JP4913052B2 - 垂直マイクロ射出成形機 - Google Patents

Description

本発明は、全体として、射出成形機構の改良に関し、更に詳細には、垂直マイクロ射出成形機（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏ−ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ）に関する。

射出成形プロセスは、複雑な部品を正確に大量生産できるということが周知である。微小な部品を製造するために更に多くの射出成形機が使用されてきた。

従来技術では、垂直マイクロ射出成形機は、水平方向配向又は垂直方向配向のいずれかで取り付けられた注入ユニットと、上金型及び下金型を含む金型を、溶融材料によって及ぼされる圧力に抵抗するのに十分な力で互いに保持するための垂直方向に配向されたクランプシステムとを含む。上金型及び下金型は、これらの間の相対的垂直方向移動によって互いに合わせたとき、金型キャビティを間に形成する。溶融材料は、金型に注入できる。部品が冷却して凝固した後、金型を開放し、部品を取り出すことができる。

周知の垂直射出成形機に基づき、従来の垂直マイクロ射出成形機は、更に、可塑化ユニットと、注入ユニットと、溶融材料を射出成形機の注入シリンダに供給する往復動スクリューとを含む。溶融材料は、スクリューを前方に移動し、材料をノズルを通して常温の金型キャビティ内に圧送することによって注入される。スクリューの前方の所望容積の材料が注入された後、スクリューの軸線方向移動を停止する。次いで、金型キャビティを冷却し、注入した材料が部品の所望の形状で凝固する。

微小な大きさの部品を射出成形するには、非常に少量の溶融材料を高い精度で注入することが必要とされる。周知の垂直マイクロ射出成形機は、溶融材料の遮断にバルブを使用し、金型キャビティに注入されるべき材料の正確な量を計量するためにスクリュー及び／又はプランジャーの移動を使用する。デッドゾーンに溶融材料を捕捉しないマイクロバルブの設計及び製造は、多くの困難に直面した。従って、市販の多くの新規な射出成形機設計がこうした問題点を解決しようと試みてきた。

米国特許出願第２００２／００２０９４３Ａ１号から、マイクロ部品を成形するための射出成形機が、注入部分及び金型部分に作動的に連結された可塑化部分を含むということが周知である。可塑化部分と注入部分との間の連結部を開閉するためにバルブ部材が設けられる。可塑化部分は、更に、可塑化プランジャーを可塑化チャンバ又はボア内で駆動する可塑化空気シリンダを含む。しかしながら、可塑化プランジャーが溶融材料を圧縮するために下方に移動するため、溶融材料に捕捉された空気を効果的になくすことができず、これによりマイクロ部品の品質に影響が及ぼされる。

米国特許第６，４０３，０１０Ｂ１号には、プラスチック又は他の射出成形可能な材料を射出成形工具に注入するための方法が記載されている。この方法は、本質的に正確に射出成形工具内に導入されるべき量の溶融材料を、可塑化装置から、可塑化装置への流動学的第１連結部を持つ計量分配装置内に輸送する工程と、本質的に射出成形工具内に導入されるべき量の溶融材料を、溶融装置から注入装置内に流動学的第１連結部を介して輸送すると同時に溶融材料が計量装置から可塑化装置内に逆流しないようにする工程と、注入装置内の全材料を注入ピストンによって射出成形工具内に注入すると同時に材料が注入装置から計量装置内に逆流しないようにする工程とを含む。この方法では、溶融材料が、先ず最初に上方から下方に輸送された後、水平方向に輸送されて溶融材料を圧縮するため、溶融材料中に空気が捕捉されることを効果的になくすことはできない。これは、マイクロ部品の品質に影響を及ぼす。
米国特許出願第２００２／００２０９４３Ａ１号 米国特許第６，４０３，０１０Ｂ１号

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、バルブに対する必要をなくし、溶融材料中に空気が捕捉されないようにし、注入を非常に高速で行う、垂直マイクロ射出成形機を提供することである。本発明は、更に、材料を捕捉したり材料の品質を劣化したりするデッドゾーン又はデッドコーナーを射出成形プロセスで減少することである。これは、劣化した材料が、後に生じる汚染の主因とならないようにするためである。

本発明による垂直マイクロ射出成形機は、供給チャンネルが設けられており、この供給チャンネルに溶融材料を輸送するためのスクリュー又はプランジャーが設けられた可塑化ユニットと、この可塑化ユニットから計量された量の溶融材料を受け入れるようになった注入ユニットと、計量された量の溶融材料を注入ユニットから受け入れるようになった射出成形金型と、注入前に射出成形金型を閉鎖し、注入した材料の凝固後に射出成形金型を開放するようになった少なくとも二つのスラストシリンダとを含み、注入ユニットは、注入シリンダを含み、この注入シリンダは、可塑化ユニットの供給チャンネルに連結されており、垂直方向に往復動するプランジャーが注入シリンダに設けられており、垂直方向に往復動するプランジャーの上方への前進により、空気を注入シリンダ内の溶融材料の上方に追い出すことができ、次いで溶融材料を射出成形金型に押し込む。注入シリンダが垂直に位置決めされており且つプランジャーが溶融材料を上方に注入できるため、注入シリンダ内の溶融材料の液体コラムの上方に空気を放出でき、溶融材料が金型に押し込まれる前に空気の捕捉をなくすことができる。

本発明によれば、供給チャンネル及び注入シリンダが所定の角度をなすのが好ましい。

本発明によれば、水平入口チャンネルが注入シリンダ及び可塑化ユニットの供給チャンネルの夫々に連結されており、これらの間に配置されているのが好ましい。

本発明によれば、射出成形機は、注入されるべき溶融材料の圧力を計測するため、注入シリンダの頂部近くに設けられた圧力感知装置を更に含む。プランジャーの上方への前進中、圧力感知装置によって計測された圧力プロファイルを使用し、正確な量の溶融材料を射出成形金型に注入するのに必要なプランジャーの上方への移動量を実時間で計算し、従って、プランジャーの移動を実時間で制御する。実際、圧力感知機構は、射出成形プロセスに亘り、何らかの固体により金型がブロックされたときに金型が損傷しないようにする効果的な方法を提供し、更に重要なことには、圧力変動の信号により、注入されるべき材料の正確な量を計算し制御する有効な手段を提供する。

本発明によれば、射出成形機は、更に、スクリュー又はプランジャーに連結されたサーボモータを含むのが好ましい。

本発明によれば、射出成形機は、プランジャーに連結されており且つモータによって駆動されるプランジャーアクチュエータを更に含むのが好ましく、前記モータはリニアサーボモータである。

本発明によれば、射出成形機は、圧力／温度感知装置を含むのが好ましく、この感知装置は、供給されるべき溶融材料の圧力及び／又は温度を計測するため、可塑化ユニットの供給チャンネルの端部の近くに設けられている。断熱のため、ウォータージャケットが可塑化ユニットの周囲に設けられている。

本発明によれば、射出成形金型は、少なくとも二つの電動式スラストシリンダの移動を同期することによって開閉される。射出成形金型の様々な領域及び／又は側部でクランプ力を等しくするために、電動式スラストシリンダの各々のクランプ力を最終的に調節するため、射出成形金型の閉鎖後、電動式スラストシリンダを独立して作動できる。

本発明は、注入における空気の捕捉の問題をなくし、一方向バルブ及び／又は遮断バルブの必要をなくす、簡単で清浄な機構を使用する。計測した圧力プロファイル信号を使用し、注入される溶融材料の正確な量を制御することによって、大きさが非常に小さく且つ形状が規則的でない金型等の困難な状況で金型キャビティ内に実際に注入される溶融材料（溶融プラスチック）の高速注入及び正確な計測を行うための新たなメカトロニクス的アプローチの基礎を提供する。

本発明は、ミニチュアサイズの部品用のプラスチック射出成形機構の設計に直ちに適用される。本発明は、次世代のマイクロ射出成形機に対する新たな基礎を形成し、高速注入用のリニアモータ及びサーボモータ等のメカトロニクス装置の使用に対する基礎を提供する。

本発明を、様々な実施例により、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。

次に、本発明を詳細に説明する。添付図面を参照すると、図１乃至図４は、ホッパが示してない、本発明による垂直マイクロ射出成形機の概略図である。垂直マイクロ射出成形機は、機械支持体１０と、この機械支持体１０の上面に固定されたベースプレート１２と、ベースプレート１２の上に配置された定置の金型クランププレート１４と、この定置の金型クランププレート１４上に配置された移動自在の金型クランププレート１６とを含む。この実施例では、二つ又はそれ以上の電動式スラストシリンダ２０が金型クランププレート１４に対称に配置されている。電動式スラストシリンダ２０のスラストシリンダロッド２２は、定置の金型クランププレート１４を通って移動自在の金型クランププレート１６に連結されている。スラストシリンダ２０は、電動式シリンダであってもよいし、液圧シリンダであってもよいし、空気シリンダであってもよい。

本発明による垂直マイクロ射出成形機は、更に、可塑化ユニット３０と、注入ユニット４０と、射出成形金型６０とを更に含み、これらは全て、機械の中央軸線に沿って配置されている。可塑化ユニット３０は、固体材料、例えばプラスチックを軟化し、注入ユニット４０内への溶融プラスチックの供給を制御するようになっている。射出成形金型６０は、上金型（移動金型）及び下金型（定置金型）を含む。上金型及び下金型は、これらの間の相対的垂直方向移動によって互いに合わせたとき、これらの金型間に成形キャビティを形成する。金型クランププレート１４及び１６は、射出成形金型６０を互いに保持し、射出成形金型６０は、スラストシリンダロッド２２を制御することによって自動的に開閉できる。制御システムを使用し、全ての部分の移動を制御する。

図５及び図６は、ホッパを備えた本発明による垂直マイクロ射出成形機の概略図を示し、図７及び図８は可塑化ユニット３０の詳細断面図を示す。可塑化ユニット３０は、上部分３８及び下部分３９を含むことがわかる。ホッパ３２が可塑化ユニット３０の上部分３８に設けられている。この実施例では、回転スクリュー３１が上部分３８及び下部分３９を通って可塑化ユニット３０の供給チャンネルに挿入してある。他の設計では、スクリュー３１に代えてプランジャーを使用してもよい。更に、ウォータージャケット３３が上部分３８の周囲に設けられており、下部分３９と近接した上部分３８の端部に配置されている。熱を遮断するため、冷水をウォータージャケット３３内に流する。上部分及び下部分の二つの部分を連結しクランプするため、クランプ３４が上部分３８及び下部分３９の連結領域に設けられている。上文中に説明した構造に基づき、顆粒又は粉体の形態の固体プラスチックをホッパ３２から可塑化ユニット３０の供給チャンネルに供給する。プラスチックを可塑化ユニット３０内で加熱し、溶融する。プラスチックは、射出成形を行うための射出成形可能な他の材料に代えてもよい。

可塑化ユニット３０内で、供給チャンネルに挿入したスクリュー３１が回転できる。スクリューはモータによって回転され、プラスチックを溶融し、混合し、溶融したプラスチックを前方に移動するように作用し、その結果、溶融プラスチックを、水平に位置決めされた入口チャンネル４６を通して注入できる。図８を参照すると、スクリュー３１が供給チャンネルに挿入されており、可塑化ユニット３０の上部分３８に配置されたベアリング３７によって支持されている。ベアリング３７は、ベアリング３７が軸線方向に移動できないようにする平らなワッシャ３５及び保持リング３６によって軸線方向肩部に配置されている。注入シリンダ４２に供給されるべき溶融プラスチックの圧力／温度を計測するため、圧力／温度感知装置８１が供給チャンネルの端部近くに設けられている。液体圧力の動的変化を感知装置８１によって記録し、スクリュー３１の作動を制御することにより、注入ユニット４０に供給されるべき溶融プラスチックの正確な量を実時間計算するのに使用する。

図９及び図１０に示すように、注入ユニット４０は、入口チャンネル４６によって可塑化ユニット３０の供給チャンネルに連結された注入シリンダ４２を含む。注入シリンダ４２及び供給チャンネルは所定の角度をなす。プランジャー４１を注入シリンダ４２に挿入し、このシリンダ内で往復動させる。その結果、まず最初に供給チャンネルがプランジャー４１によって遮断され、次いで計量された量の溶融プラスチックをプランジャー４１によって注入シリンダ４２内で押し上げることができる。ノズル７０が注入チャンネルの頂部に設けられており、注入チャンネルと軸線方向で整合している。ノズル７０は、射出成形金型６０のスプルーと係合しており、このスプルーを通して溶融プラスチックを射出成形金型６０に注入できる。金型の設計に応じて、ノズル７０は随意であってもよい。

注入シリンダ４２の頂部の近くには、注入されるべき溶融プラスチックの圧力を計測するための圧力感知装置８０が取り付けられている。この圧力感知装置の代わりに、溶融プラスチックの温度も計測できる圧力／温度感知装置を使用してもよい。プランジャー４１が前方に移動するとき、液体圧力における動的変化を記録し、これを実時間計算に使用し、これによって、正確な量の溶融プラスチックを射出成形金型６０に注入するため、プランジャー４１の前進を正確に停止できる。

射出成形プロセスは繰り返し行われる。本発明による垂直マイクロ射出成形機の射出成形サイクルは、５つの工程に分けられる。第１工程は供給工程であり、第２工程はプランジャー４１の前進により供給チャンネルを遮断する工程であり、第３工程は注入工程であり、第４工程は成形工程であり、第５工程は取り出し工程である。

図９は、本発明による垂直マイクロ射出成形機の供給工程での部分断面図である。供給工程では、固体プラスチックをホッパ３２から可塑化ユニット３０内に供給し、溶融する。次いで、スクリュー３１を適当に回転しながら溶融プラスチックを入口チャンネル４６を通して注入シリンダ４２に供給する。スクリュー３１を回転するのに可塑化モータ５１を使用する。溶融−供給スクリューを正確に制御するため、可塑化モータ５１は、スクリュー３１を回転するためのサーボモータであってもよい。必要とされる制度が低いモデルについては、可塑化モータ５１は、ステッピングモータであってもよい。このとき、プランジャーを入口チャンネル４６の直ぐ下まで引っ込める。計量された量の溶融プラスチックを注入シリンダ４２に供給する。即ち、供給工程でプランジャー４１を引っ込めることによって入口チャンネル４６を開放し、制御システムによって供給スクリュー３１を制御下で回転することにより、適量の溶融プラスチックを注入シリンダ４２に供給する。

図１０は、本発明による垂直マイクロ射出成形機の注入工程での部分断面図である。適量の溶融プラスチックを注入シリンダ４２に供給しれた後、プランジャー４１は上方への移動を開始し、まず最初に供給チャンネルを塞ぐ。重力により、プランジャーの上昇中に液体レベルが維持され、この際、液体の上にある空気がまず最初に放出される。液体のコラム４４がノズル７０のオリフィスに達したとき、又はノズル７０を必要としない幾つかの金型設計において金型キャビティ内へのフィーダーのオリフィスに達したとき、溶融プラスチックの圧力の上昇を圧力感知装置８０によって登録する。この捕捉された圧力信号を使用し、溶融プラスチックの上レベルがノズル７０のオリフィスに達した位置を実時間で計算し、液体の正確な量が金型キャビティにいつ注入されたのかを実時間で計算し、プランジャー４１の前進を正確な位置で停止する。ノズル７０を必要としない金型設計の他の態様では、圧力変化を発生するノズル７０と同じ機能を持つ制限部が金型内部に組み込んである。上方への注入プロセスの高い加速度、高い速度、及び正確な制御については、プランジャーアクチュエータ５２でプランジャー４１を移動するため、リニアサーボモータ５０が使用される。リニアサーボモータを注入で使用することは、その高い加速度のため、注入速度が大幅に上昇し、他の機構では達成できない遥かに高いレベルの精度を提供する。加速度が低い設計態様については、液圧式モータ又はサーボモータにスクリュー及び／又はカムを加えた他の手段を使用してもよい。注入工程では、遮断バルブ設計が設けられていないこの射出成形機は、実時間圧力信号分析により、水平射出成形機の空気を捕捉するという問題をなくし、遮断バルブにおけるデッドゾーンをなくし、金型キャビティ内に注入される溶融プラスチックの正確な量を計量する高精度の方法を提供する。

適量の溶融プラスチックを射出成形金型６０に注入した後、成形工程を開始する。金型キャビティ内の溶融プラスチックを冷却し、凝固する。その後、取り出し工程を開始する。即ち、二つ又はそれ以上のスラストシリンダ２０によって射出成形金型６０を開放し、射出成形された部品を取り出す。次いで、プランジャー４１を入口チャンネル４６の真下まで再び引っ込め、次の打ち込みのために前記二つ又はそれ以上のスラストシリンダによって射出成形金型６０を閉鎖する。その後、次のサイクルを開始できる。プロセス中、金型閉鎖プロセスの速度プロファイルや力プロファイル等を正確に制御するため、サーボモータにスクリュー装置（例えば、サーボモータスラストシリンダ）を加えたものを使用し、金型閉鎖プロセスを行う。更に、射出成形金型６０の様々な領域及び／又は側部のクランプ力を等しくするために各電動式スラストシリンダ２０のクランプ力を最終的に調節するため、射出成形金型６０の閉鎖後に電動式スラストシリンダ２０を独立して作動できる。移動する金型プレートの全ての側部で等しい移動を得るように、全てのサーボモータの動きをフェーズロックするため、特別の制御アルゴリズムを使用する。低価格の設計態様については、液圧シリンダ等の他の低価格の機構を使用してもよい。上文中に説明したプロセスは、コンピュータシステムであってもよい制御システムによって制御される。制御システムは、射出成形機構の全ての可動部品を様々な工程で制御し、サイクルを完了するため、各工程及びフィードバック信号を検出する。圧力感知機構は、射出成形プロセスに亘り、何らかの固体により金型がブロックされた場合に金型が損傷しないようにする効果的な方法を提供する。例えば、プランジャー４１の前進中に不適切な場所で圧力が突然に上昇することは、閉塞又は他の問題が金型で生じたことを示し、これをコントローラーが感知し、金型が損傷しないようにするため、制御システムが感知装置のフィードバック信号に従って警報を鳴らし、プランジャーの前進を停止することができる。

上文中に説明したように、本発明は、注入における空気の捕捉の問題をなくすため、及び一方向バルブ及び／又は遮断バルブに対する必要をなくすため、簡単であり且つ清浄な機構を使用するということがわかる。大きさが非常に小さく且つ形状が規則的でない金型等の困難な状況で金型キャビティに実際に注入される溶融液体（溶融プラスチック）の高速注入及び正確な計量を行うための新たなメカトロニクス的アプローチの基礎を提供する。

本発明を好ましい実施例を参照して説明した。明らかに、当業者は、上文中に記載した本発明の詳細な説明を読んで理解することにより、変形及び変更を思いつくであろう。これらの変形及び変更は、本発明の範疇に入る限り、本発明に含まれる。

図１は、ホッパが図示していない、本発明による垂直マイクロ射出成形機の概略図である。 図２は、図１に示す垂直マイクロ射出成形機の右側の図である。 図３は、図１に示す垂直マイクロ射出成形機の平面図である。 図４は、図３に示す垂直マイクロ射出成形機の斜視図である。 図５は、ホッパを備えた、本発明による垂直マイクロ射出成形機の概略図である。 図６は、図５のＡ−Ａ線に沿った、図５に示す垂直マイクロ射出成形機の断面図である。 図７は、本発明による垂直マイクロ射出成形機の可塑化ユニットの断面図である。 図８は、図７に示す可塑化ユニットの部分Ｂの拡大図である。 図９は、供給工程での本発明による垂直マイクロ射出成形機の注入部分の部分断面図である。 図１０は、注入工程での本発明による垂直マイクロ射出成形機の注入部分の部分断面図である。

符号の説明

１０ 機械支持体
１２ ベースプレート
１４ 金型クランププレート
１６ 金型クランププレート
２０ 電動式スラストシリンダ
２２ スラストシリンダロッド
３０ 可塑化ユニット
３１ 回転スクリュー
３２ ホッパ
３３ ウォータージャケット
３４ クランプ
３８ 上部分
３９ 下部分
４０ 注入ユニット
６０ 射出成形金型

Claims (10)

1. 供給チャンネルが設けられており、この供給チャンネルに溶融材料を輸送するためのスクリュー又はプランジャー（３１）が設けられた可塑化ユニット（３０）と、
   前記可塑化ユニット（３０）から計量された量の溶融材料を受け入れるようになった垂直方向を向く注入ユニット（４０）と、
   前記計量された量の溶融材料を注入ユニット（４０）から受け入れるようになった射出成形金型（６０）と、
   注入前に前記射出成形金型（６０）を閉鎖し、注入した材料の凝固後に前記射出成形金型（６０）を開放するようになった少なくとも二つのスラストシリンダ（２０）とを含む、マイクロ部品を成形するための垂直マイクロ射出成形機において、
   前記注入ユニット（４０）は、注入シリンダ（４２）を含み、該注入シリンダ（４２）は、前記可塑化ユニット（３０）の前記供給チャンネルに連結されており、平坦な上端面を有し垂直方向に往復動するプランジャー（４１）が前記注入シリンダ（４２）に設けられており、前記垂直方向に往復動するプランジャー（４１）の上方への前進により、前記溶融材料を射出成形金型（６０）に押し込む前に、空気を前記注入シリンダ（４２）内の前記溶融材料の上方に追い出し、可塑化ユニット（３０）は注入ユニット（４０）側が下方となるよう傾斜して配置され、可塑化ユニット（３０）の供給チャンネルは注入ユニット（４０）の注入シリンダ（４２）に入口チャンネル（４６）を介して連結され、プランジャー（４１）の垂直方向移動により入口チャンネル（４６）が開閉されることを特徴とするマイクロ部品を成形する垂直マイクロ射出成形機。
2. 請求項１に記載の垂直マイクロ射出成形機において、
   前記供給チャンネルのスクリュー又はプランジャー（３１）は、プラスチックを溶融し、溶融したプラスチックを前方へ移動させる、ことを特徴とする垂直マイクロ射出成形機。
3. 請求項１に記載の垂直マイクロ射出成形機において、
   注入されるべき溶融材料の圧力を計測するため、圧力感知装置（８０）が前記注入シリンダ（４２）の頂部に設けられている、ことを特徴とする垂直マイクロ射出成形機。
4. 請求項３に記載の垂直マイクロ射出成形機において、
   前記圧力感知装置（８０）は、前記プランジャー（４１）の上方への前進中、前記溶融材料の圧力プロファイルを計測し、この圧力プロファイルは、前記プランジャー（４１）の上方への移動量を実時間で計算してプランジャー（４１）の上方への移動を制御するため使用され、前記射出成形金型（６０）内に正確な量の前記溶融材料を注入する、ことを特徴とする垂直マイクロ射出成形機。
5. 請求項１に記載の垂直マイクロ射出成形機において、
   前記スクリューにはサーボモータが連結されている、ことを特徴とする垂直マイクロ射出成形機。
6. 請求項１に記載の垂直マイクロ射出成形機において、
   プランジャーアクチュエータ（５２）が前記プランジャー（４１）に連結されており、モータによって駆動され、該モータはリニアサーボモータである、ことを特徴とする垂直マイクロ射出成形機。
7. 請求項１に記載の垂直マイクロ射出成形機において、
   供給されるべき溶融材料の圧力又は温度、あるいは圧力及び温度を計測するため、前記可塑化ユニット（３０）の前記供給チャンネルの端部に圧力／温度感知装置（８１）が設けられている、ことを特徴とする垂直マイクロ射出成形機。
8. 請求項１に記載の垂直マイクロ射出成形機において、
   断熱のため、ウォータージャケット（３３）が前記可塑化ユニット（３０）の周囲に設けられている、ことを特徴とする垂直マイクロ射出成形機。
9. 請求項１に記載の垂直マイクロ射出成形機において、
   前記射出成形金型（６０）は、少なくとも二つの電動式スラストシリンダ（２０）の移動を同期することによって開閉される、ことを特徴とする垂直マイクロ射出成形機。
10. 請求項９に記載の垂直マイクロ射出成形機において、
    前記射出成形金型（６０）内の領域及び／又は側部でクランプ力を等しくするために、前記射出成形金型（６０）の閉鎖後、前記電動式スラストシリンダ（２０）を独立して作動し、前記電動式スラストシリンダ（２０）の各々のクランプ力を調節する、ことを特徴とする垂直マイクロ射出成形機。

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