JP2007160565A - ジンバル機構を備えた転写装置及び同装置を用いる転写方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 型を保持するためのフレキシブルな素材に代えてジンバル機構を採用して構造をシンプルにすると共に、押し付け力や温度変化等による位置ずれをより小さく抑える。
【解決手段】成形用の基板を搭載するテーブル１１と、転写用の型４１をテーブル１１の面側に固定保持する型保持体と、型保持体を一方の面側に保持すると共に他方の面側に凸球面部を形成してなるジンバル部材２０１と、前記凸球面部と対接する凹球面部を形成したジンバル部材２０３と、前記ジンバル部材２０３を保持しテーブル１１の面に対し進退可能な可動体１９と、弾性体２５５を用いて、前記ジンバル部材２０１の姿勢を調整保持する姿勢調整及び保持手段とを有する転写装置である。
【選択図】図４

Description

本発明は、型の表面に形成された微細な凹凸パターンを被成形品の表面に転写する転写装置に係り、特に成形時の圧力分布のばらつきを小さく抑えることができ、良好な成形品を作製することができる転写装置に関する。

近年、電子線描画法などで石英基板等に超微細なパターンを形成して型（テンプレート、スタンパ）を作製し、被成形品として被転写基板表面に形成されたレジスト膜に前記型を所定の圧力で押圧して、当該型に形成されたパターンを転写するナノインプリント技術が研究開発されている（非特許文献１参照）。

ところで、テンプレート、スタンパ等の型にリソグラフィ技術を用いて形成された超微細な凹凸のパターンを被成形品に押圧し転写するとき、前記パターンが形成された型の転写面と被成形品の表面とが密着しかつ均一に接触し、型に形成された微細な凹凸のパターンが被成形品に精確に転写されるように、被成形品の表面に対して前記型の姿勢を高精度に微調整する必要がある。

型の上記微調整を行なう構成として、前記非特許文献１においては、型を保持する保持部をフレキシブルな素材によって構成し、型の転写面を被成形品の表面へ押圧したときに、被成形品の表面に倣って型の保持部を従動的に被成形品の表面に追従させる構成である。

このように、従動的に型の姿勢を微調整する構成の場合、型を被成形品の表面に押圧したとき、被成形品に損傷を与えないようにできるだけ小さな圧力で押圧する必要があり、型の保持部は姿勢制御用の小さな圧力をもとに構成されている。

したがって、被成形品の表面に対する型の姿勢の微調整を行った後に、型の転写面に形成されているパターンを被成形品の表面に転写するには大きな圧力を加える必要がある。ところが、前述したように型の保持部が姿勢制御用の小さな圧力に対応するように構成されている場合には、転写に必要な大きな圧力を印加することができないという難点・課題がある。また、被成形品には用途に応じて色々な素材があり、型に形成したパターンを被成形品に転写する際にも転写圧を種々変更する必要がある。

また、この種の転写装置は、型と被成形品の互いに接触する表面の平行度を厳密に保つと共に型の押し付け、及び型離し時に型と被成形品の相互の押圧方向に対して直交する方向の位置ずれ（横ずれ）を抑える必要がある。

このため、従来、特開２００４−３４３００号公報に記載の装置が提案されている。この装置は、図９に示すように、Ｌ字型のフレーム１０１の下部水平部１０１ＡにＸＹステージ１０２を設けてその上に被成形品（公報では被加工材と称している）支持部１０３を搭載し、フレーム１０１の垂直部１０１Ｂの上部に上下方向の移動機構１０４を介して型支持部１０５を設けている。

そして、上記被成形品支持部１０３は、支持部材（被加工材支持部材）１０６とその上に設けられた磁性体１０７とからなり、この磁性体１０７の上に被成形品１０８をセットする。また、上記型支持部１０５は、移動機構１０４によって上下動される支持部材１０９と、その下面に弾性体１１０を介在させて取り付けられた磁石１１１を有し、この磁石１１１の下面に型１１２をセットする。

この従来装置は、弾性体１１０を介在させて平行度のずれを吸収すると共に、型１１２と被成形品１０８とを互いに押し付ける際、型１１２を支持する支持部材１０９と被成形品１０８を支持する支持部材１０６との間に、磁石１１１と磁性体１０７により磁気吸引力を働かせて、押し付け方向と直交する方向への相対移動、すなわち位置ずれ（横ずれ）を防止するようにしたものである。
特開２００４−３４３００号公報 Precision Engineering Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology

特許文献１に開示された装置は、磁石１１１と磁性体１０７による磁気吸引力により型１１２を被成形品１０８に押し付ける場合には、位置ずれ（横ずれ）を抑えることはできるが、磁気吸引力に加えて移動機構１０４により型１１２をより強く押し付けると、その反力によりフレーム１０１の垂直部１０１Ｂの上部が図７において左方へ反り、位置ずれ（横ずれ）を生じる。また、温度変化によりフレーム１０１が変形した場合にも、位置ずれ（横ずれ）を生じるという難点・課題がある。

本発明は、前述した課題を解決し、型を保持するためのフレキシブルな素材に代えてジンバル機構を採用して構造をシンプルにすると共に、押し付け力や温度変化等による位置ずれ（横ずれ）をより小さく抑えることのできる転写装置及び転写方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、成形用の基板を搭載するテーブルと、同テーブル面に対向して配置された転写用の型を前記テーブル面の側に固定保持する型保持体と、前記型保持体を一方の面側に保持すると共に他方の面側に凸球面部を形成してなる第１のジンバル部材と、前記第１のジンバル部材の凸球面部と対接する凹球面部を形成した第２のジンバル部材と、前記第２のジンバル部材を保持し、前記テーブル面に対し進退可能な可動体と、前記可動体を進退駆動せしめる可動体駆動手段と、弾性体、流体圧シリンダの少なくともいずれかを用いて、前記第１のジンバル部材の姿勢を調整保持する姿勢調整及び保持手段とを有する、ジンバル機構を備えた転写装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、前記姿勢調整及び保持手段は、前記第１のジンバル部材の中央部で前記第１のジンバル部材を前記第２のジンバル部材の方向に引くことによって、前記第１のジンバル部材の姿勢を調整保持する手段である、ジンバル機構を備えた転写装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、前記姿勢調整及び保持手段は、前記第２のジンバル部材から前記第１のジンバル部材に向けてエアーを噴射するため前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口されたエアー噴出用の管路と同管路に接続されたエアー源とを有する、ジンバル機構を備えた転写装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、前記姿勢調整及び保持手段は、前記型の前記基板への押し当て力を検出する検出手段を有し、前記検出手段により検出された押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合に前記エアーの噴出を停止するように構成されている、ジンバル機構を備えた転写装置である。

請求項５に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、前記姿勢調整及び保持手段は、前記第１のジンバル部材を前記第２のジンバル部材に向けて真空引きするため前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口された真空引き用の管路と同管路に接続された真空引き装置とを有する、ジンバル機構を備えた転写装置である。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、前記姿勢調整及び保持手段は、前記型の前記基板への押し当て力を検出する検出手段を有し、前記検出手段により検出された押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合に前記真空引きを開始するように構成されている、ジンバル機構を備えた転写装置である。

請求項７に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、前記姿勢調整及び保持手段は、前記第２のジンバル部材から前記第１のジンバル部材に向けてエアーを噴射するため前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口されたエアー噴出用の管路と同管路に接続されたエアー源とを有し、前記第１のジンバル部材を前記第２のジンバル部材に向けて真空引きするため前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口された真空引き用の管路と同管路に接続された真空引き装置とを有すると共に、前記型の前記基板への押し当て力を検出する検出手段を有し、前記検出手段により検出された押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合に前記エアーの噴出を停止すると共に前記真空引きを開始するように構成されている、ジンバル機構を備えた転写装置である。

請求項８に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置を用いて転写を行なう転写方法であって、前記型の前記基板への押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合には前記第２のジンバル部材の凹球面部から前記第１のジンバル部材の凸球面部に向けてのエアーの噴出を停止する転写方法である。

請求項９に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置を用いて転写を行なう転写方法であって、前記型の前記基板への押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合には、前記第１のジンバル部材の凸球面部を前記第２のジンバル部材の凹球面部に向けて真空引きする転写方法である。

請求項１０に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置を用いて転写を行なう転写方法であって、前記型の前記基板への押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合には、前記第２のジンバル部材の凹球面部から前記第１のジンバル部材の凸球面部に向けてのエアーの噴出を停止すると共に前記第１のジンバル部材の凸球面部を前記第２のジンバル部材の凹球面部に向けて真空引きする転写方法である。

この発明によれば、第１のジンバル部材、第２のジンバル部材を有するジンバル機構を採用し第１のジンバル部材に対する密着力を弾性体等を用いて調整することで、第１のジンバル部材に取り付けられている型の姿勢を容易に調整・保持させることが可能となる。

図１〜図３は、本発明の実施形態に係る転写装置の全体的構成を例示するものであって、図１、図２において、符号１は転写装置、３は本体フレームである。本体フレーム３は、図１に示すように、側面視した場合の形状は概ねＬ字型をしており、下部側にベースフレームとしての四角形状の下部フレーム７が一体的に取り付けられている。下部フレーム７の４隅には、それぞれタイバー９が本体フレーム３の垂直部と平行に立設され、タイバー９の上端には、駆動手段を支持するための支持フレームとしての四角形状の上部フレーム５が取り付けられている。タイバー９には、前記上部フレーム５と下部フレーム７との間において、四角形状の可動体１９がタイバー９に沿う方向（テーブル１１に対し接近しまたは離反する方向））すなわち上下に移動自在に遊嵌されている。

本体フレーム３の上部は、上部フレーム５及び可動体１９の左右両側面における前後方向のほぼ半分（中間）の位置に達するように前方（図１において右方）に突出し、その先端には上下に伸びるリニアガイド（案内手段）２１が取り付けられている。上部フレーム５と可動体１９の左右両側面には、リニアガイド２１に係合して、例えば零クリアランスの状態で上下に精密に案内移動されるスライダ２３、２４が取り付けられている。

上記説明より理解されるように、前記本体フレーム３は、前記下部フレーム（ベースフレーム）７を支持するフレーム支持部３Ａを一端側（下端側）に備えることにより、側面視したときに、図１に示すように概ねＬ字形を呈するものである。そして、前記本体フレーム３の他端側（上端側）の左右両側（図１において紙面に垂直な方向の両側）に、前記リニアガイド２１を備えたガイドフレーム３Ｂを前方に突出して備えることにより、上端側（他端側）に凹部を形成した構成である。

そして、前記上部フレーム５及び前記可動体１９は、図３に示すように、本体フレーム３における左右の前記ガイドフレーム３Ｂの間に配置してあり、前記上部フレーム５、可動体１９に備えた前記スライダ２３、２４は、上部フレーム５、可動体１９の前後方向（図１、図３において左右方向）及び左右方向（図１において紙面に垂直な方向、図３において上下方向）の中心を中心として対称的な位置において前記リニアガイド２１に移動可能に係合してある。なお、図１には、前記リニアガイド２１は、前記スライダ２３、２４に共通化してあるが、前記スライダ２３、２４にそれぞれ対応したリニアガイドを別個に設けることも可能である。しかし、加工の容易性、互いの平行度の加工精度を考慮すると、スライダ２３、２４に対してリニアガイド２１を共通に設けることが望ましいものである。

ここに、上部フレーム５は、タイバー９を介して下部フレーム７及び本体フレーム３に固定されているが、後述する型の押し付け力や温度変化等によりタイバー９が伸縮したとき、上部フレーム５の上下動を許すと共に、タイバー９の曲がりや伸縮によって生じるタイバー９と垂直な面内における上部フレーム５の位置ずれ（横ずれ）を防止するために、上記リニアガイド２１とスライダ２３が設けられている。これは、上部フレーム５の位置ずれ（横ずれ）をより確実に防止するためのものであり、上部フレーム５は、本体フレーム３から切り離し、タイバー９により下部フレーム７に連結固定するのみでもよい。

可動体１９は、上記のようにタイバー９には遊嵌されているため、リニアガイド２１とスライダ２４により上下方向への移動を精密に案内される。

上記リニアガイド２１及びスライダ２３，２４は、上部フレーム５及び可動体１９自体の温度変化による位置ずれ（横ずれ）を防止するため、上部フレーム５及び可動体１９の前後左右の中心に対して対称の位置に配置することが好ましい。

下部フレーム７の上面中央には、上に向かって垂直に伸びる固定台１０が取り付けられている。固定台１０の上には、図２に示すように、Ｘ，Ｙテーブル等のＸ，Ｙ方向（前後左右方向）へ移動可能かつ微調整して位置決め可能な可動テーブル１１が設けられ、この可動テーブル１１の上には、被成形品１３を支持する支持台１５が設けられている。そして、被成形材料が供給された基板（被成形品１３）が、可動テーブル１１に搭載されるようになっている。可動テーブル１１は、リニアガイドとスライダにより案内され、サーボモータにより駆動されるもので、公知の構成であるため、詳述を避ける。

被成形品１３は、例えば、シリコン、ガラス、セラミック等の適宜な材料よりなる基板の上面に熱硬化樹脂等からなるレジストを用いた被成形層（図示せず；成形材料）を数１０ｎｍ〜数μｍの厚さに塗布した薄膜を備えた構成である。なお、支持台１５には、上記被成形層を加熱軟化させて成形を容易にするためのヒータのような加熱手段（図示せず）が内蔵してある場合がある。

図２に示すように、可動体１９の下面中央（前記ベースフレームに対向した対向面の中央）には、型４１の基板（被成形品１３）への押し当て力を検出する検出手段の例であるロードセル４６を介して、旋回台４７が可動体１９の下面中央を中心として旋回可能かつ所定の角度位置に固定可能に取り付けられている。この旋回台４７には、ジンバル機構４５を介して型支持プレート４３が取り付けられ、この型支持プレート４３に型４１が着脱可能に装着される。

ジンバル機構４５は、型４１の型表面（図２において下面）中央を中心とする球面を有し、型４１が上記型表面の中央を中心として自在に傾動可能になっている。型４１は、型表面（図２において下面）にリソグラフィ技術を用いて微細な凹凸のパターンが形成されている。上記型支持プレート４３、ジンバル機構４５、旋回台４７及びロードセル４６は、いずれも中央に貫通穴４３Ａ等を有している。

支持フレームとしての前記上部フレーム５には、前記可動体１９を移動する（上下方向に進退駆動せしめる）ための駆動手段の一例としてのサーボモータ３３が装着支持されている。サーボモータ３３の出力軸３５は、軸受２９により上部フレーム５に回転のみ自在に取り付けられた中空軸３１に連結され、中空軸３１の下端には、ボールねじ機構２５を構成するボールねじナット２６が取り付けられている。このボールねじナット２６には、可動体１９の前後左右の中央部(中心)に垂直に取り付固定されたボールねじ軸２７が係合し、可動体１９を所定の速度及びトルクで上下に移動させるようになっている。なお、参照符号３３Ａはサーボモータ３３の回転位置を検出するロータリーエンコーダである。

上部フレーム５には、バランス取り手段の一例としてのバランスシリンダ５０が、図３に示すように、可動体１９の中心を中心として対称な位置に複数設けられている。これらのバランスシリンダ５０のピストンロッド５２は、それぞれ可動体１９に連結され、重力による可動体１９の下向きの荷重を相殺するようになっている。

可動体１９の下面には、型支持プレート４３等を囲むリング状の上カバー５４が取り付けられている。他方、下部フレーム７側には、下端を固定台１０の周面に移動可能に係合され、上端を上記上カバー５４の下端に当接可能に形成されて可動テーブル１１等を囲む同じくリング状の下カバー５６が取り付けられている。この下カバー５６は、下部フレーム７に取り付けられた上下動用アクチュエータの一例としての複数のシリンダ５８により上下に移動され、上カバー５４とにより、型支持プレート４３及び可動テーブル１１の周囲に開閉可能な成形室６０を形成するようになっている。

次いでこの転写装置の作用について説明する。上下動用アクチュエータとしてのシリンダ５８により下カバー５６を下降させて成形室６０を開き、型４１を型支持プレート４３に取り付け、型４１の中央を中心とする水平な回転方向の取り付角度（型の方向性）を旋回台４７により微調整する。なお、この型４１の取り付角度調整は、型取り付時のみでなく、マークを用いた公知の位置合わせ手段により、支持台１５上にセットされた被成形品１３に合わせてその都度、自動的に微調整するようにしてもよい。

上記のように型４１をセットした後、上面に被成形層を塗布した被成形品１３を支持台１５上にセットする。

次いでシリンダ５８により下カバー５６を上昇させて成形室６０を閉じ、サーボモータ３３のトルクを比較的小さな値に設定した状態で可動体１９を下降させて型４１を被成形品１３に接近移動し、型４１を被成形品１３の上面に比較的小さな押し付け力で押圧する。

このとき、可動体１９は、左右両側方に配置されたリニアガイド２１及びスライダ２４により、移動方向に対して直交する方向への位置ずれ（横ずれ）をより小さく抑えられて下降し、被成形品１３の所定位置に向けて押し付けられる。また、このとき、可動体１９は、バランスシリンダ５０により重力による下向きの荷重を相殺されているため、サーボモータ３３はより小さなトルクで作動可能であり、トルク及び速度をより正確に制御されて下降する。

型４１が被成形品１３に押し付けられる際、両者の当接面（接触面）の平行度にずれがあると、型４１はジンバル機構４５により傾動自在に支持されているため、被成形品１３の上面に倣って型４１の全面が均一な面圧で押し付けられる。このとき、ジンバル機構４５は、型４１の型表面（図２において下面）中央を中心とする球面により、型表面の中央を中心として傾動するため、横方向（水平方向）の位置ずれを生じない。

上記押し付け力は、ロードセル４６により検出され、サーボモータ３３にフィードバックされて所定の値に保たれる。このときにも、可動体１９の荷重は、バランスシリンダ５０により相殺され、サーボモータ３３のトルクはより小さな値であるため、トルク制御がより正確に行われる。

こうして比較的小さな押し付け力による押し付けが完了したところで、ジンバル機構４５の空気軸受をたとえば負圧にして（詳しくは、ジンバル機構４５の詳しい説明のところで後程述べるように真空吸着等して）型４１の姿勢を不動状態に固定した後、サーボモータ３３のトルクを増加させる。このトルク増加により型４１は、被成形品１３の上面に塗布された被成形層に強く押し付けられ、型４１の表面に形成された微細な凹凸のパターンを被成形品１３の被成形層に転写する。

この型４１の強い押し付け力により、タイバー９は極くわずかではあるが伸び、上部フレーム５を上方向へ変位させる。この上部フレーム５の変位はリニアガイド２１とスライダ２３により吸収され、本体フレーム３の上部を図１において左方へ反らせるような不具合は生じない。そこで、型４１の押し付けに伴う型４１の移動方向に対して直交する方向の位置ずれ（横ずれ）が抑えられる。

また、上部フレーム５は、上記リニアガイド２１とスライダ２３により支持されているため、複数のタイバー９の伸びに差が生じるような場合にも、上部フレーム５の位置ずれ（横ずれ）は小さく抑えられ、型４１の位置ずれ（横ずれ）を小さく抑える。

なお、このタイバー９の伸びの差は、型４１の押し付け力が比較的小さい場合には、極めてわずかであるため、上記リニアガイド２１とスライダ２３による上部フレーム５の案内手段は省略してもよい。

上記転写の後、被成形層を硬化させ、被成形層を硬化させた後、型４１の姿勢を固定したままサーボモータ３３により可動体１９を上昇させて型４１を被成形品１３から離す。次いでシリンダ５８により下カバー５６を下降させて成形室６０を開き、被成形品１３を取り出して一連の転写動作を終了する。

ここで、ジンバル機構４５について詳しく説明する。

図４〜図７は、前記ジンバル機構４５の詳細を示す図であり、図４はジンバル機構４５の垂直方向縦断面図、図５はジンバル機構の球面部およびこの近傍の拡大図、図６は第２のジンバル部材の球面部を示す図であると共に図５におけるＶＩ矢視図、図７は図４のＶＩＩ矢視図である。

図４において、それぞれ中心部に貫通孔を備えて、上方に凸球面部を有する下側ジンバル部材（第１のジンバル部材）２０１と下方に凹球面部を有する上側ジンバル部材（第２のジンバル部材）２０３とが対接配置されている。なお、下側ジンバル部材２０１に凹球面部を設け上側ジンバル部材２０３に凸球面部を設けた構成にしてもよい。

下側ジンバル部材２０１の下面には断熱材２０７を介して型保持体２０５が固定（保持）されている。型保持体２０５の下面（テーブル１１の面側）には型４１が取り付けられている。またその内部にはヒータ２０９が内蔵されている。内部にヒータ２０９に加え、冷却装置（図示せず）を内蔵することも可能である。

ジンバル機構４５には、下側ジンバル部材２０１の姿勢を調整保持する姿勢調整及び保持手段が設けられている。この姿勢調整及び保持手段は、弾性体（たとえば引っ張りコイルばね）２５５を用いて、下側ジンバル部材２０１を上側ジンバル部材２０３の方向に付勢し下側ジンバル部材２０１の姿勢を調整保持するようになっている。

また、前記姿勢調整及び保持手段は、下側ジンバル部材２０１の中央部（凸球面部のほぼ中心部）で下側ジンバル部材２０１を上側ジンバル部材２０３の方向（真上方向；下側ジンバル部材２０１の旋回中心ｃｐ１から下側ジンバル部材２０１の凸球面部の中心ｃｐ３へ向かう方向）に引くことによって、下側ジンバル部材２０１の姿勢を調整保持している。

より詳しく説明すると、引っ張りコイルばね２５５は、上端がボルト等の係止部材２５３を介して可動体１９に係止され、下端がボルト等の係止部材２５１を介して断熱材２０７に係止され、上側ジンバル部材２０３の中心軸ａｘに沿って上下方向に延伸している。そして、図４に示す状態では、引っ張りコイルばね２５５は延ばされており、下側ジンバル部材２０１と断熱材２０７と型保持体２０５とヒータ２０９と型４１の合計重量（質量×重力加速度）よりも僅かに大きな力αで、下側ジンバル部材２０１等を引っ張り上げている。したがって、下側ジンバル部材２０１の凸球面部と上側ジンバル部材２０３の凹球面部との間は、前記力αで付勢されている。

なお、ボルト２５１と引っ張りコイルばね２５５との間や引っ張りコイルばね２５５とボルト２５３との間をリング状の部材やスラストベアリング機構を用いて接続することにより、前記中心軸ａｘを中心にして引っ張りコイルばね２５５や下側ジンバル部材２０１が容易に旋回するようにすることが望ましい。また、ばね２５５の長さが図４の中心ｃｐ１と中心ｃｐ３との間の距離よりも十分に長いことが望ましい。

ところで、引っ張りコイルばね２５５の代わりに、流体圧シリンダ（たとえば、空気圧シリンダ）を用いて、姿勢調整及び保持手段を構成してもよい。すなわち、空気圧シリンダのシリンダ本体部の端部（シリンダロッドが延出している側とは反対側の端部）を、前記ボルト２５３に揺動自在に係合し、前記空気圧シリンダのシリンダロッドの先端部を前記ボルト２５１に揺動自在に係合した構成にしてもよい。さらに、ばね２５５の代わりに、紐状のゴムを用いてもよい。

また、前記姿勢調整及び保持手段は、上側ジンバル部材２０３から下側ジンバル部材２０１に向けてエアーを噴射するためのエアー噴出用の管路２１３と、この管路２１３に接続しているエアー源（圧縮エアー供給源）２１７とを備えている。管路２１３は、上側ジンバル部材２０３の内部に形成され且つ上側ジンバル部材２０３の凹球面部に開口している。

また、前記姿勢調整及び保持手段は、下側ジンバル部材２０１を上側ジンバル部材２０３に向けて真空引きするための真空引き用の管路２１１と、この管路２１１に接続されている真空引き装置（負圧発生手段）２１５とを備えている。管路２１１は、上側ジンバル部材２０３の内部に形成され且つ上側ジンバル部材２０３の凹球面部に開口している。

そして、図示しない制御装置の制御の下、被成形品１３の成形中において、型４１の基板（被成形品１３）への押し当て力をロードセル４６で検出し、前記押し当て力が所定の値よりも小さい場合は、前記真空引き（管路２１１からの真空引き）を停止しておくと共に前記エアーの噴出を行い、ロードセル４６により検出された押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合にエアーの噴出（管路２１３からのエアーの噴出）を停止すると共に前記真空引きを開始するように構成されている。

さらに説明すると、上側ジンバル部材２０３には、前記対接面（凹球面部）に開口する大気開放用管路２１６が設けられている。

また、図６に示すように、上側ジンバル部材２０３の球面部には、リング状の各溝３０１、３０３、３０５、３０７、３０９が設けられている。これらの各リング状の溝は、上側ジンバル部材２０３の球面部の中心を中心とする同心円になっていると共に、互いが離れて設けられている。また、最も内側に位置している溝３０１と最も外側に位置している溝３０９とには、真空引き装置２１５へ接続されている吸引用管路２１１が連通しており、前記各溝３０１、３０９の間に位置している溝３０３、３０７には、大気開放用管路２１６が連通しており、前記溝３０３、３０７の間に位置している溝３０５には、圧縮エアー供給源２１７へ接続されている浮上用管路２１３が連通している。

このように、溝３０１と溝３０５との間に溝３０３が設けられ、溝３０５と溝３０９との間に溝３０７が設けられていることにより、管路２１３から噴出したエアーが管路２１１に入り込むことを防止することができる。

下側ジンバル部材２０１の凸球面部には、この凸球面部に隣接して張出し部の傾斜面２１９が形成されている。この傾斜面２１９は、図４に示すように、下側ジンバル部材２０１の軸心に対して上側が離反するように傾斜した傾斜面又は上部側が大径となるテーパ面に形成してある。また、上側ジンバル部材２０３にも、前記傾斜面２１９に対向した傾斜面（テーパ面）２２０か形成されている。傾斜面２１９と傾斜面２２０とは、ごく僅かに離れている。

参照符号２１８は調整ライナであって、下側ジンバル部材２０１の傾斜面２１９と上側ジンバル部材２０３の対向面（傾斜面）２２０との間隔を調整するものである。

上側ジンバル部材２０３の上面には回動部材２３５が固定されており、回動部材２３５の内周側には回転軸受２３７を介して内側固定部材２３９が配設されている。さらに、内側固定部材２３９の上面にはプレート２４１が取り付け固定されている。前記プレート２４１及び内側固定部材２３９には圧縮エアーを導入する管路（たとえば、圧縮エアー供給源２１７に接続されている管路）２４３が形成されている。この圧縮エアーは図示の如く回動部材２３５を上下方向で静圧的に浮上させている。

図７に示されているように、回動部材２３５は一対のピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂにより時計方向及び反時計方向に回動されることが可能である。なお、ピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂはそのフレームがプレート２４１に固定されている。

上述のピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂはそれぞれオプションとして設けることができる。即ち、ＣＤ、ＤＶＤなどのように円周上に微細な凹凸が形成されたものを成形品とする場合のように、ジンバル機構４５の旋回、回動をさせる必要がない場合は前記回動部材２３５、内側固定部材２３９及びピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂを省略することが可能である。

図４において、プレート２４１の上面にはロードセル４６が一体的に設けられている。参照符号４６Ａは信号取り出し用端子である。ロードセル４６の上面は、可動体９に一体的に設置されている。

なお、上側ジンバル部材２０３から下側ジンバル部材２０１に向けてエアーを噴射する代わりに、下側ジンバル部材２０１から上側ジンバル部材２０３に向けてエアーを噴射してもよい。また、下側ジンバル部材２０１を上側ジンバル部材２０３に向けて真空引きする際、真空引き用の管路を下側ジンバル部材２０１に設けてもよい。

次に、転写装置１で転写を行なう場合におけるジンバル機構４５等の動作について説明する。

図８は、転写装置１で転写を行なう場合におけるジンバル機構４５等の動作を示すフローチャートである。

まず、初期状態として、可動体１９が上昇していると共に、型４１、被成形品１３がセットされているものとする。また、各管路２１１、２１３を用いた真空引きやエアー噴出を停止してあるものとする。

この初期状態から、図示しない制御手段の制御の下、可動体１９が所定の位置（型４１と被成形品１３とが僅かに離れている位置）まで高速下降する（Ｓ１、Ｓ３）。

所定の位置まで下降したら、可動体１９の下降速度を低速に切り換えると共に、管路２１３よりエアーを噴出して（Ｓ５）上側ジンバル部材２０３の球面部と下側ジンバル部材２０１の球面部との間にごく僅かな隙間を形成し、上側ジンバル部材２０３に対して下側ジンバル部材２０１が旋回中心ｃｐ１を中心にして旋回しやすいようにする。この際、管路２１１からの真空引きは停止してある。

続いて、ロードセル４６により検出された力が所定の値を超えたか否かを検出する（Ｓ７）。なお、ロードセル４６により検出された力が所定の値を超えるときに、型４１が被成形品１３の姿勢に倣うものである。

力が所定の値を超えたときには、管路２１３からのエアーの噴出を停止すると共に管路２１１からの真空引きを行ない（Ｓ９）、下側ジンバル部材２０１の球面部を上側ジンバル部材２０３の球面部に真空吸着し上側ジンバル部材２０３に対して下側ジンバル部材２０１が旋回等（揺動等）しないように固定する。

続いて、型４１を被成形品１３に所定の力で所定の時間押し付け被成形品１３の被成形材料を熱硬化させて転写を行ない（Ｓ１１）、転写終了後は、可動体１９を高速上昇させて（Ｓ１３）次の転写に備える。

転写装置１によれば、型４１を保持するためのフレキシブルな素材に代えてジンバル機構４５を採用してあるので、構造がシンプルになっていると共に、押し付け力や温度変化等による型４１と被成形品１３の位置ずれ（横ずれ）をより小さく抑えることができる。

また、可動体１９が両側面のほぼ中央位置で案内手段により支持されているため、フレームが温度変化により変形しても可動体１９の位置ずれ（横ずれ）をより小さく抑えることができる。このため、押し付け力や温度変化に対する型４１と被成形品１３の位置ずれ（横ずれ）をより小さく抑えることができる。

さらに、特願２００５−１３２９７４で提案されている転写装置のジンバル機構では、エアーの噴き出しと真空吸着とにより、第１のジンバル部材の姿勢を調整保持するように構成されているので、たとえばエアー圧力の僅かな変動により、ジンバル機構の姿勢を調整することが困難になる場合がある。

しかし、転写装置１によれば、ばね２５５を用いて、下側ジンバル部材２０１の姿勢を調整保持するように構成されているので、下側ジンバル部材２０１の姿勢にかかわらず、ほぼ一定の力で下側ジンバル部材２０１を付勢することができ、エアー圧の微妙な調整が不要になり、ジンバル機構４５の姿勢を調整保持することが容易になる。

また、転写装置１によれば、下側ジンバル部材２０１の中央部で下側ジンバル部材２０１を上側ジンバル部材２０３の方向に引くことによって下側ジンバル部材２０１の姿勢を調整保持するように構成されているので、ばね２５５による付勢力のベクトルの延長上またはこの近傍に、下側ジンバル部材２０１の旋回中心ｃｐ１が存在しており、下側ジンバル部材２０１が旋回する際、前記ばね２５５による抗力（下側ジンバル部材２０１の旋回を阻止しようとするモーメントであって、前記ばね２５５の引っ張り力により発生するモーメント）を小さくすることがでる。したがって、被成形品１３の成形中に型４１が前記被成形品１３の姿勢に一層倣いやすくなる。

さらに、転写装置１によれば、被成形品１３の成形中において、ロードセル４６により検出された押し当て力が所定の値よりも小さい場合は、真空引きを停止しておくと共にエアーの噴出を行うようにしているので、下側ジンバル部材２０１の凸球面部が上側ジンバル部材２０３の凹球面部に密着することを防止することができ、小さな力で下側ジンバル部材２０１が旋回することができ、被成形品１３の成形中に型４１が前記被成形品１３の姿勢にさらに一層倣いやすくなる。

また、押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合にエアーの噴出を停止すると共に真空引きを開始するように構成されているので、被成形品１３の成形中に型４１が前記被成形品１３の姿勢に倣った後は、下側ジンバル部材２０１の凸球面部が上側ジンバル部材２０３の凹球面部に密着し、下側ジンバル部材２０１の姿勢が保持され、より正確な転写を行うことができる。

ところで、転写装置１において真空引きを行なうための管路２１１等を削除し、被成形品１３の成形動作中（下側ジンバル部材２０１の姿勢を調整している間も含む）において、継続して管路２１３からエアーを噴出していてもよい。また、被成形品１３の成形中において、ロードセル４６により検出された押し当て力が所定の値よりも小さい場合はエアーの噴出を行ない、ロードセル１６により検出された押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合に前記エアーの噴出を停止するように構成してもよい。

また、転写装置１においてエアーの噴出を行なうための管路２１３等を削除し、被成形品１３の成形中において、ロードセル４６により検出された押し当て力が所定の値よりも小さい場合は真空引きを停止しておき、ロードセル４６により検出された押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合に前記真空引きを開始するように構成してもよい。

なお、前述した転写装置１（ジンバル機構４５）の動作では、型４１を被成形品１３の成形面に直接押し当てて型４１を倣わせているが、被成形品１３のたとえば近くに調整用の面を設け、この調整用の面に型４１を押し当てて型４１を倣わせてもよい。

また、図１や図２に示した構成を上下逆にすることや、横にすることも可能である。すなわち、前記説明においては縦型の構成の場合について例示したが、縦型であって上下逆の構成や横型の構成とすることも可能であり、種々の構成を採用することができる。

さらに、前記引っ張りコイルばね２５５を用いることに代えてまたは加えて、図４や図７に二点鎖線で示すように流体圧シリンダ（たとえば、空気圧シリンダ）２５７を適宜設け、下側ジンバル部材２０１の傾斜面２１９を付勢し、下側ジンバル部材２０１の球面部を上側ジンバル部材２０３の球面部に押し付けてもよい。また、流体圧シリンダ２５７に代えてまたは加えて弾性体（たとえば圧縮コイルばね）を用いて、下側ジンバル部材２０１の傾斜面２１９を付勢し、下側ジンバル部材２０１の球面部を上側ジンバル部材２０３の球面部に押し付けてもよい。

この発明による転写装置の一実施形態例を示す左側面図である。 図１のＡ−Ａ線による断面図である。 図１の平面図である。 本発明のジンバル機構の垂直方向の縦断面図である。 ジンバル機構の球面部およびこの近傍の拡大図である。 図５におけるＶＩ矢視図である。 図４におけるＶＩＩ矢視図である。 ジンバル機構等の動作を示すフローチャートである。 従来の転写装置の構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 転写装置
３ 本体フレーム
５ 上部フレーム（支持フレーム）
７ 下部フレーム（ベースフレーム）
９ タイバー
１０ 固定台
１１ 可動テーブル
１３ 被成形品
１５ 支持台
１９ 可動体
２１ リニアガイド（案内手段）
２３、２４ スライダ（案内手段）
２５ ボールねじ機構
２６ ボールねじナット
２７ ボールねじ軸
２９ 軸受
３１ 中空軸
３３ サーボモータ
３５ 出力軸
４１ 型
４３Ａ 貫通穴
４３ 型支持プレート
４５ ジンバル機構
４６ ロードセル
４７ 旋回台
５０ バランスシリンダ（バランス取り手段）
５２ ピストンロッド
５４ 上カバー
５６ 下カバー
５８ シリンダ
６０ 成形室
２０１ 下側ジンバル部材
２０３ 上側ジンバル部材
２０５ 型保持体
２０７ 断熱材
２１１ 吸引用管路
２１３ 浮上用管路
２１５ 真空引き装置
２１７ 圧縮エアー供給源
２５５ コイルばね

Claims (10)

1. 以下の構成を有することを特徴とする、ジンバル機構を備えた転写装置、
   （ａ）成形用の基板を搭載するテーブル；
   （ｂ）同テーブル面に対向して配置された転写用の型を前記テーブル面の側に固定保持する型保持体；
   （ｃ）前記型保持体を一方の面側に保持すると共に他方の面側に凸球面部を形成してなる第１のジンバル部材；
   （ｄ）前記第１のジンバル部材の凸球面部と対接する凹球面部を形成した第２のジンバル部材；
   （ｅ）前記第２のジンバル部材を保持し、前記テーブル面に対し進退可能な可動体；
   （ｆ）前記可動体を進退駆動せしめる可動体駆動手段；
   （ｇ）弾性体、流体圧シリンダの少なくともいずれかを用いて、前記第１のジンバル部材の姿勢を調整保持する姿勢調整及び保持手段。
2. 請求項１に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記姿勢調整及び保持手段は、前記第１のジンバル部材の中央部で前記第１のジンバル部材を前記第２のジンバル部材の方向に引くことによって、前記第１のジンバル部材の姿勢を調整保持する手段であることを特徴とする、ジンバル機構を備えた転写装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記姿勢調整及び保持手段は、前記第２のジンバル部材から前記第１のジンバル部材に向けてエアーを噴射するため前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口されたエアー噴出用の管路と同管路に接続されたエアー源とを有することを特徴とする、ジンバル機構を備えた転写装置。
4. 請求項３に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記姿勢調整及び保持手段は、前記型の前記基板への押し当て力を検出する検出手段を有し、前記検出手段により検出された押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合に前記エアーの噴出を停止するように構成されていることを特徴とする、ジンバル機構を備えた転写装置。
5. 請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記姿勢調整及び保持手段は、前記第１のジンバル部材を前記第２のジンバル部材に向けて真空引きするため前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口された真空引き用の管路と同管路に接続された真空引き装置とを有することを特徴とする、ジンバル機構を備えた転写装置。
6. 請求項５に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記姿勢調整及び保持手段は、前記型の前記基板への押し当て力を検出する検出手段を有し、前記検出手段により検出された押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合に前記真空引きを開始するように構成されていることを特徴とする、ジンバル機構を備えた転写装置。
7. 請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記姿勢調整及び保持手段は、前記第２のジンバル部材から前記第１のジンバル部材に向けてエアーを噴射するため前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口されたエアー噴出用の管路と同管路に接続されたエアー源とを有し、前記第１のジンバル部材を前記第２のジンバル部材に向けて真空引きするため前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口された真空引き用の管路と同管路に接続された真空引き装置とを有すると共に、前記型の前記基板への押し当て力を検出する検出手段を有し、前記検出手段により検出された押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合に前記エアーの噴出を停止すると共に前記真空引きを開始するように構成されていることを特徴とする、ジンバル機構を備えた転写装置。
8. 請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置を用いて転写を行なう転写方法であって、
   前記型の前記基板への押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合には前記第２のジンバル部材の凹球面部から前記第１のジンバル部材の凸球面部に向けてのエアーの噴出を停止することを特徴とする転写方法。
9. 請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置を用いて転写を行なう転写方法であって、
   前記型の前記基板への押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合には、前記第１のジンバル部材の凸球面部を前記第２のジンバル部材の凹球面部に向けて真空引きすることを特徴とする転写方法。
10. 請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置を用いて転写を行なう転写方法であって、
    前記型の前記基板への押し当て力が所定の値よりも大きくなった場合には、前記第２のジンバル部材の凹球面部から前記第１のジンバル部材の凸球面部に向けてのエアーの噴出を停止すると共に前記第１のジンバル部材の凸球面部を前記第２のジンバル部材の凹球面部に向けて真空引きすることを特徴とする転写方法。
    
    

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