JP5400538B2 - ロールミル - Google Patents

Description

本発明は湿式分散に使用するロールミルに関し、より具体的には、インキ、塗料、セラミック、薬品、食品、電子材料その他の各種製品の製造工程において、処理材料中の微粉体・ナノ粒子等の物質を練肉・分散処理するために用いられるロールミルに関する。

処理材料中の微粉体・ナノ粒子等の物質を練肉・分散処理するための装置として、回転数が相違する複数のロール、例えば前ロール、中ロール、後ロールを横方向に３本並列させた３本ロールミルが広く用いられている。そして、このロールミルには、ロール間に作用する荷重をロードセンサー（ロードセル）で検知し、手動ハンドルで前ロールと後ロールを移動させることによりロール間の距離を調整するようにしている（例えば特許文献１参照）。こうした手動ハンドルに代えて単に、サーボモーター等で自動制御しようとすると、下記するような種々の問題点が生じ、ロードセンサーによる荷重制御だけでは正確に自動制御することがむずかしい。

実開平１−８３４３８号公報（図面）

一般に処理材料を混練・分散するためのロールミルは、図１に示すように、架台（フレーム）上に移動可能に後ロール、前ロールが設けられ、各ロールは、両端部にロール軸を有し、ロール軸には図示を省略した軸受が装着され、その軸受を介して押し圧力が加えられている。上記後ロールと前ロールの間に位置する中ロールのロール軸の軸受は架台に固定されている。従って両ロールの押し側ロール接触線上には「押し圧力ｂ」があり、固定側ロール接触線上には「反力ａ」が生じている。この押し圧力（接触反力）が図２にあるように、接触線上でｃやｄの如き曲線ではなく一定値の分布（平坦な一本の線）となるようロールの表面上にはクラウンＲ１，Ｒ２が設けられている。また押し側ロールと固定側ロールはお互いに異なった回転数で回転しており、両ロール間には摩擦力も発生するように駆動されていて、この摩擦力も分散効果の一端を担っている。

上記押し圧力（または反力）とロール表面上のクラウンとはある相関を持った微妙な関係にあり、この相関関係はきちんとした原因と結果の関係で理論的に関連付けられていなければならない。また、両ロール間に付与した摩擦力は、この押し圧力（または反力）に影響を与えており、その影響が押し圧力の変動分として無視できない存在であることが判っている。すなわち、
（外挿押し圧；Ｐ１,Ｐ２）＝（接触線上押し圧）+（摩擦力から来る変動分）
となっており、外挿押し圧力がそのまま接触線上の押し圧力になっていない。

そのような現象に対し、基本的にはこれらの接触するロール２本の組み合わせの有限要素解析モデルを作成し、接触線上で荷重を暫時増加して行きながら接触部分が拡大してゆく非線形解析を行い、その解析に基づいて後ロールからの押し圧Ｐ１、前ロールからの押し圧Ｐ２、後ロールのクラウンＲ１、中ロールのクラウンＲ２、前ロールのクラウンＲ３及び後ロールと中ロールの距離δ１、中ロールと前ロールの距離δ２の関係が具体的に得られてくる。

また、ロール間の摩擦に関しては、上述したように摩擦があるとそれが変動分として関与し、必要としている「押し圧力」を正しくない方へ引きずっていることが知られている。したがって、上記各ロールの押し圧やロール間距離は摩擦がないときのＰ１，Ｐ２，δ１、δ２の関係を維持すれば分る、このためにはＰ１，Ｐ２を除いた残り、δ１、δ２を制御の指標に使ってゆけばよいことが分る。そこで、変位制御、つまり加工始めに決めたロール間距離δ１、δ２を維持するようにロールミルの制御運転をすればよいこととなる。

さらに詳述すると、ロールミルについては一定のロールサイズがあり、また加えて使用者が要求している分散加工上の押し圧力がある。これらを使って先ずロールの静解析を一回実施する。この結果から、これからロールに付加するクラウンの曲線形状と曲線ピーク値（通常は中央にある）がどんな値となるのかが分かる。次に、この解析結果を織り込んでクラウンを付加したロール解析モデルへ変更する。このモデルを２本使用して中央のクラウンピーク部分のみ最初から接触させた接触解析モデルとする。ロールの１本を固定ロールとし、ロール両端部を支持する、またもう一方のロールの両端部分から同一負荷を掛ける手続きで有限要素法非線形接触解析を荷重増分法に従って実施してゆく。従って荷重は各ステップに細かく分割され最終的にＰ１あるいはＰ２に達する。この結果が概略図２中「一定反力」にあるような形状である。この結果から接触線上で一定押し圧力（または反力）を持った分布が得られ、この時に相関数値としてＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｐ１，Ｐ２，δ１、δ２を得る。この中のＲ１，Ｒ２、Ｒ３はロール設計時のクラウン量として用いられ、残りのＰ１，Ｐ２，δ１、δ２が自動制御に用いられる数値となる。

上記のようにロールミルの自動制御は、基本的に、ロールの位置をセンサーで検知して変位制御することが好ましいが、変位制御だけでは下記するような問題があるため変位制御に加えて荷重をモニターしながら部分的な補正をする必要がある。まず、ロール左右端における荷重のアンバランスにより次ぎのような不都合が生じる。図３に示すように、通常、ロールとロールの接触線圧はロールに付加したクラウン形状とバランスしたところでは、ほとんど平坦な分布荷重となっている。しかし実際には、図３中、Ａ、Ｂをロールの支点、Ｃを中央点とし、ＡＣ＝Ｌ２、ＣＢ＝Ｌ１とすると、分布荷重はＡＢ／２＝Ｌ１＝Ｌ２の中央点Ｃが僅かに大きくなっている。

また、この分布荷重を解析上Ｃでの集中荷重に置き換えて考えた方が簡易なためここに集中荷重Ｐ２（Ｐ１）が働いていると考える。するとロールにはＣ点の両側でモーメントＰ２×Ｌ１、Ｐ２×Ｌ２が働いていることが分る。しかし、何らかの外乱によって接触線圧分布が図の最下段のように傾くことがある。この時Ｐ２の位置は中央点Ｃからズレる、例えばＬ１＞Ｌ２（勿論、Ｌ２＞Ｌ１もある。）となることがある。この時荷重制御であればトータルＰ２は変らないので結果として、上記モーメントはＰ２×Ｌ１＞Ｐ２×Ｌ２となり、左右のモーメント差が発生する。そうするとこのモーメント差のためのＬ１側（Ｂ側）、即ちモーメントの大きい方へＰ２は引っ張られる。また逆のときはＡ側へ引っ張られる。これによって常にＰ２は中央点Ｃに留まろうとする力が働いている、言わばセルフアライメントフォースを具備していた。

ところが制御上、変位制御のみのフィードバック制御としてしまうと、上記したセルフアライメントフォースは働かない機構となる。具体的には変位制御によれば、ロール左右端に於ける負荷アンバランスも是正されるはずであるが、実際に運転して行くと変位制御だけではロールの両端部で微妙なアンバランスが生じたとき、変位上の数値誤差には現れなくても、荷重としては微妙なアンバランスが検出されることが度々ある現象がみられた。

さらに、実働運転時の「荷重と変位の関係」と、静的荷重時の「荷重と変位の関係」を検討すると、上記したようにロールに押し圧Ｐ２（Ｐ１）を掛けたとき、図４に示すように当然接触部分は断面で見るといくらか潰れた円となっている。すなわち、図４においてロールの半径をＲとし、ロール軸間距離をＤとすると、２Ｒ＞Ｄとなっている。このときの潰れ代は、２Ｒ−Ｄ=２ｄとすれば、１本のロールではこのｄが潰れ代と言える。このときの上記ロール間距離δ１（δ２）は、Ｄとして制御される。

では材料を投入したときにロール軸間距離Ｄとして実働変位制御運転を開始しているかと言えば、そうではなくて材料が挟まってくるクリアランスｅを配慮した「Ｄ＋ｅ」を変位制御の実際数値として運転している。したがって、稼働中の変位制御運転時に荷重が静的に求めたＰ２（Ｐ１）に一致しているかどうかを調整する必要があり、この時ロードセルのモニター値を検出してＰ２（Ｐ１）に一致する「Ｄ＋ｅ」で運転することが必要である。そのため、このような場合、上記ロール間距離δ１（δ２）は、Ｄ＋ｅとして制御される。

また、混練・分散中にロール間に処理材料が挟まっているので、処理材料の初期の膜厚はクリアランスｅと同じに膜厚ｅとなるが、この膜厚ｅは混練・分散が進むと減少してくることが知られている。この膜厚ｅの時間的変化を時間の関数ｅ（ｔ）として経験的に把握しているときは、上記ｅをプログラム化して上記ロール間距離δ１（δ２）は、Ｄ＋ｅ（ｔ）として制御される。

さらに、処理材料を３本ロールミルに投入したとき、材料本来の性質によっては分散が進むに連れて材料の粘度が下がってゆく傾向があることは周知の事実である。もしこの機械を多数パス回循環して使用したことを想定すると、粘度低下に伴い「変位制御」だけを維持しているとパス回数を重ねる毎に材料に与える負荷は減少してくるおそれがある。現在、業界では多数回パスして３本ロールミルを使用している例が殆んどである。このような場合には、ロードセル（負荷）モニターが必要であり、ある幅で材料の粘度低下が顕著になって来たとき、外部から手を加えなくてもプログラム上でその補正を実行して行ける機構とすれば、意図通りの分散をユーザーは１工程の分散処理で果たせる。このように、運転制御は変位制御であるが、荷重をロードセル（ロードセンサー）でモニターし、その変動分をプログラムによって調整する機構が備わっている。

また、異常負荷が発生したときの問題もある。もし３本ロールミルを運転中にロール間に通常より大きな物体を間違って混入させてしまったとき、「変位制御」だけであると制御機構はその変位を維持しようとして巨大な負荷を発生させてしまい、結果として機械の機能を損なう事態も想定される。これに対応するためには、押し圧計測用ロードセル（ロードセンサー）を制御系に挿入し、トリガー的な急激な変位が避けられない事態が発生した瞬間に素早いフィードバックにより巨大負荷を回避し、機械を保護して行くプログラムが可能となる。いわゆる「異常負荷よけ安全対策」をシステムに組み込む上でもロードセルは有効である。

さらに上記したように通常より大きな物体を挟み込む異常ケース以外に、一定の目立った粘度のバラツキや、ロール上での処理材料の偏在などにより大き目の変位の差異が出現することがある。またこれらが連続的に起こって来るケースではこの差異を収束させるコントロールの時間的効率が荷重制御に比べると変位制御はやや劣ることが分かってきた。

そこでこの冗長性を回避して素早い制御をするために、緊急停止するほどではないが、大きめの外乱が生じたとき、一時的に変位制御を荷重制御に切り替えるプログラムとし、外乱収束後ただちに荷重制御から変位制御へ戻るプログラムとすると、一層好ましい。

本発明の解決課題は、上記のような変位制御又は荷重制御による諸欠点を解決して全自動制御によりロール間距離を制御し分散品質を向上できるようにしたロールミルを提供することである。

本発明によれば、処理材料中の微粉体・ナノ粒子等の物質を練肉・分散処理するために用いられるロールミルにおいて、架台上に固定した固定ロールと、該固定ロールに接離可能に設けられた移動ロールを有し、該移動ロールをサーボモーターとボールスクリューにより該ロールの直角方向に微小移動可能に設け、上記固定ロールと移動ロール間にロール間距離を測定するレーザーセンサーを設けると共に上記ロール間押し圧を測定するロードセンサーを設け、各センサーから経時的にもたらされる検知信号をフィードバックして固定ロールと移動ロールの間を一定距離並びに一定押し圧力に管理する電子的自動制御機構を備え、この自動制御機構はロードセンサーにより荷重をモニターしながらレーザーセンサーによりロール間距離を制御する変位制御を基本とし、上記サーボモーターを駆動して移動ロールの位置を逐次調整することを特徴とするロールミルが提供され、上記課題が解決される。

そして、上記ロールミルとしては、横方向に並列する３本のロールを有する３本ロールミルであって、架台上の中央に固定した中ロールを固定ロールとし、該中ロールの前後に設けた前ロールと後ロールを各々自動制御できる移動ロールとするロールミルが提供される。

また、上記自動制御は、大きな外乱が生じたとき、一時的に変位制御から荷重制御に切り替えて制御し、外乱収束後にただちに荷重制御から変位制御に戻るプログラムとしたり、処理材料の膜厚ｅが時間的に変化するときは、稼動中のロールの潰れを考慮したロール軸間距離Ｄに膜厚の時間的変化を示す時間の関数ｅ（ｔ）を加えた値をロール間距離としてプログラムした上記自動制御が提供され、上記課題が解決される。

本発明は上記のように構成され、変位制御と荷重制御を併用し、荷重をモニターしながら変位制御により経時的に所定のロール間距離を維持するようフィードバック制御により自動制御するようにしたので、クラウン付ロールを使った接触線上一定の押し圧力（反力）分布を得ることができ、しかもロールの差回転から生じる摩擦力からの分散効果を失うことなく、セルフアライメントやロールの潰れ代、処理材料の粘度変化、異常荷重の発生、膜厚の変化等に対応して常に予定した一定のロール接触力下で稼動することが可能な３本ロールミル等のロールミルが得られ、このロールミルを分散機とすることにより高い分散品質（精度）要求に答えることが可能となった。言い換えれば、分散後の粒度分布も従来のロールミルよりも狭い幅となり、また自動制御とすることで人的なコントロール技術に頼っていた部分（熟練技術）を人から機械へ移すことが可能となった。

固定ロールと押し側ロール（移動ロール）が、一定の押し圧力下で接触しているときのクラウンカーブとロール接触線等を示す概略図である。 ロール接触状態における接触線上の分布押し圧力（反力）を示す説明図である。 接触線上の押し圧力分布とセルフアライメントフォース関係を説明する説明図である。 押し圧が掛かったときのロールの潰れ代を伴ったロール間距離を示す説明図である。 本発明の一実施例を示すロールミルの平面図である。 移動ロールの架台への取付部分を示す正面図である。

本発明は、インキ、塗料、セラミック、薬品、食品、電子材料その他の各種製品の製造工程において、処理材料中の微粉体・ナノ粒子等の物質を練肉・分散処理するために用いられる各種のロールミルに適用すことができるが、図５、図６には本発明のロールミルの一実施例として、中央の中ロール１を固定し、その横方向の前後に前ロール２と後ロール３を接離可能に並列して設けた３本ロールミルが示されている。図５において、中ロール１のロール軸４を支持する軸受５は架台（フレーム）（図示略）に固定されて、その両側に前ロール２と後ロール３が位置している。

前ロール２と後ロール３は架台へほぼ同一の取付構造で取付けられ、図６は取付部分の一実施例を示し、図において左側には、架台に固定されたサーボモーターブラケット６があり、その上に変位駆動専用サーボモーター（図示略）が懸架、固定され、該サーボモーターの回転力はボールスクリューカップリング７へ伝達される。回転力を伝達すると同時にボールスクリュー８を介して伝わって来る反力も受けてこれをモーターブラケット６へ伝達している。このため両者間にはベアリング９が組み込まれており、一緒に反力計測のためのロードセル（ロードセンサー）１０がブラケット６とベアリング９間に装着されている。

ボールスクリュー８とボールスクリューカップリング７はキー結合でしっかり結合されており、回転力はボールスクリューへ伝達される。ボールスクリュー内で回転力は前進力（推進力）へ変換されてロールプッシュバー１１を介してロールベアリングホルダー１２へ前進力（推進力）を伝達している。

ボールスクリュー８とロールプッシュバー１１は同一のスクリュー固定プレート１３に
装着されており、このスクリュー固定プレートにはＬＭ（直線運動）ガイド１４が装着されている。またロールベアリングホルダー１２にも同様のＬＭガイド１５が装着されていて、これら二つのＬＭガイドは共通のレール２本の上を移動するように作られており、両者の直進性が保持されている。

ロールベアリングホルダー１２内のベアリングには後ロール（前ロール）本体のロール軸１６が組み付けられている。該ロール軸１６にはシュミットカップリング１７を介して駆動モーター（図示略）がそれぞれ連結されている。該シュミットカップリング１７は軸心違いの動力伝達において回転中に軸の平行移動を可能にする機構であるから、この機構によりロール軸１６に直角の方向の移動を許容しながら駆動モーターからの回転駆動力を等速で該ロール軸１６に伝達することができる。

サーボモーターブラケット６とロールベアリングホルダー１２間の距離を正確に計測するためにサーボモーターブラケット６にはレーザー変位計（レーザーセンサー）１８が固定され、ロールの端部に存するロールフランジ部分に直接レーザー光を当てて距離を計測している。

上記サーボモーターブラケット６は架台に固定され、上記中ロール１のロール軸４の軸受５も架台に固定されているので、サーボモーターブラケット６とロール（フランジ）間の距離を測定することにより中ロールのロール軸４と後ロール３（前ロール２）のロール軸１６間の距離を測定することができる。このサーボモーターブラケット６とロール（フランジ）間の距離はロール静止状態で初期押し圧（静的）によって決定され、以降ロール駆動中はこれを一定とするようフィードバック制御をしている。この制御のためにサーボモーター回転力によるボールスクリュー推進力が使われている。またフィードバック制御により上記サーボモーターを瞬時に駆動して一定距離、一定押し圧に管理するよう電子的自動制御機構が設けられている。

図５に示すように、図６に示す制御系は前ロール２の左右両端、後ロール３の左右両端と計４ヶ所に装備され、それらが同一平面上の架台上にＬＭガイドを介して固定され、中ロールの左右両端が架台上に固定されている。したがって、上記ロールミルを運転すると、上記レーザーセンサー１８およびロードセンサー（ロードセル）１０によりロール間距離やロールに作用するロール間押圧が瞬間、瞬間にもたらされるから、このセンサーからの検知信号をフィードバックして上記サーボモーターを駆動し、ロール軸１６をロールと直角方向に微小移動させることにより、一定距離、一定押し圧に全自動で最適運転でき、分散効果を向上することができる。

このとき自動制御は、上述したように、ロードセンサーにより荷重をモニターしながらレーザーセンサーによりロール間距離を制御する変位制御を基本とする。そして、大きな外乱が生じたとき、一時的に変位制御から荷重制御に切り替えて制御し、外乱収束後にただちに荷重制御から変位制御に戻るプログラムとしている。また、稼動中のロールの潰れを考慮したロール軸間距離Ｄに膜厚の時間的変化を示す時間の関数ｅ（ｔ）を加えた値をロール間距離としてプログラムした上記自動制御も採用され、膜厚の変化に対応できるようにしている。

１ 中ロール
２ 前ロール
３ 後ロール
１０ ロードセル（ロードセンサー）
１６ ロール軸
１８ レーザー変位計（レーザーセンサー）

Claims (5)

1. 処理材料中の微粉体・ナノ粒子の物質を練肉・分散処理するために用いられるロールミルにおいて、架台上に固定した固定ロールと、該固定ロールに接離可能に設けられた移動ロールを有し、該移動ロールをサーボモーターとボールスクリューにより該ロールの直角方向に微小移動可能に設け、上記固定ロールと移動ロール間にロール間距離を測定するレーザーセンサーを設けると共に上記ロール間押し圧を測定するロードセンサーを設け、各センサーから経時的にもたらされる検知信号をフィードバックして固定ロールと移動ロールの間を一定距離並びに一定押し圧力に管理する電子的自動制御機構を備え、この電子的自動制御機構はロードセンサーにより荷重をモニターしながらレーザーセンサーによりロール間距離を制御する変位制御を基本とし、緊急停止するほどではないが大き目の外乱が生じた時、一時的に変位制御からロードセンサーによる荷重制御へ切り替えるプログラムとし、外乱収束後ただちに荷重制御から変位制御へ戻るプログラムとし、上記サーボモーターを駆動して移動ロールの位置を逐次調整したことを特徴とするロールミル。
2. 上記ロール間距離は、稼動中のロールの接触面の潰れを考慮した軸間距離Ｄと、ロール間に挟まれた処理材料の膜圧ｅと、膜厚ｅの時間変化に沿った時間の関数e（ｔ）とにより規定される請求項１に記載のロールミル。
3. 上記ロールミルは横方向に並列する３本のロールを有する３本ロールミルであって、架台の中央に固定した中ロールを固定ロールとし、該中ロールの前と後に設けた前ロールと後ロールを移動ロールとし、中ロールと前ロール、中ロールと後ロールの間に生ずる各ロール間の接触線押し圧力が接触線上のいずれの位置でも等しくすることができるようにサーボモーターとボールスクリューにより中ロールの直角方向に移動可能な移動ロールとした請求項１または２に記載のロールミル。
4. 前ロール、中ロール、後ロールにはクラウンが設けられており、前ロールと中ロール、中ロールと後ロールの各ペアロールの間の差回転によって生じる摩擦力の違いに伴う押し圧力の変化も合算して電子的自動制御機構にフィードバックすることを特徴とする請求項３に記載のロールミル。
5. 上記移動ロールの前ロールと後ロールの各ロール軸はそれぞれ駆動モーターに連結され、該駆動モーターと各ロールのロール軸の間にはロール軸と直角方向の移動を許容するシュミットカップリングが設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のロールミル。

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