JP2004010385A

JP2004010385A - プレス成形装置およびプレス成形方法

Info

Publication number: JP2004010385A
Application number: JP2002163422A
Authority: JP
Inventors: Kengo Kainuma; 貝沼　研吾; Koichi Okamoto; 岡本　浩一
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】金型の温度を良好に制御し得る低コストかつ高精度なプレス成形の実現を目的とする。
【解決手段】プレス成形装置１は、固定型である上型１１と可動型である下型１２との間の原材料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ものであり、上型１１および下型１２の周囲に固定されており、タップ２０ｔを有する誘導コイル２０と、誘導コイル２０に高周波電流を供給する高周波電源２１とを備え、タップ切換器２２を作動させて誘導コイル２０のタップを切り換えることにより、上型１１および下型１２の周辺に磁場を形成するのに有効な誘導コイル２０の巻線数を変化させ、誘導コイル２０により形成される磁場の位置を変動させることが可能である。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレス成形装置およびプレス成形方法に関し、特に、磁気ディスク等に適用されるガラス基板等を成形するのに好適なプレス成形装置およびプレス成形方法に関する。
【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し、金型等の周辺を真空または不活性ガス雰囲気とする。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大量生産することが可能となる。
【０００４】
ここで、ディスク用基板の成形のように高い加工精度が要求される場合には、金型の温度管理が極めて重要となる。このため、金型および原材料の加熱方式として、温度制御性が良好な高周波誘導加熱方式を採用することが多い。高周波誘導加熱方式を採用するプレス成形装置では、高周波電源に接続された誘導コイルが、導電性を有する金型の周囲に配置される。誘導コイルに高周波電流（交番電流）が供給されると、金型周辺に磁場が形成されて金型には渦電流が流れ、その電流損失により金型自体が発熱することになる。このような高周波誘導加熱方式によれば、被加熱体である金型等を被接触で効率よく加熱可能となり、被加熱体の省熱容量化や設備のクリーン化を図ることもできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、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場合、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ことから、型同士の相対移動量をある程度大きくせざるを得ない。このため、高周波誘導加熱方式を採用したとしても、誘導コイルと型（特に可動型）との相対位置関係が変動し、２つの型に対する入熱状態が変化する。各型への入熱状態の変化は、２つの型の間に温度差が生じさせ、それにより、高精度なプレス成形の実行が妨げられてしまう。
【０００６】
かかる問題を解消するためには、例えば、誘導コイルを金型の軸方向に移動させることや、コイルの巻きピッチを金型の軸方向において変化させること等が考えられる。しかしながら、これらの手法を採用しても、型の移動に良好に追従するように各型の温度を制御することは困難である。また、特開平６−６４９３２号公報には、固定型および可動型の周囲に２体の誘導コイルを配置すると共に、１体の高周波電源の発振周波数を制御して各誘導コイルへの高周波電流の量を変化させることにより、型同士間の温度差を抑制する手法が開示されている。しかしながら、かかる手法によって各誘導コイルへの高周波電流の量を自在に変化させるのは、極めて複雑かつ高価な制御回路等を用いたとしても容易なことではなく、当該手法により、各型の温度を型締めに良好に追従するように制御することは実質的に不可能に近い。この結果、ディスク用基板等のプレス成形に関しては、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たりすることに依然として課題が残されている。
【０００７】
そこで、本発明は、金型の温度を良好に制御し得る低コストかつ高精度なプレス成形の実現を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態は、固定型と可動型との間の原材料を加熱・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、固定型および可動型の周囲に固定された誘導コイルと、誘導コイルに高周波電流を供給する高周波電源とを備え、固定型および可動型の周辺に磁場を形成するのに有効な誘導コイルの巻線数を変化させることにより、誘導コイルにより形成される磁場の位置を変動させることを特徴とする。
【０００９】
このプレス成形装置は、固定型および可動型の周囲に固定された誘導コイルに高周波電源から高周波電流を供給し、固定型および可動型と原材料とを誘導加熱によって昇温させることが可能なものである。このように、固定型と可動型とを有するプレス成形装置では、原材料を加熱・加圧するために可動型を固定型に対して移動させる際、可動型の移動に伴って、固定型と可動型との間に温度差を生じてしまうことがある。
【００１０】
この点に鑑みて、このプレス成形装置は、固定型および可動型の周辺に磁場を形成するのに有効な誘導コイルの巻線数を変化させることにより、誘導コイルにより形成される磁場の位置を変動させることができるように構成されている。これにより、このプレス成形装置では、固定型および可動型のうちの何れか一方に対する誘導コイルによる加熱効率を、固定型と可動型との温度に応じて適宜変化させることが可能となる。従って、固定型および可動型の温度は極めて良好かつ柔軟に制御されることになるので、固定型と可動型との温度差を常時ほぼゼロに維持することが可能となる。この結果、このプレス成形装置によれば、歪みや反りが抑制されており、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。
【００１１】
この場合、誘導コイルが少なくとも１つのタップを有しており、プレス成形装置が、誘導コイルのタップを切り換えるタップ切換手段と、固定型と可動型との温度差に応じてタップ切換手段を制御する制御手段とを更に備えると好ましい。このような構成を採用すれば、固定型および可動型の周辺に磁場を形成するのに有効な誘導コイルの巻線数を変化させることができるので、固定型および可動型の温度を所望の値に極めて良好かつ柔軟に設定することが可能となる。
【００１２】
本発明の他の形態は、固定型と可動型との間の原材料を加熱・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、固定型および可動型の周囲に誘導コイルを固定し、誘導コイルに高周波電流を供給すると共に、固定型と可動型との温度差に応じて固定型および可動型の周辺に磁場を形成するのに有効な誘導コイルの巻線数を変化させ、誘導コイルにより形成される磁場の位置を変動させることを特徴とする。
【００１３】
この場合、固定型および可動型の周囲に、少なくとも１つのタップを有する誘導コイルを固定し、固定型と可動型との温度差に応じて、誘導コイルのタップを切り換えると好ましい。
【００１４】
【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装置およびプレス成形方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明によるプレス成形装置の第１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から磁気ディスク用の基板をつくり出すために用いると好適なものであり、金型および原材料Ｇを加熱する方式として高周波誘導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および下ステージ５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。また、下ステージ５は、複数の支柱６によって摺動自在に支持されており、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。
【００１６】
上ステージ４には、支持部材８を介して、導電性材料（ＷＣ材等）からなる上型（固定型）１１が取り付けられる。一方、下ステージ５には、支持部材９を介して、導電性材料（ＷＣ材等）からなる下型（可動型）１２が取り付けられ、下型１２には規制リング１４が装着される。また、上型１１に対しては、上型温度センサ１５が設けられており、下型１２に対しては、下型温度センサ１６が設けられている。更に、上ステージ４と上型１１との間、および、下ステージ５と下型１２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、上型１１の裏面（転写面と反対側の面）または下型１２の裏面（転写面と反対側の面）に対して接近離間され得る。
【００１７】
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とを加熱するために高周波誘導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、誘導コイル２０が配置されている。誘導コイル２０は、上型１１および原材料Ｇが上型１１の成形面と接触する位置にある下型１２の双方の周囲に位置し得るサイズを有すると共に、その一端２０ａと他端２０ｂとの間に所定位置にタップ２０ｔを含む。そして、誘導コイル２０は、上型１１の外周面と、下型１２の外周面との双方を囲み得るように、下型１２側（図２における下方）に若干シフトされた状態で配置されている。更に、誘導コイル２０の中心軸は、上型１１および下型１２の金型中心と概ね一致している。なお、プレス成形装置１では、上型１１、下型１２、誘導コイル２０等が図示されない収容部材内に収容されており、収容部材の内部は、真空または不活性ガス雰囲気にされ得る。
【００１８】
図１に示されるように、誘導コイル２０の一端２０ａは、高周波電源２１に直に接続されており、誘導コイル２０のタップ２０ｔと他端２０ｂとは、タップ切換器２２を介して高周波電源２１と接続されている。タップ切換器２２は、可動接片２３、第１固定接点２４および第２固定接点２５を有する。可動接片２３は、高周波電源２１に接続されている。また、第１固定接点２４は、誘導コイル２０のタップ２０ｔに接続されており、第２固定接点２５は、誘導コイル２０の他端２０ｂに接続されている。
【００１９】
これにより、可動接片２３を第２固定接点２５に接触させると、誘導コイル２０の一端２０ａと他端２０ｂとの間に高周波電源２１から所定周波数の高周波電流が供給されることになる。この場合、誘導コイル２０により、可動型である下型１２と固定型である上型１１との双方に鎖交する磁場が形成される。一方、タップ切換器２２の可動接片２３を第１固定接点２４に接触させると、誘導コイル２０の一端２０ａとタップ２０ｔとの間に高周波電源２１から所定周波数の高周波電流（交番電流）が供給される。これにより、誘導コイル２０により形成される磁場は、下型１２の移動方向（金型の中心軸）に沿って上方に（固定型である上型１１側に）移動する。
【００２０】
このように、本発明のプレス成形装置１では、タップ切換器２２によって誘導コイル２０のタップを切り換えることにより、固定型である上型１１および可動型である下型１２の周辺に磁場を形成するのに有効な誘導コイル２０の巻線数を変化させることができる。そして、本実施形態では、タップ切換器２２が第２固定接点２５側に切り換えられた際、誘導コイル２０による加熱効率が上型１１よりも下型（可動型）１２に対して高まり、タップ切換器２２が第１固定接点２４側に切り換えられた際、誘導コイル２０による加熱効率が下型１２よりも上型（固定型）１１に対して高まるように、誘導コイル２０のサイズ、取付位置、タップ２０ｔの位置が定められている。
【００２１】
図１に示されるように、プレス成形装置１には、高周波電源２１を制御するために、制御装置２７と温度調節器３０とを含む。制御装置２７には、上述した上型温度センサ１５および下型温度センサ１６が接続されている。そして、制御装置２７は、平均温度算出部２８および温度偏差算出部２９を含む。制御装置２７の平均温度算出部２８は、上型温度センサ１５から受け取った信号に示される上型１１の温度（上型温度）Ｔ_Ｕと、下型温度センサ１６から受け取った信号に示される下型１２の温度（下型温度）Ｔ_Ｌとから、上型１１と下型１２との平均温度Ｔ_ＡＶをＴ_ＡＶ＝（Ｔ_Ｕ＋Ｔ_Ｌ）／２として求める。制御装置２７（平均温度算出部２８）によって求められた平均温度Ｔ_ＡＶは、温度調節器３０に送られる。温度調節器３０は、制御装置２７から受け取った信号に示される平均温度Ｔ_ＡＶと、図示されない設定器によって設定される各成形工程における目標平均温度Ｔ_０とが一致するように高周波電源２１の出力を制御（ＰＩＤ制御）する。
【００２２】
また、制御装置２７の温度偏差算出部２９は、上型温度センサ１５から受け取った信号に示される上型温度Ｔ_Ｕと、下型温度センサ１６から受け取った信号に示される下型温度Ｔ_Ｌとから、上型１１と下型１２との温度偏差Ｔ_ｄｔをＴ_ｄｔ＝｜Ｔ_Ｕ−Ｔ_Ｌ｜として求める。そして、プレス成形装置１には、上述のタップ切換器２２を切換制御するために、リレー３１が含まれており、このリレー３１には、制御装置２７から、温度偏差算出部２９によって求められた上型１１と下型１２との温度偏差Ｔ_ｄｔを示す信号が与えられる。リレー３１は、制御装置２７から受け取った信号に示される温度偏差Ｔ_ｄｔと、予め設定されている温度偏差の閾値δとに基づいて、Ｔ_ｄｔ＞δである場合、タップ切換器２２の可動接片２３を第２固定接点２５に接触させ、Ｔ_ｄｔ＜−δである場合、タップ切換器２２の可動接片２３を第１固定接点２４に接触させる。
【００２３】
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、図２に示されるように、上型１１と下型１２とが完全に開かれた状態で、移載ユニット１３によって収容部材内の下型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が作動されてロッド７ａが伸長し、図３に示されるように、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、上型１１、下型１２、誘導コイル２０等が高温下で酸化により劣化することを防止すべく、これらの部材が収容されている収容部材の内部は真空または不活性ガス雰囲気にされる。この段階では、タップ切換器２２の可動接片２３は、第１および第２固定接点２４，２５の何れとも接触していない中立位置にある。
【００２４】
上型１１および下型１２の周辺が真空または不活性ガス雰囲気になされると、高周波誘導加熱による上型１１および下型１２の加熱が開始される（加熱工程）。すなわち、上型１１および下型１２の周辺が十分に真空または不活性ガス雰囲気になった段階で、制御装置２７は、リレー３１に対して所定の動作信号を与え、タップ切換器２２の可動接片２３を第２固定接点２５に接触させる。これにより、誘導コイル２０の一端２０ａと他端２０ｂとの間に高周波電源２１から所定周波数の高周波電流が供給され、図３に示されるように、誘導コイル２０により、可動型である下型１２と固定型である上型１１との双方に鎖交する磁場ｍ１が形成される。そして、上型１１および下型１２には渦電流が流れ、その電流損失により各型１１，１２自体が発熱することになる。
【００２５】
このようにして加熱される上型１１および下型１２の温度は、上型温度センサ１５および下型温度センサ１６とによって検出され、各温度センサ１５，１６は、検出値を示す信号を制御装置２７に送出する。制御装置２７の平均温度算出部２８は、上型温度センサ１５から受け取った信号に示される上型温度Ｔ_Ｕと、下型温度センサ１６から受け取った信号に示される下型温度Ｔ_Ｌとから、上型１１と下型１２との平均温度Ｔ_ＡＶ（＝（Ｔ_Ｕ＋Ｔ_Ｌ）／２）を求める。そして制御装置２７は、求めた平均温度Ｔ_ＡＶを示す信号を温度調節器３０に与える。温度調節器３０は、制御装置２７から受け取った信号に示される平均温度Ｔ_ＡＶと、図示されない設定器によって設定される各成形工程における目標平均温度Ｔ_０とが一致するように高周波電源２１の出力を制御する。
【００２６】
加熱工程により、原材料Ｇは、上型１１および下型１２を介して所定の軟化温度（プレス温度）まで昇温させられる。原材料Ｇが軟化温度まで昇温すると、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、これにより、上型１１と下型１２との間の原材料Ｇが加圧される（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。
【００２７】
ここで、上述のようなプレス工程の際、可動型である下型１２は上型１１に対して接近することから、下型１２の移動に伴って、誘導コイル２０による加熱効率が上型１１と下型１２とで異なってしまい、上型温度Ｔ_Ｕと下型温度Ｔ_Ｌとの間に差が生じてしまうことがある。特に、プレス成形装置１のように、下型１２を上昇させる形式のものでは、移動する下型１２よりも上型１１の昇温速度が遅くなってしまう。
【００２８】
この点に鑑みて、プレス成形装置１では、制御装置２７の温度偏差算出部２９により、上型温度センサ１５により検出された上型温度Ｔ_Ｕと、下型温度センサ１６により検出された下型温度Ｔ_Ｌとの温度偏差Ｔ_ｄｔが、Ｔ_ｄｔ＝｜Ｔ_Ｕ−Ｔ_Ｌ｜として求められる。そして、タップ切換器２２を動作させるリレー３１には、制御装置２７から、温度偏差算出部２９によって求められた上型１１と下型１２との温度偏差Ｔ_ｄｔを示す信号が与えられる。
【００２９】
リレー３１は、制御装置２７から受け取った信号に示される温度偏差Ｔ_ｄｔと、予め設定されている温度偏差の閾値δとに基づいて、Ｔ_ｄｔ＞δ（δは正の値）である場合、タップ切換器２２の可動接片２３を第２固定接点２５に接触させる（接触させたままにする）。一方、加熱工程あるいはプレス工程に際して、温度偏差Ｔ_ｄｔが、Ｔ_ｄｔ≦−δとなった場合には、リレー３１は、タップ切換器２２の可動接片２３を第１固定接点２４に接触させる。
【００３０】
図４に示されるように、可動接片２３が第１固定接点２４に接触すると、誘導コイル２０の一端２０ａとタップ２０ｔとの間に高周波電源２１から所定周波数の高周波電流（交番電流）が供給される。これにより、上型１１および下型１２の周辺に磁場を形成するのに有効な誘導コイル２０の巻線数を変化させられ（減少させられ）、誘導コイル２０により形成される磁場ｍ２は、下型１２の移動方向（金型の中心軸）に沿って上方に移動する。そして、プレス成形装置１では、タップ切換器２２が第１固定接点２４側に切り換えられた際、誘導コイル２０による加熱効率が下型１２よりも上型（固定型）１１に対して高まることになる。加熱工程およびプレス工程の間、リレー３１は、制御装置２７（温度偏差算出部２９）からの温度偏差信号に応じて、図５に示されるように、可動接片２３を第１固定接点２４側または第２固定接点２５側へと切り換え、誘導コイル２０により形成される磁場の位置を変化させる。
【００３１】
上述のように、プレス成形装置１では、固定型である上型１１および可動型である下型１２の周辺に磁場を形成するのに有効な誘導コイル２０の巻線数を変化させることにより、誘導コイル２０により形成される磁場の位置が変化させられる。そして、プレス成形装置１では、上型１１および下型１２の何れか一方に対する誘導コイル２０による加熱効率が上型１１と下型１２との温度偏差Ｔ_ｄｔに応じて適宜変化させられる。
【００３２】
従って、固定型である上型１１および可動型である下型１２の温度は、極めて良好かつ柔軟に制御され、上型１１と下型１２との温度差は常時ほぼゼロに維持されることになる。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おり、高い寸法精度、平坦度および平滑度等を有する成形品、特に、外径と板厚との比が大きいディスク用の基板を低コストで製造することができる。
【００３３】
なお、加圧完了後、タップ切換器２２の可動接片２３は、第１および第２固定接点２４，２５の何れとも接触していない中立位置に戻され、これにより、高周波誘導加熱が停止される。その後、上型１１の裏面には冷却ジャケット１７（図１参照）が、下型１２の裏面には冷却ジャケット１８（図１参照）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。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、金型の温度を極めて良好かつ柔軟に制御可能となり、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を示す概略構成図である。
【図２】図１のプレス成形装置の動作を説明するための模式図である。
【図３】図１のプレス成形装置の動作を説明するための模式図である。
【図４】図１のプレス成形装置の動作を説明するための模式図である。
【図５】図１のプレス成形装置の動作を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１　プレス成形装置
４　上ステージ
５　下ステージ
７　プレスユニット
１１　上型
１２　下型
１５　上型温度センサ
１６　下型温度センサ
２０　誘導コイル
２０ａ　一端
２０ｂ　他端
２０ｔ　タップ
２１　高周波電源
２２　タップ切換器
２３　可動接片
２４　第１固定接点
２５　第２固定接点
２７　制御装置
２８　平均温度算出部
２９　温度偏差算出部
３０　温度調節器
３１　リレー
Ｇ　原材料

Claims

固定型と可動型との間の原材料を加熱・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、
前記固定型および前記可動型の周囲に固定された誘導コイルと、
前記誘導コイルに高周波電流を供給する高周波電源とを備え、
前記固定型および前記可動型の周辺に磁場を形成するのに有効な前記誘導コイルの巻線数を変化させることにより、前記誘導コイルにより形成される磁場の位置を変動させることを特徴とするプレス成形装置。
前記誘導コイルは、少なくとも１つのタップを有しており、前記誘導コイルのタップを切り換えるタップ切換手段と、前記固定型と前記可動型との温度差に応じて前記タップ切換手段を制御する制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形装置。
固定型と可動型との間の原材料を加熱・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、
前記固定型および前記可動型の周囲に誘導コイルを固定し、前記誘導コイルに高周波電流を供給すると共に、前記固定型と前記可動型との温度差に応じて、前記固定型および前記可動型の周辺に磁場を形成するのに有効な前記誘導コイルの巻線数を変化させ、前記誘導コイルにより形成される磁場の位置を変動させることを特徴とするプレス成形方法。
前記固定型および前記可動型の周囲に、少なくとも１つのタップを有する誘導コイルを固定し、前記固定型と前記可動型との温度差に応じて、前記誘導コイルのタップを切り換えることを特徴とする請求項３に記載のプレス成形方法。