JP2003136573A - 電動式射出成形装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形材料の粘度が異なる場合にも製品成形物
の寸法精度を向上可能な射出成形装置およびその制御方
法を提供する。 【解決手段】 本発明に係る電動式射出成形装置におい
ては、成形材料投入口１０から投入される成形材料７を
成形型９に圧入する際に、制御装置１００を用いて、電
動機４０によりシリンダ３０内のスクリュ６が所定の保
圧切替え位置に到達したことを位置センサ１で検出した
時点で圧力センサ３により成形圧力を検出し、射出工程
から保圧工程へ切替える。保圧工程においては、目標保
圧値を例えば成形材料７の種類毎にあらかじめ定められ
ている比例定数を前記成形圧力に乗じることで算出し、
保圧値がこの目標保圧値となるように圧力センサ３と制
御装置１００を用いて圧力制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は射出成形装置に関
し、特に、射出用のスクリュをサーボモータ等の電動機
により移動させる電動式射出成形装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】射出成形装置に関してはこれまで様々な
研究開発が行われており、電動式射出成形装置に限定し
ても、例えば特開平５−９２４６０号公報や特開平６−
３９８９０号公報等に開示されているように、数多くの
発明が出願されている。射出成形装置の使用において
は、射出成形をスクリュの移動速度制御を行って成形材
料を成形型に充填していく射出工程（充填工程）と、こ
の射出工程の後でスクリュをほぼ停止状態にし、成形型
にある所定の圧力（保圧）をかけた状態で所定時間保持
する圧力制御を行う保圧工程という、大別すると２つの
工程を経て射出成形物を製造することが一般的である。
上記の文献においても、どちらもこれら２つの工程の切
替え制御を行っている。

【０００３】そして、この保圧は、保圧工程の目標値と
いう制御パラメータとして射出成形装置に入力される
が、成形型や成形材料の違いにより値を変化させること
はあっても、同一の成形型で同一の成形材料により射出
成形を行う場合には、常に一定値である場合がほとんど
であった。

【０００４】射出工程と保圧工程の切替えは、スクリュ
位置、射出工程において成形材料に加わる圧力（成形圧
力）、外部信号入力等を基準として行うことができる
が、いずれの場合にも保圧は一定値として制御系が構成
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、同一成
形材料であるとしても保圧が常に一定であると、成形材
料の粘度にばらつきが生じた場合に、成形材料を充填す
る成形型の型内圧力のばらつきにつながり、成形物の収
縮率が成形毎に変化することになる。その結果、製品成
形物の寸法精度が悪化し、量産レベルでの寸法精度確保
に限界が生じていた。成形材料の粘度のばらつきは、例
えば射出成形装置の運転開始時と運転開始後一定時間経
過時との射出成形装置およびその雰囲気温度の違いなど
により容易に発生し、射出成形における重要な課題の一
つであるといえる。

【０００６】従って、本発明においては、同一成形材料
の粘度にばらつきが存在したとしても、保圧工程におけ
る保圧の目標値を望ましい値に自動的に変更し、製品成
形物の寸法精度を安定化することが可能な電動式射出成
形装置を提供することを目的とする。同時に、本発明に
おいては、成形材料の粘度にばらつきが存在した場合に
も、製品成形物の寸法精度を安定化することが可能な、
電動式射出成形装置の制御方法を提供することをも目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し本発
明の目的を達成するために、本発明では、成形型に成形
材料を充填する射出機と、当該射出機のシリンダに収容
されているスクリュを移動させる電動機と、前記スクリ
ュにより前記成形材料に加わる圧力を検出する圧力セン
サと、前記圧力センサの検出信号を用いて射出成形処理
を行う制御装置と、を有する電動式射出成形装置におい
て、前記制御装置は、ある所定の条件が満たされたとき
に前記スクリュの速度制御を行う射出工程から圧力制御
を行う保圧工程に切替え、前記圧力センサが検出する、
前記切替えの瞬間の前記射出工程の成形圧力の値と、前
記成形材料の種類毎にあらかじめ定められている所定の
比例定数を用いて所定の演算を行って算出した値を前記
保圧工程の保圧の値として用いて射出成形を行うことを
特徴とする。

【０００８】好適には、前記電動式射出成形装置は前記
スクリュの位置を検出する位置センサをさらに有し、前
記位置センサにより前記スクリュがある所定の保圧切替
え位置に達したことが検出されたときに前記切替えが前
記制御装置により行われる。

【０００９】また、本発明の、電動機により射出機のシ
リンダに収容されているスクリュを移動させ、成形型に
成形材料を充填することで射出成形を行う電動式射出成
形装置の制御方法は、前記スクリュにより成形材料に加
わる成形圧力を検出しつつ前記スクリュの移動速度制御
を行う射出工程と、前記成形型内の前記成形材料に加わ
る圧力を一定の保圧値に保つ圧力制御を行う保圧工程と
を有し、前記射出工程から前記保圧工程への切替えの瞬
間の前記成形圧力の値と、前記成形材料の種類毎にあら
かじめ定められている所定の比例定数を用いて所定の演
算を行って算出した値を前記保圧値の目標値として前記
保圧工程を行うことを特徴としている。

【００１０】本発明においては、好適には位置センサに
より検出されるスクリュの位置と、圧力センサにより検
出される成形材料に加わる圧力とが制御装置に入力さ
れ、好適にはスクリュがある所定の位置に達したとき
に、制御装置により速度制御を行う射出工程から圧力制
御を行う保圧工程に切替えられる。制御装置は、この切
替えの瞬間の成形圧力を入手し、好適にはそれにあらか
じめ与えられている材料毎の比例定数を乗じたものを保
圧工程における保圧の目標値として自動的に設定し、こ
の目標保圧値に対してスクリュを介して圧力制御を行
い、射出成形を実行する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面を参照しつつ詳細に述べる。まず、電動式射出成
形装置の一般的な構成について述べてゆくことにする。

【００１２】図１が、一般的な電動式射出成形装置の概
略構成図である。図１に示す電動式射出成形装置は、成
形型９に溶融状態の成形材料７を圧入して製品としての
射出成形物を製造するため、射出機５０、電動機４０、
圧力センサ３、位置センサ１、制御装置１００を有す
る。射出機５０は、成形材料投入口１０を備えるシリン
ダ３０と、当該シリンダ３０に収容されているスクリュ
６とを有する。制御装置１００は、例えば、A/D変換器
およびD/A変換器等を備え制御のための信号の入出力を
司るインターフェース部１００aと、種々のデータを記
憶させておくためのメモリ１００bと、例えばマイクロ
コンピュータなどのコンピュータの中央演算処理装置
（CPU）１００cとにより構成される。

【００１３】先に述べたように、成形材料７を成形型９
に圧入する射出成形の工程は、一般的には、スクリュ６
の移動の速度制御を行って成形材料７を所定量成形型９
に流入させる射出工程と、流入し終わった型内の成形材
料に加わる圧力を一定に保つよう圧力制御を行って成形
材料を固化させる保圧工程とから成る。射出工程におい
ては、まず成形材料７が成形材料投入口１０から投入さ
れる。成形材料７は溶融状態で成形型９に圧入される
が、一般的には、成形材料投入口１０には例えばペレッ
ト状の成形材料が投入され、それをスクリュを回転させ
ることで成形型９の方向へ移送させる過程において、シ
リンダ３０に備えられている図示しない加熱器によって
熱が供給され、シリンダ３０内で溶融状態にされる。

【００１４】そして、電動機４０の回転運動をスクリュ
６の成形型９方向への前進運動に変換し、スクリュ６を
所定位置まで移動させることで所定量の成形材料７を成
形型９へ注入すると射出工程は終了し、続いて保圧工程
が開始される。この射出工程から保圧工程への切替え
は、図１に示すように例えばエンコーダ等の位置センサ
１によってスクリュ６の移動距離を求め、その情報に基
づいてスクリュ６が所定位置に達したときに制御装置１
００により行われることが一般的であるが、成形型９内
の成形材料７がある所定の圧力になる、即ち、圧力セン
サ３がある所定の値を検出したときに切替えてもよい。
また、スクリュ６の所定位置への到達と連動する機械的
なスイッチにより切替えてもよいし、例えばオペレータ
が手動で切替えスイッチを操作することなどにより切替
えを行ってもよい。保圧工程においては、スクリュ６に
より成形型９内の成形材料７に加えられる圧力を圧力セ
ンサ３により検出し、この検出圧力を制御装置１００に
送信して閉ループによる圧力制御を行い、成形型９内の
保圧が一定で変動しないようにして所定時間保持する。

【００１５】制御装置１００は、位置センサ１と圧力セ
ンサ３からの検出信号をインターフェース部１００aのA
/D変換器を介して取り込み、CPU１００cにおいて必要な
演算を行った後で、インターフェース部１００aのD/A変
換器を介して電動機４０に対して指令信号を出力するこ
とで射出機５０を制御する。メモリ１００bには、例え
ば射出工程と保圧工程の切替えを行う際の切替え位置の
距離情報や圧力情報などが入力されており、また、保圧
の際の目標圧力値も入力されている。

【００１６】電動機４０は、好適にはサーボモータであ
る。その中でも、瞬発力、制御性、安全性、省エネルギ
ー性等を考慮して、同期式サーボモータを用いることが
好ましい。同期式サーボモータは、特に、瞬時に大きな
トルクを発生させることができ、速度の立ち上がり特性
（加速性）が優れているという瞬発力の点、および、速
度制御性に優れ、低速から高速まで滑らかに制御できる
という制御性の点で、本発明の射出成形装置およびその
制御方法に適している。圧力センサ３としては、例えば
リング状のロードセルを用いる。

【００１７】ところで、上記の電動式射出成形装置を用
いた一般的な射出成形においては、保圧工程での保圧値
は、成形型と成形材料が変わらない限りは常に同じ値で
あった。これは、保圧値と成形型９の型内圧力との間に
は相関関係があり、成形毎に保圧値が異なっていたので
は製品としての射出成形品にばらつきが生じ、品質が確
保できないという推量に基づいている。

【００１８】しかしながら、実際には同一の成形材料に
おいても前述のように粘度にばらつきが生じ、これによ
り保圧値が同一では逆に製品の寸法精度が悪化すること
が本願発明者により判明した。詳述すると、スクリュ６
が所定の速度である所定の保圧切替え位置に達したとき
に射出工程から保圧工程への保圧切替えを行う場合に
は、成形材料７の粘度が基準値よりも高いと、保圧切替
え位置における成形圧力も高くなるが、材料粘度が高
い、即ち成形材料が硬いために成形型９には成形材料は
流れ込みにくく、成形型９内の型内圧力と保圧値との
差、即ち圧力損失が大きくなり、型内圧力が基準値より
も低くなる。その結果、成形型９内における成形材料７
の縮み率は大きくなり、製品寸法は小さくなる。材料粘
度が基準値よりも低い場合はこの逆で、保圧切替え位置
における成形圧力は基準値よりも低く、成形材料は柔ら
かいために成形型９に流れ込み易く、型内圧力が基準値
よりも高くなる。その結果、縮み率は基準値よりも小さ
くなり、製品寸法は大きくなる。このように、保圧値を
同じにしておくと、材料粘度のばらつきが大きいほど製
品寸法精度は悪くなり、最大で約０．２％ほどの寸法差
が生じることもある。

【００１９】この問題を解決するためには、材料粘度に
関わらず型内圧力を常に一定にすることができればよ
い。そのためには、材料粘度に応じて保圧値を変化させ
ればよい。即ち、材料粘度が高い場合は成形圧力も高く
なるので、保圧値を高くすればそれに応じて型内圧力も
高くなり基準値に近づき、製品寸法は大きい方へシフト
する。材料粘度が低い場合にはこの逆に保圧値を低くす
ると成形型９への成形材料７の流入が抑制され、型内圧
力を基準値に近づくよう低くして製品寸法を小さい方へ
シフトさせることができる。

【００２０】これをグラフとして表したものが図２であ
る。図２は成形中の射出圧力の時間による変化の波形を
示している。図中の２本の波形は材料粘度の違いを表し
ており、波形Iが粘度が高い場合を、波形IIが粘度が低
い場合を表している。ある時刻Tにおいてスクリュ６が
射出速度一定で保圧切替え位置に達したとき、切替えの
瞬間の成形圧力は同一成形材料であっても粘度の違いに
よりIa，IIaのように異なるが、粘度が高い場合の高め
の成形圧力Iaに対しては図のように高めの保圧値Ibを設
定し、粘度が低い場合の低めの成形圧力IIaに対しては
低めの保圧値IIbを保圧工程の目標保圧値とすればよ
い。こうすることにより、材料粘度のばらつきで製品寸
法精度が悪化していたことが改善され、製品寸法精度が
向上することになる。

【００２１】以下、材料粘度毎の保圧値の決定方法につ
いて述べる。図３に示すように、成形圧力と保圧値との
間には、成形材料毎に製品寸法に関して特定の相関関係
があることが本願発明者によって確認されている。図３
には、製品寸法が一定となる成形圧力と保圧値との関係
が示されており、３本のグラフA，B，Cはそれぞれ成形
材料の種類の違いを表しており、符号a，b，cはそれぞ
れグラフA，B，Cの傾きを表している。図３からも、製
品寸法を一定にするためには成形圧力が高い場合には保
圧値も高く、成形圧力が低い場合には保圧値も低くする
必要があることが分かる。

【００２２】従って、例えばグラフAで示される成形材
料を用いて射出成形を行う場合には、もしグラフAが原
点を通る直線であるならば、その傾きaを圧力センサ３
により検出された保圧切替え位置での成形圧力に乗じる
ことで、材料粘度の違い、即ち成形圧力の違いに応じた
保圧値が得られることになる。グラフAが原点を通る直
線でなかったとしても、判明している成形圧力と保圧値
との間の相関関係に基づいて適宜演算を行えば、成形圧
力に応じた保圧値を得ることができる。以上の原理は例
えば図３のグラフB、グラフCで表される他の成形材料に
ついても当てはめることができるので、成形材料の種類
毎に、その粘度に応じた保圧値を得ることができる。

【００２３】これまで述べてきた保圧工程における目標
圧力値の入手方法を用いて、本発明の一実施形態として
の電動式射出成形装置がどのように射出成形を行うか
を、以下で図１および図４に示すフローチャートを参照
して述べる。図１は、一般的な電動式射出成形装置の概
略構成図であるが、本発明にも当てはめることができる
ので、本発明の一実施形態の電動式射出成形装置の概略
構成図としても使用する。図４に示すフローチャート
は、ステップS１〜S６までの射出工程とステップS６〜S
９までの保圧工程とに大別される。まず、制御装置１０
０のCPU１００cは、インターフェース部１００aのA/D変
換器を介して位置センサ１の検出信号を読み取りなが
ら、スクリュ６が所定の速度で保圧切替え位置に到達す
るように、インターフェース部１００aのD/A変換器を介
して電動機４０に信号を送り込み、スクリュ６をシリン
ダ３０内に押し込む。スクリュ６の押し込みによって成
形材料投入口１０からシリンダ３０内部に導入された成
形材料７が成形型９に充填される（ステップS１）。

【００２４】制御装置１００のメモリ１００bには保圧
切替え位置の情報が入力されており、CPU１００cは、こ
の保圧切替え位置の情報と位置センサ１からの信号とを
比較し、速度制御を行ってスクリュ６が保圧切替え位置
に到達するまで移動させる（ステップS２）。

【００２５】スクリュ６が所定の保圧切替え位置まで到
達したら、CPU１００cはインターフェース部１００aのA
/D変換器を介して圧力センサ３からの検出信号を取り込
んで、射出工程における成形圧力を入手する（ステップ
S３）。ただし、この成形圧力の入手方法は、プロセス
の安定化のために、スクリュ６の移動中常に圧力センサ
３からの信号を検出しメモリ１００bに蓄えておいて、
スクリュ６が保圧切替え位置に達した時刻から所定時間
前の検出値を成形圧力として採用することが望ましい
が、逆に保圧工程に切替えて所定時間経過後の圧力信号
を成形圧力とするなど、実施例に応じて多種考えられ
る。このステップS３で得た成形圧力の値の違いが、材
料粘度の違いを表すことになる。

【００２６】ステップS３において成形圧力の値を入手
したら、成形材料の粘度に応じた保圧値を算出する。本
実施形態においては、CPU１００cがメモリ１００bに記
憶されている成形材料の種類毎にあらかじめ定められて
いる比例定数を成形圧力の値に乗ずることで目標とする
保圧値を計算している（ステップS４）。しかし、この
計算は前述のように実施例に応じて成形材料の特性を表
すグラフで示される成形圧力と保圧値との間の相関関係
に基づいて適宜行ってもよい。例えば、成形材料の特性
が成形圧力と保圧値の関係式として入手できる場合に
は、成形材料毎の関係式をメモリ１００bに記憶させて
おいて、射出成形を行う際に、用いる成形材料の関係式
を呼び出して、ステップ３で得た成形圧力を代入するこ
とで目標とする保圧値を計算すると、単に成形材料毎に
比例定数を乗ずるよりも効果が高い。材料粘度に応じた
保圧値を算出した後には、CPU１００cはこの保圧値を保
圧工程での目標保圧値としてメモリ１００bに蓄え（ス
テップS５）、保圧工程に切替える（ステップS６）。

【００２７】実際にはステップS２においてスクリュ６
が保圧切替え位置に到達したと同時に保圧工程に切替わ
るので、ステップS６はステップS２の直後に位置すると
考えられるが、ステップS３〜S５はスクリュ６の保圧切
替え位置到達後ほぼ瞬時に行われ、これらのステップの
結果の保圧値を用いることで以後の圧力制御が行われる
ので、図４におけるステップS１からステップS６が射出
工程であると考える。

【００２８】ステップS６において保圧工程に切替わっ
た後は、インターフェース部１００aのA/D変換器を介し
てCPU１００cは圧力センサ３の検出する保圧値を入手
し、インターフェース部１００aのD/A変換器を介して電
動機４０に信号を送信し、電動機４０の負荷を変えるこ
とで圧力制御を行う（ステップS７）。そして、検出す
る保圧値がステップS５において設定した目標保圧値と
一致した時点でCPU１００cは電動機４０に停止信号を送
信し、成形型９内の圧力が一定値に保持される（ステッ
プS８，S９）。この状態が一定時間経過すると、射出成
形は終了し、スクリュ６は初期位置に復帰される。ステ
ップS７，S８においては、ステップS５で材料粘度毎に
自動的に変更・設定された保圧値を目標保圧値として、
閉ループによる圧力制御を行っていることが分かる。

【００２９】本実施形態における射出成形では、保圧切
替え位置をスクリュ６が通過した時点で瞬間的に、保圧
工程における保圧値が目標保圧値に一致しないと、いく
ら目標保圧値を瞬時に演算したとしても、特に高速成形
を行う場合には、目標保圧値へ達する前に成形型９の中
への成形材料７の充填が完了してしまい、材料粘度にば
らつきが存在する際に型内圧力を一定に保つことが困難
になる。例えば、図２における成形圧力Ia（IIa）と保
圧値Ib（IIb）との差は最大で約１２０MPa程度存在し、
例えばコンパクトディスクジュエルケース等の精密ハイ
サイクル成形においては、サイクルタイムが３秒台とい
う非常に短い場合もある。従って、射出成形装置として
は保圧切替え速度が速い電動式射出成形装置を用いる必
要がある。本実施形態においては、電動式射出成形装置
を用いることで、最短約５０msで成形圧力の値から保圧
値へ移行させることができる。

【００３０】以上述べてきたように、本実施形態によれ
ば、材料粘度に応じて自動的に目標保圧値を調整し、電
動式射出成形装置を用いて射出成形を行うので、寸法精
度の高い高品位な射出成形品を高速に製造することがで
きる。また、特に複雑な装置等を用いることなく目標保
圧値の自動調整が可能なため、射出成形装置のメンテナ
ンス等の労力や、射出成形装置の製造コスト、ひいては
製品としての射出成形品の価格を増加させることもな
い。

【００３１】本発明は、上述した本発明の一実施形態と
しての電動式射出成形装置に限定されない。例えば、上
述したように、成形圧力の入手タイミング、当該成形圧
力を利用しての目標保圧値の算出方法、保圧切替えのタ
イミング等は、特許請求の範囲内で適宜変更可能であ
る。また、圧力センサ、位置センサおよび電動機等の種
類やそれらの配置・構成等にも制限はない。さらに、本
発明の制御方法は、成形圧力と保圧との関係が判明して
いれば、その切替え速度が速い成形装置に利用すること
によって、様々な種類の成形方法に適用可能である。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、材料粘度にばらつきが
存在したとしても、簡単な構成でその粘度に応じて目標
保圧値を自動的に調整し、例えばロット内やロット間で
製品成形物の寸法精度を向上可能な電動式射出成形装置
を提供することができる。また本発明によれば、材料粘
度にばらつきが存在した場合にも、その粘度に応じて目
標保圧値を自動的に調整し、製品成形物の寸法精度を向
上可能な、電動式射出成形装置の制御方法を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る電動式射出成形装置の一
実施形態の概略構成図である。

【図２】図２は、同一成形材料の粘度の違いによる成形
圧力と保圧値との関係を表したグラフである。

【図３】図３は、成形材料の種類の違い毎の、製品寸法
が一定となるような成形圧力と保圧値との関係を表した
グラフである。

【図４】図４は、図１に示した本発明の一実施形態とし
ての電動式射出成形装置の制御動作を表したフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１…位置センサ ３…圧力センサ ６…スクリュ ７…成形材料 ９…成形型 １０…成形材料投入口 ３０…シリンダ ４０…電動機 ５０…射出機 １００…制御装置 １００a…インターフェース部 １００b…メモリ １００c…CPU

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】成形型に成形材料を充填する射出機と、当
   該射出機のシリンダに収容されているスクリュを移動さ
   せる電動機と、前記スクリュにより前記成形材料に加わ
   る圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出
   信号を用いて射出成形処理を行う制御装置と、を有する
   電動式射出成形装置において、 前記制御装置は、ある所定の条件が満たされたときに前
   記スクリュの速度制御を行う射出工程から圧力制御を行
   う保圧工程に切替え、前記圧力センサが検出する、前記
   切替えの瞬間の前記射出工程の成形圧力の値と、前記成
   形材料の種類毎にあらかじめ定められている所定の比例
   定数を用いて所定の演算を行って算出した値を前記保圧
   工程の保圧の値として用いて射出成形を行う電動式射出
   成形装置。
2. 【請求項２】前記スクリュの位置を検出する位置センサ
   をさらに有し、前記位置センサにより前記スクリュがあ
   る所定の保圧切替え位置に達したことが検出されたとき
   に前記切替えを行う請求項１記載の電動式射出成形装
   置。
3. 【請求項３】電動機により射出機のシリンダに収容され
   ているスクリュを移動させ、成形型に成形材料を充填す
   ることで射出成形を行う電動式射出成形装置の制御方法
   において、 前記スクリュにより成形材料に加わる成形圧力を検出し
   つつ前記スクリュの移動速度制御を行う射出工程と、 前記成形型内の前記成形材料に加わる圧力を一定の保圧
   値に保つ圧力制御を行う保圧工程とを有し、 前記射出工程から前記保圧工程への切替えの瞬間の前記
   成形圧力の値と、前記成形材料の種類毎にあらかじめ定
   められている所定の比例定数を用いて所定の演算を行っ
   て算出した値を前記保圧値の目標値として前記保圧工程
   を行うことを特徴とする電動式射出成形装置の制御方
   法。