JP6848595B2 - 液体吐出装置および樹脂成形体製造システム - Google Patents

Description

本発明は、液状着色剤等の液体をピストンの往復運動により吐出する液体吐出装置に関し、特に原料樹脂を溶融混練して吐出し、所望の色合いの成型品を形成する射出成形機や押出成形機等の溶融吐出機に対して液状着色剤等を注入することができる液体吐出装置に関する。

種々の形状や種々の色合いを有するプラスチック材料の成形には、色むらを発生させず、また所望の発色が安定して得られるようにマスターバッチや樹脂コンパウンドが用いられている。これらの原料は予め樹脂を着色しているため、溶融して所望の型に射出したり、溶融樹脂を所定形状のノズルから押し出したりすることで着色されたプラスチック製品を製造することができる。

しかしながら、同色の製品を多量に製造する場合には好適であるが、色揃えが豊富な少量の製品を製造する等の場合には、マスターバッチや樹脂コンパウンドは事前に調色して作製しておくことが必要なため、少量の需要に対しては単価が高くなり、原料の調達が直ぐにはできないという欠点があった。また、溶融吐出機の色替え操作にも新色のマスターバッチ等を多量に使用するため色替えが困難であった。溶融吐出機の運転を工夫して効率良く色替えを行う技術については、例えば特開２０１２−１４３９６０号公報（特許文献１）に記載がある。

こうした従来技術に対して、色替えが簡単にでき原料の調達も容易な技術を利用できれば便利であるため、マスターバッチや樹脂コンパウンドに代えて無色または白色の原料樹脂を準備しておき、これに所望の液状着色剤を混練し射出する技術を検討してきた。

こうした技術に対する課題は、予め所望の色味がつけられている場合と違い、所望の製品量に応じてその都度、適応量の液状着色剤を混合するため、ロット毎に色味が異なり、安定して所望の色合いを得ることが難しいということがあったが、本発明者らは所望の色合いが安定して得られる装置を開発した。この装置に関する技術は特開２０１７−１３３８号公報（特許文献２）として開示されている。この技術を用いれば色替えが容易で少量のロットにも対応できる。

特開２０１２−１４３９６０号公報 特開２０１７−１３３８号公報

その後、本発明者らはさらに開発を続け、ロット毎に色味が異なり、安定して所望の色合いを得ることが難しいという課題を解決することに加え、より使い易く、さらに高精度で色むらの発生し難い着色成形体を得ることができる装置を提供することを目的として本発明を完成した。

本発明は次の構成を有する。
ピストンの往復運動により液体を吐出する液体吐出装置であって、当該ピストンを備える液体吐出部と、往復運動を生じるリニアアクチュエータと、一方端に当該ピストンを連結し、他方端にリニアアクチュエータを連結するとともにその中間位置で回転支軸によって支持されてリニアアクチュエータの起こす往復運動をピストンに伝達する揺動アームと、液体を一時的に保持するとともに液体吐出部に液体を注入するシリンジと、を有する液体吐出装置である。

ピストンの往復運動により液体を吐出する液体吐出装置であり、当該ピストンを備える液体吐出部を有するため、この液体吐出部から液滴を断続的に噴射することができる。それにより吐出量の調整を精度よく行うことができる。往復運動を生じるリニアアクチュエータを有するため、リニアアクチュエータで発生させた往復運動をそのままピストンの往復運動に利用することができる。そして、一方端に当該ピストンを連結し、他方端にリニアアクチュエータを連結するとともにその中間位置で回転支軸によって支持された揺動アームを備えるため、リニアアクチュエータとピストンとをその運動方向とは垂直の方向に離して配置することができ、装置の設置の際に、横方向の設置空間を利用することができる。また、揺動アームの回転支軸の位置を適宜選択して決定することによりリニアアクチュエータの往復運動を増幅または低減させてピストンに伝達することができる。

さらに、液体を一時的に保持するとともに液体吐出部に液体を注入するシリンジを有するため、液体を貯留する液体タンクとは別に液体を貯留することができ、液体吐出装置を運転している最中にも液体タンクの取替えが可能となる。また、シリンジに連結するエア装置により、シリンジ内に所望の圧力を連続して加えることができるため、液体吐出部へ安定して定量的に液体を送ることができる。

前記液体を保持する液体貯留部と、この液体貯留部とシリンジと液体吐出部との三方に通じる三方弁とを備える液体吐出装置とすることができる。
前記液体を保持する液体貯留部を有するため、必要な液体を液体貯留部に蓄えて保持しておくことができる。また、この液体貯留部とシリンジと液体吐出部との三方に通じる三方弁を備えるため、三方弁の切換えでシリンジから液体吐出部へ液体を送るだけでなく、シリンジから液体貯留部へ液体を戻す管路を設定することができる。

シリンジ内のプランジャーに往復運動を起こさせるエア装置を備える液体吐出装置とすることができる。
シリンジ内のプランジャーに往復運動を起こさせるエア装置を備えるため、シリンジ内を押圧しまたは吸引することができる。これにより、シリンジ内に液体を吸引し、シリンジから外に液体を押し出すことができる。

溶融吐出機と連動させて液体の吐出を制御する制御装置を備える液体吐出装置とすることができる。
溶融吐出機と連動させて液体の吐出を制御する制御装置を備えるため、溶融吐出機の原料の供給に連動させて液体吐出装置の液体吐出量を制御できるため、色むらや色濃度のばらつきの少ない着色成形体を製造することができる。

上記何れか一の液体吐出装置と溶融吐出機とを備える樹脂成形体製造システムとすることができる。
上記何れか一の液体吐出装置と溶融吐出機とを備える樹脂成形体製造システムとしたため、樹脂固形物に液状着色剤や添加剤などの必要な液体を好適なタイミングで加えることができ、加えた液体をむらなく均一に混合した樹脂成形体を製造することができる。

本発明の液体吐出装置によれば、取扱い性に優れ、高精度に液体の吐出量、吐出時間を制御することができる。また、色むらや濃度むら等の分散性の悪化が発生し難い混合物を得ることができる。
また、本発明の液体吐出装置および樹脂成形体製造システムによれば、マスターバッチ等を用いずに液状着色剤を用いることで成型品製造時の色替えを容易にすることができ、色むらや濃度むら等の分散性の悪化が発生し難い樹脂成形体を製造することができる。

液体吐出装置の概略説明図である。 液体充填部の概略説明図である。 エア装置のブロック図である。 揺動アームの動きを説明する模式図である。 溶融吐出機に液体吐出装置を付設させた説明図である。 原料樹脂の通過路に設けた注入口部分の説明図である。 液体吐出装置と溶融吐出機と制御装置の関係を示すブロック図である。

本発明について実施形態に基づいてさらに詳しく説明する。
＜液体吐出装置＞
本実施形態では、原料樹脂を溶融し吐出する射出成形機や押出成形機等の溶融吐出機に対して、液状着色剤に代表される液体を供給する液体吐出装置について説明する。

図１には液体吐出装置１の概略図を示す。この図で示すように、液体吐出装置１は、往復運動を行うピストン１１と、液状着色剤を吐出させる吐出口１２とを有する液体吐出部１０と、このピストン１１に往復振動を起こさせるボイスコイルモータ等のリニアアクチュエータ２１からなる動力発生部２０と、一方端３１ａにピストン１１を連結し、他方端３１ｂにボイスコイルモータ２１の往復振動子２２を連結し、その中間位置で回転支軸３２によって支持されてこの回転支軸３２を回転中心として揺動する揺動アーム３１を備える動力変換部３０と、液状着色剤Ｌを保持する液体タンク４１を有する液体貯留部４０と、液状着色剤Ｌを一時的に保持するとともに液体吐出部１０に液体を注入するシリンジ５１を有する液体充填部５０と、液体貯留部４０と液体充填部５０と液体吐出部１０との三方を繋ぐ三方弁６１を有する切換部６０とを有している。

液体貯留部４０は、予め準備した所定の色味を有する液状着色剤（リキッドカラー）Ｌを蓄えておく液体タンク４１を有しており、この液体タンク４１からは後述する切換部６０に連なる配管４２が繋がっている。液体タンク４１は、固定のタンクを常置することもできるが、パウチ容器やボトル容器等の利用が可能であり、それ自体をパッケージとして色ごとに取替可能にすることができる。貯留する液状着色剤Ｌには、所望の色味を有する調色済みの液状着色剤としても良いが、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの４色を別々の液体タンク４１として備えておくこともでき、さらにこれ以外の色味の液状着色剤Ｌを備えるものとすることもできる。

液体充填部５０は、図２で示すように、シリンジ５１で形成されており、シリンジ５１には、後述するエア装置に通じるエアバルブ５２と、シリンジ５１内をピストン運動するプランジャー５３とを有している。エアバルブ５２を開き、後述するエア装置でシリンジ５１内を吸引することで負圧にし、プランジャー５３を引き上げることで液体タンク４１に入った液状着色剤を吸引する。そして、流入させた液状着色剤をシリンジ５１内で一時的に保持する。また、液体吐出装置１の外部に液状着色剤を吐出する際にはエア装置からエアを流入させ、シリンジ５１内に所定の圧力をかけて、シリンジ５１内から一時的に保持した液状着色剤を流出させる。

シリンジ５１内に圧力を付加したり吸引したりするエア装置７０は、図３のブロック図で示すように、コンプレッサ７１と、エアレギュレータ７２と、切替弁７３と、真空発生装置７４とを有している。また図３において、エアの移動する向きを矢印で示す。コンプレッサ７１で発生させたエアは、エアレギュレータ７２でその圧力を弱め切換弁７３に送られる。その後、切換弁７３からエアバルブ５２に送られれば、プランジャー５３を押圧してシリンジ５１内の液状着色剤Ｌを吐出させることができる。一方、切換弁７３を切換えて真空発生装置７４にエアが送られれば、そのエアは真空発生装置７４から外部に放出されるときにエアバルブ５２側に対して負圧を発生させ、これによりシリンジ５１内を負圧にしてプランジャー５３を引き上げ、シリンジ５１内に液状着色剤Ｌを吸引することができる。

図１に戻って、液体吐出部１０は、ニードルバルブと同様の構成を備える吐出バルブであり、液状着色剤の出口となる吐出口１２と、この吐出口１２を開閉する往復運動を行うニードル弁体であるピストン１１と、後述する三方弁６１に通じる管路ｔ３に対して連通し吐出口１２に至るアウトレットスペース１３とを有している。ピストン１１の吐出口１２側は先端が細く形成されており、弁座となる吐出口１２を開閉できるようになっている。一方、吐出口１２とは反対側は後述する揺動バルブ３１に対して回動自在に連結され、ボイスコイルモータ２１で発生させた動力が連動するようになっている。

こうした吐出バルブ１０では、シリンジ５１から液状着色剤Ｌがアウトレットスペース１３に入り、ピストン１１の往復運動にしたがって、吐出口１２が開閉することで、アウトレットスペース１３から外部へ液滴を排出する。吐出バルブ１０からは、０．１ｍｇ／秒〜１００ｇ／秒の液体を吐出させることができる。吐出口１２の周囲にはヒータ（図示せず）を設けることができる。液状着色剤Ｌが温度の影響を受けて粘度が変わり、吐出量変化が起きるのを防止するためである。

動力発生部２０は、ボイスコイルモータなどの直線運動を生じさせるリニアアクチュエータ２１からなり、吐出口１２から液状着色剤Ｌを吐出させるためにピストン１１をピストン運動させる動力を発生させる部位である。あるいはまた、ボイスコイルモータ以外でもコンプレッサからのエアを電磁弁で瞬時に出力先を切り換えてエアによる圧力でピストン運動させる動力を発生させる機器であってもよい。但し、高速、高精度な制御が要求されるためボイスコイルモータを用いることは好ましい。このボイスコイルモータ２１の周波数は、０．０１〜１０，０００Ｈｚに設定することができ、１０〜５００Ｈｚ程度で利用する頻度が高い。

動力変換部３０は、揺動アーム３１を有してなり、ボイスコイルモータ２１で発生させた動力を吐出バルブのピストン１１に伝達するとともに、その動力を増幅または減縮させる機能を有する部位である。換言すれば、ボイスコイルモータ２１などによって発生させた振動をピストン１１に伝達し増幅または減縮させる部位である。

揺動アーム３１は、その中間位置で回転支軸３２によって軸支される一方で、その一方端３１ａでは液体吐出部１０のピストン１１を軸支し、他方端３１ｂではボイスコイルモータ２１の往復振動子２２を軸支している。より具体的な一態様としては、揺動アーム３１の両端をコ字状に突出形成し、その部分に穴を設けておき、また往復振動子２２の端部にはピンを貫通させておく。そして、コ字状の間に往復振動子２２を挟むとともにコ字状部分に設けた穴に往復振動子２２を貫通させたピンを通す。こうすることで、このピンを中心に往復振動子２２と揺動アーム３１のそれぞれが回動できるようになる。ピストン１１についても往復振動子２２と同様にして揺動アーム３１の反対側端部と連結させる。

揺動アーム３１は、図４の模式図で示すように、往復振動子２２との結合軸３１ｃから回転支軸３２までの距離（長さ）Ｗ１よりも、ピストン１１との結合軸３１ｄから回転支軸３２までの距離（長さ）Ｗ２を長くしている。このように距離をとることで往復振動子２２の振動ストローク（振幅）よりもピストン１１の振動ストロークを大きくすることができ、往復振動子２２の小さな動きからピストン１１の大きな動きを導いている。そして、距離Ｗ１と距離Ｗ２の比率を適宜変えることでリニアアクチュエータ２１の条件を変えずともピストン１１の運動能を変更することができる。

切換部６０は、三方弁６１と、この三方弁６１に連通する管路ｔ１〜ｔ３とからなり、各管路ｔ１〜ｔ３を開閉して液体の流れる方向を変換する機能を有する部位である。管路ｔ１は液体タンク４１に繋がる配管４２に通じており、管路ｔ２はシリンジ５１に通じており、管路ｔ３は吐出バルブ１０のアウトレットスペース１３に通じている。管路ｔ３を閉じ、管路ｔ１と管路ｔ２を開くことで、液体タンク４１からシリンジ５１に液状着色剤Ｌを移動してシリンジ５１に液状着色剤Ｌを蓄え、また反対に、シリンジ５１内に余った液状着色剤Ｌを液体タンク４１に戻すことができる。あるいはまた、管路ｔ１を閉じ、管路ｔ２と管路ｔ３を開くことで、シリンジ５１から吐出バルブ１０に液状着色剤Ｌを送り、また反対に、アウトレットスペース１３に余った液状着色剤Ｌをシリンジ５１に戻すことができる。こうした三方弁６１には、直動式の電磁弁を利用した三方弁を用いることができる。

次に、液体吐出装置１による液状着色剤の供給について説明する。最初にシリンジ５１内への液状着色剤の貯留を行う。三方弁６１の管路ｔ３側を閉じ、管路ｔ１と管路ｔ２側を開放する。エア装置７０を起動してシリンジ５１内を吸引しプランジャー５３を引き上げることで液体タンク４１からシリンジ５１へ液状着色剤を流入させる。次に、三方弁６１は管路ｔ１側を閉じ、管路ｔ２と管路ｔ３側を開放する。また、エア装置７０の管路を切り換えて一定の圧縮エアをシリンジ５１内に送るとともにボイスコイルモータ２１を起動させ、ボイスコイルモータ２１の高速な往復運動を吐出バルブのピストン１１の往復運動に変換する。すると、液状着色剤Ｌは、シリンジ５１内から三方弁６１を通ってアウトレットスペース１３に流れ込み、ピストン１１による吐出口１２の開閉動作に応じて吐出口１２から外部に吐出される。

連続運転中に、シリンジ５１内の液状着色剤Ｌの残量が設定値まで減少した場合は、後述する溶融吐出機において原料樹脂の供給が停止しているタイミングで三方弁６１を切り替え、液体タンク４１からシリンジ５１内へ液状着色剤Ｌを流入させ、シリンジ５１内を満たすことで連続運転に対応することができる。

着色成形体の製造が終了し液状着色剤の吐出が完了すると、プランジャー５３を引き上げ吐出バルブ１０内に残った液状着色剤をシリンジ５１内に戻す。次に三方弁６１を切り換えて吐出バルブ１０側は閉鎖し液体タンク４１側を開放する。そして、プランジャー５３を押し下げてシリンジ５１内の液状着色剤を液体タンク４１内に戻す。こうして一連の作業は完了する。
色替えを行うにはボイスコイルモータ２１と揺動アーム３１との連結を解き、ボイスコイルモータ２１以外の部分をセットとして取り替えることによって行うことができる。また、液体タンク４１を液状着色剤が入った容器から洗浄液が入ったものに代え、装置を動かすことで、シリンジ５１、吐出バルブ、管路内を洗浄するようにしても良い。

＜溶融吐出機＞
これまでに説明した液体吐出装置１は、図５で示すように、既存の溶融吐出機Ｆに付設して用いることができる。溶融吐出機Ｆとしては、射出成形機や押出成形機、ブロー成型機、真空成型機、圧空成型機等を挙げることができ、原料樹脂を溶融し吐出する機能を備えている装置であればこれらの装置に限定されず、特定の種類や形状についても限定されない。また、既に液状着色剤を注入可能としている溶融吐出機Ｆであっても良い。

溶融吐出機Ｆへの液状着色剤Ｌの注入は、図５で示すように、ホッパーＦａから供給される原料樹脂の通過路Ｆｂ内に突入する注入口Ｆｃを設け、この注入口Ｆｃに吐出バルブ１０の先端を入れて液状着色剤Ｌを吐出することが好ましい。原料樹脂の通過路Ｆｂの中央で液状着色剤Ｌが混合されるようになるからである。また、図６で示すように、原料通過路Ｆｂ内には、原料が吐出バルブ１０に直接当たらないようにする庇板Ｆｄ等を設けることも可能である。このように液体吐出装置１の溶融吐出機Ｆへの組み込みは原料通過路Ｆｂの改良だけで行うことができ、溶融吐出機Ｆの最小限の変更で液体吐出装置１を組み付けることができる。

＜制御装置＞
図７のブロック図で示すように、液体吐出装置１は、既存の溶融吐出機Ｆに制御装置８０を組み合わせて用いることが好ましい。制御装置８０を有することで、原料樹脂の供給と液状着色剤Ｌの供給とをリンクさせて着色成形体の製造を自動化することができる。これにより、コンピュータ制御による液体吐出装置１と溶融吐出機Ｆとの連動により、微量・定量・均一な着色が可能となる。

制御装置８０は、パーソナルコンピュータやクラウド型のコンピュータなどからなり、ＣＰＵ等の演算処理装置８１とプログラムを格納したメモリ８２と、操作者が液体吐出装置１の運転に必要な種々の情報を視認し、記録する表示入力部８３とを備えている。メモリ８２にはまた、液体吐出装置１から吐出する液状着色剤Ｌの量を調整するためのプログラムが格納されている。この制御装置８０は、溶融吐出機Ｆと液体吐出装置１とに制御信号の授受が可能なように接続している。

表示入力部８３には所望の着色成形体を得るために必要な要素を表示し、操作者が簡単にタッチ入力できるようしている。表示項目の一例として、製造する着色成形体の重量、原料樹脂量、原料樹脂の単位時間当たりの投入量、溶融吐出機Ｆから排出される製品樹脂の単位時間当たりの吐出量、原料樹脂に対する液状着色剤の配合比率、液状着色剤の供給時間、液状着色剤の供給量、吐出口から吐出される液状着色剤の１滴当たりの吐出重量、単位時間当たりの吐出回数、停止時間等を挙げることができる。

操作の一例を挙げれば、表示入力部８３の品質設定画面から製造する着色成形体の製品名と、液状着色剤Ｌのカラー品番、製造する製品重量、液状着色剤Ｌの供給量等を入力し、メンテナンス画面からシリンダー５１への充てんを指示し、運転画面に移って運転を指示すると、制御装置８０が必要な演算処理を行い、溶融吐出機Ｆからの原料の通過に合わせて液体吐出装置１から液状着色剤Ｌの供給を行い、着色成形体を製造する。

表示入力部８３には液状着色剤Ｌの供給時間や、原料樹脂に対する液状着色剤Ｌの配合比率、吐出口１２の単位時間当たりの吐出回数、１回の吐出時の吐出量、１回の吐出時の吐出口１２の開放時間等が表示されるので、製造された着色成形体の色味を観察して、温度の変化による色むらや色のばらつきなどがあれば、必要により各種の制御量を調整してキャリブレーションを行う。製品の製造が終了すれば、メンテナンス画面から液状着色剤Ｌの回収を指示すれば、残った液状着色剤Ｌは液体タンク４１に戻る。

上記実施形態は本発明の一例であり、こうした形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に反しない限度において、各装置の構成、形状、材質等の変更、取り替えを行い得るものである。
例えば、上記説明では液状着色剤Ｌを用いた例について説明したが、液状着色剤Ｌ以外でも液体の材料であれば利用可能である。

１ 液体吐出装置
１０ 液体吐出部（吐出バルブ）
１１ ピストン
１２ 吐出口
１３ アウトレットスペース
２０ 動力発生部
２１ ボイスコイルモータ（リニアアクチュエータ）
２２ 往復振動子
３０ 動力変換部
３１ 揺動アーム
３１ａ 一方端
３１ｂ 他方端
３１ｃ （往復振動子との）結合軸
３１ｄ （ピストンとの）結合軸
３２ 回転支軸
４０ 液体貯留部
４１ 液体タンク
４２ 配管
５０ 液体充填部
５１ シリンジ
５２ エアバルブ
５３ プランジャー
６０ 切換部
６１ 三方弁
７０ エア装置
７１ コンプレッサ
７２ エアレギュレータ
７３ 切換弁
７４ 真空発生装置
８０ 制御装置
８１ 演算処理装置
８２ メモリ
８３ 表示入力部
Ｌ 液体（液状着色剤）
Ｗ１，Ｗ２ 長さ
ｔ１〜ｔ３ 管路
Ｆ 溶融吐出機
Ｆａ ホッパー
Ｆｂ （原料樹脂の）通過路
Ｆｃ 注入口
Ｆｄ 庇板

Claims (5)

1. ピストンの往復運動により液体を吐出する液体吐出装置であって、
   当該ピストンを備える液体吐出部と、
   往復運動を生じるリニアアクチュエータと、
   一方端に当該ピストンを連結し、他方端にリニアアクチュエータを連結するとともにその中間位置で回転支軸によって支持されてリニアアクチュエータの起こす往復運動をピストンに伝達する揺動アームと、
   液体を一時的に保持するとともに液体吐出部に液体を注入するシリンジと、
   を有する液体吐出装置。
2. 前記液体を保持する液体貯留部と、この液体貯留部とシリンジと液体吐出部との三方に通じる三方弁とをさらに備える請求項１記載の液体吐出装置。
3. シリンジ内のプランジャーに往復運動を起こさせるエア装置を備える請求項１または請求項２記載の液体吐出装置。
4. 溶融吐出機と連動させて液体の吐出を制御する制御装置を備える請求項１〜請求項３何れか１項記載の液体吐出装置。
5. 請求項１〜請求項４何れか１項記載の液体吐出装置と、溶融吐出機とを備える樹脂成形体製造システム。

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