JP2001018257A

JP2001018257A - 射出成形金型，射出成形装置，および射出成形方法

Info

Publication number: JP2001018257A
Application number: JP11189774A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ito; 徹弥伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2001-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】装置全体の構造の複雑化や冷却時間の延長を
招くことなく、プラスチック材料の充填時には、金型を
加熱してプラスチック材料を充填しやすい状態にし、か
つ、充填の後には金型を冷却することができて、金型の
高精度の温度制御により、精度のよい製品を成形するこ
とができる射出成形金型、射出成形装置、および射出成
形方法を提供すること。【解決手段】射出成形金型に組込まれる溝駒４に、そ
の溝駒４を加熱および冷却可能なペルチェ素子１と、そ
のペルチェ素子１に接する伝熱体２を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融させたプラス
チック材料を金型内に射出、充填させてから、金型内で
冷却・固化させ、その後、成形品を金型から取り出すプ
ラスチックの射出成形方法において、特に微細な形状を
精度よく成形するために好適な射出成形金型，射出成形
装置，および射出成形方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラスチック射出成形は、複雑な形状の
製品でも、加工が容易で量産性に優れているため、さま
ざまなものがこの加工法によってつくられている。しか
しながら、例えば、歯車やインクジェットプリンタヘッ
ドなどの成形品は、形状が複雑でプラスチック材料が充
填しにくい上に、高精度が要求される。このような歯車
やインクジェットプリンタヘッドなどの成形品は、プラ
スチック材料の温度、射出速度、金型温調温度、などの
成形条件の幅がせまいために、それを安定して高精度に
成形するのは非常に困難であった。

【０００３】例えば、プラスチック材料の温度について
考察すると、次のとおりである。すなわち、成形材料の
プラスチックが溶融状態にあるとき、このプラスチック
材料の溶融温度範囲内においては、一般に、プラスチッ
ク材料の温度が高い方がプラスチック材料の流動性がよ
く、逆にプラスチック材料の温度が低いと流動性がわる
くなる。そこで、歯車の歯先の部分やインクジェットプ
リンタヘッドの溝形状部分などの微細形状の成形部分
に、プラスチック材料を充填させるためには、成形材料
は、溶融した状態で流動性がよいことが必要である。そ
のため、プラスチック材料の温度は成形可能な溶融状態
においてなるべく高い方がよい。しかし、プラスチック
材料の温度が高すぎると、金型に射出された際に、プラ
スチック材料のせん断発熱による温度上昇によって、い
わゆる“やけ”などが生じる。逆に、プラスチック材料
の溶融状態における温度が低すぎると、プラスチック材
料の流動性がわるく、歯車の歯先の部分や、インクジェ
ットプリンタヘッドの溝形状部分などの微細形状の成形
部分に、プラスチック材料を充填することができない。

【０００４】また、射出速度については、一般に射出速
度が速い方が、プラスチック材料を微細形状の成形部分
まで充填させることができる。例えば、インクジェット
プリンタヘッドの溝形状の成形部分において、射出速度
５００ｍｍ／ｓｅｃではプラスチック材料を充填できな
かったものが、７５０ｍｍ／ｓｅｃで充填したところ、
微細な溝形状の成形部分にまでプラスチック材料を充填
させることができた。しかし、射出速度を速くすると速
度の制御が困難になり、射出速度が速すぎると、バリを
生じたり、ガスやけを生じる。逆に射出速度が遅すぎる
と、プラスチック材料が微細形状の成形部分にまで充填
されず、精度のよい成形品を得ることができない。

【０００５】金型温調温度については、その金型温調温
度がプラスチック材料溶融温度に近いほど、金型とプラ
スチック材料の境界面にできるスキン層が薄くなり、プ
ラスチック材料の流動性がよくなるため、歯車の歯先や
インクジェットプリンタヘッドの溝形状の成形部分にプ
ラスチック材料を充填しやすくなる。しかし、金型温調
温度を高く設定すると、金型内でプラスチック材料が固
化する状態になるまでの時間が長くなり、冷却時間を長
くしなければならない。逆に、冷却時間を短くするため
に金型温調温度を低く設定すると、プラスチック材料が
微細形状の成形部分などには充填されない。そのため、
精度のよい成形品を得ることができない。

【０００６】そこで、従来は、金型内に設置したヒータ
ーにより金型温度を高くしてからプラスチック材料を充
填させたり、または温調媒体の循環経路を複数系統設け
ておいて、一方の循環経路を用いることにより、高温の
媒体を金型内に循環させて金型温度を上昇させてからプ
ラスチック材料を充填させ、その後、他方の循環経路を
用いて低温の媒体を金型内に循環させることにより、金
型温度を下降させて金型内のプラスチック材料を冷却固
化させる方法が採られてきた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】金型内にヒーターを設
置した場合には、ヒーターの設置部分を加熱して金型の
温度を上昇させることで、プラスチック材料を微細形状
の成形部分にまで充填させることができる。しかし、加
熱温度を精度良く加熱するのが困難であったり、加熱さ
れた部分を冷却するのに時間がかかり、成形サイクルが
長くなっていた。

【０００８】また、温調媒体の循環経路を複数系統設け
て、一方に高温、他方に低温の媒体を循環させることに
よって金型の加熱あるいは冷却する方法の場合には、金
型に複数系統の循環経路を設ける手間がかかり、さらに
複数系統分の温調の設置を準備しなければならず、装置
全体の構造が複雑になっていた。

【０００９】本発明の目的は、装置全体の構造の複雑化
や冷却時間の延長を招くことなく、プラスチック材料の
充填時には、金型を加熱してプラスチック材料を充填し
やすい状態にし、かつ、充填の後には金型を冷却するこ
とができて、金型の高精度の温度制御により、精度のよ
い製品を成形することができる射出成形金型、射出成形
装置、および射出成形方法を提供することにある。

【００１０】また、本発明の他の目的は、金型の加熱、
冷却のためにペルチェ素子を用いた場合に、そのペルチ
ェ素子の圧力による破損を未然に回避することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の射出成形金型
は、射出成形金型の少なくとも一部分に位置して、射出
成形工程に応じて前記一部分を加熱および冷却可能なペ
ルチェ素子と、前記ペルチェ素子に接して、該ペルチェ
素子の伝達可能な伝熱体とを備えたことを特徴とする。

【００１２】本発明の射出成形装置は、上記の射出成形
金型を用いて射出成形を行う射出成形装置において、成
形材料を充填する際に前記ペルチェ素子によって前記一
部分を加熱させ、かつ少なくとも前記一部分に対する成
形材料の充填後に前記ペルチェ素子によって前記一部分
を冷却させる制御手段を備えたことを特徴とする。

【００１３】本発明の射出成形方法は、上記の射出成形
金型を用いて射出成形を行う射出成形方法において、成
形材料を充填する際に前記ペルチェ素子によって前記一
部分を加熱させ、少なくとも前記一部分に対する成形材
料の充填後に、前記ペルチェ素子によって前記一部分を
冷却させることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。本発明の射出成形金型、射出成形装
置および射出成形方法は、モジュールの小さい高精度の
歯車の成形や、インクジェットプリンタヘッドの溝形状
部分の成形などのために、有効に活用することができ
る。

【００１５】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態の射出成形金型における加熱・冷却装置部分
の断面図である。１はペルチェ素子であり、金属板１
ａ，１ｂによって半導体１ｃを挟んだ構造となってい
る。２は、ペルチェ素子１からの熱を移動させるための
伝熱体であり、その内部には、水や油などの熱媒体（以
下、単に「媒体」ともいう）３の循環路が形成されてい
る。

【００１６】図２は、図１のII−II線に沿う伝熱体２の
断面図である。本例の伝熱体２は、断面四角枠状の外壁
２ａと、断面四角枠状の内壁２ｂによって、媒体３の中
央通路と外側通路が形成されており、それらの通路は、
伝熱体２の図１中上端側において連通している。また、
それらの通路は、伝熱体２の図１中下端側において、伝
熱体２の外部に備わる温度制御装置を介して連通されて
いる。その温度制御装置は、媒体３の温度を制御するも
のであり、後述するように、ペルチェ素子１によって溝
駒４を効率よく加熱、冷却制御すべく、伝熱体２内の循
環する媒体３の温度を制御する。例えば、ペルチェ素子
１の制御状態に応じて媒体３の温度を制御したり、媒体
３の温度を一定温度に保つように制御してもよい。

【００１７】ペルチェ素子１と接する外壁１ａの部分
は、熱伝導性のよいものが好ましく、また内壁１ｂは断
熱性のよいものが好ましい。伝熱体２内における媒体３
の循環路は、本例の形状に特定されず任意であり、媒体
３の循環によって、ペルチェ素子１からの熱を移動でき
ればよい。例えば、本例の断面四角形の循環路の角部分
を丸くすることによって、媒体３を流動しやすくして、
熱を移動しやすくすることもできる。

【００１８】ここで、ペルチェ素子について説明する。

【００１９】ペルチェ素子は、熱電素子であり、半導体
を導体で挟んだ構造をしている。ペルチェ素子に電流を
流すと、ペルチェ効果により、一方の面では吸熱反応が
起こり、他方の面では発熱反応が起こる。その結果、一
方の面は冷却され、他方の面は加熱される。この反応は
可逆反応であるため、電流を流す向きを変えることで、
吸熱反応面を発熱反応面に、発熱反応面を吸熱反応面に
変えることができる。つまり、ヒーターは加熱するだけ
であるのに対して、このペルチェ素子の特性を利用する
ことで、それを備えた金型を加熱，冷却することができ
る。また、ペルチェ素子は、電流，電圧を制御すること
で精度の高い温度制御が可能である。図３は、図１の加
熱・冷却装置部分を組込んだ金型部分の斜視図である。
本例の場合、その金型部分は、インクジェットプリンタ
ヘッドの射出成形金型の一部を構成する溝駒４であり、
プリンタヘッドにおける微細な溝を成形する。その溝
は、プリンタヘッドにおけるインク吐出用のノズルを形
成するためのものである。溝駒４の図３中上側部分は、
プリンタヘッドにおける微細な溝を成形するための溝成
形部分４ａである。

【００２０】図４は、図３におけるIV円部の拡大図であ
り、溝成形部分４ａにおける溝と溝の間隔は６０μｍ、
溝の深さは４０μｍである。プリンタヘッドの溝形状を
精度良く成形することができないと、インク漏れやイン
ク吐出方向が変化する原因になるため、その溝形状を精
度良く成形する必要がある。

【００２１】図１の加熱・冷却装置部分は、溝成形部分
４ａの外側（図３中の下側）に位置するように溝駒４の
内側に組み込まれる。伝熱体２の図３中下側部分は、プ
リンタヘッドの射出成形金型の外側に位置する。伝熱体
２に接しない側の金属板１ａの表面は、シリコンなどの
熱伝導率の高い絶縁シートを介して、溝成形部分４ａの
外側に取り付けられている。

【００２２】このような溝駒４を備えた射出成形金型を
用いてプリンタヘッドを射出成形する際には、まず、プ
ラスチック材料の充填前に、そのプラスチック材料が充
填されにくい金型部である溝駒４を加熱するように、ペ
ルチェ素子１を制御する。そして、溝駒４を加熱したま
ま、または加熱を休止した後、プラスチック材料の充填
を開始する。そのプラスチック材料の充填後は、溝駒４
を冷却するようにペルチェ素子１を制御する。ペルチェ
素子１による溝駒４の加熱・冷却時において、伝熱体２
は、その内部の媒体３によって熱を移動させる。したが
って、ペルチェ素子１は、溝駒４を精度よくかつ安定し
て、加熱・冷却することができる。

【００２３】このように、プラスチック材料が充填され
にくい溝成形部分４ａを加熱することによって、その溝
成形部分４ａにプラスチック材料を確実に充填させるこ
とができる。しかも、その溝成形部分４ａに対するプラ
スチック材料の充填後は、その溝成形部分４ａを冷却す
るため、金型の冷却時間が長くならず、射出成形サイク
ルが長くなることがない。

【００２４】また、溝成形部分４ａのような部分、つま
り、一般にプラスチック材料を充填しにくい金型の微細
な形状部分に、プラスチック材料を充填することができ
るため、精度のよい成形品を得ることができる。このこ
とは、図４の溝成形部分４ａによって成形されたプリン
タヘッドの溝形状部分を顕微鏡で観察して、その溝形状
部分のエッジ形状が形成されているかどうかを見ること
で確認することができた。ちなみに、今までの成形方法
では、そのようなエッジの部分までプラスチック材料が
充分に充填されないために、そのエッジの部分が形成さ
れておらず、丸くなっていた。しかし、本発明により、
そのようなエッジ部分にまでプラスチック材料を確実に
充填させることができて、エッジが高精度に形成された
成形品を得ることができた。

【００２５】（第２の実施形態）図５は、本発明の第２
の実施形態の射出成形金型における要部の概略構成図で
ある。本例の場合は、溝駒４に対して、図１の加熱・冷
却装置部分が接離可能に備えられている。図５におい
て、５は、加熱・冷却装置部分を同図中の上下方向に移
動させるための電動アクチュエータである。６は、伝熱
体２内の媒体３の流入口、７は、その流出口である。媒
体３は、これらの流入口６、流出口７を介して、前述し
た第１の実施形態と同様に、伝熱体２と外部の温度制御
装置（図示せず）との間を循環する。ペルチェ素子１
は、アクチュエータ５によって加熱・冷却装置部分が図
５中の上方に移動されたときに、溝駒４の溝成形部分４
ａの外側に接する。伝熱体２の外壁２Ａの形状は、ペル
チェ素子１との接触面が大きいほど好ましい。また、ペ
ルチェ素子１と接触する外壁２Ａの部分に、熱伝導性を
よくするためのフィンなどを設けることにより、ペルチ
ェ素子１の温度の安定化を図ることもできる。

【００２６】このような溝駒４を備えた射出成形金型を
用いてプリンタヘッドを射出成形する際には、まず、プ
ラスチック材料の充填前に、そのプラスチック材料が充
填されにくい金型部である溝駒４を加熱するように、ペ
ルチェ素子１を制御する。このとき、アクチュエータ５
によって加熱・冷却装置部分が図５中の上方に移動され
て、ペルチェ素子１が溝成形部分４ａの外側に接触して
いる。そして、溝駒４を所定の温度にまで加熱した後、
アクチュエータ５によって、図５のように加熱・冷却装
置部分を下方に移動させて、ペルチェ素子１を溝成形部
分４ａから離間させてから、プラスチック材料の充填を
開始する。

【００２７】その際、金型内のキャビティには、約１５
００ｋｇｆ／ｃｍ²の内圧がかかる。しかし、ペルチェ
素子１は、金型から離れているため圧力を受けず、それ
が壊れることがない。ペルチェ素子１は熱電素子であ
り、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子を交互に接続
し、それらの熱電変換素子の電極面を絶縁基盤によって
挟持した構造となっている。そのため、仮りに、プラス
チック材料充填時の射出圧力の影響をペルチェ素子が受
けた場合には、そのペルチェ素子が圧力に耐えられず
に、壊れてしまうおそれがある。しかし、本例の場合
は、プラスチック材料の充填時に、図５のように、ペル
チェ素子１が金型から離れるため、そのペルチェ素子の
破壊が防止されることになる。

【００２８】このようにして、プラスチック材料を充填
した後は、アクチュエータ５によって加熱・冷却装置部
分を図５中の上方に移動させて、ペルチェ素子１を溝成
形部分４ａの外側に接触させてから、溝駒４を冷却させ
るようにペルチェ素子１を制御する。ペルチェ素子１に
よる溝駒４の加熱・冷却時において、伝熱体２は、その
内部の媒体３によって熱を移動させる。したがって、ペ
ルチェ素子１は、溝駒４を精度よくかつ安定して、加熱
・冷却することができる。

【００２９】このように、プラスチック材料が充填され
にくい溝成形部分４ａを加熱することによって、その溝
成形部分４ａにプラスチック材料を確実に充填させるこ
とができる。しかも、その溝成形部分４ａに対するプラ
スチック材料の充填後は、その溝成形部分４ａを冷却す
るため、金型の冷却時間が長くならず、射出成形サイク
ルが長くなることがない。さらに、プラスチック材料の
充填時は、ペルチェ素子１が金型から離れるため、その
ペルチェ素子１の加圧破損を未然に回避することもでき
る。

【００３０】（その他）金型の微細形状部分に、ペルチ
ェ素子を２つ以上備えてもよく、また複数の微細形状部
分のそれぞれにペルチェ素子を備えてもよい。また、金
型の微細形状部分以外の部分にもペルチェ素子を備え
て、金型の多数の部分を関連的に加熱および冷却制御す
ることも可能である。また、金型に備えた複数のペルチ
ェ素子は、個別、グループ単位、または一括して、電
圧，電流等を制御することができる。

【００３１】また、アクチュエータ５は、少なくともペ
ルチェ素子１を金型に対して接離させることができれば
よい。また、金型に対するペルチェ素子１の接離方向に
おける一方向の移動をアクチュエータによって行い、か
つ他方向の移動はばねの復元力によって行なうようにし
てもよい。また、金型から成形品を取り出すためのエジ
ェクタ機構、あるいは金型の開閉機構の動きを利用し
て、金型に対してペルチェ素子１を接離移動させること
もできる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、伝熱体
に接するペルチェ素子を用いて、金型の少なくとも一部
分を効率よくかつ安定的に加熱および冷却制御すること
により、特に、成形材料が充填されにくい金型の微細な
形状部分に対して、成形材料を確実に充填し、かつその
充填後は速やかに冷却することができる。この結果、装
置全体の構造の複雑化や冷却時間の延長を招くことな
く、高精度の製品を射出成形することができる。

【００３３】また、金型に対してペルチェ素子を接離移
動可能とすることにより、金型からペルチェ素子に加わ
る外力を回避して、ペルチェ素子の破損を防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態としての射出成形金型
における加熱・冷却装置部分の断面図である。

【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。

【図３】図１の加熱・冷却装置部分を備えた金型部分の
斜視図である。

【図４】図３のIV円部の拡大図である。

【図５】本発明の第２の実施形態の要部の概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１ペルチェ素子２伝熱体３熱媒体４溝駒５電動アクチュエータ６媒体流入口７媒体流出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】射出成形金型の少なくとも一部分に位置
して、射出成形工程に応じて前記一部分を加熱および冷
却可能なペルチェ素子と、前記ペルチェ素子に接して、該ペルチェ素子の熱を伝達
可能な伝熱体とを備えたことを特徴とする射出成形金
型。
【請求項２】前記伝熱体の内部に、熱媒体の循環路の
一部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載
の射出成形金型。
【請求項３】前記ペルチェ素子は、前記一部分に対し
て接離移動可能に備えられることを特徴とする請求項１
または２に記載の射出成形金型。
【請求項４】前記一部分は、他の部分よりも成形材料
が充填しにくい部分であることを特徴とする請求項１か
ら３のいずれかに記載の射出成形金型。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の射出
成形金型を用いて射出成形を行う射出成形装置におい
て、成形材料を充填する際に前記ペルチェ素子によって前記
一部分を加熱させ、かつ少なくとも前記一部分に対する
成形材料の充填後に前記ペルチェ素子によって前記一部
分を冷却させる制御手段を備えたことを特徴とする射出
成形装置。
【請求項６】請求項２に記載の射出成形金型を用いて
射出成形を行う射出成形装置において、成形材料を充填する際に前記ペルチェ素子によって前記
一部分を加熱させ、かつ少なくとも前記一部分に対する
成形材料の充填後に前記ペルチェ素子によって前記一部
分を冷却させる制御手段と、前記熱媒体の温度を制御する温度制御手段とを備えたこ
とを特徴とする射出成形装置。
【請求項７】請求項３に記載の射出成形金型を用いて
射出成形を行う射出成形装置において、成形材料を充填する際に前記ペルチェ素子によって前記
一部分を加熱させ、かつ少なくとも前記一部分に対する
成形材料の充填後に前記ペルチェ素子によって前記一部
分を冷却させる制御手段と、前記一部分に対して前記ペルチェ素子を接離移動させる
移動手段とを備えたことを特徴とする射出成形装置。
【請求項８】前記移動手段は、少なくとも前記射出成
形金型内への成形材の充填時に、前記一部分から前記ペ
ルチェ素子を離間移動させることを特徴とする請求項７
に記載の射出成形装置。
【請求項９】前記移動手段は、電動アクチュエータを
用いて前記ペルチェ素子を移動させることを特徴とする
請求項７または８に記載の射出成形装置。
【請求項１０】前記移動手段は、電動アクチュエータ
の駆動力とばね部材の復元力を用いて、前記ペルチェ素
子を移動させることを特徴とする請求項７または８に記
載の射出成形装置。
【請求項１１】前記移動手段は、前記射出成形金型か
ら成形品を取り出すためのエジェクタ機構の動きを利用
して、前記ペルチェ素子を移動させることを特徴とする
請求項７または８に記載の射出成形装置。
【請求項１２】前記移動手段は、前記射出成形金型を
開閉するための開閉機構の動きを利用して、前記ペルチ
ェ素子を移動させることを特徴とする請求項７または８
に記載の射出成形装置。
【請求項１３】請求項１から４のいずれかに記載の射
出成形金型を用いて射出成形を行う射出成形方法におい
て、成形材料を充填する際に前記ペルチェ素子によって前記
一部分を加熱させ、少なくとも前記一部分に対する成形材料の充填後に、前
記ペルチェ素子によって前記一部分を冷却させることを
特徴とする射出成形方法。
【請求項１４】請求項２に記載の射出成形金型を用い
て射出成形を行う射出成形方法において、成形材料を充填する際に前記ペルチェ素子によって前記
一部分を加熱させ、少なくとも前記一部分に対する成形材料の充填後に、前
記ペルチェ素子によって前記一部分を冷却させ、前記ペルチェ素子の制御状態に応じて、前記熱媒体の温
度を制御することを特徴とする射出成形方法。
【請求項１５】請求項３に記載の射出成形金型を用い
て射出成形を行う射出成形方法において、成形材料を充填する際に前記ペルチェ素子によって前記
一部分を加熱させ、少なくとも前記一部分に対する成形材料の充填後に、前
記ペルチェ素子によって前記一部分を冷却させ、少なくとも前記射出成形金型内への成形材の充填時に、
前記一部分から前記ペルチェ素子を離間移動させること
を特徴とする射出成形方法。