JP4928386B2 - 射出成形機 - Google Patents

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Description

本発明は、電動タイプのインラインスクリュ式の射出成形機に係り、特に、計量用電動サーボモータにビルトイン(Built−In)型モータを用いた射出成形機に関する。
例えば、従来の電動タイプのインラインスクリュ式の射出成形機においては、計量用電動モータの出力軸に固定した駆動プーリと、スクリュの基端部を固定した回転連結体に一体形成または固定された被動プーリとに、タイミングベルトを掛け回して、計量用電動モータの回転をプーリ・ベルトによる回転伝達機構を介して、射出用電動モータの駆動力で直線駆動される直動ブロックに回転可能に保持された回転連結体に伝え、これによって、回転連結体と一体のスクリュを回転させる構成を採ることが多い。このような構成をとると、計量用電動モータとして、その中心に出力軸をもつ一般的なACサーボモータを採用できるが、プーリ・ベルトによる回転伝達機構によって減速機構を構築する必要があるので、部品点数が増して、マシンの省スペース化を阻害する要因となる。また、比較的に径の大きい被動プーリを回転させる必要があるので、回転イナーシャが大きくなり、回転伝達の過渡応答性の向上には自ずと限界があるものとなる。
そこで、上記の回転イナーシャを小さくして、回転伝達の過渡応答性を向上させるために、計量用電動モータとして、内部が中空のビルトイン(Built−In)型モータ(ダイレクト結合タイプのモータ)を用いるようにした射出成形機が、たとえば特開平08−039631号公報(特許文献1)によって知られている。この特許文献1の従来技術には、計量用電動サーボモータとしてのビルトイン型モータのロータに、スクリュと一体形成したスプライン軸を直接スプライン結合することで、ビルトイン型モータによってスクリュを回転駆動するようにした構成が示されている。また、特許文献1で提案された発明では、計量用電動モータと射出用電動サーボモータとを兼用する単一のビルトイン型モータによって、スクリュと一体のボールねじ・スプライン軸のボールねじ又はスプライン軸部分を、クラッチによって択一選択して回転させることにより、スクリュを択一選択して、回転又は直線移動させるようにしている。
しかしながら、特許文献1の従来技術では、スクリュの後部にボールねじが、ボールねじの後部にはスプライン軸が形成されているので、マシン全体の全長が長くなり、また、ビルトイン型モータのロータにスプライン軸をスプライン軸結合しているので、スプライン軸結合のための構成要素を必要とするので、その分だけ取り付けにも手間の掛かるものとなる。
また、特許文献1で提案された発明では、単一のビルトイン型モータに計量用電動モータと射出用電動サーボモータとを兼用させているので、2つのクラッチやスプライン軸結合機構を必要とし、構造が複雑で組み立てが繁雑であるという問題がある上、スクリュを回転させている際には、スクリュに対しその軸方向への圧力をモータによって付与することができず、したがって、計量工程時に背圧を付与することができないという問題がある。
そこで、計量用電動サーボモータにビルトイン型モータを用いた射出成形機においては、円筒形の固定子の内側で回転する円筒形の回転子に、スクリュの基端部を固定・保持した回転連結体を固定することで、計量用のビルトイン型モータの回転をダイレクトにスクリュに伝えて、スクリュを回転させるように構成することが、合理的であると考えられる。また、計量用のビルトイン型モータを搭載して前後進する直動ブロックに、射出用電動モータの回転を直線運動に変換するボールネジ機構の直動部を結合・固定して、射出用電動モータの駆動力で直動ブロックを直線駆動することにより、スクリュを直線移動させる構成をとることが、一般的であると考えらる。
特開平08−039631号公報
上記したように、計量用電動モータにビルトイン型モータを用いると、計量開始時のスクリュ回転立ち上げの過渡応答性を高めることができる。また、計量用のビルトイン型モータを搭載して前後進する直動ブロックに、ボールネジ機構の直動部を結合・固定するように構成すると、ボールネジ機構の直動部が回転することがないので、計量工程時における射出用電動モータによる背圧の制御も容易である。
しかしながら、計量用のビルトイン型モータを搭載した直動ブロックに、ボールネジ機構の直動部である例えばナット体を固定するためには、直動ブロックにスクリュ軸方向に沿った膨出部などを設けたりする必要があることから、直動ブロックにはどうしても計量用のビルトイン型モータよりも突出した部位が生じるので、マシン(射出成形機)の全長を短くしたいという要求の阻害要因となる。
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、計量用電動サーボモータにビルトイン型モータを用いた射出成形機において、マシン(射出成形機)の全長を短くすることを可能とすることにある。
本発明は上記した目的を達成するため、加熱シリンダ内のスクリュを回転させることにより、原料樹脂を混練・可塑化しつつスクリュの先端側に移送して、スクリュの先端側に計量した溶融樹脂を貯え、スクリュの前進によって金型内に溶融樹脂を射出・充填するインラインスクリュ式の射出成形機において、計量用電動モータとして、円筒形の固定子と、該固定子の内部に位置する円筒形の回転子とをもつ、内部が中空のビルトイン型モータを用いて、このビルトイン型モータの回転子の内部にスリーブを固定し、前記スクリュの後端部を固定した部材と前記スリーブとを連結・固定すると共に、射出用電動モータの回転を直線運動に変換するボールネジ機構の直動部であるナット体と前記スリーブとを連結・固定する。
本発明では、計量用電動サーボモータとしてビルトイン型モータ(計量用ビルトインモータ)を用い、このビルトイン型モータの回転子の内部にスリーブを固定して、スクリュの後端部を固定した部材(回転連結体)をスリーブに連結・固定すると共に、射出用電動モータの回転を直線運動に変換するボールネジ機構の直動部であるナット体をスリーブに連結・固定するようにしている。つまり、ボールネジ機構のナット体を、計量用ビルトインモータの回転子と一体のスリーブに結合するようにしているので、計量用ビルトインモータを搭載する直動ブロックを小型化することができ、また、スリーブの内部(計量用ビルトインモータの回転子の内部)を、スクリュの後端部を固定した部材(回転連結体)の取り付け空間、および、ナット体と螺合したネジ軸の進入空間として有効利用することが可能となり、これによって、マシン(射出成形機)の全長を短くすることに貢献できる。また、計量用ビルトインモータの回転子に固定したスリーブに、スクリュの後端部を固定した部材(回転連結体)およびボールネジ機構のナット体を固定するという、簡素な取り付けであるので、取り付け作業性にも優れたものとなる。
ただし、本発明では、計量用ビルトインモータの回転子とボールネジ機構のナット体(ボールネジ機構の直動部)とを一体化しているので、計量用ビルトインモータの回転でスクリュが回転すると、ボールネジ機構のナット体も回転し、このスクリュの回転駆動に伴うナット体の回転で、ナット体がネジ軸に沿って直線移動する。そこで、計量工程においては、計量用ビルトインモータの回転制御を行うと同時に、スクリュを回転駆動することに伴うナット体の回転によるナット体の直線移動を打ち消すように、射出用電動モータの回転制御を行う。
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図1〜図5は、本発明の一実施形態(以下、本実施形態と記す)による電動タイプのインラインスクリュ式の射出成形機に係り、図1は、本実施形態の射出成形機の射出系メカニズムの概要を示す要部断面図である。
図1において、1は、図示せぬ射出ユニットベース盤上に配設されたヘッドストック、2は、ヘッドストック1と所定距離をおいて対向するように、同じく図示せぬ射出ユニットベース盤上に配設された保持プレート、3は、その後端部をヘッドストック1に固定された加熱シリンダ、4は、加熱シリンダ3の先端に取り付けられたノズル、5は、加熱シリンダ3の外周に巻装されたバンドヒータ、6は、加熱シリンダ3内に回転並びに前後進可能であるように配設されたスクリュ、1aおよび3aは、図示せぬホッパーから落下・供給される原料樹脂を加熱シリンダ3の後端部内に供給するために、ヘッドストック1および加熱シリンダ3にそれぞれ穿設された原料樹脂供給穴である。
また、7は、ヘッドストック1と保持プレート2との間に架け渡された連結バー、8は、ヘッドストック1と保持プレート2との間で前後進可能なように、図示せぬレール部材上に直動ガイドを介して設けられた直動ブロック(直動体)、9は、直動ブロック8上に搭載された計量用の内部が中空のビルトイン(Built−In)型モータ(以下、計量用ビルトインモータ9と記す)、10は、計量用ビルトインモータ9のケーシング、11は、ケーシング10に固定された計量用ビルトインモータ9の円筒形の固定子、12は、固定子11の内側で回転可能な計量用ビルトインモータ9の円筒形の回転子、13は、回転子12の内周面に強嵌合などで固定されたスリーブ、14は、スリーブ13を回転可能に支承するため、ケーシング10とスリーブ13との間に介装された軸受け、15は、スクリュ6の基端部を固定し、スリーブ13に固定された回転連結体である。
また、16は、保持プレート2に搭載された射出用の内部が中空のビルトイン(Built−In)型モータ(以下、射出用ビルトインモータ16と記す)、17は、射出用ビルトインモータ16のケーシング、18は、ケーシング17に固定された射出用ビルトインモータ16の円筒形の固定子、19は、固定子18の内側で回転可能な射出用ビルトインモータ16の円筒形の回転子、20は、回転子19の内周面に強嵌合などで固定されたスリーブで、図示では簡略化して描かれているが、スリーブ20は、図示せぬ軸受けを介して、ケーシング17に回転可能に保持されるようになっている。
また、21は、射出用ビルトインモータ16の回転を直線運動に変換するボールネジ機構、22は、保持プレート2に軸受け24を介して回転可能に保持されたボールネジ機構21のネジ軸(ボールネジ機構21の回転部)、23は、ネジ軸22に螺合されて、ネジ軸22の回転でネジ軸22に沿って直線移動すると共に、その端部を、計量用ビルトインモータ9側のスリーブ13に直接または適宜の部材を介して固定されたボールネジ機構21のナット体(ボールネジ機構21の直動部)、25は、射出用ビルトインモータ16側のスリーブ20とネジ軸22の端部とを連結・固定する連結具である。
なお、本実施形態においては、射出用ビルトインモータ16の回転子19によってダイレクトに回転駆動されるボールネジ機構21のネジ軸22のネジリードは、スクリュ6の直径の1.5倍以上に設定してあって、これにより、射出用のボールネジ機構21の回転部をモータでダイレクトドライブする構成であっても、射出性能を十分に保証できるようしてある。
図2は、射出用ビルトインモータ16側のスリーブ20とボールネジ機構21のネジ軸22の端部との連結・固定部を示す要部拡大図である。図2に示すように、スリーブ20の内周面とネジ軸22の端部の外周面との間に連結具25が介装されており、この連結具25の後記するアウタレース26がスリーブ20の内周面に圧接され、連結具25の後記するインナレース27がネジ軸22の端部の外周面に圧接されることで、スリーブ20とネジ軸22とが連結具25とにより、強固に固定・一体化されるようになっている。連結具25の圧接の調整操作は、射出用ビルトインモータ16の中空部の開放端側から、連結具25の後記する調整ネジ30を回動操作することで、容易にかつ確実に行えるようになっており、射出用ビルトインモータ16の中空部を有効利用してスペースファクターの向上を図りつつ、射出用ビルトインモータ16の回転子19とそれにより回転駆動される部材(ここではボールネジ機構21のネジ軸22)との連結・固定を、操作性よく、容易・確実に行えるようになっている。
また、本実施形態では、このようにボールネジ機構21のネジ軸22を回転駆動するための射出用モータとしてビルトイン型モータ(射出用ビルトインモータ16)を採用し、プーリ・ベルトによる回転伝達機構を用いることなく、射出用ビルトインモータ16の回転子19とネジ軸22とを一体化して、射出用ビルトインモータ16でボールネジ機構21のネジ軸22をダイレクト駆動するようにしているので、射出用回転伝達系の回転イナーシャを低減でき、回転伝達の過渡応答性を向上させることができる。また、射出用回転伝達系から減速機構を排することができるので、部品点数を削減することが可能となり、射出用ビルトインモータ16として低回転高トルクの仕様のモータを採用できることと、射出用回転伝達系の回転伝達の過渡応答性を向上させることができることとが相俟って、射出(1次射出)初期のスクリュ6の前進立ち上げ特性を良好なものとすることができる。
図3は、連結具25の断面構造を示す図である。連結具25は摩擦式締結具の一種であり、軸外周と円筒内周とを固定・一体化するためのツールであり、軸外周と円筒内周に何等加工を施すことなく、軸外周と円筒内周とを強固に結合可能なツールであって、結合・固定のための構造が簡素化できるものとなっている。この連結具25は、その内周面側にテーパ部をもち径方向に変位可能なアウタレース(外輪部)26と、その外周面側にテーパ部をもち径方向に変位可能なインナレース(内輪部)27と、アウタレース26とインナレース27との間に位置して軸方向(図3で左右方向)に移動可能な第1テーパリング28および第2テーパリング29と、第1テーパリング28および第2テーパリング29を軸方向に移動させる複数の締め付けボルト30とで構成されている。各締め付けボルト30は、第1テーパリング28に対しては、第1テーパリング28に形成した各ネジ穴に螺合されており、第2テーパリング29に対しては、第2テーパリング29に形成した各バカ穴に遊挿されていると共に、締め付けボルト30の頭部が第2テーパリング29に当接するようになっている。
図3に示す構成において、締め付けボルト30を所定方向に回転させると、第1テーパリング28が図示で右方向に移動すると共に、第2テーパリング29が図示で左方向に移動し、これによって、アウタレース26が拡がる方向に変形すると共に、インナレース27が狭まる方向に変形して、アウタレース26がスリーブ20の内周面に圧接され、インナレース27がネジ軸22の端部の外周面に圧接されるようになっている。
図4は、計量用ビルトインモータ9側のスリーブ13と、スクリュ6の基端部を固定・保持した回転連結体15およびボールネジ機構21のナット体23との連結・固定部を示す要部拡大図である。図4に示すように、ボールネジ機構21のナット体23は、取り付けボルト31によってスリーブ13に固定されている。したがって、ボールネジ機構21の運動伝達のためのナット体23側の取り付け構造も、きわめて簡単化でき、組み立ても容易なものとなっている。
また、図4に示すように、スクリュ6の基端部を固定・保持した回転連結体15は、スリーブ13内に嵌め込まれており、回転連結体15は、取り付けボルト32によってスリーブ13に固定されている。本実施形態では、このようにスクリュ6を回転駆動するための計量用モータとしてビルトイン型モータ(計量用ビルトインモータ9)を採用し、この計量用ビルトインモータ9の回転子12の内部にスリーブ13を固定して、スクリュ6の後端部を固定した回転連結体15をスリーブ13に連結・固定すると共に、射出用ビルトインモータ16の回転を直線運動に変換するボールネジ機構21の直動部であるナット体23をスリーブ13に連結・固定するようにしている。つまり、ボールネジ機構21のナット体23を、計量用ビルトインモータ9の回転子12と一体のスリーブ13に結合するようにしているので、計量用ビルトインモータ9を搭載する直動ブロック8を小型化することができ、また、スリーブ13の内部(計量用ビルトインモータ9の回転子12の内部)を、回転連結体15の取り付け空間、および、ナット体23と螺合したネジ軸22の進入空間として有効利用することが可能となり、これによって、マシン(射出成形機)の全長を短くすることに貢献できる。さらに、本実施形態では、スクリュ6を回転駆動するための計量用モータとしてビルトイン型モータ(計量用ビルトインモータ9)を採用し、プーリ・ベルトによる回転伝達機構を用いることなく、計量用ビルトインモータ9の回転子12とスクリュ6とを一体化して、計量用ビルトインモータ9でスクリュ6をダイレクト駆動するようにしているので、計量用回転伝達系の回転イナーシャを低減でき、回転伝達の過渡応答性を向上させることができる。また、計量用回転伝達系から減速機構を排することができるので、部品点数を削減することが可能となり、計量用ビルトインモータ9に低回転高トルクの仕様のモータを採用できることと、計量用回転伝達系の回転伝達の過渡応答性を向上させることができることとが相俟って、計量初期のスクリュ6の回転立ち上げ特性を良好なものとすることができ、粘性の高い樹脂材料であっても、早期にスクリュ6の安定回転を得ることができ、以って、良品成形に貢献することが可能となる。さらにまた、ナット体23および回転連結体15のスリーブ13への固定も、取り付けボルト31、32による至ってシンプルな結合手法を採用することができ、取り付け作業性にも優れたものとなる。
本実施形態では、計量工程時には、マシン(射出成形機)全体の制御を司る後記するシステムコントローラ41からの指令で、後記するサーボドライバ45−1を介して、計量用ビルトインモータ9が回転速度(回転数)フィードバック制御で駆動制御され、これにより、スリーブ13、回転連結体15と一体となってスクリュ6が所定方向に回転する。このスクリュ6の回転によって、図示せぬホッパーから原料樹脂供給穴1a、3aを通ってスクリュ6の後端側に供給された原料樹脂を、混練・可塑化しつつスクリュ6のネジ送り作用によって前方に移送するのが、一般的な計量動作であるが、本実施形態では、スクリュ6が所定方向に回転すると、スリーブ13に固定されたナット体23も回転することになり、このスクリュ6の回転駆動に伴うナット体23の回転で、ナット体23がネジ軸22に沿って直線移動する。そこで、このスクリュ6の回転駆動に伴うナット体23の回転によるナット体23の直線移動(計量用ビルトインモータ9やスクリュ6の直線移動)を打ち消すように、システムコントローラ41は、後記するサーボドライバ45−2を介して、射出用ビルトインモータ16を設定背圧を目標値とする圧力フィードバック制御によって駆動制御し、これによって、スクリュ6に付与する背圧を所定の圧力に保ちつつ、スクリュ6の先端側に溶融樹脂が送り込まれるのにしたがって、スクリュ6を適正制御で後退させる。つまり例えば、計量用ビルトインモータ9を単位時間当たり10回転させるとすると、射出用ビルトインモータ16を単位時間当たり9.9回転させることで、スクリュ6の回転駆動に伴うナット体23の回転によるナット体23の直線移動をキャンセルしつつ、スクリュ6に所定の背圧が付与されるように制御するようになっている。そして、スクリュ6の先端側に1ショット分の溶融樹脂が貯えられた時点で、計量用ビルトインモータ9によるスクリュ6の回転駆動は停止される。
一方、射出充填工程時には、計量が完了した後の適宜タイミングにおいて、後記するシステムコントローラ41からの指令で、後記するサーボドライバ45−2を介して、射出用ビルトインモータ16が速度フィードバック制御で駆動制御され、これにより、射出用ビルトインモータ16の回転がボールネジ機構21によって直線運動に変換されて、この直線運動が前記した直線運動伝達系を介してスクリュ6に伝達されて、スクリュ6が急速に前進駆動されることで、スクリュ6の先端側に貯えられた溶融樹脂が、型締め状態にある図示せぬ金型のキャビティ内に射出充填され、1次射出工程が実行される。1次射出工程に引き続く保圧工程では、システムコントローラ41からの指令でサーボドライバ45−2を介して、射出用ビルトインモータ16が、圧力フィードバック制御で駆動制御され、これにより、設定された保圧力がスクリュ6から図示せぬ金型内の樹脂に付加される。
図5は、本実施形態の射出成形機の制御系の構成を簡略化して示すブロック図である。図5において、41は、マシン(射出成形機)全体の制御を司るシステムコントローラ、42は、作業者が各種の入力操作を行うための入力装置、43は、作業者に各種の表示モードの画像を表示するための表示装置、44は、マシンの各部に配設された多数のセンサ(位置センサ、速度センサ、圧力センサ、回転量検出センサ、温度センサなど)よりなるセンサ群、45は、マシンの各部に配置されたアクチュエータ(前記したモータ9、16などのモータ)やヒータ等を駆動制御するための多数のドライバ(モータドライバ、ヒータドライバなど)からなるドライバ群であり、ドライバ群45には、計量用ビルトインモータ9をフィードバック制御で駆動するサーボドライバ45−1や、射出用ビルトインモータ16をフィードバック制御で駆動するサーボドライバ45−2が含まれている。
また、システムコントローラ41内において、46は運転条件設定格納部、47は測定値格納部、48は運転プロセス制御部、49は表示処理部である。
運転条件設定格納部46には、あらかじめ入力された成形サイクルの各工程(型閉じ(型締め)、射出、計量、型開き、エジェクト前進、エジェクト後退の各工程)の運転制御条件が書き換え可能に格納され、測定値格納部47には、センサ群44などによりマシンの各部の計測情報(位置情報、速度情報、圧力情報、回転角情報、回転速度(単位時間当たりの回転数)情報、温度情報など)がリアルタイムで取り込まれて格納される。運転プロセス制御部48は、あらかじめ用意された各工程の運転制御プログラムと、運転条件設定格納部46に格納された各工程の運転条件の設定値とに基づき、測定値格納部47中の計測情報や各部からの状態確認情報や自身の計時情報を参照しつつ、ドライバ群45を駆動制御して、各工程の運転を実行させる。表示処理部49は、あらかじめ用意された各種の表示処理プログラムと、表示用固定データに基づき、必要に応じて、運転条件設定格納部46や測定値格納部47の内容を参照して、各種の表示モードの画像を生成し、これを表示装置43に表示させる。
本発明の一実施形態に係る射出成形機の射出系メカニズムの概要を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態に係る射出成形機における、射出用ビルトインモータ側のスリーブとボールネジ機構のネジ軸の端部との連結・固定部を示す要部拡大図である。 図2中の連結具の拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る射出成形機における、計量用ビルトインモータ側のスリーブと、スクリュの基端部を固定・保持した回転連結体およびボールネジ機構のナット体との連結・固定部を示す要部拡大図である。 本発明の一実施形態に係る射出成形機の制御系の構成を簡略化して示すブロック図である。
符号の説明
1 ヘッドストック
1a 原料樹脂供給穴
2 保持プレート
3 加熱シリンダ
3a 原料樹脂供給穴
4 ノズル
5 バンドヒータ
6 スクリュ
7 連結バー
8 直動ブロック
9 計量用のビルトイン型モータ(計量用ビルトインモータ)
10 ケーシング
11 固定子
12 回転子
13 スリーブ
14 軸受け
15 回転連結体
16 射出用のビルトイン型モータ(射出用ビルトインモータ)
17 ケーシング
18 固定子
19 回転子
20 スリーブ
21 ボールネジ機構、
22 ネジ軸(ボールネジ機構の回転部)
23 ナット体(ボールネジ機構の直動部)
24 軸受け
25 連結具
26 アウタレース
27 インナレース
28 第1テーパリング
29 第2テーパリング
30 締め付けボルト
31 取り付けボルト
32 取り付けボルト
41 システムコントローラ
42 入力装置
43 表示装置
44 センサ群
45 ドライバ群
45−1 サーボドライバ(計量用)
45−2 サーボドライバ(射出用)
46 運転条件設定格納部
47 測定値格納部
48 運転プロセス制御部
49 表示処理部

Claims (3)

  1. 加熱シリンダ内のスクリュを回転させることにより、原料樹脂を混練・可塑化しつつスクリュの先端側に移送して、スクリュの先端側に計量した溶融樹脂を貯え、スクリュの前進によって金型内に溶融樹脂を射出・充填するインラインスクリュ式の射出成形機において、
    計量用電動モータとして、円筒形の固定子と、該固定子の内部に位置する円筒形の回転子とをもつ、内部が中空のビルトイン(Built−In)型モータを用いて、このビルトイン型モータの回転子の内部にスリーブを固定し、前記スクリュの後端部を固定した部材と前記スリーブとを連結・固定すると共に、射出用電動モータの回転を直線運動に変換するボールネジ機構の直動部であるナット体と前記スリーブとを連結・固定したことを特徴とする射出成形機。
  2. 請求項1に記載の射出成形機において、
    計量工程においては、ビルトイン型モータよりなる前記計量用電動モータの回転制御を行うと同時に、前記スクリュを回転駆動することに伴うナット体の回転によるナット体の直線移動を打ち消すように、射出用電動モータの回転制御を行う、コントローラを備えたことを特徴とする射出成形機。
  3. 請求項2に記載の射出成形機において、
    前記射出用電動モータとしてビルトイン型モータを用いて、この射出用電動モータとしてのビルトイン型モータの回転子の内部に固定したスリーブと、前記ボールネジ機構の回転部であるネジ軸とを連結・固定し、このネジ軸のネジリードを前記スクリュの直径の1.5倍以上に設定したことを特徴とする射出成形機。
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