JP7341835B2 - 粉体混合システム及び粉体混合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複数種の粉体を混ぜ合わせる粉体混合システム及び粉体混合方法に関する。
例えば、粉末冶金分野、医薬製剤分野、食品分野などでは、粒子状固体の集合体である粉体について、様々な種類の材料、組成、粒子径状のものを混合させた混合物が利用されている。こうした複数種の粉体で構成される混合物の混合状態は、当該混合物を使用して製造される製品の最終的な品質に影響することとなるため、粉体を混ぜ合わせる混合過程において、材料種が十分に均質な混合状態に達していることが必要である。そこで、均質な混合状態に達しているかを判断する指標として、混合状態を数値で表した混合度を計測し、この混合度に基づいて、最終製品の品質最適化や品質管理が行われている。
例えば、特許文献１の要約欄には、「混合物の混合状態における均一性について安定した評価指標を提示する」ために、「複数種類の物質が混合された混合物の均一性評価装置であって、前記混合物を組成する前記複数種類の物質各々の物理量、または前記複数種類の物質各々の数を示す入力情報を入力する入力部と、前記入力情報に基づいて、混合に用いた前記複数種類の物質の比率を示す第１の混合比と、前記複数種類の物質が混合状態にある混合物の一部である検査領域を組成する各々の物質の第２の混合比とを用いて、前記第１の混合比と前記第２の混合比とのかい離度合を示すエントロピーを算出する算出部と、前記算出部が算出した算出結果を出力する出力部と、を備える」ことが開示されている。
特開２０１８-７２１５８号公報
特許文献１に開示された均一性評価装置では、混合過程の粉体の一部を混合容器から取り出した上で、取り出された粉体の画像を計測する等して粉体の数量や質量を計測しているため、混合が完了するまでに時間を要し、最終製品の生産性が低いという課題がある。
本発明の目的は、混合が完了するまでの時間を短くし、最終製品の生産性を高めた粉体混合システム及び粉体混合方法を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明の粉体混合システムは、回転軸を有し複数種の粉体を混合する混合容器と、前記回転軸を介して前記混合容器を回転させる回転機と、混合過程の粉体画像を取得する画像撮影装置と、計算機と、を有する粉体混合システムであって、前記混合容器は、前記粉体画像を撮影するための窓を有し、前記混合容器の前記窓を含む窓フレームは、前記混合容器に設けられた粉体投入口の蓋と交換可能な形状であり、前記画像撮影装置は、前記窓フレームと固定され、無線伝送により前記計算機と通信可能であって、前記計算機は、前記画像撮影装置が前記混合容器の下に位置する状態にあることを検出する機能を有し、前記画像撮影装置が前記混合容器の下に位置する状態で、前記混合容器の前記窓を介して前記画像撮影装置が前記粉体のデジタルＲＧＢカラー画像を取得し、前記計算機は、混合粉体全体画像のＲＧＢ色情報をＨＳＶ色情報に変換し、前記ＨＳＶ色情報に基づいて、前記混合粉体全体画像内における特定粉体の画素位置を抽出し、前記混合粉体全体画像を分割して、分割された１画像内に存在する前記特定粉体の画素数を用いて、前記混合粉体全体画像における前記特定粉体の存在確率に基づく混合度を算出し、前回算出した混合度からの差分が所定値以下になったら混合を終了させることを特徴とする。
さらに、本発明の粉体混合方法は、回転軸を有し複数種の粉体を混合する混合容器と、前記回転軸を介して前記混合容器を回転させる回転機と、混合過程の粉体画像を取得する画像撮影装置と、計算機と、を有する粉体混合システムの粉体混合方法において、前記回転機によって前記混合容器と共に回転中の前記画像撮影装置が前記混合容器の下に位置する状態にあることを、前記計算機が検出すると、混合過程の前記粉体のデジタルＲＧＢカラー画像を前記画像撮影装置が取得し、前記計算機は、前記画像撮影装置から無線伝送によって送られた混合粉体全体画像のＲＧＢ色情報をＨＳＶ色情報に変換し、前記ＨＳＶ色情報に基づいて、前記混合粉体全体画像内における特定粉体の画素位置を抽出し、前記混合粉体全体画像を分割して、分割された１画像内に存在する前記特定粉体の画素数を用いて、前記混合粉体全体画像における前記特定粉体の存在確率に基づく混合度を算出し、前回算出した混合度からの差分が所定値以下になったら混合を終了させることを特徴とする。
本発明によれば、混合過程にある粉体の混合状態を直接的にその場で推定することで、全体の混合時間が短くでき、最終製品の生産性を高めた粉体混合システム及び粉体混合方法を提供できる。
本発明の実施例１に係る粉体混合システムの断面図。 本発明の実施例１に係る粉体混合システムにおける混合容器を回転させたときの断面図。 本発明の実施例１に係る粉体混合システムにおける画像撮影装置と計算機との通信を示す断面図。 粉体混合方法を示すフローチャート。 画像撮影装置で撮影した混合粉体の画像。 混合時間に対する銅粉体の混合度を示すグラフ。 混合時間に対する黒鉛粉体の混合度を示すグラフ。 本発明の実施例２に係る粉体混合システムの断面図。 本発明の実施例２に係る粉体混合システムにおける画像撮影装置と計算機との通信を示す断面図。
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図９を用いて説明する。
図１は、本実施例に係る粉体混合システムの断面図である。
本実施例の粉体混合システムは、回転軸２を有し、複数種の粉体７を混合する混合容器１と、回転軸２を介して混合容器１を回転させる回転機（図示せず）と、混合過程の粉体画像を取得する画像撮影装置５と、計算機８と、を備えている。
混合容器１は、略Ｖ字形状となっており、その底部に粉体排出口４が形成され、二股のうち一方側の上端には粉体投入口３が形成され、二股のうち他方側の上端には観察窓及び窓フレーム６が取付けられている。窓フレーム６は、粉体７の画像を撮影するための観察窓の外周を支持するものであり、混合容器１に対して着脱可能となっている。また、粉体投入口３には、当該投入口を開閉する蓋が着脱可能に設けられている。このため、本実施例の粉体混合システムでは、一端側の粉体投入口３にある蓋と、他端側の窓フレーム６とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、一端側の作業スペースが制限されていて一端側から粉体７を投入するのが困難な場合などには、一端側の上端に観察窓を配置し、他端側の上端に粉体投入口３を配置することもできる。なお、比較的広い開口が形成可能な二股上端に、粉体投入口３及び観察窓を設けたので、粉体が投入し易く、広範囲の観察も可能となっている。
粉体投入口３から粉体７を投入する際には、図１のように、粉体投入口３が上方に位置する状態で、混合容器１を静止させる。粉体７を投入して蓋を閉じた後は、この混合容器１が回転機によって回転されることで、粉体排出口４が上に位置したり下に位置したりして上下反転を繰り返しながら、混合容器１内の粉体７が次第に混合される。また、窓フレーム６には、画像撮影装置５が固定可能であり、画像撮影装置５を固定した場合には、観察窓を介して混合容器１内の混合粉体が撮影される。
ここで、図１のように画像撮影装置５が上に位置した状態で、混合容器１の上から内部を撮影する場合、重力で下に位置する粉体７と画像撮影装置５との距離が離れてしまうだけでなく、粉体７の中でも軽い粒子で上表面付近が覆われているため、混合状態の測定精度が低下してしまう。したがって、図２のように、画像撮影装置５が下に位置する状態のときに、混合容器１内を撮影することで、粉体７に近い位置から撮影でき、測定精度が向上する。
また、画像撮影装置５は、図３に示すように、計算機８との間で、伝送により通信が可能となっている。本実施例の画像撮影装置５は、粉体混合システム全体のコンパクト化のため混合容器１と共に回転するので、無線伝送による通信が必要である。計算機８は、混合容器１が所定の位置にあること、具体的には、画像撮影装置５が下に位置する状態にあることを検出する機能を有している。なお、画像撮影装置５が撮影するタイミングとしては、混合容器１を回転させながら画像撮影装置５が下を通過する瞬間に撮影しても良いし、画像撮影装置５が下に位置する状態で混合容器１の回転を止めて撮影しても良い。また、計算機８は、画像撮影装置５から受信した粉体画像に基づいて、粉体７の混合状態を推定する。
次に、粉体７の混合方法について、図４を用いて説明する。図４は、粉体７の混合方法を示すフローチャートである。
まず、複数種の原料からなる粉体７を所定の重量分だけ測り取り、粉体投入口３から混合容器１内に当該粉体７を投入する。ステップＳ１００で混合が開始されると、混合容器１が回転するようになる。次に、回転機によって回転中の混合容器１が所定の位置にあることを、ステップＳ１０１で計算機８が検出すると、混合過程の粉体７のデジタルＲＧＢカラー画像を画像撮影装置５が観察窓を介して取得する。取得したＲＧＢカラー画像の情報は、無線伝送によって計算機８へ送られ、この計算機８にて複数種の粉体から特定の粉体の画像を抽出する画像処理が行われる。具体的には、まずステップＳ１０２で、混合粉体の全体画像のＲＧＢ（赤、緑、青）色情報が、ＨＳＶ（色相、彩度、明度）色情報又はＣＩＥ－L＊ａ＊ｂ＊色情報に変換される。次に、ステップＳ１０３で特定の粉体７に特有のＨＳＶ色情報等を抽出することで、全体画像内における当該特定の粉体７の画素位置の抽出を行う（ステップＳ１０４）。その後、全体画像を任意の数に分割して（ステップＳ１０５）、分割された１画像内に存在する当該特定の粉体７の画素数を用いて、混合度を算出する（ステップＳ１０６）。なお、分割する数が多い程、混合状態の推定精度が向上する。
ここで、全体画像における当該特定の粉体７の存在確率に基づく、粉体７の混合度は、次の式で算出する。
Figure 0007341835000001
なお、Ｓは粉体７の混合度を示し、Ｃは全体画像内における当該特定の粉体７に関する画素数、Ｍは全体画像の分割数、Pj,cはｊ、Cに対する存在確率を示す。
混合が進むと、全体画像内における粉体７の乱雑さが増大し、混合度が次第に大きくなり、１に近づいて行く。但し、混合度の上限値、すなわち、現実に生じ得る均質な混合状態にあるときの混合度は、１未満である。
ステップＳ１０７では、混合度が所定条件を満たすかどうかを判定し、満たしている場合は、ステップＳ１０８で混合を終了し、粉体排出口４から混合粉を排出する。ステップＳ１０７における具体的な判定方法としては、例えば、前回算出した混合度からの差分が所定値以下になった場合に、混合状態が安定化してきたとして、混合終了の判定をする。
このように、本実施例では、混合前に粉体７がどのような割合で存在していたか等の初期情報がなくても、混合過程にある粉体７の画像情報だけで、粉体７の混合状態を推定できる。また、混合過程の粉体７の一部を混合容器１から取り出さなくても、画像撮影装置５を用いて直接的に、その場で推定できるので、全体の混合時間が短くでき、混合後に完成することになる最終製品の生産効率が向上する。
次に、本実施例の粉体混合システムを用いて、実際に混合した結果について、説明する。ここでは、鉄合金材料系の粉末冶金用途に用いられる、鉄粉系混合粉体の混合状態を撮影して、混合度を算出する例について示す。鉄粉系混合粉体としては、アトマイズ鉄粉、電解銅粉、黒鉛、ステアリン酸亜鉛の４種類の粉体からなる混合粉体を用いた。アトマイズ鉄粉は灰色系、電解銅粉は赤色系、黒鉛は黒色系、ステアリン酸亜鉛は白色系である。
最初に、重量比で鉄９７％、電解銅粉１％、黒鉛粉１％、ステアリン酸亜鉛１％を秤量して、粉末混合システムにおけるＶ型の混合容器１に投入し、混合を開始する。そして、混合時間に対して混合過程の混合粉体の画像を撮影した。
図５は、画素サイズ３．５μｍとして画像撮影装置５が、混合開始後０．０３分に撮影した、混合粉体の画像を示している。図５のように、混合時間０．０３分では、４種の混合粉体は偏析が存在する混合状態にある。
まず、電解銅粉体に着目した混合度の算出について説明する。計算機８は、ＨＳＶ等の色情報に変換された全体画像の中から、銅粉体に特有の赤色系の色情報を抽出することで、銅粉体の画像を抽出し、銅粉体の混合度を算出する。図６は、混合時間に対する銅粉体の混合度を示すグラフである。図６に示すように、混合時間に依存して混合度は大きくなり、混合度が飽和に至る混合過程が判断できる。
次に、黒鉛粉体に着目した混合度の算出について説明する。計算機８は、ＨＳＶ等の色情報に変換された全体画像の中から、輝度飽和した色情報を抽出することで、黒鉛粉体の画像を抽出し、黒鉛粉体の混合度を算出する。図７は、混合時間に対する黒鉛粉体の混合度を示すグラフである。ここで、黒鉛粉体は、混合過程で粉砕されて微粒化し、鉄粉や銅粉の表面に付着するため、混合が進むと、明るい領域が減って行くことになる。したがって、黒鉛粉体については、色相の情報がなくても混合度を算出することが可能である。
図８は、本実施例に係る粉体混合システムの断面図である。本実施例の粉体混合システムでは、窓フレーム１６が、粉体排出口の蓋と交換可能となっている。また、本実施例の画像撮影装置１５は、回転軸１２と垂直に交わり、かつ、粉体排出口を通る直線上に、配置されている。このように、本実施例では、粉体排出口のある、混合容器１の底部中央で画像を撮影できるので混合状態の推定精度が向上する。また、本実施例の画像撮影装置１５は、実施例１と異なり、混合容器１と一体的に回転しないので、図９に示すように有線伝送により計算機１８と通信可能とすることができる。但し、当然ながら、無線伝送により計算機１８と通信させても良い。
本実施例の粉末混合システムでは、窓フレーム１６が画像撮影装置１５と対向する場所に位置したとき、すなわち、窓フレーム１６が鉛直下向きに位置したときに、混合容器１１内を撮影する。また、二股の上端のうち両方に、粉体投入口１３が形成されている。本実施例によっても、混合容器１１から粉体７を取り出さずに、混合しながらそのままの状態で、粉体７の画像を撮影するだけで、混合状態を推定できる。
なお、本発明は、上述の実施例１，２に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上述の実施例１，２は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
１，１１…混合容器、２，１２…回転軸、３，１３…粉体投入口、４，１４…粉体排出口、５，１５…画像撮影装置、６，１６…窓フレーム、７…粉体、８，１８…計算機

Claims (2)

  1. 回転軸を有し複数種の粉体を混合する混合容器と、前記回転軸を介して前記混合容器を回転させる回転機と、混合過程の粉体画像を取得する画像撮影装置と、計算機と、を有する粉体混合システムであって、
    前記混合容器は、前記粉体画像を撮影するための窓を有し、
    前記混合容器の前記窓を含む窓フレームは、前記混合容器に設けられた粉体投入口の蓋と交換可能な形状であり、
    前記画像撮影装置は、前記窓フレームと固定され、無線伝送により前記計算機と通信可能であって、
    前記計算機は、前記画像撮影装置が前記混合容器の下に位置する状態にあることを検出する機能を有し、
    前記画像撮影装置が前記混合容器の下に位置する状態で、前記混合容器の前記窓を介して前記画像撮影装置が前記粉体のデジタルＲＧＢカラー画像を取得し、
    前記計算機は、混合粉体全体画像のＲＧＢ色情報をＨＳＶ色情報に変換し、前記ＨＳＶ色情報に基づいて、前記混合粉体全体画像内における特定粉体の画素位置を抽出し、前記混合粉体全体画像を分割して、分割された１画像内に存在する前記特定粉体の画素数を用いて、前記混合粉体全体画像における前記特定粉体の存在確率に基づく混合度を算出し、前回算出した混合度からの差分が所定値以下になったら混合を終了させることを特徴とする粉体混合システム。
  2. 回転軸を有し複数種の粉体を混合する混合容器と、前記回転軸を介して前記混合容器を回転させる回転機と、混合過程の粉体画像を取得する画像撮影装置と、計算機と、を有する粉体混合システムの粉体混合方法において、
    前記回転機によって前記混合容器と共に回転中の前記画像撮影装置が前記混合容器の下に位置する状態にあることを、前記計算機が検出すると、混合過程の前記粉体のデジタルＲＧＢカラー画像を前記画像撮影装置が取得し、
    前記計算機は、前記画像撮影装置から無線伝送によって送られた混合粉体全体画像のＲＧＢ色情報をＨＳＶ色情報に変換し、前記ＨＳＶ色情報に基づいて、前記混合粉体全体画像内における特定粉体の画素位置を抽出し、前記混合粉体全体画像を分割して、分割された１画像内に存在する前記特定粉体の画素数を用いて、前記混合粉体全体画像における前記特定粉体の存在確率に基づく混合度を算出し、前回算出した混合度からの差分が所定値以下になったら混合を終了させることを特徴とする粉体混合方法。
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