JP2005522676A

JP2005522676A - 粘性および粘弾性を測定する計器のサンプル表面構成要素

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Publication number: JP2005522676A
Application number: JP2003583227A
Authority: JP
Inventors: コサスキー、ハロルド、ジェイ．; ノウカス、エライアス、ジー．; マリー、ポール、ディー．; ケニグ、アルフレード、オー．
Original assignee: ボストンレオロジーエルエルシー
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2005-07-28
Also published as: IL164416A0; WO2003086199A2; CA2481378A1; US6575021B1; AU2003226045A1; EP1494590A2; WO2003086199A3

Abstract

粘性および粘弾性を測定する計器のサンプル表面構成要素を提供する。
計器は、カム、従動アーム、薄板ばね、プレート固定具、および着脱式プレート・アセンブリを有する。カムは、渦巻形スロットを有し、回転する円形ディスクである。従動アーム上のカム従動子が螺旋形スロット内にあり、したがって従動アームは、カムが回転するにつれ、その固定端の周囲で旋回する。ばねは、従動アームの固定端に取り付けられ、それと同一線上にあり、したがってばねは、従動アームと反対方向に旋回する。着脱式プレート・アセンブリは、試験流体を配置する対合サンプル表面がある下プレートおよび上プレートを有する。下プレートは、計器のベースに取り付けたプレート固定具の下顎内に填る。上プレートは、ばねの自由端に取り付けたプレート固定具の上顎内に填る。流体を下側サンプル表面に配置する。カムが回転し、従動アームを押し上げ、これによってばねが下方向に旋回し、サンプル表面を押し合わせる。カムが逆転し、これによってばねがプレートに分離力を与える。プレートが分離にかかる時間を測定し、粘性値に変換する。

Description

本発明は流体測定に、特に流体の粘性を測定する計器に関する。

一部の体液の粘弾性、つまり粘着性は、身体リズムに応答して変化することが知られている。例えば、女性の頚管粘液および唾液は、排卵前に最高の流動性を有し、排卵は卵胞から卵子が放出される瞬間と定義される。この知識が、排卵の時期の予報値として頚管粘液および唾液の粘弾性、つまり粘着性および他の特性を監視する技術を開発するという出願人の以前の活動、およびこのような粘弾性特性を測定する血流計または粘度計装置の改善につながった。例えばＬ．Ｅ．ＫｏｐｉｔｏおよびＨ．Ｊ．Ｋｏｓａｓｋｙの「ＴｈｅＴａｃｋｉｎｅｓｓＲｈｅｏｍｅｔｅｒＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＶｉｓｃｏｅｌａｓｉｔｉｃｉｔｙｏｆＣｅｒｖｉｃａｌＭｕｃｕｓ」（ＨｕｍａｎＯｖｕｌａｔｉｏｎ、Ｅ．Ｓ．Ｅ．Ｈａｆｅｚ編集、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，Ｎｏｒｔｈ−ＨｏｌｌａｎｄＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＰｒｅｓｓ，１９７９，ｐｐ．３５１以下参照）、Ｓ．Ｓ．Ｄａｖｉｓの「ＳａｌｉｖａＶｉｓｃｏｓｉｔｙＲｅｆｌｅｃｔｓｔｈｅＴｉｍｅｏｆＯｖｕｌａｔｉｏｎ」（Ｅｘｐｅｒｉｅｎｔｉａ、３０：９１１（１９７４））、および米国特許第４，００２，０５６号および第４，１６７，１１０号を参照されたい。

一部の体液の正常な粘弾性は、異常な体調に応答して変化することも知られている。例えば、嚢胞性線維症がある新生児では、胎便、つまり新生児の最初の便通は、嚢胞性線維症がない乳児の約５倍の粘弾性を有する。

粘性を測定するために使用可能な多数の装置がある。上記で特定した特許第４，７７９，６２７号は、唾液の粘弾性を測定することにより女性の排卵期を決定するプロセスを開示するのに加えて、舌下唾液の粘弾性を測定する装置を開示する。装置は、多少シリンジのような形状を有し、外部カップ、外部カップと同心で、その内側に配置された内部カップ、およびプランジャを有する。プランジャの端部の粗面が唾液サンプルを保持する。唾液サンプルが内部カップの底部に押しつけられるまで、プランジャを内部カップに挿入する。所定量の重量が内部カップを引き下げ、唾液サンプルを引き伸ばす。唾液の粘弾性が低い場合は、唾液サンプルが分裂し、内部カップを外部カップの底部へと落下させる。外部カップの底部にある表示器は、内部カップが底部へと落下したことを表示し、このことは排卵が間もなく生じることを示す。しかし、唾液の粘弾性が高い場合は、唾液サンプルがプランジャおよび内部カップをともに保持し、したがって内部カップは底部へと落下せず、排卵が近い将来に生じないことを示す。

装置の主要な欠点は、サンプルを採取するために分離しなければならないことである。プランジャは、唾液サンプルを獲得するために口に挿入する前に、内部カップから外さなければならない。これは、人がサンプル採取後にプランジャを不正確に再挿入することにより、容易に唾液サンプルを汚染し、測定を無効にする可能性がある。

米国特許第５，６４０，９６８号、第５，８５１，１９０号、および第６，１４９，６０４号は、唾液の粘弾性を測定する手持ち式計器を開示している。計器は、特に唾液用に設計してある。つまり、その測定範囲が非常に制限され、胎便などの密度が高い流体の粘性または粘弾性を測定することができない。

本発明の目的は、広範囲の粘性および粘弾性を測定できる計器を提供することである。

本発明の粘性および粘弾性測定器は、測定機構が存在するハウジングを含む。測定機構の構成要素は、カム、従動アーム、ばね、およびプレート固定具を含む。カムは、電気ステッパ・モータによって回転する渦巻形スロットを有する垂直の円形ディスクである。従動アームに取り付けたカム従動子が渦巻形スロット内にあり、したがってカムが回転するにつれ、従動アームが固定端部の周囲で上下に旋回する。ばねは平坦で、好ましくは金属の細片であり、その一方は従動アームの固定端部に取り付けられ、それと同一線上にある。したがって、ばねは従動アームと反対の方向に旋回する。プレート固定具は着脱式のプレート・アセンブリであり、これは３つの構成要素、つまり下プレート、上プレート、およびプレート・クリップを有する。２つのプレート構成要素は、試験すべき流体を配置する対合サンプル表面を有する。固定具は、計器ベースに旋回自在に取り付ける下顎、およびばねの自由端に取り付ける上顎を有する。旋回する取り付けにより、試験中にプレートのサンプル表面が一緒になると、両者が位置合わせされる。顎は、プレートを受けて保持する溝を有する。

測定を実行するには、流体を下側サンプル表面に配置する。カムが回転し、従動アームの自由端を押し上げ、従動アームを固定端部の周囲で旋回させる。ばねは、従動アームの固定端部に取り付けられ、下方向に回転し、上下プレートのサンプル表面を押し合わせる。次に、カムが逆転し、これによってばねがプレートに分離力を与える。プレートが分離するためにかかる時間の量を測定し、粘性の値に変換する。ばねに装着した歪みゲージが、いつプレートが分離したかを示す。

本発明の他の目的は、本発明の以下の図面および詳細な説明に鑑みて明白になる。

本発明の性質および目的をさらに十分に理解するために、添付図面を参照する。

本発明の粘性および粘弾性測定器の基礎は、既知の状態で流体が分裂するためにかかる時間を測定することにより、流体の粘性を決定可能であることである。既知の状態は、流体を引き離す力の量、力を加える流体の面積、および流体温度を含む。本明細書では、他で指示しない限り、「粘性」という用語は、粘性と粘弾性の両方を指す。

流体サンプルの動的粘性は、分離力、サンプル表面の一方の面積、およびサンプル表面が分離するのにかかる時間の量の関数である。これらの値は、下式で関連づけられる。

動的粘性＝分離力×分離時間／表面積
ここで動的粘性はポアズ（Ｐ）単位で計算し、分離力はダイン（ｄｙ）単位で測定し、表面積は平方センチメートル（ｃｍ^２）単位で測定し、分離時間は秒（ｓ）で測定する。分離力／表面積は剪断応力とも呼ぶ。動粘性率とは、動的粘性を流体密度で割った値であり、ストークス（Ｓｔ）の単位である。動的粘性の通例の単位はセンチポアズ（ｃＰ）であり、これはＰ×１０^−２の大きさを有し、動粘性率の通例の単位はセンチストークス（ｃＳｔ）であり、Ｓｔ×１０^−２の大きさを有する。

式は、粘弾性ではなく粘性のものであることに留意されたい。水などのニュートン流体を使用する場合、式は純粋な粘性を計算する。しかし、非ニュートン流体である流体サンプルもある。非ニュートン流体では、粘性とともに弾性反跳、つまり弾性の要素がある。弾性は、プレートの分離時間および分離力に影響を及ぼす。したがって、上式に使用する測定値は、流体サンプルの弾性から影響される。粘弾性について特定の等式はないので、粘性の等式を使用し、粘弾性は粘性と等価の単位で測定して、非ニュートン流体サンプルで見られた粘性と粘弾性との組合せのニュートン等価を与える。

決定された粘弾性のうち粘性および弾性に帰される部分は、流体サンプルの濃厚さ（幅ではなく密度）によって決定される。濃厚さが増加するにつれ、粘性に帰される部分は粘弾性のパーセンテージとして増加する。例えば、非常に濃厚な唾液では、弾性に対する粘性の割合は８０％から２０％であり、非常に薄い唾液では、割合は２０％から８０％である。

考慮すべき別の要素は、流体が濃厚になるにつれ、粘性と弾性との割合が変化するばかりでなく、粘性および弾性の絶対値も変化する。例えば、濃厚な唾液は、粘弾性の８０％が弾性に、２０％がおよび弾性に帰され、６４ｃＳｔの絶対数が粘性に、１６ｃＳｔが弾性に帰され、薄い唾液は、粘弾性の２０％が粘性に、８０％が弾性に帰され、５ｃＳｔの絶対数が粘性に、２０ｃＳｔが弾性に帰される。

図３から図６は、流体の粘性を測定する物理的プロセスを示す。図３では、サンプル表面２０４を有する１対のプレート２０２を隔置する。図４では、十分な体積の流体サンプル２０６をサンプル表面２０４の間に配置する。図５では、プレート２０２を所定の圧縮力２０８で相互に押しつける。圧縮力２０８は、流体サンプル２０６がサンプル表面２０４の区域全体をコーティングするよう、十分に大きくなければならない。図６では、流体サンプルが２１２で示すように分裂するまで、プレート２０２を分離力２１０で引き離す。分裂は、流体サンプル２０６の凝集力を克服した時に発生し、凝集力とは、同様の組成の物体の部分が相互に保持する傾向として定義される。

流体サンプルの粘性測定は、サンプル表面への流体サンプルの付着に頼り、付着は、分子間力のために物体が他の物体にくっつく傾向と定義される。有効な測定にするため、流体表面への流体サンプルの付着力は、流体サンプルがサンプル表面の一方から分離する前に分裂するよう、流体サンプルの凝集力より大きくなければならない。したがって、同じ流体サンプルの凝集力より大きい流体サンプルの付着力を有するサンプル表面を使用しなければならない。

図６で表された動作は、２つの測定方法を意味する。つまり（１）既知の分離力２１０を使用して、流体サンプル２０６が分裂するのにかかる時間を測定すること、または（２）既知の分離時間を使用して、流体サンプル２０６の分裂に必要な分離力２１０の量を測定することである。本発明の計器は、前者を間接的に使用する。動粘性率の上式は、粘性を計算するために、分離力、分離時間、および表面積を知る必要があることを意味する。しかし、本発明の計器は、分離力および表面積の絶対値を知ることに頼らず、これらの値が測定ごとに一貫していることのみに頼る。これは、粘性が分かっている流体の分離時間を決定するよう計器を特徴付けることによって達成される。例えば、特徴付け手順は、粘性が分かっている流体の分離時間を測定し、次にこれらの測定値から内挿および外挿して、粘性に対する分離時間をマッピングするテーブルを生成する。あるいは、等式によって分離時間から粘性を計算し、特徴付けデータを使用して、特定の計器に合うよう計算を拡縮する。

図示の設計が単に例示的であり、必要な機能を実行できる任意の設計が予想されることに留意して、本発明の粘性測定器１０の現在の外部形状を、図１および図２で示す。外面的には、計器１０はハウジング１１、ドア１３、表示装置１４、特徴付けスイッチ１５、ハンドル１６、電源入力プラグ１７、および電源スイッチ・アセンブリ１８、および任意選択の外部通信ポート１９を含む。ハウジング１１、ハンドル１６、電力入力部１７、および電力スイッチ１８の目的は明白である。ドア１３は、下方向へと蝶番式に開き、以下で説明するように、オペレータに着脱式プレート・アセンブリを挿入するためのアクセスを提供する。表示装置１４は、オペレータに命令するとともに、計器１０の状態および試験結果についてオペレータに知らせる。本発明は、内部表示がなく、命令、状態、および結果を表示のために外部コンピュータに送信できることも予想する。特徴付けスイッチ１５は、以下で説明するように、計器の特徴付けを実行するよう計器１０に命令する。任意選択の外部通信コネクタ１９は、設定パラメータおよび試験結果を受信し、任意選択で計器１０の動作を制御するための手段を外部コンピュータに提供する。

図７および図８で示した計器１０の機械的内部構成要素は、カム２０、従動アーム２２、ばね２４、およびプレート固定具２８を含む。要するに、試験用の流体を、プレート・アセンブリ３０の下プレート１０４の試験表面１１４に載せ、試験を開始する。カム２０が回転し、従動アーム２２の自由端５８を押し上げ従動アーム２２を固定端５６の周囲で旋回させる。従動アーム２２の固定端５８に取り付けたばね２４が下方向に回転し、プレート固定具２８の２つの構成要素を押し合わせる。プレート固定具２８によって保持された着脱式プレート・アセンブリ３０のプレート１０２、１０４が押し合わされる。圧縮力が所定の時間で所定のレベルに到達すると、カム２０が逆転し、ついにはばね２４がプレート１０２、１０４に分離力を与える。プレート１０２、１０４が分離にかかる時間量を測定する。時間の測定値を、ルックアップ表または等式でサンプルの粘性を表す粘性値に変換する。

図１１で詳細に示したカム２０は、渦巻形スロット３４を有する円形ディスク３２である。図示の構成では、スロット３４は約０．２５５インチ（（６．４７７ｍｍ）幅である。スロット３４は、４２のように内端ポイント３８から開始して、約０．５８７”（１４．９１０ｍｍ）の半径でディスク３２の中心３６を囲む。スロット３４がディスク中心３６の周囲に延在するにつれ、ディスク中心３６からのその距離は、１弧度につき０．００１”（０．０２５ｍｍ）よりわずかに大きく増加する。スロット３４は、外端ポイント４０が４４のように約１．３７７”（３４．９７６ｍｍ）の半径を有するまで、円弧の約７８１°に等しい距離だけ延在する。したがって、スロットの半径は、７８１°の回転にわたって０．７９０”（２０．０６６ｍｍ）増加する。内端ポイント３８と外端ポイント４０の絶対半径は、２つの半径間の距離が計器の特定の実施形態にとって必要な通りの値、この場合は０．７９０”（２０．０６６ｍｍ）である限り、重要ではない。

カム２０は垂直に装着され、したがってディスクが回転するにつれ、スロット内のカム従動子はディスク３２の中心３６から、カム２０の１回転度につき０．００１”（０．０２５ｍｍ）の距離だけ変位する。カム従動子がディスク中心３６に近づくか、離れるかは、カム２０の回転方向によって決定されることは明白である。図１１の方向では、カム従動子は、カム２０が時計回りに回転するにつれ、上方向に変位する。図示の構成の最大変位は０．７９０”（２０．０６６ｍｍ）であり、スロット３４の端ポイント３８、４０間の半径方向の差である。

上述したカム２０は、１つの可能な構成にすぎない。計器の他の構成要素の設計に応じて、異なるカム構成を使用し、異なる粘弾性範囲の試験を実行してもよい。

カム２０は、電気ステッパ・モータ４６によって回転する。１組の減速ギア４８が、本発明にとって適切な通りにモータの回転速度を低下させる。当技術分野で知られ、適切なステップ分解能およびトルクを提供する様々なモータ４６と減速ギア４８との組合せを使用することができる。この実施形態では、７．５°のステッパ・モータを使用する。

従動アーム２２は、固定端５６に回転装着部５４、および自由端５８にカム従動子６０を有する棒材５２である。回転装着部５４によって、自由端５８が上下に旋回することができる。カム従動子６０はカム・スロット３４内にあり、したがってカム２０が前方へ（時計回りに）回転すると、自由端５８が上方向に旋回し、カム２０が反対方向に回転すると、自由端５８が下方向に旋回する。任意選択で、カム従動子６０が回転自在に棒材５２に装着され、カム・スロット３４内で動作する間に摩擦を低減させる。図示の実施形態では、カム２０および従動アーム２２の寸法は、カム２０が３７０°回転すると、従動アーム２２が３．８°、カム２０が７８０°回転すると従動アーム２２が７．８°旋回するような寸法である。これは、カムが１度回転するごとに従動アーム２２が、０．０１°よりわずかに大きく旋回することに等しい。この変位を達成するために、回転装着部５４とカム従動子６０との間の距離は、上記の例のカム寸法と組み合わせて使用した場合、５．７４”（１４５．８０ｍｍ）である。

ばね２４は、従動アーム２２の固定端５６に一方端７８を取り付けた薄板ばね７６であり、したがってばね２４は従動アーム２２とほぼ同一線上にある。ばね２４は、従動アーム２２から離れた自由端７４を有する。ばね２４を構成する材料によって、これは長さに沿って屈曲することができる。ばね２４は、４°の屈曲で２〜１０ｌｂｓ（９０８〜４５８５４ｇ）の範囲の最大力を提供するよう設計される。現在、ばね２４は厚さ０．０８０”（２．０３２ｍｍ）のＡＭＳ４３０７によるアルミ合金２０２４Ｔ３で構成される。ばね２４に装着するか、それと一体である歪みゲージ３０８が、ばね２４に張力がかかり、力を加えているか否か、圧縮か分離かを測定する。

ある種の流体を測定するためには、分離力より大きい圧縮力を加える必要があることもある。本発明は、ばね２４が、図１２および図１３のように板ばね１７６が重なった主ばね１７４を含んでよいことを想定する。ばね２４が図１２のように圧縮モードにある場合、主ばね１７４と板ばね１７６との両方が、プレート固定具構成要素８６、９０に圧縮力を加える。ばね２４が図１３のように分離モードにある場合は、主ばね７１４のみが分離力を加える。

固定具２８は、着脱式プレート・アセンブリ３０を保持する。図１４および図１５で示すように、固定具２８は２つの顎部品を有する。下顎８６は、通路８８を含む。上顎９０は、８０でのようにばね２４の自由端７４に固定され、通路９２を含むよう形成される。通路８８、９２の断面は、図１４および図１５で示すように長方形であることが好ましいが、着脱式プレート・アセンブリ３０に関して以下で説明するような機能を果たす任意の形状でよい。通路８８、９２は、以下で説明するように着脱式プレート・アセンブリ３０を受けるよう開放している。

顎８６、９０をそれぞれベース１２およびばね２４にしっかり固定した場合、着脱式プレート・アセンブリ３０に欠陥があるか、ベース１２に対するばね２４の動作に動揺があると、プレート１０２、１０４のサンプル表面１１４、１２８がプレート圧縮中にきちんと合わないことがある。これにより、流体サンプルが、サンプル表面１１４、１２８全体に不均一に分布することになり、測定が不正確になる。

この問題を解決するために、顎８６、９０は旋回自在に取り付ける。つまり、上部サンプル表面１２８が下部サンプル表面１１４に接触するにつれ、プレート１０２、０１４が順応して、適切に位置合わせできるような方法で取り付けられる。図１４で示す一つの構成では、下顎８６を心棒９４によって台座７２に旋回自在に取り付け、これによって台座７２に対して下顎８６を左右に旋回することができる。上顎９０は、心棒９６でばね２４に旋回自在に取り付け、これによってばね２４に対して上顎９０を前後に旋回することができる。図１５で示す別の構成では、下顎８６を１対のねじ９８で台座７２に旋回自在に取り付け、これによって台座７２に対して下顎８６を左右に旋回することができる。上顎９０は、１対のねじ９９でばね２４に旋回自在に取り付け、これによってばね２４に対して上顎９０を前後に旋回することができる。

図１６から図１９で示すように、着脱式プレート・アセンブリ３０は３つの構成要素、つまり下プレート１０２、上プレート１０４、およびプレート・クリップ１０６を有する。下プレート１０２は概ね長方形の開口形ボックス１０８である。サンプル表面１１４を、ボックス１０８の床１１０に置く。図では概ね長方形として図示されているボックス１０８の形状は、床１１０が必要なサンプル表面１１４を収容するのに十分な大きさでなければならないという点だけが重要である。床１１０は、ボックス１０８から反対側で外方向に延在し、１対のレール１１６を形成する。レール１１６は、下顎通路８８と同じ断面を有し、したがって下プレート１０２が滑動して下顎８８に入る。任意選択で、タブ１１８がボックス１０８の上縁から延在し、オペレータがプレート１０２、１０４を汚染せずに把持するためのハンドルを提供する。任意選択で、図１７および図１８のように、ボックスの壁の１つに口１２０があり、流体試験サンプルを置くためにサンプル表面１１４へのアクセスを提供する。

任意選択で、プレート・アセンブリ３０は、制御装置に対してどのタイプのプレート・アセンブリ３０が計器１０に設置されているか識別するためのプレート・タイプ識別部１２２を含む。一つの構成では、床１１０が、棚１２６としてボックス１０８の先まで延在する。棚１２６は、制御装置に対してどのタイプの着脱式プレート・アセンブリ３０が現在使用されているかを示すための切り欠き１２４を含む。切り欠き１２４は、プレート・アセンブリのタイプを示す唯一の手段である。当技術分野で知られ、同じ機能を果たす任意の他の方法が想定される。例は、バーコード、プレート・アセンブリ上の固定スポットが反射性または非反射性である反射性スポット、および、プレート・アセンブリの表面上にある接点が制御装置の回路を完成するか否かの内部回路コネクタを含む。様々なプレート・タイプは、以下で説明するように、計器１０が使用すべき使用範囲と関係がある。

上プレート１０４は、上側面１３０にサンプル表面１２８がある概ね長方形のボックス１７０である。上プレート１０４は、下プレート・ボックス１０８内に填るようサイズ決定される。ボックス１７０の下側縁は外側に延在して、１対のレール１３４を形成する。レール１３４は、上顎の通路９２と同じ断面を有し、したがって上プレート１０４は滑動して上顎９０に入る。任意選択で、下顎の通路８８および下プレートのレール１１６と、上顎の通路９２および上プレートのレール１３４とは、異なる断面パラメータを有し、したがってプレート・アセンブリ３０は逆さまに設置することができない。

プレート・クリップ１０６は、使用する前に下プレート１０２および上プレート１０４を一時的に１つのアセンブリとして保持する。これは、サンプル表面１１４、１２８が相互に接触するか、汚染されることを防止する。クリップ１０６は１対の溝１４０、１４２を有し、ここにそれぞれ下プレートのレール１１６および上プレートのレール１３４が填る。クリップ１０４の開口１４４は、タブ１２２がぴったり通るスペースを提供する。図１６および図１７の実施形態では、クリップ１０６は剛性である。図１９の実施形態では、クリップ１０６は、下溝１４０と上溝１４２との間の蝶番１４６を有し、したがって上プレート１０４が旋回して下プレート１０２から離れ、流体サンプルを置くためにサンプル表面１１４へのアクセスを提供する。蝶番１４６は、例えば一体蝶番、玉継手、またはピントシリンダなど、クリップ１０６に適した任意のタイプの蝶番でよい。これらのタイプの蝶番はよく知られている。

任意選択で、プレート・アセンブリ３０は、プレート固定具２８内にプレート・アセンブリを保持し、クリップ１０６が外されている場合に固定具２８内に残すための手段を含む。好ましい方法は、下プレートのレール１１６内にある１対のへこみ１７８を、下顎の通路８８にある対合する突起（図示せず）と組み合わせて使用することである。下プレート１０２が滑動して通路８８に入るにつれ、突起がへこみ１７８にパチンと入る。別の方法では、粗面間の摩擦がプレート・アセンブリ３０をプレート固定具２８内に保持するよう、レールおよび／または通路の表面を粗くする。さらに別の方法では、プレートが滑動して顎に入るにつれ、通路内に詰め込まれるよう、プレートのレール表面と通路表面を相互からわずかに傾斜させる。

本発明は、粘弾性を試験するために幾つかの既知の状態を使用し、その一つは、流体サンプルの表面積が一定である、つまり試験ごとに変化しないことである。上述したように、サンプル表面１１４、１２８が接触すると、これが位置合わせされるよう、固定具の顎８６、９０が旋回する。これは、サンプル表面１１４、１２８が必要なサンプル流体表面積と全く同じサイズであった場合、サンプル表面１１４、１２８が相互に対してわずかな量だけ横方向に移動するという意味でもある。その結果、サンプル表面は厳密に対合せず、したがって実際のサンプル表面積は試験ごとに変化することがある。本発明のこの実施形態は、サンプル表面１１４、１２８を長方形にし、相互に対して直角にすることにより、この問題を解決する。図２０で示すように、下側サンプル表面１１４は長方形であり、横並びに延在し、上側サンプル表面１２８は長方形であり、前方から後方へと延在する。したがって、サンプル表面１１４、１２８が対合すると、一定の既知のサイズの接触区域１３２を生成する重なりが生じる。試験プロセスの他のパラメータと同様、接触区域１３２の絶対サイズを知ることは重要ではない。したがって、この文脈では「既知のサイズ」というフレーズは、試験方法が試験ごとに接触区域のサイズが一定のままであることを知ることに頼れる、という意味である。この実施形態では、接触区域は１辺が約１．５ｃｍの正方形である。

本発明は、接触区域が試験ごとに一定のままであることを保証できる任意の他の方法を使用することも想定する。このような他の方法の一つは、異なるサイズのサンプル表面を使用する。例えば、上側サンプル表面１２８が下側サンプル表面１１４より大きく、したがって下側サンプル表面１１４全体が上側サンプル表面１２８の周内に楽々と填る、と想像してみる。これで、サンプル表面１１４、１２８が対合すると、サンプル表面１１４、１２８が相互に対してわずかな量だけ横方向にシフトしても、接触区域１３２は下側サンプル表面１１４と同じサイズ、つまり既知のサイズになる。

下側サンプル表面１１４は床１１０より上昇し、サンプル表面１１４の周囲に溝１７２を生成することが好ましい。測定中にサンプル表面１１４、１２８間から絞り出された余分なサンプル流体は、測定に影響しないよう、下側サンプル表面１１４から流れ落ち、溝１７２に入る。

再び図３から図６を参照すると、粘弾性の測定は、サンプル表面２０４への流体サンプル２０６の付着に頼り、付着は、分子間力により物体が他の物体にくっつく傾向と定義される。有効な測定を実行するため、表面１１４、１２８への流体サンプル２０６の付着力は、流体サンプル２０６がサンプル表面２０４の一方から分離する前に分裂するよう、流体サンプル２０６の凝集力より大きくなければならない。したがって、流体サンプル２０６に対する付着力が流体サンプル２０６の凝集力より大きいサンプル表面２０４を設けなければならない。概して、流体の粘弾性が大きいほど、流体がサンプル表面から分離する前に分裂するよう、サンプル表面積は大きくなる必要がある。

サンプル表面２０４への流体サンプル２０６の付着は、流体サンプル２０６とサンプル表面２０４とが接触する区域全体にわたって生じる。したがって、接触区域が大きいほど、サンプル表面２０４へ流体サンプル２０６が付着する割合が高くなる。

サンプル表面２０４の面積を増加させる一つの方法は、サンプル表面２０４の外部寸法を増加させることである。しかし、本発明の計器１０は、非常に広範囲の粘弾性を試験するよう意図され、これはサンプル表面の１つのサイズでは対応することができない。つまり、異なる試験範囲では、異なるサンプル表面積が必要である。この要件に対立するのは、計器の使用および測定を容易にするための計器の実際的側面であり、ここではプレート固定具２８を変更しなくて済むよう、着脱式プレート・アセンブリ３０が、試験すべき粘弾性の範囲に関係なく同じサイズであることが望ましい。

この問題を解決するためにサンプル表面２０４の面積を増加させる好ましい方法は、サンプル表面２０４内に延在する複数の谷があるよう、表面を粗くすることである。これで、流体サンプル２０６が付着する表面は、流体サンプル２０６が接触でき、サンプル表面への延在する谷の壁によって覆われた区域を含むことになる。サンプル表面２０４を粗くすると、サンプル表面２０４の外部輪郭を増加させることなく、より大きいサンプル表面積が提供される。様々な粗さの程度により、様々な粘弾性範囲に対応することができる。

粗くしたサンプル表面２０４は、図２１で示すように、不規則な形状の谷２１６およびピーク２１８のランダムな分布で構成される。粘性を測定する計器に使用する場合に、サンプル表面２０４を特徴付ける上で重要になる２つの基本的パラメータがある。第１のパラメータは、ピーク２１８の頂部によって画定された面から測定した谷２１６の平均深さである。この平均値の好ましい範囲は、１０ピコメートル（ｐｍ）から１００マイクロメートル（μｍ）であり、最も好ましい範囲は５０μｍから８０μｍである。

第２のパラメータは、全表面積に対する谷区域の量、つまり谷の平均深さの１／２より下にある谷の壁の表面積である。谷面積の好ましい範囲は、全表面積の３５％から６５％であり、最も好ましい範囲は４５％から５５％である。

谷２１６の平均深さが１０ｐｍ未満など、浅すぎる場合、サンプル表面２０４は滑らかすぎ、適切に働かない。というのは、サンプル表面２０４の面積が非常に小さいので、流体サンプルが流体サンプルの凝集より大きい力で付着しないからである。以上で説明したように、付着緑芽流体サンプルの凝集力より小さい場合、流体サンプルは、分裂する前にサンプル表面２０４から分離する。

谷２１６の平均深さが１００μｍより大きいなど、大きすぎる場合、または全面積に対する谷面積の比率が６５％より大きいなど、大きすぎる場合も、表面は適切に働かない。というのは、流体サンプルが深い、または大きい谷２１６に広がり、谷２１６の外側に残る流体サンプルの量が、正確に測定するには少なすぎるからである。流体サンプルが小さすぎる場合、サンプル表面２０４の全区域をカバーせず、その結果、分裂した表面積の値が不正確になり、粘性の計算値も不正確になる。

全面積に対する谷面積の比率が３５％未満など、低すぎる場合も、サンプル表面積２０４は適切に働かない。というのは、サンプル表面２０４の面積が非常に小さいので、流体サンプルが、流体サンプルの凝集力より大きい力で付着しないからである。以上で説明したように、付着力が流体サンプルの凝集力より小さい場合、流体サンプルは、分裂する前にサンプル表面２０４から分離する。

プレート１０４、１０６、およびその結果、サンプル表面１１４、１２８は、硬質プラスチックで構成される。現在、好ましい材料はＧｒｉｌａｍｉｄＴＲ５５、ナイロン１２である。プレート１０４、１０６は、研削またはブラスト処理ではなく成形で生産する。特定の表面特徴をエッチングした型を生成し、使用して、一定の表面トポグラフィおよびサイズを有するサンプル表面を形成することができる。全く同じ成形表面は２つとないが、表面ごとの違いは、ほぼ研削またはブラスト処理した表面ごとの違いほど大きくなく、その結果、測定の再現性が向上する。

本発明の計器１０の目的は、流体の粘性を測定することであり、サンプル表面１１４、１２８が汚染すると、誤った試験結果になる。サンプル表面１１４、１２８を汚染から保護し、プレート材料が強度に吸湿性の性質のせいで乾燥した環境を維持するため、着脱式プレート・アセンブリ３０は、製造の最終ステップとして真空密封パウチに包装する。プレート・アセンブリ３０は、使用する前にパウチから取り出す。

計器１０は制御装置を有し、そのブロック図を図２２で示す。制御装置は、必要な機能を実行するようプログラムされたマイクロコントローラ（μＣ）３０２をベースにする。電力は壁のプラグ３０４および電源３０６を介して供給され、その設計は当技術分野でよく知られている。μＣ３０２への入力信号は、歪みゲージ３０８、カム・ホーム・センサ３１２、プレート・タイプ・センサ３１４、および任意選択の温度センサ３１０を含む。このような様々な入力部のそれぞれを実装するため、当技術分野で知られている幾つかの異なる方法がある。以下の説明は、信号を実現する一方法の例にすぎず、同じ結果を提供する他の使用を排除するものではない。

歪みゲージ３０８は、ばね２４の上に位置決めされ、ばね２４に張力がかかっているか否かを決定するために使用される。図１０のように、固定具アーム２６が行程限界に到達すると、ばね２４が変形し始め、これを歪みゲージ３０８が感知する。逆に、流体サンプルが分裂すると、歪みゲージ３０８が、ばね２４の張力除去を感知することにより、発生を登録する。

カム・ホーム・センサ３１２は、カム２０がホーム位置にある場合にそれをμＣ３０２に通知する。これは、着脱式プレート・アセンブリ３０を固定具２８に挿入できる位置であり、以下で説明するように試験の開始ポイントである。カム・ホーム・センサ３１２は、機械的スイッチ、光学センサ、磁気センサなど、作業に適切な任意のタイプのスイッチでよい。カム・ホーム・センサ３１２のセンサの物理的位置は、カム３０のホーム位置を計器ごとに校正できるよう調節可能であることが予想される。

プレート・タイプ・センサ３１４は、プレート・アセンブリ３０上のプレート・タイプ識別子１２２を読み取る。プレート・タイプ・センサ３１４の形態は、プレート・タイプ識別子１２２を実装する方法によって決定される。例えば、プレート・タイプ識別子１２２が図１７で示すような切り欠き１２４を含む場合、プレート・タイプ・センサ３１４は１対の光学センサでよく、それぞれが切り欠き１２４の一方の位置をまたがるよう位置決めされる。切り欠き１２４の有無が光学センサに登録され、センサは読み取り値をμＣ３０２に転送する。μＣ３０２は、２つの切り書きの存在を、プレート・アセンブリ３０がインストールされていないという意味に解釈するようプログラムされている。つまり、プレート・アセンブリ３０は、１つしか切り欠きを含まないか、切り欠きを含まない。任意の数の切り欠き１２４、および適切な数のセンサ要素があってよいことに留意されたい。プレート・タイプ識別子１２２の他の導入方法では、他の形態のプレート・タイプ・センサ３１４を使用することができる。

ドア位置センサ３１６は、ハウジングのドア１３の開閉状態をμＣ３０２に示し、その目的については以下で説明する。この実施形態では、このセンサ３１６は機械的スイッチである。

特徴付けスイッチ１５は計器１０の前部に存在し、計器の特徴付けを実行するよう装置に命令するためオペレータが使用する。この実施形態では、特徴付けスイッチ１５は機械的スイッチである。

任意選択の温度センサ３１０は、周囲温度を測定する。体液の粘性は、流体の温度の影響を受ける。したがって、粘性測定で温度を測定するため、温度センサ３１０を使用して、試験サンプルのおおよその温度を決定することができる。温度センサ３１０自体は、抵抗センサ、容量センサ、機械的センサなど、当技術分野で知られている任意の温度センサでよい。

現在の構成では、μＣ３０２は２つの出力部、つまり表示装置１４、およびカム・モータ４６の制御信号を有する。この実施形態では、表示装置１４は、当技術分野でよく知られた液晶タイプ（ＬＣＤ）である。他の典型的表示タイプは、発光ダイオード（ｌＥＤ）およびプラズマを含む。モータ制御信号は、モータ４６が回転の方向および速度を制御するために必要とする信号を提供する。必要とされる実際の信号は、モータ４６によって決定され、当技術分野でよく知られている。

任意選択で、計器１０は外部コンピュータまたは他の装置と接続するための外部通信ポート１９を有する。予想される外部装置と適合する限り、任意の通信プロトコルを導入することができる。計器１０のこの導入方法では、よく知られたＲＳ−２３２Ｃプロトコルを使用する。

操作
計器１０を使用した試験の実行は、プレート・アセンブリ３０およびサンプリング用シリンジを保護パッケージから外すことから開始する。試験する流体のサンプルをシリンジに引き込む。図１７の実施形態では、シリンジをプレートの下口１２０に挿入するか、図１９の実施形態では、上プレート１０４を旋回して下プレート１０２から離し、下プレートのサンプル表面１１４をアクセス可能にする。サンプル表面１１４、１２８を汚染しないよう注意しながら、試験流体を下プレート１０２のサンプル表面１１４に注入する。次に、計器のドア１３を開放し、下プレートのレール１１６と上プレートのレール１３４が滑動してそれぞれ下顎の通路８６と上顎の通路８８に入るよう、プレート・アセンブリ３０をハウジング１１の開口２１に通してプレート固定具２８内に設置する。プレート・アセンブリ３０を手動でプレート固定具２８に押し込むと、下プレート１０２および上プレート１０４が滑動して、プレート・アセンブリ・クリップ１０６から出る。プレート１０２、１０４をプレート固定具３０に完全に設置すると、プレート・アセンブリ・クリップ１０６はもう必要なく、廃棄される。あるいは、プレート・アセンブリ３０をプレート固定具２８内に設置した後、開口１２０を通して試験流体をサンプル表面１１４上に注入する。

プレート・アセンブリ３０を設置した後、オペレータはドア１３を閉鎖し、ドア・スイッチを閉鎖させ、これはμＣ３０２に試験開始を命令する。μＣ３０２はプレート・タイプ・センサ３１４を読み取り、プレート・アセンブリ３０が存在するか決定し、測定範囲を設定する。計器１０は、広範囲の測定が可能である。しかし、上記で説明したように、異なる粘性範囲は、異なるプレート表面の特徴を必要とし、その結果、異なる測定パラメータを必要とする。例えば、唾液の粘性は一般的に０〜５０ｃＳｔの範囲である。つまり、プレートが正確に測定できないほど速く分離しないよう、比較的粗い表面が必要になる。別の例では、胎便の粘性は一般的に１０，０００〜４０，０００ｃＳｔの範囲であり、プレートが十分に短時間で分離するよう、比較的滑らかな表面が必要である。

異なるプレートのタイプは、試験の２つの側面に影響を及ぼす。最初に、計器がプレートに加える圧力の量に影響する。図５およびそれに関連する以上のテキストを参照されたい。使用する圧力が小さすぎると、サンプルが、正確な試験を提供するのに十分なだけ、サンプル表面を覆わない。したがって、計器１０は、プレート・タイプに基づいてプレートに加える圧力の量を調節することができる。所望の圧力に対して所定の量だけカム２０を回転することにより、これを実行する。全てのプレート・タイプで、カム２０は、図９に関して上記で説明したように、ばね２４が通常の行程限界に到達するまで回転する。これを超えるカムの回転量は、プレート・タイプによって決定される。カム２０がさらに回転すると、プレート１０２、１０４にかかる圧縮力が大きくなる。

第２に、プレートのタイプは、測定した分離時間を粘性の読み取り値に変換する方法に影響を及ぼす。例えば、１０秒という分離時間は、粗いプレートの唾液サンプルでは２０ｃＳｔという粘性を意味し、滑らかなプレートの胎便サンプルでは１５，０００ｃＳｔという粘性を意味する。

プレート・タイプを決定したら、μＣによりモータ４６は、プレート１０２、１０４に所望の時間だけ所望の圧縮力を加えるのに適切な量だけカム２０を回転する。次に、μＣがカム２０を回転してホーム位置へと戻し、これによってばね２４が分離力をプレート１０２、１０４に加える。

上記で示したように、分離力は測定ごとに一定していなければならない。分離力はカム回転の関数であるので、分離力が一定であるよう、所定のカム回転速度が必要である。以下で説明するような特徴付け関数を使用して、分離力を粘性に変換する関数を経験的に決定する。このように、μＣ３０２は、粘性を計算するために分離力の実際の量を知る必要はなく、カム回転の関数としての分離力が一定であることが分かればよい。

ドア１３が閉鎖してからカム２０が逆転するまでの間に、μＣ３０２がタイマ３１８を始動し、歪みゲージ３０８を監視することがある。歪みゲージ３０８が、μＣ３０２に対してプレート１０２、１０４が分離していることを通知すると、μＣ３０２がタイマ３１８から分離時間を読み取る。試験サイクルのどこでタイマ３１８が開始するかは、プレート１０２、１０４に分離力を加える前であり、常に試験サイクルの同じポイントである限り、重要ではない。このポイントで、μＣ３０２は通常、分離時間を粘性測定値に変換し、結果を表示装置１４に提示する。

本発明は、分離時間を粘性に変換する２つの基本的方法を想定する。第１は、μＣのメモリ３２０に常駐するルックアップ表を使用する。分離時間を、粘性の表の指数として使用する。指し示された位置での値が、分離時間に対応する粘度である。この方法では、プレート・タイプごとに１つの表があるか、表を少なくして、μＣ３０２がプレート・タイプごとに表の出力を拡縮することができる。分離時間を粘性に変換する第２の方法では、μＣ３０２が等式を使用して分離時間から粘性を数学的に計算する。変換方法および／または２つの方法の組合せを使用することができる。

特徴付け
計器１０は、粘性が知られている標準化された流体を使用して特徴付けする。本発明の導入方法では、３つの知られている流体を使用して、分離時間を粘性に変換する基準線を確立する。残りの変換ポイントは、内挿および外挿によって決定する。

本発明の計器の特徴付け手順は、粘性が分かっている３つの流体で１回ずつ３回実行する上述の測定手順と、基本的に同じである。特徴付けを開始するために、オペレータは特徴付けスイッチ１５を押下する。これでμＣ３０２は、特徴付け手順を開始し、任意選択で表示装置１４にステップごとの命令を表示する。特徴付けが終了すると、計器１０は通常の操作モードに復帰する。

特徴付け手順の詳細、つまり使用する流体は、予想される測定範囲によって決定される。例えば、測定範囲が０〜５０ｃＳｔの範囲である場合、３つの流体は０〜５０ｃＳｔの範囲になる。

このように、上述の目的を満足する流体の粘性を測定する粘性測定計器について図示し、説明してきた。

本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書の開示に変更を加えることができるので、以上の明細書で説明し、添付図面で図示したことは全て、例示的であると解釈され、制限的な意味ではないものとする。

本発明の計器の前部の斜視図である。本発明の計器の後部の斜視図である。２つの測定プレートの前面図である。図３の測定プレートと流体サンプルの前面図である。相互に押しつけた図３の測定プレートの前面図である。圧力を解放した後に分離する図３の測定プレートの前面図である。カバーを外した図１の計器の斜視図である。休止状態にある図７の計器の側面図である。第１動作状態にある図７の計器の側面図である。第２動作状態にある図７の計器の側面図である。図７のカムの図である。圧縮モードにある主ばねおよび板ばねの側面図である。分離モードにある図２の主ばねおよび板バネの側面図である。図７のプレート固定具の一構成の組立分解部分想像線図である。図７のプレート固定部の別の構成の組立分解部分想像線図である。着脱式プレート・アセンブリの一実施形態の斜視前面図である。図１６の着脱式プレート・アセンブリの組立分解後斜視図である。図１６の着脱式プレート・アセンブリの背面図である。着脱式プレート・アセンブリの第２実施形態の斜視前面図である。着脱式プレート・アセンブリの重なるサンプル表面の上面図である。サンプル用粗面の拡大断面図である。本発明の電子制御回路のブロック図である。

Claims

流体サンプルの粘性を測定する計器に使用するような構成である流体サンプル表面プレート・アセンブリ構成要素で、前記計器は、前記プレート・アセンブリを保持するプレート固定具を含み、前記プレート固定具は下顎および前記下顎から隔置された上顎を含み、前記下顎は下側通路を有し、前記上顎は上側通路を有し、前記計器は、前記顎を相互に近づけ、さらに離す手段を含み、
（ａ）床、前記床上の下側サンプル表面、および前記下側サンプル表面にほぼ平行に前記床から延在する１対の対向するレールがある開口型箱を含む下プレートを有し、前記下プレートのレールが、滑動して前記下側顎通路に着脱式に入るような構成であり、さらに、
（ｂ）前記下プレートの箱内に填るようにサイズ決定された開口型箱を有する上プレートを有し、前記上プレートの箱が、下側面、上縁、前記下側面上の上側サンプル表面、および前記上側サンプル表面に平行に前記上縁から延在する１対の対向するレールを有し、前記上プレートのレールが、滑動して前記上顎通路に着脱式に入るような構成であり、さらに、
（ｃ）前記下プレートのレールを着脱式に受ける１対の対向する下側通路と、前記上プレートのレールを着脱式に受ける１対の対向する上側通路とを有するプレート・クリップを有し、前記クリップは、前記サンプル表面が相互に対向し、隔置されるよう、相互に対して物理的に固定された関係で前記下プレートおよび前記上プレートを一時的に保持し、さらに、
（ｄ）前記流体サンプルを配置するために前記下側サンプル表面へのアクセスを提供する手段を有し、
（ｅ）前記サンプル表面は、前記クリップを外した後に、自身間に流体サンプルがある状態で接触区域にわたって接触位置決めされるような構成であり、前記流体サンプルが、前記サンプル表面それぞれと接触し、
（ｆ）前記サンプル表面は、前記サンプル表面を相互に押しつけてから引き離すと、前記サンプル表面に対する前記流体サンプルの付着力が、前記流体サンプルの凝集力より大きくなるよう表面組織を与えられるものである構成要素。
前記サンプル表面構成が、ランダムに分布した谷を有する各サンプル表面を含み、前記谷が壁を有し、前記谷の平均深さが、約１０ピコメートルから約１００マイクロメートルの範囲であり、前記平均深さの半分より下にある前記谷の総面積が、前記表面の総面積の３５％から６５％である、請求項１に記載の構成要素。
前記平均深さが５０マイクロメートルから８０マイクロメートルの範囲である、請求項３に記載の構成要素。
前記平均深さの半分より下にある前記谷の前記総面積が、前記サンプル表面の総面積の４５％と５５％の間である、請求項３に記載の構成要素。
前記プレート・アセンブリが、前記サンプル表面の表面構成によって決定されるプレート・タイプを有し、前記プレート・アセンブリが、前記プレート・タイプを識別するプレート・タイプ識別子を含む、請求項１に記載の構成要素。
前記サンプル表面は、前記サンプル表面を相互に押しつけるにつれ、前記サンプル表面が相互に対して横方向に小さく移動することに関係なく、前記接触区域のサイズが分かるようサイズ決定される、請求項１に記載の構成要素。
前記サンプル表面が長方形であり、相互に対して直角である、請求項６に記載の構成要素。
前記下側サンプル表面が前記床から隆起する、請求項１に記載の構成要素。
前記下側サンプル表面へのアクセスを提供する前記手段が、前記下プレートの箱の壁に口を含む、請求項１に記載の構成要素。
前記下側サンプル表面へのアクセスを提供する前記手段が、前記上プレートを旋回して前記下プレートから離せるように、前記下側通路と前記上側通路の間の蝶番を前記クリップに設けることを含む、請求項１に記載の構成要素。
前記プレートをポリマで構成する、請求項１に記載の構成要素。
前記サンプル表面を成形する、請求項１１に記載の構成要素。