マイクロプロファイルのナノプレシジョン成形加工技術の研究開発
大森 整*
B

１．緒言

B欠となる．そのために，コンピュータシミュレーションを援用するとともに，実験的検証により適正なツールデ近年，情報通信機器，各種モバイル機器の急速なザインと成 形条 件の確 立を目 指す．また一 方 で，転小型化・軽量化に伴い，極微細な構造を有する精密写成形加工の極限化を狙うために，プロファイルと表部品の製造技術が重要視されている．そうしたマイク

面とを超精密かつ超微細レベルで計測・評価できるロパーツの量産技術の確立，製造コストの削減を実マイクロ計測プローブの検討を行い，マイクロツール現するためには，マイクロ形状を持つ金型を用いた塑

加工工程におけるオンマシン計測，フィードバック技性加工によるナノプレシジョン成形に基づく製造技術術の確立を目指す．これらの技術の統合化を図り，マの構築が急務とされてきている．

イクロ金 型 の製 造 技 術 およびマイクロパーツ量 産 化

一方，”マイクロファブリケーション”と呼ばれることの技術の確立に向けた成果を狙う．

多 い半 導 体 プロセス技 術 では，マイクロ形 状 を持 つ
２．マイクロツールの超精密加工

金型などの金属の微細加工が困難であり，シャープかつナノプレシジョン加工の実現は難しいため，近年，微細な除去加工や成形加工を含む機械加工による

２・１

微細加工”マイクロメカニカルファブリケーション”の適工方法はワークに回転運動を与えず X―Y ステージの用が認識され始めている．マイクロメカニカルファブリ

制御動作により，所望の形状に加工を行う．この加工

ケーションにより，金型加工の微細化，極限化および方法により円柱形状ばかりでなく正方形や長方形の転写成形精度を確立するためには，そのツール形状

角柱形状，楕円形状，コーナーR 付き角柱形状などや転 写 成 形 による微 細 表 面 構 造 の計 測 ・評 価 技 術の様々な形状の加工を可能とする．また，マイクロ円が不可欠となり，またツール形状とその転写条件を効

柱ピンの加工方法は，ワークが砥石の周囲を渦巻状率的に確立するためには，コンピュータシミュレーショに移動し，切り込みはワークが砥石周囲を１回転するンの援用が重要となり，これらを一貫性を持つ形に統にしたがい，ワーク軸心を砥石軸心方向に一定量切合化する必要がある 1)-3) ．

り込み送りするように加工を行う方法を採用しているPP

本研究では，マイクロ金型形状による塑性加工にマイクロツールの創製本加工装置の加（図１）．

基づくマイクロパーツの製造技術の確立には，まず申本 加 工 装置を用 いて，四角 柱 マイクロピンの加 工

請者らにより開発された超精密鏡面研削技術である実験を行った．ELID 研削条件について表１に示す．

ELID（電解インプロセスドレッシング）研削法を応用

砥 石 は鋳 鉄 ボンドダイヤモンド砥 石 #4000 を用 い，したマイクロツール加工プロセスの適用技術の確立を

ELID 研削システムを適用し，当研究により考案した目指す．さらに，超精密加工されたマイクロツールプ

高精度なツルーイング方法を併用することにより，先ロファイルの転写成形加工により，微細化とともにナノ端直径２μm のマイクロツールの製作に成功した．まプレシジョン精度を実現させるためには，適正なマイた，表面性 状と角柱 エッジ部の状態もきわめて良 好

クロツール形 状 および転 写 成 形 条 件 の検 討 が不 可で，マイクロツールとしての機能と性能を十分に果たす事が期待できる．また，加工後 SEM により観察した究を進めている．以上のようなマイクロツール加工手結果を図２に示す．また，同加工条件によって作成し法とそれを用いた微細加工手法の基本技術・コンセた高アスペクトのマイクロピンを図３に示す．先端直径

プトを応用し，マイクロプロファイル創製に関する研究が１５μm，全長が 300μm アスペクト比 20 を達成して開発を進める．

いる．
2～20μ20μm

砥石Wheel

電極
Electrode

Work
被削材

Fig.4 DLC coated micro-tool

電極案内板
Guide

Fig.1 ELID grinding of micro-tool

2µm

500μm

Fig.5 Octagonal micro-tool

10µm

Fig.2 Pyramidal micro-tool

10µm

15µm

Fig.6 Micro-stamped hole

20µm

Fig.3 High-aspect-ratio micro-tool

この方 法 により加 工 されたマイクロツールはナノレ
ベルの高 品 質 な表 面 を有 することから，ツールに破壊起点を生じさせずに，従来に比べ著しい強度が実現できた．さらに表面に DLC(ダイヤモンドライクカーボ

Fig.7 Micro-moldン)被覆(図４)を施すことにより，さらなる高耐久化を実現した．また，加工方式を工夫することにより，図５

２・２のように八角柱状のマイクロツールも実現できた．現

金 型 の加 工プロセスとして，基本 的には切 削 加工と在までに，こうして製作されたマイクロツールを用いて，研削加工がある．超精密切削加工は，通常，シャー

図６に示すマイクロスタンピングによる微細角穴の加プエッジを持つ単結晶ダイヤモンド工具と，それによ工や，図７に示すマイクロ金型の微細加工の基礎研り超精密な運動軌跡の転写加工を行うための超精密マイクロプロファイル形成加工

超精密切削加工機を用い，複雑な形状加工に耐え，かつ光学鏡面に近い平滑な機械加工面を得るもので，光学(μｍ）

部品用のマイクロ金型加 工やマイクロ部品加工などに適用される．超精密切削加工機は，回転軸には空気や油による静圧軸受を採用し，閉ループ制御によFig.9 Machined micro-grooves

りサブミクロンの運動 制御精 度を実現している．またNC 装置としては，4 軸以上の多軸同時制御を 1nm 分解能で行うなど，高性能化が進行している．単結晶ダTable 1 Machining conditions
Tool

Mono-crystal diamond tools（Tip angle 90 degrees）

イヤモンド工具の SEM 観察例を図８に示す．
これらの工具を用いたサブミクロン回折格子の加工

Tilt angle

30 degrees

実験として，３種類の１μm 以下の V 溝の切削加工実Depth of cut1μm験を行った．加工装置には超精密マイクロ 5 軸空気

Pitch0.25～1μm

静圧駆動システムを用い，工具には刃先角 90 度のFeed rate

10mm/min単結晶ダイヤモンド工具を用いた．加工材料には無Spindle

60,000min -1

酸素銅を用いた．図９に示すような溝形状を，工具回PProtation

転軸を加工面の法線に対して 30 度傾けて加工を行った．実験時の主な加工条件を表 2 に挙げる．加工を行った溝の断面形状と表面性状を原子間力顕微鏡（AFM）および電子顕微鏡（SEM）により測定した．
AFM による測定結果を図１０～１２に示す．
実験の結果，表１の加工条件においていずれの溝もバリの発生はなく，1μm 以下の間隔で非対称の 3角形溝の形状加工ができていることがわかる．同様の実験を無電解ニッケルめっきについて行ったところほ

Fig.10 Micro-grooves of 1μm pitch

ぼ同等の結果が得られた．

Fig.11 Micro-grooves of 500nm pitch

Fig.8 Diamond tools

溝形状を有する導光板の開発を具体例として，全空気 静 圧 式 超 精 密 多 軸 加 工 機 を使 用 し，３種 類 の溝形状パターンを金型に施し，開発を進めている卓上型射出成形機にて成形品を製作し，金型と成形品との転写率について調査を行った．
図１４に実験に使用した卓上型射出成形機を示す．
卓上型射出成形機による転写率を確認するために，
Fig.12 Micro-grooves of 250nm pitch

次にマイクロエンドミルを用いて微細な矩形形状を有するマイクロ構造体を加工した例を図１３に挙げる．
バリも少なく非常に良好な形状が作製できていること

3 種類のピッチの違う V 溝加工を施した金型を製作し，その金型を用いて射出成形を行った．深さはそれぞれ１μm，1.5μm，2μm の３種類である．本実験における射出成形条件は，金型温度 140℃，プランジャー
温度 280℃，プローブ温度 300℃，チャンバー温度
280℃，スクリュー温度 260℃，射出圧力 80％，射出が確認できる．

時間５秒，冷却時間７秒，成形材料はゼオネックスを使用した．成形後，成形品からランダムに 10 個抜き取 り，成 形 品 と金 型 をオンマシン原 子 間 力 顕 微 鏡（AFM）により計測し，転写精度の評価を行った．
図１５に 1μm ピッチ金型表面の溝形状（AFM）を示す．図 １６に 1μm ピッチ成 形 品 転 写 面 の溝 形 状（AFM）を示す．図１７に 1.5μm ピッチ金型表面の溝形状（AFM）を示す．図１８に 1.5μm ピッチ成形品転写面の溝形状（AFM）を示す．図１９に２μm ピッチ金型表面の溝形状（AFM）を示す．図２０に２μm ピッチ成形品転写面の溝形状（AFM）を示す．図２１に転写率の結果を示す．
Fig.13 Micro-structures

実験の結果，ピッチ１μm の時は，金型の溝の P－V
値 327.28nm，成形品の溝の P-V 値 223.80nm．このと３．マイクロプロファイルの転写成形きの転写率 68.4％となる．ピッチ 1.5μm の時は，金型 の溝 の P-V 値 350.47nm，成 形 品 の溝 P-V 値

マイクロプロファイル，特にマイクロ光学素子であるホログラム等 の極微細溝パターンの塑 性加工による転写成形加工の極限化に関する研究に関しては，マイクロツール加工プロセス，転写成形プロセス，マイク
ロ計 測 技 術 との一 貫 性 がなく，いまだ確 立 を見 ない状況である 4)-5) ．
P

324.95nm．このときの転写率 92.7％となる．2μm ピッチの時は，金型の溝の P－V 値 709.06nm，成形品の溝の P－V 値 469.90nm．このときの転写率 66.3％となる．この結果から，1.5μm ピッチの場合は開発した卓上型射出成形機においてもナノメータレベルの溝を有する製品に対して，転写率の高い成形品を得らP

本節では，前節でも述べた同一面上に深さの違うれることが確認できた．しかし，1μm ピッチと 2μm ピッチの溝に関しては低い転写率となった．この結果から，同一面上にピッチの違う溝形状を有する成形品の場合それぞれの溝に対して同じ転写率を得られないということが示唆できる．これはゲートからそれぞれの溝の位置関係が影響しているものと考える．また，ゲートの大きさが成形品に対して小さい事も影響していると

Fig.18 Molded grooves of 1.5μm pitch

考えられる．今後は，同一面上にある 1μm 及び２μmのときの転写率を，1.5μm のときの転写率と同様に得られるような成形条件の見極めと，スプール，ゲート，金型温度配管などの最適化を検討していく．
Fig.19 Mold grooves of 2μm pitch

Fig.20 Molded grooves of 2μm pitch
Transcription ratio %転写率（％）

Fig.14 Table-top molding machine

Fig.15 Mold grooves of 1μm pitch

10090807060504030201001μm

1.5μm2μmピッチ
Pitch
Fig.21 Transcription ratio

Fig.16 Molded grooves of 1μm pitch

４．マイクロ成形加工のシミュレーション

樹脂の変形挙動は金属と比べるとはるかに複雑であり，シミュレーションが難しくなる．本研究では，成形加工の微細化による寸法効果を検討するため，熱圧縮成形シミュレーション専用ソフトの開発を行った．そFig.17 Mold grooves of 1.5μm pitchのシミュレーションのもとで，成形材料，条件および金型設計の最適化の検討を行う．なお，本研究で開発用により，超硬工具を含む硬質材料の超精密鏡面加した熱圧縮成形ユニットでの成形では，ガラス転移点工 が可能 であり，数 ミクロンの微 細プロファイル加 工を僅かに超えた半溶融状態からはじまり，また，射出が実現できる．今後は，マイクロツールおよび転写成成形のように圧力を加えて流動を起こすという意味合形材のプロファイル・表面をオンマシンで計測する技

いが小さく，樹脂の変形挙動は固体の塑性変形に伴術により，高精度かつ高効率的な加工が実現できる．って大きく変形して行く前提のもとで解析される．

シミュレーションデータとの一貫性も確保できるものとマイクロ射出成形における材料の変形要因としては，考える．本研究は，次世代のマイクロ光学素子，ホロ金型の押込みによる型成形と温度低下による熱収縮グラム，導光板などの量産化，極微細化に向けた技がある．このうち型成形では材料の変形量が大きいた術開発とともに，マイクロ金型開発への進展が期待でめに大変形の定式化を用いた構造解析（応力解析）

き，広大な波及効果が期待される．

をする必要がある．一方，熱収縮のように温度変化が謝起こることで，変形が生じる現象を扱う場合には，構辞造解析と温度解析の連成が必要となる．それらを配本研究は，財団法人天田金属加工機械技術振興

慮してシミュレーションソフトの開発を行った．また，対財団に研究開発助成として採択されたものであり，同像物をレンズと想定し，開発したプログラムのテストを財団からの研究助成に対し心よりお礼申し上げる．

行った．図２２に圧縮工程のシミュレーション結果の一例を示す．その結果から，型内冷却過程に樹脂の内部発熱による成型品の温度上昇がみられた．なお，

参考文献
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4)

５．結

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5 ) 潘 他：超精密卓上型射出成形機の開発における基礎的研

本稿で述べたマイクロツール加工システムは，マイクロメカニカルファブリケーションに適し，エミッション

究，2002 年度精密工学会春季大会講演論文集，（2002），
581．の少ないデスクトップタイプであり， ELID 研削法の適* 独立行政法人理化学研究所中央研究所

大森素形材工学研究室主任研究員