专利名称：注射成形方法
技术领域：
本发明涉及一种转印性、光学特性、生产性能优越的注射成形方法。
背景技术：
在热塑性塑料的注射成形中，反复地进行如下工序将模具安装于注射成形机中、将加热熔融的树脂注射到将温度控制在使用的树脂材料的玻璃转移温度以下的模具内后、通过成形机的合模压力加压、并等待冷却固化后取出制品。并且，在光盘等的需要超微级的模具的精密转印的制品中，通过这样的成形方法，转印当然必须控制光学特性和机械特性。
图14～图17表示现有的CD、DVD等的光盘的成形法。如图14所示，填充添有树脂的空间的模腔37是通过将分别安装于成形机的固定台板32和活动台板33上的固定模具30和活动模具31这两个模具闭合而形成的。光盘的树脂通常使用将双酚A作为单体的聚碳酸酯，根据分子量等，将玻璃转移温度(Tg)调整到130～150℃左右。在两个模具内设有未图示的调温回路，其中经常流动有温度在树脂的玻璃转移温度以下的80～130℃左右的调温水。由Ni等制作的、设有作为以激光再生记录信号的细微的凹凸40的、预制凹槽或凹坑的压模7安装于固定模具或活动模具的表面，在图14中表的是安装于固定模具上的例子。
树脂的填充工序如图15所示，由成形机的未图示的可塑化缸体熔融的树脂从与固定模具30紧密接触的喷嘴前端34经模具的短管36进行充填。近年来，DVD等光盘的板厚为0.6mm，做得比1.2mm厚度的CD等更薄，因很难填充于模腔37内，填充时，要将模腔厚度开启得大于制品厚度，缸体温度也就是树脂温度要高于CD等的300～340℃，设定在360～390℃，以极力降低粘度以便于填充。
另外，熔融树脂因与模具壁面接触固化的同时充满模腔，因而填充进行期间，上述固化层被冷却并成长。为此，必须提高作为用于使螺杆前进的马达或缸体等的压力的注射压力。因此，注射填充时产生的树脂的内压变高。
然后，填充结束时，树脂的流体前端42往往未到达作为模腔末端并形成制品外径的模具部件43处。这是由于如上所述在填充时使模腔厚度T开得比制品厚度t要大并进行填充，并通过后述的填充后的合模进行的压缩、使模腔厚度变薄的缘故。但是，即使采用上述方法，在填充时，在模具壁面与流动树脂之间也会形成固化层，因会发生剪切应力，成为双折射增大的主要原因。另外，因在内周和外周上，固化层即表皮层的成长是不同的，内外的双折射差容易增大。作为降低这些的方法，例如，具有增高模具温度、提高注射速度等，由此，虽可对面内的双折射(与径向和周向的应力差有关)进行某种程度的控制，但对基板的斜入射成分的双折射的控制因受树脂材料的光弹性常数的影响很大而非常困难。另外，岁还有采用极力提高模具温度以在接近热变形温度的高温下烘烤制品的方法，但这是有限的。也采用降低树脂材料的光弹性常数的方法，但存在成本增高、刚性变低等缺点。
另外，采用上述现有的填充方法时，还存在如下问题由于越接近外周树脂粘度就越高，压模7界面的温度下降，致使转印性变差，很难获得内外均匀的转印性。
此外，为了维持流动性，使用的树脂材料也有很大的制约。例如，为增加制品刚性以提高分子量时，Tg大致增加，不能充分填充。由此，制品厚度减薄受到很大的制约。
在图15中，将树脂填充于模腔内后，如图16所示，通过成形机活塞39的驱动，由模具内的切割冲头38冲切短管36，以形成制品内径41。同时，通过提高成形机内的合模压力以进行模具的合模，可获得D部详细描述的转印性。
另外，与模具接触的转印表面的固化层成为弊病，为获得充分的转印性必须提高该合模力，由此，压模7的损坏增大，并且内部应力的发生不可避免。
冲切后的切割冲头38相对压模7的偏心量必须至少控制在30μm以内，但通过提高模具温度等，会存在着固定和活动模具的温度分布恶化，维持调心精度变得困难的问题。
此外，近年来，以MD微型盘为代表的光盘的小型化已标准化并大量生产，随之制品内径也变小，希望极力扩大信号区域。为此，必须缩小切割冲头38的外径，由此，由于独立地且调温控制切割冲头38变得困难，因而存在着短管36的固化速度变慢等弊端。另外，通过使制品变小虽希望实施多个模腔成形，但因以下的障碍极大，对光盘来说实现极其困难。首先，为了实现多个模腔成形，有必要将短管部加热到通常熔融状态的300℃左右，做成无短管的热流道型模具，但此时，因在热流道与模腔间产生急剧的温度梯度，各模腔间发生温度不匀现象。由此，转印性和机械特性的偏差变大。此外，由一个成形机的活塞驱动模腔部分的切割冲头时，平行性会发生误差，低偏心化更难实现。由此，不能获得高密度的制品。
接下来，如图17所示，使用空气等从压模和模具中取出制品。此时，在基板的信号表面如水部详细描述的，特别是在外周，预制凹坑或预制凹槽的形状容易变得非对称。这可以认为其原因是，越接近外周向内周侧的收缩量变大，并且因压模由金属材料制成，线膨胀系数比树脂材料小，收缩量也小。
此外，由于树脂内压和合模压，压模受到的损伤较大，为此，将压模的材料改换成玻璃等，但考虑生产的耐久性时这是困难的。此外，也可以认为，外周的固化快、内外的冷却速度差大也会助长上述问题。预制凹槽的变形量即使小到相对于凹槽深度d的60～250nm为10％以下的程度，但在轨道间距变小、激光的波长变短及高NA迅速发展、基板上的记录再生的点径变小的今天，往往成为凹槽噪声，这成为相当大的问题。另外，随着最外周与限制制品外径的模具部件接触而急剧冷却固化，由于上述的波纹(气孔)在制品内部的芯层变大，因此，形状容易成为如图17的A部所示的喇叭状、楔状。该外周部的形状变化也称作滑跳。
正如上述，在现有的注射成形方法中，由于填充时不能避免固化层的成长，填充开始位置与流动末端位置的粘度和冷却速度产生差别等原因，有厚度、转印和光学特性等的精度和要求变严的限制，材料的限制也严格，很难获得高品质的制品。另外，由于在同一模具内进行填充和冷却要以提高模具温度来获得高转印性时，为了获得良好的机械特性，必须加长冷却时间，也存在不能提高生产效率的问题。
为了解决这些问题，提出了使用多个模具和压机分开进行填充和冷却工序的成形方法(日本特开平7-148772号公报，特开平5-124078号公报等)。在这些方法中，由于模具的热容量大，缓慢冷却至少需要长达1分钟以上的时间，从而必须准备多个模具，必然增加了成本。另外，必须经过短管等流至模腔末端之类的注射成形固有的上述本质问题未予解决。在玻璃基板的制造方法中，提出了一种将投入模具中的玻璃原盘加热到玻璃软化温度以上，压机模具以获得形状精度的成形方法(日本特开平11-92159号公报等)，但存在的问题是为了使固化的原盘加热熔融需要长的时间。
另一方面，在日本特开平11-128722号公报中提出了一种关注于既不是液体也不是气体的处于特殊的中间状态的超临界流体，利用超临界流体的渗透性的新的转印方法。该方法是将使硅石等反应前驱体溶解的超临界流体与含有反应引发剂的构造体接触，并在构造体表面涂敷反应生成物的方法。使用该方法，因构造体表面与作为反应生成物的复制品(复制物)不能非破坏性分离，为了只取出复制品，必须对构造体以进行烧成等方式除去。因此，由于来自构造体的复制品只有一次获得，所以作为成形方法不能工业化。使溶解高分子材料的超临界流体与无机多孔质膜接触的方法(日本特开平7-144121号公报)也是同样的。
此外，将超临界流体利用于热塑性成形具有如下的方法。表皮无发泡并且内部具有微细的发泡单元的微孔塑料(Microcellular Plastic)由美国马塞诸塞州工科大(MIT)开发，获得了作为基本专利的US5158986号“使用超临界状态的流体的热塑性塑料发泡体”的专利权。作为通过将超临界流体渗透于可塑化的热塑性树脂中、降低填充于模具后的模具内压力以使内部发泡的技术，很显然与本发明的用于提高微细构造物的转印性的目的是不同的。
另外，由“J.Appl.Polym.Sci.”Vol.30，2633(1985)等已知一种二氧化碳被树脂吸收时，作为热塑性树脂的可塑剂发挥作用以降低树脂的玻璃转移温度的方法，将其应用于注射成形的技术由日本特开2001-62862号公报等公开。其是在由加压的二氧化碳(CO2)充满的模具内填充并成形溶解有CO2的熔融树脂，CO2不必做成超临界流体。由于CO2的作为上述的可塑剂的效果，树脂的粘度能够暂时降低，转印性提高，有助于现有的成形方法的生产量的提高，但不能积极地利用超临界流体所具有的与气体匹配的渗透性。因此，作为光盘基板的图案水平的纵横尺寸比为1左右以下的超微级的转印虽足够，但毫微级和微细的高纵横尺寸构造的转印则受到限制。其最主要的原因是，(1)热塑性树脂的材料的温度提高，并且生成非牛顿流体的特性，通过高速注射等，因剪切发热降低了粘度，但下限约为100泊(posie)左右，(2)填充于模具后，因同与树脂温度相比温度控制在100℃以上的非常低的温度下的模具接触，引起表面的粘度急剧上升，即使由上述的方法等暂时抑制，低粘度化也是有限的。另外，高速填充时，因由流动料的前面溶解CO2，因此在微细构造内产生残留的溶解物。
图27和图28分别表示在由支承模具110支持的压模等的转印对象构造体103的上表面流动树脂材料109的状态以及用模具111压制填充树脂材料的状态。如图28所示，通过将树脂材料109填充于构造体112中，可得到树脂材料的复制件，但因热塑性树脂一般具有高的熔融粘度，向毫微级和超高纵横尺寸构造体的转印是困难的。这可以认为是由于高分子填充于微细构造物内部时的残留气体和表面张力等的影响的缘故。
在本发明中，是将转印对象的构造体112的树脂在填充插入口的最大宽度W与最大深度D的比(D/W)定义为纵横尺寸比，但如图29的A区域所示，各图案的宽度W比毫微级要窄的同时，纵横尺寸比变大，并且邻接图案以紧凑排列，与如B区域那样各图案排列较松的情况相比，很难填充。另外，即使在该微细构造体中可充分填充，但形成高纵横尺寸比的构造物的树脂的分离性很差，存在着如图30所示的，脱模之际变形、很难获得形状精度的问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述现有的注射成形方法中的问题，其目的在于提供一种注射成形方法，它可获得用现有的成形方法不能得到满意的转印的超微细构造物正确转印的精密的转印性、光学特性、机械特性，同时可大量复制复制品等、能提高生产效率。
为了实现上述目的，本发明提供的注射成形方法为，形成模腔的模具至少由二个以上的部件构成，将来自可塑化装置的熔融树脂通过喷嘴填充于所述模具中以获得成形品，其特征在于，构成所述模具的其中一个部件在至少分为3个以上工序的工位中移动，即，填充工序、压制工序和成形品取出工序；在填充工序中，在所述可塑化装置内对熔融树脂施加压力，熔融树脂注射填充于所述一个部件的未被封闭的模腔内，之后，在所述压制工序中，形成成形品。
另外，在本发明中，将可获得通过螺杆将可塑化熔融的树脂填充于模具中以固化的成形品的成形方法定义为注射成形。
根据本发明，由于熔融树脂没有填充于封闭的模具内，因而在流动时发生的模具壁面的固化层很难发生；由于与模具不接触的面上可均匀地维持树脂表面的熔融状态，从而可降低填充时的树脂温度的同时，即使使用刚性高、流动性差的树脂，也可获得高的转印性。由于树脂内压不会因填充的进行、树脂的固化而增高，从而不必提高用于使螺杆前进的注射压力。
在本发明的注射成形方法中，其特征在于，将熔融树脂在真空中填充于所述未被封闭的模腔中。
通过在真空中填充，因树脂内产生的气体和空气所致的空隙和气泡不会在填充后的树脂表面呈现。此外，填充后，将该移动模具移动到另外的冷却工位上后，通过压制冷却，可获得制品形状，从而可在表面的树脂粘度低的状态下均匀地转印的同时，能够以显著低于为获得现有成形的转印性所必须的合模压力的压制压力进行转印。因此，具有转印用信息的压模等模具部件并不限于耐久性高的金属材料也可生产。
另外，根据本发明的注射成形方法，由于压制时产生的内部应力也较小，即使使用光弹性常数较大并且应力容易变大的树脂材料，也可降低斜入射的双折射。另外，由于能够降低注射的树脂温度，通过将冷却步骤的温度设定成低于注射工序的步骤温度，可缩短冷却时间，从而提高生产效率。
此外，在本发明的注射成形方法中，其特征在于，构成所述模具的其中一个部件在至少分为3个以上工序的工位中移动，即，填充工序、压制工序和成形品取出工序；在填充工序中，熔融树脂填充于所述一个部件的未被封闭的模腔内，在加压下使CO2气体的超临界流体渗透于该熔融树脂中后，在压制工序形成成形品。
通过熔融树脂含有CO2气体的超临界流体，通过超临界流体具有的渗透性，作为树脂本来的粘性体的物性得以改变，对微细的凹凸的涂抹性变好，可进行毫微级的转印。另外，通过将模具模腔的内压压力控制到达到CO2气体的超临界状态以上的压力，直到树脂材料完全固化，流体均维持在超临界状态，因此可避免流体气化所致的发泡。
在前述的注射成形方法中，其特征在于，使所述热塑性树脂固化后，通过释放模具压力，所述超临界流体气化，利用该气体压力使热塑性树脂的固化品与模具分离。
用上述方法固化树脂后，通过释放模具压力，该超临界流体气化，通过利用该气体压力使树脂成形品与模具的超微细构造物分离，正确转印微细构造物的形状的复制品能够无损形状精度地脱模。
在上述的本发明的注射成形方法中，最好所述一个部件在注射工序中，移动到被加热到使用的树脂材料的(Tg-20)℃以上(Tg玻璃转移温度)的工位上，在压制工序中，移动到被加热到(Tg+100)℃以下的工位上。
通过将在注射工序中移动到的工位的温度定为(Tg-20)℃以上，可控制填充时的树脂粘度的上升，而通过将在压制工序中移动到的工位的温度定为(Tg+100)℃以下，可提高冷却效率。
另外，从两个加热工位到模腔的最小模具厚度最好在10mm以下。由此，在注射时，可抑制模具接触面的冷却，在压制时，可促进制品的冷却，从而不会使制品品质变劣，能够提高生产效率。
在本发明的注射成形方法中，最好在注射工序中，喷嘴前端形状可与制品形状相吻合地任意改变。此外，最好该喷嘴前端形状形成接近该移动模具和模腔的形状。由此，即使制品形状复杂并且形状较大，由于填充后的树脂表面温度在整个表面均可一致，可获得均匀且良好的转印。
另外，在前述的注射成形方法中，最好所述热塑性树脂朝模具的填充和压制初期，模具温度为该热塑性树脂的玻璃转移温度以上，在压制期间，模具温度低于该玻璃转移温度，以固化。
由此，可抑制熔融树脂与模具接触所致的树脂表面粘度的上升，从而可有效地实现对微细构造物的渗透。另外，通过在压制期间降低模具温度，可缩短冷却时间。
图1为本发明的注射成形机的俯视的整体构成图，图2为本发明的注射成形机的注射工序部的主要部分的断面构造图，为示意地表示可塑化开始状态的视图，图3为本发明的注射成形机的注射工序部的主要部分的断面构造图，为示意地表示可塑化结束时的状态的视图，图4为本发明的注射成形机的注射工序部的主要部分的断面构造图，为示意地表示注射填充时的状态的视图，图5为本发明的注射成形机的压制工序部的主要部分的断面构造图，为示意地表示压制前的状态的视图，图6为本发明的注射成形机的压制工序部的主要部分的断面构造图，为示意地表示压制时的状态和压模转印时的样子的视图，图7为本发明的注射成形机的压制工序部的主要部分的断面构造图，为示意地表示压机开启时的状态的视图，图8为本发明的注射成形机的取出工序部的主要部分的断面构造图，为示意地表示取出时的状态和基板表面的转印状态的视图，图9为本发明的注射成形机的喷嘴前端部的主要部分的断面构造图，为示意地表示可塑化计量时状态的视图，图10为本发明的注射成形机中的喷嘴前端部的主要部分的断面构造图，为示意地表示注射填充时的状态的视图，图11为表示本实施例的注射成形循环的定时图，图12为测定本实施例的光盘基板的垂直入射延迟量的结果，图13为测定本实施例的光盘基板的断面双折射的结果，图14为现有的注射成形机的主要部分的断面构造图，为表示注射前的状态的视图，图15为现有的注射成形机中主要部分的断面构造图，为表示注射时的状态的视图，图16为现有的注射成形机的主要部分的断面构造图，为表示合模时的状态和压模的转印状态的视图，图17为现有的注射成形机的主要部分的断面构造图，为示意地表示脱模时的状态和基板表面的转印状态的视图，图18为表示比较例的注射成形循环的定时图，图19为测定比较例的成形基板的垂直入射延迟量的结果，图20为测定比较例的光盘基板的断面双折射的结果，图21为表示使用本发明的热塑性树脂成形的填充工序的说明图，图22为表示使用本发明的热塑性树脂成形的填充工序的说明图，图23为表示使用本发明的热塑性树脂成形的压制工序的说明图，图24为表示使用本发明的热塑性树脂成形的压制工序的说明图，图25为表示使用本发明的热塑性树脂成形的压制工序的说明图，图26为表示使用本发明的热塑性树脂成形的压制工序的说明图，图27为表示微细构造物的成形的说明图，图28为表示微细构造物的成形的说明图，图29为表示微细构造物的成形的说明图，图30为表示微细构造物脱模后的状态的说明图。
具体实施例方式
作为本发明的注射成形方法使用的树脂，可以是通过加热和冷却，流动和固化状态为可逆变化的树脂，但其种类并没有限制，最好使用热塑性树脂。
作为热塑性树脂，例如可以为聚乙烯、聚苯乙烯、聚缩醛、聚碳酸酯、对聚苯氧、聚甲基戊烯、聚醚酰亚胺、ABS树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、非结晶聚烯烃等。
从获得光学特性优良的成形品的观点出发，希望采用透明性能优良的树脂，特别好的是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非结晶聚烯烃等。
以下，根据附图详细地说明本发明的实施例。另外，在本发明的实施例中，是以制造光盘的注射成形方法和注射成形装置为代表的，不用说也可适用于其他各种制品和式样。
在本实施例中，如图1所示，使用由作为基本工序的注射填充工序A、压制工序B、取出工序C三个工序构成的注射成形装置。各工序可以是多个，可在注射工序前设有加热模具的工序。图1为本发明的注射成形装置的俯视图，图2～图8为该装置的各工序部分的断面模式图。图2～图4为图示注射工序A的从可塑化到填充的状况的视图，图5～图7为从压制工序B的压制前后到模具打开时的模式图。而图8为图示取出工序C的制品取出状况的视图。
如图1所示，移动模具3在以转轴6为中心的真空炉1中，在各步骤中回转移动。首先，在注射工序A中，通过可塑化装置10，对加热板8上的移动模具3施加来自缸18的压力，以进行熔融树脂的注射填充。本发明的真空炉为了不使大气中的氧等从熔融树脂的表面进入并发泡，成为减压真空状态，但如果过于高真空，由于树脂内部的低沸点成分会挥发，内部会发泡，因而希望真空度的范围为1×10-2Pa～1×103Pa。注射结束后，移动模具移动到压制冷却工序B的加热板9上，通过设置在上部的压制机构13加压，在获得制品的形状精度的同时被冷却。这样的移动模具在注射工序和压制冷却工序中，分别与独立进行温度控制的加热板8、9紧密接触。
加热板的温度是任意的，但希望在注射工序A中，相对于树脂的玻璃转移温度为(Tg-20)℃以上，在压制冷却工序B中，相对于树脂的玻璃转移温度为(Tg+100)℃以下。并且，通过注射工序前设有预先加热模具的步骤，并且将压制、冷却工序的步骤设有多个，以及改变各步骤的温度设定，能够提高生产效率。
压制后，移动模具3移动到制品取出工序C，取出机14将制品从真空炉1中移出并放置于小真空炉17上后，取出机15通过挡板16进入小真空炉17内，接收来自取出机14的制品后移送到大气中。已取出制品的移动模具3再次移动到注射工序A。通过反复进行该工序，可连续生产。
接下来，使用作为断面模式图的图2～图8对各工序进行详细地说明。首先，如图2所示，在可塑化装置10内，螺杆21通过未图示的电机的驱动而回转，从干燥料仓11开始供给树脂的颗粒12。这是与现有的成形装置相同的机构。在本实施例的移动模具3中，用于形成光盘内径的销4设置在模具中心，但能够根据制品形状来改变移动模具的形状，在移动模具上也能设有压模7等的转印对象物。正如前述，移动模具3由于是在不封闭模腔的状态下填充熔融树脂的，因此流动时很难产生模具壁面的固化层。此外，为了使移动模具3的热交换率良好，希望使用热传导率大的材料，并且厚度H非常薄，具体为，希望热传导率在20w/m.k(200℃)以上的材料，厚度H为15mm以下。
另外，在本实施例中，可塑化计量时，螺杆前端的树脂内压上升，为了抑制发生树脂从喷嘴前端2的泄漏，用机械挡板5防止，但可以是防止树脂泄漏的任意机构。计量结束时，如图3所示，与现有的成形方法相同，通过螺杆21后退到计量位置，在螺杆前的加热缸20内的区域22中计量熔融树脂。
在本实施例中，因从熔融树脂中会挥发大量的气体，为此，由位于料仓11后方的真空孔19排气。在本发明的成形方法中，可塑化熔融时，在残存大量低分子成分和挥发成分时，因在减压或真空氛围下容易发泡，为此希望排除这些成分。计量结束后，如图4所示，在开启喷嘴前端2的机械挡板5的同时，螺杆21通过位于可塑化装置后部的缸18内的压力前进，以将熔融树脂23填充于移动模具3上。在本发明的实施例中，喷嘴前端2的形状由于能够与模具形状实现最佳配合，因此，形成接近模腔形状的熔融状态的树脂。
更具体为，使用图9和图10说明注射步骤中的喷嘴前端2形态的另外例子。如图9所示，在喷嘴前端2内插入密封用挡块50。在可塑化计量时，为了提升树脂的内压，朝图中的下方施加压力，由于密封用挡块50下降到下方，由喷嘴前端2与密封用挡块50接触的密封用挡块承受面51封闭，从而使熔融树脂不会从喷嘴中泄漏。注射时，如图10所示，通过使喷嘴前端2朝模具侧下降到规定位置，密封用挡块50的挡块前端52与模具的内径销4碰撞接触，以提升喷嘴内的密封用挡块50。通过提升密封用挡块50，由在挡块外周部上数处刻有的树脂流动用槽53填充熔融树脂23。此时，填充的树脂23也维持在熔融状态，由于喷嘴前端2和移动模具3接近了最终的模腔形状，在压制工序中，可得到更加良好的平坦性和形状精度。
填充了熔融树脂23的移动模具3移动到处于压制冷却工序B的加热板9上。在压制工序中，移动模具和形成模腔的至少一种以上的模具安装于压机活塞26上。如图5所示，在本实施例中，在压机模具24上，设有刻上作为微细信息的预制凹槽的压模7，但根据制品形态，模具的构成可以是任意的。并且，压模的材料是任意的，除金属以外也可使用石英玻璃等。压机模具24可用任意的方法直接或间接地进行温度控制，但在本实施例中，是通过流动冷却水的调温回路25直接进行温度控制。
如图6所示，压机模具24借助于压机活塞26的力P，与移动模具3合模，以形成模腔37。在本实施例以外，本发明也可使压机模具24与压机活塞26独立设置，同时将压制工序设有多个，通过改变各压制时的温度控制，能够进一步提高品质和生产效率。例如，为了改善热交换率，将压机模具与移动模具一样，做的较薄，在初期压制时，压机模具和压机活塞的温度较高，转印后，压机活塞的温度下降，再次与压机模具紧密接触，通过急速冷却压机模具，可缩短冷却时间。此时，压机模具也与移动模具一样必须设有多个。移动模具3和压机活塞26的调心方法是任意的，但在本实施例中，是将设置成环形的导环28a，28b相互嵌合而成的。
模具压制后，如图7所示，开启压机模具24。之后，将制品29和移动模具3移动到取出工序C。制品的取出方法是任意的，但在本实施例中，如图8所示，首先，将取出机14和其所附带的吸盘14A与成形品29紧密接触后，将取出机14内的真空度提升到比真空炉1内的真空度高，并将成形品29移动到小真空炉17内。之后，在将小真空炉17与大气切断的挡板16瞬间开启期间，取出机15进入小真空炉17内，接收来自取出机14的成形品29并移送到大气中。
下面，列举实施例更具体地说明本发明。但是，本发明并不仅限于这些实施例。
实施例1使用本发明的图2～图8的注射成形装置，制作制品的内径为φ8mm、外径为φ50mm、板厚为0.4mm的圆盘状的光盘用基板。在压模7上，在从内径为φ12mm到外径为φ48mm的范围内，设有轨道间距为0.5μm、槽宽度为0.25μm、槽深为70nm的螺旋状预制凹槽。
在图2中，移动模具3的厚度H最好在15mm以下，但在本实施例中定为10mm。模具的热传导率最好在20w/m.k(200℃)以上，但在本实施例中，使用21.5w/m.k(200℃)的日立金属社制的HPM38。真空炉1内的真空度希望在能够抑制熔融树脂因空气从表面进入而发泡并且能够抑制树脂内部的低沸点材料挥发并发泡的范围，希望为1×10-2Pa～1×103Pa的范围内，但在本实施例中，使用回转泵和机械升压泵，将真空度维持在0.1Pa～1Pa。填充的熔融树脂可以是任意的，但使用作为将双酚A作为单体的聚碳酸酯树脂的帝人化成社制的AD5503(玻璃转移温度(Tg)为143℃)。可塑化装置10的加热器的加热温度可以是任意的，但在本实施例中，使用带状加热器，控制最高温度为300℃，在喷嘴前端部2中为260℃。在注射工序的加热板8的温度为250℃。填充前的移动模具3的表面温度为150℃。
喷嘴前端的形状如图2～图4所示，设计成排出口为环状并通过注射使树脂扩展成环形。注射填充是在由机械挡板5封闭喷嘴前端17的状态下，进行如图3所示的可塑化计量后，如图4所示，开启挡板，使螺杆21前进，以填充时间为0.1秒进行填充。填充量与后面的压制工序相吻合，并对形成最终制品形状为最佳。之后，如图5所示，将移动模具3移动到处于压机模具24下的加热步骤9中，其中，压机模具24装有由上述的Ni制作的压模7。压模7的安装方法是任意的，但在本实施例中，内外都由未图示的真空吸附进行。加热步骤9通过未图示的冷却水控制到40℃。
压机模具24与压机活塞26连接，并设有冷却水流动的调温回路25。模具材料和厚度是任意的，但使用日立金属社制的HPM38，从压机活塞安装位置到压模的厚度为20mm。另外，从压模设置表面到冷却调温回路的距离为10mm。压机活塞的驱动源是任意的，可使用液压缸、电动马达、气缸等，但在本实施例中，使用气缸。并且，压机模具24的冷却水25控制为100℃。
压制如图6所示进行，将限制移动模具的制品外径的外周环28b与压机模具24的外周环28a嵌合，以进行模具的调心。两个外周环的间隙考虑到温度差即压制时的热膨胀差进行调整使其可获得最佳的调心精度。压制力P和压制时间是任意的，但在本实施例中，压制力P为800kgf的力，并在压制压力下加压2秒钟。通过该压制，熔融树脂填充到模腔末端，如A部放大表示的那样转印到外周。
转印后，如图7所示，通过压机活塞26和压机模具24上升，压模7和制品29脱模。压模7和制品29的脱模方法是任意的，但在本实施例中，从设置在压模内周部的环状隙缝以流量为51/min通入作为惰性气体的氮气0.1秒，在0.3秒时脱模。外周部既可设有气体的进入口，也可冷却气体。制品29从注射成形机中取出的方法是任意的，但在本实施例中，可按如下方式进行。
首先，将移动模具3移动到取出工序，如图8所示，通过取出机14的吸盘14A将成形品29移离移动模具3，并移动到小真空炉17中。小真空炉17内的真空度如不会给填充工序和压制工序的真空度造成不良影响的话，可以是任意的，但在本实施例中，控制为10～50Pa。之后，在挡板16瞬间开启的同时，取出机15和吸盘15A进入真空炉17内，接收来自取出机14的成形品29后，后退到大气中，并从真空炉17中取出制品。在本实施例中，挡板的开启时间为0.5秒。
各工序的时间图表示在图11中。如图11所示，通过协调各工序的循环，和有效地进行加热、冷却的热交换，可实现高效率的循环。
在本实施例中，所制作的光盘基板的最外周处的转印性用AFM测定时，压模的槽深度转印99％，其形状也如B部放大所示可维持其对称性。在基板内没有观察到如气泡和波纹(流标记)之类的异常。另外，用工具显微镜测定凹槽外径相对内径的偏心量时，发现为10μm(P-P)，可制作低偏心基板。用测微计测定整个表面的板厚变动时为2μm以内，不会发生外径的滑跳。
接着，用アドモンサイエンス社制双折射评价装置F3DP-1测定基板的延迟量(双折射)。图12表示双程延迟量的测定结果。发现在整个表面为10nm以内，几乎不发生双折射。在此，延迟量为光相位差，是用于检测和定量双折射大小的指标，延迟量(R)由R＝(N1-N2).t表示。但是，N1为光盘面内的径向的主折射率，N2为光盘面内的周向的主折射率，t为基板的厚度。另外，双折射由光盘面内的径向和周向的主应力差(N1-N2)表示。
正如在本发明人的发明(日本特开2001-243656号公报)中所详细描述的那样，在现有的成形方法中，很难降低厚度为0.6mm以下等的薄壁光盘用基板的内径附近的双折射，并且，不能避免高温环境化后的内周部的双折射增大。但是，本发明的制品经80℃的高温处理发现，烘烤4小时后的延迟量如图12所示几乎没有变化。
图13表示测定本发明的基板与残余应力相关的某个断面(垂直)双折射(Nx-Nz)的结果。该断面双折射为面内的主折射率Nx(N1或N2)与厚度方向的主折射率Nz的差，由高分子论文集vol.47，No6(1990)所揭示的下述式(1)、(2)、(3)，算出(N1-Nz)和(N2-Nz)，以较大一方的值代表。
N1-Nz＝l/tsin2θ1(RO-Rθcosθ1) ...(1)N2-Nz＝l/tsin2θ1(ROcos2θ1-Rθcosθ1)...(2)sinθ＝nsinθ1...(3)式中，t＝基板厚度，RO＝垂直入射延迟量，Rθ＝以一定角度(θ)倾斜测定的延迟量，n＝折射率为1.58，但在本实施例中，设θ＝30°进行测定。
根据图13可知，本发明的Nx-NZ表示在2×10-4以下时，以现有的成形方法不能达到的数值。另外，该数值与光弹性常数C小的树脂材料相同。根据该结果可知，本发明的基板的残余应力显著地小。
实施例2除了将注射工序的喷嘴前端2的形状改变成如图9所示外，使用与实施例1同样的注射成形机，用同样的方法进行注射成形。喷嘴前端的加热器20的温度控制到250℃。加热板8的温度为250℃，将喷嘴朝图10的箭头方向移动，通过将密封用挡块50的密封用挡块前端部52与移动模具3的内径销4接触，上推喷嘴内的密封用挡块50，通过密封用挡块50的外周部的树脂流动用槽53，将熔融树脂23填充到模具上。此时，填充于移动模具3上的流动树脂23接近最终制品形状，并且确认压模的转印面54也能维持平坦性。
之后，与实施例1同样，进行压制和制品取出。由于在压制前形状精度达到某种程度，图6的压制力P比实施例1低，为400kgf。
本实施例的基板的外观、形状、转印性与实施例1同样良好。另外，与实施例1同样，测定断面双折射的结果表示在图13中，但与实施例1相比，内部残余应力可降低。这可以认为是由于压制时产生的应力降低的缘故。
比较例1使用图14～图17所示的现有的成形方法，用与实施例1同样的树脂制作光盘。注射成形机使用住友重机械工业制的SD35E。固定模具30和活动模具31的调温回路的设定温度分别为120℃，切割冲头38和短管36不设有调温回路。图15所示的填充时的模腔开启量T为0.8mm，比最终制品厚度t＝0.4mm大0.4mm。填充的树脂温度(缸体加热筒温度)最大为380℃，填充时间为0.04秒。图18表示可塑化和合模的时间图。刚填充后，通过施加15吨的合模力0.2秒，如图16所示，在压缩转印的同时，驱动切割冲头38，冲切内径。之后，合模力下降到8吨并保持2.9秒后，在0.4秒内开模和取出制品。
用AFM测定在本比较例的基板的转印性。其结果为，凹槽深度的转印率为98％，但可见图17的E部放大表示的稍微的变形。另外，信号外径相对基板内径的偏心量为30μm(P-P)。测定制品厚度时，发现从制品外径为φ50mm向内侧进2mm的外径φ48mm时，其偏差为5μm，但在其外侧局部进而达到7μm厚，发生如图17的A部所示的滑跳。
接下来，与实施例同样，测定本比较例的光盘基板的垂直入射延迟量和断面双折射。其结果示于图19和图20。如图19所示，垂直入射延迟量在成形后最好控制为20nm，但发现烘烤所致的偏移量较大。另外，由图20可知，断面双折射比本发明的数值大许多。
另外，根据本发明人的前述发明，通过使用模具的调温回路进行的冷却效率在内外周变化等的装置以降低粘度差等的方法，前述烘烤后的延迟量可控制在±30nm左右，但断面双折射因非常依赖于使用树脂的物性，很难降低到4.0×10-4以下。
实施例3图21～图26示意地表表示成形方法，该成形方法中，作为热塑性树脂材料使用玻璃转移温度为140℃的聚碳酸酯，其中包含有CO2气体的超临界流体。图21～图22表示熔融树脂的填充工序，但设有形成微细的构造物的压模103的移动模具101载置于移动台102上，该移动模具101与该移动台一同在各工序中移动。
压模103的微细构造物做成如图28所示，将深度D为0.6μm、宽度W为0.15μm、纵横尺寸比为4的凹槽图案以间隔为0.2μm连接的高纵横尺寸比的线和空间的构造体用Ni形成，移动模具的内壁形成φ50mm的圆盘状的模腔。
该移动模具至少加热到热塑性树脂的玻璃转移温度Tg以上，加热方法是任意的，可以是直接或间接的加热方法如超声波感应加热、传热加热、调温溶剂加热、卤素灯等加热等。在本实施例中，将模具紧密接触于预先加热到500℃的热板上的同时，照射卤素灯，移动模具101和压模103的表面温度在树脂填充前控制到200℃。
热塑性树脂做成颗粒130从料仓131投入可塑化缸体132中，通过回转螺杆133可塑化。希望颗粒130在可塑化前充分脱气，在投入料仓131前的未图示的干燥机内进行干燥脱气以外，在本实施例中还在封闭并加热料仓131的同时排气。通过将树脂充分干燥并除氧，即使在使用吸水率较大的树脂材料时，也能够抑制注射时容易发生的气泡和因密封机构134等中滞留导致的水解。另外，超临界流体可混合并渗透到可塑化熔融状态的树脂中，但在模具开启时，由于该流体从树脂内部逃逸的效率差，因此在本实施例中，在转印工序中，超临界流体是在封闭模腔的状态下渗透的。
本实施例的注射机构采用预塑化式，在可塑化时，如图21所示，在密封机构134开启的状态下，通过由加热控制的带状加热器135卷绕的可塑化缸体132内的螺杆133的回转，由料仓131投入的颗粒130可塑化，通过该密封机构134，填充于注射柱塞136的前方。注射柱塞136由球状保持器139引导到注射缸体138的内壁，即使在狭小的间隙中，也不会咬住该注射缸体，可顺畅地驱动。注射缸体138和与其前端连接的喷嘴106由带状加热器137加热，在树脂的可塑化期间，为了使熔融树脂不会从喷嘴106中漏出，通过由气缸113机构控制的阀107关闭门108。在本实施例中，可塑化缸体132的带状加热器135控制在350℃，注射缸体138和喷嘴106的带状加热器137控制在370℃。
注射时，如图22所示，通过驱动与气缸机构113连动的阀107，开启喷嘴106表面的门108的同时，利用注射缸体138内的液压力等，注射柱塞136前进，从而将可塑化熔融树脂109填充到移动模具101内的压模103的表面。在本发明中，填充前的移动模具101因加热到热塑性树脂的玻璃转移温度以上，熔融树脂与模具表面接触并固化，表面不会形成表皮层，注射填充压力也会降低。因此，在成形品的双折射变小的同时，可抑制温度下降所致的粘度上升。另外，注射时模具内的气氛是任意的，但由于大气中的氧进入则熔融树脂表面会发生气泡，为了抑制气泡发生，希望真空度在1×10-2～1×103Pa的范围内，并且，可以是二氧化碳等惰性气体气氛。
在本实施例中，填充熔融树脂109的移动模具101与移动台102一同直接从注射工序转移到压制工序。图23～图26表示压制工序的成形方法的示意图。首先，如图23所示，插入被加热调温的压机模具104，并且压机模具104固定到合模装置105上。在本发明中，压机模具104的温度控制方法和温度设定是任意的，但在本实施例中，通过用未图示的水作为媒体的冷却水流动的调温回路，在压制初期，用比树脂材料的玻璃转移温度稍高的145℃进行调温，而在压制过程中降低到100℃。
在本实施例的合模装置(105)内，具有可上下的内藏于气缸117中的超临界流体喷出活塞115，该活塞115通过连接软管116而与未图示的超临界流体发生装置连接，通过开启未图示的电磁阀，从前端喷出超临界流体。并且，在压机模具104内，设有用于导入超临界流体的内芯114，通过该内芯上下，可与压机模具104的超临界流体的流道118，119连接和断开。并且，超临界流体为了在模具关闭时不会漏到模具外部，用O型圈120，121完全密封，因熔融状态下比容积较大，可快速渗透于分子间距离变宽的树脂中。
在本发明中，直到模具被加压，且压模103等的微细构造物被转印，至少转印面的树脂表面和模具表面必须维持在玻璃转移温度以上，在转印结束后，必须降低到玻璃转移温度以下。在本发明中，移动模具101和移动台102与未图示的冷却板紧密接触。冷却板由100℃的调温水进行温度控制。具有热容量的移动台102和移动模具101由冷却板获取热量，使温度慢慢下降，用约40秒钟使移动模具101和压模103的表面温度降到树脂材料的玻璃转移温度即140℃以下，至此结束转印。
在本实施例中，超临界流体向模具的导入按图24所示进行。即，合模装置105通过未图示的液压力驱动，固定在该装置上的压机模具104和设置在外周部的O型圈120在插入移动模具101内的时刻，内藏于气缸117中的超临界流体喷出活塞115前进，下推模具内的内芯114，流道118和119在O型圈120内连接。然后，通过未图示的电磁阀开启，来自未图示的超临界流体发生装置的超临界流体通过连接软管116和模具内的流道118，119，填充于密闭的模具内。作为超临界流体，使用二氧化碳(CO2)。二氧化碳成为超临界状态的条件为，温度为31.1℃，压力为75.2kgf/cm2，但在本实施例中，以温度为150℃，压力为200kgf/cm2的条件作为超临界状态。此外，将高浓度的二氧化碳与熔融树脂一同充满密闭的模具内后，在二氧化碳的超临界温度和压力以上的环境下，通过合模转印，二氧化碳也可转变为超临界流体。
预定量的超临界流体填充于模具内后，如图25所示，超临界流体喷出活塞115后退，通过复位弹簧122的弹力，内芯114后退，流体的流道118，119断开。接着，通过在合模装置105上产生的合模力，在压机模具104与移动模具101之间的模腔间加压，压模103上的微细构造物转印到热塑性树脂材料109上。此时，合模力是任意的，但在本发明中，至少要直到转印结束、树脂固化，必须使流体维持在超临界状态，因此，在本实施例中，施加3秒钟10吨(压力为509kgf/cm2)的合模力进行转印后，将合模力降低到5吨(255kgf/cm2)，以冷却和固化树脂。
渗透于树脂中的超临界流体在树脂固化或硬化期间，能通过逸散到外部进行调整。残存在树脂内部的超临界流体多时，卸压时气化之际，很难抑制发泡。在本实施例中，在维持合模压力的状态下，使超临界流体喷出活塞115在冷却期间前进1秒，则将剩余的超临界流体和来自树脂内部的挥发气体逃逸散到模具外部。
之后，释放合模力，如图26所示，开启模具。压力释放的同时，由于超临界流体不能维持超临界状态，因此气化且体积发生较大地膨胀，但由于树脂材料固化，分子间距离处于很难变动的状态，该挥发气体如图中箭头所示，从树脂表面向模具侧逸散。利用其压力，与微细构造物紧密接触的树脂的复制品109就可容易地剥离。
脱离模具表面的复制品109的树脂材料和移动模具101移动到下个工序，由未图示的取出口机器人取出制品后，只有该移动模具101再次返回加热工序。如此，通过多个移动模具101在各工序移动，可连续地生产高纵横尺寸比构造体的复制品。
将本实施例的树脂复制品由液体氮断开，用SEM观察断面形状时，确认线和空间构造体也可包含边缘形状并能正确地转印。
正如上述，采用本发明的注射成形方法的话，即使是由现有的成形方法不能获得满意的转印的超微细构造物也可正确地转印，在可获得精密的转印性、机械特性的同时，可大量复制复制品等，能够提高生产效率。另外，由本发明的成形方法获得的成形品，延迟量小并且均匀，断面双折射也小，具有优越的光学性能。
权利要求
1.一种注射成形方法，形成模腔的模具至少由二个以上的部件构成，将熔融树脂填充于所述模具中而获得成形品，其特征在于，构成所述模具的其中一个部件在至少分为3个以上工序的工位中移动，即，填充工序、压制工序和成形品取出工序；在填充工序中，熔融树脂填充于所述一个部件的未被封闭的模腔内后，在压制工序形成成形品。
2.按照权利要求1所述的注射成形方法，其特征在于，将熔融树脂在真空中填充于所述未被封闭的模腔中。
3.按照权利要求1所述的注射成形方法，其特征在于，在加压下使CO2气体的超临界流体渗透于填充到所述模腔内的熔融树脂中后，在压制工序形成成形品。
4.按照权利要求3所述的注射成形方法，其特征在于，使所述热塑性树脂固化后，通过释放模具压力，所述超临界流体气化，利用该气体压力使热塑性树脂的固化品与模具分离。
5.按照权利要求1所述的注射成形方法，其特征在于，所述一个部件在注射工序中，移动到被加热到使用树脂材料的(Tg-20)℃以上(Tg玻璃转移温度)的工位上，在压制工序中，移动到被加热到(Tg+100)℃以下的工位上。
6.按照权利要求1所述的注射成形方法，其特征在于，所述热塑性树脂向模具的填充和压制初期，模具温度为该热塑性树脂的玻璃转移温度以上，在压制期间，模具温度低于该玻璃转移温度并固化。
全文摘要
本发明提供一种注射成形方法，它在光盘等的成形中，可以获得能正确地转印由现有的成形方法不能获得满意的转印的超微细构造物的精密的转印性、光学特性、机械特性的同时，可大量复制复制品等，能够提高生产效率。该方法是形成模腔的模具至少由二个以上的部件构成，将来自可塑化装置的熔融树脂通过喷嘴填充于所述模具中以获得成形品，其特征在于构成所述模具的其中一个部件在至少分为3个以上工序的工位中移动，即，填充工序、压制工序和成形品取出工序；在填充工序中，在所述可塑化装置内对熔融树脂施加压力，熔融树脂注射填充于所述一个部件的未被封闭的模腔内，之后，在所述压制工序中，形成成形品。
文档编号B29C43/02GK1529649SQ0281033
公开日2004年9月15日 申请日期2002年5月21日 优先权日2001年5月22日
发明者遊佐敦, 佐敦 申请人:日立麦克赛尔株式会社