JP7265255B2 - 射出成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形装置に関するものである。

成形品の搬送に掛かる手間やコストが問題となっており、各エンドユーザーの元で必要な数の成形品を必要な時に応じて製造できるようにすることで搬送そのものを無くすことが要望されていた。これに対して、我々は先に特許文献１として、小型化が可能で、且つ簡単な制御で所望の精度の成形品を製造でき、エンドユーザーの元への設置も可能とする射出成形装置を提案した。
この装置は低圧で射出できることから、鋳肌が綺麗になっており、この点からの評価も高く、特許文献２では、更に、成形品の多様化、特にサイズの大型化へ対応できるよう改善提案がされており、汎用性も増している。

特開２０１２－３０４２９号公報 特開２０１８－１９２７５８号公報

この装置を実機化したものは、手動または空圧乃至油圧で駆動させるよう構成されていたが、最近では、定量的に管理したい、作動油を嫌う環境でも使用したい等の要望がある。
而して、サーボモータ等の電動アクチュエータで駆動させる場合、充填段階では射出速度を良品の成形条件（射出速度パターン）に従って制御しており、射出圧力のイレギュラーな増大に対してはトルク検出により対応させている例が報告されているが、トルクスリップを起こさないよう配慮する必要があり、電動アクチュエータへの負荷が大きくなるだけでなく、電気的制御系が複雑化するので、この種の簡易な小型装置での採用は現実的ではない。
一方、上記の装置では、押込みシャフトと言うプランジャの働きをするものが利用されており、これは射出圧力を直接感知することができる。

本発明は上記従来の問題点に着目して為されたものであり、特許文献１、２に記載の射出成形装置における押込みシャフトの特性を生かして、電動アクチュエータで駆動させても電気的制御系を複雑化せずに成形品の品質を維持できる、汎用性を増した射出成形装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、請求項１の発明は、 先端がノズルになって金型のキャビティと内部が連通する射出筒と、前記射出筒の内部に基端側から前記ノズルに向かって温度が上がる温度勾配を発生させる加熱手段と、前記射出筒の内部に基端側から入り込んで軸方向に進退移動可能な押込みシャフトを有する射出機構部とを備え、前記押込みシャフトにより１または複数のスティック状成形材料が押込まれると、前記ノズル側の完全溶解した成形材料が前記キャビティに射出される射出成形装置において、前記押込みシャフトの後方では、コイルスプリングが介装されて、電動アクチュエータの直動軸が固定されたプランジャが軸状に連なり、且つ前記コイルスプリングの付勢により、前記押込みシャフトと前記プランジャの間の距離は最大に保持されており、 前記押込みシャフトの押込みに対する反力を前記コイルスプリングが受け止めて圧縮されることで前記プランジャの前進速度はそのままに、前記押込みシャフトの前進速度が減速されて射出圧力の過大な増大が抑制されることを特徴とする射出成形装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載した射出成形装置において、押込みシャフトの基端側にはフランジ部が形成されたガイド筒が固定されて連なり、プランジャにはフランジ部が形成されており、前記ガイド筒に差し込まれた前記プランジャのフランジ部と、前記ガイド筒のフランジ部の間にコイルスプリングが配置されて、その両端がそれぞれ前記プランジャのフランジ部と前記ガイド筒のフランジ部に止着されていることを特徴とする射出成形装置である。

請求項３の発明は、請求項２に記載した射出成形装置において、ガイド筒の内周面は中間に段差が形成されて、固定側の内周面は開放側の内周面より内径が大きくなっており、プランジャは、軸部に対してヘッド部が拡径されており、前記ガイド筒の内径が大きい内周面に軸方向移動可能に前記ヘッド部が遊嵌されていることを特徴とする射出成形装置である。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載した射出成形装置において、コントローラにより制御される電動アクチュエータの動作により押込みシャフトが進退移動する電動型で、圧力センサは前記押込みシャフトとコイルスプリングの間に介装されており、軸方向からの圧力を検知する圧力センサからの圧力信号を得て前記コントローラが前記電動アクチュエータの動作を制動制御することで、前記押込みシャフトの進行が制動されることを特徴とする射出成形装置である。

請求項５の発明は、請求項４に記載した射出成形装置において、
コントローラは圧力信号から射出圧力値を推定し、前記射出圧力値が閾値を超えているときに制動制御することを特徴とする射出成形装置である。

請求項６の発明は、請求項１から５のいずれかに記載した射出成形装置において、射出筒は軸方向水平に姿勢が保持されていることを特徴とする射出成形装置である。

本発明の射出成形装置によれば、特許文献１、２に記載の射出成形装置における押込みシャフトの特性を生かして、電動アクチュエータで駆動させても電気的制御系を複雑化せずに成形品の品質を維持できる。

本発明の実施の形態に係る射出成形装置の斜視図である。 図１の射出成形装置の動作説明用の側面図である。 図２の射出成形装置の断面図である。 図３の射出機構部をガイド筒とプランジャ側とに分離した説明図である。 図１の射出成形装置の動作説明用の側面図である。 図５の射出成形装置の断面図である。 図１の射出成形装置に使用するスティック状成形材料の斜視図である。

本発明の実施の形態に係る射出成形装置１を図面にしたがって説明する。
図１～図４において、符号３は射出機構部であり、射出筒５を備えている。この射出筒５は円筒状になっており、内周面と外周面は同軸状になっている。また、内周面、外周面とも軸方向に対していずれの垂直断面でもほぼ同径になっている。射出筒５の内部が樹脂原料となる成形材料の搬送空間７となっている。射出筒５の軸方向先端には射出ノズル９が同軸状に取り付けられており、射出筒５の搬送空間７と射出ノズル９のノズル孔は連通している。一方、軸方向基端側は全面的に開口して成形材料の受入れ口１１になっている。

射出筒５の肉部１３には通電させると発熱するヒーター（図示省略）が埋め込まれている。また、肉部１３は熱伝導性の異なる複数の素材が組み合わされて構成されている。従って、ヒーターを通電させると、搬送空間７に温度勾配が発生し、射出ノズル９のノズル孔側が最も高く、受入れ口１１側が最も低くなる。
この射出成形装置１は横型になっており、射出筒５は軸方向が水平方向に一致するように横倒しの状態で載置台（図示省略）に搭載される。

符号１５は押込みシャフトを示し、この押込みシャフト１５は同軸同径の細長い円柱状をしており、先端面は軸方向に垂直な押込み面１７になっている。軸方向反対側も垂直な面になっており、この面は基端面１９になっている。なお、この基端面１９側は抜け止めのために拡径されている。
押込みシャフト１５の外径は射出筒５の内径より僅かに小さく、射出筒５の搬送空間７に受入れ口１１から同軸状に差し込まれると軸方向に沿ってスムーズな進退移動が可能になっており、射出時には射出ノズル９に向かって前進する。

押込みシャフト１５には円筒ボックス状のセンサケース２１が同軸状に連なっており、押込みシャフト１５の基端側がセンサケース２１の軸中心の挿入孔に摺動可能に差し込まれている。センサケース２１の内面には挿入孔を中心に凹部が形成されており、押込みシャフト１５の基端面１９側はこの凹部に嵌め込まれている。センサケース２１の内部には、軸中心に圧力センサ２３が収容されており、押込みシャフト１５の基端面１９はこの圧力センサ２３の受圧面２５とは反対側の面に固着されている。受圧面２５は軸方向に垂直な面になっている。受圧面２５より基端面１９の方が大きくなっており、受圧面２５は押込みシャフト１５からの圧力を全面に渡って均等に受け止める。圧力センサ２３の受圧面２５と反対側の面は、センサケース２１の内面に当接されている。押込みシャフト１５がセンサケース２１内に対して微後退することで受圧面２５に掛かる圧力が増大する。
圧力センサ２３に接続されたセンサ導線２７は、センサケース２１の外に引き出されている。

センサケース２１の軸方向先端側は上記したように押込みシャフト１５が連なっており、基端側には円筒状のガイド筒２９の軸方向端面が同軸状に固定されて連なっている。ガイド筒２９はこの固定側では縁部が径方向外方に向かって拡がってフランジ部３１になっており、このフランジ部３１の外面がセンサケース２１の外面に固着されている。フランジ部３１の外周面はセンサケース２１の外周面と同じサイズになっており、フランジ部３１とセンサケース２１は外周面が軸方向に面一になっている。フランジ部３１と反対側の端面は開放されており、そこが差込み口３３になっている。
ガイド筒２９の内部は、内周面と外周面が同軸状になっている。また、外周面はフランジ部３１を除いて軸方向に対していずれの垂直断面でもほぼ同径になっている。一方、内周面は、中間に垂直段差３５が形成されており、固定側の内周面３７は開放側の内周面３９より内径が大きくなっている。

ガイド筒２９には、差込み口３３からプランジャ４１が差し込まれている。このプランジャ４１は、軸部４３に対してヘッド部４５が拡径されており、軸部４３は内周面３９より僅かに小さく、ヘッド部４５は内周面３７より僅かに小さくなっている。内周面３７の軸方向の長さがヘッド部４５の移動ストローク域になっており、ヘッド部４５がその範囲で軸方向に移動可能に遊嵌されている。従って、その範囲で、プランジャ４１が全体として移動可能になっている。

プランジャ４１は基端側寄りでは縁部が径方向外方に向かって拡がってフランジ部４７が形成されている。このフランジ部４７はガイド筒２９のフランジ部３１と同じサイズに設定されており、板面どうしが対向している。
符号４９はコイルスプリングを示し、このコイルスプリング４９は、ガイド筒２９を囲んで、フランジ部３１とフランジ部４７のそれぞれの対向面の間に配置されており、一端がフランジ部３１の対向面に止着され、他端がフランジ部４７の対向面に止着されている。コイルスプリング４９の自然長は、ガイド筒２９の垂直段差３５にプランジャ４１のヘッド部４５が当接してガイド筒２９に対してプランジャ４１が最大に引き出されたときのフランジ部３１とフランジ部４７のそれぞれの対向面の間の距離よりも僅かに大きくなっており、コイルスプリング４９の付勢によりそれぞれの対向面の間の距離は最大に保持される。

プランジャ４１はフランジ部４７の後側が電動アクチュエータ５１の直動軸５３の凹部に内嵌され固定されている。
電動アクチュエータ５１にはコントローラ５５が接続されており、このコントローラ５５が電動アクチュエータ５１の動作を制動制御することで、軸状に連なった複合軸体（直動軸５３～プランジャ４１～コイルスプリング４９～ガイド筒２９～圧力センサ２３～押込みシャフト１５）が一体となって軸方向に沿って進退移動する。なお、図２、図５で、コントローラ５５は、視認の便宜のために、サイズダウンした上で単純なボックス状に描かれている。
また、プランジャ４１のヘッド部４５の移動ストローク域の範囲で、コイルスプリング４９の圧縮により、プランジャ４１～ガイド筒２９間が軸方向に伸縮可能になっている。

符号５７は金型を示し、この金型５７のキャビティと射出筒５の射出ノズル９のノズル孔が内部連通されている。射出ノズル９のノズルタッチを介して、ヒーターの熱がキャビティとそれに連なるゲート等の部位に効率良く伝達されるので、キャビティ内へは溶融した成形材料がスムーズ且つ十分に流れ込み、十分に流れ込んだ後には速やかに冷却するようになっている。
射出筒５の受入れ口１１からは、図７に示すスティック状成形材料Ｓが差し込まれる。スティック状成形材料Ｓはほぼ円柱状をしており、その外周面には軸線方向に延びる多数の凹溝ｔが形成されている。スティック状成形材料Ｓは最終的な成形品ではなく、形状が単純で寸法精度もさほど要求されていないので、安価に大量生産が可能となっている。スティック状成形材料Ｓの直径は射出筒５の搬送空間７の直径より僅かに小さくなっており、搬送空間７内では固体状態でもスムーズな摺動が可能になっている。

射出成形装置１は上記のように構成されており、図２、図３にしたがって射出時の通常動作を説明する。
射出筒５の搬送空間７に複数のスティック状成形材料Ｓ、Ｓ、…が順次差し込まれて、軸方向に一列に整列した状態にされる。このとき、最後に差し込んだスティック状成形材料Ｓが受入れ口１１から僅かにはみ出している。
搬送空間７には温度勾配が形成されているので、射出ノズル９に近い先頭側から溶融が開始し、先頭のものは完全に溶融して湯状になり、その後続のものも溶融が進行しているが、最後に差し込んだものは未だ固化状態にあり、プランジャとして働く。すなわち、押込みシャフト１５と未だ固化状態のスティック状成形材料Ｓが一体となって射出動作を行う。

従って、押込みシャフト１５が前進して完全に溶融した成形材料を押込むときに、押込みシャフト１５がスティック状成形材料Ｓに潜り込むことも、スティック状成形材料Ｓの溶融による圧縮も起こらない。しかも、先方で溶融した成形材料は後続のスティック状成形材料Ｓと射出筒５の内面との隙間に回り込んで埋めると共に、その露出面は肉部１３側から受ける熱が減って冷却され、固化に向かうので、囲んだスティック状成形材料Ｓと共に密栓状態が作り出される。従って、安定した射出圧力が確保される。また、溶解したスティック状成形材料Ｓからはエアが出てくるがこのエアはスティック状成形材料Ｓの凹溝ｔを通って速やかに上方に抜けていくので、成形品におけるボイドの発生が有意的に低減される。

押込みシャフト１５の前進後退は、電動アクチュエータ５１の動作によって実現される。速度制御されており、通常の射出時には、電動アクチュエータ５１の直動軸５３の前進速度と押込みシャフト１５の前進速度はほぼ一致している。このとき、プランジャ４１がガイド筒２９から最大に引き出された状態になっている。

そして、スティック状成形材料Ｓの射出の進行により、イレギュラーに射出圧力が増大しようとすると、先ず、図５、図６に示すように、押込みシャフト１５の押込みに対する反力をコイルスプリング４９が受け止めて圧縮される。
すなわち、ダンパー機能が発揮され、電動アクチュエータ５１の直動軸５３の前進速度はそのままに、押込みシャフト１５の前進速度が減速されて、射出圧力の過度な増大が抑制される。

射出成形装置１は、上記したように、電動アクチュエータ５１の駆動により大まかに制御され、ダンパー機能の発動により細やかに制御されている。
射出時には、金型５７内の圧力が目標以上に上昇する場合があり、これが放置されるとせん断発熱により成形焼けが発生するが、電動アクチュエータ５１に負荷を掛けずに、細やかな制御が可能となっている。これは、押込みシャフト１５と言う射出圧力を直接感知することができる仕組みが取り入れられているが故である。

ダンパー機能は、プランジャ４１のヘッド部４５がセンサケース２１の外面に当接するまでは発揮される。
これ以上になったときには、圧力センサ２３が検知して圧力信号を発する。圧力信号はコントローラ５５に送られるので、コントローラ５５がこの圧力信号から射出圧力値を推定し、予め設定された閾値を超えているか否かを判断して、閾値を超えている場合には、電動アクチュエータ５１の前進速度を減速させる。
この電動アクチュエータ５１側の通電制御は、最終的な安全装置として利用されている。圧力の上限だけを設定しているので、電気的制御系も単純に構成されている。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
例えば、実施の形態では、ダンパーがコイルスプリングで構成されているが、これに限定されず、例えばゴム等で構成してもよい。
また、実施の形態では、駆動手段として電動アクチュエータが利用されているが、エアシリンダーや油圧シリンダーの利用が排除されることはない。エアシリンダー等では、慣性が大きいと速度の制御が難しいことから、補助用にダンパーを利用することが考えられる。

本発明は、成形材料を使用して射出成形により成形品を製造する製造業に利用可能である。

１…射出成形装置 ３…射出機構部 ５…射出筒 ７…搬送空間
９…射出ノズル １１…受入れ口 １３…肉部 １５…押込みシャフト
１７…押込み面 １９…基端面 ２１…センサケース ２３…圧力センサ
２５…受圧面 ２７…センサ導線 ２９…ガイド筒 ３１…フランジ部
３３…差込み口 ３５…垂直段差 ３７…固定側の内周面 ３９…開放側の内周面
４１…プランジャ ４３…軸部 ４５…ヘッド部 ４７…フランジ部
４９…コイルスプリング ５１…電動アクチュエータ
５３…直動軸 ５５…コントローラ ５７…金型
Ｓ…スティック状成形材料 ｔ…（成形材料の）凹溝

Claims (6)

1. 先端がノズルになって金型のキャビティと内部が連通する射出筒と、前記射出筒の内部に基端側から前記ノズルに向かって温度が上がる温度勾配を発生させる加熱手段と、前記射出筒の内部に基端側から入り込んで軸方向に進退移動可能な押込みシャフトを有する射出機構部とを備え、前記押込みシャフトにより１または複数のスティック状成形材料が押込まれると、前記ノズル側の完全溶解した成形材料が前記キャビティに射出される射出成形装置において、
   前記押込みシャフトの後方では、コイルスプリングが介装されて、電動アクチュエータの直動軸が固定されたプランジャが軸状に連なり、且つ前記コイルスプリングの付勢により、前記押込みシャフトと前記プランジャの間の距離は最大に保持されており、
   前記押込みシャフトの押込みに対する反力を前記コイルスプリングが受け止めて圧縮されることで前記プランジャの前進速度はそのままに、前記押込みシャフトの前進速度が減速されて射出圧力の過大な増大が抑制されることを特徴とする射出成形装置。
2. 請求項１に記載した射出成形装置において、
   押込みシャフトの基端側にはフランジ部が形成されたガイド筒が固定されて連なり、
   プランジャにはフランジ部が形成されており、
   前記ガイド筒に差し込まれた前記プランジャのフランジ部と、前記ガイド筒のフランジ部の間にコイルスプリングが配置されて、その両端がそれぞれ前記プランジャのフランジ部と前記ガイド筒のフランジ部に止着されていることを特徴とする射出成形装置。
3. 請求項２に記載した射出成形装置において、
   ガイド筒の内周面は中間に段差が形成されて、固定側の内周面は開放側の内周面より内径が大きくなっており、
   プランジャは、軸部に対してヘッド部が拡径されており、前記ガイド筒の内径が大きい内周面に軸方向移動可能に前記ヘッド部が遊嵌されていることを特徴とする射出成形装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載した射出成形装置において、
   コントローラにより制御される電動アクチュエータの動作により押込みシャフトが進退移動する電動型で、
   圧力センサは前記押込みシャフトとコイルスプリングの間に介装されており、
   軸方向からの圧力を検知する圧力センサからの圧力信号を得て前記コントローラが前記電動アクチュエータの動作を制動制御することで、前記押込みシャフトの進行が制動されることを特徴とする射出成形装置。
5. 請求項４に記載した射出成形装置において、
   コントローラは圧力信号から射出圧力値を推定し、前記射出圧力値が閾値を超えているときに制動制御することを特徴とする射出成形装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載した射出成形装置において、
   射出筒は軸方向水平に姿勢が保持されていることを特徴とする射出成形装置。

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