【手続補正書】
【提出日】平成16年6月24日(2004.6.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  液体物性の測定方法とその装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  弾性表面波ストリーミングによって液滴を励振させた後、表
面弾性波の入力を止めた時に生じる液滴の自由振動の振動数と減衰率を測定することによって、液体の粘性率、表面張力および接触角の少くともいずれかを測定することを特徴とする弾性表面波を用いる液体物性の測定方法。
【請求項２】  弾性表面波伝搬面体とこの伝搬面体の表面に設けた表面弾性
波入力手段、並びにこの伝搬面体の表面に滴下した液滴の変動を検出する検出手段とを備え、弾性表面波ストリーミングによって液滴を励振させた後、弾性表面波の入力を止めた時に生じる液滴の変動としての自由振動の振動数と減衰率を測定することによって、液体の粘性率、表面張力および接触角の少くともいずれかを測定することを特徴とする液滴物性の測定装置。
【請求項３】  伝搬面体の表面の液滴の滴下部の対向両側に入力手段を配置
する請求項２の測定装置。
【請求項４】  検出手段は、半導体レーザを用いた位置検出手段である請求
項２または３の測定装置。
【請求項５】  液滴の両側に配設されたすだれ状電極に入力信号を与えるこ
とによって、滴下した液滴を励振させる請求項２ないし４のいずれかの測定装置。
【請求項６】  励振された液滴に水平方向から半導体レーザを照射すること
によって生じる液滴の透過像をレンズで拡大し、液滴の頂点の高さ変動を半導体位置検出器で検出する請求項１ないし５のいずれかの測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、弾性表面波を用いた液体の物性測定方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、液体の粘性率や表面張力および接触角等の物性の測定については様々な方法と装置による各種の手段が知られている。
しかしながら、従来の各種手段においてはその測定値の精度、信頼性については必ずしも満足できるものでなく、また、粘性率、表面張力、そして接触角というファクターについて同時に測定解析することのできる、簡便で、信頼性の高い手法は実現されていない。
【０００３】
このような状況において、この出願の発明者らは、弾性表面波（ＳＡＷ）の利用について注目し、レイリータイプの弾性表面波により液体物性を高い信頼性で簡便に測定することについて検討してきた。
この出願の発明は、以上の経緯よりなされたものであって、従来の液体物性の測定方法並びにその装置の欠点を解消し、高い信頼性と簡便な手段として液体物性、特に、粘性率、表面張力、および接触角を測定することのできる、弾性表面波を用いての新しい測定手段を提供することを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記課題を解決するものとして弾性表面波ストリーミングによって液滴を励振させた後、弾性表面波の入力を止めた時に生じる液滴の自由振動の振動数と減衰率を測定することによって、液体の粘性率、表面張力および接触角の少くともいずれかを測定することを特徴とする弾性表面波を用いる液体物性の測定方法を提供する。
【０００５】
また、この出願の発明は、弾性表面波伝搬面体とこの伝搬面体の表面に設けた弾性表面波入力手段、並びにこの伝搬面体の表面に滴下した液滴の変動を検出する検出手段とを備え、弾性表面波ストリーミングによって液滴を励振させた後、弾性表面波の入力を止めた時に生じる液滴の変動としての自由振動の振動数と減衰率を測定することによって、液滴の粘性率、表面張力および接触角の少くともいずれかを測定することを特徴とする液滴物性の測定装置も提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
レイリータイプの弾性表面波（ＳＡＷ）は、伝搬面上に液体が負荷されると、液体中に縦波を放射しながら伝搬する。このように、放射しながら伝搬する表面波を一般的に漏洩弾性表面波（Leaky-ＳＡＷ）と呼ぶ。伝搬面上に負荷された液体が少量の場合、Leaky-ＳＡＷにより、流れたり飛翔したりする。このような現象をＳＡＷストリーミングと呼ぶ。
【０００７】
この発明の発明者らは、半球状の液滴の左右両側からＳＡＷを入射すると、液滴は変形し振動するが、ＳＡＷの入射時の液滴振動は強い非線形を示し、カオス状態に至り、一方、ＳＡＷの入力を途絶えると、液滴は減衰振動して元の半球状に戻ることをすでに報告している。
そこで、この発明の発明者らは、ＳＡＷストリーミングによって液滴を励振させた後、ＳＡＷの入力を途絶えた時に生じる自由振動に着目し、自由振動の減衰率は質量と粘性により変化し、自由振動数は質量と表面張力により変化すると考えた。また、液体の体積を一定にし、接触角を変えて振動数を調べた結果、接触角が８０〜１２０°の範囲において、振動数と接触角が比例関係にあることを見いだした。
【０００８】
以上の知見から、この発明の発明者らは、液滴振動により液体の質量（体積、密度）が既知であるならば、減衰率より粘性率が、自由振動数より表面張力および接触角が測定できることを明らかにした。
そこで、この出願の発明は、測定対象である液体の質量（体積、密度）が既知であるならば、弾性表面波を用いることによって、液体の粘性率、表面張力および接触角を測定できる、前記のとおりの、新しい方法とその装置を提供する。
【０００９】
以下、実施例等を示し、さらに詳しくこの発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
【実施例】
１．測定装置
添付した図面の図１は、この発明の測定に用いたＳＡＷデバイス（１０）を例示した概略図である。（ａ）はデバイスの拡大概要断面図であり、（ｂ）はデバイス平面図である。
【００１１】
図１（ａ）に示したように、例示したＳＡＷデバイス（１０）には、１２８°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ3（１１）上に２つのすだれ状電極：ＩＤＴ（１２）（中心周波数５０ＭＨｚ、対数４９対、交差幅１ｍｍ）、および、その中央に円形金膜（１３）が配設されている。この円形金膜（１３）は、特定の体積の液滴（１４）を滴下したとき、液滴が半球状になるように設計されている。例えば、液滴が１５μｌのとき、金膜半径は１．９３ｍｍとなる。液滴（１４）は、円形金膜上（１３）に滴下されると、円形金膜上（１３）でのみＳＡＷ伝搬面と接触する。金膜に代えて、他の金属、合金等であってもよいことは言うまでもない。また伝搬面体の種類によっては直接液滴を滴下するようにしてもよい。
【００１２】
また、図１（ｂ）に示したように、１２８°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ2 （１１）の結晶表面は、シランによって疎水化処理を施してあるため、円形金膜上（１３）だけが親水性を示す。
２．自由振動数ｆ0 ならびに減衰率αの計測方法
添付した図面の図２は、この発明の測定装置の概略図である。
【００１３】
図２に示したように、発振器（２０）によって発生させた入力信号を２つのＩＤＴ（１２）に与えることによって、円形金膜上（１３）に滴下した液滴（１４）を励振する。励振された液滴（１４）に水平方向から半導体レーザ（２１）を照射することによって生じる液滴（１４）の透過像をレンズ（２２）で拡大し、液滴（１４）の頂点の高さ変動を半導体位置検出器：ＰＳＤ（２３）で検出する。このＰＳＤ（２３）によって検出された信号は、汎用インターフェース・バス：ＧＰ−ＩＢインターフェースを介してコンピュータ（２４）に取り込まれる。取り込まれた信号は、コンピュータ（２４）によって振動解析され、自由振動数ｆ0 ならびに減衰率αが求められる。
【００１４】
ここで、液滴の自由振動の解析は、以下に示す３つの仮定の下で行われる。
仮定Ｉ
添付した図面の図３は、減衰振動モデルを示したものである。
図３に示したように、液滴（１４）の自由振動を、質量ｍ、バネ定数ｋおよび振動の速さに比例する抵抗力γを有する系の最も単純な減衰振動モデルで仮定する。
【００１５】
これらの関係は、まず次式＜１＞で表される。
【００１６】
【数１】
1999153582.tif 000001
【００１７】
ここで、ｒ0 は液滴半径、ρは密度である。
仮定II
液滴（１４）の振動数は表面張力σと質量ｍ（体積ｖおよび密度ρ）との釣り合いで決まると考え、表面張力はバネ定数ｋと比例関係にあるとする。
これらの関係は、次式＜２＞で表される。
【００１８】
【数２】
1999153582.tif 000002
【００１９】
仮定III 
液滴（１４）の減衰は粘性によるものと考え、粘性率ηと抵抗γの関係は、次式＜３＞で表される。
【００２０】
【数３】
1999153582.tif 000003
【００２１】
前記、Ｃ1 およびＣ2 は、固体と液体の界面張力など、図３に示したモデルで
は考慮していない項や、単純な減衰振動モデルとしたことによる影響も含めてシステムパラメータとし、これらは実験により決定するものとする。
以上の仮定から、液滴が半球であるときの自由振動数ｆ0 は、次式＜４＞で表される。
【００２２】
【数４】
1999153582.tif 000004
【００２３】
また、前記式＜３＞と次の式＜５＞の関係式から、式＜６＞が求められる。
【００２４】
【数５】
1999153582.tif 000005
【００２５】
【数６】
1999153582.tif 000006
【００２６】
式＜４＞は、表面張力σと自由振動数ｆ0 の関係式であり、式＜６＞は減衰率αと粘性率ηの関係式である。
３．液体の粘性率、表面張力及び接触角の測定方法
ａ）表面張力σの測定
式＜４＞において、Ｃ1 が求まれば、質量ｍ（体積ｖおよび密度ρ）が既知の液滴（１４）の自由振動数ｆ0 から表面張力σが求められる。
【００２７】
そこで、Ｃ1 を求めるために、水（ρ＝９９８．２ｋｇ／ｍ3 、σ＝０．００
０７２２８Ｎ／ｍ）を半球状になるように滴下して、液滴量（液滴半径ｒ0 ）を変化させて、自由振動数ｆ0 を測定した。その測定結果を図４に示した。
添付した図面の図４は、水の自由振動数と液滴半径の関係を示したものである。
【００２８】
ここで測定結果と式＜４＞をフィッテングさせ、図４の実線の傾きが２／３で
あり、その切片から、システムパラメータＣ1 を５６π3 とした。
これにより、液滴（１４）の質量ｍ（体積ｖおよび密度ρ）が既知であれば、自由振動数ｆ0 を測定することによって、式＜７＞から表面張力σを求めることができる。
【００２９】
【数７】
1999153582.tif 000007
【００３０】
ｂ）粘性率ηの測定
式＜６＞において、Ｃ2 が求まれば、質量ｍ（体積ｖおよび密度ρ）が既知の液滴（１４）の減衰率αから粘性率ηが求められる。
そこで、グリセリン水溶液の濃度（粘性）を変化させて、体積１０、１５、２０μｌの液滴に対して減衰率を測定した。その結果を図５に示した。
【００３１】
添付した図面の図５は、粘性率ηと減衰率αの関係を示したものである。
ここで実験結果と式＜６＞をフィッテングさせ、図５の実線の傾きが１／２であり、その切片から、システムパラメータＣ2 を０．００７とした。
これにより、液滴（１４）の質量ｍ（体積ｖおよび密度ρ）が既知であれば、減衰率αを計測することによって、式＜８＞から粘性率ηを求めることができる。
【００３２】
【数８】
1999153582.tif 000008
【００３３】
ｃ）接触角θの算出
添付した図面の図６は、液滴の形状と接触角θの関係を示したものである。
図６に示したように、実線で描かれている上向きの液滴（接触半径ｒ0 ）は接触角θが９０°以下のもの（添字が１）であり、点線で下向きに描かれている液滴は接触角θが９０°以上のもの（添字が２）である。
【００３４】
ここで、接触角θとは、図６中のθ（ｉ＝１．２）である。このパラメータ（液滴高さｈi、∠ａi）を用いて、二つの方法で算出した。
球の半径をｒとして、体積Ｖi、液滴高さｈi、接触角θiおよび∠ａiのそれぞれの関係式を式＜９＞〜式＜１４＞で示される。
【００３５】
【数９】
1999153582.tif 000009
【００３６】
【数１０】
1999153582.tif 000010
【００３７】
【数１１】
1999153582.tif 000011
【００３８】
【数１２】
1999153582.tif 000012
【００３９】
【数１３】
1999153582.tif 000013
【００４０】
【数１４】
1999153582.tif 000014
【００４１】
体積ｖiを一定とし、液滴高さｈiを測定することによって、式＜９＞〜式＜
１４＞から接触角θを求めることができる。
または、液滴（１４）を撮影して、その画像をコンピュータに取り込み、∠ａiを直接測定することによって、式＜１５＞から接触角θを求めることができる。
【００４２】
【数１５】
1999153582.tif 000015
【００４３】
また、一定体積の液滴の接触角θは、図７（ａ）に示すように、液滴高さｈとともに変化させることができる。そこで実験では、ＳＡＷデバイス上の疎水領域を調節して液滴の接触面積（親水領域）を変化させ、液滴高さｈ（すなわち接触角θ）を変化させた。ＳＡＷデバイスは、フッ素スプレーを用いて疎水化処理した。
実験は液滴体積ｖを１０μｌとし、接触角θを変化させ、自由振動数変化Δｆ（＝ｆ−ｆ0 ）を測定した。ここでｆは自由振動数の測定結果であり、ｆ0 は接触角θが９０°のときの自由振動数（９０Ｈｚ）である。測定結果を図７（ｂ）に示した。結果の○は∠ａから接触角θを求めたものであり、●は液滴高さｈから接触角θを求めたものである。ここで○の方が液滴の画像から直接接触角θを得るため、●より精度がよい。
【００４４】
測定結果よりΔθ＞−１０°の時、ΔｆとΔθの間に式＜１６＞の関係があることが分かった。
【００４５】
【数１６】
1999153582.tif 000016
【００４６】
図７の実線の傾きより、システムパラメータＣ3 は−０．７とした。よってΔθ＞−１０°の時、自由振動数ｆを測定しΔｆを求めることにより、Δθつまり接触角θを測定できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この発明によって、液体の粘性率、表面張力および接触角を計測できる新しい弾性表面波を用いた測定方法とその装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
この発明の測定に用いたＳＡＷデバイス（１０）の概略図である。
（ａ）はデバイスの断面図、（ｂ）はデバイスを上部からみた図である。
【図２】
この発明の測定装置の概略図である。
【図３】
減衰振動モデルを示したものである。
【図４】
水の自由振動数と液滴半径の関係を示したものである。
【図５】
粘性率ηと減衰率αの関係を示したものである。
【図６】
液滴の形状と接触角θの関係を示したものである。
【図７】
（ａ）は、液滴の接触角と液滴高さを示した概要図であり、（ｂ）は、接触角変化と自由振動数変化を示した図である。
【符号の説明】
１０  ＳＡＷデバイス
１１  １２８°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ3
１２  ＩＤＴ
１３  円形金膜
１４  液滴
２０  発振器
２１  半導体レーザ
２２  レンズ
２３  ＰＳＤ位置検出器およびＤＡＴＡ記録装置
２４  ＧＰ−ＩＢおよびコンピュータ