JP7779880B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、成形機において使用され光ファイバを用いた温度センサについての技術分野に関する。

樹脂成形品を成形する成形機には、キャビティ等における樹脂の温度や圧力を測定するためのセンサが設けられている。このようなセンサとして、例えば、光ファイバが挿通されたファイバプローブをキャビティ等に連通させ、光ファイバを通してキャビティ等に充填された溶融樹脂から放出される赤外光を検出器に伝達することにより温度の測定を行う温度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記のような温度センサにおいては、高温高圧な環境、例えば、射出成形機のノズルにおける溶融樹脂の温度の測定を行うために、ファイバプローブの先端側にガラス製の保護窓部が設けられたものがある（例えば、特許文献２参照）。こうした保護窓部を備えた温度センサには保護窓部を支持するための窓支持部が設けられ、一般に、窓支持部は金属材料によって形成されている。特許文献２に記載された温度センサにおいては、棒状のサファイアガラスによって形成された保護窓部が筒状の窓支持部（金属カバー）に挿入された状態で固定されている。

特開２００８－２３２７５３号公報 特開平１－１２４７２５号公報

ところで、上記のような温度センサにおいては、測定時に成形機から発せられる熱によって温度センサが加熱され、窓支持部や保護窓部が膨張することがある。このとき、保護窓部と窓支持部の間に隙間が生じ、生じた隙間に溶融樹脂が侵入するおそれがある。溶融樹脂が保護窓部と窓支持部の隙間に侵入すると、温度センサが冷却される際に、侵入した樹脂が窓支持部の収縮によって保護窓部に押し付けられて保護窓部に過剰な力が付与され、保護窓部が破損するおそれがある。

そこで、本発明は、保護窓部の破損を防止することを目的とする。

本発明に係る温度センサは、成形機において使用される温度センサであって、光ファイバが挿通されたファイバプローブと、筒状に形成され前記ファイバプローブの少なくとも一部が挿入される窓支持部と、少なくとも一部が前記窓支持部に挿入された状態で前記ファイバプローブの先端側に位置される保護窓部と、環状に形成され内周面が前記保護窓部の外周面と接し、外周面が前記窓支持部の内周面と接するスリーブ材とを備え、前記保護窓部が前記窓支持部から突出されたものである。

これにより、保護窓部と窓支持部の間にスリーブ材が位置される。

本発明によれば、保護窓部と窓支持部の間にスリーブ材が位置されるため、保護窓部と窓支持部の間への溶融樹脂の侵入が抑制され、保護窓部の破損を防止することができる。

図２及び図４と共に本発明の実施の形態を示すものであり、本図は、温度センサの断面図である。 温度センサの一部を示す拡大断面図である。 保護窓部に熱電対が取り付けられた例を示す拡大断面図である。 保護窓部にスペーサーが支持された例を示す拡大断面図である。

以下に、本発明の温度センサを実施するための形態について、添付図面を参照して説明する（図１乃至図４参照）。

なお、以下に示す温度センサは筒状のファイバプローブを有しており、以下の説明にあっては、ファイバプローブの軸方向を上下方向としファイバプローブの先端側を下方として、上下左右の方向を示すものとする。ただし、以下に示す上下左右の方向は説明の便宜上のものであり、本発明の実施に関しては、これらの方向に限定されることはない。

＜第１の実施の形態に係る温度センサ＞
まず、第１の実施の形態に係る温度センサ１について説明する（図１乃至図３参照）。

温度センサ１は、図示しない射出成形機に取り付けられ、例えば、ノズルにおける溶融樹脂の温度の測定に用いられる。なお、温度センサ１が取り付けられる成形機は射出成形機に限らず、温度センサ１は押出成形機やブロー成形機等に取り付けられていてもよい。

温度センサ１は外筐２に所要の各部が配置又は支持されて構成されている（図１参照）。外筐２はハウジング３と窓支持部４を有している。外筐２は、例えば、各部が何れも金属材料によって形成されている。

ハウジング３はシャフト部５と配置部６と蓋部７を有している。

シャフト部５は軸方向が上下方向にされた円筒状に形成されている。シャフト部５の上下両端部を除く部分には、温度センサ１を射出成形機に取り付けるための設置用ナット５０が取り付けられている。シャフト部５の下端面は押当面５ａとして形成されている（図１及び図２参照）。

配置部６はシャフト部５の上端部から外方に張り出されたフランジ部８とフランジ部８の外周部から上方に突出された略円筒状の環状部９とを有している。配置部６はシャフト部５と、例えば、一体に形成されている。環状部９には上方に開口され径方向に貫通された切欠９ａが形成されている。環状部９の上端部には上方に開口された複数の被取付穴９ｂが周方向に離隔して形成されている。

蓋部７は円環状に形成され、中央部に螺孔７ａを有している。螺孔７ａには調節ネジ１０が螺合されている。蓋部７の外周部には上下に貫通されたネジ挿通孔７ｂが周方向に離隔して形成されている。蓋部７はネジ挿通孔７ｂを挿通された取付ネジ６０が被取付穴９ｂに螺合されることにより配置部６に上側から取り付けられる。

窓支持部４は軸方向が上下方向にされた筒状に形成されている。窓支持部４は、例えば、ステンレス鋼によって形成され、熱膨張係数（線膨張係数）が、例えば、１１．５×１０^－６／℃から１２．５×１０^－６／℃の範囲にされている。

窓支持部４は嵌合部１１と保持部１２と受け部１３を有している。嵌合部１１と保持部１２は何れも円筒状に形成され、嵌合部１１の径が保持部１２の径より大きくされている。保持部１２は嵌合部１１の下側において嵌合部１１の下端部に連続して設けられている。保持部１２は上面が被押当面１２ａとして形成され、下面が先端面１２ｂとして形成されている。窓支持部４は嵌合部１１がシャフト部５の下端部に外嵌状に取り付けられ、保持部１２の被押当面１２ａにシャフト部５の押当面５ａが押し当てられる。

受け部１３は保持部１２の上下方向における中間部において内方に張り出した状態で設けられている（図２参照）。受け部１３は上面が第１の受け面１３ａとして形成され、下面が第２の受け面１３ｂとして形成されている。受け部１３の内側の空間は透過孔１４として形成されている。透過孔１４の径は後述する光ファイバの径以上の大きさにされている。保持部１２の内部空間における受け部１３より上側の空間は第１の挿入空間１５として形成され、受け部１３より下側の空間は第２の挿入空間１６として形成されている。保持部１２の内周面のうち第１の挿入空間１５を形成する部分は第１の内周面１２ｃとして形成され、第２の挿入空間１６を形成する部分は第２の内周面１２ｄとして形成されている。第１の挿入空間１５と第２の挿入空間１６は透過孔１４を介して連通されている。窓支持部４は嵌合部１１と保持部１２と受け部１３が、例えば、一体に形成されている。

第２の挿入空間１６には、スリーブ材１７と保護窓部１８が配置されている。

スリーブ材１７は軸方向が上下方向にされた円環状に形成されている。スリーブ材１７は、熱膨張係数が窓支持部４の熱膨張係数より小さい材料、例えば、コバールによって形成されている。スリーブ材１７の熱膨張係数は、例えば、４．９×１０^－６／℃から６．２×１０^－６／℃の範囲にされている。なお、スリーブ材１７は熱膨張係数が保護窓部１８の熱膨張係数と近しい材料によって形成されることが望ましい。

スリーブ材１７は、上面が第２の受け面１３ｂと接した状態で略全体が第２の挿入空間１６に挿入され、下面が保持部１２の先端面１２ｂと同一平面上に位置された状態又は下面が先端面１２ｂより僅かに下方に位置された状態にされている。スリーブ材１７は第２の挿入空間１６に挿入された状態において、外周面１７ａが保持部１２の第２の内周面１２ｄと接している。スリーブ材１７は、例えば、溶接によって保持部１２と接着されている。ただし、ろう付けや耐熱性の接着剤等によってスリーブ材１７と保持部１２が接着されていてもよい。

保護窓部１８は軸方向が上下方向にされた円柱状に形成されている。保護窓部１８は、例えば、サファイアガラスによって形成されている。保護窓部１８の熱膨張係数は、窓支持部４の熱膨張係数より小さく且つスリーブ材１７の熱膨張係数より大きくされ、例えば、７．０×１０^－６／℃から７．７×１０^－６／℃の範囲にされている。

保護窓部１８の外径は透過孔１４の径より大きくされると共にスリーブ材１７の内径と略同じ又は僅かに小さくされている。保護窓部１８は上面における外周部が第２の受け面１３ｂと接した状態でスリーブ材１７に挿入され、下端部が保持部１２から下方に突出されている。保護窓部１８は、例えば、銀ろうによるろう付けにより外周面１８ａがスリーブ材１７の内周面１７ｂと接着されている。ただし、低融点ガラスや耐熱性の接着剤等によってスリーブ材１７と保護窓部１８が接着されていてもよい。

外筐２の内部にはファイバプローブ１９が配置されている。ファイバプローブ１９は、例えば、金属材料によって形成され、軸方向が上下方向にされた円筒部２０と円筒部２０の上端部に連続された鍔部２１とを有している。鍔部２１の外径は円筒部２０の外径より大きくされている。鍔部２１の上面は被押圧面２１ａとして形成されている。

ファイバプローブ１９には光ファイバ２３が挿通されて保持されている。光ファイバ２３は一端部２３ａが円筒部２０に挿通され、一端部２３ａに連続された屈曲部２３ｂが鍔部２１の内部において、例えば、略直角に屈曲されている。光ファイバ２３において、屈曲部２３ｂと他端部との間の部分は中間部２３ｃとして設けられ、中間部２３ｃは切欠９ａを通って鍔部２１の外周面からファイバプローブ１９の外方に位置されている。光ファイバ２３の他端部には図示しない検出器等が接続されている。光ファイバ２３における一端部２３ａの端面（下端面）は赤外光が入射される入射面２３ｄとして形成されている。

ファイバプローブ１９は円筒部２０がシャフト部５に挿通され先端部が保持部１２における第１の挿入空間１５に挿入されて支持されている。円筒部２０は外周面が保持部１２の第１の内周面１２ｃと接した状態にされ、ファイバプローブの先端面（下面）１９ａが受け部１３の第１の受け面１３ａと接した状態にされている。このとき、光ファイバ２３（入射面２３ｄ）の中心が透過孔１４の中心と略一致されている。このように、ファイバプローブ１９は円筒部２０の外周面が保持部１２の第１の内周面１２ｃに接した状態で窓支持部４の内部において配置されるため、窓支持部４対してガタ付かず安定した配置状態が確保される。

鍔部２１は配置部６に位置され、蓋部７が配置部６に取り付けられた状態において、調節ネジ１０の下面と鍔部２１の被押圧面２１ａとの間に弾性部材２２が配置される。

弾性部材２２としては、例えば、圧縮コイルバネが用いられている。ファイバプローブ１９は弾性部材２２の付勢力によって下方へ付勢される。したがって、ファイバプローブ１９は弾性部材２２の付勢力によって先端面１９ａが受け部１３の第１の受け面１３ａに押し付けられている。なお、弾性部材２２として、皿バネや板バネ等が用いられていてもよく、また、弾性部材２２がゴム材料等によって形成されていてもよい。

温度センサ１においては、調節ネジ１０を回転させて螺孔７ａに対する螺合位置を変化させることにより、ファイバプローブ１９に対する弾性部材２２の付勢力の調節が可能にされている。なお、温度センサ１においては、弾性部材２２が設けられていない構成にすることも可能である。

上記のように構成された温度センサ１が射出成形機等の成形機に取り付けられ溶融樹脂の温度の測定に用いられるときには、赤外光が保護窓部１８を導光されて入射面２３ｄから光ファイバ２３に入射され、光ファイバ２３を通して検出器に伝達されることにより温度の測定が行われる。このとき、温度センサ１は、例えば、射出成形機において生じる熱によって加熱され、熱せられた各部が膨張する。

温度センサ１には、環状に形成され内周面１７ｂが保護窓部１８の外周面１８ａに接し、外周面１７ａが窓支持部４の保持部１２における第１の内周面１２ｃに接するスリーブ材１７が設けられている。したがって、保護窓部１８と窓支持部４の間にスリーブ材１７が位置されるため、保護窓部１８と窓支持部４の間への溶融樹脂の侵入が抑制され、温度センサ１の冷却時に保護窓部１８に過剰な力が付与され難く、保護窓部の破損を防止することができる。

また、温度センサ１においては、保護窓部１８の熱膨張係数が窓支持部４の熱膨張係数より小さくされ、スリーブ材１７の熱膨張係数が保護窓部１８の熱膨張係数より小さくされている。これにより、スリーブ材１７の膨張の程度が保護窓部１８の膨張の程度より小さくなり、スリーブ材１７によって保護窓部１８が締め付けられた状態にされる。したがって、保護窓部１８とスリーブ材１７の間に溶融樹脂が入り込む余地がなくなるため、保護窓部１８とスリーブ材１７の間への溶融樹脂の侵入を確実に防止することができる。

さらに、保護窓部１８がサファイアガラスによって形成され、スリーブ材１７がコバールによって形成されている。これにより、スリーブ材１７の熱膨張係数が保護窓部１８の熱膨張係数より小さい且つ近しい値になり、保護窓部１８とスリーブ材１７の膨張の程度が近しくなる。したがって、膨張時に保護窓部１８がスリーブ材１７によって締め付けられた状態において、スリーブ材１７から保護窓部１８に過度な負荷を付与することなく両者が密着した状態を維持することができる。

加えて、保護窓部１８は下端部が保持部１２から下方に突出されている。したがって、測定時に温度センサ１の先端部において溶融樹脂が滞留され難く、溶融樹脂から保護窓部１８に過剰な圧力が付与され難くされている。

さらにまた、上記した温度センサ１においては、窓支持部４に受け部１３が設けられ、第１の受け面１３ａがファイバプローブ１９に接し、第２の受け面１３ｂが保護窓部１８に接している。これにより、ファイバプローブ１９に付与された弾性部材２２の付勢力が保護窓部１８に伝達され難くされると共に、溶融樹脂の圧力が保護窓部１８に付与された場合に、溶融樹脂の圧力が保護窓部１８から受け部１３を介して外筐２に伝達されるため、保護窓部１８に対する溶融樹脂の圧力による負荷の低減を図ることができる。

ところで、赤外光が保護窓部を透過されて光ファイバに入射される温度センサにおいて、保護窓部と入射面の間に空気層が存在する場合に、空気層の条件等によっては光が保護窓部と空気層の界面や空気層と入射面の界面において反射して光学干渉が生じることがある。こうした光学干渉は空気層の厚みがナノメートルからマイクロメートルのオーダーの極めて小さい場合に生じ、例えば、保護窓部の熱膨張等により空気層の厚みが変化すると、光学干渉の程度も変化して温度センサによる測定結果に影響を及ぼすおそれがある。

上記した温度センサ１においては、窓支持部４に受け部１３が設けられることにより、保護窓部１８の上面と光ファイバ２３の入射面２３ｄとの間には空気層（透過孔１４）を介して一定の距離が保持されている。この空気層の厚みは受け部１３が構造物であるため、ナノメートルやマイクロメートルのオーダーではなく、ミリメートル以上のオーダーである。したがって、受け部１３によって光ファイバ２３と保護窓部１８の間に一定以上の距離が保たれ、光学干渉の発生を抑制して安定した測定状態を確保することができる。

なお、温度センサ１においては、窓支持部４に代えて、校正用挿入孔２４が形成された窓支持部４Ａが用いられる構成にされていてもよい（図３参照）。

窓支持部４Ａは保持部１２に上下に貫通された校正用挿入孔２４が形成されている。校正用挿入孔２４には校正用の温度センサ、例えば、熱電対２５が挿入される。熱電対２５としては、例えば、シース型の熱電対が用いられ、熱電対２５は一端部が校正用挿入孔２４に挿入された状態で窓支持部４Ａに溶接されて取り付けられる。熱電対２５の他端部は、例えば、切欠９ａから外筐２の外方に取り出され図示しない計測器等に接続されている。

このように、窓支持部４Ａに校正用挿入孔２４が形成され、校正用挿入孔２４に熱電対２５が取り付けられることにより、光ファイバ２３と熱電対２５の双方を用いて温度の測定が行われるため、測定結果の校正を行うことが可能になり、温度センサ１における測定精度の向上を図ることができる。

＜第２の実施の形態に係る温度センサ＞
次に、第２の実施の形態に係る温度センサ１Ａについて説明する（図４参照）。

なお、以下に示す温度センサ１Ａは、上記した温度センサ１と比較して、窓支持部４に代えて窓支持部４Ｂとスペーサー２６が用いられることのみが相違するため、温度センサ１と比較して異なる部分についてのみ詳細に説明をし、その他の部分については温度センサ１における同様の部分に付した符号と同じ符号を付して説明は省略する。

窓支持部４Ｂは嵌合部２７と連結部２８と保持部２９を有している（図４参照）。嵌合部２７と連結部２８と保持部２９は何れも円筒状に形成され、連結部２８が嵌合部２７の下端部に連続して設けられ、連結部２８の下端に保持部２９が連続して設けられている。保持部２９にはスリーブ材１７と保護窓部１８が挿入されて支持されている。

窓支持部４Ｂにはスペーサー２６も支持されている。スペーサー２６は、例えば、金属材料によって形成され、軸方向が上下方向にされた円筒状の筒状部３０と筒状部３０の下端部から内方に張り出した受け部３１を有している。受け部３１は上面が第１の受け面３１ａとして形成され、下面が第２の受け面３１ｂとして形成されている。受け部３１の内側の空間は透過孔３２として形成されている。筒状部３０と受け部３１は、例えば、一体に形成されている。

筒状部３０にはファイバプローブ１９の先端部が挿入され、円筒部２０の外周面が筒状部３０の内周面と接した状態にされ、ファイバプローブの先端面１９ａが受け部３１の第１の受け面３１ａと接した状態にされている。受け部３１の第２の受け面３１ｂには、スリーブ材１７の上面と保護窓部１８の上面が接した状態にされている。

温度センサ１Ａにおいては、受け部３１によってファイバプローブ１９に付与された弾性部材２２の付勢力が保護窓部１８に伝達され難くされると共に、溶融樹脂の圧力が保護窓部１８からスペーサー２６を介して外筐２に伝達される。

このように、受け部３１が窓支持部４Ｂと別体として設けられることにより、受け部３１を窓支持部４Ｂと異なる材料によって形成することが可能になり、例えば、スペーサー２６を窓支持部４Ｂより強度の高い材料によって形成することにより、受け部３１の高い強度を確保することができる。

１、１Ａ 温度センサ
４、４Ａ、４Ｂ 窓支持部
１１ 嵌合部
１２ 保持部
１２ｄ 第２の内周面
１３ 受け部
１３ａ 第１の受け面
１３ｂ 第２の受け面
１７ スリーブ材
１７ａ 外周面
１７ｂ 内周面
１８ 保護窓部
１８ａ 外周面
１９ ファイバプローブ
２３ 光ファイバ
２４ 校正用挿入孔
２５ 熱電対

Claims (6)

1. 成形機において使用される温度センサであって、
   光ファイバが挿通された筒状のファイバプローブと、
   筒状に形成され前記ファイバプローブの少なくとも一部が挿入される窓支持部と、
   少なくとも一部が前記窓支持部に挿入された状態で前記ファイバプローブの先端側に位置される保護窓部と、
   環状に形成され内周面が前記保護窓部の外周面に接し、外周面が前記窓支持部の内周面に接するスリーブ材とを備え、
   前記保護窓部が前記窓支持部から突出された
   温度センサ。
2. 前記保護窓部の熱膨張係数が前記窓支持部の熱膨張係数より小さくされ、
   前記スリーブ材の熱膨張係数が前記保護窓部の熱膨張係数より小さくされた
   請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記保護窓部がサファイアガラスによって形成され、
   前記スリーブ材がコバールによって形成された
   請求項２に記載の温度センサ。
4. 前記窓支持部には内方に張り出した受け部が設けられ、
   前記受け部は前記ファイバプローブと前記保護窓部の間に位置され、
   前記受け部における一方の面が前記ファイバプローブに接し、他方の面が前記保護窓部に接する
   請求項１、請求項２又は請求項３に記載の温度センサ。
5. 前記窓支持部に校正用挿入孔が形成され、
   前記校正用挿入孔に熱電対が挿入された
   請求項１、請求項２又は請求項３に記載の温度センサ。
6. 前記保護窓部と前記スリーブ材が接着された
   請求項１、請求項２又は請求項３に記載の温度センサ。