JP4839228B2 - 成形品の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、成形型及びこの成形型内に供給したガラス、プラスチック等の熱可塑性素材を加熱工程において加熱手段によって昇温加熱し、この加熱された成形型及び熱可塑性素材を成形工程にて押圧して成形する成形品の製造方法及び製造装置に関する。

熱可塑性素材の成形品を製造する場合には、熱可塑性素材を収容する成形型の成形面精度が、製造される成形品の精度に影響する。さらに、成形型の老朽化（酸化・劣化）、熱可塑性素材の体積・組成のばらつき、ヒータ等の製造装置構成物の経時変化等（酸化・劣化・摩耗）により、同一の条件設定のままで、初期の有効面の転写精度を繰り返し維持し続けるのが困難になってくる。一方、転写精度を維持するために温度或いは圧力を高めに設定すると、熱可塑性素材に焼き付き、割れ等の発生の危険性が増し、歩留りが得にくくなってしまう。

そこで、加熱・成形という連続する工程の流れにおいて、加熱工程における一定時間内のガラス（熱可塑性素材）の変形量に応じて、加熱工程における温度、圧力或いは時間のいずれかの条件を調整することにより、加熱工程における熱可塑性素材の変形量を一定にする成形方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−５８８３７号公報

ところで、上記特許文献１記載の成形方法は、加熱工程において温度、圧力或いは時間のいずれかの条件を調整して熱可塑性素材の変形量を一定にして成形しているが、加熱工程においては、熱可塑性素材の温度（実温度）、圧力及び時間の全てを一定にしなくては、加熱工程後の熱可塑性素材の温度、粘度及びこれらの分布を安定させることはできない。

このように加熱工程後の熱可塑性素材の温度、粘度及びこれらの分布が一定でなければ、次工程である成形工程において、同一条件で同等の高精度な転写を繰り返し安定して得ることができなくなり、ひいては成形品を高精度に製造することができなくなってしまう。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、高精度な成形品を繰り返し安定して製造する成形品の製造方法及び製造装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の成形品の製造方法は、成形型及びこの成形型内に供給した熱可塑性素材を加熱工程において加熱手段によって昇温加熱し、この加熱された成形型及び熱可塑性素材を成形工程にて押圧して成形する成形品の製造方法において、上記熱可塑性素材を収容した状態の上記成形型の高さが基準高さに到達するまでの加熱時間の変化に応じて、上記加熱工程における上記加熱手段の温度を調整して上記加熱時間を適正な基準加熱時間に収束させるようにする。

また、上記成形型の高さが基準高さに到達するまでの、予め設定した基準加熱時間からの超過又は短縮した時間を基にして、段階的に予め設定された調整温度幅から選択するようにするとよい。

また、上記成形型の高さが基準高さに到達するまでの、予め設定した基準加熱時間からの超過又は短縮した時間を基にして、関数式により調整温度幅を決定するようにしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の成形品の製造装置は、成形型及びこの成形型内に供給した熱可塑性素材を加熱工程において加熱手段によって昇温加熱し、この加熱された成形型及び熱可塑性素材を成形工程にて押圧して成形する成形品の製造装置において、上記熱可塑性素材及びこの熱可塑性素材を収容した成形型を加熱昇温させる加熱手段と、上記熱可塑性素材を収容した状態の上記成形型の高さを測定する高さ測定手段と、上記測定した成形型の高さが基準高さに到達するまでの加熱時間の変化に応じて、上記加熱工程における上記加熱手段の温度を調整して上記加熱時間を適正な基準加熱時間に収束させる制御手段とを備える構成とする。

また、上記制御手段は、上記成形型の高さが基準高さに到達するまでの、予め設定した基準加熱時間からの超過又は短縮した時間を基にして、段階的に予め設定された調整温度幅から選択する構成とするとよい。

また、上記制御手段は、上記成形型の高さが基準高さに到達するまでの、予め設定した基準加熱時間からの超過又は短縮した時間を基にして、関数式により調整温度幅を決定する構成としてもよい。

本発明では、熱可塑性素材を収容した成形型の高さが基準高さに到達するまでの加熱時間の変化に応じて、加熱工程における加熱手段の温度を調整して加熱時間を適正な基準加熱時間に収束させている。そのため、熱可塑性素材の圧力及び変形量を一定に保持すると共に加熱時間を適正な基準加熱時間に収束させることで、成形型や製造装置構成物の経時変化等による熱可塑性素材の実温度のズレを解消し、加熱工程後の熱可塑性素材の温度、粘度及びこれらの分布を実質的に安定化させることができる。したがって、本発明によれば、高精度な成形品を繰り返し安定して製造することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る熱可塑性素材の製造方法及び製造装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る成形品の製造装置の加熱工程における時間変化を示す説明図である。

同図において、熱可塑性素材１は、成形型２に収容されている。この成形型２は、上型３、下型４、これら上型３及び下型４の外周面に当接するスリーブ５、このスリーブ５と下型４との間に介在する外径枠６から構成されている。以下、成形型２及びこの成形型２に収容された熱可塑性素材１を併せて型セット７と呼ぶ。

型セット７は、加熱手段としてのヒータ８ａ，９ａがそれぞれ４本嵌入された加熱プレート上８及び加熱プレート下９により、一定の圧力で挟持された状態で加熱されている。加熱プレート上８は、図示しない駆動手段により駆動される軸１０に固定されて昇降可能となっている。また、加熱プレート上８の高さ位置は、装置天板１１上に配置された高さ測定手段としての高さ測定部１２により測定されている。

高さ測定部１２、加熱手段としての加熱プレート上８及び加熱プレート下９（ヒータ８ａ及びヒータ９ａ）は、制御手段としての制御部１３に接続されている。この制御部１３は、入力された制御プログラム１３ａに基づくシーケンス制御等により、高さ測定部１２から高さ検出信号１４を受信すると共に、加熱プレート上８及び加熱プレート下９に温度制御信号１５を送信している。

なお、後述する型セット７の高さ測定の精度を確保するため、加熱プレート上８には、型セット７の膨張と共に型セット７に当接したまま上昇し、型セット７の収縮と共に型セット７に当接したまま下降するように、軸１０を介して一定の圧力を加えておく。

制御部１３は、詳しくは後述するが、高さ測定部１２により測定された型セット７の高さが基準高さに到達することを高さ検出信号１４により判断し、熱可塑性素材１の加熱時間が一定になるように、必要に応じて温度制御信号１５によって加熱プレート上８及び加熱プレート下９のプレート温度を制御している。

なお、同図の左側に示す熱可塑性素材１は、加熱によって、成形型２と共に同図の中央に示す熱可塑性素材１−１のように膨張し、これに伴い型セット７（加熱プレート上８）の高さが大きくなる（変位Ｕ）。その後、膨張した熱可塑性素材１−１は、加熱プレート上８及び加熱プレート下９による一定の挟持圧力で変形して、同図中の右側に示す熱可塑性素材１−２へと変形し、これに伴い型セット７の高さは小さくなる（変位Ｄ）。そして、型セット７の高さが基準高さに到達したことをもって制御部１３が加熱工程の完了を捉え、次工程である成形工程において、熱可塑性素材１−２は、加熱プレート上８及び加熱プレート下９によるか、或いは、いわゆる成形型セット循環型の製造装置の場合には別のステージにおける加熱プレート等により、成形され、必要に応じて冷却されて成形品へと製造される。

図２は、上記加熱工程における加熱時間と型セット高さとの関係を示す特性図である。
図３は、上記加熱工程における制御を示すフローチャートである。
図４は、上記加熱工程におけるズレ時間と調整温度幅との関係の例を示す図表である。

図２に示す高さ変化曲線Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を例に説明する。高さ変化曲線Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、上述のように、加熱時間が経過すると図１に示す型セット７（主に熱可塑性素材１）の膨張により型セット高さＨが大きくなる。そして、型セット高さＨが頂点高さＨｍａｘに到達した後、熱可塑性素材１が加熱プレート上８及び加熱プレート下９による一定の挟持圧力で変形して、型セット高さＨは小さくなり、加熱工程が終了となる基準高さＨ₀に到達する。この基準高さＨ₀に到達するまでに要する高さ変化曲線Ｐ１の加熱時間ｔを適正な基準加熱時間ｔ₀として制御部１３に初期設定しておく。

そして、図３に示すように、基準高さＨ₀到達までの基準加熱時間ｔ₀からの超過又は短縮したズレ時間Δｔを測定する（Ｓ１）。この時間測定は、高さ測定部１２からの高さ検出信号１４を制御部１３において検知して、基準高さＨ₀に到達するまでの時間を制御部１３に設けたタイマ機能により測定することができる。

ここで、基準加熱時間ｔ₀からのズレ時間Δｔに応じて段階的に設定された図４の例に示す調整温度幅Ｔを基に、制御部１３により温度を調整する条件であるか否かを判断する（Ｓ２）。本実施の形態では、ズレ時間Δｔが±１秒の範囲内であれば調整温度幅Ｔが０℃であり、温度調整をしないと判断する。

一方、図２に示す高さ変化曲線Ｐ２のように基準高さＨ₀に到達するまでの加熱時間ｔが基準加熱時間ｔ₀よりも長くなり、そのズレ時間Δｔが＋１秒を超える場合、及び、高さ変化曲線Ｐ３のように基準高さＨ₀に到達するまでの加熱時間ｔが基準加熱時間ｔ₀よりも短くなり、そのズレ時間Δｔが−１秒を超える場合には、制御部１３によって加熱温度の調整温度幅Ｔを選択する（Ｓ３）。

本実施の形態では、図４に示すように、ズレ時間Δｔに対する調整温度幅Ｔを、ズレ時間Δｔが＋１〜＋２秒で調整温度幅＋０．２℃、＋２〜＋３秒で＋０．４℃、＋３〜＋５秒で＋０．６℃、−１〜−２秒で−０．２℃、−２〜−３秒で−０．４℃、−３〜−５秒で−０．７℃に設定している。なお、ズレ時間Δｔが設定範囲を超える場合（ここでは＋５秒又は−５秒を超える場合）には、制御部１３により、熱可塑性素材１の加熱を停止するか警告を発するようにするとよい。そのため、加熱を継続することができるズレ時間Δｔの範囲まで調整温度幅Ｔを設定しておくとよい。

そして、調整温度幅Ｔを基に制御部１３から温度制御信号１５を送信し、加熱プレート上８及び加熱プレート下９のプレート温度を調整する（Ｓ４）。なお、図４に示すようなズレ時間Δｔに対する調整温度幅Ｔの決定方法は、実際の加熱時間ｔが基準加熱時間ｔ0に近づくように、成形する熱可塑性素材１或いは成形型２の物性、形状等を基にしたシミュレーションにより、或いは、経験的に、決めることができる。

また、一度の補正で修正するというより何度も繰り返しの補正で理想値に収束していくようにするとよい。
以上説明した本実施の形態では、熱可塑性素材１を収容した成形型２（型セット７）の高さが基準高さＨ₀に到達するまでの加熱時間ｔに応じて、加熱工程における加熱手段の温度を調整して加熱時間を適正な基準加熱時間ｔ₀に収束させている。つまり、熱可塑性素材１の圧力及び変形量を一定に保持すると共に加熱時間を適正な基準加熱時間ｔ₀に収束させることで、成形型２や製造装置構成物の経時変化等による熱可塑性素材１の実温度のズレを解消する。これによって、熱可塑性素材１の熱伝導による熱的分布が安定することになり、加熱工程後の熱可塑性素材１の温度、粘度及びこれらの分布を実質的に安定化させることができる。したがって、本実施の形態によれば、高精度な成形品を繰り返し安定して製造することができる。

また、本実施の形態では、型セット７が基準高さＨ₀に達するまでの基準加熱時間ｔ₀からの超過又は短縮した時間（ズレ時間Δｔ）に基づいて、段階的に設定された加熱手段の温度の調整温度幅Ｔを選択しているため、制御部１３による制御が簡略化する。したがって、本実施の形態によれば、簡単な構成で、高精度な成形品を繰り返し安定して製造することができる。

図５は、上記実施の形態の変形例に係る加熱工程における加熱時間と型セット高さとの関係を示す特性図である。
同図に示すように、本変形例においては、型セット高さの頂点高さＨｍａｘを基準高さＨ₀とし、この基準高さＨ₀における高さ変化曲線Ｐ１の加熱時間ｔを適正な基準加熱時間ｔ₀として、上記実施の形態に係る制御部１３に初期設定している。そして、この基準加熱時間ｔ₀を基にしたズレ時間Δｔに応じて、制御部１３により、調整温度幅Ｔを決定すると共に、温度制御信号１５を送信して加熱プレート上８及び加熱プレート下９のプレート温度を調整する。なお、型セット７の基準高さＨ₀は、型セット高さＨの膨張途中を基準高さＨ₀に設定してもよい。

ここで、本変形例のように加熱工程の完了前の型セット高さを基準高さＨ₀に設定する場合、上記実施の形態よりもズレ時間Δｔの絶対値が少なく計測されるため、設定した基準高さＨ₀に応じたズレ時間Δｔと調整温度幅Ｔとの関係を設定する必要がある。

本変形例においても、熱可塑性素材１を収容した成形型２（型セット７）の高さが基準高さＨ₀に到達するまでの時間に応じて、加熱工程における加熱手段の温度を調整して加熱時間を適正な基準加熱時間ｔ₀に収束させている。つまり、熱可塑性素材１の圧力及び変形量を一定に保持すると共に加熱時間を適正な基準加熱時間ｔ₀に収束させることで、成形型２や製造装置構成物の経時変化等による熱可塑性素材１の実温度のズレを解消する。これによって、熱可塑性素材１の熱伝導による熱的分布が安定することになり、加熱工程後の熱可塑性素材１の温度、粘度及びこれらの分布を実質的に安定化させることができる。したがって、本変形例によっても、高精度な成形品を繰り返し安定して製造することができる。

図６は、本発明の他の実施の形態に係る加熱工程における制御を示すフローチャートである。
図７は、上記加熱工程におけるズレ時間と調整温度幅との関係の例を示すグラフである。

本実施の形態では、ズレ時間Δｔを関数式に入力して調整温度幅Ｔを出力する点を除いて、上記実施の形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
予め、上記実施形態及びその変形例と同様に、基準高さＨ₀を決めて、この基準高さＨ₀に到達する適正な基準加熱時間ｔ₀を図１に示す制御部１３に初期設定しておく。

そして、図６に示すように、基準高さＨ₀に到達するまでのズレ時間Δｔを測定する（Ｓ１１）。
ここで、基準加熱時間ｔ₀からのズレ時間Δｔを基にして、例えば対応する温度変化率を係数化した関数式（調整温度幅Ｔ＝０．１２×ズレ時間Δｔ）により、加熱温度の調整温度幅Ｔを決定する（Ｓ１２）。

この調整温度幅Ｔを基に制御部１３から温度制御信号１５を送信し、加熱プレート上８及び加熱プレート下９のプレート温度を調整する（Ｓ１３）。なお、ズレ時間Δｔに対する調整温度幅Ｔの関数式の決定方法は、実際の加熱時間ｔが基準加熱時間ｔ0に近づくように、成形する熱可塑性素材１或いは成形型２の物性、形状等を基にしたシミュレーションにより、或いは、経験的に、決めることができる。また、関数式を２次関数、３次関数等にすることも有効である。

以上説明した本実施の形態においても、上記実施の形態と同様に、熱可塑性素材１を収容した成形型２（型セット７）の高さが基準高さＨ₀に到達するまでの時間に応じて、加熱工程における加熱手段の温度を調整して加熱時間を適正な基準加熱時間ｔ₀に収束させている。つまり、熱可塑性素材１の圧力及び変形量を一定に保持すると共に加熱時間を適正な基準加熱時間ｔ₀に収束させることで、成形型２や製造装置構成物の経時変化等による熱可塑性素材１の実温度のズレを解消する。これによって、熱可塑性素材１の熱伝導による熱的分布が安定することになり、加熱工程後の熱可塑性素材１の温度、粘度及びこれらの分布を実質的に安定化させることができる。したがって、本実施の形態によれば、高精度な成形品を繰り返し安定して製造することができる。

また、本実施の形態では、型セット７の高さが基準高さＨ₀に到達するまでの、予め設定した基準加熱時間ｔ₀からの超過又は短縮した時間を基にして、関数式（調整温度幅Ｔ＝０．１２×ズレ時間Δｔ）により加熱温度の調整温度幅Ｔを決定している。そのため、より正確に熱可塑性素材１の加熱時間を適正な基準加熱時間ｔ₀に収束させることができる。したがって、本実施の形態によれば、より高精度な成形品を繰り返し安定して製造することができる。

なお、以上説明した実施の形態では、例えば図４又は図７に示すように加熱温度の調整温度幅Ｔを決定する例を説明したが、本発明の加熱工程における適正な基準加熱時間ｔ₀への時間修正は、上記実施の形態で説明したものに限定されず、例えば、加熱温度を連続的に上げていくような加熱をする場合には、温度を一定（直線状）に上げるのではなく、曲線状にあげるようにすることでもよく、また、加熱温度を段階的に上げていく設定で加熱をする場合には、温度を上げるタイミングを前後に調整することでも、加熱時の適正な基準加熱時間ｔ₀への時間修正が可能である。

本発明の一実施の形態に係る成形品の製造装置の加熱工程における時間変化を示す説明図である。 上記加熱工程における加熱時間と型セット高さとの関係を示す特性図である。 上記加熱工程における制御を示すフローチャートである。 上記加熱工程におけるズレ時間と調整温度幅との関係の例を示す図表である。 上記実施の形態の変形例に係る加熱工程における加熱時間と型セット高さとの関係を示す特性図である。 本発明の他の実施の形態に係る加熱工程における制御を示すフローチャートである。 上記加熱工程におけるズレ時間と調整温度幅との関係の例を示すグラフである。

符号の説明

１ 熱可塑性素材
２ 成形型
３ 上型
４ 下型
５ スリーブ
６ 外径枠
７ 型セット
８ 加熱プレート上
８ａ ヒータ
９ 加熱プレート下
９ａ ヒータ
１０ 軸
１１ 装置天板
１２ 高さ測定部
１３ 制御部
１３ａ 制御プログラム
１４ 高さ検出信号
１５ 温度制御信号

Claims (6)

1. 成形型及び該成形型内に供給した熱可塑性素材を加熱工程において加熱手段によって昇温加熱し、該加熱された成形型及び熱可塑性素材を成形工程にて押圧して成形し、成形品を繰り返し製造する成形品の製造方法において、
   前記熱可塑性素材を収容した状態の前記成形型の高さが基準高さに到達するまでの前記加熱工程における加熱時間の変化に応じて、次以降の成形品の製造工程内の前記加熱工程における前記加熱手段の温度を調整して前記加熱時間を適正な基準加熱時間に収束させることを特徴とする成形品の製造方法。
2. 前記成形型の高さが基準高さに到達するまでの、予め設定した基準加熱時間からの超過又は短縮した時間を基にして、段階的に予め設定された調整温度幅から選択することを特徴とする請求項１記載の成形品の製造方法。
3. 前記成形型の高さが基準高さに到達するまでの、予め設定した基準加熱時間からの超過又は短縮した時間を基にして、関数式により調整温度幅を決定することを特徴とする請求項１記載の成形品の製造方法。
4. 成形型及び該成形型内に供給した熱可塑性素材を加熱工程において加熱手段によって昇温加熱し、該加熱された成形型及び熱可塑性素材を成形工程にて押圧して成形し、成形品を繰り返し製造する成形品の製造装置において、
   前記熱可塑性素材及び該熱可塑性素材を収容した成形型を加熱昇温させる加熱手段と、
   前記熱可塑性素材を収容した状態の前記成形型の高さを測定する高さ測定手段と、
   前記測定した成形型の高さが基準高さに到達するまでの前記加熱工程における加熱時間の変化に応じて、次以降の成形品の製造工程内の前記加熱工程における前記加熱手段の温度を調整して前記加熱時間を適正な基準加熱時間に収束させる制御手段と
   を備えることを特徴とする成形品の製造装置。
5. 前記制御手段は、前記成形型の高さが基準高さに到達するまでの、予め設定した基準加熱時間からの超過又は短縮した時間を基にして、段階的に予め設定された調整温度幅から選択することを特徴とする請求項４記載の成形品の製造装置。
6. 前記制御手段は、前記成形型の高さが基準高さに到達するまでの、予め設定した基準加熱時間からの超過又は短縮した時間を基にして、関数式により調整温度幅を決定することを特徴とする請求項４記載の成形品の製造装置。

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