JP2016087977A - 熱成形装置、熱成形方法、ヒーターの温度制御方法、加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱成形において、被加熱物に対する加熱時間を短くしつつ、被加熱物の温度を適切に管理する。
【解決手段】熱成形装置は、被加熱物を加熱するヒーターと、被加熱物の表面温度を計測する温度計測部と、ヒーターの温度を制御する制御部と、を有している。制御部は、被加熱物を加熱するに際し、ヒーターの温度を順次下げていき、計測された被加熱物の表面温度が目標温度となったときに、表面温度を目標温度付近に近づけるよう、ヒーターの温度を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱成形に用いられるヒーターの温度制御に関する。

熱成形では、プラスチック等の被加熱物に熱を加えて軟化させた後、成形を行う。この熱成形に用いられる熱成形装置は、被加熱物に熱を加えるヒーターを有している。ヒーターは、マイクロコンピューター等の制御部によりその温度が制御され、被加熱物を所定の温度まで加熱する。

引用文献１には、被加熱物に対する加熱時間を短くすることを目的に、ヒーターの温度を制御する熱成形装置が開示されている。この熱成形装置では、まず、制御部はヒーターの温度を被加熱物の温度上昇率が高くなるよう設定し、被加熱物を所定の温度まで上昇させる。次に、被加熱物がある温度に達すると、制御部はヒーターの温度を低下させて、被加熱物の温度上昇率を低下させる。ヒーターの温度低下は被加熱物の温度に応じて段階的に繰り返され、被加熱物を加熱していく。

特開２０００−３１７９６７号公報

引用文献１に開示された発明は、ヒーターの温度を段階的に下げる制御しかしないため、ヒーターの温度がある値を下回ると、ヒーターからの熱量が被加熱物の温度変化に影響を与えなく場合がある。例えば、被加熱物の内部は表面と比べて温度変化が遅く、ヒーターの温度が一定の温度以下となると、内部の温度を制御できなくなる場合がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、被加熱物に対する加熱時間を短くしつつ、被加熱物の温度を適切に管理することが可能な加熱装置、ヒーターの温度制御方法、及びこの加熱装置を備える熱成形装置、熱成形方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様では、被加熱物を加熱して成形する熱成形装置であって、前記被加熱物を加熱するヒーターと、前記被加熱物の表面温度を計測する温度計測部と、前記被加熱物を加熱するに際し、前記ヒーターの温度を順次下げていき、計測された前記被加熱物の表面温度が目標温度となったときに、前記表面温度を目標温度付近に近づけるよう、前記ヒーターの温度を制御する制御部と、を有する。

「ヒーター」は、被加熱物に加える熱量を可変できるものであれば、赤外線方式、遠赤外線方式のヒーター等どのようなものであってもよい。
「被加熱物」は、熱成形の対象となる材料であり、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などのプラスチックや、プラスチックに他の物性の物を混合させた混合材等、熱成形できるものであればどのようなものであってもよい。
「温度計測部」は、被加熱物の表面温度を計測できるものであればどのようなものであってもよく、熱電対、サーミスタ、サーモパイルや放射温度計といった被接触温度計等、どのようなものであってもよい。
「ヒーターの温度を順次下げていき」とは、連続的にヒーターの温度を下げる場合の他、温度の低下と保持とを繰り返しながら段階的にヒーターの温度を下げる場合も含まれる。
「目標温度」とは、被加熱物を加熱する際に目標とする温度であり、熱成形装置が設置される環境や被加熱物の特性に応じて、適宜、設定される値である。
「目標温度となったとき」とは、温度計測部が計測した表面温度が厳密な意味で目標温度となった時刻を意味するのみならず、温度計測部が計測した温度の誤差や、一定の範囲を含んで目標温度付近に近づいた場合も含む概念である。

上記のように構成された発明では、制御部は被加熱物の加熱時間を短くするために、ヒーターの温度をある温度から順次下げながら、被加熱物を加熱していく。この過程において、被加熱物の表面温度が目標温度になると、制御部は被加熱物の温度を制御するために、ヒーターに対する温度制御を切り替える。切り替え後の温度制御では、制御部は温度計測部が計測する表面温度に基づいて、この表面温度を目標温度付近に近づけるようヒーターの温度を制御する。
そのため、加熱時間を短くする温度制御を利用しつつ、被加熱物の温度管理を適切に行うことが可能となる。

また、本発明は、同様の発明特定事項を用いた熱形成方法、加熱装置、ヒーターの温度制御方法としても捉えることが可能である。

熱成形装置の構成を説明する図。 ヒーターの温度制御の原理を説明する図。 加熱装置３０の構成を説明するブロック図。 図４は、加熱装置３０が備えるヒーターユニット１０の構成を説明する図。 任意の発熱量を生ずるヒーターユニット１０の電力量を説明する図。 操作器３５によるヒーターユニット１０の電力量の制御を説明する図。 一例としてのＰＬＣ３１により実行されるヒーターユニット１０の制御を説明するフローチャート。 ヒーター温度の変化（図８（ａ））と、このヒーター温度の変化に応じて変化するシートＳ１の温度変化（図８（ｂ））とを示す図。 第２の実施形態における加熱装置３０の構成を説明する図。 加熱装置１１０により制御されるヒーター温度の変化と、ヒーター温度に応じて変化するシートＳ１の温度変化とを示す図。 第３の実施形態にかかる熱成形装置１１０の構成を説明する図。 第３の実施形態にかかる加熱装置３０の構成を説明する図。 ヒーター温度の変化と、シートＳ１の温度変化とを説明する図。

以下、下記の順序に従って本発明の実施形態を説明する。
１．第１の実施形態：
（１）熱成形装置の概略構成
（２）ヒーターの温度制御の原理
（３）加熱装置の構成
（４）ヒーターの温度制御方法
（５）熱成形装置の作用・効果
（６）変形例
２．第２の実施形態：
３．第３の実施形態：
４．その他の実施形態：

１．第１の実施形態：
（１）熱成形装置の概略構成
図を参照しつつ、本発明の一例としての熱成形装置を説明する。
図１は、熱成形装置の構成を説明する図である。熱成形装置１００は、加熱装置３０と、成形装置４０と、制御装置５０とを備えている。図１では、熱成形装置１００に加えて、シート供給装置９８と、シート保持手段９９とが補助的に備えられている。この第１の実施形態で示す熱成形装置１００は、シートＳ１（被加熱物）を加熱し、成形することで成形品Ｓ２を製造する。なお、図中左から右に向けた方向をシート搬送方向とも記載する。

熱成形装置１００により熱成形されるシートＳ１はカット状のものを例に説明するが、これに限定されず、ロール状に巻き取られたものを引き出して使用する場合や、フィルム状のものを使用してもよい。シートＳ１の材質は、プラスチックであって、特に、熱可塑性樹脂として説明するが、熱硬化性樹脂であってもよい。また、シートＳ１の材質は、プラスチックに炭素繊維を含ませた炭素繊維熱可塑性複合材料や、プラスチックにガラスやアラミドを含ませたもの（いわゆる複合材）であってもよい。

ユーザが制御装置５０を操作してシートＳ１の熱成形を開始すると、シート供給装置９８は、シートストック位置ＬＳにストックされたシートＳ１を取り出し、シート保持手段９９に供給する。シート保持手段９９は、シート供給装置９８により供給されたシートＳ１を加熱装置３０に供給する。

加熱装置３０は、供給されたシートＳ１を、ヒーターユニット１０を用いて加熱し、軟化させる。ヒーターユニット１０は、本発明のヒーターとして機能し、制御装置５０によりその温度を制御される。ヒーターユニット１０は、供給されたシートＳ１の上方に位置する上側ヒーター（第一の加熱部）１１と、シートＳ２の下方に位置する下側ヒーター（第二の加熱部）１２と、を備えている。上側ヒーター１１は上方側からシートＳ１に熱を加え、下側ヒーター１２は下方側からシートＳ１に熱を加える。ヒーターユニット１０の具体的な構成は後述する。

成形装置４０は、加熱装置３０により軟化されたシートＳ１を成形する。成形装置４０は、真空成形に対応した装置として説明するが、圧空成形に対応した装置であってもよい。成形装置４０は、成形品Ｓ２に応じたキャビティーが形成された上型４１と、クランプ４２と、上型を保持する上テーブル（不図示）と、クランプを保持する下テーブル（不図示）と、上テーブルと下テーブルを昇降可能に保持する成形用テーブル駆動機構（不図示）と、上型のキャビティー内に差圧を発生させる差圧供給機構（不図示）と、を備えている。
まず、上型４１とクランプ４２との間に、軟化したシートＳ１が搬入される。次に、上型４１とクランプ４２とが、成形用テーブル駆動機構により、離間位置から近接位置に変化する。離間位置は、上型４１とクランプ４２との距離が最も離れた位置である。近接位置は、シートＳ１の成形が行われる上型４１とクランプ４２との位置である。次に、差圧供給機構が上型４１のキャビティー内に差圧を発生させて、シートＳ１を上型４１に密接させる。そのため、シートＳ１の形状がキャビティーに応じた形に変化する。次に、成形用テーブル駆動機構が上型４１とクランプ４２とを離間位置に変化させて、成形品Ｓ２が取り出される。

制御装置５０は、加熱装置３０および成形装置４０が行う一連の処理を制御する。制御装置５０は、プログラマブルコントローラー（後述）や、制御基板等を備えている。プログラマブルコントローラーのＩ／Ｏポートは加熱装置３０、成形装置４０と接続されており、制御装置５０は加熱装置３０と成形装置４０の駆動を制御することができる。

（２）ヒーターの温度制御の原理
図２は、ヒーターの温度制御の原理を説明する図である。図２（ａ）は、ヒーターユニットの温度変化を示す図である。図２（ｂ）は、シートＳ１の温度変化を示す図である。図２（ｂ）は、時間ｔ（横軸）に応じて変化するシートＳ１の表面および内部の温度変化を示している。
加熱装置３０によるシートＳ１の加熱では、シートＳ１を一定の温度まで急速に高める処理と、シートのＳ１の表面と内部の温度変化の違いを吸収しシートＳ１を均一な温度とする処理とが行われる。以下、ヒーターユニット１０に対して、シートＳ１の温度を一定の温度まで上昇させるために行う温度制御を加熱制御と記載し、シートＳ１の温度を一定の温度に維持するために行う温度制御を、温度保持制御とも記載する。

加熱制御は、シートＳ１の温度上昇のカーブを制御してシートＳ１を一定の温度（目標温度Ｔｄ）まで加熱する（図２（ａ））。これを実現するために、ヒーター温度を初期設定温度（初期温度）まで高めた後、シートＳ１の温度に応じてヒーター温度を順次低下させる（図２（ａ））。そのため、シートＳ１の温度を速やかに上昇し、加熱に要する時間を短縮させることができる。

温度保持制御は、図２（ｂ）に示すように、シートＳ１の表面温度が目標温度Ｔｄとなった後に、シートＳ１の表面温度を一定の温度に維持する。ここで、シートＳ１の内部温度が目標温度Ｔｄに達するのまでの時間は、表面温度が目標温度Ｔｄに達するまでの時間と比べて遅い。目標温度Ｔｄは、例えば、成形装置４０に供給されるシートＳ１の目標値として設定される温度であり、シートＳ１の融点を超えない温度である。温度保持制御では、シートＳ１の表面温度を目標温度Ｔｄ付近に維持させるようヒーターユニットを制御することで、内部温度を上昇させ、シートＳ１の表面および内部を、均一な温度（目標温度Ｔｄ）とする。

（３）加熱装置の構成
次に、本発明の一例としての加熱装置３０の構成を説明する。
図３は、加熱装置３０の構成を説明するブロック図である。図４は、加熱装置３０が備えるヒーターユニット１０の構成を説明する図である。

図３に示すように、加熱装置３０は、ヒーターユニット１０（上側ヒーター１１、下側ヒーター１２）に加えて、プログラマブルコントローラー（以下、ＰＬＣ：programmable logic controllerとも記載する。）３１、ユーザインタフェース３２、放射温度計（温度計測部）３３、熱電対温度計３４、操作器３５、を備えている。
この第一の実施形態では、ＰＬＣ３１、ユーザインタフェース３２、操作器３５は、制御装置５０の一部を構成しているが、制御装置５０と別体であってもよい。

まずは、図４を用いてヒーターユニット１０の構成について説明する。
図４（ａ）は、ヒーターユニット１０における熱を放射する加熱側から見た図である。
図４（ｂ）は、ヒーターユニット１０の一部であるヒーター要素を拡大した図である。

図４（ａ）に示すヒーターユニット１０は、図のｘ方向、ｙ方向のそれぞれに配列するヒーター要素Ｈ３（主ヒーターＨ１、従ヒーターＨ２）を備えている。なお、ヒーター要素Ｈ３は、主ヒーターＨ１と従ヒーターＨ２の総称である。主ヒーターＨ１は、加熱側の面の略中央に配置されている。主ヒーターＨ１には、熱電対温度計３４が取り付けられており、主ヒーターＨ１の温度をヒーター計測温度Ｄｈｍとして計測する。主ヒーターＨ１の近くには放射温度計３３が位置しており、加熱装置３０に供給されたシートＳ１の表面温度をシート表面温度Ｄｓｓとして検出する。従ヒーターＨ２は、主ヒーターＨ１の周りを囲むようにｘ方向、ｙ方向に複数配列している。

図４（ｂ）に示すヒーター要素Ｈ３は、定格電圧での昇温速度が６０［℃／秒］以上である急速応答可能な高速追従型ヒーターであり、折返し部を有する蛇行形状に形成されたヒーターエレメントＨ３２が略八角形状の絶縁板Ｈ３１の一面に配置されている。ヒーターエレメントＨ３２は、複数の帯状発熱板Ｈ３３と、隣り合う発熱板Ｈ３３の端部を互い違いに連結する複数の連結板Ｈ３４とを備えている。各発熱板Ｈ３３は、長手方向に沿って絶縁板Ｈ３１から離れる側に山折りされ、長手方向を並行させて離間して配列されている。各連結板Ｈ３４は、発熱板Ｈ３３とは逆に谷折りされている。これにより、連結板Ｈ３４の傾斜面と両隣の発熱板Ｈ３３の傾斜面とが接触し、電源端子Ｈ３６，Ｈ３６間が一つの電熱用合金帯とされている。各発熱板Ｈ３３の幅方向の縁部は、絶縁板Ｈ３１から突出した複数の略円柱状支持台Ｈ３５に保持されている。
なお、ヒーターエレメントには、ニッケルクロム線又は帯、鉄クロム線又は帯、といった電熱用合金線又は帯等を用いることができる。また、ヒーター要素Ｈ３の形状も、図４（ｂ）で示した形状に限定されない。

各ヒーター要素Ｈ３が発する熱量は、供給される電力量により制御される。あるヒーター要素Ｈ３に供給される電力量が多くなればヒーター要素Ｈ３の発熱量は高くなり、供給される電力量が少なければヒーター要素Ｈ３の発熱量は低くなる。各ヒーター要素Ｈ３に供給される電力量の組み合わせを変化させることで、ヒーターユニット１０全体での発熱量を規定することができる。

図５は、一例として、任意の発熱量を生ずるヒーターユニット１０の電力量を説明する図である。図５では、ヒーターユニット１０を構成するヒーター要素Ｈ３の位置をｘ方向、ｙ方向の座標で特定されるマス目により模式的に示し、各ヒーター要素Ｈ３に対応する電力量（電力比率）をマス目に示された値として示している。図５では、ヒーター要素Ｈ３に供給される電力量を電力比率として示している。電力比率は、例えば、ヒーター要素Ｈ３に供給される電力量を、最大の電力量（１００［％］）から、最小の電力量（０［％］）の間で表した値である。例えば、従ヒーターＨ２の電力比率は、主ヒーターＨ１の値を基準として設定される。図５では、主ヒーターＨ１の電力比率を５０［％］とし、従ヒーターＨ２の電力比率を内側のマス目から外側のマス目に向けて値が大きくなるよう設定している。

図３に戻り、ユーザインタフェース３２は、ＰＬＣ３１に対して各種の情報を入力する。ユーザインタフェース３２は、タッチパネルや、操作キー等により構成されている。ユーザがユーザインタフェース３２を操作して、熱成形装置１００に供給するシートＳ１を識別する情報を入力することで、ＰＬＣ３１に加熱対象となるシートＳ１の種類等を識別させることが可能となる。

ＰＬＣ３１は、内部プログラムに従ってヒーター温度を制御する。ＰＬＣ３１は、Ａ・Ｄ変換部３６を通じて放射温度計３３からシート表面温度Ｄｓｓを、熱電対温度計３４からヒーター計測温度Ｄｈｍの入力を受ける。ＰＬＣ３１は、操作器３５と接続されており、プログラムにより入力された情報（Ｄｓｓ、Ｄｈｍ）を処理し、オン比率ＲＬを操作器３５に出力する。オン比率ＲＬは、単位時間当たりにヒーター要素Ｈ３に電力が供給される期間（オン期間）と、電力が供給されない期間（オフ期間）との比率を示す信号であり、操作器３５がヒーターユニット１０の電力比率を制御するために用いる。

ＰＬＣ３１は、ＲＯＭやＲＡＭにより構成されるメモリー３１１や、このメモリー３１１に記録されたプログラムを不図示のＣＰＵが実行することで機能的に実現される第一の温度制御手段３１２、第二の温度制御手段３１３、切り替え手段３１４、を備える。

第一の温度制御手段３１２は、ヒーターユニット１０に対して加熱制御を行う。加熱制御では、第一の温度制御手段３１２は、シート表面温度Ｄｓｓと目標シート温度情報Ｉｔｓとの比較結果に応じて、メモリー３１１から読み出すヒーター温度設定情報Ｉｈｄを変化させて、ヒーター温度を段階的に下げていく。目標シート温度情報Ｉｔｓは、加熱制御において、ＰＬＣ３１がヒーター温度設定情報Ｉｈｄを変更する条件であり、目標とするシートＳ１の表面温度を示す情報である。ヒーター温度設定情報Ｉｈｄは、加熱制御において、ＰＬＣ３１がヒーター温度を設定するために用いられる情報である。

切り替え部３１４は、シート表面温度Ｄｓｓと目標温度Ｔｄとを比較し、シート表面温度Ｄｓｓが目標温度Ｔｄに達すると、ＰＬＣ３１が行うヒーターユニット１０に対する温度制御を加熱制御から温度保持制御に切り替える。

第二の温度制御手段３１３は、ヒーターユニット１０に対して温度保持制御を行う。温度保持制御では、シート表面温度Ｄｓｓをもとに、シートＳ１の温度を目標温度Ｔｄに近づけるようヒーター温度が制御される。第二の温度制御手段３１３は、ＰＩＤ制御、ＰＩ制御等のフィードバック制御により、シートＳ１の温度を制御する。例えば、フィードバック制御では、シート表面温度Ｄｓｓのサンプリングタイムを１［ｓｅｃ］とする。

操作器３５は、ＰＬＣ３１から出力されるオン比率ＲＬをもとに、ヒーターユニット１０に供給する電力量を制御する。操作器３５は、交流電源とヒーター要素Ｈ３との間に接続されている。また、図では省略しているが、操作器３５は、ヒーターユニット１０を構成するヒーター要素Ｈ３のそれぞれに接続されている。操作器３５の一例として、オン比率ＲＬに応じて接点のオン・オフが切り替わるＳＳＲ（Solid State Relay）や、サイリスタを含んで構成されている。

図６は、操作器３５によるヒーターユニット１０の電力量の制御を説明する図である。図６（ａ）〜（ｃ）では、横軸を時間［ｔ］とし、縦軸を電圧Ｅとして示している。
図６（ａ）では、交流電源から供給される交流電圧の半サイクルを０〜２５５の値で均等にサンプリングしている。電圧Ｅ＝０から始まる期間に２５５を割り当て、Ｅ＝０で終了する期間に０を割り当てている。
電力量は、図６に示すグラフにおける積分値（時間ｔ×電圧Ｅ）として示すことができる。図６（ｂ）では、交流電力による電力比率を５０［％］とする場合の例を示している。この場合、交流電圧の半周期における２５５〜１２８の期間でヒーター要素Ｈ３に対する電力供給を「オフ」とし、１２９〜０の期間でヒーター要素Ｈ３に対する電力供給を「オン」とすることで、ヒーター要素Ｈ３に対する電力比率を５０［％］とすることができる。

そのため、ＰＬＣ３１から出力されるオン比率ＲＬをもとに、操作器３５で交流電圧のオン・オフを切り替えることで、ヒーター要素Ｈ３に供給する電力量が変化し、その結果ヒーターユニット１０における電力量を制御することができる。図６（ｃ）に示すように、交流電圧の半波長を０〜２５５の値で均等にサンプリングした場合、オン比率ＲＬは、０〜２５５の期間におけるオンの割合として示すことができる。

（４）ヒーターの温度制御方法
次に、加熱装置３０により行われるヒーターの温度制御方法を説明する。
図７は、一例としてのＰＬＣ３１により実行されるヒーターユニット１０の制御を説明するフローチャートである。図８は、ヒーター温度の変化（図８（ａ））と、このヒーター温度の変化に応じて変化するシートＳ１の温度変化（図８（ｂ））とを示す図である。
ＰＬＣ３１が、図７に示すフローチャートに示す処理を実行することで、図８に示されるヒーターユニット１０及びシートＳ１の温度が制御される。なお、ステップＳ１〜Ｓ６までが加熱制御に該当し、ステップＳ１１〜Ｓ１５までが温度保持制御に該当する。

図７のステップＳ１では、第一の温度制御手段３１２は、初期値としてのヒーター温度設定情報Ｉｈｄ１と目標シート温度情報Ｉｔｓ１とを設定し、加熱制御を開始する。ステップＳ１の処理により、ＰＬＣ３１から操作器３５に対して、ヒーター温度設定情報Ｉｈｄに応じたオン比率ＲＬが出力される。

ステップＳ２では、第一の温度制御手段３１２は、ヒーター温度設定情報Ｉｈｄで設定された温度でヒーターユニット（主ヒーターＨ１）１０を保温する。例えば、第一の温度制御手段３１２は、ヒーター計測温度Ｄｈｍと現在のヒーター温度設定情報Ｉｈｄとを比較し、比較結果に応じて、オン比率ＲＬを変化させる。

ステップＳ３では、第一の温度制御手段３１２は、シート表面温度Ｄｓｓを取得する。ステップＳ３で取得されるシート表面温度Ｄｓｓは、ヒーター温度設定情報Ｉｈｄに対応するヒーター温度で加熱されるシートＳ１の表面温度である。

ステップＳ４では、第一の温度制御手段３１２は、シート表面温度Ｄｓｓを目標温度Ｔｄと比較する。シート表面温度Ｄｓｓが目標温度Ｔｄと比べて低い場合（ステップＳ４：ＮＯ）、シートＳ１が十分な温度となっていないこととなる。そのため、第一の温度制御手段３１２は、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、シート表面温度Ｄｓｓが目標シート温度情報Ｉｔｓと比べて低ければ（ステップＳ５：ＮＯ）、第一の温度制御手段３１２は、ステップＳ２に戻る。すなわち、ヒーター温度設定情報Ｉｈｄで設定されたヒーター温度によるシートＳ１の加熱を継続する。
一方、シート表面温度Ｄｓｓが目標シート温度情報Ｉｔｓと比べて高ければ（ステップＳ５：ＹＥＳ）、第一の温度制御手段３１２は、ステップＳ６に進み、ヒーター温度設定情報Ｉｈｄと目標シート温度情報Ｉｔｓとを変更する。そして、第一の温度制御手段３１２は、ステップＳ２に戻る。変更後のヒーター温度設定情報Ｉｈｄ（例えば、Ｉｈｄ２）は、変更前のヒーター温度設定情報Ｉｈｄ（例えば、Ｉｈｄ１）と比べて低い値となり、目標シート温度情報Ｉｔｓは高い値となる。ステップＳ２〜Ｓ６の処理を繰り返すことで、シート表面温度Ｄｓｓの上昇に応じて、ヒーター温度設定情報Ｉｈｄが低い値に変化する（図８では、Ｉｈｄ１、Ｉｈｄ２、Ｉｈｄ３の順）。すなわち、ヒーター温度が低下していく（図８（ａ）、（ｂ））。

一方、シート表面温度Ｄｓｓが目標温度Ｔｄと比べて高くなると（ステップＳ４：ＹＥＳ）、切り替え手段３１４は、ＰＬＣ３１の温度制御を温度保持制御に切り替える。なお、図８（ａ）に示す温度保持制御では、ヒーター温度が低下するよう記載されているが、これは一例に過ぎない。

ステップＳ１１では、第二の温度制御手段３１３は、シート表面温度Ｄｓｓを取得する。加熱制御によりシート表面温度Ｄｓｓは、目標温度Ｔｄ付近まで上昇している。

ステップＳ１２では、第二の温度制御手段３１３は、ステップＳ１１で取得したシート表面温度Ｄｓｓと、目標温度Ｔｄとの比較量を算出する。比較量は、例えば、シート表面温度Ｄｓｓと目標温度Ｔｄの差分をもとに算出される。

ステップＳ１３では、第二の温度制御手段３１３は、ステップＳ１２で算出された比較量に応じて操作器３５に出力するオン比率ＲＬを修正する。修正後のオン比率ＲＬに応じて操作器３５が電力量を制御することで、シート表面温度Ｄｓｓを目標温度Ｔｄに近づけるためのフィードバック制御が行われる。

ステップＳ１４では、第二の温度制御手段３１３は、所定時間（例えば、１［ｓｅｃ］）だけ待機する。ステップＳ１４での待機期間は、どのような値であってもよいが、待機期間が短いほど、シートＳ１の温度管理を詳細にすることが可能となる。

ステップＳ１５では、第二の温度制御手段３１３は、温度保持制御を終了する条件が成立していなければ（ステップＳ１５：ＮＯ）、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１からＳ１４までの処理を繰り返す。そのため、条件が成立しない限り、温度保持制御が継続されることとなる。温度保持制御が継続されることで、図８（ｂ）の点線で示すように、シートＳ１の内部温度が上昇し、表面温度と均一な温度となる。
一方、第二の温度制御を終了する条件が成立していれば（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、第二の温度制御手段３１３は、温度保持制御を終了する。

温度保持制御を終了する条件の一例は、シートＳ１の内部温度が目標温度Ｔｄに達するまでに要する時間である（以下、単に継続期間とも記載する。）。「継続期間」は、例えば、ユーザインタフェース３２からの入力により識別されるシートＳ１の特性に応じて、ＰＬＣ３１内で設定される。また、継続期間は、シートＳ１の特性に応じて実験的に取得される値である。温度保持制御を終了する条件である継続期間をシートＳ１の特性に応じて設定することで、熱成形を行うシートＳ１の種別に応じてこの期間を変更するだけでシートＳ１に応じた最適な温度制御を行うことが可能となる。

（５）熱成形装置の作用・効果
以上説明したように、本発明にかかる熱成形装置１００では、ヒーター温度を低下させる加熱制御によりシートＳ１の表面温度を目標温度Ｔｄまで加熱した後、ヒーター温度を目標温度Ｔｄに近づける温度保持制御が行われる。そのため、加熱制御により、シートＳ１の加熱に要する時間を短くすることができる。また、温度保持制御により内部温度を表面温度と均一の温度に近づけることができる。
特に、厚みが所定量以上のシートや、プラスチックに異なる材質を混合させたいわゆる複合材等、表面と内部の温度変化が異なる被加熱物を熱成形する場合に、本発明が有効となる。

一方、本発明と異なり、ヒーターユニット１０からシートＳ１に加えられる熱量を多くすることで、シートＳ１の内部を目標温度Ｔｄまで急速に上昇させる場合、シートＳ１の内部を目標温度Ｔｄまで上昇させる過程で、シートＳ１の表面が融解温度を超える場合も想定される。その結果、シートＳ１の表面が焦げ付き、成形品の外観の悪化や強度低下を招く。
それに対して、本発明では、シートＳ１の表面の温度変化のカーブを、融解温度を超えない範囲で変化させるため、シートＳ１の表面が焦げ付かず、成形品Ｓ２の品質を維持することができる。

ヒーターは、第１の実施形態で示したヒーターユニットに限らず、セラミックスヒーター等どのようなものを用いても良い。その一方で、ヒーターとして、制御部（本実施形態ではＰＬＣ３１）からの入力に対する応答性の高いものを用いることで、加熱制御において、ヒーター温度をヒーター温度設定情報で設定された温度に昇温する時間を短くすることができる。その結果、シートＳ１を目標温度Ｔｄまで加熱する時間を短くすることができる。また、入力に対応する応答性の高いヒーターユニット１０を使用することで、温度保持制御において、フィードバック制御に対するヒーター温度の追従性が高くなり、シートＳ１の表面温度を目標温度Ｔｄに保持し易くすることができる。
入力に対する応答性の高いヒーターの一例として、定格電圧での昇温速度が４０［℃／秒］以上のものを用いることができ、より好ましくは６０［℃／秒］以上のものを用いることができる。

（６）変形例
温度保持制御を終了する条件の他の一例として、加熱装置３０の前段で行われる成形装置４０でのシートＳ１の成形が終了したことをＰＬＣ３１が検出するものであってもよい。この場合、ＰＬＣ３１は、成形装置４０によるシートＳ１の成形が終了すると、フラグを変換する（例えば、０から１に変更する）。第二温度制御手段３１３は、温度保持制御中に、フラグが変化したことを割込み制御により検出すると温度保持制御を終了する。前段の成形装置４０による処理の終了を温度保持制御の終了の条件とすることで、成形装置４０による処理が終了するまで、シートＳ１の温度管理を継続することができる。例えば、熱成形装置４０による成形過程で不具合が生じ成形に時間を要する場合でも、加熱装置３０はシートＳ１の温度管理を継続することができるため、成形装置４０の復旧後も迅速にシートＳ１を供給することが可能となる。

２．第２の実施形態：
この第２の実施形態では、加熱装置３０は、上側ヒーター１１と下側ヒーター１２とのそれぞれを目標温度Ｔｄに近づけるよう個別に制御する構成が第１の実施形態と比べて異なる。

図９は、第２の実施形態における加熱装置３０の構成を説明する図である。
この第２の実施形態においても、加熱装置３０は、ヒーターユニット１０（上側ヒーター１１、下側ヒーター１２）に加えて、ＰＬＣ３１、ユーザインタフェース３２、放射温度計３３、熱電対温度計３４、操作器３５、を備えている。

一方、放射温度計３３は、シートＳ１の上方（一方の面）からシートＳ１のシート表面温度Ｄｓｓ１を検出する第一の放射温度計３３１と、シートＳ１の下方（第二の側）からシートＳ１のシート表面温度Ｄｓｓ２を検出する第二の放射温度計３３２と、で構成されている。なお、図９では、上側ヒーター１１にのみヒーター計測温度Ｄｈｍを計測する熱電対温度計３４１が取り付けられている。

ＰＬＣ３１は、加熱制御を行う第一の温度制御手段３１２、切り替え手段３１４に加えて、シート表面温度Ｄｓｓ１をもとに上側ヒーター１１をフィードバック制御する第三の温度制御手段３１５、シート表面温度Ｄｓｓ２をもとに下側ヒーター１２をフィードバック制御する第四の温度制御手段３１６と、を有している。すなわち、第三の温度制御手段３１５と第四の温度制御手段３１６とは、シートＳ１のそれぞれの面の表面温度（Ｄｓｓ１、Ｄｓｓ２）をもとに上側ヒーター１１と下側ヒーター１２とを個別にフィードバック制御する。

図１０は、加熱装置３０により制御されるヒーターユニットの温度変化と、ヒーターユニットの温度に応じて変化するシートＳ１の温度変化とを示す図である。図１０（ａ）は、上側ヒーター１１の温度変化を示す図である。図１０（ｂ）は、下側ヒーター１２の温度変化を示す図である。図１０（ｃ）は、シートＳ１の温度変化を示す図である。図１０（ｃ）では、説明を容易にするため、シートＳ１の下側表面の温度変化（点線で示す）を上側表面の温度変化と比べて大きく記載している。

この第２の実施形態においても、まず、シートＳ１に対して第一の温度制御手段３１２による加熱制御が行われる。図１０（ａ）（ｂ）に示すように、第一の温度制御手段３１２は、上側ヒーター１１と下側ヒーター１２の温度を段階的に低下させる。

シートの表面温度が目標温度Ｔｄに達すると、第三の温度制御手段３１５と、第四の温度制御手段３１６とは、それぞれ上側ヒーター１１と下側ヒーター１２に対して個別の温度保持制御を行う。第三の温度制御手段３１５は、シートＳ１の上側表面の温度を示すシート表面温度Ｄｓｓ１を目標温度Ｔｄに近づけるようフィードバック制御する。第四の温度制御手段３１６は、シートＳ１の下側表面の温度を示すシート表面温度Ｄｓｓ２を目標温度Ｔｄに近づけるようフィードバック制御する。例えば、シートＳ１の形状や環境条件によって、シートＳ１の下側表面の温度変化が上側表面の温度変化と比べて大きい場合、第四の温度制御手段３１６から出力されるオン比率ＲＬの変化が第三の温度制御手段３１５から出力されるオン比率ＲＬの変化に比べて大きくなる。

以上説明したようにこの第２の実施形態では、第１の実施形態で奏する効果に加えて以下の効果を奏する。シートＳ１の各面の温度に応じて、各面に向かい合うヒーター温度を個別に制御することができ、シートの形状、材質、及び環境条件等に依存されることなくシートＳ１の温度を均一に保つことが可能となる。特に、シートＳ１の厚みが一定以上であって、表面と内部の温度変化がそれぞれの側で大きい被加熱物を熱成形する場合に、本発明は有効である。

３．第３の実施形態：
この第３の実施形態では、シートＳ１の搬送経路に沿って複数のヒーターユニット１０を備え、各ヒーターユニット１０に対する温度制御が異なる構成が他の実施形態と比べて異なる。

図１１は、第３の実施形態にかかる熱成形装置１００の構成を説明する図である。
熱成形装置１００の一部である加熱装置３０には、第一のヒーターユニット１１０と、シートＳ１の搬送方向において第一のヒーターユニット１１０と比べて下流側に位置する第二のヒーターユニット１２０と、を有している。すなわち、加熱装置３０内を通過するシートＳ１は、第一のヒーターユニット１１０による加熱を経た後、第二のヒーターユニット１２０による加熱が行われる。

図１２は、第３の実施形態にかかる加熱装置３０の構成を説明する図である。
加熱装置３０は、第一のヒーターユニット１１０、第二のヒーターユニット１２０に加えて、ＰＬＣ３１、ユーザインタフェース３２、放射温度計３３３、３３４、熱電対温度計３４、操作器３５、を備えている。

この第３の実施形態においても、ＰＬＣ３１は、第一の温度制御手段３１２と、第二の温度制御手段３１３とを機能的に有している。一方で、第３の実施形態では、第一の温度制御手段３１２は、第一のヒーターユニット１１０に対して加熱制御を行い、第二の温度制御手段３１３は、第二のヒーターユニット１０に対して温度保持制御を行う。すなわち、この第３の実施形態では、第一の温度制御手段３１２と第二の温度制御手段３１３の制御対象となるヒーターユニットが別々となっている。

第一の温度制御手段３１２が利用するシートＳ１の表面温度は、放射温度計３３３によりシート表面温度Ｄｓｓ３として計測される。第二の温度制御手段３１３が利用するシートＳ１の表面温度は、放射温度計３３４によりシート表面温度Ｄｓｓ４として計測される。

図１３は、ヒーター温度の変化と、シートＳ１の温度変化とを説明する図である。
図１３（ａ）は、第一のヒーターユニット１１０の温度変化を示す図である。図１３（ｂ）は、第二のヒーターユニット１２０の温度変化を示す図である。図１３（ｃ）は、シートＳ１の温度変化を示す図である。

上記構成の加熱装置３０では、まず、シートＳ１が加熱装置３０に供給されると、第一の温度制御手段３１２は、第一のヒーターユニット１１０に対して加熱制御を行う。第一の温度制御手段３１２が行う加熱制御は、第一のヒーターユニット１１０のヒーター温度を段階的に低下させて、シートＳ１を目標温度Ｔｄまで加熱する（図１３（ａ））。

シートＳ１の表面温度Ｄｓｓが目標温度Ｔｄに達した状態で、シートＳ１が第一のヒーターユニット１１０を通過すると、第二の温度制御手段３１３は、第二のヒーターユニット１２０に対して温度保持制御を行う。第二の温度制御手段３１３が行う温度保持制御では、シートＳ１の表面温度Ｄｓｓが目標温度Ｔｄに近づくよう第二のヒーターユニット１２０のヒーター温度をフィードバック制御する（図１３（ｂ））。そのため、シートＳ１の内部温度が目標温度Ｔｄに近づき、表面温度と均一な温度となる。

以上説明したようにこの第３の実施形態では、第１の実施形態に加えて以下の効果を奏する。目標温度Ｔｄに達するまでの加熱時間が長いシートＳ１であっても、加熱工程を２つに分けることができ、トータルでのシートＳ１の加熱時間を短くすることができる。

４．その他の実施形態：
本発明は、様々な実施形態が存在する。
制御部が行う加熱制御において、ヒーター温度を段階的に低下させたのは一例に過ぎない。例えば、加熱制御において、ヒーター温度を連続的に低下させるものであってもよい。

ヒーター温度の制御方法として、電力量を制御することは一例に過ぎず、ヒーターと被加熱物との相対的な距離を変化させる等、ヒーター温度を制御できる手法であれば、どのようなものであってもよい。

第３の実施形態において、シートＳ１の搬送方向に２つのヒーターを備えることは一例に過ぎず、２つ以上のヒーターを備えるものであってもよい。この場合、搬送方向の上流側の最初のヒーターに対して第一の温度制御手段が加熱制御を行い、このヒーターに対して下流側のヒーターに対して第二の温度制御手段が温度保持制御を行う。

なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。

１０…ヒーターユニット、１１…上側ヒーター（第一の加熱部）、１２…下側ヒーター（第二の加熱部）、３０…加熱装置、３１…プログラマブルコントローラー（制御部）、３２…ユーザインタフェース、３３…放射温度計（温度計測部）、３４…熱電対温度計、３５…操作器、３６…Ａ・Ｄ変換部、４０…成形装置、４１…上型、４２…クランプ、５０…制御装置、９８…シート供給装置、９９…シート保持手段、１００…熱成形装置、１１０…ヒーターユニット、１２０…ヒーターユニット、３１１…メモリー、３１２…第一の温度制御手段、３１３…第二の温度制御手段

Claims (11)

1. 被加熱物を加熱して成形する熱成形装置であって、
   前記被加熱物を加熱するヒーターと、
   前記被加熱物の表面温度を計測する温度計測部と、
   前記被加熱物を加熱するに際し、前記ヒーターの温度を順次下げていき、計測された前記被加熱物の表面温度が目標温度となったときに、前記表面温度を目標温度付近に近づけるよう、前記ヒーターの温度を制御する制御部と、を有することを特徴とする熱成形装置。
2. 前記制御部は、計測される前記表面温度に応じて、前記ヒーターの温度を初期温度から段階的に低くなるよう制御する第一の温度制御手段と、
   計測された前記表面温度が目標温度となったときに、計測される前記表面温度を前記目標温度付近に近づけるよう、前記ヒーターの温度をフィードバック制御する第二の温度制御手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の熱成形装置。
3. 前記第二の温度制御手段は、前記被加熱物の内部温度が表面温度に近い温度となるまで前記フィードバック制御を継続する、ことを特徴とする請求項２に記載の熱成形装置。
4. 前記フィードバック制御を継続する期間は、当該被加熱物の前に成形が行われている他の被加熱物の成形が終了するまでの期間である、ことを特徴とする請求項２に記載の熱成形装置。
5. 前記制御部から出力される前記ヒーターの温度の制御量に応じて、前記ヒーターの電力量を制御する操作器を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱成形装置。
6. 前記ヒーターは、前記被加熱物の第一の側に位置する第一の加熱部と、前記被加熱物を挟んで前記第一の側と向かい合う第二の側に位置する第二の加熱部と、を有し、
   前記温度計測部は、前記第一の側の前記被加熱物の表面温度を計測する第一の温度計測部と、前記第二の側の前記被加熱物の表面温度を計測する第二の温度計測部と、を有し、
   前記制御部は、前記第一の温度計測部が計測した表面温度をもとに、前記第一の加熱部の温度を制御する第三の温度制御手段と、
   前記第二の温度計測部が計測した表面温度をもとに、前記第二の加熱部の温度を制御する第四の温度制御手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の熱成形装置。
7. 前記ヒーターは、第一のヒーターと、前記被加熱物の搬送方向において前記第一のヒーターと比べて下流側に位置する第二のヒーターと、を有し、
   前記第一の温度制御手段は、前記第一のヒーターの温度を制御し、
   前記第二の温度制御手段は、前記第二のヒーターの温度を制御する、ことを特徴とする請求項２に記載の熱成形装置。
8. 前記ヒーターは、前記制御部からの入力に対する温度変化の応答性が高い、ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の熱成形装置。
9. 被加熱物を加熱して成形する熱成形方法であって、
   前記ヒーターの温度を順次下げつつ、被加熱物を加熱していき、
   計測された前記被加熱物の表面温度が目標温度となったときに、前記表面温度を目標温度付近に近づけるよう、前記ヒーターの温度を制御し、
   加熱された前記被加熱物を成形する、ことを特徴とする熱成形方法。
10. 熱成形に用いられる加熱装置であって、
    被加熱物を加熱するヒーターと、
    前記被加熱物の表面温度を計測する温度計測部と、
    前記被加熱物を加熱する際、前記ヒーターの温度を順次下げていき、計測された前記被加熱物の表面温度が目標温度となったときに、前記表面温度を目標温度付近に近づけるよう前記ヒーターの温度を制御する制御部と、を有することを特徴とする加熱装置。
11. 熱成形で用いられるヒーターの温度制御方法であって、
    前記ヒーターの温度を順次下げつつ、被加熱物を加熱していき、
    計測された前記被加熱物の表面温度が目標温度となったときに、前記表面温度を目標温度付近に近づけるよう、前記ヒーターの温度を制御する、ことを特徴とするヒーターの温度制御方法。
    

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