特許 7426071 気泡検出装置、気泡検出方法およびそのプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-24

(45)【発行日】2024-02-01

(54)【発明の名称】気泡検出装置、気泡検出方法およびそのプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/036 20060101AFI20240125BHJP

   G01V 1/00 20240101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

G01N29/036

G01V1/00 A

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2019228192

(22)【出願日】2019-12-18

(65)【公開番号】P2021096181

(43)【公開日】2021-06-24

【審査請求日】2022-10-14

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】グェン タン ヴィン

(72)【発明者】

【氏名】岡田 浩尚

(72)【発明者】

【氏名】一木 正聡

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－０５１７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３３７９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１０２４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１３７４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０７３５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３３７０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６４０８６７９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３５６８８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１１－５０６９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】佐藤 強，液滴塗布ヘッド内の気泡検出に関する研究，精密工学会誌，2011年09月05日，Vol.77 No.9，p.861-867

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／０３６

Ｇ０１Ｖ １／００

Ｂ４１Ｊ ２／０１－２／２１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体または液滴中に含まれる気泡を検出する装置であって、
前記液体または液滴に接触可能に設けられ、該液体または液滴中の音波を検知する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は前記気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサと、
前記検知した音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析する信号解析部と、を備え、
前記信号解析部は、前記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する検出部を有し、
前記検出部は、前記周期的な変動を検出した場合は、前記液体または液滴に気泡が含まれると判定する、前記装置。

【請求項2】

液体または液滴中に含まれる気泡を検出する装置であって、
前記液体または液滴に接触可能に設けられ、該液体または液滴中の音波を検知する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は前記気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサと、
前記検知した音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析する信号解析部と、を備え、
前記信号解析部は、前記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する検出部を有し、
前記検出部は、前記出力信号の周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得することによって前記出力信号の周期的な変動を検出し、
前記信号解析部は、予め求めた前記出力信号の周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、前記検出部で取得したピークの周波数から、前記気泡の大きさを推定する推定部を更に有する、前記装置。

【請求項3】

液体または液滴中に含まれる気泡を検出する装置であって、
前記液体または液滴に接触可能に設けられ、該液体または液滴中の音波を検知する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は前記気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサと、
前記検知した音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析する信号解析部と、
前記液体を対象物の表面に滴下または噴射して液滴を生成する液滴生成部と、を備え、
前記信号解析部は、前記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する検出部を有し
前記ＭＥＭＳ音響センサは、該ＭＥＭＳ音響センサが設けられた前記対象物の表面に前記液滴が衝突した際に発生する音波を検知する、前記装置。

【請求項4】

前記検出部は、前記出力信号において、前記液滴が前記対象物の表面に衝突した最初のピークの後の前記周期的な変動を検出する、請求項３記載の装置。

【請求項5】

液体または液滴中に含まれる気泡を検出する装置であって、
前記液体または液滴に接触可能に設けられ、該液体または液滴中の音波を検知する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は前記気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサと、
前記検知した音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析する信号解析部と、
前記液体に圧力を印加する圧力印加部と、
を備え、
前記信号解析部は、前記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する検出部を有し、
前記圧力印加部が前記液体に圧力を印加することによって、前記ＭＥＭＳ音響センサは、前記液体に含まれる気泡の振動による音波を検知する、前記装置。

【請求項6】

前記液体を収容するシリンジを更に備え、
前記ＭＥＭＳ音響センサは、該シリンジの内壁面に配置されてなる、請求項５記載の装置。

【請求項7】

前記検出部は、前記周期的な変動を検出した場合は、前記液体または液滴に気泡が含まれると判定する、請求項２および３～６のうちいずれか１項記載の装置。

【請求項8】

前記検出部は、前記出力信号の周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得することによって前記出力信号の周期的な変動を検出し、
前記信号解析部は、予め求めた前記出力信号の周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、前記検出部で取得したピークの周波数から、前記気泡の大きさを推定する推定部を更に有する、請求項１および３～６のうちいずれか１項記載の装置。

【請求項9】

液体または液滴中に含まれる気泡を検出する方法であって、
前記液体または液滴に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は前記気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサによって、該液体中を伝搬する音波を検知するステップと、
前記検知した音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、該出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出し、前記周期的な変動を検出した場合は、前記液体または液滴に気泡が含まれると判定する、該ステップと、を含む前記方法。

【請求項10】

液体または液滴中に含まれる気泡を検出する方法であって、
前記液体または液滴に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は前記気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサによって、該液体中を伝搬する音波を検知するステップと、
前記検知した音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、該出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する、該ステップと、を含み、
前記解析するステップにおいて、前記出力信号の周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得することによって前記出力信号の周期的な変動を検出し、
予め求めた前記出力信号の周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、前記取得したピークの周波数から、前記液体または液滴中の気泡の大きさを推定するステップを更に含む、前記方法。

【請求項11】

液体または液滴中に含まれる気泡を検出する方法であって、
前記液体を対象物の表面に滴下または噴射して液滴を生成するステップと、
前記液体または液滴に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は前記気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサによって、該液体中を伝搬する音波を検知するステップと、
前記検知した音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、該出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する、該ステップと、を含み、
前記ＭＥＭＳ音響センサは、該ＭＥＭＳ音響センサが設けられた前記対象物の表面に前記液滴が衝突した際に発生する音波を検知する、前記方法。

【請求項12】

液体または液滴中に含まれる気泡を検出する方法であって、
圧力印加部によって前記液体に圧力を印加するステップと、
前記液体または液滴に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は前記気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサによって、該液体中を伝搬する音波を検知するステップと、
前記検知した音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、該出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する、該ステップと、を含み、
前記液体に圧力を印加することによって、前記ＭＥＭＳ音響センサは、前記液体に含まれる気泡の振動による音波を検知する、前記方法。

【請求項13】

コンピュータに、
液体または液滴に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は液体または液滴に含まれる気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサが検知した、前記液体または液滴を伝搬する音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、該出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出し、前記周期的な変動を検出した場合は、前記液体または液滴に気泡が含まれると判定する、該ステップを実行させるプログラム。

【請求項14】

コンピュータに、
液体または液滴に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は液体または液滴に含まれる気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記ＭＥＭＳ音響センサが検知した、前記液体または液滴を伝搬する音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析し、該出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出するステップであって、前記出力信号の周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得することによって前記出力信号の周期的な変動を検出するステップと、
予め求めた前記出力信号の周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、前記取得したピークの周波数から、前記液体または液滴中の気泡の大きさを推定するステップと、を実行させるプログラム。

【請求項15】

コンピュータに、
液体または液滴に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は液体または液滴に含まれる気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなり、前記液体を対象物の表面に滴下または噴射して生成した液滴を伝搬する音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析し、該出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出するステップであって、前記ＭＥＭＳ音響センサは、該ＭＥＭＳ音響センサが設けられた前記対象物の表面に前記液滴が衝突した際に発生する音波を検知する該ステップ、を実行させるプログラム。

【請求項16】

コンピュータに
液体または液滴に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサであって、前記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は気泡による音波に応じて湾曲し、該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなり、圧力印加部によって圧力を印加された前記液体に含まれる気泡の振動による音波に応じて生成される前記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、該出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する該ステップを実行させるプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体中の気泡を検出および計測する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、液体中の微小量の気泡を検出する手法として、超音波検出装置が知られている。超音波検出装置は、また、液体が通液される導管に超音波検出手段を装着して、導管内に混入した気泡を検出、または定量するものである。受信装置側の超音波の受信レベルによって、導管内の気泡を検出または定量する（例えば、特許文献１参照。）。

【0003】

また、ディスペンサ装置において、シリンジ内に充填された液体中の気泡の有無を、液体に圧力を印加するプランジャの位置により検出する手法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－３２５３５０号公報

【文献】特開２０１３－２３７０１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の超音波検出装置では、導管内の液体が静止している場合には気泡を検知できず、また固体表面の液滴中の気泡を検出できないという問題がある。特許文献２のディスペンサ装置ではプランジャの変位を正確に計測することは困難であり、その構造も複雑になるという問題がある。

【0006】

本発明の目的は、液体中に含まれる気泡を容易に検出可能な装置、方法およびプログラムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、液体中に含まれる気泡を検出する装置であって、上記液体に接触可能に設けられ、上記液体中の音波を検知する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサと、上記検知した音波に応じて生成される上記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析する信号解析部と、を備え、上記信号解析部は、上記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する検出部を有する、上記装置が提供される。

【0008】

上記態様によれば、液体中の音波をＭＥＭＳ音響センサが検知し、その音波に応じて生成されるＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を信号解析部の検出部で周波数特性を求めて出力信号の周期的な変動を検出することで、液体中の気泡の有無を検出可能な装置を提供できる。

【0009】

本発明の他の態様によれば、液体中に含まれる気泡を検出する方法であって、上記液体に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサによって、上記液体中の音波を検知するステップと、上記検知した音波に応じて生成される上記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、上記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する、上記ステップと、を含む上記方法が提供される。

【0010】

上記他の態様によれば、液体に接触可能に設けたＭＥＭＳ音響センサによって液体中の音波を検知して、ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出することで、液体中の気泡の有無を検出可能な方法を提供できる。

【0011】

本発明のその他の態様によれば、コンピュータに、液体に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサが検知した、液体を伝搬する音波に応じて生成される上記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、上記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する、上記ステップを実行させるプログラムが提供される。

【0012】

上記その他の態様によれば、液体に接触可能に設けたＭＥＭＳ音響センサによって検知した液体中の音波に応じたＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析して出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出することで、液体中の気泡の有無を検出可能なプログラムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の対象物の表面に衝突した液滴中の気泡を検出する原理の説明図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る気泡検出装置の構成を示すブロック図である。

【図3】本発明の第１の実施形態に係る気泡検出装置のＭＥＭＳ音響センサの概略構成を示す斜視図である。

【図4】ＭＥＭＳ音響センサの断面図である。

【図5】本発明の第１の実施形態に係る気泡検出装置の信号処理部の回路構成を示す図である。

【図6】信号解析部のハードウェアの構成を示すブロック図である。

【図7】本発明の第１の実施形態に係る気泡検出方法のフローチャートである。

【図8】本発明の第２の実施形態に係る気泡検出装置の構成を示すブロック図である。

【図9】実施例１の液滴衝突時の（ａ）信号処理部からの出力信号の波形図および（ｂ）液滴の写真である。

【図10】実施例２の液滴衝突時の（ａ）ＭＥＭＳ音響センサの出力信号の波形図および（ｂ）液滴の写真である。

【図11】実施例２の（ａ）信号処理部からの出力信号の部分拡大波形図および（ｂ）気泡検出部によりＦＦＴ処理された周波数スペクトルである。

【図12】気泡半径とピーク周波数との関係を示す図である。

【0014】

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

【0015】

図１は、本発明の対象物の表面に衝突した液滴中の気泡を検出する原理を説明するための図である。図１を参照するに、液滴ＤＲを滴下すると、対象物の表面に衝突後すぐに跳ね上がり、その際に対象物の表面の性状により空気を巻き込んで気泡が発生する。液滴中で気泡が振動して音波として液滴中を伝搬する。音波の周波数は、気泡の大きさに依存することが知られている（W. Lauterborn, T. Kurz, Rep. Prog. Phys. 73 (2010) 106501 (88pp)）。

【0016】

本願発明者等は、対象物の表面に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサを配置し、気泡の周期的な振動による音波を検出することで気泡の発生を検出し、さらに音波の周波数特性のエネルギーのピークの周波数に基づいて気泡の大きさ、例えば半径を計測できることを知徳した。後ほど説明するように、この検出手法は液体に雰囲気圧力よりも大きな圧力を作用させることで、液体中の気泡を振動させて検出することも可能である。

【0017】

［第１の実施形態］
図２は、本発明の第１の実施形態に係る気泡検出装置の構成を示すブロック図である。図２を参照するに、第１の実施形態に係る気泡検出装置１０は、対象物１１の表面１１ａに配置した微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサ１２と、信号処理部１３と、信号解析部１４とを有する。対象物１１は固体、例えば、インクジェット印刷を行う紙である。ＭＥＭＳ音響センサ１２は、対象物１１の表面１１ａに配置され、液滴生成部１８から滴下された液滴ＤＲが作用する力を検知する。液滴ＤＲがＭＥＭＳ音響センサ１２に作用する力には、上述したように、液滴中の気泡の振動に基づく音波によるものを含む。液体中を伝搬する音波は、伝搬方向に押す機械的な力がＭＥＭＳ音響センサ１２に働く。そのため、液滴ＤＲの少なくとも一部がＭＥＭＳ音響センサ１２に衝突すると、ＭＥＭＳ音響センサ１２には、液滴ＤＲの衝突およびリバウンドによる力が働き、さらに、液滴中に気泡が発生した場合は、気泡ＤＲの振動に基づく音波による力が働く。

【0018】

信号処理部１３は、ＭＥＭＳ音響センサ１２からの液滴ＤＲから作用する力に応じた電気抵抗値の変化を変換して出力信号を信号解析部１４に出力する。

【0019】

信号解析部１４は、信号処理部１３からの出力信号を解析する。信号解析部１４は、気泡検出部１５を有する。気泡検出部１５は、出力信号の周波数特性を求め、周期的な変動を検出する。気泡検出部１５は、例えば、出力信号の離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理、特に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行い、出力信号の周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得することによって出力信号の周期的な変動を検出する。気泡検出部１５は、周期的な変動を検出した場合、液滴ＤＲに気泡が含まれると判定する。気泡検出部１５は、判定結果を出力し、例えばディスプレイ（不図示）に表示してもよい。

【0020】

信号解析部１４は、気泡サイズ推定部１６を有してもよい。気泡サイズ推定部１６は、気泡サイズデータ格納部１７が格納する予め求めた周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係に関するデータを参照して、気泡検出部１５で取得したピークの周波数から、発生した気泡の大きさを推定する。気泡サイズデータ格納部１７は、後に示す図１１のような、高速度カメラで取得した画像から求めた気泡半径とピーク周波数との回帰式を有してもよく、気泡半径とピーク周波数との対応表を有してもよい。気泡サイズ推定部１６は、このようにして得られた気泡の大きさを出力し、例えばディスプレイ（不図示）に表示してもよい。

【0021】

図３は、本発明の一実施形態に係る気泡検出装置のＭＥＭＳ音響センサの概略構成を示す斜視図である。図４は、ＭＥＭＳ音響センサの図３に示すＡＡ断面図である。なお、図３では、図示の便宜のため図４に示す絶縁層３０を省略している。

【0022】

図３および図４を参照するに、ＭＥＭＳ音響センサ１２は、対象物１１の表面１１ａに配置される。ＭＥＭＳ音響センサ１２は、対象物１１の表面１１ａとＭＥＭＳ音響センサ１２とが連続するように配置されることが好ましい。ＭＥＭＳ音響センサ１２は、枠状のシリコン基板２０と、その上に酸化シリコン層２１と、シリコン層２２とがこの順に積層されている。ＭＥＭＳ音響センサ１２は、開口部２０ａに、弾性要素としてカンチレバー２３が設けられる。カンチレバー２３は、基部２３ａが枠状のシリコン基板２０および酸化シリコン層２１の積層体に支持され、先端部２３ｂが自由端である。カンチレバー２３は、いわゆる片持ち形状を有し、例えば長さが１００μｍ、幅８０μｍである。カンチレバー２３は、弾性を有する材料であれば特に限定されない。カンチレバー２３の両側および先端部には、開口部２０ｓが設けられている。開口部２０ｓの幅は例えば１μｍ以下である。

【0023】

本実施形態において、カンチレバー２３には、シリコン層２２の表面から深さ方向に、歪み検出層としてピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄが形成される。シリコン層２２およびピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄの一部の上に導電層２６および電極２８、２９が形成される。ピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄは、それぞれ、カンチレバー２３の基部側の２つの脚部２３ｃ、２３ｄに形成される。枠状のシリコン基板２０および酸化シリコン層２１の積層体の表面には、電極２８、２９が形成されている。カンチレバー２３の表面には、導電層２６が形成されている。

【0024】

ピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄ、導電層２６および電極２８、２９の表面に絶縁層３０が形成され、液滴が導電性の場合に電気的に短絡することを防止する。絶縁層３０は、酸化シリコン、パリレン（登録商標）、ゴム材例えばシリコーンゴム等を用いることができる。絶縁層３０は、カンチレバー２３の振動の阻害しない程度に薄膜であることが好ましい。

【0025】

脚部２３ｃと脚部２３ｄとの間の切り欠き部３１は、液滴ＤＲからの力に対するカンチレバー２３のたわみを調整して力に対する感度を調整するもので、その幅は適宜選択される。

【0026】

電極２８は、脚部２３ｃの基部側において、ピエゾ抵抗層２４ｃの一端に接触して形成されており、ピエゾ抵抗層２４ｃに電気的に接続される。電極２９は、脚部２３ｄの基部側において、ピエゾ抵抗層２４ｄの一端に接触して形成されており、ピエゾ抵抗層２４ｄに電気的に接続される。導電層２６は、脚部２３ｃの先端部において、ピエゾ抵抗層２４ｃの他端に接触して形成されており、ピエゾ抵抗層２４ｃに電気的に接続される。導電層２６は、さらに、脚部２３ｄの先端部において、ピエゾ抵抗層２４ｄの他端に接触して形成されておりピエゾ抵抗層２４ｄに電気的に接続される。これにより、電極２８、ピエゾ抵抗層２４ｃ、導電層２６、ピエゾ抵抗層２４ｄおよび電極２９の直列回路が形成される。

【0027】

ピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄは、例えば、シリコン層２２に不純物イオン、例えば、リンイオンをドープした領域であり、ピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄに応力が作用すると、歪みが生じ、歪みに応じて電気抵抗値が変化する。カンチレバー２３は、液滴ＤＲから受ける力により脚部２３ｃ、２３ｄが湾曲し、力の変動に応じて振動する。脚部２３ｃ、２３ｄが湾曲すると、ピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄに応力が作用し、歪が発生して、電気抵抗値が変化してピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄの両端間の電気抵抗値Ｒが変化する。電気抵抗値の変化率ΔＲ／Ｒを、後述するホイートストンブリッジ回路により出力信号に変換する。ＭＥＭＳ音響センサ１２は、分解能が０．１Ｐａ以下を有している。

【0028】

ＭＥＭＳ音響センサ１２は、カンチレバー２３の代替例として、その脚部が１つでもよく、３つ以上でもよい。これにより作用する力に応じてカンチレバーの脚部の湾曲の度合いを調整でき、目的とする圧力範囲に応じてＭＥＭＳ音響センサの選択が可能となる。

【0029】

ＭＥＭＳ音響センサ１２は、弾性要素が、カンチレバー２３の代わりに、両持ち梁状またはダイアフラム状に形成されてもよい。

【0030】

図５は、本発明の一実施形態に係る気泡検出装置の信号処理部の回路構成を示す図であり、ＭＥＭＳ音響センサのピエゾ抵抗層の電気抵抗も合わせて示している。

【0031】

図５を参照するに、信号処理部１３は、ピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄの抵抗Ｒおよび３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３（各符号は抵抗値も表す。）を含むホイートストンブリッジ回路３５と、差動増幅器３６とを有する。

【0032】

ホイートストンブリッジ回路３５は、ピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄの合成抵抗値Ｒ、歪みによる抵抗値の変化をΔＲとすると、ホイートストンブリッジ回路３５のＰＱ間の出力電圧Ｖ_P-Qは、下記式（１）で表される。
Ｖ_P-Q＝１／４×ΔＲ／Ｒ×Ｅ ・・・（１）
ただし、ホイートストンブリッジ回路３５の平衡をとるため、Ｒ×Ｒ２＝Ｒ１×Ｒ３になるように抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を設定する。直流電源はホイートストンブリッジ回路３５のＡＢ間に接続され、電圧Ｅ（Ｖ）である。例えば、Ｅ＝１Ｖ（ボルト）、ΔＲ／Ｒ＝０．００１であると、Ｖ_P-Q＝０．２５ｍＶ（ミリボルト）の出力が得られる。

【0033】

出力電圧Ｖ_P-Qは、ホイートストンブリッジ回路３５のＰＱ間に接続された差動増幅器３６によって増幅され、信号解析部１４に供給される。

【0034】

信号解析部１４は、図２およびその説明で述べた機能を実現して、液滴中の気泡の検出および気泡の大きさを推定する。信号解析部１４は、例えば、図６に示すパーソナルコンピュータを用いることができる。

【0035】

図６は、信号解析部のハードウェアの構成を示すブロック図である。図６を参照するに、信号解析部１４は、入力インタフェース４１と、プロセッサ４２と、メモリ４３と、これらを接続するバス４４とを有する。入力インタフェース４１は、信号処理部１３からの出力信号が入力され、アナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（不図示）を含みバス４４を介してプロセッサ４２またはメモリ４３に伝送する。プロセッサ４２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＧＰＵ(Graphic Processing Unit)等であり、メモリ４３またはプロセッサ４２に含まれるメモリに保存されたプログラムにより、上述した気泡検出部１５および気泡サイズ推定部１６の機能を実現する。プログラムは、出力信号の周波数特性を求めるプログラム、例えば、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理、特に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行うプログラムを含む。信号波形を表示部４５に表示するプログラム等を含んでもよい。

【0036】

メモリ４３は、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)等であり、例えばフラッシュメモリである。メモリ４３は、上記プログラムを格納してもよく、気泡サイズデータ格納部１７は、メモリ４３の一部の領域に設けてもよく、専用のメモリまたはハードディスク装置（不図示）を設けてもよい。

【0037】

信号解析部１４は、入力される信号波形、ＦＦＴ処理により周波数スペクトル等を表示する表示部４５を含んでもよく、プログラムの設定等を行うユーザインタフェース４６を含んでもよい。信号解析部１４は、解析結果を出力するために無線通信インタフェース４８または／および有線通信インタフェース５９を有してもよい。

【0038】

信号解析部１４は、オシロスコープ、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザ等を用いて気泡検出部１５を構成してもよい。

【0039】

本実施形態に係る気泡検出装置１０によれば、液滴生成部１８から液体をＭＥＭＳ音響センサ１２が設けられた対象物１１の表面１１ａに滴下または噴射して、液滴が衝突した際に発生する音波をＭＥＭＳ音響センサ１２が検知し、その音波に応じて生成されるＭＥＭＳ音響センサ１２からの出力信号を信号解析部１４の気泡検出部１５で周波数特性を求め、例えば周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得することによって出力信号の周期的な変動を検出することで、液滴中の気泡の有無を検出できる。さらに、気泡検出装置１０によれば、気泡サイズ推定部１６は、気泡検出部１５が取得した周波数特性のエネルギーのピークの周波数から、気泡サイズデータ格納部１７に格納された、予め求めたピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、液滴中の気泡の大きさを推定できる。

【0040】

図７は、本発明の一実施形態に係る気泡検出方法のフローチャートである。図７を図２とともに参照しつつ、気泡検出方法を説明する。

【0041】

最初に、液滴生成部１８によりＭＥＭＳ音響センサ１２が配置された対象物１１の表面１１ａへ液滴ＤＲを滴下する（Ｓ１００）。具体的には、液滴生成部１８、例えばシリンジ内の液体を一滴、対象物１１の表面１１ａに配置されたＭＥＭＳ音響センサ１２に滴下する。液滴ＤＲは対象物の表面形状、表面粗さ、表面の濡れ性等によって衝突後のリバウンドのプロセス、形状、気泡の形成等が異なる。

【0042】

次いで、ＭＥＭＳ音響センサ１２によって、液滴中を伝搬する音波を検知する（Ｓ１１０）。具体的には、滴下された液滴ＤＲはＭＥＭＳ音響センサ１２に衝突による力を与え、さらに表面１１ａでリバウンドすることでＭＥＭＳ音響センサ１２に作用する力が変化する。衝突した液滴ＤＲ内に気泡が発生すると、気泡の振動による周期的な振動（つまり、或る周波数）の音波がＭＥＭＳ音響センサ１２に作用する。ＭＥＭＳ音響センサ１２は、このような力および音波を検知する。

【0043】

次いで、ＭＥＭＳ音響センサ１２からの出力信号を解析して出力信号の周波数特性を求め周期的な変動を検出する（Ｓ１２０）。具体的には、ＭＥＭＳ音響センサ１２のピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄの抵抗値変化を信号処理部１３で出力信号に変換して増幅し、信号解析部１４において高速フーリエ変換処理により、エネルギースペクトルのピークを検出した場合は、液滴に気泡が含まれると判定する。ピークは周波数軸に対して複数個現れる場合もある。

【0044】

次いで、気泡サイズ推定部１６は、気泡サイズデータ格納部１７に格納された予め求めた出力信号の周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、気泡検出部１５で取得したピークの周波数から液滴中の気泡の大きさを推定する（Ｓ１３０）。

【0045】

本実施形態に係る気泡検出方法によれば、液滴生成部１８によりＭＥＭＳ音響センサ１２が配置された対象物１１の表面１１ａへ液滴ＤＲを滴下して、ＭＥＭＳ音響センサ１２からの出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出することで、液滴中の気泡の有無を検出できる。さらに、周波数特性のエネルギーのピークの周波数から、気泡サイズデータ格納部１７に格納された、予め求めたピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、液滴中の気泡の大きさを推定できる。

【0046】

［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態に係る気泡検出装置の構成を示すブロック図である。
図８を参照するに、第２の実施形態に係る気泡検出装置１００は、シリンジ１１１と、その内壁に配置したＭＥＭＳ音響センサ１２と、信号処理部１３と、信号解析部１４と、圧力印加部１１３と、チューブ１１４とを有する。

【0047】

シリンジ１１１内には液体ＬＱが収容されており、圧力印加部１１３によって、チューブ１１４を介してシリンジ１１１内の液体ＬＱに所定の増分の圧力を短時間に印加して保持する。例えば、シリンジ１１１内の気体の圧力が０．１ＭＰａ（１気圧）の場合、０．５ＭＰａ以下の増分の圧力を短時間（例えば１００ｍｓ（ミリ秒））で到達するように印加する。これにより、液体中に気泡がある場合は、液体ＬＱへの圧力印加によって液体中の気泡が振動して音波として液体中を伝搬し、ＭＥＭＳ音響センサ１２が音波を検知する。

【0048】

信号処理部１３および信号解析部１４は、第１の実施形態と同様の動作を行う。信号解析部１４の気泡検出部１５は出力信号の周波数特性を求め、周期的な変動を検出する。気泡検出部１５においてＦＦＴ処理を行って出力信号の周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得する。信号解析部１４の気泡サイズ推定部１６は、気泡サイズデータ格納部１７に格納された予め求めた出力信号の周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、気泡検出部１５で取得したピークの周波数から液体ＬＱ中の気泡の大きさを推定する。

【0049】

液体ＬＱ中に大きさの異なる複数の気泡が存在する場合は、気泡検出部１５は、複数の周波数の異なるピークを検出する。気泡サイズ推定部１６は、気泡検出部１５で取得したピークの周波数毎に気泡の大きさを推定する。

【0050】

これにより、気泡検出装置１００は、気泡検出部１５が気泡の有無を検出可能であり、さらに、液体ＬＱ中に気泡がある場合、気泡サイズ推定部１６が個々の気泡の大きさを推定可能である。

【0051】

気泡検出装置１００は、液剤吐出を行うディスペンサに適用可能である。気泡検出装置１００を備えるディスペンサは、液剤中の気泡の有無を検出することが可能である。気泡がある場合はアラームを立てることによって、気泡の悪影響により吐出量がばらつくことを回避できる。

【0052】

本発明の第２の実施形態に係る気泡検出方法は、図７に示した第１の実施形態の気泡検出方法とほぼ同様であるので、図示を省略する。第２の実施形態に係る気泡検出方法は、図７のＳ１００の代わりに、圧力印加部１１３によってシリンジ内の液体ＬＱに所定の圧力を印加するステップを行い、次いで、Ｓ１１０～Ｓ１３０の各ステップを行う。これにより、これにより、気泡の有無を検出可能であり、さらに、液体ＬＱ中に気泡がある場合、個々の気泡の大きさを推定可能である。

【0053】

［実施例］
図２に示した第１の実施形態に係る気泡検出装置１０を用いてシリコン基板の表面に配置したＭＥＭＳ音響センサ１２に水滴を滴下して衝突時の出力信号を検出および解析した。これとともに高速度カメラ（フォトロン社製 モデルＦＡＳＴＣＡＭ ＳＡ－Ｚ、撮影速度５００００フレーム／秒）を用いて水滴の撮影を行った。

【0054】

図９は、実施例１の液滴衝突時の（ａ）信号処理部からの出力信号の波形図および（ｂ）液滴の写真である。（ａ）は、横軸は時間であり、縦軸はピエゾ抵抗層の両端間の電気抵抗値Ｒの変化率ΔＲ／Ｒに換算した出力を示している。（ｂ）は滴下開始から２ｍ秒、７ｍ秒、８ｍ秒および１４ｍ秒経過した時点の液滴を側方から撮影した写真である。

【0055】

実施例１では、直径２．２ｍｍの水滴をシリコン基板の表面に滴下し衝突時の速度を０．６４ｍ／ｓとした場合である。図９（ａ）および（ｂ）を参照するに、液滴が表面に衝突した時（２ｍ秒）の衝撃により信号処理部１３からの出力信号にはピークが現れ、液滴が表面から離れた時（１４ｍ秒）に出力信号が０になる。その間の期間には、周期的な変動は現れていない。図９（ｂ）を参照するに、４枚の液滴の画像の全てに気泡が現れていないことが分かる。

【0056】

図１０は、実施例２の液滴衝突時の（ａ）ＭＥＭＳ音響センサの出力信号の波形図および（ｂ）液滴の写真である。実施例２は、直径２．２ｍｍの水滴をシリコン基板の表面に滴下し衝突時の速度を０．５０ｍ／ｓとした場合である。図１０（ａ）および（ｂ）を参照するに、液滴が表面に衝突した時（２ｍ秒）の衝撃により信号処理部１３からの出力信号にはピークが現れ、液滴が表面から離れた時（１４ｍ秒）に出力信号が０になる。その間の期間において、７．２ｍ秒～９．７ｍ秒において、周期的な変動は現れていることが分かる。図９（ｂ）に示すように、８ｍ秒における画像の液滴には気泡が現れていることが分かる。

【0057】

図１１は、実施例２の（ａ）信号処理部からの出力信号の部分拡大波形図および（ｂ）気泡検出部によりＦＦＴ処理された周波数スペクトルである。

【0058】

図１１（ａ）を参照するに、実施例２の信号処理部からの出力信号には明らかに周期的な変動が含まれるので気泡検出部１５により気泡が存在することが分かる。図１１（ｂ）を参照するに、気泡検出部１５によりＦＦＴ処理により取得した周波数スペクトルには、１２ｋＨｚにエネルギースペクトルのピークがあることが分かる。

【0059】

図１２は、気泡半径とピーク周波数との関係を示す図である。図１２を参照するに、気泡サイズ推定部１６は、気泡サイズデータ格納部１７に格納された気泡半径ｒ_Bとピーク周波数ｆ_Bとの関係を示す回帰式（ｆ_B（ｋＨｚ）＝５×１０⁶ｒ_B（μｍ）^-1.02）を参照して、気泡検出部１５により取得したエネルギースペクトルのピークの周波数から気泡のサイズを推定する。図１１（ｂ）によれば、ピークの周波数が１２ｋＨｚであるから、気泡サイズは３７０μｍと推定できる。なお、この回帰式は、最小二乗法により求めたものである。

【0060】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。ＭＥＭＳ音響センサ１２のピエゾ抵抗層２４ｃ、２４ｄの代わりに、ピエゾ圧電層を採用してもよい。ピエゾ圧電層を用いる場合は、図５に示した信号処理部１３のホイートストンブリッジ回路３５を省略する。

【0061】

なお、以上の説明に関してさらに実施形態として以下の付記を開示する。
（付記１） 液体中に含まれる気泡を検出する装置であって、
上記液体に接触可能に設けられ、上記液体中の音波を検知する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサと、
上記検知した音波に応じて生成される上記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析する信号解析部と、を備え、
上記信号解析部は、上記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する検出部を有する、上記装置。
（付記２） 上記検出部は、上記周期的な変動を検出した場合は、上記液体に気泡が含まれると判定する、付記１記載の装置。
（付記３） 上記検出部は、上記出力信号の周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得することによって上記出力信号の周期的な変動を検出し、
上記信号解析部は、予め求めた上記出力信号の周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、上記検出部で取得したピークの周波数から、上記液体中の気泡の大きさを推定する推定部を更に有する、付記１または２記載の装置。
（付記４） 上記検出部が、上記出力信号の周波数特性のエネルギーの複数のピークの周波数を取得した場合は、上記推定部は、上記複数のピークの周波数に各々応じた気泡の大きさを推定可能な、付記３記載の装置。
（付記５） 上記液体を対象物の表面に滴下または噴射して液滴を生成する液滴生成部を更に備え、
上記ＭＥＭＳ音響センサは、上記ＭＥＭＳ音響センサが設けられた上記対象物の表面に上記液滴が衝突した際に発生する音波を検知する、付記１～４のうちいずれか一項記載の装置。
（付記６） 上記検出部は、上記出力信号において、上記液滴が上記対象物の表面に衝突した最初のピークの後の上記周期的な変動を検出する、付記５記載の装置。
（付記７） 上記対象物の表面はインクジェット印刷の印刷面である、付記５または６記載の装置。
（付記８） 上記液体に圧力を印加する圧力印加部を更に備え、
上記圧力印加部が上記液体に圧力を印加することによって、上記ＭＥＭＳ音響センサは、上記液体に含まれる気泡の振動による音波を検知する、付記１～４のうちいずれか一項記載の装置。
（付記９） 上記液体を収容するシリンジを更に備え、
上記ＭＥＭＳ音響センサは、上記シリンジの内壁面に配置されてなる、付記８記載の装置。
（付記１０） 上記ＭＥＭＳ音響センサは、上記液体または液滴に接触する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、上記弾性要素は上記気泡による音波に応じて湾曲し、上記湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、付記１～９のうちいずれか一項記載の装置。
（付記１１） 上記弾性要素は、片持ち梁状、両持ち梁状、またはダイアフラム状に形成されてなる、付記１０記載の装置。
（付記１２） 上記歪み検出層がピエゾ抵抗層またはピエゾ圧電層である、付記１０または１１記載の装置。
（付記１３） 液体中に含まれる気泡を検出する方法であって、
上記液体に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサによって、上記液体中を伝搬する音波を検知するステップと、
上記検知した音波に応じて生成される上記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、上記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する、上記ステップと、を含む上記方法。
（付記１４） 上記解析するステップにおいて、上記周期的な変動を検出した場合は、上記液体に気泡が含まれると判定する、付記１３記載の方法。
（付記１５） 上記解析するステップにおいて、上記出力信号の周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得することによって上記出力信号の周期的な変動を検出し、
予め求めた上記出力信号の周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、上記取得したピークの周波数から、上記液体中の気泡の大きさを推定するステップを更に含む付記１３または１４記載の方法。
（付記１６） 上記解析するステップにおいて、上記出力信号の周波数特性のエネルギーの複数のピークの周波数を取得した場合は、上記推定するステップにおいて、上記複数のピークの周波数に各々応じた気泡の大きさを推定する、付記１５記載の方法。
（付記１７） 上記検知するステップの前に、上記液体を対象物の表面に滴下または噴射して液滴を生成するステップを更に含み、
上記ＭＥＭＳ音響センサは、上記ＭＥＭＳ音響センサが設けられた上記対象物の表面に上記液滴が衝突した際に発生する音波を検知する、付記１３～１６のうちいずれか一項記載の方法。
（付記１８） 上記検知するステップの前に、圧力印加部によって上記液体に圧力を印加するステップを更に含み、
上記液体に圧力を印加することによって、上記ＭＥＭＳ音響センサは、上記液体に含まれる気泡の振動による音波を検知する、付記１３～１６のうちいずれか一項記載の方法。
（付記１９） コンピュータに、
液体に接触可能に設けた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサが検知した、液体を伝搬する音波に応じて生成される上記ＭＥＭＳ音響センサからの出力信号を解析するステップであって、上記出力信号の周波数特性を求めて周期的な変動を検出する、上記ステップを実行させるプログラム。
（付記２０） 上記解析するステップにおいて、上記周期的な変動を検出した場合は、上記液体に気泡が含まれると判定する、付記１９記載のプログラム。
（付記２１） 上記解析するステップにおいて、上記出力信号の周波数特性のエネルギーのピークの周波数を取得することによって上記出力信号の周期的な変動を検出し、
予め求めた上記出力信号の周期的な変動の波形部分のエネルギーのピークの周波数と気泡の大きさとの関係を参照して、上記取得したピークの周波数から、上記液体中の気泡の大きさを推定するステップを更に含む付記１９または２０記載のプログラム。
（付記２２） 上記解析するステップにおいて、上記出力信号の周波数特性のエネルギーの複数のピークの周波数を取得した場合は、上記推定するステップにおいて、上記複数のピークの周波数に各々応じた気泡の大きさを推定する、付記２１記載のプログラム。

【符号の説明】

【0062】

１０，１００ 気泡検出装置
１２ 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）音響センサ
１３ 信号処理部
１４ 信号解析部
１５ 気泡検出部
１６ 気泡サイズ推定部
１７ 気泡サイズデータ格納部
１８ 液滴生成部
１１３ 圧力印加部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】