WO2019216144A1

WO2019216144A1 - 重量充填装置

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Publication number: WO2019216144A1
Application number: PCT/JP2019/016499
Authority: WO
Inventors: 貴裕野崎; 大西　公平; 俊明中; 太田　正人; 崇晴木倉
Original assignee: Keio University; Shibuya Corp
Current assignee: Keio University; Shibuya Corp
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: US20210130146A1; JP2019196206A; JP7060796B2; US11220418B2; JP7060796B6

Abstract

重量計測手段が計測した容器重量に基づいて充填手段６を制御する重量充填装置３に関する。　容器支持手段５に連結された駆動軸１１を駆動するリニアアクチュエータ１２を備え、　重量計測部９ａ（重量計測手段）は、高さ検出手段１３が検出した駆動軸１１の検出高さと、当該検出高さにおける上記リニアアクチュエータ１２の駆動信号とから容器重量を求め、　予め設定された容器支持手段５の指定高さと、上記高さ検出手段１３が検出した検出高さとから第１の加速度信号を算出し、上記重量計測部９ａが求めた容器重量と、上記容器支持手段５に作用する想定される想定重量とから第２の加速度信号を算出し、上記第１、第２の加速度信号から算出した駆動信号によって容器支持手段５を指定高さに維持する。　容器重量の計測を迅速に行うことができ、容器の受け渡しの際のトラブルを可及的に防止することができる。

Description

重量充填装置

　本発明は重量充填装置に関し、詳しくは容器支持手段に支持された容器の重量を重量計測手段によって計測しながら被充填物の充填を行う重量充填装置に関する。

　従来、容器を支持する容器支持手段と、各容器支持手段に支持された容器の重量を計測する重量計測手段と、上記容器支持手段に支持された容器に被充填物を供給する充填手段と、上記重量計測手段からの信号に基づいて上記充填手段を制御する制御手段とを備えた重量充填装置が知られている（特許文献１）。
　この特許文献１における重量充填装置では、上記重量計測手段にひずみゲージを用いており、当該ひずみゲージの変形を計測することで容器に充填される被充填物の重量を計測するものとなっている。
　また容器に被充填物を充填する充填装置では、容器支持手段への容器の供給および排出の際には、容器を水平方向に移動させて受け渡す方法が一般的となっている。

特開２０１３－２３０８３６号公報

　しかしながら、上記重量計測手段にひずみゲージを用いた場合、上記容器支持手段で容器を支持した直後や、容器への被充填物の充填完了直後は、上記ひずみゲージの振動が収束するまで正確な容器の重量が測定できないという問題がある。
　また容器支持手段への容器の供給および排出の際に、容器を水平方向に移動させて供給側または排出側への移載を行う場合、上記容器支持手段の高さにばらつきがあると、上記容器の受け渡しの際に容器が引っ掛かるなどのトラブルが発生する恐れがある。
　このような問題に鑑み、本発明は容器重量の計測を迅速に行うことができ、また容器の受け渡しの際のトラブルを可及的に防止することが可能な重量充填装置を提供するものである。

　すなわち請求項１の発明にかかる重量充填装置は、容器を支持する容器支持手段と、各容器支持手段に支持された容器の重量を計測する重量計測手段と、上記容器支持手段に支持された容器に被充填物を供給する充填手段と、上記重量計測手段が計測した容器重量に基づいて上記充填手段を制御する制御手段とを備えた重量充填装置において、
　上記容器支持手段に連結された駆動軸と、当該駆動軸を駆動するアクチュエータと、上記容器支持手段の高さを検出する高さ検出手段とを備え、
　上記重量計測手段は、上記高さ検出手段が検出した検出高さと当該検出高さにおける上記アクチュエータの駆動信号とから容器重量を求め、
　上記制御手段は、予め設定された容器支持手段の指定高さと、上記高さ検出手段が検出した上記検出高さとから第１の加速度信号を算出するとともに、
　上記重量計測手段が求めた容器重量と、上記容器支持手段に作用する想定される想定重量とから第２の加速度信号を算出し、
　上記第１の加速度信号と第２の加速度信号とから、上記容器支持手段を上記指定高さに維持するための上記駆動信号を算出して、当該駆動信号に基づいてアクチュエータを駆動することを特徴としている。
　請求項２の発明は、請求項１に記載された重量充填装置において、上記アクチュエータは、上記容器支持手段の底面に固定された棒状の磁石からなる上記駆動軸と、当該駆動軸を囲繞するとともに制御手段からの駆動信号によって磁力を発生するコイルとから構成されることを特徴としている。

　上記請求項１の発明によれば、上記容器支持手段をアクチュエータを用いて駆動し、容器支持手段の検出高さと、アクチュエータの駆動信号とから容器重量を算出することで、上記特許文献１のようなひずみゲージの振動が収束するまでの待機時間が不要となり、より迅速な計測が可能となった。
　また、アクチュエータを駆動させて上記容器支持手段を上記指定高さに維持するため、上記容器支持手段への容器の供給および排出の際に、供給側および排出側との間の高低差をなくすことができ、もしくは受渡側を受け取り側より若干高くすることにより容器の引っ掛かりをなくし、受け渡しの際のトラブルを防止することができる。
　さらに請求項２の発明によれば、上記アクチュエータを棒状の磁石からなる駆動軸とコイルとによって構成することにより、摩擦による計測への影響をなくすことができる。

本実施例にかかる充填ラインの平面図重量充填装置の断面図アクチュエータ制御部についての構成図他の実施例にかかる重量充填装置の断面図

　図示実施例について本発明を説明すると、図１はびんなどの容器１に充填液を充填する充填ライン２を示し、図２は上記容器１に充填液を充填する重量充填装置３の断面図を示している。
　上記重量充填装置３は、回転可能に設けられた回転テーブル４と、当該回転テーブル４の円周方向に沿って等間隔に設けられた容器支持手段５と、上記容器支持手段５に支持された容器１に充填液を充填する充填手段６とを備え、回転テーブル４の回転によって容器支持手段５に支持された容器１と充填手段６とが一体的に回転しつつ充填を行うようになっている。
　上記充填ライン２において、上記回転テーブル４の上流側には供給ホイール７が設けられるとともに、下流側には排出ホイール８が設けられており、上記回転テーブル４と上記供給ホイール７とが隣接した供給位置Ａと、排出ホイール８と隣接した排出位置Ｆとにおいて、容器１の受け渡しが行われるようになっている。
　上記重量充填装置３は制御手段９の制御によって動作するようになっており、上記供給位置Ａと排出位置Ｆとの間で上記充填手段６を作動させることで、容器１への充填液の充填が行われるようになっている。
　具体的に、上記供給位置Ａの下流側に設定された大投区間Ｃでは、上記充填手段６が容器１に対して充填液を大流量で充填し、当該大投区間Ｃの下流側に設定された小投区間Ｄでは小流量で充填液を充填するようになっている。
　また上記供給位置Ａの下流に設定された計測位置Ｂでは、上記供給位置Ａで供給された空の容器１の重量を計測するとともに、これから充填される充填液の重量を計測するためのゼロリセットを行う。
　そして上記小投区間Ｄの下流に設定された計測位置Ｅでは、上記大投区間Ｃおよび小投区間Ｄにおいて充填された充填液の重量を計測するようになっている。

　上記容器支持手段５は、その上面で容器１を下方から支持するとともに、当該容器支持手段５の上部に設けられた支持部材５ａによって容器１を側方から支持するようになっている。
　上記供給ホイール７との供給位置Ａでは、供給ホイール７に載置された容器１が水平方向に移動されて、上記容器支持手段５上に移載されるようになっており、これと同様、排出ホイール８との排出位置Ｆでも、容器支持手段５に載置された容器１が水平方向に移動されて、排出ホイール８に移載されるようになっている。
　このとき、容器支持手段５の上面と、上記供給ホイール７や排出ホイール８の上面との間に高低差があると、容器１の移載の際に倒びんなどのトラブルが発生するため、上記容器支持手段５の上面の高さを供給ホイール７および排出ホイール８の上面に一致させることが望ましい。

　上記容器支持手段５の下部には、当該容器支持手段５の底面に固定された丸棒状もしくは角棒状の磁石からなる駆動軸１１が設けられ、上記回転テーブル４には上記駆動軸１１を囲繞するとともに制御手段９からの駆動信号によって磁力を発生するコイル１２ａとから構成されたリニアアクチュエータ１２が設けられている。
　上記リニアアクチュエータ１２についての具体的な構成や動作については説明を省略するが、上記コイル１２ａに駆動信号としての電流を印加することにより、上記駆動軸１１を駆動することが可能となっており、本実施例ではこの駆動力を上記容器支持手段５および当該容器支持手段５に載置された容器１の位置を一定に維持するために利用するようになっている。
　上記駆動軸１１は上記コイル１２ａの下方に突出するように設けられ、上記回転テーブル４には当該駆動軸１１の位置を検出して、当該検出高さを上記制御手段９に送信する高さ検出手段１３が設けられている。
　上記高さ検出手段１３としては、容器支持手段５の高さを高精度に検出することができ、かつサンプリング周波数の高いセンサを使用することが望ましい。

　上記制御手段９には重量計測手段としての重量計測部９ａが設けられており、上記リニアアクチュエータ１２からの駆動信号と、上記高さ検出手段１３が検出した検出高さとから、上記容器支持手段５に作用する重量を測定するようになっている。
　また制御手段９には、上記容器支持手段５の高さと、容器支持手段５に作用する重量とをそれぞれ異ならせた場合における、上記リニアアクチュエータ１２を駆動させるための駆動信号を計測した結果が、対応テーブル９ｂとして登録されている。
　これにより、上記高さ検出手段１３が検出した容器支持手段５の検出高さと、その際にリニアアクチュエータ１２を駆動する駆動信号とが判明すれば、上記重量計測部９ａは上記対応テーブル９ｂから容器支持手段５に作用する重量、すなわち容器重量を得ることが可能となっている。
　なお以下の説明において、容器重量としては上記容器支持手段５に容器１が載置されていない状態の、容器支持手段５自体の重量を計測した結果も含むものとする。

　そして上記制御手段９は上記リニアアクチュエータ１２を制御するアクチュエータ制御部９ｃを備え、図３に示すようにアクチュエータ制御部９ｃは位置制御部９１と、力制御部９２と、加速度合成部９３とを含む制御則として表することができる。
　またアクチュエータ制御部９ｃは、上記リニアアクチュエータ１２を制御することにより、上記容器支持手段５に作用する容器重量にかかわらず、当該容器支持手段５を指定高さに保持させるものとなっている。
　ここで、本実施例における指定高さは上記対応テーブル９ｂに予め登録されており、具体的には容器支持手段５の上面を上記供給ホイール７および排出ホイール８の上面の高さに一致させた高さであって、上記供給位置Ａから排出位置Ｆにかけて指定高さを一定に設定することができる。

　上記位置制御部９１は、上記対応テーブル９ｂに登録された容器支持手段５の指定高さと、上記高さ検出手段１３が検出した容器支持手段５の検出高さとから、第１の加速度信号を算出するようになっている。
　上記第１の加速度信号は、例えば上記計測位置Ｂ、Ｅなど、容器支持手段５に作用する重量に変化がない状態では、容器支持手段５は上記リニアアクチュエータ１２によって上記指定高さに保持されるため、上記検出高さと指定高さとの差は生じず、上記第１の加速度信号はゼロとなる。
　これに対し、例えば上記供給位置Ａや大投区間Ｃなど、容器支持手段５に容器１が載置されたり、容器１に充填液が充填される状態では、直前までリニアアクチュエータ１２を駆動していた駆動信号による駆動力では容器１の位置を一定に維持することができず、容器支持手段５が微小に下降するため、検出高さと指定高さとの間に差が生じて上記第１の加速度信号が発生することとなる。

　次に上記力制御部９２は、上記重量計測部９ａが算出した容器重量と、上記容器支持手段５に作用する想定される想定重量とから第２の加速度信号を算出するようになっている。
　上記回転テーブル４には図示しないエンコーダが設けられ、各容器支持手段５の位置を上記制御手段９によって認識するようになっている。また制御手段９の上記対応テーブル９ｂには、上記容器支持手段５の各位置において当該容器支持手段５に作用する想定重量が登録されている。
　具体的に、上記計測位置Ｂにおける想定重量は空の容器１の重量に相当し、上記大投区間Ｃや小投区間Ｄにおける想定重量は、容器支持手段５が移動するにつれて充填液が充填される容器１の重量に相当し、計測位置Ｅにおける想定重量は、空の容器１に規定量の充填液が充填された容器１の重量に相当することとなる。
　そして上記第２の加速度信号は、上記重量計測部９ａが算出した実際の容器重量と、上記容器支持手段５の位置に基づいて対応テーブル９ｂに登録されている想定重量とから算出されるようになっている。
　例えば、供給位置Ａで容器支持手段５に容器１が載置された際に、実際の容器重量と想定重量との間に差がなければ、上記第２の加速度信号はゼロとなる。これに対し、例えば小投区間Ｄの所定の位置において容器１に想定された量の充填液が充填されなかった場合には、実際の容器重量と想定重量との間に差が生じて上記第２の加速度信号が発生することとなる。

　そして加速度合成部９３は、得られた上記第１の加速度信号と第２の加速度信号とから、上記リニアアクチュエータ１２への駆動信号を算出し、当該駆動信号に基づいてリニアアクチュエータ１２を駆動させる。
　算出された駆動信号は、容器支持手段５に作用する重量にかかわらず、当該容器支持手段５を上記指定高さに維持させるものとなっており、上記駆動信号を常時算出し続けることで、上記供給位置Ａから排出位置Ｆまで上記指定高さを維持することが可能となっている。

　上記充填手段６は、上記容器支持手段５に載置された容器１の上方に設けられた充填ノズル２１と、図示しない充填液タンクと充填ノズル２１との間に配設された給液管２２とを備えている。
　上記充填ノズル２１は内部に図示しないバルブを備え、上記制御手段９に設けられた充填部９ｄによって制御されるようになっている。上記充填部９ｄは上記重量計測部９ａが計測した容器１の重量に基づいて、上記大投区間Ｃおよび小投区間Ｄにおいて上記充填ノズル２１のバルブの開度を制御し、充填液の充填を行うようになっている。
　ここで、大投区間Ｃでは大きな流量で充填液を供給して容器１の大部分の充填を行い、また小投区間Ｄでは小さな流量で残りの部分を正確に充填するようになっている。
　そして充填部９ｂは、上記重量計測部９ａが測定した容器１の重量を監視しながら、容器１に規定量の充填液が充填されたと認識すると、充填ノズル２１内のバルブを閉鎖して充填液の充填を終了させる。

　上記構成を有する充填ライン２の動作について説明すると、最初に空の容器１が上記供給ホイール７を搬送され、上記回転テーブル４に隣接した供給位置Ａにおいて、供給ホイール７から回転テーブル４へと容器１が受け渡される。
　このとき、上記回転テーブル４の供給位置Ａに位置した容器支持手段５は、上記リニアアクチュエータ１２によって指定高さに位置しており、この状態で供給ホイール７から容器１が水平方向に移動されて容器支持手段５上に載置される。
　その結果、上記容器支持手段５には空の容器１の重量が作用し、リニアアクチュエータ１２はそれまでの駆動信号では容器支持手段５を上記指定高さに維持しきれないことから、容器支持手段５が微小に下降することとなる。
　上記高さ検出手段１３ではリニアアクチュエータ１２の駆動軸１１の高さを常時検出しており、重量計測部９ａは上記対応テーブル９ｂから、容器１が載置されて下降した容器支持手段５の検出高さと、この時のリニアアクチュエータ１２の駆動信号、換言すると容器１が載置される直前まで当該リニアアクチュエータ１２を駆動していた駆動信号とから、容器支持手段５に作用した容器重量を認識する。

　続いて、制御手段９のアクチュエータ制御部９ｃは、上記高さ検出手段１３が検出した検出高さとあらかじめ設定された指定高さとから第１の加速度信号を求め、また重量計測部９ａが求めた容器重量と、上記対応テーブル９ｂより検索した上記供給位置Ａにおける想定重量とから第２の加速度信号を求め、これら第１、第２の加速度信号を加算して駆動信号を算出する。
　そしてアクチュエータ制御部９ｃは算出した駆動信号によりリニアアクチュエータ１２を駆動させ、これにより空の容器１が載置された容器支持手段５は上記指定高さに移動することとなる。
　また充填部９ｄでは、上記容器支持手段５が上記計測位置Ｂを移動する間に、上記重量計測部９ａが測定した上記空の容器１の重量を確定して、充填液の充填を開始するための重量のゼロリセットを行う。

　上記高さ検出、重量検出の動作は、容器支持手段５上に容器１が載置されているか否かにかかわらず常時行われ、またサンプリング周波数を高くすることにより、上記容器支持手段５に載置された容器１の重量の計測を迅速に行うことができる。換言すると上記回転テーブル４に設定した容器１の重量を計測するための供給位置Ａから計測位置Ｂの間隔、および排出位置Ｆから計測位置Ｅの間隔を短く設定することができる。
　これに対し、上記特許文献１に記載された重量充填装置３では、容器１の重量の計測にロバーバル式のひずみゲージを用いており、ロバーバルの振動の収束を待たないと正確な容器１の重量を計測することができないことから、容器１が供給された直後や充填が終了した直後は重量の計測をすることができず、重量を計測するまでの間隔を長く設定する必要があった。
　同じ処理能力を有する重量充填装置において、計測するまでの間隔を長く設定した場合、回転テーブル４の直径を大きくする必要が出てくるため、設備の設置スペースが大きくなるという問題が生じることとなる。
　一方、回転テーブル４の直径を同じとした場合には、計測するまでの間隔を長く設定した分だけ充填区間の距離を短く設定しなければならないことから、回転テーブル４を低速で回転させなければならず処理能力が下がることとなる。
　さらに、上記ロバーバル式のひずみゲージの場合、回転テーブル４の回転による遠心力によるロバーバルの変形を考慮する必要があったが、本実施例のように上記リニアアクチュエータ１２の駆動軸１１をコイル１２ａに対して上下に移動可能に設けることで、容器支持手段５に作用する遠心力の影響がなくなるため、容器１の重量を計測する際に上記遠心力による誤差を修正する必要がない。

　上記空の容器１を支持した容器支持手段５が計測位置Ｂから大投区間Ｃに進入すると、制御手段９の充填部９ｄが上記充填手段６の充填ノズル２１のバルブを開放して、容器１への充填液の充填を開始する。
　上記大投区間Ｃでは、充填液を大流量で容器１に充填させ、当該容器１の容量の大部分を充填し、その後の小投区間Ｄにおいて、上記重量計測部９ａが測定した充填液の重量を計測しながら、充填液を小流量で容器１に充填する。なお、上記小投区間Ｄについては省略することも可能である。
　そして、容器１に規定量の充填液が充填されると、充填部９ｄは上記充填ノズル２１のバルブを閉鎖させて、充填液の充填を終了させる。

　上記大投区間Ｃや小投区間Ｄにおいて容器１に充填液を充填すると、充填液の充填に伴って容器支持手段５に作用する重量が増大し、これにより容器支持手段５は下降しようとする。
　上記制御手段９の上記対応テーブル９ｂには、回転テーブル４の各位置における充填液の充填量に基づいて想定重量が登録され、アクチュエータ制御部９ｃでは、重量計測部９ａが求めた容器重量と、容器１の各位置の想定重量とから第２の加速度信号を算出する。
　さらにアクチュエータ制御部９ｃは、上記高さ検出手段１３が検出した検出高さと上記指定高さとから求めた第１の加速度信号と、算出した第２の加速度信号とから駆動信号を算出し、上記リニアアクチュエータ１２を駆動させて容器支持手段５を指定高さに維持するようになっている。

　その後、容器１が上記小投区間Ｄから計測位置Ｅに移動すると、当該計測位置Ｅにおいて容器１に充填された充填液の重量が計測されるようになっている。
　この時も、上記アクチュエータ制御部９ｃは容器支持手段５を指定高さに維持するようになっており、上記排出位置Ｆにおいて容器１を水平方向に移動させることで、当該容器１を排出ホイール８に受け渡すことが可能となっている。
　ここで、従来のロバーバル式のひずみゲージを用いた構成の場合、容器１の重量の増大に伴って容器１の位置が下降してしまうため、上記供給位置Ａでの容器支持手段５の高さに比べて、排出位置Ｆでの容器支持手段５の高さは低くなってしまう。
　したがって、従来は上記排出ホイール８の高さを供給ホイール７の高さより低く設定するなどの調整が必要となっており、充填ライン２の調整が煩雑になるという問題があった。

　なお、上記実施例では容器に充填液を充填する場合を説明したが、被充填物としては液体に限らず粉体、固体等であってもよく、容器もボトル、袋、箱等であってもよく、実施例に限定されるものではない。
　さらに、上記実施例では容器支持手段５の上面に容器１を支持するようになっているが、容器支持手段として容器１の首部を把持して搬送するネックグリッパを用いてもよい。
　この場合であっても、上記ネックグリッパに上記駆動軸１１およびリニアアクチュエータ１２を設けることで容器重量を迅速に計測することができ、またネックグリッパを一定の指定高さに維持して、供給側および排出側との受け渡しを円滑に行うことができる。
　また上記実施例では、回転テーブルを備えた回転タイプの重量式充填装置について説明したが、回転タイプに限るものではなく、容器１を直線状に搬送して処理するラインタイプの重量式充填装置にも適用可能である。

　さらに、上記実施例では上記容器支持手段５の指定高さを一定に設定しているが、必ずしも一定にする必要はなく、例えば上記供給ホイール７との供給位置Ａにおける指定高さを、供給ホイール７の上面の高さよりも若干下方に位置させてもよい。このようにすることで供給ホイール７から容器１を容器支持手段５に移動させる際の引っ掛かりを防止することができる。
　逆に、上記排出ホイール８への排出位置Ｆにおける指定高さを、排出ホイール８の上面の高さよりも若干上方に位置させておくことで、容器１を排出ホイール８に移動させる際の引っ掛かりを防止することができる。
　また、上記実施例では磁石からなる駆動軸１１とコイル１２ａとによって構成されたリニアアクチュエータ１２を用いているが、アクチュエータとして図４に示すような、駆動軸１１に設けたラック１０１と、モータＭによって駆動されるピニオン１０２とによって構成されたものを用いることができる。
　この場合、上記高さ検出手段１３としては上記モータＭに設けたエンコーダ１０３を用いることができる。

　１　容器　　　　　　　　　　　　　　　２　充填ライン
　３　重量充填装置　　　　　　　　　　　４　回転テーブル
　５　容器支持手段　　　　　　　　　　　６　充填手段
　９　制御手段　　　　　　　　　　　　　９ａ　重量計測部
　９ｂ　対応テーブル　　　　　　　　　　９ｃ　アクチュエータ制御部
　９ｄ　充填部　　　　　　　　　　　　　１１　駆動軸
　１２　リニアアクチュエータ（アクチュエータ）
　１３　高さ検出手段　　　　　　　　　　９１　位置制御部
　９２　力制御部　　　　　　　　　　　　９３　加速度合成部

Claims

　容器を支持する容器支持手段と、各容器支持手段に支持された容器の重量を計測する重量計測手段と、上記容器支持手段に支持された容器に被充填物を供給する充填手段と、上記重量計測手段が計測した容器重量に基づいて上記充填手段を制御する制御手段とを備えた重量充填装置において、
　上記容器支持手段に連結された駆動軸と、当該駆動軸を駆動するアクチュエータと、上記容器支持手段の高さを検出する高さ検出手段とを備え、
　上記重量計測手段は、上記高さ検出手段が検出した検出高さと当該検出高さにおける上記アクチュエータの駆動信号とから容器重量を求め、
　上記制御手段は、予め設定された容器支持手段の指定高さと、上記高さ検出手段が検出した上記検出高さとから第１の加速度信号を算出するとともに、
　上記重量計測手段が求めた容器重量と、上記容器支持手段に作用する想定される想定重量とから第２の加速度信号を算出し、
　上記第１の加速度信号と第２の加速度信号とから、上記容器支持手段を上記指定高さに維持するための上記駆動信号を算出して、当該駆動信号に基づいてアクチュエータを駆動することを特徴とする重量充填装置。
　上記アクチュエータは、上記容器支持手段の底面に固定された棒状の磁石からなる上記駆動軸と、当該駆動軸を囲繞するとともに制御手段からの駆動信号によって磁力を発生するコイルとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の重量充填装置。