JP6125480B2 - 射出成形機の温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱筒の外周面に付設した加熱部及び冷却部により加熱筒を加熱又は冷却する際に用いて好適な射出成形機の温度制御装置に関する。

一般に、射出成形機は溶融樹脂を金型に射出充填する射出装置を備えている。この場合、射出装置は、前端に射出ノズルを有し、かつ後部にホッパーを有する加熱筒を備えており、この加熱筒の内部にはスクリュを挿通させるとともに、加熱筒の外周面には加熱装置を付設している。これにより、ホッパーから加熱筒の内部に供給された固形状のペレットは、スクリュの回転による剪断及び加熱筒による加熱により可塑化混練され、金型に射出充填するための溶融樹脂が生成される。一方、加熱装置の多機能化の観点から通常の加熱機能に加えて強制冷却機能を付加した加熱装置も提案され、搭載する温度制御装置により、加熱機能と強制冷却機能の双方に対する制御も行われている。

従来、このような冷却機能を付加した射出成形機の温度制御装置としては、特許文献１で開示される保温カバー付きヒータを有する加熱シリンダにおける温度制御装置が知られている。この温度制御装置は、ヒータからの放熱量を低減するとともに、加熱シリンダの温度を迅速に降下させることを目的としたものであり、具体的には、加熱シリンダに取り付けられたヒータの外壁面に、通気性を有する保温材が内張りされた保温カバーが取り付けられ、この保温カバーに、保温材が内張りされた半体がヒンジ部により開閉自在に連結されるとともに、ヒータの外壁面に取り付ける際に、ボス部に螺合された締付けボルトを締め付けると、両半体が合わせ面において連通されて通風路か形成されるように構成され、そして、一方の半体に給気口を設けるとともに、他方の半体に排気口を設け、排気口に配設したファンを回転させて排気口より排気するとともに給気口より外気を吸引して空冷するようにしたものである。これにより、加熱シリンダの温度が設定温度と同じときは、ヒータ及びファンを共にＯＦＦにするとともに、加熱シリンダの温度が設定温度よりも低いときは、ヒータをＯＮ及びファンをＯＦＦにして加熱動作を行わせ、他方、加熱シリンダの温度が設定温度よりも高いときは、ヒータをＯＦＦ及びファンをＯＮにして冷却動作を行わせる。

特開平１１−１１５０１５号公報

しかし、上述した特許文献１における冷却機能を付加した射出成形機の温度制御装置は、次のような問題点があった。

即ち、特許文献１に記載される射出成形機の場合、加熱シリンダの無用な放熱を防止する保温カバーを装着するため、この保温カバーを装着したことによる副作用も生じる。具体的には、加熱シリンダの温度を下げたい場合に迅速に下げられないことになるため、特許文献１は、この弊害を解消しようとするものである。したがって、保温カバーによるいわば熱の籠もりを解消する観点からはその目的を達成できるものの、加熱制御と連携した精度の高い温度制御を行うなど、他の用途で使用する場合には、応答性及び制御性の観点から使用が困難であり、汎用性及び応用性（発展性）に欠ける。

一方、射出成形機の場合、樹脂材料の種類によっては、スクリュの回転により剪断される際の剪断熱が大きい材料も存在する。この場合、加熱機能による制御のみでは、的確な温度制御が困難になり、成形品の品質に悪影響を生じ、歩留率の低下など、生産性にも影響する。

このため、従来より、この課題に対処する目的で冷却機能を付加するとともに、加えて、この冷却機能と加熱機能を連携制御することにより、ハンチング現象等を回避した安定性の高い制御を行い、しかも、高い制御精度を確保しつつ省エネルギ性にも優れた温度制御装置の実用化も要請されている。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した射出成形機の温度制御装置の提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、加熱筒２における所定部位の加熱温度を温度センサ３により検出し、検出した検出温度ＰＶと予め設定した設定温度ＳＶの偏差値ｅを求め、この偏差値ｅがゼロになるようにＰＩＤ制御を行うことにより、所定部位を加熱する加熱部４及び所定部位を冷却する冷却部５を制御する成形機コントローラＥを備える射出成形機Ｍの温度制御装置１を構成するに際して、Ｉ動作出力，Ｄ動作出力，偏差値ｅ及び個別に設定した逆数を用いた加熱側比例帯により生成して加熱部４に対する制御を行う加熱操作量ｙｈと、Ｉ動作出力，Ｄ動作出力，偏差値ｅ及び個別に設定した逆数を用い、かつ正負反転した冷却側比例帯により生成して冷却部５に対する制御を行う冷却操作量ｙｃとを得、相対的に大きい一方の操作量ｙｈ又はｙｃのみを、対応する加熱部４又は冷却部５に対して出力するＰＩＤ制御系１０を備えることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、Ｄ動作出力は、検出温度ＰＶの時間微分を正負反転して出力するように構成できる。一方、加熱操作量ｙｈを生成するＩ動作出力及びＤ動作出力と冷却操作量ｙｃを生成するＩ動作出力及びＤ動作出力は共通に用いることができる。なお、必要により冷却操作量ｙｃによる制御を停止する選択手段１３を設けることが望ましい。他方、加熱部４には、内部に発熱体１２を内蔵し、かつ加熱筒２の外周面２ｆに巻付けて装着するバンドヒータ１１を用いることができる。また、冷却部５を構成するに際しては、バンドヒータ１１と加熱筒２の外周面２ｆとの間に伝熱性を有する素材Ｒにより形成したパネル部材５ｐを介在させ、かつこのパネル部材５ｐに空冷用のエア通路６を形成するとともに、このエア通路６にエア供給部７からエアＡを流通可能にするエア出入口部８を設けて構成することができる。さらに、加熱筒２の所定部位としては、少なくとも、メータリングゾーンＺｍ，コンプレッションゾーンＺｃ，フィードゾーンＺｆの一又は二以上に適用することができる。

このような構成を有する本発明に係る射出成形機Ｍの温度制御装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） Ｉ動作出力，Ｄ動作出力，偏差値ｅ及び加熱側比例帯により生成して加熱部４に対する制御を行う加熱操作量ｙｈと、Ｉ動作出力，Ｄ動作出力，偏差値ｅ及び冷却側比例帯により生成して冷却部５に対する制御を行う冷却操作量ｙｃとの、相対的に大きい一方の操作量ｙｈ又はｙｃのみを、対応する加熱部４又は冷却部５に対して出力するＰＩＤ制御系１０を備えて構成したため、冷却機能と加熱機能を連携制御し、ハンチング現象等を回避した安定性の高い制御を行うことができる。しかも、高い制御精度を確保しつつ省エネルギ性に優れた温度制御装置１を実現でき、特に、スクリュの回転により剪断される際の剪断熱が大きい樹脂材料による生産に用いて最適となる。

（２） 加熱側比例帯と冷却側比例帯に、それぞれ個別に設定した逆数を用いるとともに、冷却側比例帯が正負反転するように構成し、また、好適な態様により、Ｄ動作出力を、検出温度ＰＶの時間微分を正負反転して出力するように構成すれば、目的の温度制御装置１を構築するに際し、信号処理を行う観点から最適な形態として実施できる。

（３） 好適な態様により、加熱操作量ｙｈを生成するＩ動作出力及びＤ動作出力と冷却操作量ｙｃを生成するＩ動作出力及びＤ動作出力を、共通に用いるようにすれば、目的の温度制御装置１を構築するに際し、回路を構築する観点から、よりシンプル化を図ることができる。

（４） 好適な態様により、冷却操作量ｙｃによる制御を停止する選択手段１３を設ければ、当該選択手段１３により、冷却操作量ｙｃによる制御を任意に停止できるため、剪断熱がほとんど生じない樹脂材料を使用するなど、冷却機能の必要がないと想定される場合には、冷却操作量ｙｃによる制御を停止することにより、エネルギ消費の無駄を排し、省エネルギ性をより高めることができる。

（５） 好適な態様により、加熱部４を構成するに際し、内部に発熱体１２を内蔵し、かつ加熱筒２の外周面２ｆに巻付けて装着するバンドヒータ１１を用いれば、加熱筒２の外周面２ｆに対して面接触により伝熱するバンドヒータ１１の取付構造（加熱構造）と組合わせた最適な形態となる冷却部５を容易に構築できる。

（６） 好適な態様により、冷却部５を構成するに際し、バンドヒータ１１と加熱筒２の外周面２ｆとの間に伝熱性を有する素材Ｒにより形成したパネル部材５ｐを介在させ、かつこのパネル部材５ｐに空冷用のエア通路６を形成するとともに、このエア通路６にエア供給部７からエアＡを流通可能にするエア出入口部８を設けて構成すれば、加熱部４（バンドヒータ１１）による加熱構造をほとんど犠牲にすることがない。したがって、熱損失（加熱効率）の低下、更には温度制御の応答性低下及び制御性の低下を最小限に抑制することができ、加熱機能及び冷却（空冷）機能の双方の機能を十分に発揮させることができる。しかも、加熱筒２の外周面２ｆに付設する加熱部４に対して冷却部５を追加する場合であっても加熱部４の外径をほとんど変更する必要がないため、加熱筒２、更には、射出成形機Ｍの大型化を招く不具合を回避できる。即ち、既設の加熱構造に対して、冷却構造を追加する場合であっても、成形設備の無用な大型化やスペース効率の低下を招く不具合を回避できる。

（７） 好適な態様により、加熱筒２の所定部位として、少なくとも、メータリングゾーンＺｍ，コンプレッションゾーンＺｃ，フィードゾーンＺｆの一又は二以上に適用すれば、特に、スクリュの回転により樹脂材料が剪断される際の剪断熱の発生部位を網羅できるため、温度制御装置１を用いた際の有効性を確実に確保できる。

本発明の好適実施形態に係る温度制御装置を構成する駆動制御系のブロック系統図、 同温度制御装置を備えた射出成形機における射出装置の断面側面図を含む制御系全体の系統図、 同温度制御装置におけるＰＩＤ制御系のブロック系統図、 同温度制御装置の制御対象となる加熱装置（加熱部及び冷却部）の構成部品の外観を示す分解斜視図、 同加熱装置に備える冷却部に用いるパネル部材の外観斜視図、 同加熱装置の外観斜視図、 同加熱装置を備える射出成形機の加熱筒の断面正面図、 同温度制御装置を構成する成形機コントローラのディスプレイに表示される温度監視画面を示す画面構成図、 同温度監視画面上に表示される温度制御設定画面の画面構成図、 同温度制御装置により制御した際における時間に対する検出温度と制御出力の変化図、 背景技術に係る温度制御装置により制御した際における時間に対する検出温度と制御信号の変化図、

次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る温度制御装置１を用いて好適な射出成形機Ｍの概要について、図１，図２，図４〜図７を参照して説明する。

図２中、Ｍｉは射出装置であり、この射出装置Ｍｉと不図示の型締装置により射出成形機Ｍが構成される。射出装置Ｍｉは、加熱筒２を備え、この加熱筒２は、前端に射出ノズル２ｎを有するとともに、加熱筒２の後端は、加熱筒２の内部に成形材料を供給するホッパー２１ｈを有する材料供給部２１に結合する。また、加熱筒２の内部にはスクリュ２２を挿入し、このスクリュ２２の後端は、材料供給部２１の後方へ延出することにより、当該スクリュ２２を回転駆動及び進退駆動する詳細図を省略したスクリュ駆動部２３に接続する。

そして、加熱筒２の外周面２ｆ及び射出ノズル２ｎの外周面２ｎｆには、本実施形態に係る温度制御装置１による制御対象となる加熱装置Ｕを付設する。加熱装置Ｕは、軸方向Ｆｓに沿って順次配設した加熱部４…を備える。即ち、射出ノズル２ｎ（ノズルゾーン），加熱筒２の前部（メータリングゾーンＺｍ），加熱筒２の中間部（コンプレッションゾーンＺｃ），加熱筒２の後部（フィードゾーンＺｆ），加熱筒２の最後部，にそれぞれ装着した五つの加熱部４…を備える。

この場合、射出ノズル２ｎの外周面２ｎｆに装着した加熱部４は、内部に発熱体１２を内蔵し、かつ射出ノズル２ｎの外周面２ｎｆに巻付けて装着するバンドヒータ１１（図７参照）をそのまま使用する。即ち、バンドヒータ１１による通常の加熱部として構成する。加熱筒２の最後部に装着した加熱部４も同様であり、内部に発熱体１２を内蔵し、かつ加熱筒２の外周面２ｆに巻付けて装着するバンドヒータ１１（図７参照）をそのまま使用し、通常の加熱部として構成する。

これに対して、加熱筒２における、メータリングゾーンＺｍ，コンプレッションゾーンＺｃ，フィードゾーンＺｆを加熱する加熱部４…は、それぞれ冷却部５…を付設して加熱冷却部４ｓ…として構成する。このように、加熱筒２における、少なくとも、メータリングゾーンＺｍ，コンプレッションゾーンＺｃ，フィードゾーンＺｆを加熱する加熱部４…の一又は二以上を加熱冷却部４ｓ…として構成すれば、加熱冷却部４ｓ…の空冷機能により、特に、スクリュ２２の回転により樹脂材料が剪断される際の剪断熱の発生部位における無用な温度上昇を抑制できる。これにより、良好な温度制御を実現し、成形品質の更なる向上に寄与できる利点がある。

以下、加熱冷却部４ｓの構成について、より具体的に説明する。加熱冷却部４ｓは、基本的な構成として、加熱部４と加熱筒２の外周面２ｆとの間に伝熱性を有する素材Ｒにより形成したパネル部材５ｐを介在させ、かつこのパネル部材５ｐに空冷用のエア通路６を形成するとともに、このエア通路６に外部のエア供給部７からエアＡを流通可能にするエア出入口部８を設けたものである。

この場合、加熱部４には、上述した射出ノズル２ｎの加熱部４と同様に、内部に発熱体１２を内蔵し、かつ加熱筒２の外周面２ｆに巻付けて装着するバンドヒータ１１を用いる。このバンドヒータ１１は、図４に示すように、矩形状のアウタパネル部５１と矩形状のインナパネル部５２の間に発熱体１２を挟んで全体をフレキシブル性のあるバンド状体５３として構成したものであり、このバンド状体５３の長手方向（周方向）両端同士を結合部５４により結合することができる。結合部５４は、複数の結合ネジ５４ｎ…を備え、図４に示すように、バンド状体５３の長手方向一端に設けた挿通孔部に、結合ネジ５４ｎ…を挿通した後、長手方向他端に設けたナット部にそれぞれ螺合すればよい。この結合部５４は、複数の結合ネジ５４ｎ…を用いて結合するため、バンド状体５３の長手方向両端を結合する結合機能のみならず、取外し可能な着脱機能、更には締付強度の大きさ（絶対的大きさ及び軸方向位置の相対的大きさ）の調整機能を備えている。このように、加熱部４として、バンドヒータ１１を用いれば、加熱筒２の外周面２ｆに対して面接触により伝熱するバンドヒータ１１の取付構造（加熱構造）と組合わせた最適な形態となる冷却部５を容易に構築できる。なお、５５はバンド状体５３に設けたセンサ挿通孔を示す。

一方、パネル部材５ｐは、伝熱性を有する素材Ｒとして伝熱性金属素材Ｒｍを用いる。伝熱性金属素材Ｒｍとしてはステンレス素材が望ましい。このように、素材Ｒとして、伝熱性金属素材Ｒｍを用いれば、伝熱性，フレキシブル性及び加工性の良好なステンレス板等を利用できるため、素材面から必要な空冷作用及び加熱作用を確保するとともに、良好な製造性及び装着性を確保する観点から最適な形態として実施できる利点がある。

また、パネル部材５ｐは、図４及び図５に示すように、二枚のパネルメンバ５ａ，５ｂ、即ち、第一パネルメンバ５ａと第二パネルメンバ５ｂを用意し、この二枚のパネルメンバ５ａ，５ｂの重ね合わせにより構成する。このように、二枚のパネルメンバ５ａ，５ｂの重ね合わせることにより構成すれば、特に、異なる通路部分を形成した二枚（一般的には複数枚）のパネルメンバ５ａ，５ｂの組合わせが可能になるため、設計自由度を高め、様々なエア通路６を容易に形成できる。これにより、加熱筒２のディメンションに応じたエア通路６の最適化も容易に行える利点がある。第一パネルメンバ５ａと第二パネルメンバ５ｂの大きさは、共に、前述したバンドヒータ１１のインナパネル部５２の大きさにほぼ一致させ、厚さを、０．５〜２〔ｍｍ〕の範囲（例示は、１〔ｍｍ〕）に選定することが望ましい。これにより、素材選定等と併せ、層厚面から、必要とする伝熱性，フレキシブル性及び加工性を有効に確保できる。

そして、図４に示すように、第二パネルメンバ５ｂには、短辺方向（軸方向Ｆｓ）に沿った、通路部分となる複数（例示は、八つ）のスリット６１…を、長手方向へ所定間隔置きに打抜き形成するとともに、第一パネルメンバ５ａには、長手方向に沿った、通路部分となる二つのスリット６２ｉ，６２ｅを、短辺方向両側にそれぞれ打抜き形成する。これにより、第一パネルメンバ５ａと第二パネルメンバ５ｂを重ね合わせた際には、一方のスリット６２ｉがエアの入口側となり、各スリット６１…の一端側に連通するとともに、他方のスリット６２ｅがエアの出口側となり、各スリット６１…の他端側に連通する目的のエア通路６が構成される。このように、パネルメンバ５ａ，５ｂを打抜き形成することにより、エア通路６を形成するようにすれば、工数の少ない単純な製造工程によりエア通路６…を設けることができるため、目的のパネル部材５ｐ…を容易かつ低コストに得ることができる。なお、各スリット６１…，６２ｉ，６２ｅの幅，間隔，形状等は、冷却目標等に応じて任意に選択できる。その他、図中、６３，６４は各パネルメンバ５ａ，５ｂに形成したセンサ挿通孔を示す。このセンサ挿通孔６３，６４は、バンドヒータ１１に設けたセンサ挿通孔５５の位置に一致する。

さらに、エア出入口部８は、エア入口部８ｉとエア出口部８ｅにより構成する。エア入口部８ｉとエア出口部８ｅは、図６に示すように、パイプ形継手であり、図７に示すように、バンド状体５３のアウタパネル部５１或いはインナパネル部５２に固定することにより、内端をインナパネル部５２の内周面に対して同一面上に臨ませる。この際、第一パネルメンバ５ａと第二パネルメンバ５ｂの組付位置に対して、エア入口部８ｉは一方のスリット６２ｉに連通し、エア出口部８ｅは、他方のスリット６２ｅに連通するように位置の選定を行う。

したがって、このような構造を有する加熱装置Ｕは、次のように容易に組付けることができる。

まず、結合部５４における結合ネジ５４ｎ…を外した状態のバンドヒータ１１を用意する。そして、このバンドヒータ１１におけるバンド状体５３のインナパネル部５２を上に向け、このインナパネル部５２の上面に、第一パネルメンバ５ａを載置して重ね合わせるとともに、さらに、この第一パネルメンバ５ａの上面に、第二パネルメンバ５ｂを載置して重ね合わせる。

次いで、この状態のバンド状体５３を、第二パネルメンバ５ｂが加熱筒２の外周面２ｆに当接するように、当該加熱筒２の前部における外周面２ｆ上に巻付けるとともに、巻付けたバンド状体５３の長手方向の両端を結合ネジ５４ｎ…により結合する。この場合の取付けは、通常のバンドヒータ１１の取付けとほぼ同じとなるため、取付けは容易に行うことができる。この際、各結合ネジ５４ｎ…の回動量を可変し、締付強度の大きさ（絶対的大きさ及び軸方向位置の相対的大きさ）を調整するとともに、バンドヒータ１１に対する第一パネルメンバ５ａ及び第二パネルメンバ５ｂの相対位置を調整する。

これにより、加熱筒２の外周面２ｆに対して、第一パネルメンバ５ａ及び第二パネルメンバ５ｂからなるパネル部材５ｐを介在させたバンドヒータ１１の取付けが終了し、図６に示す加熱装置Ｕが構成される。そして、図１に示すように、エア入口部８ｉには、エア供給部７からエアＡを供給可能に接続するとともに、エア出口部８ｅは、そのまま開放状態にする。なお、エア出口部８ｅは、排気位置及び排気方向を変更するため、排気用の配管を接続してもよい。この場合、エア供給部７は、エアポンプ７１及びバルブ７２を備えるため、エアポンプ７１のエア吐出口を、中途にバルブ７２を接続した配管を介してエア入口部８ｉに接続する。エアポンプ７１は工場設備に備える共有のエアポンプを用いることができる。以上、一つの加熱冷却部４ｓの取付方法について説明したが、他の加熱冷却部４ｓ…同様に取付けを行うことができる。

このように、加熱装置Ｕは、冷却部５を構成するに際し、バンドヒータ１１と加熱筒２の外周面２ｆとの間に伝熱性を有する素材Ｒにより形成したパネル部材５ｐを介在させ、かつこのパネル部材５ｐに空冷用のエア通路６を形成するとともに、このエア通路６にエア供給部７からエアＡを流通可能にするエア出入口部８を設けて構成すれば、加熱部４（バンドヒータ１１）による加熱構造をほとんど犠牲にすることがない。したがって、熱損失（加熱効率）の低下、更には温度制御の応答性低下及び制御性の低下を最小限に抑制することができ、加熱機能及び冷却（空冷）機能の双方の機能を十分に発揮させることができる。しかも、加熱筒２の外周面２ｆに付設する加熱部４に対して冷却部５を追加する場合であっても加熱部４の外径をほとんど変更する必要がないため、加熱筒２、更には、射出成形機Ｍの大型化を招く不具合を回避できる。即ち、既設の加熱構造に対して、冷却構造を追加する場合であっても、成形設備の無用な大型化やスペース効率の低下を招く不具合を回避できる。

次に、加熱装置Ｕの駆動制御系を含む本実施形態に係る温度制御装置１を構成する成形機コントローラＥについて、図１〜図３を参照して説明する。

図１及び図２に、射出成形機Ｍに搭載する成形機コントローラＥを示す。成形機コントローラＥは、図１に示すように、基本的に、ＣＰＵ等のハードウェアを内蔵するコントローラ本体３２を備えるとともに、このコントローラ本体３２に管理されるハードディスク等の内部メモリ３３を備える。したがって、成形機コントローラＥは、コンピュータシステムとして構成し、射出成形機Ｍにおける全体の制御を司る機能を備える。

この場合、内部メモリ３３は、各種データを書込み可能なデータエリア３３ｄを有するとともに、各種プログラムを格納可能なプログラムエリア３３ｐを有する。このプログラムエリア３３ｐには、ＰＬＣプログラムとＨＭＩプログラムを格納するとともに、各種演算処理及び各種制御処理（シーケンス制御）を実行するための各種処理プログラムを格納する。したがって、格納する処理プログラムには、本実施形態に係る加熱装置Ｕを機能させるための温度制御に係わるシーケンス制御プログラムが含まれる。なお、ＰＬＣプログラムは、射出成形機Ｍにおける各種工程のシーケンス動作や射出成形機Ｍの監視等を実現するためのソフトウェアであり、ＨＭＩプログラムは、射出成形機Ｍの動作パラメータの設定及び表示，射出成形機Ｍの動作監視データの表示等を実現するためのソフトウェアである。一方、成形機コントローラＥにはディスプレイ３５を接続する。ディスプレイ３５は、各種表示を行うディスプレイ本体部３５ｄとこのディスプレイ本体部３５ｄに付設して各種入力等を行うタッチパネル部３５ｔにより構成する。

他方、図１に示すように、加熱冷却部４ｓのバンドヒータ１１は給電部３６に接続する。なお、図７中、３６ｐはバンドヒータ１１の給電部３６に対する接続端子を示している。そして、この給電部３６に対しては、成形機コントローラＥから加熱制御信号Ｃｈが付与される。また、前述したエアポンプ７１及びバルブ７２には、成形機コントローラＥから冷却制御信号Ｃｃが付与される。さらに、加熱筒２には、バンドヒータ１１を取付けたメータリングゾーンＺｍの温度を検出する熱電対を用いた温度センサ３を付設する。この場合、温度センサ３は、加熱筒２の外周面２ｆに形成した装着孔に差込んで装着する。そして、この温度センサ３の検出結果は、成形機コントローラＥに付与される。

以上、一つの加熱冷却部４ｓの駆動制御系について説明したが、他の加熱冷却部４ｓ…も同様に構成（接続）する。なお、射出ノズル２ｎと加熱筒２の最後部の加熱部４…は、いずれもバンドヒータ１１のみを使用するため、それぞれ給電部３６に接続する。図２に、射出成形機Ｍ（射出装置Ｍｉ）における全体の接続系統を示す。

次に、本実施形態に係る温度制御装置１の構成について、図１〜図３，図８及び図９を参照して具体的に説明する。

図３は、本実施形態に係る温度制御装置１の要部を構成するＰＩＤ制御系１０を示す。図３に示すように、ＰＩＤ制御系１０は、偏差演算部４１，Ｄ動作出力部（微分動作出力部）４２，Ｉ動作出力部（積分動作出力部）４３，加減算演算部４４，加熱側比例帯設定部４５，冷却側比例帯設定部４６，出力切換器４７を備える。また、４８は加熱制御信号変換部、４９は冷却制御信号変換部をそれぞれ示す。

この場合、偏差演算部４１における、反転入力部には、温度センサ３から得られる検出温度（検出値）ＰＶが付与されるとともに、非反転入力部には、設定温度（設定値）ＳＶが付与され、出力部からは偏差値ｅが得られる。また、偏差値ｅは加減算演算部４４の非反転入力部に付与されるとともに、Ｉ動作出力部４３に付与される。Ｉ動作出力部４３からは偏差値ｅを時間積分したＩ動作出力が得られ、このＩ動作出力は、加減算演算部４４の非反転入力部に付与される。一方、検出温度ＰＶは、Ｄ動作出力部４２にも付与され、このＤ動作出力部４２からは検出温度ＰＶを時間微分したＤ動作出力が得られる。このＤ動作出力は、加減算演算部４４の反転入力部に付与される。

これにより、加減算演算部４４の出力部からは、偏差値ｅに対して、Ｉ動作出力を加算し、かつＤ動作出力を減算した中間操作量Ｘｍを得ることができる。そして、この中間操作量Ｘｍは、加熱側比例帯設定部４５に付与され、この加熱側比例帯設定部４５からは、中間操作量Ｘｍに対して加熱側比例帯Ｋｈの逆数を乗算した加熱操作量ｙｈが得られるとともに、中間操作量Ｘｍは、冷却側比例帯設定部４６に付与され、この冷却側比例帯設定部４６からは、中間操作量Ｘｍに対して冷却側比例帯Ｋｃの逆数を乗算し、かつ正負反転した冷却操作量ｙｃが得られる。

また、加熱操作量ｙｈと冷却操作量ｙｃは、出力切換器４７に付与される。出力切換器４７では、加熱操作量ｙｈと冷却操作量ｙｃの大きさが比較され、相対的に大きい一方の加熱操作量ｙｈ又は冷却操作量ｙｃが選択され、選択された一方の加熱操作量ｙｈ又は冷却操作量ｙｃのみが出力する。加熱操作量ｙｈが出力した場合、この加熱操作量ｙｈは加熱制御信号変換部４８に付与されることにより加熱制御信号Ｃｈに変換される。具体的には、Ｃｈ＝１００・ｙｈの演算式により変換され、この加熱制御信号Ｃｈは前述した給電部３６に付与されることにより、給電部３６に対する給電制御が行われる。一方、冷却操作量ｙｃが出力した場合、この冷却操作量ｙｃは冷却制御信号変換部４９に付与されることにより冷却制御信号Ｃｃに変換される。即ち、Ｃｃ＝１００・ｙｃの演算式により変換され、この冷却制御信号Ｃｃは前述したバルブ７２に付与されることにより、バルブ７２の開閉制御が行われる。

したがって、ＰＩＤ制御系１０においては、以下に示す〔数１〕，〔数２〕及び〔数３〕の演算式が成立する。

なお、〔数１〕〜〔数３〕において、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間、Ｋｈは加熱側比例帯、Ｋｃは冷却側比例帯である。

〔数１〕〜〔数３〕により、Ｄ動作出力は、検出温度ＰＶの時間微分を正負反転して出力する。また、加熱側比例帯設定部４５及び冷却側比例帯設定部４６では、加熱側比例帯Ｋｈ及び冷却側比例帯Ｋｃの逆数を用いるとともに、冷却側比例帯Ｋｃは正負反転する。加熱側比例帯Ｋｈと冷却側比例帯Ｋｃは、それぞれ個別設定が可能である。さらに、加熱操作量ｙｈを生成するＩ動作出力及びＤ動作出力と冷却操作量ｙｃを生成するＩ動作出力及びＤ動作出力は共通となる。

このように、Ｄ動作出力を、検出温度ＰＶの時間微分を正負反転して出力するように構成し、また、加熱側比例帯と冷却側比例帯に、それぞれ個別に設定した逆数を用いるとともに、冷却側比例帯が正負反転するように構成すれば、目的の温度制御装置１を構築するに際し、信号処理を行う観点から最適な形態として実施できる。さらに、加熱操作量ｙｈを生成するＩ動作出力及びＤ動作出力と冷却操作量ｙｃを生成するＩ動作出力及びＤ動作出力を、共通に用いるようにすれば、目的の温度制御装置１を構築するに際し、回路を構築する観点から、よりシンプル化を図ることができる。

一方、本実施形態に係る温度制御装置１は、図８に示す温度監視画面Ｖｔを備える。この温度監視画面Ｖｔは、成形機コントローラＥに付属するディスプレイ３５に表示される。この場合、ディスプレイ３５に常時表示される画面切換キーｋｔを選択することにより、同温度監視画面Ｖｔを表示することができる。温度監視画面Ｖｔは、横方向に、射出ノズル２ｎ，加熱筒２の前部，加熱筒２の中間部，加熱筒２の後部，加熱筒２の最後部，材料落下口の表示エリアを順次確保し、縦方向に、上から目標温度（設定温度）の表示部Ｄ１，現在温度の表示部Ｄ２，加熱制御出力の表示部Ｄ３等を配する。また、温度監視画面Ｖｔの下端近傍には冷却制御出力の表示部Ｄ４を配する。なお、Ｄ５は温度のグラフィック表示部を示す。

さらに、図９は、温度監視画面Ｖｔ上にウィンドウ表示される温度制御設定画面Ｖｗを示している。この温度制御設定画面Ｖｗは、図８に示す温度監視画面Ｖｔにおける制御条件設定キーｋｃをＯＮすることにより表示させることができる。温度制御設定画面Ｖｗは、横方向に、射出ノズル２ｎ，加熱筒２の前部，加熱筒２の中間部，加熱筒２の後部，加熱筒２の最後部，材料落下口の表示エリアを順次確保し、縦方向に、上から加熱側比例帯の設定部Ｗ１，積分時間の設定部Ｗ２，微分時間の設定部Ｗ３，上限警報幅の設定部Ｗ４，下限警報幅の設定部Ｗ５，オートチューニングの設定キー欄Ｗ６，冷却側比例帯の設定部Ｗ７を配している。

他方、１３は、冷却操作量ｙｃによる制御を停止する選択手段であり、加熱筒２の前部に対する加熱冷却選択キー１３ｍ，加熱筒２の中間部に対する加熱冷却選択キー１３ｃ，加熱筒２の後部に対する加熱冷却選択キー１３ｆを備える。これにより、例えば、冷却選択キー１３ｃをＯＮにすれば、加熱筒２の中間部に対しては加熱部４及び冷却部５の双方に対して制御を行うことができ、冷却選択キー１３ｃをＯＦＦにすれば、加熱筒２の中間部に対しては加熱部４に対する制御のみが行われる。したがって、このような選択手段１３を設ければ、選択により冷却操作量ｙｃによる制御を任意に停止できるため、剪断熱がほとんど生じない樹脂材料を使用するなど、冷却機能の必要がないと想定される場合には、冷却操作量ｙｃによる制御を停止することにより、エネルギ消費の無駄を排し、省エネルギ性をより高めることができる。なお、ｋｘは「閉じる」キーを示す。

次に、加熱装置Ｕの動作を含む本実施形態に係る温度制御装置１の動作について、図１〜図１１を参照して説明する。

例示は、加熱筒２の中間部の加熱冷却部４ｓについての動作を説明するが、他の加熱冷却部４ｓ…も設定温度が異なる点を除いて同様の動作を行う。

今、成形機コントローラＥから給電部３６に対して加熱制御信号Ｃｈが付与されている場合を想定する。なお、この際、バルブ７２はＯＦＦ（閉）になっている。これにより、加熱冷却部４ｓにおけるバンドヒータ１１に給電が行われる。バンドヒータ１１の発熱は、第一パネルメンバ５ａと第二パネルメンバ５ｂを重ね合わせたパネル部材５ｐを介して加熱筒２に伝達され、加熱筒２の中間部が加熱される。バンドヒータ１１と加熱筒２間には、パネル部材５ｐが介在するが、例示の場合、厚さが２〔ｍｍ〕程度となる伝熱性を有する二枚のステンレス板が介在するとともに、このステンレス板には一部を打抜き形成したエア通路６が存在するのみとなるため、熱損失はほとんど発生しない。

一方、このときの加熱温度は温度センサ３により検出され、図３に示すように、検出温度（検出値）ＰＶとして偏差演算部４１とＤ動作出力部４２に付与される。これにより、偏差演算部４１からは設定温度（目標温度）の設定値ＳＶとの偏差値ｅが得られる。この偏差値ｅは加減算演算部４４に付与されるとともに、Ｉ動作出力部４３に付与される。この結果、加減算演算部４４には、Ｉ動作出力，偏差値ｅ，Ｄ動作出力が付与され、加減算演算部４４の出力部には中間操作量Ｘｍが得られる。例示の場合、Ｉ動作出力を得る積分時間Ｔｉは、図９に示すように３４５〔秒〕に設定され、Ｄ動作出力を得る微分時間Ｔｄは８６〔秒〕に設定されている。

今、中間操作量Ｘｍが大きさが正であるものとする。これにより、加熱側比例帯設定部４５により生成される加熱操作量ｙｈは正になるとともに、冷却側比例帯設定部４６により生成される冷却操作量ｙｃは負になる。この結果、出力切換器４７からは、相対的に大きい加熱操作量ｙｈのみが出力し、加熱制御信号変換部４８により加熱制御信号Ｃｈに変換される。そして、この加熱制御信号Ｃｈは、給電部３６に付与され、給電部３６に対する給電制御が行われることにより、バンドヒータ１１により加熱筒２の中間部が加熱される。なお、冷却操作量ｙｃは負となるため、冷却制御信号Ｃｃの出力はゼロとなる。

次に、中間操作量Ｘｍの大きさが負である場合を想定する。これにより、加熱側比例帯設定部４５により生成される加熱操作量ｙｈは負になるとともに、冷却側比例帯設定部４６により生成される冷却操作量ｙｃは正になる。この結果、出力切換器４７からは、相対的に大きい冷却操作量ｙｃのみが出力し、冷却制御信号変換部４９により冷却制御信号Ｃｃに変換される。そして、この冷却制御信号Ｃｃは、バルブ７２に付与され、バルブ７２に対する開閉制御が行われる。この際、加熱操作量ｙｈは負となるため、加熱制御信号Ｃｈの出力はゼロとなる。

冷却時には、エアポンプ７１からエアＡが供給され、このエアＡはエア入口部８ｉからエア通路６に流入する。そして、エアＡは、エア通路６を流通し、エア出口部８ｅから外部（大気）に流出する。この場合、エア入口部８ｉからのエアＡは、第一パネルメンバ５ａに形成したスリット６２ｉに流入するとともに、第二パネルメンバ５ｂに形成した八つのスリット６１…の一端から当該スリット６１…内に流入する。そして、各スリット６１…を流通したエアＡは、当該スリット６１…の他端に至り、第二パネルメンバ５ｂに形成したスリット６２ｅに流入するとともに、スリット６２ｅ内のエアＡはエア出口部８ｅから外部に流出する。このときのエアＡの流れを、図１に点線矢印で示す。これにより、エア通路６、特に、各スリット６１…を流通するエアＡ…は、加熱筒２の外周面２ｆに接触するため、加熱された外周面２ｆとの熱交換が行われ、外周面２ｆが強制的に冷却（空冷）される。

ところで、加熱冷却部４ｓ…は、加熱筒２における、少なくとも、メータリングゾーンＺｍ，コンプレッションゾーンＺｃ，フィードゾーンＺｆを加熱する加熱部４…の一又は二以上に適用している。これらのゾーンＺｍ，Ｚｃ，Ｚｆは、スクリュ２２の回転による樹脂材料の剪断時に、剪断熱による無用な温度上昇を発生するゾーンとなる。したがって、強制冷却を行うことなく、バンドヒータ１１に対する給電を解除し、自然冷却に頼った場合、オーバシュート等により加熱温度が不安定になりやすい。このため、加熱冷却部４ｓ…におけるバンドヒータ１１…の給電を解除するとともに、空冷方式による強制空冷を行うようにした。これにより、前述したように、良好な温度制御を実現し、成形品質の更なる向上に寄与できる。

これらの一連の制御は、成形機コントローラＥにおけるシーケンス制御プログラムに従って実行され、加熱時には、給電部３６に対して加熱制御信号Ｃｈが付与され、冷却時には、成形機コントローラＥから冷却制御信号Ｃｃがバルブ７２に付与される。この場合、加熱操作量ｙｈ（加熱制御信号Ｃｈ）及び冷却操作量ｙｃ（冷却制御信号Ｃｃ）は、ＰＩＤ制御系１０における処理、即ち、〔数１〕〜〔数３〕に基づく演算処理により生成される。図８に一例として示す制御状態は、中間部の目標温度（設定温度）が３１５．０〔℃〕、現在温度（検出温度ＰＶ）が３１５．１〔℃〕、加熱側の制御出力（加熱制御信号Ｃｈ）が０．０〔％〕、冷却側の制御出力（冷却制御信号Ｃｃ）が５．８〔％〕の状態を示している。また、図９に一例として示すように、加熱側比例帯Ｋｈは２１．４〔℃〕が設定されている。したがって、２１．４〔℃〕よりも低ければ、加熱側は１００〔％〕出力となる。冷却側比例帯Ｋｃは７．７〔℃〕が設定されている。したがって、７．７〔℃〕よりも高ければ、冷却側は１００〔％〕出力となる。なお、各設定値は、オートチューニングの設定キー欄Ｗ６の各キーをＯＮにすることにより自動で設定可能である。

図１０に、本実施形態に係る温度制御装置１により制御した際における時間に対する検出温度と制御信号（制御出力）の変化を示す。図１０中、Ｔｄは検出温度、Ｃｈは加熱制御信号（加熱側制御出力）、Ｃｃは冷却制御信号（冷却側制御出力）を示す。図１０から明らかなように、加熱側制御出力と冷却側制御出力は、それぞれ活発に行われており、検出温度は、±０．２〔℃〕の範囲で大きな変動もなく、安定した状態で制御が行われていることを確認できる。他方、図１１は、比較例として、背景技術に係る温度制御装置により制御した際における時間に対する検出温度と制御信号の変化を示す。図１１中、Ｔｄｒは検出温度、Ｃｈｒは加熱側の制御信号、Ｃｃｒは冷却側の制御信号を示す。この場合、本実施形態に係る温度制御装置１により制御する場合に比べて、検出温度の変動が大きく、しかも、不安定な状態にあることを確認できる。

よって、このような本実施形態に係る温度制御装置１によれば、検出温度ＰＶと設定温度ＳＶの偏差値ｅを求め、この偏差値ｅがゼロになるようにＰＩＤ制御を行うとともに、Ｉ動作出力，Ｄ動作出力，偏差値ｅ及び加熱側比例帯により生成して加熱部４に対する制御を行う加熱操作量ｙｈと、Ｉ動作出力，Ｄ動作出力，偏差値ｅ及び冷却側比例帯により生成して冷却部５に対する制御を行う冷却操作量ｙｃとの、相対的に大きい一方の操作量ｙｈ又はｙｃのみを、対応する加熱部４又は冷却部５に対して出力するＰＩＤ制御系１０を備えて構成したため、冷却機能と加熱機能を連携制御し、ハンチング現象等を回避した安定性の高い制御を行うことができる。しかも、高い制御精度を確保しつつ省エネルギ性に優れた温度制御装置１を実現でき、特に、スクリュの回転により剪断される際の剪断熱が大きい樹脂材料による生産に用いて最適となる。

以上、好適実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。

例えば、本発明は、温度制御装置を対象とするため、温度制御装置１による制御の対象となる加熱部４及び冷却部５の種類は問わない。即ち、例示の場合、加熱部４として、内部に発熱体１２を内蔵し、かつ加熱筒２，射出ノズル２ｎの外周面２ｆ，２ｎｆに巻付けて装着するバンドヒータ１１を用いたが、必ずしもバンドヒータ１１に限定されるものではなく、加熱機能を有するものであれば、様々な原理及び構造に基づく加熱部４を用いることができる。また、エア通路６として、パネル部材５ｐを用いた形態を例示したが、背景技術に記載されるような、外部に設置するファンによる空冷方式であってもよいし、冷却水を流通させる水冷方式の冷却手段であってもよく、冷却機能を有するものであれば、様々な原理及び構造に基づく冷却部５を用いることができる。一方、実施形態では、五つの加熱部４…を備える加熱装置Ｕを例示したが、四つ以下の加熱部を備えている形態であってもよいし、六つ以上の加熱部を備えた形態であってもよい。また、実施形態では、三つの加熱冷却部４ｓ…を例示したが、このうち、特に冷却の必要性の高い一つ又は二つにのみ適用してもよいし、他の加熱部４…であっても同様の加熱冷却部として構成してもよい。

本発明に係る温度制御装置は、加熱筒の外周面に付設した加熱部及び冷却部により加熱筒を加熱又は冷却する構造を有する各種射出成形機に利用できる。

１：温度制御装置，２：加熱筒，２ｆ：加熱筒の外周面，３：温度センサ，４：加熱部，５：冷却部，５ｐ：パネル部材，６：エア通路，７：エア供給部，８：エア出入口部，１０：ＰＩＤ制御系，１１：バンドヒータ，１２：発熱体，１３：選択手段，Ｍ：射出成形機，ＰＶ：検出温度，ＳＶ：設定温度，Ｅ：成形機コントローラ，ｅ：偏差値，ｙｈ：加熱操作量，ｙｃ：冷却操作量，Ｒ：伝熱性を有する素材，Ａ：エア，Ｚｍ：メータリングゾーン，Ｚｃ：コンプレッションゾーン，Ｚｆ：フィードゾーン

Claims (7)

1. 加熱筒における所定部位の加熱温度を温度センサにより検出し、検出した検出温度と予め設定した設定温度の偏差値を求め、この偏差値がゼロになるようにＰＩＤ制御を行うことにより、前記所定部位を加熱する加熱部及び前記所定部位を冷却する冷却部を制御する成形機コントローラを備える射出成形機の温度制御装置であって、Ｉ動作出力，Ｄ動作出力，前記偏差値及び個別に設定した逆数を用いた加熱側比例帯により生成して前記加熱部に対する制御を行う加熱操作量と、Ｉ動作出力，Ｄ動作出力，前記偏差値及び個別に設定した逆数を用い、かつ正負反転した冷却側比例帯により生成して前記冷却部に対する制御を行う冷却操作量とを得、相対的に大きい一方の操作量のみを、対応する前記加熱部又は前記冷却部に対して出力するＰＩＤ制御系を備えることを特徴とする射出成形機の温度制御装置。
2. 前記Ｄ動作出力は、前記検出温度の時間微分を正負反転して出力することを特徴とする請求項１記載の射出成形機の温度制御装置。
3. 前記加熱操作量を生成するＩ動作出力及びＤ動作出力と前記冷却操作量を生成するＩ動作出力及びＤ動作出力は共通に用いることを特徴とする請求項１又は２記載の射出成形機の温度制御装置。
4. 前記冷却操作量による制御を停止する選択手段を備えることを特徴とする請求項１記載の射出成形機の温度制御装置。
5. 前記加熱部は、内部に発熱体を内蔵し、かつ前記加熱筒の外周面に巻付けて装着するバンドヒータを用いることを特徴とする請求項１記載の射出成形機の温度制御装置。
6. 前記冷却部は、前記バンドヒータと前記加熱筒の外周面との間に伝熱性を有する素材により形成したパネル部材を介在させ、かつこのパネル部材に空冷用のエア通路を形成するとともに、このエア通路にエア供給部からエアを流通可能にするエア出入口部を設けて構成することを特徴とする請求項１記載の射出成形機の温度制御装置。
7. 前記加熱筒の所定部位は、少なくとも、メータリングゾーン，コンプレッションゾーン，フィードゾーンの一又は二以上に適用することを特徴とする請求項１記載の射出成形機の温度制御装置。

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