特開 2022-108408 表面張力および粘度の計測装置および計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022108408

(43)【公開日】2022-07-26

(54)【発明の名称】表面張力および粘度の計測装置および計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 11/00 20060101AFI20220719BHJP

   G01N 13/02 20060101ALI20220719BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20220719BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20220719BHJP

【ＦＩ】

G01N11/00 A

G01N13/02

G01L5/00 Z

B81B3/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021003375

(22)【出願日】2021-01-13

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】グェン タン ヴィン

(72)【発明者】

【氏名】岡田 浩尚

(72)【発明者】

【氏名】一木 正聡

【テーマコード（参考）】

2F051

3C081

【Ｆターム（参考）】

2F051AB10

2F051BA07

3C081AA13

3C081BA43

3C081BA45

3C081BA47

3C081BA48

3C081BA60

3C081BA77

3C081CA40

3C081DA03

3C081DA06

3C081DA10

3C081DA31

3C081EA03

(57)【要約】

【課題】様々な液体の表面張力および粘度を並行して計測可能な計測装置および計測方法を提供する。
【解決手段】表面に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサ２２が設けられ、そのＭＥＭＳ圧力センサを覆うように液体の液滴ＤＲ１が形成される基板１８と、液体の液滴ＤＲ２を供給して液滴ＤＲ１に結合させる基板１９と、結合される前後の液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とを撮像して撮像データを取得するカメラ１３と、ＭＥＭＳ圧力センサからの出力信号に基づいて液滴ＤＲ１の圧力を計測する圧力計測部１２と、カメラが撮像した画像と圧力計測部が計測した圧力に基づいて、液体の表面張力と粘度とを算出する演算部１４と、を備える、計測装置１０が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

計測対象の液体の表面張力および粘度を計測可能な計測装置であって、
表面に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサが設けられ、該ＭＥＭＳ圧力センサを覆うように前記液体の第１の液滴が形成される基板と、
前記液体の第２の液滴を供給して前記第１の液滴に結合させる液滴供給手段と、
前記結合される前後の前記第１の液滴と前記第２の液滴とを撮像して撮像データを取得する撮像手段と、
前記ＭＥＭＳ圧力センサからの出力信号に基づいて前記液滴の圧力を計測する圧力計測手段と、
前記撮像データと前記圧力計測手段が計測した圧力に基づいて、前記液体の表面張力と粘度とを算出する演算手段と、
を備える、前記計測装置。

【請求項2】

前記撮像手段は、前記結合前の第１の液滴を撮像して第１の撮像データを取得し、前記結合後の形状が安定した結合液滴を撮像して第２の撮像データを取得し、
前記圧力計測手段は、前記結合前の第１の液滴の第１の圧力と、前記結合後の形状が安定した結合液滴の第２の圧力を計測し、
前記演算手段は、前記第１の撮像データから前記第１の液滴の曲率半径Ｒを求め、前記第２の撮像データから前記結合液滴の中央の２つの曲率半径ｒ₁およびｒ₂を求め、該曲率半径Ｒ、ｒ₁およびｒ₂と前記第１および第２の圧力とに基づいて前記液体の表面張力を求める、請求項１記載の計測装置。

【請求項3】

前記演算手段は、表面張力が既知の液体を用いて予め取得した該表面張力と前記曲率半径および前記圧力との関係を第１の情報を格納した第１の記憶部を有し、該第１の記憶部に格納した該第１の情報を用いて前記計測対象の液体の表面張力に換算する、請求項２記載の計測装置。

【請求項4】

前記圧力計測手段は、前記第１および第２の液滴が結合し始めた直後の時間に対する圧力変化を計測し、
前記演算手段は、前記時間に対する圧力変化に基づいて前記液体の粘度を求める、請求項１～３のうちいずれか一項記載の計測装置。

【請求項5】

前記演算手段は、粘度が既知の液体を用いて予め取得した時間に対する圧力変化と粘度との関係を表す情報を格納した第２の記憶部を有し、該第２の記憶部に格納した情報を用いて前記液滴の時間に対する圧力変化を粘度に換算する、請求項４記載の計測装置。

【請求項6】

前記液滴供給手段は、前記第２の液滴が形成される他の基板である、請求項１～５のうちいずれか一項記載の計測装置。

【請求項7】

前記基板および前記他の基板は互いに対向するようにある方向に配置され、前記第１および第２の液滴は該基板および該他の基板の対向する面に形成され、該基板および該他の基板のうち一方の基板を他方の基板に接近させる移動部を備える、請求項６記載の計測装置。

【請求項8】

前記基板および前記他の基板が上下方向に配置され、
前記移動部が、前記基板および前記他の基板のうち一方の基板を上下方向に移動させる、請求項７記載の計測装置。

【請求項9】

前記基板および前記他の基板が水平方向に配置され、
前記移動部が、前記基板および前記他の基板のうち一方の基板を水平方向に移動させる、請求項７記載の計測装置。

【請求項10】

前記液滴供給手段は、前記液体を収容するシリンジであり、該シリンジにより前記第２の液滴を生成して前記第１の液滴に結合させる、請求項１～５のうちいずれか一項記載の計測装置。

【請求項11】

前記シリンジは、前記基板の上方に配置され、前記シリンジに設けられたニードルから前記第２の液滴を形成して前記第１の液滴に結合させる、請求項１０記載の計測装置。

【請求項12】

前記ニードルが前記第２の液滴を前記第１の液滴の上方から結合させる、請求項１１記載の計測装置。

【請求項13】

前記ニードルが前記第２の液滴を前記基板上の前記第１の液滴の横方向に離隔して形成し、該ニードルからの前記液体を吐出して該第２の液滴を拡大させて該第１の液滴に結合させる、請求項１１記載の計測装置。

【請求項14】

前記液滴供給手段は、前記基板上に形成した前記第２の液滴を移動して結合させる液滴移動部を有する、請求項１～５のうちいずれか一項記載の計測装置。

【請求項15】

前記液滴移動部は、前記基板の下側に電極パターンを形成した層を設け、該電極パターンに電圧を印加してＥｌｅｃｔｒｏ Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ（ＥＷＯＤ）手法により前記第２の液滴を移動する、請求項１４記載の計測装置。

【請求項16】

前記液滴移動部は、針状部材を設けた移動ステージを有し、該針状部材を前記基板上に形成した前記第２の液滴に挿入して該移動ステージにより該第２の液滴を移動して結合させる、請求項１４記載の計測装置。

【請求項17】

液体の表面張力および粘度の計測方法であって、
表面に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサが設けられた基板に、該ＭＥＭＳ圧力センサを覆うように前記液体の第１の液滴を形成するステップと、
前記基板に形成された前記第１の液滴を撮像して第１の撮像データを取得するステップと、
前記ＭＥＭＳ圧力センサにより前記基板に形成された前記第１の液滴の第１の圧力を計測するステップと、
前記液体の第２の液滴を供給して前記第１の液滴に結合させるステップと、
前記ＭＥＭＳ圧力センサにより前記第１および第２の液滴が結合し始めた直後の時間に対する圧力変化と前記第１および第２の液滴が結合後の形状が安定した結合液滴の第２の圧力とを計測するステップと、
前記結合後の形状が安定した結合液滴を撮像して第２の撮像データを取得するステップと、
演算手段により、前記時間に対する圧力変化に基づいて粘度を算出するステップと、
前記演算手段により、前記第１および第２の撮像データと前記第１および第２の圧力とに基づいて前記液体の表面張力を算出するステップと、
を含む、前記計測方法。

【請求項18】

前記演算手段により前記第１の撮像データから前記第１の液滴の曲率半径Ｒを求め、前記第２の撮像データから前記結合液滴の中央の２つの曲率半径ｒ₁およびｒ₂を求め、該曲率半径Ｒ、ｒ₁およびｒ₂と前記第１および第２の圧力とに基づいて前記液体の表面張力を算出するステップと、
を含む、請求項１７記載の計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、計測対象の液体の表面張力および粘度を計測する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、液体の表面張力を計測する方法として、細管内を液面が上昇する毛管現象を利用した毛管上昇法や、薄い白金板を液槽から引き上げて白金板が液体に引っ張られる力を計測するウィルヘルミー法等が知られている。液体の粘度を計測する方法として、細管内を一定量流れる時間から粘度を求める細管粘度計による方法が知られている。

【0003】

少量の液体の表面張力および粘度を計測する手法が提案されている。微小力センサ上に微小滴を載置し、微小滴に振動を与えて微小滴の振動を微小力センサが検知して粘度および表面張力を計測する（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－１３０７１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の手法では、液体の粘度が高い場合、微小滴の振動が極めて小さくなるため、粘度および表面張力の計測が困難になるという問題がある。また、表面張力が低い場合は、微小滴を球形に保つことが困難であり、計測が困難であるという問題がある。

【0006】

本発明の目的は、様々な液体の表面張力および粘度を並行して計測可能な計測装置および計測方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、計測対象の液体の表面張力および粘度を計測可能な計測装置であって、表面に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサが設けられ、そのＭＥＭＳ圧力センサを覆うように上記液体の第１の液滴が形成される基板と、上記液体の第２の液滴を供給して上記第１の液滴に結合させる液滴供給手段と、上記結合される前後の上記第１の液滴と上記第２の液滴とを撮像して撮像データを取得する撮像手段と、上記ＭＥＭＳ圧力センサからの出力信号に基づいて上記液滴の圧力を計測する圧力計測手段と、上記撮像手段が撮像した画像と上記圧力計測手段が計測した圧力に基づいて、上記液体の表面張力と粘度とを算出する演算手段と、を備える、上記計測装置が提供される。

【0008】

上記態様によれば、表面にＭＥＭＳ圧力センサが設けられた基板に、ＭＥＭＳ圧力センサを覆うように測定対象の液体の第１の液滴を形成し、液滴供給手段により測定対象の液体の第２の液滴を第１の液滴と結合させて、結合される前後の第１の液滴と第２の液滴とを撮像手段によって撮像して撮像データを取得し、ＭＥＭＳ圧力センサからの出力信号に基づいて結合前の第１の液滴の内部の圧力と第１の液滴と第２の液滴とが結合後の結合液滴の内部の圧力を圧力計測手段によって計測し、撮像データと圧力計測手段が計測した圧力に基づいて、演算手段が液体の表面張力と粘度とを算出することが可能であり、様々な液体に対して２つの液滴で表面張力および粘度を並行して計測可能な計測装置が提供できる。

【0009】

本発明の他の態様によれば、液体の表面張力および粘度の計測方法であって、表面に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサが設けられた基板に、そのＭＥＭＳ圧力センサを覆うように上記液体の第１の液滴を形成するステップと、上記基板に形成された上記第１の液滴を撮像して第１の撮像データを取得するステップと、上記ＭＥＭＳ圧力センサにより上記基板に形成された上記第１の液滴の第１の圧力を計測するステップと、上記液体の第２の液滴を供給して上記第１の液滴に結合させるステップと、上記ＭＥＭＳ圧力センサにより上記第１および第２の液滴が結合し始めた直後の時間に対する圧力変化と上記第１および第２の液滴が結合後の形状が安定した結合液滴の第２の圧力とを計測するステップと、上記結合後の形状が安定した結合液滴を撮像して第２の撮像データを取得するステップと、演算手段により、上記時間に対する圧力変化に基づいて粘度を算出するステップと、上記演算手段により、上記第１および第２の撮像データと上記第１および第２の圧力とに基づいて上記液体の表面張力を算出するステップと、を含む、上記計測方法が提供される。

【0010】

上記他の態様によれば、結合前の計測対象の液体の第１の液滴についてＭＥＭＳ圧力センサにより第１の液滴の内部の第１の圧力を計測するとともに撮像して第１の撮像データを取得し、ＭＥＭＳ圧力センサにより第１および第２の液滴が結合し始めた直後の時間に対する液滴内部の圧力変化を計測し、結合液滴についてＭＥＭＳ圧力センサにより第２の圧力を計測するとともに撮像して第２の撮像データを取得する。演算手段により、時間に対する圧力変化に基づいて粘度を算出し、第１および第２の撮像データと上記第１および第２の圧力とに基づいて表面張力を算出する。これにより、様々な液体に対して２つの液滴により、粘度および表面張力を並行して計測することが可能な計測方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施形態に係る表面張力および粘度の計測装置の概略構成を示す図である。

【図2】表面張力の計測原理を説明するための図である。

【図3】粘度の計測原理を説明するための図である。

【図4】ＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を示す斜視図である。

【図5】ＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を示す断面図である。

【図6】圧力計測部の概略の回路構成を示す図である。

【図7】一実施形態に係る表面張力および粘度の計測方法のフローチャートである。

【図8】計測装置の液滴結合部の変形例１を示す図である。

【図9】計測装置の液滴結合部の変形例２を示す図である。

【図10】計測装置の液滴結合部の変形例３を示す図である。

【図11】計測装置の液滴結合部の変形例４を示す図である。

【図12】実施例の液滴結合時の圧力値の時間変化の例を示す図である。

【図13】実施例の表面張力に関する計測値と表面張力（文献値）との関係を示す図である。

【図14】実施例の液滴結合直後の圧力値の時間変化の例を示す図である。

【図15】実施例の粘度に関する計測値と試料を別の装置より測定した粘度との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

【0013】

図１は、第１の実施形態に係る表面張力および粘度の計測装置の概略構成を示す図である。図１を参照するに、計測装置１０は、液滴結合部１１と、圧力計測部１２と、カメラ１３と、演算部１４と、記憶部１５と、制御部１６とを含む。

【0014】

液滴結合部１１は、計測対象の液体の液滴ＤＲ１を形成する基板１８と，計測対象の液体の液滴供給手段として液滴ＤＲ２を形成する基板１９と、基板１８を移動させるＸＹＺステージ２０と、基板１９を固定する固定治具２１とを有する。基板１８の表面１８ａには、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサ２２が設けられる。ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、これを覆うように計測対象の液体の液滴ＤＲ１を形成することで、液滴ＤＲ１の内部の圧力を検知して圧力に応じた出力を電気抵抗値の変化として示す。

【0015】

ＸＹＺステージ２０は、公知のＸＹＺステージ２０を用いることができ、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に基板１８を移動することが可能である。ＸＹＺステージ２０は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に基板１８を移動して、基板１８上の液滴ＤＲ１が基板１９上の液滴ＤＲ２に結合するように位置調整可能である。

【0016】

ＸＹＺステージ２０は、基板１８を＋Ｚ方向（図１に示す矢印方向）に移動して、基板１８上の液滴ＤＲ１が基板１９上の液滴ＤＲ２に接触する位置（または、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２との間に毛管現象によりこれらの液体のブリッジが形成される位置）で停止するように制御部１６によって制御される。これにより、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが接触すると、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２との結合が始まり、結合した液滴の形状が変化して、結合が開始してから数１００ｍ秒後に結合した液滴（「結合液滴」とも称する。）の形状が安定する。液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが接触する位置は、カメラ１３によって撮像して演算部１４により接触開始を検出してＸＹＺステージ２０を停止してもよく、結合前に液滴ＤＲ１および液滴ＤＲ２の大きさ（基板表面１８ａ，１９ａからの高さ）を計測して接触する位置を求めてＸＹＺステージ２０を停止する位置を決定してもよい。

【0017】

なお、本実施形態では、ＸＹＺステージ２０により液滴ＤＲ１の上部と液滴ＤＲ２の下部とを接触するように位置調整を行うが、それに限定されず、液滴ＤＲ１の斜め上の部分と液滴ＤＲ２の斜め下の部分が接触するように位置調整を行ってもよい。

【0018】

基板１８，１９は、特に材料は限定されないが、計測対象の液体に対して接触角が大きい、例えば、４５°以上の基板材料または基板表面材料であることが好ましい。基板１８，１９は、例えば、表面を疎水処理されたシリコン基板、ガラス基板、フッ素樹脂材料の基板を用いることができ、シリコン基板を用いることがＭＥＭＳ圧力センサ２２との一体化構造を形成し易い点で好ましい。液滴ＤＲ１，ＤＲ２は、圧力の計測および曲率半径の計測の観点から各々数μＬの量（体積）で十分である。

【0019】

ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、基板１８の表面に配置される。ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、後述するように、カンチレバーの表面側と背面側との圧力差（または、背面側の圧力が一定の場合は表面側の圧力）を、カンチレバーが撓むことで、ピエゾ抵抗層により電気抵抗値の変化として検出する。これにより、ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、結合前の液滴ＤＲ１内部の圧力と、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合後で形状が安定した結合液滴の内部の圧力を検出する。また、ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始める際の圧力の時間変化を検出する。ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、その大きさが液滴ＤＲ１の大きさ（例えば、基板表面１８ａに接触する液滴ＤＲ１の直径）よりも小さく、液滴ＤＲ１がＭＥＭＳ圧力センサ２２を覆うように形成される。ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、大きさが、例えば縦１０５μｍ、横８０μｍ、厚さ０．２μｍである。液滴ＤＲ１，ＤＲ２は、各々数μＬの量（体積）で十分であり、この量で液滴ＤＲ１が基板１８と接する界面が数ｍｍの直径となる。基板表面１８ａにおけるＭＥＭＳ圧力センサ２２の大きさが液滴ＤＲ１よりも十分小さいため、液滴ＤＲ１の周縁部の表面張力による影響等がＭＥＭＳ圧力センサ２２が検出する圧力に影響することを回避することができる。

【0020】

圧力計測部１２は、ＭＥＭＳ圧力センサ２２が検出した圧力が電気抵抗値として入力される。圧力計測部１２は、電気抵抗値を圧力に応じた出力信号（電圧）として演算部１４に出力する。圧力計測部１２は、結合前の液滴ＤＲ１の圧力と、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合後（つまり、結合液滴）の内部の圧力を出力する。圧力計測部１２は、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始める際の圧力の時間変化を出力する。

【0021】

カメラ１３は、液滴結合部１１の液滴ＤＲ１，ＤＲ２が結合する方向（Ｚ方向）に対して垂直な方向、すなわち、Ｚ方向に対して垂直な面内（ＸＹ面）に配置される。カメラ１３は、液滴結合部１１の液滴ＤＲ１，ＤＲ２が結合する前後で撮像し、撮像した撮像データを演算部１４に出力する。より具体的には、カメラ１３は、結合前の液滴結合部１１の液滴ＤＲ１を撮像し、第１撮像データとして演算部１４に出力する。カメラ１３は、液滴ＤＲ１，ＤＲ２が結合して形状が安定した結合液滴を撮像し、第２撮像データとして演算部１４に出力する。カメラ１３は、液滴ＤＲ１および結合液滴の曲率半径を算出可能な程度の解像度（例えば、５１２ピクセル×５１２ピクセル）で撮像可能であれば特に限定されない。例えば、第１および第２撮像データは、静止した液滴を撮像するものであるので、高速度の撮像速度のカメラでなくともよく、静止画像が撮像可能なデジタルカメラでよい。

【0022】

なお、計測装置１０は、カメラ１３が液滴結合部１１の液滴ＤＲ１が液滴ＤＲ２に接触する瞬間をモニターして、制御部１６がＸＹＺステージ２０のＺ方向への移動を停止するように構成してもよく、圧力変化、すなわちＭＥＭＳ圧力センサ２２または圧力計測部１２からの出力信号をモニターしてその変化から制御部１６がＸＹＺステージ２０のＺ方向への移動を停止するように構成してもよい。

【0023】

演算部１４は、機能構成部として、曲率半径演算部２３と、表面張力演算部２４と、粘度演算部２５とを含む。曲率半径演算部２３は、カメラ１３からの撮像データを受け取って液滴の曲率半径を算出する。曲率半径演算部２３は、第１撮像データから結合前の液滴結合部１１の液滴ＤＲ１の天頂付近の表面の曲率半径を算出する。曲率半径演算部２３は、第２撮像データから結合液滴の曲率半径を求める。表面張力演算部２４は、曲率半径演算部２３が算出した曲率半径と圧力計測部１２からの圧力とに基づいて表面張力を算出する。表面張力演算部２４は、表面張力を算出する際に、第１記憶部２６に予め記憶されている表面張力が既知の液体についての曲率半径および圧力と表面張力との関係を用いてもよい。粘度演算部２５は、圧力計測部１２からの液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始める際の圧力の時間変化（すなわち、圧力の変化速度）に基づいて粘度を算出する。粘度演算部２５は、粘度を算出する際に、第２記憶部２８に予め記憶されている粘度が既知の液体についての液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始める際の圧力の時間変化と粘度との関係を用いてもよい。

【0024】

記憶部１５は、機能構成部として、第１記憶部２６と第２記憶部２８とを含む。第１記憶部２６は、予め計測した、表面張力が既知の液体についての曲率半径および圧力と表面張力との関係を表すデータまたは関係式を記憶する。第２記憶部２８は、予め計測した、粘度が既知の液体についての液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始める際の圧力の時間変化と粘度との関係を表すデータまたは関係式を記憶する。

【0025】

演算部１４は、ハードウェア構成として、図示を省略するが、プロセッサ（ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）等）と、圧力計測部１２からの出力信号およびカメラ１３からの撮像データを受信する入力インタフェース、記憶部１５とを接続するバス、インタフェース等を含む。演算部１４は、圧力計測部１２からの出力信号がアナログ信号の場合は、アナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を含む。記憶部１５は、ハードウェア構成として、図示を省略するが、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の半導体メモリ、ハードディスクドライブ等を用いることができる。

【0026】

制御部１６は、計測装置１０の制御全般を行うことができる。制御部１６は、例えば、ＸＹＺステージ２０の移動の制御を行うことができ、カメラ１３が撮像する撮像データまたは、ＭＥＭＳ圧力センサ２２または圧力計測部１２からの出力信号をモニターして、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始める時点でＸＹＺステージ２０の＋Ｚ方向への移動を停止することができる。

【0027】

計測装置１０は、図示を省略するが、演算部１４により算出された表面張力および粘度の値を表示したり、圧力の時間変化を表示する表示部を含んでもよい。計測装置１０の圧力計測部１２、演算部１４および記憶部１５の機能を信号波形測定器、オシロスコープ等で構成してもよい。

【0028】

［表面張力の計測原理］
計測装置１０の表面張力の計測原理を説明する。液滴ＤＲ１，ＤＲ２の表面張力γと圧力との関係は、いわゆる式（１）のヤング・ラプラスの式で表される。
Δｐ＝γ（１／ＲＣ₁＋１／ＲＣ₂） ・・・（１）
ここで、Δｐはいわゆるラプラス圧力であり、気相と液相との圧力差つまり液滴の圧力と気圧との圧力差であり、ＲＣ₁，ＲＣ₂は、液滴の表面の曲率半径である。ＲＣ₁，ＲＣ₂は液滴の表面において互いに直交する仮想的な平面における曲率半径である。

【0029】

図２は、表面張力の計測原理を説明するための図であり、（ａ）は結合前の液滴を示す図であり、（ｂ）は結合後で形状が安定した結合液滴を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）の結合液滴の拡大斜視図である。なお（ｃ）では、基板１８，１９の図示を省略している。以下、図１を合わせて参照する。

【0030】

図２（ａ）を参照するに、結合前の液滴ＤＲ１の天頂ＴＰ付近の表面のＸＺ平面における接触円ＯＣ1を破線で示す。曲率半径は、接触円ＯＣ1の半径であり、Ｒで示す。ＸＺ平面に直交するＹＺ平面においても液滴ＤＲ１の天頂ＴＰ付近の表面の曲率半径はＲとなる。従って、結合前の液滴ＤＲ１について、上記式（１）は下記式（２）により表される。
ｐ₀－ｐ_AIR＝γ（２／Ｒ） ・・・（２）
ここで、ｐ₀は、液滴ＤＲ1の内部の圧力で、ＭＥＭＳ圧力センサ２２を用いて計測し、ｐ_AIRは液滴結合部１１の外部の雰囲気の気圧である。曲率半径演算部２３は、カメラ１３からの第１撮像データに基づいて、液滴ＤＲ１の曲率半径Ｒを算出する。

【0031】

図２（ｂ）を参照するに、結合液滴ＭＤＲは、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２との間にブリッジが形成されて結合し、形状が安定した液滴である。結合液滴ＭＤＲの表面は、上下の中央部分がＸＺ面において凹状となり、ＸＺ面において円を形成する鞍点ＳＰが形成される。鞍点ＳＰのＸＺ面における接触円ＯＣ2は図示のように表され、曲率半径をｒ₁で示す。

【0032】

図２（ｃ）を参照するに、結合液滴ＭＤＲの鞍点ＳＰのＸＹ面における接触円ＯＣ3は図示のように表され、曲率半径をｒ₂で示す。図２（ｂ）において示すように、カメラ１３は接触円ＯＣ3をＸＹ面内で（横から）撮像しているので、結合液滴ＭＤＲの鞍点ＳＰにおける幅は２ｒ₂となり、これにより曲率半径ｒ₂が算出できる。結合液滴ＭＤＲについて、上記式（１）は下記式（３）により表される。
ｐ₁－ｐ_AIR＝γ（１／ｒ₂－１／ｒ₁） ・・・（３）
ここで、ｐ₁は、結合液滴ＭＤＲの内部の圧力で、ＭＥＭＳ圧力センサ２２を用いて計測する。また、１／ｒ₁の符号が負（マイナス）になっているのは、液相側から気相側に向かって界面が凹になっている場合、曲率が負と定義しているからである。曲率半径演算部２３は、カメラ１３からの第２撮像データに基づいて、結合液滴ＭＤＲの曲率半径ｒ₁およびｒ₂を算出する。

【0033】

上記式（２）および（３）により、下記式（４）が得られる。
γ＝（ｐ₁－ｐ₀）／（１／ｒ₂－１／ｒ₁－２／Ｒ）・・・（４）
表面張力演算部２４は、式（４）の右辺により表面張力γを算出する。なお、表面張力γを算出する際に、式（４）の右辺の（ｐ₁－ｐ₀）を、ＭＥＭＳ圧力センサ２２の出力の抵抗値の変化率ΔＲ／Ｒに置き換えてもよい。この場合、表面張力演算部２４は、第１記憶部２６に記憶された、表面張力γが既知の液体についての曲率半径Ｒ、ｒ₁、ｒ₂およびＭＥＭＳ圧力センサ２２の抵抗値の変化率ΔＲ／Ｒと表面張力γとの関係、すなわち、（ΔＲ／Ｒ）／（１／ｒ₂－１／ｒ₁－２／Ｒ）と表面張力γとの関係を表すデータまたは関係式を用いることができる。

【0034】

なお、曲率半径演算部２３が曲率半径Ｒおよびｒ₁を算出する手法は公知の手法を用いることができる、例えば、曲率半径Ｒは、第１撮像データから液滴ＤＲ１の天頂ＴＰ付近のプロファイルを求め、天頂ＴＰにおいて円弧で近似した接触円ＯＣ1の半径として求めることができる。曲率半径ｒ₁も同様にして、結合液滴ＭＤＲの鞍点ＳＰにおける接触円ＯＣ2の半径として求めることができる。

【0035】

［粘度の計測原理］
計測装置１０の粘度の計測原理を説明する。計測装置１０は、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始める際の圧力の時間変化に基づいて粘度を算出する。

【0036】

図３は、粘度の計測原理を説明するための図であり、（ａ）は液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始める様子を示す図であり、（ｂ）は結合後の形状変化を示す写真であり、（ｃ）は圧力の時間変化を示す図である。以下、図１を合わせて参照する。

【0037】

図３（ａ）を参照するに、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが接触すると、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とを接続する領域（ブリッジ）ＢＲが形成され結合が始まる。この時点を時刻の始点として０ｍｓ（ミリ秒）として、その後の液滴の形状の時間的変化を図３（ｂ）に示す。時間が経過するにつれてブリッジの横幅が次第に大きくなるように変化する。５００ｍｓ後には形状の変化が停止し、安定した形状になる（先の図２（ｂ）および（ｃ）に模式的に示した図と同じ状態である。）。図３（ｃ）は、ＭＥＭＳ圧力センサ２２および圧力計測部１２で計測した圧力ｐ（ｔ）の時間変化を示している。圧力ｐ（ｔ）は時間経過に伴って線形的に増加しており、下記式（５）で表すことができる。
ｐ（ｔ）＝ｋｔ ・・・（５）
ここで、ｋは圧力ｐ（ｔ）の時間変化率、ｔは液滴が接触し始めてからの時間（秒）である。なお、圧力ｐ（ｔ）は、ＭＥＭＳ圧力センサ２２のピエゾ抵抗層の電気抵抗値の変化率（ΔＲ（ｔ）／Ｒ）を用いてもよい。以下、ΔＲ／Ｒの時間の変化を加味する場合にΔＲ（ｔ）／Ｒと表す。

【0038】

本発明者は、時間変化率ｋは、液滴を形成する液体の粘度μと関係があることを見出した。すなわち、ＭＥＭＳ圧力センサ２２によって、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが接触し始めた直後の圧力に対応するΔＲ／Ｒを検出し、粘度演算部２５においてΔＲ／Ｒの時間変化率あるいは圧力の変化率により液体の粘度μを算出する。

【0039】

なお、粘度演算部２５は、粘度を算出する際に、第２記憶部２８に記憶された、粘度μが既知の液体についての液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始める際の圧力の時間変化ｋと粘度μとの関係を表すデータまたは関係式を用いることができる。

【0040】

図４は、ＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を示す斜視図である。図５は、ＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を示す断面図であり、図４に示すＡＡ断面図である。なお、図４では、図示の便宜のため図５に示す絶縁層４０を省略している。

【0041】

図４および図５を参照するに、ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、基板表面１８ａに配置される。ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、基板表面１８ａとＭＥＭＳ圧力センサ２２とが段差なく連続するように配置されることが好ましい。ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、枠状のシリコン基板３０と、その上に酸化シリコン層３１と、シリコン層３２とがこの順に積層されている。ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、開口部３０ａに、弾性要素としてカンチレバー３３が設けられる。カンチレバー３３は、基部３３ａが枠状のシリコン基板３０および酸化シリコン層３１の積層体に支持され、先端部３３ｂが自由端である。カンチレバー３３は、いわゆる片持ち梁形状を有し、例えば長さが１００μｍ、幅８０μｍである。カンチレバー３３は、弾性を有する材料であれば特に限定されない。カンチレバー３３の両側および先端部には、開口部３０ｓが設けられている。開口部３０ｓの幅は例えば１μｍ以下である。

【0042】

本実施形態において、カンチレバー３３には、シリコン層３２の表面から深さ方向に、歪み検出層としてピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄが形成される。シリコン層３２およびピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄの一部の上に導電層３６および電極３８、３９が形成される。ピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄは、それぞれ、カンチレバー３３の基部側の２つの脚部３３ｃ、３３ｄに形成される。枠状のシリコン基板３０および酸化シリコン層３１の積層体の表面には、電極３８、３９が形成されている。カンチレバー３３の表面には、導電層３６が形成されている。

【0043】

ピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄ、導電層３６および電極３８、３９の表面に絶縁層４０が形成され、液滴が導電性の場合に電気的に短絡することを防止する。絶縁層４０は、酸化シリコン、パリレン（登録商標）、ゴム材例えばシリコーンゴム等を用いることができる。絶縁層４０は、カンチレバー３３の振動を阻害しない程度に薄膜であることが好ましい。

【0044】

脚部３３ｃと脚部３３ｄとの間の切り欠き部４１は、液滴ＤＲ1の内部の圧力に対するカンチレバー３３のたわみを調整して力に対する感度を調整するもので、その幅は適宜選択される。

【0045】

電極３８は、脚部３３ｃの基部側において、ピエゾ抵抗層３４ｃの一端に接触して形成されており、ピエゾ抵抗層３４ｃに電気的に接続される。電極３９は、脚部３３ｄの基部側において、ピエゾ抵抗層３４ｄの一端に接触して形成されており、ピエゾ抵抗層３４ｄに電気的に接続される。導電層３６は、脚部３３ｃの先端部において、ピエゾ抵抗層３４ｃの他端に接触して形成されており、ピエゾ抵抗層３４ｃに電気的に接続される。導電層３６は、さらに、脚部３３ｄの先端部において、ピエゾ抵抗層３４ｄの他端に接触して形成されておりピエゾ抵抗層３４ｄに電気的に接続される。これにより、電極３８、ピエゾ抵抗層３４ｃ、導電層３６、ピエゾ抵抗層３４ｄおよび電極３９の直列回路が形成される。

【0046】

ピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄは、例えば、シリコン層３２に不純物イオン、例えば、リンイオンをドープした領域であり、ピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄに応力が作用すると、歪みが生じ、歪みに応じて電気抵抗値が変化する。カンチレバー３３は、液滴ＤＲ1から受ける圧力に応じて脚部３３ｃ、３３ｄが湾曲する。脚部３３ｃ、３３ｄが湾曲すると、ピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄに応力が作用し、歪が発生して、電気抵抗値が変化してピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄの両端間の電気抵抗値Ｒが変化する。電気抵抗値の変化率ΔＲ／Ｒを、後述するホイートストンブリッジ回路により出力信号に変換する。ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、分解能が０．１Ｐａ以下を有している。

【0047】

ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、カンチレバー３３の代替例として、その脚部が１つでもよく、３つ以上でもよい。これにより作用する力に応じてカンチレバーの脚部の湾曲の度合いを調整でき、目的とする圧力範囲に応じてＭＥＭＳ圧力センサの選択が可能となる。

【0048】

ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、弾性要素が、カンチレバー３３の代わりに、両持ち梁形状またはダイアフラム形状に形成されてもよい。

【0049】

図６は、圧力計測部の概略の回路構成を示す図であり、ＭＥＭＳ圧力センサのピエゾ抵抗層の電気抵抗も合わせて示している。

【0050】

図６を参照するに、圧力計測部１２は、ピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄの抵抗Ｒおよび３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３（各符号は抵抗値も表す。）を含むホイートストンブリッジ回路４５と、差動増幅器４６とを含む。

【0051】

ホイートストンブリッジ回路４５は、ピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄの合成抵抗値Ｒ、歪みによる抵抗値の変化をΔＲとすると、ホイートストンブリッジ回路４５のＰＱ間の出力電圧Ｖ_P-Qは、下記式（６）で表される。
Ｖ_P-Q＝１／４×ΔＲ／Ｒ×Ｅ ・・・（６）
ただし、ホイートストンブリッジ回路４５の平衡をとるため、Ｒ×Ｒ２＝Ｒ１×Ｒ３になるように抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を設定する。平衡をとったときのＲをＲ₀とする。直流電源Ｅはホイートストンブリッジ回路４５のＡＢ間に接続され、電圧Ｅ（Ｖ）である。例えば、Ｅ＝１Ｖ（ボルト）、ΔＲ／Ｒ＝０．００１であると、Ｖ_P-Q＝０．２５ｍＶ（ミリボルト）の出力が得られる。

【0052】

差動増幅器４６は、出力電圧Ｖ_P-Qをホイートストンブリッジ回路４５のＰＱ間に接続され、出力電圧Ｖ_P-Qを増幅し、演算部１４に出力する。

【0053】

本実施形態によれば、表面にＭＥＭＳ圧力センサ２２が設けられた基板１８に、ＭＥＭＳ圧力センサ２２を覆うように測定対象の液体の液滴ＤＲ１を形成し、ＸＹＺステージ２０により基板１９に形成した測定対象の液体の液滴ＤＲ２と結合させて、結合される前後の液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とをカメラ１３によって撮像し、ＭＥＭＳ圧力センサ２２からの出力信号に基づいて結合前の液滴ＤＲ１の内部の圧力と液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合後の内部の圧力を圧力計測部１２によって計測し、カメラ１３が撮像した画像と圧力計測部１２が計測した圧力に基づいて、演算部１４が液体の表面張力と粘度とを算出することができる計測装置１０が提供される。

【0054】

なお、本実施形態では、基板１８をＸＹＺステージ２０により移動し、基板１９を固定治具２１により固定したが、基板１８を固定して基板１９を－Ｚ方向に移動するように構成してもよい。具体的には、例えば、固定治具の支柱を伸縮する手段を設けて、基板１９をＺ方向に上下するようにしてもよい。また、基板１８および基板１９を垂直に立てて基板表面１８ａ、１９ａがＹＺ面に平行になるように配置し、互いに対向する表面に液滴ＤＲ１、ＤＲ２を形成し、ＸＹＺステージ２０により基板１８および基板１９のいずれか一方をＸ方向に移動して液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とを結合するように構成してもよい。またさらに、基板１８および基板１９を任意の角度に傾けてかつ互いに対向するように配置してもよい。

【0055】

図７は、一実施形態に係る表面張力および粘度の計測方法のフローチャートである。図７を図１～図３とともに参照しつつ、計測方法を説明する。

【0056】

最初に、基板１８に設けられたＭＥＭＳ圧力センサ２２を覆うように液滴ＤＲ１を形成する（Ｓ１００）。具体的には、シリンジ等により計測対象の液体を一滴基板１８の表面１８ａに配置されたＭＥＭＳ圧力センサ２２上に滴下する。液滴ＤＲ１はＭＥＭＳ圧力センサ２２を覆うようにする。

【0057】

次いで、液滴ＤＲ１をカメラ１３により撮像する（Ｓ１１０）。この画像を第１撮像データとして演算部１４に出力する。

【0058】

次いで、ＭＥＭＳ圧力センサ２２および圧力計測部１２により液滴ＤＲ１の内部の圧力ｐ₀を計測する（Ｓ１２０）。具体的には、図４および５に示したＭＥＭＳ圧力センサ２２のカンチレバー３３に作用する液滴ＤＲ１の内部の圧力ｐ₀をピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄの電気抵抗値として検出し、圧力計測部１２により圧力ｐ₀に応じた出力信号を演算部１４に出力する。なお、Ｓ１２０は、Ｓ１１０と同時に行ってもよく、Ｓ１１０の前に行ってもよい。

【0059】

次いで、液滴ＤＲ２を供給して液滴ＤＲ１と結合する（Ｓ１３０）。具体的には、基板１９に液滴ＤＲ２を形成する。液滴ＤＲ２の体積は液滴ＤＲ１と同程度であればよい。ＸＹＺステージ２０により基板１８を＋Ｚ方向に移動して、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが接触する位置でＸＹＺステージ２０を停止する。これにより、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合を始め、例えば、図３（ｂ）に示したように、液滴の形状が変化し、数１００ｍｓ後に形状が安定して、結合液滴ＭＤＲが形成される。

【0060】

次いで、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始めた直後において、時間に対する圧力ｐ（ｔ）の時間変化と結合液滴ＭＤＲの内部の圧力ｐ₁とを計測する（Ｓ１４０）。具体的には、ＭＥＭＳ圧力センサ２２および圧力計測部１２により液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始めた直後の圧力ｐ（ｔ）（またはΔＲ（ｔ）／Ｒ））の時間変化を計測し、圧力ｐ（ｔ）（またはΔＲ（ｔ）／Ｒ））に応じた出力信号を演算部１４に出力する。また、同様にして液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合して形状が安定した（例えば、結合開始から数１００ｍｓ後の）結合液滴ＭＤＲの内部の圧力ｐ₁（またはΔＲ／Ｒ）を計測して圧力ｐ₁（またはΔＲ／Ｒ）に応じた出力信号を演算部１４に出力する。

【0061】

次いで、結合液滴ＭＤＲをカメラ１３により撮像する（Ｓ１５０）。この画像を第２撮像データとして演算部１４に出力する。なお、Ｓ１５０は、Ｓ１４０の結合液滴ＭＤＲの圧力ｐ₁の計測と同時に行ってもよく、結合液滴ＭＤＲの内部の圧力ｐ₁の計測よりも前に行ってもよい。

【0062】

次いで、粘度演算部２５は、圧力ｐ（ｔ）（またはΔＲ（ｔ）／Ｒ））の時間変化に基づいて粘度μを算出する（Ｓ１６０）。具体的には、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始めた直後の圧力ｐ（ｔ）（またはΔＲ（ｔ）／Ｒ））の時間変化から上記式（５）の時間変化率ｋを算出する。粘度演算部２５は、時間変化率ｋと粘度μとの関係を表すデータまたは関係式から粘度μを算出する。

【0063】

次いで、曲率半径演算部２３が第１および第２撮像データから液滴ＤＲ１の曲率半径Ｒ、結合液滴ＭＤＲの曲率半径ｒ₁およびｒ₂を算出し、表面張力演算部２４は、曲率半径Ｒ、ｒ₁およびｒ₂と圧力ｐ₀およびｐ₁とに基づいて液体の表面張力γを算出する（Ｓ１７０）。なお、Ｓ１７０はＳ１６０と同時に行ってもよく、Ｓ１６０の前に行ってもよい。

【0064】

本実施形態に係る計測方法によれば、計測対象の液体の液滴ＤＲ１および液滴ＤＲ２について、カメラ１３が撮像した、結合前の液滴ＤＲ１の第１撮像データおよび結合後の結合液滴ＭＤＲの第２撮像データを取得して、曲率半径演算部２３が算出した曲率半径Ｒ、ｒ₁およびｒ₂と、ＭＥＭＳ圧力センサ２２および圧力計測部１２により計測した、結合前の液滴ＤＲ１の圧力ｐ₀および結合後の結合液滴ＭＤＲの圧力ｐ₁とから表面張力演算部２４が表面張力γを算出する。これに並行して、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始めた直後において、ＭＥＭＳ圧力センサ２２および圧力計測部１２により計測した時間に対する圧力ｐ（ｔ）の時間変化に基づいて粘度演算部２５が粘度μを算出する。これにより計測対象の液体の表面張力γおよび粘度μを２つの液滴ＤＲ１および液滴ＤＲ２により並行して計測することができる。

【0065】

図８は、一実施形態に係る計測装置の液滴結合部の変形例１を示す図である。図８を参照するに、変形例１は液滴供給手段としての図１に示した基板１９に代えてシリンジ５０を用いる例である。シリンジ５０に計測対象の液体を充填し、シリンジ５０に設けられたニードル５１により液滴ＤＲ２を供給する。液滴ＤＲ２は、液滴ＤＲ１に接触する位置で停止するように供給する。これにより、上記実施形態と同様に結合液滴ＭＤＲを形成することができ、同様の計測装置および計測方法により計測対象の液体の表面張力γおよび粘度μを計測できる。

【0066】

図９は、計測装置の液滴結合部の変形例２を示す図である。図９を参照するに、変形例２は液滴供給手段としてシリンジ５０を用いて基板１８に液滴ＤＲ２－１を形成し、液滴ＤＲ１に接触するまでシリンジ５０から追加して液体を吐出して拡大した液滴ＤＲ－２を形成する。これにより、融合液滴が基板１８の表面１８ａにおいて形成され、上記実施形態と同様の計測装置および計測方法により計測対象の液体の表面張力γおよび粘度μを計測できる。

【0067】

図１０は、計測装置の液滴結合部の変形例３を示す図である。図１０を参照するに、変形例３は液滴供給手段として移動ステージ５２に設けた針状部材５３を用いる。針状部材５３の先端部を液滴ＤＲ２に挿入し、移動ステージ５２により矢印の方向に移動することで、液滴ＤＲ２を液滴ＤＲ１に接触する位置まで移動する。これにより、融合液滴が基板１８の表面１８ａにおいて形成され、上記実施形態と同様の計測装置および計測方法により計測対象の液体の表面張力γおよび粘度μを計測できる。

【0068】

図１１は、計測装置の液滴結合部の変形例４を示す図である。図１１を参照するに、変形例４は液滴供給手段としてＥｌｅｃｔｒｏ Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ（ＥＷＯＤ）手法を用いて、基板５４の裏面に電極パターン５５を形成し、電圧印加部５６により電極パターン５５に電圧を印加して液滴ＤＲ２を液滴ＤＲ１に接触する位置まで移動する。これにより、結合液滴が基板５４の表面５４ａにおいて形成され、上記実施形態と同様の計測装置および計測方法により計測対象の液体の表面張力γおよび粘度μを計測できる。

【0069】

［実施例］
図１に示した計測装置１０を用いて、試料として純水（超純水（電気抵抗率：１６ＭΩ・ｃｍ））、グリセリン（富士フィルム和光純薬社製グリセリン）、エタノール（富士フィルム和光純薬社製エタノール（９９．５））、シリコーンオイル（信越化学工業社製ＨＩＶＡＣ Ｆ－4およびＦ－５）、これらの混合物としてグリセリン水溶液（水：グリセリン＝４：６、１：１）およびエタノール水溶液（水：エタノール＝１：４）を用いて表面張力および粘度を計測した。括弧内は質量比を示す。カメラ１３は、高速度カメラ（フォトロン社製 モデルＦＡＳＴＣＡＭ ＳＡ－Ｚ、撮像速度５００００フレーム／秒）を用いて液滴ＤＲ１、ＤＲ２および結合液滴ＭＤＲの撮像を行った。ＭＥＭＳ圧力センサ２２は、図４および図５に示した構造を有するものを用いた。演算部１４として、ハードウェアとしてパソコン、ソフトウェアとしてＭａｔｈｅｍａｔｉｃａ（Ｗｏｌｆｒａｍ社製バージョン１１．２）を用いて、撮像データから曲率半径Ｒ、ｒ₁およびｒ₂を算出した。

【0070】

図１２は、実施例の液滴結合時の圧力値の時間変化の例を示す図である。横軸は時間（単位：ミリ秒）であり、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始めた時間を０としている。縦軸は圧力計測部の出力を電気抵抗値の変化率ΔＲ（ｔ）／Ｒ₀で表しており、圧力に対応している。Ｒ₀は、図６に示したホイートストンブリッジ回路４５が平衡となる電気抵抗Ｒ₀の電気抵抗値であり、ΔＲ（ｔ）は、液滴が結合する前の液滴ＤＲ１についての電気抵抗値からの変化量を表す。

【0071】

図１２を参照するに、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始めると、ΔＲ（ｔ）／Ｒ₀が急激に増加し、数１００ミリ秒後にはほぼ安定する。これは、図３（ｂ）に示したように結合した液滴が安定な形状に変化したことと一致していることが分かった。数１００ミリ秒後のΔＲ（ｔ）／Ｒ₀は、上記式（４）の右辺の（ｐ₁－ｐ₀）に対応し、（ΔＲ／Ｒ₀）_EQUと称する。

【0072】

図１３は、実施例の表面張力に関する計測値と表面張力（文献値）との関係を示す図である。縦軸は、（ΔＲ／Ｒ₀）_EQU／ΔＨであり、ΔＨ＝（１／ｒ₂－１／ｒ₁－２／Ｒ）であり、上記式（４）の右辺に対応する。横軸は、文献値の表面張力を参考にした値である。純水、エタノールおよびエタノール水溶液については、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｄａｔａ，１９９５，４０，ｐｐ６１１－６１４の図１のグラフより求めた。グリセリンおよびグリセリン水溶液については、Ｋ．Ｔａｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ． Ｊ．Ｐｅｔ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．９８－９９（２０１２）ｐｐ５０－６０を参考にした。ＨＩＶＡＣ Ｆ－４およびＦ－６についてはカタログ値を用いた。計測温度は２３℃である。

【0073】

図１３を参照するに、表面張力に関する計測値は、文献値の２０～７０ｍＮ／ｍの広範囲の表面張力に対して線型の関係であることが分かった。このことから、計測装置１０により様々な液体の表面張力が測定できることが分かった。

【0074】

図１４は、実施例の液滴結合直後の圧力値の時間変化の例を示す図であり、図１２の時間ｔ＝０付近を拡大して示した図である。横軸は時間（単位：ミリ秒）であり、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始めた時間を０としている。縦軸は図１２と同様である。図１４を参照するに、液滴ＤＲ１と液滴ＤＲ２とが結合し始めると、ΔＲ／Ｒ₀がほぼ線形的に増加することが分かる。ΔＲ（ｔ）／Ｒ₀の時間変化率（上記式（５）の右辺の圧力ｐ（ｔ）の時間変化率ｋに対応する。）。この時間変化率をｋとする。なお、エタノールおよびエタノール水溶液については圧力の時間変化を計測しなかった。

【0075】

図１５は、実施例の粘度に関する計測値と試料を別の装置より測定した粘度との関係を示す図である。縦軸は、図１４において算出した時間変化率ｋであり、横軸は試料を市販粘度計（京都電子工業社製ＥＭＳ粘度計、モデルＥＭＳ－１０００Ｓ）を用いて計測した粘度であり、計測温度は２３℃である。図１５を参照するに、時間変化率ｋは、１～１０００ｍＰａ・ｓの広範囲の粘度において市販粘度計の計測値と対応していることが分かった。このことから、実施例の計測装置１０によって粘度を計測できることが分かった。

【0076】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。上記実施形態に係る計測装置は粘度および表面張力の両方を並行して測定可能であるが、粘度および表面張力のいずれか一方だけを計測可能であることは明らかである。ＭＥＭＳ圧力センサ２２のピエゾ抵抗層３４ｃ、３４ｄの代わりに、ピエゾ圧電層を採用してもよい。ピエゾ圧電層を用いる場合は、図６に示した圧力計測部１２のホイートストンブリッジ回路４５を省略する。

【符号の説明】

【0077】

１０ 計測装置
１１ 液滴結合部
１２ 圧力計測部
１３ カメラ
１４ 演算部
１５ 記憶部
１６ 制御部
１８，１９ 基板
２０ ＸＹＺステージ
２２ 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサ
ＤＲ１，ＤＲ１ 液滴

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】