KR20120064631A - 이물질 검출 장치, 이물질 검출 방법, 액적 토출 장치, 및 액적 토출 방법 - Google Patents

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Abstract

실시 형태에 관한 이물질 검출 장치는, 신호 발생부, 발신부, 수신부, 정보를 저장하는 저장부 및 검출부를 구비하고 있다. 상기 신호 발생부는, 전기 신호를 발생시킨다. 상기 발신부는, 상기 전기 신호를 변환하여 액체 중에 압력파를 발생시킨다. 상기 수신부는, 상기 액체로부터의 반사파를 수신하여 전기 신호로 변환한다. 상기 저장부는, 상기 액체에 이물질이 포함되어 있지 않은 상태에 관한 정보를 저장한다. 상기 검출부는, 상기 반사파를 변환한 전기 신호와, 상기 저장된 정보에 기초하는 전기 신호의 차에 기초하여 상기 이물질의 유무 및 상기 이물질의 크기 중 적어도 어느 하나를 검출한다.

Description

이물질 검출 장치, 이물질 검출 방법, 액적 토출 장치, 및 액적 토출 방법{FOREIGN MATERIAL DETECTING APPARATUS, FOREIGN MATERIAL DETECTING METHOD, LIQUID DROPLET DISCHARGING APPARATUS, AND LIQUID DROPLET DISCHARGING METHOD}
[관련 출원의 인용]
본 출원은, 2010년 12월 9일에 출원한 선행하는 일본 특허 출원 제2010-275033호 및 2011년 2월 25일에 출원한 선행하는 일본 특허 출원 제2011-039540호에 의한 우선권의 이익에 기초하며, 또한 그 이익을 구하고 있으며, 그 내용 전체가 인용에 의해 여기에 포함된다.
여기서 설명하는 실시 형태는, 전반적으로 이물질 검출 장치, 이물질 검출 방법, 액적 토출 장치 및 액적 토출 방법에 관한 것이다.
액체 중에 있는 이물질을 검출하는 기술이 알려져 있다. 예를 들어, 액적 토출 장치에 있어서, 토출시키는 액체 중에 기포 등의 이물질이 있는지의 여부를 검출하는 기술이 제안되어 있다.　
이러한 기술에 있어서는, 예를 들어 기포가 존재하는 것에 의한 진동 레벨의 감쇠나, 잔류 진동 파형으로부터 기포의 유무를 판별하도록 하고 있다.
그러나, 이러한 기술에 있어서는, 가는 관로 중 등과 같은 작은 영역에 있는 기포 등의 이물질을 검출하는 것이 곤란했다. 그로 인해, 가는 관로 중 등과 같은 작은 영역에 있는 기포 등의 이물질을 고정밀도로 검출할 수 있는 기술의 개발이 요망되고 있었다.
본 발명의 실시 형태는, 이물질의 검출 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 이물질 검출 장치, 이물질 검출 방법, 액적 토출 장치 및 액적 토출 방법을 제공한다.
실시 형태에 관한 이물질 검출 장치는, 신호 발생부, 발신부, 수신부, 정보를 저장하는 저장부 및 검출부를 구비하고 있다.
상기 신호 발생부는, 전기 신호를 발생시킨다. 상기 발신부는, 상기 전기 신호를 변환하여 액체 중에 압력파를 발생시킨다. 상기 수신부는, 상기 액체로부터의 반사파를 수신하여 전기 신호로 변환한다. 상기 저장부는, 상기 액체에 이물질이 포함되어 있지 않은 상태에 관한 정보를 저장한다. 상기 검출부는, 상기 반사파를 변환한 전기 신호와, 상기 저장된 정보에 기초하는 전기 신호의 차에 기초하여 상기 이물질의 유무 및 상기 이물질의 크기 중 적어도 어느 하나를 검출한다.
상술한 구성에 의하면, 이물질의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 이물질 검출 장치 및 액적 토출 장치를 예시하기 위한 모식도.
도 2는 검출의 타이밍을 예시하기 위한 모식 그래프도.
도 3a 및 도 3b는 기포 B에 관한 정보의 추출을 예시하기 위한 모식 그래프도이며, 도 3a는 기포 B가 있는 경우의 반사파에 기초하는 전기 신호 S1과, 기포 B가 없는 경우의 전기 신호 S2를 예시하기 위한 도면 및 도 3b는 기포 B에 관한 정보가 포함된 전기 신호를 예시하기 위한 도면.
도 4는 기포 B의 직경 치수와 산란 단면적의 관계를 예시하기 위한 그래프도.
도 5는 제2 실시 형태에 관한 이물질 검출 장치 및 액적 토출 장치를 예시하기 위한 모식도.
도 6은 제3 실시 형태에 관한 이물질 검출 방법을 예시하기 위한 흐름도.
도 7은 제4 실시 형태에 관한 액적 토출 방법을 예시하기 위한 흐름도.
이하, 도면을 참조하면서, 실시 형태에 대하여 예시한다. 또한, 각 도면 중, 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명은 적절히 생략한다.　
또한, 이하에서는 일례로서, 이물질 검출 장치를 액적 토출 장치에 설치한 경우, 이물질 검출 방법을 액적 토출 방법에 적용한 경우를 예시한다. 단, 이물질 검출 장치나 이물질 검출 방법의 적용 대상은 이것에 한정되는 것은 아니고, 액체에 포함된 기포 등의 이물질의 검출에 널리 적용할 수 있다.
도 1은, 제1 실시 형태에 관한 이물질 검출 장치 및 액적 토출 장치를 예시하기 위한 모식도이다.　
액적 토출 장치의 구동 방식에는, 가열에 의해 기포를 발생시켜 막비등 현상을 이용하여 액체를 토출시키는 「서멀형」과, 압전 소자의 굴곡 변위를 이용하여 액체를 토출시키는 「압전형」이 있지만, 일례로서, 여기에서는 압전형을 예로 들어 설명한다.
액적 토출 장치(100)에는, 압전부(101), 노즐 본체(102), 가요성 막(103), 노즐부(104), 감쇠부(105), 커버(106), 이물질 검출 장치(1)가 설치되어 있다.
압전부(101)는, 예를 들어 구동 전극(101a), 부재(101b), 구동 전극(101c), 부재(101d), 구동 전극(101e)을 순서대로 적층한 후, 일체 소성한 것으로 할 수 있다. 일체 소성된 압전부(101)는, 강도가 높아 취급도 용이하다.
부재(101b), 부재(101d)는, 압전 재료로 형성된 것으로 할 수 있다. 압전 재료로서는, 압전 세라믹스(예를 들어, 지르콘티타늄산납) 등을 예시할 수 있다. 구동 전극(101a), 구동 전극(101c), 구동 전극(101e)은 구리 합금 등으로 형성된 것으로 할 수 있다.　
후술하는 바와 같이, 압전부(101)는 액체를 토출시키기 위한 가압원으로 되지만, 이물질 검출 장치(1)의 발신부 및 수신부로서의 기능도 갖고 있다. 또한, 이물질 검출 장치(1)에 설치된 신호 발생부(2)는, 압전부(101)를 가압원으로 하여 구동하기 위한 전기 신호를 출력하는 기능도 갖고 있다.
노즐 본체(102)에는, 토출시키는 액체를 수납하는 액실(102a)이 형성되어 있다. 액실(102a)은, 노즐 본체(102)의 양단부 사이를 관통하도록 하여 형성되어 있다. 액실(102a)은, 예를 들어 등가 직경 치수가 d로 되는 단면을 갖는 것으로 할 수 있다.　
여기서, 등가 직경 치수 d는, 액실(102a)의 단면 형상이 원형인 경우에는 그 직경 치수이며, 예를 들어 액실(102a)의 단면 형상이 다각형 등인 경우에는 동일한 단면적을 갖는 원형 단면으로 변환한 경우의 직경 치수이다.
또한, 등가 직경 치수 d에 관한 상세는 후술한다.
또한, 액실(102a)에는 도시하지 않은 유로가 연통되어, 도시하지 않은 유로를 통하여 액실(102a) 내에 액체가 공급되도록 되어 있다.
노즐 본체(102)는, 예를 들어 스테인리스나 니켈 합금 등으로 형성된 것으로 할 수 있다.
가요성 막(103)은, 노즐 본체(102)의 한쪽의 단부에 형성되어 있다. 가요성 막(103)은, 액실(102a)의 개구부를 덮도록 형성되어 있다.
또한, 가요성 막(103)의 노즐 본체(102)에 형성된 측과는 반대측 면에는, 압전부(101)가 설치되어 있다. 이 경우, 압전부(101)의 굴곡 변위에 의한 압력파가 액실(102a) 내의 액체에 전해지기 쉽도록, 액실(102a)의 개구부와 대향시키도록 하여 압전부(101)를 설치하도록 할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 압전부(101)가 노즐 본체(102)의 한쪽의 단부측에 형성된 액실(102a) 내의 액체에 압력을 가하는 가압부로 된다.
가요성 막(103)은, 예를 들어 스테인리스 등으로 형성된 것으로 할 수 있다.
노즐부(104)는, 노즐 본체(102)의 다른 쪽의 단부에 형성되어 있다. 노즐부(104)는, 판상이며, 두께 방향을 관통하는 노즐 구멍(104a)이 형성되어 있다. 노즐 구멍(104a)의 일단부는 액실(102a)에 개구되고, 타단부는 액적 토출 장치(100)의 외부에 개구되어 있다.
노즐부(104)는, 예를 들어 스테인리스나 니켈 합금 등으로 형성된 것으로 할 수 있다.
감쇠부(105)는, 압전부(101) 주위를 둘러싸도록 하여 가요성 막(103)에 설치되어 있다. 압전부(101)에 있어서는 소위 메인 진동이 발생하지만, 이것과 동시에 스퓨리어스 진동 등의 불필요한 진동도 발생한다. 그로 인해, 감쇠부(105)를 설치함으로써 스퓨리어스 진동 등을 감쇠시켜, 스퓨리어스 진동 등이 메인 진동에 미치는 악영향을 저감시키도록 하고 있다.
감쇠부(105)는, 예를 들어 실리콘 고무 등으로 형성된 것으로 할 수 있다.
커버(106)는, 일단부가 개구된 오목부(106a)를 구비하고 있다. 그리고, 커버(106)는, 오목부(106a) 내부에 압전부(101), 감쇠부(105)를 수납하도록 하고 가요성 막(103)에 설치되어 있다. 또한, 커버(106)에는, 압전부(101)의 배선을 통과시키기 위한 도시하지 않은 구멍 등이 적절히 형성되어 있다.
커버(106)는, 예를 들어 수지나 금속 등으로 형성된 것으로 할 수 있다.
이물질 검출 장치(1)에는, 신호 발생부(2), 전환부(3), 저장부(4), 검출부(5)가 설치되어 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 압전부(101)가 전기 신호를 변환하여 액체 중에 압력파를 발생시키는 발신부 및 반사파를 수신하여 전기 신호로 변환하는 수신부로서의 기능을 한다.
또한, 반사파에는, 후술하는 기계계 진동에 기초한 것, 「기포에 의한 압력파」, 액실(102a)의 벽면이나 노즐부(104) 등에 닿음으로써 발생한 압력파가 포함되게 되지만, 이들의 상세는 후술한다.
신호 발생부(2)는, 기포 B 등의 이물질을 검출하기 위한 전기 신호를 발생시킨다. 즉, 소정의 주파수를 갖는 압력파를 압전부(101)에 의해 발생시키기 위한 전기 신호를 발생시킨다. 이 경우, 신호 발생부(2)는 후술하는 수학식 3이나 수학식 4를 만족하는 주파수 f를 갖는 전기 신호를 발생시키도록 할 수 있다.
또한, 주파수의 레인지에 따라 복수의 신호 발생부와, 주파수 레인지의 전환부를 설치해도 좋다.
또한, 전술한 바와 같이, 신호 발생부(2)는, 압전부(101)를 가압원으로 하여 구동하기 위한 전기 신호를 출력하는 기능도 갖고 있다.
전환부(3)는, 전기 신호의 전환을 행한다. 예를 들어, 신호 발생부(2)로부터의 전기 신호가 압전부(101)에 보내질 때에는, 검출부(5)측에 그 전기 신호가 보내지지 않도록 한다. 한편, 압전부(101)로부터의 전기 신호가 검출부(5)측에 보내질 때에는, 신호 발생부(2)측에 그 전기 신호가 보내지지 않도록 한다.
저장부(4)는, 기준이 되는 정보를 저장한다. 예를 들어, 액체에 기포 B 등의 이물질이 포함되어 있지 않은 상태에 관한 정보를 저장하도록 할 수 있다. 기포 B 등의 이물질이 포함되어 있지 않은 상태에 관한 정보는, 미리 수집된 것을 저장하도록 할 수 있다. 또한, 토출 상태 등으로부터 판단하여 기포 B 등의 이물질이 없는 상태라고 추정된 정보를 차차 저장하도록 할 수도 있다.
검출부(5)는, 압전부(101)에 의해 수집된 정보, 즉 후술하는 반사파에 관한 정보와, 저장부(4)로부터의 정보에 기초하여 기포 B 등의 이물질의 유무 및 기포 B 등의 이물질의 크기 중 적어도 어느 하나를 검출한다. 즉, 검출부(5)는, 반사파를 변환한 전기 신호와, 저장된 정보에 기초하는 전기 신호의 차에 기초하여 기포 B 등의 이물질의 유무 및 기포 B 등의 이물질의 크기 중 적어도 어느 하나를 검출한다.　
이 경우, 후술하는 바와 같이, 검출부(5)는, 반사파를 변환한 전기 신호와, 저장부(4)에 저장된 정보에 기초하는 전기 신호의 차의 2승에 기초하여 이물질의 크기를 검출하도록 할 수 있다.
또한, 검출부(5)는, 반사파를 변환한 전기 신호와, 저장부(4)에 저장된 정보에 기초하는 전기 신호의 차에 기초하여 산란 단면적 σsc를 구하고, 미리 구해진 기포 B 등의 이물질의 크기와 산란 단면적 σsc의 관계로부터 기포 B 등의 이물질의 크기를 검출하도록 할 수 있다.
또한, 검출부(5)는, 기포 B 등의 이물질의 유무에 관한 검출 결과나, 기포 B 등의 이물질의 크기의 검출 결과를, 외부의 기기 등을 향하여 출력하도록 할 수 있다. 또한, 기포 B 등의 이물질의 유무의 검출이나 기포 B 등의 크기의 검출에 관한 상세는 후술한다.
이어서, 이물질 검출 장치(1)의 작용에 대하여 예시한다.
여기에서는, 일례로서, 이물질이 기포 B인 경우를 예로 들어 설명한다.　　도 2는, 검출의 타이밍을 예시하기 위한 모식 그래프도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 도 1의 압전부(101)에 소정의 전기 신호 A를 인가하면, 압전부(101)가 작동하여, 액실(102a)에 액체가 보충되어, 전기 신호 A가 내려가는 기간에 상기 액체가 노즐 구멍(104a)으로부터의 토출 동작이 행해진다. 실제로 상기 액체가 노즐 구멍(104a)으로부터 토출되는 것은, 액실(102a)에 보충된 상기 액체가 압박될 때까지의 시간만큼 지연된다. 상기 액체의 토출의 종료 후, S로 나타낸 바와 같은 전기 신호가, 수신부이기도 한 압전부(101)에 의해 검출된다.
압전부(101)에 상기 소정의 전기 신호 A를 인가하면, 액체 중에 압력파가 발생한다. 그리고, 전기 신호 A의 인가 후에 있어서는, 가요성 막(103) 등에 의한 기계계 진동, 후술하는 「기포에 의한 압력파」, 액실(102a)의 벽면이나 노즐부(104) 등에 닿음으로써 발생한 압력파 등에 의해, 도 2 중의 S로 나타낸 바와 같은 전기 신호가 수신부이기도 한 압전부(101)에 의해 검출된다.
그로 인해, 기포 B의 유무의 검출이나 기포 B의 크기의 검출은, 전기 신호 S에 기초하여 행해지게 된다.
또한, 전기 신호 S에는 「기포에 의한 압력파」 이외의 정보도 포함되어 있지만, 검출부(5)에 있어서, 기포 B가 포함되어 있지 않은 경우의 전기 신호의 차를 구함으로써 「기포에 의한 압력파」 이외의 정보를 제거할 수 있다.
우선, 기포 B에 관한 검출을 위해, 신호 발생부(2)에 있어서 소정의 주파수 f를 갖는 전기 신호를 발생시킨다. 이 전기 신호는, 압전부(101)에 의해 소정의 주파수를 갖는 압력파를 발생시키기 위한 것이다.
또한, 주파수의 레인지에 따라 복수의 신호 발생부와, 주파수 레인지의 전환부가 설치되어 있는 경우에는, 적절한 주파수를 갖는 전기 신호를 발생시킬 수 있도록 주파수 레인지의 전환이 행해진다.
또한, 주파수 f에 관한 상세는 후술한다.
신호 발생부(2)로부터 출력된 전기 신호는, 전환부(3)를 통하여 압전부(101)에 입력된다. 이물질 검출 장치(1)의 발신부이기도 한 압전부(101)는, 입력된 전기 신호를 굴곡 변위로 변환함으로써 압력파를 발생시킨다.
발생한 압력파는, 가요성 막(103)을 통하여 액실(102a) 내의 액체 중을 전파하여, 액실(102a)의 벽면이나 노즐부(104) 등에 닿음으로써 산란(반사)에 의한 압력파가 발생한다.　또한, 기포 B가 있는 경우에는 압력파가 기포 B에 닿음으로써 산란(반사)에 의한 압력파가 발생한다. 또한, 압력파가 기포 B에 닿음으로써 기포 B에 체적 변화가 발생하여, 이 체적 변화에 기인하는 압력파가 발생한다. 또한, 기포 B에 관한 산란에 의한 압력파와, 체적 변화에 기인하는 압력파에서는, 체적 변화에 기인하는 압력파가 현격한 차이로 압력이 더 크다.
본 명세서에 있어서는, 기포 B에 닿음으로써 발생한 산란에 의한 압력파와, 기포 B의 체적 변화에 기인하는 압력파를 합한 것을 「기포에 의한 압력파」라고 칭하기로 한다.　　또한, 「기포에 의한 압력파」와, 액실(102a)의 벽면이나 노즐부(104) 등에 닿음으로써 발생한 압력파와, 전술한 가요성 막(103) 등의 기계계 진동에 관한 것을 합한 것을 「반사파」라고 칭하기로 한다.
그로 인해, 반사파에는 기포 B의 유무나 크기 등의 기포 B에 관한 정보가 포함되게 된다.
발생한 반사파는, 이물질 검출 장치(1)의 수신부이기도 한 압전부(101)에 입사되어, 압전부(101)의 굴곡 변위에 따른 전기 신호로 변환된다.
반사파에 기초하는 전기 신호는, 전환부(3)를 통하여 검출부(5)에 입력된다. 한편, 저장부(4)로부터는 기포 B가 포함되어 있지 않은 상태에 관한 정보가 전기 신호로 변환되어 제공된다. 그리고, 검출부(5)에 있어서 반사파에 기초하는 전기 신호와, 기포 B가 포함되어 있지 않은 경우의 전기 신호의 차를 구함으로써 기포 B에 관한 정보가 추출된다.
검출부(5)는, 추출된 기포 B에 관한 정보에 기초하여 기포 B의 유무를 검출한다. 기포 B의 유무의 검출은, 예를 들어 미리 정해진 임계값 등에 기초하여 행하도록 할 수 있다. 또한, 검출부(5)는, 추출된 기포 B에 관한 정보에 기초하여 기포 B의 크기를 검출할 수도 있다.
이어서, 기포 B의 유무의 검출이나 기포 B의 크기의 검출에 대하여 더 예시한다.
도 3a 및 도 3b는, 기포 B에 관한 정보의 추출을 예시하기 위한 모식 그래프도이다.
도 3a는 기포 B가 있는 경우의 반사파에 기초하는 전기 신호 S1과, 기포 B가 없는 경우의 반사파에 기초하는 전기 신호 S2를 예시하기 위한 모식 그래프도이다. 도 3b는, 기포 B에 관한 정보가 포함된 전기 신호를 예시하기 위한 모식 그래프도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 기포 B가 있는 경우의 반사파에 기초하는 전기 신호 S1과, 기포 B가 포함되어 있지 않은 경우의 전기 신호 S2에서는 파형이 상이한 것으로 된다.
그로 인해, 기포 B가 있는 경우의 반사파에 기초하는 전기 신호 S1과 기포 B가 포함되어 있지 않은 경우의 전기 신호 S2의 차를 구함으로써, 도 3b에 도시한 바와 같이 기포 B에 관한 정보가 포함된 전기 신호를 추출할 수 있다. 또한, 기포 B가 포함되어 있지 않은 경우의 반사파에 기초하는 전기 신호와, 기포 B가 포함되어 있지 않은 경우의 전기 신호 S2에서는 파형이 마찬가지의 것이 되므로, 양자의 차를 구하면 거의 0(영)으로 된다.
이와 같이 하여 추출된 기포 B에 관한 정보와 미리 정해진 임계값 등을 사용하여 기포 B의 유무를 검출하도록 할 수 있다.
도 4는, 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적의 관계를 예시하기 위한 그래프도이다.
횡축은 기포 B의 반경 치수, 종축은 산란 단면적 σsc이며, 도면 중의 d1 내지 d5는 액실(102a)의 등가 직경 치수를 표현하고 있다. 또한, d1은 10mm, d2는 4mm, d3은 3mm, d4는 2mm, d5는 1mm의 경우이다.
여기서, 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적 σsc의 관계에 있어서, 산란 단면적 σsc가 일정한 경우에도 산란 단면적 σsc에 대응하는 기포 B의 반경 치수가 복수 존재하는 경우가 있다.
예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이, 등가 직경 치수가 d1인 경우에 산란 단면적 σsc를 「α」로 하면, 이것에 대응하는 기포 B의 반경 치수가 3개 존재하게 된다.
그로 인해, 이와 같은 경우에는, 기포 B의 크기의 특정이 곤란해진다.
이 경우, 기포 B의 크기를 알 수 없으므로, 토출 이상(불토출의 발생, 액량의 균일성의 악화, 착탄 정밀도의 악화 등)이 발생하는 크기로 기포 B가 성장하기 전에, 배출 동작 등을 행하게 하는 등의 대처를 행할 수 없었다. 그로 인해, 토출 이상의 발생을 미연에 방지할 수 없었다.
그러나, 도 4에 도시한 바와 같이, 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적 σsc의 관계가 선형으로 되는 부분에 있어서는, 산란 단면적 σsc로부터 기포 B의 반경 치수를 구할 수 있다.　여기서, 산란 단면적 σsc는 이하의 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
또한, Wsc는 산란 파워, Iinc는 입사 강도이다.
또한, 산란 파워 Wsc는 이하의 수학식 2에 의해 구할 수 있다.　
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, ρ는 액체의 밀도, c는 음속, r은 기포 B까지의 거리, Ps(r, t)는 기포 B로부터 방사되는 압력이다. 이 경우, Ps(r, t)는 공간 의존과 시간 의존을 포함하는 것이다. 또한, < >t는 시간 평균인 것을 표현하고 있다. 또한, 작은 영역에서는 r을 액체가 수납되는 요소의 압력 전파 방향의 치수로 할 수 있다. 예를 들어, 액실(102a)에 있어서는 r을 액실(102a)의 축방향 치수(토출 방향의 치수)로 할 수 있다.
그리고, Ps(r, t)는 기포 B로부터 방사되는 압력이기 때문에, 도 3b에 예시한 파형이 Ps(r, t)로 된다.
즉, 도 3b에 예시한 바와 같은 기포 B에 관한 정보가 포함된 전기 신호를 추출함으로써, 산란 단면적 σsc를 구하여 기포 B의 크기를 검출하도록 할 수 있다.
또한, 기포 B에 관한 정보가 포함된 전기 신호로부터 산란 단면적 σsc를 연산하고, 연산된 산란 단면적 σsc로부터 기포 B의 반경 치수를 연산하는 것은, 검출부(5)에 있어서 행하도록 할 수 있다.
여기서, 산란 단면적 σsc로부터 기포 B의 반경 치수를 연산하는 경우를 예시했지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
기포 B에 관한 정보가 포함된 Ps(r, t)를 알 수 있으면, 산란 단면적 σsc의 연산까지를 행하지 않아도 기포 B의 반경 치수를 연산할 수 있다.
즉, 수학식 2 중, 기포 B에 관한 정보가 포함된 부분은 Ps(r, t)이기 때문에, 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적 σsc의 관계와 마찬가지로, 기포 B의 반경 치수와 Ps(r, t)2의 관계를 구할 수 있다.
그로 인해, 기포 B에 관한 정보가 포함된 전기 신호와, 기포 B가 포함되어 있지 않은 상태에 관한 정보에 기초하는 전기 신호의 차의 2승에 기초하여 기포 B의 크기를 검출하는 것이 가능하게 된다.
여기서, 도 4에 도시한 바와 같이, 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적 σsc의 관계가 선형으로 되는 부분과 비선형으로 되는 부분이 발생한다.
또한, 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적 σsc의 관계가 선형으로 되는 부분에 있어서는, 액실(102a)의 등가 직경 치수 d1 내지 d5에 의한 영향이 작은 것을 알았다.
그로 인해, 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적 σsc의 관계가 선형으로 되도록 압전부(101)를 구동하도록 하는 것이 바람직하다.
이 경우, 압전부(101)의 구동 주파수, 즉 신호 발생부(2)에 있어서 발생시키는 전기 신호의 주파수 f를 이하의 수학식 3과 같이 하면, 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적 σsc의 관계가 선형으로 되도록 할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, Ro는 최대 기포 크기, Po는 액실(102a) 내의 액체의 평형 압력, ρ는 액체의 밀도, γ는 비열비이다.
또한, 최대 기포 크기 Ro란, 검출 대상으로 하는 기포 중 가장 크기가 큰 기포의 반경 치수이다. 예를 들어, 후술하는 토출 이상의 판정에 사용되는 임계값에 대응하는 기포의 반경 치수 등이다.
이 경우, 평형 압력 Po나 최대 기포 크기 Ro는, 이물질 검출 장치(1)가 설치되는 대상에 따라 적절히 설정할 수 있다.
그리고, 예를 들어 미리 실험이나 시뮬레이션 등에 의해 구해진 평형 압력 Po나 최대 기포 크기 Ro를 사용하여, 신호 발생부(2)에 있어서 발생시키는 전기 신호의 주파수 f를 구한다. 그리고, 구해진 주파수 f에 의해 압전부(101)를 구동하도록 하면, 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적 σsc의 관계를 선형으로 할 수 있다. 그로 인해, 전술한 수학식 1, 수학식 2를 사용하여 연산된 산란 단면적 σsc로부터 기포 B의 반경 치수를 구하는 것이 용이하게 된다.
즉, 이와 같이 하여 구해진 주파수 f에 의해 압전부(101)를 구동하도록 하면, 최대 기포 크기 Ro 이하의 크기의 기포 B의 반경 치수를 구할 수 있게 된다.
또한, 액실(102a)의 등가 직경 치수 d를 고려하도록 하면, 산란 단면적 σsc에 대응하는 기포 B의 반경 치수가 복수 존재하지 않도록 할 수 있다.
즉, 산란 단면적 σsc에 대응하는 기포 B의 반경 치수를 1개로 할 수 있으므로, 오검출을 없앨 수 있다.
이 경우, 본 발명자가 얻은 지식에 의하면, 이하의 수학식 4를 만족하는 주파수 f를 갖는 전기 신호를 신호 발생부(2)에 있어서 발생시키도록 하면, 오검출의 발생을 없앨 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
여기서, d는 액실(102a)의 등가 직경 치수이다.
또한, 이하의 수학식 5를 만족하는 등가 직경 치수 d를 갖는 액실(102a)이 형성되도록 할 수도 있다.
이 경우, 액실(102a)은, 이상 검출 장치(1)에 형성된 액체를 수납하는 수납부의 일례에 상당하게 된다.　
[수학식 5]
Figure pat00005
여기서, f는 신호 발생부(2)에 있어서 발생시키는 주파수이다.
수학식 3이나 수학식 4로 표현된 주파수 f에 관한 정보는 신호 발생부(2)에 입력되고, 신호 발생부(2)는 입력된 주파수 f에 관한 정보에 기초하여 전기 신호를 발생시킨다.
또한, 입력된 최대 기포 크기 Ro, 액실(102a) 내의 액체의 평형 압력 Po, 액체의 밀도 ρ, 비열비 γ, 액실(102a)의 등가 직경 치수 d 등에 기초하여 주파수 f에 관한 정보를 연산하는 도시하지 않은 연산부를 설치하고, 연산된 주파수 f에 관한 정보를 도시하지 않은 연산부로부터 신호 발생부(2)에 제공시키도록 할 수도 있다.
본 실시 형태에 관한 이물질 검출 장치(1)에 의하면, 기포 B 등의 이물질의 유무뿐만 아니라, 높은 정밀도로 기포 B 등의 이물질의 크기까지 검출할 수 있다.
그로 인해, 문제의 미연 방지나 생산성의 향상을 더욱 높은 확실도로 실현할 수 있다.
이상, 기포 B의 유무를 검출하는 경우를 예시했지만, 먼지 등의 고체의 이물질의 유무도 검출할 수 있다. 또한, 기포 B의 크기를 검출하는 경우를 예시했지만, 압력 변화에 따라 체적 변화가 발생하는 이물질의 크기를 검출할 수 있다.
이어서, 액적 토출 장치(100)의 작용에 대하여 예시한다.
신호 발생부(2)에 있어서 압전부(101)에 의해 압력파를 발생시키기 위한 전기 신호를 발생시킨다. 이 경우, 압전부(101)에 인가하는 전압을 제어하면 압전부(101)의 굴곡 변위, 나아가서는 토출량을 제어할 수 있다. 그로 인해, 신호 발생부(2)에 있어서 발생시키는 전기 신호는 토출량에 따른 전압 변화를 갖고 있다.
신호 발생부(2)로부터 출력된 전기 신호는, 전환부(3)를 통하여 압전부(101)에 입력된다. 압전부(101)는, 입력된 전기 신호를 굴곡 변위로 변환함으로써 압력파를 발생시킨다. 발생한 압력파는, 가요성 막(103)을 통하여 액실(102a) 내의 액체에 전달되어, 액실(102a) 내의 액체가 노즐 구멍(104a)의 방향을 향하여 가압된다. 노즐 구멍(104a)의 방향을 향하여 가압된 액체는, 노즐 구멍(104a)으로부터 액적으로서 토출된다. 토출에 의해 감소된 만큼의 액체는, 도시하지 않은 유로를 통하여 액실(102a) 내에 보충된다.
그리고, 예를 들어, 순서대로 또는 정기적으로 전술한 기포 B의 유무의 검출이나 크기의 검출이 행해진다.
또한, 검출된 기포 B의 크기에 기초하여, 토출 이상의 발생에 관한 판정이 행해진다.
이 경우, 소정의 임계값보다 큰 기포 B가 있는 경우에는 토출 작업을 중단하여 액실(102a)로부터 기포 B를 배출시키는 유지 보수 작업을 행하도록 할 수 있다.
또한, 예를 들어 기포 B의 크기가 소정의 임계값 미만인 경우에는 토출 작업을 속행하고, 기포 B의 크기가 소정의 임계값 이상인 경우에는 토출 작업을 중단하여 액실(102a)로부터 기포 B를 배출시키는 유지 보수 작업을 행하도록 할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 액적 토출 장치(100)에 의하면, 문제의 발생을 미연에 방지하거나, 생산성을 향상시키거나 할 수 있다.
도 5는, 제2 실시 형태에 관한 이물질 검출 장치 및 액적 토출 장치를 예시하기 위한 모식도이다.
도 5에 예시한 액적 토출 장치(100a)도 압전형의 액적 토출 장치이다.
액적 토출 장치(100a)에는, 압전부(101), 노즐 본체(102), 가요성 막(103), 노즐부(104), 감쇠부(105), 커버(106), 이물질 검출 장치(1a)가 설치되어 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 압전부(101)는 액체를 토출시키기 위한 가압원으로 되지만, 이물질 검출 장치(1a)의 발신부로서의 기능까지 갖고 있다. 단, 전술한 액적 토출 장치(100)와는 달리, 이물질 검출 장치(1a)의 수신부로서의 기능은 갖고 있지 않다.
이물질 검출 장치(1a)에는, 신호 발생부(2), 저장부(4), 검출부(5), 수신부(6))가 설치되어 있다.
전술한 이물질 검출 장치(1)의 경우에는, 압전부(101)를 이물질 검출 장치(1)의 발신부 및 수신부로 하고, 전환부(3)에 의해 전기 신호의 전환을 행하도록 하고 있다.
이에 대해, 이물질 검출 장치(1a)의 경우에는, 수신부(6)를 별도로 설치하도록 하고 있으므로 전환부(3)가 불필요하게 된다.
수신부(6)는, 예를 들어 압전부(101)와 마찬가지로 압전 재료로 형성된 부재와 구동 전극을 갖는 것으로 할 수 있다. 단, 이것에 한정되는 것은 아니고 기계적인 변위에 따른 전기 신호를 발생시킬 수 있는 것을 적절히 선택할 수 있다.
이물질 검출 장치(1a)에 있어서는, 발생한 반사파를 수신부(6)에 의해 수신하고, 수신부(6)에 의해 전기 신호로 변환한다.
이 반사파에 기초하는 전기 신호는, 검출부(5)에 입력되어, 전술한 것과 마찬가지로 하여 기포 B의 유무나 기포 B의 크기가 검출된다.
또한, 기포 B의 유무의 검출이나 기포 B의 크기의 검출은 전술한 것과 마찬가지로 할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
본 실시 형태에 관한 이물질 검출 장치(1a)에 의하면, 전술한 이물질 검출 장치(1)와 마찬가지의 효과를 향수할 수 있다. 또한, 전환부(3)를 생략할 수 있는 점에 관하여 구성의 간소화를 도모할 수 있다.
또한, 액적 토출 장치(100a)의 작용은, 전술한 액적 토출 장치(100)의 경우와 마찬가지로 할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이상으로 예시한 것은, 압전부(101)와 이물질 검출 장치(1)의 발신부 및 수신부를 겸용으로 한 경우, 압전부(101)와 이물질 검출 장치(1a)의 발신부를 겸용으로 한 경우이지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 압전부(101)와 이물질 검출 장치의 수신부를 겸용으로 할 수도 있다. 또한, 압전부(101)와 이물질 검출 장치의 발신부 및 수신부를 각각 별개로 설치하도록 할 수도 있다. 또한, 서멀형의 액적 토출 장치인 경우에는, 이물질 검출 장치의 수신부를 설치하도록 하기만 해도 좋다. 이 경우, 수신부로서는 전술한 것과 같은 압전부로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 제3 실시 형태에 관한 이물질 검출 방법에 대하여 예시한다.
도 6은, 제3 실시 형태에 관한 이물질 검출 방법을 예시하기 위한 흐름도이다.　 여기에서는, 일례로서, 이물질이 기포 B인 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, 소정의 주파수 f를 갖는 압력파를 액체에 도입한다(스텝 S1).
이 경우, 주파수 f는 수학식 3을 만족하는 것으로 할 수 있다. 또한, 수학식 4까지 만족하는 것으로 할 수 있다.
또한, 주파수의 레인지에 따라 복수의 신호 발생부와, 주파수 레인지의 전환부가 설치되어 있는 경우에는, 적절한 주파수 f를 갖는 전기 신호를 발생시킬 수 있도록 주파수 레인지의 전환이 행해진다.
이어서, 액체로부터의 반사파를 전기 신호로 변환한다(스텝 S2).
이어서, 반사파를 변환한 전기 신호와, 기포 B가 포함되어 있지 않은 경우의 전기 신호의 차를 구함으로써 기포 B에 관한 정보를 추출한다(스텝 S3).
이어서, 추출된 기포 B에 관한 정보에 기초하여 기포 B의 유무 및 기포 B의 크기 중 적어도 어느 하나를 구한다(스텝 S4).
이때, 기포 B의 크기는 전술한 것과 마찬가지로 하여 구하도록 할 수 있다. 예를 들어, 기포 B에 관한 정보가 포함된 전기 신호와, 기포 B가 포함되어 있지 않은 상태에 관한 정보의 차의 2승에 기초하여 이물질의 크기를 검출하도록 할 수 있다.
또한, 예를 들어 수학식 1, 수학식 2에 의해 산란 단면적 σsc를 구하고, 미리 구해진 기포 B의 반경 치수와 산란 단면적 σsc의 관계(예를 들어, 도 4를 참조)로부터 기포 B의 반경 치수를 구하도록 할 수 있다.
또한, 각 스텝에 있어서의 내용은, 전술한 것과 마찬가지로 할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
또한, 기포 B의 유무를 구하는 경우를 예시했지만, 먼지 등의 고체의 이물질의 유무도 구할 수 있다.
또한, 기포 B의 크기를 구하는 경우를 예시했지만, 압력 변화에 따라 체적 변화가 발생하는 이물질의 크기를 구할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 이물질 검출 방법에 의하면, 액실(102a) 등과 같은 작은 영역에서도 기포 B 등의 이물질을 고정밀도로 검출할 수 있다. 또한, 높은 정밀도로 기포 B 등의 이물질의 크기를 구할 수 있으므로, 문제점의 미연 방지나 생산성의 향상을 더욱 높은 확실도로 실현할 수 있다.
이어서, 제4 실시 형태에 관한 액적 토출 방법에 대하여 예시한다.
도 6은, 제4 실시 형태에 관한 액적 토출 방법을 예시하기 위한 흐름도이다. 　 여기에서는, 일례로서, 이물질이 기포 B인 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, 소정의 압력을 액체에 가하고, 노즐 구멍으로부터 액체를 액적으로서 토출시킨다(스텝 S11).
이어서, 전술한 이물질 검출 방법을 사용하여 기포 B의 유무 및 기포 B의 크기 중 적어도 어느 하나를 구한다(스텝 S12).
이 경우, 예를 들어 순서대로 또는 정기적으로 이물질 검출 방법을 실행할 수 있다.
소정의 임계값보다 큰 기포 B가 있는 경우에는, 토출 작업을 중단하여 액체 중에서 기포 B를 배출시키는 유지 보수 작업을 행하도록 할 수 있다.
이 경우, 기포 B의 크기가 소정의 임계값 미만인 경우에는 토출 작업을 속행하고, 기포 B의 크기가 소정의 임계값 이상인 경우에는 토출 작업을 중단하여 액체 중에서 기포 B를 배출시키는 유지 보수 작업을 행하도록 할 수도 있다.
본 실시 형태에 관한 액적 토출 방법에 의하면, 문제점의 발생을 미연에 방지하거나, 생산성을 향상시키거나 할 수 있다.
이상으로 예시한 실시 형태에 따르면, 이물질을 고정밀도로 검출할 수 있는 이물질 검출 장치, 이물질 검출 방법, 액적 토출 장치 및 액적 토출 방법을 실현할 수 있다.
이상, 본 발명의 몇개의 실시 형태를 예시했지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하지 않고 있다. 이들 신규의 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경 등을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형예는, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다. 또한, 전술하는 각 실시 형태는, 서로 조합하여 실시할 수 있다.
예를 들어, 이물질 검출 장치(1), 이물질 검출 장치(1a), 액적 토출 장치(100), 액적 토출 장치(100a) 등이 구비하는 각 요소의 형상, 치수, 재질, 배치, 수 등은, 예시한 것에 한정되는 것은 아니며 적절히 변경할 수 있다.

Claims (20)

  1. 이물질 검출 장치로서,
    전기 신호를 발생시키는 신호 발생부와,
    상기 신호 발생부로부터의 전기 신호를 변환하여 액체 중에 압력파를 발생시키는 발신부와,
    상기 액체로부터의 반사파를 수신하여 전기 신호로 변환하는 수신부와,
    상기 액체에 이물질이 포함되어 있지 않은 상태에 관한 정보를 저장하는 저장부와,
    상기 반사파를 변환한 전기 신호와, 상기 저장된 정보에 기초하는 전기 신호의 차에 기초하여 상기 이물질의 유무 및 상기 이물질의 크기 중 적어도 어느 하나를 검출하는 검출부를 구비한, 이물질 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 검출부는, 상기 반사파를 변환한 전기 신호와, 상기 저장된 정보에 기초하는 전기 신호의 차의 2승에 기초하여 상기 이물질의 크기를 검출하는, 이물질 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 검출부는, 상기 반사파를 변환한 전기 신호와, 상기 저장된 정보에 기초하는 전기 신호의 차에 기초하여 산란 단면적을 구하고, 미리 구해진 이물질의 크기와 산란 단면적의 관계로부터 이물질의 크기를 검출하는, 이물질 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 발생부는, 하기의 식을 만족하는 주파수를 갖는 상기 전기 신호를 발생시키는, 이물질 검출 장치.
    Figure pat00006

    여기서, f는 주파수, Ro는 최대 기포 크기, Po는 액체의 평형 압력, ρ는 액체의 밀도, γ는 비열비이다.
  5. 제4항에 있어서, 상기 발신부는, 압전 재료를 포함하고, 상기 신호 발생부로부터의 전기 신호의 주파수에 따른 상기 압력파를 상기 액체 중에 발생시키는, 이물질 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수신부는, 압전 재료를 포함하고, 상기 액체로부터의 반사파에 따른 전기 신호를 발생시키는, 이물질 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 신호 발생부로부터의 전기 신호와, 상기 수신부로부터의 전기 신호의 전환을 행하는 전환부를 더 구비한, 이물질 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 액체를 수납하는 수납부를 더 구비하고,
    상기 수납부의 등가 직경 치수가 이하의 식을 만족하는, 이물질 검출 장치.
    Figure pat00007

    여기서, f는 주파수, d는 수납부의 등가 직경 치수이다.
  9. 액적 토출 장치로서,
    액실을 갖는 노즐 본체와,
    상기 노즐 본체에 설치되어 상기 액실 내의 액체에 압력을 가하는 가압부와,
    상기 노즐 본체에 설치되어 노즐 구멍을 갖는 노즐부와,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 이물질 검출 장치를 구비한, 액적 토출 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가압부는, 상기 이물질 검출 장치에 설치된 발신부 및 수신부 중 적어도 어느 하나와 겸용된, 액적 토출 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 가압부는, 상기 이물질 검출 장치에 설치된 신호 발생부로부터의 전기 신호에 기초하여, 상기 액실 내의 액체에 압력을 가하는, 액적 토출 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 액실의 등가 직경 치수가 이하의 식을 만족하는, 액적 토출 장치.
    Figure pat00008

    여기서, d는 액실의 등가 직경 치수, f는 주파수이다.
  13. 이물질 검출 방법으로서,
    소정의 주파수를 갖는 압력파를 액체에 도입하는 공정과,
    상기 액체로부터의 반사파를 전기 신호로 변환하는 공정과,
    상기 반사파를 변환한 전기 신호와, 이물질이 포함되어 있지 않은 경우의 전기 신호의 차를 구함으로써 이물질에 관한 정보를 추출하는 공정과,
    상기 추출된 이물질에 관한 정보에 기초하여, 상기 이물질의 유무 및 상기 이물질의 크기 중 적어도 어느 하나를 구하는 공정을 구비한, 이물질 검출 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 이물질의 크기를 구하는 경우에, 상기 반사파를 변환한 전기 신호와, 상기 이물질이 없는 경우의 전기 신호의 차의 2승에 기초하여 상기 이물질의 크기를 구하는, 이물질 검출 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 이물질의 크기를 구하는 경우에, 상기 반사파를 변환한 전기 신호와, 상기 이물질이 없는 경우의 전기 신호의 차에 기초하여 산란 단면적을 구하고, 미리 구해진 이물질의 크기와 산란 단면적의 관계로부터 이물질의 크기를 검출하는, 이물질 검출 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 압력파를 액체에 도입하는 공정에서, 하기의 식을 만족하는 주파수를 갖는 상기 압력파를 액체에 도입하는, 이물질 검출 방법.
    Figure pat00009

    여기서, f는 주파수, Ro는 최대 기포 크기, Po는 액체의 평형 압력, ρ는 액체의 밀도, γ는 비열비이다.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 압력파를 액체에 도입하는 공정에서, 하기의 식을 만족하는 주파수를 갖는 상기 압력파를 액체에 도입하는, 이물질 검출 방법.
    Figure pat00010

    여기서, f는 주파수, d는 액체가 수납된 요소의 등가 직경 치수이다.
  18. 액적 토출 방법으로서,
    소정의 압력을 액체에 가하여, 노즐 구멍으로부터 액체를 액적으로서 토출시키는 공정과,
    제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 이물질 검출 방법을 사용하여, 이물질의 유무 및 이물질의 크기 중 적어도 어느 하나를 구하는 공정을 구비한, 액적 토출 방법.
  19. 제18항에 있어서, 구해진 상기 이물질의 크기에 기초하여, 토출 이상의 발생에 관한 판정을 행하는 공정을 더 구비한, 액적 토출 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 토출 이상의 발생에 관한 판정을 행하는 공정에서, 소정의 임계값보다 큰 이물질이 있기 때문에 토출 이상이 발생할 우려가 있다고 된 경우에는, 상기 소정의 임계값보다 큰 이물질을 상기 액체와 함께 상기 노즐 구멍으로부터 배출하는, 액적 토출 방법.
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