JP6284784B2 - 充填装置 - Google Patents

Description

本発明は、容器に液体に充填する充填装置に関し、特に容器内の液面高さを一定に制御する定水位式の充填装置に関する。

定水位式の充填装置において充填時間を短縮するには、単位時間当たりに液体投入量を増大させる必要がある。一方、センサで液面が検知されてから充填が停止されるまでの間には応答遅れが存在する。そのため、高い精度で液面高さを一定にするには、充填終了が近づいた段階で液体投入量を減らすことが望ましい。このような問題に対して、液面が設定値に近づくと、バルブの開度を大開度から小開度に変更して充填流量を減らし、応答遅れによる過剰充填を抑えて充填精度を高める構成が知られている（特許文献１）。また、液面高さを一定にする目的で、制御方式が異なる複数の充填ノズルにより順次充填を行う構成も提案されている（特許文献２）。

特公昭６０−０２０２７６号公報 特許第２９２１４５０号公報

しかし特許文献１の構成では、バルブに多段（２段）モーション機構が必要となり、コスト高となり、特にノズルの数が多いと部品コストが嵩む。また、多段モーション機構を搭載したバルブを採用すると適用可能な液種が制限されてしまう。また特許文献２の構成では、１回の充填に複数の工程を設けるとともに、工程毎にステーションを設ける必要があるので装置が複雑になり、コストも増大する。

本発明は、簡単な構成で、定水位充填を高精度に行うことができる充填装置を提供することを課題としている。

本発明の充填装置は、開閉バルブと充填ノズルを有する充填手段と、充填手段の下方に容器を供給する容器供給手段と、容器内に充填される液面を検出する液面センサと、充填液を貯留する貯留タンクと、貯留タンクの液体を充填手段に送液する送液ポンプと、送液ポンプの回転数と開閉バルブとを制御する制御手段とを備え、制御手段は、開閉バルブを開放した状態で送液ポンプの回転数を制御することにより、充填ノズルから吐出される充填流量を複数選択可能とするとともに、充填が終了するまでの間に大投充填を所定時間行った後、小投充填を実行し、液面センサによって所定液面まで充填されたことを示す検出信号が入力されたら、開閉バルブを閉鎖して充填を終了することを特徴とするものである。

また液面センサを充填ノズルの下方に取り付け、液面センサは、充填される液面が液面センサに到達すると検出信号を出力することが好ましい。

更に充填ノズルを昇降させる昇降手段を設け、充填ノズルを容器に挿入して充填を開始し、充填ノズルを最終液面位置まで上昇させるまでの間は液面センサの信号が入力されても充填を継続することが好ましい。

更に、充填液を貯留する貯留タンクと、充填手段を複数取り付けたマニホールドと、マニホールド内の圧力を検出する圧力検出手段とを備え、制御手段により、開閉バルブを開放した状態で送液ポンプの回転数を制御することにより、マニホールド内の圧力を調整して、充填ノズルから吐出される充填流量を複数選択可能とすることが望ましい。

本発明によれば、簡単な構成で、定水位充填を高精度に行うことができる充填装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る充填装置の側面図である。 図１の充填装置の正面図である。 充填ノズルの拡大図および液面センサの拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である充填装置の側面図である。

本実施形態の充填装置１は、容器搬送コンベヤ２によってボトルなどの容器４を一列に搬送し、所定の位置（充填位置Ａ）に容器４を停止してグリッパ（図示しない胴部グリッパとネックグリッパ）により位置決めした後、充填ノズル８を下降させて容器４内に挿入する。その後充填ノズル８から容器４内に充填液を吐出し、液面の上昇に追従して充填ノズル８を上昇させながら充填を行う。

搬送コンベヤ２は、搬送面２ａの上方両側に、容器４の直径よりもやや広い間隔で配置されるガイド部材１０を有しており、容器４は、これら両側のガイド部材１０によってガイドされて一列に搬送される。搬送コンベヤ２において、上方に充填ノズル８が設けられている充填位置Ａの手前には、ロータリーストッパ１２が配置され、前後に密着した状態で搬送されてくる容器４を所定の間隔に切り離して下流側へ送り出す。１回に充填を行う本数（図１の例では１２本）の容器を送り出すと、ロータリーストッパ１２が停止して後続の容器４の送り出しを停止する。

搬送コンベヤ２では、例えばエンコーダによって容器４の進行位置をチェックしており、先頭の容器４が所定距離進んだことを認識したら、搬送コンベヤ２の走行を停止して容器４を所定の間隔で停止する（１２本の容器４が停止する位置が充填位置Ａである）。搬送コンベヤ２上の容器４の移動を停止して充填を行う充填位置Ａには、両側に配置された一対のグリップ部材（図示せず）を有する胴部グリッパが設けられており、これらグリップ部材を互いに接近離隔する方向に進退動させて容器４の胴部をグリップし、また、これら容器４を解放する。充填を行う際には、両グリップ部材を前進させて、充填位置Ａに停止した容器４の胴部を両側から保持して位置決めを行う。

充填位置Ａの上方には、充填される容器４の本数と同数の充填ノズル８を取り付けた充填ユニット１４が設けられる。充填ユニット１４を昇降する充填ノズル昇降手段１６が、充填位置Ａに停止している複数本の容器４の略中間の位置の、搬送コンベヤ２の側方に設けられている。充填ノズル昇降手段１６は、直立したボールねじ１８と、ボールねじ１８に螺合するナット２０が下端部に固定された昇降筒２２とを備える。ボールねじ１８の下端にギヤ２４が固定され、ベース２６上に設置された充填ノズル昇降用サーボモータ２８の駆動軸に連結されたギヤ３０に噛み合っている。昇降用サーボモータ２８の駆動によりボールねじ１８が回転するとナット２０と昇降筒２２が一体的に昇降し、昇降筒２２に連結されている充填ユニット１４および全ての充填ノズル８が一体的に昇降する。

図２は、図１の充填装置１を図１の左側から見た正面図である。充填ノズル８の上端はそれぞれ固定配管３２を介して、充填ユニット１４に設けられた開閉バルブ３４に接続され、更に各開閉バルブ３４を介してマニホールド３６に接続される。マニホールド３６は、固定配管３８を介してフレキシブルチューブ４０の上端に接続され、フレキシブルチューブ４０の下端は、送液ポンプ４２に接続された固定配管４４に接続される。送液ポンプ４２は、貯留タンク４６に貯留された充填液を吸入・吐出し、固定配管４４、フレキシブルチューブ４０、固定配管３８を介して充填液をマニホールド３６へと送出し、各開閉バルブ３４、固定配管３２を介して各充填ノズル８へと供給する。なお、少なくとも貯留タンク４６、送液ポンプ４２、マニホールド３６、開閉バルブ３４の間の送液通路は液密な状態が確保される。また、充填ユニット１４を昇降させると、充填ノズル８やマニホールド３６や開閉バルブ３４などは一体的に昇降し、その際にはフレキシブルチューブ４０が変形して昇降する高さを吸収する。

充填ノズル８の下端部８ａは、後述する液面センサ４８が設けられ、液面センサ４８からの信号は、制御装置５０に入力される。また充填ユニット１４には、マニホールド３６内の充填液の圧力を計測する圧力センサ５２が設けられ、圧力センサ５２の信号は、制御装置５０へ入力される。制御装置５０は、液面センサ４８、圧力センサ５２、タイマ（図示せず）などからの信号に基づいて充填ノズル昇降手段１６、開閉バルブ３４、送液ポンプ４２の駆動を制御する。なお開閉バルブ３４は、弁を閉じた状態と開いた状態の２つの状態の間で切換えられ、送液ポンプ４２は、マニホールド３６内の圧力が、目標値となるようにその回転数が制御される。

充填作業では、所定数（１２本）の容器４が充填位置Ａに配置されると、充填ノズル昇降手段１６により充填ユニット１４の下降が開始され、充填ノズル８の各々が容器４の口からその内部へと挿入される。充填ユニット１４の下降は、充填ノズル８の下端部８ａの先端が容器４の底面に近接する位置で停止され、その後、制御装置５０により開閉バルブ３４が開かれ、充填ノズル８から充填液が容器４へと吐出される。

充填ノズル昇降手段１６は、液面の上昇に追従して充填ユニット１４、すなわち充填ノズル８を上昇させ、充填ノズル８の下端が規定の液面高さに到達すると充填ノズル昇降手段１６の駆動を停止させる。続いて液面センサ４８により、液面の高さが規定高さ（最終液面高さ）に達したことが検出されると、制御装置５０は開閉バルブ３４を閉じ、現在充填位置Ａに配置されている容器４への充填作業を終了する。

なお、充填ノズル昇降手段１６による充填ノズル８の上昇速度は、容器４の形状や大きさ、充填液の種類など条件によって予め設定される。また、充填ノズル８からの充填液の吐出流量（充填流量）は、マニホールド３６内の目標圧力を変更することで切り換えられ、例えば中投（中流量充填）、大投（大流量充填）、小投（小流量充填）の順で切り換えられる。すなわち、大投にはａ［ｋＰａ］、中投にはｂ［ｋＰａ］、小投にはｃ［ｋＰａ］（ａ＞ｂ＞ｃ）などのように充填流量に対応するマニホールド３６の圧力が予め設定される。なお、充填流量は充填時間によって切り換えられ、その切り換えのタイミングは容器４の形状や大きさ、充填液の種類などの条件によって予め設定される。

図３は、充填ノズル８の拡大図（図３（ａ））と、その下端部８ａの拡大図（図３（ｂ））である。図３を参照して本実施形態の液面センサ４８の構成について説明する。

充填ノズル８は、２重管構造を呈し、内側に配置され充填液が輸送される内管８ｂと、外側に配置される外管８ｃを備える。内管８ｂ、外管８ｃはともに導電体から構成されるが、内管８ｂの表面（外管８ｃに向いた面）は電気絶縁膜に覆われており、内管８ｂの裏面と外管８ｃが一対の電極を構成する。外管８ｃは、内管８ｂよりも所定の長さ短く、外管８ｃの下端は、内管８ｂの下端から所定距離上に位置する。内管８ｂ、外管８ｃには、所定の電圧が印加され、液面が外管８ｃの下端にまで達して内管８ｂの裏面と外管８ｃが連通すると通電する。すなわち、制御装置５０は、この通電を検知することで液面を検知する。なお、液面センサ４８は各充填ノズル８の下端部８ａに設けられる。また、液面センサは上記の構成に限らず、例えば、充填ノズル８に電極棒を配置してもよいし、光電式のセンサやカメラなどによって容器の外側から液面を検出する構成であってもよい。

以上の構成に係る充填装置の作動について説明する。なお、本実施形態では、充填流量を中投、大投、小投の順で切り換える。容器４は搬送コンベヤ２によって両側ガイド部材１０間を一列で搬送される。容器４がロータリーストッパ１２の位置に到達すると、所定間隔に切り離されて順次送り出される。本実施形態では、１２本の容器４が切り出されるとロータリーストッパ１２が停止して後続の容器を停止させる。１２本の容器４の先頭の容器４が所定の位置（充填位置Ａの先頭）に到達すると、搬送コンベヤ２が停止されるとともに、胴部グリッパ（図示せず）の両側グリップ部材を閉鎖して容器４の胴部をグリップして位置決めする。充填位置Ａに位置決めされた各容器４の上方には、それぞれ対応する充填ノズル８が位置する。

容器４を胴部グリッパで位置決めすると、充填ノズル昇降手段１６の昇降用サーボモータ２８を駆動して、ボールねじ１８を回転させ、ナット２０および昇降筒２２を下降させることにより、充填ユニット１４とともに充填ノズル８を下降させる。この充填ユニット１４の下降動作に連動して、図示しない保持機構が作動され容器４のネック部がグリップされる。

その後充填ユニット１４は更に下降され、ネックがグリップされた状態の容器４の口から充填ノズル８が挿入される。充填ユニット１４、すなわち充填ノズル８の下降は、充填ノズル８の下端が容器４の底部近くに達すると停止され、それから全ての開閉バルブ３４が一斉に開かれる。これにより、送液ポンプ４２により貯留タンク４６から送り出された充填液が、固定配管４４、フレキシブルチューブ４０、固定配管３８、マニホールド３６、開閉バルブ３４、固定配管３２を介して充填ノズル８から容器４内へ吐出される。なお、充填開始時のマニホールド３６内は中投に相当する圧力に調整されており、開閉バルブ３４が開かれると中流量の充填液が吐出される。

充填液の吐出が開始されると充填ノズル８は、予め設定された速度で上昇され、充填ノズル８の下端が所定高さに達すると停止される。一方、充填液の吐出開始時から所定時間経過後にマニホールド３６内の圧力は大投に相当する圧力に調整され、その後、所定時間経過後に小投に相当する圧力に調整されることにより、充填ノズル８から吐出される充填液の流量は中流量から大流量、そして大流量から小流量に変更される。なお、本実施形態では、充填ノズル８の下端が所定高さに到達する前、すなわち、充填ノズル８が上昇している途中に小投となるようにマニホールド３６の圧力を切り換えている。上昇する液面が外管８ｃに触れると、液面センサ４８により容器４内の液面高さが所定高さに到達したことが検出され、該当する充填ノズル８に対応する開閉バルブ３４が閉じられる。全ての開閉バルブ３４が閉じられると、充填位置Ａに配置されている容器４への充填作業は終了する。

開閉バルブ３４が閉じられた後、充填ノズル８は再び上昇される。充填ノズル８が容器４から抜き出され、更に上昇されると、充填ユニット１４に連動する保持機構による容器４のネックのグリップが開放される。このとき胴部グリッパも開放され、搬送コンベヤ２が駆動され容器４は充填位置Ａから排出される。また、このとき次の一群の容器４をロータリーストッパ１２によって切り出して充填位置Ａに供給し、前記と同様の動作を行う。なお、充填ノズル８、すなわち充填ユニット１４の上昇は、充填ユニット１４が初期位置に達すると停止される。

ところで、充填を開始してから充填ノズル８が最終液面高さまで上昇する間にも、予期せず液面が外管８ｃの下端よりも高くなり通電することがある。したがって、本実施形態では、最終高さに到達するまでは、通電があってもその信号は無視して充填作業を継続する。また、制御装置５０は、充填ノズル８が最終液面高さまで到達した時に、通電がないかをチェックし、通電がなければ開閉バルブ３４を開いたまま充填を継続する。一方、このタイミングで通電が検知されると、何かしらの異常が発生したと判断し、開閉バルブ３４を閉じ、現在充填位置Ａに配置されている容器４への充填を停止する。なお、充填ノズル８の内管８ｂと外管８ｃとの間にエアを噴射可能な構成として最終液面高さに到達した際に、エアを噴射して充填ノズル８に付着している充填液を吹き飛ばす構成としてもよい。

以上のように、本実施形態では、各バルブの流量調整機構が不要となり、充填システムの構造が簡略化されるためコストが低減される。また、バルブに流量調整機構が無いことから、液質による物理的な抵抗や調整が不要となり、液種、送液配管構成に依存しない汎用性に富んだ充填装置を提供できる。また、マニホールド内の圧力を調整し、流量を制御していることから、目標圧力の設定を変更するだけで多品種に対応可能であり、バルブ数に関係なく、各ノズルの充填流量を安定させることができる。更に貯留タンクの水位変動による充填流量変化も気にすることなく充填精度が確保される。

１ 充填装置
２ 搬送コンベヤ
４ 容器
８ 充填ノズル
１６ 充填ノズル昇降手段
３４ 開閉バルブ
３６ マニホールド
４０ フレキシブルチューブ
４２ 送液ポンプ
４６ 貯留タンク
４８ 液面センサ
５０ 制御装置
５２ 圧力センサ

Claims (4)

1. 開閉バルブと充填ノズルを有する充填手段と、
   前記充填手段の下方に容器を供給する容器供給手段と、
   前記容器内に充填される液面を検出する液面センサと、
   充填液を貯留する貯留タンクと、
   貯留タンクの液体を前記充填手段に送液する送液ポンプと、
   前記送液ポンプの回転数と前記開閉バルブとを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記開閉バルブを開放した状態で前記送液ポンプの回転数を制御することにより、前記充填ノズルから吐出される充填流量を複数選択可能とするとともに、
   充填が終了するまでの間に大投充填を所定時間行った後、小投充填を実行し、前記液面センサによって所定液面まで充填されたことを示す検出信号が入力されたら、前記開閉バルブを閉鎖して充填を終了する
   ことを特徴とする充填装置。
2. 前記液面センサを前記充填ノズルの下方に取り付け、前記液面センサは、充填される液面が前記液面センサに到達すると検出信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の充填装置。
3. 前記充填ノズルを昇降させる昇降手段を設け、前記充填ノズルを前記容器に挿入して充填を開始し、前記充填ノズルを最終液面位置まで上昇させるまでの間は前記液面センサの信号が入力されても充填を継続することを特徴とする請求項２に記載の充填装置。
4. 充填液を貯留する貯留タンクと、
   前記充填手段を複数取り付けたマニホールドと、
   前記マニホールド内の圧力を検出する圧力検出手段とを備え、
   前記制御手段により、前記開閉バルブを開放した状態で前記送液ポンプの回転数を制御することにより、前記マニホールド内の圧力を調整して、前記充填ノズルから吐出される充填流量を複数選択可能とすることを特徴とする請求項１または請求項３の何れか一項に記載の充填装置。

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