(57)【要約】  【課題】  液体の粘性を好適に測定できる粘性測定装置を提供すること。  【解決手段】  振動板（１９）の内側には、圧電素子（３３）が接合されて振動子（３７）が構成されており、振動板（１９）の上方の空間である上部領域（２５）は、支持部（２９）及び上壁部（２１）からなる測定領域制限部（３０）により、周囲の空間からほぼ分離されている。また、支持部（２９）の根元、即ち振動板（１９）のすぐ上の部分には、上部領域２５と測定領域制限部３０外の外部空間とを連通するように、一対の連通部（３９）が対向して配置されている。従って容器（５）内のオイルは、この連通部（３９）から上部領域２５に流入することにより、上部領域（２５）に満たされている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と圧電素子とを接合してなる振動子を用い、前記振動板の少なくとも一表面を液体に接触させて前記振動子を振動させ、その際の前記圧電素子の電気的特性の変化から、前記液体の粘性を測定する粘性測定装置であって、
前記振動板の液体と接する表面側に、該表面上の空間を囲んで前記測定対象の液体の領域を制限する測定領域制限部を備えるとともに、
前記測定領域制限部は、前記振動板の表面と向かい合う上壁部と、前記振動板の表面の周囲を囲んで立設されて前記上壁部を支持する支持部と、を備え、
更に、前記支持部は、前記測定領域制限部内の制限空間と前記測定領域制限部外の周囲空間とを連通して、前記液体の流通が可能な連通部を備えたことを特徴とする粘性測定装置。
【請求項２】
前記連通部は、前記支持部のうち、前記振動板の近傍に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の粘性測定装置。
【請求項３】
前記連通部は、前記支持部の根元に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の粘性測定装置。
【請求項４】
前記連通部は、少なくとも一対設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粘性測定装置。
【請求項５】
前記支持部は、前記振動板の周囲を囲む筒状の形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粘性測定装置。
【請求項６】
前記粘性測定装置は、前記振動子の振動方向が、前記液体の表面に対して平行であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粘性測定装置。
【請求項７】
前記粘性測定装置は、前記振動子の振動方向が、前記液体の表面に対して垂直であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粘性測定装置。
【請求項８】
前記粘性測定装置は、前記粘性の測定によって、オイルの劣化を検出するものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の粘性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばオイル等の液体の粘性を測定することができる粘性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、オイル等の液体の粘性を測定する装置として、例えば振動板に圧電体（圧電素子）を接合させた振動子を利用した粘性測定装置（引用文献１、２参照）が提案されている。
【０００３】
例えば引用文献１には、圧電素子の一方の表面に振動板にあたるセラミック板を配置し、そのセラミック板の表面を、先端側が閉塞された筒状部材、即ち先端側が上壁部により閉塞された筒状部材（但し上壁部には細孔が開けられている）で覆うことにより、流動状態の液体の粘性を測定する技術が開示されている。
【０００４】
また、引用文献２には、振動板の表面にロッドを立設するとともに、振動板の表面を、同様に先端側が閉塞された筒状部材（但し上壁部にはロッドが遊嵌される細孔が開けられている）で覆い、振動子の超音波の送受信方向を液体の表面に対して略垂直とした装置が記載されている。
【０００５】
つまり、この装置を用い、超音波を送信してからその反射波を受信するまでの時間に基づいて、液体のレベルを検出するとともに、圧電素子に電圧を印加したときの振動板の振幅の変化に基づいて、液体の粘性を測定する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平８−２０１２６５号公報  （第７頁、図４）
【特許文献２】特開２００１−２６４１４８号公報  （第７頁、図１０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した技術は、圧電素子の電気的等価回路の成分（直列のコイル、コンデンサ、抵抗及び並列のコンデンサ）のうち抵抗分（共振抵抗）を求めることによって、粘性を測定するものであるが、共振抵抗が液体の粘性だけでなく、液体のレベル（深さ）の影響を受けてしまい、粘性を正確に測定できないという問題があった。
【０００７】
つまり、液体のレベルが異なる場合には、振動板に加わる負荷質量が異なり、振動板の振動の状態が変化するので、レベルによって共振抵抗も変化して、粘性を正確に検出できないという問題があった。
【０００８】
なお、前記引用文献１、２の技術では、振動板上の空間を周囲と分離して液体の粘性を測定する領域を制限するように、先端側が閉塞された筒状部材（測定領域制限部）が取り付けられているので、少なからず液体のレベル変化に伴う粘性の検出精度低下を抑えることができる。
【０００９】
しかし、上述した技術は、振動板の先端側に位置する上壁部に液体が流通可能な細孔が設けられているので、液体のレベル変化に伴う粘性の検出精度低下を抑えるには十分といえなかった。即ち、上述した技術では、圧電素子を用いて振動板を振動させた際に、振動板の振幅が上壁部に向かうほど大きく且つ広がりをもって伝搬していくことになるが、振動板の振幅が最も大きく伝搬する位置（上壁部）に細孔があるので、伝搬した振幅が細孔を介して外部にまで伝わり易く、結果として、振動板の振動が測定領域制限部外部の液体レベルの影響を受けてしまう。
【００１０】
本発明は、こうした問題を解決するためになされたものであり、その目的は、液体のレベルに変動があった場合でも、正確に液体の粘性を測定できる粘性測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）前記課題を解決するための請求項１の発明は、振動板と圧電素子とを接合してなる振動子を用い、前記振動板の少なくとも一表面を液体に接触させて前記振動子を振動させ、その際の前記圧電素子の電気的特性の変化から、前記液体の粘性を測定する粘性測定装置であって、前記振動板の液体と接する表面側に、該表面上の空間を囲んで前記測定対象の液体の領域を制限する測定領域制限部を備えるとともに、前記測定領域制限部は、前記振動板の表面と向かい合う上壁部と、前記振動板の表面の周囲を囲んで立設されて前記上壁部を支持する支持部と、を備え、更に、前記支持部は、前記測定領域制限部内の制限空間と前記測定領域制限部外の周囲空間とを連通して、前記液体の流通が可能な連通部を備えたことを特徴とする粘性測定装置を要旨とする。
【００１２】
本発明では、圧電素子に交流（交番電圧）を印加した場合に、圧電素子自体の電歪作用によって共振（振動）し得る振動板の共振特性（例えば共振点や共振振幅）を測定する。
つまり、例えば一表面に圧電素子が貼り付けられると共に外周を固定された振動板は、圧電素子に交番電圧が印加されると共振する。ここで、振動板は、圧電素子が貼り付けられた表面と反対側の表面が液体に接触していることにより、振動板の振幅が、周囲の液体の性質や種類によっても程度は異なるが、高粘度では小さく低粘度では大きくなる傾向を示す。このように振動板（振動子）が液体の粘性（粘性抵抗）に基づいて機械的抵抗を受けることにより、振動子を構成する圧電素子の電気的特性（例えばインピーダンス）が変化するので、この電気的特性を検出することで液体の粘性を測定することができる。
【００１３】
特に本発明では、従来の様な振動板に対向する位置（上壁部部分）、即ち振動子による振幅が最も大きく伝播する位置ではなく、振動子による振幅の影響が少ない側方の支持部に連通部が設けてあるので、測定領域制限部内の液中を伝搬する振幅が連通部を介して測定領域制限部の外部にまで伝わり難く、液面レベルの変動が振動板の振動（振幅）に対して影響を及ぼす度合いを低減させることができる。
【００１４】
これにより、測定領域制限部を設けた構成と相まって、液体の粘性を精度良く検出できるという顕著な効果を奏する。
（２）請求項２の発明は、前記連通部は、前記支持部のうち、前記振動板の近傍に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の粘性測定装置を要旨とする。
【００１５】
振動子による振幅の伝搬は、上壁部に向かうほど広がっていくことから、連通部を設ける位置を振動板に近い側に設けることで、測定領域制限部の外部に伝搬する振幅の程度をより有効に低減させることができる。よって、本発明では、連通部を支持部のうち振動板の近傍に設けることで、一層精度良く液体の粘性を測定することができる。
【００１６】
尚、振動板の近傍としては、支持部の高さ（振動板の液体に接触する表面から上壁部の内面までの最短距離）の１／２以下（好ましくは１／３以下）が挙げられる。
（３）請求項３の発明は、前記連通部は、前記支持部の根元に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の粘性測定装置を要旨とする。
【００１７】
本発明は、連通部の最も好ましい位置を例示したものである。
（４）請求項４の発明は、前記連通部は、少なくとも一対設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粘性測定装置を要旨とする。
【００１８】
本発明では、連通部は、少なくとも一対（好ましくは対向する位置に）設けられているので、液体の流入や流出がスムーズであり、気泡も好適に排出できる。
（５）請求項５の発明は、前記支持部は、前記振動板の周囲を囲む筒状（例えば円筒）の形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粘性測定装置を要旨とする。
【００１９】
本発明は、支持部の形状を例示したものである。
（６）請求項６の発明は、前記粘性測定装置は、前記振動子の振動方向が、前記液体の表面に対して平行であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粘性測定装置を要旨とする。
【００２０】
本発明は、容器等の側方の壁面に配置されて、振動子の振動方向（従って測定領域制限部の立設方向）が、液面に平行に突出するタイプの粘性測定装置を例示したものである。この場合には、連通孔を、上下方向に（好ましくは対向して）少なくとも１対設けると、液体の流入や流出がスムーズであり、気泡も好適に排出できる。
【００２１】
（７）請求項７の発明は、前記粘性測定装置は、前記振動子の振動方向が、前記液体の表面に対して垂直であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粘性測定装置を要旨とする。
【００２２】
本発明は、容器等の底面に配置されて、振動子の振動方向（従って測定領域制限部の立設方向）が、液面に垂直に突出するタイプの粘性測定装置を例示したものである。この場合には、連通孔を、支持部においてその上方と下方に少なくとも１対設けると、液体の流入や流出がスムーズであり、気泡も好適に排出できる。
【００２３】
（８）請求項８の発明は、前記粘性測定装置は、前記粘性の測定によって、オイルの劣化を検出するものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の粘性測定装置を要旨とする。
【００２４】
本発明は、例えば自動車のエンジンの潤滑油（オイル）の粘性を（従って劣化をも）検出することができる測定装置である。
例えば自動車の潤滑油（オイル）の様な液体においては、粘性の増加が劣化を直接的に示すので、オイルの粘性を測定することにより、オイルの劣化を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、本発明の粘性測定装置を実施するための最良の形態の例（実施例）を、図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２６】
例えば自動車のエンジンの潤滑油（オイル）を考えると、オイルの粘性の変化がオイルの劣化を示すものと考えられるので、ここでは、粘性測定装置により、オイルの粘性（よって劣化）を測定する場合を例にあげる。
【００２７】
ａ）まず、本実施例の粘性測定装置の装置構成について説明する。
尚、図１は粘性測定装置の装着状態を模式的に示し、図２は粘性測定装置の断面を拡大して示している（図２では先端側を上にして記載してある）。
【００２８】
図１に示す様に、粘性測定装置１は、オイルを入れた容器５の側壁７に取り付けられており、主として、側壁７に固定されるベース部９と、液面と平行に側壁７からオイル中に突出するセンサ部１１と、オイルの温度を検出する温度センサ１３（図２参照）とを備えている。
【００２９】
図２に示す様に、絶縁樹脂から形成される前記ベース部９の内部には、センサ部１１を駆動してオイルの粘性を測定したり、温度センサ１３を駆動してオイルの温度を測定する回路基板１５が配置されている。
【００３０】
前記センサ部１１は、オイルの粘性（粘性抵抗）を検出するセンサであり、ベース部９から垂直（従って水面に水平）に立設された筒状部１７と、筒状部１７の先端（同図上方）の開口部１８を閉塞する上壁部（蓋）２１と、筒状部１７の円柱状の内側の空間２３を、上下二つの領域（上部領域（内部空間）２５、下部領域２７）に分離する隔壁（振動板）１９と、振動板１９に接合された圧電素子３３とを備えている。
【００３１】
尚、筒状部１７のうち、振動板１９より上方の部分が、上壁部２１を支える支持部２９であり、上壁部２１と支持部２９とにより振動板１９のオイルと接触する表面を囲む測定領域制限部３０が構成されている。
【００３２】
このうち、前記筒状部１７は、鉄−ニッケル合金（Ｆｅ−４２Ｎｉ）からなり、高さ２２．３ｍｍ×内径１６ｍｍ×厚み７．５ｍｍの円筒形の部材である。
前記上壁部２１は、ＳＵＳ３０４からなる厚み１．５ｍｍの円盤状の部材であり、ネジ３１により、筒状部１７の上端に固定されている。
【００３３】
前記振動板１９は、例えば円柱状の部材の中央を、軸方向の両側からくり抜く様にして、筒状部１７と一体に形成されたものであり、厚み０．３ｍｍの円盤形状を有している。
また、振動板１９の内側には、円盤形状の圧電セラミック本体部の表裏面に電極（図示せず）がそれぞれ形成された圧電素子３３が、接着剤により接合されている。この圧電素子３３の一方の面に形成された電極はリード３５が接続され、他方の面に形成された電極は、振動板１９に当接して該振動板１９に電気的に接続されている。更に、リード線３５、振動板１９は、第１中継端子４３、第２中継端子４５を介して回路基板１５、ひいては粘性測定装置１の外部回路（図示せず）に、電気的に接続されている。
【００３４】
そして、圧電素子３３を駆動する場合には、第１中継端子４３と第２中継端子４５との間（換言すれば圧電素子３３の電極間）に、例えば正弦波等の交流（交番電圧）が印加される。尚、振動板１９と圧電素子３３とが接合されたものを振動子３７と称する。
【００３５】
特に本実施例では、振動板１９の上方の空間（上部領域２５）は、支持部２９及び上壁部２１からなる測定領域制限部３０により、周囲の空間からほぼ分離されているが、支持部２９の根元、即ち振動板１９のすぐ上の部分には、上部領域２５と測定領域制限部３０外の外部空間とを連通するように、内径３ｍｍの一対の連通部３９が対向して配置されている。
【００３６】
従って、容器５内のオイルは、この連通部３９から上部領域２５に流入することにより、上部領域２５に満たされている。尚、下部領域２７には空気が充填されている。
また、前記圧電素子３３及び温度センサ１３は、マイクロコンピュータ（図示せず）を含む電子部品を実装した前記回路基板１５に、電気的に接続されており、この回路基板１５の制御によって、後に詳述する様にして、オイルの粘性を測定することができる。
【００３７】
つまり、圧電素子３３の電極間に交番電圧を印加して圧電素子３３（従って振動子３７）を振動させ、その際に、振動子３７がオイルの粘性に基づいて機械的抵抗を受けることにより、圧電素子３３の電気的特性（本実施例では具体的にインピーダンス特性）が変化するので、この電気的特性の情報に基づいて、オイルの粘性を測定することができる。
【００３８】
そして、オイルの粘性の測定の際には、温度センサ１３からの信号に基づいて、オイルの温度を測定し、その温度情報に基づいて、オイルの粘性を測定する際のデータを補正することができる。
【００３９】
ｂ）次に、前記オイルの粘性の測定方法について、詳細に説明する。
1)図３に、オイルの粘性（粘性抵抗）を測定するための電気的構成を示す。
本実施例の粘性測定装置１では、圧電素子３３に電圧印加部４１から、周波数を変化させた交番電圧を印加する。例えば周波数を周波数ｆLからｆHまで掃引し、このときの圧電素子３３の両端の電圧を測定してインピーダンスを求める。
【００４０】
この周波数を変化させた場合の圧電素子３３の両端の電圧の変化を、図４に示すが、電圧がＶ字状に急減して急増する点（変化点）が、振動子３７（圧電素子３３）の共振点（共振周波数）である。
【００４１】
また、図５に各液体に対する圧電素子３３のインピーダンス特性を示す様に、インピーダンスが減少して増加に転ずる極小値の変曲点が、振動板１９の共振点（共振周波数）である。更に、この極小値の変曲点から、インピーダンスが増加から減少に転ずる極大値の変曲点が、反共振点（反共振周波数）である。
【００４２】
この共振周波数や反共振周波数は粘性が変化すると変化するので、具体的には、粘性が増加する（従ってオイルが劣化する）と共振周波数や反共振周波数は小さくなるので、この共振周波数等の変化によって、オイルの粘性の変化を検出することができる。
【００４３】
例えば図４に示す様に、新しいオイルの場合は粘性が低いので、共振周波数ｆ0は高いが、劣化したオイルの場合は、共振周波数ｆ1は低くなるという現象があるので、共振周波数からオイルの劣化の程度を測定することができる。
【００４４】
また、オイルの劣化の程度を測定する別の手法としては、以下の方法が挙げられる。共振点での圧電素子３３のインピーダンスの逆数（換言すれば、共振点での圧電素子３３のアドミッタンス）と、反共振点での圧電素子３３のインピーダンスの逆数（換言すれば、反共振点での圧電素子３３のアドミッタンス）との差の逆数は、圧電素子３３の共振抵抗（圧電素子３３を等価回路で表したときの抵抗成分）に対応した値となることが知られている。それより、インピーダンスの逆数であるアドミッタンスの最大値と最小値との差の逆数を測定値の指標とすることで、オイルの劣化の程度を測定することができる。
【００４５】
そして、回路基板１５のメモリ（図示せず）に記憶している共振周波数とオイルの粘性との関係を示すマップや、共振抵抗とオイルの粘性との関係を示すマップから、オイルの劣化を判定する。
【００４６】
尚、オイルの粘性は温度により変化するので、温度による補正を行う。つまり、温度が低下するほどオイルの粘性は増加するので、温度とオイルの粘性との関係を示すマップを予めメモリに記憶しておき、このマップを用いてオイルの粘性を補正する。例えば温度が低い場合は、測定されたオイルの粘性を低めに補正するのである。
【００４７】
ｃ）次に、本実施例の効果を説明する。
本実施例の粘性測定装置１は、センサ部１１の先端側に、振動板１９の表面を覆う様に、支持部２９及び上壁部２１からなる測定領域制限部３０を設けるとともに、支持部２９の根元に一対の連通部３９を設けたので、オイルのレベルが変化した場合でも、精度良くオイルの粘性、従ってオイルの劣化を検出することができる。
【００４８】
また、連通孔３９は、対向する位置に上下一対設けたので、オイルの流入や流出がスムーズであるばかりでなく、気泡を速やかに測定領域制限部３０内の上部領域２５から外部に排出することができる。
【００４９】
更に、本実施例では、温度による補正を行うので、オイルの粘性の測定をより正確に行うことができる。
ｄ）次に、本実施例の効果を確認した実験例について説明する。
【００５０】
この実験例は、実際の振動子（圧電素子）のインピーダンス特性とオイルの粘性との関係を調べたものである。
ここでは、上記実施例の粘性測定装置を同様に容器の側壁に取り付け、容器内の新品オイルの液面レベルＬ（図１参照）を１０、２０、３０、４０、５０、６０ｍｍに変更し、それぞれの場合において、下記の条件において、圧電素子の共振周波数近傍を含む任意の周波数範囲を掃引して圧電素子の電極間に交番電圧を印加し、その際の圧電素子のインピーダンス［Ω］をインピーダンスアナライザ（アジレントテクノロジー（株）製）で測定した。
【００５１】
＜測定条件＞
オイル；１０Ｗ３０  ＣＦ−４（出光興産（株）製）
温度；室温（約２５℃）
その結果を、図６に示す。図６から明らかな様に、本実施例の粘性測定装置を用いた場合には、液面レベルＬが変化しても、インピーダンス特性はほぼ一定であり、よって、精度良くオイルの粘性を測定できることが分かる。
【００５２】
また、これとは別に、上壁部及び連通孔を備えていないこと以外は前記実施例と同様な比較例の粘性測定装置を用いて、同様な実験を行った。
その結果を、図７に示す。図７から明らかな様に、比較例のものは、液面レベルＬが変化すると、インピーダンス特性も変化し、よって、精度良くオイルの粘性を測定できず、好ましくない。
【００５３】
尚、本発明は、前記実施例に限定されることなく、本発明の範囲内にて各種の態様で実施できることは勿論である。
例えば温度変化があまりない場合には、温度センサを省略してもよい。また、測定対象となる液体は、自動車のエンジンの潤滑油に限定されることなく、ペンキ等に適用できることも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施例の粘性測定装置を容器に取り付けた状態を模式的に示す説明図である。
【図２】実施例の粘性測定装置を破断して拡大して示す断面図である。
【図３】実施例の粘性測定装置の電気的構成を示す説明図である。
【図４】実施例の粘性測定装置の共振周波数を示すグラフである。
【図５】オイルの共振周波数及び共振振幅のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図６】実施例のオイルの共振周波数及び共振振幅のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図７】比較例のオイルの共振周波数及び共振振幅のインピーダンス特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１…粘性測定装置
９…ベース部
１１…センサ部
１３…温度センサ
１５…回路基板
１９…振動板
２１…上壁部（蓋）
２５…上部領域
２９…支持部
３０…測定領域制限部
３３…圧電素子
３７…振動子
３９…連通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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