JP2014055827A - 浸透速度測定装置及びこれに用いる試料保持具 - Google Patents

Abstract

【課題】液体を貯留した容器の上方に、試料を保持して質量測定装置に吊下げ支持された試料保持具を配置し、容器と試料保持具を相対昇降させて、容器の液面に試料の下端を接触させ、試料が液体の浸透に伴って質量変化するのを質量測定装置で経時的に測定する浸透速度測定装置において、液体を円滑かつ高い精度で試料の下端に接触させることができるようにする。
【解決手段】液体ｆを貯留した容器１９を試料保持具９に対してステッピングモータ１１で駆動昇降させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、粉体、多孔質体、繊維、紙、などの試料と各種の液体との親和性（濡れ性）を、液体の試料に対する浸透速度を測定することで分析評価する浸透速度測定装置及びこれに用いる試料保持具に関する。

かかる浸透速度測定装置としては、例えば、特許文献１，２に示されているように、液体を貯留した容器の上方に、試料を保持して重量測定装置に吊下げ支持した試料保持具を配置し、容器を駆動装置によって上昇させて、容器の液体に試料の下端を接触させ、試料に液体が浸透するのに伴って試料の重量が増加するのを重量測定装置で経時的に測定し、その測定データから浸透速度を演算するよう構成したものが知られている。

特許第２６７２６９６号公報 特許第２７２１４１６号公報

上記浸透速度測定装置においては、液体を貯留した容器を上昇させる駆動装置を作動させて容器の上昇制御を行っているのであるが、容器上昇駆動の振動等によって容器内の液面に波立ちが生じやすく、試料下端への液面接触精度が低下することがあった。また、液面が波立たないよう上昇させるために移動速度を十分落として容器を上昇させれば上記不具合は軽減できるのであるが、液面が試料下端に近づくまでに時間がかかって、測定処理時間全体が長くなってしまう。

本発明は、このような実情に着目してなされたものであって、液体を円滑かつ高い精度で試料の下端に接触させることができるようにすることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では次のように構成している。

（１）本発明は、液体を貯留した容器の上方に、試料を保持して質量測定装置に吊下げ支持された試料保持具を配置し、前記容器と試料保持具を相対昇降させて、容器の液面に試料を接触させ、試料が液体の浸透に伴って質量変化するのを前記質量測定装置で測定する浸透速度測定装置において、
前記容器と試料保持具を前記相対昇降させるステッピングモータを備えることを特徴とする。

この構成によると、ステッピングモータをパルス制御することで、高い精度で昇降速度制御および昇降位置制御を行うことが容易となり、液面を波立たせることなく円滑に試料に接触させることができるとともに、試料を過剰に液体に浸漬させてしまうことなく、試料下端に過不足無く液体を接触させて的確な浸透を行わせ、精度の高い測定を行うことができる。

（２）本発明の好ましい実施態様では、前記容器の液面が試料に接近するまでの移動速度を、それ以降の移動速度よりも高速で行うように前記ステッピングモータを駆動制御する。

この構成によると、浸透を行うまでの移動時間を極力短くしながら、静かにに液面を試料の下端部に接触させることができ、測定処理時間全体の短縮化を図りながら測定精度を向上することができる。

（３）本発明は、上記（１）または（２）の浸透速度測定装置に用いる試料保持具であって、
試料を収容する下端開放状態の筒状のセルと、セルを連結保持して前記質量測定装置に吊下げ装着するホルダとを備え、
前記セルの下端開口に、収容した試料を受け止める多孔板の支持部を設けてあることを特徴とする。

この構成によると、試料が粉状の場合には、多孔板の上に試料が漏れないように濾紙を重ね置いて、セル内に試料を充填して使用する。これによると、試料保持具の下端部に浸漬された液体は多孔板を通して濾紙に浸透して広く拡散され、濾紙の上に装填された試料の下端全面に均一に接触することになり、試料の下端全面からの浸透が偏りなく進行してゆく。

また、試料が固形状である場合には、多孔板の上に試料を直接に載置保持する。これによると、試料保持具の下端部に浸漬された液体は、多孔板を通して直接に試料の下端に接触することになり、試料の下端全面からの浸透が偏りなく進行してゆく。

（４）上記（３）の実施態様では、前記セルの内部に、収容する試料が挿入されて水平方向での位置決めを行う治具を脱着可能に取り付ける治具支持部を備える構成としてもよい。

この構成によると、例えば、電池缶などの円柱状の試料を、治具によって容器本体の中心に位置させて多孔板で受け止め保持し、水平方向へずれ動くことなく収容することができ、試料の位置および姿勢を安定保持して、その下端全面を液体に適切に接触させることができる。

（５）本発明は、上記（１）または（２）の浸透速度測定装置に用いる試料保持具であって、
水平方向に対向する接近離反可能な複数の挟持部材を備え、
試料の上端を複数の前記挟持部材で水平方向から挟持して、試料を前記質量測定装置の下方に吊下げ保持することを特徴とする。

この構成によると、シート状、あるいは、様々な厚さの板状に形成された試料をそれぞれ的確に吊下げ保持することができ、測定対象を一層拡大することができる。

（６）上記（５）の実施態様では、一対の挟持部材を対向配備し、一方の前記挟持部材を試料挟持方向に付勢移動可能、かつ、挟持解除方向に弾性後退移動可能に支持するとともに、他方の前記挟持部材を相手挟持部材に対して手動で進退移動可能に支持する構成としてもよい。

この構成によると、片方の挟持部材を手動で進退調節することで、様々な厚さの試料を挟持することができるとともに、試料を挟持した状態で片方の挟持部材を更に前進移動させることで、両挟持部材間に挟持した試料を移動調節して吊下げ中心に位置決めすることが容易となり、試料がホルダに対してアンバランス位置に保持されることによりホルダごと試料が傾いてしまうようなことがなく、正しい鉛直姿勢で試料を吊下げ保持することができる。その結果、試料の下端全体を偏りなく均一に液体に接触させることができる。

このように、本発明によれば、吊下げ保持した試料に容器の液体を所望の速度で接近移動させることができ、試料下端への液体接触を円滑かつ高い精度で適切に行うことが可能となる。

浸透速度測定装置の本体の外観斜視図である。 浸透速度測定装置の本体の側面図である。 試料保持具の縦断側面図である。 試料保持具の分解斜視図である。 容器上昇作動の過程を示す縦断側面図である。 容器の上昇制御作動を示すフローチャートである。 浸透速度係数の算出を説明するための図である。 他の使用形態の試料保持具を示す縦断側面図である。 他の使用形態における試料保持具の分解斜視図である。 別実施例の試料保持具を示す外観斜視図である。 別実施例の試料保持具を反対側から見た外観斜視図である。 別実施例の試料保持具の縦断側面図（ａ）と使用形態の側面図（ｂ），（ｃ）である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１および図２に、本発明に係る浸透速度測定装置の本体が示されている。この浸透速度測定装置の本体は、卓上に載置して使用されるよう構成されており、高さ調節可能な脚１ａを備えたベース１、その奥部に立設した駆動部２、駆動部２の上に設置された計測部３、ベース１と駆動部２と計測部３とで囲まれた測定空間４に配備された昇降台５、測定空間４を前方および左右から覆う開閉操作自在な透明カバー６、等が備えられている。この浸透速度測定装置の本体は、図示しないパソコン等の制御装置に接続され、この制御装置によって、後述する昇降台５の駆動制御や計測部３から計測データの処理が行なわれる。すなわち、この実施形態の浸透速度測定装置は、本体と制御装置とを備えている。

前記計測部３には電子天秤を利用した質量測定装置７が装備されており、質量計測用のフック８が測定部３の下面から測定空間４に垂下され、このフック８に、浸透速度の測定対象である試料を収容した試料保持具９が吊下げ支持される。

前記昇降台５は、側面形状がＬ形に形成されており、駆動部２に内装された上下スライド案内手段１０によって昇降可能に支持されるとともに、駆動部２に内装された駆動装置としてのステッピングモータ１１によってねじ送り昇降されるよう構成されている。より高い精度での昇降速度制御および昇降位置制御を必要とする場合には、ステッピングモータ１１は減速機付きのステッピングモータを用いるのが好ましい。

図３および図４に示すように、前記試料保持具９は、フッ化樹脂材からなる筒状のセル１２と、これの上部に外嵌連結されるホルダ１３とからなり、ホルダ１３の中心上部には、前記フック８に係止される連結孔１４が備えられている。また、ホルダ１３の内周には、セル１２の外周に弾性圧着されるＯリング１５が嵌入装着されており、このＯリング１５とセル外周との摩擦によってセル１２をホルダ１３で吊下げ保持できるようになっている。

セル１２における下端開口近くの内周には、上向き段差状の支持部１６が環状に形成されており、この支持部１６に、多孔板１７と濾紙１８とが重ねて嵌め込み装着され、濾紙１８で下端開口を塞いだセル１２の内部に測定対象である粉状の試料ｗが所定の密度で充填される。なお、セル１２の内部に粉状の試料ｗを投入後、セル１２をタッピングしてセル１２内部の空気を極力抜くようにすれば、試料ｗがより密に充填される。

次に、上記装置を用いて粉状の試料ｗの浸透速度測定を行う場合の過程について図５および図６のフローチャートを参照しながら説明する。

先ず、準備段階として、上記のようにセル１２に試料ｗを充填収容してホルダ１３を連結した試料保持具９を質量測定装置７のフック８に吊下げ支持するとともに、浸透溶媒である液体ｆを所定レベルに貯留した透明の容器（シャーレ）１９を、吊下げた試料保持具９の略直下に位置するよう下降待機位置にある昇降台５に載置する。容器１９内に入っている液体ｆの体積と容器１９の底面積とから、容器１９内の液体ｆの高さは算出できる。容器１９内の液体ｆの高さが分かれば、容器１９の底面から試料保持具９の下端までの距離は予め分かっているので、容器１９の液面から試料保持具９の下端までの距離も分かる。なお、容器１９には体積目盛が付された容器を用いるほうが、液体ｆの体積を測定する手間が省けるため、好ましい。

測定開始時には、上述の制御装置によってステッピングモータ１１が正転起動されて昇降台５が上昇を開始する。この場合、容器１９の液面が試料保持具９の下端近傍の予め設定した高さに到達するまでは予め設定された高速度Ｖ1で上昇駆動され、容器１９は速やかに試料保持具９に接近上昇される（♯01，♯02）。このときの設定高さは、試料保持具９と容器１９の液面とが接触しない範囲で任意に設定可能であるが、測定時間短縮化の観点から、試料保持具９の下端から容器１９の液面までの距離が約２０ｍｍ以下となる高さに設定することが好ましい。なお、昇降台５が設定高さに到達するまでの上昇は、ステッピングモータ１１の駆動パルス数として設定することができる。

容器１９の液面が所定高さに到達した後は、上昇速度が低速Ｖ2となるようにステッピングモータ１１がパルス制御され、液面が波立つことがないように容器１９が静かに上昇される（♯03，♯04）。

容器１９の液面が試料保持具９の下端に到達すると、上昇速度が中速Ｖ3となるようにステッピングモータ１１がパルス制御され（♯05，♯06）、液面が試料保持具９の下端から濾紙１８の高さに至る所定の高さだけ一層静かに容器１９が上昇されて停止する（♯07，♯0８）。

なお、容器１９の液面が試料保持具９の下端に到達すると、試料保持具９の下端が液体ｆに浸漬されて発生する浮力によって質量測定装置７での測定値が変化することになり、この質量測定値が変化したことの検知によって、容器１９の液面が試料保持具９の下端に到達したことを認識することができる。

また、試料保持具９の下端から濾紙１８までの高さは予め判っているので、液面が試料保持具９の下端に到達した位置から一定高さだけ上昇させて停止すれば、液面が濾紙１８に接触した状態を現出することができる。液面が試料保持具９の下端に接触してから濾紙１８に接触する高さまで上昇する際、試料保持具９の下端内部に溜まる空気はセルの下端に形成した切欠き２０から流出し、液体の液面が試料保持具９の下端内部で上昇するのを阻害することはない。

このように液面が濾紙１８に接触すると、液体ｆは濾紙１８に浸透して拡散し、試料ｗの下端全面に液体ｆが接触することになり、この状態を設定時間に亘って維持することで、液体ｆが次第に試料ｗに浸透して試料ｗの質量が増加し、この質量変化を質量計測装置７で経時的に測定し、その測定データを上述の制御装置によって演算処理することで、試料ｗに対する液体の浸透速度を得ることができる。

なお、測定処理が完了した後、容器１９の下降指令が出されると、初期上昇速度Ｖ1と同じ速さ、あるいは、これよりも更に速い速さで下降待機位置まで下降される。

ここで、液体の浸透速度の算出について、簡単に説明する。

試料と液体との親和性は、一般に下記のWashburnの式で示される。

W_L ²／ｔ＝(Sερ_L)²・（rγ_Lcosθ／２η_L）
W_L：液体の浸透質量、 ｔ：時間、 S：粉体層断面積、 ε：空間率
ρ_L：液体密度、 ｒ：粉体層内の粒子が形成する毛細管半径
γ_L:液体表面張力、 η_L：液体粘度、 θ：液体と固体表面が成す接触角
液体とセルの中の試料とを接触させて一定時間保持すると、毛細管現象により、試料は液体を吸い上げ質量が増加する。この際の測定時間と質量変化を計測し、横軸：時間、縦軸：質量のグラフとして表示させる。解析時には、グラフを図７に示すように、横軸：時間、縦軸：質量の２乗のグラフへと変換し、接線の傾きを算出する。この接線の傾きは、上記Washburnの式の左辺に等しい、浸透速度係数（W_L ²／ｔ）と呼ばれ、この値が大きいほど浸透速度が大きく、試料と液体との親和性がよいとされる。また、算出した浸透速度係数（W_L ²／ｔ）を用いて、上記Washburnの式から液体と固体表面が成す接触角θを求めることもできる。

次に、粉体以外の各種の試料ｗに適応した試料保持具９の使用例を以下に説明する。

図８，図９に、上記構成の試料保持具９を、円柱状やブロック状の試料ｗに使用する場合の状態が示されている。円柱状又はブロック状試料の測定例としては、正極、負極およびセパレータが収容された円柱状の電池缶（試料ｗ）と、電解液（液体ｆ）とを接触させ、電池缶内に収容された正極、負極およびセパレータと、電解液との親和性を分析評価する場合などが挙げられる。

この試料保持具９におけるセル１２の上端部内周には、上向き段差状の治具支持部２１が環状に形成されており、ここにフランジ付きの治具２２が嵌め込み装着されるようになっている。

前記治具２２は、試料ｗの外径より若干大径の中心孔を備えており、試料ｗの種類に対応した径の中心孔を備えたものが複数種準備されて使い分けられる。治具２２に挿通された試料ｗは、吊り中心ｘに正しく位置決め保持される。

また、セル１２の下端開口の内周に形成した支持部１６には多孔板１７だけが装着されて試料ｗを受け止め支持する。ここで使用する多孔板１７は、試料ｗを受け止め支持するに足る強度の桟を放射状に残して複数、この例では８つの扇形の開口を形成し、極力大きい開口率を得るようにしており、容器１９の上昇によって液体ｆが試料ｗの下端全面に直接接触しやすいようになっている。

図１０〜図１２に、シート状、プレート状、あるいは、厚板状の試料ｗに対応した試料保持具９が示されている。シート状、プレート状、あるいは、厚板状試料の測定例としては、紙（試料ｗ）とインク（液体ｆ）との親和性を分析評価する場合や、シート状に形成した電池の電極（試料ｗ）と電解液（液体ｆ）との親和性を分析評価する場合などが挙げられる。

この試料保持具９は、中心上部にフック８に対する連結孔１４を備えたアルミ材またはアルミ合金材製のホルダ３０と、これの下部に対向配備された前後に長い左右一対のステンレス鋼製の挟持部材３１，３２とで構成されている。

図１２（ａ）に示すように、ホルダ３０の下端部には、互いに対向して左右の支持部３０ａ，３０ｂが突設されており、一方の支持部３０ａに、前後一対の支持軸３３が左右にスライド移動自在に挿通されるとともに、他方の支持部３０ｂにおける前後中央部位にネジ軸３４がねじ込み挿通されている。そして、両支持軸３３の内端に亘って一方の挟持部材３１がネジ連結され、また、ネジ軸３４の内端部に他方の挟持部材３２がネジ軸芯周りに相対回動可能にねじ込み支軸３５で枢支されている。なお、挟持部材３２は、その上端辺がホルダ３０の下面に当接案内され、ねじ込み支軸３５周りに挟持部材３２が自転することが阻止されている。

また、一方の挟持部材３１が連結された支持軸３３には弾性部材が外嵌装着されている。本実施例では、弾性部材としてコイルバネ３６が初期圧縮変形されて外嵌装着され、そのバネ力によって挟持部材３１が支持軸３３と共に内方、すなわち、対向する挟持部材３２側に向けてスライド付勢されている。他方の挟持部材３２を枢支連結したネジ軸３４の外端には操作ツマミ３７が一体連設されており、操作ツマミ３７を手動で回動操作することで、挟持部材３２を対向する一方の挟持部材３１に対して接近および離反移動させることができるようになっている。

ここで、内方に向けてスライド付勢された支持軸３３の外端にはストッパ座金３８がネジ止め装着されて、挟持部材３１の内向きスライド移動に限界が与えられており、この内向き移動限界において、挟持部材３１の挟持面が試料保持具９の吊下げ中心ｘを若干内方に越えた位置に在るように設定されている。

以上のように構成された試料保持具９によると、薄い試料ｗにおいては、図１２（ｂ）に示すように、ツマミ操作で挟持部材３２を内方に向けて進出移動させ、両挟持部材３１，３２で試料ｗを挟持した状態から更に挟持部材３２を進出操作し、試料ｗが吊下げ中心ｘに位置するように相手挟持部材３１をスライド付勢力に抗して後退させる。これによって、試料ｗは、コイルバネ３６の弾性復元力で両挟持部材３１，３２の間に挟み持たれて垂下することになる。

また、試料ｗが厚くなると、試料ｗを吊下げ中心ｘに位置させるために挟持部材３１の後退量が大きくなり、その分、試料の弾性挟持力が強くなって、厚くて重い試料ｗを的確に挟持することができる。

なお、図１２（ｃ）に示すように、挟持部材３１が支持部３０ａに当接する後退限界にあるときは、挟持部材３１の挟持面から吊下げ中心ｘまでの距離の２倍の寸法が、吊下げ中心ｘに試料ｗを位置させて挟持できる最大厚さとなる。

また、図１０，図１１に示すように、ホルダ３０の側端面に、吊下げ中心ｘを示すマーク線ｍを付しておくと、試料ｗを正しく吊下げ中心ｘに位置させて保持することが容易となる。そして、試料ｗを正しく吊下げ中心ｘに位置させて挟持した状態において、試料保持具９全体の重心が吊下げ中心ｘに在るように、各部材の質量配分がなされている。

上記試料保持具９を用いると、試料保持具９で吊下げ保持された試料ｗの下端に容器１９の液体ｆを直接接触させることになるので、容器１９の上昇制御において、下降待機位置から液面が試料下端に近い設定高さまでの上昇は前記高速Ｖ1で行い、所定高さから試料下端面に液面が接触する位置までの上昇を前記高速Ｖ１よりも遅い速度、例えば前記低速Ｖ２で行うとよい。

［他の実施例］
本発明は、以下のような形態で実施することもできる。

（１）試料保持具９におけるセル１２とホルダ１３の連結手段は、上記のように、Ｏリング１５を介した摩擦固定方式に限られることはなく、ホルダ１３の周方向複数位置にホルダ中心に向けて付勢移動可能に組付けたボールをセル１２の外周に形成した環状溝に付勢係合させるボールデテント方式、ホルダ１３の周方向複数位置にホルダ中心に向けて付勢移動可能に装備した係止爪をセル１２の外周に形成した環状溝に付勢係合させる爪係止方式、あるいは、単純にセル１２とホルダ１３とをねじ込み連結する方式などの手段を利用することで、ホルダ１３にセル１２を強固に連結支持させることができる。

（２）容器１９が載置された昇降台５をステッピングモータ１１で昇降駆動する手段としては、上記のようにネジ送り方式のほかに、ラック・ピニオンギヤ方式を利用することもできる。

（３）実施例では、液体ｆを貯留した容器１９を上昇させて、所定高さに吊下げ保持した試料ｗに接触させる形態としているが、容器１９を固定して、試料ｗを吊下げ支持したフック８を下降させる形態で実施することも可能である。

（４）弾性部材は、コイルバネ３６の他に、ゴムを利用することもできる。

（５）容器１９の周囲にジャケットを設け、前記ジャケット内に冷媒又は熱媒を通流させることで、容器１９内の液体の温度を調節する構成としてもよい。

（６）測定空間４に連通する気体流入口と気体排出口とを設け、気体流入口から気体を通流させることで、測定空間４内を任意の雰囲気として測定することも可能である。

（７）測定空間４内に気体を通流させて測定を行う場合、通流させる気体の圧力、流量又は温度を手動又は自動で制御することで、測定空間４内をそれぞれ所望の圧力、気体濃度又は温度に設定して測定を行うことができる。通流させる気体の圧力、流量又は温度の自動制御機構としては、測定空間４内の圧力、気体濃度又は温度を検知する手段を設け、それらの検知手段に予め所望の圧力、気体濃度又は温度を設定しておき、それらの設定値と検知手段によって検知される測定値との差が小さくなるように、圧力、流量又は温度を自動調節する制御機構が考えられる。

また、気体排出口から真空ポンプ等を用いて測定空間４内の気体を排気するようにすれば、測定空間４内を減圧した状態で測定することもできる。

７ 質量測定装置
９ 試料保持具
１１ ステッピングモータ
１２ セル
１３ ホルダ
１６ 支持部
１７ 多孔板
１９ 容器
２１ 治具支持部
２２ 治具
３０ ホルダ
３１ 挟持部材
３２ 挟持部材
ｆ 液体
ｗ 試料

Claims (6)

1. 液体を貯留した容器の上方に、試料を保持して質量測定装置に吊下げ支持された試料保持具を配置し、前記容器と試料保持具を相対昇降させて、容器の液面に試料を接触させ、試料が液体の浸透に伴って質量変化するのを前記質量測定装置で測定する浸透速度測定装置において、
   前記容器と試料保持具を前記相対昇降させるステッピングモータを備える、
   ことを特徴とする浸透速度測定装置。
2. 前記容器の液面が試料に接近するまでの移動速度を、それ以降の移動速度よりも高速で行うように前記ステッピングモータを駆動制御する、
   請求項１記載の浸透速度測定装置。
3. 前記請求項１または２に記載の浸透速度測定装置に用いる試料保持具であって、
   試料を収容する下端開放状態の筒状のセルと、セルを連結保持して前記質量測定装置に吊下げ装着するホルダとを備え、
   前記セルの下端開口に、収容した試料を受け止める多孔板の支持部を設けてある、
   ことを特徴とする浸透速度測定装置の試料保持具。
4. 前記セルの内部に、収容する試料が挿通されて水平方向での位置決めを行う治具を脱着可能に取り付ける治具支持部を備えてある、
   請求項３に記載の浸透速度測定装置の試料保持具。
5. 前記請求項１または２に記載の浸透速度測定装置に用いる試料保持具であって、
   水平方向に対向する接近離反可能な複数の挟持部材を備え、
   試料の上端を複数の前記挟持部材で水平方向から挟持して、試料を前記質量測定装置の下方に吊下げ保持する、
   ことを特徴とする浸透速度測定装置の試料保持具。
6. 一対の挟持部材を対向配備し、一方の前記挟持部材を試料挟持方向に付勢移動可能、かつ、挟持解除方向に弾性後退移動可能に支持するとともに、他方の前記挟持部材を相手挟持部材に対して手動で進退移動可能に支持してある、
   請求項５に記載の浸透速度測定装置の試料保持具。

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