JP5483113B2

JP5483113B2 - 粘度計

Info

Publication number: JP5483113B2
Application number: JP2010289256A
Authority: JP
Inventors: 泰之山本; 壮平松本
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012137352A

Description

本発明は、粘度計に関するもので、特に、振動粘度計の測定理論と、振動子の形態に関する。

従来、振動式粘度計の振動体の形状としては、平板を面に平行な方向に振動させるもの、円柱を軸周りに回転振動させるもの、カンチレバー状の平板を面に垂直な方向に振動させるものなどが知られている。

特開２００１−３１８０４０号公報

上記の粘度計の測定理論は、振動体の周りに十分広い液体空間が存在すると仮定して導かれている。そのため、測定される量は粘度と密度の積となり、粘度を単独で測定できないことが知られている。
また、上記の粘度計は、振動させる物体にアクチュエータと、変位センサの両方が取り付けられており、測定理論上、アクチュエータが発生した力を必要とするが、アクチュエータに発生した力は、周辺のばね構造やダンパー構造などの影響を受けるため、必ずしも明確にしがたく、誤差を発生させる要因となっていた。
本発明は、粘度のみが単独で測定でき、しかもアクチュエータが発生する力を明確にする必要がなく、誤差の少ない振動式粘度計を実現することを課題とする。

本発明の粘度計は、強制振動体と、強制振動体とわずかな間隙を介して設置された感力板と、振動体をアクチュエータに結合させるための構造と、強制振動体を駆動するためのアクチュエータと、強制振動体の変位を検出するための変位センサと、感力板をバネに結合させるための構造と、感力板に変位を起こさせるばね構造と、感力板の変位を検出するための変位計と、前記ばね構造、アクチュエータ、及び、変位計を固定するための支持体とを備えることを特徴とする。

本発明は、単に振動体と、感力板の変位を測定するだけで、粘度を単独で測定できる振動粘度計を実現する。このような振動粘度計は、誤差が少なく、コスト面で優れている。そのため、産業上のさまざまな場面での粘度測定のための設備コストを低減し、粘度をより簡便に、かつ高精度に測定することが可能になる。
また、感力板と振動体を二重渦巻き構造とすることによりコンパクト化が図れ、さらに、ＭＥＭＳ加工技術を用いて作製すればより一層のコンパクト化が図れる。

本発明の感力板を用いた振動粘度計の原理模式図である。本発明の感力板を用いた振動粘度計の周波数比０．１の時の振幅と粘度の関係を示すグラフである。本発明の感力板を用いた振動粘度計の一実施例を示す図である。本発明の感力板を用いた振動粘度計の他の実施例を示す図である。

図１は、本発明による感力板を用いた粘度測定の原理を説明するための説明図である。
図において、強制振動体をアクチュエータ（例えばピエゾなど）で振動させると、強制振動体と感力板の間の液体が動かされ、粘性応力が発生する。この粘性応力によって感力板が振動を始める。感力板の振動の運動方程式は、感力板の質量をｍ、粘性力をη、感力板の表面のうち粘性応力を受ける部分の面積をＳ、感力板と強制振動体のギャップの間隔をｄ、ばね定数をｋ_１、感力体の変位をｘ_１、振動体の変位をｘ_２、時間をｔとすると、

である。強制振動体に、振幅Ａ_２、振動角周波数ωの正弦波状の変位、

を与えると、感力板は

のように振動する。共通のパラメータをまとめると、

と表される。
この感力板の振動は、粘度に比例するパラメータΓと、固有角周波数ω_０によって記述されている。強制振動体を様々な周波数ωで振動させて、そのときの強制振動体の変位と、感力板の変位を測定し、理論とカーブフィットすることで、パラメータΓと固有角周波数ω_０を求める。パラメータΓの粘度以外の部分は、強制振動体と感力板の構造が決まれば、一定値となるため、あらかじめ粘度の分かった校正用標準液などでキャリブレーションしておく。この装置定数を用いて、測定されたΓの値から、粘度を算出できる。
あるいは、図２に示すように、固有角周波数よりも１０分の１以下程度の周波数では、感力板の振幅が粘度にほぼ比例するため、振幅と粘度の関係のグラフをあらかじめ校正用標準液などでキャリブレーションしておけば、実際の測定では、単一の周波数で振幅を調べるだけで、粘度を算出できる。

図３は、本発明の一実施例として円筒形状の強制振動体と、リング形状の感力板を有する粘度計の模式図である。この装置の寸法は数十ｃｍ角程度で、テーブルトップである。実際には、より小型の場合も実現可能である。

上記図３の実施例では円筒形状の強制振動体及びリング形状の感力板を用いたが、他の形状でもよく、例えば、強制振動体と感力板を二重渦巻き構造にすれば、コンパクト化が図れ、また、ＭＥＭＳ加工技術を用いて強制振動体及び感力板を作製すれば一層のコンパクト化が図れる。
図４に、強制振動体と感力板を二重渦巻き構造にして、ＭＥＭＳ加工技術を用いて、シリコンウェーハ上に実現した本発明の他の実施例を示す。ここで、二重渦巻き構造の強制振動体と感力板は、渦巻きの中心軸と平行な方向に振動変位する。

本発明は振動粘度計をより簡便に実現する方法を提供可能にし、低コストかつ高精度な振動粘度計として利用可能である。また、ＭＥＭＳ加工技術を用いて粘性センサを実現する目的にも、簡便な方法を提供できるため、粘性センサの実現性を高める。粘性センサとして利用されれば、インプロセスの粘度測定、内蔵型の粘度モニターなどとして利用可能である。

Claims

強制振動体と、強制振動体とわずかな間隙を介して設置された感力板と、振動体をアクチュエータに結合させるための構造と、強制振動体を駆動するためのアクチュエータと、強制振動体の変位を検出するための変位センサと、感力板をバネに結合させるための構造と、感力板に変位を起こさせるばね構造と、感力板の変位を検出するための変位計と、前記ばね構造、アクチュエータ、及び、変位計を固定するための支持体とを備えることを特徴とする粘度計。
前記強制振動体と感力板は二重渦巻き構造をなし、強制振動体と感力板は、渦巻きの中心軸と平行な方向に振動変位することを特徴とする請求項１記載の粘度計。
前記強制振動体と感力板はＭＥＭＳ加工技術を用いて製作されたことを特徴とする請求項１又は２記載の粘度計。
請求項１〜３のいずれか１項記載の粘度計において、固有角周波数よりも１０分の１以下程度の周波数で強制振動体を駆動し、感力板の振幅と粘度との関係のグラフをあらかじめ校正用標準液でキャリブレーションしておき、予め求めておいたグラフに、前記周波数で強制振動体を駆動させたときの感力板の振幅を変位計で検出し得られた振幅をあてはめて粘度を算出することを特徴とする粘度計。
請求項１〜３のいずれか１項記載の粘度計において、感力板の質量をｍ、粘性力をη、感力板の表面のうち粘性応力を受ける部分の面積をＳ、感力板と強制振動体のギャップの間隔をｄ、ばね定数をｋ_１、感力体の変位をｘ_１、振動体の変位をｘ_２、時間をｔとし、強制振動体に下記の式２の変位を与え、固有角周波数ω_０が以下の式４であり、パラメータΓが以下の式６であるとき、以下の式５となることを利用して、強制振動体を様々な周波数で振動させて、そのときの強制振動体の変位と、感力板の変位を測定し、理論とカーブフィットすることで、パラメータΓと固有角周波数ω_０を求め、パラメータΓの粘度以外の部分は、あらかじめ粘度の分かった校正用標準液などでキャリブレーションしておき、この装置定数を用いて、測定されたΓの値から、粘度を算出することを特徴とする粘度計。