JPWO2009084392A1

JPWO2009084392A1 - 金型装置及び樹脂成型品の製造方法

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Publication number: JPWO2009084392A1
Application number: JP2009547974A
Authority: JP
Inventors: 篠原　英司; 英司篠原
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2011-05-19
Also published as: WO2009084392A1

Abstract

樹脂（６）が充填される金型（１）と、該樹脂（６）を供給するノズル（４）と、第１電極及び第２電極と、該第１電極と該第２電極の間に設けられ、前記金型（１）の一部を構成する絶縁層（１ｂ）と、前記第１及び前記第２の両電極に電圧を印加する複数のスイッチと、該複数のスイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部とを有し、電圧の印加により形成される静電引力により樹脂（６）が金型（１）に充填されるようにした金型装置及び該金型装置を用いた樹脂成形品の製造方法を採用したものである。

Description

本発明は静電引力を利用した金型装置及び該金型装置を利用した樹脂成型品の製造方法に関する。

光学部品や、微細流路等の微細形状の作製方法としてナノインプリント技術が注目されている。例えば、ナノインプリント技術としては、微細形状を施した金型に熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂を充填し、微細形状をした樹脂成形品を得る方法等がある。

しかし、金型の形状が微細となってくると、樹脂が充填していくことが困難となる。また、金型で微細形状を成形する場合、形状を破壊せずに金型から離形するための離型処理が重要となる。しかしながら金型に撥水性の離型処理が施されている場合は、樹脂の表面張力の影響が大きくなるため流動性が阻害される。

例えば、下記非特許文献では、上記問題を解決するものとして、静電引力（クーロン力）を利用した原理を開示している。図８ａは樹脂３３が絶縁層３１を介して電極３２と接触している様子を示す。また、図８ｂに示すように樹脂３３と電極３２の間に電圧をかけることにより、絶縁層３１を介して静電引力で樹脂３３の絶縁層３１への接触角が小さくなることや、これを応用して樹脂３３を容易に金型へ充填することが知られている。

なお、図８ａ、図８ｂ中の“＋”、“−”は絶縁層３１を介して樹脂がプラス側に帯電している様子を模式的に示したものである。
Junghoon Leeらが雑誌『Sensors and Actuators』A 95(2002)巻の259〜268ページで2002年に発表したタイトル『Electrowetting andelectrowetting-on-dielectric for microscale liquid handling』

ところで、粘性の低い樹脂（約２００ｃｐ以下）を微細形状を施した金型へ充填する場合、樹脂が広がって行く速度が速いと気泡を巻き込んでボイド発生の原因となる。しかしながら、上記従来技術では、樹脂が金型上へ広がって行く速度は、ノズルからの噴射圧でしかコントロールできない。

上記課題を解決するために本発明では、樹脂が充填される金型と、該樹脂を供給するノズルと、第１電極及び第２電極と、該第１電極と該第２電極の間に設けられ、前記金型の一部を構成する絶縁層と、前記第１及び前記第２の両電極に電圧を印加する複数のスイッチと、該複数のスイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部とを有し、電圧の印加により形成される静電引力により樹脂が金型に充填されるようにした金型装置及び該金型装置を用いた樹脂成形品の製造方法を採用したものである。

本発明の金型装置及び樹脂成形品の製造方法によれば、金型に樹脂をノズルから供給し、第２電極のスイッチを順次ＯＮすることで、樹脂と第２電極間に絶縁層を介して静電引力が発生し、順次樹脂が金型へ充填されていく。その際、樹脂が金型へ広がって行く速度をコントロールでき、粘性の低い樹脂（約２００ｃｐ以下）を金型へ充填する場合でも、気泡を巻き込む虞がない。

本発明の静電引力を利用した金型装置の斜視図である。本発明の金型装置の正面図である。本発明の図２におけるＡ−Ａ断面図である。本発明の樹脂の金型への充填途中を示す図である。本発明の樹脂の金型への充填完了を示す図である。本発明の実施例２である金型装置の正面図である。本発明の図６におけるＢ−Ｂ断面図である。従来技術の原理を示す図である。従来技術の原理を示す図である。

以下、本発明の実施例１の形態を図１乃至図５に示す。図１は静電引力を利用した金型装置の斜視図、図２は金型の正面図、図３、図４、図５はそれぞれ図２のＡ−Ａ断面図であり、図３は樹脂の充填前、図４は樹脂の金型への充填途中、図５は金型への樹脂の充填完了を示す図である。

これらの図において、金型装置は樹脂を充填し所定の形状に作製するための金型１、静電引力を発生させ樹脂を金型へ充填させるための第２電極２、第２電極２の電圧をＯＮ、ＯＦＦするためのスイッチ３、樹脂を金型１へ供給するためのノズル４などから構成され、該ノズル４は第１電極を兼用している。なお、該ノズル４が第1電極を兼用しない構成としてもよい。

金型１は例えばＳｉ基板１ａと、ＳｉＯ_２やエポキシ樹脂などの絶縁性材料で形成した絶縁層１ｂと、Ｓｉ基板１ｃの三層からなる。Ｓｉ基板１ａには成形する樹脂製品に応じて、十数ｎｍ〜数百μｍの凹凸パターンがフォトリソなどの方法で形成されている。また、Ｓｉ基板１ａには離型に十分耐えうる図示しない撥水性の離型層を形成している。

前記絶縁層１ｂの内部には第２電極２ａ〜２ｅが埋め込まれている。この第２電極２ａ〜２ｅは、Ｓｉ基板１ａの溝部の延伸方向に５つ並んでいる。なお第２電極はアルミニウムなどの導電性材料からなり、第２電極及び絶縁層はスパッタ装置を用いて形成する。その際、絶縁層の厚みは２０００〜４０００Å、第２電極の厚みは１０００〜１８００Åの厚さで形成する。第２電極の数は５つに限らず樹脂の広がり速度に応じて適宜決定できる。その後、Ｓｉ基板１ａ、絶縁層１ｂ及びＳｉ基板１ｃを絶縁性の接着材などで貼り合わせることにより金型１が完成する。

金型装置は、複数の第２電極２ａ〜２ｅをＯＮ／ＯＦＦ可能な複数のスイッチ３ａ〜３ｅを有している。また、スイッチ３ａ〜３ｅをＯＮ／ＯＦＦ制御する図示しない制御部を有している。

ノズル４は導電性材料で形成することで第１電極として兼用し、該ノズル４と絶縁層１ｂの内部にある第２電極２ａ〜２ｅ（以下、本実施例１では、「電極２ａ〜２ｅ」と略記する。）が電気的に接続されている。また、第１電極と第２電極には電圧を供給する電源５を有する。

次に、金型装置を用いた樹脂成形品の製造方法について説明する。金型１には紫外線により硬化する樹脂６がノズル４から必要量吐出される。ノズル４から吐出した樹脂６は、図３乃至図５で示す電極２ａの上部近傍から電極２ｅの方向へ向かって充填されることになる。

ここで図４乃至図５で示すように、スイッチ３ａ〜３ｅを３ａから順にＯＮさせることで、該電極２ａ〜２ｅとノズル４の間に電源５により１００〜５００Ｖの電圧を印加する。これにより、電極２ａ〜２ｅと樹脂６の間に静電引力が形成され、樹脂６を前記金型１の電極２ａの上部近傍から電極２ｅの方向へ順々に充填させることができる。また、各スイッチ３ａ〜３ｅをＯＮするタイミングは、樹脂６の広がる速度を画像カメラでセンシングし、その信号を制御部に入力し、自動で各スイッチをＯＮする。より詳細に説明すると、最初のステップとして、樹脂の金型への供給が開始されるとスイッチ３ａをＯＮにし、電極２ａとノズル４の間に電圧を印加する。次のステップとして、電極２ａの近傍に樹脂が十分に広がるのを画像カメラでセンシングした後に、制御部を用いてスイッチ３ｂをＯＮにする。そして、次のステップとして、電極２ｂの近傍に樹脂が十分に広がるのを画像カメラでセンシングした後に、制御部を用いてスイッチ３ｃをＯＮにする。以下同様にスイッチ３ｄ〜３ｅをＯＮにする。各スイッチ３ａ〜３ｅをＯＮするタイミングは、制御部で容易に変更できるので、樹脂の金型に広がる速度を速くしたり、逆に遅くしたりすることができる。その際、樹脂が金型に広がる速度は樹脂の粘性により決定されるが、樹脂の粘性が低い場合は、広がる速度を遅くすることにより、気泡を巻き込むこと虞がなくなり、ボイド発生の防止に有効である。

上述したように、本発明では、樹脂が金型へ広がって行く速度をコントロールでき、粘性の低い樹脂（数百ｃｐ以下）を十数ｎｍ〜数百μｍの微細構造を有する金型へ充填する場合でも、気泡を巻込む虞がなくなり、ボイドの発生を防止できる。

なお、ノズル４をプラス極、電極２をマイナス極としているが、ノズル４をマイナス極、電極２をプラス極としても良い。

その後、金型１上部より紫外線を照射し、樹脂６を硬化する。そして、金型１から樹脂６を剥離することで樹脂成形品の製造が完了する。

ここで、材質、粘度を変化させて樹脂を充填した結果を表１に示す。材質はアクリル系樹脂とエポキシ系樹脂を用意し粘度は表１の通りである。また、実験結果は電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて成形された樹脂成形品を観察して、ボイドの発生の有無を確認することで評価した。その結果、ボイドの発生が無いことを確認した。

以下、本発明の実施例２の形態を図６乃至図７に示す。図６は金型の正面図、図７は図６のＢ−Ｂ断面図である。

実施例２において、金型１１はＳｉ基板１１ａと、ＳｉＯ２やエポキシ樹脂などの絶縁性材料で形成した絶縁層１１ｂの２層からなり、Ｓｉ基板１１ａと絶縁層１１ｂは絶縁性の接着剤で貼り合せてある。また、前記Ｓｉ基板１１ａは成形する樹脂製品に応じて、十数ｎｍ〜数百μｍの凹凸パターンがエッチングなどの方法で形成されている。また、金型の表面には離型に十分耐えうる図示しない撥水性の離型層を形成している。

前記絶縁層１１ｂの内部には第２電極１２ａ〜１２ｅが埋め込まれている。また、第２電極１２ａ〜１２ｅは、Ｓｉ基板１１ａの溝部の延伸方向に５つ並んでいる。第２電極の数は５つに限らず樹脂の広がり速度等に応じて適宜決定できる。また、各々の第２電極は電圧をＯＮ／ＯＦＦ可能なスイッチ１３ａ〜１３ｅをそれぞれ有している。さらに、電極のスイッチを自動的にＯＮ／ＯＦＦ制御する図示しない制御部を有している。

ここで、ノズル１４は導電性としたことから第１電極として兼用でき、該ノズル１４と絶縁層１１ｂの内部にある第２電極１２ａ〜１２ｅが電気的に接続されている。その他の構成は実施例１と同様である。実施例２は、実施例１と比べた場合、金型装置が簡単な構成となり、比較的容易に金型装置を作製することができる。

なお、実施例１の表１と同じ条件で実験を行ったところ、出来上った樹脂成形品については、ボイドの発生がないことが確認された。

Claims

樹脂が充填される金型と、
該樹脂を供給するノズルと、
第１電極及び複数個設けられた第２電極と、
該第１電極と該第２電極の間に設けられ、前記金型の一部を構成する絶縁層と、
前記第１電極及び第２電極間に電圧を印加する複数のスイッチと、
該複数のスイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部とを有し、
電圧の印加により形成される静電引力により樹脂が金型に充填されることを特徴とする金型装置。
前記第２電極が金型の一部を構成することを特徴とする請求項１に記載された金型装置。
前記第２電極は前記絶縁層に埋設されていることを特徴とする請求項１に記載された金型装置。
前記ノズルが第１電極を兼用していることを特徴とする請求項１に記載された金型装置。
前記制御部は、前記複数個設けられた第２電極のうちノズル近傍の電極から順次スイッチをＯＮするように制御することを特徴とする請求項１に記載された金型装置。
請求項１に記載の金型装置を用いることを特徴とする樹脂成形品の製造方法。