(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部内へ粉粒体が供給される充填筒と、
前記充填筒の中空部内に同軸上に配置されたオーガスクリューと、
前記オーガスクリューを回転駆動するサーボモータと、
前記サーボモータの回転軸に対し、原点からの回転角度位置を検出するエンコーダと、
を備え、前記オーガスクリューの回転に伴い粉粒体を前記充填筒から吐出させて前記充填筒の下方に配置した包装体へ定量充填する粉粒体充填機の制御方法であって、
次の要件（ａ）〜（ｃ）を含むことを特徴とする制御方法。
（ａ）  前記サーボモータを指令トルクをもってトルク制御して、前記オーガスクリューをあらかじめ設定した回転速度パターンにて回転させ、１サイクル運転の間にあらかじめ設定した量の粉粒体を前記充填筒から吐出させる。
（ｂ）  前記充填筒内で前記オーガスクリューが粉粒体から受ける抵抗力の変化に伴い変動する粉粒体移送トルクを、前記エンコーダが検出した回転角度位置に基づき算出する。
（ｃ）  前記算出した粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値が、あらかじめ設定した上限しきい値を越えたとき、前記サーボモータを停止させる。
【請求項２】
前記要件（ｂ）において、前記粉粒体移送トルクは、次の（ｂ−１）〜（ｂ−３）の要件に基づき算出されることを特徴とする請求項１に記載した粉粒体充填機の制御方法。
（ｂ−１）  前記エンコーダが検出した回転角度位置から前記オーガスクリューの加速度を算出する。
（ｂ−２）  前記算出したオーガスクリューの加速度に当該オーガスクリューに作用する慣性モーメントを乗じて加速トルクを算出する。
（ｂ−３）  前記エンコーダが検出した回転角度位置に対応する前記指令トルクから、前記算出した加速トルクを減算した値に基づいて前記粉粒体移送トルクを決定する。
【請求項３】
請求項２に記載した粉粒体充填機の制御方法において、
前記要件（ｂ−３）は、前記エンコーダが検出した回転角度位置に対応する前記指令トルクから、前記算出した加速トルクを減算した値を前記粉粒体移送トルクとすることを特徴とした粉粒体充填機の制御方法。
【請求項４】
請求項２に記載した粉粒体充填機の制御方法において、さらに次の要件（ｂ−４）および（ｂ−５）を含み、
（ｂ−４）  前記オーガスクリューが受ける構造的な動摩擦力に抗して当該オーガスクリューを回転させるために必要となる動摩擦トルクを算出する。
（ｂ−５）  前記オーガスクリューが受ける構造的な粘性に抗して当該オーガスクリューを回転させるために必要となる粘性トルクを算出する。
且つ、前記要件（ｂ−３）は、前記エンコーダが検出した回転角度位置に対応する前記指令トルクから、前記算出した加速トルクと、前記算出した動摩擦トルクと、前記算出した粘性トルクとを、それぞれ減算した値を前記粉粒体移送トルクとすることを特徴とした粉粒体充填機の制御方法。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載した粉粒体充填機の制御方法において、
前記慣性モーメントは、前記充填筒に粉粒体を供給しない状態で、一定のトルクをもって前記サーボモータを制御するとともに、前記エンコーダによって検出される回転角度位置から前記オーガスクリューの加速度を算出し、当該一定のトルクから当該加速度を除して求めることを特徴とする粉粒体充填機の制御方法。
【請求項６】
請求項４に記載した粉粒体充填機の制御方法において、
前記動摩擦トルク及び前記粘性トルクは、次の（ｄ）及び（ｅ）の要件に基づき算出することを特徴とする粉粒体充填機の制御方法。
（ｄ）前記充填筒に粉粒体を供給しない状態で、前記オーガスクリューの回転速度を段階的に変化させ、各回転速度における前記指令トルクをサンプリングする。
（ｅ）次の関係式に前記各回転速度の値と、当該回転速度毎にサンプリングした前記指令トルクの値とを代入して得られた連立方程式に基づき、前記動摩擦トルク及び前記粘性トルクを算出する。
ｆ＝（Ｄ×Ｖ）＋ｂ
ここで、ｆは指令トルク、Ｄは粘性負荷係数、Ｖはオーガスクリューの回転速度、（Ｄ×Ｖ）は粘性トルク、ｂは動摩擦トルクである。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載した粉粒体充填機の制御方法において、
前記上限しきい値は、供給対象となる粉粒体ごとにあらかじめ設定される前記オーガスクリューに作用する負荷の上限値であることを特徴とする粉粒体充填機の制御方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載した粉粒体充填機の制御方法において、
供給対象となる粉粒体ごとにあらかじめ設定される前記オーガスクリューに作用する負荷の下限値を下限しきい値として設定し、
前記算出した粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値が、前記下限しきい値よりも低くなったとき、前記サーボモータを停止させることを特徴とする粉粒体充填機の制御方法。
【請求項９】
中空部内へ粉粒体が供給される充填筒と、
前記充填筒の中空部内に同軸上に配置されたオーガスクリューと、
前記オーガスクリューを回転駆動するサーボモータと、
前記サーボモータの回転軸に対し、原点からの回転角度位置を検出するエンコーダと、
を備え、前記オーガスクリューの回転に伴い粉粒体を前記充填筒から吐出させて前記充填筒の下方に配置した包装体へ定量充填する粉粒体充填機の制御装置であって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載した制御方法を実行して前記サーボモータを制御することを特徴とする制御装置。
【請求項１０】
請求項９に記載した粉粒体充填機の制御装置において、
前記オーガスクリューと前記充填筒との間で電気的な導通を検出する手段を備え、
前記オーガスクリューと前記充填筒との間で電気的な導通が生じた際の、前記粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値を、前記上限しきい値として設定することを特徴とする粉粒体充填機の制御装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載した粉粒体充填機の制御装置において、
前記充填筒の下方に漏斗を設けるとともに、前記充填筒から吐き出され当該漏斗に溜まる粉粒体の上面高さを監視する粉粒体上面高さ監視手段を設け、
前記粉粒体上面高さ監視手段が監視する前記粉粒体の上面高さに基づき、当該粉粒体の上面高さがあらかじめ設定した値に達したときに、前記サーボモータの回転を停止させる構成を含むことを特徴とする粉粒体充填機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、充填筒内に供給された粉粒体をオーガスクリューの回転によって吐き出し、包装袋や包装容器等に定量充填するための粉粒体充填機において、オーガスクリューを回転駆動するサーボモータの制御方法と、同制御方法を実行するための制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のオーガスクリュー式粉粒体充填機は、充填筒内のオーガスクリューを充填サイクル毎に所定の回数だけ回転させ、充填筒下端の吐出口から定量の粉粒体を吐出させて充填を行うものである。より詳しくは、オーガスクリューは螺旋状の翼を有しており、この翼を粉粒体で満たされた充填筒内で回転させることから、このとき粉粒体との摩擦抵抗が非常に大きくなる。オーガスクリューの駆動には、粉粒体の摩擦抵抗に打ち勝つだけの充分なトルク性能を有したサーボモータが使用されているものの、あまりに負荷が大きな状態で無理にオーガスクリューを回転させようとすると、いわゆる粉噛み現象が生じ、極端な場合は機械の破損や粉粒体の破砕を招いてしまう。
【０００３】
このため、従来からオーガスクリューの回転に過大な負荷が生じたことを検出する技術が既に開示されており、本出願人も特許文献１に同様の技術を開示しているが、それら従来の技術とは異なる新規な構成をもって同じ目的を達成できる制御方法とその装置を開発した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０４３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
すなわち、本発明の第１の目的は、オーガスクリューに作用する過負荷を検知して、速やかにオーガスクリューの回転を停止させるための、従来技術とは異なる構成の制御方法とその装置を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、オーガスクリューに作用する負荷不足を検知して、速やかにオーガスクリューの回転を停止させるための制御方法とその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の制御方法は、
中空部内へ粉粒体が供給される充填筒と、
充填筒の中空部内に同軸上に配置されたオーガスクリューと、
オーガスクリューを回転駆動するサーボモータと、
サーボモータの回転軸に対し、原点からの回転角度位置を検出するエンコーダと、
を備えた粉粒体充填機の制御方法であって、
次の要件（ａ）〜（ｃ）を含むことを特徴とする。
（ａ）  サーボモータを指令トルクをもってトルク制御して、オーガスクリューをあらかじめ設定した回転速度パターンにて回転させ、１サイクル運転の間にあらかじめ設定した量の粉粒体を充填筒から吐出させる。
（ｂ）  充填筒内でオーガスクリューが粉粒体から受ける抵抗力の変化に伴い変動する粉粒体移送トルクを、エンコーダが検出した回転角度位置に基づき算出する。
（ｃ）  算出した粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値が、あらかじめ設定した上限しきい値を越えたとき、サーボモータを停止させる。
【０００７】
このように、粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値をもってオーガスクリューに作用する過負荷を検知して、速やかにオーガスクリューの回転を停止させることができる。なお、ここで「１サイクル運転」が、「充填筒の下方に配置された包装体に対して、オーガスクリューを回転して粉粒体を充填し、その後、粉粒体の充填量が一定量に達したときにオーガスクリューの回転を停止するまでの運転期間」であることは自明である。
【０００８】
上記要件（ｂ）において、粉粒体移送トルクは、例えば、次の（ｂ−１）〜（ｂ−３）の要件に基づき算出することはできる。
（ｂ−１）  エンコーダが検出した回転角度位置からオーガスクリューの加速度を算出する。
（ｂ−２）  算出したオーガスクリューの加速度に当該オーガスクリューに作用する慣性モーメントを乗じて加速トルクを算出する。
（ｂ−３）  エンコーダが検出した回転角度位置に対応する指令トルクから、算出した加速トルクを減算した値に基づいて粉粒体移送トルクを決定する。
【０００９】
上記要件（ｂ−３）は、例えば、エンコーダが検出した回転角度位置に対応する指令トルクから、算出した加速トルクを減算した値を粉粒体移送トルクとすることができる。
【００１０】
また、さらに次の要件（ｂ−４）および（ｂ−５）を含む方法として、
且つ、上記要件（ｂ−３）は、エンコーダが検出した回転角度位置に対応する指令トルクから、算出した加速トルクと、算出した動摩擦トルクと、算出した粘性トルクとを、それぞれ減算した値を粉粒体移送トルクとしてもよい。
（ｂ−４）  オーガスクリューが受ける構造的な動摩擦力に抗して当該オーガスクリューを回転させるために必要となる動摩擦トルクを算出する。
（ｂ−５）  オーガスクリューが受ける構造的な粘性に抗して当該オーガスクリューを回転させるために必要となる粘性トルクを算出する。
【００１１】
上記慣性モーメントは、例えば、充填筒に粉粒体を供給しない状態で、一定のトルクをもってサーボモータを制御するとともに、エンコーダによって検出される回転角度位置からオーガスクリューの加速度を算出し、当該一定のトルクから当該加速度を除して求めることができる。
【００１２】
動摩擦トルク及び粘性トルクは、例えば、次の（ｄ）及び（ｅ）の要件に基づき算出することができる。
（ｄ）充填筒に粉粒体を供給しない状態で、オーガスクリューの回転速度を段階的に変化させ、各回転速度における指令トルクをサンプリングする。
（ｅ）次の関係式に各回転速度の値と、当該回転速度毎にサンプリングした指令トルクの値とを代入して得られた連立方程式に基づき、動摩擦トルク及び粘性トルクを算出する。
ｆ＝（Ｄ×Ｖ）＋ｂ
ここで、ｆは指令トルク、Ｄは粘性負荷係数、Ｖはオーガスクリューの回転速度、（Ｄ×Ｖ）は粘性トルク、ｂは動摩擦トルクである。
【００１３】
上述した粉粒体充填機の制御方法において、
上記上限しきい値は、供給対象となる粉粒体ごとにあらかじめ設定されるオーガスクリューに作用する負荷の上限値に設定することが好ましい。
【００１４】
さらに、上述した粉粒体充填機の制御方法において、
供給対象となる粉粒体ごとにあらかじめ設定される前記オーガスクリューに作用する負荷の下限値を下限しきい値として設定し、
前記算出した粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値が、下限しきい値よりも低くなったとき、前記サーボモータを停止させることもできる。
【００１５】
これにより、粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値をもってオーガスクリューに作用する負荷不足を検知して、速やかにオーガスクリューの回転を停止させることができる。
【００１６】
次に、本発明の制御装置は、
中空部内へ粉粒体が供給される充填筒と、
充填筒の中空部内に同軸上に配置されたオーガスクリューと、
オーガスクリューを回転駆動するサーボモータと、
サーボモータの回転軸に対し、原点からの回転角度位置を検出するエンコーダと、
を備えた粉粒体充填機の制御装置であって、
上述した本発明の制御方法を実行してサーボモータを制御することを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明の制御装置は、
オーガスクリューと充填筒との間で電気的な導通を検出する手段を備え、
オーガスクリューと充填筒との間で電気的な導通が生じた際の、粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値を、上限しきい値として設定する構成としてもよい。
【００１８】
また、本発明の制御装置は、充填筒の下方に漏斗を設けるとともに、充填筒から吐き出され当該漏斗に溜まる粉粒体の上面高さを監視する粉粒体上面高さ監視手段を設け、
粉粒体上面高さ監視手段が監視する粉粒体の上面高さに基づき、当該粉粒体の上面高さがあらかじめ設定した値に達したときに、サーボモータの回転を停止させる構成を含むこともできる。
【発明の効果】
【００１９】
上述した発明によれば、粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値をもってオーガスクリューに作用する過負荷を検知して、速やかにオーガスクリューの回転を停止させることができる。
また、粉粒体移送トルクの値又は当該粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値をもってオーガスクリューに作用する負荷不足を検知して、速やかにオーガスクリューの回転を停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る制御装置が組み込まれた粉粒体充填機の概要を示す構成図である。
【図２】粉粒体移送トルク出力部の機能ブロック図である。
【図３】オーガスクリューの回転速度パターンと粉粒体移送トルクとの関係を示すグラフである。
【図４】他の実施形態に係る粉粒体移送トルク演算部の機能ブロック図である。
【図５】オーガスクリューの回転速度と、指令トルク、粘性トルク、動摩擦トルクとの関係を、粘性負荷係数Ｄ＝０．００１３と仮定して求めたグラフである。
【図６】充填筒へのオーガスクリューの接触検知手段を備えた制御装置の構成を説明するための構成図である。
【図７】本発明の応用例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
〔粉粒体充填機の概要〕
図１は本発明の実施形態に係る制御装置が組み込まれた粉粒体充填機の概要を示す構成図である。
同図に示すように、粉粒体充填機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。ホッパ１０には、上面の開口部から粉粒体が供給される。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の回転に伴い粉粒体が充填筒１１の中空部内で下方へ移送され、充填筒１１の下端に開口する吐出口１１ａから吐き出される。充填筒１１の下方には包装体１（包装袋や包装容器等）が配置され、その包装体１の内部へ粉粒体が定量充填される。
【００２２】
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翼を有した構造となっている。オーガスクリュー１２の上端はサーボモータ２０の回転軸２０ａに連結されており、サーボモータ２０によって回転駆動される。
【００２３】
サーボモータ２０はトルク制御されており、制御装置３０からの指令トルクによって駆動制御される。指令トルクは、オーガスクリュー１２をあらかじめ設定した回転速度パターンにて回転させ、１サイクル運転の間にあらかじめ設定した量の粉粒体を充填筒１１から吐出させるための制御用トルク信号である。この指令トルクは、供給対象となる粉粒体ごとに、オーガスクリュー１２の回転量と回転速度パターンとにより求められ、あらかじめ制御装置３０の図示しない記憶部に記憶されている。
【００２４】
また、サーボモータ２０にはエンコーダ４０が付設されている。エンコーダ４０は、サーボモータ２０の回転軸２０ａに対し、原点からの回転角度位置を検出してその検出信号を出力する。
【００２５】
〔制御装置３０の機能〕
制御装置３０は、運転制御部５０と、粉粒体移送トルク出力部６０と、粉粒体移送トルク異常判別部７０とを含んでいる。
運転制御部５０からはオーガスクリュー１２をあらかじめ定められた回転量と回転速度パターンで回転するようにサーボモータ２０に指令トルクが出力される。そして、サーボモータ２０は、エンコーダ４０からの検出信号によりフィードバック制御される。運転制御部５０からの指令トルクは、粉粒体移送トルク出力部６０にも送られる。また、粉粒体移送トルク出力部６０は、エンコーダ４０からの検出信号を入力している。
【００２６】
図２は粉粒体移送トルク出力部６０の機能ブロック図である。なお、オーガスクリュー１２には構造的な要因で粘性抵抗（粘性トルク）や動摩擦力（動摩擦トルク）が作用するが、同図に示す本実施形態ではそれら粘性トルクと動摩擦トルクの影響を省略している。
本実施形態では、充填筒１１内でオーガスクリュー１２が粉粒体を吐出するために必要なトルクを粉粒体移送トルクと定義し、この粉粒体移送トルクをエンコーダ４０から入力した回転角度位置と、運転制御部５０から入力した指令トルクとに基づき算出している。
ここでは、図２に示すように、粉粒体移送トルク出力部６０を、さらに速度演算部６１、加速度演算部６２、加速トルク演算部６３、粉粒体移送トルク演算部６４の各機能ブロックに分けて、粉粒体移送トルク出力部６０の機能を説明する。すなわち、粉粒体移送トルク出力部６０は、速度演算部６１で、エンコーダ４０から入力した回転角度位置を微分してオーガスクリュー１２の速度を算出する。次に、加速度演算部６２で、オーガスクリュー１２の速度をさらに微分してオーガスクリュー１２の加速度（角加速度）を算出する。続いて、加速トルク演算部６３で、オーガスクリュー１２の加速度（角加速度）に、オーガスクリュー１２に作用する慣性モーメントを乗じて、オーガスクリュー１２の加速トルクを算出する。
ここで、加速トルクとは、粉粒体が供給されていない状態で、粘性トルクや動摩擦トルクの影響を省略した際の、オーガスクリュー１２自体を回転させるさせるのに必要なトルクであり、サーボモータ２０やオーガスクリュー１２等の回転機構自体の慣性モーメントと加速度から求められる。加速トルクを算出する際に用いる慣性モーメントの値は、後述するように実験により求めて、あらかじめ制御装置３０の図示しない記憶部に記憶されている。
【００２７】
本実施形態（粘性トルクや動摩擦トルクの影響を省略した実施形態）では、オーガスクリュー１２を回転駆動するサーボモータ２０に出力された指令トルクから、オーガスクリュー１２自体を回転させるためのトルクを減じたトルクが、粉粒体を吐出するために使用されたトルク（粉粒体移送トルク）である。すなわち、運転制御部５０から出力された指令トルクの値から、上記算出した加速トルクの値を減算した値を粉粒体移送トルクとして、粉粒体移送トルク演算部６４においてこの粉粒体移送トルクを算出している。
粉粒体移送トルク演算部６４で算出された粉粒体移送トルクは、粉粒体移送トルク異常判別部７０に出力される（図１参照）。
【００２８】
図３はオーガスクリュー１２の回転速度パターンと粉粒体移送トルクとの関係を示すグラフである。
オーガスクリュー１２が粉粒体から受ける負荷がほぼ一定のときは、オーガスクリュー１２の回転速度パターンにしたがって、指令トルクと加速トルクとがほぼ比例して変化するため、粉粒体移送トルク出力部６０で算出された粉粒体移送トルクは、図３にＴａ１で示すように、大きな変動がなく一定範囲に収まっている。なお、充填筒１１に粉粒体が供給されない状態にあっては、オーガスクリュー１２が粉粒体から負荷を受けないため、加速トルクが指令トルクとほぼ同じ値となり、粉粒体移送トルクは、図３にＴａ０で示すようにほぼゼロとなる。
オーガスクリュー１２に粉粒体から過大な負荷が作用したときも、運転制御部５０はフィードバック制御によりオーガスクリュー１２を一定の速度で回転させようとするので、指令トルクが増大する。オーガスクリュー１２自体を回転させる加速トルクは、エンコーダ４０からの検出信号に基づく回転速度により算出されるので、指令トルクが増大しても、あらかじめ定められた回転速度パターンに従ってオーガスクリュー１２が回転する限り、当該回転速度パターンに従った値が演算される。一方、粉粒体からの過大な負荷のためにオーガスクリュー１２の回転角度位置の変化が少なくなったときは、加速トルクは、当該回転角度位置の変化に伴い小さくなる。その結果、指令トルクの値から加速トルクの値を減算して算出した粉粒体移送トルクは、図３にＴａ２で示すように局部的に大きな値を示す。
【００２９】
図１に戻り、粉粒体移送トルク異常判別部７０は、上述したように算出した粉粒体移送トルクの値が、あらかじめ設定した上限しきい値を越えたとき、運転制御部５０に異常検出信号を出力する。運転制御部５０は、異常検出信号を入力したとき、サーボモータ２０を停止させる。これにより、オーガスクリュー１２に過大な負荷が作用した状態で、無理にオーガスクリュー１２を回転させようとして、いわゆる粉噛み現象を生じさせたりオーガスクリュー１２の軸芯が振れたりして、極端な場合は機械の破損や粉粒体の破砕を招く不都合を回避することが可能となる。
ここで、上限しきい値は、オーガスクリュー１２に作用する負荷の上限値であり、供給対象となる粉粒体ごとに実験により求めて、あらかじめ制御装置３０の図示しない記憶部に記憶されている。この上限しきい値をどの程度の値に設定するかは、ユーザが任意に決定できる。
【００３０】
〔慣性モーメントについて〕
上記オーガスクリュー１２の加速トルクを算出する際に用いた慣性モーメントは、例えば、次のような手順であらかじめ求めることができる。
すなわち、充填筒１１に粉粒体を供給しない状態で、一定のトルクをもってサーボモータ２０を制御してオーガスクリュー１２を回転させる。そして、エンコーダ４０によって検出される回転角度位置から、オーガスクリュー１２の加速度を算出し、当該一定のトルクから当該加速度を除した値を慣性モーメントとする。
なお、慣性モーメントを算出精度を高めるためには、上記オーガスクリュー１２の回転駆動を多数回繰り返し、それらの回転駆動で得られた慣性モーメントの値の平均値を用いることが好ましい。
【００３１】
〔粉粒体移送トルク演算の高精度化〕
さて、上述した実施形態では、オーガスクリュー１２に本来作用する粘性抵抗と動摩擦力の影響を省略して粉粒体移送トルクを求めたが、オーガスクリュー１２には加速トルクの他に、構造的な要因から粘性抵抗や動摩擦力が作用している。よって、これら粘性抵抗や動摩擦力に対するトルクを考慮して粉粒体移送トルクを算出すれば、いっそう高精度にオーガスクリュー１２に作用する過負荷を判別することが可能となる。
すなわち、指令トルクは、加速トルクと、粘性トルクと、動摩擦トルクと、粉粒体移送トルクの総和であるとの前提のもとに粉粒体移送トルクを求める。
ここで、粘性トルクは、オーガスクリュー１２が受ける構造的な粘性に抗して、オーガスクリュー１２を回転させるために必要となるトルクである。また、動摩擦トルクは、オーガスクリュー１２が受ける構造的な動摩擦力に抗して、オーガスクリュー１２を回転させるために必要となるトルクである。
【００３２】
図４は上記の前提に基づき構成された他の実施形態に係る粉粒体移送トルク出力部６０の機能ブロック図である。
同図に示す実施形態では、粉粒体移送トルク出力部６０は、速度演算部６１、加速度演算部６２、加速トルク演算部６３、粉粒体移送トルク演算部６４の各機能ブロックに加えて、粘性トルク出力部６５と、動摩擦トルク出力部６６とを含んでいる。
粘性トルク出力部６５には、あらかじめ実験により求められた粘性負荷係数が設定してあり、速度演算部６１で算出されたオーガスクリュー１２の速度に対応した粘性トルクを粉粒体移送トルク演算部６４に出力する。また、動摩擦トルク出力部６６には、あらかじめ実験により求められた動摩擦トルクが設定してあり、この動摩擦トルクを粉粒体移送トルク演算部６４に出力する。
【００３３】
粉粒体移送トルク演算部６４は、エンコーダ４０が回転角度位置を検出した際に運転制御部５０から出力された指令トルクの値から、加速トルク演算部６３で算出した加速トルクの値と、粘性トルク出力部６５から出力される粘性トルクの値と、動摩擦トルク出力部６６から出力される動摩擦トルクの値とを減算して、粉粒体移送トルクを算出する。
【００３４】
〔粘性トルクと動摩擦トルクの算出〕
粘性トルクと動摩擦トルクは、まず充填筒１１に粉粒体を供給しない状態で、オーガスクリュー１２の回転速度を段階的に変化させ、各回転速度における指令トルクをサンプリングし、次の関係式に各回転速度の値と、当該回転速度毎にサンプリングした指令トルクの値とを代入して得られた連立方程式によって算出することができる。
ｆ＝（Ｄ×Ｖ）＋ｂ
ここで、ｆは指令トルク、Ｄは粘性負荷係数、Ｖはオーガスクリュー１２の回転速度、（Ｄ×Ｖ）は粘性トルク、ｂは動摩擦トルクである。
【００３５】
図５はオーガスクリュー１２の回転速度と、指令トルク、粘性トルク、動摩擦トルクとの関係を、粘性負荷係数Ｄ＝０．００１３と仮定して求めたグラフである。
同図のｆは指令トルク、ＤＶは粘性トルクの推定値、ｂは動摩擦トルクの推定値を示している。同図に示されるように、粘性トルクＤＶは、オーガスクリュー１２の回転速度Ｖに比例して変化する。また、動摩擦トルクｂは、オーガスクリュー１２の低速域の値ｂｍｉｎは、オーガスクリュー１２の回転速度に依存して変化するが、回転速度が一定値を越えた高速域の値ｂｍａｘは、回転速度に依存することなくほぼ一定の値を示す。具体的には、オーガスクリュー１２の回転速度が３００ｒｐｍ近くに至るまではその回転速度に依存して動摩擦トルク値ｂｍｉｎが変化し、３００ｒｐｍを越えると動摩擦トルクの値ｂｍａｘが一定値に収束している。
【００３６】
次に、粘性トルクと動摩擦トルクを求める手順の具体例を説明する。
まず、オーガスクリュー１２の回転速度を１００〜８００ｒｐｍまで１００ｒｐｍ刻みで段階的に変化させて、指令トルクを測定する。
粘性負荷係数の算出は、オーガスクリュー１２の高速域での傾きを求めれば導き出せることが図５からわかるので、オーガスクリュー１２の回転速度が４００ｒｐｍと８００ｒｐｍのときの指令トルクを測定し、ｆ＝（Ｄ×Ｖ）＋ｂの連立方程式から粘性負荷係数Ｄｎを算出する。そして、そのときの動摩擦トルクｂの値は、一定値に収束した値ｂｍａｘとなる。オーガスクリュー１２の低速域での動摩擦トルクの傾きＤｇは、１００ｒｐｍ、２００ｒｐｍのときの傾きＤｍを算出し、Ｄｇ＝Ｄｍ−Ｄｎによって求めることができる。なお、実際の関係は曲線のため、この算出方法で得られた値は、近似値である。
このように、オーガスクリュー１２を１００ｒｐｍ、２００ｒｐｍ、４００ｐｍ、８００ｒｐｍの各回転速度で駆動して、ｆ＝（Ｄ×Ｖ）＋ｂの連立方程式から自動計算することで、粘性トルクと動摩擦トルクを算出することができる。
以下に具体的な計算例を示す。
＜オーガスクリュー１２の回転速度が３００ｒｐｍ以上のとき＞
ｆ４＝Ｄｎ×４００×（２π／６０）＋ｂｍａｘ
ｆ８＝Ｄｎ×８００×（２π／６０）＋ｂｍａｘ
ｆ８−ｆ４＝Ｄｎ×４００×（２π／６０）
Ｄｎ＝（ｆ８−ｆ４）／｛４００×（２π／６０）｝
ｂｍａｘ＝ｆ４−Ｄｎ×｛４００×（２π／６０）｝
＜オーガスクリュー１２の回転速度が３００ｒｐｍ未満のとき＞
ｆ２＝Ｄｍ×２００×（２π／６０）＋ｂｍｉｎ
ｆ１＝Ｄｍ×１００×（２π／６０）＋ｂｍｉｎ
Ｄｍ＝（ｆ２−ｆ１）／｛１００×（２π／６０）｝
Ｄｇ＝Ｄｍ−Ｄｎ
ｂｍｉｎ＝ｆ２−Ｄｍ×２００×（２π／６０）
【００３７】
〔充填筒１１へのオーガスクリュー１２の接触検知〕
図６は充填筒１１へのオーガスクリュー１２の接触検知手段を備えた制御装置３０の構成を説明するための構成図である。
同図に示す制御装置３０は、導通検知部８０を備えている。この導通検知部８０は、オーガスクリュー１２と充填筒１１との間における電気的な導通を検出して、充填筒１１へのオーガスクリュー１２の接触検知する機能を有している。一般に、充填筒１１とオーガスクリュー１２は金属材料で形成されている。したがって、充填筒１１内でオーガスクリュー１２が粉粒体から受ける過負荷によって横方向に振れて、充填筒１１の内周面に接触すると、充填筒１１とオーガスクリュー１２との間が電気的に導通する状態となる。そこで、充填筒１１とオーガスクリュー１２の一方にプラスの電圧を他方にマイナスの電圧を印加しておき、オーガスクリュー１２が充填筒１１に接触したときの電気的な導通を、導通検知部８０が検出する構成となっている。
【００３８】
導通検知部８０は、オーガスクリュー１２が充填筒１１に接触したときの電気的な導通を検出したとき、粉粒体移送トルク異常判別部７０に導通信号を出力する。粉粒体移送トルク異常判別部７０は、導通検知部８０からの導通信号を入力したとき、運転制御部５０に異常検出信号を出力する。運転制御部５０は、異常検出信号を入力したとき、サーボモータ２０を停止させる。これにより、オーガスクリュー１２に過大な負荷が作用した状態で、無理にオーガスクリュー１２を回転させようとして、いわゆる粉噛み現象を生じさせたり、極端な場合は機械の破損や粉粒体の破砕を招く不都合を回避することが可能となる。
【００３９】
また、粉粒体移送トルク異常判別部７０は、導通検知部８０からの導通信号を入力したとき粉粒体移送トルクに基づいて上限しきい値を設定変更する機能を有している。例えば、導通検知部８０からの導通信号を入力したとき粉粒体移送トルクや、当該粉粒体移送トルクより低い値（例えば、当該粉粒体移送トルクの８０％程度の値）を、上限しきい値を設定変更する。
これにより、充填筒１１内でオーガスクリュー１２が粉粒体から受ける過負荷によって横方向に振れて、充填筒１１の内周面に接触するといった障害を回避することが可能となる。
【００４０】
〔オーガスクリュー１２に作用する負荷の下限しきい値の設定〕
上述した実施形態では、粉粒体移送トルク異常判別部７０に、オーガスクリュー１２に作用する過負荷に対応して粉粒体移送トルクの上限しきい値を設定していたが、これに限らず、粉粒体移送トルク異常判別部７０に、供給対象となる粉粒体ごとにオーガスクリュー１２に作用する負荷の下限値を下限しきい値として設定し、粉粒体移送トルク出力部６０で算出した粉粒体移送トルクの値が、その下限しきい値よりも低くなったとき、サーボモータ２０を停止させるように構成することもできる。
【００４１】
充填筒１１に供給される粉粒体の量が不足した状態にあっては、オーガスクリュー１２に作用する負荷が低くなり、これに伴い粉粒体移送トルク出力部６０で算出した粉粒体移送トルクの値も小さくなることがある。そこで、粉粒体移送トルク異常判別部７０に下限しきい値を設定し、当該下限しきい値よりも粉粒体移送トルクの値が小さくなったとき、粉粒体の供給不足が生じていると判断して、速やかにオーガスクリュー１２の回転を停止させる。これにより、包装体１への粉粒体の充填不足による不良品の発生を抑制し、歩留まりの向上を図ることができる。
【００４２】
なお、本発明は上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、必要に応じて変形実施又は応用実施が可能である。
例えば、上述した実施形態では、粉粒体移送トルク出力部６０で算出した粉粒体移送トルクの値が、あらかじめ設定した上限しきい値を越えたとき、サーボモータ２０を停止させる構成としていたが、これに限定されるものではない。すなわち、粉粒体移送トルク異常判別部７０は、粉粒体移送トルクの１サイクル運転の間における積算値が、あらかじめ設定した上限しきい値を越えたときや、あらかじめ設定した下限しきい値よりも低くなったとき、運転制御部５０に異常検出信号を出力する構成としてもよい。運転制御部５０は、異常検出信号を入力したとき、サーボモータ２０を停止させる。
【００４３】
また、問題なく粉粒体の充填動作が行われた定常状態のときの粉粒体移送トルクの値やその１サイクル運転における積算値を複数回（例えば、１０回）求めて、その平均値を算出して、当該平均値を一定割合増した値（例えば、当該平均値の１５０％の値）を上限しきい値とし、当該平均値を一定割合減らした値（例えば、当該平均値の５０％の値）を下限しきい値として設定することもできる。
【００４４】
図７は、本発明の応用例を示す構成図である。
同図に示すように、粉粒体充填機は、包装体１へ粉粒体を確実に充填するために、充填筒１１の下方に漏斗９１が設けてある。充填筒１１から吐出された粉粒体は、漏斗９１の内部に供給され、この漏斗９１の下部中央に形成した排出口９１ａから下方に落下して包装体１の内部に充填される。ここで、漏斗９１に形成した排出口９１ａの開口面積は、漏斗内部に粉粒体が滞留して溜まっていかないように充分広く設定してある。
ところが、漏斗９１内で粉粒体の詰まりが生じると、包装体１への円滑が粉粒体の充填が阻害されるばかりか、漏斗９１から粉粒体が溢れ出して周囲を汚損してしまう可能性がある。
【００４５】
そこで、図７に示す粉粒体充填機では、充填筒１１から吐き出され当該漏斗９１に溜まる粉粒体の上面高さを監視する手段（粉粒体上面高さ監視手段９０）を備えた構成となっている。粉粒体上面高さ監視手段９０としては、例えば、光センサ９２を用いて粉粒体の上面高さを検出する構成とすることができる。
【００４６】
漏斗９１内に供給された粉粒体が正常に排出口９１ａから落下して包装体１に充填されている間は、漏斗９１内で粉粒体の上面高さが過大に高くなることはない。しかし、漏斗９１も排出口９１ａに詰まりが生じたりして、正常に粉粒体が吐出されない異常が発生すると、漏斗９１に供給された粉粒体の上面高さが上昇していく。粉粒体の上面高さ監視手段９０は、このようにして上昇する漏斗９１内の粉粒体の上面高さを監視している。
【００４７】
そして、粉粒体上面高さ監視手段９０は、あらかじめ設定してある上限高さを漏斗９１内の粉粒体の上面高さが越えたとき、粉粒体の詰まりを示す検知信号を制御装置３０の運転制御部５０に出力する。運転制御部５０は、粉粒体上面高さ監視手段９０からの検知信号を入力したとき、サーボモータ２０を停止させる。これにより、漏斗９０内での粉粒体の詰まりに伴う不都合を回避し、粉粒体充填機をいっそう安定して運転させることが可能となる。
【００４８】
なお、本発明とは離れるが、粉粒体の漏斗内での詰まりを検出する機能を備えた粉粒体充填機の構成は、粉粒体移送トルクに基づくオーガスクリュー１２の運転制御（サーボモータ２０の駆動制御）とは切り離して利用することも可能である。その場合の粉粒体充填機の構成は次のようになる。
すなわち、中空部内へ粉粒体が供給される充填筒と、
前記充填筒の中空部内に同軸上に配置されたオーガスクリューと、
前記オーガスクリューを回転駆動するサーボモータと、
前記サーボモータを駆動制御する運転制御部と、
前記充填筒の下方に設けた漏斗と、
前記充填筒から吐き出され前記漏斗に溜まる粉粒体の上面高さを監視して、当該粉粒体の上面高さがあらかじめ設定した値に達したとき、前記運転制御部に検知信号を出力する粉粒体上面高さ監視手段と、を備え、
前記運転制御部は、前記粉粒体の上面高さ監視手段から検知信号を入力したとき、サーボモータを停止させる構成の粉粒体充填機となる。
【符号の説明】
【００４９】
１：包装体、１０：ホッパ、１１：充填筒、１２：オーガスクリュー、
２０：サーボモータ、３０：制御装置、４０：エンコーダ、５０：運転制御部、６０：粉粒体移送トルク出力部、６１：速度演算部、６２：加速度演算部、６３：加速トルク演算部、６４：粉粒体移送トルク演算部、６５：粘性トルク出力部、６６：動摩擦トルク出力部、７０：粉粒体移送トルク異常判別部、８０：導通検知部、９０：粉粒体上面高さ監視手段、９１：漏斗、９２：光センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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