JP2010201806A

JP2010201806A - 超音波振動成形方法及び超音波振動成形装置

Info

Publication number: JP2010201806A
Application number: JP2009050401A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Sunai; 大輔簾内; Tomohiro Kimura; 知弘木村; Yukihisa Hoshino; 幸久星野; Hiromasa Tonozuka; 大雅土濃塚
Original assignee: UTHE JAPAN KK; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: UTHE JAPAN KK; Denka Co Ltd
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】ノズルへのメヤニの付着を抑制でき、適用可能なノズル形状に制約がなく、印加する超音波振動の腹・節の位置の調整が不要な超音波振動成形方法の提供。
【解決手段】ノズルに超音波振動を印加しながら成形材料の押出し成形を行う超音波振動成形方法において、ノズルに印加する超音波振動の周波数を所定範囲で変化させながら、ノズルのインピーダンスが最も低下する周波数を検出するステップＳ_１と、検出された周波数を中心発振周波数とした超音波振動をノズルに印加するステップＳ_２と、を含む超音波振動成形方法を提供する。

【選択図】図２

Description

本発明は、超音波振動成形方法及び超音波振動成形装置に関する。より詳しくは、ノズルに印加される超音波振動を所定周波数に自動制御する超音波振動成形方法等に関する。

熱可塑性樹脂の押出成形においては、押出機、ノズル（ダイ、金型）及び引張り装置等から構成される押出成形装置を用いて、押出機に供給した原料樹脂を加熱溶融させ、ノズルを通して押し出すことにより、一定の断面を有する成形品を連続的に成形している。

押出成形装置による成形を長時間行う場合、原料樹脂や添加剤の熱分解によって生じた不純物がノズル内に堆積し、堆積した不純物がノズルに析出して付着してくることがある。このようなノズルに付着してくる不純物は、俗に「メヤニ」と称されている。ノズルに付着したメヤニは、成形品にダイライン（すじ）を生じさせたり、ノズルから落下して成形品に付着したりするために、成形品の品質を低下させる要因となっている。

メヤニによる成形品の品質低下を防止するための技術として、超音波振動成形がある。超音波振動成形では、ノズルに超音波振動を印加して振動させることによって、ノズルへのメヤニの付着や凝集を防止するものである。

例えば、特許文献１には、ダイスを超音波によってｎ波長共振させ、共振の腹部がダイスの押出口の位置と一致するようにして成形を行う押出成形方法が開示されている。この技術によれば、超音波振動をダイに効果的に作用させることにより振動を効率よく伝達し、かつ共振の腹部を利用して、成形材料、特に流動性の悪い材料のダイ内における流動性を良好とすることができる。

また、特許文献２には、押出成形装置に用いられる超音波成形用ダイであって、振動体の振動部が樹脂流路を流れる樹脂に直接接触しない状態で設けられ、かつ、振動部から樹脂流路までの距離が、印加される超音波の波長の１／８より短いことを特徴とする超音波成形用ダイが開示されている。この技術によれば、樹脂流路に露出した振動部に起因するダイラインや平滑性乱れを防止でき、また、異物が樹脂流路に付着することを防止できる。

特開平２−１４１２２２号公報特開２００５−１８６３２１号公報

上記の特許文献１に開示される押出成形方法や特許文献２に開示される超音波成形用ダイによれば、メヤニの原因となる流動性の悪い材料のノズル内における流動性を改善して、ノズルへの付着を防止することができる。

しかしながら、これらの方法では、適用可能なノズル形状に制約があり、また印加する超音波振動の腹（周波数の凸部）と節（周波数の合流部）位置の調整が必要となる。一般にノズルはその形状の複雑性から固有振動数をひとつに固定して設計することが困難であるため、これらの従来方法では、ノズルの固有振動数が少しでもずれると、ノズルへの負荷が高くなって発熱やクラックが発生する場合があった。

そこで、本発明は、ノズルへのメヤニの付着を抑制でき、適用可能なノズル形状に制約がなく、印加する超音波振動の腹・節の位置の調整が不要な超音波振動成形方法を提供することを主な目的とする。

上記課題解決のため、本発明は、ノズルに超音波振動を印加しながら成形材料の押出し成形を行う超音波振動成形方法において、ノズルに印加する超音波振動の周波数を所定範囲で変化させながら、ノズルのインピーダンスが最も低下する周波数を検出するステップと、検出された周波数を中心発振周波数とした超音波振動をノズルに印加するステップと、を含む超音波振動成形方法を提供する。
この方法では、ノズルをそのインピーダンスが最も低下する周波数域により超音波振動させることができる。
この方法において、ノズルのインピーダンスが最も低下する周波数を検出するステップは、ノズルに印加する超音波振動の周波数を３３〜３７ｋＨｚの範囲で１秒間に１０〜１００回往復させて変化させながら行うことが好ましい。
また、本発明は、ノズルに超音波振動子が結合された超音波振動成形装置であって、周波数が所定範囲で変化する超音波振動が印加されるノズルについて、インピーダンスが最も低下する周波数を検出するインピーダンス解析手段と、
インピーダンス解析手段からの信号出力を受けて、ノズルに印加する超音波振動の中心発振周波数を制御する周波数制御手段と、を備える超音波振動成形装置をも提供する。

本発明により、ノズルへのメヤニの付着を抑制でき、適用可能なノズル形状に制約がなく、印加する超音波振動の腹・節の位置の調整が不要な超音波振動成形方法が提供される。

本発明に係る超音波振動成形装置の構成を模式的に示すブロック図である。本発明に係る超音波振動成形方法の手順を説明するフローチャートである。ノズルへのアタッチメントを介した振動子の接続方法を説明する模式図である。

図１は、本発明に係る超音波振動成形装置の構成を模式的に示すブロック図である。また、図２は、この超音波振動成形装置の動作を示し、本発明に係る超音波振動成形方法の手順を説明するフローチャートである。

図１中符号１で示す超音波振動成形装置は、加熱溶融した原料樹脂等の成形材料を一定の断面を有する成形品として押し出すノズル１１と、ノズル１１に超音波振動を印加する振動子１２と、超音波振動子を所定の周波数域で振動させる発振器１３とを備える。また、ここでは図示を省略するが、超音波振動成形装置１は、一般的な成形装置と同様に、押出機及び引張り装置等を含んで構成されている。

図１中符号１４は、ノズル１１に印加される超音波振動の周波数を制御する周波数制御手段を示す。周波数制御手段１４は、図２中符号Ｓ_１で示す「スイープ振動ステップ」において、発振器１３を制御して、振動子１２からノズル１１に印加される超音波振動の周波数を所定範囲で変化させる。具体的には、周波数制御手段１４は、ノズル１１に印加される超音波振動の周波数を例えば３３〜３７ｋＨｚの範囲で１秒間に１０〜１００回往復（スイープ）させて変化させる。

スイープ振動ステップＳ_１は、発振子１２からみた負荷であるノズル１１について、そのインピーダンスが最も低下する周波数を検出するためのステップである。スイープ振動ステップＳ_１では、周波数制御手段１４によって振動子１２からノズル１１に印加される超音波振動の周波数を所定範囲（例えば、３３〜３７ｋＨｚ）で変化させながら、同周波数範囲内においてノズル１１のインピーダンスが最も低くなる周波数を検出する。

ノズル１１のインピーダンスが最も低下する周波数の検出は、図１中符号１５で示すインピーダンス解析手段により行われる。インピーダンス解析手段１５は、振動子１２から所定範囲でスイープされる超音波振動が印加されているノズル１１について、インピーダンスの変化を検知し、インピーダンスが最小となる周波数を検出する。そして、検出した周波数を電気信号に変換し、周波数制御手段１４に出力する。

インピーダンス解析手段１５及び周波数制御手段１４は、発振器１３と一体に構成されてもよいものとする。発振器１３、周波数制御手段１４及び解析手段１４は、市販の発振器と制御ソフトウェアにより構成でき、例えば、実施例で用いた機器等を採用できる。

インピーダンス解析手段１５から信号出力を受けた周波数制御手段１４は、続く「仮想固有振動数ステップ」（図２符号Ｓ_２参照）において、発振器１３を制御して、振動子１２からノズル１１に印加される超音波振動の中心発振周波数を、スイープ振動ステップＳ_１で検出された周波数に設定する。すなわち、仮想固有振動数ステップＳ_２では、ノズル１１のインピーダンスが最も低くなる周波数をノズル１１の仮想の固有振動数とし、この振動数を中心として一定の周波数幅を持った複合振動周波数による超音波振動がノズル１１に印加される。複合振動周波数の周波数幅は任意に設定されればよい。例えば、スイープ振動ステップＳ_１においてノズル１１に印加する超音波振動の周波数を３３〜３７ｋＨｚの範囲で変化させ、ノズル１１のインピーダンスが最も低くなる周波数として３５ｋＨｚを検出した場合には、複合振動周波数は３５ｋＨｚを中心発振周波数として±１ｋＨｚ、好ましくは±数百Ｈｚ、さらに好ましくは±数十〜数Ｈｚというように設定される。

仮想固有振動数ステップＳ_２では、ノズル１１をインピーダンスが最も低くなる振動数を中心周波数とした複合振動周波数により超音波振動させることで、ノズル１１への負荷を抑え、発熱やクラックの発生を防止しながら、ノズル１１へのメヤニの付着も防止することができる。

スイープ振動ステップＳ_１及び仮想固有振動数ステップＳ_２は、超音波振動成形装置１の駆動開始時に行われる。あるいは、装置駆動時において任意のタイミングでスイープ振動ステップＳ_１及び仮想固有振動数ステップＳ_２を行うこともできる。好適には、ノズル１１からの成形材料の押出しが行われている間、一定の時間間隔で繰り返し行われることが望ましい。ノズル１１のインピーダンスは、装置の駆動時における発熱等の影響によって常時変化するが、スイープ振動ステップＳ_１及び仮想固有振動数ステップＳ_２を一定の時間間隔で繰り返し行うことで、ノズル１１のインピーダンスの変化にノズル１１に印加される超音波振動の中心発振周波数を自動的に追随させることができる。これにより、装置の運転中、常にノズル１１へのメヤニの付着、ノズル１１への負荷や発熱、クラックの発生を効果的に抑制することが可能となる。

超音波振動成形装置１において、仮想固有振動数ステップＳ_２でノズル１１に印加される超音波振動の振幅は、特に限定されないが、±２〜５μｍ程度が好ましい。振幅は、ノズル１１に接続される振動子１２を２以上とすることで大きくすることができ、振幅を増加させることでメヤニの付着を一層効果的に防止できる。また、振動子１２には、振幅を増加させるブースターを設けてもよい。ブースターの材質としては、ステンレスやチタンなどが用いられる。なお、ノズル１１に複数の振動子１２を接続する場合には、各振動子同士が平行あるいは直行とならないように配置する。

振動子１２のノズル１１への接続は、振動子１２で発生する熱がノズル１１へ伝達することを防止するため、アタッチメントを介して接続することが望ましい。アタッチメントは、振動子１２からの超音波振動をノズル１１に伝達できる材質であって、かつ、熱伝達性の低い材質により形成する。また、振動子１２で発生する熱がノズル１１へ伝達することを防止するためには、振動子１２に空気で内部を冷却する機構を設けてもよい。

アタッチメントのノズル１１への接続は、例えば図３に示すように、アタッチメント１２１の接続部にネジ山１２２を設け、このネジ山１２２をノズル１１の枠体（フレーム）１１１に穿設したネジ穴１１２に通し、ナット１２３で固定することによって行う。このように接続することで、アタッチメント１２１をノズル１１に密着させて、振動子１２からの超音波振動をノズル１１に効率よく伝達することができる。なお、ノズル１１に複数の振動子１２が接続される場合、各振動子のアタッチメントが接続されるネジ穴１１２は、枠体１１１において対角線上に位置しないように配置される。

超音波振動成形装置１において、成形される成形材料としては、熱可塑性樹脂原料が広く包含される。例えば、例えば、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、エチレン−α−オレフィン共重合体、ポリプロピレン（単独重合体、ランダム重合体、ブロック重合体を包含する）、プロピレン−α−オレフィン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体等から選ばれた少なくとも1種類以上のポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレート等のポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、ポリスチレン樹脂、メタクリル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリ塩化ビニリデン又はその共重合体、ポリフッ化ビニリデン樹脂及びポリフッ化ビニリデン樹脂とPMMA樹脂の混合物などが挙げられる。これらの樹脂原料は単独で使用されてもよく、また２種以上を混合して使用されてもよい。

また、熱可塑性樹脂原料には、必要に応じて公知の着色剤、紫外線吸収剤、安定化剤、滑剤、充填剤等の添加剤が配合される。

超音波振動成形装置１では、運転中のノズルのインピーダンスの変化に追随させて、ノズルに印加される超音波振動の周波数を制御することで、これらの樹脂原料及び添加剤の熱分解によって生じるメヤニがノズルに付着することを防止して、ノズルの発熱、クラックの発生を効果的に抑制することが可能である。また、超音波振動成形装置１では、超音波振動の印加によって添加剤の凝集体を破壊、分散することもできる。

以下に実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明これらの実施例により限定されるものではない。

＜実施例１＞
PVC（大洋塩ビ株式会社製ＴＨ−１０００）１００質量部とハイドロタルサイト系安定剤（協和化学社製アルカマイザー）３質量部、滑剤として配合比が２０となるように高級脂肪酸エステル系滑剤（理研ビタミン社製ＥＷ−１００）４質量部を配合した組成物を、６０ｍｍ単軸押出機（東芝機械株式会社製）に供給して、１９０℃に設定した円形紡糸ノズルから平均繊度１８０デニールの繊維を押出し成形した。

ノズルへの超音波振動の印加は、artech社製の超音波発信機DGS35（33-37ｋHz、200W）、超音波振動子C35-SD2（100Hz）、インピーダンス解析ソフトSieveParam(Var.0.56)を用いて行った。超音波振動の周波数のスイープは、１秒間に１００回（100Hz）とし、３３〜３７ｋＨｚの範囲を１Ｈｚ単位で変化させた。

溶融紡糸開始２４時間後、ノズルに付着したメヤニを採取して、重量を測定し、ノズルへのメヤニ付着防止効果を以下の基準によって評価した。評価は、超音波振動を印加しない場合にノズルに付着したメヤニの重量を１００とした低減率により評価した。
「優良」：メヤニ低減率３０％以上
「良」：メヤニ低減率５％以上
「不良」：メヤニ低減率５％以下

評価結果を、「表１」に示す。溶融紡糸開始２４時間後、ノズルに付着したメヤニの重量は０．１５５ｇであり、メヤニの付着防止効果は「優良」と評価された。

＜実施例２＞
超音波振動の周波数のスイープを１秒間に５０回（50Hz）とした以外は、実施例１と同様にして、平均繊度１８０デニールの繊維を溶融紡糸した。溶融紡糸開始２４時間後、ノズルに付着したメヤニの重量は０．１９９ｇであり、メヤニの付着防止効果は「良」と評価された。

＜実施例３＞
超音波振動の周波数のスイープを１秒間に１０回（10Hz）とした以外は、実施例１と同様にして、平均繊度１８０デニールの繊維を溶融紡糸した。溶融紡糸開始２４時間後、ノズルに付着したメヤニの重量は０．２２１ｇであり、メヤニの付着防止効果は「良」と評価された。

＜比較例１＞
超音波振動の周波数のスイープを１秒間に１回（1Hz）とした以外は、実施例１と同様にして、平均繊度１８０デニールの繊維を溶融紡糸した。溶融紡糸開始２４時間後、ノズルに付着したメヤニの重量は０．２３６ｇであり、メヤニの付着防止効果は「不良」と評価された。

＜比較例２＞
PVC１００質量部とハイドロタルサイト系安定剤３質量部、滑剤として配合比が２０となるように高級脂肪酸エステル系滑剤４質量部を配合した組成物を、６０ｍｍ単軸押出機に供給して、ノズルに超音波振動を印加することなく、１９０℃に設定した円形紡糸ノズルから平均繊度１８０デニールの繊維を押出し成形した。溶融紡糸開始２４時間後、ノズルに付着したメヤニの重量は０．２４４ｇであった。

１超音波振動成形装置
１１ノズル
１１１枠体
１１２ネジ穴
１２振動子
１２１アタッチメント
１２２ネジ山
１２３ナット
１３発振器
１４周波数制御手段
１５インピーダンス解析手段

Claims

ノズルに超音波振動を印加しながら成形材料の押出し成形を行う超音波振動成形方法において、
ノズルに印加する超音波振動の周波数を所定範囲で変化させながら、ノズルのインピーダンスが最も低下する周波数を検出するステップと、
検出された周波数を中心発振周波数とした超音波振動をノズルに印加するステップと、を含む超音波振動成形方法。
ノズルに印加する超音波振動の周波数を３３〜３７ｋＨｚの範囲で１秒間に１０〜１００回往復させて変化させながら、ノズルのインピーダンスが最も低下する周波数を検出することを特徴とする請求項１記載の超音波振動成形方法。
ノズルに超音波振動子が結合された超音波振動成形装置であって、
周波数が所定範囲で変化する超音波振動が印加されるノズルについて、インピーダンスが最も低下する周波数を検出するインピーダンス解析手段と、
インピーダンス解析手段からの信号出力を受けて、ノズルに印加する超音波振動の中心発振周波数を制御する周波数制御手段と、を備える超音波振動成形装置。