JP2006007546A - 成形転写方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形転写方法において、大面積、かつ略任意の曲面に微細形状パターンを成形転写した成形品を製造することを可能とする。
【解決手段】少なくとも曲面を含み、その曲面に所定の微細形状パターンを成形転写した成形品を製造する成形転写方法であり、曲面を面要素に分割する面分割工程Ｓ１と、パターンを備えずに曲面を備えた成形品と同一形状を有する曲面マスタを成形する曲面マスタ成形工程Ｓ２と、各面要素に対応する部位におけるパターン形状を備えた分割型を用いて、曲面マスタの各面要素に対応する部位に当該パターンを転写する分割パターン転写工程Ｓ３と、パターンが転写された曲面マスタをもとに電気鋳造法を用いて成形型を作成する成形型作成工程Ｓ４と、成形型を用いて、曲面とその上のパターンを備えた成形品を転写成形するパターン転写成形工程Ｓ５と、成形品を成形型から離型する離型工程Ｓ６と、を基本的な工程として含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面に微細パターンを転写した成形品を製造する成形転写方法に関する。

近年、光学部品や照明部品などの主として中小成形品からなる導光板、拡散板、防汚・撥水構造体など、また住設部品などの主として大型部品樹脂成形品からなる防汚・撥水構造体などに新たな光学機能や耐環境性を付与するため、成形品表面に凹凸をもつ微細な形状を形成する技術が検討され、開発されている。このような技術として、例えば、ナノオーダの微細形状を有する型を用いてプレス成形によりパターン転写を行うナノインプリント法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、同じくパターン転写を用いて、表面に微細凹凸形状を一体に形成したレンチキュラーレンズシートを製造する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
米国特許第５７７２９０５号明細書 特開平９−３１１２０４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるような微細形状の形成技術は、微小面積かつ平板からなる対象物への適用に限られており、また、特許文献２に示されるような平板以外の対象物への微細形状の形成技術においても、略任意の一般的な曲面を有する対象物表面に微細形状を形成することができない。

本発明は、上記課題を解消するものであって、大面積、かつ略任意の曲面に微細形状パターンを成形転写した成形品を製造する成形転写方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、少なくとも曲面を備え、当該曲面に所定の微細形状パターンを成形転写した成形品を製造する成形転写方法において、前記曲面を微小な面要素に分割する面分割工程と、前記パターンを備えることなく前記曲面を備えて前記成形品と同一形状を有する曲面マスタを成形する曲面マスタ成形工程と、前記各面要素に対応する部位における前記パターン形状を備えた分割型を用いて、前記曲面マスタの前記各面要素に対応する部位に当該パターンを転写する分割パターン転写工程と、前記パターンが転写された曲面マスタをもとに電気鋳造法を用いて成形型を作成する成形型作成工程と、前記工程により作成された成形型を用いて、前記曲面及び当該曲面に前記パターンを備えた成形品を転写成形するパターン転写成形工程と、前記工程により転写成形された成形品を離型する離型工程と、を含むものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の成形転写方法において、前記面分割工程は、成形品の３次元形状モデルを用いて前記面要素への分割を行うとともに、前記離型工程における離型に際し前記成形型の離型方向に対する前記パターンの形状がアンダーカットの関係にならないように前記分割を決定する工程を含むものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の成形転写方法において、前記面分割工程は、前記各面要素に含まれるパターンが当該面要素に隣接する面要素に含まれるパターンに連続するように、各パターンの位置及び方向を決定する工程を含むものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成形転写方法において、前記曲面マスタ成形工程とパターン転写成形工程は、それぞれ少なくとも２つの型を用いて行われ、各工程で用いられる型のうち１つは両工程において共用されるものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成形転写方法において、前記曲面マスタ成形工程は、樹脂を前記曲面マスタの形状に切削加工する工程を含むものである。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成形転写方法において、前記分割パターン転写工程は、前記曲面マスタを形成する材料として熱可塑性樹脂を用いるとともに前記分割型を形成する材料として透明体を用い、前記透明体からなる分割型を透過して前記熱可塑性樹脂からなる曲面マスタにエネルギ線を照射することにより前記曲面マスタを部分的に加熱するとともに当該加熱部分に前記分割型により前記パターンを転写する工程を含むものである。

請求項７の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成形転写方法において、前記分割パターン転写工程は、前記曲面マスタを形成する材料として透明な熱可塑性樹脂を用い、前記透明な曲面マスタを透過してエネルギ線を照射することにより前記曲面マスタの表面を部分的に加熱するとともに当該加熱部分に前記分割型により前記パターンを転写する工程を含むものである。

請求項８の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成形転写方法において、前記分割パターン転写工程は、前記曲面マスタを光造形により作成するとともに前記曲面マスタの表層にＵＶ硬化性樹脂をコーティングし、前記曲面マスタのコーティング層に前記分割型を加圧するとともにＵＶ光により前記コーティング層を硬化させる工程を含むものである。

請求項９の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の成形転写方法において、前記分割パターン転写工程は、前記分割型によるパターン転写に際し、前記パターン転写成形工程において前記成形型とともに用いられるコア側の型を、前記分割型による加圧力を受ける下型として用いる工程を含むものである。

請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の成形転写方法において、前記分割パターン転写工程は、前記分割型によるパターン転写後の分割型の離型に際し、前記分割型を超音波振動させながら離型する工程を含むものである。

請求項１１の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の成形転写方法において、前記離型工程は、前記成形型と成形品の離型に際し、前記成形型を超音波振動させながら離型する工程を含むものである。

請求項１２の発明は、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の成形転写方法において、前記パターン転写成形工程は、成形品の前記パターン部分を当該成形品の他の部分と異なる材料を用いて形成する工程を含むものである。

本発明によれば、曲面を微小な面要素に分割するとともに、パターンなし状態の曲面を備えて成形品と同一形状に成形した曲面マスタの各面要素部位に、分割型を用いてパターンを転写するので、曲面の任意の位置に成形品の微細形状パターンを備えた曲面マスタを容易かつ確実に形成できる。さらに、このパターン付きの曲面マスタをもとにして電気鋳造法を用いて、成形品の曲面とパターンを備えた成形型を容易に作成でき、この成形型により所望の曲面と曲面上の微細形状パターンを転写した成形品を容易に製造することができる。このような成形転写方法によると、大面積、かつ略任意の曲面に微細形状パターンを成形転写した成形品を容易にかつ効率良く製造することができる。曲面上の任意の位置に微細形状パターンを転写できるので、表面に微細形状を有する大面積サイズかつ自由曲面を有する構造体や樹脂成形品に新たな機能の発現や機能付加・向上ができる。

以下、本発明の一実施形態に係る成形転写方法について、図面を参照して説明する。図１は、成形転写方法の工程フローの例を示す。本発明の成形転写方法は、少なくとも曲面を含むとともに、その曲面に所定の微細形状パターン（以下、パターン）が成形転写された成形品を製造する成形転写方法である。成形品は、少なくとも曲面を含めば、勿論平面を含んでいてもよい。この成形転写方法は、曲面を微小な面要素に分割する面分割工程（Ｓ１）と、パターンを備えることなく曲面を備えて成形品と同一形状を有する曲面マスタを成形する曲面マスタ成形工程（Ｓ２）と、各面要素に対応する部位におけるパターン形状を備えた分割型を用いて、曲面マスタの各面要素に対応する部位に当該パターンを転写する分割パターン転写工程（Ｓ３）と、パターンが転写された曲面マスタをもとに電気鋳造法を用いて成形型を作成する成形型作成工程（Ｓ４）と、作成された成形型を用いて、曲面及びその曲面上のパターンを備えた成形品を転写成形するパターン転写成形工程（Ｓ５）と、転写成形された成形品を成形型から離型する離型工程（Ｓ６）と、を基本的な工程として含んでいる。以下、これらの工程に沿って成形転写方法を説明する。

上述の各工程に沿って図２〜図１５を参照して成形転写方法を説明する。ここで、図２〜図４は面分割工程（Ｓ１）、図５、図６は曲面マスタ成形工程（Ｓ２）、図７〜図１０は分割パターン転写工程（Ｓ３）、図１１〜図１３は成形型作成工程（Ｓ４）、図１４はパターン転写成形工程（Ｓ５）と離型工程（Ｓ６）、図１５は製造された成形品を示す。

（面分割工程Ｓ１）
本成形転写方法により形成される成形品の１例として、例えば、図２（ａ）示す成形品の３次元形状モデル１１のように、ドーム状の曲面を有する成形品を取り上げる。その曲面からなる上部外表面には、図２（ｂ）に示すように、断面が三角形の線状に連続する微細なパターン１０が互いに隣り合って規則的に曲面Ｓの上に形成される。この構造は、例えば、３次元形状モデル１１のドーム内部に光源を備える場合、その光源からの光を光学的に処理して光強度分布を一様化したり特定の分布にするために用いられる。

上述の曲面Ｓは、例えば、表面から突出したパターン１０の部分を除去した成形品の表面として定義される。曲面Ｓの他の定義方法として、パターン１０による凹凸を平均化することにより得られる曲面としてもよい。図３（ａ）（ｂ）は、パターン１０を備えることなく曲面Ｓを備えた（大域的な意味で）成形品と同一形状を有する曲面形状体１２を示す。

本発明の成形転写方法は、曲面形状体１２を構成する曲面Ｓが、例えば、回転対称性や並進対称性などの対称性を有さない一般的な曲面（いわゆる自由曲面）などの場合、曲面Ｓの全域に亘って、例えば光学的に意味のある規則的なパターン１０を確実にかつ比較的安価に形成する方法である。本方法では、図４（ａ）（ｂ）に示すように、面要素１３ａの概念を導入し、面分割工程Ｓ１において、例えば三角形状の平面からなる面要素１３ａを用いて曲面Ｓを分割する。面要素１３ａのサイズは、パターン１０のサイズにもよるが、光学用途の場合、例えば、２０ｍｍ平方以下の微小要素からなる。以下において、光学的機能を発現するパターンを備えた光学用途の成形品を前提に説明を行う。

曲面形状体１２は、上述の面要素１３ａの集合として再構成され、その結果が曲面再構成体１３として定義される。パターン１０は、各面要素１３ａに付随して分割され、各面要素１３ａ上のパターンに分割される。面分割工程Ｓ１は、例えば、ＣＡＤ上において成形品の３次元形状モデル１１を用いて行われる。

（曲面マスタ成形工程Ｓ２）
ＣＡＤ上において曲面形状体１２を面要素１３ａにより分割再構成して生成した上述の曲面再構成体１３は、図５、図６に示すように、曲面マスタ成形工程Ｓ２において曲面マスタ１４、として実体が与えられる。すなわち、曲面再構成体１３のＣＡＤデータに基づいて、図５に示すように、上型２２、下型２１から成る曲面マスタ成形型２が形成され、この曲面マスタ成形型２を用いて、図６（ａ）（ｂ）に示す曲面マスタ１４が樹脂成形される。成形樹脂としてＰＭＭＡ（メタクリル樹脂）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）などの汎用的な熱可塑性樹脂が用いられる。光学用途には、特に、透明性樹脂が用いられる。

（分割パターン転写工程Ｓ３）
上述の曲面マスタ１４は、この分割パターン転写工程Ｓ３においてパターンが付与される。パターンの付与は、図７（ａ）（ｂ）に示す分割型３を用いて前述の面要素１３ａ毎に転写により行われる。分割型３は、前述のように、各面要素１３ａに付随したパターンとして分割されたパターン１０を反転した反転パターン１０ａを備えている。分割型３は、各面要素１３ａの形状や、面要素１３ａに付随した反転パターン１０ａの配置の組合せに基づいて複数が製作される。

分割型３を得る加工方法として、機械加工、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）加工、ＬＩＧＡ（リソグラフィー電鋳成形）加工等が用いられる。分割型３のサイズは、例えば２０ｍｍ平方以下である。パターン１０、及び反転パターン１０ａは、特徴形状寸法が１ｎｍから１００μｍの規則的な凹凸形状からなる。これらのパターンは、図７に示した連続線状のパターンの他に、用途に応じて、例えば、格子形状、プリズム形状、ドット形状、ピラミッド形状などの凹凸形状が用いられ、それぞれ所定の光学的機能を発現するように規則的に、あるいは逆にランダムに配列して構成される。

分割パターンの転写は、図８に示すように、姿勢制御装置、例えば、アーム式のロボット装置４を用いて行われる。ロボット装置４は、制御装置４０を備えており、分割型３を保持して分割型３の姿勢と位置を制御・移動させ、例えば面要素１３ａに垂直に加圧することができる。分割型３は、機械的強度と取扱の便から、より強固な上型３２と一体化され、ロボットアームの先端に設けられた加圧装置４１のさらに先端に備えられている。また、上型３２は、パターン転写の際に用いる加熱装置及び冷却装置を備えている（不図示）。

曲面マスタ１４を保持する下型２０は、パターン転写をする際の、１０ｋＮ〜１０００ｋＮの加圧力を受けられる構造を有し、また、曲面マスタ１４を構成する樹脂のガラス転移温度より２０℃〜３０℃低い温度を維持する加熱・冷却機構とを内部に有している。

曲面マスタ１４は、曲面マスタ１４を構成する樹脂のガラス転移温度より２０℃〜３０℃低い温度に設定した下型２０にセットされる。この状態で、ロボット装置４は、制御装置４０を介して、曲面マスタ１４の面要素１３ａの位置データに基づいて、面要素１３ａの面角度と中心位置を割り出す。続いて、ロボット装置４は、アームの姿勢制御を行ってアーム先端に保持した分割型３を、パターン転写を行おうとする曲面マスタ１４上の面要素１３ａに正対させ、面要素１３ａの法線方向Ｌ０に沿って移動させる（図９（ａ））。

分割型３の移動と同時に、上型３２の加熱装置によって分割型３を曲面マスタ１４の樹脂のガラス転移温度より２０℃〜３０℃高い温度にまで昇温する。昇温完了かつ移動完了後、加圧装置４１によって分割型３を曲面マスタ１４の面要素１３ａに１０ｋＮ〜１０００ｋＮの荷重で押し当てる。高温になった分割型３の熱により曲面マスタ１４の面要素１３ａの領域が溶融するとともに、加圧によってパターンが転写される。加圧時間は、樹脂の粘弾性特性により変わるが、例えば、ＰＭＭＡで約１分程度が望ましい。

パターン転写の完了後、上型３２の冷却装置によって分割型３を樹脂のガラス転移温度より２０℃〜３０℃低い温度にまで冷却する。冷却完了後、加圧を止めて、分割型３を曲面マスタ１４から離型する。図９（ｂ）は、パターン転写された面要素１３ａを示す。

このような分割型３による分割パターン転写を、対象となる面要素１３ａを変化させるとともに必要に応じて対応する分割型３を交換しながら繰り返すことによって、曲面マスタ１４の全ての面要素にパターンを転写し、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、曲面上にパターン１０を備えたパターン転写曲面マスタ１５が得られる。

（成形型作成工程Ｓ４）
この成形型作成工程Ｓ４において、上述のパターン転写曲面マスタ１５をもとにして電気鋳造法を用いて成形型が作成される。まず、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、パターン転写曲面マスタ１５のパターン１０の面上に、パターン１０の凹凸が反転した反転パターン１６ａを備えた入れ子１６を電気鋳造層として形成する。パターン転写曲面マスタ１５から離型された入れ子１６は、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、ドーム形状の内部に反転パターン１６ａを備えている。

続いて、図１３に示すように、上述の入れ子１６をキャビティ内部に備えたパターン型２４と、パターン型２４のドーム形状部分を大略埋める形状のコア型２３とを備えた成形型５を作成する。コア型２３は、成形品の離型時に用いられる突き出し棒２５ａを有する突き出し装置２５を備えている。

（パターン転写成形工程Ｓ５と離型工程Ｓ６）
図１４（ａ）（ｂ）に示すように、型閉じした上述の成形型５に成形品１を形成する樹脂を充填・成形してパターン転写成形工程Ｓ５が行われ、図１４（ｃ）に示すように、型開きに続いて突き出し装置２５による離型工程Ｓ６が行われ、成形品１が得られる。成形品１を形成する樹脂は、熱可塑性樹脂に限らず、成形型５により成形できるものであれば、製品の機能に応じて適宜選定できる。

得られた成形品１は、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、面要素１３ａ毎にパターン１０を備えることにより、成形品１の全曲面にパターン１０を備えたものに成っている。このように、本成形転写方法によると、曲面マスタの作成において、曲面上の任意の位置に、微細形状パターン１０を容易にかつ効率良く転写でき、また、面要素１３ａ毎にパターンの転写を繰り返して大面積部分に微細形状パターンを容易にかつ効率良く転写できる。さらに曲面マスタをもとにして所望の曲面とパターンを成形できる成形型が得られ、所望の成形品１が容易に得られる。

次に、面分割工程Ｓ１について、図１６、図１７を参照してさらに説明する。まず、離型方向を考慮して分割を決定することについて説明する。図１６（ａ）に示す曲面再構成体１３を形成するに当たり、図１６（ｂ）に示す離型方向Ｌ１と面要素１３ａの法線方向Ｌ２の成す角度θ、さらに、図１６（ｃ）に示す離型方向Ｌ１と各パターン１０を形成する個別パターンの形成面に沿った方向Ｌ３の成す角度αを考慮する。方向Ｌ３は、さらに詳述すると、離型方向線分を個別パターン形成面に垂直射影して得られる線分の方向である。ここで、分かり易さのため、面要素１３ａに代表点Ｐを定め、この代表点Ｐをもとに面要素１３ａの位置、サイズ、方向（３次元空間における三角形の方向）を決めている。代表点Ｐは、例えば、三角形の幾何学的重心とすることができる。そして、図１６（ｂ）に示すように、少なくとも、方向Ｌ１，Ｌ２が代表点Ｐを通るように定義されている。

離型方向Ｌ１を考慮した分割決定とは、例えば、角度αが正（α＞０）の範囲、すなわち、離型に際してパターン成形型２４と成形品１のパターン１０とが干渉しない範囲に納まるように角度θを定めて面要素１３ａの分割を決定することである。このような分割によると、前述の離型工程Ｓ６における離型に際し、成形型５の離型方向に対するパターン１０の形状がアンダーカットの関係にならない。従って、離型時の微細形状パターンの破損を回避できる。

続いて、パターンの連続性を考慮して分割を決定することについて説明する。面分割工程Ｓ１において、前述のように、曲面形状体１２を面要素１３ａの集合に分割して曲面Ｓが再構成されるが、パターン１０も面要素１３ａに付随して分割再構成される。このとき、パターン１０をして所定の光学的機能を発現させるには、各面要素１３ａ間におけるパターン１０の連続性を確保して、各面要素１３ａに付随させる必要がある。

そこで、図１７（ａ）に示すパターン１０を備えた面要素１３ａの分割決定に際し、図１７（ｂ）に示すように、面要素１３ａ内においてパターン１０を分割するとともにこれらを再構成した再構成パターン１０ｂが位置を最適化して決定される。この再構成パターン１０ｂは、面要素１３ａの法線方向Ｌ２回りの回転Ｒと、面要素１３ａからなる平面内の２方向ｘ、ｙに関する平行移動とによって、互いに隣接する面要素１３ａに含まれる再構成パターン１０ｂ同士が連続するように、方向と位置が調整される。この調整の際に、図１７（ｃ）に示すパターン１０の連続性の方向Ｌ４と再構成パターン１０ｂの方向についても、互いに一致する方向に最適化される。パターンの連続性（規則性）を確保するようにパターンの位置及び方向を決定して面分割を行うので、成形品表面に所望の連続した微細形状パターンを施すことができ、所定の機能を備えた成形品が得られる。

次に、曲面マスタ成形工程Ｓ２とパターン転写成形工程Ｓ５において用いられる成形用の型について説明する（図５、図１３参照）。曲面マスタ成形工程Ｓ２とパターン転写成形工程Ｓ５は、それぞれ少なくとも２つの型を用いて行われるが、これらの工程で用いられる型のうち、１つは両工程において通常共通であるため、これらの型を共用することにより設備を簡素化でき、また、精度良い成形ができる。例えば、前出の図５に示される曲面マスタ成形型２の下型２１、及び前出の図１３に示される成形型５のコア型２３は、共に、曲面及び曲面上の微細形状パターンに依存しない成形部分に対する型であり、従って、これらの型を両工程における共通の型として用いることができる。但し、これらの型を共用する場合、加熱冷却機構等に共用性を持たせる必要がある。

また、上述の成形型５のコア型２３は、分割パターン転写工程Ｓ３において分割型３による加圧力を受ける下型２０としても用いることができる（図８、図１３参照）。分割パターン転写工程において処理の対象となり、かつ、その後の工程で必要となるのは曲面マスタ１４の表面側のみである。そこで、成形品のコア型２３にリブ溝等の構造が施されてい場合であっても下型２０として用いても問題はない。加熱転写時に下型２０により分割型３による加圧力を受けるので、加圧してパターン転写される曲面マスタ１４のコア側の形状が保持され、曲面マスタ１４の変形を抑制でき、最終的な成形品の精度が損なわれない。また、分割パターン転写の終了した曲面マスタ１４を下型２０から取外すときに、下型２０としてコア型２３を流用していると、コア型２３に付属する離型装置２５を利用できるので、パターン転写曲面マスタ１５の取出しも容易に行われる。

次に、曲面マスタ成形工程Ｓ２の他の例について、図１８を参照して説明する。曲面マスタ１４は、図１８（ａ）（ｂ）に示すように、樹脂ブロックＢＬを切削加工することにより成形できる。この場合、樹脂成形を行わないので成形用の型を省略ができる。また、細部にこだわらない大きめの外形を備えた樹脂成形品を切削加工で仕上げることにより曲面マスタ１４を成形できる。この場合は、成形用の型を簡略化することができる。

切削加工は、前出の図４（ａ）に示した曲面再構成体１３のＣＡＤデータに基づいて、行われる。曲面マスタ１４を樹脂ブロックＢＬから切削加工により成形して、図１８（ｂ）に示すような中実形状、つまり、前出の図６（ｂ）に示したような中空形状ではない形状、とすることにより、分割パターン転写工程Ｓ３における下型２０（図８）を省略できる。

次に、分割パターン転写工程Ｓ３の他の例について、図１９〜図２２を参照して説明する。図１９（ａ）（ｂ）に示す分割パターン転写工程では、曲面マスタ１４を形成する材料として熱可塑性樹脂を用いるとともに分割型３を形成する材料として透明体を用いている。上型３２は、冷却装置の他に、加熱装置としてエネルギ線を発生する線源６１を備えている。上型３２の内部には線源６１からのエネルギ線６２を曲面マスタ１４に導く反射鏡６３などの構造が形成されている。エネルギ線６２としては、例えば、熱可塑性樹脂材料の吸収波長域に応じた波長領域のレーザ光線を用いることができる。分割型３を形成する透明体として、石英、弗化カルシウム、シリコンなどを用いることができる。

分割パターン転写は、前述のように、分割型３を面要素１３ａの法線方向Ｌ０に沿って移動させるとともに、線源６１からのエネルギ線６２を透明体からなる分割型３を透過して熱可塑性樹脂からなる曲面マスタ１４に照射することにより面要素１３ａの領域を加熱して行われる。すなわち、面要素１３ａの部分の樹脂温度がガラス転移温度より２０〜３０℃高い温度になった後、加圧・転写を行う。その後、エネルギ線６２の照射を停止し、上型３２に付属している冷却装置を用いて面要素１３ａの領域を冷却し、樹脂の温度をガラス転移温度より２０〜３０℃低い温度にして後、分割型３を離型する。その後、他の面要素１３ａに対して同様の動作を繰り返す。このような方法によると、局部的な加熱・冷却のもとで分割パターン転写がきるため、熱効率も良く、転写面以外の領域における熱変形を最小限に抑えることができる。

図２０に示す分割パターン転写工程では、曲面マスタ１４を形成する材料として透明な熱可塑性樹脂を用いる。上型３２は冷却装置を備えている。熱可塑性樹脂の加熱は、下型２１の下方に別途設けた加熱装置により行う。加熱装置は、エネルギ線を発生する線源６４、線源６４からのエネルギ線６５を加熱領域である面要素１３ａに導く反射鏡６６を備えている。下型２１は、エネルギ線６５を透過する石英、シリコン、弗化カルシウムなどの材料で構成される。曲面マスタ１４を構成する透明な樹脂として、ＰＭＭＡ、ＰＣなどを用いる。エネルギ線６５としては、曲面マスタ１４の樹脂を透過する波長領域のレーザ光線を用いることができる。

分割パターン転写工程において、まず、前述のように、分割型３を面要素１３ａの法線方向Ｌ０に沿って移動させて面要素１３ａに近接又は接触させる。次に、曲面再構成体１３のＣＡＤデータに基づいて反射鏡６６の角度を調整し、線源６４からのエネルギ線６５を反射鏡６６で反射させて面要素１３ａの領域に導く。透明な下型２１及び透明な曲面マスタ１４を透過したエネルギ線６５は、曲面マスタ１４の面要素１３ａ領域の表層を加熱する。面要素１３ａ領域の加熱は、この領域にエネルギ線６５の焦点を結ばせるとともに焦点位置をスキャンすることや、面要素１３ａに近接又は接触している分割型３をエネルギ線６５により加熱して分割型３から表層への熱伝導を利用することにより行うことができる。

面要素１３ａの領域の樹脂温度がガラス転移温度より２０〜３０℃高い温度になった後、加圧・転写を行う。その後、エネルギ線６５の照射を停止し、上型３２に付属している冷却装置を用いて面要素１３ａの領域を冷却し、樹脂の温度をガラス転移温度より２０〜３０℃低い温度にして後、分割型３を離型する。その後、他の面要素１３ａに対して同様の動作を繰り返す。このような方法によると、このような方法によると、透明体を透過するエネルギ線６５により曲面マスタ１４側から曲面マスタ１４の面要素１３ａ領域を部分的（局部的）に加熱して分割パターンの転写ができるので、冷却も容易であり熱効率も良く、また、パターン転写の対象としている面要素部分以外の面要素に対する本来発生を回避すべき熱変形を抑制できる。

図２１に示す分割パターン転写工程では、曲面マスタ１４を光造形により作成するとともに曲面マスタ１４の表層にＵＶ硬化性樹脂をコーティングして、そのコーティング層１４ａにパターン転写を行っている。本転写工程において、ＵＶ光（紫外光）発生源６７、ＵＶ光発生源からのＵＶ光を導く光ガイド６８、光ガイド６８の先端に設けられＵＶ光を照射するための集光レンズを備えた照射ヘッド６９が用いられる。照射ヘッド６９は、上型３２に固定され、上型３２及び上型３２と一体になった分割型３の移動とともに移動して転写領域にＵＶ光７０を照射する。上型３２は、前述のいずれかの上型３２とは異なり、加熱装置及び冷却装置を備えていない。

曲面マスタ１４は、ＣＡＤデータと光造形の方法を用いて形成される。光造形によるとＣＡＤデータに基づいて曲面マスタを作成できるので、成形型作成の手間と費用が削減できる。コーティング層１４ａは、ＵＶ硬化性樹脂を曲面マスタ１４の表層に吹付けコーティングすることにより形成される。コーティング層１４ａの膜厚は転写深さの２〜５０倍程度である。

分割パターン転写工程において、まず、前述のように、分割型３を面要素１３ａの法線方向Ｌ０に沿って移動させて面要素１３ａに接触させ、加圧する。加圧力は、０．５ｋＮ〜５ｋＮ程度でよい。ＵＶ光発生源６７からのＵＶ光７０を照射ヘッド６９を介して面要素１３ａに照射する。ＵＶ硬化性樹脂がＵＶ光７０の照射によって硬化してパターン転写が完了した後、ＵＶ光７０照射を停止し、分割型３を離型する。その後、他の面要素１３ａに対して同様の動作を繰り返す。このような方法によると、ＵＶ硬化性樹脂からなるコーティング層１４ａを分割パターン転写の対象とするので大きな加圧力を必要としなく、また、転写に際し、加熱や冷却が不要であり、従って、分割パターン転写のための装置を簡素化できる。

図２２に示す分割パターン転写工程では、分割型３によるパターン転写後の分割型３の離型に際し、分割型３を超音波振動させながら離型する。超音波発生器ＵＳが、上型３２（分割型３と加圧装置４１（図８）の間であればよい）に備えられている。超音波発生器ＵＳによる超音波振動の方向は、離型方向Ｌ６及び面要素１３ａの面内方向において任意に設定でき、その振幅は、転写するパターンのサイズ以下である。上述のいずれかのパターン転写工程における加圧転写後であって離型開始前に、超音波発生器ＵＳにより分割型３を加振し、加振した状態で、曲面マスタ１４から分割型３を離型する。離型完了後に超音波発生器ＵＳの振動を停止する。超音波振動の効果により、離型がスムーズに行え、微細形状パターンの破損を防止でき、分割型の離型作業効率が向上する。

次に、離型工程Ｓ６の他の例を、図２３を参照して説明する。離型工程において、成形型５と成形品の離型に際し、離型をスムーズに行うため、成形型５のパターン型２４を超音波振動させながら離型する。このため、パターン型２４に超音波発生器ＵＳを備えている。超音波発生器ＵＳによる超音波振動の方向は、離型方向Ｌ７及び離型方向Ｌ７に直交する面内方向において任意に設定でき、その振幅は、転写するパターンのサイズ以下である。加圧転写後であって離型開始前に、超音波発生器ＵＳによりパターン型２４を加振し、加振した状態で、成形品１からパターン型２４を離型する。離型完了後に超音波発生器ＵＳの振動を停止する。超音波振動の効果により離型がスムーズに行え、微細形状パターンの破損を防止でき、成形型５の離型作業効率が向上する。

次に、パターン転写成形工程Ｓ５の他の例を、図２４（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。このパターン転写成形工程では、成形品１のパターン部１ｂを成形品１の他の部分（コア部１ａ）とは異なる材料を用いて形成する。本成形工程において、まず、図２４（ａ）に示すように、成型用の下型２３と上型２４ａを用いて成形品１のコア部１ａを成形する。ここで、上型２４ａは、最終成形品１から形状パターンを含む表層のパターン部１ｂを差引いた形状を成形する型である。コア部１ａの成形後に上型２４ａを離型する。

続いて、図２４（ｂ）に示すように、下型２３に保持された状態のコア部１ａに、パターン型２４を被せて型閉じする。その後、パターン部１ｂ用の樹脂を充填してコア部１ａの表層にパターン部１ｂを成形する。パターン型２４は、前出の型（図１３参照）と同じものである。

続いて、図２４（ｃ）に示すように、パターン型２４を離型し、下型２３に備えられた突き出し棒２５ａを有する突き出し装置２５を用いて下型２３から成形品１を離型する。成形品１は、拡大図で示すように、コア部１ａとその表面に形成されたパターン部１ｂから成っている。

成形品１をこのような二重構造とすると、容積の多いコア部１ａを低価格の一般材料を用いて形成し、要請記の少ない表層のパターン部１ｂを高機能材料を用いて形成することができる。一般に、高価格である高機能材料の使用量を抑えることにより成形品費用を抑えることができる。また、コア部１ａを密着性の良い材料とし、パターン部１ｂを撥水性の良い材料とすることにより、高撥水機能を持った成形品１を得ることができる。

さらに、光学的用途において、表面の微細形状パターンに基づいた光学特性の制御に加え、コア部１ａとパターン部１ｂとを互いに屈折率の異なる樹脂を用いて成形することによる材料物性に基づいた成形品１の光学特性の制御が可能である。このように、表面の微細形状パターン部分とその他の部分の材質を異なるものとすることにより成形用材料選定の巾が広がるので、微細形状パターン部分に高価ではあるがパターン転写に最適であるという材料を選定する材料費の最適配分や、両部分における異なる材質の相乗効果による新機能の発現などが可能である。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。

本発明の一実施形態に係る成形転写方法の工程フロー図。 （ａ）は同上成形転写方法により形成される成形品の３次元形状モデルの斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分断面図。 （ａ）は同上成形転写方法により形成される成形品のパターンなし状態を示す曲面形状体の斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分断面図。 （ａ）は同上成形転写方法により形成される成形品のパターンなし曲面を面要素により分割再構成した曲面再構成体の斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分断面図。 同上成形転写方法における曲面マスタ成形工程を説明する断面図。 （ａ）は同上成形転写方法における曲面マスタの斜視図、（ｂ）は同曲面マスタの断面図。 （ａ）は同上成形転写方法の分割パターン転写工程において用いられる分割型の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 同上成形転写方法における分割パターン転写工程を説明する概念図。 （ａ）は同上分割パターン転写工程を詳細説明する斜視図、（ｂ）は同工程途中における曲面マスタの斜視図。 同上分割パターン転写工程において形成されたパターン転写曲面マスタの斜視図、（ｂ）は同パターン転写曲面マスタの一部断面図。 （ａ）は同上成形転写方法における成形型作成工程を説明する電気鋳造途中の入れ子型の断面図、（ｂ）は（ａ）の一部断面図。 （ａ）は同上成形型作成工程により作成された入れ子型の断面図、（ｂ）は（ａ）の一部断面図。 同上成形転写方法において用いられる成形型の断面図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は同上成形転写方法におけるパターン転写成形工程を説明する成形型と成形品の断面図。 （ａ）は同上成形転写方法により形成された成形品の斜視図、（ｂ）は（ａ）の一部断面図。 （ａ）は同上成形転写方法における曲面再構成体の斜視図、（ｂ）は同曲面再構成体の一部断面図、（ｃ）は（ｂ）の一部拡大断面図。 （ａ）は同上成形転写方法における曲面再構成体の斜視図、（ｂ）は同曲面再構成体の一部拡大斜視図、（ｃ）は（ｂ）のさらに一部拡大斜視図。 （ａ）は同上成形転写方法における曲面マスタの他の例を示す斜視図、（ｂ）は同曲面マスタの断面図。 （ａ）は同上成形転写方法における分割パターン転写工程の他の例を示す一部断面概念図、（ｂ）は同工程におけるパターン転写の詳細を示す一部断面概念図。 同上成形転写方法における分割パターン転写工程のさらに他の例を示す一部断面概念図。 同上成形転写方法における分割パターン転写工程のさらに他の例を示す一部断面概念図。 同上成形転写方法における分割パターン転写工程のさらに他の例を示す一部断面概念図。 同上成形転写方法における離型工程の他の例を示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）は同上成形転写方法におけるパターン転写成形工程の他の例を時系列的に示す断面図。

符号の説明

１ 成形品
２ 曲面マスタ成形型
３ 分割型
５ 成形型
１０ パターン（微細形状パターン）
１１ ３次元形状モデル
１３ａ 面要素
１４ 曲面マスタ
１４ａ コーティング層
１５ パターン転写曲面マスタ
２１ 上型
２２ 下型
２３ コア型
２４ パターン型
Ｌ０ 離型方向
Ｓ 曲面

Claims (12)

1. 少なくとも曲面を備え、当該曲面に所定の微細形状パターンを成形転写した成形品を製造する成形転写方法において、
   前記曲面を微小な面要素に分割する面分割工程と、
   前記パターンを備えることなく前記曲面を備えて前記成形品と同一形状を有する曲面マスタを成形する曲面マスタ成形工程と、
   前記各面要素に対応する部位における前記パターン形状を備えた分割型を用いて、前記曲面マスタの前記各面要素に対応する部位に当該パターンを転写する分割パターン転写工程と、
   前記パターンが転写された曲面マスタをもとに電気鋳造法を用いて成形型を作成する成形型作成工程と、
   前記工程により作成された成形型を用いて、前記曲面及び当該曲面に前記パターンを備えた成形品を転写成形するパターン転写成形工程と、
   前記工程により転写成形された成形品を離型する離型工程と、を含むことを特徴とする成形転写方法。
2. 前記面分割工程は、成形品の３次元形状モデルを用いて前記面要素への分割を行うとともに、前記離型工程における離型に際し前記成形型の離型方向に対する前記パターンの形状がアンダーカットの関係にならないように前記分割を決定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の成形転写方法。
3. 前記面分割工程は、前記各面要素に含まれるパターンが当該面要素に隣接する面要素に含まれるパターンに連続するように、前記各パターンの位置及び方向を決定する工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成形転写方法。
4. 前記曲面マスタ成形工程とパターン転写成形工程は、それぞれ少なくとも２つの型を用いて行われ、前記各工程で用いられる型のうち１つは両工程において共用されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成形転写方法。
5. 前記曲面マスタ成形工程は、樹脂を前記曲面マスタの形状に切削加工する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成形転写方法。
6. 前記分割パターン転写工程は、前記曲面マスタを形成する材料として熱可塑性樹脂を用いるとともに前記分割型を形成する材料として透明体を用い、前記透明体からなる分割型を透過して前記熱可塑性樹脂からなる曲面マスタにエネルギ線を照射することにより前記曲面マスタを部分的に加熱するとともに当該加熱部分に前記分割型により前記パターンを転写する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成形転写方法。
7. 前記分割パターン転写工程は、前記曲面マスタを形成する材料として透明な熱可塑性樹脂を用い、前記透明な曲面マスタを透過してエネルギ線を照射することにより前記曲面マスタの表面を部分的に加熱するとともに当該加熱部分に前記分割型により前記パターンを転写する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成形転写方法。
8. 前記分割パターン転写工程は、前記曲面マスタを光造形により作成するとともに前記曲面マスタの表層にＵＶ硬化性樹脂をコーティングし、前記曲面マスタのコーティング層に前記分割型を加圧するとともにＵＶ光により前記コーティング層を硬化させる工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成形転写方法。
9. 前記分割パターン転写工程は、前記分割型によるパターン転写に際し、前記パターン転写成形工程において前記成形型とともに用いられるコア側の型を、前記分割型による加圧力を受ける下型として用いる工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の成形転写方法。
10. 前記分割パターン転写工程は、前記分割型によるパターン転写後の分割型の離型に際し、前記分割型を超音波振動させながら離型する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の成形転写方法。
11. 前記離型工程は、前記成形型と成形品の離型に際し、前記成形型を超音波振動させながら離型する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の成形転写方法。
12. 前記パターン転写成形工程は、成形品の前記パターン部分を当該成形品の他の部分と異なる材料を用いて形成する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の成形転写方法。
    

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