JP2012091371A

JP2012091371A - 電動射出成形機のスクリュ駆動装置

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Publication number: JP2012091371A
Application number: JP2010239539A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Fujii; 勝裕藤井; Seishi Ochi; 清史越智
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-05-17
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: JP5232210B2

Abstract

【課題】高速に射出することができるにも拘わらず、軸方向の長さが短く、シンプルで安価なスクリュ駆動装置を提供する。
【解決手段】スクリュ駆動装置（５）は、スクリュ（３）の後端部にその一方の端部（６ａ）が固定されているボールネジ（６）と、これに螺合しているボールナット（７）と、第１、２のモータ（９、１０）とから構成する。そして、第１のモータ（９）は、ロータ（２１）を円筒部（２１ａ）と底部（２１ｂ）とから中空に形成し、ボールネジ（６）の他方の端部（６ｂ）を底部（２１ｂ）に固着する。第２のモータ（１０）は、ロータ（２４）を中空に形成し、その内側にボールナット（７）を固定する。この第２のモータ（１０）は、第１のモータ（９）の内側になるように配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、先端部にノズルが設けられているシリンダと、該シリンダ内に設けられているスクリュとからなる電動射出成形機において前記スクリュを回転方向と軸方向とに駆動するスクリュ駆動装置に関するものである。

サーボモータによって駆動される電動射出成形機は、制御応答性およびエネルギー効率に優れており、近年は高出力のサーボモータも組み込まれるようになって、益々その重要性が増している。電動射出成形機も、従来周知のように加熱シリンダと、この加熱シリンダ内で回転方向と軸方向とに駆動されるスクリュ等からなる射出装置を備えている。このスクリュを駆動するスクリュ駆動装置には、スクリュを回転方向に駆動する第１のモータと、軸方向に駆動する第２のモータとが設けられている。従ってヒータによって加熱シリンダを加熱すると共に、第１のモータを駆動してスクリュを回転させ、材料の樹脂を供給する。そうするとヒータの熱とスクリュの回転によるせん断作用によって発熱して、樹脂は溶融して前方に送られ、スクリュは軸方向にサックバックして溶融樹脂が計量される。第２のモータを駆動してスクリュを軸方向に駆動すると計量された溶融樹脂を射出することができる。

スクリュは、例えばスクリュの後端部に同軸に設けられているボールネジとスプライン機構とによって回転方向と軸方向とに独立して駆動できるようになっている。このようなボールネジとスプライン機構に対して、その側方に第１、２のモータが設けられ、所定のプーリとベルト、あるいは大径のギヤを介してモータの駆動力を伝達できるようになっているスクリュ駆動装置も周知である。しかしながらこのようなプーリ、ギヤ等の動力伝達部品は慣性モーメントが大きく、加速するときに負荷になってしまう。そうするとスクリュを軸方向に高速に駆動することができず、射出速度を大きくすることができない。スクリュの軸方向に第１、２のモータを配置して、直接ボールネジやスプライン機構を介してスクリュを駆動するようにすると、加速の負荷になるプーリ、ギヤ等の動力伝達部品を設ける必要がなくなり、射出速度を大きくすることができる。このようなスクリュ駆動装置が、例えば特許文献１、２、３において提案されている。

特許第４２７９８３８号公報特開２００９−４５８９１号公報特開平７−２０５２２３号公報

特許文献１に記載のスクリュ駆動装置においては、スクリュの後端部に中空の伝達軸が設けられ、この伝達軸の中空の部分には、ボールネジの軸部がベアリング機構を介して回転可能に挿入されている。そしてボールネジにはボールナットが螺合しており、ボールナットはケーシングに固着されている。第１のモータはスクリュと同軸にスクリュの後端部近傍に設けられ、この回転子すなわちロータは筒状を呈しており、前記した伝達軸に被せられ、スプライン溝とキーを介してロータの回転が伝達軸に伝達されるようになっている。また固定子すなわちステータはロータを囲むように設けられている。従って第１のモータを駆動すると伝達軸を介してスクリュを回転させることができる。第２のモータは、第１のモータの後方に設けられ、このロータはボールネジの軸部を延長するように設けられボールネジを回転させることができるようになっている。このステータはこのロータを囲んでいる。従って第２のモータを駆動するとボールネジが回転してボールナットに対してボールネジを軸方向に駆動することができ、スクリュを軸方向に駆動することができる。

特許文献２、特許文献３にも、特許文献１に記載のスクリュ駆動装置と類似した構成のスクリュ駆動装置、すなわち第１、２のモータがスクリュと同軸に設けられたスクリュ駆動装置が記載されている。特許文献２に記載のスクリュ駆動装置においては、第１のモータはスクリュの後端部近傍に設けられ、ボールナットは中空の伝達軸と共に第１のモータのロータに固着されている。従ってボールナットは伝達軸とスクリュと共に、ロータによって回転する。そしてボールネジは、軸方向の移動が規制されており、その軸部は伝達軸と分離している。第２のモータは第１のモータの後方に設けられ、このボールネジを回転するようになっている。従って第２のモータを駆動してボールネジを回転させると、ボールナットを軸方向に駆動することができ、それによって伝達軸を介してスクリュを軸方向に駆動することができる。また、第１のモータを駆動すると、スクリュを回転させることができる。このときボールネジに対してボールナットが回転するとスクリュが軸方向に駆動してしまうので、そうならないように第２のモータも駆動してボールネジとボールナットを同じ回転数で回転するようにする。

特許文献３に記載のスクリュ駆動装置においては、スクリュを軸方向に駆動する第２のモータはスクリュの後端部近傍に、スクリュを回転させる第１のモータはその後方に設けられている。そしてスクリュの後端部にはボールネジが固着され、第２のモータはこのボールネジに螺合しているボールナットを回転するようになっている。このボールネジは中空の筒状を呈しており、その内周面には軸方向のスプライン溝が形成されている。そしてスプライン溝と係合するキーを備えた駆動ピンがこのボールネジ内に挿入され、駆動ピンは第１のモータによって回転できるようになっている。従って第２のモータを駆動してボールナットを回転させると、ボールネジは軸方向に駆動され、スクリュを軸方向に駆動させることができる。また第１、２のモータを同じ回転数で回転すると第２のモータはボールナットを回転させ、第１のモータは駆動ピンを介してボールネジを回転させる。そうするとスクリュは回転方向に駆動され、軸方向には駆動されない。

特許文献１〜３に記載のいずれのスクリュ駆動装置によっても、第１、２のモータはスクリュと同軸に設けられているので、慣性モーメントの高いプーリ、ギヤ等の動力伝達機構を設ける必要がない。従って高速にスクリュを駆動することができ、この点では優れている。しかしながら問題も見受けられる。具体的には、これらのスクリュ駆動装置においては第１、２のモータは軸方向に直列に配置されているので、装置が軸方向に長くなり機械の全長が長くなってしまう。そうすると設置スペースを要してしまう。他の問題も見受けられる。例えば特許文献１、および特許文献３のそれぞれに記載のスクリュ駆動装置においては、スクリュを駆動する軸にスプライン溝を形成したりキーを形成しなければならない。そうすると機械加工と組立が困難になり、コスト高になってしまう。また特許文献２に記載のスクリュ駆動装置においては、スリーブ、ガイド軸等の部品が多く、加工・組立、およびメンテナンスが困難になっている。

本発明は、上記したような問題点を解決したスクリュ駆動装置を提供することを目的としており、具体的には、シンプルで、容易に機械加工・組立およびメンテナンスできると共に安価に提供することができ、装置は十分にコンパクトで機械全長は短く、高速にスクリュを駆動して射出することができる、スクリュ駆動装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、スクリュを駆動するスクリュ駆動装置は、スクリュの後端部にその一方の端部が固定されているボールネジと、該ボールネジに螺合しているボールナットと、第１、２のモータとから構成する。そして、第１のモータは、円筒部と底部とから中空に形成されている第１のロータと、第１のステータとから構成し、ボールネジの他方の端部を第１のロータの底部に固着する。第２のモータは、筒状の第２のロータと第２のステータとから構成し、ボールナットを第２のロータの内周面に固着する。そして、この第２のモータが第１のモータの内側になるように配置する。

かくして、請求項１記載の発明は、上記目的を達成するために、先端部にノズルが設けられているシリンダと、該シリンダ内に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュとからなる電動射出成形機において前記スクリュを駆動するスクリュ駆動装置であって、前記スクリュ駆動装置は、前記スクリュの後端部にその一方の端部が固定されているボールネジと、該ボールネジに螺合しているボールナットと、第１、２のモータとから構成され、前記第１のモータは第１のロータと第１のステータとから構成され、前記第１のロータは円筒部と底部とから中空に形成され、前記ボールネジの他方の端部が前記底部に固着されていると共に前記ボールネジと一体的に軸方向の移動が可能になっており、前記第２のモータは第２のロータと第２のステータとから構成され、前記第２のロータは筒状に形成されて前記ボールナットが内部に固着され、そして軸方向の移動が規制されており、前記第２のモータが前記第１のモータの内側に配置されるように構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のスクリュ駆動装置において、前記スクリュ駆動装置は中空のモータハウジングを備え、前記第１、２のステータはそれぞれ前記モータハウジングの外周面と内周面とに設けられ、前記第１のロータは前記第１のステータの外側に、前記第２のロータは前記第２のステータの内側にそれぞれ配置されるように構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のスクリュ駆動装置において、前記スクリュ駆動装置は中空の大径モータハウジングと小径モータハウジングとを備え、前記第１、２のステータはそれぞれ前記大径モータハウジングと前記小径モータハウジングの内周面に設けられ、前記第１、２のロータはそれぞれ前記第１、２のステータの内側に配置されるように構成される。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの項に記載のスクリュ駆動装置において、少なくとも前記第１のステータあるいは前記第１のロータは、軸方向の長さが前記スクリュの射出ストローク長だけ長くなるように構成される。

以上のように、本発明は、先端部にノズルが設けられているシリンダと、該シリンダ内に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュとからなる電動射出成形機においてスクリュを駆動するスクリュ駆動装置として構成されており、スクリュ駆動装置は、スクリュの後端部にその一方の端部が固定されているボールネジと、該ボールネジに螺合しているボールナットと、第１、２のモータとから構成されている。つまり部品点数が少なく、機械加工・組立、あるいはメンテナンスが困難なスプライン機構等を格別に必要としていないので、装置を安価に提供することができる。そして第１のモータは第１のロータと第１のステータとから構成され、第１のロータは円筒部と底部とから中空に形成され、ボールネジの他方の端部が底部に固着されていると共にボールネジと一体的に軸方向の移動が可能になっており、第２のモータは第２のロータと第２のステータとから構成され、第２のロータは筒状に形成されてボールナットが内部に固着され、そして軸方向の移動が規制されている。従って第２のモータを駆動するとボールナットを回転させることができ、ボールナットは第２のロータによって軸方向の移動が規制されているので、ボールネジが軸方向に駆動され、スクリュを軸方向に駆動することができる。また第１、２のモータを同じ回転数で駆動するとスクリュを回転させることができる。そして第１、２のモータはギヤ、プーリ、ベルト等を介さずに直接ボールネジ、ボールナットを回転するようになっているので、部品点数も少なくて済むし、全体のイナーシャを小さくすることができ高速に駆動することもできる。そして本発明によると第２のモータは第１のモータの内側に配置されているので、軸方向の長さは短くて済む。つまりスクリュ駆動装置はコンパクトになり、機械全長を短くすることができるという本発明に特有の効果が得られる。そして第２のモータは内側に配置されているので、第２のロータは小径で慣性モーメントは小さい。そうするとスクリュを高速に軸方向に駆動することができ、高速に射出する場合も問題はない。

また他の発明によると、スクリュ駆動装置は中空のモータハウジングを備え、第１、２のステータはそれぞれモータハウジングの外周面と内周面とに設けられ、第１のロータは第１のステータの外側に、第２のロータは第２のステータの内側にそれぞれ配置されている。すなわち共通の部材であるモータハウジングに第１、２のステータが設けられているので、部品点数が少なく全体を軽量化することができる。さらに他の発明によると、スクリュ駆動装置は中空の大径モータハウジングと小径モータハウジングとを備え、第１、２のステータはそれぞれ大径モータハウジングと小径モータハウジングの内周面に設けられ、第１、２のロータはそれぞれ第１、２のステータの内側に配置されているので、第１のロータは大径モータハウジングの内部に収納され、回転部分が露出しないで済む。そして他の発明によると、少なくとも第１のステータあるいは第１のロータは、軸方向の長さがスクリュの射出ストローク長だけ長い。第１のロータは射出時にスクリュ、ボールネジと一体的に射出ストローク長だけ軸方向に移動することになるが、少なくとも第１のステータあるいは第１のロータが射出ストローク長だけ長いので、スクリュがどの位置にあっても、第１のステータと第１のロータは重なり合うことが保障され、モータの駆動力は変化しない。

本発明の実施の形態に係るスクリュ駆動装置を示す側面断面図である。本発明の他の実施の形態に係るスクリュ駆動装置を示す側面断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る電動射出成形機も、射出装置、型締装置等から構成され、複数個のサーボモータによって各装置が駆動されるようになっている。図１に射出装置１の一部が示されているように、射出装置１は、先端に射出ノズルが設けられていると共に外周面にヒータが巻かれているシリンダ２と、このシリンダ２内で軸方向と回転方向とに駆動可能に設けられているスクリュ３とから構成されている。図１には射出ノズル、ヒータは示されていない。このような射出装置１の後部には、スクリュ３を駆動する本実施の形態に係るスクリュ駆動装置５が設けられている。

本実施の形態に係るスクリュ駆動装置５は、ボールネジ６と、ボールナット７と、これらを駆動する第１、２のモータ９、１０とから構成され、従来のスクリュ駆動装置と比して部品が少なくシンプルに構成されている。ボールネジ６はその一方の端部６ａがスクリュ３の後端部に固定され、スクリュ３と一体的に回転するようになっている。このボールネジ６にボールナット７が螺合している。従ってボールナット７を回転すると、ボールネジ６が軸方向に駆動されてスクリュ３が駆動されることになる。なお、図１には簡略的に示されているが、スクリュ３の後端部とボールネジ６の一方の端部６ａの接続部分には、装置の仕様に応じてサックバック用のカップリング機構を介装させることもできる。

本実施の形態においては、第１、２のモータ９、１０の配置に特徴があり、これらのモータ９、１０が取り付けられている共通のケーシング、すなわちモータハウジング１３は次のようになっている。モータハウジング１３は、所定の肉厚の略円筒状を呈しており、スクリュ３側すなわち前方部分は拡径されて第１の段部１６が形成されており、後方部分は所定の長さだけ縮径して第２の段部１７が形成されている。この第２の段部１７を含んだ環状部品１３ａは、モータハウジング１３を構成しているが、メンテナンス時には必要に応じてモータハウジング１３から分離することもできるようになっている。この環状部品１３ａに次に説明するように第１のモータ９のステータが設けられるようになっているので、この部品１３ａは第１のモータ９のモータハウジングということもできる。このようなモータハウジング１３に対して、次に説明するように外側に第１のモータ９が、内側に第２のモータ１０が設けられているが、これらのモータ９、１０が組み込まれた状態で、モータハウジング１３は射出装置１に固定される。すなわちシリンダ２の後端部に、中心がくり抜かれた円盤状のプレート１９が固着される。このプレート１９に、モータハウジング１３がその端面においてボルト等によって固定される。このようにして固定された状態が図１に示されている。

第１のモータ９は、中空に形成されている第１のロータ２１と、この第１のロータ２１の内側に設けられている第１のステータ２２とから構成されている。第１のステータ２２は、ステータ鉄心２２ａとステータコイル２２ｂとからなり、モータハウジング１３の外周面の第２の段部１７、すなわち環状部品１３ａに設けられている。第１のロータ２１は、円筒部２１ａとこの円筒部２１ａの一方の端部を閉鎖している円盤状の底部２１ｂとからなり、円筒部２１ａの内周面が、この第１のステータ２２と所定の隙間を空けて対向している。第１のロータ２１の底部２１ｂには、その中心にボールネジ６の他方の端部６ｂが固着されている。従って第１のロータ２１とボールネジ６は一体的に回転し、軸方向に移動できるようになっている。本実施の形態においては、第１のロータ２１の円筒部２１ａは、その軸方向の長さが、スクリュ２の射出ストローク長と等しいか、それよりも長くなるように形成されている。従ってスクリュ２が軸方向に駆動されても、第１のステータ２２が円筒部２１ａからはみ出すことはなく、第１のステータ２２と第１のロータ２１は常に所定の隙間を介して対向することになる。

第２のモータ１０は、筒状に形成されている第２のロータ２４と、この第２のロータ２４の外側に設けられている第２のステータ２５とから構成されている。第２のステータ２５もステータ鉄心２５ａとステータコイル２５ｂとからなるが、第２のステータ２５はモータハウジング１３の内周面１３ｃに設けられている。第２のロータ２４はモータハウジング１３の内側に、所定のボールベアリング機構２６、２７、２８を介して回転自在に、かつ軸方向の移動が規制された状態で取り付けられ、第２のロータ２４の外周面と第２のステータ２５との間には所定の隙間が空けられている。この第２のロータ２４の内側、つまり筒内にはボールナット７が固着されている。従ってボールナット７は第２のロータ２４によって回転させることはできるが、軸方向には移動できない。なお、このようにしてモータハウジング１３内に収納されている第２のモータ１０は、孔の開いた円盤状のモータカバー３０によってカバーされている。

本実施の形態に係るスクリュ駆動装置５は、このように第２のモータ１０が第１のモータ９の内側に配置されているので、軸方向の機械長が短く、コンパクトになっている。

本実施の形態に係るスクリュ駆動装置５を備えた射出装置１の作用を説明する。射出装置１において計量を行う場合には、樹脂を溶融して混練するためにスクリュ３を回転させる必要がある。また溶融樹脂がスクリュ３の前方に送られるとき、スクリュ３には所定の背圧をかけながら少しずつ後退させる必要もある。第１、２のモータ９、１０を同じ回転数になるように駆動する。そうするとボールネジ６が回転するのでスクリュ３が回転する。ボールネジ６とボールナット７は同じ回転数で回転するので、スクリュ３の軸方向の位置は一定に維持される。図１に示されていないホッパから樹脂をシリンダ２内に供給する。樹脂はヒータの熱とスクリュ３によるせん断作用によって溶融しスクリュ３の前方に送られる。第１のモータ９に対して第２のモータ１０の回転数をわずかに変えると、ボールネジ６はボールナット７に対して相対的に回転してボールネジ６は軸方向に駆動されスクリュ３は回転しながら少しずつ後退する。第１、２のモータ９、１０への供給電流を調整して回転数の差を制御すると所定の背圧をかけながらスクリュ３を後退させることができる。スクリュ３が所定のストローク長だけ後退したら第１、２のモータ９、１０の回転を停止する。計量が完了する。図１には、計量が完了した状態の第１のロータ２１とボールネジ６が一点鎖線で示されている。

第１のモータ９を停止した状態で、第２のモータ１０だけを高速に駆動する。そうするとボールナット７が高速に回転してボールネジ６が軸方向に駆動される。すなわちスクリュ３は軸方向に駆動され溶融樹脂が射出される。本実施の形態においては、第２のモータ１０は第１のモータ９の内側に配置されているので、ボールナット７を回転させる第２のロータ２４は小径になっている。このように小径になっているので、第２のロータ２４とボールナット７とからなる回転体の慣性モーメントは小さく、大きい加速度で回転させることができ、高速にスクリュ３を軸方向に駆動することができる。

図２には第２の実施の形態に係るスクリュ駆動装置５’が示されている。前実施の形態に係るスクリュ駆動装置５と同様の部材には、同じ参照番号を付して詳しく説明はしない。第２の実施の形態に係るスクリュ駆動装置５’においては、モータハウジングは、大径モータハウジング３１と小径モータハウジング３２とから構成されている。大径モータハウジング３１と小径モータハウジング３２とは、前方寄りの部分で結合されており、これらの間には第１のロータ２１が挿入される環状の空間が形成されている。第２のモータ１０は、前実施の形態と同様に第２のステータ２５が小径モータハウジング３２の内周面３２ａに設けられ、その内側に第２のロータ２４が設けられている。第１のモータ９は、前実施の形態と相違しており、第１のロータ２１と第１のステータ２２の配置が反対になっている。すなわち第２のステータ２２は大径モータハウジング３１の内周面３１ａに設けられ、その内側に第１のロータ２１が設けられている。従って第１のロータ２１は大部分が大径モータハウジング３１内に収納され、外部にはほとんど露出しないようになっている。本実施の形態においては、小径モータハウジング３２の外周面に筒状の摺動部材３４が設けられ、第１のロータ２１が滑らかに回転できるようになっている。本実施の形態においても、前実施の形態に係るスクリュ駆動装置５と同様にしてスクリュ３を駆動することができる。

本発明の実施の形態は色々な変形が可能である。例えば、第１のロータ２１は、円筒部２１ａの軸方向の長さがスクリュのストローク長と等しいかそれ以上の長さに形成されているように説明したが、第１のステータ２２の軸方向の長さをスクリュのストローク長と等しいかそれ以上の長さに形成するようにしてもよい。このようにすると第１のロータ２１の円筒部２１ａの長さを短くすることができるので、第１のロータ２１の慣性モーメントを小さくすることができる。また、第１のロータ２１は、底部２１ｂが円盤状を呈しているように説明したが、底部２１ｂはスポークのように複数本の棒材から形成されていてもよい。

１射出装置２シリンダ
３スクリュ５スクリュ駆動装置
６ボールネジ６ａ一方の端部
６ｂ他方の端部７ボールナット
９第１のモータ１０第２のモータ
１３モータハウジング１３ｃ内周面
２１第１のロータ２１ａ円筒部
２１ｂ底部２２第１のステータ
２４第２のロータ２５第２のステータ
３１大径モータハウジング３２小径モータハウジング
３４摺動部材

Claims

先端部にノズルが設けられているシリンダと、該シリンダ内に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュとからなる電動射出成形機において前記スクリュを駆動するスクリュ駆動装置であって、
前記スクリュ駆動装置は、前記スクリュの後端部にその一方の端部が固定されているボールネジと、該ボールネジに螺合しているボールナットと、第１、２のモータとから構成され、
前記第１のモータは第１のロータと第１のステータとから構成され、前記第１のロータは円筒部と底部とから中空に形成され、前記ボールネジの他方の端部が前記底部に固着されていると共に前記ボールネジと一体的に軸方向の移動が可能になっており、
前記第２のモータは第２のロータと第２のステータとから構成され、前記第２のロータは筒状に形成されて前記ボールナットが内部に固着され、そして軸方向の移動が規制されており、
前記第２のモータが前記第１のモータの内側に配置されていることを特徴とするスクリュ駆動装置。
請求項１に記載のスクリュ駆動装置において、前記スクリュ駆動装置は中空のモータハウジングを備え、前記第１、２のステータはそれぞれ前記モータハウジングの外周面と内周面とに設けられ、前記第１のロータは前記第１のステータの外側に、前記第２のロータは前記第２のステータの内側にそれぞれ配置されていることを特徴とするスクリュ駆動装置。
請求項１に記載のスクリュ駆動装置において、前記スクリュ駆動装置は中空の大径モータハウジングと小径モータハウジングとを備え、前記第１、２のステータはそれぞれ前記大径モータハウジングと前記小径モータハウジングの内周面に設けられ、前記第１、２のロータはそれぞれ前記第１、２のステータの内側に配置されていることを特徴とするスクリュ駆動装置。
請求項１〜３のいずれかの項に記載のスクリュ駆動装置において、少なくとも前記第１のステータあるいは前記第１のロータは、軸方向の長さが前記スクリュの射出ストローク長だけ長いことを特徴とするスクリュ駆動装置。