目標容器を充填するための方法および装置
【課題】リザーバからの測定された用量の易流動性物質を目標容器内に充填するための分注デバイスを使用して、所定の目標質量を充填する。
【解決手段】この用量分注デバイス３００は、リザーバ２００から目標容器１００内に流れる物質流の質量流量を可変調節する弁３１０を有し、充填プロセスの開始からの経過時間ｔを測定する手段と、目標容器内に存在する物質の質量ｍを決定するための秤５００と、弁を制御する弁制御モジュールを有する制御装置ユニット６００とを備える。この制御装置ユニットは、調節モジュール６２０を備え、所望の質量流量が、この調節モジュール内に記憶される。時点ｔにて、質量流量が、所望の質量流量よりも小さい場合には、流量は、流量調節値だけ増加され、質量流量が、所望の質量流量よりも大きい場合には、流量は、流量調節値だけ低減される。制御装置ユニットは、質量流量を決定するのに有効な適応フィルタをさらに備える。
【解決手段】この用量分注デバイス３００は、リザーバ２００から目標容器１００内に流れる物質流の質量流量を可変調節する弁３１０を有し、充填プロセスの開始からの経過時間ｔを測定する手段と、目標容器内に存在する物質の質量ｍを決定するための秤５００と、弁を制御する弁制御モジュールを有する制御装置ユニット６００とを備える。この制御装置ユニットは、調節モジュール６２０を備え、所望の質量流量が、この調節モジュール内に記憶される。時点ｔにて、質量流量が、所望の質量流量よりも小さい場合には、流量は、流量調節値だけ増加され、質量流量が、所望の質量流量よりも大きい場合には、流量は、流量調節値だけ低減される。制御装置ユニットは、質量流量を決定するのに有効な適応フィルタをさらに備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リザーバからの所定の目標質量の易流動性物質で目標容器を充填するのに有効な方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の充填デバイスは、特に、例えば製薬の分野などにおいて必要に応じて少量の用量を分注する際に使用される。多くの場合、目標容器は、用量分注デバイスにより送出される物質の量を秤量するために、秤の上に配置され、これにより、引き続いて、与えられる命令にしたがってこの物質をさらに処理することが可能となる。
【０００３】
分注されることとなる物質は、例えば、分注ヘッドを備える供給源容器または供給源リザーバ内に保持される。この分注されることとなる物質が、用量分注デバイスの開口を介して外部に送出される場合には、これにより、充填プロセスの終了時に、所定の目標質量の物質が、目標容器によって受けられていることが望ましい。この場合に、目標容器内の実際の質量の量が、この所定の目標質量に可能な限り正確に一致することが重要である。さらに、この充填プロセスを可能な限り迅速に実施することが可能であることが重要である。
【０００４】
送出される物質の量の体積測定に基づく用量分注方法が、既存の最新技術より知られている。密度ρの物質、可変の開口断面Ａを有する弁、および、これらのパラメータに関連して結果的に得られる物質の流出速度ｕにより、目標容器内のこの物質の質量ｍｚは、以下の等式から求められる。
【０００５】
【数１】
【０００６】
特に、流出速度ｕは、例えば弁開口の断面積Ａ、リザーバ内の物質の充填高さｈによりもたらされる静水圧、および例えば粉末の粒径ｄなどの物質の流動学的特性などの、多数の影響因子に左右される。特に、流動学的特性は、多くの場合非常に複雑であり、正確には判明しない影響因子に左右される。例えば、流動の開始時にビンガム媒体または粉末において発生する流れの遅滞を考慮に入れることは、困難である。特に、粉末状（ｐｕｌｖｅｒｏｕｓ）物質の充填時には、例えば個々の粒子の粒径、含水量、および表面特性などの因子が、大きな影響を有する。
【０００７】
米国特許第４，８９３，２６２号においては、容器を充填するための制御装置システムが開示されている。このシステムは、あるサイクルから次のサイクルへと質量流量が最適化され、分注される質量が所定の目標質量に可能な限り正確に一致するまで充填時間が調節される、複数の充填サイクルに及ぶプロセスにおいて最適化される。このシステムは、精度に関する要件が本発明のシステムに対する精度要件よりも著しく低い、大分量の充填のために主に使用される。この最適化が複数のサイクルに及ぶことにより、所定の目標質量が複数回の試行サイクルの後にようやく所要の精度にて実際に達成されるため、さらなる課題がもたらされる。これらの試行サイクルの最中に分注される物質は、分注プロセスおよびその後の目標容器からの除去プロセスにおいて汚染されている可能性があるため、もはや使用不可能となる。このことは、特に分注される物質が高額である場合には、決定的に不利である。
【０００８】
正確におよび再現可能に小さな質量の粒子を分注するための方法および装置が、米国特許第６，９８７，２２８号に開示されている。この装置は、分注されることとなる粒子を保持するふるいに加えられる励振の量を制御するのに有効な制御装置ユニットを備える。ふるいを励振することは、ふるい内の少量の粒子をふるいの下方に配置された秤の上に落下させる効果を有する。この秤により測定された重量に基づき、制御装置ユニットは、このふるいに加えられる励振の量を制御する。加えられる励振の量は、分注されていない質量の量に応じて制御することが可能であり、これにより、粒子の流出流量を変更することが可能となる。この構成は、ふるいを使用することにより、粉末形態の物質のみを分注することが可能となるという問題を有する。他の易流動性物質、とりわけ液体には、この方法は適さない。粉末状物質が分注される場合でも、この物質の粒径に応じて様々なふるいを使用しなければならないため、この方法に特有の欠点が存在する。重大な欠点は、秤量信号に応じてふるいに加えられる励振の制御に関する。秤の応答における時間遅延により、秤が応答するのに十分な時間を与え得る十分な低速にて、充填プロセスを行わなければならない。その結果、充填プロセスは、非常に長時間を要することとなる。
【０００９】
容器の充填を制御するためのシステムが、米国特許第４，７６２，２５２号に開示されている。充填プロセスの際の質量流量を決定するために、リザーバの重量の変化が測定される。このようにして決定される質量流量が、所望の流量と比較される。測定された流量が、所望の流量から過度に偏差する場合には、質量流量は、これに応じて調節される。この参考文献において説明されているシステムは、１時間当たり約２５〜５０キログラムの分注に適している。製薬の分野において必要とされるサイズの少量の充填においては、高いレベルの精度が必要とされ、小さな測定誤差が、充填質量に大きな影響を及ぼすおそれがある。また同時に、この充填プロセスは、可能な限り短い時間を要するべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４，８９３，２６２号
【特許文献２】米国特許第６，９８７，２２８号
【特許文献３】米国特許第４，７６２，２５２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、所定の少ない充填量の易流動性物質を正確におよび再現可能に分注するのに有効であり、簡単、高速、かつ正確であるという特性を有する方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、独立請求項に記載される特徴を有する方法および装置により解消される。さらに有利な実施形態が、従属請求項に提示される。
本発明の方法によれば、および本発明による装置では、目標容器が、リザーバからの測定された用量の易流動性物質をこの目標容器内に充填するための分注デバイスを使用して、所定の目標質量ｍｚのその物質で充填される。この用量分注デバイスは、リザーバから目標容器内への質量流量
【００１３】
【数２】
【００１４】
を可変調節することが可能な弁を有する。さらに、この用量分注デバイスは、充填プロセスの開始からの経過時間ｔを測定するための手段と、目標容器内の物質の質量ｍを決定するための秤と、弁を制御するための弁制御モジュールを有する制御装置ユニットとを備える。この制御装置ユニットは、調節モジュールを備え、所望の質量流量
【００１５】
【数３】
【００１６】
が、この調節モジュール内に記憶される。時点ｔにて、質量流量
【００１７】
【数４】
【００１８】
が、所望の質量流量
【００１９】
【数５】
【００２０】
よりも小さい場合には、流量
【００２１】
【数６】
【００２２】
は、流量調節値
【００２３】
【数７】
【００２４】
だけ増加され、質量流量
【００２５】
【数８】
【００２６】
が、所望の質量流量
【００２７】
【数９】
【００２８】
よりも大きい場合には、流量
【００２９】
【数１０】
【００３０】
は、流量調節値
【００３１】
【数１１】
【００３２】
だけ低減される。
さらに、制御装置ユニットは、質量流量
【００３３】
【数１２】
【００３４】
を決定するのに有効な適応フィルタを備える。
複数の異なるパラメータを、所望の質量流量
【００３５】
【数１３】
【００３６】
の決定の一因子として含めることが可能である。
これらのパラメータの中の１つが、遅延間隔τである。この遅延間隔τは、秤の上に質量が到達してから、その質量値が秤の上に示されるまでの時間間隔、または、秤の上に質量が到達してから、その質量値を含む電気出力信号が送られるまでの時間間隔に相当する。秤のタイプおよび構成によるが、この遅延間隔τは、約１．５〜３秒の長さである。遅延間隔τは、測定を介して決定される。大抵の場合、遅延間隔τは、秤の特徴に左右されることが判明している。さらに、周囲環境のパラメータが、遅延間隔τに対して影響を有する。例えば、低周波の振動および／または揺れが、遅延間隔τの増大を引き起こすこととなる。つまり、遅延間隔τに含まれる主要な因子は、秤固有の測定遅延、および環境パラメータであるということになる。分注されることとなる物質の物理的特性は、二次的な役割を果たすに過ぎない。目標容器内に分注される質量が制限値を超えないようにするために、遅延間隔τを、所望の質量流量
【００３７】
【数１４】
【００３８】
の決定の一因子として含めることが可能である。この場合に従うべき規則は、遅延間隔τが、所望の質量流量
【００３９】
【数１５】
【００４０】
に対して逆比例となるべきである、すなわち、
【００４１】
【数１６】
【００４２】
となるべきである、ということである。
所望の質量流量の決定の一因子として含まれるべき他のパラメータは、許容範囲ｍＴである。この許容範囲ｍＴは、用量分注プロセスの終了時に目標容器内に存在する質量ｍが目標質量ｍｚから外れてもよい最大許容偏差を規定する。換言すれば、用量分注プロセスの終了時に、目標容器内に存在する質量ｍは、
ｍｚ−ｍＴ＜ｍ＜ｍｚ＋ｍＴ
という区間内になければならない。
【００４３】
許容範囲ｍＴが大きい場合には、大きな質量流量
【００４４】
【数１７】
【００４５】
が望まれる場合でも、最終質量ｍの所望の結果を所与の許容範囲ｍＴ内に確保することは可能である。他方において、許容範囲ｍＴが小さい場合には、所望の質量流量
【００４６】
【数１８】
【００４７】
は、質量ｍが最終的に所与の許容範囲ｍＴ内になるのを確保するのに十分な低さで選択される必要がある。これは、所望の質量流量
【００４８】
【数１９】
【００４９】
が、許容範囲ｍＴに比例すべきである、すなわち、
【００５０】
【数２０】
【００５１】
となるべきであるという要件につながる。
目標容器内に分注される物質の最終質量ｍが、許容範囲ｍＴを上回って目標質量ｍｚを超える場合には、すなわち、
ｍ＞ｍｚ＋ｍＴ
である場合には、これはオーバーシュートと見なされる。許容範囲ｍＴをオーバーシュートすることは、断じて防ぐ必要がある。その理由は、送出された過剰量の物質は、多大な困難を伴わずに目標容器から再び取り出すことが不可能であるからである。さらに、目標容器から物質を取り出す過程において、汚染が生じる可能性があり、この危険性は、絶対に回避する必要がある。
【００５２】
目標容器により受けられる質量のオーバーシュートを安全に回避するためには、遅延間隔τの間に目標容器内に分注される質量の量が、許容範囲ｍＴよりも小さくあるべきであり、すなわち、
【００５３】
【数２１】
【００５４】
であるべきである。
その結果として、質量流量は、許容範囲ｍＴを遅延間隔τで割ったもの以下でなければならない。
【００５５】
【数２２】
【００５６】
したがって、所望の質量流量
【００５７】
【数２３】
【００５８】
に関する最大許容値は、
【００５９】
【数２４】
【００６０】
となる。
この最大値未満に留めることにより、充填プロセスの終了時における目標容器内の質量ｍは、予め規定された許容範囲内に確保される。
【００６１】
遅延間隔τは、環境パラメータに応じて充填プロセスの間に変化する可能性があるため、遅延間隔τにおけるこの変化は、所望の質量流量
【００６２】
【数２５】
【００６３】
を調節するために使用することが可能である。
調節モジュールは、所望の質量流量
【００６４】
【数２６】
【００６５】
を、実際の質量流量
【００６６】
【数２７】
【００６７】
と比較し、これらの２つの数量間において差異が認められる場合には、調節モジュールは、実際の質量流量
【００６８】
【数２８】
【００６９】
を、所望の質量流量
【００７０】
【数２９】
【００７１】
に合わせる。充填プロセス全体にわたって所望の質量流量
【００７２】
【数３０】
【００７３】
を維持させるために、調節モジュールは、繰り返し使用される。均一な時間間隔をおいて調節モジュールの作動を繰り返すことが、特に有利である。
システムが不安定になるのを防ぐために、質量流量
【００７４】
【数３１】
【００７５】
は、過度に迅速に変更されるべきではない。したがって、等式
【００７６】
【数３２】
【００７７】
にしたがって、以前の質量流量
【００７８】
【数３３】
【００７９】
を新規の質量流量
【００８０】
【数３４】
【００８１】
の一因子として含めることが有利である。
因子αは、０〜１の間の任意の所望の値をとり得る重み因子であり、すなわちα∈（０、１）となる。これは、質量流量
【００８２】
【数３５】
【００８３】
がよりゆっくりと変化するようになるという効果を有する。
目標質量ｍｚのオーバーシュートを防ぐための１つの可能なことは、現在の質量流量
【００８４】
【数３６】
【００８５】
と、秤により測定された秤量信号ｍ（ｔ）と、遅延間隔τとに基づき、関数
【００８６】
【数３７】
【００８７】
を使用して、目標容器内に存在する実際の質量
【００８８】
【数３８】
【００８９】
を計算することである。
目標容器内に存在する実際の質量について計算された量
【００９０】
【数３９】
【００９１】
に基づき、弁の閉鎖を適時に開始することが可能であり、これにより、目標質量ｍｚのオーバーシュートを回避することが可能となる。
さらに、目標質量ｍｚをオーバーシュートする危険性は、所望の質量流量
【００９２】
【数４０】
【００９３】
が、したがってさらには実際の質量流量
【００９４】
【数４１】
【００９５】
が、充填プロセスの終了近くにて低減される場合には、低下する。
本発明による方法および本発明による装置は、特に、粉末状物質または液状物質の充填に応用される。易流動性物質は、複雑な流動学的特性を一般的に有しており、殆どの場合、非ニュートン特性を有する。所望の目標質量は、典型的には、０．５ｍｇ〜５０００ｍｇの間の範囲内である。しかし、この方法によりより低いまたはより高い用量を分注することも可能である。
【００９６】
有利な一実施形態によれば、弁は、円形断面の出口オリフィスと、遮断要素を有し、この出口オリフィスおよび遮断要素は、共通軸上に配置される。この共通軸を中心として回転するように、およびこの共通軸に沿って並進移動において摺動するように、ハウジングに対する移動性を有するこの遮断要素は、出口オリフィスから出るように駆動し、出口オリフィス内に引き戻すことが可能である。遮断要素は、円筒状遮断部分および出口通路部分を有し、そのため、出口通路部分の長さＬに等しい遮断要素の並進移動により、弁を開閉することが可能となる。遮断要素の出口通路部分は、この並進変位量が最小並進変位量Ｌｍｉｎよりも大きく、最大並進変位量Ｌｍａｘよりも小さい場合に、物質がこの出口通路部分を通り流れることが可能となるように、設計される。この並進変位量が、最小並進変位量Ｌｍｉｎよりも小さいか、または最大並進変位量Ｌｍａｘよりも大きい場合には、出口オリフィスは、円筒状遮断部分によって閉鎖され、物質は、出口通路部分を通過することができない。
【００９７】
質量流量
【００９８】
【数４２】
【００９９】
は、遮断要素の並進変位量Ｌに直接的に相関される。
実際の質量流量
【０１００】
【数４３】
【０１０１】
を得るためには、秤量信号の一次時間導関数
【０１０２】
【数４４】
【０１０３】
を決定することによって秤量信号ｍ（ｔ）を活用することも可能である。
時間差Δｔ＞０は、任意に選択することが可能である。しかし、十分な大きさにΔｔを選択するように注意を払うべきであり、これにより、秤量信号の統計変動が、平滑化され、その結果として
【０１０４】
【数４５】
【０１０５】
に対する値が、過度に変動しなくなる。過度の変動は、用量分注プロセスの不安定性に至るおそれがある。質量流量
【０１０６】
【数４６】
【０１０７】
の決定においては、不連続な均一の時間間隔Δｔを使用することが好ましい。弁が開かれる時間ｔ１から、数列
ｔｉ＝ｔ１＋ｉ・Δｔ
にしたがって一定の間隔Δｔで互いに続く複数の時間ｔｉにおける質量流量
【０１０８】
【数４７】
【０１０９】
が、以下の等式、すなわち、
【０１１０】
【数４８】
【０１１１】
を使用して決定される。
好ましくは、ｎは、２〜１０の間の正の整数である。約３０〜９０秒を要する充填プロセスにおいて、Δｔは、約２〜３秒であるべきである。ｎについてより大きな値が使用される場合には、質量流量
【０１１２】
【数４９】
【０１１３】
は、より長い時間間隔にわたって平均化される。一方では、これにより、秤量信号の統計変動が安定化されるが、他方では、
【０１１４】
【数５０】
【０１１５】
について計算された値は、比較的緩慢な応答のみによって任意の変化に従うこととなるため、質量流量
【０１１６】
【数５１】
【０１１７】
の変化は、比較的遅く検出されることとなる。計算された質量流量
【０１１８】
【数５２】
【０１１９】
に基づいて、所望の質量流量
【０１２０】
【数５３】
【０１２１】
からの偏差を決定することが可能であり、これに応じて、質量流量
【０１２２】
【数５４】
【０１２３】
を調節することが可能である。
【０１２４】
【数５５】
【０１２５】
秤の出力は、時間遅延τを被るため、時間ｔでの質量流量
【０１２６】
【数５６】
【０１２７】
を決定することは不可能であり、より早い時間ｔ−τでの質量流量を決定することのみが可能となる。弁設定などのパラメータが、その間にも変化している場合には、計算された質量流量は、不正確なものとなる。
【０１２８】
したがって、実際の質量流量
【０１２９】
【数５７】
【０１３０】
を推定するために適応フィルタを使用することが有利である。適応フィルタは、信号処理用途のために、とりわけ入力信号歪みの適応補正のために、使用される。
適応フィルタを使用することにより、質量流量
【０１３１】
【数５８】
【０１３２】
は、より正確に、およびより迅速に決定することが可能となり、これにより、充填プロセスの精度が向上する。
秤により決定される質量ｍ、充填プロセスの開始からの経過時間ｔ、および、質量流量
【０１３３】
【数５９】
【０１３４】
に対して影響を有する弁固有パラメータが、適応フィルタの入力信号となる。ここで考慮されている弁の設計ジオメトリに関しては、弁固有パラメータは、遮断要素の並進変位量を示す長さＬである。当然ながら、異なるジオメトリを有する弁について、異なるパラメータを使用することが可能である。
【０１３５】
この弁の適切な設計ジオメトリでは、長さＬは、質量流量
【０１３６】
【数６０】
【０１３７】
にほぼ比例し、したがって、この質量流量は、
【０１３８】
【数６１】
【０１３９】
として表すことが可能である。ここで、ｋは、一定の固有の質量流量因子である。初めは、この因子ｋは、不明である。適応フィルタを使用して、可能な限り正確に因子ｋを推定することが有利である。かかるフィルタにおいて使用される一般的なアルゴリズムは、偏差の二乗の平均値を最小化する方法である、いわゆる最小平均二乗（ＬＭＳ）アルゴリズムに基づく。例えば再帰的最小二乗（ＲＬＳ）アルゴリズムなどの再帰的方法を用いることにより、より良好な結果が求められる。ＬＭＳアルゴリズムおよびＲＬＳアルゴリズムは、関連する学術文献に見出すことが可能である。ＬＭＳアルゴリズムおよびＲＬＳアルゴリズムの他に、Ｈ無限法を使用することもまた可能である。Ｈ無限法においては、最大誤差は、偏差の二乗の平均値ではなく、最小化されつつある数量である。この方法は、極端な場合に対処するのにより適している。Ｈ無限法は、同様に、学術文献中に見出し得る。
【０１４０】
ＲＬＳアルゴリズムの入力信号は、以下の数値、すなわち、
【０１４１】
【数６２】
【０１４２】
の数列である。ここで、理想的には、時間間隔ｔｎ−ｔｎ−１＝Δｔは、一定である。
測定された値に基づく因子ｋｎは、モデルを使用して推定される因子
【０１４３】
【数６３】
【０１４４】
と比較される。その結果、誤差数列
【０１４５】
【数６４】
【０１４６】
が求められる。
理想的な場合においては、すなわち、入力数列が、
【０１４７】
【数６５】
【０１４８】
がｋｎと厳密に等しくなるように、フィルタの作動によって修正される場合には、誤差数列は、ゼロとなる。偏差がある場合には、誤差信号ｅｎは、ゼロとは異なる値を有することとなる。後者の場合においては、調整アルゴリズムが、フィルタ係数を修正することにより、誤差信号を最小化する。この誤差フィードバックにより、
【０１４９】
【数６６】
【０１５０】
についてのより正確な値が決定される。この因子
【０１５１】
【数６７】
【０１５２】
により、実際の質量流量の推定値
【０１５３】
【数６８】
【０１５４】
も同様に、より正確なものとなる。
誤差信号ｅｎまたは誤差信号の和
【０１５５】
【数６９】
【０１５６】
および／またはそれらの重み付き和
【０１５７】
【数７０】
【０１５８】
が、しきい値を超える場合には、所望の質量流量
【０１５９】
【数７１】
【０１６０】
をより小さくして、それにより、目標質量ｍｚのオーバーシュートを防ぐことが有利である。
さらなるいわゆる忘却因子λが、和
【０１６１】
【数７２】
【０１６２】
においてより古い誤差値の影響を低減させるのに有効であり、ここでは、０＜λ≦１である。
【０１６３】
さらに、均一の大きさΔＬの並進間隔にて遮断要素を移動させることによって弁を開閉することが、有利である。
理想的には、充填プロセスにおいて、物質が流出することが可能となる最小並進変位量Ｌｍｉｎ、および／または最大並進変位量Ｌｍａｘの決定がなされる。さらに、充填プロセスの終了時に存在する実際の質量を決定することが有用である。これらのパラメータは、制御装置ユニットにより記憶され、後の充填サイクルにおいてこの制御ユニットにより使用され得る。したがって、これらのパラメータは１度決定される必要があるに過ぎず、後の充填サイクルをより高速で実施することが可能となる。以前の充填サイクルのパラメータ値は、メモリモジュール内に、とりわけＲＦＩＤ（無線認証デバイス）内に記憶することが可能であり、後の充填サイクルにおいて使用することが可能である。関連するリザーバにＲＦＩＤタグを取り付けることが、特に有利である。その理由は、これにより、リザーバ内の物質とＲＦＩＤタグに記憶されたデータとの間における直接的な繋がりが確保されるためである。しかし、他の記憶媒体を使用することも可能である。
【０１６４】
理想的には、第１の充填サイクルのみにおいて用いられる手順において、弁は、物質が流出し始めるまで遮断要素を並進間隔ΔＬ移動させることにより開かれ、これにより、最小並進変位量Ｌｍｉｎが規定される。最大並進変位量Ｌｍａｘを決定するためには、遮断要素が、初めに量Ｌｍｉｎ＋ΔＬだけ開かれ、次いで、この移動が、物質が流出し終えるまで、均一な大きさΔＬの並進間隔にて継続され、これにより、最大並進変位量Ｌｍａｘが規定される。最小並進変位量Ｌｍｉｎおよび最大並進変位量Ｌｍａｘが判明すると、所望の様式で遮断要素を開閉することが可能となる。
【０１６５】
有利には、遮断要素の出口通路区域は、可変の開口断面Ａを有する。したがって、弁を通過する物質流の質量流量
【０１６６】
【数７３】
【０１６７】
は、弁の遮断要素の位置に直接的に相関される。理想的には、遮断要素の並進変位の長さＬは、弁の開口断面に直接的に相関され、すなわち、Ａ＝Ａ（Ｌ）となる。弁の設計に応じて、遮断要素の並進変位量Ｌと、開口断面Ａと、質量流量
【０１６８】
【数７４】
【０１６９】
との間には、正比例の関係が存在する。
【０１７０】
【数７５】
【０１７１】
遮断要素のジオメトリ設計に基づき、並進変位量Ｌに対する流量の依存度は、三次関数により表され、実験により決定されている。さらに、遮断要素のジオメトリの変化は、並進変位量Ｌと質量流量
【０１７２】
【数７６】
【０１７３】
との間の関係に変化をもたらす。
しかし、この種の正比例は、一般的に、実際には達成不可能なものである。その理由は、例えば粒径、流動の開始の遅延、または同様の因子などの物質特性が、正比例に反して作用するためである。しかし、より大きな開口断面によって、より大きな質量流量がもたらされるのが通例であると、一般的には理解することができる。
【０１７４】
可変の角速度ωで回転させ得る遮断要素を使用することが有利であり、ここで、角速度ωは、弁を通る質量流量
【０１７５】
【数７７】
【０１７６】
に直接的に相関する。
他の利点としては、弁が、すでに開いている弁に対して可変のタッピング頻度Ｆのタッピング動作を加える衝撃機構を備える。この場合には、タッピング頻度Ｆは、弁を通る質量流量
【０１７７】
【数７８】
【０１７８】
に直接的に相関し、タッピング頻度Ｆの上昇が、より大きな質量流量
【０１７９】
【数７９】
【０１８０】
をもたらす。タッピングの打撃は、遮断要素の軸方向に対して平行方向および交軸方向に向けることが可能である。
さらに、タッピングは、弁の遮断要素に対して、および／または弁のハウジングに対して打撃を行うことが可能である。
【０１８１】
回転移動とタッピング動作との両方により、弁の閉塞および／または粉末の架橋形成を妨げることが可能となるといる利益が得られる。このようにして、粉末の易流動性特性を保ち、さらには高めることが可能となる。
【０１８２】
回転移動の速度ωおよびタッピング頻度Ｆが、質量流量
【０１８３】
【数８０】
【０１８４】
に対して影響をやはり有するため、これらのパラメータは、同様に、質量流量
【０１８５】
【数８１】
【０１８６】
の推定の一因子として含めるべきである。
制御装置ユニットは、部分的に、または全体的に、コンピュータベースシステムとして実現することが可能である。
【０１８７】
以下、図面において概略的に例示される例を介して、目標容器を充填するための方法および装置を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０１８８】
【図１】本発明による目標容器を充填するための装置の概略図である。
【図２】弁ハウジングおよび遮断要素を有する弁を示す図である。
【図３】開口断面の理想プロファイルおよび結果的に得られる質量流量のプロファイルに関するグラフである。
【図４】開口断面Ａ、タッピング頻度Ｆ、および回転移動の速度ωのそれぞれにより、質量流量
【数８２】
がどのように影響されるかを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０１８９】
図１は、用量分注デバイス３００を介して、リザーバ２００内に最大で充填高さｈまで貯蓄される物質で充填することが可能な目標容器１００を示す。この用量分注デバイス３００は、充填プロセスの開始から経過した時間ｔを測定するための計時デバイス４００に結合され、測定された時間は、制御装置ユニット６００に送信することが可能である。目標容器１００は、秤５００の上に配置され、これにより、目標容器１００内の物質の重量を測定することが可能となる。秤量信号、すなわち質量ｍを表す信号を、同様に制御装置ユニット６００に送信することが可能である。
【０１９０】
この構成の目的は、分注プロセスの終了時に目標容器内に存在する物質の質量ｍが目標質量ｍｚから許容範囲ｍＴを超えて偏差してはいけないという条件を、すなわち
ｍｚ−ｍＴ＜ｍ＜ｍｚ＋ｍＴ
という数学的項において表される条件を満たしつつ、予め規定された目標質量ｍｚの易流動性物質で目標容器１００を充填することである。
【０１９１】
過度に多い質量が目標容器１００内に分注されるのを防ぐために、質量流量は、許容範囲ｍＴを遅延間隔τで割った商よりも小さくあるべきである。したがって、所望の質量流量
【０１９２】
【数８３】
【０１９３】
は、
【０１９４】
【数８４】
【０１９５】
として表すことが可能である。
遅延間隔τは、分注されることとなる物質の物理的特性とは無関係な秤固有パラメータである。遅延間隔τは、第１の充填サイクルの前に決定され、制御装置ユニット６００内に記憶され得る。
【０１９６】
遅延間隔時間τは、秤５００の技術的特徴および周囲環境のパラメータにより左右される。周囲パラメータは、充填プロセスの間に変化する可能性があり、これがまた、遅延間隔τに変化を生じさせる可能性がある。遅延間隔τのこの変化は、連続的に決定することが可能であり、所望の質量流量
【０１９７】
【数８５】
【０１９８】
は、遅延間隔τの変化に応じて適合させることが可能である。しかし、所望の質量流量
【０１９９】
【数８６】
【０２００】
を決定するためには、他の可能な方法もまた存在する。
制御装置ユニット６００において、質量流量
【０２０１】
【数８７】
【０２０２】
は、測定された質量ｍ、測定された時間ｔ、および例えばＬなどの弁パラメータに基づいて、質量流量計算モジュール６１０において推定される。質量流量
【０２０３】
【数８８】
【０２０４】
は、有利には、例えばＲＬＳアルゴリズムなどの適応フィルタを適切に使用することにより、推定することが可能である。弁パラメータＬが、質量流量
【０２０５】
【数８９】
【０２０６】
に比例すると仮定すると、質量流量
【０２０７】
【数９０】
【０２０８】
は、
【０２０９】
【数９１】
【０２１０】
として表すことが可能であり、ここで、ｋは、推定されなければならない一定の固有の質量流量因子である。これは、好ましくは誤差フィードバックを有する適応フィルタによって達成することが可能である。推定された質量流量因子
【０２１１】
【数９２】
【０２１２】
に基づき、質量流量
【０２１３】
【数９３】
【０２１４】
を推定することが可能となる。
計算された質量流量
【０２１５】
【数９４】
【０２１６】
は、調節モジュール６２０に回され、そこで、これらの測定値から決定された質量流量
【０２１７】
【数９５】
【０２１８】
が、所望の質量流量
【０２１９】
【数９６】
【０２２０】
と比較される。計算された質量流量
【０２２１】
【数９７】
【０２２２】
が、所望の質量流量
【０２２３】
【数９８】
【０２２４】
よりも小さいことが判明した場合には、質量流量
【０２２５】
【数９９】
【０２２６】
は、
【０２２７】
【数１００】
【０２２８】
だけ増加され、計算された質量流量
【０２２９】
【数１０１】
【０２３０】
が、所望の質量流量
【０２３１】
【数１０２】
【０２３２】
よりも大きいことが判明した場合には、質量流量
【０２３３】
【数１０３】
【０２３４】
は、
【０２３５】
【数１０４】
【０２３６】
だけ低減される。この調節の後には、実際の質量流量
【０２３７】
【数１０５】
【０２３８】
は、所望の質量流量
【０２３９】
【数１０６】
【０２４０】
と一致するはずである。調節モジュール６２０は、弁３１０に、質量流量を調節するための信号を送る。質量流量
【０２４１】
【数１０７】
【０２４２】
の変更は、例えば長さＬなどの弁パラメータの適切な調節により達成される。実際の質量流量の決定は、充填サイクルの間に繰り返し実施され、必要な場合には、質量流量
【０２４３】
【数１０８】
【０２４４】
は、調節される。質量流量
【０２４５】
【数１０９】
【０２４６】
の決定および／または質量流量
【０２４７】
【数１１０】
【０２４８】
の調節は、均一な時間間隔で実施することが可能である。遅延間隔τにより、質量流量
【０２４９】
【数１１１】
【０２５０】
の正確な決定は不可能であり、すなわち、
【０２５１】
【数１１２】
【０２５２】
は、推定値を表す。
質量流量
【０２５３】
【数１１３】
【０２５４】
を推定するのに有効な適応フィルタは、例えばＬなどの弁のパラメータ、または質量流量
【０２５５】
【数１１４】
【０２５６】
に対して影響を有する他の因子を推定するためにも使用することが可能である。この場合には、質量流量因子ｋを推定する必要はない。
図２は、ハウジング３１１と、円形形状の開口断面を有する出口オリフィス３１２とを有する、弁３１０を示す。遮断要素３１３が、弁３１０内に配置される。この遮断要素３１３は、円筒状遮断部分３１４および出口通路部分３１５を有する。出口オリフィス３１２および遮断要素３１３は、共通軸上に配置され、遮断要素３１３は、（円形の２方向矢印３５０により示されるように）共通軸を中心として回転するように、および（直線の２方向矢印３４０により示されるように）共通軸に沿って並進移動において摺動するように、ハウジング３１１に対する移動性を有する。したがって、遮断要素３１３は、出口オリフィス３１２から出るように、および出口オリフィス３１２内に戻るように、摺動することが可能である。遮断要素３１３のこの回転移動３５０または並進移動３４０は、連結要素３１６を介して遮断要素３１３に連結された駆動源を使用して行われる。リセット要素３１８が、弁ハウジング３１１と遮断要素３１３との間に配置され、これにより、遮断要素３１３は、休止位置に戻ることが可能となる。このリセット要素３１８は、好ましくは、遮断ばねである。リセットばねの復帰移動は、停止部３１７によって範囲を定められる。
【０２５７】
遮断要素３１３と弁ハウジング３１１との間には、分注されることとなる物質のためのリザーバ２００となる中空スペースが存在する。弁３１０は、遮断要素３１３の並進移動３４０によって開くことが可能である。分注されることとなる物質は、リザーバ２００から、遮断要素３１３の出口通路部分３１５を介して出口オリフィス３１２を通り、目標容器１００内に進むことが可能である。
【０２５８】
弁３１０は、データを記憶するためのメモリモジュール３２０を備える。このメモリモジュール３２０内には、例えば、分注されることとなる物質の材料特性、以前の充填プロセスからの流れパラメータ、および／または例えば遅延間隔τなどの秤固有パラメータなどを記憶することが可能である。メモリモジュール３２０は、弁ハウジング３１１の上または中に配置される。
【０２５９】
図３は、所望の質量流量
【０２６０】
【数１１５】
【０２６１】
のプロファイルに関するグラフ１と、本発明による充填プロセスの質量流量
【０２６２】
【数１１６】
【０２６３】
のプロファイルに関するさらなるグラフ２と、グラフ２の質量流量
【０２６４】
【数１１７】
【０２６５】
から得られる質量ｍ（ｔ）に関するさらなるグラフ３とを示す。図１および図２によれば、目標容器１００内の質量が量ｍ（ｔ）に達する時間と、その質量値が秤５００により送られる時間との間の遅延による、遅延間隔τが存在する。ある質量が秤５００により示されるとすぐに、質量流量
【０２６６】
【数１１８】
【０２６７】
を決定することが可能となる。充填プロセスの開始時には、弁３１０は、比較的高速で開かれ、その結果、大きな質量流量
【０２６８】
【数１１９】
【０２６９】
と、初期遅延間隔τの後の質量ｍ（ｔ）の急上昇とがもたらされる。しかし、開口断面Ａが過度に大きな場合には、大きな質量流量
【０２７０】
【数１２０】
【０２７１】
となり、これにより、目標容器１００は、迅速に充填されるが、これは、目標質量ｍｚをオーバーシュートする危険性を伴う。したがって、所望の質量流量
【０２７２】
【数１２１】
【０２７３】
を低減させることによって、充填プロセスを減速させることが推奨され得る。この減速は、充填サイクルの終了が近づくにつれて、開口断面Ａを徐々に小さくしてゆくことによって、実現される。
【０２７４】
実際の質量流量
【０２７５】
【数１２２】
【０２７６】
を所望の質量流量
【０２７７】
【数１２３】
【０２７８】
と比較する際に、実際の質量流量
【０２７９】
【数１２４】
【０２８０】
が、所望の質量流量
【０２８１】
【数１２５】
【０２８２】
よりも大きいことが判明した場合には、実際の質量流量
【０２８３】
【数１２６】
【０２８４】
は、弁３１０の開口断面Ａを縮小することによって低減される。他方において、この比較により、実際の質量流量
【０２８５】
【数１２７】
【０２８６】
が、所望の質量流量
【０２８７】
【数１２８】
【０２８８】
よりも小さいことが判明した場合には、実際の質量流量
【０２８９】
【数１２９】
【０２９０】
は、弁３１０の開口断面Ａを拡大することによって増加される。
充填プロセスの終了近くにおいて、弁の開口断面Ａが、縮小され、これにより、質量流量
【０２９１】
【数１３０】
【０２９２】
が、低減される。このようにして、目標容器１００内の質量ｍ（ｔ）は、目標質量ｍｚにゆっくりと近づくことが可能になり、これにより、目標質量ｍｚのオーバーシュートが防がれる。
【０２９３】
図４は、充填プロセスの際の、開口断面Ａについての理想時間プロファイルと、タッピング頻度Ｆの段階的上昇と、角速度ωの段階的上昇とを示す。１つの理想的な場合においては、これらのパラメータを互いに重畳することにより、例示されるプロファイルの質量流量
【０２９４】
【数１３１】
【０２９５】
が得られる。これは、質量流量
【０２９６】
【数１３２】
【０２９７】
が、開口断面Ａ、タッピング頻度Ｆ、および角速度ωにより影響されることを明白に示す。
特定の例示的な実施形態を提示することによって、本発明を説明したが、例えば実施形態の個々の例の特徴を互いに組み合わせることによって、および／または、実施形態間で個々の機能ユニットを相互交換することによって、本発明の知識に基づいて多数の他の変形形態を生み出すことが可能であることは明らかである。
【符号の説明】
【０２９８】
１００ 目標容器
２００ リザーバ
３００ 用量分注デバイス
３１０ 弁
３１１ 弁ハウジング
３１２ 弁の出口開口
３１３ 遮断要素
３１４ 円筒状遮断部分
３１５ 遮断要素の出口通路部分
３１６ 連結要素
３１７ 制限停止部
３１８ リセット要素
３２０ メモリモジュール
３４０ 遮断要素の並進移動
３５０ 遮断要素の回転移動
４００ 計時デバイス／機能
５００ 秤
６００ 制御装置ユニット
６１０ 質量流量測定モジュール
６２０ 調節モジュール
Ａ 開口断面
ｄ 粒径
【０２９９】
【数１３３】
【０３００】
質量流量における変化
ｅ 誤差、偏差
Ｆ タッピング頻度
ｈ リザーバ内の物質の充填高さ
【０３０１】
【数１３４】
【０３０２】
固有質量流量因子
ｋ 測定された固有質量流量因子
【０３０３】
【数１３５】
【０３０４】
推定された固有質量流量因子
Ｌ 遮断要素の並進移動の長さ
Ｌｍｉｎ 物質が流出する最小並進変位量
Ｌｍａｘ 遮断要素の最大並進変位量
ｍ 質量
【０３０５】
【数１３６】
【０３０６】
質量流量
【０３０７】
【数１３７】
【０３０８】
推定された質量流量
【０３０９】
【数１３８】
【０３１０】
所望の質量流量
【０３１１】
【数１３９】
【０３１２】
目標容器内に存在する質量
ｍＴ 目標質量の許容範囲
ｍｚ 目標質量
ｔ 充填プロセスの間の変動時点
ｔ１ 充填プロセスの開始時間
ｔ２ 充填プロセスの終了時間
λ 忘却因子
ω 回転の角速度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リザーバからの所定の目標質量の易流動性物質で目標容器を充填するのに有効な方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の充填デバイスは、特に、例えば製薬の分野などにおいて必要に応じて少量の用量を分注する際に使用される。多くの場合、目標容器は、用量分注デバイスにより送出される物質の量を秤量するために、秤の上に配置され、これにより、引き続いて、与えられる命令にしたがってこの物質をさらに処理することが可能となる。
【０００３】
分注されることとなる物質は、例えば、分注ヘッドを備える供給源容器または供給源リザーバ内に保持される。この分注されることとなる物質が、用量分注デバイスの開口を介して外部に送出される場合には、これにより、充填プロセスの終了時に、所定の目標質量の物質が、目標容器によって受けられていることが望ましい。この場合に、目標容器内の実際の質量の量が、この所定の目標質量に可能な限り正確に一致することが重要である。さらに、この充填プロセスを可能な限り迅速に実施することが可能であることが重要である。
【０００４】
送出される物質の量の体積測定に基づく用量分注方法が、既存の最新技術より知られている。密度ρの物質、可変の開口断面Ａを有する弁、および、これらのパラメータに関連して結果的に得られる物質の流出速度ｕにより、目標容器内のこの物質の質量ｍｚは、以下の等式から求められる。
【０００５】
【数１】
【０００６】
特に、流出速度ｕは、例えば弁開口の断面積Ａ、リザーバ内の物質の充填高さｈによりもたらされる静水圧、および例えば粉末の粒径ｄなどの物質の流動学的特性などの、多数の影響因子に左右される。特に、流動学的特性は、多くの場合非常に複雑であり、正確には判明しない影響因子に左右される。例えば、流動の開始時にビンガム媒体または粉末において発生する流れの遅滞を考慮に入れることは、困難である。特に、粉末状（ｐｕｌｖｅｒｏｕｓ）物質の充填時には、例えば個々の粒子の粒径、含水量、および表面特性などの因子が、大きな影響を有する。
【０００７】
米国特許第４，８９３，２６２号においては、容器を充填するための制御装置システムが開示されている。このシステムは、あるサイクルから次のサイクルへと質量流量が最適化され、分注される質量が所定の目標質量に可能な限り正確に一致するまで充填時間が調節される、複数の充填サイクルに及ぶプロセスにおいて最適化される。このシステムは、精度に関する要件が本発明のシステムに対する精度要件よりも著しく低い、大分量の充填のために主に使用される。この最適化が複数のサイクルに及ぶことにより、所定の目標質量が複数回の試行サイクルの後にようやく所要の精度にて実際に達成されるため、さらなる課題がもたらされる。これらの試行サイクルの最中に分注される物質は、分注プロセスおよびその後の目標容器からの除去プロセスにおいて汚染されている可能性があるため、もはや使用不可能となる。このことは、特に分注される物質が高額である場合には、決定的に不利である。
【０００８】
正確におよび再現可能に小さな質量の粒子を分注するための方法および装置が、米国特許第６，９８７，２２８号に開示されている。この装置は、分注されることとなる粒子を保持するふるいに加えられる励振の量を制御するのに有効な制御装置ユニットを備える。ふるいを励振することは、ふるい内の少量の粒子をふるいの下方に配置された秤の上に落下させる効果を有する。この秤により測定された重量に基づき、制御装置ユニットは、このふるいに加えられる励振の量を制御する。加えられる励振の量は、分注されていない質量の量に応じて制御することが可能であり、これにより、粒子の流出流量を変更することが可能となる。この構成は、ふるいを使用することにより、粉末形態の物質のみを分注することが可能となるという問題を有する。他の易流動性物質、とりわけ液体には、この方法は適さない。粉末状物質が分注される場合でも、この物質の粒径に応じて様々なふるいを使用しなければならないため、この方法に特有の欠点が存在する。重大な欠点は、秤量信号に応じてふるいに加えられる励振の制御に関する。秤の応答における時間遅延により、秤が応答するのに十分な時間を与え得る十分な低速にて、充填プロセスを行わなければならない。その結果、充填プロセスは、非常に長時間を要することとなる。
【０００９】
容器の充填を制御するためのシステムが、米国特許第４，７６２，２５２号に開示されている。充填プロセスの際の質量流量を決定するために、リザーバの重量の変化が測定される。このようにして決定される質量流量が、所望の流量と比較される。測定された流量が、所望の流量から過度に偏差する場合には、質量流量は、これに応じて調節される。この参考文献において説明されているシステムは、１時間当たり約２５〜５０キログラムの分注に適している。製薬の分野において必要とされるサイズの少量の充填においては、高いレベルの精度が必要とされ、小さな測定誤差が、充填質量に大きな影響を及ぼすおそれがある。また同時に、この充填プロセスは、可能な限り短い時間を要するべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４，８９３，２６２号
【特許文献２】米国特許第６，９８７，２２８号
【特許文献３】米国特許第４，７６２，２５２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、所定の少ない充填量の易流動性物質を正確におよび再現可能に分注するのに有効であり、簡単、高速、かつ正確であるという特性を有する方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、独立請求項に記載される特徴を有する方法および装置により解消される。さらに有利な実施形態が、従属請求項に提示される。
本発明の方法によれば、および本発明による装置では、目標容器が、リザーバからの測定された用量の易流動性物質をこの目標容器内に充填するための分注デバイスを使用して、所定の目標質量ｍｚのその物質で充填される。この用量分注デバイスは、リザーバから目標容器内への質量流量
【００１３】
【数２】
【００１４】
を可変調節することが可能な弁を有する。さらに、この用量分注デバイスは、充填プロセスの開始からの経過時間ｔを測定するための手段と、目標容器内の物質の質量ｍを決定するための秤と、弁を制御するための弁制御モジュールを有する制御装置ユニットとを備える。この制御装置ユニットは、調節モジュールを備え、所望の質量流量
【００１５】
【数３】
【００１６】
が、この調節モジュール内に記憶される。時点ｔにて、質量流量
【００１７】
【数４】
【００１８】
が、所望の質量流量
【００１９】
【数５】
【００２０】
よりも小さい場合には、流量
【００２１】
【数６】
【００２２】
は、流量調節値
【００２３】
【数７】
【００２４】
だけ増加され、質量流量
【００２５】
【数８】
【００２６】
が、所望の質量流量
【００２７】
【数９】
【００２８】
よりも大きい場合には、流量
【００２９】
【数１０】
【００３０】
は、流量調節値
【００３１】
【数１１】
【００３２】
だけ低減される。
さらに、制御装置ユニットは、質量流量
【００３３】
【数１２】
【００３４】
を決定するのに有効な適応フィルタを備える。
複数の異なるパラメータを、所望の質量流量
【００３５】
【数１３】
【００３６】
の決定の一因子として含めることが可能である。
これらのパラメータの中の１つが、遅延間隔τである。この遅延間隔τは、秤の上に質量が到達してから、その質量値が秤の上に示されるまでの時間間隔、または、秤の上に質量が到達してから、その質量値を含む電気出力信号が送られるまでの時間間隔に相当する。秤のタイプおよび構成によるが、この遅延間隔τは、約１．５〜３秒の長さである。遅延間隔τは、測定を介して決定される。大抵の場合、遅延間隔τは、秤の特徴に左右されることが判明している。さらに、周囲環境のパラメータが、遅延間隔τに対して影響を有する。例えば、低周波の振動および／または揺れが、遅延間隔τの増大を引き起こすこととなる。つまり、遅延間隔τに含まれる主要な因子は、秤固有の測定遅延、および環境パラメータであるということになる。分注されることとなる物質の物理的特性は、二次的な役割を果たすに過ぎない。目標容器内に分注される質量が制限値を超えないようにするために、遅延間隔τを、所望の質量流量
【００３７】
【数１４】
【００３８】
の決定の一因子として含めることが可能である。この場合に従うべき規則は、遅延間隔τが、所望の質量流量
【００３９】
【数１５】
【００４０】
に対して逆比例となるべきである、すなわち、
【００４１】
【数１６】
【００４２】
となるべきである、ということである。
所望の質量流量の決定の一因子として含まれるべき他のパラメータは、許容範囲ｍＴである。この許容範囲ｍＴは、用量分注プロセスの終了時に目標容器内に存在する質量ｍが目標質量ｍｚから外れてもよい最大許容偏差を規定する。換言すれば、用量分注プロセスの終了時に、目標容器内に存在する質量ｍは、
ｍｚ−ｍＴ＜ｍ＜ｍｚ＋ｍＴ
という区間内になければならない。
【００４３】
許容範囲ｍＴが大きい場合には、大きな質量流量
【００４４】
【数１７】
【００４５】
が望まれる場合でも、最終質量ｍの所望の結果を所与の許容範囲ｍＴ内に確保することは可能である。他方において、許容範囲ｍＴが小さい場合には、所望の質量流量
【００４６】
【数１８】
【００４７】
は、質量ｍが最終的に所与の許容範囲ｍＴ内になるのを確保するのに十分な低さで選択される必要がある。これは、所望の質量流量
【００４８】
【数１９】
【００４９】
が、許容範囲ｍＴに比例すべきである、すなわち、
【００５０】
【数２０】
【００５１】
となるべきであるという要件につながる。
目標容器内に分注される物質の最終質量ｍが、許容範囲ｍＴを上回って目標質量ｍｚを超える場合には、すなわち、
ｍ＞ｍｚ＋ｍＴ
である場合には、これはオーバーシュートと見なされる。許容範囲ｍＴをオーバーシュートすることは、断じて防ぐ必要がある。その理由は、送出された過剰量の物質は、多大な困難を伴わずに目標容器から再び取り出すことが不可能であるからである。さらに、目標容器から物質を取り出す過程において、汚染が生じる可能性があり、この危険性は、絶対に回避する必要がある。
【００５２】
目標容器により受けられる質量のオーバーシュートを安全に回避するためには、遅延間隔τの間に目標容器内に分注される質量の量が、許容範囲ｍＴよりも小さくあるべきであり、すなわち、
【００５３】
【数２１】
【００５４】
であるべきである。
その結果として、質量流量は、許容範囲ｍＴを遅延間隔τで割ったもの以下でなければならない。
【００５５】
【数２２】
【００５６】
したがって、所望の質量流量
【００５７】
【数２３】
【００５８】
に関する最大許容値は、
【００５９】
【数２４】
【００６０】
となる。
この最大値未満に留めることにより、充填プロセスの終了時における目標容器内の質量ｍは、予め規定された許容範囲内に確保される。
【００６１】
遅延間隔τは、環境パラメータに応じて充填プロセスの間に変化する可能性があるため、遅延間隔τにおけるこの変化は、所望の質量流量
【００６２】
【数２５】
【００６３】
を調節するために使用することが可能である。
調節モジュールは、所望の質量流量
【００６４】
【数２６】
【００６５】
を、実際の質量流量
【００６６】
【数２７】
【００６７】
と比較し、これらの２つの数量間において差異が認められる場合には、調節モジュールは、実際の質量流量
【００６８】
【数２８】
【００６９】
を、所望の質量流量
【００７０】
【数２９】
【００７１】
に合わせる。充填プロセス全体にわたって所望の質量流量
【００７２】
【数３０】
【００７３】
を維持させるために、調節モジュールは、繰り返し使用される。均一な時間間隔をおいて調節モジュールの作動を繰り返すことが、特に有利である。
システムが不安定になるのを防ぐために、質量流量
【００７４】
【数３１】
【００７５】
は、過度に迅速に変更されるべきではない。したがって、等式
【００７６】
【数３２】
【００７７】
にしたがって、以前の質量流量
【００７８】
【数３３】
【００７９】
を新規の質量流量
【００８０】
【数３４】
【００８１】
の一因子として含めることが有利である。
因子αは、０〜１の間の任意の所望の値をとり得る重み因子であり、すなわちα∈（０、１）となる。これは、質量流量
【００８２】
【数３５】
【００８３】
がよりゆっくりと変化するようになるという効果を有する。
目標質量ｍｚのオーバーシュートを防ぐための１つの可能なことは、現在の質量流量
【００８４】
【数３６】
【００８５】
と、秤により測定された秤量信号ｍ（ｔ）と、遅延間隔τとに基づき、関数
【００８６】
【数３７】
【００８７】
を使用して、目標容器内に存在する実際の質量
【００８８】
【数３８】
【００８９】
を計算することである。
目標容器内に存在する実際の質量について計算された量
【００９０】
【数３９】
【００９１】
に基づき、弁の閉鎖を適時に開始することが可能であり、これにより、目標質量ｍｚのオーバーシュートを回避することが可能となる。
さらに、目標質量ｍｚをオーバーシュートする危険性は、所望の質量流量
【００９２】
【数４０】
【００９３】
が、したがってさらには実際の質量流量
【００９４】
【数４１】
【００９５】
が、充填プロセスの終了近くにて低減される場合には、低下する。
本発明による方法および本発明による装置は、特に、粉末状物質または液状物質の充填に応用される。易流動性物質は、複雑な流動学的特性を一般的に有しており、殆どの場合、非ニュートン特性を有する。所望の目標質量は、典型的には、０．５ｍｇ〜５０００ｍｇの間の範囲内である。しかし、この方法によりより低いまたはより高い用量を分注することも可能である。
【００９６】
有利な一実施形態によれば、弁は、円形断面の出口オリフィスと、遮断要素を有し、この出口オリフィスおよび遮断要素は、共通軸上に配置される。この共通軸を中心として回転するように、およびこの共通軸に沿って並進移動において摺動するように、ハウジングに対する移動性を有するこの遮断要素は、出口オリフィスから出るように駆動し、出口オリフィス内に引き戻すことが可能である。遮断要素は、円筒状遮断部分および出口通路部分を有し、そのため、出口通路部分の長さＬに等しい遮断要素の並進移動により、弁を開閉することが可能となる。遮断要素の出口通路部分は、この並進変位量が最小並進変位量Ｌｍｉｎよりも大きく、最大並進変位量Ｌｍａｘよりも小さい場合に、物質がこの出口通路部分を通り流れることが可能となるように、設計される。この並進変位量が、最小並進変位量Ｌｍｉｎよりも小さいか、または最大並進変位量Ｌｍａｘよりも大きい場合には、出口オリフィスは、円筒状遮断部分によって閉鎖され、物質は、出口通路部分を通過することができない。
【００９７】
質量流量
【００９８】
【数４２】
【００９９】
は、遮断要素の並進変位量Ｌに直接的に相関される。
実際の質量流量
【０１００】
【数４３】
【０１０１】
を得るためには、秤量信号の一次時間導関数
【０１０２】
【数４４】
【０１０３】
を決定することによって秤量信号ｍ（ｔ）を活用することも可能である。
時間差Δｔ＞０は、任意に選択することが可能である。しかし、十分な大きさにΔｔを選択するように注意を払うべきであり、これにより、秤量信号の統計変動が、平滑化され、その結果として
【０１０４】
【数４５】
【０１０５】
に対する値が、過度に変動しなくなる。過度の変動は、用量分注プロセスの不安定性に至るおそれがある。質量流量
【０１０６】
【数４６】
【０１０７】
の決定においては、不連続な均一の時間間隔Δｔを使用することが好ましい。弁が開かれる時間ｔ１から、数列
ｔｉ＝ｔ１＋ｉ・Δｔ
にしたがって一定の間隔Δｔで互いに続く複数の時間ｔｉにおける質量流量
【０１０８】
【数４７】
【０１０９】
が、以下の等式、すなわち、
【０１１０】
【数４８】
【０１１１】
を使用して決定される。
好ましくは、ｎは、２〜１０の間の正の整数である。約３０〜９０秒を要する充填プロセスにおいて、Δｔは、約２〜３秒であるべきである。ｎについてより大きな値が使用される場合には、質量流量
【０１１２】
【数４９】
【０１１３】
は、より長い時間間隔にわたって平均化される。一方では、これにより、秤量信号の統計変動が安定化されるが、他方では、
【０１１４】
【数５０】
【０１１５】
について計算された値は、比較的緩慢な応答のみによって任意の変化に従うこととなるため、質量流量
【０１１６】
【数５１】
【０１１７】
の変化は、比較的遅く検出されることとなる。計算された質量流量
【０１１８】
【数５２】
【０１１９】
に基づいて、所望の質量流量
【０１２０】
【数５３】
【０１２１】
からの偏差を決定することが可能であり、これに応じて、質量流量
【０１２２】
【数５４】
【０１２３】
を調節することが可能である。
【０１２４】
【数５５】
【０１２５】
秤の出力は、時間遅延τを被るため、時間ｔでの質量流量
【０１２６】
【数５６】
【０１２７】
を決定することは不可能であり、より早い時間ｔ−τでの質量流量を決定することのみが可能となる。弁設定などのパラメータが、その間にも変化している場合には、計算された質量流量は、不正確なものとなる。
【０１２８】
したがって、実際の質量流量
【０１２９】
【数５７】
【０１３０】
を推定するために適応フィルタを使用することが有利である。適応フィルタは、信号処理用途のために、とりわけ入力信号歪みの適応補正のために、使用される。
適応フィルタを使用することにより、質量流量
【０１３１】
【数５８】
【０１３２】
は、より正確に、およびより迅速に決定することが可能となり、これにより、充填プロセスの精度が向上する。
秤により決定される質量ｍ、充填プロセスの開始からの経過時間ｔ、および、質量流量
【０１３３】
【数５９】
【０１３４】
に対して影響を有する弁固有パラメータが、適応フィルタの入力信号となる。ここで考慮されている弁の設計ジオメトリに関しては、弁固有パラメータは、遮断要素の並進変位量を示す長さＬである。当然ながら、異なるジオメトリを有する弁について、異なるパラメータを使用することが可能である。
【０１３５】
この弁の適切な設計ジオメトリでは、長さＬは、質量流量
【０１３６】
【数６０】
【０１３７】
にほぼ比例し、したがって、この質量流量は、
【０１３８】
【数６１】
【０１３９】
として表すことが可能である。ここで、ｋは、一定の固有の質量流量因子である。初めは、この因子ｋは、不明である。適応フィルタを使用して、可能な限り正確に因子ｋを推定することが有利である。かかるフィルタにおいて使用される一般的なアルゴリズムは、偏差の二乗の平均値を最小化する方法である、いわゆる最小平均二乗（ＬＭＳ）アルゴリズムに基づく。例えば再帰的最小二乗（ＲＬＳ）アルゴリズムなどの再帰的方法を用いることにより、より良好な結果が求められる。ＬＭＳアルゴリズムおよびＲＬＳアルゴリズムは、関連する学術文献に見出すことが可能である。ＬＭＳアルゴリズムおよびＲＬＳアルゴリズムの他に、Ｈ無限法を使用することもまた可能である。Ｈ無限法においては、最大誤差は、偏差の二乗の平均値ではなく、最小化されつつある数量である。この方法は、極端な場合に対処するのにより適している。Ｈ無限法は、同様に、学術文献中に見出し得る。
【０１４０】
ＲＬＳアルゴリズムの入力信号は、以下の数値、すなわち、
【０１４１】
【数６２】
【０１４２】
の数列である。ここで、理想的には、時間間隔ｔｎ−ｔｎ−１＝Δｔは、一定である。
測定された値に基づく因子ｋｎは、モデルを使用して推定される因子
【０１４３】
【数６３】
【０１４４】
と比較される。その結果、誤差数列
【０１４５】
【数６４】
【０１４６】
が求められる。
理想的な場合においては、すなわち、入力数列が、
【０１４７】
【数６５】
【０１４８】
がｋｎと厳密に等しくなるように、フィルタの作動によって修正される場合には、誤差数列は、ゼロとなる。偏差がある場合には、誤差信号ｅｎは、ゼロとは異なる値を有することとなる。後者の場合においては、調整アルゴリズムが、フィルタ係数を修正することにより、誤差信号を最小化する。この誤差フィードバックにより、
【０１４９】
【数６６】
【０１５０】
についてのより正確な値が決定される。この因子
【０１５１】
【数６７】
【０１５２】
により、実際の質量流量の推定値
【０１５３】
【数６８】
【０１５４】
も同様に、より正確なものとなる。
誤差信号ｅｎまたは誤差信号の和
【０１５５】
【数６９】
【０１５６】
および／またはそれらの重み付き和
【０１５７】
【数７０】
【０１５８】
が、しきい値を超える場合には、所望の質量流量
【０１５９】
【数７１】
【０１６０】
をより小さくして、それにより、目標質量ｍｚのオーバーシュートを防ぐことが有利である。
さらなるいわゆる忘却因子λが、和
【０１６１】
【数７２】
【０１６２】
においてより古い誤差値の影響を低減させるのに有効であり、ここでは、０＜λ≦１である。
【０１６３】
さらに、均一の大きさΔＬの並進間隔にて遮断要素を移動させることによって弁を開閉することが、有利である。
理想的には、充填プロセスにおいて、物質が流出することが可能となる最小並進変位量Ｌｍｉｎ、および／または最大並進変位量Ｌｍａｘの決定がなされる。さらに、充填プロセスの終了時に存在する実際の質量を決定することが有用である。これらのパラメータは、制御装置ユニットにより記憶され、後の充填サイクルにおいてこの制御ユニットにより使用され得る。したがって、これらのパラメータは１度決定される必要があるに過ぎず、後の充填サイクルをより高速で実施することが可能となる。以前の充填サイクルのパラメータ値は、メモリモジュール内に、とりわけＲＦＩＤ（無線認証デバイス）内に記憶することが可能であり、後の充填サイクルにおいて使用することが可能である。関連するリザーバにＲＦＩＤタグを取り付けることが、特に有利である。その理由は、これにより、リザーバ内の物質とＲＦＩＤタグに記憶されたデータとの間における直接的な繋がりが確保されるためである。しかし、他の記憶媒体を使用することも可能である。
【０１６４】
理想的には、第１の充填サイクルのみにおいて用いられる手順において、弁は、物質が流出し始めるまで遮断要素を並進間隔ΔＬ移動させることにより開かれ、これにより、最小並進変位量Ｌｍｉｎが規定される。最大並進変位量Ｌｍａｘを決定するためには、遮断要素が、初めに量Ｌｍｉｎ＋ΔＬだけ開かれ、次いで、この移動が、物質が流出し終えるまで、均一な大きさΔＬの並進間隔にて継続され、これにより、最大並進変位量Ｌｍａｘが規定される。最小並進変位量Ｌｍｉｎおよび最大並進変位量Ｌｍａｘが判明すると、所望の様式で遮断要素を開閉することが可能となる。
【０１６５】
有利には、遮断要素の出口通路区域は、可変の開口断面Ａを有する。したがって、弁を通過する物質流の質量流量
【０１６６】
【数７３】
【０１６７】
は、弁の遮断要素の位置に直接的に相関される。理想的には、遮断要素の並進変位の長さＬは、弁の開口断面に直接的に相関され、すなわち、Ａ＝Ａ（Ｌ）となる。弁の設計に応じて、遮断要素の並進変位量Ｌと、開口断面Ａと、質量流量
【０１６８】
【数７４】
【０１６９】
との間には、正比例の関係が存在する。
【０１７０】
【数７５】
【０１７１】
遮断要素のジオメトリ設計に基づき、並進変位量Ｌに対する流量の依存度は、三次関数により表され、実験により決定されている。さらに、遮断要素のジオメトリの変化は、並進変位量Ｌと質量流量
【０１７２】
【数７６】
【０１７３】
との間の関係に変化をもたらす。
しかし、この種の正比例は、一般的に、実際には達成不可能なものである。その理由は、例えば粒径、流動の開始の遅延、または同様の因子などの物質特性が、正比例に反して作用するためである。しかし、より大きな開口断面によって、より大きな質量流量がもたらされるのが通例であると、一般的には理解することができる。
【０１７４】
可変の角速度ωで回転させ得る遮断要素を使用することが有利であり、ここで、角速度ωは、弁を通る質量流量
【０１７５】
【数７７】
【０１７６】
に直接的に相関する。
他の利点としては、弁が、すでに開いている弁に対して可変のタッピング頻度Ｆのタッピング動作を加える衝撃機構を備える。この場合には、タッピング頻度Ｆは、弁を通る質量流量
【０１７７】
【数７８】
【０１７８】
に直接的に相関し、タッピング頻度Ｆの上昇が、より大きな質量流量
【０１７９】
【数７９】
【０１８０】
をもたらす。タッピングの打撃は、遮断要素の軸方向に対して平行方向および交軸方向に向けることが可能である。
さらに、タッピングは、弁の遮断要素に対して、および／または弁のハウジングに対して打撃を行うことが可能である。
【０１８１】
回転移動とタッピング動作との両方により、弁の閉塞および／または粉末の架橋形成を妨げることが可能となるといる利益が得られる。このようにして、粉末の易流動性特性を保ち、さらには高めることが可能となる。
【０１８２】
回転移動の速度ωおよびタッピング頻度Ｆが、質量流量
【０１８３】
【数８０】
【０１８４】
に対して影響をやはり有するため、これらのパラメータは、同様に、質量流量
【０１８５】
【数８１】
【０１８６】
の推定の一因子として含めるべきである。
制御装置ユニットは、部分的に、または全体的に、コンピュータベースシステムとして実現することが可能である。
【０１８７】
以下、図面において概略的に例示される例を介して、目標容器を充填するための方法および装置を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０１８８】
【図１】本発明による目標容器を充填するための装置の概略図である。
【図２】弁ハウジングおよび遮断要素を有する弁を示す図である。
【図３】開口断面の理想プロファイルおよび結果的に得られる質量流量のプロファイルに関するグラフである。
【図４】開口断面Ａ、タッピング頻度Ｆ、および回転移動の速度ωのそれぞれにより、質量流量
【数８２】
がどのように影響されるかを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０１８９】
図１は、用量分注デバイス３００を介して、リザーバ２００内に最大で充填高さｈまで貯蓄される物質で充填することが可能な目標容器１００を示す。この用量分注デバイス３００は、充填プロセスの開始から経過した時間ｔを測定するための計時デバイス４００に結合され、測定された時間は、制御装置ユニット６００に送信することが可能である。目標容器１００は、秤５００の上に配置され、これにより、目標容器１００内の物質の重量を測定することが可能となる。秤量信号、すなわち質量ｍを表す信号を、同様に制御装置ユニット６００に送信することが可能である。
【０１９０】
この構成の目的は、分注プロセスの終了時に目標容器内に存在する物質の質量ｍが目標質量ｍｚから許容範囲ｍＴを超えて偏差してはいけないという条件を、すなわち
ｍｚ−ｍＴ＜ｍ＜ｍｚ＋ｍＴ
という数学的項において表される条件を満たしつつ、予め規定された目標質量ｍｚの易流動性物質で目標容器１００を充填することである。
【０１９１】
過度に多い質量が目標容器１００内に分注されるのを防ぐために、質量流量は、許容範囲ｍＴを遅延間隔τで割った商よりも小さくあるべきである。したがって、所望の質量流量
【０１９２】
【数８３】
【０１９３】
は、
【０１９４】
【数８４】
【０１９５】
として表すことが可能である。
遅延間隔τは、分注されることとなる物質の物理的特性とは無関係な秤固有パラメータである。遅延間隔τは、第１の充填サイクルの前に決定され、制御装置ユニット６００内に記憶され得る。
【０１９６】
遅延間隔時間τは、秤５００の技術的特徴および周囲環境のパラメータにより左右される。周囲パラメータは、充填プロセスの間に変化する可能性があり、これがまた、遅延間隔τに変化を生じさせる可能性がある。遅延間隔τのこの変化は、連続的に決定することが可能であり、所望の質量流量
【０１９７】
【数８５】
【０１９８】
は、遅延間隔τの変化に応じて適合させることが可能である。しかし、所望の質量流量
【０１９９】
【数８６】
【０２００】
を決定するためには、他の可能な方法もまた存在する。
制御装置ユニット６００において、質量流量
【０２０１】
【数８７】
【０２０２】
は、測定された質量ｍ、測定された時間ｔ、および例えばＬなどの弁パラメータに基づいて、質量流量計算モジュール６１０において推定される。質量流量
【０２０３】
【数８８】
【０２０４】
は、有利には、例えばＲＬＳアルゴリズムなどの適応フィルタを適切に使用することにより、推定することが可能である。弁パラメータＬが、質量流量
【０２０５】
【数８９】
【０２０６】
に比例すると仮定すると、質量流量
【０２０７】
【数９０】
【０２０８】
は、
【０２０９】
【数９１】
【０２１０】
として表すことが可能であり、ここで、ｋは、推定されなければならない一定の固有の質量流量因子である。これは、好ましくは誤差フィードバックを有する適応フィルタによって達成することが可能である。推定された質量流量因子
【０２１１】
【数９２】
【０２１２】
に基づき、質量流量
【０２１３】
【数９３】
【０２１４】
を推定することが可能となる。
計算された質量流量
【０２１５】
【数９４】
【０２１６】
は、調節モジュール６２０に回され、そこで、これらの測定値から決定された質量流量
【０２１７】
【数９５】
【０２１８】
が、所望の質量流量
【０２１９】
【数９６】
【０２２０】
と比較される。計算された質量流量
【０２２１】
【数９７】
【０２２２】
が、所望の質量流量
【０２２３】
【数９８】
【０２２４】
よりも小さいことが判明した場合には、質量流量
【０２２５】
【数９９】
【０２２６】
は、
【０２２７】
【数１００】
【０２２８】
だけ増加され、計算された質量流量
【０２２９】
【数１０１】
【０２３０】
が、所望の質量流量
【０２３１】
【数１０２】
【０２３２】
よりも大きいことが判明した場合には、質量流量
【０２３３】
【数１０３】
【０２３４】
は、
【０２３５】
【数１０４】
【０２３６】
だけ低減される。この調節の後には、実際の質量流量
【０２３７】
【数１０５】
【０２３８】
は、所望の質量流量
【０２３９】
【数１０６】
【０２４０】
と一致するはずである。調節モジュール６２０は、弁３１０に、質量流量を調節するための信号を送る。質量流量
【０２４１】
【数１０７】
【０２４２】
の変更は、例えば長さＬなどの弁パラメータの適切な調節により達成される。実際の質量流量の決定は、充填サイクルの間に繰り返し実施され、必要な場合には、質量流量
【０２４３】
【数１０８】
【０２４４】
は、調節される。質量流量
【０２４５】
【数１０９】
【０２４６】
の決定および／または質量流量
【０２４７】
【数１１０】
【０２４８】
の調節は、均一な時間間隔で実施することが可能である。遅延間隔τにより、質量流量
【０２４９】
【数１１１】
【０２５０】
の正確な決定は不可能であり、すなわち、
【０２５１】
【数１１２】
【０２５２】
は、推定値を表す。
質量流量
【０２５３】
【数１１３】
【０２５４】
を推定するのに有効な適応フィルタは、例えばＬなどの弁のパラメータ、または質量流量
【０２５５】
【数１１４】
【０２５６】
に対して影響を有する他の因子を推定するためにも使用することが可能である。この場合には、質量流量因子ｋを推定する必要はない。
図２は、ハウジング３１１と、円形形状の開口断面を有する出口オリフィス３１２とを有する、弁３１０を示す。遮断要素３１３が、弁３１０内に配置される。この遮断要素３１３は、円筒状遮断部分３１４および出口通路部分３１５を有する。出口オリフィス３１２および遮断要素３１３は、共通軸上に配置され、遮断要素３１３は、（円形の２方向矢印３５０により示されるように）共通軸を中心として回転するように、および（直線の２方向矢印３４０により示されるように）共通軸に沿って並進移動において摺動するように、ハウジング３１１に対する移動性を有する。したがって、遮断要素３１３は、出口オリフィス３１２から出るように、および出口オリフィス３１２内に戻るように、摺動することが可能である。遮断要素３１３のこの回転移動３５０または並進移動３４０は、連結要素３１６を介して遮断要素３１３に連結された駆動源を使用して行われる。リセット要素３１８が、弁ハウジング３１１と遮断要素３１３との間に配置され、これにより、遮断要素３１３は、休止位置に戻ることが可能となる。このリセット要素３１８は、好ましくは、遮断ばねである。リセットばねの復帰移動は、停止部３１７によって範囲を定められる。
【０２５７】
遮断要素３１３と弁ハウジング３１１との間には、分注されることとなる物質のためのリザーバ２００となる中空スペースが存在する。弁３１０は、遮断要素３１３の並進移動３４０によって開くことが可能である。分注されることとなる物質は、リザーバ２００から、遮断要素３１３の出口通路部分３１５を介して出口オリフィス３１２を通り、目標容器１００内に進むことが可能である。
【０２５８】
弁３１０は、データを記憶するためのメモリモジュール３２０を備える。このメモリモジュール３２０内には、例えば、分注されることとなる物質の材料特性、以前の充填プロセスからの流れパラメータ、および／または例えば遅延間隔τなどの秤固有パラメータなどを記憶することが可能である。メモリモジュール３２０は、弁ハウジング３１１の上または中に配置される。
【０２５９】
図３は、所望の質量流量
【０２６０】
【数１１５】
【０２６１】
のプロファイルに関するグラフ１と、本発明による充填プロセスの質量流量
【０２６２】
【数１１６】
【０２６３】
のプロファイルに関するさらなるグラフ２と、グラフ２の質量流量
【０２６４】
【数１１７】
【０２６５】
から得られる質量ｍ（ｔ）に関するさらなるグラフ３とを示す。図１および図２によれば、目標容器１００内の質量が量ｍ（ｔ）に達する時間と、その質量値が秤５００により送られる時間との間の遅延による、遅延間隔τが存在する。ある質量が秤５００により示されるとすぐに、質量流量
【０２６６】
【数１１８】
【０２６７】
を決定することが可能となる。充填プロセスの開始時には、弁３１０は、比較的高速で開かれ、その結果、大きな質量流量
【０２６８】
【数１１９】
【０２６９】
と、初期遅延間隔τの後の質量ｍ（ｔ）の急上昇とがもたらされる。しかし、開口断面Ａが過度に大きな場合には、大きな質量流量
【０２７０】
【数１２０】
【０２７１】
となり、これにより、目標容器１００は、迅速に充填されるが、これは、目標質量ｍｚをオーバーシュートする危険性を伴う。したがって、所望の質量流量
【０２７２】
【数１２１】
【０２７３】
を低減させることによって、充填プロセスを減速させることが推奨され得る。この減速は、充填サイクルの終了が近づくにつれて、開口断面Ａを徐々に小さくしてゆくことによって、実現される。
【０２７４】
実際の質量流量
【０２７５】
【数１２２】
【０２７６】
を所望の質量流量
【０２７７】
【数１２３】
【０２７８】
と比較する際に、実際の質量流量
【０２７９】
【数１２４】
【０２８０】
が、所望の質量流量
【０２８１】
【数１２５】
【０２８２】
よりも大きいことが判明した場合には、実際の質量流量
【０２８３】
【数１２６】
【０２８４】
は、弁３１０の開口断面Ａを縮小することによって低減される。他方において、この比較により、実際の質量流量
【０２８５】
【数１２７】
【０２８６】
が、所望の質量流量
【０２８７】
【数１２８】
【０２８８】
よりも小さいことが判明した場合には、実際の質量流量
【０２８９】
【数１２９】
【０２９０】
は、弁３１０の開口断面Ａを拡大することによって増加される。
充填プロセスの終了近くにおいて、弁の開口断面Ａが、縮小され、これにより、質量流量
【０２９１】
【数１３０】
【０２９２】
が、低減される。このようにして、目標容器１００内の質量ｍ（ｔ）は、目標質量ｍｚにゆっくりと近づくことが可能になり、これにより、目標質量ｍｚのオーバーシュートが防がれる。
【０２９３】
図４は、充填プロセスの際の、開口断面Ａについての理想時間プロファイルと、タッピング頻度Ｆの段階的上昇と、角速度ωの段階的上昇とを示す。１つの理想的な場合においては、これらのパラメータを互いに重畳することにより、例示されるプロファイルの質量流量
【０２９４】
【数１３１】
【０２９５】
が得られる。これは、質量流量
【０２９６】
【数１３２】
【０２９７】
が、開口断面Ａ、タッピング頻度Ｆ、および角速度ωにより影響されることを明白に示す。
特定の例示的な実施形態を提示することによって、本発明を説明したが、例えば実施形態の個々の例の特徴を互いに組み合わせることによって、および／または、実施形態間で個々の機能ユニットを相互交換することによって、本発明の知識に基づいて多数の他の変形形態を生み出すことが可能であることは明らかである。
【符号の説明】
【０２９８】
１００ 目標容器
２００ リザーバ
３００ 用量分注デバイス
３１０ 弁
３１１ 弁ハウジング
３１２ 弁の出口開口
３１３ 遮断要素
３１４ 円筒状遮断部分
３１５ 遮断要素の出口通路部分
３１６ 連結要素
３１７ 制限停止部
３１８ リセット要素
３２０ メモリモジュール
３４０ 遮断要素の並進移動
３５０ 遮断要素の回転移動
４００ 計時デバイス／機能
５００ 秤
６００ 制御装置ユニット
６１０ 質量流量測定モジュール
６２０ 調節モジュール
Ａ 開口断面
ｄ 粒径
【０２９９】
【数１３３】
【０３００】
質量流量における変化
ｅ 誤差、偏差
Ｆ タッピング頻度
ｈ リザーバ内の物質の充填高さ
【０３０１】
【数１３４】
【０３０２】
固有質量流量因子
ｋ 測定された固有質量流量因子
【０３０３】
【数１３５】
【０３０４】
推定された固有質量流量因子
Ｌ 遮断要素の並進移動の長さ
Ｌｍｉｎ 物質が流出する最小並進変位量
Ｌｍａｘ 遮断要素の最大並進変位量
ｍ 質量
【０３０５】
【数１３６】
【０３０６】
質量流量
【０３０７】
【数１３７】
【０３０８】
推定された質量流量
【０３０９】
【数１３８】
【０３１０】
所望の質量流量
【０３１１】
【数１３９】
【０３１２】
目標容器内に存在する質量
ｍＴ 目標質量の許容範囲
ｍｚ 目標質量
ｔ 充填プロセスの間の変動時点
ｔ１ 充填プロセスの開始時間
ｔ２ 充填プロセスの終了時間
λ 忘却因子
ω 回転の角速度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リザーバ（２００）からの測定された用量の易流動性物質を目標容器（１００）内に充填するのに有効な用量分注デバイス（３００）により、所定の目標質量ｍｚの前記物質で前記目標容器（１００）を充填する方法であって、
前記用量分注デバイス（３００）は、前記リザーバ（２００）から前記目標容器（１００）内に流れる前記物質の質量流量
【数１】
を可変設定することが可能な弁（３１０）と、充填プロセスの開始からの経過時間ｔを決定するための計時デバイス（４００）と、前記目標容器（１００）内に存在する前記物質の質量ｍを決定するための秤（５００）と、前記弁（３１０）を制御するための制御装置ユニット（６００）とを備え、
前記制御装置ユニット（６００）は、調節モジュール（６２０）を備え、
所望の質量流量
【数２】
が、前記調節モジュール（６２０）内に記憶され、さらに、時間ｔにて、質量流量
【数３】
が、前記所望の質量流量
【数４】
よりも小さいことが判明した場合には、前記質量流量は、流量調節値
【数５】
だけ増加され、
前記質量流量
【数６】
が、前記所望の質量流量
【数７】
よりも大きいことが判明した場合には、前記質量流量は、流量調節値
【数８】
だけ低減され、
前記流量調節値
【数９】
は、前記所望の質量流量
【数１０】
と、推定された質量流量
【数１１】
との差によってもたらされ、前記目標質量ｍｚは、許容範囲ｍＴ内でなければならない、方法において、
前記制御装置ユニット（６００）は、前記質量流量
【数１２】
を決定するための適応フィルタを備えることを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記適応フィルタは、再帰的最小二乗（ＲＬＳ）フィルタを含むことを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記適応フィルタは、最小平均二乗（ＬＭＳ）フィルタを含むことを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の方法において、質量が前記秤の上に到達する時間と、前記質量に対する結果としての出力が得られる時間との間に、遅延間隔τが存在し、前記所望の質量流量
【数１３】
は、前記所望の質量流量
【数１４】
が前記遅延間隔τに逆比例するように選択され、前記所望の質量流量
【数１５】
は、前記許容範囲ｍＴに正比例することを特徴とする、方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の方法において、前記調節モジュール（６２０）は、均一な時間間隔で繰り返し使用されることを特徴とする、方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の方法において、新規の質量流量
【数１６】
を決定するために、以前の質量流量
【数１７】
が、等式
【数１８】
にしたがって前記決定の一因子として含まれ、ここで、αは、０〜１の間の任意の所望の値をとり得る重み因子であることを特徴とする、方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の方法において、前記弁（３１０）は、ハウジング（３１１）と、円形の開口断面を有する出口オリフィス（３１２）と、遮断要素（３１３）とを備え、前記出口オリフィス（３１２）および前記遮断要素（３１３）は、共通軸上に配置され、前記遮断要素（３１３）は、前記共通軸を中心として回転するように、および前記共通軸に沿って並進移動において摺動するように、前記ハウジングに対する移動性を有し、前記遮断要素（３１３）は、前記出口オリフィス（３１２）から出るように、および前記出口オリフィス（３１２）内に戻るように摺動し、さらに、前記遮断要素（３１３）は、円筒状遮断部分（３１４）および出口通路部分（３１５）を有し、前記弁（３１０）は、前記遮断要素（３１３）の並進移動（３４０）によって開閉されることを特徴とする、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記質量流量
【数１９】
の大きさが、前記遮断要素（３１３）の並進変位量に直接的に相関することを特徴とする、方法。
【請求項９】
請求項７または８のいずれか一項に記載の方法において、前記弁（３１０）は、前記遮断要素（３１３）の均一長さΔＬの段階的並進移動によって、開閉されることを特徴とする、方法。
【請求項１０】
請求項７、８、または９のいずれか一項に記載の方法において、充填プロセスの間に、前記物質が流出し始める時点である前記遮断要素（３１３）の最小並進変位量Ｌが決定され、このパラメータＬは、メモリ内に記憶され、後の充填プロセスにおいて前記質量流量
【数２０】
を制御するために前記制御装置ユニット（６００）によって使用されることを特徴とする、方法。
【請求項１１】
リザーバ（２００）からの測定された用量の易流動性物質を目標容器（１００）内に充填するのに有効な用量分注デバイス（３００）により、所定の目標質量ｍｚの前記物質で前記目標容器（１００）を充填するように作動可能な装置であって、
前記用量分注デバイス（３００）は、前記リザーバ（２００）から前記目標容器（１００）内に流れる前記物質の質量流量
【数２１】
を可変設定することが可能な弁（３１０）と、充填プロセスの開始からの経過時間ｔを決定するための計時デバイス（４００）と、前記目標容器（１００）内に存在する前記物質の質量ｍを決定するための秤（５００）と、前記弁（３１０）を制御するための制御装置ユニット（６００）とを備え、
前記制御装置ユニット（６００）は、調節モジュール（６２０）を備え、所望の質量流量
【数２２】
が、前記調節モジュール（６２０）内に記憶され、さらに、時間ｔにて、質量流量
【数２３】
が、前記所望の質量流量
【数２４】
よりも小さいことが判明した場合には、前記質量流量は、流量調節値
【数２５】
だけ増加させることが可能であり、前記質量流量
【数２６】
が、前記所望の質量流量
【数２７】
よりも大きいことが判明した場合には、前記質量流量は、流量調節値
【数２８】
だけ低減させることが可能である、装置において、
前記制御装置ユニット（６００）は、前記質量流量
【数２９】
を決定するための適応フィルタを備えることを特徴とする、装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において、
前記弁（３１０）は、ハウジング（３１１）と、円形の断面を有する出口オリフィス（３１２）と、遮断要素（３１３）とを備え、
前記出口オリフィス（３１２）および前記遮断要素（３１３）は、共通軸上に配置され、
前記遮断要素（３１３）は、前記共通軸を中心として回転するように、および前記共通軸に沿って並進移動において摺動するように、前記ハウジングに対する移動性を有し、前記遮断要素（３１３）は、前記出口オリフィス（３１２）から出るように、および前記出口オリフィス（３１２）内に戻るように摺動することが可能であり、前記遮断要素（３１３）は、円筒状遮断部分（３１４）および出口通路部分（３１５）を有し、前記弁（３１０）は、前記遮断要素（３１３）の並進移動（３４０）によって開閉されることを特徴とする、装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置において、前記遮断要素の前記出口通路部分（３１５）は、可変の開口断面Ａを有し、前記遮断要素（３１３）の並進変位量が、前記弁（３１０）の前記開口断面Ａに直接的に相関することを特徴とする、装置。
【請求項１４】
請求項１１から１３のいずれか一項に記載の装置において、前記遮断要素（３１３）は、可変の角速度ωで回転可能であり、前記角速度ωは、前記弁（３１０）を通過する物質流の質量流量
【数３０】
に直接的に相関することを特徴とする、装置。
【請求項１５】
請求項１１から１４のいずれか一項に記載の装置において、前記弁（３１０）は、衝撃機構を備え、それにより、可変のタッピング頻度Ｆのタッピングを、すでに開いている前記弁に対して行うことが可能であり、前記タッピング頻度Ｆは、前記弁（３１０）を通過する物質流の質量流量
【数３１】
に直接的に相関することを特徴とする、装置。
【請求項１】
リザーバ（２００）からの測定された用量の易流動性物質を目標容器（１００）内に充填するのに有効な用量分注デバイス（３００）により、所定の目標質量ｍｚの前記物質で前記目標容器（１００）を充填する方法であって、
前記用量分注デバイス（３００）は、前記リザーバ（２００）から前記目標容器（１００）内に流れる前記物質の質量流量
【数１】
を可変設定することが可能な弁（３１０）と、充填プロセスの開始からの経過時間ｔを決定するための計時デバイス（４００）と、前記目標容器（１００）内に存在する前記物質の質量ｍを決定するための秤（５００）と、前記弁（３１０）を制御するための制御装置ユニット（６００）とを備え、
前記制御装置ユニット（６００）は、調節モジュール（６２０）を備え、
所望の質量流量
【数２】
が、前記調節モジュール（６２０）内に記憶され、さらに、時間ｔにて、質量流量
【数３】
が、前記所望の質量流量
【数４】
よりも小さいことが判明した場合には、前記質量流量は、流量調節値
【数５】
だけ増加され、
前記質量流量
【数６】
が、前記所望の質量流量
【数７】
よりも大きいことが判明した場合には、前記質量流量は、流量調節値
【数８】
だけ低減され、
前記流量調節値
【数９】
は、前記所望の質量流量
【数１０】
と、推定された質量流量
【数１１】
との差によってもたらされ、前記目標質量ｍｚは、許容範囲ｍＴ内でなければならない、方法において、
前記制御装置ユニット（６００）は、前記質量流量
【数１２】
を決定するための適応フィルタを備えることを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記適応フィルタは、再帰的最小二乗（ＲＬＳ）フィルタを含むことを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記適応フィルタは、最小平均二乗（ＬＭＳ）フィルタを含むことを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の方法において、質量が前記秤の上に到達する時間と、前記質量に対する結果としての出力が得られる時間との間に、遅延間隔τが存在し、前記所望の質量流量
【数１３】
は、前記所望の質量流量
【数１４】
が前記遅延間隔τに逆比例するように選択され、前記所望の質量流量
【数１５】
は、前記許容範囲ｍＴに正比例することを特徴とする、方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の方法において、前記調節モジュール（６２０）は、均一な時間間隔で繰り返し使用されることを特徴とする、方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の方法において、新規の質量流量
【数１６】
を決定するために、以前の質量流量
【数１７】
が、等式
【数１８】
にしたがって前記決定の一因子として含まれ、ここで、αは、０〜１の間の任意の所望の値をとり得る重み因子であることを特徴とする、方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の方法において、前記弁（３１０）は、ハウジング（３１１）と、円形の開口断面を有する出口オリフィス（３１２）と、遮断要素（３１３）とを備え、前記出口オリフィス（３１２）および前記遮断要素（３１３）は、共通軸上に配置され、前記遮断要素（３１３）は、前記共通軸を中心として回転するように、および前記共通軸に沿って並進移動において摺動するように、前記ハウジングに対する移動性を有し、前記遮断要素（３１３）は、前記出口オリフィス（３１２）から出るように、および前記出口オリフィス（３１２）内に戻るように摺動し、さらに、前記遮断要素（３１３）は、円筒状遮断部分（３１４）および出口通路部分（３１５）を有し、前記弁（３１０）は、前記遮断要素（３１３）の並進移動（３４０）によって開閉されることを特徴とする、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記質量流量
【数１９】
の大きさが、前記遮断要素（３１３）の並進変位量に直接的に相関することを特徴とする、方法。
【請求項９】
請求項７または８のいずれか一項に記載の方法において、前記弁（３１０）は、前記遮断要素（３１３）の均一長さΔＬの段階的並進移動によって、開閉されることを特徴とする、方法。
【請求項１０】
請求項７、８、または９のいずれか一項に記載の方法において、充填プロセスの間に、前記物質が流出し始める時点である前記遮断要素（３１３）の最小並進変位量Ｌが決定され、このパラメータＬは、メモリ内に記憶され、後の充填プロセスにおいて前記質量流量
【数２０】
を制御するために前記制御装置ユニット（６００）によって使用されることを特徴とする、方法。
【請求項１１】
リザーバ（２００）からの測定された用量の易流動性物質を目標容器（１００）内に充填するのに有効な用量分注デバイス（３００）により、所定の目標質量ｍｚの前記物質で前記目標容器（１００）を充填するように作動可能な装置であって、
前記用量分注デバイス（３００）は、前記リザーバ（２００）から前記目標容器（１００）内に流れる前記物質の質量流量
【数２１】
を可変設定することが可能な弁（３１０）と、充填プロセスの開始からの経過時間ｔを決定するための計時デバイス（４００）と、前記目標容器（１００）内に存在する前記物質の質量ｍを決定するための秤（５００）と、前記弁（３１０）を制御するための制御装置ユニット（６００）とを備え、
前記制御装置ユニット（６００）は、調節モジュール（６２０）を備え、所望の質量流量
【数２２】
が、前記調節モジュール（６２０）内に記憶され、さらに、時間ｔにて、質量流量
【数２３】
が、前記所望の質量流量
【数２４】
よりも小さいことが判明した場合には、前記質量流量は、流量調節値
【数２５】
だけ増加させることが可能であり、前記質量流量
【数２６】
が、前記所望の質量流量
【数２７】
よりも大きいことが判明した場合には、前記質量流量は、流量調節値
【数２８】
だけ低減させることが可能である、装置において、
前記制御装置ユニット（６００）は、前記質量流量
【数２９】
を決定するための適応フィルタを備えることを特徴とする、装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において、
前記弁（３１０）は、ハウジング（３１１）と、円形の断面を有する出口オリフィス（３１２）と、遮断要素（３１３）とを備え、
前記出口オリフィス（３１２）および前記遮断要素（３１３）は、共通軸上に配置され、
前記遮断要素（３１３）は、前記共通軸を中心として回転するように、および前記共通軸に沿って並進移動において摺動するように、前記ハウジングに対する移動性を有し、前記遮断要素（３１３）は、前記出口オリフィス（３１２）から出るように、および前記出口オリフィス（３１２）内に戻るように摺動することが可能であり、前記遮断要素（３１３）は、円筒状遮断部分（３１４）および出口通路部分（３１５）を有し、前記弁（３１０）は、前記遮断要素（３１３）の並進移動（３４０）によって開閉されることを特徴とする、装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置において、前記遮断要素の前記出口通路部分（３１５）は、可変の開口断面Ａを有し、前記遮断要素（３１３）の並進変位量が、前記弁（３１０）の前記開口断面Ａに直接的に相関することを特徴とする、装置。
【請求項１４】
請求項１１から１３のいずれか一項に記載の装置において、前記遮断要素（３１３）は、可変の角速度ωで回転可能であり、前記角速度ωは、前記弁（３１０）を通過する物質流の質量流量
【数３０】
に直接的に相関することを特徴とする、装置。
【請求項１５】
請求項１１から１４のいずれか一項に記載の装置において、前記弁（３１０）は、衝撃機構を備え、それにより、可変のタッピング頻度Ｆのタッピングを、すでに開いている前記弁に対して行うことが可能であり、前記タッピング頻度Ｆは、前記弁（３１０）を通過する物質流の質量流量
【数３１】
に直接的に相関することを特徴とする、装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１８０１３８（Ｐ２０１１−１８０１３８Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−３６８２０（Ｐ２０１１−３６８２０）
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（５９９０８２２１８）メトラー−トレド アクチェンゲゼルシャフト (130)
【住所又は居所原語表記】Ｉｍ Ｌａｎｇａｃｈｅｒ， ８６０６ Ｇｒｅｉｆｅｎｓｅｅ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３６８２０（Ｐ２０１１−３６８２０）
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（５９９０８２２１８）メトラー−トレド アクチェンゲゼルシャフト (130)
【住所又は居所原語表記】Ｉｍ Ｌａｎｇａｃｈｅｒ， ８６０６ Ｇｒｅｉｆｅｎｓｅｅ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
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