JP7193827B2

JP7193827B2 - 摩砕機

Info

Publication number: JP7193827B2
Application number: JP2017163035A
Authority: JP
Inventors: 幸也増田
Original assignee: Masuko Sangyo Co Ltd
Current assignee: Masuko Sangyo Co Ltd
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2022-12-21
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: JP2019037948A

Description

本発明は、食品、化学、医薬品及び燃料等の分野で利用可能な超微粒子を製造する摩砕機に関するものである。

材料を粉砕して超微粒子を製造することが可能な摩砕機においては、石臼の原理を応用した上下２枚の砥石を備えるものが既知である。例えば特許文献１には、本件出願人によるものとして、装置本体に対して回転可能に設けられたリング状の下部砥石と、蓋体に固定されるとともに下部砥石に対して対向するリング状の上部砥石とを備える摩砕機が示されている。このような摩砕機では、下部砥石と上部砥石の間に材料を送り込みつつ下部砥石を回転させ、砥石間で生ずる圧縮・剪断・摩擦等の複合作用によって材料をすり潰して超微細粒子に粉砕している。

ところでこのような摩砕機においては、得られる超微細粒子の粒度が一定に保たれていることが重要であって、そのためには、下部砥石と上部砥石とのクリアランスが変動しないようにしなければならない。しかし、運転開始時において下部砥石と上部砥石とのクリアランス調整を行っていても、クリアランスは種々の要因によって変わってしまう。例えば、運転を続けて行くと材料の粉砕によって砥石表面が摩耗するため、砥石間のクリアランスは次第に広がることになる。また、材料の温度や粉砕時に生じる摩擦熱によって砥石や装置が熱膨張すると、砥石間のクリアランスの変動につながることになる。

このような問題に対して特許文献１の摩砕機では、下部砥石を上下動させるトルク制限機能を有するサーボモータを設け、運転時においては、サーボモータを駆動して下部砥石を上昇させて上部砥石とのクリアランスをゼロとし、その時のサーボモータのトルク信号によりサーボモータを停止した後直ちに下部砥石を所定クリアランスまで下降させ、この動作を断続的に複数回繰り返すようにしている。

特許３５５８６８７号公報

上述した特許文献１の方法によれば、粉砕される材料の粒度を一定に保って摩砕機を自動運転することが可能である。しかし、砥石間のクリアランスをより高い精度で調整しようとする場合、砥石同士が離れている状態と離れていた砥石が僅かに接触する状態とではトルクの差が小さいため、クリアランス調整の基準となる、砥石が僅かに接触する状態を検出することが難しい場合がある。また、下部砥石と上部砥石とのクリアランス変動の要因を更に探ったところ、上述した砥石表面の摩耗や熱膨張によるものに加えて、運転継続によって下部砥石を回転、或いは上下動させる各種の部材が摩耗することも一因であることが判明した。すなわち、摩耗した部材は、砥石間のクリアランスの精度に影響を及ぼすため、これらの部材の交換時期を適切に把握できることも必要とされている。

本発明は、このような問題点を解決することを課題とするものであり、下部砥石と上部砥石とのクリアランスをより高い精度で調整することができる摩砕機を提供することを目的とする。

本発明は、回転可能且つ上下動可能に設けられたリング状の下部砥石を備える装置本体と、該装置本体に対して開閉可能に設けられ、該下部砥石に対向するリング状の上部砥石を備える上蓋と、該装置本体又は該上蓋に設けられ、運転中の振動又は音を測定するセンサと、該下部砥石を上下動させて該下部砥石における摩砕上面と該上部砥石における摩砕下面との対向距離を調整するクリアランス調整手段とを備える摩砕機において、前記センサは、前記下部砥石を回転させ且つ粉砕される材料が前記摩砕上面及び前記摩砕下面に存在しない状態で生じる振動又は音のデータを取得するものであり、前記クリアランス調整手段は、前記対向距離の調整のために前記データに基づいて前記下部砥石を上下動させるよう構成されたものであり、前記材料の粉砕を行う途中での前記摩砕上面と前記摩砕下面とのクリアランス調整において、前記材料の供給を停止した状態で前記下部砥石を回転させつつ下降させて前記下部砥石と前記上部砥石に残った材料を排出した後、前記下部砥石を回転させたまま上昇させて前記摩砕上面と前記摩砕下面に前記材料が存在しない状態で生じる振動又は音のデータを前記センサで取得して前記下部砥石と前記上部砥石とが僅かに接触する状態を検出し、この時の前記下部砥石の位置を基準として前記摩砕上面と前記摩砕下面とのクリアランス調整を行う摩砕機である。

また前記クリアランス調整手段は、前記データに含まれる特定周波数でのデータに基づいて前記下部砥石を上下動させることが可能であることが好ましい。

そして前記装置本体又は前記上蓋は、前記下部砥石及び前記上部砥石によって粉砕された材料を排出する排出部を備え、該排出部は、粉砕された材料の温度を測定する温度センサを備えていて、前記クリアランス調整手段は、該温度センサで得られる材料の温度データに基づいて前記下部砥石を上下動させることが可能であることが好ましい。

本発明の摩砕機は、運転中の振動又は音を測定するセンサを備えている。そしてこのセンサを使用し、下部砥石を回転させた状態で生じる振動又は音を測定して得られるデータを利用することによって、下部砥石と上部砥石が僅かに接触するクリアランス調整の基準を高い精度で検出することができる。またこのデータを利用することによって下部砥石を回転、或いは上下動させる部材の異常も検出することができるため、クリアランスの変動につながる摩耗した部材の影響を取り除くことができる。このように、本発明の摩砕機によれば従来の摩砕機がもつ問題を解決することが可能であり、下部砥石と上部砥石とのクリアランスをより高い精度で調整することができる。

本発明に従う摩砕機の一実施形態を示した断面図である。振動センサによって得られた振動の周波数と振幅レベルの関係を示す図である。音センサによって得られた音の周波数と振幅レベルの関係を示す図である。

以下、図１を参照しながら本発明に従う摩砕機の一実施形態について説明する。

図１において、符号１は本実施形態の摩砕機を示している。摩砕機１は、装置の主要部材（装置の骨格をなすフレームや、装置の動作を司る電源、制御部等）を備える装置本体２と、装置本体２の上方においてヒンジ等によって連結し、装置本体２に対して開閉可能に設けられる上蓋３とを備えている。

装置本体２には、後述する下部砥石を回転させるための主モータ４を備えている。主モータ４は、主軸５が上方へ指向する向きで取り付けられている。主軸５は、円筒状をなす接続部材６の下部に連結している。また接続部材６の上方には、接続部材６に対して同心になる位置において、接続部材６とスプライン結合するスプラインシャフト７が設けられている。更にスプラインシャフト７の上方には円板状の回転盤８が設けられていて、回転盤８には、リング状の下部砥石９が設けられている。このように本実施形態の下部砥石９は、主モータ４、主軸５、接続部材６、スプラインシャフト７、回転盤８で構成される回転手段によって回転させることが可能である。

上蓋３には、下部砥石９に対向するように設けられるリング状の上部砥石１０が設けられている。本実施形態の上部砥石１０は上蓋３に対して回転不能に取り付けられている。また上蓋３の中央部には、上部砥石１０の中央部の穴に連通する開口１１が設けられている。図示は省略するが、開口１１にはホッパー等を取り付けることが可能であって、開口１１を通して粉砕する材料を摩砕機１に供給することができる。

本実施形態の下部砥石９と上部砥石１０は、その外周部において、材料を粉砕するための平坦面を有している。また中央部には、その平坦面に連続するように設けられる中くぼみ状の円錐台形部が設けられている。ここで、下部砥石９における平坦面を摩砕上面１２と称し、上部砥石１０における平坦面を摩砕下面１３と称する。

開口１１を通して供給された材料は、下部砥石９と上部砥石１０の内側に導入され、更に遠心力等によって摩砕上面１２と摩砕下面１３の間に送り込まれて粉砕され、下部砥石９と上部砥石１０の外側に流出する。そして、粉砕された材料は、装置本体２に設けた樋状の排出部１４を通って不図示の容器等に収容される。

装置本体２は、上述した回転手段によって下部砥石９を回転させることが可能であり、また、以下に説明するクリアランス調整手段によって下部砥石９を上下動させて、摩砕上面１２と摩砕下面１３との対向距離を調整することも可能である。

本実施形態の摩砕機１には、横向きに設けたトルク制限機能付きのサーボモータ１５と、サーボモータ１５の出力軸に設けた出力軸１６と、接続部材６の外周側に設けられ、出力軸１６によって回転するリング状のかさ歯車１７が設けられている。またかさ歯車１７には、上方へ向けて起立させた連結ピン１８が設けられていて、連結ピン１８は、接続部材６の外周側に設けられる円筒状の支持部材１９と連結している。そして支持部材１９の上部内側には、スプラインシャフト７を回転可能に支持する軸受け２０が設けられている。また支持部材１９の外周側には、円筒状をなすとともに装置本体２に対して固定された円筒状の固定部材２１が設けられている。なお、図示は省略するが、支持部材１９の外周面には雄ねじ部が設けられていて、固定部材２１の内周面には、この雄ねじ部に螺合する雌ねじ部が設けられている。このように本実施形態のクリアランス調整手段は、サーボモータ１５、出力軸１６、かさ歯車１７、連結ピン１８、支持部材１９、軸受け２０、固定部材２１によって構成されている。

このような構成になる摩砕機１は、主モータ４を駆動させると、主軸５、接続部材６、スプラインシャフト７、及び回転盤８が回転し、それに伴って下部砥石９を回転させることができる。またサーボモータ１５を駆動させると、出力軸１６によってかさ歯車１７が回転し、これにより連結ピン１８を介して支持部材１９も回転する。ここで、支持部材１９は固定部材２１に螺合しているため、支持部材１９は回転しながら固定部材２１に対して上下方向に移動し、軸受け２０を介して支持部材１９に支持されるスプラインシャフト７と回転盤８も上下方向に移動する。これにより、下部砥石９を上下動させて上部砥石１０との対向距離を調整することができる。

また摩砕機１は、振動又は音を測定可能なセンサ２２を備えている。本実施形態においては上蓋３の外側における上部砥石１０の近傍に、振動の周波数と振幅レベルを測定可能な振動センサを設けている。なお、振動センサは、上蓋３の内側に設けることも可能であるし、装置本体２の外側、或いは内側に設けることも可能である。また、音を測定する場合には、音の周波数と振幅レベルを測定可能な音センサを設けることとする。なお、音センサを採用する場合も、振動センサと同様にして上蓋３や装置本体２の外側或いは内側置に設けることができる。

このようなセンサ２２に対してクリアランス調整手段は、センサ２２によって得られる振動又は音のデータに基づいて、下部砥石９を上下動させることができるように構成されている。

更に摩砕機１は、排出部１４に設けられ、粉砕された材料の温度を測定する温度センサ２３を備えている。本実施形態においては、下部砥石９及び上部砥石１０から比較的離れた排出部１４の下流側に設けているが、排出部１４の上流側に設けてもよい。また、温度センサ２３としては、流動する材料に接触して温度を測定するものでもよいし、材料とは非接触で測定するものでもよい。

このような温度センサ２３に対してクリアランス調整手段は、温度センサ２３によって得られる材料の温度データに基づいて、下部砥石９を上下動させることができるように構成されている。

更に摩砕機１は、例えば装置本体２に設けた制御部によって構成され、上述した回転手段、及びクリアランス調整手段の異常を検出することが可能な異常診断手段を備えている。本実施形態のセンサ２２は、下部砥石９を回転させた状態で生じる振動又は音のデータを、回転手段及びクリアランス調整手段が摩耗していない運転初期に測定して初期データを取得するともに、比較的長期の所定時間運転後に測定して経時データを取得することができるものであって、異常診断手段は、初期データと経時データとを比較して、両者に所定の乖離が認められたときに回転手段、及びクリアランス調整手段に異常が生じていると検出することが可能である。なおこれらの手段に含まれる部材によっては、例えばデータ中の周波数や振動レベルに特徴が表れるものがある。すなわち異常診断手段は、回転手段及びクリアランス調整手段に含まれる部材を特定せずに異常を検知するだけでなく、周波数や振動レベルに表れる特徴を捉えることによって、特定の部材の異常を検知することも可能である。なお、上蓋３に設けたセンサ２２とは別異のセンサを装置本体２の内部に設け、このセンサで得られる振動又は音の初期データ及び経時データに基づいて回転手段、及びクリアランス調整手段の異常を検出するようにしてもよい。

このような摩砕機１を使用して本願発明者が検討を重ねたところ、上部砥石１０から離間した状態で下部砥石９を回転させた場合と、上部砥石１０に対して接触した状態で下部砥石９を回転させた場合とでは、センサ２２によって得られる振動又は音のデータに違いが認められた。しかし、摩砕上面１２と摩砕下面１３が僅かに接触する状態を検出しようとする場合、材料を供給しながらクリアランス調整を行うときのように摩砕上面１２と摩砕下面１３との間に材料が存在する状態にあっては、下部砥石９を回転させた際の振動や音が材料の種類や状態によってばらついて、正確に検出できないことがあった。一方、摩砕上面１２と摩砕下面１３との間に材料が存在しない状態においては、下部砥石９を回転させた際の振動や音はほぼ一定であり、摩砕上面１２と摩砕下面１３が僅かに接触する状態を高い精度で検出することができた。

更に検討を重ねたところ、センサ２２で得られる振動又は音のデータ中、特定の周波数に着目すると、摩砕上面１２と摩砕下面１３が僅かに接触する状態を更に高い精度で検出できることを見出した。

この点を図２、図３を参照しながら説明する。図２は、センサ２２として振動センサを使用し、振動センサによって得られる振動の周波数と振幅レベルのデータを、下部砥石９の上昇位置に応じて示したものである。また図３は、センサ２２として音センサを使用し、音センサによって得られる音の周波数と振動レベルのデータを、下部砥石９の上昇位置に応じて示したものである。

図２に示すように、下部砥石９が上部砥石１０から離れている状態と下部砥石９と上部砥石１０とが僅かに接触する状態との振動レベルの差は、振動の周波数によって違いがある。例えば２．５ｋＨｚにおける振動レベルの差は小さいものの、１０ｋＨｚにおいては大きくなる。測定によって得られる振動レベルは多少ばらついているものの、振動レベルの差が大きな周波数のデータに着目すれば、ばらつきの影響を受けずに下部砥石９と上部砥石１０とが僅かに接触する状態を高い精度で検出することができる。本実施形態においては、ある程度の幅を持たせた周波数帯を抽出して、この周波数帯での振動レベルに基づいてクリアランス調整を行うこととしている。例えば６．３ｋＨｚ～２０ｋＨｚの周波数帯では、下部砥石９が上部砥石１０から離れている状態の振動レベルとこれらが僅かに接触する状態の振動レベルの差が大きくなっている。従って、６．３ｋＨｚ～２０ｋＨｚの周波数帯でのデータを用いることによって、下部砥石９と上部砥石１０とが僅かに接触する状態を高い精度で検出することができる。特に、用いるデータの周波数帯を１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚとする場合は、振動レベルの差がより大きくなっているため、更に高い精度で検出することができる。

図３に示すように音センサを用いる場合も、下部砥石９が上部砥石１０から離れている状態と下部砥石９と上部砥石１０とが僅かに接触する状態との振動レベルの差は、音の周波数によって違いがある。図３の状態では、２．５ｋＨｚ～２０ｋＨｚの周波数帯でのデータを用いることによって、下部砥石９と上部砥石１０とが僅かに接触する状態を高い精度で検出することができる。特に、振動レベルの差が大きく且つ振動レベルの値も大きな６．３ｋＨｚ～１０ｋＨｚの周波数帯でのデータを用いる場合は、更に高い精度で検出することができる。

このような検討をもとに、摩砕機１では以下のような運転方法によって材料の粉砕を行うこととする。

まず材料を供給する前に、摩砕上面１２と摩砕下面１３が離れた状態で主モータ４を駆動させ、次いでサーボモータ１５を駆動させて下部砥石９を上昇させる。そして、下部砥石９を上昇させている間、センサ２２において振動又は音のデータを取得する。本実施形態においては、振動センサで得られるデータのうち、６．３ｋＨｚ～２０ｋＨｚの周波数帯の振動レベルに基づいて下部砥石９と上部砥石１０とが僅かに接触する状態を検出する。そして、この時の下部砥石９の位置を基準として、材料の種類や状態に応じた最適値になるように摩砕上面１２と摩砕下面１３とのクリアランス調整を行う。なお、本実施形態においては、サーボモータ１５のトルク制限機能によって、下部砥石９が過剰に上昇しないように規制している。このため、例えばセンサ２２に不具合がある場合や有効なデータが取得できない場合が発生したとしても、下部砥石９が上部砥石１０に強く押し当たって破損する等の不具合を確実に防止することができる。その後は材料を供給して、下部砥石９と上部砥石１０によって材料の粉砕を行う。

なお、材料の粉砕を開始した後は、材料の温度や粉砕時の摩擦熱によって砥石や装置が熱膨張するため、摩砕上面１２と摩砕下面１３とのクリアランスが変動することになる。また砥石表面の摩耗によってもクリアランスが変わることになる。このため、運転の途中においても所定のタイミングでクリアランス調整を行うこととする。運転の途中でのクリアランス調整は、まず材料の供給を停止し、次いでサーボモータ１５を駆動させて下部砥石９を下降させる。なおこの間も、主モータ４の駆動は継続して下部砥石９は回転させておく。これにより、下部砥石９の遠心力でもって、下部砥石９と上部砥石１０に残った材料が排出されるため、摩砕上面１２と摩砕下面１３は材料が存在しない状態になる。すなわち、下部砥石９と上部砥石１０とが僅かに接触する状態を高い精度で検出することができる。その後は、サーボモータ１５を逆方向に駆動させて下部砥石９を上昇させ、上述した運転開始前の手順と同様の方法で摩砕上面１２と摩砕下面１３とのクリアランス調整を行い、材料の供給を再開する。

また本実施形態では、温度センサ２３を設けている。例えば熱膨張によって摩砕上面１２と摩砕下面１３とのクリアランスが狭くなると、粉砕された材料の温度が摩擦によって上昇することになる。そして、温度センサ２３で得られる材料の温度が上昇して所定の値から外れる場合は、サーボモータ１５を駆動して下部砥石９を下降させて、所定の温度に収まるようにクリアランス調整を行う。なお、温度センサ２３で得られる材料の温度が低い場合は、摩砕上面１２と摩砕下面１３とのクリアランスが狭くなるようにクリアランス調整を行ってもよい。また、温度センサ２３によるクリアランス調整を行う場合も、センサ２２を利用して、材料の供給を一旦停止して下部砥石９と上部砥石１０とが僅かに接触する状態を再度検出し、意図したクリアランスになるように調整してもよい。

また長期に亘って運転を継続すると、回転手段やクリアランス調整手段に含まれる各種の部材が摩耗して、摩砕上面１２と摩砕下面１３とのクリアランスの精度に影響を及ぼすおそれがある。摩耗した部材は交換が必要であるが、本実施形態においては、上述した異常診断手段によって回転手段及びクリアランス調整手段の異常を検出して、最適なタイミングで交換を促すことができる。この場合はまずセンサ２２によって、下部砥石９を回転させた状態で生じる振動又は音のデータを、これらの手段に含まれる各種の部材が摩耗していない運転初期において測定して初期データを取得しておく。また、比較的長期に亘って運転した後のデータである経時データも随時取得する。そして、異常診断手段によって初期データと経時データとを比較して、両者に所定の乖離があるか否かによって、回転手段及びクリアランス調整手段の異常を検出することができる。なお、初期データと経時データとを比較する場合においても、これらのデータに含まれる特定周波数のデータに基づいて行うことが好ましい。また、これらの手段に含まれる部材によっては、データ中の周波数や振動レベルに特徴が表れるものがある。このため、この特徴を捉えることによって、特定の部材に異常が起きていることを検知することも可能である。

本発明の摩砕機は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に従う範疇で種々の変更や追加を加えたものも含まれる。例えば上述した上部砥石１０は、上蓋３に対して回転不能に取り付けたものであったが、主モータ４とは別異に設けた他のモータによって回転可能に設けられるものであってもよい。

また、本実施形態のクリアランス調整手段は、サーボモータ１５によって下部砥石９を上下動させるものであったが、手動式のハンドルを設けて下部砥石９を上下動させてもよい。この場合においては、クリアランス調整手段の一つとして、センサ２２によって得られるデータから摩砕上面１２と摩砕下面１３が僅かに接触する状態が検出された際に、音やランプ、映像等によって知らせることができる提示手段を設けておく。これにより、調整者がハンドルを動かして下部砥石９を上下動させる場合でも、提示手段からの音等によって、下部砥石９の基準位置を正確に掴むことができる。そして、予め把握しているハンドルの回転量と下部砥石９の上下方向移動量に基づいてハンドルを動かすことによって、摩砕上面１２と摩砕下面１３との対向距離を適切に調整することができる。なお温度センサ２３を使用する場合においては、提示手段に、粉砕された材料が最適な温度内にあるか否かを知らせる機能を設けることが好ましい。

また、摩砕機を有線又は無線のネットワークとつないで上述した各種のセンサで得られるデータを遠隔地で受け取れるようにし、遠隔地から摩砕機のクリアランス制御やソフトウエアの更新などを行ったり、遠隔地において摩砕機の状態を把握したりする機能を設けることも可能である。

１：摩砕機
２：装置本体
３：上蓋
４：主モータ
５：主軸
６：接続部材
７：スプラインシャフト
８：回転盤
９：下部砥石
１０：上部砥石
１１：開口
１２：摩砕上面
１３：摩砕下面
１４：排出部
１５：サーボモータ
１６：出力軸
１７：歯車
１８：連結ピン
１９：支持部材
２０：軸受け
２１：固定部材
２２：センサ（振動センサ、音センサ）
２３：温度センサ

Claims

回転可能且つ上下動可能に設けられたリング状の下部砥石を備える装置本体と、該装置本体に対して開閉可能に設けられ、該下部砥石に対向するリング状の上部砥石を備える上蓋と、該装置本体又は該上蓋に設けられ、運転中の振動又は音を測定するセンサと、該下部砥石を上下動させて該下部砥石における摩砕上面と該上部砥石における摩砕下面との対向距離を調整するクリアランス調整手段とを備える摩砕機において、
前記センサは、前記下部砥石を回転させ且つ粉砕される材料が前記摩砕上面及び前記摩砕下面に存在しない状態で生じる振動又は音のデータを取得するものであり、
前記クリアランス調整手段は、前記対向距離の調整のために前記データに基づいて前記下部砥石を上下動させるよう構成されたものであり、
前記材料の粉砕を行う途中での前記摩砕上面と前記摩砕下面とのクリアランス調整において、前記材料の供給を停止した状態で前記下部砥石を回転させつつ下降させて前記下部砥石と前記上部砥石に残った材料を排出した後、前記下部砥石を回転させたまま上昇させて前記摩砕上面と前記摩砕下面に前記材料が存在しない状態で生じる振動又は音のデータを前記センサで取得して前記下部砥石と前記上部砥石とが僅かに接触する状態を検出し、この時の前記下部砥石の位置を基準として前記摩砕上面と前記摩砕下面とのクリアランス調整を行う摩砕機。
前記クリアランス調整手段は、前記データに含まれる特定周波数でのデータに基づいて前記下部砥石を上下動させることが可能である請求項１に記載の摩砕機。
前記装置本体又は前記上蓋は、前記下部砥石及び前記上部砥石によって粉砕された材料を排出する排出部を備え、該排出部は、粉砕された材料の温度を測定する温度センサを備えていて、前記クリアランス調整手段は、該温度センサで得られる材料の温度データに基づいて前記下部砥石を上下動させることが可能である請求項１又は２に記載の摩砕機。