JP2000314695A - 粘弾性測定用の耐久性トランスデューサ - Google Patents
粘弾性測定用の耐久性トランスデューサInfo
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 オペレータ取扱いによる損傷を最小限に抑
える振動トランスデューサを提供することである。 【解決手段】 粘性分析器において使用するためのト
ランスデューサが、所望の振動方向以外の全ての方向の
前記トランスデューサのプローブ部材の動きを制限する
ための手段を有する。
える振動トランスデューサを提供することである。 【解決手段】 粘性分析器において使用するためのト
ランスデューサが、所望の振動方向以外の全ての方向の
前記トランスデューサのプローブ部材の動きを制限する
ための手段を有する。
Description
【発明の属する技術分野】本発明は全般に粘弾性測定を
行うための装置に関連し、より詳細には流体及びゲルの
粘弾性特性を測定するために改善された振動粘弾性トラ
ンスデューサに関連する。
行うための装置に関連し、より詳細には流体及びゲルの
粘弾性特性を測定するために改善された振動粘弾性トラ
ンスデューサに関連する。
【従来の技術】振動粘性及び粘弾性分析器は当技術分野
において周知である。これらの分析器は典型的には、振
動状態で或いは周期的に動作するように駆動される機械
的プローブ部材を組み込む。その分析器は、プローブ部
材に動きを付与するためのいくつかの手段及びプローブ
の変位或いは動きをモニタするための手段を備える。最
も用いられる設計は、機械的プローブを駆動するための
電気的手段及びプローブ動作をモニタするための電気的
手段を組み込む。移動式プローブは被測定流体或いはゲ
ル内に浸漬される。この移動式プローブの動作特性は、
被測定材料の粘性及び粘弾性特性により影響を受ける。
試験サンプルに応じたプローブの動作特性の変化は、試
験サンプルの粘弾性特性を決定する分析器によりモニ
タ、かつ処理される。駆動機構或いは回路の構成要素、
機械的プローブ並びに動作検出機構は一体となってトラ
ンスデューサを構成する。トランスデューサは入力駆動
信号を出力動作信号に関連づける応答特性を有する。ト
ランスデューサの応答は、その物理的な設計及び被測定
材料の粘弾性特性に依存する。トランスデューサ特性は
機械的或いは電気的動作特性を用いて表すことができ
る。Ｈｕｓａｒに付与された米国特許第４，３４１，１
１１号は、トランスデューサ動作の特性を表すために周
波数と機械的変位との関係を用いる。この種の特性が図
６に示される。電気的設計の観点から、電気的インピー
ダンスに関してトランスデューサの動作の特性を表すこ
とが望まれる場合が多い。図５は、図１及び図２に示さ
れるような粘弾性トランスデューサの場合の周波数と電
気的インピーダンスの変化との関係を表す。この種のト
ランスデューサは機械的プローブ変位ではなく機械的プ
ローブ速度をモニタする。変位モニタ式及び速度モニタ
式トランスデューサのいずれも、駆動周波数に関して非
線形であり、典型的には固有共振周波数で明確なピーク
を示す。この共振周波数は、被測定流体或いはゲルの粘
弾性特性に応じて変化する。このピークが、図５及び図
６に示される例において存在する。粘弾性トランスデュ
ーサはそれらの設計により幅広く変化する。１つの変形
例はプローブ動作の方向に関連する。従来技術による設
計は、トランスデューサにおいて軸方向、横方向、旋回
方向或いは径方向のプローブ動作を組み込んでいる。軸
方向に振動するプローブを用いる従来のトランスデュー
サの例は、Ｓｉｍｏｎに付与された米国特許第３，５８
７，２９５号及び３，７４１，００２号、並びにＳｉｍ
ｏｎ等に付与された米国特許第４，０２６，６７１号に
記載される。Ｈａｒｔｅｒｔに付与された米国特許第
４，３１２，２１７号及びＨｕｓａｒに付与された米国
特許第４，３４１，１１１号は、横方向或いは旋回方向
動作を生成するために駆動される弾性ロッドを使用する
ことを開示する。Ｍａｔｕｓｉｋ等に付与された米国特
許第４，４８８，４２７号は、回転方向或いは径方向の
機械的な振動を教示する。これらの従来技術のトランス
デューサは、所望の機械的な動きを生成するために変形
する単一の可撓性部材を組み込む。Ｓｉｍｏｎ及びＳｉ
ｍｏｎ等の特許により教示される軸方向に振動するトラ
ンスデューサは振動板を組み込む。Ｈａｒｔｅｒｔ及び
Ｈｕｓａｒにより教示される横方向或いは旋回方向動作
は、横方向動作に対しては１方向に、或いは旋回方法動
作に対しては２つの方向にロッドを曲げるように駆動さ
れる弾性ロッドを用いることにより実現される。Ｍｕｔ
ａｓｉｋにより教示される径方向動作は、径方向の偏倚
を生じさせるねじれ力を用いて駆動される弾性円筒形チ
ューブを用いることにより生じる。最もよく用いられる
振動トランスデューサは、個別の駆動及びピックアップ
コイルを用いる。しかしながら個別のコイルを用いる必
要はない。Ｓｉｍｏｎ等により教示されるトランスデュ
ーサは、トランスデューサを駆動し、さらに機械的動作
をモニタするために同時に単一のコイルを用いている。
粘性或いは粘弾性分析器は、適切な回路及び計算技術を
用いてトランスデューサ応答をモニタし、被測定材料の
粘性或いは粘弾性特性を決定する。振動トランスデュー
サを駆動するための回路は当分野において周知であり、
典型的には振動機構動作を生成するための駆動回路及び
その機械的な動きをモニタするためのモニタ回路を備え
る。その機械的な動きを調整し、エネルギー消費をモニ
タし、或いは表示用の信号を調整するための手段を備え
る付加回路も従来技術において教示される。初期の設計
は固定周波数でトランスデューサを駆動する。さらに進
んだ設計は典型的には、被測定材料内に浸漬されたトラ
ンスデューサの共振周波数でトランスデューサを駆動す
る。その進んだ装置には、測定中の材料の粘弾性特性
は、振動トランスデューサの共振点のみを分析すること
により決定される。共振ピークの粘性は試験サンプルの
粘性特性を特徴付けており、一方周波数の変化がその弾
性特性を特徴付ける。振動トランスデューサを組み込む
粘性及び粘弾性測定装置の精度は、振動トランスデュー
サの動作特性により制限される。従来技術の振動トラン
スデューサは、製造再現性及び振動特性が不十分であ
り、温度ドリフト、長期ドリフト及び湿度ドリフトを有
する傾向にある。さらに、これらのトランスデューサは
耐久性が不足している。オペレータの取扱いによる損傷
がトランスデューサのドリフト或いは故障のいずれかを
引き起こすようになる。ある設計では、トランスデュー
サ移動用コイルが磁石或いは磁極に対して押圧され、そ
のコイルに損傷を与えるようになる。他の設計では、ト
ランスデューサの配列が数少ないオペレータの取扱いミ
スにより損傷を受け、それによりトランスデューサドリ
フトを引き起こすか、或いはトランスデューサ振動を妨
害するようになる。従来のトランスデューサは、振動す
る機械的構成要素を過剰に加えられた力から保護する必
要手段を提供しない。Ｓｉｍｏｎのトランスデューサは
軸方向に振動するが、オペレータが機械的プローブをモ
ニタ或いは除去する間に、振動板が横方向或いは過剰な
軸方向に動いてしまう。この過剰な動きの結果、磁石或
いは磁極のいずれかがコイルと接触し、それによりコイ
ルを損傷するようになる。この設計に対する全ての要件
の概ね９５％は、損傷したコイルによるものである。さ
らにトランスデューサ特性は、振動板が過剰な軸方向の
動きにより押圧される場合に、変化してしまう傾向があ
った。従来技術を要約すると、Ｈｕｓａｒに付与された
米国特許第４，３４１，１１１号に教示される振動トラ
ンスデューサは弾性ロッドの横方向或いは旋回方向動作
に依存する。しかしながら、これは弾性ロッドが過剰に
変形するのを保護する手段を提供しない。Ｍａｔｕｓｉ
ｋ等に付与された米国特許第４，４８８，４２７号に教
示されるトランスデューサは、チューブを備えており、
そのチューブは回転方向に偏倚され、トランスデューサ
の配列が、チューブが横方向に偏倚するのを防ぐ必要が
ある。同様に、米国特許第４，１５４，０９３号及び米
国特許第４，８６９，０９８号に教示される振動トラン
スデューサは、過剰なトランスデューサ変位に対する保
護を提供しない。
において周知である。これらの分析器は典型的には、振
動状態で或いは周期的に動作するように駆動される機械
的プローブ部材を組み込む。その分析器は、プローブ部
材に動きを付与するためのいくつかの手段及びプローブ
の変位或いは動きをモニタするための手段を備える。最
も用いられる設計は、機械的プローブを駆動するための
電気的手段及びプローブ動作をモニタするための電気的
手段を組み込む。移動式プローブは被測定流体或いはゲ
ル内に浸漬される。この移動式プローブの動作特性は、
被測定材料の粘性及び粘弾性特性により影響を受ける。
試験サンプルに応じたプローブの動作特性の変化は、試
験サンプルの粘弾性特性を決定する分析器によりモニ
タ、かつ処理される。駆動機構或いは回路の構成要素、
機械的プローブ並びに動作検出機構は一体となってトラ
ンスデューサを構成する。トランスデューサは入力駆動
信号を出力動作信号に関連づける応答特性を有する。ト
ランスデューサの応答は、その物理的な設計及び被測定
材料の粘弾性特性に依存する。トランスデューサ特性は
機械的或いは電気的動作特性を用いて表すことができ
る。Ｈｕｓａｒに付与された米国特許第４，３４１，１
１１号は、トランスデューサ動作の特性を表すために周
波数と機械的変位との関係を用いる。この種の特性が図
６に示される。電気的設計の観点から、電気的インピー
ダンスに関してトランスデューサの動作の特性を表すこ
とが望まれる場合が多い。図５は、図１及び図２に示さ
れるような粘弾性トランスデューサの場合の周波数と電
気的インピーダンスの変化との関係を表す。この種のト
ランスデューサは機械的プローブ変位ではなく機械的プ
ローブ速度をモニタする。変位モニタ式及び速度モニタ
式トランスデューサのいずれも、駆動周波数に関して非
線形であり、典型的には固有共振周波数で明確なピーク
を示す。この共振周波数は、被測定流体或いはゲルの粘
弾性特性に応じて変化する。このピークが、図５及び図
６に示される例において存在する。粘弾性トランスデュ
ーサはそれらの設計により幅広く変化する。１つの変形
例はプローブ動作の方向に関連する。従来技術による設
計は、トランスデューサにおいて軸方向、横方向、旋回
方向或いは径方向のプローブ動作を組み込んでいる。軸
方向に振動するプローブを用いる従来のトランスデュー
サの例は、Ｓｉｍｏｎに付与された米国特許第３，５８
７，２９５号及び３，７４１，００２号、並びにＳｉｍ
ｏｎ等に付与された米国特許第４，０２６，６７１号に
記載される。Ｈａｒｔｅｒｔに付与された米国特許第
４，３１２，２１７号及びＨｕｓａｒに付与された米国
特許第４，３４１，１１１号は、横方向或いは旋回方向
動作を生成するために駆動される弾性ロッドを使用する
ことを開示する。Ｍａｔｕｓｉｋ等に付与された米国特
許第４，４８８，４２７号は、回転方向或いは径方向の
機械的な振動を教示する。これらの従来技術のトランス
デューサは、所望の機械的な動きを生成するために変形
する単一の可撓性部材を組み込む。Ｓｉｍｏｎ及びＳｉ
ｍｏｎ等の特許により教示される軸方向に振動するトラ
ンスデューサは振動板を組み込む。Ｈａｒｔｅｒｔ及び
Ｈｕｓａｒにより教示される横方向或いは旋回方向動作
は、横方向動作に対しては１方向に、或いは旋回方法動
作に対しては２つの方向にロッドを曲げるように駆動さ
れる弾性ロッドを用いることにより実現される。Ｍｕｔ
ａｓｉｋにより教示される径方向動作は、径方向の偏倚
を生じさせるねじれ力を用いて駆動される弾性円筒形チ
ューブを用いることにより生じる。最もよく用いられる
振動トランスデューサは、個別の駆動及びピックアップ
コイルを用いる。しかしながら個別のコイルを用いる必
要はない。Ｓｉｍｏｎ等により教示されるトランスデュ
ーサは、トランスデューサを駆動し、さらに機械的動作
をモニタするために同時に単一のコイルを用いている。
粘性或いは粘弾性分析器は、適切な回路及び計算技術を
用いてトランスデューサ応答をモニタし、被測定材料の
粘性或いは粘弾性特性を決定する。振動トランスデュー
サを駆動するための回路は当分野において周知であり、
典型的には振動機構動作を生成するための駆動回路及び
その機械的な動きをモニタするためのモニタ回路を備え
る。その機械的な動きを調整し、エネルギー消費をモニ
タし、或いは表示用の信号を調整するための手段を備え
る付加回路も従来技術において教示される。初期の設計
は固定周波数でトランスデューサを駆動する。さらに進
んだ設計は典型的には、被測定材料内に浸漬されたトラ
ンスデューサの共振周波数でトランスデューサを駆動す
る。その進んだ装置には、測定中の材料の粘弾性特性
は、振動トランスデューサの共振点のみを分析すること
により決定される。共振ピークの粘性は試験サンプルの
粘性特性を特徴付けており、一方周波数の変化がその弾
性特性を特徴付ける。振動トランスデューサを組み込む
粘性及び粘弾性測定装置の精度は、振動トランスデュー
サの動作特性により制限される。従来技術の振動トラン
スデューサは、製造再現性及び振動特性が不十分であ
り、温度ドリフト、長期ドリフト及び湿度ドリフトを有
する傾向にある。さらに、これらのトランスデューサは
耐久性が不足している。オペレータの取扱いによる損傷
がトランスデューサのドリフト或いは故障のいずれかを
引き起こすようになる。ある設計では、トランスデュー
サ移動用コイルが磁石或いは磁極に対して押圧され、そ
のコイルに損傷を与えるようになる。他の設計では、ト
ランスデューサの配列が数少ないオペレータの取扱いミ
スにより損傷を受け、それによりトランスデューサドリ
フトを引き起こすか、或いはトランスデューサ振動を妨
害するようになる。従来のトランスデューサは、振動す
る機械的構成要素を過剰に加えられた力から保護する必
要手段を提供しない。Ｓｉｍｏｎのトランスデューサは
軸方向に振動するが、オペレータが機械的プローブをモ
ニタ或いは除去する間に、振動板が横方向或いは過剰な
軸方向に動いてしまう。この過剰な動きの結果、磁石或
いは磁極のいずれかがコイルと接触し、それによりコイ
ルを損傷するようになる。この設計に対する全ての要件
の概ね９５％は、損傷したコイルによるものである。さ
らにトランスデューサ特性は、振動板が過剰な軸方向の
動きにより押圧される場合に、変化してしまう傾向があ
った。従来技術を要約すると、Ｈｕｓａｒに付与された
米国特許第４，３４１，１１１号に教示される振動トラ
ンスデューサは弾性ロッドの横方向或いは旋回方向動作
に依存する。しかしながら、これは弾性ロッドが過剰に
変形するのを保護する手段を提供しない。Ｍａｔｕｓｉ
ｋ等に付与された米国特許第４，４８８，４２７号に教
示されるトランスデューサは、チューブを備えており、
そのチューブは回転方向に偏倚され、トランスデューサ
の配列が、チューブが横方向に偏倚するのを防ぐ必要が
ある。同様に、米国特許第４，１５４，０９３号及び米
国特許第４，８６９，０９８号に教示される振動トラン
スデューサは、過剰なトランスデューサ変位に対する保
護を提供しない。
【発明が解決しようとする課題】機械的プローブの弾性
変形を制限し、所望の弾性動作方向を除いて、概ね剛性
の機械的プローブ設計を実現する機械的止め手段を設け
ることにより、オペレータ取扱いによる損傷を最小限に
抑える振動トランスデューサを提供することである。
変形を制限し、所望の弾性動作方向を除いて、概ね剛性
の機械的プローブ設計を実現する機械的止め手段を設け
ることにより、オペレータ取扱いによる損傷を最小限に
抑える振動トランスデューサを提供することである。
【課題を解決するための手段】この目的及び他の目的
は、プローブ軸に沿った所望の方向以外のあらゆる方向
においてプローブ部材の動きを制限するために機械的プ
ローブに同軸に取着される環状ばねアセンブリを設ける
ことにより、さらにプローブ軸に沿った所望の方向の範
囲を制限するために機械的止め部材を設けることによ
り、本発明に記載される好適な実施例に従って達成され
る。
は、プローブ軸に沿った所望の方向以外のあらゆる方向
においてプローブ部材の動きを制限するために機械的プ
ローブに同軸に取着される環状ばねアセンブリを設ける
ことにより、さらにプローブ軸に沿った所望の方向の範
囲を制限するために機械的止め部材を設けることによ
り、本発明に記載される好適な実施例に従って達成され
る。
【発明の実施の形態】本明細書に記載される発明は、米
国特許第５，０１６，４６９号及び５，１３８，８７２
号に関連し、参照して本明細書の一部としている。本発
明の粘弾性トランスデューサは、例えばＨｅｎｄｅｒｓ
ｏｎに付与された米国特許第５，０１６，４６９号に記
載のトランスデューサの代わりに用いることができる。
また本発明の粘弾性トランスデューサを、この特許明細
書に記載の電子回路と共に用いることもできる。図１〜
図４には、磁石カップ部１０、永久磁石１２、及び磁極
１４が示されており、これらの要素は永久磁石１２と磁
極１４との間のギャップに一様な磁界を生成するように
位置を整合させて接着剤により組み立てられる。プロー
ブアダプタハブ１８は、環状ばねアセンブリ２０の内側
リング３０と独立コイル１６の双方に接着される。環状
ばねアセンブリ２０の外縁部は、磁石１２と磁極１４と
の間のギャップ内にコイル２０を位置させるように整合
されており、磁極１４に接着される。カバー１０は、ば
ねアセンブリ２０の外縁部に接着剤で接着されている。
図１〜図４に示すトランスデューサ内を動く機械的プロ
ーブは、プローブアダプタハブ１８、コイル１６、使い
捨てプローブ２４、及び環状ばねアセンブリ２０の内側
リング３０からなる。組み立ての際に適切な整合をとる
ことにより、この機械的プローブは磁気ギャップ間のク
リアランスを維持しつつ軸線方向に移動できるようにな
る。コイル１６は、機械的プローブを駆動するため、且
つプローブの移動を検出するために用いられる。本発明
のトランスデューサの通常の特徴的応答が図５に示され
ている。このトランスデューサは種々の従来型の制御回
路と共に使用することができるが、特に米国特許第５，
１３８，８７２号明細書に記載の回路と共に使用するた
めに設計されている。この回路は、トランスデューサ
を、試験サンプル内でその共振周波数で動かす。粘性が
高くなるにつれトランスデューサのインピーダンスは低
くなる。弾性が高くなるにつれ共振周波数は高くなる。
図５には、空中、水中、高濃度鉱油中、及び鉱油ゲル中
での、このトランスデューサの性能が示されている。試
験サンプルの粘性の特性は共振ピークの減衰の仕方に特
徴が現れている。サンプルの弾性の特性は、周波数の変
化に特徴が現れている。図４には、真鍮製の内側リング
３０及び外側リング２８にはんだ付けされた２つの環状
ばね２６から構成されている環状ばねアセンブリ２０が
示されている。この２つの環状ばね２６は、例えば米国
コネチカット州グラストンベリー（Ｇｌａｓｔｏｎｂｕ
ｒｙ）のＣｏｎａｒｄ社から市販されているものよう
な、従来型の光化学加工プロセスを用いてベリリウム銅
板から作製されたものである。２つの環状ばね２６のコ
ンプライアンスは、バネのウェブの長さ、幅、又は厚み
を変更することによって変えることができる。ベリリウ
ム銅以外の材料を用いてもよい。しかし、その優れた安
定したばね特性のため、好ましい材料はベリリウム銅で
ある。環状ばねアセンブリ２０は、鉛錫はんだを用いて
結合されるが、溶接、鑞づけ、又は接着により結合する
こともできる。上述のように、環状ばねアセンブリ２０
は２つの平行をなすばね２６を用いて構成され、機械的
プローブに横方向の剛性を与えている。１つのばねを用
いても粘弾性トランスデューサとしては優れた性能が発
揮できるが、使い捨て試験プローブの着脱に関するオペ
レータの操作の際にコイル１６が損傷するのを防止する
横方向の剛性を与えることはできない。ばねアセンブリ
２０は軸線方向の変位を除く全ての方向の移動に対して
の剛性を与えている。２以上の環状ばね２６を用いるこ
ともできるが、この場合はコストや複雑さが増す割に、
不必要な機械的偏倚に耐性を与える機械的剛性の改善度
は小さい。本発明の粘弾性トランスデューサの機械的設
計には、使い捨て機械的プローブ２４の動きの範囲を制
限する物理的止め手段が含まれている。磁石１２が内向
きの偏倚を制限し、カバー２２は外向きの偏倚を制限す
る。これらの物理的止め手段により、環状ばねアセンブ
リ２０が使い捨てプローブ２４の着脱の際に過剰に変形
することが防止される。この設計により、プローブアダ
プタハブ１８の、磁石１２又はカバー２２の何れかに対
する正常な位置からの動きは約０．２５４ｍｍ（０．０
１０インチ）程度に押さえることができる。この動きの
量は環状ばねアセンブリ２０の弾性偏倚動作領域内に収
まっている。しかしこれらの止め手段は、正常な試験操
作の際の機械的プローブ２４の動きの範囲である約０．
００５０８ｍｍ（０．０００２０インチ）よりはるかに
大きい距離だけ離れたところにある。要するに本発明の
粘弾性トランスデューサは、液体又はゲルの粘性特性を
特性化するための、単純で信頼性が高く精度の高いトラ
ンスデューサとなる。更にこのトランスデューサでは、
望ましくない機械的応力に対するトランスデューサの耐
久性を高め、ばね部材の弾性動作限界の範囲内にトラン
スデューサの機械的偏倚を制限する機構を組み込んでお
り、これにより従来技術より優れたものとなっている。
この設計によって、耐久性を犠牲にすることなく、ばね
アセンブリ２０のコンプライアンスも高められる。この
ような高いばねのコンプライアンスは弱いゲルに対する
トランスデューサの感度を高めるために望ましい。本発
明のトランスデューサの実施例で、軸線方向に動く設計
のものについて説明してきたが、本発明のトランスデュ
ーサは、径方向や、横方向や、旋回方向の振動、又は任
意の他のタイプの振動をするように設計することができ
る。本発明のトランスデューサで、機械的駆動用と動き
ピックアップ用の両方の目的で１個のコイルを用いる実
施例について説明してきた。しかし、各用途について個
別のコイルを用いることもできる。より大きな動きがで
きるように追加のコイル又は他の手段を組み込むことも
できる。旋回運動する設計では、駆動用の複数のコイル
とピックアップ用の複数のコイルとを用いてもよい。駆
動やピックアップ用のデバイスはコイルに限定されな
い。他の電圧を用いる方法には、ホール効果を利用し
た、容量性の、圧電性の、又は他の形態の電気機械的エ
ネルギーの変換又は検出方法が含まれる。最後に、本発
明のトランスデューサの実施例で、振動する機械的構成
要素の所望の機械的動きを可能にする２つのフラットな
形状の環状ばねを用いたものについて説明してきたが、
本発明は、フラットな形状の環状ばねを用いる設計に限
定されない。以下のものに限定されないが、コイルば
ね、弾性チューブ、偏倚ロッド、又はワイヤを含む多く
の形状の弾性部材を、機械的振動のための弾性部材とし
て用いることができる。更に、機械的又は弾性的手段に
よる他の機械的振動が実現されている場合には、機械的
振動のために機械的弾性部材は不要である。
国特許第５，０１６，４６９号及び５，１３８，８７２
号に関連し、参照して本明細書の一部としている。本発
明の粘弾性トランスデューサは、例えばＨｅｎｄｅｒｓ
ｏｎに付与された米国特許第５，０１６，４６９号に記
載のトランスデューサの代わりに用いることができる。
また本発明の粘弾性トランスデューサを、この特許明細
書に記載の電子回路と共に用いることもできる。図１〜
図４には、磁石カップ部１０、永久磁石１２、及び磁極
１４が示されており、これらの要素は永久磁石１２と磁
極１４との間のギャップに一様な磁界を生成するように
位置を整合させて接着剤により組み立てられる。プロー
ブアダプタハブ１８は、環状ばねアセンブリ２０の内側
リング３０と独立コイル１６の双方に接着される。環状
ばねアセンブリ２０の外縁部は、磁石１２と磁極１４と
の間のギャップ内にコイル２０を位置させるように整合
されており、磁極１４に接着される。カバー１０は、ば
ねアセンブリ２０の外縁部に接着剤で接着されている。
図１〜図４に示すトランスデューサ内を動く機械的プロ
ーブは、プローブアダプタハブ１８、コイル１６、使い
捨てプローブ２４、及び環状ばねアセンブリ２０の内側
リング３０からなる。組み立ての際に適切な整合をとる
ことにより、この機械的プローブは磁気ギャップ間のク
リアランスを維持しつつ軸線方向に移動できるようにな
る。コイル１６は、機械的プローブを駆動するため、且
つプローブの移動を検出するために用いられる。本発明
のトランスデューサの通常の特徴的応答が図５に示され
ている。このトランスデューサは種々の従来型の制御回
路と共に使用することができるが、特に米国特許第５，
１３８，８７２号明細書に記載の回路と共に使用するた
めに設計されている。この回路は、トランスデューサ
を、試験サンプル内でその共振周波数で動かす。粘性が
高くなるにつれトランスデューサのインピーダンスは低
くなる。弾性が高くなるにつれ共振周波数は高くなる。
図５には、空中、水中、高濃度鉱油中、及び鉱油ゲル中
での、このトランスデューサの性能が示されている。試
験サンプルの粘性の特性は共振ピークの減衰の仕方に特
徴が現れている。サンプルの弾性の特性は、周波数の変
化に特徴が現れている。図４には、真鍮製の内側リング
３０及び外側リング２８にはんだ付けされた２つの環状
ばね２６から構成されている環状ばねアセンブリ２０が
示されている。この２つの環状ばね２６は、例えば米国
コネチカット州グラストンベリー（Ｇｌａｓｔｏｎｂｕ
ｒｙ）のＣｏｎａｒｄ社から市販されているものよう
な、従来型の光化学加工プロセスを用いてベリリウム銅
板から作製されたものである。２つの環状ばね２６のコ
ンプライアンスは、バネのウェブの長さ、幅、又は厚み
を変更することによって変えることができる。ベリリウ
ム銅以外の材料を用いてもよい。しかし、その優れた安
定したばね特性のため、好ましい材料はベリリウム銅で
ある。環状ばねアセンブリ２０は、鉛錫はんだを用いて
結合されるが、溶接、鑞づけ、又は接着により結合する
こともできる。上述のように、環状ばねアセンブリ２０
は２つの平行をなすばね２６を用いて構成され、機械的
プローブに横方向の剛性を与えている。１つのばねを用
いても粘弾性トランスデューサとしては優れた性能が発
揮できるが、使い捨て試験プローブの着脱に関するオペ
レータの操作の際にコイル１６が損傷するのを防止する
横方向の剛性を与えることはできない。ばねアセンブリ
２０は軸線方向の変位を除く全ての方向の移動に対して
の剛性を与えている。２以上の環状ばね２６を用いるこ
ともできるが、この場合はコストや複雑さが増す割に、
不必要な機械的偏倚に耐性を与える機械的剛性の改善度
は小さい。本発明の粘弾性トランスデューサの機械的設
計には、使い捨て機械的プローブ２４の動きの範囲を制
限する物理的止め手段が含まれている。磁石１２が内向
きの偏倚を制限し、カバー２２は外向きの偏倚を制限す
る。これらの物理的止め手段により、環状ばねアセンブ
リ２０が使い捨てプローブ２４の着脱の際に過剰に変形
することが防止される。この設計により、プローブアダ
プタハブ１８の、磁石１２又はカバー２２の何れかに対
する正常な位置からの動きは約０．２５４ｍｍ（０．０
１０インチ）程度に押さえることができる。この動きの
量は環状ばねアセンブリ２０の弾性偏倚動作領域内に収
まっている。しかしこれらの止め手段は、正常な試験操
作の際の機械的プローブ２４の動きの範囲である約０．
００５０８ｍｍ（０．０００２０インチ）よりはるかに
大きい距離だけ離れたところにある。要するに本発明の
粘弾性トランスデューサは、液体又はゲルの粘性特性を
特性化するための、単純で信頼性が高く精度の高いトラ
ンスデューサとなる。更にこのトランスデューサでは、
望ましくない機械的応力に対するトランスデューサの耐
久性を高め、ばね部材の弾性動作限界の範囲内にトラン
スデューサの機械的偏倚を制限する機構を組み込んでお
り、これにより従来技術より優れたものとなっている。
この設計によって、耐久性を犠牲にすることなく、ばね
アセンブリ２０のコンプライアンスも高められる。この
ような高いばねのコンプライアンスは弱いゲルに対する
トランスデューサの感度を高めるために望ましい。本発
明のトランスデューサの実施例で、軸線方向に動く設計
のものについて説明してきたが、本発明のトランスデュ
ーサは、径方向や、横方向や、旋回方向の振動、又は任
意の他のタイプの振動をするように設計することができ
る。本発明のトランスデューサで、機械的駆動用と動き
ピックアップ用の両方の目的で１個のコイルを用いる実
施例について説明してきた。しかし、各用途について個
別のコイルを用いることもできる。より大きな動きがで
きるように追加のコイル又は他の手段を組み込むことも
できる。旋回運動する設計では、駆動用の複数のコイル
とピックアップ用の複数のコイルとを用いてもよい。駆
動やピックアップ用のデバイスはコイルに限定されな
い。他の電圧を用いる方法には、ホール効果を利用し
た、容量性の、圧電性の、又は他の形態の電気機械的エ
ネルギーの変換又は検出方法が含まれる。最後に、本発
明のトランスデューサの実施例で、振動する機械的構成
要素の所望の機械的動きを可能にする２つのフラットな
形状の環状ばねを用いたものについて説明してきたが、
本発明は、フラットな形状の環状ばねを用いる設計に限
定されない。以下のものに限定されないが、コイルば
ね、弾性チューブ、偏倚ロッド、又はワイヤを含む多く
の形状の弾性部材を、機械的振動のための弾性部材とし
て用いることができる。更に、機械的又は弾性的手段に
よる他の機械的振動が実現されている場合には、機械的
振動のために機械的弾性部材は不要である。
【発明の効果】上記のように機械的プローブの弾性変形
を制限し、所望の弾性動作方向を除いて、概ね剛性の機
械的プローブ設計を実現する機械的止め手段を設けるこ
とにより、トランスデューサがオペレータの取扱いによ
る損傷をこうむるのを最小限に抑えることができる。
を制限し、所望の弾性動作方向を除いて、概ね剛性の機
械的プローブ設計を実現する機械的止め手段を設けるこ
とにより、トランスデューサがオペレータの取扱いによ
る損傷をこうむるのを最小限に抑えることができる。
【図１】本発明に従って構成された粘弾性トランスデュ
ーサの斜視図である。
ーサの斜視図である。
【図２】図１の粘弾性トランスデューサの断面図であ
る。
る。
【図３】図１及び図２の粘弾性トランスデューサの組立
分解図である。
分解図である。
【図４】図１乃至図３の粘弾性トランスデューサに用い
られる環状ばねアセンブリの組立分解図である。
られる環状ばねアセンブリの組立分解図である。
【図５】図１乃至図４の粘弾性トランスデューサにおい
て、駆動周波数と機械的プローブ変位との関係を示すグ
ラフである。
て、駆動周波数と機械的プローブ変位との関係を示すグ
ラフである。
【図６】図１乃至図４の粘弾性トランスデューサにおい
て、駆動周波数と機械的プローブ速度との関係を示すグ
ラフである。
て、駆動周波数と機械的プローブ速度との関係を示すグ
ラフである。
１０ 磁石カップ部 １２ 永久磁石 １４ 磁極 １６ 独立コイル １８ プローブアダプタハブ ２０ 環状ばねアセンブリ ２２ カバー ２４ 使い捨てプローブ ２６ 環状ばね ２８ 外側リング ３０ 内側リング
Claims (10)
- 【請求項１】 その粘性特性が求められる液体又はゲ
ルに機械的プローブ部材が浸漬され、前記プローブ部材
が所望の振動を与えるように駆動される型の粘性分析器
において使用するためのトランスデューサであって、 所望の振動の方向以外の任意の方向へのプローブ部材の
動きを制限する動き制限手段を有することを特徴とする
トランスデューサ。 - 【請求項２】 前記動き制限手段が、所望の振動の方
向におけるプローブ部材の偏倚を制限するための機械的
止め手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のトラ
ンスデューサ。 - 【請求項３】 前記プローブ部材が、使い捨て要素及
び非使い捨て要素を含むことを特徴とする請求項１に記
載のトランスデューサ。 - 【請求項４】 前記動き制限手段が、前記プローブ部
材に結合された、前記プローブ部材の軸線に沿った方向
以外の全ての方向における前記プローブ部材の動きを制
限するための環状ばねアセンブリを含むことを特徴とす
る請求項１に記載のトランスデューサ。 - 【請求項５】 前記環状ばねアセンブリが、互いに離
隔され、且つその外縁部において環状リングに同軸で結
合された一対の環状ばねを含むことを特徴とする請求項
４に記載のトランスデューサ。 - 【請求項６】 前記環状ばねのそれぞれが、ベリリウ
ム銅製環状リングを含むことを特徴とする請求項５に記
載のトランスデューサ。 - 【請求項７】 その粘性特性が求められる液体又はゲ
ルに機械的プローブ部材が浸漬され、前記プローブ部材
が所望の振動を与えるように駆動される型の粘性分析器
において使用するためのトランスデューサであって、 所望の振動の方向での前記プローブ部材の偏倚を制限す
るための止め手段を含むことを特徴とするトランスデュ
ーサ。 - 【請求項８】 前記プローブ部材が、使い捨て要素と
非使い捨て要素を含むことを特徴とする請求項７に記載
のトランスデューサ。 - 【請求項９】 前記止め手段が、カバー部材及び磁石
の組み合わせを含むことを特徴とする請求項７に記載の
トランスデューサ。 - 【請求項１０】 前記止め手段が、カバー部材及び磁
石の組み合わせを含むことを特徴とする請求項２に記載
のトランスデューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11148618A JP2000314695A (ja) | 1999-04-20 | 1999-04-20 | 粘弾性測定用の耐久性トランスデューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11148618A JP2000314695A (ja) | 1999-04-20 | 1999-04-20 | 粘弾性測定用の耐久性トランスデューサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000314695A true JP2000314695A (ja) | 2000-11-14 |
| JP2000314695A5 JP2000314695A5 (ja) | 2006-06-15 |
Family
ID=15456822
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11148618A Pending JP2000314695A (ja) | 1999-04-20 | 1999-04-20 | 粘弾性測定用の耐久性トランスデューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000314695A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106596344A (zh) * | 2017-02-13 | 2017-04-26 | 长春理工大学 | 基于电磁感应的粘度检测传感器 |
| CN109060601A (zh) * | 2018-09-21 | 2018-12-21 | 世纪亿康（天津）医疗科技发展有限公司 | 一种传感器及粘度计 |
| CN111771115A (zh) * | 2018-03-07 | 2020-10-13 | 弗朗西斯科·提姆珀尼 | 用于材料的非破坏性表征的按扣装置 |
-
1999
- 1999-04-20 JP JP11148618A patent/JP2000314695A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106596344A (zh) * | 2017-02-13 | 2017-04-26 | 长春理工大学 | 基于电磁感应的粘度检测传感器 |
| CN111771115A (zh) * | 2018-03-07 | 2020-10-13 | 弗朗西斯科·提姆珀尼 | 用于材料的非破坏性表征的按扣装置 |
| CN111771115B (zh) * | 2018-03-07 | 2024-06-07 | 弗朗西斯科·提姆珀尼 | 用于材料的非破坏性表征的按扣装置 |
| CN109060601A (zh) * | 2018-09-21 | 2018-12-21 | 世纪亿康（天津）医疗科技发展有限公司 | 一种传感器及粘度计 |
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