(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下型と、該下型を水平方向へ移動可能に設けられた下型駆動機構と、上型と、該上型を該下型の上方から下方まで昇降可能に設けられた上型駆動機構と、該上型に取付けられた超音波振動子を振動させる超音波振動発振器と、該上型の昇降軸線上で該下型の下方に固定され溶融した熱可塑性樹脂または金属溶湯を入れた保持炉と、を備えることを特徴とする超音波成形装置。
【請求項２】
さらに、前記上型と前記上型の上方に取付けられた前記超音波振動子との間に配置された複数のフィンを有する断熱部材を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波成形装置。
【請求項３】
さらに、前記断熱部材の周囲へ冷却空気を注ぎ込む冷却空気注入手段を備えることを特徴とする請求項２記載の超音波成形装置。
【請求項４】
さらに、前記上型を周囲から加熱する上型加熱器を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の超音波成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融した熱可塑性樹脂や金属溶湯あるいは粉末を含有する複合スラリーを成形材料とする成形品を製造する成形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶融した熱可塑性樹脂や金属溶湯あるいは粉末を含有する複合スラリーを成形材料とする成形品を成形する方法として、特開２０００−２３８０４１号公報に記載されている成形方法が提案されている。この成形方法は、大きな加圧力を不要として薄肉あるいは中小型の成形品を成形できるようにした方法である。具体的には、超音波振動が印加されて加振されている上型の型面に液状の成形材料を接触させて上型の型面に成形材料を付着させ、加振を維持しながら上型を下型と型合わせし、上型と下型とにより付着している成形材料を成形する方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の公報に開示されている成形装置は、溶湯が入れられたるつぼをトラバーサの駆動により移動させている。るつぼを移動させることは、湯こぼれの原因となる。
【０００４】
また、従来の成形装置は、超音波振動子を空冷し、さらにホーンを水冷している。冷却する理由は、溶湯は非常に高温であって、超音波振動子は非常に熱に弱いためである。このように、従来は、ホーンを水冷により冷却している。しかし、ホーンは高温である上型やるつぼの上部に位置しており、水漏れした場合に非常に危険となる。さらに、冷却用の水によって超音波振動エネルギーが奪われることになる。そのため、発生させた超音波振動エネルギーのより効率的な利用が求められていた。
【０００５】
さらに、通常、上型はるつぼ内の溶湯の温度より低温であるため、上型をるつぼに入れたとき、上型の周囲の溶湯の温度は低下する。そのため、溶湯の再溶融が必要となり、成形のサイクルタイムを延ばすおそれがあった。溶湯の再溶融を行わなければ、上型に成形材が固着することになるためである。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、安全性を向上させ、超音波振動エネルギーの効率的な利用が可能であり、さらにサイクルタイムの延長を抑制することが可能な超音波成形装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、新たな構成の超音波成形装置を思いつき、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の超音波成形装置は、下型と、下型駆動機構と、上型と、上型駆動機構と、超音波振動発振器と、保持炉と、を有する。ここで、下型駆動機構は、下型を水平方向へ移動可能とするものである。例えば、ボールネジやシリンダ等を設け、モータや油圧等により駆動させるものである。なお、下型の移動をガイドする案内ガイドは、直線であってもよいし、曲線であってもよい。上型駆動機構は、上型を下型の上方から下方まで昇降可能とするものである。超音波振動発振器は、超音波振動子を振動させるものである。この振動は上型を上下方向に振動させるものである。なお、超音波振動子は上型に取付けられている。この超音波振動子の取付け位置は、上型の上方であってもよいし、下方その他何れの位置であってもよい。保持炉は、上型の昇降軸線上で下型の下方、すなわち上型の真下に固定されている。また、保持炉は、溶融した熱可塑性樹脂またはアルミ等の金属溶湯等（以下、単に「溶湯」という）を入れるものである。
【０００９】
つまり、保持炉を固定し、下型のみを移動させるため、保持炉から湯こぼれを起こすおそれがなく安全性が向上する。さらに、水平方向への移動は下型のみであるため、成形装置の小型化が可能となる。
【００１０】
また、上型と超音波振動子との間に配置された複数のフィンを有する断熱部材を備えるようにしてもよい。なお、この場合、超音波振動子は上型の上方に取付けられる。例えば、断熱部材とは、円柱形状であって、周囲に多数のフィンを有するものである。保持炉内の溶湯は、非常に高温であり、さらに、溶湯を付着させる上型も高温となる。しかし、超音波振動子は、高温には弱いため、超音波振動子近傍の温度を低下させる必要がある。
【００１１】
つまり、上型と超音波振動子との間に断熱部材を設けることで、溶湯や上型等の熱が超音波振動子に伝わらないようにすることができる。また、従来冷却に使用していた水を使用しないため、水漏れのおそれがなく、安全性が向上する。さらに、冷却用の水により奪われていた振動エネルギーが奪われなくなるため、効率的に上型を振動させることができる。
【００１２】
また、断熱部材の周囲へ冷却空気を注ぎ込む冷却空気注入手段を有するようにしてもよい。これにより、断熱部材の周囲の空気が冷却されるため、溶湯や上型等の熱が超音波振動子により伝わらないようにすることができる。
【００１３】
また、断熱部材は、熱伝導率の低い材料からなるようにしてもよい。例えば、チタン等を用いる。ここで、超音波振動子が発生した振動を上型に伝達させるため、上型と超音波振動子とは、ブースター等を介して結合されている。すなわち、上型の熱がブースター等を経由して超音波振動子へ伝わることになる。しかし、上型と超音波振動子との間にある断熱部材を熱伝導率の低い材料とすることで、内部から伝わる熱を遮断することができる。すなわち、超音波振動子に上型の熱を伝わらないようにすることができる。
【００１４】
また、本発明の超音波成形装置は、さらに、上型加熱器を有するようにしてもよい。ここで、上型加熱器は、上型を周囲から加熱するものである。これにより、上型が保持炉の外にある場合に、上型を加熱することができる。つまり、上型をある程度高温に維持することができるため、溶湯の再溶融の時間が減少する。その結果、溶湯の再溶融によるサイクルタイムの延長を防止することができる。
【００１５】
さらに、上型が保持炉から取出された後、上型と下型との型合わせを行うまでの間、上型に付着した溶湯が冷却されることなく高温状態を維持できる。また、上型に付着した溶湯が高温状態を維持できることは、上型への溶湯付着量のバラツキの発生を抑制することにもつながる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００１７】
本発明の超音波成形装置を図面を参照して説明する。図１は正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図１および図２に示すように、超音波成形装置は、大きく分類すると、下型部分と、上型部分と、溶湯保持炉とから構成される。
【００１８】
下型部分は、基台フレーム１と、下型テーブル３と、下型４と、下型駆動機構５と、下型案内ガイド（図示せず）と、上型用位置決めピン６とからなる。基台フレーム１は、中央付近に穴が設けられている。この基台フレーム１上に、一対の直線レールである下型案内ガイド（図示せず）が水平方向に設けられている。この下型案内ガイド上に、下型４を載置した下型テーブル３が移動可能に配置されている。この下型テーブル３の移動は、下型駆動機構５により行われる。下型駆動機構５は、モータ７と、２つのアーム８、９とからなる。一方のアーム８の一端はモータ７の回転軸に固定されており、他端は他方のアーム９の一端と回転可能に連結されている。他方のアーム９の他端は下型テーブル３に回転可能に連結されている。なお、下型駆動機構５のモータ７は基台フレーム１上に固定されている。そして、上型用位置決めピン６は、下型テーブル３上で下型４の周囲に複数設置されている。この上型用位置決めピン６は、後述する上型１１と下型４との型合わせの際に、上型１１の昇降移動をガイドするものである。
【００１９】
上型部分は、上部フレーム２と、上型案内ガイド（図示せず）と、上型フレーム１０と、上型１１と、ブースター１２、１４と、空冷フィン（断熱部材）１３と、超音波振動子１５と、超音波振動発振器１６と、上型駆動機構１７と、上型加熱器１８とからなる。上型フレーム２は、基台フレーム１上に固定されている。上型フレーム２には、一対の直線レールである上型案内ガイド（図示せず）が上下方向に設けられている。この上型案内ガイド上に、上型フレーム１０が昇降可能に取付けられている。そして、上型フレーム１０には、上型１１と、ブースター１２、１４と、空冷フィン１３と、超音波振動子１５とが取付けられている。具体的には、上型フレーム１０の２箇所の固定位置（最下部および中間部）にブースター１２、１４がそれぞれ固定されている。そして、上型フレーム１０の最下部に固定されたブースター１２の下側に上型１１が吊り下げられるように取付けられている。また、ブースター１２、１４間には、空冷フィン１３が取付けられている。また、上型フレーム１０の中間部に固定されたブースター１４の上側には、超音波振動子１５が取付けられている。そして、超音波振動子１５を振動させる超音波振動発振器１６が上部フレーム２の上部に固定されている。
【００２０】
また、上型フレーム１０を昇降は、上型駆動機構１７により行われる。上型駆動機構１７は、モータ１９と、ギヤ部２０と、ピニオン部２１とからなる。モータ１９およびギヤ部２０は、基台フレーム１に固定されている。また、ピニオン部２１は、水平方向に回転するようにされている。なお、上型フレーム１０はラック構造となっており、上型駆動機構１７のピニオン部２１と係合している。
【００２１】
また、上型加熱器１８は一対の加熱器からなり、これらが上部フレーム２にそれぞれ固定されている。具体的には、上型１１が最も上昇する位置から下型テーブル３の設置位置付近までの範囲内に上型１１がある場合に、上型１１を周囲から加熱できるようにされている。
【００２２】
ここで、上型部分を構成する各部についてさらに詳述する。まず、超音波振動子１５は、例えば、ランジュバン振動子である。具体的には、セラミック又は水晶製の圧電素子を有するものである。この圧電素子に、超音波振動発振器１６により出力される高周波電圧を印加することで、超音波振動が上下方向に励起される。ブースター１２、１４は、振動を増幅させるものである。なお、ブースター１２、１４間の距離、すなわち上型フレーム１０の２箇所の固定位置（最下部と中間部）間の距離は、振動の波長の整数倍となるようにしている。空冷フィン１３は、表面積を大きくするために円柱形状の周りに多数のフィンが設けられており、さらに振動を伝達することが可能な形状としている。これは、十分に冷却を可能とすると共に、振動による空冷フィン１３の破壊を防止するためである。この空冷フィン１３の素材は、チタン合金等の熱伝導率の低いものを用いている。また、超音波振動子１５および空冷フィン１３の周囲からは、基台フレーム１等に設置された冷却空気注入手段（図示せず）により冷却空気が注入されるようにされている。この冷却空気には、常温の圧縮空気を用いている。
【００２３】
そして、溶湯保持炉は、るつぼ２２と、炉２３と、温度管理器２４とからなる。この溶湯保持炉は、下型テーブル３の下側であって、上型１１の昇降軸線上（上型１１の真下）に固定されている。るつぼ２２の中には、溶融した熱可塑性樹脂や金属溶湯等が注入されている。るつぼ２２の外には、るつぼ２２内の溶湯を加熱することが可能な炉２３が設けられている。そして、温度管理器２４は、計測されたるつぼ２２内の溶湯の温度と、目標温度とに応じて、炉２３の加熱を制御している。
【００２４】
次に、超音波成形装置の動作について図１〜３を参照して説明する。図３は、下型テーブル３を水平方向に移動させた状態を示す図１のＡ−Ａ断面図である。
【００２５】
前提として、るつぼ２２の中にアルミ系合金の溶湯を注入しておく。そして、炉２３および温度管理器２４により、るつぼ内の溶湯の温度を約６００度で管理しておく。また、上型加熱器１８は加熱状態にしておき、上型１１が所定の温度となるように加熱する。さらに、空冷フィン１３および超音波振動子１５の周囲からは、冷却空気を注入した状態を維持しておく。
【００２６】
まず、図３に示すように、上型１１が最上端に位置するときに、下型４を載置した下型テーブル３を下型案内ガイドに沿って水平方向へ移動させる。すなわち、下型４を上型１１の昇降軸線上（上型１１の真下）からずらした位置に移動させる。この下型テーブル３の移動は、モータ７を図３における反時計まわりに半回転させることにより、モータ７に連結されたアーム８、９を介して行うことができる。同時に、超音波振動発振器１６が高周波電圧を印加して、超音波振動子１５の圧電素子を振動させる。この振動がブースター１２、１４および空冷フィン１３を介して伝達された上型１１は、共振周波数２０ＫＨｚで上下方向に振動する。
【００２７】
上型１１を上下方向に振動させた状態で、上型１１の型合わせ面がるつぼ２２内の溶湯に浸漬する位置まで、上型１１を下降させる。なお、上型１１を下降させる際に、上型１１の位置が上型加熱器１８による加熱可能範囲を超えたときには、上型加熱器１８による加熱を停止させる。ここで、この上型１１の下降動作は、上型駆動機構１７のモータ１９を駆動させ、ギヤ部２０を介してピニオン部２１を回転させて行う。このピニオン部２１の回転により、ピニオン部２１に係合されたラックを構成している上型フレーム１０を下降させる。そして、上型１１の型合わせ面を溶湯に浸漬させた状態で、必要であれば、溶湯保持炉の炉２３により溶湯を再溶融する。この再溶融は、上型１１が上型加熱器１８により加熱されているため、従来に比べて行う回数または時間が短縮できる。
【００２８】
次に、上型１１を上下方向に振動させた状態を維持したまま、上型駆動機構１７により上型１１を下型４の上方、すなわち図３に示す位置まで上昇させる。なお、特開２０００−２３８０４１公報に記載されているように、上型１１を振動させた状態であれば、振動の振幅に応じて上型１１に溶湯が液状で付着した状態を維持できる。なお、上型１１を上昇させる際に、上型１１の位置が上型加熱器１８による加熱可能範囲内に入ったときには、上型加熱器１８による加熱を再開させる。
【００２９】
続いて、図２に示すように、下型テーブル３を下型駆動機構５により上型１１の昇降軸線上の位置（上型１１の真下）まで移動させる。そして、上型１１を上下方向に振動させた状態を維持したまま、下型４から所定の距離離れた位置まで上型１１を下降させる。この場合、上型１１は上型位置決めピン６に案内されながら下降することになる。そして、下型４から所定の距離離れた位置に上型１１が到達すると、上型１１の振動を停止させる。すなわち、超音波振動発振器１６による高周波電圧の印加を停止させる。なお、下型４から所定の距離離れた位置とは、上型１１と下型４とが接触する直前の位置である。この状態で、上型１１をさらに下降させて、下型４と型締めを行う。なお、上型１１と下型４との型締め時には、上型１１の下降速度が零となるようにモータ１９を制御する。さらに、モータ１９により型締め力は任意に変更できる。
【００３０】
続いて、上型１１と下型４とにより形成されるキャビティー内で溶湯が凝固した後、上型駆動機構１７により上型１１を上昇させる。そして、成形品を下型４から離型する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の超音波成形装置によれば、安全性を向上させ、超音波振動エネルギーの効率的な利用が可能であり、サイクルタイムの延長を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波成形装置を示す正面図である。
【図２】本発明の超音波成形装置を示す断面図である。
【図３】本発明の超音波成形装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１  ・・・  基台フレーム
２  ・・・  上部フレーム
３  ・・・  下型テーブル
４  ・・・  下型
５  ・・・  下型駆動機構
６  ・・・  上型用位置決めピン
７  ・・・  モータ
８、９  ・・・  アーム
１０  ・・・  上型フレーム
１１  ・・・  上型
１２、１４  ・・・  ブースター
１３  ・・・  空冷フィン（断熱部材）
１５  ・・・  超音波振動子
１６  ・・・  超音波振動発振器
１７  ・・・  上型駆動機構
１８  ・・・  上型加熱器
１９  ・・・  モータ
２０  ・・・  ギヤ部
２１  ・・・  ピニオン部
２２  ・・・  るつぼ（溶湯保持炉）
２３  ・・・  炉（溶湯保持炉）
２４  ・・・  温度管理器（溶湯保持炉）
【図１】
0004141174.tif 000002
【図２】
0004141174.tif 000003
【図３】
0004141174.tif 000004