JP4031025B1 - Microfabrication method and microfabrication substrate - Google Patents
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Abstract
【課題】表面に微細な凹凸パターンを有する基板の品質の安定化を図り、さらなる薄型化、小型化も可能とする。
【解決手段】少なくとも片面に平滑な樹脂面を備えた平板状の被加工物を用いる。この被加工物を所定の形状に打ち抜く金型が初期位置から打ち抜き位置を経て初期位置に戻るまでの型作動工程中に、表面に凹凸模様が形成された転写部材または被加工物の少なくとも一方が加熱により昇温した状態で、転写部材の凹凸模様を被加工物の樹脂面に対し加圧して、凹凸模様を所定の打ち抜き形状に対して位置決めされた所に転写する転写工程を行う。
【選択図】図5To stabilize the quality of a substrate having a fine concavo-convex pattern on the surface, and to further reduce the thickness and size.
A flat plate-like workpiece having a smooth resin surface on at least one surface is used. At least one of a transfer member having a concavo-convex pattern formed on the surface and the workpiece during the mold operation process until the mold for punching the workpiece into a predetermined shape returns from the initial position to the initial position through the punching position. In a state where the temperature is raised by heating, a concavo-convex pattern of the transfer member is pressed against the resin surface of the workpiece, and a transfer process is performed to transfer the concavo-convex pattern to a position positioned with respect to a predetermined punching shape.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、基板表面に高精度の鏡面や微細な凹凸のパターンを形成する微細加工方法、およびその微細加工方法によって製造された微細加工基板に関する。 The present invention relates to a microfabrication method for forming a highly accurate mirror surface or a fine uneven pattern on a substrate surface, and a microfabrication substrate manufactured by the micromachining method.
一般に、光学部品の代表的な成形法として、金型温度を成形用樹脂の軟化温度未満とした一定容積のキャビティ内に適量の溶融樹脂を射出充填し、保圧を制御しながら冷却した後、金型を開いて成形品を取り出す射出成形方法が知られている。 In general, as a typical molding method for optical components, an appropriate amount of molten resin is injected and filled into a cavity having a fixed volume with a mold temperature lower than the softening temperature of the molding resin, and after cooling while controlling the holding pressure, An injection molding method is known in which a mold is opened to take out a molded product.
このような射出成形方法の場合、射出成形品の体積の大、小により充填量を変える必要があるが、体積が所定範囲以下に小さくなった場合、射出成形機のシリンダー径も小さいものに変えないと成形条件のコントロール幅が狭くなってしまうという問題点がある。 In the case of such an injection molding method, it is necessary to change the filling amount depending on the volume of the injection molded product, but if the volume becomes smaller than the predetermined range, the cylinder diameter of the injection molding machine is also changed to a smaller one. Otherwise, there is a problem that the control range of the molding conditions becomes narrow.
また、射出成形品で、厚さが均一で微細なパターンがある製品としてディスク基板がよく知られている。ディスク基板は、外径120mm、内径15mm、厚さ1.2mmまたは0.6mmの2枚貼り合わせで構成される。転写部材であるスタンパーは、外径138mm、内径22mmまたは34mm、板厚約0.3mmのNi板で、金型の片面に内周部を金型部品のスタンパー押えにより機械的に保持している。 A disk substrate is well known as an injection molded product having a uniform thickness and a fine pattern. The disk substrate is formed by bonding two sheets having an outer diameter of 120 mm, an inner diameter of 15 mm, and a thickness of 1.2 mm or 0.6 mm. The stamper, which is a transfer member, is a Ni plate having an outer diameter of 138 mm, an inner diameter of 22 mm or 34 mm, and a plate thickness of about 0.3 mm, and the inner peripheral portion is mechanically held on one side of the mold by a stamper presser of a mold part. .
このようなディスク基板を成形する場合、溶融樹脂は、金型のスプルーブッシュからディスクゲートにより基板センターからキャビティー内に入って、充填が完了すると直ぐに内径部を金型のカットパンチにより打ち抜いている。打ち抜かれたランナーは、スプルーブッシュ内の冷却水路で冷され、コールドランナーとして取り出される。 When molding such a disk substrate, the molten resin enters the cavity from the substrate center by the disk gate from the sprue bush of the mold, and immediately after the filling is completed, the inner diameter portion is punched by the cut punch of the mold. . The punched runner is cooled in a cooling water channel in the sprue bush and taken out as a cold runner.
このため、内周の樹脂温度は高く、外周に行くに従い冷却が進み樹脂温度が低くなるため、半径方向に沿って樹脂の粘度差が生じ、内周部のパターン転写は良好であっても、外周部は転写不足になってしまうという問題点がある。 For this reason, the resin temperature on the inner circumference is high, the cooling proceeds and the resin temperature decreases as it goes to the outer circumference, resulting in a resin viscosity difference along the radial direction, and even if the pattern transfer on the inner circumference is good, There is a problem that the outer peripheral portion is insufficiently transferred.
また、射出成形の場合、上記のように、スタンパー、スタンパー押え、スプルーブッシュ等、部品点数が多くなるため、機械設計上、個々の部品の製作公差を考慮したクリアランス設計が必要となる。このため、成形後のディスク基板の内径部の微細パターンに対する偏心は避けられず、10〜15μm程度までは許容せざるをえない状況であった。 In the case of injection molding, as described above, the number of parts such as a stamper, a stamper presser, and a sprue bush increases. Therefore, in designing the machine, it is necessary to design a clearance in consideration of manufacturing tolerances of individual parts. For this reason, the eccentricity with respect to the fine pattern of the inner diameter portion of the disk substrate after molding is unavoidable, and it is inevitable to allow it up to about 10 to 15 μm.
さらに、ディスク基板の小径化を図る目的で、基板の板厚をさらに薄く(例えば0.4mm以下に)しようとすると、外周部の冷却がさらに加速され、樹脂は外周まで到達しないか、板厚が不均一で転写不足になるという問題が生じるため、ディスク基板の薄型化は困難であった。 Furthermore, if the thickness of the substrate is further reduced (for example, 0.4 mm or less) for the purpose of reducing the diameter of the disk substrate, the cooling of the outer peripheral portion is further accelerated and the resin does not reach the outer periphery. Therefore, it is difficult to reduce the thickness of the disk substrate.
また、基板の内径をさらに小さく(例えば5mm以下に)しようとすると、金型でスプルーブッシュやスタンパー押え、カットパンチを製作するのが困難になるという問題が生じるため、ディスク基板の小径化は困難であった。 Further, if the inner diameter of the substrate is further reduced (for example, 5 mm or less), it becomes difficult to manufacture a sprue bush, stamper presser, or cut punch with a mold, so it is difficult to reduce the diameter of the disk substrate. Met.
その他、近年では、基板成形工程と転写工程とを別工程で行う方法が提案されている。しかし、例えば、ディスクやロータリーエンコーダのように、基板と凹凸模様との相対的位置精度がナノメーターレベルで厳しく要求される場合、位置決めに時間がかかる。また、後工程での熱による変形や作業中のズレ等により、所望の精度を得ることは難しい。そのため、このような微細加工に、基板成形工程と転写工程とを別工程で行う方法が適用されたケースはない。
そこで、本発明者は、上記問題点に鑑み、鋭意検討した結果、表面に微細な凹凸パターンを有する基板の品質の安定化を図るだけでなく、更なる薄型化、小型化も可能とする新しい微細加工方法を見出した。すなわち、射出成形や押出成形等により得られる被加工物を、表面が滑らかで厚みが均一な平板形状のブランク基板とする。そして、このブランク基板(被加工物)を所定の形状に打ち抜く金型の型作動工程中に、プレス装置を用いた転写技術(インプリント)により、被加工物(ブランク基板)に微細な凹凸パターンを形成する(転写工程)。 In view of the above problems, the present inventor has intensively studied. As a result, the present inventor not only stabilizes the quality of a substrate having a fine uneven pattern on the surface, but also enables a further reduction in thickness and size. A fine processing method was found. In other words, a workpiece obtained by injection molding or extrusion molding is a flat blank substrate having a smooth surface and a uniform thickness. A fine uneven pattern is formed on the workpiece (blank substrate) by a transfer technique (imprint) using a press device during the mold operation process of the die for punching the blank substrate (workpiece) into a predetermined shape. Is formed (transfer process).
この方法による被加工物の成形においては、それぞれ得意とする成形機を使用すれば良く、プレス装置は、成形品の体積によって変更する必要は無い。また、被加工品の板厚の選択とヒーターで均一に加熱することにより、薄型基板や小径基板への微細転写も可能となった。 In forming a workpiece by this method, it is only necessary to use a molding machine that is good at each, and the press device does not need to be changed depending on the volume of the molded product. In addition, fine transfer to thin substrates and small-diameter substrates has become possible by selecting the thickness of the workpiece and heating it uniformly with a heater.
この発明の請求項1に係る微細加工方法は、少なくとも片面に平滑な樹脂面を備えた平板状の被加工物を打ち抜く金型が初期位置から打ち抜き位置を経て初期位置に戻るまでの型作動工程中に、表面に凹凸模様が形成された転写部材または前記被加工物の少なくとも一方を加熱により昇温させる昇温工程、前記被加工物を所定の形状に打ち抜く打ち抜き工程、前記転写部材の凹凸模様を前記被加工物の前記樹脂面に対し加圧して、前記凹凸模様を前記所定の打ち抜き形状に対して位置決めされた所に転写する転写工程、および前記凹凸模様が前記位置決めされた所に転写された前記被加工物を冷却する冷却工程を、この順に実行することを特徴とする。
The fine processing method according to
この発明の請求項2に係る微細加工方法は、請求項1記載の微細加工方法において、前記打ち抜き工程において、前記所定の形状の外側にある前記被加工物の残余の部分を固定した状態で、前記被加工物を前記所定の形状に打ち抜くことを特徴とする。
The micromachining method according to
この発明の請求項3に係る微細加工方法は、請求項1または請求項2記載の微細加工方法において、前記冷却工程において、前記転写部材及び前記被加工物を冷却用気体により強制的に冷却することを特徴とする。 A micromachining method according to a third aspect of the present invention is the micromachining method according to the first or second aspect , wherein the transfer member and the workpiece are forcibly cooled by a cooling gas in the cooling step. It is characterized by that.
この発明の請求項4に係る微細加工方法は、請求項1〜3のいずれか1項記載の微細加工方法において、前記所定の形状に打ち抜かれた打ち抜き部分が、前記被加工物の打ち抜き孔の部分に自動的に挿入されて、両者が実質的に一体となって取り出せることを特徴とする。 A micromachining method according to a fourth aspect of the present invention is the micromachining method according to any one of the first to third aspects, wherein the punched portion punched into the predetermined shape is a punch hole of the workpiece. It is automatically inserted into the part, and both can be taken out substantially integrally.
この発明の請求項5に係る微細加工方法は、請求項1〜4のいずれか1項記載の微細加工方法において、前記被加工物の平滑な前記樹脂面の表面粗さRaは、0.5μm以下であることを特徴とする。
The micromachining method according to claim 5 of the present invention is the micromachining method according to any one of
この発明の請求項6に係る微細加工方法は、請求項1〜5のいずれか1項記載の微細加工方法において、前記打ち抜き工程で前記被加工物を打ち抜く前記所定の形状は、円盤状であることを特徴とする。
The micromachining method according to claim 6 of the present invention is the micromachining method according to any one of
この発明の請求項7に係る微細加工方法は、請求項1〜5のいずれか1項記載の微細加工方法において、前記打ち抜き工程で前記被加工物を打ち抜く前記所定の形状は、中心部に円形孔を有する円盤状であることを特徴とする。 The micromachining method according to a seventh aspect of the present invention is the micromachining method according to any one of the first to fifth aspects, wherein the predetermined shape for punching the workpiece in the punching step is circular at the center. It is characterized by a disk shape having holes.
この発明は以上のように、少なくとも片面に平滑な樹脂面を備えた平板状の被加工物を打ち抜く金型が初期位置から打ち抜き位置を経て初期位置に戻るまでの型作動工程中に、表面に凹凸模様が形成された転写部材または前記被加工物の少なくとも一方を加熱により昇温させる昇温工程、前記被加工物を所定の形状に打ち抜く打ち抜き工程、前記転写部材の凹凸模様を前記被加工物の前記樹脂面に対し加圧して、前記凹凸模様を前記所定の打ち抜き形状に対して位置決めされた所に転写する転写工程、および前記凹凸模様が前記位置決めされた所に転写された前記被加工物を冷却する冷却工程を、この順に実行するので、表面に微細な凹凸パターンを有する高品質の基板を安定的に作製・生産することができることに加えて、さらなる薄型化、小型化を実現することが可能である。 As the invention described above, the plate-shaped workpiece with a smooth resin surface to at least one surface into a mold operation steps up mold Nuku hit Chi returns to the initial position through the punching position from the initial position, A temperature raising step for heating at least one of the transfer member having a concavo-convex pattern formed on the surface or the workpiece, a punching step for punching the workpiece into a predetermined shape, and a concavo-convex pattern on the transfer member. A transfer step of applying pressure to the resin surface of the workpiece and transferring the concavo-convex pattern to a position positioned with respect to the predetermined punching shape; and the object to which the concavo-convex pattern is transferred to the positioned position. a cooling step of cooling the workpiece, since the run in this order, in addition to being able to stably produce and produce high-quality substrate having a fine uneven pattern on the surface, slimmer It is possible to realize miniaturization.
この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1、図2は、この発明による微細加工方法に用いる金型(インプリント金型)の一実施形態を示す要部を断面にした概略図である。この金型(インプリント金型)10は、図示しないプレス装置の下ラムに固定される下型と、プレス装置の上ラムに固定される上型とで構成される。 FIG. 1 and FIG. 2 are schematic views in cross section of a main part showing an embodiment of a mold (imprint mold) used in the microfabrication method according to the present invention. The mold (imprint mold) 10 includes a lower mold fixed to a lower ram of a press device (not shown) and an upper mold fixed to an upper ram of the press device.
下型は、外形(外径)抜きパンチ20およびストリッパー25を備え、また、下ホルダー30および下バックプレート35を備えている。
The lower die includes an outer shape (outer diameter)
外形(外径)抜きパンチ20は、下ホルダー30の中心位置に形成した嵌合孔に下から嵌合される。下バックプレート35が下ホルダー30にボルトで固定されることで、外形(外径)抜きパンチ20は、下ホルダー30の中心位置に位置決め固定される。
The outer shape (outer diameter)
そして、外形(外径)抜きパンチ20は、図示してないが、円周方向に均等に配置されるヒーターと温度センサーを設置できる構造となっている。
The outer shape (outer diameter)
ストリッパー25は、その中央部に、外形(外径)抜きパンチ20との間に所要の隙間を有する基板用外形孔が形成されている。その隙間は、外形(外径)抜きパンチ20に対して、ストリッパー25が上下に摺動可能程度の極微小な隙間に設定される。
The
また、ストリッパー25は、下ホルダー30および下バックプレート35の中心を基準として円周方向に互いに90°の間隔で形成された4つの貫通孔に下から貫通されたストリッパーカラー26の上端部に固定される。
Further, the
ストリッパーカラー26の下端部には4本のストリッパー用バネ27が装着され、ストリッパー用バネ27の下端を押えるバネ押えプレート28が下バックプレート35にボルトで固定される。バネ押えプレート28は、プレス装置の下ラムに固定できるようになっている。なお、バネ押えプレート28は、外形(外径)抜きパンチ20に設置されたヒーターの熱をプレス装置に伝えないよう断熱材にすることが望ましい。
Four
これにより、ストリッパー25は、プレス前の無負荷時には、4本のストリッパーカラー26と4本のストリッパー用バネ27により、外形(外径)抜きパンチ20の上端面よりわずかに高い位置すなわち、2mm以下、望ましくは0.3〜0.5mm程度上方へ隆起した高さに、位置決めされている(図1参照)。
Thus, the
このようなストリッパー25は、外形(外径)抜きパンチ20より大きい図示しないブランク基板がストリッパー25上に載置され、プレス装置の上ラムが下降するとき、つぎのような働きをする。すなわち、上ラムが下降するのにともなって、後述する外形(外径)抜きダイ50の下端面がストリッパー25の上端面との間にブランク基板を挟み込んだ瞬間から、ストリッパー用バネ27のバネ力でブランク基板を押え込む。
Such a
また、ストリッパー25は、インプリント後の成形基板が外形(外径)抜きパンチ20の上端面に付着することを防止するため、上ラムが上昇するとき、成形基板を外形(外径)抜きパンチ20の上端面から2mm以下、望ましくは0.3〜0.5mm程度上方へ引き離す働きをする。
Further, the
さらに、下ホルダー30には、その中心を基準として円周方向に互いに90°の間隔で形成された4つの圧入穴が形成され、この圧入穴に4本のガイドブッシュ40が圧入嵌合され、軸線を垂直にして設置されている。
Furthermore, the
上型は、外形(外径)抜きダイ50、スタンパー55およびピストン56を備え、また、上ホルダー60および上バックプレート65を備えている。
The upper die includes an outer shape (outer diameter) punching
外形(外径)抜きダイ50は、その中央部に、スタンパー55およびスタンパー55を取り付けるピストン56の小径部との間に所要の隙間を有する基板用外形孔が形成されている。その隙間は、スタンパー55およびピストン56の小径部に対して、外形(外径)抜きダイ50が相対的に上下摺動可能程度の極微小な隙間に設定される。
The outer shape (outer diameter) punching die 50 is formed with a board outer hole having a required gap between the
外形(外径)抜きダイ50は、上ホルダー60の中心位置に図示しないダウエルピンで精密に位置決めされボルトで固定されている。また、外形(外径)抜きダイ50は、エアシリンダー部51を備えている。
The outer shape (outer diameter) punching die 50 is precisely positioned by a dowel pin (not shown) at the center position of the
スタンパー55は、片面(図1では下面)に、スタンパーの形状に対して希望する所定寸法の配置で微細な凹凸加工模様が施されている。また、他の片面(図1では上面)は、ピストン56に密着するように接着または着脱可能にボルトで固定されている。
The
ピストン56は、外周部にOリング57が設置されている。そして、上ホルダー60のエア供給口61から外形(外径)抜きダイ50内のエアシリンダー部51にエアーを供給することで、ピストン56は、インプリント時の加圧を行うことができる。
The
また、ピストン56内には、図示してないが、円周方向に均等に配置されるヒーターと温度センサーを設置できる構造となっている。これにより、ピストン56は、インプリント時の加熱も行うことができる。
Although not shown, the
また、上バックプレート65は、上ホルダー60にボルトで固定されて、プレス装置の上ラムに固定できるようになっている。なお、上バックプレート65は、ピストン56に設置されたヒーターの熱をプレス装置に伝えないよう断熱材にすることが望ましい。
Further, the
さらに、上ホルダー60には、その中心を基準として円周方向に互いに90°の間隔で形成された4つの圧入穴が形成され、この圧入穴に4本のガイドポスト70が圧入嵌合されて、垂直に設置されている。ガイトポスト70とガイドブッシュ40は、図示しないボールベアリングにより精密に嵌合して上型と下型を精密に位置決めできるように構成してある。
Further, the
そして、プレス装置の上ラムが下降すると、外形(外径)抜きパンチ20は、図2に示すように、外形(外径)抜きダイ50のダイ孔に対して均一な抜きクリアランスを保ちながら進入していく構造となっている。 When the upper ram of the press device is lowered, the outer shape (outer diameter) punch 20 enters the outer shape (outer diameter) punching die 50 while maintaining a uniform punching clearance with respect to the die hole of the outer shape (outer diameter) punching die 50 as shown in FIG. It has a structure to do.
なお、この実施形態では、スタンパー55とピストン56を2つの別々の部品としたが、これに限定せず、スタンパー55とピストン56が一体となった1つの部品としてもよい。
In this embodiment, the
上記のように構成された金型(インプリント金型)10を用いたこの発明による微細加工方法は、表面に微細な凹凸模様を有する転写部材(スタンパー55)を用いて、この凹凸模様が表面に形成された所定形状の微細加工基板を作製する方法である。 The micromachining method according to the present invention using the mold (imprint mold) 10 configured as described above uses a transfer member (stamper 55) having a fine concavo-convex pattern on the surface, and the concavo-convex pattern is the surface. This is a method for producing a microfabricated substrate of a predetermined shape formed in the above.
すなわち、この微細加工方法は、金型10が初期位置から打ち抜き位置を経て初期位置に戻るまでの型作動工程中に、少なくとも片面に平滑な樹脂面を備えた平板状の被加工物(ブランク基板)またはスタンパー55の少なくとも一方が加熱により昇温した状態で、スタンパー55の凹凸模様をブランク基板の樹脂面に対し加圧して、凹凸模様をブランク基板の所定の打ち抜き形状に対して位置決めされた所に転写するものである。
That is, in this micromachining method, a plate-shaped workpiece (blank substrate) having a smooth resin surface on at least one surface during a mold operation process from the initial position through the punching position to return to the initial position. ) Or in a state where at least one of the
具体的には、この微細加工方法は、金型10の型作動工程中に、スタンパー55またはブランク基板の少なくとも一方を加熱により昇温させる昇温工程、ブランク基板を所定の形状に打ち抜く打ち抜き工程、スタンパー55の凹凸模様をブランク基板の樹脂面に対し加圧して、凹凸模様をブランク基板の所定の打ち抜き形状に対して位置決めされた所に転写する転写工程、および凹凸模様が前記位置決めされた所に転写されたブランク基板を冷却する冷却工程、を実行する。
Specifically, this microfabrication method includes a temperature raising step for heating at least one of the
この微細加工方法は、金型10の型作動工程中に、昇温工程、打ち抜き工程、転写工程、および冷却工程を、この順に実行することができる。
In the microfabrication method, during the mold operating process of the
また、この微細加工方法は、金型10の型作動工程中に、昇温工程、転写工程、打ち抜き工程、および冷却工程を、この順に実行することができる。
Moreover, this microfabrication method can perform a heating process, a transfer process, a punching process, and a cooling process in this order during the mold operating process of the
打ち抜き工程において、ブランク基板(被加工物)を、打ち抜くべき所定形状の外側で固定した状態で、打ち抜くことが好ましい。 In the punching step, it is preferable that the blank substrate (workpiece) is punched in a state of being fixed outside the predetermined shape to be punched.
被加工物(ブランク基板)の表面の表面粗さRaは、0.5μm以下である。表面粗さRaは、JIS_B_0601−1994で定義されるものとする。これは、被加工物(ブランク基板)の表面の表面粗さRaが0.5μm以上であると、転写される凹凸模様との視認性が悪くなるためである。なお、表面粗さRaは、JIS_B_0601−1994に準じて、原子力顕微鏡(AFM)、触針式表面粗さ計、光干渉式表面粗さ計等により測定可能である。 The surface roughness Ra of the surface of the workpiece (blank substrate) is 0.5 μm or less. The surface roughness Ra is defined by JIS_B_0601-1994. This is because, when the surface roughness Ra of the surface of the workpiece (blank substrate) is 0.5 μm or more, the visibility with the concavo-convex pattern to be transferred is deteriorated. The surface roughness Ra can be measured by an atomic force microscope (AFM), a stylus type surface roughness meter, an optical interference type surface roughness meter, or the like according to JIS_B — 0601-1994.
被加工物(ブランク基板)は、熱可塑性樹脂、熱硬化型樹脂又は紫外線硬化型の樹脂から成る平板であっても良いし、基板表面に、熱可塑性樹脂、熱硬化型樹脂又は紫外線硬化型樹脂が塗布された複合タイプの平板であっても良い。 The workpiece (blank substrate) may be a flat plate made of a thermoplastic resin, a thermosetting resin or an ultraviolet curable resin, or a thermoplastic resin, a thermosetting resin or an ultraviolet curable resin on the substrate surface. It may be a composite type flat plate to which is applied.
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂等が、好適に使用可能である。 Examples of the thermoplastic resin include polycarbonate resin, polyarylate resin, polyethersulfone resin, polysulfone resin, polyester resin, polymethyl methacrylate resin, polyetherimide resin, cycloolefin polymer resin, polyethylene terephthalate resin, polyamide resin, and the like. It can be suitably used.
熱硬化性樹脂としては、色相の点からエポキシ系樹脂が特に好ましく用いられる。エポキシ系樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ビスフェノールS型やそれらの水素添加の如きビスフェノール型、また、フェノールノボラック型やクレゾールノボラック型の如きノボラック型、また、トリグリシジルイソシアヌレート型やヒンダントイン型の如き含窒素環型、脂環式型、脂肪族型、ナフタレン型の如き芳香族型、グリシジルエーテル型、ビフェニル型の如き低吸水率タイプ、ジシクロ型、エステル型、エーテルエステル型やそれらの変性型などが挙げられる。 As the thermosetting resin, an epoxy resin is particularly preferably used from the viewpoint of hue. Examples of the epoxy resin include bisphenol A type, bisphenol F type, bisphenol S type and bisphenol types such as hydrogenation thereof, novolak types such as phenol novolak type and cresol novolak type, and triglycidyl isocyanurate type. Nitrogen-containing ring type, such as hindantoin type, alicyclic type, aliphatic type, aromatic type such as naphthalene type, low water absorption type such as glycidyl ether type, biphenyl type, dicyclo type, ester type, ether ester type, etc. These modified types are exemplified.
これらは単独で使用してもあるいは併用してもよい。上記各種エポキシ系樹脂の中でも、変色防止性などの点から、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート型エポキシ樹脂を用いることが好ましい。 These may be used alone or in combination. Among the various epoxy resins, it is preferable to use a bisphenol A type epoxy resin, an alicyclic epoxy resin, or a triglycidyl isocyanurate type epoxy resin from the viewpoint of preventing discoloration.
紫外線硬化型樹脂としては、例えば、ウレタン(メタ)アクリレート又はエポキシ(メタ)アクリレートオリゴマー、反応希釈剤、光重合開始剤、光増感剤の成分を含む組成物が挙げられる。しかし、特に限定されるものではない。 As an ultraviolet curable resin, the composition containing the component of a urethane (meth) acrylate or an epoxy (meth) acrylate oligomer, a reaction diluent, a photoinitiator, and a photosensitizer is mentioned, for example. However, it is not particularly limited.
また、基板としては、例えば、アクリル樹脂、MS樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂、または上記樹脂のブレンドからなるシート又はフィルムなどが好適に使用できる。成形型からの離型性の点から、可撓性のあるアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、MS樹脂などが光透過性や柔軟性の点から好ましい。 As the substrate, for example, an acrylic resin, MS resin, polycarbonate resin, polyester resin, polystyrene resin, polyolefin resin, vinyl chloride resin, polyimide resin, or a sheet or film made of a blend of the above resins can be suitably used. From the viewpoint of releasability from the mold, flexible acrylic resin, polycarbonate resin, polyester resin, MS resin and the like are preferable from the viewpoint of light transmittance and flexibility.
そして、この発明の微細加工方法により得られる微細加工基板としては、ロータリーエンコーダ用基板、ディスク用基板、ハードディスク用基板、導光板、タッチパネル用基板、燃料電池用セパレータ、反射板、バイオチップ、レンズ等、各種の基板を意味する。 The microfabricated substrate obtained by the microfabrication method of the present invention includes a rotary encoder substrate, a disk substrate, a hard disk substrate, a light guide plate, a touch panel substrate, a fuel cell separator, a reflector, a biochip, a lens, etc. Means various substrates.
次に、上記のように構成された金型(インプリント金型)10を用いてこの発明による微細加工方法を行う場合の、基板へのインプリントの実施形態について説明する。 Next, an embodiment of imprinting on a substrate when the fine processing method according to the present invention is performed using the mold (imprint mold) 10 configured as described above will be described.
まず、外形(外径)抜きパンチ20およびピストン56に備えるヒーターに通電して、外形(外径)抜きパンチ20、ピストン56およびスタンパー55を、合成樹脂のガラス転移温度−10〜+40℃付近に設定する。
First, the heater provided in the outer shape (outer diameter) punch 20 and the
この状態で、合成樹脂から成る厚さ約0.5mmで、表面粗さRaが0.005μmの平板状のブランク基板を、ストリッパー25の上に載せる。そして、プレス装置の上ラム位置を初期値から所定量下降させて、ブランク基板をストリッパー25と外形(外径)抜きダイ50とで挟み込み、さらにストリッパー25の上面が外形(外径)抜きパンチ20の上面に一致するまで押し込む。このときのプレス装置の上ラムの位置を保持値とする(図9参照)。
In this state, a flat blank substrate made of a synthetic resin and having a thickness of about 0.5 mm and a surface roughness Ra of 0.005 μm is placed on the
この位置において、エアシリンダー部51内に適当な低圧のエアーを入れておくことで、ブランク基板は、外形(外径)抜きパンチ20とスタンパー55とで挟み込まれる。この状態で、ブランク基板が打ち抜き工程に適切な温度に昇温するまで、所定時間保持する(昇温工程)。
At this position, the blank substrate is sandwiched between the outer shape (outer diameter) punching
ブランク基板が昇温するのに必要な所定時間保持した(昇温工程)後、上ラムをさらに下降させて、図2に示すように下死点まで下げる。これにより、ブランク基板は、外形(外径)抜きパンチ20と外形(外径)抜きダイ50とで所定の外形(外径)形状に打ち抜かれる(打ち抜き工程)。このとき、外形(外径)抜きパンチ20の上面にあって打ち抜かれる基板(打ち抜き基板)に対し、ストリッパー25と外形(外径)抜きダイ50との間にある周囲の基板(外側基板)が下降していく。
After the blank substrate is held for a predetermined time required to raise the temperature (temperature raising step), the upper ram is further lowered to lower the bottom dead center as shown in FIG. Accordingly, the blank substrate is punched into a predetermined outer shape (outer diameter) shape by the outer shape (outer diameter) punch 20 and the outer shape (outer diameter) punching die 50 (punching step). At this time, the peripheral substrate (outer substrate) between the
上ラムによるプレス位置をこの下死点位置に保持する(図9参照)。この位置で、エアシリンダー部51の内圧を適当に上げ、スタンパー55の面積に対し2〜3MPaの加圧力になるように調節する。これにより、スタンパー55に施した微細な凹凸模様が打ち抜き基板へインプリントされる工程(転写工程)に入る。インプリント(転写工程)には、使用する樹脂や微細な凹凸模様により5秒から240秒程の時間を要する。
The press position by the upper ram is held at this bottom dead center position (see FIG. 9). At this position, the internal pressure of the
なお、エアシリンダー部51内のエアー圧力は、上記のように、昇温工程および打ち抜き工程における低圧から、転写工程における高圧に切り換える方法に限定されない。すなわち、所定の高圧でも打ち抜きに支障がなければ、打ち抜き工程から、スタンパー55の面積に対し2〜3MPaの加圧力のまま一定にしておいてもよい。
Note that the air pressure in the
この場合、昇温工程では、低圧にしておくこともできるし、圧力を加えずに、ピストン56の自重により、スタンパー55と外形(外径)抜きパンチ20とでブランク基板を挟み込み状態にすることもできる。
In this case, in the temperature raising step, the pressure can be kept low, or the blank substrate is sandwiched between the
インプリント(転写工程)完了後、外形(外径)抜きパンチ20およびピストン56に備えるヒーターの通電を切り、外形(外径)抜きパンチ20とピストン56の温度をガラス転移温度−5〜−40℃付近に下げる冷却工程に入る。このとき、エアシリンダー部51内のエアー圧力は、適宜、低圧に切り換えても良い。
After the imprint (transfer process) is completed, the heaters provided in the outer shape (outer diameter) punch 20 and the
また、冷却工程では、スタンパー55及びピストン56など、スタンパー55周辺の金型部品と成形基板(打ち抜き・転写基板)は、加工時間短縮のために、N2等の冷却用気体を用いて、強制的に冷却することが望ましい。
In the cooling process, the mold parts and the molded substrate (punching / transfer substrate) around the
外形(外径)抜きパンチ20およびピストン56の温度が設定温度まで下がったら、上ラムを上昇させて初期値まで戻す。これにより型開きが行われる(図9参照)。このとき、例えば、ピストン56およびスタンパー55と外形(外径)抜きダイ50との分割面から離型エアーを噴くことで、成形基板およびその周囲の外側基板と上型との離型を促すことが好ましい。同様に、例えば、外形(外径)抜きパンチ20とストリッパー25との分割面から離型エアーを噴くことで、成形基板およびその周囲の外側基板と下型との離型を促すことが好ましい。
When the temperature of the outer shape (outer diameter) punch 20 and the
また、外形(外径)抜きパンチ20の外径と外形(外径)抜きダイ50の内径とのクリアランスが微小であるため、型開時にストリッパー25が付勢により復帰するのにともない、所定の形状に打ち抜かれた打ち抜き基板(成形基板)が、ブランク基板の残余の部分(外側基板)の打ち抜き孔に自動的に挿入される。これにより、成形基板と外側基板とが、実質的に一体となって取り出される(基板離型工程)。図9に、上述した、金型の型作動工程に基づく各工程のタイミングチャートの一例を示す。
In addition, since the clearance between the outer diameter of the outer shape (outer diameter) punch 20 and the inner diameter of the outer shape (outer diameter) punching die 50 is very small, the
以上のように、ブランク基板を押え込みながら型作動工程中にインプリント工程に入ることで、微細な凹凸模様を、所定の打ち抜き形状に対し位置決めされた箇所に転写したインプリント成形基板を作成することができる。 As described above, an imprint molding substrate in which a fine uneven pattern is transferred to a position positioned with respect to a predetermined punching shape by entering an imprint process during a mold operation process while pressing a blank substrate is created. Can do.
なお、スタンパー55の下面に微細凹凸加工を施しているが、例えば、外形(外径)抜きパンチ20の上端面にも同様の微細凹凸加工を施しておくことができる。このようにすれば、表裏両面に微細凹凸のインプリントが形成された成形基板を製作することも可能である。
In addition, although the fine unevenness | corrugation processing is given to the lower surface of the
また、エアシリンダー部51にエアーを供給することでインプリント時の加圧ができるように構成したが、例えば、プレス装置の上ラム側から連結ピン等でピストン位置を制御する構造にして、これによりインプリント時の加圧を実現するようにしてもよい。
In addition, the
また、この実施形態では、上ラム位置が下死点に到達したとき、つまり打ち抜き工程後に、インプリント工程(転写工程)に入る手順をとったが、これに限定されない。ブランク基板の材質に応じて、例えば、上ラムの位置が保持値にあって昇温工程後にインプリント工程(転写工程)に入り、その後上ラムを下死点に下げ、ブランク基板を所定の外形(外径)形状に打ち抜き(打ち抜き工程)、最後に冷却工程に入る手順をとってもよい。 In this embodiment, the procedure for entering the imprint process (transfer process) is taken when the upper ram position reaches the bottom dead center, that is, after the punching process. However, the present invention is not limited to this. Depending on the material of the blank substrate, for example, the upper ram position is at the hold value and the imprint process (transfer process) starts after the temperature raising process, and then the upper ram is lowered to the bottom dead center, It is also possible to take a procedure of punching into an (outer diameter) shape (punching process) and finally entering a cooling process.
図3〜図7は、この発明による微細加工方法に用いる金型(インプリント金型)の他の実施形態を示す要部を断面にした概略図である。この金型(インプリント金型)110は、全体としては図1、図2に示す金型(インプリント金型)10とほぼ同様のものであるので、同様の部分には図1、図2で用いた符号に100を加えた符号を付けて示し、重複する説明は省略する。 3-7 is the schematic which made the principal part the cross section which shows other embodiment of the metal mold | die (imprint metal mold | die) used for the microfabrication method by this invention in cross section. The mold (imprint mold) 110 is generally the same as the mold (imprint mold) 10 shown in FIGS. 1 and 2 as a whole. A reference numeral added with 100 is added to the reference numeral used in FIG.
この金型(インプリント金型)110は、外形(外径)のみならず内形(内径)も同心で打ち抜く点が、図1、図2に示す金型(インプリント金型)10と大きく異なる。そのため、上型は、内形(内径)抜きパンチ175を備え、また、下型は、内形(内径)抜き用ダイ孔145を備えている。
This mold (imprint mold) 110 is greatly different from the mold (imprint mold) 10 shown in FIGS. 1 and 2 in that not only the outer shape (outer diameter) but also the inner shape (inner diameter) is punched concentrically. Different. Therefore, the upper mold is provided with an inner shape (inner diameter)
すなわち、内形(内径)抜きパンチ175は、上ホルダー160の中心位置にあけた穴に嵌合し、外形(外径)抜きダイ150と同心に位置決めされている。また、内形(内径)抜きパンチ175は、上バックプレート165で抜き荷重を受けられるようになっている。また、内形(内径)抜きパンチ175には、エアシリンダー部151のエアーが抜けないようにOリング176が設置される。
That is, the inner shape (inner diameter) punch 175 is fitted into a hole formed at the center position of the
スタンパー155の中心には、内形(内径)孔が、内形(内径)抜きパンチ175に対し摺動可能な程度の極微小なクリアランス(片側3μm以下)で形成されている。スタンパー155の片側の表面(図3では下面)には、この内形(内径)孔に対して同心に微細な凹凸模様が円周上に加工されている。ピストン156の中央部にも、内形(内径)抜きパンチ175の逃げ孔が形成されている。
In the center of the
内形(内径)抜き用ダイ孔145は、外形(外径)抜きパンチ120の中心位置に形成されている。そして、図5に示すように、内形(内径)抜きパンチ175のパンチ径に対して均一な抜きクリアランスを保ちながら進入していく構造となっている。
The inner shape (inner diameter) punching
次に、上記のように構成された金型(インプリント金型)110を用いてこの発明による微細加工方法を行う場合の、小径のディスク用基板やロータリーエンコーダ用基板へのインプリントの実施形態について説明する。 Next, an embodiment of imprinting onto a small-diameter disk substrate or rotary encoder substrate when the fine processing method according to the present invention is performed using the mold (imprint mold) 110 configured as described above. Will be described.
まず、外形(外径)抜きパンチ120およびピストン156に備えるヒーターに通電して、外形(外径)抜きパンチ120、ピストン156およびスタンパー155を、160℃付近に設定する。
First, the heaters provided in the outer shape (outer diameter) punch 120 and the
この状態で、ポリカーボネート樹脂から成る所定の厚さで表面粗さが0.002μmの平板状のブランク基板を、ストリッパー125の上に載せる(図3参照)。そして、プレス装置の上ラムを所定量下降させて、ブランク基板をストリッパー125と外形(外径)抜きダイ150とで挟み込み、さらにストリッパー125の上面が外形(外径)抜きパンチ120の上面に一致するまで押し込む(図4参照)。このときのプレス装置の上ラムの位置を保持値とする(図9参照)。
In this state, a flat blank substrate made of polycarbonate resin and having a surface roughness of 0.002 μm is placed on the stripper 125 (see FIG. 3). Then, the upper ram of the press device is lowered by a predetermined amount, the blank substrate is sandwiched between the
この位置で、ブランク基板が打ち抜き工程に適切な温度(150℃付近)に昇温するまで、所定時間保持した後、上ラムをさらに下降させて、図5に示すように下死点まで下げる。これにより、ブランク基板は、外形(外径)抜きパンチ120と外形(外径)抜きダイ150とで所定の外形(外径)形状に打ち抜かれるとともに、内形(内径)抜きパンチ175と内形(内径)抜き用ダイ孔145とで所定の内形(内径)形状に打ち抜かれる。このとき、ブランク基板の内形(内径)を打ち抜いたカスは、内形(内径)抜き用ダイ孔145から下に落ちていく。
At this position, the blank substrate is held for a predetermined time until the temperature rises to a temperature suitable for the punching process (around 150 ° C.), and then the upper ram is further lowered to lower the bottom dead center as shown in FIG. As a result, the blank substrate is punched into a predetermined outer shape (outer diameter) by the outer shape (outer diameter) punch 120 and the outer shape (outer diameter) punching
上ラムによるプレス位置をこの下死点位置に保持する(図5参照)。この位置で、エアシリンダー部151の内圧を適当に上げ、スタンパー155の面積に対し2.5MPaの加圧力がかかるように調節する。これにより、スタンパー155に施した微細な凹凸模様が成形基板へインプリントされる工程(転写工程)に入る。インプリント(転写工程)には、50秒程の時間を要する。
The press position by the upper ram is held at this bottom dead center position (see FIG. 5). At this position, the internal pressure of the
インプリント(転写工程)完了後、外形(外径)抜きパンチ120およびピストン156に備えるヒーターの通電を切り、外形(外径)抜きパンチ120およびピストン156の温度を140℃付近に下げる冷却工程に入る。外形(外径)抜きパンチ120およびピストン156の温度が設定温度まで下がったら、上ラムを上昇させて初期値まで戻す。
After the imprint (transfer process) is completed, the heater provided to the outer shape (outer diameter) punch 120 and the
この型開き時に、打ち抜かれた成形基板は、ピストン156の圧力によりスタンパー155を介して外形(外径)抜きパンチ120の上面に押し付けられる。同時に、成形基板の外周に位置する外側基板は、ストリッパー125のバネ力により押し上げられる。外形(外径)抜きパンチ120の外径と外形(外径)抜きダイ150の内径とのクリアランスが微小であるため、成形基板は、外側基板の打ち抜き孔内に再び挿入される(図6参照)。
At the time of opening the mold, the punched molded substrate is pressed against the upper surface of the outer shape (outer diameter) punch 120 via the
この状態の基板は外周側から先に冷却が進むため、成形基板の外周は、外側基板の打ち抜き孔に締め付けられるように保持され一体の状態になる。この基板(成形基板および外側基板)は機械的に離型することができる(基板離型工程)。そのため、成形基板も外側基板と一体にスタンパー155から機械的に剥がされることになり(図7参照)、スタンパー155に離型剤等の処理を施す必要がなくなる大きな利点がある。
Since the substrate in this state is cooled first from the outer peripheral side, the outer periphery of the molded substrate is held so as to be fastened to the punched hole of the outer substrate, and becomes an integrated state. This substrate (molded substrate and outer substrate) can be mechanically released (substrate release step). Therefore, the molded substrate is also mechanically peeled off from the
外側基板と一体の状態で取り出された成形基板は、一度打ち抜かれているので、その後機械的に外側基板から押し出すことが可能である。 Since the molded substrate taken out integrally with the outer substrate is once punched, it can be mechanically pushed out from the outer substrate.
なお、冷却工程では、加工時間短縮のために、適宜の冷却用気体を用いて強制的に冷却することが望ましい。図8にその一例を示す。すなわち、上型の冷却用気体導入孔152から冷却用気体を導入して、ピストン156の外周を冷却する。同様に、下型の冷却用気体導入孔136から冷却用気体を導入して、外形(外径)抜きパンチ120を冷却する。
In the cooling step, it is desirable to forcibly cool using an appropriate cooling gas in order to shorten the processing time. An example is shown in FIG. That is, the cooling gas is introduced from the upper cooling
また、基板離型工程では、適宜の圧縮気体を用いて強制的に離型させることが望ましい。図8にその一例を示す。すなわち、打ち抜き基板(成形基板)が、型開き時にスタンパー155の凹凸模様から容易に離型するように、上型の圧縮気体導入孔153から圧縮気体(離型気体)を導入して、内形(内径)抜きパンチ175とピストン156およびスタンパー155との分割面から圧縮気体を噴出させる。
In the substrate release step, it is desirable to forcibly release using an appropriate compressed gas. An example is shown in FIG. That is, a compressed gas (release gas) is introduced from the upper mold compressed
同様に、成形基板の外周に位置する外側基板が、型開き時に容易に離型するように、下型の圧縮気体導入孔129から圧縮気体(離型気体)を導入して、ストリッパー125の基板との接触面から圧縮気体を噴出させる。
Similarly, the substrate of the
さらに、外形(外径)抜きダイ150は一体のものでなくてもよい。例えば、外形(外径)抜きパンチ120と協働してブランク基板を打ち抜く打ち抜き部と、ストリッパー125との間にブランク基板を挟持する挟持部とを兼ねたダイ主要部150aを、それ以外の部分150bとは別部品として構成する。このような分割ダイは、例えば、打ち抜き部分の磨耗が激しい場合に、それ以外の部分150bに対してダイ主要部150aを交換することができる。
Furthermore, the outer shape (outer diameter) punching die 150 may not be integral. For example, the die
上記の方法によれば、内形(内径)抜きパンチ175に対して、スタンパー155の内形(内径)のクリアランス分の最大で片側3μmしか微細凹凸模様は偏心しないことになり、内形(内径)加工の位置合せなどの必要は無い。しかも、内形(内径)抜きパンチ175は、外形(外径)抜きダイ150と上ホルダー160により同心に位置決めされているため、スタンパー(転写部材)155の外形(外径)、内形(内径)とほぼ同じ形状の成形基板が得られ、基板内形(内径)に対して基板外形(外径)も偏心のない成形基板を得ることができる。
According to the above method, the fine uneven pattern is eccentric only by 3 μm on one side at the maximum with respect to the clearance of the inner shape (inner diameter) of the
このような偏心のない成形基板は、例えば、ロータリーエンコーダのように、内径を基準に高速で回転させるような製品の場合に、回転時のブレが発生しないため特に有効である。 Such a molded substrate having no eccentricity is particularly effective in the case of a product that rotates at high speed with reference to the inner diameter, such as a rotary encoder, because no blurring occurs during rotation.
図10は、このようにして得られた小径のディスク用基板1の斜視図である。また、図11は、同様にして得られたロータリーエンコーダ用基板2の斜視図である。いずれも、内径部の微細な凹凸模様に対する偏心は3μm以下であった。
FIG. 10 is a perspective view of the small-
1 ディスク用基板
2 ロータリーエンコーダ用基板
10,110 金型(インプリント金型)
20,120 外形(外径)抜きパンチ
25,125 ストリッパー
26,126 ストリッパーカラー
27,127 ストリッパー用バネ
28,128 バネ押えプレート
129 下型の圧縮気体(離型気体)導入孔
30,130 下ホルダー
35,135 下バックプレート
136 下型の冷却用気体導入孔
40,140 ガイドブッシュ
145 内形(内径)抜き用ダイ孔
50,150 外形(外径)抜きダイ
51,151 エアシリンダー部
152 上型の冷却用気体導入孔
153 上型の圧縮気体(離型気体)導入孔
55,155 スタンパー
56,156 ピストン(加圧部材)
57,157 Oリング
60,160 上ホルダー
61,161 エア供給口
65,165 上バックプレート
70,170 ガイドポスト
175 内形(内径)抜きパンチ
176 Oリング
1
20, 120 Outer (outer diameter)
57,157 O-ring 60,160 Upper holder 61,161 Air supply port 65,165 Upper back plate 70,170
Claims (7)
表面に凹凸模様が形成された転写部材または前記被加工物の少なくとも一方を加熱により昇温させる昇温工程、
前記被加工物を所定の形状に打ち抜く打ち抜き工程、
前記転写部材の凹凸模様を前記被加工物の前記樹脂面に対し加圧して、前記凹凸模様を前記所定の打ち抜き形状に対して位置決めされた所に転写する転写工程、および
前記凹凸模様が前記位置決めされた所に転写された前記被加工物を冷却する冷却工程を、この順に実行することを特徴とする微細加工方法。 During the mold operation process until the mold for punching a flat plate-shaped workpiece having a smooth resin surface on at least one side returns to the initial position from the initial position through the punching position ,
A temperature raising step of raising the temperature of at least one of the transfer member having the concavo-convex pattern formed thereon or the workpiece by heating ,
Punching process for punching the workpiece into a predetermined shape ,
Said the uneven pattern of the transfer member pressed against the resin surface of the workpiece, the transfer process you transfer where positioned the uneven pattern to the predetermined punching shape, and
Cooling step and microfabrication how to and executes in this order to cool the workpiece is transferred to the place where the uneven pattern is the positioning.
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