JP5678249B2

JP5678249B2 - ベルト状金型の製造方法

Info

Publication number: JP5678249B2
Application number: JP2012120296A
Authority: JP
Inventors: 佐久間　優; 優佐久間; 満生田中
Original assignee: 株式会社ディムコ
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP2013244671A

Description

本発明は、熱可塑性樹脂シートに微細パタ−ンを連続的に賦形するベルト状の金型の製造方法に関する。

各種光学素子として使用されるプリズムシート、フレネルレンズやレンチキュラーレンズ等は、熱可塑性樹脂シートの表面に光学的性能の要求に応じた様々な凹凸状模様が形成されている。

熱可塑性樹脂シートに凹凸状模様を形成する方法として、例えば、プリズムシートでは、プリズムシートの凹凸状模様を反転したエンボスパターンを刻設した賦型ロール（スタンパロール）と、これに対向して配置される鏡面の挟圧ロールとの間に、ダイから連続的に供給投入される溶融樹脂帯のフィルム原反を通過させて、賦型ロールのエンボスパターンをフィルム原反に転写しつつ圧延冷却するロールエンボッシング方法がある（特許文献１）。

しかしながら、上記ロールエンボッシング方法の場合、一般的に、挟圧ロールとして円柱形の金属製剛体ロールまたは硬質ゴムロールを用いており、ロールに弾性がないために、賦型ロールに対するフィルム原反の押圧領域が直線状で接触面積が狭く、賦形時間が極めて短いために高精度な凹凸状模様を得ることが困難であった。

賦型時間が短い問題を解決するために提案されたのが、金属製無端ベルトと金属製剛体ロールによる挟圧成型方法であり（引用文献２）、これで接触面積が増加して賦型時間の延長が可能になった。そして、金属無端ベルトの表面に微細なエンボスパターンを刻設するパターン形成方法としては、特許文献３に示すようなダイヤモンド工具による切削加工やレーザーによる加工する方法や、レーザーよる加工する方法が採用されている。

特開２００８−１７９０３６号公報特開平９−１６４５９２号公報特開２００９−１６０８３１号公報

しかしながら、上述した従来の微細パターンを形成する方法は、５０ｍｍ×５０ｍｍのスペースに深さが１．０μｍの溝を１．０μｍピッチで形成する場合に５時間以上の長時間を要するという問題があることから、微細パターンの適用分野を拡大するためには転写面積の大型化と高スループット化が不可欠である。

さらに、ダイヤモンドは、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、チタンステンレス鋼と親和性が強く、これらの素材材料を切削すると、熱化学反応によって工具が急速に摩耗するために、超精密切削加工は不可能であることが確認されていて、これを解決するために、ダイヤモンド工具による切削の事前処理としてニッケル合金やステンレス鋼のベルトに対して銅メッキとニッケル−りんめっきを施すことが不可欠である。

そこで、本願発明は、可塑性樹脂シートに光学的性能の要求に応じた様々な凹凸状模様を成形する金属無端ベルトの表面に凹凸状模様が刻設された金型であって、ダイヤモンド工具による切削加工を必要とせず転写面積の大型化と高スループット化が可能なベルト状金型の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係るベルト状金型の製造方法は、中心軸を中心に回転する円柱状の回転体に薄肉金属管状体が装着されて共に回転し、回転する前記薄肉金属管状体に連れ回りする加圧ロールが該薄肉金属管状体を押圧し、前記加圧ロールの押圧面に刻設された凹凸状の微細なパターンからなるマザーパターンが塑性変形に因り前記薄肉金属管状体の表面に凹凸が逆の金型模様として転写され、前記薄肉金属管状体がベルト状に成形されることを特徴としている。なお、塑性変形は薄肉金属管状体の厚さ方向のみならず平面方向にも生ずる三次元の変形である。
また、本願請求項２に係るベルト状金型の製造方法は、請求項１に記載のベルト状金型の製造方法であり、前記円柱状の回転体はマンドレルであって前記薄肉金属管状体は該マンドレルに略密着するように装着され、前記加圧ロールは該薄肉金属管状体を押圧しながら回転方向に直交する方向に移動して該薄肉金属管状体の表面に前記マザーパターンが螺旋状に金型模様として転写されるとともに、該薄肉金属管状体には回転方向に直交する方向に張力が付与され、前記薄肉金属管状体の両小口が切断されてベルト状とされる、ことを特徴としている。
そして、本願請求項３に係るベルト状金型の製造方法は、請求項１に記載のベルト状金型の製造方法であり、前記円柱状の回転体は主ロールであり前記薄肉金属管状体は無端ベルトであって、該薄肉金属管状体は該主ロールおよび副ロールに巻回されるとともに該主ロールおよび該副ロールは互いに離反方向に付勢されて該薄肉金属管状体には回転方向に張力が付与され、前記加圧ロールが前記主ロールにバックアップされた該薄肉金属管状体を押圧することにより前記マザーパターンが金型模様として転写される、ことを特徴としている。

上記構成により本願発明は以下の効果を奏する。
（１）円柱状の回転体にバックアップされた薄肉金属管状体が加圧ロールに押圧されてマザーパターンが塑性変形に因り金型模様として転写されるため、金型を製作する際にダイヤモンド工具による切削加工を必要とせず、また、回転させながら押圧して転写することにより、転写面積の大型化と高スループット化が可能となる。
（２）本発明では、薄肉金属管状体の表面を押圧して塑性変形に因り転写し、転写後の薄肉金属管状体の全断面が略同径となるようにベルト状にすることとしている。成型後のベルト裏面はエンボス模様と異なって平滑な状態であり、かつ、全断面が略同径であるため、ロールに密着して動力が効率よくベルトに伝達される。
（３）円柱状の回転体をマンドレルとして薄肉金属管状体属をマンドレルに略密着して装着することとした場合には、従来のスピニング加工装置を使用することができる。
（４）円柱状の回転体を主ロールとし、薄肉金属管状体を無端ベルトとして主ロールおよび副ロールに巻回する場合は、塑性変形後の薄肉金属管状体の全断面が略同径となるような成形は殆ど不要になるとともに、装置の主な構成は主ロールおよび副ロールであるから簡単な構成からなる装置となって、メンテナンスが容易である。
（５）薄肉金属管状体に回転方向に直交する方向に張力を付与し、あるいは回転方向に張力を付与することにより、薄肉金属管状体の塑性変形が生じやすくなるとともに、薄肉金属管状体の塑性変形による盛り上がり変形が吸収される。

図１は、実施例１に係るベルト状金型の成形装置の側面図である。図２は、実施例１に係るベルト状金型の成形装置で使用する加圧ロールの説明図であって、図２（ａ）は加圧ロールの断面図、図２（ｂ）は加圧ロールの押圧面のマザーパターンの断面図、図２（ｃ）は加圧ロールの押圧中の状態を示す図、図２（ｄ）は加圧ロールの押圧後の薄肉金属管状体に転写された金型模様の部分拡大図である。図３は、実施例２に係るベルト状金型の成形装置の主要部分の図であって、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は平面図である。

以下、本願発明を実施するための形態に係るベルト状金型について、図１ないし図３に基づいて説明する。なお、図１ないし図３において、符号３はマザーパターン、符号５は金型模様、符号１０は実施例１に係るベルト状金型の成形装置、符号１１は薄肉金属管状体、符号１３はマンドレル（円柱状の回転体）、符号１５は加圧ロール、符号２１は張力付与手段、符号２３はマンドレル駆動モータ、符号３０は実施例２に係るベルト状金型の成形装置、符号３１は無端ベルト（薄肉金属管状体）、符号３３は主ロール（円柱状の回転体）、符号３５は加圧ロール、符号３７は副ロール、である。

ベルト状金型の成形装置１０は従来のスピニング加工機とほぼ同様の構成であって、主に、円柱状の回転体であるマンドレル１３と、縦方向に延伸する中心軸を中心にマンドレル１３を回転させるマンドレル駆動モータ２３と、マンドレル１３に装着される薄肉金属管状体１１の縦方向に張力を付与する張力付与手段２１と、薄肉金属管状体１１を横方向から押圧する円盤状の加圧ロール１５と、から構成されている。

実施例１におけるベルト状金型は以下の工程を経て製造される。
（１）押圧前の薄肉金属環状体１１は円筒体で、上端部は内側に曲折し、下端部は外側に曲折して鍔部が形成されている。この薄肉金属環状体１１をマンドレル１３に装着する。
（２）薄肉金属環状体１１の鍔部を張力付与手段２１が下方に押し下げるように押圧して薄肉金属環状体１１に張力を付与する。
（３）マンドレル１３を回転させ、マンドレル１３と共に回転する薄肉金属環状体１１に連れ回る加圧ロール１５が押圧する。加圧ロール１５は薄肉金属環状体１１を押圧しながら下方に移動していくが、押圧により薄肉金属環状体１１は塑性変形を生じて加圧ロール１５の押圧面に刻設されたマザーパターン３が螺旋状となって金型模様５として転写される。
（４）転写後の薄肉金属環状体１１の上端部および下端部の鍔部を切断してベルト状とする。

薄肉金属環状体１１の素材はステンレス鋼、ニッケル合金、ジュラルミン、銅等であって、これらの金属薄板を円筒状に曲げ加工して突き合せ、溶接で接合する。溶接は、プラズマ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接、または電子ビーム等が用いられる。転写前の薄肉金属環状体１１の表面粗さは、形成する金型模様５の画線幅および深さよりも小さいことが必要である。例えば画線幅０．１μｍ、深さ０．１μｍの金型模様５を形成する場合には、薄肉金属環状体１１は表面を研磨して、Ｒａで０．０５μｍ以下、好ましくは０．０４μｍ以下の鏡面仕上げとする必要がある。

加圧ロール１５は、図２（ａ）に示すように大略算盤玉の形状をしていて、図２（ｂ）に示すように薄肉金属円筒体２０の外周面に押し当てられ、薄肉金属円筒体２０の回転によって連れ回る。なお、加圧ロール１５は、前進する方向に入側角度（α）、先端平坦部（ｗ）、出側角度（β）を有している。

加圧ロール１５の先端平坦部（ｗ）には、例えば図２（ｂ）に示す複数条の三角溝のマザーパターン３が刻設されている。そして、加圧ロール１５が薄肉金属環状体１１の外周面に押し当てられ、図の左方に移動することによって、マザーパターン３の反転形状が薄肉金属環状体１１の外周面に金型模様５として連続して転写される（図２（ｃ）および（ｄ））。

ここで入側角度（α）は、０．１°〜５°、望ましくは、０．５°〜１．０°、先端平坦部（ｗ）は、略平坦であり、若干の丸みを有してもいい。出側角度（β）は、０°〜１．０°、望ましくは、０°〜０．５°である。なお、マザーパターン３は、レーザーまたはダイヤモンド工具による切削加工で刻設される。

上記は、加圧ロール１５が１個の場合についての説明であるが、２個以上の複数個の加圧ロールを薄肉金属環状体１１の外周面に等間隔で配置してもよい。例えば、３個の加圧ロール１５を配置し、移動方向に対して最前に位置する加圧ロール１５を＃１ロールと称し、以下順に、＃２ロール、＃３ロールと称することとする。マンドレル１３の回転数Ｒ（ｒ／ｍｉｎ）、加圧ロール１５の移動速度Ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）とすると、加圧ロール１５の送りピッチＰは、Ｐ＝Ｖ／Ｒ（ｍｍ／ｒ）となる。具体的な数値で示すと、Ｒ＝６０（ｒ／ｍｉｎ）、Ｖ＝３６（ｍｍ／ｍｉｎ）では、送りピッチＰ＝３６／６０＝０．６ｍｍ／ｒになる。すなわち、薄肉金属環状体１１の成形速度は、マンドレル１３の１回転毎に０．６ｍｍずつ進行する。３個の加圧ロール１５がマンドレル１３の外周上の１２０°で等間隔に配置されている場合、マンドレル１３の中心軸方向に対して０．６ｍｍ／３＝０．２ｍｍ、若しくは、その整数倍の距離をおいて配置されているならば、先頭の＃１ロールの軌跡の上をなぞって、＃２ロール、＃３ロールも押圧していくことになるので、整数倍にならない距離を置くことが必要である。加圧ロール１５の数をｎ個とし、加圧ロール１５が均等にマンドレル１３の外周上に配置されるならば、Ｐ／ｎの整数倍の間隔をおいて加圧ロール１５をマンドレル１３の軸方向に配置すると、各加圧ロールは、同じ軌跡を押圧するが、各加圧ロールをＰ／ｎの整数倍にならない間隔をおいて配置するならば、各加圧ロールは前の加圧ロールの軌跡とは異なる軌跡を押圧していく。すなわち、ｎ個の加圧ロール１５がマンドレル１３の中心軸方向に同一位置で外周に均等に配置された場合は、ｎ重の螺旋軌跡（すなわち、異なる軌跡）を残し、マザーパターン３の転写が行われていく。

加圧ロール１５は、押圧される薄肉金属環状体１１の材料よりも靭性、耐摩耗性、強度、硬度等が優れた材料であることが必要である。一般的に６７０ＨＶ〜７７０ＨＶ（６１ＨＲＣ〜６３ＨＲＣ）の硬さの材料で、ＪＩＳ規定のＳＫＤ１１（合金工具鋼）やＳＫＨ５１（高速度工具鋼）相当品を工具基材として用いている。また、さらに硬度をあげるために塩浴窒化処理やガス窒化処理により表層部に窒化拡散層が設けることもある。

本発明に係るマザーパターン３の転写は、強い力を加えて素材を変形させる塑性加工の一つである転造という技術の応用であり、結晶組織を寸断する切削加工に対して結晶組織が寸断されずに繊維状になり、緻密で堅い組織になるとともに、引張り強さ、衝撃強さ、表面硬さ、疲れ強さ等の性能が向上する。

ところで、本発明に係るマザーパターンの転写方法では、加圧ロール１５に刻設されたマザーパターン３が押し込まれ、マザーパターン３の反転形状が金型模様５として薄肉金属環状体１１に形成されるが、加圧ロール１５の押し込みによって排除された素材容積は、金型模様５の盛り上がり変形となって吸収される。このため、この盛り上がり変形が金型模様５の形成を阻害する場合があるが、これを防止するために、薄肉金属環状体１１に張力を付加する必要がある。必要な張力は、加工する素材の降伏力の０．５倍〜１．２倍、望ましくは０．７倍〜１．０倍である。また、形成する金型模様５の画線幅の１．０倍〜２．０倍の間隔を開けておくと盛り上がり変形による素材容積の吸収に効果的である。

実施例１では、薄肉金属円筒体１１を材質ＳＵＳ３０４、直径５００ｍｍ、厚さ０．２３ｍｍ、長さ１，２００ｍｍで、スピニング加工で成形して鏡面研磨されたものを使用し、その内の長さ３００ｍｍにマザーパターン３を形成した。なお、マザーパターン３は、図２（ｃ）に示すように、加圧ロール１５の幅０．６ｍｍの押圧面上に、幅１．０μｍ、深さ１．０μｍ、間隔１．０μｍの三角溝をレーザー加工で形成した。そして、ベルト状金型の成形装置１０に装着し、マンドレル１３の回転数Ｖ＝０．６（ｒ／ｍｉｎ）、加圧ロール１５の送り速度Ｒ＝１．０（ｍｍ／ｍｉｎ）とすると、加圧ロール１５の送りピッチＰ（Ｐ＝Ｖ／Ｒ（ｍｍ／ｒ））を０．６ｍｍ／ｒとして、１回転に０．６ｍｍのピッチで前進させた。この結果、薄肉金属円筒体１１の周上に転写形成された金型模様５の形成時間は約８時間であった。すなわち約４７０，０００ｍｍ^２の面積のパターン形成が８時間で可能になり、これまでのレーザーによる成形方法に比べて１２０倍ほどのスピードアップになった。転写後、長さ３００ｍｍの金型模様５の形成部分から薄肉金属円筒体１１を所定の幅に切断してベルト状金型とした。なお、形成された金型模様５は、レーザー顕微鏡で観察したところ、高精度に形成できることが分った。

ベルト状金型の成形装置３０は、主に、円柱状の回転体である主ロール３３と、主ロール３３に従動する副ロール３７と、主ロール３３および副ロール３７に巻回されて回転走行する薄肉金属環状体である無端ベルト３１と、主ロール３３にバックアップされた無端ベルト３１を押圧する加圧ロール３５と、主ロール３３および副ロール３７を離反方向に付勢する張力付与手段（図示外）と、から構成されている。

加圧ロール３５の外周面には微細のマザーパターン３が刻設されており、無端ベルト３１の回転に連れ回りしながら回転し、同時に無端ベルト３１に押圧されて、マザーパターン３の反転形状が金型模様５として無端ベルト３１の上に転写される。

なお、薄肉金属管状体１１を無端ベルト３１と読み替えることにより、段落〔００２１〕ないし段落〔００２３〕の記述は実施例２においても適用される。

実施例２では、無端ベルト３１を材質ＳＵＳ３０４、幅５０ｍｍ、厚さ０．２３ｍｍ、周長４，０００ｍｍ、全周圧延で成形し、鏡面研磨されたものを使用し、加圧ロール３５は、幅６０ｍｍの略円柱状で、マザーパターン３として、４０ｍｍに幅１．０μｍ、深さ１．０μｍ、間隔１．０μｍの三角溝をレーザー加工で形成した。そして、主ロール３３および副ロール３７に巻回し、加圧ロール３５で押圧した。金型模様５の形成時間は０．５時間であった。なお、形成された金型模様５は、実施例１同様、レーザー顕微鏡で観察したところ、高精度に形成できることが分った。

３マザーパターン
５金型模様
１０実施例１に係るベルト状金型の成形装置
１１薄肉金属管状体
１３マンドレル（円柱状の回転体）
１５加圧ロール
２１張力付与手段
３０実施例２に係るベルト状金型の成形装置
３１無端ベルト
３３主ロール（円柱状の回転体）
３５加圧ロール
３７副ロール１

Claims

中心軸を中心に回転する円柱状の回転体に薄肉金属管状体が装着されて共に回転し、
回転する前記薄肉金属管状体に連れ回りする加圧ロールが該薄肉金属管状体を押圧し、
前記加圧ロールの押圧面に刻設された凹凸状の微細なパターンからなるマザーパターンが塑性変形に因り前記薄肉金属管状体の表面に凹凸が逆の金型模様として転写され、
前記薄肉金属管状体がベルト状に成形される、ことを特徴とするベルト状金型の製造方法。
前記円柱状の回転体はマンドレルであって前記薄肉金属管状体は該マンドレルに略密着するように装着され、
前記加圧ロールは該薄肉金属管状体を押圧しながら回転方向に直交する方向に移動して該薄肉金属管状体の表面に前記マザーパターンが螺旋状に金型模様として転写されるとともに、該薄肉金属管状体には回転方向に直交する方向に張力が付与され、
前記薄肉金属管状体の両小口が切断されてベルト状とされる、ことを特徴とする請求項１に記載のベルト状金型の製造方法。
前記円柱状の回転体は主ロールであり前記薄肉金属管状体は無端ベルトであって、該薄肉金属管状体は該主ロールおよび副ロールに巻回されるとともに該主ロールおよび該副ロールは互いに離反方向に付勢されて該薄肉金属管状体には回転方向に張力が付与され、
前記加圧ロールが前記主ロールにバックアップされた該薄肉金属管状体を押圧することにより前記マザーパターンが金型模様として転写される、ことを特徴とする請求項１に記載のベルト状金型の製造方法。