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技術 熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造装置および方法

出願人 株式会社日本製鋼所
発明者 伊東宏大谷孝澤佳城焼本数利
出願日 2008年10月29日 (12年3ヶ月経過) 出願番号 2008-277727
公開日 2010年5月13日 (10年9ヶ月経過) 公開番号 2010-105224
状態 特許登録済
技術分野 プラスチック等の注型成形、圧縮成形
主要キーワード スクリュ構造 線膨張量 所定押 使用条件毎 原点サーチ 図面寸法 下部架台 共通架台
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2010年5月13日)のものです。
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図面 (20)

課題

樹脂毎や使用条件毎の調整を不要とすると共に起動時や設定温度変更後などの温度の安定化を待たずに高精度の塗布を行うことができる熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体製造装置および方法を提供する。

解決手段

共通架台3上に塗布装置1および成形装置2が並置されており、塗布装置1は、共通架台3に設置された移動架台6と、移動架台6に設置された可塑化部4と、可塑化部4の先端に連結されたTダイ5を有し、Tダイ5が可塑化部4に対して同軸上に配置されている。

概要

背景

この種の成形体製造装置として、例えば特許文献1に本出願人により提案された装置がある。この製造装置は、揺動方式にすることで、大重量の塗布装置の高さ調整を容易にかつ精密に行うことができる。

特開2008−49646号公報

概要

樹脂毎や使用条件毎の調整を不要とすると共に起動時や設定温度変更後などの温度の安定化を待たずに高精度の塗布を行うことができる熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造装置および方法を提供する。共通架台3上に塗布装置1および成形装置2が並置されており、塗布装置1は、共通架台3に設置された移動架台6と、移動架台6に設置された可塑化部4と、可塑化部4の先端に連結されたTダイ5を有し、Tダイ5が可塑化部4に対して同軸上に配置されている。

目的

本発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、樹脂毎や使用条件毎の調整を不要とすると共に起動時(成形開始時)や設定温度変更後などの温度の安定化を待たずに高精度の塗布を行うことができる熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造装置および方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

水平軸周り揺動機構を有する移動架台可塑化部が設置されると共に前記可塑化部のシリンダの先端に吐出部が連結された塗布装置と、前記塗布装置の近傍に配設された成形装置とを備えた熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体製造装置において、前記可塑化部と前記吐出部とが同軸上に配置され、前記移動架台の揺動機構は、揺動自在のベッドを有し、前記シリンダを前記ベッドに対して上下方向の相対位置を拘束したまま前後動自在に支持するガイドを備え、前記吐出部が連結されている前記シリンダの水平方向位置および上下方向位置をそれぞれ検出する第1および第2の位置センサを備え、前記第1および第2の位置センサで検出された前記シリンダの水平方向位置および上下方向位置に基づいて前記吐出部の位置および塗布速度を制御することを特徴とする熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造装置。

請求項2

前記塗布装置は、前記シリンダと前記ベッドの双方に連結された上下動ステージを有し、前記第1および第2の位置センサは、それぞれ前記上下動ステージの水平方向位置および上下方向位置を検出することを特徴とする請求項1に記載の熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造装置。

請求項3

前記第1および第2の位置センサは、それぞれアブソリュート型エンコーダからなることを特徴とする請求項1または2に記載の熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造装置。

請求項4

水平軸の周りの揺動機構を有する移動架台に設置された可塑化部のシリンダから前記シリンダの先端に連結された吐出部に熱可塑性溶融樹脂を供給して成形を行う熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造方法において、前記シリンダの水平方向位置および上下方向位置をそれぞれアブソリュート型のエンコーダからなる第1および第2の位置センサで検出し、前記第1および第2の位置センサで検出された前記シリンダの水平方向位置および上下方向位置に基づいて前記吐出部の位置および塗布速度を制御することを特徴とする熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造方法。

請求項5

前記揺動機構の揺動動作に伴う前記シリンダの水平方向へのずれ量を前記第1の位置センサで検出して前記吐出部の水平方向位置を制御すると共に、前記第2の位置センサで検出される前記シリンダの上下方向位置と前記吐出部の上下方向位置との関係を予め計測しておき、前記関係に基づいて前記吐出部の上下方向位置を制御することを特徴とする請求項4に記載の熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造方法。

請求項6

前記第1位置センサで検出された前記シリンダの水平方向位置と前記揺動機構の揺動中心の水平方向位置との差分値に基づいて前記シリンダの熱膨張量を算出し、温度に基づいて前記シリンダの操作点から前記吐出部までの熱膨張量を算出し、これらの熱膨張量を加味して前記吐出部のリップ先端の水平方向位置および上下方向位置を制御することを特徴とする請求項4に記載の熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造方法。

技術分野

0001

この発明は、熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体製造装置および方法に係り、特に溶融した熱可塑性樹脂が付着する温度まで加熱された金型の表面に,吐出部のリップ先端と被塗布面との距離によって製品の厚みが規定されるように塗布を行うことで,ほぼ最終製品の形状および厚さに溶融樹脂を精密に塗布した後,プレスを用いて加圧し,金型表面に加工された微細パターンや鏡面が転写された成形体を得るための装置および方法に関する。

背景技術

0002

この種の成形体の製造装置として、例えば特許文献1に本出願人により提案された装置がある。この製造装置は、揺動方式にすることで、大重量の塗布装置の高さ調整を容易にかつ精密に行うことができる。

0003

特開2008−49646号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、特許文献1の装置では、可塑化部に関して特に制限を設けてはいないが、例えば図18に示されるように、可塑化部41と注入バルブ42(可塑化部1とアキュムレータとを繋ぐ樹脂流路開閉するニードルバルブ)と貯留シリンダ43が直交して配置されている場合、貯留シリンダ43が熱膨張した注入バルブ42に押され、貯留シリンダ43の先端に取り付けられた吐出部であるTダイ44の位置が反操作方向(図の上方向)にずれてしまう。同様に、可塑化部41の中心と貯留シリンダ43の中心との高さが異なる場合、図19に示されるように、熱膨張した注入バルブ42が貯留シリンダ43を斜め方向に押すため、Tダイ44が回転し、下方向にずれる。

0005

また、可塑化部に直線的なインラインスクリュ構造を採用した場合は、熱膨張に起因する歪みを1次元集約することができるが、熱膨張してシリンダ伸びるため、Tダイの位置がずれる。塗布方向に対してはシリンダの伸びがほぼそのまま塗布位置(X方向)のズレとなるのに加え、高さ方向に関しても揺動中心に対する回転半径の変化により狂いが生じる。このため、特許文献1の装置では、使用条件に加熱してからでないと吐出部の位置の厳密な調整ができない。しかしながら、このような熱膨張に起因するずれ量は、シリンダ設定温度ごとに異なる他に、シリンダ自体の温度が変更した温度に達した後でも、シリンダの熱影響を受けるシリンダ近傍の部材の温度が定常状態に達するまで(温度変化がなくなるまで)変化し続けるので、起動時(成形開始時)や設定温度を変更した際、装置全体の温度が落ち着くまで安定成形を行うことができないという問題がある。

0006

上記の熱膨張の影響は、Z軸ステージ(シリンダ把持部でのTダイ高さ(Z方向)の調整)についても同様で、シリンダからの伝熱ステージの部材やボールネジの温度が上昇し、Tダイの高さ方向位置にずれが生じる。すなわち、ステージの伸び量だけTダイの位置がずれると共に、ボールネジが伸びてTダイの移動量が変わってしまう。

0007

特許文献1の装置では、塗布装置と揺動ベッドの固定を複数個所で行っている。しかし、塗布装置は上述のように樹脂供給部からTダイまでは加熱条件により伸びが生じ、非加熱状態であるベッド拘束されると歪みが生じるため、吐出部の位置(平行移動)と向き(捩れあおり)が狂い、装置全体の温度が落ち着くまで安定成形を行うことができない。この歪みを避けるために塗布装置の非加熱部分(例えば、ホッパを挟んで吐出部の反対側)のみをベッドと固定することも考えられるが、揺動によってTダイの高さ調整をするときに、正確な調整を意図してTダイ付近把持しようとすると、ベッドも含めた塗布装置全体の回転モーメントをシリンダが受けることになるため、急峻な動きに対してシリンダが撓み、シリンダとシリンダ内部に設置されたスクリュとの接触によるカジリ、さらにはシリンダの折損などの不具合につながる。

0008

本発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、樹脂毎や使用条件毎の調整を不要とすると共に起動時(成形開始時)や設定温度変更後などの温度の安定化を待たずに高精度の塗布を行うことができる熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造装置および方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

この発明に係る熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造装置は、水平軸周り揺動機構を有する移動架台に可塑化部が設置されると共に可塑化部のシリンダの先端に吐出部が連結された塗布装置と、塗布装置の近傍に配設された成形装置とを備えた熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造装置において、可塑化部と吐出部とが同軸上に配置され、移動架台の揺動機構は、揺動自在のベッドを有し、シリンダをベッドに対して上下方向の相対位置を拘束したまま前後動自在に支持するガイドを備え、吐出部が連結されているシリンダの水平方向位置および上下方向位置をそれぞれ検出する第1および第2の位置センサを備え、第1および第2の位置センサで検出されたシリンダの水平方向位置および上下方向位置に基づいて吐出部の位置および塗布速度を制御するものである。なお、可塑化部の構成として、シリンダと中心軸を同一にするノズルをシリンダと吐出部(Tダイ)の間に配置することも考えられるが、本明細書ではこのようなノズルはシリンダの一部として扱う。

0010

塗布装置が、シリンダとベッドの双方に連結された上下動ステージを有し、第1および第2の位置センサが、それぞれ上下動ステージの水平方向位置および上下方向位置を検出するように構成することもできる。
好ましくは、第1および第2の位置センサは、それぞれアブソリュート型エンコーダからなる。

0011

この発明に係る熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造方法は、水平軸の周りの揺動機構を有する移動架台に設置された可塑化部のシリンダからシリンダの先端に連結された吐出部に熱可塑性溶融樹脂を供給して成形を行う熱可塑性溶融樹脂の塗布による成形体の製造方法において、シリンダの水平方向位置および上下方向位置をそれぞれアブソリュート型のエンコーダからなる第1および第2の位置センサで検出し、第1および第2の位置センサで検出されたシリンダの水平方向位置および上下方向位置に基づいて吐出部の位置および塗布速度を制御する方法である。

0012

揺動機構の揺動動作に伴うシリンダの水平方向へのずれ量を第1の位置センサで検出して吐出部の水平方向位置を制御すると共に、第2の位置センサで検出されるシリンダの上下方向位置と吐出部の上下方向位置との関係を予め計測しておき、前記関係に基づいて吐出部の上下方向位置を制御することができる。
さらに、第1の位置センサで検出されたシリンダの水平方向位置と揺動機構の揺動中心の水平方向位置との差分値に基づいてシリンダの熱膨張量を算出し、温度に基づいてシリンダの操作点から吐出部までの熱膨張量を算出し、これらの熱膨張量を加味して吐出部のリップ先端の水平方向位置および上下方向位置を制御することもできる。

発明の効果

0013

この発明によれば、樹脂毎や使用条件毎の調整が不要となり、成形開始時や設定温度変更後などの温度の安定化を待たずに高精度の塗布を行うことが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0014

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に実施の形態に係る成形体の製造装置を示す。この製造装置は塗布装置1および成形装置2により構成され、共通架台3上に並置されている。塗布装置1は、さらに可塑化部4、Tダイ5および移動架台6により構成されており、移動架台6が共通架台3に設置され、可塑化部4が移動架台6に設置され、吐出部としてのTダイ5が可塑化部4の先端(図の左端)に直接連結して構成されている。塗布装置1と成形装置2は、塗布装置1の軸芯方向(X軸方向:図の左右方向)におけるTダイ5の先端側に成形装置2が位置するように配置されている。

0015

移動架台6は、X軸駆動装置7によりX軸方向に直線的に往復移動可能に配置されたX軸移動台8と、X軸移動台8上に水平軸(Y軸)の周りに揺動可能に配置されたベッド9とを有しており、ベッド9の上に塗布装置1が設置されている。
塗布装置1の可塑化部4は、ベッド9上に取付部材10を介して設置されたシリンダ11と、シリンダ11の内部に設置された図示しないスクリュとを有している。さらに、シリンダ11には、原料供給部としてのホッパ12とスクリュを駆動するための駆動機構13が連結されている。また、Tダイ5はシリンダ11に対して同軸上に配置されている。

0016

成形装置2は、竪型プレス成形装置であり、下部架台14、下部固定盤15、可動盤16、上部固定盤17、複数のガイド棒18および可動盤駆動装置19が順次下から上方へ配置されて構成されている。ほぼ矩形形状の厚板を水平に配置された下部固定盤15、可動盤16および上部固定盤17は、その4隅にガイド棒18が貫通し、これらガイド棒18の両端部において下部固定盤15および上部固定盤17が固定され、その間を可動盤16が上下方向へ移動できるように、すなわち、上部固定盤17に設置された可動盤駆動装置19のピストン棒下端に可動盤16が連結されている。下部固定盤15と可動盤16の互いに対向する面には、それぞれ固定金型20および可動金型21が設置され、これら固定金型20および可動金型21により金型が構成されている。

0017

成形装置2の下部固定盤15には、塗布装置1側の側端面に、塗布装置1の方向(X軸方向)へ向う支持台22が固定されており、この支持台22の上面にZ軸ステージの走行面が形成されている。

0018

図2および図3に示されるように、Tダイ5が可塑化部4に対して同軸上に配置されているので、熱膨張の影響は前後方向(X軸方向)のみとなり、図18および図19に示した従来の装置のような回転や上下方向へのずれは生じない。
なお、シリンダ11の根元部すなわちホッパ12の下部はスクリュによるペレット輸送を円滑に行うため水冷されており、このシリンダ11の上部にホッパ12が配置されているので、シリンダ11から取付部材10への伝熱が遮断され、取付部材の温度上昇が抑制されている。この結果、取付部材の熱膨張によるTダイ5の高さのずれを生じることがない。
これに対して図18および図19に示したような従来の貯留シリンダ方式では、貯留シリンダの根元部に溶融した樹脂が供給されるため、根元部を含めて溶融状態が維持される高温にする必要があり、根元部を水冷することが困難なため、貯留シリンダ取付部材の熱膨張によるTダイの高さのずれを生じていた。

0019

図18および図19に示したような従来の装置に比較して、この実施の形態における可塑化部4は、部品点数が少なくなる。また、図18および図19に示した装置では、可塑化部と注入バルブと貯留シリンダが直交して配置されるので、各々の部材を位置合わせしながら組み立てる必要があるが、実施の形態に係る装置では、シリンダ11の根元部を取付部材10に締結すればよく、位置合わせは一箇所となる。その結果、スクリュやシリンダの分解、清掃組立などのメンテナンスに要する手間と時間を大幅に削減することができる。

0020

図4に示されるように、Tダイ5の近傍に位置するシリンダ11の中間部は、連結機構23とブラケット24を介してベッド9に連結されている。ブラケット24は、例えばリニアガイドなどの直線ベアリングからなるガイドを介してベッド9上に、上下方向を拘束しつつ、前後動自在に連結され、これにより、シリンダ11の熱膨張を拘束することなくシリンダ11の上下方向の剛性を保つことができる。

0021

図5に示されるように、連結機構23は、外輪25と、水平ピン26を介して外輪25に回転自在に取り付けられた内輪27とから形成されており、外輪25はZ軸上下動ステージ28に固定され、内輪27にはシリンダ11が固定されると共にベッド9に対して前後動自在のブラケット24が固定されている。なお、Z軸上下動ステージ28は、図1に示されるZ軸ステージ31に上下動自在に取り付けられ、サーボモータなどにより上下方向(Z軸方向)に位置制御される。また、Z軸ステージ31は、Z軸上下動ステージ28と共に水平方向(X軸方向)に支持台22上に設置されたレールに沿って自由に移動できるように構成されている。

0022

図6に示されるように、Z軸上下動ステージ28により外輪25が上下動すると、内輪27が水平ピン26を中心として回転し、ブラケット24を介してベッド9が揺動することとなる。そして、シリンダ11が昇温して熱膨張すると、ブラケット24がガイドを介してベッド9上を前後動し、これによりシリンダ11を変形させることなく熱膨張を吸収することができる。

0023

また、シリンダ11がブラケット24を介してベッド9に連結されているため、急峻に揺動させようとしたときのモーメントをブラケット24で受けることができ、シリンダ11の撓みが防止される。また、Tダイ5の近傍に位置するシリンダ11の中間部をZ軸上下動ステージ28に連結しているため、塗布反力に対する剛性が向上し、シリンダ11の撓み量を最小にすることができる。
すなわち、揺動に対しても、塗布反力に対しても高い剛性により撓みによるTダイ位置のずれを最少にすることができ、高い塗布精度を持たせることが可能になる。
以上の構造により、温度変化や揺動によるTダイ5の高さ調整の際に捩れや反りを発生しない構造が実現できる。

0024

以上のように構成された製造装置において、成形体は以下のように製造される。すなわち、塗布装置1および成形装置2の全ての機器が調整され、熱可塑性樹脂原料が供給され、運転ができる状態になった時点で、まず、Tダイ5のリップ部の位置の調整を行う。すなわち、成形装置2の金型が開いた状態で、移動架台6のX軸駆動装置7の駆動およびZ軸上下動ステージ28の移動により、Tダイ5のリップ部を前進(X軸方向)させた後、リップ部の下端が固定金型20の表面の所定(成形面)位置および所定距離を所定の隙間を維持して後退する状態を実現し、その運転条件を設定する。

0025

次に、成形装置2の金型が開いた状態で、移動架台6を作動させて固定金型20の成形端までTダイ5のリップ部を前進させ、可塑化部4からTダイ5へ供給された溶融状態の熱可塑性樹脂原料をリップ部から吐出しながら、所定の隙間を維持して所定距離を後退する。所定距離を後退した時点で熱可塑性樹脂原料の吐出を停止し、Tダイ5の先端が少なくとも金型の外部に到達するまでさらに後退し、停止する。すなわち、Tダイ5のリップ部が固定金型20の成形端から手前側まで後退する間に、リップ部から吐出される溶融状態の熱可塑性樹脂原料が固定金型20の成形面(被塗布面)に膜状に塗布される。
なお、塗布の方向は,上記手前側を成形端とし,上記成形端までリップ部を前進させながら塗布してもよい。

0026

さらに、成形装置2において、可動盤駆動装置19を作動させて可動盤16を降下させると、可動金型21が降下して固定金型20と重合し、金型が閉じる。この金型が閉じた状態で、所定押付け力および所定時間によるプレス成形を行う。その後、可動盤駆動装置19を作動させて可動盤16を上昇させる。可動盤16の上昇に伴って可動金型21が上昇し、金型が開く。開いた金型から成形体を取り出し、成形体の製造が完了する。

0027

図1において、Z軸ステージ31には、Z軸上下動ステージ28のX軸方向(塗布方向)およびZ軸方向(塗布高さ方向)の位置を検出する位置センサがそれぞれ設置されている。
ここで、熱膨張によるシリンダ11自体や固定ねじの伸びによる狂いに影響されずにTダイ5の位置を制御する方法について説明する。

0028

Tダイ5の位置の制御には、Tダイ5自体にセンサを取り付けて制御を行うのが理想だが、装置が小型の場合、金型やプレスおよびZ軸走行面等との配置や設置スペース確保の問題があるため難しい。また、接触型センサおよび光学式等の非接触型センサを問わず、200〜300℃に加熱されたTダイ5の近傍では、熱影響によってセンサ検出値ドリフトが生じ、μmオーダーを正確にセンシングすることが困難である。

0029

一方、本発明者等は、起動時(成形開始時)や、温度条件の変更時のインライン射出機構熱挙動を詳細に調査したところ、ホッパ下(樹脂供給部)の水冷部への熱の散逸があるシリンダ根元部が最も安定までに時間を要することを見出した。さらに、定常状態に達した後もシリンダ軸方向への温度差が大きい(水冷部近傍は数十℃〜最も根元のヒータ制御部は百数十℃)ため、シリンダを所定温度に加熱した際の各部の温度の予測が困難(熱膨張量の算出が困難)であるという問題もある。一方、ヒータの加熱が支配する(冷却の影響を受けない)シリンダ操作点(Z軸把持部)からTダイまでの先端部分は速やかに定常状態に達することに加え、定常時の温度分布は小さく、温調用のセンサで検出される各部の温度をシリンダ温度代替することができる。

0030

そこで、以下の方法によりTダイ5の位置を制御することが可能となる。
まず、成形体形成の機構と配置が許す限りにTダイ5に近い位置を上下動のシリンダ11の操作点とする。位置センサでZ軸上下動ステージ28のX軸方向(塗布方向)およびZ軸方向(塗布高さ方向)の位置を検出する。Z軸上下動ステージ28は塗布面を基準に設置されているため、これらのセンサによりシリンダの操作点を正確に検出することができる。次に、この操作点の位置に対し、操作点から見たTダイ5の先端の相対位置を、温度によって伸びを加味して算出し、これが所定の位置となるように制御する。

0031

このように、シリンダ11の先端の比較的熱安定な部分を除く、大部分の熱膨張量さらにはその揺らぎ温度変動)を直接測定して制御基準とすることで、より正確に塗布位置を制御することができる。従来は、架台を前後に移動させるためのX軸用モータのエンコーダで架台の位置を制御していたが、この方法では、シリンダが熱膨張してTダイが前方向にずれてもずれ量を検出することができない。これに対し、Tダイ近傍を把持しているZ軸ステージの位置を検出すれば、熱膨張してシリンダが伸びたときにZ軸ステージが前方向に移動するため、位置がずれた(シリンダが熱膨張して伸びた)ことと、その正確なずれ量を検出することができる。この検出された「ずれ(熱膨張量実測値)」と「シリンダ操作点からTダイまでのずれ(熱膨張量推定値)」から、揺動中心に対するTダイ先端位置の「ずれ(推定値)」を求めて位置が設定位置になるようにX軸モータで架台の位置を制御すれば、熱膨張量によるTダイの位置のずれを最小限に抑制することが可能となる。

0032

この実施の形態においては、Z軸上下動ステージ28のX軸方向(塗布方向)およびZ軸方向(塗布高さ方向)の位置を位置センサでそれぞれ直接検出して、Z軸上下動ステージ28の実際の位置を制御する、いわゆるフルクローズドループ(FCL)制御を行っている。

0033

これに対して、フルクローズドループ制御でない従来の制御法を、例えば図7を参照して説明する。シリンダ11を把持したZ軸上下動ステージ28とZ軸ステージ31とはリニアガイドで上下動可能な状態に把持されており、Z軸上下動ステージ28は、Z軸ステージ31に締結されたサーボモータ32でボールネジ33を回転させることで上下動される。この場合、Z軸上下動ステージ28の位置の検出は、サーボモータ32に内蔵されたロータリーエンコーダで検出される回転角度にボールネジ33のリード(一回転あたりにZ軸上下動ステージ28に固定されたナット34が何mm前後動するか)を乗算することにより行われる。すなわち、サーボモータ32の回転角度のみで検出が行われており、サーボモータ32とカップリングとの滑り微少な回転方向の位置のずれ)、カップリングとボールネジ33との滑り、ボールネジ33とナット34との摩擦、リニアガイドの摺動摩擦などによるZ軸上下動ステージ28の位置のずれは一切検出されない。また、加熱されたシリンダ11からの伝熱によるボールネジ33やZ軸上下動ステージ28の熱膨張の影響も検出されない。この結果、サーボモータ32をいくら精度良く位置決め制御しても、これらの影響に伴うZ軸上下動ステージ28の位置のずれは一切検出されず、繰り返し位置決め精度が損なわれることとなる。

0034

これに対し、フルクローズドループ制御では、図8に示されるように、Z軸上下動ステージ28の位置を検出するセンサ30を装着することで実際のステージ28の位置を検出・制御することが可能となり、上記のようなZ軸上下動ステージ28の位置のずれを最小限に抑えることができる。具体的には、150回の繰り返し位置決め動作中のTダイ5の高さの変動を、安定域で±2μmにすることができる。

0035

また、仮に,カップリングが緩んでサーボモータ32とボールネジ33とが滑る、または位置がずれた場合でも、フルクローズドループ制御であれば、所定の位置にZ軸上下動ステージ28を位置決めすることができる。しかし、フルクローズドループ制御でないと、「ずれ」に気づかずにサーボモータ32で位置決めするため、Z軸上下動ステージ28は本来の位置とはずれた場所に位置決めされることとなる。この結果、Tダイ5と金型とが接触して破損するなど、装置破損に繋がるおそれがある。

0036

位置センサとして、アブソリュート(ABS)型のエンコーダ(スケールを内蔵し、電源FFしても位置のずれを検出できる)を用いることで、装置を立ち上げるたびに各軸の原点を設定する手間は不要となる。さらに、都度原点設定を行うということは、毎回の原点感知位置のずれ(センサの検出精度シーケンサスキャン周期に起因)、シリンダの設定温度(各部の熱膨張量)の影響によるずれ、各部の温度が完全に安定してから原点サーチしたか等のタイミングの違いにより、毎回、位置がずれることになる。そこで、ABS型のエンコーダを搭載することにより、これらの悪影響を排除することが可能となる。

0037

市販されているエンコーダを大別すると、インクリメンタルエンコーダメモリ保持絶対値エンコーダがある。インクリメンタル型は、相対的な位置は検出できるが、それが何mmかという絶対的な位置を把握することができない。そのため、電源投入後、まず原点を決めるための原点設定操作が必要となる。これは、上述したような位置のずれを生じることとなる。また、メモリ保持型絶対値エンコーダでは、電源をOFFした時の位置をメモリに保持し、電源OFFの間は電池等でメモリ値を保持する。原理的には電源投入後の原点サーチは不要となるが、実際には、電源OFF後にシリンダ温度が低下して各部が熱収縮するが、これを検出することはできない。すなわち、次に電源ONすると、実際には各部の熱収縮の影響で電源OFF時とは位置が変わっているにも関わらず、その場所を電源OFFされた時点の座標として認識する。この結果、実際の位置はずれていることになる。これに対し、上記アブソリュートエンコーダは、絶対的なスケールを内蔵しており(原点設定操作不要)、かつ、電源ON/OFFに関わらず絶対的な位置を検出できるため、メモリ保持型のような問題が発生しない。

0038

次に、位置・速度の制御について説明する。
X軸方向の位置は、Z軸ステージ31に位置センサとしてABS型エンコーダを取り付け、揺動機構特有のZ軸上下動に伴うZ軸ステージ31のX軸方向へのずれを検出して、設定された位置になるように制御する。

0039

ベッド9の揺動中心からシリンダ11先端のTダイ5のリップまでの構成要素を模式的に図9に示す。Tダイ5を所望の高さに移動させると、揺動機構特有の問題として、Tダイ5がX軸方向にずれる。Z軸ステージ31に取り付けられたX軸方向の位置センサでの補償動作(制御)がない場合には、図9に示すように、ずれはそのまま放置される。これに対し、X軸方向のずれを検出してフルクローズドループ制御することで、Z軸ステージ31で検出されるX軸方向のずれは補償(元の場所に戻るようにX軸モータが回転して揺動軸が搭載された台車を前進させる)され、Tダイ5のX軸方向のずれは、図10に示されるように、微量となる。図9および図10ではわかりやすいようにZ軸方向の移動とX軸方向の移動を分けて記載したが、実際の動きは、両者が時々刻々連続的に行われる。この結果、Tダイ5のリップ先端は、フルクローズドループ制御がない場合の円弧運動に比べてほぼ直線的に上下動することが可能になる。

0040

これは、従来、塗布開始位置塗布終了位置、金型糸切り位置、Tダイリップ糸切り洗浄位置など、本来はリップの高さだけ変更したい場所であるにも関わらず、X軸方向位置も変わるため、実際にはその場所まで塗布装置を移動させてみないと実際の位置設定が困難であるという設定の煩雑さを大幅に低減することができる。

0041

Z軸方向の位置は、シリンダ11を設定温度に昇温した後、あらかじめZ軸上下動ステージ28のZ方向位置(Zs)と,その時のTダイリップ先端のZ方向位置(Zd)との関係を実測して求めておき、その関係式Zs=f(Zd)に基づいてTダイリップの高さが設定値dsvとなるようなZ軸上下動ステージ28の設定位置Zssvを算出して高さの制御を行う。このようにして行われるZ軸方向の位置制御のフローチャート図11に示す。

0042

次に、シリンダ11(ノズル、Tダイ5を含む)の熱膨張量を考慮したTダイリップ先端のXおよびZ方向位置の位置決め制御方法について説明する。
(1) シリンダ11が水平に保たれた状態を基準として、Z軸上下動ステージ28のシリンダ把持位置室温状態でのX方向位置Xs0およびZ方向位置Zs0を求める。これは、例えば、図面寸法から正確に求めることができる。
(2) 同様にして、Tダイ5先端の室温状態でのX方向位置Xd0およびZ方向位置Zd0を求める。これも、例えば、図面寸法から正確に求めることができる。

0043

(3)昇温に伴うシリンダ11のX方向の熱膨張量は、図12に示されるように、Z軸上下動ステージ28の位置をシリンダ11が水平に保たれる所定のX位置に位置決めした時、X軸サーボモータのエンコーダで検出される揺動中心の位置がどの場所であるかを検出することで求めることができる。すなわち、昇温前に位置決めした時のエンコーダの場所Xm0を記憶しておき,シリンダ11の昇温や設定温度変更など任意のタイミングで位置決めした時のモータエンコーダで検出される揺動軸の位置Xm(t)との差分がシリンダ11の熱膨張量となる。シリンダ11の温度を検出して、材料の線膨張量から熱膨張量を算出する手段もあるが、シリンダ根元部は冷却されているため急峻な温度勾配があり、熱膨張量を正確に算出することは困難である。しかし、この方法によれば、シリンダ11の熱膨張量を正確に測定することが可能となる。

0044

(4)シリンダ11のZ軸上下動ステージ28の把持部からTダイ5までのノズル部、およびTダイ5は、シリンダ11のように急峻な温度勾配を有する部分がないので、初期長さ(厚さ)、各材質線膨張率およびノズルおよびTダイ5の温度制御用に取り付けられた熱電対で検出された温度から、熱膨張量を比較的正確に算出することができる。
(5) 上記より、任意の時刻tでの揺動中心から見たTダイ5の先端のX位置Xd(t)とZ位置Zd(t)、把持位置のX位置Xs(t)とZ位置Zs(t)が求められる。
(6) さらに、上記より、図13に示されるように、揺動中心からの距離(半径)Ls(t)とLd(t)が求められる。
以上(1)〜(6)に記したTダイリップ先端およびシリンダ把持位置の予測方法のフローチャートを図14に示す。

0045

(7) Tダイ5の先端の目標位置(Xdsv,Zdsv)を入力し、まず、図15のようにZ方向だけを考える。揺動中心を基準として角度βだけ回転させると、TダイリップはZd(t)からZdsvに移動する。このとき、幾何学的に下記の関係がある。

0046

0047

(8) 上記より回転角度βが求まると、回転行列の計算によりTダイリップをZd(t)からZdsvに移動させたときのTダイリップの座標(Xd(t)’,Zd(t)’=Zdsv)および把持位置の座標(Xs(t)’,Zs(t)’)が下式で求められる。ここで、Zs(t)’はTダイリップをZdsvに整定させるためのサーボモータに対する設定値Zssvとなる。

0048

0049

(9) 次に、X位置のずれの補正について図16を参照して考える。上式より、Tダイリップ先端の高さを変えたことによるX方向位置のずれΔXd(t)は下式で求められる。このうち、把持位置でのX方向位置のずれΔXs(t)は位置センサで検出され補正される。それでもなお残るずれ量ΔXが、Tダイリップ先端を目標位置にずれなしに整定させるための修正量となる。この結果、Tダイリップの位置を目標値Xdsvにさせるためには、モータに対する設定値Xssvを下式のように補正することでTダイ5の先端は目標とするX位置に整定することとなる。
ΔXd(t)=Xd(t)−Xd(t)’
ΔXs(t)=Xs(t)−Xs(t)’
ΔX(t)=ΔXd(t)−ΔXs(t)
Xssv=Xdsv+ΔX(t)

0050

(10) 上記をまとめると、各部の熱膨張量を考慮して、Tダイ5を目標位置(Xdsv,Zdsv)に整定させるためのサーボモータへの指令値は下式となる。
Xssv=Xdsv+ΔX(t)
Zssv=Zs(t)’
以上(7)〜(10)に記したTダイリップ先端の位置決め制御方法のフローチャートを図17に示す。

0051

なお、位置を検出できるため、その時間微分(時間当たりの差分値)から、同様に速度を制御できることは明らかである。
また、上記フローチャートおよび実施例は回転座標を使って記載しているが、直交座標系による三角関数を用いた演算でも同様な制御アルゴリズム成立することは言うまでもない。

図面の簡単な説明

0052

この発明の実施の形態に係る成形体の製造装置を示す側面図である。
可塑化部とTダイを示す平面図である。
可塑化部とTダイを示す側面図である。
移動架台のベッド上に設置された可塑化部を示す側面図である。
シリンダと連結機構とZ軸上下動ステージを示す正面図である。
ベッドが揺動したときのシリンダと連結機構の様子を示す側面図である。
従来のZ軸ステージを示す正面図である。
実施の形態で用いられたZ軸ステージを示す正面図である。
X軸方向のずれを補償しない場合のベッドの揺動中心からシリンダ先端のTダイのリップまでの構成要素を模式的に示す図である。
X軸方向のずれを補償した場合のベッドの揺動中心からシリンダ先端のTダイのリップまでの構成要素を模式的に示す図である。
Z軸方向の位置制御方法を示すフローチャートである。
シリンダがX方向に熱膨張した場合のベッドの揺動中心からシリンダ先端のTダイのリップまでの構成要素を模式的に示す図である。
シリンダがX方向に熱膨張した場合のベッドの揺動中心からシリンダ先端のTダイのリップまでの構成要素を模式的に示す図である。
Tダイリップ先端およびシリンダ把持位置の予測方法を示すフローチャートである。
揺動中心を基準として角度βだけ回転させた場合のベッドの揺動中心からシリンダ先端のTダイのリップまでの構成要素を模式的に示す図である。
X方向位置のずれの補正を行う方法を模式的に示す図である。
Tダイリップ先端の位置決め制御方法を示すフローチャートである。
従来の装置における可塑化部とTダイを示す平面図である。
従来の装置における可塑化部とTダイを示す正面図である。

符号の説明

0053

1塗布装置、2成形装置、3共通架台、4可塑化部、5 Tダイ、6移動架台、7 X軸駆動装置、8 X軸移動台、9ベッド、10取付部材、11シリンダ、12 ホッパ、13駆動機構、14下部架台、15 下部固定盤、16可動盤、17 上部固定盤、18ガイド棒、19 可動盤駆動装置、20固定金型、21可動金型、22支持台、23連結機構、24ブラケット、25外輪、26水平ピン、27内輪、28 Z軸上下動ステージ、30センサ、31 Z軸ステージ、32サーボモータ、33ボールネジ、34ナット。

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