長周期振動センサーで粉体ミキサーを状態監視

粉体プロセスはIoT/DX化が難しい！

　私は大学で化学工学科の粉体工学研究室で学びました。また企業に入ってからはセラミック電子部品の材料プロセス開発に26年間従事しましたが、ひたすら原料粉を混ぜて、成形して、焼くと言うプロセスを繰り返しました。実験では乳鉢に粉とバインダー(ポリビニルアルコール水溶液)を混合する作業をしていましたが、どれぐらい混ざったかは「感覚」で決めるしかなく、(おそらく)うまく混ざっていまま成形して焼いた後のセラミックはクラックが入ったり、割れたりしていて使い物になりませんでした。
　粉と粉を混ぜるだけでなく、粉と樹脂を混ぜてペーストにする、粉と液体を混ぜてスラリーにする、などいろいろあるのですが、いずれもどれぐらい混ざったかを定量化する技術は進展していません。だいたいは予め決めた時間混合したら終了する管理方法です。混合した後の粘度特性、粒度分布を測定して規定の範囲内に入っているか確認する場合もありますが、混合工程中にどれぐらい混ざったかを時々刻々検知する方法はほとんどありません。
　粉は繊細で、温湿度に対して非常に鋭敏で、原料ロットで性状が大きく変化する場合があります。季節変動と言われる非科学的な現象で工場は大騒ぎになります。

混合粉体の特性変化をミキサーの振動変化で捉える

　粉体ミキサーにはいろいろな構造、方式がありますが、多くは上の図のように粉体を容器(缶)に入れ、攪拌羽根で粉をかき回すことで混合する方式が採られます。性状の異なる粉と粉、粉と樹脂、粉と液体を混合していくと、混合粉体の力学的特性すなわち流動性、付着性、摩擦特性が変化するため、粉体と容器壁面、攪拌羽根間の応力伝達率も変化し、ミキサー全体の振動特性に影響を与えると推定されます。ただし通常その影響は小さく、作業者が振動変化を感じることはありません(ベテランになると音の変化などでわかる人もいます)。
　以下の動画は、内閣府国プロSIPフィジカル事業において協業させて頂いた、各種体ミキサーを販売されている大平洋機工株式会社様との取り組みです。大平洋機工様は様々な業種のお客様へ粉体ミキサーを販売されていますが、粉体混合度の進捗を監視する技術に興味を持って頂き、実験に協力していただきました。
　粉体ミキサーの攪拌羽根の回転速度は約200rpm＝3.3Hzと比較的ゆっくりで、ミキサーの振動もこの回転に基づいているため数Hz～10数Hzの低周波領域の振動になります。従来の加速度センサー(MEMS、圧電セラミック)は原理上、低周波領域になるとノイズが多くなり、10Hzより低い周波数の振動加速度の測定精度はあまり高くありません。
　弊社ではセイコーエプソン株式会社様の協力を得て、長周期振動対応の振動加速度センサーを使い、粉体ミキサーのような低周波振動でも高精度な測定を可能にしています。以下のような粉体プロセスで状態監視に興味をお持ちの方はぜひご連絡ください。