JP6401584B2 - 液面検出装置および液面検出システム - Google Patents

Description

この発明は、液面検出装置および液面検出システムに関する。

従来、液面検出装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。上記特許文献１には、容器内に収容される液体半田の液面を検出する液面センサを備える半田供給装置が開示されている。液面センサは、容器内の定位置に設置される２つの電極棒を含んでいる。そして、容器内の液体半田の液面に２つの電極棒が接触していることにより通電して、液面が電極棒の高さ位置に位置していることを検出するように構成されている。

特開２００７−１４９７８４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の液面センサでは、容器と電極棒とを絶縁する絶縁部分に液体半田の飛沫が付着して短絡することに起因して、液体半田の液面に２つの電極棒が接触しているか否かを正確に検出できない場合があるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、精度よく液面を検知することが可能な液面検出装置および液面検出システムを提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による液面検出装置は、容器内に収容される溶融金属の液面を検出する液面検出装置であって、容器内に配置され、温度センサと温度センサの測温部の近傍に配置されるヒータとを内部に含む液面検出部を備え、温度センサにより検出された温度がしきい値以下になった場合に、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したと判断するように構成されている。なお、「溶融金属」とは、溶融した金属のみならず、溶融していた金属が固体状態になった場合における、液面測定時のその固体状態も含む広い概念である。また、「液面」とは、溶融した金属の液面のみならず、溶融していた金属が固体になった状態の表面も含む広い概念である。

この発明の第１の局面による液面検出装置では、上記のように、温度センサの測温部の近傍にヒータを配置して、温度センサにより検出された温度がしきい値以下になった場合に、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したと判断するように構成する。ここで、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触していない場合には、ヒータから発せられた熱により温度センサに検出される温度は比較的高くなる。一方、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触した場合には、ヒータから発せられた熱が溶融金属に伝熱されることにより、温度センサに検出される温度は比較的低くなる。そこで、本発明では、温度センサによる測定温度が、しきい値以下になったことに基づいて、容易に、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したと判断することができる。また、上記のように、液面検出部の内部に温度センサを含むように構成することによって、液面検出部の外表面に酸化物が付着した場合でも、液面検出部の内部の温度センサの表面は、付着物による電気的な影響を受けないので、精度よく液面を検知することができる。

上記第１の局面による液面検出装置において、好ましくは、ヒータは、溶融金属の溶融温度よりも高い温度の熱を発するように構成されている。このように構成すれば、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触した場合には、ヒータから発せられた熱が溶融金属に伝熱されるので、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触する前後で、温度センサにより検出される温度に温度差が生じる。これにより、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したことが、温度センサの検出結果に基づいて容易に判断される。

上記第１の局面による液面検出装置において、好ましくは、液面検出部は、複数設けられ、複数の液面検出部は、容器内において、それぞれの先端部の高さ位置が異なるように配置されている。このように構成すれば、複数の液面検出部のうちのいずれの液面検出部の先端部が溶融金属に接触したかを判断することによって、溶融金属の液面がいずれの液面検出部の先端部近傍に位置しているかを判断することができる。これにより、液面の高さ位置を複数段階で検出することができる。

この場合、好ましくは、液面検出部は、それぞれの先端部が、第１の高さ位置に配置されている第１液面検出部と、第１の高さ位置よりも低い第２の高さ位置に配置されている第２液面検出部と、第１の高さ位置と第２の高さ位置との間の第３の高さ位置に配置されている第３液面検出部とを含む。このように構成すれば、最も高い位置（第１の高さ位置）に配置されている第１液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したと判断することに基づいて、溶融金属の補充を停止することにより、容器からの溶融金属のオーバーフローを抑制することができる。また、最も低い位置（第２の高さ位置）に配置されている第２液面検出部の先端部と溶融金属とが非接触であると判断することに基づいて、溶融金属を用いた処理を停止させることにより、溶融金属が不足している状態で処理が行われるのを抑制することができる。また、中間の位置（第３の高さ位置）に配置されている第３液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したか否かを判断することに基づいて、供給用タンクへの溶融金属の補充動作開始の可否の判断する（非接触状態で補充を開始する）ことにより、適切なタイミングで、補充を開始することができる。

上記液面検出部が複数設けられる液面検出装置において、好ましくは、複数の液面検出部は、束ねられた状態で容器内に配置されている。このように構成すれば、複数の液面検出部が互いに離間した状態で配置される場合と異なり、複数の液面検出部を容器に取り付ける取付け領域を小さくすることができる。

上記第１の局面による液面検出装置において、好ましくは、液面検出部の先端部は、略半球形状を有する。このように構成すれば、液面検出部の先端部よりも液面が下がった場合に、液面検出部の先端部に付着していた溶融金属が迅速に滴下するので、液面検出部の先端部に付着していた溶融金属が迅速に液面検出部の先端部から除去される。これにより、液面検出部の先端部に溶融金属が付着した状態が維持されるのを抑制することができる。

上記第１の局面による液面検出装置において、好ましくは、しきい値は、溶融金属が溶融する温度に容器が温度調節されている場合の第１しきい値を含み、温度センサにより検出された温度が、第１しきい値以下になった場合に、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触していると判断するように構成されている。このように構成すれば、第１しきい値を用いることにより温度センサの検出結果に基づいて、容易に、液面検出部の先端部と溶融している状態の溶融金属とが接触しているか否かが判断される。

上記第１の局面による液面検出装置において、好ましくは、しきい値は、溶融金属が溶融する温度に容器が温度調節されていない場合の第２しきい値を含み、温度センサにより検出された温度が、第２しきい値以下になった場合に、液面検出部の先端部に固化した溶融金属が接触していると判断するように構成されている。このように構成すれば、第２しきい値を用いることにより温度センサの検出結果に基づいて、容易に、液面検出部の先端部と固化した状態の溶融金属とが接触しているか否かが判断される。

上記第１の局面による液面検出装置において、好ましくは、しきい値は、液面検出部の先端部が溶融金属に接触している場合の温度と、液面検出部の先端部の一部が溶融金属に繋がっている場合の温度との間に設定されている。このように構成すれば、液面検出部の先端部の一部が溶融金属に繋がっている場合と混同することなく、液面検出部の先端部が溶融金属に接触していると判断することができる。

この発明の第２の局面による液面検出システムは、容器内に収容される溶融金属の液面を検出する液面検出システムであって、容器内に配置され、温度センサと温度センサの測温部の近傍に配置されるヒータとを含む液面検出部と、温度センサにより検出された温度が、しきい値以下になった場合に、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したと判断して、溶融金属を容器内に補充または溶融金属を用いた処理を停止させる制御部とを備え、液面検出部は、それぞれの先端部が、第１の高さ位置に配置されている第１液面検出部と、第１の高さ位置よりも低い第２の高さ位置に配置されている第２液面検出部とを含み、制御部は、第１液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したと判断した際に、溶融金属の容器内への補充を停止し、第２液面検出部の先端部と溶融金属とが非接触であると判断した際には、溶融金属を用いた処理を停止させるように構成されている。

この発明の第２の局面による液面検出システムでは、上記のように、制御部を、第１液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したと判断した際に、溶融金属の容器内への補充を停止し、第２液面検出部の先端部と溶融金属とが非接触であると判断した際には、溶融金属を用いた処理を停止させるように構成する。これにより、高い位置（第１の高さ位置）に配置されている第１液面検出部の先端部と溶融金属とが接触したと判断することに基づいて、溶融金属の補充を停止することにより、容器からの溶融金属のオーバーフローを抑制することができる。また、低い位置（第２の高さ位置）に配置されている第２液面検出部の先端部と溶融金属とが非接触であると判断することに基づいて、溶融金属を用いた処理を停止させることにより、溶融金属が不足している状態で処理が行われるのを抑制することができる。また、上記のように、液面検出部の内部に温度センサを含むように構成することによって、液面検出部の外表面に酸化物が付着した場合でも、液面検出部の内部の温度センサの表面に酸化物が付着するのが抑制されるので、精度よく液面を検知することが可能な液面検出システムを提供することができる。

本発明によれば、上記のように、精度よく液面を検知することが可能な液面検出装置および液面検出システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態による液面検出システムの構成を示した図である。 本発明の第１実施形態による液面検出システムの液面検出部の正面図である。 本発明の第１実施形態による液面検出システムの液面検出部の先端部の拡大図である。 （ａ）溶融金属から液面検出部が離間している状態を示す図、（ｂ）溶融金属に接触している状態を示す図、（ｃ）先端部の一部が溶融金属に繋がっている状態を示す図である。 本発明の第１実施形態による液面検出システムの動作を説明するための図である。 溶融金属の温度の検出について行った実験を説明するための図である。 供給用タンクの温度調節がある場合、ない場合の実験を説明するための図である。 本発明の第２実施形態による液面検出システムの液面検出部の正面図である。 本発明の第２実施形態による液面検出システムの動作を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、第１実施形態による液面検出システム１０の構成について説明する。液面検出システム１０は、金属充填装置１００に設けられている。

図１に示すように、金属充填装置１００は、処理部本体２０、押付部３０、溶融金属供給機構部４０、溶融金属回収機構部５０、廃棄機構部６０、減圧機構部７０およびガス供給機構部８０を含む。また、液面検出システム１０は、溶融金属供給機構部４０に設けられている。

処理部本体２０は、凹部２１ａおよび保持穴２１ｂが設けられる第１本体部２１と、第１本体部２１に対向するように設けられる第２本体部２２とを含む。第１本体部２１の保持穴２１ｂには、半導体ウェハ２００が保持されるように構成されている。そして、第１本体部２１に第２本体部２２が組み付けられることにより、気密状態の処理室２３が形成される。また、第１本体部２１および第２本体部２２は、処理室２３に供給される後述する溶融金属１が固化しないように、図示しない加熱部によって半田の融点（２００℃）以上の温度に加熱されている。

押付部３０は、油圧シリンダなどのアクチュエータにより構成されており、第２本体部２２をＺ１方向に押圧するように構成されている。

溶融金属供給機構部４０は、溶融金属１を収容する供給用タンク４１と、供給ポンプ４２と、バルブゲート４３とを含む。なお、溶融金属１は、たとえば、半田からなる。供給用タンク４１は、開閉バルブ４４を介して供給ポンプ４２に接続されている。また、供給用タンク４１には、溶融金属１の融点よりも高い温度に加熱された溶融金属１が、液体である溶融状態で収容されている。また、供給用タンク４１内は、減圧機構部７０により、大気圧の状態（空気が存在する状態）または真空状態にされることが可能である。なお、供給用タンク４１は、本発明の「容器」の一例である。

また、供給ポンプ４２は、バルブゲート４３に接続されている。供給ポンプ４２は、供給用タンク４１に収容された溶融した溶融金属１を加圧して、バルブゲート４３に吐出可能に構成されている。供給ポンプ４２は、たとえばプランジャポンプから構成されている。また、供給用タンク４１には、溶融金属１を供給用タンク４１に補充するための補充用配管４５が接続されている。補充用配管４５からは、１回の補充量が一定量であるバッチ式補充により、溶融金属１が供給用タンク４１に補充される。また、供給用タンク４１の外部は、ヒータからなる温度調節部４６により３００℃に加熱されている。また、温度調節部４６には、温度計４７が設けられている。

ここで、第１実施形態では、供給用タンク４１には、供給用タンク４１内に収容される溶融金属１の液面を検出する液面検出システム１０が設けられている。図２に示すように、液面検出システム１０には、供給用タンク４１内に配置される液面検出部１３が設けられている。なお、液面検出部１３は、本発明の「液面検出装置」の一例である。

また、第１実施形態では、図２に示すように、それぞれの先端部１４ａ、１４ｂおよび１４ｃが、供給用タンク４１の底部４１ａからの高さ位置ｈ１に配置されている上限液面検出部１３ａと、高さ位置ｈ１よりも低い高さ位置ｈ２に配置されている下限液面検出部１３ｂと、高さ位置ｈ１と高さ位置ｈ２との間の高さ位置ｈ３に配置されている中間液面検出部１３ｃとの３つの液面検出部１３が設けられている。具体的には、上限液面検出部１３ａの先端部１４ａは、供給用タンク４１の上方に位置している。また、下限液面検出部１３ｂの先端部１４ｂは、供給用タンク４１の底部４１ａ近傍に位置している。そして、１つの液面検出部１３によって１箇所（１つの高さ位置）の液面高さの検出が可能であり、３つの上限液面検出部１３ａ、下限液面検出部１３ｂおよび中間液面検出部１３ｃによって、３箇所の液面高さの検出が可能である。なお、上限液面検出部１３ａ、下限液面検出部１３ｂおよび中間液面検出部１３ｃは、本発明の「液面検出部」の一例である。また、上限液面検出部１３ａ、下限液面検出部１３ｂおよび中間液面検出部１３ｃは、それぞれ、本発明の「第１液面検出部」、「第２液面検出部」および「第３液面検出部」の一例である。また、高さ位置ｈ１、高さ位置ｈ２および高さ位置ｈ３は、それぞれ、本発明の「第１の高さ位置」、「第２の高さ位置」および「第３の高さ位置」の一例である。

また、第１実施形態では、上限液面検出部１３ａ、下限液面検出部１３ｂおよび中間液面検出部１３ｃは、束ねられた状態で供給用タンク４１内に配置されている。具体的には、上限液面検出部１３ａ、下限液面検出部１３ｂおよび中間液面検出部１３ｃ（詳細には、液面検出部１３を支持する支持部１３１、図３参照）は、フランジ部１６に挿入された状態で１つに束ねられている。そして、フランジ部１６が供給用タンク４１の蓋部４１ｂに取り付けられることにより、上限液面検出部１３ａ、下限液面検出部１３ｂおよび中間液面検出部１３ｃのそれぞれの先端部１４ａ、１４ｂおよび１４ｃが、供給用タンク４１内に配置されるように構成されている。また、液面検出部１３の先端部１４とは反対側には、温度センサ用端子１７およびヒータ用端子１８が設けられている。温度センサ用端子１７は、後述する制御部１９に接続され、温度センサ１１により検出された温度の信号を制御部１９に伝達するように構成されている。また、ヒータ用端子１８は、図示しない電源に接続されており、ヒータ１２に一定電流を供給するように構成されている。なお、一定電流は、たとえば、０．５Ａである。

また、図３に示すように、液面検出部１３は、液面検出部１３を支持する支持部１３１（図３の点線で仕切られた部分よりも上側の部分）に支持されている。液面検出部１３の内部には、温度センサ１１と温度センサ１１の測温部１１ａの近傍に配置されるヒータ１２とが設けられている。なお、液面検出部１３の内部には、温度センサ１１とヒータ１２とが１つの組として配置されており、比較的簡易な回路となる。また、液面検出部１３は、温度センサ１１とヒータ１２とを内部に含む保護管（シース）１５を備えている。保護管１５は、ステンレス鋼、ニッケル合金などの金属からなる。また、保護管１５の材質は、一定の耐腐食性を考慮した上で、保護管１５の線径を細く加工出来る材質を選定するのがよい。半田に対する耐腐食性を更に求める場合、保護管１５の表面に保護膜を付けてもよい。また、温度センサ１１は、たとえば熱電対により構成されている。そして、温度センサ１１の先端側の測温部１１ａの近傍に、温度センサ１１に隣接するようにヒータ１２が設けられている。そして、ヒータ１２には、一定電流が供給されるように構成されている。第１実施形態では、ヒータ１２は、溶融金属１の溶融温度よりも高い温度の熱を発するように構成されている。たとえば、供給用タンク４１の外部が温度調節部４６により３００℃に加熱されており、かつ、供給用タンク４１が空の状態でヒータ１２は、供給用タンク４１および溶融金属１の温度である３００℃よりも高い３６０℃の温度の熱を発するように構成されている。

また、第１実施形態では、液面検出部１３の先端部１４は、略半球形状を有する。具体的には、保護管１５の先端部１４が、略半球形状に形成されている。

また、第１実施形態では、図１に示すように、液面検出システム１０には、制御部１９が設けられている。制御部１９は、液面検出部１３に接続されており、液面検出部１３の温度センサ１１から温度に関する信号を受信するように構成されている。制御部１９は、温度センサ１１により検出された温度がしきい値以下になった場合に、液面検出部１３の先端部１４と溶融金属１とが接触したと判断するように構成されている。

具体的には、上限液面検出部１３ａの先端部１４ａ、下限液面検出部１３ｂの先端部１４ｂおよび中間液面検出部１３ｃの先端部１４ｃが、溶融金属１と接触したか否かがそれぞれ判断される。すなわち、上限液面検出部１３ａの先端部１４ａが溶融金属１と接触したと判断された場合には、液面が、上限液面検出部１３ａの先端部１４ａよりも高い位置に位置していることが検出される。同様に、下限液面検出部１３ｂの先端部１４ｂが溶融金属１と接触したと判断された場合には、液面が、下限液面検出部１３ｂの先端部１４ｂよりも高い位置に位置していることが検出される。また、中間液面検出部１３ｃの先端部１４ｃが溶融金属１と接触したと判断された場合には、液面が、中間液面検出部１３ｃの先端部１４ｃよりも高い位置に位置していることが検出される。このように、３つの上限液面検出部１３ａ、下限液面検出部１３ｂおよび中間液面検出部１３ｃのそれぞれについて、溶融金属１に接触したか否かが判断されるので、液面検出システム１０を用いて、様々な液面制御を行うことが可能になる。

ここで、しきい値は、溶融金属１が溶融する温度に供給用タンク４１が温度調節されている場合の第１しきい値を含む。第１しきい値は、たとえば、３３０℃に設定されている。そして、制御部１９は、温度センサ１１により検出された温度が、第１しきい値以下になった場合に、液面検出部１３の先端部１４と、溶融した溶融金属１とが接触していると判断するように構成されている。なお、「接触している」とは、溶融金属１の液面が液面検出部１３の先端部１４の高さ位置以上の場合を意味しており、後述する図４（ｃ）に示すように、溶融金属１の液面が液面検出部１３の先端部１４の高さ位置未満であり、先端部１４の一部が溶融金属１に繋がっている状態は除かれる。また、しきい値は、溶融金属１が溶融する温度に供給用タンク４１が温度調節されていない場合の第２しきい値を含む。第２しきい値は、たとえば、７０℃に設定されている。そして、制御部１９は、温度センサ１１により検出された温度が、第２しきい値以下になった場合に、液面検出部１３の先端部１４と、固化した溶融金属１とが接触していると判断するように構成されている。

また、制御部１９は、金属充填装置１００の全体の制御を行うように構成されている。具体的には、制御部１９は、バルブゲート４３および開閉バルブ４４の開閉を制御するとともに、供給ポンプ４２の駆動を制御して、供給用タンク４１に収容された溶融した溶融金属１を、バルブゲート４３を介して処理室２３に供給するように構成されている。そして、制御部１９は、補充用配管４５に設けられる図示しないポンプなどを制御することにより、供給用タンク４１に溶融金属１を補充するように構成されている。

次に、図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照して、液面検出部１３の先端部１４に溶融金属１が接触した際の温度センサ１１が検出する温度の変化について説明する。

まず、液面検出部１３からの熱損失について説明する。液面検出部１３からの熱損失Ｐｌは、対流熱損失Ｐｃ、放射熱損失Ｐｒ、液面検出部１３を支持する支持部１３１への熱伝導による損失Ｐｓを用いて、下記の式（１）により表される。
Ｐｌ＝Ｐｃ＋Ｐｒ＋Ｐｓ ・・・（１）

対流熱損失Ｐｃは、液面検出部１３の周囲物質の対流熱伝達率ｈ、液面検出部１３の温度Ｔｓ、供給用タンク４１の温度Ｔａ、液面検出部１３の表面積Ａを用いて、下記の式（２）により表される。
Ｐｃ＝ｈ×（Ｔｓ−Ｔａ）×Ａ ・・・（２）

また、放射熱損失Ｐｒは、放射率ε、ステファン・ボルツマン定数σ、液面検出部１３の温度Ｔｓ、供給用タンク４１の温度Ｔａ、液面検出部１３の表面積Ａを用いて、下記の式（３）により表される。
Ｐｒ＝ε×Ａ×σ×（Ｔｓ⁴−Ｔａ⁴） ・・・（３）

また、液面検出部１３を支持する支持部１３１への熱伝導による損失Ｐｓは、支持部１３１の熱伝導率λ、断面積Ｂ、長さＬ、液面検出部１３の温度Ｔｓ、供給用タンク４１の温度Ｔａを用いて、下記の式（４）により表される。
Ｐｓ＝λ／Ｌ×（Ｔｓ−Ｔａ）×Ｂ ・・・（４）

次に、図４（ａ）に示すように、溶融金属１の液面が液面検出部１３の先端部１４の高さ位置よりも低く、液面検出部１３の先端部１４と、溶融金属１とが接触していない状態について説明する。なお、以下では、図４（ａ）に示すような状態を、「非接触状態」と記載する。ここで、液面検出部１３のヒータ１２から熱量Ｐｉｎが供給されるともに、液面検出部１３の温度Ｔｓを供給用タンク４１の温度Ｔａよりも高い温度にする。これにより、上記の式（１）により表される熱損失Ｐｌと熱量Ｐｉｎとが平衡になった状態の温度Ｔｓｈにおいて、液面検出部１３の温度Ｔｓが安定する。ここで、供給用タンク４１内が真空でない場合（たとえば空気の場合）では、対流熱損失Ｐｃは、所定の値を有し、供給用タンク４１内が真空の場合では、対流熱損失Ｐｃが０になる。

次に、図４（ｂ）に示すように、溶融金属１の液面が液面検出部１３の先端部１４の高さ位置よりも高く、液面検出部１３の先端部１４が、溶融金属１に接触している状態について説明する。なお、以下では、図４（ｂ）に示すような状態を、「接触状態」と記載する。ここで、液面検出部１３が溶融金属１に接触することにより、空気による対流熱損失Ｐｃ（真空の場合は０）に加えて、溶融金属１による対流熱損失が新たに発生する。これにより、熱量Ｐｉｎが一定である場合、平衡になった状態の温度Ｔｓｈを維持することができなくなり、増大した熱損失Ｐｌと熱量Ｐｉｎとが平衡する温度まで、液面検出部１３の温度Ｔｓが低下する。この温度の低下を検出することにより、接触状態が検出される。なお、溶融金属１による対流熱損失Ｐｃは、空気による対流熱損失Ｐｃに比べて非常に大きいので、空気による対流熱損失Ｐｃがある場合でも、ない場合（真空）でも、液面検出部１３の温度Ｔｓが大きく低下する。詳細には、熱伝達率は対流など流れの状態が影響を与える複雑な値である一方、材質以外の条件が同じとすれば熱伝導率に大きく依存するので、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田の熱伝導率５５Ｗ／（ｍＫ）に対して空気０．０２４Ｗ／（ｍＫ）であり、１０００倍以上の差異がある。すなわち、供給用タンク４１内が大気圧の状態（空気が存在する状態）でも、真空である状態においても、非接触状態から接触状態になった際の温度の低下は顕著である。よって、空気がある場合でも、ない場合（真空）でも、同様の説明が成り立つ。

また、図４（ｃ）に示すように、溶融金属１の液面が、液面検出部１３の先端部１４近傍に位置しており、液面検出部１３の先端部１４の一部が溶融金属１に繋がっている状態について説明する。なお、以下では、図４（ｃ）に示すような状態を、「一部接触状態」と記載する。一部接触状態では、液面検出部１３が溶融金属１に一部接触することにより、溶融金属１による対流熱損失が発生する。一方、上記の図４（ｂ）の接触状態と比べて、液面検出部１３と溶融金属１との接触面積が小さい分、液面検出部１３の温度Ｔｓの低下の度合いは、接触状態に比べて小さくなると考えられる。なお、一部接触状態においても、上記接触状態と同様に、空気による対流熱損失Ｐｃがある場合でも、無い場合（真空）でも、同様の説明が成り立つ。

次に、上記の式（１）〜（４）を用いて、具体的に数値を当てはめて、図４（ａ）〜図４（ｃ）の各状態を説明する。以下では、供給用タンク４１内が真空の場合を説明している。

まず、供給用タンク４１の温度Ｔａを、３００℃に加熱した。ここで、図４(ａ)に示す非接触状態において、液面検出部１３（ヒータ１２）に０．７５Ｗの熱量Ｐｉｎを供給した。これにより、液面検出部１３の温度Ｔｓは、３６２℃で安定した。この時の対流熱損失Ｐｃは０であり、放射熱損失Ｐｒは０．０８Ｗであり、熱伝導による損失Ｐｓは、０．６７Ｗであった。

次に、図４（ｂ）に示す接触状態では、液面検出部１３の温度Ｔｓは、３１９℃で安定した。液面検出部１３の温度Ｔｓが低下した分、放射熱損失Ｐｒは０．０２Ｗになり、熱伝導による損失Ｐｓは、０．２Ｗに低下した一方、対流熱損失Ｐｃが発生し、熱損失Ｐｌは、０．７５Ｗの熱損失Ｐｌと釣り合っている。

次に、図４（ｃ）に示す一部接触状態では、液面検出部１３の先端部１４の一部に付着した溶融金属１を介してヒータ１２の熱が伝熱することにより、液面検出部１３の温度Ｔｓは、３１９℃から上昇して３３８℃になった。すなわち、一部接触状態の熱損失Ｐｌは、接触状態の熱損失Ｐｌよりも小さい。また、この３３８℃の温度は、液面検出部１３の表面積Ａの１／４が溶融金属１に接触している状態で安定している温度に相当する。

このように、溶融金属１の液面の高さ位置に応じて温度センサ１１により検出される温度が変化する。そして、この温度変化に基づいて、接触状態の液面検出部１３の温度Ｔｓと、一部接触状態の液面検出部１３の温度Ｔｓとの間にしきい値を設定することにより、溶融金属１の液面が、液面検出部１３の先端部１４に接触しているか否かを判断することが可能になる。なお、しきい値は、液面の検出の確実性向上のためには、高い方が良く、耐熱、溶融金属劣化防止等のためには低い方がよい。また、上記の図４（ａ）〜図４（ｃ）の説明における計算は、しきい値を求めるための考え方を示すモデルであり、より適切なしきい値を求める場合には、熱伝導シミュレーションにより求めればよい。

次に、図５を参照して、液面検出システム１０の制御部１９の動作について説明する。

制御部１９は、上限液面検出部１３ａが接触状態であると判断した場合、異常を検出したとして、溶融金属１の供給用タンク４１内への補充を停止するとともに、金属充填装置１００を停止させる。また、制御部１９が、上限液面検出部１３ａが非接触状態であると判断した場合、金属充填装置１００は、正常状態である。

また、制御部１９が、下限液面検出部１３ｂが接触状態であると判断した場合、金属充填装置１００は、正常状態であるとともに、溶融金属１を用いた次の処理を行うことが可能な状態である。また、制御部１９が、下限液面検出部１３ｂが非接触状態であると判断した場合、溶融金属１を用いた次の処理を停止させる。また、次の処理が処理中であれば、その処理が継続される。

また、制御部１９が、中間液面検出部１３ｃが接触状態であると判断した場合、供給用タンク４１への溶融金属１の補充は行わない。また、供給用タンク４１への溶融金属１の補充中に、中間液面検出部１３ｃが接触状態であると判断した場合、１回分の溶融金属１の補充が完了するまで補充が継続される。また、制御部１９が、中間液面検出部１３ｃが非接触状態であると判断した場合、供給用タンク４１への溶融金属１の補充が可能な状態である。

具体的には、制御部１９は、供給用タンク４１内の溶融金属１が増加し、上限液面検出部１３ａの接触状態が連続して検出された場合に、溶融金属１の供給用タンク４１内への補充を停止する。また、制御部１９は、供給用タンク４１内の溶融金属１が減少し、下限液面検出部１３ｂの非接触状態が連続して検出された場合に、金属充填装置１００の処理を停止させる。また、制御部１９は、中間液面検出部１３ｃが接触状態から非接触状態になったと判断した場合、供給用タンクへの溶融金属の補充動作開始が可能であると判断する。また、制御部１９は、上限液面検出部１３ａが接触状態でありかつ中間液面検出部１３ｃが非接触状態であると判断した際、上限液面検出部１３ａが接触状態でありかつ下限液面検出部１３ｂが非接触状態であると判断した際、中間液面検出部１３ｃが接触状態でありかつ下限液面検出部１３ｂが非接触状態であると判断した際、それぞれ、液面検出部１３の異常（故障）であると判断する。

次に、図６および図７を参照して、供給用タンク４１内に収容された溶融金属１の温度の検出について行った実験について説明する。

この実験では、図１および図２に示すように、供給用タンク４１内に、上限液面検出部１３ａ、下限液面検出部１３ｂおよび中間液面検出部１３ｃを配置した。また、供給用タンク４１は、溶融金属１が液体である溶融状態で収容されるように、溶融金属１の融点よりも高い３００℃に加熱した。

まず、図６に示すように、初期状態である時刻ｔ０では、供給用タンク４１に溶融金属１が収容されていない。このとき、上限液面検出部１３ａの温度センサ１１により検出された温度は、約３６３℃であった。また、下限液面検出部１３ｂおよび中間液面検出部１３ｃのそれぞれの温度センサ１１により検出された温度は、約３６２℃であった。

次に、時刻ｔ１において、供給用タンク４１への溶融金属１の補充を開始した。これにより、時刻ｔ１の直後において、下限液面検出部１３ｂの温度センサ１１により検出された温度が急激に低下し始めた。また、時刻ｔ２において、中間液面検出部１３ｃの温度センサ１１により検出された温度が急激に低下し始めた。

次に、時刻ｔ３では、中間液面検出部１３ｃおよび下限液面検出部１３ｂのそれぞれの温度センサ１１により検出された温度は、約３１０℃近傍になった。これにより、時刻ｔ３では、中間液面検出部１３ｃおよび下限液面検出部１３ｂは、接触状態（図４（ｂ）参照）であると考えらえる。

次に、時刻ｔ４において、供給用タンク４１から溶融金属１の排出を開始した。そして、時刻ｔ４の直後から、中間液面検出部１３ｃの温度センサ１１により検出された温度が上昇し始めた。これにより、時刻ｔ４より後の時間は、中間液面検出部１３ｃは、接触状態（図４（ｂ）参照）から、一部接触状態（図４（ｃ）参照）に移行している状態であると考えられる。

また、図６に示すように、時刻ｔ５において、上限液面検出部１３ａ、中間液面検出部１３ｃおよび下限液面検出部１３ｂのそれぞれの温度センサ１１により検出された温度は、３６２．１℃、３３７．９℃、および、３１８．６℃であることが確認された。すなわち、時刻ｔ５では、上限液面検出部１３ａは、非接触状態であり、中間液面検出部１３ｃは、一部接触状態であり、下限液面検出部１３ｂは、接触状態であると考えられる。上記の結果から、溶融金属１が溶融する温度に供給用タンク４１が温度調節されている場合の第１しきい値を、接触状態と一部接触状態との間の温度である３３０℃に設定することにより、液面検出部１３の先端部１４が溶融金属１に接触しているか否かを判断することが可能になることが判明した。

また、図７に示すように、溶融金属１が溶融する温度に供給用タンク４１が温度調節されていない場合（３５℃）において、上記溶融金属１を供給した後、排出し、一定時間経過後の時刻である時刻ｔ５に相当する時刻では、上限液面検出部１３ａ、中間液面検出部１３ｃおよび下限液面検出部１３ｂのそれぞれの温度センサ１１により検出された温度は、２３２．０℃、７２．６℃、および、３６．８℃であることが確認された。すなわち、上限液面検出部１３ａは、非接触状態であり、中間液面検出部１３ｃは、一部接触状態であり、下限液面検出部１３ｂは、接触状態であると考えられる。上記の結果から、溶融金属１が溶融する温度に供給用タンク４１が温度調節されていない場合の第２しきい値を、接触状態と一部接触状態との間の温度である７０℃に設定することにより、液面検出部１３の先端部１４が溶融金属１に接触しているか否かを判断することが可能になることが判明した。

なお、第１しきい値の適用条件は、供給用タンク４１の温度が３００℃±１０℃で安定している状態で、かつ、ヒータ１２がＯＮ状態である。また、第２しきい値の適用条件は、供給用タンク４１の温度が３５℃前後の状態で、かつ、ヒータ１２がＯＮ状態である。供給用タンク４１の昇温中、降温中は、溶融金属１の接触／非接触の判定は、行っていない。

第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、温度センサ１１の測温部１１ａの近傍にヒータ１２を配置して、温度センサ１１により検出された温度がしきい値（第１しきい値、第２しきい値）以下になった場合に、液面検出部１３の先端部１４と溶融金属１とが接触したと判断するように構成する。ここで、液面検出部１３の先端部１４と溶融金属１とが接触していない場合には、ヒータ１２から発せられた熱により温度センサ１１に検出される温度は比較的高くなる。一方、液面検出部１３の先端部１４と溶融金属１とが接触した場合には、ヒータ１２から発せられた熱が溶融金属１に伝熱されることにより、温度センサ１１に検出される温度は比較的低くなる。そこで、第１実施形態では、温度センサ１１による測定温度が、しきい値以下になったことに基づいて、容易に、液面検出部１３の先端部１４と溶融金属１とが接触したと判断することができる。また、上記のように、液面検出部１３の内部に温度センサ１１を含むように構成することによって、液面検出部１３の外表面に酸化物が付着した場合でも、液面検出部１３の内部の温度センサ１１の表面は、付着物による電気的な影響を受けないので、精度よく液面を検知することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、ヒータ１２を、溶融金属１の溶融温度よりも高い温度の熱を発するように構成する。これにより、液面検出部１３の先端部１４と溶融金属１とが接触した場合には、ヒータ１２から発せられた熱が溶融金属１に伝熱されるので、液面検出部１３の先端部１４と溶融金属１とが接触する前後で、温度センサ１１により検出される温度に温度差が生じる。その結果、液面検出部１３の先端部１４と溶融金属１とが接触したことが、温度センサ１１の検出結果に基づいて容易に判断される。

また、第１実施形態では、上記のように、液面検出部１３を、３つ設けて、複数の液面検出部１３を、供給用タンク４１内において、それぞれの先端部１４の高さ位置が異なるように配置する。これにより、複数の液面検出部１３のうちのいずれの液面検出部１３の先端部１４が溶融金属１に接触したかを判断することによって、溶融金属１の液面がいずれの液面検出部１３の先端部１４近傍に位置しているかを判断することができる。その結果、液面の高さ位置を複数段階で検出することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、先端部１４ａが高さ位置ｈ１に配置されている上限液面検出部１３ａと、先端部１４ｂが高さ位置ｈ１よりも低い高さ位置ｈ２に配置されている下限液面検出部１３ｂと、先端部１４ｃが高さ位置ｈ１と高さ位置ｈ２との間の高さ位置ｈ３に配置されている中間液面検出部１３ｃとを設ける。これにより、最も高い高さ位置ｈ１に配置されている上限液面検出部１３ａの先端部１４ａと溶融金属１とが接触したと判断することに基づいて、溶融金属１の補充を停止することにより、供給用タンク４１からの溶融金属１のオーバーフローを抑制することができる。また、最も低い高さ位置ｈ２に配置されている下限液面検出部１３ｂの先端部１４ｂと溶融金属１とが非接触であると判断することに基づいて、溶融金属１を用いた処理を停止させることにより、溶融金属１が不足している状態で処理が行われるのを抑制することができる。また、中間の高さ位置ｈ３に配置されている中間液面検出部１３ｃの先端部１４ｃと溶融金属１とが接触したか否かを判断することに基づいて、供給用タンク４１への溶融金属１の補充動作開始の可否の判断する（非接触状態で補充を開始する）ことにより、適切なタイミングで、補充を開始することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、３つの液面検出部１３を、束ねた状態で供給用タンク４１内に配置する。これにより、３つの液面検出部１３が互いに離間した状態で配置される場合と異なり、３つの液面検出部１３を供給用タンク４１に取り付ける取付け領域を小さくすることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、液面検出部１３の先端部１４が、略半球形状を有するように構成する。これにより、液面検出部１３の先端部１４よりも液面が下がった場合に、液面検出部１３の先端部１４に付着していた溶融金属１が迅速に滴下するので、液面検出部１３の先端部１４に付着していた溶融金属１が迅速に液面検出部１３の先端部１４から除去される。その結果、液面検出部１３の先端部１４に溶融金属１が付着した状態が維持されるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、溶融金属１が溶融する温度に供給用タンク４１が温度調節されている場合の第１しきい値を設けて、温度センサ１１により検出された温度が、第１しきい値以下になった場合に、液面検出部１３の先端部１４と溶融金属１とが接触していると判断するように構成する。これにより、第１しきい値を用いることにより温度センサ１１の検出結果に基づいて、容易に、液面検出部１３の先端部１４と溶融している状態の溶融金属１とが接触しているか否かが判断される。

また、第１実施形態では、上記のように、溶融金属１が溶融する温度に供給用タンク４１が温度調節されていない場合の第２しきい値を設けて、温度センサ１１により検出された温度が、第２しきい値以下になった場合に、液面検出部１３の先端部１４に固化した溶融金属１が接触していると判断するように構成する。これにより、第２しきい値を用いることにより温度センサ１１の検出結果に基づいて、容易に、液面検出部１３の先端部１４と固化した状態の溶融金属１とが接触しているか否が判断される。

また、第１実施形態では、上記のように、第１しきい値および第２しきい値を、液面検出部１３の先端部１４が溶融金属１に接触している場合の温度と、液面検出部１３の先端部１４の一部が溶融金属１に繋がっている場合の温度との間に設定する。これにより、液面検出部１３の先端部１４の一部が溶融金属１に繋がっている場合と混同することなく、液面検出部１３の先端部１４が溶融金属１に接触していると判断することができる。

（第２実施形態）
次に、図８を参照して、第２実施形態による液面検出システム９０の構成について説明する。第２実施形態では、３つの液面検出部１３が設けられていた上記第１実施形態と異なり、４つの液面検出部９１が設けられている。なお、液面検出部９１は、本発明の「液面検出装置」の一例である。

液面検出部９１は、上限液面検出部９１ａ、下限液面検出部９１ｂ、第１中間液面検出部９１ｃおよび第２中間液面検出部９１ｄを含む。上限液面検出部９１ａの先端部９２ａ、下限液面検出部９１ｂの先端部９２ｂ、第１中間液面検出部９１ｃの先端部９２ｃ、および、第２中間液面検出部９１ｄの先端部９２ｄのそれぞれの高さ位置ｈ１１、ｈ１２、ｈ１３およびｈ１４は、ｈ１１＞ｈ１４＞ｈ１３＞ｈ１２の関係を有する。なお、液面検出部９１は、制御部９３に接続されている。また、上限液面検出部９１ａおよび下限液面検出部９１ｂは、それぞれ、本発明の「第１液面検出部」および「第２液面検出部」の一例である。また、第１中間液面検出部９１ｃおよび第２中間液面検出部９１ｄは、本発明の「第３液面検出部」の一例である。また、高さ位置ｈ１１および高さ位置ｈ１２は、それぞれ、本発明の「第１の高さ位置」および「第２の高さ位置」の一例である。また、高さ位置ｈ１３および高さ位置ｈ１４は、本発明の「第３の高さ位置」の一例である。なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

次に、図９を参照して、液面検出システム９０の制御部９３の動作について説明する。

ここで、上限液面検出部９１ａおよび下限液面検出部９１ｂが、接触状態および非接触状態の動作は、上記第１実施形態と同様である。

制御部９３が、第１中間液面検出部９１ｃが非接触状態であると判断した場合、供給用タンク４１からの溶融金属１の補充動作が開始される。また、制御部９３が、第２中間液面検出部９１ｄが接触状態であると判断した場合、供給用タンク４１からの溶融金属１の補充動作が停止される。具体的には、第１中間液面検出部９１ｃの非接触状態が一定時間継続すると、溶融金属１の補充が開始され、第２中間液面検出部９１ｄが接触状態になるまで、補充が行われる。

なお、第２実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、温度センサとして、熱電対を用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、熱電対以外の測温抵抗体などを温度センサとして用いてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、第１しきい値を３３０℃とし、第２しきい値を７０℃としたが、本発明はこれに限られない。ここで、しきい値は、対象物の温度を超える温度に設定されている必要がある。具体的には、第１しきい値は、溶融金属の温度である３００℃を超える温度に設定され、第２しきい値は、常温を超える温度に設定されている必要がある。すなわち、しきい値は、液面検出部の先端部と溶融金属とが接触した場合に、ヒータから発せられた熱が溶融金属に伝熱されることにより、温度センサに検出される温度が低くなる場合を検出するための条件である。

また、上記第１実施形態では、液面検出システムに液面検出部を３つ設けるとともに、第２実施形態では、液面検出システムに液面検出部を４つ設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、液面検出システムに３つまたは４つ以外の数の液面検出部を設けてもよい。

また、上記第１実施形態では、３つの液面検出部が束ねられた状態で供給用タンク内に配置されているとともに、第２実施形態では、４つの液面検出部が束ねられた状態で供給用タンク内に配置されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、３つまたは４つの液面検出部を互いに離間させた状態で供給用タンク内に配置してもよい。

１ 溶融金属
１０、９０ 液面検出システム
１１ 温度センサ
１１ａ 測温部
１２ ヒータ
１３、９１ 液面検出部（液面検出装置）
１３ａ、９１ａ 上限液面検出部（液面検出部、第１液面検出部）
１３ｂ、９１ｂ 下限液面検出部（液面検出部、第２液面検出部）
１３ｃ 中間液面検出部（液面検出部、第３液面検出部）
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 先端部
１７、９３ 制御部
４１ 供給用タンク（容器）
９１ｃ 第１中間液面検出部（液面検出部、第３液面検出部）
９１ｄ 第２中間液面検出部（液面検出部、第３液面検出部）
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄ 先端部
１００ 液面検出システム
ｈ１、ｈ１１ 高さ位置（第１の高さ位置）
ｈ２、ｈ１２ 高さ位置（第２の高さ位置）
ｈ３、ｈ１３、ｈ１４ 高さ位置（第３の高さ位置）

Claims (10)

1. 容器内に収容される溶融金属の液面を検出する液面検出装置であって、
   前記容器内に配置され、温度センサと前記温度センサの測温部の近傍に配置されるヒータとを内部に含む液面検出部を備え、
   前記温度センサにより検出された温度がしきい値以下になった場合に、前記液面検出部の先端部と前記溶融金属とが接触したと判断するように構成されている、液面検出装置。
2. 前記ヒータは、前記溶融金属の溶融温度よりも高い温度の熱を発するように構成されている、請求項１に記載の液面検出装置。
3. 前記液面検出部は、複数設けられ、
   前記複数の液面検出部は、前記容器内において、それぞれの先端部の高さ位置が異なるように配置されている、請求項１または２に記載の液面検出装置。
4. 前記液面検出部は、それぞれの先端部が、第１の高さ位置に配置されている第１液面検出部と、前記第１の高さ位置よりも低い第２の高さ位置に配置されている第２液面検出部と、前記第１の高さ位置と前記第２の高さ位置との間の第３の高さ位置に配置されている第３液面検出部とを含む、請求項３に記載の液面検出装置。
5. 前記複数の液面検出部は、束ねられた状態で前記容器内に配置されている、請求項３または４に記載の液面検出装置。
6. 前記液面検出部の先端部は、略半球形状を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液面検出装置。
7. 前記しきい値は、前記溶融金属が溶融する温度に前記容器が温度調節されている場合の第１しきい値を含み、
   前記温度センサにより検出された温度が、前記第１しきい値以下になった場合に、前記液面検出部の先端部と前記溶融金属とが接触していると判断するように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の液面検出装置。
8. 前記しきい値は、前記溶融金属が溶融する温度に前記容器が温度調節されていない場合の第２しきい値を含み、
   前記温度センサにより検出された温度が、前記第２しきい値以下になった場合に、前記液面検出部の先端部に固化した前記溶融金属が接触していると判断するように構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の液面検出装置。
9. 前記しきい値は、前記液面検出部の先端部が前記溶融金属に接触している場合の温度と、前記液面検出部の先端部の一部が前記溶融金属に繋がっている場合の温度との間に設定されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の液面検出装置。
10. 容器内に収容される溶融金属の液面を検出する液面検出システムであって、
    前記容器内に配置され、温度センサと前記温度センサの測温部の近傍に配置されるヒータとを含む液面検出部と、
    前記温度センサにより検出された温度が、しきい値以下になった場合に、前記液面検出部の先端部と前記溶融金属とが接触したと判断して、前記溶融金属を前記容器内に補充または前記溶融金属を用いた処理を停止させる制御部とを備え、
    前記液面検出部は、それぞれの先端部が、第１の高さ位置に配置されている第１液面検出部と、前記第１の高さ位置よりも低い第２の高さ位置に配置されている第２液面検出部とを含み、
    前記制御部は、前記第１液面検出部の先端部と前記溶融金属とが接触したと判断した際に、前記溶融金属の前記容器内への補充を停止し、前記第２液面検出部の先端部と前記溶融金属とが非接触であると判断した際には、前記溶融金属を用いた処理を停止させるように構成されている、液面検出システム。

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