JPH0743287A

JPH0743287A - 回転式粘度計

Info

Publication number: JPH0743287A
Application number: JP19015893A
Authority: JP
Inventors: Koji Sekiguchi; 宏治関口; Yukio Takigawa; 行夫滝川
Original assignee: TOKI SANGYO KK
Current assignee: TOKI SANGYO KK
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【目的】重錘を用いずに、ワイゼンベルク効果によっ
て円錐ロータに大きな押し上げ力が発生しても、円錐ロ
ータと平板との間の相対的位置関係を、確実に保持でき
る軸受機構を備えた粘度計を提供する。【構成】円錐ロータを用いる回転式粘度計において、
円錐ロータに連動するトルク検出軸３０を支承する２個
の玉軸受１３ａと１３ｂとを含み、それらに挾まれたト
ルク検出軸３０の一部分３０ｆに、ある一定の圧力が加
わるように、当該玉軸受の外輪を固定した軸受機構１０
０を有し、さらに、弱剛性部３０ｂを有することを特徴
とする回転式粘度計。【効果】ワイゼンベルク効果を持つ高粘度試料液を、
安定かつ信頼できる状態で、実用的な精度、再現性にお
いて測定することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転する円錐ロータを
用いて、液体の粘度を測定する回転式粘度計に係り、特
に、ワイゼンベルク効果による軸方向の推力を発生す
る、高粘度液を測定できる回転式粘度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転する円錐ロータと平板との間に、粘
度を測定する被測定液を介在させる、従来の回転式粘度
計（以下、円錐平板式粘度計とする）の構造および測定
原理を、以下に説明する。

【０００３】従来技術による円錐平板式粘度計は、図１
に示すように、駆動源である減速機付きシンクロナスモ
ータ１と、目盛円盤３と、シンクロナスモータ１に連結
され、目盛り円盤３の中心を固着貫通して、その下まで
延出している駆動軸２とを有する。さらに、本粘度計
は、駆動軸２の下端２ａに連結されるスプリング４と、
スプリング４の他端に連結されているロータ軸５と、ロ
ータ軸５に連結されている円錐ロータ７と、円板９とを
有する。この円板９と円錐ロータ７との間には、粘度を
測定する被測定液１０が注入される。なお、前記ロータ
軸５から目盛り円盤３の上面に指針８が延出している。

【０００４】この従来例においては、駆動源のシンクロ
ナスモータ１を回転させると、円錐ロータ７は、平板９
との間に、被測定液１０を挾んだ状態で回転する。この
時、スプリング４は、被測定液１０の粘性抵抗によって
発生する粘性トルクと、スプリング４の復元トルクがバ
ランスするまで捩られる。このスプリング４の捩れ角度
は、目盛り円盤３と指針８によって読み取られる。

【０００５】被測定液１０の粘度は、このように測定し
て求められた目盛り円盤３上の目盛り読み取り値、スプ
リング４のばね定数、円錐ロータ７の接続部寸法、円錐
傾斜角度、および、粘度計回転速度などのデータから、
計算によって求めることができる。

【０００６】この測定原理を適用した、従来の円錐平板
式粘度計の詳細な構造の一例を図５に、この構造の概略
を図６に示す。

【０００７】本例では、目盛り円盤上の指針指度を目視
で読み取るのではなく、駆動軸に対するトルク検出軸の
角変位を電気信号に変換して発信する信号変換器、つま
り、回転型差動トランス２６が組み込まれている。

【０００８】本例では、回転駆動源として減速機付きシ
ンクロナスモータ１（図１参照）ではなく、電子的に可
変速なパルスモータ２０を用いている。このパルスモー
タ２０の出力軸に設けたプーリ２１と、回転駆動軸２３
に設けたプーリ２４との間にタイミングベルト２５を介
装して、回転駆動軸２３をベルト駆動するようにしてあ
る。また、図１では、スプリング４はコイルばねであっ
たが、本例では渦巻きばね４ａを使用している。なお、
２７は回転型差動トランス２６を励磁し、また、出力を
取り出すためのスリップリング装置である。

【０００９】回転駆動軸２３は、図６に示す本例の概略
のように、中空管状の軸、すなわち、中空軸であり、そ
の中空部分をトルク検出軸３０が、相互に接触しないよ
うに貫通している。トルク検出軸３０の下端には、ピボ
ット３１が設けてあり、ピボット３１の先端は、中空の
回転駆動軸２３の下端に取り付けられた第１のコの字型
部材２８の下辺２８ａに設けた臼状の凹み穴付き宝石軸
受け２９に陥入させてある。したがって、トルク検出軸
３０の軸スラスト荷重は、この宝石軸受け２９によって
保持されると同時に、トルク検出軸３０のラジアル方向
の振れが拘束される。

【００１０】ピボット３１の上方には、第１のコの字型
部材２８と干渉しないように、第２のコの字型部材３２
が設けられている。第２のコの字型部材３２の下辺３２
ａの、トルク検出軸３０と同軸延長線上に、ロータ軸５
が固着されている。ロータ軸５の下端には、円錐ロータ
７が着脱可能に取り付けられる。

【００１１】トルク検出軸３０の上端部３０ａには、ピ
ン３３が植え込まれている。ピン３３は、回転駆動軸２
３の上端から延出するコの字型の腕３４の、上方に取り
付けられた軸３５の下端面３５ｂに穿設された小穴３５
ａに貫入させて、ラジアル方向の振れ止めにしてある。

【００１２】このように、従来の円錐平板式粘度計で
は、ピボット３１・宝石軸受け２９が軸支持構造として
用いられている。これは、粘度計が、粘性抵抗による微
小トルクを検出することを測定目的とする計測器なの
で、軸支持部の摩擦トルクが大きいと、測定が妨害され
て測定の信頼性を低下させる。したがって、ピボット３
１・宝石軸受け２９のような、摩擦トルクが無視できる
程度に小さい軸受けを選択する理由である。

【００１３】以上説明したピボット３１・宝石軸受け２
９による、トルク検出軸３０の軸支持構造では、粘度測
定時の粘性抵抗による発生トルクだけであれば、宝石軸
受け２９は、ピボット３１のロータ重量を含むトルク検
出軸の重量を受けて、下向きのスラストを支えるととも
に、ラジアル方向の位置を拘束する。そのため、トルク
検出軸３０上端のピン３３の振れ止めを併用することに
よって、トルク検出軸３０を安定に支えることができ
る。

【００１４】さらに、測定精度を保証するために、従来
の円錐平板式粘度計の粘度測定部では、図２に示すよう
に、円錐ロータ７の頂点Ｐが、平板９の表面と接するよ
うな位置的条件を満足させることが必要である。

【００１５】実際には、円錐ロータ７の頂点Ｐが、平板
９に接触して、摩擦トルクを発生するのを避けるため
に、図３、および、図４に示すように、円錐の頂点部分
７ａを僅かに平取りしておき、さらに円錐の中心部にピ
ン１１を植込む。

【００１６】通常、このときのピン１１の植込み高さ
を、図４に示すように円錐の仮想頂点Ｐ′から微少量ｇ
だけ引っ込ませてある。従って、円錐ロータ７と平板９
の相対的位置関係を決めるときには、ピン１１の下端１
１ａが、平板９に接触する位置を、電気導通などの検出
手段によって求め、その位置を基準にしてマイクロメー
タなどの微小送り機構を使って、距離ｇだけ、平板９の
位置を下方にずらす。そのことによって、図４に示すよ
うに、仮想頂点Ｐ′と平板９の表面とが一致するように
位置決めする。

【００１７】このように、従来技術では、トルク検出軸
３０の摩擦を軽減するだけではなく、円錐ロータ７と平
板９（図２参照）の位置関係を、高精度に保持すること
が必要となる。

【００１８】しかし、このような従来の円錐平板式粘度
計を用いて、ワイゼンベルク効果を示す被測定液の粘度
を測定すると、主に、以下の２つの理由から、円錐ロー
タ７が浮き上がり、正確な粘度測定が実施できないこと
があった。

【００１９】第１の理由は、この被測定液におけるワイ
ゼンベルグ効果によって、法線応力、すなわち円錐ロー
タ７を押し上げる方向の軸方向推力を発生するためであ
る。

【００２０】第２の理由は、従来の円錐平板式粘度計で
は、円錐ロータ７に連結されているトルク検出軸３０
は、図６に示すように、上向き方向変位には拘束されて
いないためである。そのため、ワイゼンベルク効果によ
る垂直方向の押し上げ力が、円錐ロータ７を含むロータ
軸５、および、トルク検出軸３０の総重量の重力よりも
大きい場合には、円錐ロータ７の浮き上がりを生ずるこ
とになる。

【００２１】円錐ロータ７が浮き上がると、本来保持し
なければならない円錐ロータ７と平板９との間の相対位
置関係、すなわち、円錐ロータ７の仮想円錐頂点と平板
表面が一致しているという、測定上の基本条件が損なわ
れる。そのため、測定結果の粘度値が不当に低い値とし
て現れ、測定の信頼性が全く失われることになる。

【００２２】この円錐ロータ７の浮き上がりを防止する
ために、従来は、ワイゼンベルク効果を発生する対象被
測定液を測定する場合には、測定に先立って、図７に示
すように、円錐ロータ７の上にリング状の重錘１２を付
加して取付けていた。この重錘１２により、円錐ロータ
７およびロータ軸５を含む軸系の重量を出来るだけ大き
くして、円錐ロータ７の浮き上がりを抑えながら、測定
する方法が行われているのである。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、重錘１２を使
用した方法では、対象被測定液によってワイゼンベルク
効果が様々であり、測定に先立って、適切な重錘重量を
選ぶことが実際上出来ない。そのため、必要以上に重い
リング状重錘１２を付加することになり、ピボット３１
に過大な重量負荷を加える。このような過大重量を付加
した状態は、粘度測定の精度を悪化させるばかりでな
く、ピボット３１先端部の変形、宝石軸受け２９の破損
など、粘度計そのものを故障させる原因となっていた。

【００２４】また、粘度測定中に円錐ロータ７が浮き上
がっているかどうか、測定値が信頼できる状態にあるか
否か自体、浮き上がりが激しくなって測定指示値の変動
が甚だしい場合以外は、通常では全く判断する手段がな
い。そのため、測定結果をそのまま信用してしまう恐れ
が多分にあった。

【００２５】本発明は、上記した問題に鑑みて成された
発明であって、ワイゼンベルク効果によって円錐ロータ
７に大きな押し上げ力が発生しても、リング状重錘１２
を使わずに、円錐ロータ７を含むトルク検出軸３０系が
浮き上がることなく、円錐ロータ７と平板９との間の相
対的位置関係を、確実に保持できる軸支持構造を備えた
粘度計を提供することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、回転する円
錐ロータを用いて、被測定液の粘度を測定する回転式粘
度計において、円錐ロータ下方に固定して配置され、被
測定液をその上部に保持する平板と、円錐ロータ上部に
取り付けられ、円錐ロータに連動して回転するトルク検
出軸と、トルク検出軸の、下向きおよび上向き軸方向変
位を制限するとともに、回転可能に保持する軸受手段
と、軸受手段を保持する軸受保持手段と、回転駆動源
と、回転駆動源により駆動される回転主軸と、一端を回
転主軸に、他端をトルク検出軸に接続し、被測定液の粘
性抵抗による粘性抵抗トルクを、弾性力で平衡させる弾
性部材と、両軸の回転位相のずれを検出するねじれ角度
検出手段とを有することを特徴とする回転式粘度計によ
って達成できる。

【００２７】

【作用】上記した課題は、従来のピボット・宝石軸受け
を用いた円錐平板式粘度計では、ロータを押し上げる方
向の力に対して、トルク検出軸系が全く拘束されていな
いために起こる不具合である。したがって、本発明で
は、従来の粘度計における円錐ロータ回転軸の軸支持構
造を見直しを行った。

【００２８】すなわち、本発明では、従来技術による円
錐平板式の回転式粘度計において、円錐ロータを含む回
転軸系の重量による下向きの軸荷重に対して、また、同
時にワイゼンベルク効果による上向きの垂直力に対して
も、出来るだけ円錐ロータ回転軸の軸方向変位を生じな
いための構造を有する軸受手段を備えたものとする。

【００２９】本発明においては、回転駆動源を回転させ
ると、回転主軸および弾性部材を介して、トルク検出軸
が回転する。トルク検出軸が回転すると、それに取付け
られている円錐ロータは、平板との間に、予め注入する
被測定液を挾んだ状態で回転する。

【００３０】ここで、トルク検出軸は、軸受保持手段に
より固定された軸受手段によって、回転可能に保持され
とともに、上向きおよび下向き軸方向の変位が制限され
る。つまり、トルク検出軸に取付けられている円錐ロー
タに、被測定液のワイゼンベルグ効果による上向き推力
が作用しても、円錐ロータの変位は制限される。したが
って、粘度測定において必要な、円錐ロータと平板との
位置関係を、安定して保持することができる。

【００３１】この時、被測定液の粘性抵抗によって発生
する粘性トルクのため、駆動源に連動する回転主軸の回
転位相と、円錐ロータに連動するトルク検出軸の回転位
相に差が生じる。この回転位相の差は、弾性部材にねじ
れを発生させる。ここで、弾性部材は、ねじれによる弾
性力と、被測定液の粘度に起因する粘性トルクとが、バ
ランスするまで捩られる。このバランスされた回転位相
の差、つまり、ねじれを、ねじれ角度検出手段によって
検出する。

【００３２】被測定液の粘度は、検出されたねじれ角度
に加えて、弾性部材の弾性定数、円錐ロータの円錐傾斜
角度、および、回転速度等のデータから、計算によっ
て、求めることができる。

【００３３】ただし、ワイゼンベルグ効果による上向き
推力の影響は、まったく無視することはできない。なぜ
なら、実用的な軸受手段では、外力が作用した場合に生
じる微小変位を無視できないからである。さらに、この
上向きの推力が、軸受手段に影響し、軸受手段によって
回転可能に保持されるトルク検出軸の回転摩擦を増加さ
せる。

【００３４】したがって、実用的な粘度測定の精度を保
持するために必要な、微小変位および回転摩擦増加の許
容量を、予め検討しておく必要がある。以下では、実用
的な円錐平板式粘度計において、粘度測定上許容される
変位量、つまり、仮想円錐頂点と平板表面との距離を求
める。回転摩擦の増加に関しては、軸受手段の具体的構
造に関わるため、後の実施例の欄において、その許容値
を検討する。

【００３５】円錐ロータ頂点Ｐと平板表面が、δだけず
れている状態を、図８に示す。ここで、円錐ロータ７の
半径をＲ、その傾斜角度をα、被測定液の粘度をηとす
ると、円錐ロータ７が、角速度ωで回転するときに発生
する粘性抵抗トルクＭは、以下の数１で表される。

【００３６】

【数１】

【００３７】数１において、右辺の第１項は、円錐ロー
タ７の仮想頂点Ｐが、平板表面に完全に一致していると
きに円錐ロータ７に働く粘性抵抗トルクである。第２項
は、円錐ロータ７の仮想頂点がδだけずれているために
発生する誤差項である。

【００３８】通常のこの種の回転式粘度計では、測定精
度がフルスケールの±２％が精度保証値とされている。
ここでは、それよりも厳しい、指示値に対する相対精度
±２％で計算すると、

【００３９】

【数２】

【００４０】数２に、標準的な円錐ロータ７に用いてい
る数値、半径Ｒ＝２４ｍｍ、円錐傾斜角α＝１″３４′
によって計算すると、ずれ量の許容値としてδ＝０．０
０９ｍｍが求められる。

【００４１】すなわち、本発明による円錐平板式粘度計
の軸受手段が、円錐ロータ７の頂点Ｐと平板表面のずれ
量を、９μｍ以下に抑えれば、ワイゼンベルグ効果によ
る円錐ロータ７の浮き上がりによる誤差は、指示値に対
する相対精度±２％以内となり、実用されている従来の
円錐平板式粘度計よりも、良い精度で測定することがで
きる。

【００４２】

【実施例】以下に、本発明を適用した一実施例を、図９
から図１５を用いて説明する。本実施例は、図６に示さ
れた従来の円錐平板式粘度計において、円錐ロータ７の
軸方向変位を制限する軸受機構と、トルク検出軸３０の
一部に弱剛性部とを設けたものである。

【００４３】本実施例の構成には、図１５に示すよう
に、本発明の特徴である軸受機構１００と弱剛性部３０
ｂとに加え、主な構成要素として、軸受機構１００を下
方に保持する第１のコの字型部材２８と、固定された軸
受機構１００によって回転可能に保持され、その一部に
弱剛性部３０ｂを有するトルク検出軸３０と、軸受機構
１００の上方でトルク検出軸３０に固着された第２のコ
の字型部材３２と、第２のコの字型部材３２の下方に連
結されるロータ軸５と、ロータ軸５に着脱可能に取り付
けられた円錐ロータ７と、その下方に設けられた、被測
定液１０を保持する平板９とが含まれる。

【００４４】本実施例には、さらに、軸受機構１００を
保持している第１のコの字型部材２８の上方に固着さ
れ、その中に、互いに触れ合わないようにトルク検出軸
３０が貫通している中空の回転駆動軸２３と、回転駆動
軸２３をプーリ２１、タイミングベルト２５およびプー
リ２４を介して駆動する電子的に可変速なパルスモータ
２０と、回転駆動軸２３上端に連結されたコの字型の腕
部材３４と、コの字型の腕部材３４に一端を連結され、
他端をトルク検出軸３０上方に連結される渦巻きばね４
ａと、回転駆動軸２３とトルク検出軸３０とのずれ角度
を検出する回転型差動トランス２６と、回転型差動トラ
ンス２６を励磁し、また、出力を取り出すためのスリッ
プリング装置２７とを含む。

【００４５】本実施例には、さらに、トルク検出軸３０
のラジアル方向の振れを止める振れ止め部１０１が含ま
れる。振れ止め部１０１は、トルク検出軸３０の上端部
３０ａに植え込まれたピン３３と、回転駆動軸２３の上
端から延出するコの字型の腕３４の、上方に取り付けら
れた軸３５の下端面３５ｂに穿設され、ピン３３を貫入
させる小穴３５ａとから構成される。

【００４６】弱剛性部３０ｂは、トルク検出軸３０の一
部の軸径を、距離Ｌａ部分で、軸直径Ｄまで細めるもの
である。これによって、トルク検出軸３０の曲げ剛性を
弱め、トルク検出軸３０のラジアル方向変位によって、
振れ止め部１０１に生じる弾性反力を小さくする。ここ
で、弾性反力を減少させると、小穴３５ａにおけるピン
３３の回転摩擦も減少され、トルク検出軸３０の回転摩
擦も減少する。

【００４７】軸受機構１００は、図９に示すように、従
来のピボット３１・軸受け２９（図６参照）の替わり
に、タンデムに組み合わせられた、２個のミニチュア玉
軸受け１３ａ、１３ｂと、これらを固定、収容する玉軸
受固定機構１３ｃと、軸受ピン１３ｄとから構成され
る。

【００４８】玉軸受１３ａ、１３ｂの外輪は、玉軸受固
定機構１３ｃの内表面に固着される。玉軸受固定機構１
３ｃは、第１のコの字型部材２８の下端２８ａ付近に設
けられた、貫通孔２８ｂの内表面に保持される。一方、
玉軸受１３ａ、１３ｂの内輪は、軸受ピン１３ｄに固着
されている。この軸受ピン１３ｄの上端３０ｅは、トル
ク検出軸３０の下端３０ｃに設けられた穴３０ｄの内部
に挿入、固定されている。

【００４９】軸受ピン１３ｄは、トルク検出軸３０と第
２のコの字型部材３２とロータ軸５（図６参照）とを介
して、円錐ロータ７と連動している。したがって、円錐
ロータ７の軸方向の変位は、軸受ピン１３ｄと連結して
いる玉軸受１３ａ、１３ｂによって、制限されている。

【００５０】本実施例では、これら玉軸受１３ａと玉軸
受１３ｂとの間には、予圧が加わるように、玉軸受固定
機構１３ｃによって固定されている。これは、余圧を加
えることにより、トルク検出軸３０に連結されている軸
受ピン１３ｄの軸剛性を高め、それによって、軸方向の
変位を防ぐものである。

【００５１】ただし、このように予圧をかけたミニチュ
ア玉軸受けを用いた軸受機構１００は、従来のピボット
／宝石軸受けによる軸受手段に比べて、軸受け摩擦が大
きくなる。さらに、上記したように、振れ止め部１０１
における摩擦がある。したがって、実際の装置仕様決定
には、軸受機構１００および振れ止め部１０１における
摩擦増加分と、達成できる測定精度とを、予め知ってお
くことが必要であるので、具体的数値についての検討経
過およびその結果を後で示す。

【００５２】本実施例の全体作用を、図１５を用いて説
明する。本実施例において、駆動源のパルスータ２０を
回転させると、プーリ２３、タイミングベルト２５およ
びプーリ２４とを介して、回転駆動軸２３が回転する。
すると、トルク検出軸３０に連動している円錐ロータ７
は、平板９との間に、被測定液１０を挾んだ状態で回転
する。

【００５３】ここで、トルク検出軸３０は、回転駆動軸
２３に連結された第１のコの字型部材２８に保持された
軸受機構１００により、回転可能に保持される。さら
に、トルク検出軸３０は、軸受機構１００によって、上
向きおよび下向き軸方向の変位が制限される。したがっ
て、トルク検出軸３０に、第２のコの字型部材３２およ
びロータ軸５を介して連動している円錐ロータ７に、被
測定液のワイゼンベルグ効果による上向き推力、また
は、トルク検出軸３０等の重量による下向き荷重が作用
しても、円錐ロータ７の変位は制限される。したがっ
て、粘度測定において必要な、円錐ロータ７と平板９と
の位置関係を、精度良く、安定して保持することができ
る。

【００５４】回転駆動軸２３とトルク検出軸３０とをつ
なぐ渦巻バネ４ａは、被測定液１０の粘性抵抗によって
発生する粘性トルクと、渦巻バネ４ａの復元トルクがバ
ランスするまで捩られる。この渦巻バネ４ａの捩れ角度
は、回転型差動トランス２６によって、電気信号に変換
され、出力される。

【００５５】被測定液１０の粘度は、このように測定さ
れたねじれ角度、渦巻バネ４ａのばね定数、円錐ロータ
７の接続部寸法、円錐傾斜角度、および、回転軸角回転
速度などのデータから、計算によって求めることができ
る。

【００５６】以上説明した全体作用を有する本実施例に
おいて、従来の円錐平板式粘度計と同程度の精度を得る
ため、軸受機構１００等の各部品や部分の寸法、および
それら機構に起因する摩擦等を具体的に検討する。

【００５７】最初、軸受機構１００における発生トルク
の検討を行う。通常の粘度計においては、被測定液１０
の粘性トルクにバランスさせるために用いる渦巻きばね
４ａとして、ばね定数が異なる数種類を用意しておき、
これらを選択して組み込むことによって、測定可能な対
象試料液の粘度範囲を広範に変えることができる。

【００５８】本発明の粘度計は、特に、ワイゼンベルグ
効果を示す、高粘度測定用途の粘度計である。つまり、
通常の市販されているこの種の高粘度用粘度計で標準円
錐ロータを用いたときの測定可能な粘度上限である、５
１００００ｍＰａ・ｓのものを対象とする。このような
高粘度液測定用の粘度計に用いられている渦巻きばね４
ａのばね定数は、フルスケール・トルク値で、５７５０
μＮ・ｍ／フルスケールが選択されている。

【００５９】本実施例においては、このような従来の粘
度計と同じように、渦巻バネ４ａのバネ定数のフルスケ
ールのトルク値を、５７５０μＮ・ｍとする。

【００６０】一方、通常、この種の実用されている粘度
計の指度再現性は、フルスケールの０．４％以内まで許
容されている。したがって、上記の指度再現性を満足さ
せるには、粘度計の不感帯の幅がフルスケールの０．４
％以下でなければならないことになる。

【００６１】ここで、不感帯とは次のように定義され
る。渦巻きばね４ａの復元トルクと、粘性トルクとがバ
ランスする位置においては、軸受機構１００に摩擦トル
クがあると、摩擦がまったく無視できる理想的な粘度計
における、理想的なバランス位置まで達することはでき
ない。これは、この摩擦トルクとばねの復元トルクとが
等しくなる指度範囲内では、ばね復元トルクが摩擦トル
クよりも小さくなるためである。すなわち、この摩擦ト
ルク範囲内では、如何なる位置でも偶然によって止まり
得ると考えられる。この範囲がいわゆる不感帯となる。

【００６２】つまり、図９に示す、本実施例の軸受機構
１００において発生する摩擦トルクが、フルスケール
（５７５０μＮ・ｍ）の０．４％の幅、すなわちフルス
ケールの±０．２％幅とすると、この場合に許容される
軸受け摩擦トルクの最大値は、タンデムに軸受け２個を
組み合わせた合計値が、１１．５μＮ・ｍまたは０．０
０１１５ｋｇｆ・ｍｍ以下でなければならない。これが
ミニチュア玉軸受け１３ａ、１３ｂを、予圧を加えた状
態で使用する場合の条件になる。つまり、軸受け摩擦ト
ルクの許容最大値は、０．００１１５ｋｇｆ・ｍｍであ
る。

【００６３】この条件を満たす、軸受けの構造を検討す
る。内径φ１．５ｍｍのミニチュア玉軸受け１個につい
て、図１１に、軸方向力（横軸）と始動摩擦モーメント
（縦軸）の関係を実測した測定データを示す。この図１
１から、このサイズのミニチュア玉軸受けでは、軸方向
力２００ｇｒｆを加えると、軸受け１個当り、０．００
０５８ｋｇｆ・ｍｍの始動摩擦モーメントを生ずること
が判る。この値は、丁度、このサイズの軸受け２個をタ
ンデムに組み合わせて、２００ｇｒｆの予圧を与えた場
合に発生する始動摩擦モーメントが、軸受け摩擦トルク
の許容最大値０．００１１５ｋｇｆ・ｍｍと等しくな
る。

【００６４】実際には、図１０に示される、トルク検出
軸３０上端の振れ止め部１０１で発生する摩擦トルクが
加わることを考えれば、余裕を見て予圧量を１００ｇｒ
ｆ程度にするのが妥当である。

【００６５】次に、トルク検出軸３０の振れ止め部１０
１での摩擦トルクを、弱剛性部３０ｂを用いて軽減する
方法を検討する。

【００６６】この摩擦トルクの大きさは、図１０に示す
ように、トルク検出軸３０の曲がり、あるいは、支持位
置１３ａ、１３ｂ、３５ａの３点の配置アラインメント
のずれが原因となって、発生するラジアル方向力Ｆに左
右される。すなわち、このラジアル方向力を小さくでき
れば、振れ止め部１０１の摩擦トルクを減少することが
できる。

【００６７】本実施例における軸受機構１００は、その
構造上、それだけで、トルク検出軸３０の軸中心線の位
置を決定する。したがって、図６に説明したトルク検出
軸３０上端の振れ止めピン３３を、軸３５の下端面３５
ｂに設けた小穴３５ａに差し込むと、図１０に示すよう
に、トルク検出軸３０系の支点の数が３点（支持点Ａ、
Ｂ、Ｃ）になる。そのため、これら３点の支点の直線性
が悪ければ、あるいは、反対に直線性が良くてもトルク
検出軸３０に曲がりがあれば、図１０に示すように、ト
ルク検出軸３０上端のピン３３と小穴３５ａとの間に、
大きな接触力Ｆが発生して、摩擦トルクを生ずることに
なる。

【００６８】一方、この種の粘度計では、図１０に示す
ように、トルク検出軸３０には、渦巻きばね４ａ、およ
び、差動トランス２６のコアー２６ａが取り付けられる
ので、軸長さが比較的に長い。また、差動トランス２６
のコアー２６ａが偏心したり、振動などでコアー位置が
変動することを避ける必要がある。そのため、トルク検
出軸３０上端の振れ止めピン３３、および、軸３５に設
けた振れ止め穴３５ａによる構成される、振れ止め部１
０１でのラジアル方向の軸拘束を省くことができない。

【００６９】さらに、トルク検出軸３０の曲がりを完全
に無くしたり、あるいは、３点の支持位置、Ａ、Ｂ、Ｃ
各点のアラインメントを、厳密に仮想的な直線上に配置
することは不可能である。

【００７０】これらの理由から、本実施例では、このラ
ジアル方向の力Ｆを減少させるため、図９に示すよう
に、トルク検出軸３０の一部の軸径を細めた弱剛性部３
０ｂを用いた。ここで、トルク検出軸３０のミニチュア
玉軸受機構１０に近い位置の軸径を、軸の捩り剛性を損
なわない程度に細めることが必要である。さらに、トル
ク検出軸３０上端で軸の曲げによって働くラジアル方向
力が作用する腕長さＬを長くする。これによって、弾性
反力を、より小さくすることができる。

【００７１】したがって、以上の点を考慮し、後記する
さらなる検討の結果、本実施例において、以下に示され
る装置仕様をそなえれば、ワイゼンベルグ効果を示す被
測定液の粘度測定を、実用的な精度と再現性によって実
現できることが判明した。

【００７２】ａ．ミニチュア玉軸受け関係ミニチュア玉軸受け：内径φ１．５ｍｍ２個の玉軸受間の予圧量：１００ｇｒｆｂ．トルク検出軸関係作用腕長さＬ＝１３０ｍｍ弱剛性部軸径Ｄ＝φ１．１ｍｍ弱剛性部長さＬａ＝１７．９ｍｍここで、ずれが生じた場合の振れ止め部１０１での弾性
反力（図１０参照）、および、弱剛性部３０ｂ（図９参
照）における剛性は、以下の通りとなる。

【００７３】弾性反力：Ｆ＝１ｇｒｆ弱剛性部剛性：Ｇ＝０．５２ｄｅｇ＝０．００９ｒａｄ但し、弾性反力の計算においては、図１０において、ミ
ニチュア玉軸受け１３ａ（Ａ点）、１３ｂ（Ｂ点）の中
心を結ぶ中心線延長軸線からの、Ｃ点のずれ量δを０．
２ｍｍと仮定した。また、弱剛性部剛性の計算では、バ
ランス用渦巻きばねのフルスケール・トルク（最大トル
ク）５７５０μＮ・ｍを加えたときの、弱剛性部の捩れ
角度を示す。この値は、粘度計の指度誤差として０．９
％／フルスケールに相当する。

【００７４】上記に示した数値の妥当性は、以下に説明
する検討によって得られた。ミニチュア玉軸受け関係に
ついては、図９に示すように、ミニチュア玉軸受け１３
ａ、１３ｂを組み込み、例示した予圧量を与えた軸受機
構１００に、外力が加わった場合の玉軸受摩擦トルク１
３ａ、１３ｂの変化を検討した。

【００７５】図１２は、図１１のデータを用いて作成し
たもので、２個のミニチュア玉軸受け１３ａ、１３ｂ
に、それぞれ１００ｇｒｆの予圧を加えた場合の、始動
摩擦モーメントを求めるためのグラフである。

【００７６】ここで、予圧が加えられただけの状態で
は、軸受機構１００の始動摩擦モーメントは、予圧０．
１ｋｇｆにおける、玉軸受け１３ａのＭ₀と、玉軸受け
１３ｂのＭ₀の合計、すなわち、２Ｍ₀である。この状態
で、軸受機構１００にＦ₁の軸方向外力が加えられる
と、軸受け負荷の動作点はＰ₁に移動して、この時の始
動摩擦モーメントは１３ａに対するＭ₁と、１３ｂに対
するＭ₂の合計値、すなわち、Ｍ₁＋Ｍ₂になる。図１２
から判るように、始動摩擦モーメントの特性線図が滑ら
かで殆ど直線に近いことから、これらの合計値、２
Ｍ₀、および、Ｍ₁＋Ｍ₂の値は同等と見て差し支えな
い。

【００７７】したがって、本実施例の玉軸受１３ａ、１
３ｂでは、円錐ロータ７に、上向き、あるいは、下向き
に０．２ｋｇｆの範囲内で軸方向の外力が働いても、ト
ルク検出軸３０の摩擦トルクの大きさには殆ど変動が無
いことが判った。

【００７８】次に、このミニチュア玉軸受けを２個用い
た、本実施例の軸受機構１００について、軸方向の外力
（例えば、ワイゼンベルグ効果による上向き推力）が加
わった時の軸方向変位量について検討する。

【００７９】このミニチュア玉軸受け１個について、内
輪に軸方向の負荷が加わった時の負荷荷重（横軸）と内
輪の軸方向変位（縦軸）の関係を実測したデータを、図
１３に示す。さらに、図１３のデータを用いて作成し
た、２個のミニチュア玉軸受けに１００ｇｒｆの予圧を
加えた場合の、内輪側に固定した軸の軸方向変位を求め
るためのグラフを、図１４に示す。

【００８０】図１４において、軸方向に予圧が加えられ
たままの状態では、この軸受機構１００における変位
は、予圧０．１ｋｇｆにおける玉軸受け１３ａの変位量
Ｓ₀と、玉軸受け１３ｂの変位量Ｓ₀との差、すなわち、
ゼロである。

【００８１】この状態で、軸受機構１００の内輪に固定
した軸にＦ₁の軸方向外力が加えられると、軸受け負荷
の動作点はＰ₁に移動して、この時の軸受機構１００に
おける軸変位は１３ａの変位量Ｓ₁から、１３ｂの変位
量Ｓ₂を差し引いたＳ₁−Ｓ₂の値になる。図１４のグラ
フから、最も変位量が大きくなるのはＦ₁が０．２ｋｇ
ｆの時で、この場合は１３ａのみで軸方向外力Ｆ₁を負
担し、軸受機構１００における変位量は、約０．００４
ｍｍであることが判る。

【００８２】このことから、図９に示す、軸受機構１０
０では、円錐ロータ７に、上向き、あるいは、下向きに
０．２ｋｇｆの範囲内で軸方向の外力が働いても、軸受
機構１００の軸方向変位は４μｍ程度である。これは、
先に数２で求めた、平板９に対する円錐ロータ７のずれ
許容限界である９μｍを、十分に満足させることが出来
る（図８参照）。

【００８３】トルク検出軸関係については、上記で求め
たトルク検出軸３０の弾性反力Ｆの値から、トルク検出
軸３０上端に設けた振れ止め部１０１において発生する
摩擦トルクＭ′を求める。なお、上記弾性反力Ｆは、３
点支持の支持点Ｃ（図１０参照）の理想中心線からのず
れ量が、０．２ｍｍとして求めた値である。これは、実
際の粘度計の組立ての際に生ずる組立て精度としては、
この程度の数字は悪い方の状態である。

【００８４】ここで、摩擦トルクＭ’は、弾性反力Ｆと
弱剛性部剛性Ｇとピン３３の接触部での摩擦係数とを、
掛け合わせたものであるから、

【００８５】

【数３】

【００８６】である。但し、ピン３３接触部の摩擦係数
μ＝０．３とする。

【００８７】すなわち、この摩擦トルクＭ’と、図１２
において、軸受機構１００に０．２ｋｇｆの軸方向外力
が加えられた時の軸受機構１００の摩擦トルク（０．０
００５８ｋｇｆ・ｍｍ）を合計すると、０．０００７３
ｋｇｆ・ｍｍとなる。

【００８８】この合計摩擦トルクは、先に提示した、本
実施例の再現性の条件から求めた、摩擦トルクの限界値
０．００１１５ｋｇｆ・ｍｍの６４％程度になる。した
がって、粘度測定における再現性の限界幅±０．２％に
対し、±０．１３％の幅に収まるので、充分に実用に堪
える結果が得られている。

【００８９】もし、本発明におけるような弱剛性部３０
ｂを設けない場合は、トルク検出軸３０の剛性が高くな
る。先端ピン３３の位置で中心線からのずれδ＝０．２
ｍｍがあると、大きな弾性反力を生じ、この部分の摩擦
トルクが大きくなって指度の再現性を損なうことは明ら
かである。

【００９０】試みに、この場合の弾性反力を、通常のト
ルク検出軸径φ３ｍｍ、Ｌ＝１３０ｍｍの条件を仮定す
ると、弾性反力Ｆ′＝７．６ｇｒｆが求められる。この
弾性反力による摩擦トルクは、１．１ｇｒｆ・ｍｍ＝
０．００１１ｋｇｆ・ｍｍにもなるため、上記摩擦トル
クの限界値に対してこの部分の摩擦だけで１０倍に達す
る結果となる。

【００９１】したがって、トルク検出軸３０に、弾性的
な弱剛性部３０ｂを設けることによって、トルク検出軸
上端の振れ止め部１０１の摩擦トルクを、著しく低減す
ることができる。

【００９２】以上説明したように、本実施例において
は、以上で示した仕様の軸受機構１００および弱剛性部
３０ｂを有することで、ワイゼンベルグ効果を示す試料
液の粘度を、安定かつ信頼できる状態で測定することが
できる。

【００９３】

【発明の効果】本発明によれば、ワイゼンベルク効果を
持つ高粘度試料液を、安定かつ信頼できる状態で、実用
的な精度、再現性において測定することが出来る。

【００９４】

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の円錐ロータおよび平板を用いた、回転式
粘度計の原理を説明する図。

【図２】従来の粘度計における円錐ロータおよび平板の
位置関係を説明する図。

【図３】従来の粘度計における円錐ロータおよび平板の
位置関係を説明する図。

【図４】従来の粘度計における円錐ロータおよび平板の
位置関係を説明する図。

【図５】従来の円錐ロータおよび平板を用いた回転式粘
度計の内部構造を示す図。

【図６】従来の円錐ロータおよび平板を用いた回転式粘
度計の内部構造において、円錐ロータ回転軸の軸受機構
に係る部分のみの構造を示す図。

【図７】従来の円錐平板式粘度計において、ワイゼンベ
ルグ効果を示す試料液を測定する場合の測定方法を説明
する図。

【図８】円錐平板式粘度計において、円錐ロータが平板
と接触していない状態を示す図。

【図９】本発明を適用した円錐平板式粘度計の一実施例
における、特徴部分だけを示した図。

【図１０】本実施例におけるトルク検出軸の軸受構造を
説明する図。

【図１１】本実施例に用いる玉軸受け１個について、軸
方向力と始動摩擦モーメントの関係を実測した測定デー
タ。

【図１２】図１１のデータを用いて作成した、２個のミ
ニチュア玉軸受けに１００ｇｒｆの予圧を加えた場合の
始動摩擦モーメントを求めるためのグラフ。

【図１３】本実施例に用いる玉軸受け１個について、そ
の内輪に軸方向の負荷が加わった時の負荷荷重と、内輪
の軸方向変位の関係を実測したデータ。

【図１４】図１３のデータを用いて作成した、２個のミ
ニチュア玉軸受けに１００ｇｒｆの予圧を加えた場合
の、内輪側に固定した軸の軸方向変位を求めるためのグ
ラフ。

【図１５】従来の円錐ロータおよび平板を用いた回転式
粘度計の内部構造において、円錐ロータ回転軸の軸受機
構に係る部分のみの構造を示す図。

【符号の説明】

１…シンクロナスモータ、２…駆動軸、３…目盛円
盤、４…スプリング、４ａ…渦巻バネ、５…ロータ
軸、７…円錐ロータ、７ａ…円錐ロータの頂点部
分、８…指針、９…円板、１０…被測定液、１
１…ピン、１２…重錘、１３ａ、１３ｂ…ミニチュ
ア玉軸受け、１３ｃ…玉軸受固定機構、１３ｄ…軸受
ピン、２０…パルスモータ、２１…プーリ、２３
…回転駆動軸、２４…プーリ、２５…タイミングベ
ルト、２６…差動トランス、２７…スリップリング装
置、２８…第１のコの字型部材、２９…宝石軸受
け、３０…トルク検出軸、３０ａ…トルク検出軸上
端部、３０ｂ…弱剛性部、３０ｃ…トルク検出軸下
端部、３０ｄ…穴、３０ｅ…トルク検出軸ピン上端
部、３１…ピボット、３２…第２のコの字型部材、
３３…ピン、３４…コの字型の腕部材、３５…
軸、１００…軸受機構、１０１…振れ止め部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転する円錐ロータを用いて、被測定液の
粘度を測定する回転式粘度計において、円錐ロータ下方に固定して配置され、被測定液をその上
部に保持する平板と、円錐ロータ上部に取り付けられ、円錐ロータに連動して
回転するトルク検出軸と、トルク検出軸の、下向きおよび上向き軸方向変位を制限
するとともに、回転可能に保持する軸受手段と、軸受手段を保持する軸受保持手段と、回転駆動源と、回転駆動源により駆動される回転主軸と、一端を回転主軸に、他端をトルク検出軸に接続し、被測
定液の粘性抵抗による粘性抵抗トルクを、弾性力で平衡
させる弾性部材と、両軸の回転位相のずれを検出するねじれ角度検出手段と
を有することを特徴とする回転式粘度計。
【請求項２】請求項１において、前記軸受保持手段は、
前記回転主軸の一部に固定して設けられることを特徴と
する回転式粘度計。
【請求項３】請求項２において、前記軸受手段は、前記
トルク検出軸を保持する１個以上の玉軸受を有すること
を特徴とする回転式粘度計。
【請求項４】請求項３において、前記軸受手段は、前記
トルク検出軸を保持する２個の玉軸受を有し、前記トルク検出軸に当該玉軸受の内輪が固着され、その
内輪２個によって挾まれた前記トルク検出軸の一部分
に、予め定めた圧力が加わるように、当該玉軸受の外輪
を固定したことを特徴とする回転式粘度計。
【請求項５】請求項４において、前記トルク検出軸は、
その一部に、他の部分の剛性よりも相対的に弱い剛性を
有する弱剛性部を有することを特徴とする回転式粘度
計。
【請求項６】請求項５において、前記トルク検出軸は、
その一部に力が作用した場合、前記弱剛性部において曲
がる構造であることを特徴とする回転式粘度計。
【請求項７】請求項６において、前記弱剛性部は、前記
軸受手段近傍の前記トルク検出軸の軸径を細めること
で、その剛性を弱めたことを特徴とする回転式粘度計。