JP2007083402A - プレス装置およびプレス成形方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 樹脂板に対して加熱・加圧および冷却・加圧して転写成形を行う際に、熱板および転写用スタンパを速く均一に加熱させ、成形サイクル時間を短縮することができるプレス装置を提供する。
【解決手段】 第一の熱板18と第二の熱板24の間で樹脂板Pを加熱・加圧および冷却・加圧して微細な凹凸パターンの転写成形を行うプレス装置11は、蒸気および冷却水を流通させる通路34が内部に配設された熱板18,24と、熱板18,24の表面に配設された転写用スタンパ31と、熱板18,24および前記転写用スタンパ31を介して樹脂板Pを加圧する加圧装置13とが備えられている。
【選択図】 図3

Description

本発明は、樹脂板に対して加熱・加圧して微細な凹凸パターンの転写成形を行うプレス装置およびプレス成形方法に関するものである。
樹脂板に対して加熱・加圧および冷却・加圧して転写成形を行ない導光板等の光学製品を製造することは従来から行なわれている。樹脂板の転写成形においては、加圧時には良好な転写を行うために、転写用スタンパを加熱する必要がある。また成形品を転写用スタンパから離型する際には、成形品がある程度以上冷却された状態で離型する必要がある。こういった条件を満たすプレス成形装置としては、特許文献1、特許文献2に記載されたものが知られている。
特許文献1は、ディスク用プレス金型に関するものであり、水蒸気により加熱を行い、水により冷却を行うものである。また特許文献2は、導光板用プレスであり、冷却盤から離隔された状態で抵抗加熱板に通電することにより加熱を行い、通電を停止した状態の抵抗加熱板と冷却盤を当接させて冷却を行うものである。しかし特許文献1は、流路に曲線部が多く、その結果、転写面に対して流路を均一に分布させることが困難であった。また入口部から出口部までの流路が1本であるため、その全長が長くなり、入口部近傍と出口部近傍の温度を一定にすることが難しかった。そしてその結果、表面から流路までの深さを変えるなど複雑な加工が必要であった。また特許文献2は、加圧を開始してからはスタンパの温度を更に上昇させることは困難であるので、加圧を開始するまでに転写用スタンパの温度を上昇させておく必要があった。そしてその結果、成形サイクル時間が長くなるという問題があった。更には加熱ステージと冷却ステージからなり、樹脂板を加熱ステージから冷却ステージへ送って成形するプレス装置もあるが、設置スペースが広く必要となる上に、加熱ステージにおける離型不良や転写ズレの問題もあった。
特開昭60−27514号公報(請求項1、図2) 特開2004−74769号公報(請求項1、図1)
そこで本発明では、樹脂板に対して加熱・加圧および冷却・加圧の両方を行って転写成形を行う際に、熱板および転写用スタンパを速く均一に加熱することができるプレス装置およびプレス成形方法を提供することを目的とする。そして加熱・加圧時においても更に熱板の温度を上昇させることができ、成形サイクル時間を短縮することができるプレス装置およびプレス成形方法を提供することを目的とする。また熱板の加工が簡単であり、装置全体の構造も複雑ではないプレス装置を提供することを目的とする。
本発明の請求項1に記載のプレス装置は、第一の熱板と第二の熱板の間で樹脂板を加熱・加圧および冷却・加圧して微細な凹凸パターンの転写成形を行うプレス装置において、蒸気および冷却水を流通させる通路が内部に配設された熱板と、熱板の表面に配設された転写用スタンパと、熱板および転写用スタンパを介して樹脂板を加圧する加圧装置と、が備えられたことを特徴とする。
本発明の請求項2に記載のプレス装置は、請求項1において、熱板の熱板中央部の一側には、導入側分岐通路が内部に設けられた導入側マニホールド部が配設され、熱板中央部の他側には、排出側分岐通路が内部に設けられた排出側マニホールド部が配設され、熱板中央部の内部には、導入側分岐通路と排出側分岐通路にそれぞれ接続される複数の通路が配設されていることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載のプレス装置は、請求項1または請求項2において、熱板の表面には、エア吸引により負圧が及ぼされる溝が、転写用スタンパの外縁部よりも内側に配設されていることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載のプレス成形方法は、請求項1に記載のプレス装置を使用して樹脂板に転写成形を行う際に、当初は蒸気により熱板および転写用スタンパを加熱し、その後冷却水により熱板および転写用スタンパを冷却することを特徴とする。
本発明の請求項5に記載のプレス成形方法は、請求項4において、熱板または転写用スタンパの温度を検出し、次の工程に移行することを特徴とする。
本発明の第一の熱板と第二の熱板の間で樹脂板を加熱・加圧および冷却・加圧して微細な凹凸パターンの転写成形を行うプレス装置は、蒸気および冷却水を流通させる通路が内部に配設された熱板と、熱板の表面に配設された転写用スタンパと、熱板および前記転写用スタンパを介して樹脂板を加圧する加圧装置とが備えられているので、熱板および転写用スタンパを速く均一に加熱することができる。
また本発明のプレス成形方法についても、樹脂板に転写成形するに際して、当初は蒸気により熱板および転写用スタンパを加熱し、その後冷却水により熱板および転写用スタンパを冷却するので、簡単な構造により成形サイクル時間を短縮することができる。
本発明の実施形態について図1ないし図4を参照して説明する。図1は本実施形態における光学製品のプレス装置の縦断面図である。図2は、本実施形態における光学製品のプレス装置に用いられる熱板の平面図である。図3は、本実施形態における光学製品プレス装置に用いられる熱板の横断面図である。図4は、本実施形態の光学製品のプレス成形方法を示す図である。
図1に示されるように光学製品のプレス装置11(以下プレス装置11と略す)は、可動盤である上盤12に加圧装置である図示しない加圧用シリンダのラム13が取付けられ、上盤12が、固定盤である下盤14に対して昇降可能となっている。上盤12の下面には、断熱板16と弾性体であるゴム膜17を介して第一の熱板である熱板18が配設されている。本実施形態におけるゴム膜17は、耐熱シリコンゴムが好適に用いられる。このように熱板18の下にゴム膜17が配設されるのは、熱板18の微妙な平行度を良好に修正することが主な目的である。本実施形態において上盤12は温度制御機能を有していないが、上盤内部にも媒体が流通される通路を形成し、温度コントロールされるようにしてもよい。また熱板18の周囲を取囲むように成形時に内部に真空室15が形成される側壁部19が前記ラムとは摺動可能に配設されている。またラム13の外周部にはブラケット20が固着され、該ブラケット20の下面と側壁部19の上面の間にはバネ21が取付けられている。
一方、下盤14の上面には断熱板22とゴム膜23を介して第二の熱板である熱板24が配設されている。そして熱板24の周囲を取囲むように、成形時に真空室15が形成される側壁部25が形成されている。下盤14側の側壁部25の上面にはOリング26が全周にわたって取付けられている。そして上盤12を下盤14に向けて下降させた際には、側壁部19の下面と、側壁部25の上面が当接されるとともに、前記Oリング26によりシールがなされ、真空室15が形成されるようになっている。またプレス装置11は、更にラム13を下降させることにより、ブラケット20を介してバネ21が圧縮され、上盤12が下盤14に向けて更に下降可能な構造となっている。
下盤14側の側壁部25には、真空室15内部を真空吸引するため、外部に設けられた図示しない真空吸引装置と接続される通気用通路27が設けられている。またプレス装置11は、一般的なプレス装置と同様のベッドやタイバー等の機構を具備するが、それらの図示および説明は省略する。なおプレス装置の加圧装置は、下盤の下方にあってもよく、電動モータ等他の駆動手段を用いても良い。更に真空室の構造についても本実施形態のものに限定されないし、本発明において真空室は必須のものではない。
次にプレス装置11の熱板18,24について、図2、図3により説明する。上盤12側の熱板18と下盤14側の熱板24は、その構造がほぼ同一であるので、下盤14側の熱板24についてのみ説明する。図2に示されるように、熱板24は1枚の鉄板を加工したものである。熱板24の中央の熱板中央部28は、転写成形を行う際に加圧力が及ぼされる部分であって転写用スタンパ31が配設可能となっている。本実施形態では熱板中央部28の板厚は10mmとなっている。熱板中央部28における外周寄りの表面には、深さ0.5mmから2mmの溝29が四角形に形成され、溝29の四隅部分には吸引孔30が設けられている。吸引孔30は図示しない配管を通じて真空吸引装置に接続されており、エア吸引により溝29全体に負圧が及ぼされるようになっている。そして熱板中央部28の表面に転写用スタンパ31が配設された際、前記転写用スタンパ31の外周部よりも内側に前記溝29が位置するよう設けられていることから、転写用スタンパ31が熱板24に吸着されるようになっている。
転写用スタンパ31は、導光板等の光学製品に転写を行うもので、表面に微細な凹凸パターンが形成された板厚0.3mmのニッケル製スタンパが使用される。なお転写用スタンパ31は他の金属製のものでもよく、その板厚については、0.2mmないし0.7mm程度のものが使用される。なお熱板24における転写用スタンパ31の取付けは、真空吸引によって熱板24に取付けられるもの以外に、保持具である爪により熱板に保持されたものや、保持具と真空吸引の併用により保持されたものであってもよい。また熱板の表面に直接転写用の凹凸面が形成されたものや、熱板と転写用スタンパの間に弾性シート等が配設されたものでもよい。また上盤側または下盤側のいずれか一方の熱板のみに転写用スタンパが配設されたものであってもよい。更には転写用スタンパと樹脂板をセットで、プレス装置外部から搬入し、転写成形を行うものであってもよい。
熱板中央部28は四箇所に熱板幅方向(図3において矢印B方向)に向けて取付部32が延設され、取付部32にはボルト33を挿通するボルト孔が設けられている。よって熱板24は、前記取付部32ボルト孔にボルトを挿通して下盤14に取付けられる。また熱板24の平行度の調整も前記ボルト33の締付け具合の調整により行えるようになっている。なおこの取付部32については、両側のマニホールド部に設けてもよい。
また図3に示されるように、熱板24の内部には加熱媒体である蒸気および冷却媒体である冷却水が流通可能な直線状の通路34等が配設されている。熱板24の長手方向(図3において矢印A方向)の端部は、熱板中央部28と比較して熱板幅方向(図3において矢印B方向)に延設されていると共に、板厚が熱板中央部28よりも厚くなっている。熱板中央部28の一側の延設部分は、導入側マニホールド部35であって、内部には、径の太い導入側分岐通路36が設けられている。本実施形態では導入側マニホールド部35の板厚は、40mmとなっているが、25mmから40mmの板厚が好ましい。そして熱板24の一側の側面37から前記導入側分岐通路36の両端に向けて導入側通路38がそれぞれ設けられている。そして導入側通路38には、管路39が接続され、プレス装置11の外部において図示しないバルブを介して、蒸気供給装置、冷却水供給装置、圧縮空気供給装置(いずれも図示せず)に接続され、蒸気、冷却水、および圧縮空気が選択的に供給可能となっている。
本実施形態では導入側分岐通路36の両端(熱板幅方向の側面)は、別の部材40により栓がされているが、熱板幅方向に導入側通路を設けても良い。また前記導入側分岐通路36から熱板中央部28の内部に向けて複数の通路34が接続されているが、導入側分岐通路36における通路34が接続されている側とは反対側(一側)は、孔が穿設され前記孔は別の部材41によりそれぞれ栓がなされている。なお熱板24に前記孔を穿設したり別の部材による栓を設けるのは、熱板内部の通路の穿孔加工を直線的に行い容易にするためである。具体的には、前記通路34は、熱板24の一側の側面37から導入側分岐通路36を貫通してドリルにより穿孔加工され、その後孔の不要な部分のみ部材41により栓がされる。
熱板中央部28の他側の延設部分は、熱板中央部28よりも板厚の厚い排出側マニホールド部42であって、内部には、径の太い排出側分岐通路43が設けられている。そして前記排出側分岐通路43の両端から熱板24の他側の側面44に向けて排出側通路45がそれぞれ設けられている。そして排出側通路45には、管路46が接続され、プレス装置11の外部において図示しないバルブにより、蒸気供給装置、冷却水供給装置、圧縮空気供給装置(いずれも図示せず)に切換えて接続され、蒸気、冷却水、および圧縮空気が選択的に供給可能となっている。そして前記排出側分岐通路43は、通路34にそれぞれ接続されている。その他の構造は導入側マニホールド部35と排出側マニホールド部42ではほぼ同じである。
熱板中央部28は、前記したように、前記導入側マニホールド部35の導入側分岐通路36から排出側マニホールド部42の排出側分岐通路43に向けて連通された複数の直線状の通路34が、表面から同じ深さに平行に設けられている。よって熱板24内の通路34に流通される蒸気や水といった熱媒は、直線状の通路34内を流されることとなり途中で流速が低下することがほとんどない。なお本実施形態においては、熱板24は、鏡面性および耐磨耗性に優れた焼入焼戻鋼やブリハードン鋼が使用される。そして熱板24の板厚は、本実施形態では、11mmとなっている。また熱板中央部28における通路34の直径は、5.5mm、通路34間の距離(通路34の側壁部と他の通路34における側壁面との距離Cは8mmとなっている。また熱板24の表面と通路34の側壁部との間の距離は3mmとなっている。そして熱板24における通路34の数は、熱板幅方向に直交する方向に40本の通路34が形成されており、転写用スタンパ31の裏面の略全面をカバーしている(図3においては一部通路を省略して記載)。
なお本発明に用いられる熱板の材質は、ステンレス系の鋼材等でもよい。また熱板の板厚は、熱板の強度と、加熱および冷却の点において、6mm〜18mmが好ましい。また熱板中央部に設けられる直線状の通路の直径は、4mm〜8mm、前記通路の間の距離は5〜10mmが熱板を均一に加熱および冷却させる点において好ましい。また熱板の表面と前記通路の側壁部との間の距離は、2mmないし5mmが加熱効率および冷却効率と、熱板強度の点で好ましい。前記熱板の表面と前記通路の側壁部との距離が、2mmよりも少ないと加圧時に前記通路のある部分の熱板表面が凹んでしまい、熱板表面の平滑度が得られない。そして前記通路の本数は、成形される導光板の大きさによって熱板の大きさ(幅)が決定され、その熱板の大きさ(幅)に対応して決定されるが、対角線における長さが15インチや17インチの導光板を成形する場合は、30本ないし50本の前記通路を有する熱板が好ましい。
次に本実施形態の光学製品のプレス成形方法について図1、図4を参照して説明する。本実施形態では、樹脂板は、5mmの均等な板厚、対角方向の長さが17インチの透明なアクリル樹脂板P(ガラス転移温度(Tg)100℃)が使用される。なお本発明において樹脂板は、アクリルに限定されずポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー等の別の熱可塑性樹脂からなるものであってもよい。また樹脂板としては、一側と他側で板厚が異なるものや、フィルム状のものでもよい。板厚が異なる場合は、上盤がラム等に対して軸支されるようにしてもよい。また供給される樹脂板Pは予熱されたものでもよい。
前回の転写成形が終了し、真空室15が開放され型開されて、成形品が取出されたプレス装置11の熱板24の温度は、35℃となっており、樹脂板Pを載置しても反りが発生しない温度となっている。そして熱板24の通路34等の内部は、図示しないバルブを切換えて圧縮空気供給装置から圧縮空気が供給されることにより余分な冷却水が残っていない状態にされている。次に前記状態の熱板24に配設された転写用スタンパ31の上に樹脂板Pを供給・載置する。樹脂板Pが供給・載置されるとすぐに、一次型閉工程を開始する。一次型閉工程は、加圧シリンダのラム13を作動させ、側壁部19と側壁部25を当接させて真空室15を形成させる。一次型閉工程が完了すると、図示しない真空吸引手段により真空室15内の減圧が行われる。なお一次型閉工程が完了した状態ではまだ樹脂板Pと上盤12側の熱板18は当接していない。そして所定の真空度となるかまたは所定時間が経過すると次に、二次型閉工程を開始する。二次型閉工程では、再度加圧シリンダを作動させて、上盤12側の熱板18を樹脂板Pが載置された下盤14側の熱板24に向けて下降させ、型閉工程を行う。上盤12側の熱板18のスタンパ31と樹脂板Pが当接すると二次型閉工程が完了され、次に加熱・加圧工程へ移行する。
加熱・加圧工程では、熱板18,24の導入側通路38および管路39に接続されるバルブを切換え、図示しない蒸気供給装置から導入側通路38,38、導入側分岐通路36を介して熱板中央部28の通路34へ蒸気が供給される。またそれと同時か前後して加圧用シリンダを作動させてラム13を更に下降させ、熱板18,24および転写用スタンパ31を介して樹脂板Pを加圧する。その際供給された蒸気は、排出側分岐通路43等を介して蒸気供給装置に再び回収される。よって蒸気は2ヶ所の導入側通路38から供給されるから、例えば図3において上方の導入側通路38から導入された蒸気により、図3において熱板24の上側半分の面積が加熱されることとなる。また通路34が直線状に平行に形成されていることから素早く排出側分岐通路43へ流通される。よって出願人が行った実験例においては、加熱初期には熱板中央部28の一側の方が他側よりも速く昇温されたが、すぐに熱板中央部28の温度は均一になり、通路34の一側から他側へのみ蒸気等の媒体を流しても実用上まったく問題がなかった。なお供給される蒸気は、160℃から180℃、0.53MPaから1.0MPa程度のものが望ましい。また加熱・加圧中に蒸気の排出を一時的に停止し、通路内の圧力を上げて温度を上昇させ、加熱効率をよくするようにすることも考えられる。
本実施形態のプレス成形方法の加熱・加圧工程では型閉後の加圧中に熱板18,24の昇温がなされるから、樹脂板Pに対しては上下の熱板18,24から転写用スタンパ31,31を介して同時に加熱・加圧を行うことができる。そして20秒から30秒で140℃まで熱板18,24または転写用スタンパ31の温度が昇温されたことが図示しないセンサにより検出されると、蒸気の供給が停止される。なお蒸気の供給が停止される温度は、その樹脂板Pのガラス転移温度(Tg)よりも25℃〜80℃高い温度であることが望ましく、多段階に圧力制御されるようにしてもよい。またこの間に加圧装置である加圧シリンダによって熱板18,24および転写用スタンパ31を介して樹脂板Pへ加えられる圧力は、6MPaから10MPaが望ましい。なお熱板18,24への蒸気の供給の停止は、熱板温度が所定温度に上昇されたことを検出するのではなく、タイマーによる時間計測によるものでもよい。本発明では、熱板18,24の板厚が比較的薄く熱容量が小さいので、簡易なボイラーによって加熱に十分な蒸気を供給することができる。
そして蒸気の供給が停止された後も熱板18,24の温度は僅かにオーバーシュートし、その後熱板18,24の温度は、僅かづつ低下する。そして蒸気供給開始から50秒ないし90秒が経過し、加熱・加圧工程が終了すると次に冷却・加圧工程に移行する。冷却・加圧工程においては、管路39等に接続されるバルブを切換え、図示しない冷却水供給装置から導入側マニホールド部35を介して熱板中央部28の通路34へ冷却水が供給される。そして供給された冷却水は排出側マニホールド部42を介して冷却水供給装置に再び送られる。本実施形態では、冷却水は常温のものを使用しているが、10℃〜40℃に温度制御された冷却水によって冷却してもよい。そして本実施形態では、冷却水により冷却を開始してから所定時間が経過すると、通気用通路27から真空室15内に大気を導入し、真空室15内の減圧を解除する。
そして熱板18,24または転写用スタンパ31の温度が80℃となった時点で、冷却・加圧工程を中止し、加圧シリンダを作動させ、型開工程に移行させる。なおこの際の温度は、転写成形された成形品のガラス転移温度(Tg)よりも10℃〜50℃低い温度であることが望ましい。なお型開工程では、真空室15内が大気圧となっているので、成形品から熱板18に配設されたスタンパ31の離型と、側壁部19と側壁部25の離脱は、一次・二次の区別なく連続して行われる。前記においては真空室への大気導入を熱板の温度を検出して開始したり、型開工程への移行をタイマにより行うようにしてもよい。また前記加熱・加圧工程と冷却・加圧工程を加えた時間のうち、アクリル樹脂板Pのガラス転移温度(Tg)よりも高い温度で加圧される時間は30秒ないし70秒であって、その間に樹脂板Pの表面に微細な凹凸パターンの転写成形がなされる。そして熱板18,24には更に冷却水が供給され、35℃まで熱板18,24は冷却される。熱板18,24が所定の温度まで冷却されると、バルブが切換えられ、次に通路34等に圧縮空気供給装置から圧縮空気の供給がなされる。そして熱板18,24の冷却や通路34等への圧縮空気の供給と前後して、成形品の取出しと次の樹脂板Pの供給が行われる。
また本実施形態では、熱板と下盤または上盤が断熱板、弾性体であるシリコンゴム膜を介して固定されている例について説明したが、熱板は下盤や上盤から離隔可能に設けたものであってもよい。その場合、熱板をバネにより下盤や上盤に配設させる方法や、シリンダにより熱板を移動させる方法がある。熱板を下盤や上盤から離隔させて加熱および冷却させることにより、加圧時以外における熱板の加熱効率および冷却効率がよくなる。更には熱板に選択的に供給される媒体は、蒸気および水に限らず、熱媒体油を使用したものであってもよい。また熱媒用の通路に加えてヒータを追加したものであってもよい。更には複数の熱板が配設された多段プレスであってもよい。
また本発明については、一々列挙はしないが、上記した実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもない。例えば成形される樹脂成形品としては、導光板、光拡散板、レンズ、ディスク等の光学製品や、他の微細模様を有する板状体(不透明なものを含む)があげられる。
本実施形態における光学製品のプレス装置の縦断面図である。 本実施形態における光学製品のプレス装置に用いられる熱板の平面図である。 本実施形態における光学製品プレス装置に用いられる熱板の横断面図である。 本実施形態の光学製品のプレス成形方法を示す図である。
符号の説明
11 光学製品のプレス装置
12 上盤
13 ラム(加圧装置)
14 下盤
15 真空室
16,22 断熱板
17,23 ゴム膜
18,24 熱板
28 熱板中央部
31 転写用スタンパ
34 通路
35 導入側マニホールド部
36 導入側分岐通路
42 排出側マニホールド部
43 排出側分岐通路
P 樹脂板

Claims (5)

  1. 第一の熱板と第二の熱板の間で樹脂板を加熱・加圧および冷却・加圧して微細な凹凸パターンの転写成形を行うプレス装置において、
    蒸気および冷却水を流通させる通路が内部に配設された熱板と、
    前記熱板の表面に配設された転写用スタンパと、
    前記熱板および前記転写用スタンパを介して樹脂板を加圧する加圧装置と、
    が備えられたことを特徴とするプレス装置。
  2. 前記熱板の熱板中央部の一側には、導入側分岐通路が内部に設けられた導入側マニホールド部が配設され、
    前記熱板中央部の他側には、排出側分岐通路が内部に設けられた排出側マニホールド部が配設され、
    前記熱板中央部の内部には、前記導入側分岐通路と前記排出側分岐通路にそれぞれ接続される複数の通路が配設されていることを特徴とする請求項1に記載のプレス装置。
  3. 前記熱板の表面には、エア吸引により負圧が及ぼされる溝が、転写用スタンパの外縁部よりも内側に配設されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプレス装置。
  4. 請求項1に記載のプレス装置を使用して樹脂板に転写成形を行う際に、当初は蒸気により熱板および転写用スタンパを加熱し、その後冷却水により熱板および転写用スタンパを冷却することを特徴とするプレス成形方法。
  5. 熱板または転写用スタンパの温度を検出し、次の工程に移行することを特徴とする請求項4に記載のプレス成形方法。
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