(57)【要約】  本発明は、微細な形状が形成された金型を用いて、微細な形状を樹脂に転写し成形された成形材を、金型から損傷なく、容易に離型することができる成形装置及びその制御方法を提供する。前記成形装置及びその制御方法は、金型から成形材を離型する離型力を検出し、前記離型力が前記成形材に応じて予め設定された所定の離型力の値以上になった回数が、予め設定された所定の回数となった場合に、警告信号を出力することを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細形状を有する金型と、
前記金型を成形材に接触させ加圧して前記金型の形状を成形材に転写する転写機構と、
前記金型と前記成形材を離型する離型機構と、
前記成形材を前記金型から離型する際の離型力を検出する離型力検出機構と、を有し、
前記離型力が、前記成形材に応じて予め設定された所定の離型力の値以上になった回数が、予め設定された所定の回数となった場合に、警告信号を出力することを特徴とする成形装置。
【請求項２】
表示装置を有し、前記警告信号に基づき、前記表示装置で警告表示がされることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の成形装置。
【請求項３】
前記警告信号に基づき前記成形材の連続生産を停止することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の成形装置。
【請求項４】
離型剤塗布機構を有し、前記警告信号に基づき前記金型の表面に離型剤の塗布を行うことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項の何れか１項に記載の成形装置。
【請求項５】
金型交換機構を有し、前記警告信号に基づき前記金型を交換することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項の何れか１項に記載の成形装置。
【請求項６】
微細形状を有する金型を成形材に接触させ加圧して前記金型の形状を成形材に転写する転写工程と、
前記金型と前記成形材を離型する離型工程と、
前記離型工程時の離型力を検出する離型力検出工程と、
前記離型力が、前記成形材に応じて予め設定された所定の離型力の値以上になった回数が、予め設定された所定の回数になった場合に、警告信号を出力する警告信号出力工程と、を有することを特徴とする成形装置の制御方法。
【請求項７】
前記警告信号に基づき、警告表示する警告表示工程を有することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の成形装置の制御方法。
【請求項８】
前記警告信号に基づき、前記成形材の連続生産を停止することを特徴とする請求の範囲第６項または第７項に記載の成形装置の制御方法。
【請求項９】
前記金型の表面に離型剤の塗布を行う離型剤塗布工程を有し、前記警告信号に基づき、前記離型剤の塗布をすることを特徴とする請求の範囲第６項乃至第８項の何れか１項に記載の成形装置の制御方法。
【請求項１０】
前記金型を交換する金型交換工程を有し、前記警告信号に基づき、前記金型を交換することを特徴とする請求の範囲第６項乃至第９項の何れか１項に記載の成形装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な金型形状を成形材に転写し成形する成形装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学部品、情報記録媒体、バイオ製品関連等において、部材に微細な形状を形成することが求められてきている。このため、微細な形状が形成された金型を樹脂の成形材に加圧、転写して、微細な形状を有する成形材を生産する技術が開発されてきている。【０００３】
一般的に前記金型を有する成形装置での、樹脂の成形において、金型から成形材を剥がす離型の際の離型力が所定の離型力より大きいと離型が困難になり、成形材に損傷を与える。特に、前述のような微細な形状が形成された金型（モールド或いはスタンパともいう）を用いて、微細な形状を樹脂に転写し成形する、所謂ナノインプリント方法の成形装置（ナノインプリント装置ともいう）では、前記離型力が大きいと、成形材に転写された微細な形状に損傷を与え易くなる。【０００４】
ここで、前記所定の離型力は、樹脂の種類、成形材の大きさ及び形状、成形条件等から成形材毎に異なる。【０００５】
このため、通常は離型性改善のため、金型の表面に離型剤を塗布するが、複数回の成形に従い、前記離型剤が劣化し前記離型性が低下する。これにより、離型力が増加し、前述のように離型力が所定の離型力より大きくなると、成形材及び金型に損傷を与え易くなる。特に、微細な形状部分に損傷を与える。【０００６】
図１２は、ある製品（製品Ａ）のショット数による離型力の変化を測定した図である。この例では、離型力が０．４０Ｎを超えると成形材に転写された微細な形状に損傷が生ずるようになる。以下、このような前記微細な形状に損傷を与え始める前記所定の離型力を限界離型力と称す。【０００７】
上記のため、前記離型力の管理及び前記金型のメンテナンスが重要になる。【０００８】
前記金型のメンテナンスに関し、成形ショット数を管理して金型交換等の金型メンテナンス時期を表示する金型管理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００９】
また、成形ショット数により金型のメンテナンスが必要となる周期に、前回のメンテナンスを行ってからの経過時間に関してのメンテナンスが必要となる周期を加え、金型交換等の金型のメンテナンスを管理することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平３−１２４４１７号公報
【特許文献２】特開平５−３４５３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１は、金型のメンテナンスを成形ショット数で管理するものである。また、特許文献２は、金型のメンテナンスを成形ショット数とメンテナンス経過時間で管理するものである。【００１１】
しかしながら、前記離型力の変動要因としては、離型剤の塗布のばらつき及び劣化、金型の保存状態、使用状況及び金型の劣化等があり、これにより、前記離型力の変動が成形ショット数或いはメンテナンス経過時間に依存して、略均等に変位すると見なすことはできない。【００１２】
このため、前記成形ショット数及びメンテナンス経過時間での管理では、前記変動要因を考慮したメンテナンスを行うことができず、歩留まりのよい、安定した品質の成形材を生産することが困難である。【００１３】
本発明は、上記状況に鑑みなされたもので、微細な形状が形成された金型を用いて、微細な形状を樹脂に転写し成形された成形材を、金型から損傷なく、容易に離型することができる成形装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的は、下記の構成及び方法により達成される。【００１５】
１．微細形状を有する金型と、
前記金型を成形材に接触させ加圧して前記金型の形状を成形材に転写する転写機構と、
前記金型と前記成形材を離型する離型機構と、
前記成形材を前記金型から離型する際の離型力を検出する離型力検出機構と、を有し、
前記離型力が、前記成形材に応じて予め設定された所定の離型力の値以上になった回数が、予め設定された所定の回数となった場合に、警告信号を出力することを特徴とする成形装置。【００１６】
２．表示装置を有し、前記警告信号に基づき、前記表示装置で警告表示がされることを特徴とする１に記載の成形装置。【００１７】
３．前記警告信号に基づき前記成形材の連続生産を停止することを特徴とする１または２に記載の成形装置。【００１８】
４．離型剤塗布機構を有し、前記警告信号に基づき前記金型の表面に離型剤の塗布を行うことを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の成形装置。【００１９】
５．金型交換機構を有し、前記警告信号に基づき前記金型を交換することを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載の成形装置。【００２０】
６．微細形状を有する金型を成形材に接触させ加圧して前記金型の形状を成形材に転写する転写工程と、
前記金型と前記成形材を離型する離型工程と、
前記離型工程時の離型力を検出する離型力検出工程と、
前記離型力が、前記成形材に応じて予め設定された所定の離型力の値以上になった回数が、予め設定された所定の回数になった場合に、警告信号を出力する警告信号出力工程と、を有することを特徴とする成形装置の制御方法。【００２１】
７．前記警告信号に基づき、警告表示する警告表示工程を有することを特徴とする６に記載の成形装置の制御方法。【００２２】
８．前記警告信号に基づき、前記成形材の連続生産を停止することを特徴とする６または７に記載の成形装置の制御方法。【００２３】
９．前記金型の表面に離型剤の塗布を行う離型剤塗布工程を有し、前記警告信号に基づき、前記離型剤の塗布をすることを特徴とする６乃至８の何れか１項に記載の成形装置の制御方法。【００２４】
１０．前記金型を交換する金型交換工程を有し、前記警告信号に基づき、前記金型を交換することを特徴とする６乃至９の何れか１項に記載の成形装置の制御方法。
【発明の効果】
【００２５】
成形装置の離型力の管理及び金型のメンテナンスを、成形ショット数ではなく、成形材を金型から離型する際の離型力により行うことにより、離型剤の塗布のばらつき及び劣化、金型の保存状態、使用状況及び金型の劣化等を考慮し行うことができる。これにより、
微細な形状を樹脂に転写し成形された成形材を、容易に離型できるように管理できるため、成形材及び金型に損傷を与えることがなく、歩留まりのよい、安定した品質の成形材を生産することができる。【００２６】
また、実際の稼働状況に基づいた管理であるため、ショット数での管理のような安全率を見込む必要がなく、管理サイクルを長くすることができ、生産コストの削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る成型装置の概略部分図である。
【図２】微細な形状の一例を示す模式図である。
【図３】本発明に係る離型機構の概略図である。
【図４】微細形状が転写された成形材を示す図である。
【図５】実施例１の構成を現す構成図である。
【図６】実施例２の構成を現す構成図である。
【図７】実施例３の構成を現す構成図である。
【図８】実施例４の構成を現す構成図である。
【図９】実施例１のフローを現すフロー図である。
【図１０】実施例２のフローを現すフロー図である。
【図１１】実施例３のフローを現すフロー図である。
【図１２】製品のショット数による離型力の変化の一例を示す図である。
【図１３】成形材Ｐの離型開始から離型終了までの離型力の変化を現した図である。
【図１４】離型別形態の成型装置の概略部分図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ベース
２  金型固定プレート
３  金型
４  ヒータ
５  冷却用配管
６  油圧シリンダ
６ａ  ピストン棒
１１  クランプ
１２  離型録センサ
１３  プランジャー
１００  成型装置
１１０  増幅器
１２０  入力装置
１３０  表示装置
１４０  離型剤塗布機構
１５０  金型交換機構
２１０コントローラ
ＭＡ  型突起
ＭＢ  成形材突起
Ｐ  成形材
ＳＷ  スイッチ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図を参照しながら本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。【００３０】
図１は、本発明が適用可能な成形装置１００の一例を示す概略部分図である。【００３１】
図１において、フレーム（不図示）に固定されたベース１の上方に金型固定プレート２が相対移動可能に配置されている。ベース１及び金型固定プレート２は、金属、例えばＳＵＳ等で形成される。ベース１の上部には、シート状の樹脂の成形材が載置される。【００３２】
中空である金型固定プレート２の内部には、電源ＥにスイッチＳＷを介して接続されたヒータ４が配置されている。又、金型固定プレート２の上部には、駆動部である油圧シリンダ６のピストン棒６ａが連結されている。ピストン棒６ａは、不図示の油圧源から油圧シリンダ６に加圧された作動油が供給されることにより図の下方に移動し、油圧源へと作動油が戻ることで図の上方へと移動するようになっている。ベース１の内部には、冷却用配管５が配置されている。冷却用配管５は、ベース１の代わりに、金型固定プレート２に設けても良い。【００３３】
金型固定プレート２の下面には、金型３が取り付けられる。金型３の下面には、樹脂の成形材Ｐに転写する微細な形状が形成されている。図２は、前記微細な形状の一例を示す模式図である。本実施の形態では、微細な形状として、複数の板状の構造物である型突起（壁ともいう）ＭＡを等ピッチΔで形成している。ピッチΔは１００〜４００ｎｍであり、型突起ＭＡの高さは、１０００〜２５００ｎｍであるが、本実施の形態に限定されるものではない。金型３の微細な形状が形成された面、即ち転写面には離型材が塗布される。【００３４】
次に、図１に示す成型装置１００を用いての成形工程について説明する。【００３５】
成形材Ｐは、ベース１に載置される。スイッチＳＷを投入することで、電源Ｅから供給される電力により金型３の背面側に設けたヒータ４を加熱し、金型３の温度を上昇させる（図１（ａ））。この段階では、ベース１の冷却用配管５には、冷却水は注入されていない。【００３６】
金型３の温度が設定温度に近づいたら、油圧シリンダ６を駆動して、金型３の微細形状を、成形材Ｐに接触させた後、押圧する（図１（ｂ））。これにより、金型３の微細形状が成形材Ｐに転写される。所定時間が経過した後に、冷却用配管５に冷却水を注入することで、金型３を急速に冷却し、同時にスイッチＳＷを遮断することで、ヒータ４の加熱を停止させる（図１（ｃ））。【００３７】
更に、金型３の温度が所定温度まで低下したら、油圧シリンダ６を逆方向に駆動して金型固定プレート２を上昇させ、ベース１より離間させる（図１（ｄ））。この時、本実施の形態では、成形材Ｐは金型３に密着した状態で、金型３とともにベース１より離間する。金型３から成形材Ｐを剥がす、即ち離型については後述する。【００３８】
次に金型３を冷却していた冷却水を排出する。以上が、金型３により成形材Ｐに微細形状を転写するための工程の１サイクルである。【００３９】
次に、本発明に係る離型力の検出及び管理と、それに基づく金型３のメンテナンスについて説明する。【００４０】
前述の図１（ｄ）に示す、金型３の微細形状が転写された状態の成形材Ｐは、金型３から離型される。図３は、離型機構の概略図である。前記離型機構は、クランプ１１、離型力センサ１２、プランジャー１３を含み構成される。図４は、前記微細形状が転写された成形材Ｐを示す図であり、図４（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図４に示すように、本実施の形態では成形材Ｐを円盤形としている。なお、図４では、成形材突起ＭＢは、一部を図示している。【００４１】
図３に示すように、微細形状が転写され金型３に密着した状態の成形材Ｐは、図３及び４に示す一端側ＰＳをクランプ１１で保持され、プランジャー１３により矢印Ｙ１に引っ張られ、図３及び４に示す他端側ＰＥに向かって剥がされて金型３より離型する。クランプ１１とプランジャー１３との間には、離型力検出機構として離型力センサ１２が設けられていて、離型力が検出される。離型力センサ１２は、例えばロードセル等を用いることができる。【００４２】
以下に、離型力の検出に基づく、金型３のメンテナンスについて説明する。
（実施例１）
図５は、実施例１の構成図である。コントローラ２１０は、成形装置１００の制御を行う。成形プロセス制御２１１部は成形プロセスにおける各部の制御を行う。データ記憶部２１２は、成形装置１００に用いられる各種のデータ、例えば、金型種類、ショット数、過去の成形履歴等のデータを記憶する。表示制御部２１３は表示装置１３０の制御を行う。入力装置１２０は、成形に際し、成形装置に指令する各種データ、例えば金型種類、ショット数等を入力する。入力された各種データは、データ記憶部２１２に記憶される。【００４３】
入力装置１２０から、成形材に応じて予め設定された所定の離型力の値、即ち限界離型力が入力され、データ記憶部２１２に記憶される。【００４４】
離型力センサ１２で検出された離型力は、増幅器１１０で増幅されコントローラ２１０に送られる。コントローラ２１０に送られた前記離型力は、データ記憶部２１２に記憶されている限界離型力と比較される。前記離型力が、前記限界離型力の値未満の場合には、成形は継続される。前記離型力が、前記限界離型力の値以上になった回数が、所定の回数になった場合には、警告信号が出力される。前記警告信号に基づき、表示制御部２１３より指示が出され、表示装置１３０で警告表示される。前記所定の回数は、予め入力装置１２０より入力され、データ記憶部２１２に記憶されている。【００４５】
前記警告表示に基づき、操作者は生産を停止し、金型３のメンテナンスを行う。前記メンテナンスは、金型３に離型剤を塗布する或いは金型を交換することで行われる。【００４６】
前記生産は、警告表示とともに自動的に停止されることが好ましい。これにより、不良品の生産を停止できる。【００４７】
前記所定の回数は、通常は１回であるが、操作者が入力装置１２０より指示を入力することにより変更できる。例えば、計画ショット数が残り僅かのような場合、或いは生産継続した方がコスト的に有利なような場合等に、操作者の指示で変更可能となる。【００４８】
図３のように金型３から成形材Ｐを一端側ＰＳから他端側ＰＥに向かって剥がし離型する場合、離型力は離型開始から離型終了までの離型長さにより変化する。図１３は、図３における、成形材Ｐの離型開始から離型終了までの離型力の変化を現したものである。本実施例では、ピーク値ｆｐを判定のための離型力としている。しかしながら、離型終了点近傍、即ち他端側ＰＥ近傍に微細形状の欠損が生じやすいことから、離型終了直前の離型力ｆｅを判定のための離型力と見なすこともできる。この場合、ｆｐを離型力とした場合とは異なる限界離型力が設定される。【００４９】
図９は、実施例１のフロー図である。
ステップ１０１で、金型３が取り付けられる（Ｓ１０１）。ステップ１０２で、成形材Ｐがセットされる（Ｓ１０２）。ステップ１０３で、金型３が昇温される（Ｓ１０３）。ステップ１０４で、成形材Ｐは金型３で加圧される（Ｓ１０４）。ステップ１０５で、成形材Ｐは金型３で所定時間保圧（加圧）される（Ｓ１０５）。ステップ１０６で、冷却用配管５に冷却水が注入され金型３が冷却されるとともに、成形材Ｐが冷却される（Ｓ１０６）。ステップ１０７で、金型３及び成形材Ｐがベース１より離間し、更に金型３から成形材Ｐが離型される。前記離型時に離型力が検出される（Ｓ１０７）。ステップ１０８で、前記離型力と前記限界離型力が比較される。離型力＜限界離型力の場合（Ｓ１０８；ＹＥＳ）には、Ｓ１０２に移行し成形が継続される。離型力≧限界離型力の場合（Ｓ１０８；ＮＯ）には、Ｓ１０９に移行する。ステップ１０９で、回数が判定される。回数＜所定の回数の場合（Ｓ１０９；ＮＯ）には、Ｓ１０２に移行し成形が継続される。回数＝所定の回数の場合（Ｓ１０９；ＹＥＳ）には、Ｓ１１０に移行する。ステップ１１０で、警告信号が出力され、警告表示される。同時に生産は停止される。【００５０】
上記ステップ１０９の回数の判定において、所定の回数を１回とした場合は、実質的には、生産継続となることはない。
（実施例２）
図６は、実施例２の構成図である。実施例１に対して、離型剤塗布機構１４０及び離型剤塗布制御部２１４を設けたことが異なる。実施例２は、成形工程、離型力検出及び比較、警告信号出力及び警告表示までは実施例１と同じである。【００５１】
実施例２では、図１０のフロー図に示すように、ステップ１０９での回数の判定において、回数＝所定の回数の場合（Ｓ１０９；ＹＥＳ）に、Ｓ２１０に移行する。ステップ２１０で、金型３に残存する離型剤が除去される（Ｓ２１０）。次に、ステップ２１１で、金型３に新たに離型剤が塗布される（Ｓ２１１）。その後、成形が継続される。【００５２】
実施例２では、離型剤塗布による金型３のメンテナンスが自動的に行われるため、成形装置１００の稼働率の向上を図ることができる。
（実施例３）
図７は、実施例３の構成図である。実施例１に対して、金型交換機構１５０及び金型交換制御部２１５を設けたことが異なる。実施例３は、成形工程、離型力検出及び比較、警告信号出力及び警告表示までは実施例１と同じである。【００５３】
実施例３では、図１１のフロー図に示すように、ステップ１０９での回数の判定において、回数＝所定の回数の場合（Ｓ１０９；ＹＥＳ）に、Ｓ３１０に移行する。ステップ３１０で、金型が別の金型と交換される（Ｓ３１０）。その後、成形が継続される。【００５４】
実施例３では、金型交換による金型３のメンテナンスが自動的に行われるため、成形装置１００の稼働率の向上を図ることができる。
（実施例４）
図８は、実施例４の構成図である。実施例４は、実施例２及び３を組み合わせたもので、実施例１に対して、離型剤塗布機構１４０、離型剤塗布制御部２１４、金型交換機構１５０及び金型交換制御部２１５を設けたことが異なる。実施例４は、成形工程、離型力検出及び比較、警告信号出力及び警告表示までは実施例１と同じである。【００５５】
実施例４では、実施例２での離型剤塗布を行い成形を継続する。これを複数回実施後、金型を交換し更に成形を継続する。これにより、実施例２及び３に対し、更に成形装置１００の稼働率の向上を図ることができる。また、１つの金型のショット数を多く（成形時間を長く）することができるため、成形装置より取り外した別の金型の補修時間を長く取ることができ、ひいては同一金型の個数の減少に繋げることも可能となる。なお、フロー図は省略する。【００５６】
上記本実施の形態では、金型３と成形材Ｐとの離型は、図１（ｄ）及び図３に示すように、まず成形材Ｐは、金型３に密着した状態で金型３とともにベース１より離間し、次に金型３から成形材Ｐを剥がす形態としたが、次に説明する離型別形態１とすることもできる。
（離型別形態１）
図１４に示す離型別形態１においては、成形材Ｐは、ベース１に載置されるとともにベース１に固定される。固定の方法としては、例えば、両面接着テープによる固定、真空吸着等を挙げることができる。金型固定プレート２とピストン棒６ａの間に離型力センサ１２、例えばロードセルが設けられている。その他の構成及び成型方法は、前述の実施形態に準ずる。【００５７】
図１４（ｄ）に示すように、転写が完了すると油圧シリンダ６を逆方向に駆動して金型固定プレート２を上昇させ、ベース１より離間させる。この間、成形材Ｐはベース１に固定された状態を維持する。このため、金型固定プレート２とベース１の離間時に、金型３から成形材Ｐが離型される。前記離型は成形材Ｐの全面が同時に、一様に行われる。前記離型の際に、離型力センサ１２で離型力が検出される。検出された前記離型力のピーク値が、離型力の判定の際に用いられる離型力となる。図１４（ｄ）で示す状態の後、成形材Ｐはベース１から取り外される。【００５８】
離型力検出後の制御、金型３のメンテナンスは、前述の実施の形態、実施例１〜４に準ずる。【００５９】
上記のように、成形装置の離型力の管理及び金型のメンテナンスを、成形材を金型から離型する際の離型力により行うことにより、離型剤の塗布のばらつき及び劣化、金型の保存状態、使用状況及び金型の劣化等を考慮し行うことができる。これにより、成形材が金型から容易に離型できるように管理できるため、成形材及び金型に損傷を与えることがなく、歩留まりのよい、安定した品質の成形材を生産することができる。【００６０】
また、実際の稼働状況に基づいた管理であるため、ショット数での管理のような安全率を見込む必要がなく、管理サイクルを長くすることができ、生産コストの削減を図ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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2008129962.tif 000018
2008129962.tif 000019
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