JP2008290412A - 樹脂シートの熱成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トグル機構により型締めを行う熱成形装置において、型締め力の検知を可能とし、金型等の破損を未然に防止する。
【解決手段】熱成形装置としての真空圧空成形装置１０は、トグル機構２２の揺動リンク２６を固定位置で支持する固定支軸１８を有する。固定支軸１８には、これに隣接してセンサ４０が設けられ、このセンサ４０によって型締め時における固定支軸１８のたわみ量が測定される。
【選択図】図４

Description

本発明は、樹脂シートの熱成形装置に関する。

樹脂シートから、食品、電気部品、日用品、医薬品等を収容する容器や当該容器の蓋材等の成形品を成形するための製造ラインにおいては、加熱された樹脂シートを型締めすることで容器等を成形する熱成形装置が使用されている。この種の熱成形装置で採用される熱成形法としては、真空成形、圧空成形、真空圧空成形、プレス成形等が公知であり、容器の形状、厚み等に応じて適宜使い分けられている。

上記の熱成形法のうち、真空引きと圧空の供給を併用して、加熱された樹脂シートを型に沿わせて変形させ、容器を成形する真空圧空成形では、型締めに際して、型同士を衝合させた後、キャビティへの圧空供給で生じる型開きを防止するため、空気圧よりも大きな型締め力を加える必要がある。この大きな型締め力を機械的に得るため、金型の駆動機構としてトグル機構（倍力装置）を採用する場合がある。また、真空圧空成形のみならず、発泡ＰＳＰ等の発泡材からなる樹脂シートに加圧力を付与し、その気孔を潰すことで容器を成形するプレス成形でも、金型の駆動機構としてトグル機構を採用する場合がある（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００２−１７２５９２号公報

上記のようなトグル機構を採用した熱成形装置において、金型を異なる厚みのものに交換した場合や温度変化に伴って金型厚みが変動した場合、０点調整する必要がある。０点調整は、例えば、トグル機構と分離独立して設けたジャッキ機構を用いて型を上下させ、型同士を衝合させることにより行われる。ジャッキ機構の操作中、トグル機構のリンクは動かない。

トグル機構は、リンクの姿勢によって、その出力が大きく変動する。従って、０点調整時には、リンクの姿勢を厳密に管理する必要がある。リンクの姿勢が狂った状態で０点調整を行うと、型締め時に過大な型締め力が作用し、金型の破損や熱成形装置の故障を招くおそれがあるからである。しかしながら、この種のトグル機構を採用した樹脂シートの熱成形装置では、型締め力を検知する手法が確立されていないのが現状である。

本発明の課題は、型締め力を検知可能とし、金型の破損や装置の故障を未然に防止し得る樹脂シートの熱成形装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明では、トグル機構により型締めを行う樹脂シートの熱成形装置であって、トグル機構のリンクを固定位置で支持する固定支軸を有し、固定支軸のたわみ量をセンサで測定することを特徴とする樹脂シートの熱成形装置を提供する。

トグル機構により型締めを行う熱成形装置では、型締めに伴って金型やトグル機構に型締め力と同等の反力が作用する。反力は何らかの部材にたわみとなって現れ、かつたわみ量は型締め力に比例して大きくなる。従って本発明のように、固定支軸のたわみ量をセンサで測定すれば、型締め力を間接的に測定することが可能となり、測定値に基づいて非常停止等の安全装置を構築することができる。これにより、金型の破損や装置の故障を未然に防止して投資の抑制を図ることが、また、破損に伴う金型交換の手間を省き生産性の向上を図ることができる。固定支軸はトグル機構のリンクのように姿勢や位置が変化することがないので、センサの設置が容易であり、かつたわみ量を精度良く測定できることが、すなわち微小な型締め力の変動を検知することができ、好適である。

トグル機構の駆動源としては、油圧シリンダやサーボモータを採用することが可能であるが、サーボモータは、移動・停止や移動速度などを高精度に制御することができ、望ましい。安全装置を構築した場合に、その効果を有効に享受することができるからである。

以上のように、本発明によれば、型締め力を検知することが可能となり、金型の破損や熱成形装置の故障を未然に防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る熱成形装置を組み込んだ容器成形装置の全体構造を概念的に示す側面図である。同図に示す容器成形装置１は、基台２と、基台２上に設置された加熱装置４と、樹脂シート３から容器（厳密には、複数の容器が連続した連続製品）を成形する熱成形装置としての真空圧空成形装置１０と、搬送手段６と、操作パネル９とを主要な構成として備える。なお、容器成形装置１には、真空圧空成形装置１０で型成形された連続製品を個々の容器に切断する切断装置（トリミング装置ともいう）や切断された容器を集積する集積装置等をさらに設けることも可能である。

この容器成形装置１で使用可能な樹脂シート３に特段の限定はなく、例えば、ポリスチレン（ＰＳ）、発泡ポリスチレン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポロプロピレン（ＰＰ）、メタクリル樹脂、生分解性樹脂等からなるシートを使用することができる。また、耐水性や耐熱性を考慮して複数の樹脂を積層したシートを使用することも可能である。

図２（Ａ）は、図１に示す容器成形装置１の主要部の配置を概念的に示すものである。搬送手段６は、樹脂シート３を容器成形装置１の始端から終端に至るまで搬送するものであり、例えば、図２（Ｂ）（Ｃ）にも示すように、チェーン（ベルトでもよい）７と、チェーン７の下方に配置されて樹脂シート３の搬送をガイドする搬送ガイド８とを樹脂シート３の幅方向両端部に配して構成される。

加熱装置４は、樹脂シート３を成形適温に加熱軟化させるものであり、樹脂シート３の搬送路の上方および下方のうち少なくとも何れか一方（本実施形態では下方。図２（Ｂ）を参照。）に設置された一又は複数のヒーター５を主要部として構成される。

真空圧空成形装置１０には、樹脂シート３を容器に成形する上型１２および下型１４からなる金型が設けられる。本実施形態では、上型１２および下型１４の双方が可動型である。下型１４の上面には、容器形状に対応したキャビティ１４ａが複数設けられている。各キャビティ１４ａには、下型１４の裏面に通じる吸気孔１４ｂが一又は複数設けられ、この吸気孔１４ｂには図示しない吸気装置が接続される。一方、上型１２には、図示しないエアコンプレッサから送り込まれた圧縮空気をキャビティ１４ａ（樹脂シート３）に供給するための供給口１２ａが一又は複数設けられる。図示は省略するが、下型１４には、成形動作の繰り返しによる過昇温を防止するための冷却手段が設けられている。

操作パネル９は、例えば、容器成形装置１の運転・停止、自動運転および各装置の単独運転の切り替え、非常停止、サイクル数の設定、サイクルタイムの設定、加熱温度の設定、樹脂シート３の送りピッチの設定等を行うものである。容器成形装置１の運転中には各装置の動作状態が、この操作パネル９にモニタリング表示される。

以上の構成からなる容器成形装置１を用いた容器の成形手順を以下説明する。まず、図示しない原反ロールから繰り出された樹脂シート３の幅方向両端部を搬送手段６にセットする。次いで、搬送手段６を作動させて樹脂シート３を加熱装置４に送り込み、樹脂シート３を成形適温まで加熱軟化させた後、樹脂シート３を真空圧空成形装置１０に送り込む。真空圧空成形装置１０に所定量樹脂シート３が送り込まれると、上型１２および下型１４を相互に接近させて型締めを行う。型締め完了後、吸気孔１４ｂに接続された図示しない吸気装置を作動させ、樹脂シート３をキャビティ１４ａ側に引き込む（真空引き）。これと同時に供給口１２ａに接続されたエアコンプレッサから供給口１２ａを介して樹脂シート３（キャビティ１４ａ）に圧縮空気を供給し（圧空供給）、樹脂シート３をキャビティ１４ａに沿わせて変形させる。真空引きと圧空供給とを停止した後、型開きを行って容器を取り出す。以後、以上の動作を並行して行い、容器を自動的に連続成形する。

次に、上記真空圧空成形装置１０の全体構造を図面に基づいて説明する。

図３は、図１に示す真空圧空成形装置１０の全体構造の一例を概念的に示す側面図である。同図に示す真空圧空成形装置１０は、複数の支柱１１ａおよび梁１１ｂからなるフレーム１１と、支柱１１ａに沿って昇降可能に設けられた上型１２を固定した上テーブル１３および下型１４を固定した下テーブル１５と、上テーブル１３を昇降させる第１の駆動機構２０と、下テーブル１５を昇降させる第２の駆動機構３０とを主要な構成として備える。支柱１１ａにはそれぞれガイド１１ｃが固定され、上テーブル１３および下テーブル１５は、その側面にそれぞれ固定されたスライド部材１６をガイド１１ｃに係合させることにより、水平状態を保持したまま支柱１１ａに沿って昇降可能とされている。なお、図３は、上テーブル１３が下死点に位置すると共に下テーブル１５が上死点に位置した状態、すなわち型締め状態を示すものである。

第１の駆動機構２０は、駆動源としてのサーボモータ２１の出力を、トグル機構２２を介して上テーブル１３の昇降運動に変換する。トグル機構２２は、サーボモータ２１の回転軸２１ａに連結されたクランク２３と、固定支軸１８により揺動自在に支持され、固定支軸１８により支持された部分を境界として屈曲した形状を呈する揺動リンク２６と、上テーブル１３に固定され、上テーブル１３と共に昇降する昇降リンク２８と、クランク２３および揺動リンク２６の一端にそれぞれピン結合された第１の連結リンク２４と、揺動リンク２６の他端および昇降リンク２８にそれぞれピン結合された第２の連結リンク２７とを有するリンク機構である。本実施形態では、このトグル機構２２が、樹脂シート３の幅方向に離隔して二つ設けられている。

本実施形態では、各トグル機構２２において、揺動リンク２６、第２の連結リンク２７、および昇降リンク２８がシート搬送方向に離隔して二つずつ配設され、両揺動リンク２６の両端の結合ピン２５ａ，２５ｃ間に配置された固定支軸１８も、上下方向の位置を同じくして平行に配置されている。両揺動リンク２６の一端は、両揺動リンク２６の姿勢を同じにした状態で、二つの固定支軸１８の中心を結ぶ線と平行に配置した第３の連結リンク２９で連結される。これにより、第３の連結リンク２９、梁１１ｂ、および両揺動リンク２６で平行クランク機構が形成され、両揺動リンク２６が同期して揺動可能となる。図３に示す型締め状態では、固定支軸１８、揺動リンク２６と第２の連結リンク２７との結合ピン２５ａ、および第２の連結リンク２７と昇降リンク２８との結合ピン２５ｂが上下方向の一直線上にある。トグル機構の特性上、固定支軸１８と結合ピン２５ａ，２５ｂが一直線となる直前に上テーブル１３に強大な型締め力が作用することになる。

第２の駆動機構３０は、基本的な構成は第１の駆動機構２０と同一であり、駆動源としてのサーボモータ３１の出力を、トグル機構３２を介して下テーブル１５の昇降運動に変換する。トグル機構３２は、サーボモータ３１の回転軸３１ａに連結されたクランク３３と、固定支軸１８により揺動自在に支持され、固定支軸１８により支持された部分を境界として屈曲した形状を呈する揺動リンク３６と、下テーブル１５に固定され、下テーブル１５と共に昇降する昇降リンク３８と、クランク３３および揺動リンク３６の一端にそれぞれピン結合された第１の連結リンク３４と、揺動リンク３６の他端および昇降リンク３８にそれぞれピン結合された第２の連結リンク３７とを有するリンク機構である。このトグル機構３２は、上記のトグル機構２２と同様に、樹脂シート３の幅方向に離隔して二つ設けられている。

各トグル機構３２において、揺動リンク３６、第２の連結リンク３７、および昇降リンク３８がシート搬送方向に離隔して二つずつ配設され、両揺動リンク３６の両端の結合ピン３５ａ，３５ｃ間に配置された固定支軸１８も、上下方向の位置を同じくして平行に配置されている。両揺動リンク３６の一端は、両リンク３６の姿勢を同じにした状態で、二つの固定支軸１８の中心を結ぶ線と平行に配置した第３の連結リンク３９で連結される。これにより、第３の連結リンク３９、梁１１ｂ、および両揺動リンク３６で平行クランク機構が形成され、両揺動リンク３６が同期して揺動可能となる。図３に示す型締め状態では、固定支軸１８、揺動リンク３６と第２の連結リンク３７との結合ピン３５ａ、および第２の連結リンク３７と昇降リンク３８との結合ピン３５ｂが上下方向の一直線上にある。トグル機構の特性上、固定支軸１８と結合ピン３５ａ，３５ｂが一直線となる直前に下テーブル１５に強大な型締め力が作用することになる。

なお、本実施形態における両揺動リンク２６，３６の形状の相違点を具体的に述べると、図中上側の揺動リンク２６は、結合ピン２５ａ、固定支軸１８、および結合ピン２５ｃで形成される三角形のうち、固定支軸１８を頂点とする部分の内角が鈍角であるのに対し、図中下側の揺動リンク３６は、結合ピン３５ａ、固定支軸１８、および結合ピン３５ｃで形成される三角形のうち、固定支軸１８を頂点とする部分の内角が鋭角とされている。

図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第１の駆動機構２０を構成するトグル機構２２のうち、図中右側の揺動リンク２６を支持する固定支軸１８の上方には、ブラケット４２を介して小梁４１に固定されたセンサ４０が設けられている。このセンサ４０は、型締めに伴って上型１２、上テーブル１３、昇降リンク２８、第２の連結リンク２７、および揺動リンク２６を介して固定支軸１８に作用する型締め力の反力Ｐ（図４（Ｃ）を参照）により、両端部（軸受支持部）を支点として固定支軸１８に生じるたわみの量を測定するものである。センサ４０は、固定支軸１８の軸方向中央部に配置されている。使用可能なセンサ４０に特段の限定はなく、例えば、レーザ変位センサ、ＬＥＤ変位センサ、超音波変位センサ等の非接触型の変位センサ、あるいは接触型の変位センサやひずみゲージ（ロードセル）等が使用可能である。なお、図４（Ｂ）において、実線は型締め状態における揺動リンク２６の姿勢を、二点鎖線は型開き状態における揺動リンク２６の姿勢をそれぞれ示している。

センサ４０には、図示しない制御装置が接続されており、制御装置はサーボモータ２１に接続されている。制御装置には型締め力と固定支軸１８のたわみ量の関係を示すデータが予め入力されており、サーボモータ２１は、センサ４０で測定された固定支軸１８のたわみ量に基づいて、その回転量（型締め力）が制御される。

型締め力と固定支軸１８のたわみ量との関係は、例えば以下示す手法で導き出すことができる。まず、図５に示すように、上テーブル１３を上死点、下テーブル１５を下死点に位置させた状態で、上テーブル１３に上型の厚みに対応したダミー型４３を、下テーブル１５に内部に油圧室４５を有する下型の厚みに対応したダミー型４４をそれぞれ固定する。次いで、ダミー型４３，４４を相互に接近させて型締めを行い、型締め時における油圧室４５の油圧をセンシングすることで型締め力を測定し、これと同時に固定支軸１８のたわみ量を測定する。上記手順を厚みの異なる複数のダミー型４３，４４を用いて数回〜数十回繰り返すことにより、型締め力と固定支軸１８のたわみ量との関係が導き出される。

以上の構成からなる真空圧空成形装置１０の動作を以下説明する。なお、第１および第２の駆動機構２０，３０の動作は基本的に同一であるから、ここでは第１の駆動機構２０の動作について説明を行い、第２の駆動機構３０の動作についての説明は省略する。

まず、図３に示す上テーブル１３が下死点に位置した状態からサーボモータ２１の回転軸２１ａを時計回りに回転させてクランク２３を時計回りに回転させると、第１の連結リンク２４に連結された一方側（図中左側）の揺動リンク２６が固定支軸１８を支点として時計回りに回転（揺動）し、これと同時に一方側の第２の連結リンク２７が反時計回りに回転する。このとき、第３の連結リンク２９で一方側の揺動リンク２６に連結された他方側（図中右側）の揺動リンク２６および第２の連結リンク２７も、同じ動作をする。このように揺動リンク２６および第２の連結リンクが回転すると、上テーブル１３が上方に移動する。そして、クランク２３を１８０°回転させると、図６に示すように、上テーブル１３が上死点に位置した状態、すなわち型開き状態となる。これら一連の動作を繰り返すことにより上型１２の型締めおよび型開きが行われる。

上型１２は、上テーブル１３が下死点に達する直前に下型１４と衝合する。両型１２，１４の衝合後、図示しない吸気装置による真空引きと図示しないエアコンプレッサによる圧空供給とがなされ、樹脂シート３から容器が成形される。このとき、固定支軸１８と結合ピン２５ａ，２５ｂが一直線となるようにトグル機構２２の各リンクが作動することにより空気圧よりも大きな型締め力が金型に作用する。これにより、容器成形時における型開き（エアー漏れ）が防止される。

そして、型締め時（圧空供給時）には、上型１２、上テーブル１３、昇降リンク２８、第２の連結リンク２７、および揺動リンク２６を介して固定支軸１８に型締め力の反力Ｐ（図４（Ｃ）を参照）が作用する。かかる反力Ｐによって固定支軸１８にたわみ（図４（Ｃ）中、点線で示す）が生じると、たわみ量がセンサ４０で測定され、測定されたたわみ量は制御装置に入力される。制御装置は、この測定されたたわみ量に応じてサーボモータ２１の回転量を制御し、たわみ量が過大な場合、すなわち型締め力が過大な場合にはサーボモータ２１の駆動を停止させる。このとき、操作パネル９には、予め制御装置に入力された型締め力とたわみ量の関係を示すデータに基づいて固定支軸１８のたわみ量から換算された型締め力がモニタリング表示される。

以上に示すように、固定支軸１８のたわみ量をセンサ４０で測定すれば、型締め力を間接的に検知することが可能となり、安全装置を構築することができる。これにより、金型の破損や装置の故障を未然に防止して投資の抑制を図ることが、また、破損に伴う金型交換の手間を省き生産性の向上を図ることができる。なお、固定支軸１８はトグル機構２２の各リンクのように姿勢が変化することもないので、センサ４０の設置が容易で、かつたわみ量を精度良く測定することが、すなわち微小な型締め力の変動を正確に検知することができ、望ましい。

なお、本実施形態では、図４（Ａ）にも示すように、固定支軸１８に対する反力Ｐの作用点となる揺動リンク２６が固定支軸１８の両端から等距離離隔した二箇所に設けられているため、固定支軸１８のたわみ量はその軸方向中央部で最も大きくなる。従って、固定支軸１８の軸方向中央部にセンサ４０を配置した本実施形態においては、固定支軸１８のたわみ量を精度良く測定することが、すなわち型締め力を高精度に検知することができ、金型の破損や装置の故障を一層効果的に防止することができる。

また、本実施形態では、トグル機構２２の駆動源としてサーボモータ２１を使用している。サーボモータは、移動・停止や移動速度などを高精度かつ高速に制御することができる。従って、過大な型締め力が金型に負荷された場合には、トグル機構２２の運転を即座に停止することができ、金型の破損等をより一層効果的に防止することができる。

なお、以上では、センサ４０を上側の固定支軸１８に隣接して設けた場合について説明を行ったが、センサ４０は、下側の固定支軸１８に隣接して設けることも、またあるいは上側および下側の双方の固定支軸１８に隣接して設けることも可能である。

また、以上で説明したトグル機構２２，３２のリンク機構の構成および形状はあくまでも一例であり、これらは任意に変更することができる。リンク機構の構成を変更した場合、何れかのリンクの固定支軸（フレームの固定位置にある支軸をいう。但しサーボモータの回転軸は除く）に隣接してセンサ４０を設ければ、上記同様の作用効果が得られる。

また、以上では、上型１２および下型１４の双方が可動するタイプの真空圧空成形装置１０について説明を行ったが、上記本発明は、上型１２又は下型１４の何れか一方が可動するタイプの真空圧空成形装置にも好ましく適用することができる。

また、以上では、真空圧空成形装置に本発明を適用した場合について説明を行ったが、本発明は、例えば発泡材からなる樹脂シート３に加圧力を付与し、その気孔を潰すことで容器を成形するプレス成形装置にも好ましく適用することができる。

本発明に係る熱成形装置を組み込んだ容器成形装置の全体構造を概念的に示す側面図である。 （Ａ）図は図１に示す容器成形装置の主要部の概念説明図、（Ｂ）図は加熱装置における各部材の相互関係を概念的に示す図、（Ｃ）図は熱成形装置における各部材の相互関係を概念的に示す図である。 本発明に係る熱成形装置の全体構造を概念的に示す図である。 （Ａ）図は熱成形装置の一部上面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＡ−Ａ’断面図、（Ｃ）図は（Ａ）図のＢ−Ｂ’断面図である。 型締め力とたわみ量の関係を求める手段の一例を示す図である。 熱成形装置の型開き状態を概念的に示す図である。

符号の説明

１ 容器成形装置
３ 樹脂シート
９ 操作パネル
１０ 真空圧空成形装置（熱成形装置）
１１ フレーム
１１ａ 支柱
１１ｂ 梁
１１ｃ ガイド
１２ 上型
１２ａ 供給口
１３ 上テーブル
１４ 下型
１４ａ キャビティ
１４ｂ 吸気孔
１５ 下テーブル
１８ 固定支軸
２０ 第１の駆動機構
３０ 第２の駆動機構
２４、３４ 第１の連結リンク
２６、３６ 揺動リンク
２７、３７ 第２の連結リンク
２９、３９ 第３の連結リンク
４０ センサ
Ｐ 反力

Claims (2)

1. トグル機構により型締めを行う樹脂シートの熱成形装置であって、
   トグル機構のリンクを固定位置で支持する固定支軸を有し、固定支軸のたわみ量をセンサで測定することを特徴とする樹脂シートの熱成形装置。
2. トグル機構が、サーボモータを駆動源とする請求項１記載の樹脂シートの熱成形装置。

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