(57)【要約】      （修正有）【課題】計測時間が短く、必要とするサンプル量が少なくても、簡易かつ正確にその粘度を計測することができる液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法を提供する。【解決手段】液体を液滴として所定高さに位置する滴下部１１から自由落下するように滴下させる滴下機構１と、滴下部１１に対向して設けられ、滴下部１１から滴下された液滴を衝突させるための衝突部２と、滴下部１１から滴下時の液滴の状態を測定する第１測定装置３１と、衝突部２へ衝突直前の液滴の状態を測定する第２測定装置３２と、衝突部２に衝突後の液滴の状態を測定する第３測定装置と、第１測定装置３１の測定結果、第２測定装置３２の測定結果及び第３測定装置の測定結果に基づき液体の粘度を算出する粘度算出装置とを備える。【選択図】図１
2020134256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を質量Ｍの液滴として所定高さに位置する滴下部から自由落下するように滴下させる滴下手段と、
前記滴下部に対向して設けられ、前記滴下部から滴下された前記液滴を衝突させるための衝突部と、
前記滴下部から滴下時の前記液滴の状態を測定する第１測定手段と、
前記衝突部へ衝突直前の前記液滴の状態を測定する第２測定手段と、
前記衝突部に衝突後の前記液滴の状態を測定する第３測定手段と、
前記第１測定手段の測定結果、前記第２測定手段の測定結果及び前記第３測定手段の測定結果に基づき前記液体の粘度を算出する粘度算出手段と
を備え、
前記衝突部が、入射面、出射面及び反射面を有し、前記入射面から入射されたレーザ光を前記反射面で全反射させて前記出射面から出射させる全反射プリズムであり、
前記第３測定手段が、前記全反射プリズムの反射面に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを測定するものである液体の粘度計測システム。
【請求項２】
前記第１測定手段が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Ｓを測定するものである請求項１に記載の液体の粘度計測システム。
【請求項３】
前記第２測定手段が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径Ｄ０及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定するものである請求項１又は請求項２に記載の液体の粘度計測システム。
【請求項４】
前記第１測定手段が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Ｓを測定するものであり、
前記第２測定手段が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径Ｄ０及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定するものであり、
前記粘度算出手段が、
前記第１測定手段により測定された輪郭形状Ｓ及び前記質量Ｍに基づき前記液滴の体積Ｖ、密度ρ及び表面張力σを算出する第１算出手段と、
前記第２測定手段により測定された最大径Ｄ０及び通過時間ΔＴ並びに前記第１算出手段により算出された体積Ｖに基づき前記液滴の衝突速度Ｕ０を算出する第２算出手段とを備える請求項１に記載の液体の粘度計測システム。
【請求項５】
前記粘度算出手段が、前記第２測定手段により測定された最大径Ｄ０、前記第３測定手段により測定された最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、前記第１算出手段により算出された密度ρ及び前記第２算出手段により算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（１）を用いて前記液体の粘度μを算出する第３算出手段をさらに備える請求項４に記載の液体の粘度計測システム。
【数１】
2020134256.tif 000015
（式（１）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。）
【請求項６】
前記粘度算出手段が、前記第２測定手段により測定された最大径Ｄ０、前記第３測定手段により測定された最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、前記第１算出手段により算出された密度ρ及び前記第２算出手段により算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（２）を用いて前記液体の粘度μを算出する第３算出手段をさらに備える請求項４に記載の液体の粘度計測システム。
【数２】
2020134256.tif 000016
（式（２）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、Ｂは比例係数である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。）
【請求項７】
前記液体が、凝固性を有する液体である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の液体の粘度計測システム。
【請求項８】
前記液体が、高融点を有する材料の液体である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の液体の粘度計測システム。
【請求項９】
液体を質量Ｍの液滴として所定高さに位置する滴下部から自由落下するように滴下させる滴下工程と、
前記滴下部に対向して設けられた衝突部に、前記滴下部から滴下された前記液滴を衝突させる衝突工程と、
前記滴下部から滴下時の前記液滴の状態を測定する第１測定工程と、
前記衝突部へ衝突直前の前記液滴の状態を測定する第２測定工程と、
前記衝突部に衝突後の前記液滴の状態を測定する第３測定工程と、
前記第１測定工程で得られた測定結果、前記第２測定工程で得られた測定結果及び前記第３測定工程で得られた測定結果に基づき前記液体の粘度を算出する粘度算出工程とを備え、
前記衝突部が、入射面、出射面及び反射面を有し、前記入射面から入射されたレーザ光を前記反射面で全反射させて前記出射面から出射させる全反射プリズムであり、
前記第３測定工程が、前記全反射プリズムの反射面に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを測定するものである液体の粘度計測方法。
【請求項１０】
前記第１測定工程が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Ｓを測定するものである請求項９に記載の液体の粘度計測方法。
【請求項１１】
前記第２測定工程が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径Ｄ０及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定するものである請求項９又は請求項１０に記載の液体の粘度計測方法
【請求項１２】
前記第１測定工程が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Ｓを測定するものであり、
前記第２測定工程が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径Ｄ０及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定するものであり、
前記粘度算出工程が、
前記第１測定工程で測定された輪郭形状Ｓ及び前記質量Ｍに基づき前記液滴の体積Ｖ、密度ρ及び表面張力σを算出する第１算出工程と、
前記第２測定工程で測定された最大径Ｄ０及び通過時間ΔＴ並びに前記第１算出工程で算出された体積Ｖに基づき前記液滴の衝突速度Ｕ０を算出する第２算出工程とを備える請求項９に記載の液体の粘度計測方法。
【請求項１３】
前記粘度算出工程が、前記第２測定工程で測定された最大径Ｄ０、前記第３測定工程で測定された最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、前記第１算出工程で算出された密度ρ及び前記第２算出工程で算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（１）を用いて前記液体の粘度μを算出する第３算出工程をさらに備える請求項１０に記載の液体の粘度計測方法。
【数３】
2020134256.tif 000017
（式（１）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。）
【請求項１４】
前記粘度算出工程が、前記第２測定工程で測定された最大径Ｄ０、前記第３測定工程で測定された最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、前記第１算出工程で算出された密度ρ及び前記第２算出工程で算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（２）を用いて前記液体の粘度μを算出する第３算出工程をさらに備える請求項１０に記載の液体の粘度計測方法。
【数４】
2020134256.tif 000018
（式（２）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、Ｂは比例係数である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。）
【請求項１５】
前記液体が、凝固性を有する液体である請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の液体の粘度計測方法。
【請求項１６】
前記液体が、高融点を有する材料の液体である請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の液体の粘度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法に関し、特に、血液や塗料、接着剤のような凝固性を有する液体の粘度や、金属やガラス等の高融点を有する材料の液体の粘度を簡易に計測することのできる液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体の粘度の計測には、細管式、回転式、落体式、振動式等の計測器が広く用いられている。細管式の粘度計測器は、細管内に液体サンプルを通して、単位時間に流れる液体の体積（流量）と細管の両端の圧力差に基づき粘度を求めるものであって、最も古典的な粘度計測器である。回転式の粘度計測器は、液体サンプル中に円筒形の回転子を入れ、その回転トルクが液体の粘度に比例することを利用して粘度を求めるものである。落体式の粘度計測器は、液体サンプル中に一定の寸法及び密度を有する円柱形又は球形の剛体を自由落下させ、一定距離を落下する時間に基づき粘度を求めるものである。振動式の粘度計測器は、近年用いられるようになってきたものであって、液体サンプル中に挿入した振動子を一定の振幅で振動させるための駆動電流から液体の粘度を求めるものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述のような従来の粘度計測器は、構造が複雑であり操作が簡易とはいい難く、計測器自体も大型で高価である。また、このような計測器は、液体の粘度を計測するためにある程度の時間を必要とすることから、特に血液や塗料、接着剤のような凝固性を有する液体の粘度を計測する場合には、計測中に液体が凝固して粘性が変化してしまうことにより、正常な粘度計測ができないという問題がある。そして、凝固した液体のせいで、計測後の計測器の洗浄にコストがかかり、場合によっては計測器の故障につながることもある。また、金属やガラス等の高融点を有する材料の液体の粘度を計測する場合には、２０００℃程度の高温環境において使用可能な材料を用いて装置を製作する必要があるという問題や、多くの物性が温度や酸素濃度といった周囲環境の影響を強く受けるため、従来の計測器では粘度の計測自体が非常に困難であるという問題がある。さらに、このような計測器は、必要とする液体サンプル量が数１０ｃｃから１００ｃｃ程度と比較的多いため、十分なサンプル量を用意することが困難な液体の粘度計測には適さないという問題もある。
【０００４】
本発明は上述のような事情に基づいてなされたものであり、従来の粘度計測器と比べて計測時間が短く、必要とするサンプル量が少なくても、簡易かつ正確にその粘度を計測することができる液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、第一に本発明は、液体を質量Ｍの液滴として所定高さに位置する滴下部から自由落下するように滴下させる滴下手段と、前記滴下部に対向して設けられ、前記滴下部から滴下された前記液滴を衝突させるための衝突部と、前記滴下部から滴下時の前記液滴の状態を測定する第１測定手段と、前記衝突部へ衝突直前の前記液滴の状態を測定する第２測定手段と、前記衝突部に衝突後の前記液滴の状態を測定する第３測定手段と、前記第１測定手段の測定結果、前記第２測定手段の測定結果及び前記第３測定手段の測定結果に基づき前記液体の粘度を算出する粘度算出手段とを備え、前記衝突部が、入射面、出射面及び反射面を有し、前記入射面から入射されたレーザ光を前記反射面で全反射させて前記出射面から出射させる全反射プリズムであり、前記第３測定手段が、前記全反射プリズムの反射面に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを測定するものである液体の粘度計測システムを提供する（発明１）。
【０００６】
かかる発明（発明１）によれば、液体を液滴として自由落下させて衝突部へ衝突させるまでのわずかな時間で、第１測定手段、第２測定手段及び第３測定手段の測定結果から、液体の粘度を計測することができる。その結果、たとえ計測対象である液体が血液や塗料、接着剤のような凝固性を有するものや、金属やガラスのような多くの物性が温度や酸素濃度といった周囲環境の影響を強く受けるものであっても、正確な粘度計測が可能となる。また、一滴という極めて少ないサンプル量で液体の粘度を計測することができるので、十分なサンプル量を用意することが困難な液体の粘度計測にも利用でき、汎用性が高い。
【０００７】
さらに、かかる発明（発明１）によれば、衝突部が全反射プリズムであることにより、反射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴が全反射プリズムの反射面と接触している箇所と接触していない箇所とが明確化されるので、第３測定手段により、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを高い精度で測定することができる。したがって、液滴が衝突部の表面に衝突して略円形状に広がる際に、液滴の衝突速度が十分に早い等の理由により、略円形状に変形した液滴の周辺部が衝突部の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、正確に液体の粘度を計測することが可能となる。
【０００８】
上記発明（発明１）においては、前記第１測定手段が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Ｓを測定するものであることが好ましい（発明２）。
【０００９】
上記発明（発明１，２）においては、前記第２測定手段が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径Ｄ０及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定するものであることが好ましい（発明３）。
【００１０】
上記発明（発明１）においては、前記第１測定手段が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Ｓを測定するものであり、前記第２測定手段が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径Ｄ０及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定するものであり、前記粘度算出手段が、前記第１測定手段により測定された輪郭形状Ｓ及び前記質量Ｍに基づき前記液滴の体積Ｖ、密度ρ及び表面張力σを算出する第１算出手段と、前記第２測定手段により測定された最大径Ｄ０及び通過時間ΔＴ並びに前記第１算出手段により算出された体積Ｖに基づき前記液滴の衝突速度Ｕ０を算出する第２算出手段とを備えることが好ましい（発明４）。
【００１１】
従来、液体の主要物性である粘度、密度及び表面張力の計測には、それぞれに専用の計測器が用いられている。かかる発明（発明４）によれば、一度の計測で、液体の粘度だけでなく密度及び表面張力を同時に計測することができるので、効率的である。
【００１２】
上記発明（発明４）においては、前記粘度算出手段が、前記第２測定手段により測定された最大径Ｄ０、前記第３測定手段により測定された最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、前記第１算出手段により算出された密度ρ及び前記第２算出手段により算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（１）を用いて前記液体の粘度μを算出する第３算出手段をさらに備えることが好ましい（発明５）。
【数１】
2020134256.tif 000003
（式（１）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。）
【００１３】
かかる発明（発明５）によれば、上記式（１）を用いて計測対象である液体の粘度を求めることができる。
【００１４】
上記発明（発明４）においては、前記粘度算出手段が、前記第２測定手段により測定された最大径Ｄ０、前記第３測定手段により測定された最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、前記第１算出手段により算出された密度ρ及び前記第２算出手段により算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（２）を用いて前記液体の粘度μを算出する第３算出手段をさらに備えることが好ましい（発明６）。
【数２】
2020134256.tif 000004
（式（２）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、Ｂは比例係数である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。）
【００１５】
かかる発明（発明６）によれば、上記式（２）を用いて計測対象である液体の粘度を求めることができる。
【００１６】
上記発明（発明１−６）においては、前記液体が、凝固性を有する液体であることが好ましい（発明７）。
【００１７】
上記発明（発明１−６）においては、前記液体が、高融点を有する材料の液体であるであることが好ましい（発明８）。
【００１８】
第二に本発明は、液体を質量Ｍの液滴として所定高さに位置する滴下部から自由落下するように滴下させる滴下工程と、前記滴下部に対向して設けられた衝突部に、前記滴下部から滴下された前記液滴を衝突させる衝突工程と、前記滴下部から滴下時の前記液滴の状態を測定する第１測定工程と、前記衝突部へ衝突直前の前記液滴の状態を測定する第２測定工程と、前記衝突部に衝突後の前記液滴の状態を測定する第３測定工程と、前記第１測定工程で得られた測定結果、前記第２測定工程で得られた測定結果及び前記第３測定工程で得られた測定結果に基づき前記液体の粘度を算出する粘度算出工程とを備え、前記衝突部が、入射面、出射面及び反射面を有し、前記入射面から入射されたレーザ光を前記反射面で全反射させて前記出射面から出射させる全反射プリズムであり、前記第３測定工程が、前記全反射プリズムの反射面に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを測定するものである液体の粘度計測方法を提供する（発明９）。
【００１９】
上記発明（発明９）においては、前記第１測定工程が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Ｓを測定するものであることが好ましい（発明１０）。
【００２０】
上記発明（発明９，１０）においては、前記第２測定工程が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径Ｄ０及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定するものであることが好ましい（発明１１）。
【００２１】
上記発明（発明１１）においては、前記第１測定工程が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Ｓを測定するものであり、前記第２測定工程が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径Ｄ０及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定するものであり、前記粘度算出工程が、前記第１測定工程で測定された輪郭形状Ｓ及び前記質量Ｍに基づき前記液滴の体積Ｖ、密度ρ及び表面張力σを算出する第１算出工程と、前記第２測定工程で測定された最大径Ｄ０及び通過時間ΔＴ並びに前記第１算出工程で算出された体積Ｖに基づき前記液滴の衝突速度Ｕ０を算出する第２算出工程とを備えることが好ましい（発明１２）。
【００２２】
上記発明（発明１２）においては、前記粘度算出工程が、前記第２測定工程で測定された最大径Ｄ０、前記第３測定工程で測定された最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、前記第１算出工程で算出された密度ρ及び前記第２算出工程で算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（１）を用いて前記液体の粘度μを算出する第３算出工程をさらに備えることが好ましい（発明１３）。
【数３】
2020134256.tif 000005
（式（１）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。）
【００２３】
上記発明（発明１２）においては、前記粘度算出工程が、前記第２測定工程で測定された最大径Ｄ０、前記第３測定工程で測定された最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、前記第１算出工程で算出された密度ρ及び前記第２算出工程で算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（２）を用いて前記液体の粘度μを算出する第３算出工程をさらに備えることが好ましい（発明１４）。
【数４】
2020134256.tif 000006
（式（２）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、Ｂは比例係数である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。）
【００２４】
上記発明（発明９−１３）においては、前記液体が、凝固性を有する液体であることが好ましい（発明１５）。
【００２５】
上記発明（発明９−１３）においては、前記液体が、高融点を有する材料の液体であることが好ましい（発明１６）。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法によれば、液体を液滴として自由落下させて衝突部へ衝突させるまでのわずかな時間で、第１測定手段、第２測定手段及び第３測定手段の測定結果から、液体の粘度を計測することができる。その結果、たとえ計測対象である液体が血液や塗料、接着剤のような凝固性を有するものや、金属やガラスのような多くの物性が温度や酸素濃度といった周囲環境の影響を強く受けるものであっても、正確な粘度計測が可能となる。また、一滴という極めて少ないサンプル量で液体の粘度を計測することができるので、十分なサンプル量を用意することが困難な液体の粘度計測にも利用でき、汎用性が高い。
【００２７】
そして、衝突部が全反射プリズムであることにより、反射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴が全反射プリズムの反射面と接触している箇所と接触していない箇所とが明確化されるので、第３測定手段により、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを高い精度で測定することができる。したがって、液滴が衝突部の表面に衝突して略円形状に広がる際に、液滴の衝突速度が十分に早い等の理由により、略円形状に変形した液滴の周辺部が衝突部の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、正確に液体の粘度を計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る液体の粘度計測システムの構成を示す模式図である。
【図２】液滴が衝突部に衝突して略円形状に広がる際に、略円形状に変形した液滴の周縁部が衝突部の表面から離れた状態を示す模式図である。
【図３】衝突部へ衝突させた液滴の状態変化を示す模式図であって、（ａ）は衝突直前の状態、（ｂ）は衝突後、慣性力によって略円形状に変形しつつある状態、（ｃ）は略円形状への変形が最大に達した状態、（ｄ）は（ｃ）の後、表面張力等によって戻る方向に収縮し、平衡に達した状態を示している。
【図４】ＴＩＲ法による液滴の最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔの計測原理を示す模式図であって、（ａ）は全反射プリズムの反射面において広がる液滴の濡れ領域からの反射光強度が減衰する様子を表す模式図を、（ｂ）は全反射プリズムの出射面に沿う方向の濡れ領域画像の模式図を示している。
【図５】図１の液体の粘度計測システムが備える第３測定装置の測定結果を示すものであって、（ａ）は全反射プリズムの出射面に沿う方向の液滴画像、（ｂ）は（ａ）の画像における直線上の輝度値の変化を示すグラフである。
【図６】水を用いた実験で得られた異なる衝突速度における最大径（Ｄｍａｘ，Ｄｗｅｔ）と接触角θとの関係を示すグラフであって、（ａ）は最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔと接触角θの関係、（ｂ）は最大広がり径Ｄｍａｘと接触角θの関係を示している。
【図７】図６（ａ）に示す水を用いた実験結果にグリセリン水溶液の実験結果を追加して、縦軸をＤｗｅｔ／Ｄ０として、横軸をＲｅ１／５Ｗｅ１／４としてプロットしたグラフであって、これら比較的表面張力の高い液体（表面張力：６０−７２ｍＮ／ｍ）について、相関式（１）で表される関係性が成り立つことを示している。
【図８】イソプロパノール及びシリコーンオイルを用いた実験結果を、縦軸をＤｗｅｔ／Ｄ０として、横軸をＲｅ１／５Ｗｅ１／４としてプロットしたグラフであって、これら比較的表面張力の低い液体（表面張力：約２０ｍＮ／ｍ）について、相関式（１）で表される関係性が成り立つことを示している。
【図９】広範囲の粘度、表面張力、接触角を有する液体について、相関式（２）で表される関係性が成り立つことを示すグラフである。
【図１０】図９に示す各種条件における比例関係の比例係数を、液滴の膜厚ｈと衝突液滴内に形成される粘性境界層厚さδとの比の関数として表すグラフである。
【図１１】相関式を用いて最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔから類推する方法における例を示す図であって、（ａ）は水を用いた場合の最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔと最大広がり径Ｄｍａｘの関係性を表すグラフ、（ｂ）は（ａ）から導出される実験相関式を示している。
【図１２】図１の液体の粘度計測システムが備える第１測定装置の測定結果を示す画像であって、（ａ）は、撮影された画像、（ｂ）は（ａ）の画像を二値化した画像、（ｃ）は（ｂ）の画像から、滴下部に懸垂し、自由落下する直前の液滴の輪郭形状を抽出した画像である。
【図１３】図１の液体の粘度計測システムが備える第２測定装置の測定結果を示す波形図であって、縦軸は第２測定装置によって検知された液滴の水平方向の長さ、横軸は時間である。
【図１４】第２測定装置による液滴Ｄ２の最大径Ｄ０及び通過時間ΔＴの求め方を示す図である。
【図１５】図１の液体の粘度計測システムが備える第２測定装置の測定結果における最大径Ｄ０に相当する出力値（ピーク）の欠損部分を示すグラフである。
【図１６】図１の液体の粘度計測システムが備える粘度算出装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】図１６の粘度算出装置による粘度算出工程の実行手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法の実施の形態について、適宜図面を参照して説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであって、何ら本発明を限定するものではない。
【００３０】
〔粘度計測システム〕
図１は、本発明の一実施形態に係る液体の粘度計測システムの構成を示す模式図である。図１に示す液体の粘度計測システム１０は、滴下部１１を有する滴下機構１、衝突部２、第１測定装置３１、第２測定装置３２、第３測定装置３３、粘度算出装置（不図示）を主に備える。なお、以下においては、説明を容易にするために、滴下部１１に懸垂し、自由落下する直前の液滴ＤをＤ１、衝突直前の液滴ＤをＤ２、衝突部２に衝突し、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴ＤをＤ３ということがある。
【００３１】
〈最大広がり径Ｄｍａｘ，最大濡れ広がり径Ｄwet〉
図３は衝突部２へ衝突させた液滴Ｄの状態変化を示す模式図であって、（ａ）は衝突直前の状態、（ｂ）は衝突後、慣性力によって略円形状に変形しつつある状態、（ｃ）は略円形状への変形が最大に達した状態、（ｄ）は（ｃ）の後、表面張力等によって戻る方向に収縮し、平衡に達した状態を示している。このように、衝突部２へ衝突させた液滴Ｄは、通常、衝突の慣性力により略円形状に変形し、その変形が最大に達した後、表面張力等によって戻る方向に収縮し、平衡に達する。本発明において液滴Ｄの最大広がり径Ｄｍａｘとは、図３（ｃ）に示す状態における略円形状に変形した液滴Ｄの最大径を意味する。
【００３２】
そして、本発明において液滴Ｄの最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔとは、図２に示すように、最大広がり径Ｄｍａｘに達した液滴Ｄが衝突部２の表面と接触している領域の最大径を意味する。液滴Ｄが衝突部２の表面に衝突して略円形状に広がる際、低衝突速度の場合には、接触角θが変化しても最大広がり径Ｄｍａｘと最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔの差はほとんどないが、高衝突速度の場合には、接触角θが大きくなるにつれ、図２に示すように略円形状に変形した液滴Ｄの周縁部が衝突部２の表面から離れたり、周縁部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりするため、最大広がり径Ｄｍａｘと最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔの差が顕著になる。なお、液滴Ｄの接触角θとは、図３（ｄ）に示す、衝突後に表面張力等によって戻る方向に収縮し、平衡に達した状態の液滴Ｄの画像から求めることができる。
【００３３】
図６は、水を用いた実験で得られた異なる衝突速度における最大径（Ｄｍａｘ，Ｄｗｅｔ）と接触角θとの関係を示すグラフであって、（ａ）は最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔと接触角θの関係、（ｂ）は最大広がり径Ｄｍａｘと接触角θの関係を示している。図６より、最大広がり径Ｄｍａｘは、接触角θが大きくなるにつれて小さくなり、衝突速度が大きくなると減少率が徐々に小さくなる一方で、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔは、衝突速度を変えても減少率に差がないことが分かる。このことから、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔの減少は、衝突速度に依存せず、接触角θのみで表わすことができる。
【００３４】
図７は、図６（ａ）に示す水を用いた実験結果にグリセリン水溶液の実験結果を追加して、縦軸をＤｗｅｔ／Ｄ０として、横軸をＲｅ１／５Ｗｅ１／４としてプロットしたグラフであって、これら比較的表面張力の高い液体（表面張力：６０−７２ｍＮ／ｍ）について、下記相関式（１）で表される関係性が成り立つことが示されている。図８は、イソプロパノール及びシリコーンオイルを用いた実験結果を、縦軸をＤｗｅｔ／Ｄ０として、横軸をＲｅ１／５Ｗｅ１／４としてプロットしたグラフであって、これら比較的表面張力の低い液体（表面張力：約２０ｍＮ／ｍ）について、下記相関式（１）で表される関係性が成り立つことが示されている。図７及び図８より、Ｄｗｅｔ／Ｄ０がＲｅ１／５Ｗｅ１／４に比例すること、オフセット値βが接触角θによって決まることが分かる。なお、図７に挿入したグラフは、それぞれの接触角θとオフセット値βとの関係を表す。
【００３５】
これらより、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔは、下記相関式（１）で示すことができる。
【数３】
2020134256.tif 000007
上記式（１）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。比例係数αは図７及び図８におけるそれぞれの傾きを示すものであって、測定対象である液体によって変化する。オフセット値βは図６に挿入したグラフに示されるように、接触角θの増加に伴い単調減少する。
【００３６】
以上より、液体の粘性散逸は、最大広がり径Ｄｍａｘではなく、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔに影響を与えることから、粘性散逸を算出するための最大径として、周縁部が衝突部２の表面から浮いた状態の最大径（最大広がり径Ｄｍａｘ）を用いるのは不適切であり、最大広がり径Ｄｍａｘに達した液滴が衝突部の表面と接触している領域の最大径（最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ）を用いる必要があることが分かる。
【００３７】
なお、図９は、図７及び図８に示す実験結果にグリセリン水溶液（５０ｍＰａｓ）を追加した実験結果から得られるグラフであり、これらより、液体の最大広がり径Ｄｍａｘと最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔとの関係は、下記相関式（２）で示すことができる。
【数４】
2020134256.tif 000008
（式（２）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、Ｂは比例係数である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。）
【００３８】
ここで、比例係数Ｂは、図１０に示すように、液滴の膜厚ｈと、衝突液滴内に形成される粘性境界層厚さδとの比の関数として表すことができ、ｈ／δ＝ｘとおくと、Ｂ＝３．６３４ｘ−１．３４９＋０．５４１８と表すことができる。なお、ｈ／δは、次元解析により、下記式（３）で示すことができ、これが図１０における横軸である。
【数５】
2020134256.tif 000009
【００３９】
また、液体の最大広がり径Ｄｍａｘの求め方としては、実験的に計測する方法と、相関式を用いて最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔから類推する方法とが考えられる。実験的に計測する方法では、ダブプリズム（上面と下面の両方が平坦かつ透明なプリズム）を用いて、全反射光撮影と背景光撮影の両方を同時に行うことにより計測するのが好ましい。相関式を用いて最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔから類推する方法では、実験結果に基づく最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔと最大広がり径Ｄｍａｘの関係性を表すグラフから、実験相関式を導き出し、この実験相関式から最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔから類推することができる。一例として、図１１（ａ）に水を用いた場合の最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔと最大広がり径Ｄｍａｘの関係性を表すグラフを、図１１（ｂ）に（ａ）から導出される実験相関式を示している。
【００４０】
［滴下機構］
滴下機構１は、計測対象である液体を質量Ｍの液滴Ｄとして滴下するものであって、所定高さに位置する滴下部１１を有する。液滴Ｄは、滴下部１１から、自由落下するように滴下される。滴下機構１の構成としては、滴下部１１から、計測対象である液体を液滴Ｄとして自由落下するように滴下することができるものであれば特に制限されず、本実施形態においては、液体を充填するためのシリンジとシリンジポンプとシリンジポンプにつないだ注射針（ニードル）とを有する滴下機構１において、ニードルを滴下部１１として用いている。
【００４１】
［衝突部］
衝突部２は、滴下部１１から滴下された液滴Ｄを衝突させるためのものであり、滴下部１１に対向して設けられる。衝突部２の材質としては、滴下部１１から滴下された液滴Ｄを平面衝突させることができるものであれば特に制限されないが、本実施形態においては、衝突部２として、図１に示すように、入射面２１ａ、出射面２１ｂ及び反射面２１ｃを有し、入射面２１ａから入射されたレーザ光を反射面２１ｃで全反射させて出射面２１ｂから出射させる全反射プリズム２１を用いている。
【００４２】
液滴Ｄが衝突部２に衝突して略円形状に広がる際、略円形状に変形した液滴Ｄの周辺部が衝突部２の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりせず、すなわち、最大広がり径Ｄｍａｘと最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔとが等しい値である場合には、衝突部２として、例えばアルミ製の平板を用いたとしても、粘性散逸を算出するための最大径（最大広がり径Ｄｍａｘ）を、後述する第３測定装置３３によって正確に測定することが可能である。しかしながら、略円形状に変形した液滴Ｄの周辺部がアルミ製の平板の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合には、アルミ製の平板の表面において最大広がり径Ｄｍａｘと最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔとを、第３測定装置３３によって区別することは非常に困難であるため、粘性散逸を算出するための最大径（最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ）を、第３測定装置３３によって正確に測定することが難しい。
【００４３】
このような場合には、本実施形態のように、衝突部２として全反射プリズム２１を用いることで、全反射プリズム２１の反射面２１ｃの上側が空気であれば、臨界角以上で入射面２１ａに入射したレーザ光が全反射するため、第３測定装置３３において反射光を明るい像として得ることができる。一方で、液滴Ｄの液体の屈折率は空気の屈折率より高いことから、液滴Ｄが全反射プリズム２１の反射面２１ｃと接触すると、レーザ光が液滴Ｄを通過するため、第３測定装置３３において反射光は暗い像として得られる。
【００４４】
図４は、ＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｇｌｅｃｔｉｏｎ）法と呼ばれる全反射を利用したプリズムの表面極近傍の流体運動を計測する方法の原理を示す模式図であって、（ａ）は全反射プリズムの反射面において広がる液滴の濡れ領域からの反射光強度が減衰する様子を表す模式図を、（ｂ）は全反射プリズムの出射面に沿う方向の濡れ領域画像の模式図を示している。ＴＩＲ法を利用すると、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴Ｄ３の最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを測定することが可能となる。なお、この方法を利用した場合、プリズム斜面に沿う方向のＴＩＲ画像は縮小されるため、全反射プリズムの出射面に沿う方向の液滴画像は、実際は、図５（ａ）に示すように楕円になる。
【００４５】
このように、衝突部２が全反射プリズム２１であることにより、反射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴Ｄが全反射プリズム２１の反射面２１ｃと接触している箇所と接触していない箇所とが明確化されるので、第３測定装置３３により、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを高い精度で測定することができる。したがって、液滴Ｄが衝突部２に衝突して略円形状に広がる際に、液滴Ｄの衝突速度が十分に大きい等の理由により、略円形状に変形した液滴Ｄの周辺部が衝突部２の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、正確に液体の粘度を計測することが可能となる。
【００４６】
本実施形態において、全反射プリズム２１は、滴下部１１から垂直方向に離間して配置されている。滴下部１１と全反射プリズム２１の反射面２１ｃとの離間距離は、概ね１０ｃｍから４０ｃｍの範囲であることが好ましく、１０ｃｍ程度であることがより好ましい。
【００４７】
滴下部１１と全反射プリズム２１の反射面２１ｃとの離間距離が大きくなると、それだけ運動エネルギが増加するが、運動エネルギが大きすぎる場合には、液滴Ｄが全反射プリズム２１の反射面２１ｃに衝突する衝撃で、略円形状に変形した液滴Ｄの周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散し、いわゆるスプラッシュが生じてしまう。スプラッシュによる衝突液滴の周縁部の微細な液滴への分裂が大きすぎると、上述のように、液滴Ｄの最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔの測定に支障をきたすおそれがある。一方で、滴下部１１と全反射プリズム２１の反射面２１ｃとの離間距離が小さくなると、それだけ運動エネルギが減少するが、運動エネルギが小さすぎる場合には、全反射プリズム２１の反射面２１ｃに衝突した液滴Ｄは、上述の濡れ性のみによって広がり平衡状態となるため、液滴Ｄの最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔの測定に支障をきたすおそれがある。したがって、測定対象である液体に応じて、滴下部１１と衝突部２との離間距離は適切に設定される必要がある。
【００４８】
なお、衝突部２として全反射プリズム２１を用いる場合には、全反射プリズム２１の反射面２１ｃにスライドガラスを設置し、このスライドガラスに対して、滴下部１１から滴下された液滴Ｄを衝突させてもよい。このとき、全反射プリズム２１の反射面２１ｃとスライドガラスとの間には、空気層による光の反射及び屈折を低下するために、薄く延ばしたグリセリンを挟むのが好ましい。
【００４９】
［第１測定装置］
第１測定装置３１は、滴下部１１に懸垂し、自由落下する直前の液滴Ｄ１の輪郭形状Ｓを測定するものである。第１測定装置３１の構成としては、液滴Ｄ１の輪郭形状Ｓを測定できれば特に制限されず、本実施形態においては、長距離顕微鏡とこれに接続したデジタルカメラを有する第１測定装置３１において、デジタルカメラのムービー撮影（撮影速度６０ｆｐｓ）で撮影した画像に基づき、液滴Ｄ１の輪郭形状Ｓを求めている。上記長距離顕微鏡及びデジタルカメラとしては、公知又は市販のものが使用できる。また、本実施形態において、第１測定装置３１は、図１に示すように、液滴Ｄ１を照射するためのＬＥＤライト等の光源を備えている。第１測定装置３１は、この光源から射出された光を十分に拡散させるためのディフューザーをさらに備えていてもよい。
【００５０】
ここで、図１１は、第１測定装置３１の測定結果を示す画像であって、（ａ）は、第１測定装置３１のデジタルカメラにより撮影された画像、（ｂ）は（ａ）の画像を二値化した画像、（ｃ）は（ｂ）の画像から輪郭形状Ｓを抽出した画像である。このように、本実施形態において、第１測定装置３１は、デジタルカメラにより撮影された液滴Ｄ１の画像を二値化した後、この二値化した画像の輪郭を抽出することにより、液滴Ｄ１の輪郭形状Ｓを求めている。
【００５１】
［第２測定装置］
第２測定装置３２は、衝突部２としての全反射プリズム２１の反射面２１ｃへの衝突直前の測定点Ａにおける液滴Ｄ２の水平方向の最大径Ｄ０及び測定点Ａを液滴Ｄ２が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定するものである。第２測定装置３２の構成としては、測定点Ａにおける液滴Ｄ２の水平方向の最大径Ｄ０及び測定点Ａを液滴Ｄ２が通過する通過時間ΔＴを測定できれば特に制限されない。本実施形態においては、第２測定装置３２の構成として、測定点Ａを間に挟んで一方の位置に配置されたレーザ光源と、他方の位置に配置されたレーザ受光器とで構成される透過型レーザセンサを用いている。
【００５２】
ここで、図１３は、第２測定装置３２の透過型レーザセンサの挙動の変化を示す波形図であって、縦軸は透過型レーザセンサによって検知された液滴Ｄ２の水平方向の長さ、横軸は時間である。なお、図１３においては、理解を容易にするために、上記波形図の横軸に対応させて、上記透過型レーザセンサと落下する液滴Ｄの位置関係を示している。
【００５３】
本実施形態において、第２測定装置３２は、図１４（ａ）に示すように、楕円の式を積分した式に基づき液滴径及び通過速度を求めた上で、図１４（ｂ）に示すように、これらの値をａ、ｂ、Ｕを変数として、非線形最小二乗法により実験値にフィッティングさせることにより、測定点Ａを通過した液滴Ｄ２の最大径Ｄ０及び通過時間ΔＴを求めている。このように、第３測定装置３２としてレーザセンサのみを用いた場合には、高精度に最大径Ｄ０及び通過時間ΔＴを測定することができるとともに、ハイスピードカメラを用いた場合に比べて、全体としての大幅なコスト減を達成することが可能となる。上記透過型レーザセンサとしては、公知又は市販のものが使用できる。
【００５４】
なお、粘度計測対象である液体が透明である場合には、上記透過型レーザセンサから照射されるレーザ光が液滴Ｄ２を透過してしまい、図１５に示すように、最大径Ｄ０に相当する出力値（ピーク）が欠損してしまうことがある。この場合には、図１４（ｂ）に示すように、ピークの欠損部分を、楕円の式を積分した式で補間することにより、最大径Ｄ０に相当する出力値を正確に求めることができる。
【００５５】
［第３測定装置］
第３測定装置３３は、衝突部２としての全反射プリズム２１の反射面２１ｃに衝突し、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴Ｄ３の最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを測定するものである。上述のように、全反射プリズム２１の反射面２１ｃに衝突した液滴Ｄは、通常、図３に示すように、慣性力により略円形状に広がり、最大広がり径Ｄｍａｘに達した後、表面張力等により戻る方向に収縮して平衡状態となるが、液滴Ｄの衝突速度が十分に早い場合等、一定の条件下においては、図２に示すように、略円形状に変形した液滴Ｄの周縁部が全反射プリズム２１の反射面２１ｃから離れたり、周縁部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりすることがある。このような場合、粘性散逸を算出するための最大径としては、上述のように、周縁部が全反射プリズム２１の反射面２１ｃから浮いた状態の最大径（最大広がり径Ｄｍａｘ）ではなく、図２及び図４（ａ）に示すような、最大広がり径Ｄｍａｘに達した液滴Ｄが全反射プリズム２１の反射面２１ｃと接触している領域の最大径（最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ）を用いる必要がある。
【００５６】
第３測定装置３３によれば、略円形状に変形した液滴Ｄの周辺部が全反射プリズム２１の反射面２１ｃから離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、全反射プリズム２１における入射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴Ｄ３の最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを高い精度で測定することができる。
【００５７】
第３測定装置３３の構成としては、図２及び図４（ａ）に示す、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴Ｄ３の最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを測定することができれば特に制限されない。本実施形態において、最大広がり径Ｄｍａｘを求めるに当たっては、カメラを有する第３測定装置３３において、図５（ａ）に示す長時間露光により撮影した反射光と透過光の高コントラスト画像を用いて、図５（ｂ）に示す赤線上の輝度値の変化に基づき、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを求めている。このように、本実施形態においては、ＴＩＲ法と長時間露光とを組み合わせて用いている。
【００５８】
図５（ｂ）の輝度値の変化を示すグラフから分かるように、液滴Ｄ３の長時間露光画像を用いることで、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを高コントラストで得ることができる。なお、露光時間としては、高コントラスト画像が得られれば特に制限されるものではない。図５（ａ）に示す画像は、レーザセンサのシートレーザを液滴が通過してから２７ｍｓ後に、露光時間５ｍｓにて撮影したものであるが、これら通過時間及び露光時間は、レーザセンサの高さによって変化する値である。なお、上記カメラとしては、画素数の多い汎用の産業用カメラが使用できる。
【００５９】
このように、第３測定装置３３としてカメラを用いた場合には、より高コントラストな画像を得ることができるとともに、ハイスピードカメラを用いた場合に比べて、全体としての大幅なコスト減を達成することが可能となる。なお、本実施形態において、第３測定装置３３は、図１に示されるように、全反射プリズム２１の反射面２１ｃの極近傍を観察する第３測定装置３３ａと、全反射プリズム２１の出射面２１ｂに沿う方向を観察する第３測定装置３３ｂとにより構成されている。このように、図４に示すように、全反射プリズム２１の反射面２１ｃ及び出射面２１ｂの両方において液滴Ｄの画像を観察することで、より高い精度で最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを測定することができる。
【００６０】
また、本実施形態において、第３測定装置３３は、図１に示すように、全反射プリズム２１の入射面２１ａにレーザ光を入射させるための光源（不図示）をさらに備えている。光源としては、例えば、緑色半導体レーザを用いることができる。
【００６１】
［粘度算出装置］
粘度算出装置（不図示）は、第１測定装置３１の測定結果、第２測定装置３２の測定結果及び第３測定装置３３の測定結果に基づき、測定対象である液体の粘度を算出するものである。本実施形態において、粘度算出装置は、第１算出手段、第２算出手段、第３算出手段を備える。なお、粘度算出装置の具体的な構成については、実行手順とともに後述する。
【００６２】
（第１算出手段）
第１算出手段は、第１測定装置３１により測定された輪郭形状Ｓ及び液滴Ｄの質量Ｍに基づき液滴Ｄの体積Ｖ、密度ρ及び表面張力σを算出するものである。第１算出手段による液滴Ｄの体積Ｖ、密度ρ及び表面張力σの算出方法について、図８を参照しつつ以下詳説する。
【００６３】
滴下部１１に懸垂し、自由落下する直前の液滴Ｄ１の体積Ｖは、第１測定装置３１により測定された、図８（ｃ）に示す輪郭形状Ｓにおいて、これと同じ幅で、全高さにおいて１ｐｉｘｅｌの高さをもつ円柱を仮定し、この円柱の体積を求め、これらを足し合わせることにより求めることができる。
【００６４】
液滴Ｄ１の密度ρは、上記手法により求められた液滴Ｄ１の体積Ｖと予め測定された液滴Ｄの質量Ｍから求めることができる。
【００６５】
液滴Ｄ１の表面張力σは、図１１（ｂ）に示す画像において、液滴Ｄ１の外径に真円を合せることで最大径ｄｅを、液滴Ｄ１の最下端から最大径分だけ高い位置における径ｄｓを、それぞれ測定し、このｄｅ及びｄｓの値と上記手法により求められた液滴Ｄ１の密度ρに基づき、Ｆｏｒｄｈａｍによる静水圧とラプラス圧の釣り合いから表面張力を求める下記式（４）（Ｆｏｒｄｈａｍ，Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｎｓｉｏｎ  ｆｒｏｍ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  Ｐｅｎｄａｎｔ  Ｄｒｏｐｓ，Ｐｒｏｃ．  Ｒ．  Ｓｏｃ．  Ｌｏｎｄ．  Ａ  １９４（１９４８），ｐｐ．１−１６）を用いて求めることができる。
【数６】
2020134256.tif 000010
（式（４）中、Ｊはｄｓ／ｄｅから求められる補正係数であり、ｇは重力加速度である。）
【００６６】
（第２算出手段）
第２算出手段は、第２測定装置３２により測定された最大径Ｄ０及び通過時間ΔＴ並びに第１算出手段により算出された体積Ｖに基づき液滴Ｄの衝突速度Ｕ０を算出するものである。第２算出手段による液滴Ｄの衝突速度Ｕ０の算出方法について、図３を参照しつつ以下詳説する。
【００６７】
液滴Ｄ２の衝突速度Ｕ０は、第２測定装置３２により測定された最大径Ｄ０と第１算出手段により算出された体積Ｖから、図３（ａ）に示す衝突直前のやや扁球となった液滴Ｄ２の高さ（垂直方向の最大径）ｈを計算し、この高さｈと第２測定装置３２により測定された通過時間ΔＴとから求めることができる。
【００６８】
（第３算出手段）
第３算出手段は、第２測定装置３２により測定された最大径Ｄ０、第３測定装置３３により測定された最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、第１算出手段により算出された密度ρ及び第２算出手段により算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（１）を用いて、計測対象である液体の粘度μを算出するものである。
【数７】
2020134256.tif 000011
上記式（１）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。比例係数αは図７及び図８におけるそれぞれの傾きを示すものであって、測定対象である液体によって変化する。オフセット値βは図６に挿入したグラフに示されるように、接触角θの増加に伴い単調減少する。
【００６９】
また、第３算出手段は、第２測定装置３２により測定された最大径Ｄ０、第３測定装置３３により測定された最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、第１算出手段により算出された密度ρ及び第２算出手段により算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（２）を用いて、計測対象である液体の粘度μを算出するものであってもよい。
【数８】
2020134256.tif 000012
上記式（２）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、Ｂは比例係数である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。      
【００７０】
〔液体の粘度計測方法〕
次に、上述したような本実施形態の液体の粘度計測システム１０を用いた液体の粘度計測方法について、図１を参照しつつ説明する。
【００７１】
まず、計測対象である液体を質量Ｍの液滴Ｄとして所定高さに位置する滴下部１１から自由落下するように滴下させるために、液滴Ｄを滴下部１１としてのニードルの先端に懸垂させる。
【００７２】
次に、第１測定装置３１によって、滴下部１１に懸垂し、自由落下する直前の液滴Ｄ１の輪郭形状Ｓを測定する（第１測定工程）。
【００７３】
第１測定工程後、液滴Ｄを、滴下部１１から滴下し、自由落下させる（滴下工程）。第２測定装置３２によって、衝突部２としての全反射プリズム２１の反射面２１ｃへの衝突直前の測定点Ａにおける液滴Ｄ２の水平方向の最大径Ｄ０及び測定点Ａを液滴Ｄ２が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定する（第２測定工程）。
【００７４】
第２測定工程直後、液滴Ｄは、滴下部１１から垂直方向に離間して配置された全反射プリズム２１の反射面２１ｃに衝突する（衝突工程）。
【００７５】
衝突工程後、第３測定装置３３によって、全反射プリズム２１の反射面２１ｃに衝突し、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴Ｄ３の最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを測定する（第３測定工程）。なお、このとき、液滴Ｄが全反射プリズム２１の反射面２１ｃに衝突して略円形状に広がる際、略円形状に変形した液滴Ｄの周辺部のリム（縁）部分が全反射プリズム２１の反射面２１ｃから離れたり、リム部分が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりしない場合には、最大広がり径Ｄｍａｘと最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔとが等しい値となる。
【００７６】
上記工程がすべて終了した後又は上記工程と並行して、粘度算出装置によって以下の通り、粘度算出工程が行われる。
【００７７】
まず、第１算出手段によって、第１測定工程で測定された輪郭形状Ｓ及び液滴Ｄの質量Ｍに基づき液滴Ｄの体積Ｖ、密度ρ及び表面張力σが算出される（第１算出工程）。次に、第２算出手段によって、第２測定工程で測定された最大径Ｄ０及び通過時間ΔＴ並びに第１算出工程で算出された体積Ｖに基づき液滴Ｄの衝突速度Ｕ０が算出される（第２算出工程）。
【００７８】
最終的に、第３算出手段によって、第２測定工程で測定された最大径Ｄ０、第３測定工程で測定された最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、第１算出工程で算出された密度ρ及び第２算出工程で算出された衝突速度Ｕ０から、下記式（１）を用いて、計測対象である液体の粘度μが算出される（第３算出工程）。
【数９】
2020134256.tif 000013
上記式（１）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。比例係数αは図７及び図８におけるそれぞれの傾きを示すものであって、測定対象である液体によって変化する。オフセット値βは図６に挿入したグラフに示されるように、接触角θの増加に伴い単調減少する。
【００７９】
また、第３算出工程は、第３算出手段によって、第２測定工程で測定された最大径Ｄ０、第３測定工程で測定された最大広がり径Ｄｍａｘ及び最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔ、第１算出工程で算出された密度ρ及び第２算出工程で算出された衝突速度Ｕ０から、下記相関式（２）を用いて、計測対象である液体の粘度μを算出するものであってもよい。
【数１０】
2020134256.tif 000014
上記式（２）中、Ｗｅはウェーバー数、Ｒｅはレイノルズ数、Ｂは比例係数である。レイノルズ数Ｒｅとウェーバー数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵ０Ｄ０／μ，Ｗｅ＝ρＵ０２Ｄ０／σである。
【００８０】
本発明においては、上述の粘度算出工程を、例えばプログラムとして用いてコンピュータ（例えば汎用のパーソナルコンピュータ等）に実行させることができる。このプログラムは、上記粘度算出工程を用いていれば特に限定されず、公知の手段を用いて作成されてもよい。
【００８１】
以下、上記プログラムをコンピュータに実行させる態様につき、図１６及び図１７に基づき説明するが、本発明はこれら図面に記載の内容に限定されるものではない。
【００８２】
図１６は、本発明の一実施形態係る液体の粘度計測システム１０が備える粘度算出装置の構成を示すブロック図である。演算部１００はＣＰＵを備え、入力部１０１、記憶部１０２、プログラムメモリ１０３及び表示部１０４と接続されている。入力部１０１は、例えば、キーボードやタッチパネル等からなり、文字や数値等を入力可能に構成されている。また、入力部１０１は、３つの測定装置（第１測定装置３１、第２測定装置３２、第３測定装置３３）と直接または間接的に接続されていて、各測定装置から発信された測定データを入力部１０１が受信するように構成されていてもよい。記憶部１０２は、プログラムを使用するに際して、所定の情報を記憶する。プログラムメモリ１０３には、上記式（１）、（２）及び（３）等の数式データを含む動作プログラムが格納されている。演算部１００では、入力部１０１で入力された測定データを、プログラムメモリ１０３に格納されている数式等にあてはめ、液体の粘度を算出する。
【００８３】
図１７は、上記のプログラムの実行手順を示すフローチャートである。まず３つの測定装置（第１測定装置３１、第２測定装置３２、第３測定装置３３）の測定データを入力する（２０１）。入力された測定データが不適合である場合には、エラーとなり、入力をし直す。次に、入力された測定データを上述の粘度算出工程の上記式（１）等にあてはめて液体の粘度を算出する（２０２）。具体的には、入力された測定データに基づき、まず第１算出工程が行われ、次に、第１算出工程で得られた算出データを加えて、第２算出工程が行われる。さらに、第１算出工程で得られた算出データ及び第２算出工程で得られた算出データを加えて、上記式（１）を用いて第３算出工程が行われる。このとき、算出結果が、例えば負の値等の場合にはエラーとなり、再度、入力からやり直す。算出結果が正常である場合には、算出結果を表示する（２０３）。
【００８４】
なお、上述の実施形態では、図１６に記載の機能ブロックが、ＣＰＵのプログラムにより主としてソフトウェア的に実現される例について述べたが、電子部品により主としてハードウェア的に実現されるものであってもよい。
【００８５】
以上、本発明について図面を参照にして説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更実施が可能である。例えば、上記実施形態においては、第３測定装置３３として、カメラを用いて長時間露光することにより測定しているが、これに限られず、例えば、第１測定装置３１と同様に、長距離顕微鏡とこれに接続したハイスピードカメラを用いてもよい。また、上記実施形態においては、第２測定装置３２として、測定点Ａを間に挟んで一方の位置に配置されたレーザ光源と、他方の位置に配置されたレーザ受光器とで構成される透過型レーザセンサのみを用いているが、これに限られず、例えば、ハイスピードカメラを用いて、図１３に示す波形図から、測定点Ａを通過した液滴Ｄ２の水平方向の長さの値のうちの最大値に基づき最大径Ｄ０を求め、測定点Ａを液滴Ｄ２が通過するのに要した時間から通過時間ΔＴを求めてもよい。さらに、粘度測定システム１０は、滴下部１１に対する振動や揚力、風等の外力の影響による液滴Ｄの測定誤差の発生を防止する観点から、粘度測定システム１０全体がグローブボックス内に設置されるものであってもよい。
【００８６】
以上説明したように、本発明の液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法によれば、液体を液滴として自由落下させて衝突部へ衝突させるまでのわずかな時間で、第１測定手段、第２測定手段及び第３測定手段の測定結果から、液体の粘度を計測することができる。その結果、たとえ計測対象である液体が血液や塗料、接着剤のような凝固性を有するものや、金属やガラスのような多くの物性が温度や酸素濃度といった周囲環境の影響を強く受けるものであっても、正確な粘度計測が可能となる。また、一滴という極めて少ないサンプル量で液体の粘度を計測することができるので、十分なサンプル量を用意することが困難な液体の粘度計測にも利用でき、汎用性が高い。
【００８７】
そして、衝突部が全反射プリズムであることにより、反射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴が全反射プリズムの反射面と接触している箇所と接触していない箇所とが明確化されるので、第３測定手段により、最大濡れ広がり径Ｄｗｅｔを高い精度で測定することができる。したがって、液滴が衝突部の表面に衝突して略円形状に広がる際に、液滴の衝突速度が十分に早い等の理由により、略円形状に変形した液滴の周辺部が衝突部の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、正確に液体の粘度を計測することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、特に、血液や塗料、接着剤のような凝固性を有する液体、金属やガラス等の高融点材料の粘度を計測するためのシステム及び方法として有用である。また、従来、別々の計測器が必要とされる、液体の主要物性である粘度、表面張力及び密度を一度の計測で求めることができるので有用である。
【符号の説明】
【００８９】
１０  液体の粘度計測システム
１  滴下機構
１１  滴下部
２  衝突部
２１  全反射プリズム
２１ａ  入射面
２１ｂ  出射面
２１ｃ  反射面
３１  第１測定装置
３２  第２測定装置
３３  第３測定装置
Ａ  衝突直前の液滴Ｄの測定点
Ｄ（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）液滴
Ｄ０  衝突直前の液滴Ｄの水平方向の最大径
Ｄｍａｘ  衝突後の液滴Ｄの最大広がり径
Ｄｗｅｔ  衝突後の液滴Ｄの最大濡れ広がり径
【図１】
2020134256.tif 000019
【図２】
2020134256.tif 000020
【図３】
2020134256.tif 000021
【図４】
2020134256.tif 000022
【図５】
2020134256.tif 000023
【図６】
2020134256.tif 000024
【図７】
2020134256.tif 000025
【図８】
2020134256.tif 000026
【図９】
2020134256.tif 000027
【図１０】
2020134256.tif 000028
【図１１】
2020134256.tif 000029
【図１２】
2020134256.tif 000030
【図１３】
2020134256.tif 000031
【図１４】
2020134256.tif 000032
【図１５】
2020134256.tif 000033
【図１６】
2020134256.tif 000034
【図１７】
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