(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給ホッパーを介して、容器に被充填物を充填する充填方法であって、容器に充填される被充填物より多い被充填物が収容されている、下部開口部にグリッド部材が配設された供給ホッパーを、容器に載置し、次いで、供給ホッパー内を、交互に、低気圧状態と高気圧状態とすることにより、供給ホッパー内に被充填物が残存するように、容器に被充填物を充填し、その後、供給ホッパーを上方に移動させることにより、供給ホッパーの下部開口部に配設されたグリッド部材により、容器に形成された密度が均一な部分を、供給ホッパーに残存する被充填物から分離するようにしたことを特徴とする充填方法。
【請求項２】
被充填物が充填される容器と、容器に充填される被充填物より多い被充填物が収容されている、下部開口部にグリッド部材が配設された供給ホッパーと、供給ホッパー内を、交互に、低気圧状態と高気圧状態とする空気タッピング手段とを有し、空気タッピング手段により、供給ホッパー内に被充填物が残存するように、容器に被充填物を充填した後、供給ホッパーを上方に移動させることにより、供給ホッパーの下部開口部に配設されたグリッド部材により、容器に形成された密度が均一な部分を、供給ホッパーに残存する被充填物から分離するようにしたことを特徴とする充填装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャビティーを有するゴムモールド、パンチと該パンチが挿入される筒体により形成された金型の空間、容器、袋、板材等で囲まれた空間等に、粉末や粒状物や短繊維状物からなる断熱材等の被充填物を充填するための充填方法及びその装置に関するものである。なお、キャビティーを有するゴムモールド、パンチと筒体により形成された金型の空間、容器内の空間、袋内の空間、板材で囲まれた空間等の被充填物を充填する空間を、以下単に、「容器」と称する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、キャビティーを有するゴムモールド、パンチと筒体により形成された金型の空間、容器、袋、板材で囲まれた空間等の容器に、被充填物を工業的に一定量充填する方法及びその装置としては、以下のようなものが知られている。
【０００３】
自動秤量器により、容器に充填すべき被充填物の重さを量り、秤量された被充填物を、容器に充填するようにした充填方法及びその装置が知られている。
【０００４】
また、計量カップ等により、容器に充填すべき被充填物の体積を計量し、計量された被充填物を、容器に充填するようにした充填方法及びその装置も知られている。
【０００５】
更に、図１９に、一例として示されている、筒体１及び該筒体１に挿入されたパンチ２とにより形成された容器ｓに、被充填物ｐを充填する充填方法及びその装置として、被充填物ｐが充填された、下方に開口部を有する箱体３を、図示されていないシリンダーのピストンロッド４を作動させて、機台５及び筒体１上を慴動させながら容器ｓの上方に配置し、次いで、箱体３内に配設された、モーター６の駆動軸６ａに取着された攪拌羽根７を回転させることにより、容器ｓに、被充填物ｐを充填する充填方法及びその装置が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した自動秤量器を使用した充填方法及びその装置においては、容器への被充填物の正確な量の充填が可能であるが、秤量工程に時間がかかるとともに、秤量した被充填物の容器への充填工程にも時間がかかり、充填作業の作業効率が悪いという問題がある。また、被充填物が粉末の場合には、一般的に、粉末は流れ性が悪いので、秤量した粉末の容器への充填が円滑に行われず、充填工程に、より一層時間がかかることになり、また、流れ性が悪いと、ブリッジが形成されやすいので、容器に充填された粉末内にボイド等の空隙ができることになる。このような理由により、容器に充填された粉末の充填密度が容器内において不均一になり、特に容器が複雑な形状の場合には、この充填密度の不均一性が強くなる。金型やゴムモールドのキャビティーに粉末を充填し成形する粉末成形技術において、この容器（キャビティー）内の充填密度の不均一性は、圧粉体のニアネット性を悪化させたり、圧粉体に割れや欠けを起こす原因になり、良い充填方法が待望されている。
【０００７】
また、上述した計量カップ等を用いた充填方法及びその装置においては、被充填物が粉末等の流れ性が悪い場合には、計量カップ等に充填された被充填物内にブリッジが発生し、空隙が形成されるために、被充填物の正確な体積計量ができないという問題がある。
【０００８】
図１９を用いて説明した充填方法及びその装置においても、粉末等の流れ性の悪さに起因して、円滑に、箱体３から容器ｓに被充填物が移行しないので、充填に時間がかかり、また、容器ｓに充填された被充填物内にブリッジが発生しやすく、容器ｓへの被充填物の充填量にばらつきが発生するという問題がある。また、容器全体にわたって均一な充填が困難であること、容器が複雑な形状、細長い形状等を有しているときは、容器内における粉末充填密度の不均一性の問題が深刻である。
【０００９】
上述の充填密度の不均一の問題に加え、従来の充填方法及び装置では、ブリッジやボイドが充填された被充填物内に形成されるので、充填密度が低くなるという問題がある。金型プレスの場合、キャビティー内の充填密度が低いと上下パンチの移動距離が長くなるので、粉末の噛み込みの問題が発生したり、プレス方向と平行な方向の圧粉体密度の不均一が大変大きくなる等の問題が発生する。また、ゴムモールド静水圧成形（Ｒｕｂｂｅｒ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ（ＲＩＰ））や冷間静水圧成形（Ｃｏｌｄ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ（ＣＩＰ）、ゴムモールドに粉末を詰め、水や油中で液圧を印加して粉末を圧縮成形する技術）等のゴムモールドを使用する成形では、成形される圧粉体に、象の足変形と呼ばれる形状の歪みが顕著になる。更に、容器に粉末を詰めて販売する商品では、充填密度が低いと、充填直後は容器に一杯粉末等の商品が入っていても、運搬中等の振動により充填密度が上がり、そのため容器内に大きい空間が形成されて、商品価値が低下する等の問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、粉末、短繊維、羽毛等の被充填物を、容器に、迅速に、しかも、容器全体にわたって充填密度を均一に、且つ、必要に応じて、高密度に定量充填する方法及びその装置を提供することである。これにより、粉末冶金や物品の梱包等、粉末や種々の物品の容器への定量充填の技術を改良することを求められる多くの分野で、種々の問題が解決され、これらの分野の技術の向上が実現される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した目的を達成するために、供給ホッパーを介して、容器に被充填物を充填する充填方法であって、容器に充填される被充填物より多い被充填物が収容されている、下部開口部にグリッド部材が配設された供給ホッパーを、容器に載置し、次いで、供給ホッパー内を、交互に、低気圧状態と高気圧状態とすることにより、供給ホッパー内に被充填物が残存するように、容器に被充填物を充填し、その後、供給ホッパーを上方に移動させることにより、供給ホッパーの下部開口部に配設されたグリッド部材により、容器に形成された密度が均一な部分を、供給ホッパーに残存する被充填物から分離するようにしたものであり、また、被充填物が充填される容器と、容器に充填される被充填物より多い被充填物が収容されている、下部開口部にグリッド部材が配設された供給ホッパーと、供給ホッパー内を、交互に、低気圧状態と高気圧状態とする空気タッピング手段とを有し、空気タッピング手段により、供給ホッパー内に被充填物が残存するように、容器に被充填物を充填した後、供給ホッパーを上方に移動させることにより、供給ホッパーの下部開口部に配設されたグリッド部材により、容器に形成された密度が均一な部分を、供給ホッパーに残存する被充填物から分離するようにしたものである。
【００１２】
これらの発明の考え方は、次の基本原理から生まれたものである。
【００１３】
即ち、ある容器に粉末を充填したときを考えてみる。ここで言う充填とは、容器の中に粉末を落とし込むことである。このようにして充填された粉末中には、先に述べたように、粉末の流れ性の悪さのために、ブリッジが形成されやすく、ブリッジの形成は無秩序に起こるので、一定容器に充填される粉末の量は、充填毎にばらつき、また、容器内において、充填密度が無秩序に分布することになる。
【００１４】
本発明者は、容器に粉末を充填するとき、もしブリッジが形成されない粉末の充填ができれば、粉末の充填量のばらつきがなく、容器内において充填密度が均一な粉末の充填が可能になると考えた。そして、そのようなブリッジの形成がない、均一な充填密度の領域が、後述の空気タッピングにより、粉末を容器に充填したとき、容器の底の方に形成されていることを見出した。この発見から上述の発明が生まれた。即ち、供給ホッパーと粉末を充填すべき容器を連結して１つの筒状の容器とし、そこに収容されている粉末に空気タッピングを施して、供給ホッパーと容器の両方に粉末が存在するようにして、供給ホッパー側の、空気タッピング操作に伴う激しい気流により乱された粉末部分を取り除くことにより、容器中へのブリッジの形成のない均一な充填密度の粉末充填が実現できた。
【００１５】
供給ホッパーと容器の両方に存在する粉末を、空気タッピング後に分離する手段として、供給ホッパーと容器を水平方向にずらす方法、供給ホッパーと容器の間に薄い金属板を差し込んで両者を分離する方法等が考えられる。本発明者は、更に進んだ両者の分離方法として、供給ホッパーの容器側開口部にグリッド部材を配設することを提案する。グリッド部材の配設は、空気タッピングとの組み合わせにおいて効力を発揮する。即ち、供給ホッパーに投入された粉末に空気タッピングを施すと、粉末はグリッド部材を通過して容器に入っていく。空気タッピングを続けると供給ホッパー中の粉末はどんどん下降していき、それ以上空気タッピングを続けても粉末の下降は飽和し、実質的に停止される。このとき、粉末は、ある程度固化していて、供給ホッパーを容器から持ち上げて、供給ホッパー内の粉末と容器内の粉末をグリッド部材で分離することができ、且つ、供給ホッパーからの粉末の落下が起こらないことを本発明者は発見した。このグリッド部材による少し固化した粉末の保持効果は、後に示すように、本発明を工業的に自動化装置により実施する上で、絶大な価値を持っている。
【００１６】
次に、本発明において重要な要素である空気タッピングについて説明する。
【００１７】
空気タッピング法は、本出願人等の出願にかかる特願平７−２５８１２０号（特開平９−７８１０３号）及び特願平７−３４７６０９号（特開平９−１６９３０１号）の出願において、本発明者等によって提案された粉末等の被充填物の容器への充填技術である。上記出願により、空気タッピングによる粉末の容器への充填は、次の工程により実施される。（１）容器にガイドを取り付ける。（２）ガイドを通じて粉末等の被充填物を落とし込む。（３）ガイドの開口部を通じて、容器とガイドからなる空間の空気を吸引して減圧し、次に空気を導入して圧力をもとに戻す。空気の吸引時には流速を小さく、空気の導入時には流速を大きくすることにより、粉末等の被充填物はガイドから容器の方に押し込められる。この空気の吸引と空気の導入をバルブ操作により繰り返すことにより、粉末等の被充填物は容器の方にどんどん押し込められていく。（４）最後に、プッシャーを駆動して、ガイド内に残存している粉末等の被充填物を容器に完全に押し込める。
【００１８】
上述の（３）の工程は、高速バルブ操作により数秒で行われる。空気の吸引と空気の導入の周期に同調して、ガイド内の粉末等の被充填物は下降していき、その様子は、機械的に容器を持ち上げて直ぐにその容器の底を地面に打ちつけ、これを繰り返すときとよく似ていること、そして、この機械的な操作はタッピングと呼ばれているので、上述の（３）の工程を、以下、単に、「空気タッピング」と称する。
【００１９】
【実施例】
上述した本発明の基本原理は、以下に示す実施例のように種々の態様が可能である。先ず最初に、図１〜図５を用いて、グリッド部材を用いた本発明の充填方法及びその装置について説明する。
【００２０】
Ｃは、被充填物が充填される容器内空間ｓを有する、上部に開口部を有する容器であり、Ｇは、容器Ｃの上端部ｃ１に載置可能な、上下に開口部を有する筒状の供給ホッパーであり、供給ホッパーＧの下部開口部ｇ１には、グリッド部材ｇ２が取着されている。グリッド部材ｇ２は、平行な一定間隔の針金、一定の目の大きさのメッシュ、一定の大きさの穴を多数パンチングした金属薄板等で構成することができる。グリッド部材ｇ２を構成する材料としては、機械的強度が大きいあらゆる種類の金属材料や炭素繊維等が使用できる。グリッド部材の１つの機能は、上述のように、空気タッピングによって少し固くなった供給ホッパーＧ中の粉末を落下しないように支えることなので、グリッドの目開きは供給ホッパーＧの下部開口部ｇ１の面積より少し小さいことが必要であり、一方、このグリッド部材を粉末が通過しやすいように目開きができるだけ大きいことが必要である。供給ホッパーＧには、所定の高さまで被充填物ｐが収容されている。グリッド部材ｇ２は、空気タッピング後に少し固化した粉末を支える機能と、空気タッピング中の粉末を通過させる機能の両面から、その目開きの大きさ（平行な針金の太さや間隔、メッシュの大きさ）が調整される。
【００２１】
次に、供給ホッパーＧ内を低気圧状態或いは高気圧状態にするための低気圧高気圧発生装置及び空気タッピング作業について説明する。
【００２２】
ｈ１は、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３に被せられる蓋部材ｈ２に配設された空気吸引吹き込みパイルである。空気吸引吹き込みパイプｈ１は、低気圧高気圧発生装置Ｅに接続されている。一例としての低気圧高気圧発生装置Ｅは、空気供給源ｅ１、空気供給源ｅ１に連接されたパイプｅ２、該パイプｅ２に配設された主バルブｅ３、パイプｅ２から二股に分かれた分岐パイプｅ２’、ｅ２”、一方の分岐パイプｅ２’に配設された第１バルブｅ４、もう一方の分岐パイプｅ２”に配設された第２バルブｅ５、第２バルブｅ５に接続されたパイプｅ６に配設されたアスピレーターｅ７及び第１バルブｅ４に接続されたパイプｅ８とアスピレーターｅ７を連結する連結パイプｅ９とにより構成されている。そして、蓋部材ｈ２に配設された空気吸引吹き込みパイプｈ１は、第１バルブｅ４に接続されたパイプｅ８と連結パイプｅ９とに接続されている。
【００２３】
空気タッピング作業を行うに際しては、先ず最初に、容器Ｃの上端部ｃ１に供給ホッパーＧを載置するとともに、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３に、空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２を被せる。次いで、第１バルブｅ４が閉じた状態及び第２バルブｅ５が開いた状態で、パイプｅ２に配設された主バルブｅ３を開くと、空気供給源ｅ１からの圧縮空気は、パイプｅ２、分岐パイプｅ２”、第２バルブｅ５、パイプｅ６を介してアスピレーターｅ７から高速気流となって大気中に排出される。すると、アスピレーターｅ７に連結された連結パイプｅ９内が低気圧状態になり、連結パイプｅ９に連結されたパイプｅ８内も低気圧状態となる。従って、空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２により被蓋された供給ホッパーＧ内の空気は、パイプｅ８に接続されている空気吸引吹き込みパイプｈ１を介して吸引され、供給ホッパーＧ内が低気圧状態になる。
【００２４】
次いで、パイプｅ２に配設された主バルブｅ３が開いた状態のまま、第１バルブｅ４を開くとともに、第２バルブｅ５を閉じると、空気供給源ｅ１からの圧縮空気は、パイプｅ２、分岐パイプｅ２’、第１バルブｅ４、パイプｅ８及び空気吸引吹き込みパイプｈ１から、供給ホッパーＧ内に入り、供給ホッパーＧ内が高気圧状態となる。なお、上記のように、第１バルブｅ４を開くとともに、第２バルブｅ５を閉じることなく、単に、空気供給源ｅ１に連接されたパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じることにより、アスピレーターｅ７、連結パイプｅ９、パイプｅ８及び空気吸引吹き込みパイプｈ１を介して、大気が、低気圧状態の供給ホッパーＧ内に入り、低気圧状態の供給ホッパーＧ内を高気圧状態とすることもできる。上記のように、空気供給源ｅ１に連接されたパイプｅ２に配設された主バルブｅ３が開いた状態のまま、第２バルブｅ５を閉じるとともに、第１バルブｅ４を開いて、積極的に、空気供給源ｅ１からの圧縮空気を供給ホッパーＧ内に導入することにより、より短時間に、低気圧状態の供給ホッパーＧ内を高気圧状態とすることができる。こうすることによって、供給ホッパーＧ内に流入する空気の流速を大きくすることができるので、容器Ｃへの粉末の充填密度を大きくすることができる。
【００２５】
上述したように、低気圧高気圧発生装置Ｅにより、空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２により被蓋された供給ホッパーＧ内を、適当回数、交互に低気圧状態或いは高気圧状態にすることにより、図３に示されているように、供給ホッパーＧに収容された被充填物ｐが、グリッド部材ｇ２を通って、容器Ｃの容器内空間ｓに充填される。
【００２６】
空気タッピング工程において、低気圧状態と高気圧状態のサイクル回数、供給ホッパーＧ内の低気圧状態及び高気圧状態での圧力の程度、空気タッピング工程における供給ホッパーＧ内を流れる空気の流速等は、被充填物の量と平均粒径、潤滑剤添加の有無と量（即ち、被充填物の流れ性）等により調整され、また、グリッド部材の目開きの大きさも被充填物のこれらの因子によって調整される。
【００２７】
被充填物ｐが収容された供給ホッパーＧ内を、適当回数、交互に低気圧状態及び高気圧状態にして、容器Ｃの容器内空間ｓに被充填物を充填すると、気流の影響によって、被充填物ｐの上面には凹凸が形成されたり、その上層部に密度の不均一な領域が形成されるが、中間層部や下層部にはブリッジのない粉末密度が均一な層が形成される。本発明においては、供給ホッパーＧ内に、容器Ｃの容器内空間ｓに充填される被充填物の量より多い被充填物を、例えば、容器Ｃの容器内空間ｓに充填される被充填物の１３０％以上の被充填物を収容しておき、空気タッピング工程後に、容器Ｃの容器内空間ｓには、ブリッジのない均一な密度部分が位置し、上面に凹凸が形成されたり、密度が不均一な部分は、供給ホッパーＧに残るようにしたものである。
【００２８】
容器Ｃの容器内空間ｓに被充填物ｐが充填された後に、空気供給源ｅ１に連接されたパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じ、その後、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３から蓋部材ｈ２を取り外すとともに、図４に示されているように、供給ホッパーＧを上方に移動させると、グリッド部材ｇ２により、容器内空間ｓに均一密度に充填された被充填物ｐと、供給ホッパーＧに残った被充填物ｐとが分離される。この際、上述したように、被充填物ｐは少し固化しているので、供給ホッパーＧと容器Ｃを切り離しても、被充填物ｐはグリッド部材ｇ２に保持されていて、グリッド部材ｇ２から落下するようなことはない。その後、容器Ｃが配設されている、図示されていないインデックステーブルを間欠回転させることにより、供給ホッパーＧの下方に、新たに、容器Ｃを配置するとともに、供給ホッパーＧには、新たに、ほぼ容器Ｃの容器内空間ｓに充填された量の被充填物を供給しておく。このようにして、被充填物ｐを容器Ｃに充填した後、応用により異なる種々の工程に移る。本発明の重要な応用の１つである粉末成形の場合、金型やゴムモールドのキャビティー（これが上述の容器内空間にあたる。）に充填された粉末はパンチを駆動することにより圧縮され、圧粉体に成形される。
【００２９】
次に、図６〜図９を用いて、グリッド部材を用いた本発明の充填方法及びその装置の他の充填工程について説明する。
【００３０】
本実施例においては、上述した容器内空間ｓへの被充填物の充填工程に先立って、該充填工程の前工程等において、図６に示されているように、容器Ｃの容器内空間ｓに、予め、所定量の被充填物ｐを充填しておく。一方、供給ホッパーＧにも被充填物ｐが収容されている。次いで、図７に示されているように、被充填物が所定量充填されている容器Ｃの上端部ｃ１に、供給ホッパーＧを載置するとともに、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３に、空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２を被せる。その後、低気圧高気圧発生装置Ｅにより、空気吸引吹き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内の空気を吸引して、供給ホッパーＧ内を低気圧状態とし、次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じるか、或いは、空気吸引引き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内へ、積極的に、空気を供給して、供給ホッパーＧ内を高気圧状態にし、このサイクルを何回か繰り返す。このような空気タッピング工程により、図８に示されているように、供給ホッパーＧに収容された被充填物ｐが、グリッド部材ｇ２を通って、容器Ｃの容器内空間ｓに充填される。そして、容器Ｃの容器内空間ｓに被充填物ｐが充填された後に、パイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じ、その後、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３から蓋部材ｈ２を取り外すとともに、図９に示されているように、供給ホッパーＧを上方に移動させると、グリッド部材ｇ２により、容器内空間ｓに均一密度に充填された被充填物ｐと、供給ホッパーＧに残った被充填物ｐとが分離される。
【００３１】
上述した、容器内空間ｓへの被充填物の充填工程に先立って、容器Ｃの容器内空間ｓに、予め、所定量の被充填物ｐを充填しておき、その後、被充填物ｐが収容された供給ホッパーＧから、空気タッピングにより、容器内空間ｓの残余の空間に被充填物ｐを充填する場合には、既に、容器Ｃの容器内空間ｓに所定量の被充填物ｐが充填されているので、供給ホッパーＧには、図１〜図４を用いて説明した充填方法のように、容器Ｃの容器内空間ｓに充填される被充填物の量より多い被充填物を、必ずしも収容しておく必要はない。この場合には、充填工程に先立って、容器Ｃの容器内空間ｓに予め充填されている被充填物ｐの量と、供給ホッパーＧに収容されている被充填物ｐの量の合計量が図８（前の実施例の図３のときと同じ）に示されているように、空気タッピング後に、供給ホッパーＧと容器内空間ｓの両方に被充填物ｐが存在するとともに、容器内空間ｓに、密度が均一な被充填物ｐ部分が残るような量になるように、供給ホッパーＧに被充填物ｐが収容されていればよい。
【００３２】
上述したように、容器内空間ｓへの被充填物の充填工程に先立って、容器Ｃの容器内空間ｓに、予め、所定量の被充填物ｐを充填しておくことにより、被充填物が充填されていない、空の状態の容器内空間ｓへ被充填物ｐを充填する場合に比べ、容器内空間ｓへの被充填物ｐの充填時間を短縮化することができ、自動化装置にこれを採用することにより生産性を向上することができる。
【００３３】
上述した２つの実施例においては、共に、供給ホッパーＧの容器内空間ｓ側の開口部ｇ１にグリッド部材ｇ２を配設することにより、容器内空間ｓに均一密度に充填された被充填物ｐと、供給ホッパーＧに残った被充填物ｐとを分離するとともに、供給ホッパーＧからの被充填物ｐの落下を防止するように構成したが、供給ホッパーＧの容器内空間ｓ側の開口部ｇ１にグリッド部材ｇ２を配設する代わりに、供給ホッパーＧに、容器内空間ｓ側の開口部ｇ１を開閉する薄い金属板で作られたシャッターを配設し、供給ホッパーＧを、容器Ｃの上端部ｃ１に載置するまでは、供給ホッパーＧから被充填物ｐが落下しないように、シャッターを閉じ、供給ホッパーＧが容器Ｃの上端部ｃ１に載置された後に、シャッターを開いて、供給ホッパーＧに収容された被充填物を、容器Ｃの容器内空間ｓに落下させるように構成することもできる。空気タッピング工程による被充填物ｐの容器内空間ｓへの充填後、再度、供給ホッパーＧのシャッターを閉じ、その後、供給ホッパーＧを上方或いは横方向に移動させる。
【００３４】
次に、図１０を用いて、本発明の充填方法及びその装置を、粉末のゴムモールド静水圧成形（Ｒｕｂｂｅｒ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ，ＲＩＰ）において、ゴムモールドのキャビティーへの粉末の充填作業に適用した実施例について説明する。なお、上述した充填装置に共通する部材には、原則として、同じ符号を使用した。
【００３５】
８は、筒体であり、９は、筒体８に挿入されたパンチである。１０は、筒体８の下面とインデックステーブル等の機台１１の上面間に配設された皿バネである。なお、筒体８の下端部に形成された鍔部８ａと、パンチ９の上端部に形成された突出部９ａとを係合させることにより、筒体８が、パンチ９に対して、上方に抜け出ないように構成されている。上記の筒体８、パンチ９、皿バネ１０等により、金型Ｍが構成されている。ｍは、筒体８の内周面とパンチ９の上面とにより形成された筒体内キャビティー１２に挿着されたゴムモールドであり、ゴムモールドｍには、容器としてのキャビティーｓが形成されている。本実施例はキャビティーｓの深さが小さい例である。深さが小さいキャビティーｓにより永久磁石等の薄板状の製品のニアネットシェイプ成形ができる。本実施例ではＮｄＦｅＢ磁石粉を使用してｄｉｐｏｌａｒ型ＶＣＭ用磁石のための圧粉体の成形テストを行い、高い生産性とこれによって得られる焼結磁石が極めて高い（ＢＨ）ｍａｘを持つことを確認した。
【００３６】
図１０で、Ｇは、上述した供給ホッパーと同様の、筒体８の上端部８ｂに載置可能な供給ホッパーであり、供給ホッパーＧの下部開口部ｇ１には、グリッド部材ｇ２が取着されている。なお、供給ホッパーＧの上部内周面には、上方に行くに従って拡張した傾斜面ｇ４が形成されており、供給ホッパーＧへの粉末の供給が容易に行えるように構成されている。
【００３７】
Ｄは、供給ホッパーＧの斜め上方に配設された粉末供給部材であり、粉末ｐが収容された貯留ホッパーｄ１を有しており、貯留ホッパーｄ１の出口ｄ２には、２つのフラッパーバルブからなり、２つのバルブの間に一時保持された粉末を貯留ホッパーｄ１の出口ｄ２から落下させるための開閉手段ｄ３が配設されている。ｄ４は、筒状の受け部材であり、図示されていない機台に配設された水平シリンダーｄ５のピストンロッドｄ５’の先端に取着されている。ｄ６は、受け部材ｄ４の下部開口部を開閉することができるシャッターであり、同じく、図示されていない機台に配設された水平シリンダーｄ７のピストンロッドｄ７’の先端に取着されている。受け部材ｄ４に充填される粉末の量は、ゴムモールドｍの容器ｓに充填される粉末の量と、ほぼ同じである。
【００３８】
供給ホッパーＧの外周に取着されたフレームｖ１には、巻線ｖ２’を有する水平鉄心ｖ２”からなるステータｖ２により構成された粉末回動部材Ｖが配設されている。これはＮｄＦｅＢ磁石粉のように磁性を有する粉末の充填に対して使用される。その機能は、空気タッピングにより粉末が固くなり、グリッド部材ｇ２にしっかりと保持されている状態にあるとき、固まった粉末を解砕し、次の空気タッピングのときに、粉末がグリッド部材ｇ２を通過しやすくすることである。粉末回動部材Ｖのステータｖ２は、三相同期モーターや三相誘導モーター等の回転子の周囲に配設されたステータのように、適当に結線されて、供給ホッパーＧの下部外周に沿って、適当数、配設されている。そして、適当に結線された複数のステータｖ２に、適宜、三相交流を流すことにより、グリッド部材ｇ２付近及びその少し上部に回転磁場を形成するように構成されている。粉末が磁性粉末である場合には、上記の回転磁場により、グリッド部材ｇ２付近及びその少し上部の磁性粉末が回動されることになり、固まった状態の磁性粉末が解砕され、磁性粉末が、グリッド部材ｇ２を通過しやすくなる。
【００３９】
固まった粉末を解砕するには、上述の磁気的な解砕法以外に、供給ホッパーに振動機を取着して、固まった粉末に機械的な振動を加える方法がある。これら磁気的又は機械的な解砕は、空気タッピングして充填するサイクルの１回毎に行うか、又は、何回毎かに適宜行う。空気タッピングして充填するサイクルを何回繰り返しても固化が強く起こらない場合には、上記の解砕は行わなくてもよい。
【００４０】
次に、上述した充填方法及びその装置の充填工程について説明する。
【００４１】
先ず最初に、図１０（ａ）に示されているように、ゴムモールドｍが挿着された金型Ｍの上方に供給ホッパーＧを配置するとともに、供給ホッパーＧには、上述したように、ゴムモールドｍのキャビティーｓに充填される粉末の量より多い粉末、例えば、ゴムモールドｍのキャビティーｓに充填される粉末の１３０％以上の粉末が収容されている。低気圧高気圧発生装置Ｅに接続された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２は、供給ホッパーＧの上方に待機しており、また、粉末供給部材Ｄの貯留ホッパーｄ１の開閉手段ｄ３は閉じられている。更に、筒状の受け部材ｄ４は、貯留ホッパーｄ１の出口ｄ２の下方に位置しており、受け部材ｄ４の下部開口部は、水平シリンダーｄ７のピストンロッドｄ７’の先端に取着されたシャッターｄ６により閉鎖されている。
【００４２】
この状態から、図１０（ｂ）に示されているように、筒体８の上端部８ｂに供給ホッパーＧを載置する。次いで、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３に、低気圧高気圧発生装置Ｅに接続された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２を被せる。その後、低気圧高気圧発生装置Ｅにより、空気吸引吹き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内の空気を吸引して、供給ホッパーＧ内を低気圧状態とし、次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じるか、或いは、空気吸引引き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内へ、積極的に、空気を供給して、供給ホッパーＧ内を高気圧状態にし、このサイクルを何回か繰り返す。このように、空気タッピングにより、供給ホッパーＧに収容された粉末ｐが、グリッド部材ｇ２を通って、ゴムモールドｍのキャビティーｓに充填される。上記のゴムモールドｍのキャビティーｓへの粉末の充填工程中に、粉末供給部材Ｄの貯留ホッパーｄ１の開閉手段ｄ３を開いて、受け部材ｄ４に粉末ｐを充填しておく。
【００４３】
ゴムモールドｍのキャビティーｓに粉末ｐが充填された後に、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイルｅ２に配設された主バルブを閉じ、その後、図１０（ｃ）に示されているように、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３から蓋部材ｈ２を取り外すとともに、供給ホッパーＧを上方に移動させると、グリッド部材ｇ２により、キャビティーｓに均一密度に充填された粉末ｐと、供給ホッパーＧに残った粉末ｐとが分離される。この際、上述したように、グリッド部材ｇ２からは、粉末ｐが落下するようなことはない。その後、水平シリンダーｄ５及び水平シリンダーｄ７を作動させて、粉末が充填された受け部材ｄ４を、シャッターｄ６が閉鎖されたまま、供給ホッパーＧの上方まで進出させる。次いで、水平シリンダーｄ７を作動させてピストンロッドｄ７’を後退させることにより、シャッターｄ６を、受け部材ｄ４の下部開口部から退避させて、受け部材ｄ４に充填されていた粉末ｐを、ゴムモールドｍのキャビティーｓに粉末ｐを充填したために、量の減った供給ホッパーＧに供給する。その後、水平シリンダーｄ５及び水平シリンダーｄ７を作動させて、空になった受け部材ｄ４を、貯留ホッパーｄ１の出口ｄ２の下方に戻すとともに、受け部材ｄ４の下部開口部を、シャッターｄ６により閉鎖する。
【００４４】
上述したようにして、金型Ｍの筒体内キャビティー１２に挿着されたゴムモールドｍのキャビティーｓへの粉末の充填作業が終了する。このとき供給ホッパーＧ中の粉末は少し固くなっていてグリッド部材ｄ２の上に保持されている。粉末があまり固くなると、次に空気タッピングによって粉末がグリッド部材ｄ２を通過して、下のキャビティーｓに落下しなくなり、充填作業に支障を来すことがある。このような場合には、図１０（ｂ）に示されているように、筒体８の上端部８ｂに供給ホッパーＧが載置された状態で、供給ホッパーＧに、図示されていない加振装置を接触させて、供給ホッパーＧを振動させることにより、固まった粉末を解砕する。また、粉末が磁性粉末の場合には、筒体８の上端部８ｂに供給ホッパーＧが載置された状態で、粉末回動部材Ｖの適当に結線された複数のステータｖ２に、適宜、三相交流を流すことにより、グリッド部材ｇ２付近に回転磁場を形成して、該回転磁場により、グリッド部材ｇ２付近の磁性粉末を回動させて、固まった状態の磁性粉末を解砕する。このような粉末回動部材Ｖによる磁性粉末の解砕作業は、筒体８の上端部８ｂに供給ホッパーＧが載置された後であるならば、空気タッピング工程前でも、また、空気タッピング工程中でも、更には、空気タッピング工程後でもよい。粉末回動部材Ｖによる磁性粉末の解砕作業を、空気タッピング工程中に行うことにより、空気タッピング工程と相まって、容器内空間ｓへの粉末の高密度充填が促進されるので好ましい。
【００４５】
金型Ｍの筒体内キャビティー１２に挿着されたゴムモールドｍのキャビティーｓへの粉末の充填作業が終了した後、筒体８の上端部８ｂに、図示されていない上パンチを載置するとともに下降させると、皿バネ１０の付勢力に抗して、上パンチと一緒に筒体８が下降する。上パンチと筒体８は下降するが、インデックステーブル等の機台１１に配設されている下方のパンチ９（以下、このパンチを、上記の上パンチとの位置関係から、「下パンチ」という。）は移動しないので、筒体内キャビティー１２の容積が減少し、従って、筒体内キャビティー１２に挿着されたゴムモールドｍに充填されている粉末ｐが圧縮されることになる。その後、上パンチを上昇させて、ゴムモールドｍから、圧縮成形された圧粉体を取り出す。
【００４６】
この実施例では、主として、ＮｄＦｅＢ焼結磁石用粉末（平均粒径４μｍ）を用いて、３．５インチＨＤＤ用ｄｉｐｏｌａｒ型ＶＣＭの薄物圧粉体をＲＩＰで直接成形するテストを行った。キャビティーの深さが３ｍｍと５ｍｍのゴムモールドを使用した。この薄物ＶＣＭ用圧粉体を直接成形するため、ゴムモールドのキャビティーに、ＮｄＦｅＢ磁石粉末を充填するための供給ホッパーには、直径０．３ｍｍ、長さ３０ｍｍの金属針を、２ｍｍの間隔で配設したグリッド部材を取り付けた。供給ホッパーに収容されている粉末は、図１０（ａ）の、空気タッピングにより粉末をゴムモールドのキャビティーに落とす直前において平均３０ｇであり、図１０（ｃ）に示す貯留ホッパーからの補給のばらつきにより、±５ｇの範囲でばらついた。図１０（ｂ）において空気タッピングの条件は、次の通りであった。即ち、（１）大気圧から０．５気圧までを０．５秒かかって減圧、（２）０．５気圧から大気圧まで０．０１秒で昇圧。これを５サイクル行った。この充填により、キャビティー内の粉末の充填密度は３．４ｇ／ｃｍ3 で、偏平なキャビティー全体にわたって充填密度が均一であった。自然落下による充填では、充填密度は２．１ｇ／ｃｍ3 程度なので本発明の方法で極めて高密度の充填ができることが判明した。充填後、ＲＩＰ成形を０．６ｔ／ｃｍ2 の圧力で行った。これにより、３ｍｍの深さのキャビティーを使用したとき、平均８．２ｇ、５ｍｍの深さのキャビティーを使用したとき、平均１３．１ｇの圧粉体が得られ、各２０回の成形テストにおいて、両者とも、圧粉体の重さのばらつきは、±１％以内であった。寸法のばらつきも大変小さく、両者とも、横方向±０．７％以内、厚さ方向±０．５％以内であった。そして、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の１サイクルは５秒以内で実施できた。
【００４７】
上述した図１０に示された実施例においては、粉末が充填されていないゴムモールドｍの空のキャビティーｓに、ゴムモールドｍのキャビティーｓに充填される粉末の量より多い粉末が収容された供給ホッパーＧを介して、空気タッピングにより、粉末を充填する例が示されているが、図６〜図９を用いて説明したように、予め、ゴムモールドｍのキャビティーｓに、所定量の粉末を充填しておき、その後、粉末が収容された供給ホッパーＧを介して、空気タッピングにより、ゴムモールドｍの残余のキャビティーｓに粉末を充填するように構成することもできる。
【００４８】
次に、図１１を用いて、本発明の充填方法及びその装置の他の実施例について説明する。この実施例も上述の実施例と同様、ＲＩＰ法に関するもので、この場合、ゴムモールドｍのキャビティーｓが深く、また、供給ホッパーＧのキャビティーｓ側開口部にはグリッド部材が配置されていない例を示す。この実施例においても、上述した実施例に共通する部材には、原則として、同じ符号を使用した。
【００４９】
１３は、その上面１３ａが、ゴムモールドｍが挿着された筒体８の上端部８ｂと面一な供給ホッパーＧの載置部材であり、金型Ｍに接近して配設されている。１４は、載置部材１３に取着された水平フレーム１３ｂ等に配設された水平シリンダーであり、水平シリンダー１４のピストンロッド１４ａには、載置部材１３に載置された供給ホッパーＧが取着されている。また、金型Ｍの上方には、低気圧高気圧発生装置Ｅに接続された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２が配設されている。
【００５０】
次に、上述した充填方法及びその装置の充填工程について説明する。
【００５１】
先ず最初に、図１１（ａ）に示されているように、供給ホッパーＧを載置部材１３上に載置しておくとともに、供給ホッパーＧには、上述したように、ゴムモールドｍのキャビティーｓに充填される粉末の量より多い粉末、例えば、ゴムモールドｍのキャビティーｓに充填される粉末の１３０％以上の粉末ｐが収容されている。図示されていない空気排気及び吹き込み装置に接続された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２は、金型Ｍの上方に待機している。
【００５２】
このような状態から、水平シリンダー１４を作動させてピストンロッド１４ａを進出させ、図１１（ｂ）に示されているように、金型Ｍ上に供給ホッパーＧを載置するとともに、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３に、低気圧高気圧発生装置Ｅに接続された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２を被せる。その後、低気圧高気圧発生装置Ｅにより、空気吸引吹き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内の空気を吸引して、供給ホッパーＧ内を低気圧状態とし、次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じるか、或いは、空気吸引引き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内へ、積極的に、空気を供給して、供給ホッパーＧ内を高気圧状態にし、このサイクルを何回か繰り返す。このような空気タッピング工程により、供給ホッパーＧに収容された粉末ｐが、ゴムモールドｍのキャビティーｓに充填される。
【００５３】
ゴムモールドｍのキャビティーｓへの粉末ｐの充填後、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じるとともに、水平シリンダー１４を作動させてピストンロッド１４ａを後退させて、図１１（ｃ）に示されているように、金型Ｍ上に載置されている供給ホッパーＧを載置部材１３上に戻すと、供給ホッパーＧの載置部材１３方向への移動過程において、キャビティーｓに充填された粉末ｐの上面で、粉末ｐの摺り切りが行われ、キャビティーｓに均一密度に充填された粉末ｐと、供給ホッパーＧに残った粉末ｐとが分離される。その後、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３から蓋部材ｈ２を取り外すとともに、供給ホッパーＧには、新たに、ほぼゴムモールドｍのキャビティーｓに充填された量の粉末を、粉末供給部材１５から供給しておく。なお、金型Ｍの筒体内キャビティー１２に挿着されたゴムモールドｍのキャビティーｓへの粉末の充填作業が終了した後は、上述したように、筒体８の上端部８ｂに、図示されていない上パンチを載置するとともに下降させることにより、ゴムモールドｍに充填されている粉末ｐを圧縮して圧粉体を成形する。
【００５４】
この実施例でも、平均粒径４μｍのＮｄＦｅＢ磁石粉末を使用した。キャビティーは、直径２３ｍｍ、深さ６０ｍｍの円柱状キャビティーで、供給ホッパーには、図１１（ａ）の状態のとき１３０ｇ±１０ｇの範囲で粉末が収容されていた。空気タッピングの条件は次の通りであった。即ち、（１）大気圧から０．７気圧まで０．２５秒で減圧、（２）０．７気圧から大気圧まで０．００５秒（５ｍｓ）で昇圧。これを１０サイクル行って円柱状キャビティーに粉末を充填した。この充填においても、充填後の粉末の充填密度は３．４ｇ／ｃｍ3 に達した。自然落下により充填したときの充填密度は２．１ｇ／ｃｍ3 であるので、本発明の充填方法により極めて高い充填密度が容易に得られることが判明した。その後、０．６ｔ／ｃｍ2 の圧力でＲＩＰ成形した。２０回の成形テストにおいて、圧粉体の重さは、８４．５ｇ±１ｇの範囲にあり、圧粉体の粉末密度は３．４ｇ／ｃｍ3 もあった。このように、図１１の方法により重さのばらつきが小さく、且つ、高密度の充填が可能であることが分る。但し、図１１（ｃ）の摺り切りの過程で、キャビティー内上面付近で粉末のかたよりが少し観測された。この結果、圧粉体上面がごくわずか傾斜していた。この傾斜は、摺り切りの条件を調整すること等により、高低差で０．２ｍｍ程度に小さくできることが分かった。本発明の充填方法により、高密度で均一な充填ができるので、ＲＩＰ成形後の圧粉体の形状には、歪みがほとんど認められなかった。即ち、円柱状圧粉体の直径は、円柱の上面から下面まできわめて均一で、直径２０．７ｍｍの平均に対して、ばらつきは、±０．１ｍｍ以内であった。
【００５５】
なお、この場合も、ゴムモールドｍのキャビティーｓに、予め、所定量の粉末を充填しておき、その後、粉末が収容された供給ホッパーＧを介して、空気タッピングにより、ゴムモールドｍの残余のキャビティーｓに粉末を充填するように構成することもできる。
【００５６】
次に、図１２を用いて、本発明の充填方法及びその装置を金型プレスに適用したときの実施例について説明する。なお、この実施例においても、上述した実施例に共通する部材には、原則として、同じ符号を使用した。
【００５７】
本実施例には、筒体８と該筒体８に挿入されたパンチ９とからなる金型Ｍの筒体内キャビティー１２に、直に、粉末を充填する例が示されている。また、本実施例では、図１０に示されている実施例のように、供給ホッパーＧの下部開口部ｇ１にはグリッド部材ｇ２が取着されている。そして、供給ホッパーＧの上端部には、低気圧高気圧発生装置Ｅに連結された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２が取り外し可能に取着されている。なお、空気タッピングの際に、筒体８と該筒体８に挿入されたパンチ９とのクリヤランスから空気が漏れないように、適当なパッキンを入れる。
【００５８】
金型Ｍの筒体内キャビティー１２であるキャビティーｓに粉末を充填する際には、先ず最初に、図１２（ａ）に示されているように、金型Ｍの筒体８に供給ホッパーＧを載置する。供給ホッパーＧには、上述したように、キャビティーｓに充填される粉末の量より多い粉末、例えば、キャビティーｓに充填される粉末の１３０％以上の粉末ｐが収容されている。次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅにより、空気吸引吹き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内の空気を吸引して、供給ホッパーＧ内を低気圧状態とし、次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じるか、或いは、空気吸引引き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内へ、積極的に、空気を供給して、供給ホッパーＧ内を高気圧状態にし、このサイクルを何回か繰り返す。このような空気タッピング工程により、図１２（ｂ）に示されているように、供給ホッパーＧに収容された粉末ｐが、グリッド部材ｇ２を通って、キャビティーｓに充填される。
【００５９】
次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じるとともに、図１２（ｃ）に示されているように、供給ホッパーＧを上方に移動させると、グリッド部材ｇ２により、キャビティーｓに均一密度に充填された粉末ｐと、供給ホッパーＧに残った粉末ｐとが分離される。また、上述したように、グリッド部材ｇ２により、供給ホッパーＧから粉末ｐが落下するようなことはない。その後、供給ホッパーＧから蓋部材ｈ２を取り外して、キャビティーｓに粉末ｐを充填したために量の減った供給ホッパーＧに粉末を供給する。その後、供給ホッパーＧを側方に移動し、粉末ｐが充填された金型Ｍのキャビティーｓに、図示されていない上パンチを挿入して、上下パンチにより粉末ｐを圧縮して圧粉体を成形する。
【００６０】
この実験では、ＳＵＳ４３０のステンレス粉末を使用した。粉末は平均粒径１２μｍのアトマイズ粉である。金型のキャビティーは、直径２５ｍｍで、深さを下パンチを調整して２０ｍｍにした。供給ホッパー中の粉末量が、図１２（ａ）の段階で４５ｇ±５ｇの範囲に入るように、貯留ホッパーから送られてくる粉末の量を調整した。供給ホッパーの開口部には、直径０．３ｍｍの金属針を４ｍｍの間隔に張って形成されたグリッド部材を取り付けた。空気タッピングの条件は、（１）大気圧から０．３気圧まで０．５秒で減圧、（２）０．３気圧から大気圧まで０．０１秒で昇圧した。このサイクルを１０回行った。この空気タッピングにより、粉末の充填密度は４．５２ｇ／ｃｍ3 になり、普通に粉末を落下させて充填したときの充填密度３．０２ｇ／ｃｍ3 よりはるかに高密度に充填できた。その後、２ｔ／ｃｍ2 の圧力でパンチにより圧縮成形した。２０回の成形テストにおいて、圧粉体の重さは平均４４．４ｇで、重さのばらつきは±０．２ｇ以内であった。このように金型プレスの筒体内キャビティーへの充填についても、充填が数秒以内ででき、充填量のばらつきがきわめて小さく、且つ、高密度の充填が可能なため、圧縮のためパンチが動く距離が大変小さくてよいという利点もあることが確認できた。
【００６１】
次に、図１３に示されているような、軸ｗ１の中程に平歯車ｗ２及び軸ｗ１の端部に傘歯車ｗ３が一体に形成された圧粉体ＷをＲＩＰ法により成形する例を用いて、本発明の充填方法及びその装置の他の実施例を、図１４及び図１５を参照しながら説明する。
【００６２】
筒体８と該筒体８に挿入されたパンチ９とからなる金型Ｍの筒体内キャビティー１２には、図１３に示されているような圧粉体Ｗとほぼ同じ形状のキャビティーｓが形成されたゴムモールドｍが挿着されている。ゴムモールドｍは、ゴムモールドｍ内で成形された圧粉体Ｗが取り出せるように、垂直に分割された２つの部分ｍ１、ｍ２により構成されている。
【００６３】
供給ホッパーＧの下部開口部ｇ１には、グリッド部材ｇ２が取着されており、供給ホッパーＧには、上述したように、キャビティーｓに充填される粉末の量より多い粉末、例えば、キャビティーｓに充填される粉末の１３０％以上の粉末ｐが収容されている。また、供給ホッパーＧには、低気圧高気圧発生装置Ｅに接続された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２が被蓋されている。供給ホッパーＧの下面には、金型Ｍの筒体内キャビティー１２に挿着されたゴムモールドｍと筒体８の接合線１６を覆うように、環状空気室１７が形成されており、供給ホッパーＧには、環状空気室１７に通ずる連通孔１８が穿設されている。そして、連通孔１８は、パイプ１９を介して、図示されていない空気吸引源に接続されている。
【００６４】
次に、上述した充填方法及びその装置の充填工程について説明する。
【００６５】
先ず最初に、図１４（ａ）に示されているように、ゴムモールドｍが挿着された金型Ｍの上方に、供給ホッパーＧを配置するとともに、供給ホッパーＧを、低気圧高気圧発生装置Ｅに接続された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２により被蓋する。この状態から、空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２が被蓋されている供給ホッパーＧを、図１４（ｂ）に示されているように、筒体８の上端部８ｂに載置する。次いで、図示されていない空気吸引源を作動させて、パイプ１９及び連通孔１８を介して、ゴムモールドｍと筒体８の接合線１６を覆うように配置されている環状空気室１７を減圧して負圧状態にすることにより、ゴムモールドｍと筒体８の接触面に存在する間隙を負圧状態にする。このように、ゴムモールドｍと筒体８の接触面に存在する間隙を負圧状態にすることにより、ゴムモールドｍを、筒体８の内面に密着させて固定させて、空気タッピング工程の際のゴムモールドｍの移動や振動や変形を防止する。
【００６６】
次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅにより、空気吸引吹き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内の空気を吸引して、供給ホッパーＧ内を低気圧状態とし、次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じるか、或いは、空気吸引引き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内へ、積極的に、空気を供給して、供給ホッパーＧ内を高気圧状態にし、このサイクルを何回か繰り返す。このように、空気タッピングにより、図１４（ｃ）に示されているように、供給ホッパーＧに収容された粉末ｐが、グリッド部材ｇ２を通って、ゴムモールドｍのキャビティーｓに充填される。ゴムモールドｍのキャビティーｓに粉末ｐが充填された後に、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じる。
【００６７】
ゴムモールドｍのキャビティーｓに粉末ｐが充填された後に、空気吸引源の作動を停止させて、環状空気室１７の負圧状態を解除するとともに、図１４（ｄ）に示されているように、蓋部材ｈ２が被蓋された供給ホッパーＧを上方に移動させると、グリッド部材ｇ２により、キャビティーｓに均一密度に充填された粉末ｐと、供給ホッパーＧに残った粉末ｐとが分離される。この際、上述したように、グリッド部材ｇ２からは、粉末ｐが落下するようなことはない。その後、蓋部材ｈ２を取り外して、ゴムモールドｍのキャビティーｓに粉末ｐを充填したために量の減った供給ホッパーＧに粉末を供給しておく。
【００６８】
次いで、図１５（ａ）に示されているように、上パンチ２０を、金型Ｍの筒体内キャビティー１２に挿入して、下パンチ９と上パンチ２０の間で、粉末ｐが充填されたゴムモールドｍを圧縮する。その後、上パンチ２０を上方に移動させるとともに、下パンチ９を上昇させて、図１５（ｂ）に示されているように、金型Ｍの筒体内キャビティー１２から、粉末ｐが充填されたゴムモールドｍを取り出す。次いで、図１５（ｃ）に示されているように、ゴムモールドｍを２つの部分ｍ１、ｍ２に分割して、図１３に示されているような圧粉体Ｗを取り出す。
【００６９】
この実験では、図１２の実施例と同じ粉末を使用し、図１３に示された圧粉体Ｗの形状をはじめ、種々の複雑な形状の部品のＲＩＰによる成形テストを行った。複雑な３次元的な形状の部品の生産が、本発明の充填方法と本発明者等が最近提案してきているＲＩＰ成形法を合流させることにより可能になると本発明者は考える。複雑な３次元的な形状の部品のできるだけニアネットシェープの圧粉体を得るため、図１４の分割ゴムモールドを硬度の高いゴムで作製し、更に、本発明の充填方法としてできるだけ高密度の充填ができる条件を選んで成形テストを行った。即ち、ゴム硬度としてショアハードネスＡ６０、Ａ７０、Ａ８０、Ａ９０のウレタンゴムを使用し、空気タッピング条件を次の通りとした。即ち、（１）大気圧から０．３気圧まで０．５秒で減圧、（２）０．３気圧から１．５気圧まで０．００５秒で昇圧、（３）１．５気圧から０．３気圧まで０．６秒で減圧。この（２）と（３）のサイクルを１０回実施した。空気タッピング後、ＲＩＰ法による圧縮を０．８ｔ／ｃｍ2 で行った後、分割ゴムモールドを金型から取り出し、分割ゴムモールドを２つに割って圧粉体を取り出した。多くの複雑形状部品がこの方法によって成形できることを確認した。特に、本充填方法はこのような複雑形状の場合でも粉末を分割ゴムモールドのすみずみまで行き渡らせる効果を有していること、そして、充填密度が均一で大きいこと、そのために、このような複雑形状部品が本発明の充填方法をＲＩＰに適用することにより可能になったことを確認できた。
【００７０】
この場合も、ゴムモールドｍのキャビティーｓに、予め、所定量の粉末を充填しておき、その後、粉末が収容された供給ホッパーＧを介して、空気タッピングにより、ゴムモールドｍの残余のキャビティーｓに粉末を充填するように構成することもできる。
【００７１】
次に、図１６及び図１７を用いて、本発明の充填方法及びその装置を、複数のキャビティーを持つゴムモールドを使用したときのＲＩＰ法に適用した実施例について説明する。なお、この実施例においても、上述した実施例に共通する部材には、原則として、同じ符号を使用した。
【００７２】
筒体８と該筒体８に挿入されたパンチ９とにより形成される金型Ｍの筒体内キャビティー１２には、図１６（ａ）に示されているように、キャビティーｓが複数形成されたゴムモールドｍを挿着する。筒体８の上方には、下部開口部ｇ１にグリッド部材ｇ２が取着されているとともに、キャビティーｓに充填される粉末の量より多い粉末、例えば、キャビティーｓに充填される粉末の１３０％以上の粉末ｐが収容されている供給ホッパーＧを配置する。
【００７３】
次いで、図１６（ｂ）に示されているように、筒体８の上端部８ｂに供給ホッパーＧを載置するとともに、供給ホッパーＧに、低気圧高気圧発生装置Ｅに接続された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２を被蓋する。その後、低気圧高気圧発生装置Ｅにより、空気吸引吹き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内の空気を吸引して、供給ホッパーＧ内を低気圧状態とし、次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じるか、或いは、空気吸引引き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内へ、積極的に、空気を供給して、供給ホッパーＧ内を高気圧状態にし、このサイクルを何回か繰り返す。このように、空気タッピングにより、図１６（ｃ）に示されているように、供給ホッパーＧに収容された粉末ｐが、グリッド部材ｇ２を通って、ゴムモールドｍのキャビティーｓに充填される。ゴムモールドｍのキャビティーｓに粉末ｐが充填された後に、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じる。
【００７４】
次いで、ゴムモールドｍのキャビティーｓに粉末ｐが充填された後に、図１７（ａ）に示されているように、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３から蓋部材ｈ２を取り外すとともに、供給ホッパーＧを上方に移動させると、グリッド部材ｇ２により、キャビティーｓに均一密度に充填された粉末ｐと、供給ホッパーＧに残った粉末ｐとが分離される。この際、上述したように、グリッド部材ｇ２からは、粉末ｐが落下するようなことはない。次いで、図１７（ｂ）に示されているように、上パンチ２０を、金型Ｍの筒体内キャビティー１２に挿入して、下パンチ９と上パンチ２０の間で、粉末が充填されたゴムモールドｍを圧縮して圧粉体を成形する。
【００７５】
この実験では、ＮｄＦｅＢ焼結磁石用の粉末（平均粒径４μｍ）を使用した。ゴムモールドは直径５６ｍｍで厚さ１４ｍｍの円板状で、８ｍｍ角、深さ７ｍｍの直方体状のキャビティーが７個形成されている。供給ホッパーの底の開口部は、ゴムモールドと同じ大きさの円形で、供給ホッパーには、直径０．５ｍｍの金属針を２ｍｍ間隔で張って形成されたグリッド部材が取り付けられている。供給ホッパー中の粉末の量は、空気タッピング前（図１６（ａ））で、４０ｇ±１０ｇに調整されている。この構成によって、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）、図１７（ａ）によって７個のキャビティーにＮｄＦｅＢ磁石粉末の充填を行った。このとき空気タッピング条件は、（１）大気圧から０．６気圧まで０．４秒で減圧、（２）０．６気圧から大気圧まで０．０１秒で昇圧とし、このサイクルを１０回繰り返した。２０回の成形テストにおいて、７個のキャビティーから得られる圧粉体の重さは１．５２ｇ±０．０５ｇであった。多数のキャビティーへの充填を同時に行っても充填量のばらつきは大変小さいことが分かった。空気タッピング後、図１７（ａ）の状態において、キャビティー以外のゴムモールドの上面に多量の余分な粉末が付着して、図１７（ｂ）のプレス成形に支障を来すことが心配されたが、２０回の成形テスト中、そのような余分な粉末の付着によるトラブルは発生しなかった。自動化装置で図１６及び図１７の実施例で示す工程を実施するときは、ＲＩＰ成形後、毎回、または、何回かの成形毎にゴムモールドの上面を清掃することにより連続生産ができる。
【００７６】
次に、図１８を用いて、本発明の充填方法及びその装置の他の実施例について説明する。この実施例は、被充填物を、合成樹脂製或いは紙製等の袋に充填するものである。
【００７７】
２１は、側壁に適当数の透孔２１ａが穿設された上方が開口された袋保持容器であり、透孔２１ａには、図示されていない空気吸引源に連結された吸引管２２が接続されている。２３は、袋保持容器２１内に装着された袋であり、袋口２３ａは、袋保持容器２１の上端部に掛けられている。図１８（ａ）に示されているように、袋保持容器２１の上方には、下部開口部ｇ１にグリッド部材ｇ２が取着されているとともに、袋内空間ｓに充填される被充填物の量より多い被充填物、例えば、袋内空間ｓに充填される被充填物の１３０％以上の被充填物ｐが収容されている供給ホッパーＧが配置されている。
【００７８】
袋保持容器２１内に装着された袋２３に、被充填物を充填する際には、空気吸引源を作動させて、吸引管２２を介して、袋保持容器２１の内面に袋２３を吸着保持させる。このように、袋保持容器２１の内面に袋２３を吸着保持させることにより、袋２３を十分に拡張するとともに、後述する空気タッピング工程の際に、袋２３の動きを抑制することができる。次いで、図１８（ｂ）に示されているように、供給ホッパーＧを袋保持容器２１に載置するとともに、供給ホッパーＧに、低気圧高気圧発生装置Ｅに接続された空気吸引吹き込みパイプｈ１が配設された蓋部材ｈ２を被せる。その後、低気圧高気圧発生装置Ｅにより、空気吸引吹き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内の空気を吸引して、供給ホッパーＧ内を低気圧状態とし、次いで、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じるか、或いは、空気吸引引き込みパイプｈ１を介して、供給ホッパーＧ内へ、積極的に、空気を供給して、供給ホッパーＧ内を高気圧状態にし、このサイクルを何回か繰り返す。このように、空気タッピングにより、図１８（ｂ）に示されているように、供給ホッパーＧに収容された被充填物ｐが、グリッド部材ｇ２を通って、袋２３の袋内空間ｓに充填される。袋２３の袋内空間ｓへの被充填物ｐの充填後、低気圧高気圧発生装置Ｅのパイプｅ２に配設された主バルブｅ３を閉じる。
【００７９】
袋２３の袋内空間ｓに被充填物ｐが充填された後に、図１８（ｃ）に示されているように、供給ホッパーＧの上部開口部ｇ３から蓋部材ｈ２を取り外すとともに、供給ホッパーＧを上方に移動させると、グリッド部材ｇ２により、袋内空間ｓに均一密度に充填された被充填物ｐと、供給ホッパーＧに残った被充填物ｐとが分離される。この際、上述したように、グリッド部材ｇ２からは、被充填物ｐが落下するようなことはない。次いで、空気吸引源の作動を停止させて、袋保持容器２１の内面への袋２３の吸着を解除し、袋保持容器２１から、被充填物ｐが充填された袋２３を取り出し、次工程の真空包装工程等に搬送する。
【００８０】
なお、この場合も、袋２３の袋内空間ｓに、予め、所定量の被充填物を充填しておき、その後、被充填物が収容された供給ホッパーＧを介して、空気タッピングにより、袋２３の袋内空間ｓの残余の容器ｓに被充填物を充填するように構成することもできる。
【００８１】
この実験では、直径２０ｍｍ、長さ２０ｍｍのポリ袋に小麦粉とアルミナ繊維を詰めるテストを実施した。アルミナ繊維の平均長さは２０μｍで、太さは２０ｎｍであった。供給ホッパーは、内径２０ｍｍ、長さ１００ｍｍのアクリル製パイプを使用した。アクリル製パイプの下側開口部に、直径０．５ｍｍの金属針を３ｍｍ間隔に平行に張って形成されたグリッド部材を取り付けた。供給ホッパーには、図１８（ａ）の状態のとき、被充填物をパイプの８０％程度収容しておいた。図１８（ｂ）の空気タッピングは次の条件で行った。即ち、小麦粉の場合は、（１）大気圧から０．４気圧まで０．５秒で減圧、（２）０．４気圧から大気圧まで０．０１秒で昇圧し、このサイクルを１０回行った。また、アルミナ繊維の場合には、（１）大気圧から０．４気圧まで０．７秒で減圧、（２）０．４気圧から大気圧まで０．０１秒で昇圧し、このサイクルを１０回行った。このテストにより、小麦粉はポリ袋中に０．９５ｇ／ｃｍ3 、アルミナ繊維は０．７４ｇ／ｃｍ3 の充填密度まで充填されていた。振動を加えないでコップ等の容器にこれらを充填したとき、充填密度は、小麦粉０．５１ｇ／ｃｍ3 、アルミナ繊維０．２５ｇ／ｃｍ3 であった。２０回の充填テストにおいては、いずれの物品についても、袋詰めされた小麦粉及びアルミナ繊維の重量のばらつきは±１％以内であった。この実施例から、小麦粉やアルミナ繊維等、軽くて舞い上がりやすく充填しにくい物品に対して、本発明の充填方法は一定容器にこれらの物品を迅速に詰めることができること、充填密度が高く、且つ、毎回充填量が一定していてばらつきがきわめて小さいことが確認された。従って、この充填方法及びこの方法に基づく装置は、食品、薬品やアルミナ繊維等の断熱性の高い物品等、軽くて舞い上がりやすく充填が困難なあらゆる種類の物品の計量器として、また、計量したものを同時に包装する方法及び装置として工業的にきわめて価値が大きい。
【００８２】
以上の幾つかの実施例を用いて説明したように、本発明の充填方法及び充填装置を用いて、粉末、短繊維状物、羽毛状物等、計量したり、狭い空間に充填することが困難な物品を、迅速に一定空間に充填することができ、しかも、繰り返し充填される被充填物の量のばらつきをきわめて小さくでき、且つ、充填された空間全体にわたって充填密度を均一にできる。空気タッピングの条件を制御することによって充填密度を制御することができ、必要に応じて、充填密度を非常に高くできる。供給ホッパーの開口部にグリッド部材を配設することにより、簡単な構成で、容器周辺部に被充填物の散乱等のトラブルがなく、生産性が高い自動充填装置が実現できる。
【００８３】
この発明の充填方法及び装置をＲＩＰ、ＣＩＰ及び金型プレスに採用し、粉末成形に応用すると、どのプレスの場合でも、（１）充填量が毎回一定していてばらつきが少ないので、圧粉体の重さと大きさが毎回一定である。（２）充填密度を大きくできるので、ＲＩＰとＣＩＰの場合、プレス時の収縮に伴う、成形される圧粉体の象の足変形等、望ましくない変形を最小限にできる。なお、上述の実施例においては、ＣＩＰの例を示さなかったが、ゴムモールドを使った成形という点では、ＣＩＰはＲＩＰとよく似ており、ＣＩＰの場合でもゴムモールドのキャビティー内に粉末を高密度に、且つ、均一に充填することが、良質の圧粉体を得るために不可欠である。従って、本発明の充填方法をＣＩＰに応用することにより、粉末成形の生産性を向上することができ、且つ、ニアネット性を改善できる。また、金型プレスの場合、パンチが動く距離が小さくできるので、粉末がパンチと金型のクリアランスにかみこんだりすることが少なくなり、金型の寿命を伸ばすことができる。
【００８４】
また、金型プレスでは、高さの大きい製品や形状が複雑な製品の場合、金型に粉末を普通に振り込んで充填するだけでは充填密度の不均一のために、圧粉後、圧粉体中のグリーン密度の不均一が大きく、このような圧粉体を焼結して得られる焼結体の形状が歪んだり、圧粉段階での割れや欠け、また、圧粉後、焼結したとき焼結体中にひびや欠けが起こることが多い。このような製品に本発明を適用したとき、金型中の充填密度がキャビティー内空間全体にわたって高密度で、且つ、均一にできるので、上述のような圧粉体の割れや欠け、焼結後の焼結体のひびや欠けが起こらない。このように、本発明の充填方法及び装置を粉末成形に適用することにより、成形の生産性を向上させることができるとともに、割れや欠け等の不良率を大幅に低減でき、且つ、ネットシェープの成形品が得られるようになる。
【００８５】
この発明は、粉末、短繊維状物、羽毛状物等、計量したり、狭い空間に充填しにくい物品の計量法及び充填法及びその装置としても大変有効である。液体は計量や充填が最も簡単にできる物品の代表である。一定容積に液体を取り、他の容器に移すと、量はいつも一定で、迅速にこの作業を行うことができる。本発明において提案する充填方法及び装置を使うと、上述のような、計量しにくい、或いは、充填しにくい被充填物を、液体を取り扱うときのように、正しく計量し、容易に充填できるようになる。
【００８６】
なお、これまでの説明では、空気タッピング等空気の流れを使って粉末等の被充填物を充填する例を示してきたが、被充填物が酸化されやすかったり、他の反応が起こりやすい場合には、空気に代わり、窒素やアルゴン等の不活性ガスを使用できることは勿論である。
【００８７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【００８８】
粉末、短繊維状物、羽毛状物等、計量したり、狭い空間に充填することが困難な被充填物を、容器に、迅速に充填することができ、且つ、充填量を一定にして、ばらつきをきわめて小さくでき、また、容器内全体にわたって充填密度を均一に、そして、高密度にできる。
【００８９】
供給ホッパーにグリッド部材を配設したので、被充填物を容器に充填後、容器に充填された被充填物と供給ホッパーに残った被充填物とを、確実に分離することができるとともに、移動した供給ホッパーからの被充填物の落下を防止することができるので、簡単な構成で、生産性が高い高性能の各種、難計量、難充填物の自動計量装置及び自動充填装置が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の充填方法及びその装置における充填原理を説明するための供給ホッパー等の垂直断面図である。
【図２】図２は図１の充填工程に続く充填工程を説明するための供給ホッパー等の垂直断面図である。
【図３】図３は図２の充填工程に続く充填工程を説明するための供給ホッパー等の垂直断面図である。
【図４】図４は図３の充填工程に続く充填工程を説明するための供給ホッパー等の垂直断面図である。
【図５】図５は本発明の充填方法及びその装置に使用される一例としての低気圧高気圧発生装置である。
【図６】図６は本発明の充填方法及びその装置における他の実施例の充填工程を説明するための供給ホッパー等の垂直断面図である。
【図７】図７は図６の充填工程に続く充填工程を説明するための供給ホッパー等の垂直断面図である。
【図８】図８は図７の充填工程に続く充填工程を説明するための供給ホッパー等の垂直断面図である。
【図９】図９は図８の充填工程に続く充填工程を説明するための供給ホッパー等の垂直断面図である。
【図１０】図１０は本発明の充填方法及びその装置の実施例を説明するための供給ホッパーや金型等の垂直断面図である。
【図１１】図１１は本発明の充填方法及びその装置の他の実施例を説明するための供給ホッパーや金型等の垂直断面図である。
【図１２】図１２は本発明の充填方法及びその装置のまた他の実施例を説明するための供給ホッパーや金型等の垂直断面図である。
【図１３】図１３は本発明の充填方法及びその装置により成形される一例としての圧粉体の斜視図である。
【図１４】図１４は図１３に示されている圧粉体を成形するための充填工程を説明するための供給ホッパーや金型等の垂直断面図である。
【図１５】図１５は図１４の充填工程に続く充填工程を説明するための供給ホッパーや金型等の垂直断面図である。
【図１６】図１６は本発明の充填方法及びその装置の更なる実施例を説明するための供給ホッパーや金型等の垂直断面図である。
【図１７】図１７は図１６に示されている充填工程に続く充填工程を説明するための供給ホッパーや金型等の垂直断面図である。
【図１８】図１８は本発明の充填方法及びその装置のまた更なる実施例を説明するための供給ホッパーや袋保持容器等の垂直断面図である。
【図１９】図１９は従来の充填方法及びその装置を説明するための充填装置の垂直断面図である。
【符号の説明】
Ｃ・・・・・・・・容器
Ｄ・・・・・・・・粉末供給部材
Ｅ・・・・・・・・低気圧高気圧発生装置
Ｇ・・・・・・・・供給ホッパー
Ｍ・・・・・・・・金型
Ｖ・・・・・・・・粉末回動部材
ｇ２・・・・・・・グリッド部材
ｈ１・・・・・・・空気吸引吹き込みパイプ
ｈ２・・・・・・・蓋部材
ｍ・・・・・・・・ゴムモールド
ｐ・・・・・・・・被充填物（粉末）
ｓ・・・・・・・・容器内空間、キャビティー、袋内空間
８・・・・・・・・筒体
９・・・・・・・・パンチ
１３・・・・・・・載置部材
２１・・・・・・・袋保持容器
２３・・・・・・・袋
【図１】
0003978262.tif 000002
【図２】
0003978262.tif 000003
【図３】
0003978262.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003978262.tif 000007
【図７】
0003978262.tif 000008
【図８】
0003978262.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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