JP2008105295A

JP2008105295A - 樹脂成形用金型

Info

Publication number: JP2008105295A
Application number: JP2006290958A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Fuse; 博樹布瀬; Akira Isomi; 晃磯見
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】樹脂の成形において温度制御に用いる温度センサーを備えた樹脂成形用金型は、その温度センサーが受熱板とホルダーの常時接触に起因する熱の授受により、ホルダーに熱が蓄積され、ホルダー温度によってなる温度を計測することとなり、樹脂温度を精度良く計測することが困難であったことにより、精度良い樹脂成形が難しかった。
【解決手段】本発明の樹脂成形用金型は、受熱板１と受圧部品６に隙間４を有し、一定樹脂圧以下時に受熱板１が平面化し、受熱板１と受圧部品６の熱の授受がなくなる温度センサーを備えた構造を有することから、樹脂成形においての樹脂の温度を高精度に測定しながら樹脂成形することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂成形圧力がかかっている樹脂材料の温度を測定する温度センサーを備えた樹脂成形用金型の構造に関する。

近年、熱可塑結晶性樹脂を用いて、高精度、高強度、高品位外観を有する成形品を、成形サイクルを短縮しつつ高歩留まりで生産する要求が高まっている。

成形機のシリンダ内で溶融点以上に可塑化溶融した熱可塑結晶性樹脂を、金型キャビティ内に射出・充填し、結晶化温度に一定時間保持した後、ガラス転移点温度以下に降温して賦形する射出成形において、前記の要求を満足して成形品を得る方法としては、次の方法が知られている。それは、温度センサーにより測定された金型の温度をフィードバックし、成形機シリンダに関してはバンドヒーターを用い、金型については温調機器を用いて、成形機シリンダ内の樹脂材料温度や金型内の樹脂材料温度を都度上昇・降下させ、樹脂の流動と固化の状態を最適に変化させている方法である。この成形方法において、成形機シリンダ温度の温度測定や金型の温度の測定に用いられる温度センサーとしては、熱電対を用いたものが多く使用されている。

従来、金型温度を測定する温度センサーの設置位置は、図３に示すように温度センサー３１の感温部が固定側金型３２と移動側金型３３により形成されたキャビティ３４から３〜１０ｍｍほど離れた、固定側金型３２や移動側金型３３の内部にあった。この結果、温度測定はキャビティ３４に充填された樹脂材料から固定側金型３２や移動側金型３３に熱伝達され、さらに固定側金型３２や移動側金型３３の熱伝導により変化する金型の温度を測定していた。

また、成形機シリンダの温度を測定する温度センサーの設置位置は、温度センサーの感温部がシリンダ筒とスクリューにより形成された混練空間から３〜１０ｍｍ離れた、成形機シリンダ筒の内部となるようにされた。この結果、混練空間に充填された樹脂材料から成形機シリンダ筒に熱伝達され、さらに成形機シリンダ筒の熱伝導により変化する成形機シリンダ筒の温度を測定していた。以上のことから、金型内部や成形機シリンダ筒内部に設置された温度センサーには直接成形圧力が負荷しないことから、温度センサーの破損を防止することができた。

ところが、成形機シリンダ筒内部に温度センサーを設置し、成形機シリンダ筒の温度を測定する方法では、成形機シリンダ筒の外周に設置されたバンドヒーターを通電し、成形機シリンダ壁を通じて熱可塑結晶性樹脂を昇温する際に、射出シリンダ壁温度と射出シリンダ内で昇温される熱可塑結晶性樹脂温度の測定値に、熱伝播の到達における時間差が生じるとともに、成形機シリンダ温度が樹脂温度より高い温度を示すこととなっていた。

逆に、熱可塑結晶性樹脂温度を降温する際には、熱可塑結晶性樹脂の持つ熱を成形機シリンダを通じ大気中に放熱することが必要となり、成形機シリンダ温度が樹脂温度より低い温度を示すこととなっていた。

また、金型内部に温度センサーを設置し、金型温度を測定する方法では、キャビティに熱可塑結晶性樹脂が充填され、その熱可塑結晶性樹脂から金型への熱伝播に伴う時間差が生じるとともに、熱伝達を通して温度が降下し、熱可塑結晶性樹脂の平均温度が金型温度より高い温度を示すことになる。

この結果、温度センサーが感知した温度に基づいてフィードバックをかけ、成形機シリンダ筒の外周に設置されたバンドヒーターの電気の入り切りや金型内に設置された電気式ヒーターや冷温水に代表される加熱・冷却手段により、シリンダや金型の温度を変化させた場合、熱可塑結晶性樹脂を過熱や過冷することとなり、樹脂温度を高精度に制御することが困難となっていた。

この解決策として、直接樹脂材料に接触しつつ熱可塑結晶性樹脂温度を測定するための耐圧力を考慮した温度センサーを備えた樹脂成形用金型としては、外表面に熱電対を溶着した平板状の受熱板とホルダーと受熱板に接した熱伝導性の低い受圧板などからなる基本構成を有する温度センサーを備えた樹脂成形用金型がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−２８５７０１号公報

しかしながらこの温度センサーを備えた樹脂成形用金型は、熱可塑結晶性樹脂温度をできる限り時間的な遅れを発生させずに測定するために平板状受熱板を薄くする事が求められているが、この薄い平板状受熱板に熱可塑結晶性樹脂の充填圧力が負荷された場合、平板状受熱板が塑性変形を起こす恐れがあるため平板状受熱板と熱伝導率の低い受圧板を常時当接した構造としており、受熱板の塑性変形を防止するための工夫が施されている温度センサーを備えている。

しかし一方では、熱可塑結晶性樹脂から平板状受熱板を通して伝搬された熱が、熱伝導率の低い受圧板に蓄積することとなり、成形プロセスが繰り返される間に熱伝導率の低い受圧板の温度が熱可塑結晶性樹脂温度のガラス転移点温度以上に高くなる。この熱伝導率の低い受圧板から伝わる熱により平板状の受熱板温度がガラス転移点温度以上に高くなってしまうことが発生し、金型の温度センサー設置箇所に接している熱可塑結晶性樹脂の温度と、金型の温度センサーを設置しない箇所に接している熱可塑結晶性樹脂の温度の差が拡大することとなる。このように、一般的な製品においては、温度センサーの設置面積に比較して、十分に広い非設置面積に接している熱可塑結晶性樹脂の温度を実際の温度通りに高精度に測定することが困難となる課題があった。

上記目的を達成するために、本発明の樹脂成形用金型は、温度センサーを備えた移動側金型と、固定側金型と、前記移動側金型と前記固定側金型により形成されたキャビティに溶融された樹脂を注入する注入口を備えた樹脂成形用金型であって、前記温度センサーは、熱電対と、一方の面が前記移動側金型のキャビティを形成する構成面の一部となり、他方の面に前記熱電対が接触された受熱板と、前記受熱板の前記他方の面の周縁と一体となる筒状のホルダーと、フランジの一部分が前記ホルダーの段状内面に接触し、中央に前記熱電対のリード線を通す貫通穴を有する受圧部品とで構成され、前記受熱板の他方の面と前記受圧部品との間に隙間を設け、前記ホルダーと前記受圧部品との間に前記隙間と連通した隙間を設けたことを特徴とする。

また、本発明の樹脂成形用金型は、温度センサーを備えた移動側金型と、固定側金型と、前記移動側金型と前記固定側金型により形成されたキャビティに溶融された樹脂を注入する注入口を備えた樹脂成形用金型であって、前記温度センサーは、熱電対と、一方の面が前記移動側金型のキャビティを形成する構成面の一部となり、他方の面に前記熱電対が接触された受熱板と、前記受熱板の前記他方の面の周縁と接合された筒状のホルダーと、
フランジの一部分が前記ホルダーの段状内面に接触し、中央に前記熱電対のリード線を通す貫通穴を有する受圧部品とで構成され、前記受熱板の他方の面と前記受圧部品との間に隙間を設け、前記ホルダーと前記受圧部品との間に前記隙間と連通した隙間を設けたことを特徴とする。

本発明の樹脂成形用金型によれば、成形プロセスが繰り返される熱可塑結晶性樹脂成形の高圧下で、温度センサーを破損することなく、熱可塑結晶性樹脂に直接接触させる事を可能とする温度センサーを金型に備えており、受熱板、受圧部品の温度を熱可塑結晶性樹脂がキャビティに充填される前に、温度センサーを設置する周囲の金型温度にほぼ同温以下に繰り返し保持することを可能とすることから、長期にわたり、高精度に熱可塑結晶性樹脂の温度を測定することを可能とする。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における、温度センサーを備えた樹脂成形用金型の断面図である。

平面の一部が凹凸形状を有するφ８ｍｍ、厚み０．３ｍｍの円板状をなすステンレス鋼製の受熱板１と、受熱板１の中央付近で結合された熱電対２と、受熱板１の周縁で溶接により接合された筒状形状を有する厚み１ｍｍの円柱状のホルダー３と、受熱板１と０．２ｍｍの距離を隔てる隙間４を有しなおかつフランジの一部分がホルダー３の段状内面の平面部に接触し、中央に熱電対２のリード線を通す貫通穴５を有するポリイミド樹脂製の円柱状の受圧部品６から温度センサー７は構成されており、受熱板１に接触する熱可塑結晶性樹脂の温度は、受熱板１を伝播して受熱板１に溶着された熱電対２により測定することができる。

また、受熱板１は熱可塑結晶性樹脂の成形圧力により受圧部品６に接するまで受圧部品の方向に撓み、熱可塑結晶性樹脂の成形圧力が小さくなることにより平板に戻ることができる。

ここで使用する受熱板１は、平板状でも良いが、図２に示したように平面の一部を凹凸形状にすることによりばね性を有することができる。また受熱板１は、厚み０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が熱の応答性を良くするために適しており、厚みが０．１ｍｍより薄い場合は、充填圧力による大きな塑性変形が起こるあるいは受熱板１が破断し、また厚みが０．５ｍｍより厚い場合は、受熱板１の裏面に溶着された熱電対２に熱が伝わる時間を多く必要とすることにより熱の応答性が好ましくない。

また、受熱板１と受圧部品６との隙間４は、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が適しており、０．０５ｍｍより狭い隙間の場合では、小さな成形圧力であっても受熱板１が常時受圧部品６に接触することになり、受圧部品６の放熱を妨げ、１．０ｍｍより広い隙間の場合では、受熱板１に大きな成形圧力がかかった時に塑性変形し、元の受熱板１の形状に戻らなくなる。

また、受圧部品６の材質は、受熱板１のステンレス鋼の熱伝導率より小さな熱伝導率であるポリイミド樹脂を選択し、受圧部品６の放熱を促進するものとした。

更に、受熱板１およびホルダー３と、受圧部品６との間には、連通する隙間８が構成され、受圧部品６のフランジ部分に設けられた切り欠き９を通じ、この隙間８に対する空気の供給・排出ができる。移動側金型１０には、移動側金型１０の外壁から、受圧部品６のフランジ部分に設けられた切り欠き９に連通する２個の穴１１が設けられており、空気を移動側金型１０の一方の穴１１から供給し、温度センサー７の内部に形成されている隙間８内を通過させ、移動側金型１０の他方の穴１１に排出することができる。

以下、熱可塑結晶性樹脂の射出成形において、固定側金型１２と移動側金型１０により形成されたキャビティ１３内に熱可塑結晶性樹脂を注入口１５から充填して、その温度を温度センサー７を用いて測定した詳細について説明する。

移動側金型１０に設置された温度センサー７の近傍で樹脂流動の上流箇所には、あらかじめ充填圧力を測定する圧力ゲージ１４を設置している。

成形機のシリンダ温度を２００℃に設定して、溶融した熱可塑結晶性樹脂を、射出成形機で充填圧力が４００ｋｇ／ｃｍ２付近になるように、キャビティ１３に注入口１５から充填した。キャビティ１３に熱可塑結晶性樹脂が充填されてきたことが、圧力ゲージ１４で感知されるとほぼ同時に、温度センサー７が熱可塑結晶性樹脂の温度を感知し、瞬時にほぼ２００℃を指示した。このキャビティ１３において熱可塑結晶性樹脂に付加されている充填圧力により、受熱板１は受圧部品６に接触し保持されるまで撓むとともに、熱可塑結晶性樹脂が保有する熱が受熱板１を通じ受圧部品６に伝わった。

この後、金型温調機から流す水量と水温を制御し、移動側金型１０の壁面や固定側金型１２の壁面を通じて、熱可塑結晶性樹脂の温度を低下させ、結晶化温度１１０℃付近に結晶化完了時間約９０秒保持した後、ガラス転移温度以下の５０℃に低下させ、賦形された熱可塑結晶性樹脂成形品を取出した。また、温度センサー７が、熱可塑結晶性樹脂の温度を充填時の温度以下ガラス転移点温度以上を示す間に於いて、充填圧力の解除や賦形された熱可塑結晶性樹脂の収縮に伴い、受熱板１の撓みは少なくなり、受圧部品６から離れた。５０℃を示していた温度センサー７は、熱可塑結晶性樹脂成形品取出し以後に、熱可塑結晶性樹脂から受熱板１を通じて伝わり受圧部品６に蓄えられた熱が、隙間４を通じて、受熱板１や受熱板１に溶着された熱電対２に輻射熱として伝わり、数分間に亘り温度上昇を示した。この成形プロセスを繰り返すと、受圧部品６は受熱板１を通じて蓄熱する熱量が、受圧部品６が移動側金型１０を通じて放熱する熱量を上回り、受圧部品６の温度は蓄熱と放熱が均衡する温度と考えられる９０℃以上を示し、キャビティ１３に充填される熱可塑結晶性樹脂温度との差が少なくなった。それとともに、熱可塑結晶性樹脂を射出成形機でキャビティ１３に充填した後、温度センサー７が５０℃を示すまでの時間が、受圧部品６から受熱板１への熱伝達の影響を受けたと考えられるように、長くなった。

一方、熱可塑結晶性樹脂をキャビティ１３へ充填する条件や金型温調機からの水量の条件を変えず、熱可塑結晶性樹脂の温度が結晶化温度以下に下がり始めた時点から、移動側金型１０に設けた温度センサー７に通じるそれぞれが穴径５ｍｍの２つの穴１１の一方から、温度２０℃の空気を流量１〜５リットル／分の条件で調節しつつ供給し、他方の孔から温度センサー７内の隙間８を流通してきた空気を排出することにより、受圧部品６の蓄熱を排除しつつ、受熱板１に溶着された温度センサー７が安定して５０℃を示すように条件を変更した。

この結果、成形プロセスを繰り返した場合でも、温度センサー７は、賦形された熱可塑結晶性樹脂成形品を取出した後に、上昇温度を示すことがないと共に、熱可塑結晶性樹脂をキャビティ１３に充填した後に、結晶化温度に低下する時間も一定となった。

一方、成形プロセスを繰り返したが、受熱板１と受圧部品６の距離を０．２ｍｍにおいても、温度センサー７の受熱板１は、塑性変形することなく、温度を感知し続けた。

なお、上述の実施の形態では、温度センサー７の構成において、受熱板１とホルダー３を溶接にて一体構成としているが、接合していても良い。

また、受圧部品６に熱電対を溶着やほかの方法で設置して、受圧部品の温度を測定することにより、移動側金型１０に設けられた２つの穴を用いて入出する流体の温度や量を制御しても良い。

また、受圧部品６の一部が、受熱板１と接する構造でも良い。この場合、受圧部品６から受熱板１へ伝わる熱が、測定される温度への影響を及ぼさない程度とする。

また、樹脂材料は、熱可塑非晶性樹脂や熱硬化性樹脂でも良い。

以上のように、受熱板と受圧部品の間に隙間を有し、耐成形圧性を有する温度センサーと、空気を温度センサーに流通できる本発明による樹脂成形用金型構造とにより、樹脂に直接接触して、樹脂温度を精度高く感知する温度センサーを備えることで、樹脂の温度を高精度に制御し樹脂を成形することができる。

本発明による樹脂成形用金型は、耐圧性を有し、高精度で温度を感知することができる温度センサーを備えていることから、樹脂の温度を高精度に制御し樹脂を成形することに有効である。

本発明の実施の形態１における温度センサーを備えた樹脂成形用金型の断面図受熱板の断面図従来技術における温度センサーを移動側金型に設置した断面図

符号の説明

１受熱板
２熱電対
３ホルダー
４隙間
５貫通穴
６受圧部品
７温度センサー
８隙間
９切り欠き
１０移動側金型
１１穴
１２固定側金型
１３キャビティ
１４圧力ゲージ
１５注入口

Claims

温度センサーを備えた移動側金型と、固定側金型と、前記移動側金型と前記固定側金型により形成されたキャビティに溶融された樹脂を注入する注入口を備えた樹脂成形用金型であって、
前記温度センサーは、
熱電対と、
一方の面が前記移動側金型のキャビティを形成する構成面の一部となり、他方の面に前記熱電対が接触された受熱板と、
前記受熱板の前記他方の面の周縁と一体となる筒状のホルダーと、
フランジの一部分が前記ホルダーの段状内面に接触し、中央に前記熱電対のリード線を通す貫通穴を有する受圧部品とで構成され、
前記受熱板の他方の面と前記受圧部品との間に隙間を設け、前記ホルダーと前記受圧部品との間に前記隙間と連通した隙間を設けたことを特徴とする樹脂成形用金型。
温度センサーを備えた移動側金型と、固定側金型と、前記移動側金型と前記固定側金型により形成されたキャビティに溶融された樹脂を注入する注入口を備えた樹脂成形用金型であって、
前記温度センサーは、
熱電対と、
一方の面が前記移動側金型のキャビティを形成する構成面の一部となり、他方の面に前記熱電対が接触された受熱板と、
前記受熱板の前記他方の面の周縁と接合された筒状のホルダーと、
フランジの一部分が前記ホルダーの段状内面に接触し、中央に前記熱電対のリード線を通す貫通穴を有する受圧部品とで構成され、
前記受熱板の他方の面と前記受圧部品との間に隙間を設け、前記ホルダーと前記受圧部品との間に前記隙間と連通した隙間を設けたことを特徴とする樹脂成形用金型。
前記温度センサーの前記ホルダーと前記受圧部品との隙間に、連通する吸気用と排気用の穴を前記移動側金型に有することを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂成形用金型。
前記受熱板の他方の面と前記受圧部品との隙間が、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の樹脂成形用金型。
前記温度センサーの前記受熱板と前記ホルダーの材質がステンレス鋼であり、
前記受圧部品の材質がステンレス鋼以下の熱伝導率を有する材質であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の樹脂成形用金型。