JP2011153027A - 粉体供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 粉体を真空、あるいは密閉雰囲気中の供給対象に微少量安定的に供給するのに適した粉体供給装置を提供する。
従来は、大気中での使用を前提とした大型で開放的な構造であったため、密閉構造を適用するのが困難であった。 また、粉体中で回転する可動部品や軸、摺動部品を多く持ち、噛みこみやすい金属粉体や金属酸化物粉体を安定的に供給するのに適していなかった。
【解決手段】粉体を貯留するホッパーの開口部から粉体を定量排出させるため、粉体がホッパー以外の、他のメカニズムに触れることなく供給対象に移送されることが可能になる。
ホッパーに直接、加速度あるいは、角加速度を与えて粉体を排出させ、この頻度、強度を可変することで供給速度を制御するようにした。
以上により、密閉しやすいコンパクトな構成と、可動部が直接粉体と接触しないことによる稼働の安定性を得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は粉体の慣性力を利用して粉体を定量供給する粉体フィーダーに関するものである。

新規材料の開発や、超微粒子の製造など、特殊な条件で粉体を扱う必要性が増えてきている。本発明は、真空中や、大気の混入を嫌う密閉雰囲気中に置かれた供給対象にも微少量の粉体を安定的に供給する、粉体供給装置を提供するものである。

特許第４２４４４７５号 特開平５−２３８５４４

例えば、特許文献１のように振動フィーダーを用いてホッパーから供給対象に粉体を供給する従来の粉体供給装置では、粉体の供給速度を、トラフ上を移動する粉体の移送速度によって制御していた。このため、移送速度を安定化するためには長い樋状の移送路であるトラフを必要とし、小型化が困難であった。また、開放的な構造にならざるを得ず、真空あるいは、密閉雰囲気での使用が困難であった。

また、特許文献２のように多数の回転体によって粉体を定量供給しようとするものでは、粉体中で回転する回転体の軸受けや回転体と筺体の隙間に粉体が噛みこんで、動作が不安定になりやすいという問題があった。 とくに、かたい金属酸化物、や金属の粉体を使用する場合では、噛み込も起きやすく、回転体や、容器の摩耗という問題も生じる。

長い樋状の移送路や、回転体を用いず、密閉容器中に置かれたホッパーを直接駆動して、ホッパーの駆動方向に開口した、面積を調節可能な開口部から、粉体を排出する。
ホッパーの駆動は、周期的に衝撃、打撃、あるいは加速度を与えることにより行う。
排出量は、衝撃、打撃あるいは加速度の大きさ、開口部の面積によりが定まる。この排出された粉体が、導入されたガスと共に供給対象に搬送されることになる。

ここでいう、粉体供給装置における供給速度とは、上記排出量（重量：ｇ）を単位時間（例えば、１分間）積算したものであり、単位時間当たりの粉体供給量（例えば、ｇ／ｍｉｎ）である。

本発明によれば、衝撃、打撃、加速度を与える要素とホッパーだけによる構成であり、粉体が回転体や、長い樋状の移送路に接触することがなく、滞留や噛みこみの危険性がなく、小型で安定性の高い粉体供給装置を構成することができる。

ここでは、「衝撃」、「打撃」、「加速度」と併記したが、衝撃、打撃を含む外部からの駆動力の変化によってホッパーが移動する際の「加速度」が、排出量を制御するより基本的な変数である。
本発明は、ホッパーが加速度をもって移動または停止した際に、ホッパー中の粉体の慣性力で粉体がホッパーの開口部から飛び出す現象を利用している。

ホッパーの加速度の再現性が良ければ、他の要因は、ほとんど固定されてしまうので、打撃当たりの排出量の再現性の良い、粉体の排出が可能である。
本発明では、微少量の供給を目的にしているため、ホッパー容量が小さくても長時間の連続運転が可能であり、ホッパー重量に対して、貯留する粉体の重量が小さくできる。そのため、粉体の排出に伴うホッパー重量の変化も小さく、加速度の再現性に与える影響を小さくできる。

また、加速度を受けるホッパー（以下一次ホッパーと呼称する。）とは別に、このホッパーへの粉体の供給を行う別の大型のホッパー（以下、二次ホッパーと呼称する。）を用意して、一次ホッパーの粉体の貯留量を一定に保つこともできる。
二次ホッパーの排出口を一次ホッパーの内部に設置することで、二次ホッパー排出口のレベルより、一次ホッパーの粉体レベルが下がると、粉体の自発的流れにより、二次ホッパーから一次ホッパーへの粉体の移動が行われる。
このため、一次ホッパーの粉体貯留量が一定に保持されるので、一次ホッパーの加速度の再現性が高まり、粉体排出量の再現性が、さらに高まると共に、粉体貯留量の増大を図ることもできる。

小型で密閉性が高く、動作の安定性の高い粉体供給装置を提供することができる。

本発明の第一実施例の装置の断面図である。 二次ホッパーを増設した構成概要例を示す図である。 ホッパーの粉体排出のための開口の構成例を示す図である。 ホッパーに加速度を与えるための、図１とは異なる手段の構成例である。 ホッパーに加速度を与えるための、図１、図４とは異なる手段の構成例である。 ホッパーに加速度を与えるための、図１、図４、図５、とは異なる手段の構成例である。 図１の構成例を実際に稼働した時の粉体供給量の時間変化を示す図である。

本発明の実施形態の一つは、直方体のホッパーと、直方体長手方向にある端面の下端に開口したスリット状の開口部を持ち、スリット幅は調節可能に構成されている。容器を構成する隔壁の外部に設置された、ソレノイドコイルの電磁力により駆動されるノッカーの打撃により、ホッパーに加速度が与えられる。
ホッパーに加速度を与える手段には、ソレノイドコイルにより駆動されるノッカーのほかに、ヴォイスコイルモーター、回転カムを用いることができる。

ホッパーに与える加速度は、角加速度であってもよい。中心軸周りに回転、あるいは揺動可能なホッパーの外周部に回転、あるいは、揺動運動の接線方向に開口した粉体排出口を設けることにより、粉体排出口の角加速度により、粉体が排出させられる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１は第一実施例の概略構成の断面図である。１は一次ホッパーであり、粉体２が貯留されている。粉体排出のためのスリット４が一次ホッパー１の下部に開口している。３はスリット４の開口面積を調整するためのシャッターである。ソレノイドコイル８に電流を流すことによって、鉄心９はソレノイドコイル８の中心に吸引される。第一実施例では、鉄心９は、通常、バネ７によりソレノイドコイル上端付近にあって、電流を流した時に鉄心９はソレノイドコイル８の中心部に（下方向に）吸引され、ノッカー５を押し出して一次ホッパー１に打撃を与える。

これによってホッパーは打撃の方向に加速度を受けるが、内部の粉体２は慣性力により同じ位置に留まろうとする。その結果、一次ホッパー１に貯留されている粉体の中で、スリット４中にある少量の粉体だけ、スリット４から飛び出し、一次ホッパー１から排出されることになる。
鉄心９は非磁性の金属シース１０によって外気と遮断されるので容器１３中を真空に排気したとしても鉄心９の駆動がリークの原因になることはない。ノッカー５は、軸６を中心に揺動運動をする。バネ７はソレノイドコイル８に駆動電流が流れていない時にノッカーを定位置に保持するために付加されている。

打撃当たりの粉体排出量は、スリット４の開口面積と打撃の強さ（ホッパーの加速度の大きさ）に依存する。単位時間当たりの粉体供給量（粉体供給速度）を設定するには、スリット幅をシャッター４によって調整することで開口面積を変化させて、大まかに排出量を調整し、その後は打撃の頻度を電気的に可変して供給速度の精度を上げるのがよい。
打撃の頻度はタイマーを使った繰り返し接点信号や、パルス発振機による電圧パルス信号でソレノイドコイル８を駆動することで容易に設定できる。

一次ホッパー１はダンパー１５により支持されている。ダンパー１５はノッカー５による打撃の振動を速やかに収束させるためにポリウレタン製のスポンジやゴムなどの粘弾性を持つ材料が用いられる。
ガス導入口１２により容器中にガスを導入することで、ホッパーから排出された粉体を、フィードパイプ１１を通してガス流で供給対象に移送することができる。

一次ホッパー１は底部に加速度センサー３２を固定している。図示していないリード線により容器１３の外部に信号を引き出し、前記センサーの検出した加速度のピークを示す波高値をモニターする。
一般に、粉体残量が大きいときには、波高値は僅かに低く、残量が減ると波高値が高くなると共に、ノッカー５によるノック後の振動の収束が遅くなる。
これにより一次ホッパーの加速度の大きさを予想することができ、粉体残量の目安や、ノッカー機構の異常を知ることができ、安定に稼働するために役立てることができる。

図２は、第一実施例に、二次ホッパー１６を付加する場合の構成例である。
一次ホッパー１よりも大型のホッパーを付加することにより、供給時間あるいは、供給速度を大きくすることができる。二次ホッパー１６に貯留された粉体２は、二次ホッパー排出口レベル１８より一次ホッパー１の粉体レベルが低下した場合、レベルが等しくなるまで、一次ホッパー１に自発的に移動する。

等圧化配管１７は、二次ホッパー１６の粉体上部空間の圧力を容器１３内部の圧力と均一化するためものである。この配管は図では明示していないが二次ホッパーの取り付け、粉体のホッパーへの投入などの作業性の点から、例えば金属ベローズを使った、脱着可能な可撓性のある配管が好ましい。

図３は第一実施例の一次ホッパー１の粉体排出口の構成例である。
図３ａはスリット状であり、シャッター３により、スリットを部分的に塞いで実効的なスリット幅ｄを調節する。これによりノッカー５による一回の打撃当たりの粉体の排出量を調節することができる。

図３ｂは複数の細孔が開口しており、シャッターにより細孔のいくつかを塞ぐことにより、排出量を調節することができる。開口している細孔の個数と打撃あたりの粉体の排出量が比例するので、排出量がステップ的に変化するが、再現性の良い調節ができるのが特徴である。

図３ｃ、ｃ´ は排出口がパイプ状になっている例である。粉体が所定の長さのパイプ中を移動する抵抗の大きさにより、打撃当たりの粉体の排出量が決まるので、一次ホッパー１中の粉体の残量などによる、排出量の変動が少ないという特徴がある。打撃当たりの排出量を変更するためには、数種類の直径、長さのパイプを用意しておき、所定の排出量に合わせて交換する。

一次ホッパー１に貯留された粉体を効率よく使用するには、前記の排出口を、いずれもホッパー下端付近に形成するのが望ましい。また、停止時に自重で粉体が流れ出さないように、水平方向か若干上向きに開口しているのが望ましい。
図３ｃ、ｃ´の場合は、パイプの角度が水平方向からずれても、自重による流れ出しは、少ない。

図４は、第二実施例であり、図１で示した実施例が使っていたノッカー５の代わりに、ヴォイスコイルモーター２０を用いた例である。ヴォイスコイルモーター２０のヴォイスコイルに結合された一次ホッパー１をヴォイスコイルに発生する推力で直接駆動する。
ヴォイスコイルにパルス状の電流を流すことにより、一次ホッパー１に電流変化に応じた加速度を与えることができる。１パルス当たりの粉体の排出量は電流変化の大きさに比例し、粉体の供給速度は、パルス電流の周波数に比例する。板バネ１９は、一次ホッパー１を前後に揺動可能に支持する。ダンパー１９は、一次ホッパー１が加速度を加えられた後の振動を速やかに減衰させるため、ポリウレタンやゴムなど粘弾性物質で作られている。

一次ホッパー１に、加速度センサー３２を付加して、検出した加速度の大きさと、設定した加速度の値との偏差を小さくするように、ヴォイスコイルモーター２０の駆動電流をフィードバック制御して、粉体排出量の変動を安定化することも可能である。
また、ヴォイスコイルモーター２０を所定のパルス電流で駆動した時の、一次ホッパー１の加速度から、一次ホッパー１の質量を概算し、ホッパーに残留している粉体量や、残留している粉体量の変化から、粉体の供給速度を概算することも可能である。

図５は、第三実施例であり、カム２３により一次ホッパー１に加速度を与える構成例である。粉体の１回転当たりの排出量はカム形状に依存し、粉体の供給速度はモーター２２の回転数に比例する。
カム２３は、モーター２２の回転に伴い不必要な振動を生じさせないため、偏芯荷重がないように設計することが望ましい。図５の例では、一回転で２回の排出を行うように軸対象に設計している。一次ホッパー１はカムフォロアー２４によりカム２３の回転により推力を受ける。

バネ２５は一次ホッパー１をカム２３に押しつけて、カム２３の形状に沿わせて動かすために必要である。また、図４による例と同様に、一次ホッパー１の支持用の板バネ１９とダンパー２１を持っている。

図４、図５とも粉体排出のためのメカニズムを密閉するための容器は、明示していないが、実際に本発明の粉体供給装置を作成するにあたって、密閉容器をこれに合わせて構成することは当該業者には容易である。

図６ａは第四実施例であり、略円形のホッパー２６を間欠的に回転させることにより、ホッパー外周部の粉体に接線方向の加速度を与え、排出口の回転運動の軌跡の接線方向に開口したスリット４から粉体を排出する。図６ｂは、ホッパー２６の切断面３１による断面図である。スリット４は軸対象の位置に２か所開口している。

接線方向の加速度は、回転軸２８を介して接続されたパルスモーター３０により発生する。パルスモーター３０は図示されてないパルスモータードライバーに所定の電圧パルスを加えることで、所定の角度だけモーター軸が瞬間的に回転する。これにより、ホッパー２６の接線方向に大きな加速度が発生する。ホッパー２６から排出された粉体２は、ガス導入口１２から導入されたガスに搬送されてフィードチューブ１１から図示していない供給対象まで移送される。

回転軸２８は軸受けユニット２７に保持されていて、ベアリングと真空シール部品を組み合わせたものである。回転軸２８が低速で回転すること、シール部が粉体と接触しないことにより、シールの信頼性が高く、内部を真空状態にしてもリークの心配がない。

この方式は、第一実施例と同様に、二次ホッパーを付加することができる。この構成では、大きな供給速度で長時間運転するような場合に好適である。
排出速度は電圧パルス当たりのパルスモーター３０の回転角、パルスモーター３０のトルク、排出口の回転半径で決まる角加速度の大きさと、スリット４の開口面積で決まり、供給速度はパルスモータードライバーに加える電圧パルスの周波数によりコントロールできる。

第四実施例では、パルスモーターを用いたが、他にも間欠的な回転運動を駆動可能なゼネバ機構や、ホッパー２６の周辺部をノッカーで接線方向に打撃する方法も同様の効果を持つ。また、パルスモーターを使用した場合でも周期的に回転方向を変化させてホッパー２６に揺動運動を起こさせることができる。このような揺動運動や、ノッカーによる打撃の場合には、リード線の問題がなくなるので、ホッパー２６に加速度センサー３２を付加することにより、加速度の大きさをモニターすることができる。

図７は第一実施例の構成で、実際に真空中（１３０Ｐａ、Ａｒガス）で粉体（小麦粉）を供給した時の特性である。
条件は、図３ａにおけるスリット幅ｄ：０．２ｍｍ、スリット長さＬ：１０ｍｍ、ノッカーの駆動周期：０．２ｓｅｃ（５回／１ｓｅｃ）、ガス導入口には、Ａｒガスを１Ｌ／ｍｉｎ（大気圧）供給した。供給対象は真空チャンバー内にあり、懸るチャンバーは真空ポンプにより排気されている。供給速度は、定時的にホッパー１を取り外し、ホッパーごと残留粉体を含めて重量を測定し、その減少量を記録して得た。
図７より、微少量の供給が安定して行われていることが分かる。

第二、第三実施例においては、一次ホッパーの排出口に内径２ｍｍ、長さ５ｍｍのステンレス製パイプを用いて実験を行った。駆動周期はどちらも０．０５ｓｅｃであった。
ヴォイスコイルモーター２０の駆動電流や、カム２３の形状を調整することにより、図７と、ほぼ同様の供給速度と安定性を確認できた。

第四実施例においては、排出口の形成された最外周の直径６０ｍｍの回転ホッパーを用い、排出口は２か所、排出口形状は０．５ｍｍ＊５ｍｍＬ、１パルス当たり７．５度変位するパルスモーターを用いた。
平均粒径４０μｍのＳｉ粉末を使い、パルスモータードライバーに１０Ｈｚでパルスを入力して、供給速度を測定したところ、０．２ｇ／分の供給速度を得た。長時間の運転でも、噛みこみや、詰まりはなく安定に動作した。

本発明によれば、真空中に安定して、微少量の粉体を供給できる。
コンパクトで、密閉化が容易であり、粉体中で駆動しなければならない回転部品や、摺動真空シールもないため、金属粉末や酸化物粉末など硬くて噛み込やすい粉末に対しても安定して動作できる。
このような特性は、例えば、真空中、あるいは不活性ガスプラズマ中で金属粉末や、金属酸化物粉末を蒸発させて、ナノメートルサイズの微粒子を作る、金属微粒子製造装置に好適である。

１・・一次ホッパー、２・・粉体、３・・シャッター、４・・スリット、５・・ノッカー、６・・軸受け、７・・バネ、８・・ソレノイドコイル、９・・鉄心、１０・・金属シース、１１・・フィードパイプ、１２・・ガス導入口、１３・・容器、１４・・粉体充填口の蓋、１５・・ダンパー、１６・・二次ホッパー、」１７・・等圧化配管、１８・・一次ホッパーの粉体レベル、１９・・板バネ、２０・・ヴォイスコイルモーター、２１・・ダンパー、２２・・モーター、２３・・カム、２４・・カムフォロアー、２５・・バネ、ｄ・・スリット幅、Ｌ・・スリット長さ、２６・・回転式ホッパー、２７・・軸受けユニット、２８・・回転軸、２９・・カップリング、３０・・パルスモーター、３１・・図６ｂを与える切断面、３２・・加速度センサー

Claims (8)

1. 粉体の排出口が、その略下端部に、略水平方向に開口しているホッパーと、前記ホッパーに、排出口の開口方向と略平行な方向に加速度を付与する機構を備え、前記ホッパーに加速度を与えた時に、排出口から粉体を排出させることを特徴とする粉体供給装置。
2. 前記ホッパーと、これに加速度を付与するノッカーと、ノッカーを駆動する鉄心と、を密閉容器中に有し、密閉容器外に鉄心を駆動するコイルを有する、請求項１に記載の粉体供給装置。
3. 粉体の排出口の開口方向と略平行な方向に可動な、前記ホッパーと、ホッパーと結合した、ヴォイスコイルモーターを有する、請求項１に記載の粉体供給装置。
4. 粉体の排出口の開口方向と略平行な方向に可動な、前記ホッパーと、ホッパーの可動範囲で、その位置を規定する回転カムと、カムを回転させるモーターを有する、請求項１に記載の粉体供給装置。
5. 回転可能であり、周辺部に、それ自体の回転運動軌跡の略接線方向に開口を有する粉体の排出口を形成したホッパーと、前記ホッパーに角加速度を付与する駆動機構を有することを特徴とする粉体供給装置
6. ホッパーに角加速度を付与する駆動機構がパルスモーターであることを特徴とする請求項５記載の粉体供給装置。
7. 加速度、あるいは角加速度を付与する前記ホッパー（一次ホッパーと呼ぶ）と、直接加速度を付与されない、より大型のホッパー（二次ホッパーと呼ぶ）を有し、前記二次ホッパーの下端にある粉体排出口が一次ホッパーの内部に挿入されてあることを特徴とする請求項１及び５に記載の粉体供給装置。
8. 前記ホッパー（一次ホッパー）に加速度センサーが固定されている請求項１及び５に記載の粉体供給装置

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