(57)【要約】【課題】熱可塑性樹脂の成形において、樹脂表面粘度の増加を防ぎ、金型表面の微細形状を高精度に転写する方法を得る。【解決手段】溶融樹脂１の表層に可塑化効果のあるガス体としての二酸化炭素を含浸させた後、二酸化炭素が含浸した溶融樹脂１の表面に、表面に微細パターン２を有する金型入れ子３の微細パターン２を加圧して、二酸化炭素が含浸した樹脂の表面に微細パターン２を転写する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融された樹脂の表層に可塑化効果のあるガス体を含浸させた後、該ガス体が含浸した樹脂の表面に、表面に微細パターンを有する転写体の前記微細パターンを加圧して、前記ガス体が含浸した樹脂の表面に前記微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法。
【請求項２】
溶融された樹脂の表層に可塑化効果のあるガス体を含浸させた後、該ガス体が含浸した樹脂の表面に、表面に微細パターンを有する入れ子を加圧して、前記ガス体が含浸した樹脂の表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法。
【請求項３】
前記ガス体の含浸は、溶融された樹脂の表面と表面に微細パターンを有する入れ子とにより、可塑化効果のあるガス体を密閉し、入れ子を前記樹脂表面に向けて前進させることにより前記密閉されたガス体を加圧させて、前記樹脂の表層にガス体を含浸させることを特徴とする請求項２に記載の微細形状の転写加工方法。
【請求項４】
前記入れ子は、前記微細パターンの周囲を囲繞して微細パターン面より突出する突起を有することを特徴とする請求項２に記載の微細形状の転写加工方法。
【請求項５】
前記入れ子の加圧により微細パターンを転写する動作とあわせて、溶融された樹脂を切断して所定の成形品形状に樹脂加工することを特徴とする請求項２に記載の微細形状の転写加工方法。
【請求項６】
入れ子と、該入れ子と嵌合状態になる凹部を有するとともに、該凹部の底面に微細パターンを有する型との間に溶融樹脂を挟み込み、前記型の凹部内に前記樹脂の可塑化効果のあるガス体を充填させた後、前記型を前記樹脂に向けて前進させ、該樹脂を切断した後、前記微細パターンを前記樹脂に加圧して該樹脂の表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法。
【請求項７】
型と、該型と嵌合状態になる凹部を有するとともに、該凹部の底面に微細パターンを有する入れ子との間に溶融樹脂を挟み込み、前記入れ子の凹部内に前記樹脂の可塑化効果のあるガス体を充填させた後、前記入れ子を前記樹脂に向けて前進させ、該樹脂を切断した後、前記微細パターンを前記樹脂に加圧して該樹脂の表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法。
【請求項８】
請求項２に記載の微細形状の転写加工方法を１つの溶融樹脂表面に繰り返し行うことにより複数の微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法。
【請求項９】
溶融樹脂を供給する押出し機と可塑化効果を有するガス体を含浸させて微細パターンを加圧転写する微細パターン加工装置とを連結し、樹脂の供給速度に連動して同速度で前記転写体を移動し、樹脂の供給速度と転写体の移動速度とが同速度のときに微細パターン転写加工を行うことを特徴とする請求項８に記載の微細形状の転写加工方法。
【請求項１０】
ガラス転移温度以上の溶融樹脂を熱変形温度以下の温度調整機能を持った入れ子で微細パターンを加圧し、その状態で入れ子および樹脂を冷却し、樹脂と入れ子の離脱を行うことを特徴とする請求項８又は９に記載の微細形状の転写加工方法。
【請求項１１】
溶融された樹脂表面と表面に微細パターンを有する入れ子により、可塑化効果のあるガス体を密閉し、入れ子を前進させてガス体を加圧させて、樹脂表層にガス体を含浸させて樹脂表層の溶融粘度を低下させた後、減圧弁によりガス体の圧力を解放し、その後に溶融樹脂表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法。
【請求項１２】
樹脂表面と表面に微細パターンを有する入れ子により形成された空間に、加熱装置により樹脂のガラス転移点以上に加熱された可塑化効果のあるガス体を供給し、入れ子を前進させてガス体を加圧し、樹脂表層にガス体を含浸させて樹脂表層の溶融粘度を低下させ、、その後に該ガス体が含浸した樹脂の表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法。
【請求項１３】
溶融された樹脂の表層に可塑化効果のあるガス体を含浸させる手段と、該ガス体が含浸した樹脂の表面に、表面に微細パターンを有する転写体の前記微細パターンを加圧する手段とを備えていることを特徴とする微細形状の転写加工装置。
【請求項１４】
前記溶融された樹脂の供給と前記転写体の移動とを同速度にしたことを特徴とする請求項１３に記載の微細形状の転写加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に微細形状パターンを転写する微細形状の転写加工方法及びその装置に関し、例えばマイクロリアクタなどマイクロファブリケーション用部品等の樹脂製被加工物の加工に応用が可能である。
【背景技術】
【０００２】
熱可塑性樹脂の成形方法では、一般に射出成形法が用いられる。これは、成形品形状をなす金型内キャビティに溶融した樹脂を充填し、金型温度を樹脂の固化温度以下に保つことで冷却固化させるので成形品を容易に作製することが出来るためである。しかし、金型温度を樹脂の固化温度以下に保つため、樹脂の充填と冷却が同時に進行することとなり、流動先端で金型と接した樹脂は急速に冷却されるため粘土が高くなるとともに、低い圧力で金型に押しつけられるため金型表面の微細パターンを高精度に転写することは困難である。
【０００３】
従来、金型表面の微細パターンを高精度に転写するために、
１．金型に熱媒と冷媒を交互に流して金型表面を加熱冷却する方法（Ｐｌａｓｔｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｖｏｌ．３４，１５０（１９８８））
２．成形前に高周波誘導加熱で金型表面を加熱する方法（米国特許第４４３９４９２号）
３．金型表面に絶縁層と導電層を設け、導電層に通電加熱する方法（Ｐｌｙｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．，ｖｏｌ３４（１１），８９４（１９９４））
４．金型表面を輻射加熱する方法（剛性樹脂、Ｖｏｌ４２，（１）、４８（１９９６）
５．金型表面に断熱層を設け樹脂の熱で金型表面を加温する方法（米国特許第５３６２２２６号）
などが知られている。
【０００４】
これらは、金型表面を加熱することで、樹脂表面の冷却を遅らせ、樹脂の粘度が低い状態にすることで転写精度を上げる方法である。しかし、金型表面温度を高くすることは、金型内に温度ムラが生じやすくなり成形品の反りを発生させたり、離型ムラによる歪みを発生させる。また、樹脂の冷却を遅らせ、成形サイクルが短縮出来なくなる不具合もある。
【０００５】
これとは別に、特許第３０９６９０４号のように、金型キャビティ内にガス体を充填させおき、樹脂を射出充填する方法が知られている。この方法では、金型キャビティ内のガス圧をある圧力状態にするため金型を密閉構造にする必要がある。そのためパーティング面、各プレート間、突きだしピン回りにＯリングやＵパッキンを組み込む必要があり、金型構造に制約を与える。さらにキャビティ内に最大１５ＭＰａ程度のガス圧が必要となり、高圧ガスを発生させる設備が必要となる。
【０００６】
また、樹脂全体の溶融粘度を低下させて成形する方法が知られている。例えば、特許３２１８３９７号に開示されるように、溶融樹脂に０．２ｗｔ％以上の二酸化炭素を溶解させる方法、特開２００１−９８８２号に開示されるように、超臨界状態の二酸化炭素を注入する方法などがある。しかし、これらの方法は何れも、上記のように高圧ガスを発生させる設備が必要となる。
【０００７】
さらに、微細パターンを高精度に転写するマイクロファブリケーションを必要とする成形品は、小型化、薄肉化が求められる。射出成形法では、量産性、コストを考慮すると多数個取りが必要となるが、各キャビティでの成形状態を同じくすることは成形品が小さい場合、非常に困難である。また、キャビティに樹脂を導くスプルが必要であり、小型成形品の場合、成形品よりスプルの樹脂量が多くなることがある。スプルが再利用出来る場合、再利用設備がさらに必要となり、また、成形品によりスプルの再利用が出来ない場合は廃棄となり樹脂の利用効率が下がる。
【０００８】
射出成形法では、充填中の樹脂冷却により樹脂粘度が高くなることで流動抵抗が発生する。成形品の厚みが薄くなるほど樹脂冷却が早くなるため流動抵抗が増加し高い充填圧力が必要となる。そのため成形品内部の圧力分布に偏りが生じ成形品の変形となる。ＡＭＯＴＥＣ（Asahi Molding Technology with Co2）やＭｕｃｅｌｌ（米、ＴＲＥＸＥＬ社、登録商標）など可塑剤効果が出るガス体を含ませた樹脂を溶融充填させること低圧力で充填可能なことが知られている。しかし、ガス体が樹脂から揮発するため成形後の収縮率が通常の成形より大きくなり精度が劣る。また、ガスを含ませるために高圧力を発生するためのガス設備が必要となり、設備が大がかりなものとなる。
【特許文献１】米国特許第４４３９４９２号
【特許文献２】米国特許第５３６２２２６号
【特許文献３】特許第３０９６９０４号
【特許文献４】特許第３２１８３９７号
【特許文献５】特開２００１−９８８２号
【非特許文献１】Ｐｌａｓｔｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｖｏｌ．３４，１５０（１９８８）
【非特許文献２】Ｐｌｙｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．，ｖｏｌ３４（１１），８９４（１９９４）
【非特許文献３】剛性樹脂、Ｖｏｌ４２，（１）、４８（１９９６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、熱可塑性樹脂の成形において、樹脂表面粘度の増加を防ぎ、金型表面の微細形状を高精度に転写する方法及びその装置を提供することをその目的とする。また、本発明の更なる目的は、従来のような大がかりな設備を用いないで、樹脂表面粘度の増加を防ぎ、金型表面の微細形状を高精度に転写する方法及びその装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、溶融された樹脂の表層に可塑化効果のあるガス体を含浸させた後、該ガス体が含浸した樹脂の表面に、表面に微細パターンを有する転写体の前記微細パターンを加圧して、前記ガス体が含浸した樹脂の表面に前記微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法である。
【００１１】
請求項２に係る発明は、溶融された樹脂の表層に可塑化効果のあるガス体を含浸させた後、該ガス体が含浸した樹脂の表面に、表面に微細パターンを有する入れ子を加圧して、前記ガス体が含浸した樹脂の表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法である。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、前記ガス体の含浸は、溶融された樹脂の表面と表面に微細パターンを有する入れ子とにより、可塑化効果のあるガス体を密閉し、入れ子を前記樹脂表面に向けて前進させることにより前記密閉されたガス体を加圧させて、前記樹脂の表層にガス体を含浸させることを特徴とする請求項２に記載の微細形状の転写加工方法である。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、前記入れ子は、前記微細パターンの周囲を囲繞して微細パターン面より突出する突起を有することを特徴とする請求項２に記載の微細形状の転写加工方法である。
【００１４】
また、請求項５に係る発明は、前記入れ子の加圧により微細パターンを転写する動作とあわせて、溶融された樹脂を切断して所定の成形品形状に樹脂加工することを特徴とする請求項２に記載の微細形状の転写加工方法である。
【００１５】
また、請求項６に係る発明は、入れ子と、該入れ子と嵌合状態になる凹部を有するとともに、該凹部の底面に微細パターンを有する型との間に溶融樹脂を挟み込み、前記型の凹部内に前記樹脂の可塑化効果のあるガス体を充填させた後、前記型を前記樹脂に向けて前進させ、該樹脂を切断した後、前記微細パターンを前記樹脂に加圧して該樹脂の表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法である。
【００１６】
また、請求項７に係る発明は、型と、該型と嵌合状態になる凹部を有するとともに、該凹部の底面に微細パターンを有する入れ子との間に溶融樹脂を挟み込み、前記入れ子の凹部内に前記樹脂の可塑化効果のあるガス体を充填させた後、前記入れ子を前記樹脂に向けて前進させ、該樹脂を切断した後、前記微細パターンを前記樹脂に加圧して該樹脂の表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法である。
【００１７】
また、請求項８に係る発明は、請求項２に記載の微細形状の転写加工方法を１つの溶融樹脂表面に繰り返し行うことにより複数の微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法である。
【００１８】
また、請求項９に係る発明は、溶融樹脂を供給する押出し機と可塑化効果を有するガス体を含浸させて微細パターンを加圧転写する微細パターン加工装置とを連結し、樹脂の供給速度に連動して同速度で前記転写体を移動し、樹脂の供給速度と転写体の移動速度とが同速度のときに微細パターン転写加工を行うことを特徴とする請求項８に記載の微細形状の転写加工方法である。
【００１９】
また、請求項１０に係る発明は、ガラス転移温度以上の溶融樹脂を熱変形温度以下の温度調整機能を持った入れ子で微細パターンを加圧し、その状態で入れ子および樹脂を冷却し、樹脂と入れ子の離脱を行うことを特徴とする請求項８又は９に記載の微細形状の転写加工方法である。
【００２０】
また、請求項１１に係る発明は、溶融された樹脂表面と表面に微細パターンを有する入れ子により、可塑化効果のあるガス体を密閉し、入れ子を前進させてガス体を加圧させて、樹脂表層にガス体を含浸させて樹脂表層の溶融粘度を低下させた後、減圧弁によりガス体の圧力を解放し、その後に溶融樹脂表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法である。
【００２１】
また、請求項１２に係る発明は、樹脂表面と表面に微細パターンを有する入れ子により形成された空間に、加熱装置により樹脂のガラス転移点以上に加熱された可塑化効果のあるガス体を供給し、入れ子を前進させてガス体を加圧し、樹脂表層にガス体を含浸させて樹脂表層の溶融粘度を低下させ、、その後に該ガス体が含浸した樹脂の表面に微細パターンを転写することを特徴とする微細形状の転写加工方法である。
【００２２】
また、請求項１３に係る発明は、溶融された樹脂の表層に可塑化効果のあるガス体を含浸させる手段と、該ガス体が含浸した樹脂の表面に、表面に微細パターンを有する転写体の前記微細パターンを加圧する手段とを備えていることを特徴とする微細形状の転写加工装置である。
【００２３】
また、請求項１４に係る発明は、前記溶融された樹脂の供給と前記転写体の移動とを同速度にしたことを特徴とする請求項１３に記載の微細形状の転写加工装置である。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に記載の発明によれば、可塑化効果のあるガス体含浸による可塑化効果で樹脂表面を選択的に固化温度の低下、溶融粘度の低下を発生させ転写体を加圧して微細形状パターンを転写するため、溶融樹脂に可塑化効果のあるガス体を含ませて成形する場合に生じる発泡現象などがなく精度の高い転写が得られる。
【００２５】
請求項２に記載の発明によれば、可塑化効果のあるガス体の含浸による可塑化効果で樹脂表面を選択的に固化温度の低下、溶融粘度の低下を発生させ入れ子を加圧して微細形状パターンを転写するため、溶融樹脂に可塑化効果のあるガス体を含ませて成形する場合に生じる発泡現象などがなく精度の高い転写が得られる。
【００２６】
請求項３に記載の発明によれば、可塑化効果のあるガス体を含浸させるための加圧と微細形状パターン転写のための加圧が同時にできるので、ガス体を加圧する従来のような大がかりな設備装置が不要である。
【００２７】
請求項４に記載の発明によれば、突起により可塑化効果のあるガス体を密封することが出来るので、金型構造が簡易になる。
【００２８】
請求項５に記載の発明によれば、樹脂を加工して成形品を作製する際、プレス方法で成形することが出来るため、射出成形法のようにスプルなど不要なものが生じない。
【００２９】
請求項６に記載の発明によれば、従来のような大がかりな設備を用いないで、転写のための加圧と成形品形状の形成を同時に行うことが可能となるため、成形サイクルの短縮が可能となる。
【００３０】
請求項７に記載の発明によれば、従来のような大がかりな設備を用いないで、突起により可塑化効果のあるガス体を密封することが出来、また入れ子の前進加圧のみで成形品を作製できるので、装置構造が簡単になる。
【００３１】
請求項８に記載の発明によれば、少ない入れ子の数で多数の成形品を得ることが出来るため金型コストを少なくすることが出来る。
【００３２】
請求項９に記載の発明によれば、入れ子を移動して成形するため成形タクトが長くても、少ない入れ子の数で成形品を得ることが出来るため金型コストを少なくすることが出来る。
【００３３】
請求項１０に記載の発明によれば、入れ子の温度が低いため成形サイクルの短縮が可能となる。
【００３４】
請求項１１に記載の発明によれば、任意の圧力、または位置で可塑化効果のあるガス体を転写面から排出できるため転写精度を高くすることが出来る。
【００３５】
請求項１２に記載の発明によれば、加熱された可塑化効果のあるガス体の熱により樹脂を加熱することが出来るため、シートなどの固化状態の樹脂表面にも可塑化効果のあるガス体を含浸させることが可能となり、プレス成形などが可能となる。
【００３６】
請求項１３に記載の発明によれば、従来のような大がかりな設備を用いないで、可塑化効果のあるガス体の含浸による可塑化効果で樹脂表面を選択的に固化温度の低下、溶融粘度の低下を発生させ転写体を加圧して微細形状パターンを転写するため、溶融樹脂に可塑化効果のあるガス体を含ませて成形する場合に生じる発泡現象などがなく精度の高い転写が得られる。
【００３７】
請求項１４に記載の発明によれば、溶融された樹脂の供給と前記転写体の移動とを同速度にしたので、成形時の樹脂量が一定となり安定した可塑化効果のあるガス体の加圧および樹脂への金型入れ子３の加圧が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態の転写加工装置の動作説明図、図２は図１の各工程における樹脂の温度を示す図である。図１に示すように、この転写加工装置は、押出し機２０と、微細パターン加工装置２１とを備えている。押出し機２０は、そのノズル２０ａから溶融樹脂１を搬送手段２２上にシート状に流出して、押出し機２０に連結されている微細パターン加工装置２１の加工位置に供給する（樹脂搬送工程の位置（１））。
【００３９】
微細パターン加工装置２１は、樹脂を可塑化する効果の有るガス体、本実施形態では二酸化炭素Ｇの雰囲気中に配置されている。そして、微細パターン加工装置２１は、金型入れ子（転写体）３を搬送する手段（図示せず）、例えばロボットアーム等を備えている。この搬送手段（図示せず）は、金型入れ子３の両側面に進退動可能に取り付けられたカッターＣとともに金型入れ子３を溶融樹脂１の供給速度と同速度で搬送する。この搬送は、少なくとも後述する転写空間密閉工程の位置（２）〜徐冷工程の位置（５）の間が同速度である。他の位置では同速度であっても、同速度でなくても良い。
【００４０】
微細パターン加工装置２１は、溶融樹脂１の搬送方向上流側から順に、転写空間密閉工程の位置（２）、切断工程の位置（３）、転写工程の位置（４）、徐冷工程の位置（５）、離脱工程の位置（６）、待機工程の位置（７）に金型入れ子３を循環させる。
【００４１】
次に図１の樹脂搬送工程の位置（１）〜待機工程の位置（７）の順に動作を説明する。
樹脂搬送工程の位置（１）では、  押出し機のノズルから形状転写装置へと樹脂１が搬送される。２つの装置（押出し機２０、微細パターン加工装置２１）が連結されているため、樹脂温度の低下が少なく経済的である。溶融樹脂１として、ポリカーボネートを用い、搬送直後は約２７０℃、微細パターン加工装置２１の直前で約２００℃である。図２に示すように、溶融樹脂１として用いたポリカーボネートのガラス転移点ＧＰは約１４０℃、熱変形温度（荷重たわみ温度）ＨＤＴは約１２０℃である。
【００４２】
転写空間密閉工程の位置（２）〜徐冷工程の位置（５）では、搬送された溶融樹脂１の温度はガラス転移温度以上で十分塑性加工が出来る温度である。その時の金型入れ子３の温度は熱変形温度（荷重たわみ温度）以上である。次に、支持体４を金型入れ子３より前進させ、樹脂１と接することで空間Ｓを形成する。この空間Ｓが開いている時に二酸化炭素Ｇを供給し、二酸化炭素Ｇを空間Ｓの間で密閉したのち、溶融樹脂１に支持体４を前進させ、溶融樹脂１を切断する。次に金型入れ子３表面の微細形状パターン２が樹脂に接するまで徐々に前進させる。金型入れ子３と樹脂１との間で密閉した二酸化炭素Ｇは金型入れ子３の前進により加圧され、樹脂表層に含浸する。二酸化炭素Ｇが含浸して溶融粘度が低下した樹脂表層に微細形状パターン２を加圧し、転写する。金型入れ子３の温度を徐々に下げ、徐冷工程の位置（５）に到達するまでに溶融樹脂１を熱変形温度（荷重たわみ温度）以下まで冷却する。例えば、加圧直前の溶融樹脂１の温度は２００℃、金型入れ子３が離脱する直前の溶融樹脂１の温度は１３０℃である。
【００４３】
その時、樹脂の供給速度と金型入れ子３の転写空間密閉工程の位置（２）から徐冷工程の位置（５）への移動速度とは同じである。そのことにより、成形時の樹脂量が一定となり安定した二酸化炭素の加圧および樹脂への金型入れ子３の加圧が可能となっている。例えば、金型入れ子３の移動速度の方が樹脂の供給速度より遅いと、金型入れ子３により樹脂を切断する際に樹脂の渋滞を引き起こし、次の切断時には渋滞した部分を切断することになり、成形時の樹脂量が一定ではなくなる。また、金型入れ子３の移動速度の方が樹脂の供給速度より早いと、金型入れ子３により樹脂を切断する際に樹脂と切断部分との間に空間が発生し、次の切断時には空間部分を含んで切断することになり、成形時の樹脂量が一定ではなくなる。
【００４４】
離脱工程の位置（６）では、金型入れ子３が成形品１ｂから離脱する。その時、樹脂温度は熱変形温度（荷重たわみ温度）以下であるため、微細形状パターン２の変形は無く、良質な成形品が得られる。待機工程の位置（７）では、成形品１ｂから離脱した金型入れ子３は転写空間密閉工程の位置（２）へと移動し、次の転写加工を行う。その移動の間に、金型入れ子３の温度は所定の温度まで加熱される。
【００４５】
また、熱変形温度（荷重たわみ温度）以下に設定された金型入れ子３により加圧する場合、溶融樹脂１の冷却が促進され成形サイクルが短縮される。転写される面も冷却固化するが空間Ｓに密封された二酸化炭素Ｇの可塑化効果により微細形状パターン２の転写精度が低くなることはない。また、樹脂の冷却固化による収縮で金型入れ子３との間に隙間が出来、空間Ｓに密封された二酸化炭素Ｇが外部に排出され転写面に二酸化炭素Ｇが介在することが無くなるため微細形状パターン２の転写精度が高くなる。この場合には微細パターン加工装置２１内を二酸化炭素Ｇの雰囲気にせずに、図４又は図５に示すように、金型入れ子３に二酸化炭素Ｇの供給孔を設けて空間Ｓ内に二酸化炭素Ｇを供給する。
【００４６】
次に、図１の転写加工装置を用いる成形品への転写加工方法を説明する。図３は図１の転写加工装置を用いた微細形状パターンの転写加工方法の第１の例を示し、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。なお、この転写加工方法では、図１の転写加工装置を用いているが、切断工程を省略して、転写空間密閉工程、転写工程、離脱工程を行う場合について説明する。
【００４７】
図３に示すように、この転写加工方法では、微細パターン２の回りに突起５を設けた金型入れ子３を用いた微細形状パターン転写の方法を示す。図３（Ａ）ではノズル２０ａ（可塑化シリンダ）から押し出された溶融樹脂１と、微細形状パターン２を表面に有し、その回りに突起５を設けた金型入れ子３とにより形成される空間Ｓは、溶融樹脂１と突起５が接することで密閉状態となる。空間Ｓには樹脂に含浸すると可塑化効果が得られるガス体、本実施形態では二酸化炭素Ｇが充填されている。
【００４８】
熱可塑性樹脂に溶解しやすく可塑化効果が得やすいガス体として、二酸化炭素以外にも、炭化水素、炭化水素の一部水素をフッ素に置換したガスなどがあるが、熱可塑性樹脂に溶解しやすく、扱いが容易である二酸化炭素を用いるのが特によい。
【００４９】
図３（Ｂ）では、金型入れ子３を加圧前進させ二酸化炭素Ｇを圧縮し高圧状態にする。密閉された二酸化炭素Ｇの圧力は、金型入れ子３の加圧力により任意の圧力に調整が可能であるが、二酸化炭素Ｇの圧力が７３ＭＰａ以上の場合、溶融樹脂１の温度が３０℃以上であるため、二酸化炭素Ｇは超臨界状態となり樹脂表層への含浸がより加速される。樹脂表層に含浸した二酸化炭素Ｇは可塑剤の作用をするため、樹脂表層だけを選択的に固化温度を低下させる、または樹脂の溶融粘度を低下させる効果が得られる。その状態で金型入れ子３を溶融樹脂表層に密着加圧することで金型入れ子３表面の微細形状パターン２を精度良く樹脂に転写することが出来る。図３（Ｃ）では、微細形状パターン２が転写され樹脂が冷却固化したのち金型入れ子を後退させる。このようにして樹脂表層には、微細形状パターンが高精度で転写される。
【００５０】
次に図４（Ａ）〜（Ｃ）の順に二酸化炭素の加減圧の動作を説明する。図４は減圧弁を備えた金型入れ子を用いて二酸化炭素の加減圧の動作を説明するための図であり、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。なお、この転写加工方法においても、図３に示した転写加工方法と同様に、切断工程を省略した場合について説明する。
【００５１】
図４（Ａ）ではノズル２０ａから押し出された溶融樹脂１と微細形状パターン２を表面に有する金型入れ子３とにより形成される空間Ｓは、溶融樹脂１と金型入れ子３が接することで密閉状態となる。空間Ｓには二酸化炭素Ｇが充填されている。
【００５２】
図４（Ｂ）では、金型入れ子３を加圧前進させ二酸化炭素Ｇを圧縮し高圧状態にする。密閉された二酸化炭素Ｇの圧力は、金型入れ子３の加圧力により任意の圧力に調整が可能である。任意の圧力以上で圧力開放弁９が開くように設定する、または、微細形状パターン２が樹脂に接するストローク位置に来たときに圧力開放弁９が開くように設定することで、微細パターン２を樹脂に転写する際に樹脂と金型入れ子３との間に二酸化炭素が介在して微細形状パターン２の転写を阻害することがなくなる。
【００５３】
圧力開放弁９が開くまでは二酸化炭素Ｇが加圧され、樹脂表層に含浸するため、樹脂表層だけを選択的に固化温度を低下させる、または樹脂の溶融粘度を低下させる効果が得られる。
【００５４】
図４（Ｃ）では、微細形状パターンが転写され樹脂が冷却固化したのち金型入れ子３を後退させる。樹脂表層には、微細形状パターン２が高精度で転写される。このとき樹脂１と金型入れ子３表面の微細形状パターン２との間に清浄空気を吹き込むことで溶融樹脂１と金型入れ子３との離型が精度良く行われることを促進することが出来る。
【００５５】
図５は空間Ｓに外部で加温された二酸化炭素を供給するための回路図の一例を示す図である。図５には、金型入れ子３の前進加圧による二酸化炭素Ｇの加圧、溶融樹脂１の温度を利用しての加温ではなく、空間Ｓに外部で加温された二酸化炭素Ｇを供給するための回路図の一例を示す。
【００５６】
外部で加温された二酸化炭素Ｇを供給することでシートなどの固体状態で供給される固体状樹脂１ａに対しても二酸化炭素Ｇを含浸させることが出来る。また、図５に示すように、空間Ｓにガスを供給する途中にヒータなどの簡易な加熱装置１０を追加するだけでよく、加圧装置のように大がかりになることはない。本実施形態では、ガス供給源１３とガス溜まり１１との間に加熱装置１０が配置されている。なお、図８中、符号１２はバルブである。
【００５７】
図６は図１の転写加工装置を用いた微細形状パターンの転写加工方法の第２の例を示し、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。この場合も図３で説明した転写加工方法と同様に、切断工程を省略している。
【００５８】
図６（Ａ）では可塑化シリンダから押し出された溶融樹脂１と、微細形状パターン２を表面に有する金型入れ子３と、金型入れ子３の支持体４とにより形成される空間Ｓは、溶融樹脂１と支持体４とが接することで密閉状態となる。空間Ｓには樹脂に含浸すると可塑化効果が得られるガス体が充填されている。熱可塑性樹脂に溶解しやすく可塑化効果が得やすいガス体として、図３の転写加工方法と同様に、熱可塑性樹脂に溶解しやすく、扱いが容易である二酸化炭素を用いるのが特によい。
【００５９】
図６（Ｂ）では、金型入れ子３を加圧前進させ二酸化炭素Ｇを圧縮し高圧状態にする。密閉された二酸化炭素Ｇの圧力は、金型入れ子３の加圧力により任意の圧力に調整が可能であるが、二酸化炭素Ｇの圧力が７３ＭＰａ以上の場合、溶融樹脂１の温度が３０℃以上であるため、二酸化炭素Ｇは超臨界状態となり樹脂表層への含浸がより加速される。樹脂表層に含浸した二酸化炭素Ｇは可塑剤の作用をするため、樹脂表層だけを選択的に固化温度を低下させる、または樹脂の溶融粘度を低下させる効果が得られる。その状態で金型入れ子３を溶融樹脂表層に密着加圧することで金型入れ子３表面の微細形状パターン２を精度良く樹脂に転写することが出来る。図６（Ｃ）では、微細形状パターン２が転写され樹脂が冷却固化したのち金型入れ子を後退させる。樹脂表層には、微細形状パターン２が高精度で転写される。
【００６０】
以上のように、本発明に係る実施形態の転写加工方法又は転写加工装置によれば、押出し機２０から供給された溶融樹脂１と微細形状パターン２を表面に有する金型入れ子３とで、溶融樹脂１に含浸させると可塑化効果が得られるガス体である二酸化炭素Ｇを密閉し、金型入れ子３を前進することで二酸化炭素Ｇを高圧に圧縮し、これにより樹脂表層に二酸化炭素Ｇを含浸させ、樹脂表層の粘度を低下させる。その後、樹脂表層を微細形状パターン２を表面に有する金型入れ子３で加圧し、樹脂表層に微細形状パターン２を転写することで、微細形状パターン２が高精度に転写された成形品１ｂを得ることができる。
【００６１】
図７は本発明に係る第２実施形態の転写加工装置の動作説明図である。次に他の実施形態として図７の樹脂搬送工程の位置（１）〜待機工程の位置（７）の順に動作を説明する。
【００６２】
樹脂搬送工程の位置（１）では、押出し機２０から微細パターン加工装置２１へと溶融樹脂１が搬送される。２つの装置が連結されているため、樹脂温度の低下が少なく経済的である。例えば、溶融樹脂１はポリカーボネート、搬送直後は約２７０℃、微細パターン加工装置２１の直前で約２００℃である。
【００６３】
転写空間密閉工程の位置（２）〜徐冷工程の位置（５）では、搬送された溶融樹脂１の温度はガラス転移温度以上で十分塑性加工が出来る温度である。その時の金型入れ子３の温度は熱変形温度（荷重たわみ温度）以上である。次に、溶融樹脂１と金型入れ子３との間に二酸化炭素Ｇを供給し、二酸化炭素Ｇを空間Ｓの間で密閉したのち、溶融樹脂１に金型入れ子３表面の微細形状パターン２が樹脂に接するまで徐々に前進させる。それと同時に金型入れ子３の側部にある突起５が樹脂を貫通し成形品外形を切り出し形作る。金型入れ子３と溶融樹脂１との間で密閉した二酸化炭素Ｇは金型入れ子３の前進により加圧され、樹脂表層に含浸する。二酸化炭素Ｇが含浸して溶融粘度が低下した樹脂表層に微細形状パターン２を加圧し、転写する。溶融樹脂１を挟んで金型入れ子３と反対側に突起５と印籠合わせとなる凹溝８（図８参照）をもつ型（溶融樹脂１に対して金型入れ子３と対称に移動する）７とで切り出した成形品１ｂを挟み加圧する構造になっているため、空間Ｓに密封される二酸化炭素Ｇ、および溶融樹脂１に微細形状パターン２をより高圧力で加圧することが出来、転写精度がより高くなる効果が得られる。金型入れ子３の温度を徐々に下げ、徐冷工程の位置（５）に到達するまでに樹脂を熱変形温度（荷重たわみ温度）以下まで冷却する。例えば、加圧直前が２００℃、金型入れ子３の離脱直前が１３０℃である。
【００６４】
その時、樹脂の供給速度と金型入れ子３の転写空間密閉工程の位置（２）の位置から徐冷工程の位置（５）への移動速度は同じである。そのことにより、成形時の樹脂量が一定となり安定した二酸化炭素Ｇの加圧および樹脂への金型入れ子３の加圧が可能となっている。
【００６５】
離脱工程の位置（６）では、金型入れ子３が成形品１ｂから離脱する。その時、樹脂温度は熱変形温度（荷重たわみ温度）以下であるため、微細形状パターン２の変形は無く、良質な成形品が得られる。待機工程の位置（７）では、成形品１ｂから離脱した金型入れ子３は転写空間密閉工程の位置（２）へと移動し、次の転写加工を行う。その移動の間に、金型入れ子３の温度は所定の温度まで加熱される。
【００６６】
図８は図５の転写加工装置を用いた微細形状パターンの転写加工方法の第１の例を示し、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。図８は微細パターン２の周囲に微細パターン２面より高い突起５を有する金型入れ子３と、突起５に対応する位置に溝８を有する型７を用いた微細形状パターン転写の方法を示す。
【００６７】
図８（Ａ）では可塑化シリンダから押し出された溶融樹脂１と微細形状パターン２を表面に有し、その回りに突起５を設けた金型入れ子３により形成される空間Ｓは、溶融樹脂１と突起５とが接することで密閉状態となる。空間Ｓには樹脂に含浸すると可塑化効果が得られるガス体が充填されている。熱可塑性樹脂に溶解しやすく可塑化効果が得やすいガス体として、図３の転写加工方法と同様に、二酸化炭素を用いるのが特によい。
【００６８】
図８（Ｂ）では、金型入れ子３を前進させることで突起５により溶融樹脂１をせん断し、せん断された溶融樹脂１と金型入れ子３との間に密封された二酸化炭素は圧縮され高圧状態になる。密閉された二酸化炭素の圧力は、金型入れ子３の加圧力により任意の圧力に調整が可能であるが、二酸化炭素の圧力が７３ＭＰａ以上の場合、溶融樹脂１の温度が３０℃以上であるため、二酸化炭素は超臨界状態となり樹脂表層への含浸がより加速される。樹脂表層に含浸した二酸化炭素は可塑剤の作用をするため、樹脂表層だけを選択的に固化温度を低下させる、または樹脂の溶融粘度を低下させる効果が得られる。この状態で金型入れ子３を前進させ溶融樹脂１を貫通した突起５は、突起５に対応する位置にある凹溝８と印籠合わせとなることで溶融樹脂１を切断し、溶融樹脂表層に微細パターン２に密着加圧することで微細形状パターン２を精度良く樹脂に転写することが出来る。
【００６９】
図８（Ｃ）では、微細形状パターン２が転写され樹脂が冷却固化したのち金型入れ子３を後退させる。樹脂表層には、微細形状パターンが高精度で転写されるとともに突起５により所定の成形品形状も形成される。
【００７０】
図９は図７の転写加工装置を用いた微細形状パターンの転写加工方法の第１の例を示し、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。図９は入れ子６と、入れ子６と嵌合状態になる凹形を有し、前記凹形状の底面に微細パターン２を有する型７とを用いた微細形状パターン転写の方法を示す。図９（Ａ）では可ノズル２０ａから押し出された溶融樹脂１に微細形状パターン２を凹形状の底面に有する型７を前進させることにより溶融樹脂１と型７とが接し、形成される空間Ｓは密閉状態となる。
【００７１】
空間Ｓには樹脂に含浸すると可塑化効果が得られるガス体として、図３の転写加工方法と同様に、二酸化炭素が充填されている。図９（Ｂ）では、入れ子６を加圧前進させることで溶融樹脂１をせん断し、せん断された溶融樹脂１と型７との間に密封された二酸化炭素Ｇは圧縮され高圧状態になる。密閉された二酸化炭素Ｇの圧力は、入れ子６の加圧力により任意の圧力に調整が可能であるが、二酸化炭素Ｇの圧力が７３ＭＰａ以上の場合、溶融樹脂の温度が３０℃以上であるため、二酸化炭素Ｇは超臨界状態となり樹脂表層への含浸がより加速される。樹脂表層に含浸した二酸化炭素Ｇは可塑剤の作用をするため、樹脂表層だけを選択的に固化温度を低下させる、または樹脂の溶融粘度を低下させる効果が得られる。この状態で入れ子６を前進させ溶融樹脂表層を型７の凹形状底面にある微細パターン２に密着加圧することで微細形状パターン２を精度良く樹脂に転写することが出来る。図９（Ｃ）では、微細形状パターン２が転写され樹脂が冷却固化したのち入れ子６を後退させる。樹脂表層には、微細形状パターン２が高精度で転写されるとともに型７の凹形状により所定の成形品形状も形成される。
【００７２】
図１０は入れ子に備える温度調整手段の第１具体例を示す図であり、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は（Ａ）図中のＡ−Ａ線断面図である。図１０（Ａ）に示すように、金型入れ子３には、熱交換器１５からフレキシブルチューブ１４を介して冷却媒体を通すための流路３ｂが形成されている。
【００７３】
フレキシブルチューブ１４は、ナイロン、ポリアミド、ポリオレフィンなどの可撓性を有する耐熱性樹脂から構成され、移動する金型入れ子３に追従できるようになっている。熱交換器１５の冷却媒体としては水を用いる水冷式が好ましい。その理由は、取り扱いに優れ、熱交換効率も高いためである。冷却媒体は金型入れ子３内を常に流通させて金型入れ子３を常に一定温度に保持するようにしても良い。また、加圧完了までは金型入れ子３内の冷却媒体を抜き取るか、または、循環を停止し、加圧完了後、冷却媒体を金型入れ子３内に循環させて冷却するようにしてもよい。さらに、冷却媒体の温度を樹脂の熱変形温度（荷重たわみ温度）から、所定温度または室温まで徐々に下げて、徐冷するようにしても良い。
【００７４】
図１１は金型入れ子に備える温度調整手段の第２具体例を示す図である。図１１に示すように、金型入れ子３に微細形状パターン２に対して垂直に穿設した穴３ａの中にバッフル板１８及び／又はパイプ（図示せず）を配置して、冷却媒体が循環するようにしても良い。
【００７５】
図１２は転写パターン面に対向する温度調整用媒体の流路を示す図であり、（Ａ）は平行に配置された流路を示し、（Ｂ）は螺旋状に配置された流路を示す。図１２（Ａ）に示すように、微細形状パターン２面の温度ばらつきを小さくするために、一部が平行になるように往復させて冷却媒体の流路を屈曲形成するようにしても良い。また、図１２（Ｂ）に示すように、冷却媒体の流通を螺旋状に往復させるように屈曲形成しても良い。これらの例では、１本の流路を屈曲形成した例について示したが、１つの金型入れ子３内に複数の流路を形成するようにしても良い。
【００７６】
図１３は入れ子に備える温度調整手段の第３具体例を示す図である。図１３に示すように、上述した冷却媒体を循環させる方法の他に、ヒートパイプ１６を金型入れ子３に設けたヒートパイプ１６の取付穴に差込み冷却する方法もある。この方法では、ヒートパイプ１６を金型入れ子３に差し込み続ける他に、加圧完了までヒートパイプ１６を外しておき、この状態で熱変形温度（）以上の保温状態にしておき、加圧完了後にヒートパイプ１６を取付穴に挿入して冷却を行うようにしても良い。このようにヒートパイプ１６を用いることで、冷却媒体を循環させるためのチューブ等が不要となり、構造が簡単になる。これにより、メンテナンスが容易になり、低コスト化を測ることもできる。なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記図１、図５の実施形態では金型入れ子が５つの場合について説明したが、１つ以上５つ未満でも良く、また、６個以上でも良い。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る第１実施形態の転写加工装置の動作説明図である。
【図２】図１の各工程における樹脂の温度を示す図である。
【図３】図１の転写加工装置を用いた微細形状パターンの転写加工方法の第１の例を示し、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。
【図４】減圧弁を備えた入れ子を用いて二酸化炭素の加減圧の動作を説明するための図であり、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。
【図５】空間Ｓに外部で加温された二酸化炭素を供給するための回路図の一例を示す図である。
【図６】図１の転写加工装置を用いた微細形状パターンの転写加工方法の第２の例を示し、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。
【図７】本発明に係る第２実施形態の転写加工装置の動作説明図である。
【図８】図７の転写加工装置を用いた微細形状パターンの転写加工方法の第１の例を示し、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。
【図９】図７の転写加工装置を用いた微細形状パターンの転写加工方法の第１の例を示し、（Ａ）は転写前、（Ｂ）は転写中、（Ｃ）は転写後をそれぞれ示す。
【図１０】入れ子に備える温度調整手段の第１具体例を示す図であり、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は（Ａ）図中のＡ−Ａ線断面図である。
【図１１】入れ子に備える温度調整手段の第２具体例を示す図である。
【図１２】転写パターン面に対向する温度調整用媒体の流路を示す図であり、（Ａ）は平行に配置された流路を示し、（Ｂ）は螺旋状に配置された流路を示す。
【図１３】入れ子に備える温度調整手段の第３具体例を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１    溶融樹脂
１ａ    固体状樹脂
１ｂ    成形品
２    微細形状パターン
３    金型入れ子（転写体）
３ａ    穴
３ｂ    流路
４    支持体
５    突起
６    入れ子
７    型（転写体）
８    凹溝
９    圧力開放弁
１０    加熱装置
１１    ガス溜まり
１２    バルブ
１３    ガス供給源
１４    フレキシブルチューブ
１５    熱交換器
１６    ヒートパイプ
１７    放熱板
１８    バッフル板
２０    押出し機
２０ａ  ノズル
２１    微細パターン加工装置
２２    搬送手段
Ｃ    カッター
Ｇ  二酸化炭素（可塑化効果のあるガス体）
ＧＰ    ガラス転移点
ＨＤＴ    熱変形温度（荷重たわみ温度）
【図１】
2005178069.tif 000003
【図２】
2005178069.tif 000004
【図３】
2005178069.tif 000005
【図４】
2005178069.tif 000006
【図５】
2005178069.tif 000007
【図６】
2005178069.tif 000008
【図７】
2005178069.tif 000009
【図８】
2005178069.tif 000010
【図９】
2005178069.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2005178069.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2005178069.tif 000015