JP4342201B2 - 圧電型振動フィーダー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば粉体等の被搬送物を高精度かつ迅速に計量供給することができる圧電型振動フィーダーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日では、各種製品の製造工程において、金属、添加剤、試料等の粉体を連続して搬送供給する圧電型振動フィーダーが用いられている。従来の圧電型振動フィーダーは、図５に示すように、水平に設置される基台５０と、この基台５０の上方に略水平に配設されるトラフ５１と、基台５０とトラフ５１との間に配設される複数の圧電アクチュエーター５２とから構成されている。なお、かかる構造の圧電型振動フィーダーは、例えば特開２００１−１７１８２３公報、特開２０００−７７７３４公報などに開示されている。
【０００３】
この圧電アクチュエーター５２は、基台５０上に固定される平板状の支持枠片５３と、この支持枠片５３と対偶するようトラフ５１の下面に固定される平板状の作動部５４と、この支持枠片５３から斜め上方に突設される方形板状の圧電素子５５と、この圧電素子５５の上端部と作動部５４との間に掛け渡される方形板状の変位拡大バネ５６と、圧電素子５５に電圧信号を印加する制御部５７とを備えている。そのため、基台５０とトラフ５１とは、斜め上方の所定方向に延びる圧電素子５５及び変位拡大バネ５６によって複数箇所で連結されている。
【０００４】
この圧電素子５５は、バネ鋼等からなる方形の金属シム板５８と、この金属シム板５８の両面に積層される一対の圧電体５９とを備えている。この圧電体５９の両面には一対の電極が積層されている。かかる構造の圧電素子５５が制御部５７による電圧信号の印加によって撓み振動し、この撓み振動が変位拡大バネ５６で拡大され、作動部５４及びトラフ５１を所定の斜め方向ｍに振動させる。その結果、トラフ５１上の粉体などの被搬送物を一定方向に搬送することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１７１８２３公報
【特許文献２】
特開２０００−７７７３４公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の圧電型振動フィーダーによれば、トラフ５１に対して斜め方向ｍ（圧電素子５５の板面と垂直方向）の振動が付与され、粉体等の被搬送物を斜め上方に連続してジャンプさせて搬送供給する。かかるジャンプ式の圧電型振動フィーダーでは、被搬送物をジャンプさせる関係上、搬送精度の向上には一定の制限があり、具体的には粉体等の微量供給や供給量の調整が困難であり、被搬送物を逆方向に搬送することは不可能である。
【０００７】
また、上記従来の圧電型振動フィーダーは、圧電アクチュエーター５２及びトラフ５１が上下方向にも振動するため、被搬送物の供給量の計測のためのロードセルを計測に影響を及ぼす上下振動が少ない圧電アクチュエーター５２の下方又は基台５０の下方に設置する必要がある。そのため、従来の圧電型振動フィーダーによれば、搬送系全体を計測しなければならず、分解能の高いロードセルの使用が困難であり、測定値の補正が必要になる。また、上記従来の圧電型振動フィーダーによれば、運転中は上下方向の振動により供給量の正確な計測ができないため、振動を停止させて供給量の計測を行う必要がある。つまり、上記従来の圧電型振動フィーダーによれば、高精度かつ迅速な計量供給が困難である。
【０００８】
本発明はこれらの不都合に鑑みてなされたものであり、高精度かつ迅速に計量供給が可能な圧電型振動フィーダーの提供を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた発明は、
被搬送物を計量供給する圧電型振動フィーダーであって、
電圧信号を機械的な変位に変換する圧電素子と、
この圧電素子の機械的な変位により水平方向かつ往運動及び復運動が非対称に振動する作動部と、
この作動部に連結するロードセルと、
このロードセルの荷重受部に連結し、作動部の振動方向と平行に配設されるトラフと、
圧電素子に電圧信号を印加し、受信したロードセルの荷重データにより電圧信号をフィードバック制御する制御部とを備え、
上記圧電素子が、導電性を有する方形のシム板と、このシム板の両面に電気的導通を有しつつ積層される一対の方形圧電板とを備え、この方形圧電板が、圧電体と、この圧電体の両面に積層される一対の電極とを備え、
この圧電素子が、基台上に垂直に立設され、その先端部が略水平方向に撓み振動するよう構成され、
上記作動部の下面に凹状溝が穿設され、この凹状溝に圧電素子の先端部が上下方向に遊びを有しつつ嵌合しており、
上記ロードセルが、基台上に作動部の振動方向と平行に付設されるレールに往復移動可能に載設され、
上記制御部が印加する電圧信号が、正電圧及び負電圧を交互に繰り返し、正側の波形と負側の波形とが非対称であることを特徴とする。
【００１０】
当該圧電型振動フィーダーは、往運動及び復運動が非対称かつ水平方向のトラフの振動によって振動方向の一方向に被搬送物をジャンプさせずに搬送することができ、高精度の搬送供給が可能である。また、当該圧電型振動フィーダーは、さらに圧電素子に印加する電圧、電圧信号波形における立ち上がり部の形状及び電圧信号の周波数を調整することで供給量を高精度に制御することができる。さらに、当該圧電型振動フィーダーは、作動部の振動における往運動及び復運動の非対称性を例えば制御部の電気的な切替等の簡易な手段で逆転させることで被搬送物を逆方向に搬送することができ、例えば搬送停止前に被搬送物をバックさせてトラフ先端からの被搬送物の意図せぬ零れを防止できる。
【００１１】
また、当該圧電型振動フィーダーは、搬送供給に供する振動が水平方向であってロードセルの計測に影響を及ぼす上下方向成分が存在しないため、ロードセルを作動部とトラフとの間に連結し、トラフ及び被搬送物のみを計量することができる。そのため、当該圧電型振動フィーダーは、搬送供給時に供給量のリアルタイムな計測が可能となり、かつ分解能の高いロードセルを使用することができ、計測値の補正を不要とすることができる。また、当該圧電型振動フィーダーは、リアルタイムな荷重データを用いて電圧信号をフィードバック制御することで、さらに高精度かつ迅速な搬送供給が可能になる。
【００１２】
上記作動部の振動における往運動及び復運動の加速度を非対称にするとよい。かかる往復運動の加速度が非対称の振動をトラフに付与することで、振動の加速度が大きい運動時に被搬送物を滑らせて迅速かつ確実に搬送することができる。
【００１３】
上記圧電素子としては、導電性を有する方形のシム板とこのシム板の両面に電気的導通を有しつつ積層される一対の方形圧電板とを備え、この方形圧電板が圧電体とこの圧電体の両面に積層される一対の電極とを備え、機械的な変位が撓み振動である。ここで、「撓み振動」とは、方形板状の当該圧電素子の中心面（シム板中心面）を基準とする左右両側への撓み振動を意味する。このような２枚の圧電体が積層された板状の圧電素子の撓み振動は振幅が比較的大きく、当該圧電素子を用いた圧電型振動フィーダーの搬送供給速度を向上させることができる。
【００１４】
上記制御部が印加する電圧信号は、正電圧及び負電圧を交互に繰り返し、正側の波形と負側の波形とが非対称とされている。このように正電圧及び負電圧を交互に繰り返す電圧信号を印加することで、圧電素子に撓み振動を付与し、この電圧信号の正側の波形と負側の波形を非対称にすることで、当該圧電素子の撓み振動の往運動と復運動の加速度等を容易かつ確実に非対称とすることができる。
【００１５】
上記ロードセルは、基台上に作動部の振動方向と平行に付設されるレールに往復移動可能に載設されている。このようにロードセルをレール上に載置することで、ロードセルの荷重をレールで受け、ロードセルを作動部に連結することに起因して圧電素子に掛かる負荷を低減することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を詳説する。図１は本発明の一実施形態に係る圧電型振動フィーダーを示す斜視図、図２は図１の圧電型振動フィーダーのＡ−Ａ断面図、図３は図１の圧電型振動フィーダーのＢ−Ｂ断面図、図４は図１の圧電アクチュエーターに備える圧電素子及び制御部を示す概略構成図である。
【００１７】
図１の圧電型振動フィーダーは、粉体、粒状物等の被搬送物（例えば金属、添加剤、試料等）を水平方向に搬送供給するものであり、具体的には圧電アクチュエーター１、ロードセル２、トラフ３及び制御部（図示していない）を備えている。
【００１８】
圧電アクチュエーター１は、図１〜図３に示すように、電圧信号を撓み振動に変換する圧電素子４と、この圧電素子４の撓み振動により水平方向に振動する作動部５と、圧電素子４を支持及び収納しかつ作動部５を摺動可能に支持するハウジング６とを備えている。
【００１９】
ハウジング６は、基台７、一対の支柱８、一対の側壁９などから構成されている。基台７は、当該圧電型振動フィーダーの台となる所定厚さの略方形盤状体である。一対の支柱８は、基台７上に所定間隔を開けて垂直に突設されており、基台７の底面側からねじ込まれたボルトでネジ止めされている。一対の側壁９は、一対の支柱８の両側面にネジ止め等により固定され、所定の間隔を開けて平行に配設されている。
【００２０】
この基台７、支柱８及び側壁９の材料としては、各部材に要求される強度等が確保できれば特に限定されるものではなく、例えばアルミニウム合金、銅合金、鋼等の金属やエンジニアリングプラスチック等の合成樹脂などが用いられる。
【００２１】
圧電素子４は、圧電体を含む多層構造の長方形板状体であり、具体的には図４に示すように、方形のシム板１１と、このシム板１１の両面に導電性接着層１２を介して積層される一対の方形圧電板１３とを備えている。このシム板１１は、少なくとも表面部に導電性を有する補強材であり、その材料としては例えばＳＫ鋼を焼入れ処理したものが好適に用いられる。
【００２２】
方形圧電板１３は、圧電体１４と、この圧電体１４の両面に積層される一対の電極１５とを備えている。この圧電体１４は、電圧の印加により歪みが生じるピエゾ効果を有する材料であれば特に限定されるものではなく、例えば圧電セラミックス、高分子圧電体、単結晶圧電体等を使用することができる。中でも、大きな圧電効果を有し、耐久性も良好なチタン酸・ジルコン酸鉛系圧電セラミックス（ＰＺＴ）が好ましい。電極１５は、圧電体１４の外縁部を除いたほぼ全面に積層され、例えば銀ペーストの印刷及び焼付けにより形成される。かかる構造の一対の方形圧電板１３の圧電効果の方向性は揃えられている。
【００２３】
導電性接着層１２は、線状、散点状等に積層される導電体１６と、この導電体１６以外の部分に充填される接着剤１７とを有している。この導電体１６によりシム板１１と方形圧電板１３との導電性が付与され、接着剤１７により方形圧電板１３に作用する応力が緩和され、層間剥離やクラックの発生が低減される。導電体１６としては、例えばカーボン樹脂ペースト等の導電性樹脂が用いられ、方形圧電板１３又はシム板１１表面への印刷及び硬化により形成される。接着剤１７としては、例えばエポキシ系接着剤が用いられ、上記導電体１６の積層面への塗工により形成される。
【００２４】
上記構造の圧電素子４は、外面側に配設される一対の電極１５とシム板１１とに制御部から延びるリード線１０が接続されている。制御部は、このリード線を介して外側の両電極１５に正電圧及び負電圧を交互に印加する。このように正電圧を印加した場合、一方の圧電体１４は伸び、他方の圧電体１４は縮む結果、圧電素子４は板面を基準として左側又は右側の一方側に湾曲する。逆に、負電圧を印加した場合、一方の圧電体１４は縮み、他方の圧電体１４は伸びる結果、圧電素子４は左側又は右側の他方側（上記場合と反対側）に湾曲する。そのため、圧電素子４に正電圧及び負電圧を交互に印加することで、圧電素子４は左右両側に撓み振動する。
【００２５】
また、圧電素子４の先端部１８及び後端部１９は、インサート成形等の手段により合成樹脂で被覆されている。この先端部１８及び後端部１９に用いられる合成樹脂としては、特に限定されず、例えばウレタン系樹脂、エステル系樹脂、アミド系樹脂、アイオノマー系樹脂等の熱可塑性エラストマー樹脂が挙げられ、圧電素子４の湾曲運動に対して柔軟性を失わないポリエステル系熱可塑性エラストマー樹脂が好ましい。また、後端部１９の合成樹脂被覆は、先端側ほど薄肉になるよう先細りに形成され、圧電素子４の湾曲運動に対する抵抗、圧電素子４の破損等が低減される。
【００２６】
当該圧電アクチュエーター１において、複数（図中では１０個）の圧電素子４が基台７と一対の支柱８と一対の側壁９で囲まれる内部空間に収納及び支持されている。これらの圧電素子４は、垂直に立設され、平行かつ等間隔に配設されている。各圧電素子４の後端部１９には、対偶する一対の側壁９間に垂直に掛け渡された上下２本のピン２０、２１が挿入され、板面を側壁９と垂直方向に向け、かつ、先端部１８を上方に向けて支持されている。従って、上述のように制御部により電圧信号を印加し、圧電素子４に撓み振動を生じさせると、先端部１８が略円軌道に沿って側壁９と平行に振動する。
【００２７】
作動部５は、略方形の板状体であり、ハウジング６の一対の支柱８の上端面上に摺動自在に支持されている。この作動部５の下面には、圧電素子４の個数に対応する数の凹状溝２２が側壁９と垂直方向に穿設されている。この凹状溝２２に圧電素子４の先端部１８が上下方向に遊びを有しつつ嵌合されている。従って、上記圧電素子４の先端部１８が略円軌道に沿って振動することで、作動部５が側壁９と平行かつ水平方向ｎに振動する。
【００２８】
ロードセル２は、歪みを抵抗変化に変換する起歪体を利用する荷重計測装置である。このロードセル２は、断面Ｌ字状の連結板２３を介して圧電アクチュエーター１の作動部５と連結し、レール２４上に往復移動可能に載設されている。このレール２４は、基台７上に側壁９と平行に付設されている。従って、ロードセル２は、圧電アクチュエーター１の作動部５と同様に側壁９と平行かつ水平方向ｎに振動する。このようにロードセル２は、作動部５と連結して搬送供給時に振動するが、水平方向に振動し、上下方向には振動しないため、計量に影響を及ぼすことがない。また、レール２４上に載設され、圧電アクチュエーター１の振動に及ぼす負荷が低減されている。なお、ロードセル２が検知する荷重データは、リード線２５を介して制御部に送信される。
【００２９】
トラフ３は、被搬送物の搬送通路であるトイ状のものであり、ロードセル２の荷重受部２６に固定されている。このトラフ３は、その長手方向を側壁９と平行かつ水平方向ｎに向けている。そのため、このトラフ３は、作動部５及びロードセル２と同様に、側壁９と平行かつ水平方向ｎ（つまり長手方向）に、かつ、往運動及び復運動の速度、加速度等が非対称に振動する。
【００３０】
制御部は、リード線１０を介して圧電素子４に電圧信号を印加し、リード線２５を介して受信したロードセル２の荷重データにより電圧信号をフィードバック制御するものである。この電圧信号は、正電圧及び負電圧を交互に繰り返すものであり、正側の波形と負側の波形とが非対称であることを特徴とする。かかる正側と負側で非対称の電圧信号の具体的な内容としては、特に限定されるものではないが、例えば電圧増加速度や電圧増加加速度、つまり電圧波形曲線の形状を正側と負側とで相違させるとよい。このような正側及び負側で非対称の電圧信号を圧電素子４に印加することで、圧電素子４の撓み振動における往運動と復運動の速度、加速度等が非対称になり、ひいては作動部５及びトラフ３の振動における往運動と復運動も速度、加速度等が非対称になる。なお、制御部において、このような正側及び負側で非対称の電圧信号を発生させる手段としては、特に限定されず公知の手段が採用されるが、例えば正電圧を印加するための回路と負電圧を印加するための回路とに一対の抵抗を接続し、この一対の抵抗の大きさを相違させる手段などがある。
【００３１】
従って、当該圧電型振動フィーダーによれば、上記従来のフィーダーのように被搬送物をジャンプさせず、トラフ３の長手方向への非対称振動により被搬送物を長手方向の一方向に搬送することができる。例えば、トラフ３の振動のうち往運動の加速度をμ＊Ｇ（μ：トラフ３と被搬送物との摩擦係数、Ｇ：重力加速度）よりも小さくし、復運動の加速度をμ＊Ｇよりも大きくすることで、往運動時には被搬送物を滑らさずに移動させ、復運動時には被搬送物を滑らせてその場に残し、これを繰り返して被搬送物を往運動方向に搬送することができる。そのため、当該圧電型振動フィーダーによれば、搬送精度が格段に向上する。
【００３２】
また、当該圧電型振動フィーダーによれば、制御部が圧電素子４に印加する電圧信号における電圧の大きさでトラフ３の振幅、電圧波形の立ち上がり部の形状でトラフ３の振動の加速度、周波数で振動数が制御でき、その結果搬送供給量を高精度に制御することができ、微量供給が可能となる。
【００３３】
また、当該圧電型振動フィーダーによれば、搬送供給に供する振動が水平方向であり、ロードセル２の計測に影響を及ぼす上下方向の振動が存在しないため、ロードセル２を振動させつつトラフ３（被搬送物を含む）のみを搬送供給時にリアルタイムに計量し、このリアルタイムな荷重データにより電圧信号をフィードバック制御することができ、当該圧電アクチュエーター１の水平かつ非対称振動による高精度化と相まってさらに高精度かつ迅速な搬送供給が可能になる。このようにロードセル２をトラフ３に直接連結できるため、搬送系全体を計量する必要があるジャンプ式の従来の圧電型振動フィーダーと比較して分解能の高いロードセル２の使用が可能になり、計測値の補正を不要とすることができる。
【００３４】
さらに、当該圧電型振動フィーダーによれば、制御部により印加される電圧信号の正側及び負側の非対称性（例えば、上記加速度）を逆転させることで、トラフ３の振動の往運動及び復運動の非対称性を簡易に逆転させ、搬送方向を逆転（バック）させることができる。そのため、当該圧電型振動フィーダーによれば、搬送停止前に被搬送物をバックさせてトラフ３先端からの被搬送物の意図せぬ排出を防止できる。
【００３５】
なお、本発明の圧電アクチュエーターは上記実施形態に限定されるものではなく、例えば側壁は、圧電素子４を収納する内部空間全面を被覆するよう構成することも可能であり、複数枚で構成することも可能である。圧電素子は、２枚の圧電体１４を貼り合わせた圧電素子４に限定されず、往運動と復運動とが非対称の振動を取り出せるものであれば、いかなる形態でも可能である。振動の非対称性を取得する手段としても、制御部による電圧信号を正側と負側で非対称とする当該実施形態の手段に限定されず、例えば圧電体のピエゾ効果の特性自体を利用する手段も可能である。
【００３６】
また、ロードセルを有さず、計量機能を有しない圧電型振動フィーダーで被搬送物の搬送ラインを構成し、この搬送ラインの一部（特に好ましくは供給端側）に当該圧電型振動フィーダーを設けるとよい。この計量機能がない圧電型振動フィーダーのトラフ（一次トラフ）から当該圧電型振動フィーダーのトラフ３（二次トラフ）に順次供給することで、当該圧電型振動フィーダーのロードセル２が計量するトラフ３及び被搬送物の荷重がさらに低減され、より高精度の搬送供給が可能になる。この搬送ラインを構成する圧電型振動フィーダーとしては本発明の圧電型振動フィーダーと同様の水平振動タイプのものが好ましく、さらに高精度の搬送供給制御が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電型振動フィーダーによれば、往運動及び復運動が非対称かつ水平方向のトラフの振動により被搬送物を搬送供給するため、トラフに直接連結するロードセルによりリアルタイムに高精度の計量ができ、水平振動式の搬送供給の良好な制御性と相まって、高精度かつ迅速に被搬送物を搬送供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電型振動フィーダーを示す斜視図である。
【図２】図１の圧電型振動フィーダーのＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の圧電型振動フィーダーのＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図１の圧電型振動フィーダーに備える圧電素子及び制御部を示す概略構成図である。
【図５】従来の圧電型振動フィーダーを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 圧電アクチュエーター
２ ロードセル
３ トラフ
４ 圧電素子
５ 作動部
６ ハウジング
７ 基台
８ 支柱
９ 側壁
１０ リード線
１１ シム板
１２ 導電性接着層
１３ 方形圧電板
１４ 圧電体
１５ 電極
１６ 導電体
１７ 接着剤
１８ 先端部
１９ 後端部
２０ ピン
２１ ピン
２２ 凹状溝
２３ 連結板
２４ レール
２５ リード線
２６ 荷重受部

Claims (2)

1. 被搬送物を計量供給する圧電型振動フィーダーであって、
   電圧信号を機械的な変位に変換する圧電素子と、
   この圧電素子の機械的な変位により水平方向かつ往運動及び復運動が非対称に振動する作動部と、
   この作動部に連結するロードセルと、
   このロードセルの荷重受部に連結し、作動部の振動方向と平行に配設されるトラフと、
   圧電素子に電圧信号を印加し、受信したロードセルの荷重データにより電圧信号をフィードバック制御する制御部とを備え、
   上記圧電素子が、導電性を有する方形のシム板と、このシム板の両面に電気的導通を有しつつ積層される一対の方形圧電板とを備え、この方形圧電板が、圧電体と、この圧電体の両面に積層される一対の電極とを備え、
   この圧電素子が、基台上に垂直に立設され、その先端部が略水平方向に撓み振動するよう構成され、
   上記作動部の下面に凹状溝が穿設され、この凹状溝に圧電素子の先端部が上下方向に遊びを有しつつ嵌合しており、
   上記ロードセルが、基台上に作動部の振動方向と平行に付設されるレールに往復移動可能に載設され、
   上記制御部が印加する電圧信号が、正電圧及び負電圧を交互に繰り返し、正側の波形と負側の波形とが非対称であることを特徴とする圧電型振動フィーダー。
2. 上記作動部の振動における往運動及び復運動の加速度が非対称である請求項１に記載の圧電型振動フィーダー。

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