(57)【要約】    【課題】  管路を流れる液体中の気泡を検出を容易にする。    【解決手段】  管路１２は屈曲部をもち、液体４は屈曲部でほぼ９０度に流れを変えて流れる。超音波振動子２がその屈曲部で液体４の流れる方向１４と略平行な方向に超音波を発振する位置に設置されている。液体４中に気泡１０が存在すると、超音波８は気泡１０で反射して超音波振動子２に戻り、信号として検出される。超音波振動子２が受信する信号は時間とともに超音波振動子２に近づく位置で検出されるので、気泡１０からの反射による信号をノイズなど位置の変化しない信号から分別して検出することができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気泡を検出する対象となる液体が内部を流通する管路と、
前記管路中を流通する液体の進行方向と略平行方向に超音波を発振するように設置された超音波発信手段と、
前記超音波発信手段の発振した超音波の反射波を受信する超音波受信手段と、
前記超音波受信手段からの信号を処理して気泡を検出する信号処理手段と、
を備えた気泡検出装置。
【請求項２】
前記管路は屈曲部をもち、前記超音波発振手段の超音波発振部は前記管路の屈曲部に設置されている請求項１に記載の気泡検出装置。
【請求項３】
前記超音波発振手段の超音波発振部は前記液体に接液するように設置されている請求項１又は２に記載の気泡検出装置。
【請求項４】
前記超音波発振部の材質が合成樹脂である請求項３に記載の気泡検出装置。
【請求項５】
前記超音波発振手段と前記超音波受信手段が単一の手段により達成されている請求項１から４のいずれかに記載の気泡検出装置。
【請求項６】
前記超音波発振手段の発振周波数が５から２０ＭＨｚの範囲である請求項１から５のいずれかに記載の気泡検出装置。
【請求項７】
前記信号処理手段は、超音波反射波の受信信号のうち、一定レベル以上の振幅をもち、かつ時間とともに移動する信号によって気泡の信号を分別して検出する手段を備えている請求項１から６のいずれかに記載の気泡検出装置。
【請求項８】
タンクに収容された塗布液を、気泡除去手段を経て塗布ヘッドから対象物表面に塗布する塗工装置において、
前記気泡除去手段より下流側であって前記塗布ヘッドより上流側の位置に請求項１から７のいずれかに記載の気泡検出装置を設け、
前記気泡検出装置と前記塗布ヘッドの間に、前記気泡検出装置からの塗布液を前記塗布ヘッド又は前記タンクに切り替えて供給する流路切換えバルブを備えたことを特徴とする塗工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波を用いて液体中の気泡を検出する装置と、それを組み込んだ塗工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気泡検出装置の一例として、管路内を流れる液体に対し、その管路の外側周面に管路を取り囲むように環状の超音波振動子を取り付け、その超音波振動子の電気的インピーダンスの変化から管路内を流れる液体中に含まれる気泡を検出するものが提案されている（特許文献１参照。）。
【０００３】
気泡検出装置の他の例として、液体が流れる管路の一部を２つの平行な壁部により平坦化した部分を形成し、その部分に液体の流れに対し直交する方向に超音波を発生する超音波振動子を設けたものが提案されている（特許文献２参照。）。
【０００４】
上のように提案されている気泡検出装置は、管路を流れる液体に対し、その流れと直交する方向に超音波を発振させる点が共通している。その場合、超音波振動子からの超音波はその発生位置を横切るように気泡が通過するときだけ気泡からの反射を検出することができる。
【特許文献１】特公昭６３−１３４８７号公報
【特許文献２】特開平９−１７８７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
管路を流れる液体の流れと直交する方向に超音波を発生すると、超音波の反射は気泡だけでなく、超音波振動子が設置されている位置と対向する側の管壁でも生じる。そのため、気泡からの反射による信号に管壁からの反射による信号やノイズ信号が同時に検出され、気泡からの反射による信号を判別することが難しくなる。
【０００６】
本発明の第１の目的は、管路を流れる液体中の気泡の検出を容易にする気泡検出装置を提供することである。
本発明の第２の目的は、そのような気泡検出装置を組み込んで気泡を含まない塗工作業を容易に実現できるようにする塗工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の目的を達成するための本発明の気泡検出装置は、気泡を検出する対象となる液体が内部を流通する管路と、前記管路中を流通する液体の進行方向と略平行方向に超音波を発振するように設置された超音波発信手段と、前記超音波発信手段の発振した超音波の反射波を受信する超音波受信手段と、前記超音波受信手段からの信号を処理して気泡を検出する信号処理手段と、を備えている。
【０００８】
「略平行方向」とは、平行方向の成分を含んでおればよい、との意味である。すなわち、超音波発振方向が液体の進行方向に完全に平行であることが最も好ましいが、気泡を検出する際に、気泡による超音波の反射に基づく信号が液体の流れに伴なって超音波発信手段の方向に近づくか遠ざかるように移動する方向成分を含んでおればよいことを意味する。
【０００９】
本発明で気泡を検出する対象となる液体は、感熱記録紙用の感熱塗料や印画紙用の写真乳剤などの分散液、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム用のＰＥＴ液を初め、気泡の混入が障害となる液体全般である。
【００１０】
図１に気泡検出の様子を模式的に示す。ここでは、気泡を検出する対象となる液体４に、超音波発信手段の超音波発振部である超音波振動子２が壁体６で隔てられて配置された場合を示すが、本発明は壁体６がない場合も含むものである。超音波振動子２は高周波の電気信号を機械的振動に変換することにより超音波８を発振する。超音波８は、壁体６があれば壁体６の表面と裏面で一部が反射するが、透過した超音波８は溶液４中を伝播する。そして、溶液４中に気泡１０があれば、気泡１０の境界面で反射を起こし、超音波受信手段に信号として現れる。超音波受信手段は超音波発信手段により兼ねるができるし、別途設けることもできる。
【００１１】
本発明では、液体２は管路中を流通することによって気泡１０は移動しており、超音波振動子２は液体の進行方向と略平行方向に超音波を発振するように設置されているので、気泡１０の境界面での反射に基づく信号は気泡１０の移動にともなって時間的に位置が変化して現れる。その結果、ノイズによる信号や壁面での反射による信号のように時間的に位置が変化しないものから、気泡１０での反射に基づく信号を判別することができる。
【００１２】
管路中を流通する液体の進行方向と略平行方向に超音波を発振するように超音波発信手段を設置する一方法として、管路が屈曲部をもったものとし、超音波発振手段の超音波発振部はその管路の屈曲部に設置する。
【００１３】
超音波発振部を液体が流通する管路の外側に設置するとすれば、気泡を検出する対象となる液体と超音波発振部との間に壁体が存在することになり、その壁体で超音波の一部が反射して減衰することは避けられない。反射の大きさは界面での屈折率差に依存するので、液体、壁体及び超音波発振部の間の屈折率差が小さくなるように壁体及び超音波発振部の材質を選択することにより減衰を抑えるのが好ましい。
【００１４】
壁体による超音波の減衰を抑える最も有効な方法は壁体をなくすことであり、本発明の好ましい形態では、超音波発振部は気泡を検出する対象となる液体（直接接触）に接液するように設置されている。
【００１５】
超音波発振部の材質は特に限定されるものではなく、セラミック製でもよいが、気泡を検出する対象となる液体との屈折率差を小さくする観点からは合成樹脂製であることが好ましい。
超音波発振手段と超音波受信手段は別体として構成されていてもよいが、構成を簡単にする上では両者が単一の手段により達成されていることが好ましい。
【００１６】
特許文献１，２に記載された気泡検出装置は主として写真感光材料用塗布液である写真乳剤中の気泡検出を対象としており、超音波振動子の発振周波数は１００ＫＨｚ以下に設定されている。一般に、液体中の気泡の検出限界としては、気泡を球体と考えると、超音波の波長の約１／２までとされている。したがって、例えば、１００μｍ以下の気泡の検出のためには、２００μｍの波長の音波が必要となる。水の場合、音速を約１５００ｍ／秒とすると、７．５ＭＨｚ程度の発振周波数必要となる。そこで、本発明では、気泡を検出する対象となる液体と検出しようとする気泡の大きさに応じて超音波発振手段の発振周波数を５から２０ＭＨｚの範囲の適当な周波数に設定する。
【００１７】
気泡からの信号を検出する一方法は、一定レベル以上の振幅をもつものを検出することである。そのため、好ましい形態では、信号処理手段が、超音波反射波の受信信号のうち、一定レベル以上の振幅をもち、かつ時間とともに移動する信号によって気泡の信号を分別して検出する手段を備えている。
【００１８】
第２の目的を達成するための本発明の塗工装置は、タンクに収容された塗布液を、気泡除去用の気泡除去手段を経て塗布ヘッドから対象物表面に塗布する塗工装置であり、前記気泡除去手段より下流側で前記塗布ヘッドより上流側の位置に本発明の気泡検出装置を設け、前記気泡検出装置と前記塗布ヘッドの間に、前記気泡検出装置からの塗布液を前記塗布ヘッド又は前記タンクに切り替えて流す流路切換えバルブを備えている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の気泡検出装置は、管路中を流通する液体の進行方向と略平行方向に超音波を発振させ、その超音波の反射波を受信して気泡を検出するようにしたので、気泡による信号は時間的に位置が変化するようにすることができ、ノイズによる信号や壁面での反射による信号からの判別が容易になる。
【００２０】
また、管路の形状として超音波の発振方向と略平行な部分の長さを十分にとることによって、超音波発振部に対向した管路壁面からの反射による信号の影響をなくすことができ、気泡の検出が一層容易になる。
【００２１】
本発明の塗工装置は、塗布液を塗布ヘッドに供給する流路に本発明の気泡検出装置を設けたので、気泡を含まない塗工作業を容易に実現できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図２は第１実施例を概略的に表したものである。
液体４は管路１２中を矢印１４の方向に送られ、塗工ヘッドなどこの液体を塗布するためのヘッドに供給される。管路１２は屈曲部をもち、液体４は屈曲部でほぼ９０度に流れを変えて塗工ヘッドの方向へ送られる。
【００２３】
超音波発振手段と超音波発振手段を兼ねる超音波振動子２がその屈曲部で液体４の流れる方向１４と略平行な方向に超音波を発振する位置に設置されている。超音波振動子２に対向する部分の液体の深さは、液体を介して超音波振動子２に対向して壁面などの固定物があったとしてもそれからの超音波の反射が無視できる程度に十分に深い。この実施例では、超音波振動子２は管路１２の外面に接触して設置され、液体４と直接接触することはなく、管路１２の壁体を介して液体４中に超音波を発振するようになっている。
【００２４】
液体４中に気泡１０が存在すると、超音波８は気泡１０で反射して超音波振動子２に戻り、信号として検出される。超音波振動子２からの超音波８は液体４の流れ方向に略平行に発振され、気泡１０は液体４とともに超音波振動子２に近づく方向に流されながら検出されるので、超音波振動子２が受信する気泡１０からの信号は時間とともに超音波振動子２に近づく位置で検出される。すなわち繰り返し気泡検出を行なうことにより、気泡１０からの反射超音波が超音波振動子に戻るまでの時間が短くなる方向に検出信号が変化してくることによって、気泡１０からの反射による信号をノイズなど位置の変化しない信号から分別して検出することができる。
【００２５】
図３は第２の実施例を示したものである。図２の実施例と比較すると、振動子２が管路１２の壁体を貫通してその超音波発振面が液体４と接液するように配置されている点で異なる。
超音波振動子２が液体と接液することにより、それらの間に管路１２の壁体が介在する場合に比べて壁体の界面での超音波の一部反射による減衰が抑えられ、高感度な検出が可能になる。
図２と図３の実施例では超音波振動子２が超音波発振手段と超音波受信手段の両方を兼ねているが、超音波受信手段を超音波振動子２の近傍に別体として設置することもできる。
【００２６】
図４は気泡により反射された超音波を検出する検出回路の一例を示したものである。
２０は超音波を受信する検出素子としての超音波振動子であり、図２や図３の実施例のように超音波発振手段と超音波受信手段を兼ねている場合には超音波振動子２がその検出素子にもなる。超音波発振手段とは別に超音波受信手段としての超音波振動子を設ける場合には、その受信手段の超音波振動子が検出素子となるが、ここでは、超音波振動子２０が超音波発振手段と超音波受信手段を兼ねるものとして説明する。
【００２７】
超音波振動子２０は抵抗Ｒ２〜Ｒ４とともにブリッジ回路を構成しており、超音波振動子２０は発振回路２２により発振させられるとともに、反射されて戻ってきた超音波信号を検出する。超音波振動子２０による検出信号は、このブリッジ回路を介して差動増幅器２４によりインピーダンスの変化として検出され。
【００２８】
図５は超音波振動子２０により検出された信号を処理して気泡を検出するための信号処理手段としての信号処理回路の例を示したものである。図５においては超音波発振手段と超音波受信手段を１つの超音波振動子２で兼用している場合の接続状態が示された信号処理回路であり、別に受信用の超音波振動子を設ける場合は図のＲの端子にセンサーを接続すればよい。以下兼用している場合について説明する。
【００２９】
図５において、超音波発振手段と超音波受信手段を兼ねる超音波振動子２は、パルス発生回路３２により発振するとともに、反射して戻ってきた超音波を検出する。３４は発生回路３２により超音波振動子を駆動するためのパルス電源である。
【００３０】
超音波振動子２により検出された超音波は、パルス発生回路３２を介して入力増幅回路３６で検出されて増幅される。入力増幅回路３６は図４に示された検出回路を備えている。検出信号は、利得調整回路３８で利得が調整された後、出力増幅回路４０により増幅されて、Ａ／Ｄ変換器４２でデジタル信号に変換され、ＦＩＦＯ（ファーストイン・ファーストアウト）メモリ４４を経て一次メモリのＳＲＡＭ（スタティック・ランダムアクセスメモリ）４６に保持されたのち、ＣＰＵ（中央処理装置）５０で気泡からの信号か否かが判別され、その振幅の大きさに基づいて気泡の検出が行なわれる。ＣＰＵ５０は信号処理手段の機能を実現する。ＣＰＵ５０はまた、信号検出プログラムその他この装置の動作を制御する。ＰＬＤ４８（programable logic device：ＰＡＬ（programable alley logic）とも呼ばれる）は、ＣＰＵ５０からの信号に対して出力増幅回路４０やＡ／Ｄ変換器４２に対するアドレスバスの指定を行なうように論理回路が構成されている。
【００３１】
受信用のセンサーとして別に超音波振動子を設けることのできる端子Ｒは入力増幅回路３６に接続されている。その端子Ｒにはダンピング抵抗と呼ばれる入力段抵抗５９が接続されている。入力段抵抗５９はパルス波形の整形を行なうもので、適宜選択される。入力段抵抗５９は、表面分解能、例えば、表面から５ｃｍくらいのまでの深さの分解能を上げるためにパルス波形が比較的シャープになるように選択したり、逆に深部分解能を上げるためにパルス波形が鈍になるように選択される。
【００３２】
図６は超音波振動子として材質の異なる２種類のものによる高速フーリエ変換（ＦＦＴ）周波数解析による減衰結果を比較した例である。横軸は周波数、縦軸は反射波の相対強度で、超音波反射波の周波数分布を表わしている。
（Ａ）はポリマー（ポリフッ化ビニリデン）製の超音波振動子で、その発振周波数が７．５ＭＨｚのものを使用した。超音波振動子は、感熱塗料に直接接触させて反射波を検出した。この場合７．５ＭＨｚ付近（ａで示される領域）のピークには大きな減衰は見られない。
【００３３】
一方、（Ｂ）はセラミック製超音波振動子で、その発振周波数が７ＭＨｚのものを使用した。超音波振動子は、図２の実施例のように管路の外面に接触させて配置し、管路の壁を介して感熱塗料と接触させて反射波を検出した。管路としてアクリル製のものを使用した。この場合７ＭＨｚ付近（ｂで示される領域）のピークが大きく減衰していることがわかる。
【００３４】
図６の比較結果から、超音波の反射がポリマー製超音波振動子の方が小さくなっている。これは、セラミック製超音波振動子から塗料へ超音波が伝わっていくときの密度変化よりも、ポリマー製超音波振動子から塗料へ超音波が伝わっていくときの密度変化の方が小さいことによるものである。セラミック製超音波振動子を使用するよりもポリマー製超音波振動子を使用する方が、さらに気泡を検出する対象となる液体に直接接触させることにより超音波の減衰を抑えることができる。
【００３５】
図７は図２の実施例において、測定時間を異ならせて同じ気泡を繰り返し測定した例を示したものである。管路はアクリル製であり、超音波振動子を設けてある部分の壁体の厚みは約０．５ｍｍである。超音波振動子としてセラミック製超音波振動子を使用し、発振周波数を７ＭＨｚとした。液体として感熱塗料を流速１５０ｃｃ／分で流した。
【００３６】
図７中で、枠で囲った部分が気泡からの反射による超音波信号である。この結果は、グラフが上から下に行くほど、超音波振動子に気泡が近づいてくる様子を示しており、その信号が大きくなっているのがわかる。ノイズは同じ場所で動かずに発生するため、グラフの右から左に移動する信号があれば、それが送液中の気泡からの信号と考えることができる。
【００３７】
気泡を検出する手順を図８に示す。
気泡を検出す時間間隔を設定しておく。その時間間隔は、気泡が移動してきて検出される領域に入っている間に少なくとも２回の検出ができるように設定し、２回の検出信号の比較から気泡を検出する。
【００３８】
その設定した時間になると超音波振動子による信号検出を行ない、一定レベル以上の大きさの信号を検出する。その設定した時間の前後での２つの信号を比較し、一定レベル以上の大きさの信号のうち、検出位置が移動した信号、すなわち超音波を発振してからその反射波を検出するまでの時間が変化した信号、があるかどうかを判定する。
【００３９】
検出位置が移動した信号がなければ、次の設定時間経過まで待つ。
検出位置が移動した信号があれば、それが気泡による信号であるので、その信号の数を計数し、それを気泡数として出力した後、次の設定時間経過まで待つ。
このようにして予定の計測時間が終了するまで、気泡の検出を続ける。
【００４０】
この測定を超音波振動子の周波数を５ＭＨｚ、７ＭＨｚ及び２０ＭＨｚと異ならせて行なった。発振周波数が大きい２０ＭＨｚでは小さい泡から検出が可能であるが、超音波の減衰が大きく、反射超音波を大きな信号で得ることが難しくなる。また、５ＭＨｚの発振周波数の場合は小さい気泡を検知することが難しくなる。この感熱塗料の測定では、３つの周波数の中で、７ＭＨｚが最も感度よく気泡を検出することができた。
【００４１】
図９は、ストレージタンク６０に収容された塗布液を、気泡除去用の脱泡機６２及び固形物除去用のフィルタ６４，６６，６８を経てコーターヘッド（塗布ヘッド：図示略）から対象物表面に塗布する塗工装置の実施例を概略的に示したものである。これらの脱泡機や固形物除去用のフィルタ等は広義には気泡を除去する作用を奏するものであるので気泡除去手段と称する。したがって脱泡機、フィルタをそれぞれ単独又は組合せることによって実際の塗工装置を設計することになる。
【００４２】
ストレージタンク６０の底部には電磁弁７０を介してポンプ７２が設けられ、そのポンプ７２により開閉弁７４を通って塗布液が脱泡機６２に供給されるようになっている。脱泡機６２の底部には三方電磁弁７６を介してポンプ７８が設けられ、そのポンプ７８により脱泡機６２で気泡が除去された塗布液はいったんサービスタンク９０に供給される。ポンプ７８からサービスタンク９０に到る流路には、下流に向かって開閉弁８０，８２、フィルタ６４、開閉弁８４、三方電磁弁８６及び電磁弁８８が配置されている。サービスタンク９０の底部には三方電磁弁９２が設けられ、三方電磁弁９２により塗布液が供給される流路には、開閉弁９４、フィルタ６６、開閉弁９６，９８及びフィルタ６８を経て本発明の気泡検出装置１００が設けられている。気泡検出装置１００を経て塗布液が供給される流路には三方電磁弁１０２から三方弁１０４を経て本発明の気泡検出装置１０６を介してコーターヘッドが接続されている。
【００４３】
三方電磁弁１０２で分岐した１つの流路は開閉弁１０８を介してストレージタンク６０に戻されている。
三方弁１０４で分岐した１つの流路は開閉弁１１０を介して温水を供給する流路に接続されている。
【００４４】
この塗工装置の動作を説明すると、ストレージタンク６０に収容された塗布液は、ポンプ７２により脱泡機６２に送られて塗布液中の気泡が除去される。脱泡機６２で気泡が除去された塗布液はポンプ７８により送り出され、フィルタ６４で固形物が除去されていったんサービスタンク９０に収容される。サービスタンク９０に収容された塗布液は、フィルタ６６，６８で固形物が除去されて気泡検出装置１００を通過する。
【００４５】
気泡検出装置１００において気泡が検出されると、三方電磁弁１０２により流路がストレージタンク６０に戻る方に接続されて塗布液がストレージタンク６０に戻される。
気泡検出装置１００において気泡が検出されなくなると、三方電磁弁１０２により流路がコーターヘッドに接続される。その流路にさらに設けられた気泡検出装置１０６により気泡が検出されないことが確認されて、初めて対象物への塗工操作が行なわれる。
開閉弁１１０を介して温水を供給する流路はコーターヘッドを洗浄する際に使用される。
【００４６】
図１０は図９の塗工装置で、塗布液として感熱塗料を流速１０００ｃｃ／分で流し、ストレージタンク６０から感熱塗料の供給を開始してから気泡検出装置１００で１分ごとに気泡を検出したときの検出結果である。
このように、気泡が検出されなくなったことを確認して塗工作業に入れば、気泡を含まない塗布液による塗工作業を確実に実行することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、感熱記録紙用の感熱塗料や印画紙用の写真乳剤などの分散液、ＰＥＴフィルム用のＰＥＴ液などの塗布液を塗工する際の塗布液中の気泡を検出する装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】気泡検出の様子を模式的に示す概略断面図である。
【図２】一実施例を概略的に示す断面図である。
【図３】他の実施例を概略的に示す断面図である。
【図４】検出回路の一例を示す回路図である。
【図５】信号処理回路の一例を示すブロック図である。
【図６】材質の異なる２種類の超音波振動子による高速フーリエ変換周波数解析による減衰結果を示す波形図であり、（Ａ）はポリマー製超音波振動子の場合、（Ｂ）はセラミック製超音波振動子の場合である。
【図７】測定時間を異ならせて同じ気泡を繰り返し測定した例を示す波形図である。
【図８】気泡検出の手順を示すフローチャート図である。
【図９】塗工装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図１０】同塗工装置による検出気泡数の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
２，２０      超音波振動子
４      気泡を検出する対象となる液体
６      管路の壁体
８      超音波
１０      気泡
１２      管路
１４      液の流通方向
２２      発振回路
２４      差動増幅器
３２      パルス発生回路
３６      入力増幅回路
５０      ＣＰＵ
【図１】
2006153690.tif 000003
【図２】
2006153690.tif 000004
【図３】
2006153690.tif 000005
【図４】
2006153690.tif 000006
【図５】
2006153690.tif 000007
【図６】
2006153690.tif 000008
【図７】
2006153690.tif 000009
【図８】
2006153690.tif 000010
【図９】
2006153690.tif 000011
【図１０】
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