JP4427194B2 - 支持台に位置する滴の接触角を特定するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、滴を画像形成するためのカメラと評価装置とを用いて、支持台に位置する滴の接触角（一般的にぬれ角とも呼ばれる）を特定するための装置に関する。
【０００２】
このような装置は、Patent Abstracts of Japan, Section P, Vol.9/No.227（1985）P-388の特開昭６０−０８５３５３号公報に記載されている。この公知の装置では、光学的な画像形成によって、試験表面の形状をした支持台にほどこされた試料滴の接触角度が側面図から特定される。光学的な画像形成のためにたとえばカメラが使用され、評価は計算器に接続された画像処理システムによって行われる。滴はケーシング部分に形成された支持体にほどこされ、モニタの接続された計算器がケーシング部分の外側に設置されている。
【０００３】
類似の装置は、Patent Abstracts of Japan, Section P, Vol. 13/No.370（1989）P-920の特開平０１−１２６５２３号公報、Patent Abstracts of Japan, Section P, Vol. 17/No.681（1993）P-1660の特開平０５−２３２００９号公報、Patent Abstracts of Japan,（1996）の特開平０８−０５００８８号公報、ならびにドイツ連邦共和国特許出願公開第３４４１３１７号明細書によっても公知である。
【０００４】
既存の方法および装置の欠点は、試験表面の整列と、装置の配置と、装置の調整とのために手間がかかることである。
【０００５】
発明の利点
したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような形式の、支持台に位置する滴の接触角を特定するための装置を改良して、装置の構成が簡素化され、かつ測定時の操作が軽減されたものを提供することである。
【０００６】
この課題は、請求項１の特徴部に記載した構成手段を有する装置によって解決される。
【０００７】
このような構成手段によって、簡単に操作可能なコンパクトで可動の測定ユニットが得られ、この測定ユニットによって種々異なる支持台において問題なく測定を行うことができる。手持式装置における構成要素の取り付けに基づいて、調整および操作が簡単になっている。小さいスペースで測定を行うことができる。なぜならばたとえば２００ｍｍを下回る構造高さ、９０ｍｍの奥行および１２０ｍｍの幅が達成されるからである。
【０００８】
コンパクトな構成および簡単な操作は、おもにカメラが、画像評価のための集積されたプロセッサとメモリと入力兼出力ユニットとを備えたインテリジェンスカメラとして形成されていることによって、助成される。
【０００９】
支持架台またはケーシングが、支持台（１）に安定して装着するためと、滴（２）の表面とカメラ対物レンズ（４ａ）との間の設定されるかまたは設定可能な作業間隔を維持するためとの装着装置を備えているという実施形態が、簡単な操作と、再現可能で迅速な測定の実施とに寄与する。有利な構成によれば、装着装置が三脚の形式で配置された脚部（９）の設けられたフレームを備えている。所定の間隔を維持するために、支持架台またはケーシングに間隔ピン（１０）が設けられていることによって、予め設定されるかまたは予め設定可能な間隔の維持が助成される。
【００１０】
スペースの節減された構成と僅かなエネルギ消費とのために、有利には、照明装置（６）が発光ダイオード配置構成（６．１）を備えている。滴を均等に照明するための、様々な照明装置の有利な実施形態によれば、照明装置（６）の光を滴（２）に向けるために、傾斜して位置する部分透過性の鏡が設けられているか、またはリング光配置構成が設けられている。
【００１１】
調量装置（３）がドロップ−オン−ディマンドタイプのピエゾポンプを備えているか、またはジェット−オン−ディマンドタイプのポンプを備えていることによって、コンパクトな構成が助成される。このような実施形態によって、機械式に運動する部分がほとんど回避され、かつ簡単な制御で規定の滴が形成される。有利な実施形態によれば、ピエゾポンプが、埋め込まれたピエゾエレメントを備えた、マイクロマシン式に作動するシリコンの設けられたシステムを有している。
【００１２】
さらに正確な測定のための有利な実施形態によれば、調量装置（３）の作動とカメラ（４）による画像撮影とが、制御装置によって時間制御されて互いに調和されている。
【００１３】
カメラ対物レンズ（４ａ）と滴（２）との間の間隔を調節するために、自動制御された間隔調整装置が設けられていることによって、さらに正確な測定が助成される。
【００１４】
評価に際して、微小滴がほぼ理想的な球冠を形成しているような状態を利用すると有利である。これによって図３に観察される、既知の容積（たとえば２μｌ）を有するほどこされた試料滴の幾何学サイズ（基礎直径、球の直径または高さ）のそれぞれ１つから、球冠にとって有効な幾何学的−三角関数的な関係（図４ａ参照）を用いて接触角が特定される。数学的な手間が高められたことによって、滴が球冠の理想形状とは異なる場合でも、接触角の特定が可能である。
【００１５】
特に有利には、接触角は、平面図でみて上から（透過性の試験片の場合下からでも）観察される基礎直径から特定される。フレキシブルに使用可能な装置となるような簡単な形式の観測の以外に、支持台たとえばガラス板にもたらされた滴が、その開始−基礎直径を、気化過程の間でも滴の消滅の直前まで維持するという現象が利用されるので、時間的な問題のない測定が提供される。これは実際に大抵は９０°を下回る接触角の場合に当てはまる。
【００１６】
９０°を超える接触角のための、平面図で観測される直径は、もはや球冠の基礎直径ではなく、球の直径である。
【００１７】
これは評価アルゴリズムの際に考慮される。ここでは滴のほどこしと測定との間の時間間隔のために、既に一般的な方法の場合と同じような前提条件が考慮される。
【００１８】
画像評価ソフトウェアを用いて、良好なコントラストで画像形成された試料滴の直径が特定され、計算器に貯蔵されたアルゴリズムを用いて接触角が算出され、表示され、場合によっては後続処理される。
【００１９】
場合によっては排除されない、試験表面の軽度な不均質性に基づいて、球冠基礎の理想的な円形の輪郭線からのずれが生じる場合、評価によって、有利には、最良円形適合に基づいて、滴サイズの範囲で求められた接触角が提供され、これは実際に一般的に所望されている。別の利点によれば、測定がある限度まで行うことができ、傾斜された、扁平でない試験表面たとえば車両のウインドガラス上でも行うことができる。
【００２０】
平面図からの、基礎直径の算出と、９０°を超える接触角のための球の直径の算出以外に、試料滴の側面図を算出のために使用することもできる。側面図によって、滴高さの算出が許容され、９０°を下回る接触角のための球の直径の算出も許容される。これらの各サイズは、接触角の算出のために既知の滴容積と協働して再度使用される。たとえば球冠に近似する既知の滴形状では、正確な滴容積が明らかでなくても、それぞれ別個に求められた２つの幾何学サイズたとえば高さと基礎直径とから、接触角が求められる。
【００２１】
次に図面につき本発明の実施例を詳しく説明する。
【００２２】
図３には、支持台１にほどこされた球冠状の滴２の接触角γの定義が示されていて、ならびに滴２の幾何学的な大きさとしての、滴と支持台との間の境界面の領域における基礎直径ｄ_Ｂａと高さｈとが示されている。なお符号ｄ_Ｋｕで滴の球の直径が示唆されている。ここでは接触角γは９０°より小さくなっている。
【００２３】
図４ａには、球冠状の滴の基礎直径ｄ_Ｂａと、球の直径ｄ_Ｋｕと、滴の高さｈとが、接触角γを関数として示されている。
【００２４】
図４ｂの線図には、テスト滴２の上から見て測定された直径と、この直径から求められた接触角γとの間の関係が示されている。９０°までの接触角γには、滴球冠の基礎直径ｄ_Ｂａが使用され、これに対して９０°を超える角度には球冠状の滴２の球の直径ｄ_Ｋｕが使用される。
【００２５】
図５には、カメラと画像評価システムとが組み合わされている「インテリジェンスカメラ；intelligente Kamera」を備えた実施例の基本的な配置構成で接触角γを特定するための測定装置が概略的に示されている。調量装置３を用いてたとえば手動でまたは自動的にもたらされた、正確に設定された滴容積を有する滴２は、従来の対物レンズ４ａまたはテレセントリックな対物レンズ４ａとインテリジェンスカメラ４とによって画像形成される。簡単なカメラ４を使用する場合、カメラ４と表示ユニット５との間に、図示されていない、評価を行うための外付けの計算器が設けられる。
【００２６】
評価ユニットにおいて、設定された容積と検出された幾何学データ（基礎直径ｄ_Ｂａ、球の直径ｄ_Ｋｕ、高さｈ）とから、これらのサイズの２つが組み合わされて接触角が求められる。
【００２７】
表示ユニット５には、平面図の滴画像と、その画像の下側に求められた接触角γとが示される。
【００２８】
追加的に測定装置は、有利には滴２を平面図で見て、滴２を照明するための照明装置を備えている（図１、図２のａ、図２のｂ参照）。透過性の支持台では、照明は裏面（下面）から行うこともできる。
【００２９】
図１、図２のａおよび図２のｂには、手持式装置として形成された、滴２の接触角を特定するための装置が概略的に示されている。滴２を支持する支持台１に装着された、詳しくは示されていない支持架台またはケーシングには、調量装置３と、カメラ対物レンズ４ａを備えたカメラ４と、フラットな表示ユニット５たとえば旋回可能な液晶ディスプレイ表示装置と、発光ダイオード配置構成６．１を備えた照明装置６と、一方では光を滴２に向けるため、他方では滴２をカメラで観察するための半透過性の鏡８と、フレームに配置された三脚式の脚部９を備えた装着装置とが、１つのユニットとして取り付けられている。異なる２つの側面図である図２のａおよび図２のｂから判るように、そのように形成された手持式装置は追加的に、電子装置７と別の電子装置７．１とを備えており、これらの電子装置はたとえば制御装置の一部であり、この制御装置はさらにカメラ４に集積されたプロセッサもしくは計算器を備えている。カメラ４はインテリジェンスカメラとして形成されている。滴２の領域において、たとえば湾曲された支持台１の場合に作業距離を確実に維持することを保証するために、この領域に追加的に間隔ピン１０が設けられていてよい。脚部９と間隔ピン１０とは調節可能に形成されている。
【００３０】
手持式装置の主な構成要素は、いわゆるインテリジェンスカメラ４であり、このインテリジェンスカメラ４は、カメラ４とカメラ光学系４ａと画像評価のための集積された計算器とから成る組み合わせである。さらに照明装置６を直接カメラに取り付けることもできる。
【００３１】
照明装置は、周囲において影および反射なしに滴２を照明するための、再現可能な照明特性を形成するために用いられる。これは有利には、側方で部分透過性の鏡８たとえば４５°傾斜された平面ガラス板で反射される発光ダイオード配置構成によって得られ、発光ダイオード配置構成は小さい寸法以外に小さい所要出力も有している。選択的にリング光配置構成を設けてもよい。
【００３２】
規定の容積の滴２をもたらすための調量装置３は、有利には、要求に応じてドロップするドロップ−オン−ディマンドタイプのピエゾポンプを備えており、このピエゾポンプによって要求容積をプラスマイナス２％の精度で調量することができる。この場合滴２を置く必要はなく、むしろ滴２は１５mmまでの間隔を介して自由な噴射で正確な時点で調量することができる。原理的に、別のフリージェットシステムたとえば要求に応じて噴射するジェット−オン−ディマンドタイプを使用することもできる。しかしながらそのようなフリージェットシステムでは、調量によって存在する滴２に及ぼされる運動エネルギが、滴輪郭に影響を及ぼさないほど僅かなものであるように配慮する必要がある。ドロップ−オン−ディマンドタイプでは、滴が極めて小さいので、構成に基づくこのような危険性がかなりより小さくなっている。
【００３３】
ドロップ−オン−ディマンドシステムは、有利には、埋め込まれたピエゾエレメントを備えた、マイクロマシン式に作動するシリコンから成っている。所定の電圧をこのピエゾエレメントに及ぼすことによって、有利には小さな貯蔵室（たとえば８００ｎｌ）における変形と圧力上昇とが生じ、ポンプの尖端における約１ｎｌの容積の滴が流出するようになる。接続された制御ユニットがこのポンプを制御し、このポンプ自体は制御装置を介してインテリジェンスカメラ４によって自動的に応答される。
【００３４】
このような構成によって、手持式装置の内側において、機械式に運動する部分を設ける必要がなく、かつ手持式装置のサイズは極めてコンパクトに維持することができる。なぜならばポンプの寸法が２０ｍｍを超えないからである。液体リザーバは、できるだけ出口尖端部の高さに取り付けられ、有利には管として形成されことが望ましく、これによって搬送時に管の毛管現象力を用いた液体の結合によって流出を防止することができる。したがって後充填することなく２μｌの滴容積で約１００回の測定を行うことができる。
【００３５】
選択的に、従来慣用の測定ピストンを備えた調量装置３も考えられる。この調量装置は手動で作動させることができるか、または設定されたサーボシステムによって制御駆動することができる。
【００３６】
手持式装置の構成は、間隔を制御するための適当な機構に基づいてテレセントリックな光学系が排除され、コンパクトで慣用の光学系が使用されると、特にコンパクトである。しかしながらこの場合、試験片に対する間隔の調節を行う必要がある。有利には自動的に調節が行われる。機械式および／または電気式の調整装置を使用することができ、この場合スペースの節減された板ばねを備えた実施例が有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 滴の接触角を特定するための測定装置を示す概略図である。
【図２】 ａは、測定装置の側面図であり、ｂは、測定装置の正面図である。
【図３】 支持台に設けられた滴を示す側面図である。
【図４ａ】 滴の接触角と別の幾何学的なデータとの間の関係を示す線図である。
【図４ｂ】 滴の接触角と別の幾何学的なデータとの間の関係を示す線図である。
【図５】 滴をほどこすためと、接触角を特定するためとの装置の配置構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 支持台、 ２ 滴、 ３ 調量装置、 ４ カメラ、 ４ａ 対物レンズ、 ５ 表示ユニット、 ６ 照明装置、 ６．１ 発光ダイオード配置構成、 ７，７．１ 電子装置、 ８ 鏡、 ９ 脚部、 １０ 間隔ピン、 ｄ_Ｂａ 基礎直径、 ｈ 高さ、 ｄ_Ｋｕ 球の直径、 γ 接触角

Claims (6)

1. 支持台（１）にほどこされた滴（２）の接触角（γ）を特定するための装置であって、規定された滴（２）を前記支持台（１）にほどこすための調量装置（３）と、前記滴（２）を照明するための照明装置（６）と、カメラ（４）と、表示ユニット（５）とが設けられており、前記カメラ（４）は、支持架台（２０）またはケーシングに支持されており、前記カメラ（４）に、評価装置が割り当てられている形式のものにおいて、
   当該装置が、手持式装置として形成されており、前記支持架台（２０）またはケーシングに、前記調量装置（３）と前記照明装置（６）と前記カメラ（４）と前記評価装置と前記表示ユニット（５）とが支持されており、前記支持架台（２０）またはケーシングは、前記支持台（１）に装着されるようになっており、
   記支持架台（２０）またはケーシングは、前記支持台（１）に安定して装着して、前記滴（２）の表面とカメラ対物レンズ（４ａ）との間の設定されるかまたは設定可能な作業間隔を維持するための装着装置を備えており、
   該装着装置は、三脚の構成をして配置された脚部（９）の設けられたフレームを備えており、所定の間隔を維持するために、前記支持架台（２０）またはケーシングに間隔ピン（１０）が設けられており、
   前記照明装置（６）は、周囲において影および反射なしに前記滴（２）を照明するために形成されており、前記照明装置（６）の光を滴（２）に向けるために、傾斜して位置する部分透過性の鏡（８）が設けられているか、またはリング光配置構成が設けられていることを特徴とする、支持台に位置する滴の接触角を特定するための装置。
2. 前記カメラ（４）が、画像評価のための集積されたプロセッサと、メモリと、入力兼出力ユニットとを備えたインテリジェンスカメラとして形成されている、請求項１記載の装置。
3. 前記調量装置（３）がドロップ−オン−ディマンドタイプのピエゾポンプまたはジェット−オン−ディマンドタイプのポンプを備えているか、もしくは前記調量装置（３）が、手動で作動可能かまたはサーボシステムによって制御駆動可能である従来慣用の測定ピストンから成っている、請求項１または２記載の装置。
4. 前記ピエゾポンプが、埋め込まれたピエゾエレメントを備えた、マイクロマシン式に作動するシリコンの設けられたシステムを有している、請求項３記載の装置。
5. 前記調量装置（３）の作動と、前記カメラ（４）による画像撮影とが、制御装置によって時間制御されて互いに調和されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. カメラ対物レンズ（４ａ）と滴（２）との間の間隔を調節するために、自動制御された間隔調整装置が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。

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