軟質工具を用いた高精細かつ大面積転写技術の開発
名城大学 理工学部 機械工学科
准教授 吉川 泰晴（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019029-B3）
キーワード：凹凸転写，圧延，軟質工具

１．研究の目的と背景

最大ロール回転数は 11.1 rpm で，直径 40mm と 80mm の微細凹凸は撥水性や防汚性などの機能性表面の付与や，ロールが取り付け可能である．ロールの幅は 120 mm であ硬貨などの意匠製品などに適用されている．これらの微細る．ロールギャップは左右の圧下量調節スクリューにより凹凸はエッチングや放電加工，精密切削，コイニングなど0〜40 mm の範囲で調節が可能である．ロールの下部にはにより製作されている．微細凹凸の大面積化は機能性表面左右にロードセルが設置されており，左右のチョックを介を有する素材としての活用や，生産性の向上による低コスして圧延荷重が測定できる．ロールの材質は焼入れ焼戻しト化に対して有効である．しかしながら，エッチング，放を行った SKD11 で表面は鏡面仕上げとし，その算術平均電加工，精密切削は製造時間やコストの問題で大面積への粗さは Ra = 0.005 m である．

凹凸成形は現実的ではない．一方，コイニングは塑性加工であり，大量生産に向いているものの，金型と被加工材の摩擦の影響を受けやすい．そのため，大面積のコイニングを行うと，加工時の荷重や圧力が極端に大きくなり，加工不可能である．

ロール

この問題に対し，コイニングではなく圧延加工を用いることで，容易に大面積へ凹凸転写が可能になる．圧延による凹凸転写法として，佐々木らはフォトリソグラフィ加工により圧延ロールの表面に凹凸を作製することを実現し，そのロールで圧延することで被加工材に凹凸を転写させる方法を提案している 1)． Kurnia，吉野らは微細加工によロードセル（内部） モーターり作られた平板状のマスターモールドにニッケルめっき後に分離して，凹凸が転写されたニッケル型を使用し，こ図１のニッケル型を純アルミニウム板材と重ね合わせて圧延独自設計・製作の圧延機する「ローラーインプリント」を提案している 2)．
一方，我々の研究グループは凹凸パターンを印刷した軟2・2

試験片および印刷工具

質材料を工具に用いた転写技術を提案している 3)~5)．この試験片は幅 100 mm，長さ 50 mm，厚さ 0.965 mm の技術では，紙や樹脂フィルムなどにレーザープリンターで純アルミニウム A1050-O と幅 50 mm 長さ 50 mm，厚さ公

転写模様を印刷したものを工具として，被加工材と重ねて称 1 mm の冷間圧延鋼板 SPCC を使用する．SPCC につい圧縮することで凹凸を転写する．そのため，従来の凹凸成ては，凹凸を転写する面は研磨により算術平均粗さ Sa =形技術より短時間かつ安価に工具を作製でき，模様の変更

0.1 µm 程度，裏面は素材のままで Sa = 0.4 µm となっていも容易である．この方法を圧延加工に適用すれば，ロールる．流動応力は A1050-O が = 165(0.0002+)0.30 SPCC がの周長によらず長い凹凸の転写も可能となる．

= 568(0.02+)0.22 である．降伏応力（耐力）は A1050-O がそこで，本研究ではこの軟質材料を用いた凹凸転写技術

24.6 MPa，SPCC が 218.2 MPa である．凹凸転写時の圧延を圧延加工に適用し，大面積への凹凸転写を試みる．圧延方向は素材の圧延方向と同じ方向とする．アセトンによる加工ではロールのたわみによる板厚の分布や，材料の異方脱脂洗浄を行い，実験に供する．

流動が発生することで転写の挙動が変化することが予想

印刷工具の基材にはポリエチレンテレフタレートされる．印刷工具を用いた場合の各種圧延条件が凹凸の転（PET）フィルム（厚さ 12，25，38，75，100 µm），アル写精度や均一性に及ぼす影響について検討する．

ミニウム箔（厚さ 11，25，40，60 µm）を用いた．薄いフィルムは単体で印刷するとプリンター内での詰まりを起２．実験方法
2・1

実験装置こすため，普通紙に貼って印刷した．レーザープリンターで図２に示すような線幅 0.6 mm，ピッチ 2.6 mm の格子本実験で使用した圧延機を 図 1 に示す．本圧延機は独模様を印刷する．ロールギャップの影響を調べるときは全自に設計，製作したものである．最大圧延荷重は 80 kN，面に，ロール直径の影響を調べるときは中央部と端部に格子模様を配置する．トナーの平均高さは PET フィルム表

凹凸転写を行った試験片は圧延方向(Rolling Direction :面と印刷部が含まれる断面曲線の高さに関するヒストグRD)と幅方向(Transversal Direction : TD)の断面曲線をレーラムから求める．印刷部の高さはおよそ 4 µm である．ト

ザー顕微鏡により測定する．断面曲線から溝の幅を求め，ナーは表１に示す成分の黒い着色剤の粉末であり，印刷機また図４のようにヒストグラムから溝の深さを求める．板によって PET フィルム上に焼き付けられる．

厚はポイントマイクロメーターを使用して測定する．

３．実験結果3・1

せたときの，実験後の試験片の端部における板厚を測定し，2µm2mm

0 200µm200

図２

純アルミニウム A1050-O への転写

直径 80 mm のロールを用いてロールギャップを変化さ

108642400600

8001000

12001400

印刷部の顕微鏡写真と断面プロファイル

圧下率を求めた.PET フィルムの厚さは 100µm である．
ロールギャップと圧下率の関係を図５に示す．試験片と 2枚の PET フィルムを合わせた厚さは 1.165 mm であり，2・3

ロールギャップが 1.125 mm から板厚が減少した．さらに割合 (wt%)75-85
5-105-10
1– 3

実験方法

本実験では，図３のように，試験片の両面で同じ摩擦状態とするために印刷工具と印刷していない PET フィルムで試験片を挟み，潤滑剤を使用しないドライ環境下で圧延する．直径 80mm のロールを用いて，圧延速度を 8.5 mm/s

ロールギャップを小さくしていくことで，線形的に圧下率が上昇し，0.725 mm では圧下率が 15.08 %であった．
[%]
in thickness
Reduction[%]
圧下率

表 1 トナーの成分
成分
スチレン・アクリル酸エステル共重合体
ワックス
カーボンブラック
非晶質シリカロールギャップを 0.9 mm として，ロール直径の影響を調査する．

ロール直径: φ80PETフィルム 100 µm

1510500.6とし，上下ロールの隙間であるロールギャップを 1.150mm～0.725 mm まで 0.025 mm ピッチで実験を行う．また，

200.70.80.91.01.11.2Roll gap [mm]ロールギャップ[mm]

図５

純アルミニウム板材に対するロールギャップと圧下率の関係

各ロールギャップで圧延した試験片の外観写真を図６に示す．ロールギャップが 1.150 mm の試験片では格子模様はほとんど見られないが，1.100 mm ではわずかに格子印刷工具模様がみられる．さらにロールギャップが小さくなると格ロール子模様が明瞭に転写されていくことがわかる．おおむねロールギャップが 0.950mm 程度であれば明瞭な格子模様が得られており，純アルミニウムに対して凹凸を明瞭に転写
被加工材するためには，圧下率はおよそ 5 %以上必要である．

ロール

圧下率と溝ピッチの伸びの関係は凹凸転写において重印刷工具基材（PET，アルミニウム箔）要である．いずれの圧下率においても，幅方向の伸びは 0～1％程度であった．圧延方向には，圧下率 5.36％では 3％

図３ほど溝ピッチが伸び，圧下率 14.27%では 10％程度に溝ピ

圧延式凹凸転写の概略図

ッチが伸びた．溝ピッチの伸びは圧下率が増大するに従い度数大きくなり，概ね線形的に増加した．なお，試験片の中央

溝部

溝深さ

表面部と端部において溝ピッチの変化は同等であった．
圧下率が 14.27％の試験片の中央部と端部における圧延方向と横方向の表面のプロファイルを図７に示す．いずれのプロファイルからも溝が成形されていることが分か高さる．また，溝深さは概ね同程度であるが，中央部，端部ともに，圧延方向の溝幅が横方向の溝幅よりも長くなってい図４転写した凹凸の高さヒストグラム

るようである．

転写する凹凸パターンは圧延方向に圧下率程度収縮させ

圧下率：4.05 %圧下率：1.32 %

5 mm

5 mm

(a) ロールギャップ： 1.1 mm(b)ロールギャップ： 1.0 mm

圧下率：7.09 %圧下率：12.25 %5 mm

5 mm(c)ロールギャップ： 0.9 mm(d)ロールギャップ： 0.8 mm

Transfer accuracy ofgroove depth
深さの転写率[%] [%]ておくことが望ましい．
1201101009080
Edge (RD)Center (RD)70

Edge (TD)Center (TD)600246810121416

圧下率[%]Reductionin thickness[%]

図６各ロールギャップにおける試験片の外観写真
図９2 µm66442200-2-2-4-4-6-6-8-8-10-102900 3100 3300
3700 RD3900 4100 4300
2900 3100 3300 (b)3500端部
3700 RD3900 4100 4300(a)3500
中央部
66442
200-2-2-4-4-6-6-8-8-10-10200 µm
2700 2900 3100
3500 TD
3700 3900 4100
2600 2800 3000 3200
3400 TD
3600 3800 4000(c)3300
中央部(d) 端部

図７

中央部と端部における圧延方向と横方向のプロファイル

ロールギャップ 0.9 mm で，ロール直径を 40 mm と 80mm としたときのそれぞれの転写時の圧延荷重を図１０に示す．板の端部がロール間に入ってから数 mm 圧延した後に，定常状態となっていることが分かる． ロールと試験片の接触長さの違いから，φ40 ではおよそ 13 kN，φ80 ではおよそ 21 kN の圧延荷重となった．
それぞれのロール直径による転写後の試験片の幅方向の板厚分布を図１１に示す．φ80 では板厚が一定であり平均板厚が 0.90 mm であった．一方，φ40 の板厚は端部では 0.895mm であるが，中央部では 0.918mm となり，中央部が厚くなる板クラウンが見られた．この原因は圧延時のロールのたわみによるものである．

各圧下率における溝幅の転写率を図８に示す．幅方向，25圧延方向どちらも圧下率によらず 100～115 % の転写率均一に転写されていることがわかる．
120110φ8020[kN]
圧延荷重load [kN]Rollingとなっている．また中央部と端部の差はなくほとんどなく，

φ40151050100-5-20 -1090010 20 30 40 50 60 70 80
圧延距離Rolling
distance[mm]
[mm]

80

Edge (RD)Center (RD)70

図１０Edge (TD)Center (TD)6002468101214Reductionin thickness[%]
圧下率[%]

図８

各圧下率と溝幅の転写率

各圧下率における溝深さの転写率を図９に示す．圧下率3 %以下では転写率が低くなっている．圧下率が大きくなるにつれて溝深さの転写率も高くなるが，圧下率が 10 %

0.91
0.9

φ80
0.88-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30
Measurement
position[mm]
幅方向測定位置[mm]の結果より，圧下率を 4～10％程度に設定することで，厚写を行うことができる．また，圧延方向の伸びを見越して，φ400.89程度から 100 %に満たない溝深さの転写率となった．以上
さ１mm の A1050-O 板材に転写率が 100％に近い凹凸転ロール直径 40 mm と 80 mm での圧延荷重

0.92

16[mm]
Thickness
厚さ [mm]Transfer accuracy ofgroove width[%] [%]幅の転写率

各圧下率と溝深さの転写率

図１１4050

ロール直径 40 mm と 80 mm で圧延した時の板厚分布

転写後の試験片の中央部と端部における圧延方向と幅各厚さの PET フィルムを用いて転写実験を行った

方向の溝幅の転写率を図１２に示す．幅方向の転写率はロSPCC 試験片の溝部の断面プロファイルである．顕微鏡写ール直径がφ40，φ80 ともに 100 %近い転写率となった．

真と同様に，薄い工具を用いたものほど印刷工具の印刷部

一方，圧延方向ではどちらも 100 %を超えており溝幅の転形状と同様な角に丸みがあり，かつ溝底面が平坦な形にな

写率は幅方向より圧延方向の方が大きい結果となった．っている．しかしながら，厚さ 75 µm の PET フィルムを幅の転写率[%]

用いた場合の断面プロファイルは溝の底面が平坦ではな
く中央部が最も深い逆三角形のような形状となっており，

1101081061041021009896949290

中央部

溝は転写できているものの印刷部形状を正確に転写でき端部てはいない．

φ40φ80φ40φ80TD

図１２

RD

溝幅の転写率転写後の試験片の中央部と端部における圧延方向と幅方向の溝深さの転写率を図１３に示す．いずれのロール直径のときでも幅方向の溝深さの転写率は 100 %程度となっている．ロール直径をφ40 とした場合，圧延方向の溝深さの転写率は中央部と端部に大きな差があった．また，深さの転写率[%]φ80 においてもデータにばらつきが見られた．
120120120120110110110110

1001001001009090909080808080707001φ4023φ8070700(a) Transverse direction

図１３中央部端部

図１４

各厚さの PET フィルムで凹凸を転写した SPCCの外観

1φ402φ80RD3987(b) Rolling direction

溝深さの転写率

TD10PET 612 µm453201200 400 600 800 1000 1200 1400 0

大面積のパターンを転写する場合，ロール直径がφ40910

では板クラウンが発生するため，長尺になるほど PET フ

PET 525 µm378ィルムのしわの発生につながることが懸念される．したがロールやロールベンディング法などで板クラウンの発生を抑制することが望ましい．

641って，小径ロールでの凹凸転写を行う場合はバックアップ

07PET 6438 µm25SPCC 試験片の表面の光学顕微鏡写真を図１４に示す．厚18-1200 400 600 800 1000 1200 1400 0864202µm

た格子模様が明瞭に確認できる．厚さ 25 µm，38 µm でも200 400 600 800 1000 1200 1400

6PET 475 µm2

さ 12 µm の PET フィルムを工具に用いた場合は転写され200 400 600 800 1000 1200 1400

30

冷間圧延鋼板 SPCC への転写

各厚さの PET フィルムを用いて転写実験を行った

2200 400 600 800 1000 1200 1400 0803・2200 400 600 800 1000 1200 1400

00200 400 600 800 1000 1200 1400 0200 400 600 800 1000 1200 1400

200µm

同様に明瞭な模様を確認することができるが，厚さ 75 µm
では溝部と非溝部の境界が判別し難いほど不明瞭な転写結果となっている．

図１５

各厚さの PET フィルムで凹凸転写した SPCC の溝のプロファイル

各厚さの PET フィルムを用いて転写実験を行ったときいた転写実験と同じ傾向を示している．の溝深さの転写率を図１６に示す．RD，TD のいずれもフ各厚さのアルミニウム箔を用いて転写実験を行った

ィルム厚さが薄くなるに従い，転写率が高くなっていく傾SPCC 試験片の断面プロファイルを図１８に示す．外観写向がみられ，12 µm の PET フィルムを使用した場合の転真で明瞭な模様を確認できた 11, 25, 40 µm のアルミニウ

写率は RD で 106.9％，TD で 100.3％となった．RD では

ム箔の印刷工具を使用した場合では，いずれの厚さにおい厚さが 12～38 µm では転写率はほぼ 100％となっているが，ても凹凸が転写できていることが確認できる．しかし，6075 µm の PET フィルムを使用した場合は RD の転写率µm の工具で転写した断面プロファイルからは，なだらか60.3%と低くなっている．TD ではフィルム厚さが厚くなな溝形状が転写されており，溝部と非溝部の境界は断面形るに従い，転写率が低くなり，100％程度となるのは 12 µm状においても不明瞭である．この傾向は PET フィルムをのみである．

用いた場合と同様の傾向を示している．

溝深さ転写率[%]120120RD10010080808116アルミ箔 911 µm 74250606084040RDTD

2020PETフィルム

512µm
125µm
238µm
375µm
45664SPCC 試験片の表面の光学顕微鏡写真を図１７に示す．厚0664200 400 600 800 1000 1200 1400

2000200 400 600 800 1000 1200 1400 0200 400 600 800 1000 1200 14002µm

模様が明瞭に確認でき，厚さ 25 µm，40 µm の工具を用いて転写した場合も同様に明瞭な模様を確認できるが，60µm

0200 400 600 800 1000 1200 1400 08アルミ箔 460 µm 2さ 11 µm のアルミ箔を工具に用いた場合は転写された格子200 400 600 800 1000 1200 1400

208各厚さのアルミニウム箔を用いて転写実験を行った

1200 400 600 800 1000 1200 1400 08

アルミ箔 440 µm 2

PET フィルムを使用した場合の溝深さ転写率

200 400 600 800 1000 1200 1400

30

印刷工具厚さ

図１６6アルミ箔 425 µm 2800200 400 600 800 1000 1200 1400 097000TD13200µm

図１８

各厚さのアルミニウム箔で凹凸を転写した SPCCの工具を用いて転写した場合は溝部と非溝部の境界が不明の溝のプロファイル

瞭な転写結果となっており，PET フィルムを工具に用各厚さのアルミニウム箔を用いて転写実験を行ったときの溝深さの転写率を図１９に示す．PET フィルムを使用した時と同様に，RD，TD のいずれもアルミニウム箔の厚さが薄くなるに従い転写率がたかくなった．12，25 µm のアルミニウム箔を使用した場合の転写率は 100％程度となり，60 µm のアルミ箔を使用した場合は RD の転写率30.9 %，TD の転写率 63.6 %と低くなった．しかし RD の転写率と TD の転写率を比較すると，どの厚さの工具でも[%]100100

溝深さ転写率12012080
8060604040RDTD

202000011µm
1

アルミニウム箔

25µm
240µm
360µm
45

印刷工具厚さ

図１７の外観各厚さのアルミニウム箔で凹凸を転写した SPCC

図１９

アルミニウム箔を使用した場合の溝深さ転写率

TD が RD より高い転写率となっている．これは PET フィルムの工具と逆の傾向となった．
PET フィルム，アルミニウム箔ともに薄くなるに従い，転写率の均一性が高くなる傾向がみられた．
・

印刷工具の基材として，その厚さは薄い方が転写率は転写率が高くなったが，さらに薄くした場合には平板金型高くなり，外観上も明瞭なパターンを得られることがに直接印刷したものと同等になると考えられる．この場合，明らかになった．

トナーの変形挙動がフィルムが厚い場合と変わると予想謝しており，詳細な転写機構の解明を進めていく必要がある．

辞本研究は公益財団法人天田財団一般研究開発助成

４．まとめ
本研究では大面積への凹凸転写が可能となる圧延加工（AF-2019029-B3）の助成を受けて行われました．ここに記し謝意を表します．

において，印刷した工具を使用した凹凸転写法を適用し，参考文献

その加工条件が及ぼす転写への影響を調べた．その結果を以下にまとめる．

1)

佐々木実，弓削英翔，鈴木大瑛：塑性と加工，Vol. 60(2019), 195-202.

・

圧延加工において，印刷した PET フィルムおよびア2)

ルミニウム箔を工具として純アルミニウム A1050-O
および冷間圧延鋼板 SPCC への凹凸の転写が可能でand Microengineering, Vol. 19 (2009), 12502835.
3)あることを確認した．
・

凹凸転写に対してロールギャップを小さくすること写率が 100%近くなることがわかった．
・

ロール直径は大きい方がたわみは少なくなり，板厚とY. Yoshikawa, Y. Masegi: Forming the Future, (2021),2211-2219.

4)

で明瞭な転写が可能となることがわかり，A1050-O
に対してはおよそ 5%以上の圧下率とすれば深さの転W. Kurnia and M. Yoshino：Journal of Micromechanics

西山拓実，吉川泰晴：第 71 回塑性加工連合講演会(2020)，31-32．

5)

柵木佑介，吉川泰晴：第 71 回塑性加工連合講演会(2020)，33-34．