JPH0344536A - 制振装置付き回転式粘度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は円筒あるいはコーン形のロータを試料液に接触
させ、ロータの回転に伴って試料液の粘性によりロータ
に発生する抵抗トルクを、渦巻ばねで釣り合わせ、ロー
タ軸が駆動軸に対して角変位するときの角変位量から試
料液粘度を測定するようにした粘度計において、ロータ
軸にアルミニウム円板などの金属円板を取り付け、該金
属円板を永久磁石で挟みロータ軸回転方向に発生する振
動に対して渦電流ブレーキによる制動を加えて減衰させ
、粘度計測出力の変動を抑えて安定な粘度測定を可能に
した回転式粘度計に関する。

［従来の技術］ 従来、多用されているこの種粘度計の動作原理を第２図
に示す。図に示すように、変速機能付き駆動モータ（１
）の回転駆動軸（２）に目盛板（３）を取り付け、該駆
動軸（２）の下端（２゛）にばね（４）を介してロータ
軸（５）を接続すると共に、該ロータ軸（５）の下端に
は粘度を測定しようとする試料液（６）中に浸漬してロ
ータ（７）が取付けられる。一方、前記ロータ軸（５）
には、目盛板（３）の上方に延出する指針（８）が取付
けられ、駆動軸（２）とロータ軸（５）の相対的な角変
位量を目盛板（３）上の指針（８）の位置によって読取
ることができる。

上記のような構成により、前記モータ（１）の回転に伴
い、試料液（６）の粘性によりロータ（７）に発生する
粘性トルクに対して、ばね（４）の弾性力が釣合うとき
のロータ軸（５）と駆動軸（２）間の角変位量から、前
記試料液（６）の粘度が測定できる。すなわち、ばね（
４）のねじつばね常数、ロータ（７）の寸法、および、
その回転数がきまれば、目盛板（３）上の指針（８）の
指度は試料液（６）の粘度に比例する関係から、指針（
８）の指度から試料液の粘度を計算により求めることが
できる。

なお、第２図はロータとして単一円筒を用いた場合の測
定原理を示したが、ロータとしてコーンとプレートの組
合わせによる、いわゆるコーン・プレート方式の場合の
測定原理は第３図に示すように、ロータ（７）の代わり
にコーン（７°）がロータ軸（５）に取り付けられ、静
止しているプレート（９）との間に試料液（１０）が充
填される。第３図では、第２図と同一部材には同一符号
をつけて示しである。また、第４図はコーン（７゛）と
、プレート（９）の拡大図である。

このようなばねの平衡による測定原理に基ずく粘度計に
は各種製品があり、また、最近では、駆動軸（２）とロ
ータ軸（５）との相対的角変位を目盛板（３）と指針（
８）から目視で読み取るのではなく、粘度計に信号変換
器を組み込んで変位角を電気信号に変換して発信できる
ちのち市販されている。この信号変換器の目的には、ロ
ータリ・エンコーダ、あるいは１回転差動トランスなど
が利用されている。

第５図は、このような信号変換器を内蔵した粘度計の１
例を示す内部構造図で（１）は変速機構付きのモータ、
（２）は回転駆動軸で、モータ出力軸（ｌａ）と軸継手
（２ａ）を介して係合して回転する。（５）はロータ軸
で軸の上方に渦巻ばね（４）が取り付けられ、渦巻ばね
（４）は、ばね中央がロータ軸（５）に固定、ばね外側
の巻端が駆動軸（２）から下方に延出する腕（１２）に
固定される。このように構成されているので、ロータ軸
（５）は渦巻ばね（４）を介して回転伝達されることと
なり、ロータ軸に負荷トルクが加われば、負荷トルクの
大きさに比例して駆動軸（２）と、ロータ軸（５）の間
には、相対的角変位を生ずることになる。この角変位量
を駆動軸（２）の下端部と、ロータ軸（５）の上端部の
間に介装した信号変換器（１３）により電気信号に変換
して発信する。なおロータ軸（５）の上端に嵌着したビ
ン（５ａ）が、駆動軸（２）の下端面中央に設けた穴（
図示せず）に挿通されることによってロータ軸（５）は
上端を振れ止めされ、またロータ軸（５）の下方は、コ
の字型部材（１５ｂ）に取り付けたピボット（１４）と
宝石軸受（１５）により軸支される。コの字型部材（１
５ｂ）の下方に延長された軸（５ｂ）の下端にコーン（
７゜）が取り付けられる。（９）は静止プレートである
。

このような信号変換器を内蔵した粘度計は、例えは、第
６図に示すようにロークリ・エンコーダを変換器として
使用する場合は、パルス・カウンタ（２２）（インクリ
メンタル・エンコーダの場合）や、デコーダ（２２）　
　（アブソリュート・エンコーダの場合）で数値変換す
ることにより、また、回転差動トランスを変換器とする
場合は、電気信号（アナログ）をＡ／Ｄ変換器（２４）
によりデジタル変換して、要すれば、所要の粘度単位に
換算して表示器（２３）に表示したり、プリンタに印字
記録するなど適当な表示、記録方法が採用されている。

なお、第６図中で（２１）は粘度計本体、（２５）は回
転数設定器、（２６）は粘度計の試料チャンバを定温保
持するための循環恒温水槽を示す。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら回転式粘度計では、ロータが単一円筒、二
重円筒あるいはコーン・プレートなど、いずれの場合も
実際の加工・組立誤差により、駆動軸（２）と、ロータ
軸（５）間の角変位量が、不安定に変動を生じ、このた
め、第６図の表示器（２３）に表示されるデジタル値が
１例えば３桁の表示とすれば、最小位桁の表示値がかな
りの幅で変化して作業者が読み取りに困難を感すること
がある。これの原因として典型的な原因を１〜２例示し
、また、その不安定な変動の発生する状況を以下に説明
する。

この方式の回転式粘度計の不安定な変動の原因としては
ロータの理想状態からのずれによって発生するものと、
粘度計機構内の駆動軸とロータ軸の相対的芯ずれによっ
て発生するものと大別して考えることができる６０−夕
としてコーン・プレート方式の場合を例示する。

第７図はプレートに対しコーンの回転軸が垂直な理想状
態で回転している場合を示す。

先ず第７図の場合は、ロータ周辺のギャップＧは、角度
αは比較的小さいので近似的にＧ＝ｒα ロータ表面の線速度は ■　＝　ｒ　ω したがって、すり速度γは γ＝　ｖ／Ｇ＝　ｒω／ｒα ＝ω／α 液の粘性係数をηとすると、発生トルクＴは２πηωＲ
３ ・　・　・　・　（１） ３α で表わされる。この式から理想状態では、時間的な変動
要因はないことが判る。

つぎに、第８図はプレートが上記第７図の理想状態から
角度δ、傾斜し、かつ、コーンの軸線が回転軸に対し角
度δ２だけ傾斜した状態において振れ廻る場合を想定す
る。第７図の理想状態に対し第８図の理想から偏倚した
場合のロータ発生トルクを考える。ただしδ０、δ２は
ａに比べ微小角とする。

ロータ周辺のギャップＧ（θ、ｔ）は、方位角θ、時間
ｔ、ロータの回転角速度ωとすれば（θ、 ｔ） ＝ｒａ−ｒ　δＩ　ＣＯ８ θ −ｒδ２　　Ｃ０９ （θ−ωｔ） すり速度γ （θ。

ｔ） は ｒ　ω 一δａ　　ｃｏｓ （ θ−ω１）） α−δ、ＣＯＳ θ −６２Ｃ０９ （ θ−ωｔ） ずり抵抗トルクＴ （１） は ｄθｄｒ −δｚ　　Ｃ０５ （ θ−ωｔ） −（δ 、＋６２ ａＳ ωｔ） Ｏ８ θ ここで δ　１　＋δ２　　ＣＯＳ　　ωｔ　＝　ａδｚ　　ｓ
ｉｎ　　（ａＪ　ｔ＝ｂ と置くと、積分記号内の式の分母は ａ−（ａｃｏｓθ＋ｂ　ｓｉｎθ） ＝α−ｆロコｂ　”　ｃｏｓ　（θ−β）ここで β＝ｊａｎ−’　　− であり、α〉〉＼ｂ「７Ｔ］電−の条件が成立すること
から −Ｊ弓１７ ｃｏｓ（ θ−β ） ２πηωＲ３ ２πηωＲ３ 括弧内筒３項以下は微小なので省略すると括弧内筒１項
は理想状態の粘性トルクと同じであり、 第２項が理想状態から偏倚することにより発生する増加
成分と見なすことができる。

増加成分 をＴ。

とすると ＋２６ δ２　ＣＯ８ＣＪ　ｊ＋６２”　Ｃ０８２（ａＪ　ｔ＋
δｔ”　Ｓｉｎ”　　（ＩＪ　ｔ ＋２６ δｘ　　Ｃｏ５ＣＩＪ　ｔ。

すなわち第８図の状態では増加成分は傾斜角δ１δ ２による固定成分と、 変動成分より成り、 い ずれら微小量と見られるが、 変動成分は１回転を １周期とする正弦変動になることが判る。

つぎに、粘度計機構内の駆動軸とロータ軸の芯ずれに原
因する変動の発生を第９図に示す。図において（０１）
はロータ軸の回転中心、（０２）は駆動軸の回転中心、
（４）は渦巻ばね、（Ｅ）は渦巻ばね（４）の外側固定
端である。ロータ軸中心（○、）と駆動軸中心（０□）
が偏心してずれていると、渦巻ばね（４）の外（ｉｌｌ
固定端（Ｅ）は（０２）を中心とする回転軌跡（ＣＴ　
、　）上を旋回することになる。このことは相対的には
ロータ軸中心（０１）を固定し渦巻ばね外側固定端（Ｅ
）をロータ軸中心（０１）と駆動軸中心（０□）の芯ず
れ量（ε）を半径とする円（ＣＴ２）上を駆動軸の回転
に同期して動かすことと同等であり、ロータ軸は、駆動
軸の等速回転に重畳したφ＝　（ε／Ｒｏ）　ｓｉｎ　
ωｔ の揺動を受けることになる。

以上のように、ロータ軸にはロータ回転に伴い変動成分
を伴った粘性トルクと、駆動軸側からは揺動成分を伴っ
た駆動力を受けることになる。

方、第２図、第３図、第５図、に示すようにロー２軸は
、ロータを含む質量がバネで釣られた構造であり、ロー
タに接する試料液による減衰効果が働いているが、回転
方向の共振振動系を形成している６したがって上記した
ロータ回転に伴い回転に同期して発生する変動負荷トル
ク、変動駆動力が強制力となり、また粘度測定の条件と
して共振周波数近傍のロータ回転速度を選ばざるを得な
いような場合には、共振のために、かなり顕著な振動を
発生し測定信号に正弦的変動が現われることがある。

本発明は上記した従来の回転式粘度計の欠点を除去し、
駆動軸とロータ軸の角変位に重畳する変動成分、特に共
振時の振動振幅を抑制して安定な粘度測定を可能４こす
る回転式粘度計を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の回転式粘度計の構
成は、第５図に示す回転式粘度計の構成に、さらに駆動
軸とロータ軸間の角変位変位速度に比例する逆向きのト
ルクを発生させるための手段として永久磁石とアルミニ
ウム円板を用いた渦電流ブレーキ機構を組み込んである
。

［作用］ 従来の回転式粘度計では、一定速度でモータを回転させ
ると、ロータ回転に伴い、試料液の粘性トルクがロータ
に発生し、渦巻ばねがこれと釣り合う角度まで駆動軸に
対してロータ軸が角変位する。この時、この変位角に重
畳して正弦的に変動する振動が現われ、殊に試料液粘度
が低く、液から受けるダンピングの効果が小さく、また
モータ回転数が共振振動数に一致する近傍の測定条件の
時には共振による振幅増大が顕著に現われる。

これに対して前記した構成の本発明の粘度計では渦電流
ブレーキにより、ロータ軸の変動に対して大きなダンピ
ングが加わるので、上記のような共振を発生することな
く、安定な粘度測定値を得ることができる。

［実施例コ 第１図は本願発明実施例の回転式粘度計の構成を示す図
で、第５図の従来の回転式粘度計の構成に比較して、駆
動軸（２）から下方に延出する腕（１６）に永久磁石（
１７）が固着されており、一方、ロータ軸（５）の上部
、渦巻ばね（４）の上にアルミニウム円板（１８）が取
り付けられ、該アルミニウム円板（１８）の外縁部が前
記永久５ｎ石の対向する磁極間の空隙（１７ａ）に挿入
され、渦電流ブレーキが付加されている。その他の構成
は第５図の従来の回転式粘度計と同一であり、図中同一
構成要素には同一符号をつけて示しである。

上記の渦電流ブレーキは、駆動軸（２）に対しロータ軸
（５）が角変位するとき、その角変位速度に比例したブ
レーキトルクをアルミニウム円板に発生するので、ロー
タ軸（５）が振動的な動きがあれば、これを減衰させる
ように働き、−力測定の目的であるロータ（９）に働く
粘性トルクと、渦巻ばね（４）の釣り合いによる角変位
に対しては何等妨害するトルクを発生することなく、測
定上有害な振動のみを効果的に排除することができる。

第１図においては渦電流ブレーキ要素として永久＆ｎ石
１　（［ｉ５を用いる構成を図示して説明したが、１個
のアルミニウム円板（１８）に対し複数個の永久磁石を
円周配置してダンピング効果の増大を計ると共に、駆動
軸の回転のための質量バランスの改善を計ることができ
る。その場合駆動軸（２）に固着する腕の形状について
は永久６ｎ石の複数取り付けに適した適宜の構造、形状
にすることは、極めて容易である。また、これまでの説
明では、角変位を電気信号に変換して発信する信号変換
器を内蔵する回転式粘度計を引例して説明したが、最ち
簡単な従来の目盛板と指針で指度を目視で読み取る方式
の回転式粘度計に対しても、適用可能であることは言う
までちない。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来
の回転式粘度計では測定の条件によって不可避的に現わ
れる測定値の変動に対して簡単な機構の追加によって、
変動を抑制、減少させることができるので、次のような
効果が得られる。

■粘度計の測定操作を行なう作業者にとってデータが読
み取り易くなする。

■測定値がばらつかないので、作業者に不安感を与えな
い。

■粘度計取り扱いの非熟練者でも容易に操作できる。

■ロータ精度や、粘度計各部の精度を無理に高めること
を要しないので、粘度計製品価格を低減できる。

■粘度計としての製品品位を高めることができる

【図面の簡単な説明】

第１図・・・本発明の回転式粘度計の縦断面図第２図・
・・従来の円筒形ロータを有する回転式粘度計の動作原
理図 第３図・・・従来のコーン・プレート形ロータを有する
回転式粘度計の動作原理 図 第４図・・・コーン・プレート部の拡大図第５図・・・
従来の信号変換器を内蔵した回転式粘度計本体の縦断面
図 第６図・・・従来の回転式粘度計の全体構成図第７図・
・・コーン・プレートの理想的状態の拡大図 第８図・・・コーン・プレートの理想的状態から偏倚し
た状態の拡大図 第９図・・・ロータ軸と駆動軸が偏心した状態における
動作図 （１）は駆動モータ、（２）は駆動軸、（４）は渦巻ば
ね、（５）はロータ軸、（６）は試料液、（７°）はコ
ーン、　（９）はプレート、　（１３）は差動トランス
、（１４）はピボット、　（１５）は宝石軸受、（１７
）は永久磁石、（１７ａ）は磁極間の空隙、（１８）は
アルミニウム円板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　試料液に浸漬、または接触させたロータの回転に伴っ
   て発生する粘性抵抗トルクを渦巻ばねで釣り合わせて、
   ロータ軸と駆動軸が相対的に角変位する変位角から試料
   液粘度を測定する回転式粘度計において、ロータ軸に固
   定した金属円板と、駆動軸から延出する部材に固定した
   永久磁石を有し、該永久磁石の磁極間のギャップに上記
   金属円板の外縁を挿入配設することによりロータ軸と駆
   動軸の相対角変位の速度に比例する制動ブレーキトルク
   を該金属円板に発生せしめて、粘度測定時に発生する振
   動成分を減衰させて指度変動を抑制するようにしたこと
   を特徴とする制振装置付き回転式粘度計。