JP2014092536A - 流動性試料観察装置及び流動性試料観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流動性試料の自由界面の状態を観察する。
【解決手段】表面１２ａに油滴が載置され、表面１２ａの油滴を移動させる回転ディスク１２と、回転ディスク１２の表面１２ａに当接し、回転ディスク１２の動作によって表面１２ａを摺動するガラス片２１と、回転ディスク１２とガラス片２１とが当接する当接部分を通過した油滴が形成する油膜の自由界面を観察する高速度カメラ３１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動性を有する流動性試料の状態を観察する流動性試料観察装置及び流動性試料観察方法に関するものである。

従来から、固体上に付着した流体の状態を観察する装置が用いられている。特許文献１には、固体の上方に配置されたカメラによって固体表面に付着した液滴を撮影し、撮影された試料表面の三次元形状から接触角を演算する固体表面のぬれ性測定装置が開示されている。

特開２００５−１１４６１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置のように、固体上に付着した流体の接触角を測定する装置は広く用いられているものの、一般に自由界面を有する薄膜は均一であると考えられており、その状態についての詳細な観察は行われていなかった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、流動性試料の自由界面の状態を観察可能な流動性試料観察装置を提供することを目的とする。

本発明は、表面に流動性試料が載置され、前記表面の流動性試料を移動させる可動部材と、前記可動部材の前記表面に当接し、前記可動部材の動作によって前記表面を摺動する接触部材と、前記可動部材と前記接触部材とが当接する当接部分を通過した流動性試料の自由界面を観察する観察部と、を備えることを特徴とする。

本発明では、可動部材の動作によって接触部材が可動部材の表面を摺動し、可動部材と接触部材との当接部分を通過した流動性試料が、観察部によって観察される。したがって、流動性試料の自由界面の状態を観察することができる。

本発明の実施の形態に係る流動性試料観察装置の側面図である。 図１における平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る流動性試料観察装置によって観察された流動性試料の状態を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る流動性試料観察装置１００について説明する。

流動性試料観察装置１００によって観察される流動性試料は、流動性を有する試料であり、例えば、油や水などの液体である。流動性試料は、液体の他にも、常温で半固体であるグリース，ワセリン，シリコンなどであってもよい。また、自由界面とは、気体に臨む流動性試料における気体との境界面である。以下では、流動性試料が油である場合について説明する。

まず、図１及び図２を参照して、流動性試料観察装置１００の構成について説明する。

流動性試料観察装置１００は、油滴を水平に平行移動させる移動機構１０と、移動機構１０に当接し油滴を引き延ばして油膜化する接触機構２０と、移動機構１０に形成された油膜の状態を観察する観察機構３０とを備える。

移動機構１０は、回転軸１１を中心に回転する回転体である可動部材としての回転ディスク１２と、回転ディスク１２の底面及び外周を覆うカバー部材１３とを備える。

回転軸１１は、その中心軸が鉛直となるように設けられ、軸受１１ａによって回転自在に支持される。回転軸１１は、電動モータ等のアクチュエータ（図示省略）によって回転駆動される。

回転ディスク１２は、その表面１２ａが水平となるように設けられ、回転軸１１に固定されて一体に回転する金属製の円盤である。ここでは、回転ディスク１２は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）によって形成される。

回転ディスク１２の表面１２ａには、回転中心から所定距離だけ離間した位置に流動性試料である油滴が載置される。回転ディスク１２は、表面１２ａの角度を維持したまま油滴を移動させる。具体的には、回転ディスク１２は、等速で回転することによって、表面１２ａに載置された油滴を、円周状の軌跡を描くように水平に移動させる。

回転ディスク１２の径及び回転速度は、表面１２ａに載置された油滴に遠心力が影響しない範囲、即ち、油滴に作用する遠心力を無視できる範囲に設定される。

なお、回転ディスク１２に代えて、直線状に移動する直動テーブルを可動部材として用いてもよい。この場合も同様に、直動テーブルは、表面に載置された油滴を水平に移動させることが可能である。

カバー部材１３は、回転する回転ディスク１２の周りを保護するものである。また、カバー部材１３は、万が一、回転ディスク１２の回転速度が速くなりすぎた場合に、表面１２ａに載置された油滴が遠心力によって周囲に飛散することを防止できる。

接触機構２０は、回転ディスク１２の表面１２ａに当接する接触部材としてのガラス片２１と、ガラス片２１を保持する保持部２２と、ガラス片２１が上下方向に移動自在となるように保持部２２を支持する支持部２７とを備える。

ガラス片２１は、ガラス（ＢＫ７）によって形成される平凸レンズである。ガラス片２１は、回転ディスク１２との当接面２１ａが凸状となるようなレンズ状に形成される。この当接面２１ａは、球面状に形成される。

ガラス片２１は、無色透明に形成される。そのため、後述するように、観察機構３０によって、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分における油膜の状態を、ガラス片２１を透過して観察することが可能である。

ガラス片２１は、回転ディスク１２の中心から所定距離だけ離間した位置における表面１２ａに当接する。具体的には、当接面２１ａの先端は、回転ディスク１２の表面１２ａにおける油滴が載置された位置に当接する。このとき、ガラス片２１は、当接面２１ａの先端が回転ディスク１２に点接触した状態である。

ガラス片２１は、回転ディスク１２の回転動作によって表面１２ａを摺動する。これにより、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分を油滴が通過し引き延ばされて油膜化される。

ガラス片２１に代えて、無色透明な樹脂片を接触部材として用いてもよい。この場合にも、ガラス片２１を用いた場合と同様に、接触部材を透過して回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分における油膜の状態を観察することができる。また、これらの他にも、ゴム片や金属片などを接触部材として用いてもよい。

保持部２２は、ガラス片２１が固定される先端部２３と、先端部２３から連続して形成される一対のアーム部２４と、アーム部２４を挟んで先端部２３と対向して設けられる後端部２６とを備える。

先端部２３は、鉛直方向に空洞を有する筒状に形成され、その下端にガラス片２１を保持する。これにより、ガラス片２１を回転ディスク１２に当接させることができるとともに、ガラス片２１の上方からガラス片２１を透過して油膜の状態を観察することができる。

アーム部２４は、先端部２３の側面から連続するように一対形成される。一対のアーム部２４は、水平方向に所定の間隔をあけて配置される。アーム部２４は、側面が鉛直方向に沿うように設けられる。アーム部２４の側面には、回転ディスク１２とガラス片２１との間の摩擦力を検出する摩擦力検出器としてのひずみゲージ２５が取り付けられる。

ひずみゲージ２５は、回転ディスク１２とガラス片２１との間の摩擦力によってガラス片２１が回転ディスク１２の回転とともに移動しようとする際に、アーム部２４の微小な変形を検出する。これにより、ひずみゲージ２５が検出したアーム部２４の変形量から、回転ディスク１２とガラス片２１との間の摩擦力を演算することができる。

このように、ひずみゲージ２５が設けられることによって、回転ディスク１２とガラス片２１とが当接する当接部分を通過した油によって形成された油膜の自由界面を観察すると同時に、回転ディスク１２とガラス片２１との間の摩擦力を計測することができる。

また、アーム部２４は一対設けられ、その各々にひずみゲージ２５が取り付けられる。よって、回転ディスク１２とガラス片２１との間の摩擦力を高精度に計測することができる。

後端部２６は、下方から上方に向けて鉛直に押圧される。後端部２６の自由端には、下方からの押圧力を検出するロードセル２６ａが設けられる。

支持部２７は、保持部２２を上下方向に揺動可能なように、後端部２６におけるアーム部２４寄りの側面をトラニオン支持する。そのため、後端部２６の自由端が上方に向けて押圧されると、先端部２３は下方に移動することとなる。これにより、後端部２６の自由端を下方から押圧する押圧力を調整することで、回転ディスク１２とガラス片２１との間の押し付け力を調整できる。よって、回転ディスク１２の表面１２ａに形成される油膜の厚さを調整することができる。

観察機構３０は、回転ディスク１２の表面１２ａの上方に設置される。観察機構３０は、回転ディスク１２の表面１２ａに形成された油膜の自由界面を観察する観察部としての高速度カメラ３１と、観察対象である油膜の自由界面を拡大可能な顕微鏡３２とを備える。

高速度カメラ３１は、毎秒２０００枚の静止画像を撮影可能なカメラである。高速度カメラ３１は、その光軸が鉛直方向を向くように設置される。高速度カメラ３１は、顕微鏡３２を介して拡大された油膜の自由界面を撮影する。この高速度カメラ３１をコンピュータやモニター等と接続すれば、油膜の状態をリアルタイムに観察することも可能である。

顕微鏡３２は、高速度カメラ３１に直列に取り付けられる。顕微鏡３２は、回転ディスク１２の表面１２ａに形成された油膜を、その状態を観察可能な大きさに拡大する。

観察機構３０の位置は、回転ディスク１２上の任意の位置に設定可能である。観察機構３０は、本実施の形態では、図２に示されたＡ部を観察可能な位置に設けられる。即ち、観察機構３０は、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分によって油膜が形成されてから回転ディスク１２が９０度だけ回転移動した位置にて油膜の状態を観察する。

以上のように、流動性試料観察装置１００では、回転ディスク１２の回転動作によってガラス片２１が回転ディスク１２の表面１２ａを摺動し、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分を通過して形成された油膜が、高速度カメラ３１によって観察される。したがって、流動性試料である油滴によって形成された油膜の自由界面の状態を観察することができる。

また、観察機構３０は、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分における油膜の状態を、ガラス片２１を透過して観察可能な位置に移動可能である。これにより、観察機構３０は、上述したように、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分における油膜の状態を、ガラス片２１を透過して観察することが可能である。

ガラス片２１を透過して油膜を観察する場合には、ガラス片２１と油膜との当接によって生じる干渉縞を観察することができる。この干渉縞の色と、平凸レンズ状に形成されるガラス片２１の当接面２１ａの曲率とから、観察された油膜の厚さを求めることができる。

次に、流動性試料観察装置１００を用いた流動性試料観察方法について説明する。

まず、回転ディスク１２の表面１２ａに油滴を載置する。具体的には、回転ディスク１２の表面１２ａにおけるガラス片２１の当接面２１ａと当接する円周状に、ピペットを用いて油滴を滴下する。この工程が載置工程である。

次に、回転ディスク１２の表面１２ａにガラス片２１を当接させて、回転ディスク１２を回転動作させる。このとき、回転ディスク１２は、表面１２ａの角度を水平に維持したまま回転動作する。この工程が移動工程である。なお、回転ディスク１２が回転している状態で油滴を滴下して、載置工程と移動工程とを同時に実行してもよい。

そして、回転ディスク１２の動作によって回転ディスク１２とガラス片２１とが当接する当接部分を通過した油によって形成された油膜の自由界面を、高速度カメラ３１を用いて観察する。この工程が観察工程である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すのは、高速度カメラ３１によって撮影された油膜の自由界面の画像の例である。これらの画像の上下方向の中央が、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分を通過した部分である。また、これらの画像の右方向が、回転ディスク１２の回転動作の方向である。

図３（ａ）は、油滴の滴下量が８μｌであり、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分の相対速度である滑り速度が２５ｍｍ／ｓとなるように回転ディスク１２を回転させた場合の油膜の状態である。また、図３（ｂ）は、油滴の滴下量が８μｌであり、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分の滑り速度が１００ｍｍ／ｓとなるように回転ディスク１２を回転させた場合の油膜の状態である。

これらの油膜の自由界面の画像から、油滴の供給量が比較的少ない場合には、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分やその周囲において、油が凝集している様子が観察された。また、滑り速度が大きくなると、凝集した油滴が粒状ではなくすじ状となる様子が観察された。

これまで、一般に自由界面を有する流動性試料の薄膜は均一であると考えられており、その状態についての詳細な観察は行われていなかった。これに対して、流動性試料観察装置１００を用いることで、上述のとおり、自由界面において流動性試料が凝集する様子を観察することができるようになった。

以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

流動性試料観察装置１００では、回転ディスク１２の回転動作によってガラス片２１が回転ディスク１２の表面１２ａを摺動し、回転ディスク１２とガラス片２１との当接部分を通過して形成された油膜が、高速度カメラ３１によって観察される。したがって、流動性試料である油によって形成された油膜の自由界面の状態を観察することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１００ 流動性試料観察装置
１１ 回転軸
１２ 回転ディスク（可動部材）
１２ａ 表面
２１ ガラス片（接触部材）
２１ａ 当接面
２２ 保持部
２５ ひずみゲージ（摩擦力検出器）
３１ 高速度カメラ（観察部）
３２ 顕微鏡

Claims (6)

1. 表面に流動性試料が載置され、前記表面の流動性試料を移動させる可動部材と、
   前記可動部材の前記表面に当接し、前記可動部材の動作によって前記表面を摺動する接触部材と、
   前記可動部材と前記接触部材とが当接する当接部分を通過した流動性試料の自由界面を観察する観察部と、を備えることを特徴とする流動性試料観察装置。
2. 前記接触部材を保持する保持部に設けられ、前記可動部材と前記接触部材との間の摩擦力を検出する摩擦力検出器を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の流動性試料観察装置。
3. 前記可動部材は、回転軸を中心に回転する回転体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の流動性試料観察装置。
4. 前記接触部材は、透明に形成され、
   前記観察部は、前記可動部材と前記接触部材との前記当接部分における流動性試料の状態を、前記接触部材を透過して観察可能な位置に移動可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の流動性試料観察装置。
5. 前記接触部材は、前記可動部材との当接面が凸状に形成されるレンズ状であることを特徴とする請求項４に記載の流動性試料観察装置。
6. 可動部材の表面に流動性試料を載置する載置工程と、
   前記表面に接触部材を当接させて、前記可動部材を動作させる移動工程と、
   前記可動部材の動作によって前記可動部材と前記接触部材とが当接する当接部分を通過した流動性試料の自由界面を観察する観察工程と、を備えることを特徴とする流動性試料観察方法。