JP2006007755A - 熱転写プレス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱転写プレス装置でスタンパの加熱に要する時間を短縮する。
【解決手段】
下ケース１１および上ケース１２の少なくとも一方に設けられた型は、基台２１と、加工対象物２に型を転写するためのスタンパ２７と、内部に流体が流れるための流路３１を有し、基台２１とスタンパ２７との間に設けられてスタンパ２７を保持するとともに、スタンパ２７を加熱および冷却するための温度調節プレート３と、スタンパ２７を加熱するときに、流路３１へ高温流体を流すための高温流体循環装置４１と、スタンパ２７を冷却するときに、流路３１へ低温流体を流すための低温流体循環装置４３と、を備える熱転写プレス装置。
【選択図】 図５

Description

本発明は熱転写プレス装置に関し、特に、板状の熱可塑性樹脂にスタンパで熱転写する熱転写プレス装置に関する。

液晶ディスプレイパネルで用いられる熱可塑性樹脂製の導光板をプレス成形により製造するための技術が知られている（例えば、特許文献１、２）。ここで、特許文献２では、プレス成形時にスタンパを加熱するために電気抵抗により発熱する抵抗加熱板を用いている。また、抵抗加熱板の背後に温度調節用媒体による冷却盤が配置されている。

特開２００３−２５５３４１号公報 特開２００４−７４７６９号公報

熱転写によるプレス成形を行うとき、加工対象物を加熱してプレス成形した後、加工対象物を冷却する必要がある。従って、連続的にプレスを行うときは、加熱および冷却のサイクルを短くすることにより、生産効率が向上する。しかしながら、特許文献２のように抵抗加熱板を用いて加熱する場合は、大容量の電源を用いない限り目標の温度に短時間で到達させることは難しい。加えて、冷却時には抵抗加熱板が熱抵抗として作用するため、高速で冷却することも難しい。

そこで、本発明の目的は、熱転写プレス装置でスタンパを短時間で目的の温度に到達させるように制御することである。

本発明の他の目的は、熱転写プレス装置における加熱および冷却時の温度の昇降する速度を速くし、加熱、冷却のサイクルを短くすることである。

本発明の一つの態様に従う熱転写プレス装置は、熱転写プレス装置（１）であって、熱転写するためのスタンパ（２７）と、前記スタンパを加熱および冷却するための温度調節部（３）と、を備える。そして、前記温度調節部は、内部に流体が流れるための流路（３１）を有している。

これにより、スタンパの加熱および冷却する際に、短時間で目的の温度に到達させることができる。

好適な実施形態では、前記温度調節部に取り付けられた薄膜ヒータ（２５）をさらに備えるようにしてもよい。

これにより、加熱に要する時間をさらに短縮することができる。

好適な実施形態では、前記温度調節部は、前記スタンパを保持しており、前記スタンパを保持した反対側に断熱板（２３）をさらに備えることもできる。

これにより、温度調節部からスタンパへの熱伝導が効率的に行われる。

以下、本発明の一実施形態に係る熱転写プレス装置について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る熱転写プレス装置１の構成を示す断面図である。同図において、熱転写プレス装置１は、それぞれ型２０，２０を備えた下ケース１１および上ケース１２と、上ケース１２の外側に固着されたラム１５と、下ケース１１と上ケース１２とが接触する部分に設けられたＯリング１３とを備える。ラム１５は、図示しないプレス装置の加圧シリンダによって昇降自在に駆動され、これに伴って上ケース１２を昇降させる。下ケース１１および上ケース１２のそれぞれの内側には、プレス成形のための型２０，２０が設けられている。その型２０，２０は、外側から内側へ向かって基台２１、２１と、断熱板２３，２３と、薄膜ヒータ２５，２５と、板状の温度調節容器（以下、温度調節プレートという）３，３と、所定の凹凸パターンを加工対象物に転写するためのスタンパ２７、２７とが、この順序で積層されて構成されている。上ケース１２（または下ケース１１）には、真空ポンプ７が取り付けられている。

加工対象物２は、熱可塑性樹脂製の板、例えば、アクリル製またはポリカーボネート製の導光板又は拡散板用の板である。スタンパ２７，２７は、それぞれ、例えば導光板又は拡散板の表面に形成されるべき凹凸形状を表面に有したニッケル製又はＳＵＳの、０．２〜０．５ｍｍ程度、一般的には０．２〜０．３ｍｍ程度の厚さを有する薄膜である。

上記のような構成を備える熱転写プレス装置１によるプレス成形の概要は以下の通りである。すなわち、上ケース１２がＯリング１３と接触するところまで下降すると、下ケース１１、Ｏリング１３および上ケース１２により、内部に密閉された空間（チャンバ）が形成される。そして、真空ポンプ７がチャンバ内部の空気を吸い出すと、チャンバ内部は減圧状態になる。この状態で温度調節プレート３および薄膜ヒータ２５を用いて、スタンパ２７，２７を加工対象物２の熱変形可能な温度にまで加熱し、スタンパ２７，２７の間に予め挿入されている加工対象物２を挟んで加圧、成形する。そして、加工対象物２の表面が熱変形によりスタンパ２７、２７の型が転写されると、その転写された型を固定するために加工対象物２を挟んだ状態のままで、温度調節プレート３を用いてスタンパ２７，２７を冷却する。

以下、本実施形態に係る熱転写プレス装置１の詳細な構成について説明する。まず、図２に断熱板２３からスタンパ２７までの詳細な構成を示す。

断熱板２３は、基台２１と薄膜ヒータ２５または温度調節プレート３との間を断熱し、温度調節プレート３が加熱または冷却されたときに、加熱または冷却の効率低下を防止するために設けられている。

断熱板２３と温度調節プレート３の間に設けられた薄膜ヒータ２５は、例えば、絶縁樹脂膜上に蛇行する電熱配線をプリントすることで作られたものであり、温度調節プレート３がスタンパ２７を加熱する際に補助的な加熱をする。ここで、図３は、温度調節プレート３に高温流体を流し始めてからのスタンパ２７表面の温度変化の様子を示す。同図において、実線は薄膜ヒータ２５による補助加熱がない（電源オフ）場合の温度変化を示す曲線である。すなわち、この場合の温度変化曲線は、流体温度に漸近するような曲線となり、スタンパ２７の表面温度が流体温度に到達するまでには、ある程度の時間がかかる。これに対して、一定の時間、薄膜ヒータ２５の電源をオンにして温度調節プレート３を補助的に加熱すると、破線で示すような温度変化曲線となり、流体温度に達するまでの時間を短縮することができる。

薄膜ヒータ２５は、上記電熱配線に起因して若干の凹凸が生じることがある。従って、この凹凸による影響を避けるため、薄膜ヒータ２５は、温度調節プレート３と断熱板２３との間に配置することが好ましい。なお、薄膜ヒータ２５は必須の構成要素ではなく、省略することが可能である。さらに、薄膜ヒータ２５の凹凸がスタンパ２７による型押し成形に実質的に影響しない場合は、温度調節パネル３とスタンパ２７との間に薄膜ヒータ２５を設けることも可能である。

また、図２の例では、温度調節プレート３が接着剤２９の層を介してスタンパ２７を安定的に保持している。スタンパ２７は、図２のように接着剤２９などの接着のために必要な層のみを介して接着されている場合のほか、静電吸着や真空吸着のように温度調節プレート３と直接的に接着されていてもよい。これは、温度調節プレート３とスタンパ２７との間に接着目的でない部材、例えば、ヒータなどを介さずに両者を接着するためである。このような必要最低限の構成とすることで、温度調節プレート３とスタンパ２７との間の熱伝導効率が高まるというさらなる効果がある。

次に、図２および図４を参照し、温度調節プレート３の構造について説明する。温度調節プレート３は、内部に流体を貯蔵することができる板状の金属製の容器である。すなわち、温度調節プレート３の内部には流体が流れるための流路３１が形成されていて、流路３１に対して流体を流入させる供給口３２と、流路３１から流出する流体の排出口３３とを備える。流路３１は、図４に示すように温度調節プレート３の全面に広がるように蛇行して配置されている。そして、温度調節プレート３を加熱するためには流路３１内に高温の流体を流し、冷却するためには流路３１内に低温の流体を流すことにより、温度調節プレート３全体がほぼ同じ温度となる。これにより、温度調節プレート３の熱がスタンパ２７へ伝導し、スタンパ２７の加熱、冷却が可能となる。また、加熱を行っている状態から冷却への切替、あるいはその反対に冷却を行っている状態から加熱への切替は、流路３１へ流す流体の温度を変えることにより行う。この切替の詳細については後述する。

なお、加熱するときに流す高温流体の温度は、加工対象物２が熱変形可能となる温度である。また、冷却するときに流す低温流体の温度は、熱変形した加工対象物２をその形状のままで固化させる温度である。例えば、加工対象物２が板状のアクリル樹脂である場合、加熱時の流体温度を約１４０℃、冷却時の流体温度を約５０℃としてもよい。この高温流体および低温流体の温度は、加工条件により適宜設定されるものであり、この例に依らず最適に設定される。さらに、ここで用いる流体は、例えば、ガルデン（登録商標）や、水溶液、水のような液体のほか、蒸気や、他の気体であってもよい。なお、水の場合、流体温度が高温になるならば、加圧した方がよい。また、プレートの熱容量は小さい方が好ましい。

また、温度調節プレート３内に設けられた流路３１の太さ、配置パターン、供給口３２および排出口３３の数、および供給口３２および排出口３３が設けられた位置は、図４に示すものはいずれも一例であり、これに限定されない。例えば、供給口３２および排出口３３は２以上備えていてもよく、流路３１が蛇行しないように、直線状の多数の流路に分岐していてもよい。これにより、流体が供給口３２から流入してから、排出口３３から流出するまでの時間が短縮され、加熱および冷却をより迅速に行うことができる。さらに、流路３１の太さ、分岐箇所、配置パターンなどは、温度調節プレート３全体を一様に加熱、冷却するのに適していれば、どのようであってもよい。

次に、温度調節プレート３、３の温度制御を行うための機能構成を図５に示す。温度調節プレート３，３の温度制御を行うために、熱転写プレス装置１は、高温流体循環装置４１と、低温流体循環装置４３と、ヒータ制御電源４５と、コントローラ４７とを備える。そして、高温流体循環装置４１および低温流体循環装置４３と温度調節プレート３内部の流路３１との間には、流体を循環させるための循環路６１が設けられている。

コントローラ４７は、例えば所定のプログラムがされたコンピュータにより構成されている。この場合、以下に説明するコントローラ４７の制御機能は、そのコンピュータが動作することにより実現される機能である。

ヒータ制御電源４５は、コントローラ４７の制御により、薄膜ヒータ２５の電源のオン／オフを行う。

高温流体循環装置４１は、流体を貯蔵し、流体の加熱を行うためのタンク４１Ａと、流体を加熱するためのヒータ４１Ｂと、タンク内の流体を送り出すポンプ４１Ｃとを備える。低温流体循環装置４３は、流体を貯蔵し、流体を冷却するためのタンク４３Ａと、流体を冷却するための冷却装置４３Ｂと、タンク内の流体を送り出すポンプ４３Ｃとを備える。タンク４１Ａ、４３Ａは、それぞれ循環路６１を通じて温度調節プレート３内の流路３１に連通している。ヒータ４１Ｂおよび冷却装置４３Ｂは、それぞれ温度検出装置（図示しない）を備えていて、コントローラ４７がヒータ４１Ｂおよび冷却装置４３Ｂを用いてタンク４１Ａ，４３Ａ内の流体を所望の温度に制御する。また、ポンプ４１Ｃ、４３Ｃは、コントローラ４７の制御により、駆動および停止する。

ここで、タンク４１Ａとタンク４３Ａとは、図６に示すように各タンク４１Ａ，４３Ａの上限水位Ｐ付近をつなぐ流路４２が設けられていてもよい。これにより、タンク４１Ａとタンク４３Ａとの流体量にアンバランスが生じたときは、それを解消することができる。

再び図５を参照すると、高温流体循環装置４１および低温流体循環装置４３の流出口および流入口付近の循環路６１には、それぞれ電磁弁５１，５３，５５，５７が設けられている。電磁弁５１，５３，５５，５７の開閉は、コントローラ４７により制御される。

以下、温度調節プレート３の温度制御を行うための動作について説明する。例えば、温度調節プレート３を加熱するときは、高温流体循環装置４１と温度調節プレート３との間で高温流体を循環させる。この場合、コントローラ４７は、電磁弁５１，５３を開き、電磁弁５５，５７を閉じた状態にする。さらに、ポンプ４１Ｃを駆動させることにより、タンク４１Ａに貯蔵されている高温流体を循環させる。このとき、ヒータ制御電源４５が薄膜ヒータ２５の電源をオンにして、補助的に加熱してもよい。

一方、温度調節プレート３を冷却するときは、低温流体循環装置４３と温度調節プレート３との間で低温流体を循環させる。この場合、コントローラ４７は、電磁弁５５，５７を開き、電磁弁５１，５３を閉じた状態にする。さらに、ポンプ４３Ｃを駆動させることにより、タンク４３Ａに貯蔵されている高温流体を循環させる。

次に、温度調節プレート３を加熱の状態から冷却へ切り替えるときの手順を、図７のフローチャートを用いて説明する。まず、薄膜ヒータ２５の電源がオンになっているときは、これをオフする（Ｓ１１）。そして、コントローラ４７の制御により電磁弁５１を閉じ、電磁弁５５を開くとともに、ポンプ４１Ｃを停止しポンプ４３Ｃを駆動させる（Ｓ１２）。これにより高温流体循環装置４１から高温流体の流出が停止し、これに変わって低温流体循環装置４３から低温流体が流出する。このとき、温度調節プレート３から戻ってくる流体は、依然としてタンク４１Ａへ戻っていく。

そして、ステップＳ１２の処理を行ってから、循環路６１および流路３１に残っている高温流体がすべてタンク４１Ａへ戻るまでに要する時間Ｔが経過するまで、その状態が保持される（Ｓ１３）。そして、時間Ｔが経過すると（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、コントローラ４７の制御により電磁弁５３を閉じるとともに、電磁弁５７を開ける（Ｓ１４）。この弁の切替により、低温流体循環装置４３と温度調節プレート３との間で低温流体が循環し、これを継続することにより温度調節プレート３が冷却される。

上記のようにして切り替えることにより、低温流体と高温流体とがなるべく混じり合わないように循環させることができる。

一方、温度調節プレート３の冷却から加熱への切替は、低温流体と高温流体が混じり合わないように、上記と同様の手順で低温流体循環装置４３から高温流体循環装置４１へ切替を行えばよい。

次に、上記のような熱転写プレス装置１を用いて、加工対象物をプレス成形する手順を、図８を用いて説明する。

まず、加工対象物２を本装置１内に搬入し、温度調節プレート３に高温流体を供給して加熱を行う（ａ）。次に、上ケース１２を下げて密閉し、真空ポンプ７を用いてチャンバ内の空気を吸い出す（ｂ）。この間、温度調節プレート３は引き続き加熱されている。チャンバ内の空気が更に吸い出されると、スタンパ２７，２７により加工対象物２が加圧、成形される（ｃ）。このときも、温度調節プレート３は引き続き加熱されていて、この状態を所定時間保持した後、温度調節プレート３の加熱を止め、冷却に切り替える（ｄ）。所定時間冷却を続けた後、チャンバ内に空気を挿入して上ケース１２を開放し、成形された加工対象物２を搬出する（ｅ，ｆ）。連続的に次の加工対象物についての成形を連続して行うときは、搬出の段階で温度調節プレート３の加熱を開始してもよい。

本実施形態では、スタンパの加熱および冷却のために、温度調節プレート３に高温流体または低温流体を供給している。このため、加熱および冷却をするときは、短時間で目標温度に到達することができる。さらに、温度調節プレート３へ供給する流体を高温流体から低温流体、あるいは低温流体から高温流体へ切り替えることにより、加熱と冷却の切替を素早く行うことができ、加熱、冷却のサイクルを短くすることができる。

なお、高温流体および低温流体は、必ずしも共に液体あるいは共に気体である必要はない。例えば、高温流体が蒸気であり、低温流体が水であってもよい。

上述した本発明の実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。

本発明の一実施形態に係る熱転写プレス装置の構成を示す断面図である 断熱板からスタンパまでの詳細な構成図である。 スタンパ表面の温度変化を示す図である。 温度調節プレートの構成図である。 温度調節プレートの温度制御を行うための機能構成図である。 タンクの構造を示す模式図である。 加熱から冷却への切替の手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係る熱転写プレス装置によるプレス成形工程の説明図である。

符号の説明

１…熱転写プレス装置、２…加工対象物、３…温度調節プレート、７…真空ポンプ、２１…基台、２３…断熱板、２５…薄膜ヒータ、２７…スタンパ、３１…流路、４１…高温流体循環装置、４３…低温流体循環装置。

Claims (3)

1. 熱転写プレス装置（１）であって、
   熱転写するためのスタンパ（２７）と、
   前記スタンパを加熱および冷却するための温度調節部（３）と、を備え、
   前記温度調節部は、内部に流体が流れるための流路（３１）を有している熱転写プレス装置。
2. 前記温度調節部に取り付けられた薄膜ヒータ（２５）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱転写プレス装置。
3. 前記温度調節部は、前記スタンパを保持しており、前記スタンパを保持した反対側に断熱板（２３）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱転写プレス装置。

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