(57)【要約】【課題】流動物体をより詳細に計測することで深く検証し、更にスクリュー搬送における搬送効率・混合効率を上げるための物理メカニズムを考察しようとする。【解決手段】トレーサー２１を流動中に注入しそのトレーサー２１を画像観察することで流動を可視化する搬送流動の計測装置１において、トラフ状の容器４２内に対してスクリュー４１のブレード４１１が一定の位相状態にある時に、トレーサー２１を流動物体中に注入するトレーサー注入装置２０を設置し、さらに、トラフ状容器４２に透過力の高い放射線を照射する放射線照射装置１０と、前記放射線照射装置１０に対向して、放射線強度を画像化する画像化装置６２を備える画像処理装置６０を有し、かつ、トレーサー２１が観察対象の流動物体よりも高い該放射線吸収率を有している。【選択図】図３
2011163917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に収納された流動物体を、回転する構造体で回転軸方向に搬送する搬送装置にトレーサーを注入して、そのトレーサーの搬送を可視化する搬送流動の計測装置において、
前記搬送流動の計測装置は、
トレーサーを容器内の流動物体中に注入するトレーサー注入装置と、
前記容器に透過力の高い放射線を照射する放射線照射装置と、
前記放射線照射装置に対向して、放射線強度を画像化する画像化装置とを有し、かつ、
前記トレーサーが観察対象の流動物体よりも高い該放射線吸収率を有している
ことを特徴とする搬送流動の計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の搬送流動の計測装置において、
前記容器は、トラフ状容器であって、トラフ内に構造体が配置されている
ことを特徴とする搬送流動の計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の搬送流動の計測装置において、
前記構造体は、羽根状のブレードが円柱状の軸周囲に螺旋状に巻きつけられていて、前記流動物体及びトレーサーを軸方向に搬送する
ことを特徴とする搬送流動の計測装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の計測装置において、
前記流動物体及びトレーサーが、粉体である
ことを特徴とする搬送流動の計測装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の計測装置において、
前記画像化装置は、前記トレーサーが流動物体と共にトラフ状の容器内を移動する際に描く軌跡（以下、「パスライン」という）を撮影する撮影装置と、
撮影されたパスラインを画像平均処理する画像処理装置と、を備えている
ことを特徴とする搬送流動の計測装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の計測装置において、
前記構造体のブレードが、一定の位相状態にある
ことを特徴とする搬送流動の計測装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の計測装置において、
前記トレーサーの注入場所を、複数設けている
ことを特徴とする搬送流動の計測装置。
【請求項８】
容器内に収納された流動物体を、回転する構造体で回転軸方向に搬送する搬送装置にトレーサーを注入して、そのトレーサーの搬送を可視化する搬送流動の計測方法において、
前記搬送流動の計測方法は、
前記流動物体よりも高い該放射線吸収率を有しているトレーサーを流動物体中に注入し、
容器に放射線を照射して、放射線を画像化する
ことを特徴とする搬送流動の計測方法。
【請求項９】
請求項８に記載の搬送流動の計測方法において、
前記容器は、トラフ状容器であって、トラフ内に構造体が配置されている
ことを特徴とする搬送流動の計測方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の搬送流動の計測方法において、
前記構造体は、羽根状のブレードが円柱状の軸周囲に螺旋状に巻きつけられていて、前記流動物体及びトレーサーを軸方向に搬送する
ことを特徴とする搬送流動の計測方法。
【請求項１１】
請求項８ないし１０のいずれかに記載の計測方法において、
前記流動物体及びトレーサーが、粉体である
ことを特徴とする搬送流動の計測方法。
【請求項１２】
請求項８ないし１１のいずれかに記載の計測方法において、
前記トレーサーが流動物体と共にトラフ状の容器内を移動する際に描く軌跡（以下、「パスライン」という）を注入されたトレーサー毎に撮影し、撮影されたパスラインを画像平均処理する
ことを特徴とする搬送流動の計測方法。
【請求項１３】
請求項８ないし１２のいずれかに記載の計測方法において、
前記構造体のブレードが、一定の位相状態にある
ことを特徴とする搬送流動の計測方法。
【請求項１４】
請求項８ないし１３のいずれかに記載の計測方法において、
前記トレーサーの注入場所を、複数設けている
ことを特徴とする搬送流動の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転スクリューで搬送される流動物体の搬送状態を計測する搬送流動の計測する装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トラフ状の容器（トラフ状容器）に充填された、粉体やゲル状の流動物体を、回転するスクリューによって搬送する手法は、電子写真画像形成装置の小型現像剤粉体搬送から、生産プラントで大容量の材料輸送にまで広い産業分野で利用されている。一般的に質量が大きく、エアーを利用した流動層輸送では難しい物体の輸送に向いており、搬送効率が高く重力に抗して輸送可能であることなど、様々な特長を有する。また、搬送と同時に数種類の材料を混合させることも可能である。
スクリュー形状は基本的には、シリンダー状の軸の周囲に羽根形状のブレードを巻きつけた螺旋状構造を有している。これを回転させることによって、ブレード面に接している物体に搬送方向に物理的な圧力を与えて搬送力としている。一般に軸方向にブレードの巻き数を増やすほど搬送力は高いが、搬送スピードは落ちるという特徴があるが、ブレード・トラフ状容器の表面と搬送物体との摩擦や、搬送物体界面との関係によって、搬送の際の流動物理は非常に複雑となる。
よって、搬送効率や混合効率を上げることを目的として、この流動物理を明らかにするために流動の特徴を計測しようとする試みがなされている。
例えば、特許文献１では、粉体内部に金属トレーサーを混入させ、エックス線で挙動を観察しており、パスラインや流速などの物理特徴量が計測できる。
また、その他に、エックス線などで粉体搬送を動的・場全体で計測することにより、粉体搬送物構造体の情報を合わせて演算することによって、粉体比重場を動的に計測しようとしている計測装置が知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、スクリュー搬送流動では、流動の特徴が空間的に大きく異なっていることが分かっている。例えば、搬送物体が粉体の場合、粉体を構成する粒子群がスクリューによって搬送される過程で、内部から空気中に露出した界面領域、スクリューブレードとトラフ状容器とで狭窄される領域、粉体中に発生する不連続な亀裂面領域などを移動した場合、搬送に関わる特性が変化する。特に、上記の領域では混合が大きく促進されることがある。このようにスクリュー形状に対してローカルな流動物体の搬送状態を検討する際には、引用文献１及び公知技術のような手法では、不十分であるという問題点がある。
【０００４】
以上の問題点に鑑み、本発明は、このような流動物体をより詳細に計測することで、その搬送状態を深く検証し、さらに、スクリュー搬送における搬送効率・混合効率を上げる搬送流動を可視化する計測装置及びその計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
本発明の搬送流動の計測装置は、容器内に収納された流動物体を、回転する構造体で回転軸方向に搬送する搬送装置にトレーサーを注入して、そのトレーサーの搬送を可視化する搬送流動の計測装置において、トレーサーを容器内の流動物体中に注入するトレーサー注入装置と、前記容器に透過力の高い放射線を照射する放射線照射装置と、前記放射線照射装置に対向して、放射線強度を画像化する画像化装置とを有し、かつ、前記トレーサーが観察対象の流動物体よりも高い該放射線吸収率を有していることを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測装置は、さらに、前記容器は、トラフ状容器であって、トラフ内に構造体が配置されていることを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測装置は、さらに、前記構造体は、羽根状のブレードが円柱状の軸周囲に螺旋状に巻きつけられていて、前記流動物体及びトレーサーを軸方向に搬送することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の搬送流動の計測装置は、さらに、前記流動物体及びトレーサーが、粉体であることを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測装置は、さらに、前記画像化装置は、前記トレーサーが流動物体と共にトラフ状の容器内を移動する際に描く軌跡（以下、「パスライン」という）を撮影する撮影装置と、撮影されたパスラインを画像平均処理する画像処理装置と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測装置は、さらに、前記構造体のブレードが、一定の位相状態にあることを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測装置は、さらに、前記トレーサーの注入場所を、複数設けていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の搬送流動の計測方法は、容器内に収納された流動物体を、回転する構造体で回転軸方向に搬送する搬送装置にトレーサーを注入して、そのトレーサーの搬送を可視化する搬送流動の計測方法において、前記流動物体よりも高い該放射線吸収率を有しているトレーサーを流動物体中に注入し、容器に放射線を照射して、放射線を画像化することを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測方法は、さらに、前記容器は、トラフ状容器であって、トラフ内に構造体が配置されていることを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測方法は、さらに、前記構造体は、羽根状のブレードが円柱状の軸周囲に螺旋状に巻きつけられていて、前記流動物体及びトレーサーを軸方向に搬送することを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測方法は、さらに、前記流動物体及びトレーサーが、粉体であることを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測方法は、さらに、前記トレーサーが流動物体と共にトラフ状の容器内を移動する際に描く軌跡（以下、「パスライン」という）を注入されたトレーサー毎に撮影し、撮影されたパスラインを画像平均処理することを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測方法は、さらに、前記構造体のブレードが、一定の位相状態にあることを特徴とする。
また、本発明の搬送流動の計測方法は、さらに、前記トレーサーの注入場所を、複数設けていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記課題を解決する手段である本発明によって、以下のような効果を奏する。
本発明の搬送流動の計測装置では、スクリュー搬送によって生じる搬送物体中の流動構造を詳細に解析することが可能となる。加えて、より具体的な画像処理によって計測精度の良い評価を行うことができ、かつ、よりローカルな流動構造をより詳細に解析することが可能となる。更に、搬送物体が粉体であるときにも、移動する際に描く軌跡を計測することが可能となりまた、可視光では可視化が不可能な搬送物体についても移動する際に描く軌跡を得ることが可能となる。
【０００９】
本発明の搬送流動の計測方法では、スクリュー搬送によって生じる搬送物体中の流動構造を詳細に解析することが可能となる。加えて、より具体的な画像処理によって計測精度の良い評価を行うことができ、かつ、よりローカルな流動構造をより詳細に解析することが可能となる。更に、搬送物体が粉体であるときにも、移動する際に描く軌跡を可視化する計測が可能となりまた、可視光では可視化が不可能な搬送物体についても移動する際に描く軌跡を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】搬送に用いる基本的な螺旋状のブレードを有するスクリューを撮影した写真であり、（ａ）は反射像で、（ｂ）は透過像である。
【図２】透過画像上で回転するスクリューの位相を示す図である。
【図３】本発明の搬送流動の計測装置の構成を示す図である。
【図４】スクリューの位相による流動構造の違いを示した図である。
【図５】連続的にトレーサーを注入し、独立したパスラインで分離したものを示した図である。
【図６】トレーサーの注入タイミングを４分割したものを示した図である。
【図７】トレーサー注入をＡは鉛直方向からＢは水平方向から示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における実施の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。
【００１２】
以下、図を用いて発明の好適な実施形態について説明する。
図１は、搬送に用いる基本的な螺旋状のブレードを有するスクリューを撮影した写真であり、（ａ）は反射像で、（ｂ）は透過像である。
図１の撮影した透過画像で示すように、（ａ）に示す反射像ではスクリュうー４１の形状、表面の状態を見ることができるが、（ｂ）に示す透過像では、陰影を見ることができるだけである。
搬送装置４０は、トラフ状の形状を有する容器４２に、そのトラフ内に流動物体の搬送に用いる構造体としてスクリュー４１を備えている。容器４２をトラフ状にしたのは、磁性キャリアと非磁性トナーとのを用いる画像形成装置の現像剤では、同様に、周囲の壁を設けてトラフ状にした現像装置で、これらの現像剤、補給される新規トナーとを搬送し、混合している。したがって、これらの現像装置に近い状態で、トレーサー２１の搬送状態を計測した。
トラフ状容器４２内に、このスクリュー４１で搬送される流動物体が充填して、収納されている。また、この回転するスクリュー４１は、円柱状で、両端がトラフ状容器４２の筐体で軸支される軸４１２を有している。また、このスクリュー４１は、螺旋状に軸４１２の周囲に巻きつけられている羽根状のブレード４１１を備えている。ブレードの羽根の形状は、特に、限定されないが、図１に示す形状が、最も効率的に流動物体を搬送することができる。
【００１３】
また、図２は、透過画像上で回転するスクリューの位相を示す図である。
透過像の画像（透過画像）上では回転するスクリュー４１は、図２が示すように、軸４１２の方向に対してブレード４１１が、右から左へ移動しているように撮影される。同様に、流動物体とトレーサー２１とも右から左へ移動しているように撮影される。
このスクリュー４１の回転速度ω(１／秒)が一定の場合、螺旋状ブレード４１１のピッチをＤ（ｍｍ）とすると、透過画像上で移動するブレード４１１の移動速度は、一定値ωＤ（ｍｍ／秒）となる。
流動物体を収納するトラフ状容器４２に対して空間上の一点を任意に決め原点０と定義する。スクリュー４１の軸４１２の方向をｘ軸とした時に、ブレード４１１の頂点Ｐと原点０とのｘ軸方向の距離をｄとする。但し、ｎＤ≦ｄ＜（ｎ＋１）Ｄ（ｎは１以上の整数）となった時は、ｄをｄ−ｎＤとおく。このときｄ／Ｄをスクリュー位相と定義する。スクリュー位相は、０≦（ｄ／Ｄ）＜１となる。
例えば、０≦ｄ＜Ｄの点のスクリュー位相は、ｄ／Ｄとなる。
Ｄ≦ｄ＜２Ｄの点のスクリュー位相は、（ｄ−Ｄ）／Ｄとなる。
ｎＤ≦ｄ＜（ｎ＋１）Ｄ（ｎは１以上の整数）の点のスクリュー位相は、（ｄ−ｎＤ）／Ｄとなる。
このスクリュー位相が、０以上で１未満の場合でスクリュー４１のブレードピッチＤが一定の場合、ｘ軸方向については、他のブレード４１１に対するスクリュー位相が等しく、各スクリューピッチＤ間でブレード４１１が同じ状態にあれば、流動物体の搬送状態はほぼ等しい。したがって、トラフ状容器４２内に対してスクリュー４１のブレード４１１が一定の位相状態にする。
これは、実際の、例えば、画像形成装置の現像装置、トナーの搬送装置でも、特に、現像剤、トナーを攪拌して混合を目的とする以外は、スクリュー４１のブレード４１１を一定の位相状態にすることで、不必要な負荷をかけて現像剤等の劣化を促進するのを防止することができる。
【００１４】
図３は、本発明の搬送流動の計測装置の構成を示す図である。
図３に示すように、本発明の搬送流動の計測装置１は、エックス線（Ｘ線）を発生させるエックス線管１０と、トレーサー２１を収容するトレーサー注入装置２０と、トレーサー２１をトラフ状容器４２に投入するための高速シャッター開閉装置３０と、この高速シャッター開閉装置３０のシャッターを開閉し、かつ、スクリュー４１を回転するためのステッピングモータ４３と、流動物体とスクリュー４１とを収納するトラフ状容器４２と、Ｘ線を受けて画像化する蛍光板（シンチレーター）５０と、このシンチレーター５０の画像を捉える画像化装置６０を備えている。この画像化装置６０は、蛍光板（シンチレーター）５０の蛍光材料でＸ線が画像化された画像を撮影する撮影装置として光学ビデオカメラ６１と、撮影された画像を画像平均処理し、画像データを処理して蓄積する画像処理装置６２とを備えている。
エックス線管１０のＸ線の種類は、特に限定しないが、透過性の高いＸ線が好ましく、軟Ｘ線より硬Ｘ線が良い。対陰極として銅、モリブデン、タングステンなどが好ましい。
トラフ状容器４２には、直径０．１１ｍｍのグラスビーズ粒子からなる粉体が充填されており、図中右から左方向にスクリュー４１によって搬送されている。スクリュー４１は、ブレードピッチＤは２５ｍｍ、ブレード４１１の直径２０ｍｍ、回転数が１００ｒｐｍである。
【００１５】
トレーサー２１としては、直径０．１１ｍｍのタングステン粒子を用いている。タングステン粒子がトレーサー２１として流動物体として用いるグラスビーズ粉体に十分追随することができる。なお、流動物体は、個々では、ガラスビーズ粉体を用いたが、特に、これに限定するものではない。ただし、トレーサー２１は、流動物体よりも高い該放射線吸収率を有していることが好ましい。これで、トレーサー２１の搬送状態をより明確に計測することができる。
トレーサー２１は、最下部の注入口が設けられた図示しないサイロ状の容器を備えるトレーサー注入装置２０内に収納されている。
トレーサー注入装置２０の注入口２２には、高速シャッター開閉装置３０の水平移動するシャッター３１が接触しており、通常は注入口２２は塞がれている。シャッター３１は任意のタイミングで高速水平移動し、注入口２２を開放して、トレーサー２１がスクリュー４１で搬送される流動粉体中に注入される。このように、この搬送装置４０では、軸４１２の回転する軸方向に流動物体を搬送するようになっており、さらに、この流動物体中にトレーサー２１を注入できるようになっている。
図中上方からはエックス線管１０によって、トラフ状容器４２内の流れ場領域に透過力の強いＸ線が照射されている。スクリュー４１の搬送している場所を透過したＸ線は、下方に設置されているシンチレータ５０によって可視光の二次元の画像化される。
グラスビーズ粉体はエックス線吸収率が非常に低いために、この領域に照射されたエックス線は殆ど透過する。一方、タングステンのトレーサー２１は吸収率が高いために、「黒い」領域として画像化される。結果的にタングステンのトレーサー２１が流動する像が可視化される。タングステンと粉体が殆ど同一の流動性質を示すために、このタングステントレーサー２１の挙動によって流動の性質を把握することが可能となる。
【００１６】
図４は、スクリューの位相による流動構造の違いを示した図である。
図３が示すように、スクリュー４１はステッピングモータ４３によって回転されている。一回転あたりに発生するパルス数をｎとする。ある特定のスクリュー位相に着目し、その流動の特徴を可視化する。具体的には、原点Ａと、スクリュー位相が０．５だけ異なる点Ｂにトレーサー２１を注入し、そのトレーサー２１の挙動を違いから、スクリュー４１のスクリュー位相による流動構造の違いを調べることとする。
図５は、連続的にトレーサーを注入し、独立したパスラインを示した写真である。
点Ａが原点０と一致する時のステッピングモーターの累積パルス数がNだったとすると、パルス数がN＋Ａｎ（Ａ：正の整数）の時に、トレーサー２１の注入を行うことで原点Ａから、トラフ状容器４２内をトレーサー２１が通過する。このトレーサー２１が通過する経路であるパスラインがある。
ここでは、連続的にトレーサー２１をトラフ状容器４２に注入し、本発明の搬送流動の計測装置１で、Ｘ線を照射しながら、通過するトレーサー２１をシンチレーター５０に表示させる。図５は、実際に得られたトレーサー２１が通過する経路であるパスライン画像を独立したパスラインで分離した画像である。
図５が示すように、画像平均処理する画像処理装置６０によって、実際のトラフ状容器４２等のＸ線透過画像によるトレーサー２１の粒子の軌跡を、トラフ状容器４２等の画像を画像処理で重ねた図となる。
これによって、回転するスクリュー４１を備えるトラフ状容器４２内で、投入されたトレーサー２１が、どのような経路で搬送されていくのかを計測することができる。このようにデータを連続して得られることから、流動物体の計測の精度が向上させることができる。
【００１７】
図６は、トレーサーの注入タイミングを４分割したものを示した図である。
図６が示すように、トレーサー２１の注入タイミングを、位相に対して４分割して行うこととする。また注入箇所は、スクリュー４１の軸４１２の中心である。すなわちこれによりスクリュー位相ｄ／Ｄ=０、０．２５、０．５、０．７５となる。それぞれの投入位置をスクリュー位相ｄ／Ｄに基づいて、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとした。なお、スクリュー４１のピッチＤ=３２．５ｍｍである。
ある任意のタイミングをｔ=ｔ０とし、このときのパルス数がNであったとする。パルス数はステッピングモータ４３に接続するパルスカウント装置によって計数されている。パルス数のカウントを行い、N、N＋０．２５ｎ、N＋０．５ｎ、N＋０．７５ｎとなる時間にトレーサー２１の注入タイミングを設ける。このときに、投入されたトレーサー２１のトラフ状容器４２内でのｘ軸方向のスクリュー位相における流動状態が、トレーサー２１の挙動として可視化することによって、パスラインで分離した画像で把握できる。
【００１８】
図７は、トレーサーを注入して、そのパスラインを示した図であり、（ａ）は鉛直方向から、（ｂ）は水平方向から見た図である。
図７に示すように、この場合はトレーサー２１を画像処理で一点の座標として求めたものとなる。投入位置をスクリュー位相ｄ／Ｄに基づいて、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのパスラインが画像として計測することができた。
図７（Ａ）は、鉛直方向から観察したもの、図７（Ｂ）は水平方向から観察したもので、同一の線種のトレーサー２１は同一注入ポイントからのパスラインとなる。
このように、トレーサー２１の注入点を変化させることによって、その注入点のスクリュー位相によって流動状態を精度良く解析することが可能となる。
【符号の説明】
【００１９】
１  計測装置
１０  エックス線管
２０  トレーサー注入装置
２１  トレーサー
２２  注入口
３０  高速シャッター開閉装置
３１  シャッター
４０  搬送装置
４１  スクリュー
４２  トラフ状容器
４３  ステッピングモーター
５０  シンチレータ
６０  画像化装置
６１  光学ビデオカメラ
６２  画像処理装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００６−２５８５５３号公報
【図１】
2011163917.tif 000003
【図２】
2011163917.tif 000004
【図３】
2011163917.tif 000005
【図４】
2011163917.tif 000006
【図６】
2011163917.tif 000007
【図７】
2011163917.tif 000008
【図５】
2011163917.tif 000009