(57)【要約】【課題】粉体搬送の粉体密度場を動的に、場全体で計測することにより、粉体搬送プロセスのモニタリング、解析などの定量的評価を容易に行うことができる粉体密度場動的計測装置を提供する。【解決手段】粉体を含む流動性媒体を搬送する搬送装置構造体に透過力の大きい電磁波を照射し、画像化する光学系と、前記電磁波の照射により得られた透過画像を記録する画像記録装置と、前記搬送装置構造体の情報を記録している情報記録装置とを有し、所定の時刻における、前記透過画像の情報と搬送装置構造体の情報とから線量強度を求め、該線量強度に基づいて前記粉体の密度場を算出する画像演算装置を有している粉体密度場動的計測装置である。【選択図】図４
2010151446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体を含む流動性媒体を搬送する搬送装置構造体に透過力の大きい電磁波を照射し、画像化する光学系と、前記電磁波の照射により得られた透過画像を記録する画像記録装置と、前記搬送装置構造体の情報を記録している情報記録装置とを有し、
所定の時刻における、前記透過画像の情報と搬送装置構造体の情報とから線量強度を求め、該線量強度に基づいて前記粉体の密度場を算出する画像演算装置を有している
ことを特徴とする粉体密度場動的計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の粉体密度場動的計測装置において、
電磁波がエックス線である
ことを特徴とする粉体密度場動的計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の粉体密度場動的計測装置において、
前記透過画像を記録する画像記録装置が、ＣＭＯＳ又はＣＣＤを利用する高速度カメラである
ことを特徴とする粉体密度場動的計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の粉体密度場動的計測装置において、
エックス線をパルス発生させる
ことを特徴とする粉体密度場動的計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の粉体密度場動的計測装置において、
エックス線のパルスの周期が可変であり、かつ、前記高速度カメラが当該周期と同期をとって透過画像を撮影する
ことを特徴とする粉体密度場動的計測装置。
【請求項６】
請求項５に記載の粉体密度場動的計測装置において、
前記粉体は電子写真画像形成装置で使用される現像剤粉体である
ことを特徴とする粉体密度場動的計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体搬送装置における粉体の密度場を計測する粉体密度場動的計測装置に関し、特に電子写真画像形成装置において、現像剤粉体を搬送する機構を有する現像器内部の搬送粉体の密度場を計測する粉体密度場動的計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スクリューやパドルを粉体に作用させ、搬送力を与える方式の粉体搬送方式は、建築や食品など、多数の工業分野で使用されている。特に乾式の電子写真画像形成装置は、一般にキャリアと呼ばれるフェライト粒子と樹脂に顔料等を混入させたトナー粒子の混合粉体を現像剤として利用しており、画像形成装置の現像器などでは、現像剤粉体を上記のような機構によって搬送している。
このような粉体搬送における課題はいくつかあるが、共通するのは均一に精度良く搬送量を制御するという点であり、モニタリングや解析の手段として計測手法が望まれている。
しかしながら、粉体搬送は流体以上に非常に非線形性が強い現象であり、さらに、粉体内部の観察が可視光では不可能なため、解析的なアプローチが困難である。このため、工業製品設計などでは半経験的な手法が改善の主な手段となっており、種々の問題点がある。
例えば、粉体は流体とは異なり、搬送時に比重が大きく変わる。大きい振動やせん断力などの外力が加わると粒子間に空気が潤滑的に混入するからである。この場合、粉体の比重が突然減少し、流動特性も顕著に変化する。ここでいう粉体の比重とは、単位体積あたりに含まれる粉体と空気の質量に対する粉体質量の比を言う。空気を多く含む粉体であれば、相対的に粉体の比重は小さくなる。
粉体では、この比重が動的に変化するのが特徴である。例えば、サイロから突然穀物等の粒子が噴出するフラッシング現象はこの比重の変化が原因であり、根深い問題となっている。一方、粉体に積極的に空気を含ませることで粉体搬送を潤滑に行わせる流動層装置を用いたなどの工業プロセスもある。
【０００３】
このような粉体搬送性能を左右する、搬送装置構造体内部の粉体密度場を評価する手段が求められている。間接的な評価手段として、粒子表面付着性を計測する静的な手法（ＪＩＳ−Ｚ８９０１）がある。しかし、この手法は相対的な比較を行う手法であり、また、動的に場全体を計測する確立された方法はない。
可視光では不可能な粉体内部の観察手段として、エックス線ＣＴ（コンピュータートモグラフィ）がある。３次元的な粉体密度場は計測可能であるが、時間変動があるような場や、動的に計測は不可能である。粉体搬送は基本的にスクリュー等の搬送機構を利用している場合も、気流制御の場合でも、時間変動があるため、エックス線ＣＴは不向きである。
粉体内部を動的に観察・計測する技術としては以下のようなものがある。例えば、特許文献１には、粉体内部に金属トレーサーを混入させ、エックス線を用いて粉体の挙動を観察する方法が記載されており、この方法によりパスラインや流速などの物理的特徴量を計測することができる。しかし、粉体のバルク比重を計測することはできない。
また、特許文献２には、粉体を搬送するダクト周囲に複数の、例えばキャパシタンスや電気抵抗を計測するセンサーを配置し、ＣＴ演算することでダクト内部の粉体の存在率を計測する装置が記載されている。特許文献２に記載の装置では、密度場も特定の条件では計測可能であるが、一般にスクリューやパドル等の構造体がダクト内部に存在する場合は、演算が極めて困難になる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５８５５３号公報
【特許文献２】特開２００６−１３６８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、粉体搬送の粉体密度場を動的に、場全体で計測することにより、粉体搬送プロセスのモニタリング、解析などの定量的評価を容易に行うことができる粉体密度場動的計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、以下の１ないし６の発明によって、上記課題は解決される。
１．粉体を含む流動性媒体を搬送する搬送装置構造体に透過力の大きい電磁波を照射し、画像化する光学系と、前記電磁波の照射により得られた透過画像を記録する画像記録装置と、前記搬送装置構造体の情報を記録している情報記録装置とを有し、所定の時刻における、前記透過画像の情報と搬送装置構造体の情報とから線量強度を求め、該線量強度に基づいて前記粉体の密度場を算出する画像演算装置を有していることを特徴とする粉体密度場動的計測装置である。
２．前記１に記載の粉体密度場動的計測装置において、電磁波がエックス線であることを特徴とする粉体密度場動的計測装置である。
３．前記２に記載の粉体密度場動的計測装置において、前記透過画像を記録する画像記録装置が、ＣＭＯＳ又はＣＣＤを利用する高速度カメラであることを特徴とする粉体密度場動的計測装置である。
４．前記３に記載の粉体密度場動的計測装置において、エックス線をパルス発生させることを特徴とする粉体密度場動的計測装置である。
５．前記４に記載の粉体密度場動的計測装置において、エックス線のパルスの周期が可変であり、かつ、前記高速度カメラが当該周期と同期をとって透過画像を撮影することを特徴とする粉体密度場動的計測装置である。
６．前記５に記載の粉体密度場動的計測装置において、前記粉体は電子写真画像形成装置で使用される現像剤粉体であることを特徴とする粉体密度場動的計測装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、粉体搬送の粉体密度場を動的に、場全体で計測することにより、粉体搬送プロセスのモニタリング、解析などの定量的評価を容易に行うことができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の粉体密度場動的計測装置は、粉体を含む流動性媒体を搬送する搬送装置構造体に透過力の大きい電磁波を照射し、画像化する光学系と、前記電磁波の照射により得られた透過画像を記録する画像記録装置と、前記搬送装置構造体の情報を記録している情報記録装置とを有し、所定の時刻における、前記透過画像の情報と搬送装置構造体の情報とから線量強度を求め、該線量強度に基づいて前記粉体の密度場を算出する画像演算装置を有している。ここで、透過力の大きい電磁波とは、エックス線、ガンマ線、中性子線などをいう。搬送装置構造体の情報とは、ある時刻の搬送装置の位置情報をいう。透過画像の情報とは、ある時刻におけるエックス線等の吸収率分布をいう。
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は粉体のスクリュー搬送場を、側面からエックス線で透過観察した結果を示す画像である。スクリュー搬送とは、単一円柱軸周りにらせん状のブレードを設置し、これを回転させることでブレードが周囲に存在する粉体に物理的に搬送力を与えるという手法である。図１に示す三つの画像は、粉体粒子等の充填量は同一であって、スクリュー回転数が上から、２４ｒｐｍ、２００ｒｐｍ、４００ｒｐｍの画像である。これらの画像の比較により、スクリューの回転数が高くなると、明らかに粉体体積が大きくなっていることがわかる。粉体体積が大きくなると、平均的に粉体密度が小さくなる。
このように、既知の搬送装置構造体内部の、未知の粉体密度場を計測することが本発明の目的である。
【０００９】
ここでは透過力の強い電磁波として、エックス線を検討する。線減弱係数μを有する物体をｘ（ｍ）、透過した際のエックス線の強度をＩ（ｘ）とすると、下記式（１）式が成立する。なお、ｍは「メートル」である。
Ｉ（ｘ）＝Ｉ０ｅｘｐ（−μｘ）・・・（１）
（Ｉ０：エックス線をさえぎる物体が存在しない場合のエックス線強度）
ここで、上記物体が粉体であるとし、その粉体が仮にエックス線減弱を無視できる壁面（比重が十分小さい、もしくは厚さが十分薄い）を有する搬送装置構造体に充填されているとする。この搬送装置構造体の大きさが既知、すなわちｘが既知量であるとすると、上記物体を透過したエックス線の強度Ｉ（ｘ）を計測することにより、粉体の線減弱係数μを下記式（２）で求めることができる。
μ＝−（１／ｘ）ｌｏｇ（Ｉ（ｘ）／Ｉ０）・・・（２）
【００１０】
上述したように、搬送される粉体の密度ρは動的に変化するため、この変化に応じて線減弱係数μも時間的に変化する。
一方、粉体粒子そのものの線減弱係数μｐと粉体粒子そのものの密度ρｐもあらかじめ計測することが可能である。更に空気によるエックス線の減弱が無視できるものとすると、粉体の密度ρは下記式（３）で求めることができる。
ρ＝ρｐ×（μ／μｐ）・・・（３）
【００１１】
以上のように、エックス線の透過強度Ｉ（ｘ）を計測することにより、粉体の密度ρを算出することが可能である。ここで、エックス線の透過強度は、一般のＣＣＤやＣＭＯＳを用いて撮影した透過画像によって計測することが可能であり、したがって、粉体密度ρを場全体で、動的に計測することが可能となる。
単純に粉体が充填されている容器であれば、粉体比重ρの場を上記のように計測することができるが、粉体搬送機構が存在する場合は、更なる議論が必要となる。
以下、粉体搬送機構として、最も一般的なスクリュー搬送を例にとって説明する。他に、パドル搬送なども一般的であるが、その駆動に周期性を有する場合はスクリュー搬送とまったく同種の手法で計測することが可能であるため、その説明を割愛する。
図２はスクリュー搬送場を、搬送軸に垂直な方向からエックス線で透過観察し、ＣＣＤを用いて画像化した図である（Uchida,K. and Okamoto,K., Meas. Sci. Technol.,17 (2006) ,
pp.419-426.）。図２の五つの画像からわかるように、回転するスクリューはエックス線透過画像上では平行移動しているように観察される。図２に示すスクリュー搬送場では、動的に画像のエックス線吸収強度が変化するので、上記の式（３）によって、単純に粉体の密度場ρを求めることは不可能である。
【００１２】
このような問題は、以下のように解決される。
図３はスクリュー搬送場を粉体の搬送方向に平行な方向から見た模式図である。粉体１はトラフと呼ばれる容器２に充填されている。スクリュー３は、スクリュー軸３１が粉体１の搬送方向と平行になるようにトラフ容器２の内部に設置される。
図３に示す基準面４からの距離Ｘ、時刻ｔにおけるエックス線の透過強度Ｉ（Ｘ，ｔ）を考える。透過強度Ｉ（Ｘ，ｔ）計測可能量である。ここでは距離Ｘだけの一次元変数で考えているが、一般の二次元透過画像（２変数）の場合でも、ＸをＸ，Ｙに置き替えるだけで、全く同様の計算式が適用可能である。
エックス線の透過距離がＴ（Ｘ）の領域内部において、時刻ｔにおけるスクリュー領域を距離Ｓ（Ｘ，ｔ）とする。スクリュー回転の各速度をω、スクリューブレードの半径をＲ、スクリュー軸径をＡとすると、距離Ｓ（Ｘ，ｔ）は下記式（４）で求めることができる。なお、透過距離Ｔ（Ｘ）はトラフ容器の形状によるが、一般的に計測可能であり既知量である。
Ｓ（Ｘ，ｔ）＝（Ｒ−Ａ）ｓｉｎ（ωｔ）＋Ａ・・・（４）
【００１３】
所定の基準面からの距離Ｘ、時刻ｔにおける粉体の平均密度をρ（Ｘ，ｔ）とし、スクリューの線減弱係数をμｓ、粉体の線減弱係数をμ（Ｘ，ｔ）とする。簡便のため、トラフ容器の減弱は無視する。スクリューの線減弱係数μｓは既知量であり、ρ（Ｘ，ｔ）、μ（Ｘ，ｔ）は未知量である。このとき、下記式（５）が成り立つ。
Ｉ（Ｘ，ｔ）＝Ｉ０ｅｘｐ（−μｓＳ（Ｘ，ｔ）ｅｘｐ（−μ（Ｘ，ｔ）（Ｔ（Ｘ）−Ｓ（Ｘ，ｔ））・・・（５）
この式（５）から導かれた下記式（６）により、未知量μ（Ｘ，ｔ）を求めることができる。
μ（Ｘ，ｔ）＝（１／（Ｔ（Ｘ）−Ｓ（Ｘ，ｔ）））（ｌｏｇ（Ｉ（Ｘ）／Ｉ０−μｓＳ（Ｘ，ｔ））・・・（６）
求めた未知量μ（Ｘ，ｔ）を用い、下記式（７）により粉体密度ρ（Ｘ，ｔ）を求めることができる。
ρ（Ｘ，ｔ）＝ρｐ×（μ（Ｘ，ｔ）／μｐ）・・・（７）
この演算をトラフ容器の画像場全体で行なうことによって、粉体密度場を求めることが可能となる。
【００１４】
上述した式により粉体の密度場を求めた、本発明の好適な実施例を図４に示す。
エックス線は人体に有害であるため、鉛等で遮蔽されたエックス線防護装置１１の内部に、エックス線発生装置１２、粉体搬送装置１３、シンチレータ１４、イメージインテンシファイヤー１５、ＣＣＤカメラ１６を設置している。エックス線発生装置１２のエックス線管から発生した連続エックス線は、計測対象である粉体搬送装置１３の内部に設置されたスクリュー３を、スクリュー軸３１に対して垂直方向に透過し、対向するシンチレータ１４に入射される。入射したエックス線はシンチレータ１４で可視光化され、更にイメージインテンシファイヤー１５によって光増幅され、ＣＣＤカメラ１６で撮影されて画像化される。ＣＣＤカメラ１６でデジタル化された画像は、画像演算装置１７に取り込まれる。この画像は平面画像であり、各座標におけるエックス線の吸収率を所定の効率によって計算することができる。また、シンチレータ１４においてエックス線像を可視光化する変換速度は、約１／５０００ｓ以下であるため、ＣＣＤカメラ１６のデジタルデータ取り込みを高速度化することで、通常のビデオレート（１／３０ｓ）以上の高速取り込みが可能となっている。
【００１５】
画像演算装置１７に取り込まれた画像データは、座標（ｘ，ｙ）、時刻ｔにおける透過画像場のエックス線吸収率分布Ｉ（ｘ，ｙ，ｔ）にテーブル変換される。
画像演算装置１７に接続される搬送装置構造体情報記録装置１８は、時刻ｔにおける搬送装置構造体（スクリュー３）の情報であるＳ（Ｘ，Ｙ，ｔ）を記録している。Ｓ（Ｘ，Ｙ，ｔ）は、時刻ｔにおけるスクリュー領域である。上述のテーブルデータと、この搬送装置構造体の情報から、式（７）の演算を行うことによって、ρ（Ｘ，Ｙ，ｔ）を算出し、演算装置の記録領域にデータ保存することで、粉体密度場の時間変化情報を得ることができる。
【００１６】
図５は、図４に示した粉体密度場動的計測装置において、エックス線をパルス発生させ、かつＣＣＤカメラがエックス線のパルスの周期と同期をとって透過画像を撮影する場合の実施例を示す。図５においては、エックス線発生装置１２と、計測対象である粉体搬送装置１３との間に、機械的なシャッター装置１９が設置されている。シャッター装置１９は、一定の箇所が透過するように設定されている回転円盤によって、適切な周波数でエックス線をシャッターリングすることが可能となっている。
ここで、スクリューの回転数ωと等しい角速度ωをもってシャッターリングすると、回転するスクリュー３による動的な変化分がキャンセルされることになり、ＣＣＤカメラ１６には見かけ上スクリュー３が画像中で静止して見えることになる。これにより、画像をＣＣＤカメラ１６に長時間蓄積することが可能となる。このような画像蓄積は、エックス線の線量が微弱な場合や、粉体粒子の密度が高く、透過距離が長く、画像化に十分な線量が得られない場合に、有効である。
本発明の粉体密度場動的計測装置は、粉体が電子写真画像形成装置で使用される現像剤粉体である場合などに好適に使用される。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を具体的に説明してきたが、本発明は、これらの実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、これら本発明の実施の形態及び実施例を、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、変更又は変形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】粉体のスクリュー搬送場を、側面からエックス線で透過観察した結果を示す画像である。
【図２】スクリュー搬送場を、搬送軸に垂直な方向からエックス線で透過観察し、ＣＣＤを用いて画像化した図である。
【図３】スクリュー搬送場を粉体の搬送方向に平行な方向から見た模式図である。
【図４】本発明の実施例を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  粉体
２  トラフ容器
３  スクリュー
３１  スクリュー軸
４  基準面
１１  エックス線防護装置
１２  エックス線発生装置
１３  粉体搬送装置
１４  シンチレータ
１５  イメージインテンシファイヤー
１６  ＣＣＤカメラ
１７  画像演算装置
１８  搬送装置構造体情報記録装置
１９  シャッター装置
【図３】
2010151446.tif 000003
【図４】
2010151446.tif 000004
【図５】
2010151446.tif 000005
【図１】
2010151446.tif 000006
【図２】
2010151446.tif 000007