JP5897814B2 - 粉体堆積層角度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は粉体堆積層角度測定装置に関する。

粉体の物性値は、安息角、崩潰角、スパチュラ角、ゆるめ・固めかさ密度、圧縮度、凝集度、分散度、差角など、様々なパラメータをもって測定される。安息角やスパチュラ角など、粉体堆積層の角度を測定する装置については、特許文献１、２に例を見ることができる。

特許文献１記載の装置は、安息角、崩潰角、ゆるめ・固めかさ密度、圧縮度、スパチュラ角、凝集度、分散度、差角等の粉体の物性の内少なくとも１種を測定するための測定手段と、測定手段での測定に必要な制御と演算処理を行う制御手段を備える。測定手段は、堆積した試料粉体の傾斜面と平行になるよう角度測定アームをパルスモータで回転駆動する角度測定治具を含む。制御手段は、パルスモータを駆動パルスで駆動制御し、駆動パルス数のカウントにより角度測定アームの角度算出を行う。

特許文献２記載の装置は、ベースの上にカメラを備える。安息角測定時にはカメラの前にバックライトパネルを背にする形で安息角測定テーブルを置く。スパチュラ角測定時にはカメラの前にバックライトパネルを背にする形でスパチュラを置く。カメラで撮影を行うと、安息角測定テーブル上の粉体堆積層のシルエット画像、又はスパチュラ上の粉体堆積層のシルエット画像を得ることができる。この画像をコンピュータで解析し、粉体堆積層の傾斜角度を求める。

特許第２７９８８２７号公報 特許第４１５５９４２号公報

特許文献２記載の装置のように、画像解析技術で粉体堆積層の角度を求める場合、装置外から差し込む光が外乱因子となって画像の解析を妨げる、あるいは解析精度を低下させるという事態がしばしば発生する。しかしながら、一般的にこの種の装置が使用される環境は照明が明るくされており、外光を遮断するのは難しい。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、外光の影響を受けることなく正確な角度測定を行える粉体堆積層の角度測定装置を提供することを目的とする。

本発明の粉体堆積層角度測定装置は、カメラと、前記カメラに向かい合う位置に配置されるバックライトパネルと、前記カメラと前記バックライトパネルの間に配置される粉体堆積層支持装置と、前記カメラが撮影した、前記粉体堆積層のシルエット画像を解析して、前記粉体堆積層の角度を求める画像解析装置を備え、前記バックライトパネルは所定波長域で発光するものであり、前記カメラには前記バックライトパネルの発光波長域に対し高い透過率を有する光学フィルターが組み合わせられる。

本発明の粉体堆積層角度測定装置において、前記バックライトパネルは、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍに発光スペクトルのピークを持つ光源である。

本発明の粉体堆積層角度測定装置において、前記バックライトパネルは、導光機能及び光拡散機能を備えた光伝達パネルと、前記光伝達パネルの端面に光を照射するＬＥＤの組み合わせを備える。

本発明の粉体堆積層角度測定装置において、前記光伝達パネルは、導光板と拡散板を組み合わせて構成される。

本発明の粉体堆積層角度測定装置において、前記光学フィルターは、前記バックライトパネルのピーク波長に対して最大透過率が３０％以上のバンドパスフィルターである。

本発明の粉体堆積層角度測定装置において、前記カメラ及び粉体堆積層支持装置を覆う開閉自在なカバーが設けられ、前記カバーに前記バックライトパネルが取り付けられる。

本発明によると、バックライトパネルは所定の波長域で発光することとされ、カメラにはバックライトパネルの発光波長域に対し高い透過率を有する光学フィルターが組み合わせられているから、バックライトパネルが放つ光以外の光は、基本的にはカメラへの入射光とならない。このため、バックライトパネルからの光のみにより粉体堆積層のシルエット画像が形成され、正確な形状のシルエット画像が得られる。画像解析装置によるシルエット画像の解析も正確なものとなり、角度測定精度が向上する。

粉体堆積層角度測定装置の概略正面図である。 粉体堆積層角度測定装置の概略側面図である。 バックライトパネルの概略断面図で、側面方向から見たものである。 バックライトパネルの概略断面図で、正面方向から見たものである。 バックライトパネルに用いられるＬＥＤアレイの平面図である。 画像処理の概念の説明図である。 粉体堆積層角度測定装置のブロック構成図である。 安息角測定について説明する概略断面図である。 スパチュラ角測定について説明する概略断面図である。

粉体堆積層角度測定装置１の外観を構成する二大要素は、本体２と、その前部を覆うカバー３である。本体２は図示しない架台構造の外側を板金製の筐体４で囲んだものであり、高さ調整可能な複数の支持脚５により支持面の上に支持される。カバー３は透明な合成樹脂により主要部が形成されており、左右一対のアーム６で本体２の左右両側面に取り付けられる。アーム６の先端は本体２に連結する支点部７となり、カバー３は支点部７を中心として垂直面内で回動する。

カバー３を下ろすと図２の実線状態となる。この時カバー３で囲い込まれる空間が図８または９に示す測定室１０となる。前述の通りカバー３は主要部が透明であるため、カバー３を下ろした状態でも測定室１０の内部を見通すことができ、作業者は試料の状況等を目視で確認しながら、粉塵の影響を受けることなく測定作業を行うことができる。

カバー３の正面には手掛け部３ａが形成されており、そこに手を掛けて、カバー３を図２の仮想線の位置まで引き上げることができる。図２の仮想線の位置まで引き上げたときは、カバー３は手を離してもその位置に留まっている。このように測定室１０を開放状態にした上で、作業者は測定済みの試料や測定に供した用具の片付け、新たな測定作業のセッティング、保守点検作業などを行う。測定室１０を開放状態にしておく必要がなくなったときはカバー３を下ろす。支点部７でカバー３を支える軸にはダンパーが組み合わせられており、下ろす途中で手を離せばカバー３はゆっくりと降下し、衝撃を与えることなく静かに閉じる。

測定室１０に対し、カメラ２０とバックライトパネル３０（図３参照）が、互いに向かい合うように配置される。カメラ２０とバックライトパネル３０の間には粉体堆積層支持装置が配置されるが、これについては後で説明する。

カメラ２０は、測定室１０の中で正面から見て左寄りの一定の高さのところに、固定的に設置される。カメラ２０としては、例えばエレコム株式会社がＷＥＢカメラとして販売するＵＣＡＭ−ＤＬＵ１３０Ｈシリーズ（１３０万画素）、株式会社バッファローがＷＥＢカメラとして販売するＢＳＷ１３Ｄ０６Ｈシリーズ（１３０万画素）、株式会社マイクロビジョンが販売するグローバルシャッターＣＭＯＳボードカメラ（モノクロ）ＭＣＭ−４３０４（３０万画素）、株式会社ジェイエイアイコーポレーションが販売するモノクロプログレッシブスキャンカメラＣＭ−０３０ＧＥ（３０万画素）、株式会社アートレイが販売するプログレッシブＣＭＯＳカラー（ＢＷ）カメラＡＲＴＣＡＭ―０３６ＭＩ（３６万画素）などを使用することができる。

バックライトパネル３０は測定室１０の右端に配置される。カバー３の、正面から見て右側の側面、具体的には右側のアーム６に形成されたバックライトパネル支持部６ａ（図２参照）にバックライトパネル３０が取り付けられる。カバー３にはバックライトパネル３０が備える矩形の発光面に対応する矩形の開口部が形成されており、その開口部を通じバックライトパネル３０の発光面は測定室１０の内部に露出する。

カバー３の回動と共にバックライトパネル３０も回動する。カバー３が閉ざされたとき、バックライトパネル３０はカメラ２０に対面する。このように、カバー３をバックライトパネル３０の取付部材として利用したことにより、バックライトパネル３０の取付部材を別途設ける必要がなくなり、構成を簡単化できる。

バックライトパネル３０は、図３から図５に示す構成を備えている。３１は正面から見て左右方向に偏平となった直方体形状のケースである。ケース３１は放熱性の良い金属、例えばアルミニウムの板金で形成される。ケース３１は正面から見て左側が開口部となっており、その開口部から、反射シート３２と、導光機能及び光拡散機能を備えた光伝達パネル３３が挿入される。光伝達パネル３３は、実施形態では２枚の板を組み合わせて構成される。すなわち導光板３３ａと拡散板３３ｂである。拡散板３３ｂの、正面から見て左側の垂直面が、バックライトパネル３０の発光面３０ａとなる。

発光面３０ａは、携帯電話のバックライトで採用されているのと同様の仕組みで均一な面状光を発生する。発光面３０ａを光らせるのは高輝度タイプの発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と称する）３４である。複数のＬＥＤ３４を所定間隔で取り付けた基板３５が光伝達パネル３３の下方に配置される。ＬＥＤ３４は光伝達パネル３３の端面、具体的には導光板３３ａの下側の端面に光を照射する。光は導光板３３ａの内部で向きを変え、拡散板３３ｂに入る。光は拡散板３３ｂの内部で拡散し、発光面３０ａはむらなく均一に光ることとなる。

ＬＥＤ３４は特定波長域で高い発光効率を示す単色発光タイプのものであり、発光面３０ａの発光波長域も前記特定波長域に近い所定波長域となる。カメラ２０にはバックライトパネルの発光波長域に対し高い透過率を有する光学フィルター２１が組み合わせられる。光学フィルター２１としては、一般にロングパスフィルター、ショートパスフィルター、バンドパスフィルターとして知られるものを使用することができる。

バックライト３０の光源と光学フィルター２１は、測定環境によって決められる。例えば、外光が主に太陽光である場合、太陽光の発光スペクトルは主に５００ｎｍ付近の波長にピークを持つため、光学フィルター２１には少なくともその波長域の光を遮断できるものを使用し、バックライト３０の光源には光学フィルター２１によって遮断されない波長域にピーク波長を持つ光源を使用すれば、測定に際し外光の影響を少なくすることができる。また、外光が主に蛍光灯の光である場合、蛍光灯の発光スペクトルは主に４４０ｎｍ、５５０ｎｍ、６２０ｎｍ付近の波長にピークを持つため、光学フィルター２１にはそれらの波長域のうち少なくとも最も発光強度が高い５５０ｎｍ付近の波長を遮断できるものを使用し、バックライト３０の光源には光学フィルター２１によって遮断されない波長域にピーク波長を持つ光源を使用すれば、測定に際し外光の影響を少なくすることができる。

なお、バックライト３０の光源の発光スペクトルが複数のピークを持つ場合には、それらのピークのうち少なくとも最も発光強度の高いピーク波長を遮断しないような光学フィルター２１を選定する。

バックライト３０の光源には、４００ｎｍから７００ｎｍの範囲にピーク波長を持つものが好ましい。より好ましくは、４５０ｎｍから５５０ｎｍ、さらに好ましくは４６０ｎｍから４８０ｎｍの範囲にピーク波長を持つものである。このようなピーク波長域であれば、例えば比較的安価で入手が簡単な青色ＬＥＤや白色ＬＥＤなどを光源として使用できる。

光学フィルター２１の最大透過率は、バックライト３０の光源のピーク波長に対して３０％以上であることが好ましく、より好ましくは５０％以上である。最大透過率が３０％未満であっても角度測定は可能であるが、撮影した像が暗くなり、角度測定の精度が低下するおそれがある。光学フィルター２１にバンドパスフィルターを使用する場合、その半値幅は５ｎｍから１２０ｎｍであることが好ましく、より好ましくは５ｎｍから４０ｎｍである。半値幅が１２０ｎｍより大きくても使用可能であるが、その場合には遮断される波長域が広くなるため、バックライト３０の光源の選択肢が制限される。半値幅が４０ｎｍ以下であれば、バックライト３０の光源の選択肢がより広がる。

カメラ２０の撮像信号は図７に示す制御装置４０に入力される。制御装置４０は一種のコンピュータと位置づけられるものであって、カメラ２０とバックライトパネル３０に対して制御信号を出力する。制御装置４０は画像解析装置２２を備えており、画像解析装置２２が撮像画像を解析する。

カメラ２０が撮像する画像は図６に示すようなものとなる。画像は多数の画素の集合からなる。図６には安息角測定テーブルまたはスパチュラ角測定ブレードの上に円錐形あるいは山形の粉体堆積層が存在する状況が示されている。

図６の画像からは、特許第４１５５９４２号公報に開示されているような計算式を用いて粉体堆積層の傾斜角を求めることができる。

バックライトパネル３０は所定の波長域で発光し、カメラ２０にはバックライトパネル３０の発光波長域に対し高い透過率を有する光学フィルター２１が組み合わせられているから、バックライトパネル３０が放つ光以外の光は、基本的にはカメラ２０への入射光とならない。このため、バックライトパネル３０からの光のみにより粉体堆積層のシルエット画像が形成され、正確な形状のシルエット画像が得られる。画像解析装置２２によるシルエット画像の解析も正確なものとなり、角度測定精度が向上する。

粉体堆積層角度測定装置１には、崩潰角測定時に用いられる衝撃付与装置５０（図８参照）が設けられている。ここで、崩潰角とは、安息角を形成していた粉体堆積層が、衝撃にともない形を変えた後の粉体堆積層の傾斜角のことである。

衝撃付与装置５０は、筐体４の内部に水平に配置されたブラケット５１と、ブラケット５１から垂直に立ち上がるガイドポール５２を有する。ブラケット５１には後述する安息角測定テーブルやスパチュラ角測定ブレードが連結される。ガイドポール５２には衝撃錘５３が上下自在に支持されている。衝撃錘５３を持ち上げてブラケット５１の上に落下させることにより、ブラケット５１に振動が生じ、その振動が安息角測定テーブルやスパチュラ角測定ブレードに伝わる仕組みである。

粉体堆積層角度測定装置１には、試料粉体を振動篩にかける振動装置が設けられている。振動装置の本体部分は筐体４内に存在し、その本体部分が支持する篩取付枠６０のみが、図８に示す通り測定室１０に突き出している。篩取付枠６０には、図７に示す電磁石６１により上下方向の振動が与えられる。

制御装置４０には、図７に示す通り、カメラ２０、画像解析装置２２、バックライトパネル３０、電磁石６１といった既出の構成要素の他に、表示装置７０が接続される。表示装置７０は外付けのモニター装置などにより構成され、測定データや計算結果などの表示を行う。

続いて、図８及び図９に基づき、粉体堆積層角度測定装置１がどのように用いられるかについて説明する。

図８に示すのは安息角測定用のセッティングである。篩取付枠６０の上面には篩８０が取り付けられている。篩８０には篩押さえ８１を重ね、篩取付枠６０の下面には安息角測定用漏斗８２を取り付け、これらを締結具９３で篩取付枠６０に固定している。衝撃付与装置５０のブラケット５１には粉体堆積層支持装置である安息角測定テーブル８３を支えるブラケット８４が連結されている。安息角測定テーブル８３の下にはそこからこぼれた試料を受けるバット８５が配置されている。バット８５は筐体４の内部から測定室１０に突き出す垂直な支持軸８６により支持されている。支持軸８６は図７に示す支持軸昇降モータ８７により昇降せしめられる。支持軸昇降モータ８７はモータドライバ８８で駆動される。

篩８０に試料粉体を投入し、篩取付枠６０を振動させると、篩８０を通過した試料粉体が安息角測定用漏斗８２から落下し、安息角測定テーブル８３上に円錐形に堆積する。その粉体堆積層のシルエット画像をカメラ２０で撮像し、画像解析により安息角を求める。安息角測定後、衝撃付与装置５０による衝撃で粉体堆積層を崩潰させ、崩潰角を測定する。その後差角を算出する。ここで、差角とは、安息角から崩潰角を引いた角度のことで、その大きさから粉体の噴流性（フラッシング性）を推測することができる。

図９に示すのはスパチュラ角測定用のセッティングである。図８の安息角測定用セッティングで安息角測定用漏斗８２であったものがスパチュラ角測定用シュート８９に置き換えられ、安息角測定テーブル８３とそれを支えるブラケット８４の組み合わせが、これも粉体堆積層支持装置であるスパチュラ角測定ブレード９０と、それを支えるブラケット９１の組み合わせに置き換えられている。このときバット８５上には、スパチュラ角測定ブレード９０を囲む囲枠９２を設置する。

バット８５を、ブラケット９１にほぼ密着する高さまで持ち上げておいて、篩８０に試料粉体を投入し、篩取付枠６０を振動させると、篩８０を通過した試料粉体がスパチュラ角測定用シュート８９から落下し、スパチュラ角測定ブレード９０の上に積もる。スパチュラ角測定ブレード９０がすっかり試料粉体に埋もれたところでバット８５と囲枠９２を降下させると、スパチュラ角測定ブレード９０の上には連続した山形状の粉体堆積層が残る。その粉体堆積層のシルエット画像をカメラ２０で撮像し、画像解析により傾斜角を求める。その後、衝撃付与装置５０による衝撃で粉体堆積層を崩潰させ、崩潰後の傾斜角を測定する。そして、崩潰前と崩潰後の傾斜角の平均値を算出する。この値がスパチュラ角である。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

粉体の物性特性の評価を行うための測定装置（粉体特性測定装置「パウダテスタ」：ホソカワミクロン株式会社製）を使用して、角度測定を行った。外光が主に蛍光灯の光で、照度６１０ルクスから６３００ルクスという環境下で測定を行った。ＬＥＤ３４には、ピーク波長が４６０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲にある青色ＬＥＤを使用した。また、光学フィルター２１としては、中心波長４６０．０±２ｎｍ、半値幅６．０±２ｎｍ、最大透過率３０．０％以上のバンドパスフィルターを使用した。比較例では、カメラに光学フィルターを取り付けていないこと以外は実施例と同様の条件下で測定を行った。なお、測定環境の照度が高い方が外光の強度が高く、測定に際し悪影響が出てくる。

上記角度測定の実験結果を表１に示す。比較例１では、６１０ルクスの下では角度計算を行うことができたが、比較例２の７５０ルクスの下では、二値化処理によってシルエット像にスポットやスリットが現れ、シルエット像の稜線や頂点が検出できず、角度計算を行うことができなかった。一方、実施例１〜４では、それぞれ７５０ルクス、２２００ルクス、４２００ルクス、６３００ルクスの下で測定を行い、所定の角度測定を行うことができた。このように、通常の測定環境下の照度とされる３０００ルクスを大幅に超える６３００ルクスの環境下であっても角度計算を行うことができた。

本発明は粉体堆積層角度測定装置に広く利用可能である。

１ 粉体堆積層角度測定装置
２ 本体
３ カバー
１０ 測定室
２０ カメラ
２１ 光学フィルター
２２ 画像解析装置
３０ バックライトパネル
３３ 光伝達パネル
３３ａ 導光板
３３ｂ 拡散板
３４ ＬＥＤ
４０ 制御装置
５０ 衝撃付与装置
６０ 振動プレート
８０ 篩
８３ 安息角測定テーブル
９０ スパチュラ角測定ブレード
９３ 締結具

Claims (6)

1. カメラと、
   前記カメラに向かい合う位置に配置されるバックライトパネルと、
   前記カメラと前記バックライトパネルの間に配置される粉体堆積層支持装置と、
   前記カメラが撮影した、前記粉体堆積層のシルエット画像を解析して、前記粉体堆積層の角度を求める画像解析装置と、
   前記カメラに組み合わせられるとともに、外光のピーク波長付近の波長域を遮断する光学フィルターと、
   を備え、前記バックライトパネルが前記光学フィルターによって遮断されない波長域にピーク波長を持つ光を発光することを特徴とする粉体堆積層角度測定装置。
2. 前記バックライトパネルは、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍに発光スペクトルのピークを持つ光源であることを特徴とする請求項１に記載の粉体堆積層角度測定装置。
3. 前記光学フィルターは、前記バックライトパネルのピーク波長に対して最大透過率が３０％以上のバンドパスフィルターであることを特徴とする請求項１または２に記載の粉体堆積層角度測定装置。
4. 前記カメラ及び粉体堆積層支持装置を覆う開閉自在なカバーが設けられ、前記カバーに前記バックライトパネルが取り付けられ、前記カバーが閉ざされたとき、前記バックライトパネルは前記カメラに対面することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の粉体堆積層角度測定装置。
5. 前記カバーは当該粉体堆積層角度測定装置の本体に左右一対のアームで取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の粉体堆積層角度測定装置。
6. 前記カバーを所定の位置に引き上げたとき、前記カバーは手を離してもその位置に留まっていることを特徴とする請求項５に記載の粉体堆積層角度測定装置。

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