ホットエンボス治具及び熱プレス装置
【課題】プレス時の金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化できるホットエンボス治具及びこれを用いた熱プレス装置を提供する。
【解決手段】本発明のホットエンボス治具は、熱可塑性を有する板状の基板６の表面６ａに所定のパターンを転写するためのホットエンボス治具であって、一主面７ｂに、所定のパターン７ａが形成されたパターン領域を有する平板状の第１の金型７と、一主面９ｂが第１の金型７のパターン形成されている側の主面７ｂに対向して配置され、第１の金型７との間で基板６を挟持可能な平板状の第２の金型９と、第１の金型７及び第２の金型９のうち、少なくとも一方の金型の基板６が接する主面とは反対側の主面に密着して配置された、耐熱性を有する弾性シート１０と、弾性シート１０の外周部分１０ａを囲むように配置された抑え部材１１とを備える。
【解決手段】本発明のホットエンボス治具は、熱可塑性を有する板状の基板６の表面６ａに所定のパターンを転写するためのホットエンボス治具であって、一主面７ｂに、所定のパターン７ａが形成されたパターン領域を有する平板状の第１の金型７と、一主面９ｂが第１の金型７のパターン形成されている側の主面７ｂに対向して配置され、第１の金型７との間で基板６を挟持可能な平板状の第２の金型９と、第１の金型７及び第２の金型９のうち、少なくとも一方の金型の基板６が接する主面とは反対側の主面に密着して配置された、耐熱性を有する弾性シート１０と、弾性シート１０の外周部分１０ａを囲むように配置された抑え部材１１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホットエンボス治具及び熱プレス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高度情報化社会を背景に無線を利用した通信システムが汎用されており、とりわけ情報量の多いマイクロ波やミリ波領域を使用した通信システムの発展が著しい。このような通信システムにおいて、平面アンテナは短波長無線システムの入出力装置として好適である。
【０００３】
ところで、アンテナの大きさは電（磁）波の波長の大きさにあわせて作る必要があり、波長を短波長化すると入出力装置であるアンテナの形状も小型化する必要がある。これにより、近年のアンテナではアンテナの寸法精度も微細加工技術が要求されるようになっている。従来では、エッチング技術を用いてアンテナの例えばスロットパターンやパッチパターンを形成していたが、微細加工がそのアンテナ特性に与える影響は大きく、従来のエッチング技術では精度良く大量に生産できないという欠点があった。特に、ミリ波における寸法精度は少なくとも波長の１％以下は必要とされ、例えば、周波数が５０ＧＨｚにおいては数十μｍの寸法精度が必要とされる。このような要求に対してＬＳＩの製造工程に適用可能な微細加工技術を適用することも考えられるが、かかる技術では安価なアンテナを製造することはできない。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、ホットエンボス法を用いて、平板基板の表面に凹凸パターンを一体成形することにより、平面アンテナのスロットを寸法精度よく形成する方法が提案されている。ホットエンボス法とは、金型を加熱しつつ、金型を平板基板にプレスすることによって、金型が有する凹凸パターンを平板基板の表面に転写する方法であり、熱ナノインプリント法も含む。このようなホットエンボス法を用いる製造方法は、一度所定の凹凸パターンを有する金型を成形してしまえばアンテナの量産が容易であるため、安価にアンテナを製造することができる。また、ホットエンボス法は、ミクロン単位で所定のパターンを成形可能であり、短波長化に好適な小型のアンテナを提供することができる。
【０００５】
しかし、プレス後（パターン転写後）の基板表面の平坦性が充分でないと、スロットとなる凸部形状のパターンの高さが場所により異なり、平面アンテナの電波特性が悪くなる場合がある。基板の厚みムラは、スロットの高さの１／２以下であることが望ましい。
【０００６】
ここで、ホットエンボス法において、金型のパターン形成面の平坦性にばらつきがあると、基板と金型との接触面内における圧力分布にばらつきが生じ、基板に厚みムラが生じることが知られている。このような問題を改善する対策の一つとして、例えば、特許文献２では、金型のパターン非形成面側に弾性シートなどの緩衝材を配置し、金型のパターン形成面の平坦性のばらつきを吸収することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１１５７１８号公報
【特許文献２】特許第３６３８５１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本発明者らが、プレス時の金型と平板基板との接触面内における圧力分布を調べたところ、特許文献２で提案されているように弾性シートを用いたとしても、後述するように、金型のパターン形成面の中央部分に比べてパターン形成面の外周付近では圧力が減少していることが分かった。圧力が減少している部分では転写不良が起こりやすいため、転写不良を防ぐにはプレス時の圧力を必要以上に大きくすることが考えられるが、必要以上にプレス時の圧力を大きくすると、基板に反りが生じるなどの問題が発生する。このような問題を防ぐには、金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化できる方法が求められる。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、プレス時の金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化できるホットエンボス治具及びこれを用いた熱プレス装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のホットエンボス治具は、熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定のパターンを転写するためのホットエンボス治具であって、一主面に、所定のパターンが形成されたパターン領域を有する平板状の第１の金型と、一主面が上記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面に対向して配置され、上記第１の金型との間で上記基板を挟持可能な平板状の第２の金型と、上記第１の金型及び上記第２の金型のうち、少なくとも一方の金型の上記基板が接する主面とは反対側の主面に密着して配置された、耐熱性を有する弾性シートと、上記弾性シートの外周部分を囲むように配置された抑え部材とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の熱プレス装置は、熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定の温度及び荷重を印加して所定のパターンを転写する熱プレス装置であって、上記本発明のホットエンボス治具と、上記ホットエンボス治具を支持し、上記ホットエンボス治具に対し圧力を印加するプレス機構と、上記ホットエンボス治具を加熱するヒーター機構と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のホットエンボス治具によれば、プレス時の金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化できる。
【００１３】
本発明の熱プレス装置によれば、プレス時の金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化できるため、プレス後の基板表面の平坦性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の熱プレス装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】平面アンテナの構成の一例を示す概略断面図である。
【図３】図２の熱プレス装置において抑え部材を除いた場合の熱プレス装置の概略断面図である。
【図４】金型と基板との接触面内における圧力分布を示す図である。
【図５】金型のパターン形成面を示す図である。
【図６】金型のパターン形成面の上に基板を配置した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のホットエンボス治具は、熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定のパターンを転写するためのホットエンボス治具であって、一主面に、所定のパターンが形成されたパターン領域を有する平板状の第１の金型と、一主面が上記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面に対向して配置され、上記第１の金型との間で上記基板を挟持可能な平板状の第２の金型と、上記第１の金型及び上記第２の金型のうち、少なくとも一方の金型の上記基板が接する主面とは反対側の主面に密着して配置された、耐熱性を有する弾性シートと、上記弾性シートの外周部分を囲むように配置された抑え部材とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明のホットエンボス治具によれば、弾性シートにより、金型の基板が接する側の主面の平坦性のバラツキを吸収することができる。また、弾性シートの外周部分を囲むように配置された抑え部材により、弾性シートに圧力が加えられた際に弾性シートが外側に向かって伸長するのを防ぐことができる、つまり、弾性シートに加えられた圧力が外側に逃げることを抑制できる。これにより、第１の金型のパターン形成面を基板表面の全面にわたって均等な力で押し付ける（プレスする）ことができ、プレス時の基板と金型との接触面内における圧力分布を均一化できる。
【００１７】
本発明の熱プレス装置は、熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定の温度及び荷重を印加して所定のパターンを転写する熱プレス装置であって、上記本発明のホットエンボス治具と、上記ホットエンボス治具を支持し、上記ホットエンボス治具に対し圧力を印加するプレス機構と、上記ホットエンボス治具を加熱するヒーター機構と、を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の熱プレス装置によれば、プレス時の基板と金型との接触面内における圧力分布を均一化できるため、プレス後の基板表面の平坦性を向上させることができる。
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２０】
（実施形態）
本実施形態では、本発明の熱プレス装置の一例を説明する。図１は、本実施形態の熱プレス装置の構成を示す概略断面図である。
【００２１】
本実施形態の熱プレス装置は、図１に示すように、ホットエンボス治具２０と、プレス機構としての上ステージ１２、下ステージ１３、治具１４、１５、及び油圧機構１６と、ヒーター機構としてのヒーター１８、１９とを備えている。図１において、ヒーター１８、１９がそれぞれ、上ステージ１２、下ステージ１３に組み込まれている様子を点線で表している。
【００２２】
ホットエンボス治具２０は、金型７、金型９、弾性シート１０、及び抑え部材１１を備えている。このホットエンボス治具２０は、弾性シート１０を備えたことで、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂの平坦性のバラツキを吸収できる。また、抑え部材１１を備えたことで、プレス機構により弾性シート１０に圧力が印加された際、弾性シート１０の外周部分１０ａが外側に向かって延び広がるのを抑制でき、つまり、弾性シート１０に印加された圧力が外側に逃げるのを抑制でき、これにより、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂを基板６の両主面６ａの全面にわたって均等な力で押し付けることができ、金型７、９と基板６との接触面内における圧力分布を均一化できる。
【００２３】
金型７は、平板状であり、一方の主面７ｂに、パターン７ａが形成されたパターン領域を有する。この金型７の一主面７ｂを、以降、パターン形成面と呼ぶ。
【００２４】
金型９は、平板状であり、一方の主面９ｂに、パターン９ａが形成されたパターン領域を有する。この金型９の一主面９ｂを、以降、パターン形成面と呼ぶ。パターン形成面９ｂは、金型７のパターン形成面７ｂに対向して配置されており、金型７との間で基板６を挟持可能である。
【００２５】
金型７、９としては、例えば、半径６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円盤形状の金属部材を用いることができる。また、パターン領域の形状としては、例えば、半径３０ｍｍの円形状とすることができる。本実施形態では、パターン７ａ、９ａは、凸部形状の放射用スロットパターン３（後述の図２）及び給電用スロットパターン４（後述の図２）に対応する凹部形状のパターンとした。また、金型７のパターン７ａの中心（電気的な意味）Ｘと金型９のパターン９ａの中心Ｙとの位置ずれ量は１００μｍ以下であることが好ましい。上記位置すれ量が１００μｍ以下であれば、最終的に良好な電波特性を有する平面アンテナが得られるからである。
【００２６】
弾性シート１０は、耐熱性を有し、金型７及び金型９のうち、少なくとも一方の金型のパターン形成面とは反対側の主面（パターン非形成面）に密着して配置される。図１では、弾性シート１０は、金型９のパターン非形成面（すなわち、下面）にのみ備えられているが、金型７のパターン非形成面（すなわち、上面）にも設けることができ、この場合、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂの平坦性のばらつきをより吸収しやすく、転写性を向上できる。弾性シート１０としては、耐熱性及び弾性を有するものであれば良いが、例えば、フッ素ゴム又はシリコンゴム製のものを用いることができる。この場合、弾性シート１０は、充分な弾性を有するだけでなく、充分な耐熱性も備えることができる。また、弾性シート１０の形状は、例えば、円盤状とすることができる。
【００２７】
抑え部材１１は、弾性シート１０の外周部分１０ａを囲むように配置される。抑え部材１１としては、例えば、リング状の金属部材を用いることができる。金属部材としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４製）が挙げられる。抑え部材１１の厚みは、弾性シート１０と略同じ厚みに設定することができる。ただし、抑え部材１１と金型とが接すると、プレス時に金型が曲がる虞があるため、金型とは接しないように設定する。
【００２８】
上ステージ１２は、図１において上下方向に移動可能なように油圧機構１６に取り付けられおり、内部には、ヒーター１８が組み込まれている。一方、下ステージ１３は、移動できないように油圧機構１６に取り付けられており、内部には、ヒーター１９が組み込まれている。上ステージ１２及び下ステージ１３は、ともに略円筒形状をしており、上ステージ１２及び下ステージ１３のそれぞれ互いに対向する面、すなわち、上ステージ１２の下面と下ステージ１３の上面は、平坦な面である。なお、ここでは、下ステージ１３は上下方向に移動しない場合について説明するが、上ステージ１２と同様、上下方向に移動可能であっても良い。また、ヒーター１８、１９はそれぞれ、上ステージ１２、下ステージ１３に組み込まれている場合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く、例えば、金型７、９に組み込まれていても良い。
【００２９】
治具１４、１５は、ホットエンボス治具２０を支持するものである。図１において、治具１４の上面には上ステージ１２が配置され、下面にはホットエンボス治具２０の金型７が配置されている。また、治具１５の上面にはホットエンボス治具２０の弾性シート１０が配置され、下面には下ステージ１３が配置されている。さらに弾性シート１０の周囲には抑え部材１１が配置され、弾性シート１０の上面には金型９が配置されている。治具１４、１５としては、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）のように、強度を有し、平坦性が高く、厚みをもった部材を用いることができる。また、治具１４、１５は、主面の大きさが金型７、９よりも大きく、厚みは２ｍｍ以上であることが好ましく、形状は直方体や円柱が好ましい。
【００３０】
油圧機構１６は、上ステージ１２を上下方向に移動させるものである。上ステージ１２を下ステージ１３に向かって移動させていくと、ホットエンボス治具２０の金型７、９の間に挟持されている物体（ここでは、基板６）をプレスすることができる。このとき、２つのヒーター１８、１９が協働して、上ステージ１２と下ステージ１３との間に配置されている治具１４、１５、ホットエンボス治具２０を加熱することにより、基板６を軟化させることができる。加熱温度は、金型７、９の間に挟持されている基板６を軟化させることができる温度であれば良い。
【００３１】
基板６の材質としては、熱可塑性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、シクロオレフィンポリマー樹脂を用いることができる。他にも、低誘電率や低吸水性のある樹脂を用いることができ、この場合、耐水性、耐腐食性を高めることができる。低誘電率の樹脂は、一般に分子内に親水性の高い極性基を持たないため、飽和吸水量が小さく疎水性である。また、低誘電率の樹脂は、多孔質でもないために、アルミナなどの無機材料と比較して撥水性である。具体的な材料としては、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体などのフッ素系樹脂、ポリスチレンなどの芳香族系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂が挙げられる。なお、これらの材料には、低熱膨張率化のために必要に応じて二酸化珪素などのフィラーやファイバー、シートを混入することも可能である。
【００３２】
また、基板６は、吸水率が０．０１％以下である材料から構成されていても良い。これにより、耐水性、耐腐食性を高めることができる。このような材料には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂が含まれる。
【００３３】
また、基板６は、熱膨張率が７×１０-5以下である材料から構成されていても良い。これにより、耐水性、耐腐食性を高めることができる。このような材料には、例えば、ジメタノナフタレン系樹脂が含まれる。
【００３４】
基板６の形状は、任意の形状、厚さのものを用いることができ、例えば、厚み１．２ｍｍの円盤形状のものを用いることができる。
【００３５】
次に、本実施形態の熱プレス装置の動作について図１を用いて説明する。
【００３６】
まず、熱可塑性を有する基板６をホットエンボス治具２０の金型９の上に載置する。そして、ヒーター１８、１９を用いて治具１４、１５、ホットエンボス治具２０を加熱しながら、油圧機構１６を駆動させて上ステージ１２を下ステージ１３に近づける方向（図１において下方向）に移動させ、基板６をプレスする。上記加熱により熱可塑性を有する基板６は充分に軟化しているため、基板６の両主面６ａに圧力が印加されると、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂに形成されている凹部形状のパターン７ａ、９ａが基板６の両主面６ａに転写される。これにより、両主面に凸部形状のパターン（後述の図２における放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４に相当する）が一体成形された基板が得られ、これを用いて図２に示すような平面アンテナを製造できる。
【００３７】
ここで、本実施形態の熱プレス装置によって得られる、両主面に凸部形状のパターンが一体成形された基板を用いた平面アンテナの製造方法の一例を図１及び図２を用いて説明する。図２は、平面アンテナの一例を示す概略断面図である。
【００３８】
まず、本実施形態の熱プレス装置によって得られた、凸部形状のパターンが一体成形された基板６から、パターン領域２０１（後述の図５）を切り出す。切り出した後の基板１は、例えば、直径６０ｍｍの円盤形状である。
【００３９】
そして、上記切り出した基板１の表面全体に、スパッタ法により導体膜２を形成する。しかし、凸部形状のパターン３、４は導体膜２で被覆されていると、電気的なアンテナパターンとして機能しないため、凸部形状のパターン３、４を被覆している導体膜２を除去する必要がある。導体膜の剥離方法としては、機械的な手段、例えば、研削や研磨作業を行うことで、凸部形状のパターン３、４を被覆している導体膜２を剥離することができる。これにより、図２に示すように、基板１上の所定の領域に、導体膜２で被覆されない放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を有する平面アンテナ１００が得られる。
【００４０】
なお、図２に示す平面アンテナ１００を得た後、さらに、導体膜２上に、保護層としてＳｉＯ2膜やＳｉＮ膜などの薄膜を形成しても良い。ただし、保護層としてはアンテナの電波特性に影響を及ぼさないものを使用する必要がある。
【００４１】
次に、図２に示す平面アンテナ１００について詳述する。
【００４２】
図２に示す平面アンテナ１００は、誘電体である基板１と、基板１の一方の主面（ここでは、上面）上に形成された凸部形状の放射用スロットパターン３と、基板１の他方の主面（ここでは、下面）上に形成された凸部形状の給電用スロットパターン４と、上記各スロットパターン３、４以外の基板１の表面を被覆する導体膜２とを有する。なお、図２では、平面アンテナ１００の理解を補助するため、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４はその大きさが誇張されかつ一部省略して描いている。
【００４３】
この平面アンテナ１００は、例えば、直径６０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍのディスク形状を有し、小型のラジアルスロットアンテナとして実現される。平面アンテナの適用はこれに限定されることは無く、例えば、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナなど導体被覆面の一部に導体膜を被覆しない領域を有する誘電体として構成されるいかなるアンテナに関しても適用することができ、またその大きさにおいて限定を有するものではない。このような平面アンテナは、小型であっても寸法精度良く製造することができるという長所を有する。
【００４４】
放射用スロットパターン３は、例えば「ハ」の字状で断面凸部形状を有し、基板１の上面にスパイラル状に形成されている。一方、給電用スロットパターン４は、例えばプラス形状で断面凸部形状を有し、基板１の下面に形成されている。なお、給電用スロットパターン４の形状は、プラス形状に限られず、場合によっては円形でも良い。また、給電用スロットパターン４が平面アンテナ１００のスロット中心に給電できないと放射電力パターンが偏った特性となるため、例えば、位置決めピンを用いることにより、給電用スロットパターン４を、上述したスパイラル状の放射用スロットパターン３の中心に対向する位置に精度良く設けられる。ここで、放射用スロットパターン３の中心と給電用スロットパターン４の中心との位置ずれ量は１００μｍ以内であることが好ましい。上記位置すれ量が１００μｍ以下であれば、良好な電波特性を有する平面アンテナが得られる。
【００４５】
また、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４の形状は、柱型状であることが好ましい。断面積がほぼ一定の柱型状であればスロットが腐食した場合でも、スロット形状の同一性は保たれ、長期間に亘って安定した特性を維持することができる。
【００４６】
基板１は、所定の厚みを有し、かかる厚み部分が導波路となって各スロットへの給電回路として機能する。本明細書においては、基板１の表面において、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が形成される部分を除き、導体膜２が形成される部分を基板の導体被覆面５と定義する。図２では、上面（放射面）に放射用スロットパターン３が、下面（給電面）に給電用スロットパターン４が凸型形状のパターンとしてそれぞれ基板１に一体成形されている。この凸型形状のパターンの高さは、誘電体の基板平坦部からの高さ、つまり導体被覆面５からの高さであって、その値は導体膜２の厚さよりも大きいものでなくてはならない。更にその高さは誘電体内を伝搬する波長の少なくとも１／１０以下とすることで凸部の高さ方向に共振回路を構成することもない。具体的には、上記パターンの高さは、２μｍ以上であれば良いが、基板の厚みムラを考慮して２０μｍとした。
【００４７】
導体膜２は、基板１の導体被覆面５上に表皮効果の影響を受けないように所定の厚さに形成されている。本実施形態では周波数が６０ＧＨｚの平面アンテナを想定しているので、導体膜の厚さは、例えば、２μｍ程度と設定できる。導体材料としては、銅や銀、ニッケルなどを用いることができる。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明のホットエンボス治具を用いた熱プレス装置により得られる基板表面の平坦性向上効果について実施例を用いて説明する。
【００４９】
（実施例）
図１に示す熱プレス装置を用意した。この熱プレス装置は、ホットエンボス治具２０、上ステージ１２、下ステージ１３、治具１４、１５、油圧機構１６、ヒーター１８、１９を備えている。ホットエンボス治具２０は、パターン７ａが形成されたパターン形成面７ｂを有する金型７と、凹部形状のパターン９ａが形成されたパターン形成面９ｂを有する金型９と、弾性シート１０と、抑え部材１１とを備えている。
【００５０】
金型７、９としては、半径６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円盤形状の金属部材を用いた。パターン７ａは、内部空間が柱型状の凹部であって、パターン形成面７ｂを金型９側から見たとき、パターン７ａの形状はマイナス型形状で、パターン形成面７ｂのパターン領域内にスパイラル状に形成されている。パターン９ａは、内部空間が柱型状の凹部であって、パターン形成面９ｂを金型７側から見たとき、パターン９ａの形状はプラス型形状で、パターン形成面９ｂのパターン領域の略中央部に形成されている。弾性シート１０としては、半径６０ｍｍで、厚さ２ｍｍの円盤形状で、硬度７０のシリコンゴム製のシートを用いた。抑え部材１１としては、厚さ２ｍｍのリング状のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４製）を用いた。リングの内径は、弾性シート１０の外径よりも僅かに大きく、リングの外径は、１３０ｍｍとした。
【００５１】
そして、まず、ホットエンボス治具２０の金型９の上面に、基板６を載せた。基板６としては、ポリプロピレン製で、半径５５ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの円盤形状のものを用いた。
【００５２】
次に、ヒーター１８、１９を用いて基板６を１７０℃で加熱しながら、油圧機構１６により上ステージ１２を下方向に移動させて、基板６の両主面６ａに対して３０ｋＮの荷重で約１２０秒間圧力を印加し、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂに形成されている凹部形状のパターン７ａ、９ａをそれぞれ、基板６の両主面６ａに転写した。
【００５３】
（比較例）
比較のために、図３に示す熱プレス装置を用意した。図３の熱プレス装置は、ホットエンボス治具１２０が抑え部材１１を有していないこと以外は、図１の熱プレス装置と同じ構成である。図３において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５４】
そして、上述した実施例と同様にして、基板６の両表面６ａに、金型７、９のパターン７ａ、９ａを転写した。
【００５５】
（基板表面の平坦性）
上記実施例及び上記比較例のパターン転写後の基板６の厚みムラのＰ−Ｐ値（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ）を測定したところ、上記比較例の場合、パターン転写後の基板６の両主面６ａにおいて、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂの中心に近い領域に対向する領域では厚みムラのＰ−Ｐ値が５μｍ以下であったが、パターン形成面７ｂ、９ｂの外周に近い部分に対向する領域では厚みムラのＰ−Ｐ値が５０μｍ以上であった。特に、パターン形成面７ｂ、９ｂの中心から半径５０ｍｍの領域よりも外側の領域に対向する領域において、厚みムラが大きくなっていた。これは、基板６に圧力が印加された際に、弾性シート１０の外周部分１０ａが外側（治具１５の面方向）に向かって押し広げられ、その結果、金型９のパターン形成面９ｂにおける、弾性シート１０の外周部分１０ａが重なる領域において、基板６が受ける圧力が減少したためであると考えられる。本明細書において、厚みムラのＰ-Ｐ値とは、基板６の厚みの最大値と最小値との差を表すものである。厚みムラのＰ−Ｐ値の測定方法として、レーザ変位計を用いた測定(非接触式測定法)やマイクロメータによる測定(接触式測定法)が挙げられる。
【００５６】
これに対し、上記実施例の場合、厚みムラのＰ−Ｐ値は、パターン転写後の基板６の両主面６ａの全面にわたって５μｍ以下であった。このことから、抑え部材１１によって、弾性シート１０の外周部分１０ａが外側（治具１５の面方向）に向かって押し広げられるのが抑制され、その結果、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂを基板６の両主面６ａの全面にわたって均等の力で押し付けることができ、金型７、９と基板６との接触面内における圧力分布を均一化できたと考えられる。
【００５７】
（金型のパターン領域及び基板の大きさ）
ここで、上記実施例の抑え部材１１を有するホットエンボス治具２０を用いた場合と、上記比較例の抑え部材１１を有さないホットエンボス治具１２０を用いた場合において、金型７、９と基板６との接触面に加えられる圧力の半径方向における分布をシミュレーションし、その結果を図４に示した。図４において、縦軸は圧力（ｋｇｆ／ｍｍ2）を示し、横軸は金型７、９の半径（ｍｍ）を示す。また、グラフＡは、ホットエンボス治具１２０を用いた場合の圧力分布を表し、グラフＢは、ホットエンボス治具２０を用いた場合の圧力分布を表している。金型７、９、基板６、弾性シート１０としては、半径６０ｍｍの円盤状のものを用いた。
【００５８】
図４のグラフＢから、抑え部材１１を有するホットエンボス治具２０を用いた場合、金型７、９と基板６との接触面内における圧力分布は、半径方向全域にわたってほぼ均一となっていることが分かる。これに対して、図４のグラフＡから、抑え部材１１を有さないホットエンボス治具１２０を用いた場合、金型７、９と基板６との接触面内における圧力分布は、半径４０ｍｍ程度まで（中央部分）はほぼ一様な圧力分布となるが、半径４０ｍｍを越えると（外周部分）圧力が減少し、特に半径５０ｍｍを超えると、ホットエンボス治具２０を用いた場合に比べて圧力が大きく下回っていることが分かる。
【００５９】
このような図４に示すシミュレーションの結果は、上述した実施例及び比較例のパターン転写後の基板の厚みムラの結果と略一致しており、基板６の両主面６ａに転写されたパターンの厚みムラの結果を再現していることになる。
【００６０】
ところで、上述した図４を見ると、グラフＡ及びＢのいずれも、金型７、９（図１）の外縁部Ｃ（半径６０ｍｍ付近）で圧力が少し大きくなっていた。これは、金型７、９（図１）のパターン形成面７ｂ、９ｂ（図１）の全面をパターン領域とした場合、金型７、９（図１）の外縁部２０２（後述の図５）において圧力が大きくなることにより、転写後の基板６（図１）に厚みムラが生じる虞があることを意味している。そのため、パターン領域の径は、金型７、９の径に対して小さくする必要がある。
【００６１】
図５は、金型７のパターン形成面７ｂ（図１）を金型９（図１）側から見た図である。図５に示す金型７のパターン形成面７ｂ（図１）において、金型７の中心とパターン領域２０１の中心とは一致しており、パターン領域２０１の中心からパターン領域２０１の外縁部までの最小距離（ここでは、パターン領域２０１の半径）をａとし、金型７の中心から金型７の外縁部２０２までの最小距離（ここでは、金型７の半径）をｂとする。それらの比率ａ／ｂを変化させたときのパターン転写後の基板６（図１）の厚みムラのＰ−Ｐ値を示したのが表１である。
【００６２】
【表１】
【００６３】
表１の結果より、ａ／ｂ＝０．９以下のときに良好な平坦性が得られていることが分かる。よって、パターン領域２０１は、金型７のパターン形成面７ｂ（図１）における、金型７の中心から外縁部２０２までの最小距離（ここでは、パターン形成面の半径ｂ）の０．９倍の距離を半径とする円の内側に存在するように設定する。
【００６４】
また、熱可塑性を有する基板６は加熱により軟化するため、プレス時に押し広げられ金型７、９に噛み込む危険がある。そのため、基板６の径は、金型７、９の径に対して小さくする必要がある。
【００６５】
図６は、金型７のパターン形成面７ｂ（図１）上に基板６を配置した状態を示す図である。図６において、金型７の中心から金型７の外縁部２０２までの最小距離（ここでは、金型７の半径）をｂとし、基板６の中心から基板６の外縁部３０１までの最小距離（ここでは、基板６の半径）をｃとする。このとき、基板６の中心と金型７の中心とを精度良く合わせ、それらの比率ｃ／ｂを変化させたときの基板６の噛み込みの有無を目視により観察した結果が表２である。
【００６６】
【表２】
【００６７】
表２の結果より、ｃ／ｂは、０．９５以下であることが好ましいことが分かる。よって、基板６は、金型７のパターン形成面７ｂ（図１）における、金型７の中心から金型７の外縁部２０２までの最小距離（ここでは、金型７の半径ｄ）の０．９５倍の距離を半径とする円の内側に接するように設定する。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明のホットエンボス治具、及びこれを用いた熱プレス装置は、金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化でき、プレス後の基板表面の厚みムラを抑制できるものとして、例えば、平面アンテナ、光学デバイス、高周波フィルタなどの製造装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 基板
２ 導体膜
３ 放射用スロットパターン
４ 給電用スロットパターン
５ 導体被覆面
６ 基板
６ａ 主面
７ 金型
７ａ パターン
７ｂ パターン形成面
９ 金型
９ａ パターン
９ｂ パターン形成面
１０ 弾性シート
１０ａ 外周部分
１１ 抑え部材
１２ 上ステージ
１３ 下ステージ
１４ 治具
１５ 治具
１６ 油圧機構
１８ ヒーター
１９ ヒーター
２０ ホットエンボス治具
１２０ ホットエンボス治具
２０１ パターン領域
２０２ 外縁部
３０１ 外縁部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホットエンボス治具及び熱プレス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高度情報化社会を背景に無線を利用した通信システムが汎用されており、とりわけ情報量の多いマイクロ波やミリ波領域を使用した通信システムの発展が著しい。このような通信システムにおいて、平面アンテナは短波長無線システムの入出力装置として好適である。
【０００３】
ところで、アンテナの大きさは電（磁）波の波長の大きさにあわせて作る必要があり、波長を短波長化すると入出力装置であるアンテナの形状も小型化する必要がある。これにより、近年のアンテナではアンテナの寸法精度も微細加工技術が要求されるようになっている。従来では、エッチング技術を用いてアンテナの例えばスロットパターンやパッチパターンを形成していたが、微細加工がそのアンテナ特性に与える影響は大きく、従来のエッチング技術では精度良く大量に生産できないという欠点があった。特に、ミリ波における寸法精度は少なくとも波長の１％以下は必要とされ、例えば、周波数が５０ＧＨｚにおいては数十μｍの寸法精度が必要とされる。このような要求に対してＬＳＩの製造工程に適用可能な微細加工技術を適用することも考えられるが、かかる技術では安価なアンテナを製造することはできない。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、ホットエンボス法を用いて、平板基板の表面に凹凸パターンを一体成形することにより、平面アンテナのスロットを寸法精度よく形成する方法が提案されている。ホットエンボス法とは、金型を加熱しつつ、金型を平板基板にプレスすることによって、金型が有する凹凸パターンを平板基板の表面に転写する方法であり、熱ナノインプリント法も含む。このようなホットエンボス法を用いる製造方法は、一度所定の凹凸パターンを有する金型を成形してしまえばアンテナの量産が容易であるため、安価にアンテナを製造することができる。また、ホットエンボス法は、ミクロン単位で所定のパターンを成形可能であり、短波長化に好適な小型のアンテナを提供することができる。
【０００５】
しかし、プレス後（パターン転写後）の基板表面の平坦性が充分でないと、スロットとなる凸部形状のパターンの高さが場所により異なり、平面アンテナの電波特性が悪くなる場合がある。基板の厚みムラは、スロットの高さの１／２以下であることが望ましい。
【０００６】
ここで、ホットエンボス法において、金型のパターン形成面の平坦性にばらつきがあると、基板と金型との接触面内における圧力分布にばらつきが生じ、基板に厚みムラが生じることが知られている。このような問題を改善する対策の一つとして、例えば、特許文献２では、金型のパターン非形成面側に弾性シートなどの緩衝材を配置し、金型のパターン形成面の平坦性のばらつきを吸収することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１１５７１８号公報
【特許文献２】特許第３６３８５１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本発明者らが、プレス時の金型と平板基板との接触面内における圧力分布を調べたところ、特許文献２で提案されているように弾性シートを用いたとしても、後述するように、金型のパターン形成面の中央部分に比べてパターン形成面の外周付近では圧力が減少していることが分かった。圧力が減少している部分では転写不良が起こりやすいため、転写不良を防ぐにはプレス時の圧力を必要以上に大きくすることが考えられるが、必要以上にプレス時の圧力を大きくすると、基板に反りが生じるなどの問題が発生する。このような問題を防ぐには、金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化できる方法が求められる。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、プレス時の金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化できるホットエンボス治具及びこれを用いた熱プレス装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のホットエンボス治具は、熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定のパターンを転写するためのホットエンボス治具であって、一主面に、所定のパターンが形成されたパターン領域を有する平板状の第１の金型と、一主面が上記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面に対向して配置され、上記第１の金型との間で上記基板を挟持可能な平板状の第２の金型と、上記第１の金型及び上記第２の金型のうち、少なくとも一方の金型の上記基板が接する主面とは反対側の主面に密着して配置された、耐熱性を有する弾性シートと、上記弾性シートの外周部分を囲むように配置された抑え部材とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の熱プレス装置は、熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定の温度及び荷重を印加して所定のパターンを転写する熱プレス装置であって、上記本発明のホットエンボス治具と、上記ホットエンボス治具を支持し、上記ホットエンボス治具に対し圧力を印加するプレス機構と、上記ホットエンボス治具を加熱するヒーター機構と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のホットエンボス治具によれば、プレス時の金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化できる。
【００１３】
本発明の熱プレス装置によれば、プレス時の金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化できるため、プレス後の基板表面の平坦性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の熱プレス装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】平面アンテナの構成の一例を示す概略断面図である。
【図３】図２の熱プレス装置において抑え部材を除いた場合の熱プレス装置の概略断面図である。
【図４】金型と基板との接触面内における圧力分布を示す図である。
【図５】金型のパターン形成面を示す図である。
【図６】金型のパターン形成面の上に基板を配置した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のホットエンボス治具は、熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定のパターンを転写するためのホットエンボス治具であって、一主面に、所定のパターンが形成されたパターン領域を有する平板状の第１の金型と、一主面が上記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面に対向して配置され、上記第１の金型との間で上記基板を挟持可能な平板状の第２の金型と、上記第１の金型及び上記第２の金型のうち、少なくとも一方の金型の上記基板が接する主面とは反対側の主面に密着して配置された、耐熱性を有する弾性シートと、上記弾性シートの外周部分を囲むように配置された抑え部材とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明のホットエンボス治具によれば、弾性シートにより、金型の基板が接する側の主面の平坦性のバラツキを吸収することができる。また、弾性シートの外周部分を囲むように配置された抑え部材により、弾性シートに圧力が加えられた際に弾性シートが外側に向かって伸長するのを防ぐことができる、つまり、弾性シートに加えられた圧力が外側に逃げることを抑制できる。これにより、第１の金型のパターン形成面を基板表面の全面にわたって均等な力で押し付ける（プレスする）ことができ、プレス時の基板と金型との接触面内における圧力分布を均一化できる。
【００１７】
本発明の熱プレス装置は、熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定の温度及び荷重を印加して所定のパターンを転写する熱プレス装置であって、上記本発明のホットエンボス治具と、上記ホットエンボス治具を支持し、上記ホットエンボス治具に対し圧力を印加するプレス機構と、上記ホットエンボス治具を加熱するヒーター機構と、を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の熱プレス装置によれば、プレス時の基板と金型との接触面内における圧力分布を均一化できるため、プレス後の基板表面の平坦性を向上させることができる。
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２０】
（実施形態）
本実施形態では、本発明の熱プレス装置の一例を説明する。図１は、本実施形態の熱プレス装置の構成を示す概略断面図である。
【００２１】
本実施形態の熱プレス装置は、図１に示すように、ホットエンボス治具２０と、プレス機構としての上ステージ１２、下ステージ１３、治具１４、１５、及び油圧機構１６と、ヒーター機構としてのヒーター１８、１９とを備えている。図１において、ヒーター１８、１９がそれぞれ、上ステージ１２、下ステージ１３に組み込まれている様子を点線で表している。
【００２２】
ホットエンボス治具２０は、金型７、金型９、弾性シート１０、及び抑え部材１１を備えている。このホットエンボス治具２０は、弾性シート１０を備えたことで、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂの平坦性のバラツキを吸収できる。また、抑え部材１１を備えたことで、プレス機構により弾性シート１０に圧力が印加された際、弾性シート１０の外周部分１０ａが外側に向かって延び広がるのを抑制でき、つまり、弾性シート１０に印加された圧力が外側に逃げるのを抑制でき、これにより、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂを基板６の両主面６ａの全面にわたって均等な力で押し付けることができ、金型７、９と基板６との接触面内における圧力分布を均一化できる。
【００２３】
金型７は、平板状であり、一方の主面７ｂに、パターン７ａが形成されたパターン領域を有する。この金型７の一主面７ｂを、以降、パターン形成面と呼ぶ。
【００２４】
金型９は、平板状であり、一方の主面９ｂに、パターン９ａが形成されたパターン領域を有する。この金型９の一主面９ｂを、以降、パターン形成面と呼ぶ。パターン形成面９ｂは、金型７のパターン形成面７ｂに対向して配置されており、金型７との間で基板６を挟持可能である。
【００２５】
金型７、９としては、例えば、半径６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円盤形状の金属部材を用いることができる。また、パターン領域の形状としては、例えば、半径３０ｍｍの円形状とすることができる。本実施形態では、パターン７ａ、９ａは、凸部形状の放射用スロットパターン３（後述の図２）及び給電用スロットパターン４（後述の図２）に対応する凹部形状のパターンとした。また、金型７のパターン７ａの中心（電気的な意味）Ｘと金型９のパターン９ａの中心Ｙとの位置ずれ量は１００μｍ以下であることが好ましい。上記位置すれ量が１００μｍ以下であれば、最終的に良好な電波特性を有する平面アンテナが得られるからである。
【００２６】
弾性シート１０は、耐熱性を有し、金型７及び金型９のうち、少なくとも一方の金型のパターン形成面とは反対側の主面（パターン非形成面）に密着して配置される。図１では、弾性シート１０は、金型９のパターン非形成面（すなわち、下面）にのみ備えられているが、金型７のパターン非形成面（すなわち、上面）にも設けることができ、この場合、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂの平坦性のばらつきをより吸収しやすく、転写性を向上できる。弾性シート１０としては、耐熱性及び弾性を有するものであれば良いが、例えば、フッ素ゴム又はシリコンゴム製のものを用いることができる。この場合、弾性シート１０は、充分な弾性を有するだけでなく、充分な耐熱性も備えることができる。また、弾性シート１０の形状は、例えば、円盤状とすることができる。
【００２７】
抑え部材１１は、弾性シート１０の外周部分１０ａを囲むように配置される。抑え部材１１としては、例えば、リング状の金属部材を用いることができる。金属部材としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４製）が挙げられる。抑え部材１１の厚みは、弾性シート１０と略同じ厚みに設定することができる。ただし、抑え部材１１と金型とが接すると、プレス時に金型が曲がる虞があるため、金型とは接しないように設定する。
【００２８】
上ステージ１２は、図１において上下方向に移動可能なように油圧機構１６に取り付けられおり、内部には、ヒーター１８が組み込まれている。一方、下ステージ１３は、移動できないように油圧機構１６に取り付けられており、内部には、ヒーター１９が組み込まれている。上ステージ１２及び下ステージ１３は、ともに略円筒形状をしており、上ステージ１２及び下ステージ１３のそれぞれ互いに対向する面、すなわち、上ステージ１２の下面と下ステージ１３の上面は、平坦な面である。なお、ここでは、下ステージ１３は上下方向に移動しない場合について説明するが、上ステージ１２と同様、上下方向に移動可能であっても良い。また、ヒーター１８、１９はそれぞれ、上ステージ１２、下ステージ１３に組み込まれている場合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く、例えば、金型７、９に組み込まれていても良い。
【００２９】
治具１４、１５は、ホットエンボス治具２０を支持するものである。図１において、治具１４の上面には上ステージ１２が配置され、下面にはホットエンボス治具２０の金型７が配置されている。また、治具１５の上面にはホットエンボス治具２０の弾性シート１０が配置され、下面には下ステージ１３が配置されている。さらに弾性シート１０の周囲には抑え部材１１が配置され、弾性シート１０の上面には金型９が配置されている。治具１４、１５としては、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）のように、強度を有し、平坦性が高く、厚みをもった部材を用いることができる。また、治具１４、１５は、主面の大きさが金型７、９よりも大きく、厚みは２ｍｍ以上であることが好ましく、形状は直方体や円柱が好ましい。
【００３０】
油圧機構１６は、上ステージ１２を上下方向に移動させるものである。上ステージ１２を下ステージ１３に向かって移動させていくと、ホットエンボス治具２０の金型７、９の間に挟持されている物体（ここでは、基板６）をプレスすることができる。このとき、２つのヒーター１８、１９が協働して、上ステージ１２と下ステージ１３との間に配置されている治具１４、１５、ホットエンボス治具２０を加熱することにより、基板６を軟化させることができる。加熱温度は、金型７、９の間に挟持されている基板６を軟化させることができる温度であれば良い。
【００３１】
基板６の材質としては、熱可塑性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、シクロオレフィンポリマー樹脂を用いることができる。他にも、低誘電率や低吸水性のある樹脂を用いることができ、この場合、耐水性、耐腐食性を高めることができる。低誘電率の樹脂は、一般に分子内に親水性の高い極性基を持たないため、飽和吸水量が小さく疎水性である。また、低誘電率の樹脂は、多孔質でもないために、アルミナなどの無機材料と比較して撥水性である。具体的な材料としては、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体などのフッ素系樹脂、ポリスチレンなどの芳香族系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂が挙げられる。なお、これらの材料には、低熱膨張率化のために必要に応じて二酸化珪素などのフィラーやファイバー、シートを混入することも可能である。
【００３２】
また、基板６は、吸水率が０．０１％以下である材料から構成されていても良い。これにより、耐水性、耐腐食性を高めることができる。このような材料には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂が含まれる。
【００３３】
また、基板６は、熱膨張率が７×１０-5以下である材料から構成されていても良い。これにより、耐水性、耐腐食性を高めることができる。このような材料には、例えば、ジメタノナフタレン系樹脂が含まれる。
【００３４】
基板６の形状は、任意の形状、厚さのものを用いることができ、例えば、厚み１．２ｍｍの円盤形状のものを用いることができる。
【００３５】
次に、本実施形態の熱プレス装置の動作について図１を用いて説明する。
【００３６】
まず、熱可塑性を有する基板６をホットエンボス治具２０の金型９の上に載置する。そして、ヒーター１８、１９を用いて治具１４、１５、ホットエンボス治具２０を加熱しながら、油圧機構１６を駆動させて上ステージ１２を下ステージ１３に近づける方向（図１において下方向）に移動させ、基板６をプレスする。上記加熱により熱可塑性を有する基板６は充分に軟化しているため、基板６の両主面６ａに圧力が印加されると、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂに形成されている凹部形状のパターン７ａ、９ａが基板６の両主面６ａに転写される。これにより、両主面に凸部形状のパターン（後述の図２における放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４に相当する）が一体成形された基板が得られ、これを用いて図２に示すような平面アンテナを製造できる。
【００３７】
ここで、本実施形態の熱プレス装置によって得られる、両主面に凸部形状のパターンが一体成形された基板を用いた平面アンテナの製造方法の一例を図１及び図２を用いて説明する。図２は、平面アンテナの一例を示す概略断面図である。
【００３８】
まず、本実施形態の熱プレス装置によって得られた、凸部形状のパターンが一体成形された基板６から、パターン領域２０１（後述の図５）を切り出す。切り出した後の基板１は、例えば、直径６０ｍｍの円盤形状である。
【００３９】
そして、上記切り出した基板１の表面全体に、スパッタ法により導体膜２を形成する。しかし、凸部形状のパターン３、４は導体膜２で被覆されていると、電気的なアンテナパターンとして機能しないため、凸部形状のパターン３、４を被覆している導体膜２を除去する必要がある。導体膜の剥離方法としては、機械的な手段、例えば、研削や研磨作業を行うことで、凸部形状のパターン３、４を被覆している導体膜２を剥離することができる。これにより、図２に示すように、基板１上の所定の領域に、導体膜２で被覆されない放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を有する平面アンテナ１００が得られる。
【００４０】
なお、図２に示す平面アンテナ１００を得た後、さらに、導体膜２上に、保護層としてＳｉＯ2膜やＳｉＮ膜などの薄膜を形成しても良い。ただし、保護層としてはアンテナの電波特性に影響を及ぼさないものを使用する必要がある。
【００４１】
次に、図２に示す平面アンテナ１００について詳述する。
【００４２】
図２に示す平面アンテナ１００は、誘電体である基板１と、基板１の一方の主面（ここでは、上面）上に形成された凸部形状の放射用スロットパターン３と、基板１の他方の主面（ここでは、下面）上に形成された凸部形状の給電用スロットパターン４と、上記各スロットパターン３、４以外の基板１の表面を被覆する導体膜２とを有する。なお、図２では、平面アンテナ１００の理解を補助するため、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４はその大きさが誇張されかつ一部省略して描いている。
【００４３】
この平面アンテナ１００は、例えば、直径６０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍのディスク形状を有し、小型のラジアルスロットアンテナとして実現される。平面アンテナの適用はこれに限定されることは無く、例えば、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナなど導体被覆面の一部に導体膜を被覆しない領域を有する誘電体として構成されるいかなるアンテナに関しても適用することができ、またその大きさにおいて限定を有するものではない。このような平面アンテナは、小型であっても寸法精度良く製造することができるという長所を有する。
【００４４】
放射用スロットパターン３は、例えば「ハ」の字状で断面凸部形状を有し、基板１の上面にスパイラル状に形成されている。一方、給電用スロットパターン４は、例えばプラス形状で断面凸部形状を有し、基板１の下面に形成されている。なお、給電用スロットパターン４の形状は、プラス形状に限られず、場合によっては円形でも良い。また、給電用スロットパターン４が平面アンテナ１００のスロット中心に給電できないと放射電力パターンが偏った特性となるため、例えば、位置決めピンを用いることにより、給電用スロットパターン４を、上述したスパイラル状の放射用スロットパターン３の中心に対向する位置に精度良く設けられる。ここで、放射用スロットパターン３の中心と給電用スロットパターン４の中心との位置ずれ量は１００μｍ以内であることが好ましい。上記位置すれ量が１００μｍ以下であれば、良好な電波特性を有する平面アンテナが得られる。
【００４５】
また、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４の形状は、柱型状であることが好ましい。断面積がほぼ一定の柱型状であればスロットが腐食した場合でも、スロット形状の同一性は保たれ、長期間に亘って安定した特性を維持することができる。
【００４６】
基板１は、所定の厚みを有し、かかる厚み部分が導波路となって各スロットへの給電回路として機能する。本明細書においては、基板１の表面において、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が形成される部分を除き、導体膜２が形成される部分を基板の導体被覆面５と定義する。図２では、上面（放射面）に放射用スロットパターン３が、下面（給電面）に給電用スロットパターン４が凸型形状のパターンとしてそれぞれ基板１に一体成形されている。この凸型形状のパターンの高さは、誘電体の基板平坦部からの高さ、つまり導体被覆面５からの高さであって、その値は導体膜２の厚さよりも大きいものでなくてはならない。更にその高さは誘電体内を伝搬する波長の少なくとも１／１０以下とすることで凸部の高さ方向に共振回路を構成することもない。具体的には、上記パターンの高さは、２μｍ以上であれば良いが、基板の厚みムラを考慮して２０μｍとした。
【００４７】
導体膜２は、基板１の導体被覆面５上に表皮効果の影響を受けないように所定の厚さに形成されている。本実施形態では周波数が６０ＧＨｚの平面アンテナを想定しているので、導体膜の厚さは、例えば、２μｍ程度と設定できる。導体材料としては、銅や銀、ニッケルなどを用いることができる。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明のホットエンボス治具を用いた熱プレス装置により得られる基板表面の平坦性向上効果について実施例を用いて説明する。
【００４９】
（実施例）
図１に示す熱プレス装置を用意した。この熱プレス装置は、ホットエンボス治具２０、上ステージ１２、下ステージ１３、治具１４、１５、油圧機構１６、ヒーター１８、１９を備えている。ホットエンボス治具２０は、パターン７ａが形成されたパターン形成面７ｂを有する金型７と、凹部形状のパターン９ａが形成されたパターン形成面９ｂを有する金型９と、弾性シート１０と、抑え部材１１とを備えている。
【００５０】
金型７、９としては、半径６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円盤形状の金属部材を用いた。パターン７ａは、内部空間が柱型状の凹部であって、パターン形成面７ｂを金型９側から見たとき、パターン７ａの形状はマイナス型形状で、パターン形成面７ｂのパターン領域内にスパイラル状に形成されている。パターン９ａは、内部空間が柱型状の凹部であって、パターン形成面９ｂを金型７側から見たとき、パターン９ａの形状はプラス型形状で、パターン形成面９ｂのパターン領域の略中央部に形成されている。弾性シート１０としては、半径６０ｍｍで、厚さ２ｍｍの円盤形状で、硬度７０のシリコンゴム製のシートを用いた。抑え部材１１としては、厚さ２ｍｍのリング状のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４製）を用いた。リングの内径は、弾性シート１０の外径よりも僅かに大きく、リングの外径は、１３０ｍｍとした。
【００５１】
そして、まず、ホットエンボス治具２０の金型９の上面に、基板６を載せた。基板６としては、ポリプロピレン製で、半径５５ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの円盤形状のものを用いた。
【００５２】
次に、ヒーター１８、１９を用いて基板６を１７０℃で加熱しながら、油圧機構１６により上ステージ１２を下方向に移動させて、基板６の両主面６ａに対して３０ｋＮの荷重で約１２０秒間圧力を印加し、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂに形成されている凹部形状のパターン７ａ、９ａをそれぞれ、基板６の両主面６ａに転写した。
【００５３】
（比較例）
比較のために、図３に示す熱プレス装置を用意した。図３の熱プレス装置は、ホットエンボス治具１２０が抑え部材１１を有していないこと以外は、図１の熱プレス装置と同じ構成である。図３において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５４】
そして、上述した実施例と同様にして、基板６の両表面６ａに、金型７、９のパターン７ａ、９ａを転写した。
【００５５】
（基板表面の平坦性）
上記実施例及び上記比較例のパターン転写後の基板６の厚みムラのＰ−Ｐ値（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ）を測定したところ、上記比較例の場合、パターン転写後の基板６の両主面６ａにおいて、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂの中心に近い領域に対向する領域では厚みムラのＰ−Ｐ値が５μｍ以下であったが、パターン形成面７ｂ、９ｂの外周に近い部分に対向する領域では厚みムラのＰ−Ｐ値が５０μｍ以上であった。特に、パターン形成面７ｂ、９ｂの中心から半径５０ｍｍの領域よりも外側の領域に対向する領域において、厚みムラが大きくなっていた。これは、基板６に圧力が印加された際に、弾性シート１０の外周部分１０ａが外側（治具１５の面方向）に向かって押し広げられ、その結果、金型９のパターン形成面９ｂにおける、弾性シート１０の外周部分１０ａが重なる領域において、基板６が受ける圧力が減少したためであると考えられる。本明細書において、厚みムラのＰ-Ｐ値とは、基板６の厚みの最大値と最小値との差を表すものである。厚みムラのＰ−Ｐ値の測定方法として、レーザ変位計を用いた測定(非接触式測定法)やマイクロメータによる測定(接触式測定法)が挙げられる。
【００５６】
これに対し、上記実施例の場合、厚みムラのＰ−Ｐ値は、パターン転写後の基板６の両主面６ａの全面にわたって５μｍ以下であった。このことから、抑え部材１１によって、弾性シート１０の外周部分１０ａが外側（治具１５の面方向）に向かって押し広げられるのが抑制され、その結果、金型７、９のパターン形成面７ｂ、９ｂを基板６の両主面６ａの全面にわたって均等の力で押し付けることができ、金型７、９と基板６との接触面内における圧力分布を均一化できたと考えられる。
【００５７】
（金型のパターン領域及び基板の大きさ）
ここで、上記実施例の抑え部材１１を有するホットエンボス治具２０を用いた場合と、上記比較例の抑え部材１１を有さないホットエンボス治具１２０を用いた場合において、金型７、９と基板６との接触面に加えられる圧力の半径方向における分布をシミュレーションし、その結果を図４に示した。図４において、縦軸は圧力（ｋｇｆ／ｍｍ2）を示し、横軸は金型７、９の半径（ｍｍ）を示す。また、グラフＡは、ホットエンボス治具１２０を用いた場合の圧力分布を表し、グラフＢは、ホットエンボス治具２０を用いた場合の圧力分布を表している。金型７、９、基板６、弾性シート１０としては、半径６０ｍｍの円盤状のものを用いた。
【００５８】
図４のグラフＢから、抑え部材１１を有するホットエンボス治具２０を用いた場合、金型７、９と基板６との接触面内における圧力分布は、半径方向全域にわたってほぼ均一となっていることが分かる。これに対して、図４のグラフＡから、抑え部材１１を有さないホットエンボス治具１２０を用いた場合、金型７、９と基板６との接触面内における圧力分布は、半径４０ｍｍ程度まで（中央部分）はほぼ一様な圧力分布となるが、半径４０ｍｍを越えると（外周部分）圧力が減少し、特に半径５０ｍｍを超えると、ホットエンボス治具２０を用いた場合に比べて圧力が大きく下回っていることが分かる。
【００５９】
このような図４に示すシミュレーションの結果は、上述した実施例及び比較例のパターン転写後の基板の厚みムラの結果と略一致しており、基板６の両主面６ａに転写されたパターンの厚みムラの結果を再現していることになる。
【００６０】
ところで、上述した図４を見ると、グラフＡ及びＢのいずれも、金型７、９（図１）の外縁部Ｃ（半径６０ｍｍ付近）で圧力が少し大きくなっていた。これは、金型７、９（図１）のパターン形成面７ｂ、９ｂ（図１）の全面をパターン領域とした場合、金型７、９（図１）の外縁部２０２（後述の図５）において圧力が大きくなることにより、転写後の基板６（図１）に厚みムラが生じる虞があることを意味している。そのため、パターン領域の径は、金型７、９の径に対して小さくする必要がある。
【００６１】
図５は、金型７のパターン形成面７ｂ（図１）を金型９（図１）側から見た図である。図５に示す金型７のパターン形成面７ｂ（図１）において、金型７の中心とパターン領域２０１の中心とは一致しており、パターン領域２０１の中心からパターン領域２０１の外縁部までの最小距離（ここでは、パターン領域２０１の半径）をａとし、金型７の中心から金型７の外縁部２０２までの最小距離（ここでは、金型７の半径）をｂとする。それらの比率ａ／ｂを変化させたときのパターン転写後の基板６（図１）の厚みムラのＰ−Ｐ値を示したのが表１である。
【００６２】
【表１】
【００６３】
表１の結果より、ａ／ｂ＝０．９以下のときに良好な平坦性が得られていることが分かる。よって、パターン領域２０１は、金型７のパターン形成面７ｂ（図１）における、金型７の中心から外縁部２０２までの最小距離（ここでは、パターン形成面の半径ｂ）の０．９倍の距離を半径とする円の内側に存在するように設定する。
【００６４】
また、熱可塑性を有する基板６は加熱により軟化するため、プレス時に押し広げられ金型７、９に噛み込む危険がある。そのため、基板６の径は、金型７、９の径に対して小さくする必要がある。
【００６５】
図６は、金型７のパターン形成面７ｂ（図１）上に基板６を配置した状態を示す図である。図６において、金型７の中心から金型７の外縁部２０２までの最小距離（ここでは、金型７の半径）をｂとし、基板６の中心から基板６の外縁部３０１までの最小距離（ここでは、基板６の半径）をｃとする。このとき、基板６の中心と金型７の中心とを精度良く合わせ、それらの比率ｃ／ｂを変化させたときの基板６の噛み込みの有無を目視により観察した結果が表２である。
【００６６】
【表２】
【００６７】
表２の結果より、ｃ／ｂは、０．９５以下であることが好ましいことが分かる。よって、基板６は、金型７のパターン形成面７ｂ（図１）における、金型７の中心から金型７の外縁部２０２までの最小距離（ここでは、金型７の半径ｄ）の０．９５倍の距離を半径とする円の内側に接するように設定する。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明のホットエンボス治具、及びこれを用いた熱プレス装置は、金型と基板との接触面内における圧力分布を均一化でき、プレス後の基板表面の厚みムラを抑制できるものとして、例えば、平面アンテナ、光学デバイス、高周波フィルタなどの製造装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 基板
２ 導体膜
３ 放射用スロットパターン
４ 給電用スロットパターン
５ 導体被覆面
６ 基板
６ａ 主面
７ 金型
７ａ パターン
７ｂ パターン形成面
９ 金型
９ａ パターン
９ｂ パターン形成面
１０ 弾性シート
１０ａ 外周部分
１１ 抑え部材
１２ 上ステージ
１３ 下ステージ
１４ 治具
１５ 治具
１６ 油圧機構
１８ ヒーター
１９ ヒーター
２０ ホットエンボス治具
１２０ ホットエンボス治具
２０１ パターン領域
２０２ 外縁部
３０１ 外縁部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定のパターンを転写するためのホットエンボス治具であって、
一主面に、所定のパターンが形成されたパターン領域を有する平板状の第１の金型と、
一主面が前記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面に対向して配置され、前記第１の金型との間で前記基板を挟持可能な平板状の第２の金型と、
前記第１の金型及び前記第２の金型のうち、少なくとも一方の金型の前記基板が接する主面とは反対側の主面に密着して配置された、耐熱性を有する弾性シートと、
前記弾性シートの外周部分を囲むように配置された抑え部材とを含むことを特徴とするホットエンボス治具。
【請求項２】
前記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面において、前記パターン領域は、前記第１の金型の中心から前記第１の金型の外縁部までの最小距離の０．９倍の距離を半径とする円の内側に存在する請求項１に記載のホットエンボス治具。
【請求項３】
前記弾性シートは、フッ素ゴム又はシリコンゴムからなる請求項１または２に記載のホットエンボス治具。
【請求項４】
前記第２の金型の前記基板が接する主面に、所定のパターンが形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のホットエンボス治具。
【請求項５】
前記弾性シートは、前記第１の金型及び前記第２の金型の前記基板が接する主面とは反対側の主面にそれぞれ密着して配置されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のホットエンボス治具。
【請求項６】
前記基板は、前記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面における、前記第１の金型の中心から前記第１の金型の外縁部までの最小距離の０．９５倍の距離を半径とする円の内側に接する請求項１〜５のいずれか１項に記載のホットエンボス治具。
【請求項７】
熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定の温度及び荷重を印加して所定のパターンを転写する熱プレス装置であって、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のホットエンボス治具と、
前記ホットエンボス治具を支持し、前記ホットエンボス治具に対し圧力を印加するプレス機構と、
前記ホットエンボス治具を加熱するヒーター機構と、を含むことを特徴とする熱プレス装置。
【請求項１】
熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定のパターンを転写するためのホットエンボス治具であって、
一主面に、所定のパターンが形成されたパターン領域を有する平板状の第１の金型と、
一主面が前記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面に対向して配置され、前記第１の金型との間で前記基板を挟持可能な平板状の第２の金型と、
前記第１の金型及び前記第２の金型のうち、少なくとも一方の金型の前記基板が接する主面とは反対側の主面に密着して配置された、耐熱性を有する弾性シートと、
前記弾性シートの外周部分を囲むように配置された抑え部材とを含むことを特徴とするホットエンボス治具。
【請求項２】
前記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面において、前記パターン領域は、前記第１の金型の中心から前記第１の金型の外縁部までの最小距離の０．９倍の距離を半径とする円の内側に存在する請求項１に記載のホットエンボス治具。
【請求項３】
前記弾性シートは、フッ素ゴム又はシリコンゴムからなる請求項１または２に記載のホットエンボス治具。
【請求項４】
前記第２の金型の前記基板が接する主面に、所定のパターンが形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のホットエンボス治具。
【請求項５】
前記弾性シートは、前記第１の金型及び前記第２の金型の前記基板が接する主面とは反対側の主面にそれぞれ密着して配置されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のホットエンボス治具。
【請求項６】
前記基板は、前記第１の金型の前記パターンが形成されている側の主面における、前記第１の金型の中心から前記第１の金型の外縁部までの最小距離の０．９５倍の距離を半径とする円の内側に接する請求項１〜５のいずれか１項に記載のホットエンボス治具。
【請求項７】
熱可塑性を有する板状の基板の表面に所定の温度及び荷重を印加して所定のパターンを転写する熱プレス装置であって、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のホットエンボス治具と、
前記ホットエンボス治具を支持し、前記ホットエンボス治具に対し圧力を印加するプレス機構と、
前記ホットエンボス治具を加熱するヒーター機構と、を含むことを特徴とする熱プレス装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−４５７６８（Ｐ２０１２−４５７６８Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８８４０５（Ｐ２０１０−１８８４０５）
【出願日】平成２２年８月２５日（２０１０．８．２５）
【出願人】（５１１０８４５５５）日立マクセルエナジー株式会社 (212)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２５日（２０１０．８．２５）
【出願人】（５１１０８４５５５）日立マクセルエナジー株式会社 (212)
【Ｆターム（参考）】
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