JP6959635B2 - 液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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。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。

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。

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平板状衝突部と、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、前記平板状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、前記平板状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る液体の粘度計測システムを提供する（発明１）。

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平板状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であっても、その凝固性の影響を受けることなく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。

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）。

上記発明（発明１，２）においては、前記第２測定手段が、前記平板状衝突部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Ｄ_０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）。

上記発明（発明１−３）においては、前記第３測定手段が、前記平板状衝突部に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄ_ｍａｘを測定するものであることが好ましい（発明４）。

なお、図４は、平板状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。本発明において液滴の最大広がり径Ｄ_ｍａｘとは、図４（ｃ）に示す状態における略円形状に変形した液滴の最大径を意味する。

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、前記平板状衝突部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Ｄ_０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Ｄ_０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Ｕ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５）。

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る。かかる発明（発明５）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。

上記発明（発明５）においては、前記第３測定手段が、前記平板状衝突部に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄ_ｍａｘを測定するものであり、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Ｄ_０、前記第３測定手段により測定された最大広がり径Ｄ_ｍａｘ、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Ｕから、下記式（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６）。

（式（１）中、Ｗｅはウェーバ数、Ａは固体平面の濡れ性等によって変化する補正係数である。）

かかる発明（発明６）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。

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平板状衝突部に、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、前記平板状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、前記平板状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る液体の粘度計測方法を提供する（発明７）。

上記発明（発明７）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８）。

上記発明（発明７，８）においては、前記第２測定工程が、前記平板状衝突部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Ｄ_０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９）。

上記発明（発明７−９）においては、前記第３測定工程が、前記平板状衝突部に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄ_ｍａｘを測定するものであることが好ましい（発明１０）。

上記発明（発明７）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、前記平板状衝突部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Ｄ_０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Ｄ_０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Ｕ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１１）。

上記発明（発明１１）においては、前記第３測定工程が、前記平板状衝突部に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄ_ｍａｘを測定するものであり、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Ｄ_０、前記第３測定工程で測定された最大広がり径Ｄ_ｍａｘ、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Ｕから、下記式（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１２）。

（式（１）中、Ｗｅはウェーバ数、Ａは固体平面の濡れ性等によって変化する補正係数である。）

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、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。

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。 平板状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５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。

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。

〔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、平板状衝突部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Ｄ_１、衝突直前の液滴ＤをＤ_２、平板状衝突部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Ｄ_３ということがある。

［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。

［平板状衝突部］
平板状衝突部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。平板状衝突部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ず、例えば、アルミ製の平板が使用できる。なお、平板状衝突部２の材質の種類によって、計測対象である液体の液滴Ｄが固体平面上に形成された際の接触角θが決定し、この接触角θに基づいて評価される濡れ性によって、後述する式（１）における補正係数Ａが変化する。

本実施形態において、平板状衝突部２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と平板状衝突部２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い。

滴下部１１と平板状衝突部２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が平板状衝突部２に衝突する衝撃で、いわゆるスプラッシュを生じ、衝突液滴の周縁部が微細な液滴へと分裂してしまい、液滴Ｄの最大広がり径Ｄ_ｍａｘの測定に支障をきたすおそれがある。一方で、滴下部１１と平板状衝突部２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、平板状衝突部２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の最大広がり径Ｄ_ｍａｘ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と平板状衝突部２との離間距離が適切に設定される。

［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Ｄ_１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Ｄ_１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ハイスピードカメラを有する第１測定装置３１において、ハイスピードカメラで撮影した画像に基づき、液滴Ｄ_１の輪郭形状Ｓを求めている。上記長距離顕微鏡及びハイスピードカメラとしては、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Ｄ_１を照射するためのメタルハライドランプ等の白色光源とこの白色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とをさらに備えている。

ここで、図２は、第１測定装置３１により測定された画像であって、（ａ）は、第１測定装置３１のハイスピード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は、第１測定装置３１のハイスピードカメラにより撮影された液滴Ｄ_１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Ｄ_１の輪郭形状Ｓを求めている。

［第２測定装置］
第２測定装置３２は、平板状衝突部２への衝突直前の測定点Ａにおける液滴Ｄ_２の水平方向の最大径Ｄ_０及び測定点Ａを液滴Ｄ_２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Ｄ_２の水平方向の最大径Ｄ_０及び測定点Ａを液滴Ｄ_２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。

ここで、図３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Ｄ_２の水平方向の長さ、横軸は時間である。本実施形態において、第２測定装置３２は、上記波形図から最大径Ｄ_０及び通過時間ΔＴを求めている。より具体的には、測定点Ａを通過した液滴Ｄ_２の水平方向の長さの値のうちの最大値に基づき最大径Ｄ_０を求め、測定点Ａを液滴Ｄ_２が通過するのに要した時間から通過時間ΔＴを求めている。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。

［第３測定装置］
第３測定装置３３は、平板状衝突部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_３の最大広がり径Ｄ_ｍａｘを測定するものである。なお、平板状衝突部２に衝突した液滴Ｄは、図４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Ｄ_ｍａｘ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。

第３測定装置３３の構成としては、図４（ｃ）に示す、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴Ｄ_３の最大広がり径Ｄ_ｍａｘを測定することができれば特に制限されず、本実施形態においては、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有する第３測定装置３３において、ハイスピードカメラで撮影した画像に基づき、最大広がり径Ｄ_ｍａｘを求めている。上記ハイスピードカメラとしては、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３測定装置３３は、図１に示すように、液滴Ｄ_３を照射するためのメタルハライドランプ等の白色光源とこの白色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る。

［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。

（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２を参照しつつ以下詳説する。

滴下部１１に懸垂し、自由落下する直前の液滴Ｄ_１の体積Ｖは、第１測定装置３１により測定された、図２（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１ｐｉｘ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。

液滴Ｄ_１の密度ρは、上記手法により求められた液滴Ｄ_１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。

液滴Ｄ_１の表面張力σは、図２（ｂ）に示す画像において、液滴Ｄ_１の外径に真円を合せることで最大径ｄ_ｅを、液滴Ｄ_１の最下端から最大径分だけ高い位置における径ｄ_ｓを、それぞれ測定し、このｄ_ｅ及びｄ_ｓの値と上記手法により求められた液滴Ｄ_１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（２）（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。

（式（２）中、Ｊはｄ_ｓ／ｄ_ｅから求められる補正係数であり、ｇは重力加速度である。）

（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Ｄ_０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Ｕ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Ｕの算出方法について、図４を参照しつつ以下詳説する。

液滴Ｄ_２の衝突速度Ｕは、第２測定装置３２により測定された最大径Ｄ_０と第１算出手段により算出された体積Ｖから、図４（ａ）に示す衝突直前のやや扁球となった液滴Ｄ_２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。

（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Ｄ_０、第３測定装置３３により測定された最大広がり径Ｄ_ｍａｘ、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Ｕから、下記式（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。

上記式（１）中、Ｗｅはウェーバ数、Ａは固体平面の濡れ性等によって変化する補正係数であり、ウェーバ数Ｗｅは、Ｗｅ＝ρＵ^２Ｄ_０／σである。

なお、上記式（１）中の補正係数Ａは、Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．による平板上の液滴の接触角θと補正係数Ａとの相関を示す下記式（３）（Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｏｆ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｄｒｏｐｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ，Ｊ．Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．，ｖｏｌ．８０９，Ｒ３（２０１６），ｐｐ．１−１３）を用いて求めることができる。

具体的手法としては、第３測定装置３３のハイスピードカメラで撮影した、図４（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、液滴の接触角θを求め、この接触角θから、上記式（３）を用いて、補正係数Ａを求めることができる。

また、上記式（１）は、Ｌａａｎ ｅｔ ａｌ．による衝突液滴最大径に関する下記相関式（４）（Ｌａａｎ， ｅｔ ａｌ．，Ｍａｘｉｍｕｍ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ Ｉｍｐａｃｔｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ Ｄｒｏｐｌｅｔｓ，Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ａｐｐｌｉｅｄ ２，０４４０１８（２０１４），ｐｐ．１−７）を液体の粘度μについて解くことにより求めることができる。

上記（４）式中、レイノルズ数Ｒｅとウェーバ数Ｗｅはそれぞれ、Ｒｅ＝ρＵＤ_０／μ，Ｗｅ＝ρＵ^２Ｄ_０／σである。

〔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１−３を参照しつつ説明する。

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。

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Ｄ_１の輪郭形状Ｓを測定する（第１測定工程）。

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、平板状衝突部２への衝突直前の測定点Ａにおける液滴Ｄ_２の水平方向の最大径Ｄ_０及び測定点Ａを液滴Ｄ_２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）。

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平板状衝突部２に衝突する（衝突工程）。

衝突工程後、第３測定装置３３によって、平板状衝突部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_３の最大広がり径Ｄ_ｍａｘを測定する（第３測定工程）。

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。

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Ｄ_０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Ｕが算出される（第２算出工程）。

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Ｄ_０、第３測定工程で測定された最大広がり径Ｄ_ｍａｘ、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Ｕ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）。

上記式（１）中、Ｗｅはウェーバ数、Ａは固体平面の濡れ性等によって変化する補正係数であり、ウェーバ数Ｗｅは、Ｗｅ＝ρＵ^２Ｄ_０／σである。

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。

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５及び図６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。

図５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。

図６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）。

なお、上述の実施形態では、図５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。

以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１に示す粘度計測システム１０を用いて、液体の粘度を計測した。計測対象として、グリセリン水溶液を使用し、グリセリン水溶液濃度：６通り、ニードル径：３通り、液滴の落下高さ：２通りの組み合わせで得られる３６通りの条件について、その粘度を計測した。なお、各パラメータについては、統計的不確かさを小さくするために、１つの液体サンプルに対して計測を１０回ずつ行った。

本実施例では、シリンジポンプにつないだ注射針（ニードル）から一定量の液体サンプルを液滴として滴下し、アルミ平板へ衝突角９０度で衝突させた。その際、ニードルに懸垂し、自由落下する直前の液滴（Ｄ_１）の状態と、アルミ平板へ衝突し、径方向に変形した液滴（Ｄ_３）の状態を、それぞれ、長距離顕微鏡（Ｎａｖｉｔａｒ社製，１２×ズーム）を接続したハイスピードカメラ（Ｖｉｓｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社製，Ｐｈａｎｔｏｍ Ｖ９．１）で撮影した。ハイスピードカメラの撮影速度は、４０００ｆｐｓとした。また、アルミ平板への液滴の衝突直前の位置に設けた透過レーザセンサ（Ｋｅｙｅｎｃｅ社製，ＩＢ・１０）とデータロガーを用いて、衝突直前の液滴（Ｄ_２）の水平方向の最大径Ｄ_０と、透過レーザセンサを液滴Ｄ_２が通過するのに要する通過時間ΔＴを測定した。データロガーのサンプリング速度は、１２５００Ｈｚとした。

次に、上述の粘度算出装置を用いて、液体の粘度μを求めるための各物理量を算出した。ここで、液体の液滴の体積と表面張力は、ニードルに懸垂し、自由落下する直前の液滴（Ｄ_１）の撮影画像をＭＡＴＬＡＢ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｏｏｌｂｏｘ（登録商標）で処理することにより算出した。

上記衝突実験から算出した液体サンプルの粘度（実験値）と従来のオストワルド粘度計で計測した液体サンプルの粘度（実測値）との比較を表１に示す。

表１に示す結果より、本発明による液体の粘度計測システム及び方法によれば、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ことが分かる。

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、平板状衝突部２に衝突し、略円形状に変形した液滴Ｄ_３の最大広がり径Ｄ_ｍａｘを測定するための第３測定装置として、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いるが、これに限られず、例えば、プリズム上面での全反射を利用した可視化法を適用した手段を用いてもよい。この手法では、プリズム上面が空気の場合、臨界角以上で入射されたレーザ光は全反射するため、カメラセンサ上では明るい像が得られる。一方で、液滴Ｄがプリズムに接触すると、液体の屈折率は気体の屈折率よりも高いことから、光が液滴を透過するため、カメラセンサ上の反射光は暗くなる。これにより、液滴Ｄが固体（プリズム）と接触している箇所としていない箇所を明確に判別することが可能となる。また、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。

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平板状衝突部へ衝突させるまでのわずかな時間で、第１測定装置、第２測定装置及び第３測定装置の測定結果から、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であっても、その凝固性の影響を受けることなく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。

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。

１０ 液体の粘度計測システム
１ 滴下機構
１１ 滴下部
２ 平板状衝突部
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（Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３）液滴
Ｄ_０ 衝突直前の液滴Ｄの水平方向の最大径
Ｄ_ｍａｘ 衝突後の液滴Ｄの最大広がり径

Claims (6)

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平板状衝突部と、
   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を測定する第１測定手段と、
   前記平板状衝突部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Ｄ _０ 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を測定する第２測定手段と、
   前記平板状衝突部に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄ _ｍａｘ 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
   を備える液体の粘度計測システム。
2. 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Ｄ_０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Ｕ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。
3. 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Ｄ_０、前記第３測定手段により測定された最大広がり径Ｄ_ｍａｘ、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Ｕから、下記式（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２に記載の液体の粘度計測システム。
   

   

   
   （式（１）中、Ｗｅはウェーバ数、Ａは固体平面の濡れ性等によって変化する補正係数である。）
4. 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平板状衝突部に、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を測定する第１測定工程と、
   前記平板状衝突部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Ｄ _０ 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を測定する第２測定工程と、
   前記平板状衝突部に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Ｄ _ｍａｘ 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
   を備える液体の粘度計測方法。
5. 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Ｄ_０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Ｕを算出する第２算出工程とを備える
   請求項４に記載の液体の粘度計測方法。
6. 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Ｄ_０、前記第３測定工程で測定された最大広がり径Ｄ_ｍａｘ、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Ｕから、下記式（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５に記載の液体の粘度計測方法。
   

   

   
   （式（１）中、Ｗｅはウェーバ数、Ａは固体平面の濡れ性等によって変化する補正係数である。）

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