JP2004025300A - 粒状材料の局所的圧縮度を評価するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】容器内の顆粒状材料、とくに鋳造に用いる型の砂における局所的な圧縮度を評価するための方法およびシステムであって、砂の不充分な局所的圧縮度や充填によって生じる個々の鋳造の欠陥に対し改善をもたらす。
【解決手段】容量型センサが容器（３）内の領域に配置され、粒状材料（２）がセンサと接触するように供給される。材料（２）の供給によって生じるセンサのインピーダンスの変化が評価される。本方法はとくに金属鋳造用の型枠内の砂の圧縮度を評価するために有用である。この評価システムは、粒状材料（２）が容器（３）に供給されたときの、誘電特性の変化に敏感な電極板によって規定されるセンサ、および電極板の容量、より一般的にはシステム（１）の総インピーダンスを表示する条件設定制御回路（６）を含む。１つの実施の形態において、センサの電極板は、互い違いになったセグメントを有する櫛形状の導電材料により規定され、剛性または可撓性を有する支持部上に配置される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒状材料の局所的圧縮度を評価するための方法およびシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
砂型鋳造は鋳造作業においてもっとも広く使用される方法の１つであり、何年にもわたって開発され、優れた寸法精度の高度に複雑な部品の鋳造のための型を得るために、大きく異なる数多くの方法が存在する。この点でもっとも進んだ方法の１つが、「消失原型鋳造法」（Ｌｏｓｔ　Ｆｏａｍ　Ｃａｓｔｉｎｇ）として知られているものである。
【０００３】
すべての砂型鋳造法における共通の特徴は、金属を支持する型成型可能な材料として砂を使用し、必要な鋳造のネガを形成することである。しかしながらとくに、複雑な型の場合、（最終的に下部の凹所または完成部品の空洞部を形成する）パターン（雄型）中のすべての間隙を、充分な圧縮の程度までに砂で充填するのを確保することは難しい。さらに、消失原型鋳造法においては、砂にポリマーバインダをまったく添加しないので、型は主として砂自体の圧縮度に依存する。
【０００４】
すべてのくぼみや穴を完全に砂で充填するのを確実に行なうため、機械的振動が砂を含むパターンや型枠に対して加えられ、その結果砂がすべての空洞や間隙に流れむ。さらに型枠の完全な充填は、砂の充分な圧縮を伴わなければならない。どちらか１つの条件が欠けても完成した鋳物の品質を損ない、不合格品が結果として生じることになる。
【０００５】
現在、型枠内の砂の圧縮度を評価する唯一の方法は、型枠の振動を特徴づけ制御することによる。しかしながら、そのような方法は、直接的でなく、不充分な局所的圧縮度や充填によって生じる個々の鋳造の欠陥に対して確かなものとすることは未だにできない。その不確実さのために、とくにかなり複雑な型の場合、数多くの不合格品を生じるであろう。
【０００６】
特許文献１には、鋳造の欠陥を防ぐため、近接センサを用いて型が計測されるという鋳造型の品質管理システムが記載されているが、砂圧縮度の評価は何の対策もない。
【０００７】
本発明の目的は、圧縮度を評価する方法およびシステムを提供することにより、知られている従来技術の欠点を除去することである。本発明の方法およびシステムは、局所的かつ直接的に型の砂、より一般的には、容器内の粒状材料の圧縮度を評価するためのもので、信頼性が高く、安価である。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５９９６６８１号明細書
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、容器内の粒状材料の局所的圧縮度を評価する方法が提供され、当該方法は、
容量型センサ、および前記センサの条件設定および制御のためにセンサのインピーダンスの変動を評価することができる条件設定制御回路を備える圧縮度評価システムを組み立てる工程、
センサを、容器内部の前記粒状材料の圧縮度を評価する領域に配置する工程、
前記容器内に前記粒状材料を送出し前記センサと接触させる工程、および
前記回路の手段により、前記センサの接触部またはごく近傍の前記粒状材料の局所的圧縮度を、前記センサのインピーダンス、とくに前記インピーダンスの容量成分の変動にもとづいて、直接評価する工程
を含んでいる。
【００１０】
より具体的には、インピーダンスの変動は、主として、粒状材料の特性に直接比例するセンサの容量成分の変動と関係している。
【００１１】
前記条件設定制御回路は、センサ本体と別個でも、一体化されてもよい。
【００１２】
相対的圧縮度評価システムは、２または３以上の電極板により定義されるコンデンサによって規定される容量型センサおよび前記センサを条件設定および制御するための条件設定制御回路を備え、前記センサは、所定の非負荷（空気中における）容量インピーダンス成分を有し、前記センサは使用時に前記粒状材料と接触または近接するよう配置されるべく成型された外表面を備える。前記表面が、前記粒状材料に接触するか近接するとき、前記回路は、センサの容量インピーダンス成分の変動を表示する信号をセンサから受信し、その結果前記粒状材料の局所的圧縮度を表示する。
【００１３】
前記回路は、センサの抵抗および誘導インピーダンス成分も評価することが可能で、何らかの不要な効果、またはいろいろな現象の望ましくない相乗効果を見きわめることによって、より信頼性のある粒状材料圧縮度評価を得る。たとえば、粒状材料の湿度の変動は、その誘電定数に変動を引き起こし、しかしながら、電気抵抗を計測することによってその効果は除去できる。粒状物質の汚染（炭素の残滓や金属粒子）も不要な信号を生成し得るが、抵抗および誘導インピーダンスパラメータを測定し、適切に相関づけることによってその影響を弱めることができる。
【００１４】
鋳造作業の場合、本発明のセンサは局所的な砂の圧縮度評価を提供し、これと比例するアナログ信号の出力（ｓｕｐｐｌｙ）を供給する。評価の基礎となる物理的原理は、センサを、もっとも重要な制御領域に完全に適合させるように種々の形状、寸法、（剛性または可撓性の）材料で製造することを可能にする。
【００１５】
本発明のセンサの使用は、プロセスの制御を向上し、不合格品の数を減少させる。砂圧縮度の評価によって、不良の型枠、プリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）、コア（ｃｏｒｅ）などを、つぎの製造段階に進む前に製造ラインから除去することを可能にする。
【００１６】
本発明の、好ましいが、それに限定されない多数の実施の形態が、添付した図面を参照し、例によって説明される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、符号１は、容器３内における粒状材料２の局所的圧縮度を評価するためのシステム全体を示す。評価システム１は、容量型センサ５、およびセンサ５の条件設定および制御を行うための回路６を備えている。回路６は、また、のちに説明するように、センサ５から受信される信号に対応する圧縮度を表示する。
【００１８】
一例として、容器３はパターン（雄型）７を納める型枠によって画定され、パターン７に対応する部分に溶融した金属を注入するための型が周知の方法によって砂から形成される。センサ５は、砂の圧縮度が評価される領域、通常は、重要な砂充填領域に配置される。砂はセンサ５のごく近傍またはセンサ５に接触して持ち込まれなければならない。
【００１９】
容量型センサ５を用いる評価システム１の動作は、電磁界が通る材料の体積の電磁気的特性（誘電定数、電気抵抗率、磁気抵抗、または透磁率）の変化にもとづく。したがって、この電磁気的性質は、のちに説明するように、材料の圧縮度に直接関係づけられる。電磁界は、センサ５の２つまたは３つ以上の電極板により、電極板に隣接する領域に誘導される。センサ５が、単に電極板のあいだの空間だけではなく、可能な限り大きくアクセス可能な空間内で電磁気的性質に感度をもつために、電極板の構造および形状が、のちに説明するように、エッジ効果を強調するようなものである。
【００２０】
電極板によって生じた電磁界は、砂の圧縮度が評価される型枠または型内部に対応する与えられた体積にわたっている。とくに、電極板の幾何学的配列に依存する種々の等式を用いて算出されたセンサの容量インピーダンス成分の試験は、容量インピーダンス成分が、電磁界が伝わる媒質の誘電定数に直接比例することを示している。
【００２１】
砂の圧縮度の差異は、周囲の空気に対して、砂によって占められた空間の体積の割合の変動として記述することができる。空気／砂混合物の誘電定数は、したがって、式：
【００２２】
【数１】

【００２３】
によって表すことができる。
【００２４】
ここで、Ｓは、砂によって占有される体積割合、ε_ｒｓは砂の誘電定数、ε_ｒＡは空気（または他の気体状プロセス物質）の誘電定数およびε_０は、真空の誘電定数である。
【００２５】
砂の誘電定数ε_ｒｓは、空気の誘電定数と相当異なる（空気の誘電定数は約１Ｆ／ｍに対し、０．１ｇ／ｃｍ^３の水分を含む砂の誘電定数は、約６Ｆ／ｍである。）ので、砂の空気に対する体積割合が増加するにつれて、センサの容量インピーダンス成分の値（誘電率εに直接比例する）は、つぎのパターンを示す。
【００２６】
−最初の充填による鋭い初期変動
−砂を圧縮することによるさらなる変動、その体積割合は事実、０から７０％以上にまで達する。
【００２７】
したがって、容量値の測定はたとえば、砂の圧縮度の関数として０％（空気中のセンサ）から１００％（完全に圧縮された砂の中のセンサ５）までにわたる範囲で変動するパラメータを得るよう、規格化されてもよい。このパラメータは、粒状材料（通常は砂である）の性質における、たとえば、異なる供給者または環境条件の変動による変動に対して適応するよう校正され得る。この点で、センサの抵抗および／または誘導インピーダンス成分を測定することは、何らかの不要な（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）効果（たとえば、粒状材料の湿度の変動、炭素の残留物または金属粒子による汚染）、または前記現象と粒状材料の圧縮度との望ましくない相乗効果（ｓｙｎｅｒｇｙ）を同定することにより、粒状材料の圧縮度のより信頼性の高い評価を確実にする。
【００２８】
図２および図３を参照して、センサ５は２つの電極板９および１０で規定（ｄｅｆｉｎｅ）されるコンデンサ８を備え、それぞれは外表面１５を有し、支持部１６に合わせて形成されている。電極板９および１０は、通常は空気である誘電体１１によって離間され、それぞれの数の互い違いになった直線部分１２および１３を有して２つの向かい合う櫛状に規定されている。交流電圧が印加されると、電極板９および１０は、その表面１５に近接し、その周囲に位置する外部電磁界１４（図３）を備える電磁界を発生する。
【００２９】
コンデンサ８は電極板９および１０のエッジ効果によって主に電磁界１４を発生させるように設計される。電磁界１４に影響を受ける誘電体の誘電定数の変動のせいで、電極板９および１０に近接した粒状材料２は、センサ５の容量インピーダンスに変動を引き起こす。電極板の幾何学的配列は、容量リアクタンス成分を最大にするため全面積は可能な限り小さく維持したままで、向かい合う導電体部の長さを最大にするよう設計される。
【００３０】
システム１は、センサ５のインピーダンスの変動を評価する。回路６は、センサ５の瞬間のインピーダンスに比例したアナログ電気信号を供給し、（容量インピーダンスは、圧縮度に直接関係しているので）粒状材料２の局所的圧縮度を表示する。回路６は、リアルタイムで圧縮度に比例した信号を供給することもできる。
【００３１】
回路６はセンサ５の抵抗および誘導成分を測定し、粒状材料の圧縮度の値を修正することも可能である。
【００３２】
図４の変形例においては、同一面上にある、円状のセグメント１７により規定される２つ同心状の渦形状である。図５の変形例においては、電極板９および１０が、同一平面上にある、直線状のセグメント１８により規定された同心状の渦形状で規定されている。
【００３３】
図２〜５におけるコンデンサ８の電極板９および１０は、支持部１６に合う、薄い、剛性または可撓性のある板状材料で構成され、容器３の選択された領域に適合されるか、組み入れられる。電極板９および１０は、支持部１６に貼られる厚いかまたは薄い導電性のフィルムで構成され、容器３の選択された領域に付着するよう設計された薄い接着フィルムによって規定することもできる。最後に、電極板９および１０は、容器３またはパターン７の上に直接薄膜を成膜することによって形成されてもよい。
【００３４】
粒状材料２は、砂、または添加剤および／またはバインダと混合された砂で定義されてもよい。容器３は、パターン７を含んだ型枠で定義され、砂を充填して金属鋳造のための型を形成する、または容器３は、鋳造のコア型（ｆｏｕｎｄｒｙ　ｃｏｒｅ
ｍｏｌｄ）によって定義されてもよい。
【００３５】
容器３は、消失原型鋳造法のための発泡性ポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ　ｆｏａｍ）のクラスター、またはペレット状のポリマー、または粉体状または粒状のセラミックスを含む型であってもよい。容器３は、コンベヤまたは投入（充填）ラインの部分となっていてもよい。最後に、粒状材料２は、建築用の砂（ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓａｎｄ）または砂利でもよい。その場合、容器３は貯溜槽、車両またはセメントミキサであってもよい。
【００３６】
図６および図７の実施の形態において、コンデンサ８の電極板は、電気的に導電性の材料から作られ、絶縁性材料のリング２１により離間された、外部電磁界１４の領域を定義するそれぞれ環状の端部２２および２３を有する２つの同軸円筒１９および２０で規定されてもよい。
【００３７】
どの例であろうとも、いかなる形状でもよい電極板９、１０または１９、２０を有するセンサ５は、容器３の内部で、粒状材料２の圧縮度が決定されるべき領域に配置される。センサ５の電極板９、１０または１９、２０は、電磁界を発生する際、エッジ効果を最大とするような形状とする。センサ５の容量インピーダンス成分の変動は、粒状材料２が容器３に送られセンサ５と接触するとき、粒状材料の圧縮度と関係づけられる。
【００３８】
センサ５の容量インピーダンス成分の変動、したがって粒状材料の圧縮度は、条件設定制御回路６によって測定される。条件設定制御回路６は、インピーダンスの変動を、コンピュータが収集、処理することができる電気信号へ変換する。ある実施の形態は、共振回路を採用し、その場合、インピーダンス変動は回路の周波数に関係づけられる。
【００３９】
したがって、叙上の物理的原理およびセンサ５の構造（または他の同様な動作構造）は、それぞれ特別な例での必要性に応じて、幅広い応用を可能とする。つぎに、センサ５の好ましい実施の形態を一覧するが、これに限定されるものではない。
【００４０】
ａ）たとえば、図２、図４、図５、または図６に示される、独立した構造を有する独立型センサ５は、さまざまな大きさであってよく、容器３、または型またはパターンの、砂の圧縮度が評価される領域に適合することが可能であり、もし必要であれば、さらなる使用のために容易に除去することができる。
【００４１】
ｂ）たとえば、図２〜５に示される、薄い、剛性または可撓性のある支持部上のセンサ５は、電極板９および１０が支持部１６上の剛性または可撓性のある板により規定され、パターンまたは容器３内に設けられるか、または組み込まれた薄い、可撓性を有する接着フィルムの形状でもよい。
【００４２】
ｃ）そのままの位置で使われるセンサ５であって、消失原型鋳造法のための発泡性ポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ　ｆｏａｍ）クラスターにとくに適合する。スクリーン印刷または他の薄膜形成法を用いて、互い違いになった（ｉｎｔｅｒｌａｃｉｎｇ）セグメント、または同心状の渦巻の構造が、クラスタの表面上に直接形成され得る。その場合、センサ５は「使い捨て」である。もし砂による摩耗が問題なら、センサ５は電極板９、１０の表面１５上に成膜された保護コーティングを有してもよい。
【００４３】
複雑な鋳造パターンが、重要な（ｃｒｉｔｉｃａｌ）砂圧縮領域に適切なセンサを備えることによって、より速く、有益に開発され、このようにして、そうしなければ、注ぎ込み（ｐｏｕｒｉｎｇ）および仕上がった鋳物の検査のあとにのみ検出されるであろう誤りの危険性を減少する。新しく開発された部品は、最適なプロセスパラメタをより迅速に決定することによって速く市場に出すこともできる。
【００４４】
以上に説明したように、本発明の容量型センサ５は、鋳造ライン型枠、砂の中子（ｓａｎｄ　ｃｏｒｅ　ｍｏｌｄ）などを備えるために用いられる。回路６は、完全ではない型枠の使用を防いで、不合格品の数を減少させるため、今のところ直接制御されていない、砂充填および圧縮段階の連続したその場制御のために設計することができる。
【００４５】
したがって容器３内の粒状材料２の局所的圧縮度を評価する方法は、
容量型センサ５、および前記センサ５の条件設定および制御のためにセンサ５のインピーダンスの変動を評価することができる条件設定制御回路６を備える圧縮度評価システム１を組み立てる工程、
センサ５を、容器３内部の前記粒状材料の圧縮度を評価する領域にセンサ５を配置する工程、
前記容器３内に前記粒状材料２を供給し、前記センサ５と接触させる工程、および
前記条件設定制御回路６の手段により、前記センサ５の接触部またはごく近傍の前記粒状材料の局所的圧縮度を、前記センサ５のインピーダンス、とくに前記インピーダンスの容量成分の変動にもとづいて、直接評価する工程
を含んでいる。
【００４６】
もし、圧縮度の値があまりに小さい場合、望ましい圧縮度を得るため容器３を振動させることもでき、評価システム１によって監視され得る。本発明の圧縮度評価方法およびシステムは、粒状材料の圧縮度制御を必要とするいかなる応用、たとえば、粒状ポリマーまたはセラミック材料を運搬、充填するためのライン、貯溜槽、または車両、セメントミキサの建設用砂および砂利など、にも用いることが可能である。
【００４７】
叙上の評価方法およびシステムが、特許請求の範囲を逸脱することなく変更可能なことは明白である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の方法およびシステムは、容器内の粒状材料の圧縮度を局所的かつ直接的に評価するためのもので、これにより信頼性が高く安価な評価手段を実現できる。本発明の方法およびシステムは、とくに砂型鋳造における型に用いられる砂の圧縮度の評価に有用であり、個々の鋳造の欠陥に対し改善をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の容量型センサを用いた粒状材料の圧縮度を評価するシステムを示す。
【図２】図１に示されたシステムのセンサ部を構成する２または３以上の電極板の１つの幾何学的配列を示した図である。
【図３】図２のＡ−Ａ方向の断面の詳細を示す拡大図である。
【図４】センサ部の電極板の別の幾何学的配列を示す。
【図５】センサ部の電極板のさらに別の幾何学的配列を示す。
【図６】センサ部の電極板のさらに別の幾何学的配列を示す。
【図７】図６に示したセンサ部の軸に平行な断面図である。
【符号の説明】
１　システム
２　粒状材料
３　容器
５　センサ
７　パターン
８　コンデンサ
９　電極板
１０　電極板
１１　誘電体
１４　電磁界
１５　電極外表面
１６　支持部
１９　電極板
２０　電極板
２１　絶縁体

Claims (21)

1. 容器内の粒状材料の局所的圧縮度を評価する方法であって、容量型センサ（５）、および当該センサ（５）の条件設定および制御のためにセンサのインピーダンスの変動を評価することができる条件設定制御回路（６）を備える圧縮度評価システム（１）を組み立てる工程、
   センサ（５）を、容器（３）内部の前記粒状材料（２）の圧縮度を評価する領域に配置する工程、
   前記容器（３）内に前記粒状材料２を送出し前記センサ（５）と接触させる工程、および
   前記条件設定制御回路（６）の手段により、前記センサ（５）の接触部またはごく近傍の前記粒状材料の局所的圧縮度を、前記センサ（５）のインピーダンス、とくに前記インピーダンスの容量成分の変動にもとづいて、直接評価する工程
   を含む方法。
2. 前記条件設定制御回路（６）が、前記センサ（５）の抵抗および誘導インピーダンス成分を測定することも可能で、その結果何らかの不要な効果またはその不要な効果と粒状材料の圧縮度とのあいだの望ましくない相乗効果を見きわめる請求項１記載の方法。
3. 前記センサ（５）が、２または３以上の電極板（９、１０；１９、２０）を有するコンデンサ（８）を備え、当該電極板の近傍に電磁界（１４）を発生させる請求項１または２記載の方法。
4. 前記条件設定制御回路（６）が、前記圧縮度を連続的に表示する請求項１、２または３記載の方法。
5. 前記粒状材料（２）が、砂、または添加物および／またはバインダと混合された砂により定義され、前記容器（３）が、型枠または金属鋳造パターンによって定義される請求項１、２、３または４記載の方法。
6. 前記粒状材料（２）が、砂または添加物および／またはバインダと混合された砂により定義され、前記容器（３）は、鋳造のコア型によって定義される請求項１、２、３または４記載の方法。
7. 前記粒状材料（２）が、砂により定義され、前記容器（３）は、消失原型鋳造法のための発泡ポリマーのクラスタを含んだ型枠によって規定される請求項１、２、３または４記載の方法。
8. 前記粒状材料（２）が、ペレット状ポリマーまたは粉体状または粒状のセラミックにより定義され、前記容器（３）は、コンベヤおよびまたは投入ラインの部分を形成する請求項１、２、３または４記載の方法。
9. 前記粒状材料（２）が、建築用砂および／または砂利により定義され、前記容器（３）は、貯溜槽、または産業用車両またはミキサにより定義される請求項１、２、３または４記載の方法。
10. 容器内（３）の粒状材料（２）の局所的圧縮度を評価するシステムであって、
    ２ないし３以上の電極板（９、１０、１９、２０）を備えるコンデンサ（８）で規定される容量型センサ（５）、
    当該センサ（５）の条件設定および制御のための条件設定制御回路（６）、
    を備え、
    当該コンデンサ（８）は与えられた非負荷容量を有し、
    当該システムが、前記センサ（５）が前記粒状材料（２）に接触するかまたは近接するよう配置される形状の外表面（１５）を備え、
    前記回路（６）が、前記センサ（５）から、前記外表面（１５）が前記粒状材料（２）に接触するか、または近接するとき、前記センサ（５）のインピーダンスの変動を示す信号を受信して、その結果、前記粒状材料の局所的圧縮度を表示する
    システム。
11. 前記条件設定制御回路（６）が、前記センサ（５）の抵抗および誘導インピーダンス成分を測定することも可能で、その結果何らかの不要な効果またはその不要な効果と粒状材料の圧縮度とのあいだの望ましくない相乗効果を見きわめる請求項１０記載のシステム。
12. 前記コンデンサ（８）の電極板（９、１０；１９、２０）が、前記容器（３）に適合するかまたは組み込まれた支持部（１６）上に配置される請求項１０または１１記載のシステム。
13. 前記電極板（９、１０）が、薄い、剛性または可撓性を有する板で定義される請求項１２記載のシステム。
14. 前記電極板（９、１０）が、厚い、または薄い導電性フィルムで定義される請求項１３記載のシステム。
15. 前記支持部（１６）が、前記容器（３）に設けられる薄い接着性フィルムで定義される請求項１４記載のシステム。
16. 前記容器（３）が、消失原型鋳造法のための発泡ポリマーのクラスタを含んだ型枠によって規定され、前記薄いフィルムが、該クラスタの表面に直接成膜される請求項１４記載のシステム。
17. 前記電極板（９、１０）が、２または３以上の互い違いとなる直線状のセグメント（１２、１３）を備える請求項１０、１１、１２、１３、１４、１５または１６記載のシステム。
18. 前記電極板（９、１０）が、２または３以上の同一平面上にある、円状（１７）または直線状（１８）の部分によって構成される同心状の渦形状で規定される請求項１０、１１、１２、１３、１４、１５または１６記載のシステム。
19. 前記電極板が、２または３以上の与えられた長さの同軸の円筒（１９、２０）の形状である請求項１２記載のシステム。
20. 前記電極板（９、１０；１９、２０）が、保護コーティングを有する請求項１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８または１９記載のシステム。
21. 前記電極板（９、１０；１９、２０）が、エッジ効果によって前記センサ（５）の表面（１５）に近接して電磁界（１４）を発生させるような構造である請求項１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９または２０記載のシステム。

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