JP4672430B2

JP4672430B2 - 射出成形機の温度制御装置

Info

Publication number: JP4672430B2
Application number: JP2005140783A
Authority: JP
Inventors: 武横林
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: JP2006315317A

Description

本発明は、射出成形機の温度制御装置の改良に関する。

図６は、従来例による射出成形機の温度制御装置の構成を示すブロック図である（例えば、特許文献１及び２参照）。図６に示される従来例による射出成形機の温度制御装置において、加熱シリンダ１は、図示しないスクリューを内蔵し、先端にはノズル２が取り付けられている。また、加熱シリンダ１の外周各部並びにノズル２の外周にはヒータ（バンドヒータ）３が巻装されており、このヒータ３を適宜通電制御することによって、加熱シリンダ１の各部並びにノズル２がそれぞれ設定された温度にコントロールされる。また、各ヒータ３を取り付けた箇所には、加熱シリンダ１の各部並びにノズル２の温度を計測するための温度検知センサー４が設けられている。

ヒータ３を温度制御する温度制御部１６は、温度センサー４による検出値を測定する温度測定部５からの検出温度と、温度設定値格納部６に設定格納された目標温度の設定値との差（温度偏差）ｅを求める加算器７と、その温度偏差ｅに基づいてＰＩＤ（比例・積分・微分）演算を実行し操作量を出力するＰＩＤ演算部８と、ＰＩＤ演算部８の出力に基づいてヒータ３への通電を制御するための信号を得る出力処理部１５と、出力処理部１５からの出力に基づいてヒータ用電源１３の供給電源をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御信号を出力するドライブ回路１１とを備えており、ヒータ３ヘの通電を行うか否かを決定するようになされ、この温度制御部１６の制御により電磁開閉器又はソリットステートリレー（ＳＳＲ）をオン／オフ制御してヒータ用電源１３による各ヒータ３ヘの通電をそれぞれ制御するようになされていた。

ここで、電磁開閉器（有接点方式）による制御の場合では、スイッチング動作の所用時間によってオン／オフの切替え周期が機械的に制限されるという問題があり、オン／オフ周期をある程度遅くしなければならない。また、ＳＳＲによる制御では、供給電源（６０Ｈｚまたは５０Ｈｚ）の零クロス点単位でのオン／オフ制御となるため、供給の交流電源周期の１サイクルより短い周期でオン／オフすることができない。このため、従来の温度制御装置におけるオン／オフの周期時間は、供給電源の１サイクル周期（１６ｍ秒）よりも十分に長い時間（例えば１〜５秒）で制御されていた。

上述したように、従来の温度制御装置における温度制御部１６は、被加熱領域の温度が所定の温度に保たれるように、温度設定値格納部６からの設定温度と温度センサー４からの検出温度との差に基づいて、ＰＩＤ演算などの制御演算を行い、ヒータ３ヘの通電を行う時間（所定の周期（例えば１秒）における通電時間の割合）を決定する。そして、その決定に従いＳＳＲなどのスイッチング素子のオン／オフを制御するようになされ、スイッチング素子がオンすると、ヒータ３に電流が流れて発熱し、被加熱領域の温度を上昇させる。一方、スイッチング素子がオフすると、ヒータ３には電流が流れず、発熱もないので、被加熱領域の温度は放熱によって低下する。

以上のようにして、従来の射出成形機の温度制御装置は、加熱シリンダ１及びノズル部２の温度を一定に保つように、ヒータ３ヘの通電時間を制御している。

特開２００５−２２１５０号公報特開平９−１９３２２５号公報

しかしながら、従来の射出成形機の温度制御装置は、スイッチング素子のオン／オフ制御を行っているため、オン期間中またはオフ期間中の被加熱領域の温度変化に追従することができない。つまり、従来の射出成形機の温度制御装置には、被加熱領域の温度が大きく変化してもそれを抑制するようにヒータ３を制御することができない期間が存在する。

また、従来の射出成形機の温度制御装置は、スイッチング素子として、応答速度の遅い電磁開閉器やＳＳＲなどを用いているため、被加熱領域の温度変化に追従するよう、より短い周期でオン／オフさせることができない。

以上のことから、従来の射出成形機の温度制御装置は、被加熱領域の温度を精度よく一定に保つことが困難である。つまり、従来の射出成形機の温度制御装置は、加熱シリンダ１及びノズル部２全体を、均一にかつ高精度で温度制御することができないという問題点がある。そして、複数の被加熱領域にばらつきが生じると、加熱シリンダ１内の樹脂の溶融状態が安定せず、成形品の品質に影響する。

一方で、特開平７−３２９１３８号公報、特開２００４−２８４２１５号公報等で提案されているように、インバータ方式により交流電源を直流電源に一旦変換し、直流電源にパワートランジスタなどの単方向スイッチング素子を接続し、ＰＷＭ信号によりスイッチング素子のオン／オフ制御を行うことで、オン／オフ制御の斑を解消しようとする方法も提案されているが、直流電源を生成する回路や装置が別途必要という問題があった。

この発明は上記のような従来のものの課題を解決するためになされたもので、特別な直流電源を必要とせずに、射出成形機のヒータ温度を的確に、かつ高精度に制御することのできる、射出成形機の温度制御装置を提供することにある。

本発明に係る射出成形機の温度制御装置は、設定器に設定された目標温度と温度センサーが検出した検出温度との差を用いてＰＩＤ動作に基づくフィードバック処理を行うための演算処理を実行して操作量を出力するＰＩＤ演算部を備え、当該ＰＩＤ演算部から出力される操作量に基づいて射出成形機の加熱シリンダを加熱するためのヒータを制御する温度制御部を具備した射出成形機の温度制御装置において、前記温度制御部に、前記ＰＩＤ演算部から出力される操作量をヒータ用電源の周波数より十分に高い周波数の搬送波でＰＷＭ変調するＰＷＭ変換手段と、前記ＰＷＭ変換手段からの出力に基づいてヒータ用電源を高速に直接オン／オフさせる高速双方向スイッチ手段とを設けたことを特徴とする。

また、本発明の射出成形機の温度制御装置において、前記ＰＩＤ演算部から出力される操作量をリニアリティー補正して前記ＰＷＭ変換手段に出力するリニアリティー補正手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、特別な直流電源を用いなくても、高速なＰＷＭ信号により、ヒータヘ供給する電力を連続的に自由に制御できるので、オン／オフ制御による斑が無くなり、温度のオーバシュートやアンダシュートをなくし、微妙な温度制御が可能となる。また、ヒータのオン／オフの細やかな切換え制御によって射出成形機のヒータ温度を的確に制御できるようになり、成形品質が安定する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る射出成形機の温度制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示す加熱シリンダ１は、図示しないスクリューを内蔵し、先端にはノズル２が取り付けられている。また、加熱シリンダ１の外周各部並びにノズル２の外周にはヒータ（バンドヒータ）３が巻装されており、このヒータ３を適宜通電制御することによって、加熱シリンダ１の各部並びにノズル２がそれぞれ設定された温度にコントロールされる。また、各ヒータ３を取り付けた箇所には、加熱シリンダ１の各部並びにノズル２の温度を計測するための温度検知センサー４が設けられている。なお、本例においては、説明の簡略化の為に、加熱シリンダ１の最先端のヒータ３を代表にさせて以下の説明を行う。

図１は、上記した加熱シリンダ１の先端側のヒータ３によって温度コントロールされる部位（以下、これを端に加熱シリンダと称す）のための温度フィードバック制御系のみが示されている。温度設定値格納部６には、予め設定された成形運転時の設定温度Ｔ０のデータが書替え可能な形で格納されており、この設定温度値Ｔ０は、温度制御部１４に出力される。また、温度検知センサー４により検出した信号は、温度測定部５により取り込み、実測温度Ｔｍとして温度制御部１４に出力される。温度制御部１４では、加算器７により設定温度値Ｔoと実測温度Ｔｍとの差分を演算し、これを偏差（温度偏差）ｅとして、ＰＩＤ演算部８に出力する。

ＰＩＤ演算部８では、入力された偏差ｅを用いて、公知のＰＩＤ（比例・積分・微分）動作に基づくフィードバック処理を行うための演算処理を実行し、操作量ｕを出力する。

リニアリティー補正部９では、入力される操作量ｕを任意の関数ｆ（ｕ）により換算したものを、変換後の操作量ｕ’として出力する。操作量が制御対象に加えられた時の応答が必ずしも完全直線性があるものでなく、任意の関数ｆ（ｕ）は、その非直線性の関係を補正するもので、理論的に計算で求めた関数や実験的に測定したデータなどから求めたものを利用する。図２は、リニアリティー補正部９による出力結果の一例を示す。

ＰＷＭ変換部１０では、変調用の搬送波（三角波）とＰＩＤ演算から得られた操作量ｕ’を指令値比較してＰＷＭ信号を得るものであるが、温度検知センサー４で検出された温度と目標温度との温度偏差が大きく、指令値が大きくなれば、ＰＷＭ信号のパルス幅が大きくなり、温度偏差が小さく、上記指令値が小さくなればＰＷＭ信号のパルス幅は小さくなる。

図３は、本実施の形態１におけるＰＷＭ信号の例を示すもので、ｔは搬送波（三角波）の周期であり、ｔ’はＰＷＭ信号のオン時間を意味し、高速双方向スイッチ回路１２のスイッチング素子をオンさせてヒータを通電させる通電時間となる。この通電時間ｔ’は最大幅が搬送波（三角波）の周期ｔで、最小幅は「０」となり、０〜全時間通電まで、すなわち、ヒータヘ供給される平均電力を０から最大値までを連続して変化させることになる。

また、この時の搬送波の周期ｔは、ヒータ用電源１３で供給される交流の周期（例えば６０Ｈｚで１６ｍ秒）よりも、十分に短い時間（例えば５ＫＨｚで０.２ｍ秒）にすることで、すなわち、ヒータ用電源１３の周波数より十分に高い周波数の搬送波でＰＷＭ変調することで、ヒータ用電源１３として直流ではなく交流電源を供給した場合にも、斑のない安定した電力をヒータ３に供給することができる。

図４に、本実施の形態１におけるヒータ電流の波形を示す。ヒータ電流ｉは、ＰＷＭ変調の搬送波の周期で、スライスしたような波形となる。ＰＷＭ変調により、ヒータ電流を０〜全時間通電までを連続して可変できるが、ＰＷＭ変換の指令値と、ヒータ３に供給される電力とは、直線的な比例関係にない。リニアリティー補正部９は、この非直線的な関係も補正する。ドライブ回路１１は、ＰＷＭ変換部１０からの信号を、高速双方向スイッチ回路１２を駆動するための信号に変換するための回路である。

図５は、高速双方向スイッチ回路１２を実現する為の一実施の形態である。この例では、２個の逆阻止ＩＧＢＴ素子１２ａ、１２ｂを組み合わせて、交流信号のオン／オフができるようにした双方向のスイッチ回路である。また、逆阻止ＩＧＢＴ素子は、一般的なＩＧＢＴと異なり、エミッタ（Ｅ）→コレクタ（Ｃ）方向へは電流を流さない逆耐圧性能を有する素子である。また、５ＫＨｚなどの高速な周期でのオン／オフも可能な素子である。図５のＡ，Ｂ端子で、ヒータ３の交流電源のオン／オフを行い、Ｇ１，Ｇ２端子はドライブ回路１１により駆動される制御信号を入力する。

本実施の形態１では、ヒータ用電源１３として商用の交流で説明したが、交流電源を半波整流や全波整流した脈流の電源にも同様に実施することができることはいうまでもない。また、本実施の形態１では、リニアリティー補正部９を備えたが、本発明に必須である必要は無い。

以上のように、上記実施の形態によれば、特別な直流電源を用いなくても、高速なＰＷＭ信号により、ヒータヘ供給する電力を連続的に自由に制御できるので、温度制御が容易になり、オン／オフ制御による斑が無くなり、温度のオーバシュートやアンダシュートをなくし、微妙な温度制御が可能となる。また、ヒータのオン／オフの細やかな切換え制御によって射出成形機のヒータ温度を的確に制御できるようになり、成形品質が安定する。

本発明の実施の形態１に係る射出成形機の温度制御装置の構成を示すブロック図である。図１のリニアリティー補正部９による出力結果の一例を示す図である。本発明の実施の形態１におけるＰＷＭ信号の例を示す図である。本発明の実施の形態１におけるヒータ電流の波形を示す図である。本発明の実施の形態１における双方向スイッチ回路１２の一例として逆阻止ＩＧＢＴを用いた例を示す図である。従来例に係る射出成形機の温度制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１加熱シリンダ、２ノズル部、３ヒータ、４温度検知センサー、５温度測定部、６温度設定値格納部、７加算器、８ＰＩＤ演算部、９リニアリティー補正部、１０ＰＷＭ変換部、１１ドライブ回路、１２高速双方向スイッチ回路、１３ヒータ用電源、１４温度制御部。

Claims

設定器に設定された目標温度と温度センサーが検出した検出温度との差を用いてＰＩＤ動作に基づくフィードバック処理を行うための演算処理を実行して操作量を出力するＰＩＤ演算部を備え、当該ＰＩＤ演算部から出力される操作量に基づいて射出成形機の加熱シリンダを加熱するためのヒータを制御する温度制御部を具備した射出成形機の温度制御装置において、
前記温度制御部に、
前記ＰＩＤ演算部から出力される操作量をヒータ用交流電源の周波数より高い周波数の搬送波でＰＷＭ変調するＰＷＭ変換手段と、
前記ＰＷＭ変換手段からの出力に基づいてヒータ用交流電源を高速に直接オン／オフさせる高速双方向スイッチ手段と
を設けたことを特徴とする射出成形機の温度制御装置。
請求項１に記載の射出成形機の温度制御装置において、
前記ＰＩＤ演算部から出力される操作量をリニアリティー補正して前記ＰＷＭ変換手段に出力するリニアリティー補正手段を設けたことを特徴とする射出成形機の温度制御装置。