JP5151089B2 - 成形型及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形型及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、成形面（キャビティ）の迅速かつ均質な温度制御が可能で、均質な成形品を効率よく得ることが可能な成形型及びその製造方法に関する。

各種成形品を成形するために用いられる成形型としては、均質な成形品を効率よく得るために、成形面（キャビティ）の迅速かつ均質な温度制御が求められている。

このような要請に対応して、例えば、レーザーによって切断した薄板を積層（拡散接合）して流路を形成した金型の概括的イメージが開示されている（特許文献１参照）。また、型面と反対面との間にリブを形成することによって流路を形成したブロー成形用金型が開示されている（特許文献２参照）。
特開平１１‐３１４２２９号公報 特開平０７‐３１４５４３号公報

本発明は、上述の背景技術に鑑みてなされたものであり、成形面（キャビティ）の迅速かつ均質な温度制御が可能で、均質な成形品を効率よく得ることが可能な成形型及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、以下の成形型及びその製造方法が提供される。

［１］成形面を有するとともに所定の立体形状を有する本体部から構成され、前記本体部は、所定形状の貫通孔を有する複数枚の薄板が積層されて、前記本体部の外形形状が全体として前記立体形状を有するように、かつ、前記薄板の前記貫通孔が全体として前記本体部の内部を立体的に連通する流体流路を形成するように、構成されてなり、前記流体流路は、外部に開口する流体入口及び流体出口を有しており、前記流体入口の近傍に、前記流体の混合手段が配設されたことを特徴とする成形型。

［２］ 前記流体流路は、前記本体部の前記成形面の近傍に配置されることを特徴とする前記［１］に記載の成形型。

［５］前記流体流路は、２種以上の互いに独立した経路から構成されてなることを特徴とする前記［２］に記載の成形型。

［６］機械的加工が困難な硬質材料から形成されてなることを特徴とする前記［１］に記載の成形型。

［７］前記硬質材料は、炭素系材料又はタングステン・カーバイド（ＷＣ）であることを特徴とする前記［６］に記載の成形型。

［８］前記本発明に係る成形型を製造する製造方法であって、所定形状の貫通孔を有し、積層されることによって、成形面を有するとともに全体として外形形状が所定の立体形状を有するようにかつ前記貫通孔が全体として内部を立体的に連通する流体流路を形成するように、本体部を構成することになる複数枚の薄板を形成する第１の工程と、前記貫通孔を有する薄板を積層して前記流体流路を形成する第２の工程とを含むことを特徴とする成形型の製造方法。

［９］前記第１の工程において、薄板形成基板を用意し、前記薄板形成基板上に薄板形成部材を配置し、前記薄板形成部材に所定形状の前記貫通孔を形成して薄板を形成し、かつ前記第２の工程において、対向基板を用意し、真空中又は不活性ガス雰囲気中で複数枚の前記薄板を前記薄板形成基板から前記対向基板上に順次転写し接合することにより積層することを特徴とする前記［８］に記載の成形型の製造方法。

［１０］前記薄板は、機械的加工が困難な硬質材料から形成されてなることを特徴とする前記［８］に記載の成形型の製造方法。

［１１］前記硬質材料は、炭素系材料又はタングステン・カーバイド（ＷＣ）であることを特徴とする前記［１０］に記載の成形型の製造方法。

本発明の前記[１]に係る成形型によって、成形面（キャビティ）の迅速かつ均質に温度制御することが可能となり、均質な成形品を効率よく得ることが可能となる。

本発明の前記[２]に係る成形型によって、成形面（キャビティ）をさらに迅速かつ均質に温度制御することが可能となる。

本発明の前記[１]に係る成形型によって、流体を円滑に流路内を還流させることができ、成形面（キャビティ）を迅速かつ確実に温度制御することが可能となる。

本発明の前記[１]に係る成形型によって、成形面（キャビティ）を所望の温度範囲に迅速かつ均質に制御することが可能となる。

本発明の前記[５]に係る成形型によって、例えば、冷却用と加熱用の２種の流体を適宜還流させることができ、成形面（キャビティ）のきめの細かい温度制御が可能となる。

本発明の前記[６]に係る成形型の場合、流体流路を機械的加工によっては形成しないことから、簡易かつ確実に流体流路を形成することができる。従って、本発明の前記[６]に係る成形型は、このような機械的加工が困難な硬質材料から成形型を形成する場合に特に有効である。なお、成形型を硬質材料から構成しない場合であっても、本発明は有効である。すなわち、機械的加工によって立体的な流体流路を形成する場合、例えば、縦横等の一括的連続加工は困難なため、適宜孔を塞ぐ作業が必要になるが、本発明の場合はこのような機械的加工が不要であるため有効である。

本発明の前記[７]に係る成形型の場合、すなわち、上述の硬質材料が、具体的には炭素系材料又はタングステン・カーバイド（ＷＣ）であるときに、簡易かつ確実に流体流路を形成することができる。

本発明の前記[８]に係る成形型の製造方法によって、成形面（キャビティ）を迅速かつ均質に温度制御することが可能で、均質な成形品を製造することが可能な成形型を効率よく得ることができる。

本発明の前記[９]に係る成形型の製造方法によって、上述の成形型を簡易かつ確実に得ることができる。

本発明の前記[１０]に係る成形型の製造方法の場合、流体流路を機械的加工によっては形成しないことから、簡易かつ確実に流体流路を形成することができる。従って、本発明はこのような機械的加工が困難な硬質材料から成形型を形成する場合に特に有効である。

本発明の前記[１１]に係る成形型の製造方法の場合、すなわち、上述の硬質材料として、具体的には炭素系材料又はタングステン・カーバイド（ＷＣ）を用いるときに、簡易かつ確実に流体流路を形成することができる。

本実施の形態の成形型は、成形面を有するとともに所定の立体形状を有する本体部から構成され、本体部は、所定形状の貫通孔を有する複数枚の薄板が積層されて、本体部の外形形状が全体として立体形状を有するように、かつ、薄板の貫通孔が全体として本体部の内部を立体的に連通する流体流路を形成するように構成され、好ましくは成形面の近傍に流体流路が配置されるように構成することが可能であり、成形面（キャビティ）を迅速かつ均質に温度制御することができるとともに均質な成形品を効率よく製造することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る成形型を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。

図１に示すように、本実施の形態の成形型１０は、成形面Ｓを有するとともに所定の立体形状を有する本体部１から構成されている。また、図２に示すように、本体部１は、所定形状の第１〜第８の貫通孔Ｈ１〜Ｈ８を有する８枚（第１〜第８の薄板Ｐ１〜Ｐ８）と貫通孔を有しない２枚（第９〜第１０の薄板Ｐ９〜Ｐ１０）の合計１０枚の第１〜第１０の薄板Ｐ１〜Ｐ１０が積層されて、本体部１の外形形状が全体として立体形状を有するように、かつ、第１〜第８の薄板Ｐ１〜Ｐ８における第１〜第８の貫通孔Ｈ１〜Ｈ８が全体として本体部１の内部を立体的に連通する流体流路Ｗを形成するように、構成されている。

本実施の形態において、流体流路Ｗは、本体部１における成形面Ｓの近傍に配置されるように、また、外部に開口する流体入口１１及び流体出口１２を有するように構成されている。例えば、成形型１０の成形面と流体流路Ｗとの最短距離を０．１ｍｍ以下とすること、また、流体経路Ｗの直径を０．１ｍｍ以下とすることが好ましい。ここで、「成形面Ｓの近傍」とは、上述のように、成形面からの距離が０．１ｍｍ以下であることが好ましいことを意味する。この「成形面Ｓの近傍」を薄板の積層枚数で表すと、薄板の厚さにもよるが、薄板の厚さが数十μｍの場合、成形面Ｓから薄板の１枚〜３枚分程度隔たった領域を意味する。さらに、本実施の形態の成形型１０は、高圧（例えば、５０〜８０ＭＰａ）に耐え得るものであることが好ましい。

この場合、第１〜第８の薄板Ｐ１〜Ｐ８に形成される第１〜第８の貫通孔Ｈ１〜Ｈ８のうち、例えば、流体流路の上下端部を構成することになるもの（例えば、第８の貫通孔Ｈ８）等は、完全に貫通させないで凹部としてもよい。また、貫通孔の一部周縁に凹部を付加した構成の貫通孔としてもよい。また、第１〜第１０の薄板Ｐ１〜Ｐ１０は、常温接合によって接合されるものが好ましい。ここで、「常温接合」とは、室温で原子同士を直接接合することをいう。常温接合によれば、第１〜第１０の薄板Ｐ１〜Ｐ１０の形状や厚さの変化が少なく、高精度な成形型を得ることができる。

第１〜第１０の薄板Ｐ１〜Ｐ１０の材料としては、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕ等の金属やセラミックス，シリコン等の非金属を用いることができる。非金属の中でも、機械的加工が困難な硬質材料（例えば、炭素系材料、タングステン・カーバイド（ＷＣ）等）から形成されてなる場合に、最も有効である。第１〜第１０の薄板Ｐ１〜Ｐ１０を接合する前に、その表面に中性原子ビーム、イオンビーム等を照射して表面を清浄化することが好ましい。清浄化により表面が活性化して強固な接合を得ることができる。

（第１の実施の形態の製造方法）
第１の実施の形態に係る成形型１０の製造方法について図３及び図４を参照して説明する。図３は、薄板形成基板上に薄板を配置する工程を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図４は、接合装置を用いた薄板の転写工程を示す説明図であり、（ａ）はＦＡＢ処理工程、（ｂ）は薄板の接合工程、（ｃ）は薄板の剥離工程をそれぞれ示す。

（第１の工程）
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、まず、ステンレス等の鉄系の金属、又は銅等の非鉄系の金属からなる薄板形成基板２１を用意する。薄板形成基板２１の厚さは、通常０．１〜５ｍｍで、０．５〜１ｍｍが好ましい。

次に、薄板形成基板２１の表面を鏡面研磨する。この研磨は、電解研磨、遊離砥粒による機械研磨等を用いて、粗研磨から仕上げ研磨までを複数のステップで行う。最終的に、表面粗さ（算術平均粗さＲａ）を通常１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下にする。表面粗さが小さいほど、パターン形成後の密着力が低くなり、後の接合転写の歩留まりが向上する。しかし、小さすぎると、電鋳の成長中や成長後の洗浄、レジスト剥離工程で、予期せぬ膜の脱離が発生することがある。従って、表面粗さは、３〜５ｎｍ程度が好ましい。

表面粗さの計測は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）、白色干渉計、触針式表面プロファイラ等を使用することができる。

次に、薄板形成基板２１の鏡面研磨された表面に、例えば、３０μの厚さに厚膜レジストを塗布してレジスト膜（図示せず）を形成する。

次に、所定のパターンを有するフォトマスク（図示せず）をレジスト膜上に設置する。次に、露光手段（図示せず）によりフォトマスクの開口部を通してレジスト膜を露光する。これにより、目的の成形型の断面パターンに対応してポジネガ反転によるレジストパターン（図示せず）が形成される。

次に、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、薄板形成基板２１をめっき浴に浸し、電解めっきにより、ニッケルによって第１〜第８の貫通孔Ｈ１〜Ｈ８を有する第１〜第１０の薄板Ｐ１〜Ｐ１０を、例えば、２５μの厚さに成長させる。なお、第１〜第１０の薄板Ｐ１〜Ｐ１０を、ニッケルに代えて、ニッケル合金、銅、銅合金等を用いて形成してもよい。

（第２の工程）
まず、図４（ａ）に示すように、真空槽３１内の平面ステージ３５に薄板形成基板２１を固定し、対向ステージ３６に対向基板３７を固定する。真空槽３１内を真空ポンプ（図示せず）を駆動して排気口３２から排気し、１０^−５Ｐａの真空にする。次に、Ａｒ中性ビームからなるＦＡＢ（Fast Atom Beam）をＦＡＢ源３４Ａから対向基板３７に、ＦＡＢ源３４Ｂから薄板形成基板２１上の第１の薄板Ｐ１（最も下層に積層される）にそれぞれ照射し、表面を清浄化して活性化する。

次に、図４（ｂ）に示すように、垂直ステージ３８を下降させ、平面ステージ３５を水平のｘ方向、ｙ方向、垂直のｚ軸周りのθ方向に移動させて対向基板３７と第１の薄板Ｐ１とを位置合わせする。なお、位置合せ機構としては、ゴニオメータ機構やボールジョイント機構を用いることができる。

次に、対向基板３７と第１の薄板Ｐ１とを接触させ、さらに荷重５０ｋｇｆ／ｃｍ^２で５分間押し付けて対向基板３７と第１の薄板Ｐ１０とを接合する。このとき、接合強度は、５０〜１００ＭＰａである。

次に、図４（ｃ）に示すように、垂直ステージ３８を上昇させると、対向基板３７上に第１の薄板Ｐ１が転写される。このように第１の薄板Ｐ１が薄板形成基板２１（離型層２２）側から対向基板３７側に転写できるのは、第１の薄板Ｐ１と離型層２２間の接着力よりも第１の薄板Ｐ１と対向基板３７間の接着力の方が大きいからである。次に、第２〜第１０の薄板Ｐ２〜Ｐ１０についても同様の操作を順に行う。１０回の転写を行うことによって、図１に示す成形型１０を得ることができる。

［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る成形型を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。図６は、薄板形成基板上における薄板の形状を示す平面図であり、（ａ）は第１〜第３の薄板（３枚とも同一の形状とすることができる）、（ｂ）は第４の薄板、（ｃ）は第５の薄板、（ｄ）は第６の薄板の形状をそれぞれ示す。

図５に示すように、本実施の形態の成形型５０は、成形面Ｓを有するとともに所定の立体形状を有する本体部１から構成されている。この本体部１は、所定形状の第１〜第４の貫通孔Ｈ１〜Ｈ４（図６参照）を有する６枚の第１〜第６の薄板Ｐ１〜Ｐ６が積層されて、本体部１の外形形状が全体として図５に示す立体形状を有するように、かつ、第１〜第４の貫通孔Ｈ１〜Ｈ４（図６参照）が全体として本体部１の内部を立体的に連通する流体流路Ｗを形成するように、構成されている。

本実施の形態において、流体流路Ｗは、本体部１における成形面Ｓの近傍に配置されるように、また、外部に開口する流体入口１１及び流体出口１２を有するように構成されている。

このように、第２の実施の形態に係る成形型５０は、流体流路Ｗの主な経路が第4の薄板Ｐ4における第４の貫通孔Ｈ４（図５（ｂ）、図６（ｂ）参照）として平面的に集中して配置されている点において、第1の実施の形態に係る成形型１０とは異なっているがその他については同様に構成されている。

（第２の実施の形態の製造方法）
第２の実施の形態に係る成形型５０の製造方法については、第１の実施の形態に係る成形型１０の場合と同様にすることができる。すなわち、薄板形成基板２１（離型層２２）の上に、第１〜第４の貫通孔Ｈ１〜Ｈ４（これらの第１〜第４の貫通孔Ｈ１〜Ｈ４が全体として内部を立体的に連通する流体流路Ｗを形成することになる）を有する第１〜第６の薄板Ｐ１〜Ｐ６を配置する（図３（ｂ）、図６参照）。次に、第１の薄板Ｐ１を薄板形成基板２１（離型層２２）側から対向基板３７側に転写し、第２〜第６の薄板Ｐ２〜Ｐ６についても同様の操作を順に行う。６回の転写を行うことによって、図５に示す成形型５０を得ることができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形実施が可能である。また、各実施の形態の構成要素を本発明の要旨を変更しない範囲内で任意に組み合わせることは可能である。

例えば、流体入口１１の近傍に、流体（例えば、冷却用の水及び加熱用の湯）の混合手段（例えば、三方バルブ等）を配設してもよい。このように構成することによって、成形面（キャビティ）を所望の温度範囲に迅速かつ均質に制御することが可能となる。

図７は、流体流路を２種の互いに独立した経路から構成した実施の形態を示す説明図である。図７に示すように、流体流路Ｗは、２種の互いに独立した経路（冷却用流体流路Ｗａ及び加熱用流体流路Ｗｂ）から構成されている。冷却用流体流路Ｗａの場合の流体は、冷却入口１１ａから流入し、冷却出口１２ａから流出することになる。また、加熱用流体流路Ｗｂの場合の流体は、加熱入口１１ｂから流入し、加熱出口１２ｂから流出することになる。このように構成することによって、例えば、冷却用と加熱用の２種の流体を適宜還流させることができ、成形面（キャビティ）のきめの細かい温度制御が可能となる。

また、転写工程において薄板を真空雰囲気下で接合を行わず、他のガス雰囲気下で行うことにより、他の成分ガスを任意の圧力で封入することが可能である。封入できるガスは、活性化した表面に対して不活性であれば何でもよく、特に、希ガスはどの材料に対しても不活性であるため、材料を問わず封入することができる。また、中性原子ビーム源でも使用しているＡｒガスを封入する場合は、中性原子ビーム源をガス流入口として代用することにより、ガス流入口を省略することができる。

薄板形成基板２１及び対向基板３７は、ウェハ状でもチップ状でもよく、この２種の基板は、同形状である必要もない。薄板形成基板２１を垂直ステージ側に設けてもよい。

上記実施の形態では、薄板形成基板２１側で薄板の接着力を調整したが、薄板形成基板２１側と対向基板３７側の両方で行ってもよく、対向基板３７側だけで行ってもよい。また、薄板形成基板２１が金属の場合、電鋳条件を制御して密着力が制御された薄板形成基板２１を作製してもよい。

本発明は、各種成形品を成形するために用いられる成形型、特に、機械的加工が困難な硬質材料から構成された成形型を必要とする各種産業分野で有効に利用される。

本発明の第１の実施の形態に係る成形型を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 薄板形成基板上に薄板を配置する工程を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 接合装置を用いた薄板の転写工程を示す説明図であり、（ａ）はＦＡＢ処理工程、（ｂ）は薄板の接合工程、（ｃ）は薄板の剥離工程をそれぞれ示す。 本発明の第２の実施の形態に係る成形型を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 薄板形成基板上における薄板の形状を示す平面図であり、（ａ）は第１〜第３の薄板、（ｂ）は第４の薄板、（ｃ）は第５の薄板、（ｄ）は第６の薄板の形状をそれぞれ示す。 流体流路を２種の互いに独立した経路から構成した実施の形態を示す説明図である。

符号の説明

１ 本体部
１０ 成形型
１１ 流体入口
１１ａ 冷却入口
１１ｂ 加熱入口
１２ 流体出口
１２ａ 冷却出口
１２ｂ 加熱出口
２１ 薄板形成基板
３０ 接合装置
３１ 真空槽
３２ 排気口
３４Ａ，３４Ｂ ＦＡＢ源
３５ 平面ステージ
３６ 対向ステージ
３７ 対向基板
３８ 垂直ステージ
５０ 成形型
Ｓ 成形面
Ｐ１ 第１の薄板
Ｐ２ 第２の薄板
Ｐ３ 第３の薄板
Ｐ４ 第４の薄板
Ｐ５ 第５の薄板
Ｐ６ 第６の薄板
Ｐ７ 第７の薄板
Ｐ８ 第８の薄板
Ｐ９ 第９の薄板
Ｐ１０ 第１０の薄板
Ｈ１ 第１の貫通孔
Ｈ２ 第２の貫通孔
Ｈ３ 第３の貫通孔
Ｈ４ 第４の貫通孔
Ｈ５ 第５の貫通孔
Ｈ６ 第６の貫通孔
Ｈ７ 第７の貫通孔
Ｈ８ 第８の貫通孔
Ｈ９ 第９の貫通孔
Ｈ１０ 第１０の貫通孔
Ｗ 流体流路
Ｗａ 冷却用流体流路
Ｗｂ 加熱用流体流路

Claims (5)

1. 成形面を有するとともに所定の立体形状を有する本体部から構成され、
   前記本体部は、所定形状の貫通孔を有する複数枚の薄板が積層されて、前記本体部の外形形状が全体として前記立体形状を有するように、かつ、前記薄板の前記貫通孔が全体として前記本体部の内部を立体的に連通する流体流路を形成するように、構成されてなり、
   前記流体流路は、外部に開口する流体入口及び流体出口を有しており、
   前記流体入口の近傍に、前記流体の混合手段が配設されたことを特徴とする成形型。
2. 前記成形型は、機械的加工が困難な硬質材料から形成されてなり、
   前記硬質材料は、炭素系材料又はタングステン・カーバイド（ＷＣ）であることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
3. 請求項１又は請求項２に記載の成形型を製造する製造方法であって、
   所定形状の貫通孔を有し、積層されることによって、成形面を有するとともに全体として外形形状が所定の立体形状を有するようにかつ前記貫通孔が全体として内部を立体的に連通する流体流路を形成するように、本体部を構成することになる複数枚の薄板を形成する第１の工程と、
   前記貫通孔を有する薄板を積層して前記流体流路を形成する第２の工程とを含むことを特徴とする成形型の製造方法。
4. 前記第１の工程において、薄板形成基板を用意し、前記薄板形成基板上に薄板形成部材を配置し、前記薄板形成部材に所定形状の前記貫通孔を形成して薄板を形成し、かつ前記第２の工程において、対向基板を用意し、真空中又は不活性ガス雰囲気中で複数枚の前記薄板を前記薄板形成基板から前記対向基板上に順次転写し接合することにより積層することを特徴とする請求項３に記載の成形型の製造方法。
5. 前記薄板は、機械的加工が困難な硬質材料から形成されてなり、
   前記硬質材料は、炭素系材料又はタングステン・カーバイド（ＷＣ）であることを特徴とする請求項３に記載の成形型の製造方法。

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