JP5111800B2 - シート成形装置 - Google Patents

Description

本発明はシート成形装置に係わり、特にシート成形時にシート表面に微細構造を形成するシート成形装置に関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ）やその他の表示装置の分野において、各種の光学機能を有する光学機能フィルムあるいはシートが用いられている。光学機能フィルムの例として、例えば、１）表面に形成された微細なＶ溝構造を光の通路として入射光を画面に導くための導光板、２）各種多層フィルムを用いて通過する光の位相を調整する位相板、３）画面方向への発光効率を向上させる輝度向上フィルム、などが挙げられる。

上述の各種光学フィルムは、その表面構造から２種類に分けられる。一つは、表面に形成されたＶ溝などの微細構造が、光に対する何らかの作用を有する微細構造付帯フィルム／シートである。もう一つは、光の波長と同じ程度の厚みの膜を積層し、光学特性の波長依存性を利用して光に対する何らかの作用を有するものである。

上述の微細構造付帯フィルム／シートについては、従来、小面積のものは射出成形により微細構造を同時に形成し、大面積のものについては、シート／フィルムを成形した後にプレス等で微細構造を型転写する製造方法が用いられていた。しかし、大面積のものについても、製造コスト削減の観点から、シート／フィルムの成形と同時にあるいは同じ工程で微細構造を転写したいという要望がある。

そこで、シート成形用のローラ上に転写パターンを形成してエンボスローラとし、エンボスローラを加熱しながら樹脂シートを成形し、成形直後の樹脂シートを当該エンボスローラに巻き付けることにより転写性を向上さる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）
特開２００１−１２９８８１号公報

上述の特許文献１に記載の転写技術によれば、加熱したシート成形用のエンボスローラにシートを巻き付けて転写部分の面積を大きくし、エンボスローラの凹凸の転写性を向上させるが、転写する凹凸は平均粗さ（Ｒａ）が０．５〜５μｍ程度の小さな凹凸である。

一方、上述の光学フィルム／シートとして用いる微細構造付帯フィルム／シートとしては、例えば、溝間ピッチが５０μｍで深さが７０μｍ程度のＶ溝を形成することが要求される。したがって、このような深いＶ溝のような凹凸を形成する用途には、特許文献１に記載の転写技術を用いることはできない。

アスペクト比の大きい凹凸を形成するには、樹脂が成形ローラによりシート状に形成される際に、樹脂が軟化した状態のままで凹凸を転写する必要がある。ところが、溶融した樹脂が成形ローラに接触した瞬間に、樹脂の熱がローラに吸収されて樹脂は冷却される。これにより、溶融樹脂が成形ローラに接触してから凹凸が転写される前に、樹脂の表面は固化してしまい、深い凹部まで押し込むことができず、微細構造を精密に形成することができないという問題がある。

また、成形ローラの凹部の奥深くまで樹脂を押し込むには、成形中の樹脂に大きな圧力を加えながら、ある程度の時間保持する必要があるが、成形ローラの断面は円形であるため、樹脂と成形ローラは線接触するだけであり、転写用の加圧時間を長くとれないという問題もある。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、樹脂シートのロール成形と同時に表面に深い凹凸の微細構造を形成することのできるシート成形装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、樹脂シートを成形しながら樹脂シートの表面に微細構造を転写するシート成形装置であって、
転写すべき該微細構造が表面に形成された最外層を有する主ロールと、
該主ロールから所定距離離間して回転し、前記主ロールとの間に供給された樹脂を加圧して該樹脂シートに成形する従ロールとを有し、
前記主ロールは該微細構造が形成された最外層の内側に断熱層を有し、
前記主ロールの前記最外層を加熱する電熱体が複数前記最外層に埋め込まれ、該電熱体の各々は独立に通電可能であることを特徴とするシート成形装置が提供される。

本発明によれば、樹脂シートのロール成形と同時に表面に深い凹凸の微細構造を精度よく形成することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明の基礎となる樹脂シートのロール成形について、図１を参照しながら簡単に説明する。図１は樹脂シートのロール成形において、溶融樹脂が一対のロールにより押圧されてシート状に成形される部分の拡大図である。

通常、所定距離離間した金属製の一対のロール（ローラとも称する）１，２の間に、加熱溶融した樹脂を押しだし、ロール１，２で樹脂を冷却して固化させると共に、ロール１，２の間を通過させることで、所定の厚みのシート状に成形する。ロール１，２に接触するまでは、樹脂は溶融あるいは軟化した状態であるが、樹脂がロール１，２の表面に接触すると、ローラ１，２により急速に熱が吸収されて、まず樹脂の表面から１０〜１００μｍ程度の厚みの部分までが極めて短時間で固化状態となり、固化層が形成される。樹脂を単にシート状に成形する場合は、表面の固化層の内側はまだ軟化した状態であるので、ロール１，２により押圧することで樹脂をシート状に成形することができる。

ここで、図１に示すように、ロール１の表面に微細構造として例えば深さ５０μｍ程度Ｖ溝が設けられている場合を考える。ロール１，２の間を通過する際に樹脂３はロール１のＶ溝に押し付けられＶ溝に押し込まれるが、表面に固化層３ａが形成されているため、Ｖ溝の先端部分まで樹脂を完全に押し込むことができない。したがって、Ｖ溝により転写された部分はＶ溝の先端の形状に対応した形状ではなくなってしまい、正確な転写形状を得ることができない。すなわち、Ｖ溝の深さと同じ程度あるいはそれ以上の厚みの固化層３ａが溶融樹脂３の表面に形成されてしまうため、この固化層３ａが妨げとなって、ローラ１，２により樹脂３に圧力をかけても、樹脂３をＶ溝に完全に充填することができない。

そこで、本発明者は、樹脂への微細構造の転写より以前に、溶融樹脂表面に固化層が形成されないか、形成されても極薄い固化層となるように、ロールによる樹脂の冷却を、転写の後まで遅延させることを考えた。

図２は本発明の第１実施形態によるシート成形装置の概要を示す図である。

図２において、樹脂ノズル１０から押し出された樹脂１３は、主ロール１１と従ロール１２との間に供給され、主ロールと従ロール１２とにより圧力が加えられてシート状に成形される。

主ロール１１は金属等の剛性材料で形成されており、外周表面１１ａに図３に示すようにＶ溝が形成されている。Ｖ溝は樹脂に転写する形状であり、Ｖ溝が形成された部分を意匠転写部と称することもある。主ロール１１の外周から僅かに内側に、断熱層１４が設けられている。断熱層１４は、例えば酸化シリコンや酸化ジルコニウムのような断熱性の大きな材料により形成されている。断熱層１４は、断熱層１４の外側の最外層１１ｂを断熱するために設けられるが、その厚みは比較的に小さく、最外層１１ｂからの熱の主ロール１１の内部への伝導を一時的に遅延させるように作用する。主ロール１１の内部は冷却水通路となっており、主ロール１１を例えば７０℃〜８０℃の温度に維持するように構成されている。

従ロール１２は、主ロール１１と同様に金属等の剛性材料で形成されており、その内部は、冷却水通路となっており、従ロール１２を例えば７０℃〜８０℃の温度に維持するように構成されている。

主ロール１１の最外層１１ｂの表面、すなわち主ロールの外周表面１１ａには、微細構造として深さが５０μｍ程度のＶ溝が形成されている。樹脂１３が主ロール１１と従ロール１２の間を通過してシート状に成形される際に、樹脂１３の表面が外周表面１１ａの微細構造に押し付けられ、微細構造が樹脂１３に転写される。微細構造が転写される部分を意匠転写部Ａと称する。

図３は図２に示す意匠転写部Ａの拡大図である。図３に示すように、主ロール１１の外周表面１１ａには、深さが５０μｍ程度のＶ溝が形成されている。そして、Ｖ溝の内側には、断熱層１４が設けられている。ここまでは、Ｖ溝の深さを５０μｍとして説明したが、本発明では、Ｖ溝の深さを１〜５０μｍとすることができる。この場合には、Ｖ溝が形成された最外層１１ｂの厚みを１０μｍ〜１ｍｍとすることが好ましい。また、本発明による対策を施さない場合に樹脂表面に形成される樹脂固化層の厚さを代表厚さとすると（すなわち、本発明による断熱層１４を設けない場合に樹脂１３が主ロール１１に接触した際に樹脂表面に形成される固化層の厚みを代表厚さとすると）、最外層１１ｂの厚さはこの代表厚さの１〜５倍程度とすることが好ましい。なお、この代表厚さは樹脂材料等の特性により決定される。最外層１１ｂの厚みをこの程度の厚みとすることにより、最外層１１ｂの熱容量を小さくし、樹脂１３が主ロール１１の外周表面１１ａに接触してから意匠転写部Ａまで移動する間は、樹脂１３から急激に熱を吸収することがなく、樹脂１３の表面に固化層が形成されないか、形成されても極めて薄くすることができる。

すなわち、最外層１１ｂの厚みが薄く、且つ断熱層１４により断熱されているため、樹脂１３が最外層１１ｂに接触しても急激に冷却されず、溶融あるいは軟化した状態（ガラス転移温度以上の温度）に維持される。したがって、意匠転写部Ａにおいて樹脂１３は主ロール１１と従ロール１２との間で加圧され、樹脂１３は容易にＶ溝の奥まで押込まれる、Ｖ溝全体に充填される。これにより、シート状に成形された樹脂１３の表面にＶ溝の形状が精度よく転写される。

樹脂１３が意匠転写部Ａを通過すると樹脂１３は主ロール１１により冷却されて固化する。断熱層１４は薄いため、樹脂１３が最外層１１ｂの外周表面１１ａに接触してから意匠転写部Ａを通過するまでの短い時間は、最外層１１ｂの温度を例えば樹脂１３のガラス転移温度以上の高い温度に維持しておくことができ。しかし、それ以降は断熱層１４により主ローラ１１の内部と最外層１１ｂとの間の温度勾配を維持することができず、樹脂１３から主ローラ１１に向かう熱移動量が大きくなり、樹脂１３は冷却されて固化する。

以上のように、本実施形態によれば、微細構造が外周表面１１ａに形成された主ロール１１に断熱層１４を設けることにより、樹脂１３から主ローラ１１への熱の移動を遅延させることができる。これにより、意匠転写部Ａに移動した樹脂１３には固化層が形成されていないか、形成されていても極めて薄い固化層である。したがって、樹脂１３に微細構造を容易に精度よく転写することができる。

次に本発明の第２実施形態について、図４を参照しながら説明する。図４において図２に示す構成部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

本発明の第２実施形態では、従ロール１２として弾性体ロールを用いて意匠転写部Ａの面積を大きくし、さらに転写性を向上させている。

図４に示す弾性体ロール２０は、金属製のフレキシブルスリーブ２１の内部にゴム製のラバーロール２２が組み込まれ、フレキシブルスリーブ２１とラバーロール２２の間に冷却水の通路が形成されている。フレキシブルスリーブ２１は、例えばニッケルの薄い板で形成されており、主ロール１１と当接する部分で容易に主ロール１１の外形に沿って変形することができる。ラバーロール２２は弾性を有し、フレキシブルスリーブ２１と共に変形するが、フレキシブルスリーブ２１の変形を元に戻そうとする力を発生する。以上のような構造の弾性体ロール２０は周知のロール体であり、市販されているものを用いることができる。

弾性体ロール２０は、樹脂１３を挟んで主ロール１１に押圧される部分が主ローラ１１に沿って弾性変形する。これにより、面積の大きいニップ部が形成され、ニップ部全体にわたってほぼ一様な押圧力を樹脂１３に加えることができる。このニップ部は意匠転写部Ａに相当する。したがって、本実施形態では、微細構造（Ｖ溝）を樹脂１３に転写するための圧力を一定としながらより長い時間、樹脂１３を微細構造に押圧することができる。これにより、転写性をさらに一層向上させることができ、より複雑で転写しにくい微細構造でも精度よく転写することができる。

次に、本発明の第３実施形態について図５を参照しながら説明する。図５において、図４に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

本発明の第３実施形態では、図４に示す構成において、主ロール１１の最外層１１ｂに加熱部３０を設け、さらに意匠転写部Ａから出てきた成形された樹脂１３を冷却するための送風機３２を設けている。加熱部３０は、電熱ヒータやペルチェ素子等の電熱体であり、最外層１１ｂの全周に渡って設けられる。

最外層１１ｂに加熱部３０を設けることで、最外層１１ｂの温度を樹脂１３のガラス転移温度以上の温度にすることができる。これにより、意匠転写部Ａにおいて最外層１１ｂを樹脂１３のガラス転移温度以上の温度にすることができ、意匠転写部Ａにおいて、樹脂１３の表面に固化層が形成されず、主ロール１１の微細構造を樹脂１３に精度よく転写することができる。

ただし、意匠転写部Ａ以外の部分では、樹脂１３を冷却してする必要があるため、意匠転写部Ａの出口付近に送風機（ブロア）３２を設けて樹脂１３を空冷する。

また、例えば、加熱部３０として複数本の電熱ヒータを、主ロール１１の回転軸に平行に最外層１１ｂに埋め込み、電熱ヒータの各々には独立して通電できるように構成してもよい。これにより、主ロール１１の回転に伴い電熱ヒータも回転する。そこで、樹脂１３が接触する僅かに手前の位置で電熱ヒータに通電を開始し、その電熱ヒータが意匠転写部Ａを通過した後で通電を停止する。図５において、黒丸で示した加熱部３０が通電された電熱ヒータを示し、白丸で示した加熱部３０が通電されていない電熱ヒータを示す。

このように、主ロール１１の回転中に順次電熱ヒータの通電及び通電の停止を行うことにより、主ロール１１の回転中に意匠転写部Ａ近傍の電熱ヒータのみに選択的に通電することとなる。すなわち、意匠転写部Ａ付近の最外層１１ｂのみ加熱部３０により加熱され、その他の部分では加熱はおこなわれない。したがって、意匠転写部Ａ付近では、最外層１１ｂを樹脂Ａのガラス転移温度以上の温度とすることで、樹脂１３の表面に固化層が形成されず、意匠転写部Ａを通過して転写が終了した後は樹脂１３から最外層１１ｂに熱が伝わり、樹脂１３を冷却することができる。

本実施形態では、意匠転写部Ａにおける最外層１１ｂを加熱部３０により積極的に加熱するので、意匠転写部Ａを通過した後の樹脂１３を送風機３２からの送風により冷却するように構成しているが、上述のように加熱部３０に選択的に通電して意匠転写部Ａの近傍のみ加熱する場合は、送風機３２による冷却を行わなくて十分冷却できる場合もある。あるいは、最外層１１ｂの中で加熱部３０の間に冷却管を埋め込み、冷却水を選択的に流して意匠転写部Ａを通過した部分を冷却することとしてもよい。

なお、本実施形態では、従ロールとして図４に示す弾性体ロール２０を用いているが、弾性体ロール２０ではなく、図２に示すように剛性材料の従ロール１２を用いてもよい。

また、図４に示す実施形態ではフレキシブルスリーブ２１とラバーロール２２の間に冷却水を流して弾性体ロール２０を冷却しているが、本実施形態ではフレキシブルスリーブ２１とラバーロール２２の間に圧縮気体を充填している。圧縮気体は断熱層として機能し、フレキシブルスリーブ２１の温度を高温に維持して意匠転写部Ａの温度を高温に維持する。

次に、本発明の第４実施形態について図６を参照しながら説明する。図６において、図５に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

本発明の第４実施形態では、図５に示す構成において、主ロール１１の最外層１１ｂに設けた加熱部３０の代わりに、主ロール１１の最外層１１ｂを外部から加熱する輻射加熱装置４０を設けている。輻射加熱装置４０は、レーザやハロゲンランプのような熱線（レーザ光やランプ光）を射出する装置であり、射出された熱線はレンズや反射板等よりなる光学系を介して、主ロール１１の外周表面１１ａの意匠転写部Ａの直前位置に照射される。これにより、意匠転写部Ａに入る直前で最外層１１ｂが樹脂１３のガラス転移温度以上の温度に加熱される。したがって、意匠転写部Ａにおいて、樹脂１３の表面に固化層が形成されず、主ロール１１の微細構造を樹脂１３に精度よく転写することができる。

次に、本発明の第５実施形態について図７を参照しながら説明する。図７において、図４に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

本発明の第５実施形態によるシート成形装置は、微細構造が転写された厚膜の樹脂シートを形成するための装置である。厚膜の樹脂シートに微細構造を転写する場合、意匠転写部Ａにおける樹脂の大部分が溶融あるいは軟化した樹脂であり、ニップ部における圧力が分散してしまい、十分な転写圧を加えることができないおそれがある。

そこで、本実施形態では、樹脂シートの成形工程を２つに分け、まず基材となる厚膜の樹脂シートを形成し、形成した厚膜の樹脂シートの上に薄い樹脂シートを形成しながらその表面に微細構造を転写する。

図７において、右側の主ロール１１と弾性体ロール２０の組合わせ（第１のシート成形部）により厚膜の樹脂シートを形成し、左側の主ロールと弾性体ロール２０との組合わせ（第２のシート成形部）により薄膜で転写可能な樹脂シートを形成する。右側の主ロール１１上で形成された厚膜の樹脂シートは、主ロール１１から離れると、左側の弾性体ロール２０に巻きとられ、左側のロール対のニップ部に搬送される。ここで、厚膜の樹脂シートの表面にさらに樹脂１３が供給され、薄膜の樹脂シートが厚膜の樹脂シート上に形成される。このとき、意匠転写部Ａにおいて薄膜の樹脂シートの表面に微細構造が転写される。

以上のように、本実施形態では、厚膜の樹脂シートを形成してからその上に薄膜の樹脂シートを形成しながら微細構造の転写を行うので、微細構造の転写は薄膜の樹脂シートに対して行われる。したがって、樹脂シートの厚みに起因する転写圧不足の問題は発生せず、厚膜で且つ微細構造が精度よく転写された樹脂シートを連続した工程で容易に短時間で形成することがきる。

なお、微細構造を転写しながら薄膜の樹脂シートを形成する第２のシート成形部の構成は、図７に示す構成に限ることなく、上述の他の実施形態の構成を用いることとしてもよい。

樹脂シートのロール成形において、溶融樹脂が一対のロールにより押圧されてシート状に成形される部分の拡大図である。 本発明の第１実施形態によるシート成形装置の概要を示す図である。 図２に示す意匠転写部Ａの拡大図である。 本発明の第２実施形態によるシート成形装置の概要を示す図である。 本発明の第３実施形態によるシート成形装置の概要を示す図である。 本発明の第４実施形態によるシート成形装置の概要を示す図である。 本発明の第５実施形態によるシート成形装置の概要を示す図である。

符号の説明

１，１１ 主ロール
２，１２ 従ロール
３，１３ 樹脂
３ａ，１３ａ 固化層
１１ａ 外周表面
１１ｂ 最外層
１４ 断熱層
２０ 弾性体ロール
２１ フレキシブルスリーブ
２２ ラバーロール
３０ 加熱部
３２ 送風機
４０ 輻射加熱装置

Claims (4)

1. 樹脂シートを成形しながら樹脂シートの表面に微細構造を転写するシート成形装置であって、
   転写すべき該微細構造が表面に形成された最外層を有する主ロールと、
   該主ロールから所定距離離間して回転し、前記主ロールとの間に供給された樹脂を加圧して該樹脂シートに成形する従ロールとを有し、
   前記主ロールは該微細構造が形成された最外層の内側に断熱層を有し、
   前記主ロールの前記最外層を加熱する電熱体が複数前記最外層に埋め込まれ、該電熱体の各々は独立に通電可能であることを特徴とするシート成形装置。
2. 請求項１記載のシート成形装置であって、
   前記最外層の厚みが、１０μｍ〜１ｍｍであることを特徴とするシート成形装置。
3. 請求項１又は２記載のシート成形装置であって、
   前記従ロールは、弾性体ロールであることを特徴とするシート成形装置。
4. 樹脂シートを成形しながら樹脂シートの表面に微細構造を転写するシート成形装置であって、
   第１の樹脂シートを成形するための第１のロール対を有する第１のシート成形部と、
   該第１のロール対で形成された第１の樹脂シート上に第２の樹脂シートを成形しながら該第２の樹脂シート上に微細構造を転写する第２のシート成形部とを有し、
   該第２のシート成形部は、請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のシート成形装置を含むことを特徴とするシート成形装置。

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