JP2009204318A

JP2009204318A - 振動型粘度計

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Publication number: JP2009204318A
Application number: JP2008044019A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kobayashi; 力小林
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】２０Ｈｚ以下の超低周波数領域においても、簡単かつリアルタイムに流体の粘度を測定可能な振動型粘度計を提供する。
【解決手段】駆動用振動子及び検出用振動子を有するバイモルフ振動子と、駆動用振動子に駆動電圧を与える発振器と、駆動電圧と検出用振動子からの出力電圧との位相差を検出する位相差検出器と、を備え、検出用振動子の先端に、測定対象流体内に浸漬される針状部が配されるとともに、バイモルフ振動子の出力と並列になるように調整コンデンサが接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイモルフ振動子を用いた振動型粘度計に関する。

流体の粘度の測定は、合成化学、油脂、食品その他の粘性流体を扱う生産工程での品質管理や基礎研究などで必要とされている。このような粘性流体の粘度を測定する粘度計としては、例えば、細管粘度計、回転粘度計、振動型粘度計がある。

しかしながら、上述の粘度計は、いずれも取り扱いが面倒であり、測定に時間を要していた。このため、簡単かつリアルタイムで粘度を知りたいという現場の要望を満たすことが難しかった。

これに対して、特許文献１（特開平１０−２６７８２３号公報）記載の振動型粘度計では、平面形状が三角形のバイモルフ振動子の先端部につけた細い針を供試液体に浸して供試液体の粘度を測定していた。この振動型粘度計においては、供試液体に浸漬した針が受けた粘性抵抗によって、バイモルフ振動子の入力電圧と出力電圧との間に位相差が生じ、この位相差から供試液体の粘度を、簡単かつリアルタイムに測定することができる。
特開平１０−２６７８２３号公報

しかしながら、特許文献１記載の振動型粘度計においては、バイモルフ振動子への入力電圧の周波数が２０Ｈｚを超える場合は、粘度測定が可能であるが、２０Ｈｚ以下では位相差の周波数特性が急激に変化するため、供試液体の粘度を特定することが困難であった。

そこで本発明は、２０Ｈｚ以下の超低周波数領域においても、簡単かつリアルタイムに流体の粘度を測定可能な振動型粘度計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、本発明の振動型粘度計においては、駆動用振動子及び検出用振動子を有するバイモルフ振動子と、駆動用振動子に駆動電圧を与える発振器と、駆動電圧と検出用振動子からの出力電圧との位相差を検出する位相差検出器と、を備え、検出用振動子の先端に、測定対象流体内に浸漬される針状部が配されるとともに、バイモルフ振動子の出力と並列になるように調整コンデンサが接続されていることを特徴としている。

また、本発明の振動型粘度計においては、駆動用振動子及び検出用振動子を有するバイモルフ振動子と、駆動用振動子に駆動電圧を与える発振器と、駆動電圧と検出用振動子からの出力電圧との位相差を検出する位相差検出器と、を備え、検出用振動子の先端に、測定対象流体内に浸漬される針状部が配されるとともに、バイモルフ振動子の出力と並列になるように、調整抵抗が接続されていることを特徴としている。

本発明の振動型粘度計においては、調整コンデンサに加えて、バイモルフ振動子の出力と並列になるように、調整抵抗が接続することも可能である。

本発明の振動型粘度計において、調整コンデンサの容量は、等価容量、等価インダクタンス、及び等価抵抗を備えるバイモルフ振動子の等価回路における出力側の制動容量よりも大きいとよい。

本発明の振動型粘度計において、駆動電圧の周波数は、２０Ｈｚ以下であることが望ましい。

本発明の振動型粘度計において、駆動用振動子及び検出用振動子は、平面形状が三角形であって各頂点が対応するように対向配置され、針状部は検出用振動子の一頂点に配されているとよい。

本発明の振動型粘度計において、駆動用振動子及び検出用振動子は、ＰＺＴを用いることができる。

本発明によると、駆動用振動子及び検出用振動子を有するバイモルフ振動子と、駆動用振動子に駆動電圧を与える発振器と、駆動電圧と検出用振動子からの出力電圧との位相差を検出する位相差検出器と、を備え、検出用振動子の先端に、測定対象流体内に浸漬される針状部が配されるとともに、バイモルフ振動子の出力と並列になるように調整コンデンサが接続されているため、２０Ｈｚ以下の超低周波領域で平坦な位相差特性が得ることができ、これにより、１Ｈｚからの超低周波での粘度測定が可能となる。さらに、針状部の振幅が小さいとともに駆動周波数が低いため、ずり速度を小さくすることができ、これにより、ニュートン性の流体のみならず非ニュートン性の流体についても正確な粘度を測定できる。

以下、本発明の実施形態に係る振動型粘度計１０について図面を参照しつつ詳しく説明する。図１は、振動型粘度計１０の構成を示す図であり、バイモルフ振動子２０の構成は斜視図で、それ以外の構成はブロック図で示している。図１に示すように、振動型粘度計１０は、バイモルフ振動子２０と、発振器３１と、位相差検出器３２と、コンデンサＣ_２（調整コンデンサ）と、を備える。
以下に、各部材の詳細な構成について説明する。

バイモルフ振動子２０は、平面形状が三角形の薄いシム板２２（ｓｈｉｍｐｌａｔｅ）の上下両面に、圧電素子であるＰＺＴ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）からなる駆動用振動子２１及び検出用振動子２３をそれぞれ接着してなる。駆動用振動子２１及び検出用振動子２３は、シム板２２と同一の三角形の平面形状を備え、分極方向を互いに同じ方向として各頂点が対応するように対向するように、厚さ方向に積層したパラレル型に配置している。これにより、駆動用振動子２１及び検出用振動子２３を２つのユニモルフとして用いることができる。ここで、バイモルフ振動子２０としては、例えば日本セラミック社製のものを用いることができる。また、シム板は、例えば、弾性体であるリン青銅による薄い板バネを使うことができる。

図２（ａ）はバイモルフ振動子２０に用いる圧電バイモルフ振動子の構成を示す斜視図である。図２（ｂ）は駆動用振動子２１、シム板２２、及び検出用振動子２３の配置を示す斜視図である。バイモルフ振動子２０は、図２（ａ）に示す平面視矩形状の圧電バイモルフ振動子１２０を、図２（ｂ）に示す平面視三角形状に加工したものである。バイモルフ振動子１２０は、平面視矩形状のシム板１２２の上下両面に、駆動用振動子１２１及び検出用振動子１２３をそれぞれ接着してなるもので、駆動用振動子１２１及び検出用振動子１２３の分極方向（図２（ａ）のＰ方向）は、それぞれの厚さ方向と同一である。

バイモルフ振動子２０は、底辺２０ａ（図２（ｂ））が支持台２５に固定されている。一方、底辺２０ａから遠い頂点２０ｂの下面には、針状部２４の一端が接着固定されている。この針状部２４としては、例えば、市販の木綿針（がす針２号、長さ５４．５ｍｍ、太さ０．７６ｍｍ）の太い上部２４．５ｍｍを切り捨て、先の尖った部分を使用する。

なお、バイモルフ振動子２０では、上述のパラレル型の配置としたが、シリーズ型とすることもできる。上述のパラレル型では、シム板２２を挟んだ駆動用振動子２１及び検出用振動子２３の分極方向を同じ方向にしていたが、シリーズ型では、分極方向を反対方向とする。シリーズ型においては、パラレル型と同様に各要素を配置し、検出された位相差信号から１８０度を引くことになる。

図１に示すように、駆動用振動子２１には、信号線Ｓ１を介して、発振器３１から駆動電圧が与えられる。検出用振動子２３からの出力電圧は、信号線Ｓ２を介して、位相差検出器３２（Ｇａｉｎ−ｐｈａｓｅａｎａｌｙｚｅｒ、ｐｈａｓｅｍｅｔｅｒ）へ出力される。位相差検出器３２には、接続ケーブル３４（例えばＧＰ−ＩＢ）を介して、パーソナルコンピュータ３３が接続されている。パーソナルコンピュータ３３では、位相差検出器３２からの出力に基づいて、位相の周波数特性の分析その他の処理を行う。

ここで、発振器３１及び位相差検出器３２としては、例えば、ＮＦＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ社製のＦＲＥＱＵＥＮＣＹＲＥＳＰＯＮＳＥＡＮＡＬＹＺＥＲ５０２０型を用いることができる。発振器３１及び位相差検出器３２は、これ以外のものも用いることができ、互いに独立したものも利用できる。

振動型粘度計１０では、検出用振動子２３の出力、すなわちバイモルフ振動子２０の出力と並列となるようにコンデンサＣ_２（調整コンデンサ）が接続されている。具体的には、信号線Ｓ２とグランド線Ｇ間にコンデンサＣ_２が配置されている。

振動型粘度計１０を用いた粘度測定は、針状部２４を供試液体４０（測定対象流体）中に浸漬した状態で、発振器３１から駆動用振動子２１に正弦波の駆動電圧を加えることによって行う。駆動電圧が印加された駆動用振動子２１は正弦波の波形に応じて変形し、この変形に対応して針状部２４が振動する。この振動によって、針状部２４は、流体から粘性の抗力を受け、先端に針状部２４が固定された検出用振動子２３は供試液体４０の粘性に応じた位相遅れを生じる。検出用振動子２３は、生じた歪みを電気信号に変換して位相差検出器３２へ出力する。このようにして得られた検出用振動子２３からの出力電圧と、駆動用振動子２１に加えられた駆動電圧との間には、供試液体４０の粘度に対応した位相差が生じる。

ここで、振動型粘度計の測定原理について、図３を参照しつつ説明する。図３は、振動型粘度計の測定原理を示す斜視図であって、ニュートン性液体中に浸漬された状態の振動片の状態を示す図である。図３に示すように、ニュートン性の液体中で薄い平板状の振動片５０がその面に平行にＶ_ｍｅ^ｊωｔの速度で正弦的に振動する場合、その周囲の流体も振動片の面と平行な方向に横振動をする。

振動片５０からその面に対して垂直方向にｙだけ離れた場所における振動速度Ｖは次式（１）で表すことができる。

ただし、Ｖ_ｍは振動片の最大振動速度、ωは角振動数、ρは振動片５０を囲む液体の密度、ηはその液体の粘度、ｔは時間である。

式（１）により、ずり速度Ｄｓが次式（２）のように求められる。

ここで、振動片５０の表面（ｙ＝０）におけるずり速度Ｄ_Ｓ０は次式（３）のようになる。

また、振動片５０の表面の単位面積に及ぼす力τは、次式（４）のように求められる。

振動片５０の両面に作用する粘性による力Ｆは、振動片５０の両面の総面積をＡとすれば、次式（５）のとおりとなる。

ここで、力Ｆと振動速度Ｖ_ｍｅ^ｊωｔの比を取れば、次式（６）に示すように、インピーダンスＺで与えられる。

式（６）のインピーダンスＺは、粘性による振動片５０に作用する力Ｆと振動片５０の振動速度Ｖ_ｍｅ^ｊωｔとの比であり、流体の負荷による機械的インピーダンスとなる。この機械的インピーダンスの抵抗分をＲｚ、リアクタンス分をＸｚとすると次式（７）のようになる。

この両辺を２乗して整理すると次式（８）が得られる。

式（８）の関係から、実数部と虚数部をわけると次の２式（９）が得られる。

さらに、上の２式（９）から次の関係式（１０）が得られる。

ここで、ｆは振動片５０の振動数である。式（１０）から、抵抗分Ｒｚは粘度ηと密度ρの積ηρの関数となっていることがわかる。よって、抵抗分Ｒ_ｚを何らかの方法で測定できれば、式（１０）の関係から粘度ηを求めることができる。

本実施形態に係る振動型粘度計１０では、入出力電圧間の位相差θがこの抵抗分Ｒｚの関数となり、実験的に得られるニュートン性シリコーンオイルのηρと位相差θの関係を一般の粘度測定時の校正カーブとして使用することによって、各種流体の粘度を求めることができる。具体的には、針状部２４の先の尖った先端部を供試液体４０に浸し、駆動用振動子２１に、例えば０．５Ｖ_{ｒ．ｍ．ｓ．}の正弦波電圧を加えて駆動する。針状部２４が供試液体４０から受ける粘性の抗力を検出用振動子２３で検出し、駆動用振動子２１及び検出用振動子２３の両ユニモルフ間に現れる電圧の位相差θと、粘度ηと密度ρの積ηρの関係から粘度を測定する。

図４は、振動型粘度計１０の電気的等価回路を示す図である。図４において、等価容量Ｃ、等価インダクタンスＬ、等価抵抗Ｒは、バイモルフ振動子２０の一次共振の等価インピーダンスであり、ΔＬ、ΔＲは粘性を備えた供試液体４０によって増加する粘性質量と抵抗分である。また、バイモルフ振動子２０への入力側及びバイモルフ振動子２０からの出力側には、制動容量Ｃ_０、Ｃ_１がそれぞれ接続されている。さらに、バイモルフ振動子２０の出力にそれぞれ並列になるように、コンデンサＣ_２及び抵抗Ｒ_１（調整抵抗）が接続されている。抵抗Ｒ_１は出力側でθを測定する位相器の入力インピーダンスである。

この等価回路から、上述の入出力間の位相差θは次式（１１）のようになる。

ここで、Ｍは力係数である。
式（１１）の第２項の値は、角周波数ωの低下と共に急激に減少するため、θを一定（平坦）に保つには、制動容量Ｃ_１、コンデンサＣ_２、又は、抵抗Ｒ_１を増加させればよい。

そこで、バイモルフ振動子２０の出力端に並列にコンデンサＣ_２を接続し、その静電容量の大きさに対する、２０Ｈｚ以下の超低周波領域での位相特性について、計算値と実験値を用いて以下に述べる。

図５は、振動型粘度計１０に対してコンデンサＣ_２を接続していない構成の振動型粘度計を用いて、供試液体としてシリコーンオイルを用いた場合の各種粘度の位相差特性を求めた結果を示すグラフであり、横軸に駆動用振動子への駆動周波数（単位Ｈｚ）、縦軸に位相差（単位度（ただし、1度はπ／１８０ｒａｄ））をとっている。供試液体としては、３０、１００、１０００、１００００ｃＳｔ（ただし、１ｃＳｔ＝１０^−６ｍ^２／ｓ）の粘度（動粘度）のシリコーンオイルを用いている。駆動電圧はＶ（実効値）である。

図５では、従来の振動型粘度計がセンサとして感度を持つ全周波数範囲を示しており、２００Ｈｚ付近において位相差が大きく変化をしている箇所が粘度計の一次共振部を、５００Ｈｚ付近の変化が二次共振部をそれぞれ示している。従来の振動型粘度計では、一次共振と二次共振の間、二次共振直後の非共振周波数帯、又は、一次共振以下の２０〜１００Ｈｚの非共振周波数帯を利用して粘度測定を行ってきた。

図５から、２０Ｈｚ以下の低い周波数領域において、位相差が周波数の低下と共に１８０°から２５０°付近まで急激に上昇していることがわかる。上述のように、２枚のユニモルフ間に現れる電圧の位相差θから、供試液体の粘度の測定が可能とはいうものの、図５の２０Ｈｚ以下の低い周波数領域における位相差のように急激に変化するデータに基づいて、信頼性の高い粘度を得ることは困難である。

２０Ｈｚ以下の低い周波数領域において位相差が急上昇する原因を探るために、図６、図７に結果を示す、二つの実験を行い調べてみる。

図６は、針状部２４を供試液体に浸していない無負荷の状態で、検出用振動子２３の三角形先端上部（針状部２４を設けた頂点の上部）の振動変位をレーザ変位計で測定し、振動変位と位相差の周波数特性を調べた結果を示すグラフであり、横軸に駆動用振動子への駆動周波数（単位Ｈｚ）、縦軸に駆動電圧（入力電圧）と検出電圧（出力電圧）との位相差（単位度）及び検出用振動子の振動変位（単位μｍ）をとっている。駆動電圧は０．５Ｖ（実効値）である。なお、ここで用いたレーザ変位計は、ＫＥＹＥＮＣＥ社のＬＣ＝２４００（ヘッドはＫＥＹＥＮＣＥ社のＬＣ＝２４３０）である。

図６より、周波数変化に対する振動変位と位相差は、２０Ｈｚ以下の周波数領域を含む全周波数領域においてほぼ一定値を示し、片持ち梁の振動だけであることが分かる。従って、バイモルフ振動子の先端に針状部を配置した構成自体が、２０Ｈｚ以下の周波数領域における位相差の急上昇の原因になっているとは考えられないことがわかった。

次に、位相差が急上昇する原因として、検出用振動子側のバイモルフの出力インピーダンスによる影響を調べてみる。
まず、振動型粘度計の電気的等価回路から求めた入出力間の位相差θの式（１１）を用いて計算してみた結果、式（１１）の右辺の第２項が位相差の急上昇の原因となっていることがわかった。この２項の影響を小さくするためには、駆動周波数が低下して各周波数ωが小さくなってもωＣ_１Ｒ_１を大きくすればθを平坦に保つことができる。よって、三角形バイモルフの出力側から見た抵抗Ｒ_１または制動容量Ｃ_１（バイモルフ出力側の容量であって、例えば０．０７１μＦ）を更に大きくすればよいことがわかる。

次に、０．０７１μＦの制動容量Ｃ_１と並列に、制動容量Ｃ_１よりも容量の大きなコンデンサＣ_２を挿入して、無負荷時における位相差の周波数特性について説明する。図７は、振動型粘度計１０及び振動型粘度計１０に対してコンデンサＣ_２を接続してない振動型粘度計について、針状部を供試液体に浸漬していない無負荷時における位相差の周波数特性を示したグラフである。図７においてはコンデンサＣ_２を次の条件（ａ）〜（ｄ）のように設定した。
（ａ）振動型粘度計１０に対してコンデンサＣ_２を接続してない振動型粘度計の測定結果：○印
（ｂ）２０の出力端子に１μＦのコンデンサＣ_２を挿入したときの測定結果：△印
（ｃ）（ｂ）においてコンデンサＣ_２の容量を２．２μＦとしたときの測定結果：□印
（ｄ）（ｂ）においてコンデンサＣ_２の容量を３．３μＦとしたときの測定結果：×印
また、図７においては、上述の式（１１）に上記条件（ａ）〜（ｄ）を適用して計算した位相差の値を実線と破線で示してある。

図７から、計算値を示す実線又は破線と、各線に対応する条件下での測定値と、がほぼ重なっていることが分かる。したがって、いずれの場合も計算値と実験値は良く一致していることが分かる。さらに、コンデンサＣ_２を入れないとき（ｎｏｃａｐａｃｉｔｏｒ）では、２０Ｈｚ以下の周波数帯で位相差が急激に大きくなる点で、計算値と測定値はよく一致している一方、コンデンサＣ_２を入れることによって位相差がほぼ一定値となることが明らかである。すなわち、２０Ｈｚ以下における周波数領域における位相差の急上昇は、制動容量Ｃ_１よりも容量が大きなコンデンサＣ_２を入れることで解決できることが分かる。

また、図７と同じ条件下において、バイモルフ振動子の出力側に容量０．０４〜１０μＦのコンデンサＣ_２を接続して測定した結果、容量を増していくに従って位相差特性を平坦にできた。また、出力端子に１〜５μＦ程度のコンデンサＣ_２を並列に挿入することにより、位相差θが平坦な特性を示し、超低周波での測定が可能となることがわかった。

一方、１０μＦ以上の容量のコンデンサＣ_２を接続するとインピーダンスが低下するために出力電圧が小さくなり位相差が測定しにくくなることも分かった。
なお、図７に示す実験において、抵抗Ｒ_１（調整抵抗）は測定器（位相器）の入力インピーダンス１ＭΩであって、式（１１）を考慮すると、抵抗Ｒ_１を更に大きくすることにより２０Ｈｚ以下の超低周波での平坦特性が得られることが予想される。また、抵抗Ｒ_１に並列にさらなる抵抗（例えば５０Ω）を入れてインピーダンスを下げることにより超低周波での平坦な特性が得られると考えられる。

つづいて、図８を用いて振動型粘度計１０の針状部２４を供試液体４０に浸漬して負荷を与えた場合の５０Ｈｚ以下の周波数領域での位相差の周波数特性について説明する。図８（ａ）は、比較例として、コンデンサＣ_２を接続しない状態において、粘度が１０００〜５０００００ｃＳｔの範囲のシリコーンオイルについての位相差の周波数特性の測定結果を示すグラフである。これに対して、図８（ｂ）は、容量３．３μＦのコンデンサＣ_２を備えた振動型粘度計１０を用いて測定した位相差の周波数特性の測定結果を示すグラフであり、供試液体４０は図８（ａ）と同じものを用いている。図８（ａ）、（ｂ）ともに、横軸は駆動用振動子に対する駆動周波数（単位Ｈｚ）、縦軸はバイモルフ振動子への入出力電圧の位相差（単位：度）であり、制動容量Ｃ１は出力側から見た容量であって、０．０７１μＦとしている。また、針状部を供試液体に浸漬していない無負荷状態（ｎｏ−ｌｏａｄ）の測定結果も表示している。

図８（ａ）に示すように、コンデンサＣ_２を接続しない場合には、どの粘度のシリコーンオイルについても、周波数が低くなるにつれて、特に２０Ｈｚ以下の領域において、位相差が約１８０°以上まで急上昇することがわかる。それに対して、図８（ｂ）に示すように、３．３μＦのコンデンサＣ_２をバイモルフ振動子２０の出力端子側に並列に接続した場合は、特に２０Ｈｚ以下の低周波領域での位相差の上昇を抑えることができ、平坦な周波数特性が得られたために１Ｈｚからの超低周波で高粘度までの測定が可能となる。

図９は、１〜２０Ｈｚにおけるηρと位相差θの関係を図８（ｂ）に示す測定結果から算出した結果を示す。図９は、横軸にηρ（単位ｃＰｇ／ｃｍ^３）、縦軸に位相差（単位：度）をとったグラフであり、駆動用振動子２１への駆動周波数を２０Ｈｚ以下の１Ｈｚ（◆印）、５Ｈｚ（■印）、１０Ｈｚ（▲印）、２０Ｈｚ（×印）としている。

図９に示す結果より、２０Ｈｚ以下の超低周波領域での測定においてηρがほぼ一定値となることから、高粘度領域（特にηρが１０^０〜１０^４の領域）でも高感度の特性の得られることがわかる。ニュートン性のシリコーンオイルを標準液体と見なし、図９の結果から位相差θとηρの関係式を求めると、シリコーンオイル以外の各種液体の粘度を測定することができる。

図１０は、シリコーンオイルと同じニュートン性を示す、ひまし油について、振動型粘度計１０及び回転型粘度計を用いて粘度計測を試みた結果を示す。図１０では、横軸にひまし油の温度（単位：°Ｃ）、縦軸に粘度（ｃＳｔ）をとり、振動型粘度計１０のバイモルフ振動子２０を用いて駆動周波数を１０Ｈｚ（■印）と２０Ｈｚ（▲印）にした場合と、従来の回転型粘度計を用いた場合（×印）と、を示す。また、ニュートン性液体の広範囲の粘度についても振動型粘度計１０の妥当性を調べるために、温度を５℃から３０℃まで変化させて測定している。

図１０に示すように、温度の低下と共に粘度は大きくなっていくが、いずれの測定法でもほぼ近い値を示すことがわかる。回転型粘度計では、振動型粘度計１０に比して、ずり速度が桁違いに大きいが、ニュートン性液体の粘度はずり速度に依存しない物質定数であるためにこのような結果となった。このことからもバイモルフ粘度計が低周波での粘度計としても適することの確認できる。

次に、ニュートン性液体と非ニュートン性液体を用いて低周波測定での振動型粘度計１０を用いた測定の有意義性を調べてみる。
図１１は、非ニュートン性液体である市販の蜂蜜について、図１０と同様の条件で、粘度計測を行った結果を示す。図１１に示す測定においては、振動型粘度計１０のバイモルフ振動子２０の駆動周波数として１、５、１０、２０Ｈｚを使い、比較例として、一般に精度が高いと言われている細管粘度計（ｃａｐｉｌｌａｒｙｖｉｓｃｏｍｅｔｅｒ）を用いた。バイモルフ粘度計である振動型粘度計１０と細管粘度計とでは、特に低温時の高粘度において、大きな差が現れていることがわかる。非ニュートン性液体においてはニュートンの粘性法則が成立しないため、見かけの粘度で表現される。ずり応力τとずり速度Ｄｓ_０の比を取ると、式（４）より

となり、この比η_ａが見かけの粘度となり、ずり速度の関数である。従って、細管粘度計ではずり速度が大幅に大きいために、見掛けの粘度が小さな値となったのである。蜂蜜は非ニュートン性液体の擬塑性流体に属し、ずり速度を大きくすることによって粘度が低下する物質であり、この種のものは身近な流動性食品に多く見られる。なお、ここで用いた回転粘度計と細管粘度計については、ニュ−トン性液体で使用前に校正している。

上述のとおり、振動型粘度計１０によれば、バイモルフ振動子２０の出力側にコンデンサＣ_２（例えば１〜５μＦ）を並列に接続することによって、２０Ｈｚ以下の超低周波領域で平坦な位相差特性が得ることができる。これにより、１Ｈｚからの超低周波での測定が可能となる。さらに、針状部２４の振幅が小さい上に周波数が低いため、ずり速度が小さくなり、これにより、ニュートン性の流体のみならず非ニュートン性の流体についても正確な粘度を測定できる。したがって、非ニュートン性の液体や日常多く使われる流動性食品の粘度測定に有用である。

また、平面形状が三角形のバイモルフ振動子２０を用いることにより、非共振周波数帯で粘性に対する位相差感度が非常に大きくなる。針状部２４を極めて少量の供試液体４０中に浸漬して駆動用振動子２１を駆動するのみで測定ができるため、極めて簡便にリアルタイムで粘度測定ができるとともに、連続測定も容易に行うことができる。さらに、駆動用振動子２１及び検出用振動子２３の非共振周波数帯を使用するために測定粘度帯域を広く取ることができる。また、２０Ｈｚを超える周波数領域の測定もできることから、１つの装置で低粘度から高粘度の測定が可能となる。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る振動型粘度計は、２０Ｈｚ以下の領域を含む広い周波数領域において、低粘度から高粘度に至る流体の粘度測定に有用である。

本発明の実施形態に係る振動型粘度計の構成を示す図である。（ａ）は本発明の実施形態に係るバイモルフ振動子に用いる圧電バイモルフ振動子の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は駆動用振動子、シム板、及び検出用振動子の配置を示す斜視図である。振動型粘度計の測定原理を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る振動型粘度計の電気的等価回路を示す図である。本発明の実施形態に係る振動型粘度計に対して調整コンデンサを接続していない構成となる、従来の振動型粘度計を用いて、供試液体としてシリコーンオイルを用いた場合の各種粘度の位相差特性を求めた結果を示すグラフである。本発明の実施形態に係る振動型粘度計において、針状部を供試液体に浸していない無負荷の状態で、検出用振動子の三角形先端上部の振動変位をレーザ変位計で測定し、振動変位と位相差の周波数特性を調べた結果を示すグラフである。本発明の実施形態に係る振動型粘度計と、本発明の実施形態に係る振動型粘度計に対してコンデンサＣ_２を接続してない振動型粘度計と、について、針状部を供試液体に浸漬していない無負荷時における位相差の周波数特性を示したグラフである。（ａ）は、コンデンサＣ_２を接続しない振動型粘度計において、粘度が１０００〜５０００００ｃＳｔの範囲のシリコーンオイルについての位相差の周波数特性の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は、容量３．３μＦのコンデンサＣ_２を備えた本発明の実施形態に係る振動型粘度計を用いて測定した位相差の周波数特性の測定結果を示すグラフである。図８（ｂ）に示す測定結果に基づいて、１〜２０Ｈｚにおけるηρと位相差θの関係を算出した結果を示すグラフである。ひまし油について、本発明の実施形態に係る振動型粘度計及び回転型粘度計を用いて粘度計測を試みた結果を示すグラフである。非ニュートン性液体である市販の蜂蜜について、図１０と同様の条件で、粘度計測を行った結果を示すグラフである。

符号の説明

１０振動型粘度計
２０バイモルフ振動子
２１駆動用振動子
２２シム板
２３検出用振動子
２４針状部
２５支持台
３１発振器
３２位相差検出器
３３パーソナルコンピュータ
３４接続ケーブル
４０供試液体（測定対象流体）

Claims

駆動用振動子及び検出用振動子を有するバイモルフ振動子と、前記駆動用振動子に駆動電圧を与える発振器と、前記駆動電圧と前記検出用振動子からの出力電圧との位相差を検出する位相差検出器と、を備え、前記検出用振動子の先端に、測定対象流体内に浸漬される針状部が配されるとともに、前記バイモルフ振動子の出力と並列になるように、調整コンデンサが接続されていることを特徴とする振動型粘度計。
駆動用振動子及び検出用振動子を有するバイモルフ振動子と、前記駆動用振動子に駆動電圧を与える発振器と、前記駆動電圧と前記検出用振動子からの出力電圧との位相差を検出する位相差検出器と、を備え、前記検出用振動子の先端に、測定対象流体内に浸漬される針状部が配されるとともに、前記バイモルフ振動子の出力と並列になるように、調整抵抗が接続されていることを特徴とする振動型粘度計。
前記バイモルフ振動子の出力と並列になるように、調整抵抗が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型粘度計。
前記調整コンデンサの容量は、等価容量、等価インダクタンス、及び等価抵抗を備える前記バイモルフ振動子の等価回路における出力側の制動容量よりも大きい請求項１又は請求項３に記載の振動型粘度計。
前記駆動電圧の周波数は、２０Ｈｚ以下である請求項１、請求項３、又は請求項４に記載の振動型粘度計。
前記駆動用振動子及び前記検出用振動子は、平面形状が三角形であって各頂点が対応するように対向配置され、前記針状部は前記検出用振動子の一頂点に配されている請求項１、及び請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の振動型粘度計。
前記駆動用振動子及び前記検出用振動子は、ＰＺＴである請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の振動型粘度計。