(57)【要約】【課題】  量産性の高く、良好な転写性を得ることができる成形品の製造方法を提供すること。【解決手段】  本発明にかかる成形品の製造方法は、転写面を有する金型より形成されるキャビティ内に熱可塑性樹脂からなる母材シート１を挿入し、金型の転写面を該母材シート１の表面に押し付けることにより金型転写面の形状を母材シート１に転写させるものである。特に、母材シート１に対してその表面近傍に二酸化炭素を含有させ、さらに母材のガラス転移温度よりも低温度の金型転写面を押し付けることを特徴とする。二酸化炭素が転写表面を軟化させることで、母材全体の温度を上昇させることなく温度制御を一定にて成形できるので量産性が向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転写面を有する金型より形成されるキャビティ内に熱可塑性樹脂からなる母材を挿入し、当該金型の転写面を前記母材の表面に押し付けることにより金型転写面の形状を前記母材に転写させる成形品の製造方法であって、
前記母材に対して、少なくとも表面近傍に二酸化炭素を含有させるステップと、
前記母材のガラス転移温度よりも低温度の金型転写面を前記母材に対して押し付けるステップとを備えた成形品の製造方法。
【請求項２】
前記二酸化炭素を含有させるステップは、前記キャビティ内に配置した母材に対して二酸化炭素を含有させることを特徴とする請求項１記載の成形品の製造方法。
【請求項３】
前記二酸化炭素を含有させるステップは、
前記二酸化炭素を温度５０℃〜２５０℃、圧力１〜２５ＭＰａの範囲に調整するステップと、
調整された二酸化炭素を、前記母材が挿入されたキャビティ内に導入するステップとを有することを特徴とする請求項２記載の成形品の製造方法。
【請求項４】
前記二酸化炭素に対して温度調整及び加圧を実行する容器の内容積Ｖ１と前記母材が挿入される金型キャビティの内容積Ｖ２との比であるＶ１／Ｖ２は０．５以上２０．０以下の範囲であることを特徴とする請求項２又は３記載の成形品の製造方法。
【請求項５】
前記転写面における金型の表面温度が、前記母材の熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも５℃から１００℃低い温度の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成形品の製造方法。
【請求項６】
前記母材が厚み１ｍｍ以下の熱可塑性樹脂フィルムからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成形品の製造方法。
【請求項７】
前記二酸化炭素にはアルコールが含有されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の成形品の製造方法。
【請求項８】
前記母材を真空吸着した状態で内径及び／又は外径を切断するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の成形品の製造方法。
【請求項９】
前記成形品は、円盤状の情報記録媒体であることを特徴とする請求項８記載の成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂からなる成形品の製造方法に関するものであり、より詳しくはフィルムや板状等、粗形状を有する熱可塑性樹脂１次成形品を２次加工する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱可塑性樹脂からなる成形品の製造方法としては、大量生産に適した射出成形方法が知られる。しかしながら、射出成形方法は、加熱溶融した樹脂材料を金型のキャビティに射出充填する際、表面に固化層が形成されるため、金型表面に対する転写精度や成形品の薄肉化に限界がある。
【０００３】
こうした欠点を改善するために、予め射出成形等により成形したプラスチック母材を金型キャビティ内に挿入し、この母材を、母材のガラス転移温度以上に加熱溶融させて樹脂内圧を上昇させた後、緩やかに冷却する成形方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法においては、圧力および温度に分布や偏りが生じないように、母材のガラス転移温度以下まで緩やかに冷却することが不可欠であるため、成形サイクルが長期化するという欠点があった。
【０００４】
かかる問題を回避する方法として、例えば、棒状、板状の発熱体や超音波による加熱手段を転写部材となる金型に設けることで、母材の被転写面のみを局所的に加熱溶融させて転写させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、高周波誘導加熱により、母材の転写表面のみを溶融させる方法も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。これらの方法によれば、樹脂表面を軟化させるために樹脂を直接もしくは間接的に加熱しているので、熱源もしくは溶融樹脂の熱が金型に伝達し、金型およびプレス装置の温度が少しずつ上昇する。そのため成形品の表面全体における温度の均一性および連続生産時におけるヒートサイクルの安定性を正確に制御することが困難であった。また、大面積を有する成形品の場合、金型の熱容量が増大するため、上記問題が顕著であった。つまり、射出成形に匹敵する量産性を得るには限界が生じていた。
【０００５】
一方、近年、超臨界二酸化炭素や二酸化炭素を成形加工に応用する試みが盛んであるが、古くから二酸化炭素を熱可塑性樹脂に吸収させると可塑剤として働き、樹脂のガラス転移温度を低下させることが非特許文献２等で知られている。また、これを射出成形に応用した技術が特許文献３に開示されている。特許文献３には、加圧した二酸化炭素（ＣＯ２）で充満させた金型内に、二酸化炭素を溶解させた溶融樹脂を充填することで流動樹脂のフローフロントに二酸化炭素が含浸して金型接触面における固化層の成長を抑制する技術が開示されているが、これは溶融状態の樹脂に適用されたものであり、本発明の場合、固化した樹脂に適用するものであるため技術分野が異なる。また、特許文献３に記載された方法では、二酸化炭素の樹脂に対する接触時間は射出時間によって制限されるので、最表面における二酸化炭素の浸透量を制御することが困難である。また、二酸化炭素を超臨界状態（７ＭＰａ）以上の高圧状態にすると、射出の障害となるため、金型内に導入される二酸化炭素は低圧とせざるを得ない。そのため、短時間に多量の二酸化炭素を浸透させることはより困難であった。
【０００６】
二酸化炭素を利用して成形品の転写性を向上させる他の手法が特許文献４に開示されている。特許文献４によれば、射出成形後に金型を一旦開き、金型と樹脂表面のスキン層の間に隙間を形成し、該隙間に高圧の二酸化炭素を導入することでスキン層を軟化させ、さらに樹脂圧を高めて金型表面を転写している。特許文献４も特許文献３と同様に溶融樹脂に適用したものであり、成形品全体がガラス転移温度以下になっているわけではない。そのため、スキン層表面から浸透した二酸化炭素は溶融状態の樹脂内部まで容易に浸透可能である。従って、樹脂と金型との隙間に滞留した二酸化炭素が溶け残るという、固化した樹脂に特有の問題が生じない。
【０００７】
本発明者らの鋭意検討によれば、ガラス転移温度以下の固化した熱可塑性樹脂からなる母材に超臨界状態における高圧の二酸化炭素を短時間で浸透させ、表面を軟化させることは容易であった。しかしながら、高圧の二酸化炭素を充満した雰囲気にて、単にプレス等により母材を金型面に押し付けたのでは、成形品の表面に膨れや局所発泡、転写むらの問題が生じてしまい。金型表面の微細形状を転写することは困難であった。この問題は、母材の厚みが１ｍｍ以下、特に０．５ｍｍ以下と薄い場合に顕著であった。この要因として、プレス時に母材と金型の隙間に溶け残った二酸化炭素が圧縮されて高圧状態にて挟まれ、プレス圧により樹脂内部に浸透させることができなかったためと考えられる。母材が薄いほどに、二酸化炭素の浸透できる絶対量が減少し、溶け残った二酸化炭素を母材と金型の隙間から排気することが困難となったため、問題が顕著になると思われる。
【０００８】
二酸化炭素の圧力を低くすれば、密度が低下しガス体となるため、上記問題は回避できたが、二酸化炭素の浸透時間が長くなり、連続量産化が困難であった。さらにプレス圧等の母材と樹脂との押し付け圧を非常に高くすることによって、ある程度問題は回避できるかエネルギー効率が悪いという課題が発生した。
【特許文献１】特開平４−１６３１１９号公報
【特許文献２】特開２００２−３６３５５号公報
【特許文献３】特開２００１−６２８６２号公報
【特許文献４】特開２００２−５２５８３号公報
【非特許文献１】プラスチック工業技術研究会主催技術講演会「最新記録媒体の動向と材料・成形加工技術」予稿集Ｐ３-３０〜３１,２００４
【非特許文献２】Ｊ．ＡＰＰｌ．ＰｏｌｙＭ．Ｓｃｉ．"Ｖｏｌ．３０，２６３３（１９８５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、第１の目的は、量産性の高い成形品の製造方法を提供することにある。第２の目的は、良好な転写性を得ることができる成形品の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の例示的側面としての成形方法は、転写面を有する金型より形成されるキャビティ内に熱可塑性樹脂からなる母材を挿入し、該金型の転写面を該母材の表面に押し付けることにより金型転写面の形状を母材に転写させる熱可塑性樹脂の成形方法において、該母材は少なくとも表面近傍に二酸化炭素を含有し、母材のガラス転移温度よりも低温度の金型転写面を押し付けることを特徴とする。二酸化炭素が転写表面を軟化させることで、母材全体の温度を上昇させることなく温度制御を一定にて成形できるので量産性が向上する。
【００１１】
本発明において、二酸化炭素を母材表面に浸透させるタイミングは任意であり、成形サイクル内で行ってもよいし、予め前処理にて浸透させておいてもよい。
【００１２】
前記転写面の金型表面温度が、母材の熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも５℃から１００℃低い温度の範囲であることが望ましい。樹脂の温度がこの範囲よりも高いと母材の機械的な変形等が抑制困難となり、低いと二酸化炭素が浸透しにくくなり、量産性が低下する。より望ましくは、母材のガラス転移温度よりも１０℃から５０℃低い範囲に金型表面温度を制御することである。なお、本発明において熱可塑性樹脂のガラス転移温度とは、軟化材や可塑剤、ガス体等を含まないバルク材料の物性と定義する。
【００１３】
本発明において、前記母材の厚みは１ｍｍ以下の熱可塑性樹脂フィルムであってもよい。さらに射出成形等では成形困難な０．５ｍｍ厚み以下であることが望ましい。より望ましくは０．２ｍｍ以下の厚みのフィルムである。さらに、例えば導光板等においては１５インチサイズ以上の大面積であってもよい。射出成形で達成困難な薄肉かつ大面積の精密成形の本発明の特徴を生かすことができる。
【００１４】
本発明の他の側面としての成形方法は、前記熱可塑性樹脂からなる母材が挿入された金型キャビティ内に、温度５０℃〜２５０℃、圧力１〜２５ＭＰａの範囲に予め調整された二酸化炭素を導入することで、母材の少なくとも転写側表面に二酸化炭素を浸透させることを特徴とする。温度および圧力は母材に対する可塑剤としての観点から考慮することは勿論であるが、下記観点からも最適化されることが望ましい。すなわち、金型に導入する際の金型温度変化である。金型の表面温度が大きく影響を受けないように、金型との二酸化炭素の温度差は小さい方が望ましく、温度差が１００℃以下の範囲であることが望ましい。
【００１５】
前記二酸化炭素を予め加圧温調させる容器の内容積Ｖ１と前記熱可塑性樹脂からなる母材が挿入された二酸化炭素が充填される金型キャビティの内容積Ｖ２と比であるＶ１／Ｖ２は０．５以上２０．０以下の範囲であることが望ましい。この範囲より小さいと金型導入時に、断熱膨張により二酸化炭素の温度が急激に低下し、さらには液化してしまう恐れがある。それにより金型や母材の熱量を奪う問題が発生する。また、この範囲よりも大きい場合、特に、下記のような条件時に問題が発生する。つまり、予め加圧温調された二酸化炭素の温度がキャビティ内の表面温度よりも低い場合、キャビティ内に導入された二酸化炭素が急激に高温となることで圧力上昇し、温度制御した高圧タンクの内部を含めた圧力制御が困難になる。
【００１６】
また、前記母材を真空吸着した状態で内径及び／又は外径を切断するようにしてもよい。特に、光ディスクなどの円盤状の情報記録媒体を製造する上で、この方法は好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、量産性の高い成形品の製造方法及び良好な転写性を得ることができる成形品の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施例１．
本発明の実施例１に関する成形品の製造方法は、特に光学レンズ、プラスチックミラー、導光板やマイクロレンズアレイ等の光学部品、光ディスク等の情報メディア等の製造に用いられる。
【００１９】
以下、本実施例１にかかる成形装置及び成形方法について図１〜図１０を用いて説明する。なお、熱可塑性樹脂からなる母材が挿入される金型内空間以外に余剰な二酸化炭素が滞留するスペースが存在するが、それらを包括してキャビティと呼ぶ。
【００２０】
図１〜図４は、本実施例１にかかる成形装置の概略構成を示すブロック図である。当該成形装置は、図示しない電動サーボモーターで駆動し位置制御が可能なトグル式プレス機構１０１、高圧二酸化炭素供給ユニット１０２、成形加工用プレスユニット１０３から構成される。図１は装置全体の断面構造模式図、図２はプレスユニット１０３の要部断面構造図であり、図３，４はプレスユニット１０３上面からの模式図である。
【００２１】
本発明において、母材表面もしくは全体に二酸化炭素を浸透させる方法は任意である。例えば、金型とは別の容器内を予め母材のガラス転移温度よりも低い温度に温度制御するとともに高圧力の二酸化炭素を充満させておき、その容器内に母材を長時間滞留させる方法を適用できる。
【００２２】
また、金型キャビティ内にて、連続式に短時間で母材に二酸化炭素を接触させながら浸透させる方法も適用できる。本実施例では、後者の方法を採用し、温度および圧力が制御された高圧タンク６内に保持された二酸化炭素を密閉した状態にてプレスユニット１０３内の金型キャビティ２に浸透させた。
【００２３】
母材シート１に金型表面形状を転写させる成形期間中は、金型キャビティ２の内部は、二酸化炭素をシール（封止）することが望ましい。金型キャビティ２内に充満した高圧二酸化炭素をシールする方法は任意であるが、プレス機構等による駆動源により、該二酸化炭素の圧力よりも高い反力を与えてシールするよりは、機械的に固定しシールした方が消費エネルギーを低減できるので望ましい。
【００２４】
本実施例１において、プレスユニット１０３は、超臨界染色の高圧容器等で採用されている下記公知の方法にて２５ＭＰａまでの高圧二酸化炭素がシールできる構造を採用し、以下のようにシールを行った。
【００２５】
まず、微細構造の転写面を有するスタンパ３を保持した上蓋２０を、図３に示されるように、下プレスユニット２１内にギア１９が嵌まり合うように挿入し、ついで図４に示すように上蓋を４５度回転させた。上蓋２０には、放射状に外側に突出したギア１９が９０°間隔で４箇所に設けられている。下プレスユニット２１は、中央に当該上蓋２０の外形状に対応した窪みを有し、さらに、その窪みの内側面には、上蓋２０のギア１９が嵌め込まれる窪みが設けられている。下プレスユニット２１は、上蓋２０のギア１９における最外周の直径以上の直径よりなる円柱状にくり貫かれた空洞部が形成されており、この空洞部において上蓋２０のギア１９が回転し、所定の位置に位置決めされる。
【００２６】
図２に示されるように、上蓋２０の外周に設けられた窪みにはＯリング４が挿入されている。このＯリング４と下プレスユニット２１内の内壁シール面５を密着させることにより、シール性が維持される。上蓋２０の上下移動は、図示しないエアーシリンダーに接続されたピストンの駆動により行われる。上蓋２０は、操作者が取手２８を把持し回転させることによって回転させることができる。
【００２７】
高圧二酸化炭素供給ユニット１０２は、図１に示されるように、二酸化炭素ボンベ１８、ポンプ９、減圧弁１０、圧力計１１、減圧弁１２、圧力計１３、ストップバルブ１４、エアーオペレートバルブ１５，１６、逆止弁１７、高圧タンク６を備えている。このうち、エアーオペレートバルブ１５,１６は、電磁弁のオンオフにより自動制御することができる。エアーオペレートバルブ１５はプレスユニット１０３への導入用、エアーオペレートバルブ１６は排出用である。エアーオペレートバルブ１５,１６は、トグル式プレス機構１０１と連動して自動運転可能である。
【００２８】
二酸化炭素ボンベ１８より供給された二酸化炭素は、ポンプ９により昇圧され、減圧弁１０によって圧力計１１の表示がＰになるように圧力調整される。圧力調整された二酸化炭素は、高圧タンク６内で任意の温度および圧力Ｐに保持される。本発明において、金型キャビティ内に導入させる二酸化炭素の温度および圧力Ｐは、それぞれ５０℃〜２５０℃、１〜２５ＭＰａの範囲に調整されることが望ましいが、本実施例においては、温度を１５０℃とし、圧力Ｐを１５ＭＰａとした。
【００２９】
本発明において、二酸化炭素の圧力や温度を予め調整する高圧タンクの容量Ｖ２と二酸化炭素が導入される金型キャビティ内の内容積Ｖ１の体積比である、Ｖ２／Ｖ１は０．５以上２０．０以下であることが望ましい。本実施例においては、高圧タンク６内における内容量Ｖ２は２.０リットル、二酸化炭素を導入する際における金型キャビティ２の内容積Ｖ１は１.５リットルとし、Ｖ２／Ｖ１=１.３とした。
【００３０】
下プレスユニット２１の中央部に設けられた空洞部には、下プレス金型７が上下方向に可動な状態で保持されている。この下プレス金型７の下面と下プレスユニット２１の間には、密閉シリンダー８が形成されている。下プレスユニット２１内における密閉シリンダー８内には、減圧弁１２により圧力計１３の表示が６ＭＰａに調整された二酸化炭素がストップバルブ１４の開放により常時充填されている。このため、下プレス金型７は、金型キャビティ２内に二酸化炭素が充填されていない場合、密閉シリンダー８によって上方に押し上げられ、常に上昇した位置にある。
【００３１】
そして金型キャビティ２内に８ＭＰａの二酸化炭素が充填されると、密閉シリンダー８による下プレス金型７の上昇圧力と下プレス金型７上面全体にかかる二酸化炭素による下降圧力が平衡になるように設定した。このような機構により、トグル式プレス機構１０１によるプレス力は、キャビティに充填された二酸化炭素が高圧になっても過剰な駆動力は必要としない。下プレス金型７は下プレスユニット２１に対し、ガイドポスト３１にてガイドされている。
【００３２】
本発明において、母材となる成形品の形態は任意である。また、母材の成形加工方法は、公知の射出成形、射出圧縮成形、圧縮成形、トランスファー成形、押し出し成形、キャスティング等を選択できる。本実施例においては、厚さ０．４ｍｍ、５００×８００ｍｍ□の押し出し成形によって得られたフィルムを用いた。
【００３３】
本発明において、母材となる熱可塑性樹脂の種類は、任意であり、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、脂環式オレフィン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリメチルペンテン、非晶質ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、液晶ポリマー、スチレン系樹脂、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ポリアセタール、ポリアミド系樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニルスルフォン、ポリエーテルスルフォン、芳香族ポリエステル、生分解性プラスチック等を選択できる。また、これらの材料の各種共重合体、ブレンド材料でもよく、フィラー等の各種添加材を含有していてもよい。本実施例においてはガラス転移温度１４５℃のポリカーボネートを用いた。
【００３４】
本発明における、金型キャビティ内における母材の保持方法は任意であるが、本実施例においては、次のように行った。まず、図２に示されるように、母材シート１を下プレス金型７上の下鏡面プレート２５に設置した。ここで、下鏡面プレート２５の面上には、矩形状に真空吸引溝２３が設けられている。真空吸引溝２３は吸引孔２２の一端に接続されている。吸引孔２２の他端側には、プレスユニット１０３の外に設置された真空ポンプ（不図示）が設けられている。母材シート１は、当該真空吸引溝２３上に設置されている。そのため、真空ポンプにより吸引すると、吸引孔２２及び真空吸引溝２３を介して、母材シート１が下鏡面プレート２５の平坦な上面に吸引される。このようにして、母材シート１は、下鏡面プレート２５の上面に対して密着固定される。
【００３５】
本発明において母材シート１に転写させる金型表面の形態は任意であるが、本実施例においては、転写パターンとして厚さ０．３ｍｍのＮｉスタンパ３上に設けられたφ１００μｍ、高さ５０μｍのレンズが密集したマイクロレンズパターンを形成した。Ｎｉスタンパ３をスタンパ保持部材５４によって上鏡面プレート２６に固定した。スタンパと鏡面裏面に滞留したガスをスタンパ外周部より逃がすために、本実施例の金型はスタンパ保持部材５４内の排気孔５４１（図７参照）につながる図示しない排気経路が形成されている。
【００３６】
本発明において母材や転写金型の温度制御方法や設定温度は任意であるが、本実施例においては、図２に示されるように上下の温調水回路２４、２７内に、１２５℃に調整された水媒体を温調機により加圧状態にて循環させることにより、下鏡面プレート２５およびスタンパ３の表面温度が１２０℃になるように制御した。この１２０℃の温度は、母材のガラス転移温度から２５℃差し引いた温度である。なお、上蓋２０の全体、および下プレスユニット２１内部におけるプレスピストンを構成する下プレス金型７の外側は図示しないヒーターにより１２０℃に温度制御されている。
【００３７】
本発明においては、高圧の二酸化炭素がキャビティ内にて導入、排出されることにより、キャビティ内の気体が圧縮、開放されることにより温度変化する場合がある。そのため、金型全体を温度制御し、二酸化炭素の流動に起因した金型の温度変化を抑制することが望ましい。
【００３８】
次に、本実施例における成形プロセスについて説明する。まず、母材シート１を上述の方法にて下鏡面プレート２５に密着固定した。その後、図５に示されるように、ギア１９が下プレスユニット２１の空洞部に嵌まり合うように上蓋２０を挿入した。図６のようにギア１９を下プレスユニット２１の空洞部に対して完全に挿入できたところで、上蓋２０を４５度回転させた。上蓋２０を回転させ始めるとシールが効くので、それと同時に、図１に示すエアーオペレートバルブ１５の開放した。これにより高圧タンク６内の二酸化炭素は、金型キャビティ２内に導入された。
【００３９】
図６のＡ部拡大図を図７、さらにスタンパ３の界面における拡大図を図８に示す。二酸化炭素が導入されることにより金型キャビティ２内の圧力が８ＭＰａ以上に達すると、下プレス金型７は上面の二酸化炭素による圧力に押圧されて後退、即ち下降する。本実施例では、図１に示すトグル式プレス機構１０１の上面を下プレス金型７の押し当て面２９に接触させて、キャビティ間距離を制御した。本実施例においては、母材シート１とスタンパ３が全面にて密着した状態におけるキャビティ間距離をゼロとした。
【００４０】
本発明においては、可塑性樹脂からなる母材と金型転写面との隙間を５ｍｍ以内に保持した状態にて、二酸化炭素を金型キャビティ内に導入することが望ましい。母材とスタンパ間に、高圧で高密度の二酸化炭素が滞留した場合、該隙間が広いと、余剰な二酸化炭素を母材とスタンパの転写面から速やかに排出することが困難となる。特に母材の面積が広く厚みが薄い場合には、余剰な二酸化炭素を母材とスタンパの転写面から速やかに排出することが困難である。ここで、母材とスタンパを接触させるプレススピードを遅くすることで、かかる課題をある程度回避することも可能であるが、サイクルアップにつながる。
【００４１】
本実施例においては、下プレス金型７が後退した瞬間、トグル式プレス機構１０１を位置制御し、キャビティ間距離（即ち、スタンパ３と母材シート１間の距離）が０．２ｍｍになるように金型キャビティ２内のガス圧にあわせてプレス力を上昇させた。キャビティ２内部のガス圧力は図示しない金型内ガス圧センサーにてモニターした。
【００４２】
本実施例における、ガス圧、プレス力およびキャビティ間距離のプロセスタイムチャートを図１０に示す。図１０において横軸は時間、縦軸はキャビティ内の圧、プレス力又はキャビティ間距離を示す。図１０に示されるように、キャビティ内圧力を高め始めてから３秒後にプレス力を高めている。プレス力が高まるにつれて、ガス圧により下プレス金型７が瞬間的に後退するが、それに伴いプレス力が上昇してキャビティ間距離を一定に保持する。本実施例では、約６秒から約１６秒に亘ってキャビティ間距離を０．２ｍｍに保持した。
【００４３】
次に、キャビティ間距離０．２ｍｍを約１０秒間保持した後に、プレス力を上昇させ、図９に示されるように転写を行った。２０秒間プレスしている途中にて、エアーオペレートバルブ１６を開放し、二酸化炭素をキャビティ２内より放出した。その後、プレス力を開放し、母材シート１とスタンパ３を剥離させた。さらに上蓋２０を外した後、成形品を取り出した。
【００４４】
本実施例にかかる成形方法によって製造した成形フィルムは、厚みの変化が１μｍ以内であり、全面に亘ってスタンパ３のマイクロレンズパターンが良好に転写されているものであった。
【００４５】
上述のように、熱可塑性樹脂からなる母材と金型転写面との隙間を５ｍｍ以内に維持した状態にて二酸化炭素を金型キャビティ内に導入することが望ましい。より望ましくは１ｍｍ以下である。さらに望ましくは１００μｍ以下である。これ以上に母材と金型転写面の隙間が広いと、母材に溶けない余剰な二酸化炭素の量が多くなり、プレス等で転写面を押し付けた際に、低圧のプレス力では排気しにくくなる。また隙間の狭いほうが導入する二酸化炭素の絶対量を減らすことができ経済的である。
【００４６】
また、熱可塑性樹脂からなる母材に前記金型転写面を押し付けた際に、少なくとも転写完了までには母材に一部金型が接触しない面があり、該表面には二酸化炭素が接触しているほうが望ましい。プレス等による押し付け時に、余剰な二酸化炭素が該非接触部より効率よく排気できる。
【００４７】
また、前記金型の転写表面が微細な凹凸を有するものであり、１０ＭＰａ以下、より望ましくは７ＭＰａ以下となる低圧力Ｐ１の二酸化炭素雰囲気にて母材と該金型転写面を接触させることが好ましい。二酸化炭素が低圧状態において母材と金型の微細凹凸を密着させることにより、余剰となる二酸化炭素は低密度なガスに近い状態であるため、母材と金型の接触面より外部に排気しやすくなる。また二酸化炭素が圧縮されながら金型表面の凹凸に高圧状態で樹脂と密着および滞留することになり、母材表面の可塑化が促進すると考えられる。該金型転写面と母材とが接触する際における二酸化炭素の圧力Ｐ１は１〜１０ＭＰａ、より望ましくは１〜７ＭＰａの範囲であることが望ましい。
【００４８】
また、二酸化炭素と金型の凹凸を接触させた後、さらに母材に接する二酸化炭素の圧力Ｐ２をＰ１以上の高圧にすることが望ましい。Ｐ２は７ＭＰａ以上の超臨界状態にすることが望ましく、より望ましくは１０ＭＰａ以上である。浸透性高く可塑剤効果の大きい超臨界状態の二酸化炭素が、母材表面と金型の密着面に存在する微細凹凸を通じて、母材表面全体より浸透して転写性を向上させることが期待できる。また、母材に接する二酸化炭素を高圧にした後、さらにプレス等における母材と金型の押し付け力を上昇させることで、より転写性を向上させることができる。その後、二酸化炭素を金型内より排気することで、母材を冷却固化させることができる。
【００４９】
二酸化炭素にはアルコールが含有させていてもよい。エタノール等のアルコールを含有させることで母材である樹脂への可塑剤効果が飛躍的に向上する。エタノールの混合濃度は１〜１０％程度が望ましい。
【００５０】
実施例２．
実施例２に係る成形装置及び成形方法について図１１〜図２０を用いて説明する。図１１は、本実施例に係る成形装置の概略構成を示すブロック図であり、図１２はその要部断面構造図である。本実施例における装置構成は、実施例１と同様に、トグル式プレス機構１０１、高圧二酸化炭素供給ユニット１０２、成形加工用プレスユニット１０３からなる。
【００５１】
実施例１にかかる成形装置に加えて、下プレス金型７の排気孔３８,３９に通じる二酸化炭素排気用エアーオペレートバルブ３４、エアーオペレートバルブ３５、真空ポンプ３６が付加されている。
【００５２】
また、プレス上昇用の二酸化炭素を密閉シリンダー８に供給するため逆止弁５７、エアーオペレートバルブ５８および排気用エアーオペレートバルブ１６につながる排出孔５６を設けた。
【００５３】
本実施例においては、高圧タンク６内における内容量Ｖ２は３０ｍl、二酸化炭素を導入する際におけるキャビティ内容積Ｖ１は１５ｍl、Ｖ２／Ｖ１=２.０とした。高圧タンク６内の内容積Ｖ２は内部に金属部材を挿入して減少させた。
【００５４】
本実施例においては、母材シート１に外径φ１３０ｍｍ、板厚０．１ｍｍのポリカーボネートからなるフィルムを用い、金型の転写面に円盤状の情報記憶媒体である光ディスクのランドグルーブを有するパターンが形成されたＮｉスタンパ３を用いた。このスタンパ３には、グルーブ幅（ＷＧ）０.１７μｍ、ランド幅（ＷＬ）０.１２μｍ、トラックピッチ（Ｗ）０.３２μｍのパターンが形成されているものを用いた。ディスク認識情報やアドレス情報等を、溝の蛇行やプリピットなどによって予め記録しておくことも可能である。
【００５５】
図１２に示すように、スタンパ３の上鏡面プレート２６への保持は、内径保持部材４０および外径保持部材４４で行った。両保持部材４０，４４には、スタンパ３と母材シート１の隙間に滞留した二酸化炭素を排気するための排気孔４０１、４４１を設けた。
【００５６】
母材シート１は、金型から取り外し可能なフィルムプレート３７上にクランプ部材４５で固定する。予め、フィルムプレート３７は母材シート１を固定した状態にて、外段取りにて１２０℃に加熱温調しておいた。フィルムプレート３７の下面の中央には下受板５５上に設けられたテーパー凹み４０に嵌り合う突起４１が形成されている。
【００５７】
次に、図１３に示されるように、加熱温調したフィルムプレート３７を下受板５５にセットする。セットされた状態において、突起４１はテーパー凹み４０に嵌合している。母材シート１は、後述するように、転写成形中において内外径ともに切断するので、その際に母材シート１をフィルムプレート３７に固定するための内周吸引溝４９、外周吸引溝４６が円周状に掘られている。両吸引溝４６,４９は貫通孔４７で連結されており、さらに排気孔３９に連結している。フィルムプレート３７の下面中央部であって、突起４１を設けた部分にはバネ４２およびチェックボール４３が内蔵されている。
【００５８】
これにより、成形後に大気開放した後に、内周吸引溝４９および外周吸引溝４６の間を該バネ４２のバネ力よりも強い吸引力にて母材シート１を真空保持した後であれば、フィルムプレート３７を下受板５５より取り外しても、該チェックボール４３がバネ４２のバネ力によりフィルムプレート３７に押し付けられる。
【００５９】
よって、両吸引溝４６,４９の内部は負圧に維持され母材シート１がフィルムプレート３７より剥離しない。これにより、薄いフィルム状の母材シート１を高強度のフィルムプレート３７と一体にして容易に取り扱うことが可能になる。例えばフィルムプレート３７に保持した状態で母材シート１上に有機色素材料等をスピンコートすることができる。
【００６０】
実施例２においては、実施例１と同様にして金型の温調及び二酸化炭素の加圧温調を実行した。また、成形は以下のように行った。
【００６１】
まず、図１１に示される上蓋２０を下プレスユニット２１に挿入し、回転させてシール状態にした。そして、図１１に示すトグル式プレス機構１０１を下プレス金型７下面の押し当て面２９に接触させて、キャビティ間距離を０．２ｍｍに設定した。
【００６２】
次に、エアーオペレートバルブ１５、５８を開き、金型キャビティ２内及び密閉シリンダー８内に実施例１と同様な圧力の二酸化炭素を導入した。二酸化炭素を導入する間も、トグル式プレス機構１０１を下プレス金型７下面の押し当て面２９に接触させて、キャビティ間距離を０．２ｍｍに維持した。
【００６３】
二酸化炭素を導入している間における、金型キャビティ２内の構造を示す模式図を図１４に示す。そして、図１４における外周部Ａ部および内周部Ｂ部それぞれの拡大図を図１５、図１６に示す。
【００６４】
本実施例においては、母材シート１の両面から二酸化炭素を浸透させた。両面から浸透させることによって両面転写できることは勿論、後収縮等による反りが低減できる。図１４，１５に示す通り、スタンパ面側における母材シート１への二酸化炭素の導入および排出は、第１に上鏡面プレート２６の外周に設けられたスリット５１およびそれに通じる外径保持部材４４内部の排気孔４４１から行われる。さらに、図１５に示す外径保持部材４４に設けられた外径切断歯５２と母材シート１の隙間からも同様に二酸化炭素の導入及び排出が可能である。
【００６５】
そして、反スタンパ面側における母材シート１への二酸化炭素の導入は、図１４，１５中の導入孔４８から行われる。この導入孔４８は、フィルムプレート３７の上面と側面とを貫通する貫通孔である。母材シート１が載置されるフィルムプレート３７の上面においては、導入孔４８の孔径よりも広めの空洞部が形成され、この空洞部と導入孔４８が連結している。母材シート１近傍からの二酸化炭素の排出は、さらに内周吸引溝４９および外周吸引溝４６からも行われる。
【００６６】
本発明においては、１０ＭＰａ以下の低圧力Ｐ１の二酸化炭素雰囲気にて母材シートと該金型転写面を接触させることが望ましいが、本実施例においては、金型キャビティ２内の二酸化炭素圧力Ｐ１が５ＭＰａに達したときにキャビティ間距離をゼロとなるように、プレス力を上昇させて母材シート１をスタンパ３に押し付けた。
【００６７】
また本発明においては、母材シートと金型の凹凸面が接触した後、二酸化炭素の圧力Ｐ２をＰ１以上の高圧にすることが望ましいが、加圧するタイミングや方法は任意であり、本実施例においては、母材シート１とスタンパ３の接触後、二酸化炭素の圧力を所定圧力である１６ＭＰａまで、約６秒かけて上昇させた。
【００６８】
本発明においては、母材シートに接する二酸化炭素を高圧にした後、さらに母材シートと金型の押し付け力を上昇させることが転写性を向上させる上で望ましい。本実施例におけるプロセスのタイムチャートを図２０に示す。図２０において横軸は時間、縦軸はキャビティ内の圧、プレス力又はキャビティ間距離を示す。図２０に示されるように、母材シート１とスタンパ３を密着させながら、上記のように二酸化炭素の圧力を上昇させるとともに、任意のタイミングにてプレス力を上昇させた。
【００６９】
本実施例においては、母材シート１とスタンパ３を密着させながら、同時に図１７に示すように、内径切断歯５３と外径切断歯５２により、母材シート１の内外径を切断した。図１６に示されるように、内径切断歯５３は、内径保持部材４０においてスタンパ３を保持する面とは反対側の面から母材シート１側に鋭角に突出することによって形成されている。図１５に示されるように、外径切断歯５２は、外径保持部材４４においてスタンパ３を保持する面とは反対側の面から母材シート１側に鋭角に突出することによって形成されている。これらの内径切断歯５３と外径切断歯５４は、光ディスクの内周と外周に対応する位置に円弧状に連続形成されている。
【００７０】
そして、最大プレス力を約９秒間保持した。二酸化炭素は高圧状態にて一定時間保持した後、図１１に示すエアーオペレートバルブ１６、３４を開き二酸化炭素を排出した。
【００７１】
金型キャビティ２内を大気開放した後、エアーオペレートバルブ３４を閉鎖し、さらにエアーオペレートバルブ３５を開き真空ポンプ３６により内周吸引溝４９および外周吸引溝４６から吸引することによって母材シート１をフィルムプレート３７に対して密着固定した。さらにプレス圧を解除し、キャビティを開いた後、上蓋２０を実施例１と同様に取り外した。本実施例における成形フィルムのパターンを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscopy）を用いて観察したところ良好に転写されていた。
【００７２】
本発明における成形方法の転写メカニズムとして２種類考えられる。この点について図１７のＡ部を拡大したイメージ図である図１８、１９を用いて説明する。
【００７３】
まず、転写初期には図１８に示されるように、スタンパ３の表面における微細なスパイラルのランドグルーブ形状を通じ、高圧の二酸化炭素がフィルム表面に浸透し軟化していくことが考えられる。そして最表面のみガラス転移温度が低下した状態で、図１９に示すように転写が完了する。
【００７４】
一方では、低圧の二酸化炭素が滞留した状態にて、スタンパと母材シートを接触させることにより、微細なスタンパパターン上に圧縮されて高圧となった二酸化炭素が滞留し可塑化が促進することも考えられる。
【００７５】
[比較例１］
【００７６】
実施例２と同様な装置にて、初期のキャビティ内における母材シート１とスタンパ３間の距離を１０ｍｍとした以外は実施例１と同様な条件で成形した。本比較例における成形品は一部発泡部や、パターンが転写しないところが発生した。これは、母材シート１とスタンパ３間に滞留した二酸化炭素量が多くなり、プレス時に余剰分が排出できなかったと考えられる。この問題は上記距離が５ｍｍ以内でないと解消できなかった。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本実施例１に係る成形装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施例１に係る成形装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】本実施例１に係る成形装置の一部を示す上面図である。
【図４】本実施例１に係る成形装置の一部を示す上面図である。
【図５】本実施例１に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図６】本実施例１に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図７】本実施例１に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図８】本実施例１に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図９】本実施例１に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図１０】本実施例１における、ガス圧、プレス力およびキャビティ間距離のプロセスタイムチャートである。
【図１１】本実施例２に係る成形装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】本実施例２に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図１３】本実施例２に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図１４】本実施例２に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図１５】本実施例２に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図１６】本実施例２に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図１７】本実施例２に係る成形装置の一部を拡大した構成図である。
【図１８】本実施例２に係る成形方法のメカニズムを説明するための図である。
【図１９】本実施例２に係る成形方法のメカニズムを説明するための図である。
【図２０】本実施例２における、ガス圧、プレス力およびキャビティ間距離のプロセスタイムチャートである。
【符号の説明】
【００７８】
１  母材シート、２  金型キャビティ、３  スタンパ、４  リング、
５  内壁シール面、６  高圧タンク、７  下プレス金型、８  密閉シリンダー、
９  ポンプ、１０  減圧弁、１１  圧力計、１２  減圧弁、１３  圧力計、
１４  ストップバルブ、１５，１６  エアーオペレートバルブ、
１７  逆止弁、１８  二酸化炭素ボンベ、１９  ギア、
２０  上蓋、２１  下プレスユニット、２２  吸引孔、
２３  真空吸引溝、２４，２７  温調水回路、２５  下鏡面プレート、
２６  上鏡面プレート、２８  取手、３１  ガイドポスト、
３３  上蓋、３４  エアーオペレートバルブ、３５  エアーオペレートバルブ、
３６  真空ポンプ、３７  フィルムプレート、３８  排気孔、
３９  排気孔、４０  内径保持部材、４１  突起、４２  バネ、
４３  チェックボール、４４  外径保持部材、４５  クランプ部材、
４６  外周吸引溝、４７  貫通孔、４８  導入孔、４９  内周吸引溝、
５１  スリット、５２  外径切断歯、５３  内径切断歯、
５４  スタンパ保持部材、５５  下受板、５６  排出孔、
５７  逆止弁、５８  エアーオペレートバルブ、１０１  トグル式プレス機構、
１０２  高圧二酸化炭素供給ユニット、１０３  プレスユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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