JP2009022962A - 熱プレス装置と熱プレス方法と熱プレスによるパターン転写方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平プレス装置を用いて熱プレスをする際に、加熱時や冷却時に被プレス体を動かすことなく、必要時に加熱部と冷却部が分離するようにして、加熱加圧の後、短時間で冷却部を冷やすことができるようにする。
【解決手段】挟み込み部分６側から一方のプレス面７と冷却部８と冷却部８に離接可能な加熱部９とがこの順で配されて、一方のプレス面７と対向する他方のプレス面１１との間で被プレス体１２を挟み込みし、一方のプレス面７を、冷却部８と一体となった加熱部９からその冷却部８を介する熱伝導により加熱し、冷却部８からの加熱部９の分離により加熱部９から冷却部８への熱伝導を不能とした。
【選択図】図２

Description

本発明は熱プレス装置と熱プレス方法に関し、特に、樹脂にスタンパーでパターンなどを熱転写する熱プレスのための装置と方法、及び熱プレスによるパターン転写方法に関するものである。

従来から合成樹脂のシートや板材などを被プレス体とし、この被プレス体の表面に微細パターンを転写する方法としては、平プレス、ロールプレス方式がある。この内、前記ロールプレス方式ではロールにつけたスタンパー（転写パターンが形成された版やその版型）を加熱し、前記被プレス体に押し付けし、または別のロールとで挟み込んで加圧し、ロールを回転、またはロール自体を転動させて進めることで転写を行う方式である。この方式での加圧は、被プレス体と接している線上で行われ、加圧面積が少ないこと、斜め方向に剥離することから、剥離性は良いものとなっている。

しかしながら、ロールプレス方式では、冷却を行うことができないため、転写、剥離後に被プレス体の表面の合成樹脂が高温の状態であり、この表面の合成樹脂が放冷するまでの間に転写されたパターンの低下が起こっていて、その転写性は良くないものであった。
このロールプレス方式に対し平プレス方式は生産性が劣るが、加熱し、加圧を行った後に、スタンパーを被プレス体から離さない状態にして、被プレス体に対する冷却、特にその表面の合成樹脂に対する冷却を行なうことが可能である。そのため、スタンパーのパターンを被プレス体の表面に正確に転写することが可能である。

上記平プレス方式を実施する平プレス装置は一般に、被プレス体をプレスするプレートにヒーターが組み込まれているとともに、そのプレートに冷却のための穴が開けられていて、必要時に冷却水を流す構造になっている。そして、前記プレートは加圧に耐える剛性を持たすため厚く、また、転写時に温度を安定させるため熱容量を大きくするのにある程度の大きさを有するものになっている。
しかし、上記平プレス装置でのプレートは大きいほど冷却には時間がかかり、被プレス体への転写のための一サイクルの時間（タクトタイム）が長くなるだけでなく、被転写体に余計な熱を与えていて、被プレス体に反り、うねり、転写部分の周りでの段差などを生じさせるなどの悪影響を及ぼしている。
一サイクルの時間を短くする方法として、加熱部と冷却部を分けて、加熱後に被プレス体を冷却部へ搬送し冷却するという方法もあるが、加圧した状態で搬送する方法は装置が大型になってしまうという欠点がある。

加熱部と冷却部とを分けながらも、被プレス体を動かさずに転写を完了させる装置として特許文献１がある。特許文献１に示された技術では加熱ブロックに対し、冷却ブロックが転写部分（被プレス体の挟み込み部分側）とは反対側にあり、加熱の際には加熱ブロックと冷却ブロックとの間に隙間を形成して冷却ブロックを加熱することがないようにしている。よって、冷却ブロックが加熱されない分、加熱時の熱容量は小さくなっている。
しかしながら、熱プレス装置としての平プレス装置では、加熱ブロックは加圧ブロックとしての役割も兼ね備えていて、大きなブロックとなっている。そのため、熱プレスによる転写の一サイクルごとに、その大きな加熱ブロック全体を冷却しなければならず、一サイクル時間の大幅な短縮には繋がらないという問題がある。
特開２００４−１３６３３３

そこで本発明は、平プレス装置を用いて熱プレスをする際に、加熱時や冷却時に被プレス体を動かすことなく、必要時に加熱部と冷却部が分離するようにして、加熱加圧の後、短時間で冷却部を冷やすことができるようにすることを課題とするものである。

本発明は上記課題を考慮してなされたもので、請求項１の発明は、上プレス部と下プレス部とを備えていて、前記上下のプレス部の内の少なくとも一方のプレス部は、前記上ブレス部と下プレス部との間の被プレス体の挟み込み部分側からプレス面と冷却部とこの冷却部に離接可能な加熱部とが少なくともこの順で配されて、前記一方のプレス部のプレス面と他方のブレス部のプレス面との間で被プレス体を挟み込みし、前記一方のプレス部のプレス面を、冷却部と一体となった加熱部から前記冷却部を介する熱伝導により加熱し、冷却部からの前記加熱部の分離により加熱部から冷却部への熱伝導を不能とする構成を有することを特徴とする熱プレス装置であり、この熱プレス装置を提供して上記課題を解消するものである。

また、請求項２の発明は、上プレス部と下プレス部とを備えていて、前記上下のプレス部の内の少なくとも一方のプレス部は、前記上ブレス部と下プレス部との間の被プレス体の挟み込み部分側からプレス面と冷却部とこの冷却部に離接可能な加熱部とが少なくともこの順で配されて、前記一方のプレス部のプレス面と他方のブレス部のプレス面との間で被プレス体を挟み込みする熱プレス装置により、被プレス体を加熱加圧するにあたり、前記一方のプレス部のプレス面を、冷却部と一体となった加熱部から前記冷却部を介する熱伝導により加熱して前記被プレス体を熱プレスした後、前記冷却部側からの被プレス体に対してのプレス状態を維持しながら冷却部から加熱部を離して、冷却部を冷却することを特徴とする熱プレス方法であり、この熱プレス方法を提供して上記課題を解消するものである。

また、請求項３の発明は、上記発明において、上記一方のプレス部のプレス面は、上記被プレス体にパターンを転写するためのスタンパーが設けられているものである。

また、請求項４の発明は、請求項２または３の発明の熱プレス方法における上記被プレス体を、該被プレス体の少なくとも上記一方のプレス部のプレス面に相対する表面が熱可塑性樹脂であるものとし、この熱可塑性樹脂からなる表面に前記プレス面に形成されているパターンを転写する熱プレスによるパターン転写方法であり、このパターン転写方法により、上記課題を解消するものである。

さらに、請求項５の発明は、請求項４の発明において、上記被プレス体の熱可塑性樹脂からなる表面側は熱可塑性樹脂が積層されているものであって、表面層の熱可塑性樹脂はガラス転移温度をＴｇ１とし、前記表面層の下層にした熱可塑性樹脂はガラス転移温度をＴｇ２とし、前記表面層の熱可塑性樹脂のガラス転移温度と前記下層の熱可塑性樹脂のガラス転移温度とが、Ｔｇ１＜Ｔｇ２の関係であり、前記表面層の熱可塑性樹脂の面に相対するプレス面からのプレス温度がＴｇ１以上とするものである。

請求項１の発明によれば、冷却部と加熱部とが離接可能に配されていて、冷却部から加熱部が離れて冷却部への熱伝導を不能とするので、冷却部に熱が供給されない状態にして冷却部に対する冷却が行なえるようになる。即ち、加熱部が離れたときには、加熱部を冷却しなくてよく、冷却する部分が少なくなり、冷却速度が上がり、被プレス体の熱プレスの一サイクルの時間が短くなる。

請求項２の発明によれば、必要時に冷却部から加熱部が離れて冷却部への熱伝導を不能とするので、冷却部に熱が供給されない状態にして冷却部に対する冷却が行なえるとともに、加熱部の冷却をしなくてよい。よって、冷却する部分が少なくなり、冷却速度が上がる。さらに、つぎの熱プレスの際にプレス面を加熱するとき、加熱部と冷却部とを一体にして、冷却部とプレス面のみを加熱すればよいものとすることができ、よって、一サイクルの時間が短くなる。

請求項３の発明によれば、スタンパーに形成されているパターンを被プレス体に転写でき、スタンパーを変えることによりさまざまなパターンを被プレス体に転写することが可能になる。

請求項４の発明によれば、被プレス体の表面に熱可塑性樹脂を用いることで、被プレス体の表面を高温の粘度の低い状態にすることができる。そして、上記スタンパーを用いれば、スタンパーに形成されているパターンをその熱可塑性樹脂の層に写し、冷却することでそのパターン形状を簡単に固定できるので、スタンパーのパターンの正確な転写が可能になる。

熱可塑性樹脂はガラス転移温度Ｔｇ以上ではその樹脂の粘度は極端に低くなり、転写可能になる。しかし、粘度が低いのでプレスした際にそのプレス部が沈み、周囲の非プレス部との段差が大きくなってしまう。そこで請求項５の発明により、ガラス転移温度Ｔｇ以上の温度の表面層とした熱可塑性樹脂の層ではプレス面の形状が良好に複写され、その表面層の下層のプレス温度よりＴｇの高い熱可塑性樹脂の層にはプレス面の沈み込みがないため、段差の高さは表面層の厚みのみで抑えられる。

つぎに本発明を図１から図４に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図中１は平プレス装置の形態とされた熱プレス装置で、該熱プレス装置１は上下の架台２の間に複数本のロッド３を渡し、このロッド３に上プレス部４が上下方向に移動可能にして取り付けられているとともに、下の架台２に固定されたプレートからなり前記上プレス部４の下方に位置して対向する下プレス部５が前記ロッド３に取り付けられており、下プレス部５自体は不動としている。
この熱プレス装置１は上プレス部４と下プレス部５との間を被プレス体の挟み込み部分６としている。そして、前記上プレス部４は挟み込み部分６側からプレス面７と冷却部８と加熱部９とがこの順で配されてなるものであり、この上プレス部４での冷却部８における下面の一部分にプレス面７が取り付けられて一体とされているとともに、冷却部８と加熱部９とは互いに離接可能に設けられている。

冷却部８は熱伝導性が良好な金属部材からなり、熱プレス時に変形を生じない強度のある板状物として成形されている。図示されているようにこの冷却部８自体を冷却することで被プレス体を冷却するための冷媒（液体や気体）を通す流路１０が設けられており、図示しない配管がこの流路１０に接続され、必要時に冷媒を通すようにしている。
また、上プレス部４の上記加熱部９は重量が大きいものであって、挟み込み部分６に配されて上記プレス面７と下プレス部５のプレート上面からなるもう一方のプレス面１１とで挟み込んだ被プレス体に対して、上方側からのプレスを行なう加圧手段としての役割を有する。そのため、加熱部９はこの加熱部自体の重量を加えながらのプレス時に変形を生じさせない十分な強度を有するとともに、前記冷却部８に密着して一体となった状態でこの冷却部８を効率よく加熱するために熱伝導性が良好な金属材料を用いており、内部には図示しないヒータが配置されている。

上記熱プレス装置１において、被プレス体を熱プレスするに際し、熱プレスの一サイクルが開始（図４のａ）される時、その時点では挟み込み前の状態であって、上プレス部４が上方の待機位置に移動して待機しており、冷却部８と加熱部９とが密着している（図１、図４のｂ）。
上記加熱部９は内部のヒーターの発熱で昇温していて、前記密着による熱伝導で冷却部８を設定温度まで加熱する（図４のｃ）。これによってプレス面７も、加熱部９から前記冷却部８を介する熱伝導により加熱される。プレス面７自体は頗る熱伝導性が良好とされているものであり、冷却部８が所定温度まで昇温すると同じ温度に昇温されるものである。
上述したように冷却部８が設定温度まで昇温したら、上プレス部４のプレス面７と下プレス部５のプレス面１１との間（挟み込部分６）に被プレス体１２を挿入配置し、その後上プレス部４全体が降下して被プレス体１２をプレス面７とプレス面１１とで挟み込みし、冷却部８での前記設定温度を維持した状態でプレス（加圧、加熱）する（図４のｄ）。

一定時間加圧加熱後、加熱部９のみが上方の待機位置までの上昇動作を行なって冷却部８から加熱部９が離れ（図２、図４のｅ）、加熱部９から冷却部８への熱伝導を不能にする。この状態では、冷却部８の下のプレス面７と下プレス部５のプレス面１１での被プレス体１２の挟み込みは維持されている。そして、前記加熱部９からの熱伝導を受けない状態にある冷却部８の上記流路１０に冷媒を通して冷却部８の冷却を行なう（図４のｆ）。
冷却部８への冷媒の送り込みによって冷却部８自体の温度が下がり、この温度が下がる冷却部８によってプレス面７、被プレス体１２を冷却する。勿論、下プレス部５のプレス面１１側も冷却される。
冷却部８やプレス面７が、型開きできる温度として予め設定されている温度まで冷却すると、冷却部８側への冷媒の送り込が停止され、その後、冷却部８は上方の待機位置までの上昇動作を行なって被プレス体１２から離れる（図４のｇ）。そして、熱プレスを受けた被プレス体１２を挟み込み部分６から取り外し、冷却部８にあっては加熱部９と密着してその加熱部９からの熱伝導を受ける状態になり、熱プレスの一サイクルが終了する（図４のｈ）。

待機位置に移動した加熱部９にあってはこれを冷却する必要はない。そのため、冷却部８によって冷却する部分が少なく、型開きする温度として設定された温度まで冷却する冷却速度が上がる。また、冷却部８で冷却を行なう前に加熱部９が離れているので、この加熱部９自体の温度の低下は極めて小さく、つぎのサイクルの熱プレスにおいて、冷却部８と密着してその冷却部８及びプレス面７を所定の温度まで熱伝導より加熱する時間も短く、熱プレスの一サイクルの時間が短かくなる。

上記加熱部９は冷却部８とプレス面７を通して被プレス体１２に熱伝導を安定的に行なう必要があるが、上述したように冷却する必要はない。そのため、この加熱部９は寸法や形状は大きいことが好ましい。
冷却部８は加熱部９と同じ金属材料か、さらには加熱部の材料より熱伝導性のよい金属材料とし、熱プレスに耐えられるだけの剛性を備え、かつ冷却速度を上げるためにできるだけ寸法や形状が小さい方が好ましい。
冷却部８において流路１０の配置は限定されるものではなく、どのような配置であってもよい。熱プレスの目的により均一に冷却するようにしたり、均一に冷却しないようにすることも可能である。

上記流路１０には水などの液体や空気などの気体、さらにはこれらの混合体を流すことが可能である。また、加熱部９と密着して一体となっているときに高温の液体を流すことも可能であり、この高温の液体を流すことで加熱時に時間を短かくでき、よって、熱プレスの一サイクルの時間を短かくすることができる。
液体と気体の流路への送出開始や送出停止はバルブ操作などで行なうことが可能である。
さらに、冷却水を流し込んで冷却部を冷却するようにした構成である場合に、加熱部との密着前に流路内に冷却水の残りが生じないように空気の強制的な送り込みを行なうことが好ましい。

上記実施の例における加熱部９の温度制御は公知の手法が採用できる。その一つとして例えば、プレス面７の近傍位置に温度センサー（図示せず）を取り付けて、その温度センサーが検出した温度情報に基づいて、加熱部９のヒーターの発熱動作を制御する制御システムを設けることが可能である。

上記構造の熱プレス装置１における上プレス部４のプレス面７には、微細な転写パターンが形成されたスタンパーを粘着テープなどの固定手段を用いて取り付けることが可能である。このようにプレス面７に、転写パターンを有するスタンパーを取り付けて、合成樹脂製の被プレス体に対して上述した熱プレスを行なうことで、その被プレス体の表面での前記プレス面７と対向した部分にパターンの転写が行なえるようになる。転写パターンを形成するスタンパーの素材としては、ガラス製、シリコン製、ニッケル製のものなどが使用できる。
上記被プレス体が合成樹脂材であるとき、スタンパーが有する転写パターンの一例を挙げるならば、パターンが０．２〜２μｍ以下のピッチで繰り返し並び設けられているパターンが利用でき、非常に微細なパターンの転写が、被プレス体を合成樹脂材とした場合に実施できる。

上述したように被プレス体を合成樹脂材からなるものとする場合、加熱部９からの熱伝導で加熱されるプレス面７に相対する一方の表面を、熱可塑性樹脂からなる薄層とすることが良好である。このようにすれば、プレス面７の形態がその表面の層により適正に転写され、上記スタンパーが取り付けられている場合でも、０．２〜２μｍ以下のピッチでの繰り返しの微細パターンが、安定して転写できる。

さらに被プレス体１２を合成樹脂材の積層体からなるものとし、加熱と加圧とを行なう上記プレス面に対する表面側が、熱可塑性樹脂からなる層の積層状態として形成されているようにすることが良好である。
そして、積層体である被プレス体は、表面層の熱可塑性樹脂のガラス転移温度をＴｇ１とし、その表面層の下層にした熱可塑性樹脂のガラス転移温度をＴｇ２として、表面層の熱可塑性樹脂のガラス転移温度と前記下層の熱可塑性樹脂のガラス転移温度とが、Ｔｇ１＜Ｔｇ２の関係にする。さらに、この被プレス体を熱プレスする熱プレス装置では、前記表面層に相対するプレス面からのプレス温度をＴｇ１以上とする。

このようにすることで、表面層とした熱可塑性樹脂の層にはプレス面の形状が良好に転写され、その表面層の下層の熱可塑性樹脂層にはプレス面の形状がほとんど転写されない状態が得られる。よって、プレス面に上記スタンパーにより微細な転写パターンを形成すれば、適正に微細なパターンを被プレス体の表面層に転写することができるようになる。

上記実施の例の熱プレス装置では上プレス部４を挟み込み部分側からプレス面７、冷却部８、加熱部９として上下移動可能とし、下プレス部５を一つのプレートからなる固定のものとして説明したが、図３に示すように、下プレス部５も挟み込み部分６側からプレス面１１、冷却部８、加熱部９の構成としてもよく、上述した実施の例と同じように、下プレス部５側から被プレス体に対する加熱、加圧に際して、加熱部９から冷却部８を介した熱伝導がプレス面に達しさせて、そのプレス面１１を加熱し、冷却時には冷却部８と加熱部９とを離して、加熱部９から冷却部８への熱伝導を不能にする構成としてもよい。
なお、この実施の例において、プレス面７、１１それぞれは、冷却部８の挟み込部分６側の面で形成されているが、上記実施の例のように凸となる金属部材を一体に設けてプレス面を形成してもよい。

（実施例）
平プレス装置の形態である本発明の熱プレス装置を用いるとともに、被プレス体として合成樹脂製のシート用い、熱プレスによってシート状レンズを成形するテストを行った。
熱プレス装置は、加熱部は通電加熱ヒーターで加熱でき、冷却部は冷却水を流すことができるよう貫通穴が開けてあり、それにホースを繋いでバルブの開閉により冷却水のコントロールができるようにした。加熱部、冷却部の上下動作は空圧シリンダーにより動作可能にした。
プレス面は、冷却部の下面に５０×５０ｍｍサイズでレンズパターンを有するニッケルスタンパーを粘着テープで取り付けて形成した。
下プレス部におけるプレート上のプレス面に試料（被プレス体）を置いて、上プレス部の加熱部のみを温度制御し、下プレス部は室温のままで上下動作しない状態でテストを行った。

被プレス体はポリカーボネートの厚１ｍｍ板を用いて、上プレス部のプレス面の設定温度１７０℃、圧力２０ＭＰａ加圧時間３０秒、その後加熱部を上昇させ冷却部はそのままで被プレス体を加圧（冷却部による挟み込み）したまま冷却部に冷却水を流した。１２０℃まで冷却するのに４０秒かかった。
比較のため３０秒加圧した後加熱部のヒーターは切るが上昇させずに加熱部と冷却部を密着させたまま冷却を行うと１４分かかった。
また、スタンパーのパターンを転写してなる成形品を観察すると、加熱部を残したまま冷却した方は高温の状態が長く続くため、被プレス体の熱による歪み、反りが生じ、加熱部と冷却部を離して冷却する方法に比べ品質に劣るものになった。

これにより、加熱部と冷却部を一体とした状態で被プレス体に対する加熱、加圧を行なった後、加熱部と冷却部を離して冷却することが、適正な転写パターンを熱プレスで得る上で良好であることが確認できた。

本発明の熱プレス装置の一例における上プレス部を待機上昇させた状態を示す説明図である。 一例において冷却部から加熱部を上昇移動させて冷却部の冷却を行なう状態を示す説明図である。 他の例を示す説明図である。 本発明の熱プレス方法をフローチャートの形態で示す説明図である。

符号の説明

１…熱プレス装置
４…上プレス部
５…下プレス部
６…挟み込み部分
７…プレス面
８…冷却部
９…加熱部
１０…流路
１１…プレス面
１２…被プレス体

Claims (5)

1. 上プレス部と下プレス部とを備えていて、前記上下のプレス部の内の少なくとも一方のプレス部は、前記上ブレス部と下プレス部との間の被プレス体の挟み込み部分側からプレス面と冷却部とこの冷却部に離接可能な加熱部とが少なくともこの順で配されて、前記一方のプレス部のプレス面と他方のブレス部のプレス面との間で被プレス体を挟み込みし、前記一方のプレス部のプレス面を、冷却部と一体となった加熱部から前記冷却部を介する熱伝導により加熱し、冷却部からの前記加熱部の分離により加熱部から冷却部への熱伝導を不能とする構成を有することを特徴とする熱プレス装置。
2. 上プレス部と下プレス部とを備えていて、前記上下のプレス部の内の少なくとも一方のプレス部は、前記上ブレス部と下プレス部との間の被プレス体の挟み込み部分側からプレス面と冷却部とこの冷却部に離接可能な加熱部とが少なくともこの順で配されて、前記一方のプレス部のプレス面と他方のブレス部のプレス面との間で被プレス体を挟み込みする熱プレス装置により、被プレス体を加熱加圧するにあたり、
   前記一方のプレス部のプレス面を、冷却部と一体となった加熱部から前記冷却部を介する熱伝導により加熱して前記被プレス体を熱プレスした後、前記冷却部側からの被プレス体に対してのプレス状態を維持しながら冷却部から加熱部を離して、冷却部を冷却することを特徴とする熱プレス方法。
3. 上記一方のプレス部のプレス面は、上記被プレス体にパターンを転写するためのスタンパーが設けられているものである請求項２記載の熱プレス方法。
4. 請求項２または３の熱プレス方法における上記被プレス体を、該被プレス体の少なくとも上記一方のプレス部のプレス面に相対する表面が熱可塑性樹脂であるものとし、この熱可塑性樹脂からなる表面に前記プレス面に形成されているパターンを転写する熱プレスによるパターン転写方法。
5. 上記被プレス体の熱可塑性樹脂からなる表面側は熱可塑性樹脂が積層されているものであって、表面層の熱可塑性樹脂はガラス転移温度をＴｇ１とし、前記表面層の下層にした熱可塑性樹脂はガラス転移温度をＴｇ２とし、
   前記表面層の熱可塑性樹脂のガラス転移温度と前記下層の熱可塑性樹脂のガラス転移温度とが、Ｔｇ１＜Ｔｇ２の関係であり、
   前記表面層の熱可塑性樹脂の面に相対するプレス面からのプレス温度がＴｇ１以上である請求項４に記載の熱プレスによるパターン転写方法。

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