JP3150529U

JP3150529U - 液滴形状測定装置、接触角測定装置

Info

Publication number: JP3150529U
Application number: JP2009001196U
Authority: JP
Inventors: 隆之二江
Original assignee: 協和界面科学株式会社
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2009-05-21
Anticipated expiration: 2019-03-03

Abstract

【課題】特別な光源を不要とし、持ち運びが容易な液滴形状測定装置を提供する。【解決手段】固体基板７０上と液滴８０の形状を測定する液滴形状測定装置１であって、固体基板７０が保持される試料台１０と、試料台の上方に配置される液滴供給部２０と、液滴８０を固体基板７０の面方向に沿って撮像する撮像装置３０と、液滴８０を基準として撮像装置３０の反対側に配置される反射板４０と、液滴８０の少なくとも真上を覆う上面カバーを有することで、外光が液滴８０を直接照らすことを抑制する液滴カバー装置５０と、を備えるようにした。【選択図】図１

Description

本考案は、固体基板上に液滴を滴下して、この固体基板上の液滴の形状を測定する液滴形状測定装置に関するものである。

従来、固体基板と液滴の接触角を計測する手法として液滴法が用いられている。液滴法による計測を実現する為には、固定基板上の液滴の形状を測定する液滴形状測定装置を用いる必要がある。液滴形状測定装置の一種である接触角測定装置は、例えば、固定基板を保持する試料台、液滴を試料台に滴下する液滴供給部、液滴の水平方向背面側に配置されるＬＥＤ等を用いた光源装置、液滴の水平方向正面側に配置されるＣＣＤカメラ、このＣＣＤカメラによって撮影された映像を解析して接触角を算出する映像解析装置等を備えている。

映像解析装置によって接触角を算出する場合、例えば図１２に示されるように、まず液滴の輪郭Ｔを抽出して、その輪郭Ｔの切れ目によって固体基板との接点Ｌ，Ｒを判別する。この接点Ｌ，Ｒを結んだ線を、固体基板の表面Ｈと見なす。更に、接点Ｌ、Ｒにおいて輪郭Ｔが表面Ｈとなす角度を算出することで、正確な接触角を得る。

映像解析装置によって正確な接触角を得るには、液滴を明瞭に撮像して正確な輪郭Ｔを抽出する必要がある。従来、ＬＥＤ等を用いた光源装置によって、液滴を背面側から明るく照らすことで、液滴の輪郭を際立たせるようにしている。

特開２００３−２７０１１７号公報特開昭６３−２１０７４８号公報

しかし、上記光源装置を用いる場合、その専有面積が大きいため、接触角測定装置全体が大きく、且つ重くなるという問題があった。この結果、従来の接触角測定装置は持ち運ぶことが困難であり、様々な場所で簡易に接触角を測定することができないという問題があった。また、光源装置の消費電力が大きいために、専用の電源装置が必要となり、近年の省電力化の要求に対応することも困難となっていた。

本考案は上記問題点に鑑みてなされたものであり、光源装置を不要としながらも、様々な環境において高精度に液滴形状を計測可能とする液滴形状測定装置を提供することを目的としている。

（１）本考案は、固体基板上に液滴を滴下して、前記固体基板上の前記液滴の形状を測定する液滴形状測定装置であって、前記固体基板が保持される試料台と、前記試料台の上方に配置されて前記液滴を滴下する液滴供給部と、前記液滴を、前記固体基板の面方向に沿って撮像する撮像装置と、前記液滴を基準として前記撮像装置の反対側に配置され、周囲の外光を前記撮像装置方向に反射する反射板と、前記液滴の少なくとも真上を覆う上面カバーを有することで、前記外光が前記液滴を直接照らすことを抑制する液滴カバー装置と、を備えることを特徴とする、液滴形状測定装置である。

（２）本考案はまた、前記液滴カバー装置の前記上面カバーには、前記液滴供給部の液滴供給針が挿入される液滴供給用開口が形成されることを特徴とする、上記（１）に記載の液滴形状測定装置である。

（３）本考案はまた、前記液滴カバー装置は、前記液滴の前記反射板側を覆う背面カバーを有することを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載の液滴形状測定装置である。

（４）本考案はまた、前記液滴カバー装置の前記背面カバーは、前記液滴と前記反射板の間に配置されると共に、前記反射板による反射光が通過する反射光用開口が形成されることを特徴とする、上記（３）に記載の液滴形状測定装置である。

（５）本考案はまた、前記液滴カバー装置の前記上面カバーには、前記固体基板の一部を上方に開放する基板開放領域が形成されることを特徴とする、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の液滴形状測定装置である。

（６）本考案はまた、前記液滴カバー装置は、前記撮像装置の光軸の両外側に配置され、前記液滴の両側面を覆う一対の側面カバーを有することを特徴とする、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の液滴形状測定装置である。

（７）本考案はまた、前記反射板の反射面は、白色素材によって構成されていることを特徴とする、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の液滴形状測定装置である。

（８）本考案はまた、前記反射板の反射面は、フッ化炭素樹脂によって構成されていることを特徴とする、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の液滴形状測定装置である。

（９）本考案はまた、前記反射板の反射面は、拡散反射面であることを特徴とする、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の液滴形状測定装置である。

（１０）本考案はまた、前記反射板の角度を調整する角度調整機構を更に備えることを特徴とする、上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の液滴形状測定装置である。

（１１）前記撮像装置は、ＵＳＢ形式で外部装置から電力が供給されることを特徴とする、上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の液滴形状測定装置である。

（１２）本考案は、上記（１）１乃至（１１）のいずれかに記載の液滴形状測定装置を用いて、前記固体基板と前記液滴との接触角を測定することを特徴とする、接触角測定装置である。

本考案の液滴形状測定装置は、室内の天井照明や、太陽光をそのまま有効活用出来るので、光源装置が不要になり、省電力を実現すると同時に、可搬性を高めることが可能となる。

本考案の実施の形態に係る接触角測定装置の正面図である。本考案の実施の形態に係る接触角測定装置の右側面図である。本考案の実施の形態に係る接触角測定装置の左側面図である。本考案の実施の形態に係る接触角測定装置の上面図である。同接触角測定装置の光路を説明するための斜視図である。同接触角測定装置によって撮影された映像を示す図である。同接触角測定装置によって撮影された映像を示す図である。比較例となる接触角測定装置で撮影された映像を示す図である。比較例となる接触角測定装置で撮影された映像を示す図である。本実施形態の他の例に係る接触角測定装置を示す斜視図である。同他の例に係る接触角測定装置によって撮影された映像を示す図である。接触角測定装置によって接触角を算出する手法を示す概念図である。

以下、図面を参照しながら本考案の実施の形態に係る接触角測定装置を説明する。

図１〜図４には、本実施形態の接触角測定装置１の全体構成が示されている。この接触角測定装置１は、ベース５と、試料台１０と、液滴供給部２０と、撮像装置３０と、反射板４０と、液滴カバー装置５０を備えている。

ベース５は装置全体を支持する基台であり、高さを微調整するための４本の脚部５Ａを四隅に備えている。このベース５に対して、試料台１０、液滴供給部２０、撮像装置３０、反射板４０、液滴カバー装置５０等が設置されている。試料台１０は、サンプルとなる固体基板７０が載置されるテーブル部１２と、このテーブル部１２の高さを微調整可能な高さ調整機構１４を備えている。

液滴供給部２０は、液滴供給針２２Ａを有する注射器２２と、この注射器２２のピストン２２Ｂを押し込むスライド機構２４と、注射器２２及びスライド機構２４を保持する支持アーム２６を備える。注射器２２は、試料台１０のテーブル部１２の上方に垂直方向（鉛直方向）に配置され、シリンジ２２Ｃ内の液を液滴供給針２２Ａから滴下する。なお、シリンジ２２Ｃとピストン２２Ｂの間には、バネ２２Ｄが挿入されており、ピストン２２Ｂを引っ張り側（上方側）に常に付勢するようになっている。スライド機構２４は、注射器２２を保持するホルダ２４Ｂと、このホルダ２４Ｂに螺合する押し込みネジ２４Ａを備えている。押し込みネジ２４Ａ回転させると、この押し込みネジ２４Ａ自体がピストン２２Ｂ側に移動し、バネ２２Ｄに抗してピストン２２Ｂを押し込む。この結果、ピストン２２Ｂを微少スライドさせることが可能となり、押し込みネジ２４Ａの回転数に比例した適切な液量を滴下できる。なお、支持アーム２６は、上下方向のスライド用支柱２６Ａと、ホルダ２４Ｂ側に上下方向に設けられる調整ネジ２６Ｂを備えている。調整ネジ２６Ｂを回転させてねじ込むとにより、この調整ネジ２６Ｂの先端（下端）が、スライド用支柱２６Ａの上端に当接して、ホルダ２４Ｂ自体を上方に押し上げる。このようにして、支持アーム２６は、注射器２２及びスライド機構２４を、上下方向に移動自在に保持する。詳細は後述するが、この支持アーム２６の構造によって、液滴供給針２２Ａの先端を、液滴カバー装置５０の液滴供給用開口５３Ａに挿入可能となっている。

撮像装置３０は、いわゆるカメラであり、固体基板７０に滴下された液滴８０を、固体基板７０の面方向、即ち水平方向から撮像する。従って、撮像装置３０の撮像範囲内に、固体基板７０及び液滴８０が含まれるように設定される。この撮像装置３０における撮像素子には、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の各種デバイスを採用できるが、本実施形態では、１／５インチのＣＭＯＳを用いており、毎秒３０コマで撮像できるものを採用している。また、撮像装置３０は、汎用のパーソナルコンピュータに対してＵＳＢ形式で映像を出力すると共に、このパーソナルコンピュータから動作電源が供給されるようになっている。これが実現できるのは、撮像装置３０の消費電流自体が８３ｍＡであり、極めて省電力だからである。なお、この撮像装置３０は、カメラ用基台３２によってベース５に固定されている。一方、撮像装置３０の鏡筒は、支持アーム２６を貫通している。

反射板４０は、液滴８０を基準として撮像装置３０の反対側に配置され、周囲の外光を撮像装置３０方向に反射するものである。従って、反射板４０は、固体基板７０の面方向（即ち水平方向の延長線上）であって、撮像装置３０と対向する場所に設置される。反射板４０は、角度調整機構（本実施形態では蝶番４２）によって上下方向の角度を自在に調整できる。この結果、天井や太陽光等の外光の状況に合わせて、反射板４０を適切な角度に位置決めできるようになっている。なお、この反射板４０は、蝶番４２を介して反射板用アーム４４に支持されている。

反射板４０は、厚さ５ｍｍ以上の白色のポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene, ＰＴＦＥ）樹脂（いわゆるテフロン（登録商標）樹脂）によって構成されている。このＰＴＦＥ樹脂は、テトラフルオロエチレンの重合体で、フッ素原子と炭素原子のみから成るフッ化炭素樹脂である。この反射板４０を利用すると、反射面全体が室内蛍光灯等の外光を受け止めて、白色の反射光を撮像装置３０側に反射させることができる。なお、本実施形態ではＰＴＦＥ樹脂を用いる場合に限って示すが、他の白色樹脂や紙等、他の素材を用いることが可能である。また、反射板４０は、白色又は白色に近い黄色等の明度の高い色合いであることが好ましく、撮像体となる液滴８０の背景スクリーンとする。更に本実施形態では、反射板４０の反射面はいわゆる艶消し面、即ち拡散反射を起こすようになっている。これにより、外光となる蛍光灯等の光源像がそのまま液滴８０に映し出されてしまうことを抑制する。なお、本実施形態では、反射板４０自体を樹脂によって構成する場合を示したが、本考案はこれに限定されず、反射面等の表面部分のみ、光を拡散させる白色等の艶消し塗膜で構成することも勿論可能である。

液滴カバー装置５０は、液滴８０の少なくとも真上を覆う上面カバー５２、液滴８０の反射板４０側を覆う背面カバー５４を備えている。上面カバー５２は、図５に示されるように、液滴８０の真上に位置する方形の直上部５２Ａ及び、液滴８０と反射板４０との間の光路Ｋ上を覆う拡張部５２Ｂによって構成されている。これにより、天井の蛍光灯等が、液滴８０を直接照らすことを抑制することができる。更にこの上面カバー５２（直上部５２Ａ）には、液滴供給用開口５３Ａが形成されており、液滴供給部２０の液滴供給針２２Ａの先端がが挿入される。このようにすることで、液滴カバー装置５０を設置したまま、固体基板７０上に液滴８０を滴下できる。なお、液滴供給用開口５３Ａの大きさは、３ｍｍ×５ｍｍ程度、或いはそれ以下とすることが好ましく、外光が進入して液滴８０を照らすことを抑制できる。

更に、上面カバー５２には、固体基板７０の一部を上方に開放するための基板開放領域５３Ｂが形成される。本実施形態においては、この基板開放領域５３Ｂを形成するために、直上部５２Ａの幅方向寸法Ｗ１を、固体基板７０の幅方向寸法Ｗ２よりも小さくしている（図４参照）。この結果、作業者が固体基板７０を容易に触ることが可能となり、上面カバー５２を外さなくても、固体基板７０を手でスライドさせることが可能となる。

背面カバー５４は、液滴８０と反射板４０の間に配置されており、外光が進入して液滴８０を直接照らすことを回避する。背面側から直接的に進入する外光は、液滴８０に写り込んで撮像装置３０の映像に悪影響を与えるため、この背面カバー５４を用いることで、一層正確な液滴映像を取得できるようになる。この背面カバー５４には、反射板４０による反射光が通過させるための反射光用開口５４Ａが形成される。この反射光用開口５４Ａは、反射板４０の寸法より小さく設定される。これにより、反射板４０の反射光のみを取り込むことが可能になる。

本実施形態の接触角測定装置１によれば、反射板４０によって外光を有効活用しながらも、液滴カバー装置５０によって、外光が液滴８０を直接照らすことを抑制している。この結果、撮像装置３０によって、背景が白色であって且つ不要な外光が映り込んでいない鮮明な液滴映像を撮影することが可能となっている。この液滴映像を、特に図示しない映像解析装置によって解析すれば、高精度に接触角を算出できる。また、この接触角測定装置１によれば、最も電力消費量の大きい光源装置が不要になると共に、撮像装置３０自体は、ＵＳＢ形式等の接続コネクターを介してパーソナルコンピュータ（映像解析装置）側から電力が供給されるようになっている。この結果、接触角測定装置１自体には電源装置が一切不要となり、容易に持ち運んで、接触角の計測が可能となる。

更に本接触角測定装置１によれば、上面カバー５２の液滴供給用開口５３Ａにより、液滴カバー装置５０を設置したまま、固体基板７０上に液滴８０を滴下できるので、作業性が極めて良い。また更に、上面カバー５２には、基板開放領域５３Ｂが形成されているので、手によって固体基板７０をスライドさせて数カ所に液滴８０を滴下し、連続的に計測することも可能となっている。またこの液滴カバー装置５０では、背面カバー５４によって、外光が液滴８０を直接照らすことを回避しているので、一層、正確な液滴映像を取得できるようになる。この結果、計測精度を高めることが可能となる。

また本実施形態では、反射板４０が、角度調整機構（本実施形態では蝶番４２）によって上下方向の角度を自在に調整できるようになっているので、天井や太陽光等の外光の状況に合わせて、反射板４０を適切な角度に位置決めできる。また、この反射板４０の反射面は、白色となっていることから、ノイズの少ない反射光を撮像装置３０側に反射することができる。特に、本実施形態では、厚さ５ｍｍ以上の白色のポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene, ＰＴＦＥ）樹脂（いわゆるテフロン（登録商標）樹脂）によって構成することで、拡散反射面とすることが容易に可能となり、いわゆる艶消し状態の反射光を生成することができる。これにより、蛍光灯等の外光側の光源像がそのまま液滴８０に映し出されてしまうことを抑制できる。

次に、上記接触角測定装置１と、これに対してＵＳＢ接続される映像解析装置（図示省略）によって、液滴を解析した結果を図６（Ａ）（Ｂ）に示す。図６から分かるように、全てにおいて背景側が白く、前面の液滴８０が黒く映し出された鮮明な液滴映像が得られることが分かる。また、液滴表面の輪郭Ｔが鮮明であり、途中にノイズが含まれていないので、映像解析におけるエラーを回避することが可能となる。

次に、上記接触角測定装置１において、上面カバーは残し、背面カバーを取り外した状態で液滴を解析した結果を図７（Ａ）（Ｂ）に示す。図７（Ａ）では、上面カバーの存在によって、液滴映像自体は比較的鮮明であるが、その輪郭の両端近傍に、背面側の外光が映り込んでおり、固定基板との接点Ｌ、Ｒを誤認識していることが分かる。このように、外光の状態が悪い環境の場合は、背面カバーが存在していないと、エラーが生じる可能性がある。一方、図７（Ｂ）に示されるように、比較的外光の状況が良ければ、背面カバーが存在していない場合でも、高精度に映像解析できることも分かっている。従って、背面カバーは必ずしも必須ではない。

比較例１

次に、上記接触角測定装置１において、液滴カバー装置全体を取り外した状態で液滴を解析した結果を図８に示す。図８から分かるように、液滴全体が外光によって直接照らし出されてしまって、液滴の輪郭自体の認識が困難になることが分かる。このような状況では、映像解析を行うことができない。

比較例２

次に、上記接触角測定装置１において、背面カバーは残し、上面カバーを取り外した状態で液滴を解析した結果を図９に示す。図９から分かるように、上面カバーが存在しないと、液滴に様々な外光が映り込んでしまって、液滴の輪郭自体の認識が困難になることが分かる。

以上、上記実施形態では、液滴カバー装置が、上面カバーと背面カバーを備える場合を示したが、本考案はこれに限定されない。例えば、図１０に示されるように、撮像装置３０の光軸の両外側に配置され、液滴８０の両側面を覆う一対の側面カバー５６を有することも好ましい。このようにすると、例えば図１１に示されるように、輪郭を一層鮮明に映し出すことが可能となり、側面側からの光の映り込みも抑制することが可能となる。また、本実施形態では、液滴供給用開口５３Ａや反射光用開口５４Ａは、孔である場合に限って示したが、開口とは環状の孔に限定されず、溝や凹んだ切り欠きのような場合も含むものである。

また、上記実施形態では、液滴形状測定装置の代表例となる接触角測定装置に限って示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、懸滴表面張力測定や液量測定等、液滴形状の測定が必要となる様々な目的に利用できる。

本考案は、固定基板上の液滴形状を計測する様々な場面に適用することが可能である。

１接触角計測装置
５ベース
１０試料台
２０液滴供給部
３０撮像装置
４０反射板
５０液滴カバー装置

Claims

固体基板上に液滴を滴下して、前記固体基板上の前記液滴の形状を測定する液滴形状測定装置であって、
前記固体基板が保持される試料台と、
前記試料台の上方に配置されて前記液滴を滴下する液滴供給部と、
前記液滴を、前記固体基板の面方向に沿って撮像する撮像装置と、
前記液滴を基準として前記撮像装置の反対側に配置され、周囲の外光を前記撮像装置方向に反射する反射板と、
前記液滴の少なくとも真上を覆う上面カバーを有することで、前記外光が前記液滴を直接照らすことを抑制する液滴カバー装置と、を備えることを特徴とする、
液滴形状測定装置。
前記液滴カバー装置の前記上面カバーには、前記液滴供給部の液滴供給針が挿入される液滴供給用開口が形成されることを特徴とする、
請求項１に記載の液滴形状測定装置。
前記液滴カバー装置は、
前記液滴の前記反射板側を覆う背面カバーを有することを特徴とする、
請求項１又は２に記載の液滴形状測定装置。
前記液滴カバー装置の前記背面カバーは、前記液滴と前記反射板の間に配置されると共に、前記反射板による反射光が通過する反射光用開口が形成されることを特徴とする、
請求項３に記載の液滴形状測定装置。
前記液滴カバー装置の前記上面カバーには、前記固体基板の一部を上方に開放する基板開放領域が形成されることを特徴とする、
請求項１乃至４のいずれかに記載の液滴形状測定装置。
前記液滴カバー装置は、
前記撮像装置の光軸の両外側に配置され、前記液滴の両側面を覆う一対の側面カバーを有することを特徴とする、
請求項１乃至５のいずれかに記載の液滴形状測定装置。
前記反射板の反射面は、白色素材によって構成されていることを特徴とする、
請求項１乃至６のいずれかに記載の液滴形状測定装置。
前記反射板の反射面は、フッ化炭素樹脂によって構成されていることを特徴とする、
請求項１乃至７のいずれかに記載の液滴形状測定装置。
前記反射板の反射面は、拡散反射面であることを特徴とする、
請求項１乃至７のいずれかに記載の液滴形状測定装置。
前記反射板の角度を調整する角度調整機構を更に備えることを特徴とする、
請求項１乃至９のいずれかに記載の液滴形状測定装置。
前記撮像装置は、ＵＳＢ形式で外部装置から電力が供給されることを特徴とする、
請求項１乃至１０のいずれかに記載の液滴形状測定装置。
請求項１乃至１１のいずれかに記載の液滴形状測定装置を用いて、前記固体基板と前記液滴との接触角を測定することを特徴とする、
接触角測定装置。