JP2006255900A

JP2006255900A - 熱プレス成形方法およびその装置

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Publication number: JP2006255900A
Application number: JP2005072297A
Authority: JP
Inventors: Koji Mitsuyoshi; 宏治三吉; Maki Horikoshi; 眞木堀越; Sadami Suzuki; 貞美鈴木
Original assignee: Komatsu Industries Corp; Asahi Kasei Chemicals Corp; Asahi Kasei Engineering Corp
Current assignee: Komatsu Industries Corp; Asahi Kasei Chemicals Corp; Asahi Kasei Engineering Corp
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】スタンパーの加熱・冷却効率を向上させて生産性を向上させることができるとともに、装置構成を簡素化する。
【解決手段】冷却板８，８Ａと熱可塑性樹脂板との間に、その熱可塑性樹脂板に面する側にパターンを有するスタンパー１２，１２Ａを取り付けた加熱板１０，１０Ａを配し、プレス動作に先立ち高周波誘導加熱によってスタンパー１２，１２Ａと加熱板１０，１０Ａとを熱可塑性樹脂板の軟化温度を越える第１所定温度に加熱し、次いでプレス動作によってスタンパー１２，１２Ａを熱可塑性樹脂板の表面に押し付けて前記パターンをその熱可塑性樹脂板の表面に転写し、スタンパー１２，１２Ａを熱可塑性樹脂板に押し付けたまま、冷却板８，８Ａによって加熱板１０，１０Ａとスタンパー１２，１２Ａとを前記軟化温度未満の第２所定温度に冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクリル板やポリカーボネート板のような熱可塑性樹脂板の表面に微細なパターンを形成するための熱プレス成形技術であって、液晶ディスプレイにおけるバックライト用の導光板や拡散板、並びにレンズ、光ディスク基板のような微細なパターンを表面に有する光学部品や高意匠性のパネルに適用して好適な熱プレス成形方法およびその装置に関するものである。

従来、液晶ディスプレイにおけるバックライト用の導光板の表面に微細なパターンを付与するには、アクリル板の表面にシルク印刷にて所望のパターンを印刷することにより行われていた。しかし、液晶ディスプレイの高輝度化等の高機能化の流れの中で、印刷では付与できないプリズムパターン等の微細パターンが求められるようになったことから、射出成形機を用いて表面に微細パターンを有するアクリル板もしくはポリカーボネート板が生産されるようになってきている。

ところが、最近では、液晶ディスプレイの大型化や軽量化が求められており、ＰＣモニター用導光板の大型化、厚肉化と、その一方での携帯電話等の携帯機器用導光板の超薄肉化とが進んでおり、射出成形機によって大型、厚肉の導光板もしくは超薄肉の導光板を成形する際に、成形時間の増加や不良率の増加、更には転写精度の低下を招いているという現状がある。

そこで、これに対処するために、熱可塑性樹脂板に対して、転写板を用いて加圧・転写を行うプレス成形装置が特許文献１，２において提案されている。これら特許文献に開示されたプレス成形装置は、表面に微細パターンを有するスタンパーを取り付けた加熱板に通電して抵抗加熱によってスタンパーを加熱し、この加熱されたスタンパーを熱可塑性樹脂板の表面に押し付けて微細パターンをその熱可塑性樹脂板の表面に転写し、この転写後に冷却板によってスタンパーを冷却するように構成されたものである。

特開２００４−７４７６９号公報特開２００４−７４７７０号公報

しかしながら、前記従来の抵抗加熱によるスタンパーの加熱方法では、スタンパーと加熱板との間および加熱板と冷却板との間に絶縁体シートを挿入する必要があるため、この絶縁体シートがスタンパーの加熱・冷却時の熱伝達効率を悪化させる要因になってしまう。また、抵抗加熱によって加熱板全体を加熱する方式を採用していることから、加熱・冷却対象の熱容量が大きくなって加熱・冷却に要する時間が長くかかり生産性が低下するという問題点がある。さらに、加熱板に大電流を通電するための大径のケーブルを可動する金型に取り付ける必要があることから、金型周りの構造が複雑になるだけでなく、ケーブルの断線や接触不良等の不具合を招く可能性が大きくなるという問題点もある。

本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、スタンパーの加熱・冷却効率を向上させて生産性を向上させることができるとともに、装置構成を簡素化することのできる熱プレス成形方法およびその装置を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、第１発明による熱プレス成形方法は、
熱プレス成形によって熱可塑性樹脂板の表面に所望のパターンを転写する熱プレス成形方法において、
プレス機に取り付けられる冷却板と前記熱可塑性樹脂板との間に、その熱可塑性樹脂板に面する側に前記パターンを有するスタンパーを取り付けた加熱板を配し、プレス動作に先立ち高周波誘導加熱によって前記スタンパーと前記加熱板とを前記熱可塑性樹脂板の軟化温度を越える第１所定温度に加熱し、次いでプレス動作によって前記スタンパーを前記熱可塑性樹脂板の表面に押し付けて前記パターンをその熱可塑性樹脂板の表面に転写し、前記スタンパーを前記熱可塑性樹脂板に押し付けたまま、前記冷却板によって前記加熱板とスタンパーとを前記軟化温度未満の第２所定温度に冷却することを特徴とするものである。

また、前記第１発明による熱プレス成形方法を具体的に実現するための、第２発明による熱プレス成形装置は、
熱プレス成形によって熱可塑性樹脂板の表面に所望のパターンを転写する熱プレス成形装置において、
固定盤と、この固定盤に対向配置される可動盤と、これら固定盤および可動盤の少なくとも一方に取り付けられる冷却板と、この冷却板と前記熱可塑性樹脂板との間に配される加熱板と、この加熱板の前記熱可塑性樹脂板に面する側に取り付けられ表面に前記パターンを有するスタンパーと、このスタンパーおよび前記加熱板を高周波誘導加熱によって加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルによって前記熱可塑性樹脂板の軟化温度を越える第１所定温度に加熱されたスタンパーを前記熱可塑性樹脂板の表面に押し付けて前記パターンをその熱可塑性樹脂板の表面に転写させ、この転写後に、前記冷却板によって前記加熱板およびスタンパーを前記軟化温度未満の第２所定温度に冷却させるように前記可動盤の動作を制御する制御手段を備えることを特徴とするものである。

前記第２発明において、前記誘導加熱コイルは、アームの先端部に取り付けられ、前記可動盤の移動動作に先立って前記スタンパーに近接する位置に挿入されて前記スタンパーおよび加熱板を加熱するものであるのが好ましい（第３発明）。

前記第１発明および第２発明によれば、高周波誘導加熱によって、パターンの転写に必要な加熱板の表面およびスタンパーのみを高速加熱することができるので、加熱板全体を加熱・冷却する従来の抵抗加熱方式に比べて加熱・冷却時間を短縮化することができ、生産性を格段に向上させることができる。また、誘導加熱のための装置（誘導加熱コイル）がプレス機における可動盤と別に設けられているので、装置構成を簡素化することができる。また、前記第３発明の構成を採用すれば、スタンパーおよび加熱板の誘導加熱をよりスムーズに行うことができるという利点がある。

次に、本発明による熱プレス成形方法およびその装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係る熱プレス成形装置の断面図が示されている。

本実施形態の熱プレス成形装置１は、フリーモーション機能付サーボモータにて駆動されるプレス機であって、ボルスタ２上に支持される固定盤（下型）３と、前記ボルスタ２に対向配置されるスライド４の下面に支持される可動盤（上型）５とを備えて構成されている。

前記固定盤３は、ボルスタ２上に載置されるダイセット６を備え、このダイセット６の上面には断熱部材７を介して冷却板８が取り付けられている。ここで、冷却板８の内部には複数の冷却水路８ａが形成され、この冷却水路８ａに冷却水が流通されることにより、冷却板８の温度が所定温度に保持される。

前記冷却板８の外周部には、下部がネジ部で上部がロッド部とされた複数本のストリッパーボルト９が植設されるとともに、このストリッパーボルト９のロッド部が冷却板８の上方に配される加熱板１０の貫通孔に挿通されている。また、このストリッパーボルト９は、冷却板８と加熱板１０との間に介挿されるスプリング１１にて支持され、これによって加熱板１０がストリッパーボルト９に案内されつつ上下動可能に支持され、通常は冷却板８と加熱板１０とが一定の間隙を保つように保持されている。また、加熱板１０の上面には表面に微細な凹凸パターンが形成されたスタンパー（ニッケルスタンパー）１２が装着される。

一方、前記可動盤５は、前記固定盤３と略面対称に形成されたものであって、スライド４の下面に設けられるダイセット６Ａと、このダイセット６Ａの下面に断熱部材７Ａを介して取り付けられる冷却板８Ａと、この冷却板８Ａの外周部に植設されるストリッパーボルト９Ａと、このストリッパーボルト９Ａを支持するスプリング１１Ａと、冷却板８Ａの下方に配される加熱板１０Ａと、この加熱板１０Ａの下面に装着されるスタンパー１２Ａとを備えて構成されている。

上下の各ダイセット６，６Ａの外周部には成形空間１３を外気から隔絶して真空チャンバーにするための遮断壁１４，１４Ａが立設され、遮断壁１４の上面および遮断壁１４Ａの下面には互いに対向する位置に真空パッキン１５，１５Ａがそれぞれ取り付けられている。こうして、成形時には上下の真空パッキン１５，１５Ａが接当して成形空間１３が閉空間にされるとともに、図示されない真空ポンプによってその成形空間１３が真空チャンバーにされる。なお、このように成形時に成形空間１３を真空チャンバーにするのは、微細パターンの転写成形時にスタンパー１２，１２Ａと熱可塑性樹脂板１８（図３参照）との間に空気が密閉されることにより、転写成形を阻害して微細パターンの転写率が低下するのを防ぐためである。

次に、本実施形態の熱プレス成形装置１の成形動作について、図２〜図４を参照しつつ説明する。なお、以下に示されるスライドモーションは、プレス機に付設される図示されない制御手段によって制御される。

図２に示されるのはスライド４が上死点位置にある状態である。このスライド４の上死点位置において、先端部の上下面に誘導加熱コイル１６，１６Ａが装着されたアーム１７がダイセット６，６Ａ内、言い換えれば上下のスタンパー１２，１２Ａ間の間隙内に挿入される。そして、誘導加熱コイル１６，１６Ａが所定の位置に挿入されると、これら誘導加熱コイル１６，１６Ａに通電されて誘導加熱が開始され、スタンパー１２，１２Ａと加熱板１０，１０Ａの表面が加熱される。この際、スタンパー１２，１２Ａを均一加熱するために誘導加熱コイル１６，１６Ａをスタンパー１２，１２Ａから一定距離を保ったまま前後左右に揺動させるようにする。なお、加熱温度は、加熱時間と電源出力によって調整される。また、加熱板１０，１０Ａには温度センサー（図示せず）が取り付けられており、この温度センサーによってモニターされる加熱板１０，１０Ａの温度が所定値に達したら自動的に通電を停止させ誘導加熱を終了させる。

前記加熱板１０，１０Ａの好ましい加熱温度は、熱可塑性樹脂板１８の厚み、樹脂種および温度並びに加熱板１０，１０Ａの熱容量、プレス圧力により異なるが、プレス成形時に熱可塑性樹脂板１８に熱を奪われること、パターンの転写にはある程度低い溶融樹脂粘度が必要であることなどから、熱可塑性樹脂板１８の軟化温度＋１０℃以上が必要である。一方、温度が高すぎると熱可塑性樹脂板１８の表面が劣化したり、冷却に長い時間が必要となるため、上限の温度は軟化温度＋６０℃程度とするのが好ましい。

加熱板１０，１０Ａが所定の温度に達すると、誘導加熱コイル１６，１６Ａが装着されたアーム１７がダイセット６，６Ａ外に退避され、図３に示されるように、熱可塑性樹脂板１８が図示されない自動化装置によって下側のスタンパー１２上の所定位置にセットされる。

この後、スライド４が下降を開始し、上下の真空パッキン１５，１５Ａが接当され、成形空間１３が閉空間になったら真空ポンプによってその成形空間１３が真空化される。次いで、スライド４は引き続き降下を続け、図４に示されるように、スタンパー１２，１２Ａが熱可塑性樹脂板１８に押し付けられて、このスタンパー１２，１２Ａ表面の微細パターンが熱可塑性樹脂板１８の上下面に転写される。

この転写成形時には、熱可塑性樹脂板１８、スタンパー１２，１２Ａ、加熱板１０，１０Ａおよび冷却板８，８Ａは密着した状態となる。これにより、転写成形がなされた熱可塑性樹脂板１８の表面は、冷却板８，８Ａの冷却水路８ａを流通する冷却水によって、加熱板１０，１０Ａおよびスタンパー１２，１２Ａを介して冷却され（熱可塑性樹脂板１８の表面温度が軟化温度−１０℃以下にされる。）、この冷却によって熱可塑性樹脂板１８の表面に転写された微細パターンが凍結される。

この後、加熱板１０，１０Ａに取り付けられた温度センサーによってモニターされる加熱板１０，１０Ａの温度が所定値以下になったら、スライド４が上昇を開始し、このスライド４が上死点に達したら成形品が自動搬出され成形が完了する。

本実施形態において、誘導加熱コイル１６，１６Ａによってスタンパー１２，１２Ａの表面を加熱する際、スタンパー１２，１２Ａ表面の薄い層が選択的に発熱することによってスタンパー１２，１２Ａに反りが生じ易いことを考慮し、加熱板１０，１０Ａの表面にスタンパー１２，１２Ａの厚み以下の直径を有する小孔を多数個設け、この小孔を介して真空ポンプによってスタンパー１２，１２Ａを吸着固定するようにするのが好ましい。このようにすれば、スタンパー１２，１２Ａの熱膨張による寸法変化を吸収しながら、熱を加熱板１０，１０Ａに伝えることができ、前述の反りを防止することが可能となる。

本実施形態において、加熱板１０，１０Ａの材質としては、特に片側のみを加熱する場合に加熱板１０，１０Ａに反りが生じ易くなることから、熱膨張の少ないインバー合金やコバール合金などの金属を用いるのが好ましい。

また、本実施形態において、熱可塑性樹脂板１８は、熱プレス成形装置１内に導入される前にその熱プレス成形装置１外で予熱しておいても良い。

本実施形態においては、加熱板１０，１０Ａをダイセット６，６Ａにそれぞれ保持するように構成したものを説明したが、加熱板１０，１０Ａおよびスタンパー１２，１２Ａの加熱を熱プレス成形装置１外で行い、加熱後に成形位置に挿入するようにしても良い。

加熱板（サイズ２１８×１６３×６ｍｍ）上に微細パターンを有するニッケルスタンパー（サイズ１５０×９５×０．２８５ｍｍ）を真空吸着によって取り付け、加熱板をスプリングによって冷却板から０．２ｍｍ離隔させた状態でストリッパーボルトによって支持する。そして、スライドの上死点位置で、誘導加熱コイルが取り付けられたアームをダイセット内に挿入し、誘導加熱コイルがニッケルスタンパーの表面から距離５ｍｍの位置で誘導加熱を開始する。図５には、誘導加熱コイルの出力を６ｋＷに固定し、加熱時間を変化させた時の加熱時間と加熱板の平均温度（加熱板の外周４点の平均温度）が示されている。この図５からわかるように、加熱板の温度は約１０秒でアクリル板に転写成形するのに十分な温度である１５０℃に達している。

図６には、本実施例の手法を用いて、アクリル板（サイズ１４０×８５×８ｍｍ）に転写成形を行った時の成形品表面のパターン形状（ａ）と、使用したニッケルスタンパー表面のパターン形状（ｂ）とを輪郭形状測定器にて計測した結果が示されている。この図から、ほぼ完全な転写が行われていることが明らかである。

本発明の一実施形態に係る熱プレス成形装置の断面図本実施形態の成形動作説明図（１）本実施形態の成形動作説明図（２）本実施形態の成形動作説明図（３）誘導加熱コイルによる加熱時間と加熱板の温度との関係を示すグラフ成形品表面のパターン形状（ａ）とスタンパー表面のパターン形状（ｂ）の測定結果を示す図

符号の説明

１熱プレス成形装置
２ボルスタ
３固定盤
４スライド
５可動盤
６，６Ａダイセット
７，７Ａ断熱部材
８，８Ａ冷却板
８ａ冷却水路
１０，１０Ａ加熱板
１２，１２Ａスタンパー
１５，１５Ａ真空パッキン

Claims

熱プレス成形によって熱可塑性樹脂板の表面に所望のパターンを転写する熱プレス成形方法において、
プレス機に取り付けられる冷却板と前記熱可塑性樹脂板との間に、その熱可塑性樹脂板に面する側に前記パターンを有するスタンパーを取り付けた加熱板を配し、プレス動作に先立ち高周波誘導加熱によって前記スタンパーと前記加熱板とを前記熱可塑性樹脂板の軟化温度を越える第１所定温度に加熱し、次いでプレス動作によって前記スタンパーを前記熱可塑性樹脂板の表面に押し付けて前記パターンをその熱可塑性樹脂板の表面に転写し、前記スタンパーを前記熱可塑性樹脂板に押し付けたまま、前記冷却板によって前記加熱板とスタンパーとを前記軟化温度未満の第２所定温度に冷却することを特徴とする熱プレス成形方法。
熱プレス成形によって熱可塑性樹脂板の表面に所望のパターンを転写する熱プレス成形装置において、
固定盤と、この固定盤に対向配置される可動盤と、これら固定盤および可動盤の少なくとも一方に取り付けられる冷却板と、この冷却板と前記熱可塑性樹脂板との間に配される加熱板と、この加熱板の前記熱可塑性樹脂板に面する側に取り付けられ表面に前記パターンを有するスタンパーと、このスタンパーおよび前記加熱板を高周波誘導加熱によって加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルによって前記熱可塑性樹脂板の軟化温度を越える第１所定温度に加熱されたスタンパーを前記熱可塑性樹脂板の表面に押し付けて前記パターンをその熱可塑性樹脂板の表面に転写させ、この転写後に、前記冷却板によって前記加熱板およびスタンパーを前記軟化温度未満の第２所定温度に冷却させるように前記可動盤の動作を制御する制御手段を備えることを特徴とする熱プレス成形装置。
前記誘導加熱コイルは、アームの先端部に取り付けられ、前記可動盤の移動動作に先立って前記スタンパーに近接する位置に挿入されて前記スタンパーおよび加熱板を加熱するものである請求項２に記載の熱プレス成形装置。