特開 2024-119694 振動子、粘性センサ及び粘性センサユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024119694

(43)【公開日】2024-09-03

(54)【発明の名称】振動子、粘性センサ及び粘性センサユニット

(51)【国際特許分類】

   G01N 11/10 20060101AFI20240827BHJP

【ＦＩ】

G01N11/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023026775

(22)【出願日】2023-02-22

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２０年、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＩｏＴ社会実現のための革新的センシング技術開発／革新的センシング技術開発／極限環境の液体管理をＩｏＴ化する革新的粘性センサの開発」に係る委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100170070

【弁理士】

【氏名又は名称】坂田 ゆかり

(72)【発明者】

【氏名】山本 泰之

(72)【発明者】

【氏名】小林 健

(57)【要約】

【課題】振動子、粘性センサ及び粘性センサユニットを小型化することができる。
【解決手段】棒状部材を渦巻き状に巻回した第１部材及び第２部材と、第１部材の表面に設けられた駆動部と、を備える。第１部材及び第２部材は、第１部材の間に第２部材が設けられ、かつ、第１部材と第２部材とが対向して設けられた二重渦巻き構造を有する。駆動部は、複数の圧電素子を有し、圧電素子は、それぞれ、第１部材の長手方向に沿った中心線との圧電素子との交点における中心線の接線に対して略４５度傾けて設いている。複数の圧電素子は、第１部材の長手方向に沿って並んで配置されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

棒状部材を渦巻き状に巻回した第１部材及び第２部材と、
前記第１部材の表面に設けられた駆動部と、
を備え、
前記第１部材及び前記第２部材は、前記第１部材の間に前記第２部材が設けられ、かつ、前記第１部材と前記第２部材とが対向して設けられた二重渦巻き構造を有し、
前記駆動部は、複数の圧電素子を有し、
前記圧電素子は、それぞれ、前記第１部材の長手方向に沿った第１中心線に対して傾いており、
複数の前記圧電素子は、前記第１部材の長手方向に沿って並んで配置されていることを特徴とする振動子。

【請求項2】

前記圧電素子は、それぞれ、前記第１中心線との前記圧電素子との交点における前記第１中心線の接線である第１接線に対して略４５度傾いていることを特徴とする請求項１に記載の振動子。

【請求項3】

前記第１部材の表面に設けられた変位測定部を備え、
前記変位測定部は、複数の圧電型変位センサを有し、
前記圧電型変位センサは、前記第１中心線に対して傾いており、
複数の前記圧電型変位センサは、前記第１部材の長手方向に沿って並んで配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動子。

【請求項4】

前記圧電型変位センサは、前記第１中心線との前記圧電素子との交点における前記第１中心線の接線である第２接線に対して略４５度傾いていることを特徴とする請求項３に記載の振動子。

【請求項5】

複数の前記圧電素子は、前記第１部材の長手方向の略全体にわたって設けられており、
複数の前記圧電型変位センサは、前記第１部材の最外周の一部に設けられている
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の振動子。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一項に記載の振動子を備えたことを特徴とする粘性センサ。

【請求項7】

前記第１部材と前記第２部材との隙間は、中心部から外周部に向かうにつれて徐々に狭くなることを特徴とする請求項６に記載の粘性センサ。

【請求項8】

前記圧電素子を駆動する駆動信号発生部を備え、
前記駆動信号発生部は、前記第１部材を、前記第１部材の延設方向と略直交する方向に、一定期間、一定速度で移動させることを特徴とする請求項６又は７に記載の粘性センサ。

【請求項9】

前記第２部材の表面に設けられた複数の第２圧電型変位センサを有する第２変位測定部と、
前記第２圧電型変位センサの測定結果を取得する変位取得部と、
前記第１部材と前記第２部材との間に充填された液体の粘度を算出する粘度算出部と、
を備え、
前記第２圧電型変位センサは、前記第２部材の長手方向に沿った第２中心線に対して傾いた状態で、前記第２部材の長手方向に沿って並んで設けられており、
前記粘度算出部は、前記変位取得部が取得した結果に基づいて前記粘度を算出することを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の粘性センサ。

【請求項10】

請求項６から９のいずれか一項に記載の粘性センサと、
前記振動子を覆うように設けられた筐体と、
ポンプと、
を備え、
前記筐体は、前記振動子が内部に設けられる空洞部と、前記空洞部を外部と連通する流路と、を有し、
前記ポンプは、前記流路を介して前記空洞部に液体を流入させることを特徴とする粘性センサユニット。

【請求項11】

前記ポンプは、前記筐体に設けられたダイヤフラムを含み、
前記ダイヤフラムは、前記振動子と平行に、前記空洞部を横断するように前記空洞部の内部に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の粘性センサユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動子、粘性センサ及び粘性センサユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、液体からの粘性応力を受ける構造体が二重渦巻き構造を有する粘度計であって、二重渦巻き構造の一方はばねに接続され、二重渦巻き構造の他方はアクチュエータに接続され、二重渦巻き構造の他方をアクチュエータにより渦巻きの中心軸に平行な方向に移動させることにより、二重渦巻き構造の一方と他方の二つの渦巻きのギャップの液体から粘性応力が発生するようにし、一方の渦巻きの中心軸に平行な方向の移動量が粘性応力に依存することを利用した二重渦巻き構造を有する粘度計が開示されている。

【0003】

また、非特許文献１には、液体からの粘性応力を受ける構造体が二重渦巻き構造を有する粘度計であって、渦巻き構造の外側の端部は固定されており、中央側の端部は渦巻きの中心軸に平行な方向にタケノコばねのように変形させ、二重渦巻き構造の一方には変位センサを設置し、他方には変位センサとアクチュエータを設置し、二重渦巻き構造の他方をアクチュエータにより渦巻きの中心軸に平行な方向に移動させることにより、二重渦巻き構造の一方と他方の二つの渦巻きのギャップの液体から粘性応力が発生するようにし、一方の渦巻きの中心軸に平行な方向の移動量が粘性応力に依存することを利用した二重渦巻き構造を有する粘度計が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許５４８３１１２号公報

【非特許文献1】山本泰之・松本壮平著 「MEMS技術を用いた超小型粘度センサー」 計測自動制御学会 「計測と制御」 ２０１５年５月号 第５４巻 第５号 ３５１－３５５頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の発明では、他方の渦巻きに接続されたピエゾアクチュエータで振動させている。以下、アクチュエータに接続された渦巻きを振動体という。しかしながら、ピエゾアクチュエータを振動体とは別に設置する方法では、装置が大型化し、部品点数が多く、複雑化し、低コスト化と小型化が困難であった。

【0006】

非特許文献１に記載の発明では、振動体の中心部をボイスコイルモータで移動させることで、二重渦巻き構造の他方（以下、感力体という）を振動させている。具体的には、振動体の中央部に磁石を設け、二重渦巻き構造を覆うケースの内部にコイルを設け、コイルにより磁石、すなわち振動体の中心部を移動させている。しかしながら、ボイスコイルモータを用いる場合には、部品点数が多くなり、ケースも大型化してしまう。また、ボイスコイルモータの出力を高くしようとすると、コイルが大型化してしまう。

【0007】

特許文献１および非特許文献１の粘度計は、液体がニュートン流体の場合にのみ正確に測定でき、非ニュートン流体の場合には大きな誤差が発生することがあった。

【0008】

非特許文献１に記載の発明では、流れが激しい場所に粘度計が設置されると、流れの状況によっては、理論と異なるずり応力が発生して粘度測定に誤差が発生したり、温度変動の影響を受けたり、渦巻き構造が破壊されたりするなどの影響を受けることがあるため、設置可能な場所が、流れが穏やかな場所に限定されていた。

【0009】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小型の振動子、粘性センサ及び粘性センサユニットを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明に係る振動子は、例えば、棒状部材を渦巻き状に巻回した第１部材及び第２部材と、前記第１部材の表面に設けられた駆動部と、を備え、前記第１部材及び前記第２部材は、前記第１部材の間に前記第２部材が設けられ、かつ、前記第１部材と前記第２部材とが対向して設けられた二重渦巻き構造を有し、前記駆動部は、複数の圧電素子を有し、前記圧電素子は、それぞれ、前記第１部材の長手方向に沿った第１中心線に対して傾いており、複数の前記圧電素子は、前記第１部材の長手方向に沿って並んで配置されていることを特徴とする。また、本発明の別の形態に係る粘性センサは、例えば、当該振動子を備えたことを特徴とする。

【0011】

本発明に係る振動子、粘性センサによれば、棒状部材を渦巻き状に巻回した第１部材及び第２部材が二重渦巻き構造を有し、第１部材の表面に設けられた駆動部が設けられている。駆動部が有する複数の圧電素子は、それぞれ、第１部材の長手方向に沿った第１中心線に対して傾いており、かつ、第１部材の長手方向に沿って並んで配置されている。これにより、駆動部が第１部材を第１部材の延設面と直交する方向に移動させことができる。したがって、小型の振動子とすることができる。

【0012】

前記圧電素子は、それぞれ、前記第１中心線との前記圧電素子との交点における前記第１中心線の接線である第１接線に対して略４５度傾いていてもよい。圧電素子が振動体に発生させるねじりによる変形は、圧電素子の延設方向に対して４５度傾いた方向が最も大きくなるため、圧電素子を第１接線に対して略４５度傾けることで圧電素子が最も効率よく振動体１１をねじり変形させることができる。

【0013】

前記第１部材の表面に設けられた変位測定部を備え、前記変位測定部は、複数の圧電型変位センサを有し、前記圧電型変位センサは、前記第１中心線に対して傾いており、複数の前記圧電型変位センサは、前記第１部材の長手方向に沿って並んで配置されていてもよい。これにより、変位センサにより測定された変位量に基づいて第１部材の変形量を所望の値にすることができる。

【0014】

前記圧電型変位センサは、前記第１中心線との前記圧電素子との交点における前記第１中心線の接線である第２接線に対して略４５度傾いていてもよい。これにより、第１部材の変位を正確に測定することができる。

【0015】

複数の前記圧電素子は、前記第１部材の長手方向の略全体にわたって設けられており、複数の前記圧電型変位センサは、前記第１部材の最外周の一部に設けられていてもよい。これにより、少しの変位センサで第１部材の中心端の変形量が分かる。

【0016】

前記第１部材と前記第２部材との隙間は、中心部から外周部に向かうにつれて徐々に狭くなってもよい。これにより、第１部材や第２部材の位置によらず、ずり速度（第１部材の移動速度／第１部材と第２部材との隙間）を一定に保つことができる。これにより、非ニュートン流体の粘度が測定可能になる。

【0017】

前記圧電素子を駆動する駆動信号発生部を備え、前記駆動信号発生部は、前記第１部材を、前記第１部材の延設方向と略直交する方向に、一定期間、一定速度で移動させてもよい。これにより、非ニュートン流体の粘度が測定可能になる。

【0018】

前記第２部材の表面に設けられた複数の第２圧電型変位センサを有する第２変位測定部と、前記第２圧電型変位センサの測定結果を取得する変位取得部と、前記第１部材と前記第２部材との間に充填された液体の粘度を算出する粘度算出部と、を備え、前記第２圧電型変位センサは、前記第２部材の長手方向に沿った第２中心線との前記圧電素子との交点における前記第２中心線の接線に対して傾いた状態で、前記第２部材の長手方向に沿って並んで設けられており、前記粘度算出部は、前記変位取得部が取得した結果に基づいて前記粘度を算出してもよい。これにより、第２圧電型変位センサの測定結果に基づいて粘度を算出することができる。

【0019】

上記課題を解決するために、本発明に係る粘性センサユニットは、例えば、粘性センサと、前記振動子を覆うように設けられた筐体と、ポンプと、を備え、前記筐体は、前記振動子が内部に設けられる空洞部と、前記空洞部を外部と連通する流路と、を有し、前記ポンプは、前記流路を介して前記空洞部に液体を流入させることを特徴とする。これにより、流れが激しい場所に設置しても正確な粘度測定が可能である。

【0020】

前記ポンプは、前記筐体に設けられたダイヤフラムを含み、前記ダイヤフラムは、前記振動子と平行に、前記空洞部を横断するように前記空洞部の内部に設けられていてもよい。これにより、粘性センサユニットを小型化することができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、振動子、粘性センサ及び粘性センサユニットを小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】二重渦巻き構造の振動子１の概略を示す平面図である。

【図2】図１の部分拡大図である。

【図3】圧電素子１３１による振動体１１の変形のシミュレーション結果を示す図である。グレーの濃度が濃くなるほど、紙面手前側への変位量が大きいことを示す。

【図4】振動体１１の最外周に位置する端を位置ゼロとして、長手方向に沿った位置と変形量との関係を示す図である。

【図5】振動子２の概略を示す平面図である。

【図6】圧電素子１３１及び変位センサ１４１の配置の変形例を示す図である。

【図7】粘性センサ３の電気的な構成を示すブロック図である。

【図8】振動体１１Ａをｚ方向に移動させたときに液体を介して感力体１２Ａがｚ方向に移動する様子を模式的に示す図である。

【図9】ずり速度ｖ／ｄと粘性応力σとの関係を示す図である。

【図10】駆動信号発生部２１による振動体１１Ａの駆動を説明する図であり、（Ａ）は時間と振動体１１Ａの変位との関係を示し、（Ｂ）は時間と速度との関係を示し、（Ｃ）は時間と感力体１２の変位との関係を示す。

【図11】粘性センサ３を含む粘性センサユニット４の概略を示す分解斜視図である。

【図12】圧電素子１３１を振動体１１の長手方向に沿って配置したときの振動体１１の変形のシミュレーション結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

【0024】

＜第１の実施の形態＞
図１は、振動子１の概略を示す平面図である。図２は、図１の部分拡大図である。振動子１は、棒状部材を渦巻き状に巻回した振動体１１（本発明の第１部材に相当）及び感力体１２（本発明の第２部材に相当）を有する。また、振動子１は、駆動部１３と、変位測定部１４とを有する。

【0025】

以下、振動体１１及び感力体１２が設けられている面をｘｙ平面とし、ｘｙ平面に直交する方向をｚ方向とする。ｘ方向及びｙ方向は直交する。振動子１の中心軸は、ｚ方向に沿っている。

【0026】

振動子１は、振動体１１の間に感力体１２が設けられ、かつ、振動体１１と感力体１２とが対向して設けられた二重渦巻き構造を有する。振動体１１と感力体１２との間には数μｍ～数百μｍの隙間が設けられている。二重渦巻き構造の振動子１は、振動体１１及び感力体１２の面積を広くしつつ小型化が可能であり、また、渦巻き構造の振動体１１及び感力体１２は、ばね定数が小さく、柔軟であるため壊れにくいという利点がある。

【0027】

このような二重渦巻き構造の振動子１を製作する方法としては、切削加工、ワイヤー放電加工、ＭＥＭＳ加工技術などがある。

【0028】

振動体１１及び感力体１２は、棒状部材を渦巻き状に巻くことにより形成される。ここでは、振動体１１及び感力体１２は、帯状の薄板を用いて形成されており、長手方向と直交する方向で切断したときの断面形状が矩形形状である。

【0029】

なお、振動体１１及び感力体１２の形状は図示した形態に限られない。例えば、振動体１１及び感力体１２の巻数はこれに限られないし、断面形状も矩形形状に限られない。

【0030】

振動体１１及び感力体１２は、最外周に位置する端（外端１１ｂ、１２ｂ）が基板等に固定されており、中央部の端（中心端１１ａ、１２ａ）は自由に移動可能である。振動体１１は、駆動部１３により、ｚ方向（図１、２の紙面に対して垂直方向）に、すなわち振動子１の中心軸に沿って移動可能である。

【0031】

駆動部１３は、振動体１１の表面に形成された圧電体薄膜である。したがって、駆動部１３をウェーハの段階で振動体１１に形成可能であり、組み込み工程や部品管理がないため、効率的に振動子１を製造できる。駆動部１３は、振動体１１の略全体にわたって設けられている。以下、図２を用いて駆動部１３について説明する。

【0032】

駆動部１３は、主として、複数の圧電素子１３１と、圧電素子１３１を連結する連結部１３２とを有する。圧電素子１３１は、連結部１３２を介して電源に接続されている。

【0033】

連結部１３２は、振動体１１の長手方向に沿って延設されている。圧電素子１３１は、それぞれ、振動体１１の長手方向に沿った中心線ｃ１（本発明の第１中心線に相当）と圧電素子１３１との交点ｍにおける中心線ｃ１の接線ｄ１に対して略４５度傾いている。また、複数の圧電素子１３１は、振動体１１の長手方向に沿って並んで配置されている。

【0034】

圧電素子１３１は、振動体１１に対してねじりによる変形を発生させる。棒状物体の長手方向の軸に沿ってねじれモーメントを加えると、棒状物体の表面近傍の応力は、軸に対して４５度方向が最大、あるいは最小となる。逆に、棒状物体の表面に軸に対して４５度方向に、圧縮あるいは引っ張りの応力を加えると、長手方向の軸に沿ったねじれモーメントを発生させることができる。したがって、振動体１１では、交点ｍにおける中心線ｃ１の接線ｄ１に対して略４５度傾けて圧電素子１３１を配置することにより、圧電素子１３１が最も効率よく振動体１１をねじり変形させ、配置位置よりも内側（中心端１１ａ寄り）の振動体１１をｚ方向に移動させる。そして、複数の圧電素子１３１を振動体１１の長手方向に沿って並んで配置することで、ねじりによる変形が積み重なって大きな力が発生し、振動体１１の中心端１１ａのｚ方向の変形量が最も大きくなる。

【0035】

図３は、このように配置された圧電素子１３１による振動体１１の変形のシミュレーション結果を示す図である。振動体１１の外周部の移動量が一番小さく、内周に向かうにつれて移動量が徐々に大きくなり、振動体１１の中心の移動量が最も大きいことが分かる。

【0036】

図４は、振動体１１の最外周に位置する端を位置ゼロとして、長手方向に沿った位置と変形量との関係を示す図である。図４の横軸は振動体１１の位置であり、左側が振動体１１の外側（外端１１ｂ）、右側が振動体１１の内側（中心端１１ａ）である。振動体１１の変形量は概ね位置の２次関数状に変化することが分かる。

【0037】

図１、２の説明に戻る。変位測定部１４は、振動体１１及び感力体１２の表面にそれぞれ設けられた圧電体薄膜である。したがって、変位測定部１４をウェーハの段階で振動体１１及び感力体１２に形成可能であり、組み込み工程や部品管理がないため、効率的に振動子１を製造できる。

【0038】

変位測定部１４は、主として、複数の変位センサ１４１と、変位センサ１４１を連結する連結部１４２とを有する。振動体１１に設けられた変位センサ１４１は本発明の圧電型変位センサに相当し、感力体１２に設けられた変位センサ１４１は本発明の第２圧電型変位センサに相当する。変位センサ１４１は、連結部１４２を介して外部装置（図示省略）等に接続されている。

【0039】

連結部１４２は、振動体１１又は感力体１２の長手方向に沿って延設されている。変位センサ１４１は、それぞれ、振動体１１、感力体１２の長手方向に沿った中心線ｃ１、中心線ｃ２（本発明の第２中心線に相当）と変位センサ１４１との交点ｎにおける中心線ｃ１、ｃ２の接線ｄ２、ｄ３に対して略４５度傾いている。また、複数の変位センサ１４１は、振動体１１又は感力体１２の長手方向に沿って並んで配置されている。

【0040】

圧電素子１３１のねじりによる変形が振動体１１の長手方向であるため、振動体１１の変形の方向に対して略４５度傾けて変位センサ１４１を配置することで、振動体１１の変位センサ１４１が設けられた位置における変形量を、各変位センサ１４１で効率よく測定することができる。

【0041】

本実施の形態では、振動体１１の各部位における変形量を測定するために、圧電素子１３１の間に変位センサ１４１を配置している。

【0042】

変位センサ１４１を振動体１１の変形量が大きい外周部の一部に配置すれば中心端１１ａの変形量が分かるため、変位センサ１４１を振動体１１の全体にわたって設ける必要はない。本実施の形態では、振動体１１の外周部の半周程度にわたって変位センサ１４１が設けられている。

【0043】

なお、図１、２では、振動体１１において、１つの圧電素子１３１に対して１つの変位センサ１４１が設けられていたが、変位センサ１４１の配置は図１、２に示す形態に限られない。例えば、２つ又は３つの圧電素子１３１に対して１つの変位センサ１４１が設けられていてもよい。

【0044】

変位センサ１４１が接続された外部装置は、変位センサ１４１により測定された変位量に基づいて圧電素子１３１を駆動させ、振動体１１の変形量を所望の値にすることができる。当該処理は。すでに公知の様々な技術を用いることができるため、説明を省略する。

【0045】

感力体１２は振動体１１の移動に従ってｚ方向に移動する（後に詳述、第３の実施の形態参照）ため、振動体１１の場合と同様に、感力体１２の変形の方向に対して略４５度傾けて変位センサ１４１を配置することで、感力体１２の変位センサ１４１が設けられた位置における変形量を、各変位センサ１４１で測定することができる。また、振動体１１と同様に、変位センサ１４１は、感力体１２の変形量が大きい外周部の一部に配置すればよい。

【0046】

本実施の形態の振動子１によれば、振動体１１の間に感力体１２が配置された二重渦巻き構造とし、駆動部１３を振動体１１表面に設けることで、小型の振動子１とすることができる。

【0047】

また、本実施の形態の振動子１によれば、中心線ｃ１と圧電素子１３１との交点ｍにおける中心線ｃ１の接線に対して略４５度傾けて圧電素子１３１をそれぞれ配置することにより振動体１１を高効率でｚ方向に振動させることができる。

【0048】

例えば、振動体１１の長手方向に沿って圧電素子を配置すると、図１２のシミュレーション結果に示すように、振動体１１の外周面の一部がめくれ上がるような運動しかできない。図１２は、圧電素子１３１を振動体１１の長手方向に沿って配置したときの振動体１１の変形のシミュレーション結果を示す図であり、図１２における右側のみが大きく変形し、振動体１１の中心部は少ししか変形していない。

【0049】

それに対し、交点ｍにおける中心線ｃ１の接線ｄ１に対して略４５度傾けて圧電素子１３１をそれぞれ配置することで、振動体１１をｚ方向に移動させ、かつ、中心端１１ａを大きく変形させることができる。

【0050】

また、本実施の形態の振動子１によれば、交点ｎにおける中心線ｃ１の接線ｄ２に対して略４５度傾けて変位センサ１４１を配置することにより、振動体１１の変位を正確に測定することができる。同様に、交点ｎにおける中心線ｃ２の接線ｄ３に対して略４５度傾けて変位センサ１４１を配置することにより、感力体１２の変位を正確に測定することができる。

【0051】

また、本実施の形態の振動子１によれば、駆動部１３及び変位測定部１４が圧電体薄膜であるため、組み込み工程や部品管理が不要であり、製造が容易である。また、ボイスコイルモータ等を用いる場合に比べ、低電力で振動子１の駆動が可能である。

【0052】

なお、本実施の形態の振動子１では、複数の圧電素子１３１を、中心線ｃ１と圧電素子１３１との交点ｍにおける中心線ｃ１の接線に対して略４５度傾けてそれぞれ配置したが、圧電素子１３１の配置はこれに限られない。少なくとも圧電素子１３１が中心線ｃ１に対して傾いていればよく、これにより圧電素子１３１をねじり変形させることができる。ただし、圧電素子１３１により最も効率よく振動体１１をねじり変形させるためには、交点ｍにおける中心線ｃ１の接線に対して略４５度傾けて圧電素子１３１をそれぞれ配置することが最も好ましい。

【0053】

同様に、少なくとも変位センサ１４１を中心線ｃ１、ｃ２に対して傾けて配置すればよく、これにより振動体１１、感力体１２の変位を測定することができる。ただし、中心線ｃ１、ｃ２と変位センサ１４１との交点ｎにおける接線ｄ２、ｄ３に対して略４５度傾けて変位センサ１４１を配置することにより、振動体１１、感力体１２の変位を正確に測定することができる。

【0054】

第１の実施の形態に係る振動子１は、振動子１を液体の内部に浸漬させて粘性センサとして用いることができる。また、振動子１は、中心端１１ａにミラーを配置することで、ミラーを上下動させるアクチュエータとして用いることができる。また、振動子１は、振動体１１及び感力体１２を覆うように膜を設けて液体に浸漬させることで、液体を駆動するダイヤフラムとして用いることができる。

【0055】

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態に係る振動子１は、ｚ方向から見たときの（平面視における）振動体１１及び感力体１２の幅が一定であったが、振動体１１及び感力体１２の形態はこれに限られない。以下、第２の実施の形態に係る振動子２について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の部分には、同様の符号を付し、説明を省略する。

【0056】

図５は、振動子２の概略を示す平面図である。振動子２は、棒状部材を渦巻き状に巻回した振動体１１Ａ（本発明の第１部材に相当）及び感力体１２Ａ（本発明の第２部材に相当）を有する。また、振動子２は、駆動部１３と、変位測定部１４とを有する。駆動部１３は振動体１１Ａの表面に設けられており、変位測定部１４は振動体１１Ａ及び感力体１２Ａの表面に設けられている。なお、図５では、駆動部１３及び変位測定部１４の図示を省略する。

【0057】

振動子２は、振動子１と同様に、振動体１１Ａの間に感力体１２Ａが設けられ、かつ、振動体１１Ａと感力体１２Ａとが対向して設けられた二重渦巻き構造を有する。振動子２は、平面視における振動体１１Ａ及び感力体１２Ａの幅が一定でない点で振動子１と異なる。

【0058】

振動体１１Ａ及び感力体１２Ａは、中心端１１ａ、１２ａ近傍における幅が最も狭く、外周に向かうにつれて徐々に幅が広くなる。すなわち、振動体１１Ａと感力体１２Ａとの隙間は、中心部から外周部に向かうにつれて徐々に狭くなる。

【0059】

中央（中心端１１ａ）から外周に向かうにつれて隙間を徐々に狭くするとき、例えば、振動体の位置ごとの変形量に対して、その逆数に比例するように幅を減少させる。図４で示したように、変位量の位置の関数が２次関数の場合は、隙間を位置の二乗の逆数に比例して減少させる。

【0060】

本実施の形態の振動子２によれば、振動体１１Ａ及び感力体１２Ａを二重渦巻き構造とし、駆動部１３を振動体１１Ａの表面に設けることで、小型の振動子２とすることができる。また、低電力で振動子２の駆動が可能である。

【0061】

また、本実施の形態の振動子２によれば、中心線ｃ１と圧電素子１３１との交点における中心線ｃ１の接線に対して略４５度傾けて圧電素子１３１を配置することにより振動体１１Ａをｚ方向に振動させることができる。

【0062】

なお、振動子２も振動子１と同様に、粘性センサ、アクチュエータ、ダイヤフラム等に用いることができるが、振動子２は粘性センサに用いることが好ましい。

【0063】

また、本実施の形態の振動子２は、最外周における振動体１１Ａ及び感力体１２Ａの幅が広いため、圧電素子１３１の間に変位センサ１４１が配置されている必要はない。例えば、図６に示すように、圧電素子１３１の先端と変位センサ１４１の先端とが離間していてもよい。

【0064】

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態は、振動子２を備えた粘性センサ３である。以下、粘性センサ３について説明する。なお、第１、２の実施の形態と同様の部分には、同様の符号を付し、説明を省略する。

【0065】

粘性センサ３の使用時には、振動子２は液体に浸漬されている。振動子２が液体に浸漬されると、振動体１１Ａと感力体１２Ａとの間が液体で満たされ、これにより液体の粘度が測定可能になる。

【0066】

図７は、粘性センサ３の電気的な構成を示すブロック図である。粘性センサ３は、主として、振動子２が有する駆動部１３及び変位測定部１４と、駆動信号発生部２１と、変位取得部２２と、粘度算出部２３と、を備える。本実施の形態では、駆動信号発生部２１、変位取得部２２及び粘度算出部２３は、アナログ回路でもよいし、集積回路等を用いたデジタル回路でもよい。

【0067】

駆動信号発生部２１は、圧電素子１３１を駆動する。例えば、駆動信号発生部２１は、圧電素子１３１のドライバ回路と、圧電素子１３１を駆動する駆動信号発生器（ファンクションジェネレータ）とを含む。ドライバ回路及び駆動信号発生器は、公知の様々な技術を用いることができる。駆動信号発生部２１は、振動体１１Ａをｚ方向に移動させる。

【0068】

変位取得部２２は、各変位センサ１４１の測定結果を取得する。例えば、変位取得部２２はチャージアンプ及びＡＤコンバータを含む。変位取得部２２の測定結果は、駆動信号発生部２１及び粘度算出部２３に出力される。変位取得部２２の測定結果に基づいて、駆動信号発生部２１は圧電素子１３１を駆動する。

【0069】

粘度算出部２３は、変位取得部２２が取得した結果に基づいて、振動体１１Ａと感力体１２Ａとの間に充填された液体の粘度を算出する。例えば、粘度算出部２３は、ＲＭＳ回路を含む。粘度算出部２３については後に詳述する。

【0070】

例えば、変位センサ１４１の測定結果、すなわちチャージアンプの出力は、ＡＤコンバータでデジタル変換され、マイコン（Field Programmable Gate Array等）に入力される。マイコンは、ロックインアンプ、バンドパスフィルタ、ＲＭＳ回路を含む。デジタル変換された変位センサ１４１の測定結果は、ロックインアンプ、バンドパスフィルタ、ＲＭＳ回路の順で処理され、ＤＣ電圧に変換された後でコンピュータ等に出力される。コンピュータは、入力された結果に基づいて粘度を算出する。粘度の算出方法（計算式）については後に詳述する。

【0071】

なお、コンピュータの図示しない記憶部に変位センサ１４１の変位と粘度との関係を格納しておき、入力された結果と格納されたデータとを比較することで粘度を求めてもよい。

【0072】

このように構成された粘性センサ３の動作について説明する。駆動信号発生部２１が振動体１１Ａをｚ方向に移動させると、振動体１１Ａと感力体１２Ａとの間に充填された液体を介して感力体１２Ａがｚ方向に移動する。変位取得部２２は、感力体１２Ａに設けられた変位センサ１４１の測定結果を取得し、粘度算出部２３は、変位取得部２２の測定結果に基づいて液体の粘度を測定する。

【0073】

図８は、振動体１１Ａをｚ方向に移動させたときに液体を介して感力体１２Ａがｚ方向に移動する様子を模式的に示す図である。振動体１１Ａと感力体１２Ａとの隙間が距離ｄであり、振動体１１Ａが＋ｚ方向に速度ｖで移動したとすると、振動体１１Ａと感力体１２Ａとの間に充填された液体により、感力体１２Ａには以下の数式（１）に示す粘性応力σがかかる。数式（１）において、ηは液体の粘度である。粘性応力σにより、感力体１２Ａが＋ｚ方向に移動する。

【数1】

【0074】

ここで、ｖ／ｄをずり速度と定義する。圧電素子１３１が振動体１１Ａを移動させるときには、振動体１１Ａの中央部が大きく変位するため、距離ｄが一定だとすると、中心端１１ａに近づくほどずり速度が大きくなってしまう。同様に、ずり変形量（振動体１１Ａの移動量÷距離ｄ）も、中心端１１ａに近づくほど大きくなってしまう。

【0075】

しかしながら、振動子２では、中心部から外周部に向かうにつれて振動体１１Ａと感力体１２Ａとの隙間を徐々に狭くし、中心端１１ａの距離ｄを最も大きくし、外端１１ｂに向かうにつれて距離ｄを徐々に小さくする。これにより、振動体１１Ａや感力体１２Ａの位置によらず、ずり速度及びずり変形量を一定に保つことができる。つまりずり速度、ずり変形量が空間的に一定となる。

【0076】

図９は、ずり速度ｖ／ｄと粘性応力σとの関係を示す図である。ニュートン流体（図９実線参照）では、ずり速度ｖ／ｄと粘性応力σとは比例するが、非ニュートン流体、ずり速度ｖ／ｄと粘性応力σとは比例しない。。

【0077】

このような非ニュートン流体の粘度を測定する場合には、振動体１１Ａ及び感力体１２Ａの位置によってずり速度が異なれば、粘度の算出が不正確となる。したがって、中心端１１ａ、１２ａ近傍における振動体１１Ａと感力体１２Ａとの隙間が最も狭く、外周に向かうにつれて振動体１１Ａと感力体１２Ａとの隙間が徐々に幅が広くなる振動子２を用いることで、ずり速度ｖ／ｄを振動体１１Ａ及び感力体１２Ａの渦巻きの位置によらずどこでも一定にし、これにより非ニュートン流体であっても粘性応力σを一意に決めることができる。つまり、あるずり速度に対する、一意の粘性応力を測定できることから、図９のように液体の非ニュートン性を明示することができる。

【0078】

このようにして振動体１１Ａ、感力体１２Ａの位置におけるずり速度ｖ／ｄの差異を無くしたとしても、速度ｖが時間領域で変化すると粘度の算出が不正確となるおそれがある。したがって、駆動信号発生部２１は、振動体１１Ａを、振動体１１Ａの延設方向と略直交する方向に一定速度で移動させる。

【0079】

図１０は、駆動信号発生部２１による振動体１１Ａの駆動を説明する図であり、（Ａ）は振動体１１Ａの時間と変位との関係を示し、（Ｂ）は振動体１１Ａの時間と速度との関係を示し、（Ｃ）は感力体１２の時間と変位との関係を示す。

【0080】

図１０（Ａ）に示すように、時間と振動体１１Ａの変位との関係において、振動体１１Ａの変位が三角波状になるように、駆動信号発生部２１が振動体１１Ａを移動させる。その結果、図１０（Ｂ）に示すように、振動体１１Ａが移動している間は振動体１１Ａの移動速度が一定になる。これにより、半周期の間はずり速度ｖ／ｄを一定にすることができる。

【0081】

振動体１１Ａを三角波状に振動させるには、少なくとも三角波をフーリエ級数展開した際の３次以上の奇数倍波成分の周波数、つまり三角波の周波数の３倍の周波数が、振動体の共振周波数より小さくなるような周波数を選択すればよい。５倍、７倍、９倍・・・の奇数倍の周波数が、小さい順に出来るだけ多く、振動体の共振周波数より小さくなる周波数を選択すれば、三角波はより理想的な三角波に近づく。

【0082】

図１０（Ｃ）に示すように、感力体１２Ａは、振動体１１Ａの移動速度が一定の間は、粘性力とばね力がつりあう位置まで変位する。感力体１２Ａの変位ｘｓは変位取得部２２により取得されるため、粘度算出部２３は、以下の数式（２）により液体の粘度η’を算出することができる。数式（２）のｋは振動体１１Ａのばね定数、ｄは振動体と感力体の間のすき間の幅の最大値、Ｓは感力体の側面の面積であり、それぞれ測定して求めてもよいし、まとめて装置定数として校正してもよい。

【数2】

【0083】

図１１は、粘性センサ３を含む粘性センサユニット４の概略を示す分解斜視図である。粘性センサユニット４は、主として、粘性センサ３と、筐体３０と、ポンプ４０と、を有する。筐体３０は、粘性センサ３を覆うように設けられており、空洞部３０ａが形成されている。振動子２は、空洞部３０ａの内部に設けられている。

【0084】

筐体３０は、板状部材３１、３２、３３、３４、３５を有する。粘性センサ３を挟むように、粘性センサ３の上側に板状部材３２が設けられており、粘性センサ３の下側に板状部材３３が設けられている。板状部材３２の上側に板状部材３１が設けられており、板状部材３３の下側に板状部材３４が設けられており、板状部材３４の下側に板状部材３５が設けられている。

【0085】

板状部材３２、３３には、それぞれ、振動子２と重なる位置に孔３２ａ、３３ａが設けられている。板状部材３４には、振動子２と重なる位置に孔３４ａが設けられている。板状部材３５には、振動子２と重なる位置に孔３５ａが設けられている。

【0086】

板状部材３４には、孔３４ａを覆うように、ポンプ４０のダイヤフラム４１が設けられている。ダイヤフラム４１は、振動子２と平行に、空洞部３０ａを横断するように空洞部３０ａの内部に設けられている。つまり、振動子２とダイヤフラム４１とが積層されている。

【0087】

また、ダイヤフラム４１の表面には圧電薄膜のアクチュエータ（図示省略）が設けられている。アクチュエータがダイヤフラム４１を振動させる。孔３３ａ、３５ａは、ダイヤフラム４１が振動したときにダイヤフラム４１がぶつからないようにする。ただし、ポンプ４０の位置はこれに限られず、筐体３０の外（例えば、基板４３）に設けられていて、流路等で接続されていてもよい。

【0088】

板状部材３１及びダイヤフラム４１は、孔３２ａ、３３ａの両端を覆う壁となり、これらは振動子２を囲む空洞部３０ａを形成し、この空間に液体が充填される。

【0089】

また、板状部材３１、３２、３４には、振動子２を囲む空洞部と外部とを連通する流路となる孔３１ａ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂが設けられている。孔３４ｂと孔３４aは微細な流路で接続されており、途中には整流部４２（例えば、弁、ディフューザ機構等）が設けられている。

【0090】

したがって、ダイヤフラム４１が振動することで、流路を介して液体が空洞部３０ａに流入し、かつ、流路を介して液体が空洞部３０ａから流出する。このように、振動子２とダイヤフラム４１とを積層し、筐体３０で覆うことで、振動子２を筐体３０でカバーしつつ、空洞部３０ａの液体を入れ替えることができる。

【0091】

ただし、ポンプ４０の形態はこれに限られない。ポンプ４０は、振動子２を囲む空洞部３０ａに液体を流入させればよく、例えばチューブポンプ（チュービングポンプ）を用いてもよい。

【0092】

本実施の形態の粘性センサ３によれば、二重渦巻き構造の振動子２を用いることで、低いずり速度での粘性センサ３を実現することができる。なお、低いずり速度での粘度測定は、振動子１を用いた粘性センサでも同様である。

【0093】

また、本実施の形態の粘性センサ３によれば、振動子２の振動体１１Ａと感力体１２Ａとの隙間を中心部から外周部に向かうにつれて徐々に狭くすることで、場所によらずずり速度を一定にすることができる。

【0094】

例えば、ずり速度（ずり変形の速度）に対するずり応力の関係が線形にならない非ニュートン性の液体の粘度測定では、様々なずり速度に対するずり応力の大きさを測定し、図９に示されるようなずり速度とずり応力の非線形性を測定することが必要とされる。

【0095】

しかしながら、振動子１や、非特許文献１に記載の粘度計を用いる場合には、振動体１１と感力体１２との隙間が場所によらず一定であり、ずり速度及びずり変形量は、中央部に近づくほど大きく、外側にいくにつれて小さくなってしまう。このように、ずり速度が場所によって異なる場合には、ずり速度を一つの値に特定することができず、ずり応力も特定のずり速度に対応する値と特定することもできないことから、非ニュートン流体の測定は困難であった。

【0096】

それに対し、振動体１１Ａと感力体１２Ａとの隙間が中心部から外周部に向かうにつれて徐々に狭くなる振動子２を用いることで、場所によらずずり速度が一定になることから、ずり応力を一意に決定することができるため、非ニュートン流体の粘度を測定することができる。

【0097】

また、本実施の形態の粘性センサ３によれば、時間と振動体１１Ａの変位との関係において、振動体１１Ａの変位が三角波状になるため、振動体１１Ａの延設方向と略直交する方向に振動体１１Ａが一定速度で移動する。これにより、一定期間はずり速度を一定に保つことができる。

【0098】

例えば、特許文献１及び非特許文献１に記載の粘度計では、時間と振動体１１Ａの変位との関係において振動体１１Ａの変位が正弦波状である。このような正弦波状の振動変位の場合には、振動体１１Ａの速度も正弦波状になり、ずり速度も正弦波状になることから、ある特定のずり速度に対するずり応力を測定するには、瞬時値を知る必要があるが、ずり応力に対する振動子等の応答は時間遅れを伴うものであるから、実際にずり応力の瞬時値を測定することは困難で、結果的に非ニュートン流体の粘度測定は困難であった。

【0099】

それに対し、粘性センサ３のように、時間と振動体１１Ａの変位との関係において振動体１１Ａの変位が三角波状であれば、一定期間はずり速度が時間的に変動しない。そして、ずり速度を一定にすることで、粘性センサ３が非ニュートン性流体の粘度を計測することができる。また、粘性センサ３の粘度測定精度を高くすることができる。

【0100】

身の回りには、非ニュートン流体が数多く存在するため、非ニュートン流体の粘度が測定できる粘性センサ３は様々な用途が考えられる。例えば、潤滑油、作動油などのオイルの粘度が測定可能であり、建機、輸送機械（乗用車、トラック等）への粘性センサ３の適用があり得る。また、冷媒と冷媒用潤滑油の混合比を測定するためのセンサとして、冷凍・空調機への粘性センサ３の適用があり得る。さらに、インキ・塗料の塗布状態の制御（粘性コントロール）のためのセンサとしての粘性センサ３の適用があり得る。さらに、塗布工程を含むフィルム製造、コーティング、セラミック、半導体などの分野において、プロセスの高精度化のためにインプロセスセンサとしての粘性センサ３の適用があり得る。さらに、食品工業では粘性の変化が大きく、増粘多糖類のように粘性自体が製品としての機能を持つ場合も多いため、粘性のインプロセスモニタリングを粘性センサ３で行なうことができる。また、人体・動物においても粘性変化が発生する体液（血液、唾液、胆液など）は多く、健康状態の危機に直結する血液や胆液の粘性変化を粘性センサ３でモニターすることができる。

【0101】

また、本実施の形態の粘性センサユニット４によれば、振動子２が筐体３０により覆われるため、液体の流動の影響を受けず、粘度の測定精度を高くすることができる。例えば、振動子２に触れる液体が動いている場合には、粘度の測定に誤差が発生するが、振動子２を覆うことで液体の流動により誤差を防ぐことができる。したがって、激しい流動を伴う液体空間にセンサを設置することができる。また、コンタミの影響を低減できる。さらに、振動子２を筐体３０で覆って振動子２を保護することで、振動子２の破損を防止することができる。

【0102】

例えば、非特許文献１に記載の粘度計は、微細加工技術を用いて渦巻き等の構造を作成し、小型の粘性センサとしてエンジン等へ内蔵することを意図していたが、流れが激しい場所に粘度計を設置すると、流れによって理論と異なるずり応力が発生して粘度測定に誤差が生じたり、温度変動の影響を受けたり、渦巻き構造が破壊されたりするなどの影響を受けることがある。したがって、粘度計の設置可能な場所は流れが穏やかな場所に限定されていた。

【0103】

それに対し、粘性センサユニット４は、振動子２を筐体３０で覆うため、流れが激しい場所に設置しても正確な粘度測定が可能である。

【0104】

また、本実施の形態の粘性センサユニット４によれば、振動子２の周囲にポンプ４０で液体を供給することで、空洞部３０ａの中の液体を入れ替えることができる。これにより、常に最新の状態の液体の粘度を測定することができる。

【0105】

また、本実施の形態の粘性センサユニット４によれば、振動子２とダイヤフラム４１とを積層することで、粘性センサユニット４を小型化することができる。

【0106】

以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に他の構成の追加、削除、置換等をすることが可能である。

【0107】

また、「略」とは、厳密に同一である場合のみでなく、同一性を失わない程度の誤差や変形を含む概念である。例えば、「円筒形状」とは、厳密に円筒形状の場合には限られず、例えば円筒形状と同一視できる場合を含む概念である。また、例えば、単に直交、平行、一致等と表現する場合において、厳密に直交、平行、一致等の場合のみでなく、略平行、略直交、略一致等の場合を含むものとする。

【0108】

また、「近傍」とは、基準となる位置の近くのある範囲（任意に定めることができる）の領域を含むことを意味する。例えば、端近傍という場合に、端の近くのある範囲の領域であって、端を含んでもいても含んでいなくてもよいことを示す概念である。

【0109】

［用語の説明］
振動体：二重渦巻き構造のうち、アクチュエータに接続された、あるいは表面にアクチュエータが形成された渦巻き
感力体：二重渦巻き構造のうち、振動体とは異なる渦巻き

【符号の説明】

【0110】

１、２ ：振動子
３ ：粘性センサ
４ ：粘性センサユニット
１１、１１Ａ：振動体
１２、１２Ａ：感力体
１１ａ、１２ａ：中心端
１１ｂ、１２ｂ：外端
１３ ：駆動部
１４ ：変位測定部
２１ ：駆動信号発生部
２２ ：変位取得部
２３ ：粘度算出部
３０ ：筐体
３０ａ ：空洞部
３１、３２、３３、３４、３５：板状部材
３１ａ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、３５ａ：孔
４０ ：ポンプ
４１ ：ダイヤフラム
４２ ：アクチュエータ
４３ ：基板
１３１ ：圧電素子
１３２ ：連結部
１４１ ：変位センサ
１４２ ：連結部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】