JP4736029B2 - エンボス加工装置およびエンボス加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、基材に凹凸形状を形成するエンボス加工装置およびエンボス加工方法に係り、とりわけ、基材に所望の凹凸形状を精度良く効率的に形成することができるエンボス加工装置およびエンボス加工方法に関する。

従来、化粧シート、内装材等に用いられるシート状材料の意匠性を向上させることを目的として、エンボス加工装置を用いたエンボス加工によって、基材表層に凹凸形状を形成して基材に幾何学模様や木目模様等を付けることが行われている（例えば、特許文献１および２）。
特開平６−１４３４６６号公報 特開２００２−２０５３１１号公報

ところで、基材にエンボス加工を施した場合、エンボス加工装置による基材への圧力を除去した後に、基材に残留した応力が徐々に開放され、これにともなって、基材に一旦形成された凹凸形状が平坦化していくといった現象が生じる。このような現象は、基材として樹脂、とりわけ、熱可塑性樹脂を加熱しながらエンボス加工を施した場合に顕著に生じる。そして、このような現象が生じた場合、基材に所望の凹凸形状を精度良く形成することが阻害されてしまう。

このような不具合を回避する方法として、例えば、基材の温度が低下し残留した応力が除去されるまで、基材に圧力を加え続けることが考えられる。しかしながら、このような方法は、生産性を著しく悪化させる点で好ましくない。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、基材に所望の凹凸形状を精度良く効率的に形成することができるエンボス加工装置およびエンボス加工方法を提供することを目的とする。

本発明によるエンボス加工装置は、基材に凹凸形状を形成するエンボス加工装置であって、外周に凹凸形状を有するエンボスロールと、エンボスロールに対向して設けられた複数の支持ロールであって、エンボスロールの外周に沿って搬送される基材をエンボスロールとの間で順次挟圧する複数の支持ロールと、エンボスロールまたは上流側の支持ロールを加熱する加熱装置と、最下流側の支持ロールを冷却する冷却装置と、を備えたことを特徴とする。このようなエンボス加工装置によれば、加熱によって軟化された基材が複数回挟圧されることになり、基材に凹凸形状を精度良く形成することができる。また、エンボスロールと最下流側の支持ロールとの間に挟圧された際に、基材が支持ロールを介して冷却される。これにより、基材に残留した応力が加工後に徐々に開放されることにともなって基材が平坦化してしまうことを抑制することができる。さらに、エンボスロールと各支持ロールとによる挟圧によって、各支持ロール間を搬送される際に負荷される基材への引張力が抑制される。したがって、搬送中の引張力によって基材に伸びが生じ、順次形成されていく凹凸形状が位置ずれしてしまうこと、および、基材に形成された凹凸形状が平坦化してしまうこと、を抑制することができる。これらのことから、このエンボス加工方法よれば、本発明によれば、基材に所望の凹凸形状を精度良く効率的に形成することができる。

このようなエンボス加工装置において、最下流側の支持ロールには、冷却水を流すための孔が設けられていてもよい。このようなエンボス加工装置によれば、孔に注水される冷却水の水温、水量等を調整することにより、基材を軟化開始温度未満まで冷却することができる。これにより、基材に残留した応力が徐々に開放されて基材が平坦化してしまうことを防止し、所望の凹凸形状をより精度良く形成することができる。

このようなエンボス加工装置において、最下流側の支持ロールは上流側の支持ロールに比べて大きな径を有するようにしてもよい。このようなエンボス加工装置によれば、基材が最下流側の支持ロールへ接触している時間を長くすることができる。これにより、基材の搬送速度を低下させることなく、支持ロールを介して基材を十分冷却することができる。

このようなエンボス加工装置において、最下流側の支持ロールの表面層が、エンボスロールの表面層よりも硬度の低い材料から形成されていてもよい。このようなエンボス加工装置によれば、最下流側の支持ロールが変形しやすいため、基材がエンボスロールと最下流側の支持ロールとの間で挟圧されながら冷却されている時間を長くすることができる。これにより、精度良く形成された凹凸形状を維持しながら、支持ロールを介して基材を十分冷却することができる。

本発明によるエンボス加工方法は、外周に凹凸形状を有するエンボスロールとエンボスロールに対向して配置された複数の支持ロールとの間でシート状の基材を順次挟圧して、基材に凹凸形状を形成するエンボス加工方法であって、エンボスロールと最上流側の支持ロールとの間で基材を加熱しながら挟圧する工程と、エンボスロールの外周に沿って基材を搬送する工程と、エンボスロールと最下流側の支持ロールとの間で基材を冷却しながら挟圧する工程と、を備えたことを特徴とする。このようなエンボス加工方法によれば、加熱によって軟化された基材が複数回挟圧されることになり、基材に凹凸形状を精度良く形成することができる。また、エンボスロールと最下流側の支持ロールとの間で挟圧されながら冷却されるので、基材に残留した応力が加工後に徐々に開放されることにともなって基材が平坦化してしまうことを抑制することができる。さらに、エンボスロールと各支持ロールとによる挟圧によって、各支持ロール間を搬送される際に負荷される基材への引張力が抑制される。したがって、搬送中の引張力によって基材に伸びが生じ、順次形成されていく凹凸形状が位置ずれしてしまうこと、および、基材に形成された凹凸形状が平坦化してしまうこと、を抑制することができる。これらのことから、このエンボス加工方法によれば、基材に所望の凹凸形状を精度良く効率的に形成することができる。

本発明によれば、生産性を悪化させることなく、基材に形成された凹凸形状が加工後に平坦化してしまうことを抑制することができる。これにより、基材に所望の凹凸形状を精度良く効率的に形成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１および図２は本発明によるエンボス加工装置およびエンボス加工方法の一実施の形態を示す図である。

このうち図１はエンボス加工装置１０およびエンボス加工方法を示す概略図であり、図２は最下流側の支持ロール４０と基材５０との接触状態を説明する図である。

図１に示すように、エンボス加工装置１０は、外周面に凹凸形状を有する単一のエンボスロール２０と、各々がエンボスロール２０に対向して設けられた複数の支持ロール３０，４０であって、エンボスロール２０の外周に沿って搬送される基材５０をエンボスロール２０との間で順次挟圧する複数の支持ロール３０，４０と、エンボスロール２０を加熱する加熱装置１２と、最下流側の支持ロール４０を冷却する冷却装置１４と、を備えている。このようなエンボス加工装置１０は、エンボスロール２０と、エンボスロール２０に対向して配置された複数の支持ロール３０，４０と、の間でシート状の基材５０を順次挟圧していき、基材５０に凹凸形状を形成する装置である。

なお、エンボス加工の対象となるシート状の基材５０として、例えば、ポリプロピレン等からなる熱可塑性樹脂や、耐熱中性紙上に積層された熱可塑性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂は、特有の軟化開始温度以上に加熱されると軟化し、その後、軟化開始温度未満に冷却されると再度硬化する、という性質を有している。

エンボスロール２０は、例えば、金属製ロールからなり、両端から突出する一対の支持軸２２を介して駆動機構２４により支持されている。駆動機構２４は、エンボスロール２０を所望の回転速度で回転駆動することができるようになっている。

本実施の形態においては、上流側に設けられた第１支持ロール（最上流側の支持ロールとも呼ぶ）３０と、下流側に設けられた第２支持ロール（最下流側の支持ロールとも呼ぶ）４０とからなる２つの支持ロールが設けられている。各支持ロール３０，４０は、両端から突出する各支持軸３２，４２を介し、各保持部材３４，４４によって回転自在に保持されている。各保持部材３４，４４は、各支持ロール３０，４０をエンボスロール２０に向けて所望の押圧力で押圧することができるようになっている。

第１支持ロール３０は、例えば、金属製ロール等から構成されている。一方、第２支持ロール４０は、ゴム等の圧縮自在な材料によって外表面層が形成されたロールからなっており、第２支持ロール４０の外表面層は、エンボスロール２０および第１支持ロール３０の外表面層よりも硬度が低くなっている。

また、図１に示されているように、エンボスロール２０は第１支持ロール３０および第２支持ロール４０に比べて大きな径を有しており、第２支持ロール４０は第１支持ロール３０に比べて大きな径を有している。

図１に示されているように、加熱装置１２は、エンボスロール２０に内蔵されたシート状のヒータから構成されており、主に、エンボスロール２０の凹凸形状を有した外周面を加熱するようになっている。

また、図１に示されているように、冷却装置１４は、冷却水を吸引および吐出するポンプ１４ａと、ポンプ１４ａと第２支持ロール４０とを連結する一対の連結管１４ｂと、を有している。一方、第２支持ロール４０内には、冷却装置１４から冷却水を受ける流路孔１６が形成されている。流路孔１６は、第２支持ロール４０の外周面近傍に形成された環状孔１６ｂと、環状孔１６ｂと連通し、各支持軸４２まで延びて開口した一対の案内孔１６ａと、からなっている。ポンプ１４ａの一対の連結管１４ｂは、それぞれ第２支持ロール４０の異なる案内孔１６ａに回転自在に接続されている。これにより、冷却装置１４のポンプ１４ａが連結管１４ｂを介して、第２支持ロール４０の一方の支持軸４２から流路孔１６内に冷却水を注水するとともに、他方の支持軸４２から冷却水を回収するようになっている。

また、このような冷却水の流路中にタンク（図示せず）が設けられ、このタンク内に溜まった冷却水の温度を調整することができるようになっていることが好ましい。これにより、第２支持ロール４０を所望の温度に冷却することができるようになる。

次に、このような構成からなるエンボス加工装置１０を用いたエンボス加工方法について説明する。

基材５０にエンボス加工を施す場合、エンボスロール２０が駆動機構２４によって回転駆動されるとともに、加熱装置１２によって外周面近傍が加熱される。また、冷却装置１４のポンプ１４ａによって冷却水が冷却装置１４と第２支持ロール４０との間を循環するようになり、この冷却水によって第２支持ロール４０の外周面近傍が冷却される。なお、加熱装置１２による加熱温度および冷却装置１４による冷却温度は、用いられる基材５０の軟化開始温度に応じて設定される。

また、エンボスロール２０と各支持ロール３０，４０との間において基材５０を適切な圧力によって挟圧することができるよう、保持部材３４，４４によって各支持ロール３０，４０をエンボスロール２０に向けて押圧する押圧力が、予め調整される。

このような状態のエンボス加工装置１０にシート状の基材５０が供給されていく。

まず、シート状の基材５０は、エンボスロール２０と第１支持ロール３０との間に送り込まれる。そして、基材５０は、エンボスロール２０と第１支持ロール３０との間において挟圧される。これにより、エンボスロール２０の凹凸形状に対応した凹凸形状が基材５０に形成される。この際、基材５０は、加熱装置１２によって加熱されたエンボスロール２０と接触してエンボスロール２０を介して加熱されており、好ましくは、軟化開始温度以上に加熱される。軟化開始温度以上に基材５０が加熱された場合、基材５０は軟化して流動性が増すので、基材に凹凸形状を精度良く形成することができる。

本発明者らの行った実験結果によれば、挟圧時の圧力を高めることにより、大きな（粗い）凹凸形状を精度良く基材５０に転写することができ、また、適度な挟圧力を長時間加えることにより、小さな（微細な）凹凸形状を精度良く基材５０に転写することができる。すなわち、硬度が高く変形しづらい表面層を有した第１支持ロール３０を用いた場合、基材５０を高圧力で挟持することができ、これにより、基材５０に大きな凹凸形状を精度良く形成することができる。一方、硬度が低く変形しやすい表面層を有した第１支持ロール３０を用いた場合、後に詳述するように基材５０を長時間にわたって挟圧することができ、これにより、基材５０に小さな凹凸形状を精度良く形成することができる。

基材５０は、エンボスロール２０と第１支持ロール３０との間を通過した後、エンボスロール２０の外周面に沿って搬送され、エンボスロール２０と第２支持ロール４０との間に送り込まれる。

次に、基材５０は、エンボスロール２０と第２支持ロール４０との間において再度挟圧される。これにより、エンボスロール２０と第１支持ロール３０との間で形成された基材５０の凹凸形状が、対応するエンボスロール２０の凹凸形状と再度強固に嵌合する。したがって、エンボスロール２０の凹凸形状に対応した凹凸形状が、基材５０により精確に転写される。このようにして精度良く凹凸形状を形成された基材５０は、エンボスロール２０から離間して第２支持ロール４０の外周面に沿って移動するようになる。

また、この間、基材５０と接触する第２支持ロール４０は、冷却装置１４によって冷却されている。したがって、基材５０は第２支持ロール４０を介して冷却される。上述したように、本実施の形態においては、第２支持ロール４０が大きな径を有するとともに、硬度の低い材料からなる表面層を有している。図２に示すように、表面層が硬い支持ロール（図２に二点鎖線で示す）に比べ、表面層が軟らかい第２支持ロール４０はエンボスロール２０の外周面の輪郭に追従するよう大きく変形する。これにより、基材５０がエンボスロール２０と第２支持ロール４０とによって挟圧されながら移動する距離（ニップ長さ）Ｌ１が長くなる。また、図２に示すように、小径の支持ロール（図２に二点鎖線で示す）に比べ、大径の第２支持ロール４０を用いた場合には、基材５０が第２支持ロール４０接触しながら移動する距離（接触長さ）Ｌ２が長くなる。これらのことに加えて、上述したようにして冷却装置１４の冷却能力を調整することができることから、本実施の形態においては、基材５０が第２支持ロール４０との接触により軟化開始温度未満まで冷却され得る。

このようにして冷却された基材５０は変形抵抗が高まり、軟化開始温度以上に加熱された状態で加えられるとともに、内部に残留した応力によって、変形してしまうこと、すなわち、一度形成された凹凸形状が平坦化してしまうことを大幅に抑制することができる。また、エンボスロール２０と第１支持ロール３０との間で形成された基材５０が、対応するエンボスロール２０と強固に嵌合した状態で冷却が開始されることから、基材５０に形成される凹凸形状は、エンボスロールの凹凸形状に酷似するとともに輪郭がはっきりとした形状になる。

図１に示すように、冷却された基材５０は、その後、第２支持ロールから離間し、回収される。

なお、上述した基材５０の移動は、駆動機構２４によるエンボスロール２０の回転だけでなく、第２支持ロール４０下流側からの引き込み、さらには、弛みを防止するための第１支持ロール３０上流側からテンション付加によってもたらされる。したがって、シート状の基材５０は絶えず引張力が加えられた状態となっている。ただし、本実施の形態におけるエンボス加工装置１０においては、第１支持ロール３０とエンボスロール２０との間、および第２支持ロール４０とエンボスロール２０との間において、基材５０が挟圧されている。したがって、第１支持ロール３０の上流側からの引張力が第１支持ロール３０とエンボスロール２０との間で、第２支持ロール４０の下流側からの引張力が第２支持ロール４０とエンボスロール２０との間でテンションカットされ、エンボスロール２０の外周面に沿って第１支持ロール３０から第２支持ロール４０へ搬送される基材５０には大きな引張力が加えられていない。したがって、第１支持ロール３０から第２支持ロール４０へ搬送される際に引張力によって基材５０に延びが生じることを原因として、各支持ロール３０，４０とエンボスロール２０との間で順次形成される凹凸形状が位置ずれしてしまうことを回避することができる。

また、上述したように第２支持ロール４０との接触により、基材５０が軟化開始温度未満まで冷却されるので、第２支持ロール４０の下流側からの引張力によって基材５０が伸ばされ、基材５０に形成された凹凸形状が平坦化してしまうことを大幅に抑制することができる。

以上のように本実施の形態によれば、エンボスロール２０に対向して複数の支持ロール３０，４０が設けられ、加熱装置１２がエンボスロール２０を加熱するとともに、冷却装置１４が最下流側の支持ロール（第２支持ロール）４０を冷却するようになっている。このようなエンボス加工装置１０によれば、エンボスロール２０と各支持ロール３０，４０との間で基材５０を順次挟圧して、基材５０に凹凸形状が形成される。したがって、加熱によって軟化された基材５０が複数回挟圧されることになり、基材５０に微細な凹凸形状をも精度良く形成することができる。また、エンボスロール２０と第２支持ロール４０との間に挟圧された際に、第２支持ロール４０を介して基材５０が冷却される、すなわち、凹凸形状を有するエンボスロール２０と強固に嵌合された状態で基材５０が冷却される。したがって、基材５０に残留した応力が加工後に徐々に開放されることにともなって基材５０が平坦化してしまうことを抑制することができる。さらに、エンボスロール２０と各支持ロール３０，４０とによる挟圧によって、各支持ロール３０，４０間を搬送される際に負荷される基材５０への引張力が抑制される。したがって、搬送中の引張力によって基材５０に伸びが生じ、順次形成されていく凹凸形状が位置ずれしてしまうこと、および、基材５０に形成された凹凸形状が平坦化してしまうこと、を抑制することができる。これらのことから、本実施の形態におけるエンボス加工装置によれば、基材５０に所望の凹凸形状を精度良く効率的に形成することができる、と言える。

また、本実施の形態によれば、第２支持ロール４０には、冷却水を循環させる流路孔１６が設けられており、流路孔１６に注水される冷却水の水温、水量等を調整することにより、熱可塑性樹脂からなる基材５０を軟化開始温度未満まで冷却することができる。これにより、基材５０に残留した応力が徐々に開放されて基材５０の凹凸形状が平坦化してしまうことを防止し、所望の凹凸形状をより精度良く形成することができる。また、冷却水温を下げあるいは冷却水量を増すことによって、基材を短時間で冷却することができるようになる。これにより、基材５０の搬送速度を上昇させることができ、さらに効率的に凹凸形状を形成することもできる。

さらに、本実施の形態によれば、第２支持ロール４０は第１支持ロール３０に比べて大きな径を有している。したがって、基材５０が第２支持ロール４０へ接触している時間を長くすることができる。これにより、基材５０の搬送速度を低下させることなく、第２支持ロール４０を介して基材５０を十分冷却することができる。

さらに、本実施の形態によれば、第２支持ロール４０の外表面層は、エンボスロール２０の外表面層よりも硬度の低い材料から形成されている。したがって、第２支持ロール４０が変形しやすいため、基材５０がエンボスロール２０と第２支持ロール４０との間で挟圧されながら冷却されている時間を長くすることができる。これにより、精度良く形成された凹凸形状を維持しながら、第２支持ロール４０を介して基材５０を十分冷却することができる。

なお、上述した実施の形態に関し、本発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。以下、変形例の一例について説明する。

上述した実施の形態において、エンボス加工装置１０に２つの支持ロール３０，４０が設けられた例を示したが、これに限られず、エンボス加工装置１０に３つ以上の支持ロールを設けるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態において、第１支持ロール３０が第２支持ロール４０に比べて硬度の高い外表面層を有した例を示したが、これに限られない。第１支持ロール３０が第２支持ロール４０と同様に硬度の低い外表面層を有するようにしてもよい。この場合、基材５０は、より長時間にわたって、エンボスロール２０と第１支持ロール３０との間で加熱されながら挟圧されることになるため、微細な凹凸形状が精度良く基材５０に形成されるようになる。また、第１支持ロール３０と第２支持ロール４０との間に第３支持ロールを設け、第１支持ロール３０が硬度の高い外表面層を有し、第３支持ロールが硬度の低い外表面層を有するようにしてもよい。この場合、基材５０は、エンボスロール２０と第１支持ロール３０との間で大きな凹凸形状を精度良く形成され、さらに、エンボスロール２０と第３支持ロールとの間で小さな（微細な）凹凸形状を精度良く形成されるようになる。

さらに、上述した実施の形態においては、加熱装置１２がエンボスロール２０を加熱する例を示したが、これに限られない。加熱装置１２が、冷却装置１４に接続されていない支持ロールを加熱するようにしてもよい。また、エンボス加工装置１０に支持ロールが３つ以上設けられている場合には、２つ以上の上流側の支持ロールを加熱装置１２によって加熱するようにしてもよい。このような構成においては、最下流側の支持ロール４０への熱量の移動が抑制され、冷却装置１４により最下流側の支持ロール４０を効率よく冷却することができるようになる。

さらに、上述した実施の形態においては、冷却装置１４が第２支持ロール４０のみを冷却する例を示したが、これに限られない。エンボス加工装置１０に支持ロールが３つ以上設けられている場合には、冷却装置１４が２つ以上の支持ロールを冷却するようにしてもよい。

本発明によるエンボス加工装置およびエンボス加工方法の一実施の形態を示す概略図。 最下流側の支持ロールと基材との接触状態を説明する図。

符号の説明

１０ エンボス加工装置
１２ 加熱装置
１４ 冷却装置
１６ 孔
２０ エンボスロール
３０ 支持ロール
４０ 支持ロール

Claims (6)

1. 基材に凹凸形状を形成するエンボス加工装置において、
   外周に凹凸形状を有するエンボスロールと、
   前記エンボスロールに対向して設けられた複数の支持ロールであって、前記エンボスロールの外周に沿って搬送される前記基材を前記エンボスロールとの間で順次挟圧する複数の支持ロールと、
   前記エンボスロールまたは上流側の支持ロールを加熱する加熱装置と、
   最下流側の支持ロールを冷却する冷却装置と、を備え、
   前記最下流側の支持ロールは前記上流側の支持ロールに比べて大きな径を有し、
   前記最下流側の支持ロールの表面層は、前記エンボスロールの表面層よりも硬度の低い材料から形成されていることを特徴とするエンボス加工装置。
2. 前記冷却装置は、冷却水を吸引および吐出するポンプと、前記ポンプと前記最下流側の支持ロールとを連結する一対の連結管と、を有し、
   前記最下流側の支持ロールには、冷却水を流すための孔が設けられており、前記孔の両端が、それぞれ、連結管に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のエンボス加工装置。
3. 各支持ロールを回転自在に保持する保持部材をさらに備え、
   各保持部材は、保持した支持ロールの前記エンボスロールに向けた押圧力を調整可能となっていることを特徴とする請求項１または２に記載のエンボス加工装置。
4. 前記冷却装置によって冷却されない上流側の支持ロールとして、表面層の硬度が互いに異なる二つの支持ロールが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエンボス加工装置。
5. 前記冷却装置によって冷却されない上流側の支持ロールは、最下流側の支持ロールに比べて硬度の高い表面層を有している請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエンボス加工装置。
6. 外周に凹凸形状を有するエンボスロールと、前記エンボスロールに対向して配置された複数の支持ロールと、の間でシート状の基材を順次挟圧して、前記基材に凹凸形状を形成するエンボス加工方法において、
   前記エンボスロールと最上流側の支持ロールとの間で前記基材を加熱しながら挟圧する工程と、
   前記エンボスロールの外周に沿って前記基材を搬送する工程と、
   前記エンボスロールと最下流側の支持ロールとの間で前記基材を冷却しながら挟圧する工程と、を備え、
   前記最下流側の支持ロールは前記上流側の支持ロールに比べて大きな径を有し、
   前記最下流側の支持ロールの表面層は、前記エンボスロールの表面層よりも硬度の低い材料から形成されていることを特徴とするエンボス加工方法。

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