(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体物の粘性に関連した値を測定する液体物測定装置であって、
前記液体物が流入する流入口および前記液体物が流出する流出口を有する容器と、
前記容器内の前記液体物の表面に振動を付加する加振機構と、
前記容器に隣接して配置され、電気容量の変化に応じた信号を出力する容量センサと、
前記容量センサからの前記信号に基づく測定値を生成する測定値生成部と、
を有し、
前記加振機構が、前記流入口から前記液体物を前記表面に滴下する機構である
液体物測定装置。
【請求項２】
前記測定値生成部が、前記信号の交流成分を所定周期について積分した値を前記測定値として生成する
請求項１に記載の液体物測定装置。
【請求項３】
前記測定値生成部が、前記信号の振幅を前記測定値として生成する
請求項１または請求項２に記載の液体物測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体物の粘性に関連した値を測定する液体物測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、特許文献１には、差圧検出用細管の上流側に、差圧検出用細管の流路断面積より大きな流路断面積を有する流れ制御室を設けた細管式粘度計が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、回転する軸に接続された可動辺と、互いに平行な複数の変形辺と、各変形辺の一端を可動辺に接続するヒンジと、各変形辺の多端を固定部に接続するヒンジとからなる平行バネリンクを少なくとも２つ備えた回転軸保持機構を用いた回転粘度計が開示されている。
【０００４】
また、特許文献３には、攪拌槽に予め用意した被処理液を抽入し、次に、サーボモータを駆動し、攪拌翼を所定の回転周期で回転させ、攪拌翼の１周期の回転において、最も高い圧力と最も低い圧力との圧力差と、予め事前実験により導き出された相関式とに基づいて、攪拌槽内に貯留された被処理液の現在の粘度を算出するように構成した攪拌装置の粘度計測方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献４には、駆動用振動子及び検出用振動子を有するバイモルフ振動子と、駆動用振動子に駆動電圧を与える発振器と、駆動電圧と検出用振動子からの出力電圧との位相差を検出する位相差検出器と、を備え、検出用振動子の先端に、測定対象流体内に浸漬される針状部が配されるとともに、バイモルフ振動子の出力と並列になるように調整コンデンサが接続される振動型粘度計が開示されている。
【０００６】
なお、特許文献５には、容器に一時的な衝撃を与えて容器内の液体に初期挙動を生じさせ、その挙動の経時変化を、当該液体の誘電率を測定する誘電率測定手段に現れる誘電率信号の経時変化を観察することにより、当該液体の種別を判別する容器内の液体種別を判別する方法が開示され、特許文献６には、被測定対象液体物の近傍に設置されて、該被測定対象液体物の静電容量値を測定し、該静電容量値から前記被測定対象物に固有の誘電率を求める静電容量センサと、前記被測定対象液体物に表面波を発生させて、前記表面波の遥動の時間的な減衰特性から該被測定対象液体物の流体粘度を推定する流体粘度推定手段とを備え、前記静電容量センサが求めた前記誘電率と流体粘度推定手段が推定した流体粘度とに基づいて前記被測定対象液体物を同定する液体物検査装置が開示されている。
【０００７】
非特許文献１には、液体表面の振動が、数１に示すような二階線形微分方程式の機械振動系モデルで表すことができ、機械振動系モデルにおける機械抵抗ｒ、スティフネスｓおよび質量ｍが、液体表面振動における粘性部、表面張力および試供液体の密度にそれぞれあたることが記載されている。
【数１】
0006527342.tif 000002
但し、ｕ（ｔ）は変位、ｆ（ｔ）は駆動信号である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−４４６４３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３２８５６号公報
【特許文献３】特開２００９−２６８９８１号公報
【特許文献４】特開２００９−２０４３１８号公報
【特許文献５】特許４９０１５２３号公報
【特許文献６】特開２０１１−１３３３４２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】川崎陽平他、平成２０年度電気関係学会東北支部連合大会予稿集、５９ページ、平成２０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
液体物の粘度を計測する方法は、上記したように、液体を撹拌する時の抵抗の大きさを測定する方法、細管を通過する時間を計測する方法等が知られている。しかし、いずれの方法も計測対象に直接接触する必要があり、再度計測を行う場合は器具を洗浄する必要がある。そのため、液体物の経時的な粘性変化を測定する際には、測定と洗浄を繰り返す必要があり、粘性の変化を連続的に計測しようとしても、測定間隔を短くするには限界があった。
【００１１】
本発明の目的は、液体物の粘性測定を、簡便かつ連続的に行うことが可能な技術を提供することにある。また、本発明の目的は、液体物の粘性測定を、小型な装置で実現し、かつ、広い測定レンジで測定できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、液体物の粘性に関連した値を測定する液体物測定装置であって、前記液体物が流入する流入口および前記液体物が流出する流出口、または、前記液体物が流入し流出する流入出口を有する容器と、前記容器内の前記液体物の表面に振動を付加する加振機構と、前記容器に隣接して配置され、電気容量の変化に応じた信号を出力する容量センサと、前記容量センサからの前記信号に基づく測定値を生成する測定値生成部と、を有する液体物測定装置を提供する。
【００１３】
前記容器内の前記液体物の全部または一部が、前記流入口および前記流出口を介して、または、前記流入出口を介して入れ替えられつつ、前記測定値生成部により前記測定値が生成されてもよい。前記加振機構が、前記容器に振動を加える容器振動機構であってもよい。あるいは、前記加振機構が、前記流入口から前記液体物を前記表面に滴下する機構であってもよい。あるいは、前記加振機構が、前記液体物の流入または流出における流量を時間的に変化させる機構であってもよい。あるいは、前記加振機構が、前記液体物の流入または流出において脈流を発生させる機構であってもよい。
【００１４】
前記測定値生成部が、前記信号の交流成分を所定周期について積分した値を前記測定値として生成してもよい。あるいは、前記測定値生成部が、前記信号の振幅を前記測定値として生成してもよい。
【００１５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】液体物測定装置１００の概要を示す概念図である。
【図２】粘度が異なる液体物にいて図１のａ点における信号の時間変化を示したグラフである。
【図３】積分信号の値と粘度との関係を示した相関図である。
【図４】いくつかの液体物についての測定値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１８】
図１は、液体物測定装置１００の概要を示す概念図である。液体物測定装置１００は、液体物２００の粘性に関連した値を測定する。液体物測定装置１００は、筺体１０２を有し、筺体１０２の内部に、容器ホルダ１０４、容器１０６、加振機構１１２、容量センサ１１６および測定値生成部１２０を有する。
【００１９】
筺体１０２は、液体物測定装置１００の土台であり、後に説明する変位や動きに対し固定され、接地電位を与える存在として機能する。このため、筺体１０２は、振動によって動かない程度の質量を有し、導電体であることが好ましい。また、容量センサ１１６による静電容量の測定では外乱電界の影響を最小限に抑えることが好ましい。この観点から、筺体１０２の全体を導電体で構成し、液体物測定装置１００の全体を囲む構成とすることが好ましい。導電体からなる筺体１０２によって電気的シールドを構成し、容量センサ１１６による静電容量の測定精度を向上することができる。
【００２０】
容器ホルダ１０４は、容器１０６を保持し、加振機構１１２からの振動を容器１０６に伝える。容器ホルダ１０４は、容器１０６に振動を伝える必要性から、筺体１０２に対し、少なくとも上下方向に運動の自由度を有する必要があり、左右や前後についても自由度を有することが好ましい。また、後に説明する容量センサ１１６を容器ホルダ１０４の外側に配置する場合、容器ホルダ１０４を透して静電容量が測定できるよう、容器ホルダ１０４を誘電体で構成する必要がある。容器ホルダ１０４が容量測定に影響を与るものではない場合、容器ホルダ１０４の材質は特に制限されない。なお、容器１０６に直接振動を与えるような場合、あるいは、容器１０６に振動を与える以外の方法で液体物２００の表面２０２に振動を与える場合は、容器ホルダ１０４は必須ではない。
【００２１】
容器１０６は、内部に液体物２００を保持する。液体物２００は、粘性測定の対象物である。容器１０６は、液体物２００を保持できる程度の化学的安定性および機械的強度を有するものである必要がある。また、容器１０６を透して静電容量を測定する必要があることから、容器１０６は、誘電体である必要がある。容器１０６は、液体物２００が流入する流入口１０８および液体物２００が流出する流出口１１０を有する。ここでは、流入口１０８および流出口１１０を別々に有する例を示すが、流入口１０８および流出口１１０は、液体物２００を流入し流出する一つの流入出口に代えてもよい。なお、容器１０６には、容器内部の圧力を調整する圧力調整口を設けてもよい。たとえば、容器外の圧力と容器内の圧力を同じにする開口を圧力調整口として備えてもよい。この場合、開口には塵等の混入を防止するフィルタを備えることができる。また、圧力調整用の開口と、液体物２００の流出入口とを兼ねることもできる。
【００２２】
加振機構１１２は、容器１０６の内部にある液体物２００の表面２０２に振動を付加する。加振機構１１２として、容器１０６に振動を加える容器振動機構が例示できる。容器振動機構として、図１に示すような、偏心カムを用いた機構のほか、公知の振動発生機構を用いることができる。図１に示す加振機構１１２（偏心カム）においては、スピードコントローラ１１４によって、振動周期を変化させることができる。
【００２３】
加振機構１１２として、上記した容器振動機構の外、流入口１０８から液体物２００を表面２０２に滴下する機構が例示できる。この場合、容器１０６自体を振動させる必要はなく、容器１０６はもとより、装置全体を小型化することが可能になる。また、加振機構１１２として、液体物２００の流入または流出における流量を時間的に変化させる機構を例示することができる。この場合も液体物２００を滴下する機構と同様、装置を小型化することができる。また、加振機構１１２として、液体物２００の流入または流出において脈流を発生させる機構を例示することができる。同様に装置を小型化することができる。
【００２４】
容量センサ１１６は、容器１０６に隣接して配置され、電気容量の変化に応じた信号を出力する。容器１０６の内部にある液体物２００の表面２０２が振動によって波打つと、表面波の状態、たとえば波高に応じた静電容量の変化が発生する。容量センサ１１６は、この静電容量の変化を検知するものであり、容量センサ１１６から出力される信号は、液体物２００の表面２０２の波動（波高）を反映したものとなる。液体表面の振動は、背景技術欄の数１に関連して述べた通り、粘性部、表面張力、密度をパラメータとして二階線形微分方程式でモデル化することが可能であり、表面張力および密度が変化しない条件においては、液体表面の振動は粘性部に依存することになる。よって、静電容量の変化によって液体物２００の表面２０２の振動を測定すれば、粘性部を推定することが可能になる。なお、容量センサ１１６の背面には、接地電極１１８を配置することができる。接地電極１１８を配置することで、容量センサ１１６の浮遊容量を安定化し、容量センサ１１６からの出力信号に含まれる浮遊容量の影響を小さくすることができる。
【００２５】
測定値生成部１２０は、容量センサ１１６からの信号に基づく測定値を生成する。本実施形態では、測定値生成部１２０として、容量−周波数変換回路１２２、周波数−電圧変換回路１２４、バンドパスフィルタ１２６および積分回路１２８からなる測定値生成部１２０を例示する。当該測定値生成部１２０は、あくまで例示であり、これに限られるものではない。
【００２６】
容量−周波数変換回路１２２は、容量が変化を周波数の変化として出力する回路である。一般的なＬＣ共振回路とＮＯＴ論理回路を適切に組み合わせて構成することができる。周波数に変換された容量の変化値は、周波数−電圧変換回路１２４で電圧に変換される。電圧に変換された信号は、バンドパスフィルタ１２６を通して直流成分が除去され、積分回路１２８によって、交流成分を所定周期について積分した値が出力される。バンドパスフィルタ１２６により、浮遊容量等の影響が除去され、表面２０２の振動に起因する信号を抽出することができる。積分回路１２８により、微小信号が効率よく抽出され、あるいは複数の周波数を含んだ信号が適正に抽出される。積分回路１２８の出力は、表示部１３０に表示することができる。
【００２７】
本実施形態の液体物測定装置１００では、容器１０６内の液体物２００の全部または一部が、流入口１０８および流出口１１０を介して、または、流入出口を介して入れ替えられつつ、測定値生成部１２０により測定値が生成される。よって、容器１０６を洗浄等することなく、液体物２００の粘性を連続的に測定することができる。
【００２８】
また、本実施形態の液体物測定装置１００では、液体物２００の表面２０２における波動を静電容量の変化により測定し粘度を推定する。液体物表面が大きく波打つような状況においても静電容量の変化は適正に測定できることから、本液体物測定装置１００の測定のダイナミックレンジは相当に広い。また、液体物２００の全体について静電容量を計測することになるから、液体物２００の局所的な粘性ではなく、液体物２００の全体を包括的に測定することができる。
【００２９】
図２は、粘度が異なる液体物にいて図１のａ点における信号の時間変化を示したグラフである。図２において、上から順に粘度が２０４８ｃＰ、７４１ｃＰ、３４９ｃＰ、１３９ｃＰ、４２ｃＰの液体物における信号を示す。図２から、振動に応じた交流信号が発生していることがわかり、粘度が小さいほど信号振幅が大きいことがわかる。これは粘度が小さいほど液体物表面の表面波波高が高く、これが静電容量の変化の大きさに反映されていると推察できる。
【００３０】
図３は、積分信号（積分回路１２８の出力）の値と粘度との関係を示した相関図である。図３から明らかな通り、粘度と積分信号との間には、強い負の相関関係があることがわかる。これは、粘度既知の液体物の信号を用いて装置を校正すれば、表示部１３０の表示を粘度として表示することが可能であることを意味する。
【００３１】
図４は、いくつかの液体物についての測定値を示すグラフである。水、シュガーシロップ、オリーブ油、とんかつソースについて測定値を示した。感覚的ではあるものの、かなり粘り気のある液体についても粘性測定が可能であることが伺える。
【００３２】
以上、実施の形態では、本願発明を液体物測定装置として説明したが、本発明の液体物測定装置は、液体物測定方法、そのような装置もしくは方法または機能を実現するプログラムとして把握することも可能である。
【００３３】
また、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。たとえば、測定値生成部１２０は、信号の振幅を測定値として生成することも可能である。
【００３４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラムおよび方法における動作、手順、ステップおよび段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書および図面中の動作フローに関して便宜上「まず」、「次に」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００３５】
１００…液体物測定装置、１０２…筺体、１０４…容器ホルダ、１０６…容器、１０８…流入口、１１０…流出口、１１２…加振機構、１１４…スピードコントローラ、１１６…容量センサ、１１８…接地電極、１２０…測定値生成部、１２２…容量−周波数変換回路、１２４…周波数−電圧変換回路、１２６…バンドパスフィルタ、１２８…積分回路、１３０…表示部、２００…液体物、２０２…表面。
【図１】
0006527342.tif 000003
【図２】
0006527342.tif 000004
【図３】
0006527342.tif 000005
【図４】
0006527342.tif 000006