JPWO2020045101A1

JPWO2020045101A1 - 作業装置

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Publication number: JPWO2020045101A1
Application number: JP2020539338A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　大介; 大介伊藤; 昌一郎橋本; 広文道上; 田中　覚; 覚田中
Original assignee: Scivax Corp
Current assignee: Scivax Corp
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2019-08-15
Publication date: 2021-09-02
Also published as: WO2020045101A1

Abstract

作業時の圧力や速度の変動を抑制することができる作業装置を提供することを目的とする。
所定の作業を行うための作業部１と、作業部１を自在に移動可能な移動部２と、シリンダチューブ31と当該シリンダチューブ31内を往復移動可能なピストン32とを有し、作業部１と移動部２のいずれか一方がシリンダチューブ31に、他方がピストン32に連結された圧力調節部３と、を備える。また、シリンダチューブ内の流体の圧力を一定に調節する圧力調節手段を有する。

Description

本発明は、均一な圧力を付与することができる作業装置に関する。

従来、マイクロオーダ、ナノオーダの微細パターンを形成する方法として、ナノインプリント技術がある。これは、樹脂等の被成形物に微細な成型パターンを有する型を加圧し、熱や光を利用して当該パターンを被成形物に転写した後、当該被成形物から型を離形するものである。被成形物から型を離形する装置としては、例えば、被成形物に貼り付いているシート状の型を、ローラを用いて被成形物から剥離するものがある。

ここで、被成形物や型に厚みの変化やうねりがあると、一定の条件で離型を行うことができない。特に被成形物に対しローラが浮いたり沈んだりすると、剥離位置が変化するため、型と被成形物が無秩序に剥離する事になる。すると剥離位置の微細構造に掛かる力が不均一になり微細構造に欠陥等が生じる原因となる。

そこで、ローラを用いて剥離する場合、剥離位置や離型力を制御する必要があり、そのような離型装置及び離型方法も提供されている。（例えば、特許文献１参照）
国際公開第２０１５／０７２５７２号

ところで、このような離型装置及び離型方法を量産に用いるには従来から使用されている汎用のロボットハンドのような作業装置を使用するのがコスト、処理時間の観点から有効である。しかし、ロボットハンドは微視的にはデジタル的な動きであり、離型力や離型速度が一定ではない。したがって、ロボットハンドをそのまま使用すると、微細構造に掛かる力が経時的に不均一になり、微細構造に欠陥等が生じる原因となる問題があった。

そこで、本発明では、作業時の圧力や速度の変動を抑制することができる作業装置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、本発明の作業装置は、所定の作業を行うための作業部と、前記作業部を自在に移動可能な移動部と、シリンダチューブと当該シリンダチューブ内を往復移動可能なピストンとを有し、前記作業部と前記移動部のいずれか一方が前記シリンダチューブに、他方が前記ピストンに連結された圧力調節部と、を具備することを特徴とする。

また、前記シリンダチューブ内の流体の圧力を一定に調節する圧力調節手段を具備する方が好ましい。この場合、前記シリンダチューブと前記ピストンの間には、当該シリンダチューブ内の流体を供給又は排出するための隙間が形成されている方が好ましい。当該隙間は、例えば、１μｍ以上の大きさを有するように形成すれば良い。

また、本発明の作業装置は、前記作業部に掛かる圧力を検出する圧力検出手段を具備する方が好ましい。

また、本発明の作業装置は、更に、第２の対象物と貼り合わされた第１の対象物を保持するための保持部と、前記第１の対象物と前記第２の対象物を前記保持部と共に所定の剥離位置で挟持する剥離防止手段と、前記剥離防止手段を前記第１の対象物と相対的に移動させるための剥離位置移動手段と、を具備し、前記作業部は、前記第２の対象物を把持するための把持手段を有するように構成しても良い。

前記剥離防止手段は、ローラを有するものとすることができる。この場合、前記ローラの表面は弾性部材で形成される方が好ましい。

また、前記剥離位置移動手段は、前記剥離位置を一定速度で移動するものである方が好ましい。

また、本発明の作業装置は、更に、第１の対象物を保持するための保持部と、第２の対象物を前記第１の対象物に所定の加圧位置で加圧する加圧手段と、前記加圧手段を前記第１の対象物と相対的に移動させるための加圧位置移動手段と、を具備し、前記作業部は、前記第２の対象物を把持するための把持手段を有するように構成しても良い。

前記加圧手段は、ローラを有するものとすることができる。この場合、前記ローラの表面は弾性部材で形成される方が好ましい。

また、前記加圧位置移動手段は、前記加圧位置を一定速度で移動するものである方が好ましい。

本発明の作業装置は、所定の作業を行うための作業部と、当該作業部を移動する移動部との間に、シリンダチューブと当該シリンダチューブ内を往復移動可能なピストンを有するので、作業部の圧力や速度の変動を緩和することができる。

本発明の作業装置を示す正面図である。本発明に係る圧力調節部を示す概略断面図である。剥離装置に適用した本発明の作業装置を示す側面図である。加圧装置に適用した本発明の作業装置を示す側面図である。

以下に本発明の作業装置について図１〜図４を用いて説明する。本発明の作業装置は、作業部１と、移動部２と、圧力調節部３とで主に構成される。

作業部１は、図３又は図４に示すように、所定の作業を行う部分である。作業部１としては、どのようなものでも良いが、例えば、互いに貼り付いている対象物同士を剥離する作業や、対象物に張力を付与する作業を行う場合には、例えば当該対象物を把持するための把持手段を有するものを用いることができる。また、対象物を加圧する作業を行う場合には、例えば対象物を加圧するためのローラを有するものを用いることもできる。

移動部２は、作業部１を任意の力で自在に移動することができる部分である。移動部２としては、作業部１を自在に移動可能であればどのようなものでも良いが、例えば、ロボットハンドを用いることができる。ロボットハンドとしては、産業用に広く用いられている多関節ロボットハンド等を用いればよい。

圧力調節部３は、例えば図２に示すように、シリンダチューブ31とシリンダチューブ31内を往復移動可能なピストン32とを有し、作業部１と移動部２のいずれか一方がシリンダチューブ31側に、他方がピストン32側に連結された部分である。また、シリンダチューブ31内には気体や液体のような流体を備える。すなわち、具体的には、エアシリンダや油圧シリンダのようなものが該当する。これにより、移動部２のデジタルな動きや作業部１に加わる圧力の変動を緩和することができる。

また、本発明の作業装置は、シリンダチューブ31内の流体の圧力を一定に調節する圧力調節手段４を有してもよい。例えば、シリンダチューブ31内に流体を排出する流体排出手段や、流体を供給する流体供給手段を用いてシリンダチューブ31内の圧力が一定となるようにすれば良い。流体排出手段や、流体供給手段としては、例えば、シリンダチューブ31にピストン32を挟んで第１ポート41と第２ポート42を設け、第１ポート41と第２ポート42の少なくともいずれか一方からシリンダチューブ31内の流体を供給又は排出するポンプを用いることができる。

また、シリンダチューブ31とピストン32の間には、シリンダチューブ31内の流体を供給又は排出するための隙間45を形成しても良い。これにより、当該隙間45を通じて一定の圧力で流体を供給するか、あるいは一定の圧力で流体を排出することができ、作業部１に加わる力を更に確実に一定に維持することができる。具体的には、作業部１が受ける力が、ピストン32を作業部１側から移動部２側に移動させる方向である場合には、流体を隙間45の移動部２側から作業部１側に流すようにすれば良い。また、作業部１が受ける力が、ピストン32を移動部２側から作業部１側に移動させる方向である場合には、流体を隙間45の作業部１側から移動部２側に流すようにすれば良い。なお、シリンダチューブ31とピストン32の間に形成される隙間45の間隔は、１μｍ以上の大きさとするのが好ましい。

また、本発明の作業装置は、図示しないが、作業部１に掛かる圧力を検出する圧力検出手段を有してもよい。これにより、圧力検出手段が検出した圧力に関する情報に基づいて、移動部２や圧力調節手段４を制御し、作業部１に加わる力を更に確実に一定に維持することができる。

◎離型装置
次に、本発明の作業装置を互いに貼り合わされた第１の対象物100と第２の対象物200の剥離を行う剥離装置として利用する場合について説明する。この場合、作業装置は、保持部６と、剥離防止手段７と、剥離位置移動手段８と、を更に備える。なお、図３では、ナノインプリント技術に用いられる被成形物（第１の対象物100）からフィルム状の型（第２の対象物200）を離型する場合を想定している。

保持部６は、第１の対象物100から第２の対象物200を剥離する際に、第１の対象物100を保持するためのものである。また、剥離防止手段７の圧力を受けて第１の対象物100と第２の対象物200を挟持する役割もある。保持部６としては、第１の対象物100から第２の対象物200に対して十分に広くて円滑に形成される受圧ステージと、少なくとも第１の対象物100の剥離開始位置側の端部を固定する固定手段とで構成すれば良い。固定手段としては、例えば、第１の対象物100を機械的に挟持して固定するものを用いることができる。また、固定手段として、真空チャックや静電チャックを用いることもできる。

剥離防止手段７は、第１の対象物100と第２の対象物200を保持部６と共に所定の剥離位置で挟持し、剥離位置まで第１の対象物100と第２の対象物200が剥離しないようにするためのものである。これにより、第１の対象物100と第２の対象物200が無秩序に剥離するのを防止し、剥離位置において確実に均一な剥離力を及ぼすことができる。したがって、例えば、第１の対象物100と第２の対象物200が型と被成形物の場合、被成形物に転写された微細構造に無理な力が加わるのを防止し、離型不良が発生するのを抑制することができる。

剥離防止手段７は、所定の剥離位置まで第１の対象物100と第２の対象物200が剥離しないように第２の対象物200を第２の対象物200に加圧して押さえておけるものであればどのようなものでも良いが、好ましくは第１の対象物100と第２の対象物200を押さえたまま移動しても、第２の対象物200の摩耗を極力抑えることができるものが良い。例えば、図３に示すように、所定の剥離位置で第１の対象物100と第２の対象物200が剥離しないように、第２の対象物200を第１の対象物100側に押圧するローラを用いることができる。当該ローラは、円柱状又は円筒状に形成される。また、第１の対象物100や第２の対象物200に厚みの変化やうねり等があっても確実に剥離位置を押さえるために、ローラの表面は弾性部材で形成される方が好ましい。弾性部材としては、例えば、ウレタン樹脂等のゴムを用いることができる。この場合、厚みは適宜設定すれば良いが、ウレタン樹脂であれば２．５〜１０ｍｍ程度にすれば良い。

剥離位置移動手段８は、剥離防止手段７を第１の対象物100と相対的に移動させるためのものである。これにより、剥離防止手段７と保持手段が第１の対象物100と第２の対象物200を挟持する剥離位置を移動させることができる。剥離位置移動手段８は、剥離防止手段７を第１の対象物100と相対的に移動させることができればどのようなものでも良いが、好ましくは、剥離位置が一定速度で移動するように調節できるものが好ましい。例えば、剥離防止手段７のローラを一定速度で回転させて第２の対象物200上を摩擦で転がすような場合には、ローラが空回りしたり滑ったりすることにより剥離位置の移動速度が不安定になる虞がある。したがって、剥離位置移動手段８は、例えば、ローラと、ローラの両端の軸を回転可能に支持する軸受けと、一定速度の回転を生じる電動モータと、軸受けに接続されると共に電動モータの回転運動を直線運動に変換するねじと、軸受けを直線方向に支持するガイドレールとで構成する方が好ましい。なお、上記説明では、剥離防止手段７を第１の対象物100に対して移動する場合について説明したが、剥離防止手段７を固定し、第１の対象物100を移動するようにすることも勿論可能である。

また、作業部１は、第２の対象物200を把持するための把持手段を有する。これにより、例えば第２の対象物200の端部を把持し、保持部６に保持された第１の対象物100から第２の対象物200を引き離せば、第１の対象物100と第２の対象物200を剥離することができる。把持手段としては、第２の対象物200を把持できればどのようなものでも良いが、例えば、第２の対象物200を挟持できる２枚の金属板と、当該板を接離移動可能なエアシリンダとで構成すれば良い。

ここで、例えば、ナノインプリント技術に用いられる被成形物（第１の対象物100）からフィルム状の型（第２の対象物200）を離型する場合には、被成形物から型のパターンを引き抜くとき、真上に抜くか、斜めに抜くかは離型の重要要素の一つである。この離型角度は、パターンの大きさやアスペクト比、パターンの形状（ラインアンドスペース、ピラー、ホール等）、型や被成形物の離型性等の要因で決まる。例えば、レンズアレイやラインアンドスペースの線方向は離型角度が大きくても構わないが、ピラーやホールは離型角度が小さい方が好ましい。また、このような場合には、作業部１は、作業条件を一定にするために、第１の対象物100に対して常に一定角度で第２の対象物200を引っ張る方が良い。例えば図３に示す作業部１は、第１の対象物100に対して常に垂直に第２の対象物200を引っ張っている。

◎加圧装置
次に、本発明の作業装置を、第１の対象物100と第２の対象物200の貼り合わせや成型を行う加圧装置として利用する場合について説明する。この場合、作業装置は、保持部60と、加圧手段70と、加圧位置移動手段80と、を更に備える。なお、図４では、ナノインプリント技術に用いられる被成形物（第１の対象物100）にフィルム状の型（第２の対象物200）を加圧して貼り合わせる場合を想定している。

保持部60は、第１の対象物100に第２の対象物200を加圧する際に、第１の対象物100を保持するためのものである。また、第１の対象物100と第２の対象物200に加わる加圧手段70の圧力を受ける役割もある。保持部60としては、第１の対象物100から第２の対象物200に対して十分に広くて円滑に形成される受圧ステージと、少なくとも第１の対象物100の加圧開始位置側の端部を固定する固定手段とで構成すれば良い。固定手段としては、例えば、第１の対象物100を機械的に挟持して固定するものを用いることができる。また、固定手段として、真空チャックや静電チャックを用いることもできる。

加圧手段70は、第１の対象物100に第２の対象物200を所定の加圧位置で加圧するためのものである。これにより、第１の対象物100と第２の対象物200の間にある気体を押し出しながら、第１の対象物100と第２の対象物200を、加圧位置において確実に貼り合わせたり、成型したりすることができる。したがって、例えば、第１の対象物100と第２の対象物200が型と被成形物の場合、型と被成形物の貼り合わせ不良や転写不良が発生するのを抑制することができる。

加圧手段70は、所定の加圧位置で第１の対象物100に第２の対象物200を加圧できるものであればどのようなものでも良いが、好ましくは第１の対象物100と第２の対象物200を押さえたまま移動しても、第２の対象物200の摩耗を極力抑えることができるものが良い。例えば、図４に示すように、所定の加圧位置で第１の対象物100に第２の対象物200を加圧するように、第２の対象物200を第１の対象物100側に押圧するローラを用いることができる。当該ローラは、円柱状又は円筒状に形成される。また、第１の対象物100や第２の対象物200に厚みの変化やうねり等があっても確実に加圧位置を押さえるために、ローラの表面は弾性部材で形成される方が好ましい。弾性部材としては、例えば、ウレタン樹脂等のゴムを用いることができる。この場合、厚みは適宜設定すれば良いが、ウレタン樹脂であれば２．５〜１０ｍｍ程度にすれば良い。

加圧位置移動手段80は、加圧手段70を第１の対象物100と相対的に移動させるためのものである。これにより、加圧手段70が第１の対象物100に第２の対象物200を加圧する位置を移動させることができる。加圧位置移動手段80は、加圧手段70を第１の対象物100と相対的に移動させることができればどのようなものでも良いが、好ましくは、加圧位置が一定速度で移動するように調節できるものが好ましい。例えば、加圧手段70のローラを一定速度で回転させて第２の対象物200上を摩擦で転がすような場合には、ローラが空回りしたり滑ったりすることにより加圧位置の移動速度が不安定になる虞がある。したがって、加圧位置移動手段80は、例えば、ローラと、ローラの両端の軸を回転可能に支持する軸受けと、一定速度の回転を生じる電動モータと、軸受けに接続されると共に電動モータの回転運動を直線運動に変換するねじと、軸受けを直線方向に支持するガイドレールとで構成する方が好ましい。なお、上記説明では、加圧手段70を第１の対象物100に対して移動する場合について説明したが、加圧手段70を固定し、第１の対象物100を移動するようにすることも勿論可能である。

また、作業部１は、第２の対象物200を把持するための把持手段を有する。これにより、例えば第２の対象物200の端部を把持し、保持部60に保持された第１の対象物100に第２の対象物200を加圧手段70で押圧すれば、第１の対象物100と第２の対象物200を貼り合わせたり成型したりすることができる。把持手段としては、第２の対象物200を把持できればどのようなものでも良いが、例えば、第２の対象物200を挟持できる２枚の金属板と、当該板を接離移動可能なエアシリンダとで構成すれば良い。

ここで、例えば、ナノインプリント技術に用いられる被成形物（第１の対象物100）にフィルム状の型（第２の対象物200）を加圧して貼り合わせ又は成型をする場合、型を引っ張る角度は加圧の重要要素の一つである。なぜなら、被成形物に型を加圧するとき、型を真上に引っ張るか、斜めに引っ張るかで、型に掛かる張力や空気の噛み込み方が変動するおそれがあるからである。したがって、作業部１は、作業条件を一定にするために、第１の対象物100に対して常に一定角度で第２の対象物200を引っ張る方が良い。例えば図４に示す作業部１は、第１の対象物100に対して常に一定の角度θで第２の対象物200を引っ張っている。

なお、本発明の作業装置をナノインプリント技術に用いる離型装置や加圧装置に利用する場合、型と被成形物のうち第２対象物となる方は、可撓性のあるフィルム状に形成されたものである必要がある。

ここで型とは、例えば「ニッケル等の金属」、「セラミックス」、「ガラス状カーボン等の炭素素材」、「シリコン」などから形成されており、その一端面（成形面）に所定の成形パターンを有するものを指す。この成形パターンは、その成形面に精密機械加工を施すことで形成することができる。また、シリコン基板等にエッチング等の半導体微細加工技術によって形成したり、このシリコン基板等の表面に電気鋳造(エレクトロフォーミング)法、例えばニッケルメッキ法によって金属メッキを施し、この金属メッキ層を剥離して形成したりすることもできる。また、インプリント技術を用いて作製した樹脂製の型を用いることも可能である。もちろん型１は、成形パターンを転写できるものであれば材料やその製造方法が特に限定されるものではない。

また、型に形成される成形パターンは、凹凸の微細構造からなる幾何学的な形状のみならず、例えば所定の表面粗さを有する鏡面状態の転写のように所定の表面状態を転写するためのものも含む。また、成形パターンは、平面方向の凸部の幅や凹部の幅の最小寸法が１００μｍ以下、１０μｍ以下、２μｍ以下、１μｍ以下、１００ｎｍ以下、１０ｎｍ以下等種々の大きさに形成される。また、深さ方向の寸法も、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、５００ｎｍ以上、１μｍ以上、１０μｍ以上、１００μｍ以上等種々の大きさに形成される。

また、被成形物とは、インプリント可能なものであればどのようなものでも良い。樹脂、無機化合物又は金属等からなる基板上又はフィルム上に流動性のある被成形層を形成したものや、単に基板状のもの、可撓性のあるフィルム状のものがある。また、型の上に流動性のある被成形層を形成しておき、基板と型を加圧する際に基板側に被成形層を接合するものであっても良い。被成形物の材質は、例えば、光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、あるいは熱可塑性樹脂を指す。

光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂としては、エポキシド含有化合物類、（メタ）アクリル酸エステル化合物類、ビニルエーテル化合物類、ビスアリルナジイミド化合物類のようにビニル基・アリル基等の不飽和炭化水素基含有化合物類等を用いることができる。この場合、熱的に重合するために重合反応性基含有化合物類を単独で使用することも可能であるし、熱硬化性を向上させるために熱反応性の開始剤を添加して使用することも可能である。更に光反応性の開始剤を添加して光照射により重合反応を進行させて成型パターンを形成できるものでもよい。熱反応性のラジカル開始剤としては有機過酸化物、アゾ化合物が好適に使用でき、光反応性のラジカル開始剤としてはアセトフェノン誘導体、ベンゾフェノン誘導体、ベンゾインエーテル誘導体、キサントン誘導体等が好適に使用できる。また、反応性モノマーは無溶剤で使用しても良いし、溶媒に溶解して塗布後に脱溶媒して使用しても良い。

また、熱可塑性樹脂としては、環状オレフィン開環重合／水素添加体（ＣＯＰ）や環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）等の環状オレフィン系樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ビニルエーテル樹脂、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリスチレン、ポリイミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等を用いることができる。

１作業部
２移動部
３圧力調節部
４圧力調節手段
６保持部
７剥離防止手段
８剥離位置移動手段
９保持部
31 シリンダチューブ
32 ピストン
45 隙間

Claims

所定の作業を行うための作業部と、
前記作業部を自在に移動可能な移動部と、
シリンダチューブと当該シリンダチューブ内を往復移動可能なピストンとを有し、前記作業部と前記移動部のいずれか一方が前記シリンダチューブに、他方が前記ピストンに連結された圧力調節部と、
を具備することを特徴とする作業装置。
前記シリンダチューブ内の流体の圧力を一定に調節する圧力調節手段を具備することを特徴とする請求項１記載の作業装置。
前記シリンダチューブと前記ピストンの間には、当該シリンダチューブ内の流体を供給又は排出するための隙間が形成されていることを特徴とする請求項２記載の作業装置。
前記シリンダチューブと前記ピストンの間の隙間は、１μｍ以上の大きさを有することを特徴とする請求項３記載の作業装置。
前記作業部に掛かる圧力を検出する圧力検出手段を具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の作業装置。
第２の対象物と貼り合わされた第１の対象物を保持するための保持部と、
前記第１の対象物と前記第２の対象物を前記保持部と共に所定の剥離位置で挟持する剥離防止手段と、
前記剥離防止手段を前記第１の対象物と相対的に移動させるための剥離位置移動手段と、
を更に具備し、
前記作業部は、前記第２の対象物を把持するための把持手段を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の作業装置。
前記剥離防止手段は、ローラを有することを特徴とする請求項６記載の作業装置。
前記ローラの表面は弾性部材で形成されることを特徴とする請求項７記載の作業装置。
前記剥離位置移動手段は、前記剥離位置を一定速度で移動するものであることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の作業装置。
第１の対象物を保持するための保持部と、
第２の対象物を前記第１の対象物に所定の加圧位置で加圧する加圧手段と、
前記加圧手段を前記第１の対象物と相対的に移動させるための加圧位置移動手段と、
を更に具備し、
前記作業部は、前記第２の対象物を把持するための把持手段を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の作業装置。
前記加圧手段は、ローラを有することを特徴とする請求項１０記載の作業装置。
前記ローラの表面は弾性部材で形成されることを特徴とする請求項１１記載の作業装置。
前記加圧位置移動手段は、前記加圧位置を一定速度で移動するものであることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載の作業装置。