JPH07156222A - 流体供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流体吐出量の高精度な制御が必要とされる射
出成形機、描画装置等を対象とし、高精度成形、材料ロ
ス低減、生産タクトアップ、設備のシンプル化、コンパ
クト化を図る。 【構成】 流体の吸入口７４及び供給ポンプ５２と、こ
の供給ポンプを駆動する手段５９と、この供給ポンプと
流体の射出部の間に設けられたマイクロ・ポンプ６７
と、このマイクロ・ポンプの吐出量を調整するためのポ
ンプ回転角制御機能を備えたマイクロ・ポンプ駆動手段
６１より構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、射出成形あるいは描画
装置等の流体供給装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＯＡ・ＡＶ商品の普及にともない、レン
ズ、レーザービームプリンタのポリゴンミラー、ＶＴＲ
の回転シリンダ等の精密基幹部品のコストダウンを目的
として、従来の研磨仕上等の機械加工に代わり、量産性
の優れたプラスチックによる射出成形の適用が試みられ
ている。精密部品を射出成形で製作した場合、十分な加
工精度が得られないため、通常なんらかの後加工が必要
であった。しかし成形後の後工程に、例えば再度研磨工
程を入れたのでは、生産能率が悪くとてもコスト的に満
足できない。そこで、研磨工程を省略できる高精度の精
密成形技術が要請されている。

【０００３】図７はスクリュー・プリプラ方式と呼ばれ
る射出成形装置を示すもので、５００はホッパー５０１
に収納された樹脂の成形材料、５０２は樹脂を可塑化
し、供給するためのスクリュー、５０３はスクリュー及
びプランジャー５０４を収納する可塑化シリンダ部、５
０５はヒーター、５０６はプランジャーの先端部に設け
られた逆止弁、５０７はシリンダ室、５０８はこのシリ
ンダ室５０７の金型側に設けられたシャットオフ弁、５
０９は射出ノズル、５１０は金型５１１のキャビティ
ー、５１１はピストンロッド、５１２は圧力センサーで
ある歪ゲージ、５１３はボールネジ、５１４はＡＣサー
ボモータである。

【０００４】この方式における射出成形プロセスの概要
は次の様である。ホッパー５０１から供給された成形材
料５００は、スクリュー５０２によって溶融、可塑化さ
れ、一度プランジャー５０４の前部にあるシリンダ室５
０７に貯えられる。

【０００５】このときシリンダ室５０７に成形材料５０
０が流入できる様に、プランジャーは矢印Ａ方向へ後退
移動する。

【０００６】シリンダ室５０７への成形材料の充填が終
了すると、次にプランジャー５０４が矢印Ｂの方向へ前
進移動する。この段階ではシャットオフ弁５０９はまだ
閉じられており、金型キャビティー５１０内への成形材
料５００の流入はない。

【０００７】密閉空間であるシリンダ室５０７の成形材
料５００の圧縮によって、圧力が設定値にまで上昇する
と、シャットオフ弁５０９が開放状態となり、成形材料
は金型キャビティー５１０内に充填される。この間、プ
ランジャー５０４は前進移動を続けており、歪ゲージ５
１２から検出されたシリンダ室５０７内の成形機の圧力
が設定値を保つ様に、プランジャー５０４の移動量がＡ
Ｃサーボモータ５１４によって制御される。

【０００８】金型キャビティー５１１への材料の充填が
完了すると、プランジャー５０４が後退することによ
り、シリンダ室５０７の圧力が降下するため、シャット
オフ弁５０９は閉じられる。この後、金型は冷却工程に
入り、ゲート部の樹脂は冷却によってゲートシールされ
た状態となり、シリンダ室の樹脂溶融部とは完全に遮断
される。冷却工程の終了後、成形品の取り出しが行われ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】さて、現在最も高精度
成形が図れると思われる前述したスクリュー・プリプラ
方式を用いても、寸法精度はせいぜいプラスマイナス
０．０５％が限界であり、ＯＡ・ＡＶ商品の基幹部品に
要求される例えばプラスマイナス０．０１％の精度には
遠く及ばなかった。その理由は、このプリプラ方式を用
いて、ＡＣサーボモータにより射出圧力、射出速度を精
妙にコントロールしたとしても、成形品の充填量にばら
つきを生じ、これが成形品の形状精度のばらつきとなる
からである。

【００１０】従来技術の問題点を明らかにするために、
射出成形機をモデル化すると図８の様になる。１００は
モータ、１０１はボールネジ部、１０２は圧力センサー
（歪ゲージ）、１０３シリンダ室、１０４はピストン、
１０５は射出ノズル、１０６はスプレーとランナー、１
０７はゲートノズル、１０８はキャビティー、１０９は
樹脂供給スクリュー、１１０は逆止弁である。また２点
鎖線で囲まれる部分は金型１１１を示す。また各室１０
３、１０６、１０８の圧力をＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₃とする。従
来、射出成形機においては、キャビティー１０８内の樹
脂の総充填量の制御は次の様な信号伝達のメカニズムを
経てなされる。制御開始直前において、ピストンは等速
で下降しており、Ｐ₁＞Ｐ₂＞Ｐ₃であり、ノズル１０５
を通過して流量Ｑ、ノズル１０７を通過して流量Ｑ₂の
溶融樹脂が流入しているものとする。 駆動軸に直結した歪ゲージ１０２がシリンダ室１０
３の圧力Ｐ₁を検知すると、このＰ₁を設定値に合わせる
様にサーボモータ１００を駆動し、ピストン１０４を△
Ｘ移動させる。 ピストンの移動△Ｘにより、圧力Ｐ₁は△Ｐ₁、Ｐ₂
は△Ｐ₂だけ変化する。 その結果、各ノズルの流量は△Ｑ₁、△Ｑ₂変化する
ことにより、キャビティー１０６内の圧力Ｐ₃は△Ｐ₃だ
け変化する。

【００１１】上記において圧力検出からピストン１０
４の移動には、モータのアマチャー、ボールネジ、ピス
トン等慣性効果により制御系の応答の遅れが発生する。

【００１２】上記において、制御系はノズル１０５の
流体抵抗Ｒ₁と、スプルー部１０６の容積Ｃ₁、で決まる
時定数を持ち、圧力Ｐ₁の変化→圧力Ｐ₂の変化の間に応
答遅れを伴う。

【００１３】また上記においても同様に、制御系は、
ノズル１０７の流体抵抗Ｒ₂と、キャビティー１０８の
容積Ｃ₂で決まる時定数を持ち、Ｐ₂の変化→Ｐ₃の変化
の間にはやはり応答遅れをともなう。すなわち、元来制
御したいキャビティー内圧力Ｐ₃は、上流側の圧力Ｐ₁に
よって間接的にしか制御されない。

【００１４】上述した様な複雑な信号伝達のメカニズム
を持つ従来射出成形機においては、応答性の遅れを補償
するフィード・フォーワード制御等の方策を施したとし
ても、樹脂充填量のばらつきを例えば０．０１％以下に
押さえるには多くの課題があった。

【００１５】射出圧縮成形とは別の加工分野である押出
成形において、ギヤポンプを用いた成形品の高精度化の
試みが従来からなされており、たとえば文献（プラスチ
ックエージ、１９９３，１０月号）に紹介されている。

【００１６】図９において、１５０は樹脂供給スクリュ
ー、１５１はスクリューの吐出部に設けられたギヤポン
プである。ギヤポンプは本質的に定容量吐出特性を持つ
ために、スクリューの圧力・流量変動の影響を受けず、
成形品の均質な押出成形が可能である。ただし、押出成
形は元来シート、フィルム、パイプ等を連続的に成形す
ることを目的としており、ギヤポンプは常に定速回転を
保てばよい。

【００１７】したがって、樹脂の流動と駆動メカニズム
の過渡的な応答特性が、最終のキャビティ内への樹脂充
填量精度（すなわち成形精度）に重大な影響を与える射
出成形機とは本質的に課題が異なり、ギヤポンプの押出
し成形システムはこのままでは射出成形機に適用できな
い。

【００１８】本発明は射出成形機の高精度化に伴う上述
した課題に応えるものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、この発明にかかる流体供給装置では流体の吸入口及
び供給ポンプと、この供給ポンプを駆動する手段と、こ
の供給ポンプと流体の射出部の間に設けられたマイクロ
ポンプと、このマイクロポンプの吐出量を調節するため
のポンプ回転角制御機能を備えたマイクロポンプ駆動手
段より構成される射出成形機を提供するものである。

【００２０】

【作用】本発明の原理を図１のモデル図を用いて説明す
る。

【００２１】１は流体の供給ポンプである樹脂供給スク
リュー、２はシリンダ室、３は射出ノズル（射出部）、
４はこの射出ノズル３内部に収納されたマイクロ・ポン
プ、５は金型のキャビティー、６はマイクロポンプ４の
駆動軸、７はマイクロポンプ４を駆動しかつポンプ回転
角制御機能を備えたエンコーダ付ＡＣサーボモータ、８
はマイクロポンプ４の吐出側に設けられた圧力センサ
ー、９は射出ノズル３とキャビティー５を継ぐ細径部、
１０は流体の吸入孔である。また２点鎖線で囲まれる部
分が金型１１を示す。

【００２２】以下本発明において、マイクロポンプ３に
容積式ポンプを適用した場合について、その作用を説明
する。

【００２３】容積式ポンプは、周知の様に、ねじ溝等の
組み合せで形成される密閉空間の移動により吸入側から
吐出側へ一定容積の流体を輸送させる機能を持ち、たと
えばスクリュー式、クロー式、ベーン式、後述するＩＭ
Ｏ式ポンプ等が知られている。

【００２４】本発明にこの容積式を用いた場合、回転角
θに比例して着実に樹脂の一定量Ｗをキャビティー５内
に供給することができる。従って、樹脂の一定量供給→
キャビティー内圧力Ｐ₃（すなわち密度）の変化のプロ
セスには、時間の遅れを伴わない。一方従来射出成形機
においては、前述した様に圧力Ｐ₁の変化→流量Ｑ₁の変
化→圧力Ｐ₂の変化流量Ｑ₂の変化→圧力Ｐ₃の変化のプ
ロセスを必要とするため、各ノズルの流体抵抗とスプル
ー、キャビティー部の容積で決まる時間遅れを伴う。こ
の点が制御性の大幅な改良が図れる本発明と根本的に異
なる点である。

【００２５】マイクロポンプ４をシリンダ室２とキャビ
ティー５の中継部である径少の射出部の中心部に形成す
ることにより、次の改良が図られる。

【００２６】容積型のマイクロポンプ４は、ポンプの回
転を停止させてもキャビティー５からシリンダ室２への
溶融樹脂の逆流はない。したがってマイクロポンプは逆
止弁の効果も兼ねることができ、従来射出成形機に設け
られた射出ノズル１０５及びゲートノズル１０７（図
１）を省略できる。

【００２７】マイクロポンプ４の外径及び射出部の外径
ｄを十分に径小にすれば、射出部の先端を金型内に奥深
く挿入できる。そのためスプルー部、ランナー部等、従
来射出成形機において発生していた材料のロス分（図１
の寸法Ｌ相当）を極力小さくできる。

【００２８】マイクロポンプに一ロータ型のねじ溝ポン
プである容積型スネイクポンプ（モイノポンプ：一軸偏
心ねじ溝ポンプ）を用いれば、射出部の外径を極力小さ
くできる。その結果、射出ノズルを金型内に一層深く挿
入できるため、成形品直前での樹脂の供給開始・停止等
の操作及び供給量制御ができる。

【００２９】また本発明を用いれば、射出行程終了後も
溶融樹脂の充填量補給制御が可能となる。従来の射出成
形機では、ゲートシールが完了すると溶融樹脂のキャビ
ティーへの補給は不可能であった。その理由は、冷却開
始後はゲートシール部の流路が縮小化し、流体抵抗が増
加するため、圧力による流量制御が困難となるからであ
る。本発明では、たとえば容積式のマイクロポンプを用
いれば、射出ノズルとキャビティー間の流体抵抗及び圧
力差に関係なく、溶融樹脂の供給を続けることができ
る。

【００３０】またポンプの回転軸５を樹脂供給スクリュ
ー１の中心部を貫通する様に構成すれば、シリンダ室２
からマイクロポンプ３への溶融樹脂の流路は軸対称とな
る。そのため極めてスムーズな軸方向の樹脂の流れが実
現できる。

【００３１】

【実施例】以下本発明の第１の実施例について説明す
る。

【００３２】図２は本発明の一実施例である射出成形機
と成形金型を示す成形システムの全体図、図３は射出ユ
ニット部のみの拡大図である。図２において、５０はホ
ッパー５１に収納された樹脂材料、５２は樹脂を可塑化
し、後述するマイクロポンプに供給するためのスクリュ
ー（流体供給ポンプ）、５３はこのスクリューを収納す
るシリンダ、５４はホッパー５１とシリンダ５３を連絡
する流通路、５５はヒーターである。スクリュー５２の
内部に後述するマイクロポンプ・ユニット５７が収納さ
れている。

【００３３】またこのマイクロポンプ・ユニットの射出
ノズル（射出部）５８が、シリンダ５３の下端部から下
方へ突出した形でシリンダ５３に装着されている。この
射出ノズル５８が、成形時に図２で示す様に、金型内に
挿入される。

【００３４】５９はスクリュー５２を伝達ギヤ５９、６
０を介して駆動するモータ、６１はマイクロポンプ・ユ
ニット５７を駆動するエンコーダ付ＡＣサーボモータ、
６２は金型６３のキャビティーである。

【００３５】図３において、６４はスクリュー５２内部
に収納された上部固定スリーブ、６５は下部固定スリー
ブ、６６はマイクロポンプの駆動軸、６７は射出ノズル
５８の中心部に収納されたマイクロポンプのロータ、６
８は射出ノズル部５８の内壁に形成されたネジ溝、６９
はロータ６７に偏心運動を与える連結部分が収納された
中継部、７０、７１はこの中継部を支持する軸受であ
る。マイクロポンプ・ユニット５７のモータ回転軸７２
と入力駆動軸６６は、軸方向の熱膨脹を吸収し回転のみ
を伝達するために、スプライン７３によって連結されて
いる。７４はノズル部５８に形成された樹脂の吸入口、
７５は溶融樹脂が部材６９、７０、７１、等が収納され
た上下の固定スリーブ６４、６５の内部空間７６へ侵入
するのを防止するためのシール部である。

【００３６】ロータ６７の揺動状態でのシールを可能と
するために、摺動シール部７７はロータ６７の上部に形
成された球面部７８、この球面部７８を収納し、かつ径
方向に微小移動可能な球面スリーブ７９、この球面スリ
ーブ７９の押え板８０より構成される。

【００３７】８１はシリンダ５３と射出ノズル部６８間
のシールである。図４にノズル開孔部８２の近傍の拡大
図を示す。

【００３８】射出ノズル５８は先端部に別部品でノズル
ヘッド８４が、ネジ８３によって装着されている。射出
ノズル５８とノズルヘッド８４の間には、空隙部８５が
形成されており、この空隙部８５を利用して、射出ノズ
ル５８の薄肉部８６の外表面に圧力センサー８７が装着
されている。

【００３９】空隙部８５はノズルヘッド８４と射出ノズ
ル５８内部に形成された流通路８８、８９を通して大気
と連絡している。

【００４０】したがって空隙部８５の圧力は常に大気圧
の状態を維持している。９０、９１はシール、９２は射
出ノズル５９先端に形成されたテーパ部である。なを、
マイクロポンプのロータ６７を２点鎖線で示す。

【００４１】実施例で用いた圧力センサーは、耐熱性、
圧力範囲、圧力検出精度等を考慮して選定したもので、
感歪抵抗体として酸化ルテニウムを用いたものである。

【００４２】また上記実施例で用いたマイクロポンプ
は、Ｍｏｙｎｏポンプ、あるいはスネイクポンプと呼ば
れるネジ溝型の容積式ポンプであり、公知のものであ
る。

【００４３】なお実施例では、流体の供給ポンプである
スクリュー５２とマイクロポンプ６６はそれぞれ別々の
モータで駆動しているが、この供給ポンプとマイクロポ
ンプを一軸上で一体化した構造にして、モータ１個で駆
動してもよい。（図示せず） またこれとは逆に、樹脂を溶融、可塑化する供給ポンプ
と、マイクロポンプはそれぞれ別ユニットで構成しても
よい。（図示せず） 図５に本発明の第２の実施例を示す。

【００４４】この実施例では、マイクロ・ポンプに容積
型ではなく、単軸の粘性ポンプを用いている。２００は
樹脂供給スクリュー、２０１はシリンダ室、２０２はス
クリュー２００内部を貫通して設けられたマイクロ・ポ
ンプの駆動軸、２０３は固定スリーブ、２０４、２０５
は固定スリーブ２０３とスクリューの間に設けられた軸
受、２０６はマイクロ・ポンプを駆動するパルスモー
タ、２０７はスラスト玉軸受、２０８は歪ゲージ、２０
９は歪みゲージ２０８を収納するハウジング、２１０は
スクリュー２００を収納するシリンダ、２１１は射出ノ
ズル、２１２はこの射出ノズルの中心部で駆動軸２０２
に形成されたマイクロポンプの樹脂供給溝、２１３はシ
ール溝である。

【００４５】また２１４はスクリュー２００を回転駆動
するためのモータ、２１５、２１６は伝達ギヤ、２１７
は吸入口である。この実施例では、マイクロポンプに単
軸ロータによる粘性ポンプを用いているため、単軸ロー
タのスラスト荷重を検出すれば容易にキャビティー内の
圧力が測定できる。

【００４６】このとき圧力センサーは高温零囲気を保た
ねばならない金型近傍から十分に遠方の部分、すなわち
図５に示す様に、駆動軸２０２の射出ノズル２１１側と
は反対側の部分に設けることができる。この部分では、
圧力センサーの空冷、水冷が容易となり、したがって安
価な歪ゲージを用いることができると共に、広範囲の種
類の中からセンサーの選定ができる。

【００４７】図６に本発明を描画装置に適用した第３の
実施例を示す。３００は本発明の樹脂供給ユニット、３
０１は部材３０２に形成されているシール溝、３０３は
シール溝３０１に封入された溶融樹脂である。従来の圧
力制御による描画装置では、射出ノズルとその対向面の
間隔Ｈが変わると、ノズルの流体抵抗が変化するため、
吐出両がばらつくという問題点があった。

【００４８】本発明の樹脂供給ユニット３００は、流体
の供給流量は回転数を一定にすればマイクロポンプ３０
４の機械的寸法で決まる吐出容積のみで決まるため、間
隔Ｈの変化に無関係に一定流量を供給することができ
る。

【００４９】また圧力、温度等の環境条件が変化して
も、吐出流量を一定に保つことができる。したがって従
来の圧力制御による描画装置と比べても、大幅に描画精
度の向上が図れる。

【００５０】図６で示す様なシール材のシール溝への封
入作業は、元来自動化のネックとなっていたものであ
る。本発明の適用により、均一な量のシール材をシール
溝に封入できるため、組立工程中での自動化による射出
工程の導入が可能となる。

【００５１】

【発明の効果】流体供給ポンプと、流体供給量を高精度
に制御するマイクロポンプの組合せからなる本発明を、
例えば射出成形機に適用することにより、以下述べる射
出成形機の飛躍的な改善が図れる。 １．高精度成形ができる。

【００５２】従来射出成形機が樹脂の充填量を圧力制御
で行っていたのに対し、本発明では流量制御、あるいは
容量制御を行うことができる。そのため本発明を用いて
射出成形システムを構成すると、時間遅れの少ない制御
系を構成でき、システムの制御応答性を大幅に向上でき
る。その結果キャビティ内の溶融樹脂の最終充填量を高
精度に管理できる。

【００５３】また、射出部の内部にマイクロポンプの流
体輸送部分（例えばねじ溝）を収納すれば、従来射出成
形機で必要とされていた流路径を絞った射出ノズル、ゲ
ートシールを省略できるため、射出ノズルからキャビテ
ィーに至る流通路の流体抵抗を極力小さくできる。その
結果、成形品内部の圧力を均一化でき、成形品の高品質
化が図れる。 ２．材料ロスの低減が図れる。

【００５４】本発明では、成形品直前での樹脂供給開始
・停止ができるため、スプルー、ランナー等を省略でき
る。 ３．加工設備のシンプル化とメンテナンス性の向上が図
れる。

【００５５】従来射出形成機で用いていたプランジャー
及びその制御メカニズム及び逆止弁、シャットオフ弁等
を省略できる。樹脂の流通路に設けられていたこれらの
複雑なメカニズム部分は、樹脂が残留し、この残留樹脂
が後になって排出する等から成形品の品質を劣化させる
要因となっていた。

【００５６】本発明の射出成形機では、これらの複雑な
メカニズムを一切省略でき、メンテナンス性の大幅な改
善が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示すモデル図

【図２】本発明を用いた射出成形機の金型を含む成形シ
ステム全体図

【図３】本発明の第１の実施例である射出成形機の射出
ユニット部分を示す正面断面図

【図４】上記ノズル部の拡大図

【図５】本発明の第２の実施例の正面断面図

【図６】本発明の第３の実施例の正面断面図

【図７】従来の射出成形機の一例を示す正面断面図

【図８】従来の射出成形機の原理を示すモデル図

【図９】従来の押出成形機の正面断面図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の吸入口及び供給ポンプと、この供
   給ポンプを駆動する手段と、この供給ポンプと流体の射
   出部の間に設けられたマイクロ・ポンプと、このマイク
   ロ・ポンプの吐出量を調節するためのポンプ回転角制御
   機能を備えたマイクロ・ポンプ駆動手段より構成される
   ことを特徴とする流体供給装置。
2. 【請求項２】 溶融樹脂を供給流体とする射出成形機で
   あることを特徴とする請求項１記載の流体供給装置。
3. 【請求項３】 射出部の中心部に、マイクロポンプの流
   体輸送部分を収納したことを特徴とする請求項１記載の
   流体供給装置。
4. 【請求項４】 マイクロポンプは、スネイクポンプ、あ
   るいはモイノポンプであることを特徴とする請求項３記
   載の流体供給装置。
5. 【請求項５】 射出部の開口端近傍に圧力センサーを配
   置し、かつこの圧力センサーの信号により回転角制御機
   能を用いて吐出圧あるいは流体の吐出総量を制御する開
   ループシステムが構成されていることを特徴とする請求
   項１記載の流体供給装置。
6. 【請求項６】 高粘度流体を供給流体とする描画装置で
   あることを特徴とする請求項１記載の流体供給装置。