JP2005337937A - 気泡センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 １つの素子を用いて周波数特性の検出が可能で、音響インピーダンスの整合を取る必要もなく、配管の弾性率等の影響を受けることなく高精度にて液体中の気泡を検出することができる気泡センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 液体に接する電気信号を機械振動に変換する素子５の周波数特性を検出することで液体中の気泡を検出する気泡センサであって、前記素子５を正弦波によって加振するとともに該正弦波の周波数を任意の範囲で変化させ（可変周波数発生器２による）、素子５に気泡が接触すると前記周波数特性が変化することを利用して液体中の気泡を検出することにより、液体中に置かれた１つの発振素子にても、任意の範囲でた易く変化させることができる正弦波の周波数にて振動する素子５に気泡が接触すると前記周波数特性が変化することを利用して液体中の気泡を効果的に検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体中の気泡を検出する気泡センサにおいて、液体に接する電気信号を機械振動に変換する素子の周波数特性を検出することで液体中の気泡を検出する気泡センサに関するもので、例えば、半導体の製造工程や各種機械の組立工程等における接着剤やグリス等の量の精密計測、あるいは食品加工工程等における粘度の高いペースト状物の精密計測、さらには医療現場での薬剤の精密計測等において計量誤差を少なくするために、液体中の気泡を検出する際に使用される気泡センサに関する。

従来から、半導体の製造工程や各種機械の組立工程等において、接着剤やグリス等を精密に計量して塗布する作業が増えている。この際に、対象となる液体に気泡があると計量に誤差が生じる。また、食品加工工程等でも粘度の高いペースト状のものを扱う際に計量誤差を少なくするために配管中の気泡の発生を検知する必要がある。このような背景から液体中の気泡を検出する気泡センサが実用化されている（例えば下記特許文献１〜４参照）。
特開平１１−１３３００２号公報 特開平６−１７８８０８号公報（請求項１および図１参照） 特開昭１１−３３４１０２号公報 特開昭６−２６９４９５号公報（請求項１および図１参照）

前記特許文献１および特許文献２に開示されたものは、チューブ状体内を流れる液体中の気泡を、チューブ状体の両側に配置された一対の発信器と受信機とにより検出するものである。図７により特許文献２に開示されたものを例示して簡単に説明する。輸液チューブ５０の外周面の両側に対向させて、超音波送波器６０ｓと超音波受波器６０ｒとからなる気泡センサＢＳ１を取り付ける。これにより、輸液チューブ５０内を流れる輸液７０内の気泡８０の量を、気泡８０の大きさから占有率を検出し、輸液の圧送速度を算出して、混入が許容される気泡量を算出し、気泡の混入が所定量を超えると、輸液ポンプを停止させるものである。しかしながら、この方法では、配管が柔らかい樹脂等の場合には、超音波の減衰が大きく正しく計測できない場合があった。

そこで、前記特許文献３および特許文献４に開示されたように、一つのセンサで液体中の気泡を検出する気泡センサが提案された。図８により特許文献４に開示されたものを例示して簡単に説明する。超音波の発信および受信に用いる超音波振動子２２と、該超音波振動子２２を駆動してパルス状超音波を間欠的に発信させるためのパルサー２５と、超音波振動子２２が受信した信号を増幅するアンプ回路２７と、該アンプ回路２７の出力信号をゲート信号入力時のみ通過させるゲート回路２８と、該ゲート回路２８の出力信号からチューブ２１内の気泡を検出する検出回路２９と、前記パルス状超音波の各発信タイミングの中間のタイミングで一定時間だけゲート信号を出力するタイミング回路２４とを備えるものである。これにより、気泡検出のために送信と受信の２つの素子を設置しなくてもよく、装置が簡素化されることとなった。しかしながら、依然として、これらの気泡センサでは超音波を使用しているため、センサを取り付ける際に、音響インピーダンスの整合を取らなければならず、取付け設置に手間を要していた。

そこで本発明は、前記従来の気泡センサにおける課題を解決して、１つの素子を用いて周波数特性の検出が可能で、音響インピーダンスの整合を取る必要もなく、配管の弾性率等の影響を受けることなく高精度にて液体中の気泡を検出することができる気泡センサを提供することを目的とする。

このため本発明は、液体中の気泡を検出する気泡センサにおいて、液体に接する電気信号を機械振動に変換する素子の周波数特性を検出することで液体中の気泡を検出する気泡センサであって、前記素子を正弦波によって加振するとともに該正弦波の周波数を任意の範囲で変化させ、素子に気泡が接触すると前記周波数特性が変化することを利用して液体中の気泡を検出することを特徴とする。また本発明は、前記素子として、加振する周波数として可聴域の周波数を用いることができる圧電スピーカを利用したことを特徴とする。また本発明は、前記素子を沸騰する液体中に置くことによって、沸騰の際に発生する気泡の検出に利用したことを特徴とする。また本発明は、前記加振用の信号と受信信号とを乗算することを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とする。

本発明によれば、液体中の気泡を検出する気泡センサにおいて、液体に接する電気信号を機械振動に変換する素子の周波数特性を検出することで液体中の気泡を検出する気泡センサであって、前記素子を正弦波によって加振するとともに該正弦波の周波数を任意の範囲で変化させ、素子に気泡が接触すると前記周波数特性が変化することを利用して液体中の気泡を検出することにより、液体中に置かれた１つの発振素子にても、任意の範囲でた易く変化させることができる正弦波の周波数にて振動する素子に気泡が接触すると前記周波数特性が変化することを利用して液体中の気泡を効果的に検出することができる。

また、前記素子として、加振する周波数として可聴域の周波数を用いることができる圧電スピーカを利用した場合は、安価な圧電スピーカ等を利用して検出素子として採用することができて低コストが実現できる上に、可聴域の周波数を用いることによって、音響インピーダンスの整合を取る必要がなく、現場での格別な基準値の設定等が不要となって設置が簡便となる。

さらに、前記素子を沸騰する液体中に置くことによって、沸騰の際に発生する気泡の検出に利用した場合は、沸騰間際から必ず発生する気泡状態を把握して、簡素な装置にても、液体の沸騰を確実に検出することが可能となる。さらにまた、前記加振用の信号と受信信号とを乗算する場合は、受信信号の振幅を精度よく取り出して確実に気泡を検出することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の気泡センサを組み入れた制御回路のブロック図、図２は液体のみの場合を検出したピーク電圧と周波数レベルとの関係図、図３は気泡が混じった場合を検出したピーク電圧と周波数レベルとの関係図、図４は気泡センサの構造例図、図５は沸騰を検出する気泡センサの構造例図、図６は気泡センサが沸騰を検出する状態の説明図である。本発明の基本的な構成は、図１に示すように、液体中の気泡を検出する気泡センサにおいて、液体に接する電気信号を機械振動に変換する素子５の周波数特性を検出することで液体中の気泡を検出する気泡センサであって、前記素子５を正弦波（可変周波数発振器２による）によって加振するとともに該正弦波の周波数を任意の範囲で変化させ、素子５に気泡が接触すると前記周波数特性が変化することを利用して液体中の気泡を検出することを特徴とするものである。

以下に詳述する。図１に示すように。同期信号発生部１にて発生した振動は可変周波数発振器２により任意の範囲で周波数の変化する正弦波とする。該正弦波をドライブアンプ３にて所定の振幅に増幅して加振用信号Ｖｒを得る。この加振用信号Ｖｒを抵抗４を通して電気信号を機械的振動に変える手段である、圧電セラミック振動板等のセンサ素子５に印加する。この抵抗４の両端にはセンサ素子５に流れる電流に対応した電圧が発生する。センサ素子５に流れる電流は周波数の変化によって変化するので、この抵抗４の両端に現れる電圧はセンサ素子５の周波数特性を反映したものになる。この抵抗４の両端の電圧を差動アンプ６で増幅して電圧Ｖｉを得る。

さらに、ノイズの影響を除去するために、前記２つの信号ＶｒとＶｉを４象限掛け算器（乗算器）７にて乗算を行う。この乗算器７の出力をローパスフィルタ（ＬＰＦ）８に通して出力電圧Ｖｏを得る。該電圧Ｖｏは加振用信号の周波数変化に対するセンサ素子５の周波数特性（振幅と位相）を反映した信号になる。このとき、センサ素子５の周りが液体で充填されるとセンサ素子５の振動特性が変化して、図２に示すようなピーク電圧が検出される。さらに、液体中に気泡が混じりセンサ素子５に気泡が接触すると、図３に示すように別のピーク電圧が現れる。このように、ピーク電圧の変化から容易に液体中の気泡を判別することができる。

前述した作動原理を数式を用いて説明すると以下のようになる。

Ｖｒ＝ｓｉｎ（ωｔ＋α）
Ｖｉ＝ｓｉｎ（ωｔ＋β）

ただし、ωｔは周波数、α、βは位相のずれとする。
Ｖｒ×Ｖｉ＝ｓｉｎ（ωｔ＋α）×ｓｉｎ（ωｔ＋β）
＝１／２〔ｃｏｓ（β−α）−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）〕・・・（１）

式（１）の中のｃｏｓ（β−α）の部分は位相差に合わせて変化する直流分であり、ここにＶｉとＶｒの周波数による位相の変化が現れる。

また、ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の部分は元の信号Ｖｒ、Ｖｉの２倍の周波数の信号である。必要とされる周波数特性の情報はＶｉとＶｒの位相差のみなので、式（１）のｃｏｓ（β−α）だけでよい。ローパスフィルタ８を通過させてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の成分を除去すればよい。このようにして、Ｖｏには周波数特性が電圧の形で現れるのである。また、ここで使用している増幅器３や乗算器７等は市販されている安価な半導体で容易に実現が可能である。

図２および図３に示したように、ピーク電圧の周波数とレベルが変化することで、気泡の存在を検出することができる。これは液体が水の場合の例を示したが、他の液体で粘性等が変化しても、ピークの周波数とレベルが変化するだけで、気泡の有無が判定できる。このように、安価な圧電セラミック素子１つを液体中に設置することで、液体中の気泡を簡単に検出することができる。

図４は気泡センサの構造例図で、左側が正面図、右側が側断面図である。円形の皿状体からなるホルダー９内を液体が上方から下方へ流れる。皿状体のホルダー９を蓋状に閉塞する形態にて圧電セラミック素子５が配設される。該圧電セラミック素子５にはセンサ信号線が接続される。圧電セラミック素子５に流れる電流は周波数の変化によって変化する。図１に示したように、前記抵抗４の両端に現れる電圧は圧電セラミック素子５の周波数特性を反映したものになる。前述したように、抵抗４の両端の電圧を差動アンプ６で増幅して電圧Ｖｉを得る。これにより、ホルダー９内を流れる液体に気泡が混じり、正弦波によって加振され正弦波の周波数を任意の範囲で変化させ、素子５に気泡が接触すると周波数特性が変化することを利用して液体中の気泡が検出される。前記ホルダー９は、配管の途中に設置することにより、液体が流動しているときでも気泡の検出が可能である。また、流体に流れのないときや、点滴注射のような重力による微小な流れでも気泡の検出が可能である。

図５および図６は沸騰を検出する気泡センサの構造例図である。本実施例のものは、中実状のホルダー９に円板状の圧電セラミックス素子５を保持させたもので、該圧電セラミック素子５にはセンサ信号線が接続され、圧電セラミック素子５に流れる電流は周波数の変化によって変化する。図１に示したように、前記抵抗４の両端に現れる電圧は圧電セラミック素子５の周波数特性を反映したものになり、抵抗４の両端の電圧を差動アンプ６で増幅して電圧Ｖｉを得る。このように構成されたものを図６に示すように検出対象物である液体中に置いておく。液体が沸騰し始めると液体に気泡が混じり、正弦波によって加振され正弦波の周波数を任意の範囲で変化させ、素子５に気泡が接触すると周波数特性が変化することを利用して液体中の気泡が検出されて、液体の沸騰が確実に検出される。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、気泡を検出する対象物である液体の種類、粘度等、圧電素子の形状、形式（可聴域の周波数を発生させる圧電スピーカ等の種類）、正弦波の加振形態およびその周波数の変化形態、加振用の信号と受信信号との乗算形態等については適宜選定できる。実施例に記載の諸元はあらゆる点で単なる例示に過ぎず限定的に解釈してはならない。

本発明の気泡センサを組み入れた制御回路のブロック図である。 液体のみの場合を検出したピーク電圧と周波数レベルとの関係図である。 気泡が混じった場合を検出したピーク電圧と周波数レベルとの関係図である。 本発明の第１実施例の気泡センサの構造例図である。 本発明の第２実施例の沸騰を検出する気泡センサの構造例図である。 同、気泡センサが沸騰を検出する状態の説明図である。 第１従来例の気泡センサの説明図である。 第２従来例の気泡センサの説明図である。

符号の説明

１ 同期信号発生部
２ 可変周波数発振器
３ ドライブアンプ
４ 抵抗
５ センサ素子（圧電セラミック素子等）
６ 差動アンプ
７ 乗算器
８ ローパスフィルタ
９ ホルダー

Claims (4)

1. 液体中の気泡を検出する気泡センサにおいて、液体に接する電気信号を機械振動に変換する素子の周波数特性を検出することで液体中の気泡を検出する気泡センサであって、前記素子を正弦波によって加振するとともに該正弦波の周波数を任意の範囲で変化させ、素子に気泡が接触すると前記周波数特性が変化することを利用して液体中の気泡を検出することを特徴とする気泡センサ。
2. 前記素子として、加振する周波数として可聴域の周波数を用いることができる圧電スピーカを利用したことを特徴とする請求項１に記載の気泡センサ。
3. 前記素子を沸騰する液体中に置くことによって、沸騰の際に発生する気泡の検出に利用したことを特徴とする請求項１または２に記載の気泡センサ。
4. 前記加振用の信号と受信信号とを乗算することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の気泡センサ。
   

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