JP2004010384A - プレス成形方法およびプレス成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形時の温度管理を容易かつ精度よく実行可能とし、低コストかつ高精度なプレス成形の実現を図ること目的とする。
【解決手段】上型１１および下型１２の間の原材料Ｇを加熱・加圧することにより所望の成形品をつくり出すプレス成形装置１は、上型１１および下型１２の周辺を真空状態にするための真空ポンプＶＰと、上型１１および下型１２と原材料Ｇを加熱可能な輻射ヒータ２０と、予め定められた本来のプレス荷重Ｐ２と、このプレス荷重を下回る予備荷重Ｐ１との双方により原材料Ｇを加圧可能なプレスユニット７とを備える。プレス成形装置１により成形品を得る場合、プレス荷重Ｐ２で原材料Ｇを加圧する前に、真空状態のもとで上型１１、下型１２および原材料Ｇが輻射ヒータ２０により加熱されると共に原材料Ｇが予備荷重Ｐ１で加圧される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレス成形方法およびプレス成形装置に関し、特に、磁気ディスク等に適用されるガラス基板等を製造するのに好適なプレス成形方法およびプレス成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ガラスやプラスチック等の原材料からなる基板を備えた磁気ディスクが幅広く用いられている。このような磁気ディスク用の基板は、極めて平滑な表面を有していることが求められることから、当初、ガラス材等を所定のサイズに切り抜くと共に、その表面を平滑に研磨することにより製造されていた。しかしながら、このようにディスク用の基板を１枚ずつ作製する手法は、多数の工程と手間を要するものであり、基板の製造コストを低減させる上で大きな問題を有していた。このため、近年では、基板の作製に際して、金型内でガラス等の原材料を加熱、加圧等することにより、その原材料に所望の形状を高精度に転写するプレス成形法が採用されるようになってきている。
【０００３】
かかるプレス成形法は、一般に次のような手順に従って行われる。まず、上下の型間（固定型と可動型との間）に原材料となるガラス材等を配置する。そして、成形品の表面に周囲の気体が閉じ込められてしまう、いわゆるエア溜りや、金型の酸化を防止するために、金型等の周辺を減圧させて真空状態とする。更に、所定の熱源により、金型と原材料とを加熱し、金型および原材料が所定温度に達したならば、金型間で原材料を加圧する。そして、加圧完了後、成形品は、冷却され、金型から取り出される。このようなプレス成形法によれば、成形品に対する後処理が不要となり、高品質な基板を安価に生産することが可能となる。
【０００４】
ところで、最終的に外径と板厚との比が大きくなるディスク用の基板をプレス成形するような場合、基板表面のうねりを抑えて平坦度を向上させたり、同一半径上におけるうねりを抑えると共に基板の内外径の寸法精度を向上させる上で、加圧工程の間に原材料の温度を十分に管理することが極めて重要となる。しかしながら、プレス成形に際して、原材料の温度を実際に測定することは実際上困難である。このため、プレス成形に際しては、金型の温度が測定され、各種パラメータ等を定めるための基準として用いられるのが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上述のように、成形品の表面に周囲の気体が閉じ込められてしまう、いわゆるエア溜りや、金型の酸化を防止するためには、金型等の周辺を減圧させて真空状態とするのが有効である。しかしながら、減圧下で原材料を加熱すると、原材料と金型との熱容量の相違や両者間の熱抵抗の大きさ等に起因して原材料のみが急速に昇温し、原材料と金型との間に温度差を生じてしまうことが多いと考えられる。
【０００６】
また、減圧下で原材料を加熱すると、熱伝導の媒体となる気体成分が少ないことに起因して、原材料を軟化温度まで昇温させるのに長時間を要することがあり、場合によっては、原材料が十分に加熱されていないうちに加圧工程が開始されてしまったりすることもある。これらの現象は、加圧工程中に金型と原材料とが微視的には点接触することに起因して、雰囲気圧力が小さければ小さいほど顕著となり、ディスク用基板等の原材料として比較的厚さが大きい球状またはマーブル形状の原材料が用いられる場合に多く発生する。
【０００７】
このように、従来のプレス成形には、原材料と金型との間に温度差を生じてしまう等、原材料や金型の温度管理面に依然として課題が存在しており、高精度なプレス成形を低コストで実行することが困難となっていた。
【０００８】
そこで、本発明は、成形時の温度管理を容易かつ精度よく実行可能とし、高精度な成形品を低コストで得られるプレス成形の実現を図ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態は、金型間の原材料を加熱・加圧することにより所望の成形品をつくり出すプレス成形方法であり、この方法は、（ａ）真空状態で金型および原材料を輻射加熱しながら、予め定められている本来のプレス荷重を下回る予備荷重で原材料を加圧する工程と、（ｂ）工程（ａ）の後に、プレス荷重で原材料を加圧する工程とを含むものである。
【００１０】
この方法では、プレス成形により所望の成形品を得るために、金型および原材料が真空状態のもとで輻射加熱される。このように、金型および金型間に配置された原材料とを輻射加熱した場合、基本的にガラスやプラスチック等の原材料の熱容量は金型の熱容量よりも小さいことから、原材料は金型よりも早く昇温し、比較的短時間のうちにガラス転移点に達する。ここで、このまま何ら対策を行うことなく真空状態で輻射加熱が継続された場合、金型や原材料の周囲に、熱伝導の媒体となる気体が少ないこと等に起因して、原材料と金型とが概ね等温になるまで長時間を要してしまうことになる。
【００１１】
この点に鑑みて、この方法では、金型および原材料を加熱する際に、本来のプレス荷重を下回る比較的小さい予備荷重により、金型を介して原材料を加圧する。これにより、予備荷重で加圧されている原材料は、ガラス転移点に達すると、金型表面にスムースに密着していくことになる。そして、金型と原材料との密着が進行すればするほど両者間の熱伝導性が高まることから、原材料の温度と金型温度とは、輻射ヒータによる加熱を開始した後、予備荷重による加圧を行わない場合と比較して短時間のうちに概ね等温になる。
【００１２】
このように、本発明では、工程（ａ）の間に、金型と原材料とが短時間のうちにほぼ等温となることから、金型温度のみに基づいても、工程（ｂ）における温度管理が容易かつ高精度に実行されることになる。この結果、本発明によれば、成形時の原材料の温度を容易かつ精度よく制御可能となり、歪みや反りが抑制されて高い寸法精度、平坦度および平滑度等を有する成形品を製造することができる。また、本発明では、金型および原材料の温度管理に特殊かつ高価な測温手段等は何ら必要とはされないことから、高精度な成形品を低コストで得ることが可能となる。更に、工程（ａ）は、比較的短時間のうちに完了することから、本発明によれば、プレス成形サイクル自体も短縮化することが可能となる。
【００１３】
この場合、予備荷重は、ガラス転移点に達する前に原材料を破壊しない約１０〜１０００ＭＰａの荷重範囲であって、かつ、ガラス転移点に達した後に原材料の金型に対する密着性を向上させ得る荷重範囲から選択されると好ましい。
【００１４】
そして、この方法は、最終的に外径と板厚との比が大きくなる記憶媒体用ディスクの基板等を成形するのに特に好適である。
【００１５】
本発明の他の形態は、金型間の原材料を加熱・加圧することにより所望の成形品をつくり出すプレス成形装置であり、この装置は、金型周辺を真空状態にするための真空手段と、金型および原材料を加熱可能な輻射ヒータと、予め定められた本来のプレス荷重、および、このプレス荷重を下回る予備荷重との双方により原材料を加圧可能なプレスユニットとを備え、プレス荷重で原材料を加圧する前に、真空状態のもとで金型および原材料が輻射ヒータにより加熱されると共に原材料が予備荷重で加圧されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明によるプレス成形方法およびプレス成形装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明によるプレス成形装置の一実施形態を示す概略構成図である。同図に示されるプレス成形装置１は、ガラスやプラスチック等の原材料Ｇから、最終的に外径と板厚との比が大きくなる記憶媒体用ディスクの基板等を成形するのに特に好適なものであり、金型および原材料Ｇを加熱する方式として輻射加熱方式を採用するものである。プレス成形装置１は、ベース３、上ステージ４および下側固定ステージ５ａおよび下側可動ステージ５ｂを含むフレーム２を有する。上ステージ４は、複数の支柱６によってベース３上に固定されている。
【００１８】
また、下側固定ステージ５ａは、その中央に開口部を有し、ベース３と上ステージ４との間で複数の支柱６に対して固定されている。下側可動ステージ５ｂは、下側固定ステージ５ａに対して開口部を覆うようにベローズ５ｃを介して連結されており、ベース３上に設置されたプレスユニット７のロッド７ａに接続されている。プレスユニット７を作動させることにより、下側可動ステージ５をベース３と上ステージ４との間で図中上下方向に移動させることができる。プレスユニット７は、プレス荷重を所望の値に自在に設定可能なものである。
【００１９】
上ステージ４には、支持部材８ａを介して、比較的小容量の平板状の上ヒータ（フラットヒータ）９が装着されており、この上ヒータ９には、ＷＣ材等からなる上型（固定型）１１が取り付けられる。同様に、下側可動ステージ５ｂには、支持部材８ｂを介して、比較的小容量の平板状の下ヒータ（フラットヒータ）１０が装着されている。この下ヒータ１０には、ＷＣ材等からなる下型（可動型）１２が取り付けられ、下型１２には更に規制リング１４が装着される。下型１２は、図１に示されるように、下側固定ステージ５ａの開口部を介して上ステージ４側に突出し、上型１１と対向し合う。
【００２０】
また、このプレス成形装置１では、上型１１の温度が図示されない上型温度センサによって検出され、下型１２の温度が図示されない下型温度センサによって検出される。そして、上型温度センサと下型温度センサの検出信号は、上ヒータ９および下ヒータ１０を制御する温度調節器に送られる。この温度調節器は、上型温度センサと下型温度センサの検出値に基づいて、上型１１と下型１２との温度差がゼロになるように上ヒータ９および下ヒータ１０の出力を制御する。
【００２１】
一方、上ステージ４と上ヒータ９との間、および、下側可動ステージ５ｂと下ヒータ１０との間には、冷却ジャケット（冷却手段）１７，１８が配置されている。各冷却ジャケット１７および１８には、図１において白抜矢印で示されるように冷却媒体を循環させることができる。各冷却ジャケット１７，１８は、図示されない移動機構によって、上ヒータ９の裏面（上型１１と反対側の面）または下ヒータ１０の裏面（下型１２と反対側の面）に対して接近離間され得る。上ヒータ９および下ヒータ１０をオフにし、冷却媒体を循環させた各冷却ジャケット１７，１８を上ヒータ９および下ヒータ１０に押し当てることにより、上型１１および下型１２を介して成形品を冷却することができる。
【００２２】
さて、このプレス成形装置１では、上型１１および下型１２と原材料Ｇとを側方から加熱する輻射加熱方式が採用されていることから、上型１１および下型１２の周囲に、筒状の輻射ヒータ２０が配置されている。輻射ヒータ２０としては、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等を基板として用いたセラミックヒータや、黒鉛ヒータや、ニクロムヒータ、あるいは、赤外線ランプヒータ等を用いることができる。輻射ヒータ２０は、電源２１から電力供給を受けて、上型１１、下型１２および原材料Ｇを成形温度である約２００°以上の温度に加熱可能である。また、輻射ヒータ２０の周囲には、加熱効率の向上と外側の部品の保護を図るべく、リフレクタ２２が配置されている。
【００２３】
更に、プレス成形装置１では、図１に示されるように、上型１１、下型１２、輻射ヒータ２０およびリフレクタ２２等が収容部材１５によって画成されるチャンバ１６内に収容されている。そして、チャンバ１６には、真空吸引ラインＬ１を介して真空ポンプＶＰが接続されている。この真空ポンプＶＰを作動させることにより、チャンバ１６内を例えばおよそ１Ｐａ程度の真空状態にすることができる。なお、真空吸引ラインＬ１には、真空ポンプＶＰに加えて、真空ゲージＶＧやベントラインＬ２等が接続されている。また、チャンバ１６には、不活性ガス供給ラインＬ３を介して、図示されない不活性ガス供給装置が接続されている。これにより、チャンバ１６内をＮ_２ガス等の不活性ガス雰囲気にすることができる。
【００２４】
次に、上述のプレス成形装置１の動作について説明する。まず、上型１１と下型１２とが完全に開かれた状態で、図示されない移載ユニットによってチャンバ１６内の下型１２のほぼ中央に原材料Ｇが配置される。原材料Ｇが下型１２に配置されると、プレスユニット７が作動され、原材料Ｇの上部が上型１１の成形面に接触するまで、下型１２が上型１１に接近させられる。そして、真空ポンプＶＰが作動させられ、チャンバ１６内が真空吸引される。これにより、上型１１および下型１２の周囲が真空状態になり、上型１１および下型１２を始めとするチャンバ１６内の各種部材が高温下で酸化により劣化することを防止することができる。
【００２５】
上型１１および下型１２の周辺が真空状態になされると、図２に示されるように、真空状態のもとで、輻射ヒータ２０による上型１１、下型１２および原材料Ｇの加熱が開始される。このように、型１１，１２および両型間の原材料Ｇを輻射加熱した場合、基本的にガラスやプラスチック等の原材料Ｇの熱容量は上型１１および下型１２の熱容量よりも小さいことから、原材料Ｇは各型１１，１２よりも早く昇温し（図２の時間対温度のグラフにおける破線参照）、比較的短時間のうちにガラス転移点に達する。ここで、このまま何ら対策を行うことなく真空状態で輻射加熱が継続された場合、上型１１、下型１２および原材料Ｇの周囲に、熱伝導の媒体となる気体が少ないこと等に起因して、原材料Ｇと、上型１１および下型１２とが概ね等温になるまで長時間を要してしまうことになる。
【００２６】
この点に鑑みて、プレス成形装置１では、上型１１、下型１２および原材料Ｇを輻射加熱する際、ディスク用基板等の所望の成形品を得るため設定されている本来のプレス荷重Ｐ２を下回る比較的小さい予備荷重Ｐ１のもとで、プレスユニット７により原材料Ｇが上型１１および下型１２を介して加圧される。
【００２７】
輻射ヒータ２０によって加熱されると共に予備荷重Ｐ１で加圧されている原材料Ｇは、ガラス転移点に達すると、上型１１および下型１２の表面に極めてスムースに密着していくことになる。そして、上型１１および下型１２と原材料Ｇとの密着が進行すればするほど両者間の熱伝導性が高まることから、図２に示されるように、原材料Ｇの温度と上型温度および下型温度とは、輻射ヒータ２０による加熱を開始して原材料Ｇがガラス転移点に達した後、予備荷重による加圧を行わない場合と比較して極めて短時間のうちに概ね等温になる。すなわち、プレス成形装置１では、上型１１、下型１２および原材料Ｇを加熱する工程が比較的短時間のうちに完了することになり、プレス成形サイクル自体を短縮化することが可能となる。
【００２８】
この場合、輻射加熱中に原材料Ｇに加えられる予備荷重Ｐ１は、ガラス転移点に達する前に原材料Ｇを破壊しない程度であって、かつ、ガラス転移点に達した後に原材料Ｇの上型１１および下型１２に対する密着性を向上させ得る程度の荷重範囲から選択されると好ましい。そして、予備荷重Ｐ１の上限は、例えば、球状またはマーブル形状の材料である場合、およそ５０〜１００ｋｇ程度にすると好ましい。これにより、原材料Ｇと上型１１および下型１２とが等温になるまでの時間を極めて良好に短縮化することができる。
【００２９】
上述のような加熱および予備プレスが所定時間行われると、輻射ヒータ２０による加熱が停止される。そして、図２に示されるように、プレスユニット７によるプレス荷重が、極めて短時間のうちに、予備荷重Ｐ１から本来のプレス荷重Ｐ２まで引き上げられ、プレスユニット７によって下型１２が上型１１へと更に接近させられる。これにより、上型１１と下型１２との間の原材料Ｇは、本来のプレス荷重Ｐ２で加圧されることになる（本プレス工程）。下型１２の上昇動作は、規制リングの上端が上型１１に当接した段階で停止され、これにより、厚さが一定に揃えられた成形品を得ることが可能となる。
【００３０】
この本プレスに際しては、その前の加熱および予備プレスにより、上型１１および下型１２と原材料Ｇとが短時間のうちにほぼ等温となっていることから、上型１１の温度および下型１２の温度とに基づいて、上型１１と下型１２との温度差がほぼゼロになるように上ヒータ９および下ヒータ１０をごく単純に温度制御するだけで、原材料Ｇを加圧成形に要求される温度に保つことができる。すなわち、プレス成形装置１では、上型１１および下型１２と原材料Ｇとの温度管理に特殊かつ高価な測温手段等は何ら必要とはされず、成形時の原材料Ｇの温度管理が容易かつ高精度に実行されることになる。この結果、プレス成形装置１によれば、歪みや反りが抑制されて高い寸法精度、平坦度および平滑度等を有する成形品を低コストで製造することが可能となる。
【００３１】
所定時間の間、本プレスが行われると、上ヒータ９および下ヒータ１０がオフされると共に、チャンバ１６内に不活性ガス供給ラインＬ３を介して、不活性ガスが供給される。そして、上ヒータ９の裏面には冷却ジャケット１７が、下ヒータ１０の裏面には冷却ジャケット１８がそれぞれ押し当てられ（冷却工程）、型内の成形品が冷却される。そして、冷却完了後、下型１２が下降させられて金型が開かれ、成形品が取り出される。
【００３２】
なお、本実施形態は、輻射ヒータ２０による加熱と、予備荷重Ｐ１による原材料Ｇの加圧とが同一のタイミングで同一時間行われるものとして説明されたが、これに限られるものではない。すなわち、成形品の種類等の各種条件によっては、本プレスの際に、輻射ヒータ２０による加熱が継続されてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、成形時の温度管理を容易かつ精度よく実行可能となり、歪みや反りが抑制されて高い寸法精度、平坦度および平滑度等を有する成形品を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプレス成形装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示されるプレス成形装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１　プレス成形装置
４　上ステージ
５ａ　下側固定ステージ
５ｂ　下側可動ステージ
７　プレスユニット
９　上ヒータ
１０　下ヒータ
１１　上型
１２　下型
１４　規制リング
１６　チャンバ
２０　輻射ヒータ
２２　リフレクタ
Ｇ　原材料
Ｌ１　真空吸引ライン
Ｌ３　不活性ガス供給ライン
ＶＰ　真空ポンプ

Claims (4)

1. 金型間の原材料を加熱・加圧することにより所望の成形品をつくり出すプレス成形方法において、
   （ａ）真空状態で前記金型および前記原材料を輻射加熱しながら、予め定められている本来のプレス荷重を下回る予備荷重で前記原材料を加圧する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記プレス荷重で前記原材料を加圧する工程とを含むプレス成形方法。
2. 前記予備荷重は、ガラス転移点に達する前に前記原材料を破壊しない約１０〜１０００ＭＰａの荷重範囲であって、かつ、ガラス転移点に達した後に前記原材料の前記金型に対する密着性を向上させ得る荷重範囲から選択されることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形方法。
3. 前記成形品は、記憶媒体用ディスクの基板であることを特徴とする請求項１または２に記載のプレス成形方法。
4. 金型間の原材料を加熱・加圧することにより所望の成形品をつくり出すプレス成形装置において、
   前記金型周辺を真空状態にするための真空手段と、
   前記金型および前記原材料を加熱可能な輻射ヒータと、
   予め定められた本来のプレス荷重と、このプレス荷重を下回る予備荷重との双方により前記原材料を加圧可能なプレスユニットとを備え、
   前記プレス荷重で前記原材料を加圧する前に、真空状態のもとで前記金型および前記原材料が前記輻射ヒータにより加熱されると共に前記原材料が前記予備荷重で加圧されることを特徴とするプレス成形装置。

Images