JP4845047B2 - 粘度計 - Google Patents

Description

本発明は、粘度計に関するもので、特に、エンジン潤滑油のその場測定や、流量計の粘度補正のための粘度の常時モニタリングや、液体を用いた工業プロセスにおける品質管理あるいは工程制御を目的とした粘度のリアルタイム測定や、カテーテルに当該粘度計を取り付けて血液あるいは体液の粘度を体内で測定する方法に適用できる微細加工技術を用いて作製された小型の粘度計に関する。

従来、小型化を目指した粘度計として、すべり波振動子の液体中での共振特性が粘弾性に依存することを利用するものにおいて、振動素子と液体を入れる容器との一体化を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、高粘性物や高温物の粘度を測定する装置として、ピエゾ振動素子に粘性抵抗を伝達するための粘性抵抗伝達部材を接合したものを粘度センサーとして用い、該センサーの該粘性抵抗伝達部材の先端を試料内に挿入し、この状態において該素子に対してその共振周波数からわずかにずらした周波数の交流の電気信号を印加するとともに、該素子から出力される電流信号を電圧信号に変換させて測定するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、インラインすなわちプロセスの最中に、回転するサンプルを用いて流体の粘度を測定する装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
さらにまた、持ち運び可能なポータブル粘度計として、その本体内に配置されている電気制御回路を有する計器本体と、分析対象の流体の中に沈入させるための水晶共振子型センサと温度センサとを含むセンサプローブとを備えたものが知られている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００５−２６５５７６号公報 特開２００３−４２９２４号公報 特開２００３−１２１３３２号公報 特開平１１−５１８４１号公報

上記した特許文献１、２および４に記載の従来の技術は、インラインでの粘度測定や、連続測定にはコスト面、大きさに関して適していなかった。従って、粘度計を車載化し粘度のリアルタイム測定をすることや、工業プロセスでの品質管理のための粘度モニタリング、などの粘度計のアプリケーションの実現性は低かった。
また、上記した特許文献３に記載の従来の技術は、インラインでの粘度測定を可能にするものであるが、サンプルを回転させる回転体が流体内で非接触式に、かつ、磁気的にステータに軸支される必要があり、また、回転磁場を形成するなど機構的に複雑であり、さらに、非ニュートン粘性まで測定をすることは不可能であった。

本発明は粘度計における上記の問題点を解決し、小型かつ安価で、非ニュートン粘性の測定まで可能な小型の粘度計を微細加工技術を用いて実現することを課題とする。

〔発明の原理〕
図１は、本発明による粘度測定の原理を説明するための説明図である。
まず、初期段階として図１のステップ１のように、内部の円筒をコイルの電磁力によって引き上げる。その後、コイルの電流を絶ち、電磁力をゼロにすると、円筒はダイヤフラムの弾性力によって元に戻ろうとする。円筒の速度は正弦関数的に増してゆくが、ある所望の速度に達したときに、その速度で一定になるように、
Ｆｃ＝Ｋ_１ｔ−Ｋ_０ （１）
となるような力をコイルによって加える。このときＫ_１は所望の速度ｖとダイヤフラムのばね定数ｋの積であり、Ｋ_０は所望の速度ｖに達した時の位置に関係する正の定数である。
速度が一定になった状況で、円筒の変位量センサーによって、変位量ｘ_１と速度ｖを測定する。得られた変位量ｘ_１と速度ｖ、および加えた力の大きさＦｃを用いて次式によって粘度ηを算出する。
η＝ｌ（ｋｘ_１−Ｆｃ）／Ｓ・ｖ （２）
この式中のｌは円筒と孔の隙間、Ｓは円筒の側面の面積である。
この測定を様々な粘度で行うことで、非ニュートン粘度を含む粘度を測定できる。

〔解決手段〕
上記目的を達成するため本発明の粘度計は、基板に形成された円筒状の孔と、該孔に径方向の隙間を有して嵌入される円筒状の可動子と、該可動子の上下面および前記基板の上下面にそれぞれ密着・固定され前記隙間の上下を封止するダイヤフラムと、前記可動子を軸方向に変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを制御する制御手段と、前記可動子の変位を測定する変位量センサーと、前記孔と可動子との隙間内に測定対象の試料を注入、排出する試料導入口および排出口とを備えることを特徴としている。
また、本発明の粘度計は、微細加工技術を用いて作製されることを特徴としている。

本発明の粘度計は、液体の非ニュートン粘度まで含めた粘度をリアルタイム、その場で、安価にセンシングすることが可能になる。そのため、液体を扱う多くの産業で、粘度センサーのリアルタイム測定値を、流量の制御や、品質管理などを行うための指標のひとつとして用いることが可能になる。

図２は本発明の実施の形態に係る粘度計の要部を示す斜視図であって、制御手段および電源等は省略されている。
また、図３は、図２の断面図である。

図２および３において、基板１は、例えばシリコンからなり、一定の厚みを有し、中央部に円筒状の孔２を有する。
円筒状の孔２内には、該孔２の内径より小さい外径を有し、孔２の高さと同じ高さ（基板１の厚さと同じ高さ）を有する円筒状の可動子３が孔２の中心に中心を有するようにして嵌入されている。このため、円筒状の孔２内面と円筒状の可動子３外側面との間には隙間４が形成される。
可動子３および基板１のそれぞれの上下面に密着・固定され、前記隙間４の上下を覆って封止するように２つのダイヤフラム５、５が設けられている。このダイヤフラム５は薄い板状のばね部材から形成されるもので、図２、３に示す例では、１枚の薄い板状のばね部材で基板１の上面あるいは下面の全体を覆うように設けられている。

基板１の上面側には、測定対象の液体を前記隙間４に注入するための試料導入口６が、また、基板１の下面側には隙間４から測定対象の液体を排出するための試料排出口７が穿設されている。隙間４への試料の注入あるいは排出は、圧力差の利用、あるいは、図示しない内蔵ポンプ等によって行われる。

円筒状の可動子３をその軸方向上下に変位させるためアクチュエータが設けられる。図２および３に示す例では、このアクチュエータは、隙間４の内側に位置する可動子３の上下面および隙間４の外側に位置する基板１の上下面にそれぞれ設けられた電磁コイル８、９により構成されている。
これらの電磁コイル８、９には、図示しない電源から電流が供給されるようになっており、電流の大きさおよびオン・オフ制御するための制御手段が設けられる。
上記アクチュエータを構成するものとしては、上記した電磁コイルを設ける他、可動子３に圧電素子を結合して変位を与えたり、あるいは、可動子３の下面に対向電極を設置し、その静電気力によって変位させるようにしたもの等がある。

円筒状の可動子３の変位量を測定するため、変位量センサーが設けられる。図２および３に示す例では、この変位量センサーは、前記隙間４にまたがるようにして上下のダイヤフラム５、５にそれぞれ接着して設けられた４つのひずみゲージ１０からなるホイートストンブリッジにより構成されている。
これらのひずみゲージ１０の両端には引出線が接続され、ひずみを電気量に変換して可動子３の変位量を測定する。
上記変位量センサーを構成するものとしては、上記ひずみゲージの他、静電センサー、圧電センサー等がある。

上記した粘度計において、小型の粘度計を作製する場合は、微細加工技術を用いて作製されるのが望ましい。すなわち、機械要素部品、センサー、アクチュエータ、電子回路を１つのシリコン基板上に集積化したデバイスとして形成されることが望ましい。

上記の装置を用いた測定対象の液体の粘度測定は、以下の要領により行う。
（１）試料液体を、内部に設けられた試料導入口６から、可動子３と孔２との隙間４に流入させ、隙間４を埋めるようにして充填する。
（２）電磁コイル８、９に通電して円筒状の可動子３を上方に引き上げる。その際、ダイヤフラム５が変形される。
（３）電磁コイル８、９への通電を停止し、電磁力をゼロにする。
（４）円筒状の可動子３がダイヤフラム５の弾性力により元に戻ろうとし、その速度を次第に増加させる。
（５）円筒状の可動子３の速度が一定値に達したときに、電磁コイル８、９に通電して、可動子３の速度が一定になるように制御する。電磁コイル８、９への通電量により可動子３に加えた力Ｆｃがわかる。
（６）可動子３の速度が一定になった状態でひずみゲージ８からなる変位量センサーにより可動子３の変位量ｘ_１および速度ｖを測定する。
（７）上で求めた力Ｆｃ、変位量ｘ_１、速度ｖ及び既知である隙間の幅ｌ、ダイヤフラムのバネ定数ｋ、可動子の側面の面積Ｓの値を上記の式（２）に代入して試料液体の粘度ηを求める。

本発明は、小型、軽量、安価の粘性センサーであって、自動車のエンジンオイルの粘度をリアルタイムに測定するセンサー、あるいは自動車用燃料の粘度センサー、あるいは船舶用エンジンのエンジンオイルのリアルタイム粘度センサー、あるいは船舶用燃料の混合比のモニタリング用粘度センサー、あるいは印刷業におけるインクの粘度モニタリング用センサー、あるいはフィルム製造業における塗布液の粘度モニタリングセンサー、あるいはコーティング業における塗布液の粘度モニタリングセンサー、あるいはペイント業の塗布液の粘度モニタリングセンサー、あるいは製本業における製本用のりの粘度モニタリングセンサー、あるいは合板製造業における合板接合用接着剤の粘度モニタリングセンサー、あるいは電子製品製造業におけるプリント基板のコーティングにおける塗布液の粘度モニタリングセンサー、あるいはスピンコーティングを用いるあらゆる産業における塗布液の粘度モニタリングセンサー、あるいは食品製造業における液体の粘度モニタリングセンサー、あるいは粘度測定を元にした温度計、として利用可能である。

本発明による粘度の測定の原理を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態に係る粘度計の要部を示す斜視図である。 図２の断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 円筒状の孔
３ 円筒状の可動子
４ 隙間
５ ダイヤフラム
６ 試料導入口
７ 試料排出口
８ 電磁コイル
９ 電磁コイル
１０ ひずみゲージ

Claims (1)

1. 微細加工技術を用いて作製した、基板に形成された円筒状の孔と、該孔に径方向の隙間を有して嵌入される円筒状の可動子と、該可動子の上下面および前記基板の上下面にそれぞれ密着・固定され前記隙間の上下を封止するダイヤフラムと、前記可動子を軸方向に変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを制御する制御手段と、前記可動子の変位を測定する変位量センサーと、前記孔と可動子との隙間内に測定対象の試料を注入、排出する試料導入口および排出口とを備えた粘度計であって、
   前記制御手段は、前記アクチュエータに通電して前記可動子を引き上げたのち通電を停止し、可動子が前記ダイヤフラムの弾性力により元に戻ろうとし、その速度を次第に増加させ、可動子の速度が予め定めた一定値に達したとき前記アクチュエータに通電して可動子の速度が一定になるように制御するとともに、
   当該可動子の速度が一定になった状態で、前記変位センサーにより、可動子の変位量ｘ _１ 、速度ｖを測定するとともに、前記アクチュエータへの通電量により可動子に加えた力Ｆｃを求め、さらに、既知の量である前記間隙の幅ｌ、前記ダイヤフラムのバネ定数ｋ、及び、前記可動子の側面の面積Ｓの値を用いて、前記試料の粘度ηを、以下の式、
   η＝ｌ（ｋｘ ₁ −Ｆｃ）／Ｓ・ｖ
   を用いて算出することを特徴とする粘度計。

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