JP5839484B2

JP5839484B2 - 射出成形機

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Publication number: JP5839484B2
Application number: JP2012133264A
Authority: JP
Inventors: 水野　博之; 博之水野
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: EP2674277A1; CN103481480A; EP2674277B1; JP2013256062A; CN103481480B

Description

本発明は、射出成形機に関する。

射出成形機は、溶融した樹脂を金型装置内に射出する射出装置を備える。金型装置は固定金型及び可動金型で構成され、型締め時に固定金型と可動金型との間にキャビティ空間が形成される。

射出装置は、シリンダ内で溶融した樹脂を、シリンダの先端に設けられるノズルから射出し、金型装置内のキャビティ空間に充填する。キャビティ空間で冷却固化された樹脂は、型開き後に成形品として取り出される。

シリンダは、軸方向に沿って複数のゾーンに区分けされ、ゾーン毎にヒータ及び温度センサが設けられる。各ゾーンの温度が目標温度になるように、所定周期（例えば１秒）に占める通電時間の割合（デューティ比）がヒータ毎に設定され、設定されたデューティ比でヒータが通電される（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００８／１２６９０６号

従来、複数のヒータの通電を開始するタイミングが同時であり、一時的に大電力が消費され、大きなピーク電力に見合った保護回路や電源容量を選択する必要があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、ピーク電力を低減できる射出成形機の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様による射出成形機は、
樹脂材料が供給されるシリンダと、
該シリンダを加熱する複数のヒータと、
前記シリンダの温度を測定する複数の温度センサと、
各温度センサの測定温度と目標温度との温度偏差に基づいて、各ヒータに供給する電力を独立に制御するコントローラとを備え、
該コントローラは、ある時点での各ヒータにおける電力の合計値のピーク値を調整することを特徴とする射出成形機。

本発明によれば、ピーク電力を低減できる射出成形機が提供される。

本発明の一実施形態による射出成形機の射出装置を示す図である。シリンダの温度を制御するための構成の一例を示す図である。コントローラの動作の実施例及び従来例を説明する図である。コントローラの動作の別の実施例及び従来例を説明する図である。コントローラの動作のさらに別の実施例及び従来例を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、各図面において、同一の又は対応する構成については同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。また、射出装置による樹脂の射出方向を前方とし、射出方向と反対方向を後方として説明する。

図１は、本発明の一実施形態による射出成形機の射出装置を示す図である。図２は、シリンダの温度を制御するための構成の一例を示す図である。

射出装置１０は、不図示の金型装置内に溶融樹脂を射出する。金型装置は固定金型及び可動金型で構成され、型締め時に固定金型と可動金型との間にキャビティ空間が形成される。射出装置１０は、シリンダ１１内で溶融した樹脂を、シリンダ１１の先端に設けられるノズル１２から射出し、金型装置内のキャビティ空間に充填する。キャビティ空間で冷却固化された樹脂は、型開き後に成形品として取り出される。

射出装置１０は、シリンダ１１内で回転自在に、且つ軸方向に移動自在に配設されるスクリュ１３を含む。スクリュ１３は、スクリュ回転軸１３−１と、スクリュ回転軸１３−１の周りに螺旋状に設けられるフライト１３−２とを一体的に有する。スクリュ１３の一端部には、ホッパ１４から樹脂ペレット（樹脂材料）が供給される。スクリュ１３が回転すると、スクリュ１３のフライト（ねじ山）１３−２が動き、スクリュ１３のねじ溝内に充填された樹脂ペレットがホッパ１４側からノズル１２側に送られる。

シリンダ１１の外周には、複数のヒータ２１〜２４が設けられており、シリンダ１１を所定の温度に加熱する。シリンダ１１内を前方に移動する樹脂は、ヒータ２１〜２４からの熱により加熱される。樹脂はシリンダ１１の前方に行くにつれて溶融状態となる。シリンダ１１の先端部において、樹脂は完全に溶融した状態となる。そして、スクリュ１３の前方に溶融樹脂が蓄積されるにつれ、スクリュ１３は後退する。スクリュ１３が所定距離後退し、スクリュ１３の前方に所定量の樹脂が蓄積されると、スクリュ１３の回転は停止される。そして、スクリュ１３の回転を停止した状態で、スクリュ１３が前進することにより、溶融樹脂がノズル１２から金型装置内に射出される。

スクリュ１３は、軸方向に沿って後方（樹脂供給側）から前方（ノズル側）にかけて、供給部１５、圧縮部１６、計量部１７として区別される。供給部１５は、樹脂が供給され、前方に搬送される部分である。圧縮部１６は、供給された樹脂を圧縮しながら溶融する部分である。計量部１７は、溶融した樹脂を一定量ずつ計量する部分である。スクリュ１３のねじ溝の深さは、供給部１５で深く、計量部１７で浅く、圧縮部１６において前方に向かうほど浅くなっている。

シリンダ１１は、軸方向に沿って複数（例えば４つ）のゾーンＺ１〜Ｚ４に区分けされ、ゾーンＺ１〜Ｚ４毎にヒータ２１〜２４が設けられる。各ヒータ２１〜２４に供給される電力は個別に制御され、シリンダ１１はゾーンＺ１〜Ｚ４毎に加熱される。各ヒータ２１〜２４は、シリンダ１１の外周を囲むように設けられる。図示していないが、ノズル１２の外周にもヒータが設けられてよい。

また、ゾーンＺ１〜Ｚ４毎に温度センサ（例えば熱電対）３１〜３４が設けられる。各温度センサ３１〜３４の先端はシリンダ１１に埋設されている。各温度センサ３１〜３４の検出信号は、コントローラ４０に入力される。

コントローラ４０は、各温度センサ３１〜３４の測定温度と目標温度との温度偏差に基づいて、各ヒータ２１〜２４に供給する電力を独立に制御する。コントローラ４０は、例えば図２に示すように、電源５０からヒータ２１〜２４への電力の供給／遮断を切り換えるスイッチ回路４１〜４４と、スイッチ回路４１〜４４を制御する温度制御部４５とを備える。

複数のヒータ２１〜２４は例えば並列に接続され、複数のヒータ２１〜２４に対応して複数のスイッチ回路４１〜４４が設けられる。各スイッチ回路４１〜４４は、対応するヒータ２１〜２４に直列に接続されている。

各スイッチ回路４１〜４４は、ソリッドステートリレー（Solid State Relay）等のスイッチを有し、温度制御部４５からの制御信号（例えばＰＷＭ信号）に応じてオン／オフし、対応するヒータ２１〜２４への電力の供給／遮断を切り換える。

各スイッチ回路４１〜４４がオンのときに、対応するヒータ２１〜２４に供給される電圧（交流の場合、電圧の実効値）は可変ではなく一定でもよい。この場合、通電時に各ヒータ２１〜２４に供給される電力Ｗ１〜Ｗ４（図３、図４参照）は、各ヒータ２１〜２４の抵抗値等で決まる。各ヒータ２１〜２４の抵抗値が高くなるほど、各ヒータ２１〜２４に電流が流れにくくなり、通電時に各ヒータ２１〜２４に供給される電力Ｗ１〜Ｗ４が減る。

図２において、電源５０は交流電源であり、各ヒータ２１〜２４や各スイッチ回路４１〜４４に供給される電力は交流であるが、直流でもよい。各スイッチ回路４１〜４４に供給される電力が直流の場合、各スイッチ回路４１〜４４は、スイッチとしてのトランジスタを有してよい。

温度制御部４５は、例えばマイクロコンピュータで構成され、ＣＰＵ及びメモリ等を含む。温度制御部４５は、メモリに記録された各種制御プログラムをＣＰＵによって処理することにより、温度制御部４５が有する各種機能を実現する。

温度制御部４５には、ユーザによる入力操作を受け付け、入力操作に応じた操作信号を温度制御部４５に入力する操作部（例えば操作パネル）１５が接続されている。温度制御部４５は、操作部１５からの操作信号に基づいて目標温度を設定する。目標温度は、樹脂材料の種類、射出成形機の状態（連続成形時、成形停止時の別）等に応じて設定される。

温度制御部４５は、各温度センサ３１〜３４の測定位置、即ち各ゾーンＺ１〜Ｚ４での測定温度と目標温度との温度偏差を求める。温度制御部４５は、求めた温度偏差に基づいて例えばＰＩＤ（Proportional, Integration and Differential）演算等の演算を行い、温度偏差が０となるように、所定周期（例えば１秒）に占める通電時間の割合（デューティ比）をヒータ２１〜２４毎に設定する。各ヒータ２１〜２４の通電周期は同じであってよい。各ヒータ２１〜２４に通電時に供給される電力Ｗ１〜Ｗ４が一定の場合、各ヒータ２１〜２４の通電時間のデューティ比が高くなるほど、各ヒータ２１〜２４の単位時間当たりの発熱量が高くなる。このようにして、温度制御部４５は、温度偏差を補償している。

温度制御部４５は、ヒータ（例えばヒータ２１）の通電時間を、当該ヒータが設置されるゾーン（例えばゾーンＺ１）の温度偏差や熱容量、当該ヒータの抵抗値、及び電源５０の容量（例えば電流供給能力）等に基づいて算出する。各ゾーンＺ１〜Ｚ４の熱容量、各ヒータ２１〜２４の抵抗値、及び電源５０の容量等は、メモリ等に予め格納されているものを読み出して用いる。

温度制御部４５は、各ヒータ２１〜２４の通電時間を所定周期毎に算出してよい。各ヒータ２１〜２４の温度が安定化した定常状態では、各ヒータ２１〜２４の通電時間を複数周期毎にまとめて算出してもよい。つまり、各ヒータ２１〜２４の温度が安定化した定常状態では、複数周期の間、各ヒータ２１〜２４の通電時間を変更しなくてもよい。

温度制御部４５は、算出した各ヒータ２１〜２４の通電時間を示す制御信号（例えばＰＷＭ信号）を生成し、生成した制御信号をスイッチ回路４１〜４４に入力する。スイッチ回路４１〜４４は、温度制御部４５からの制御信号に応じてオン／オフし、ヒータ２１〜２４への電力の供給／遮断を切り換える。

本実施形態の温度制御部４５は、各ヒータ２１〜２４の通電時間に加えて、各ヒータ２１〜２４への電力の供給／遮断を切り換えるタイミングを算出し、算出したタイミングを制御信号に含ませる。各スイッチ回路４１〜４４は、所定周期のうち、制御信号が示すタイミングでオン／オフし、ヒータ２１〜２４への電力の供給／遮断を切り換える。

このように、コントローラ４０は、各ヒータ２１〜２４への電力の供給／遮断を切り換えるタイミングを調整することで、複数のヒータ２１〜２４に供給する総電力を調整する。

図３は、コントローラの動作の実施例及び従来例を説明する図である。図３（ａ）〜図３（ｄ）は実施例１によるヒータ２１〜２４に供給される電力の波形を示し、図３（ｅ）は実施例１による総電力の波形を示す。また、図３（ｆ）は従来例１による総電力の波形を示し、全てのヒータ２１〜２４への電力供給を同時に開始する場合の波形を示す。図３は、各ゾーンＺ１〜Ｚ４の温度が安定化した定常状態の図である。各ゾーンＺ１〜Ｚ４の温度は、成形立ち上げ後しばらくすると高温で安定化し、成形立ち下げ後しばらくすると低温で安定化する。成形停止時には、再立ち上げ時間を短縮するため、各ゾーンＺ１〜Ｚ４の温度が室温よりも高温で保持されている。図３において、各ヒータの電力（交流電力）の波形は、消費電圧の実効値と、消費電流の実効値との積で表す。

温度制御部４５は、各ヒータ２１〜２４の通電時間ｔ１〜ｔ４を算出した後、算出した通電時間ｔ１〜ｔ４の合計（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４）が所定周期Ｔ未満か否かをチェックする。所定周期Ｔ未満の場合、図３に示すように、全てのヒータ２１〜２４の通電時間帯が重ならないように、各ヒータ２１〜２４への電力の供給／遮断を切り換えるタイミングを決める。このとき、隣り合う通電時間帯の間（即ち、一方の通電時間帯の終了時刻と、他方の通電時間帯の開始時刻との間）には、図示されない僅かなインターバルが設けられている。

図３（ａ）〜図３（ｅ）の実施例１では、全てのヒータ２１〜２４の通電時間帯が互いにずれており、複数のヒータ２１〜２４のうち、いずれか一のヒータ（例えばヒータ２１）に電流が流れるとき、残りのヒータ（例えばヒータ２２〜２４）には電流が流れない。従って、全てのヒータ２１〜２４への電力供給を同時に開始する従来例１（図３（ｅ）参照）に比べて、ピーク電力を大幅に低減することができる。

図４は、コントローラの動作の別の実施例及び従来例を説明する図である。図４（ａ）〜図４（ｄ）は実施例２によるヒータ２１〜２４に供給される電力の波形を示し、図４（ｅ）は実施例２による総電力の波形を示す。また、図４（ｆ）は従来例２による総電力の波形を示し、複数のヒータ２１〜２４の通電を同時に開始する場合の波形を示す。図４は、図３と同様に、各ゾーンＺ１〜Ｚ４の温度が安定化した定常状態の図である。図４において、各ヒータの電力（交流電力）の波形は、消費電圧の実効値と、消費電流の実効値との積で表す。

各ヒータ２１〜２４の通電時間ｔ１〜ｔ４の合計（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４）が所定周期Ｔ以上の場合、２つ以上のヒータの通電時間帯の少なくとも一部が重なることになる。

そこで、温度制御部４５は、総電力のピーク値ができるだけ小さくなるように、通電時間帯が重なるヒータを決める。先ず、温度制御部４５は、各ヒータ２１〜２４に通電時に供給される電力Ｗ１〜Ｗ４の大小関係を検出する。尚、全ての電力Ｗ１〜Ｗ４が同じ場合、通電時間帯が重なるヒータはどれでもよい。

次いで、温度制御部４５は、最も小さい電力Ｗ１のヒータ２４の通電時間ｔ４、及び２番目に小さい電力Ｗ２のヒータ２２の通電時間ｔ２のうち、長い方（例えばｔ２）と、残りのヒータ２１、２３の通電時間ｔ１、ｔ３との合計（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）が所定周期Ｔ未満か否かをチェックする。所定周期Ｔ未満の場合、図４に示すように最も小さい電力Ｗ４のヒータ２４の通電時間帯と、２番目に小さい電力Ｗ２のヒータ２２の通電時間帯とを重ねる。そして、重ねた通電時間帯と、残りの通電時間帯とが互いにずれるように、各ヒータ２１〜２４への電力の供給／遮断を切り換えるタイミングを決める。

その結果、図４に示すように、一のヒータ（例えばヒータ２１）の通電時間帯と、他の少なくとも一のヒータ（例えばヒータ２２〜２４）の通電時間帯とが重ならないように、各ヒータ２１〜２４の通電時間帯が設定される。これにより、全てのヒータ２１〜２４への電力供給を同時に開始する従来例２（図４（ｅ）参照）に比べて、ピーク電力を低減することができる。

このようにして、温度制御部４５は、複数のヒータ２１〜２４に供給する総電力のピーク値が所定値以下となるように、各ヒータ２１〜２４に供給する電力を調整する。

尚、図４では、２つのヒータの通電時間帯が重なっているが、３つのヒータ（例えばヒータ２１〜２３）の通電時間帯の少なくとも一部が所定のタイミングで全て重なっていてもよい。当該３つのヒータ（例えばヒータ２１〜２３）の通電時間帯と、残りの一のヒータ（例えばヒータ２４）の通電時間帯とが重なっていなければ、従来よりもピーク電力を低減することができる。一のヒータ（例えばヒータ２１）の通電時間帯と、他の少なくとも一のヒータ（例えばヒータ２４）の通電時間帯とが重なっていなければ、従来よりもピーク電力を低減することができる。

また、一のヒータの通電時間帯が他のヒータの通電時間帯とそれぞれ重なるが、他のヒータ同士は通電時間帯の一部が全て同じタイミングで重ならないようにしてもよい。要は、全てのヒータの通電時間帯の少なくとも一部が所定のタイミングで全て重なり合わない形態であれば、どのような形態であってもよい。

各ヒータ２１〜２４の通電時間帯をどのように配分しても、総電力のピーク値が所定値を超える場合、温度制御部４５はブザーやディスプレイ等の出力部を制御し、ユーザへの通知を行う。

尚、各ヒータ２１〜２４の通電時間帯をどのように配分しても、総電力のピーク値が所定値を超える場合、総電力のピーク値ができるだけ低くなるようにしたうえで、シリンダ１１の温度制御を継続してよい。

以上、射出成形機を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、置換が可能である。

例えば、上記実施形態では、ヒータに通電時に供給される電力は一定であるが、可変であってもよい。例えば、スイッチ回路は、ヒータに通電時に供給される電力を可変とするため、複数のトランジスタを含むインバータで構成されてもよい。この場合、温度制御部がスイッチ回路に入力する制御信号は、所定周期に占める通電時間の割合、所定周期内における電力の供給／遮断を切り換えるタイミングに加えて、ヒータに通電時に供給される電力を示す信号となっている。スイッチ回路がインバータで構成される場合のコントローラの動作を図５に示す。

図５は、コントローラの動作の別の実施例及び従来例を説明する図である。図５（ａ）〜図５（ｄ）は実施例３によるヒータ２１〜２４に供給される電力の波形を示し、図５（ｅ）は実施例３による総電力の波形を示す。また、図５（ｆ）は従来例３による総電力の波形を示し、複数のヒータ２１〜２４の通電を同時に開始する場合の波形を示す。図５は、図３と同様に、各ゾーンＺ１〜Ｚ４の温度が安定化した定常状態の図である。図５において、各ヒータの電力（交流電力）の波形は、消費電圧の実効値と、消費電流の実効値との積で表す。

各スイッチ回路４１〜４４がインバータで構成される場合、図５に示すように、各ヒータ２１〜２４に通電時に供給する電力Ｗ１〜Ｗ４が同じ値になるように、また、全てのヒータの通電時間帯が互いに重ならないように、通電時の電力Ｗ１〜Ｗ４、通電時間ｔ１〜ｔ４、及び切り換えのタイミングが設定される。この場合、通電時の電力Ｗ１〜Ｗ４の算出、通電時間ｔ１〜ｔ４の算出、及び切り換えのタイミングの算出の順序に制限はなく、同時に行われてもよい。このように、各ヒータ２１〜２４に通電時に供給する電力Ｗ１〜Ｗ４を調整することで、総電力を平準化することができ、ピーク電力をさらに低減することができる。

また、上記実施形態では、各ゾーンの温度が安定化した定常状態のときについて説明したが、上記実施形態の内容を各ゾーンの温度が昇温又は降温するときに適用することも可能である。

また、上記実施形態では、各ヒータに供給される電力の波形が矩形波になっているが、例えば各ヒータにインダクタンス（例えばコイルなど）を直列接続することで、各ヒータに供給される電力の波形を、変化の緩やかな波形にしてもよい。

１０射出成形機
１１シリンダ
２１〜２４ヒータ
３１〜３４温度センサ
４０コントローラ
４１〜４４スイッチ回路
４５温度制御部
５０電源

Claims

樹脂材料が供給されるシリンダと、
該シリンダを加熱する複数のヒータと、
前記シリンダの温度を測定する複数の温度センサと、
各温度センサの測定温度と目標温度との温度偏差に基づいて、各ヒータに供給する電力を独立に制御するコントローラとを備え、
該コントローラは、ある時点での各ヒータにおける電力の合計値のピーク値を調整することを特徴とする射出成形機。
前記コントローラは、前記ピーク値が所定値以下となるように、各ヒータに供給する電力を調整する、請求項１に記載の射出成形機。
前記コントローラは、一のヒータの通電時間帯と、他の少なくとも一のヒータの通電時間帯とが重ならないように、各ヒータへの電力の供給／遮断を切り換えるタイミングを決める、請求項１又は２に記載の射出成形機。
前記コントローラは、各温度センサの測定温度と目標温度との温度偏差に基づいて、所定周期に占める通電時間の割合をヒータ毎に設定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の射出成形機。