JP5848687B2 - シート成形用ロール及びシート成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、長尺のシートを加圧して成形するためのシート成形用ロール及びシート成形方法に関する。

フィルムシートは、一般に、剛性を有する一対のシート成形用ロール（以下、成形ロールと称する）の間に、成形機のＴダイから押し出される溶融樹脂材を挟み込んでシート状に成形され、冷却されることで形成されている。

温度制御機能を有する成形ロールとしては、薄肉円筒状の外セルと、外セルの内部に配される内セルと、を有してなる二重管ロールが知られている。外セルと内セルとの間に形成される空間に、温調液を流すことによって、外セルの外周、すなわち二重管ロールの外周の温度が制御されている。

ところで、厚さ０．１ｍｍ以下の透明なクリアシートは、成形ロールの周面ですぐに固化しやすく、シート幅の全域に亘って均一な押圧力を加えることが困難であるので、シート幅の方向において押圧力の差異が生じることで、シートの長さ方向に延びる縦縞が生じやすく、シートの幅方向に対して厚さのばらつき（ムラ）が生じやすい。

一対のシート成型用ロールのニップ圧を高くすることで、シート幅の方向に対する押圧力の差異を小さくすることができるが、シートの内部応力は増えるので、偏光フィルム等の光学用途のシートの場合には、光学ムラが生じるので不都合が生じる。このため、外セルと内セルによって構成される２重管ロールである成形ロールの外セルの厚さを薄くすることで、柔軟性を高めた成形ロールが知られている。

特許文献１には、２重管ロールにおいて、外セルの厚さが、外セルの半径の０．０３倍以下に形成された成形ロールか開示されている。この成形ロールは、金属製の外セルを有しており、外セルの厚さを薄くすることで、この成形ロールが押圧される一方の成形ロール（以下、主ロールとも称する）に対する押圧力で、主ロールの外周に倣って弾性変形可能に構成されている。このように弾性変形しやすくすることで、一対の成形用ロールの間での接触幅を広げて、かつ、成形ロールの軸方向（シート幅の方向）に亘って均一なニップ圧を得ることが可能にされている。

また、この成形ローラでは、外セルの両端部のバネ常数が高くなることを避けて弾性変形しやすくするために、外セルの外周面の端部に、周方向に沿って溝部を形成することで、端部の厚さが更に薄くされた部分が形成され、弾性を高める構成が記載されている。

また、特許文献２には、外セルの内周面に、周方向に沿って溝を形成し、外セルの柔軟性を高めると共に冷却性を高め、大型の成形ロールを構成することが可能な成形ロールが開示されている。

特許３１９４９０４号 特開２００１−１１６０２７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の成形ロールは、外セルの厚さを薄くすることで弾性変形しやすく構成されているが、外セルの厚さが薄いので、外セルの製造時に弾性変形しやすく、加工することが困難である。

また、特許文献１に記載の成形ロールは、外セルの外周面の端部に溝部を形成することで、弾性を高める効果が得られるものの、外セルに加わる応力が高くなってしまう。

また、特許文献１に記載の成形ロールは、この成形ロールが押圧される主ロールよりも、軸方向の長さが長くなってしまうので、成形装置全体の大型化を招く問題がある。

また、上述した特許文献２に記載の成形ロールは、 成形ロールの軸方向の長さを、主ロールの軸方向の長さと等しく形成した場合、シートの幅方向の端部と、成形ロールの軸方向の端部との間の距離が少ないので、シートの幅方向の端部において、成形ロールの端部のバネ常数が大きくなってしまう問題がある。

また、特許文献２に記載の成形ロールは、外セルが弾性を有しているので、外セルの軸方向の中央部が、両端部よりもバネ常数が小さく、弾性変形しやすい。このため、実際に成形ロールを使用するときに、一対の成形ロールのニップ圧を設定値よりも大きくした場合、シートの幅方向の端部におけるニップ圧が、シートの幅方向におけるニップ圧の平均値よりも高くなり、シートの幅方向の中央部のニップ圧が小さくなってしまう問題がある。

その結果、シートの長さ方向に延びる縦縞が生じやすく、シートの幅方向に対して生じる厚さのばらつき（ムラ）を充分に抑えることができなかった。

そこで、本発明は、上記関連する技術の課題を解決することができるシート成形用ロール及びシート成形方法を提供することを目的とする。本発明の目的の一例は、一組のシート成形用ロール間にシートを挟んだときに弾性変形する外セルの弾性変形量を、外セルの軸方向に亘って均一化することができるシート成形用ロール及びシート成形方法を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明に係るシート成形用ロールは、シートを加圧成形するための円筒状の外セルと、外セルの内部に配され、外セルの内径よりも小さい外径を有する円筒状の内セルと、を備え、外セルが、外セルと内セルとの間の空間を回流する温調流体によって温調されるシート成形用ロールであって、
外セルの軸方向の両端を支持する円板状の外フランジ部を有する一対のフランジ部材を備え、外セルと外フランジ部とで閉じられた空間を温調流体が流れる。外フランジ部は、外周側に、内周側よりも軸方向の厚さが小さい薄肉部が設けられ、薄肉部の内周側の端が、内セルの内周面よりも内セルの径方向の内側に位置する。薄肉部の厚さが、外セルの径方向の厚さの１倍以上３倍以下、かつ、外フランジ部の径方向に対する薄肉部の径方向の高さが、外セルの厚さの１倍以上であることを特徴とする。

また、本発明に係るシート成形方法は、本発明のシート成形用ロールを用いて、一対のシート成形用ロールの間に溶融樹脂材を挟んでシートを成形する。

本発明によれば、フランジ部材の外フランジ部が薄肉部を有することで、外セルの軸方向の端部が弾性変形しやすくなるので、一対のシート成形用ロールの間にシートを挟んだときに弾性変形する外セルの弾性変形量を、外セルの軸方向に亘って均一化することができる。その結果、本発明は、シートの幅方向に厚さのばらつきが生じることを防ぐことができる。

また、本発明によれば、シート成形用ロールを軸方向に長くすることなく簡素な構成で、外セルの軸方向に対する弾性変位量の均一化が図られ、成形装置全体の大型化を避けることができる。

実施形態のシートの成形装置を示す概略図である。 第１の実施形態の成形ロールを示す断面図である。 第１の実施形態の成形ロールの要部を示す断面図である。 第１の実施形態の成形ロールを軸方向に直交する面で切断して示す断面図である。 第１の実施形態の成形ロールに線圧が加えられた状態を説明するための図である。 一対の成形ロールの間にシートを挟み込んでいる状態を示す断面図である。 第１の実施形態の成形ロールと、従来の成形ロールと比較して、たわみ曲線を示す図である。 第１の実施形態の成形ロールと、従来の成形ロールと比較して、線圧を示す図である。 第２の実施形態の成形ロールの要部を示す断面図である。 第３の実施形態の成形ロールの要部を示す断面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

本明細書において、『線圧』とは、一対のロールを押し当てたときのロールの軸方向の単位長さ当たりの力を意味する（例：１００Ｎ／ｃｍ）。線圧はニップ圧とも称する。

また、『クラウン』とは、ロールの軸方向の中央部が、ロールの軸方向の端部よりも太い形状を指す。『クラウン量』とは、ロールの軸方向の中央部の直径と、ロールの軸方向の端部の直径との差の値を指し、ロールの軸方向の中央部の直径をＤ１、ロールの軸方向の端部の直径をＤ２としたとき、クラウン量＝Ｄ１−Ｄ２で表される。

（第１の実施形態）
図１に、シートを加圧成形する成形装置の概略図を示す。成形装置１によって成形されるシート２は、厚さが０．０５ｍｍから１ｍｍ程度までの範囲内の透明クリアシートであり、ＰＣ（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）やＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｃｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）などの樹脂材料を用いて成形される。

図１に示すように、実施形態の成形装置は、溶融樹脂材を押し出すため押出機のＴダイ３と、溶融樹脂材を挟んでシート２の厚さや形状を整えて形成する成形ロール４ａ、４ｂ、４ｃと、を備えている。成形ロール４ａ、４ｂ及び４ｃは、成形ロールの軸方向に対して同じ幅を有している。成形ロール４ａ、４ｂ及び４ｃによってシート２に線圧がかけられることでシート成形が行われる。

Ｔダイ３は、押出機から供給される樹脂材料をシート状に押出し、樹脂材料を一対の成形ロール４ａと成形ロール４ｂとの間隙に導く。Ｔダイ３が鉛直方向の下向きに設置され、Ｔダイ３の下側に成形ロール４ａと成形ロール４ｂとの間隙が位置するように成形ロール４ａ及び４ｂが配設されている。

また、成形ロール４ａ及び成形ロール４ｂは、溶融樹脂材を挟むように互いに平行に配置されている。鉛直方向下向きに押出された溶融樹脂材を一対の成形ロール４ａ及び成形ロール４ｂで受けることによって樹脂材料の成形性を高めることができる。

成形ロール４ｂは位置が固定されており、成形ロール４ａ、４ｃは不図示の加圧装置によって成形ロール４ｂとの間隙を開閉する方向（図１に示す白抜き矢印の方向）に移動可能に構成されている。加圧装置としては、一般的に、空圧式や油圧式シリンダが用いられる。成形ロール４ａ及び成形ロール４ｂは、通常、同じ周速で回転され、成形ロール４ａ及び成形ロール４ｂの軸方向であるシート幅全域に均一な圧力をかけることによってシート２を一定の厚さに成形する。

シート２は、成形ロール４ａと成形ロール４ｂとの間隙を通過した後、成形ロール４ｂに巻き付けられ、必要に応じて成形ロール４ｃによって搬送方向の下流側に搬送される。また、成形ロール４ａと同様に、成形ロール４ｃも加圧装置によって成形ロール４ｂとの間隙を開閉する方向（図１に示す白抜き矢印の方向）への移動が可能になっている。

成形ロール４ｃを通過した後、シート２は冷却され、コイル状に巻き取られるか、または所定の長さで切断される。必要に応じて、成形ロール４ｃや不図示の他の成形ロールを用いて、シート２を再度加圧成形してもよい。

次に、成形ロール４ａの構造について説明する。図２に、第１の実施形態の成形ロール４ａの断面図を示す。図３に、図２に示す成形ロール４ａの、軸方向の中央部から操作側にかけて拡大した詳細断面図を示す。図３にて、成形ロール４ａの軸方向の長さＬの中央の位置をＦで示している。

図２に示すように、成形ロール４ａは、弾性を有する薄肉金属体で形成された円筒状の外セル５と、外セル５の内径よりも小さい外径を有する内セル６と、を備える二重管ロールである。したがって、外セル５の内周面と内セル６の外周面との間には空間が形成されており、この空間が、温調流体としての温調液７が流れる流路（間隙流路）８ｃとして構成されている。図２に示す外セル５及び内セル６は、鋼材によって形成されており、成形ロール４ａも鋼材を溶接して構成されている。なお、温調流体としては、温調液７の代わりに、気体や気液混合流体が用いられてもよい。

また、図２及び図３に示すように、外セル５の両端、及び内セル６の両端には、一対のフランジ部材としてのフランジ１０が溶接接合されており、フランジ１０に一体に形成された軸９が、軸受け１１によって回転可能に支持されている。

図３に示すように、本実施形態におけるフランジ１０は、外セル５の軸方向の両端を支持する円板状の外フランジ部２０と、内セル６の軸方向の両端を支持する円板状の内フランジ部２１と、を有している。内フランジ部２１は、外フランジ部２０に対して、外セル５及び内セル６の軸方向に並んで配されている。このように外セル５及び外フランジ部２０と、内セル６及び内フランジ部２１とで閉じられた空間を温調液７が流れる。

外フランジ部２０は、外周側に、内周側よりも、この径方向に直交する軸方向の厚さが小さい薄肉部２２が設けられており、薄肉部２２の内周側の端が、内セル６の内周面よりも径方向の内側に位置するように延ばして形成されている。このように薄肉部２２が形成されることで、外フランジ部２０の外周側のバネ常数が小さくされ、弾性変形しやすく形成されている。その結果、外セル５の両端部の弾性変位量が大きくされている。

加えて、薄肉部２２の軸方向の厚さｔ３は、外セル５の軸方向の中央部における厚さｔ１（図３参照）の１倍以上３倍以下、かつ、外フランジ部２０の径方向に対する薄肉部２２全体の高さ（長さ）ｈが、外セル５の厚さｔ１の１倍以上に設定されている。

薄肉部２２は、外セル５全体を支えており、大きな外圧が加わることになる。また、温調液７による内圧も、薄肉部の内面に加わっており、温調液７が収容された圧力容器として考えると、円筒状の外セル５よりも外フランジ部２０に加わる応力が大きい。このため、薄肉部２２の軸方向の厚さｔ３は、外セル５の厚さｔ１の１倍未満の場合、外セル５の機械的強度を充分に確保する困難であり、厚さｔ１の１倍以上に設定されている。

また、薄肉部２２の軸方向の厚さｔ３は、外セル５の厚さｔ１の３倍を超えた場合には、薄肉部２２の高さｈを大きく確保しても、薄肉部２２の弾性を充分に得ることができないので、外セル５の厚さｔ１の３倍以下に設定されている。

また、内フランジ部２１と外フランジ部２０との間には、内フランジ部２１の径方向に窪んだ環状の溝部としての外回流溝２３が、内フランジ部２１の周方向に亘って設けられており、外回流溝２３の底面が、内セル６の外周面よりも、内セル６の径方向の内側に位置している。外回流溝２３は、外セル５と内セル６との間の流路８ｃに連通されている。また、薄肉部２２の内周側の端は、外回流溝２３の底面に連続して形成されている。

このように、成形ロール４ａは、外回流溝２３を有することで、流路８ｄから外回流溝２３内に流入した温調液７が、外回流溝２３の周方向に広がるように流れ、流路８ｄから流れ込む温調液７の流速を下げるバッファとして外回流溝２３が機能することになる。その結果、外回流溝２３の周方向に流入した温調液７が流路８ｃに流れ込むことになるので、温調液７の流速が平均化され、シート２に冷却ムラが生じることが抑えられる。加えて、成形ロール４ａは、外回流溝２３を有することで、流路８ｄから流路８ｃに向かって流れ出た温調液７が、外セル５の内面に高速で衝突することが抑えられるので、長期間の使用に伴って厚さが薄い外セル５に摩耗や腐食が生じることが抑えられる。

また、図２及び図３に示すように、操作側の軸９には、温調液７が操作側に向かって流れる流路８ａと、流路８ａの周りを温調液７が駆動側に向かって流れる流路８ｅとが形成されている。流路８ａは、駆動側の軸９から、成形ロール４ａの中心を通って操作側の軸９に向かって延ばされて設けられている。

図４に、成形ロール４ａの軸方向に直交し、かつ流路８ｄの中心を通る面で切断したときの成形ロール４ａの断面図（図３に示すＣ−Ｃ断面図）を示す。図４に示すように、フランジ１０には、６つの流路８ｄが、フランジ１０の中心から外周に向かって放射状に形成され、かつ周方向に対して互いに均等な間隔をあけて設けられており、流路８ｃと流路８ｅとが連通されている。なお、駆動側のフランジ１０も、流路８ｄと同様の構造をなす流路８ｂを有しており、流路８ｂによって、流路８ａと流路８ｃとが連通されている。

また、フランジ１０には、図３及び図４に示すように、流路８ｅと流路８ｄとの連結部分に、フランジ部１０の径方向に窪んだ環状の内回流溝２７が設けられており、温調液７がスムーズに流れるように構成されている。

また、フランジ１０の外回流溝２３には、流路８ｄから外回流溝２３内に流入して外回流溝２３を流れる温調液７の流れを遮る遮蔽部材としての円環状の整流板２５が、内フランジ部２１に溶接接合されて設けられている。また、整流板２５の周面は、内セル６の周面と、径方向の位置を一致させるように配置されている。整流板２５によって遮られながら、流路８ｃに流入した温調液が、内セル６の周面に沿って円滑に流れ、流路８ｃに沿って外セル５の軸方向に流れる。

さらに、外フランジ部２０の薄肉部２２の内面と、薄肉部２２に対向する整流板２５の端部との間の隙間は、外セル５の内周面と内セル６の外周面との間の空間が構成する流路８ｃよりも、外セル５の径方向に対する間隙を小さくする絞り部３１として機能する。

本実施形態では、整流板２５を有することで、流路８ｄから流入した温調液７が、整流板２５に衝突して、外回流溝２３の周方向に広がると共に絞り部３１を通ることで、流路８ｃに流速が更に均一化された温調液７が流路８ｃを流れることになる。すなわち、流路８ｄから流路８ｃに向かって流れる温調液７が整流板２５に衝突し、かつ絞り部３１を通ることで、温調液７の流速が均一化され、シート２に冷却ムラが生じることが更に抑えられる。

なお、本実施形態では、円環状の整流板２５が用いられたが、６つの流路８ｄから外回流溝２３内に流入する温調液７の流れが遮られればよく、流路８ｄの端部に対向する位置に、６つの整流板（不図示）に分割されて配置されてもよい。複数の整流板に分割された構成の場合には、整流板と外フランジ部２０との間に構成される絞り部が、外フランジ部２０の周方向に部分的に設けられることになる。しかしながら、この場合にも、温調液７を周方向に分散させる働きがあり、流路８ｃに流入する温調液７の流れを周方向に対して均一化する作用が得られるので、冷却特性がシート２の幅方向に対して均一化することができる。

成形ロール４ａの外周の温度制御は、流路８ｃを流れる温調液７を回流させることによって行われる。温調液７は、冷水や温水等が用いられ、成形ロール４ａの外周を所望の温度に制御するために流量が調整される。図２に示すように、温調液７の回流は、まず操作側の軸９に設置されたロータリジョイント１６にて外部から取り込まれ、軸９に設けられた流路８ｅに沿って駆動側の軸９に向かって流れる。その後、操作側のフランジ１０に形成された内回流溝２７、流路８ｄ、外回流溝２３を通って、流路８ｃへ流入し、外セル５の内周面に沿って操作側から駆動側へ到達する。

最後に、駆動側のフランジ１０に形成された流路８ｂから駆動側の軸９の中心に設けられた流路８ａに流入し、流路８ａに沿って駆動側から操作側に流れて、成形ロール４ａから排出される。その後、温調液７は、外周流路を経て不図示の温調装置に入り、温調装置から再び流路８ｅに流入する。温調装置は、温調液７の温度を一定に保つ機能を有する。

また、軸９の一端は、モータ２３と連結されており、モータ２３によって成形ロール４ａが所定の速度で回転駆動される。なお、成形ロールにおいて、モータ２３が連結されている側を駆動側とし、この駆動側の反対に位置する側を操作側とする。

さらに、軸受１１は、不図示の軸受箱を介して成形ロール４ｂと成形ロール４ａとの間隙を開閉する方向（図１に示す白抜き矢印の方向）に押圧する加圧装置が設けられている。加圧装置としては、通常、空気式、又は油圧シリンダ式が使用される。ロール軸受箱は、リニアガイドによって移動可能に支持されており、成形ロール４ａは平行移動することができる。

また、図３に示すように、外セル５の内周面には、外セル５の軸回りに沿って延びる凹部１２が形成されている。第１の実施形態では、凹部１２として、凹部１２が延びる長手方向に直交する断面形状が台形をなす雌ネジ状の溝が形成されている。また、凹部１２は、連続する１本の溝で形成される一条ネジをなすように構成されている。

外セル５の軸方向に隣り合う凹部１２のピッチＰは、外セル５の柔軟性を得るために重要な寸法であり、詳細については後述する。

第１の実施形態において、凹部１２のピッチＰが４ｍｍ、外セル５の厚さが５ｍｍであり、外セル５の柔軟性が、凹部１２が延びる長手方向に直交する方向において異なる作用を有している。また、このピッチＰは熱移動の観点からも重要である。

隣り合う凹部１２のピッチＰは、外セル５の外周面における温調能力の均一性を高めるため、外セル５の径方向の厚さ以下にする方がよい。成形時に成形ロール４ａに接触するシート２の温度偏差が小さくなり、シート２の結晶化のばらつきが低減される。

また、外セル５の、凹部１２が形成されている凹形成部１２ｐは、シート２が接触するシート接触部（シート幅）２ｐよりも広い範囲に形成されている。凹形成部１２ｐの端部からシート接触部２ｐの端部までの部分には、凹部１２よりも深さが小さい凹部（以下、小型凹部１３と称す）が形成されている。

小型凹部１３は、外セル５の肉厚の急激な変化をなくす役割を有している。したがって、肉厚が急激に変化する位置で生じる応力集中を抑制し、外セル５の破損を防止することができる。なお、小型凹部１３の代用として、外セル５の径方向の厚さを徐々に変化させることによって、外セル５の軸方向に対して外セル５の内周面を緩やかに変化させたテーパ部（不図示）が形成されてもよい。

外セル５の内周面は、鋼製である外セル５の腐食を防止するためにメッキ膜が設けられている。特に、凹部１２の底面部は厚さが薄肉に形成されているので、外セル５の機械的強度を長期間に亘って保つために、腐食を防止することが重要であり、第１の実施形態では、Ｎｉメッキを施されて鏡面仕上げにされている。

本実施形態の成形ロールの外セル５の凹部１２の深さＤは、外セル５の軸方向の中央部の厚さｔ１（図３参照）の０．１倍以上である。本実施形態のロールの外セル５の凹部１２のピッチ（隣接する凹部１２間のピッチ）Ｐは、凹部１２の底面の外セル５の最小厚さｔｔ（図３参照）の１０倍以下である。

外セル５には、シート接触部２ｐよりも広い範囲にクラウンが形成されている（以下、クラウンが形成されている範囲をクラウン形成部１５と称す）。外セル５は、シート２を成形するときの荷重でたわむ。そこで、予めクラウンを形成しておくことによって、成形ロール４ａに荷重が加わった状態で均一な線圧が得られるようにしている。

第１の実施形態では、クラウンは外セル５の全領域に形成されていない。クラウン形成部１５の端部から外セル５の端部までのクラウンが形成されていない範囲には、外セル５の端部に向かって外径を徐々に小さくするテーパ部１７が設けられている。テーパ部１７が設けられることによって、成形ロール４ａの端部と成形ロール４ｂ（図１）の端部との接触が回避される。

内セル６の肉厚は、外セル５の肉厚が薄いので、成形ロール４ａ全体の剛性を高く保つために、外セル５の肉厚よりも厚く形成されており、内セル６の両端がフランジ１０の内フランジ部２１に溶接接合されている。

成形ロール４ａは、外セル５の内周面に、凹部１２が形成されており、凹部１２が形成されていない場合に比べて温調液７との接触面積が大きくされている。したがって、外セル５と温調液７との間の熱交換も多くなる。

また、第１の実施形態では、温調液７が凹部１２の延在方向に対してほぼ直角に流れるので、乱流が生じる。一般に層流よりも乱流の方が、渦が発生しやすく伝熱効果が高い。したがって、流れに対してほぼ直角に凹部１２が形成された第１の実施形態では、効率良く熱交換が行われる。

すなわち、第１の実施形態では、接触面積を大きくした効果と、乱流を生じさせる効果とによって、成形ロール４ａの温調能力が高められている。

以上のように構成された実施形態の成形ロールの構成例を表１に示す。

表１に示すように、本実施形態では、成形ロール４ａの主要寸法である外セル５の軸方向の幅及び軸受１１間の距離を１３５０ｍｍ及び１５８０ｍｍとした。シート接触部２ｐ（図３）を１１５０ｍｍとした。

また、外セル５の外径及び内径を３００ｍｍ及び２９０ｍｍとし、外セル５の厚さが５ｍｍとなるようにした。また、内セル６の外径を２７０ｍｍとし、外セル５と内セル６との間隔、すなわち流路８ｃの間隔を１０ｍｍとした。内セル６の内径を２３０ｍｍとし、内セル６の厚さが２０ｍｍとなるようにした。内セル６は、成形ロール４ａの全体の剛性を保つために、外セル５よりも厚くされている。

さらに、凹部１２のピッチＰを４ｍｍとし、凹部１２の深さを１．９ｍｍとした。凹部１２の形成によって除去された部分と、凹部１２の形成によって凸部として残された部分との断面面積比率を、５８％：４２％とした。

外セル５の外周面のシート接触部２ｐは、表面にクロムメッキを施した後、鏡面仕上げを行った。また、クラウン形成部１５に形成されるクラウンとして、一般的な円弧状のＲ曲線を用いた。また、第１の実施形態では、テーパ部１７として、クラウン形成部１５の端部の外径に対し、外セル５の端部の直径を１ｍｍ小さく設定した。

以上のように構成された成形ロール４ａは、厚さが０．０５ｍｍから１ｍｍ程度までの薄いシート２を成形する用途で使用され、シート２の成形時に必要なニップ圧が１００Ｎ／ｃｍである。本実施形態の成形ロール４ａの用途は、剛性が高い成形ロールでは成形が困難である厚さ０．１ｍｍ程度の薄膜シートを高速度で成形することである。

なお、図１に示す、成形ロール４ａが押圧される相手側となる成形ロール４ｂも同様に、内部に温調液７を流すことが可能な二重管構造であり、温調可能となっている。ただし、成形ロール４ｂの外セル５の厚さは、成形ロール４ａの外セル５の厚さよりも厚くされており、想定される線圧（例えば１００Ｎ／ｃｍ）ではほとんど変形しない。したがって、成形ロール４ｂは、剛体ロールと見なすことができるので、クラウンが形成されていない。

図５（ａ）に、成形ロール４ｂによって成形ロール４ａに線圧がかけられたときの成形ロール４ａの断面形状を示す。図５（ａ）に示す状態は、図５（ｂ）で示すつぶれ変形と、図５（ｃ）に示すたわみ変形とが足し合わされた状態と解釈することができる。

図５（ｂ）は、外セル５の外周の点ａから中心に向かって（白抜き矢印の方向）荷重がかけられた場合の外セル５のつぶれ変形ａを示す断面図である。実線で示される輪郭が荷重をかけた場合の形状であり、一点鎖線で示される輪郭が荷重をかけていない場合の形状である。外セル５は、荷重がかけられた点ａがつぶれ、つぶれた分だけ点ａの周辺が膨らむように変形する。

したがって、成形ロール４ｂと成形ロール４ａとが、一点で接触するわけではなく、成形ロール４ａがつぶれ変形ａの分だけ曲面で接触することとなる。なお、成形ロール４ｂと成形ロール４ａとが接触する幅をニップ幅１８と称する（図５（ａ））。

図５（ｃ）に、外セル５のシート接触部２ｐ全体にわたって均等に荷重をかけた場合の成形ロール４ａのたわみ変形ｅを示す。図５（ｄ）に、成形ロール４ａの軸方向に沿ってたわみ変形ｅを示す。図５（ｄ）に示すように、外セル５は、軸方向の中心において、たわみ変形ｅが最大となり、たわみ量ｅを生じる。したがって、たわみ変形ｅが最大となる位置での成形ロール４ａの断面図は、つぶれ変形ａを考慮しない場合、図５（ｃ）に示すように、内セル６の中心６ｃに対して、外セル５の中心５ｃがたわみ量ｅだけ移動する。

本実施形態では、外セルの厚さが５ｍｍと薄肉であるので、変形の大部分がつぶれ変形ａである。第１の実施形態では、外セル５の軸方向の中央部におけるつぶれ変形ａ、たわみ変形ｅはそれぞれ０．１４ｍｍ、０．０６ｍｍ程度であり、外セル５のつぶれ変形ａの割合が７０％を占める。

成形ロール４ａの外セル５が成形ロールの軸方向の中央部で大きくたわみ、成形ロール４ａの相手側となる成形ロール４ｂは、剛体ロールと見なせるのでたわみが無視でき、変形しない。このため、成形ロール４ａ及び成形ロール４ｂのたわみを一致させてニップを成立させるため、荷重負荷時における成形ロール４ａのニップ部を直線にする。そこで、あらかじめ計画した荷重でのたわみ量を計算し、そのたわみ量に相当するクラウンを外セル５に付与することによって、ニップ圧力を軸方向にわたって均一にすることができる。

第１の実施形態において、クラウン量は、成形ロールの中央の半径を０．１２ｍｍ大きくすることによって形成されている。すなわち、成形ロールの中央における直径でのクラウン量は０．２４ｍｍである。クラウンを付けることで、シート２の成形時に規定の線圧をかけたとき、成形ロール４ａの幅方向に均一な線圧が得られる。また、成形ロール４ｂは、セル厚さが厚い剛体ロールであり、たわみが無視できるので、クラウンが付けられていない。

次に、シート成形時のシートの厚さムラ、特に薄いシートに生じやすいシート縦縞に対するニップ性能について述べる。

図６において、凹部１２が外セル５の内周を１周するリング状に近い形状に形成されているので、外セル５は、軸方向に沿って柔軟に変形することができる。図６（ａ）及び図６（ｂ）に、シート２が成形ロール４ａと成形ロール４ｂとの間に挟まれているときの、シート２に対して垂直な面で切断したときの断面図を示す。図６（ａ）には、凹部１２が形成された外セル５を示し、図６（ｂ）には、一様な厚さを有する外セルを示している。

図６（ｂ）に示すように、凹部１２が形成されていない場合には、外セル５は一体となって変形をするので、溶融樹脂の流入量が多い付近において未圧搾部２９（シート縦縞）が生じやすい。未圧搾部２９は、外セル５の外周面の圧搾を受けないので、未圧搾部２９と圧搾部とで外観が異なり、結果的にシート２が縞状の外観を呈し、不良品になる。

シート２として特に薄膜フィルムを成形する場合、Ｔダイ３から溶融樹脂を軸方向に亘って均一に吐出することが難しく、またシート２が薄いので冷却が早く、成形ロール４ａ及び４ｂによって圧搾しても軸方向への溶融樹脂の流れが少なく、シート２に未圧搾部２９が生じやすい。外セル５に凹部１２を形成することにより、図６（ａ）に示すように、外セル５は、凹部１２の長手方向に直交する方向対して変形が容易となり、未圧搾部２９を無くすことができる。また、凹部１２を有する外セル５によれば、更に薄いシート２を高速に成形することができる。

さらに、本実施形態では、凹部１２が外セル５の軸回りにリング状に形成されているので、外セル５が凹部１２を有する構造であってもつぶれ変形ａが小さくされている。このため、クラウン量も大きくする必要が無く、シート縦縞に対して成形性が良い成形ロールが得られる。

［線圧負荷条件］
第１の実施形態の成形ロール４ａに、幅１０ｍｍ×長さ１３００ｍｍ×１００Ｎ／ｃｍの線圧荷重を負荷した。

［たわみ量の計算結果］
計算方法としては、一般的な有限要素法を用いて電子計算機でたわみ量を計算した。たわみ量の計算結果を図７に示す。

［たわみ曲線での比較］
図７に、本実施形態の成形ロール４ａの成形性について、薄肉部が設けられていない比較形態の成形ロールと比較して、たわみ曲線を示す。図７において、縦軸がたわみ量を示し、横軸が成形ロールの軸方向の位置（ロール幅）を示す。横軸において、成形ロールの一端部の位置を０ｍｍとして、中央部が６７５ｍｍ付近に対応している。また、図７において、実施形態の成形ロールを破線で示し、比較形態の成形ロール（従来例）を実線で示す。図７にて、線圧がかけられた範囲をＲで示す。たわみ曲線とは、成形ロールの表面に線圧をかけて、クラウン形成部の成形ロールの表面のたわみ量を、成形ロールの幅方向に沿ってプロットした曲線である。

実施形態の成形ロールは、図３に示すように、薄肉部２２の厚さｔ３を外セル５の中央部の厚さｔ１の２倍である１０ｍｍとし、薄肉部２２の高さｈを３０ｍｍとし、外回流溝２３が設けられたフランジ１０を備える構成とした。

一方、比較形態の成形ロールは、一般的な成形ロールを想定しており、外フランジ部の軸方向の厚さを外セルの中央部の厚さｔ１の５倍である２５ｍｍとし、外フランジ部の径方向の高さを７．５ｍｍとし、本実施形態における外回流溝２３が設けられていないフランジを備える構成とした。

図７に示すように、実施形態は、比較形態に比べて、成形ロールの軸方向全体に亘ってたわみ量が大きくなっている。特に、実施形態は、ニップ時の成形ロールの端部におけるたわみ量Ｑ１が、比較形態のたわみ量Ｑ２よりも大きくなっており、外フランジ部２０が薄肉部２２を有することで、たわみ量が増えている。これは、実施形態における外フランジ部２０が薄肉部２２を有することで、外フランジ部２０の剛性（バネ常数）が小さくなり、外セル５の端部と共に弾性変形しやすくなっているためである。

図７に示したたわみ曲線に基づいて、線圧（ニップ圧）が変化した場合のニップ曲線（成形ロールの軸方向におけるプロファイルの変化）を図８に示す。図８において、縦軸が線圧を示し、横軸が成形ロールの軸方向の位置（ロール幅）を示す。また、図８においても、図７と同様に、実施形態の成形ロールを破線で示し、比較形態の成形ロール（従来例）を実線で示す。

図８に示すように、線圧が５０Ｎ／ｃｍのときには、設計目標値である設計線圧が加わることになり、所定のクラウンが付いているので、実施形態と比較形態とで共に、成形ロールの軸方向に亘って均一なニップ曲線（直線）となる。次に、線圧を７０Ｎ／ｃｍに変えたときは、線圧増加時の実施形態と比較形態とで共に、成形ロールの中央部から一端部に向かって線圧が次第に高くなるニップ曲線となる。

このように線圧を設計目標値の線圧から変更して成形ロールを使用することは、実際のシート成形工程では一般的に行われている。一例として、薄いシートを成形する場合、シート耳部よりも幅方向の内側に、成形ロールの押圧力のムラ（タッチムラ）が生じやすいが、線圧を大きくすることでタッチムラを解消することができる。また、厚いシートを成形する場合、シートの幅方向全域に亘って成形ロールが押圧され、シートの形成材料に応じて線圧を小さくして、シートに作用する応力を減らして成形を行う場合もある。

特に、成形ロールの端部は、中央部よりもバネ定数が大きいので、成形ロール４ａが押圧される成形ロール４ｂに対して軸方向全域に亘って均等に押圧したとき、端部のニップ荷重（線圧）が大きく増え、中央部のニップ荷重の増加が相対的に少ない。そのため、成形ロールによるニップ荷重を設計目標値よりも大きくした場合、成形ロールの端部での線圧が、軸方向における線圧の平均値よりも大きくなり、中央部が小さい凹状のニップ曲線を示す。一方、ニップ荷重を設計目標値よりも小さくして使用した場合、端部が小さい凸状のニップ曲線を示す。

そして、実施形態の成形ロールの一端部における線圧は、比較形態よりも若干小さくなっており、ニップ曲線全体の線圧が僅かであるが平均化され、成形ロールの軸方向に対する線圧の変化を小さくすることができた。すなわち、実施形態の成形ロールによれば、成形ロールの軸方向における線圧を均一化することができる。

［その他の構成の比較］
また、成形ロール４ａは、外セル５、内セル６、フランジ１０及び軸９が溶接によって接合されて形成されているので、外セル５や内セル６を個別に回転させる成形ロールに比べて、高速で回転可能である。第１の実施形態によれば、１００ｍ／ｍｉｎの回転速度で使用可能となる。

外セルと内セルとが個別に回転する成形ロールでは、外セルと内セルとの摺動部分における機械的強度を高める必要がある。つまり、摺動部分における機械的強度が、この成形ロールでの耐久荷重となる。また、個別に回転する外セルと内セルのシール部分から液漏れが生じやすい。第１の実施形態における成形ロール４ａでは、外セル５と内セル６とが一体となって回転するので、摺動部分が存在しない。したがって、材料の許容強度を線圧の耐久荷重とすることができ、耐久性を高められる。さらに、ゴム、プラスチックなどほとんど用いずに、金属材で構成することによって耐久性が高められる。

上述したように、第１の実施形態の成形ロール４ａによれば、一対の成形ロール４ａ、４ｂの間にシート２を挟んだときに弾性変形する外セル５の弾性変形量を外セル５の軸方向に亘って均一化する。その結果、本実施形態は、シート２の幅方向に厚さのばらつきが生じることを防ぐことができる。したがって、成形ロール４ａの使用時に、成形ロール４ａで加える線圧を変更させた場合であっても、線圧プロファイルを均一化することができる。

また、実施形態によれば、成形ロール４ａを軸方向に長くすることなく簡素な構成で、成形ロール４ａの端部とシート２の端部との間の距離を短くし、外セル５の軸方向に対する弾性変位量の均一化が図られ、成形装置１全体の大型化を避けることができる。

また、実施形態の成形ロール４ａは、外回流溝２３を備えることで、外セル５と内セル６との間の流路８ｃを流れる温調液７の流速を均一化することが可能になり、成形ロール４ａの軸方向に亘って均一な温度の温調液７で冷却される。その結果、シート２の幅方向に冷却ムラが生じることを抑えることができる。

また、実施形態の成形ロール４ａは、整流板２５を備えることで、外セル５と内セル６との間の流路８ｃに流入する温調液７の流速を下げると共に均一化することが可能になり、流路に流入する温調液７が外セル５の内面に衝突することを抑えることができる。その結果、比較的薄く形成されている外セル５が、温調液７によって摩耗や腐食が生じることが抑えられ、成形ロール４ａの耐久性を高めることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の成形ロール１４ａの構成を説明する。なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成部材及び同一の部分には、便宜上、同一符号を付して説明を省略する。

図９に、第２の実施形態の成形ロール１４ａの軸方向の中央部から操作側までの部分を拡大した詳細断面図を示す。

図９に示すように、第２の実施形態の成形ロール１４ａは、第１の実施形態の成形ロール４ａと比べて、内回流溝２７及び整流板２５が省かれて構成されている。また、内セル６の外周には、スパイラル板６０が、内セル６の軸回りに沿って螺旋状に設けられており、スパイラル板６０によって流路８ｃを流れる温調液７が案内される。なお、スパイラル板６０と外セル５の内面との間の隙間ＥＥは、外セル５のたわみ量よりも大きく設定されている。

第２の実施形態のように、整流板２５を備えていない構成であっても、外回流溝２３内の空間を充分に大きく確保することで、流路８ｄから流路８ｃに向かう温調液７の流速が充分に下げられ、流路８ｃにおける温調液７の流速を均一化することが可能である。したがって、第２の実施形態の成形ロール１４ａにおいても、第１の実施形態の成形ロール４ａと同様に、シート２に冷却ムラが生じることを抑えることができる。

加えて、第２の実施形態は、内セル６がスパイラル板６０を備えることによって、流路８ｃ内を流れる温調液７の流速を速くすることが可能になると共に、温調液７が螺旋状に流れることで外セル５の凹部１２内の流れも確保することが可能になるので、外セル５の冷却性能を更に高めることができる。

また、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、外セル５の弾性変形量を外セル５の軸方向に亘って均一化することができる。

（第３の実施形態）
図１０に、第３の実施形態の成形ロールの要部を軸方向に平行な面で切断した部分断面図を示す。なお、第３の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成部材及び同一部分には、便宜上、同一符号を付して説明を省略する。

第１及び第２の実施形態では、薄肉部２２が、外フランジ部２０の径方向と平行に延びて形成されていたのに対し、第３の実施形態では、薄肉部が、外フランジ部の径方向に直交する軸方向に屈曲された屈曲部を有している。

図１０に示すように、第３の実施形態の成形ロール２４ａが備えるフランジ３５は、外セルの端部を支持する外フランジ部３６と、内セル６の端部を支持する内フランジ部３７とを有している。外フランジ部３６は、外周側に、内周側よりも、この径方向に直交する軸方向の厚さが小さい薄肉部３８が設けられており、薄肉部３８の内周側の端が、内セル６の内周面よりも径方向の内側に位置するように延ばして形成されている。

そして、外フランジ部３６の薄肉部３８は、外フランジ部３６の径方向に直交する軸方向と平行に屈曲された屈曲部３９を有しており、薄肉部３８の外周部に、外セル５の端部が溶接接合されている。

また。本実施形態においても、薄肉部３８の軸方向の厚さｔ３は、外セル５の軸方向の中央部における厚さｔ１の１倍以上３倍以下、かつ、外フランジ部３６の径方向に対する薄肉部３７の高さｈが、外セル５の厚さｔ１の１倍以上に設定されている。第３の実施形態によれば、外フランジ部３６の外周側から内周側に向かって延ばされる薄肉部３８の長さが長くなり、薄肉部３８のバネ常数を更に小さくすることが可能である。

なお、本実施形態における薄肉部３８は、内周側から外周側に亘って、厚さｔ３が均一に形成されているが、薄肉部のバネ常数を小さくする等の必要に応じて、屈曲部の厚みを部分的に更に薄く形成されてもよいことは勿論である。また、本実施形態における薄肉部３８の断面形状に限定するものでなく、特に制限はない。

また、第３の実施形態におけるフランジ３６の内フランジ部３７には、内セル６の径方向に突出して流路８ｃを狭くする絞り部４１が、内フランジ部３７の周方向に亘って形成されている。第３の実施形態における絞り部４１も、第１の実施形態における絞り部３１と同様に機能し、流路８ｄから流路８ｃに流入する温調液７の流速を下げ、流路８ｃ内を流れる温調液７の流速を均一化することができる。本実施形態における絞り部４１は、温調液７に対してアキュムレータとしての働きを奏する。

上述したように、第３の実施形態の成形ロール２４ａにおいても、薄肉部３８を有することで、第１及び第２の実施形態と同様に、外セル５の両端部の弾性変位量を大きくし、外セル５の軸方向における弾性変位量を均一化することができる。

（その他の実施形態）
本実施形態の成形ロールの加熱冷却方式は、上述した温調液７を用いた加熱冷却方式に限定されるものではなく、電気誘導、気体、気液混合流体を用いた他の加熱冷却方式や、成形ロールの内部に温調流体としてのヒートパイプ液を封入してヒートパイプ液を介して間接的に熱交換する加熱冷却方式であってもよい。

［気体温調方式］
上述した実施形態では、液体である温調液７が用いられたが、気体が用いられてもよい。上述した実施形態の外セル５が有する凹部１２は、いわゆる熱交換用フィンとしても機能するので、気体が用いられても温調能力が得られる。なお、温調流体として気体を用いる場合には、液体を用いる場合に比べて流速を高くすることが好ましい。

［２段階温調方式］
また、上述した実施形態では、外セル５の内周側の空間に、液体や気体などの温調流体を直接回流させることで成形ロールの温度調節を行うように構成したが、例えば外セル５の内周側に空間において、第１の温調流体と第２の温調流体を用いて、第１の温調流体と第２の温調流体との間で間接的に熱交換することで、成形ロールの温度調節を行うように構成してもよい。

なお、上述した実施形態では、図１に示した一対の成形ロールのうち、シート２が巻き付けられない成形ロール４ａに適用されたが、シート２が巻き付けられる成形ロール４ｂに適用されてもよい。また、第１から第３の実施形態において、成形されるシートの厚さの一例を挙げて説明したが、上述したシートの厚さ用の成形用ロールに限定するものではない。

さらに、本実施形態の成形ロールは、シートの成形ロール以外の他のロールに適用されてもよい。

本実施形態の成形ロールは、冷却、加熱能力が優れているので、この特性を生かして、シート成形用ロール以外の、加熱、予熱及び冷却を必要とするロール、例えば製紙装置のドライヤーロール、印刷機のロールなどの他の産業用ロールに用いられて好適である。

１ 成形装置
４ａ 成形ロール
５ 外セル
６ 内セル
８ｃ 流路
１０ フランジ
２０ 外フランジ部
２１ 内フランジ部
２２ 薄肉部
２３ 外回流溝

Claims (8)

1. シートを加圧成形するための円筒状の外セルと、
   前記外セルの内部に配され、該外セルの内径よりも小さい外径を有する円筒状の内セルと、を備え、
   前記外セルが、該外セルと前記内セルとの間の空間を回流する温調流体によって温調されるシート成形用ロールであって、
   前記外セルの軸方向の両端を支持する円板状の外フランジ部を有する一対のフランジ部材を備え、前記外セルと前記外フランジ部とで閉じられた前記空間を前記温調流体が流れ、
   前記外フランジ部は、外周側に、内周側よりも軸方向の厚さが小さい薄肉部が設けられ、該薄肉部の内周側の端が、前記内セルの内周面よりも前記内セルの径方向の内側に位置し、
   前記薄肉部の前記厚さが、前記外セルの径方向の厚さの１倍以上３倍以下、かつ、前記外フランジ部の径方向に対する前記薄肉部の高さが、前記外セルの前記厚さの１倍以上である、ことを特徴とするシート成形用ロール。
2. 前記フランジ部材は、前記内セルの軸方向の両端を支持する円板状の内フランジ部を有し、該内フランジ部は、前記外フランジ部に対して前記軸方向に並んで配され、
   前記内フランジ部と前記外フランジ部との間には、前記内フランジ部の径方向に窪んだ環状の溝部が前記内フランジ部の周方向に亘って設けられ、該溝部の底面が、前記内セルの外周面よりも、前記内セルの径方向の内側に位置している、請求項１に記載のシート成形用ロール。
3. 前記フランジ部材は、該フランジ部材の軸方向に延ばされて前記温調流体が流れる流路を有し、
   前記溝部は、前記フランジ部材の径方向に延ばされた連通路を介して前記流路と連通され、
   前記溝部には、前記溝部を流れる前記温調流体の流れを遮る遮蔽部材が設けられている、請求項２に記載のシート成形用ロール。
4. 前記外セルの内周面と前記内セルの外周面との間の空間が構成する間隙流路と、前記溝部との間には、前記外セルの径方向に対する前記間隙流路の隙間よりも、該隙間を小さくした絞り部が設けられている、請求項２または３に記載のシート成形用ロール。
5. 前記外フランジ部の前記薄肉部は、前記外フランジ部の径方向に交差する方向に屈曲された屈曲部を有している、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシート成形用ロール。
6. 前記外セルの内周面には、前記外セルの軸回りに沿って延びる雄ネジ状又はリング状の凹部が形成されている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のシート成形用ロール。
7. 前記外セルは、鋼材によって形成されている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のシート成形用ロール。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のシート成形用ロールを用いて、一対の前記シート成形用ロールの間に溶融樹脂材を挟んでシートを成形するシート成形方法。

Images