(57)【要約】【課題】高い周波数領域で非ニュートン流体の粘度を精度良く測定する。【解決手段】粘度測定装置１００は、全体としてＵ字型をしたガラス管からなっている。細管部１１は試験流体の粘性抵抗を実質的に与える部分で、その中央には、ガラス管の外側に同軸状に円筒型圧電振動子２２が一体化され、圧力発生部を形成している。液溜３０に試験流体を供給し圧電振動子２２に交流電圧を印加すると、試験流体には重力による一方向の一様流れとガラス管の半径方向の収縮による振動流れが重畳した流れが発生する。粘度は、第１のマーカーＡと第２のマーカーＢを通過する時間を計測し、測定流量分だけ流れるのに要した時間より算出される。振動しながら一方向へ流れる流量の直流成分である平均流速を測定することで、試験流体の持つ粘度の周波数依存性、また振動的剪断歪振幅依存性を求めることができる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を入れた細管と、この液体を該細管中に一方向に流す第１の駆動力とこの液体を該細管中で振動的に流す第２の駆動力とを重畳して与える液体駆動手段と、該細管中を流れる液体量を計測する流量計測手段と
を備える液体粘度測定装置。
【請求項２】
前記第２の駆動力による前記液体の流速振幅は、前記第１の駆動力の流速より大きいことを特徴とする請求項１記載の液体粘度測定装置。
【請求項３】
前記第２の駆動力は、前記細管の途中に設けられた圧力発生部の容積を変化させることで作られることを特徴とする請求項１記載の液体粘度測定装置。
【請求項４】
前記圧力発生部は、ダイヤフラムを有し、このダイヤフラムを変形させることで前記圧力発生部の容積を変化させることを特徴とする請求項３記載の液体粘度測定装置。
【請求項５】
前記圧力発生部は、細管の外側に圧電体を結合し、この圧電体の圧電歪で細管の断面積を変化させることを特徴とする請求項３記載の液体粘度測定装置。
【請求項６】
前記細管の実質的に流量を制限する抵抗部の中央に前記圧力発生部は配置され、前記抵抗部は前記発力発生部の前後で同じ形状の細管で有ることを特徴とする請求項３記載の液体粘度測定装置。
【請求項７】
前記液体駆動手段が作用する複数の前記細管を有し、前記流量計測手段はこれら複数の細管の流量の合計を計測することを特徴とする請求項１記載の液体粘度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体の粘度を測定する装置に関し、詳しくは、非ニュートン流体の粘度を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
実在する流体は粘性を有しており、これら粘性流体を所定の剪断速度で変形させるためには、通常は剪断速度に比例した剪断応力を加えなければならない。この比例係数は粘度と呼ばれている。また、剪断速度と剪断応力との間に常に比例関係が成り立つ流体はニュートン流体と呼ばれている。
【０００３】
多くの粘性流体はニュートン流体と見なすことができるので、粘度は剪断速度によらず一定値となる。従って、任意の剪断速度で測定した粘度を、他の剪断速度にもそのまま適用することができる。
【０００４】
ところがインクやミルク等の、高分子物質が溶けた溶液や微粒子が分散している懸濁液では、剪断変形と剪断応力の関係で極めて複雑な挙動を示す。例えば剪断速度が高くなると粘度が小さくなることが知られている。また、周期的な変形を加えた時にも、剪断応力の振幅と剪断速度の振幅の比が粘度を与えるが、この場合にも周波数が高くなるほど粘度が小さくなることが知られている。一般に、剪断速度と剪断応力との比例関係が常には成り立たない流体は、非ニュートン流体と呼ばれている。インク等の非ニュートン流体は、粘度が測定周波数によって変化するので、例えば低い周波数で測定した粘度の値を、高い周波数の条件での粘度として代用することはできない。すなわち、非ニュートン流体の粘度を知るには、各周波数で剪断変形と剪断応力の関係を測定し、周波数に依存した粘度として求める必要がある。
【０００５】
ニュートン流体の粘度を計測する方法として、一定体積の試料を細管に入れ、重力により試料が流下する時間を測定する事で粘度を求める方法が精度が高く、広く一般に用いられている。ウベローデ粘度計やキャノンフェンスケ粘度計やオストワルド粘度計等がこの方式に基づいた装置である。
【０００６】
一方、非ニュートン流体の粘度を計測する方法として、高圧細管式粘度計として知られている装置は、重力ではなく能動的に制御された加圧装置で極めて高い圧力を印加し、細管内に高速な流れを起こすものである。圧力を変えることにより、剪断速度の広い範囲で剪断速度と粘度の関係を求めることができる。また、粘度の剪断速度依存性だけでなく周波数依存性も測定できる装置として同軸円筒型、円錐−平板型等の粘度計が知られている。これらは２つの部材で形成されたギャップに被測定流体を充填し、一方の部材を回転あるいは回転振動させ、ギャップに挟まれた被測定流体に剪断変形を加え、この時発生する剪断応力を同時に計測することにより粘度を算出するものである。一方向への回転の速度を変えることで粘度の剪断速度依存性を、回転振動の周波数を変えることで粘度の周波数依存性を測定することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高圧細管式粘度計は、極めて高い圧力を定常的に印加するため、高圧発生部から細管部までの導入部の気密性を極めて高く確保する必要が有り、装置の信頼性を確保することが困難である。また、粘度の周波数依存性が測定できない課題も有する。
【０００８】
一方、同軸円筒型や円錐−平板型粘度計あるいはレオメータとして知れられいる装置はギャップが比較的大きいため周波数測定範囲の上限値が数十Ｈｚと低く、多くの工学的応用で必要な周波数領域での測定が不可能である。
【０００９】
本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、極めて低い周波数から極めて高い周波数までの広い周波数領域に渡る液体の粘度を、また極めて高い剪断速度までの液体の粘度を、精度良く測定可能な技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明の液体粘度測定装置は、次の構成を採用した。すなわち、
液体を入れた細管と、この液体を該細管中に一方向に流す第１の駆動力とこの液体を該細管中で振動的に流す第２の駆動力とを重畳して与える液体駆動手段と、該細管中を流れる液体量を計測する流量計測手段と
を備えていることを特徴とする。
【００１１】
かかる本発明の液体粘度測定装置においては、細管内の液体は第２の駆動力により振動しながら、第１の駆動力により平均として一方向に流れることになる。この平均流量と第１の駆動力との関係から粘度を求めることにより、第２の駆動力による周波数依存性を含んだ粘度を測定することができる。
【００１２】
更に、前記第２の駆動力による前記液体の流速振幅を、前記第１の駆動力の流速より大きくすることにより、細管内の剪断速度は第２の駆動力による成分が支配し、平均流量もこの第２の剪断速度に対する液体粘度が規定することになり、実質的な粘度の周波数依存性を測定することができる。
【００１３】
また、本発明の液体粘度測定装置では、前記第２の駆動力は、前記細管の途中に設けられた圧力発生部の容積を変化させることで作られることを特徴としている。
【００１４】
かかる本発明の液体粘度測定装置においては、細管の途中に圧力発生部を設ける構造により第２の駆動力を確実に細管に伝えることができる。また、細管と第２の駆動力の液体駆動手段が一体化することにより、装置の集積度を上げることができ、また信頼性も格段に向上させることができる。
【００１５】
更に、前記圧力発生部は、ダイヤフラムを有し、このダイヤフラムを変形させることで前記圧力発生部の容積を変化させることにより、流速の振動成分の振幅を大きくすることができる。
【００１６】
また、本発明の液体粘度測定装置では、前記圧力発生部は、細管の外側に圧電体を結合し、この圧電体の圧電歪で細管の断面積を変化させるようにしても良い。
【００１７】
かかる本発明の液体粘度測定装置では、圧電体の大きな発生力で細管を変形させるため、極めて高い周波数で駆動することができる。
【００１８】
また、前記細管の実質的に流量を制限する抵抗部の中央に前記圧力発生部は配置され、前記抵抗部は前記発力発生部の前後で同じ形状の細管であるようにすることで、圧力発生部から流出入する振動成分は、細管の上流側と下流側で大きさが等しくなり、方向は逆となる。細管の流れでは非線形な流体力が生じる場合もあるが、本構成では、方向が逆な流れ同士が、非線形な応答を相殺するため、純粋な粘度の影響のみを計測することが可能となる。また、細管の抵抗部の剪断速度も等しくなるため、正確に規定された剪断速度条件下での測定が可能となる。
【００１９】
また、前記液体駆動手段が作用する複数の前記細管を有し、前記流量計測手段はこれら複数の細管の流量の合計を計測することにより、計測する流量が増えて流量計測が容易で高精度になる。また、個々の細管のばらつきが平均化され、再現性の高い測定が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の液体粘度測定装置１０の全体構成を示す説明図である。図示するように、液体粘度測定装置１０は、全体としてＵ字型をしたガラス管からなっている。このガラス管には、試験液体を保持する大きな液溜３０と、絞られた細管部１１と、小さな液溜３１と、第１のマーカーＡと、第２のマーカーＢとが組み込まれている。これはキャノンフェンスケ型粘度計として知られているものと同様の構造である。液溜３０は測定時に試験液体を供給する役割を持っている。また、後述する測定流量が流出しても水頭が大きく変わらないよう十分な容積を持っている。細管部１１は試験流体の持つ粘性による流体抵抗を実質的に与える部分で、粘度はこの細管部１１での圧力損失から実質的に求められる。液溜３０に試験流体を供給すると、試験流体は重力により流下し、細管部１１を経て第１のマーカーＡに到達する。次に小さな液溜３１を満たした後、更に上昇し第２のマーカーＢを通過する。液溜３１は、試験流体の流れの先端が第１のマーカーＡと第２のマーカーＢとを通過する間の流量を確保するために設けられている。粘度は、試験流体の流れの先端が第１のマーカーＡと第２のマーカーＢとを通過する時刻を求め、これらの２つのマーカー間の流路容積である測定流量分だけ流れるのに要する時間より算出される。この場合、液溜３０の高さと重力を掛け合わせた水頭が、細管部１１で試験液体を上から下へと一方向に流す駆動力となる。上記の一般のキャノンフェンスケ型粘度計の構成に対して、本発明の液体粘度測定装置１０には、以下のような試験流体を細管部１１で振動させる機能が組み込まれている。液溜３０と細管部１１との間のガラス管内には、永久磁石が組み込まれた円筒状の可動体２０が組み込まれている。また、可動体２０が組み込まれているガラス管部の外側には励磁コイル２１が配置されている。この励磁コイル２１に図示していない駆動回路より交流電圧を印加すると、可動子２０は上下に振動し、細管部１１に振動的な流れを生じさせる。可動子２０が駆動する振動的流れと、先に述べた重力による一方向の流れが重畳した複合流れにより、細管部１１の壁面に時間的に変化する剪断応力が発生し、この応力が管路の流速を支配する。本発明の液体粘度測定装置では、振動しながら一方向へ流れる流量の直流成分である平均流速を測定することになるが、この平均流速には振動的な剪断応力の影響が反映されるため、試験流体の持つ粘度の周波数依存性、また振動的剪断歪振幅依存性を求めることができる。
【００２２】
次に図２を用いて、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２に示す本発明の液体粘度測定装置１００は、図１の本発明の液体粘度測定装置１０の変形例である。以下では機能上同一な点の説明は省略する。
【００２３】
液体粘度測定装置１００の円形断面の細管部１１の中央には、ガラス管の外側に同軸状に円筒型圧電振動子２２が、円筒型圧電振動子２２の内径とガラス管の外形との間に隙間が生じないようエポキシ樹脂を充填して一体化され、圧力発生部を形成している。この円筒型圧電振動子２２に、図示しない外部の駆動回路から電圧を印加すると、円筒型圧電振動子２２は円周方向に収縮するためその内径も収縮する。この円筒型圧電振動子２２の半径方向の収縮により、この部分の細管部１１の容積が小さくなり、細管部１１の上方と下方とに同じ量の流れが発生する。外部からの駆動電圧を周期的な波形とすることで、この駆動電圧の大きさと周波数によって決まる振動流れが円筒型圧電振動子２２から上部と下部の細管部１１に誘起される。先の第１の実施の形態と同様に、平均流速を計測することにより、振動流れの影響を含んだ試験液体の粘度を算出することができる。本実施の形態の構成では、円筒型圧電振動子２２の変形量が、全部振動流れに変換されるため、振動流れを正確にコントロールすることができる。また、円筒型圧電振動子２２で構成される圧力発生部は細管部１１の中央に配置され、この圧力発生部に関して上流と下流の細管部１１が同じであるため、これら上流部と下流部に方向が逆で大きさが等しい振動流れが誘起される。これにより細管部１１の大部分で振動流れが同一となり、振動流れの状態を一様に保つことが可能となる。
【００２４】
次に本発明の液体粘度測定装置の第３の実施の形態を、図３を用いて説明する。
【００２５】
図３（ａ）は本発明の液体粘度測定装置の断面図で、図３（ｂ）はその平面図である。図３に示す液体粘度測定装置は、基板４５の一方の表面を掘ることにより、共通液室５０と、第１の細管部１３と、圧力発生室４２と、第２の細管部１２とが作り込まれている。第１の細管部１３と圧力発生室４２と第２の細管部１２とは、一つのチャンネルを形成し、本実施の形態では全部で４つのチャンネルが、一方を共通液室５０に、他方をノズル孔１４から基板外部に開口するようにして併設されている。また、共通液室５０の底面には、液体導入口５１が設けられており、図示しない外部の液体タンクよりこの液体導入口５１を経て試験液体が各チャンネルに供給される。細管部１２，１３の中央に形成された圧力発生室４２は、細管部より幅が広く深さも深く、この部分の流体抵抗が十分に小さくなるよう設計されている。基板４５の表面に接合された薄い封止板４１は、基板４５表面に掘られたこれらの溝を閉じた流路として構成されると共に、圧力発生室４２の部分にはダイヤフラムを形成する。このダイヤフラム上には圧電素子４０が積層されており、ダイヤフラムと圧電素子４０とにより、ユニモルフアクチュエータが構成されている。
【００２６】
図３の液体粘度測定装置を用いた液体粘度の測定方法は以下の通りである。
【００２７】
この液体粘度測定装置は、ノズル孔１４を下にして、ノズル孔１４が図示しない液体捕獲容器に溜められた試験液体に若干浸かる状態で固定する。これはノズル孔１４にメニスカスが形成されないようにするためである。より詳しくは、ノズル孔１４にメニスカスが形成されると、その毛管力が液体を駆動する力として作用し、これが大きな誤差を生じさせるのを避けるためである。図示しない外部の液体タンクからの試験液体は、図示しないチューブで液体導入口５１を経て基板４５内の流路に供給される。液体捕獲容器の試験液体面からの液体タンクの高さによる水頭が、試験液体を一方向に流す駆動力となるため、液体タンクの高さは正確に調整しなければならない。一方、各チャンネルの圧電素子４０に図示しない外部の駆動回路から駆動波形を印加すると、ダイヤフラムが撓み、圧力発生室４２の容積が振動的に変化する。この圧力発生室４２の周期的な容積変化により、細管部１２、１３に振動的な流れが、先の水頭による一方向の流れに重畳して誘起される。一定時間内にノズル孔１４から流出する試験液体量は、液体タンクあるいは液体捕獲容器の重量変化から求めることができる。本液体粘度測定装置の構成は、圧電方式のインクジェットヘッドと同様で、極めて微細な構造を精密に形成することができる。構造が小さくなることで応答周波数も高くすることができ、１００ｋＨｚ以上の周波数での測定が可能である。また、実質的に粘性による圧力損失で流速を規定する細管部１２、１３に対して、大きな圧力発生部４２をその中間に設けることで、細管部１２，１３に等しい大きさで、かつ大きな振幅の振動流れを生じさえることが可能である。これはダイヤフラムを圧電素子４０で効率的に大きく変形させることができるからである。更に、大きな振幅の振動流れの場合、流路の拡大部や縮小部で流速の２乗に比例した圧力損失が生じる場合が有るが、本実施の形態では、二つの細管部１２，１３が圧力室４２に関して対称に設計されており、振動流れの方向が逆位相であるため、このような非線形な圧力損失は細管部１２と１３とで相殺するため、影響を極力抑えることが可能となった。また、微小なチャンネルでは流量が小さく、流量を正確に計測することが困難であるが、本発明では複数のチャンネルを基板４５内に形成し、これら複数のチャンネルの流量を合わせて計測するため、十分な精度で流量を求めることが可能となった。
【００２８】
ダイヤフラムの大きな変形により、水頭により一方向に向かう一様流れに比べ、十分に大きな振幅を持つ振動流れを重畳させることが可能となった。これにより、実質的に振動流れに対する液体粘度を計測することができるようになった。
【００２９】
ダイヤフラムと圧電振動子４０とで構成したユニモルフアクチュエータは、発生力が小さいため、試験液体の粘度が大きいと、微細な細管部１２，１３で発生する圧力損失に伴う圧力発生室４２の圧力に抗してダイヤフラムを変形させることが困難になる。圧力発生室４２の圧力は測定周波数に比例するため、高い周波数での測定が制限されてしまう。
【００３０】
図４に示す、本発明の別の液体粘度測定装置は、ユニモルフアクチュエータ方式のこのような欠点を解決するものである。図４で、駆動電極と圧電体を交互に積層した縦振動型圧電アクチュエータ６０は、一方の端部をベース基板７０に極めて高い剛性で固定され、他方の端部は封止板４１のダイヤフラムに接続している。この縦振動型圧電アクチュエータ６０は電圧印加により図の上下方向の長さが収縮し、ダイヤフラムを下方に引っ張ることで撓ませる。このような縦振動型圧電アクチュエータは、機械的な剛性がユニモルフアクチュエータと比べると極めて高く、大きな粘度の試験液体に対しても、確実に振動流れを誘起することができるため、１００ｋＨｚ以上の測定を容易に行うこと可能である。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態では、一方向に流れを生じさせる駆動力として、重力による水頭差を用いてきた。また、振動的流れを生じさせる駆動力の幾つかの方式を示した。しかしながら、本発明はこれらの方式に限定されるものではなく、重力や圧電によるもの以外でも、磁気力、静電力、音響圧力等の方式も適用できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の液体粘度測定装置の構成を説明する説明図である。
【図２】本実施例の液体粘度測定装置の他の構成を例示する説明図である。
【図３】本実施例の液体粘度測定装置の他の構成を例示する説明図である。
【図４】本実施例の液体粘度測定装置の他の構成を例示する説明図である。
【符号の説明】
１０，１００…液体粘度測定装置
１１，１２，１３…細管部
１４…ノズル孔
２０…可動体
２１…励磁コイル
２２…円筒型圧電振動子
３０，３１…液溜
４０…圧電素子
４１…封止板
４２…圧力発生室（圧力発生部）
４５…基板
５０…共通液室
５１…液体導入口
６０…圧電アクチュエータ
７０…ベース基板
【図１】
2004012150.tif 000003
【図２】
2004012150.tif 000004
【図３】
2004012150.tif 000005
【図４】
2004012150.tif 000006