(57)【要約】  成形サイクルタイムの短縮と金型から樹脂への転写性の向上とを両立しながらも、金型への微細形状の形成にあたって加工バラツキを防止する。上記課題を解決するため、本発明に係る成形用金型１は、樹脂材料からなる微細構造を形成した部材を射出成形で成形するための成形用金型であって、金型本体２と、金型本体２上に形成された断熱層４と、微細構造の形状を実質的に形成するための層であって断熱層４を介して金型本体２上に形成された表面層３とを有し、表面層３は転写加工によって形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂材料からなる微細構造を形成した部材を射出成形で成形するための成形用金型であって、
金型本体と、
前記金型本体上に形成された断熱層と、
微細構造の形状を実質的に形成するための層であって前記断熱層を介して前記金型本体上に形成された表面層とを有し、
前記表面層は転写加工によって形成されていることを特徴とする成形用金型。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の成形用金型において、
前記転写加工が電鋳加工であることを特徴とする成形用金型。
【請求項３】
請求の範囲第１項又は第２項に記載の成形用金型において、
前記表面層はニッケル、ニッケル−コバルト合金、ニッケル−コバルト−リン合金又は銅で構成されていることを特徴とする成形用金型。
【請求項４】
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか一項に記載の成形用金型において、
前記表面層は前記断熱層上に０．０５〜１．０ｍｍの範囲の厚みで形成されていることを特徴とする成形用金型。
【請求項５】
請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか一項に記載の成形用金型において、
前記断熱層は前記表面層に対して溶射法により形成されていることを特徴とする成形用金型。
【請求項６】
請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか一項に記載の成形用金型において、
前記断熱層の厚みが０．１〜２．０ｍｍであることを特徴とする成形用金型。
【請求項７】
請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか一項に記載の成形用金型において、
前記断熱層の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする成形用金型。
【請求項８】
請求の範囲第１乃至第７項のいずれか一項に記載の成形用金型において、
前記断熱層はセラミック系材料、チタン合金又はサーメットで構成されていることを特徴とする成形用金型。
【請求項９】
請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか一項に記載の成形用金型において、
前記断熱層と前記表面層との間にはニッケル−クロム系材料からなる中間層が設けられていることを特徴とする成形用金型。
【請求項１０】
請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか一項に記載の成形用金型において、
前記断熱層と前記金型本体との間には、アルミ系合金、コバルト系合金、ニッケル系合金、モリブデン系合金、銅系合金、チタン系合金、タングステン系合金又はサーメットからなる金属層が設けられていることを特徴とする成形用金型。
【請求項１１】
請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれか一項に記載の成形用金型において、
前記表面層には０．１μｍ〜１ｍｍの範囲の微細形状が形成されていることを特徴とする成形用金型。
【請求項１２】
請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれか一項に記載の成形用金型において、
前記表面層には、マイクロチップに形成される幅及び深さが１〜１０００μｍの範囲の微細流路に対応する凸部が形成されていることを特徴とする成形用金型。
【請求項１３】
樹脂材料からなる微細構造を形成した部材を射出成形で成形するための成形用金型であって、金型本体と、前記金型本体上に形成された断熱層と、微細構造の形状を実質的に形成するための層であって前記断熱層を介して前記金型本体上に形成された表面層とを有するものの製造方法において、
転写型マスターに微細構造素子形状を切削加工する第一工程と、
前記転写型マスター上に前記表面層を転写加工で形成する第二工程と、
前記表面層上に前記断熱層を形成する第三工程と、
前記転写型マスター上から前記表面層及び前記断熱層を離型する第四工程と、
を有することを特徴とする成形用金型の製造方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１３項に記載の成形用金型の製造方法において、
前記第一工程では、前記転写型マスターの表面に無電解ニッケルメッキ加工を施した後に切削加工することを特徴とする成形用金型の製造方法。
【請求項１５】
請求の範囲第１３項又は第１４項に記載の成形用金型の製造方法において、
前記第二工程では、前記転写型マスター上に酸化皮膜を形成する工程を含むことを特徴とする成形用金型の製造方法。
【請求項１６】
請求の範囲第１３項乃至第１５項のいずれか一項に記載の成形用金型の製造方法において、
前記第二工程では、前記表面層上にブラスト処理を施すことを特徴とする成形用金型の製造方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１３項乃至第１６項のいずれか一項に記載の成形用金型の製造方法において、
前記第二工程と前記第三工程との間で、ニッケル−クロム系材料からなる中間層を形成することを特徴とする成形用金型の製造方法。
【請求項１８】
請求の範囲第１３項乃至第１７項のいずれか一項に記載の成形用金型の製造方法において、
前記第三工程では、前記断熱層を形成した後に、アルミ系合金、コバルト系合金、ニッケル系合金、モリブデン系合金、銅系合金、チタン系合金、タングステン系合金又はサーメットからなる金属層を設けることを特徴とする成形用金型の製造方法。
【請求項１９】
請求の範囲第１３項乃至第１７項のいずれか一項に記載の成形用金型の製造方法において、
前記第三工程では、前記表面層の一部をマスクして前記断熱層を形成することを特徴とする成形用金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は樹脂成型品を形成するのに用いる成形用金型及びその製造方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
幅及び深さが１〜１０００μｍと非常に微細な流路を有する、有機化合物や生体試料の分析等に用いられるマイクロチップや、数十ｎｍオーダーの微細な段差構造を有する回折光学素子等は、樹脂を射出成形して形成された樹脂成型品で構成されることがあり、その成形には金型が使用されている（特許文献１，２参照）。【０００３】
特に特許文献１に開示された技術では、金型（１）の内部に温調媒体を通過させる温調媒体通路（６）を設けるとともに、当該温調媒体の金型への流入・流出口近傍に温調媒体を急速に加熱する電磁誘導加熱用のコイル（４）を設け、当該コイルの作用で温調媒体を加熱・冷却制御することで、ヒートサイクル成形における成形サイクルタイムの短縮を図っている（段落番号0008〜0014，図１，図２参照）。しかし、この手法では、熱容量の大きな金型を加熱・冷却する必要があるため、温調器（２）やそれに付随する部材（ホース３，１８等）、コントローラー（１９）といった部材が必須で大掛かりなシステム構成となるばかりでなく、成形サイクル内で強制加熱／強制冷却を行うため、成形サイクルタイムの短縮にも限界がある。【０００４】
これに対し、特許文献２に開示された技術は、金型の内部にジルコニア等で構成された断熱層（１）を形成して金型に接した樹脂の温度を高温に保つという簡単な構成となっており（段落番号0022〜0034，0046，図１〜図４参照）、当該構成の最適化により、成形サイクルタイムの短縮を図りながら、金型から樹脂への微細形状の転写性を向上させることができるようになっている。
【特許文献１】特開平８−１０３９３１号公報
【特許文献２】特開２００２−９６３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に開示された金型（断熱構造を有した金型）では、それに形成された微細形状が高精度で樹脂に転写されるものの、金型そのものに直接的に切削加工を施して表面加工層（２）を設けるという構成を有しているため、例えば、多数の樹脂成型品を同時に成形可能な金型（多数個取りの金型）であって複数の同一微細形状を有するものは、１つの金型に複数の同一微細形状を形成する際に各形成過程で加工バラツキを生じる可能性がある。【０００６】
本発明の目的は、成形サイクルタイムの短縮と金型から樹脂への転写性の向上とを両立しながらも、金型への微細形状の形成にあたって加工バラツキを防止することである。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため第１の発明は、
樹脂材料からなる微細構造を形成した部材を射出成形で成形するための成形用金型であって、
金型本体と、
前記金型本体上に形成された断熱層と、
微細構造の形状を実質的に形成するための層であって前記断熱層を介して前記金型本体上に形成された表面層とを有し、
前記表面層は転写加工によって形成されていることを特徴としている。【０００８】
上記第１の発明においては、
前記転写加工が電鋳加工であるのが好ましい。【０００９】
上記第１の発明においては、前記表面層はニッケル、ニッケル−コバルト合金、ニッケル−コバルト−リン合金又は銅で構成されているのが好ましい。【００１０】
上記第１の発明においては、前記表面層は前記断熱層上に０．０５〜１．０ｍｍの範囲の厚みで形成されているのが好ましい。【００１１】
上記第１の発明においては、前記断熱層は前記表面層に対して溶射法により形成されているのが好ましい。【００１２】
上記第１の発明においては、前記断熱層の厚みが０．１〜２．０ｍｍであるのが好ましい。【００１３】
上記第１の発明においては、前記断熱層の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのが好ましい。【００１４】
上記第１の発明においては、前記断熱層はセラミック系材料、チタン合金又はサーメットで構成されているのが好ましい。【００１５】
上記第１の発明においては、前記断熱層と前記表面層との間にはニッケル−クロム系材料からなる中間層が設けられているのが好ましい。【００１６】
上記第１の発明においては、前記断熱層と前記金型本体との間には、アルミ系合金、コバルト系合金、ニッケル系合金、モリブデン系合金、銅系合金、チタン系合金、タングステン系合金又はサーメットからなる金属層が設けられているのが好ましい。【００１７】
上記第１の発明においては、前記表面層には幅及び深さ、又は幅及び高さが０．１μｍ〜１ｍｍの範囲の微細形状が形成されているのが好ましい。【００１８】
上記第１の発明においては、前記表面層には、マイクロチップに形成される幅及び深さが１〜１０００μｍの範囲の微細流路に対応する凸部が形成されているのが好ましい。【００１９】
第２の発明は、
樹脂材料からなる微細構造を形成した部材を射出成形で成形するための成形用金型であって、金型本体と、前記金型本体上に形成された断熱層と、微細構造の形状を実質的に形成するための層であって前記断熱層を介して前記金型本体上に形成された表面層とを有するものの製造方法において、
転写型マスターに微細構造素子形状を切削加工する第一工程と、
前記転写型マスター上に前記表面層を転写加工で形成する第二工程と、
前記表面層上に前記断熱層を形成する第三工程と、
前記転写型マスター上から前記表面層及び前記断熱層を離型する第四工程と、
を有することを特徴としている。【００２０】
上記第２の発明においては、前記第一工程では、前記転写型マスターの表面に無電解ニッケルメッキ加工を施した後に切削加工するのが好ましい。【００２１】
上記第２の発明においては、前記第二工程では、前記転写型マスター上に酸化皮膜を形成する工程を含むのが好ましい。【００２２】
上記第２の発明においては、前記第二工程では、前記表面層上にブラスト処理を施すのが好ましい。【００２３】
上記第２の発明においては、前記第二工程と前記第三工程との間で、ニッケル−クロム系材料からなる中間層を形成するのが好ましい。【００２４】
上記第２の発明においては、前記第三工程では、前記断熱層を形成した後に、アルミ系合金、コバルト系合金、ニッケル系合金、モリブデン系合金、銅系合金、チタン系合金、タングステン系合金又はサーメットからなる金属層を設けるのが好ましい。【００２５】
上記第２の発明においては、前記第三工程では、前記表面層の一部をマスクして前記断熱層を形成するのが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
第１，第２の発明によれば、成形サイクルタイムの短縮と金型から樹脂への転写性の向上とを両立しながらも、金型への微細形状の形成にあたって加工バラツキを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】成形用金型１の断面図である。
【図２】成形用金型１の製造方法を説明するための図面（断面図）である。
【図３】成形用金型３０の断面図である。
【図４】成形用金型３０の製造方法を説明するための図面（断面図）である。
【図５】成形用金型３０の変形例を示す図面である。
【符号の説明】
【００２８】
１，３０  成形用金型
２  金型本体
３  表面層
３ａ  凸部
４  断熱層
１０  マスター
１１  マスターブランク
１２  メッキ層
１３  流路部
２０  第１の電鋳加工体
２１  マスク部材
２２  第２の電鋳加工体
２３  溶射体
３１  固定部材
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲は以下の実施形態及び図示例に限定されるものではない。
［第１の実施形態］
始めに、図１を参照しながら本発明に係る「成形用金型（１）」の概略構成について説明する。【００３０】
成形用金型１は樹脂材料からなる微細構造を形成した部材（樹脂成型品）を射出成形で成形するための金型であり、マイクロチップや光学素子等の樹脂成型品を形成する際に好適に用いられるものである。成形用金型１は、外観が略直方体状を呈しかつ鋼等の金属材料で構成された金型本体２（ベース金型）を有しており、金型本体２上には表面層３と断熱層４とが形成されている。【００３１】
表面層３は微細構造の形状を実質的に形成するための層であり、後述の転写加工により形成されている。表面層３は、断熱層４を介して金型本体２上に形成されており、断熱層４上に０．０５〜１．０ｍｍの範囲の厚みで形成されている。表面層３はニッケル，ニッケル−コバルト合金，ニッケル−コバルト−リン合金，銅等で構成されており、表面層３上には凸部３ａが形成されている。【００３２】
凸部３ａは樹脂成型品に形成される微細構造の凹部に対応するもので、幅及び深さ、又は幅及び高さが０．１〜１ｍｍの範囲の微細形状を呈している。凸部３ａは幅及び高さが１〜１０００μｍの範囲の微細流路状を呈していてもよく、この場合、当該成形用金型１から成形されるマイクロチップや光学素子等の樹脂成型品には幅及び深さが１〜１０００μｍの範囲の微細流路を形成することができる。【００３３】
断熱層４は表面層３の表面に射出された樹脂の熱が金型本体２の全体にゆきわたるのを防止する機能を有しており、樹脂の射出を受けた部位とその近傍とに熱を保持するようになっている。断熱層４はセラミック系材料，チタン合金，サーメット等の材料で構成されており、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有している。断熱層４は表面層３に対して後述の溶射法により形成されており、厚みが０．１〜２．０ｍｍとなっている。【００３４】
続いて、図２を参照しながら本発明に係る「成形用金型の製造方法」について説明する。【００３５】
成形用金型１の製造の前提として、図２に示すマスター１０を使用するようになっている。転写型マスターとしてのマスター１０は成形用金型１の母体となるもので、その外周に沿って溝を有するマスターブランク１１に対しＮｉ−Ｐメッキ加工が施されてメッキ層１２が形成されたものである。【００３６】
実際の成形用金型１の製造では、始めに、図２（ａ）に示す通りにメッキ層１２の上面に微細構造素子形状の切削加工を施し、樹脂成型品の微細流路等の凹部に相当する流路部１３を形成する（第一工程）。【００３７】
なお、マスター１０においては、メッキ層１２は必ずしも必須ではないが、特に材質の均質性の観点では当該メッキ層１２が形成されているのが好ましい。上記第一工程では、マスターブランク１１上に（メッキ層１２を形成せずに）無電解Ｎｉメッキ加工を施してその後に切削加工を行ってもよく、この場合切削性、硬度の観点で更に好ましい。【００３８】
その後、金型本体２との離型性を向上させるため、マスター１０の上面に酸化皮膜（図示略）を形成し、その後に当該酸化皮膜の上部に電鋳加工を施してニッケル，ニッケル−コバルト合金，ニッケル−コバルト−リン合金，銅等で構成された肉厚の第１の電鋳加工体２０を形成する。第１の電鋳加工体２０の形成では、電鋳加工を施さなくてもよく、例えば無電解Ｎｉメッキ加工等の他の転写加工を施してもよい。【００３９】
ここで電鋳加工とは、マスター１０の表面に電気メッキ法によりニッケル，ニッケル−コバルト合金，ニッケル−コバルト−リン合金，銅等の金属を析出させた後、この金属をマスター１０から剥離して製品とする技術であり、当該電鋳加工ではマスター１０の形状を忠実かつ正確に転写することができる。【００４０】
その後、図２（ｂ）に示す通り、第１の電鋳加工体２０を研削加工して、第１の電鋳加工体２０の肉厚を０．０５〜１．０ｍｍ程度まで薄くしながらその上面を平面にする。当該第１の電鋳加工体２０は表面層３に相当するもので、当該第１の電鋳加工体２０を形成する工程が第二工程に相当する。【００４１】
その後、図２（ｃ）に示す通り、第１の電鋳加工体２０の上部であって断熱層４を形成しようとする部位以外の部位に対しマスク部材２１をマスキングし、そのマスク部材２１で囲まれた部位にセラミック系材料，チタン合金，サーメット等の材料を一定の厚みになるまで溶射して断熱層４を形成する（第三工程）。【００４２】
なお、当該第三工程では、断熱層４の形成は溶射に限らず、セラミック系材料，チタン合金，サーメット等の材料を第１の電鋳加工体２０上に接着等することで行ってもよい。また、マスク部材２１のマスキングは必ずしも必須ではなく、マスク部材２１の当該マスキング範囲は、最終的な成形用金型１の外形に対して０．１〜２ｍｍの範囲内で内側に配置されるのが好ましい。係る範囲はその後の第２の電鋳加工体２２の形成（再電鋳加工，厚肉電鋳での抱え込み）を想定してのものであり、最終的な成形用金型１の外形に対して０．１ｍｍ内側にマスキングをするということは、側面の電鋳層厚みが０．１ｍｍと同義となるが、これを下回ると破損の可能性があり、上限は断熱層４としての断熱効果を効果的に作用させるためのものである。【００４３】
その後、マスク部材２１を除去するとともに、断熱層４の上面に導電膜（図示略）を形成して導電性を付与する。当該導電膜はＮｉ−Ｐメッキ加工を施して形成したものであってもよいし、金属材料を溶射して形成したものであってもよい。【００４４】
その後、図２（ｄ）に示す通り、断熱層４と第１の電鋳加工体２０との上部に再度電鋳加工を施し、第１の電鋳加工体２０との間に断熱層４を包み込むようにして肉厚の第２の電鋳加工体２２を形成し、これらを一体とする。当該第２の電鋳加工体２２は金型本体２に相当するものである。【００４５】
その後、第１，第２の電鋳加工体２０，２２の一体物とマスター１０とを離型しない状態で、図２（ｅ）中矢印Ａに示す通り、当該一体物の外形を追込み加工してその側面がマスター１０（メッキ層１２）の側面に一致するまで当該一体物の側部を除去する。その結果、金型本体２と表面層３とを形成することができる。【００４６】
その後、図２（ｅ）中矢印Ｂに示す通り、マスター１０から金型本体２、表面層３及び断熱層４を離型し（第四工程）、表面層３の下面（転写面）とマスター１０のメッキ層１２の上面とに介在させた上記酸化皮膜を除去する。その結果、マスター１０の流路部１３に対応した凸部３ａが形成された表面層３と断熱層４とを具備した成形用金型１を製造することができる。【００４７】
以上の本実施形態では、金型本体２の内部に断熱層４が形成されているから、樹脂の射出成型時において成形用金型１の温度を大幅に変動させる必要がなく、その分だけ成形サイクルタイムの短縮を図ることができる。その一方で、凸部３ａとその近傍との温度も高温に保持され、成形用金型１から樹脂への転写性の向上を図ることができる。【００４８】
更に、金型本体２の凸部３ａの形成に際して、当該凸部３ａが切削加工ではなくマスター１０に対し転写加工が施されて形成されているから、１つのマスター１０から複数の同一微細形状を形成する１つの成形用金型１を作製する場合に表面層３への微細形状の形成にあたって加工バラツキが生じるのを防止することができるし、１つのマスター１０から同一形状を呈した複数の成形用金型１を作製する場合も各成形用金型１同士で加工バラツキが生じるのを防止することができる。以上から、成形サイクルタイムの短縮と金型から樹脂への転写性の向上とを両立しながらも、金型への微細形状の形成にあたって加工バラツキを防止することができる。【００４９】
なお、微細流路を有するマイクロチップや微細構造を有するレンズ，プリズム等の光学素子においては、微細形状の転写性もさることながら、各部品間の形状バラツキを抑えることが必須となるため、本発明に係る成形用金型１（第２の実施形態に係る成形用金型３０を含む。）及びその製造方法は非常に有効である。
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る成形用金型（３０）及びその製造方法は下記の点で第１の実施形態と異なっており、それ以外は第１の実施形態と同様となっている。【００５０】
図３に示す通り、成形用金型３０では、断熱層４が金型本体２上で面一に形成されており、金型本体２の上部を覆っている。【００５１】
当該成形用金型３０の製造方法では、始めに、図４（ａ），（ｂ）に示す通りに第一工程，第二工程の各処理を施してマスター１０に対し表面層３に相当する第１の電鋳加工体２０を形成する。【００５２】
第三工程では、図４（ｃ）に示す通り、単に（マスキングせずに）セラミック系材料，チタン合金，サーメット等の材料を一定の厚みになるまで溶射し、断熱層４に相当する溶射体２３を形成する。【００５３】
第四工程では、第１の電鋳加工体２０と溶射体２３の一体物とマスター１０とを離型しない状態で、図４（ｄ）中矢印Ａに示す通り、当該一体物の外形を追込み加工してその側面がマスター１０（メッキ層１２）の側面に一致するまで当該一体物の側部を除去する。その結果、表面層３と断熱層４とを形成することができる。【００５４】
その後、図４（ｄ）中矢印Ｂに示す通り、マスター１０から表面層３及び断熱層４を離型する。【００５５】
その後、図４（ｅ）に示す通り、表面層３，断熱層４と金型本体２とを接着剤で接合する。表面層３，断熱層４と金型本体２との接合は、ネジ止めで行ってもよいし、クランプ固定で行ってもよい。その結果、成形用金型３０を製造することができる。表面層３，断熱層４と金型本体２との接合を、図５に示す通りに機械的な固定部材３１で行ってこれを成形用金型３０としてもよい。【００５６】
なお、本発明は上記第１，第２の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計変更をおこなってもよい。【００５７】
一の改良・設計変更事項として、第二工程では、表面層３に相当する第１の電鋳加工体２０上にブラスト処理を施してもよい。【００５８】
他の改良・設計変更事項として、第二工程と第三工程との間に中間層を形成する工程を設けて、表面層３と断熱層４との間に、ニッケル−クロム系材料からなる中間層を設けてもよい。【００５９】
他の改良・設計変更事項として、第三工程では、断熱層４上に金属層を形成する工程を設けて、断熱層４と金型本体２との間に、アルミ系合金，コバルト系合金，ニッケル系合金，モリブデン系合金，銅系合金，チタン系合金，タングステン系合金，サーメット等からなる金属層を設けてもよい。
【図１】
2008053732.tif 000003
【図２】
2008053732.tif 000004
【図３】
2008053732.tif 000005
【図４】
2008053732.tif 000006
【図５】
2008053732.tif 000007
【国際調査報告】
2008053732.tif 000008
2008053732.tif 000009
2008053732.tif 000010
2008053732.tif 000011