(57)【要約】【課題】ＭＲ材料の粘性・粘弾性等のレオロジー特性（ＭＲ特性）を高精度で測定すること。【解決手段】本発明は、試料のＭＲ特性を測定するための磁場印加型レオメーターであって、対向配置された第１ディスク及び第２ディスクからなるパラレルディスクを含み、前記パラレルディスク間に配置される前記試料のレオロジー特性を測定するセンサー機構と、前記センサー機構による前記試料のレオロジー特性を測定する間、前記パラレルディスク間に磁場を印加するための磁場印加部と、を備え、前記第１ディスク及び前記第２ディスクのそれぞれは、磁性材料からなる円環部と、前記円環部の開口部に設けられた非磁性材料からなる中央部とによって一体的に形成された磁場印加型レオメーターである。【選択図】図１
2011007509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料のＭＲ特性を測定するための磁場印加型レオメーターであって、
対向配置された第１ディスク及び第２ディスクからなるパラレルディスクを含み、前記パラレルディスク間に配置される前記試料のレオロジー特性を測定するセンサー機構と、
前記センサー機構による前記試料のレオロジー特性を測定する間、前記パラレルディスク間に磁場を印加するための磁場印加部と、を備え、
前記第１ディスク及び前記第２ディスクのそれぞれは、磁性材料からなる円環部と、前記円環部の開口部に設けられた非磁性材料からなる中央部とによって一体的に形成された、
磁場印加型レオメーター。
【請求項２】
前記センサー機構は、
前記第１ディスクに連結されたシャフトと、
前記シャフトを介して、前記第１ディスクを回転駆動するモーターと、
前記第１ディスクに作用するトルクを検出するトルクセンサーと、を備え、
前記シャフトは、非磁性材料からなり、先端部分が前記第１ディスクの中央部を形成する、
請求項１に記載の磁場印加型レオメーター。
【請求項３】
前記磁場印加部は、
円筒形状のコア部と、前記コア部に巻回されたコイルと、前記コア部の下端から延出し、前記コイルを取り囲むように形成された導磁部とを含む電磁コイル部と、
前記電磁コイル部と相まって磁気閉回路を形成するように構成された円筒形状のカバー部であって、前記導磁部の端部に当接するように形成された外側円筒部と、前記パラレルディスクを介して前記コア部の上端に対向するように形成された内側円筒部とを含むカバー部と、を備える、
請求項２に記載の磁場印加型レオメーター。
【請求項４】
前記第１ディスクの円環部の半径方向の幅は、前記カバー部の内側円筒部の壁厚に略等しく、前記第２ディスクの円環部の半径方向の幅は、前記電磁コイル部のコア部の壁厚に略等しい、
請求項３に記載の磁場印加型レオメーター。
【請求項５】
前記第２ディスクは、前記コア部の上端に取り付けられている、請求項３又は４のいずれかに記載の磁場印加型レオメーター。
【請求項６】
前記第２ディスクの外周に、非磁性材料からなる縁部が設けられている、請求項３乃至５のいずれかに記載の磁場印加型レオメーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象の粘性・粘弾性特性を測定するレオメーターに関し、特に、被測定対象であるマグネットレオロジカル（ＭＲ：Magneto Rheological）材料に磁場を印加しながら、その粘性・粘弾性特性を測定する磁場印加型レオメーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定対象（試料）が有する粘性・粘弾性等のレオロジー特性を測定するレオメーターが知られている。このようなレオメーターでは、典型的には、試料に外力（又は小変形）を与え、当該試料に生じる変形乃至は応力を検出することで、レオロジー特性を測定する。より具体的には、上下一対のパラレルディスク（センサー）間に試料を配置し、トルクモーターを用いて一方の円盤を回転駆動し、試料に生じる変形／応力に応じたパラメータに基づいて粘性・粘弾性特性を算出する。
【０００３】
下記特許文献１は、粘弾性材料のレオロジー特性を迅速かつ正確に求める試験方法及び試験装置を開示する。具体的には、特許文献１は、基準材料に対して上下のダイ（上述のパラレルディスクに相当する。）間に複数の周波数成分を含む回転振動を与え、そのときの応答トルクから各周波数における計測系の誤差トルク及び誤差位相角を求めて記憶しておき、試験材料に回転振動を与えたときの応答トルクから貯蔵弾性率及び／又は損失弾性率を求めるに当たり、当該記憶しておいた各周波数における誤差トルク及び誤差位相角を用いて、補正を行う技術を開示する。
【０００４】
また、近年、外部から印加された磁場により、粘性・粘弾性等のレオロジー特性が変化するＭＲ材料（ＭＲ流体）が注目されている。ＭＲ材料は、印加された磁場に対する粘性（厳密には降伏剪断応力）の変化が大きく、数ｍｓオーダーの応答性や可逆性を有することから、さまざまな製品への応用が試みられている。このため、ＭＲ材料の基本的なＭＲ特性乃至はＭＲ効果を把握することは非常に重要である。
【０００５】
このようなＭＲ材料のＭＲ特性を測定するためには、試料であるＭＲ材料に対して外部から磁場を印加しながら、上述したように、ＭＲ材料に小変形を与え、試料に生じる応力を検出する必要がある。このため、下記非特許文献１及び非特許文献２に示すように、試料を挟み込む平行円盤間に磁場を印加可能にした磁場印加型レオメーターが提案、試作されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２-３６５２０６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】可視化情報学会誌  Ｖｏｌ．２７  Ｎｏ．１０５  別冊
【０００８】
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，  Ｖｏｌ．  １０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＭＲ材料のＭＲ特性を高精度で測定するためには、試料であるＭＲ材料に印加する磁場をできる限り垂直かつ一様（均一）にする必要がある。
【００１０】
しかしながら、従来の磁場印加型レオメーターでは、パラレルディスク間に配置された試料に印加する磁場をできる限り垂直かつ均一にするという試みが積極的になされておらず、結果として、測定精度が十分であるとはいえなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、ＭＲ材料に対して垂直かつ均一な磁場を印加することができ、これにより、当該ＭＲ材料の粘性・粘弾性等のレオロジー特性（ＭＲ特性）を高精度で測定することができる磁場印加型レオメーター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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、試料のＭＲ特性を測定するための磁場印加型レオメーターである。
【００１３】
即ち、ある観点／態様に従う本発明は、対向配置された第１ディスク及び第２ディスクからなるパラレルディスクを含み、前記パラレルディスク間に配置される前記試料のレオロジー特性を測定するセンサー機構と、前記センサー機構による前記試料のレオロジー特性を測定する間、前記パラレルディスク間に磁場を印加するための磁場印加部と、を備え、前記第１ディスク及び前記第２ディスクのそれぞれは、磁性材料からなる円環部と、前記円環部の開口部に設けられた非磁性材料からなる中央部とによって一体的に形成された磁場印加型レオメーターである。
【００１４】
これにより、パラレルディスクの円環部に垂直かつ均一な磁場が効率的に印加されるようになる。
【００１５】
ここで、前記センサー機構は、前記第１ディスクに連結されたシャフトと、前記シャフトを介して、前記第１ディスクを回転駆動するモーターと、前記第１ディスクに作用するトルクを検出するトルクセンサーと、を備え、前記シャフトは、非磁性材料からなり、先端部分が前記第１ディスクの中央部を形成する。
【００１６】
また、前記磁場印加部は、円筒形状のコア部と、前記コア部に巻回されたコイルと、前記コア部の下端から延出し、前記コイルを取り囲むように形成された導磁部とを含む電磁コイル部と、前記電磁コイル部と相まって磁気閉回路を形成するように構成された円筒形状のカバー部であって、前記導磁部の端部に当接するように形成された外側円筒部と、前記パラレルディスクを介して前記コア部の上端に対向するように形成された内側円筒部とを含むカバー部と、を備える。
【００１７】
また、前記第１ディスクの円環部の半径方向の幅は、前記カバー部の内側円筒部の壁厚に略等しく、前記第２ディスクの円環部の半径方向の幅は、前記電磁コイル部のコア部の壁厚に略等しくするのが好ましい。
【００１８】
さらに、前記第２ディスクは、前記コア部の上端に取り付けられていることが好ましい。
【００１９】
また、前記第２ディスクの外周に、非磁性材料からなる縁部が設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
パラレルディスク間に垂直かつ均一な磁場が印加され、これにより、当該パラレルディスク間に配置されたＭＲ材料の粘性・粘弾性等のレオロジー特性を高精度で測定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁場印加型レオメーターの外観を示す斜視図である。
【図２】図１に示した磁場印加型レオメーターにセットされたセンサーモジュールを説明するための部分断面斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る磁場印加型レオメーターのセンサーモジュールの構成を説明するための断面模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る磁場印加型レオメーターを含んで構成されたレオロジー測定システムを説明するためのブロックダイアグラムである。
【図５】パラレルディスクのディスク中心から半径ｒの位置における印加電流Ｉに対する磁束密度Ｂの変化を示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施形態に係る磁場印加型レオメーターにおけるパラレルディスクの構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に係る磁場印加型レオメーターの外観を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態の磁場印加型レオメーター１は、基台２上から立直する本体部３に設けられた、上部ユニット４とセンサーモジュール６を含む下部ユニット５とを含んで構成される。磁場印加型レオメーター１は、所定の通信ケーブルを介して、図示しないコンピューターに接続され、測定データをコンピューターに送信する。
【００２４】
本体部３は、上部ユニット４及び下部ユニット５を支持するとともに、当該磁場印加型レオメーター１の動作に必要な電力を供給する電源ユニットやコントローラーを収容する（図示せず）。
【００２５】
上部ユニット４及び下部ユニット５は、後述する測定部６０を構成し、これによって、センサーモジュール６内の上下一対のパラレルディスク８間に配置された試料に、所定の均一磁場を印加しながら、一方のディスク８に回転振動を与え、当該試料に生じる応力（トルク）を検出する。
【００２６】
上部ユニット４は、モーターＭ及び変位や圧力等を検出する各種のセンサーＳを内蔵する（図４参照）。モーターＭの回転軸は、シャフト７を介して、センサーモジュール６内の上側ディスク８Ａに連結されている。これにより、コントローラー７０の制御の下、モーターＭが駆動されると、その駆動力がシャフト７に伝達され、上側ディスクは回転する。本実施形態では、シャフト７は、非磁性材料で形成される。モーターＭ及び各種のセンサーＳは、センサーモジュール６内に位置するパラレルディスク８と相まってセンサー機構を構成する。
【００２７】
下部ユニット５は、各種のセンサーモジュール６を脱装着できるように構成されたセンサーモジュール収容部として機能する。本実施形態のセンサーモジュール６は、試料のＭＲ特性の測定を行うモジュールであって、上下一対のパラレルディスク８間に配置された試料に垂直かつ均一な磁場を印加することができるように構成された磁場印加型センサーモジュールである。図２によって明らかにされるように、センサーモジュール６は、電磁コイル部６１及びカバー部６２からなる円筒形状の外観を有している。センサーモジュール６の内部には、上側ディスク８Ａ及び下側ディスク８Ｂが設けられている。
【００２８】
図３は、本発明の一実施形態に係る磁場印加型レオメーター１のセンサーモジュール６の構成を説明するための断面模式図である。センサーモジュール６は、同図に示すように、電磁コイル部６１及びカバー部６２により、磁気閉回路を形成し、パラレルディスク８に対して磁場を印加するための磁場印加部として機能する。
【００２９】
即ち、同図に示すように、電磁コイル部６１は、円筒形状のコア部６３と、コア部６３の下端から半径方向に延出し、コア部６３の周囲でコイル実装空間を形成するように、コア部６３を取り囲む導磁部６４と、当該実装空間においてコア部６３に巻回されたコイル６５とを有する。コア部６３の上端６３ａには、下側ディスク８Ｂが固定されている。また、導磁部６４の端部にはフランジ６４ａが形成されている。当業者から自明なように、コア部６３及び導磁部６４は、磁性材料で一体的に形成される。
【００３０】
カバー部６２は、電磁コイル部６１と相まって、磁気閉回路を形成するためのもので、上部６６の周縁から下方に延出し、導磁部６４のフランジ６４ａに当接するように形成された外側円筒部６７と、上部６６の中央から下方に延出し、コア部６３の上端６３ａに対向するように形成された内側円筒部６８とを有する。カバー部６２の中心には、内側円筒部の内部に連通する穴６９が設けられ、非磁性材料からなるシャフト７が貫通している。
【００３１】
シャフト７の先端部には、下側ディスク８Ｂに対向するように、上側ディスク８Ａが取り付けられている。ただし、本実施形態では、厳密には、上側ディスク８Ａは、円形開口部を有する磁性材料からなる円環部と、円環部の開口部に嵌合され、円環部の対物面と共平面（同一平面）を形成するシャフト７の先端部とによって構成される。
【００３２】
コア部６３の上端に設けられた下側ディスク８Ｂもまた、円形開口部を有する磁性材料からなる円環部と、円環部の開口部に嵌合され、円環部の対物面と共平面を形成する非磁性材料からなる中央部とによって構成される。中央部は、好ましくは、シャフト７の先端部の径に対応するように、設計される。中央部は、上側ディスクと同様に、円柱部材を嵌合することにより構成されても良い。
【００３３】
図４は、本発明の一実施形態に係る磁場印加型レオメーターを含んで構成されたレオロジー測定システムを説明するためのブロックダイアグラムである。
【００３４】
同図に示すように、レオロジー測定システムは、測定部６０と、これを制御するコントローラー７０と、コントローラー７０から送信される測定データを解析するコンピューター８０とから構成される。
【００３５】
測定部６０は、上側ディスク８Ａと下側ディスク８Ｂとの間に配置された試料に所定の均一磁場を印加しながら、モーターにより上側ディスクを回転させ、変位／トルクをセンサーにより検出する。本実施形態では、下側ディスク８Ｂは固定され、上側ディスク８Ａのみを回転させて、そこに作用するトルク等を検出する構成を採用しているが、一方のディスクを回転させ、試料を介して、対向する他方のディスクに作用するトルク等を検出するように構成されてもよい。
【００３６】
モーターＭは、コントローラー７０の制御の下、駆動される。モーターＭには、好ましくは、ベクトルコントロール型モーターが用いられるが、特にこれにこだわるものではなく、他のモーターを採用することができる。
【００３７】
モーターＭの回転軸には、各種のセンサーＳが設けられている。各種のセンサーには、例えば、歪みセンサーやトルクセンサー、法線応力測定用圧力センサー等がある。歪みセンサーは、モーターによって回転駆動されるシャフト７（つまり上側ディスク８Ａ）の回転角を高分解能の光学式エンコーダーによりを検出する。また、トルクセンサーＳは、モーターＭによって回転駆動されるシャフトに作用するトルクを検出する。センサーＳが出力する検出信号は、コントローラー７０に入力され、外部のコンピューター８０に送信するためのデータに変換され、コンピューター１００に出力される。
【００３８】
コントローラー７０は、モーター制御部７１と、磁場制御部７２と、信号処理部７３と、インターフェース部７４とを備える。モーター制御部７１は、さまざまな測定モードに応じて、モーターＭの回転を駆動制御する。例えば、モーター制御部７１は、所定の周波数でモーターＭが回転振動するように制御する。また、モーター制御部７１は、モーターＭの回転速度を一定又は可変に制御することができる。磁場制御部７２は、コイルに流れる電流を制御することで、測定モードに応じた、印加すべき磁場を制御する。磁場制御部７２は、好ましくは、最大１テスラの所定の磁場がパラレルディスク８間に印加されるように、電流を制御するように設計されている。信号処理部７３は、センサーＳから出力された信号を受け付け、外部出力用のデータに変換するための処理を行う。信号処理部７３は、例えば、モーターＭの１サイクル当たりの回転振動に応答するトルク信号を受け付けて、これを微少時間間隔ごとの測定データに変換する。インターフェース部７４は、外部のコンピューターとの通信を行うためのもので、例えば、ＵＳＢ規格のインターフェースとして設計される。
【００３９】
コンピューター８０は、汎用のコンピューターを用いることができ、磁場印加型レオメーターから送信される測定データを受信し、当該受信した測定データに基づいて、試料のレオロジー特性を分析・評価するためのソフトウェアツールを実装している。コンピューター８０は、プロセッサの制御の下、レオロジー特性を分析・評価するためのプログラムを実行し、ユーザーに分析・評価ツールを提供する。
【００４０】
以上のように構成される磁場印加型レオメーター１において、コントローラー７０の制御の下、コイル６５に電流が流れると、電磁コイル部６１により磁界が発生する。発生した磁界は、導磁部６４によりカバー部６２の外側円筒部６７に導かれ、さらに、上部６６を通って、上部中央部の内側円筒部６８から、パラレルディスク８に効果的に導かれる。これにより、比較的高い磁場下で、ＭＲ材料のＭＲ特性（誘起剪断応力τ［ｋＰａ］）を測定し、評価することができるようになる。
【００４１】
また、本実施形態では、以下の実験例からも明らかなように、パラレルディスク８の円環部分（即ち、磁性体部分）に均一に磁束が通過することから、パラレルディスク８の円環部分にのみ、ＭＲ材料による誘起剪断応力が作用するものと近似することができる。従って、誘起剪断応力τは、トルクセンサーで測定されるトルクをＴとして、下記の式により算出される。
【００４２】
τ＝１２Ｔ／（π（ｄ１＾２ーｄ２＾２））      …（式１）
ただし、ｄ１はパラレルディスク８の直径、ｄ２はパラレルディスク８の円環部分の内径である。
【００４３】
次に、本実施形態の磁場印加型レオメーター１を用いて、パラレルディスク８間にＭＲ材料を充填し、発生させた磁場（磁束密度Ｂ）を測定した実験結果を以下に示す。
【００４４】
本実験に際しては、パラレルディスク８の半径を１０［ｍｍ］、ディスク中央部の非磁性部分の半径を４［ｍｍ］、パラレルディスク８間のギャップ長を１［ｍｍ］とした。また、パラレルディスク８間に充填されたＭＲ材料に印加される磁場を測定するため、上側ディスク８Ａ直下、及び上側ディスクと下側ディスクとの中央付近を通過する磁束をフラックスメーターによって計測した。
【００４５】
図５Ａは、上側ディスク８Ａ直下でのディスク中心から半径ｒの位置における印加電流Ｉに対する磁束密度Ｂの変化を示し、図５Ｂは、上側ディスクと下側ディスクとの間の中央付近でのディスク中心から半径ｒの位置における印加電流Ｉに対する磁束密度Ｂの変化を示す。これらの図から明らかなように、パラレルディスク８の磁性部分（円環部分）において磁束密度Ｂはほぼ均一に印加され、非磁性部分では急峻なカーブを描いて、磁束密度Ｂが減少していることが確認できた。
【００４６】
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を上記実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができ、各実施形態のコンビネーションもその要旨に含まれる。
【００４７】
例えば、上記実施形態では、下側ディスク８Ｂは固定され、上側ディスク８Ａのみを回転させて、そこに作用するトルク等を検出する構成を採用しているが、一方のディスクを回転させ、試料を介して、対向する他方のディスクに作用するトルク等を検出するように構成されてもよい。
【００４８】
また、パラレルディスク８の形状も、単なる平円盤状ではなく、図６に示すように、下側ディスク８の外周に縁部を設けるようにしてもよい。これにより、流動性の大きいＭＲ材料を測定する場合であっても、パラレルディスク８に充填したＭＲ材料が流出することを防止することができるようになる。この場合、縁部は、非磁性材料で構成されることが望ましい。これにより、縁部の影響を受けずに、垂直かつ均一にＭＲ材料に磁場を印加することができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、試料であるＭＲ材料に対して外部から磁場を印加しながら、ＭＲ特性を測定する磁場印加型レオメーターに広く適用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１…磁気印加型レオメーター
２…基台
３…本体部
４…上側ユニット
５…下側ユニット
６…センサーモジュール
７…シャフト
８…パラレルディスク
８Ａ…上側ディスク
８Ｂ…下側ディスク
６１…電磁コイル部
６２…カバー
６３…コア部
６４…導磁部
６５…コイル
６６…カバー上部
６７…外側円筒部
６８…内側円筒部
６９…穴
【図１】
2011007509.tif 000003
【図２】
2011007509.tif 000004
【図３】
2011007509.tif 000005
【図４】
2011007509.tif 000006
【図５】
2011007509.tif 000007
【図６】
2011007509.tif 000008