樹脂に接触させ、成形体の最終形状を囲むように前記樹脂に溝部を形成するように構成した成形体の製造装置であって、
前記カッター部は、前記キャビティ内で前記樹脂に対して前後進可能に構成され、
前記第一金型には、前記カッター部および第一金型間の間隙部から構成された孔部が設けられ、前記孔部から前記成形体を真空引きし、前記第一金型に前記成形体を吸着させ、かつ前記孔部から圧縮空気を吹き出し、前記第一金型から前記成形体を離型させるように構成し、
前記カッター部は、前記キャビティ内で前記樹脂に対して後進している位置にあるとき、前記カッター部および第一金型間の間隙部は、前記樹脂と接触しないように構成されてなる
ことを特徴とする成形体の製造装置である。
請求項５に記載の発明は、前記第二金型が、その表面に微細な凹凸部を有することを特徴とする請求項４に記載の成形体の製造装置である。
請求項６に記載の発明は、前記第一金型のキャビティ面が鏡面を有することを特徴とする請求項５に記載の成形体の製造装置である。

請求項１および４に記載の成形体の製造方法および装置によれば、例えば溝部に囲まれた部分を成形体の最終製品とし、溝部の外側が成形体の不要バリ部分となり、成形体周囲に出現する不要バリ部分と製品部分とを、形成された溝部を基準にして容易に分離することができる。例えば、溝部に力を加えるのみ、あるいは必要に応じて溝部にカッターを当てるだけで最終製品を得ることができる。したがって、時間および費用のかかる後処理工程を行う必要がなく、生産性の向上につながる。

また、第一金型に設けられた孔部から成形体を真空引きするようにしたので、真空吸着力を利用して成形体を第一金型へ選択的に吸着させることができ、第二金型から成形体を容易に離型させることができる。続いて、該孔部から圧縮空気を吹き出せば、第一金型から成形体を容易に取り出すことができる。

また、第一金型にカッター部を設け、孔部が前記カッター部および第一金型間の間隙部から構成されるようにしたので、第一金型に特別に孔部を形成する必要がなく、また成形体の吸着および離型が効率的に行える。

請求項２および５に記載の成形体の製造方法および装置によれば、第二金型の表面に微細な凹凸部を有する場合であっても、成形体の微細な凹凸部が該金型に対し確実に垂直離型し、高精度の微細な凹凸部が転写された成形体を損傷なく得ることができる。

請求項３および６に記載の成形体の製造方法および装置によれば、第一金型のキャビティ面が鏡面を有しているので、第一金型に成形体をさらに良好に吸着させることができ、成形体の微細な凹凸部を確実に垂直離型することができ、高精度の微細な凹凸部が転写された成形体を損傷なく得ることができる。

以下、本発明を図面を参照しながらさらに説明する。
図１は、本発明の成形体の製造装置の一実施形態を説明するための図である（断面図）。
図１において、成形体の製造装置１は、嵌合可能な第一および第二金型として、上金型１１および下金型１２を有し、可動金型としての上金型１１には、加力発生器１３が設置されている。加力発生器１３は、上金型１１および下金型１２の型開閉と上金型１１および下金型１２のキャビティ面間の加圧を可能にするとともに、金型の精密な位置および速度制御機能を有する。

上金型１１は、鏡面１１１からなるキャビティ面を有し、この鏡面１１１の周囲にカッター部１１２が設けられている。カッター部１１２は、複数のロッド１１３によってエアーシリンダ１１４のようなカッター部駆動機構に連結している。カッター部駆動機構は、カッター部１１２の移動距離、移動速度、圧力等を調整することができる。具体的には、エアーシリンダ１１４の稼動により、カッター部１１２は所望の移動距離、移動速度および圧力でもって図２（ａ）に示すような前進（下方向）および（ｂ）に示すような後進（上方向）が可能である。カッター部１１２は、鋭利な先端部を有し、この先端部が樹脂に接触加圧することで、成形体に溝部が形成される。

図３は、図１におけるＡ−Ａ矢視図である。カッター部１１２は、本実施の形態では、成形体の平面方向（上金型１１および下金型１２の加圧方向と直交する方向）の最終形状が正方形となるように、かつ該正方形の４辺すべてが溝部となるように、鏡面１１１の周囲にロの字型に配置されている。なお図３において符号１１５は、詳しくは後述するがカッター部１１２と鏡面１１１との間の間隙部から成形体を真空引き、あるいは間隙部から圧縮空気を吹き出すための流路である。

また図１において、下金型１２は鏡面からなるキャビティ面を有し、そのキャビティ面上には、表面に微細な凹凸部を有するスタンパー１４が設置されている。微細な凹凸部は、例えば１０ｎｍ〜１ｍｍの幅または直径を有するとともに、１０ｎｍ〜１ｍｍの深さまたは高さを有する形状である。下金型１２のキャビティ面とスタンパー１４との間には、真空吸着溝２３がスタンパー１４の４辺方向周囲にロの字型に配置されて、つながっている。該溝２３内の空気を排出する流路２０と図示しない真空ポンプを連結することによって、スタンパー１４が下金型１２に吸着される。さらにスタンパー押え２１により、下金型１２上にスタンパーが固定されている。
また、上金型１１および下金型１２には、金型のキャビティ面を加熱および冷却する加熱ヒータ１８および冷却水路１９がそれぞれ設置されている。さらに該キャビティ面を加熱および冷却を効率的に行うために断熱板２２が設けられている。

次に動作について説明する。
まず、上金型１１および下金型１２の加熱ヒータ１８を稼動し、両金型のキャビティ面を加熱する。続いて、上金型１１および下金型１２間に溶融または軟化した樹脂を装填する。樹脂としてはとくに制限されないが、熱可塑性樹脂が挙げられ、例えばポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、シクロオレフィン(COP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリアリレート(PAR)、ポリイミド(PI)、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリアミド(PA)、ポリエチレン(PE)、ポリアセタール(POM)、エチレン-酢酸ビニル共重合樹脂(EVA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフェニレンオキサイド(PPO)またはこれらの混合物などが挙げられる。また、成形体に求められる性能にあわせて、特別に製造された熱可塑性樹脂でもよい。
以下は、装填される樹脂として溶融樹脂を用いた場合について説明する。
本実施の形態では、表面に微細な凹凸部を有するスタンパー１４上に溶融樹脂を装填する。溶融樹脂は、Ｔダイ等の公知の塗布手段により、成形体の最終形状よりも大きいサイズに薄膜状として装填される。この形態では、成形体の最終製品の厚さは例えば５０μｍ〜５ｍｍの範囲である。一般的にＴダイ等から溶融樹脂を吐出した場合、吐出開始時に吐出された樹脂分には固化物や不純物が混入していることが多い。また吐出終了時はＴダイと溶融樹脂との間で糸引き現象等が生じる。したがって、電子ディスプレイ用光学部品や光情報通信用部品等の厳密な寸法精度が求められる製品を製造する場合、溶融樹脂を成形体の最終形状よりも大きいサイズでスタンパー１４上に装填し、吐出開始時および吐出終了時に吐出された溶融樹脂部分を不要バリ部分として除去する必要がある。

続いて、上金型１１および下金型１２を嵌合させ、加力発生器１３によって溶融樹脂を加圧し、閉じられたキャビティ間で形成される閉空間の形状に樹脂の形状を整える。プレス圧力は、例えば１０ＭＰａ以下であればよい。加圧を開始した直後または任意時間経過後に、エアーシリンダ１１４の稼動により上金型１１に設けられたカッター部１１２を所望の移動距離、移動速度および圧力でもって移動させ、樹脂に接触させ、樹脂に溝部を形成する。
図４は、カッター部１１２の動作を説明するための図である。図４は、図１における上金型１１に設けられたカッター部１１２およびその周辺部の拡大図であり、図４（ｂ）は下金型１２も併せて図示している。
図４（ａ）において、上金型１１および下金型１２を嵌合させる直前は、カッター部１１２は、図２（ｂ）に示すような後進方向となっている。続いて、加力発生器１３によって溶融樹脂を加圧し、閉じられたキャビティ間で形成される閉空間の形状に樹脂の形状を整えている最中であって、加圧を開始した直後または任意時間経過後に、溶融樹脂が比較的高温で容易に変形可能な領域で、図４（ｂ）に示すようにカッター部１１２を前進させ、その鋭利な先端部を樹脂４１に接触加圧させ、溝部４２を形成する。溝部４２の深さはとくに限定されないが、例えば樹脂４１の厚さに対して、２０〜７０％程度であればよい。

その後、上金型１１および下金型１２のそれぞれに設けられた冷却水路１９内に水等を流し込み冷却を行ない、樹脂４１を固化させて微細凹凸が転写された薄膜状の成形体を得る。
続いて成形体は、上金型１１および下金型１２から離型される。離型方法として好ましい形態を説明する。
まず、真空引きする手段と、圧縮空気を吹き出す手段とを準備し、両手段と上金型１１を図３で示した流路１１５に接続し、カッター部１１２と鏡面１１１との間の間隙部から成形体を真空引き、あるいは間隙部から圧縮空気を吹き出すように構成する。なお、カッター部１１２が鏡面１１１の周囲にロの字型に配置され、カッター部１１２が鏡面１１１の側面に対して摺動する場合であっても、摺動面のわずかな間隙部から真空引きあるいは圧縮空気の吹き出しが可能である。

図５は、得られた成形体を前記金型から離型する工程を説明するための図である。図５は、図１における上金型１１に設けられたカッター部１１２およびその周辺部を拡大している。
図５において、上金型１１と下金型１２の閉じられたキャビティ間で形成される閉空間の形状に樹脂の形状が整えられている間に、カッター部１１２を樹脂４１に接触させ、樹脂４１に溝部４２を形成した後、カッター部１１２と鏡面１１１との間の間隙部５１から成形体を真空引きし、上金型１１および下金型１２を開き、上金型１１に成形体を吸着させる。続いて、間隙部５１から圧縮空気を吹き出し、上金型１１から成形体の離型を容易せしめる。また図示していないが、圧縮空気の吹き出しと同時にカッター部１１２を前進させる（下方に押し下げる）ことで、成形体周囲を突き出すことができ、前記圧縮空気の吹き出しと合わせて、離型をより確実にできる。

図６は、間隙部５１からの成形体の真空引きおよび圧縮空気の吹き出しを行う形態を説明するための断面図である。ロッド１１３の４辺部周囲と上金型１１本体との間には、ロの字型の間隙６１が存在する。この間隙６１が流路１１５と連結され、流路１１５と真空引きする手段および圧縮空気を吹き出す手段とを接続することによって、間隙部５１からの真空引きおよび圧縮空気吹き出しが可能となる。

以上により、高精度の微細な凹凸部が転写された成形体を金型から取り出すことができる。また、溝部が形成された成形体は、容易にバリ不要部分と最終製品部分とを分離することができる。
すなわち、例えば溝部４２に囲まれた部分を成形体の最終製品とし、溝部４２の外側が成形体の不要バリ部分とすれば、成形体周囲に出現する不要バリ部分と製品部分とを、形成された溝部４２を基準にして容易に分離することができる。例えば、溝部４２に力を加えるのみ、あるいは必要に応じて溝部４２にカッターを当てるだけで厳密な寸法精度でもって最終製品を得ることができる。したがって、時間および費用のかかる後処理工程を行う必要がなく、生産性の向上につながる。

なお上記実施の形態では、嵌合可能な第一金型としての上金型１１にカッター部１１２を、下金型１２にスタンパー１４を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されず、下金型１２にカッター部１１２を、上金型１１にスタンパー１４を設置してもよい。
また、上記実施の形態では、下金型１２にスタンパー１４を設ける例を説明したが、下金型１２のキャビティ面に直接微細な凹凸部を形成し、スタンパー１４を使用しなくてもよい。なお、上金型１１に鏡面１１１を設けずにキャビティ面に直接微細な凹凸部を形成してもよい。
また、上記実施の形態では、孔部をカッター部１１２と上金型１１の鏡面１１１との間隙部５１から構成し、そこから成形体の真空引きおよび圧縮空気の吹き出しを行う例を説明したが、成形体の真空引きおよび圧縮空気の吹き出しのための孔部は、上金型１１の任意の場所に設けることもできる。例えば孔部は鏡面１１１の平面部に設けてもよい。
また、上記実施の形態では、成形体の平面方向の最終形状が正方形であり、かつ該正方形の４辺すべてが溝部となる例を説明したが、当然のことながら成形体の最終形状は用途に応じて様々な形態をとることができる。また溝部は成形体の最終形状を完全に囲む必要はなく、不要バリ部分を容易に除去せしめることができれば、溝部を断続的に形成することもできる。

本発明の成形体の製造方法および装置は、金型のキャビティ面に傷つけることなく、得られる成形体のバリ取りを容易にするので、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等の製造にとくに有用である。

本発明の成形体の製造装置の一実施形態を説明するための図である。 カッター部の前進および後進の形態を説明するための図である。 図１におけるＡ−Ａ矢視図である。 カッター部の動作を説明するための図である。 得られた成形体を金型から離型する工程を説明するための図である。 間隙部５１からの成形体の真空引きおよび圧縮空気の吹き出しを行う形態を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 成形体の製造装置
１１ 上金型
１２ 下金型
１３ 加力発生器
１４ スタンパー
１８ 加熱ヒータ
１９ 冷却水路
２０ 流路
２１ スタンパー押え
４１ 樹脂
４２ 溝部
５１ 孔部
１１１ 鏡面
１１２ カッター部
１１３ ロッド
１１４ エアーシリンダ
１１５ 流路

Claims (6)

1. （１）対向して配置される第一および第二金型間に溶融または軟化した樹脂を装填する工程と、
   （２）前記第一および第二金型を嵌合させ、前記樹脂を加圧し、閉じられたキャビティ間で形成される閉空間の形状に前記樹脂の形状を整え、その際に、前記第一金型に設けられたカッター部を前記樹脂に接触させ、成形体の最終形状を囲むように前記樹脂に溝部を形成する工程と、
   （３）前記カッター部および第一金型間の間隙部から構成された孔部から前記成形体を真空引きし、両金型を開き、前記第一金型に前記成形体を吸着させ、続いて、前記孔部から圧縮空気を吹き出し、前記第一金型から前記成形体を離型する工程とを有する成形体の製造方法であって、
   前記カッター部は、前記キャビティ内で前記樹脂に対して前後進可能であり、
   前記（２）工程において、前記カッター部が、前記キャビティ内で前記樹脂に対して後進している位置にあるとき、前記カッター部および第一金型間の間隙部は、前記樹脂と接触しないように構成されてなることを特徴とする成形体の製造方法。
2. 前記第二金型が、その表面に微細な凹凸部を有することを特徴とする請求項１に記載の成形体の製造方法。
3. 前記第一金型のキャビティ面が鏡面を有することを特徴とする請求項２に記載の成形体の製造方法。
4. 対向して配置される第一および第二金型と、
   前記第一および第二金型の型開閉および前記金型のキャビティ面間の加圧が可能な加力発生器と、を有し、
   前記第一金型にはカッター部が設けられ、前記第一および第二金型を嵌合させ、前記第一および第二金型間に装填された溶融または軟化した樹脂を閉じられたキャビティ間で形成される閉空間の形状に整え、その際に、前記第一金型に設けられたカッター部を前記樹脂に接触させ、成形体の最終形状を囲むように前記樹脂に溝部を形成するように構成した成形体の製造装置であって、
   前記カッター部は、前記キャビティ内で前記樹脂に対して前後進可能に構成され、
   前記第一金型には、前記カッター部および第一金型間の間隙部から構成された孔部が設けられ、前記孔部から前記成形体を真空引きし、前記第一金型に前記成形体を吸着させ、かつ前記孔部から圧縮空気を吹き出し、前記第一金型から前記成形体を離型させるように構成し、
   前記カッター部は、前記キャビティ内で前記樹脂に対して後進している位置にあるとき、前記カッター部および第一金型間の間隙部は、前記樹脂と接触しないように構成されてなる
   ことを特徴とする成形体の製造装置。
5. 前記第二金型が、その表面に微細な凹凸部を有することを特徴とする請求項４に記載の成形体の製造装置。
6. 前記第一金型のキャビティ面が鏡面を有することを特徴とする請求項５に記載の成形体の製造装置。

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