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JP4365370B2 - 軸を回転及び並進させるための駆動アセンブリ - Google Patents

軸を回転及び並進させるための駆動アセンブリ Download PDF

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Description

本発明は、軸を回転及び並進させるための駆動装置に関する。本発明は、射出成形機の可塑化スクリューを駆動するのに特に有用である。さらに具体的には、本発明は、射出成形機の可塑化スクリューを回転及び往復移動させるための駆動装置であって、スクリューは、中空電気モータによって回転させられるとともに油圧ピストンによって往復移動させられる、駆動装置に関する。
[発明の背景]
可塑化スクリューを駆動及び回転させるために中空モータ及び油圧ピストンを使用することは既知である。しかしながら、既知のシステムのいずれも、可塑化スクリューを長手方向に移動させるために油圧ピストンを使用しながら、可塑化スクリューを回転させるために中空モータの利点を組み合わせることを提案していない。
Stubbeの米国特許第4,105,147号は、電気モータから歯車駆動装置によって回転させられるとともに油圧ピストンによって長手方向に移動させられるスクリュー押し出し機を記載している。スクリューは、スプラインを付けた軸端部を有し、それにより、歯車駆動装置を介して軸を摺動させることができる。
Fanuc Ltd.の米国特許第4,895,505号は、射出スクリューを直線移動させるためのリニアモータを記載している。リニアモータは、モータ電機子に取り付けられた一連の永久磁石であって、周囲の固定子巻線に供給された交流と反応し、それにより、電機子と電機子に取り付けられたスクリュー軸とを直線移動させる、一連の永久磁石を有する。本特許は、スクリュー軸を直線移動させるために、中空モータを使用することを記載している。
1996年7月30日にKrauss-Maffeiに付与された米国特許第5,540,495号は、スクリューを並進移動させるための第1モータと、スクリューを回転させるための第2モータとを有する押し出し機スクリュー駆動部を記載している。記載されている実施形態は、2つの中空モータを示している。スクリューを並進させるための駆動手段及びスクリューを回転させるためのスライド手段は、互いの内部に部分的にはめ込まれている。
Reinhartの米国特許第5,645,868号は、射出ユニット用の駆動装置であって、3つのクラッチを介してスクリュー軸に係合する中空電気モータを有する駆動装置を記載している。1つのクラッチがスクリューを回転させ、第2クラッチはスクリューが前進移動できるようにし、第3クラッチは、スクリューが前進中に回転することを阻止する。油圧ユニットがまったく使用されていない。
Jaroschek他の米国特許第5,747,076号は、スクリューを前進させるためにラック・ピニオン機構を駆動する電気モータを補助するために油圧ピストンを使用する射出成形機を記載している。
1998年9月8日にFanuc Ltd.に付与された米国特許第5,804,224号は、ロータ軸にボールネジを一体状に形成した構造を記載している。それと同軸上に配置されたモータが、ボールネジを回転させる。
1999年4月6日にSumitomoに付与された米国特許第5,891,485号は、2つ中空軸電気モータを有する射出装置を記載している。一方のモータはスクリュー軸を回転させるためのものであり、他方のモータはスクリュー軸を長手方向に移動させる。2つのモータの回転子は軸に連結されている。各回転子は、個別の室内に配置されている。
Kestle他の米国特許第6,068,810号は、油圧の印加によってスクリューの後退及び伸張を可能にするために、ピストンの内部にクイルを有する射出ユニットを記載している。モータが、スプラインを介してピストンに連結されているクイルを回転させ、それにより、スクリューを回転させることができる。モータは、クイルの端部に取り付けられている。
Shearer他の米国特許第6,108,587号は、スクリューを回転させるために歯車を駆動するモータと、スクリューを並進させるための油圧ピストンとを有する射出成形システムを記載している。
Schadの米国特許第6,478,572号は、押し出し機スクリューの回転及び蓄圧器の充圧を行うために単一の電気モータを使用する射出ユニットを記載している。蓄圧器内の圧力は、押し出し機スクリューをストロークさせるように方向付けられる。
米国特許第6,499,989号は、金型からディスクを取り出すための装置を記載している。記載された実施形態では、取り出し軸を回転させるために中空電気モータが使用され、軸を直線移動させるためにリニア電気モータが使用される。中空モータは、ギアボックスを介して軸を駆動し、それにより、軸の速度を変化させることができる。代替形態として、本特許は、軸を直線移動させるために空気圧又は油圧シリンダを使用することもできることを示唆している。記載された実施形態では、リニアアクチュエータが、回転アクチュエータの外に配置されている。これにより、より大型で且つコスト効率が低いアセンブリが提供される。
Emoto他の米国特許第6,517,336号及びEmotoの欧州特許第0967064A1号は、ボールスクリュー軸/スプライン軸ユニットに連結することにより、スクリュー軸を回転させると同時に、軸を前進させる中空電気モータを有する射出成形システムを開示している。スクリューに樹脂を装填するために、別体の計量モータがスクリューを回転させる。ベルト及びプーリ装置を介して回転運動が与えられ、これにより、中空モータ上の回転子から独立的にスクリューを回転させることができる。中空モータ上の回転子は、スクリュー軸のスプライン部分に取り付けられて、スプライン部分を回転させるために使用され、それにより、ボールネジが回転させられてボールナットを駆動し、それにより、軸を長手方向に移動させる。
Emotoの米国特許第6,530,774号は、スクリューを回転させるために電気モータ及び歯車列を使用し、且つスプライン軸連結を介してボールネジ軸を駆動することによってスクリューを長手方向に移動させるために中空軸電気モータを使用する射出成形システムを記載している。
Emoto他の米国特許出願第2002/0168445A1号は、それぞれスクリューの回転及びスクリューの長手方向移動を行うための計量モータ及び中空軸モータも有する射出システムを記載している。
2001年12月12日に公開されたKrauss-Maffeiの欧州特許出願第1162053号は、一方のモータがスクリュー軸を回転移動させ、且つ他方のモータがスクリュー軸を並進移動させる2モータシステムを記載している。モータが個別に又は一緒に動作できるようにするために、クラッチ構造が使用されている。
1986年11月25日に公開されたSumitomoの日本特許第61266218号は、中空モータ、ボール駆動機構及びスプライン軸を使用する2モータ射出システムを記載している。
これらの参考文献は、射出成形機のスクリュー用の電気及び油圧駆動システムの多くの組み合わせを記載しているが、それらは、中空電気モータによるスクリューの位置決めをより良好に制御すること、及び油圧射出ユニットによって与えられる高い射出力という固有の利点を組み合わせるシステムを記載していない。本発明は、電気及び油圧駆動システムの両方の固有の利点を有するコンパクトな射出ユニットを提供する。
[発明の概要]
本発明は、軸を並進及び回転させる新規な駆動ユニットを提供する。本ユニットは、中空電気モータ及び少なくとも1つの流体シリンダと、軸の少なくとも一部分をモータの回転子に接続するための手段とを備える。接続手段は、軸が長手方向に移動できるようにする手段を有する。流体シリンダは軸に連結され、それにより、軸は、モータによって回転され、且つ流体シリンダによって長手方向に移動させられ得る。
本発明の1つの包括的な態様によれば、駆動ユニットは、射出成形機用の射出ユニットの一部であって、射出スクリューを回転させるための中空電気モータと、スクリューを往復移動させるための油圧ピストンとを備える。
特に、本発明は、中空電気モータ及び油圧シリンダを有する、射出成形機用の射出ユニットを提供し、油圧シリンダの第1シリンダ壁が、中空モータの回転子に結合され、油圧シリンダの第2シリンダ壁が、中空モータの静止部分に接続されており、ピストンが、第1及び第2シリンダ壁の内面に沿って摺動可能であって、ピストンの第1端部分は第1シリンダ壁に係合し、且つピストンの第2端部分は第2シリンダ壁に係合し、ピストンを回転させるために、回転手段が回転子に取り付けられ、回転手段は、ピストンがシリンダ壁に沿って摺動できるようにし、第1チャネル手段が、ピストンを前進方向に駆動するために作動流体を供給し、第2チャネル手段が、ピストンを逆方向に駆動するために作動流体を供給し、射出スクリューがピストンの一端部に取り付けられている。
好適な実施形態では、油圧ユニットは、少なくとも部分的に中空モータ内に位置し、それにより、より小型且つよりコンパクトなアセンブリを提供するようにしている。
[好適な実施形態の詳細な説明]
図1は、本発明を簡単な形で示す。図1に示されているように、中空軸モータ45は、ハウジング61と、固定子46と、回転子47とを有する。固定子46は、ハウジング61の壁に取り付けられているように図示されている。回転子47は、シリンダ48上に固定されている。シリンダ48は、その内表面上に形成されたスプライン部分49を有する。シリンダ48上にはめ付けられたインサートを、スプライン部分49の代わりに用いることもできるであろう。スプライン部分49は、ピストン50上のスプライン62(1つを図示)に係合する。ピストン50と一体化しているか又はそれに取り付けられた軸(図示せず)が、モータ45によって回転子47及びピストン50間の相互接続を介して回転させられる。
ピストン50に取り付けられた軸は、シリンダ48の壁の開口51及び52を介してピストン50のヘッドのいずれかの側に流体圧力を加えることにより、長手方向に移動させられる。駆動ユニットを射出成形機内で使用している時、流体は油圧油又はグラファイト水溶液であろう。ピストン50は、スプライン部分49上を摺動し、且つ摩耗リング53a及び液状シール53bによって設けられた軸受け内で回転する。回転子47、シリンダ48及びピストン50のアセンブリ全体は、軸受け63及び64内に回転可能に支持されるとともに軸方向に位置付けられる。
図1は本発明の基本的な概略図を示すが、当業者であれば、本発明による許容可能な駆動ユニットの構造に必要な任意の小さな修正を加えることができるであろう。たとえば、軸を回転可能に保ちながら、軸が摺動できるようにするために、スプライン軸以外の手段を設けることができるであろう。キー溝に沿って摺動する単一のキーを使用することもできるであろう。
次に、射出成形機用の可塑化スクリューに関連して駆動ユニットを説明する。本発明は、射出材料を溶融するためにスクリューを回転させ、且つその材料を金型内へ射出するためにスクリューを相当に大きい駆動力で長手方向に移動させることが必要であるそのようなシステムで使用するのに特に適する。
図2及び図3を参照すると、スクリュー1は、バレル2内にあり、その内部で回転及び軸方向移動することができる。プラスチックペレットなどの射出材料が、開口4を介してスクリュー1に供給される。バレル2は、射出ハウジング3内に取り付けられて、バレル保持プレート5によって所定位置に保持される。ピストン23を回転させてスクリュー1のねじ付き接続部29からピストン23のネジ締めを緩める際に、スクリュー1を所定位置に保持するために工具を受けるようにスロット6が構成されている。ピストンストッパ7が、ピストン23をスクリュー1から後退させている時に工具の回転を阻止するように構成され、且つピストン23の最大伸張位置を決定する。この機構を利用して、必要時にスクリュー1の取り外し及び交換を行うことができる。
ピストン23の前部分は、ピストンリング45を介してシリンダ壁18と接触している。スクリュー1が前進及び後退する時、ピストン23は壁18に沿って軸方向に移動する。スプラインスロット17がスプラインインサート15内を摺動し、それにより、ピストン23が長手方向に移動できるようにする。
中空モータ30は、ピストン23を、したがってピストン23に取り付けられているスクリュー1を回転させる。コネクタボックス8が、ワイヤチャネル9を介してモータ30に電力を供給する。固定子12を励磁し、それにより、回転子16を回転させる。モータ30は好ましくは、永久磁石回転子を有するが、ピストン23及びスクリュー1を回転させるために、任意の中空電気モータを使用することができるであろう。回転子16は、シリンダ壁18に焼きばめされる。回転子16及び壁18が一体化して移動する限り、回転子16を任意の他の方法で壁18に取り付けることができる。スプラインインサート15は、ボルト44によってシリンダ壁18に連結されている。スプラインインサート15は、ピストン23の外壁上の(図4に最もわかりやすく示されている)スロット17に係合する。これにより、回転子16が回転すると、シリンダ壁18及びピストン23も回転し、そのため、シリンダ壁18及びピストン23間に相対回転移動がまったくなくなる。
モータ30を冷却できるようにするために、冷却チャネル10がモータハウジング11内に設けられている。
ピストンヘッド24が、ボルト31によってピストン23の後端部に取り付けられており、領域32及び33間に複数のチャネル開口37を有する(図2A及び図4を参照)。これにより、ピストン23の厚さを最小にすることができる。ピストンヘッド24は、ピストンリング45aによってシリンダ壁22上を回転及び摺動する。油圧油などの作動流体が後ハウジング26内の作動流体チャネル25を通って領域32及び33に供給され、それにより、材料を金型内に射出するためにピストン23及びスクリュー1を前方へ推進することができる。
ピストン23及びそれに取り付けられたスクリュー1は、当業者には既知のようにしてスクリュー1のヘッドに材料が蓄積することによって後退させられる。溶融物内のボイドを防止するために、領域32を介してピストン23の内孔側に低圧が加えられる。領域34及び35間を確実に流体連通させるために、スロット38(図2Cを参照)がスプラインインサート15に設けられている。
シリンダ壁18は、転がり軸受けレース13及び14内に支持され、それにより、最小限の摩擦損失でアセンブリを容易に回転させることができる。転がり軸受けレース13は端板41内に支持され、軸受けレース14はリング89によって支持されている。
合いくぎ(ドエル)27が、モータハウジング11から端板41及びシリンダリング36内へ延出している。合いくぎ27は、回転子16及びピストン23の回転によって生じる回転圧力の結果として端板41及びシリンダリング36がモータ固定子12に対して回転してしまうことを防止する。
合いくぎ(ドエル)28が、後ハウジング26からシリンダ壁22内へ延出し、それにより、ピストンヘッド24の回転に応答してシリンダ壁22が回転してしまうことを防止することができる。
シリンダ壁22は、シリンダリング36及び後ハウジング26にシール係合した状態にある。これらのシールは半径方向応力を受けるだけであるので、それらは、半径方向及び軸方向の両方の応力を受けるシールより漏れ又は破断を生じにくい。
タイバー19が、後ハウジング26からバレル保持プレート5及びハウジング3まで延在し、それにより、駆動部アセンブリ全体を締め合わせる。
テンポソニックロッド(temposonic rod)20が、後ハウジング26に取り付けられて、ピストンヘッド24の開口を通って延出している。射出成形分野の熟練者(当業者)には十分に理解されるようにして、ピストンヘッド24上の磁石アセンブリ21がピストンヘッド24の移動に応答し、それにより、ピストンヘッド24の、したがってスクリュー1の位置を表す信号をロッド20を介して送ることができる。
スクリュー1の回転速度及び位置は、サーボモータ制御の技術分野では十分に理解されているようにしてタイミングベルト39及びエンコーダ40によって決定される。
作用を説明すると、ポート25を介して領域32を加圧する。これにより、ピストン23及びそれに取り付けられた射出スクリュー1を前進させる。スクリュー1の前方のプラスチックが、金型キャビティ内に射出される。射出の終了時に、短期間にわたって領域32が比較的低圧に保持される。次に、領域32の圧力を抜き、且つ領域35を加圧し、それにより、ピストン23が短距離だけ後退する。中空モータ30をオンにして、ピストン23及びそれに取り付けられたスクリュー1を回転させ、それにより、開口4を通してスクリュー1に供給されたプラスチックペレットを溶融する。この期間中、領域32内を比較的低圧に保ち、それにより、ボイド及び気泡が溶融液内に形成されることを阻止する必要があり得る。スクリュー1が所定位置まで後退した時、モータ30を停止させる。溶融圧力を逃がすために、スクリュー1をさらに後退させてもよい。スクリュー1が十分に後退した後、次の射出サイクルが開始され、射出処理が繰り返されて溶融物が金型キャビティに送られる。
図5は、本発明のさらなる実施形態を概略的に示す。本実施形態では、回転子54がピストン55に固着され、且つピストン55のストロークの長さと固定子56の幅とを合わせた長さと少なくとも同じ幅を有する。ピストンヘッド57は、シリンダ58内で往復移動する。
シリンダ58は、単一の流体入口159を有するように図示されている。第2入口を設けることができるが、一部の用例では、第2入口が必要とされないことがあり得る。たとえば、射出成形機の可塑化スクリューの場合、スクリューの端部にプラスチック射出材料が蓄積することにより、ピストンをその射出位置に戻すために十分な圧力をスクリューに加えることができる。
本実施形態は、モータ全体を駆動部の油圧部分の外に保持するという利点を有し、且つピストン55が軸受け59及び60上で回転及び並進自在であるので、スプライン軸連結の必要がなくなる。
図5に示された実施形態はさらに、固定子56をより長くし、且つ回転子54をより短くする修正を加えることができるであろう。駆動ユニットは同様に動作するであろうが、回転子54が小型化されることにより、ピストン55にかかる重さが減少するとともに、モータのコストが低減する。
図6A及び図6Bに示されている本発明の実施形態では、駆動シリンダが中空モータを取り囲んでいる。静止シリンダハウジング70が、軸受け72及び73上に非回転ピストン71を支持している。軸受け72及び73は、ピストン71が長手方向に移動できるようにする。ハウジング70及びピストン71は、ピストン室74を形成している。トロイダルピストン面75がピストン71から延出し、それにより、アセンブリの長手方向移動のための駆動面を設けている。ピストン面75は、ピストンリング88によって取り囲まれている。
中空モータの固定子76は、モータの回転子77と協働する関係で、ピストン71の内面に取り付けられている。回転子77は、軸78に取り付けられている。
この構成により、中空電気モータの回転子77を回転させ、それにより、軸78を回転させる。軸78は、軸受け79によって支持され、且つその中で回転する。
ピストン面75のいずれかの側に流体圧力を加えると、ピストン71、固定子76、回転子77及び軸78のアセンブリ全体が長手方向に移動する。
図6Aは、軸78を後退位置に示している。図6Bは、軸78をその伸張位置に示している。
図6A及び図6Bに示されている構成は、長さが短くなるという利点を有するが、アセンブリのより大きい部分を長手方向に移動させることが必要である。本実施形態はまた、スプライン軸又は同等の手段が必要でなくなるようにする。
図7及び図7Aは、図6A及び図6Bに示された実施形態の修正例を示し、これでは、単一のトロイダルピストンを有する代わりに、2つの個別ピストンが設けられている。本実施形態では、ピストンが固定されて、シリンダが並進する。
図7に示されているように、軸80は、軸受け81及び82によって支持され、且つそこにおいて回転する。固定子巻線83がハウジング84に固定されている。ハウジング84はまた、それぞれシリンダ187及び188内にピストン85及び86を囲い込んでいる。ピストン85及び86を当該技術分野では十分に理解されているようにして駆動するために、シリンダ187及び188に通じる流体接続部(図示せず)が設けられている。中空電気モータの回転子87は、軸80に固定されている。
作用を説明すると、固定子83を励磁することにより、回転子87を回転させ、それにより、軸80を回転させる。ピストン85及び86に流体圧力を加えることにより、ハウジング84を長手方向に移動させる。ハウジング84の長手方向移動により、固定子83、回転子87及び軸80も長手方向に移動させる。
図7に示された実施形態は、コンパクトであり、且つ単一の大きいトロイダルシリンダ又はスピンドル駆動部を必要としない。しかしながら、図7に示された実施形態は、中空モータ及びシリンダを含むハウジングアセンブリ全体を長手方向に移動させることを必要とする。
本発明の適当な実施形態の選択は、対処すべき用途の要件によって決定されるであろう。たとえば、限られた長さしか利用できない場合、図6A及び図6B又は図7に示された実施形態が選択されるであろうが、軸にかかる重さが問題になる場合、他の実施形態がより良好に適するであろう。
上記発明の詳細な説明は、本発明を実施する最良のモードを説明するものであり、且つ部品の形状、寸法、構成及び作動の詳細等に変更の余地があるものであり、本発明が上記の説明に制限されないことは、当業者によって理解されるべきものである。本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲に入るそのような変更のすべてを包含するものである。
本発明による基本的な駆動ユニットの概略断面図である。 射出成形機用の駆動ユニットの好適な一実施形態の、駆動ユニットが伸張位置にある場合の側部断面図である。 図2に示された駆動ユニット用のピストンヘッドの断面図である。 図2に示された駆動ユニットのピストンに通じる油圧供給チャネルを示す部分断面図である。 ピストン及びスプラインインサートの一部分の断面図である。 タイミングベルト及びエンコーダの断面図である。 射出成形機用の駆動ユニットの好適な実施形態の、駆動ユニットが後退位置にある場合の側部断面図である。 好適な駆動ユニットのピストン及びスプラインインサートの斜視図である。 本発明の別の実施形態の概略断面図である。 駆動シリンダが中空モータを取り囲んでいる本発明の別の実施形態の断面図である。 駆動シリンダが中空モータを取り囲んでいる本発明の別の実施形態の断面図である。 本発明のさらなる実施形態の側部断面図である。 図7に示された実施形態の、断面線7A−7Aに沿った断面図である。

Claims (12)

  1. 射出成形機用の射出ユニットであって、該射出ユニットは、
    中空電気モータと、
    該中空電気モータの回転子に結合されている第1油圧シリンダの第1シリンダ壁と、
    該中空電気モータの静止部分に接続された第2油圧シリンダの第2シリンダ壁と、
    該第1シリンダ壁と係合する第1端部と、該第2シリンダ壁と係合している第2端部とを有し、該第1シリンダ壁及び該第2シリンダ壁の内面に沿って摺動可能なピストンと、
    該回転子に装着されていて、該ピストンを回転可能とさせかつ該ピストンが該第1シリンダ壁及び該第2シリンダ壁の内面に沿って摺動可能となるように構成されている、回転構造部と、
    該ピストンを該第1シリンダ壁及び該第2シリンダ壁の内面に沿って駆動させる作動液を供給するようにされている構成部と、
    射出スクリューを該ピストンに装着するように構成された構成部とを備え、
    該ピストンは、油圧駆動された際に、該第1シリンダ壁及び該第2シリンダ壁の内面に沿って長手方向に摺動し、該中空電気モータが作動して該回転子を回転させた際に、該ピストンは該回転構造部によって回転する、射出成形機用の射出ユニット。
  2. 前記回転構造部は、前記ピストン上のスプラインと係合するスプラインインサートを含む、請求項1に記載の射出ユニット。
  3. 前記回転構造部は、前記第1シリンダ壁を含む、請求項1または2に記載の射出ユニット。
  4. 前記第2シリンダ壁は、前記第1シリンダ壁より大きい径を有している、請求項1または2に記載の射出ユニット。
  5. 前記ピストンの回転位置と回転スピードとを検出する検出構造部を更に備える、請求項1又は2に記載の射出ユニット。
  6. 前記ピストンの回転位置と回転スピードとを検出する検出構造部を更に備え、該検出構造部は、タイミングベルトとエンコーダとを含む、請求項1又は2に記載の射出ユニット。
  7. 前記ピストンの第1又は第2端部に取り付けられていて、前記ピストンの対応するシリンダ内における長手方向の位置を検出するためのテンポソニックロッドを更に備える、請求項1または2に記載の射出ユニット。
  8. 前記第2シリンダ壁と前記第2シリンダの後側ハウジングとの間に配置されている合いくぎ手段を更に備え、該合いくぎ手段により前記後側ハウジングに対する前記第2シリンダ壁の回転が防止される、請求項1又は2に記載の射出ユニット。
  9. 前記中空電気モータのハウジング部材と該ハウジング部材を支持するシリンダリングとの間に配置された合いくぎ手段を更に備え、該合いくぎ手段は、該シリンダリングに対するモータ固定子の回転を防止する、請求項1又は2に記載の射出ユニット。
  10. 前記回転子は、前記第1シリンダ壁に嵌合されている、請求項1又は2に記載の射出ユニット。
  11. 前記第1シリンダ壁は、転がり軸受けレース上で回転する、請求項1又は2に記載の射出ユニット。
  12. 前記第1油圧シリンダは、前記中空電気モータ内に少なくとも部分的に配置されている、請求項1に記載の射出ユニット。
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