JP2004276288A

JP2004276288A - 射出成形機及びその温度制御方法

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Publication number: JP2004276288A
Application number: JP2003067560A
Authority: JP
Inventors: Yuji Onishi; 祐史大西
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP4188729B2

Abstract

【課題】短い周期でヒーターへの電流の供給／遮断が可能で、ノイズの発生が無く、高い精度で温度制御が可能な温度制御装置を提供する。
【解決手段】ヒーター１７０に直列にインダクタ２６０を接続する。サーボモータ１４０を駆動制御するためのパワートランジスタモジュールに含まれた使用されていない回生抵抗用トランジスタ２５０を用いてヒーターへの通電制御を行う。回生抵抗用トランジスタ２５０のオン／オフ制御には、ＰＷＭ変調された制御信号を用いる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、射出成形機の加熱シリンダやノズル部などの温度制御を行う温度制御装置に関し、特に、複数のモータ駆動用パワートランジスタモジュールを備える電動射出成形機の温度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の射出成形機として、電動射出成形機の一構成例を図４に示す。
【０００３】
図示の電動射出成形機１０は、射出装置２０及び型締装置５０等から構成される。
【０００４】
射出装置２０は、加熱シリンダ２１を備え、加熱シリンダ２１には、ホッパ２２が配設される。また、加熱シリンダ２１内には、スクリュー２３が進退自在かつ回転自在に配設される。スクリュー２３の後端は、支持部材２４によって回転自在に支持される。支持部材２４には、サーボモータ等の計量モータ２５が駆動部として取り付けられ、計量モータ２５の回転は、計量モータ２５の出力軸２６に取り付けられたタイミングベルト２７を介して、スクリュー２３に伝達される。
【０００５】
射出装置２０は更に、スクリュー２３と平行にねじ軸２８を回転自在に備える。ねじ軸２８の後端は、サーボモータ等の射出モータ２９の出力軸３０に取り付けられたタイミングベルト３１を介して、射出モータ２９に連結されている。従って、射出モータ２９によってねじ軸２８が回転する。ねじ軸２８の前端は支持部材２４に固定されたナット３２と螺合させられる。従って、駆動部たる射出モータ２９を駆動し、タイミングベルと３１を介してねじ軸２８を回転させると、支持部材２４は前後進可能となり、その結果、スクリュー２３を前後進させることができる。
【０００６】
型締装置５０は、可動側の金型５１が取り付けられた可動プラテン５２と、固定側の金型５３が取り付けられた固定プラテン５４を含む。可動プラテン５２と固定プラテン５４は、タイバー５５によって連結される。可動プラテン５２はタイバー５５に沿って摺動可能である。また、型締装置５０は、一端が可動プラテン５２と連結し、他端がトグルサポート５６と連結するトグル機構５７を含む。トグルサポート５６の中央においては、ボールねじ軸５９が回転自在に支持されている。
【０００７】
ボールねじ軸５９には、トグル機構５７に設けられたクロスヘッド６０に形成されたナット６１が螺合されている。また、ボールねじ軸５９の後端にはプールー６２が配設され、サーボモータ等の型締モータ６３の出力軸６４とプーリー６２との間には、タイミングベルト６５が張設されている。
【０００８】
従って、型締装置５０において、駆動部たる型締モータ６３を駆動すると、型締モータ６３の回転が、タイミングベルト６５を介して、駆動伝達部たるボールねじ軸５９に伝達される。そして、ボールねじ軸５９及びナット６１によって、回転運動が直線運動に変換され、トグル機構５７が作動する。トグル機構５７が作動すると、可動プラテン５２はタイバー５５に沿って摺動し、型閉じ、型締め及び型開きが行われる。
【０００９】
このように、図４の電動射出成形機１０では、計量モータ２５、射出モータ２９、型締モータ６３等の電動機（モータ）がアクチュエータとして採用され、成形時には、計量、射出、型締等の各動作が連続して行われる。
【００１０】
上述したような射出成形機においては、原料樹脂を溶融させるため、また、樹脂の溶融状態を維持するために、複数のヒーターが用いられる。具体的には、図５に示すように、射出成形機の加熱シリンダ５０１及びノズル部５０２には、複数の（ここでは、４個の）ヒーター５０３が取り付けられる。そして、これらのヒーター５０３は、各々が加熱する領域（被加熱領域）の温度が所望の温度となるように、それぞれ温度制御装置（図示せず）によってフィードバック制御される。
【００１１】
従来の射出成形機に用いられる温度制御装置は、目標温度の設定を行う設定器と、被加熱領域の温度を検出する温度センサーと、設定器から設定された目標温度（設定温度ともいう）と温度センサからの検出温度との差（温度偏差）に基づいて各ヒーターへの通電を行うか否かを決定する制御部と、制御部の制御によりオン／オフして各ヒーターへの通電をそれぞれ制御するコンタクタあるいはソリッドステートリレー等のスイッチング素子とを有している。
【００１２】
従来の温度制御装置の制御部は、被加熱領域の温度が所定の温度に保たれるように、設定器からの設定温度と温度センサーからの検出温度との差に基づいて、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ，ＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）演算等の演算を行い、ヒーターの通電を行う時間（所定の周期（例えば１秒）における通電時間の割合）を決定する。そして、制御部は、その決定に従い、スイッチング素子のオン／オフを制御する。
【００１３】
スイッチング素子のオン／オフにより、ヒーターには、図６に示すような波形を有する電流が流れる（交流駆動の場合）。スイッチング素子がオンすると、ヒーターに電流が流れて発熱し、被加熱領域の温度を上昇させる。一方、スイッチング素子がオフすると、ヒーターには電流が流れず、発熱もないので、被加熱領域の温度は放熱により低下する。
【００１４】
以上のようにして、従来の温度制御装置は、加熱シリンダ及びノズル部の温度を一定に保つように、ヒーターへの通電時間を制御している。
【００１５】
しかしながら、従来の温度制御装置は、オン／オフ制御を行っているため、オン期間中又はオフ期間中の被加熱領域の温度変化に追従することができない。つまり、従来の温度制御装置には、被加熱領域の温度が大きく変化してもそれを抑制するようヒーターを制御することができない期間（リミットサイクル）が存在する。
【００１６】
また、従来の温度制御装置は、スイッチング素子として、応答速度の遅いコンタクタやソリッドステートリレーなどを用いているため、被加熱領域の温度変化に追従するよう、より短い周期でオン／オフさせることができない。
【００１７】
以上のことから、従来の温度制御装置は、各被加熱領域の温度を精度よく一定に保つことが困難である。つまり、従来の温度制御装置は、加熱シリンダ及びノズル部全体を、均一にかつ高精度で温度制御することができないという問題点がある。そして、複数の被加熱領域にばらつきが生じると、加熱シリンダ内の樹脂の溶融状態が安定せず、成形品の品質に影響する。
【００１８】
上記のような問題点を持たない温度制御装置として、ヒーターへの通電を制御するために、コンタクタ等のスイッチング素子に代えて電力増幅器を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。この温度制御装置では、電力増幅器を制御することにより、ヒーターに流れる電流を制御する。また、この温度制御装置では、省電力化を実現するために、電力増幅器をＰＷＭ制御するようにしている。
【００１９】
【特許文献１】
特開平８−７２１１５号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の射出成形機の温度制御装置には、高い精度で、加熱シリンダ全体を均一に温度制御することができないという問題点がある。
【００２１】
また、上述した公報に記載の温度制御装置には、ＰＷＭ制御によって電力増幅器にスイッチング動作を行わせると、ヒーターに流れる電流が矩形波となり、かつ、電流の応答に遅れがないため、その電流量（振幅）を制御できなくなるという問題点がある。また、ヒーターに流れる電流が矩形波になると、ノイズの発生源になったりしてしまうという問題点もある。
【００２２】
そこで、本発明は、ノイズの発生が無く、且つ高い精度で被加熱領域の温度を制御することができる温度制御装置を備えた射出成形機を提供することを目的とする。
【００２３】
また、電動射出成形機には、使用されていない回生制御用パワートランジスタがあり、構成に無駄が生じている。
【００２４】
そこで、本発明は、使用されていない回生制御用パワートランジスタを有効に利用した安価な温度制御装置を備えた射出成形機を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被加熱領域を加熱するヒーターへの電流の供給／遮断をパワートランジスタを用いて行う射出成形機において、前記ヒーターに直列接続されたインダクタンスを有していることを特徴とする射出成形機が得られる。
【００２６】
具体的には、前記射出成形機は、前記被加熱領域についての目標温度を設定するための設定器と、前記被加熱領域の温度を検出するための温度センサーと、前記目標温度と前記検出温度との差に基づいて制御信号を発生する温度制御部と、前記制御信号をＰＷＭ変調してＰＷＭ変調された制御信号を出力する変調部とを有し、前記パワートランジスタのオン／オフ制御を前記ＰＷＭ変調された制御信号により行うようにしたことを特徴とする。
【００２７】
前記パワートランジスタとしては、射出成形機が備える複数のモータ駆動用パワートランジスタモジュールに夫々含まれている回生制動用パワートランジスタのうち、回生制動に利用されていない回生制動用パワートランジスタが利用できる。
【００２８】
また、本発明によれば、射出成形機の被加熱領域の温度を所定温度に保つための射出成形機の温度制御方法において、前記被加熱領域の温度を温度センサで検出し、前記温度センサが検出した検出温度に基づいてヒーターへの通電を制御するパワートランジスタのオン／オフ制御し、前記ヒーターへの通電を当該ヒーターに直列接続されたインダクタンスを介して行うようにしたことを特徴とする射出成形機の温度制御方法が得られる。
【００２９】
より具体的には、前記温度制御方法では、予め設定器に設定された目標温度と前記検出温度との差に基づいて制御信号を生成し、当該制御信号をＰＷＭ変調してＰＷＭ変調された制御信号を得、当該ＰＷＭ変調された制御信号を用いて前記パワートランジスタのオン／オフ制御が行われる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の射出成形機に用いられる温度制御装置について詳細に説明する。なお、温度制御装置以外の構成は、従来と同様である。
【００３１】
図１に本発明の一実施の形態に係る温度制御装置を示す。この温度制御装置は、電動射出成形機に用いられるものであって、図１には、電動射出成形機のサーボモータとそれを駆動する駆動回路が合わせて示されている。
【００３２】
電動射出成形機の駆動回路は、三相交流電源１１０からの三相交流を整流するダイオードブリッジ１２０、その出力を平滑化する電解コンデンサ１３０、及び複数（通常４以上、ここでは２つのみ示す。）のサーボモータ１４０にそれぞれ対応する複数のパワートランジスタモジュール１５０を有している。
【００３３】
各パワートランジスタモジュール１５０は、複数のパワートランジスタを含むインバータ回路１５１と、単一のパワートランジスタで構成される回生抵抗用トランジスタ１５２とを含む。換言すると、複数のパワートランジスタを含むインバータ回路１５１と、単一のパワートランジスタで構成される回生抵抗用トランジスタ１５２とにより、１組のパワートランジスタモジュール１５０が構成されている。一般的に、１組のパワートランジスタは、トランジスタ７個を有する。その内訳は、モータを制御するためのインバータ回路１５１を構成するモータ制御用トランジスタが６個、回生エネルギーを制御するための回生抵抗用トランジスタ１５２が１個である。
【００３４】
射出成形機においては、通常、スクリュを前後進させるための射出モータと、スクリュを回転して樹脂を溶融する計量モータと、金型を開閉させるための型締モータと、金型内にて成形された成形品を突出させるエジェクトモータがとが設置されており、それぞれのモータにはそれに対応する複数組のパワートランジスタモジュール１５０が設けられている。一般的に、最も容量が大きいモータは射出モータであるため、計量モータや型締モータにて生じた回生電流は、電解コンデンサ１３０に蓄えられたのち、射出モータ用の回生抵抗用トランジスタ１５２を介して回生抵抗器によって放熱される。したがって、全ての回生抵抗用トランジスタ１５２のうち、実際に回生抵抗器１６０が接続され、サーボモータ１４０の回生制動に使用される回生抵抗用トランジスタは、通常、容量の大きいモータに接続された１〜２組のパワートランジスタモジュール内の回生抵抗用トランジスタ１５２が用いられる。このため、射出成形機には、全く使用されていない回生抵抗用トランジスタ１５２が、通常、２〜３個存在する。本実施の形態に係る温度制御装置は、この全く使用されていない回生抵抗用トランジスタ１５２を、ヒーター１７０への電流の供給／遮断に利用する。これにより、ヒーター１７０の通電制御専用のパワートランジスタを用意する必要が無いので、安価に温度制御装置を構成することができる。
【００３５】
図示の温度制御装置は、ヒーター１７０が樹脂溶融及び保温を行う加熱シリンダの被加熱領域（図示せず）、即ち、加熱シリンダやノズル部等、についての目標温度の設定を行うための設定器２１０と、被加熱領域の温度を検出する熱電対等の温度センサ２２０と、設定器２１０に設定された設定温度と温度センサ２２０からの検出温度とに基づいて制御信号を生成する温度制御部２３０と、温度制御部２３０からの制御信号をＰＷＭ変調するＰＷＭ変調部２４０と、パワートランジスタモジュール１５０に含まれている使用されていない回生抵抗用トランジスタ２５０と、ヒーター１７０に直列接続されたインダクタ２６０とを有している。なお、ヒーター１７０とインダクタ２６０との直列接続体には、ダイオード２７０が並列に接続されている。
【００３６】
以下、この温度制御装置の動作について説明する。
【００３７】
まず、設定器２１０から被加熱領域の目標温度が設定される。設定器２１０は、設定された目標温度（設定温度）を示す信号を温度制御部２３０の減算器２３１へ出力する。
【００３８】
温度制御部２３０の減算器２３１には、設定器２１０からの設定温度を示す信号以外に、温度センサ２２０からの検出温度を示す信号が入力される。減算器２３１は、設定温度と検出温度との差、即ち設定温度からの偏差（温度偏差）を求め、求めた温度偏差を示す信号を制御演算部２３２へ出力する。
【００３９】
制御演算部２３２は、減算器２３１から供給される温度偏差を示す信号に基づいて、ヒーター１７０への通電を行うか否かを決定する。具体的には、制御演算器２３２は、減算器２３１からの温度偏差に対して、その時間積分値及び時間微分値を求めて、温度偏差が０となるようにヒーター１７０を制御するための制御信号を生成する（ＰＩＤ演算を行う）。そして、制御演算部２３２は、生成した制御信号をＰＷＭ変調部２４０へ出力する。
【００４０】
ＰＷＭ変調部２４０は、温度制御部２３０からの制御信号をＰＷＭ変調し、回生抵抗用トランジスタ２５０のオン／オフ（スイッチングデューティ）を制御する。ＰＷＭ変調部２４０から出力される信号波形は、図２（ａ）或いは図２（ｂ）に示すようになる。つまり、ＰＷＭ変調部２４０は、温度偏差が小さいときは、図２（ａ）に実線で示すような波形を持つ信号を、温度偏差が大きいときは、図２（ｂ）に実線で示すような波形を持つ信号を出力する。
【００４１】
回生抵抗用トランジスタ２５０は、ＰＷＭ変調部２４０からのＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、ヒーター１７０への電流を供給／遮断する。このとき、ヒーター１７０に直列接続されているインダクタ２６０の働きにより（インダクタ２６０の存在により電気時定数が生じるので）、実際にヒーター１７０に流れる電流は、図２（ａ）及び（ｂ）に破線で示すような波形、或いは、図３（ａ）及び（ｂ）に示すような波形となる。つまり、ヒーター１７０に流れる電流は、その変化が緩やかで、高調波成分が含まれておらず、ノイズを発生させ難いものとなっている。また、温度偏差の大小に応じて、その振幅（電流の極大値）が変化している。
【００４２】
以上のことから、本実施の形態に係る温度制御装置は、安価でありながら、制御制が良く、高い精度で被加熱領域の温度制御を行うことができる。そして、これによって、加熱シリンダ全体を高い精度で温度制御することができるので、加熱シリンダで計量溶融される樹脂の状態が安定し、成形品の品質が向上する。
【００４３】
なお、上記実施の形態では、ヒーター１７０が１個の場合について説明したが、通常、射出成形機の加熱シリンダ及びノズル部の加熱には、複数のヒーターが用いられており、本願発明はこれら全てのヒーターに対して適用可能である。また、ヒーターの数が、使用されていない回生抵抗用トランジスタの数より多い場合には、その差に等しい数のヒーター専用パワートランジスタを用意してもよい。したがって、ヒータ専用パワートランジスタの数を減らすことができ、装置コストを低減することができる。
【００４４】
また、上記実施の形態では、温度センサ２２０からの検出温度に基づいてフィードバック制御を行っているが、制御精度をより向上させるために、ヒータに流れる電流値を検出し、検出温度とともにヒータの温度制御に利用するようにしてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
本願発明によれば、ヒーターへの通電制御をパワートランジスタを用いて行う温度制御装置において、ヒーターにインダクタを接続したことで、高い精度で被加熱物の温度制御を行うことができる。
【００４６】
また、本発明によれば、ヒーターへの通電制御をパワートランジスタを用いて行う温度制御装置において、電動射出成形機のサーボモータ制御に用いられるパタートランジスタモジュールに含まれる回生抵抗用トランジスタを利用するようにしたことで、安価に温度制御装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る温度制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１の温度制御装置が生成するＰＷＭ変調された制御信号の波形を示す図であって、（ａ）は温度偏差が小さいとき、（ｂ）は温度偏差が大きいときの制御信号の波形を示す。
【図３】ヒーターに流れる電流の波形を示す図であって、（ａ）は温度偏差が小さいとき、（ｂ）は温度偏差が大きいときの様子を示す図である。
【図４】従来の射出成形機の一構成例を示す概略図である。
【図５】射出成形機に用いられるヒーターの配置を説明するための図である。
【図６】従来の温度制御装置を用いたときの、ヒーターに流れる電流の波形を示す図である。
【符号の説明】
１１０三相交流電源
１２０ダイオードブリッジ
１３０電解コンデンサ
１４０サーボモータ
１５０パワートランジスタモジュール
１５１インバータ回路
１５２回生抵抗用トランジスタ
１６０回生抵抗器
１７０ヒーター
２１０設定器
２２０温度センサ
２３０温度制御部
２４０ＰＷＭ変調部
２５０回生抵抗用トランジスタ
２６０インダクタ
２７０ダイオード
５０１加熱シリンダ
５０２ノズル部
５０３ヒーター

Claims

被加熱領域を加熱するヒーターへの電流の供給／遮断をパワートランジスタを用いて行う射出成形機において、
前記ヒーターに直列接続されたインダクタンスを有していることを特徴とする射出成形機。
前記被加熱領域についての目標温度を設定するための設定器と、前記被加熱領域の温度を検出するための温度センサーと、前記目標温度と前記検出温度との差に基づいて制御信号を発生する温度制御部と、前記制御信号をＰＷＭ変調してＰＷＭ変調された制御信号を出力する変調部とを有し、前記パワートランジスタのオン／オフ制御を前記ＰＷＭ変調された制御信号により行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の射出成形機。
複数のモータ駆動用パワートランジスタモジュールを備えた請求項１又は２に記載の射出成形機であって、前記パワートランジスタは、前記複数のモータ駆動用パワートランジスタモジュールに夫々含まれている回生制動用パワートランジスタのうち、回生制動に利用されていない回生制動用パワートランジスタであることを特徴とする射出成形機。
射出成形機の被加熱領域の温度を所定温度に保つための射出成形機の温度制御方法において、
前記被加熱領域の温度を温度センサで検出し、
前記温度センサが検出した検出温度に基づいてヒーターへの通電を制御するパワートランジスタのオン／オフ制御し、
前記ヒーターへの通電を当該ヒーターに直列接続されたインダクタンスを介して行うようにしたことを特徴とする射出成形機の温度制御方法。
予め設定器に設定された目標温度と前記検出温度との差に基づいて制御信号を生成し、当該制御信号をＰＷＭ変調してＰＷＭ変調された制御信号を得、当該ＰＷＭ変調された制御信号を用いて前記パワートランジスタのオン／オフ制御を行うようにしたことを特徴とする請求項４に記載の射出成形機の温度制御方法。
前記パワートランジスタとして、前記射出成形機が備える複数のモータ駆動用パワートランジスタモジュールの各々に含まれる回生制動用パワートランジスタのうち、回生制動に利用されていない回生制動用パワートランジスタを用いるようにしたことを特徴とする射出成形機の温度制御方法。