(57)【要約】【課題】  粉末成形用金属粉末の見掛密度を、成形プロセスの進行を阻害せず、迅速に測定可能として成形毎の全数測定を可能とし、成形品の品質の向上、コストの低減を図る。同測定を、簡単な構成で実現する。【解決手段】  粉末供給ホース３からの金属粉末４を収容し、側方に移動してその金属粉末４を成形用金型内に落下、充填させる動作を繰り返すフィーダ１を備えた金属粉末の成形装置において、フィーダ１内の金属粉末４の静電容量を測定する粉末静電容量測定手段１１を設ける。またこの静電容量測定手段１１の測定値に基づいてフィーダ１内の金属粉末４の見掛密度を算出する演算手段１２を設ける。電気的な手段で測定を行い、成形プロセスの機構部に大幅な改造を要さない構成となって上記課題が達成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末供給手段からの金属粉末を収容し、側方に移動してその収容した金属粉末を成形用金型のキャビティ内に落下、充填させる動作を繰り返すフィーダを備えた金属粉末の成形装置において、
前記フィーダ内に収容した金属粉末の静電容量を測定する粉末静電容量測定手段と、
この粉末静電容量測定手段からの測定値に基づき、前記フィーダ内に収容した金属粉末の見掛密度を算出する演算手段とを具備することを特徴とする粉末成形用金属粉末の見掛密度自動測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の粉末成形用金属粉末の見掛密度自動測定装置において、
フィーダ内に収容した金属粉末の温度を測定する粉末温度測定手段を備え、
演算手段は、この粉末温度測定手段からの測定値及び粉末静電容量測定手段からの測定値に基づき、前記フィーダ内に収容した金属粉末の見掛密度を算出することを特徴とする粉末成形用金属粉末の見掛密度自動測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末成形に供する金属粉末の見掛密度を自動的に測定する、粉末成形用金属粉末の見掛密度自動測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、機械部品を得るための技術の一つに粉末冶金がある。これは、金属を主成分とする原料粉末（金属粉末）を成形装置によりプレス成形して圧粉体とし、これを焼結炉で加熱して焼結する技術である。この粉末冶金によれば、金属を削るよりも複雑な形状の部品を大量に安く製作できる利点があり、自動車のエンジン部品等の製作に利用されている。
【０００３】
上記成形装置においては、金属粉末を、ホッパから供給管を介してフィーダ内に供給し、このフィーダを、金型の一部を形成する下パンチの上方位置に前進させ、フィーダ内の金属粉末を上記金型のキャビティ内に落下、充填する。キャビティ内への金属粉末の充填が終了すると、フィーダを後退させて金型上方位置から外し、その後、上記下パンチ等と共に金型の一部を形成する上パンチを下降し、金属粉末を圧縮し固めて圧粉体を得、成形を終える。
【０００４】
このような粉末成形において、フィーダ内の金属粉末の見掛密度と金型（キャビティ）内への金属粉末の充填密度とは、図８に示すような係わりをもつ。換言すれば、上記金属粉末の見掛密度は、圧粉体密度に係わり、成形品の寸法、重量、密度等の品質の予測を可能とするので、その測定は重要である。また、部品の量産化に当たっては、この金属粉末の見掛密度測定の自動化も重要であり、従来、例えば後掲特許文献１に記載された見掛密度自動測定装置が提案されていた。
これは、見掛密度測定装置と重量測定装置と金属粉末廃棄装置とを備え、粉末成形過程において、フィーダから時々粉末を採取することにより、見掛密度を自動的に逐次測定し、測定後、粉末を回収するというものである。
【特許文献１】特開平８−２７７４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術は、フィーダを所定位置に動かし、金属粉末を落下させ、これを採取し、重量測定し、最後に金属粉末を回収するという構成を備える。つまり、通常の金属粉末充填プロセスに加えて、フィーダ移動、粉末重力落下、粉末回収のプロセスを必要とする構成であって、基本的な粉末成形プロセスの進行（生産性）を阻害する。このため、測定に時間がかかり、全数測定（成形毎にその原料となる金属粉末の見掛密度を測定）しようとすると、生産性を著しく低下させるため、全数測定が困難である。このため、成形品の品質にばらつきを生じさせ、コストを上昇させるという問題点があった。
また、上記フィーダ移動、粉末重力落下、粉末回収のための成形設備・装置への改造を多く必要とし、またそのためのスペースも必要となる（上掲特許文献１中の図１参照）、という問題点もあった。
【０００６】
特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、上記従来技術の問題点を解消するためになされたもので、基本的な粉末成形プロセスの進行を阻害せず、かつ迅速に測定でき、したがって全数測定が可能となって、成形品の品質のばらつきが抑制できてコストを削減でき、また、既存の構成（設備・装置）に対する改造も僅かであり、この改造のためのスペースも殆ど必要としない粉末成形用金属粉末の見掛密度自動測定装置を提供することを目的とする。
同請求項２に記載の発明は、同請求項１に記載の発明において、見掛密度測定時における温度に変化があった場合でも、これによる誤差を排除でき、測定精度を保持できる粉末成形用金属粉末の見掛密度自動測定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】
【０００７】
上記目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、粉末供給手段からの金属粉末を収容し、側方に移動してその収容した金属粉末を成形用金型のキャビティ内に落下、充填させる動作を繰り返すフィーダを備えた金属粉末の成形装置において、前記フィーダ内に収容した金属粉末の静電容量を測定する粉末静電容量測定手段と、この粉末静電容量測定手段からの測定値に基づき、前記フィーダ内に収容した金属粉末の見掛密度を算出する演算手段とを具備することを特徴とする。
また、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の発明において、フィーダ内に収容した金属粉末の温度を測定する粉末温度測定手段を備え、演算手段は、この粉末温度測定手段からの測定値及び粉末静電容量測定手段からの測定値に基づき、前記フィーダ内に収容した金属粉末の見掛密度を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、粉末成形用金属粉末の見掛密度を、基本的な粉末成形プロセスの進行を阻害せず、かつ迅速に測定できる。したがって全数測定が可能となり、成形品の品質のばらつきが抑制できてコストを削減できる。また、粉末成形用金属粉末の見掛密度の自動測定に当たり、既存の構成に対する改造も僅かであり、この改造のためのスペースも殆ど必要としない効果もある。
同請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明における効果に加え、粉末成形用金属粉末の見掛密度を、その測定時において温度変化がある場合でも、これによる誤差を排除でき、測定精度を保持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明による粉末成形用金属粉末の見掛密度自動測定装置の実施の形態の説明図である。
この図において、１は円筒状あるいは角筒状、ここでは角筒状のフィーダである。このフィーダ１は、ダイプレート２上の図示位置Ａにおいて、粉末供給手段の末端部を構成する粉末供給ホース３から供給される粉末成形用の金属粉末４を受け、これを収容する。図１は、フィーダ１に一定量の金属粉末４を収容している状態を、フィーダ１及びダイプレート２部分を切断して示す。なお、金属粉末４は、ここでは微量の銅、炭素、リン等を含んだ鉄系の金属粉末であるが、アルミニウム系、チタン系、その他の金属粉末であってもよい。
この金属粉末４の見掛密度自動測定装置は、フィーダ１内に収容した金属粉末４の静電容量を測定する粉末静電容量測定手段１１と、この粉末静電容量測定手段１１からの測定値に基づき、上記フィーダ１内に収容した金属粉末４の見掛密度を算出するパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）１２とを備える。
粉末静電容量測定手段１１は、相互間に絶縁体１１ａが設けられた一対の電極１１ｂ，１１ｃを有し、図示するようにフィーダ１内に挿入したとき、この一対の電極１１ｂ，１１ｃ間に、フィーダ１内に収容した金属粉末４の少なくとも一部が介在するように配置された棒状のプローブ１１ｄを備える。また、このプローブ１１ｄの一対の電極１１ｂ，１１ｃ相互間に交流電圧を印加してこの一対の電極１１ｂ，１１ｃ間（金属粉末４）の静電容量を測定する静電容量変換器１１ｅを備える。
パソコン１２は、静電容量変換器１１ｅからの電気信号（静電容量測定値）を受けてフィーダ１内に収容した金属粉末４の見掛密度を算出する演算手段である。パソコン１２は、算出した上記金属粉末４の見掛密度を表示し、保存する機能も有する。このパソコン１２は、連続測定に当たっては各測定（成形）毎に算出した金属粉末４の見掛密度を蓄積、保存する。
【００１０】
以下、粉末静電容量測定手段１１及びパソコン１２による金属粉末４の見掛密度の測定手順について説明する。
測定に当たり、フィーダ１の側壁にプローブ１１ｄを取り付けておく。
フィーダ１は前後方向（図１においては図示面に垂直な方向。後掲図３においては図中、左右方向）に移動するため、プローブ１１ｄ及び静電容量変換器１１ｅ間の接続線は、フィーダ１の移動を妨げないように長めに設定されている。
粉面レベル（粉面の高さ位置）はフィーダ１に供給される金属粉末４の量によって変動するので、プローブ１１ｄはその影響を受けない位置に取り付けられる。すなわち、フィーダ１に供給される金属粉末４の量が変動してもプローブ１１ｄが粉面よりも上方に位置しないよう、金属粉末４が最少量となるときの粉面レベルよりも下方に、かつフィーダ１の底面（ダイプレート２の上面）から離れた高さ位置に取り付けられる。
プローブ１１ｄの横断面外形状（図中、上下方向の断面外形状）は、ぼほ円形に形成されており、金属粉末４の落下を阻害しない。プローブ１１ｄを構成する絶縁体１１ａ及び電極１１ｂ，１１ｃの寸法は、強度や測定感度等を考慮、つまり、粉末成形プロセスにおいて破損したり、測定感度が低すぎて静電容量が測定不能とならないような寸法に設定されている。
見掛密度の測定は、以下のように行われる。
まず、静電容量変換器１１ｅにより、一対の電極１１ｂ，１１ｃ間に交流電圧を印加し、同電極１１ｂ，１１ｃ間（金属粉末４）の静電容量を測定する。
測定された静電容量（値）は、粉末静電容量測定手段１１（静電容量変換器１１ｅ）からＡ／Ｄ変換された後、パソコン１２に取り込まれる。
パソコン１２は、取り込んだ静電容量をディスプレイ画面１２ａに表示すると共にデータ記録装置１２ｂに保存する。またパソコン１２は、予め用意しておいた静電容量・見掛密度の関係式から、粉末静電容量測定手段１１で測定された静電容量を金属粉末４の見掛密度に換算（演算）し、その値をディスプレイ画面１２ａに表示すると共にデータ記録装置１２ｂに保存する。
上記静電容量から見掛密度への換算は、例えば下式（１）を用いて行われる。
見掛密度＝静電容量×定数ａ＋定数ｂ…（１）
【００１１】
静電容量から見掛密度が測定できる原理は、以下の通りである。
静電容量は、電極１１ｂ，１１ｃの構成が定まっていれば同電極１１ｂ，１１ｃ相互間の物質に固有の誘電率によって決まる。その物質が金属であっても、空気よりは誘電率が大きいため、電極１１ｂ，１１ｃ周辺に金属粉末４が存在するとき、電極１１ｂ，１１ｃ相互間の静電容量の測定により、空気と金属粉末４の構成比率、つまり金属粉末４の見掛密度を求めることができる。
静電容量から見掛密度への換算式〔上式（１）〕、特に定数ａ、定数ｂは、例えば以下のようにして予め求めておく。すなわち、容積が既知のテスト容器内に、プローブ１１ｄにおける構成と同一条件で構成された一対の電極１１ｂ，１１ｃを配置して金属粉末４を投入、充填する。又は、金属粉末４を投入、充填した上記テスト容器内（金属粉末中）にプローブ１１ｄを挿入する。そして、（金属粉末４の重量）÷（上記テスト容器の体積）（容積）により求めた実測密度と、電極１１ｂ，１１ｃ（プローブ１１ｄ）を用いた粉末静電容量測定手段１１によって測定された静電容量との間の、例えば図２のグラフに示す関係から、上記換算式を予め求めておく。
【００１２】
以上の金属粉末４の見掛密度の測定は、全数、すなわち金属粉末４の後述金型内への充填が終了し、新たな金属粉末４がフィーダ１内に充填される毎に繰り返される。
この様子を図３（金属粉末の成形装置の概略図）を参照して説明する。なお、図３中の実線で示すフィーダ１は、図１中のフィーダ１をIII−III線に沿って切断し、矢印方向から示したものであり、図１において図示面に垂直な方向は、図３においては図中、左右方向となる。
金属粉末４の成形においては、まず、図３中の位置Ａにおいて、金属粉末４を、粉末供給ホース３からフィーダ１内に供給、収容する。そしてこのフィーダ１を、ダイ３１及び上パンチ３２等と共に金型３３を形成する下パンチ３４の上方位置Ｂに前進させ（矢印イ参照）、フィーダ１内の金属粉末４を金型３３のキャビティ３３ａ内に落下、充填する。キャビティ３３ａ内への金属粉末４の充填が終了すると、フィーダ１を位置Ａまで後退、復帰させる（矢印ロ参照）と共に、上パンチ３２を下降し、あるいは上パンチ３２を下降すると同時に下パンチ３４を上昇させ（矢印ハ，ニ参照）、キャビティ３３ａ内の金属粉末４を圧縮し固めて圧粉体を得、成形を終える。
位置Ａに復帰したフィーダ１には、再び金属粉末４が供給される。そして、先の金属粉末４についての圧縮、成形を終えて得られた圧粉体が金型３３から取り除かれ、上，下パンチ３２，３４が元の位置に退避すると、金属粉末４を収容したフィーダ１が再び位置Ｂに前進して上述動作を繰り返し、金属粉末４による圧粉体が連続的に成形される。
本発明の見掛密度自動測定装置は、このような成形プロセス中において、フィーダ１が、位置Ａで金属粉末４を収容する毎に粉末静電容量測定手段１１及びパソコン（演算手段）１２を作動させ、フィーダ１内に収容した金属粉末４の見掛密度を自動、かつ連続的に測定する。
【００１３】
この例では、見掛密度自動測定装置は金属粉末４の見掛密度と相関がある金属粉末４の静電容量を測定することにより、フィーダ１内に収容した金属粉末４の見掛密度を計測するという構成であり、いずれの箇所にも駆動部、回転部等はない。また、静電容量の測定は電気的に、つまり高速に行えるため、設備・装置を見掛密度測定のために停止させる必要はなく、基本的な粉末成形プロセスの進行（生産性）を阻害せずにフィーダ１内に収容した金属粉末４の見掛密度が測定可能になる。すなわち、フィーダ１内に収容した金属粉末４の全数測定が可能となり、したがって、成形品の品質のばらつきが抑制できてコストを削減できる。特に、金属粉末４を、その見掛密度を測定しながらフィーダ１内に適正に充填すれば、成型品の品質のばらつきを更に抑制することができ、大幅な寸法精度の向上やコスト削減につながる。
また測定装置各部は、感度を十分とれる範囲で小さく製作可能であり、既存の構成（設備・装置）に対する改造もフィーダ１部分だけでよく、しかもこのフィーダ１部分への改造も極めて少ない範囲で済む。また、この改造のためのスペースも殆ど必要とせず、したがって、既存の構成に対しても容易に適用でき、高い汎用性をもつ。
【００１４】
以上は、実施の形態の基本的な構成部分について述べたが、図示実施形態では、見掛密度の演算の際に温度補正を行う機能をも併せもつもので、以下、これについて図１を参照して説明する。
図示するように、フィーダ１の側壁には、フィーダ１内に収容した金属粉末４の温度を測定する熱電対（粉末温度測定手段）を先端に備えた棒状のプローブ（温度測定用プローブ）１３も取り付けられている。この温度測定用プローブ１３は、上記金属粉末４の静電容量測定用のプローブ（静電容量測定用プローブ）１１ｄの近傍の、好ましくは同プローブ１１ｄの真下に配置される。金属粉末４の落下を極力阻害させないためである。
粉面レベルはフィーダ１に供給される金属粉末４の量によって変動するので、プローブ１３がその影響を受けない位置に取り付けられることはプローブ１１ｄと同様である。
また、プローブ１３の横断面外形状や寸法も、プローブ１１ｄと同様、ぼほ円形に形成され、また、強度や測定感度等を考慮した寸法に設定されている。
プローブ１３及びパソコン１２間の接続線も、プローブ１１ｄ及び静電容量変換器１１ｅ間の接続線と同様に、フィーダ１の移動を妨げないように長めに設定されている。
【００１５】
次に、温度補正動作について説明する。
温度補正に当たっては、熱電対で主構成をなす上記温度測定用プローブ（粉末温度測定手段）１３により、フィーダ１内に収容した金属粉末４の温度を常時測定する。
そして、予め求めておいた、温度Ｔ（℃）に対応する補正量を、静電容量から見掛密度への換算式〔上式（１）〕で得られた値（ここでは予測見掛密度という。）に加算する。
つまり、温度補正が加わった場合の見掛密度は、下式（２）により求められる。
見掛密度＝静電容量×定数ａ＋定数ｂ＋（温度Ｔでの補正量）
＝予測見掛密度＋（温度Ｔでの補正量）              …（２）
【００１６】
温度Ｔでの補正量は、例えば以下のようにして予め求めておく。
容積が既知のテスト容器内に、プローブ１１ｄにおける構成と同一条件で構成された一対の電極１１ｂ，１１ｃを配置して金属粉末４を投入、充填する。又は、金属粉末４を投入、充填した上記テスト容器内（金属粉末中）にプローブ１１ｄを挿入する。同様に、上記テスト容器内に温度測定用プローブ１３も挿入しておく。
そしてまず、基準とする温度（℃）について、上述見掛密度の測定手順及び上式（１）に従い見掛密度を求め、その基準とする温度（第１基準温度）における予測見掛密度（温度補正前の見掛密度）として得ておく。
次に、上記テスト容器、プローブ１１ｄ（電極１１ｂ，１１ｃ）、プローブ１３、金属粉末４を加熱又は冷却して、上記第１基準温度を挟んだ複数通りの基準温度（例えば第２、第３基準温度）の各々について、第１基準温度における場合と同様に見掛密度を求め、第２、第３基準温度における予測見掛密度（温度補正前の見掛密度）として得ておく。
そして、（金属粉末４の重量）÷（上記テスト容器の体積）（容積）により求めた実測密度と上記各基準温度における各予測見掛密度との関係（図４参照）を得、各基準温度において、予測見掛密度の、実測密度に対する誤差のばらつきの程度が最小化されるように補正量を求める。具体的には、各基準温度における誤差のばらつき量の平均値を補正量とすればよい。
各基準温度以外の任意の温度Ｔにおける補正量は、各基準温度における補正量を用いて補間により関数化することで表現し（図５参照）、上式（２）に組み込む。上式（２）により温度補正した後の予測見掛密度〔上式（２）における見掛密度〕の値を図６に例示する。図６によれば、温度補正によって実測密度に対する予測見掛密度の誤差のばらつき量が小さくなり、測定精度が向上することが分かる。
なお、図４においては、１０℃、３０℃及び４０℃を基準温度とした場合を例示しているが、基準温度４０℃の場合に、誤差０点からのずれ、つまり誤差が大きい傾向にあるのは、温度が高いほど静電容量が大きく測定され、見掛密度が大きめに片寄って算出されるからである。
【００１７】
なお上述実施形態では、図１に示すように、静電容量測定用プローブ１１ｄ及び温度測定用プローブ１３を、１つのフィーダ１に各１個取り付けた例を示したが、フィーダ１の容積が大きく、収容する金属粉末４の量が多くなる場合等にあっては、静電容量測定用プローブ１１ｄ及び温度測定用プローブ１３を、１つのフィーダ１に各々複数個取り付けるようにしてもよい。
また上述実施形態では、図１に示すように、一対の電極１１ｂ，１１ｃを長さ方向に配置した棒状のプローブ１１ｄを用いて静電容量を測定するように構成したが、これのみに限定されることはない。例えば図７に示すように、フィーダ１の対向する一対の内壁面に、各々その表面がフィーダ内壁面から露出して対向する電極７１，７２を埋め込み、これを上記棒状のプローブ１１ｄに代用して静電容量を測定するように構成してもよい。これによれば、フィーダ１内の金属粉末４を図３に示す金型３３のキャビティ３３ａ内に落下、充填する際に、同金属粉末４の落下を阻害することが皆無となる。また、フィーダ１内に金属粉末４が収容されたとき、各電極７１，７２は金属粉末４に比較的広い面積で接触することになり、測定感度を高めることができる。
なお図７において、（ａ）は一部切断して示す平面図、（ｂ）は（ａ）図中のVII−VII線断面矢視図であり、両図において、７３は電極７１，７２とフィーダ１の間を各々絶縁する絶縁体を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による見掛密度自動測定装置の実施の形態の説明図である。
【図２】実測密度と静電容量との関係を例示するグラフである。
【図３】金属粉末の金型への充填プロセスにおいて金属粉末の見掛密度の測定が繰り返される様子を説明するための図である。
【図４】温度補正前の実測密度に対する予測見掛密度の値を基準温度毎に示したグラフである。
【図５】温度補正関数の一例を示すグラフである。
【図６】温度補正後の実測密度に対する予測見掛密度の値を基準温度毎に示したグラフである。
【図７】静電容量の測定に用いる一対の電極の他の構成例を示す図である。
【図８】粉末成形において、フィーダ内の金属粉末の見掛密度と金型内への金属粉末の充填密度との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
１：フィーダ、３：粉末供給ホース、４：粉末成形用の金属粉末、１１：粉末静電容量測定手段、１１ａ：絶縁体、１１ｂ，１１ｃ：電極、１１ｄ：プローブ、１１ｅ：静電容量変換器、１２：パソコン（演算手段）、１３：温度測定用プローブ（粉末温度測定手段）。
【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】
2005199306.tif 000009
【図８】
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