JP6143442B2 - 制御装置およびこれを備えた充填装置 - Google Patents

Description

本発明は、粉状体や流体を容器に充填するための充填装置の制御装置およびこれを備えた充填装置に関する。

充填装置は、流動性の高い液体から粉状体などの被計量物を所定重量だけ容器または袋に充填するために使用されている。
一般的な充填装置は、計量前の被計量物を収容する主ホッパと、被計量物が計量される計量ホッパとが使用される。

計量ホッパには、例えば被計量物の重量を計測するためのロードセルが取り付けられている。該ロードセルから検出されるひずみゲージでの検出信号に基づいて、主ホッパから計量ホッパに供給された被計量物の重量が求められる。

そして、求められた被計量物の重量値に基づいて、主ホッパの下端部に取り付けられている投入ゲートが開閉され、予め決められた所定の指定重量の被計量物が計量ホッパに充填される。その後、計量ホッパの下方にある包装容器に指定重量の被計量物が袋詰めされる。

特開２０１１−１１２４１２号公報

ところで、従来、充填装置は、被計量物の重量値を検出して供給量の制御が行われている。
しかしながら、この方法の場合、重量物を上方から計量ホッパに落下させることに伴う衝撃力により計量ホッパが振動する。そして、この振動が収束するまで、次の被計量物の計量ホッパへの投入に移行することができないため、その分、時間がかかってしまう。つまり、供給が完了するまでの時間、すなわちシーケンス全体の時間が掛かりすぎる。

このように、被計量物の供給が完了するまでに時間を要するため、被計量物の袋詰めまでの工程完了までの工数の向上が望めず、生産効率が悪化するという問題がある。
一方、工数を向上させるためには、同様のシステムを並列に複数台用意する必要があり、システム構築に費用が掛かってしまうという新たな問題が生じる。

そこで、被計量物の計量ホッパへの供給の高速化および高精度化を図るため、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１）。
しかし、特許文献１では、固定的な３次式を用いるため、充填装置や被計量物の種類などの様々な条件に柔軟に対応することは困難である。

また、近年、被計量物の計量ホッパへの供給の高速化および高精度化に加え、被計量物の重量や装置の能力などに応じて被計量物の供給制御を任意に設定できるような充填装置を提供して欲しいとの要望が産業界から強く提起されている。

そこで、本発明の目的は、短時間で被計量物の供給を完了させて全工程完了時間を短縮するとともに、投入ゲートの開閉制御の設定を任意に行える制御装置およびこれを備えた充填装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく、本発明の請求項１に関わる制御装置は、被計量物が入れられる主ホッパと、該主ホッパ内の前記被計量物が供給され前記被計量物が既定の重量に計量される計量ホッパと、開放することで前記主ホッパ内の前記被計量物が前記計量ホッパへ供給される一方、閉塞することで前記供給を停止する投入ゲートとを備え、前記投入ゲートによる前記被計量物の供給量が最も大きい大供給段階と、該大供給段階の後に続きかつ該大供給段階以下の前記供給量を有し、前記被計量物の単位時間当たりの供給量が漸減する中供給段階と、該中供給段階の後に続きかつ前記供給量が前記中供給段階以下である小供給段階とを有する充填装置の制御装置であって、前記大供給段階から前記中供給段階に移行する第１移行時点と、前記中供給段階から前記小供給段階に移行する第２移行時点とを有し、前記中供給段階において、前記投入ゲートの開度を、前記第１移行時点と前記第２移行時点との間の任意の時刻を前後として、異なるモードの開度となるように制御している。

請求項１の制御装置によれば、中供給段階において、投入ゲートの開度を、第１移行時点と第２移行時点との間の任意の時刻を前後として異なるモードの開度となるように制御するので、様々な被計量物や充填装置に応じた被計量物の供給を行うことができる。

本発明の請求項２に関わる制御装置は、請求項１に記載の制御装置において、前記中供給段階における前記投入ゲートの開度は、前記第１移行時点の時刻の前記投入ゲートの開度を極大値とし、前記任意の時刻とその時刻の前記投入ゲートの開度とで定まる点を通る時刻を変数とする第１多項式で表され、前記第２移行時点の時刻の前記投入ゲートの開度を極小値とし、前記任意の時刻とその時刻の前記投入ゲートの開度で定まる点を通る時刻を変数とする第２多項式で表される。

請求項２の制御装置によれば、中供給段階の前半の第１多項式は単位時間当たりの供給量が大きく、中供給段階の後半の第２多項式は単位時間当たりの供給量が小さい。また、第２多項式の中供給段階の終わりの時間帯の供給量の時間当たりの変化量は小さい。
そのため、計量ホッパの振動の抑制が可能となり、被計量物の計量ホッパへの供給時間を短縮できる。

本発明の請求項３に関わる制御装置は、請求項１または請求項２に記載の制御装置において、前記任意の時刻とその時刻の前記投入ゲートの開度は、前記第１移行時点とその時点の前記投入ゲートの開度と、前記第２移行時点とその時点の前記投入ゲートの開度とを結ぶ線分上の時刻とその時刻の前記投入ゲートの開度である。

請求項３の制御装置によれば、任意の時刻とその時刻の投入ゲートの開度は、第１移行時点とその時点の投入ゲートの開度と、第２移行時点とその時点の投入ゲートの開度とを結ぶ線分上の時刻とその時刻の前記投入ゲートの開度であるので、制御のための演算が容易である。また、様々な条件の被計量物や充填装置に対応できる。

本発明の請求項４に関わる制御装置は、請求項２または請求項３に記載の制御装置において、前記第１多項式と前記第２多項式は、２次式である。

請求項４の制御装置によれば、第１多項式と第２多項式は２次式であるので、制御のための演算が容易である。

本発明の請求項５に関わる制御装置は、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の制御装置において、前記第１多項式で表される開度は、前記第２多項式で表される開度よりも、単位時間当たりの開度の漸減率が大きい。

請求項５の制御装置によれば、第１多項式で表される開度は、前記第２多項式で表される開度よりも、単位時間当たりの開度の漸減率が大きいので、中供給段階の計量ホッパの振動を早い時点で収束させ、振動の抑制が可能である。

本発明の請求項６に関わる制御装置は、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の制御装置において、前記被計量物が前記既定の重量に計量されるように、前記小供給段階の時間での調整より前に該調整より大きな前記大供給段階の時間での粗調整を行う。

請求項６の制御装置によれば、小供給段階の時間での調整より前に該調整より大きな前記大供給段階の時間での粗調整を行うので、被計量物の計量ホッパへの供給時間を短縮できる。また、大供給段階の時間での粗調整を先に行うので、調整時間を短縮できる。

本発明の請求項７に関わる充填装置は、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の制御装置を備えている。

請求項７の充填装置によれば、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の制御装置の効果と同様な効果を有する。

本発明によれば、短時間で被計量物の供給を完了させて全工程完了時間を短縮するとともに、投入ゲートの開閉制御の設定を任意に行える制御装置およびこれを備えた充填装置を提供できる。

本発明に係る実施形態の充填装置の機構部を示し、投入ゲートが“閉”状態、排出ゲートが“閉”状態を示す図。 本発明に係る実施形態の充填装置の機構部を示し、投入ゲートが“開”状態、排出ゲートが“閉”状態を示す図。 本発明に係る実施形態の充填装置の機構部を示し、投入ゲートが“閉”状態、排出ゲートが“開”状態を示す図。 充填装置の機構部と制御部とを示す概念的構成図。 充填装置の制御部の機能構成を示すブロック図。 充填装置の投入ゲートの開度の一特性を示す図。 被計量物の袋への充填作業の過程を示すフロー図。 変形形態１の充填装置の別異のゲート開度特性を示す図。 変形形態２の充填装置の別異のゲート開度特性を示す図。 変形形態３の充填装置の別異のゲート開度特性を示す図。 変形形態４の充填装置の別異のゲート開度特性を示す図。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１〜図３は、本発明に係る実施形態の充填装置１の機構部を示す概略図である。
図１は、充填装置１の投入ゲート２ｇが“閉”状態、排出ゲート３ｇが“閉”状態を示す。図２は、充填装置１の投入ゲート２ｇが“開”状態、排出ゲート３ｇが“閉”状態を示す。図３は、充填装置１の投入ゲート２ｇが“閉”状態、排出ゲート３ｇが“開”状態を示す。

実施形態の充填装置１は、流動性の高い液体から粉状体などの被計量物ｈを、予め定められた所定重量、計量ホッパ３に充填し、所定重量の被計量物ｈを取り出すための装置である。充填装置１は、被計量物ｈが、お米や、それよりも粒子の細かい小麦粉などの充填に好適である。なお、これに限定されず粘性の高い液状体のものを使用することができる。
本充填装置１は、主ホッパ２から計量ホッパ３へ被計量物ｈを供給する際に開く投入ゲート２ｇの開閉アルゴリズムにおけるタクトアップを実現し、短時間で被計量物ｈの供給（またはその他動作）完了を目標とするゲート開閉手段を提供する。

充填装置１は、被計量物ｈが収容される主ホッパ２と、被計量物ｈが供給され計量される計量ホッパ３と、計量ホッパ３内の被計量物ｈの重量を計測するロードセル４とを備えている。
主ホッパ２の下部には、収容された被計量物ｈを計量ホッパ３に供給する際に開く投入ゲート２ｇが開閉自在に設けられている。投入ゲート２ｇは、モータ５の駆動により、スライダレバー５ａを介して、開閉される。

投入ゲート２ｇは、機体１ｂの支軸１ｂ０に枢設されている。モータ５の軸にはクランク５ｂが設けられており、該クランク５ｂとスライダレバー５ａとで構成される往復スライダクランク機構がモータ５の軸に接続されている。
スライダレバー５ａの一端部は、クランク５ｂに回転自在に接続されており、スライダレバー５ａの他端部は、投入ゲート２ｇに回転自在に接続されている。
図２に示すように、モータ５を駆動させることで、スライダレバー５ａを矢印α１方向に移動させて投入ゲート２ｇが開放され、主ホッパ２内の被計量物ｈが計量ホッパ３内に投入される。

一方、投入ゲート２ｇが開放された状態から、スライダレバー５ａを矢印α２方向に移動させることで投入ゲート２ｇが閉塞され、主ホッパ２内の被計量物の計量ホッパ３への投入が停止される(図３参照)。
計量ホッパ３の下部には、計量された被計量物ｈを袋ｆなどに排出するための排出ゲート３ｇが開閉自在に設けられている。
排出ゲート３ｇを駆動するための駆動手段として、シリンダ６が設けられている。排出ゲート３ｇは、空気圧シリンダなどのシリンダ６の伸縮によって駆動され、全閉または全開される。

なお、本実施形態では、シリンダ６として、空気圧式のものを採用しているが、シリンダ６は、空気圧式のものに限定されず、油圧式等であってもよい。また、排出ゲート３ｇの開閉は、モータを用いて行ってもよい。
図１の矢印α３に示すように、シリンダ６を伸張することにより、排出ゲート３ｇが閉塞される。一方、図３の矢印α４に示すように、シリンダ６を収縮することにより、排出ゲート３ｇが開放される。

図１〜図３を参照して、充填装置１の動作の概要を説明する。
（１）主ホッパ２下部の投入ゲート２ｇは、モータ５によって、被計量物ｈの計量ホッパ３への大供給段階・中供給段階・小供給段階の３段階の開度(開口面積)に開閉制御される。
図２に示すように、投入ゲート２ｇの各供給段階の開放時に、主ホッパ２に投入した被計量物ｈが、主ホッパ２の下方に配置される計量ホッパ３に供給されることになる。
（２）図３の矢印α５に示すように、計量ホッパ３下部の排出ゲート３ｇが開かれると、計量ホッパ３の下方に配置される袋ｆや包装容器に被計量物ｈが落下し、計量ホッパ３内の被計量物ｈが充填される。

＜充填装置１の制御機構＞
図４は、充填装置１の機構部１Ａと制御部１Ｂとを示す概念的構成図である。なお、図４では、充填装置１の投入ゲート２ｇが“開”状態、排出ゲート３ｇが“閉”状態を示す。
次に、充填装置１の制御機構を説明する。
充填装置１は、機構部１Ａを制御するために、制御部(制御装置)７とサーボアンプ８とを備えている。なお、充填装置１では、モータ５としてサーボモータを使用している。以下、モータ５をサーボモータ５として説明を行う。

サーボアンプ８は、制御部７からの制御信号に対応した駆動信号をサーボモータ５に出力する。また、サーボアンプ８は、サーボモータ５の位置を検出するためのサーボモータ５内のエンコーダ(図示せず)の位置検出信号に対応した検出信号を制御部７に出力する。
また、制御部７は、シリンダ６の不図示の駆動部に対して、制御信号を出力することでシリンダ６の伸縮動作を制御する。シリンダ６の伸縮動作により、計量ホッパ３下部の排出ゲート３ｇの開閉が制御される。

図５は、充填装置１の制御部７の機能を示すブロック図である。
制御部７は、所謂コントローラであり、入力部７ａと演算部７ｂと比較部７ｃとを有している。
入力部７ａには、オペレータにより設定値が入力される。なお、入力部７ａに対して、オペレータが入力を行う不図示の入力装置を制御部７の外部に設けてもよい。

演算部７ｂは、充填装置１のモータ５の制御時間当たりの移動量を計算し、その結果の制御指令(制御信号)をサーボアンプ８に出力する。
比較部７ｃは、サーボアンプ８への制御指令(制御信号)と、モータ５内のエンコーダからの検出信号(モータ５の位置を示す情報)とを比較する。

以下、充填装置１の制御部７を用いた制御機構による制御概要について説明する。
（１）主ホッパ２から計量ホッパ３に供給された被計量物ｈの重量が、ロードセル４によって検出され、該検出信号が制御部７に入力される。
（２）制御部７は、ロードセル４の検出信号に基づいて、投入ゲート２ｇを開閉制御するための制御信号をサーボアンプ８に出力する。

（３）サーボアンプ８は、制御部７からの制御信号に基づいて、増幅した駆動信号をサーボモータ５に出力する。
（４）サーボモータ５は、駆動信号に基づいて駆動され、投入ゲート２ｇの開度が制御される。

（５）上述したように、制御部７は、計量ホッパ３の下端部の排出ゲート３ｇの制御手段としても機能する。排出ゲート３ｇは、計量ホッパ３に被計量物ｈを一時的に溜めておく。そして、被計量物ｈが予め定めた重量になったことを、ロードセル４の検出信号により、制御部７が認知し、袋ｆ詰めなどのため、図３の矢印α４のように、シリンダ６を収縮させ、排出ゲート３ｇを開く(図３のα５参照)。

＜充填装置１の主ホッパ２の投入ゲート２ｇの開閉制御＞
充填装置１では、被計量物ｈの充填に際してのタクトアップを目的とする。
そこで、充填装置１は、短時間で被計量物ｈの供給（またはその他動作）完了を目標とした場合の投入ゲート２ｇの開閉手段を提供する。そのため、被計量物ｈの計量ホッパ３への供給時に、主ホッパ２から被計量物ｈが計量ホッパ３内に落下する際に、計量ホッパ３に発生する振動成分を抑制し、計量ホッパ３での被計量物ｈの重量判定の精度を上げ、短時間で計量ホッパ３へ被計量物ｈを供給する処理を完了させる。

投入ゲート２ｇの開閉は、サーボモータ５の駆動により行われる。
投入ゲート２ｇの開度(開口面積)に対するサーボモータ５の回転位置の関係は、充填装置１の稼働開始時に予め校正されているものとする。
サーボモータ５は、制御部７からのパルス出力により、駆動する。このとき、制御部７からどれだけのパルス数を出力した時に、サーボモータ５がどれだけ回転するか、つまりサーボモータ５への入力とサーボモータ５からの出力の関係を予め位置校正により決める必要がある。

サーボアンプ８内の電子ギア比は、充填装置１に設けられるサーボモータ５と、投入ゲート２ｇに接続されたスライダレバー５ａが接続されるクランク５ｂとの間の伝達機構である減速機の比率(ギア比)を考慮し、最適な設定がなされているものとする。
ここで、サーボモータ５は、任意の速度でマニュアル動作可能とする。

そのため、サーボモータ５をマニュアルで操作するためのマニュアル操作用ボタンが、制御部７の入力部７ａに設けられている。マニュアル操作用ボタンは、投入ゲート２ｇを開動させる開動作用の(＋方向）移動ボタン７ａ１と、投入ゲート２ｇを閉動させる閉動作用の(−方向）移動ボタン７ａ２とが有る。

サーボモータ５による投入ゲート２ｇの開動速度または閉動速度は、ｍｍ／ｍｉｎ単位として０．００１ｍｍ単位で設定可能とする。例えば、投入ゲート２ｇの開動速度または閉動速度を０．５００ｍｍ／ｍｉｎとする。
オペレータが、(＋方向）移動ボタン７ａ１や(−方向）移動ボタン７ａ２の操作の間、上述の指定速度で動作し続け、操作を止めたボタン解放時に開動作用、閉動作用が停止する。

＜充填装置１の操作開始の手順概略＞
次に、充填装置１の操作開始の手順の概略について説明する。
充填装置１の稼動開始に際しては、オペレータが、マニュアルでの(−方向）移動ボタン７ａ２の操作で、投入ゲート２ｇが全閉状態である機械原点に、投入ゲート２ｇを動作させる。
そして、制御部７の入力部７ａに設けられた原点(全閉)登録ボタン７ａ３を操作してこの位置を登録する。

さらに、オペレータは、マニュアルの(＋方向）移動ボタン７ａ１の操作で、投入ゲート２ｇを全開位置にゲートを動作させる。そして、オペレータは、全開登録ボタン７ａ４を操作して、投入ゲート２ｇの全開位置を登録する。
このように、投入ゲート２ｇのゲート全閉位置(原点)と、投入ゲート２ｇのゲート全開位置との２つの位置を制御部７に設定することにより、投入ゲート２ｇの現在位置を把握できる。
なお、充填装置１の全閉状態である機械原点と全開位置との登録をマニュアルで行う場合を例示したが、自動で行うように構成してもよい。全閉・全開位置の登録をマニュアルとするか、自動とするかは、任意である。

上述の手順には、充填装置１に、投入ゲート２ｇの全閉位置(原点)を検出する不図示の原点検出センサと、投入ゲート２ｇの機械的な移動限界を検出する不図示の移動限界検出センサとが設けられるか否かにより、以下の位置校正が存在する。
原点検出センサ、移動限界検出センサとしては、例えば、近接スイッチ、リミットスイッチなどが設けられる。

原点検出センサの有無と移動限界検出センサの有無とにより、次の４つの場合がある。
（１）原点検出センサ無し、移動限界検出センサ無し
（２）原点検出センサ有り、移動限界検出センサ無し
（３）原点検出センサ無し、移動限界検出センサ有り
（４）原点検出センサ有り、移動限界検出センサ有り

（１）〜（４）の各場合について、投入ゲート２ｇの全閉位置(原点)の制御部７への登録について、以下説明する。
投入ゲート２ｇの全閉状態を原点として、投入ゲート２ｇが図２の矢印α１方向(＋方向)に移動して開く一方、図１の矢印α２方向(−方向)に移動して閉塞するものとする。

（１）原点検出センサ無し、移動限界検出センサ無しの場合
充填装置１のシステムとしては最も簡素な構成である。
まず、オペレータが目視で、投入ゲート２ｇの全閉(原点)の方向の移動方向を確認する。
オペレータがマニュアルで(−方向)移動ボタン７ａ２の操作を行い、投入ゲート２ｇの動作を（原点に対し＋方向or−方向）を行い、オペレータが目視で機械原点を確認し、オペレータは、原点(全閉)登録ボタン７ａ３を操作して原点を制御部７に登録する。
なお、充填装置１によっては、(−方向)が開動方向となり、(＋方向)が閉動方向となるものとする。

（２）原点検出センサ有り、移動限界検出センサ無しの場合
原点検出センサのみ設けたセンサ付きで最小限の構成である。
まず、オペレータは目視で、投入ゲート２ｇが全閉(原点)となる移動方向(原点検出センサの方向)を確認する。
そして、(−方向）移動ボタン７ａ２を操作し、オペレータは、投入ゲート２ｇが全閉となる原点に向かって（充填装置１毎の原点対する＋方向or−方向）、投入ゲート２ｇを動作させる。投入ゲート２ｇが全閉状態になると原点検出センサが検出信号を出力し、制御部７が原点を検出する。いわば、半自動で原点(投入ゲート２ｇの全閉状態)を検出する。

（３）原点検出センサ無し、移動限界検出センサ有りの場合
投入ゲート２ｇの＋側(図１の矢印α１側)、−側(図１の矢印α２側)の移動限界検出センサのみある場合の原点検出および全閉状態の検出は以下である。
−側(図１の矢印α２側)の移動限界検出センサで、原点検出センサを代用するような場合について説明する。
オペレータが、原点(全閉)登録ボタン７ａ３を操作すると、制御部７が、投入ゲート２ｇを−方向(図１の矢印α２側)に動作させて、投入ゲート２ｇの全閉位置(原点位置)に設けた移動限界検出センサで原点を検出する。これにより、全自動で原点を検出できる。

（４）原点検出センサ有り、移動限界検出センサ有りの場合
充填装置１における投入ゲート２ｇの開閉動作上、最も安全な装置構成である。
オペレータが、原点(全閉)登録ボタン７ａ３を操作すると、制御部７は、投入ゲート２ｇを−方向(図１の矢印α２側)に動作させ、原点検出センサの検出信号により、制御部７が原点を検出する。
なお、原点が＋側にある場合には、オペレータが、原点(全閉)登録ボタン７ａ３を操作すると、制御部７は、投入ゲート２ｇを＋側(図１の矢印α１側)に動作させ、原点検出センサの検出信号により、制御部７が原点を検出する。これにより、制御部７が全自動で原点(投入ゲート２ｇの全閉状態)を検出する。

＜オペレータのマニュアルによる投入ゲート２ｇの全開校正＞
次に、投入ゲート２ｇの全開校正を、オペレータのマニュアルによって行う場合について説明する。
投入ゲート２ｇの全開検出センサが無い場合のマニュアルでの投入ゲート２ｇのゲート全開位置の校正は、以下のように遂行される。

まず、オペレータが目視で投入ゲート２ｇの移動方向、すなわち投入ゲート２ｇの全開位置の方向を確認する。
続いて、オペレータが、投入ゲート２ｇを、(＋方向）移動ボタン７ａ１を操作することで、マニュアルにより投入ゲート２ｇの全開位置に向かって(充填装置１毎の＋方向or−方向）、投入ゲート２ｇを動作させる。上述したように、図１では、α１方向が＋方向であり、α２方向が−方向である場合を例示している。
オペレータは、目視で投入ゲート２ｇの全開位置を確認し、全開登録ボタン７ａ４を操作して、投入ゲート２ｇの全開位置を登録する。
以上が、オペレータが全手動で投入ゲート２ｇの全開位置を検出する操作である。

なお、投入ゲート２ｇの全開位置を検出する全開位置検出センサを設けた場合の投入ゲート２ｇの全開位置検出の自動校正は、原点(全閉)の校正と同様な方法で遂行される。

＜投入ゲート２ｇの開度特性＞
図６は、充填装置１の投入ゲート２ｇの開度の一特性を示す。図６の横軸は時間ｔを示し、縦軸は投入ゲート２ｇの開度ｋを示す。
図１〜図３を参照して、充填装置１において、主ホッパ２内の被計量物ｈを計量ホッパ３に落下させるための投入ゲート２ｇの開度に関して、時間の経過に従って説明する。
充填装置１においては、被計量物ｈの供給量及び消費エネルギならびに装置の能力などに応じて、装置の能力に適合した供給量の制御を任意に設定可能な装置を提供する。

一般に、充填装置は、被計量物ｈの重量値によって、または、時間当りの投入ゲートの開度を調整することによって、大・中・小の各段階の被計量物の供給量の制御が行われる。
本充填装置１では後者を採用する。前者の手法であると、重量物が計量ホッパ３に落下することにより振動し、この振動が収束するまで次の段階に移行することができない。そのため、その分、被計量物ｈの計量ホッパ３への全供給に時間がかかってしまう。

一方、後者の手法であれば、被計量物ｈの落下に伴う振動を、投入ゲート２ｇの開度で被計量物ｈの供給量を調整することで振動を抑制できるため、被計量物ｈの計量ホッパ３への全供給の時間を短縮化することができるからである。

充填装置１は、大供給段階、中供給段階、小供給段階の３段階に分けて、主ホッパ２内の被計量物ｈの計量ホッパ３への供給を行う(図２参照)。
大供給段階は、投入ゲート２ｇの開度を全開にした場合の主ホッパ２内の被計量物ｈの計量ホッパ３への供給の過程を示す。

小供給段階は、投入ゲート２ｇの開度を小さくした場合の主ホッパ２内の被計量物ｈの計量ホッパ３への供給の過程を示す。小供給段階とは、計量ホッパ３への被計量物ｈの重量の微調整の過程である。なお、小供給段階は、計量ホッパ３の振動を減衰させる過程を兼ねる。
中供給段階とは、大供給段階の投入ゲート２ｇの開度以下であり、かつ、小供給段階の投入ゲート２ｇの開度以上の開度で、投入ゲート２ｇを開く場合である。

図６に示すように、小供給段階および大供給段階の投入ゲート２ｇの開度は、時間経過によらず一定とする。
従来、既存の充填装置の制御アルゴリズムでは、大供給段階、中供給段階、小供給段階において、それぞれ投入ゲート２ｇの固定開度を有し、それぞれの指定重量まで監視して、時間ｔとゲート開度ｋとの関係からエネルギ量(計量ホッパ３内の被計量物ｈの重量に相当)を算出する。

本充填装置１では、エネルギ量(計量ホッパ３内の被計量物ｈの重量に相当)を下記の制御モードにて消費するように時間を調整する。
制御部７は、大供給終了時間(＝中供給開始時間)の時刻ｔ１、中供給終了時間（＝小供給開始時間）の時刻ｔ２に対し、適当な初期値をもち、この初期値でエネルギ量(計量ホッパ３への被計量物ｈの充填量の重量に相当)を消費しない場合には、時刻ｔ１を前後に自動調整することで調整モード時の結果と同等なエネルギ量(計量ホッパ３内の被計量物ｈの重量に相当)を消費する(粗調整)。
その後、時刻ｔ１で調整がつかない場合には、時刻ｔ２での調整を行うこととする。

また、オペレータはこれらの時刻ｔ１、ｔ２を、不図示の操作スイッチにより、入力部７ａに任意に設定できる構成である。
従って、本充填装置１では、時間当りの投入ゲート２ｇの開度が漸減する中供給段階において、各充填装置１のシステムに合った制御の選択が可能なように、時間当りの投入ゲート２ｇの開度を指令する制御信号を生成する。

本充填装置１の制御部７の特徴は、中供給段階における投入ゲート２ｇの開閉制御に関するものであり、制御部７は、中供給段階の開度を指令する制御信号を以下のように生成する。
図６に示すように、大供給段階から中供給段階に移行する第１移行時点（ｔ１，ｋ１）と中供給段階から小供給段階に移行する第２移行時点（ｔ２，ｋ２）とを含む投入ゲート２ｇの線形の開度Ｌを指令する制御信号を生成する。

生成した線形の開度Ｌ上の任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）を前後として第１移行時点（ｔ１，ｋ１）を極大値とし、任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）を含む第１多項式の開度Ｃ１を指令する制御信号と、第２移行時点（ｔ２，ｋ２）を極小値とし任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）を含む第２多項式の開度Ｃ２を指令する制御信号とを、制御部７にて生成する。

こうして、図６に示すように、中供給段階を第１多項式の開度Ｃ１と第２多項式の開度Ｃ２とを設定することで、中供給段階の任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）前の第１多項式の開度Ｃ１の時間帯が、被計量物ｈの計量ホッパ３への単位時間当たりの供給量が多く、中供給段階の任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）後の第２多項式の開度Ｃ２の時間帯が、被計量物ｈの計量ホッパ３への単位時間当たりの供給量が少ない。また、第２多項式の中供給段階の終わりの時間帯の供給量の時間当たりの変化量は小さい。

そのため、計量ホッパ３の振動は中供給段階の初期には大きいが、中供給段階の終期になるに従って振動が抑制される。結果として、中供給段階での振動は可及的に抑制されることとなる。つまり、中供給段階は計量ホッパ３の振動は短時間で収束することとなる。

投入ゲート２ｇの開閉制御は、以下のように行われる。
前記した位置校正により投入ゲート２ｇの全閉と全開の位置が分かっているので、そこから移動したい位置に対応するパルス数、移動したい時間を算出することで投入ゲート２ｇの開閉速度を求め、指定速度で投入ゲート２ｇの開度を指定位置まで動作させる。

そして、第１多項式の開度Ｃ１を指示する制御信号と、第２多項式の開度Ｃ２を指示する制御信号とで、サーボモータ５の駆動制御を行い、中供給段階の投入ゲート２ｇの開度を前半と後半とで個別に制御する。
本実施形態の充填装置１では、第１多項式及び第２多項式は２次式とする。これにより、第１多項式から第２多項式に移行する点である変曲点の前半と後半とで個別の制御を実施する。

変曲点は、（ｔ１，ｋ１）と（ｔ２，ｋ２）の２点間の１次式上に存在し、任意に変更できるものとする。
換言すれば、変曲点は、第１移行時点（ｔ１，ｋ１）と第２移行時点（ｔ２，ｋ２）とを結ぶ1次式の線分上を変化するものとし、任意に変更できるものとする。

次に、第１多項式と第２多項式とを２次式で表す場合の第１多項式と第２多項式との求め方を説明する。
まず、変曲点の軌道である１次式を求める。
１次式は、次式(１)で一般に表される。
ｙ ＝ ａ１×ｘ ＋ ｂ１ (１)
上述の２点、（ｔ１，ｋ１）、（ｔ２，ｋ２）を通ることから、式(１)は、下記の式(２)、(３)で表される。

ｋ１＝ａ１×ｔ１＋ｂ１ (２)
ｋ２＝ａ１×ｔ２＋ｂ１ (３)
式(２)、(３)の連立方程式を解いて、ａ１とｂ１を算出し、式(１)へ代入すれば、変曲点の軌道である１次式が求まる。

変曲点を（ｔｈ，ｋｈ）として、変曲点（ｔｈ，ｋｈ）を通り、かつ、（ｔ１，ｋ１）の極大点を通る２次式の前半部の制御式の第１多項式を求める。
また、変曲点（ｔｈ，ｋｈ）を通り、かつ、（ｔ２，ｋ２）の極小点を通る２次式の後半部の制御式の第２多項式を求める。

第１多項式は、極値条件から、
ｄｙ／ｄｘ = ａ２（ｘ−ｍａｘ）＝ａ２×ｘ−ａ２×ｍａｘ (４)
と表せる。なお、ｍａｘとは、ｄｙ／ｄｘが０、すなわちｙが極値となるｘの値である。
式(４)を積分して、
y =（１／２）×ａ２×ｘ^２ ＋ （−ｍａｘ）×ａ２×ｘ ＋ ｃ (５)

極大点を通ることから、
ｋ１＝（１／２）×ａ２×（ｔ１）^２ ＋ （−ｔ１）×ａ２×ｔ１ ＋ ｃ (６)
変曲点を通ることから、
ｋｈ＝（１／２）×ａ２×（ｔｈ）^２ ＋ （−ｔｈ）×ａ２×ｔｈ ＋ ｃ (７)
式(６)、式(７)の連立方程式を解いてａ２とｃを算出し、式（５）へ代入すれば２次式の第１多項式が求まる。

同様にして、極小点（ｔ２，ｋ２）を通る２次式の第２多項式も算出される。
上述の如くして、制御部７は、大供給段階の終了時点（ｔ１，ｋ１）、変曲点（ｔｈ，ｋｈ）、小供給段階の開始時点（ｔ２，ｋ２）の３点を通る曲線を算出する。

＜調整モード＞
制御部７は、図６に示す大供給段階、中供給段階、小供給段階の時間とゲート開度の関係からエネルギ量(計量ホッパ３内の被計量物ｈの重量に相当)を算出する。エネルギ量(計量ホッパ３内の被計量物ｈの重量に相当)とは、図６の曲線で囲まれる面積に相当する。制御部７は、図６の大供給段階、中供給段階、小供給段階の時間を変数とする関数のゲート開度を積分するなどして、エネルギ量(計量ホッパ３内の被計量物ｈの重量に相当)が求められる。

制御部７は、エネルギ量(計量ホッパ３内の被計量物ｈの重量に相当)を本制御モードにて消費するように時間を調整する。
制御部７は、大供給終了時間＝中供給開始時間の時刻“ｔ１”、中供給終了時間＝小供給開始時間の時刻“ｔ２”に対し、適当な初期値をもつ。

この初期値でエネルギ量(計量ホッパ３内の被計量物ｈの重量に相当)を消費しない場合には、“ｔ１”を前後の時刻に自動調整することで、調整モード時の結果と同等なエネルギ量を消費する。
“ｔ１”を前後の時刻に自動調整した場合には、式(１)〜式(７)の演算を再度行う。式(１)〜式(７)の演算は、１次式と２次式の演算なので、演算の負荷は少ない。
なお、オペレータが、時刻“ｔ１”と時刻“ｔ２”を、入力部７ａを介して任意に設定できる構成とすると、オペレータ設定の時刻“ｔ１”と時刻“ｔ２”に合わせて、第１多項式と第２多項式とが演算される。
以上の過程を経て、制御部７の設定は終了する。

＜ゲートの開閉制御＞
制御部７は、調整後、前記した投入ゲート２ｇの開度の位置校正により全閉と全開の位置が分かっているので、全閉と全開の位置から、図６に示す軌道(図６中の太線)に従って、移動したい位置までのパルス数、移動したい時間で投入ゲート２ｇの開度の速度を算出し、指定速度で指定位置まで、投入ゲート２ｇを動作させる。

＜充填作業から梱包までの流れ＞
次に、被計量物ｈの袋ｆへの充填作業の流れについて説明する。
図７は、被計量物ｈの袋ｆへの充填作業の過程を示すフロー図である。
（１）まず、図１の状態の充填装置１において、オペレータは、主ホッパ２に被計量物ｈを上方から入れる(図７のＳ１０１)。
（２）続いて、オペレータは、計量ホッパ３の下方に袋をセットする(図２参照)(図７のＳ１０２)。

（３）続いて、オペレータは、入力部７ａの不図示の充填開始ボタンを押下し、充填を開始する(図７のＳ１０３)。
（４）すると、制御部７の制御によりサーボモータ５が駆動され、図２に示すように、主ホッパ２下部の投入ゲート２ｇが開く(図６の時刻ｔ０)。そして、前記の如く求めた図６に示す時刻と投入ゲート２ｇの開度ｋとの関係で、被計量物ｈが指定重量まで計量ホッパ３へ供給される(図７のＳ１０４)。

（５）ロードセル４の検出信号により、計量ホッパ３内の被計量物ｈが指定重量になったら(図６の時刻ｔ３)、制御部７は、サーボモータ５を駆動し、投入ゲート２ｇを全閉状態に閉じる(図３参照)(図７のＳ１０５)。
（６）続いて、制御部７は、図３の矢印α４に示すように、シリンダ６を収縮させ、排出ゲート３ｇを開き、袋ｆへ被計量物ｈが充填される(図７のＳ１０６)。これにより、袋ｆへの被計量物ｈの充填作業が完了する。

以上、本実施形態に係る充填装置１は、以下に述べる効果を有する。
（１）中供給段階における投入ゲート２ｇの開度を線形である直線の開度Ｌ上の一点を区切りに前半と後半とを時間の異なる関数の開度で制御する。つまり、中供給段階における投入ゲート２ｇの開度を、大供給終了時点、変曲点(直線の開度Ｌ上の一点)、小供給開始時点の３点を通る曲線を算出し制御を行う。

そして、変曲点自体を線形である直線の開度Ｌ上の一点を任意に移動可能とすることにより、その一点の前後の被計量物ｈの供給量(制御)に変化を付けることができる。
そのため、従来の特許文献１の固定的な３次式のようなゲート２ｇの開度の漸減特性と比較し、変曲点自体が移動可能となり変曲点(直線の開度Ｌ上の一点)のその前後の操作量(制御)に変化をつけることができる。

（２）このように、被計量物ｈの供給量に変化が付けられる、つまり操作量の特性に変化がつけられるため、充填装置１の能力に適合した制御や、システムに合った制御を任意に設定し、選択することができる。
（３）場合によっては中供給段階に必要とされる時間を短縮できる。

（４）線形の開度Ｌ上の任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）を前後として第１移行時点（ｔ１，ｋ１）を極大値とし、任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）を含む第１多項式の開度Ｃ１と、第２移行時点（ｔ２，ｋ２）を極小値とし任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）を含む第２多項式の開度Ｃ２とを設定することで、被計量物ｈの供給時に発生する振動成分を抑制し、重量判定の精度を上げ、短時間で処理を完了させることができる。

（５）充填装置１の能力に応じて被計量物ｈの中供給段階の制御を、分割して任意に設定でき、被計量物ｈの充填を短時間かつ高速に行うことができる。

なお、本実施形態では、中供給段階の前半での投入ゲート２ｇの開度の第１多項式が２次式の場合を例示したが、時間(時刻)の３次式以上の関数で投入ゲート２ｇの開度を制御するようにしてもよい。
同様に、中供給段階の後半での投入ゲート２ｇの開度の第２多項式が２次式の場合を例示したが、時間(時刻)の３次式以上の関数で投入ゲート２ｇの開度を制御するようにしてもよい。

また、中供給段階における変曲点前の前半の第１多項式と、中供給段階における変曲点後の後半の第２多項式とを、異なる次数の多項式で制御するようにしてもよい。
しかし、実施形態で説明した第１多項式、第２多項式に２次式を用いる方法は、簡易な演算で種々の条件に応じて制御を行えるので、最も好ましい。

＜＜変形形態１＞＞
図８は、変形形態１の充填装置１の別異のゲート開度特性を示す図である。
変形形態１の充填装置１では、中供給段階のゲート２ｇの開度を、時間に対する複数の１次関数(直線)を接続して制御するようにしたものである。
変形形態１の中供給段階におけるゲート開度特性では、図８に示すように、第１移行時点（ｔ１，ｋ１）と任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）の２点の間、および、任意の一点（ｔｈ，ｋｈ）と第２移行時点（ｔ２，ｋ２）の２点の間に、複数の監視時点の(時刻、ゲート２ｇの開度)の［（ｔｙ１，ｋｙ１）、（ｔｙ２，ｋｙ２）、…］を設ける。

そして、これらの隣接する監視時点の(時刻、ゲート２ｇの開度)の［（ｔｙ１，ｋｙ１）、（ｔｙ２，ｋｙ２）、…］同士を直線で結び、時間ｔの第１多項式のゲート２ｇの開度ｋおよび時間ｔの第２多項式のゲート２ｇの開度ｋを直線状の折れ線（図８の実線部）で近似して、制御部７で制御する。
その他の構成は、実施形態の充填装置１と同様である。

変形形態１によれば、図８に示すように、時間ｔの第１多項式の開度ｋ、および、時間ｔの第２の多項式の開度ｋを直線状の折れ線で近似することにより、より柔軟な(任意の)ゲート２ｇの開度が設定できる。
また、各時点でのゲート２ｇの開度ｋの認識が、より容易になる。

＜＜変形形態２＞＞
図９は、変形形態２の充填装置１の別異のゲート開度特性を示す図である。
変形形態２の充填装置１では、中供給段階のゲート２ｇの開度を、大供給段階から中供給段階への移行時点である第１移行時点（ｔ１，ｋ１）と、中供給段階から小供給段階への移行時点である第２移行時点（ｔ２，ｋ２）とを直線で結んで制御するように構成したものである。
その他の構成は、実施形態の充填装置１と同様である。

変形形態２によれば、中供給段階のゲート２ｇの開度を、大供給段階から中供給段階への移行時点の第１移行時点（ｔ１，ｋ１）と、中供給段階から小供給段階への移行時点の第２移行時点（ｔ２，ｋ２）とを直線で結んで制御するので、制御がより簡単に行える。
複雑な制御が不要な場合に適合する。

＜＜変形形態３＞＞
図１０は、変形形態３の充填装置１の別異のゲート開度特性を示す図である。
変形形態３の充填装置１では、中供給段階のゲート２ｇの開度を、大供給段階から中供給段階への移行時点である第１移行時点（ｔ１，ｋ１）を通り、かつ、中供給段階から小供給段階への移行時点である第２移行時点（ｔ２，ｋ２）を極小値とする時間ｔの２次式で表される開度ｋで制御を行うものである。
この２次式の求め方は、前記した式(４)〜式(７)を用いる方法と同様である。
その他の構成は、実施形態の充填装置１と同様である。

変形形態３によれば、大供給段階から中供給段階への移行時点である第１移行時点（ｔ１，ｋ１）を通り、かつ、中供給段階から小供給段階への移行時点である第２移行時点（ｔ２，ｋ２）を極小値とする時間ｔの２次式で表される開度で制御を行うので、ゲート２ｇの開度の制御の演算が簡易に行え、制御が容易である。

また、中供給段階での早い時点ほどゲート２ｇの開度が大きくかつ減少の傾きが大きい。また、中供給段階での遅い時点ほどゲート２ｇの開度が小さくかつ減少の傾きが小さい。そのため、中供給段階において、中供給段階での早い時点ほど計量ホッパ３への被計量物ｈの供給量の変化が大きく、中供給段階での遅い時点ほど計量ホッパ３への被計量物ｈの供給量の変化が小さいため、計量ホッパ３の振動の抑制が可能である。

＜＜変形形態４＞＞
図１１は、変形形態４の充填装置１の別異のゲート開度特性を示す図である。
変形形態４の充填装置１では、実施形態で述べた図６に示す第１多項式から第２多項式へ移行する変曲点を以下のように定めるものである。
図１１に示すように、変曲点（ｔｈ，ｋｈ）を、大供給段階から中供給段階への移行時点である第１移行時点（ｔ１，ｋ１）と、中供給段階から小供給段階への移行時点である第２移行時点（ｔ２，ｋ２）と、時点（ｔ１，ｋ２）と、時点（ｔ２，ｋ１）とを結んだ矩形の領域内から任意に選択するようにしたものである。

中供給段階での変曲点（ｔｈ，ｋｈ）の前半の第１多項式と、変曲点（ｔｈ，ｋｈ）の後半の第２多項式との求め方は、実施形態、変形形態１と同様である。
変形形態４での変曲点の求め方は、例えば、図１１の矩形の領域を２分割、または、３分割、または、４分割など、複数に分割して、各分割領域の変曲点を仮決めして演算を行い、適合する変曲点がある領域を絞りこんでいき、変曲点を決定するとよい。

変形形態４によれば、実施形態、変形形態１〜３で、中供給段階での投入ゲート２ｇの開度の変曲点が被計量物ｈの充填に適合しない場合に有効である。
また、中供給段階での投入ゲート２ｇの開度の変曲点（ｔｈ，ｋｈ）を、第１移行時点（ｔ１，ｋ１）と、第２移行時点（ｔ２，ｋ２）と、時点（ｔ１，ｋ２）と、時点（ｔ２，ｋ１）とを結んだ矩形の領域から任意に選択するので、中供給段階での投入ゲート２ｇの開度の変曲点の選択の幅が広がる。そのため、様々な被計量物ｈや、様々な充填装置１に有効となる。

＜＜その他の変形例＞＞
（１）前記実施形態、変形形態では、被計量物ｈの大供給段階での計量ホッパ３への供給量を一定とした場合を示したが、必ずしも一定でなくともよい。同様に、被計量物ｈの小供給段階での計量ホッパ３への供給量を一定とした場合を示したが、必ずしも一定でなくともよい。

（２）前記実施形態、変形形態１、４では、中供給段階の変曲点を１点選択する場合を例示したが、該変曲点を２点以上としてもよい。この場合、各区間の時間ｔの関数である投入ゲート２ｇの開度ｋは、１次式や多次式の関数を任意に選択できる。
しかしながら、実施形態で説明した変曲点が１点であり、変曲点前後の第１多項式、第２多項式を２次式とする構成は、簡単な演算でありながら、様々な場合に適合可能であるので、最も望ましい。

（３）前記実施形態、変形形態では、様々な構成を説明したが、これらの構成を適宜、組み合わせて構成してもよい。

以上、本発明の様々な実施形態を述べたが、本発明の範囲内で様々な修正と変更が可能である。すなわち、本発明の具体的形態は、発明の趣旨を変更しない範囲において適宜、任意に変更可能である。

１ 充填装置
２ 主ホッパ
２ｇ 投入ゲート
３ 計量ホッパ
７ 制御部(制御装置)
ｈ 被計量物
Ｌ 直線

Claims (7)

1. 被計量物が入れられる主ホッパと、該主ホッパ内の前記被計量物が供給され前記被計量物が既定の重量に計量される計量ホッパと、開放することで前記主ホッパ内の前記被計量物が前記計量ホッパへ供給される一方、閉塞することで前記供給を停止する投入ゲートとを備え、
   前記投入ゲートによる前記被計量物の供給量が最も大きい大供給段階と、該大供給段階の後に続きかつ該大供給段階以下の前記供給量を有し、前記被計量物の単位時間当たりの供給量が漸減する中供給段階と、該中供給段階の後に続きかつ前記供給量が前記中供給段階以下である小供給段階とを有する充填装置の制御装置であって、
   前記大供給段階から前記中供給段階に移行する第１移行時点と、
   前記中供給段階から前記小供給段階に移行する第２移行時点とを有し、
   前記中供給段階において、前記投入ゲートの開度を、前記第１移行時点と前記第２移行時点との間の任意の時刻を前後として、異なるモードの開度となるように制御する
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記中供給段階における前記投入ゲートの開度は、
   前記第１移行時点の時刻の前記投入ゲートの開度を極大値とし、前記任意の時刻とその時刻の前記投入ゲートの開度とで定まる点を通る時刻を変数とする第１多項式で表され、
   前記第２移行時点の時刻の前記投入ゲートの開度を極小値とし、前記任意の時刻とその時刻の前記投入ゲートの開度で定まる点を通る時刻を変数とする第２多項式で表される
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記任意の時刻とその時刻の前記投入ゲートの開度は、
   前記第１移行時点とその時点の前記投入ゲートの開度と、前記第２移行時点とその時点の前記投入ゲートの開度とを結ぶ線分上の時刻とその時刻の前記投入ゲートの開度である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の制御装置。
4. 前記第１多項式と前記第２多項式は、２次式である
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の制御装置。
5. 前記第１多項式で表される開度は、前記第２多項式で表される開度よりも、単位時間当たりの開度の漸減率が大きい
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の制御装置。
6. 前記被計量物が前記既定の重量に計量されるように、前記小供給段階の時間での調整より前に該調整より大きな前記大供給段階の時間での粗調整を行う
   ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の制御装置。
7. 請求項１から請求項６の何れか一項に記載の制御装置を備える充填装置。

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