JP2023528226A - 射出成型のための多変量収縮センサ（ｍｖｓｓ） - Google Patents

Abstract

重合体射出成型装置の収縮検出デバイスは、射出成型素子の品質を評価するための射出成型素子により経験される収縮を検出する。冷却中の金型内の溶融物の温度及び圧力と共に収縮は、意図される目的のための結果成型素子の十分性を指示する。十分性は、柔軟性、剪断強度及び寿命などのパラメータを含み、精密に行われ、高価で時間がかかる成型品の従来の試料試験を置換し得る。

Description

連邦政府委託研究及び開発に関する陳述：
本発明は、少なくとも部分的に、全米科学財団により授与された認可番号第１８２２２７１，０２－０４５３０９，ＣＭＭＩ－１０００８１６／１０００５５１，１８４３９２１下の政府支援によりなされた。米国政府は、本発明のいくつかの権利を有する。

背景
射出成型は、様々な重合体から形成される低コスト大量物品のための一般的製造手法である。ペレットストック（pelletized stock）が通常、大量に流通されており、そして所望形式を有する特別に用意された金型内への溶融原材料の高圧注入のために成型機へ配送される。ネジ又はインペラーは通常、熱により原材料に、複雑な金型形状ですら充填する高圧流動性溶融物を生成させる。

概要
射出成型多変量センサは、射出成型品に関連する収縮、温度及び圧力パラメータを捕捉し、計算し、そして、成型品が最小十分性を越えるかどうかを指示するために収集されたパラメータに基づき妥当性を計算する。収集されたパラメータは、金型内収縮に応答するプランジャ又は摺動ピンの変位であって圧力及び温度に関連して磁気媒体により測定される変位を含む。解析アプリケーションは、成型後検査の後ではなく成型時に成型品十分性を計算するためのパラメータを受信し、時間及びコスト優位性を提供する。

本明細書における構成は射出成型が、金属加工、スタンピング及び金型により以前は行われた素子の製造に対する経済的代替案を提供するという観察に部分的に基づく。ホッパーへ装填された重合体ペレットストック（polymer pellet stock）が、ペレットストックを撹拌し粘着溶融形式（溶融物）に押し出し、加熱するネジ式（screw）又はネジ式（threaded）射出器へ送出される。ネジはまた、所望成型素子の形状を有する金型の空洞内へ粘着性溶融物を著しい圧力で押し付ける。押し出された溶融物は様々な間隙へ流れ込むことにより金型を充填し、金型内で輪郭形成する。残念ながら、射出成型に対する従来の手法は「成型品の欠陥が、金型を画定する空洞内への射出中の溶融重合体の粘度、温度及び圧力の変動から生じ得る」という欠点に悩まされる。

溶融重合体が空洞の内側で冷めると、収縮が発生する。温度及び圧力と共に、収縮の大きさ及び率が成型品の十分性を指示する。本明細書における構成は、冷却中にこれらのパラメータを追跡し、出来上がった成型品の十分性測度を計算する、収縮、圧力及び温度一体化センサから射出成型品の十分性を評価する従来の手法を大いに圧倒する。

射出成型の金型内収縮検出センサデバイスは、金型の内部容積により画定された空洞と連通するプランジャ又はロッドを含む。プランジャは、空洞と連通する遠端と、磁気源を有する近端とを有する。磁気源の移動経路に隣接するディジタル位置センサが、溶融物の収縮により引き起こされる遠端の変位に基づきプランジャの運動を検出するための、磁気源に応答する。射出すると、溶融物の圧力がプランジャを空洞から押し出し、溶融物が冷えると、この容積は収縮し、バネ装填プランジャを空洞内で若干引き戻す。移動の典型的な範囲は０．５ｍｍ程度であり得る。

図面の簡単な説明
本発明の上述の及び他の目的、特徴、及び利点は、添付図面に示される本発明の特定実施形態の以下の説明から明らかになる。添付図面では、同様な参照文字は通常、様々な図を通して同じ部品を指す。添付図面は必ずしもスケーリングされておらず、及び強調はむしろ本発明の原理を図示することに置かれている。

本明細書における構成との使用に好適な射出成型生産環境の文脈線図である。 本明細書で定義される多変量収縮センサを使用することによる図１の環境における成型シーケンスの簡略図を示す。 本明細書で定義される多変量収縮センサを使用することによる図１の環境における成型シーケンスの簡略図を示す。 本明細書で定義される多変量収縮センサを使用することによる図１の環境における成型シーケンスの簡略図を示す。 本明細書で定義される多変量収縮センサを使用することによる図１の環境における成型シーケンスの簡略図を示す。 図２Ａ～２Ｄの多変量収縮センサ（ＭＶＳＳ：multivariate shrinkage sensor）により作動可能な制御アプリケーションの概略図である。 図２、３のＭＶＳＳの側面切り欠き図である。 図１～４の構成により動作可能な成型装置内に設置されたＭＶＳＳを示す。 成型作業を制御するために使用される図４のＭＶＳＳセンサを示す。 成型作業を制御するために使用される図４のＭＶＳＳセンサを示す。 成型作業を制御するために使用される図４のＭＶＳＳセンサを示す。 成型作業を制御するために使用される図４のＭＶＳＳセンサを示す。 成型作業を制御するために使用される図４のＭＶＳＳセンサを示す。 成型作業を制御するために使用される図４のＭＶＳＳセンサを示す。

詳細な説明
以下の説明は、成型品の品質に関連する収縮及び関連パラメータを監視するための射出成型システムと共に多変量収縮センサ（以降、感知素子）を使用し、収集されたパラメータに基づき品質を評価し、及び成型品が品質管理（ＱＣ）標準規格に基づく配備に好適かどうかを推薦する、射出成型環境の例を提示する。典型的成型プロセスは通常少数の内部金型に遭遇するが、温度の関連パラメータに伴う収縮感知及び成型圧力が成型製品の直接品質指標を提供する。対照的に、従来の手法は、成型品の品質バッチ（quality batch）を評価及び確認するために試料を成型後に解析するので、追加の時間及びコストを招く。

図１は、本明細書における構成との使用に好適な射出成型生産環境の文脈線図である。射出成型は、単一金型が多くの成型ユニットに再使用され得ると最も経済的である。したがって、射出成型環境１０は複数の成型機２０を採用し得る。各成型機は、通常はペレット形式である生の成型材料の原材料２４を収容するための、ホッパー２２を使用する。多様な重合体及びプラスチックが原材料として採用され得、任意の好適な原材料が以下に述べるように採用され得る。ホッパー２２は、原材料を、金型５０内へ向けるための螺旋インペラー３２、又は通常は螺旋面を有する射出管３０へ送出する。射出管は通常、インペラー３２により金型５０内へ押し込まれる原材料２４を溶融又は流動化するための、ヒータ３４を採用する。駆動源２６は通常、射出管３０に沿って移動するにつれて、原材料の著しい圧力を生成する。

金型５０では、射出インターフェース５２が、金型への高圧入力を規定するように、及び溶融原材料の溶融物を収容するために射出器５４に応答するように、金型５０と流体連通する。溶融物は、金型５０の内部輪郭により画定される成型品を形成するための金型内の空洞を充填する。金型５０は、所望成型品に対応するための任意の好適な形式を取り得、油圧アクチュエータ５６が成型品の排出のための金型半分を分離し得るように、通常は少なくとも２つのパーツ５０－１、５０－２で画定される。

図２Ａ～２Ｄは、本明細書で定義される射出成型の品質感知を行うための多変量収縮センサ素子を使用することによる、図１の環境における成型シーケンスの簡略図を示す。図１～２Ｄを参照すると、センサ素子１００は、金型の内容積により画定された空洞１１２と連通する細長いプランジャ１１０を含む。細長いプランジャ１１０は、空洞１１２と連通する遠端と付勢力に応答する近端とを有する。その近端に又はその近くに、磁気源１２０が取り付けられ、位置センサ１２２が、空洞１１２に含まれる射出溶融物１３０の収縮から生じる遠端の変位に基づくプランジャ１１０の移動を検出するための磁気源１２０に応答する。

図２Ａでは、溶融物１３０は、溶融物１３０を金型内へ押し込むための、図１の射出管３０からの単に高圧路であり得る、射出インターフェース５２を貫流し始める。図２Ｂにおいて充填されると、細長いプランジャ１１０は深さ１３２において加圧射出溶融物１１２と同一平面である（近端から示されている）。溶融物１１２が冷えて硬化すると、溶融物１１２は金型壁から引き離れる傾向があるので、溶融物１１２の収縮を引き起こす収縮が発生する（図２Ｃに示す）。冷却チャネル５１もまた、温度管理の際に支援する。細長いプランジャ１１０は、成型深さ１３４が収縮１３３に基づく射出深さ１３２と異なるので、収縮に対応するために金型空洞の内側へ延びる（図２Ｄに示す）。射出深さと成型深さとの差から計算される細長いプランジャの変位が、以下にさらに論述されるように硬化成型品１３０’の品質評価のために使用される収縮１３３を規定する。

図３は、図２Ａ～２Ｄの多変量収縮センサ（ＭＶＳＳ）により動作可能な制御アプリケーションの概略図である。図１～３を参照すると、生産環境１０において、硬化された成型品１３０’が金型５０から排出されると大量の成型品１５０が金型５０から生じる。これらは通常、各成型品１５０が十分かどうかに関する検証のための評価プロセス及び／又は分類プロセスに従う。例えば、コンベヤ１４０が成型品１５０を分類装置１４２へ搬送し得る。分類装置は、成型品１５０を、受容可能成型材料１５０－１及び受容不能成型材料１５０－２を含むための異なるビン１４４－１、１４４－２（概して１４４）へ方向転換するためにアクチュエータ１４６から駆動される方向転換器又は選択器を採用する。他の好適な分類及び製造装置が採用され得る。対照的に、従来の手法は通常、その後の試験及び解析のために未分類バッチの物品を格納する。

本明細書における構成は、早められた又は即時評価のために金型内センサ素子１００からの信号３００を採用する。センサ素子１００は、変位信号３０２を受信するための位置センサ１００に応答して解析回路３２０により信号３００を計算する。変位信号３０２は、金型５０を充填するための射出段階中に及び充填された金型内の成型物１１２の収縮により規定される冷却段階中にプランジャ１１０により移動された距離を指示する。

解析回路３２０は、対応成型品１５０が受容可能かどうかを計算するための論理３２４を有する成型品質アプリケーション３２２と通信し得、検証信号３１０をアクチュエータ１４６へ送信する。センサ素子１００はまた、図４において以下にさらに論述される金型温度３０４、溶融物温度３０６及び成型圧力３０８に関係する信号を生成するための追加センサを含み得る。

解析回路３２０は、解析回路が変位信号３０２を生成するための位置センサ１２２へ一体化されるか又は電気的に接続されるように、熱放散のために細長いプランジャの近端に隣接して配置されたＰＣＢ（プリント回路基板）上で符号化され得る。解析回路はまた、射出溶融物の流体圧力を指示する圧力信号３０８、射出溶融物の温度を指示する溶融物温度信号３０６、及び射出溶融物１１２から生じる金型５０の温度を指示する金型温度信号３０４のうちの１つ又は複数の信号のセンサデータを受信し得る。隣接演算システム３２１は、検証３１０を生成するためのアプリケーション３２２を立ち上げて実行する。

解析回路３２０は、冷却溶融物から生じる成型品１５０が使用のために十分かどうかを変位信号３０２と、圧力信号３０８、溶融物温度信号３０６及び金型温度信号３０４のうちの少なくとも１つの信号とに基づき指示する検証信号３１０を生成するように構成された成型品質アプリケーション３２２へ結合する。成型品質アプリケーションはまた、キーボード及びマウスなどのユーザインターフェース３５４に応答して描画デバイス３５０上で可視であるグラフィックユーザインタフェース３５２（ＧＵＩ）を採用し得る。ＧＵＩ ３５２は、以下にさらに論述される品質に関する制御パラメータ３５６及び成型品１５０の制御パラメータを描画及び受信し得る。一般的に、解析回路３２０はセンサから電圧信号などの生の信号データを受信するためにセンサ素子１００上に配置され、解析アプリケーション３２２は、変位、圧力、金型温度及び溶融物温度を受信するためのリモートＰＣ又はユーザコンピューティングデバイスにあるが、解析回路３２０と解析アプリケーション３２２との間の通信の任意の好適なモードが企図され得る。

成型品の品質における最重要考慮事柄は当該収縮後の成型品の最終寸法である。したがって、品質アプリケーションは、変位信号から計算される収縮に基づき成型品の最終寸法を計算するように構成される。収縮は、溶融物が冷えて収縮するときの変位信号から判断されるが、全体品質はまた、金型の空洞及び幾何学形状を貫流する射出溶融物の圧力、体積及び温度（ＰｖＴ：pressure, volume and temperature）関係性により影響される。通常、圧力体積温度関係性が成型後収縮を提供する。成型後収縮は、射出されたパーツが射出温度から室温まで冷めると発生する収縮である。内部金型寸法（高圧溶融が強いられるチャネルの狭さなど）だけが役割を果たす。したがって、品質アプリケーションはさらに、溶融物の粘度と空洞内への導入の率（速度）とを相関付けるための圧力体積温度（ＰｖＴ）関係性に基づき検証信号を計算するように構成される。溶融成型品の品質を解析する際、粘度及び速度は、プラスチック部品製作プロセスの完全なプロセス監視及び制御を提供する。この文脈では、製作プロセスは、射出成型を含む他のプラスチック製作プロセスに従い得る。

図４は、図２、３のＭＶＳＳの側面切り欠き図であり、信号生成をより詳細に示す。図１～４を参照すると、センサ素子１００はさらに、細長いプランジャ１１０が空洞１１２内の流体溶融物１３０からかけられる圧力に基づき金型５０から前進及び後退するために筐体４００と摺動可能に連通されるように細長いプランジャ１１０内に埋め込まれた圧力センサ４１０を含む。

圧力センサ４１０は、細長いプランジャ１１０の近端１１３及び遠端１１１と線形干渉連通されて配置された圧電素子により規定される。圧電素子は、バネ４１４からの付勢力と射出溶融物１３０からの対向力４１５との間の圧縮力を受けるように配置される。例示的配置では、付勢力４１４は、細長いプランジャ１１０を空洞１１２内へ前進させるように配置されたバネを含む。付勢力に対向して作用する流体溶融物１３０からかけられる圧力が細長いプランジャ１１０内の圧縮を誘起する。圧電素子は、両側に絶縁ワッシャ４１２を有し、上記圧縮に基づく圧電応答に基づき圧力信号を生成する。代替構成は、歪ゲージ、容量性又はバイメタルベース変位トランスデューサ媒体などの代替検知媒体を含み得る。

温度センサ４２０は、射出溶融物１１２の温度に基づき溶融物温度信号３０６を発射するように細長いプランジャ１１０の遠端１１１に配置される。温度センサはさらに、溶融物温度信号３０６を生成するための放射エネルギーに応答して放射エネルギーを温度センサ４２０へ渡すための赤外線レンズ４２２を含む。例えば、溶融物温度センサ４２０は熱電対列４２４、スペーサ、及びフィルタ４２２としてセレン化亜鉛レンズを含み得る。

遠端１１１はまた、射出溶融物１１２が空洞を充填すると金型の温度に基づき金型温度信号３０４を生成するための細長いプランジャ１１０内のサーミスタ又は熱電対などの抵抗センサ４３０を含む。溶融物１１２の温度は溶融物の流れ及び硬化における重要な要因であるということと、一般的に溶融物内の熱は溶融物１１２が射出され冷える／硬化すると金型５０へ伝達するということとを喚起されたい。それぞれの信号３０６、３０４に基づき溶融物温度及び金型温度を追跡することは図６Ｆにおいて以下にさらに論述される。

特定構成では、熱電対列４２４は、溶融物の温度を指示する発射された赤外線エネルギーを受信するように配置されるので、金型の温度の導電的感知のためのサーミスタを含む。代替的に、溶融物又は金型のいずれかの接触ベース感知のための熱電対又は他の抵抗ベースセンサが採用され得る。

位置センサ１２２へ戻ると、細長いプランジャ１１０へ取り付けられた磁石１２０が射出に先立って金型５０の方向へ移動し、射出中に押し戻されて、冷却溶融物１１２が縮小すると金型５０の方向へ最終的に再び移動し、変位信号３０２を生成する、ホール効果センサが採用され得る。

センサ素子１００は、変位信号３０２、金型温度信号３０４、溶融物温度信号３０６及び圧力信号３０８を提供するための任意の好適なやり方で実装され得るが、特定構成は以下のとおりである。圧力感知センサ４１０及び金型内収縮測定センサ１２２は２３ｍｍの外径のセンサ筐体４００内に置かれる。センサ筐体アセンブリは、センサ本体を形成するために６つの皿ネジにより２５ｍｍの外径のセンサ基部の上に置かれる。センサ基部部品は、配線と解析回路３２０を含む集積エレクトロニクスとのための空間を提供する。金型内収縮感知のために、位置センサ１２２及び磁石１２０は、センサ筐体のスロット内及びＰＺＴ（圧電）筐体部品のスロット内にそれぞれ置かれる。位置センサ及び磁石はセンサ動作中互いに向き合ったままであり、位置センサは動作中に静止したままである。圧力感知のために、ＰＺＴリング及び絶縁体ワッシャアセンブリがＰＺＴ筐体の内側に着座し、ＰＺＴ筐体は圧縮バネの上に着座する。ＰＺＴリング、ワッシャ並びに磁石及び圧縮バネを有するＰＺＴ筐体は位置センサと共にセンサ筐体部品内に留まる。ＰＺＴ筐体の滑らか摺動のためにＰＺＴ筐体ＯＤとセンサ筐体ＩＤとの間に０．０２５ｍｍのクリアランスが存在する。

温度感知システム（熱電対列及びＺｎＳｅ窓）は、細長いプランジャ１１０全体の一部としてのセンサヘッドピンに一致する温度センサピンを規定する細長いプランジャ１１０内に置かれる。代替的に、ＺｎＳｅに加えて、他の水晶、宝石及び／又は結晶石が光を送信し得る窓として採用され得る。例えば、サファイア、ルビー又はトパーズが、コスト、耐久性又は温度互換性などの要因に基づき採用され得る。

センサヘッドピンは標準的６ｍｍ排出ピンを複製する。センサヘッドピンの長さは、圧力センサピンの長さを変更することにより金型高さに依存してカスタム化され得る。

センサヘッドピンの頭は、力をＰＺＴリング及び圧縮バネへ転送することになるＰＺＴ絶縁ワッシャの上面と接触したままである。センサカバーが、センサヘッドピンの頭、ＰＺＴ筐体アセンブリ、及びセンサ筐体の内部で部分的に圧縮されたバネを閉じ込めるために皿ネジを使用することによりセンサ筐体全体にわたって設置される。センサ筐体４００は０．５ｍｍ変位を越えるＰＺＴ筐体のメカニカルストップを提供し、メカニカルストップはセンサヘッドピン変位を制御する。選択された圧縮バネは、５ＭＰａより高い圧力において十分に圧縮し、圧力が５ＭＰａ未満に減衰すると、その自由長を回復する。他の好適な圧力及び変位閾値もまた採用され得、様々なリップ及びシェルフが細長いプランジャの移動を０．５ｍｍなどの所定移動に制限するために設けられ得る。

図５は、図１～４の構成により動作可能な成型装置内に設置されたＭＶＳＳを示す。例示的成型装置では、金型５０は射出インターフェース５２と係合する射出器５４により充填される。センサ素子１００は、成型品１５０を排出するために使用され、典型的金型５０上の共通固定具である排出ピン５０２用にも採用され得る空洞インサート５００を占有する。これは、センサ素子１００を、成型プロセスと干渉しないように冷却ライン５１、射出ノズル５４、及び金型５０の他の油圧作動式部品から離れる方向に好都合に配置する。

センサヘッドピンの排出ピンスタイルのために、金型５０は、スペース制約、複雑な金型構築、及びセンサ素子１００設置及び整備中の失敗のリスクを削除することになるＢ側空洞板１５０－１内の標準的直線６ｍｍ孔を採用する。センサ本体は排出システム内に留まることになる。したがって、金型設計及び複雑性は特にマルチ空洞金型に関して劇的に低減される。また、金型設計は、より小さなパーツ及びマルチ空洞金型が冷却通路５１を邪魔されないままにしたとしても効率的冷却システム設計の柔軟性を依然として維持することになる。好適には、圧力センサピン及び温度センサピンを除く金属部品は３１６Ｌステンレス鋼から作製される。これらの２本のピンは、５５ＨＲＣ硬度を有する硬化鋼（ＨＩ３）から作られるので、１００万成型サイクルを越える期間の連続損傷に耐え得るだけでなく温度感知システムも保護し得る。すべての鋼部品は、溶融物１３０が受ける高熱及び高圧力におけるセンサの正しい機能及び頑強動作を保証するための厳しい公差を期待する。

図６Ａ～６Ｆは、成型作業を制御するために使用される図４のＭＶＳＳセンサ（センサ素子）１００を示す。重合体射出成型では、成型機２０が、固体プラスチックペレットをホットメルト１３０へ溶融し、空洞１１２を充填するためにホットメルトを金型空洞内に射出する。金型に入るや否やプラスチック溶融物は金型冷却システムに起因して冷め始め、凝固し始める。金型空洞内で、プラスチック材料は固化中に「金型内収縮」を受ける。金型内収縮のために、成型品は金型空洞より小さくなる。成型アプリケーションにおいて最も一般的に使用されるプラスチック材料は、多くの成型品の寸法公差に対して高い０．００５～０．１ｍｍ／ｍｍ収縮率を呈示する。

図１～６Ｆを参照すると、成型品１５０の成型プロセスは、移動を所定閾値（図６Ａに示す０．５ｍｍなど）内までに制限するバネ及びレッジにより付勢されてセンサ素子１００が細長いプランジャ１１０を空洞１２２内へ延ばすことにより始まる。細長いプランジャ１１０は摺動可能集合体（金型内へ又はそれから外へ移動される際にすべてが単一ユニットとして移動する成型及び溶融物温度センサ、圧電圧力センサ及び磁気源を含む）を一括して指すということに注意すべきである。

図６Ｂでは、溶融物１３０は、細長いプランジャ１１０が遠端１１１から０．５ｍｍ延びると高圧高温溶融状態で空洞へ流入する。金型５０は、排出ピン又は専用ポート又は開口のいずれかの挿入を介した細長いプランジャの挿入のための通路を有する。細長いプランジャ１１０は、空洞１１２内へ延びる細長いプランジャの遠端１１１により充填位置が規定されるように、フラッシュ（flush）位置と充填位置との間の移動の範囲を有する。フラッシュ位置は空洞１１２の表面とぴったり重なった細長いプランジャの遠端により規定され、移動の範囲は成型品において予測される収縮率に基づく。開示された手法では、この変位距離は０．５ｍｍであるが、任意の好適な所定範囲が採用され得る。細長いプランジャの遠端は、重合体溶融物１３０が遠端においてＺｎＳｅ窓（赤外フィルタ４２２）の上面と接触するまで突出されたままとなる、センサヘッドピンを規定する。

図６Ｃでは、溶融物１３０は間隙１１２を充填し、圧力が、細長いプランジャ１１０を充填位置（０．５ｍｍ延びる）からフラッシュ位置まで押し戻す（金型空洞表面が付勢素子へ押し付けられることにより）。センサヘッドピンに対し働く溶融物圧力が５ＭＰａ超に達すると、この圧力は、加圧力をＰＺＴリング４１０へ転送しながらセンサヘッドピンを押し戻すことになる。センサ筐体上のメカニカルストップに起因して、センサヘッドピンは０．５ｍｍ変位後に移動することを停止することになる。この時、細長いプランジャは金型空洞表面とぴったり重なり、圧力をＰＺＴリングへ転送し続ける。したがって、ＰＺＴリングはセンサヘッドピンに対し働く圧力に対応する出力信号を提供することになる。ホール効果位置センサがセンサヘッドピン変位及び位置を監視し測定する。図６Ｄにおいて、成型サイクルのうちの冷却段階中に、重合体溶融物１３０は冷め、この収縮に起因して金型空洞壁から離れる方向に分離し始める。したがって、細長いプランジャに対し働く圧力は減衰し続けることになる。細長いプランジャ１１０の遠端は、センサヘッドピンに対し働く圧力が５ＭＰａ未満に達するまで金型空洞表面とぴったり重なったままとなる。

５Ｍｐａ未満の圧力では、センサヘッドピンはバネ力に起因して上方向へ移動し始めることになる（図６Ｅに描写される）。ホール効果位置センサは、センサヘッドピンの変位信号３０２における上方運動を監視し測定する。図６Ｅにおける成型サイクルの終わりに、金型５０は開いて、成型品１５０を金型５０から排出する。金型開放後は、センサヘッドピンに対し働く力はない。したがって、センサヘッドピンはその開始位置へ前進し、空洞の内側へ０．５ｍｍ突出することになる。図６Ｃにおけるフラッシュ状態から図６Ｄにおいて前進されるまでの位置センサの出力間の差が、成型サイクル中に受けた重合体の「金型内収縮」１３３の大きさを指示する。成型サイクルを通して、温度感知システム内の熱電対列が溶融物温度及び金型温度を連続的に監視し測定する（図６Ｆに示す）。ＧＵＩ ３５２はこれらの制御パラメータを時間軸に沿ったグラフ６００として表示する。収縮グラフ６１０は、図６Ａ～６Ｅのそれぞれの段階における細長いプランジャの移動を示す。空洞圧力グラフ６２０は、射出中のピーク後の収縮に伴う低下を示す。溶融物温度及び金型温度６３０及び６４０はそれぞれ温度及び圧力と共に低下する。溶融物温度及び金型温度は、重合体の線膨張率（ＣＬＴＥ：coefficient of linear thermal expansion）又は高度圧力体積温度（ＰｖＴ：pressure-volume-temperature）関係を使用することにより成型後収縮を推定するために使用され得る。

例示的構成では、生の感知データは通常、それぞれの感知素子から発する電圧又は電流に基づく。一般的には、位置センサ、溶融物圧力、溶融物温度及び金型温度の出力電圧応答が取得される。電圧応答は絶対的金型内収縮、圧力及び温度へ変換される。

ホール効果位置センサは、例示的構成では、Melexis Technologies NV（ＭＬＸ９０３６４）から供給され得、ネオジム磁石（スクエアシェア（square share）３．２ｍｍ、１．６ｍｍ厚）に対するその位置に対応する電圧を与える。位置センサは、（０．５ｍｍ）の最大許容可能センサピン移動に関して校正される。選択された位置センサはアナログ及びディジタル信号を与え得るが、実装されたＭＶＳＳに関してはアナログ信号が使用され、変位信号３０２により反映された絶対位置へ変換された。先に述べたように、全金型との溶融物接触時の位置センサ信号と冷却の終了時の位置センサ信号との差が、金型内収縮１３３を提供する。

解析回路３２０では、圧力信号３０８に関して、図４に示すようにＭＶＳＳセンサヘッドピン全体にわたり重合体溶融物が流れると、レンズにかけられる圧力はＰＺＴ上へ転送され、電荷の蓄積を引き起こす。ＰＺＴリング４１２（ＶＰＺＴ）からの電圧応答は次式で説明される：

ここで、ｇ３３はＰＺＴ材料により決定される電圧定数、Ｈは１ｍｍのリング厚、ＩＤは６ｍｍのリング内径、ＯＤは１０ｍｍのリング外径、及びＲは３．０ｍｍの温度センサピン半径である。上に示された設計に関して、Ｈが１ｍｍに等しく、電圧定数ｇ３３がＡＰＣ－８５０材料に関し２４．８×１０－３Ｖｍ／Ｎであれば、電圧応答は溶融物圧力の１４Ｖ／ＭＰａになる。センサピンは、空洞の溶融物圧力が空洞とセンサとの間の間隙から生じる圧力読み取りにおけるいかなる損失又は異常も回避する５ＭＰａに減衰するまで、空洞の表面とぴったり重なったままである。

重合体溶融物がセンサ窓全体にわたり流れるので、溶融物温度信号３０６は、赤外線（ＩＲ）がセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）窓を貫通し熱電対列（ＴＰ）により収集されると、導出される。ＴＰ、ＶＴＰの電圧応答は次式により説明される：

ここで、ｋは利得であり、εは重合体の放射率であり、Ｔｍｅｌｔ及びＴｍｏｌｄはそれぞれ溶融物の及び金型の温度であり、並びにｎはフィルタ及びセンサ特性に依存する（完全「黒」体及び無制限波長範囲に関して４に等しい）。

金型温度信号３０４を計算するために、熱電対列は、ＣＭＯＳ ＩＲ検出器の基準温度（熱電対列への正味放射熱伝達を計算するために知られなければならない）を評価するためにサーミスタを含む。１００ｋＯｈｍサーミスタ抵抗は、０．２％絶対誤差内まで温度に応じて製造者から供給される。電圧分割器回路はサーミスタの出力抵抗を電圧へ変換する。基準抵抗の値（１０ｋＯｈｍ）は、サーミスタ出力を２５℃～１００℃の当該金型冷却液温度内に線形化する一方で、出力電圧を所望範囲へスケーリングするために選択された。

動作中、図３によるシステムは、溶融物１３０の金型５０内への射出から生じる射出成型品１５０を検証する方法を行うための解析回路３２０から信号３０２、３０４、３０６、３０８を受信するための、アプリケーション３２２及び論理３２４を採用する。検証することは、空洞と連通する遠端１１１と付勢力に応答する近端１１３とを有する細長いプランジャ１１０を金型５０の内容積により画定された空洞１１２内へ延ばすことを含む。射出器５４は、成型物質により規定される溶融物を流体インターフェース５２を介し空洞内へ射出し、流体インターフェース５２は、射出溶融物の圧力が細長いプランジャ上の圧力センサにより検出されるように射出溶融物の圧力に応答して細長いプランジャを空洞から後退させる。アプリケーションは、遠端が金型の内面とぴったり重なるように細長いプランジャが後退する際に圧力センサからの検出圧力を測定し、空洞内の冷却溶融物及び細長いプランジャの空洞内へ戻る対応する移動又は変位を指示するための検出圧力が弱まると、位置信号に基づき変位距離を測定する。

本明細書に規定されたシステム及び方法は、その実施形態を参照して具体的に示され説明されたが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形式及び詳細の様々な変更がなされ得ることが、当業者により理解されるであろう。

Claims (21)

1. 金型の内容積により画定された空洞と連通する細長いプランジャであって、前記空洞と連通する遠端と付勢力に応答する近端とを有する、細長いプランジャ、
   前記近端へ取り付けられた磁気源、及び
   前記空洞に含まれる射出溶融物の収縮からの前記遠端の変位に基づき前記プランジャの移動を検出するための前記磁気源に応答する位置センサ
   を含む、射出成型品質感知デバイス。
2. 前記金型を充填するための射出段階中に及び前記充填された金型内の成型物の収縮により規定される冷却段階中に前記プランジャにより移動された距離を指示する変位信号を受信するための前記位置センサに応答する解析回路をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記細長いプランジャの挿入のための通路を有する金型をさらに含む、請求項１に記載のデバイスであって、
   前記細長いプランジャはフラッシュ位置と充填位置との間の移動の範囲を有し、
   前記充填位置は前記空洞内へ延びる前記細長いプランジャの遠端により規定され、
   前記フラッシュ位置は前記空洞の表面とぴったり重なった前記細長いプランジャの前記遠端により規定され、
   前記移動の範囲は成型品において予測される収縮率に基づく、デバイス。
4. 前記金型と流体連通する射出インターフェースをさらに含む、請求項１に記載のデバイスであって、前記射出インターフェースは溶融物を収容するために射出器に応答し、前記溶融物は、前記金型の内部輪郭により画定される成型品を形成するための前記空洞を充填する、デバイス。
5. 前記細長いプランジャ内に埋め込まれた圧力センサをさらに含む、請求項１に記載のデバイスであって、前記細長いプランジャは、前記空洞内の流体溶融物からかけられる圧力に基づき前記金型から前進及び後退するために、筐体と摺動可能に連通される、デバイス。
6. 前記付勢力は、前記細長いプランジャを前記空洞内へ前進させるように配置されたバネを含み、前記付勢力に対向作用する前記流体溶融物からかけられる前記圧力は前記細長いプランジャ内の圧縮を誘起し、前記圧力センサは前記圧縮に基づき圧力信号を呈示する、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記圧力センサは、前記細長いプランジャの前記近端及び前記遠端と線形干渉可能に連通されて配置された圧電素子であり、前記圧電素子は、前記付勢力と射出溶融物からの対向力との間の圧縮力を受けるように配置される、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記圧力センサは、歪ゲージ、容量性又はバイメタルベース変位トランスデューサ媒体の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記細長いプランジャの前記遠端に配置された温度センサをさらに含む請求項１に記載のデバイスであって、前記温度センサは前記射出溶融物の温度に基づき溶融物温度信号を生成する、デバイス。
10. 前記温度センサはさらに、放射エネルギーを前記温度センサへ渡すための赤外線レンズを含み、前記温度センサは前記溶融物温度信号を生成するための前記放射エネルギーに応答する、請求項９に記載のデバイス。
11. 前記細長いプランジャ内に抵抗センサをさらに含む請求項９に記載のデバイスであって、前記抵抗センサは、前記射出溶融物が前記空洞を充填すると、前記金型の温度に基づき金型温度信号を生成する、デバイス。
12. 前記溶融物の温度を指示する発射された赤外線エネルギーを受信するように配置された熱電対列をさらに含む、請求項９に記載のデバイスであって、前記熱電対列は前記金型の温度の導電的感知のためのサーミスタを含む、デバイス。
13. 前記磁気センサはホール効果センサであり、前記圧力センサは圧電センサであり、前記溶融物温度センサは熱電対列及びセレン化亜鉛レンズを含み、前記金型温度センサはサーミスタである、請求項１に記載のデバイス。
14. 前記解析回路は、熱放散のために前記細長いプランジャの前記近端に隣接して配置され、前記解析回路は、前記変位信号と、
    前記射出溶融物の流体圧力を指示する圧力信号、
    前記射出溶融物の温度を指示する溶融物温度信号、及び
    前記射出溶融物から生じる前記金型の温度を指示する金型温度信号のうちの１つ又は複数と
    を受信するための前記位置センサへ電気的に接続される、請求項２に記載のデバイス。
15. 前記解析回路は、前記冷却溶融物から生じる前記成型品が使用のために十分かどうかを前記変位信号と、前記圧力信号、前記溶融物温度信号及び前記金型温度信号のうちの少なくとも１つの信号とに基づき指示する検証信号を生成するように構成された品質アプリケーションへ結合される、請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記品質アプリケーションは、前記変位信号から計算される収縮に基づき前記成型品の最終寸法を計算するように構成される、請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記品質アプリケーションはさらに、前記溶融物の粘度と前記空洞内への導入の率とを相関付けるための圧力体積温度（ＰｖＴ）関係に基づき、前記検証信号を計算するように構成される、請求項１６に記載のデバイス。
18. 金型内への溶融物の射出から生じる射出成型品を検証する方法であって、
    金型の内容積により画定された空洞内へ細長いプランジャを延ばすことであって、前記細長いプランジャは、前記空洞と連通する遠端と付勢力に応答する近端とを有する、延ばすこと、
    成型物質により規定された溶融物を、流体インターフェースを介して前記空洞内へ射出すること、
    前記細長いプランジャを前記射出溶融物の圧力に応答して前記空洞から後退させることであって、前記射出溶融物の前記圧力は前記細長いプランジャ上の圧力センサにより検出される、後退させること、
    前記遠端が前記金型の内面とぴったり重なるように前記細長いプランジャが後退する際に前記圧力センサからの前記検出圧力を測定すること、及び
    前記空洞内の冷却溶融物を指示するための前記検出圧力が弱まると、前記位置信号に基づき変位距離を測定すること
    を含む方法。
19. 前記金型を充填するための射出段階中に及び前記充填された金型内の成型物の収縮により規定される冷却段階中に前記プランジャにより移動された距離を指示する変位信号を受信することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記細長いプランジャを前記金型内へ延ばすことをさらに含む、請求項１９に記載の方法であって、
    前記金型は前記細長いプランジャの挿入のための通路を有し、
    前記細長いプランジャはフラッシュ位置と充填位置との間の移動の範囲を有し、
    前記充填位置は前記空洞内へ延びる前記細長いプランジャの前記遠端により規定され、
    前記フラッシュ位置は前記空洞の表面とぴったり重なった前記細長いプランジャの前記遠端により規定され、
    前記移動の範囲は成型品において予測される収縮率に基づく、方法。
21. 金型内への溶融物の射出から生じる射出成型品を検証するためのシステムであって、
    金型の内容積により画定された空洞内へ細長いプランジャを延ばすことであって、前記細長いプランジャは前記空洞と連通する遠端と付勢力に応答する近端とを有する、延長することと、
    前記射出溶融物の圧力に応答して前記細長いプランジャを前記空洞から後退させることであって、前記射出溶融物の前記圧力は前記細長いプランジャ上の圧力センサにより検出される、後退させることと、
    前記遠端が前記金型の内面とぴったり重なるように前記細長いプランジャが後退する際に前記圧力センサからの前記検出圧力を測定することと、
    前記空洞内の冷却溶融物を指示するための前記検出圧力が弱まると前記位置信号に基づき変位距離を測定することと
    を行うように構成されたセンサ素子、並びに
    成型物質により規定された溶融物を、流体インターフェースを介して前記空洞内へ射出することと、
    前記冷却溶融物から生じる前記成型品が使用のために十分かどうかを前記変位信号と、前記圧力信号、前記溶融物温度信号及び前記金型温度信号のうちの少なくとも１つの信号とに基づき指示する検証信号を生成することと
    のための制御アプリケーション
    を含むシステム。

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