(57)【要約】【課題】  低価格で装置を構成することができ、ノズルから滴下される液滴の液量を、低コストで精度良く計測することができる滴下液量計測装置および滴下液量計測方法を提供する。【解決手段】光源３１と、光源３１から出射されたビーム光Ｂを受光する受光部３２を備えた光センサ３が、ノズル１１から吐出された液滴Ｌがビーム光Ｂを遮断する位置に設けられている。ビーム光Ｂが遮断された遮断時間を測定部４で測定し、演算部５で前記遮断時間の測定結果に基づいて液滴の液量を算出する。【選択図】  図１
2005140514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから滴下される液滴の液量を計測する装置であって、
光源と、該光源から出射されたビーム光を受光する受光部を備えた光センサが、前記ノズルから吐出された液滴が前記ビーム光を遮断する位置に設けられるとともに、
前記ビーム光が遮断された遮断時間を測定する測定部、および前記遮断時間の測定結果に基づいて液滴の液量を算出する演算部を備えることを特徴とする滴下液量計測装置。
【請求項２】
前記ノズルから吐出された液滴が落下中に前記ビーム光を遮断する請求項１記載の滴下液量計測装置。
【請求項３】
少なくともノズル先端から前記ビーム光に至るまでの領域に対して、外乱を遮蔽する遮蔽部材が設けられている請求項１または２に記載の滴下液量計測装置。
【請求項４】
ノズルから滴下される液滴の液量を計測する方法であって、
ノズルから吐出された液滴が、光センサの光源から受光部に至るビーム光を遮断する遮断時間を測定し、該遮断時間の測定結果に基づいて液滴の液量を算出することを特徴とする滴下液量計測方法。
【請求項５】
前記遮断時間として、前記ノズルから吐出された液滴が落下中に前記ビーム光を遮断する時間を測定する請求項４記載の滴下液量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルから滴下される液滴の液量を計測する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば滴定装置において高い測定精度を得るためには、滴下された液体の量を高精度で計測することが重要である。
従来法の例としては、ノズルからの滴下量の制御をパルスモーター式ポンプを用いて行うことにより、滴下された量を知る方法がある。
また、ノズルから滴下された液滴を受ける滴定槽の重量変化を電子天秤等で測定することによって、滴下された液量を計測する方法も知られている（例えば、下記特許文献１）。
【特許文献１】特開平８−１２８９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、パルスモータ−式ポンプを用いる方法は、高精度を実現するために各構成部品を高精度に作製する必要があり、価格が高くなってしまうという問題があった。また、滴下時にはポンプヘッド内の液の全部は吐出されないので、ポンプヘッド内に常に液が滞留することになり液が劣化しやすく、そのために測定精度が低下する場合がある、さらにピストン、シリンジ、逆止弁等の消耗は精度の低下につながるので定期的に部品交換が必要でありコストがかかる、という問題もあった。
一方、滴定槽の重量変化を測定する方法は、電子天秤等の精密機械が必要であり装置の価格が高いうえに、滴下による滴定槽の重量変化以外の重量変化を防止するための設備や操作も必要なので、装置が大掛かりになってしまいコストもかかるという問題があった。
【０００４】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、装置内での液の劣化が生じ難く、低価格で装置を構成することができ、ノズルから滴下される液滴の液量を、低コストで精度良く計測することができる滴下液量計測装置および滴下液量計測方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために本発明の滴下液量計測装置は、ノズルから滴下される液滴の液量を計測する装置であって、光源と、該光源から出射されたビーム光を受光する受光部を備えた光センサが、前記ノズルから吐出された液滴が前記ビーム光を遮断する位置に設けられるとともに、前記ビーム光が遮断された遮断時間を測定する測定部、および前記遮断時間の測定結果に基づいて液滴の液量を算出する演算部を備えることを特徴とする。
【０００６】
前記ノズルから吐出された液滴が落下中に前記ビーム光を遮断する構成とすることができる。
【０００７】
少なくともノズル先端から前記ビーム光に至るまでの領域に対して、外乱を遮蔽する遮蔽部材が設けられていることが好ましい。
【０００８】
また本発明の滴下液量計測方法は、ノズルから滴下される液滴の液量を計測する方法であって、ノズルから吐出された液滴が、光センサの光源から受光部に至るビーム光を遮断する遮断時間を測定し、該遮断時間の測定結果に基づいて液滴の液量を算出することを特徴とする。
【０００９】
前記遮断時間として、前記ノズルから吐出された液滴が落下中に前記ビーム光を遮断する時間を測定する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にあっては、光センサにおいて、光源から出射されたビーム光を受光部で受光しつつ、このビーム光を遮断するように液滴が滴下されるときの、ビーム光の遮断時間を測定することにより、液滴の液量を精度良く計測することができる。
本発明によれば、低価格で装置を構成することが可能であり、また部品の消耗によるコスト増も抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明にかかる実施形態について説明する。
図１は本発明の滴下液量計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。本実施形態では本発明の装置を滴定装置に適用した例を挙げる。
本実施形態の滴下液量計測装置は、滴下装置１と、該滴下装置１のノズル１１の下方に設けられた滴定槽２と、ノズル１１と滴定槽２との間に設けられた光センサ３と、該光センサに接続された測定部４と、測定部４に接続された演算部５とから概略構成されている。
【００１２】
滴下装置１は、ノズル１１から液体を滴状で吐出するように構成される。本実施形態では、液体を貯留するタンク１３がバルブ１２を介して先端に吐出口を有するノズル１１と連通されている。そして駆動手段（図示せず）によってバルブ１２を開閉させることによって、タンク１３からノズル１１へ所定量の液体が断続的に送液され、それに伴ってノズル１１先端の吐出口から液滴Ｌが滴下されるように構成されている。ノズル１１から吐出される液体が滴状となるようにするには、単位時間当たりの吐出量を小さくすればよい。
バルブ１２としては、例えば電磁弁を好適に用いることができる。
タンク１３をノズル１１およびバルブ１２よりも高い位置に設置して、バルブ１２が開放されたときに、タンク１３内の液体が重力によってノズル１２へ送液されるように構成してもよい。あるいは、タンク１３内を加圧して送液する加圧手段を備えた加圧式タンクを用いてもよく、この場合はタンク１３の設置位置の自由度が高い。タンク１３内を加圧する媒体としては、タンク１３内の液体と反応しないものが好ましく、空気や窒素ガス等の不活性ガスを適宜用いることができる。
【００１３】
本実施形態において、滴定槽２内には滴定の対象となる液体が収容されており、滴定槽２内の液体を撹拌するための撹拌機が設けられるとともに、任意の指示方法で示される滴定における終点を検知するためのセンサが設けられている。
【００１４】
光センサ３は、ビーム状の光（本明細書ではビーム光Ｂと記載する）を連続的に出射する光源３１と、光源３１からのビーム光Ｂを受光する受光部３２を備えている。受光部３２は、光源３１から出射されたビーム光Ｂが遮断されているか否かを検知して、それに対向した電気信号が測定部４に出力されるように構成されている。また、受光部３２は、ビーム光Bの少なくとも一部が遮断されているときは遮断状態を示す信号を出力するように構成されている。
光センサ３は既存の装置を使用できる。ビーム光Bのビーム径は、通常、液滴Ｌの直径と比べて同程度か小さい方が望ましい。本発明において使用されるビーム光Ｂのビーム径は、好ましくは０．５〜２ｍｍ程度である。ビーム径が小さいほど滴下液量の測定精度は向上する。
本実施形態において、ノズル１１および光センサ３は、光源３１から出射されたビーム光Ｂの光路と、ノズル１１から吐出された液滴Ｌが落下する際に通過する通過経路とが交差するように、すなわちノズル１１から吐出された液滴Ｌが落下中にビーム光Ｂを遮断する位置にそれぞれ固定されている。
【００１５】
測定部４は、受光部３２からの信号を受けて、ビーム光Bが遮断されている間の遮断時間を測定するように構成されている。
演算部５は、測定部４で測定された遮断時間の測定結果に基づいて、液滴Ｌの液量を算出するように構成されている。
測定部４および演算部５は既存の演算装置を使用して構成することができる。
【００１６】
次に、本実施形態の滴下液量計測装置を用いて液滴Ｌの液量を計測する方法について説明する。
駆動手段（図示せず）を駆動させてバルブ１２を開閉させて、ノズル１１の先端から液滴Lを吐出させると、ノズル１１から液滴Ｌが吐出される。ノズル１１から吐出された液滴Ｌは、光センサ３の光源３１から受光部３２に至るビーム光Ｂを遮断して落下する。ビーム光Ｂが液滴Ｌによって遮断されているときは受光部３２から測定部４へ、遮断状態を示す信号が出力され、測定部４ではその信号に基づいて遮断時間が測定される。そして、演算部５において、測定部４で測定された遮断時間の測定結果に基づいて液滴Ｌの液量が算出される。
【００１７】
ここで、本実施形態において、ビーム光Bの遮断時間から液滴Ｌの液量を算出する方法について理論的に説明する。
質量ｍの物体が自然落下する際に、物体に働く力FはF＝ｍｇ（ｇは重力加速度）である。
これを積分すると、落下をはじめてから時間ｔが経過したときの落下速度ｖは、
ｖ＝ｇｔ…（式１）となる。これより、落下速度ｖは、ｔが一定であれば物体の質量ｍにかかわらず一定となることがわかる。
したがって、図２に例示するように、ノズル１１から吐出された液滴Ｌが落下し始める直前の状態における、液滴Ｌの下端からビーム光Bまでの距離ｈが一定であれば、液滴Lが落下をはじめてからビーム光Bを遮断するまでの時間ｔが一定となり、液滴Lがビーム光Bを遮断するときの落下速度ｖが一定となる。
【００１８】
すなわち、液滴Lがビーム光Bを遮断する際の速度は、液滴Lの大きさにかかわらず一定となるので、遮断時間は液滴Lの大きさに比例する。例えば、液滴Lを真球とみなしてその直径を２ｒとし、遮断時間をT、液滴Lがビーム光Bを遮断する際の速度をｖ’とすると、T＝（２ｒ）／ｖ’となる。一方、液滴Lの体積VはV＝（４πｒ３）／３で表されるから、TとVとの関係は、T＝（２／ｖ’）［３／(４π)］１／３・（V）１／３…（式２）となる。これより、遮断時間Tを測定することにより、液滴Lの体積Vが一意的に求まることがわかる。
なお、式２中のｖ’は次のようにして求めることができる。
すなわち、ｖ＝ｇｔ…（式１）を積分すると、落下をはじめてから時間ｔが経過するまでの落下距離、すなわち液滴Ｌの下端からビーム光Bまでの距離ｈが、
ｈ＝（ｇｔ２）／２＝（ｖｔ）／２…（式３）で表される。ｈの値は、ノズル１１からビーム光Bでの距離H１で近似することができ、液滴Lの半径ｒの測定結果を用いて補正することもできるので容易に求められる。そして、このｈの値がわかれば、前記式３より、落下をはじめてからビーム光Bを遮断するまでの落下時間ｔがわかり、さらに液滴Lがビーム光Bを遮断する際の速度ｖ’がわかる。
よって、このようにして求められたｖ’と遮断時間Tの測定値から、前記式２により液滴Lの体積Vが算出される。
【００１９】
ノズル１１からビーム光Bまでの距離Ｈ１は、図２に例示するように、ノズル１１から吐出された液滴Ｌが落下し始める直前の状態における液滴Ｌの下端よりも、ビーム光Ｂが下方に位置するように設定すればよい。ただし、この距離Ｈ１が大きいほど、落下をはじめてからビーム光Bを遮断するまでの落下時間ｔが大きくなり、液滴Lがビーム光Bを遮断する際の速度ｖ’が大きくなるので、該遮断する際の速度ｖ’が、受光器３２において光の遮断状態を認識できる分解能の限界値を超えないようにＨ１を設定することが必要である。
【００２０】
本実施形態によれば、落下中の液滴Ｌがビーム光Ｂを遮断する時間を測定することによって、液滴Ｌの液量を簡単に、かつ精度良く計測することができる。
さらに、こうして得られる各液滴Ｌの液量を積算すれば、複数の液滴の合計、すなわち滴下された液量を得ることができる。
また本実施形態の滴下液量計測装置は、滴下装置１、滴定槽２、光センサ３、および測定部４および演算部５を含む演算装置により簡単に構成することができる。かかる構成の装置は、高精度を要する部品を使用せず、既存の装置を用いて構成可能であるので、低価格の装置を実現することができる。また測定媒体としてビーム光を用いるので、部品の消耗による精度の低下の心配がなく、コストも抑えることができる。
またタンク１３内の液体はバルブ１２の開閉によりノズル１１へと送液されるので、滴下装置１内で液体が滞留される箇所がなく、したがって装置内での液体の劣化が生じ難い。
【００２１】
また、上記の実施形態において、図３、４にそれぞれ示すように、ノズル１１先端からビーム光Bに至るまでの領域を囲むように、遮蔽部材６（７）を設けてもよい。遮蔽部材６（７）は、ノズル１１から吐出された液滴Lが、ビーム光Bを遮断するまでの間に風などの外乱を受けると、遮断時間の測定精度が低下したり、液滴Lがビーム光Bを遮断せずに落下して測定不能になったりするので、このような不都合を防止するために設けられるものである。
図３の例では、ノズル１１の先端部およびその下方の領域が、ビーム光Bを透過する材質からなる筒状の遮蔽部材６で囲まれており、遮蔽部材６の外側に光センサ３の光源３１および受光器３２が対向して設けられている。
図４の例では、ノズル１１の先端部およびその下方の領域が、ビーム光Bを透過する材質からなる筒状の遮蔽部材６で囲まれており、遮蔽部材６に光センサ３の光源３１および受光器３２が対向して埋め込まれている。
なお、遮蔽部材６（７）は、液滴Lによるビーム光B遮断時間の測定に対して悪影響を及ぼし得る外乱を抑制できるものであればよく、その大きさや形状は、これらの例に限らず、適宜設計することができる。
【００２２】
なお、上記の実施形態では、ノズル１１から吐出された液滴Lが、落下中にビーム光Bを遮断するように構成したが、ノズル１１から吐出された液滴Lが、成長中にビーム光を遮断するように構成しても、同様の原理に基づいて液滴Ｌの体積を求めることが可能である。
【実施例】
【００２３】
（シミュレーション例１）
前記第１の実施形態の滴下液量計測装置および方法を用いて、液滴Lの液量を測定するシミュレーションを行なった。
落下直前の液滴Ｌの下端からビーム光Bまでの距離ｈが２ｍｍである場合、液滴Lが落下をはじめてからビーム光Bに至るまでの落下時間ｔは、前記式３より０．００２＝（９．８／２）ｔ２となり、これよりｔ＝０．０２０秒が得られる。
このｔ＝０．０２０秒の値を用いれば、前記式１より、液滴Lがビーム光Bを遮断する際の速度ｖ’＝９．８×０．０２０＝０．２０ｍ／秒が求まる。
このようにして求められたｖ’の値を前記式２に代入すると、
T＝（２／０．２０）［３／(４π)］１／３・（V）１／３
すなわち、T＝６．２×（V）１／３が得られる。
したがって、ビーム光Bの遮断時間Tの測定値を用いて液滴Lの体積Vを求めることができる。
【００２４】
例えば、落下するときの液滴Lの体積が５０μLのときは、
ビーム光Bの遮断時間T＝６．２×（５０×１０−９）１／３＝２２．８ｍｓ（ミリ秒）となる。
また、落下するときの液滴Lの体積が４０μLのときは、
ビーム光Bの遮断時間T＝６．２×（４０×１０−９）１／３＝２１．２ｍｓ（ミリ秒）となる。
同様にして、落下した液滴Lの体積と、該液滴Lが落下中にｈ＝２ｍｍの位置に設けられたビーム光Bを遮断するときの遮断時間との関係を計算により求めた。その結果を図５に示す。
図５において、横軸は落下した液滴Lの体積V（単位：μＬ）を示し、縦軸は、該液滴Lによるビーム光Bの遮断時間T（単位：ミリ秒）を示している。
この図より、VとTとが良く相関しており、ビーム光Bの遮断時間Tの測定値を用いて液滴Lの体積Vを求めることができることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明にかかる滴下液量計測装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるノズルとビーム光との位置関係を説明するための図である。
【図３】本発明にかかる遮蔽部材の例を示す概略断面図である。
【図４】本発明にかかる遮蔽部材の例を示す概略断面図である。
【図５】本発明にかかるシミュレーション例の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１  滴下装置
２  滴定槽
３  光センサ
４  測定部
５  演算部
６，７  遮蔽部材
１１  ノズル
３１  光源
３２  受光器
Ｂ  ビーム光
Ｌ  液滴
【図１】
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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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