JP7179449B2 - 充填装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 刊行物：平成２９年電気学会全国大会講演論文集 発行元：一般社団法人電気学会 発行日：平成２９年３月５日

この発明は、オーガスクリュー等の充填動作部材を駆動して、粉体等の充填物を被充填対象へ定量充填するための充填装置に関する。

特許文献１には、２台の充填装置（オーガー装置）を備え、１台目の充填装置により粗充填を実施し、その後、粗充填された粉体を計量装置で計量し、その計量データに基づき算出した補正量だけ２台目の充填装置で充填することにより、正確な充填量の定量充填を実現する装置が開示されている。また、同文献１には、計量装置による計測データに基づいて、粗充填量に対する補正値を１台目の充填装置の制御部へフィードバックし、次サイクルからの粗充填量を指定した充填量に近づける構成も開示されている。

特開２００７－１０６４２１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成の従来装置では、指定された充填量を正確に充填するために２台の充填装置が必要となり、システムが大型化したり、設備コストが高価格化する課題を有していた。さらに、計量装置による計測データに基づき粗充填用の充填装置をフィードバック制御する構成では、次サイクルから充填量が修正されるものの、初回サイクルの粗充填量は精度が低いままであり、そのため２台目の充填装置による補正充填が欠かせないものとなっていた。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、複数台の充填装置を必要とせず、初回サイクルから高精度な定量充填を実現できる充填装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、充填動作部材を駆動して充填物を被充填対象へ定量充填するための充填装置であって、
充填動作部材による充填物の充填量に影響を与える要因（充填量変動要因）に関係して値が変動する充填係数を含む演算式に基づき、指定された充填量を充填するための充填動作部材の出力を算出する出力演算手段と、
出力演算手段により算出した出力に基づいて充填動作部材を駆動する駆動手段と、
充填量変動要因の状態値を計測する状態計測部と、
状態計測部により計測した充填量変動要因の状態値に対応して、充填量変動要因による充填係数の変動値（充填係数変動値）を推定する充填係数変動値推定手段と、
充填係数変動値推定手段により推定した充填係数変動値に基づき、出力演算手段により算出される充填動作部材の出力を補正する出力補正手段と、を備えたことを特徴とする。

上記構成の本発明によれば、状態計測部が充填量変動要因の状態値を計測し、その計測した状態値に対応して充填係数変動値を推定するので、充填量を予測して初回の充填サイクルから高精度な制御が可能となる。よって、複数台の充填装置を必要とせず、初回サイクルから高精度な定量充填を実現することができる。

本発明の充填装置は、実際の充填量を計測する充填量計測手段と、
充填量計測手段による充填量の実測値に基づき、充填係数変動値推定手段が推定演算に用いる推定式を更新する推定式更新手段と、をさらに備えることもできる。
このように構成することで、充填係数変動値の推定精度が向上し、いっそう高精度な定量充填が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、状態計測部が充填量変動要因の状態値を計測し、その計測した状態値に対応して充填係数変動値を推定するので、充填量を予測して初回の充填サイクルから高精度な制御が可能となる。よって、複数台の充填装置を必要とせず、初回サイクルから高精度な定量充填を実現することができる。

本発明の実施形態に係る充填装置の概要を示す構成図である。 本発明の実施形態に係る充填装置の制御構造を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る充填装置の他の制御構造を示すブロック図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔充填装置の概略構造〕
図１は本発明の実施形態に係る充填装置の概要を示す構成図である。本実施形態に係る充填装置は、粉粒体（粉体、粒体又はその混合物）を充填物として包装容器１等の被充填対象に定量充填する構成の充填装置である。

同図に示すように、充填装置は、漏斗状の形状をしたホッパ１０の底部中央に、円筒状の充填筒１１を連結し、この充填筒１１の中空部内にオーガスクリュー１２を同軸上に配置してある。このオーガスクリュー１２は、棒状をしたオーガ軸の周面に螺旋状の羽を有した構造となっている。
ホッパ１０には、上面の開口部から粉粒体（充填物）が供給される。そして、ホッパ１０に蓄えられた粉粒体が充填筒１１の中空部内へ上方から供給され、オーガスクリュー１２の回転に伴い充填筒１１の中空部内で粉粒体が下方へ移送され、充填筒１１の下端に開口する吐出口１１ａから吐き出される。被充填対象の包装容器１は、吐出口１１ａの下方に配置されており、吐出口１１ａから吐き出された粉粒体が、包装容器１内に定量充填される。

上述したように、オーガスクリュー１２は、充填物を被充填対象へ定量充填するための充填動作部材として機能している。オーガスクリュー１２は、駆動手段としてのサーボモータ１３からの駆動力によって回転駆動される。

また、ホッパ１０内には、アジテータ１４と称するへら状の充填補助部材が設けてある。このアジテータ１４は、別のサーボモータ１５からの駆動力によって駆動され、ホッパ１０の内周面に沿って周回移動する。ホッパ１０内の粉粒体は、アジテータ１４の周回移動によって撹拌され、ホッパ１０内に滞留することなく円滑に充填筒１１へと導かれる。

〔充填装置の制御原理〕
次に、本実施形態に係る充填装置の制御原理について詳細に説明する。
本実施形態では、ホッパ１０内に供給された粉粒体（充填物）の密度、オーガスクリュー１２の構造、オーガスクリュー１２の駆動条件、オーガスクリュー１２による充填物の充填効率によって、次の式（１）のように充填量Ｗpが定義されることを前提として、制御系統を構築している。

なお、式（１）において、ηはオーガスクリュー１２による充填物の充填効率、ρは粉粒体（充填物）の密度、Ｄはオーガスクリュー１２の羽外径、ｄはオーガ軸の直径、Ｈはオーガスクリュー１２のピッチ、ｈはオーガスクリュー１２の羽の厚みである。

ここで、ηとρの積ηρを充填係数Ｋとして定義する。また、式（１）の右辺における要素を以下のとおりθset、Ｖとそれぞれ定義する。

そして、指定した充填量Ｗｐの粉粒体を充填するために必要となるオーガスクリュー１２の回転量をθset、オーガスクリュー１２の１回転当たりの粉粒体の吐出容積をＶとすれば、充填係数Ｋを用いて、式（１）は次の式（１）’のように簡略化することができる。

式（１）において、Ｄ，ｄ，Ｈ，ｈは機械パラメータ、Ｔは設定パラメータであり、式（１）’におけるＶは機械パラメータによって決まる固定値、θsetは運転条件によって決まる固定値である。したがって、充填量ＷｐのばらつきはＫの理論値と実際の値の誤差（変動）によって発生することがわかる。

ここで充填装置の状態や粉粒体の状態や周囲環境(湿度や温度)は、オーガスクリュー１２（充填動作部材）による粉粒体（充填物）の充填量Ｗｐに影響を与える要因（以下、充填量変動要因という）である。これら充填量変動要因の状態値が変動したとき、充填量Ｗｐが変動する。
すなわち充填係数Ｋは、周囲環境（温度や湿度）や粉体の状態や充填装置の状態に応じて変動する。
そこで、式（１）’を、充填係数Ｋの変動と充填量Ｗｐの変動との関係を含む式（２）に変換する。

式（２）において、Ｗｎは充填量の目標値、ΔＷは充填量の変動値を表しており、Ｋｎは充填係数の理論値、ΔＫは充填係数の誤差（変動値）を表している（以下、ΔＫを充填係数変動値ということもある）。充填量の変動を小さくするためには、通常はΔＫを小さくするように品質管理をするが、それには限界がある。限界以上の高精度の充填を行うためには粉体充填係数変動値ΔＫに対応して、オーガスクリュー１２の回転量θsetを補正する必要がある。
そこで、本実施形態の充填装置では、次の式（３）に示すように、オーガスクリュー１２の補正回転量Δθを含めた演算式をもって、（θset＋Δθ）の回転量が得られるようにオーガスクリュー１２の出力を算出している。

ここで、補正回転量Δθは、次の式（４）から導くことができる。

すなわち、充填精度を向上させるためには、充填係数変動値ΔＫを推定し、それを打ち消すような補正回転量Δθを計算する必要があることがわかる。以下、充填係数変動値ΔＫの推定値Δ＾Ｋを、充填係数変動推定値ということもある。なお、Ｋの前に併記した「＾」は推定値を意味している。

充填係数変動推定値Δ＾Ｋは、状態方程式や、各種の統計学的手法を用いて算出できる。例えば、単回帰分析や重回帰分析の手法を用いて、上述した各種の充填量変動要因の状態値と充填係数変動値ΔＫとの関係を導き、その関係式（推定式）から充填係数変動推定値Δ＾Ｋを求めることができる。

単回帰分析の手法を用いた場合は、下記の関係式において、変数を状態値（例えばアジテータのトルク値τagi）とすれば、前もって実験等により定数ａ、ｂを定めることで、関係式が導ける。なお、状態値はアジテータのトルク値に限定されない。

重回帰分析の手法を用いた場合は、下記の関係式において、変数xiは複数の状態値とすれば、前もって実験等で定数ａ0、ａi（Nは関係する状態値の数）を定めることで、関係式が導ける。

また、３層パーセプトロンを用いた多変量多数項式回帰法であるＲＦ５法による機械学習を利用して、充填係数変動推定値Δ＾Ｋを求めることも可能である。この場合も変数が状態値で、実験等で定数を定めることで、関係式が導ける。

〔充填装置の制御構造〕
次に、本実施形態に係る充填装置の制御構造を詳細に説明する。
図２は本実施形態に係る充填装置の制御構造を示すブロック図である。
充填装置は、出力演算手段２１と駆動指令手段２２を含む制御部２０によって、サーボモータ１３（駆動手段）を制御することで、オーガスクリュー１２（充填動作部材）を駆動して、粉粒体（充填物）を包装容器１（被充填対象）に定量充填する。制御部２０は、例えば汎用コンピュータの中央処理回路（ＣＰＵ）で構成され、あらかじめインストールしてある専用ソフトウエアの制御プログラムに従って制御動作を行う。

出力演算手段２１は、上述した式（３）に基づいて、キーボードやタッチパネル等の入力手段２３によって入力（指定）された粉粒体の充填量を吐出するのに必要なオーガスクリュー１２の回転量（すなわち、オーガスクリュー１２の出力）を算出する。さらに、オーガスクリュー１２を算出した回転量だけ駆動するために必要なサーボモータ１３の出力を算出する。
駆動指令手段２２は、出力演算手段２１が算出したサーボモータ１３の出力値に対応する駆動指令信号を生成し、サーボモータ１３に出力する。
サーボモータ１３は、駆動指令手段２２から入力した駆動信号に従って作動し、オーガスクリュー１２を必要な回転量だけ回転駆動する。
これにより、指定された充填量の粉粒体が、充填筒１１の吐出口１１ａから吐き出されて、包装容器１に定量充填される。

ここで、既述したように、充填量変動要因の状態値の変動に伴い、式（３）における充填係数変動値ΔＫが変動する。そして、この充填係数変動値ΔＫの変動に対応して、オーガスクリュー１２の回転量を、理論値θsetからΔθだけ補正する必要がある。

そこで、本実施形態に係る充填装置は、状態計測部２４、充填係数変動値推定手段２５、出力補正手段２６の各手段を制御系に備えている。
状態計測部２４は、あらかじめ特定した充填量変動要因に応じて、その現在の状態を計測する構成としてある。充填量変動要因としては、種々の要因が存在するが、そのうち充填係数変動値ΔＫとの間に密接な相関関係がある要因を選択することが好ましい。また、計測する充填量変動要因は直接的に計測するだけではなく、間接的に計測してもよい。
例えば、粉粒体の粘性や慣性という充填量変動要因の状態変化は、ホッパ１０内で粉粒体から圧力を受けるアジテータ１４のトルクや始動時の角度、あるいはオーガスクリュー１２が粉粒体から受けるトルクや始動時の角度などを状態計測部２４により計測することで、間接的に計測することが可能である。

充填係数変動値推定手段２５は、制御部２０に含まれており、あらかじめ導き出してある充填量変動要因の状態値と充填係数変動値ΔＫとの推定式に基づき、状態計測部２４が計測した充填量変動要因の現在の状態に対応する充填係数変動推定値Δ＾Ｋを算出する。推定は、状態計測部２４によって計測される充填量変動要因に基づいて行われ、充填係数変動推定値Δ＾Ｋを出力する。

出力補正手段２６は、充填係数変動値推定手段２５により推定した充填係数変動値ΔＫに対応して、上記の式（３）に基づいてオーガスクリュー１２の補正回転量Δθを算出する。出力演算手段２１によって算出されるオーガスクリュー１２の回転量は、この補正回転量Δθによって補正される。すなわち、上述した出力演算手段２１の演算過程では、上記の式（３）における理論値Ｗｎ、Ｋｎ、θsetに基づく演算結果となり、充填量変動要因の状態変化に伴う誤差が考慮されていない。そこで、充填量変動要因の状態変化に伴う充填係数変動推定値Δ＾Ｋを算出して、その推定値により補正回転量Δθを算出し、出力演算手段２１による演算処理に反映させる。すなわち、出力演算手段２１は、この補正回転量Δθを含めてオーガスクリュー１２の必要回転量（θset＋Δθ）を算出する。
これにより、本実施形態に係る充填装置は、充填量変動要因の状態変化に伴う誤差（変動）を考慮してオーガスクリュー１２を駆動制御し、指定されたとおりの充填量だけ、粉粒体を包装容器１へ定量充填する。

〔充填装置の他の制御構造〕
次に、本実施形態に係る充填装置の他の制御構造について説明する。
図３は本実施形態に係る充填装置の他の制御構造を示すブロック図である。なお、上述した図２の制御構造と同一部分又は相当する部分には同一符号を付し、その部分の詳細な説明は省略する。

図３に示す制御構造では、図２に示した制御構造に、充填量計測部３１、出力計測部３２、充填係数演算手段３３、推定式更新手段３４の各構成要素を付加した構成としてある。このうち、出力計測部３２、充填係数演算手段３３および推定式更新手段３４は、制御部２０に含まれている。

充填量計測部３１は、充填筒１１の吐出口１１ａから吐き出されて、包装容器１に充填された粉粒体の実際の充填量を計測する機能を有している。
一方、出力計測部３２は、出力演算手段２１により算出したオーガスクリュー１２（充填動作部材）の回転量（θset＋Δθ）を計測する機能を有している。

そして、充填係数演算手段３３は、充填量計測部３１で計測した実際の充填量と、出力演算手段２１により算出したオーガスクリュー１２の回転量とを用いて、上記の式（３）に基づいて充填係数（Ｋｎ＋ΔＫ）を算出する機能を有している。すなわち、式（３）における充填量（Ｗｎ＋ΔＷ）に充填量計測部３１で計測した実際の充填量を代入するとともに、オーガスクリュー１２の回転量（θset＋Δθ）に出力計測部３２で計測した回転量を代入して、充填係数（Ｋｎ＋ΔＫ）を算出する。

推定式更新手段３４は、充填係数演算手段３３によって算出された充填係数（Ｋｎ＋ΔＫ）に基づいて、充填係数変動値推定手段２５が充填係数変動推定値Δ＾Ｋの算出に用いる推定式を更新（修正）する。すなわち、入力手段２３から指定された粉粒体の充填量と、充填量計測部３１で計測した実際の充填量との間に誤差があれば、充填係数演算手段３３によって算出された充填係数（Ｋｎ＋ΔＫ）が、充填係数変動値推定手段２５によって推定された充填係数変動値ΔＫを含む充填係数と相違してくる。その違いを修正するように充填係数変動推定値Δ＾Ｋを算出する推定式を更新することで、充填係数変動推定値の精度が向上し、いっそう高精度な定量充填が可能となる。具体的には、ΔＫを推定する関係式（推定式）の定数が更新される。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲内で種々の変形実施や応用実施が可能であることは勿論である。
例えば、上述した実施形態では、粉粒体（粉体、粒体又はその混合物）を充填物として包装容器１等の被充填対象に定量充填する構成の充填装置に本発明を適用したが、これに限らず、オーガスクリュー１２以外の充填動作部材を用いて定量充填する各種の充填装置に本発明は適用することができる。また、粉粒体以外の充填物を定量充填する各種の充填装置にも本発明は適用することができる。

１０：ホッパ、１１：充填筒、１１ａ：吐出口、１２：オーガスクリュー（充填動作部材）、１３：サーボモータ（駆動手段）、１４：アジテータ、１５：サーボモータ、
２０：制御部、２１：出力演算手段、２２：駆動指令手段、２３：入力手段、２４：状態計測部、２５：充填係数変動値推定手段、２６：出力補正手段、
３１：充填量計測部、３２：出力計測部、３３：充填係数演算手段、３４：推定式更新手段

Claims (2)

1. ホッパ内に投入された粉粒体を充填物として、オーガスクリューを回転駆動して、被充填対象へ定量充填するための充填装置であって、
   前記オーガスクリューによる前記充填物の充填効率と前記粉粒体の密度の積を充填係数として、前記オーガスクリューによる前記粉粒体の充填量に影響を与える要因（充填量変動要因）に関係して当該充填係数の値が変動することに着目し、下記の関係式１に基づいて前記オーガスクリューの回転量（θset＋Δθ）を制御するために、
   前記充填量変動要因の状態値を計測する状態計測部と、
   前記状態計測部により計測した前記充填量変動要因の状態値に基づき、前記充填量変動要因による前記充填係数の変動値（充填係数変動値）を推定する充填係数変動値推定手段と、
   前記充填係数変動値推定手段により推定した前記充填係数変動値を使って、下記の演算式２に基づき、当該充填係数変動値の変動に伴う前記オーガスクリューの補正回転量（Δθ）を算出する出力補正手段と、
   あらかじめ設定された前記オーガスクリューの回転量（θset）を、前記出力補正手段により算出した補正回転量（Δθ）で補正することで、指定された充填量を充填するための前記オーガスクリューの回転量（θset＋Δθ）を算出する出力演算手段と、
   前記出力演算手段により算出した回転量（θset＋Δθ）に基づいて前記オーガスクリューを回転駆動する駆動手段と、
   を備えたことを特徴とする充填装置。
   
   〔関係式１〕
   

   

   
   Ｗｎ：充填量の目標値
   ΔＷ：充填量の変動値
   Ｋｎ：充填係数の理論値
   ΔＫ：充填係数変動値
   θset：オーガスクリューの回転量（理論値）
   Δθ：補正回転量
   Ｖ：オーガスクリューの１回転当たりの粉粒体の吐出容積
   
   〔演算式２〕
   

   
2. 前記被充填対象に充填された粉粒体の実際の充填量を計測する充填量計測部と、
   前記出力演算手段により算出した前記オーガスクリューの回転量（θset＋Δθ）を計測する出力計測部と、
   前記関係式１における（Ｗｎ＋ΔＷ）に前記充填量計測部で計測した実際の充填量を代入するとともに、前記関係式１における（θset＋Δθ）に前記出力計測部で計測した値を代入して、前記関係式１における（Ｋｎ＋ΔＫ）を算出する充填係数演算手段と、
   前記充填係数演算手段によって算出された（Ｋｎ＋ΔＫ）が、前記充填係数変動値推定手段で推定された充填係数変動値ΔＫにより設定した（Ｋｎ＋ΔＫ）と相違するとき、その相違を修正するように、前記充填係数変動値推定手段が前記充填係数変動値ΔＫを推定する際に用いる推定式を更新する推定式更新手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１の充填装置。

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