JP2008039770A - 物体検出方法及び物体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の性質にかかわらず安定して高感度に液面などの物体を検出する装置を提供する。
【解決手段】液槽内の液面を検出する装置１０であって、第一の端部及び／又はその付近に１又は２以上の開口部を有し、第一の端部を液槽内に配置したときに液位に応じて開口度が変化する管１と、管１内の気体の流量を計測可能な流量計４と、前記管の第二の端部より吸気又は送気する手段５を備え、前記管１が第一の端部と第二の端部との間にリリース孔６を有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、液槽内における液面、定形物の姿勢や大きさなどのように物体の量、姿勢、性質もしくは大きさを検出する方法とそのための装置に関する。

従来、半田などの液面を検出する装置として、熱電対によるもの、光学的手段によるもの、浮きを利用したもの、圧力センサを利用したものなどが知られている。熱電対によるものは、熱電対を液面上方に配置し、熱電対が半田に接しているときとそうでないときとの温度差を原理とする。光学的手段によるものは、液面近くに投光部及び受光部の一方、それより上方に他方をそれぞれ配置し、投光部の光を受光部で感知するか否かを原理とする（特許文献１）。浮きを利用したものは、浮きの上方または下方にリミットスイッチを配置し、浮きの上下方向の変位量に応じてリミットスイッチがオン／オフすることを原理とする（特許文献２）。圧力センサを利用したものは、管の下端を液面と対向させ（又は液中に浸け）、上端より加圧気体を送り、液面が上昇（又は下降）して管の下端が封止（又は開放）された際に、管内圧力が変動することを原理とする（特許文献３＆４）。
特開２００４−２９１０２８ 特許第３５２３０７０ 特許第３６８４０６４ 特許第２５２８７４５

しかし、近年急速に普及しようとしている無鉛半田の液面を検出する場合、熱電対式では熱電対が溶けてしまう。光学式の場合、液中に浮遊する汚染物質（半田槽の場合、フラックスや酸化膜など）が投光部の表面に付着して感度を低下させる。浮き式の場合、凝固した半田や酸化物などが浮きの移動を妨げる。圧力センサ式の場合、液面と接している管の下端から加圧気体が噴き出す際に泡が立ち、半田の酸化を促してしまう。
それ故、この発明の課題は、検出対象物の性質にかかわらず安定して高感度に物体を検出する方法とその装置を提供することにある。

その課題を解決するために、この発明の物体検出方法は、
第一の端部及び／又はその付近に１又は２以上の開口部、第一の端部と第二の端部との間にリリース孔を各々有する管と、管内の気体の流量を計測可能な流量計とを準備し、物体の量、姿勢、性質もしくは大きさに応じて前記開口部の開口度が変化する位置に前記管の第一の端部を配置し、管の第二の端部より吸気又は送気しながら管内の気体の流量を流量計で計測することにより、物体の量、姿勢、性質もしくは大きさを検出することを特徴とする。
同じくこの発明の物体検出装置は、
第一の端部及び／又はその付近に１又は２以上の開口部、第一の端部と第二の端部との間にリリース孔を各々有する管と、
管内の気体の流量を計測可能な流量計と
を備えることを特徴とする。
この発明の装置で検出される物体は、特に限定されず、固体、液体、気体のいずれであってもよい。
尚、流量＝（流速）×（管の断面積）の関係を有し、流速に基づいて流量を算出することは一般的であるから、この明細書では「流量」及び「流量計」を広義に解し、流速計を用いて流速を計測する場合もこの発明の範囲に属する。

管の第一の端部を物体の近傍に、物体を包囲するように所定位置に配置すると、物体の量、姿勢、性質もしくは大きさに依存して第一の端部の開口部が開閉する。通常、物体の量が多かったり、物体が緻密であったり、物体が大きかったりすると、物体が開口部端面あるいは開口部内周面に密接し、開口部を閉じる。逆に、物体の量が少なかったり、物体が希薄であったり、物体が小さかったりすると、開口部は開けられたままである。そして、物体が開口部を閉じているときは気体はリリース孔から第二の端部に至る経路もしくはその逆の経路を気体が流れるだけであって、流量計を通過しない。他方、物体が第一の端部の開口部を閉じていないときは、開口部より気体が流入した後、流量計を通過する（吸気状態）、又は気体が流量計を通過した後、開口部より流出する（送気状態）。従って、管内の気体の流量を計測することにより、物体の量、姿勢、性質もしくは大きさを検知することができる。フラックスや酸化物などの汚染物質が浮いていても検出精度に影響を及ぼすことはない。管の材料としては物体の性質に応じて適切なものを選択すればよい。
開口部は管の第一の端部に一つだけ形成されていてもよいし、それに加えて又はそれに代えて第一の端部付近の外周面に１以上形成されていてもよい。

吸気又は送気する手段は、ファン、コンプレッサー、ガスボンベなどであってよい。前記管の第一の端部と第二の端部との間にリリース孔が設けられているので、開口部が物体で塞がれてもリリース孔より気体が出入りする。従って、物体が液体であっても管内の圧力を制御する高価な精密レギュレータを用いることなく液体の吸い上げ及び泡立ちを防止できる。流量計の位置は、リリース孔よりも前記開口部寄りに設けられているのが好ましい。これにより、開口部が閉じているときは、気体が全く流量計を通過しないので、検出精度に優れるからである。流量計としては、風上側と風下側の温度差を感知するマスフロー式が微小流量であっても測定できるので好ましい。

前記物体が液槽内の高温流体もしくは薬剤であるときは、前記管の前記開口部が形成されている部分が耐熱性耐食性材料からなるのが好ましい。また、物体が液体であるとき、前記管は第一の端部より二方向に分岐した二股管であって、分岐管の長さが互いに異なるものであってよい。これにより、液面の上限位置と下限位置を検出することができる。

以上の構成を有することから、この発明によれば、検出対象物が溶融金属であろうと酸であろうと有機溶媒であろうとその性質にかかわらず安定して高感度に物体を検出することができる。その結果、液面検出装置として用いるときは半田付け、洗浄、フラックス塗布、メッキなど液体が関与する種々の処理を高精度に行うことができる。また、物体の隙間検出、目詰まり検出、粉体検出などの広範な分野で適用可能である。

−先駆形態１−
図１はこの発明の実施形態に至る前の第一の先駆形態に係る液面検出方法とその装置を示す断面図であり、（ａ）は液位が相対的に低いときの状態、（ｂ）は高いときの状態をそれぞれ示す。
液面検出装置１０は、管１と流量計４を備える。管１は、槽Ａ内の液面付近に立てられたプローブ２と、プローブ２の上端に気密に接続された本管３とからなる。流量計４は、本管３の途中に配置されている。プローブ２は、両端が開口していてほぼ一様な内径を有し、下端のみ末広がりになっている。材質は、セラミック、ステンレス又はセラミック（もしくはフッ素）コーティングされた金属である。流量計４としては、０．０２〜５リットル／分の気体流量を計測可能なもので、例えば株式会社キーエンス製ＦＤ−Ｖ４０シリーズが適用可能である。本管３はプローブ２と反対側端部の開口が上に向けられている。

槽Ａ内の溶融半田は３００〜４５０℃の所定温度に制御されており、半田付け作業により消費されて液面が低下し、図１（ａ）に示すようにプローブ２の下端面との間に隔たりが生じると煙突効果により上昇気流が発生する。この気流発生を流量計４で捉えることにより、液面が低下したことを検出し、その検出信号に基づいて糸半田Ｂを槽Ａに供給する。半田Ｂの供給に伴って液面が上昇し、図１（ｂ）に示すようにプローブ２の下端面に達すると溶融半田でプローブ２の下端が塞がれるので、プローブ２内の気体の流れは止まる。これにより半田Ｂの供給を停止する。こうして槽Ａ内の液面がほぼ一定に保たれる。プローブ２は、溶融半田に対して耐性を有している。また、液面がフラックスや酸化物などで汚染されていても流量計が誤動作することはほとんどない。

−先駆形態２−
図２はこの発明の第二の先駆形態に係る液面検出方法とその装置を示す断面図である。この実施形態では、本管３のプローブ２と反対側端部に吸気ファン５が取り付けられている。プローブ２は一様な内径を有する。その他の構成は、実施形態１と同一であり、同じ符号を用いることにより説明に代える。稼働中、吸気ファン５を回転させておく。そして、図２のように液面が低下してプローブ２の下端面との間に隔たりが生じると、プローブ２より吸い込まれた多量の空気が流量計４を通過する。槽Ａに半田を供給するに伴って液面が上昇し、プローブ２の下端面に達すると半田が僅かに吸い上げられ、流量計４を通過する空気の量が減る。この流量変化に基づいて半田の供給を停止する。
この実施形態によれば、液面温度が低くて十分な上昇気流を確保できない場合でも液面を検出することが可能である。尚、吸気ファン５に代えて吸引ポンプ、エジェクターを用いても良い。

−実施形態１−
図３は先駆形態１及び２を改良したもので、この発明の第一の実施形態に係る液面検出方法とその装置を示す断面図である。図３に示すように本管３における流量計４と吸気ファン５との間の位置にリリース孔６が形成されている。槽Ａ内には水溶液、非揮発性有機溶剤などの低比重の液体が溜められている。その他の構成は、先駆形態２と同一であり、同じ符号を用いることにより説明に代える。リリース孔６は、流量計４と吸気ファン５との間に位置し、常時開いている。
この実施形態によれば、液面がプローブ２の下端より低いときは、空気がプローブ２からだけでなくリリース孔６からも空気を吸い込む点を除いては、実施形態２におけると同様に多量の空気が流量計４を通過する。これにより液面が定位置よりも低下していることを検出し、槽Ａに液体を補充する。そして、液面が上昇してプローブ２の下端面に達するとプローブ２からの流入が止まり、流量計４を空気が通過しなくなる。この流量変化に基づいて液体の補充を停止する。一方、プローブ２の下端面が液体で閉じられてもリリース孔６からは空気が流入し続ける。従って、プローブ２内が負圧になることはなく、液体の吸い上げが防がれる。リリース孔６を図４に示すように流量計４の入口側に形成しても検出可能であるが、検出精度が低下する。

−実施形態２−
この実施形態では、図５に示すように本管３に吸気ファン５に代えて絞り弁７ａ、圧力計７ｂ、減圧弁７ｃ及びコンプレッサー（図示省略）が直列に取り付けられている。そして、槽Ａ内には酸性溶液、アルカリ性溶液、揮発性有機溶剤などの浸食性の液体が溜められている。その他の構成は、図３に示した実施形態１と同一である。
但し、管１内の気体の流れ方向は実施形態１と逆となる。即ち、液面がプローブ２の下端より低いときは、コンプレッサーより供給される気体は一部がリリース孔６より外部に出るとともに残部が流量計４を通過してプローブ２より外部に出る。液面がプローブ２の下端に達すると、液体が抵抗となって供給気体はより多くリリース孔６から排出され、同時に流量計４を通過する量が減る。この流量変化に基づいて液体の補充を停止する。稼働中に浸食性の液体が弁や計器に流入することはない。しかもリース孔６が存在する故に、プローブ２の開口部付近での泡立ちが抑制される。尚、コンプレッサーに代えてガスボンベであってもよい。

−実施形態３−
この実施形態では、図６に示すように本管３が分岐しており、その枝管８に流量計４が取り付けられている。そして、枝管８の先端にリリース孔６が設けられている。その他の構成は、実施形態２と同一である。この構成の場合、液面がプローブ２の下端より低いときは、コンプレッサーより供給される気体は一部がプローブ２より外部に出るとともに残部が流量計４を通過してリリース孔６より外部に出る。液面がプローブ２の下端に達すると、液体が抵抗となって供給気体はより多く流量計４を通過してリリース孔６から排出される。この流量変化に基づいて液体の補充を停止する。実施形態２と同じく稼働中の浸食性液体の流入や泡立ちが抑制される。

−実施形態４−
この実施形態では、図７に示すように本管１３が二方向に分岐した二股管であり、各枝管に長さの異なるプローブ２ａ、２ｂが連結されている。その他の構成は、実施形態２と同一である。プローブ２ａの下端面は、プローブ２ｂのそれよりも下位にある。この構成によれば、液面が変位する過程においてプローブ２ａの下端面に達するときと、プローブ２ｂの下端面に達するときとで合計２回の段階的な流量変化を生じる。従って、液面の上限位置と下限位置を検出することができる。

−実施形態５−
この実施形態も液面の上限位置と下限位置を検出するものである。但し、実施形態４と異なり、図８に示すように実施形態２と同じ構成の検出装置が２個用いられている。そして、一方のプローブ２が他方のプローブ２’よりも低い位置に固定されている。従って、液面がプローブ２の下端面とプローブ２’の下端面との間に位置するときは、プローブ２’側の流量計４’には多量の気体が流れ、プローブ２側の流量計４にはほとんど流れない。このため液面の上限位置と下限位置をより高精度に検出することができる。

−実施形態６−
この実施形態では、図９に示すようにプローブ１２が下端面に開口を有するだけでなく、外周面に軸方向に形成されたスリット１２ａを有している。スリット１２ａは下端面の開口と連なっている。その他の構成は、実施形態４と同一である。コンプレッサーより送られて絞り弁７ａを通過する気体の流量をｑ３、リリース孔６より流出する気体の量をｑ２、プローブ１２より流出する気体の量をｑ１とするとき、ｑ３＝ｑ２＋ｑ１の関係にある。実施形態４では液面がプローブ２の下端面に達した時点でｑ１がほぼ０となり、ｑ３≒ｑ２となっていた。これに対して、この実施形態では液面がプローブ２の下端面に達してもスリット１２ａより気体が継続して流出する。そして、スリット１２ａより流出する量ｑ１は、液面からスリット１２ａの上端までの長さＬと正の相関関係にある。従って、液面の変位を連続的に測定することができる。
尚、スリット１２ａに代えて図１０に示すように軸方向に間欠的に複数の長孔１２ｂ、１２ｂ・・・１２ｂを形成すれば液位を段階的に測定することができる。長孔１２ｂは、その長軸が水平になるように形成するのが望ましい。スリット１２ａにするにしても長孔１２ｂにするにしても配管や設置の都合により、図６に示すように枝管８に流量計４を取り付けても良い。

−実施形態７−
図１１はリリース孔に弁が取り付けられている実施形態を示す断面図であり、（ａ）は弁の閉状態、（ｂ）は開状態を示す。リリース孔６は、本管３の内周面から外部に至る経路の途中に内周面から遠ざかるに伴って広がるすり鉢状の弁座９ａを有する。そして、弁９は、この弁座９ａよりも広角の円錐状の弁体９ｂと、弁体９ｂの後方に連なる弁軸９ｃとからなり、弁軸９ｃが本管３にねじ嵌合することによって固定され、ねじ運動に伴って開度が連続的に変化する。

−実施形態８−
図１２もリリース孔に弁が取り付けられているもう一つの実施形態を示す断面図であり、（ａ）は弁の閉状態、（ｂ）は開状態を示す。二方コック式の弁１９を回転させることにより、その位相に応じてリリース孔６が開閉する。

−実施形態９−
図１３（ａ）及び（ｂ）は本管内周面及びリリース孔の種々の変形例を示す断面図である。いずれも本管３の内径がリリース孔６の位置で小さくなっており、これにより縮径部分を通過する際に気体の流速が増し、流量計４の精度が向上する。

−実施形態１０−
図１４（ａ）及び（ｂ）は、以上の実施形態と異なり、検出対象物が定形の固体である検出方法を示す一部破断正面図である。この実施形態においてはこれまでの実施形態におけるプローブに代えて本管３の先端に表面が平坦な板２２が取り付けられている。そして、図１４（ａ）の形態では板２２の上に筒Ｔが気密性を保って置かれ、その内側に入れ子Ｂが嵌合されている。入れ子Ｂが筒Ｔと締まり嵌合しているときは気体が流量計４を通過せず、緩み嵌合しているときは通過して入れ子Ｂと筒Ｔとの間隙を出入りする。従って、入れ子Ｂと筒Ｔが、所定の寸法を充足しているかどうかを検出することができる。また、入れ子Ｂに代えて図略のフィルタを筒Ｔに嵌合すれば、フィルタの目詰まりを検出することもできる。
図１４（ｂ）の形態では筒Ｔに代えて板２２の上にスペーサＳが置かれ、その上に物体Ｃが置かれている。従って、物体ＣがスペーサＳを介して置かれているかどうかを検出することができる。また、スペーサＳを取り払うことで、物体Ｃが板２２上に着座しているかどうかを検出することができる。

−実施形態１１−
図１５は物体の姿勢を検出する方法の実施形態を示す一部破断正面図である。検出装置１が並べて固定されている。第一の端部の上方に存在する物体Ｃが傾いているときは、一方の検出装置１と他方の検出装置１とで気体の流量が異なるから、流量の異同に基づいて物体Ｃが水平を保っているか否かが検出される。

−実施形態１２−
図１６は噴流気体の有無、図１７は水滴の有無を検出する方法の実施形態を示す一部破断正面図である。いずれもプローブ２の先端に噴流気体Ｖ又は水滴Ｗが存在するときは気体が流量計４を通過しない。

先駆形態１に係る液面検出方法とその装置を示す断面図であり、（ａ）は液位が相対的に低いときの状態、（ｂ）は高いときの状態をそれぞれ示す。 先駆形態２に係る液面検出方法とその装置を示す断面図である。 実施形態１に係る液面検出方法とその装置を示す断面図である。 実施形態１に係る液面検出装置の変形例を示す断面図である。 実施形態２に係る液面検出方法とその装置を示す断面図である。 実施形態３に係る液面検出方法とその装置を示す断面図である。 実施形態４に係る液面検出方法とその装置を示す断面図である。 実施形態５に係る液面検出方法を示す断面図である。 実施形態６に係る液面検出方法とその装置を示す断面図である。 実施形態６に係る液面検出装置の変形例を示す断面図である。 リリース孔に弁が取り付けられている実施形態を示す断面図であり、（ａ）は弁の閉状態、（ｂ）は開状態を示す。 リリース孔に弁が取り付けられている他の実施形態を示す断面図であり、（ａ）は弁の閉状態、（ｂ）は開状態を示す。 本管内周面及びリリース孔の種々の変形例を示す断面図である。 検出対象物が定形の固体である検出方法の実施形態を示す一部破断正面図である。 物体の姿勢を検出する方法の実施形態を示す一部破断正面図である。 噴流気体の有無を検出する方法の実施形態を示す一部破断正面図である。 水滴の有無を検出する方法の実施形態を示す一部破断正面図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０、６０、８０ 液面検出装置
１ 管
２、２’、２ａ、２ｂ、１２ プローブ
３ 本管
４ 流量計
５ 吸気ファン
６ リリース孔
２２ 板
９、１９ 弁

Claims (10)

1. 物体を検出する方法であって、
   第一の端部及び／又はその付近に１又は２以上の開口部、第一の端部と第二の端部との間にリリース孔を各々有する管と、管内の気体の流量を計測可能な流量計とを準備し、物体の量、姿勢、性質もしくは大きさに応じて前記開口部の開口度が変化する位置に前記管の第一の端部を配置し、管の第二の端部より吸気又は送気しながら管内の気体の流量を流量計で計測することにより、物体の量、姿勢、性質もしくは大きさを検出することを特徴とする物体検出方法。
2. 前記流量計が、マスフロー式である請求項１に記載の方法。
3. 前記物体の量、姿勢、性質もしくは大きさが、液槽内の液位、前記開口部に嵌合された定形物の大きさ、前記開口部の開口端面に気密に接触するようにもしくはスペーサを介して配置される定形物の位置、姿勢もしくは性質、または前記気体と異なる方向に流れる第二の気体の流量である請求項１に記載の方法。
4. 物体を検出する装置であって、
   第一の端部及び／又はその付近に１又は２以上の開口部、第一の端部と第二の端部との間にリリース孔を各々有する管と、
   管内の気体の流量を計測可能な流量計と
   を備えることを特徴とする物体検出装置。
5. 更に、前記管の第二の端部より吸気又は送気する手段を備える請求項４に記載の装置。
6. 前記流量計がリリース孔よりも前記開口部寄りに設けられている請求項４に記載の装置。
7. 前記物体が前記開口部に嵌合されるか、又は前記開口部の開口端面に気密に接触するようにもしくはスペーサを介して配置される定形物である請求項４〜６のいずれかに記載の装置。
8. 前記物体が前記気体と異なる方向に流れる第二の気体である請求項４〜６のいずれかに記載の装置。
9. 前記物体が液槽内の高温流体もしくは薬剤であって、前記管の前記開口部が形成されている部分が耐熱性耐食性材料からなる請求項４〜６のいずれかに記載の装置。
10. 前記管が第一の端部より二方向に分岐した二股管であって、分岐管の長さが互いに異なる請求項９に記載の装置。

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