JP5430951B2 - 金型装置 - Google Patents

Description

本発明は、金型装置に関し、詳しくは 発熱体によって金型を加熱する金型装置に関するものである。

従来の金型装置として、円柱形状のカートリッジヒータ（棒状抵抗加熱ヒータ）を金型内に組み込み、金型を加熱するものが知られている。具体的には、金型に挿入孔を設け、そこに円柱形状のカートリッジヒータを挿入し、ヒータを稼動させることにより、金型が加熱される。挿入孔は、カートリッジヒータの着脱を可能にするため、カートリッジヒーターの直径よりも大きく形成されている。

しかしながら、前記のような従来の金型装置は、以下のような問題点がある。
（イ）カートリッジヒータと挿入孔との間に間隙部が生じ、この間隙部に介在する空気が断熱層として作用し、ヒータから金型への伝熱を阻害する。
（ロ）カートリッジヒータのワット密度(ヒータの定格容量／発熱面積)が１０Ｗ／ｃｍ²を超えるハイワット密度のヒータを用いる場合、上記のようにヒータの熱が金型に効率よく伝わらないと(ヒータの熱を金型が奪わないと)、ヒータが高温となり、電極が溶融してショートするなど、ヒータが破損する恐れがある。ヒータが破損しないまでも、ヒータ温度が高い状態で繰り返し使用すると、ヒータ寿命が短くなる。
（ハ）高温になったカートリッジヒータが金型に長時間接触すると、時効硬化など熱処理された金型材では、硬さやヤング率などの材力が低下し、成形中に繰り返し作用するプレス圧力により、金型の変形や破損などの原因となる。
（ニ）伝熱効率を向上させるために挿入孔の径を細くする(ヒータの直径に近づける)と、ヒータの着脱が困難になる；金型材質によってはカジリや焼付きが発生し、ヒータの取り外しができなくなる。

下記特許文献１には、発熱部(ヒータ)と金型の収納孔との間に、発熱部の発熱により液化する熱伝達媒体を充填した金型装置が提案されている。特許文献１の実施形態において、 カートリッジヒータの発熱温度は約８００℃であり、ヒータ発熱部のパイプは８００℃では溶融しない金属で構成されている。熱伝達媒体としては、ハンダ、亜鉛、すず、鉛、硝酸塩など５００〜８００℃の間で溶融する金属やその他の材料が例示されている。

しかしながら、上記従来技術においても、次のような問題点がある。
（１）収納孔に熱伝達媒体を充填するには、熱伝達媒体が溶融する５００〜８００℃に金型温度を維持し、挿入するカートリッジヒータも同様な温度に昇温しておく必要がある。このため、ヒータの装着作業時に火傷などの危険を伴う。
（２）金型を５００〜８００℃に昇温して長い時間保持(熱伝達媒体の充填時間)すると、硬さやヤング率などの材力が低下し、加圧によって金型が変形したり破損するなどの原因となる。この問題は金型材として時効硬化処理された銅合金を用いる場合に顕著となる。

また、本出願人が先に提案したような特許第３８５７７０３号公報に記載の溶融微細転写プロセスでは、金型に搭載された微細凹凸を有するスタンパに溶融した熱可塑性樹脂を塗布した後にプレスによる加圧附形を行う。塗布された溶融樹脂の温度は金型温度に強く支配されるため、金型(スタンパ)面内に温度分布を生じると、溶融樹脂も同様な温度差を生じることになる(樹脂が断熱材のような熱物性を有するため、面内の熱移動(均温化)は殆ど期待できない)。加えて熱可塑性樹脂の粘度には温度依存性があり、高温で粘度が低く(流動性が高い)、低温で粘度が高い(流動性が低い)。
この結果、加圧附形により塗布された樹脂全体を均一に加圧しても、微細凹凸への溶融樹脂の充填は高温部で積極的に行われ、低温部では充填が困難になる。この結果、均一な加圧附形(転写)ができなくなるという課題がある。

特開２００４−８２４５８号公報

したがって本発明の目的は、上記従来の課題を解決し、カートリッジヒータから金型への伝熱を促進して金型の昇温時間を短縮するとともに、カートリッジヒータの過熱による破損や低寿命化、金型の変形等を防止し、かつ、カートリッジヒータの着脱を容易にする金型装置の提供にある。

また、本発明の他の目的は、特許第３８５７７０３号公報に記載の溶融微細転写プロセスにおいて、金型(スタンパ)面内での温度分布を抑制し、微細凹凸への溶融樹脂の充填を良化させ、均一な加圧附形(転写)を可能とする金型装置の提供にある。

本発明は、以下のとおりである。
１．発熱体と、前記発熱体を挿入する挿入孔を有する金型とを備え、前記発熱体と前記挿入孔との間隙部にグラファイトを充填するとともに、前記挿入孔内で前記発熱体を発熱させてなる金型装置であって、
前記発熱体にグラファイトシートを巻き回し、これを前記挿入孔に挿入してなることを特徴とする金型装置。

本発明の金型装置は、挿入孔に発熱体を挿入した際に生じる間隙部にグラファイトを充填してなることを特徴としているので、カートリッジヒータから金型への伝熱を促進して金型の昇温時間を短縮するとともに、カートリッジヒータの過熱による破損や低寿命化、金型の変形等を防止し、かつ、カートリッジヒータの着脱を容易にすることが可能となる。

グラファイトシートの面内の熱伝導により、ヒータ軸方向の温度分布が均温化される。ヒータ軸方向の温度分布の発生要因としてはヒータ自身の発熱量の分布と、加熱対象の金型の放熱分布（外周部が低温になる）があるが、ニクロム線等の一般的なヒータ発熱体の比抵抗の温度依存性は正であるので、高温になった部分がより発熱し、温度分布を増長する傾向がある。グラファイトシートの高い伝熱能力は、ヒータ周辺に生じた温度分布を緩和する方向に働くので、特に温度分布の発生し易い室温からの昇温時に都合がよい。

また本発明によれば、特許第３８５７７０３号公報に記載の溶融微細転写プロセスにおいて、金型(スタンパ)面内での温度分布を抑制し、微細凹凸への溶融樹脂の充填を良化させ、均一な加圧附形(転写)を可能とする金型装置を提供することができる。

本発明の金型装置の一実施形態の断面図である。 グラファイトシートの巻き回し方法を説明するための、カートリッジヒータの断面図である。 実施例１で用いたテストピースの斜視図である。 実施例１で用いた実験装置の構成を説明するための図である。 実施例１における、カートリッジヒータ稼動時間（秒）に対するテストピース温度とカートリッジヒータ内部温度の変化を示すグラフである。 比較例１における、カートリッジヒータ稼動時間（秒）に対するテストピース温度とカートリッジヒータ内部温度の変化を示すグラフである。 比較例２における、カートリッジヒータ稼動時間（秒）に対するテストピース温度とカートリッジヒータ内部温度の変化を示すグラフである。 比較例３における、カートリッジヒータ稼動時間（秒）に対するテストピース温度とカートリッジヒータ内部温度の変化を示すグラフである。

以下、本発明を図面を参照しながらさらに説明する。
図１は、本発明の金型装置の一実施形態の断面図である。図１において、本発明の金型装置１０は、発熱体としてのカートリッジヒータ１２と、金型１４とを備える。なお符号１６は後述の実験に用いたカートリッジヒータ内蔵の熱電対である。これはヒータ内部温度を把握するために用いたものであり、必ずしも熱電対付のヒータを用いる必要はない。カートリッジヒータ１２は、円柱形状の棒状抵抗加熱ヒータであり、材質は例えばステンレス、インコロイ、黄銅、アルミニウムなどからなる。また、金型装置１０は熱電対１８を備え、金型表面温度を検知する。
金型１４は、カートリッジヒータ１２を挿入する断面円筒形の挿入孔２２を有し、挿入孔２２内でカートリッジヒータ１２を発熱させ、金型１４を昇温させる。本発明の金型装置１０は、カートリッジヒータ１２と挿入孔２２との間隙部にグラファイト２４を充填してなることを特徴としている。

カートリッジヒータ１２の直径と挿入孔２２の寸法公差は通常のカートリッジヒータとその挿入穴の公差と同等とする。例えばφ６．２５ｍｍの呼び径の、ある市販カートリッジヒータの公差は６．１５〜６．３５mmである。これを挿入する挿入孔の内径の公差を６．３５〜６．４mmとすると、間隙部は、最大で０．２５mmとなる．
カートリッジヒータは細いものでφ１．５mm程度のものからφ１０mmを超えるものまで様々存在する。その各々に対して、ヒータの着脱の容易性、挿入孔の機械加工難易度などに応じて適切な挿入孔の直径、間隙部を選定すればよい。

グラファイト２４の充填方法としては、カートリッジヒータ１２にグラファイトシートを巻き回し、これを挿入孔２２に挿入してなる方法が好ましい。この方法によれば、挿入孔２２からのカートリッジヒータ１２の着脱が一層容易となる。図２は、グラファイトシートの巻き回し方法を説明するための、カートリッジヒータ１２の断面図である。グラファイトシート２４１の巻き回しは、その回数が多すぎると挿入孔２２へのカートリッジヒータ１２の挿入が困難となり、逆に少なすぎると間隙部に空気が多く介在することになるため、グラファイトシート２４１の巻き回し回数は、カートリッジヒータ１２と挿入孔２２との間隙部の閉塞を考慮して適宜決定すればよいが、図２（ａ）に示す１回の巻き回し、（ｂ）に示す１回半の巻き回し、（ｃ）に示す２回の巻き回し、あるいはそれ以上の巻き回しが挙げられる。なお、図２は、説明のためにカートリッジヒータ１２とグラファイトシート２４１との間に空間部が存在するが、グラファイトシートの柔軟性(曲げやすさ)と適度なハリ(しわにならない)を併せ持つという特長により、実際にはこのような空間部は存在せず、密着状態が保たれている。
なお、グラファイトシート２４１の巻き回し時には、例えばグラファイトシート２４１に糊のような公知の接着剤をスプレーしておくのが好ましい。

グラファイトシートは公知であり、商業的に入手可能である。例えば松下電器産業株式会社製の商品名ＰＧＳグラファイトシートが挙げられる。グラファイトシートの厚さはとくに制限されないが、カートリッジヒータと挿入孔との密着性の調整や巻き回しやすさの観点から、例えば２０〜５０μｍが好ましい。

グラファイトシートは、次のような独特な効果を奏する。
（１）高熱伝導率(２００Ｗ／ｍ／Ｋ以上)である。
（２）耐熱温度が高く、カートリッジヒータの通常使用時の内部ピーク温度に耐えられる。
（３）自己潤滑性を有するので、グラファイトシートを巻き回したカートリッジヒータは挿入孔への着脱（抜き差し）が容易となる。
（４）表面硬度が低く、挿入孔に馴染み易く、挿入孔に対し良好な接触状態を実現する。また、カートリッジヒータが熱膨張して径が太くなると、外周に巻き回されたグラファイトシートが挿入孔に押し付けられ、挿入孔に密着し、伝熱面積が拡大する（熱抵抗が低減する)。これにより、ヒータ内部温度の上昇が抑えられ、ハイワット密度のヒータの使用が可能となる。
（５）適度なハリがあり、シワを形成しにくく、人手によるカートリッジヒータへの巻き回しが容易である。
（６）常温での取り扱いが可能である。
（７）非金属であるため、金型(銅合金、鋼系、ステンレス系、アルミ合金系など)との焼付きやカジリが発生しない。この結果、カートリッジヒータの着脱が容易となる。

本発明者らは、様々な充填材について鋭意検討と検証を行った結果、上記の(1)〜(7)に示した効果をすべてかつ同時に満足させるものがグラファイトシートであることを見出した。
したがって、グラファイトシートは、挿入孔内でカートリッジヒータを発熱させる金型装置にとくに有用である。

また、本発明の金型装置は、カートリッジヒータから金型への伝熱が促進されることから、金型面内での温度分布が抑制される。したがって、特許第３８５７７０３号公報に記載の溶融微細転写プロセスに有用である。
該溶融微細転写プロセスは、表面に微細な凹凸部を有する成形型上に、溶融した熱可塑性樹脂を塗布する塗布工程と、前記塗布した熱可塑性樹脂を金型によりプレスし、成形体の形状を整えるプレス工程と、前記塗布した熱可塑性樹脂を冷却し固化させる固化工程とを少なくとも有し、前記塗布工程が、吐出口を備えた塗布装置に前記熱可塑性樹脂を供給し、前記吐出口の先端部と前記成形型との距離によって最終製品の厚さが規制されるように、前記塗布装置を移動させながら、前記最終製品にほぼ近い形状および厚さに、前記微細な凹凸部の上方から前記熱可塑性樹脂を吐出し、前記微細な凹凸部に前記熱可塑性樹脂を充填する工程であり、かつ前記微細な凹凸部に前記熱可塑性樹脂が付着するように、前記成形型を加熱することを特徴とする。前記微細な凹凸部は、例えば１０ｎｍ〜１ｍｍの幅または直径を有するとともに、１０ｎｍ〜１ｍｍの深さまたは高さを有する形状である。また、製造される成形体の厚さは、例えば５０μｍ〜５ｍｍの範囲である。
上記溶融微細転写プロセスでは、本発明の金型装置を用いることにより、金型(スタンパ)面内での温度分布が抑制され、微細凹凸への溶融樹脂の充填が良化し、均一な加圧附形(転写)が可能となる。

以下、本発明を実施例および比較例によりさらに説明するが、本発明は下記例に制限されるものではない。

実施例１
テストピースとして、直方体状のベリリウム銅合金を用いた。図３は、本実施例で用いたテストピースの斜視図である。テストピース３０の高さＨは２０ｍｍ、幅Ｗは２０ｍｍ、長さＬは１７０ｍｍである。挿入孔２２は、テストピース３０の長さＬと同じ長さを有し、その直径は６．４ｍｍである。また挿入孔はテストピース３０の目的とする加熱部位近傍に設けられ、挿入孔２２の上端部とテストピース３０の上部表面との距離Ｄは、３ｍｍである。
カートリッジヒータは、坂口電熱（株）製の熱電対付カートリッジヒータであり、直径６．２５ｍｍ、長さ１９０ｍｍの円柱形状である。ヒータの定格容量は３４２Ｗ、ワット密度は９．２Ｗ／ｃｍ²である。
挿入孔２２にカートリッジヒータを挿入するにあたり、カートリッジヒータに厚さ２５μｍのグラファイトシートを、図２に示す要領で２．５回、巻き回した。
上記のように調製したカートリッジヒータは、挿入孔２２への挿入がスムーズであり、目視で検査したところ、カートリッジヒータと挿入孔２２との間隙部はグラファイトシートでほぼ充填されていることが確認できた。
次に、カートリッジヒータを稼動させ、稼動時間（秒）に対するテストピース温度とカートリッジヒータ内部温度の変化を調べた。実験装置の構成を図４に示す。なお、ＰＩＤ制御により、テストピースの温度が１５０℃となるように、カートリッジヒータの発熱量を制御した。結果を図５に示す。

比較例１
カートリッジヒータにグラファイトシートを巻き回さなかったこと以外は、実施例１を繰り返した。結果を図６に示す。

比較例２
グラファイトシートの替わりに、厚さ２５μｍの黄銅製のシートを用い、カートリッジヒータに２回、巻き回したこと以外は、実施例１を繰り返した。結果を図７に示す。なお、本比較例２において、巻き回した後の黄銅製のシートは、弾性回復し、カートリッジヒータに密着しづらいものであった。また、複数回巻き回す場合、重なった黄銅製シート間の密着性も低いため間隙が生じ、間隙の空気が伝熱を阻害する。厚みの薄いシートを用いると弾性回復力が低下するため密着性は向上するが、巻き回し回数が増える。この結果、密着性向上にともなう伝熱特性の向上と、シートの重なり枚数(微少な間隙(空気層)の数)の増加による特性の低下が相殺し、思い通りの性能を享受することができない。

比較例３
グラファイトシートの替わりに、厚さ２０μｍのアルミニウム製のシートを用い、カートリッジヒータに２回、巻き回したこと以外は、実施例１を繰り返した。結果を図８に示す。なお、本比較例３において、アルミニウム製のシートは巻き回し時にシワを形成し易く、カートリッジヒータに密着しづらいものであった。また、シワの形成によってアルミニウム製のシートを巻き回したヒータの表面が凹凸になるため、ヒータ孔への密着性が著しく損なわれる。すなわち、巻きすぎると凸部を起点としてシートが破れ、破れを回避しようと巻き回し数を少なくするとヒータ孔に密着しない。これらの結果、思い通りの性能を享受することができない。

図５〜８に示すように、カートリッジヒータにグラファイトシートを巻き回した実施例１の場合、昇温開始から設定温度より１０℃低い温度（１４０℃）に到達するまでの昇温時間は１０１．８秒であったのに対し、グラファイトシートを使用しない比較例１の昇温時間は１１３．３秒、黄銅製のテープを使用した比較例２の昇温時間は１１１．５秒、アルミニウム製のテープを使用した比較例３の昇温時間は１０９．８秒であった。また、昇温速度を調べたところ、実施例１は１．２４℃／秒、比較例１は１．１１℃／秒、比較例２は１．０５℃／秒、比較例３は１．１５℃／秒であった。上記の結果をまとめて表１に示す。

図５〜８および表１の結果から、本発明の金型装置は、カートリッジヒータから金型への伝熱が促進され、金型の昇温時間が大幅に短縮されていることが分かる。

次に、図５〜８の結果より、カートリッジヒータ内部温度の最高温度とそれに到達するまでの時間を調べた。結果を表２に示す。

表２の結果から、本発明の金型装置は、カートリッジヒータの過熱が抑制されている。これにより、ヒータの破損や低寿命化が防止でき、また、金型の変形等も防止できることが分かった。

実施例２
カートリッジヒータとして、定格容量６４３Ｗ、ワット密度１７．２Ｗ／ｃｍ²のワット密度の高いヒータを用い、テストピースの設定温度を２００℃としたこと以外は、実施例１を繰り返した。その結果、昇温開始から設定温度より１０℃低い温度（１９０℃）に到達するまでの昇温時間は８５．３秒、昇温速度は２．８２℃／秒であった。カートリッジヒータ内部温度の最高温度は４２４．７５℃、最高温度に到達するまでの時間は４４．０秒であった。ヒータ電極のショートは確認されず、本発明の金型装置では、ワット密度の高いヒータが安全に使用できることが確認された。

また、以上の結果から、カートリッジヒータから金型への伝熱が促進されることも確認され、金型面内での温度分布が抑制される。したがって、特許第３８５７７０３号公報に記載の溶融微細転写プロセスに有用であることが判明した。

１０ 金型装置
１２ カートリッジヒータ
１４ 金型
１８ 熱電対
２２ 挿入孔
２４ グラファイト
２４１ グラファイトシート

Claims (1)

1. 発熱体と、前記発熱体を挿入する挿入孔を有する金型とを備え、前記発熱体と前記挿入孔との間隙部にグラファイトを充填するとともに、前記挿入孔内で前記発熱体を発熱させてなる金型装置であって、
   前記発熱体にグラファイトシートを巻き回し、これを前記挿入孔に挿入してなることを特徴とする金型装置。

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