JP5847670B2 - 射出成形機 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機に関する。

射出成形機は、成形材料としての樹脂ペレットが供給されるシリンダと、シリンダを加熱する加熱源とを備える。射出成形機は、シリンダ内で樹脂を溶融させ、溶融させた樹脂を金型装置内のキャビティ空間に充填させることで、成形品を製造する。

シリンダの後部には、樹脂ペレットを供給する供給口が設けられている。シリンダの後部は、樹脂のブリッジ（塊化）が生じないように、樹脂の表面が溶融しない温度に保たれる。そのため、シリンダの後部は、内部に冷媒流路を有する冷却装置で冷却される。

冷却装置よりも前方に加熱源が設けられる。シリンダの温度が設定温度になるように加熱源の出力がフィードバック制御される（例えば、特許文献１参照）。シリンダの温度は温度センサにより測定される。

特開平１１−２２７０１９号公報

フィードバック制御として、一般的にＰＩＤ制御が用いられる。ＰＩＤ制御モデルの制御定数（比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン）は、経験や勘で決定されていた。そのため、シリンダの温度が設定温度を大きく超えることがあった。また、このオーバーシュートを抑制するため、シリンダの温度の整定時間が長くなり過ぎることがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、加熱源の出力を適切に制御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、
成形材料が供給されるシリンダと、
該シリンダを加熱する加熱源と、
該加熱源の出力を制御するコントローラとを備え、
該コントローラは、前記シリンダの熱伝導方程式、前記シリンダ内の物質の熱伝導方程式、及び前記加熱源における熱の流出入を表す式に基づく伝熱モデルを用いて、前記加熱源の出力を制御する。

本発明によれば、加熱源の出力を適切に制御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を示す図である。 本発明の一実施形態による射出成形機の要部を示す図である。 本発明の一実施形態によるシリンダの熱伝導方程式の説明図である。 本発明の一実施形態によるシリンダ内の物質の熱伝導方程式の説明図である。 本発明の一実施形態による加熱源における熱の流出入を表す式の説明図である。 本発明の一実施形態による評価関数の説明図である。

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。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。

図１は、本発明の一実施形態による射出成形機を示す図である。以下、樹脂の射出方向を前方とし、樹脂の射出方向とは反対方向を後方として説明する。

射出成形機１０は、シリンダ１１内で溶融した樹脂をノズル１２から射出し、金型装置内のキャビティ空間に充填する。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。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。成形材料としての樹脂ペレットは、ホッパ１６からシリンダ１１の後部に供給される。

射出成形機１０は、シリンダ１１内に配設されるスクリュ１３を回転させる計量用モータ４１を備える。計量用モータ４１は、サーボモータであってよい。計量用モータ４１の回転は、ベルトやプーリなどの連結部材４２を介して、射出軸４３に伝えられ、スクリュ１３が回転される。そうすると、スクリュ１３のフライト（ねじ山）が動き、スクリュ１３のねじ溝内に充填された樹脂が前方に送られる。

射出成形機１０は、スクリュ１３を軸方向に移動させる射出用モータ５１を備える。射出用モータ５１は、サーボモータであってよい。射出用モータ５１の回転はボールねじ軸５２に伝えられる。ボールねじ軸５２の回転により前後進するボールねじナット５３はプレッシャプレート５４に固定されている。プレッシャプレート５４は、ベースフレーム（図示せず）に固定されたガイドバー５５、５６に沿って移動可能である。プレッシャプレート５４の前後進運動は、ベアリング５７、樹脂圧力検出器（例えばロードセル）５８、射出軸４３を介してスクリュ１３に伝えられ、スクリュ１３が進退される。スクリュ１３の進退量は、プレッシャプレート５４に取り付けられる位置検出器５９で検出される。

射出成形機１０の動作は、コントローラ６０によって制御される。コントローラ６０は、ＣＰＵ及びメモリなどで構成され、メモリなどに記憶されたプログラムをＣＰＵで実施させることにより、各種機能を実現する。コントローラ６０は、例えば計量工程を制御する計量処理部６１、充填工程を制御する充填処理部６２を備える。

次に、射出成形機１０の動作について説明する。

計量工程では、計量処理部６１が、計量用モータ４１を回転駆動し、スクリュ１３を回転させる。そうすると、スクリュ１３のフライト（ねじ山）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前方に送られる。樹脂は、シリンダ１１内を前方に移動しながら、シリンダ１１からの熱などで加熱され、シリンダ１１の先端部において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、計量処理部６１は計量用モータ４１の回転を停止させ、スクリュ１３の回転を停止させる。

充填工程では、充填処理部６２が、射出用モータ５１を回転駆動し、スクリュ１３を前進させ、型締め状態の金型装置内のキャビティ空間に溶融樹脂を押し込む。スクリュ１３が溶融樹脂を押す力は、樹脂圧力検出器５８により反力として検出される。つまり、スクリュ１３にかかる樹脂圧力（樹脂の射出圧）が検出される。キャビティ空間で樹脂が冷却によって収縮するので、熱収縮分の樹脂を補充するため、保圧工程では、スクリュ１３にかかる樹脂圧力（樹脂の射出圧）が所定の圧力に保たれる。

図２は、本発明の一実施形態による射出成形機の要部を示す図である。

射出成形機１０は、シリンダ１１と、シリンダ１１内で樹脂を送るスクリュ１３と、シリンダ１１を加熱する複数の加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４と、シリンダ１１の後部を冷却する冷却装置３０とを備える。

スクリュ１３は、シリンダ１１内に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は、スクリュ回転軸１４と、スクリュ回転軸１４の周りに螺旋状に設けられるフライト１５とを一体的に有する。スクリュ１３が回転すると、スクリュ１３のフライト１５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前方に送られる。

スクリュ１３は、例えば図２に示すように、軸方向に沿って後方（ホッパ１６側）から前方（ノズル１２側）にかけて、供給部１３ａ、圧縮部１３ｂ、計量部１３ｃとして区別される。供給部１３ａは、樹脂を受け取り前方に搬送する部分である。圧縮部１３ｂ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１３ｃは、溶融した樹脂を一定量づ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１３ａで深く、計量部１３ｃで浅く、圧縮部１３ｂにおいて前方に向かうほど浅くなっている。尚、スクリュ１３の構成は特に限定されない。例えばスクリュ１３のねじ溝の深さは、一定であってもよい。

加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４としては、例えばシリンダ１１を外側から加熱するヒータが用いられる。ヒータは、シリンダ１１の外周を囲むように設けられる。

複数の加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４は、シリンダ１１の軸方向に沿って配列され、シリンダ１１を軸方向に複数のゾーン（図３では４つのゾーンＺ_１〜Ｚ_４）に分けて個別に加熱する。各ゾーンＺ_１〜Ｚ_４の温度が設定温度になるように、複数の加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４がコントローラ６０によってフィードバック制御される。各ゾーンＺ_１〜Ｚ_４の温度は、温度センサＳ_１〜Ｓ_４により測定される。尚、ノズル１２にも加熱源が設けられてよい。

冷却装置３０は、複数の加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４よりも後方に設けられる。冷却装置３０は、シリンダ１１の後部を冷却し、シリンダ１１の後部やホッパ１６内で樹脂ペレットのブリッジ（塊化）が生じないように、樹脂ペレットの表面が溶融しない温度にシリンダ１１の後部の温度を保つ。冷却装置３０は、水や空気などの冷媒の流路３１を有する。

コントローラ６０は、伝熱モデルを用いて、シリンダ１１における任意の位置の温度を推定する推定部６３を備える。伝熱モデルは、コントローラ６０のメモリなどに記憶されており、必要に応じて読み出される。

伝熱モデルは、シリンダ１１の熱伝導方程式、シリンダ１１内の物質（以下、「シリンダ内物質」ともいう）の熱伝導方程式、及び各加熱源Ｈ_ｋ（図２ではｋ＝１，２，３，４）における熱の流出入を表す式に基づくものである。以下、各式について説明する。各式において、同じ記号は同じ意味である。

図３は、本発明の一実施形態によるシリンダの熱伝導方程式の説明図である。シリンダの熱伝導方程式は、例えば下記式（１）などで表される。式（１）では、式の簡単化のため、シリンダ１１の温度がシリンダ１１の中心線の周りに略均一であると近似し、２次元化してある。尚、後述の式（２）及び式（３）においても同様に２次元化してある。

上記式（１）中、ｘはシリンダ軸方向（前後方向）における位置座標、ｙはシリンダ径方向における位置座標、Ｒ_ｏｕｔはシリンダ１１の外周面の半径、Ｔ（ｔ）は時刻ｔにおける座標（ｘ，ｙ）での温度、αはシリンダ１１の熱拡散率［ｍ^２／ｓ］を表す。ｘ座標の原点はシリンダ１１の前端面であり、前端面から後端面に向かうほどｘが大きくなる。また、ｙ座標の原点はシリンダ１１の外周面であり、外周面から内周面に向かうほどｙが大きくなる。

上記式（１）を離散化し、上記式（１）が定義される領域（つまり、シリンダ１１）を複数の微小領域（要素）に分割する。座標（ｉ×Δｘ，ｊ×Δｙ）における微小領域の時刻ｔの温度をＴ_ｉ,ｊ（ｔ）とする。ｉは０〜ｍの整数、ｊは０〜ｎの整数である。シリンダ１１の軸方向長さをＬとすると、Ｌ＝ｍ×Δｘの式が成立する。また、シリンダ１１の内周面の半径をＲ_ｉｎ、シリンダ１１の外周面の半径Ｒ_ｏｕｔとすると、Ｒ_ｏｕｔ−Ｒ_ｉｎ＝ｎ×Δｙの式が成立する。シリンダ１１における微小領域の数（ｍ＋１）×（ｎ＋１）は、シリンダ１１における任意の位置の温度が解けるように設定される。

微小領域の昇温速度（温度Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ）の１回微分）は、該微小領域に対する熱の流出入により決まり、該微小領域の温度Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ）と、該微小領域に隣接する微小領域の温度との温度差などで決まる。従って、微小領域の温度Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ）の１回微分は、微小領域の温度Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ）、及び隣接する微小領域の温度Ｔ_{ｉ−１,ｊ}（ｔ）、Ｔ_{ｉ＋１,ｊ}（ｔ）、Ｔ_{ｉ,ｊ−１}（ｔ）、Ｔ_{ｉ,ｊ＋１}（ｔ）の関数となる（但し、ｉは１〜ｍ−１の整数、ｊは１〜ｎ−１の整数）。

シリンダ後端（座標ｘ＝ｍ×Δｘ）における微小領域の温度Ｔ_ｍ,ｊ（ｔ）は、冷却装置３０によって外気の温度Ｔ_ａと略同じ温度に保たれている。従って、シリンダ後端と外気との境界条件としては、温度固定条件が与えられる。つまり、Ｔ_ｍ,ｊ（ｔ）＝Ｔ_ａの式が成立する。尚、シリンダ後端の温度Ｔ_ｍ,ｊ（ｔ）は、外気の温度Ｔ_ａよりも高い所定温度Ｔ_ｃ（Ｔ_ｃ＞Ｔ_ａ）に保たれていてもよい。

一方、シリンダ前端（座標ｘ＝０）と外気との境界条件、シリンダ外周（座標ｙ＝０）と外気との境界条件、シリンダ外周（座標ｙ＝０）と加熱源Ｈ_ｋとの境界条件、及びシリンダ内周（座標ｙ＝ｎ×Δｙ）とシリンダ内の物質との境界条件としては、熱流束境界条件が与えられる。

従って、シリンダ前端（座標ｘ＝０）における微小領域の昇温速度（温度Ｔ_０,ｊ（ｔ）の一回微分）は、該微小領域の温度、該微小領域と隣接する微小領域の温度、外気の温度Ｔ_ａ、シリンダ１１と外気との間の熱伝達係数［Ｗ／（ｍ^２・℃）］などで決まる。

同様に、シリンダ外周（座標ｙ＝０）のうち、外気と接する微小領域の昇温速度（温度Ｔ_ｉ,０（ｔ）の一回微分）は、該微小領域の温度、該微小領域と隣接する微小領域の温度、外気の温度Ｔ_ａ、シリンダ１１と外気との間の熱伝達係数［Ｗ／（ｍ^２・℃）］などで決まる。

また、シリンダ外周（座標ｙ＝０）のうち、加熱源Ｈ_ｋと接する微小領域の昇温速度（温度Ｔ_ｉ,０（ｔ）の一回微分）は、該微小領域の温度、該微小領域と隣接する微小領域の温度、加熱源Ｈ_ｋの温度Ｔ_ｈｋ（ｔ）、シリンダ１１と加熱源Ｈ_ｋとの間の熱伝達係数［Ｗ／（ｍ^２・℃）］などで決まる。

さらに、シリンダ内周（座標ｙ＝ｎ×Δｙ）における微小領域の昇温速度（温度Ｔ_ｉ,ｎ（ｔ）の一回微分）は、該微小領域の温度、該微小領域と隣接する微小領域の温度、シリンダ内物質の温度Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ）、シリンダ内物質とシリンダ１１との間の熱伝達係数［Ｗ／（ｍ^２・℃）］などで決まる。シリンダ内物質の温度Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ）については後述する。

尚、シリンダ内物質は、例えば成形開始前におけるシリンダ１１の昇温時には空気、成形時には樹脂であってよく、途中で変わってよい。

図４は、本発明の一実施形態によるシリンダ内の物質の熱伝導方程式の説明図である。シリンダ内物質の熱伝導方程式は、例えば下記の式（２）などで表される（但し、ｉは１〜ｍ−１の整数）。式（２）では、式の簡単化のため、シリンダ内物質の温度分布がシリンダ１１の径方向に均一としてある。

上記式（２）中、Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ）は座標ｘ＝ｉ×Δｘにおける微小空間の時刻ｔの温度［℃］、ρ_ｉｎはシリンダ内物質の密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｃ_ｉｎはシリンダ内物質の定圧比熱［Ｊ／ｋｇ］を表す。
ｑ_１は、座標ｘ（ｘ＝ｉ×Δｘ）における微小領域に、前方（図４中左側）の微小領域から流れ込む単位時間当たりの流入熱量［Ｗ］を表す。流入熱量ｑ_１は、微小領域間の温度差（Ｔ^ｆｌ _ｉ−１（ｔ）−Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ））の関数となっている。その温度差が大きくなるほど、流入熱量ｑ_１が増える。流入熱量ｑ_１の算出には、シリンダ内物質の熱伝導率［Ｗ／（ｍ・℃）］などが用いられる。
ｑ_２は、座標ｘ（ｘ＝ｉ×Δｘ）における微小領域から、後方（図４中右側）の微小領域に流れ出す単位時間当たりの流出熱量［Ｗ］を表す。流出熱量ｑ_２は、微小領域間の温度差（Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ）−Ｔ^ｆｌ _ｉ＋１（ｔ））の関数となっている。その温度差が大きくなるほど、流出熱量ｑ_２が増える。流出熱量ｑ_２の算出には、シリンダ内物質の熱伝導率［Ｗ／（ｍ・℃）］などが用いられる。
ｑ_３は、座標ｘ（ｘ＝ｉ×Δｘ）における微小領域に、シリンダ１１から単位時間当たりに流れ込む熱量［Ｗ］を表す。この熱量ｑ_３は、シリンダ内物質とシリンダ１１との温度差（Ｔ_ｉ,ｎ（ｔ）−Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ））の関数となっている。その温度差が大きくなるほど、熱量ｑ_３が増える。熱量ｑ_３の算出には、シリンダ内物質とシリンダ１１との間の熱伝達係数［Ｗ／（ｍ^２・℃）］などが用いられる。

シリンダ内物質の後端（座標ｘ＝ｍ×Δｘ）の温度Ｔ^ｆｌ _ｍ（ｔ）は、冷却装置３０によって外気の温度Ｔ_ａと略同じ温度に保たれている。従って、シリンダ内物質の後端と外気との境界条件としては、温度固定条件が与えられる。つまり、Ｔ^ｆｌ _ｍ（ｔ）＝Ｔ_ａの式が成立する。尚、シリンダ内物質の後端の温度Ｔ^ｆｌ _ｍ（ｔ）は、外気の温度Ｔ_ａよりも高い所定温度Ｔ_ｃ（Ｔ_ｃ＞Ｔ_ａ）に保たれていてもよい。

一方、シリンダ内物質の前端（座標ｘ＝０）と外気との境界条件としては、熱流束境界条件が与えられる。従って、シリンダ内物質の前端（座標ｘ＝０）の昇温速度（温度Ｔ^ｆｌ _０（ｔ）の一回微分）は、該微小領域の温度、該微小領域と隣接する微小領域の温度、外気の温度Ｔ_ａ、シリンダ内物質と外気との間の熱伝達係数［Ｗ／（ｍ^２・℃）］、シリンダ内物質とシリンダとの間の熱伝達係数［Ｗ／（ｍ^２・℃）］などで決まる。

図５は、本発明の一実施形態による加熱源における熱の流出入を表す式の説明図である。加熱源Ｈ_ｋにおける熱の流出入を表す式は、例えば下記式（３）などで表される。式（３）では、式の簡単化のため、各加熱源Ｈ_ｋにおいて、温度分布は一様であるとしてある。

上記式（３）中、Ｔ_ｈｋ（ｔ）は加熱源Ｈ_ｋの時刻ｔの温度［℃］、Ｔ_ａは外気の温度［℃］、Ｃ_ｋは加熱源Ｈ_ｋの熱容量［Ｊ／℃］、Ｚ_ｋは加熱源Ｈ_ｋの電気抵抗［Ω］、Ａ_ｋは加熱源Ｈ_ｋの外気との接触面積、ｈ_ｋは加熱源Ｈ_ｋと外気との間の熱伝達係数［Ｗ／（ｍ^２・℃）］、Ｖ_ｋ（ｔ）は時刻ｔにおける加熱源Ｈ_ｋの電圧［Ｖ］を表す。
Ｖ_ｋ（ｔ）^２／Ｚ_ｋは加熱源Ｈ_ｋの出力（単位時間当たりの発熱量）［Ｗ］、ｈ_ｋ×Ａ_ｋ×（Ｔ_ｈｋ−Ｔ_ａ）は加熱源Ｈ_ｋから外気に逃げる単位時間当たりの放熱量［Ｗ］、Ｑ_ｋは加熱源Ｈ_ｋからシリンダ１１に流れ込む単位時間当たりの入熱量［Ｗ］を表す。
熱伝達係数ｈ_ｋは、加熱源Ｈ_ｋと外気との温度差（Ｔ_ｈｋ（ｔ）−Ｔ_ａ）の関数であってよい。その温度差が大きくなるほど、熱伝達係数_ｈｋが大きくなる。
入熱量Ｑ_ｋは、加熱源Ｈ_ｋと、シリンダ１１との温度差（Ｔ_ｈｋ（ｔ）−Ｔ_ｉ,０（ｔ））の関数となっている。その温度差が大きくなるほど、入熱量Ｑ_ｋが増える。但し、ｉは、シリンダ１１の複数の微少領域のうち、加熱源Ｈ_ｋと接する微少領域の座標を表す整数である。

このように、シリンダ１１の熱伝導方程式（式（１））、シリンダ内物質の熱伝導方程式（式（２））、及び各加熱源Ｈ_ｋにおける熱の流出入を表す式（式（３））などに基づき、伝熱モデルが作成される。

伝熱モデルは、計算時間の短縮のため、低次元化されたものであってもよい。例えば、シリンダ１１の熱伝導方程式（式（１））、及びシリンダ内物質の熱伝導方程式（式（２））は、線形方程式であるので、入力と出力の関係を保ちつつ、平衡実現法などにより低次元化できる。一方、各加熱源Ｈ_ｋにおける熱の流出入を表す式（式（３））は、非線形方程式であるので、また、もともと低次元であるので、低次元化しなくてよい。

推定部６３は、所定時刻の各加熱源Ｈ_ｋの出力［Ｗ］を伝熱モデルに入力することにより、所定時刻におけるシリンダ１１の任意の位置の温度Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ）を算出する。シリンダ１１における微小領域の数（ｍ＋１）×（ｎ＋１）は温度センサＳ_ｋ（図２ではｋ＝１，２，３，４）の数（図２では４つ）よりも著しく多いので、シリンダ１１における詳細な温度分布がわかる。尚、各加熱源Ｈ_ｋの出力は、初期時刻（ｔ＝０）から所定時刻までの出力波形として伝熱モデルに入力されてよい。

また、推定部６３は、所定時刻の各加熱源Ｈ_ｋの出力［Ｗ］を伝熱モデルに入力することにより、所定時刻のシリンダ内物質の微小領域の温度Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ）、所定時刻の各加熱源Ｈ_ｋの温度Ｔ_ｈｋ（ｔ）も算出できる。従って、シリンダ１１の内部の詳細な温度分布、各加熱源Ｈ_ｋの温度もわかる。尚、各加熱源Ｈ_ｋの出力は、初期時刻（ｔ＝０）から所定時刻までの出力波形として伝熱モデルに入力されてよい。

伝熱モデルは、微分方程式であるので、初期値Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ＝０）、Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ＝０）、Ｔ_ｈｋ（ｔ＝０）を与えることで、Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ）、Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ）、Ｔ_ｈｋ（ｔ）を解くことができる。初期時刻（ｔ＝０）は例えばシリンダ１１の昇温開始時刻でよく、初期値Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ＝０）、Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ＝０）、Ｔ_ｈｋ（ｔ＝０）は外気の温度Ｔ_ａと同じでよい。

尚、各初期値Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ＝０）、Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ＝０）、Ｔ_ｈｋ（ｔ＝０）は、既知であればよく、外気の温度Ｔ_ａと同じでなくてもよい。つまり、初期時刻（ｔ＝０）は、シリンダ１１の昇温開始時刻でなくてもよい。

推定部６３は、伝熱モデルに入力する加熱源Ｈ_ｋの出力［Ｗ］を、加熱源Ｈ_ｋの電力計Ｐ_ｋ（図２参照）などにより検出してよい。加熱源Ｈ_ｋの実際の出力波形に基づいて、温度を推定するので、推定精度が良い。

また、推定部６３は、伝熱モデルに入力する加熱源Ｈ_ｋの出力を、加熱源Ｈ_ｋのフィードバック制御モデル（例えばＰＩＤ制御モデル）の制御定数（例えば比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン）に基づいて算出してもよい。先ず、推定部６３は、温度センサＳ_ｋの測定位置における温度Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ）と設定温度との偏差、及び制御定数から、時刻ｔより少しだけ未来の時刻ｔ＋Δｔにおける加熱源Ｈ_ｋの出力を予測する。次いで、推定部６３は、予測した加熱源Ｈ_ｋの出力を伝熱モデルに入力し、時刻ｔ＋Δｔにおける温度センサＳ_ｋの測定位置の温度を予測する。このように、加熱源Ｈ_ｋの出力の予測と、温度の予測を繰り返し行うことで、推定部６３は、現在の温度や過去の温度だけでなく、将来の温度を予測することができる。

尚、現在までの加熱源Ｈ_ｋの出力は電力計Ｐ_ｋにより検出し、将来の加熱源Ｈ_ｋの出力はフィードバック制御モデルの制御定数を用いて予測してもよい。

推定部６３は、推定された温度Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ）、Ｔ^ｆｌ _ｉ（ｔ）、Ｔ_ｈｋ（ｔ）に基づいて、所定時刻における所定位置での熱流束［Ｊ／（ｍ^２・ｓ）］、所定時刻に所定位置を通過する単位時間当たりの熱量［Ｗ］などを推定してもよい。熱流束や熱量を推定する位置としては、例えば、加熱源Ｈ_ｋと外気との界面、加熱源Ｈ_ｋとシリンダ１１との界面、シリンダ１１と冷却装置３０との界面、シリンダ１１と外気との界面、シリンダ内物質とシリンダ１１との界面などが挙げられる。尚、熱流束や熱量を推定する位置は、シリンダ１１における微小領域同士の界面、シリンダ１１の内部における微小領域同士の界面でもよい。

コントローラ６０は、加熱源Ｈ_ｋの出力を制御する加熱処理部６４を有する。加熱処理部６４は、伝熱モデルを用いて加熱源Ｈ_ｋの出力を制御する。将来のシリンダ１１の詳細な温度分布を予測しながら、加熱源Ｈ_ｋの出力を制御でき、適切な制御が可能となる。

加熱処理部６４は、温度センサＳ_ｋの測定温度と設定温度との偏差に基づき加熱源Ｈ_ｋの出力をフィードバック制御するものであって、フィードバック制御モデルの制御定数を伝熱モデルに基づいて設定し、設定した制御定数と、上記偏差とに基づいてフィードバック制御を行ってよい。制御定数は、将来のシリンダ１１の詳細な温度分布に基づいて設定される。

フィードバック制御モデルは、ＰＩＤ制御モデルのような線形方程式に限定されず、２次多項式や３次多項式のような非線形方程式でもよい。フィードバック制御モデルは、コントローラ６０のメモリなどに記憶されており、必要に応じて読み出される。尚、制御定数は伝熱モデルに基づいて設定されるのでメモリなどに記憶されていなくてもよいが、デフォルトの制御定数が記憶されていてもよい。

加熱処理部６４は、制御定数の設定のため、シリンダ１１の所定位置における温度と設定温度との偏差と、該偏差を求める位置の温度が設定範囲内（例えば設定温度±２０℃の範囲内）に収まるまでの整定時間ｔ１（図６参照）とを評価する評価関数の最適解を解いてよい。評価関数の値は、伝熱モデルを用いて算出される。評価関数で評価する上記所定位置は、温度センサＳ_ｋの測定位置でもよいし、温度センサＳ_ｋの測定位置以外の位置（例えばシリンダ内周面など）でもよい。つまり、評価関数で評価する上記所定位置は、フィードバック制御の対象となる位置と同じ位置でもよいし、異なる位置でもよい。

図６は、本発明の一実施形態による評価関数の説明図である。図６において、横軸は初期時刻からの経過時間、縦軸はシリンダの所定位置における温度を表す。図６において、初期時刻（ｔ＝０）は、シリンダの昇温開始時刻となっている。尚、初期時刻（ｔ＝０）は、シリンダの昇温開始時刻でなくてもよい。

仮に、制御定数が決まっていると、既述のように、制御定数と伝熱モデルとによって、図６に示すようにシリンダ１１における任意の位置の温度変化を予測でき、整定時間ｔ１を予測できる。

評価関数としては、例えば、シリンダの所定位置における温度と設定温度との偏差の絶対値を、初期時刻ｔ＝０から整定時間ｔ１まで時間積分した時間積分値（つまり、図６の斜線部分の面積）が用いられる。時間積分値が最適（本実施形態では最小）となるように、制御定数が設定される。制御定数の設定は、初期時刻ｔ＝０の前に行われてよい。

このように、本実施形態の加熱処理部６４は、フィードバック制御モデルの制御定数を伝熱モデルに基づいて設定し、設定した制御定数と、温度センサＳ_ｋの測定温度と設定温度との偏差とに基づいて加熱源Ｈ_ｋの出力を制御する。経験や勘ではなく、伝熱モデルに基づいて制御定数を設定するので、加熱源Ｈ_ｋの出力を適切に制御できる。

また、加熱処理部６４は、制御定数の算出のため、シリンダ１１の所定位置における温度と設定温度との偏差と、整定時間ｔ１とを評価する評価関数の最適解を解く。そのため、シリンダ温度のオーバーシュート量の低減と、整定時間の短縮とを両立することができる。

また、射出成形機１０は、図２に示すように、ユーザの入力操作を受け付ける入力部７２をさらに備えてよい。入力部７２は、例えばタッチパネルなどで構成される。

評価関数で評価する上記所定位置は、ユーザの利便性を向上するため、入力部７２の入力操作に応じて変更されてよい。位置の指定の仕方は特に限定されない。例えばユーザは、位置座標（ｘ，ｙ）を入力してもよいし、登録済みの複数の候補位置（例えば、シリンダ内周面、シリンダ内部、温度センサの測定位置など）のうちの１つ以上の位置を選択入力してもよい。

尚、評価関数は、上記のものに限定されない。例えば、評価関数は、シリンダ１１の所定位置における温度と設定温度との偏差の絶対値が小さくなるほど値が良くなる第１の関数と、整定時間ｔ１が小さくなるほど値が良くなる第２の関数とで構成されてもよい。第１の関数としては例えば上記の時間積分値が用いられ、第２の関数としては例えば整定時間ｔ１が用いられる。評価関数は、第１の関数と、第２の関数との相対的な重要度を表す重みが付されているものであってよい。その重みは、ユーザの利便性を高めるため、ユーザの入力操作を受け付ける入力部７２における入力操作に応じて変更されてよい。

以上、射出成形機の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態などに限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で、種々の変形、改良が可能である。

例えば、上記実施形態のシリンダ内物質の熱伝導方程式（２）では、式の簡単化のため、図４に示すようにシリンダ１１の内部をシリンダ１１の軸方向に区画し、シリンダ１１の径方向に区画していないが、シリンダの径方向にも区画してもよい。

また、上記実施形態の加熱源Ｈｋにおける熱の流出入を表す式（３）では、式の簡単化のため、図５に示すように加熱源Ｈ_ｋを複数の微小領域に区画していないが、区画してもよい。

また、上記実施形態の加熱処理部６４は、フィードバック制御モデルの制御定数を伝熱モデルに基づいて設定し、設定した制御定数と、温度センサＳ_ｋの測定温度と設定温度との偏差とに基づいて各加熱源Ｈ_ｋの出力を制御するが、本発明はこれに限定されない。例えば、加熱処理部６４は、フィードバック制御ではなく、伝熱モデルを用いて将来の温度分布を予測し、予め加熱源Ｈ_ｋの出力を設定するフィードフォワード制御を実施してもよい。また、加熱処理部６４は、フィードバック制御と、フィードフォワード制御とを組み合わせた制御を行ってもよい。

また、上記実施形態のシリンダは、スクリュ・インライン方式のものであるが、プランジャ・プリプラ方式やスクリュ・プリプラ方式のものでもよい。プリプラ方式では、可塑化用シリンダ内で溶融された樹脂を射出用シリンダに供給し、射出用シリンダから金型装置内に溶融樹脂を射出する。プリプラ方式の場合、シリンダは、可塑化用シリンダ、射出用シリンダのいずれでもよい。

１０ 射出成形機
１１ シリンダ
１２ ノズル
１３ スクリュ
３０ 冷却装置
６０ コントローラ
６３ 推定部
６４ 加熱処理部
７２ 入力部
Ｈ_１〜Ｈ_４ 加熱源
Ｚ_１〜Ｚ_４ ゾーン
Ｓ_１〜Ｓ_４ 温度センサ

Claims (5)

1. 成形材料が供給されるシリンダと、
   該シリンダを加熱する加熱源と、
   該加熱源の出力を制御するコントローラとを備え、
   該コントローラは、前記シリンダの熱伝導方程式、前記シリンダ内の物質の熱伝導方程式、及び前記加熱源における熱の流出入を表す式に基づく伝熱モデルを用いて、前記加熱源の出力を制御する、射出成形機。
2. 前記シリンダの温度を測定する温度センサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記温度センサの測定温度と設定温度との偏差に基づき前記加熱源の出力をフィードバック制御するものであって、フィードバック制御モデルの制御定数を前記伝熱モデルに基づいて設定し、設定した制御定数と、前記偏差とに基づいてフィードバック制御を行う、請求項１に記載の射出成形機。
3. 前記コントローラは、前記シリンダの所定位置における温度と設定温度との偏差と、前記シリンダの前記所定位置における温度が設定範囲内に収まるまでの整定時間とを評価する評価関数の最適解を解くことにより、前記制御定数を設定し、
   前記評価関数の値は、前記伝熱モデルを用いて算出される、請求項２に記載の射出成形機。
4. 前記評価関数は、前記シリンダの前記所定位置における温度と設定温度との偏差の絶対値が小さくなるほど値が良くなる第１の関数と、前記整定時間が小さくなるほど値が良くなる第２の関数とで構成され、前記第１の関数と、前記第２の関数との相対的な重要度を表す重みが付されており、
   当該重みは、ユーザの入力操作を受け付ける入力部における入力操作に応じて変更される、請求項３に記載の射出成形機。
5. 前記シリンダの前記所定位置は、ユーザの入力操作を受け付ける入力部における入力操作に応じて変更される、請求項３又は４に記載の射出成形機。

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