プラスチック成形品の成形方法
【課題】賦形面の微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を向上させることのできるプラスチック成形品の成形方法の提供を目的とする。
【解決手段】プラスチック成形品の成形方法は、ガスが含浸され、固化したプラスチック基板６に対して、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態で、転写面６１を加熱し、賦形面５１の構造を転写面６１に転写する工程と、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態で、プラスチック基板６を固化工程と、押圧した状態を解除することによって、加熱によりプラスチック基板６から放出され、押圧した状態により圧縮されていたガスを膨張させ、この膨張するガスを利用して、離型させる工程とを有する。
【解決手段】プラスチック成形品の成形方法は、ガスが含浸され、固化したプラスチック基板６に対して、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態で、転写面６１を加熱し、賦形面５１の構造を転写面６１に転写する工程と、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態で、プラスチック基板６を固化工程と、押圧した状態を解除することによって、加熱によりプラスチック基板６から放出され、押圧した状態により圧縮されていたガスを膨張させ、この膨張するガスを利用して、離型させる工程とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック成形品の成形方法に関し、特に、賦形面の微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を向上させることのできるプラスチック成形品の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ化学チップ、マイクロ流体デバイス、導光板、フレネルレンズ、光ディスクや光学素子などにおいて、プラスチック成形品に微細なパターン（構造）を精度よく転写する技術の確立などが要望されており、様々な技術が提案されている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、金型内に設けられた構造物を転写する、樹脂の成形方法において、不活性ガスの超臨界流体が浸透した固化前もしくは硬化前の樹脂材料を、該不活性ガスの超臨界状態に到達する以上の温度にて温調制御された密閉した前記金型内で、該不活性ガスの超臨界到達以上の圧力で前記金型を加圧しながら前記樹脂材料を固化もしくは硬化させ、転写させた後、金型圧力を開放することで該超臨界流体をガス化し、該ガス圧力により樹脂成形品を前記金型内に設けられた構造物より離型させることを特徴とする成形方法の技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、熱可塑性樹脂からなるプラスチック母材に高圧ガスを溶解させる第１の工程と、前記高圧ガスが溶解された前記プラスチック母材の表面に、少なくとも１つ以上の転写面が形成された金型の前記転写面を押圧する第２の工程とを有することを特徴とするプラスチック成形品の製造方法の技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、転写面を具えてかつプラスチック材料からなる基材を用意し、転写面を露出した状態で基材を固定し、少なくとも一部が赤外線透過材料からなるスタンパの賦形面を基材の転写面と密着状態に保持し、スタンパに対して基材を指向する方向に赤外線を照射することを特徴とするプラスチック成形加工方法の技術が開示されている。
さらに、特許文献４には、少なくとも賦形面以外の本体部分が赤外線透過材からなるプラスチック成形加工用スタンパの技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３８３９７２６号公報
【特許文献２】特開２００９−５６６１９号公報
【特許文献３】特許４３６３７２７号公報
【特許文献４】特開２００１−１５８０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１の成形方法は、不活性ガスの超臨界流体を樹脂材料に浸透させ、樹脂粘度を低下させることにより、微細構造の高精度転写を可能とし、また、金型圧力を開放することで超臨界流体をガス化し、このガス圧力により樹脂成形品の離型性が向上しているものの、樹脂材料を固化もしくは硬化させるために、金型温度をガラス転移点Ｔｇ以下に冷却する際、冷却に長い時間を必要とした。すなわち、成形サイクルタイムを短縮できず、生産性を向上させることができないといった問題があった。
【０００８】
また、特許文献２のプラスチック成形品の製造方法は、高圧ガスを溶解することでプラスチックの軟化温度を低下させ、加熱／冷却の工程を要することなくプラスチック母材の表面に転写面を高精度転写でき、低コストの製造方法ではあるものの、より微細構造の転写に対応できることが要望されていた。
【０００９】
さらに、特許文献３のプラスチック成形加工方法は、少なくとも一部が赤外線透過材料からなるスタンパの賦形面を基材の転写面と密着状態に保持し、スタンパに対して基材を指向する方向に赤外線を照射することにより、生産性を向上させることができるものの、より微細構造の転写に対応できることが要望されていた。
また、特許文献４のプラスチック成形加工用スタンパは、赤外線照射方式のプラスチック成形加工方法に適しているものの、より微細構造の転写に対応できることが要望されていた。
【００１０】
本発明は、以上のような問題などを解決するために提案されたものであり、賦形面の微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を向上させることのできるプラスチック成形品の成形方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明のプラスチック成形品の成形方法は、ガスが含浸され、固化又は硬化したプラスチックに対して、金型の賦形面を前記プラスチックの転写面に押圧した状態で、前記転写面を加熱し、前記賦形面の構造を前記転写面に転写する工程と、前記賦形面を前記転写面に押圧した状態で、前記プラスチックを固化又は硬化させる工程と、前記押圧した状態を解除することによって、前記押圧した状態により圧縮されていた前記加熱により前記プラスチックから放出されたガスを膨張させ、この膨張するガスを利用して、プラスチック成形品を離型させる工程とを有する方法としてある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のプラスチック成形品の成形方法によれば、賦形面の微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
【図２】図２は、本発明の第一実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明するための要部の概略拡大断面図を示している。
【図３】図３は、本発明の応用例にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明するための要部の概略拡大断面図を示している。
【図４】図４は、本発明の第二実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
【図５】図５は、本発明の第三実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
【図６】図６は、本発明の第四実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
【図７】図７は、本発明の第四実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法の実施例及び比較例を説明するための表を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［プラスチック成形品の成形方法の第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
図１において、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、プラスチック基板６に対して金型１を用いて圧縮成形を行う成形方法であり、転写工程、固化工程及び離型工程を有している。
なお、本実施形態では、プラスチック基板６の材質をポリエチレンテレフタレートなどの結晶性樹脂としてあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、非晶性樹脂としてもよい。また、非晶性樹脂を使用する場合、固化工程は、硬化工程と呼称される。
【００１５】
（転写工程）
転写工程は、ガスが含浸され、固化したプラスチック基板６に対して、金型１の賦形面５１をプラスチック基板６の転写面６１に押圧した状態で、転写面６１を加熱し、賦形面５１の形状を転写面６１に転写する。
また、本実施形態では、後述するように、転写面６１を赤外線の輻射加熱によって加熱する方法としてある。なお、赤外線照射手段（図示せず）として、炭酸ガスレーザ装置やハロゲンランプなどが用いられる。
【００１６】
まず、金型１は、図１（ａ）に示すように、上型２及び下型３を有している。この上型２及び下型３は、図示してないが、プレス機（たとえば、低圧プレス機（プレス推力：２０ｋＮ））に取り付けられている。
上型２は、上面側にほぼ板状の光透過部材４が埋設され、下面側にほぼ板状のスタンパ５が埋設されている。光透過部材４及びスタンパ５は、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、サファイアなどの赤外線透過部材であり、上型２の外部から照射された赤外線を透過する。これにより、プラスチック基板６の転写面６１は、赤外線の輻射加熱によって加熱される。また、スタンパ５の下面には、複数の凹部５２及び凸部５３が形成されている。
【００１７】
また、この凹凸形状は、通常、スタンパ５の下面に直接的に形成されるが、これに限定されるものではない。たとえば、凹凸形状の形成された、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ或いはこれらの合金などの金属製薄板（図示せず）を貼り付けてもよい。この金属製薄板の厚さは、特に限定されるものではないが、通常、照射された赤外線の一部が透過する厚さであるとよい。あるいは、スタンパ５の下面に、薄膜トランジスタに用いられるような金属製の薄膜を積層し、エッチングによって凹凸形状を形成してもよい。
このようにすると、Ｓｉなどの脆性材料に微細なパターンを刻設することは、機械加工的に困難な場合があるといった不具合や、転写成形を繰り返すことにより、Ｓｉなどの脆性材料に刻設されたパターンが崩れ易くなるといった不具合を効果的に回避することができる。
また、下型３は、上面に、プラスチック基板６に対応する形状の凹部が形成されており、この凹部にプラスチック基板６が位置決めされた状態で載置される。
【００１８】
なお、本実施形態では、スタンパ５を補強するために、光透過部材４を設けているが、これに限定されるものではなく、たとえば、スタンパ５が十分な機械的強度を有する場合、光透過部材４を取り付けず、赤外線を通すための開口部を形成してもよい。
また、光透過部材４及びスタンパ５の形状、厚さ、個数などは、特に限定されるものではなく、たとえば、一つの上型２に複数の光透過部材４及びスタンパ５を配設してもよい。
【００１９】
プラスチック基板６は、ポリエチレンテレフタレートを既知の射出成形などで板状に成形し、固化させた後、圧力釜の中で高圧ガスを含浸させたものである。含浸されるガスは、通常、二酸化炭素、窒素などが使用され、成形されたプラスチック基板６は、所定の圧力（例えば、炭酸ガスの場合７．４ＭＰａ以上、窒素ガスの場合３．４ＭＰａ以上）及び、所定の温度（例えば、炭酸ガスの場合３１℃以上、窒素ガスの場合−１４７℃以上）で、所定の時間（たとえば、１分〜６０分）だけ二酸化炭素の環境下に置かれる。
上記の環境にプラスチック基板６が置かれると、プラスチック基板６にガスが含浸され、その後、プラスチック基板６は、図１（ａ）に示すように、下型３に載置される。
【００２０】
次に、図１（ｂ）に示すように、プレス機により上型２及び／又は下型３を移動させ、賦形面５１をプラスチック基板６の転写面６１に押圧した状態で、赤外線を照射し、転写面６１を加熱する。
なお、押圧するタイミングと赤外線を照射するタイミングは、通常、ほぼ同時、あるいは、赤外線を照射するタイミングが押圧するタイミングより遅いが、これに限定されるものではなく、たとえば、プラスチック基板６の材質、凹部５２及び凸部５３の形状、赤外線の出力などに応じて調整される。
また、上記の「転写面を加熱し」とは、「転写面及び該転写面から所定の深さまでの領域のみを加熱し」といった意味である。
【００２１】
上型２の上方から照射された赤外線は、光透過部材４及びスタンパ５を透過し、透過した赤外線の輻射加熱によって、プラスチック基板６の転写面６１が加熱される。
一般的なプラスチック材料は、赤外線領域の吸収係数が高く、よって赤外線をよく吸収するので、照射された赤外線の多くはプラスチック基板６の転写面６１で吸収され、基板内部には到達せず、結果、転写面６１及び転写面６１から所定の深さまでの領域のみが局所的に加熱される。
ここで、赤外線は、赤外線透過部材である光透過部材４及びスタンパ５を透過するので、光透過部材４及びスタンパ５は、ほぼ加熱されず、また、鋼製の上型２は、赤外線が照射されないので、加熱されない。
このように加熱される領域が限定的であると、その熱容量も少なくなるため、赤外線の照射を停止すると、熱は熱伝導率の高いスタンパ５及び光透過部材４及び上型２の順に移動し、被加熱領域は短時間で冷却される。したがって、生産性を向上させることが出来る。
【００２２】
ここで、好ましくは、図２（ａ）に示すように、転写面６１及びこの転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱し、前記所定の深さＨ１（すなわち、被加熱部６２の深さ）が、賦形面５１の最も高い凸部５３から最も深い凹部５２までの距離Ｈ０の１．０倍以上１０倍以下の深さ、より好ましくは、１．５倍以上５倍以下の深さであるとよい。
このようにすると、プラスチック基板６の全体を加熱する場合と比べると、転写に必要な領域のみを加熱するので、加熱及び冷却に要する時間を短縮でき、生産性を向上させることができる。
上記の数値限定の理由は、１．０倍未満であると、転写に悪影響を及ぼすおそれがあるからであり、また、１０倍を超えると、加熱及び冷却に要する時間が長くなり、その分生産性を向上させることができなくなるからである。
【００２３】
次に、図１（ｃ）に示すように、被加熱部６２の溶融又は軟化して粘度が低下した樹脂が、賦形面５１の凹部５２に入り込み、転写が開始される。
更にここで、プラスチック基板６は、上述したように、あらかじめガスが含浸されているので、加熱した際、樹脂の粘度が更に低下し、賦形面５１の微細なパターン（凹部５２及び凸部５３による構造）を精度よく転写できる。
【００２４】
また、プラスチック基板６に含浸されたガスの溶解性は、温度依存性を有しているので、加熱された樹脂から短時間で溶解ガス（含浸されたガス）が放出する。ただし、プレス機が、金型１の賦形面５１をプラスチック基板６の転写面６１に押圧しているので、放出された溶解ガスは、賦形面５１の表面（凹部５２や凸部５３の表面）と被加熱部６２の表面との間に、圧縮された状態で（たとえば、図２（ｂ）に示す圧縮されたガス６５のように）存在している。
また、被加熱部６２の樹脂は、図２（ｂ）に示すように、凹部５２のほぼ全体に入り込んでおり、賦形面５１の構造が転写面６１に転写される。
【００２５】
（固化工程）
次に、図１（ｄ）に示すように、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態で、赤外線の照射を停止し、プラスチック基板６（溶融又は軟化した被加熱部６２）を固化又は硬化させる。
この際、上述したように、転写面６１及びこの転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱しており、上型２、光透過部材４及びスタンパ５は、ほぼ昇温していないので、溶融又は軟化した被加熱部６２は、短時間で冷却され、固化又は硬化する。すなわち、冷却時間が短縮でき、生産性を向上させることができる。
また、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態で、プラスチック基板６（溶融又は軟化した被加熱部６２）を固化又は硬化させることにより、転写工程において放出された溶解ガスが、圧縮された状態に維持される。すなわち、転写面６１に転写された形状が維持された状態で、プラスチック基板６（溶融又は軟化した被加熱部６２）を固化又は硬化させることができる。
【００２６】
ここで、好ましくは、転写工程及び固化工程において、所定の圧力（１．０ＭＰａ〜１０ＭＰａ）で賦形面５１を転写面６１に押圧するとよく、このようにすると、プラスチック基板６の樹脂が発泡するといった不具合を効果的に防止することができる。
なお、所定の圧力を１．０ＭＰａ〜１０ＭＰａとした理由は、１．０ＭＰａ未満であると、樹脂の発泡を効果的に防止することができないおそれがあるからであり、また、１０ＭＰａを超えて加圧すると、溶出されたガスが臨界点を超えるため、再び樹脂内に溶解してしまう。
【００２７】
（離型工程）
次に、図１（ｅ）に示すように、プレス機により上型２及び／又は下型３を移動させ、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態を解除する。これにより、転写工程において、加熱によりプラスチック基板６から放出され、押圧した状態により圧縮されていたガス６５を、図２（ｃ）に示すように膨張させ、この膨張するガス６６を利用して、プラスチック基板６を離型させる。
すなわち、膨張するガス６６によって、プラスチック基板６の転写面６１は、賦形面５１から離れようとするので、プラスチック基板６を容易に離型させることができる。また、プラスチック基板６に転写された凸部６３や凹部６４が微細であっても、膨張するガス６６のガス圧を利用して離型させるので、凸部６３や凹部６４にダメージを与えるといった不具合を効果的に防止することができる。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法によれば、賦形面５１の微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を大幅に向上させることができる。
また、本実施形態は、様々な応用例を有している。
次に、本実施形態の応用例について、図面を参照して説明する。
【００２９】
＜プラスチック成形品の成形方法の応用例＞
図３は、本発明の応用例にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明するための要部の概略拡大断面図を示している。
図３において、本応用例のプラスチック成形品の成形方法は、上述した第一実施形態と比べると、プラスチック基板６ａが、含浸ガスバリア層６７を有する多層化された基板状又はシート状であり、含浸ガスバリア層６７上に、転写面６１を有する層（転写部６９）が積層された点などが相違する。なお、本応用例の他の方法は、第一実施形態とほぼ同様としてある。
したがって、図３において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３０】
プラスチック基板６ａは、基部６８、含浸ガスバリア層６７及び転写部６９が順に積層されており、転写部６９の上面が転写面６１である。
基部６８及び転写部６９の材質は、ポリエチレンテレフタレートとしてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、基部６８の材質を、耐熱性や機械的強度に優れた材質としたり、また、基部６８と転写部６９の材質が異なっていてもよい。
【００３１】
また、含浸ガスバリア層６７は、含浸されるガス（たとえば、二酸化炭素）を透過させにくくする層であり、材質は、通常、エチレンビニルアルコール共重合体である。なお、材質は、エチレンビニルアルコール共重合体に限定されるものではなく、たとえば、含浸されるガス（たとえば、二酸化炭素）を透過させにくくする特性（ガスバリア性）を有する材質としてもよい。
この含浸ガスバリア層６７を基部６８と転写部６９の間に設けることにより、ガスを含浸する際、転写部６９だけに含浸させることができ、転写面６１を加熱する際、放出されるガス量が多くなり過ぎないように、容易に制御することができる。また、基部６８と転写部６９にガスを含浸した場合であっても、転写面６１を加熱する際、基部６８からのガスは含浸ガスバリア層６７によってほぼ遮られ、転写部６９だけからガスが放出され、放出されるガス量が多くなり過ぎないように、容易に制御することができる。これにより、放出されるガス量を制御し、たとえば、発泡などの転写精度、製品価値に悪影響を与えるといった不具合を効果的に防止することができる。
【００３２】
ここで、好ましくは、転写部６９の厚さＨ２を、賦形面５１の最も高い凸部５３から最も深い凹部５２までの距離Ｈ０（図２（ａ）参照）の１．１倍以上５倍以下の厚さとするとよい。
このようにすると、放出されるガス量が多くなり過ぎるといった不具合を防止でき、発泡などの転写精度、製品価値の低下などを抑制することができる。
上記の数値限定の理由は、１．１倍未満であると、放出されるガス量が少なすぎて離型性に悪影響を及ぼすおそれがあるからであり、また、５倍を超えると、放出されるガス量が多くなり過ぎるおそれがあるからである。
【００３３】
また、転写部６９を無色透明とし、含浸ガスバリア層６７を有色としてもよい。このようにすると、赤外線により有色の含浸ガスバリア層６７が加温され、加温された含浸ガスバリア層６７の熱伝導によって、ほぼ均一に、かつ、加温し過ぎることがないように、転写部６９を加温することができる。これにより、転写部６９の温度を制御しやすくなるので、転写精度を向上させることができる。
【００３４】
このように、本応用例のプラスチック成形品の成形方法は、第一実施形態のプラスチック成形品の成形方法とほぼ同様の効果を奏するとともに、転写精度、製品価値、離型性に悪影響を与えるといった不具合を効果的に防止することができる。
【００３５】
［プラスチック成形品の成形方法の第二実施形態］
図４は、本発明の第二実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
図４において、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、上述した第一実施形態と比べると、転写面６１を加熱する赤外線照射手段の代わりに、フィルムヒータ７を用いた点などが相違する。なお、本実施形態の他の方法は、第一実施形態とほぼ同様としてある。
したがって、図４において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３６】
金型１ｂは、上型２ｂが、スタンパ５ｂ及びフィルムヒータ７を有し、フィルムヒータ７のジュール加熱によって、転写面６１を加熱する。
スタンパ５ｂは、材質が熱伝導性に優れたＣｕやＣｕ合金などであり、その他の構造は、スタンパ５とほぼ同様としてある。
また、フィルムヒータ７は、スタンパ５ｂの上面と上型２ｂの凹部の底面に挟まれた状態で設けられている。さらに、図示してないが、フィルムヒータ７と上型２ｂの間に、断熱材が設けられており、フィルムヒータ７のジュール熱によって、上型２ｂはほぼ加熱されず、スタンパ５ｂ及び転写面６１が加熱される。
すなわち、本実施形態は、赤外線照射の代わりに、フィルムヒータ７のジュール加熱によって、転写面６１を加熱する方法としてあり、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示す転写工程、図４（ｄ）に示す固化工程、及び図４（ｅ）に示す離型工程は、第一実施形態とほぼ同様である。
【００３７】
このように、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、第一実施形態のプラスチック成形品の成形方法とほぼ同様の効果を奏するとともに、フィルムヒータ７が、スタンパ５ｂ、並びに、転写面６１及び転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱し、上型２ｂをほぼ加熱しないので、熱容量が少なく短時間で冷却することができる。したがって、生産性を向上させることができる。また、赤外線照射手段などを必要としないので、成形装置の構造を単純化でき、設備費のコストダウンを図ることができる。
【００３８】
［プラスチック成形品の成形方法の第三実施形態］
図５は、本発明の第三実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
図５において、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、上述した第一実施形態と比べると、転写面６１を加熱する赤外線照射手段の代わりに、超音波加熱手段８を用いた点などが相違する。なお、本実施形態の他の方法は、第一実施形態とほぼ同様としてある。
したがって、図５において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３９】
金型１ｃは、上型２ｃが、スタンパ５ｃ及び超音波加熱手段８を有し、超音波加熱手段８の超音波加熱によって、転写面６１を加熱する。
スタンパ５ｃは、材質が熱伝導性に優れたアルミニウム合金などであり、その他の構造は、スタンパ５とほぼ同様としてある。また、スタンパ５ｃは、超音波加熱においては、ホーンとして機能し、上面のほぼ中央超音波加熱手段８の超音波発生装置８１が連結されている。
また、超音波加熱手段８は、超音波発生装置８１がスタンパ５ｃを超音波振動させ、賦形面５１と転写面６１の摩擦熱によって、転写面６１が加熱される。なお、図示してないが、スタンパ５ｃを超音波振動させるとき、上型２ｃとスタンパ５ｃはほぼ接触しないので、上型２ｃはほぼ加熱されず、スタンパ５ｃは、賦形面５１及び賦形面５１の近傍が加熱される。
すなわち、本実施形態は、赤外線照射の代わりに、超音波加熱手段８による超音波加熱によって、転写面６１を加熱する方法としてあり、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示す転写工程、図５（ｄ）に示す固化工程、及び図５（ｅ）に示す離型工程は、第一実施形態とほぼ同様である。
【００４０】
このように、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、第一実施形態のプラスチック成形品の成形方法とほぼ同様の効果を奏するとともに、超音波加熱手段８が、スタンパ５ｃの賦形面５１及び賦形面５１の近傍、並びに、転写面６１及び転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱し、上型２ｃ及びスタンパ５ｃをほぼ加熱しないので、熱容量が少なく短時間で冷却することができる。また、通常、加熱時間を１秒以下に短縮できる。したがって、生産性を向上させることができる。さらに、容易に、かつ、精度よく温度制御を行うことができるので、転写精度の向上や安定化を図ることができる。
【００４１】
［プラスチック成形品の成形方法の第四実施形態］
図６は、本発明の第四実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
図６において、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、上述した第一実施形態と比べると、Ｓｉなどの光透過材料で作ったスタンパ５の代わりに、Ｎｉなどの金属製板状スタンパ５ｄ及び金属製板状スタンパ５ｄに塗布された赤外線吸収塗膜５４を用いた点などが相違する。なお、本実施形態の他の方法は、第一実施形態とほぼ同様としてある。
したがって、図６において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００４２】
Ｓｉなどの光透過材料の多くは脆性材料であり、脆性材料に微細なパターンを刻設することは、機械加工的に困難であり高価になる場合があり、また、転写成形を繰り返すことにより、パターンが崩れる場合がある。これに対し、機械加工性、弾性に富んだ金属材料に変更することによって、よりランニングコストを改善することができる。
すなわち、金属製板状スタンパ５ｄは、材料が弾性や熱伝導性に優れたＮｉなどであり、厚さが１ｍｍ以下の薄板（あるいは、薄膜であってもよい。）である。
また、本実施形態では、金属製板状スタンパ５ｄの上面に、赤外線吸収塗膜５４を塗布してある。なお、赤外線吸収塗膜５４は、通常、赤外線領域の吸収係数が高い樹脂などを含んでいる。
【００４３】
本実施形態によれば、金型１ｄの外部から照射された赤外線は、光透過部材４ｄを透過し、金属製板状スタンパ５ｄに塗布された赤外線吸収塗膜５４到達する。ここで、赤外線の多くは、赤外線吸収塗膜５４で吸収され、金属製板状スタンパ５ｄが加熱される。
続いて、金属製板状スタンパ５ｄの熱伝導により、金属製板状スタンパ５ｄに接触している転写面６１が加熱される。
すなわち、本実施形態は、赤外線照射により転写面６１を直接加熱する代わりに、金属製板状スタンパ５ｄを加熱し、熱伝導によって、転写面６１を加熱する方法としてあり、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示す転写工程、図６（ｄ）に示す固化工程、及び図６（ｅ）に示す離型工程は、第一実施形態とほぼ同様である。
【００４４】
「実施例１」
本実施形態の実施例１として、上述した成形方法により、プラスチック基板に凹凸形状を成形した。
プラスチック基板６は、材質をポリエチレンテレフタレート（日本ユニペット製 ＲＴ５４３ＣＴＨＰ）とし、形状を矩形状（縦７０ｍｍ×横３０ｍｍ×板厚５ｍｍ）とした。
また、スタンパ５は、厚さ３００μｍ、材質をＮｉ（ニッケル）とし、賦形面５１として、深さ５０μｍ、幅５０μｍ、長さ２ｍｍの凹パターンを、間隙５０μｍで並設した。
また、光透過部材４の材質をＳｉとした。
また、含浸ガスとして、二酸化炭素を使用し、ガス含浸圧力を７．５ＭＰａ×１０分間（ガス温度約３５℃）とした。
また、赤外線照射手段として、炭酸ガスレーザ装置を使用し、照射強度を３００Ｗとし、約５秒間照射した。
さらに、プレス機として、低圧プレス機（プレス推力：１５ｋＮ）を使用した。
【００４５】
成形されたプラスチック基板６は、ほぼ自動的に離型でき、図７に示すように、離型性が良好（○）であり、凹パターンの転写率は約９９．５％であった。また、サイクルタイムが約１０秒であった。すなわち、微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を大幅に向上させることができた。
【００４６】
「比較例１」
比較例１は、上述した実施例１と比べると、ガス含浸圧力を４．０ＭＰａ×１０分間（ガス温度約３５℃）とした点が相違した。なお、比較例１の他の方法は、実施例１とほぼ同様とした。
比較例１の成形されたプラスチック基板６は、離型できるものの吸引して離型させる必要があり、図７に示すように、離型性が十分良好ではなく（△）、凹パターンの転写率は約９９％であった。
【００４７】
「比較例２」
比較例２は、上述した実施例１と比べると、ガス含浸圧力を０．０ＭＰａ（大気圧）×１０分間（ガス温度約２０℃）とした点が相違した。なお、比較例２の他の方法は、実施例１とほぼ同様とした。
比較例２の成形されたプラスチック基板６は、離型にプラスチック基板６にダメージを与えるほどの外力を必要とし、図７に示すように、離型性が悪く（×）、凹パターンの転写率は、ダメージにより測定不能であった。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、第一実施形態のプラスチック成形品の成形方法とほぼ同様の効果を奏するとともに、赤外線が、赤外線吸収塗膜５４、金属製板状スタンパ５ｄ、並びに、転写面６１及び転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱し、冷却時には、金属製板状スタンパ５ｄの厚さが１ｍｍ以下であり、非常に熱容量が少ないので、短時間で冷却が完了する。したがって、生産性を向上させることができる。また、スタンパの機械加工が容易になり、且つ、寿命も長くなるため、ランニングコストを抑えることが可能となる。
【００４９】
以上、本発明のプラスチック成形品の成形方法について、好ましい実施形態などを示して説明したが、本発明に係るプラスチック成形品の成形方法は、上述した実施形態などにのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、各実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、圧縮成形を行う方法としてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、図示してないが、射出成形金型に、上述した金型１、１ｂ、１ｃ、１ｄなどを適用する方法としてもよい。このようにすると、射出成形を行うとともに、微細パターンを転写する圧縮成形を効率よく行うことができる。
【００５０】
また、賦形面５１は、一つに限定されるものではなく、たとえば、図示してないが、プラスチック基板６の両面に対して、異なる賦形面５１を設け、プラスチック基板６の両面に、ほぼ同時に転写してもよい。
【００５１】
さらに、各実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、赤外線の輻射加熱、ジュール加熱、超音波加熱、又は、赤外線の輻射により加熱された金属製スタンパ５ｄの熱伝導によって、転写面６１を加熱しているが、これに限定されるものではない。たとえば、赤外線の輻射加熱、ジュール加熱、超音波加熱、及び、赤外線の輻射により加熱された金属製スタンパ５ｄの熱伝導の少なくとも一つによって、転写面６１を加熱してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１、１ｂ、１ｃ、１ｄ 金型
２、２ｂ、２ｃ、２ｄ 上型
３ 下型
４、４ｄ 光透過部材
５、５ｂ、５ｃ スタンパ
５ｄ 金属製板状スタンパ
６、６ａ プラスチック基板
７ フィルムヒータ
８ 超音波加熱手段
５１ 賦形面
５２ 凹部
５３ 凸部
５４ 赤外線吸収塗膜
６１ 転写面
６２ 被加熱部
６３ 凸部
６４ 凹部
６５ 圧縮されたガス
６６ 膨張するガス
６７ 含浸ガスバリア層
６８ 基部
６９ 転写部
８１ 超音波発生装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック成形品の成形方法に関し、特に、賦形面の微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を向上させることのできるプラスチック成形品の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ化学チップ、マイクロ流体デバイス、導光板、フレネルレンズ、光ディスクや光学素子などにおいて、プラスチック成形品に微細なパターン（構造）を精度よく転写する技術の確立などが要望されており、様々な技術が提案されている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、金型内に設けられた構造物を転写する、樹脂の成形方法において、不活性ガスの超臨界流体が浸透した固化前もしくは硬化前の樹脂材料を、該不活性ガスの超臨界状態に到達する以上の温度にて温調制御された密閉した前記金型内で、該不活性ガスの超臨界到達以上の圧力で前記金型を加圧しながら前記樹脂材料を固化もしくは硬化させ、転写させた後、金型圧力を開放することで該超臨界流体をガス化し、該ガス圧力により樹脂成形品を前記金型内に設けられた構造物より離型させることを特徴とする成形方法の技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、熱可塑性樹脂からなるプラスチック母材に高圧ガスを溶解させる第１の工程と、前記高圧ガスが溶解された前記プラスチック母材の表面に、少なくとも１つ以上の転写面が形成された金型の前記転写面を押圧する第２の工程とを有することを特徴とするプラスチック成形品の製造方法の技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、転写面を具えてかつプラスチック材料からなる基材を用意し、転写面を露出した状態で基材を固定し、少なくとも一部が赤外線透過材料からなるスタンパの賦形面を基材の転写面と密着状態に保持し、スタンパに対して基材を指向する方向に赤外線を照射することを特徴とするプラスチック成形加工方法の技術が開示されている。
さらに、特許文献４には、少なくとも賦形面以外の本体部分が赤外線透過材からなるプラスチック成形加工用スタンパの技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３８３９７２６号公報
【特許文献２】特開２００９−５６６１９号公報
【特許文献３】特許４３６３７２７号公報
【特許文献４】特開２００１−１５８０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１の成形方法は、不活性ガスの超臨界流体を樹脂材料に浸透させ、樹脂粘度を低下させることにより、微細構造の高精度転写を可能とし、また、金型圧力を開放することで超臨界流体をガス化し、このガス圧力により樹脂成形品の離型性が向上しているものの、樹脂材料を固化もしくは硬化させるために、金型温度をガラス転移点Ｔｇ以下に冷却する際、冷却に長い時間を必要とした。すなわち、成形サイクルタイムを短縮できず、生産性を向上させることができないといった問題があった。
【０００８】
また、特許文献２のプラスチック成形品の製造方法は、高圧ガスを溶解することでプラスチックの軟化温度を低下させ、加熱／冷却の工程を要することなくプラスチック母材の表面に転写面を高精度転写でき、低コストの製造方法ではあるものの、より微細構造の転写に対応できることが要望されていた。
【０００９】
さらに、特許文献３のプラスチック成形加工方法は、少なくとも一部が赤外線透過材料からなるスタンパの賦形面を基材の転写面と密着状態に保持し、スタンパに対して基材を指向する方向に赤外線を照射することにより、生産性を向上させることができるものの、より微細構造の転写に対応できることが要望されていた。
また、特許文献４のプラスチック成形加工用スタンパは、赤外線照射方式のプラスチック成形加工方法に適しているものの、より微細構造の転写に対応できることが要望されていた。
【００１０】
本発明は、以上のような問題などを解決するために提案されたものであり、賦形面の微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を向上させることのできるプラスチック成形品の成形方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明のプラスチック成形品の成形方法は、ガスが含浸され、固化又は硬化したプラスチックに対して、金型の賦形面を前記プラスチックの転写面に押圧した状態で、前記転写面を加熱し、前記賦形面の構造を前記転写面に転写する工程と、前記賦形面を前記転写面に押圧した状態で、前記プラスチックを固化又は硬化させる工程と、前記押圧した状態を解除することによって、前記押圧した状態により圧縮されていた前記加熱により前記プラスチックから放出されたガスを膨張させ、この膨張するガスを利用して、プラスチック成形品を離型させる工程とを有する方法としてある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のプラスチック成形品の成形方法によれば、賦形面の微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
【図２】図２は、本発明の第一実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明するための要部の概略拡大断面図を示している。
【図３】図３は、本発明の応用例にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明するための要部の概略拡大断面図を示している。
【図４】図４は、本発明の第二実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
【図５】図５は、本発明の第三実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
【図６】図６は、本発明の第四実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
【図７】図７は、本発明の第四実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法の実施例及び比較例を説明するための表を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［プラスチック成形品の成形方法の第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
図１において、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、プラスチック基板６に対して金型１を用いて圧縮成形を行う成形方法であり、転写工程、固化工程及び離型工程を有している。
なお、本実施形態では、プラスチック基板６の材質をポリエチレンテレフタレートなどの結晶性樹脂としてあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、非晶性樹脂としてもよい。また、非晶性樹脂を使用する場合、固化工程は、硬化工程と呼称される。
【００１５】
（転写工程）
転写工程は、ガスが含浸され、固化したプラスチック基板６に対して、金型１の賦形面５１をプラスチック基板６の転写面６１に押圧した状態で、転写面６１を加熱し、賦形面５１の形状を転写面６１に転写する。
また、本実施形態では、後述するように、転写面６１を赤外線の輻射加熱によって加熱する方法としてある。なお、赤外線照射手段（図示せず）として、炭酸ガスレーザ装置やハロゲンランプなどが用いられる。
【００１６】
まず、金型１は、図１（ａ）に示すように、上型２及び下型３を有している。この上型２及び下型３は、図示してないが、プレス機（たとえば、低圧プレス機（プレス推力：２０ｋＮ））に取り付けられている。
上型２は、上面側にほぼ板状の光透過部材４が埋設され、下面側にほぼ板状のスタンパ５が埋設されている。光透過部材４及びスタンパ５は、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、サファイアなどの赤外線透過部材であり、上型２の外部から照射された赤外線を透過する。これにより、プラスチック基板６の転写面６１は、赤外線の輻射加熱によって加熱される。また、スタンパ５の下面には、複数の凹部５２及び凸部５３が形成されている。
【００１７】
また、この凹凸形状は、通常、スタンパ５の下面に直接的に形成されるが、これに限定されるものではない。たとえば、凹凸形状の形成された、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ或いはこれらの合金などの金属製薄板（図示せず）を貼り付けてもよい。この金属製薄板の厚さは、特に限定されるものではないが、通常、照射された赤外線の一部が透過する厚さであるとよい。あるいは、スタンパ５の下面に、薄膜トランジスタに用いられるような金属製の薄膜を積層し、エッチングによって凹凸形状を形成してもよい。
このようにすると、Ｓｉなどの脆性材料に微細なパターンを刻設することは、機械加工的に困難な場合があるといった不具合や、転写成形を繰り返すことにより、Ｓｉなどの脆性材料に刻設されたパターンが崩れ易くなるといった不具合を効果的に回避することができる。
また、下型３は、上面に、プラスチック基板６に対応する形状の凹部が形成されており、この凹部にプラスチック基板６が位置決めされた状態で載置される。
【００１８】
なお、本実施形態では、スタンパ５を補強するために、光透過部材４を設けているが、これに限定されるものではなく、たとえば、スタンパ５が十分な機械的強度を有する場合、光透過部材４を取り付けず、赤外線を通すための開口部を形成してもよい。
また、光透過部材４及びスタンパ５の形状、厚さ、個数などは、特に限定されるものではなく、たとえば、一つの上型２に複数の光透過部材４及びスタンパ５を配設してもよい。
【００１９】
プラスチック基板６は、ポリエチレンテレフタレートを既知の射出成形などで板状に成形し、固化させた後、圧力釜の中で高圧ガスを含浸させたものである。含浸されるガスは、通常、二酸化炭素、窒素などが使用され、成形されたプラスチック基板６は、所定の圧力（例えば、炭酸ガスの場合７．４ＭＰａ以上、窒素ガスの場合３．４ＭＰａ以上）及び、所定の温度（例えば、炭酸ガスの場合３１℃以上、窒素ガスの場合−１４７℃以上）で、所定の時間（たとえば、１分〜６０分）だけ二酸化炭素の環境下に置かれる。
上記の環境にプラスチック基板６が置かれると、プラスチック基板６にガスが含浸され、その後、プラスチック基板６は、図１（ａ）に示すように、下型３に載置される。
【００２０】
次に、図１（ｂ）に示すように、プレス機により上型２及び／又は下型３を移動させ、賦形面５１をプラスチック基板６の転写面６１に押圧した状態で、赤外線を照射し、転写面６１を加熱する。
なお、押圧するタイミングと赤外線を照射するタイミングは、通常、ほぼ同時、あるいは、赤外線を照射するタイミングが押圧するタイミングより遅いが、これに限定されるものではなく、たとえば、プラスチック基板６の材質、凹部５２及び凸部５３の形状、赤外線の出力などに応じて調整される。
また、上記の「転写面を加熱し」とは、「転写面及び該転写面から所定の深さまでの領域のみを加熱し」といった意味である。
【００２１】
上型２の上方から照射された赤外線は、光透過部材４及びスタンパ５を透過し、透過した赤外線の輻射加熱によって、プラスチック基板６の転写面６１が加熱される。
一般的なプラスチック材料は、赤外線領域の吸収係数が高く、よって赤外線をよく吸収するので、照射された赤外線の多くはプラスチック基板６の転写面６１で吸収され、基板内部には到達せず、結果、転写面６１及び転写面６１から所定の深さまでの領域のみが局所的に加熱される。
ここで、赤外線は、赤外線透過部材である光透過部材４及びスタンパ５を透過するので、光透過部材４及びスタンパ５は、ほぼ加熱されず、また、鋼製の上型２は、赤外線が照射されないので、加熱されない。
このように加熱される領域が限定的であると、その熱容量も少なくなるため、赤外線の照射を停止すると、熱は熱伝導率の高いスタンパ５及び光透過部材４及び上型２の順に移動し、被加熱領域は短時間で冷却される。したがって、生産性を向上させることが出来る。
【００２２】
ここで、好ましくは、図２（ａ）に示すように、転写面６１及びこの転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱し、前記所定の深さＨ１（すなわち、被加熱部６２の深さ）が、賦形面５１の最も高い凸部５３から最も深い凹部５２までの距離Ｈ０の１．０倍以上１０倍以下の深さ、より好ましくは、１．５倍以上５倍以下の深さであるとよい。
このようにすると、プラスチック基板６の全体を加熱する場合と比べると、転写に必要な領域のみを加熱するので、加熱及び冷却に要する時間を短縮でき、生産性を向上させることができる。
上記の数値限定の理由は、１．０倍未満であると、転写に悪影響を及ぼすおそれがあるからであり、また、１０倍を超えると、加熱及び冷却に要する時間が長くなり、その分生産性を向上させることができなくなるからである。
【００２３】
次に、図１（ｃ）に示すように、被加熱部６２の溶融又は軟化して粘度が低下した樹脂が、賦形面５１の凹部５２に入り込み、転写が開始される。
更にここで、プラスチック基板６は、上述したように、あらかじめガスが含浸されているので、加熱した際、樹脂の粘度が更に低下し、賦形面５１の微細なパターン（凹部５２及び凸部５３による構造）を精度よく転写できる。
【００２４】
また、プラスチック基板６に含浸されたガスの溶解性は、温度依存性を有しているので、加熱された樹脂から短時間で溶解ガス（含浸されたガス）が放出する。ただし、プレス機が、金型１の賦形面５１をプラスチック基板６の転写面６１に押圧しているので、放出された溶解ガスは、賦形面５１の表面（凹部５２や凸部５３の表面）と被加熱部６２の表面との間に、圧縮された状態で（たとえば、図２（ｂ）に示す圧縮されたガス６５のように）存在している。
また、被加熱部６２の樹脂は、図２（ｂ）に示すように、凹部５２のほぼ全体に入り込んでおり、賦形面５１の構造が転写面６１に転写される。
【００２５】
（固化工程）
次に、図１（ｄ）に示すように、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態で、赤外線の照射を停止し、プラスチック基板６（溶融又は軟化した被加熱部６２）を固化又は硬化させる。
この際、上述したように、転写面６１及びこの転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱しており、上型２、光透過部材４及びスタンパ５は、ほぼ昇温していないので、溶融又は軟化した被加熱部６２は、短時間で冷却され、固化又は硬化する。すなわち、冷却時間が短縮でき、生産性を向上させることができる。
また、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態で、プラスチック基板６（溶融又は軟化した被加熱部６２）を固化又は硬化させることにより、転写工程において放出された溶解ガスが、圧縮された状態に維持される。すなわち、転写面６１に転写された形状が維持された状態で、プラスチック基板６（溶融又は軟化した被加熱部６２）を固化又は硬化させることができる。
【００２６】
ここで、好ましくは、転写工程及び固化工程において、所定の圧力（１．０ＭＰａ〜１０ＭＰａ）で賦形面５１を転写面６１に押圧するとよく、このようにすると、プラスチック基板６の樹脂が発泡するといった不具合を効果的に防止することができる。
なお、所定の圧力を１．０ＭＰａ〜１０ＭＰａとした理由は、１．０ＭＰａ未満であると、樹脂の発泡を効果的に防止することができないおそれがあるからであり、また、１０ＭＰａを超えて加圧すると、溶出されたガスが臨界点を超えるため、再び樹脂内に溶解してしまう。
【００２７】
（離型工程）
次に、図１（ｅ）に示すように、プレス機により上型２及び／又は下型３を移動させ、賦形面５１を転写面６１に押圧した状態を解除する。これにより、転写工程において、加熱によりプラスチック基板６から放出され、押圧した状態により圧縮されていたガス６５を、図２（ｃ）に示すように膨張させ、この膨張するガス６６を利用して、プラスチック基板６を離型させる。
すなわち、膨張するガス６６によって、プラスチック基板６の転写面６１は、賦形面５１から離れようとするので、プラスチック基板６を容易に離型させることができる。また、プラスチック基板６に転写された凸部６３や凹部６４が微細であっても、膨張するガス６６のガス圧を利用して離型させるので、凸部６３や凹部６４にダメージを与えるといった不具合を効果的に防止することができる。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法によれば、賦形面５１の微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を大幅に向上させることができる。
また、本実施形態は、様々な応用例を有している。
次に、本実施形態の応用例について、図面を参照して説明する。
【００２９】
＜プラスチック成形品の成形方法の応用例＞
図３は、本発明の応用例にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明するための要部の概略拡大断面図を示している。
図３において、本応用例のプラスチック成形品の成形方法は、上述した第一実施形態と比べると、プラスチック基板６ａが、含浸ガスバリア層６７を有する多層化された基板状又はシート状であり、含浸ガスバリア層６７上に、転写面６１を有する層（転写部６９）が積層された点などが相違する。なお、本応用例の他の方法は、第一実施形態とほぼ同様としてある。
したがって、図３において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３０】
プラスチック基板６ａは、基部６８、含浸ガスバリア層６７及び転写部６９が順に積層されており、転写部６９の上面が転写面６１である。
基部６８及び転写部６９の材質は、ポリエチレンテレフタレートとしてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、基部６８の材質を、耐熱性や機械的強度に優れた材質としたり、また、基部６８と転写部６９の材質が異なっていてもよい。
【００３１】
また、含浸ガスバリア層６７は、含浸されるガス（たとえば、二酸化炭素）を透過させにくくする層であり、材質は、通常、エチレンビニルアルコール共重合体である。なお、材質は、エチレンビニルアルコール共重合体に限定されるものではなく、たとえば、含浸されるガス（たとえば、二酸化炭素）を透過させにくくする特性（ガスバリア性）を有する材質としてもよい。
この含浸ガスバリア層６７を基部６８と転写部６９の間に設けることにより、ガスを含浸する際、転写部６９だけに含浸させることができ、転写面６１を加熱する際、放出されるガス量が多くなり過ぎないように、容易に制御することができる。また、基部６８と転写部６９にガスを含浸した場合であっても、転写面６１を加熱する際、基部６８からのガスは含浸ガスバリア層６７によってほぼ遮られ、転写部６９だけからガスが放出され、放出されるガス量が多くなり過ぎないように、容易に制御することができる。これにより、放出されるガス量を制御し、たとえば、発泡などの転写精度、製品価値に悪影響を与えるといった不具合を効果的に防止することができる。
【００３２】
ここで、好ましくは、転写部６９の厚さＨ２を、賦形面５１の最も高い凸部５３から最も深い凹部５２までの距離Ｈ０（図２（ａ）参照）の１．１倍以上５倍以下の厚さとするとよい。
このようにすると、放出されるガス量が多くなり過ぎるといった不具合を防止でき、発泡などの転写精度、製品価値の低下などを抑制することができる。
上記の数値限定の理由は、１．１倍未満であると、放出されるガス量が少なすぎて離型性に悪影響を及ぼすおそれがあるからであり、また、５倍を超えると、放出されるガス量が多くなり過ぎるおそれがあるからである。
【００３３】
また、転写部６９を無色透明とし、含浸ガスバリア層６７を有色としてもよい。このようにすると、赤外線により有色の含浸ガスバリア層６７が加温され、加温された含浸ガスバリア層６７の熱伝導によって、ほぼ均一に、かつ、加温し過ぎることがないように、転写部６９を加温することができる。これにより、転写部６９の温度を制御しやすくなるので、転写精度を向上させることができる。
【００３４】
このように、本応用例のプラスチック成形品の成形方法は、第一実施形態のプラスチック成形品の成形方法とほぼ同様の効果を奏するとともに、転写精度、製品価値、離型性に悪影響を与えるといった不具合を効果的に防止することができる。
【００３５】
［プラスチック成形品の成形方法の第二実施形態］
図４は、本発明の第二実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
図４において、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、上述した第一実施形態と比べると、転写面６１を加熱する赤外線照射手段の代わりに、フィルムヒータ７を用いた点などが相違する。なお、本実施形態の他の方法は、第一実施形態とほぼ同様としてある。
したがって、図４において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３６】
金型１ｂは、上型２ｂが、スタンパ５ｂ及びフィルムヒータ７を有し、フィルムヒータ７のジュール加熱によって、転写面６１を加熱する。
スタンパ５ｂは、材質が熱伝導性に優れたＣｕやＣｕ合金などであり、その他の構造は、スタンパ５とほぼ同様としてある。
また、フィルムヒータ７は、スタンパ５ｂの上面と上型２ｂの凹部の底面に挟まれた状態で設けられている。さらに、図示してないが、フィルムヒータ７と上型２ｂの間に、断熱材が設けられており、フィルムヒータ７のジュール熱によって、上型２ｂはほぼ加熱されず、スタンパ５ｂ及び転写面６１が加熱される。
すなわち、本実施形態は、赤外線照射の代わりに、フィルムヒータ７のジュール加熱によって、転写面６１を加熱する方法としてあり、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示す転写工程、図４（ｄ）に示す固化工程、及び図４（ｅ）に示す離型工程は、第一実施形態とほぼ同様である。
【００３７】
このように、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、第一実施形態のプラスチック成形品の成形方法とほぼ同様の効果を奏するとともに、フィルムヒータ７が、スタンパ５ｂ、並びに、転写面６１及び転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱し、上型２ｂをほぼ加熱しないので、熱容量が少なく短時間で冷却することができる。したがって、生産性を向上させることができる。また、赤外線照射手段などを必要としないので、成形装置の構造を単純化でき、設備費のコストダウンを図ることができる。
【００３８】
［プラスチック成形品の成形方法の第三実施形態］
図５は、本発明の第三実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
図５において、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、上述した第一実施形態と比べると、転写面６１を加熱する赤外線照射手段の代わりに、超音波加熱手段８を用いた点などが相違する。なお、本実施形態の他の方法は、第一実施形態とほぼ同様としてある。
したがって、図５において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３９】
金型１ｃは、上型２ｃが、スタンパ５ｃ及び超音波加熱手段８を有し、超音波加熱手段８の超音波加熱によって、転写面６１を加熱する。
スタンパ５ｃは、材質が熱伝導性に優れたアルミニウム合金などであり、その他の構造は、スタンパ５とほぼ同様としてある。また、スタンパ５ｃは、超音波加熱においては、ホーンとして機能し、上面のほぼ中央超音波加熱手段８の超音波発生装置８１が連結されている。
また、超音波加熱手段８は、超音波発生装置８１がスタンパ５ｃを超音波振動させ、賦形面５１と転写面６１の摩擦熱によって、転写面６１が加熱される。なお、図示してないが、スタンパ５ｃを超音波振動させるとき、上型２ｃとスタンパ５ｃはほぼ接触しないので、上型２ｃはほぼ加熱されず、スタンパ５ｃは、賦形面５１及び賦形面５１の近傍が加熱される。
すなわち、本実施形態は、赤外線照射の代わりに、超音波加熱手段８による超音波加熱によって、転写面６１を加熱する方法としてあり、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示す転写工程、図５（ｄ）に示す固化工程、及び図５（ｅ）に示す離型工程は、第一実施形態とほぼ同様である。
【００４０】
このように、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、第一実施形態のプラスチック成形品の成形方法とほぼ同様の効果を奏するとともに、超音波加熱手段８が、スタンパ５ｃの賦形面５１及び賦形面５１の近傍、並びに、転写面６１及び転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱し、上型２ｃ及びスタンパ５ｃをほぼ加熱しないので、熱容量が少なく短時間で冷却することができる。また、通常、加熱時間を１秒以下に短縮できる。したがって、生産性を向上させることができる。さらに、容易に、かつ、精度よく温度制御を行うことができるので、転写精度の向上や安定化を図ることができる。
【００４１】
［プラスチック成形品の成形方法の第四実施形態］
図６は、本発明の第四実施形態にかかるプラスチック成形品の成形方法を説明する概略断面図を示している。
図６において、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、上述した第一実施形態と比べると、Ｓｉなどの光透過材料で作ったスタンパ５の代わりに、Ｎｉなどの金属製板状スタンパ５ｄ及び金属製板状スタンパ５ｄに塗布された赤外線吸収塗膜５４を用いた点などが相違する。なお、本実施形態の他の方法は、第一実施形態とほぼ同様としてある。
したがって、図６において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００４２】
Ｓｉなどの光透過材料の多くは脆性材料であり、脆性材料に微細なパターンを刻設することは、機械加工的に困難であり高価になる場合があり、また、転写成形を繰り返すことにより、パターンが崩れる場合がある。これに対し、機械加工性、弾性に富んだ金属材料に変更することによって、よりランニングコストを改善することができる。
すなわち、金属製板状スタンパ５ｄは、材料が弾性や熱伝導性に優れたＮｉなどであり、厚さが１ｍｍ以下の薄板（あるいは、薄膜であってもよい。）である。
また、本実施形態では、金属製板状スタンパ５ｄの上面に、赤外線吸収塗膜５４を塗布してある。なお、赤外線吸収塗膜５４は、通常、赤外線領域の吸収係数が高い樹脂などを含んでいる。
【００４３】
本実施形態によれば、金型１ｄの外部から照射された赤外線は、光透過部材４ｄを透過し、金属製板状スタンパ５ｄに塗布された赤外線吸収塗膜５４到達する。ここで、赤外線の多くは、赤外線吸収塗膜５４で吸収され、金属製板状スタンパ５ｄが加熱される。
続いて、金属製板状スタンパ５ｄの熱伝導により、金属製板状スタンパ５ｄに接触している転写面６１が加熱される。
すなわち、本実施形態は、赤外線照射により転写面６１を直接加熱する代わりに、金属製板状スタンパ５ｄを加熱し、熱伝導によって、転写面６１を加熱する方法としてあり、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示す転写工程、図６（ｄ）に示す固化工程、及び図６（ｅ）に示す離型工程は、第一実施形態とほぼ同様である。
【００４４】
「実施例１」
本実施形態の実施例１として、上述した成形方法により、プラスチック基板に凹凸形状を成形した。
プラスチック基板６は、材質をポリエチレンテレフタレート（日本ユニペット製 ＲＴ５４３ＣＴＨＰ）とし、形状を矩形状（縦７０ｍｍ×横３０ｍｍ×板厚５ｍｍ）とした。
また、スタンパ５は、厚さ３００μｍ、材質をＮｉ（ニッケル）とし、賦形面５１として、深さ５０μｍ、幅５０μｍ、長さ２ｍｍの凹パターンを、間隙５０μｍで並設した。
また、光透過部材４の材質をＳｉとした。
また、含浸ガスとして、二酸化炭素を使用し、ガス含浸圧力を７．５ＭＰａ×１０分間（ガス温度約３５℃）とした。
また、赤外線照射手段として、炭酸ガスレーザ装置を使用し、照射強度を３００Ｗとし、約５秒間照射した。
さらに、プレス機として、低圧プレス機（プレス推力：１５ｋＮ）を使用した。
【００４５】
成形されたプラスチック基板６は、ほぼ自動的に離型でき、図７に示すように、離型性が良好（○）であり、凹パターンの転写率は約９９．５％であった。また、サイクルタイムが約１０秒であった。すなわち、微細なパターンを精度よく転写できるとともに、離型性及び生産性を大幅に向上させることができた。
【００４６】
「比較例１」
比較例１は、上述した実施例１と比べると、ガス含浸圧力を４．０ＭＰａ×１０分間（ガス温度約３５℃）とした点が相違した。なお、比較例１の他の方法は、実施例１とほぼ同様とした。
比較例１の成形されたプラスチック基板６は、離型できるものの吸引して離型させる必要があり、図７に示すように、離型性が十分良好ではなく（△）、凹パターンの転写率は約９９％であった。
【００４７】
「比較例２」
比較例２は、上述した実施例１と比べると、ガス含浸圧力を０．０ＭＰａ（大気圧）×１０分間（ガス温度約２０℃）とした点が相違した。なお、比較例２の他の方法は、実施例１とほぼ同様とした。
比較例２の成形されたプラスチック基板６は、離型にプラスチック基板６にダメージを与えるほどの外力を必要とし、図７に示すように、離型性が悪く（×）、凹パターンの転写率は、ダメージにより測定不能であった。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、第一実施形態のプラスチック成形品の成形方法とほぼ同様の効果を奏するとともに、赤外線が、赤外線吸収塗膜５４、金属製板状スタンパ５ｄ、並びに、転写面６１及び転写面６１から所定の深さＨ１までの領域のみを加熱し、冷却時には、金属製板状スタンパ５ｄの厚さが１ｍｍ以下であり、非常に熱容量が少ないので、短時間で冷却が完了する。したがって、生産性を向上させることができる。また、スタンパの機械加工が容易になり、且つ、寿命も長くなるため、ランニングコストを抑えることが可能となる。
【００４９】
以上、本発明のプラスチック成形品の成形方法について、好ましい実施形態などを示して説明したが、本発明に係るプラスチック成形品の成形方法は、上述した実施形態などにのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、各実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、圧縮成形を行う方法としてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、図示してないが、射出成形金型に、上述した金型１、１ｂ、１ｃ、１ｄなどを適用する方法としてもよい。このようにすると、射出成形を行うとともに、微細パターンを転写する圧縮成形を効率よく行うことができる。
【００５０】
また、賦形面５１は、一つに限定されるものではなく、たとえば、図示してないが、プラスチック基板６の両面に対して、異なる賦形面５１を設け、プラスチック基板６の両面に、ほぼ同時に転写してもよい。
【００５１】
さらに、各実施形態のプラスチック成形品の成形方法は、赤外線の輻射加熱、ジュール加熱、超音波加熱、又は、赤外線の輻射により加熱された金属製スタンパ５ｄの熱伝導によって、転写面６１を加熱しているが、これに限定されるものではない。たとえば、赤外線の輻射加熱、ジュール加熱、超音波加熱、及び、赤外線の輻射により加熱された金属製スタンパ５ｄの熱伝導の少なくとも一つによって、転写面６１を加熱してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１、１ｂ、１ｃ、１ｄ 金型
２、２ｂ、２ｃ、２ｄ 上型
３ 下型
４、４ｄ 光透過部材
５、５ｂ、５ｃ スタンパ
５ｄ 金属製板状スタンパ
６、６ａ プラスチック基板
７ フィルムヒータ
８ 超音波加熱手段
５１ 賦形面
５２ 凹部
５３ 凸部
５４ 赤外線吸収塗膜
６１ 転写面
６２ 被加熱部
６３ 凸部
６４ 凹部
６５ 圧縮されたガス
６６ 膨張するガス
６７ 含浸ガスバリア層
６８ 基部
６９ 転写部
８１ 超音波発生装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが含浸され、固化又は硬化したプラスチックに対して、金型の賦形面を前記プラスチックの転写面に押圧した状態で、前記転写面を加熱し、前記賦形面の構造を前記転写面に転写する工程と、
前記賦形面を前記転写面に押圧した状態で、前記プラスチックを固化又は硬化させる工程と、
前記押圧した状態を解除することによって、前記押圧した状態により圧縮されていた前記加熱により前記プラスチックから放出されたガスを膨張させ、この膨張するガスを利用して、プラスチック成形品を離型させる工程と
を有することを特徴とするプラスチック成形品の成形方法。
【請求項２】
前記転写面に転写する工程において、前記転写面及び該転写面から所定の深さまでの領域のみを加熱し、前記所定の深さＨ１が、前記賦形面の最も高い凸部から最も深い凹部までの距離Ｈ０の１．０倍以上１０倍以下の深さであることを特徴とする請求項１に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項３】
前記金型が、赤外線透過部材および金属製スタンパを有し、前記金型の外部から照射され、前記赤外線透過部材を透過する赤外線の輻射加熱によって、前記金属製スタンパを加熱し、熱伝導により前記転写面を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項４】
前記金型が、赤外線透過部材を有し、前記金型の外部から照射され、前記赤外線透過部材を透過する赤外線の輻射加熱によって、前記転写面を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項５】
前記金型が、フィルムヒータを有し、前記フィルムヒータのジュール加熱によって、前記転写面を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項６】
前記金型が、超音波加熱手段を有し、前記超音波加熱手段の超音波加熱によって、前記転写面を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項７】
前記転写面に転写する工程、及び、前記プラスチックを固化又は硬化させる工程において、所定の圧力で前記賦形面を前記転写面に押圧することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項８】
前記プラスチックが、含浸ガスバリア層を有する多層化された基板状又はシート状であり、前記含浸ガスバリア層上に、前記転写面を有する層が積層されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項１】
ガスが含浸され、固化又は硬化したプラスチックに対して、金型の賦形面を前記プラスチックの転写面に押圧した状態で、前記転写面を加熱し、前記賦形面の構造を前記転写面に転写する工程と、
前記賦形面を前記転写面に押圧した状態で、前記プラスチックを固化又は硬化させる工程と、
前記押圧した状態を解除することによって、前記押圧した状態により圧縮されていた前記加熱により前記プラスチックから放出されたガスを膨張させ、この膨張するガスを利用して、プラスチック成形品を離型させる工程と
を有することを特徴とするプラスチック成形品の成形方法。
【請求項２】
前記転写面に転写する工程において、前記転写面及び該転写面から所定の深さまでの領域のみを加熱し、前記所定の深さＨ１が、前記賦形面の最も高い凸部から最も深い凹部までの距離Ｈ０の１．０倍以上１０倍以下の深さであることを特徴とする請求項１に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項３】
前記金型が、赤外線透過部材および金属製スタンパを有し、前記金型の外部から照射され、前記赤外線透過部材を透過する赤外線の輻射加熱によって、前記金属製スタンパを加熱し、熱伝導により前記転写面を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項４】
前記金型が、赤外線透過部材を有し、前記金型の外部から照射され、前記赤外線透過部材を透過する赤外線の輻射加熱によって、前記転写面を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項５】
前記金型が、フィルムヒータを有し、前記フィルムヒータのジュール加熱によって、前記転写面を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項６】
前記金型が、超音波加熱手段を有し、前記超音波加熱手段の超音波加熱によって、前記転写面を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項７】
前記転写面に転写する工程、及び、前記プラスチックを固化又は硬化させる工程において、所定の圧力で前記賦形面を前記転写面に押圧することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【請求項８】
前記プラスチックが、含浸ガスバリア層を有する多層化された基板状又はシート状であり、前記含浸ガスバリア層上に、前記転写面を有する層が積層されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラスチック成形品の成形方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−９１４５６（Ｐ２０１２−９１４５６Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４２４８７（Ｐ２０１０−２４２４８７）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００３７６８）東洋製罐株式会社 (1,150)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００３７６８）東洋製罐株式会社 (1,150)
【Ｆターム（参考）】
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