(57)【要約】【課題】成形用金型と素材シートとの間への気泡の巻き込みを防止可能なプレス成形体の素材シート及びこれを用いたプレス成形方法を提供する。【解決手段】凸パターン２２の形成面を下向きにして、平滑な平面状に形成された固定金型７の上面に素材シート１Ａを載置する。次いで、加圧機構６を駆動して可動金型２をヒータ４及びステージ５と共に下降し、可動金型２の下面と固定金型７の上面との間に素材シート１を挟み込む。次いで、ヒータ４，７の熱を素材シート１Ａに加えて当該素材シート１の表面を軟化しつつ加圧機構６を駆動して素材シート１に所要の押圧力を加える。素材シート１Ａを所定温度まで冷却した後、加圧機構６を駆動して可動金型２と固定金型７とを型開きし、製品であるプレス成形体（光学デバイス）１０を取り出す。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性材料からなり、シート状に形成された基体と当該基体の片面又は両面に形成された凸パターンとを有することを特徴とするプレス成形体の素材シート。
【請求項２】
前記凸パターンの断面形状が、錐状、半球状又は釣鐘状であることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形体の素材シート。
【請求項３】
前記凸パターンの平面形状が、点状、直線状又は曲線状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプレス成形体の素材シート。
【請求項４】
前記基体及び前記凸パターンが、押出成形法、射出成形法又はプレス成形法で一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプレス成形体の素材シート。
【請求項５】
成形用金型に挟み込まれた熱可塑性材料からなる素材シートに押圧力と熱とを加え、前記素材シートの表面に前記成形用金型に形成された微細な凹凸パターンを転写するプレス成形方法において、
前記素材シートとしてシート状に形成された基体と当該基体の片面又は両面に形成された凸パターンとを有するものを用い、
前記成形用金型を操作して前記素材シートに押圧力と熱とを加えることにより、前記素材シートの表面に前記成形用金型に形成された微細な凹凸パターンを転写すると共に、前記基体内に前記凸パターンを埋め込んで前記凸パターンを消失させることを特徴とするプレス成形方法。
【請求項６】
前記成形用金型に対する前記素材シートの挟み込み時に、前記成形用金型の凹凸パターン非形成部に前記素材シートに形成された凸パターンの頂部を当接させることを特徴とする請求項５に記載のプレス成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス成形体の素材シート及びこれを用いたプレス成形方法に係り、特に、プレス成形時における空気の巻き込みを防止して素材シートの表面に微細な凹凸パターンを高精度に転写する手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスク、回折格子、導光板及びマイクロレンズアレイなどの光学デバイスには、その小型化・薄形化及び高性能化を図るため、ナノスケールの微細な凹凸パターンを表面に形成することが求められている。
【０００３】
従来より、表面に微細な凹凸パターンを有する光学デバイスの成形方法として、熱可塑性プラスチックやガラスからなる素材シートを成形用金型に挟み込み、素材シートに熱を加えてその表面を軟化した後、素材シートに押圧力を加えてその表面に成形用金型の表面に形成された所要の凹凸パターンを転写するホットエンボス法と呼ばれるプレス成型法の一種を適用することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図５は従来より光学デバイスの成形に適用されているプレス成形体の素材シートとこれを用いたプレス成形方法とを示す図であって、１は素材シート、２は成形用金型の一部を構成する可動金型、３は可動金型２の下面に形成された微細な凹凸パターン、４は可動金型２を加熱するヒータ、５は可動金型２及びヒータ４を保持するステージ、６はステージ５を上下動する加圧機構、７は成形用金型の他の一部を構成する固定金型、８は固定金型７を加熱するヒータ、９は固定金型７及びヒータ８を保持するステージを示している。
【０００５】
図５（ａ）に示すように、従来においては、素材シート１として表裏面が平滑に形成されたものが用いられており、以下の手順で光学デバイスの成形が行われている。即ち、まず図５（ａ）に示すように、平滑な平面状に形成された固定金型７の上面に素材シート１を位置決めして載置する。次いで図５（ｂ）に示すように、加圧機構６を駆動して可動金型２をヒータ４及びステージ５と共に下降し、可動金型２の下面と固定金型７の上面との間に素材シート１を挟み込む。さらに図５（ｃ）に示すように、ヒータ４，７の熱を素材シート１に加えて当該素材シート１の表面を軟化しつつ加圧機構６を駆動して素材シート１に所要の押圧力を加える。これにより、素材シート１の表面に凹凸パターン３が転写される。冷却後、図５（ｄ）に示すように、加圧機構６を駆動して可動金型２と固定金型７とを型開きし、製品である光学デバイス１０を取り出す。
【特許文献１】特開２００３−１７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、素材シート１として表裏面が平滑に形成されたものを用いると、固定金型７上に載置したときに平滑な平面状に形成された固定金型７の上面と素材シート１との間に気泡が巻き込まれやすく、該部に一端気泡が巻き込まれるとそれを除去することが困難であるので、図６に示すように製品である光学デバイス１０の表面に気泡の痕跡であるくぼみ１１が形成され、当該くぼみ１１の形成部においては転写された凹凸パターン３ａの位置ずれが生じる。
【０００７】
なお、可動金型２の下面と素材シート１との間にも気泡が巻き込まれることがあるが、可動金型２の下面には微細な凹凸パターン３が形成されており、素材シート１の挟み込み時には当該凹凸パターン３が空気流路となって空気を逃がすことができるため、固定金型７の上面と素材シート１との間よりは気泡の巻き込みは少ない。特に、成形用金型を真空槽内に入れ、素材シート１の挟み込み前に真空槽内を真空引きすることにより、可動金型２の下面と素材シート１との間への気泡の巻き込みについてはほぼ完全に解消することができる。
【０００８】
本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであり、その目的は、成形用金型と素材シートとの間への気泡の巻き込みを防止可能なプレス成形体の素材シート及びこれを用いたプレス成形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記の課題を解決するため、プレス成形体の素材シートについては、熱可塑性材料からなり、シート状に形成された基体と当該基体の片面又は両面に形成された凸パターンとを有するという構成にした。
【００１０】
前記凸パターンの断面形状は、錐状、半球状又は釣鐘状とすることができる。また、前記凸パターンの平面形状は、点状、直線状又は曲線状とすることができる。さらに、前記基体及び前記凸パターンは、押出成形法、射出成形法又はプレス成形法で一体に形成することができる。
【００１１】
このように、シート状に形成された基体の片面又は両面に凸パターンを形成すると、成形用金型への挟み込み時に、成形用金型の成形面に凸パターンの頂部が当接され、成形用金型の成形面と素材シートとの間に空気流路を形成することができるので、成形用金型の加圧動作に伴って該部の空気を逃がすことができ、成形用金型の成形面と素材シートとの間への気泡の巻き込みを防止又は抑制することができる。
【００１２】
一方、プレス成形方法については、成形用金型に挟み込まれた熱可塑性材料からなる素材シートに押圧力と熱とを加え、前記素材シートの表面に前記成形用金型に形成された微細な凹凸パターンを転写するプレス成形方法において、前記素材シートとしてシート状に形成された基体と当該基体の片面又は両面に形成された凸パターンとを有するものを用い、前記成形用金型を操作して前記素材シートに押圧力と熱とを加えることにより、前記素材シートの表面に前記成形用金型に形成された微細な凹凸パターンを転写すると共に、前記基体内に前記凸パターンを埋め込んで前記凸パターンを消失させるという構成にした。
【００１３】
このように、素材シートとしてシート状に形成された基体と当該基体の片面又は両面に形成された凸パターンとを有するものを用いると、成形用金型への挟み込み時に、成形用金型の成形面に凸パターンの頂部が当接され、成形用金型の成形面と素材シートとの間に空気流路を形成することができるので、成形用金型の加圧動作に伴って該部の空気を逃がすことができ、成形用金型の成形面と素材シートとの間への気泡の巻き込みを防止又は抑制することができる。また、素材シートとして熱可塑性材料からなるものを用いると、適度の押圧力と熱とを加えることにより、基体内に凸パターンを埋め込むことができるので、製品であるプレス成形体の表面を平滑に仕上げることができる。
【００１４】
なお、前記素材シートに形成された凸パターンの頂部は、素材シートに適度の押圧力と熱とを加えることによって基体内に埋め込まれるので、成形用金型に対する素材シートの挟み込み時に、成形用金型の凹凸パターン形成部に当接させることもできるし、凹凸パターン非形成部に当接させることもできるが、プレス成形体が光学デバイスである場合には、光学特性の均質性を高めるため、凸パターンの頂部を成形用金型の凹凸パターン非形成部に当接させる方がよりが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のプレス成形体の素材シートは、シート状に形成された基体の片面又は両面に凸パターンを形成したので、成形用金型への挟み込み時に成形用金型の成形面と素材シートとの間に空気流路を形成することができ、該部への気泡の巻き込みを防止又は抑制することができる。よって、気泡の痕跡であるくぼみや凹凸パターンの乱れがないプレス成形体を効率よく製造することができる。
【００１６】
本発明のプレス成形方法は、素材シートとしてシート状に形成された基体と当該基体の片面又は両面に形成された凸パターンとを有するものを用いるので、成形用金型への挟み込み時に成形用金型の成形面と素材シートとの間に空気流路を形成することができ、該部への気泡の巻き込みを防止又は抑制することができる。また、本発明のプレス成形方法は、素材シートの基体内に凸パターンを埋め込み、凸パターンを消失させるので、製品であるプレス成形体の表面を平滑に仕上げることができる。よって、気泡の痕跡であるくぼみや凹凸パターンの乱れ、それに凸パターンの痕跡がなく表面が平滑なプレス成形体を効率よく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
まず、本発明に係る素材シートの実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は第１実施形態例に係る素材シートの斜視図、図２は第２実施形態例に係る素材シートの斜視図である。
【００１８】
第１実施形態例に係る素材シート１Ａは、シート状に形成された基体２１の片面に角錐状の凸パターン２２を点状に形成してなり、第２実施形態例に係る素材シート１Ｂは、シート状に形成された基体２１の片面に断面形状が三角形で平面形状が直線状の凸パターン２３を平行線状に形成してなる。
【００１９】
なお、図１及び図２に示したのは、本発明に係る素材シートの代表的な実施形態例であり、本発明の要旨がこれに限定されるものではない。即ち、点状の凸パターンについては、その断面形状を角錐状とするほか、円錐状、半球状又は釣鐘状とすることもできる。また、線状の凸パターンについては、その断面形状を三角形とするほか、半球状又は釣鐘状とすることができる。さらに、線状の凸パターンの平面形状については、直線状とするほか、曲線状とすることもできる。加えて、図１及び図２の例では、凸パターン２２，２３が基体２１の片面にのみ形成されているが、基体２１の表裏両面に形成することもできる。
【００２０】
前記素材シート１Ａ，１Ｂは、熱可塑性プラスチックやガラスなどの熱可塑性材料を押出成形法、射出成形法又はプレス成形法で成形することにより一体に形成される。光学デバイス用の熱可塑性プラスチックとしては、ポリカーボネート樹脂及びアクリル樹脂が用いられる。
【００２１】
基体２１の平面形状及び平面サイズについては、製造しようとするプレス成形体の平面形状及び平面サイズに応じて適宜のものが製造される。基体２１の厚さについても、製造しようとするプレス成形体の厚さに応じて適宜のものを製造することができるが、光学デバイス用の素材シート１Ａ，１Ｂとしては、基体２１の厚さが２０μｍ乃至０．２ｍｍ程度のものが用いられる。
【００２２】
凸パターン２２，２３の高さ及び寸法比（底面積と高さの比）については、特に限定はないが、適度の押圧力と熱を加えることによって基体２１に完全に埋め込むことができるサイズとすることが好ましい。光学デバイス用の素材シート１Ａ，１Ｂについては、凸パターン２２，２３の高さが、基体２１の厚さよりも小さい１０μｍ乃至０．１５ｍｍ程度に形成される。
【００２３】
次に、前述の素材シート１Ａを用いた場合を例にとって、本発明に係るプレス成形方法の実施形態を図３及び図４に基づいて説明する。図３は実施形態例に係るプレス成形方法の説明図、図４は実施形態例に係るプレス成形方法の実施に適用される他のプレス成形装置の構成図である。
【００２４】
図３に示すように、実施形態例に係るプレス成形装置も、図５に示した従来のプレス成形装置と同一構成であり、成形用金型の一部を構成する可動金型２と、可動金型２の下面に形成された微細な凹凸パターン３と、可動金型２を加熱するヒータ４と、可動金型２及びヒータ４を保持するステージ５と、ステージ５を上下動する加圧機構６と、成形用金型の他の一部を構成する固定金型７と、固定金型７を加熱するヒータ８と、固定金型７及びヒータ８を保持するステージ９とから構成されている。
【００２５】
プレス成形体の製造に際しては、まず図３（ａ）に示すように、凸パターン２２の形成面を下向きにして、平滑な平面状に形成された固定金型７の上面に素材シート１Ａを載置する。これにより、素材シート１Ａの下面と固定金型７の上面との間には、凸パターン２２の高さに相当する空気流路を形成される。なお、固定金型７の上面に素材シート１Ａを載置するに際しては、凸パターン２２の頂部が可動金型２の下面に形成された微細な凹凸パターン３の形成領域と対向しないように、固定金型７に対して素材シート１Ａが位置決めされる。
【００２６】
次いで、図３（ｂ）に示すように、加圧機構６を駆動して可動金型２をヒータ４及びステージ５と共に下降し、可動金型２の下面と固定金型７の上面との間に素材シート１を挟み込む。このとき、素材シート１Ａの下面と固定金型７の上面との間に存在する空気は、凸パターン２２の高さに相当する空気流路を通って外部に排出されるので、素材シート１Ａの下面と固定金型７の上面との間への気泡の巻き込みが防止又は抑制される。また、可動金型２の下面と素材シート１Ａの上面との間に関しては、可動金型２の下面に形成された微細な凹凸パターン３が空気流路となって空気が排出されるため、該部についても気泡の巻き込みが防止又は抑制される。
【００２７】
次いで、図３（ｃ）に示すように、ヒータ４，７の熱を素材シート１Ａに加えて当該素材シート１の表面を軟化しつつ加圧機構６を駆動して素材シート１に所要の押圧力を加える。これにより、素材シート１の上面に可動金型２の凹凸パターン３が転写されると共に、素材シート１Ａの凸パターン２２が基体２１内に埋め込まれ、凸パターン２２が消失する。
【００２８】
そして、素材シート１Ａを所定温度まで冷却した後、図３（ｄ）に示すように、加圧機構６を駆動して可動金型２と固定金型７とを型開きし、製品であるプレス成形体（光学デバイス）１０を取り出す。
【００２９】
本例のプレス成形方法によると、プレス成形体１０のもとになる素材シート１Ａとしてシート状に形成された基体２１の片面に凸パターン２２が形成されたものを用いるので、可動金型２の下面と固定金型７の上面との間に素材シート１を挟み込んだときに、素材シート１Ａの下面と固定金型７の上面との間に存在する空気を凸パターン２２の高さに相当する空気流路を通って外部に排出することができ、該部への気泡の巻き込みを防止又は抑制することができる。また、可動金型２の下面と素材シート１Ａの上面との間に関しては、可動金型２の下面に形成された微細な凹凸パターン３が空気流路となって空気が排出されるため、該部についても気泡の巻き込みが防止又は抑制される。よって、プレス成形体１０に気泡の痕跡であるくぼみが形成されず、くぼみの形成に起因する凹凸パターン３の転写不良も防止することができる。さらに、本例プレス成形方法は、適度の押圧力と熱とを加えることによって素材シート１Ａの凸パターン２２を基体２１内に埋め込み、凸パターン２２を消失させるので、製品であるプレス成形体の表面を平滑に仕上げることができる。
【００３０】
表裏両面に微細な凹凸パターン３を有するプレス成形体１０の形成には、図４に示すように、可動金型２の下面と固定金型７の上面とにそれぞれ所要の凹凸パターン３が形成された成形用金型が用いられる。この場合には、基体２１内への凸パターン２２の埋め込みに起因してプレス成形体１０の光学特性が不均一になるのを防止するため、プレス成形体が光学デバイスである場合には、図４に示すように、凸パターン２２の頂部を成形用金型７の凹凸パターン非形成部に当接させることが好ましい。その他については、図３に示したと同様の手順でプレス成形体１０の成形が行われる。
【００３１】
なお、前記実施形態例においては、片面に点状の凸パターン２２が形成された素材シート１Ａを用いたが、片面に線状の凸パターン２３が形成された素材シート１Ｂを用いた場合にも、同様の結果が得られた。
【００３２】
また、前記実施形態例においては、片面に点状の凸パターン２２が形成された素材シート１Ａを用いたが、表裏両面に点状の凸パターンが形成された素材シートを用いた場合及び表裏両面に線状の凸パターンが形成された素材シートを用いた場合にも、同様の結果が得られた。
【００３３】
さらに、前記実施形態例においては、素材シートのプレス成形を常圧中で行ったが、気泡の巻き込みをより効率的に防止するため、成形用金型を真空槽内に入れ、素材シート１Ａ，１Ｂの挟み込み前に真空槽内を真空引きするという成形方法を取ることもできる。
【００３４】
以下により具体的な実施例を挙げ、本発明の効果を明らかにする。
【００３５】
（実施例１）
ポリカーボネート樹脂を射出成形して、図１に示した素材シート１Ａを作製した。素材シート１Ａは、直径が５０ｍｍのディスク状で厚さが０．２ｍｍの基体２１の片面に、一辺の長さが１ｍｍ×１ｍｍで高さが０．１ｍｍの四角錐形の凸パターン２２を輪状に配列した。凸パターン２２を配列位置は、基体２１の中心より半径１２ｍｍの位置と半径４６ｍｍの位置とした。
【００３６】
また、シリコンウエハにパターニングされた微細な凹凸パターン３をニッケルめっきに転写して可動金型２を作製した。シリコンウエハのパターニングは、シリコンウエハ上に塗布されたレジストを電子ビームにて露光し、レジストの感光部分を除去した後、シリコンウエハのレジスト形成面を異方性エッチングすることによって行った。また、ニッケルめっき（可動金型２）の作製は、無電解めっきにて行った。凹凸パターン３は、深さが１００ｎｍでピッチが４００ｎｍの同心円状とし、可動金型２の半径１４ｍｍから半径４４ｍｍまでの領域に形成した。
【００３７】
さらに、厚さが均一なニッケル板の両面を鏡面研磨加工して固定金型７を作製した。
【００３８】
凹凸パターン３の形成面及び鏡面の形成面を対向にして可動金型２及び固定金型７をそれぞれステージ５，９に同心に取り付け、固定金型７上に凸パターン２２を下向きにして素材シート１Ａを載置した。次いで、これら金型２，７、ステージ５，９及び素材シート１Ａを内包する真空槽を密閉し、槽内を真空排気した。この状態で、ステージ５，９内に備えられたヒータ４，８により、ステージ５，９及び金型２，７を所定の成形温度まで加熱した。この成形温度を維持したまま可動金型２を素材シート１Ａに押しつけ、素材シート１Ａが０．１８ｍｍになったところで押圧力を維持した。次に、このときの押圧力を維持したまま真空槽内に大気を導入し、かつ金型２，７、ステージ５，９及び素材シート１Ａを所定温度まで冷却した後、金型２，７を型開きして製品であるプレス成形品を取り出した。
【００３９】
プレス成形品に転写されたパターンを原子間力顕微鏡にて評価したところ、凹凸パターン３が欠損や位置ずれなく形成されていることが分かった。また、気泡の痕跡であるくぼみの発生も観察されなかった。
【００４０】
（実施例２）
ポリカーボネート樹脂を押出成形して、図２に示した素材シート１Ｂを作製した。素材シート１Ｂは、３ｃｍ×３ｃｍの正方形で厚さが０．２ｍｍの基体２１の片面に、底辺の長さが０．４ｍｍで高さが０．１ｍｍの三角形断面の凸パターン２２を１ｍｍ間隔で平行直線状に形成した。
【００４１】
また、シリコンウエハにパターニングされた微細な凹凸パターンをニッケルめっきに転写して可動金型２を作製した。シリコンウエハのパターニングは、シリコンウエハ上に塗布されたレジストを電子ビームにて露光し、レジストの感光部分を除去した後、シリコンウエハのレジスト形成面を異方性エッチングすることによって行った。また、ニッケルめっき（可動金型２）の作製は、無電解めっきにて行った。凹凸パターンは、ピッチが４００ｎｍで深さが１００ｎｍのラインアンドスペースパターンとした。
【００４２】
さらに、厚さが均一なニッケル板の両面を鏡面研磨加工して固定金型７を作製した。
【００４３】
前記の素材シート１Ｂ及び金型２，７を用いて実施例１と同様の方法でプレス成形体の作製を行った。そして、作製されたプレス成形品に転写されたパターンを原子間力顕微鏡にて評価したところ、凹凸パターン３が欠損や位置ずれなく形成されていることが分かった。また、気泡の痕跡であるくぼみの発生も観察されなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１実施形態例に係る素材シートの斜視図である。
【図２】第２実施形態例に係る素材シートの斜視図である。
【図３】実施形態例に係るプレス成形方法の説明図である。
【図４】他のプレス成形装置の構成図である。
【図５】従来例に係るプレス成形方法の説明図である。
【図６】従来例に係るプレス成形方法によって発生する不都合を説明するプレス成形体の要部断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１Ａ，１Ｂ    素材シート
２    可動金型
３    凹凸パターン
４，８    ヒータ
５，９    ステージ
６    加圧機構
７    固定金型
１０    プレス成形体（光学デバイス）
【図１】
2006015698.tif 000003
【図２】
2006015698.tif 000004
【図３】
2006015698.tif 000005
【図４】
2006015698.tif 000006
【図５】
2006015698.tif 000007
【図６】
2006015698.tif 000008