JP2927949B2 - ブラシレスｄｃ駆動システムを備えた射出成型機 - Google Patents

ブラシレスｄｃ駆動システムを備えた射出成型機

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Description

【発明の詳細な説明】 （発明分野） 本発明は、射出成型機用の電動機駆動部に関し、特に
射出成型機に対するサーボ機構駆動システムにおけるブ
ラシレスDC電動機の使用に関する。
（関連技術の説明） 射出成型機は、主な駆動力源として液圧作動システム
を使用するように伝統的に設計されてきた。液圧作動装
置は、多年にわたり満足できるものであることを証明し
た。これらの装置は、比較的安価であり、動力および速
度応答特性が射出成型機の要件に見合うものであり、か
つ堅固で信頼し得る。
しかし、液圧作動システムは、幾つかの特有の短所を
持つ。作動油は、産業環境における塵埃および汚染に曝
れ、濾過および保守を必要とする。更に、油の漏洩の可
能性がある。液圧駆動部は、位置決め精度および再現性
が制限され、作動油の温度変化は性能における更なる変
動をもたらすことになる。最後に、液圧駆動部はエネル
ギ効率が低く、従って油から熱を取除いて一定の油温を
維持するため熱交換器および冷却器を必要とする。
電動機サーボ機構駆動部は、40年以上にわたり使用さ
れてきた。往時のシステムは、整流子で終る電機子に多
くのコイルが巻付けられた公知のブラシ型DC電動機を使
用した。この電機子は、電機子上の巻線数と対応する多
数の永久磁石あるいはコイル磁石を有する固定子により
包囲されている。電動機が回転すると、炭素ブラシが電
機子コイルを順次電源に接続する。コイルに流れる連続
電流が固定子の磁界と作用して電機子にトルクを生起す
ることにより、電機子の回転運動および電機子コイルの
励磁／整流作用を継続する。
ブラシ型DC電動機の最も望ましい特質は、幾つかの固
有の電動機特性の結果であるその制御部が簡単なことで
ある。第１に、如何なる電機子電圧が加えられても、速
度およびトルクの最大限度が確保され、またある作動条
件においては、速度およびトルクは反比例関係を持ち、
即ち電動機負荷が増加すると、速度は直線的に低下す
る。第２に、最大トルクに対しては、電機子電流により
生成された磁界は、固定子の磁界の極に対し空間的に直
角をなすはずである。電機子の整流子構造は、各電機子
コイルを直角の電機子位置関係に自動的に切換わり、最
適な直角の空間位置関係を維持する。それらの簡単さお
よび望ましい性能特性にも拘わらず、ブラシ型DC電動機
を使用するサーボ機構駆動部は、ブラシの火花、ブラシ
の疲労、ブラシの保守および低速時のトルク変動の短所
を有する。更に、電機子上に電流を通す巻線を持つこと
は、電機子の慣性を増加する許りでなく、空隙により固
定子および電動機ケーシングから分離された電機子から
の熱を放散させることが困難である。
過去20年間にわたって、新しいサーボモータ設計が、
厄介なブラシを使用しないで済むDC電動機の直線的な速
度とトルクの逆の特性を近づけることに成功してきた。
これらの新しい設計は、幾つかの異なる電動機技術を表
わすものであるが、時に総括的にブラシレス電動機と呼
ばれる。これらは、一般にブラシ型のDC電動機の性能に
相応するため、これらも時に総括的にブラシレスDC電動
機と呼ばれる。しかし、より厳密に調べると、ブラシレ
ス・サーボモータ技術はより正確にはAC誘導電動機、AC
同期電動機およびブラシレスDC電動機に分けられる。こ
れらの電動機は各々、独特な物理的構造、独特な制御理
論および独特な作動特性を有する。
高性能のサーボ機構駆動部におけるAC誘導電動機の使
用は、ごく最近の展開である。この電動機は、１つの短
絡させたかご型ロータと、固定子上の３つの位相巻線を
使用する。このような電動機のサーボ機構駆動部におけ
る制御は非常に複雑かつコスト高となり、この形式のブ
ラシレス電動機のこれ以上の分析は不要である。誘導電
動機構造における変更は、かご型ロータを永久磁石を含
むロータで置換えることである。この電動機は、典型的
には、開ループ同期モードで使用される。電動機のフィ
ードバックなしに、サーボモータとしてのその作動の制
御は不可能であり、これ以上の論議は不要である。
別のカテゴリのブラシレス・サーボモータは、AC同期
サーボモータである。この内側が外側になった３相電動
機構造は、磁束密度を最大にし重量を最小にするため希
土類材料を用いた永久磁石ロータにより生成される磁界
を有する。従って、ロータの慣性が小さくなり、これが
電動機の動的応答を最適化する。固定子は、その３つの
位相の各々に多数の組の巻線、一般に、ロータの磁石の
個数と等しい４組、６組あるいは８組の巻線を有する。
３相の固定子巻線に流れる電流は合流して、ロータの磁
石の磁界と相互に作用してトルクを生じる結果として得
る磁界ベクトルを生じる。この磁界ベクトルの大きさお
よびロータの磁気モーメントに対するその角度が、トル
クの大きさおよび向きを決定する。
固定子巻線の形状および永久磁石ロータの磁束密度の
分布は、ロータが一定速度で回転される時、図1aに示さ
れるような正弦波形の起電力（EMF）11が巻線に誘起さ
れる如きものである。誘起されるEMFの大きさおよび周
波数は、この速度に比例する。もし固定子巻線に、大き
さおよび周波数は等しいが位相が図1aに示される如く12
0°ずれている３相の正弦波形電流15が供給されるなら
ば、回転磁界が固定子の極に生じる結果となる。この磁
界の強さは、固定子巻線の電流の大きさと比例する。
与えられた電流における最大トルクおよび略々直接的
な直線状のトルク／電流関係を得るためには、それぞれ
固定子電流の位相角およびロータの磁石により生じる磁
気ベクトルの角度の関係は一定に保持されねばならな
い。従って、固定子巻線に与えられる正弦波形電流の位
相関係は、誘起される各EMFと同位相に制御され維持さ
れなければならない。
上記の機能を達成するため、電動機の作動に関する情
報を得るようにフィードバック・ループが電動機と電動
機制御部間で閉じられている。第１に、軸の回転方向を
決定するためフィードバック信号が要求される。第２
に、電流信号の振幅および位相を適正に制御できるよう
に、ロータ軸の瞬間的な絶対位置を定義するフィードバ
ック信号が要求される。最後に、速度制御のため必要な
電動機の速度を測定するためフィードバック信号が要求
される。大半のAC同期サーボモータにおいては、３つの
全てのフィードバック信号が、高分解能の絶対パルス・
エンコーダ、あるいは典型的には回転毎に2000ないし40
00パルスの範囲内にある増分分解能を持つレゾルバから
得られる。
以下に更に詳細に述べるように、ACサーボモータは、
固定子電流を電子的に整流して、各位相に対して正弦波
状の電流波形をディジタル的に生じるために、非常に複
雑な制御を必要とする。明らかに、このAC同期サーボモ
ータ制御は、ブラシ型のDC電動機に用いられるものより
遥かに複雑である。
過去数年間に、AC同期サーボモータを用いる幾つかの
射出成型機が紹介された。このような装置は、高性能の
サーボ機構駆動部として設計され、工作機械、産業ロボ
ットその他の用途において原動力システムとして好評を
博した。優れたサーボ性能を獲得するため、AC同期電動
機の設計は、電動機の応答時間および位置決め分解能お
よび精度を最大化するように進化した。例えば、重量お
よび慣性を減少するため、珍しい磁性材料が使用され
る。更にまた、電動機の構造は比較的複雑なものであ
り、より高い位置決め分解能および精度を達成するため
必要な複雑な計算を行うため電動機の制御が開発され
た。最終的な結果として、高い性能は達成し得るが高い
コストを伴う更に複雑な制御が要求される。
更に、高いサーボ性能のため必要なAC同期電動機の比
較的小さなコンパクトな設計は、電動機の出力が制限さ
れる結果となった。結果として、より多くの出力が要求
される用途においては、複数の電動機を１つの原動力シ
ステムに使用しなければならない。
（発明の要約） 本出願人は、射出成型機における電動機駆動部の利点
を享受することを欲するが、制御の複雑さ、高いコスト
および入手可能なAC同期電動機の特有の出力限度は回避
したいものと思う。
AC同期電動機とは対照的に、ブラシレスDC電動機は、
比較的遅い速度で歯車あるいはトルク伝達の脈動を生じ
た経験から、高性能のサーボ機構駆動部としては使用さ
れず、一般にはその位置決め精度および信頼性はACサー
ボモータより低いものである。しかし、本出願人は、ト
ルクの脈動を最小限に抑えることにより、ブラシレスDC
電動機を射出成型機のサーボ機構駆動部として有効に使
用できることを発見した。
本発明の１つの目的および利点は、堅牢であり、簡単
な構造であり、かつ最小限のコストで得ることができる
信頼性の高い電動機制御を含むブラシレスDC電動機駆動
部を備えた射出成型機の提供にある。
本発明の関連する目的および利点は、必要な出力を得
るため２つ以上の電動機を１つの駆動ユニットにまとめ
て用いる必要なしに、1000トン以上の緊締力が可能なも
のを含む全範囲の射出成型機サイズに対するブラシレス
DC電動機駆動部の提供にある。
本発明の別の目的および利点は、水準技術の射出成型
機の性能要件に等しいかあるいは更に優れた性能を提供
するブラシレスDC電動機駆動部を備えた射出成型機の提
供にある。
本発明の更に別の目的および利点は、クランプ・ユニ
ット、押出しおよび射出ユニット用のブラシレスDC電動
機駆動部、ならびに射出成型機に典型的に用いられる他
の閉ループ原動力システムを備えた射出成型機の提供に
ある。
本発明の性質、原理および有用性については、添付図
面に関して以降の詳細な説明を読めば更に明らかになる
であろう。
（図面の簡単な説明） 図1aおよび1bは、固定子巻線に誘起されたEMFおよびA
C同期サーボモータおよびブラシレスDC電動機用の固定
子巻線に与えられる電流信号を表わす信号を図、 図２は、ブラシレスDC電動機とともに典型的に使用さ
れる制御回路素子を示すブロック図、 図３は、ブラシレスDC電動機に対する通常および進み
位相角の速度／トルクのカーブを示すグラフ、 図４は、典型的な射出成型機において使用されるブラ
シレスDC電動機を含む制御システムを示す概略ブロック
図、 図５は、ブラシレスDC電動機を使用することができる
１つの形式の射出成型機に対する全体構成要素を示す
図、 図６は、ブラシレスDC電動機と共に典型的に使用され
る制御回路構成要素に対する別の実施例を示すブロック
図、 図７は、典型的な射出成型機に使用されるブラシレス
DC電動機を含む制御システムの別の実施例を示す概略ブ
ロック図である。
（実施例） 本出願人は、別の形式のブラシレス・サーボモータ、
即ちブラシレスDC電動機を用いる射出成型機の駆動シス
テムを開発した。ブラシレスDC電動機においては、固定
子は、永久磁石ロータにおける磁石数と等しい３相の各
々における巻線数からなる。ロータに取付けられた磁石
は、一般に周知のセラミック磁石である。固定子巻線の
形状およびロータ上の永久磁石の形状は、ロータが一定
速度で回転される時、図1bに示される如き台形状のEMF
波形17が固定子巻線に誘起されるように、ロータにおけ
る磁束密度の分布を生じる。各位相における台形状のEM
Fの累積効果は、固定子における誘起電流に対する略々
平坦な波形を生じることである。図1bに示される如き矩
形状の電流ブロック信号19が固定子巻線に加えられると
一定のトルクが生じる。図1aに示した如きACサーボモー
タにおける180°にわたる正弦波形電流の連続的な印加
とは対照的に、120°の持続時間にわたり不連続的に加
えられることに注目すべきである。一方の巻線から他方
の巻線へのこのような不連続的な電流の流れがブラシレ
スDC電動機における波状の特性の主な原因である。
EMFの振幅ｆは速度と比例し、従って、速度は固定子
の巻線に加えられた信号の電圧の振幅を制御することに
より制御される。固定子における電流ブロックの振幅
は、生成されるトルクに比例し、このトルクを制御す
る。ロータの位置の如何に拘わらず均一なトルクを生成
するためには、電流の整流は予め定めたロータ角度で生
じなければならない。このような角度は、通常は、固定
子に取付けられた３つのホール効果センサにより検出さ
れ、電動機の固定子電流の切換えを制御するため電動機
制御部にフィードバック情報を与える。更に、ロータの
速度信号を生じるためには、安価な低い分解能の回転計
を使用することができる。
整流ロジックにより、ブラシレスDC電動機の電流／ト
ルク特性および電圧／速度特性が、ブラシ型DC電動機の
これら特性と略々類似するようになる。その結果、ブラ
シレスDC電動機の制御システム回路は非常に簡単なもの
となり、ブラシ型DC電動機駆動部の制御特性をエミュレ
ートするように構成することができる。
図２は、典型的なブラシレスDC電動機制御部の基本的
な構成要素を示すブロック図である。電動機は、円筒状
の固定子ハウジング（図示せず）上に巻付けられるＹ字
形の形状に巻付けられた３個の固定子コイル22、24、26
を有する単極電動機として20で示される。前記コイルも
また、所要の電動機性能に従ってΔ形に接続される。ロ
ータ28は、固定子ハウジング内に回転自在に取付けら
れ、２つの異なる磁極を生じるように円周上で直径方向
に取付けられた１組の磁石30、32を含む。３個のホール
効果センサ34、36、38が固定子ハウジングに取付けら
れ、ロータの磁極がセンサを通過する毎にロータ位置フ
ィードバック信号を生じる。
図1bに示された如き台形状のEMF波形と時間の関係を
得るため、ブラシレスDC電動機の設計は、固定子の巻線
形状、ロータ磁石の形状、大きさおよび間隙、およびロ
ータと固定子間の空隙を考慮に入れなければならない。
ホール効果センサ32、34、36は、正確に固定子ハウジン
グ上に配置されて、誘起された台形状のEMF波形に対し
てちょうど正しい時間に電流信号の固定子巻線への切換
えを可能にするためロータ位置フィードバック信号を生
じる。従って、磁界の理想的な空間的な直角の状態を維
持するための電流の切換えあるいは整流は、電動機の構
造固有のものであり、個々に制御する必要はない。
単極電動機を図に示したが、更に典型的には４極、６
極あるいは８極の電動機が用いられる。このことは、極
数に等しい３つの位相の各々における巻線の組数がある
こと、およびロータもまた電動機の極数に等しい磁石数
を含むことを意味する。しかし、電動機の極数の如何に
拘わらず、同じ３個のホール効果センサが使用される。
このため、ホール効果センサは、所要のロータ位置のフ
ィードバック信号を生じるのに有効な低コストの位置検
出器であるという利点を有する。
図２の電動機はまた、ロータの周囲の等しい増分を規
定する磁気ロータ・マーカと関連して作動する、固定子
ハウジングに取付けられたホール効果センサ42、44によ
り達成される他のフィードバック能力を提供する。ホー
ル効果センサ42、44は各々、磁気ロータ・マーカが通過
する毎に出力信号を生じることになる。従って、ホール
効果センサ42、44および磁気ロータ・マーカは、回転毎
に100ないし300パルスの範囲内の分解能を有する低コス
トのフィードバック装置を提供する。ホール効果センサ
42、44からの出力信号は、電動機の回転の角速度および
方向の決定のため使用される。
整流器50は、３相の入力信号に応答して、それぞれ正
のバスおよび負のバス上に正と負のDC電圧を生じる。電
流検出器52は、電動機の固定子コイル22、24、26に流れ
る全電流を検出するように機能し、出力線54上に電流の
フィードバック信号を生じる。インバータ56は、固定子
の各位相を開回路条件から正または負のバスへ切換える
ためのパワー・トランジスタ・ブリッジからなる。１つ
の固定子巻線に対する典型的なトランジスタ・ブリッジ
58が示されている。各トランジスタ・ブリッジのデュー
ティ・サイクルは、ホール効果センサ34、36、38からの
ロータ位置のフィードバック信号に応答して、インバー
タ駆動ロジック60により制御される。このインバータ駆
動ロジック60はまた、パルス幅変調器62により制御され
る。電流調整器64は、トルク制御部66または速度制御ブ
リッジ68からの信号に応答して、パルス幅変調器に対し
て指令信号を与える。
先に述べたように、電動機の速度およびトルクを制御
することが一般に望ましい。速度制御部68は、入力74上
の所要の速度指令信号に応答して、所要の速度信号を方
向センサ72からの角速度フィードバック信号に比較し
て、線69上に速度誤差信号を生じる。この速度誤差信号
は、電動機の所要のあるいは設定された速度および実際
の角速度間の差を表わすアナログ信号である。トルク制
御部66はブラシレスDC電動機においては典型的には使用
されず、電動機の制御操作の初めの論議においては無視
される。従って、線69上の速度誤差信号は、電流調整器
64に直接有効に送られ、この調整器もまた電流検出器52
からの電流フィードバック信号54に接続される。電流調
整器64は、電流フィードバック信号および速度誤差信号
の和を表わす出力をパルス幅変調器62に対して与える。
パルス幅変調器が電動機に対する電圧を増加するに伴
い、角速度が増加して更に多くの電流が電動機により使
用されることになる。ある期間にわたり、速度誤差信号
はゼロまで減少し、増加した電流のフィードバック信号
が電流調整器およびパルス幅変調器をして所要の印加電
圧および電動機の速度を維持させることになる。
先に述べたように、所要の速度およびトルクを得るた
め、加えられた電圧および電流をそれぞれ固定子コイル
において制御することが必要である。パワー・トランジ
スタ・ブリッジ58のみが、固定された正および負のDC電
圧間で切換える能力を有する。従って、この制御部は、
所要の電圧および電流の値を得るため、パルス幅変調の
公知の手法を用いる。トランジスタ・ブリッジのデュー
ティ・サイクルは、ホール効果センサ34、36、38からの
ロータ位置信号により制御される。このブリッジのトラ
ンジスタのオン時間において、パルス幅変調器が多くの
オン／オフ信号をインバータ駆動ロジック60へ与え、パ
ワー・トランジスタがデューティ・サイクルのオン時間
にオンとオフ間で切換るようにする。その正味の結果
は、トランジスタが固定された正または負の電圧に切換
わる場合でさえ、デューティ・サイクルのオン時間で
は、この期間中の平均電圧はより小さいことである。同
様に、平均電流は、デューティ・サイクルのオン時間の
期間中ブリッジ・トランジスタのオン時間中の電流の平
均によって定まることになる。従って、パルス幅変調に
より、固定子コイルに対する所要の加えられた電圧およ
び電流を得ることができる。正味の結果は図1bに示され
る如き各位相における電流ブロック19の印加であり、こ
れが電流調整器の出力により定義される大きさを持つ全
電動機電流を生じる。
トルクの制御は典型的には使用されないが、ブラシレ
スDC電動機はトルクの制御下で指令を受ける。このよう
な状態においては、トルク制御部66は入力76におけるト
ルク限度信号と線69上の速度誤差信号の双方に応答し
て、速度誤差信号をトルク限度信号に制限する。更に、
速度およびトルクがセットされる通常の作動状態にあっ
て、線69上の速度誤差信号が線76上のセットされたトル
ク信号を越えないものとすれば、電動機制御部は電動機
をセット速度まで高める。電動機における負荷が増加す
るに伴い、速度は減少し始め、速度誤差信号が増加する
ことになる。電流調整器は、より多くの電流を供給して
電動機を再び指令された速度にする。負荷が増え続ける
と、速度誤差信号は入力76にあるトルク限度信号によっ
て確立される限度に達する。この時、電動機はトルク制
御下にある。次いで、電流調整器64がパルス幅変調器を
制御して、電動機の電流およびトルクをトルク限界と対
応するように確立する。トルク限界信号は変更でき、電
流および電動機のトルクはこれに従って変更される。ト
ルク制御が使用されない時は、セット・トルク信号がそ
の最大値にセットされる。
パルス幅変調器の制御装置は、速度制御あるいはトル
ク制御に応答して制御することができ、あるいは速度と
トルクの誤差信号の双方に応答することが許容される。
この場合、制御装置は、速度およびトルクの誤差信号間
で切換わり、これらの誤差信号の状態および他の電動機
の条件に応じて、制御変数としてその１つを選定するこ
とになる。
AC同期電動機の制御のための全体的なブロック図は、
図２に示された如きブラシレスDC電動機用の制御部のブ
ロック図と非常によく似ている。ここのブロック図の制
御要素は類似した機能を有するが、しかし、各ブロック
をなす特定の回路要素は、異なる電動機に対しては著し
く異なっている。ACサーボモータは、一般により多くの
電流を要し、より高品位の制御回路要素を要する更に複
雑な電流動態を有する。より顕著な相違点は下記の通り
である。
第１に、ブラシレスDC電動機のセラミック磁石は、改
善されたサーボモータ性能を得るように磁束を増しロー
タの慣性を減じるため、ACサーボモータでは希土類磁石
で置換されることになる。
第２に、固定子上のホール効果センサおよびブラシレ
スDC電動機の低分解能のロータ・エンコーダは、ACサー
ボモータにおいては、高い分解能の位置の絶対フィード
バック信号を得るように高い分解能の光学ロータ・エン
コーダまたはレゾルバによって置換されることになる。
この高分解能の絶対位置フィードバック信号は、ACサー
ボモータの制御部が正確な電流スイッチング信号を生じ
なければならない故に必要とされ、更に、ロータ回転の
各増分毎に、３つの位相の各々にたいして電流信号の正
弦波形のコード化を行わなければならない。
第３に、正弦波形電流駆動を得るために、ブラシレス
DC電動機のパルス幅変調器およびインバータ駆動ロジッ
クは、ACサーボモータにおいては、著しく更に複雑な整
流回路によって置換されることになる。このような回路
は、第１に、電動機速度を制御するため各位相毎に正弦
波形電流の交差点を定義しなければならない。この交差
点は、インバータ・トランジスタ・ブリッジのデューテ
ィ・サイクルおよびスイッチングを定義することにな
る。次に、図1aに示される如き正弦波電流の波形15が必
要とされるため、整流回路はロータの各増分角度位置に
応答して、各位相における正弦波形に対する適当な電流
の大きさが生じるようにパルス波形変調器を制御しなけ
ればならない。従って、レゾルバの各絶対回転増分と同
期して、正弦波電流波形の増分が他の位相と適正な位相
関係で各位相毎に生成される。最後に、ACサーボモータ
の制御は、電動機に所要の全電流を生じるように電流調
整器からの信号に応答しなければならない。
ACサーボモータに対する上記の制御機能は、整流がホ
ール効果センサにより固定されてこれから得られるブラ
シレスDC電動機において要求される簡単な制御機能より
も遥かに複雑でありかつ実現が更に難しい。更に、ブラ
シレスDC電動機の制御におけるパルス波形変調器は、１
つのデューティ・サイクル内で電流信号の大きさを連続
的に変調する必要はない。対照的に、この変調器は単に
デューティ・サイクル全体にわたり１つの固定された振
幅を変調するのみであり、変調は３つの全ての位相に対
して同じである。
従って、例えブラシレスDC電動機およびACサーボモー
タに対する全体的な制御システムのブロック図が非常に
似ていても、回路要素、作動ならびに制御される処理に
は著しい相違が存在する。その結果、ACサーボモータの
制御は著しく複雑な制御動作を必要とし、より複雑な回
路要素が必要とされ、コストは著しく高くなる。
図４は、典型的な射出成型機における原動力の供給源
としてのブラシレスDC電動機の使用を示している。成型
機の制御部104はオペレータ・ステーション84と接続さ
れ、このステーションはオペレータの押しボタンと入力
スイッチ85と表示装置86を含む。オペレータ・ステーシ
ョンの表示装置86は、指示灯のみでもよく、あるいはカ
ラー陰極線管あるいは射出成型作動サイクルの状態につ
いてのリアルタイム情報を提供することができる他のパ
ネル・ディスプレイでもよい。成型機制御部104は、閉
ループ能力を提供するCincinnati Milacron社により製
造販売される射出成型機制御部のCAMACのいずれによっ
てもよい。このような制御部の一例は、参考のため本文
に引用される米国特許第4,745,541号に記載されてい
る。制御部104は、基本的には、論理プロセッサ71と、
関連するプログラムおよびデータ・ストア73からなって
いる。ストア73は、典型的には、論理プロセッサ71に対
するオペレーティング・システム・プログラムを記憶す
るメモリーと、射出成型機の作動サイクルを提供するた
めの論理プロセッサにより実行される一連の論理命令を
記憶するメモリーとを含む。この論理命令は、一般に予
めプログラムされてストア73のROMメモリーにロードさ
れる。ストア73は更に、所要の作動サイクルと関連する
データを記憶するためのメモリーを含む。このデータ
は、所要の位置、速度、温度、圧力あるいは満足し得る
部品を作るため成型機の作動に必要な設定点あるいは限
度を表わす他のデータを表わす。オペレータは、オペレ
ータ・ステーション84からこの設定点データを修正する
ことができる。
論理命令の実行に際し、論理プロセッサ71は、作動サ
イクルを開始するため、I/Oインターフェース77を介し
て適当な電動機コントローラおよび成型機の他の装置に
対する速度、トルクおよび他の設定点指令信号を生じる
ことにより成型機のリアルタイム機能を制御する。プロ
セッサ71は、成型機から位置、速度、圧力、温度および
他の信号を受取り、制御ループ・プロセッサ75と共に作
動して、その時の設定点信号の状態を変更しあるいは終
了し、そして（または）作動サイクルを継続するため成
型機に対する新しい設定点信号を生じる。
ストア73はまた、論理プロセッサ71および制御ループ
・プロセッサ75により共有される２重ポート・メモリー
53を含む。制御ループ・プロセッサの１つの機能は、制
御部104におけるサーボ・ループを閉じることである。
例えば、制御ループ・プロセッサ75は、２重ポート・メ
モリーから速度指令信号を読出し、これをバッファ63に
格納する。バッファされた速度指令信号は、コントロー
ラ87へ与えられてクランプ・ユニットの運動を指令し、
クランプ・ユニットの位置を表わす線98上の位置のフィ
ードバック信号がI/Oインターフェース77を介して受取
られる。制御ループ・プロセッサ75は、加算器65におい
て位置のフィードバック信号をストア73の２重ポート・
メモリー部分に格納されたプログラムされた位置の設定
点信号に代数的に加える。結果として得た和がゼロに等
しい、即ちクランプ・ユニットの実際の位置がプログラ
ムされた位置と等しい時、制御ループ・プロセッサ75は
コントローラ87に対する存在する速度指令信号を終了
し、あるいは新しい速度指令信号をバッファ63に与え
る。同様に、圧力のフィードバック信号は、射出ユニッ
ト102における押出しスクリューに対する圧力を測定す
る成型機の圧力トランスジューサ168からI/Oインターフ
ェース77を介して受取ることができる。アナログ圧力フ
ィードバック信号が対応するディジタル信号へ変換さ
れ、この信号は加算器65においてストア73の２重ポート
・メモリー部分に格納されたプログラムされた圧力設定
点あるいは限度の信号に代数的に加算あるいは比較され
る。もし実際の圧力がこの圧力限度を越えるならば、バ
ッファ63における速度指令信号を修正あるいは減算する
ため圧力差を表わす誤差信号を信号修飾器51により使用
することかできる。制御ループ・プロセッサは、ディジ
タルあるいはアナログ手法のいずれか一方を用いて具現
することができる。成型機制御部104は、他の構成要
素、能力および機能を有するが、これらの論議は本発明
の理解のためには不要である。
作動サイクルにおける適当な時点に、速度およびトル
ク設定点信号がコントローラ87、88、89および90に対し
て生成される。これらのコントローラは、図２において
述べたコントローラと構造および作動において同じもの
である。クランプ電動機コントローラ87の作動を簡単に
要約するならば、電動機コントローラによる速度制御
は、入力92における速度指令信号とブラシレスDC電動機
124からの線93上の速度フィードバック信号に応答して
速度誤差信号を生じる。同様に、コントローラ87の内部
では、トルク制御が入力91におけるトルク限度信号とコ
ントローラ87内に生成された電動機電流フィードバック
信号に応答してトルク誤差信号を生じる。パルス波形変
調器は、コントローラ87により決定される如きこの誤差
信号のいずれか一方あるいは双方に応答して、インバー
タ駆動ロジックに対する変調出力信号を生じる。コント
ローラ87におけるインバータ駆動ロジックは、クランプ
電動機124におけるホール効果センサにより生成される
線94上のロータ位置信号に応答してインバータのパワー
・トランジスタのスイッチング動作を制御し、これによ
り電動機124の固定子コイルに接続された線95、96、97
上に３相駆動信号を生じる。
電動機124は、クランプ・ユニット100と機械的に結合
され、クランプ部材間に相対的運動を生じる。位置のフ
ィードバック装置132はクランプ・ユニットと接続され
て、線98上に可動クランプ部材の位置を表わす位置のフ
ィードバック信号を生じる。更に、コントローラ87もま
た、成型機制御部104に対する電動機124の角速度を表わ
す速度フィードバック信号を生じる。速度フィードバッ
ク信号はコントローラのいずれかあるいは全てにより生
成され得るが、図４においては、線101上の押出し電動
機コントローラ89により生成される如くに示される。電
動機コントローラ88、89および90、およびそれらの各サ
ーボモータ156、148、103の作動は、述べたばかりのク
ランプ電動機コントローラ87およびブラシレスDC電動機
124の作動と似ている。圧力成型中射出ユニットを制御
する際使用される１つの別の信号は圧力フィードバック
信号168で、これは成型機制御部104に対して入力され、
圧力の直接的な測定を可能にする。
図５は、ブラシレスDC電動機が用いられる射出成型機
を示している。この成型機は、それぞれベース105に取
付けられたクランプ・ユニット100および射出ユニット1
02からなっている。
クランプ・ユニット100は、プラテンの隅部の４本の
結合バーにより結合される矩形状の静止プラテン108、1
10からなる。２本の結合バー112、114が図に示される。
この結合バーは、可動プラテン116に対するガイドとし
て働く。型半部118、120は、それぞれプラテン116、110
に固定され、クランプが図示した閉鎖位置にある時、型
腔部122が型半部間に形成される。ゲート口123は型半部
120および静止プラテン110を貫通して、融解プラスチッ
クの型腔部122内への射出を許容する。可動プラテン
は、静止プラテン108上に取付けられたブラシレスDC電
動機124により作動される。この電動機は、ベルト継手1
27によりボール・スクリュー126に対して結合されてい
る。歯車駆動あるいは他の機械的な結合もまた使用する
できる。ボール・スクリュー・ナット128はトグル機構1
30に取付けられるが、これはクランプ・ユニットの作動
において電動機124に対して機械的な利点を提供する。
線形ポテンショメータ132の如き位置のフィードバック
装置は、静止プラテン108に対する可動クランプ部材116
の位置を表わす信号を生じる。
射出ユニット102は、管状バレル140からなる押出し機
構を含み、その内部に押出しスクリュー142が回転自在
にかつ変位自在に取付けられている。静止部材144には
スクリューが支承され、スクリュー142の一端部が可動
部材146に回転自在に固定されている。スクリュー142の
回転運動は、ベルト継手150によりスクリューに機械的
に結合された電動機148により与えられるが、この継手
もまた他の適当な機械的結合により実現することができ
る。可動部材146は、一方が152で示される、静止部材14
4および154間に結合された１対の平行バー・ガイド上に
跨っている。部材154上に取付けられたブラシレスDC電
動機156は、ベルト継手160等によりボール・スクリュー
158と結合されている。ボール・スクリュー・ナット162
は可動部材146に取付けられ、従って、電動機156は、静
止プラテン110に接近離反するように部材146および押出
しスクリュー142に線形運動を与えるように働く。部材1
46の位置を表わす位置のフィードバック信号は、線形ポ
テンショメータ164として典型的に示されるフィードバ
ック装置から得られる。
図４および図５においては、他の幾つかの電動機が射
出成型機に典型的に使用されている。放出ユニット170
は、型と一体になっており、型が開くと完成した成型部
品を放出するよう働く。この放出ユニットは、電動機コ
ントローラ90に結合されたブラシレスDC電動機103と結
合されている。成型機制御部104は、射出成型サイクル
の適当な時点において、またフィードバック装置172か
らの放出ユニット位置のフィードバック信号に応答して
コントローラ90に対する速度設定点信号を生じる。この
放出ユニットは、サーボ制御下にあって異なる型の色々
な要件および動作を許容する。
ダイの高さユニット174は、典型的に図５に示される
結合バーおよびプラテン108と一体化される。このダイ
高さユニットは、プラテン108の間隔の調整を行い、静
止プラテン110に対するトグル機構130および可動プラテ
ン116を含み、型が閉鎖位置にある時異なる型厚を有す
る異なる型の使用を許容する。ダイの高さユニットは、
電動機スタータ178と結合されるDC電動機176によって制
御される。ダイの高さユニットはオペレータにより手動
で制御され、その結果成型機制御部104が電動機スター
タ178に対する前送あるいは後退指令信号を生じること
になる。
射出スレッド180は、一般に、ベース105上のトラック
（図示せず）に跨り射出ユニット102全体を支持し、こ
れにより射出ユニットが静止プラテン110に対して前進
後退することを許容する。射出スレッドは、電動機スタ
ータ184と結合されたDC電動機182と機械的に結合されて
いる。このユニットの作動もまたオペレータにより手動
で制御され、その結果成型機制御部104が電動機スター
タ184に対して前進あるいは後退指令信号を生じること
になる。
図４および図５に関して、図示された閉鎖位置にある
クランプ・ユニット100から作動サイクルを簡単に述べ
る。また図示されるように、ホッパー166からの固体の
熱可塑性、熱硬化性あるいは他の材料が、液相の可塑性
融材を形成するようにスクリュー142によって柔軟化さ
れ、あるいはスクリューの前方に射出されている。柔軟
化時間は、典型的には複数の周部に取付けられたヒータ
・バンド141により、バレル140に対して外部熱を与える
ことにより短縮することができる。射出サイクルを開始
するために、成型機制御部104は、部材146およびスクリ
ュー142をプラテン110に向けて直線運動させるため電動
機156に速度指令を与える。成型機制御部104により幾つ
かの速度指令信号が与えられ、位置のフィードバック装
置164により検出される如く、プラテン110に対するスク
リュー142の位置の関数としてスクリュー142の直線速度
で直線状に運動する時、プラスチック融材はオリフィス
170およびゲート口123を介して型腔部122内に射出され
る。次いで、スクリュー142の直線運動の終りを規定す
るスクリュー位置が位置のフィードバック装置164によ
り検出され、成型機制御部104は充填サイクルへ移る。
あるいはまた、成型機制御部104は、予め定めた期間の
終り、あるいは圧力フィードバック装置168により測定
される如き圧力が予め定めた圧力限度を越える時、充填
サイクルへ移る。以後の充填サイクルおよび保持サイク
ルにおける射出サイクルの間、押出し電動機コントロー
ラ89にはゼロ速度信号および最大トルク指令信号が与え
られる。これらの信号は、押出しスクリューが、射出、
充填および保持サイクルの間スクリューに及ぼされる直
線作用力の存在下において回転しないように保持するた
め必要である。
充填サイクルの間、成型機制御部は、予め定めた期間
に速度指令信号および１つ以上のトルク指令信号を与え
る。その目的は、材料を型内に押圧し続けて型充填プロ
セスを完了することにある。電動機コントローラ88は、
速度指令を生じるため電動機156に対して電流を与え
る。しかし、トルクに比例する電動機電流フィードバッ
クに基いて、電動機トルク制御は指令されたトルクを越
えないように電流を制限する。
充填サイクルの終りを示す予め定めた期間の終りに、
成型機制御部104は保持サイクルへ移る。この成型機制
御部は再び、保持サイクルの間トルク限度特性を生じる
予め定めた期間、予め定めた速度指令信号おいて１つ以
上のトルク指令信号を与える。保持サイクルの終りを示
す予め定めた期間の後、成型機制御部104は冷却サイク
ルへ移り、その間成型された部品が冷却する更に別の期
間トルク指令信号あるいは速度指令信号が存在しない。
この冷却サイクルの間、成型機制御部104は押出し実
行サイクルを開始し、これにおいては押出し電動機148
はスクリュー142の前方に融解材料の新しい射出量を押
出すように作動される。同時に、電動機156は、予め定
めた圧力を融解プラスチック材料に、あるいは予め定め
た背圧を押出しスクリュー142に対して維持しながら、
このスクリュー142をプラテン110から遠去けるように作
動されなければならない。成型機制御部104は、コント
ローラ89に速度指令信号を与えて、押出しスクリュー電
動機148をしてスクリューを回転させて更に多くのプラ
スチック材料を柔軟化し、これをオリフィス170に隣接
するスクリューの前方に運ぶ。同時に、成型機制御部
は、ゼロ速度指令およびトルク限度指令を電動機コント
ローラ88へ与えて、電動機156を回転させないがスクリ
ュー142に対して予め定めた背圧を維持するようにさせ
る。スクリューの前方に圧力が形成すると、コントロー
ラ88は、ゼロ速度を維持する、即ち電動機が回転しない
ようにするため、より多くの電流を電動機156へ与えな
ければならない。電動機コントローラにおける電流検出
器がトルク指令より大きなトルクを表わす電流を検出す
ると、コントローラ88内のトルク制御は速度制御を無効
にし、電動機は回転を許される。電動機の回転は、スク
リュー142がプラテン110から遠去かるように運動させ
て、指令されたトルク限度まで背圧を低下させる。その
結果、スクリュー142が回転して一射出量の融解プラス
チックを形成すると、スクリューはプラテン110から遠
去かりスクリューに対して予め定めた背圧を維持するこ
とになる。
成型機制御部104は、コントローラ89に対して１つ以
上の速度指令を、またコントローラ88に対して１つ以上
のトルク指令を、フィードバック装置164により検出さ
れる如き押出しスクリュー142の位置の関数として与え
ることができる。スクリュー142が予め定めた最終位置
に達すると、成型機制御部は押出し電動機148の作動を
止めて、速度指令をコントローラ88に発してスクリュー
142を更に運動させて融解プラスチック材から圧力を、
またスクリューから背圧を除く。
成型された部品の冷却サイクルの終りに、制御部104
はまた速度指令信号を電動機124に対して与えて、可動
プラテン116を静止プラテン110から遠去かる方向に運動
させて型を開く。プラテン116の減速時に、位置のフィ
ードバック装置132により検出される如きその位置に応
じて予め定めた加速度を与えるように、異なる速度指令
信号を与えることもできる。型が開きつつある時、制御
部は、型半部118により支持することができる型半部放
射機構（図示せず）制御部は、型半部118により支持す
ることができる型半部放出機構（図示せず）を作動させ
る放出電動機103を含む放出ユニット170に対して速度指
令信号を与える。放出電動機103の作動は、成型機制御
部104から速度指令信号を受取る電動機コントローラ90
によって制御される。制御部104はまた、位置のフィー
ドバック装置172から放出位置フィードバック信号を受
取り、部品放出機構（図示せず）の位置を制御する。異
なる速度指令は、位置のフィードバック装置172により
検出される如き放出機構の位置の関数として与えられ
る。完成した部品は型から放出され、次いで位置のフィ
ードバック装置172により検出される如き放出機構の位
置の関数として成型機制御部104により与えられる速度
指令の制御下において、放出電動機は部品放出機構をそ
の元の位置へ戻す。
完全に開いた型のクランプの位置が検出されると、制
御部104は速度指令信号を与えて、型半部を再び一緒に
するためプラテン116の反対方向の運動を開始する。制
御部104は、加速度および減速度を制御し型半部を制御
された接触状態にするためプラテン116の位置に応じて
幾つかの速度指令を生じる。例えば、可動プラテン116
は、予め定めた位置に達するまで全サイクル時間を短縮
するため、最初早い速度で静止プラテン110に向けて運
動させることができる。その後、フィードバック装置13
2により別の位置が検出されるまで、低い速度を表わす
速度指令がコントローラ87に与えられる。次いで、成型
機制御部104は、速度指令に低い値のトルク指令信号を
与える。通常の状態においては、型半部はフィードバッ
ク装置132により検出される如き完全に閉じた位置へ合
体させられる。しかし、もし型半部間に障害が存在する
ならば、トルク制限制御が速度の制御を無効化して、電
動機に対する電流を減少して電動機の速度および運動を
低下させ、型半部が障害により生じる破損から保護す
る。
型半部が完全に閉じた位置に達したとすると、トルク
指令値が増加され、速度指令が与えられて図５に示され
る如き締結位置にトグルを運動させる。型の緊締作用力
は、フィードバック装置132により検出されるトグル機
構の最終位置によって決定され、制御される。
本文に述べた実施例は射出成型機を作動することがで
きるが、成型機の性能を改善するため幾つかの変更が可
能である。ブラシレスDC電動機は、一方の電動機巻線か
ら他方の巻線に対する不連続な電流ブロックの整流の結
果として生じるトルクの脈動即ちリップルにより生じる
電動機の波状回転の本質的な欠点を有する。この電動機
の波状回転は、比較的低い速度において更に顕著になる
電動機の運転中トルクのパルス即ち波により証拠立てら
れ、完成した部品の特性のばらつきを生じ得る。更に、
この電動機は、回転せずにトルクを保持する時にハンチ
ング即ち振動を生じる。この振動は主として、図２に示
された電動機コントローラにおいて使用される増分する
速度フィードバックにより生じ、結果として成型機の構
成要素の疲労をもたらすことになる。
電動機の波状回転を最小限に抑えるため、本出願人
は、プロセスあるいは成型機の作用力を表わす圧力即ち
プロセス中の可変量を、サーボモータの速度ループを用
いて制御できることを発見した。例えば、射出電動機の
波状回転は、押出しスクリューおよび融解材料間の圧力
の同様な周期的な変動を生じる。圧力の設定点付近のこ
れらの圧力の変動は、圧力が増加する時速度指令信号が
減少し、またその反対となるように、速度指令信号を逆
方向に修正するため用いることができる。その結果、電
動機の波状回転により生じる圧力の変動は、サーボモー
タの速度ループを用いて圧力を制御することにより実質
的に低減することができる。図７は、射出電動機コント
ローラ88に対するトルク制御を用いず、入力111に対す
る速度指令により表わされる如く速度制御のみが用いら
れることを示している。制御部104内の圧力ループを閉
じるため、制御ループ・プロセッサ75により圧力フィー
ドバック信号が用いられる。制御ループ・プロセッサ75
は、応力計168からの圧力フィードバック信号をプログ
ラムされた圧力設定点または限度と比較し、圧力限度と
圧力フィードバック信号間の数的差を表わす誤差信号を
生じる。この誤差信号は、論理プロセッサ71からの速度
指令信号を修正するため用いられる。従って、電動機コ
ントローラ内部のサーボモータ速度ループは、制御部10
4内の圧力制御ループにより制御される。
ゼロ速度の振動を減少するため、電動機フィードバッ
ク装置の分解能が増加される。この振動の振幅は、図２
に示されるホール効果センサ42、44により与えられる速
度フィードバック信号の分解能の関数である。速度フィ
ードバック信号はまた、成型機に含まれる線形ポテンシ
ョメータからの位置のフィードバック信号を微分するこ
とによっても得ることができる。もし線形ポテンショメ
ータから結果として得る速度信号がホール効果センサか
らの速度フィードバック信号の分解能より高い分解能を
有するならば、図２の速度制御ブリッジ68に対するフィ
ードバックとして、ホール効果センサ42、44から得られ
るフィードバックの代わりに線形ポテンショメータから
の微分フィードバック信号を用いて、ゼロの速度振動の
振幅を減じることができる。その一例が図７に示される
が、同図においては位置のフィードバック装置172の出
力が位置／速度のコンバータ115により微分され、位置
のフィードバック信号の微分係数が電動機103からの速
度のフィードバックの代わりに電動機コントローラ90に
対して与えられる。
あるいはまた、ホール効果センサ42、44およびその関
連する磁気ロータ・マータもまた、図６に示される如き
高い分解能の増分エンコーダ39により置換することがで
きる。高い分解能のエンコーダの効果は、振動の振幅を
小さくすることである。しかし、振動の振幅が減少する
と、振動の周波数がエンコーダの分解能に比例して増加
し、成型機の構成要素によって減衰され得る。
図５および図７においては、射出サイクルの間、成型
機制御部104における制御ループ・プロセッサ75が速度
指令信号を押出しスクリュー142の位置の関数として与
える。更に、制御ループ・プロセッサ75は、プログラム
された圧力限度を圧力フィードバック信号により表わさ
れる如き実際の圧力と比較する。実際の圧力が圧力限度
と等しいかあるいはこれより小さい限り、成型機は速度
制御下に留まり、コントローラ88は押出しスクリューを
速度指令信号と等しい速度で運動させるよう働く。しか
し、実際の圧力が圧力限度を越えると、制御ループ・プ
ロセッサ75は圧力制御モードに切換わり、これにおいて
は速度指令信号は圧力誤差信号の振幅に比例して減少す
る。制御ループ・プロセッサは、実際の圧力が再び圧力
限度と等しいかこれより小さくなるまで速度指令信号の
大きさを制御し続け、その時電動機コントローラ88が再
び専ら速度指令信号の制御下になる。射出サイクルは、
押出しスクリューの位置に達し、これが成型機の制御を
充填サイクルに移すまで、上記の如く速度あるいは圧力
の制御下で続く。
先に述べたように充填サイクルの間、成型機制御部10
4は、予め定めた期間１つ以上のトルク指令信号を与え
る。別の実施例では、サーボモータ・トルク制御は使用
されない。その代わり、制御ループ・プロセッサ75が、
予め定めた期間にわたって速度指令信号および１つ以上
の圧力設定点信号を与える。制御ループ・プロセッサ
は、射出サイクルに関して先に述べたように機能する。
このプロセッサ75は、実際の圧力が圧力設定点と等しい
限り、プログラムされた速度指令を与える。しかし、も
し実際の圧力が圧力設定点から外れると、制御ループ・
プロセッサは速度指令信号を圧力誤差信号の関数として
修正する。
充填サイクルを規定する予め定めた期間の後、制御部
104は保持サイクルへ移る。別の実施例もまたこの保持
サイクルに適合する。トルク制御を用いる代わりに、こ
の別の実施例は、押出しスクリュー圧力の関数としてサ
ーボモータ速度制御を修正することにより、保持サイク
ルを制御する。
図４および図５に関して先に述べたように、押出し機
作動サイクルは、押出しスクリューが回転してスクリュ
ーの前方にある量のプラスチック融材を形成することを
必要とする。同時に、電動機156は、スクリューに予め
定めた背圧を維持するようにトルク制限指令によりゼロ
速度信号が与えられる。この別の実施例においては、速
度指令が与えられるが、サーボモータ・トルク制御は用
いられない。その代わり、先に述べたように、制御部10
4内では圧力制御ループが閉鎖され、もし押出しスクリ
ューにおける実際の圧力が圧力設定点から外れると、速
度指令信号を修正するため用いられる。
射出電動機トルク制御とは対照的に、押出しスクリュ
ー圧力の関数として射出サーボモータ速度ループを制御
するこの代替的実施例を用いることにより、射出成型機
における電動機の波動回転を実質的に低減することがで
きる。更に、高分解能の電動機フィードバック装置を利
用することにより、ゼロ速度振動の振幅もまた縮小する
ことができる。総合的な効果は、圧力の変動を低減し、
ブラシレスDC電動機を用いる射出成型機における圧力の
制御性能を実質的に改善することである。
ブラシレスDC電動機は、ブラシ・タイプDC電動機にお
いて見出されるものと似た更に別の作動能力、即ち、整
流角の制御により速度／トルク・カーブの形状を変化さ
せる能力を有する。この整流角とは、固定子コイルに加
えられる電圧と誘起されたEMFとの間の角度である。ブ
ラシレスDC電動機においては、EMFおよび印加固定子電
圧は、励起状態が独立変数ではなく直接ロータの位置情
報により生成されるという事実により同期している。従
って、EMFに対するその関係は、整流電極により制御さ
れるパラメータである。図1bに示される如き通常の作動
状態では、印加されたブロック電流信号19は、誘起され
た台形状のEMF17と一定でありかつ固定された関係を有
する。その結果は、図３に示した速度／トルク・カーブ
80であり、これにおいては最大速度より大きな速度が比
較的低いトルク範囲において得られるが、比較的高い速
度で得られる最大トルクはこの最大トルクより小さくな
る。ブロック電流信号の印加を進めることにより、この
速度／トルク特性は図３のカーブ82により示される如く
変化する。この特性は、ブラシレスDC電動機の速度／ト
ルク特性を射出成型機の作動に適合させる際に有効であ
る。例えば、クランプ閉鎖運動の開始時に、プロセスは
最大電動機速度が望ましい非常に低いトルクで始まり、
このサイクルの終りに、電動機速度は低下する。このよ
うな状態においては、カーブ82により示される速度／ト
ルク特性が理想的である。これは、通常の運転状態にお
いて典型的に線形速度／トルク特性80により許されるも
のより高い無負荷速度を許容する。
先に述べたように、ブラシレスDC電動機においては、
ある速度における最大トルクを得るためには、固定子電
流とロータの磁気ベクトル間の理想的な位相角は、でき
るだけ90°に近く維持される。この位相角を減らすよう
に電動機の整流を修正することにより、より高い速度を
生成することができる。図２において、通常の作動条件
下では、速度要件が増すにつれて、パルス幅変調器62が
電圧の変調をその最大値まで増している。この最大値に
達すると、位相角制御部67に対して出力信号が生成され
る。この時、この位相角制御部は、整流位相角をその90
°の最適値から低減し始める。速度は位相角の余弦で増
加し、トルクはこれに対応して減少する。その結果、ブ
ラシレスDC電動機は、クランプ・ユニットの高い横方向
速度要件に密に合わせることができ、成型機の全サイク
ル時間を短縮する。
この位相角の進み特性はまた、押出しスクリュー駆動
部に対しても適用され得る。ある材料は非常に低い粘性
を持ち、従って、より低いトルクを押出しスクリューお
よびその電動機に呈する。このような用途においては、
位相角の進みは、押出しスクリューの回転速度を増し、
また押出しスクリューの前方の融材を柔軟化するに要す
る時間を短縮するために用いられる。
先に述べたように、ACサーボモータは、射出成型機に
適しているが、その使用は幾つかの本質的な欠点を招く
結果となる。第１に、ACサーボモータは高いサーボ機構
性能を生じるように設計されたもので、典型的には工作
機械、ロボットその他の工業設備に適したものであっ
た。この高いサーボ機構性能特性は、これらの用途にお
いて要求されるより大きい位置決め精度の故に選好され
る。このことは更に、慣性、大きさ、従って動力を最小
限に抑えるサーボモータ設計をもたらす。制御の複雑さ
および希土類磁石のコストは、ACサーボモータの価格を
著しく高くする。更に、より大きい電動機出力が要求さ
れる高負荷用途においては、２個以上の電動機を一体装
備しなければならず、これは更にコストを増加する。更
にまた、ACサーボモータの一体装備は、機械部分および
制御部において付加的な問題を増し、効率に悪影響を及
ぼすおそれがある。
ブラシレスDC電動機は、典型的には、速度が主たる制
御パラメータでありトルクが比較的一定あるいは予測が
非常に容易である汎用目的の動力システムに用いられて
きた。このような用途は、コンベア、エレベータ、巻上
げ機等を含み、これにおいては電動機の波動回転は問題
とならず、高い位置決め精度は不要であり、従って、ブ
ラシレスDC電動機はこれまではより高い位置決め精度お
よび迅速なサーボ応答を必要とする機械に対しては考え
られなかった。電動機の波動回転およびサーボ性能が重
要である機械の設計者達の一般的なコンセンサスは、ブ
ラシレスDC電動機技術を不適当なものとして無視し、一
般に受け入れられたACサーボモータを選択することであ
った。本出願人は、驚くべきことに、ブラシレスDC電動
機が射出成型機における使用に特に適するものであるこ
と、電動機の波動回転およびゼロ速度振動の問題が克服
できること、位置決め精度を水準技術の液圧作動機械よ
り優れた性能を提供するに充分なものにできること、お
よびこれらがが匹敵し得るコストで可能なことを発見し
た。更に、ACサーボモータの液圧作動モータに勝る利点
が、ブラシレスDC電動機によって著しく小さなコストで
獲得できるのである。
再び図５に関して、ブラシレスDC電動機は、クランプ
電動機124として特に有効である。射出成型機のサイズ
が大型の部品を製造するより大きな大きさ、例えば、50
0トン以上の緊蹄力に増大すると、所要の型緊蹄力を得
るためには２個以上のACサーボモータを一体に装備する
ことを必要とする。ブラシレスDC電動機の場合は、500
トン以上の緊蹄力の機械を含むより広範囲の成型機サイ
ズに対するクランプを満足に作動させるために要する電
動機は僅かに１個で済む。
同様に、ACサーボモータは、射出ユニット電動機156
および押出し電動機148に対しても使用されている。こ
こでもまた、ブラシレスDC電動機は専ら速度制御により
制御することができ、より大きな機械サイズの場合で
も、複数のACサーボモータとは対照的に、僅かに１個の
電動機を要するに過ぎない。
本出願人は、ブラシレスDC電動機を位相角進み制御と
組合わせて使用すれば、サイクル時間および押出し機の
稼働時間を改善できることを発見した。
ブラシレスDC電動機を射出成型機のサーボシステムに
使用することは、複雑な工業設備から良好な性能を得る
ためにはACサーボモータが必要であるという伝統的な信
念に盲従する人達によって無視されてきた。
本発明は添付図面に示される望ましい実施態様により
詳細に示し、望ましい実施態様を詳細に記載したが、本
発明をこのような細部に限定する意図はない。反対に、
請求の範囲の趣旨に該当する全ての変更、修正および相
当例を包含することを意図するものである。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−220817（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−30487（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−10425（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−174623（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−199485（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−165115（ＪＰ，Ａ) 特公 昭47−10576（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B29C 45/00 - 45/84 B29C 33/20 - 33/24 H02P 6/02

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】成形部品の形を規定する型腔部を備えた型
    要素に融解材料を射出することによって成形部品を作る
    ための射出成形機であり、 （ａ）前記型要素を支持するクランプ手段（100）と、 （ｂ）融解材料を前記型腔部内に射出する射出手段（10
    2）であって、前記型腔部と連通する端部を有する管状
    バレル（140）内に回転自在にかつ長手方向に変位自在
    に支持されたスクリュー部材（142）を含む射出手段
    と、 （ｃ）前記型要素間の相対運動を生じるように前記クラ
    ンプ手段に機械的に接続された第１の駆動手段（124,12
    6,128）と、 （ｄ）前記スクリュー部材を回転させるように前記射出
    手段に機械的に接続された第２の駆動手段（148）と、 （ｅ）前記スクリュー部材を前記管状バレル内で長手方
    向に変位させるように前記射出手段に機械的に接続され
    た第３の駆動手段（156,158,162）と、 を備え、前記第1,第2,及び第３の駆動手段の少なくとも
    １つが、ブラシレスDC電動機（20）と、該電動機を制御
    するための電動機制御手段とを有し、 前記ブラシレスDC電動機は、ほぼ台形状の波形の起電力
    を生じるものであり、永久磁石（30,32）を備えたロー
    タ（28）と、該ロータを取り巻く固定子巻線（22,24,2
    6）と、前記ロータの角度的な位置を検出する検出手段
    （34,36,38）とを備え、 前記電動機制御手段は、前記ブラシレスDC電動機に接続
    され、電動機指令信号に応答するものであり、該電動機
    制御手段は、 （ｉ）正と負のDC信号を供給する信号供給手段（50）
    と、 （ii）前記固定子巻線と信号供給手段とに接続されて、
    前記正と負のDC信号を前記固定子巻線に選択的に加える
    スイッチング回路手段（56）と、 （iii）前記スイッチング回路手段と検出手段とに接続
    されて、前記正及び負のDC信号があらかじめ定めた位相
    で前記固定子巻線に選択的に加えられて整流効果を生じ
    これによりロータの回転を与えるトルクを発生させるよ
    うにスイッチング回路手段を作動させる制御回路手段
    （60,62,64,66,67,68,72）と、を備えており、 前記射出成形機はさらに、 （ｆ）電動機制御手段に接続され前記電動機指令信号を
    生ぜしめる成形機制御手段（84,104）を備えている、射
    出成形機。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の射出成形機において、前
    記第１、第2,第３の駆動手段の他のものの少なくとも１
    つが、ブラシレスDC電動機（20）と、該電動機を制御す
    るための電動機制御手段とを有し、 前記ブラシレスDC電動機は、ほぼ台形状の波形の起電力
    を生じるものであり、永久磁石（30,32）を備えたロー
    タ（28）と、該ロータを取り巻く固定子巻線（22,24,2
    6）と、前記ロータの角度的な位置を検出する検出手段
    （34,36,38）とを備え、 前記電動機制御手段は、前記ブラシレスDC電動機に接続
    され、電動機指令信号に応答するものであり、該電動機
    制御手段は、 （ｉ）正と負のDC信号を供給する信号供給手段（50）
    と、 （ii）前記固定子巻線と信号供給手段とに接続されて、
    前記正と負のDC信号を前記固定子巻線に選択的に加える
    スイッチング回路手段（56）と、 （iii）前記スイッチング回路手段と検出手段とに接続
    されて、前記正及び負のDC信号があらかじめ定めた位相
    で前記固定子巻線に選択的に加えられて整流効果を生じ
    これによりロータの回転を与えるトルクを発生させるよ
    うにスイッチング回路手段を作動させる制御回路手段
    （60,62,64,66,67,68,72）と、を備えている、 射出成形機。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の射出成形機において、前
    記第1,第2,第３の駆動手段の各々が、ブラシレスDC電動
    機（20）と、該電動機を制御するための電動機制御手段
    とを有し、 前記ブラシレスDC電動機は、ほぼ台形状の波形の起電力
    を生じるものであり、永久磁石（30,32）を備えたロー
    タ（28）と、該ロータを取り巻く固定子巻線（22,24,2
    6）と、前記ロータの角度的な位置を検出する検出手段
    （34,36,38）とを備え、 前記電動機制御手段は、前記ブラシレスDC電動機に接続
    され、電動機指令信号に応答するものであり、該電動機
    制御手段は、 （ｉ）正と負のDC信号を供給する信号供給手段（50）
    と、 （ii）前記固定子巻線と信号供給手段とに接続されて、
    前記正と負のDC信号を前記固定子巻線に選択的に加える
    スイッチング回路手段（56）と、 （iii）前記スイッチング回路手段と検出手段とに接続
    されて、前記正及び負のDC信号があらかじめ定めた位相
    で前記固定子巻線に選択的に加えられて整流効果を生じ
    これによりロータの回転を与えるトルクを発生させるよ
    うにスイッチング回路手段を作動させる制御回路手段
    （60,62,64,66,67,68,72）と、を備えている、 射出成形機。
  4. 【請求項４】請求項１に記載の射出成形機において、前
    記ロータにトルクを与える前記整流作用は、トルクに周
    期的な変動を生じ、これに応じてプロセス中の可変量に
    変動を与えるものであり、前記成形機制御手段はさら
    に、前記電動機指令信号を前記トルク変動により前記プ
    ロセス中の可変量において生じる変動に応じて変化させ
    ることによって前記プロセス中の可変量を制御する手段
    （104,111,168）を備えている、射出成形機。
  5. 【請求項５】請求項１に記載の射出成形機において、前
    記ロータにトルクを与える前記整流作用は、トルクに周
    期的な変動を生じ、これに応じてプロセス中の可変量に
    変動を与えるものであり、前記成形機制御手段はさら
    に、 （ｉ）前記トルク変動に応じ変動する前記プロセス中の
    可変量を表すプロセスフィードバック信号を発生させる
    ための手段（168）と、 （ii）前記プロセス中の可変量のあらかじめ定めた値を
    表す設定点信号を提供する手段（53,71,73）と、 （iii）前記プロセスフィードバック信号と前記設定点
    信号とに応答し、前記プロセス中の可変量の前記あらか
    じめ定めた値からのずれに応じて前記電動機指令信号を
    変化させ、これにより前記トルク変動によって生じる前
    記プロセス中の可変量の前記ずれを減少させる手段（7
    5,77）と、 を備えている、射出成形機。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の射出成形機において、前
    記プロセスフィードバック信号は、トルク変動に応じて
    変化する、速度以外の可変量を表し、前記成形機制御手
    段はさらに、 （ｉ）あらかじめ定めた電動機速度を表す電動機指令信
    号を生じる手段（75,77）と、 （ii）前記速度以外の可変量のあらかじめ定めた値を表
    す設定点信号を提供する手段（53,71,73）と、 （iii）前記プロセスフィードバック信号と前記設定点
    信号とに応答し、該設定点信号とプロセスフィードバッ
    ク信号との差異を表すずれ信号を発生する手段（65）
    と、 （iv）前記ずれ信号に応答し、該ずれ信号の関数として
    前記電動機指令信号を変化させ、これにより前記トルク
    変動によって生じる速度以外の可変量を減少させる手段
    （51）と、 を備えている、射出成形機。
  7. 【請求項７】請求項５に記載の射出成形機において、前
    記プロセスフィードバック信号を生じる手段はさらに、
    前記融解材料によって前記スクリュー部材にかかる圧力
    を表す圧力フィードバック信号を生じる手段（168）を
    含む、射出成形機。
  8. 【請求項８】請求項２に記載の射出成形機において、前
    記ロータにトルクを与える前記整流作用は、トルクに周
    期的な変動を生じ、また、成形機がさらに、前記射出手
    段に接続されかつ前記融解材料によって前記スクリュー
    部材にかかる圧力を表す圧力フィードバック信号を生じ
    る手段（168）を含み、該圧力フィードバック信号はト
    ルク変動に応じ変動する、射出成形機。
  9. 【請求項９】請求項８に記載の射出成形機において、前
    記第２及び第３の駆動手段の各々がブラシレスDC電動機
    と該電動機を制御するための電動機制御手段とを有し、
    また前記成形機制御手段は前記第２及び第３の駆動手段
    の各々と前記フィードバック信号を生じる手段とに接続
    され、また前記成形機制御手段は、 （ｉ）前記第２の駆動手段に指令を与え、前記スクリュ
    ー部材を回転させ該スクリュー部材の一端部にある量の
    融解材料を提供する手段（89）と、 （ii）前記第３の駆動手段に組み合わされた電動機制御
    手段に指令を与える電動機指令信号を生じる手段であ
    り、前記スクリュー部材をその前記長手方向の運動に関
    してはゼロの速度を維持するごとき、速度についての電
    動機指令信号を生じる手段（75,77）と、 （iii）前記スクリュー部材と前記量の融解材料との間
    の所定の圧力を表す圧力限界信号を与える手段（53,71,
    73）と、 （iv）前記圧力限界信号及び圧力フィードバック信号に
    応答してこれら信号を比較する手段（65）と、 （ｖ）前記信号を比較する手段に応答して前記速度につ
    いての電動機指令信号を変化させトルクの脈動により生
    じる圧力フィードバック信号内の変動を減少させる手段
    （51）と、 を含んでいる、射出成形機。
  10. 【請求項１０】請求項１に記載の射出成形機において、
    前記ロータの永久磁石の各々は、それぞれの磁気ベクト
    ルを生じ、前記電動機はあらかじめ定められた速度にお
    いて最大のトルクを発生し、また電動機指令信号は該あ
    らかじめ定められた速度を越える速度を示すことがで
    き、また前記制御回路手段（60,62,64,66,67,68,72）は
    前記前記正及び負のDC信号がロータの前記磁気ベクトル
    に対してあらかじめ定められた位相関係で前記固定巻線
    に加えられて整流効果を生じこれによりロータの回転を
    与えるトルクを、前記あらかじめ定めた速度において最
    大のトルクを発生させるように与えるようになってお
    り、また前記射出成形機はさらに、位相角進め手段（6
    7）を備えており、該手段は正及び負のDC信号とロータ
    の磁気ベクトルとの間の位相関係を変化させて電動機の
    あらかじめ定められた速度に応答しそれを越える速度ま
    で電動機の速度を増加するようになっている、射出成形
    機。
  11. 【請求項１１】少なくともクランプ手段（100）と、型
    腔部と連通する閉鎖端部を有する管状バレル（140）内
    に回転自在にかつ長手方向に変位自在に支持されたスク
    リュー部材（142）とを含む複数の要素を有する射出成
    形機であって、成形部品の形を規定する型腔部内へ融解
    材料を射出することにより成形部品を形成する射出成形
    機において、 （ａ）前記成形機の要素に対して原動力を提供するブラ
    シレスDC電動機（20）と、 （ｂ）前記電動機と接続されて、速度指令信号に応答し
    て電動機の速度を制御する電動機制御手段と、 （ｃ）前記成形機と接続されて、該電動機の運動により
    影響を受ける速度以外の可変量を表すフィードバック信
    号を生じるフィードバック装置（168）と、 （ｄ）前記電動機制御手段と接続された成形機制御手段
    とを設け、 該成形機制御手段はさらに、 （ｉ）あらかじめ定めた電動機速度を表す速度指令信号
    を生じる手段（75,77）と、 （ii）前記速度以外の可変量のあらかじめ定めた値を表
    す設定点信号を生じる手段（53,71,73）と、 （iii）前記設定点信号を、前記フィードバック信号と
    比較する比較手段（65）と、 （iv）前記速度指令信号を、前記設定点信号およびフィ
    ードバック信号間の差の関数として修正することによ
    り、前記速度以外の可変量の値が電動機速度の修正によ
    り制御されるようになす手段（51）とを含むことを特徴
    とする射出成形機。
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