(57)【要約】テンシオグラフィック・ドロップヘッドは、球状のドロップ垂れ下がりエッジ（２０）を備える終端表面（１８）を有する石英の本体（１０）を備えている。液体供給孔（１４）は、本体内を、液体を終端表面に供給するために延在し、外側エッジは垂れ下がりエッジ（２０）から垂れ下がるドロップ（３２）が形成される。少なくとも２つの光ガイド（２６、２８）が、それぞれ、光をドロップに送るため、及びドロップから内部を反射されてきた光を集めるために、本体内に延在する。反射された光の強度が顕著な二次の反射ピークを有するよう、光ガイドは、垂れ下がりエッジを含む平面の上方において終端する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テンシオグラフィック・ドロップヘッドであって、
平面内に実質的に配置された周辺エッジを備えた終端表面を有する本体と、
前記本体を通って前記終端表面へと延在し、液体を前記終端表面へと又は前記終端表面から、運び、使用において、その外側エッジが周辺エッジによって画定されているドロップの、容積を、制御するための、液体供給孔と、
トランスミッション表面を有しており、光を前記ドロップ内へと送るための、光源と、
コレクション表面を有しており、前記ドロップからドロップヘッドに向かって内部反射して戻ってくる光を集めるための、光検出器と、を備えており、
前記トランスミッション表面及び前記コレクション表面が、各々、ドロップヘッド内に配置され、且つ、各々、前記周辺エッジの前記平面から離れて配置されていることを特徴とする、テンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項２】
前記トランスミッション表面及びコレクション表面が、前記液体供給孔から実質的に等距離の所に、そして、前記液体供給孔の直径方向において向かい合う側に、配置される、請求項１記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項３】
前記トランスミッション表面が、光ガイドの終端である、請求項１又は２に記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項４】
前記検出表面が、光ガイドの終端である、請求項１、２、又は３に記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項５】
少なくとも前記光ガイドの下側端が、前記周辺エッジを含む前記平面に対して垂直である、実質的に平行な、軸を、有している、請求項３に従属する、請求項４記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項６】
前記トランスミッション表面が、ソリッドステート光源の放出表面である、請求項１又は２に記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項７】
前記コレクション表面が、ソリッドステート光検出器のコレクション表面である、請求項６記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項８】
前記トランスミッション表面が、前記本体内において前記終端表面の手前で終端し、前記トランスミッション表面と前記終端表面との間の前記本体の少なくとも一部が、光を透過させる材料でできている、請求項１〜７のいずれか１つに記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項９】
前記コレクション表面が、前記本体内において前記終端表面の手前で終端し、前記コレクション表面と前記終端表面との間の前記本体の少なくとも一部が、光を透過させる材料でできている、請求項１〜８のいずれか１つに記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項１０】
前記材料が、石英である、請求項８又は９に記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項１１】
前記終端表面が、実質的に平坦である、請求項１〜１０のいずれか１つに記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項１２】
前記終端表面が、凹部を有しており、前記周辺エッジを形成する周辺延在リップによって画定されている、請求項１〜１０のいずれか１つに記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項１３】
前記光ガイドが、前記凹部の終端面と実質的に同一の平面に終端する、請求項１２記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項１４】
前記周辺エッジが、実質的に円形であり、前記液体供給孔の軸と同心である、請求項１〜１３のいずれか１つに記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項１５】
前記トランスミッション表面及び前記コレクション表面が、各々、前記周辺エッジの平面から実質的に同一距離だけ離れて位置している、請求項１〜１４のいずれか１つに記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項１６】
液体のドロップが、使用において、前記終端表面及び前記周辺エッジから垂れ下げられるように、下方に向いた前記終端表面と、実質的に水平な前記平面と、を備えた、前記ドロップヘッドを、搭載するための、搭載システムを、更に備えている、請求項１〜１５のいずれか１つに記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【請求項１７】
液体のドロップが、使用において、前記終端表面及び前記周辺エッジの上方でサポートされるように、上方に向いた前記終端表面と、実質的に水平な前記平面と、を備えた、前記ドロップヘッドを、搭載するための、搭載システムを更に備えている、請求項１〜１５のいずれか１つに記載のテンシオグラフィック・ドロップヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テンシオグラフィック・ドロップヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第４９１０４０２号は、光を一方の光ガイドからドロップに向けて送り、他方の光ガイト内に集めることができるよう、液体の静的又は動的ドロップが１対の光ガイドのエッジから垂れ下がるように形成されている、さまざまな形態の装置について開示する（ここでは「光（ｌｉｇｈｔ）」なる用語は可視光だけでなくＵＶ光及びＩＲ光も含むことを意図される）。この装置によると、この特許において開示されているように、液体に関して多くの異なるタイプの測定を行うことが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この装置の、２つの光ガイドの下端近傍の、すなわちドロップが形成される部分は、テンシオグラフィック・ドロップヘッドと呼ばれる。この米国特許第４９１０４０２号の図３においては、ドロップヘッドは単純なガラス製のシリンダとして示されており、この内側に、光ガイドが所望の相対的位置に、エポキシ樹脂内に埋め込まれることで固定される。この装置は、当時は有効であり、今でも多くの測定に対しては適当であるが、より高い精度と結果の再現性が可能となる、改善されたドロップヘッドに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、テンシオグラフィック・ドロップヘッドを提供する。本発明によると、ドロップヘッドは、平面内に実質的に配置された周辺エッジを備えた終端表面を有する本体と、前記本体を通って前記終端表面へと延在し、液体を前記終端表面へと又は前記終端表面から、運び、使用において、その外側エッジが周辺エッジによって画定されているドロップの、容積を、制御するための、液体供給孔と、トランスミッション表面を有しており、光を前記ドロップ内へと送るための、光源と、コレクション表面を有しており、前記ドロップからドロップヘッドに向かって内部反射して戻ってくる光を集めるための、光検出器と、を備えており、前記トランスミッション表面及びコレクション表面が、各々、ドロップヘッド内に配置され、且つ、各々、前記周辺エッジの前記平面から離れて配置されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下では、本発明の実施形態について、単に例示として、付属の図面を参照しながら、説明する。
【０００６】
明細書及び請求項において、方向の表現は、使用されるドロップヘッドの方向に関する。以下に説明されるように、多くのドロップヘッドは、ドロップが垂れ下がった形状となる「通常の」方向にて用いることも、又は、ドロップが定着した形状となる反転された方向にて用いることも、できる。下側、上側、上方、下方なる用語は、この「通常の」方向との関連で用いられており、図面においてドロップヘッドを解説するために用いられている方向は、この方向である。
【０００７】
図１との関連で、テンシオグラフィック・ドロップヘッドは、円形の対称性の石英本体１０を備え、本体１０は円筒形の外側表面１２と、本体１０の軸と同軸の中央貫通孔１４と、を有する。本体１０の下側端の周囲には、周辺切り込み１６が形成され、この切り込みによって終端表面１８が画定される。本体１０は、終端表面１８が、円形且つ平坦（フラット）となり、貫通孔１４の軸に対して垂直且つ同軸となり、更に境界が明瞭な直角の周辺エッジ２０を有するように、高精度に製造される。この実施形態においては、切り込み１６は、単に、ドロップヘッドを、その底面の所で、終端表面１８又は周辺エッジ２０と接触するサポート手段（図示なし）を用いることなく、サポートすることができるように設けられている、ことを指摘しておくべきであろう。もし、このドロップヘッドを、本体１０の更に上方でサポートした場合には、凹部１６は必要でなくなり、終端表面１８を外側表面１２に至る所まで完全に延在させることもできる。しかしこの場合でも、終端表面及び周辺エッジ２０は、上述のように高精度にて製造される必要がある。
【０００８】
本体１０内には第１と第２の止まり孔２２、２４が形成される。これら止まり孔は、終端表面１８から距離ｄだけ上方の所で終端するが、このことの重要性については後述される。孔２２、２４は、互いに平行な軸を有し、貫通孔１４から等距離の所に、貫通孔１４の直径方向において向かい合う側に配置される。ドロップヘッドは、図１Ａに示されるように、２つの部分１０Ａ及び１０Ｂとして製造すると都合が良いが、ここで部分１０Ｂは、厚さｄの石英ディスクであり、部分１０Ａの底面内の円形の凹部１０Ｃ内に加熱及び加圧して融合される。こうすることで、部分１０Ｂを部分１０Ａに融合させる前に、止まり孔２２及び２４を部分１０Ａの深さ全体を貫通するように形成することが可能となる。孔１４、２２及び２４は、レーザ又はウォータジェットせん孔もしくは他の高精密製造方法にて製造されることができる。本体１０の材料としては、ＵＶ、ＩＲ及び可視光を容易に透過できるために石英が好ましいが、本体１０は、代替として、少なくとも、主たる関心のある波長のレンジである２００ｎｍ−１５００ｎｍなるレンジにおいてＩＲ、ＵＶ及び可視光を透過するポリマー材から製造することもできる。
【０００９】
使用においては、光ファイバ２６及び２８が、それぞれ、孔２２及び２４内に挿入され、下方に向かって各々の孔の止まり底面に突き当たるまで押される。少量の屈折率整合オイルが、各々の孔２２、２４の底面内に、光ファイバと本体１０との間に光学的な不連続性が生じないように、塗布される。ファイバ２６、２８は対応する孔２２、２４内にぴったり取り付けられる。液体を終端表面又は下側表面１８に供給し、静的又は動的ドロップ３２を形成することが可能になるよう、液体供給パイプ３０が中央孔１４の上端に取り付けられる。
【００１０】
ドロップが、上方からサポートされ、終端表面から垂れ下がる、垂れ下がった（又はぶら下がった）形状ではなく、下方から終端表面にてサポートされた定着した（すなわち終端表面上に止まった）ドロップとして形成されるように、ドロップヘッドを反転させることもできる。このケースにおいては、液体供給孔は所定のドロップ容積をドロップヘッドから吸い出し、ドロップサンプルをドロップヘッドから切り離すために用いられる。反転されたドロップヘッドを用いて形成する定着したドロップの場合には、所定のドロップ容積はドロップヘッドに（必要であれば）上方から注射器又は他の液体点滴手段を用いて、加えられることができ、その結果、液体供給チューブは所定のドロップ容積をドロップヘッドから引き出すためにのみ使用される。
【００１１】
ファイバ２６は、米国特許第４９１０４０２号の図１のファイバ１０に対応し、光（この光には、前述のように、本明細書においてはＩＲ及びＵＶも含まれる）をドロップ３２内に注入するために用いられ、ここではソースファイバと呼ばれる。ファイバ２８は、米国特許第４９１０４０２号の図１のファイバ１１に対応し、ドロップ３２の内側を通って反射されてくる光を集めるために用いられ、ここではコレクタファイバと呼ばれる。パイプ３０及び孔１４は、合わせて米国特許第４９１０４０２号の図１の液体供給パイプ１４に対応し、本明細書の孔１４は、ここでは液体供給孔と呼ばれる。
【００１２】
本発明のドロップヘッドの表面１８は、ドロップが単にファイバの端から垂れ下がる米国特許第４９１０４０２号のドロップヘッドと同等のものではない。一方、本発明のドロップヘッドにおいては、孔１４は（上述の反転された構成ではなく、通常の構成においては）テスト下の液体を下側表面１８に供給し、その表面において、ドロップの外側エッジは周辺エッジ２０と一致し、周辺エッジ２０から垂れ下がったドロップを形成するように、液体は外側へと広がる。この理由のために、下側表面の周辺エッジ２０はここでは垂れ下がりエッジとも呼ばれる。
【００１３】
図１に示されるドロップヘッドは、米国特許第４９１０４０２号の図３に示されるドロップヘッドの代わりとして用いることができ、当該明細書において既に説明されている全ての同じ測定を行うことができる。ここでこれら測定の説明を繰り返す必要はなく、これら測定は、本発明のドロップヘッドを用いると、より高い精度及び再現性にて行うことができることを言及することで十分であろう。一方、本発明のドロップヘッドによると、従来のドロップヘッドによっては行うことができなかった、又は少なくとも簡単には行うことができなかった新たな測定を行うことが可能となる。これは、全て、光ファイバの端が垂れ下がりエッジ２０を含む平面の上方で終端することに起因する。
【００１４】
ドロップヘッドの寸法を適当に選択することで、この一例が後述されることとなるが、ほとんどの液体に対して、これに制限されるものではないが、とりわけ、水、アルコール、水溶液及びアルコール溶液に対して、準静的ドロップ内を通って反射されて来た光の強度は、顕著な二次反射ピークを有することを、我々は発見した。ここで、準静的ドロップとは（これは通常の構成又は反転された構成のどちらかにおいて起こるが）、容積が、ドロップがドロップヘッドから分離する（離れ落ちる）瞬間までゆるやかに増加するドロップ、又は容積がドロップヘッドから後方に吸われる間にゆるやかに減少するドロップのことを意味する。
【００１５】
図２は、図１のドロップヘッドを用いて得られる典型的なテンシオトレースのグラフである。このトレースは、テスト下の液体を、一様の速度にて表面１８へと、電動ステッパポンプを用いて、液体供給孔１４を介して、送り込むことで得られる。表面１８は、成長を続けるドロップ３２を、ドロップに作用しドロップを垂れ下がりエッジ２０に付着させる働きをする、表面張力に、重力がうち勝つまで、サポートし、その瞬間にドロップの分離が起こる。ドロップの存続期間を通じて、ＬＥＤからの光がドロップ内へとソースファイバ２６を通じて注入される。反射された光がコレクタファイバ２８によって拾われ、光ダイオードへと送られる。図２に示されるトレースは、本質的には光ダイオードの増幅された出力であり、分離ピークＰ１とＰ２（これらはドロップがドロップヘッドから分離するときに発生する周知の「ブリップ」である）によって画定される単一のドロップ期間をカバーする。
【００１６】
図から分かるように、このトレースは、高さ及び位置を高精度にて測定することができる顕著な二次反射ピークＰ３を示す（二次反射ピークとは、図１における光線Ｒによって示されるようなドロップ内における２度の内部反射によって得られるピークである）。光ファイバ２６及び２８の下側端が、垂れ下がりエッジ２０を含む平面と実質的に一致する場合には、二次反射ピークＰ３は得られないか、もし得られたときでも、そのピークは低く、不明瞭である。このトレースは従来の三次及びより高次の反射ピークＰ４も示すが、これらピークもやはり不明瞭である。（一次、二次、三次、等の次数の反射の説明については、この詳細な説明の最後に当たる図１９の説明を参照されたい。）
【００１７】
予備的なテストから、本体１０に対して以下のような寸法を用いた場合に、幅広いレンジの液体及び光の波長に対して、良好で鮮明な二次反射ピークを与える、ドロップヘッドが得られることが分かった：
【００１８】
表面１８の直径：                                    ９．０ｍｍ
液体供給孔１４の直径：                              １．７ｍｍ
孔２２、２４及びファイバ２６、２８の直径：          １．０ｍｍ
表面１８から上方のファイバ端までの距離ｄ：          ２．５ｍｍ
孔２２、２４の軸方向の離隔間隔：                    ４．０ｍｍ
【００１９】
しかしながら、本発明は上記の寸法に制限されるものではない。後続の説明においては、特定の液体との関係でテストされたときの、特定のドロップヘッド寸法に対する幾つかのさらなる結果について示される。
【００２０】
二次反射ピークＰ３の高さ及び位置は、液体の屈折率に対して非常に敏感であり、このために、これまでは簡単には行うことができなかった測定に対する可能性を与える。
【００２１】
図１のドロップヘッドの変更も可能である。例えば、ドロップヘッドの「仕事をする部分」は、光ファイバ２６及び２８の下側端及び下方の部分であるために、下側端を除いては、光ガイドが互いに平行、又は液体供給孔１４に対して平行であることは厳密に言えば必要ではない。しかし、この方が製造はより簡単になることは明らかである。
【００２２】
更に、光は本体１０の、各光ファイバ２６、２８の下側端と下側表面１８との間の、部分を通じてしか通過しないために、本体１０の、各光ファイバの下側端と下側表面との間の、部分のみが、ＵＶ、可視光及びＩＲ光を透過する材料から製造されることを必要とされる。しかしながら、ここでも、製造の容易さの観点からは、少なくとも、部分１０Ｂについては、全体を、石英又は他のＵＶ、可視光及びＩＲ光を透過する材料から製造される。更に、光ファイバは表面１８から上方に向かって同一距離の所で終端する必要もないが、ここでも製造の観点からはこの方が望ましい。
【００２３】
光ファイバ２６、２８は、液体供給孔１４から等距離でない及び/又は直径方向において液体供給孔と向かい合う側には位置しない、設計も可能である。光ファイバは、更に液体供給孔１４に対して平行である必要はなく、液体供給孔に対して傾斜していても良い。更に２つより多くの光ファイバが存在しても良く、更に本体１０は、部分１０Bの上方については、複数の平行な光ファイバの束から構成され、これらの１つ又は複数がソースファイバとして機能し、１つ又は複数がコレクタファイバとして機能するようにすることもできる。しかしながら、全てのケースにおいて、これらソース及びコレクタ光ファイバは、顕著な二次反射ピークを得るためには（これは必要条件ではあるが、十分条件ではなく、通常は他のパラメータも実験的に調節することが必要となるが）、垂れ下がりエッジ２０を含む平面の上方で終端される。
【００２４】
図３は、本発明によるドロップヘッドの第２の実施形態の断面図である（光ファイバ２６、２８及び液体供給パイプ３０は省略されている）。第１のドロップヘッドと同様に、石英の本体１１０は円対称性である。しかし、このケースにおいては、下側表面１１８は凹んでおり、周辺の下方に向かって延在するリップ１１０によって画定され、リップ１１０の下側エッジ１２０によってドロップ３２に対する垂れ下がりエッジが形成される。垂れ下がりエッジ１２０は、１つの共通の平面内に横たわる円形のナイフエッジである。このケースにおいては、ソース及びコレクタファイバは凹んだ下側表面１１８と同一の平面に終端する。しかし、このことは、各々が垂れ下がりエッジ１２０を含む平面の上方に終端することを前提として、厳密には必要でない。注目すべき点は、液体供給孔１４の下側端１４Ａは、直径が表面１１８に向かって増大するような円錐状であることである。これによって液体が凹部全体に広がることが促進され、エッジ１２０からドロップが垂れ下がることがより高い信頼度にて確保される。
【００２５】
図４に見られるように、図１の実施形態に周辺の下方に向かって延在するリップ１１０を設け、その下側エッジ１２０がドロップ３２に対する垂れ下がりエッジを形成するようにすることもできる。
【００２６】
図５に示されるバリエーションにおいては、周辺の下方に向かって延在するリップ１２２は、その内側表面１２４については面取りが施されているが、その外側表面１２６については施されておらず、このため、凹部表面１２８上に形成されるドロップ（図示なし）は、リップ１２２の外側周辺エッジ１３０へと広がる。
【００２７】
図６に示されるように、もう１つの実施形態は円形のエッジ１３４にて画定された凹状の終端表面１３２を有する。ドロップヘッドの寸法は、ソースファイバ２６からの光の円錐１３６がドロップの内側の有効量を照射するように決定される（例えば、もしソースファイバがドロップヘッドの外側に又は中央により接近するように移動されると、ドロップの表面に角度をなして入射し、総内部反射には寄与しない、光の割合が変化し、このためドロップヘッドの寸法はテストされる特定の液体及び採用される光の波長を考慮して決定されることとなる）。
【００２８】
図７は、図５の実施形態と幾つかの点で類似するが面取は有さない、ドロップヘッドを示す。このドロップヘッドの場合は、液体はドロップヘッドの最も外側のエッジ１３８までは広がることはなく、このため終端表面１４０の周辺又は垂れ下がりエッジがエッジ１４２となる。
【００２９】
図８は、金属又はプラスチック（できれば不透明）でできた比較的安価、且つ、加工が容易なシリンダ１４４が、ファイバ１４６及び液体供給孔１４７をサポートするために用いられている複合ドロップヘッドである。（不活性な特性及び厳密な形状への加工の平易性のために選択された）円筒状のステンレス鋼のスリーブ１４８が、シリンダ１４４の周囲に配置される。スリーブ１４８はナイフエッジ１５０を有し、ナイフエッジはドロップヘッドの下側表面１５２の周辺又は垂れ下がりエッジとして機能する。石英のディスク１５４がスリーブ１４８内に接着剤１５６にて保持され、これによって終端表面の部分が画定される。図から分かるように、液体孔１４７は石英のディスクを通って延在するが、トランスミッション表面１５８（つまり、ソースファイバの終端）及びコレクション表面１６０（つまり、検出ファイバの終端）については、石英のディスクの頂部の所で止まっている。
【００３０】
図９〜１２は、光源及び光検出器に関するさまざまなバリエーションを示す。
【００３１】
図９においては、光源は石英のドロップヘッド１６４内に埋め込まれた白色LED１６２であり、一方、検出器は、従来の電荷結合デバイス、光電セル、又はその他の適当な検出器（図示なし）へと通じる光ファイバ１６６を採用する。
【００３２】
図１０においては、光源はレーザ１６８と拡散器１７０とを備え、これらが一体となって働くことで光源が得られる。検出器はここでも従来の検出システムへと通じる光ファイバ１６６である。
【００３３】
図１１においては、光源は従来の照射の手段（図示なし）に接続された光ファイバ１７０であり、一方、検出器はドロップヘッド１６４内に埋め込まれた、シリコンベースの又は他のソリッドステートの、検出器１７２である。例えば、異なる位置において異なる光強度を検出するコレクション表面１７４を有する電荷結合デバイス又はＣＭＯＳ検出器を採用することで、テスト下の液体の特性に関して、単に光を（ポイント検出器に近い）ファイバの終端のコレクション表面にて集める場合よりも、より多くの量の情報を得ることができる。ソースファイバ１７０からの光のパターンがドロップヘッドに戻る方向に反射され、単一ポイント強度よりも遙かに情報量の多い光のパターンが生成される。パターン全体は、テスト下の液体の定性的特性を診断するために有益であるが、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ上の特定の画素位置を用いることで、定量化することも勿論可能である。
【００３４】
同様にして、図１２に示されるシステムは、１つではなく、複数の検出器ファイバを採用し、各々は別個の検出システムへと通じ、このため複数のポイントの光の強度を測定することができる。
【００３５】
図１３にはさらなる複合ドロップヘッドが示されているが、ここではソース及び検出ファイバ１８０は、突出した円形の面１８８と凹部周辺１９０とを備える、石英のディスク１８６を受ける浅い凹部１８４を有する、真ちゅう製シリンダ１８２内を通される。突出した面１８８のエッジ１９２にて、ドロップに対する周辺又は垂れ下がりエッジが画定される。ディスク１８６は、真ちゅう製のシリンダにしっかりと（例えば、図示されていないがねじ山固定機構にて）接続されている真ちゅう製のリング１９４を用いて、所定の位置に保持される。
【００３６】
幾つかの特定の状況に用いるためのドロップヘッドに対する最適な寸法を決定するために、シミュレーションが行われた。平坦な下側表面を有し、光源及び検出器は光ファイバにて代表される、ドロップヘッドのモデルがシミュレートされ、そのシミュレーションがテストされた。入力ファイバ、ドロップヘッド、そしてドロップ内の複数の反射を経て、再び逆方向にドロップヘッド内へと戻され、最終的に出口ファイバへと通される、システム全体を通じて、各インタフェースにおける全ての強度の損失を含めての、システムの応答のシミュレーションが得られるように、光の光線の通路を追跡した。水及びエタノールの両方に対して、幾つかの計算が行われた。
【００３７】
１．パラメータ
システムが、以下のパラメータの変動に応答するようなシミュレーションを、水及びエタノールの両方に対して、モデル化した：
ここで、
ｒ０は、ドロップヘッドの半径を表し、
ｘｐｏｓは、ヘッドの中央ラインからのファイバの中心のオフセットを表し、
ｚｐｏｓは、ドロップヘッドの底面から上方のファイバの位置を表す。
【００３８】
入力パラメータの全仕様は以下の通りである。
【００３９】
【表１】
2008530572.tif 000003
【００４０】
ドロップの形状を決定する、基本的な導出されたパラメータは以下の通りである。
【００４１】
【数１】
2008530572.tif 000004
【００４２】
ｒ０＝４ｍｍに対しては、Ｐ０＝１．０７２８（水）、２．５８１５（エタノール）である。
【００４３】
こうして、ｒ０＝４ｍｍなるドロップヘッド半径のときの水に対するドロップ形状は、ｒ０＝２．５８ｍｍのときのエタノールに対するドロップ形状と、同一となる。
【００４４】
図１４は、図面上に示されるようなパラメータのときの、エタノールに対するシミュレーションの出力を示す。「鎖線」は（検出器における、入力ファイバ内での単位強度に対する）強度Iを、（πｒ０3に対する単位での）スケーリングされたドロップ容積Vに対して示す。図から最大スループットは約２０％であることがわかる。
【００４５】
加えて、このグラフはｎ回の反射（ｎ＝１、２、３、４）の反射を受けた検出された光線の相対的な数及び全ての相対的な数の合計を示す。これら後者のプロットは、ファイバとヘッドとの間、ヘッドからドロップへの間、及びドロップの表面において、発生する、強度損失は含まない。
【００４６】
注意すべきことは、ｎ＝１の反射は非常に弱いことである（事実、他のシミュレーションでは、この反射は、ｒ０、ｘｐｏｓ及びｚｐｏｓの幾つかの値に対しては、全く発生しないことが示された）。ここでの優勢な反射はｎ＝２の反射である。相対容積Ｖ〜０．３７における全光線の内の約８７％は、２度の反射の後に検出され、各々が約３０％の透過率を有するために、この相対容積におけるピーク強度Ｉは０．２となる。このトレースのちょうど終端付近のＶ〜０．５において発生するｎ＝３の反射は、Ｖ〜０．３７におけるｎ＝２の反射と比較して確率は相対的に低くなる。しかし、この反射のトランスミッションは、ドロップ表面への入射の角度がより大きくなるためにより高くなり、このため反射率はより大きくなる。ｎ＝４の反射は、ほとんど測定されることはなく、ｎ＝５のプロット（図示なし）は、反射が事実上ゼロであったために省略されている。
【００４７】
強度は、最小容積Ｖ〜０．２より上で観察される。この値は、幅広いレンジの条件に対して適用可能であるように思われる。これらのプロットは、与えられたｒ０に対する最大容積において終端する。ドロップの形状及び最大容積は、パラメータＰ０にのみ依存する。しかし、検出される強度は、トランスミッション損失を決定する材料のパラメータやファイバの位置決めにも依存する。
【００４８】
図１５及び１６においては、ｘｐｏｓは２ｍｍ、ｚｐｏｓは０．２ｍｍに維持しながら、ヘッドの半径r0を変化させている。
【００４９】
図１５のグラフは、水に対する、r0（＝４、３．５及び３ｍｍ）を変化させたときの、ＩとＶとの関係について示す。r0＝４ｍｍのときは、Ｍ＝１、２及び３のピークは明確に解像される。r0＝３ｍｍのときは、優勢な第１のピークはＭ＝２を有し、他方、第２のピークはＭ＝３を有し、より高次の反射はＶ〜１．０より上で著しく寄与する。このトレースの終端までには、これら優勢な反射はＭ＝５を有するが、しかし、Ｍ＝８及びそれより高次からの寄与も存在する。最も鮮明な構造は、r0＝３．５ｍｍの近傍において得られる。
【００５０】
エタノール（図１６）に関しては最も鮮明な構造は、r0＝３〜３．５ｍｍの近傍において観察される。r0＝２．５ｍｍ（P0＝１．００）においては、明確な構造は存在しない。P0のこの値は、水に対してr0＝４ｍｍ（P0＝１．０７）において得られる値と、実質的に同一であり、このためドロップの形状はこれら２つの場合において同一となる。ファイバの絶対位置及びサイズは、２つの場合において同一であり、エタノールに対してはr0＝２．５ｍｍにおいて相対的に大きくなりすぎるので、トレースにおける差異は、解像度のほとんどが失われることである。もしファイバのサイズ及び位置がr0の変化と共にスケーリングされたならば、これら２つのケースはおそらくもっと類似すると思われるが、このことは実験で確認されてはいない。
【００５１】
次に、ｘｐｏｓを変化させたときの影響が測定された。図１７及び１８は、それぞれ、水及びエタノールに対する結果を示す。
【００５２】
水（図１７）に関しては、最適値はｘｐｏｓ＝２ｍｍの近傍であるように思える。この値より下では、強度の損失があり、この値より上では、構造が鮮明でなくなる（2つのより大きなｘｐｏｓ値、すなわち２．５及び３ｍｍのときのグラフに対するスケールは、右側に与えられていることに注意する）。
【００５３】
エタノール（図１８）に関しては、ｘｐｏｓに対する最適値は１．９ｍｍの近傍であるように思える。スループットの最大は、信号がｘｐｏｓの増加とともに増加する水の場合とは異なり、２ｍｍの近傍に存在することに注意する。
【００５４】
ｘｐｏｓを２ｍｍなる一定の値に保ちながら、ｚｐｏｓの方を変化させて、類似のテストが行われたが、これらの結果（図示なし）から、形状が影響を受けることは本質的になく、ｚｐｏｓは信号に対してｘｐｏｓほど重要でないことがわかった。
【００５５】
結論
水及びエタノールの両方に対する最適な応答は、以下の値の近傍で得られた：
・ｒ０＝３．２５ｍｍ（つまり、ヘッドの直径６．５ｍｍ）
・ｘｐｏｓ＝２ｍｍ
・ｚｐｏｓは、他の２つのパラメータと比べるとそれほど重要でないが、ｚｐｏｓが小さくなるほど、スループットは良好となる。
【００５６】
この結果は、テストドロップヘッドに関して行われた実験とよく一致する。
【００５７】
図１９は、ドロップを通過する光線の略図を示し、ドロップ内には全内部反射を受ける３つの光線の軌跡が示されている。標準のダッシュの線にて示されている第１の光線はｎ＝１、すなわち一次反射であり、ここでは光は、ソースファイバ２６と検出器ファイバ２８との間で、たった一回のみ反射する。
【００５８】
二次反射は、実線（ｎ＝２）にて示されている。図からわかるように、光は円錐の中に現れ、結果として三次元ドロップ内には、たった１つの反射の経路ではなく、任意の与えられたドロップのサイズ及び形状に対して反射を与える経路のセットが存在する。同様にして、三次の反射（ｎ＝３）が「鎖線」を用いて示されている。
【００５９】
本発明は、説明された実施形態に制限されるものではなく、これら実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく、修正又は変更されることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの第１の実施形態の断面である。
【図１Ａ】図１のドロップヘッドを製造するための１つの方法を示した図である。
【図２】図１のドロップヘッドを用いて得られる典型的なテンシオトレースである。
【図３】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図４】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図５】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図６】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図７】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図８】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図９】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図１０】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図１１】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図１２】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図１３】本発明によるテンシオグラフィック・ドロップヘッドの別の実施形態の断面である。
【図１４】特定のセットの寸法パラメータを有するドロップヘッドの性能をモデル化するシミュレーションの出力である。
【図１５】水ドロップに対する、ドロップヘッドの半径を変化させたときの、このモデルに対する影響を示している。
【図１６】エタノールドロップに対する、ドロップヘッドの半径を変化させたときの、このモデルに対する影響を示している。
【図１７】水ドロップに対する、ソース及び検出器ファイバの横方向の位置を変化させたときの、このモデルに対する影響を示している。
【図１８】エタノールドロップに対する、ソース及び検出器ファイバの横方向の位置を変化させたときの、このモデルに対する影響を示している。
【図１９】ドロップ容積内における一次、二次及び三次反射を示す略光線図である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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