JPH09304261A - 粘度の計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熟練者でなくても短時間で正確な粘度計測を行
うことのできる計測方法及び装置を提供することを目的
とする。 【解決手段】試料の入ったシリンダー１４と、シリンダ
ー１４に接続された細管１５と、シリンダー１４内を移
動可能なピストン１６と、シリンダー１４内の圧力を計
測する圧力計測手段とを備え、ピストン１６をシリンダ
ー１４に対して予め設定された一定の相対速度で移動さ
せることによって試料を細管１５から流出させ、そのと
きのシリンダー内の圧力に基づき、バーゲン・ポアズイ
ユの法則にしたがって試料の粘度を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流動体である試料
を細管から流出させ、バーゲン・ポアズイユの法則にし
たがって粘度を計測する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来における粘度の計測装置８０
を示す図である。図５において、計測装置８０は、試料
を入れたシリンダー８１、シリンダー８１に取り付けら
れた細管８２、試料を油圧によって加圧するためのギヤ
ポンプ８３、三方弁８４、圧力計８５、油タンク８６、
及び配管８７などによって構成されている。ギヤポンプ
８３は、図示しない誘導電動機によって回転駆動されて
おり、その回転数から吐出量が計算により求められる。

【０００３】粘度の測定に当たって、その準備段階とし
て、シリンダー８１に試料を入れ、シリンダー８１に配
管８７を接続した後、三方弁８４を油タンク８６の側へ
切り換えた状態でギヤポンプ８３を回転させ、油を配管
８７内で循環させて空気抜きを行う。その後に、三方弁
８４をシリンダー８１の側へ切り換えて、油圧によって
シリンダー８１内の試料を加圧し、細管８２から流出さ
せる。そのときの圧力計８５の指示値を目視で読み取
り、それとギヤポンプ８３の回転数、細管８２の管部の
半径及び長さに基づいて、バーゲン・ポアズイユの式を
用いて粘度を計算する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の計測装置８０によると、測定を行う前の準備段階にお
いて、配管８７内の空気抜きを行うのに２時間程度の長
時間を要しており、その作業に手間がかかって大変であ
った。このような空気抜きの作業は、試料を変える毎に
行わなくてはならず、粘度測定の大きな足かせとなって
いた。

【０００５】しかも、バーゲン・ポアズイユの式におけ
る流量として、ギヤポンプ８３の吐出量が用いられるの
であるが、ギヤポンプ８３では油のリークがあるので、
その吐出量の信頼性を高めるために測定の度毎にギヤポ
ンプ８３の検定を受けなければならず、その手間が大変
であるとともに、検定を受けている間は粘度測定ができ
なかった。

【０００６】また、試料の剪断速度に応じて、ギヤポン
プ８３のギヤ及び細管８２を交換する必要があり、しか
もそれらの組み合わせによって定まる特定の剪断速度に
ついてのみしか測定ができなかった。そのため、測定で
きない剪断速度については、それに近い値で測定を行
い、後で類推によって求めるしかなった。

【０００７】そして、粘度の計算を手計算で行っている
ために、計算作業が大変であるとともに計算ミスの発生
する可能性があった。そのため、熟練者でなければ安定
した測定を行うことができなかった。

【０００８】本発明は、上述の問題に鑑みてなされたも
ので、熟練者でなくても短時間で正確な粘度計測を行う
ことのできる計測方法及び装置を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る方
法は、試料の入ったシリンダーと、前記シリンダーに接
続された細管と、前記シリンダー内を移動可能なピスト
ンと、前記シリンダー内の圧力を計測する圧力計測手段
とを備え、前記ピストンを前記シリンダーに対して予め
設定された一定の相対速度で移動させることによって前
記試料を前記細管から流出させ、そのときのシリンダー
内の圧力に基づき、バーゲン・ポアズイユの法則にした
がって前記試料の粘度を求める。

【００１０】請求項２の発明に係る装置は、試料を入れ
るためのシリンダーと、前記シリンダーに接続され一端
が大気に開放された細管と、前記シリンダー内を移動可
能なピストンと、前記シリンダー内の圧力を計測する圧
力計測手段と、前記ピストンと前記シリンダーとを予め
設定された一定の相対速度で移動させるための駆動装置
と、前記圧力及び前記速度に基づき、バーゲン・ポアズ
イユの式にしたがって前記試料の粘度を演算する演算装
置と、を有して構成される。

【００１１】請求項３の発明に係る装置は、フレーム
と、前記フレームに対して移動可能に設けられたリフト
部材と、その軸方向に沿って移動可能なように前記リフ
ト部材に取り付けられるシリンダーと、前記シリンダー
に取り付けられる細管と、前記リフト部材を一定の速度
で移動させる駆動装置と、軸方向の移動が許容されて、
且つ前記シリンダーが移動したときに一端部が前記シリ
ンダーの内部に進入可能に設けられたピストンと、前記
ピストンの他端部の推力を受けてその推力を検出するた
めに前記フレームに固定的に設けられた推力検出手段
と、前記ピストンの有効面積及び前記推力に基づき、バ
ーゲン・ポアズイユの式にしたがって前記試料の粘度を
演算する演算装置と、を有して構成される。

【００１２】請求項４の発明に係る装置では、前記駆動
装置は、前記リフト部材に取り付けられたナット部材
と、前記ナット部材に螺合するネジ軸と、前記ネジ軸を
回転駆動する回転駆動装置と、を有して構成される。

【００１３】シリンダーとピストンとの相対移動によっ
て、シリンダー内の試料が細管から押し出される。シリ
ンダーとピストンとの相対移動速度とピストンの有効面
積とから、試料の吐出流量が求められる。また、シリン
ダー内の圧力は、圧力センサーによって直接に計測さ
れ、又はピストンに作用する推力と有効面積とから演算
によって計測される。

【００１４】バーゲン・ポアズイユの法則又は式にした
がって試料の粘度を求めるには、実質的にその法則又は
式にしたがっておればよく、例えば式の形、パラメータ
の種類、単位などには限定されない。したがって、例え
ば圧力又は速度に基づいて粘度を求める場合において、
必ずしも圧力又は速度に対応した値が用いられる必要は
ない。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る計測装置１を
示す正面図、図２は計測装置１のシリンダー１４の近辺
を拡大して示す断面図、図３は制御系及び測定系の構成
を示すブロック図である。

【００１６】図１において、計測装置１は、フレーム１
１、フレーム１１に鉛直方向に取り付けられたリニアガ
イドレール１２、リニアガイドレール１２に沿って鉛直
方向に移動可能に設けられたリフト部材１３、リフト部
材１３に取り付けられたシリンダー１４、シリンダー１
４に取り付けられた細管１５、ピストン１６、フレーム
１１に固定されたアーム１７、アーム１７に対して鉛直
方向の若干の移動が可能なように設けられピストン１６
と連結されたロッド１８、フレーム１１に取り付けられ
ロッド１８の上端が当接するロードセル１９、リフト部
材１３を鉛直方向に移動させる駆動装置２０などから構
成されている。

【００１７】駆動装置２０は、リフト部材１３に取り付
けられたナット部材４１、ナット部材４１に螺合するネ
ジ軸４２、ネジ軸４２にカップリング４３により連結さ
れた減速機４４、減速機４４にベルト４６で回転力を伝
えるモータ４５などから構成されている。

【００１８】モータ４５は、ＡＣ式のサーボモータであ
り、０〜１５００ＲＰＭの範囲において任意に設定され
た一定の回転速度で正確に回転する。モータ４５の回転
力はベルト４６によって１／２に減速されて減速機４４
に伝達され、減速機４４においてさらに１／５１に減速
される。したがって、ネジ軸４２は、モータ４５の回転
にともなって０〜１４．７ＲＰＭの範囲で回転する。

【００１９】ナット部材４１は、ネジ軸４２とボールに
よって接触する高精度のものであり、ネジ軸４２の１回
転によって鉛直方向に１０ｍｍ移動する。したがって、
モータ４５が回転すると、リフト部材１３は、リニアガ
イドレール１２に沿って０〜１４７ｍｍ／ｍｉｎの範囲
における一定の速度で上昇し又は下降する。なお、モー
タ４５の回転速度を可変することによってリフト部材１
３の移動速度も可変される。リフト部材１３が移動する
と、それに取り付けられたシリンダー１４はその軸方向
に移動する。

【００２０】シリンダー１４は、リフト部材１３に対し
て着脱可能に設けられており、リフト部材１３から取り
外した状態でその内部に試料Ｚを入れ、その後でリフト
部材１３に取り付ける。リフト部材１３が上昇移動する
と、ピストン１６の下端部１６ａがシリンダー１４の内
部に進入し、これによってシリンダー１４内に入った試
料Ｚが加圧される。但し、ピストン１６及びこれと連結
されたロッド１８は上下方向に移動が許容されているの
で、ロッド１８の上端がロードセル１９に当接するまで
の間は、シリンダー１４の上昇移動にともなってピスト
ン１６も上昇移動する。ロッド１８の上端がロードセル
１９に当接した後において、ピストン１６によってシリ
ンダー１４内の試料Ｚが加圧され、圧力Ｐが発生する。
これによって、シリンダー１４内の試料Ｚが細管１５の
下端部から大気中に押し出される。

【００２１】このとき、ロードセル１９は、ロッド１８
の推力を受け、その推力Ｆに応じた検出信号Ｓ１を出力
する。ロードセル１９の出力する検出信号Ｓ１は、シリ
ンダー１４の内部に発生した圧力Ｐを受けたピストン１
６の推力Ｆを直接的に伝達することによって得られるの
で、推力Ｆを正確に計測したものとなる。また、ロード
セル１９が固定されており、ピストン１６及びロッド１
８の軸方向の移動が許容されているので、ロードセル１
９に余計な振動が与えられることなく、また電気的ノイ
ズが入り難くなり、計測値の信頼性が向上する。また、
ロードセル１９がシリンダー１４から距離が離れている
ので、シリンダー１４を加熱した場合にその熱の影響を
受けない。

【００２２】図２において、ピストン１６の下端部１６
ａには、摺動抵抗の少ないテフロン（商標名）製のＵパ
ッキンが装着されており、下端部１６ａはシリンダー１
４の内周面に沿って密に摺動する。つまり下端部１６ａ
が実質的なピストンである。シリンダー１４の内径は４
５ｍｍであり、したがって、ピストン１６の有効面積Ｅ
は１５．９０３ｃｍ² である。なお、シリンダー１４内
には約２９０ｃｃの試料Ｚが充填可能である。また、上
述のロードセル１９は、２０００ｋｇまでの推力Ｆを
０．５ｋｇの分解能で計測するものであり、シリンダー
１４の内圧に換算すると１２５．７６ｋｇ／ｃｍ² まで
の圧力Ｐを０．０３１４ｋｇ／ｃｍ² の分解能で計測可
能である。

【００２３】シリンダー１４には、その下端面にキャッ
プ１４１が設けられており、キャップ１４１に設けられ
たネジ孔の１つに上述の細管１５が取り付けられてい
る。細管１５は、粘度の計測用としてＡＳＴＭ（米国材
料試験協会規格）又はＪＩＳ（日本工業規格）などによ
り規格化されたものが用いられる。例えば、細管番号が
１号〜８号に対して、それぞれの管部の半径Ｒ及び長さ
Ｌが決められている。しかし、規格化された以外の細管
を用いてもよい。

【００２４】キャップ１４１に設けられたネジ孔の他の
１つに、試料Ｚの温度を計測するための白金抵抗体１４
２が挿入されている。なお、キャップ１４１には他の１
つのネジ孔が予備として設けられている。

【００２５】図３において、制御部５０には、スタート
キーＳＷ１、ストップキーＳＷ２、テンキーＫ１、表示
部５３、モータ４５、及びロードセル１９などが接続さ
れている。制御部５０には、モータ駆動部５１及び演算
部５２が設けられている。演算部５２には、細管番号Ｎ
に対応する半径Ｒ及び長さＬのデータを格納したテーブ
ルＴＢ１が格納されており、また、シリンダー１４の有
効面積Ｅ、モータ４５の回転速度とリフト部材１３の移
動速度との換算係数、その他の種々の係数又は定数を格
納するメモリＭＭが設けられている。テンキーＫ１によ
って、細管番号Ｎ及び剪断率Ｓの入力が可能である。ス
タートキーＳＷ１によってモータ４５が回転し、ストッ
プキーＳＷ２によって停止する。

【００２６】次に、計測装置１による粘度計測の操作又
は処理動作について、図４に示すフローチャートを参照
して説明する。まず、シリンダー１４をリフト部材１３
から取り外し、中に試料Ｚを入れる（＃１１）。このと
き、試料Ｚ内に空気をできる限り含まないように注意す
る。シリンダー１４に所定の細管１５を取り付けた後、
シリンダー１４を再度リフト部材１３に取り付ける（＃
１２）。リフト部材１３を少し上昇させ、ピストン１６
の下端部１６ａをシリンダー１４内に進入させ、ロッド
１８とロードセル１９との間のクリアランスを少なくす
る（＃１３）。

【００２７】テンキーＫ１を用いて細管番号Ｎ及び剪断
率Ｓ〔１／ｓｅｃ〕を入力する（＃１４）。細管番号Ｎ
は、測定したい剪断率Ｓに応じて決定する。なお、剪断
率Ｓは次の（１）式で示される。

【００２８】Ｓ＝４（ｖ／ｔ）／πＲ³ ……（１） 但し、ｖ：吐出流量 ｔ：単位時間 Ｒ：細管の半径 細管番号Ｎ及び剪断率Ｓの入力が確定した時点におい
て、演算部５２は、吐出流量（ｖ／ｔ）〔ｃｃ／ｓｅ
ｃ〕を次の（２）式により演算する。なお、細管番号Ｎ
に基づいて、テーブルＴＢ１から半径Ｒ及び長さＬが読
み出され、以降の演算に用いられる。

【００２９】ｖ／ｔ＝ＳπＲ³ ／４ ……（２） そして、吐出流量（ｖ／ｔ）からモータ４５の回転速度
を演算する（＃１５）。

【００３０】そこでスタートキーＳＷ１を押す（＃１
６）。モータ４５が回転し、シリンダー１４が上昇して
ロッド１８がロードセル１９に当接する。シリンダー１
４内の圧力Ｐが上昇し、まもなく安定する。この間にお
いて、ピストン１６に加えられる推力Ｆが表示部５３に
表示されるので、推力Ｆが安定するのを待ってストップ
キーＳＷ２を押す（＃１８）。この間に推力Ｆが計測さ
れる（＃１７）。

【００３１】計測された推力Ｆは、次の（３）式により
圧力Ｐに変換され、これによって圧力Ｐが計測される。 Ｐ＝Ｆ／Ｅ ……（３） 但し、Ｅはピストン１６の有効面積であり、上述の例で
は１５．９０３〔ｃｍ ² 〕である。また、次の（４）式
により粘度（見かけ粘度）η〔ｄｙｎ・ｓｅｃ／ｃ
ｍ² 〕が算出される（＃１９）。

【００３２】 η＝〔Ｐ×９８０６６５×π×Ｒ⁴ 〕／〔８×Ｌ×（ｖ／ｔ）〕…（４） 算出された粘度ηは、測定条件及び剪断率Ｓとともに、
表示部５３に表示される。剪断率Ｓを変更して粘度ηを
計測するには、ステップ＃１４以降の操作又は処理動作
を繰り返す。なお、推力Ｆ、モータ４５の回転速度、温
度などの種々のデータの取得、表示などは自動的に行わ
れる。

【００３３】上述の実施形態の計測装置１によると、回
転速度の正確なモータ４５によってシリンダー１４を一
定の速度で移動させ、シリンダー１４に対して一定の相
対速度のピストン１６によって試料Ｚを押し出している
ので、吐出流量が一定で正確である。ピストン１６の推
力Ｆがロードセル１９によって正確に計測され、これと
有効面積Ｅに基づいて正確な圧力Ｐが得られる。したが
って、粘度ηが正確に計測される。

【００３４】しかも、データの取得、計算などが演算部
５２によって自動的に行われるので、従来のような測定
者の違いによるばらつき又は誤差がない。従来のギヤポ
ンプのようなリークがないので、吐出流量が正確であ
り、検定も不要である。その上、従来のように圧油に混
入した空気を抜き取るための空気抜き作業を必要としな
いので、その作業に要していた時間と労力を削減するこ
とができ、極めて短時間で計測を行うことができる。例
えば試料Ｚの１回の計測が６分程度で行える。したがっ
て、計測の頻度を増やすことが可能となり、測定の再現
性も確保され、測定の信頼性に大きく貢献する。

【００３５】また、モータ４５の回転速度を広い範囲で
任意に設定することができるので、種々の試料Ｚについ
て、広い範囲の剪断率Ｓでの計測を行うことができる。
したがって、細管１５を交換することなく種々の試料Ｚ
を計測することも可能である。また、従来においては１
号〜８号の細管番号Ｎのものを使用していたが、その種
類を減少させることもできる。

【００３６】なお、計測装置１による計測は、通常、恒
温室において行われる。しかし、恒温室がない場合、又
はより高い温度での計測を行う場合には、シリンダー１
４及び細管１５を加熱して試料Ｚを一定の温度に保持す
るようにすればよい。

【００３７】上述の計測装置１において、粘度ηを求め
るための演算の内容、順序、式などは、適宜変更するこ
とができる。また、データの取得時又は演算の途中にお
いて、推力Ｆ、圧力Ｐ、半径Ｒ、長さＬ、吐出流量など
の各パラメータを正確に示す値を必ずしも得る必要はな
い。適当な係数を用いることによって、それらのうちの
いくつかのパラメータを実質的に示すデータで代用する
ことができる。

【００３８】ピストン１６として、その下端部１６ａが
シリンダー１４の内周面に密に摺動するものを用いた
が、外径をシリンダー１４の内径よりも小さくしてシリ
ンダー１４の内周面を摺動しないものでもよい。その場
合には、例えばシリンダー１４の上端面を覆うキャップ
を設け、そのキャップに対して密に摺動させればよい。
また、シリンダー１４の内部に予めピストンを入れてお
き、このシリンダー１４を移動させることによって外部
に固定したロッドとピストンを当接させ、これによって
ピストンとシリンダーとを相対移動させてもよい。

【００３９】モータ４５の回転速度の範囲は、上述した
以外の範囲としてもよい。モータ４５として、ＤＣ式の
サーボモータ、同期モータなどを用いてもよい。その
他、計測装置１の全体又は各部の構成、形状、寸法、材
質、操作又は処理動作の内容、順序などは、本発明の主
旨に沿って適宜変更することができる。

【００４０】本発明によって、接着剤又はシーリング剤
などを試料としてその粘度を動的に計測し、それらの動
的な流動特性を把握することができるので、例えばロボ
ットによって自動塗布を行う工程、合成樹脂を成形する
工程、合成樹脂材料から糸状体を引き出す工程など、種
々の工程における制御に役立てることができる。

【００４１】

【発明の効果】請求項１乃至請求項４の発明によると、
熟練者でなくても短時間で正確な粘度計測を行うことが
できる。

【００４２】請求項３及び請求項４の発明によると、ピ
ストンの推力が推力検出手段によって正確に計測され、
これと有効面積とに基づいて正確な圧力が得られるの
で、粘度が正確に計測される。

【００４３】請求項４の発明によると、シリンダーとピ
ストンとの相対移動速度を広い範囲で任意に設定するこ
とができ、種々の剪断率での計測が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る計測装置を示す正面図である。

【図２】計測装置のシリンダーの近辺を拡大して示す断
面図である。

【図３】制御系及び測定系の構成を示すブロック図であ
る。

【図４】計測装置による粘度計測の操作又は動作を示す
フローチャートである。

【図５】従来における粘度の計測装置を示す図である。

【符号の説明】

１ 計測装置 １１ フレーム １３ リフト部材 １４ シリンダー １５ 細管 １６ ピストン １９ ロードセル（推力検出手段） ２０ 駆動装置 ４１ ナット部材 ４２ ネジ軸 ４５ モータ（回転駆動装置） ５２ 演算部（演算装置、計測手段） Ｚ 試料

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料の入ったシリンダーと、前記シリンダ
   ーに接続された細管と、前記シリンダー内を移動可能な
   ピストンと、前記シリンダー内の圧力を計測する圧力計
   測手段とを備え、 前記ピストンを前記シリンダーに対して予め設定された
   一定の相対速度で移動させることによって前記試料を前
   記細管から流出させ、そのときのシリンダー内の圧力に
   基づき、バーゲン・ポアズイユの法則にしたがって前記
   試料の粘度を求める、 ことを特徴とする粘度の計測方法。
2. 【請求項２】試料を入れるためのシリンダーと、 前記シリンダーに接続され一端が大気に開放された細管
   と、 前記シリンダー内を移動可能なピストンと、 前記シリンダー内の圧力を計測する圧力計測手段と、 前記ピストンと前記シリンダーとを予め設定された一定
   の相対速度で移動させるための駆動装置と、 前記圧力及び前記速度に基づき、バーゲン・ポアズイユ
   の式にしたがって前記試料の粘度を演算する演算装置
   と、 を有してなることを特徴とする粘度の計測装置。
3. 【請求項３】フレームと、 前記フレームに対して移動可能に設けられたリフト部材
   と、 その軸方向に沿って移動可能なように前記リフト部材に
   取り付けられるシリンダーと、 前記シリンダーに取り付けられる細管と、 前記リフト部材を一定の速度で移動させる駆動装置と、 軸方向の移動が許容されて、且つ前記シリンダーが移動
   したときに一端部が前記シリンダーの内部に進入可能に
   設けられたピストンと、 前記ピストンの他端部の推力を受けてその推力を検出す
   るために前記フレームに固定的に設けられた推力検出手
   段と、 前記ピストンの有効面積及び前記推力に基づき、バーゲ
   ン・ポアズイユの式にしたがって前記試料の粘度を演算
   する演算装置と、 を有してなることを特徴とする粘度の計測装置。
4. 【請求項４】前記駆動装置は、 前記リフト部材に取り付けられたナット部材と、 前記ナット部材に螺合するネジ軸と、 前記ネジ軸を回転駆動する回転駆動装置と、 を有してなる請求項３記載の粘度の計測装置。