JP4022622B2

JP4022622B2 - 回転粘度計用トルク検出器

Info

Publication number: JP4022622B2
Application number: JP2003289370A
Authority: JP
Inventors: 健司菜嶋
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP2005055410A

Description

本発明は、試料の粘性等を測定する回転粘度計に関し、特に試料との相対回転により受ける粘性によって発生するトルクを測定するようにした回転粘度計用トルク検出器に関する。

粘度は、潤滑油や、クリーム状、ペースト状の物質の物性を表す重要な指標であり、これを正確に測定することは極めて重要である。粘度の測定手段としては種々のものが提案されているが、特に回転の生成と発生トルクの測定、或いは、その逆の組み合わせで試料の粘性等を測定する回転粘度計（レオメータ）は、粘度の流動速度依存性等、高度な測定ができるため、その中心となる測定器である。

回転粘度計は、主なものとして共軸二重円筒型と円錐平板型のセンサシステムがあるが、何れも試料は回転によって流動変形を受けその応答として応力トルクを発生する。逆に、トルクを与えて回転を発生させるものもある。

上記のような従来の回転粘度計において共軸二重円筒型の例を図３に示す。同図（ａ）に示す回転粘度計４１においては、円筒状容器３１内に被計測流体３２を入れ、その円筒状容器３１の開口３３から回転粘度計本体３４の下方に突出するロータ３５を没入しつつ、円筒状容器３１の開口３３に回転粘度計本体３４の下端に突出した嵌合蓋部３６を嵌入する。

回転粘度計本体３４の下部にはロータ３５を回転するモータ３７を配置し、その上部には、ロータ３５が粘性のある被計測流体３２によって生じるロータ回転軸３８のトルクに対応した捩れ角を種々の手段で計測するトランスジューサ３９を配置しており、このトランスジューサ３９の上端部には必要に応じてこれを粘性値に換算して表示する表示部４０を配置している。

上記回転粘度計４１の機構を模式的に示したものが図３（ｂ）である。この回転粘度計においては、前記ロータ３５をモータ４３によって回転する構成をなしており、モータ４３の回転は変換機構４４、連結機構４５、スプリング４６、回転軸４７を各々介してロータ３５に伝達している。ロータ３５が被計測流体の粘性によって受けるトルクによって回転軸４７と連結機構４５との間がスプリング４６で捩られ、トランジューサ４２がこれを検出する構成をなしている。

図３（ａ）に示す回転粘度計４１は、更に同図（ｃ）に示す態様で粘度計測を行うこともある。即ち図３（ｃ）に示す例においては、円筒状容器３１をモータ５０で回転している。フレーム５１に対してねじりバネ部４４を介して連結する回転軸５２の下端にはロータ３５を固定し、これを円筒状容器３１内の被計測流体３２内に没入する。また、回転軸５２にはボビン５３を固定し、このボビン５３に対してコイル５４を巻回している。このコイル５４は相対向する磁石５５、５５間に配置され、コイル５４への通電によって特にコイルの回転軸に平行な方向の電流により、回転軸５２に対して所定の回転トルクを付与することができるようにしている。

回転軸５２には放射方向にアーム５６を延出し、アーム５６の先端には、回転軸の軸線方向に延びると共に回転軸５２の回転と一体的に回転するスリット板５７を設けている。このスリット板５７にはスリット５８を形成し、このスリット板５７を挟むようにランプのような発光体６０と、この発光体６０からの光を受光すると共にその受光位置を検出するＰＳＤ（position sensitive detector)等の受光体６１とを配置している。

それにより、モータ５０によって円筒状容器３１が回転し、内部の被計測流体３２が回転することにより、その粘性によってロータ５１が力を受けて回転するとき、回転軸５２によってアーム５６とその先端のスリット板５７が回転し、発光体６０からスリット５８を通って受光体６１に到達する位置が移動する。その位置信号によってロータ３５が受けるトルクを検出し、例えば回転軸５４に対してその回転に抵抗を与えるようにコイル５４への通電量を調節し、スリットが元の位置に戻って受光体５９での受光位置が元に戻るように制御する。このときの通電量によってロータ５１が受けているトルクを検出することができ、被計測流体の粘性を測定することができる。

上記のような回転粘度計において、この時のトルクの大きさは、低粘度物質では非常に小さく、高粘度物質の測定も同じトルク検出器で行うとすれば、ダイナミツクレンジの広い検出器が必要になる。ダイナミツクレンジの広い検出器としては、従来磁場中でコイルに流れる電流が受ける力を利用する電流計と同じ構造のものが存在した（非特許文献１）。なお、トルク検出器としての機能はないが比較的類似した技術も存在する（非特許文献２）。

このような回転粘度計を用いてトルクを検出するには、前記図３（ｃ）の説明において述べたように、発生しているトルクに釣り合うように、コイルに流す電流を制御しその電流値を読みとる方式を採用することによって、６桁以上の広いダイナミツクレンジを持つトルク検出器が実現される。

上記のような回転粘度計を用いてトルクを検出するには、例えば図３（ｃ）に示すように、コイル５４を対向する磁石５５、５５間の狭い隙間に配置する必要があるため、トルクを発生するコイル５４の強度を保つことと、出来るだけ簡単な構造で軽く作ることの両立が困難であるという問題があった。また、磁場の方向、回転軸の方向、コイルが３次元の配置であることから、コイル電流の制御に必要な検出器の配置場所の設定が困難で、小型化の障害になっていた。
T．Nashima，"Rheological Investigation of Latex Dispersions Flocculated by Depletion Effect"，計量研究所報告，VOl．45 Suppl．（1996） Wolfgang H．Marquardt, "Special Motor Technology Allows New And Improved Rheological Test Methods"，第４８回レオロジー学会講演要旨集（2000）

したがって本発明は、回転粘度計の強度を確保しつつ、また、回転粘度計において計測している最大検出トルクを落とすことなく、トルク検出器の構造を簡素化し、小型化可能な回転粘度計を提供することを主たる目的とする。

磁場中の電流による力の発生は、磁場、電流、力それぞれの方向は互いに直交する関係にある。トルクを発生させる用途には、軸を回る方向に力の向きを定めることになる。残りの磁場と電流の向きは回転軸に対し放射状の方向と平行な方向である。これまでの構成では、磁場が放射状、電流が軸に平行であった。それに対して本発明においては、電流を放射状、磁場を軸に平行になるよう構成する。

このような構成にすることにより、コイルの巻き枠としてのボビンを、発生したトルクを支える構造に容易に構成、配置することができ、検出器の強度を確保できる。また、高エネルギー密度の磁石を用いて磁気回路を構成すれることにより、磁気回路の磁場の方向の厚みを抑えることができ、短い軸長の中にトルク検出器を納めることが可能になる。

この構成では、磁気回路は回転軸を含まないので、コイルによって発生する力は回転軸に対して純粋なトルク成分だけではないため、コイルを二つ以上対称に配置してトルク以外の力の成分を打ち消し合うようにし、電流によって発生する力を純粋なトルク成分にする。

本発明の上記解決手段をより詳細に述べると、本発明に係る回転粘度計用トルク検出器は、中心部に被計測流体内で回転するロータが受けるトルクにより回転する軸を固定し、前記中心部から対称にそれぞれ扇形に延び、全体として平面視蝶形をなす平板状のボビンプレートと、前記ボビンプレートの各扇形部分において、少なくともコイルの電流が中心軸から離れる方向の部分と近づく方向の部分を備えるように扇形に巻回し、外部から通電可能なコイルと、前記各コイル毎に該コイルを上下から挟んで対向し、互いに磁極が異なると共に、各々前記対称に延びる平板状のボビンプレートの共通する中心線を挟んで平面上で極性を異ならせた、各コイル毎の一対の永久磁石と、前記ボビンプレートの回転位置に対応した光または影の位置を検出する受光部材と、前記受光部材の受光位置信号に応じて前記ボビンプレートの回転前の位置に戻すように前記コイルへの通電量を制御し、該通電量によりトルクを求める手段とを備える。

また、本発明に係る回転粘度計用トルク検出器は、前記回転粘度計用トルク検出器において、前記小孔を前記コイル内において前記ボビンプレートを貫通する位置に形成したものである。

また、本発明に係る回転粘度計用トルク検出器は、前記回転粘度計用トルク検出器において、前記コイルを前記平板状のボビンプレート内に埋設したものである。

本発明による回転粘度計用トルク検出器は上記のように構成したので、薄型のトルク検出器とすることができ、回転粘度計を小型にすることができ、特に、構造が簡単で製造し易いため、装置の性能を安定させることが可能であると共に、コストダウンも図れる。更に構造が簡単なためコイル部分だけ取り替える等の装置のメンテナンスも容易に行うことができるという利点がある。

本発明は、回転粘度計の強度を確保しつつ、回転粘度計において計測している最大検出トルクを落とすことなく、トルク検出器の構造を簡素化し、小型化可能な回転粘度計を得るに際し、電流を放射状、磁場を軸に平行になるよう磁場中に配置する。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１は本発明のシステム概要図であり、回転粘度計１のトルク検出器２の信号を信号処理装置１０に入力し、また信号処理装置１０によって後述するように、トルク検出器２のコイルに対する電流制御を行うようにしている。図１の回転粘度計１で用いているトルク検出器２の概要は同図（ａ）（ｂ）に示すようなものであるが、その詳細は図２に示している。

図１に示す回転粘度計１は前記図３（ａ）に示す粘度計と同様のものを示しているが、本発明によるトルク検出器は更に種々の形式の回転粘度計に使用することができる。図１の回転粘度計１は、円筒状容器３内に被計測流体４を入れ、その円筒状容器３の開口５から回転粘度計本体６の下方に突出するロータ７を没入しつつ、円筒状容器３の開口５に回転粘度計本体６の下端に突出した嵌合蓋部８を嵌入する。

回転粘度計本体６の下部にはロータ７を回転するモータ１１を配置し、その上部には、ロータ７が粘性のある被計測流体４内で回転することによって生じるロータ回転軸９のトルクを検出するトルク検出器２を設けている。このトルク検出器２は図２に詳細に示すように、中心部に前記回転軸９が受けるトルクに応じて回転する軸２９の端部を固定する開口１２を備えた樹脂製のボビンプレート１３を備え、このボビンプレート１３は図中左右対称にそれぞれ扇形に延び、全体として図２（ａ）に示すように平面視蝶形をなしている。このボビンプレート１３の左右各々には、同図に示すように平面視扇形に巻かれた第１コイル１４と第２コイル１５を、ボビンプレート１２を形成する樹脂内部に備えており、図示されていないリード線により外部から通電可能となっている。

このように平板状で平面視蝶形のボビンプレート１３は、図２（ｂ）に示すように、各コイル１４及び１５を上下から挟むように永久磁石の対１６、１７を配置している。第１コイル１４の両側を挟む永久磁石の対１６は、図中上方の第１磁石１８と下方の第２磁石１９とから構成され、第２コイル１５の両側を挟む永久磁石の対１７は、図中上方の第３磁石２０と下方の第４磁石２１とから構成されている。

第１コイル１４を挟む永久磁石の対１６の内、第１磁石１８は図２（ａ）に示すように中心線２２を挟んで片側がＮ極、他側がＳ極となっている。それに対してこの第１磁石１８に第１コイル１４を介して対向する第２磁石１９は、図２（ｂ）に示すように、第１磁石のＮ極に対向する側がＳ極、図示されないＳ極が対向する側がＮ極となるように配置している。同様に、第２コイル１５を挟む永久磁石の対１７の内、第３磁石２０は図２（ａ）に示すように中心線２２を挟んで片側がＳ極、他側がＮ極となっている。それに対してこの第３磁石２０に第２コイル１５を介して対向する第４磁石２１は、図２（ｂ）に示すように、第３磁石２０のＳ極に対向する側がＮ極、図示されないＮ極が対向する側がＳ極となるように配置している。

このような磁石の配置にすることにより、各コイルに通電すると、特に放射方向の巻き線部分の電流と、上下方向に向いている磁界とにより、コイルにはボビンプレート１３の中心に位置する開口１２、即ちこの開口１２に固定される軸２９を中心に回転するトルクを生じる。特に第１コイル１４及び第２コイル１５は互いに磁石の配置方向が逆であるので、ボビンプレート１３に対しては同一方向に回転するトルク以外のトルクを相殺し、したがってボビンプレートは回転方向のトルクのみによって安定した回転を行うことができる。

上記のような磁力中の巻き線によって生じるトルクにより回転体にトルクを発生させることは、例えばハードディスクのヘッド位置決め機構におけるボイスコイルとして利用されているが、特に回転粘度計のトルク発生装置として用いる場合には、磁場が半径方向に延びたコイル部分に対して均一であることが好ましい。このとき、一つのコイルが発生するトルクは、コイルの最も軸に近い距離をＲ１、遠い距離をＲ２とすると、Ｂｎｉ（Ｒ２^２−Ｒ１^２）となる。ここで、Ｂは磁場の強さ、ｎはコイルの巻き数、ｉは電流である。

なお、磁場は電流が軸に近づく向きに流れる場所と遠ざかる向きに流れる場所で反転している必要があり、上記のような磁石の配置としている。図１及び図２に示した実施例においては、このようなトルク発生ユニットを二つ組み合わせて純粋なトルクを発生するようにする構成したものであり、この例では、Ｒ１＝Ｒ２／２となっており、発生トルクと電流の関係は、１．５ＢｎｉＲ２^２である。

上記実施例において、実用的なトルクを発生させるのに必要なＲ２とｎの大きさを検討すると、ｉ＝１Ａで０．０５Ｎｍを発生させるためには、Ｂ＝０．５Ｔで、ｎ＝６０、Ｒ２＝３．３ｃｍと計算され、実用的な範囲であることが明らかである。

一方、ボビンプレート１３において、図中第１コイル１４の内側には小孔２３を形成しており、この第１コイル１４を挟む第１磁石１８と第２磁石１９には、ボビンプレート１３の図示する平衡位置において対向する位置に、第１磁石１８に対して前記小孔２３よりは大きめの第１開口２４を形成し、第２磁石１９に対しても同様に第２開口２５を形成している。また、前記第１開口２４の上方には発光ダイオード等の発光体２６を配置し、前記第２開口２５の下方には位置検出素子（ＰＳＤ）２７を配置している。

それにより、図１に示すような回転粘度計１において、被計測流体の粘性によってロータ７がトルクを受け、そのトルクに応じて回転する軸２９によりボビンプレート１３が回転すると、ボビンプレート１３に形成した小孔２３を通り位置検出素子２７で検出される受光位置が小孔２３の移動と共に変化する。その信号は図１に示す信号処理装置１０に入力され、その位置を元に戻すように、第１コイル１４及び第２コイル１５に通電する電流をフィードバック制御する。この電流制御によりボビンプレート１３は最終的に元の位置に戻り安定するので、信号処理装置１０においてこのときの電流値を求め、粘性に換算して出力する。

上記のように、軸２９と共に回転するボビンプレート１３をトルク測定器として使用するためには、軸の回転角度の変位を計測する必要があり、また、変位を基準位置に保つようにコイルに流す電流を制御し、その電流がトルクに比例することを利用し上記のようなトルクの測定を行っている。更に、この電流のフイードバック制御では制御が高速である必要があるため、コイルの変位の検出には光学的手法を採用することが好ましいが、上記実施例においては、位置検出の方法として、コイルが配置されていないボビン部分の中央部に小孔を開け、そこに位置検出用の光を通過させ、通過した光のスポットを位置検出素子２７を用いて検出する、という非常に単純で簡素な装置により光学検出装置を構成することができる。

上記実施例においてはボビンプレートを貫通する小孔２３を扇形に形成したコイルの内部に形成し、この小孔２３に対向する磁石部分に開口を形成した例を示したが、それ以外に、例えば第１コイル１４側のボビンプレートの一部を、第１磁石１８及び第２磁石１９より放射方向に充分突出させ、その突出部分に小孔を形成し、この小孔の上下に前記と同様の発光素子と受光素子を配置し、磁石には開口を形成しないように構成することもできる。

また、前記実施例のボビンプレートは回転中心から左右に延び、両端側にコイルを配置した例を示したが、ボビンプレートを例えば平面視十字型に形成し、各端部に前記と同様の扇形のコイルを配置しても良く、同様に更に多数のコイルを用いるように構成することもできる。

また、前記実施例においてはボビンプレートをコイルの埋設する部分を含めて全体を平板状に形成した例を示したが、コイル埋設部分及びその近傍のみを他の部分より厚く形成し、コイルの巻回量にかかわらずボビンプレートにおける他の部分を薄くすることもできる。

また、上記のようなトルク検出手段は、図３（ｂ）に示すように、内部に被計測流体を入れた円筒状容器を固定し、その内部でロータを回転してロータの受けるトルクを計測する形式の回転粘度計の他、図３（ｃ）に示すように、円筒状容器を回転しその内部に配置したロータが被計測流体の粘性によって受けるトルクを計測する形式の回転粘度計にも用いることができ、更にコーンプレート方式の回転粘度計にも用いることができる。

なお、上記実施例においては、コイルを巻回するボビンプレートを回転軸を中心に図中左右に延びるように形成した例を示したが、これは回転バランスを取るためにこのような構造としたものであって、必ずしもこのような構成を採用する必要はなく、片側のみに延びるように構成しても良い。更に、前記実施例においてはコイルをボビンプレートに対して扇形に形成した例を示したが、必ずしも扇形にする必要はなく、そのコイルの巻回部分に少なくとも、電流が中心軸から離れる方向の部分と近づく方向の部分を備えれば、前記作用をなすことができる。

また、上記実施例においてはコイルを巻回するボビンに小孔を形成し、その小孔に対して光を透過する発光体を設けた例を示したが、必ずしも発光体を設ける必要はなく、小孔と受光部材が充分に近接している場合には自然光でも作動させることができる。更に、光を透過する小孔以外に光を遮蔽する部材を設けても良く、その際には前記のように発光体を用いても良く、また自然光を利用しても良い。

上記実施例においては、本発明によるトルク検出器を回転粘度計に用いた実施例を示したが、その他、回転軸に作用するトルクを検出する必要のある種々の分野に利用することができる。更に、上記各実施例は発生したトルクを打ち消すようにコイルに供給する電流を制御することによって、その供給電流によりトルクを検出する例を示したが、このようなコイルに電流を供給することによってトルクを発生する手段はそのまま、各種のトルク発生装置として種々の産業分野で利用することができる。

本発明の全体構成を示す説明図である。本発明のトルク検出部分を示す図である。従来例を示す図である。

符号の説明

１回転粘度計
２トルク検出器
３円筒状容器
４被計測流体
５開口
６回転粘度計本体
７ロータ
８嵌合蓋部
９回転軸
１０信号処理装置
１１モータ
１２開口
１３ボビンプレート
１４第１コイル
１５第２コイル
１６永久磁石の対
１７永久磁石の対
１８第１磁石
２０第３磁石
２３小孔
２６発光体
２７受光体
２９軸

Claims

中心部に被計測流体内で回転するロータが受けるトルクにより回転する軸を固定し、前記中心部から対称にそれぞれ扇形に延び、全体として平面視蝶形をなす平板状のボビンプレートと、
前記ボビンプレートの各扇形部分において、少なくともコイルの電流が中心軸から離れる方向の部分と近づく方向の部分を備えるように扇形に巻回し、外部から通電可能なコイルと、
前記各コイル毎に該コイルを上下から挟んで対向し、互いに磁極が異なると共に、各々前記対称に延びる平板状のボビンプレートの共通する中心線を挟んで平面上で極性を異ならせた、各コイル毎の一対の永久磁石と、
前記ボビンプレートの回転位置に対応した光または影の位置を検出する受光部材と、
前記受光部材の受光位置信号に応じて前記ボビンプレートの回転前の位置に戻すように前記コイルへの通電量を制御し、該通電量によりトルクを求める手段とを備えたことを特徴とする回転粘度計用トルク検出器。
前記小孔は前記コイル内において前記ボビンプレートを貫通する位置に形成したことを特徴とする請求項１記載の回転粘度計用トルク検出器。
前記コイルは前記平板状のボビンプレート内に埋設されていることを特徴とする請求項１記載の回転粘度計用トルク検出器。