JP3560745B2 - 粉体フィーダの制御装置及び粉体フィーダ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉体フィーダの制御方法に関し、さらに詳細には、粉体の供給量を短時間で高精度に制御する方法、及びかかる制御手段を有する粉体フィーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、粉体フィーダとしては、超音波振動子を用いた超音波モータを利用したものが周知である。この粉体フィーダは、超音波振動子が共振周波数において、電気エネルギーによる圧電素子の機械的変形が起こることを利用して、振動体に機械的振動を発生させることで粉体を搬送している。すなわち、縦振動（長さ方向振動）と曲げ振動が同時に生じるように構成した超音波振モータに、共振振動数を有する交流駆動電圧を印加すると、先端に楕円振動を生じるので、その先端にパイプを取り付け、パイプ中に粉体を供給して、粉体を楕円振動により一定方向に搬送している。
【０００３】
そして、粉体の供給量は次のような制御により行なっている。すなわち、駆動電圧を間欠的に超音波モータに印加することにより、駆動電圧の１周期あたりの割合（デューティー比）を変化させることで、超音波モータへの出力を変化させ、粉体の供給量を制御している。例えば、共振周波数で発振している共振周波数発振回路と、例えば、デューティー比を変化させるためのデューティー比制御用クロック発生手段とのＡＮＤ （積）をとり、その出力を電力増幅して振動体に印加するのである。
【０００４】
さらに、上記制御の精度を向上させるため、図５のブロック図に示すよう制御システムでフィードバック制御が行なわれている。すなわち、荷重センサであるロードセルにて粉体量を計測し、そのセンサ出力信号をロードセルアンプで増幅した出力増幅信号をフィードバックし、Ａ／Ｄコンバータを介してマイコンシステム（デューティー比制御手段）内にサンプリングする。そして、マイコンシステム内で出力増幅信号に基づき、算出されたデューティー比クロック信号により駆動回路が作動する。すると、駆動電圧信号が超音波モータに印加され、超音波モータが作動する。このとき、マイコンシステムがロードセルからの出力信号に基づき、最適なデューティー比を算出するので、粉体供給量を最適に制御することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の制御方法では、粉体の目標の供給実流量になるようフィードバック制御して、実流量が安定するまでに時間がかかる。例えば、図１３に示すように、制御システムの立ち上がり応答時間も含め、粉体の供給開始から目標の供給実流量ｑＴ になるまでに数ｓｅｃの時間Ｔ２ を要する。従って、供給開始から数ｓｅｃ間の供給実流量は、非常に不安定であり、かつ目標の供給実流量ｑＴ で粉体を供給することができなかった。これは、目標の供給実流量ｑＴ に達するまでの粉体の流量制御が、逐次デューティー比を漸増させて行く方法で行なわれているためである。
【０００６】
従って、粉体の供給初期において、目標の供給実流量ｑＴ に対して実際の供給実流量が大きくずれ、高精度に定流量で粉体を供給することができなかった。
よって、短時間、例えば数ｓｅｃ間での粉体供給においては、目標の供給実流量に対する誤差が大きく、粉体の供給を高精度に定流量にて行なうことができないという問題があった。
【０００７】
また、供給粉体の性状やロット間のバラツキで粉体の流動度が異なるため、これらの要因が粉体の供給精度に大きく影響する。よって、供給量の精度を保つためには、粉体の性状やロットが変わるたびに、フィーダーキャリブレーションを行なう必要があり面倒であった。
【０００８】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、粉体搬送量の制御を短時間でより高精度に行うことができ、かつ作業性を向上させる粉体フィーダの制御方法、さらには、かかる制御手段を有する粉体フィーダを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１の発明によれば、圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルとからなる粉体フィーダの制御装置において、前記粉体フィーダの使用前に行なうフィーダキャリブレーションにより、２点以上のデューティー比に対するそれぞれの粉体の単位時間あたりの供給実流量を求め、その値を直線補間して校正曲線を求めて記憶するフィーダキャリブレーション記憶手段と、目標の供給実流量が設定されると、その供給実流量に対するデューティー比を前記校正曲線から算出するデューティー比算出手段と、そのデューティー比に基づき前記振動体を駆動させて、粉体の供給を開始し、粉体の供給実流量値が目標値になった後、前記ロードセルからの出力値を前記デューティー比制御手段にフィードバックするフィードバック手段を有することを特徴とする。
【００１０】
振動体は先端部が楕円振動するため、先端部に取り付けられた粉体供給パイプも楕円振動する。すると、ホッパからパイプ中に供給された粉体は、この楕円振動により横方向（振動体の縦方向振動に対する直角方向で、振動体の曲げ方向振動に対して平行な方向）に加速を受け移動する。従って、粉体を搬送することができる。
【００１１】
この場合において、圧電素子に印加する交流駆動電圧をオン／オフ制御しているので、振動体が駆動されている期間は粉体が搬送される。一方、駆動されていない期間には、振動体の先端部は楕円振動をしないので、粉体は搬送されない。
そして、フィーダキャリブレーションにより求められ、フィーダキャリブレーション記憶手段に記憶された校正曲線から、デューティー比算出手段が目標の供給実流量に対するデューティー比を算出し、そのデューティー比に基づき粉体の供給を開始するので、瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量と同等の供給実流量で粉体を高精度に供給することが可能になる。
【００１２】
請求項２の発明によれば上記問題点を解決するために、圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルとからなる粉体フィーダの制御装置において、前記粉体フィーダの使用前に行なうフィーダキャリブレーションにより、２点以上のデューティー比に対するそれぞれの粉体の単位時間あたりの供給実流量を求め、その値を直線補間して校正曲線を求めて記憶するフィーダキャリブレーション記憶手段と、フィードバック制御域での粉体の供給実流量の安定値及びその安定値に対するデューティー比を記憶する学習記憶手段と、前記学習記憶手段に記憶されたデューティー比と、前記フィーダキャリブレーション記憶手段に記憶されたデューティー比と、を比較して補正係数を算出する補正係数算出手段と、その補正係数により毎回前記補正曲線を修正して前記学習記憶手段に記憶させ、目標の供給実流量に対するデューティー比を修正後の校正曲線から算出するデューティー比算出手段と、そのデューティー比に基づき前記振動体を駆動させて、粉体の供給を開始し、粉体の供給実流量値が目標値になった後、前記ロードセルからの出力値を前記デューティー比制御手段にフィードバックするフィードバック手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
フィーダキャリブレーションにより求められ、フィーダキャリブレーション記憶手段に記憶された校正曲線から、デューティー比算出手段が目標の供給実流量に対するデューティー比を算出し、さらに、前回の供給におけるフィードバック制御域での粉体の供給実流量の安定値に基づいて、各供給ごとに前記校正曲線を毎回修正し、目標の供給実流量に対するデューティー比を修正後の校正曲線から算出し、そのデューティー比に基づき粉体の供給を開始する。従って、瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量と実際の供給実流量が同等になり、しかも、校正曲線を各供給ごとに修正して行くので、目標の供給実流量と実際の供給実流量の誤差が前回の供給より小さくなり、粉体をより高精度に供給することが可能になる。
【００１４】
また、毎回前記校正曲線を修正し、その修正後の校正曲線を記憶しているので、粉体の性状やロットが変わったときに、フィーダーキャリブレーションを行なわなくても、自動的に校正曲線が得られ、かつ各供給ごとに修正されていくので、粉体をより高精度に供給することができるとともに、作業性も向上する。
【００１５】
請求項３の粉体フィーダによれば上記問題点を解決するために、圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルと、請求項１に記載する粉体フィーダの制御装置と、を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項４の粉体フィーダによれば上記問題点を解決するために、圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルと、請求項２に記載する粉体フィーダの制御装置と、を有することを特徴とする。
【００１７】
上記構成を有する粉体フィーダによれば、フィーダキャリブレーションにより求めた校正曲線から、目標の供給実流量に対するデューティー比を算出し、そのデューティー比に基づき粉体の供給を開始する制御手段を有しているので、瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量と同等の供給実流量で粉体を供給することができ、短時間での粉体供給を高精度で行なうことが可能となる。
【００１８】
また、前回の供給におけるフィードバック制御域での粉体の供給実流量の安定値に基づいて、前記校正曲線を修正し、目標の供給実流量に対するデューティー比を修正後の校正曲線から算出し、そのデューティー比に基づき粉体の供給を開始する制御手段を有することで、瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量と実際の供給実流量の誤差が前回より小さくなり、粉体をより高精度に供給することが可能になる。
【００１９】
さらに、毎回前記校正曲線を修正し、その修正後の校正曲線を記憶装置を有することで、粉体の性状やロットが変わったときのフィーダーキャリブレーションが不要となり作業性が向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。第１の実施の形態に係る粉体フィーダの構造を図１に示す。
振動体１０は、いわゆるリニア型超音波モータであり、平板リング形状の圧電素子１を２枚、図示しない電極板を介して積層し、この両面を、略円柱状の金属ホーン２ａおよび略円筒状の金属バックホーン２ｂで挟んだ構造となっている。この振動体１０は、バックホーン２ｂと圧電素子１の中央部を貫通する透孔を経由して挿入され、一端がホーン２ａに締結されたボルト３によって、固定部材４に固定されている。
このホーン２ａの先端部２ｃは、二面取りされ、後述するパイプを貫挿するための貫通孔２ｄが設けられている。
【００２１】
貫通孔２ｄには、内部を粉体が流通する粉体供給パイプ２０が貫挿・固着されている。この粉体供給パイプ２０の図中左側の端部２１は、やや下方に屈曲させられており、図中右側から搬送された粉体Ｐがパイプ２０の端部２１から落下移動しやすいようにされている。
一方、パイプ２０の図中右側の端部２２は、逆にやや上方に屈曲させられ、ホッパ本体３０から供給される粉体Ｐを、容易に図中左側へ搬送できるようにされている。
【００２２】
ホッパ本体３０は、粉体Ｐを貯蔵し、パイプ２０へ徐々に粉体を供給するためのものであって、底部３１は漏斗状になっている。この底部３１にはチューブ３２がつながれており、チューブ３２の他端は、粉体供給パイプ２０の端部２２につながれている。従って、ホッパ本体３０に投入された粉体Ｐは、チューブ３２を経由して、パイプ２０に供給される。なお、チューブ３２は、振動体１０の振動を妨げないように屈曲自在の材質が選択され、本例では、ナイロンチューブを用いている。
【００２３】
図２に、振動体１０の入力インピーダンスの周波数特性を、インピーダンスアナライザで測定した結果を示す。この結果から、振動体１０の共振周波数Ｆｒは、約２９．４ｋＨｚであることが判る。この共振周波数Ｆｒで駆動した場合には、大きく振動する。一方、共振周波数から外れた周波数、即ち、非共振周波数で駆動した場合には、インピーダンスが高くなって駆動エネルギーが注入できないため、振動はほとんど生じない。従って、本実施例では、共振周波数と非共振周波数とを交互に印加して、振動体１０の駆動をオン／オフしている。ちなみに、非共振周波数を印加する期間に、駆動電圧を印加しないようにしても、同様に振動体１０の駆動をオン／オフすることができる。
【００２４】
ここで、振動体１０を共振周波数で駆動した場合の振動の様子を説明する。
共振周波数で圧電素子１を駆動すると、圧電素子が伸び縮みするため、振動体１０は、図３に示すように屈曲振動する。この振動は、図中上下方向への伸び縮みの振動（縦振動）と、図中横方向への曲げ振動（撓み振動）との合成振動である。
【００２５】
この振動の一周期分についてさらに詳細に説明すると、図４に示すように振動をしている。なお、図４では、先端部（図中下端部）の動きを判りやすくするため、先端中央部に黒点を打っている。まず、ｔ＝０（図４（ａ））では、先端部（黒点）は右側に位置するように曲げられている。ついで、１／４周期後のｔ＝π／２（図４（ｂ））では、振動体は縮み、先端部（黒点）は図中上側に位置している。さらに、ｔ＝π（図４（ｃ））では、先端部（黒点）が左側に位置するように曲げられている。さらに１／４周期後のｔ＝３π／２（図４（ｄ））では、振動体は伸び、先端部（黒点）は図中下側に位置している。従って、一周期分について黒点の動きをたどってゆくと、図４に示すように楕円運動をしていることが判る。
【００２６】
従って、この先端部にパイプを取り付け、パイプ中に粉体を供給すると、粉体は浮き上がりながらも図中左方向への加速を受けて、左側へ搬送されてゆくこととなる。
そして、共振周波数で駆動する時間割合を調整、即ち、デューティー比を変化させて、粉体搬送量（切り出し量）を調整する。このとき、ホッパ本体３０内の粉体Ｐの重量をロードセルにて計測し、その出力信号をマイコンシステムにフィードバックしている。このフィードバック信号を基にして、マイコンシステムで最適に算出されたデューティー比制御信号を駆動回路へ送り、デューティー比に応じた時間だけ駆動電圧ＶＡＣＴ を振動体１０に印加することによって、粉体Ｐの切り出し量及び実流量を制御している。本実施例では、マイコンシステム内に、デューティー比制御手段、フィーダキャリブレーション記憶装置手段、デューティー比算出手段、及びフィードバック手段を備えている。
【００２７】
しかし、従来の制御方法においては、図１３に示すように、粉体の供給開始から数ｓｅｃ（期間Ｔ２ ）経過しないと供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ に安定しないため、短時間、例えば数ｓｅｃ間での供給を行なうと、高精度に粉体を供給することができなかった。これは、従来の制御方法では、供給開始から供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ になるまでは、デューティー比を逐次漸増させていく制御を行なっているためである。
【００２８】
そこで、本発明においては、従来の制御方法においてフィードバック制御領域Ｔで利用されているフィーダキャリブレーションにより得られた校正曲線を、供給開始時に利用することにより、供給開始から瞬時に目標の供給実流量ｑＴ で粉体を供給できるようにした。従って、短時間（数ｓｅｃ）での粉体供給を、高精度に行なえるようになった。
【００２９】
図面に基づいて、本実施の形態に係る粉体フィーダの制御方法について説明していく。
まず、図６、図７を参照して、フィーダキャリブレーションについて説明する。図６はフィーダキャリブレーションのフローチャートを、図７はフィーダキャリブレーションにより得られた校正曲線を示す。図７に示す校正曲線がフィーダキャリブレーション記憶手段に記憶される。このフィーダキャリブレーションは従来技術においても同様の方法で行なわれている。また、フィーダキャリブレーションとは、ある粉体の供給実流量に対するデューティー比の関係をグラフ化するための作業である。
【００３０】
図６において、ステップ（以下、Ｓと略記する）１にて、デューティー比制御手段のデューティ比が１００％に設定され、続いて、Ｓ２にてロードセルで測定した現在のホッパ内の粉体重量がデューティー比制御手段に記憶される。ここで、Ｓ２において行なわれる記憶処理について図８を参照して概説する。図８は、粉体フィーダ使用前に予め作成したウエイトキャリブレーション直線を示す。この直線は、ロードセルの出力値（電圧値）Ｖ１ ，Ｖ２ ，…と重量値Ｑ１ ，Ｑ２ ，…との関係を示したものである。そこで、ロードセルの出力値がデューティー比制御手段に入力されると、その出力値からウエイトキャリブレーション直線に基づき粉体の重量値を算出して記憶する。
【００３１】
そして、Ｓ３にて所定のデューティー比にて、振動体を駆動させて粉体を供給する。このとき、そのデューティー比をデューティー比制御手段に記憶させている。
ここで、所定のデューティー比とは、予め設定されたデューティー比であり、図７においては、Ｘ１ ，Ｘ２ ，…に相当し、具体的には、２０％，４０％，…等になる。
その後、供給開始から１０ｓｅｃ経過した場合には（Ｓ４：Ｙｅｓ）、そのままＳ５に進む。１０ｓｅｃ経過していない場合には（Ｓ４：Ｎｏ）、Ｓ３におけるデューティー比で粉体供給を続ける。
【００３２】
次に、Ｓ５にてロードセルでホッパ内の粉体重量を測定して、その値をデューティー比制御手段に記憶する。Ｓ５の処理は、Ｓ２の処理と同様の手順で行なわれる。そして、Ｓ６にてＳ２の記憶値とＳ５の記憶値とから単位時間あたりの重量変化、すなわち供給実流量値（ｇ／ｓｅｃ）をデューティー比制御手段に記憶させる。すなわち、Ｓ６がフィーダキャリブレーション記憶手段に相当する。
【００３３】
続いて、Ｓ７にて終了に達した場合（Ｓ７：Ｙｅｓ）、フィーダキャリブレーションは終了し、測定点間をそれぞれ直線補完して、図７に示す校正曲線を作成する。終了に達しない場合には（Ｓ７：Ｎｏ）、そのままＳ８に進む。Ｓ８では、Ｓ３でのデューティー比を一定値だけ減少させる。その後、Ｓ２に戻り、上記の処理を繰り返す。
【００３４】
次に、粉体供給の制御方法について、図９、図１０を参照して説明する。図９は粉体の供給パターンを示し、図１０は粉体の実流量制御の状態を、供給実流量と時間の関係で示したものである。
まず、粉体を供給する前に図９に示すような供給パターンを設定する。この供給パターンは、スロープアップ供給開始実流量ｑＴ１、定常供給実流量ｑＴ２、スロープダウン供給終了実流量ｑＴ３、スロープアップ時間ｔ１ 、定常供給時間ｔ２ 、スロープダウン時間ｔ３ をそれぞれ決定しデューティー比制御手段に入力することで作成される。ここで、図９において、ｔ１ ＝ｔ３ ＝０の場合には、方形波パターンになり、ｔ１ ＝ｔ３ ＞０の場合には、台形波パターンになる。供給パターンでスロープを付けているのは、例えば、エンジンの給排気バルブのシート部のように、合金粉体を溶融して製造する場合等において、粉体の供給開始位置と終了位置が重なり合うために、その重なり部分の粉体量を他の部分と均一にするためである。
また、この供給パターンで囲まれた面積が粉体の総供給量になる。
【００３５】
ここで、粉体の供給開始時に着目すると、従来の制御方法では図１３に示すように、設定された目標の供給実流量ｑＴ になるまでにＴ２ （＞数ｓｅｃ）の時間を要していた。これは、供給開始から目標の供給実流量ｑＴ になるまでの流量制御が逐次デューティー比を漸増させて、供給実流量を目標の供給実流量ｑＴ に近づけるという方法で行なわれているからである。一方、第１の実施の形態に係る粉体フィーダの制御方法では図１０に示すように、設定された目標の供給実流量ｑＴ になるまでに立ち上がり応答時間Ｔ１（＜１ｓｅｃ）しか要しない。これは、供給開始時のデューティー比を図７（ａ）の校正曲線から、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比を求め、そのデューティー比によって粉体を供給し始めるためである。
【００３６】
なお、図１０、図１３中の符号Ｔは、目標の供給実流量ｑＴ に対してフィードバック制御を実行している期間を示している。このフィードバック制御域では、ロードセルからの出力信号を基にして算出された瞬時供給実流量を求め、その瞬時供給実流量に対するデューティー比を図７（ａ）の校正曲線から求めて、そのデューティー比により粉体を供給するという処理が繰り返されている。その結果、フィードバック制御域Ｔでの目標の供給実流量ｑＴ に対する瞬時供給実流量の誤差は±２％以内に収まり、高精度に粉体を供給している。
【００３７】
また、図１０、図１３中の斜線部は、目標の供給実流量ｑＴ に対する誤差を示している。よって、この斜線部の面積が小さい方が高精度にかつ短時間で粉体を供給していることになる。
【００３８】
さらに、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照にして本実施の形態の制御方法について詳細に説明する。図１０（ａ）は、供給開始時の実際の供給実流量ｑＡ 、すなわち目標の供給実流量ｑＴ に基づき図７（ａ）の校正曲線から求めた供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ より大きかった場合の粉体の供給状態を示したものである。このような供給状態になるのは、目標の供給実流量ｑＴ とデューティー比との関係点が、図７（ａ）の校正曲線よりも上に存在するときである。
よって、このときの供給開始のデューティー比は、目標の供給実流量ｑＴ に対する本来のデューティー比ＸＴ よりも大きくなっている。
【００３９】
図１０（ｂ）は、（ａ）とは逆に、供給開始時の実際の供給実流量ｑＢ が目標の供給実流量ｑＴ より小さかった場合の粉体の供給状態を示したものである。このような供給状態になるのは、目標の供給実流量ｑＴ とデューティー比との関係点が、図７（ａ）の校正曲線よりも下に存在するときである。よって、このときの供給開始のデューティー比は、目標の供給実流量ｑＴ に対する本来のデューティー比ＸＴ よりも小さくなっている。
【００４０】
図１０（ｃ）は、供給開始時の実際の供給実流量ｑＣ が目標の供給実流量ｑＴ と同じである場合の粉体の供給状態を示したものである。このような供給状態になるのは、目標の供給実流量ｑＴ とデューティー比との関係点が、図７（ａ）の校正曲線上に存在するときである。よって、このときの供給開始のデューティー比は、目標の供給実流量ｑＴ に対する本来のデューティー比ＸＴ と同じになっている。
【００４１】
ここで、図１０（ａ），（ｂ）の供給状態を、図１０（ｃ）の供給状態に近づけて、より高精度に粉体の供給量を制御するためには、フィーダキャリブレーションで測定するデューティー比Ｘ１ ，Ｘ２ ，…の点数を増やせばよい。
【００４２】
以上説明した通り第１の実施の形態に係る粉体フィーダによれば、使用前に行なうフィーダキャリブレーションから求めた校正曲線に基づいて、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比ＸＴ を算出して、そのデューティー比ＸＴ にて粉体Ｐの供給を開始するため、供給実流量が供給開始から瞬時（時間Ｔ１ 以内）に目標の供給実流量ｑＴ に達する。従って、高精度に実流量を制御して粉体を供給することができ、さらに数ｓｅｃでの短時間供給においても、高精度に粉体を供給することが可能となる。
【００４３】
続いて、第２の実施の形態に係る粉体フィーダについて説明する。粉体フィーダの構造自体は、第１の実施の形態と同様である。第２の実施の形態の特徴は、２回目以降の粉体供給において、前回の供給でのフィードバック制御領域での安定値に基づき、フィーダキャリブレーションから求めた校正曲線を各回ごとに修正する点にある。
【００４４】
そこで、第２の実施の形態に係る粉体フィーダの流量制御について、図１１、図１２を参照して説明する。図１１は校正曲線の修正処理のフローチャートを示し、図１２は粉体の実流量制御の状態を、供給実流量と時間の関係で示したものである。
【００４５】
図１１において、現在の供給状態にて、供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ に対して±２以内の誤差に収まっている場合（Ｓ１０：Ｙｅｓ）あるいは制御終了までの時間が０．５ｓｅｃ以内の場合（Ｓ１１：Ｙｅｓ）には、その供給実流量値を記憶してＳ１２に進む。供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ に対して±２以内の誤差に収まっていない場合（Ｓ１０：Ｎｏ）あるいは制御終了までの時間が０．５ｓｅｃ以上ある場合（Ｓ１１：Ｎｏ）には、フィードバック制御しながら粉体供給を続行する。
【００４６】
Ｓ１２では、まずＳ１０あるいはＳ１１で記憶した供給実流量値を、初回の供給における供給実流量の安定値と比較して補正係数を算出する。次に、その補正係数に基づき、フィーダキャリブレーションから求めた校正曲線（図７（ａ））を修正し、その修正校正曲線（図７（ｂ）あるいは（ｃ））を記憶する。
【００４７】
ここで、３回目以降の供給においては、Ｓ１０あるいはＳ１１で記憶した供給実流量値を、前回の供給における供給実流量の安定値と比較して補正係数を算出し、その補正係数に基づき、前回の供給時に記憶した修正校正曲線（図７（ｂ）あるいは（ｃ））をさらに修正して、修正後の校正曲線を記憶する。すなわち、Ｓ１２が補正係数算出手段とデューティー比算出手段に相当する。
【００４８】
Ｓ１２の処理が終了すると、Ｓ１３に進み、Ｓ１３にて次回の供給を行なうか否かを判断し、次回の供給指示がある場合には（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、Ｓ１０あるいはＳ１１に戻って上記処理を繰り返す。次回の供給指示がない場合には（Ｓ１３：Ｎｏ）、Ｓ１３にて待機状態となり、供給指示の入力待ち状態で流量制御が終了する。
【００４９】
上記制御にて粉体供給を行なうと、供給実流量は図１２のようになる。すなわち、粉体供給の初期において、常に目標の供給実流量ｑＴ と実際の供給実流量ｑＤ がほぼ等しくなる。しかも、第１の実施の形態と同様に、供給開始時のデューティー比を図７（ａ）または（ｂ）、（ｃ）の校正曲線から、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比を求め、そのデューティー比によって粉体を供給し始めるため、設定された目標の供給実流量ｑＴ になるまでに立ち上がり応答時間Ｔ１ （＜１ｓｅｃ）しか要しない。よって、図１２に示すように、斜線部の面積（目標の供給量に対する誤差）が小さく、供給初期において高精度に粉体を供給していることがわかる。
また、供給実流量が目標の供給実流量になった後は、フィードバック制御域Ｔで、第１の実施の形態と同様の制御が行なわれ、目標の供給実流量ｑＴ に対する瞬時給実流量の誤差を±２％以内に抑えて、高精度に粉体を供給していることがわかる。
【００５０】
以上説明した通り第２の実施の形態に係る粉体フィーダによれば、第１の実施の形態と同様に、使用前に行なうフィーダキャリブレーションから求めた校正曲線に基づいて、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比ＸＴ を算出して、そのデューティー比ＸＴ にて粉体Ｐの供給を開始するため、供給実流量が供給開始から瞬時（時間Ｔ１ 以内）に目標の供給実流量ｑＴ に達する。従って、高精度に実流量を制御して粉体Ｐを供給することができ、さらに数ｓｅｃ間での短時間供給においても、高精度に粉体Ｐを供給することが可能となる。
【００５１】
さらに、前回の供給でのフィードバック制御領域Ｔでの供給実流量の安定値に基づき、フィーダキャリブレーションから求めた校正曲線を各回ごとに最適修正し、その修正後の校正曲線に基づいて、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比ＸＴ を算出して、そのデューティー比ＸＴ にて粉体Ｐの供給を開始するため、常に目標の供給実流量ｑＴ と実際の供給実流量ｑＤ がほぼ等しくなる。従って、常に目標の実流量に対する誤差が最小になり、より高精度に粉体Ｐを供給することが可能となる。
【００５２】
また、毎回に供給において校正曲線を最適に修正しているので、粉体フィーダを使用する前にのみフィーダキャリブレーションを行なえば、粉体の性状やロット間のバラツキで粉体の流動度が変わっても、その度ごとにフィーダーキャリブレーションを行なう必要がなくなり、作業性が向上する。
【００５３】
上記実施の形態においては、圧電素子を駆動源とした超音波モータを用いた粉体フィーダについて例示したが、本発明の制御方法はこれに限定されることはなく、デューティー比によって制御されるアクチュエータの立ち上がりの作動を高精度に制御する方法として広く用いることができる。
たとえば、プラスチックの溶着、加工等に用いる超音波ウェルダーなどの超音波加工機の出力制御方法などに用いることができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明の粉体フィーダによれば、粉体フィーダの使用前に行なうフィーダキャリブレーションにより、２点以上のデューティー比に対するそれぞれの粉体の単位時間あたりの供給実流量を求め、その値を直線補間して校正曲線を求め、目標の供給実流量が設定されると、その供給実流量に対するデューティー比を前記校正曲線から算出し、そのデューティー比に基づき前記振動体を駆動させて、粉体の供給を開始し、粉体の供給実流量が目標値になった後、前記ロードセルからの出力値をデューティー比制御手段にフィードバックするので、供給実流量が供給開始から瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量に達する。従って、供給初期から高精度に実流量を制御して粉体を供給することができ、数ｓｅｃ間での短時間供給において、高精度に粉体を供給することが可能となる。
【００５５】
さらに、毎回の供給において校正曲線を最適に修正することにより、供給初期から高精度に実流量を制御して粉体を供給することができ、数ｓｅｃ間での短時間供給において、より高精度に粉体を供給することが可能となる。
また、粉体フィーダを使用する前にのみフィーダキャリブレーションを行なえば、粉体の性状やロット間のバラツキで粉体の流動度が変わっても、その度ごとにフィーダーキャリブレーションを行なう必要がなくなり、作業性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る粉体フィーダの構造を示す一部切り欠き断面図である。
【図２】振動体の入力インピーダンスの周波数特性を示すグラフである。
【図３】振動体の共振時の振動の様子を示す模式図である。
【図４】振動体の共振時の振動の様子を１／４周期毎に示した模式図である。
【図５】粉体フィーダのシステムを示したブロック図である。
【図６】フィーダキャリブレーションのフローチャートである。
【図７】フィーダキャリブレーションにより得られた供給実流量とデューティー比の関係を表わす校正曲線である。
【図８】ロードセルの出力値（電圧値）と重量値との関係を示したウエイトキャリブレーション直線である。
【図９】粉体の供給パターンを示す説明図である。
【図１０】第１の実施の形態に係る粉体フィーダにおける流量制御を示す説明図であり、（ａ）は、供給開始のデューティー比が目標の供給実流量に対する本来のデューティー比よりも大きかった場合を示し、（ｂ）は、供給開始のデューティー比が目標の供給実流量に対する本来のデューティー比よりも小さかった場合を示し、（ｃ）は、供給開始のデューティー比が目標の供給実流量に対する本来のデューティー比に等しかった場合を示す。
【図１１】第２の実施の形態に係る粉体フィーダの流量制御における校正曲線の修正処理のフローチャートを示す。
【図１２】第２の実施の形態に係る粉体フィーダにおける流量制御を示す説明図である。
【図１３】従来の粉体フィーダにおける流量制御を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 圧電素子
２ａ 金属ホーン
２ｂ バックホーン
２ｃ 先端部
２ｄ 貫通孔
３ ボルト
４ 固定部材
２０，２１ 粉体供給パイプ
３０ ホッパ本体
３１ 底部
３２ チューブ
Ｐ 粉体
ｑＴ 目標の供給実流量
Ｔ フィードバック制御領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉体フィーダの制御方法に関し、さらに詳細には、粉体の供給量を短時間で高精度に制御する方法、及びかかる制御手段を有する粉体フィーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、粉体フィーダとしては、超音波振動子を用いた超音波モータを利用したものが周知である。この粉体フィーダは、超音波振動子が共振周波数において、電気エネルギーによる圧電素子の機械的変形が起こることを利用して、振動体に機械的振動を発生させることで粉体を搬送している。すなわち、縦振動（長さ方向振動）と曲げ振動が同時に生じるように構成した超音波振モータに、共振振動数を有する交流駆動電圧を印加すると、先端に楕円振動を生じるので、その先端にパイプを取り付け、パイプ中に粉体を供給して、粉体を楕円振動により一定方向に搬送している。
【０００３】
そして、粉体の供給量は次のような制御により行なっている。すなわち、駆動電圧を間欠的に超音波モータに印加することにより、駆動電圧の１周期あたりの割合（デューティー比）を変化させることで、超音波モータへの出力を変化させ、粉体の供給量を制御している。例えば、共振周波数で発振している共振周波数発振回路と、例えば、デューティー比を変化させるためのデューティー比制御用クロック発生手段とのＡＮＤ （積）をとり、その出力を電力増幅して振動体に印加するのである。
【０００４】
さらに、上記制御の精度を向上させるため、図５のブロック図に示すよう制御システムでフィードバック制御が行なわれている。すなわち、荷重センサであるロードセルにて粉体量を計測し、そのセンサ出力信号をロードセルアンプで増幅した出力増幅信号をフィードバックし、Ａ／Ｄコンバータを介してマイコンシステム（デューティー比制御手段）内にサンプリングする。そして、マイコンシステム内で出力増幅信号に基づき、算出されたデューティー比クロック信号により駆動回路が作動する。すると、駆動電圧信号が超音波モータに印加され、超音波モータが作動する。このとき、マイコンシステムがロードセルからの出力信号に基づき、最適なデューティー比を算出するので、粉体供給量を最適に制御することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の制御方法では、粉体の目標の供給実流量になるようフィードバック制御して、実流量が安定するまでに時間がかかる。例えば、図１３に示すように、制御システムの立ち上がり応答時間も含め、粉体の供給開始から目標の供給実流量ｑＴ になるまでに数ｓｅｃの時間Ｔ２ を要する。従って、供給開始から数ｓｅｃ間の供給実流量は、非常に不安定であり、かつ目標の供給実流量ｑＴ で粉体を供給することができなかった。これは、目標の供給実流量ｑＴ に達するまでの粉体の流量制御が、逐次デューティー比を漸増させて行く方法で行なわれているためである。
【０００６】
従って、粉体の供給初期において、目標の供給実流量ｑＴ に対して実際の供給実流量が大きくずれ、高精度に定流量で粉体を供給することができなかった。
よって、短時間、例えば数ｓｅｃ間での粉体供給においては、目標の供給実流量に対する誤差が大きく、粉体の供給を高精度に定流量にて行なうことができないという問題があった。
【０００７】
また、供給粉体の性状やロット間のバラツキで粉体の流動度が異なるため、これらの要因が粉体の供給精度に大きく影響する。よって、供給量の精度を保つためには、粉体の性状やロットが変わるたびに、フィーダーキャリブレーションを行なう必要があり面倒であった。
【０００８】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、粉体搬送量の制御を短時間でより高精度に行うことができ、かつ作業性を向上させる粉体フィーダの制御方法、さらには、かかる制御手段を有する粉体フィーダを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１の発明によれば、圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルとからなる粉体フィーダの制御装置において、前記粉体フィーダの使用前に行なうフィーダキャリブレーションにより、２点以上のデューティー比に対するそれぞれの粉体の単位時間あたりの供給実流量を求め、その値を直線補間して校正曲線を求めて記憶するフィーダキャリブレーション記憶手段と、目標の供給実流量が設定されると、その供給実流量に対するデューティー比を前記校正曲線から算出するデューティー比算出手段と、そのデューティー比に基づき前記振動体を駆動させて、粉体の供給を開始し、粉体の供給実流量値が目標値になった後、前記ロードセルからの出力値を前記デューティー比制御手段にフィードバックするフィードバック手段を有することを特徴とする。
【００１０】
振動体は先端部が楕円振動するため、先端部に取り付けられた粉体供給パイプも楕円振動する。すると、ホッパからパイプ中に供給された粉体は、この楕円振動により横方向（振動体の縦方向振動に対する直角方向で、振動体の曲げ方向振動に対して平行な方向）に加速を受け移動する。従って、粉体を搬送することができる。
【００１１】
この場合において、圧電素子に印加する交流駆動電圧をオン／オフ制御しているので、振動体が駆動されている期間は粉体が搬送される。一方、駆動されていない期間には、振動体の先端部は楕円振動をしないので、粉体は搬送されない。
そして、フィーダキャリブレーションにより求められ、フィーダキャリブレーション記憶手段に記憶された校正曲線から、デューティー比算出手段が目標の供給実流量に対するデューティー比を算出し、そのデューティー比に基づき粉体の供給を開始するので、瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量と同等の供給実流量で粉体を高精度に供給することが可能になる。
【００１２】
請求項２の発明によれば上記問題点を解決するために、圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルとからなる粉体フィーダの制御装置において、前記粉体フィーダの使用前に行なうフィーダキャリブレーションにより、２点以上のデューティー比に対するそれぞれの粉体の単位時間あたりの供給実流量を求め、その値を直線補間して校正曲線を求めて記憶するフィーダキャリブレーション記憶手段と、フィードバック制御域での粉体の供給実流量の安定値及びその安定値に対するデューティー比を記憶する学習記憶手段と、前記学習記憶手段に記憶されたデューティー比と、前記フィーダキャリブレーション記憶手段に記憶されたデューティー比と、を比較して補正係数を算出する補正係数算出手段と、その補正係数により毎回前記補正曲線を修正して前記学習記憶手段に記憶させ、目標の供給実流量に対するデューティー比を修正後の校正曲線から算出するデューティー比算出手段と、そのデューティー比に基づき前記振動体を駆動させて、粉体の供給を開始し、粉体の供給実流量値が目標値になった後、前記ロードセルからの出力値を前記デューティー比制御手段にフィードバックするフィードバック手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
フィーダキャリブレーションにより求められ、フィーダキャリブレーション記憶手段に記憶された校正曲線から、デューティー比算出手段が目標の供給実流量に対するデューティー比を算出し、さらに、前回の供給におけるフィードバック制御域での粉体の供給実流量の安定値に基づいて、各供給ごとに前記校正曲線を毎回修正し、目標の供給実流量に対するデューティー比を修正後の校正曲線から算出し、そのデューティー比に基づき粉体の供給を開始する。従って、瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量と実際の供給実流量が同等になり、しかも、校正曲線を各供給ごとに修正して行くので、目標の供給実流量と実際の供給実流量の誤差が前回の供給より小さくなり、粉体をより高精度に供給することが可能になる。
【００１４】
また、毎回前記校正曲線を修正し、その修正後の校正曲線を記憶しているので、粉体の性状やロットが変わったときに、フィーダーキャリブレーションを行なわなくても、自動的に校正曲線が得られ、かつ各供給ごとに修正されていくので、粉体をより高精度に供給することができるとともに、作業性も向上する。
【００１５】
請求項３の粉体フィーダによれば上記問題点を解決するために、圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルと、請求項１に記載する粉体フィーダの制御装置と、を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項４の粉体フィーダによれば上記問題点を解決するために、圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルと、請求項２に記載する粉体フィーダの制御装置と、を有することを特徴とする。
【００１７】
上記構成を有する粉体フィーダによれば、フィーダキャリブレーションにより求めた校正曲線から、目標の供給実流量に対するデューティー比を算出し、そのデューティー比に基づき粉体の供給を開始する制御手段を有しているので、瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量と同等の供給実流量で粉体を供給することができ、短時間での粉体供給を高精度で行なうことが可能となる。
【００１８】
また、前回の供給におけるフィードバック制御域での粉体の供給実流量の安定値に基づいて、前記校正曲線を修正し、目標の供給実流量に対するデューティー比を修正後の校正曲線から算出し、そのデューティー比に基づき粉体の供給を開始する制御手段を有することで、瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量と実際の供給実流量の誤差が前回より小さくなり、粉体をより高精度に供給することが可能になる。
【００１９】
さらに、毎回前記校正曲線を修正し、その修正後の校正曲線を記憶装置を有することで、粉体の性状やロットが変わったときのフィーダーキャリブレーションが不要となり作業性が向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。第１の実施の形態に係る粉体フィーダの構造を図１に示す。
振動体１０は、いわゆるリニア型超音波モータであり、平板リング形状の圧電素子１を２枚、図示しない電極板を介して積層し、この両面を、略円柱状の金属ホーン２ａおよび略円筒状の金属バックホーン２ｂで挟んだ構造となっている。この振動体１０は、バックホーン２ｂと圧電素子１の中央部を貫通する透孔を経由して挿入され、一端がホーン２ａに締結されたボルト３によって、固定部材４に固定されている。
このホーン２ａの先端部２ｃは、二面取りされ、後述するパイプを貫挿するための貫通孔２ｄが設けられている。
【００２１】
貫通孔２ｄには、内部を粉体が流通する粉体供給パイプ２０が貫挿・固着されている。この粉体供給パイプ２０の図中左側の端部２１は、やや下方に屈曲させられており、図中右側から搬送された粉体Ｐがパイプ２０の端部２１から落下移動しやすいようにされている。
一方、パイプ２０の図中右側の端部２２は、逆にやや上方に屈曲させられ、ホッパ本体３０から供給される粉体Ｐを、容易に図中左側へ搬送できるようにされている。
【００２２】
ホッパ本体３０は、粉体Ｐを貯蔵し、パイプ２０へ徐々に粉体を供給するためのものであって、底部３１は漏斗状になっている。この底部３１にはチューブ３２がつながれており、チューブ３２の他端は、粉体供給パイプ２０の端部２２につながれている。従って、ホッパ本体３０に投入された粉体Ｐは、チューブ３２を経由して、パイプ２０に供給される。なお、チューブ３２は、振動体１０の振動を妨げないように屈曲自在の材質が選択され、本例では、ナイロンチューブを用いている。
【００２３】
図２に、振動体１０の入力インピーダンスの周波数特性を、インピーダンスアナライザで測定した結果を示す。この結果から、振動体１０の共振周波数Ｆｒは、約２９．４ｋＨｚであることが判る。この共振周波数Ｆｒで駆動した場合には、大きく振動する。一方、共振周波数から外れた周波数、即ち、非共振周波数で駆動した場合には、インピーダンスが高くなって駆動エネルギーが注入できないため、振動はほとんど生じない。従って、本実施例では、共振周波数と非共振周波数とを交互に印加して、振動体１０の駆動をオン／オフしている。ちなみに、非共振周波数を印加する期間に、駆動電圧を印加しないようにしても、同様に振動体１０の駆動をオン／オフすることができる。
【００２４】
ここで、振動体１０を共振周波数で駆動した場合の振動の様子を説明する。
共振周波数で圧電素子１を駆動すると、圧電素子が伸び縮みするため、振動体１０は、図３に示すように屈曲振動する。この振動は、図中上下方向への伸び縮みの振動（縦振動）と、図中横方向への曲げ振動（撓み振動）との合成振動である。
【００２５】
この振動の一周期分についてさらに詳細に説明すると、図４に示すように振動をしている。なお、図４では、先端部（図中下端部）の動きを判りやすくするため、先端中央部に黒点を打っている。まず、ｔ＝０（図４（ａ））では、先端部（黒点）は右側に位置するように曲げられている。ついで、１／４周期後のｔ＝π／２（図４（ｂ））では、振動体は縮み、先端部（黒点）は図中上側に位置している。さらに、ｔ＝π（図４（ｃ））では、先端部（黒点）が左側に位置するように曲げられている。さらに１／４周期後のｔ＝３π／２（図４（ｄ））では、振動体は伸び、先端部（黒点）は図中下側に位置している。従って、一周期分について黒点の動きをたどってゆくと、図４に示すように楕円運動をしていることが判る。
【００２６】
従って、この先端部にパイプを取り付け、パイプ中に粉体を供給すると、粉体は浮き上がりながらも図中左方向への加速を受けて、左側へ搬送されてゆくこととなる。
そして、共振周波数で駆動する時間割合を調整、即ち、デューティー比を変化させて、粉体搬送量（切り出し量）を調整する。このとき、ホッパ本体３０内の粉体Ｐの重量をロードセルにて計測し、その出力信号をマイコンシステムにフィードバックしている。このフィードバック信号を基にして、マイコンシステムで最適に算出されたデューティー比制御信号を駆動回路へ送り、デューティー比に応じた時間だけ駆動電圧ＶＡＣＴ を振動体１０に印加することによって、粉体Ｐの切り出し量及び実流量を制御している。本実施例では、マイコンシステム内に、デューティー比制御手段、フィーダキャリブレーション記憶装置手段、デューティー比算出手段、及びフィードバック手段を備えている。
【００２７】
しかし、従来の制御方法においては、図１３に示すように、粉体の供給開始から数ｓｅｃ（期間Ｔ２ ）経過しないと供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ に安定しないため、短時間、例えば数ｓｅｃ間での供給を行なうと、高精度に粉体を供給することができなかった。これは、従来の制御方法では、供給開始から供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ になるまでは、デューティー比を逐次漸増させていく制御を行なっているためである。
【００２８】
そこで、本発明においては、従来の制御方法においてフィードバック制御領域Ｔで利用されているフィーダキャリブレーションにより得られた校正曲線を、供給開始時に利用することにより、供給開始から瞬時に目標の供給実流量ｑＴ で粉体を供給できるようにした。従って、短時間（数ｓｅｃ）での粉体供給を、高精度に行なえるようになった。
【００２９】
図面に基づいて、本実施の形態に係る粉体フィーダの制御方法について説明していく。
まず、図６、図７を参照して、フィーダキャリブレーションについて説明する。図６はフィーダキャリブレーションのフローチャートを、図７はフィーダキャリブレーションにより得られた校正曲線を示す。図７に示す校正曲線がフィーダキャリブレーション記憶手段に記憶される。このフィーダキャリブレーションは従来技術においても同様の方法で行なわれている。また、フィーダキャリブレーションとは、ある粉体の供給実流量に対するデューティー比の関係をグラフ化するための作業である。
【００３０】
図６において、ステップ（以下、Ｓと略記する）１にて、デューティー比制御手段のデューティ比が１００％に設定され、続いて、Ｓ２にてロードセルで測定した現在のホッパ内の粉体重量がデューティー比制御手段に記憶される。ここで、Ｓ２において行なわれる記憶処理について図８を参照して概説する。図８は、粉体フィーダ使用前に予め作成したウエイトキャリブレーション直線を示す。この直線は、ロードセルの出力値（電圧値）Ｖ１ ，Ｖ２ ，…と重量値Ｑ１ ，Ｑ２ ，…との関係を示したものである。そこで、ロードセルの出力値がデューティー比制御手段に入力されると、その出力値からウエイトキャリブレーション直線に基づき粉体の重量値を算出して記憶する。
【００３１】
そして、Ｓ３にて所定のデューティー比にて、振動体を駆動させて粉体を供給する。このとき、そのデューティー比をデューティー比制御手段に記憶させている。
ここで、所定のデューティー比とは、予め設定されたデューティー比であり、図７においては、Ｘ１ ，Ｘ２ ，…に相当し、具体的には、２０％，４０％，…等になる。
その後、供給開始から１０ｓｅｃ経過した場合には（Ｓ４：Ｙｅｓ）、そのままＳ５に進む。１０ｓｅｃ経過していない場合には（Ｓ４：Ｎｏ）、Ｓ３におけるデューティー比で粉体供給を続ける。
【００３２】
次に、Ｓ５にてロードセルでホッパ内の粉体重量を測定して、その値をデューティー比制御手段に記憶する。Ｓ５の処理は、Ｓ２の処理と同様の手順で行なわれる。そして、Ｓ６にてＳ２の記憶値とＳ５の記憶値とから単位時間あたりの重量変化、すなわち供給実流量値（ｇ／ｓｅｃ）をデューティー比制御手段に記憶させる。すなわち、Ｓ６がフィーダキャリブレーション記憶手段に相当する。
【００３３】
続いて、Ｓ７にて終了に達した場合（Ｓ７：Ｙｅｓ）、フィーダキャリブレーションは終了し、測定点間をそれぞれ直線補完して、図７に示す校正曲線を作成する。終了に達しない場合には（Ｓ７：Ｎｏ）、そのままＳ８に進む。Ｓ８では、Ｓ３でのデューティー比を一定値だけ減少させる。その後、Ｓ２に戻り、上記の処理を繰り返す。
【００３４】
次に、粉体供給の制御方法について、図９、図１０を参照して説明する。図９は粉体の供給パターンを示し、図１０は粉体の実流量制御の状態を、供給実流量と時間の関係で示したものである。
まず、粉体を供給する前に図９に示すような供給パターンを設定する。この供給パターンは、スロープアップ供給開始実流量ｑＴ１、定常供給実流量ｑＴ２、スロープダウン供給終了実流量ｑＴ３、スロープアップ時間ｔ１ 、定常供給時間ｔ２ 、スロープダウン時間ｔ３ をそれぞれ決定しデューティー比制御手段に入力することで作成される。ここで、図９において、ｔ１ ＝ｔ３ ＝０の場合には、方形波パターンになり、ｔ１ ＝ｔ３ ＞０の場合には、台形波パターンになる。供給パターンでスロープを付けているのは、例えば、エンジンの給排気バルブのシート部のように、合金粉体を溶融して製造する場合等において、粉体の供給開始位置と終了位置が重なり合うために、その重なり部分の粉体量を他の部分と均一にするためである。
また、この供給パターンで囲まれた面積が粉体の総供給量になる。
【００３５】
ここで、粉体の供給開始時に着目すると、従来の制御方法では図１３に示すように、設定された目標の供給実流量ｑＴ になるまでにＴ２ （＞数ｓｅｃ）の時間を要していた。これは、供給開始から目標の供給実流量ｑＴ になるまでの流量制御が逐次デューティー比を漸増させて、供給実流量を目標の供給実流量ｑＴ に近づけるという方法で行なわれているからである。一方、第１の実施の形態に係る粉体フィーダの制御方法では図１０に示すように、設定された目標の供給実流量ｑＴ になるまでに立ち上がり応答時間Ｔ１（＜１ｓｅｃ）しか要しない。これは、供給開始時のデューティー比を図７（ａ）の校正曲線から、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比を求め、そのデューティー比によって粉体を供給し始めるためである。
【００３６】
なお、図１０、図１３中の符号Ｔは、目標の供給実流量ｑＴ に対してフィードバック制御を実行している期間を示している。このフィードバック制御域では、ロードセルからの出力信号を基にして算出された瞬時供給実流量を求め、その瞬時供給実流量に対するデューティー比を図７（ａ）の校正曲線から求めて、そのデューティー比により粉体を供給するという処理が繰り返されている。その結果、フィードバック制御域Ｔでの目標の供給実流量ｑＴ に対する瞬時供給実流量の誤差は±２％以内に収まり、高精度に粉体を供給している。
【００３７】
また、図１０、図１３中の斜線部は、目標の供給実流量ｑＴ に対する誤差を示している。よって、この斜線部の面積が小さい方が高精度にかつ短時間で粉体を供給していることになる。
【００３８】
さらに、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照にして本実施の形態の制御方法について詳細に説明する。図１０（ａ）は、供給開始時の実際の供給実流量ｑＡ 、すなわち目標の供給実流量ｑＴ に基づき図７（ａ）の校正曲線から求めた供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ より大きかった場合の粉体の供給状態を示したものである。このような供給状態になるのは、目標の供給実流量ｑＴ とデューティー比との関係点が、図７（ａ）の校正曲線よりも上に存在するときである。
よって、このときの供給開始のデューティー比は、目標の供給実流量ｑＴ に対する本来のデューティー比ＸＴ よりも大きくなっている。
【００３９】
図１０（ｂ）は、（ａ）とは逆に、供給開始時の実際の供給実流量ｑＢ が目標の供給実流量ｑＴ より小さかった場合の粉体の供給状態を示したものである。このような供給状態になるのは、目標の供給実流量ｑＴ とデューティー比との関係点が、図７（ａ）の校正曲線よりも下に存在するときである。よって、このときの供給開始のデューティー比は、目標の供給実流量ｑＴ に対する本来のデューティー比ＸＴ よりも小さくなっている。
【００４０】
図１０（ｃ）は、供給開始時の実際の供給実流量ｑＣ が目標の供給実流量ｑＴ と同じである場合の粉体の供給状態を示したものである。このような供給状態になるのは、目標の供給実流量ｑＴ とデューティー比との関係点が、図７（ａ）の校正曲線上に存在するときである。よって、このときの供給開始のデューティー比は、目標の供給実流量ｑＴ に対する本来のデューティー比ＸＴ と同じになっている。
【００４１】
ここで、図１０（ａ），（ｂ）の供給状態を、図１０（ｃ）の供給状態に近づけて、より高精度に粉体の供給量を制御するためには、フィーダキャリブレーションで測定するデューティー比Ｘ１ ，Ｘ２ ，…の点数を増やせばよい。
【００４２】
以上説明した通り第１の実施の形態に係る粉体フィーダによれば、使用前に行なうフィーダキャリブレーションから求めた校正曲線に基づいて、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比ＸＴ を算出して、そのデューティー比ＸＴ にて粉体Ｐの供給を開始するため、供給実流量が供給開始から瞬時（時間Ｔ１ 以内）に目標の供給実流量ｑＴ に達する。従って、高精度に実流量を制御して粉体を供給することができ、さらに数ｓｅｃでの短時間供給においても、高精度に粉体を供給することが可能となる。
【００４３】
続いて、第２の実施の形態に係る粉体フィーダについて説明する。粉体フィーダの構造自体は、第１の実施の形態と同様である。第２の実施の形態の特徴は、２回目以降の粉体供給において、前回の供給でのフィードバック制御領域での安定値に基づき、フィーダキャリブレーションから求めた校正曲線を各回ごとに修正する点にある。
【００４４】
そこで、第２の実施の形態に係る粉体フィーダの流量制御について、図１１、図１２を参照して説明する。図１１は校正曲線の修正処理のフローチャートを示し、図１２は粉体の実流量制御の状態を、供給実流量と時間の関係で示したものである。
【００４５】
図１１において、現在の供給状態にて、供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ に対して±２以内の誤差に収まっている場合（Ｓ１０：Ｙｅｓ）あるいは制御終了までの時間が０．５ｓｅｃ以内の場合（Ｓ１１：Ｙｅｓ）には、その供給実流量値を記憶してＳ１２に進む。供給実流量が目標の供給実流量ｑＴ に対して±２以内の誤差に収まっていない場合（Ｓ１０：Ｎｏ）あるいは制御終了までの時間が０．５ｓｅｃ以上ある場合（Ｓ１１：Ｎｏ）には、フィードバック制御しながら粉体供給を続行する。
【００４６】
Ｓ１２では、まずＳ１０あるいはＳ１１で記憶した供給実流量値を、初回の供給における供給実流量の安定値と比較して補正係数を算出する。次に、その補正係数に基づき、フィーダキャリブレーションから求めた校正曲線（図７（ａ））を修正し、その修正校正曲線（図７（ｂ）あるいは（ｃ））を記憶する。
【００４７】
ここで、３回目以降の供給においては、Ｓ１０あるいはＳ１１で記憶した供給実流量値を、前回の供給における供給実流量の安定値と比較して補正係数を算出し、その補正係数に基づき、前回の供給時に記憶した修正校正曲線（図７（ｂ）あるいは（ｃ））をさらに修正して、修正後の校正曲線を記憶する。すなわち、Ｓ１２が補正係数算出手段とデューティー比算出手段に相当する。
【００４８】
Ｓ１２の処理が終了すると、Ｓ１３に進み、Ｓ１３にて次回の供給を行なうか否かを判断し、次回の供給指示がある場合には（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、Ｓ１０あるいはＳ１１に戻って上記処理を繰り返す。次回の供給指示がない場合には（Ｓ１３：Ｎｏ）、Ｓ１３にて待機状態となり、供給指示の入力待ち状態で流量制御が終了する。
【００４９】
上記制御にて粉体供給を行なうと、供給実流量は図１２のようになる。すなわち、粉体供給の初期において、常に目標の供給実流量ｑＴ と実際の供給実流量ｑＤ がほぼ等しくなる。しかも、第１の実施の形態と同様に、供給開始時のデューティー比を図７（ａ）または（ｂ）、（ｃ）の校正曲線から、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比を求め、そのデューティー比によって粉体を供給し始めるため、設定された目標の供給実流量ｑＴ になるまでに立ち上がり応答時間Ｔ１ （＜１ｓｅｃ）しか要しない。よって、図１２に示すように、斜線部の面積（目標の供給量に対する誤差）が小さく、供給初期において高精度に粉体を供給していることがわかる。
また、供給実流量が目標の供給実流量になった後は、フィードバック制御域Ｔで、第１の実施の形態と同様の制御が行なわれ、目標の供給実流量ｑＴ に対する瞬時給実流量の誤差を±２％以内に抑えて、高精度に粉体を供給していることがわかる。
【００５０】
以上説明した通り第２の実施の形態に係る粉体フィーダによれば、第１の実施の形態と同様に、使用前に行なうフィーダキャリブレーションから求めた校正曲線に基づいて、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比ＸＴ を算出して、そのデューティー比ＸＴ にて粉体Ｐの供給を開始するため、供給実流量が供給開始から瞬時（時間Ｔ１ 以内）に目標の供給実流量ｑＴ に達する。従って、高精度に実流量を制御して粉体Ｐを供給することができ、さらに数ｓｅｃ間での短時間供給においても、高精度に粉体Ｐを供給することが可能となる。
【００５１】
さらに、前回の供給でのフィードバック制御領域Ｔでの供給実流量の安定値に基づき、フィーダキャリブレーションから求めた校正曲線を各回ごとに最適修正し、その修正後の校正曲線に基づいて、目標の供給実流量ｑＴ に対するデューティー比ＸＴ を算出して、そのデューティー比ＸＴ にて粉体Ｐの供給を開始するため、常に目標の供給実流量ｑＴ と実際の供給実流量ｑＤ がほぼ等しくなる。従って、常に目標の実流量に対する誤差が最小になり、より高精度に粉体Ｐを供給することが可能となる。
【００５２】
また、毎回に供給において校正曲線を最適に修正しているので、粉体フィーダを使用する前にのみフィーダキャリブレーションを行なえば、粉体の性状やロット間のバラツキで粉体の流動度が変わっても、その度ごとにフィーダーキャリブレーションを行なう必要がなくなり、作業性が向上する。
【００５３】
上記実施の形態においては、圧電素子を駆動源とした超音波モータを用いた粉体フィーダについて例示したが、本発明の制御方法はこれに限定されることはなく、デューティー比によって制御されるアクチュエータの立ち上がりの作動を高精度に制御する方法として広く用いることができる。
たとえば、プラスチックの溶着、加工等に用いる超音波ウェルダーなどの超音波加工機の出力制御方法などに用いることができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明の粉体フィーダによれば、粉体フィーダの使用前に行なうフィーダキャリブレーションにより、２点以上のデューティー比に対するそれぞれの粉体の単位時間あたりの供給実流量を求め、その値を直線補間して校正曲線を求め、目標の供給実流量が設定されると、その供給実流量に対するデューティー比を前記校正曲線から算出し、そのデューティー比に基づき前記振動体を駆動させて、粉体の供給を開始し、粉体の供給実流量が目標値になった後、前記ロードセルからの出力値をデューティー比制御手段にフィードバックするので、供給実流量が供給開始から瞬時（１ｓｅｃ以内）に目標の供給実流量に達する。従って、供給初期から高精度に実流量を制御して粉体を供給することができ、数ｓｅｃ間での短時間供給において、高精度に粉体を供給することが可能となる。
【００５５】
さらに、毎回の供給において校正曲線を最適に修正することにより、供給初期から高精度に実流量を制御して粉体を供給することができ、数ｓｅｃ間での短時間供給において、より高精度に粉体を供給することが可能となる。
また、粉体フィーダを使用する前にのみフィーダキャリブレーションを行なえば、粉体の性状やロット間のバラツキで粉体の流動度が変わっても、その度ごとにフィーダーキャリブレーションを行なう必要がなくなり、作業性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る粉体フィーダの構造を示す一部切り欠き断面図である。
【図２】振動体の入力インピーダンスの周波数特性を示すグラフである。
【図３】振動体の共振時の振動の様子を示す模式図である。
【図４】振動体の共振時の振動の様子を１／４周期毎に示した模式図である。
【図５】粉体フィーダのシステムを示したブロック図である。
【図６】フィーダキャリブレーションのフローチャートである。
【図７】フィーダキャリブレーションにより得られた供給実流量とデューティー比の関係を表わす校正曲線である。
【図８】ロードセルの出力値（電圧値）と重量値との関係を示したウエイトキャリブレーション直線である。
【図９】粉体の供給パターンを示す説明図である。
【図１０】第１の実施の形態に係る粉体フィーダにおける流量制御を示す説明図であり、（ａ）は、供給開始のデューティー比が目標の供給実流量に対する本来のデューティー比よりも大きかった場合を示し、（ｂ）は、供給開始のデューティー比が目標の供給実流量に対する本来のデューティー比よりも小さかった場合を示し、（ｃ）は、供給開始のデューティー比が目標の供給実流量に対する本来のデューティー比に等しかった場合を示す。
【図１１】第２の実施の形態に係る粉体フィーダの流量制御における校正曲線の修正処理のフローチャートを示す。
【図１２】第２の実施の形態に係る粉体フィーダにおける流量制御を示す説明図である。
【図１３】従来の粉体フィーダにおける流量制御を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 圧電素子
２ａ 金属ホーン
２ｂ バックホーン
２ｃ 先端部
２ｄ 貫通孔
３ ボルト
４ 固定部材
２０，２１ 粉体供給パイプ
３０ ホッパ本体
３１ 底部
３２ チューブ
Ｐ 粉体
ｑＴ 目標の供給実流量
Ｔ フィードバック制御領域
Claims (2)
- 圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、
該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、
粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、
該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、
該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルと、
からなる粉体フィーダの制御装置において、
前記粉体フィーダの使用前に２点以上の予め設定されたデューティー比に対するそれぞれの粉体の単位時間あたりの供給実流量を求め、その値を直線補間して校正曲線を求めて記憶するフィーダキャリブレーション記憶手段と、
目標の供給実流量が設定されると、その供給実流量に対するデューティー比を前記校正曲線から算出するデューティー比算出手段と、
前記デューティー比算出手段で算出されたデューティー比で前記振動体を駆動させて、粉体の供給を開始し、粉体の供給実流量が目標値になった後、前記ロードセルからの出力値を前記デューティー比制御手段にフィードバックするフィードバック手段と、
を有することを特徴とする粉体フィーダの制御装置。 - 圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、
該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、
粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、
該振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、共振周波数を与えるデューティー比制御手段と、
該ホッパ内の粉体の減量値を逐次測定する荷重センサであるロードセルと、
からなる粉体フィーダの制御装置において、
前記粉体フィーダの使用前に２点以上の予め設定されたデューティー比に対するそれぞれの粉体の単位時間あたりの供給実流量を求め、その値を直線補間して校正曲線を求めて記憶するフィーダキャリブレーション記憶手段と、
フィードバック制御域での粉体の供給実流量の安定値及びその安定値に対するデューティー比を記憶する学習記憶手段と、
前記学習記憶手段に記憶されたデューティー比と、前記フィーダキャリブレーション記憶手段に記憶されたデューティー比と、を比較して補正係数を算出する補正係数算出手段と、
その補正係数により毎回前記校正曲線を修正して前記学習記憶手段に記憶させ、目標の供給実流量に対するデューティー比を修正後の校正曲線から算出するデューティー比算出手段と、
前記デューティー比算出手段で算出されたデューティー比で前記振動体を駆動させて、粉体の供給を開始し、粉体の供給実流量が目標値になった後、前記ロードセルからの出力値を前記デューティー比制御手段にフィードバックするフィードバック手段と、
を有することを特徴とする粉体フィーダの制御装置。
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