JP6934185B2 - 物性の計測装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、物性の計測装置及び方法に関するものである。

従来、様々な液体の物性は、時間の経過とともに変化することが知られている。例えば、液体の表面張力は、新しい表面が形成された後、時々刻々に変化し得る。

その典型的な例は界面活性剤の溶液であって、新しい表面が形成された後、界面活性剤の分子が液中を拡散して表面に至って該表面に吸着し、これにより、徐々に溶液の表面エネルギー、すなわち、表面張力が小さくなるという現象はよく知られている。界面活性剤の溶液は工業的に非常に重要な材料であり、例えば、インクジェット式のプリンタで使用されるインクには、射出されたインクの粒が紙に付着した時にすぐに紙に濡れて浸み込むように、界面活性剤が配合されていることが多い。

このように、例えば、インクジェット技術においてインクを射出するノズルを設計したり、紙に付着してから後のインクの濡れ性を知ったりする上で、射出後に変化していくインク液滴の表面張力の時間変化を知ることは、極めて重要である。

前述の吸着による表面張力変化に要する典型的な時間は、工業的によく使用される界面活性剤の場合、実用的な濃度の溶液において、μｓ（マイクロ秒）単位からｓ（秒）単位の程度である。特に、十分に実用的な濃度の溶液においては、１０〔μｓ〕から１００〔ｍｓ〕の程度である。

一方、時間的に変化する表面張力を測定する方法又は装置がいくつか存在する（例えば、特許文献１〜３及び非特許文献１〜３参照。）。具体的には、振動ジェット法、最大泡圧法、表面張力波測定法、空中における液滴振動法、射出した液滴の形状変化を高速度カメラで観察する手法等の方法が知られている。

特開２０１１−２５２０７２号公報 特開２０１３−２２８２４２号公報 特開２００８−４６１１０号公報

シリーズ「デジタルプリンタ技術」インクジェット、第１版、日本画像学会編、東京電機大学出版局、２００８年９月１０日発行、第２〜９頁 山田辰也、酒井啓司、「振動励振法による基板上液滴の物性観察」第５８回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、ｐ１８−０１３、２０１１．０３ 山田辰也、酒井啓司、「微小液滴による不溶性液体間の高速濡れ現象観察」’１１．０７．２８〜０７．２９ 第５６回音波と物性討論会 講演論文集、（ＩＥＩＣＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ）Ｖｏｌ．１１１、Ｎｏ．１５８、ｐｐ ＵＳ２０１１−４０−９７−１００、２０１１．０７

しかしながら、前記従来の振動ジェット法及び最大泡圧法では、液体の表面が形成された後、１〔ｍｓ〕までの表面張力は測定不能であり、また、１０〔ｍｓ〕までの表面張力は精密な測定が困難である。例えば、振動ジェット法及び最大泡圧法では、液体の粘性及び慣性の影響によって、その時間分解能は、最高で、１〔ｍｓ〕程度である。さらに、十分な精度で測定することができる実用的な範囲では、その時間分解能は１０〔ｍｓ〕程度である。

また、表面張力波測定法では、その時間分解能は数〔μｓ〕にまで及ぶものの、その測定対象は、１００〔ｍＮ／ｍ〕以下の表面弾性率を持つ液体表面である必要があり、適用対象が極めて限定される。さらに、数〔Ｗ〕以上の出力を持つコヒーレンシーのよいレーザー機器等を使用することが必須であり、装置が高価格化、かつ、大型化してしまう。

なお、以上で説明した表面張力に加え、粘性も、液体の重要な物性であるが、インクジェット等によって液滴が生成された後の液滴を構成する液体の粘性の時間変化を測定する方法は従来存在しなかった。

また、空中における液滴振動法では、１０〜１０００〔μｓ〕の時間領域では表面張力を計測することができるものの、液滴の軌道が不安定となる１０００〔μｓ〕以降の時間領域では測定が困難である。

さらに、液滴が、例えば、ガラスや金属、紙の表面などの固体基板に付着した後の液滴の形状変化を高速度カメラで測定する方法は、基板と液滴とが作る接触角の測定や、それが時間とともに濡れ広がっていく様子から、動的な界面張力や表面張力の測定に用いられる。しかし、〔μｓ〕の時間分解能を有する高速度カメラは、一般的に非常に高価であり汎用の実験装置には装備することができないという難点、あるいは、高速度カメラの撮影に非常に強力な照明が必要であり、このため光を照射される液滴の温度が上昇して液滴が瞬時に蒸発してしまうといった欠点があった。

これを解決するために、ストロボ照明により多くの液滴を順次時間をずらして撮影するという方法があるが、単位時間当たりに多数の液滴が生成される場合、それらが順番に空中を飛翔する様子を捉えることはできても、例えば、これが固体基板箇所に付着して濡れ広がる様子を観察しようとすると、基板上の同一箇所に次々にやってくる液滴が融合してしまい、単一の液滴の形状が計測することができないという困難があった。

本開示は、前記従来の問題点を解決して、物性を１００〔μｓ〕以上の時間分解能で、かつ、数〔ｓ〕以上の時間まで継続して計測することができる物性の計測装置及び方法を提供することを目的とする。

そのために、物性の計測装置においては、試料液体を液滴として射出する液滴生成装置と、間欠的に光を照射するストロボ照明装置と、該ストロボ照明装置によって間欠的に光が照射された液滴を撮影する撮影装置と、前記液滴が付着する標的と、該標的を連続して移動させる標的駆動装置とを備え、前記標的に付着した液滴の形態を観察することによって前記試料液体及び／又は前記標的の物性を計測する。

他の物性の計測装置においては、さらに、前記標的に順次付着した複数の液滴の形態を観察することによって前記試料液体及び／又は前記標的の物性を計測する。

更に他の物性の計測装置においては、さらに、前記標的駆動装置は、前記液滴生成装置から前記標的に液滴が到達する位置までの距離を一定に保持する。

更に他の物性の計測装置においては、さらに、前記液滴生成装置が射出する液滴の単位時間当たりの個数は、毎秒１００個以下である。

更に他の物性の計測装置においては、さらに、前記標的駆動装置は、前記標的に付着した液滴が直線的に移動する、又は、円軌道若しくは螺旋軌道に沿って移動するように、前記標的を移動させる。

更に他の物性の計測装置においては、さらに、前記標的は、前記試料液体と混じり合わない液体である。

更に他の物性の計測装置においては、さらに、前記液滴の空中での半径をＲ、前記液滴生成装置が単位時間当たりに射出する液滴の個数をｆ、前記標的の移動する速度をｖとすると、ｖ＞２ｆＲの関係を満足する。

更に他の物性の計測装置においては、さらに、前記試料液体及び／又は前記標的の物性は、表面張力、界面張力、粘性、弾性、接触角、濡れ性、浸透性、及び／又は、蒸発速度である。

物性の計測方法においては、試料液体を液滴として射出し、連続して移動する標的に前記液滴を付着させ、ストロボ照明装置によって間欠的に光が照射された液滴を撮影し、前記標的に付着した液滴の形態を観察することによって前記試料液体及び／又は前記標的の物性を計測する。

本開示によれば、物性を１００〔μｓ〕以上の時間分解能で、かつ、数〔ｓ〕以上の時間まで継続して計測することができる物性の計測装置及び方法を提供することができる。

第１の実施の形態における物性の計測装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態における標的に付着した液滴の形状変化を示す図である。 第１の実施の形態における標的に付着した液滴の形状変化を撮影した写真である。 第２の実施の形態における標的の移動態様を示す図である。 第３の実施の形態における標的の移動態様を示す図である。 第４の実施の形態における物性の計測装置の構成を示す図である。 第４の実施の形態における標的に付着した液滴の形状変化を撮影した写真である。 第５の実施の形態における物性の計測装置の構成を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は第１の実施の形態における物性の計測装置の構成を示す図である。

図において、１は、本実施の形態における物性の計測装置であり、大気中又は真空中に初速度を持って射出された液体２１の液滴２２が標的３１に接触した後の前記液滴２２の形態を観察することによって、前記液体２１及び標的３１を構成する物体の物性を計測する装置であり、より具体的には、標的３１に接触した液滴２２の形状及び該形状の時間変化に基づいて液滴２２を構成する液体２１及び標的３１を構成する物体の物性を計測する装置である。なお、図に示される例において、物性の計測装置１は、液滴２２を生成して飛翔させる液滴生成装置１０、及び、標的３１に接触した液滴２２の形状及び該形状の時間変化を観察する液滴観察装置も含んでいる。

そして、１１は、液滴生成装置１０の一部である液滴生成ユニットとしてのノズルであり、望ましくは、市販されているガラス製のノズルである。そして、該ノズル１１の内部には、試料液体である液体２１を収容し、該液体２１の微小な滴（しずく）である液滴２２を外側の空間である大気中又は真空中に射出する。なお、前記ノズル１１の先端の孔の径は、５〜２００〔μｍ〕である。また、前記ノズル１１の側面には、ピエゾ素子等の圧電素子１２が接触しており、該圧電素子１２に電圧を印加すると前記圧電素子１２が伸長し、ノズル１１の側面を圧迫するので、ノズル１１の形状が変形する。これにより、ノズル１１内の液体２１がノズル１１の先端の孔から液滴２２として射出される。

前記液体２１は、いかなる種類の材料から成るものであってもよく、例えば、導電性を備えるものであってもよいし、導電性を備えないものであってもよい。前記液体２１は、典型的には、界面活性剤の溶液であるが、水、油等であってもよいし、一般的なインクジェットプリンタに使用されるインクであってもよいし、ゲル状のインクであってもよいし、水溶液、有機溶媒、シリコーンオイル等であってもよい。

図に示される例において、圧電素子１２の数は２つであり、これらによってノズル１１を挟む形に配置されているが、圧電素子１２の数は、１つであってもよいし、３つ以上の複数であってもよい。例えば、圧電素子１２が１つの場合には、ノズル１１を挟んで圧電素子１２の反対側を固定する冶具を準備すればよい。また、液滴２２を射出する時間間隔を短くする場合には、複数の圧電素子１２を、同時にではなく、順次伸長させることによって、ノズル１１を圧迫する単位時間当たりの回数を増やすことができる。

ここで、圧電素子１２の駆動信号として、例えば、パルス状の電圧信号を発生する励振電圧回路を準備することによって、前記駆動信号を圧電素子１２に付与して該圧電素子１２を作動させる。これにより、ノズル１１から射出された液滴２２は、直線状の飛翔経路に沿って、矢印Ａで示される方向に飛翔する。なお、前記液滴２２の飛翔速度は、例えば、１〜１０〔ｍ／ｓ〕程度である。また、前記液滴２２の単位時間当たりの個数は、例えば、１００〔個／秒〕以下であるが、それ以上であってもよい。

本実施の形態において、液滴観察装置は、ストロボ光源を有するストロボ照明装置１４と、撮影装置としてのカメラ１５とを備える。前記ストロボ照明装置１４は、ノズル１１を圧迫する圧電素子１２に印加する電圧パルスの立ち上がりから適当な遅延時間を経たタイミングで発光するように制御され、光を間欠的に照射する。これにより、ノズル１１が圧迫されて変形し、その内部の液体２１がノズル１１の先端の孔から液滴２２として射出される様子がストロボ光によって照明される。カメラ１５は、ストロボ光の一回の発光が持続する時間よりも長く、かつ、ストロボ光の発光間隔より短い露光時間（シャッターを開けている時間）で液滴２２を撮影する。これにより、カメラ１５は、１個の液滴２２の像を撮影することができる。すなわち、射出後の液滴２２の運動の一瞬の形状を、静止画として捉えることができる。

このとき、ストロボ光の発光の遅延時間を固定すれば、射出された後、同じ位置にある液滴２２の像を連続して撮影することができ、また、遅延時間を徐々に長くすれば飛翔や標的３１の移動によって、位置を徐々に変える液滴２２の像を連続して撮影することができる。

なお、前記液滴観察装置は、図示されないパーソナルコンピュータ等のデータ処理装置と通信可能に接続され、カメラ１５が撮影した画像等のデータを前記データ処理装置が備える半導体メモリ、ハードディスク等の記憶手段に記憶することができるようになっていることが望ましい。

このように、本実施の形態におけるストロボ照明装置１４は、液滴２２が射出されて飛翔し、さらに、対象物である標的３１に着弾して濡れや浸透を示すその過程を、あたかも連続画像のように撮影するためのものであるが、実際には、一回の発光ごとに照明する液滴２２はすべて異なっている。このため、個々の液滴２２の状態を鮮明に観察するためには、ストロボ光の閃光の継続時間は十分に短い必要がある。例えば、速度１．０〔ｍ／ｓ〕で飛翔する直径１０〔μｍ〕の液滴２２の形状を明瞭に捉えるためには、液滴２２の直径の少なくとも１／１０の距離である１〔μｍ〕を移動する間のみ照明されることが望ましい。このため、このためストロボ光の発光時間は、１／１００００００秒、すなわち、１〔μｓ〕以下であることが望ましく、さらに、より明瞭に液滴２２の形状を観察するためには、１００〔ｎｓ〕以下であることが望ましい。

従来、高速度カメラによって同一の液滴を連続的に撮影する際にも、ストロボ光源を用いる場合がある（例えば、特許文献４参照。）。しかし、この場合のストロボ照明は、高速度カメラが撮影を継続する比較的長い時間、例えば、１〔ｍｓ〕に亘って１個の液滴を照射し続けるものであり、本実施の形態とは、使用方法が異なる。このような従来のストロボ照明の使用は、長時間に亘って、すなわち、高速度カメラが撮影している前後も含めて高速度カメラでの撮影に必要な光量で連続して照明を続けた場合、これにより、射出ノズル、基板及びその他の実験器具の温度が大きく上昇することを避けるためである。この点で、液滴１個の射出につき、適当なタイミングで１回のみストロボ光が発光する本実施の形態における照明方法とは、使用方法及び目的が全く異なる。
特開２００４−２９０７９９号公報

本実施の形態におけるストロボ発光を行った場合、高速度カメラ、又は、これに加えてストロボ光源を用いる前記従来の方法に比べて、液滴観察上、以下のような利点を期待することができる。すなわち、従来のように高速度カメラによって１個の液滴の現象を観察する場合、例えば、液滴が着弾した対象物の着弾地点が、たまたま傷を有していたとき、その画像はすべて不良の実験結果となる。これに対して、本実施の形態における撮影では、まれに傷などを有する不良な地点に液滴が着弾したとしても、その像は前後に撮影される良好な地点に着弾した液滴の像とは全く異なったものになり、不良の場合の像を容易に排除することができる。

本実施の形態において、射出された液滴２２は空中を飛翔し、ノズル１１の先端部分に隣接して配置された標的３１に到達して接触、付着する。図に示される例において、前記標的３１は、平滑な固体の基板であり、標的駆動装置としての自動ステージ３２によって矢印Ｂで示される方向に直線的に一定速度で移動している。すなわち、前記標的３１は、一定速度で直線運動を行う。そのため、標的３１に付着した液滴２２ａ〜２２ｎ（ｎは自然数）は標的３１の移動とともに連続的に移動する。この移動速度ｖは、次に射出された液滴２２が標的３１に到達するまでに、先に付着した液滴２２ｂ〜２２ｎが十分な距離を移動し、次に付着した液滴２２ａが液滴２２ｂと接触しないように定められる。すなわち、単位時間当たりに射出される液滴２２の個数をｆ、空中での液滴２２の半径をＲとしたとき、少なくとも、ｖ＞２ｆＲである必要がある。より厳密には、液滴２２が標的３１に付着している際の接触半径をＲ’とすると、ｖ＞２ｆＲ’である必要がある。例えば、ｎ＝１００〔個／秒〕、Ｒ’＝１００〔μｍ〕であるとき、ｖ＞１〔ｍｍ／ｓ〕である。

ストロボ照明装置１４及びカメラ１５は、標的３１に付着した後の液滴２２ａ〜２２ｎの形状及びその時間変化も計測し、その形状から、液滴２２の物性及び液滴２２が付着した標的３１の材料との組み合わせによって決まる物性を計測する。本実際の形態において、液滴２２の付着する標的３１は固体の基板である。この場合、該基板を、液滴２２の液体２１が完全濡れを示さない材料で作製すると、液滴２２の形状から接触角の時間依存性を知ることができる。前記接触角は、当該液体２１の表面張力及び当該標的３１の材料と液体２１との界面張力の関数であるから、それらを計測することができる。また、液滴２２の形状の時間変化から、例えば、液体２１が界面活性剤を含む場合、界面活性剤が表面又は界面に吸着することに伴って時間的に変化する表面張力及び界面張力の時間変化を計測することができる。

さらに、標的３１の液滴２２に電界を印加することによって、又は、機械的な振動を印加することによって、液滴２２を部分球の形状から変形させ、その後に、液滴２２が表面張力を復元力として振動する際の振動周波数から、液滴２２の表面張力を計測することも可能である。

次に、液滴２２の形状の時間変化の計測及びこれによる物性計測の例を説明する。

図２は第１の実施の形態における標的に付着した液滴の形状変化を示す図である。なお、図において、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。

図に示されるように、矢印Ｂで示される方向に移動する平面形状が矩形の標的３１の表面に着弾して付着した液滴２２ａ〜２２ｎは、前記標的３１の上で徐々に濡れ広がる。最終的に安定となる液滴２２の形状は、試料である液体２１の種類と固体基板である標的３１の材料の種類との組み合わせによって異なる。すなわち、液滴２２の表面張力、液滴２２と標的３１との間の界面張力、及び、標的３１の表面張力によって決定される。したがって、十分に時間が経過して形状が変化しなくなった液滴２２の形状によって、特に接触角により、これらの表面張力又は界面張力を求めることができる。

また、安定な形状に至るまでの形状の時間変化によって、例えば、液滴２２内部に溶解している界面活性剤分子が液滴２２の表面に吸着することによって時々刻々変化する表面張力又は界面張力を求めることができる。

次に、本実施の形態における液滴観察装置を使用して発明者が行った実験結果について説明する。

図３は第１の実施の形態における標的に付着した液滴の形状変化を撮影した写真である。

図において、左端の液滴２２は、標的３１である清浄なガラス基板上に着弾後すぐの純水の液滴２２であり、中央の液滴２２はそれよりひとつ前に射出されて着弾した後、右方向に移送された液滴２２であり、右端はさらにそのひとつ前に射出されて着弾した後、右方向に移送された液滴２２である。このときの液滴２２の射出の時間間隔は０．１〔ｓ〕である。この図より、着弾直後から接触角が低下し、さらに、蒸発によって液滴２２の体積が減少していくことがわかる。この図は、ある瞬間を撮影した写真であるが、液滴２２が着弾して濡れ広がりながら右方に移送されていく様子を滑らかな動画として観察することも、もちろん可能である。

このように、本実施の形態における物性の計測装置１は、液体２１を液滴２２として射出する液滴生成装置１０と、間欠的に光を照射するストロボ照明装置１４と、ストロボ照明装置１４によって間欠的に光が照射された液滴２２を撮影するカメラ１５と、液滴２２が付着する標的３１と、標的３１を連続して移動させる自動ステージ３２とを備え、標的３１に付着した液滴２２の形態を観察することによって液体２１及び／又は標的３１の物性を計測する。

また、本実施の形態における物性の計測方法においては、液体２１を液滴２２として射出し、連続して移動する標的３１に液滴２２を付着させ、ストロボ照明装置１４によって間欠的に光が照射された液滴２２を撮影し、標的２１に付着した液滴２２の形態を観察することによって液体２１及び／又は標的３１の物性を計測する。

さらに、標的３１に順次付着した複数の液滴２２の形態を観察することによって液体２１及び／又は標的３１の物性を計測する。さらに、液滴生成装置１０が射出する液滴２２の単位時間当たりの個数は、毎秒１００個以下である。さらに、自動ステージ３２は、標的３１に付着した液滴２２が直線的に移動するように、標的３１を移動させる。さらに、液滴２２の空中での半径をＲ、液滴生成装置１０が単位時間当たりに射出する液滴２２の個数をｆ、標的３１の移動する速度をｖとすると、ｖ＞２ｆＲの関係を満足する。さらに、液体２１及び／又は標的３１の物性は、表面張力、界面張力、粘性、弾性、接触角、濡れ性、浸透性、及び／又は、蒸発速度である。

これにより、液体２１及び／又は標的３１の物性を１００〔μｓ〕以上の時間分解能で、かつ、数〔ｓ〕以上の時間まで継続して計測することができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図４は第２の実施の形態における標的の移動態様を示す図である。なお、図において、（ａ）は拭取り機構のない例を示す図、（ｂ）は拭取り機構を備える例を示す図である。

前記第１の実施の形態においては標的３１の平面形状が矩形であるのに対し、本実施の形態における標的３１は、平滑な固体の基板であるが、図４（ａ）に示されるように、平面形状が円形である。また、標的駆動装置としての自動ステージ３２は、前記標的３１を矢印Ｃで示される方向に一定の回転速度で回転運動させる。そして、ノズル１１から射出された液滴２２を、Ｘ印で示されるような回転運動の中心から離れた位置に着弾させる。これにより、標的３１に付着した液滴２２ａ〜２２ｎは、回転運動の中心を中心とする円軌道３３に沿って矢印Ｃで示される方向に一定の回転速度で移動する。次に、射出された液滴２２は同じ位置に着弾して標的３１に付着した液滴２２ａとなるが、ひとつ前に射出されて標的３１に付着した液滴２２ｂは、円軌道３３に沿って所定の距離だけ移動している。このように、１つずつ射出されて標的３１に付着した液滴２２ａ〜２２ｎは、円軌道３３上に配置される。

前記標的３１が一周回転する前の時間内に、液滴２２ｎが完全に蒸発するのであれば、この方法により、連続して液滴２２ａ〜２２ｎの形状変化を計測することができる。

一方、液滴２２には不揮発性の成分、例えば、顔料など、が含まれることがある。このとき、固体の基板である標的３１上には、不揮発成分が残留してしまう。このように不揮発成分が付着したままの個所に、新たに液滴２２が付着すると、その影響により、吸着の形状が変化することがある。これを避けるために、図４（ｂ）に示される例では、拭取り機構３４を備えている。該拭取り機構３４によって、標的３１上の残留物を拭き取って除去することにより、標的３１上を清浄に保つことができる。

その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態において、自動ステージ３２は、標的３１に付着した液滴２２が円軌道に沿って移動するように、標的３１を移動させる。

次に、第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図５は第３の実施の形態における標的の移動態様を示す図である。

前記第２の実施の形態においては平面形状が円形の標的３１を回転運動させるのに対し、本実施の形態においては平面形状が円形の標的３１を回転運動させるとともに水平方向に移動させるようになっている。具体的には、標的駆動装置としての自動ステージ３２は、前記標的３１を矢印Ｂで示される方向に一定の速度で直線運動させつつ、矢印Ｃで示される方向に一定の回転速度で回転運動させる。そして、ノズル１１から射出された液滴２２を、Ｘ印で示されるような回転運動の中心から離れた位置に着弾させる。すると、標的３１に連続して付着した液滴２２ａ〜２２ｎは、螺旋軌道３５に沿って配置される。

このように、前記第２の実施の形態における円軌道３３よりも長い螺旋軌道３５に沿って液滴２２ａ〜２２ｎが配置されるので、拭取り機構３４を備えていなくても、長時間に亘って液滴２２ａ〜２２ｎの観察を行うことができる。例えば、標的３１の半径が５〔ｃｍ〕であり、螺旋間の動径方向の間隔が１００〔μｍ〕であれば、螺旋の総延長の長さは３０〔ｍ〕以上になり、このとき付着する液滴２２間の距離が１００〔μｍ〕であるとすれば、付着可能な液滴２２の総数は３００，０００個であり、１秒間に３０個の液滴２２が付着するとすれば、１０，０００〔秒〕≒３時間以上に亘って連続した計測が可能である。

その他の点の構成及び動作については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態において、自動ステージ３２は、標的３１に付着した液滴２２が螺旋軌道に沿って移動するように、標的３１を移動させる。

次に、第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図６は第４の実施の形態における物性の計測装置の構成を示す図である。

本実施の形態における物性の計測装置１は、標的３１の表面位置を計測する計測装置としてのセンサー１６を備える。該センサー１６は、例えば、レーザー測距計であって、ノズル１１から射出された液滴２２が着弾する箇所における標的３１の表面位置、具体的には、上下方向の位置を計測する。また、本実施の形態における物性の計測装置１は、標的駆動装置として、自動ステージ３２に加えて、位置制御装置３６を備える。該位置制御装置３６は、前記センサー１６によって計測された標的３１の表面位置のデータに基づき、前記標的３１を、矢印Ｄで示されるように、上下方向に駆動して前記標的３１の表面位置を制御し、液滴２２が標的３１の表面に接触する位置が、標的３１の表面の凹凸に依らずに、ノズル１１から観て一定の位置に安定的に保持されるようにする。すなわち、ノズル１１の先端の孔から液滴２２が標的３１の表面に接触する位置までの距離が変化しないように制御する。

これにより、計測対象となる物体である標的３１の表面が凹凸であっても、液滴２２の形状を安定して観察することができる。前記標的３１の表面が、例えば、凹凸の多い紙の表面であったり、葉の表面であったりしても、液滴２２の濡れ広がり速度、浸透速度等の物性を計測することも可能である。

次に、本実施の形態における液滴観察装置を使用して発明者が行った実験結果について説明する。

図７は第４の実施の形態における標的に付着した液滴の形状変化を撮影した写真である。

図には、標的３１である汎用の印刷用紙に着弾したエチレングリコールの液滴２２の形状の時間変化が示されている。本実施の形態においては、このように、液滴２２が徐々に紙に浸透していく様子を観察することができる。なお、図に示されるのは、ある瞬間を撮影した写真であるが、液滴２２が着弾し、その後、紙に浸透しながら移送されていく様子を滑らかな動画として観察することも、もちろん可能である。

その他の点の構成及び動作については、前記第１〜第３の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態において、位置制御装置３６は、液滴生成装置１０から標的３１に液滴２２が到達する位置までの距離を一定に保持する。

次に、第５の実施の形態について説明する。なお、第１〜第４の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第４の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図８は第５の実施の形態における物性の計測装置の構成を示す図である。

本実施の形態において、標的３１は液体である。該液体は、液滴２２の液体２１とは混じり合わない液体であって、例えば、液滴２２の液体２１が純水であるとき、標的３１は純水とは混じり合わない油、例えば、ヘキサデカンである。

そして、液体である標的３１は、上面が開放された容器３７に収容され、該容器３７の底部に接続された循環流路３８を通って循環している。なお、該循環流路３８の途中には標的駆動装置としてのポンプ３９が配設され、該ポンプ３９によって前記標的３１は、矢印Ｅで示される方向に流れて循環する。これにより、容器３７に収容された液体である標的３１は、矢印Ｅで示される方向に直線的に一定速度で移動し、液面である標的３１の表面３１ａも、矢印Ｅで示される方向に直線的に一定速度で移動する。そして、ノズル１１から射出された液滴２２も標的３１の表面３１ａに付着して、矢印Ｅで示される方向に直線的に一定速度で移動する。なお、都合により、図においては、液滴観察装置であるストロボ照明装置１４及びカメラ１５の描画が省略されている。

ここで、液滴２２は十分に小さいために、仮に液滴２２の液体２１の比重が付着する液体である標的３１の比重より小さい場合でも、表面３１ａに付着した後に重力によって沈降することはなく、液面である表面３１ａに留まる。このとき、液滴２２の形状は、液滴２２を構成する液体２１（試料液体）の表面張力、標的３１を構成する液体の表面張力、及び、試料液体と標的３１を構成する液体との間の界面張力により決定される。

図において、Ｆは、標的３１の表面３１ａに付着した液滴２２ｂとその周囲の表面３１ａとを示す要部拡大側面図である。液滴２２ｂの形状を観察することによって、表面３１ａの上側の液滴２２ｂの角度θ、及び、表面３１ａの下側の液滴２２ｂの角度φとを計測することができる。そして、試料液体の表面張力をσＤ、標的３１を構成する液体の表面張力をσＳ、及び、試料液体と標的３１を構成する液体との間の界面張力をσＩとすると、次の式（１）及び（２）の関係が成立する。
σＳ＝σＤ cosθ＋σＩ cosφ ・・・式（１）
σＤ sinθ＝σＩ sinφ ・・・式（２）
そして、上記式（１）及び（２）から、σＤとσＳとσＩとの間の比を一意に定めることができる。

液滴２２を構成する液体２１が界面活性剤を含む場合には、表面張力及び界面張力の時間変化によって液滴２２の形状が変化し、その計測によってσＤとσＳとσＩとの間の比の時間変化を決めることができる。さらに、そのとき、標的３１を構成する液体として、当該界面活性剤が表面３１ａに展開せず、このため表面張力σＳが時間変化しない液体を選択するならば、これを基準として、σＩ及びσＤの値を一意に決めることができる。このような標的３１を構成する液体の種類としては、例えば、ヘキサデカンが該当する。

その他の点の構成及び動作については、前記第１〜第４の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態において、標的３１は、液体２１と混じり合わない液体である。

以上説明したように、本開示における物性の計測装置及び方法によれば、必ずしも良好な平面ではなく、又は、良好な平滑性を持たないような、例えば、印刷用紙のような標的３１であっても、安定して液滴２２の着弾及び付着を持続することが可能である。また、時間を徐々に掃引しながら多数の画像を連続して見ることによって、付着後の標的３１上での濡れ広がりや、標的３１中への浸透現象を、あたかも、一回の現象の連続撮影の結果のように観察することができる。この際、稀に標的３１の着弾箇所に傷などがある場合でも、その前後の多数の良好な観察例と比較することによって不良の観察像を除外することができ、言わば、多数の現象の平均の動画像を観察することができるという点で、平滑性のない標的３１と液滴２２との動的な相互作用を観察することに、非常に適している。

さらに、標的３１の凹凸を検出し、その情報をフィードバックして標的３１の位置を駆動し、これによってカメラ１５による液滴２２の観察位置を安定させるので、標的３１の表面が相当の凹凸を有していても、そこに付着した液滴２２を安定して観察することが可能となり、これにより、例えば、植物の葉の上を濡れ広がり、又は、浸透する農薬の微小液滴の挙動を安定して観察することができる。前記標的３１は、植物の表面に限定されるものでなく、例えば、人の皮膚上における薬剤の浸透や濡れ広がり性を観察することにも応用が可能である。

また、本開示における物性の計測装置及び方法は、凸凹の表面を有する家屋等の壁の上のペンキ等の塗料の濡れ広がり、浸透、乾燥等の動的挙動を観察することに適しており、これにより、スプレー等を用いて散布される塗料による塗装の過程等の予測に、重要な情報を供することができる。

さらに、陶器又は磁器の製造過程において、素焼きの段階の多孔質のセラミック表面に塗布された釉薬等の濡れ広がり、浸透等の動的挙動を観察するのに適している。

さらに、インクジェット、又は、他の細線描画技術等を用いて作製されるプリンテッドエレクトロニクスデバイスの作製過程の観察にも有効である。

なお、本明細書の開示は、好適で例示的な実施の形態に関する特徴を述べたものである。ここに添付された特許請求の範囲内及びその趣旨内における種々の他の実施の形態、修正及び変形は、当業者であれば、本明細書の開示を総覧することによって、当然に考え付くことである。

本発明は、物性の計測装置及び方法に適用することができる。

１ 物性の計測装置
１０ 液滴生成装置
１４ ストロボ照明装置
１５ カメラ
２１ 液体
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｎ 液滴
３１ 標的
３２ 自動ステージ
３３ 円軌道
３５ 螺旋軌道
３６ 位置制御装置
３９ ポンプ

Claims (9)

1. 試料液体を液滴として射出する液滴生成装置と、
   間欠的に光を照射するストロボ照明装置と、
   該ストロボ照明装置によって間欠的に光が照射された液滴を撮影する撮影装置と、
   前記液滴が付着する標的と、
   該標的を連続して移動させる標的駆動装置とを備え、
   前記標的に付着した液滴の形態を観察することによって前記試料液体及び／又は前記標的の物性を計測することを特徴とする物性の計測装置。
2. 前記標的に順次付着した複数の液滴の形態を観察することによって前記試料液体及び／又は前記標的の物性を計測する請求項１に記載の物性の計測装置。
3. 前記標的駆動装置は、前記液滴生成装置から前記標的に液滴が到達する位置までの距離を一定に保持する請求項１又は２に記載の物性の計測装置。
4. 前記液滴生成装置が射出する液滴の単位時間当たりの個数は、毎秒１００個以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の物性の計測装置。
5. 前記標的駆動装置は、前記標的に付着した液滴が直線的に移動する、又は、円軌道若しくは螺旋軌道に沿って移動するように、前記標的を移動させる請求項１〜４のいずれか１項に記載の物性の計測装置。
6. 前記標的は、前記試料液体と混じり合わない液体である請求項１〜５のいずれか１項に記載の物性の計測装置。
7. 前記液滴の空中での半径をＲ、前記液滴生成装置が単位時間当たりに射出する液滴の個数をｆ、前記標的の移動する速度をｖとすると、
   ｖ＞２ｆＲ
   の関係を満足する請求項１〜6 のいずれか１項に記載の物性の計測装置。
8. 前記試料液体及び／又は前記標的の物性は、表面張力、界面張力、粘性、弾性、接触角、濡れ性、浸透性、及び／又は、蒸発速度である請求項１〜７のいずれか１項に記載の物性の計測装置。
9. 試料液体を液滴として射出し、
   連続して移動する標的に前記液滴を付着させ、
   ストロボ照明装置によって間欠的に光が照射された液滴を撮影し、
   前記標的に付着した液滴の形態を観察することによって前記試料液体及び／又は前記標的の物性を計測することを特徴とする物性の計測方法。

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