JPH063250A - 表面張力計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体に対し非接触で、無重力または無重力に
近い状態を保ちつつ、論理にかなった方式で誤差の少な
い正確な表面張力の測定値を求めることのできる表面張
力測定装置の提供。 【構成】 無重力ないし微少重力のもとで回転する回転
楕円体の液玉を保持可能な容器１と、容器１から液玉２
Ａを計測位置（受光素子アレイ３の領域）に浮上導くた
めの手段（誘導用ノズル５）およびその位置に液玉２Ａ
を支持する手段（保持ノズル６）と、前記液玉２Ａの形
状および回転速度を光学的に検出する手段（受光素子ア
レイ３および光電式位置検知センサ４）とを具備した表
面張力計測装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面張力計測装置に関
し、特に新素子や新素材による商品の開発、若しくは金
属およびその合金の製造，治金における液体状の材料の
取扱過程で、その表面張力の精密な数値測定が求められ
る分野に適用されるに好適な表面張力計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、かかる分野で用いられてきた古典
的な表面張力計測装置例を下記に述べる。

【０００３】（その１）円環引上げ方式 本例による基本的構成を図３に示す。ここで、１０１は
コイルばね１０２を用いて構成されたばね計り、１０３
はばね計り１０１の下端に吊下され、薄板で形成された
円環、１０４は円環１０３の下方に載置され、測定の対
象となる液体（被測定液体）１０５が収容されている容
器、１０６は容器１０４の上下微移動を許容する受台で
ある。

【０００４】このように構成された表面張力計測装置に
おいては、円環１０３の下面を液体１０５の表面に接触
させた状態に保った後、徐々に受台１０６と共に容器１
０４を下方に下げていく。その引下げ動作にともない、
最初は液体１０５の表面張力が打勝っているので、円環
１０３に付着した液体１０５の表面が伸びて、上方に引
上げられていくが、コイルばね１０２のばね力が表面張
力に打勝った時点で液体１０５が円環１０３から引離さ
れる。よってこの瞬間のばね計り１０１における延びの
読取から表面張力を読み取ることができる。ただし、こ
の場合、円環１０３と共に付着して引上げられた液体１
０５の付着分の重量が含まれるので、下記の式（１）に
示すようにこれに対する補正が必要である。なお、図４
は上記の計測時にかかわる諸元の状態を示すものであ
る。

【０００５】

【数１】

【０００６】ただし、ここで、ｒ₁ は円環１０３の外半
径、ｒ₂ は同内半径、ｈは円環１０３が計測時までに引
上げられた高さ、σは表面張力、ρは液体密度、ｇは重
力加速度、ｆは摩擦係数である。

【０００７】（その２）毛細管方式 本例は、図５に示すように毛細管２０１による毛管現象
を利用するもので、液体面２０２に径の小さい毛細管を
立てると、内壁に付着した液体に濡れが生じる場合は重
力と液体表面張力との関係から平衡した高さまで液体が
毛細管２０１内を上昇する。そして、かかる場合、その
液体の上昇した頂部にメニスカス２０３が形成される。
そこで、メニスカス２０３の底面から本来の液体表面ま
での高さをｈ、毛細管２０１の内径をＲとすると、表面
張力σを次式（２）で求めることができる。

【０００８】

【数２】

【０００９】ここで毛細管２０１が極めて細く、かつメ
ニスカス２０３における管内面との接触角θをほぼ０と
すると、

【００１０】

【数３】

【００１１】なお、上述の（その１）および（その２）
によって述べた方式の他に、説明は省略するが、液滴方
式、液滴落下方式といったものが知られているが、いず
れにおいても液体の器壁との接触状態等により測定値が
変動するばかりでなく、その計測値に含まれるｇが大き
い要素となるために、精度良く純粋に表面張力のみを取
出して算出することが難しい。

【００１２】また、最近では無重力状態において液滴を
振動させながら近似式を用いてその液体の表面張力を計
測する方式のものも開示されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の地上における重力のもとで液体の表面張
力を計測する方式のものでは、（その１）の円環引上げ
方式の場合は、円環１０３自体の材質と液の付着、すな
わち濡れの現象にばらつきがあることと、ばね計り１０
１の精度が高められないことが支障となり、十分な測定
精度が期待できないという問題がある。

【００１４】また、（その２）の毛細管方式によるもの
にあっても濡れによって形成されるメニスカスの形状、
つまり接触角θが変化し、その位置が正確に捕え難いと
いう欠点がある。いずれにせよ重力というきわめて大き
い体積力が微弱な液体分子の結合力である表面張力の計
測の妨げとなり、正確な測定が得られないという問題が
あった。

【００１５】本発明の目的は、かかる従来の測定方式に
よる問題点に着目し、液体に対し、非接触でしかも無重
力または無重力に近い状態を保ちつつ、論理にかなった
方式で誤差の少ない正確な表面張力の測定値を求めるこ
とのできる表面張力計測装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、無重力ないし微少重力のもとで回転す
る被測定液体の回転楕円体液玉を保持可能な容器と、該
容器から前記液玉を所定の計測位置に浮上させるように
作用する気体流の浮上手段と、前記所定の計測位置に浮
上させた前記液玉をその状態に支持すると共に液玉の自
転を補強する作用を兼ねた気体流の支持手段と、前記所
定の計測位置に支持される前記液玉の回転楕円体形状お
よびその回転速度を光学的に検出する検出手段と、を具
備し、該検出手段により検出されたデータに基づいて前
記被測定液体の表面張力を演算可能としたことを特徴と
するものである。

【００１７】

【作用】本発明によれば、無重力ないし微少重力のもと
で回転する被測定液体の回転楕円体液玉を気体流の浮上
手段により容器から浮上せしめた後浮上させた液玉を気
体流の支持手段により所定の計測位置に支持・位置決め
し、光学的検出手段により位置決めされた液玉の回転楕
円形状およびその回転速度を検出して、そのデータによ
り被測定液体の表面張力を測定することができる。

【００１８】

【実施例】以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳
細に述べるが、その説明に先立ち、本発明の適用原理に
ついて説明しておくこととする。すなわち、液体を空中
浮上により非接触で無重力に近い状態に保った場合は、
演算要素から重力加速度の項目を無くすことができ、そ
れによって高精度の測定ならびに正確な演算が得られる
ことに着目したもので、液と容器との間の付着や重力の
影響に基因する液面形状の変化等算出中の誤差の要因を
完全に除去することが可能となる。

【００１９】なお、上記の無重力に近い状態でのスピニ
ングドロップ法による表面張力の測定では、回転する液
滴に作用する大きい遠心力と表面張力とが平衡した状態
で表面張力σが次式（４）によって求められることを利
用するものである。

【００２０】

【数４】

【００２１】ここで、ｅは離心率、ａは回転楕円体の長
径、ｂは短径、ωは回転数であって、分母は液滴の表面
積、分子は慣性モーメントを表わす。

【００２２】すなわち、式（４）は、液滴が無重力に近
い状態で極軸まわりに一方向に回転させられるとき、そ
の回転液滴はエネルギー保存の原理に従って、安定化す
べくスピンの遠心力に平衡するよう、その液面の赤道付
近が膨張し、極方向に収縮して一様な短軸回転楕円体の
形状に保たれることを意味するものである。ただし、ス
ピンをかけ過ぎた場合は、液滴が飛散し、銀河星雲のミ
ニチュアモデルのような状態になることはいうまでもな
く、かかる状態とならない程度のスピンを保つ必要があ
る。

【００２３】そこで、続いて図１に従い上記の原理に基
づく状態に液体を保つことでその表面張力の計測を行う
ようにした計測装置とその動作について説明する。

【００２４】図１において、１は少なくともその内面に
濡れを防止する処置が施された深鍋状の被測定液収納容
器、２は容器１中に収納され、その表面張力計測の対象
となる液体である。また、３は紙面と平行な方向に配設
され、紙面とは直角の方向から投光される光を受光する
受光素子アレイであり、計測されるべき液玉２Ａの投影
面積より十分広い領域を保ち、液玉２Ａの形状を読取る
ように機能する。４はこの受光素子アレイ３の領域の周
囲部に配設され、計測される液玉２Ａの周囲部が受光素
子アレイ３の領域からずれないように監視するための光
電式位置検知センサである。

【００２５】また、５は受光素子アレイ３の領域外周囲
部に配設された複数の液玉誘導用ノズル、６は受光素子
アレイ３の領域、つまり計測領域内所定位置に計測対称
の液玉２Ａを支持するために気体、例えば空気を制御し
つつ噴射する支持手段としての位置決め用ノズル（以下
で保持ノズルという）である。なお、ここで、後述する
ようにして回転容器１内から回転する液体（液玉）２Ａ
を受光素子アレイ３の領域に導くためには大量の空気流
量が必要なため、保持ノズル６に比して、誘導用ノズル
５の方は放出量の大きいものが用いられている。しかも
これら複数の誘導用ノズル５は液玉２Ａを回転容器１か
ら浮上させた後、前記領域の所定位置に導き易いような
形態に配設されるものである。

【００２６】ついで、このような構成になる表面張力計
測装置による計測動作について説明するが、その計測に
あたっては、不図示の温度検知手段や圧力検知手段等周
囲の環境にかかわる雰囲気条件を計測する手段が設けら
れることはいうまでもない。

【００２７】まず、第１段階として地上の重力下の条件
で液収納容器１に収容した液体２を不図示の回転手段に
より所定の回転数で回転させた状態に保った上、このよ
うな濡れ防止処理の施された収納容器１を装置全体と共
に無重力に近い状態内に導くようにする。すると、回転
を与えられた液体２は短軸を回転中心とする回転楕円体
に近い球体（液玉）となる。そこで次に複数の誘導ノズ
ル５により大量の気体を噴出させて回転する楕円体形状
に保たれる液玉２Ａを収納容器１内から浮上させ、さら
にこのような液玉２Ａを計測位置である受光素子アレイ
３の領域に導くようにする。なお、このような浮上誘導
は上述した複数の誘導ノズル５からの気体吹出しの制御
と光電式位置検知センサによる液玉２Ａの検知によって
行われるものである。

【００２８】かくして、液玉２Ａが前記領域内で所定の
計測位置に導かれたならば、次には複数の周囲に設けた
保持ノズル６から１０^-6ｇ程度の重力場を乱さない微少
な気体分子流を四方より液玉２Ａを包み込むような形で
放出し、計測位置に液玉２Ａを安定させるようにする。
そして、このあと、受光素子アレイ３に投影された液玉
２Ａの輪郭からその長径ａおよび短径ｂを読取ると共
に、例えば輪郭の周期的波動を捕捉し、回転数ωを検出
することができる。かくしてこれらの計測値を先に述べ
た式（４）に代入して演算することにより重力加速度ｇ
に影響されないその液体の正確な表面張力σを計測する
ことができる。なお、その演算は別途に設けられる不図
示のＣＰＵ機能を有するコンピュータによって行われる
もので、回転楕円体の長径ａと短径ｂとの比に対する回
転速度ωのデータ等が液種別に雰囲気温度および気圧等
をベースにして記憶手段ＲＯＭに格納されており、計測
のたびにこのようなテーブルをルックアップして行われ
るものである。

【００２９】また、簡易なａ，ｂ，ωの読取り手段とし
ては、受光素子アレイの代りに鮮明なスケールを置き連
続的にビデオカメラで連続撮影することで粗測定には充
分である。

【００３０】以上述べたように、地上動力下で予め自転
を与えられた液玉が微少重力下で所定の検出位置へ導か
れる方法について説明した。

【００３１】この方法を採る理由は、液玉が自転すると
安定した浮遊コースをたどることが考えられるからであ
る。しかし逆の発想をすれば、特に、表面張力の大きな
液玉であれば、表面を濡れにくく加工または処理した静
止容器から無回転で真球の近い無回転の球体で浮上した
後、前述のものと同様の機構で所定位置へ導かれた後
に、始めて円筒外壁を回転させ空気の粘性で液玉を回転
させたり、また、前述の保持ノズルを一時、一斉に想定
自転軸を中心にω方向へ傾けて流すことで自転を与える
などして後から自転を与えることも考え得る。いずれに
しても、回転楕円体の形状とその自転の速度を光学的に
読取って表面張力の値を知るという基本構想を用いてい
るには変りが無い。無重力になる前に自転しているか、
それまで無回転でいるかの違いである。

【００３２】図２は液収納容器１の形状例を示したもの
でその（Ａ）は内面が回転楕円体形状をなすもの、
（Ｂ）は円筒形状のもの、また（Ｃ）は内面が球面形状
をなすものをそれぞれ示している。ただし、この種容器
１の考えられる形状としてはこれらに限られるものでは
ないが、少なくとも濡れの影響を受けない容器内で安定
した回転楕円体形状の液玉が形成され易く、しかも勝手
に液玉が容器から飛び出していかないように配慮された
形状であればどのような形状であってもよい。

【００３３】また、液玉を浮揚させる手段にレーザ光や
音圧、あるいは静電場を用いて行うことも考えられるが
容器からの離脱や計測位置への誘導についてはさらに解
決すべき問題が残されている。

【００３４】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、無重力ないし微少重力のもとで回転する被測定液体
の回転楕円体液玉を保持可能な容器と、該容器から前記
液玉を所定の計測位置に浮上させるように作用する気体
流の浮上手段と、前記所定の計測位置に浮上させた前記
液玉をその状態に支持すると共に液玉の自転を補強する
作用を兼ねた気体流の支持手段と、前記所定の計測位置
に支持される前記液玉の回転楕円体形状およびその回転
速度を光学的に検出する検出手段と、を具備し、該検出
手段により検出されたデータに基づいて前記被測定液体
の表面張力を演算可能としたので、従来のように体積力
として大きく影響する重力加速度や、計測にかかわる器
材との濡れによる測定誤差の問題を解消することがで
き、無接触と微少ないし無重力の条件下で遠心力と表面
張力との間のエネルギー的平衡条件を利用することで、
高精度の測定を実施することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明表面張力計測装置の構成の一例を動作と
共に模式的に示す説明図である。

【図２】本発明にかかる液収納容器の３形態例を
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）によって示す断面図である。

【図３】従来例として円環引上げ方式によるものの構成
例を示す説明図である。

【図４】円環引上げ方式による測定諸元の説明図であ
る。

【図５】毛細管方式による従来例での計測諸元の説明図
である。

【符号の説明】

１ 液収納容器 ２ 液体 ２Ａ 液玉 ３ 受光素子アレイ ４ 光電式位置検知センサ ５ 誘導用ノズル ６ 保持ノズル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無重力ないし微少重力のもとで回転する
   被測定液体の回転楕円体液玉を保持可能な容器と、 該容器から前記液玉を所定の計測位置に浮上させるよう
   に作用する気体流の浮上手段と、 前記所定の計測位置に浮上させた前記液玉をその状態に
   支持すると共に液玉の自転を補強する作用を兼ねた気体
   流の支持手段と、 前記所定の計測位置に支持される前記液玉の回転楕円体
   形状およびその回転速度を光学的に検出する検出手段
   と、 を具備し、 該検出手段により検出されたデータに基づいて前記被測
   定液体の表面張力を演算可能としたことを特徴とする表
   面張力計測装置。
2. 【請求項２】 前記光学的に検出する検出手段は、前記
   液玉の回転楕円体における長軸および短軸と、その周期
   的な形状の揺ぎとを検出することを特徴とする請求項１
   に記載の表面張力計測装置。
3. 【請求項３】 前記容器は前記被測定液体を収容する少
   なくとも内面が濡れ防止処理されていて、上方に前記液
   玉を浮上させる浮上口を有することを特徴とする請求項
   １または２に記載の表面張力計測装置。