WO2013015211A1 - 粘度測定装置 - Google Patents

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WO2013015211A1
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rotor
magnet
sample container
magnetic field
container
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Inventor
保田 正範
酒井 啓司
Original Assignee
京都電子工業株式会社
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N2011/147Magnetic coupling

Definitions

  • the present invention relates to a viscosity measuring apparatus that measures the viscosity of a substance using a rotor.
  • Viscosity of substances is measured in quality control, performance evaluation, manufacturing process for pharmaceuticals, foods, paints, inks, cosmetics, chemicals, paper, adhesives, fibers, plastics, beer, detergents, concrete admixtures, silicon, etc. This is an indispensable measurement technology for raw material management, research and development, etc.
  • a method for measuring the viscosity of such a substance there are a capillary method, a method of bringing a vibrator into contact, a method using a rotor, and the like.
  • a conductive rotor (sphere) is submerged in a sample container filled with a sample solution, and a rotating magnetic field is applied to the rotor from the outside of the sample container.
  • a current is generated in the rotor provided with the rotating magnetic field due to the rotating magnetic field, and the rotor rotates by the action of Lorentz force generated between the current and the rotating magnetic field applied to the rotor.
  • the rotational speed of the rotor is delayed with respect to the rotational speed of the rotating magnetic field in accordance with the viscosity of the sample liquid. Viscosity can be calculated by using this rotational speed delay. That is, the relationship between the difference between the rotation speed of the rotor and the rotation speed of the rotating magnetic field and the rotation speed of the rotor is expressed by a linear expression, and the slope of the linear expression is the viscosity.
  • Patent Document 1 is configured to apply a rotating magnetic field to the rotor through the side surface of the sample container. That is, the rotating magnetic field is generated by an electromagnet pair or a permanent magnet pair disposed in the rotating surface of the rotor.
  • the rotating magnetic field is generated by an electromagnet pair or a permanent magnet pair disposed in the rotating surface of the rotor.
  • a rotating magnetic field is generated by sequentially exciting different polarities at the facing positions.
  • a rotating magnetic field is generated by rotating a pair of permanent magnets arranged with the rotor sandwiched between the opposing positions having different polarities in the plane.
  • any configuration it is necessary to arrange a plurality of electromagnets or permanent magnets (hereinafter simply referred to as magnets) in the same plane.
  • magnets electromagnets or permanent magnets
  • the sample container is disposed between the opposed magnets, it is difficult to reduce the interval between the opposed magnets. Therefore, a relatively large area and volume are required as a viscosity measuring device.
  • the sample container is disposed between the opposing magnets, the shape of the sample container that can be measured is limited.
  • the present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a viscosity measuring apparatus that can be miniaturized and that has a relatively high degree of freedom in the shape of a sample container.
  • the viscosity measuring apparatus includes a sample container, a conductive rotor, a magnet, a variable magnetic field driving unit, and a viscosity detecting unit.
  • the sample container contains a sample solution.
  • the conductive rotor is immersed in the sample liquid in the sample container.
  • the magnet is arranged in a state facing the sample container at a position away from the rotation surface of the rotor by a predetermined distance in the direction of the rotation axis of the rotor.
  • the magnet applies a magnetic field to the rotor from the outside of the sample container.
  • the variable magnetic field driving unit applies a magnetic field that varies with time to the rotor by driving the magnet.
  • a magnet can be comprised with a permanent magnet or an electromagnet.
  • the fluctuating magnetic field can be generated by the movement of the permanent magnet.
  • the fluctuating magnetic field can be generated by controlling the current applied to the electromagnet.
  • a rotating magnetic field can be used as the fluctuating magnetic field that imparts rotational torque to the rotor.
  • the magnet is arranged in a state facing the sample container at a position away from the rotation surface of the rotor by a predetermined distance in the rotation axis direction of the rotor without surrounding the sample container. That is, since the magnet is arranged on one side with respect to the sample container, the occupation area (footprint) and volume of the apparatus can be greatly reduced as compared with the conventional apparatus.
  • this configuration it is also possible to obtain the viscosity of the sample liquid in the sample container having an arbitrary shape. For example, in a factory or the like, it is also possible to continuously obtain in-line the viscosity of a liquid material or liquid product flowing in a pipe installed on a production line.
  • a viscosity measuring device having a temperature adjustment mechanism can be configured as a device that is smaller and can be adjusted in a short time compared to the conventional one.
  • the magnet In the viscosity measuring apparatus, it is possible to employ a configuration in which the magnet generates magnetic lines of force parallel to the rotating surface on the rotating surface of the rotor.
  • “parallel” includes not only the case of being completely parallel but also the case of being substantially parallel.
  • the magnet a magnet having N and S poles composed of strip-like regions parallel to each other on a plane spaced a predetermined distance from the rotation surface of the rotor in the rotation axis direction of the rotor can be employed.
  • the viscosity measuring apparatus may further include a storage container that stores the magnet.
  • the wall surface of the storage container is disposed between the sample container and the magnet.
  • the distance from the container surface to the sample container between the sample container and the magnet can be easily maintained at a predetermined distance.
  • the sample container can be disposed in contact with the wall surface of the storage container between the sample container and the magnet.
  • the sample container can be disposed close to the magnet by setting a small distance between the container wall surface between the sample container and the magnet and the magnet. That is, a magnetic field can be efficiently applied to the rotor.
  • the storage container wall surface between a sample container and a magnet comprises the wall surface of the vertical direction in a storage container, arrangement
  • positioning of a sample container will be very easy.
  • the housing container wall surface between the sample container and the magnet may employ a configuration having a fitting portion that fits into the sample container. In this case, even if the bottom surface of the sample container is a curved surface, the sample container can be easily arranged at the specified position. Further, the storage container wall surface between the sample container and the magnet may be flat. In this case, it is possible to easily dispose a support member or the like that disposes the sample container at a specified position on the wall surface.
  • the magnet for generating the variable magnetic field is arranged on one side with respect to the sample container, the occupation area and volume of the apparatus can be greatly reduced compared to the conventional apparatus. Can do. Moreover, since it is not necessary to arrange a magnet for generating a variable magnetic field in a state of surrounding the sample container, a sample container having an arbitrary shape can be used. Furthermore, an additional unit such as a temperature adjusting mechanism can be easily arranged only around the sample container.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the overall configuration of a viscosity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are schematic configuration diagrams showing a modification of the viscosity measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating a modified example of the viscosity measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating a modified example of the viscosity measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a modified example of the viscosity measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the overall configuration of a viscosity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are schematic configuration diagrams showing a modification of the viscosity measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating a
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating a modified example of the viscosity measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A and FIG. 7B are schematic cross-sectional views showing a modification of the viscosity measuring device according to one embodiment of the present invention.
  • the present invention is embodied as a viscosity measuring device that generates a rotating magnetic field using a permanent magnet.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a configuration of a viscosity measuring apparatus in the present embodiment.
  • the viscosity measuring apparatus 100 includes a sample container 1, a rotor 2, magnets 3 (3 a and 3 b), a variable magnetic field drive unit 4, and a viscosity detection unit 9.
  • the sample container 1 contains a sample liquid 8 to be measured for viscosity.
  • the material of the sample container 1 is not particularly limited as long as a magnetic field is generated inside by the magnet 3.
  • a test tube made of quartz glass having an open end arranged vertically upward is used as the sample container 1.
  • the rotor 2 is made of a conductive material and is immersed in the sample liquid 8 in the sample container 1.
  • the part which touches the sample container 1 has a convex curved surface.
  • the rotor 2 is composed of an aluminum sphere having a radius smaller than the radius of curvature of the bottom of the test tube that is the sample container 1.
  • the rotor 2 is disposed in the sample container 1 in a state where part or all of the rotor 2 is submerged in the sample liquid 8. In the example of FIG. 1, since the rotor 2 rotates around the vertical axis, the rotation surface of the rotor 2 is parallel to the upper surface of the sample liquid 8 accommodated in the sample container 1.
  • the magnet 3 made of a permanent magnet is disposed below the sample container 1 so as to face the sample container 1 and applies a magnetic field to the rotor 2 from the outside of the sample container 1.
  • the magnet 3 includes a magnet 3 a in which the south pole is disposed in a state facing the sample container 1 and a magnet 3 b in which the north pole is disposed in a state facing the sample container 1. Further, the surface of the magnet 3 a facing the sample container 1 (S pole) and the surface of the magnet 3 b facing the sample container 1 (N pole) are arranged in parallel with the rotating surface of the rotor 2.
  • the magnet 3 a and the magnet 3 b have a band shape in plan view, and are fixed on a turntable 30 that is rotationally driven in a plane parallel to the rotation surface of the rotor 2.
  • the sample container 1 is installed in a state in which the rotation axis of the turntable 30 and the center axis of the test tube that is the sample container 1 coincide with each other, and the rectangular parallelepiped magnet 3a and the magnet 3b are connected to the rotation axis. It is arranged symmetrically with respect to the containing surface.
  • the magnet 3 a and the magnet 3 b By arranging the magnet 3 a and the magnet 3 b in this way, the magnet 3 generates magnetic lines of force parallel to the rotation surface on the rotation surface of the rotor 2.
  • the magnet 3 a and the magnet 3 b are arranged in parallel with respect to the above-described plane whose longitudinal sides include the rotation axis of the turntable 30.
  • the sample stage 6 for placing the sample container 1 in contact with the magnet 3 is provided so that the distance between the magnet 3 and the rotor 2 is always constant. And the sample container 1.
  • a material that does not obstruct the application of the magnetic field to the rotor 2 by the magnet 3, such as a nonmagnetic material or a thin magnetic material can be used.
  • the upper surface of the sample table 6 is parallel to the rotation surface of the rotor 2 and the rotation surface of the rotation table 30. In this configuration, the sample container 1 can be disposed close to the magnet 3 by setting the distance between the sample stage 6 and the magnet 3 small. That is, a magnetic field can be efficiently applied to the rotor 2.
  • the variable magnetic field drive unit 4 drives the magnet 3 to apply a magnetic field that changes over time to the rotor 2.
  • the variable magnetic field drive unit 4 is configured by a motor 4 having a rotation drive shaft 5 arranged coaxially with the rotation shaft of the turntable 30. Therefore, in this example, the variable magnetic field drive unit 4 applies a rotating magnetic field to the rotor 2 as a variable magnetic field by rotationally driving the magnet 3.
  • An induced current is excited in the rotor 2 by the rotating magnetic field.
  • a rotational torque is applied to the rotor 2 by Lorentz interaction between the induced current and the rotating magnetic field, and the rotor 2 rotates.
  • the rotation axis of the rotor 2 and the rotation axis of the turntable 30 coincide with each other.
  • the viscosity detector 9 obtains the viscosity of the sample liquid 8 based on the rotation state of the rotor 2 and the time fluctuation state of the fluctuation magnetic field.
  • the rotation state of the rotor 2 is captured by a CCD (Charge Coupled Device) camera 7 disposed above the sample container 1.
  • the image showing the rotation state of the rotor 2 acquired by the CCD camera 7 is processed by the image processing unit 11 and the rotation number of the rotor 2 is obtained.
  • the image processing unit 11 obtains the number of rotations of the rotor 2 by detecting a mark added to the upper portion of the rotor 2.
  • the time-varying state of the varying magnetic field can be acquired as the number of rotations of the rotating magnetic field.
  • the rotation speed of the rotating magnetic field matches the rotation speed of the rotary drive shaft 5. Therefore, the rotational speed of the rotating magnetic field can be acquired by acquiring the rotational speed of the motor that is the variable magnetic field driving unit 4 and the rotational speed of the turntable 30.
  • the rotational speed can be obtained by using image processing in the same manner as the rotational speed of the rotor 2.
  • the rotational speed of the rotating magnetic field is controlled by the drive control unit 12 that controls the rotational speed of the variable magnetic field driving unit 4. It is configured to acquire the rotation speed.
  • the viscosity detector 9 acquires the rotation speed of the rotor 2 and the rotation speed of the rotating magnetic field from the image processing section 11 and the drive control section 12, respectively, and based on the acquired rotation speed of the rotor 2 and rotation speed of the rotating magnetic field.
  • the viscosity of the sample liquid 8 is calculated. Viscosity is calculated using a delay in the rotational speed of the rotor with respect to the rotational speed of the rotating magnetic field, generated according to the viscosity of the sample liquid, as in the prior art.
  • the slope of the linear expression is used as the viscosity.
  • the viscosity of the sample liquid 8 can be calculated as the product of the ratio of the slope and the slope of the linear equation obtained in advance for a sample liquid (standard sample) having a known viscosity and the viscosity of the standard sample.
  • the calculation method of the said viscosity is the same as that of the past, detailed description here is abbreviate
  • the viscosity detection unit 9, the image processing unit 11, and the drive control unit 12 are, for example, a dedicated arithmetic circuit or a processor and a memory such as a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory). And hardware stored in the memory and software operating on the processor.
  • the magnet 3 does not surround the periphery of the sample container 1 and is disposed on one side with respect to the sample container 1. Therefore, compared with the conventional apparatus, the occupation area (footprint) and volume of the apparatus can be significantly reduced. Further, in this configuration, since the magnet 3 is not disposed so as to surround the sample container 1, the viscosity of the sample liquid in the sample container having an arbitrary shape can be obtained. Furthermore, since no magnet is disposed in a state surrounding the periphery of the sample container, it is possible to dispose a temperature adjustment mechanism only around the sample container. That is, a viscosity measuring device having a temperature adjustment mechanism can be configured as a device that is smaller and can be adjusted in a short time compared to the conventional one.
  • FIGS. 2A and 2B are schematic configuration diagrams showing an example of a configuration in which an electromagnet is employed as a magnet that applies a varying magnetic field to the rotor 2.
  • FIG. 2A is a plan view
  • FIG. 2B is a front view.
  • the outer shapes of the sample container 1 and the rotor 2 are indicated by broken lines.
  • electromagnet pairs 13 and 14 are arranged below the sample container 1 so as to face the sample container 1.
  • the electromagnet pair 13 is composed of a pair of electromagnets 13a and 13b arranged to face each other with the rotation axis of the rotor 2 interposed therebetween.
  • the electromagnet pair 14 is configured by a pair of electromagnets 14 a and 14 b disposed to face each other with the rotation axis of the rotor 2 interposed therebetween.
  • the arrangement direction of the electromagnet pairs 13 and the arrangement direction of the electromagnet pairs 14 are orthogonal to each other in plan view.
  • Each of the electromagnets 13 a, 13 b, 14 a, 14 b is wound with a coil so as to generate a magnetic field along the rotation axis of the rotor 2 (the central axis of the test tube that is the sample container 1), and faces the sample container 1.
  • a single magnetic pole is generated on the surface (here, the upper surface) of each electromagnet 13a, 13b, 14a, 14b.
  • a current is applied to a pair of electromagnets constituting each electromagnet pair at the same time, and when a current is applied, the magnetic fields having opposite polarities are generated.
  • the surface of the other electromagnet 13b facing the sample container 1 is the S pole.
  • variable magnetic field drive unit 4 is configured by a current source that controls the current applied to each electromagnet pair 13, 14, and the application timing of the current to each electromagnet pair 13, 14 is determined by the drive control unit 12. Be controlled.
  • I 0 is a constant and t is time.
  • a rotating magnetic field can be generated in the same manner as the configuration for rotating the turntable 30 described above.
  • the rotational speed of the rotor 2 can be detected not only by the above method but also by any method.
  • the rotation number of the rotor 2 is detected from above the sample container 1.
  • the rotation number may be detected from below the sample container 1, that is, from the sample stage 6 side.
  • 3 and 4 are schematic configuration diagrams showing an example of a configuration for detecting the rotation speed of the rotor 2 from the sample stage 6 side. 3 and 4, the configuration using the permanent magnet described in FIG. 1 is adopted as the mechanism for generating the rotating magnetic field. For this reason, the same reference numerals are given to components having the same functions and effects as those shown in FIG. 1, and detailed descriptions thereof are omitted.
  • the rotational drive shaft 5 of the motor that is the variable magnetic field drive unit 4 is hollow, and an optical fiber 16 that functions as an optical waveguide is installed in the hollow portion.
  • the tip of the optical fiber 16 is exposed on the surface of the turntable 30 in a state of facing the rotor 2 rotating in the sample container 1.
  • the other end of the optical fiber 16 is connected to a rotation speed detection unit 15 installed on the opposite side of the turntable 30 with a motor serving as the variable magnetic field drive unit 4 interposed therebetween.
  • the rotation speed detection unit 15 includes a light emitting unit that irradiates the rotor 2 with the laser light 17 through the optical fiber 16, and a laser beam reflected from the rotor 2 that rotates through the optical fiber 16.
  • the rotational speed detection unit 15 detects the rotational speed by detecting a change in the reflection / interference pattern due to the rotation of the rotor 2 in the light receiving unit.
  • at least portions of the sample stage 6 and the sample container 1 that exist on the path of the laser beam 17 are made of a translucent material.
  • the optical waveguide 18 is installed on the sample table 6 on the side of the variable magnetic field driving unit 4.
  • the optical waveguide 18 is disposed between the sample stage 6 and the magnet 3 in the horizontal direction from directly below the rotor 2 rotating in the sample container 1 to the outside of the turntable 30 in plan view.
  • the outer end of the turntable 30 is connected to the above-described rotation speed detector 15.
  • the laser light 17 irradiated from the light emitting unit of the rotation number detection unit 15 and propagated in the optical waveguide 18 in the horizontal direction is directed to the direction of the rotor 2 (vertical).
  • the reflection surface reflects the laser beam 17 reflected by the rotating rotor 2 toward the light receiving unit of the rotation speed detection unit 15.
  • the rotation number detection unit 15 detects the rotation number by detecting a change in the reflection / interference pattern caused by the rotation of the rotor 2 in the light receiving unit. Even in this configuration, at least portions of the sample stage 6 and the sample container 1 that are present on the path of the laser beam 17 are made of a translucent material.
  • the magnet 3a and the magnet 3b can also be arrange
  • the sample stage 6 constitutes part or all of the wall surface (here, the upper surface) of the storage container 20 facing the sample container 1.
  • the example in which the surface of the sample table 6 in contact with the sample container 1 is a flat surface has been described. If the surface of the sample stage 6 that comes into contact with the sample container 1 is a flat surface, for example, when using a plurality of sample containers having different shapes, a support member or the like corresponding to each sample container is easily sampled on the surface. It can be placed on the table 6. As a result, even when a plurality of sample containers having different shapes are used, the rotor 2 in each sample container can be arranged at a predetermined specified position.
  • FIGS. 7A and 7B are diagrams showing another example of the sample stage 6.
  • FIG. 7A is a diagram showing a state where the sample container 1 is not installed
  • FIG. 7B is a diagram showing a state where the sample container 1 is installed.
  • the surface of the sample stage 6 that comes into contact with the sample container 1 includes a fitting portion 23 that fits into the sample container 1.
  • the rotor 2 in the sample container 1 is set in advance. It can be easily arranged at a predetermined position.
  • the magnet for generating the fluctuating magnetic field is arranged on the one surface side with respect to the sample container. Therefore, the occupied area and volume of the device can be greatly reduced as compared with the conventional device. Moreover, since it is not necessary to arrange a magnet for generating a variable magnetic field in a state of surrounding the sample container, a sample container having an arbitrary shape can be used. Furthermore, it is also possible to easily arrange various additional units including a temperature adjusting mechanism only around the sample container.
  • the above-described embodiments do not limit the technical scope of the present invention, and various modifications and applications can be made within the scope of the present invention other than those already described.
  • the configuration in which two magnetic poles exist at a position facing the sample container has been described.
  • the arrangement of the magnet may be any as long as it can generate a variable magnetic field that applies rotational torque to the rotor.
  • a configuration can be adopted.
  • one magnetic pole may exist at a position facing the sample container.
  • the sample container has a relatively high degree of freedom in shape and can be miniaturized, and is useful as a viscosity measuring device.

Abstract

導電性の回転子2は、試料容器1内の試料液8に浸される。磁石3は、回転子2の回転面から回転子2の回転軸方向に所定距離離れた位置に、試料容器1と対向する状態で配置される。磁石3は、試料容器1の外部から回転子2に対して磁界を付与する。変動磁界駆動部4は、磁石3を駆動して回転子2に時間的に変動する磁界を付与する。当該変動磁界により回転子2に誘導電流が励起される。当該誘導電流と変動磁界とのローレンツ相互作用により回転子2に回転トルクが付与され、その結果、上記回転面内において回転子2が回転する。粘度検出部9は、回転子2の回転状態および変動磁界の時間変動状態に基づいて試料液8の粘性を求める。

Description

粘度測定装置
 本発明は、回転子を使用して物質の粘性を測定する粘度測定装置に関する。
 物質の粘性の測定は、医薬品、食品、塗料、インク、化粧品、化学薬品、紙、接着剤、繊維、プラスチック、ビール、洗剤、コンクリート混和剤、シリコン等の製造過程において、品質管理、性能評価、原料管理、研究開発等に不可欠な測定技術である。このような物質の粘性を測定する方法として、毛細管法、振動子を接触させる方法、回転子を用いる方法等がある。
 上記測定方法のうち、回転子を用いる方法の一例は後掲の特許文献1に開示されている。この技術では、試料液を充填した試料容器に導電性の回転子(球)を沈め、当該回転子に試料容器外部から回転磁界が付与される。回転磁界が付与された回転子には回転磁界に起因して電流が発生し、当該電流と回転子に付与される回転磁界との間で生じるローレンツ力の作用により回転子が回転する。このとき、回転子の回転速度には、試料液の粘性に応じて、回転磁界の回転速度に対する遅れが発生する。この回転速度の遅れを利用して、粘度を算出することができる。すなわち、回転子の回転速度と回転磁界の回転速度との差と、回転子の回転速度との関係が一次式で表され、当該一次式の傾きを粘度とするものである。
特開2009-264982号公報
 しかしながら、上記特許文献1が開示する技術は、試料容器の側面を介して回転磁界を回転子に付与する構成である。すなわち、回転磁界は、回転子の回転面内に配置された電磁石対または永久磁石対により生成される。前者の場合、回転子を挟んで対向配置された複数の電磁石対において、順に、対向位置にそれぞれ別の極性を励起することで回転磁界が生成される。後者の場合、対向位置がそれぞれ別の極性となる状態で回転子を挟んで配置された永久磁石対を上記平面内で回転させることで回転磁界が生成される。いずれの構成であっても、同一平面内に電磁石または永久磁石(以下、単に磁石という。)を複数配置する必要がある。また、対向する磁石の間には試料容器が配置されるため、対向配置される磁石間の間隔を小さくすることも困難である。そのため、粘度測定装置として比較的大きな面積・容積が必要になっていた。加えて、対向する磁石の間に試料容器が配置されるため、測定可能な試料容器の形状も制限されていた。
 また、試料の粘性の温度依存性を取得する場合、試料液を所定温度に維持した状態での測定が必要になる。しかしながら、上記特許文献1が開示する構成では、試料容器の周囲のみに温度調節機構を配置することは困難であり、装置全体の周囲に温度調節機構を配置する必要があった。上述のように、粘度測定装置は容積が比較的大きいため、結果として、温度調節機構も大型の装置が必要であった。また、このような装置では温度調節をしなければならない容積が大きいため、温度依存性の取得に多大な時間が必要であった。
 本発明はこのような従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、小型化が可能であり、かつ試料容器の形状自由度が比較的高い粘度測定装置を提供することを目的とする。
 上述の目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係る粘度測定装置は、試料容器、導電性の回転子、磁石、変動磁界駆動部および粘度検出部を備える。試料容器は、試料液を収容する。導電性の回転子は、試料容器内の試料液に浸される。磁石は、回転子の回転面から当該回転子の回転軸方向に所定距離離れた位置に、試料容器と対向する状態で配置される。当該磁石は、試料容器の外部から回転子に対して磁界を付与する。変動磁界駆動部は、磁石を駆動して回転子に時間的に変動する磁界を付与する。当該変動磁界により回転子に誘導電流が励起される。当該誘導電流と変動磁界とのローレンツ相互作用により回転子に回転トルクが付与され、その結果、上記回転面内において回転子が回転する。粘度検出部は、回転子の回転状態および変動磁界の時間変動状態に基づいて、上記試料液の粘性を求める。なお、磁石は、永久磁石や電磁石により構成することができる。永久磁石の場合、上記変動磁界は、永久磁石の運動によって生成することができる。電磁石の場合、上記変動磁界は、電磁石に印加する電流を制御することによって生成することができる。また、回転子に回転トルクを付与する上記変動磁界としては、例えば、回転磁界を採用することができる。
 この粘度測定装置では、磁石が試料容器の周囲を囲むことなく、回転子の回転面から当該回転子の回転軸方向に所定距離離れた位置に、試料容器と対向する状態で配置される。すなわち、試料容器に対して一方面側に磁石が配置されるため、従来の装置と比較して、装置の占有面積(フットプリント)や容積を大幅に低減することができる。また、この構成では、任意形状の試料容器内の試料液の粘性を求めることも可能である。例えば、工場等において、製造ラインに設置された配管内を流れる液体原料や液体製品の粘性をインラインで連続的に求めることも可能である。さらに、試料容器の周囲を囲む状態で磁石が配置されていないため、試料容器の周囲のみに温度調節機構を配置することも可能である。すなわち、温度調節機構を有する粘度測定装置を従来に比べて小型かつ短時間で温度調節が可能な装置として構成することができる。
 上記粘度測定装置では、上記磁石が、上記回転子の回転面において、当該回転面と平行な磁力線を生成する構成を採用することができる。なお、本明細書において、平行は完全に平行な場合のみならず実質的に平行な場合も含む。この構成では、回転子に対して効率的に回転トルクを付与することができる。例えば、上記磁石として、上記回転子の回転面から回転子の回転軸方向に所定距離離れた面において互いに平行な帯状の領域からなるN極およびS極を有する磁石を採用することができる。
 また、上記粘度測定装置は、上記磁石を収容する収容容器をさらに備えてもよい。この場合、試料容器と磁石との間に収容容器の壁面が配置される。この構成では、試料容器と磁石との間の収容容器壁面から試料容器までの距離を予め定められた距離に容易に保つことができる。例えば、試料容器を試料容器と磁石との間の収容容器壁面に当接して配置することもできる。この場合、試料容器と磁石との間の収容容器壁面と上記磁石との間の距離を小さく設定することで、試料容器を磁石に近接して配置することができる。すなわち、回転子に効率的に磁界を付与することができる。なお、試料容器と磁石との間の収容容器壁面が、収容容器における鉛直方向上向きの壁面を構成するようにすれば、試料容器の配置は極めて容易である。
 試料容器と磁石との間の収容容器壁面は、試料容器と嵌合する嵌合部を有する構成を採用することもできる。この場合、試料容器の底面が曲面であっても、試料容器を容易に規定位置に配置することができる。また、試料容器と磁石との間の収容容器壁面が平面であってもよい。この場合、当該壁面上に試料容器を規定位置に配置する支持部材等を容易に配置することができる。
 本発明によれば、変動磁界を生成するための磁石が、試料容器に対して一方面側に配置されるため、従来の装置と比較して、装置の占有面積や容積を大幅に低減することができる。また、変動磁界を生成するための磁石を、試料容器を囲む状態で配置する必要がないため、任意形状の試料容器を使用することができる。さらに、試料容器の周囲のみに温度調節機構等の付加ユニットを容易に配置することも可能である。
図1は本発明の一実施形態における粘度測定装置の全体構成を示す概略構成図。 図2(a)、図2(b)は本発明の一実施形態における粘度測定装置の変形例を示す概略構成図。 図3は本発明の一実施形態における粘度測定装置の変形例を示す概略構成図。 図4は本発明の一実施形態における粘度測定装置の変形例を示す概略構成図。 図5は本発明の一実施形態における粘度測定装置の変形例を示す概略構成図。 図6は本発明の一実施形態における粘度測定装置の変形例を示す概略構成図。 図7(a)、図7(b)は本発明の一実施形態における粘度測定装置の変形例を示す概略断面図。
 以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。以下では、永久磁石を使用して回転磁界を生成する粘度測定装置として本発明を具体化する。
 図1は本実施形態における粘度測定装置の構成の一例を示す概略構成図である。図1に示すように、粘度測定装置100は、試料容器1、回転子2、磁石3(3a、3b)、変動磁界駆動部4および粘度検出部9を備える。
 試料容器1は、粘性測定対象の試料液8を収容する。試料容器1の材質は、磁石3により内部に磁界が生成されるものであれば特に限定されない。図1では、試料容器1として、開放端を鉛直方向上向きに配置した、石英ガラス製の試験管を使用している。
 回転子2は、導電性材料により構成され、試料容器1内の試料液8に浸される。回転子2は、試料容器1に接する部分が凸状の曲面を有することが好ましい。ここでは、回転子2は、試料容器1である試験管の底部の曲率半径よりも小さい半径を有する、アルミニウム製の球体で構成されている。回転子2は、試料液8に一部または全部が没する状態で試料容器1内に配置される。なお、図1の例では、回転子2は鉛直軸芯周りに回転するため、回転子2の回転面は、試料容器1に収容された試料液8の上面と平行になる。
 永久磁石からなる磁石3は、試料容器1の下方で試料容器1と対向する状態で配置されており、試料容器1の外部から回転子2に対して磁界を付与する。本実施形態では、磁石3は、試料容器1と対向する状態でS極が配置された磁石3aと試料容器1と対向する状態でN極が配置された磁石3bとを含む。また、試料容器1と対向する磁石3aの面(S極)および試料容器1と対向する磁石3bの面(N極)は、回転子2の回転面と平行になる状態で配置されている。
 磁石3aおよび磁石3bは、平面視において帯状の形態を有しており、回転子2の回転面に平行な面内で回転駆動される回転台30上に固定されている。ここでは、回転台30の回転軸と、試料容器1である試験管の中心軸とが一致する状態で試料容器1が設置されており、直方体状の磁石3aおよび磁石3bが、当該回転軸を含む面に対して対称に配置されている。磁石3aおよび磁石3bをこのように配置することで、磁石3は、回転子2の回転面において、当該回転面と平行な磁力線を生成する。特に限定されないが、本実施形態では、磁石3aおよび磁石3bは、長手方向の辺が回転台30の回転軸を含む上述の面に対して平行に配置されている。
 なお、特に限定されないが、本実施形態では、磁石3と回転子2との間の距離が常に一定になるように、試料容器1を当接した状態で設置するための試料台6が磁石3と試料容器1との間に設けられている。試料台6には、例えば、非磁性材料や厚さの薄い磁性材料のような、磁石3による回転子2に対する磁界の付与を阻害することのない材質を用いることができる。試料台6の上面は、回転子2の回転面および回転台30の回転面と平行になっている。この構成では、試料台6と磁石3との間の距離を小さく設定することで、試料容器1を磁石3に近接して配置することができる。すなわち、回転子2に効率的に磁界を付与することができる。
 変動磁界駆動部4は、磁石3を駆動して回転子2に時間的に変動する磁界を付与する。本実施形態では、変動磁界駆動部4は、回転台30の回転軸と同軸に配置された回転駆動軸5を有するモータ4により構成されている。したがって、この例では、変動磁界駆動部4は、磁石3を回転駆動することにより変動磁界として回転磁界を回転子2に付与する。
 当該回転磁界により回転子2に誘導電流が励起される。当該誘導電流と回転磁界とのローレンツ相互作用により回転子2に回転トルクが付与され、回転子2が回転する。特に限定されないが、この例では、回転子2の回転軸と回転台30の回転軸とが一致することになる。
 粘度検出部9は、回転子2の回転状態および変動磁界の時間変動状態に基づいて、試料液8の粘性を求める。回転子2の回転状態は、試料容器1の上方に配置された、CCD(Charge Coupled Device)カメラ7によって捉えられる。CCDカメラ7によって取得された回転子2の回転状態を示す映像は画像処理部11によって処理され、回転子2の回転数が求められる。画像処理部11は、例えば、回転子2の上部に付加されたマークを検出することにより回転子2の回転数を求める。
 一方、変動磁界の時間変動状態は、回転磁界の回転数として取得することができる。当該回転磁界の回転数は、回転駆動軸5の回転数と一致する。したがって、変動磁界駆動部4であるモータの回転数や回転台30の回転数を取得することにより回転磁界の回転数を取得することができる。当該回転数は、回転子2の回転数と同様、画像処理を使用して求めることが可能であるが、ここでは、変動磁界駆動部4の回転数を制御する駆動制御部12から回転磁界の回転数を取得する構成になっている。
 粘度検出部9は、画像処理部11および駆動制御部12から回転子2の回転数と回転磁界の回転数とをそれぞれ取得し、取得した回転子2の回転数および回転磁界の回転数に基づいて試料液8の粘度を算出する。粘度の算出は従来と同様、試料液の粘性に応じて発生する、回転磁界の回転速度に対する回転子の回転速度の遅れを利用する。すなわち、回転子の回転速度と回転磁界の回転速度との差と、回転子の回転速度との関係が一次式で表されることを利用し、当該一次式の傾きを粘度とする。試料液8の粘度は、当該傾きと粘度が既知の試料液(標準試料)について予め取得した一次式の傾きとの比と、当該標準試料の粘度との積として算出することができる。なお、当該粘度の算出方法は従来と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
 なお、上述の構成において、粘度検出部9、画像処理部11および駆動制御部12は、例えば、専用の演算回路、あるいは、プロセッサとRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等のメモリとを備えたハードウェアおよび当該メモリに格納され、プロセッサ上で動作するソフトウェアにより実現することができる。
 この粘度測定装置100では、磁石3が試料容器1の周囲を囲むことがなく、試料容器1に対して一方面側に配置される。そのため、従来の装置と比較して、装置の占有面積(フットプリント)や容積を大幅に低減することができる。また、この構成では、試料容器1の周囲を囲む状態で磁石3が配置されていないため、任意形状の試料容器内の試料液の粘性を求めることができる。さらに、試料容器の周囲を囲む状態で磁石が配置されていないため、試料容器の周囲のみに温度調節機構を配置することも可能である。すなわち、温度調節機構を有する粘度測定装置を従来に比べて小型かつ短時間で温度調節が可能な装置として構成することができる。
 なお、磁石3は、電磁石により構成することもできる。図2(a)、図2(b)は、回転子2に変動磁界を付与する磁石として電磁石を採用した構成の一例を示す概略構成図である。図2(a)が平面図であり、図2(b)が正面図である。なお、図2(a)では、試料容器1および回転子2の外形を破線で示している。
 図2(a)および図2(b)に示すように、この例では、2つの電磁石対13、14が、試料容器1の下方で試料容器1と対向する状態で配置されている。電磁石対13は回転子2の回転軸を挟んで対向して配置された1対の電磁石13a、13bにより構成される。同様に、電磁石対14は回転子2の回転軸を挟んで対向して配置された1対の電磁石14a、14bにより構成される。図2(a)に示すように、この例では、平面視において、電磁石対13の配列方向と電磁石対14の配列方向とが直交している。
 各電磁石13a、13b、14a、14bは、回転子2の回転軸(試料容器1である試験管の中心軸)に沿う磁界を発生するようにコイルが巻回されており、試料容器1と対向する各電磁石13a、13b、14a、14bの面(ここでは、上面)には単一の磁極が生成される。また、各電磁石対を構成する1対の電磁石には、同時に電流が印加される構成になっており、電流が印加された場合には、互いに逆極性の磁界を生成するように構成されている。例えば、電磁石対13において電流が印加された場合、一方の電磁石13aの試料容器1と対向する面がN極であるときは、他方の電磁石13bの試料容器1と対向する面はS極になる。
 この構成では、例えば、変動磁界駆動部4は、各電磁石対13、14に印加する電流を制御する電流源により構成され、各電磁石対13、14への電流の印加タイミングが駆動制御部12によって制御される。駆動制御部12は、2つの電磁石対13、14のそれぞれに、時間的に異なる変化を示す駆動電流を印加する。例えば、電磁石対13に対して周波数fで振動する正弦波電流I=I0sin(2πft)を印加する場合、電磁石対14に対して周波数fで振動する余弦波電流I=I0cos(2πft)を印加する。ここで、I0は定数、tは時間である。この構成によっても、上述の回転台30を回転させる構成と同様に回転磁界を生成することができる。
 ところで、回転子2の回転数は上記手法に限らず任意の手法により検出することができる。例えば、回転子2に対してレーザ光を照射し、回転による反射・干渉パターンの変化を光学的に検出することもできる。回転磁界の回転数の検出についても同様である。
 また、図1では、試料容器1の上方から回転子2の回転数を検知する構成としたが、当該回転数は、試料容器1の下方、すなわち試料台6側から検知してもよい。図3および図4は、試料台6側から回転子2の回転数を検知する構成の一例を示す概略構成図である。なお、図3および図4では、回転磁界を生成する機構として、図1において説明した永久磁石を使用した構成を採用している。そのため、図1に示した構成要素と同一の作用効果を奏する構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
 図3の例では、変動磁界駆動部4であるモータの回転駆動軸5が中空になっており、当該中空部に光導波路として機能する光ファイバ16が設置されている。当該光ファイバ16の先端は、試料容器1内で回転する回転子2と対向する状態で回転台30の表面に露出している。光ファイバ16の他端は、変動磁界駆動部4であるモータを挟んで回転台30と反対側に設置された回転数検知部15に接続されている。特に限定されないが、この例では、回転数検知部15は光ファイバ16を通じて回転子2に対してレーザ光17を照射する発光部と、光ファイバ16を通じて回転する回転子2から反射されたレーザ光17を受光する受光部を備える。回転数検知部15は、受光部において回転子2の回転による反射・干渉パターンの変化を検出することで回転数を検知する。なお、この構成では、試料台6および試料容器1の、少なくともレーザ光17の経路上に存在する部分は透光性材料により構成されることになる。
 また、図4の例では、試料台6の変動磁界駆動部4側に光導波路18が設置されている。当該光導波路18は、試料台6と磁石3との間を、試料容器1内で回転する回転子2の直下から、平面視において回転台30の外方にわたって水平方向に配置されている。回転台30の外方側の端部は上述の回転数検知部15に接続されている。また、試料容器1内で回転する回転子2の直下では、回転数検知部15の発光部から照射され、光導波路18内を水平方向に伝搬されたレーザ光17を回転子2の方向(鉛直方向)に反射する反射面が設けられている。当該反射面は、回転する回転子2により反射されたレーザ光17を回転数検知部15の受光部に向けて反射する。回転数検知部15は受光部において回転子2の回転による反射・干渉パターンの変化を検出することで回転数を検知する。なお、この構成においても、試料台6および試料容器1の、少なくともレーザ光17の経路上に存在する部分は透光性材料により構成される。また、この構成では、図4に示すように回転台30上において、磁石3aと磁石3bとを互いに接触する状態で配置することもできる。当該構成は、粘度測定装置のフットプリントをより小さくする必要がある場合に特に好適である。
 以上のような、試料容器1の下方から回転子2の回転数を検知する構成では、試料容器1以外の部材をすべて試料台6に対して試料容器1と反対側に設置することができる。すなわち、試料容器1の一方面側からだけで粘性を測定することが可能である。そのため、例えば、図5に示すように、試料容器1を、温度調節機構を具備する温調容器21で囲んだ状態でも、試料液8の粘性を取得することができる。また、図6に示すように、例えば、工場等において、製造ラインに設置された配管22内を流れる液体原料や液体製品の粘性をインラインで連続的に求めることも可能になる。なお、このような配管22内を流れる試料液8の粘性を測定する場合は、配管22の内面に凹部等を設け、回転子2の回転位置が所定位置に維持される構成を採用することが好ましい。なお、図5および図6の例では、磁石3、回転台30、変動磁界駆動部4等を収容容器20内に収容している。この場合、試料台6は試料容器1と対向する収容容器20の壁面(ここでは上面)の一部または全部を構成する。
 なお、上記では、試料容器1と当接する試料台6の面が平面である事例について説明した。試料容器1と当接する試料台6の面が平面であると、例えば、形状が異なる複数の試料容器を使用する場合に、当該面上に、各試料容器に応じた支持部材等を容易に試料台6上に配置することができる。その結果、形状が異なる複数の試料容器を使用する場合でも、各試料容器内の回転子2を予め定められた規定位置に配置することができる。
 しかしながら、試料容器1と当接する試料台6の面が平面であることは必須ではない。図7(a)、図7(b)は、試料台6の他の例を示す図である。図7(a)は試料容器1を設置していない状態を示す図であり、図7(b)は試料容器1を設置した状態を示す図である。図7(a)、図7(b)に示すように、試料容器1と当接する試料台6の面は、試料容器1と嵌合する嵌合部23を備えている。このように、試料容器1の当接面と嵌合する嵌合部23が設けられた構成では、例えば、試料容器1の底面が曲面であっても、試料容器1内の回転子2を予め定められた規定位置に容易に配置することが可能になる。
 以上説明したように、本発明によれば、変動磁界を生成するための磁石が、試料容器に対して一方面側に配置される。そのため、従来の装置と比較して、装置の占有面積や容積を大幅に低減することができる。また、変動磁界を生成するための磁石を、試料容器を囲む状態で配置する必要がないため、任意形状の試料容器を使用することができる。さらに、試料容器の周囲のみに温度調節機構をはじめとする種々の付加ユニットを容易に配置することも可能である。
 なお、上述した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、試料容器と対向する位置に2つの磁極が存在する構成を説明したが、当該磁石の配置は、回転子に回転トルクを付与する変動磁界を生成可能であれば任意の構成を採用可能である。例えば、試料容器と対向する位置に存在する磁極が1つであってもよい。
 また、上記実施形態では、回転子の回転面が水平である事例について説明したが、回転子の回転面は、本発明の効果を奏する範囲において任意に設定することができる。
 本発明によれば、試料容器の形状自由度が比較的高く、かつ小型化も可能であり、粘度測定装置として有用である。
 100 粘度測定装置
 1 試料容器
 2 回転子
 3、13、14 磁石(磁石対)
 3a、3b 永久磁石
 13a、13b、14a、14b 電磁石
 4 変動磁界駆動部
 5 回転駆動軸
 6 試料台
 7 CCDカメラ
 8 試料液
 9 粘度検出部
 15 回転検知部
 20 収容容器
 21 温調容器
 22 配管

Claims (8)

  1.  試料液を収容する試料容器と、
     前記試料容器内の試料液に浸された導電性の回転子と、
     前記回転子の回転面から前記回転子の回転軸方向に所定距離離れた位置に前記試料容器と対向して配置され、前記試料容器の外部から前記回転子に対して磁界を付与する磁石と、
     前記磁石を駆動して前記回転子に時間的に変動する磁界を付与し、前記回転子に誘導電流を励起するとともに、当該誘導電流と前記変動磁界とのローレンツ相互作用により前記回転子に回転トルクを与えて、前記回転面内において前記回転子を回転させる変動磁界駆動部と、
     前記回転子の回転状態および前記変動磁界の時間変動状態に基づいて、前記試料液の粘性を求める粘度検出部と、
    を備える、粘度測定装置。
  2.  前記磁石は、前記回転子の回転面において、当該回転面と平行な磁力線を生成する、請求項1記載の粘度測定装置。
  3.  前記磁石が、前記回転子の回転面から前記回転子の回転軸方向に所定距離離れた面において、互いに平行な帯状の領域からなるN極およびS極を有する、請求項1または2記載の粘度測定装置。
  4.  前記磁石を収容する収容容器をさらに備え、
     前記試料容器と前記磁石との間に前記収容容器の壁面が配置される、請求項1から3のいずれか1項に記載の粘度測定装置。
  5.  前記試料容器が、前記試料容器と前記磁石との間の収容容器壁面に当接して配置される、請求項4記載の粘度測定装置。
  6.  前記試料容器と前記磁石との間の収容容器壁面が、前記収容容器における鉛直方向上向きの壁面を構成する、請求項4または5記載の粘度測定装置。
  7.  前記試料容器と前記磁石との間の収容容器壁面が、前記試料容器と嵌合する嵌合部を有する、請求項4から6のいずれか1項に記載の粘度測定装置。
  8.  前記試料容器と前記磁石との間の収容容器壁面が平面である、請求項4から6のいずれか1項に記載の粘度測定装置。
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