JP2020121829A - 粉体フィーダー及び粉体の供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】経時的に安定した量の粉体の供給を行う技術を提供する。【解決手段】ボウルは供給対象の粉体を収容し、その内壁面に沿って、底部側から上部側の払い出し口に至るらせん状の傾斜路が形成され、駆動部は前記傾斜路に沿って、前記底部側から前記払い出し口側へ向けて前記粉体を移動させるために、前記ボウルを繰り返し回転振動させる。駆動制御部は、前記回転振動の周波数と、前記払い出し口から単位時間当たりに払い出される粉体の払い出し量との対応関係が、前記ボウル内に収容された粉体の重量の変化に応じて変化することを把握した結果に基づき、前記払い出し量を調節するための前記周波数の経時変化を示す振動パターンに基づいて前記駆動部を動作させる。【選択図】図９

Description

本開示は、粉体フィーダー及び粉体の供給方法に関する。

リチウムイオン二次電池などのリチウムイオンキャパシタの電極を製造する工程には、電極材料に予めリチウムイオンをドーピングさせるプレドーピング工程がある。その具体的な手法として、電極シート上の電極材料にリチウム含有粉末（以下、「リチウム粉末」とも呼ぶ）を溶融させながら吹き付けてリチウムの薄膜を成膜することによりドーピングを行う技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１によると、リチウム粉末供給部に対して供給されたリチウム粉末は、キャリアガスと混合された後、高温に加熱されて溶融し電極材料に吹き付けられる。この際、電極材料の面内でイオンドーピング密度を均一にするためには、リチウム粉末供給部に向けて、経時的に安定した量のリチウム粉末を供給する必要がある。

特許文献２には、粉体が供給されるトラフを加振手段で振動させることによりトラフの先端から粉体を送り出す際に、粉体を積載した状態から空の状態に向けてトラフの振動が減衰することに応じて、共振点の方向へ加振手段の出力周波数を変化させる粉体フィーダが記載されている。

特開２０１４−１２３６６３号公報 特開平１１−１８０５２８号公報

本開示は、経時的に安定した量の粉体の供給を行う技術を提供する。

本開示は、粉体の供給を行う粉体フィーダーにおいて、
供給対象の粉体を収容する収容空間が形成され、前記収容空間の内壁面に沿って、底部側から上部側の払い出し口に至るらせん状の傾斜路が形成されたボウルと
前記傾斜路に沿って、前記底部側から前記払い出し口側へ向けて前記粉体を移動させるために、前記ボウルを繰り返し回転振動させる駆動部と、
前記回転振動の周波数と、前記払い出し口から単位時間当たりに払い出される粉体の払い出し量との対応関係が、前記ボウル内に収容された粉体重量の変化に応じて変化することを把握した結果に基づき、前記払い出し量を調節するための前記周波数の経時変化を示す振動パターンに基づいて前記駆動部を動作させるための駆動制御部と、を備えた、粉体フィーダーである。

本開示によれば、時的に安定した量の粉体の供給を行うことができる。

電極製造装置の縦断側面図である。 電極製造装置に設けられた粉体フィーダーの外観図である。 粉体フィーダーの破断斜視図である。 粉体を収容するボウルの平面図及び縦断側面図である。 粉体フィーダーの駆動部の構成を示す側面図である。 粉体供給時の粉体フィーダーの縦断側面図である。 ボウルの回転振動の周波数特性を示す説明図である。 前記周波数特性を求める手法の説明図である。 粉体フィーダーの動作に係るフローチャートである。 実験に用いたボウルの縦断側面図である。 実施例に係る粉体流量の粉体フィーダーの粉体供給量の経時変化を示す説明図である。 比較例に係る粉体フィーダーの粉体供給量の経時変化を示す説明図である。

はじめに、電極シート上の電極材料にリチウムの薄膜を成膜することにより、イオンドーピングを行うリチウムイオンキャパシタ用の電極製造装置に対し、本開示の粉体フィーダーを適用した例を簡単に説明する。
なお、本開示の説明において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

電極製造装置１は、例えば特許文献１に記載のものと同様に構成されたものを用いることができる。
図１に示す電極製造装置１は、収容室１０１内に収容された電極シートロール１１ａから電極シート１１を引き出し、収容室１０２内に収容されたロールコア１１１に巻き取る際に、処理室１０３内を通過させる。処理室１０３を通過する電極シート１１の上面には、例えば炭素材料からなる不図示の電極材料が面状に形成されている。

処理室１０３内には、電極シート１１の幅方向に沿って形成された複数の孔部から、処理室１０３内を通過する電極シート１１へ向けて、リチウム粉末を供給するリチウム粉末供給部１２２が配置されている。リチウム粉末供給部１２２からは、キャリアガス（例えばアルゴンなどの希ガス）と混合された状態でリチウム粉末が供給される。
そして、リチウム粉末供給部１２２から電極材料へ向けてリチウム粉末を供給する際に、当該粉末の供給位置へ向けて加熱ガス供給部１２１から加熱されたガス（例えばキャリアガスと同じ希ガス）を供給することにより、リチウム粉末を溶融する。

具体的には、加熱ガス供給部１２１の先端部に溶射ガン（陽極と陰極から構成され、両極に電圧を印加しアーク放電を発生させる）を設け、溶射ガンで高温ガスフレームを発生させる。そして当該フレーム内に粉末供給部１２２からリチウム粉末を供給し、溶融したリチウムを含むアーク放電フレーム近傍に電極シート１１を通過させて、溶融したリチウム粉末を吹き付ける。
溶融したリチウム粉末が電極材料の表面（被覆面）で固化することにより、リチウムの薄膜が形成され、電極材料に対するリチウムイオンのドーピングが行われる。

上述の電極製造装置１においては、電極材料の全面に均一にドーピングを行うため、例えば数十ミリグラム／分〜数グラム／分程度の微小量のリチウム粉末（粉体）を±１０％以下の精度で連続的に供給することを求められる場合がある。
しかしながら、すり鉢状の収容空間内にリチウム粉末を収容し、その下端部からリチウム粉末を流下させる公知のホッパーでは、微小量のリチウム粉末を精度よく供給することは困難であることが分かった。

そこで発明者らは、機械部品の供給に用いられるパーツフィーダーを利用して、経時的に安定した量のリチウム粉末（以下、単に「粉体」ともいう）を供給する技術の開発を行っている。
機会部品供給用のパーツフィーダーには、すり鉢状のボウルを用いて部品の搬送を行うものがある。内壁面に沿ってらせん状の傾斜路が形成されたボウル内に搬送対象の部品を多数収容した状態にて、当該傾斜路に沿った方向に向けて繰り返し回転振動を加えると、これらの部品が傾斜路に沿って整列した状態で登坂移動する。

以下、上記のパーツフィーダーを利用して微小量の粉体を高精度で安定的に供給する、実施の形態に係る粉体フィーダー２の構成について図２〜図４を参照しながら説明する。
図１に示すように、本例の粉体フィーダー２はブラケット３１を介して電極製造装置１（処理室１０３）の上面に固定されている。図２の外観斜視図に示すように、粉体フィーダー２は、後述するボウル２４を収容した容器２１と、ボウル２４に対して回転振動を加える駆動部２２とを上下に積層した構造となっている。

容器２１には、内部にキャリアガスを送り込むチューブが接続されるフィッティング２１２と、ボウル２４から払い出された粉体をリチウム粉末供給部１２２に向けて輸送するための輸送管２３と、容器２１内部の圧力を計測する圧力計２１１と、が取り付けられている。

図３は、図２中に破線で示す仮想ナイフ６で粉体フィーダー２を垂直に切断し、その切断面を矢視方向から眺めた破断斜視図である。また、図４（ａ）、（ｂ）は、図３と交差する方向から見たボウル２４の縦断側面図、及び平面図である。図３には粉体フィーダー２の上半分である容器２１側の断面を主に示している。なお、図３には、ボウル２４内に粉体を供給する際に取り外す上蓋２１３が外された状態を示してある。容器２１は、Ｏ−リング２７を介して上蓋２１３と締結され密閉され、フィッティング２１２を介して接続されたチューブからキャリアガスが供給される。

図３、図４（ｂ）に示すように、本例のボウル２４は、円柱形状のボウル２４の本体の径方向中央位置に、上面に向けて開口する凹部が形成され、当該凹部が粉体の収容空間２４０となっている。さらにボウル２４は、収容空間２４０の縦断面形状がバイアル瓶形状となるように内壁面が形成されている。より詳細には、本例の収容空間２４０は、ボウル２４の底部から中段の高さ位置にかけて、半径が一定の円筒状に形成され、前記中段から上面近傍の高さ位置にかけては、その半径が次第に小さくなる円錐形状となっている。この円錐は、上部側の位置で途切れ、この位置から上方へ向けて、底部側の円筒よりも小径で半径が一定の円筒が形成され、ボウル２４の上面にて開口している。

上述の縦断面形状を有する収容空間２４０には、その内壁面に沿って、底部側から上部側に向け、らせん状の溝からなる傾斜路２４２が形成されている。そして、収容空間２４０の中心軸（図４（ｂ）中の一点鎖線）を回転中心として、傾斜路２４２に沿った方向に向けて繰り返し回転振動を加えると、収容空間２４０内に収容された粉体が傾斜路２４２に沿って登坂移動する。

このとき、既述のように収容空間２４０がバイアル瓶形状の縦断面を有していることにより、既述の回転中心から傾斜路２４２までの半径ｒは、下方側の半径ｒ_Ｌよりも、上方側の半径ｒ_Ｕの方が小さくなっている。
即ち、回転振動の回転中心に沿って、収容空間２４０の底部側から上部側へ向けて、既述の距離ｒ_Ｕ、ｒ_Ｌを見たとき、上部領域の方が、当該上部領域の下方側に続く領域よりも前記距離が小さくなっている（ｒ_Ｕ＜ｒ_Ｌ）。この構成により、収容空間２４０の底部側よりも上部側の方が、傾斜路２４２に沿って移動する粉体に働く力のモーメントを小さくすることができる。

上述の構成により、傾斜路２４２を登坂移動する粉体の流れは、力のモーメントの変化に応じて徐々に遅くなっていく。そして、粉体は下部側（上流側）から供給される粉体によってわずかに圧縮されながら傾斜路２４２を登坂移動し、上部側ほどより密な粉体の流れが形成される。

図４（ｂ）に示すように、傾斜路２４２の上部側の位置には、傾斜路２４２に沿って移動する粉体の量を調節するための２つのスリット形成部材２５ｂ、２５ａが、傾斜路２４２の延伸方向に沿ってこの順に配置されている。スリット形成部材２５ａ、２５ｂは、傾斜路２４２を構成する溝面との間に、粉体を通過させるスリットを形成し、当該スリットを通過できない粉体をすり切って、粉体の量を調節する板状の部材である。

スリット形成部材２５ａ、２５ｂによって形成されるスリットの開口面積は、下部側（上流側）のスリット形成部材２５ｂよりも上部側（下流側）のスリット形成部材２５ａの方が狭くなっている。この構成により、粉体の量が２段階で調節され、より正確な供給量調節を行うことができる。
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、スリット形成部材２５ａ、２５ｂは、固定部材２５１を用いて、上面側からボウル２４に固定されている。
上述の構成を備えるボウル２４は、収容空間２４０の底面を貫通するネジ２４１により、駆動部２２を構成する振動体２２１に対して固定される。一方、ボウル２４は、当該ボウル２４を収容する容器２１やその周辺機器（上蓋２１３やロート２６など）に対しては非接触の状態となっており、容器２１に拘束されずに振動することができる。

また図３、図４（ａ）に示すように、ボウル２４の上面には、溝からなる払い出し路２４４が既述の回転中心から見て径方向に沿って形成されている。傾斜路２４２は、ボウル２４の上面に到達した位置にて前記払い出し路２４４に接続され、当該接続位置が、収容空間２４０から粉体が払い出される払い出し口２４３となっている。粉体の滞留を避けるため、払い出し路２４４の底面には、径方向外側へ向けて次第に低くなる傾斜面が形成されている。
払い出し路２４４の末端部は、ボウル２４の側壁内に形成されたスロープ２４５に接続され、当該スロープ２４５の末端はボウル２４の下面に開口している（図３）。当該開口の下方側には、上端側が上面に向けて開口し、下端側が既述の輸送管２３に接続されたロート２６が配置されている。なお、収容空間２４０側の傾斜路２４２との干渉の問題などが無ければ、払い出し路２４４を設けずに、スロープ２４５の上端を、直接、払い出し口２４３に接続してもよい。

ボウル２４の作製に当たっては、必要なところに材料を盛っていくAdditive Manufacturingを使う。具体的には３Ｄプリンターを使って作製することができる。
例えば直接金属レーザー焼結(Direct Metal Laser Sintering；ＤＭＬＳ）方式を採用した３Ｄプリンターには、高解像で優れた表面品質、優れた機械的特性を有し、そのまま装置に組み込んで使用する部品を製造できるものがある。さらに、ＤＭＬＳ法はほとんどすべての金属合金を扱うことができる。主な金属材料として、ステンレス鋼（１７−４、１５−５）、マレージング鋼、アルミニウム合金（ＡｌＳｉ１０Ｍｇ）、チタン合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）、コバルト合金、クロム合金、インコネル（６２５、７１８、「ＩＮＣＯＮＥＬ」は登録商標）などである。従って、この種の３Ｄプリンターは、電極製造装置１で使用する粉体（本例ではリチウム粉末）と相性の良い材質で所望の形状のボウル２４を作製することが可能となる。

さらに、３Ｄプリンターを使えば樹脂材でボウル２４を安価に作製することもできる。樹脂製のボウル２４は絶縁性であるため、静電気などにより粉体がその表面に付着し、供給量の変動を誘発する場合もある。そこで、樹脂製ボウル２４を使用する場合にはその表面をメッキするなどして、導電性を持たせるようにするとよい。これにより粉体の表面吸着がなくなり経時的に安定した量の粉体を供給できる。

図５は、駆動部２２の構成例を示す。振動体２２１は、強磁性体のステンレス鋼などにより構成され、その側周面を囲むように設けられたホルダー２２１ａに保持されている。ホルダー２２１ａは、ボウル２４の下方側にて、当該ボウル２４の周方向に沿って互いに間隔を開けて配置された複数の板バネ２２４によって支持されている。

ホルダー２２１ａを支持する各板バネ２２４の下端側は、既述のブラケット３１上に配置される基台部２２３に接続されている。そしてホルダー２２１ａに保持された振動体２２１と基台部２２３との間には、内部に不図示の電磁石を備えた加振源２２２が配置されている。振動体２２１は、加振源２２２内の電磁石の上方側の位置に、当該加振源２２２に対して隙間を空けて配置された状態となる。

図５に示すように、ホルダー２２１ａと基台部２２３とを繋ぐ各板バネ２２４は、傾けて配置されている。傾斜路２４２に沿った粉体の登坂移動の方向を基準としたとき、各板バネ２２４の傾きは、板バネ２２４に接続された基端部側が、ホルダー２２１ａを支持する上端部側よりも、前記登坂移動方向の前方側に位置するように揃えられている。

駆動部２２に対しては、内部の電磁石に対し、振動体２２１を引き付ける引力を周期的に発生させる駆動信号の入力を行う制御駆動部２２５が接続されている。そして、当該駆動信号に基づいて電磁石を作動させると、電磁石がオンになり振動体２２１が引き下げられる動作と、電磁石がオフになり板バネ２２４の弾性力により振動体２２１が押し上げられる動作とが周期的に繰り返される。

さらに既述のように、板バネ２２４が傾けて配置されていることにより、振動体２２１は、上下方向に移動すると共に、ボウル２４の周方向に沿って移動する。これら上下方向の移動と周方向の移動との組み合わせにより、ボウル２４に対して、回転振動が加振されることになる。

上述の構成を備えた粉体フィーダー２は、制御部４に接続される。制御部はＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなる。この記憶部にはボウル２４に加える回転振動の波形（振動体２２１の上下方向の移動量や周波数）やキャリアガス流量などの粉体供給に必要な動作を実行するためのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリカードなどの記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。

図６を参照しながら、上述の構成を備える粉体フィーダー２の作用について簡単に説明しておく。便宜上、図６においては容器２１やネジ２４１などの記載を適宜、省略してある。
初めに、容器２１の蓋２１３を取り外し、ボウル２４の収容空間２４０内に所定量の粉体（リチウム粉末）を充填する。次いで、蓋２１３を閉じ、容器２１内にキャリアガスを供給する。

しかる後、駆動部２２を作動させてボウル２４に回転振動を加えると、収容空間２４０内の底部側に収容された粉体が傾斜路２４２に沿って登坂移動を開始する。この結果、収容空間２４０の内壁面に沿ってらせん状に形成された傾斜路２４２を登坂移動する粉体の流れを形成することができる（図６）。

傾斜路２４２に沿って登坂移動する粉体は、第１段のスリットにて粉体量が大まかに一定になるようにすり切られ、その後、開口面積がより狭い第２段のスリットにより粉体の量が正確に一定となるようにすり切られる。

収容空間２４０の上端部に達した粉体は、払い出し口２４３を介して払い出し路２４４へ払い出され、スロープ２４５に到達してスロープ１３内を滑り落ちて行く。そして、スロープ２４５の下端部から放出された粉体は、ロート２６内に落下して、キャリアガスと共に輸送管２３内を流れ、電極製造装置１側のリチウム粉末供給部１２２へと供給される。
上述の作用により、リチウム粉末供給部１２２に対して、経時的に比較的安定した量の粉体（リチウム粉末）を供給することが可能となる。

このように、図１〜図６を用いて説明した構成の粉体フィーダー２は、後述する実験結果に示すように、経時的に比較的安定した量の粉体供給を行うことができる。
一方で、既述のように数十ミリグラム／分〜数グラム／分程度の微小量の粉体を±１０％以下といった高い精度で連続的に供給するためには、ボウル２４内に収容された粉体の重量変化の影響も考慮しなければならないことが分かった。

図７（ａ）は、駆動部２２によりボウル２４を回転振動させる際の周波数ｆ［ＭＨｚ］に対するボウル２４の変位ｘ［ｍｍ］の変化を示す周波数特性図である。回転振動においては、回転中心からの径方向の距離に応じて変位の量が変化するが、ここでは、図５に示すように板バネ２２４に対向する位置に配置したギャップセンサー５を用いて計測した板バネ２２４所定の高さ位置における変位を示している。

例えば粉体を収容していない状態（空の状態）の重量ｍのボウル２４をＡｓｉｎωｔの加振力で回転振動させ、角速度ω（＝２πｆ）を次第に変化させていく場合について考える。ここでＡは、振動体２２１を下方側へ所定量移動させた状態で固定した場合に、ギャップセンサー５にて検出される板バネ２２４の変位である。
角速度ω（周波数ｆ）を変化させながらボウル２４に回転振動を加えると、ボウル２４の変位（ギャップセンサー５にて測定した板バネ２２４の変位に比例する）は、図７（ａ）中に実線で示すように共振周波数ｆ_１（共振角速度ω_１＝２πｆ_１）にて最大となる単一ピークを持つ周波数特性を示す。図７（ａ）に示す「ＱＡ」は、共振周波数ｆ_１における最大変位であり、Ｑは振幅増大係数である。

この周波数特性によれば、駆動部２２を用いて加振される回転振動の周波数を変化させることにより、傾斜路２４２の各位置における単位時間当たりの変位を変化させることができる。この結果、傾斜路２４２に沿って登坂移動する粉体に働く力のモーメントＮ（＝Ｍ’ｒ^２（ｄω’／ｄｔ）。但し、Ｍ’は粉体の単位重量、ｒはボウル２４の回転中心から傾斜路２４２までの径方向の距離、ω’は傾斜路２４２の各位置における周方向の変位に基づく角速度）を調節することが可能となる。粉体に働く力のモーメントは、傾斜路２４２の各位置を通過する粉体の単位時間当たりの移動量を調節する制御変数となるので、前記周波数により払い出し口２４３からの単位時間当たりの粉体の払い出し量（即ち輸送管２３への粉体の供給量）を調節することができる。

そこで例えばＱＡの半分の変位(これをｘ_１とする)を生じさせる周波数をｆ_１とし、ボウル２４を常時「Ａｓｉｎ（２πｆ_ｘ１）ｔ」の加振力で回転振動させる場合について考える。
図７（ａ）に示す実線は、空の状態のボウル２４における回転振動の周波数特性であるところ、ボウル２４に重量Ｍ_２の粉体を収容したことによる合計重量（ｍ＋Ｍ_２）の増加に伴い、同図中に破線で示すように、周波数特性は左方向へシフトする。この結果、共振周波数もｆ_２に低下する。

一方で、既述のように加振力が「Ａｓｉｎ（２πｆ_ｘ１）ｔ」に固定された駆動部２２を用いる場合、図７（ａ）に示すようにボウル２４はｘ_１より大きな変位ｘ_２にて振動してしまう。この結果、変位ｘ_１における供給量と比較して、粉体にはより大きな力のモーメントが加わり、単位時間当たりの粉体の供給量は増大する。

この状態にて粉体の供給を継続すると、ボウル２４内に収容された粉体の重量が徐々に減り、ボウル２４と粉体との合計重量（ｍ＋Ｍ_３）が小さくなっていく。この結果、ボウル２４の回転振動の周波数特性は図７（ａ）中に一点鎖線で示す状態へとシフトするので、当該回転振動の変位も次第に減少していく（ｘ_２→ｘ_３）。よって、粉体の単位時間あたりの供給量は、変位ｘ_２の時刻から変位ｘ_３の時刻へ向けて次第に減少してしまう。

ボウル２４内に残っている粉体の重量の影響を受けることなく、単位時間当たりの粉体の供給量を一定にしようとすると、周波数特性の変化に合わせて、ボウル２４の回転振動の変位ｘが一定となるように、その周波数をｆ_ｘ１→ｆ’_ｘ１→ｆ’’_ｘ１と変化させればよい。
しかしながら粉体の重量を含むボウル２４の重量を逐次測定することは極めて難しい。また、単位時間あたりにフィードされた粉体の重量を逐次計測することも同様に極めて難しい。

そこで本例の粉体フィーダー２では、図８に示すように粉体に替えてダミーウェイト２８をボウル２４内に配置し、当該ダミーウェイト２８の重量を変化させた複数のケースにつき、回転振動の周波数特性を予備実験により求めた。そして、図７（ｂ）に示すように、これらの周波数特性においてボウル２４の回転振動の変位ｘが一定となるように各時刻ｔ_０→ｔ_１→ｔ_ｅの周波数ｆを個別に求め、当該周波数の経時変化を示す周波数関数（振動パターン）Ｆ（ｔ）を作成した。

図５に示すように、例えば制御部４の記憶部４２内には、単位時間あたりの粉体の供給量に応じて選択される複数の周波数関数Ｆ（ｔ）が格納されている。そして、プログラムに基づいて作動する制御部４の駆動信号発生部４１の機能によって、粉体の供給量に応じた周波数関数Ｆ（ｔ）が選択され、制御駆動部２２５へ向けて出力される。

言い換えると、これら複数の周波数関数（振動パターン）Ｆ（ｔ）は、ボウル２４の回転振動の周波数と、その変位との対応関係が単位時間当たりの粉体の供給量（即ち、払い出し口２４３からの粉体の払い出し量）に及ぼす影響に基づいて設定されていると言える。そして、周波数関数Ｆ（ｔ）の選択（設定）は、粉体の供給量を予め設定された目標値に近付けるために行われるものと言える。

制御駆動部２２５は、当該が周波数関数Ｆ（ｔ）に基づいて、各時刻におけるボウル２４の回転振動の周波数Ｆ（ｔ_０）→Ｆ（ｔ_１）→Ｆ（ｔ_ｅ）を変化させる。この結果、図７（ｂ）に示すようにボウル２４及び粉体の合計の重量の減少に合わせて、ボウル２４の回転振動の周波数が高くなるように調節され、逐次、当該重量減少に合った加振力が加えられ、経時的に安定した量の粉体が供給される。

なお、後述の比較例に実験結果に示すように、本例の粉体フィーダー２を用いた粉体の供給においては、供給開始直後から所定の期間、ボウル２４に収容された粉体の重量が減少しているにも係らず、単位時間当たりの供給量が増大する場合がある。これは、傾斜路２４２を登坂移動する粉体の状態（傾斜路２４２に沿った粉体の分布など）で、粉体に不均一な加速度が加わっている過渡状態にあるためと考えられる。

この過渡状態の期間中は、周波数関数Ｆ（ｔ）に基づく粉体の供給量調節を行うことが困難な場合がある。そこで、過渡状態の期間が経過するまでは、例えば一定周波数でボウル２４を回転振動させ、当該期間の経過後、粉体の供給量が定常状態となってから、周波数関数Ｆ（ｔ）に基づく周波数制御を行ってもよい。

以下、図９を参照しながら、ボウル２４の回転振動の周波数制御に係る粉体フィーダー２の動作について説明する。
粉体フィーダー２にて使用するボウル２４（収容空間２４０の形状や材質、重量）が決定されたら（スタート）、当該ボウル２４についての周波数関数Ｆ（ｔ）を作成する（ステップＳ１０１）。周波数関数Ｆ（ｔ）の例については、後述の実施例にて実験結果と共に説明する。

得られた周波数関数は、制御部４の記憶部４２に格納される。当該動作は粉体フィーダー２のユーザーが行ってもよいし、粉体フィーダー２のメーカー側で事前に行っておいてもよい。後者の場合には、ユーザーによるステップＳ１０１の実施は省略できる。
また、ボウル２４に格納する周波数関数Ｆ（ｔ）は、経時時間と周波数の関係式として規定してもよいし、経時時間と周波数とを対応付けたテーブルにて規定してもよい。

次いで、使用するボウル２４や単位時間当たりの粉体の供給量に基づき、制御部４にて使用する周波数関数Ｆ（ｔ）を選択し、読み出す（ステップＳ１０２）。
そして、供給対象の粉体をボウル２４の収容空間２４０に充填し（ステップＳ１０３）、駆動部２２を動作させてボウル２４の回転振動を開始する。ここで既述のように回転振動の変位に応じた粉体の供給が困難な過渡状態の期間がある場合には、例えば一定の周波数でボウル２４を回転振動させる一方、電極材料へのリチウム粉末を開始しない「プレフィード」の実施期間としてもよい（ステップＳ１０４）。

プレフィードの期間が経過し、粉体の供給量が安定したら、読み出した周波数関数Ｆ（ｔ）に基づいて制御駆動部２２５を作動させる（ステップＳ１０５）。この結果、例えば図７（ｂ）に示すように共振周波数よりも低周波数側で周波数を調節する場合、所定の時間間隔でボウル２４の回転振動の周波数が次第に低下する。このとき、単位時間当たりの粉体の供給量が一定になるように、周波数関数Ｆ（ｔ）の選択が行われていることにより、当該供給量に近づくように粉体の供給量制御が実行される。
そして、ボウル２４に収容された粉体が予め設定した規定量を上回っている期間中は、上記の動作を継続する（ステップＳ１０６；ＮＯ→Ｓ１０５）。

しかる後、ボウル２４内の粉体が前記規定量に到達したら（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）、粉体の供給を停止するか否かを判断する。供給を継続する場合には（ステップＳ１０７；ＮＯ）、回転振動を停止してボウル２４に粉体を追加充填する（ステップＳ１０８）。
その後、ボウル２４の回転振動を再開する際には、既述の規定量に追加充填量を加えた粉体の重量Ｍとボウル２４の重量ｍとの合計重量（ｍ＋Ｍ）に対応する周波数が、時刻ｔ_０における周波数関数Ｆ（ｔ）の出力と一致するように、周波数関数の読み出し開始位置を調節する。そして、周波数関数Ｆ（ｔ）に基づいて制御駆動部２２５を作動させる動作を再開する（ステップＳ１０５）。

ボウル２４内の粉体が規定量に到達したことに伴い（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）、粉体の供給を停止する場合には（ステップＳ１０７；ＹＥＳ）、回転振動を停止して粉体供給を停止する（エンド）。
なお、ボウル２４内の粉体が規定量に到達することを待って粉体供給を停止することは必須の要件ではなく、外部からの停止信号の入力により供給停止を行ってもよい。この場合には、停止した際の周波数関数Ｆ（ｔ）の読み出し位置を記憶しておき、次回の粉体供給開始時には当該記憶位置を時刻ｔ_０における周波数関数Ｆ（ｔ）の出力開始位置としてもよい。

本開示の粉体フィーダー２によれば以下の効果がある。ボウル２４の回転振動の周波数と、単位時間当たりの粉体フィーダー２からの粉体供給量（払い出し口２４３からの粉体の払い出し量）との対応関係が、ボウル２４内に収容された粉体の重量の変化に応じて変化することを把握する。そして、当該把握結果に基づき、粉体の供給量を調節するための周波数の経時変化を示す振動パターンである周波数関数Ｆ（ｔ）を特定する。この結果、適切な周波数関数Ｆ（ｔ）を選択し、時間の経過に応じて前記周波数を変化させることにより、経時的に粉体の供給量を安定させることができる。

そしてこの粉体フィーダー２を電極製造装置１に設置することにより、経時的に安定して粉体（リチウム粉末）の供給を行うことが可能となる。この結果、電極材料に対して膜厚が均一なリチウムの薄膜を形成し、電極材料の面内でイオンドーピング密度を均一にすることができる。

ここで、ボウル２４の収容空間２４０の縦断面形状は図３などに示すバイアル瓶形状に限定されない。例えば、ボウル２４の底部から上部側の高さ位置にかけて、その半径が次第に小さくなる概略円錐形状のフラスコ型の収容空間２４０であってもよい。フラスコ型の場合には、前記円錐は、上部側の位置で途切れ、この位置から上方へ向けて半径が一定の円筒が形成され、ボウル２４の上面にて開口することが好ましい。

また、駆動部２２の構成についても図５を用いて説明した例に限定されない。例えば、単位時間当たりの回転軸の回転量を調節可能な正逆回転モーターの回転軸に振動体２２１を接続してボウル２４を回転振動させてもよい。

これらに加え、粉体フィーダー２は電極シート１１に対してリチウム粉末を溶射する電極製造装置１に設ける場合に限定されない。被溶射基板に対し、種々の溶射材料を溶射する溶射装置に対しても本例の粉体フィーダー２は適用することができる。
また、溶射装置に限らず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置への粉体供給に本例の粉体フィーダー２を用いてもよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

（実験１）
ダミーウェイト２８の重量を変化させてボウル２４ａの周波数特性を測定し、周波数関数Ｆ（ｔ）を求めた。
Ａ．実験条件
（実施例１）
図１０に示すように、払い出し口２４３側の上部領域において、回転中心から傾斜路２４２までの径方向の距離が一定の上部領域が形成され、その下方側に続く領域がすり鉢状である収容空間２４０を備えるボウル２４ａ（重量ｍ＝０．２ｋｇ）を用いた。
当該ボウル２４ａに、重量を１〜６ｇまで１ｇ刻みで変化させたダミーウェイト２８を装着し、各々の場合における共振周波数、及び共振周波数における変位（共振ピーク）の半分の変位が得られる周波数を特定した。変位の検出は、図５を用いて説明したギャップセンサー５を用いた。板バネ２２４の合計のばね定数は１．４［ＭＮ／ｍ］である。

Ｂ．実験結果
共振周波数及び共振ピークの半分の変位が得られる周波数を特定した結果を表１に示す。

表１に示す結果によると、本例で用いたボウル２４ａでは、共振周波数ｆ_１及び共振ピークの半分の周波数ｆ_ｘ１のいずれも、ボウル２４ａ及びダミーウェイト２８の総重量の変化に対し線形的に各周波数ｆ_１、ｆ_ｘ１が変化する特性を示した。そして、変位が共振ピークの半分となる周波数ｆ_ｘ１は、共振周波数ｆ_１に対して１０Ｈｚ低周波数側にシフトした値となった。

上記実験結果によれば、総重量の変化に対する周波数ｆ_ｘ１の変化は下記（１）式となる。
（共振ピークの変位を示す周波数ｆ_ｘ１）
＝−１０３０．１×(総重量ｍ+Ｍ)+６１７．３ …（１）
（１）式を求める処理は、ボウル２４ａ内に収容された粉体の重量の変化に応じた、回転振動の周波数と、粉体の払い出し量との対応関係の変化を把握する工程に相当する。

例えばボウル２４ａの回転振動の変位を共振ピークの１/２に固定して、粉体の供給を行う場合は、上記（１）式に基づき、ボウル２４ａ内の粉体量の変化に応じて、周波数ｆ_ｘ１を変化させればよい。しかしながら粉体の重量Ｍを含むボウル２４ａの重量（ｍ＋Ｍ）を逐次測定することは極めて難しい。またボウル２４ａからの単位時間あたりの粉体の供給量（ボウル２４ａからの払い出し量）を逐次計測することも同様に極めて難しい。
そこで単位時間あたりの粉体の供給量を固定して、上記（１）式を時間と周波数ｆ_ｘ１との関係式（周波数関数Ｆ（ｔ））に変換する例について説明する。

例えば１分間に粉体を１００ｍｇ（０．０００１ｋｇ)供給する場合を考える。表１によれば、粉体の重量Ｍと共振ピークの１／２変位を示す周波数ｆ_ｘ１の関係式は下記（２）式で表される。
ｆ_ｘ１＝−１０３０．１Ｍ＋６１７．３ …（２）
粉体の充填量を６ｇとしたとき、上述した単位時間あたりの粉体の供給量を踏まえると、任意の時刻ｔにおける粉体の重量Ｍは下記（３）式で表される。
Ｍ＝０．２＋０．０００１ｔ …（３）

（３）式を（２）式に代入して整理すると、周波数ｆ_ｘ１と時刻ｔとの関係は下記（４）式で表される。
ｆ_ｘ１＝−１０３０．１＊（０．２＋０．０００１ｔ）＋６１７．３
≒−０．１ｔ＋４１１．３ …（４）
（４）式を周波数関数Ｆ（ｔ）とすることにより、時刻ｔにてボウル２４ａに加振する周波数を特定することが可能となる。この結果、ボウル２４ａ内に残留している粉体の重量が変化した場合であっても、ボウル２４ａの回転振動の変位（（４）式の例では共振ピークの１／２）を一定に保ち、粉体の供給量を経時的に安定させることができる。
上記（４）式を求める処理は、振動パターンを求める工程に相当する。

なお上述の例では、（４）式として共振ピークの１／２の変位を示す周波数ｆ_ｘ１と時刻ｔとの関係式を用いた。但し、単位時間当たりの粉体の供給量に応じて共振ピークの周波数、すなわち共振周波数ｆ_１と時刻tとの関係式を用いても全く問題ない。
表１によると、この場合の関係式は下記（４）’式となる。
ｆ_１≒−０．１ｔ＋４２１．３ …（４）’

さらに、他の粉体供給量を設定する場合にも、適宜、予備実験を行ったり、（４）式−（４）’式を内挿して切片を特定したりすることにより、周波数関数Ｆ（ｔ）を求めてもよい。
また、（４）式、（４）’式のように、単位時間当たりの粉体の供給量が異なる場合であっても、電極製造装置１側における電極シート１１側の移動速度を調節することにより、互いにイオンドーピング密度を揃えることもできる。従って、共振周波数ｆ１のみを求める予備実験を行い、（４）’式に基づいて周波数関数Ｆ（ｔ）を決定してもよい。

（シミュレーション／実験２）
図１０を用いて説明したボウル２４ａを用い、粉体（リチウム粉末；平均粒径５０μｍ）を供給するシミュレーション及び実験を行った。
（実施例２）
（４）式の周波数関数Ｆ（ｔ）に基づいてボウル２４ａの回転振動の周波数ｆ_ｘ１を変化させながら、粉体の供給を行った場合、単位時間あたり一定量（１００ｍｇ）の払い出し量が得られる前提で、ボウル２４ａ内の粉体の残留量の推移を確認した。当該実施例２は、振動パターンに基づいて粉体を収容したボウル２４ａを回転振動させる工程の実施に相当する。
（比較例２）
周波数ｆを固定して粉体を供給する実験を行った。

Ｂ．実験結果
実施例に係る結果を図１１に示し、比較例に係る結果を図１２に示す。各図の横軸は経過時間を示す。また左側の縦軸はボウル２４ａ内に残っている粉体の重量を示している（図１２には積算の粉体の供給量も併記してある）。また、右側の縦軸は、１分当たりの粉体の供給量を示している。

図１１に示す実施例の結果によれば、単位時間当たりの粉体の供給量を安定させることにより、既述の（３）式に示す粉体の残留量の変化を実現できる。この結果、（３）〜（４）、（４）’にて説明した手法を用いて周波数関数Ｆ（ｔ）を求めることができる。当該手法により、目標の供給量に対する供給量のばらつきは、数％以内に抑えることができると予想している。

これに対して図１２に示す比較例の実験結果によれば、運転開始直後（５分経過程度まで）の期間に、単位時間当たりの粉体の供給量が徐々に増加する過渡期間が観察された。過渡期間の経過後、単位時間当たりの粉体の供給量は、時間の経過に伴って減少するトレンドが観察される。過渡期間を除く、目標に対する粉体の供給量のばらつきは±１５％以内であった。

１ 電極製造装置
１１ 電極シート
１１ａ 電極シートロール
１２２ リチウム粉末供給部
２ 粉体フィーダー
２１ 容器
２２ 駆動部
２２１ 振動体
２２５ 制御駆動部
２４、２４ａ
ボウル
２４０ 収容空間
２４２ 傾斜路
４ 制御部
４１ 駆動信号発生部
５ ギャップセンサー

Claims (7)

1. 粉体の供給を行う粉体フィーダーにおいて、
   供給対象の粉体を収容する収容空間が形成され、前記収容空間の内壁面に沿って、底部側から上部側の払い出し口に至るらせん状の傾斜路が形成されたボウルと
   前記傾斜路に沿って、前記底部側から前記払い出し口側へ向けて前記粉体を移動させるために、前記ボウルを繰り返し回転振動させる駆動部と、
   前記回転振動の周波数と、前記払い出し口から単位時間当たりに払い出される粉体の払い出し量との対応関係が、前記ボウル内に収容された粉体の重量の変化に応じて変化することを把握した結果に基づき、前記払い出し量を調節するための前記周波数の経時変化を示す振動パターンに基づいて前記駆動部を動作させるための駆動制御部と、を備えた、粉体フィーダー。
2. 前記振動パターンは、前記周波数と前記回転振動の変位との対応関係が前記払い出し量に及ぼす影響に基づいて設定されたものである、請求項１に記載の粉体フィーダー。
3. 前記振動パターンは、前記払い出し量を予め設定された目標値に近付けるために設定されたものである、請求項１または２に記載の粉体フィーダー。
4. 前記振動パターンは、前記回転振動の変位が一定となるように前記周波数を変化させる、請求項３に記載の粉体フィーダー。
5. 前記ボウルは、前記回転振動の回転中心に沿って、当該回転中心から前記傾斜路までの径方向の距離を見たとき、前記払い出し口側の上部領域の方が、当該上部領域の下方側に続く領域よりも前記距離が小さい、請求項１ないし４のいずれか一つに記載の粉体フィーダー。
6. 前記駆動部は、前記ボウルの周方向に沿って傾き方向を揃えた状態にて互いに間隔を開けて配置され、前記ボウルを下面側から支持する複数の板バネと、前記ボウルに対して上下方向に働く振動を加える加振源と、を備えた、請求項１ないし５のいずれか一つに記載の粉体フィーダー。
7. 粉体の供給方法において、
   供給対象の粉体を収容し、その内壁面に沿って、底部側から上部側の払い出し口に至るらせん状の傾斜路が形成されたボウルを繰り返し回転振動させることにより、前記傾斜路に沿って、前記底部側から前記払い出し口側へ向けて前記粉体を移動させるために、前記ボウル内に収容された粉体の重量の変化に応じた、前記回転振動の周波数と、前記払い出し口から単位時間当たりに払い出される粉体の払い出し量との対応関係の変化を把握する工程と、
   前記対応関係の変化の把握結果に基づき、前記払い出し量を調節するための前記周波数の経時変化を示す振動パターンを得る工程と、
   前記振動パターンに基づいて前記粉体を収容したボウルを回転振動させる工程と、を含む、粉体の供給方法。

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