JPH10197329A - 液滴の振動計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は、構造・データ処理を大幅に簡
略化し得、かつ高速・高精度・リアルタイムな測定を可
能とする液滴の振動計測方法及び装置を提供することに
ある。 【解決手段】本発明は、振動する無容器浮遊溶融液滴１
と、この無容器浮遊溶融液滴１の実像３を投影する光学
系のレンズ２と、このレンズ２の投影面に配置され前記
液滴１の振動を光の強弱に変えるスリット４と、このス
リット４で得られた光の強弱をアナログ電気信号に変換
する光電変換素子よりなる受光素子５と、この受光素子
５で変換されたアナログ電気信号を振動解析するアナロ
グ信号増幅器６、サンプラ７及びコンピュータ８とを具
備することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は例えば液滴の表面張
力及び粘性の測定等に用いられる液滴の振動計測方法及
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｓｉのような半導体単結晶の引上プロセ
スでは、不純物濃度の周期的変化が大きな問題である。
最近になって、半導体単結晶引上プロセスでの問題は不
純物濃度に対応した表面張力誘起型対流、すなわちマラ
ンゴニー対流がその原因であることが解ってきた。この
マランゴニー対流を防ぐには、コンピュータシミュレー
ションなどを用いて、マランゴニー対流をキャンセルす
るような装置設計が必要である。そのためには、温度と
不純物濃度に対応した表面張力の正確な値が必要であっ
た。表面張力は不純物に非常に敏感で、微妙な酸素濃度
によっても大きく変動する。このように、表面張力が不
純物により変動することが、容器から不純物がない無容
器プロセスが注目されている理由である。

【０００３】また、宇宙ステーションの建設が計画さ
れ、微小重力応用研究もいよいよ立ち上がろうとしてい
る。微小重力応用の２本柱は無対流プロセスと無容器プ
ロセスである。しかし無重力でも実際は、マランゴニー
対流がおこり、対流を完全に除くことはできないことが
解ってきた。そのため微小重力環境では、どの物質にお
いても表面張力及びその温度、環境、不純物依存性は非
常に重要なパラメータとなってきているが、上述したよ
うに不純物の影響が大きいため測定が大変難しく、現在
満足できるデータは殆どない。そのため純物質の表面張
力および粘性係数の測定は、これから立ち上がる分野と
考えられる。

【０００４】また、浮遊プロセスでは、最も容易に測れ
る基礎的な物質量は、物体の振動であり、表面張力に限
らず、簡便な液滴の振動計測は、基本的技術である。従
来、無容器浮遊溶融液滴の表面張力を、液滴の自由振
動、すなわちレイリー振動の周波数により解析する方法
において、液滴の振動を検出するのに高速ビデオカメラ
を用いて、液滴の振動を捕らえ、それを画像処理するこ
とにより検出していた。しかし、液滴の振動は、標準的
条件で４０〜１００Ｈｚに達し、また振動の振幅は液滴
半径の５％以内と小さい。これをビデオカメラで記録す
るためには、少なくとも８０〜２００フレーム／秒、望
ましくは４００フレーム／秒以上の速度を持つ高速かつ
高精度なカメラおよび記録系が要求され、記録されるデ
ータ量も膨大である。また、画像データより振動数を解
析するには、輪郭抽出を含めた画像データ処理が必要と
され、この画像データ処理は本質的にコストのかかる処
理である。この高速ビデオカメラを用いたシステムを実
現するには大変大掛かりなシステムが必要であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、構造・データ処理を大幅に簡略
化し得、かつ高速・高精度・リアルタイムな測定を可能
とする液滴の振動計測方法及び装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の液滴の振動計測方法は、振動する液滴を浮遊
する液滴浮遊ステップと、この液滴浮遊ステップで浮遊
された液滴をスリットに投影して液滴の振動に対応した
光の強弱を検出する光信号検出ステップと、この光信号
検出ステップで検出された光の強弱をアナログ電気信号
に変換する光電変換ステップと、この光電変換ステップ
で変換されたアナログ電気信号を振動解析する振動解析
ステップとを具備することを特徴とする。

【０００７】また本発明の液滴の振動計測装置は、振動
する液滴を浮遊する液滴浮遊手段と、この液滴浮遊手段
で浮遊された液滴の実像を投影する光学系と、この光学
系の投影面に配置され前記液滴の振動を光の強弱に変え
るスリットと、このスリットで得られた光の強弱をアナ
ログ電気信号に変換する光電変換手段と、この光電変換
手段で変換されたアナログ電気信号を振動解析する振動
解析手段とを具備することを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態
例を示す構成説明図であり、図２は本発明に係るスリッ
ト配置の異なる例を示す構成説明図である。図におい
て、１は表面張力を測定したい物質の無容器浮遊溶融液
滴であり、この無容器浮遊溶融液滴１はコイルに電流を
流して磁力線を発生させて磁気により物質を浮遊状態に
し、この浮遊状態の物質を加熱して溶融することにより
形成する。したがって、液滴１は熱放射によりそれ自身
発光している。２は液滴１の像３を投影面上のスリット
４に結像させるための光学系のレンズ、３は投影面上に
投影された液滴１の実像、４は液滴１の振動を光の強弱
に変えるためのスリット（マスク）、５はスリット４を
通った光の強弱をアナログ電気信号に変換するフォトダ
イオード等の光電変換素子よりなる受光素子、６はアナ
ログ信号増幅器であり、ＤＣ（直流）カット、高周波ノ
イズ除去、高次振動強調処理等をアナログ信号処理で行
うことができる。７は１ｋＳ／ｓ程度の低速のサンプラ
であり、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナロ
グ−デジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ）を構成す
る。８は例えばパソコン等のコンピュータであり、ＦＦ
Ｔ（高速フーリエ変換）処理にて周波数パワースペクト
ルや減衰率から、表面張力、粘性係数を計算する。

【０００９】即ち、まず、無容器浮遊溶融液滴１の像３
をレンズ２を用いて、投影面上に投影する。多くの場合
液滴は熱放射によりそれ自身発光しているのでこれは容
易である。投影面上に配置されたスリット４を透過する
光の総量は、投影面上に投影された液滴１の像３の各部
位の明るさをスリット４の範囲で積分（合計）したもの
である。ここで、投影面上の液滴１の像３とスリット４
の位置関係が図２（ａ）に示すようになっていると仮定
する。液滴１が均一であれば、表面の温度と放射率は均
一なので、光の総量は、投影面上に投影された液滴１の
像３がスリット４にかかる面積に比例すると考えてよ
い。したがって、液滴１が振動すれば、投影面上に投影
された液滴１の像３も振動し、スリット４を通る光の総
量が同様に変動する。図２（ａ）において、液滴１の半
径に比べてスリット４の幅が充分狭ければ、スリット４
を通る光の総量の変化量は、液滴１のスリットの直軸方
向の振動の振幅にリニアに対応する。前記スリット４を
通る光を光電変換素子よりなる受光素子５で電気信号に
変換すれば、液滴１の振動に応じたアナログ信号を簡単
に得ることができる。前記受光素子５より得られたアナ
ログ信号は液滴１の振動とリニアに対応しているので、
アナログ信号増幅器６、サンプラ７およびコンピュータ
８を用いて、振動解析することが可能である。このアナ
ログ信号が振動の振幅にリニアーに対応していること
は、振動解析においてピーク同志の干渉が少なく、ピー
ク分離する上で大きなメリットである。

【００１０】図３は本発明に係る振動解析方法の一例を
示すフローチャートである。即ち、液滴１の振動１１は
スリット４により光の強弱１２に変換され、この光の強
弱１２は受光素子５により光電変換されてアナログ電気
信号１３に変換される。前記受光素子５より得られたア
ナログ電気信号１３はアナログ信号増幅器６で増幅され
た後、サンプラ７によりサンプリングされてデジタル電
気信号に変換される。前記サンプラ７より出力されたデ
ジタル電気信号はコンピュータ８によりＦＦＴ処理され
て周波数パワースペクトル１４が得られる。この周波数
パワースペクトル１４を周波数評価することにより、表
面張力や粘性１５を得る。

【００１１】液滴１の振動数から表面張力等を求める方
法は文献（Ｄ．Ｌ．Ｃｕｍｍｉｎｇｓ ａｎｄ Ｄ．
Ａ．Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ；“Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ
ｏｆｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｌｅｖｉｔａｔｅｄ
ａｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｄｒｏｐｌｅｔｓ”，Ｊ．Ｆ
ｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．２２４，３９５，（１９９
１）．）に記載されている。すなわち、基本は、外力が
ない場合の液滴１の振動（レイリー振動）の振動数（ｖ
_R ）が、次の式（１）によって、表面張力σと液滴１の
重さＭのみによって表記できることを利用している。ｌ
は振動数のモードを表記する指数で非圧縮性流体ではｌ
＝１，２，…，でｌ＝１が並進、表面張力を測定すると
きは従来ｌ＝２が良く使われている。

【００１２】 （ｖ_R ）² ＝｛ｌ（ｌ−１）（ｌ＋２）／３π｝×（σ／Ｍ）………（１） 地上で液滴１を浮遊させた場合は、電磁力の圧力や液滴
１が真球から歪む効果を考えなくてはならない。軸対称
な系では、ｌ＝１のモードは２つに、ｌ＝２のモードは
３つの周波数の異なる振動にスプリットする。これらの
振動数を周波数の低いほうから、ｖ_t1，ｖ_t2（ｌ＝
１）、ｖ_min ，ｖ_middle，ｖ_max （ｌ＝２）とする。こ
れらの振動数から、外力がない場合のレイリー振動数
（ｖ_R ）² を推定して表面張力を求めなくてはならな
い。この推定の方法は、いくつか種類があるが、良く使
われるのは、次の式（２），式（３）である。 （ｖ_t ）² ＝１／３｛（ｖ_t1）² ＋２（ｖ_t2）² ｝………………………（２） （ｖ_R ）² ＝１／１０｛３（ｖ_max ）² ＋３（ｖ_min ）² ＋４（ｖ_middle）² ｝ −２（ｖ_t ）² ±１／１０｛（ｖ_max ）² −（ｖ_min ）² ｝ ………………………（３） 図４は本発明に係る周波数パワースペクトルの一例を示
す特性図である。すなわち、実際に質量０．７ｇのＳｉ
系で測定した液滴の振動をＦＦＴ処理した周波数パワー
スペクトルの図である。図中でｖ_t1，ｖ_t2（ｌ＝１）、
ｖ_min ，ｖ_middle，ｖ_max （ｌ＝２）をそれぞれ示して
ある。これらより表面張力を求めるとσ＝０．８５７Ｎ
／ｍとなる。

【００１３】尚、スリットの配置のバリエーションとし
て、図２（ｂ），（ｃ）に示すようなものが考えられ
る。図２（ｂ）では、スリット４１が投影面上に投影さ
れた液滴１の像３の中心を通る水平方向に、像３の直径
より長く形成されている。この場合には、液滴１の水平
方向の並進運動成分がキャンセルされる。図２（ｃ）で
は、３つのスリット４，４２，４３が投影面上に投影さ
れた液滴１の像３の円周部に、スリット４を基準にして
角度４５度づつ間隔をおいて形成されている。この場合
には、縦、横、斜めの振動成分の振幅が測れるが、各々
を別々の光電変換素子で処理しても良いし、各成分の周
波数が異なるのであれば、１つの光電変換素子で各スリ
ット４，４２，４３を通った光の総量を変換してＦＦＴ
処理すれば、各々の成分を充分分離して検出可能であ
る。

【００１４】もちろん、個々に変換して、それぞれの信
号の関係から、より詳しい解析を行うことも可能であ
る。また、従来のビデオを用いた振動解析法において、
半径方向の振幅の振動を解析するのではなく、液滴の２
次元投影面積量の振動を解析する方法がある。この場合
は、スリットを広げて、液滴像全体が受光素子に入るよ
うにすればよい。このように、スリット形状を工夫する
ことにより、従来のビデオを用いた解析法の殆どに対応
することが可能である。

【００１５】次に、上記のような本発明の実施形態例の
特徴について説明する。 （１） 装置構造を簡略化することができる。 本発明の実施形態例はレンズとスリットとフォトダイオ
ード及び１ｋＳ／ｓ程度の低速のサンプラ（Ａ／Ｄコン
バータ）があれば充分であり、後処理も市販のパソコン
で充分可能な程度である。

【００１６】（２） 高いサンプリング速度が実現で
き、高精度な測定が可能となる。 これは、液滴の高い周波数の振動まで計測可能であるこ
とを意味し、以下に述べる効果の相乗により、従来法よ
り高精度な測定が期待できる。

【００１７】（イ） 同じ物質では試料が小さいほど振
動数は高い。本発明により高い振動数まで計測可能であ
り、より小さい試料を用いることができる。試料が小さ
いほど、真球からのずれが小さくなり、振動数から表面
張力を求める際の誤差が減少すると考えられる。

【００１８】（ロ） 振動数の高い、より高次の振動モ
ード（ｌ＝２）の解析が可能となる。情報量が増えた
分、精度が上がる可能性がある。 （ハ） 測定時間は、１自由振動の持続時間、過冷して
いる場合は核発生までの時間、落下塔での実験では落下
時間などで、数秒程度に限られてくる。同じ測定時間で
あれば、振動数が高いほど振動数の精度は上がる。現在
振動数自体の精度が表面張力の精度に及ぼす影響は大き
い。試料の大きさを変えたり、高次の振動モードを用い
ることにより、振動数を高め、高精度測定が可能とな
る。

【００１９】（ニ） 微小な振動まで測定可能である。 本発明では、振動の振幅変化は振動の振幅変化にリニア
なアナログ信号としてまず生成されるので、高次の振動
モードの高速かつ微小な振幅変化を容易に信号処理可能
である。従来の高速ビデオカメラを用いた液滴の振動計
測方法では、振幅の精度は画像処理の画素の数に制限さ
れる。５１２×５１２画素の画面に液滴の像を画面いっ
ぱいに撮影した場合でも、低次振動の液滴の５％の半径
変化は１２ドット分の変化でしかなく、高次の振動の測
定は非常に困難である。

【００２０】（ホ） リアルタイムな処理が可能であ
る。 （ヘ） 計測する量は光量であり、かつ低周波であるこ
とから、ノイズに強く、特に高周波環境と相性が良い。

【００２１】（ト） 軽量、構造が単純、コンパクト、
低データ量、低消費電力である。 （チ） 原理が単純なだけに様々なバリエーションが考
えられる。 （リ） 簡便、軽量、構造が単純、データが少なくてす
む等の特徴は、将来落下塔、飛行機、ロケット、衛星等
を利用した計測に好適である。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、構造
・データ処理を大幅に簡略化でき、かつ高速・高精度・
リアルタイムな測定ができる液滴の振動計測方法及び装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例を示す構成説明図であ
る。

【図２】本発明に係るスリット配置の異なる例を示す構
成説明図である。

【図３】本発明に係る振動解析方法の一例を示すフロー
チャートである。

【図４】本発明に係る周波数パワースペクトルの一例を
示す特性図である。

【符号の説明】

１ 無容器浮遊溶融液滴 ２ 光学系のレンズ ３ 液滴の実像 ４ スリット ５ 光電変換素子よりなる受光素子 ６ アナログ信号増幅器 ７ サンプラ ８ コンピュータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動する液滴を浮遊する液滴浮遊ステッ
   プと、 この液滴浮遊ステップで浮遊された液滴をスリットに投
   影して液滴の振動に対応した光の強弱を検出する光信号
   検出ステップと、 この光信号検出ステップで検出された光の強弱をアナロ
   グ電気信号に変換する光電変換ステップと、 この光電変換ステップで変換されたアナログ電気信号を
   振動解析する振動解析ステップとを具備することを特徴
   とする液滴の振動計測方法。
2. 【請求項２】 振動する液滴を浮遊する液滴浮遊手段
   と、 この液滴浮遊手段で浮遊された液滴の実像を投影する光
   学系と、 この光学系の投影面に配置され前記液滴の振動を光の強
   弱に変えるスリットと、 このスリットで得られた光の強弱をアナログ電気信号に
   変換する光電変換手段と、 この光電変換手段で変換されたアナログ電気信号を振動
   解析する振動解析手段とを具備することを特徴とする液
   滴の振動計測装置。