JP2021037993A - 充填装置および充填方法 - Google Patents

充填装置および充填方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高粘度の材料を安定的に充填できる技術を提供する。【解決手段】材料を貯留し、容器内に材料を吐出して充填する加圧タンクと、加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替えて材料の充填を停止させる吐出切替機構と、材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、吐出速度が所定の範囲内の場合には時間ｔを調整し、吐出速度が所定の範囲外の場合には圧力Ｐを調整する制御部と、を有する充填装置。【選択図】図１

Description

本発明は、充填装置および充填方法に関する。
各種材料を容器内に充填する場合、材料を安定的に充填するためには、充填する材料の特性に合った充填装置が必要となる。例えば、特許文献１には、泡や飛沫の発生を防止しながら、液体を充填ノズルで容器内に充填する液体充填装置が提案されている。
特開２００９−２９２５１２号公報
本発明の目的は、高粘度の材料を安定的に充填できる技術を提供することである。
本発明の一態様によれば、
材料を貯留し、容器内に前記材料を吐出して充填する加圧タンクと、
前記加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、
前記材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、前記材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替えて前記材料の充填を停止させる吐出切替機構と、
前記材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、
前記吐出速度が所定の範囲内の場合には前記時間ｔを調整し、前記吐出速度が所定の範囲外の場合には前記圧力Ｐを調整する制御部と、を有する充填装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、
材料を貯留し、容器内に前記材料を吐出して充填する加圧タンクと、
前記加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、
前記材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替える吐出切替機構と、
前記材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、
前記材料の充填面の高さが所定の高さｈに達しているかを検知する高さ検知部と、
前記高さ検知部の検知結果に応じて前記吐出状態と前記非吐出状態とを切り替え、且つ、前記吐出速度が所定の範囲内の場合には前記高さｈを調整し、前記吐出速度が所定の範囲外の場合には前記圧力Ｐを調整する制御部と、を有する充填装置が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
材料を貯留し、容器内に前記材料を吐出して充填する加圧タンクと、
前記加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、
前記材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、前記材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替えて前記材料の充填を停止させる吐出切替機構と、
前記材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、
前記材料の充填面の高さが所定の高さｈに達しているかを検知する高さ検知部と、
前記吐出速度が所定の範囲内の場合には前記時間ｔまたは前記高さｈを調整し、前記吐出速度が所定の範囲外の場合には前記圧力Ｐを調整する制御部と、
前記材料の充填を、前記時間ｔで制御するか、前記高さｈで制御するかを切り替える切替部と、を有する充填装置が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
材料を貯留する加圧タンク内を圧力Ｐに加圧する加圧工程と、
前記加圧タンクから前記材料を吐出して容器内に充填する充填工程と、
前記材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、前記材料の充填を停止する充填停止工程と、
前記材料の吐出速度を算出する吐出速度算出工程と、
前記吐出速度が所定の範囲内かどうかを判断する吐出速度判断工程と、
前記吐出速度が所定の範囲内の場合、次回充填時の前記材料の充填重量が目標値に近づくように前記時間ｔを調整する時間調整工程と、
前記吐出速度が所定の範囲外の場合、前記加圧タンク内の前記圧力Ｐを調整する圧力調整工程と、を有する充填方法が提供される。
本発明によれば、高粘度の材料を安定的に充填することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る充填装置１０の概略構成図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るペースト２０の充填方法の一例を示すフローチャートである。 図３は、本発明の第２実施形態に係る充填装置４０の概略構成図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係るペースト２０の充填方法の一例を示すフローチャートである。 図５は、本発明の第３実施形態に係る充填装置５０の概略構成図である。
＜発明者の得た知見＞
まず、発明者が得た知見について説明する。
タンク内を加圧して、タンク内の材料を吐出させる場合、一定圧に加圧したとしても、温度、湿度、タンク内の材料残量等の要因により、吐出速度は経時的に変動する。つまり、圧力制御のみによって、吐出速度を一定に保つことは困難である。なお、本明細書において、「吐出速度」とは、例えば、１秒間あたりに吐出される材料の重量を表すもので、通常単位はｇ／ｓである。
例えば、粘度が１００Ｐａ・ｓ以上となるような高粘度のペーストを容器内に充填する場合、安定的に充填を行うためには、吐出速度ができるだけ一定であることが好ましい。しかしながら、この場合、時間経過によってペーストの特性が変化しやすいため、吐出速度も変動しやすい。
また、例えば、シリンジポンプ等の定量ポンプによって吐出速度の制御をしようとする場合、ポンプの摺動部等でペーストが硬化しやすく、充填装置のメンテナンスが困難である。
本願発明者は、上述のような事象に対して鋭意研究を行った。その結果、吐出速度が安定している場合には、吐出重量を時間で制御し、吐出速度が大きく変動する場合には、圧力を調整して吐出速度を目標値に近づけることにより、吐出速度を一定の範囲に保ちながら安定的に充填できることを見出した。
［本発明の実施形態の詳細］
次に、本発明の一実施形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
＜本発明の第１実施形態＞
（１）充填装置１０の構成
まず、本実施形態の充填装置１０の構成について説明する。
図１は、本実施形態の充填装置１０の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態の充填装置１０は、例えば、加圧タンク１１と、レギュレータ１２と、吐出切替機構１３と、ノズル１４と、センサ部１５と、移動機構１６と、吐出速度測定部１７と、制御部１８と、を有している。
加圧タンク１１は、充填する材料としてのペースト２０を貯留するように設けられている。ペースト２０は、例えば、１００Ｐａ・ｓ以上の粘度を有する金属ペーストである。加圧タンク１１の上流側は、レギュレータ１２と接続されており、加圧タンク１１内を任意の気体で加圧することができるように構成されている。加圧タンク１１内を加圧する気体としては、空気や窒素が例示される。加圧タンク１１の下流側は、吐出切替機構１３と接続されており、加圧タンク１１内が加圧されると、ペースト２０を下流側へ吐出するように構成されている。
加圧タンク１１内の圧力Ｐは、例えば、０．０１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下であることが好ましい。圧力Ｐが０．０１ＭＰａ未満では、ペースト２０の吐出速度が遅くなり、充填に要する時間が長くなる。これに対し、圧力Ｐを０．０１ＭＰａ以上とすることで、吐出速度を適切に速くし、充填に要する時間を短くすることができる。一方、圧力Ｐが０．５ＭＰａを超えると、気泡を含みやすくなり、安定的な充填が行われ難くなる。これに対し、圧力Ｐを０．５ＭＰａ以下とすることで、充填速度を抑え、気泡を含み難くし、安定的な充填を行うことができる。なお、加圧タンク１１は、加圧タンク１１内の圧力Ｐが所定の値を超えた際に加圧タンク１１内の気体を排出する安全弁（図示せず）を有することが好ましい。
加圧タンク１１内には、ペースト２０の上部にピストン２２が設けられていることが好ましい。ピストン２２は、例えば、金属板であって、ペースト２０の上部を覆うように構成されている。加圧タンク１１内にピストン２２を設けることで、ペースト２０に圧力を均一にかけることができる。また、例えば、ペースト２０に含まれる溶剤の揮発を抑制し、ペースト２０の品質変化を抑制することができる。
レギュレータ１２は、加圧タンク１１の上流側に接続されており、加圧タンク１１内を加圧することができるように構成されている。レギュレータ１２の上流側は、例えば、コンプレッサ（図示せず）やガスボンベ（図示せず）に接続されている。レギュレータ１２は、例えば、与えられた電気信号によって圧力を調整することができる電空レギュレータであることが好ましい。レギュレータ１２は、下流側の圧力を、例えば、０ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下の任意の圧力となるように調整することができる。レギュレータ１２は、下流側の圧力が設定値を超えた場合、超えた分の圧力を外部に逃がすことができるリリーフ機構を有していることが好ましい。レギュレータ１２がリリーフ機構を有していることで、レギュレータ１２の圧力設定値を下げることによって、加圧タンク１１内の圧力Ｐを下げることができる。
吐出切替機構１３は、加圧タンク１１の下流側に接続されており、ペースト２０の吐出状態と非吐出状態とを切り替えることができるように構成されている。なお、「吐出状態」とは、吐出切替機構１３におけるペースト２０の流路が開放されており、加圧タンク１１内を加圧することで、ペースト２０を下流側へ吐出することができる状態である。また、「非吐出状態」とは、吐出切替機構１３におけるペースト２０の流路が閉鎖されており、加圧タンク１１内を加圧したとしても、ペースト２０が吐出されない状態である。つまり、吐出切替機構１３を吐出状態に切り替えることで、ペースト２０の充填を開始し、非吐出状態に切り替えることで、ペースト２０の充填を停止させることができる。吐出切替機構１３は、例えば、ペースト２０の充填時間が所定の充填停止時間ｔに達した際に、ペースト２０の充填を停止させるように構成されている。
吐出切替機構１３は、例えば、ペースト２０の流路を挟み込んで潰すことにより、流路を閉じるような機構が好ましい。そのような機構としては、電動クランプが例示される。また、ペースト２０の流路には、弾性と耐薬品性とを有する、例えば、フッ素樹脂チューブを用いることが好ましい。吐出切替機構１３に、例えば、電動クランプを用いることで、ボールバルブ等を用いる場合と比べて、ペースト２０の流路にペースト２０と擦れるような摺動部を少なくすることができる。これにより、摺動部で発生する摩擦熱によって、ペースト２０が硬化することを抑制することができる。また、装置のメンテナンスを容易に行うことができる。
ノズル１４は、加圧タンク１１から吐出されたペースト２０を、容器２１内に充填するように構成されている。容器２１は、例えば、プラスチック製の円筒容器である。ノズル１４のノズル径（ノズル穴の直径）は、ペースト２０の特性に応じて、例えば、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲で任意に設定することができる。ノズル１４のノズル径を調整することで、ペースト２０の吐出速度を制御することができる。
センサ部１５は、例えば、光学式のセンサであり、信号光によってペースト２０の充填面を検知するように構成されている。なお、「充填面」とは、容器２１内でペースト２０が充填される面であり、容器２１内におけるペースト２０の上面と言い換えることができる。つまり、容器２１内にペースト２０が充填されると、ペースト２０の充填面は次第に上昇する。以下、本明細書において、ペースト２０の充填面のことを、単に充填面と呼ぶこともある。
センサ部１５は、例えば、信号光の光軸をペースト２０が遮った場合に、充填面を検知したと判断する。また、センサ部１５の信号光は、例えば、ノズル１４の先端とほぼ同じ高さになるように構成されている。すなわち、センサ部１５は、例えば、ノズル１４の先端付近に充填面が達した場合、充填面を検知するように構成されている。なお、センサ部１５が充填面を検知している状態を検知状態と呼び、センサ部１５が充填面を検知していない状態を非検知状態と呼ぶものとする。つまり、例えば、充填面がセンサ部１５の信号光より上に位置する場合が検知状態であり、充填面がセンサ部１５の信号光より下に位置する場合が非検知状態である。なお、センサ部１５は、ノズル１４から出てきたばかりのペースト２０を検知しないように、ノズル１４の軸からずらして設けられていることが好ましい。また、センサ部１５は容器２１の外側に設けられていることが好ましい。これにより、センサ部１５にペースト２０が付着することなく、装置のメンテナンスを容易に行うことができる。
移動機構１６は、容器２１に対する、ノズル１４およびセンサ部１５の相対位置を移動させるように構成されている。具体的には、例えば、移動機構１６は、ノズル１４とセンサ部１５とを一体的に鉛直方向へ移動させるように構成されている。これにより、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させた状態で、安定的にペースト２０を充填することが可能となる。
吐出速度測定部１７は、ペースト２０の吐出速度を測定するように構成されている。具体的には、例えば、吐出速度測定部１７は、ペースト２０の充填時間と充填重量とから、吐出速度を算出するように構成されている。これにより、吐出速度の変動を察知することができ、適切なタイミングで吐出速度を制御することが可能となる。
制御部１８は、例えば、レギュレータ１２と、吐出切替機構１３と、センサ部１５と、移動機構１６と、吐出速度測定部１７と、データを送受信可能なように構成されている。制御部１８としては、例えば、所定のプログラムを必要に応じて実行するコンピュータを用いることができる。
制御部１８は、ペースト２０を充填する際、ノズル１４と充填面との位置関係を保つように、ノズル１４およびセンサ部１５の移動速度を制御するように構成されている。すなわち、センサ部１５から充填面の検知状態と非検知状態との信号を受け取り、充填面の位置に応じて移動機構１６へ信号を送信し、ノズル１４と充填面との位置関係を保つように、ノズル１４およびセンサ部１５の移動速度を制御する。これにより、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させた状態で、安定的にペースト２０を充填することが可能となる。
制御部１８は、ｎ回目のペースト２０の充填における、充填面の予想上昇速度Ｓｎを算出し、ペースト２０を充填する際、センサ部１５が非検知状態の場合には、ノズル１４およびセンサ部１５の移動速度を速度ＳＬに制御し、センサ部１５が検知状態の場合には、ノズル１４およびセンサ部１５の移動速度を速度ＳＨに制御するように構成されている。速度ＳＬは予想上昇速度Ｓｎより遅く、速度ＳＨは予想上昇速度Ｓｎより速く設定されている。すなわち、制御部１８は、センサ部１５が非検知状態（充填面が信号光より下）の場合は、充填面がノズル１４の先端に近づくようにノズル１４およびセンサ部１５を遅く移動させ、センサ部１５が検知状態（充填面が信号光より上）の場合は、ノズル１４がペースト２０中に入りすぎないようにノズル１４およびセンサ部１５を速く移動させる。これにより、充填中に吐出速度（充填面の上昇速度）が変動したとしても、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させた状態で、安定的にペースト２０を充填することが可能となる。
制御部１８は、ｎ回目のペースト２０の充填における、充填面の予想上昇速度Ｓｎを、ｎ−１回目のペースト２０の充填におけるノズル１４およびセンサ部１５の移動速度の履歴を含む情報から算出するように構成されている。例えば、前回の充填結果を元に予想上昇速度Ｓｎを補正することで、吐出速度（充填面の上昇速度）が経時的に変動したとしても、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させた状態で、安定的にペースト２０を充填することが可能となる。なお、初回充填時の予想上昇速度Ｓ１は、目標吐出速度Ｖ０を含む情報から算出する。
制御部１８は、吐出速度測定部１７が測定した吐出速度が所定の範囲内の場合には充填停止時間ｔを調整し、吐出速度測定部１７が測定した吐出速度が所定の範囲外の場合には加圧タンク１１内の圧力Ｐを調整するように構成されている。すなわち、吐出速度測定部１７から吐出速度の信号を受け取り、吐出速度の値に応じて、充填停止時間ｔまたは圧力Ｐのいずれかを調整するように構成されている。
複数の容器２１内に、一定量のペースト２０を連続して充填する場合、加圧タンク１１内の圧力Ｐは、できるだけ変化させないことが好ましい。圧力Ｐが変化すると、吐出速度が大きく変動し、安定するまでに時間がかかるからである。本実施形態の充填装置１０は、吐出速度の変動が小さい場合には、圧力Ｐを維持し、充填停止時間ｔを調整して一定量の充填を行うことができる。また、吐出速度の変動が大きい場合には、圧力Ｐを調整し、吐出速度を目標吐出速度Ｖ０に近づけることができる。これらにより、できるだけ圧力Ｐを変化させずに、吐出速度が目標値から大きく外れることがないように制御することが可能となる。
（２）ペースト２０の充填方法
次に、本実施形態の充填装置１０を用いたペースト２０の充填方法について説明する。
図２は、本実施形態のペースト２０の充填方法の一例を示すフローチャートである。本実施形態のペースト２０の充填方法は、例えば、初期条件設定工程Ｓ１０１と、加圧工程Ｓ１０２と、充填準備工程Ｓ１０３と、充填工程Ｓ１０４と、充填停止工程Ｓ１０５と、充填終了判断工程Ｓ１０６と、吐出速度算出工程Ｓ１０７と、吐出速度判断工程Ｓ１０８と、時間調整工程Ｓ１０９と、圧力調整工程Ｓ１１０と、を有する。
（初期条件設定工程Ｓ１０１）
まず、初期条件設定工程Ｓ１０１では、目標吐出速度Ｖ０と、目標充填重量ｍ０とを決定する。目標吐出速度Ｖ０は、加圧タンク１１から吐出するペースト２０の目標とする吐出速度であり、ペースト２０の品種によって決定することが好ましい。すなわち、目標吐出速度Ｖ０は、ペースト２０の粘度等の特性を考慮して、充填不良が発生し難い速度で、且つ、できるだけ速いことが好ましい。これにより、生産性を向上させつつ、安定的にペースト２０を充填することができる。目標充填重量ｍ０は、容器２１に充填するペースト２０の目標とする重量であり、充填後のペースト２０の用途や容器２１の容積を考慮して任意に決定する。決定した目標吐出速度Ｖ０と、目標充填重量ｍ０とは、任意の入力手段を用いて、例えば、制御部１８に入力する。制御部１８は、入力された情報から、初回充填時の充填停止時間ｔを、以下の式（１）により算出する。
ｔ＝ｍ０／Ｖ０ ・・・（１）
また、制御部１８は、初回充填時の充填面の予想上昇速度Ｓ１を、目標吐出速度Ｖ０と、ペースト２０の密度ρと、容器２１の断面積Ａを用いて、以下の式（２）により算出する。
Ｓ１＝（Ｖ０／ρ）／Ａ ・・・（２）
また、初期条件設定工程Ｓ１０１では、加圧タンク１１内の圧力Ｐを決定する。発明者は、加圧タンク１１内の圧力Ｐと吐出速度Ｖとが、以下の式（３）で近似できることを知見した。式（３）では、αは充填条件によって決まる定数であり、βはペースト２０の品種によって決まる定数である。なお、発明者は、吐出速度Ｖが、例えば、１ｇ／ｓ以上４ｇ／ｓ以下の範囲の際に、式（３）が特に有効であるという知見を得ている。制御部１８は、式（３）のＶに目標吐出速度Ｖ０を代入し、圧力Ｐを算出する。
Ｖ＝α×Ｐβ ・・・（３）
（加圧工程Ｓ１０２）
加圧工程Ｓ１０２では、加圧タンク１１内を初期条件設定工程Ｓ１０１にて算出した圧力Ｐに加圧する。加圧タンク１１内には、既に充分な量のペースト２０が貯留されているものとする。加圧タンク１１内のペースト２０は気泡を含んでいる可能性があるので、加圧タンク１１内を圧力Ｐに加圧する前に、ペースト２０の脱泡処理を行うことが好ましい。ペースト２０の脱泡処理は、例えば、遠心脱泡によって行うことができる。
ペースト２０の脱泡処理が終わったら、加圧タンク１１内を圧力Ｐに加圧する。まず、レギュレータ１２の上流側を、例えば、コンプレッサを用いて、圧力Ｐよりやや高い圧力まで昇圧する。次に、制御部１８がレギュレータ１２に信号を送信し、レギュレータ１２の圧力設定値を圧力Ｐに変更する。以上により、加圧タンク１１内に、例えば、空気が流れ込み、加圧タンク１１内を圧力Ｐに加圧することができる。
（充填準備工程Ｓ１０３）
まず、充填準備工程Ｓ１０３では、容器２１をノズル１４に対応する位置に設置する。容器２１は、センサ部１５の信号光が透過するように、例えば、透明容器であることが好ましい。次に、ノズル１４およびセンサ部１５を、容器２１の底部近傍まで移動する。ノズル１４およびセンサ部１５の位置は、ペースト２０の性質に応じて任意に設定する。これにより、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させた状態で、ペースト２０の充填を開始することができる。
（充填工程Ｓ１０４）
充填工程Ｓ１０４では、加圧タンク１１からペースト２０を吐出し、容器２１内にペースト２０を充填する。まず、制御部１８が吐出切替機構１３に信号を送信し、吐出状態に切り替える。ペースト２０の充填が開始したら、制御部１８は移動機構１６に信号を送信し、ノズル１４およびセンサ部１５を上方に移動する。さらに制御部１８は、ノズル１４と充填面との位置関係を保つように、ノズル１４およびセンサ部１５の移動速度を制御する。これにより、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させた状態で、安定的にペースト２０を充填することが可能となる。
充填工程Ｓ１０４では、制御部１８は、ｎ回目のペースト２０の充填における充填面の予想上昇速度Ｓｎを、ｎ−１回目のペースト２０の充填におけるノズル１４およびセンサ部１５の移動速度の履歴を含む情報から算出する。予想上昇速度Ｓｎは、例えば、以下の式（４）により算出する。なお、式（４）のｔＬは、ｎ−１回目の充填において、ノズル１４およびセンサ部１５を速度ＳＬで移動させた時間であり、ｔＨは、ｎ−１回目の充填において、ノズル１４およびセンサ部１５を速度ＳＨで移動させた時間である。
Ｓｎ＝（ＳＬ×ｔＬ＋ＳＨ×ｔＨ）／（ｔＬ＋ｔＨ） ・・・（４）
例えば、式（４）により予想上昇速度Ｓｎを算出することで、吐出速度（充填面の上昇速度）が経時的に変動したとしても、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させた状態で、安定的にペースト２０を充填することが可能となる。なお、初回充填時と、前回充填時に加圧タンク１１内の圧力Ｐを調整した場合とにおいては、予想上昇速度Ｓｎは、初期条件設定工程Ｓ１０１で算出した予想上昇速度Ｓ１を用いる。
充填工程Ｓ１０４では、制御部１８は、センサ部１５が非検知状態の場合には、ノズル１４およびセンサ部１５の移動速度を速度ＳＬに制御し、センサ部１５が検知状態の場合には、ノズル１４およびセンサ部１５の移動速度を速度ＳＨに制御する。速度ＳＬおよび速度ＳＨは、例えば、以下の式（５）および式（６）で表される。なお、式（５）および式（６）のＳｎはｎ回目の充填における充填面の予想上昇速度Ｓｎであり、初回充填時においては、初期条件設定工程Ｓ１０１で算出した予想上昇速度Ｓ１を用いる。また、ＳＫはノズル１４およびセンサ部１５の移動速度を変化させる比率であり、ペースト２０の性質に応じて決定する。
ＳＬ＝Ｓｎ×（１−ＳＫ） ・・・（５）
ＳＨ＝Ｓｎ×（１＋ＳＫ） ・・・（６）
比率ＳＫは、例えば、０．０５以上０．２以下が好ましい。比率ＳＫが０．０５未満では、例えば、吐出速度が充填中に変動した際、充填面の上昇速度が速度ＳＬより遅くなる、または、速度ＳＨより速くなってしまう可能性がある。この場合、ノズル１４の先端と充填面との距離が離れてしまい、安定的な充填が困難となる。これに対し、比率ＳＫを０．０５以上とすることで、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させた状態で、安定的にペースト２０を充填することが可能となる。一方、比率ＳＫが０．２を超えると、ノズル１４の先端と充填面との距離が瞬間的に大きく離れる状態が発生しやすくなり、安定的な充填が困難となる。これに対し、比率ＳＫを０．２以下とすることで、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させた状態で、安定的にペースト２０を充填することが可能となる。
（充填停止工程Ｓ１０５）
充填停止工程Ｓ１０５では、ペースト２０の充填時間が充填停止時間ｔに達した際に、ペースト２０の充填を停止する。制御部１８は、吐出切替機構１３に信号を送信し、非吐出状態に切り替える。また、制御部１８は、移動機構１６に信号を送信し、ノズル１４およびセンサ部１５の移動を停止する。その後、ノズル１４およびセンサ部１５を、容器２１の搬出を妨げない程度に上昇させ、充填済の容器２１を搬出する。
（充填終了判断工程Ｓ１０６）
充填終了判断工程Ｓ１０６では、ペースト２０の充填を終了するかどうかを判断する。充填を終了する場合、以下の工程は行わない。続けて別の容器２１に充填を行う場合、次の吐出速度算出工程Ｓ１０７に進む。
（吐出速度算出工程Ｓ１０７）
吐出速度算出工程Ｓ１０７では、ｎ回目の充填における、ペースト２０の吐出速度Ｖｎを算出する。吐出速度測定部１７は、実際に容器２１内に充填されたペースト２０の充填重量ｍを測定し、以下の式（７）により吐出速度Ｖｎを算出する。これにより、吐出速度Ｖｎの変動を察知することができ、適切なタイミングで吐出速度を制御することが可能となる。吐出速度測定部１７は、算出した吐出速度Ｖｎを、例えば、制御部１８に送信する。なお、充填中の吐出速度の変動や、制御部１８が充填停止の信号を送信してから実際に充填が停止するまでのタイムラグ等により、充填重量ｍと目標充填重量ｍ０との間には、通常若干の誤差が生じる。
Ｖｎ＝ｍ／ｔ ・・・（７）
（吐出速度判断工程Ｓ１０８）
吐出速度判断工程Ｓ１０８では、制御部１８は、吐出速度算出工程Ｓ１０７で算出した吐出速度Ｖｎが所定の範囲内かどうかを判断する。具体的には、例えば、吐出速度Ｖｎが下記の式（８）の範囲内かどうかを判断する。なお、式（８）のＶ０は、初期条件設定工程Ｓ１０１で決定した目標吐出速度Ｖ０である。また、ＶＫは、吐出速度Ｖｎが目標吐出速度Ｖ０からどれだけの変動を許容するかの割合である。
Ｖ０×（１−ＶＫ）≦Ｖｎ≦Ｖ０×（１＋ＶＫ） ・・・（８）
吐出速度Ｖｎが式（８）の範囲内の場合、吐出速度Ｖｎは安定しているとみなす。したがって、加圧タンク１１内の圧力Ｐはそのまま維持する。以降は、時間調整工程Ｓ１０９を行い、圧力調整工程Ｓ１１０は行わない。また、吐出速度Ｖｎが式（８）の範囲外の場合、吐出速度Ｖｎは安定幅から外れているとみなす。したがって、加圧タンク１１内の圧力Ｐを調整し、吐出速度を目標吐出速度Ｖ０に近づける必要がある。以降は、圧力調整工程Ｓ１１０を行い、時間調整工程Ｓ１０９は行わない。
なお、式（８）の割合ＶＫは、例えば、０．０５以上０．２以下が好ましい。割合ＶＫが０．０５未満では、頻繁に圧力Ｐの調整を行う必要があるため、安定的な充填が困難となる。
これに対し、割合ＶＫを０．０５以上とすることで、圧力Ｐの調整回数を少なくし、安定的に充填することが可能となる。一方、割合ＶＫが０．２を超えると、例えば、吐出速度Ｖｎが目標吐出速度Ｖ０をかなり下回る場合でも、圧力Ｐの調整を行わない可能性がある。この場合、１回の充填にかかる時間が長くなるので、生産性が低下する可能性がある。これに対し、割合ＶＫを０．２以下とすることで、吐出速度Ｖｎが目標吐出速度Ｖ０から大きく外れることがないように制御することができ、生産性を向上させることができる。
また、割合ＶＫは、所定の条件によって変化させてもよい。例えば、前回の充填時に、圧力Ｐを調整した場合には割合ＶＫを小さくし、前回の充填時に、圧力Ｐを調整しなかった場合には割合ＶＫを大きくしてもよい。すなわち、圧力Ｐを調整した場合には、安定とみなす吐出速度Ｖｎの範囲を狭くして、目標吐出速度Ｖ０に近づくまで圧力Ｐの調整を行う。また、圧力Ｐを維持している場合には、安定とみなす吐出速度Ｖｎの範囲を広くして、圧力Ｐの調整回数を少なくする。これにより、できるだけ圧力Ｐを変化させずに、吐出速度Ｖｎが目標吐出速度Ｖ０から大きく外れることがないように制御することが可能となる。
（時間調整工程Ｓ１０９）
時間調整工程Ｓ１０９では、吐出速度Ｖｎが式（８）の範囲内の場合、次回充填時のペースト２０の充填重量ｍが目標充填重量ｍ０に近づくように、充填停止時間ｔを調整する。具体的には、例えば、制御部１８は、次回充填時の充填停止時間ｔを以下の式（９）により算出する。充填停止時間ｔを調整することで、吐出速度Ｖｎが安定している場合、高い精度で一定量の充填を行うことができる。
ｔ＝ｍ０／Ｖｎ ・・・（９）
時間調整工程Ｓ１０９の後は、充填準備工程Ｓ１０３に戻る。
（圧力調整工程Ｓ１１０）
圧力調整工程Ｓ１１０では、吐出速度Ｖｎが式（８）の範囲外の場合、吐出速度Ｖｎが目標吐出速度Ｖ０に近づくように、加圧タンク１１内の圧力Ｐを調整する。具体的には、例えば、制御部１８は、式（３）より導かれる以下の式（１０）により、新たな圧力Ｐを算出する。なお、式（１０）のＰ０は、圧力調整工程Ｓ１１０前の加圧タンク１１内の圧力である。制御部１８はレギュレータ１２に信号を送信し、加圧タンク１１内の圧力Ｐを算出した値に調整する。圧力Ｐを調整することで、次回充填時の吐出速度Ｖｎを目標吐出速度Ｖ０に近づけることができる。したがって、ペースト２０を安定的に、且つ、効率的に充填することが可能となる。
Ｐβ／Ｐ０ β＝Ｖ０／Ｖｎ ・・・（１０）
また、圧力調整工程Ｓ１１０では、充填停止時間ｔを初期値にリセットする。すなわち、次回充填時の充填停止時間ｔを、初期条件設定工程Ｓ１０１で式（１）により算出した値にする。これにより、次回充填時の充填重量ｍを目標充填重量ｍ０に近づけることができる。
圧力調整工程Ｓ１１０の後は、充填準備工程Ｓ１０３に戻る。
以上の工程により、複数の容器２１内に一定量のペースト２０を充填することができる。
（３）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を奏する。
（ａ）本実施形態の充填装置１０が有する制御部１８は、吐出速度が所定の範囲内の場合には、充填停止時間ｔを調整し、吐出速度が所定の範囲外の場合には、加圧タンク１１内の圧力Ｐを調整する。
複数の容器２１内に、一定量のペースト２０を連続して充填する場合、加圧タンク１１内の圧力Ｐは、できるだけ変化させないことが好ましい。圧力Ｐが変化すると、吐出速度が大きく変動し、安定するまでに時間がかかるからである。本実施形態の充填装置１０は、吐出速度の変動が小さい場合には、圧力Ｐを維持し、充填停止時間ｔを調整して一定量の充填を行うことができる。また、吐出速度の変動が大きい場合には、圧力Ｐを調整し、吐出速度を目標吐出速度Ｖ０に近づけることができる。これらにより、できるだけ圧力Ｐを変化させずに、吐出速度が目標値から大きく外れることがないように制御することが可能となる。その結果、ペースト２０を安定的に充填することができる。また、シリンジポンプ等の定量ポンプを用いることなく、安価且つ簡便な構成で吐出速度を制御することができる。
（ｂ）本実施形態の充填装置１０が有する吐出速度測定部１７は、ペースト２０の充填時間と充填重量とから、吐出速度を算出する。これにより、吐出速度の変動を察知することができ、適切なタイミングで吐出速度を制御することが可能となる。
（ｃ）本実施形態の時間調整工程Ｓ１０９では、吐出速度算出工程Ｓ１０７で算出した吐出速度が所定の範囲内の場合、次回充填時の充填停止時間ｔを調整する。これにより、吐出速度Ｖｎが安定している場合、高い精度で一定量の充填を行うことができる。
（ｄ）本実施形態の圧力調整工程Ｓ１１０では、吐出速度算出工程Ｓ１０７で算出した吐出速度が所定の範囲外の場合、次回充填時の吐出速度が目標吐出速度Ｖ０に近づくように、加圧タンク１１内の圧力Ｐを調整する。これにより、ペースト２０を安定的に、且つ、効率的に充填することが可能となる。
＜本発明の第２実施形態＞
続いて、本発明の第２実施形態について、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。第１実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
上述の第１実施形態では、充填停止を時間で制御していた。これに対し、本実施形態では、充填停止をペースト２０の充填面の高さで制御する。すなわち、充填面の高さが所定の充填停止高さｈに達した際に、充填を停止する。また、上述の第１実施形態では、次回充填時の充填重量ｍが目標充填重量ｍ０に近づくように、充填停止時間ｔを調整していた。これに対し、本実施形態では、次回充填時の充填重量ｍが目標充填重量ｍ０に近づくように、充填停止高さｈを調整する。なお、詳細は後述するが、本実施形態においても充填重量ｍは吐出速度の変動の影響を受けるため、次回充填時の充填重量ｍを目標充填重量ｍ０に近づけるためには、充填停止高さｈの調整が必要である。
図３は、本実施形態の充填装置４０の概略構成図である。図３に示すように、本実施形態の充填装置４０は、高さ検知部４１を有している。高さ検知部４１は、ペースト２０の充填面の高さが所定の充填停止高さｈに達しているかを検知するように構成されている。高さ検知部４１は、例えば、センサ部１５の内部に設けられている。
本実施形態の制御部１８は、高さ検知部４１の検知結果に応じて吐出状態と非吐出状態とを切り替えるように構成されている。具体的には、例えば、制御部１８は、充填面の高さが所定の充填停止高さｈに達した際に、吐出切替機構１３に信号を送信し、充填を停止するように構成されている。
本実施形態の制御部１８は、吐出速度測定部１７が測定した吐出速度が所定の範囲内の場合には充填停止高さｈを調整し、吐出速度測定部１７が測定した吐出速度が所定の範囲外の場合には加圧タンク１１内の圧力Ｐを調整するように構成されている。すなわち、吐出速度測定部１７から吐出速度の信号を受け取り、吐出速度の値に応じて、充填停止高さｈまたは圧力Ｐのいずれかを調整するように構成されている。
なお、高さ検知部４１が充填停止高さｈを検知してから、実際に充填が停止するまでのタイムラグがあるため、本実施形態においても、充填重量ｍは吐出速度の変動の影響を受ける。そのため、充填停止高さｈを調整し、次回充填時の充填重量ｍを、目標充填重量ｍ０に近づけている。
図４は、本実施形態のペースト２０の充填方法の一例を示すフローチャートである。本実施形態のペースト２０の充填方法は、例えば、初期条件設定工程Ｓ２０１と、充填停止工程Ｓ２０５と、高さ調整工程Ｓ２０９と、圧力調整工程Ｓ２１０とが第１実施形態とは異なっている。
初期条件設定工程Ｓ２０１では、初回充填時の充填停止高さｈを、以下の式（１１）により算出する。なお、式（１１）のｍ０はペースト２０の目標充填重量、ρはペースト２０の密度、Ａは容器２１の断面積である。その他の条件の設定は、第１実施形態と同様である。
ｈ＝（ｍ０／ρ）／Ａ ・・・（１１）
充填停止工程Ｓ２０５では、ペースト２０の充填面が充填停止高さｈに達した際に、ペースト２０の充填を停止する。
高さ調整工程Ｓ２０９では、次回充填時の充填重量ｍが目標充填重量ｍ０に近づくように、充填停止高さｈを調整する。具体的には、例えば、制御部１８は、次回充填時の充填停止高さｈを以下の式（１２）により算出する。なお、式（１２）のｈ０は、直前の充填停止工程Ｓ２０５でペースト２０の充填を停止した際の充填面の高さである。
ｈ＝ｈ０×ｍ０／ｍ ・・・（１２）
圧力調整工程Ｓ２１０では、充填停止高さｈを初期値にリセットする。すなわち、次回充填時の充填停止高さｈを、初期条件設定工程Ｓ２０１で式（１１）により算出した値にする。これにより、次回充填時の充填重量ｍを目標充填重量ｍ０に近づけることができる。なお、圧力Ｐの調整については、第１実施形態と同様である。
第１実施形態の充填装置１０は、充填停止を時間で制御していた。そのため、充填重量ｍは吐出速度の変動によって大きく影響を受ける。これに対し、本実施形態の充填装置４０は、充填停止を充填面の高さで制御している。そのため、充填重量ｍは吐出速度の変動による影響を受け難い。したがって、本実施形態の充填装置４０は、例えば、吐出速度の変動が大きい場合には、第１実施形態と比べて、一定量のペースト２０を充填しやすい。
＜本発明の第３実施形態＞
続いて、本発明の第３実施形態について、第１実施形態および第２実施形態と異なる点を中心に説明する。第１実施形態および第２実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態は、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせたような実施形態である。すなわち、ペースト２０の充填を、第１実施形態のように充填時間で制御するか、第２実施形態のように充填面の高さで制御するかを切り替えることができる。
図５は、本実施形態の充填装置５０の概略構成図である。図５に示すように、本実施形態の充填装置５０は、切替部５１を有している。切替部５１は、ペースト２０の充填を、充填時間で制御するか、充填面の高さで制御するかを切り替えるように構成されている。切替部５１は、例えば、制御部１８の内部に設けられている。
本実施形態の切替部５１は、例えば、圧力Ｐの調整を行った場合等、吐出速度の変動が大きくなりそうな場合には、充填面の高さで制御するように切り替える。これにより、吐出速度の変動が大きくとも、一定量のペースト２０を充填することができる。また、本実施形態の切替部５１は、例えば、吐出速度の変動が継続して小さい場合には、充填時間で制御するように切り替える。これにより、吐出速度が安定している場合、高さで制御する場合と比べて、高い精度で一定量の充填を行うことができる。
＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
例えば、上述の実施形態では、式（５）の比率ＳＫと、式（６）の比率ＳＫとは同じ値であるが、式（５）の比率ＳＫと、式（６）の比率ＳＫを異なる値としてもよい。この場合、充填中にノズル１４およびセンサ部１５が、速度ＳＬで移動する時間と、速度ＳＨで移動する時間とを制御することができる。ペースト２０の特性に応じて、上述の時間を制御することで、より安定的にペースト２０を充填することが可能となる。
例えば、上述の実施形態では、移動機構１６は、ノズル１４とセンサ部１５とを一体的に鉛直方向へ移動させる場合について説明したが、移動機構１６は、容器２１を鉛直方向へ移動させるように構成されていてもよい。そして、制御部１８は、容器２１の移動速度を制御するように構成されていてもよい。この場合、上述の第１実施形態と同様の効果が得られる。また、ノズル１４を固定することができるため、より安定的にペースト２０を充填することが可能となる。
例えば、上述の実施形態では、ノズル１４の先端と充填面との高さをほぼ一致させるように充填する場合について説明したが、ノズル１４と充填面との位置関係は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、ノズル１４の先端と充填面とが所定の間隔を保つように充填してもよい。ペースト２０の特性に応じて、ノズル１４と充填面との位置関係を決めることで、より安定的にペースト２０を充填することが可能となる。
例えば、上述の実施形態では、容器２１内にペースト２０を充填する場合について説明したが、充填する材料はペースト２０に限定されない。本発明は、粘性を有する材料、例えば、ゲル、ゾル、スラリー等にも適用可能である。
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様を付記する。
（付記１）
本発明の一態様によれば、
材料を貯留し、容器内に前記材料を吐出して充填する加圧タンクと、
前記加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、
前記材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、前記材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替えて前記材料の充填を停止させる吐出切替機構と、
前記材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、
前記吐出速度が所定の範囲内の場合には前記時間ｔを調整し、前記吐出速度が所定の範囲外の場合には前記圧力Ｐを調整する制御部と、を有する充填装置が提供される。
（付記２）
本発明の他の態様によれば、
材料を貯留し、容器内に前記材料を吐出して充填する加圧タンクと、
前記加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、
前記材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替える吐出切替機構と、
前記材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、
前記材料の充填面の高さが所定の高さｈに達しているかを検知する高さ検知部と、
前記高さ検知部の検知結果に応じて前記吐出状態と前記非吐出状態とを切り替え、且つ、前記吐出速度が所定の範囲内の場合には前記高さｈを調整し、前記吐出速度が所定の範囲外の場合には前記圧力Ｐを調整する制御部と、を有する充填装置が提供される。
（付記３）
本発明のさらに他の態様によれば、
材料を貯留し、容器内に前記材料を吐出して充填する加圧タンクと、
前記加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、
前記材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、前記材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替えて前記材料の充填を停止させる吐出切替機構と、
前記材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、
前記材料の充填面の高さが所定の高さｈに達しているかを検知する高さ検知部と、
前記吐出速度が所定の範囲内の場合には前記時間ｔまたは前記高さｈを調整し、前記吐出速度が所定の範囲外の場合には前記圧力Ｐを調整する制御部と、
前記材料の充填を、前記時間ｔで制御するか、前記高さｈで制御するかを切り替える切替部と、を有する充填装置が提供される。
（付記４）
本発明のさらに他の態様によれば、
材料を貯留する加圧タンク内を圧力Ｐに加圧する加圧工程と、
前記加圧タンクから前記材料を吐出して容器内に充填する充填工程と、
前記材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、前記材料の充填を停止する充填停止工程と、
前記材料の吐出速度を算出する吐出速度算出工程と、
前記吐出速度が所定の範囲内かどうかを判断する吐出速度判断工程と、
前記吐出速度が所定の範囲内の場合、次回充填時の前記材料の充填重量が目標値に近づくように前記時間ｔを調整する時間調整工程と、
前記吐出速度が所定の範囲外の場合、前記加圧タンク内の前記圧力Ｐを調整する圧力調整工程と、を有する充填方法が提供される。
１０ 充填装置
１１ 加圧タンク
１２ レギュレータ
１３ 吐出切替機構
１４ ノズル
１５ センサ部
１６ 移動機構
１７ 吐出速度測定部
１８ 制御部
２０ ペースト
２１ 容器
２２ ピストン
４０ 充填装置
４１ 高さ検知部
５０ 充填装置
５１ 切替部
Ｓ１０１ 初期条件設定工程
Ｓ１０２ 加圧工程
Ｓ１０３ 充填準備工程
Ｓ１０４ 充填工程
Ｓ１０５ 充填停止工程
Ｓ１０６ 充填終了判断工程
Ｓ１０７ 吐出速度算出工程
Ｓ１０８ 吐出速度判断工程
Ｓ１０９ 時間調整工程
Ｓ１１０ 圧力調整工程
Ｓ２０１ 初期条件設定工程
Ｓ２０５ 充填停止工程
Ｓ２０９ 時間調整工程
Ｓ２１０ 圧力調整工程

Claims (4)

  1. 材料を貯留し、容器内に前記材料を吐出して充填する加圧タンクと、
    前記加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、
    前記材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、前記材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替えて前記材料の充填を停止させる吐出切替機構と、
    前記材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、
    前記吐出速度が所定の範囲内の場合には前記時間ｔを調整し、前記吐出速度が所定の範囲外の場合には前記圧力Ｐを調整する制御部と、を有する充填装置。
  2. 材料を貯留し、容器内に前記材料を吐出して充填する加圧タンクと、
    前記加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、
    前記材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替える吐出切替機構と、
    前記材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、
    前記材料の充填面の高さが所定の高さｈに達しているかを検知する高さ検知部と、
    前記高さ検知部の検知結果に応じて前記吐出状態と前記非吐出状態とを切り替え、且つ、前記吐出速度が所定の範囲内の場合には前記高さｈを調整し、前記吐出速度が所定の範囲外の場合には前記圧力Ｐを調整する制御部と、を有する充填装置。
  3. 材料を貯留し、容器内に前記材料を吐出して充填する加圧タンクと、
    前記加圧タンク内の圧力Ｐを制御するレギュレータと、
    前記材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、前記材料の吐出状態と非吐出状態とを切り替えて前記材料の充填を停止させる吐出切替機構と、
    前記材料の吐出速度を測定する吐出速度測定部と、
    前記材料の充填面の高さが所定の高さｈに達しているかを検知する高さ検知部と、
    前記吐出速度が所定の範囲内の場合には前記時間ｔまたは前記高さｈを調整し、前記吐出速度が所定の範囲外の場合には前記圧力Ｐを調整する制御部と、
    前記材料の充填を、前記時間ｔで制御するか、前記高さｈで制御するかを切り替える切替部と、を有する充填装置。
  4. 材料を貯留する加圧タンク内を圧力Ｐに加圧する加圧工程と、
    前記加圧タンクから前記材料を吐出して容器内に充填する充填工程と、
    前記材料の充填時間が所定の時間ｔに達した際に、前記材料の充填を停止する充填停止工程と、
    前記材料の吐出速度を算出する吐出速度算出工程と、
    前記吐出速度が所定の範囲内かどうかを判断する吐出速度判断工程と、
    前記吐出速度が所定の範囲内の場合、次回充填時の前記材料の充填重量が目標値に近づくように前記時間ｔを調整する時間調整工程と、
    前記吐出速度が所定の範囲外の場合、前記加圧タンク内の前記圧力Ｐを調整する圧力調整工程と、を有する充填方法。
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