JP6308688B2 - 加圧装置 - Google Patents

Description

本発明は、閉鎖空間内にて成形材を加熱しつつ加圧する加圧装置に関するものである。

チャンバ内にて成形材を加熱しつつ加圧する加圧装置としては、特許文献１に記載される真空積層装置、特許文献２に記載される製造装置が知られている。特許文献１では、下盤および上盤にそれぞれ温度測定部が備えられ、成形材である下側シート材や上側シート材の温度が直接測定されるようになっている。そして特許文献１では測定された下側シート材と上側シート材の温度差が所定値以内となったときに加圧を開始することも記載されている。そしてまた特許文献２では、非接触式の温度計により被ラミネート体の複数箇所の温度を測定し、被ラミネート体の複数箇所の温度が略均等になるように加熱することが記載されている。

しかしながら特許文献１の真空積層装置ではそれぞれの温度測定部が測定された温度は、下側シート材と上側シート材の温度差が所定値以内であるかどうかを検出し、加圧開始のために用いるものであり、ヒータの温度制御に用いるものではなかった。また特許文献２の製造装置では温度計で測定された被ラミネート体の温度は、複数箇所の温度を略均等になるように温度の低い部分のヒータの通電を強める等の制御を行うものであるが相対的な温度制御であり、温度計で測定された温度に対してヒータの設定温度をどう制御するかについてはまったく記載がされていないものであった。

特開平１１−１２９２７２号公報（請求項１、００１７、図１） 特開２００４−２００５１８号公報（請求項１、００３９、図４）

一方閉鎖空間内にて成形材を加熱しつつ加圧する加圧装置では、閉鎖空間を構成する部材に設けられた加熱手段による加熱により閉鎖空間内には熱が籠りやすく、閉鎖空間内の温度または成形材の温度が加熱手段の設定温度よりも高温になりやすい傾向にある。または加熱手段の設定温度が低い場合は、閉鎖空間内の温度または成形材の温度が設定温度ほど上昇しない場合もあり、加熱手段の設定温度と閉鎖空間内の温度または該閉鎖空間内の成形材の温度は必ずしも一致しない。

そこで本発明では、加熱手段の設定温度に対して実際の制御温度を自動的に補正可能な加圧装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の加圧装置は、チャンバ内にて成形材を加熱しつつ加圧する加圧装置において、チャンバを構成し加熱手段を備えた上盤と下盤と、前記上盤または下盤の少なくとも一方に該上盤または下盤からチャンバ内に膨出可能に設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムの裏面側の上盤または下盤に備えられチャンバ内の成形材を加熱する加熱手段と、チャンバ内を減圧する真空ポンプと、閉鎖され減圧が完了した状態のチャンバ内または該閉鎖され減圧が完了した状態のチャンバ内の成形材の温度を測定する取外し可能な温度センサと、前記加熱手段の設定温度と前記温度センサによる実測温度との差分からオフセット値を決定し前記設定温度にオフセット値を加えた制御温度により前記加熱手段を温度制御する制御装置が備えられたことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の加圧装置は、請求項１において、前記下盤からチャンバ内に膨出可能に設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムの裏面側の下盤に備えられチャンバ内の成形材を加熱する加熱手段と、前記下盤の加熱手段の温度を検出する温度センサと、前記上盤の下面に貼着されたゴムシートと、前記ゴムシートの裏面側の盤に備えられチャンバ内の成形材を加熱する加熱手段と、前記上盤の加熱手段の温度を検出する温度センサとが備えられたことを特徴とする。

本発明の加圧装置は、チャンバ内にて成形材を加熱しつつ加圧する加圧装置において、チャンバを構成し加熱手段を備えた上盤と下盤と、前記上盤または下盤の少なくとも一方に該上盤または下盤からチャンバ内に膨出可能に設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムの裏面側の上盤または下盤に備えられチャンバ内の成形材を加熱する加熱手段と、チャンバ内を減圧する真空ポンプと、閉鎖され減圧が完了した状態のチャンバ内または該閉鎖され減圧が完了した状態のチャンバ内の成形材の温度を測定する取外し可能な温度センサと、前記加熱手段の設定温度と前記温度センサによる実測温度との差分からオフセット値を決定し前記設定温度にオフセット値を加えた制御温度により前記加熱手段を温度制御する制御装置が備えられるので、加熱手段の設定温度に対して実際の制御温度を自動的に補正することができる。

本実施形態の真空積層装置の概略説明図である。 本実施形態の設定温度とチャンバ温度との差分を示す図表である。 本実施形態の設定温度ごとのオフセット値を示すグラフである。 本実施形態のリニアライズされたオフセット値の演算式を示す図表である。 別の実施形態の真空積層装置のオフセット値設定工程を示す概略説明図である。

本発明の加圧装置の一種である本実施形態の真空積層装置１１は、図１に示されるように閉鎖空間であるチャンバ１４の構成する上盤１２と下盤１３を備えている。そして上盤１２に対して下盤の１３が図示しない昇降機構により昇降し、下盤１３が上昇した際に上盤１２と下盤１３の間に閉鎖空間であるチャンバ１４が形成されるようになっている。上盤１２を構成する部材である断熱材１５の表面（下面側）にはヒータ１６が貼着されている。本実施形態ではヒータ１６はラバーヒータ（電気ヒータ）が用いられている。ラバーヒータは、ニッケル合金の発熱抵抗体をシリコンゴムシートで挟んだ薄い平板状のヒータである。ラバーヒータの表面温度は均一に制御可能なので、一枚のラバーヒータにつき１個の温度センサ１７（熱電対等）が設けられ、ヒータの温度が測定可能となっている。なおヒータはカートリッジヒータ等の他のヒータでもよい。そしてヒータ１６の更に下面にはステンレス等の金属製平滑プレート１８が取付けられている。そして更に金属製平滑プレート１８の下面には耐熱性のゴムシート１９が貼付けられている。また上盤１２のゴムシート１９が取付けられていない部分との境界には、連通孔２０が形成され、前記連通孔２０は管路とバルブ等を介して減圧源である真空ポンプ３２に接続されている。なお温度センサ１７は上盤１２のうちヒータ１６の近傍に取付けられたものでもよい。

下盤１３を構成する部材である断熱材２１にはヒータ２２が取付けられている。本実施形態ではヒータ２２は上盤１２のヒータ１６と同じくラバーヒータ（電気ヒータ）が用いられているがカートリッジヒータ等の他のヒータでもよい。ヒータ２２には温度センサ２３（熱電対等）が取付けられ、ヒータ２２の温度が測定可能となっている。そしてヒータ２２の更に上面にはステンレス等の金属製平滑プレート２４が取付けられている。そして更に金属製平滑プレート２４の更に上面側には耐熱性のゴムからなるダイアフラム２５が配置されている。ダイアフラム２５は、その周囲が枠体２６と図示しないボルトを用いて下盤１３に固定され、金属製平滑プレート２４等の上面を覆うように取付けられる。そしてダイアフラム２５の裏面側の下盤１３には連通孔２７が形成され、前記連通孔２７は、管路とバルブ等を介して減圧源である真空ポンプ３２と加圧源であるコンプレッサ３３に接続されている。従ってダイアフラム２５は、作動中のコンプレッサ３３と連通されダイアフラム２５の裏面と下盤１３との間の密閉空間に加圧空気が送られることによりチャンバ１４内にダイアフラム２５が膨出して成形材Ｗを加圧可能となっている。枠体２６の表面にはシール部材が設けられ、下盤１３が上昇した際に下盤１３と枠体２６と上盤１２により外界と隔絶された閉鎖空間であるチャンバ１４が形成可能となっている。なおチャンバ１４の構成部材は前記に限定されない。

真空積層装置１１には制御装置２８（ＰＬＣ等）が設けられている。制御装置２８は、真空ポンプ３２、コンプレッサ３３を始め、それらの装置と真空積層装置１１本体を接続する管路のバルブ等に接続されている。また制御装置２８は、下盤１３を昇降する図示しない油圧装置等の昇降機構にも接続されている。更に制御装置２８は、ヒータ１６、２２、温度センサ１７，２３にも接続され、ヒータ１６，２２の温度制御(一例としてＰＩＤ制御)を行う。更にまた制御装置２８は、チャンバ内に挿入されて使用される温度センサ２９にも接続されている。また制御装置２８は記憶部３０を備えており、後述するヒータ１６，２２の設定温度Ｘに対応する制御温度Ｘ３（またはオフセット値Ｙ）等が保存可能となっている。更に制御装置２８は設定表示装置３１にも接続されている。更にまた制御装置２８は、真空積層装置１１がキャリアフィルム等による成形材Ｗの自動供給装置または後工程のプレス装置を備える場合にはそれらの自動供給装置等にも接続されている。

次に加圧装置である真空積層装置１１の温度制御方法について説明する。まず連続成形の前に、ヒータ１６，２２の設定温度Ｘとチャンバ１４内の実測温度Ｘ１との差分（差分温度Ｘ２）からオフセット値を決定し、記憶部３０に記憶させるオフセット値設定工程が行われる。オフセット値設定工程では、チャンバ１４内の複数地点（例えば１５点）に熱電対等の温度センサ２９をセットする。そしてチャンバ１４内に成形材Ｗが搬入されていない状態で下盤１３を上昇させ、上盤１２と下盤１３の間に閉鎖空間であるチャンバ１４を形成する。そしてチャンバ１４内とダイアフラム２５の裏面側の密閉空間を真空ポンプ３２により吸引する。また温度センサ２９のセットとともに設定表示装置３１からヒータ１６，２２の設定温度Ｘを設定する。そして所定の設定温度Ｘごとにチャンバ１４内の温度センサ２９の実測温度Ｘ１を検出する。この際に複数ある温度センサ２９の実測温度Ｘ１は短時間ではバラつきが解消されないので、各温度センサ２９の実測温度Ｘ１のバラつきがほぼ解消するまで待ってその際の温度Ｘ１を測定し、制御装置２８においてヒータ１６．２２の設定温度Ｘとの差分（差分温度Ｘ２）を演算する。

そしてヒータ１６，２２の設定温度Ｘを所定幅昇温させるごと（本実施形態では２０℃昇温させるごと）に温度センサ２９の温度Ｘ１を検出して両者の差分温度Ｘ２を演算する。具体的には、図２の図表に示されるようにヒータ１６，２２設定温度Ｘが４０℃の際、チャンバ１４内の温度センサ２９の実測温度Ｘ１は３９℃であってその差分温度Ｘ２は−１．０℃であり、低温の温度領域ではチャンバ１４の実測温度Ｘ１のほうが低く検出される。またヒータ１６，２２の設定温度Ｘが８０℃の際、チャンバ１４の実測温度Ｘ１も８０℃であり、両者の温度は一致しており差分温度Ｘ２は０℃である。更にヒータ１６，２２の設定温度Ｘが１００℃の際、チャンバ１４内の温度センサ２９の実測温度Ｘ１は１００．４℃であってその差分温度Ｘ２は＋０，４℃であり、高温の温度領域では、チャンバ１４内の温度Ｘ１のほうが高くなっている。この傾向は図２の図表に示されるように更に高温の温度領域ほど設定温度Ｘとチャンバ１４の温度Ｘ１と差分温度Ｘ２は大きくなる傾向にある。

即ち上盤１２のヒータ１５および下盤１３のヒータ２２の温度が設定温度Ｘとなるようにそれぞれのヒータ１６の温度センサ１７およびヒータ２２の温度センサ２３の温度を検出してクローズドループ制御を行ったとしても、高温の温度領域では加熱された上盤１２および下盤１３からの輻射熱によりチャンバ１４内の実測温度Ｘ１ほうが高温となってしまう。この現象はシュテファン・ボルツマンの法則により説明されるが、上盤１２や下盤１３といった物体から放射される熱輻射のエネルギーは、温度の４乗に比例して大きくなる。従って設定温度Ｘとオフセット値Ｙの関係は、非線形となる。そこで本発明では、加熱手段であるヒータ１６，２２の設定温度Ｘとチャンバ１４内の実測温度Ｘ１との差分温度Ｘ２を用いて温度帯ごとのオフセット値Ｙを決定し、オフセット値Ｙにより設定温度Ｘに補正をかけている。

オフセット値Ｙの決定方式については、種々の演算方式が考えられるが代表的な２つの方式を次に記載する。一つ目の方式は、図３のグラフにおいて段階で示されるように温度帯ごとにオフセット値Ｙを決定する方式である。この場合ヒータの１６，２２の設定温度Ｘが４０℃〜６０℃の場合、設定温度４０℃の際の設定温度Ｘと実測温度Ｘ１との差分温度Ｘ２は−１．０℃であるので、オフセット値Ｙは絶対値が反対方向になるようにプラス補正して＋１．０℃とする。またヒータ１６，２２の設定温度Ｘが６０℃〜８０℃の場合、設定温度６０℃の際の設定温度Ｘと実測温度Ｘ１との差分温度Ｘ２は０℃であるので、オフセット値ＹもＯ℃とする。ヒータ１６，２２の設定温度Ｘが８０℃〜１００℃の場合、設定温度８０℃の際の設定温度Ｘと実測温度Ｘ１との差分温度Ｘ２が＋０．４℃であるので、オフセット値Ｙは差分を打ち消すために絶対値が反対方向になるようにマイナス補正して−０．４℃とする。更に設定温度が１００℃以上の場合も同様にオフセット値Ｙを複数段階（本実施形態では７段階）に分けて決定する。これらの決定されたオフセット値Ｙは制御装置２８の記憶部３０に記憶され、実際の成形時のヒータ１６，２２の温度制御の際の制御温度Ｘ３（ＰＩＤ温度制御のための目標制御温度Ｘ３）の決定に用いられる。

二つ目のオフセット値Ｙの決定方式は、図３のグラフにおいて実線で示されるようにリニアライズ補正されたオフセット値Ｙを用いて加熱手段を制御するものである。ここの方式では図４の図表において太線で示されるように、２点の設定温度Ｘにおける温度差とオフセット値Ｙの差の比から１次関数式を求める。そして前記１次関数式を用いることにより各設定温度Ｘに対応するオフセット値が演算されるようになっている。従ってこの二つ目の方式のほうが設定温度Ｘの上昇に応じて細かく制御温度ｘ３を制御することができる。なお本実施形態では、シュテファン・ボルツマンの法則に対応して７つの温度区分によりオフセット値Ｙの上昇率をそれぞれ演算しているが、全体をいくつの温度区分にするかは限定されるものではなく、またオフセット値Ｙの演算に１次関数以外の演算式を用いたものでもよい。

そしてこれらのオフセット値Ｙが決定されると、前記オフセット値Ｙは制御装置２８の記憶部３０に保存される。そして実際の成形において、設定表示装置３１から例えば設定温度Ｘを１２０℃と入力設定すると、オフセット値Ｙは−０，８℃であり、ヒータ１６，２２のＰＩＤ制御の制御温度Ｘ３は１１９．２℃にマイナス補正される。そして前記制御温度Ｘ３を目標温度にしたＰＩＤ制御が制御装置２８、ヒータ１６，２２、温度センサ１７，３の間でループして行われる。なお制御装置２８の記憶部３０に保存されるのは、オフセット値Ｙを求めるための演算式や、設定温度Ｘに対応して紐付された制御温度Ｘ３のテーブルであってもよい。

このオフセット値設定工程については、主として工場出荷前に行われる。しかし真空積層装置１１の経年使用によるヒータ１６．２２の劣化やヒータ１６，２２の交換に際しても行うようにしてもよい。ただし実際の加圧成形では具体的には設定表示装置３１から設定入力した設定温度Ｘが１００℃の場合、ヒータ１６，２２のＰＩＤ制御の目標温度である制御温度Ｘ３は、オフセット値Ｙ−０．８℃が加算されて９９．２℃に制御されるものの、チャンバ１４内の温度はチャンバ１４の開閉による外乱もあるので、必ずしも１００℃にコントロールされるとは限らない。

なお本実施形態では、上盤１２のヒータ１６と下盤１３のヒータ２２の設定温度Ｘは同じ温度に設定され、チャンバ１４内の温度センサ２９の実測温度Ｘ１との差分（差分温度Ｘ２）を用いて、一つのオフセット値ＹによりＰＩＤ制御の制御温度Ｘ３を補正している。しかしヒータ１６とヒータ２２とで設定温度Ｘが異なるものであってもよい。またオフセット値Ｙについても、上盤１２のヒータ１６の制御温度Ｘ３の演算に使用するオフセット値Ｙと、下盤１３のヒータ２２の制御温度Ｘ３の演算に使用するオフセット値が別の値であるものを除外するものではない。

また本実施形態では、ヒータ１６，２２の設定温度Ｘとチャンバ１４内の温度センサ２９の温度実測値（実測温度Ｘ１）の差分により、オフセット値Ｙを決定している。しかしヒータ１６，２２の温度センサ１７，２３の温度実測値（実測温度Ｘ４）とチャンバ１４内の温度センサ２９の温度実測値(実測温度Ｘ１)の差分（差分温度）Ｘ２によりオフセット値Ｙを決定するものを除外するものではない。

更に本実施形態では、ある設定温度Ｘにて温度制御を開始し、各温度センサ２９の温度がほぼ一定温度となるのを一定時間かけて待って温度測定を行い、オフセット値Ｙを決定するオフセット値設定工程が行われている。しかしながら実際の成形では、真空積層装置１１の成形サイクルは一例として１分程度なので、成形サイクルに応じて温度測定を行い、オフセット値Ｙを決定してもよい。具体的にはヒータ１６，２２をある設定温度Ｘで昇温制御しておき標準的な成形サイクルで所定のサイクル数、チャンバ１４の開閉等を行う。そしてヒータ１６，２２の実測温度とチャンバ１４内の温度センサ２９の実測温度の昇降が安定してきたところで、チャンバ１４を閉鎖して減圧が完了した時点のチャンバ１４内の温度Ｘ１を温度センサ２９により測定する。そしてヒータ１６，２２の設定温度Ｘ１と温度センサ２９の実測温度Ｘ１との差分（差分温度Ｘ２）を用いてオフセット値Ｙを決定する。この実施例の場合、実際の成形に近い条件でのオフセット値Ｙが得られる。即ち
チャンバ１４内は成形サイクル毎のチャンバ１４の開放により冷却される。従ってヒータ１６，２２の能力にもよるがチャンバ１４を閉鎖してもチャンバ１４内の実測温度Ｘ１は、短時間でヒータ１６．２２の設定温度Ｘまで昇温されない場合が多い。従って所望のチャンバ１４内温度を得るためには、実測されたチャンバ内温度Ｘ１にオフセット値Ｙをプラス補正してヒータ１６，２２の制御温度Ｘ３とする必要がある場合が想定される。

また本実施形態では、チャンバ１４内の温度Ｘ１は真空積層装置１１から取り外し可能な温度センサ２９を用いて測定している。しかしながら特許文献１のように上盤または枠体等のチャンバを構成する構成部材に組み込まれた温度センサを使用して、チャンバ１４内の温度Ｘ１を測定するものでもよい。構成部材に組み込まれた温度センサのほうが成形の邪魔にならないので、前記のような連続成形中の設定温度に対するオフセット値Ｙおよび制御温度Ｘ３の決定を行いやすい。

また本発明では温度センサにより測定される実測温度Ｘ１は、図５に示される別の実施形態のようにチャンバ１４内の成形材Ｗ（フィルム等の被成形材も含む）の温度Ｘ１を直接測定するものでもよい。その場合、成形材Ｗの表面に温度センサを取付けるか複数枚の成形材Ｗの間に温度センサを挟むものでもよい。更には特許文献２のように非接触式の温度センサで成形材Ｗの温度を測定するものでもよい。これらの場合、成形材Ｗの温度を直接測定できるから、成形温度に敏感な成形材Ｗの成形の際の温度制御に有効となる場合がある。

更にまたチャンバ１４内の温度を温度センサ２９により測定する場合、成形材Ｗの温度を直接温度センサにより測定する場合の双方共に、図５に示されるようにダイアフラム２５を膨出させた状態で温度を測定してもよい。その場合温度センサ２９がダイアフラム２５と成形材Ｗの間にある場合は、ヒータ１６，２２からの熱の影響を比較的直接受けにくい状態での温度測定ができる。

本発明の閉鎖空間内にて成形材を加圧する加圧装置については、真空チャンバ内に設けられた熱板の間で成形材を積層成形するホットプレス装置であってもよい。これらのホットプレス装置の場合、熱板にはヒータが備えられ、閉鎖空間である真空チャンバ内にて成形材を加熱および加圧が可能となっている。そしてチャンバ内または成形材の温度が直接測定され、測定された温度測定値にオフセット値Ｙを加えた制御温度でヒータの温度制御が行われる。また別の例として加圧装置は、閉鎖空間である金型のキャビティ内で成形材を成形するプレス装置であってもよい。このプレス成形の場合、金型には加熱手段である熱媒供給路やヒータが備えられ、キャビティ内の成形材の温度を温度センサにより測定して、測定された温度測定値にオフセット値を加えた制御温度でヒータ等の温度制御が行われる。
従って本発明の加熱手段は、ヒータ（電気ヒータ）に限定されず、熱媒を用いたものや赤外線等を用いたもの等であってもよい。

１１ 真空積層装置
１２ 上盤
１３ 下盤
１４ チャンバ
１６，２２ ヒータ
１７，２３，２９ 温度センサ
２５ ダイアフラム
２８ 制御装置
３０ 記憶部
３２ 真空ポンプ
Ｘ 設定温度
Ｘ１ 実測温度
Ｘ２ 差分温度
Ｘ３ 制御温度
Ｗ 成形材

Claims (2)

1. チャンバ内にて成形材を加熱しつつ加圧する加圧装置において、
   チャンバを構成し加熱手段を備えた上盤と下盤と、
   前記上盤または下盤の少なくとも一方に該上盤または下盤からチャンバ内に膨出可能に設けられたダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの裏面側の上盤または下盤に備えられチャンバ内の成形材を加熱する加熱手段と、
   チャンバ内を減圧する真空ポンプと、
   閉鎖され減圧が完了した状態のチャンバ内または該閉鎖され減圧が完了した状態のチャンバ内の成形材の温度を測定する取外し可能な温度センサと、
   前記加熱手段の設定温度と前記温度センサによる実測温度との差分からオフセット値を決定し前記設定温度にオフセット値を加えた制御温度により前記加熱手段を温度制御する制御装置が備えられたことを特徴とする加圧装置。
2. 前記下盤からチャンバ内に膨出可能に設けられたダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの裏面側の下盤に備えられチャンバ内の成形材を加熱する加熱手段と、
   前記下盤の加熱手段の温度を検出する温度センサと、
   前記上盤の下面に貼着されたゴムシートと、
   前記ゴムシートの裏面側の盤に備えられチャンバ内の成形材を加熱する加熱手段と、
   前記上盤の加熱手段の温度を検出する温度センサとが備えられたことを特徴とする請求項１に記載の加圧装置。
   

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