JP7057340B2

JP7057340B2 - 塗布ロール

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Publication number: JP7057340B2
Application number: JP2019215238A
Authority: JP
Inventors: 成康町田
Original assignee: 成康町田
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2038-04-02
Also published as: JP2020055001A

Description

本発明は、塗料の塗布に用いる塗布ロールに関し、より具体的には、塗布ロールの表面にクロムめっき（以下「ＨＣｒめっき」という）を介さずに炭素系材料の膜が形成された塗布ロールに関するものである。

スマートフォンやタブレット等のモバイル端末やウェアラブル端末には各種の機能を有するフィルムやガラス板（以下「機能性素材」という）が用いられている。これらの機能性素材はベースとなるフィルムやガラス板に、光透過性や汚れ防止などの目的に適った塗液を塗布することによって製造される。ベースとなるフィルムやガラス板への塗液の塗布には、塗布ロールが広く用いられている。

塗布ロールの表面は塗液の塗布量を調整するための凹凸（セル又は彫刻）が形成されている。図１（ａ）（ｂ）にセル形状の一例を示す。図１（ａ）は格子状のセルの一例を示すもの、（ｂ）は斜辺状のセルの一例を示すものである。形状については特に規定がなく、目的に応じて形や深さなどの形状が選定される。塗布ロールの形状（直径や長さ）は、ユーザーの機械にもよるが、一般的には直径が３０ｍｍ以上である。

塗布ロールの材質は、主に機械構造用炭素鋼（ＳＴＫＭ１３Ａ）が用いられており、その表面には耐摩耗性向上と防錆を目的にＨＣｒめっきが３０μｍ程度施されている。ＨＣｒめっきが施されたロール表面にはＤＬＣ膜（炭素系材料膜）が施される場合もある（特許文献１及び２）。

特開２０１３－２８８６１号公報特開２０１１－１５７６１０号公報

炭素鋼を用いたロールは、錆が発生することがあり、そのままＤＬＣ膜のような炭素系材料膜を形成すると、十分な密着性を確保するのが困難である。防錆のためにめっきを施すことも行われているが、図２（ａ）（ｂ）に示すようにめっき内部にめっき液が残留している場合があり、表面ににじみ出てくる他、ボイド（突起）の発生も起こるため、正常なセル形状を得ることが困難である。これらの障害は製品の製造を行う上で品質の低下などの一因となる。また、前述した障害を有したロール表面にＤＬＣコーティングを行った場合、コーティング中に異常放電等のスパーク現象を誘発し、図３に示すようなクレーター状になることもある。

直径３０ｍｍ以下の小径の塗布ロールの中には、ステンレス鋼の一種であるＳＵＳ３０４が使用されているものがあるが、ＳＵＳ３０４は難加工材料でありロール形状が制約されるという難点がある。また、ＳＵＳ３０４は比較的軟質な材料であるため、表面に下地の特性に大きく依存する薄膜で硬質なＤＬＣのような炭素系材料のコーティングを行った場合、膜そのものの特性を発揮するのが困難である。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、従来生じていたＨＣｒめっき由来の不都合を解消すると共に、従来のＨＣｒめっきが施された塗布ロールよりも低コストで長寿命化を可能とすることにある。

本発明の塗布ロールは、焼き入れ又は窒化処理によって硬質化されたマルテンサイト系のステンレス鋼からなる外径２０φ以上（外径６０φ以上のものを除く）のパイプ状のロール母材の表面にＤＬＣ膜が形成されたものである。

本発明の塗布ロールには次のような効果がある。
（１）ＨＣｒめっきを使用しないため、ＨＣｒめっき由来の各種不都合が生じない。
（２）ＨＣｒめっきを使用しないため、めっき廃液が生じず、環境負荷を低減することができる。
（３）ＨＣｒめっきを使用しないため、少なくとも、めっき処理に要する分だけ、ロール製作の納期の短縮、価格の低減が可能である。
（４）ロールの短納期化及び低価格化により、関連企業の活性化、ひいては日本経済の活性化が期待できる。
（５）ＨＣｒめっきを使用しないため、ボイドの破裂に起因するロールの交換を回避することでき、塗布ロールの長寿命化（従来のＨＣｒめっきを施した塗布ロールの５倍程度）が可能となる。

（ａ）は格子状のセルが形成された塗布ロールの表面拡大図、（ｂ）は斜辺状のセルが形成された塗布ロールの表面拡大図。（ａ）はめっき内部にめっき液が残留している塗布ロールの表面拡大図、（ｂ）はボイドが発生した塗布ロールの表面拡大図。塗布ロール表面がクレーター状になった場合の説明図。（ａ）は本発明の塗布ロールの一例を示す正面図、（ｂ）は本発明の塗布ロールの表面の構造に関する断面拡大図。ＤＬＣ膜の形成に用いる装置の一例を示す概略図。

（実施形態）
本発明の塗布ロールの実施形態の一例を、図面を参照して説明する。ここでは、塗布ロールがグラビアロールの場合を一例として説明する。この実施形態の塗布ロールは、ロール母材１の表面に非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）２が設けられたものである。ロール母材１の表面とＤＬＣ膜２の間にＨＣｒめっき層が設けられていないため、ＨＣｒめっき由来のトラブル（ボイドの発生やボイドの破裂によりＤＬＣ膜２に亀裂が入る等の不都合等）が発生しない。

本発明では、一般の鋼材よりも錆が発生しにくく、且つ、焼き入れや窒化処理など硬質化が可能な鋼材をロール母材１として用いる。この実施形態では、ロール母材１として、焼き入れや窒化処理による硬質化が可能なマルテンサイト系のステンレス鋼（ＳＵＳ４２０やＳＵＳ４３１、ＳＵＳ４４０Ｃなど）を用いている。

この実施形態のロール母材１は、マルテンサイト系のステンレス鋼をロール状に成形したのち、焼き入れ又は窒化処理を行って硬質化したものである。ロール母材１の表面硬度は、硬化処理によってＨＲＣ５０以上となるようにしてある。ロール母材１の硬度はこれ以外であってもよく、例えば、ＨＲＣ２０（ビッカース強度（ＨＶ）２０４）以上、好ましくはＨＲＣ３０（ＨＶ３０２）以上、より好ましくはＨＲＣ５０（ＨＶ５１３）以上とするのがよい。

ロール母材１はパイプ材でも無垢材でもよい。この実施形態のロール母材１は直径６０φのパイプ材である。ロール母材１がパイプ材の場合、図４（ａ）に示すように、ベアリング４を介して軸材３の外側に装備される。ロール母材１はこれより太いものでも細いものでもよいが、２０φ以上のものが好ましい。

ロール母材１の表面にはセルや彫刻などの凹凸５が形成されている。凹凸５は硬化処理前に形成することも硬化処理後に形成することもできる。ロール母材１の表面は硬化処理後に研磨又は磨き加工を行ってある。また、硬化処理によってひずみ（曲がり）が発生した場合、ロールとして機能するように修正加工を行う。

前記ロール母材１の表面に形成されたＤＬＣ膜２は、厚さ０．５～５０μｍ程度、硬さ８００～６０００ＨＶ程度としてある。ＤＬＣ膜の形成には、ソースガスにＣＨ_４（メタン）やＣ_７Ｈ_８（トルエン）、Ｃ_２Ｈ_２（アセチレン）、Ｃ_６Ｈ_６（ベンゼン）などの炭化水素系のガスを用いることができる。ＤＬＣ膜２の構造に特に指定はないが、内部応力の緩和にＳｉ（ケイ素）やＯ_２（酸素）、Ｂ（ホウ素）、Ｎ_２（窒素）、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ(チタン)などの第三元素を含有してもよい。

図４（ａ）（ｂ）に示す塗布ロールは、ロール母材１の表面に直接ＤＬＣ膜２を形成するものであるが、密着性向上を目的に、ロール母材１とＤＬＣ膜２の間に、ＨＣｒめっき層とは異なる中間層（以下「ミキシング層」という）を設けることもできる。ミキシング層は、ＳｉやＣｒ、Ｔｉを主とするもの、窒素と化合物化したもの、又は、Ｃ（炭素）やＨ（水素）を一緒に含有したもの等とすることができる。

本発明の塗布ロールは、「母材製作工程」、「クリーニング工程」、「ミキシング層成形工程」及び「成膜工程」を経て製造することができる。「クリーニング工程」、「ミキシング層成形工程」及び「成膜工程」は図５に示すような装置を用いて実施することができる。図５において、６は真空チャンバー、７はＲＦ高周波電源、８はＲＦ電極、９は高電圧パルス電源、１０はガス注入口である。なお、「クリーニング工程」及び「ミキシング層成形工程」は必要な場合のみ実施すればよく、不要な場合には省略することができる。

前記母材製作工程では、マルテンサイト系のステンレス鋼をロール状に成形し、焼き入れ又は窒化処理を行って硬化する。硬化処理後、製作されたロール母材１の表面に研磨又は磨き加工を行う。硬化処理によってひずみ（曲がり）が発生した場合には修正加工を行う。焼き入れ後の材質はＨＲＣ５０以上となるようにするのが望ましい。

前記クリーニング工程では、前記母材製作工程で製作したロール母材１を真空チャンバー６のＲＦ電極８内にセットし、真空チャンバー６内を真空状態にする。この状態で、ロール母材１の表面の洗浄及び付着力向上を目的として、ロール母材１の表面をアルゴン、水素イオンによりエッチング処理してクリーニングする。エッチング処理は従来と同様の方法で行うことができる。ロール母材１のクリーニングは、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス：Ａｒ、Ｈ_２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力：５０～１５００Ｗ

前記ミキシング層成形工程では、前記母材製作工程で製作したロール表面にＨＣｒめっきを目的としないミキシング層を形成する。具体的には、母材製作工程で製作したロール母材１を真空チャンバー６のＲＦ電極８内にセットし、真空チャンバー６内を真空状態にする。この状態で、高電圧パルス電源９によりロール母材１に負の高電圧パルスを印加する。ガス注入口１０から原料ガス（例えば、Ｃ、Ｓｉ）を真空チャンバー６内に注入し、Ｃラジカルを生成してロール母材１の表面にミキシング層を形成してＤＬＣの付着力（密着性）を高める。なお、原料ガスとしてＳｉイオンを注入すると、Ｓｉがプライマーの役割を担うことができる。また、原料ガスとして、Ｎ_２、Ａｒ（アルゴン）、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、ＣＦ_４（四フッ化炭素）、Ｃ、Ｈ、Ｂ等の混合ガスを注入することもできる。ミキシング層の形成は、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス：ＨＭＤＳＯやＨＭＤＳやＴＭＳ（Ｓｉ系ガス）、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力：５０～１５００Ｗ

前記成膜工程では、前記母材製作工程で製作したロール母材１の表面（ミキシング層を成形した場合はその表面。以下同じ。）にＤＬＣ膜２を形成する。具体的には、ロール母材１がセットされた真空チャンバー６内を常温（望ましくは２０℃～５０℃程度）且つ真空状態にする。この状態で、ＲＦ高周波電源７により高周波電圧を印加して、ロール母材１の周辺（具体的には、真空チャンバー６内のＲＦ電極８の周辺）にプラズマを発生させ、高電圧パルス電源９によりロール母材１に負の高電圧パルスを印加する。その後、ガス注入口１０から原料ガス（例えば、Ｃ、Ｏ_２）を真空チャンバー６内に注入して、その原料ガスを真空チャンバー６内で反応させ、ロール母材１表面にＤＬＣを堆積させることによって、ロール母材１にＤＬＣ膜２を形成する。ＤＬＣ膜２については特に指定はなく、構成される主元素である炭素や水素の他にケイ素や窒素などの第三元素を有してもよい。また、ＤＬＣ膜２は酸素を含む親水性ＤＬＣ膜であってもよい。ＤＬＣ膜の形成は、例えば次の条件で行うことができる。
使用ガス：ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力：５０～１５００Ｗ

ＤＬＣ膜２は２回以上に分けて形成することもできる。この場合、前記条件で１回目の成膜を行った後、例えば、次の条件で２回目の成膜を行うことができる。
使用ガス：Ｃ_７Ｈ_８、Ｃ_２Ｈ_２
負パルス電圧：－１～－１５ｋＶ
ＲＦ出力：５０～１５００Ｗ

なお、ＤＬＣ膜２の形成後、特に研磨などの工程を行わずに製品となる。

本発明の塗布ロールは、ＤＬＣ膜２の形成後でもロール母材１の表面の凹凸形状は成膜前とほとんど変化せず、面積比にして１０％以下である。

本発明の塗布ロールは、フィルムやガラス板等の機能性素材に塗液を塗布する各種塗布ロールとしても用いることができる。

１ロール母材
２非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）
３軸材
４ベアリング
５凹凸
６真空チャンバー
７ＲＦ高周波電源
８ＲＦ電極
９高電圧パルス電源
１０ガス注入口

Claims

ロール母材の表面に凹凸を備えた塗布ロールであり、
前記ロール母材は、軸方向両端まで貫通する貫通孔を備えた中空パイプであり、外径２０Φ以上（外径６０Φ以上のものを除く）であり、焼き入れ又は窒化処理によって硬質化されたマルテンサイト系のステンレス鋼製であり、その表面にＤＬＣ膜が形成されており、ＤＬＣ膜はロール母材の表面にメッキ層を設けることなく前記表面に直接、又はメッキ層を設けずにミキシング層を設け、そのミキシング層の表面に形成されている、
ことを特徴とする塗布ロール。
請求項１記載の塗布ロールにおいて、
ロール母材の硬度がＨＲＣ２０以上である、
ことを特徴とする塗布ロール。
請求項１又は請求項２記載の塗布ロールにおいて、
ロール母材の軸方向両端部にベアリングを備えた、
ことを特徴とする塗布ロール。