JP2008302388A - 溶湯流れの検出方法及び検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金型内の溶湯が流れる特定部位における、飛沫の通過位置やその大きさを容易に演算して、キャビティ内の溶湯の流れ具合を詳細に検出することのできる溶湯流れの検出方法及び検出装置を提供する。
【解決手段】金型２０内のキャビティ２１に開口する溶湯流入口２２またはガス抜き口２３を横切る方向に電磁波を放射し、溶湯流入口２２またはガス抜き口２３に到達した飛沫Ａからの反射波の到達時間により飛沫Ａの通過位置（アンテナ部２先端との距離Ｌ）を演算すると共に、反射波強度を、予め作成した反射波強度に対する飛沫大きさの特性マップに対比させて飛沫Ａの大きさを演算できるので、キャビティ２１内の溶湯の流れ具合を詳細に検出することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、射出成形時、キャビティ内の溶湯の流れ具合を詳細に検出することのできる溶湯流れの検出方法及び検出装置に関するものである。

一般に、鋳造成形では、予め、ＣＡＥ（製品、製造または工程設計の支援ソフト）によって金型内の溶湯の流れ具合を推測して適宜金型設計等を行っているが、実際の金型内での溶湯の流れ具合はＣＡＥによる計算結果と異なることが多く、実際の金型内、特にキャビティの溶湯の流れ具合を詳細に検出する必要があった。

そこで、溶湯の流れ状態検出方法の従来技術として、特許文献１には、渦流センサーによる溶湯の湯先の検出方法が開示されている。
すなわち、この特許文献１の発明は、渦流センサーに高周波発信器が接続されており、高周波電流を流して、高周波の磁界を発生させている。これにより、高周波の磁界が発生している渦流センサーの配置部分に、測定対象である溶湯が近づくと溶湯側に渦電流が発生し、この渦電流の磁界によりコイルのインダクタンスが変化する。これに伴い流れる電流の周波数が変化するため、この周波数変化を利用して溶湯の湯先の到達を検出するようにしている。
特開２００６−１０２７７２号公報

しかしながら、上述した特許文献１の発明では、検出された周波数の変化により、渦流センサーが内蔵されている位置と略同じ平面上に飛沫（湯先）が到達したことは検出することができるものの、飛沫が渦流センサーからどれくらの距離を通過したかを検出することができず、しかも、飛沫の大きさも検出することができない。すなわち、渦流センサにより検出される周波数の変化は、渦流センサーからの距離、飛沫大きさ及び飛沫通過速度の３つのパラメータにより支配されているために、周波数の変化だけを測定しても、飛沫の渦流センサーからの距離や飛沫大きさを演算することができない。そのために、金型のキャビティ内の溶湯の流れ具合を詳細に検出することができない。
しかも、特許文献１の発明では、キャビティ内を通過する溶湯の飛沫及びその本流を漏れ無く検出するには発振磁場を増大させる必要があり、そのためには、渦流センサーをサイズアップする必要があるが、渦流センサーをサイズアップしてしまうと、金型の所望の位置に内蔵することが困難となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、金型内の溶湯が流れる特定部位における、飛沫の通過位置やその大きさを容易に演算して、キャビティ内の溶湯の流れ具合を詳細に検出することのできる溶湯流れの検出方法及び検出装置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、特に、本発明の溶湯流れの検出方法は、金型内で溶湯が流れる所定部位を横切るように電磁波を放射し、前記所定部位に到達した飛沫からの反射波の到達時間及び反射波強度を測定し、反射波の到達時間により飛沫の通過位置を演算すると共に、反射波強度を、予め作成した反射波強度に対する飛沫大きさの特性マップに対比させて飛沫の大きさを演算することを特徴としている。
これにより、金型内で溶湯が流れる所定部位を横切るように電磁波を放射して、前記所定部位に到達した飛沫からの反射波の到達時間及び反射波強度を測定し、前記所定部位における飛沫の通過位置及びその大きさを演算できるので、金型内の溶湯の流れを詳細に検出することができる。
なお、本発明の溶湯流れの検出方法及び検出装置の各種態様およびそれらの作用については、以下の（発明の態様）の項において詳しく説明する。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。なお、各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付して、必要に応じて他の項を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載、実施の形態等に参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要件を付加した態様も、また、各項の態様から構成要件を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項、（２）項、（４）項、（６）項、（７）項の各々が、請求項１乃至５の各々に相当する。

（１）金型内の溶湯流れの検出方法であって、金型内で溶湯が流れる所定部位を横切るように電磁波を放射し、前記所定部位に到達した飛沫からの反射波の到達時間及び反射波強度を測定し、反射波の到達時間により飛沫の通過位置を演算すると共に、反射波強度を、予め作成した反射波強度に対する飛沫大きさの特性マップに対比させて飛沫の大きさを演算すること特徴とする溶湯流れの検出方法。
従って、（１）項の溶湯流れの検出方法では、金型内で溶湯が流れる所定部位を横切るように電磁波を放射して、前記所定部位に到達した飛沫からの反射波の到達時間及び反射波強度を測定し、前記所定部位における飛沫の通過位置及びその大きさを演算できるので、金型内の溶湯の流れを詳細に検出することができる。

（２）前記所定部位は、前記金型内のキャビティに開口する溶湯流入口またはガス抜き口であること特徴とする（１）項に記載の溶湯流れの検出方法。
従って、（２）項の溶湯流れの検出方法では、キャビティに開口する溶湯流入口またはガス抜き口に到達した飛沫の流れを検出することで、キャビティ内の溶湯の流れ具合を詳細に検出することができる。

（３）前記所定部位は、キャビティ内の部位であることを特徴とする（１）項に記載の溶湯流れの検出方法。
従って、（３）項の溶湯流れの検出方法では、キャビティ内で溶湯流れを検出したい部位における溶湯の流れを詳細に検出することができる。

（４）マイクロ波乃至ミリ波帯の電磁波を採用することを特徴とする（１）項〜（３）項のいずれかに記載の溶湯流れの検出方法。
従って、（４）項の溶湯流れの検出方法では、飛沫の通過位置及びその大きさを演算する際の最適の伝播特性を有する波長帯の電磁波が選択される。

（５）金型内の溶湯流れの検出方法であって、前記金型内のキャビティに開口する溶湯流入口またはガス抜き口を横切る方向に電磁波を放射し、溶湯流入口またはガス抜き口に到達した飛沫からの反射波の到達時間により前記溶湯流入口またはガス抜き口における飛沫の通過位置を演算することを特徴とする溶湯流れの検出方法。
従って、（５）項の溶湯流れの検出方法では、キャビティに開口する溶湯流入口またはガス抜き口を横切る方向に電磁波を放射して、溶湯流入口またはガス抜き口に到達した飛沫からの反射波の到達時間を測定し、該到達時間により、溶湯流入口またはガス抜き口における飛沫の通過位置を演算できるので、キャビティ内の溶湯の流れ具合を詳細に検出することができる。

（６）金型内の溶湯流れの検出装置であって、該溶湯流れの検出装置は、電磁波を放射及び反射波を受信するアンテナ部を備え、該アンテナ部は、棒状に形成される誘電体と、該誘電体を覆い前記金型の歪から該誘電体を保護する保護部材とから構成されることを特徴とする溶湯流れの検出装置。
（７）前記誘電体は、放射方向に向かって先細りのテーパ状に形成されることを特徴とする（６）項に記載の溶湯流れの検出装置。
従って、（６）項及び（７）項の溶湯流れの検出装置では、誘電体を、棒状で、放射方向に向かって先細りのテーパ状に形成しているので、効率の良い電磁波放射を行うことができ、また、誘電体を保護部材で覆うように保護しているので、誘電体が金型の歪に追従して傾斜または屈曲することを防ぎ、電磁波の放射方向のズレを防止できる。しかも、センサー全体を小型化でき、金型内の所望の位置に配置することができる。

本発明によれば、金型内で溶湯が流れる特定部位における、飛沫の通過位置やその大きさを容易に演算して、キャビティ内の溶湯の流れ具合を詳細に検出することのできる溶湯流れの検出方法及び検出装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図４に基いて詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係る溶湯流れの検出方法は、図３に示すように、金型２０内のキャビティ２１に開口する各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３を横切る方向に電磁波を放射し、各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３に到達した飛沫Ａからの反射波の到達時間及び反射波強度を測定し、該反射波の到達時間により飛沫Ａの通過位置、すなわちアンテナ部２先端からの距離Ｌを演算すると共に、反射波強度を、予め作成した反射波強度に対する飛沫大きさの特性マップに対比させることで飛沫Ａの大きさを演算し、その演算結果を基に、キャビティ２１内の溶湯の流れ具合を詳細に検出できるものである。

一般に、図１及び図２に示すように、鋳造成形の金型２０は可動金型２６と固定金型２５とからなり、固定金型２５に可動金型２６を合わせ閉じた状態で、可動金型２６と固定金型２５との間に製品形状のキャビティ２１が形成される。
また、型閉じ状態で、可動金型２６と固定金型２５との間には、キャビティ２１に開口する複数の溶湯流入口２２と、該各溶湯流入口２２に、後述する射出装置３０が接続される湯口部３１を連絡する溶湯ランナ３２とが形成される。さらに、型閉じ状態で、可動金型２６と固定金型２５との間には、キャビティ２１に開口する複数のガス抜き口２３と、各ガス抜き口２３に減圧装置（図示略）を連絡する各ガス抜きランナと３３が形成される。符号３４は、減圧装置と各ガス抜きランナ３３とを連通・遮断するバルブである。

なお、射出装置３０は、固定金型２５の湯口部３１に結合された射出スリーブ３５と、該射出スリーブ３５内に摺動可能に配設された射出プランジャー３６とから構成されている。この射出プランジャー３６は駆動手段（図示略）により射出スリーブ３５内を進退動可能になっている。また、射出スリーブ３５の後端側上部には、溶湯が給湯される給湯口３７が形成されている。
そして、給湯口３７から射出スリーブ３５内に所定量の溶湯を給湯した後、射出プランジャー３６を前進させることにより、溶湯が固定金型２５の湯口部３１から溶湯ランナー３２、各溶湯流入口２２を経てキャビティ２１内へ射出される。
その後、キャビティ２１内に充填された溶湯は、各ガス抜き口２３から流出してガス抜きランナ３３の途中で停止される。

そして、本発明の実施の形態に係る溶湯流れの検出装置１は、図１〜図３に示すように、金型２０内でキャビティ２１に開口する各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３を横切る方向に電磁波を放射し、各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３に到達した飛沫Ａからの反射波を受信するアンテナ部２を備えている。
アンテナ部２は、図３に示すように、棒状で、放射方向に向かって先細りとなるテーパ状に形成され、例えばセラミック等で構成される誘電体２ａと、該誘電体２ａを覆う筒状に形成され、金型２０の歪により破断せずに該歪を吸収するだけの延性を有し、誘電体２ａを保護する保護部材２ｂ、例えばチタン合金等で構成される保護部材２ｂとからなる。なお、アンテナ部２の誘電体２ａの先端径は、図１に示すように、キャビティ２１に開口する各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３の、アンテナ部２先端からの放射方向と直交する方向の幅Ｍ及びＮと略同等に形成されている。
また、アンテナ部２は、各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３付近の固定金型２５内に配置されており、アンテナ部２の基端部に、例えば導波管等の円形伝送部材３が接続され、該円形伝送部材３の基端部には、発振・受信信号処理回路４が接続されている。これら円形伝送部材３及び発振・受信信号処理回路４を収納した収納筒体４ａは、アンテナ部２と共に固定金型２５内に配置されている。
さらに、発振・受信信号処理回路４には、固定金型２５の外部に配置された演算処理表示装置５が接続されている。

発振・受信信号処理回路４は、マイクロ波（周波数３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）乃至ミリ波帯（周波数３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）の電磁波を発振すると共に、飛沫Ａからの反射波を受信するものである。なお、ミリ波帯（周波数３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）の電磁波を採用することが好ましい。
演算処理表示装置５には、信号収録回路６、解析処理部７及び解析結果表示部８が内蔵されている。
信号収録回路６では、発振・受信信号処理回路４にて受信された信号を記録し、解析処理部７では、信号収録回路６において記録された反射波の受信時間に基いて飛沫Ａとアンテナ部２先端との距離Ｌを演算し、さらに、反射波強度を、予め入力された反射波強度に対する飛沫Ａの大きさの特性マップに対比させて飛沫Ａの大きさを演算する。
そして、解析処理部７での演算結果に基いて、各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３における飛沫Ａの流れ（軌跡）が解析結果表示部８に表示される。

次に、本発明の実施の形態に係る溶湯流れの検出装置１を用いて、本発明の実施の形態に係る溶湯流れの検出方法を説明する。
まず、型閉め後、所定量の溶湯を射出スリーブ３５の給湯口３７から給湯し始めた段階で、本検出装置１の発振・受信信号処理回路４を起動させて、電磁波をアンテナ部２から各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３を横切る方向に連続的に放射する。
その後、溶湯は射出プランジャー３６が前進されることで、射出スリーブ内３５から金型２０内の溶湯ランナー３２を通過して、キャビティ２１に開口する各溶湯流入口２２に到達し始める。
同時に、各溶湯流入口２２に飛沫Ａが到達すると、溶湯の飛沫Ａからの反射波を発振・受信信号処理回路４で受信し、その到達時間Ｔを測定して、解析処理部６により到達時間Ｔに基いて反射波の飛沫Ａの位置、すなわち、飛沫Ａとアンテナ部２先端との距離Ｌが演算される。
その演算式は、距離Ｌ＝Ｃ（Ｔ−Ｔ０）／２となる。（但し、Ｃ：光速度，Ｔ：反射波の到達時間，Ｔ０：発振・受信信号処理回路４から誘電体２先端までの電磁波の伝播時間）
さらに、発振・受信信号処理回路４から信号収録回路６を経由して解析処理部６に送られた飛沫Ａからの反射波強度を、予め解析処理部６に入力された反射波強度に対する飛沫Ａの大きさの特性マップに対比させることで、飛沫Ａの大きさを演算する。

そして、解析処理部７により演算された、各溶湯流入口２２における飛沫Ａの通過位置（アンテナ部２先端との距離Ｌ）及び飛沫Ａの大きさの各演算結果に基いて、図４のような、溶湯流入口２２における飛沫Ａの流れ（軌跡）が解析結果表示部８に表示される。
すなわち、図４では、その濃淡が飛沫Ａからの反射波強度の大小を示しており、この濃い部分が飛沫Ａの流れ（軌跡）を示し、飛沫Ａの位置及びその大きさを時系列で把握することができる。但し、アンテナ部２からの電磁波の放射方向に、ある大きさの飛沫Ａ、Ａ’が重なった場合、アンテナ部２の手前に位置する飛沫Ａの距離Ｌ及びその大きさは測定可能であるが、奥に位置する飛沫Ａ’については、その飛沫Ａ’の一部が手前に位置する飛沫Ａからずれている場合は、その距離Ｌは測定可能であるが、その大きさは測定することができない。また、奥に位置する飛沫Ａ’が手前に位置する飛沫Ａと完全に重なった場合には、その距離Ｌ及び大きさ共に測定することができない。

また、各ガス抜き口２３にも各溶湯流入口２２と同様に電磁波が連続的に放射されているために、溶湯がキャビティ２１内に充填された後、溶湯が各ガス抜き口２３から流出する際、各ガス抜き口２３に到達した飛沫Ａの通過位置及びその大きさが演算され、その演算結果に基いて、図４のような、各ガス抜き口２３における飛沫Ａの流れ（軌跡）が解析結果表示部８に表示される。

このように、キャビティ２１に開口する各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３に到達した飛沫Ａの通過位置及びその大きさが演算できるので、キャビティ２１内での溶湯充填順序等、キャビティ２１内の溶湯の流れ具合を詳細に検出することができる。当然ながら、給湯を開始してから各溶湯流入口２２までの飛沫Ａの到達時間及び各ガス抜き口２３までの到達時間も明確になる。

なお、本発明の実施の形態では、アンテナ部２は、キャビティ２１に開口する各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３付近の固定金型２５内に配置されているが、その他、キャビティ２１内で溶湯の流れ具合をさらに詳細に検出したい部位があれば、その部位に複数の電磁波が横切るようにして、且つ複数の電磁波を互いに略平行に放射できるように、固定金型２５内にアンテナ部２を並べて配置し、その部位での飛沫Ａの通過位置及びその大きさを演算して、キャビティ２１内の溶湯の流れ具合をより詳細に検出することも可能である。
また、本発明の実施の形態では、各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３に到達した飛沫Ａの通過位置及びその大きさを演算しているが、各溶湯流入口２２に到達した飛沫Ａの通過位置だけを演算すれば、キャビティ２１内の溶湯の流れ具合をある程度検出することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態では、電磁波を放射及び反射波を受信するアンテナ部２を、金型２０の固定金型２５内で、キャビティ２１に開口する各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３を横切る方向に電磁波を放射できるように配置して、各溶湯流入口２２及び各ガス抜き口２３を通過する飛沫Ａの通過位置（アンテナ部２先端との距離Ｌ）を反射波の到達時間により簡単に演算することができ、しかも、反射波強度を、予め作成した反射波強度に対する飛沫大きさの特性マップに対比させることで、飛沫Ａの大きさを演算することができる。これにより、キャビティ２１内の溶湯充填順序等、キャビティ２１内の溶湯の流れを詳細に検出することができる。

また、本発明の実施の形態では、計測媒体として、マイクロ波乃至ミリ波帯の電磁波を採用しているので、従来（特許文献１に記載された渦流センサー）よりも、センサー（アンテナ部２）を小型化でき、金型２０内の所望の部位に配置することができる。

さらに、本発明の実施の形態で採用したアンテナ部２は、その誘電体２ａが、棒状で、放射方向に向かってテーパ状に形成されているので、効率の良い電磁波放射を行うことができる。また、誘電体２ａを、金型２０の歪により破断せずに該歪を吸収するだけの延性を有する保護部材２ｂで覆うように保護しているので、誘電体２ａが金型２０の歪に追従して傾斜または屈曲することを防ぎ、電磁波の放射方向がズレることがなく、飛沫Ａの通過位置及びその大きさを正確に演算することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る溶湯流れの検出装置のアンテナ部の配置を示す金型内の断面図である。 図２は、図１と同様で、本溶湯流れの検出装置のアンテナ部の配置を示す金型内の断面図である。 図３は、本溶湯流れの検出装置のアンテナ部の拡大断面図である。 図４は、本溶湯流れの検出装置の解析結果表示部に表示される飛沫の流れ（軌跡）を示した図である。

符号の説明

１ 検出装置，２ アンテナ部，２ａ 誘電体，２ｂ 保護部材，３ 円形伝送部材，４ 発振・受信信号処理回路，５ 演算処理表示装置，６ 信号収録回路，７ 解析処理部，８ 解析結果表示部，２０ 金型，２１ キャビティ，２２ 溶湯流入口，２３ ガス抜き口，２５ 固定金型，２６ 可動金型，Ａ 飛沫

Claims (5)

1. 金型内の溶湯流れの検出方法であって、
   金型内で溶湯が流れる所定部位を横切るように電磁波を放射し、前記所定部位に到達した飛沫からの反射波の到達時間及び反射波強度を測定し、反射波の到達時間により飛沫の通過位置を演算すると共に、反射波強度を、予め作成した反射波強度に対する飛沫大きさの特性マップに対比させて飛沫の大きさを演算することを特徴とする溶湯流れの検出方法。
2. 前記所定部位は、前記金型内のキャビティに開口する溶湯流入口またはガス抜き口であることを特徴とする請求項１に記載の溶湯流れの検出方法。
3. マイクロ波乃至ミリ波帯の電磁波を採用することを特徴とする請求項１または２に記載の溶湯流れの検出方法。
4. 金型内の溶湯流れの検出装置であって、
   該溶湯流れの検出装置は、電磁波を放射及び反射波を受信するアンテナ部を備え、該アンテナ部は、棒状に形成される誘電体と、該誘電体を覆い前記金型の歪から該誘電体を保護する保護部材とから構成されることを特徴とする溶湯流れの検出装置。
5. 前記誘電体は、放射方向に向かって先細りのテーパ状に形成されることを特徴とする請求項４に記載の溶湯流れの検出装置。