WO2024084545A1

WO2024084545A1 - 超音波霧化装置

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Publication number: WO2024084545A1
Application number: PCT/JP2022/038553
Authority: WO
Inventors: 孝浩平松; 容征織田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2024-04-25
Anticipated expiration: 2025-04-17
Also published as: US20250001370A1; JP7532655B1; JPWO2024084545A1; TW202417122A; CN118215545A; DE112022004593T5; TWI841446B; KR20240089519A

Abstract

本開示は、原料溶液の液面高さを精度良く検出することができる超音波霧化装置を提供することを目的とする。そして、本開示の超音波霧化装置（１００）において、霧化容器（１）の側面に原料溶液分離管（２０）が設けられる。原料溶液分離管（２０）は、原料溶液（１５）を収容するための原料溶液収容空間（２２）、及び原料溶液用容器との間で原料溶液（１５）の供給及び排出を行うための原料溶液通過口（２０Ｂ）を有している。原料溶液分離管（２０）に近接して液面検出器（４０）が設けられる。液面検出器（４０）は、原料溶液収容空間（２２）内における原料溶液（１５）の液面（１５Ａ）の高さを検出し、検出した液面（１５Ａ）の高さを示す液面検出信号（Ｓ４０）を出力する。

Description

超音波霧化装置

　本開示は、超音波振動子を用いて原料溶液を微細なミストに霧化し、原料溶液ミストを得る超音波霧化装置に関するものである。

　電子デバイスの作製の現場において、超音波霧化装置が利用されることがある。当該電子デバイス製造の分野では、超音波霧化装置は、超音波振動子から発振される超音波を利用して溶液を霧化（ミスト化）し、霧化された原料溶液ミストを搬送ガスによって外部へと送り出す。当該外部に搬送された原料溶液ミストがノズル等から基板に噴霧されることにより、基板上には、電子デバイス用の薄膜が成膜される。このような従来の超音波霧化装置として、例えば、特許文献１で開示された霧化装置がある。

　このように、従来の超音波霧化装置は、原料溶液に超音波振動を印加して原料溶液ミストを発生させている。超音波霧化装置から供給（排出）されるミスト量（霧化量）は、原料溶液ミストを超音波霧化装置からその外部に搬送させるために用いられる輸送ガスの流量に伴い変化（増減）する。

　一方、原料溶液ミストを利用した薄膜の作製を安定的に行うためには、超音波霧化装置から供給される原料溶液ミストのミスト量を安定化させ、かつ、ミストが含まれるガス流量も一定化させる必要がある。なお、「ミスト量」とは、正確には単位時間当たりの原料溶液ミストの質量または総体積を意味する。したがって、ミスト量の単位は「ｍｇ／ｓｅｃ」や「ｍｌ／ｓｅｃ」等で表される。

　図８は従来の超音波霧化装置２００の構成を模式的に示す説明図である。以下、図８を参照して、超音波霧化装置２００の構成を説明する。

　従来の超音波霧化装置２００において、霧化容器７１及びセパレータカップ８２により原料溶液用容器を構成している。原料溶液用容器の底面がセパレータカップ８２となる。原料溶液用容器は原料溶液１５を内部に収容している。

　霧化容器７１の上部と連通してセパレータカップ８２の上方に管部７１Ａが設けられる。管部７１Ａはミスト供給管５を介してノズル１７に接続される。原料溶液用容器内で生成された原料溶液ミストＭＴは管部７１Ａ及びミスト供給管５を介してノズル１７に供給される。

　超音波霧化装置２００は内部に超音波伝達媒体となる超音波伝達水９を収容する水槽８０をさらに有している。水槽８０及びセパレータカップ８２は、セパレータカップ８２の底面が超音波伝達水９に浸るように位置決めされている。

　水槽８０の底面に複数の超音波振動子２が設けられている。図８では２つの超音波振動子２が示されている。複数の超音波振動子２はそれぞれ超音波振動板２７を有しており、各超音波振動子２は、超音波振動板２７の平面形状に合致したサイズの超音波Ｗ２を超音波振動板２７から発生する超音波振動を行う。

　霧化容器７１の上部側面にガス供給管４が設けられ、ガス供給管４から輸送ガスＧ４が供給される。ガス供給管４には流量制御器５４並びに流量制御器５４の両側にバルブ６３及び６４が取り付けられている。

　流量制御器５４は流量計を含み、ガス供給管４を流れる輸送ガスＧ４の流量が設定された流量になるようにバルブ６３及び６４の絞り開度を制御している。流量制御器５４並びにバルブ６３及び６４を含むガス制御機器によって霧化容器７１に供給される輸送ガスＧ４の流量が制御される。

　管部７１Ａの側面にガス供給管３が設けられ、ガス供給管３から希釈ガスＧ３が供給される。ガス供給管３には流量制御器５３並びに流量制御器５３の両側にバルブ６１及び６２が取り付けられている。

　流量制御器５３は流量計を含み、ガス供給管３を流れる希釈ガスＧ３の流量が設定された流量になるようにバルブ６１及び６２の絞り開度を制御している。流量制御器５３並びにバルブ６１及び６２を含むガス制御機器により、管部７１Ａ内に供給される希釈ガスＧ３の流量が制御される。

　前述したように、原料溶液１５は、霧化容器７１とセパレータカップ８２とからなる原料溶液用容器内に収容されている。原料溶液用容器の底面がセパレータカップ８２となる。

　さらに、原料溶液用容器内に原料溶液１５の液面１５Ａの位置を検出するための液面検出器１９が設けられる。

　また、原料溶液用容器とは独立して原料タンク３５が設けられ、原料タンク３５は原料溶液用容器に供給するための原料溶液１５を内部に収容している。原料溶液用容器と原料タンク３５との間に原料溶液供給管３１が設けられる。

　原料溶液供給管３１には吸引用ポンプ３２及び流量計３３が設けられており、吸引用ポンプ３２によって、所定の流量で原料タンク３５内の原料溶液１５を原料溶液供給管３１を介して原料溶液用容器内に供給することができる。

　一方、ミスト供給管５はノズル１７に接続され、ノズル１７の底面に図示しない開口部が設けられる。ノズル１７の下方には例えば成膜対象の基板１８が配置される。

　このような構成の超音波霧化装置２００において、各々が超音波振動板２７を有する複数の超音波振動子２から超音波振動が印加されると、複数の超音波振動子２からの超音波Ｗ２の振動エネルギーが超音波伝達水９及びセパレータカップ８２を介して、原料溶液用容器内の原料溶液１５に伝達される。

　すると、図８に示すように、液面１５Ａから液柱６が立上り、原料溶液１５は、液粒及びミストへと移行し、霧化容器７１内で原料溶液ミストＭＴが得られる。このように、超音波振動子２から超音波Ｗ２を印加することにより、原料溶液１５を霧化して原料溶液ミストＭＴを生成する霧化動作が実行される。

　霧化動作の実行時に霧化容器７１内で生成された原料溶液ミストＭＴは、ガス供給管４から供給された輸送ガスＧ４及びガス供給管３から供給された希釈ガスＧ３によって、管部７１Ａ及びミスト供給管５を介してノズル１７に供給される。

　ノズル１７に供給された原料溶液ミストＭＴは、ノズル１７の底面に設けられた開口部から基板１８の表面に噴出されることにより、加熱状態の基板１８の表面に薄膜を成膜することができる。

国際公開第２０１５／０１９４６８号

　上述したように、従来の超音波霧化装置２００に接続させるガス系統は、輸送ガスＧ４と希釈ガスＧ３との２系統となる。希釈ガスＧ３は、ノズル１７から噴出される原料溶液ミストＭＴのガス総量を一定化させるためのガスである。したがって、ガス流量制御に必要な流量計（流量制御器）やバルブ等を含むガス制御機器は全て２系統分必要となり、結果として装置の製造コストを増加させる要因となっている。具体的には、希釈ガスＧ３用のガス制御機器として、図８で示した流量制御器５３、バルブ６１及び６２が必要となり、輸送ガスＧ４用のガス制御機器として図８で示した流量制御器５４、バルブ６３及び６４が必要となる。

　超音波振動により霧化容器７１内に発生した原料溶液ミストＭＴは、希釈ガスＧ３及び輸送ガスＧ４により霧化容器７１外の管部７１Ａ、ミスト供給管５及びノズル１７に供給される。霧化容器７１で発生する原料溶液ミストＭＴが一定量に保たれている場合、霧化容器７１から供給される原料溶液ミストＭＴのミスト量は、輸送ガスＧ４の輸送ガス流量ＬＣにより増減させることができる。

　一方、原料溶液ミストＭＴを用いた薄膜の成膜には、安定したミスト量に加えて、原料溶液ミストＭＴの総ガス流量ＬＴを一定に保つ必要がある。総ガス流量ＬＴを一定するとノズル１７の開口部から噴出される原料溶液ミストＭＴの吹き出し速度を一定にすることができる。ノズル１７の開口部は例えばスリット状に設けられる。

　一方、原料溶液ミストＭＴのミスト供給量を制御するために、輸送ガス流量ＬＣを増減させた場合、これに伴い総ガス流量ＬＴが増減する。

　したがって、総ガス流量ＬＴを一定に保つために、図８に示すように、霧化容器７１近くの管部７１Ａに輸送ガスＧ４とは別系統の希釈ガスＧ３を供給する必要がある。ここで、希釈ガスＧ３のガス流量を希釈ガス流量ＬＤとすると、輸送ガス流量ＬＣ、希釈ガス流量ＬＤ及び総ガス流量ＬＴの関係は以下の式(1)で決定する。

　ＬＴ＝ＬＣ＋ＬＤ…(1)
　なお、輸送ガス流量ＬＣ、希釈ガス流量ＬＤ及び総ガス流量ＬＴは、単位時間当たりの体積量を示し、「ｌ（リットル）／ｍｉｎ」等の単位で表される。

　例えば、原料溶液ミストＭＴのミスト供給量を減少させるために、輸送ガス流量ＬＣをΔＬＣ分減少させた場合、希釈ガス流量ＬＤをΔＬＣ分増加させることにより、総ガス流量ＬＴを一定に保つことができる。

　このように、従来の超音波霧化装置２００は、希釈ガスＧ３用の希釈ガス系統を追加することによって、総ガス流量ＬＴを輸送ガス流量ＬＣの変化に関係なく一定に保つことができる。

　しかしながら、前述したように、希釈ガスＧ３のガス制御に必要な流量計（流量制御器）やバルブなどのガス制御機器が１系統分追加されることになり、結果として装置製造コストが増加するという問題点があった。

　また、従来の超音波霧化装置２００では、超音波振動子で発生した超音波Ｗ２は、超音波伝達水９及びセパレータカップ８２を介して原料溶液１５に到達し、さらに空気との界面である原料溶液１５の液面１５Ａを持ち上げ、その先端から原料溶液ミストＭＴを発生させている。

　発生した原料溶液ミストＭＴは輸送ガスＧ４によって管部７１Ａに向けて押し出され、原料溶液１５の液面１５Ａは低下していく、液面検出器１９により液面１５Ａの低下が検出されると、吸引用ポンプ３２を駆動して原料タンク３５から原料溶液１５を吸引することにより、原料溶液用容器内に原料溶液１５を補給することができる。

　しかし、超音波Ｗ２で押し上げられた原料溶液１５の液柱６により液面１５Ａは大きく揺れるため、液面検出器が液面１５Ａの高さを正確に計測することが実用上困難であるという問題点があった。

　本開示では、上記のような問題点を解決し、原料溶液の液面高さを精度良く検出することができる超音波霧化装置を提供することを目的とする。

　本開示の超音波霧化装置は、原料溶液を収容する原料溶液用容器と、前記原料溶液用容器の下方に設けられる超音波振動子と、前記原料溶液用容器の側面に設けられ、前記原料溶液を収容するための原料溶液収容空間を有する原料溶液分離管とを備え、前記原料溶液分離管は、前記原料溶液用容器との間で前記原料溶液の供給及び排出を行うための原料溶液通過口を有し、前記原料溶液収容空間内における前記原料溶液の液面高さを検出する液面検出器をさらに備える。

　本開示の超音波霧化装置における液面検出器は、原料溶液収容空間内における原料溶液の液面高さを検出している。原料溶液用容器内の原料溶液は、超音波振動子からの超音波の発振に伴い液面が不安定な状態になっている。一方、原料溶液収容空間は原料溶液用容器の側面に設けられた原料溶液分離管内に形成されるため、超音波振動子からの超音波の影響を受けることなく原料溶液の液面は安定している。

　このように、本開示の超音波霧化装置における液面検出器は、原料溶液収容空間内の原料溶液を検出対象としているため、原料溶液の液面高さを精度良く検出することができる。

　本開示の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

本開示の実施の形態である超音波霧化装置の構成を模式的に示す説明図である。図１で示した原料溶液分離管及びその周辺の構造を示す説明図である。ガイドパルス方式を用いた液面検出器の構成を示す説明図である。フロートセンサ方式を用いた液面検出器の構成を示す説明図である。静電容量方式を用いた液面検出器の構成を示す説明図である。実施の形態の超音波霧化装置における輸送ガスのガス制御機器、及び原料溶液増減機構の詳細を示す説明図である。実施の形態である超音波霧化装置の制御系を示す説明図である。従来の超音波霧化装置の構成を模式的に示す説明図である。

　＜本開示の原理＞
　本開示の超音波霧化装置では、原料溶液ミストＭＴの総ガス流量ＬＴを決定するガス系統を従来の２系統（輸送ガスＧ４と希釈ガスＧ３）から１系統に（輸送ガスＧ４のみ）に変更している。ガス系統を１系統にすることによって、希釈ガスＧ３のガス制御に必要なガス制御機器の数を減らし、装置製造コストを低減することができる。この場合、輸送ガス流量ＬＣ及び総ガス流量ＬＴの関係は｛ＬＴ＝ＬＣ｝となる。

　一方、原料溶液ミストＭＴにおける霧化量の増減を輸送ガス流量ＬＣのみで制御する場合、総ガス流量ＬＴを一定に保つことができないという問題がある。

　この問題の対策として、本開示の超音波霧化装置では、超音波振動子２における超音波振動板２７の表面から原料溶液１５の液面１５Ａまでの高さである液面高さｄ１５を変化させることにより、原料溶液ミストＭＴのミスト量の制御を行っている。すなわち、輸送ガス流量ＬＣを変化させることなく、液面高さｄ１５を意図的に変化させることにより、原料溶液ミストＭＴのミスト量を増減させている。

　＜実施の形態＞
　図１は本開示の実施の形態である超音波霧化装置１００の構成を模式的に示す説明図である。図２は図１で示した原料溶液分離管２０及びその周辺の構造を示す説明図である。以下、図１及び図２を参照して、超音波霧化装置１００の構成を説明する。

　本実施の形態の超音波霧化装置１００において霧化容器１及びセパレータ１２により原料溶液用容器を構成している。原料溶液用容器の底面がセパレータ１２となる。このように、霧化容器１及びセパレータ１２から構成される原料溶液用容器内に原料溶液１５を収容している。

　霧化容器１の上部と連通してセパレータ１２の上方に管部１Ａが設けられる。管部１Ａは図示しないミスト供給管を介して図示しないノズル等のミスト噴射部に接続される。原料溶液用容器内で生成された原料溶液ミストＭＴは管部１Ａ及びミスト供給管を介してノズル等のミスト噴射部に供給される。

　図示しないミスト供給管は、例えば図８で示したミスト供給管５に相当し、図示しないノズル等のミスト噴射部は、例えば図８で示したノズル１７に相当する。

　超音波霧化装置１００は内部に超音波伝達媒体となる超音波伝達水９を収容する水槽１０をさらに有している。水槽１０及びセパレータ１２は、セパレータ１２の底面が超音波伝達水９に浸るように位置決めされている。

　セパレータ１２下方における水槽１０の底面に複数の超音波振動子２が設けられている。図１では２つの超音波振動子２が示されている。複数の超音波振動子２はそれぞれ超音波振動板２７を有しており、各超音波振動子２は、超音波振動板２７の平面形状に合致したサイズの超音波Ｗ２を超音波振動板２７から発生する超音波振動を行う。

　霧化容器１の上部側面にガス供給管４が設けられ、ガス供給管４から輸送ガスＧ４が供給される。ガス供給管４には図示しないガス制御機器が取り付けられており、ガス制御機器によって霧化容器１に供給される輸送ガスＧ４の流量が制御される。ガス制御機器は、例えば、図８で示した流量制御器５４、バルブ６３及び６４に相当する。

　前述したように、原料溶液１５は、霧化容器１とセパレータ１２とからなる原料溶液用容器内に収容されている。原料溶液用容器の底面がセパレータ１２となる。

　さらに、霧化容器１及びセパレータ１２を含む原料溶液用容器とは独立して原料タンク３５が設けられる。原料タンク３５は原料溶液用容器に供給するための原料溶液１５を内部に収容している。原料溶液用容器と原料タンク３５との間に原料溶液用配管３０が設けられる。原料溶液用配管３０を介して原料溶液用容器と原料タンク３５との間で原料溶液１５を流通させることができる。

　原料溶液用配管３０には吸引用ポンプ３２及び流量計３３を含む原料溶液増減機構８が設けられている。原料溶液増減機構８は、後述する制御部５０の制御下で原料タンク３５に収容された原料溶液１５を原料溶液用容器内に供給する原料溶液供給動作と、原料溶液用容器に収容された原料溶液１５を原料タンク３５に排出する原料溶液排出動作とを実行する。

　以下、図２を参照して、原料溶液分離管２０及び液面検出器４０について説明する。原料溶液分離管２０は霧化容器１の側面に設けられ、原料溶液１５を収容するための原料溶液収容空間２２を有している。

　原料溶液分離管２０は、原料溶液用容器との間で原料溶液１５の供給及び排出を行うための原料溶液通過口２０Ｂを下方に有している。原料溶液通過口２０Ｂの高さ方向の形成位置は、セパレータ１２の上方で、かつ、想定される液面１５Ａの最低高さより下方に設定される。なお、原料溶液通過口２０Ｂの開口面積は原料溶液１５が支障なく通過できる面積であれば良い。

　また、原料溶液分離管２０の上方に原料溶液収容空間２２と霧化容器１内の空間とを連通する開口部２０Ａが設けられている。開口部２０Ａの高さ方向の形成位置は、想定される液面１５Ａの最高高さの上方に設定される。

　さらに、原料溶液分離管２０の側面と霧化容器１の側面との間に側面空間２０Ｓが設けられている。したがって、原料溶液１５は、原料溶液通過口２０Ｂ及びから比較的狭い原料溶液通過領域２２Ｂを介して、原料溶液収容空間２２，原料溶液用容器間を流通する。同様に、気体成分は、開口部２０Ａ及び比較的狭い気体成分通過領域２２Ａを介して、原料溶液収容空間２２，原料溶液用容器間を流通する。

　したがって、原料溶液分離管２０内の原料溶液収容空間２２は、原料溶液用容器と異なり、複数の超音波振動子２からの超音波Ｗ２の影響を受けない空間となる。このように、本実施の形態の超音波霧化装置１００は、原料溶液用容器と原料溶液分離管２０とで原料溶液１５を分離して収容している。

　そして、原料溶液分離管２０に近接して液面検出器４０が設けられる。液面検出器４０は、原料溶液収容空間２２内における原料溶液１５の液面１５Ａの高さを検出し、検出した液面１５Ａの高さを示す液面検出信号Ｓ４０を出力する。

　このような構成の超音波霧化装置１００において、各々が超音波振動板２７を有する複数の超音波振動子２から超音波振動が印加されると、複数の超音波振動子２からの超音波Ｗ２の振動エネルギーが超音波伝達水９及びセパレータ１２を介して、原料溶液用容器内の原料溶液１５に伝達される。

　すると、図１及び図２に示すように、液面１５Ａから液柱６が立上り、原料溶液１５は、液粒及びミストへと移行し、霧化容器１内で原料溶液ミストＭＴが得られる。このように、超音波振動子２から超音波Ｗ２を印加することにより、原料溶液１５を霧化して原料溶液ミストＭＴを生成する霧化動作が実行される。

　霧化動作の実行時に霧化容器１内で生成された原料溶液ミストＭＴは、ガス供給管４から供給された輸送ガスＧ４によって、管部１Ａを介してミスト供給管及びノズル等のミスト噴射部に供給される。

　そして、原料溶液ミストＭＴは、最終的にノズル等の開口部から基板の表面に噴出されることにより、加熱状態の基板の表面に薄膜を成膜することができる。

　本実施の形態の超音波霧化装置１００における液面検出器４０は、原料溶液収容空間２２内における原料溶液１５の液面１５Ａの高さを検出している。原料溶液用容器内の原料溶液１５は、複数の超音波振動子２からの超音波Ｗ２の発振に伴い液柱６等が発生するため、液面１５Ａが不安定な状態になっている。一方、原料溶液収容空間２２は原料溶液用容器の側面に設けられた原料溶液分離管２０内に形成されるため、複数の超音波振動子２からの超音波Ｗ２の影響を受けることなく原料溶液収容空間２２内の原料溶液１５の液面１５Ａは安定している。

　このように、本実施の形態の超音波霧化装置１００における液面検出器４０は、原料溶液収容空間２２内の原料溶液１５を検出対象としているため、超音波振動板２７から液面１５Ａまでの液面高さｄ１５を精度良く検出することができる。

　液面検出器４０として、例えば、ガイドパルス方式を用いた液面検出器４１、フロートセンサ方式を用いた液面検出器４２または静電容量方式を用いた液面検出器４３等が考えられる。

　図３はガイドパルス方式を用いた液面検出器４１の構成を示す説明図である。同図に示すように、液面検出器４１は、ガイドプローブ４１Ａ及びセンサ４１Ｃを主要構成要素として含んでいる。

　ガイドプローブ４１Ａは、原料溶液分離管２０の原料溶液収容空間２２内において高さ方向に延在する態様で配置される。センサ４１Ｃは、ガイドプローブ４１Ａに対し、パルス状の電気信号を印加し、原料溶液収容空間２２内の原料溶液１５の液面１５Ａからの反射信号に基づき、液面検出信号Ｓ４１を出力している。液面検出信号Ｓ４１は液面高さｄ１５を示す信号となる。

　液面検出器４１のセンサ４１Ｃから出力される液面検出信号Ｓ４１は、ガイドパルス方式を利用して得られる。このため、原料溶液収容空間２２内の原料溶液１５の液面１５Ａに関し、液面検出信号Ｓ４１は、超音波振動子２の超音波振動板２７からの液面高さｄ１５を精度良く示すことができる。

　図４はフロートセンサ方式を用いた液面検出器４２の構成を示す説明図である。同図に示すように、液面検出器４２は、フロート４２Ａ、ガイド棒４２Ｂ、及びセンサ４２Ｃを主要構成要素として含んでいる。

　ガイド棒４２Ｂは、原料溶液収容空間２２内において高さ方向に延在する態様で配置される。フロート４２Ａは、ガイド棒４２Ｂに取り付けられ、原料溶液収容空間２２内の原料溶液１５の液面１５Ａの高さに応じて上下動する。フロート４２Ａ内部には磁石が設けられる。

　センサ４２Ｃは、ガイド棒４２Ｂを介してフロート４２Ａの位置を検出して、液面検出信号Ｓ４２を出力する。液面検出信号Ｓ４２は液面高さｄ１５を示す信号となる。

　具体的には、センサ４２Ｃは，ガイド棒４２Ｂ内のリードスイッチ群を作動させる。ガイド棒４２Ｂ内には高さ方向に沿って複数のリードスイッチが設けられている。複数のリードスイッチのうちフロート４２Ａと配置高さが一致する一つのリードスイッチがフロート４２Ａの磁石の磁力によりオン状態となる。したがって、センサ４２Ｃは、複数のリードスイッチのうちオン状態のリードスイッチから、ガイド棒４２Ｂ上におけるフロート４２Ａの取付位置を検出することにより、原料溶液収容空間２２内の原料溶液１５の液面１５Ａの位置を認識することができる。

　センサ４２Ｃセンサから出力される液面検出信号Ｓ４２は、フロートセンサ方式を利用して得られる。このため、原料溶液収容空間２２内の原料溶液１５の液面１５Ａに関し、液面検出信号Ｓ４２は、ガス供給管３の超音波振動板２７からの液面高さｄ１５を精度良く示すことができる。

　図５は静電容量方式を用いた液面検出器４３の構成を示す説明図である。同図に示すように、液面検出器４３は、一対の電極４３Ａ及び４３Ｂ並びに検出回路４３Ｃを主要構成要素として含んでいる。

　一対の電極４３Ａ及び４３Ｂは、原料溶液収容空間２２を挟んで互いに対向するように、原料溶液分離管２０の側面に取り付けられる。

　検出回路４３Ｃは、一対の電極４３Ａ及び４３Ｂに電気的に接続され、発振回路等を内部に有している。検出回路４３Ｃは、既存の方法により、一対の電極４３Ａ及び４３Ｂ間の静電容量を算出して、算出した静電容量に基づき液面検出信号Ｓ４３を出力する。液面検出信号Ｓ４３は液面高さｄ１５を示す信号となる。

　検出回路４３Ｃから出力される液面検出信号Ｓ４３は、静電容量方式を利用して得られる。このため、原料溶液収容空間２２内の原料溶液１５の液面１５Ａに関し、液面検出信号Ｓ４３は、ガス供給管３の超音波振動板２７からの液面高さｄ１５を精度良く示すことができる。

　図６は超音波霧化装置１００における輸送ガスＧ４のガス制御機器、及び原料溶液増減機構８の詳細を示す説明図である。

　同図に示すように、ガス供給管４には流量制御器５４並びに流量制御器５４の両側にバルブ６３及び６４が取り付けられている。流量制御器５４並びにバルブ６３及び６４を主要構成要素としてガス制御機器が構成される。

　本実施の形態の超音波霧化装置１００では、希釈ガスＧ３を供給しないため、希釈ガスＧ３用のガス制御機器を設ける必要はない。

　原料溶液増減機構８は、原料溶液用配管３０（原料溶液供給管３０Ａ＋原料溶液排出管３０Ｂ）、吸引用ポンプ３２、流量計３３、吐出用ポンプ３６、及び流量計３７を主要構成要素として含んでいる。

　原料溶液用配管３０は原料溶液用容器内において原料溶液通過口２０Ｂよりも低い位置に先端開口部３０ｔを有している。

　原料溶液供給ポンプである吸引用ポンプ３２は制御部５０の制御下で原料溶液供給動作を実行する。原料溶液排出ポンプである吐出用ポンプ３６は制御部５０の制御下で原料溶液排出動作を実行する。吸引用ポンプ３２と吐出用ポンプ３６とは互いに独立して設けられる。

　図７は実施の形態である超音波霧化装置１００の制御系を示す説明図である。同図に示す様に、制御部５０は、液面検出器４０より液面検出信号Ｓ４０を取り込んでいる。なお、液面検出器４０は液面検出器４１～４３を含み、液面検出信号Ｓ４０は液面検出信号Ｓ４１～Ｓ４３を含んでいる。

　また、制御部５０は外部より設定信号Ｓ１を受けている。設定信号Ｓ１として、例えば、原料溶液ミストＭＴのミスト量が最大となる最適液面高さｄ０等の液面高さを直接指示する信号、または、ミスト量を指示する信号等が考えられる。

　制御部５０は、設定信号Ｓ１がミスト量を指示する信号の場合、指示されたミスト量が生成できる液面高さｄ１５を設定液面高さｄ５０として算出する。制御部５０は、設定信号Ｓ１が液面高さ自体を指示する信号の場合、指示された液面高さを設定液面高さｄ５０さとして認識する。この設定液面高さｄ５０が制御部５０の制御目標となる「所定の高さ」となる。

　制御部５０は、液面検出器４０より液面検出信号Ｓ４０を受け、流量計３３より流量信号Ｓ３３を受け、流量計３７より流量信号Ｓ３７を受け、制御信号ＳＣ３２及びＳＣ３６を原料溶液増減機構８に付与して原料溶液増減機構８を制御する。流量信号Ｓ３３は原料溶液供給管３０Ａを流れる原料溶液１５の流量を示しており、流量信号Ｓ３７は原料溶液排出管３０Ｂを流れる原料溶液１５の流量を示している。

　具体的には、制御部５０は、液面検出信号Ｓ４０に基づき、原料溶液用容器内の原料溶液１５の液面１５Ａの高さが所定の高さである設定液面高さｄ５０になるように、上述した原料溶液供給動作及び原料溶液排出動作を原料溶液増減機構８に実行させる。

　制御部５０は、液面検出信号Ｓ４０が示す液面高さｄ１５が設定液面高さｄ５０を下回る場合、制御信号ＳＣ３２を原料溶液供給ポンプである吸引用ポンプ３２に付与して吸引用ポンプ３２を駆動し、原料タンク３５に収容された原料溶液１５を原料溶液用容器内に供給する原料溶液供給動作を実行制御する。

　制御部５０は、液面検出信号Ｓ４０が示す液面高さｄ１５が設定液面高さｄ５０を上回る場合、制御信号ＳＣ３６を原料溶液排出ポンプである吐出用ポンプ３６に付与して吐出用ポンプ３６を駆動し、原料溶液用容器に収容された原料溶液１５を原料タンク３５に排出する原料溶液排出動作を実行制御する。

　制御部５０は、原料溶液供給動作時において、流量信号Ｓ３３に基づき原料溶液供給管３０Ａを流れる原料溶液１５の流量を制御しつつ、原料溶液用容器内の原料溶液１５の液面高さｄ１５が設定液面高さｄ５０まで上昇するように、原料溶液供給動作を実行制御する。

　制御部５０は、原料溶液排出動作時において、流量信号Ｓ３７に基づき原料溶液排出管３０Ｂを流れる原料溶液１５の流量を制御しつつ、原料溶液用容器内の原料溶液１５の液面高さｄ１５が設定液面高さｄ５０まで下降するように、原料溶液排出動作を実行制御する。

　本実施の形態の超音波霧化装置１００は、制御部５０の制御下で、液面検出器４０より得られた液面検出信号Ｓ４０に基づき、原料溶液１５の液面高さｄ１５さが所定の高さである設定液面高さｄ５０になるように、原料溶液供給動作及び原料溶液排出動作を原料溶液増減機構８に実行させている。

　その結果、本実施の形態の超音波霧化装置１００は、超音波振動子２による超音波振動によって原料溶液１５を液滴化して原料溶液ミストＭＴを得る霧化動作期間中において、原料溶液１５の液面高さｄ１５を一定の設定液面高さｄ５０にすることにより、原料溶液用容器内の原料溶液１５から、所望のミスト量の原料溶液ミストＭＴを得ることができる。

　加えて、原料溶液供給ポンプである吸引用ポンプ３２による原料溶液供給動作と原料溶液排出ポンプである吐出用ポンプ３６による原料溶液排出ポンプとをそれぞれ独立して行うことにより、原料溶液供給動作及び原料溶液排出動作を精度良く行うことができる。

　さらに、本実施の形態の超音波霧化装置１００は、水槽１０及び原料溶液用容器（霧化容器１＋セパレータ１２）を含むダブルチャンバー方式を採用している。したがって、ダブルチャンバー方式を採用した超音波霧化装置１００において、原料溶液用容器内の原料溶液１５から精度良く原料溶液ミストＭＴを得ることができる。

　そして、超音波霧化装置１００は、ガス供給管４から原料溶液用容器に供給される輸送ガスＧ４のみによって、生成された原料溶液ミストＭＴを外部に輸送することができる。

　（超音波霧化装置１００のまとめ）
　以下、図１～図７で示した本実施の形態の超音波霧化装置１００の特徴箇所について説明する。

　原料溶液ミストＭＴの霧化量と液面高さｄ１５との関係は、最も多いミスト量が得られる高さである最適液面高さｄ０をピークとして、最適液面高さｄ０から高さが変化することによって、発生する原料溶液ミストＭＴのミスト量が減少するという特徴がある。したがって、設定液面高さｄ５０と最適液面高さｄ０との差の絶対値｜ｄ５０－ｄ０｜に対し負の相関を持って原料溶液ミストＭＴのミスト量が決定することになる。

　なお、最適液面高さｄ０は、霧化をさせる原料溶液１５の種類や、超音波Ｗ２を伝達させるための超音波伝達水９の液種、セパレータ１２の材質、厚さなどによっても変化する。

　液面高さｄ１５の変化によるミスト量制御を応答性よく行うためには、原料溶液用容器内に収容されている原料溶液１５の液面１５Ａの高さを正確に検出することが重要となる。

　前述したように、原料溶液用容器内の原料溶液１５の液面１５Ａは、超音波振動子２からの超音波Ｗ２の伝達により、激しく変動する傾向がある。

　本実施の形態の超音波霧化装置１００では、上記傾向を考慮して、霧化容器１の側面に原料溶液分離管２０を取付けている。超音波Ｗ２が伝達される原料溶液用容器内の原料溶液１５の液面１５Ａに比べ、超音波Ｗ２の影響を受けない原料溶液分離管２０の原料溶液収容空間２２内の原料溶液１５の液面１５Ａは安定している。

　このように、原料溶液分離管２０の原料溶液収容空間２２内に収容される原料溶液１５の液面１５Ａは安定しているため、原料溶液収容空間２２内における原料溶液１５の液面１５Ａの高さを検出することにより、液面検出器４０は液面高さｄ１５を正確に認識することができる。

　液面高さｄ１５を変化させるために、原料溶液用容器とは独立して原料タンク３５を設けている。そして、原料溶液用容器と原料タンク３５とを原料溶液用配管３０（原料溶液供給管３０Ａ＋原料溶液排出管３０Ｂ）を介して接続している。原料溶液用配管３０には原料溶液増減機構８が備えられている。

　液面高さｄ１５を上昇させる場合には、制御部５０の制御下で原料タンク３５から原料溶液用容器に原料溶液１５を供給する原料溶液供給動作を原料溶液増減機構８に実行させている。反対に液面高さｄ１５を下降させる場合は、制御部５０の制御下で原料溶液用容器から原料タンク３５に原料溶液１５を排出する原料溶液排出動作を原料溶液増減機構８に実行されている。本実施の形態の超音波霧化装置１００は、液面高さｄ１５の上昇／下降により原料溶液ミストＭＴのミスト量を精度良く制御することができる。

　本開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、本開示がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本開示の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

　１　霧化容器
　２　超音波振動子
　４　ガス供給管
　８　原料溶液増減機構
　１０　水槽
　１２　セパレータ
　１５　原料溶液
　２０　原料溶液分離管
　２０Ｂ　原料溶液通過口
　２２　原料溶液収容空間
　２７　超音波振動板
　３２　吸引用ポンプ
　３５　原料タンク
　３６　吐出用ポンプ
　４０～４３　液面検出器
　５０　制御部

Claims

　原料溶液を収容する原料溶液用容器と、
　前記原料溶液用容器の下方に設けられる超音波振動子と、
　前記原料溶液用容器の側面に設けられ、前記原料溶液を収容するための原料溶液収容空間を有する原料溶液分離管とを備え、前記原料溶液分離管は、前記原料溶液用容器との間で前記原料溶液の供給及び排出を行うための原料溶液通過口を有し、
　前記原料溶液収容空間内における前記原料溶液の液面高さを検出する液面検出器をさらに備える、
超音波霧化装置。
　請求項１記載の超音波霧化装置であって、
　前記原料溶液用容器とは独立して設けられ、前記原料溶液を収容する原料タンクと、
　前記原料タンクに収容された前記原料溶液を前記原料溶液用容器内に供給する原料溶液供給動作と、前記原料溶液用容器に収容された前記原料溶液を前記原料タンクに排出する原料溶液排出動作とを実行する原料溶液増減機構とをさらに備え、
　前記液面検出器は、前記原料溶液の液面高さを示す液面検出信号を出力し、
　前記超音波霧化装置は、
　前記液面検出器より前記液面検出信号を受け、前記原料溶液増減機構を制御する制御部をさらに備え、
　前記制御部は、前記液面検出信号に基づき、前記原料溶液の液面高さが所定の高さになうように、前記原料溶液供給動作及び前記原料溶液排出動作を前記原料溶液増減機構に実行させる、
超音波霧化装置。
　請求項２記載の超音波霧化装置であって、
　前記原料溶液増減機構は、
　前記制御部の制御下で前記原料溶液供給動作を実行する原料溶液供給ポンプと、
　前記制御部の制御下で前記原料溶液排出動作を実行する原料溶液排出ポンプとを含み、
　前記原料溶液供給ポンプと前記原料溶液排出ポンプとは互いに独立して設けられる
超音波霧化装置。
　請求項２または請求項３に記載の超音波霧化装置であって、
　前記液面検出器は、
　前記原料溶液収容空間内において高さ方向に延在する態様で配置されるガイドプローブと、
　前記ガイドプローブに対し、パルス状の電気信号を印加し、前記原料溶液からの反射信号に基づき、前記液面検出信号を出力するセンサとを含む、
超音波霧化装置。
　請求項２または請求項３に記載の超音波霧化装置であって、
　前記液面検出器は、
　前記原料溶液収容空間内において高さ方向に延在する態様で配置されるガイド棒と、
　前記ガイド棒に取り付けられ、前記原料溶液の液面高さに応じて上下動するフロートと、
　前記ガイド棒を介して前記フロートの位置を検出して、前記液面検出信号を出力するセンサとを含む、
超音波霧化装置。
　請求項２または請求項３に記載の超音波霧化装置であって、
　前記液面検出器は、
　前記原料溶液収容空間を挟んで互いに対向するように、前記液面検出器の側面に取り付けられた一対の電極と、
　前記一対の電極に電気的に接続され、前記一対の電極間の静電容量を算出して、算出した静電容量に基づき前記液面検出信号を出力する検出回路とを含む、
超音波霧化装置。
　請求項１から請求項６のうち、いずれか１項に記載の超音波霧化装置であって、
　前記原料溶液用容器は底面にセパレータを有し、
　前記超音波霧化装置は、
　前記原料溶液用容器に輸送ガスを供給するガス供給管と、
　内部に超音波伝達媒体を収容する水槽とをさらに備え、前記水槽及び前記セパレータは、前記セパレータの底面が前記超音波伝達媒体に浸るように位置決めされ、
　前記超音波振動子は前記セパレータの下方に位置する前記水槽の底面に設けられる、
超音波霧化装置。