JP2010000721A - 射出成形の制御方法及び射出成形の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の射出成形機では、保圧制御前にスクリューが一時的に後退することから、その後の保圧制御への追従性が遅れ、この遅れにより極薄肉成形品では保圧制御が困難であった。
【解決手段】溶融させた樹脂の充填圧力の検出値が第１の設定圧力値に達するまで、速度制御によって溶融させた樹脂の射出成形用金型内への充填を行う。更に、充填圧力の検出値が第１の設定圧力値以上になった時点で、制御を速度制御から第１の設定圧力値で制御する圧力制御に切り換えて溶融させた樹脂の充填を行う。そして、圧力制御で充填を行った状態で、充填速度が設定速度以下になった時点で、第２の設定圧力値で制御する保圧制御に切り換えを行う。
【選択図】図７

Description

本発明は、射出成形の制御方法及びその制御方法を用いて好適な射出成形の制御装置に関するものである。

一般に、射出成形機は、金型装置、型締装置及び射出装置を備えて構成されており、金型装置は固定金型及び可動金型を有している。そして、型締装置で可動金型を進退させることにより、金型装置の型閉じ、型締め及び型開きが行われ、型締めに伴って、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。また、射出装置は、加熱シリンダ、及び該加熱シリンダ内で回転自在に、且つ、進退自在に設けられたスクリューを有し、そのスクリューを回転させたり、進退させたりするために、計量用モータや射出用モータ等を備えている。

計量工程において、スクリューを回転させると、加熱シリンダ内におけるスクリューより前方に樹脂が蓄えられ、また、射出工程において、スクリューを前進させることにより、蓄えられた樹脂が加熱シリンダの前端に設けられた射出ノズルから射出される。これにより樹脂は、金型装置内のランナーを流れた後、ゲートを介してキャビティ空間内に進入し、そのキャビティ空間内に充填される。その後、金型装置を冷却することにより、キャビティ空間内の樹脂が冷却されて固化し、成形品となる。

従来の、この種の射出成形の制御方法及び制御装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。特許文献１には、射出成形機の充填工程制御方法及び制御装置に関するものが記載されている。この特許文献１に係る射出成形機の充填工程制御方法は、射出成形の充填工程においてスクリューが前進して所定の位置に到達したら、スクリューを設定位置まで設定速度で戻すことにより、圧抜きを行って必要な圧力波形を作る、ことを特徴としている。

この特許文献１に係る発明（以下、第１の従来例という）によれば、スクリューが前進して所定の充填位置（設定値）に達したら、設定された位置まで設定された速度でスクリューを後退させる。これにより、スクリューが速度制御の応答で動作できるため、急激な圧抜きが可能となり、必要とする圧力波形を任意に設定でき、成形品の品質を安定させることができる、という効果が期待される（特許文献１の段落［００３０］を参照）。

また、従来の、射出成形機の他の例としては、例えば、特許文献２に記載されているようなものもある。特許文献２には、射出、保圧の駆動源にサーボモータを用いた電動射出成形機の制御方法に関するものが記載されている。この特許文献２に係る電動射出成形機の制御方法は、サーボモータを駆動源に用いた射出装置の射出工程と保圧工程を切り換えるための電動射出成形機の制御方法に関する。この制御方法は、保圧制御系に射出速度のマイナフィードバックを設け、これを射出速度制御系の速度フィードバック系と共用する。そして、射出工程中における保圧制御系の射出速度のマイナフィードバックへの操作信号と、射出速度設定信号を比較し、両信号のいずれか小さい方を選択して速度指令信号とする、ことを特徴としている。

この特許文献２に係る発明（以下、第２の従来例という）によれば、射出工程から保圧工程に切り換える際の射出圧の連続性を確保して、金型を保護し、バリ等の発生を防止して良好な成形品を得ることができる。更に、電動射出成形機の寿命を延ばして成形品の精度を向上することが可能となる、という効果が期待される（特許文献２の発明の効果の欄を参照）。
特開２００１−２７７３２２号公報 特開平３−２４３３２１号公報

近年、テレビジョン装置やモバイル電化製品では薄型化が進んでおり、極薄肉成形品の増加に伴って、加熱流動化した成形材料が冷却固化する前に金型内の成形品用空間（キャビティ空間）の隅々まで行き渡らせるために高速射出成形機が普及している。この高速射出成形機による高速射出成形においては、金型内で発生する圧力損失が級数的に大きくなることが流動力学的に自明である。また、高速射出においては、射出系装置の慣性力も過大になり、保圧工程への切換え時のスクリュー速度の制御が難しく、射出圧力のオーバーシュートが発生するという問題があった。

かかる問題点に対して、前述した第１の従来例では、射出工程から保圧工程へと切り換える制御において、Ｖ（速度）−Ｐ（圧力）切換時に、スクリューを一旦後退させて圧力を抜く制御を行っている。そのため、保圧制御前にスクリューが一時的に後退することから、その後の保圧制御への追従性が遅れ、この遅れにより極薄肉成形品では保圧制御が困難になる。更に、一時的なオーバーシュートが成形品にバラツキを与え、金型寿命にも悪影響を与えるという問題があった。

また、前述した第２の従来例では、射出工程から保圧工程への切換時、圧力のオーバーシュートを防止するために、保圧制御系に射出速度のマイナフィードバックを設け、これを射出速度制御系の速度フィードバック系と共用して切換時の速度を制御していた。その結果、射出工程での充填完了前に、スクリューが減速して圧力の低下を招くことから、極薄肉の成形品や充填末期部の薄肉部にショートショットが生じ易くなるという問題があった。

解決しようとする問題点は、従来の射出成形機では、保圧制御前にスクリューが一時的に後退することから、その後の保圧制御への追従性が遅れ、この遅れにより極薄肉成形品では保圧制御が困難であった。また、射出工程での充填完了前に、スクリューが減速して圧力の低下を招くために、極薄肉の成形品や充填末期部の薄肉部にショートモールドが生じ易くなる、という点である。

本発明は、溶融させた樹脂の充填圧力の検出値が第１の設定圧力値に達するまで、速度制御によって溶融させた樹脂の射出成形用金型内への充填を行う。更に、充填圧力の検出値が第１の設定圧力値以上になった時点で、制御を速度制御から第１の設定圧力値で制御する圧力制御に切り換えて溶融させた樹脂の充填を行う。そして、圧力制御で充填を行った状態で、充填速度が設定速度以下になった時点で、第２の設定圧力値で制御する保圧制御に切り換えを行う。

更に、本発明は、溶融させた樹脂を射出成形用金型内に充填させる場合に、金型内に所定状態となるまで溶融させた樹脂を充填させる。そして、所定状態となるまで充填された樹脂の物性である圧縮性を利用して、充填された樹脂に蓄積される内部エネルギにより溶融させた樹脂をさらに流動させて金型内に充填させる制御を行う。

また、本発明は、射出成形用金型への樹脂の充填圧力を検出する圧力検出部と、樹脂の充填速度を検出する速度検出部と、充填制御部を設ける。充填制御部は、圧力検出部で検出される溶融させた樹脂の充填圧力が第１の設定圧力値に達するまで、速度検出部で検出される速度に基づいた速度制御によって溶融させた樹脂の充填を行う。更に、圧力検出部で検出される充填圧力の検出値が第１の設定圧力値以上になった時点で制御を速度制御から第１の設定圧力値で制御する圧力制御に切り換えて充填を行う。そして、圧力制御で充填を行った状態で、速度検出部で検出される充填速度が設定速度以下になった時点で第２の設定圧力値で制御する保圧制御に切り換える。

本発明によれば、充填中の成形材料の圧力を検出し、成形材料に内部エネルギが蓄積された時点で充填制御を速度制御から圧力制御に切り換え、その後は、成形材料の内部エネルギを利用して充填圧力を連続的にフラットに制御する。これにより、充填工程におけるピーク圧力の発生を防止することができ、比較的低圧での成形材料の充填を実現することができる。また、オーバーパックを防止でき、充填直後に発生する射出圧のオーバーシュートを防ぐことができる。

従来の技術

図１は、薄肉部を持つ成形品の一具体例を示すものである。この成形品１は、製品部２と、ランナー部３と、製品部２とランナー部３とをつなぐゲート部４とからなっている。製品部２は、長方形をなす薄い板状の部材からなり、その一面には長方形をなす凹陥部５が形成されている。この製品部２の凹陥部５の底が、他の部分よりも肉厚を薄くした製品薄肉部となっている。

このような薄肉部を持つ成形品１は、溶融された成形材料が金型内で冷却固化される前に充填を完了する必要があることから、高速射出による充填作業が必要とされている。図４は、先行技術に係る成形法と制御による成形での速度波形と、圧力波形と、スクリュー位置の事例を示している。図４において、太い実線で示したグラフが検出圧力Ｐ１、細い実線で示したグラフが検出スクリュー位置Ｎ１、太い一点鎖線で示したグラフが検出速度Ｖ１をそれぞれ表している。更に、図４では、横軸に成形時間を取っており、充填工程は成形開始から０．０３秒程度であり、その後、保圧工程に移行して成形開始から０．５秒経過するまでを表している。

図４において、検出圧力Ｐ１は、成形開始から急速に上昇し、時点Ｓ１（開始から約０．０５秒後）でピークに達した後、急激に下降し、時点Ｓ２（開始から約０．１３秒後）でゼロ（０）近くまで戻っている。その後、やや上昇して、時点Ｓ３（開始から約０．１８秒後）で、予め設定した所定の圧力に移り、以後、その圧力を保持している。検出スクリュー位置Ｎ１は、成形開始から前進して時点Ｓ４（開始から約０．０５秒後）で前端まで移動する。その後、後退動作に変化し、時点Ｓ５（開始から約０．１３秒後）で半分程度まで戻り、次に、やや前進して、その位置を維持している。また、検出速度Ｖ１は、成形開始から上昇し、時点Ｓ６（開始から約０．０３秒後）にピークに達した後、下降し、更にマイナス方向へ移ってから、時点Ｓ７（開始から約０．１２秒後）で上昇に転じている。その後、時点Ｓ８（開始から約０．１４秒後）で、略初期の速度（０）に戻り、停止状態を保持している。

かくして、図４に示した先行技術においては、スクリューが前進（図４において下方へ移動）すると、射出開始の設定速度ＶＳ１に対応すべく検出速度Ｖ１が上昇（図４において上方）すると共に、検出圧力Ｐ１も上昇する。そして、検出速度Ｖ１が設定速度ＶＳ１に達する前の時点Ｓ１１において設定圧力ＰＳ１を越えるために、時点Ｓ６において制御装置が減速の制御信号を出力する。ところが、射出装置は慣性エネルギを持つことから、圧力は瞬間的に時点Ｓ１のピーク圧力まで上昇している。このときのピーク圧力と設定圧力ＰＳ１との差ＳＲが、圧力のオーバーシュートを示している。

また、この実施例では、時点Ｓ９に示すスクリューの前進の途中でＶ（速度）−Ｐ（圧力）切換が行われ、充填工程から保圧工程の制御に入っているが、スクリューは、時点Ｓ１のピーク圧力まで前進して時点Ｓ４の前進端に達している。この現象は、オーバーパックと呼ばれており、金型のキャビティ空間（成形品用空間）の容量を超える成形材料が金型内に押し込まれることから起こるもので、成形品に残留応力を発生させると共に、寸法不良、寸法ばらつき、バリを発生させる原因とされる。その後、保圧工程に切り換わった以降も圧力を下げる制御が続けられ、スクリュー位置が時点Ｓ１０に示すように急激に後退する。これにより、検出圧力Ｐ１が時点Ｓ２のように保圧設定値ＰＴ１以下に下がってしまうため圧抜けの挙動を生じ、その後に、保圧設定値ＰＴ１に保持する制御が行われる。

この事例のような薄肉の製品の成型において、従来技術による制御方法では、充填時に圧力のオーバーシュートを生じ、保圧の切換え以降には圧抜けを生じていた。そのため、充填圧力と保圧を制御することが極めて困難であり、成形品に重大な品質問題を生じさせる結果を招くおそれがあった。また、ピーク圧力の発生は金型寿命を短くし、射出成形機の必要な型締力の上昇を招くという問題もあった。

本発明は、このような先行技術に係る問題点を解決するために成されたもので、充填工程の初期において成形材料を圧縮し、その成形材料に圧縮による内部エネルギを蓄積させる。そして、成形材料内に蓄積された内部エネルギを利用して成形材料を充填することにより、充填（射出）時にピーク圧力を発生させないようにすると共に、成形性を向上させて薄肉の製品を効率よく製造できるようにすることを目的としている。

図２は、本発明の原理をなす成形材料の圧縮性を説明するために実験した材料データを示すグラフである。この実験では、成形材料としてＰＣ（ポリカーボネート）を使用し、実際に使用されているスクリューインライン式射出成形機を用いて、直径３６ｍｍのスクリューで計量値（スクリューのストローク）を、それぞれ５０ｍｍ、８０ｍｍ、１２０ｍｍとした。そして、この条件で射出した場合の成形材料の圧力と、スクリューの位置を記録し、その記録データから、この成形材料ＰＣの圧縮性を計算して得られた結果をグラフにしたのが、図２である。この図２では、横軸に充填圧力（ＭＰａ）をとり、縦軸に圧縮率（％）をとっている。

図２によれば、充填圧力と圧縮率との関係は、それぞれ充填の開始から充填圧力が１００ＭＰａを超えるまでは直線的に且つ比較的大きく変化している。そして、充填圧力が１００ＭＰａを超える当りから、充填圧力の変化は緩やかになり、それ以後は、直線的ではあるが、比較的小さく変化するようになっている。また、計量値は、その値が大きくなるほど圧縮率は小さくなる傾向を示している。この現象は、成形材料に蓄積された内部エネルギによる反力をスクリューが受けるためであると考えられ、射出容量が大きいほど成形材料に蓄積される内部エネルギが大きくなることを説明している。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図５は、本発明に係る射出成形の制御装置の概略構成を示す説明図、図６は、図５に示す射出制御部の構成の一具体例を示すブロック説明図である。また、図７は、図５に示す射出制御部１５による制御処理の一具体例を示すフローチャートである。そして、図３は、図１に示した形状、構成を有する製品を本発明の成形法で成形した場合の速度波形と圧力波形とスクリュー位置の検出値と設定値との関係を説明するグラフである。

図５に示すように、射出成形機１０は、スクリューインライン式の射出成形装置である。この射出成形機１０は、加熱シリンダ１１と、スクリュー１２と、金型装置１３と、駆動装置部１４と、射出制御部１５と、速度検出部１６と、圧力検出部１７等を備えて構成されている。加熱シリンダ１１は、シリンダ部材の一具体例を示すもので、円筒状に形成された筒体の一端が円錐形の閉鎖部１１ａで閉じられていて、その閉鎖部１１ａの中央に射出ノズル１８が設けられている。射出ノズル１８は、金型装置１３の接続部１３ａと着脱可能に接続される。

金型装置１３は、第１の金型としての固定金型２１と、この固定金型２１に対して進退自在に配設された第２の金型としての可動金型２２と、図示しない型締装置等を備えて構成されている。図示しない型締装置を作動させることにより、固定金型２１と可動金型２２による型閉じ、型締め及び型開きが行われる。そして、型締め時に固定金型２１と可動金型２２との間にキャビティ空間（成形品用空間）が形成される。そのため、型締装置は、固定金型２１を取り付けるための図示しない固定プラテンと、可動金型２２を取り付けるための図示しない可動プラテンと、この可動プラテンを進退させると共に型締力を発生させる型締用の駆動部としての図示しない型締用モータ等を備えている。

また、加熱シリンダ１１の軸方向後部の所定位置には、成形材料を収納するためのホッパ２３が取り付けられている。ホッパ２３は円錐筒状の部材からなり、先細側先端の供給口２４によって加熱シリンダ１１に接続されている。このホッパ２３に、成形材料としての図示しない樹脂が収容され、ここから所定量の成形材料が供給口２４を介して加熱シリンダ１１の内部に供給される。成形材料の樹脂としては、例えば、ボリカーボネート（ＰＣ）等の熱可塑性プラスチックが好適であるが、熱硬化性プラスチックを適用することができる。

スクリュー１２は、射出部材の一具体例を示すもので、加熱シリンダ１１の穴内に回転自在であって、軸方向へも進退自在に挿入されている。スクリュー１２の後端には、このスクリュー１２を回転させたり、進退させたりするための駆動装置部１４が配設されている。駆動装置部１４は、案内部材としてのガイドバー２５と、支持部材としてのスライドベース２６と、スクリュー１２を軸方向へ進退させる直進運動部２７と、スクリュー１２を回転させる図示しない回転運動部等を備えて構成されている。

駆動装置部１４のガイドバー２５は、図示しないフレームに固定されており、このガイドバー２５により案内されてスライドベース２６が、加熱シリンダ１１に対して接近及び離反可能とされている。直進運動部２７は、図示しないフレームに固定された射出用の駆動部としての射出用モータ３１と、この射出用モータ３１の回転軸と一体的に設けられたボールねじ軸３２と、このボールねじ軸３２に噛合されるボールナット３３とを有している。ボールナット３３はスライドベース２６に固定されており、ボールねじ軸３２の回動に基づいて、ボールナット３３と一体にスライドベース２６が進退動作される。

図示しない回転運動部は、スライドベース２６に固定された計量用の駆動部としての図示しない計量用モータと、この計量用モータを駆動することによって発生される回転をスクリュー１２に伝達する回転伝達系である。スクリュー１２は、ロッド３４を介してベアリング３５と連結されていて、ベアリング３５には圧力検出部の一具体例を示すロードセル１７が連結されている。ロードセル１７は、加熱シリンダ１１内の溶融樹脂の圧力を検出するもので、スライドベース２６に固定されている。従って、スクリュー１２は、ベアリング３５とロードセル１７を介してスライドベース２６に回転自在に支持されている。

かくして、計量工程において、図示しない計量用モータを駆動することによってスクリュー１２を正方向に回転させると、ホッパ２３内の樹脂が供給口２４から加熱シリンダ１１内に供給され、スクリュー１２の溝内を前進させられる。これに伴って、スクリュー１２を後退させることにより、樹脂が加熱されて溶融されながらスクリュー１２前端のスクリューヘッドより前方に蓄えられる。

そして、射出工程において、射出用モータ３１を駆動することによってスクリュー１２を前進させると、スクリューヘッドの前方に蓄えられた溶融成形材料（樹脂）は、射出ノズル１８のノズル口１８ａから射出される。これにより、溶融樹脂が金型装置１３の２つの金型２１，２２内に導入され、ランナー部３を流れた後、ゲート部４を流れてキャビティ空間内に供給される。そして、製品薄肉部５をも通過した後、キャビティ空間内に充填される。後述するように、制御を速度制御から圧力制御に切り換えを行う部位は、このランナー・ゲート部への充填工程内で行うようにすると良い。

このような構成を有する射出成形機１０においては、射出速度及び射出圧力を制御することができるようになっている。そのために、圧力検出部として前記ロードセル１７が設けられ、また、速度検出部として位置検出器１６が設けられている。この位置検出器１６は、ガイドバー２５とスライドベース２６との間に配設されている。

位置検出器１６としては、例えば、ロータリーエンコーダを適用することができ、ガイドバー２５に取り付けられた第１の検出要素としての固定子３８と、スライドベース２６に取り付けられた第２の検出要素としての可動子３９とを備えている。固定子３８に対して可動子３９が相対的に移動することにより、可動子３９の位置を見ることでスクリュー１２の位置を知ることができるようになっている。このスクリュー１２の位置を表す可動子３９のセンサ出力は、増幅器４２を介して充填制御部１５に送られる。また、射出用モータ３１が駆動されたときのスライドベース２６に伝達される荷重を表すロードセル１７のセンサ出力は、ロードセルアンプ４３を介して充填制御部１５に送られる。なお、検出された位置を充填制御部１５で微分することにより、その速度を微分計算して求めることができる。

充填制御部１５には、サーボアンプ４４が電気的に接続され、そのサーボアンプ４４は、射出用モータ３１と電気的に接続されている。これにより、増幅器４２を介して供給される速度制御に関する情報と、ロードセルアンプ４３を介して供給される荷重制御に関する情報とに基づいて充填制御部１５が所定の演算処理を実行する。そして、演算処理の結果として所定の制御信号を充填制御部１５が、サーボアンプ４４を介して射出用モータ３１に出力し、その射出用モータ３１を駆動制御する。これら充填制御部１５と増幅器４２とロードセルアンプ４３とサーボアンプ４４等によって射出成形の制御装置２０が構成されている。

また、充填制御部１５は、図６に示すような構成を有している。即ち、充填制御部１５は、主記憶装置及び補助記憶装置とは別に設けた記憶部（記憶装置）である４つの設定テーブル５１〜５４と、微分器５５と速度／圧力制御器５６と、５つの比較器６１〜６５とを備えている。スクリュー位置設定テーブル５１は、スクリュー位置を制御するために基準となる位置を予め記憶させておく領域であり、これには予め計算や実験等によって決定された基準値となる所定の値（設定位置値）を記憶させておくようにする。射出速度設定テーブル５２は、射出速度Ｖを制御するために基準となる射出速度を予め記憶させておく領域であり、これには予め計算や実験等によって決定された基準値となる所定の値（設定速度値）を記憶させておくようにする。

充填圧力設定テーブル５３は、充填圧力を制御するために基準となる充填圧力Ｐを予め記憶させておく領域であり、これには予め計算や実験等によって決定された基準値となる所定の値（設定圧力値ＰＳ２）を記憶させておくようにする。同様に、保圧切換速度設定テーブル５４は、保圧切換速度を制御するために基準となる保圧切換速度を予め記憶させておく領域であり、これには予め計算や実験等によって決定された基準値となる所定の値（設定保圧速度切換値）を記憶させておくようにする。微分器５５は、ロータリーエンコーダ（位置検出器）１６から供給される検出信号に基づき、その値を微分して速度を算出することができる。また、速度／圧力制御器５６は、速度制御から圧力制御に切り換える判断を行う。

かくして、加熱シリンダ１１内の先端部の領域に計量された溶融成形材料は、射出信号によって射出用モータ３１が駆動されることにより、金型内のキャビティ空間（成形品用空間）への充填が開始される。このとき、加熱シリンダ１１内の成形材料の圧力がロードセル１７によって検出され、その圧力検出信号がロードセルアンプ４３を介して充填制御部１５に供給される。同時に、スクリュー１２の位置がロータリーエンコーダ１６によって検出され、その位置検出信号が増幅器４２を通して充填制御部１５に供給される。

これにより、充填制御部１５では、まず、第１の比較器６１において、スクリュー１２の位置を検出することにより得られたロータリーエンコーダ１６からの検出位置値と、スクリュー位置設定テーブル５１に記憶されている設定位置値を比較する。そして、第１の比較器６１による比較結果を、第２の比較器６２と第４の比較器６４に供給する。第２の比較器６２では、ロータリーエンコーダ１６から供給される位置検出信号を微分して得られる微分器５５からの充填速度の検出速度値と、射出速度設定テーブル５２に記憶されている射出速度の設定速度値と、第１の比較器６１による比較結果である位置決定値とを比較する。これにより、比較結果に基づく速度に対応した信号が速度／圧力制御器５６に出力される。この速度／圧力制御器５６には、第３の比較器６３からの信号と、第５の比較器６５からの信号とが供給される。そして、これらの信号に基づいて速度／圧力制御器５６からサーボアンプ４４に制御信号が出力され、その制御信号によって射出用モータ３１が駆動制御される。

また、充填工程のＶ−Ｐ切換区間では、第３の比較器６３において、ロードセル１７からロードセルアンプ４３を介して供給される圧力検出信号に基づく検出圧力値と充填圧力設定テーブル５３に記憶されている設定圧力値を比較する。これにより、切換圧力が判断され、検出圧力値が予め設定された充填圧力の設定圧力値に達すると、速度／圧力制御器５６により、制御が速度制御から圧力制御に切り換えられる。

次に、保圧への切換区間は、スクリュー１２の検出速度が第４の比較器６４と第５の比較器６５において判断される。即ち、第４の比較器６４では、第１の比較器６１から供給されるスクリュー１２の位置決定値と保圧切換速度設定テーブル５４に記憶されている保圧速度切換のための設定保圧切換速度値とを比較する。この比較結果と、微分器５５から供給される射出速度の検出速度値とが第５の比較器６５に供給される。そして、この第５の比較器６５において、検出速度値と設定保圧切換速度値とを比較して、検出速度値が設定保圧切換速度値に達したところで、速度／圧力制御器５６により保圧工程に切り換えられる。

図３は、本発明に係る成形法と制御による成形での速度波形と、圧力波形と、スクリュー位置との関係を実施例として示している。図３において、太い実線で示したグラフが検出圧力Ｐ２、細い実線で示したグラフが検出スクリュー位置Ｎ２、太い一点鎖線で示したグラフが検出速度Ｖ２をそれぞれ表している。そして、図３では、横軸に成形時間を取っており、充填工程は成形開始から０．０８秒程度であり、その後、保圧工程に移行して０．５秒経過するまでを表している。

図３において、射出成形機１０を動作させることにより、速度制御によって充填が行われ、スクリュー１２が前進（図３において下方へ移動）すると、検出圧力Ｐ２は、成形開始から急速に上昇（図３において上方）する。そして、時点Ｔ１（開始から約０．０５秒後）で第１の設定圧力ＰＳ２に達すると、制御が速度制御から圧力制御に切り換えられ、スクリュー１２は、時点Ｔ５において微細な前進動作に変化し、時点Ｔ６まで僅かに前進する。この間、検出圧力Ｐ２は、時点Ｔ１から時点Ｔ２まで略同じ圧力を維持する。この間の圧力が、樹脂の物性である圧縮性として溶融樹脂に蓄積された内部エネルギが発散されることにより発揮される圧力である。この圧力によれば、スクリュー１２の位置を、現在の位置に保持するだけで、内部エネルギによってその圧力を略維持することができる。

このような樹脂に蓄積される内部エネルギを利用することにより、スクリュー１２を前進させて圧力を高めることなく、そのときの圧力を略維持することができる。そのため、従来技術で説明したように、充填終了時に圧力のピーク値が高くなるのを防止することができ、比較的低い圧力でキャビティ空間の隅々まで樹脂を行き渡らせることが可能となる。なお、制御を速度制御から圧力制御に切り換えを行う時点は、充填完了前である。

時点Ｔ２以後、検出圧力Ｐ２は急激に下降し、時点Ｔ３（開始から約０．２秒後）の圧力ゼロ（０）近くまで下がっている。その後、検出圧力Ｐ２はやや上昇し、時点Ｔ４（開始から約０．２３秒後）で、予め設定した所定の圧力（保圧設定値ＰＴ２）に移り、以後、その圧力を保持する。このとき、検出スクリュー位置Ｎ２は、時点Ｔ６（開始から約０．１秒後）までその位置を略維持した後、後退動作に変化し、時点Ｔ７（開始から約０．１９秒後）で半分程度まで戻り、以後、その位置を維持する。

また、検出速度Ｖ２は、成形開始から上昇し、時点Ｔ８（開始から約０．０３秒後）において、設定速度ＶＳ２に達する前に、加速側から減速側に変化する。そして、時点Ｔ９（開始から約０．０５秒後）で略ゼロに戻される。即ち、このときの設定速度ＶＳの値は、略速度ゼロ（０）である。その後、検出速度Ｖ２は、マイナス方向へ徐々に変化し、時点Ｔ１０（開始から約０．１７秒後）で上昇に転じている。そして、時点Ｔ１１（開始から約０．２秒後）で、略初期の速度ゼロ（０）に戻り、停止状態を維持する。

かくして、本発明の場合には、まず、スクリュー１２が後退して成形材料を計量し、充填圧力の検出値が第１の設定圧力値ＰＳ２に達するまでは、速度制御によって樹脂の充填を行う。その後、検出圧力値Ｐ２が第１の設定圧力値ＰＳ２以上になった時点で、制御を速度制御から第１の設定圧力値ＰＳ２で制御する圧力制御に切り換えて、樹脂の充填を継続して行う。そして、充填速度が設定速度以下になった時点で、第２の設定圧力値（ＰＴ２）で制御する保圧制御に切り換える制御を行う。

このように、設定速度に基づき速度制御によって金型への成形材料の射出を開始し、この射出の開始以降、射出制御装置２０は射出圧力のモニタを開始する。そして、充填工程の途中で充填圧力がＶ−Ｐ切換値（時点Ｔ１）に達すると、射出速度が設定速度ＶＳ２以下であっても、スクリュー１２の減速を開始する（時点Ｔ８）。その後は、充填圧力でスクリュー１２が制御され（時点Ｔ２）、成形材料の充填を継続する。そして、時点Ｔ５の近辺では、充填圧力が時点Ｔ１から時点Ｔ２まで略一定であるにもかかわらず、スクリュー１２は時点Ｔ６へと僅かに前進しているため、成形材料の充填を継続していることが分かる。そして、検出圧力値Ｐ２を見ることにより、従来の制御方法では制御しきれていないピーク圧が発生していないことを知ることができる。

即ち、本発明の特徴は、充填工程から保圧工程への切換方法と、その制御の仕方にある。従来では「射出工程から保圧工程に移行する場合、スクリュー位置や樹脂圧力等を検出し、その検出値が設定値と一致したか否かを判断して切り換えを行っている」。これに対して、本発明では、充填末期の工程でスクリュー１２の前進速度をモニタし、スクリュー１２の速度がゼロ近傍の設定値に達したときに、充填の完了を自動的に判断して、保圧工程に切り換える制御を特徴としている。これにより、上述したような本願発明の特有の効果を得ることができる。

また、図３から明らかなように、スクリュー１２の速度が時点Ｔ１２に達したときに、射出制御装置２０は充填完了を自動的に判断し、保圧工程へと制御を切り換えている。そのため、オーバーシュートを生じることなく、充填圧力を保圧へと連続的に切り換えることができるようになった。これは、更に充填圧力を上げることなく、そのときの充填圧力を保持するだけで、成形材料に加えられている内部エネルギによって成形材料が自動的にキャビティ空間の隅々まで流動し得ることを証明するものである。

このように、本発明によれば、充填工程では成形材料に蓄積された圧縮作用による内部エネルギを利用し、従来の成形方法において生じていた充填時におけるピーク圧力の発生を防止し、低圧での充填工程を可能にすることができる。そして、充填工程から保圧工程への切り換えでは、オーバーパックや圧抜けを発生させることがなく、連続的な制御を可能とすることができるようになった。また、溶融された樹脂の充填速度をスクリュー１２の位置で切り換える速度制御と充填圧力をスクリュー１２の位置で切り換える圧力制御を多段に切り換え、最終段は圧力制御を行うことにより、歩留まりが少なく仕上げのよい成形品を効率よく生産することができる。そして、最終段を圧力制御することにより、金型内のキャビティ空間の充填状況を把握して、過大なピーク圧力の発生を抑えることができる。

図７は、本発明の射出成形機１０に係る射出制御装置２０の図６に示した充填制御部１５による制御の例をフローチャートで表したものである。このフローチャートは、図６のような構成を有する充填制御部１５の動作の概略を示すもので、その内容を簡単に説明すると、次の通りである。

まず、ステップＳ１において、成形品を射出成形するための充填工程における速度制御を行う。これは、ロータリーエンコーダ（位置検出部）１６でスクリュー１２の位置を検出し、その位置検出信号に基づきスクリュー１２の速度を算出し、駆動装置部１４を作動させてスクリュー１２を所定の速度で移動させる。次に、ステップＳ２に移行して、スクリュー１２に付加される樹脂圧力、即ち、溶融成形材料からスクリュー１２に付与される充填時の圧力を検出し、その検出圧力Ｐ２を出力する。この際にも、スクリュー１２は所定の速度で移動している。

次に、ステップＳ３に移行して、検出圧力Ｐ２と第1の設定圧力ＰＳ２を比較する。そして、第１の設定圧力ＰＳ２よりも検出圧力Ｐ２が小さい（Ｐ２＜ＰＳ２）ときにはステップＳ１に戻って前記処理を繰り返す。一方、検出圧力Ｐ２が第１の設定圧力ＰＳ２以上（Ｐ２≧ＰＳ２）であるときにはステップＳ４に移行する。このステップＳ１からステップＳ３までの工程が、充填工程における速度制御のための処理である。

次に、ステップＳ４において、充填工程における速度制御から圧力制御に切り換え、上記第１の設定圧力ＰＳ２による圧力制御を行う。そして、ステップＳ５に移行して、スクリュー１２の位置を検出することによって得られたスクリュー１２の検出速度Ｖ２を算出し、その検出速度Ｖ２に対応した信号を出力する。

次に、ステップＳ６に移行して、検出速度Ｖ２と設定速度ＶＳ２を比較する。そして、設定速度ＶＳ２よりも検出速度Ｖ２が大きい（Ｖ２＞ＶＳ２）ときにはステップＳ４に戻り、ステップＳ４〜ステップＳ６の処理を繰り返す。一方、検出速度Ｖ２が設定速度ＶＳ２以下（Ｖ２≦ＶＳ２）であるときにはステップＳ７に移行する。このステップＳ４からステップＳ６までの工程が、充填工程における圧力制御のための処理である。そして、ステップＳ１からステップＳ６までの工程が、溶融された成形材料を金型に充填するための充填工程であり、図３に示した充填工程に対応している。

次に、ステップＳ７において、第２の設定圧力値である保圧設定値ＰＴ２による保圧制御を行う。この保圧制御は、図３に示した保圧工程に対応している。この保圧工程は、図示しないタイマによって管理される。これで処理が終了され、このような工程を経ることにより、図１に示したような形状を有する製品であっても、歩留まりを高くして効率よく製造することができる。

なお、本願発明は、ホットランナー型などのランナーレス方式にも用いることができる。

本願発明によれば、充填工程の途中で速度制御を圧力制御に切り換えることにより、充填される成形材料の内部エネルギを利用して、従来の成形方法に比べて低い圧力で射出成形を行うことができる。特に、薄肉成形の場合において、成形性を向上させることができ、また、成形品の残留応力を低くすることができる。また、本願発明では、最大射出圧力を下げることができ、そのため、成形エネルギを下げることができると共に、金型の寿命を延ばすことができる。従って、金型の剛性を低く設計して金型コストを低減することができると共に、その金型を用いる射出成形機の寿命の延びも期待することができる。

また、本願発明では、圧力制御により成形材料の密度を上げて充填し、圧力抜けを生じさせることなく圧力の連続性を持って保圧工程に切り換えることができる。その結果、成形品のヒケの防止、充填不良の発生を防止できる等の効果を得ることができる。更に、成形品の肉厚の均一性を高めることができる等の効果も得ることができる。また、充填圧力と保圧工程の圧力を制御できることから、成形品の残留圧力を下げることができ、成形品の寸法のバラツキを減少させ、形状の精度を向上させることができる。更に、保圧への切換制御をスクリューの前進速度で行うために、オーバーパックの発生を防止することができる。

このように、本発明によれば、多段の射出工程の途中において、充填中の成形材料の圧力を検出して成形材料に内部エネルギが蓄積された時点で充填制御を速度制御から圧力制御に切り換える。その後、成形材料の内部エネルギを利用すべく、射出（充填）圧力を連続的にフラットに制御し、ピーク圧力の発生を制御することにより、比較的低圧での充填が可能となる。また、充填工程の最終段では、キャビティへの充填が略終了したことを示すスクリューの後退を、スクリューの射出速度をモニタして設定速度と比較することで検出し、その後に射出工程から保圧工程に切り換える。これにより、オーバーパックを防止することができ、充填直後に発生する射出圧のオーバーシュートがなく、成形品の品質を向上させることができると共に、金型の寿命を改善することができる。

以上説明したが、本発明は、前述し且つ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

本発明の射出成形機によって製造される成形品とそのランナー部及びゲート部の第１の実施例を示す斜視図である。 本発明の射出成形機に使用される樹脂の圧縮性を説明するためのグラフである。 本発明の射出成形方法で成形した場合の射出速度、充填圧力及びスクリュー位置の記録波形を示すグラフである。 従来技術に係る射出成形方法で成形した場合の射出速度、充填圧力及びスクリュー位置の記録波形を示すグラフである。 本発明の射出成形機の概略構成を説明するブロック説明図である。 本発明の射出成形機に係る射出制御装置の制御部の概略構成を示すブロック説明図である。 本発明の射出成形機に係る射出制御装置の制御部による制御の概略を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…成形品、 ２…製品部、 ３…ランナー部、 ４…ゲート部、 ５…製品薄肉部、 １０…射出成形機、 １１…加熱シリンダ、 １２…スクリュー（射出部材）、 １３…金型装置、 １４…駆動装置部、 １５…射出制御部（制御部）、 １６…位置検出器（速度検出部）、 １７…ロードセル（圧力検出部）、 １８…射出ノズル、 ２０…射出制御装置、 ２１…固定金型、 ２２…可動金型、 ２３…ホッパ、 ３１…射出用モータ、 ５１…スクリュー位置設定テーブル（記憶部）、 ５２…射出速度設定テーブル（記憶部）、 ５３…充填圧力設定テーブル（記憶部）、 ５４…保圧切換速度設定テーブル（記憶部）、 ５５…微分器、 ５６…速度／圧力制御部、 ６１〜６５…比較器

Claims (14)

1. 溶融させた樹脂の充填圧力の検出値が第１の設定圧力値に達するまで、速度制御によって上記溶融させた樹脂の射出成形用金型内への充填を行い、
   上記充填圧力の検出値が上記第１の設定圧力値以上になった時点で、制御を速度制御から上記第１の設定圧力値で制御する圧力制御に切り換えて上記溶融させた樹脂の充填を行い、
   上記圧力制御で充填を行った状態で、充填速度が設定速度以下になった時点で、第２の設定圧力値で制御する保圧制御に切り換えを行う
   射出成形の制御方法。
2. 上記圧力制御を行っている間に、上記樹脂に蓄積される内部エネルギを利用して当該樹脂を流動させる
   請求項１記載の射出成形の制御方法。
3. 上記制御を速度制御から圧力制御に切り換えを行う時点は、充填完了前である
   請求項１記載の射出成形の制御方法。
4. 上記制御を速度制御から圧力制御に切り換えを行う部位は、ランナー・ゲート部の充填工程内である
   請求項１記載の射出成形の制御方法。
5. 上記設定速度の値は、ほぼ速度ゼロである
   請求項１記載の射出成形の制御方法。
6. 上記充填速度は、上記樹脂の充填を行う射出部材を動作させる射出モータの回転数をロータリーエンコーダにより検出し、その検出値の微分計算によって求める
   請求項１記載の射出成形の制御方法。
7. 充填速度をスクリューの位置で切り換える速度制御と充填圧力をスクリューの位置で切り換える圧力制御を多段に切り換え、最終段は圧力制御を行う
   請求項１記載の射出成形の制御方法。
8. 最終段を圧力制御することにより金型内のキャビティ空間の充填状況を把握し、過大な充填ピーク圧力の発生を抑える
   請求項１記載の射出成形の制御方法。
9. 当初は速度制御により、溶融させた樹脂を射出成形用金型内に充填させ、
   途中で制御を、速度制御から圧力制御に切り換えて上記溶融させた樹脂の充填を行うに際し、
   上記溶融させた樹脂の物性である圧縮性を用い、充填される樹脂に蓄積される内部エネルギを利用して当該溶融させた樹脂を流動させる
   射出成形の制御方法。
10. 射出成形用金型への樹脂の充填圧力を検出する圧力検出部と、
    上記樹脂の充填速度を検出する速度検出部と、
    上記圧力検出部で検出される溶融させた樹脂の充填圧力が第１の設定圧力値に達するまで、上記速度検出部で検出される速度に基づいた速度制御によって上記溶融させた樹脂の充填を行い、上記圧力検出部で検出される充填圧力の検出値が上記第１の設定圧力値以上になった時点で制御を速度制御から上記第１の設定圧力値で制御する圧力制御に切り換えて充填を行い、上記圧力制御で充填を行った状態で、上記速度検出部で検出される充填速度が設定速度以下になった時点で第２の設定圧力値で制御する保圧制御に切り換える充填制御部を設けた
    射出成形の制御装置。
11. 上記充填制御部は、充填完了前に速度制御から圧力制御に切り換える
    請求項１０記載の射出成形の制御装置。
12. 上記充填制御部は、ランナー・ゲート部における樹脂の状況によって制御を速度制御から圧力制御に切り換える
    請求項１０記載の射出成形の制御装置。
13. 上記充填制御部は、設定速度の値が略速度ゼロであるときに上記保圧制御に切り換える
    請求項１０記載の射出成形の制御装置。
14. 上記速度検出部は、上記樹脂を充填させる射出部材を動作させる射出モータの回転数をロータリーエンコーダにより検出し、その検出値の微分計算によって求める
    請求項１０記載の射出成形の制御装置。

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