JP2009073114A - 熱プレス成形装置及び同装置のための金型システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱プレス成形において、熱可塑性板とスタンパとの接触状態を均一化する。
【解決手段】ボルスタ１０２と、スライド１０４と、スライド１０４を駆動する駆動装置１０６とを有するプレス装置と、ダイセット１１２，１１４を有する熱プレス成形装置１００であり、ダイセット１１２，１１４は、内部に収容空間を有する枠体１２０と、枠体１２０の内部に挿入され、収容空間の容積を可変するようにスライドする熱板１３６と、収容空間に収容され、収容空間が縮小するように底板がスライドすると圧縮されるゴム部材１３８と、枠体に取り付けられ、収容空間に面する内面とスタンパ１４２を支持する外面とを有する可撓な天板１４０とを有する。収容空間が縮小するように熱板１３６がスライドすると、天板１４０は圧縮されたゴム部材１３８の弾性力を内面に受けて外方へ変形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スタンパを押し付けて熱可塑性の板の表面に微細な形状のパターンを転写するための熱プレス成形装置、及び同装置用の金型システムに関する。

この種の熱プレス成形装置は、例えば、液晶ディスプレイのバックライト用の導光板や拡散板、並びにレンズや光ディスク基板のように、微細な形状パターンを表面に有する光学部品や高意匠性のパネルを成形するために利用される。この種の熱プレス成形のための金型の構造が、例えば特許文献１に開示されている。この開示によれば、加熱冷却手段を有する加熱冷却板の上に板状のスタンパが取付けられ、加熱冷却板によってスタンパが加熱冷却され、そして、加熱冷却板を介してスタンパが熱可塑性樹脂板の表面に押付けられる。
特開2004-74769号公報

この種の熱プレス成形により転写される形状パターンの凹凸の高さは、典型的に数μmから数十μｍである。一方、被加工材である熱可塑性樹脂板の厚さは±0.1mm程度のバラツキを持っている。さらに、スタンパを取付ける金型の寸法やスタンパ自身の厚みや平面度にも0.01〜0.05mm程度のバラツキがある。

また、特許文献１に開示された熱プレス成形では、スタンパを加熱冷却板で加熱した状態で被加工材の表面に押付け、そして、加熱冷却板でスタンパを冷却した後に、被加工材へのスタンパの押付けを終了させる。そのため、加熱冷却板には、加熱冷却時に熱ひずみによる反りが発生する。

これらの事象が原因となって、成形時においてスタンパと被加工材の接触面上の圧力分布が不均一になり、スタンパの一部分が被加工材に所要圧力で押付けられないという事態が発生する。結果として、被加工材の表面に部分的に、パターンが完全に転写されない欠陥（未転写）が生じる。

また、被加工材の厚さが極めて薄い薄板材のとき（例えば、１ｍｍ以下）、スタンパと被加工材の接触面上の圧力分布に差が生じると、被加工材の板厚方向の圧縮変形量に差が生じるとともに、被加工材の面方向の伸び変形量にも部分的な差が生じることがある。その結果、被加工材に反りやうねりが発生しやすい。

これらの問題を解決するために幾つかの対策が考えられる。例えば、転写に必要な加圧力以上の大きな加圧力を負荷する。或いは、スタンパの加熱温度を上げて、転写に必要な面圧を下げる。或いは、加熱したスタンパの被加工材への押付け時間を長くして、被加工材の軟化層を大きくして転写に必要な面圧を下げる。

しかし、これらの対策は、設備コスト、ランニングコスト、生産時間の面で望ましくないばかりでなく、必要以上の温度や面圧を被加工材に負荷するため、成形時に材料側面の膨らみが大きくなり、成形終了後に膨らんだ材料側面の後加工が必要になる。特に、被加工材が薄板材であるときは、その反りやうねりを増加させることになる。

従って、本発明の目的は、熱可塑性板の表面に凹凸パターンを転写する熱プレス成形において、熱可塑性板とスタンパとの接触状態を均一化することにある。

本発明の一つの実施態様に従う、スタンパ（１４２）を押し付けて熱可塑性の板（２００）の表面に形状パターンを転写するための熱プレス成形装置（１００）は、ボルスタ（１０２）と、スライド（１０４）と、前記スライドを駆動する駆動装置（１０６）とを有するプレス装置と、前記スライド又はボルスタに搭載されるダイセット（１１２，１１４）であって、内部に弾性体の収容空間を有する枠体（１２０）と、前記枠体の内部に挿入され、前記収容空間の容積を可変するように前記枠体に対してスライドする底板（１３６，３２６）と、前記収容空間に収容され、前記収容空間の容積が縮小するように前記底板がスライドすると圧縮される弾性体（１３８，３２８）と、前記枠体に取り付けられ、前記収容空間に面する内面と前記スタンパを支持する外面とを有する可撓な天板（１４０）と、熱媒流体を用いて前記スタンパを加熱及び冷却する加熱冷却手段（１３６，３３０）と、を有するダイセット（１１２，１１４）とを備える。そして、前記収容空間の容積が縮小するように前記底板がスライドすると、前記可撓な天板は圧縮された前記弾性体の弾性力を内面に受けて外方へ変形する。

好適な実施形態では、前記弾性体は、ゴム部材または樹脂部材であり、前記ゴム部材または樹脂部材は、前記収容空間に隙間なく充填されていてもよい。さらに、前記ゴム部材または樹脂部材は、前記枠体の内面と接する領域の近傍である第１領域と、前記第１領域の内側の第２領域とを有し、前記第２領域に充填される第２ゴム部材または第２樹脂部材は、前記第１領域に充填される第１ゴム部材または第１樹脂部材より硬度が高くてもよい。

好適な実施形態では、前記加熱冷却手段は、前記底板内に形成されていて、前記底板内部を前記熱媒流体が通過するようになっていてもよい。

その場合、前記弾性体は、ゴム部材または樹脂部材であり、前記ゴム部材または樹脂部材は、前記収容空間に隙間なく充填されていてもよい。さらに、前記ゴム部材または樹脂部材は、前記枠体の内面と接する領域の近傍である第１領域と、前記第１領域の内側の第２領域とを有し、前記第２領域は熱伝導率を高めるための添加剤が混入されているゴム材料または樹脂材料で構成され、前記第１領域は前記添加剤が混入されていないか、または前記第２の領域よりも少量の前記添加剤が混入されているゴム材料または樹脂材料で構成されていてもよい。

好適な実施形態では、前記加熱冷却手段は、前記弾性体の内部を通過する熱交換パイプであり、前記熱交換パイプの内部を前記熱媒流体が通過するようになっていてもよい。

その場合、前記弾性体は、ゴム部材または樹脂部材であり、前記ゴム部材または樹脂部材は、前記収容空間に隙間なく充填されていてもよい。さらに、前記ゴム部材または樹脂部材は、前記枠体の内面と接する領域の近傍及び前記底板と接する領域の近傍からなる第１領域と、前記第１領域に囲まれた領域及び前記天板の内面と接する領域の近傍の第２領域とを有し、前記第２領域に充填される第２ゴム部材または第２樹脂部材は、前記第１領域に充填される第１ゴム部材または第１樹脂部材より硬度が高くてもよい。

あるいは、前記弾性体は、ゴム部材または樹脂部材であり、前記ゴム部材または樹脂部材は、前記収容空間に隙間なく充填されていてもよい。さらに、前記ゴム部材または樹脂部材は、前記枠体の内面と接する領域の近傍及び前記底板と接する領域の近傍からなる第１領域と、前記第１領域に囲まれた領域及び前記天板の内面と接する領域の近傍の第２領域とを有し、前記第２領域は熱伝導率を高めるための添加剤が混入されているゴム材料または樹脂材料で構成され、前記第１領域は前記添加剤が混入されていないか、または前記第２の領域よりも少量の前記添加剤が混入されているゴム材料または樹脂材料で構成されていてもよい。

好適な実施形態では、前記スタンパは、そのすべての外縁が、前記天板が前記弾性体の弾性力を内面に受けて外方へ変形する弾性変形領域の外側になるように、前記天板の外面に支持されていて、前記熱プレス成形装置は、そのすべての外縁が、前記弾性変形領域の外側になるように配置された前記熱可塑性の板の表面に形状パターンを転写するようにしてもよい。

好適な実施形態では、前記スタンパは、そのすべての外縁が、前記天板が前記弾性体の弾性力を内面に受けて外方へ変形する弾性変形領域の外側になるように、前記天板の外面に支持されていて、前記熱プレス成形装置は、前記熱可塑性の板と実質的に同じ板厚を有し、剛体で構成されたスペーサであって、前記熱可塑性の板のすべての外縁が前記弾性変形領域の内側にあるときに、前記スペーサのすべての外縁が前記弾性変形領域の外縁の外側となり、かつ、前記スペーサの内縁が前記熱可塑性の板の外縁よりも僅かに外側になるように固定されたスペーサを、さらに備えていてもよい。

本発明の一つの実施態様に従う、スタンパ（１４２）を押し付けて熱可塑性の板（２００）の表面に形状パターンを転写するための熱プレス成形装置（１００）は、ボルスタ（１０２）と、スライド（１０４）と、前記スライドを駆動する駆動装置（１０６）とを有するプレス装置は、前記スライド又はボルスタに搭載されるダイセット（１１２，１１４）であって、内部に空間を有する枠体（１２０）と、前記枠体の内部に挿入され、前記空間の容積を可変するようにスライドする底板（１３６，３２６）と、前記空間に収容された、前記熱可塑性の板の軟化温度よりも融点が低い低融点合金部材と、前記枠体に取り付けられ、前記収容空間に面する内面と前記スタンパを支持する外面とを有する天板（１４０）と、熱媒流体を用いて前記スタンパを加熱及び冷却する加熱冷却手段（１３６，３３０）と、を有するダイセット（１１２，１１４）と、を備える。そして、前記収容空間の容積が前記底板によって縮小されると、前記可撓な天板は前記低融点合金部材からの押圧力を内面に受けて外方へ変形する。

本発明の一つの実施態様に従う、スタンパを押し付けて熱可塑性の板の表面に凹凸パターンを転写するための熱プレス成形装置のための金型システムは、前記プレス装置のスライド又はボルスタに搭載されるダイセット（１１２，１１４）を備え、前記ダイセットは、内部に弾性体の収容空間を有する枠体（１２０）と、前記枠体の内部に挿入され、前記収容空間の容積を可変するように前記枠体に対してスライドする底板（１３６，３２６）と、前記収容空間に収容され、前記収容空間の容積が縮小するように前記底板がスライドすると圧縮される弾性体（１３８，３２８）と、前記枠体に取り付けられ、前記収容空間に面する内面と前記スタンパを支持する外面とを有する可撓な天板（１４０）と、熱媒流体を用いて前記スタンパを加熱及び冷却する加熱冷却手段（１３６，３３０）と、を備える。そして、前記収容空間の容積が縮小するように前記底板がスライドすると、前記可撓な天板は圧縮された前記弾性体の弾性力を内面に受けて外方へ変形する。

以下、本発明の一実施形態にかかる熱プレス成形装置について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる熱プレス成形装置の全体構成を示す。

熱プレス成形装置１００は、汎用的なプレス装置と、熱プレス成形のための金型システムとの組み合わせとして構成される。汎用的なプレス装置は、床に固定されたボルスタ１０２と、このボルスタ１０２の上方に配置されたスライド１０４とを備える。スライド１０４は、駆動装置１０６によって駆動されることにより、ボルスタ１０２に対して接近及び離反するように、図示しない支柱に沿って上下方向に移動する。駆動装置１０６は、例えば、スライド１０４を駆動するサーボモータ及びサーボモータを駆動し制御するコントローラ備えていても良い。駆動装置１０６として、サーボモータを用いたものの代わりに、油圧アクチュエータを用いたものを用いてもよい。

金型システムは、ボルスタ１０２とスライド１０４にそれぞれ互いに対向配置されるように搭載された上下２つのダイセット１１２，１１４を備える。図２は、第１の実施形態に係るこれら２つのダイセット１１２，１１４の部分を拡大して示している。２つのダイセット１１２，１１４は実質的に同じ構成をもつので、上側ダイセット１１２を例にとり、その構成について図１と図２を参照して説明する。

上側ダイセット１１２は、ベースプレート１１６と、冷却プレート１１８と、枠体１２０と、枠体支持機構１２２と、熱板１３６と、弾性体としてのゴム部材１３８と、可撓な天板１４０と、フレーム１２６と、を備える。

ベースプレート１１６は、ほぼ矩形板形であり、スライド１０４上に固定される。

冷却プレート１１８は、ほぼ矩形板形であり、ベースプレート１１６の中央に固定される。冷却プレート１１８内には複数の水孔１１９が形成されていて、各水孔１１９は連結されている。この連結された水孔１１９の一方の端部に接続した冷却水供給口に冷却水を供給し、連結された水孔の他方の端部に接続された冷却水戻り口から冷却水を循環させることで、冷却プレート１１８の温度を一定に保持し、熱板の熱がベースプレート１１６側へ伝わるのを遮断する。

枠体支持機構１２２は、冷却プレート１１８の上に固定される。枠体支持機構１２２及び枠体１２０は、ほぼ矩形筒形である。枠体支持機構１２２は、ベースブロック１２８とスプリング１３０とを備え、ベースブロック１２８がスプリング１３０を介して枠体１２０を支持している。枠体１２０は、スプリング１３０により下方へ付勢されている。枠体支持機構１２２の底部は開口していて、その開口から枠体支持機構１２２及び枠体１２０の内側へ、熱板１３６が挿入される。

フレーム１２６は、ほぼ矩形輪形であり、ベースプレート１１６上に固定される。フレーム１２６の頭面上には、真空パッキンを有した円環状の密閉枠１３２が取り付けられている。フレーム１２６が下降して密閉枠１３２が下側ダイセット１１４の密閉枠１３２と当接すると、密閉枠の内側に真空チャンバが形成されるようになっている。真空チャンバは、図示しない真空ポンプによる真空吸引と、大気開放バルブによる大気開放が自在に行われる。

熱板１３６は、ほぼ矩形板形であり、冷却プレート１１８上に固定される。熱板１３６は加熱・冷却手段であって、その内部には熱媒流体の通路である水孔１４１が複数形成されている。水孔１４１は、例えば、熱板の長手方向に沿って互いに平行に等ピッチで、熱板１３６の一方の端面から一方の端面まで貫通して形成され、両端部は止栓１４３によって封止してある。各水孔１４１は、各水孔１４１の長手方向の両側に設けられたマニホールド１４５で連結している。加熱時には、一方のマニホールド１４５に連結された熱媒供給口から供給された高温の熱媒流体（蒸気、高温油など）が、各水孔１４１を通過して他方のマニホールド１４５から排出される。これによりゴム部材１３８が加熱される。冷却時には、同じ経路で低温の熱媒流体（冷却水、低温油など）が各水孔１４１を通過して、ゴム部材１３８が冷却される。熱板１３６のマニホールド１４５の内側には、断熱スリット１４７が形成され、マニホールド１４５の熱の拡散を防止する。

熱板１３６は、枠体１２０内に挿入され、枠体１２０の内側面と熱板１３６の外側面とは密着している。枠体１２０の内側面と熱板１３６の外側面とが密着した状態で、熱板１３６は枠体１２０に対して上下方向（被加工材の厚さ方向）へ移動可能である。換言すれば、枠体１２０は、熱板１３６に対して上下方向へ移動可能である。つまり、熱板１３６は、枠体１２０に対してスライドすることにより、底板としての役割を果たす。

枠体１２０の頭面には、可撓な天板１４０がボルトなどの固定手段により固定されている。天板１４０は、枠体１２０の頭面の開口部１２１を密閉するように固定されている。天板１４０の厚さは、例えば０．５〜３ｍｍ程度でよい。

枠体１２０は、その内部に天板１４０と、熱板１３６と、枠体１２０の側壁とにより収容空間１２４を形成する。この収容空間１２４にはゴム部材１３８が収容される。この収容空間１２４は、実質的に密閉され、ゴム部材１３８が漏れ出ないようになっている。密閉された収容空間１２４の容積は、枠体１２０に対して熱板１３６がスライドすることにより変化する。

ゴム部材１３８は、熱板１３６と枠体１２０と天板１４０とで形成された収容空間１２４内に収容されている。例えば、収容空間１２４は、隙間なくゴム部材１３８が充填されていてもよい。ゴム部材１３８は、熱伝導率を高めたものであっても良い。ゴム部材１３８の材質については後述する。

なお、本明細書では、弾性体部材の一例としてゴム部材を用いた実施形態について主に説明するが、ゴムの代わりに他の弾性体、例えば合成樹脂などを適用することもできる。合成樹脂の一例としてはフッ素樹脂を用いてもよい。フッ素樹脂の中でも、例えば、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）を用いてもよい。ＰＴＦＥは、以下のような物性を有する。
耐熱性：２６０℃
引張強さ：１３．７〜３４．３ＭＰａ
延び：２００−４００％
硬さ：ショア−Ｄ５０−５５
曲げ弾性率：５５０ＧＰａ
引張弾性率：４００〜５５０ＧＰａ
熱伝導率：０．２５Ｗ／ｍｋ

ダイセット１１２の頭部の外面（頭面）には、可撓な薄いスタンパ１４２が固定される。スタンパ１４２の固定方法としては、例えば、天板１４０の外面上に加工された真空吸着溝による真空吸着（そのための真空ポンプの図示は省略）と、天板１４０の外面上に設けられた固定治具との組み合わせを用いることができる。

図３Ｂは、被加工材２００をスタンプするときの加圧状態の説明図であり、図３Ａは、Ａ−Ａ断面図である。

図３Ａに示すように、スタンパ１４２のサイズは、枠体１２０の開口部１２１よりも大きく、そのすべての外縁が開口部１２１の外側になるように、天板１４０の外面に密着している。被加工材２００のサイズも、枠体１２０の開口部１２１よりも大きく、そのすべての外縁が開口部１２１の外側になるようにセットされている。

以下、図１〜図３を参照しながら、被加工材２００をスタンプするときの動作を説明する。なお、ここでは、上下のダイセット１１２，１１４の動作について説明し、温度制御については後述する。

図１に示すようにセットされた下側ダイセット１１４に対して、上側ダイセット１１２が下降すると、上下のスタンパ１４２，１４２が、被加工材２００の両面に接触する（加圧開始状態）。このときの状態が図３Ｂの左側である。上下のスタンパ１４２，１４２が、被加工材２００の両面に接触した状態からさらに上側ダイセット１１２が下降して加圧力が加わると、枠体１２０もスプリング１３０の付勢力に抗してベースプレート１１６側へ後退する。このとき、同時に、ゴム部材１３８が熱板１３６からの押圧力と、被加工材２００からの反発力を受けて体積を減らして、内圧を高める。つまりゴム部材１３８は圧縮される。そして、ゴム部材１３８が圧縮によって体積を減らした分だけ、熱板１３６が枠体１２０に対して前進する。

このとき、圧縮されたゴム部材１３８は、弾性によって均一な押圧力を生み出す。従って、枠体１２０、熱板１３６及び天板１４０で形成された収容空間１２４に、隙間なくゴム部材１３８が充填されていれば、圧縮されたゴム部材１３８によって、その収容空間１２４内の圧力が均等に上昇する。このときに、スプリング１３０の付勢力で、枠体１２０が天板１４０に押しつけられているので、天板１４０と枠体１２０との間の隙間からゴム部材１３８が漏れ出すこともない。ここで、可撓な天板１４０を除き、収容空間１２４を形成するすべての壁は剛体であって、圧縮されたゴム部材１３８の弾性力によって変形することはない。これに対し、可撓な天板１４０は、圧縮されたゴム部材１３８の弾性力を内面に受けて外方へ膨らみ出るように変形する。ここで、可撓な天板１４０が外方へ膨らみ出るように変形する弾性変形領域は、実質的に枠体１２０の開口部１２１と同じである。

図３Ｂに示すような熱プレス成形時には、熱可塑性樹脂の板である被加工材２００の上下両面に上下のスタンパ１４２，１４２が押し付けられる。このとき、被加工材２００のすべての外縁が枠体１２０の開口部１２１の外側にあるので、可撓な天板１４０が外方へ膨らみ出るように変形する弾性変形領域のすべてが、被加工材２００の外縁の内側に収まる。その結果、可撓な天板１４０の変形に伴ってスタンパ１４２，１４２が被加工材２００の外縁部分で局部的に変形することがなく、被加工材２００の表面へのスタンパ１４２，１４２の成形圧力の分布が従来よりも均一になる。

なお、この手法の場合、可撓な天板１４０が外方へ膨らみ出る弾性変形領域の周囲の、可撓な天板１４０が外方へ膨らみ出ない枠体領域の被加工材２００に対しては、均等に加圧することができない。従って、枠体領域の部分へは精度良くパターンを転写できないことがある。そのときには、成形後に枠体領域の被加工材２００をトリミングしてもよい。

図３では、被加工材２００のサイズが枠体１２０の開口部１２１よりも大きい場合について説明したが、図４は、被加工材２００のサイズが枠体１２０の開口部１２１よりも小さい場合の説明図である。つまり、図４Ｂは、被加工材２００のサイズが枠体１２０の開口部１２１よりも小さい被加工材２００をスタンプするときの加圧状態の説明図であり、図４Ａは、そのＡ−Ａ断面図である。

図４Ａに示すように、まず、スタンパ１４２は、図３Ａと同様に天板１４０の外面に密着している。被加工材２００のサイズは、枠体の開口部１２１よりも小さいので、被加工材２００のすべての外縁が開口部１２１内になるように、スタンパ１４２の上にセットされる。この場合、さらに、被加工材２００の周囲のスタンパ１４２の上には、剛体スペーサ２１０が固定されている。

剛体スペーサ２１０の内側の形状（内縁）が、被加工材２００の外縁よりも僅かに大きい。つまり、被加工材２００と剛体スペーサ２１０との間には、僅かに隙間が空いている。剛体スペーサ２１０の外側の形状（外縁）は、枠体１２０の開口部１２１よりも大きくなっている。また、剛体スペーサ２１０の板厚は、被加工材２００の厚さと実質的に同じでもよいし、僅かに厚くてもよい。例えば、被加工材２００の板厚バラツキの最大厚さ＋０．１ｍｍ程度であってもよい。剛体スペーサ２１０の材質は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等、天板１４０やスタンパ１４２と同じ材質でもよい。剛体スペーサ２１０と被加工材２００の間の隙間、及び剛体スペーサ２１０の板厚を、天板１４０、スタンパ１４２、被加工材２００の厚さに合わせて調整することで、被加工材２００の加圧時に、剛体スペーサ２１０も加圧され、ゴム部材１３８全体が密閉状態で均一に圧縮される。すなわち、図３の場合と同様に、スタンパ１４２の局所的変形を防止して、被加工材２００を均等に加圧することができる。

ここで、ゴム部材１３８の板厚は、熱板１３６の熱を早く天板１４０および天板１４０に取付けられたスタンパ１４２に伝えるという点から考えると、薄い方が望ましい。一方で、ゴム部材１３８が圧縮されたときに、天板１４０を均等な圧力で押し出す効果という点から考えると、厚い方が望ましい。そこで、ゴム部材１３８の板圧は、例えば２〜５ｍｍ程度でよい。

また、ゴム部材１３８の材質としては、例えばシリコーンゴムを用いることができる。シリコーンゴムは一般的に熱伝導率が低いため、ベースシリコーンに添加剤（アルミナ、セラミック等）を混入することで熱伝導率を高める。一般的に、添加剤の混入量が多くなるとシリコーンゴムの熱伝導率は向上するが、その硬度は低下し、シリコーンゴムの状態がゲル状あるいは粘土状になる。なお、ゴム材料の代わりにＰＴＦＥを用いた場合は、必ずしも上記のような添加剤を混入させて熱伝導率の調整を行う必要はないが、添加剤を混入させてもよい。

ゴム部材１３８として硬度が低いゴム材料を用いると、加圧時に熱板１３６の外側面と枠体１２０の内側面の間の僅かな隙間からゴム部材１３８が漏れ出すことがある。これを防止するために、以下のようにゴム部材１３８として互いに硬度が異なるゴム材料を組み合わせてもよい。

例えば、図５Ｂは、ゴム部材１３８に異なる材質のゴム材料を組み合わせたときの下側ダイセット１１４の説明図であり、図５ＡはそのＡ−Ａ断面図である。

これらの図に示すように、ほぼ矩形板形のゴム部材１３８の周辺領域１３９Ａを硬度の高いシリコーンゴム（例えば、ショア硬度Ａ７０以上）で構成し、その硬度の高いシリコーンゴムで囲まれた内側の領域１３９Ｂを硬度の低い高熱伝導シリコーンゴムで構成しても良い。周辺領域１３９Ａの硬度の高いゴム材料は、内側領域１３９Ｂの硬度の低いゴム材料よりも添加剤の混入量が少ないか、あるいは、添加剤がまったく混入されていないものでもよい。これにより、加圧時にゴム部材１３８が枠体１２０と熱板１３６の間などに入り込まないようにすることができる。

周辺領域１３９Ａを構成するゴム部材１３８の熱伝導率は低くてもよい。周辺領域１３９Ａを構成するゴム部材１３８の熱伝導率が低いときは、熱板１３６から枠体１２０への熱伝導が阻害され、枠体１２０の熱膨張及び熱収縮を抑制できる。

また、ゴム材料の代わりに合成樹脂材料を用いて、図５のような構成を実現してもよい。すなわち、周辺領域１３９Ａを硬度が高い合成樹脂材料、内側領域１３９Ｂを硬度が低い合成樹脂材料で構成してもよい。

さらには、ゴム部材１３８を、ゴム材料と合成樹脂材料とを組み合わせたものと置き換えることも可能である。つまり、周辺領域１３９Ａをフッ素樹脂、内側領域１３９Ｂをゴム材料で構成してもよい。

また、上記のようにゴム部材１３８として硬度が異なるゴム材料を組み合せる代わりに、加圧時にゴム部材１３８が漏れ出しそうな箇所に、Ｏリングを備えてもよい。例えば、図５Ｃに示すように、枠体１２０の天板１４０接触する面、及び熱板１３６の外側面で、枠体１２０の内側面と接触する部分に、それぞれＯリング２３０を備えてもよい。
用いてもよい。

なお、ゴム部材１３８の材質として、シリコーンゴムより耐摩耗性や機械的強度に優れるフッ素ゴムを使用してもよい。

図６は、本発明の第２の実施形態にかかる熱プレス成形装置の全体構成を示す。

第２の実施形態は、第１の実施形態と相違点は、主にゴム部材の加熱・冷却手段であり、その他の点の多くは共通する。以下、上記相違点を中心に説明し、第１の実施形態と共通する点については説明を省略することがある。

本実施形態においても、上側ダイセット３１２及び下側ダイセット３１４は実質的に同じ構成をもつので、上側ダイセット３１２を例にとり説明する。上側ダイセット３１２は、ベースプレート１１６と、スペーサ３２２と、枠体１２０と、スプリング１３０と、断熱プレート３２６と、ゴム部材３２８と、熱交換パイプ３３０と、可撓な天板１４０と、フレーム１２６とを備える。

スペーサ３２２は、ほぼ矩形板形であり、ベースプレート１１６上に固定される。枠体１２０は、スプリング１３０を介してスペーサ３２２に取り付けられている。冷却プレート１１８は、スペーサ３２２上に固定される。断熱プレート３２６は、ほぼ矩形板形であり、冷却プレート１１８上に固定される。断熱プレート３２６の外側面と枠体１２０の内側面とは密着している。断熱プレート３２６は、ゴム部材３２８と冷却プレート１１８との間の熱伝導を遮断する。断熱プレート３２６の材質としては、例えば耐熱エポキシ樹脂を用いてもよい。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、天板１４０と、断熱プレート３２６と、枠体１２０の側壁とにより収容空間１２４が形成される。収容空間１２４にはゴム部材３２８が収容される。ゴム部材３２８としては、第１の実施形態と同じ材質のものを用いることができる。本実施形態では、収容空間１２４内に熱交換パイプ３３０が通っている。そして、その収容空間１２４内の熱交換パイプ３３０以外の空間が、ゴム部材３２８で隙間なく充填されている。

熱交換パイプ３３０は、収容空間の長手方向に沿って互いに平行に等ピッチで配置される。熱交換パイプ３３０の両端が、枠体１２０を貫通して枠体１２０の外部に設けられたマニホールド３４２，３４２によって連結している。そして、加熱時には、一方のマニホールド３４２に連結された熱媒供給口から高温の熱媒流体（蒸気、高温油など）の供給を受けると、その高温の熱媒流体が熱交換パイプ３３０を通過して、他方のマニホールド３４２から排出される。これによりゴム部材３２８が加熱される。冷却時には、同じ経路で低温の熱媒流体（冷却水、低温油など）が熱交換パイプ３３０を通過して、ゴム部材３２８が冷却される。

なお、枠体１２０の内側面と断熱プレート３２６の外側面とが密着した状態で、断熱プレート３２６は枠体１２０に対して上下方向（被加工材の厚さ方向）へ移動可能であり、それによって収容空間１２４の容積が変化する点は、第１の実施形態と同様である。さらに、本実施形態においても、第１の実施形態と同様にして、枠体１２０の開口部１２１よりも大きいサイズの被加工材２００にスタンプすることもできるし、剛体スペーサ２１０を用いて、枠体１２０の開口部１２１よりも小さいサイズの被加工材２００にスタンプをすることもできる。

次に、第２の実施形態におけるゴム部材３２８の材質及び構成について説明する。

例えば、図７Ａは、ゴム部材３２８に異なる材質のゴム材料を組み合わせたときの下側ダイセット３１４の説明図である。

同図に示すように、ほぼ矩形板形のゴム部材３２８のうち、枠体１２０及び断熱プレート３２６に接する面の近傍の領域３２９Ａを硬度の高いシリコーンゴムで構成し、その他の領域、つまり、ゴム部材３２８の中心領域及び天板１４０の内面に接する面の近傍の領域３２９Ｂを硬度の低い高熱伝導シリコーンゴムで構成しても良い。つまり、天板１４０，枠体１２０及び断熱プレート３２６により形成された収容空間内において、硬度の低い高熱伝導シリコーンゴムと枠体１２０及び断熱プレート３２６の間に、硬度の高いシリコーンゴムを配置するようにしてもよい。領域３２９Ａの硬度の高いゴム材料は、領域３２９Ｂの硬度の低いゴム材料よりも添加剤の混入量が少ないか、あるいは、添加剤がまったく混入されていないものでもよい。これにより、加圧時にゴム部材３２８が枠体１２０と断熱プレート３２６の間などに入り込まないようにすることができる。

枠体１２０及び断熱プレート３２６に接する面の近傍の領域３２９Ａを構成するゴム部材３２８の熱伝導率は低くてもよい。その場合、熱交換パイプ３３０から枠体１２０への熱伝導が阻害され、枠体１２０の熱膨張及び熱収縮を抑制できる。

第１の実施形態の場合と同様に、ゴム材料の代わりに合成樹脂材料を用いて、図７のような構成を実現してもよい。すなわち、枠体１２０及び断熱プレート３２６に接する面の近傍の領域３２９Ａを硬度が高い合成樹脂材料、ゴム部材３２８の中心領域及び天板１４０の内面に接する面の近傍の領域３２９Ｂを硬度が低い合成樹脂材料で構成してもよい。

さらには、ゴム部材３２８を、ゴム材料と合成樹脂材料とを組み合わせたものと置き換えることも可能である。つまり、周辺領域３２９Ａをフッ素樹脂、中心領域及び天板１４０の内面に接する面の近傍の領域３２９Ｂをゴム材料で構成してもよい。

また、図７Ｂに示すように、Ｏリングを備えることもできる。すなわち、同図に示すように、加圧時にゴム部材３２８が漏れ出しそうな箇所に、Ｏリングを備えてもよい。例えば、枠体１２０の天板１４０の内面と接触する面、及び断熱プレート３２６の外側面で、枠体１２０の内側面と接触する部分に、それぞれＯリング２３０を備えてもよい。

本実施形態によれば、複雑な熱板が不要になるため、ダイセットの大型化が容易になる。

次に、図８を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態に係る熱プレス成形装置１００における成型モーションについて説明する。図８Ａはスライド位置、図８Ｂはプレス加圧力、図８Ｃは天板温度、図８Ｄは真空チャンバー内圧力について、成型モーションの１サイクルにおけるそれぞれの変化を示す。

まず、スライド１０４が上限位置Ｓ１にいる。そして、時刻ｔ１までの間に、被加工材２００が下側のダイセット１１４のスタンパ１４２上にセットされる。

時刻ｔ１において、サーボプレスの位置制御に従ってスライド１０４が下降を開始する。そして、上下のダイセット１１２，１１４のフレーム１２６，１２６の頭面上の密閉枠１３２同士が当接し、真空チャンバーが形成される位置Ｓ２まで下降すると、スライド１０４の下降が一旦停止する（時刻ｔ２）。

時刻ｔ２において、真空チャンバー内の真空引きが開始されるとともに、熱板１３６（第２実施形態では熱交換パイプ３３０）へ高温の熱媒流体の供給が開始される。真空引きを行っている時刻ｔ３までの間は、被加工材２００に対するスタンパ１４２，１４２の加圧を行わない。これは、被加工材２００とスタンパ１４２，１４２の間に空気が入ってしまうことを防止するためである。

真空チャンバー内の真空度が、大気圧Ｐ１から転写成形に適した真空度Ｐ２に達した時刻ｔ３になると、サーボプレスの加圧力制御に従ってスライド１０４が再び下降を開始する。真空度Ｐ２は、例えば−９０ＫＰａ以下でよい。そして、上下のスタンパ１４２，１４２を被加工材２００に予備加圧力Ｌ１で押し付ける。予備加圧力Ｌ１で上下のスタンパ１４２，１４２を被加工材２００に押しつけることにより、熱板１３６（第２実施形態では熱交換パイプ３３０）、ゴム部材１３８、天板１４０及びスタンパ１４２が密着し、熱板１３６（第２実施形態では熱交換パイプ３３０）からの熱伝導が促進される。予備加圧力Ｌ１は、例えば、被加工材２００の加圧面にかかる面圧が１ＭＰａ程度でよい。

天板１４０の温度が転写可能温度Ｈ２に達した時刻ｔ４になると、スライド１０４はさらに下降して、スタンパを転写可能な転写加圧力Ｌ２になるように制御される。転写加圧力Ｌ２は、例えば、被加工材２００の加圧面にかかる面圧が４〜６ＭＰａになるように設定される。転写可能温度Ｈ２は、被加工材２００がＰＭＭＡ材であれば、例えば、１２０〜１５０℃でよい。

そして、加圧力が転写加圧力Ｌ２に到達した時刻ｔ５から、所定時間Ｔの間、加熱状態での加圧が継続される。所定時間Ｔが経過した時刻ｔ６になると、熱板１３６（第２実施形態では熱交換パイプ３３０）へ低温の熱媒流体の供給が開始され、天板１４０ならびにスタンパ１４２の冷却が始まる。所定時間Ｔは、被加工材の材質やスタンパの形状に応じて、未転写等の転写不具合が発生しないように最適に設定される。

天板１４０及びスタンパ１４２が冷却され、温度が離型可能温度Ｈ１に達した時刻ｔ７で、真空チャンバが大気開放されて、真空チャンバ内の圧力が大気圧Ｐ１に戻る。被加工材がＰＭＭＡ材の場合、離型可能温度Ｈ１は、例えば４０〜７０℃でよい。

真空チャンバ内の圧力が大気圧Ｐ１に戻った時点ｔ８において、再び位置制御に従ってスライド１０４が上昇を開始する。そして、スライド１０４は上限位置Ｓ１へ戻り、被加工材２００が取り出し可能となる。

上述した実施形態に係る熱プレス成形装置より、被加工材をプレスしたときの成型面圧分布の一例を、図９に示す。同図は、枠体１２０の開口部１２１よりも小さいアクリル製の被加工材（２５６ｍｍ×１５９ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）を６ＭＰａ相当の荷重で、プレスしたときの成型面圧の分布である。そして、同図Ａは、ゴム部材を用いない従来のダイセットでの成型面圧の分布であり、同図Ｂが第１の実施形態における図４に示す態様（剛体スペーサ使用、ゴム部材は厚さ２ｍｍのシリコーンゴム製）での成型面圧の分布である。同図において、色が濃い部分が圧力が高く、色が薄い部分が圧力が低いことを示す。

図９Ａに示すように、被加工材部分２５０の成型面圧には大きなムラがある。つまり、被加工材部分２５０の外縁近傍の成型面圧が高く、被加工材部分２５０のそれ以外の領域は、成型面圧が外縁近傍よりも低い。

これに対して、図９Ｂに示すように、被加工材部分２５０の周囲には剛体スペーサ部分２６０が存在する。そして、本実施形態によれば、被加工材部分２５０の成型面圧の分布はほぼ均等であることがわかる。

上記いずれの実施形態においても、ゴム部材の代わりに、熱可塑性の被加工材の軟化温度よりも融点が低い低融点合金を用いてもよい。低融点合金とは、種類の違う金属（Pb（鉛）、Bi（ビスマス）、Sn（錫）、Cd（カドミウム）、In（インジウム）等）を組合わせて合金化することで融点が下がる性質を利用した公知の合金のことを言う。

上述した２つの実施形態によれば、被加工材の表面に均一な圧力でスタンパを押付けることができるようになる。その結果、均一な圧力で被加工材を圧縮できるので、被加工材の内部に発生する内部ひずみの不均一を低減し、被加工材のうねりや反りを低減することが可能になる。

また、ゴム部材を密閉状態で圧縮することで、弾性体が非圧縮性流体に近い特性を示すようになり、静水圧効果による加圧面圧の均圧化が図れると同時に、弾性体の物性（硬度や弾性係数）のバラツキの影響による圧力のバラツキも低減される。

さらに、ゴム部材内部に圧縮応力しか発生しないため引張り応力による弾性体の裂けが防止される。また、ゴム部材と熱板の間、及びゴム部材と天板の間にすべりが発生しないので、ゴム部材の磨耗も防止される。

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。

本発明の第１の実施形態にかかる熱プレス成形装置の全体構成を示す。 第１の実施形態に係る２つのダイセットの拡大図である。 被加工材をスタンプするときの加圧状態の説明図である。 被加工材をスタンプするときの加圧状態の説明図である。 ゴム部材の漏れだし防止構成の説明図である。 本発明の第２の実施形態にかかる熱プレス成形装置の全体構成を示す。 ゴム部材の漏れだし防止構成の説明図である。 成型モーションの説明図である。 被加工材の成型面圧分布の測定結果の一例である。

符号の説明

１００…熱プレス成形装置、１０２…ボルスタ、１０４…スライド、１０６…駆動装置、１１２，１１４，３１２，３１４…ダイセット、１１８…冷却プレート、１２０…枠体、１２４…収容空間、１３６…熱板、１３８，３２８…ゴム部材、１４０…天板、１４２…スタンパ、２００…被加工材、２１０…剛体スペーサ、３２２…スペーサ、３３０…熱交換パイプ。

Claims (11)

1. スタンパ（１４２）を押し付けて熱可塑性の板（２００）の表面に形状パターンを転写するための熱プレス成形装置（１００）において、
   ボルスタ（１０２）と、スライド（１０４）と、前記スライドを駆動する駆動装置（１０６）とを有するプレス装置と、
   前記スライド又はボルスタに搭載されるダイセット（１１２，１１４）であって、内部に弾性体の収容空間を有する枠体（１２０）と、前記枠体の内部に挿入され、前記収容空間の容積を可変するように前記枠体に対してスライドする底板（１３６，３２６）と、前記収容空間に収容され、前記収容空間の容積が縮小するように前記底板がスライドすると圧縮される弾性体（１３８，３２８）と、前記枠体に取り付けられ、前記収容空間に面する内面と前記スタンパを支持する外面とを有する可撓な天板（１４０）と、熱媒流体を用いて前記スタンパを加熱及び冷却する加熱冷却手段（１３６，３３０）と、を有するダイセット（１１２，１１４）とを備え、
   前記収容空間の容積が縮小するように前記底板がスライドすると、前記可撓な天板は圧縮された前記弾性体の弾性力を内面に受けて外方へ変形することを特徴とする熱プレス成形装置。
2. 前記弾性体は、ゴム部材または樹脂部材であり、
   前記ゴム部材または樹脂部材は、前記収容空間に隙間なく充填されていて、
   前記ゴム部材または樹脂部材は、前記枠体の内面と接する領域の近傍である第１領域と、前記第１領域の内側の第２領域とを有し、前記第２領域に充填される第２ゴム部材または第２樹脂部材は、前記第１領域に充填される第１ゴム部材または第１樹脂部材より硬度が高いことを特徴とする請求項１記載の熱プレス成形装置。
3. 前記加熱冷却手段は、前記底板内に形成されていて、前記底板内部を前記熱媒流体が通過することを特徴とする請求項１記載の熱プレス成形装置。
4. 前記弾性体は、ゴム部材または樹脂部材であり、
   前記ゴム部材または樹脂部材は、前記収容空間に隙間なく充填されていて、
   前記ゴム部材または樹脂部材は、前記枠体の内面と接する領域の近傍である第１領域と、前記第１領域の内側の第２領域とを有し、前記第２領域は熱伝導率を高めるための添加剤が混入されているゴム材料または樹脂材料で構成され、前記第１領域は前記添加剤が混入されていないか、または前記第２の領域よりも少量の前記添加剤が混入されているゴム材料または樹脂材料で構成されていることを特徴とする請求項３記載の熱プレス成形装置。
5. 前記加熱冷却手段は、前記弾性体の内部を通過する熱交換パイプであり、前記熱交換パイプの内部を前記熱媒流体が通過することを特徴とする請求項１記載の熱プレス成形装置。
6. 前記弾性体は、ゴム部材または樹脂部材であり、
   前記ゴム部材または樹脂部材は、前記収容空間に隙間なく充填されていて、
   前記ゴム部材または樹脂部材は、前記枠体の内面と接する領域の近傍及び前記底板と接する領域の近傍からなる第１領域と、前記第１領域に囲まれた領域及び前記天板の内面と接する領域の近傍の第２領域とを有し、前記第２領域に充填される第２ゴム部材または第２樹脂部材は、前記第１領域に充填される第１ゴム部材または第１樹脂部材より硬度が高いことを特徴とする請求項５記載の熱プレス成形装置。
7. 前記弾性体は、ゴム部材または樹脂部材であり、
   前記ゴム部材または樹脂部材は、前記収容空間に隙間なく充填されていて、
   前記ゴム部材または樹脂部材は、前記枠体の内面と接する領域の近傍及び前記底板と接する領域の近傍からなる第１領域と、前記第１領域に囲まれた領域及び前記天板の内面と接する領域の近傍の第２領域とを有し、前記第２領域は熱伝導率を高めるための添加剤が混入されているゴム材料または樹脂材料で構成され、前記第１領域は前記添加剤が混入されていないか、または前記第２の領域よりも少量の前記添加剤が混入されているゴム材料または樹脂材料で構成されていることを特徴とする請求項５記載の熱プレス成形装置。
8. 前記スタンパは、そのすべての外縁が、前記天板が前記弾性体の弾性力を内面に受けて外方へ変形する弾性変形領域の外側になるように、前記天板の外面に支持されていて、
   前記熱プレス成形装置は、
   そのすべての外縁が、前記弾性変形領域の外側になるように配置された前記熱可塑性の板の表面に形状パターンを転写することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱プレス成形装置。
9. 前記スタンパは、そのすべての外縁が、前記天板が前記弾性体の弾性力を内面に受けて外方へ変形する弾性変形領域の外側になるように、前記天板の外面に支持されていて、
   前記熱プレス成形装置は、
   前記熱可塑性の板と実質的に同じ板厚を有し、剛体で構成されたスペーサであって、前記熱可塑性の板のすべての外縁が前記弾性変形領域の内側にあるときに、前記スペーサのすべての外縁が前記弾性変形領域の外縁の外側となり、かつ、前記スペーサの内縁が前記熱可塑性の板の外縁よりも僅かに外側になるように固定されたスペーサを、さらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱プレス成形装置。
10. スタンパ（１４２）を押し付けて熱可塑性の板（２００）の表面に形状パターンを転写するための熱プレス成形装置（１００）において、
    ボルスタ（１０２）と、スライド（１０４）と、前記スライドを駆動する駆動装置（１０６）とを有するプレス装置と、
    前記スライド又はボルスタに搭載されるダイセット（１１２，１１４）であって、内部に空間を有する枠体（１２０）と、前記枠体の内部に挿入され、前記空間の容積を可変するようにスライドする底板（１３６，３２６）と、前記空間に収容された、前記熱可塑性の板の軟化温度よりも融点が低い低融点合金部材と、前記枠体に取り付けられ、前記収容空間に面する内面と前記スタンパを支持する外面とを有する天板（１４０）と、熱媒流体を用いて前記スタンパを加熱及び冷却する加熱冷却手段（１３６，３３０）と、を有するダイセット（１１２，１１４）と、を備え、
    前記収容空間の容積が前記底板によって縮小されると、前記可撓な天板は前記低融点合金部材からの押圧力を内面に受けて外方へ変形することを特徴とする熱プレス成形装置。
11. スタンパを押し付けて熱可塑性の板の表面に凹凸パターンを転写するための熱プレス成形装置のための金型システムにおいて、
    前記プレス装置のスライド又はボルスタに搭載されるダイセット（１１２，１１４）を備え、
    前記ダイセットは、
    内部に弾性体の収容空間を有する枠体（１２０）と、
    前記枠体の内部に挿入され、前記収容空間の容積を可変するように前記枠体に対してスライドする底板（１３６，３２６）と、
    前記収容空間に収容され、前記収容空間の容積が縮小するように前記底板がスライドすると圧縮される弾性体（１３８，３２８）と、
    前記枠体に取り付けられ、前記収容空間に面する内面と前記スタンパを支持する外面とを有する可撓な天板（１４０）と、
    熱媒流体を用いて前記スタンパを加熱及び冷却する加熱冷却手段（１３６，３３０）と、を備え、
    前記収容空間の容積が縮小するように前記底板がスライドすると、前記可撓な天板は圧縮された前記弾性体の弾性力を内面に受けて外方へ変形することを特徴とする金型システム。

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