JP2001318040A - 液体の粘性測定法と粘弾性測定法並びに粘弾性測定装置 - Google Patents

液体の粘性測定法と粘弾性測定法並びに粘弾性測定装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】粘弾性を有しない液体から粘弾性を富有する液
体に亘る各種測定液の粘性値と粘弾性値を的確に把握す
ることができる、液体の粘性測定法と粘弾性測定法と同
装置を提供する。 【解決手段】振動子１にて検液子３を振動させ、この検
液子３の液体４内における振動を検出し、この振動から
液体４の粘性を測定する液体の粘性測定法において、上
記振動から液体固有の粘弾性に起因して変化する周波数
と振幅を検出し、該周波数と振幅から液体のインピーダ
ンスを求め、該インピーダンスの実数部及び虚数部から
動的粘性値を求める液体の粘性測定法。又は上記インピ
ーダンスの実数部及び虚数部から液体の動的粘性値と動
的弾性値と静的粘性値を求める液体の粘弾性測定法。並
びにこれら粘性測定と粘弾性測定を行うための振動形検
液装置Ｕと周波数・振幅検出回路７，８と、インピーダ
ンス演算回路９と上記各値を演算する回路１０ａ，１０
ｂとから成る装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は振動形検液装置を用
いて測定液の粘性と粘弾性とを適正に把握できるように
した、液体の粘性測定法と粘弾性測定法と粘弾性測定装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】特公平５−２０６９２号等に代表される
振動形検液装置Ｕは、図２に示すように、圧電素子から
成る圧電振動子１の振動を振動伝達軸２を介して検液子
３に伝達して共振させ、該検液子３を測定液４中に浸着
して振動させることにより液体の粘性抵抗を感知し、こ
の粘性抵抗に応じた振動の振幅を伝達軸２端に設けた圧
電素子から成る角加速度センサー５により検出して粘性
を測定する方法を採っている。
【０００３】即ち複数の粘度標準液（ＪＩＳに定められ
ているニュートン液体）における振動の静的粘性値（粘
度）対振幅の曲線を予め求めて置き、他方実際の測定液
の振動の振幅を求め、上記静的粘性値（粘度）対振幅の
曲線上における該振幅に相当する粘性値を、該測定液の
粘性値と看倣す測定法を採っていた。つまり振幅を粘性
値を定める変数と看倣す測定法を採っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、液体内
における検液子の振動の振幅から静的粘性値を求め、こ
れを液体の粘性としているが、この測定法は一般にニュ
ートン液体として取り扱われている水やガソリンやオイ
ル等の測定液が真にニュートン液体と等価的な液体であ
るという前提に立つならば、正しい測定法であると言え
る。
【０００５】一方フィルム感光剤等の高分子溶液や紙の
コーティング材の如き粘弾性を富有する液体についても
ニュートン液体と看倣し、上記ニュートン液体に基づく
測定法を適用していたが、これら液体はニュートン液体
では予定されていない粘弾性を富有しているため、上記
測定法による粘性値は実際の粘性値を正しく反映してい
るとは言い難い。
【０００６】発明者はこの点を解明すべく、上記非ニュ
ートン液体並びにニュートン液体について様々な共振周
波数の検液子を用いその粘性測定を重ねた結果、この検
液子の振動により検出される動的粘性値が液体の粘性並
びに粘弾性の測定要素として重要な要素となっており、
且つこれらの液体における上記動的粘性値は上記静的粘
性値と必ずしも等価ではなく、この動的粘性値と静的粘
性値の差は振動の周波数が増加する程顕著（動的粘性値
は周波数依存性が高い）となることから、動的粘性値は
周波数を介して粘性と粘弾性を反映していることを見出
した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記考察に基づき、振動
子にて検液子を振動させて液体内における振動を検出
し、この振動から液体の粘性又は弾性を測定する液体の
粘性測定法、又は粘弾性測定法において、上記振動から
液体固有の粘弾性に起因して変化する周波数と振幅を検
出し、該周波数と振幅から液体のインピーダンスを求
め、該インピーダンスの実数部及び虚数部から動的粘性
値又は／及び動的弾性値を求める。
【０００８】又は上記振動から液体固有の粘弾性に起因
して変化する周波数と振幅を検出し、該周波数と振幅か
ら液体のインピーダンスを求め、該インピーダンスの実
数部及び虚数部から上記動的粘性値と動的弾性値と静的
粘性値を求める。
【０００９】上記方法によって、円方向振動等の往復振
動モードを有する振動形検液装置を用いた場合におけ
る、上記粘弾性を有しない液体から粘弾性を富有する液
体に至る各種測定液の粘性値と粘弾性値を的確に把握す
ることができる、液体の粘性測定法と粘弾性測定法を提
供するものである。
【００１０】又振動子を駆動源として液体内において共
振される検液子と、該検液子の液体内における振動の周
波数を検出する回路と、該振動の振幅を検出する回路
と、該振動における周波数と振幅から上記振動子のイン
ピーダンスを演算する回路と、該インピーダンス演算回
路により演算されたインピーダンスの実数部と虚数部か
ら液体の動的粘性値と動的弾性値と静的粘性値を演算す
る回路とから成る液体の粘弾性測定装置を提供するもの
である。
【００１１】殊に本発明は、シリコンオイル、合成樹脂
製品の原料である合成樹脂液の如き高分子溶液の物性を
左右する粘弾性的性質（粘性と弾性）を、高精度且つリ
アルタイムで容易に測定できる測定法と装置を提供する
ものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】図２に示す電気−機械変換手段で
ある圧電素子から成る振動子１、又は図示しないが、磁
力により検液子を振動せしめる磁気−機械変換手段から
成る振動子１と検液子３とを振動伝達軸２を介して振動
軸線が一致する線上において直結し、振動子１の振動を
この振動伝達軸２を介して検液子３に伝達して共振させ
る測定法を用い、即ち三者１，２，３を所定の共振周波
数を以て共振させる測定法を用い、該検液子３を測定液
４中に浸着して振動（共振）させることにより液体の粘
性抵抗を感知し、この粘性抵抗に応じた振動の振幅と周
波数を伝達軸２の検液子３とは反対の端部に設けた圧電
素子から成る角加速度センサー５により検出して粘性を
測定する方法を採る。
【００１３】上記振動子１，振動伝達軸２，検液子３，
角加速度センサー５で振動形検液装置Ｕが構成され、こ
の振動形検液装置Ｕで振動される振動子１の振動形態
は、上記軸線を中心とする円軌跡上において一定の回動
角を以て往復動する円方向振動モードでの共振である。
【００１４】上記振動子１にて検液子３を振動（共振）
させ、この検液子３の液体４内における振動（共振）の
変化を検出し、この振動の変化から液体４の粘性を測定
する液体の粘性測定法であり、この粘性測定法において
上記変化した振動（共振）の周波数と振幅から液体４の
動的粘性値を求め、これから液体４の粘性を把握する。
【００１５】この発展例として、振動子１にて検液子３
を振動（共振）させ、この検液子３の液体４内における
振動（共振）の変化を検出し、この振動の変化から液体
４の粘性と弾性を測定する液体４の粘弾性測定法におい
て、上記変化した振動の周波数と振幅から液体４の動的
粘性値を求め、更に同周波数と振幅から液体４の動的弾
性値を求め、これから上記液体４の粘弾性を把握する。
【００１６】更に他の発展例として、振動子１にて検液
子３を振動（共振）させ、この検液子３の液体４内にお
ける振動（共振）の変化を検出し、この振動の変化から
液体４の粘性と弾性を測定する液体４の粘弾性測定法に
おいて、上記変化した振動の周波数と振幅から液体の動
的粘性値を求め、更に上記振動の周波数と振幅から液体
の動的弾性値を求め、上記動的粘性値と動的弾性値から
静的粘性値を求め、これらから上記液体４の粘性と粘弾
性を把握する。
【００１７】次に図１に基づき液体の粘性測定法と粘弾
性測定法の回路例について説明する。
【００１８】上記振動子１と角加速度センサー５に発振
制御回路６を介して、共振周波数を検出する周波数検出
回路７と、該共振周波数における振幅を検出する振幅検
出回路８とを並列に接続する。
【００１９】更に上記周波数検出回路７と振幅検出回路
８に、その振動における周波数と振幅から振動子１のイ
ンピーダンスを演算するインピーダンス演算回路９を接
続し、このインピーダンス演算回路９に動的粘性値と動
的弾性値の演算回路１０ａと、静的粘性値の演算回路１
０ｂを接続する。
【００２０】上記インピーダンス演算回路９は、振動子
１のインピーダンスの実数部と虚数部を演算し、この演
算値から演算回路１０ａ，１０ｂにて動的粘性値と、動
的弾性値と、静的粘性値を演算する。これを表示部１１
に表示する。
【００２１】上記発振制御回路６はＰＬＬ（フェーズロ
ック回路）から成り、前記ニュートン液体及び非ニュー
トン液体に相当する各種液体４に検液子３を浸着して共
振させた場合における、振動子１の駆動電圧信号と角加
速度センサー５の出力電圧信号の位相を対比し、常に両
者の位相が所定の位相差になるように制御する。即ち振
動子１が検液子３を液体４に浸着した時の共振周波数で
常に共振するように発振する発振制御回路である。
【００２２】又上記振動形検液装置Ｕに温度センサー１
２を一体に具備させ、検液子３を液体４に浸着した時
に、温度センサー１２が同時に浸着されるようにし、こ
の温度センサー１２で検出された温度を温度補正演算回
路１３に入力し、この温度補正演算回路１３を上記イン
ピーダンス演算回路９に接続し、温度補正演算回路１３
において演算された補正値をインピーダンス演算回路９
における演算値として供し、このインピーダンス演算回
路９にて、その時の温度における前記インピーダンスを
正しく演算し、動的粘性値と動的弾性値の演算回路１０
ａと、静的粘性値の演算回路１０ｂへ出力し、表示部１
１にて表示する。
【００２３】以上説明した液体の粘性測定法と粘弾性測
定法について、下記の数式１乃至数式９を用いて更に説
明する。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】
【数３】
【００２７】
【数４】
【００２８】
【数５】
【００２９】
【数６】
【００３０】
【数７】
【００３１】
【数８】
【００３２】
【数９】
【００３３】＜数式１の説明＞
【００３４】発振制御回路６によって駆動された振動子
１は液体４中において共振周波数ｆで共振し、電気的な
信号Ｖ．ｅｘｐ（ｊ２πｆｔ）を周波数検出回路７及び
振幅検出回路８に出力する。ｊは単位虚数である。周波
数検出回路７は該信号から共振周波数ｆを検出し、これ
をインピーダンス演算回路９に入力する。
【００３５】同様に、振幅検出回路８は上記電気的な信
号から上記共振周波数ｆにおける振動振幅を電圧値Ｖと
して検出し、インピーダンス演算回路９に出力する。
【００３６】インピーダンス演算回路９に予め記憶させ
てある空気中（液体４中に浸漬しない状態）での共振周
波数ｆ０と、上記液体４中における共振周波数ｆとか
ら、周波数偏差値Ｄを演算する。
【００３７】＜数式２の説明＞
【００３８】上記数式１で求めた周波数偏差値Ｄと、イ
ンピーダンス演算回路９に予め記憶させてある振動子１
の寸法等によって定められる固有の常数Ｋを用いて、イ
ンピーダンスの虚数部を同虚数部の二乗に比例した値Ｘ
として演算により求める。
【００３９】＜数式３の説明＞
【００４０】同様に、インピーダンス演算回路９に予め
記憶させてある粘度標準液の粘性値及び密度等の粘度標
準液の物性値により定まる固有の値Ｎと、上記粘度標準
液に浸漬され共振させた時の電圧値Ｖ０、及び振動子１
に固有で振動形検液装置Ｕの内部抵抗に比例した値χと
上記電圧値Ｖと、数式１で求めた周波数偏差値Ｄを用
い、インピーダンスの実数部を同実数部の二乗に比例し
た値Ｒとして演算により求める。
【００４１】＜数式４，数式５の説明＞
【００４２】上記数式２で求められた実数部に対応する
値Ｒと数式３で求められた虚数部に対応する値Ｘを、動
的粘性値と動的弾性値の演算回路１０ａに与え、数式
４，数式５により動的粘性値η及び動的弾性値Ｇを演算
する。ここでωは共振角周波数であり、上記共振周波数
ｆとは数式５の下段の式で示される関係にある。又ρは
液体の密度である。
【００４３】＜数式６，数式７，数式８の説明＞
【００４４】一方、静的粘性値の演算回路１０ｂにおい
ては、数式２，３で求めたインピーダンスの実数部の二
乗に比例した値Ｒと、インピーダンスの虚数部の二乗に
比例した値Ｘを用いて、位相角のｓｉｎであるＹと位相
角のｔａｎであるＴを数式６，数式７により演算し、こ
れら（Ｒ，Ｙ，Ｔ）を用いて数式８により静的粘性値η
０を演算する。或いは上記数式４，５で求められた動的
粘性値ηと動的弾性値Ｇと数式７より求められたＴを用
いて数式８により静的粘性値η０を求める。
【００４５】＜数式９の説明＞
【００４６】表示部１１は動的粘性値ηと動的弾性値Ｇ
及び静的粘性値η０を表示すると共に、数式９で求めた
粘弾性値（複素粘性値）η′、位相角のｔａｎの値Ｔを
表示する。
【００４７】前記温度センサー１２で検出された温度を
温度補正演算回路１３に入力し、この温度補正演算回路
１３を上記インピーダンス演算回路９に接続し、温度補
正演算回路１３において演算された補正値をインピーダ
ンス演算回路９における演算値として供し、このインピ
ーダンス演算回路９にて、その時の温度における前記イ
ンピーダンスを正しく演算し、動的粘性値と動的弾性値
の演算回路１０ａと静的粘性値の演算回路１０ｂへ出力
する。
【００４８】温度補正演算回路１３は、共振周波数の変
動要因である温度による検液子３の熱伸縮による誤差を
検出し、補正するために設けられたものであり、この演
算回路１３の出力をインピーダンス演算回路９に入力
し、前記数式１乃至数式９の演算値の補正値として用い
る。
【００４９】検液子を一定方向に回転させる場合の如
き、非振動モードで作動（一定の周波数で振動させる場
合のような周波数の概念はない）させて液体の粘性を測
定する場合を静的粘性値と言い、上記非振動モードでの
測定では液体の粘弾性的性質を測ることができない。
【００５０】他方検液子を一定の周波数を持つ振動モー
ドで作動させて粘度を測定する場合の粘性値を動的粘性
値と言い、本発明は後述するように、検液子３を振動モ
ードで作動させて検出した周波数と振幅から、上記動的
粘性値並びに動的弾性値と共に上記静的粘性値をも測定
する。
【００５１】水やガソリンのようなニュートン液体は動
的粘性と静的粘性は等しいが、高分子溶液等の非ニュー
トン液体では動的粘性と静的粘性とは同一ではなく、動
的粘性は周波数を変えると値が変動する。これは高分子
溶液が粘弾性の性質を持っていることの証である。即ち
高分子溶液は静的粘性と動的粘性と動的弾性を併せ持っ
た性質を示す。
【００５２】
【発明の効果】本発明によれば、粘弾性を有しない液体
から粘弾性を富有する液体に至る各種測定液の粘性値と
粘弾性値を的確に把握することができる、液体の粘性測
定法と粘弾性測定法と同装置を提供できる。
【００５３】殊にシリコンオイル、合成樹脂製品の原料
である合成樹脂液の如き高分子溶液においては液体の粘
弾性的性質（動的粘性と動的弾性）がその物性の性能を
左右する要素となり、その高精度の測定が求められる
が、本発明はこの要請に適切に応えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２の振動形検液装置を用いた液体の粘性測定
法と粘弾性測定法を実行する回路ブロックを示す図。
【図２】振動形検液装置を概示する側面図。
【符号の説明】
Ｕ 振動形検液装置 １ 振動子 ２ 振動伝達軸 ３ 検液子 ４ 液体 ５ 角加速度センサー ６ 発振制御回路 ７ 周波数検出回路 ８ 振幅検出回路 ９ インピーダンス演算回路 １０ａ 動的粘性値と動的弾性値の演算回路 １０ｂ 静的粘性値の演算回路 １１ 表示部 １２ 温度センサー １３ 温度補正演算回路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】振動子にて検液子を振動させ、この検液子
    の液体内における振動を検出し、この振動から液体の粘
    性を測定する液体の粘性測定法において、上記振動から
    液体固有の粘弾性に起因して変化する周波数と振幅を検
    出し、該周波数と振幅から液体のインピーダンスを求
    め、該インピーダンスの実数部及び虚数部から動的粘性
    値を求めることを特徴とする液体の粘性測定法。
  2. 【請求項２】振動子にて検液子を振動させ、この検液子
    の液体内における振動を検出し、この振動から液体の粘
    性と弾性を測定する液体の粘弾性測定法において、上記
    振動から液体固有の粘弾性に起因して変化する周波数と
    振幅を検出し、該周波数と振幅から液体のインピーダン
    スを求め、該インピーダンスの実数部及び虚数部から動
    的粘性値と動的弾性値を求めることを特徴とする液体の
    粘弾性測定法。
  3. 【請求項３】振動子にて検液子を振動させ、この検液子
    の液体内における振動を検出し、この振動から液体の粘
    性と弾性を測定する液体の粘弾性測定法において、上記
    振動から液体固有の粘弾性に起因して変化する周波数と
    振幅を検出し、該周波数と振幅から液体のインピーダン
    スを求め、該インピーダンスの実数部及び虚数部から液
    体の動的粘性値と動的弾性値と静的粘性値を求めること
    を特徴とする液体の粘弾性測定法。
  4. 【請求項４】振動子を駆動源として液体内において共振
    される検液子と、該検液子の液体内における振動の周波
    数を検出する回路と、該振動の振幅を検出する回路と、
    該振動における周波数と振幅から上記振動子のインピー
    ダンスを演算する回路と、該インピーダンス演算回路に
    より演算されたインピーダンスの実数部と虚数部から液
    体の動的粘性値と動的弾性値と静的粘性値を演算する回
    路とから成ることを特徴とする液体の粘弾性測定装置。
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