JP2021181333A - 製袋充填装置用計量器 - Google Patents

Abstract

【課題】計量器側にソフトウエア上の工夫を凝らすことで、計量時間を短縮し、結果として、製袋充填装置としての製造能力を維持しながら計量ユニットの数を減らしたり、または製造能力を高めても計量ユニットの数を増やさずに済ますことを可能とする。【解決手段】軸周りの回転により原料の送りが可能な送り筒７と、送り筒７を回転させるモータ２１と、送り筒７により送り出された原料が投入される計量バケット２９と、計量バケット２９に投入された原料の重量を現在投入量として計測するロードセル３７と、計測された原料の重量に基づいてモータ２１を制御することにより送り筒７による送り速度を変更するコントローラ５３を備える。コントローラ５３は、投入途中でモータ２１をＰＩＤ制御に切り替えて、最終段階ではＰＩＤ制御にする。【選択図】 図３

Description

本発明は、ティーバッグなどのように、超音波シール方式等で袋を作製しながら同時に茶葉等の被充填物を充填して製品化する製袋充填装置に配設する、原料の計量器に関するものである。

この種の製袋充填装置としては、例えば特許文献１に記載の縦型のものが知られている。製袋充填装置の上側に計量器が配設されており、計量器で計量された所定量の原料が製袋充填装置の縦方向に延びる筒状のシュート部材の中を落下するようになっている。
製袋充填装置側では包装材が既に縦シール部と下側の横シール部が形成され有底で上側が開口した袋状になってシュート部材の下方に待機しており、当該包装材内に落下した原料が充填された後、上側の横シール部が形成されて製袋充填が完了したことになる。製袋充填が完了した袋の上側の横シール部の形成と同時に後続の袋の下側の横シール部が形成されるので、連続的に高速で製袋充填工程を実施することができる。

この製袋充填装置に配設する計量器は、製袋充填装置側の製造能力、すなわち製袋充填速度に対応するため、複数の計量ユニットが略水平方向に並設されており、各計量ユニットで計量された所定量の原料が、製袋充填装置側のシュート部材に順次投入されるようになっている。

特開２０１１−７９５３４号公報

製造コストのダウンを図るために、様々な面から模索が続けられており、その一つとして製造能力を維持しながら計量ユニットの数を減らすことができれば、または製造能力をより高めても計量ユニットの数を増やさずに済めば、装置のコストダウンにつながると期待されている。
その一方で、既に、計量器〜製袋充填装置と一連になってスムーズな製袋充填が確立されている基本的な設計に大掛かりな変更を加えるようなことは望まれていない。

本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、計量器側にソフトウエア上の工夫を凝らすことで、計量時間を短縮し、結果として、製袋充填装置としての製造能力を維持しながら計量ユニットの数を減らしたり、または製造能力を高めても計量ユニットの数を増やさずに済ますことを可能とする、製袋充填装置用計量器の提供を、その目的とする。

上記目的を達成するための、請求項１記載の発明は、製袋充填装置に配設する計量器であって、軸周りの回転により原料の送りが可能な送り筒と、前記送り筒を軸周りに回転させるモータを備えた回転手段と、前記送り筒の送り方向下流側に位置し、送り出された原料が投入される計量バケットと、前記計量バケットに投入された原料の重量を計測する荷重センサと、前記荷重センサの計測結果に基づいて前記モータを制御することにより前記送り筒による原料の送り状態を変更するコントローラを備え、前記コントローラは、目標投入量に到達させる最終段階では、前記荷重センサの計測により得られた原料の現在投入量と前記目標投入量との偏差に基づいてＰＩＤ制御により前記モータのフィードバック制御信号を生成することを特徴とする製袋充填装置用計量器である。

請求項２の発明は、請求項１に記載した製袋充填装置用計量器において、コントローラは、投入途中でモータの回転速度を高速一定からＰＩＤ制御に切り替えることを特徴とする計量器である。

請求項３の発明は、請求項２に記載した製袋充填装置用計量器において、現在投入量が閾値に到達したまたはそれを超えたときに、ＰＩＤ制御に切り替えることを特徴とする計量器である。

請求項４の発明は、請求項１または２に記載した製袋充填装置用計量器において、荷重センサは計量バケットを持ち上げ支持するロードセルで構成されていることを特徴とする計量器である。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載した製袋充填装置用計量器において、送り筒と回転手段と計量バケットと荷重センサとでなる計量ユニットが複数備えられ、それぞれの送り筒が略水平方向に並列されており、複数の送り筒の送り方向上流側が共に原料供給ホッパに連通していることを特徴とする計量器である。

請求項６の発明は、請求項５に記載した製袋充填装置用計量器において、原料供給ホッパには仕切り板の被取付け部が設けられており、前記被取付け部に仕切り板が取付けられると前記原料供給ホッパの内部が仕切られて、前記原料供給ホッパから送り筒への原料供給ルートが複数形成されることを特徴とする計量器である。

本発明によれば、計量器側のソフトウエア上の工夫により計量時間を短縮できる。従って、製袋充填装置としての製造能力を維持しながら計量ユニットの数を減らしたり、または製造能力を高めても計量ユニットの数を増やさずに済ますことを可能とする。

本発明の実施の形態に係る計量器の全体斜視図である。 図１の計量器に組み込まれた６連の計量ユニットの斜視図である。 図１の計量器の断面図である。 図２の計量ユニットの第１方向の断面図である。 図２の計量ユニットの第２方向の断面図である。 図２の計量ユニットの第３方向の断面図である。 図１の計量器の電気的構成図である。 実施例で使用した原料とその計測結果を示す。 実施例で使用した原料とその計測結果を示す。 実施例で使用した原料とその計測結果を示す。

製袋充填装置は、充填する包装材が既に縦シール部と下側の横シール部が形成され有底で上側が開口した袋状になってシュート部材の下方に待機しており、当該包装材内に落下した原料が充填された後、上側の横シール部が形成されて製袋充填が完了する。製袋充填が完了した袋の上側の横シール部の形成と同時に後続の袋の下側の横シール部が形成されるので、連続的に製袋充填工程を実施することができる。
特許文献１に記載のようにベルト搬送手段〜受渡用ホッパ〜回転体を介してシュート部材の中に原料が落下したり、漏斗型の大きな搬送ホッパを介してシュート部材の中に原料が直接落下したりする等、原料がシュート部材に至るまでの構成に違いがあっても、本発明の実施の形態に係る計量器１は製袋充填装置に配設可能になっている。

図１に示すように、計量器１のハウジング３の内部に６個の計量ユニット５、５、……が備えられている。図１はハウジング３の前面と右面が透明化されている。ハウジング３の内部は、図２〜図６で詳細に示す。計量ユニット５の送り筒７は円筒形をしており、軸方向両端が開口されて、一方が下流側の流出口９、他方が上流側の流入口１１になっている。ハウジング３の内部に組み込まれた上面が水平な基台１３に一対の支持部１５、１５が間隔をあけて立設されており、各支持部１５の上縁は凹状になっており、両側に形成された二つの頂部にはそれぞれコロ１７、１７が取付けられている。なお、図面では手前側の頂部に取付けられたコロ１７のみが表示されている。送り筒７はこの一対のコロ１７、１７を一組とした二組のコロ１７、１７に回転可能に支持されており、軸方向は略水平で流出口９が上流側の流入口１１に対して僅かに下がった傾斜勾配になっている。

送り筒７の流入口１１側には、ギア１９が外嵌されている。このギア１９はモータ２１側のギア２３と噛み合っており、モータ２１側の回転力が伝達されると、送り筒７が回転する。モータ２１のモータ筐体２５は基台１３に取付けられた支持部２７に固定されており、モータ筐体２５は回転駆動する送り筒７の上側に上下に並列した状態で配置されている。

送り筒７の流出口９には、計量バケット２９の上側開口が下側から臨んでいる。この計量バケット２９の底面は前面側に向かって下がる傾斜状になっており、かつ、前面側が排出用に開口されており、そこが開閉扉３１で開閉される。この開閉扉３１が閉じると、計量バケット２９に投入された原料が計量された状態で一旦溜まり、開閉扉３１が開くと計量バケット２９内に計量されて溜まった状態の原料が製袋充填装置側に向かって落下する。
計量バケット２９はハウジング３に対して固定された支持部３３に固定されたロードセルケース３５の上に載せられて持ち上げ支持されており、ロードセルケース３５に収容されたロードセル３７が計量バケット２９の重量をその中に投入された原料の重量を含めて計測する。

開閉扉３１は上方から見ると凹形になっており、計量バケット２９の排出用開口を閉塞する板状の主部３１ａとその両側の対向部３１ｂ、３１ｂとからなる。この矩形の主部３１ａで排出用開口が閉じられ、対向部３１ｂ、３１ｂは計量バケット２９に被さっている。対向部３１ｂは上側が三角形になって大きく延出しており、そこが計量バケット２９に対してヒンジ結合されて回動可能になっており、フリー状態では自重により計量バケット２９を閉じている。
開閉扉３１は上側が大きく被さっており、そこでヒンジ結合されている。一方のヒンジ結合部分の近傍の縁には被押圧軸３９の基端が固定されている。被押圧軸３９は計量バケット２９を超えて延びている。
ハウジング３に対して固定された支持部４１には回転型のソレノイド４３が支持されており、このソレノイド４３の回転軸に開成片４５が固定されている。この開成片４５の回転軌道に被押圧軸３９の先端側が重なっているので、ソレノイド４３への通電により開成片４５が回転して被押圧軸３９に当たると、被押圧軸３９を押し下げて開閉扉３１を開く。

計量ユニット５は上記したように構成されており、６個の計量ユニット５、５、……のそれぞれの送り筒７、７、……がそれぞれ水平方向に並列して、計量バケット２９、２９、……の開閉扉３１、３１、……は、閉じた状態では、それぞれの主部３１ａ、３１ａ、……の板面が前面を向いて横に一列に並んでいる。
この計量バケット２９、２９、……のいずれかから落下した原料も製袋充填装置の共通のシュート部材の中に入る。

送り筒７、７……のそれぞれの流入口１１、１１、……は原料供給ホッパ４７とその底部の連通口４７ａ、４７ａ、……で連通しており、この原料供給ホッパ４７は送り筒７、７、……の並列に対応した長さを有している。原料供給ホッパ４７の内面は上方から見ると矩形になっており、前面側は上端から下端付近まで傾斜した傾斜内面４７ｂ、後面側は垂直内面４７ｃになっている。そして、送り筒７の並列方向に平行な断面では、原料供給ホッパ４７の面積は等しくなっている。

この傾斜内面４７ｂと垂直内面４７ｃには、それぞれ、上端から下端に向かって直状に延びるガイド凹条部４９、４９、……が複数設けられている。このガイド凹条部４９、４９、……は一定の間隔をおいて並べられており、傾斜内面４７ｂ側ではこの間隔内に１つの連通口４７ａが収まるようになっている。傾斜内面４７ｂ側のガイド凹条部４９、４９、……と垂直内面４７ｃ側のガイド凹条部４９、４９、……は前後方向で対向している。
符号５１は三角状の仕切り板を示し、この仕切り板５１の２つの辺縁の一方が傾斜内面４７ｂ側のいずれかのガイド凹条部４９に差し込まれて係合され、他方が垂直内面４７ｃ側の対向するガイド凹条部４９に差し込まれて係合すると、原料供給ホッパ４７の内部が仕切られるので、送り筒７、７、……に流入する原料の供給元を分けることが可能になっている。仕切り板５１は一枚でも複数枚でも係合可能である。仕切り板５１が取付けられると原料供給ホッパ４７の内部が仕切られて、原料供給ホッパ４７から送り筒７への原料供給ルートが複数形成される。

計量器１は上記のように構成されており、計量ユニット５毎にモータ２１が回転すると、原料供給ホッパ４７から送り筒７に落下してきた原料が送り筒７の回転によりその内面を滑落しながら計量バケット２９に向かって送り出され計量バケット２９に投入されていく。従って、計量バケット２９には所定量の原料が溜まった状態に至る。そして、開閉扉３１が開くと、その計量バケット２９に投入されて溜められた原料が製袋充填装置側のシュート部材に向かって供給される。
モータ２１の回転軸の回転速度は調整可能であり、その回転速度が大きくなれば、送り筒７の回転速度が速くなり、送り筒７の内周面を螺旋状に滑落しながら計量バケット２９に送り出される送り出し量が増えるので、計量バケット２９に投入される時間当たりの投入量が増える。一方、モータ２１の回転軸の回転速度が小さくなれば、時間当たりの投入量が減ることになる。

この計量器１は、図７に示すように、マイコンで構成されたコントローラ５３によって制御されており、このコントローラ５３に、計量ユニット５毎にそのロードセル３７とモータ２１の回転速度を制御する駆動回路が接続されている。また、開閉扉３１の開成を制御するソレノイド４３にも接続されている。
ロードセル３７によって計測される重量には計量バケット２９の重量が含まれているが、その重量を減じた分が現在までの累積投入量、すなわち「現在投入量」として取り扱われている。そして、製袋充填装置側のシュート部材に一度に供給したいまとまった量が「目標投入量」として取り扱われている。

コントローラ５３をモータ２１に対する制御内容毎に機能的に捉えると、前段のモータ２１の回転速度を定速制御する前段定速制御部５５と、後段のモータ２１の回転速度を定速制御する後段定速制御部５７と、モータ２１の回転速度をロードセル３７により計測した現在投入量に基づいてＰＩＤ制御する後段ＰＩＤ制御部５９とになる。
制御モードは２種類設けられており、いずれも、前段定速制御部５５による高速での定速制御から開始する。前段では原料を大送りしており、無駄な時間を無くすことを優先して定速制御になっている。後段の制御との切り替えは、ロードセル３７によって計測される現在投入量と目標投入量との偏差が予め設定された閾値に現在投入量が到達したまたはそれを超えたときをタイミングとしている。

後段は目標投入量まで到達するとその時点で投入を中止して目標投入量を超えないようにする必要があり、従来は低速の定速制御になっていた。すなわち、従来は、この高速と低速の２段階制御モードにより、原料を計量バケット２９に投入していた。

これに対して、もう一つの後段のＰＩＤ制御は、この計量器１の制御の特徴をなすために新たに組み込まれたものである。後段ＰＩＤ制御部５９は、現在投入量を計測し、この現在投入量と、目標投入量との偏差に基づいて、比例制御（Ｐ）と積分制御（Ｉ）と微分制御（Ｄ）によって制御する。比例制御（Ｐ）では現在の偏差の大きさに比例した比例制御信号を出力し、積分制御（Ｉ）では過去の偏差の累積値の大きさに比例した積分制御信号を出力し、微分制御（Ｄ）では現在の偏差の変化速度の大きさに比例した微分制御信号を出力しており、それらの信号を加算して、モータ２１の操作量に対応するフィードバック制御信号にしている。

最初の段階では、偏差が大きいので、その大きさに比例した比例制御（Ｐ）が大きく効き、目標投入量に早く近づくようにモータ２１の回転速度が速くなり、原料の投入速度が大きくなる。目標投入量に近づいて偏差が小さくなると、比例制御（Ｐ）が効かなくなってくるが、この段階では積分制御（Ｉ）が大きく効いて、目標投入量を超えないように送り速度を落とす。従って、目標投入量に精度高く到達させることができる。また、投入途中で急激に外乱が発生しても、微分制御（Ｄ）が効くので修復される。
原料の種類に応じてパラメータ、特に積分時間を適切に設定することにより目標投入量への到達時間を短縮することが可能となっている。
この制御モードは、モータ２１がＰＩＤ制御に切り替わると高速回転から連続的に回転速度を下げていくので、２段階制御モードとの区別のために連続制御モードとしている。

ＰＩＤ制御を利用することにより、計量時間を短縮できる。従って、製袋充填装置としての製造能力を維持しながら計量ユニットの数を減らしたり、または製造能力を高めても計量ユニットの数を増やさずに済ますことを可能とする。
なお、ＰＩＤ制御には、微分制御（Ｄ）のＤ分を「ゼロ」にして実質的にＰＩ制御にすることも可能である。後述する実施例では、このコントローラ５３の微分パラメータの設定欄に「ゼロ」を入力して実質的にはＰＩ制御にしている。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
例えば、実施の形態では、製袋充填装置は所謂縦型になっているが、横型であっても同様にシュート部材を利用して構成していれば、本発明の計量器１は配設可能になっている。
また、本発明は、最終段階がＰＩＤ制御であれば良く、その前段階の制御は原料に応じて効率良く大送りが遂行されればよい。従って、高速一定に限定されず、高速度制御から中速度制御に変わるような制御の仕方も含まれる。
更に、実施の形態では、送り筒７が送り方向下流側が上流側に対して僅かに下がった傾斜勾配で設けられているが、軸周りの回転により原料の送りが可能であれば、水平（傾斜無しの０°）でもよい。原料や送り量によっては水平でも送りが可能となる場合もある。

実施の形態に係る計量器１を用いて、３種類の原料について、それぞれ２段階制御と連続制御（後段ＰＩＤ制御部５９ではＤ分を「ゼロ」に設定）のモードで投入試験を行い、目標投入量への到達時間を計測したところ、図８〜図１０に示すような結果が得られた。
いずれも、原料の目標投入量は２ｇとし、サンプリング周期は１０ｍｓとした。また、前段ではモータ２１を１８００ｒｐｍで定速制御した。
青色が現在投入量を、黄色がモータ２１の回転速度を、紫色が計量完了（＝目標投入量に到達）の信号をそれぞれ示す。
この結果から、原料の種類によっては、連続制御のモードを利用することにより、滑らかな計量で、到達時間を１０％以上、更には２０％を超えて短縮化できることを確認できた。

１…計量器 ３…ハウジング ５…計量ユニット ７…送り筒
９…流出口 １１…流入口 １３…基台 １５…支持部
１７…コロ １９…ギア ２１…モータ ２３…ギア
２５…モータ筐体 ２７…支持部 ２９…計量バケット ３１…開閉扉
３１ａ…主部 ３１ｂ…対向部 ３３…支持部 ３５…ロードセルケース
３７…ロードセル ３９…被押圧軸 ４１…支持部 ４３…ソレノイド
４５…開成片 ４７…原料供給ホッパ ４７ａ…連通口
４７ｂ…傾斜内面 ４７ｃ…垂直内面 ４９…ガイド凹条部 ５１…仕切り板
５３…コントローラ ５５…前段定速制御部 ５７…後段定速制御部
５９…後段ＰＩＤ制御部

Claims (6)

1. 製袋充填装置に配設する計量器であって、
   軸周りの回転により原料の送りが可能な送り筒と、前記送り筒を軸周りに回転させるモータを備えた回転手段と、前記送り筒の送り方向下流側に位置し、送り出された原料が投入される計量バケットと、前記計量バケットに投入された原料の重量を計測する荷重センサと、前記荷重センサの計測結果に基づいて前記モータを制御することにより前記送り筒による原料の送り状態を変更するコントローラを備え、
   前記コントローラは、目標投入量に到達させる最終段階では、前記荷重センサの計測により得られた原料の現在投入量と前記目標投入量との偏差に基づいてＰＩＤ制御により前記モータのフィードバック制御信号を生成することを特徴とする製袋充填装置用計量器。
2. 請求項１に記載した製袋充填装置用計量器において、
   コントローラは、投入途中でモータの回転速度を高速一定からＰＩＤ制御に切り替えることを特徴とする計量器。
3. 請求項２に記載した製袋充填装置用計量器において、
   現在投入量が閾値に到達したまたはそれを超えたときに、ＰＩＤ制御に切り替えることを特徴とする計量器。
4. 請求項１または２に記載した製袋充填装置用計量器において、
   荷重センサは計量バケットを持ち上げ支持するロードセルで構成されていることを特徴とする計量器。
5. 請求項１から４のいずれかに記載した製袋充填装置用計量器において、
   送り筒と回転手段と計量バケットと荷重センサとでなる計量ユニットが複数備えられ、それぞれの送り筒が略水平方向に並列されており、複数の送り筒の送り方向上流側が共に原料供給ホッパに連通していることを特徴とする計量器。
6. 請求項５に記載した製袋充填装置用計量器において、
   原料供給ホッパには仕切り板の被取付け部が設けられており、前記被取付け部に仕切り板が取付けられると前記原料供給ホッパの内部が仕切られて、前記原料供給ホッパから送り筒への原料供給ルートが複数形成されることを特徴とする計量器。

Images