JP2009291949A - 熱可塑性樹脂の成形方法および成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱可塑性樹脂からなるシート部材に所定のパターンを正確に転写することが可能な熱可塑性樹脂の成形方法および成形装置を提供する。
【解決手段】成形装置１は、金型６３と、加熱部材としてのヒータ３と、搭載部材（ロール４、ロール支持部材６８、ベース部材６９、ガイド部材６７）とを備える。金型６３は、熱可塑性樹脂からなるシート部材７に転写するパターンが表面に形成されている。ヒータ３は、金型６３を加熱するためのものである。搭載部材はシート部材７を金型６３上に搭載する。搭載部材は、シート部材７において金型６３と接触する部分の面積が徐々に大きくなるように、シート部材７を操作するとともに、シート部材７を金型６３に押圧する。
【選択図】図１

Description

この発明は、熱可塑性樹脂の成形方法および成形装置に関し、より特定的には、金型上に熱可塑性樹脂を搭載する熱可塑性樹脂の成形方法および成形装置に関する。

従来、熱可塑性樹脂からなるシート部材などに対して、加熱された型を押圧することで当該型に形成されていたパターンをシート部材に転写する熱式ナノインプリントプロセスが知られている（たとえば、特開２００７−１９４５１号公報（以下、特許文献１という））。特許文献１では、ナノインプリントプロセスについて、スループットの向上および大面積のシート部材への転写を可能とするため、所定のパターンが形成された型（モールド）と、当該型をシート部材に押圧するための、平面状の押圧面を有するヘッドと、シート部材を搭載するステージとを備える成形装置が開示されている。当該装置では、ヘッドが大型の型の上を摺動しながら、当該型をシート部材へ押圧する。
特開２００７−１９４５１号公報

しかし、上述した従来の成形装置では、以下のような問題があった。すなわち、ステージ上にシート部材を搭載する場合に、シート部材とステージとの間に空気が巻き込まれ、結果的にシート部材においてステージとの間に空気が密閉された部分（気泡部分）が形成されるという問題があった。このような気泡部分が形成されると、型の所定のパターンをシート部材に転写するときに、シート部材に当該気泡部分の痕跡が残ったり、転写されたパターンの位置ずれが起きるといった問題が発生する場合があった。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、熱可塑性樹脂からなるシート部材に所定のパターンを正確に転写することが可能な熱可塑性樹脂の成形方法および成形装置を提供することである。

この発明に従った成形装置は、金型と、加熱部材と、搭載部材とを備える。金型は、熱可塑性樹脂からなるシート部材に転写するパターンが表面に形成されている。加熱部材は、金型を加熱するためのものである。搭載部材は、シート部材を金型上に搭載する。搭載部材は、シート部材において金型と接触する部分の面積が徐々に大きくなるように、シート部材を操作するとともに、シート部材を金型に押圧する。

このようにすれば、金型が加熱された状態（たとえば熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度に加熱された状態）で、搭載部材によりシート部材を徐々に金型に接触していくように金型へ搭載するとともに金型へ押圧することができるので、シート部材と金型との間に空気が巻き込まれることを抑制できる。また、金型を予め加熱しておくことができるので、シート部材のうち金型に接触した部分をすぐに融着させることができる。このため、シート部材を金型上に配置する工程において一度金型に接触したシート部材の部分と金型との間に空気が入り込む可能性を低減できる。このため、気泡部分の発生を抑制して、金型の表面上にシート部材を万遍なく密着させるとともに、金型にシート部材を押圧することで金型に形成されたパターンを正確にシート部材に転写することができる。

この発明に従った熱可塑性樹脂の成形方法は、熱可塑性樹脂からなるシート部材を準備する工程と、シート部材を金型に押圧する工程とを備える。シート部材を金型に押圧する工程では、シート部材に転写するパターンが表面に形成され、熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱された金型上に、シート部材において金型と接触する部分の面積が徐々に大きくなるようにシート部材を搭載するとともに、シート部材を金型に押圧する。

このようにすれば、シート部材が金型に接触するときに、シート部材と金型との間に空気が巻き込まれることを抑制できる。また、金型を熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱しているとともにシート部材が金型に押圧されるので、シート部材のうち金型に接触した部分をすぐに金型へ密着させると同時に金型に形成されたパターンをシート部材へ転写することができる。このため、シート部材を金型に押圧する工程において一度金型に接触したシート部材の部分と金型との間に空気が入り込む可能性を低減できる。このため、気泡部分の発生を抑制して、金型に形成された所定のパターンをシート部材に正確に転写することができる。

本発明によれば、シート部材と金型との間に空気が巻き込まれることを抑制できる。このため、気泡部分の発生を抑制して、金型の表面上にシート部材を万遍なく密着させるとともに、金型にシート部材を押圧することで金型に形成されたパターンを正確にシート部材に転写することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１は、本発明による成形装置の実施の形態を示す模式図である。図１を参照して、本発明による成形装置の実施の形態１を説明する。

図１に示した成形装置１は、プレス加工装置であって、定盤２と、定盤２の上部表面上に設置された金型６３と、金型６３の上部表面上に移動可能に配置された冷却プレート６５と、金型６３上にシート部材７を搭載するためのロール４および押さえロール８３、８４と、制御部１３とを備えている。

成形装置１では、加工対象物であるシート部材７を受取るため、２組の駆動ローラ８１にそれぞれ掛け渡された２つの搬送ベルト８２が定盤２の入口側に配置されている。そして、定盤２から遠い側の一方の搬送ベルト８２を挟むように押さえロール８３、８４が配置されている。この押さえロール８３、８４は、矢印７６、７５に示す方向にそれぞれ独立して移動可能になっている。そして、搬送ベルト８２の上方には、ロール４が配置されている。ロール４の内部にはロール用ヒータ１２が設置されている。このロール４の中心軸を支持するロール支持部材６８は、ベース部材６９に接続されている。また、このベース部材６９は、ガイド部材６７に沿って矢印７３に示す方向に移動可能になっている。また、ロール支持部材６８は、矢印７９に示す方向にロール４の中心軸を移動可能に支持する。つまり、ロール４も矢印７９に示す方向に移動可能になっている。

定盤２の内部にはヒータ３が配置されている。また、定盤２の内部には、ヒータ３の下方に冷却機構６４が設置されている。冷却機構６４の構成としては、任意の構成を取ることができる。たとえば、冷却機構６４として水などの冷却材を内部に流通させる冷却用配管を定盤２に配置してもよい。定盤２は架台６１上に設置されている。

定盤２の上部表面上には、金型ベース６２が搭載されている。金型ベース６２の上部表面には、金型６３を配置するための凹部が形成される。当該凹部に金型６３が設置されている。金型６３の上部表面には、シート部材７に転写するためのパターンが形成されている。

金型６３の上部表面と対向する位置には、冷却プレート６５が配置されている。冷却プレート６５の内部には冷却機構６６が配置されている。冷却プレート６５は、矢印７４に示す方向に移動可能になっている。すなわち、冷却プレート６５の下部表面は、後述するように金型６３の上部表面上に搭載されたシート部材７の表面に押圧可能になっている。これらの定盤２、冷却プレート６５、ベース部材６９など成形装置１を構成する機器は、制御部１３によって制御される。

なお、金型６３および金型ベース６２が搬送ベルト８２の位置する領域に予め配置され、当該領域において金型６３上にロール４などを用いてシート部材７が供給されるようにしてもよい。この場合、シート部材７が供給された金型６３は、金型ベース６２ごと搬送ベルト８２の位置する領域から定盤２上へ移動される。金型６３の移動には、従来周知の任意の方法を用いることができる。

次に、図１に示した成形装置１の動作を説明する。図２は、図１に示した成形装置を用いた成形方法を説明するためのフローチャートである。図３〜図６は、図１に示した成形装置１の動作を説明するための模式図である。図２〜図６を参照して、図１に示した成形装置１を用いた成形方法を説明する。

図２に示すように、本発明による成形方法では、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この準備工程（Ｓ１０）においては、熱可塑性樹脂からなるシート部材７を準備する。

次に、シート部材の搭載・押圧工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、シート部材７が搬送ベルト８２上に配置された後、ロール４がシート部材７側に移動することにより、シート部材７の上部表面上にロール４が接触する。ロール４の接触位置は、図１に示すようにシート部材７の端部であることが好ましい。そして、同時にシート部材７の下面側から押さえロール８３、８４がロール４に近づく方向に移動する。この結果、押さえロール８３、８４により、ロール４の表面にシート部材７が押圧される。この結果、図３に示すように、シート部材７の端部がロール４の表面に沿った状態、つまりロール４の表面に接触した状態になる。なお、このとき図３に示すように、シート部材７においてロール４と接触していない側の端部近傍をガイドロール８５によって支持してもよい。

この状態で、ロール４を図１の矢印７３に示す方向（具体的には金型６３に向かう方向）に移動することにより、ロール４とシート部材７および押さえロール８３、８４を金型６３の上部表面上にまで移動させる。この移動は、ベース部材６９をガイド部材６７に沿って移動させることにより実施できる。そして、定盤２の上にまでロール４およびシート部材７が移動した後で、ロール４を、図４の矢印８７に示す方向に移動させるとともに、押さえロール８３を矢印８８に示す方向に移動させる。この結果、ロール４によりシート部材７の端部が金型６３の表面に押圧された状態になる。なお、このとき一方の押さえロール８４はシート部材７を保持するためにシート部材７の下面からシート部材７を介してロール４に向けてシート部材７を押圧した状態になっている。このようにして、図４に示す構成とすることができる。ここで、押さえロール８４の長さは、金型６３や定盤２の幅より長くなっており、当該押さえロール８４の両端で支持部により支持される。そして、当該支持部が金型６３を挟んで対向する領域を移動可能になっていれば、図４に示すように押さえロール８４を金型６３上に位置させることができる。

なお、金型６３は予めヒータ３によってシート部材７を構成する熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度に加熱されている。そのため、金型６３に接触したシート部材７は、接触した部分から順次金型６３に密着する。また、ロール４は金型６３側にシート部材７を押圧しているため、金型６３の表面に形成されたパターンはシート部材７が接触した部分から順次シート部材に転写されていく。

次に、図５に示すように、矢印８９に示す方向へとロール４を回転させながら移動する。この結果、ロール４に押圧されながらシート部材７は金型６３の表面との接触角θ（図４参照）をほぼ一定の保ちながら、また徐々にその接触部の面積が大きくなるように金型６３の表面上に密着していく。このようにして、金型６３の表面上に気泡を形成することなくシート部材７が搭載されるとともに、シート部材７に金型６３のパターンが転写される。その後、ロール４、押さえロール８３、８４は図１に示す位置に復帰する。上述のようにして、図２の工程（Ｓ２０）が実施される。なお、接触角は、金型６３の表面と、ロール４の真下に位置するシート部材７と金型６３との接触領域端部から、ロール４の進行方向（矢印８９に示す方向）に向けて５ｍｍの位置におけるシート部材７の延在方向（当該位置におけるロール４の表面での接線方向）とのなす角度を言う。

次に、図２に示す冷却工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、図６の矢印９０に示す方向に冷却プレート６５が移動することにより、冷却プレート６５がシート部材７の上部表面上に押圧される。このとき、冷却プレート６５の冷却機構６６（図１参照）により冷却プレート６５は十分冷却されている。この結果、シート部材７が一様に冷却される。なお、このとき定盤２の冷却機構６４を動作させることにより、定盤２、金型ベース６２および金型６３を介してもシート部材７を冷却することが好ましい。このようにすれば、シート部材７のパターンが転写された面と、当該面とは反対側の裏面との両面より迅速に冷却することができる。

その後、冷却プレート６５が図１に示したような待機位置にまで後退し、シート部材７が金型６３から取出される。このようにして、シート部材７の表面に金型６３の形状を正確に転写することができる。

ここで、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。この発明に従った成形装置１は、金型６３と、加熱部材としてのヒータ３と、搭載部材（図１のロール４、ロール支持部材６８、ベース部材６９、ガイド部材６７）とを備える。金型６３は、熱可塑性樹脂からなるシート部材７に転写するパターンが表面に形成されている。ヒータ３は、金型６３を加熱するためのものである。搭載部材は、図３〜図６に示すように、シート部材７を金型６３上に搭載する。搭載部材は、シート部材７において金型６３と接触する部分の面積が徐々に大きくなるように、シート部材７を操作するとともに、シート部材７を金型６３に押圧する。

このようにすれば、金型６３がシート部材７を構成する熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度に加熱された状態で、搭載部材によりシート部材７を徐々に金型６３に接触していくように金型６３へ搭載するとともに金型６３へシート部材７を押圧することができる。このため、シート部材７と金型６３との間に空気が巻き込まれることを抑制できる。また、金型６３を予め加熱しておくことができるので、シート部材７のうち金型６３に接触した部分をすぐに融着させることができる。このため、シート部材７を金型６３に押圧する工程において一度金型６３に接触したシート部材７の部分と金型６３との間に空気が入り込む可能性を低減できる。このため、気泡部分の発生を抑制して、金型６３の表面上にシート部材７を万遍なく密着させるとともに、金型６３にシート部材７を押圧することで金型６３に形成されたパターンを正確にシート部材７に転写することができる。

上記成形装置１において、搭載部材は、シート部材７を加熱するシート加熱部材としてのロール用ヒータ１２を含んでいてもよい。この場合、シート部材７を金型６３に押圧するより前に、ロール用ヒータ１２によってもシート部材７を加熱することができるので、金型６３に接触される前にシート部材７をある程度加熱しておくことができる。このため、金型６３に接触したシート部材７が金型６３からの熱によってすぐ所定の処理温度（たとえば、シート部材７を構成する熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度）になり、金型６３へシート部材７を確実に密着させることができる。

上記成形装置１において、搭載部材は、ロール４と移動部材（ベース部材６９およびガイド部材６７）とを含んでいてもよい。ロール４はシート部材７を表面に沿わせるものである。移動部材は、ロール４を、金型６３においてシート部材７が搭載される表面に向かう方向および当該金型６３の表面（所定のパターンが形成された表面）に沿った方向に移動させる。この場合、図３〜図４に示すように、ロール４に沿わせたシート部材７の一部を金型６３表面に接触させて、さらにシート部材７において金型６３に接触する部分を広げるようにロール４を移動させることができる。このため、ロール４に沿わせることで金型６３表面とシート部材７との接触角（ロール４下において金型６３表面とシート部材７の延在方向とのなす角度）をほぼ一定に保つことができる。このため、安定してシート部材７を金型６３に接触させることができるので、シート部材７と金型６３との間に空気が巻き込まれることを確実に抑制できる。さらに、ロール４によって金型６３表面にシート部材７を押圧するので、金型６３表面に形成されたパターンをシート部材７へ確実に転写することができる。

上記成形装置１は、ロール４表面にシート部材７を沿わせるための補助支持部材としての押さえロール８３、８４を更に備えている。この場合、ロール４表面に沿った状態でシート部材７を確実に保持することができる。また、上記成形装置１は、シート部材７においてロール４表面に沿って配置された部分以外の部分を支持するサポート部材としてのガイドロール８５をさらに備えていてもよい。この場合、シート部材７においてロール４表面に沿って配置された部分以外の部分が金型６３に接触するといった問題の発生を抑制できる。

上記成形装置１は、金型６３に押圧されたシート部材７を冷却する冷却部材としての冷却プレート６５を更に備えていてもよい。この場合、金型６３に押圧されることにより所定のパターンが転写されたシート部材７を冷却し、シート部材７の形状（所定のパターンが転写された部分の表面形状）を確実に維持させることができる。また、冷却プレート６５はシート部材７の広い領域に接触する接触面（冷却プレート６５のシート部材７と対向する面）を有する。具体的には、シート部材７において金型６３が接触している領域と重なる（好ましくは当該領域を覆う）ように、冷却プレート６５の接触面はシート部材７と接触することが好ましい。この場合、シート部材７のパターンが転写された領域を均一に冷却することが可能になる。

この発明に従った熱可塑性樹脂の成形方法は、熱可塑性樹脂からなるシート部材７を準備する工程（準備工程（Ｓ１０））と、シート部材７を金型に押圧する工程（シート部材の搭載・押圧工程（Ｓ２０））とを備える。シート部材を金型に押圧する工程（Ｓ２０）では、シート部材７に転写するパターンが表面に形成され、熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱された金型６３上に、シート部材７において金型６３と接触する部分の面積が徐々に大きくなるようにシート部材７を搭載するとともに、シート部材７を金型６３に押圧する。

このようにすれば、シート部材７が金型６３に接触するときに、シート部材７と金型６３との間に空気が巻き込まれることを抑制できる。また、金型６３を熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱しているとともにシート部材７が金型６３に押圧されるので、シート部材７のうち金型６３に接触した部分をすぐに金型６３へ密着させると同時に金型６３に形成されたパターンをシート部材７へ転写することができる。このため、シート部材７を金型６３に押圧する工程において一度金型６３に接触したシート部材７の部分と金型６３との間に空気が入り込む可能性を低減できる。そのため、気泡部分の発生を抑制して、金型６３に形成された所定のパターンをシート部材７に正確に転写することができる。

上記成形方法では、シート部材を金型に押圧する工程（Ｓ２０）において、シート部材７が加熱されていてもよい。具体的には、シート部材７が沿うように接触しているロール４のロール用ヒータ１２によりシート部材７が加熱されていてもよい。この場合、シート部材７を金型６３に押圧する前に、シート部材７をある程度加熱しておくことができる。このため、金型６３に接触したシート部材７が金型６３からの熱によってすぐ所定の処理温度（たとえば、シート部材７を構成する熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度）になり、金型６３へシート部材７を確実に密着させることができる。

上記成形方法において、シート部材７を金型６３に押圧する工程（Ｓ２０）では、シート部材７を表面に沿わせたロール４を、金型６３のシート部材７が搭載される表面に押圧するとともに、当該金型６３の表面に沿ってロール４を移動させてもよい。この場合、ロール４に沿わせることで金型６３表面とシート部材７との接触角（ロール下において金型６３表面とシート部材７の延在方向とのなす角度）をほぼ一定に保つことができる。このため、安定してシート部材７を金型６３に接触させることができるので、シート部材７と金型６３との間に空気が巻き込まれることを確実に抑制できる。さらに、ロール４によりシート部材７を金型６３表面に押圧することにより、金型６３表面に対するシート部材７の密着性を向上させることができるとともに、シート部材７へ金型６３のパターンを確実に転写することができる。

上記成形方法において、シート部材を金型に押圧する工程では、予め補助支持部材としての押さえロール８３、８４によりロール４表面にシート部材７が沿って配置され、シート部材７が金型６３に押圧されるときには図４に示すように当該補助支持部材（押さえロール８３）がロール４から離れる方向に移動されていてもよい。この場合、押さえロール８３、８４によってロール４表面に沿った状態でシート部材７を確実に金型６３と対向する位置にまで移動させることができる。また、シート部材を金型に押圧する工程（Ｓ２０）では、シート部材７においてロール４表面に沿って配置された部分以外の部分をサポート部材としてのガイドロール８５によって支持してもよい。この場合、シート部材７においてロール４表面に沿って配置された部分以外の部分が金型６３に接触するといった問題の発生を抑制できる。

上記成形方法は、金型６３に押圧されたシート部材７を冷却する工程（冷却工程（Ｓ３０））を更に備えていてもよい。この場合、金型６３に押圧されることにより所定のパターンが転写されたシート部材７を冷却し、シート部材７の形状（所定のパターンが転写された部分の表面形状）を確実に維持させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、熱可塑性樹脂からなるシート部材のうち、特に比較的膜厚の薄いシート部材を金型上に搭載して当該金型のパターンを転写するプレス方法および当該プレス方法を実施するプレス成形装置に適用することができる。

本発明による成形装置の実施の形態を示す模式図である。 図１に示した成形装置を用いた成形方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示した成形装置１の動作を説明するための模式図である。 図１に示した成形装置１の動作を説明するための模式図である。 図１に示した成形装置１の動作を説明するための模式図である。 図１に示した成形装置１の動作を説明するための模式図である。

符号の説明

１ 成形装置、２ 定盤、３ ヒータ、４ ロール、７ シート部材、１２ ロール用ヒータ、１３ 制御部、８１ 駆動ローラ、８２ 搬送ベルト、６１ 架台、６２ 金型ベース、６３ 金型、６４，６６ 冷却機構、６５ 冷却プレート、６７ ガイド部材、６８ ロール支持部材、６９ ベース部材、７３〜７６，７９，８７〜９０ 矢印、８３，８４ 押さえロール、８５ ガイドロール。

Claims (8)

1. 熱可塑性樹脂からなるシート部材に転写するパターンが表面に形成された金型と、
   前記金型を加熱するための加熱部材と、
   前記シート部材を前記金型上に搭載する搭載部材とを備え、
   前記搭載部材は、前記シート部材において前記金型と接触する部分の面積が徐々に大きくなるように、前記シート部材を操作するとともに、前記シート部材を前記金型に押圧する、成形装置。
2. 前記搭載部材は、前記シート部材を加熱するシート加熱部材を含む、請求項１に記載の成形装置。
3. 前記搭載部材は、
   前記シート部材を表面に沿わせるロールと、
   前記ロールを前記金型において前記シート部材が搭載される表面に向かう方向および前記金型の前記表面に沿った方向に移動させる移動部材とを含む、請求項１または２に記載の成形装置。
4. 前記金型に押圧された前記シート部材を冷却する冷却部材を更に備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成形装置。
5. 熱可塑性樹脂からなるシート部材を準備する工程と、
   前記シート部材に転写するパターンが表面に形成され、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱された金型上に、前記シート部材において前記金型と接触する部分の面積が徐々に大きくなるように前記シート部材を搭載するとともに、前記シート部材を前記金型に押圧する工程とを備える、熱可塑性樹脂の成形方法。
6. 前記シート部材を前記金型に押圧する工程において、前記シート部材が加熱されている、請求項５に記載の熱可塑性樹脂の成形方法。
7. 前記シート部材を前記金型に押圧する工程では、前記シート部材を表面に沿わせたロールを、前記金型の前記シート部材が搭載される表面に押圧するとともに、前記金型の前記表面に沿ってロールを移動させる、請求項５または６に記載の熱可塑性樹脂の処理方法。
8. 前記金型に押圧された前記シート部材を冷却する工程を更に備える、請求項５〜７のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂の成形方法。

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