JP2007168422A - インプリント装置及びインプリント方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】生産性を維持しながら欠陥発生を最小限に抑える離型動作を実現可能なインプリント装置及びインプリント方法を提供する。
【解決手段】このインプリント装置10は、金型18と被成形材19とを相対的に接近させてプレスし離型することで金型の微細構造18aを被成形材に転写し、金型と被成形材とをプレス方向軸上で相対移動させるとともにその相対移動の際の金型と被成形材との相対移動速度が異なる複数の駆動装置11,23を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、金型の微細構造を被成形材に転写するインプリント装置及びインプリント方法に関する。
微細構造を有する金型を用いて、ポリスチレン等の樹脂を加圧成形した後に、成形品を金型から剥離することで、微小突起を有する微細構造物を得るインプリント法が公知である(例えば、下記特許文献1参照)。図10に従来のインプリント装置の要部を概略的に示す。
図10の従来のインプリント装置は、サーボモータ101でボールねじを用いたプレス機構部102を駆動することで、下方先端に固定した成形金型103を下方に移動させ、樹脂の被成形材104に押し付けてプレスする。被成形材104の保持部105と装置の保持台107との間に力センサ106を配置している。力センサ106でプレス力を測定し、増幅器108で増幅した測定信号に基づいて制御部109がモータ101をサーボ制御することでプレス力を制御している。プレス後、サーボモータ101を逆回転させてプレス機構部102を駆動し成形金型103を上方に移動させて離型し、成形金型103と被成形材104とを剥がす。
特開2005−189128号公報
上述のようなインプリント装置では、欠陥の発生防止の観点から離型時には成形金型103と被成形材104とをゆっくり剥がしたいが、生産性重視の観点から成形金型103を比較的高速で移動させている。このため、プレス機構部102のボールねじのピッチが長く、サーボモータ101の分解角が大きくなっている。つまり、プレス機構部102では、最小移動距離(単位)ΔZが大きく、このΔZに対応する力ΔFの変化が大きく、例えば、ΔFは10N以上となってしまう。したがって、在来のインプリント装置では、離型時に成形金型103と被成形材104とをゆっくり剥がすことに対応できず、欠陥が発生し易くなってしまう。一方、プレス機構部102のボールねじのピッチを短くし、サーボモータ101の分解角を小さくすると、プレスに要する時間が長くなるため、インプリント装置の生産性が低下してしまう。
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、生産性を維持しながら欠陥発生を最小限に抑える離型動作を実現可能なインプリント装置及びインプリント方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によるインプリント装置は、金型と被成形材とを相対的に接近させてプレスし離型することで前記金型の微細構造を前記被成形材に転写するインプリント装置であって、前記金型と前記被成形材とをプレス方向軸上で相対移動させるとともに前記相対移動の際の前記金型と前記被成形材との相対移動速度が異なる複数の駆動装置を備えることを特徴とする。
このインプリント装置によれば、複数の駆動装置によりプレス時と離型時とで異なる移動速度にできるので、プレスを短時間で行い、離型を長時間で行うことが可能となる。このため、プレスを速く行い、離型をゆっくり行うことができるので、生産性を維持しながら、欠陥発生を最小限に抑える離型動作を実現できる。
上記インプリント装置において前記複数の駆動装置の内で前記プレスを第1の相対移動速度で前記金型と前記被成形材とを相対移動させることで行う第1の駆動装置と、前記離型を前記第1の相対移動速度よりも遅い第2の相対移動速度で前記金型と前記被成形材とを相対移動させることで行う第2の駆動装置と、を備えることが好ましい。
また、前記第2の駆動装置は、前記被成形材に対する力を検知可能な力センサを備え、前記力センサによる検知信号に基づいて前記相対移動の送り量を制御することが好ましい。この場合、前記被成形材に対する力は、前記プレス後における前記金型と前記被成形材との密着に起因して前記離型時に生じる前記プレス方向の力である。
また、前記第2の駆動装置の送り分解能は、前記第1の駆動装置の送り分解能よりも細かいことが好ましい。
本発明によるインプリント方法は、金型と被成形材とを相対的に接近させてプレスし離型することで前記金型の微細構造を前記被成形材に転写するインプリント方法であって、前記金型と前記被成形材とをプレス方向軸上で相対移動させる際の前記金型と前記被成形材との相対移動速度が異なる複数の駆動装置を用いることを特徴とする。
このインプリント方法によれば、複数の駆動装置によりプレス時と離型時とで異なる移動速度にできるので、プレスを短時間で行い、離型を長時間で行うことが可能となる。このため、プレスを速く行い、離型をゆっくり行うことができるので、生産性を維持しながら、欠陥発生を最小限に抑える離型動作を実現できる。
上記インプリント方法において前記複数の駆動装置は、前記金型と前記被成形材とを相対移動させる際に前記プレス時と前記離型時とにおいて前記相対移動時の送り分解能が異なることが好ましい。また、前記プレス時の前記金型と前記被成形材との相対移動速度よりも、前記離型時の前記金型と前記被成形材との相対移動速度を遅くすることが好ましい。また、前記離型時の前記金型と前記被成形材との相対移動速度が可変であることが好ましい。
本発明による別のインプリント方法は、金型を昇温する昇温工程と、前記金型と前記被成形材とを第1の相対移動速度で相対移動させてプレスするプレス工程と、前記プレスの力を所定時間保持する保持工程と、前記金型を冷却する冷却工程と、前記金型と前記被成形材とを第2の相対移動速度で相対移動させて離型する離型工程と、を含むインプリント方法であって、前記プレス工程と前記離型工程とを異なる駆動装置で実行し、前記離型工程の第2の相対移動速度を前記プレス工程の第1の相対移動速度よりも遅くすることを特徴とする。
このインプリント方法によれば、熱インプリントを行う際に、プレス工程と離型工程とを異なる駆動装置で実行し、離型工程の第2の相対移動速度をプレス工程の第1の相対移動速度よりも遅くするので、プレスを比較的短時間で行い、離型を比較的長時間で行うことが可能となる。このため、プレスを速く行い、離型をゆっくり行うことができるので、生産性を維持しながら、欠陥発生を最小限に抑える離型動作を実現できる。
上記インプリント方法において前記昇温工程と前記プレス工程との間に、前記金型と被成形材とを第3の相対移動速度で移動させる早送り工程を更に含み、前記早送り工程の第3の相対移動速度を前記プレス工程の第1の相対移動速度に対し同等またはそれ以上に速くすることが好ましい。
また、本発明による更に別のインプリント方法は、上述のインプリント装置を用いて金型の微細構造を被成形材に転写することを特徴とする。
このインプリント方法によれば、複数の駆動装置によりプレスを比較的高速度で行い、離型を比較的長時間で行うことが可能となり離型をゆっくり行うことができるので、生産性を維持しながら欠陥発生を最小限に抑える離型動作を実現できる。
本発明のインプリント装置及びインプリント方法によれば、生産性を維持しながら欠陥発生を最小限に抑える離型動作を実現できる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図1は本実施の形態によるインプリント装置の要部を概略的に示す図である。
図1に示すように、本実施の形態によるインプリント装置10は、インプリントプレスのためのプレス駆動装置11と、微細な周期凹凸構造18aのある成形金型18を支持し固定する支持部17と、成形金型18と相対的に接近し成形が行われる樹脂等の被成形材19を保持し固定する保持部20と、離型時に保持部20を駆動する離型駆動装置23と、保持部20と離型駆動装置23との間に配置され被成形材19に加わる力を検知する力センサ22と、力センサ22からの検知信号を増幅する増幅器24と、増幅器24からの増幅された検知信号に基づいて離型駆動装置23をフィードバック制御する制御部25と、を備える。
プレス駆動装置11は、サーボモータ12と、サーボモータ12の回転運動をボールねじで直線運動に変換してプレスを行うプレス機構部13と、プレス機構部13に連結されて支持部17を上下に駆動する駆動ロッド14と、を備え、成形金型18と被成形材19とを相対的に接近させてプレスを行う。
インプリント装置10は、支持部17を上下動可能に支持する水平部材15aと、離型駆動装置23を支持し固定する水平台15bと、水平台15bに固定され水平部材15aを支持する縦部材16と、を備える。また、インプリント装置10は、成形金型18を加熱する加熱手段としてヒータ(図示省略)を支持部17内に備え、プレスのために成形金型18を所定温度に昇温させる。
図2に図1の離型駆動装置23の構成例を概略的に示す。図2の離型駆動装置23は、サーボモータ31と、サーボモータ31に連結され回転駆動されるボールねじ回転軸32と、ボールねじ回転軸32とかみ合いボールねじ回転軸32の回転運動を図の上下の直線運動に変換する直動部33と、直動部33により直動軸受33aを介して駆動される駆動台34と、駆動台34を直動軸受36を介して支持するように図1の水平台15bに固定される支持部材35と、を備える。駆動台34の上には図1の力センサ22が配置される。図2では、直動軸受36で駆動台34を水平方向に拘束し、ボールねじ回転軸32の水平方向の誤差運動はもう1つの直動軸受33aで吸収する。このため、サーボモータ31とボールねじ回転軸32の鉛直方向の力のみが駆動台34に伝わり、駆動台34を上下方向に移動させることができる。
図2の離型駆動装置23のサーボモータ31は図1のプレス駆動装置11のサーボモータ12よりも分解角が小さく、また、ボールねじ回転軸32はプレス機構部13のボールねじよりもピッチが短くなっている。このように、離型駆動装置23は、駆動の分解能が細かい微動機構を構成している。制御部25が力センサ22の検知信号に基づいてサーボモータ31の回転量を制御することで、プレス駆動装置11のピッチよりも小さなピッチで駆動台34上の被成形材19をプレス方向mの軸上で移動させることができ、成形金型18から比較的低速度(例えば、数μm/秒程度)で離すことができる。
一方、図1のプレス駆動装置11は、駆動の分解能が粗く、サーボモータ12とプレス機構部13とにより、比較的大きなピッチで成形金型18をプレス方向mの軸上で移動させることができる。被成形材19に比較的高速度で接近させることができる。
図1,図2のインプリント装置10によれば、プレスのときに、プレス駆動装置11により成形金型18を被成形材19に対し比較的短時間に接近させてプレスを行うことができ、その後、離型のときに、離型駆動装置23により被成形材19を成形金型18から比較的長時間かけて離して剥がすことができる。
次に、図1,図2のインプリント装置10による成形工程S01乃至S06について図3のフローチャートを参照しながら説明する。
図1の成形金型18を支持部17内のヒータに通電することで加熱し、所定温度に昇温させてから(S01)、プレス駆動装置11のサーボモータ12を回転駆動し、プレス機構部13で駆動ロッド14を図の下方のプレス方向mに比較的短時間で早送りし、成形金型18を被成形材19に接近させる(S02)。
そして、成形金型18を被成形材19に押し当ててプレスし(S03)、所定のプレス力で所定時間保持してから(S05)、成形金型18を冷却する(S05)。
次に、図2の離型駆動装置23のサーボモータ31を回転駆動し、ボールねじ回転軸32により直動部33及び駆動台34を介して被成形材19を比較的長時間かけて下方に移動させて成形金型18から剥がし離型する(S06)。これにより、成形金型18の微細な周期凹凸構造18aが被成形材19に転写される。
上記離型のとき成形金型18と被成形材19との間に密着力が発生し、離型動作の抵抗となるが、この密着力を力センサ22で検知しながら、離型駆動装置23により、例えば数μm/秒程度の低移動速度で被成形材19を成形金型18からゆっくり離して剥がすことで、上記密着力を一定の大きさ以下に抑えながら離型を行うことができる。このように、離型のとき、成形金型18と被成形材19との間に大きな密着力が発生しないので、微細な周期凹凸構造18aが転写された被成形材19の被成形面における欠陥発生を最小限に抑制できる。
以上のように、図1,図2のインプリント装置10によれば、駆動の最小分解の異なる複数の駆動装置11,23を備え、分解能の粗いプレス駆動装置11により早送り及びプレスを比較的短時間で行い、分解能の細かい離型駆動装置23により離型を比較的長時間で行うことができ、離型をゆっくり行うことができるので、生産性を維持しながら欠陥発生を最小限に抑える離型動作を行うことができる。
特に、成形金型18の微細な周期凹凸構造18aが短いピッチかつ高い凸部となり、高アスペクト比になるにつれて、プレスのときに被成形材19の樹脂が微細な周期凹凸構造18aに充填されると、被成形材19と微細な周期凹凸構造18aとの密着力が強くなり、離型し難くなる。その結果、離型するときに、速い速度で成形金型18と被成形材19とを離間させると、充填された樹脂の破断や欠けといった欠陥が発生し易くなり、従来の装置や方法では欠陥面積率5%程度まで抑えるのが限界であった。これに対し、本実施の形態のインプリント装置10によれば、離型を比較的長時間かけてゆっくり実行できるので、上述の破断や欠けを抑制でき、欠陥発生を最小限に抑えることができる。
次に、図2の離型駆動装置23の微動機構の変形例について図4,図5,図6を参照して3例説明する。以下、図2と異なる部分を中心にして説明する。
図4の例は、支持部材35の軸受38で回転自在に支持され水平方向に延びた円筒ウォームギア37aがサーボモータ31の回転により、ホイール37bを回転させることで、ボールねじ回転軸32が回転し、直動部33が直線運動するようになっている。
図5の例は、サーボモータ31の回転がボールねじ回転軸32と第2の直動部39とを介して直線運動に変換され、第2の直動部39によりてこ部材40が一端側の軸受40bで例えば上方に持ち上げられると、てこ部材40が支点の軸受40aで回動し他端側の軸受40cで第1の直動部33を下方に移動させるようになっている。
図6の例は、上面が傾斜した第1のくさび状部材42と、ころ軸受43を介して対向する下面が傾斜した第2のくさび状部材44とが、直動部を構成し、第1のくさび状部材42に水平方向に貫通したボールねじ回転軸41がサーボモータ31の回転で第1のくさび状部材42が水平方向に直進運動し、第2のくさび状部材44が図の上下方向に移動するようになっている。
図4〜図6の微動機構によれば、図2の離型駆動装置23の微動機構を構成することができ、図1,図2と同様にボールねじのピッチを短く構成し、離型時に被成形材19を成形金型18から比較的低速度でゆっくりと離しながら剥がすことができる。
次に、本実施の形態のインプリント装置におけるプレス駆動装置と離型駆動装置の配置の変形例について図7を参照して説明する。
図7(a)は、図1のインプリント装置10に、水平部材15aと水平台15bと縦部材16とを包囲するように設けた支持部材50を追加して図示したものであり、支持部材50はプレス駆動装置11のプレス機構部13を支持する。
図7(b)の配置例は、図7(a)の離型駆動装置23を上方に設けたものであり、離型駆動装置23は水平部材15aと支持部17との間に配置されている。力センサ22は被成形材19の保持部20と水平台15bと間に配置されている。図7(b)の配置によれば、図1,図2と同様に、早送り及びプレスをプレス駆動装置11により比較的短時間で行い、その後の離型において力センサ22が被成形材19から成形金型18が完全に離れるまで密着力を測定しながら、離型を離型駆動装置23により比較的長時間で行うことができる。
図7(c)の配置例は、図7(b)と同様に離型駆動装置23を上方に設けたものであるが、離型駆動装置23は駆動ロッド14と水平部材15aとの間に配置されている。力センサ22は被成形材19の保持部20と水平台15bと間に配置されている。図7(c)の配置によれば、図1,図2と同様に、早送り及びプレスをプレス駆動装置11により比較的短時間で行い、その後の離型において力センサ22が被成形材19から成形金型18が完全に離れるまで密着力を測定しながら、離型を離型駆動装置23により比較的長時間で行うことができる。
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は、本実施例に限定されるものではない。
成形金型は、厚さ0.5mmのシリコン基材の中央に直径4mmの円形の領域に繰返し凹凸微細構造(深さ1300nm、ピッチ350nm)を形成したものである。被成形材として、透明樹脂「アートン/ARTON(登録商標)」(JSR株式会社)厚さ188μmの樹脂シートを用い、金型温度を210度に設定した。
図1,図2と同様のインプリント装置を用い、離型駆動装置においてサーボモータの分解角とボールねじのピッチを組み合わせることで、微動機構の最小送り分解能を0.01μmとし、微動機構による最小送り速度を0.2μm/秒とした。また、プレス駆動装置の最小送り分解能は10μmであり、送り速度は10000μm/秒であり、プレス力は400N(圧力約4MPa)で、2秒保持して成形を行い、100度まで冷却してから離型を行った。
比較例として、実施例と同じインプリント装置を用い、離型駆動装置を作動させずにプレス及び離型をプレス駆動装置だけで行った以外は実施例と同じ条件で成形・離型を行った。なお、実際の離型速度は、実施例で0.005mm/秒〜1mm/秒(可変)とし、比較例で10mm/秒(固定)とした。
図8に本実施例及び比較例において力センサにより離型のときのプレス力の時間変化を測定したデータを示す。離型に要した時間は、実施例で約0.045秒、比較例で約0.008秒であった。図8のように、離型を始めると、プレス力(圧縮力)は実施例及び比較例ともにほぼ同様のプロフィルで減少し、ゼロ以下になって、成形金型と被成形材との間で密着力(引張力)が発生するが、比較例では、プレス駆動装置の最小送り分解能が粗く、送り速度が大きいため、引張力が大きく蓄積され、その力が短時間で解放され、この衝撃で図の時間範囲Aで力センサが共振していることが分かる。この蓄積された力の解放の瞬間に、樹脂シートに転写された微細な凹凸構造が壊されてしまうと考えられる。これに対し、実施例では、離型駆動装置の最小送り分解能が細かく、送り速度が小さいため、比較例よりも離型がゆっくりと進行し、引張力が大きく蓄積されることなく離型が完了していることが分かる。このため、樹脂シートに転写された微細な凹凸構造が壊され難いと考えられる。
図9(a)、(b)に、本実施例及び比較例において樹脂シートに転写された円形の転写面(直径4mm)の各写真を示す。比較例では図9(b)のように欠陥率が面積換算で5%であったのに対し、実施例では図9(a)のように欠陥率が面積換算で0.3%と大幅に改善されたことが分かる。
以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、本実施の形態のインプリント装置は、熱インプリント法を実行するものとしたが、本発明はこれに限定されず、紫外線硬化性樹脂を用いるUVインプリント法にも適用できる。
本実施の形態によるインプリント装置の要部を概略的に示す図である。 図1の離型駆動装置23の構成例を概略的に示す図である。 図1,図2のインプリント装置10による成形工程S01乃至S06を説明するためのフローチャートである。 図2の離型駆動装置23の微動機構の変形例を概略的に示す図である。 図2の離型駆動装置23の微動機構の別の変形例を概略的に示す図である。 図2の離型駆動装置23の微動機構の更に別の変形例を概略的に示す図である。 図1のインプリント装置に支持部材50を追加して図示した図1と同様の図(a)、図7(a)のインプリント装置におけるプレス駆動装置と離型駆動装置の配置の変形例を概略的に示す図(b)及び別の変形例を概略的に示す図(c)である。 本実施例及び比較例において力センサにより離型のときのプレス力の時間変化を測定したデータを示す図である。 本実施例(a)及び比較例(b)において樹脂シートに転写された円形の転写面(直径4mm)の各写真を示す図である。 従来のインプリント装置の要部を概略的に示す図である。
符号の説明
10 インプリント装置
11 プレス駆動装置
12 サーボモータ
13 プレス機構部
14 駆動ロッド
17 支持部
18 成形金型
18a 周期凹凸構造
19 被成形材
20 保持部
22 力センサ
23 離型駆動装置
24 増幅器
25 制御部
31 サーボモータ
32 ボールねじ回転軸
33 直動部
34 駆動台
37a 円筒ウォームギア
37b ホイール
39 直動部
40 てこ部材
40a,40b,40c 軸受
41 ボールねじ回転軸
42 第1のくさび状部材
43 ころ軸受
44 第2のくさび状部材
m プレス方向

Claims (12)

  1. 金型と被成形材とを相対的に接近させてプレスし離型することで前記金型の微細構造を前記被成形材に転写するインプリント装置であって、
    前記金型と前記被成形材とをプレス方向軸上で相対移動させるとともに前記相対移動の際の前記金型と前記被成形材との相対移動速度が異なる複数の駆動装置を備えることを特徴とするインプリント装置。
  2. 前記複数の駆動装置の内で前記プレスを第1の相対移動速度で前記金型と前記被成形材とを相対移動させることで行う第1の駆動装置と、前記離型を前記第1の相対移動速度よりも遅い第2の相対移動速度で前記金型と前記被成形材とを相対移動させることで行う第2の駆動装置と、を備えた請求項1に記載のインプリント装置。
  3. 前記第2の駆動装置は、前記被成形材に対する力を検知可能な力センサを備え、前記力センサによる検知信号に基づいて前記相対移動の送り量を制御する請求項2に記載のインプリント装置。
  4. 前記被成形材に対する力は、前記プレス後における前記金型と前記被成形材との密着に起因して前記離型時に生じる前記プレス方向の力である請求項3に記載のインプリント装置。
  5. 前記第2の駆動装置の送り分解能は、前記第1の駆動装置の送り分解能よりも細かい請求項2乃至4のいずれか1項に記載のインプリント装置。
  6. 金型と被成形材とを相対的に接近させてプレスし離型することで前記金型の微細構造を前記被成形材に転写するインプリント方法であって、
    前記金型と前記被成形材とをプレス方向軸上で相対移動させる際の前記金型と前記被成形材との相対移動速度が異なる複数の駆動装置を用いることを特徴とするインプリント方法。
  7. 前記複数の駆動装置は、前記金型と前記被成形材とを相対移動させる際に前記プレス時と前記離型時とにおいて前記相対移動時の送り分解能が異なる請求項6に記載のインプリント方法。
  8. 前記プレス時の前記金型と前記被成形材との相対移動速度よりも、前記離型時の前記金型と前記被成形材との相対移動速度を遅くする請求項6または7に記載のインプリント方法。
  9. 前記離型時の前記金型と前記被成形材との相対移動速度が可変である請求項7または8に記載のインプリント方法。
  10. 金型を昇温する昇温工程と、前記金型と前記被成形材とを第1の相対移動速度で相対移動させてプレスするプレス工程と、前記プレスの力を所定時間保持する保持工程と、前記金型を冷却する冷却工程と、前記金型と前記被成形材とを第2の相対移動速度で相対移動させて離型する離型工程と、を含むインプリント方法であって、
    前記プレス工程と前記離型工程とを異なる駆動装置で実行し、前記離型工程の第2の相対移動速度を前記プレス工程の第1の相対移動速度よりも遅くすることを特徴とするインプリント方法。
  11. 前記昇温工程と前記プレス工程との間に、前記金型と被成形材とを第3の相対移動速度で移動させる早送り工程を更に含み、
    前記早送り工程の第3の相対移動速度を前記プレス工程の第1の相対移動速度に対し同等またはそれ以上に速くする請求項10に記載のインプリント方法。
  12. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のインプリント装置を用いて金型の微細構造を被成形材に転写することを特徴とするインプリント方法。
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