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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-12
(45)【発行日】2024-03-21
(54)【発明の名称】粘性又は弾性の測定装置及び方法
(51)【国際特許分類】
G01N 11/14 20060101AFI20240313BHJP
【ＦＩ】
G01N11/14 C
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2020095902
(22)【出願日】2020-06-02
(65)【公開番号】P2021189078
(43)【公開日】2021-12-13
【審査請求日】2023-05-08
(73)【特許権者】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100116207
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 俊明
(74)【代理人】
【識別番号】100096426
【弁理士】
【氏名又は名称】川合 誠
(72)【発明者】
【氏名】酒井 啓司
【審査官】福田 裕司
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１４６３１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭４８－０３５８７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０２０４６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２９０６６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１４１２４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０３１３５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－０７１６９８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ １１／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一部又は全部が導電性を有する材料から成る回転子であって、その重心よりも鉛直上方において回転軸上に位置する回転中心点を含み、該回転中心点のみにおいて支持される回転子と、粘性又は弾性を測定する対象である測定対象物質、及び、該測定対象物質に接触した状態の前記回転子を収容する試料容器と、
前記回転中心点を回転可能に保持する保持部を含む回転子保持部材と、
前記回転子に時間変動する磁場を印加し、前記回転子内に誘導電流を誘起し、該誘導電流と前記回転子に印加される磁場とのローレンツ相互作用によって、前記回転子に回転トルクを与えて回転させる駆動ユニットと、
前記回転子の回転速度を検出する回転検出部と、
前記回転子の回転速度によって、前記回転子に接触する測定対象物質の粘性又は弾性を検出する粘弾性検出部と
を有することを特徴とする粘性又は弾性の測定装置。
【請求項2】
前記回転中心点と前記保持部との接触半径は、以下の式によって決定される請求項１に記載の粘性又は弾性の測定装置。ＲC ＜｛３α／２μ（Ｍ－ρＶ）ｇ｝Ｔvis
ＲC ：接触半径
ρ：測定対象物質の密度
Ｖ：回転子の測定対象物質に没する部分の体積
μ：回転子と回転子保持部材との摩擦係数
α：要求される粘性又は弾性の測定精度
ｇ：重力加速度
Ｔvis ：回転子に加わる粘性抵抗トルク
【請求項3】
粘性が既知である複数の測定対象物質と接触した前記回転子に加わる回転トルクと、前記回転子の回転速度との関係をあらかじめ測定した標準データを記憶する標準データ記憶部を更に有し、前記粘弾性検出部は、検出した測定対象物質の回転トルクと回転速度との関係と、前記標準データとを比較することによって、前記測定対象物質の粘性を検出する請求項１又は２に記載の粘性又は弾性の測定装置。
【請求項4】
前記回転検出部は、前記回転子に付加されたマークの回転を検出することによって、前記回転子の回転速度を検出する請求項１～３のいずれか１項に記載の粘性又は弾性の測定装置。
【請求項5】
前記回転子に対してレーザを照射し、反射又は干渉パターンの変化を光学的に測定することによって、前記回転子の回転速度を検出する請求項１～４のいずれか１項に記載の粘性又は弾性の測定装置。
【請求項6】
前記回転子は円筒状の本体部を含み、該本体部の内側面及び外側面が前記測定対象物質に接して該測定対象物質にずり変形を与える請求項１～５のいずれか１項に記載の粘性又は弾性の測定装置。
【請求項7】
前記回転子は下面が前記測定対象物質に接する回転板を含み、前記下面は前記回転板の中心から半径方向外側に向かって上昇する円錐面であり、前記測定対象物質の各部に一様なずり変形を与える請求項１～５のいずれか１項に記載の粘性又は弾性の測定装置。
【請求項8】
一部又は全部が導電性を有し、かつ、その重心よりも鉛直上方において回転軸上に位置する回転中心点を含み、該回転中心点のみにおいて支持される回転子を、粘性又は弾性を測定する対象である測定対象物質に接触した状態で、該測定対象物質とともに試料容器に収容する工程と、前記回転中心点を回転子保持部材の保持部に回転可能に保持させる工程と、
前記回転子に時間変動する磁場を印加し、前記回転子内に誘導電流を誘起し、該誘導電流と前記回転子に印加される磁場とのローレンツ相互作用によって、前記回転子に回転トルクを与えて回転させる工程と、
前記回転子の回転速度を検出する工程と、
前記回転子の回転速度によって、前記回転子に接触する測定対象物質の粘性又は弾性を検出する工程と
を有することを特徴とする粘性又は弾性の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、粘性又は弾性の測定装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、対象とする物質の力学物性を検出するため、粘性（以下の記載において、粘度と示すこともある。）や弾性の測定が行われている。粘性や弾性の測定は、医薬品、食品、塗料、インク、化粧品、化学製品、紙、粘着剤、繊維、プラスチック、ビール、洗剤、コンクリート混和剤、シリコン等の製造過程で、品質管理、性能評価、原料管理、研究開発等に必要不可欠な測定技術である。
【0003】
従来の粘性測定装置や測定方法としては、測定対象試料に接した回転プローブ（回転子）に対し、駆動するためのトルクを非接触に印加し、その回転プローブの回転速度から対象試料の粘性を非接触に測定する装置や方法が存在する（例えば、特許文献１～４参照。）。
【0004】
特許文献１に記載されている装置においては、回転子として導電性の小球を使用し、該小球を試料内に沈め、小球に所定のトルクを非接触で印加し、小球の回転速度から、試料の粘性を非接触で測定している。
【0005】
特許文献２に記載されている装置においては、浮力若しくは表面張力のいずれか、又は、双方を用いて、円板状の回転子を試料表面に浮かべ、回転子に所定のトルクを非接触で印加し、回転子の回転速度から、試料の粘性を非接触で測定している。
【0006】
特許文献３に記載されている装置においては、円板状の回転子の下部から突出する回転中心の先端が凸形状に形成されており、その先端が試料を収容する容器の内側の底部と接触するとともに、回転子の上部に回転軸が設けられており、回転軸が保持機構の貫通孔に挿入されて回転可能、かつ、横方向に移動不能に保持されている。そして、回転子に所定のトルクを非接触で印加し、回転子の回転速度から、試料の粘性を非接触で測定している。
【0007】
特許文献４に記載されている装置においては、回転子の下部から突出する回転中心の先端が凸形状に形成されており、その先端が試料を収容する容器の内側の底部と接触し、かつ、回転子の重心位置と浮心位置とが調整されることによって、回転子が垂直に自立して回転するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開２００９－２６４９８２号公報
【文献】特開２０１２－２４２１３７号公報
【文献】特開２０１６－０３１３５２号公報
【文献】特開２０１８－１４６３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、従来の特許文献１に記載されているような装置では、非ニュートン性の液体については、小球の周囲の試料の流動速度が既知でなく、粘性を与えるずり速度を一意に決定することができず、また、純水などの低い粘性の液体については、十分に高い測定精度を得ることが困難である。
【0010】
また、特許文献２に記載されているような装置では、粘性を測定する際に、回転子と容器の底部との距離（浮上高さ）を正確に測定する必要があるが、浮上高さは、容器に収容される試料の量によって変化するので、測定毎に正確に測定するために、精度の高い測定器が必要となる。また、浮上高さは、試料の蒸発、温度の変化に伴う試料の比重の変化、又は、回転子と試料とのぬれ性の変化によって変動する。そのため、周囲環境によって、試料の粘性の測定精度が変化してしまう場合がある。
【0011】
さらに、特許文献３に記載されているような装置では、回転軸の保持機構の貫通孔と回転軸との機械摩擦を無視することができないため、試料の粘性の測定精度を向上させることが困難な場合がある。
【0012】
さらに、特許文献４に記載されているような装置では、試料中に没した回転子に加わる重力、浮力の大きさ、及び、重心と浮心との位置を適切に調整した回転子によって、安定に垂直に自立する回転子を実現することができるが、試料液体の比重に応じてその構造を調整する必要がある。
【0013】
本開示は、前記従来の問題点を解決して、測定対象物質を収容する試料容器の構成が簡素で低コストなものとすることを可能とし、かつ、低粘度から高粘度までの広い領域に亘る測定対象物質の粘性又は弾性を、簡易にかつ高い精度によって測定することができる粘性又は弾性の測定装置及び方法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】
【0014】
そのために、粘性又は弾性の測定装置においては、一部又は全部が導電性を有する材料から成る回転子であって、その重心よりも鉛直上方において回転軸上に位置する回転中心点を含み、該回転中心点のみにおいて支持される回転子と、粘性又は弾性を測定する対象である測定対象物質、及び、該測定対象物質に接触した状態の前記回転子を収容する試料容器と、前記回転中心点を回転可能に保持する保持部を含む回転子保持部材と、前記回転子に時間変動する磁場を印加し、前記回転子内に誘導電流を誘起し、該誘導電流と前記回転子に印加される磁場とのローレンツ相互作用によって、前記回転子に回転トルクを与えて回転させる駆動ユニットと、前記回転子の回転速度を検出する回転検出部と、前記回転子の回転速度によって、前記回転子に接触する測定対象物質の粘性又は弾性を検出する粘弾性検出部とを有する。
【0015】
他の粘性又は弾性の測定装置においては、さらに、前記回転中心点と前記保持部との接触半径は、以下の式によって決定される。
ＲC ＜｛３α／２μ（Ｍ－ρＶ）ｇ｝Ｔvis
ＲC ：接触半径
ρ：測定対象物質の密度
Ｖ：回転子の測定対象物質に没する部分の体積
μ：回転子と回転子保持部材との摩擦係数
α：要求される粘性又は弾性の測定精度
ｇ：重力加速度
Ｔvis ：回転子に加わる粘性抵抗トルク
ＲC ＜｛３α／２μ（Ｍ－ρＶ）ｇ｝Ｔvis
ＲC ：接触半径
ρ：測定対象物質の密度
Ｖ：回転子の測定対象物質に没する部分の体積
μ：回転子と回転子保持部材との摩擦係数
α：要求される粘性又は弾性の測定精度
ｇ：重力加速度
Ｔvis ：回転子に加わる粘性抵抗トルク
【0016】
更に他の粘性又は弾性の測定装置においては、さらに、粘性が既知である複数の測定対象物質と接触した前記回転子に加わる回転トルクと、前記回転子の回転速度との関係をあらかじめ測定した標準データを記憶する標準データ記憶部を更に有し、前記粘弾性検出部は、検出した測定対象物質の回転トルクと回転速度との関係と、前記標準データとを比較することによって、前記測定対象物質の粘性を検出する。
【0017】
更に他の粘性又は弾性の測定装置においては、さらに、前記回転検出部は、前記回転子に付加されたマークの回転を検出することによって、前記回転子の回転速度を検出する。
【0018】
更に他の粘性又は弾性の測定装置においては、さらに、前記回転子に対してレーザを照射し、反射又は干渉パターンの変化を光学的に測定することによって、前記回転子の回転速度を検出する。
【0019】
更に他の粘性又は弾性の測定装置においては、さらに、前記回転子は円筒状の本体部を含み、該本体部の内側面及び外側面が前記測定対象物質に接して該測定対象物質にずり変形を与える。
【0020】
更に他の粘性又は弾性の測定装置においては、さらに、前記回転子は下面が前記測定対象物質に接する回転板を含み、前記下面は前記回転板の中心から半径方向外側に向かって上昇する円錐面であり、前記測定対象物質の各部に一様なずり変形を与える。
【0021】
粘性又は弾性の測定方法においては、一部又は全部が導電性を有し、かつ、その重心よりも鉛直上方において回転軸上に位置する回転中心点を含み、該回転中心点のみにおいて支持される回転子を、粘性又は弾性を測定する対象である測定対象物質に接触した状態で、該測定対象物質とともに試料容器に収容する工程と、前記回転中心点を回転子保持部材の保持部に回転可能に保持させる工程と、前記回転子に時間変動する磁場を印加し、前記回転子内に誘導電流を誘起し、該誘導電流と前記回転子に印加される磁場とのローレンツ相互作用によって、前記回転子に回転トルクを与えて回転させる工程と、前記回転子の回転速度を検出する工程と、前記回転子の回転速度によって、前記回転子に接触する測定対象物質の粘性又は弾性を検出する工程とを有する。
【発明の効果】
【0022】
本開示によれば、測定対象物質を収容する試料容器の構成を簡素で低コストなものとすることが可能となり、かつ、低粘度から高粘度までの広い領域に亘る測定対象物質の粘性又は弾性を、簡易にかつ高い精度によって測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】第１の実施の形態における測定装置の全体構成を示す概略構成図である。
【図2】第１の実施の形態における測定装置の測定対象ユニットを示す側断面図である。
【図3】第１の実施の形態における測定装置の駆動ユニットの変形例を示す概略平面図である。
【図4】第１の実施の形態における回転子駆動磁石の回転速度と回転子の回転速度との差と、回転子の回転速度との関係を表すグラフである。
【図6】第１の実施の形態における試料の弾性が異なる場合の駆動磁石の回転速度と回転子の回転角との関係を表すグラフである。
【図8】第２の実施の形態における測定装置の測定対象ユニットを示す側断面図である。
【図9】第３の実施の形態における測定装置の測定対象ユニットを示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本実施の形態について詳細に説明する。
【0025】
図１は第１の実施の形態における測定装置の全体構成を示す概略構成図、図２は第１の実施の形態における測定装置の測定対象ユニットを示す側断面図、図３は第１の実施の形態における測定装置の駆動ユニットの変形例を示す概略平面図、図４は第１の実施の形態における回転子駆動磁石の回転速度と回転子の回転速度との差と、回転子の回転速度との関係を表すグラフ、図５は図４のグラフの傾きと粘性との関係を表すグラフである。
【0026】
図１に示されるように、本実施の形態における粘性又は弾性の測定装置は、測定対象ユニット３０と、駆動ユニット５０と、測定ユニット８０とを備えている。
【0027】
前記測定装置は、測定対象ユニット３０の試料容器３１内に収容された測定対象物質としての試料３２の粘性及び／又は弾性を測定するためのものであり、前記試料３２は、例えば、液体、スラリー、又は、ソフトマテリアルである。ここで、ソフトマテリアルとは、高分子、液晶、コロイド、生体分子等の一連の分子性物質群である。なお、コロイドとは、例えば、乳液、乳剤、ゾル等のエマルジョンである。また、生体分子とは、例えば、生体膜、タンパク質、ＤＮＡ等である。そして、本実施の形態における測定装置は、典型的には、医薬品、食品、塗料、インク、化粧品、化学製品、紙、粘着剤、繊維、プラスチック、ビール、洗剤、コンクリート混和剤、シリコン等の製造過程で、品質管理、性能評価、原料管理、研究開発等において使用されるが、いかなる分野でいかなる目的のために使用されてもよい。
【0028】
なお、本実施の形態において、測定装置の各部の構成及び動作を説明するために使用される上、下、左、右、前、後等の方向を示す表現は、絶対的なものでなく相対的なものであり、前記測定装置の各部が図に示される姿勢である場合に適切であるが、その姿勢が変化した場合には姿勢の変化に応じて変更して解釈されるべきものである。
【0029】
前記駆動ユニット５０は、図１に示されるように、駆動磁石５３と、該駆動磁石５３を下から支える駆動磁石保持台５２と、該駆動磁石保持台５２を回転させる回転駆動源としてのモータ５１とを備える。該モータ５１は、回転軸であるモータ回転軸５１ａを回転させる。なお、前記駆動磁石保持台５２は、前記モータ回転軸５１ａに接続され、該モータ回転軸５１ａを中心に回転する。
【0030】
図に示される例において、駆動磁石保持台５２は、平面視において略正方形の平板であり、その中心に前記モータ回転軸５１ａの軸端が接続されている。また、前記駆動磁石５３は、第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂから成る一対の磁石である。前記第１駆動磁石５３ａと第２駆動磁石５３ｂとは、互いに、同一の大きさで、かつ、同一の磁力を備え、平面視において、前記モータ回転軸５１ａを対称軸として点対称となるように駆動磁石保持台５２上に載置されて固定されている。なお、第１駆動磁石５３ａと第２駆動磁石５３ｂとは、上下方向に関する磁極の向きが互いに反対となるように配設されている。すなわち、図に示される例において、第１駆動磁石５３ａは、上側がＮ極で下側がＳ極となるように配設され、第２駆動磁石５３ｂは、上側がＳ極で下側がＮ極となるように配設されている。
【0031】
図に示される例において、駆動磁石５３は、第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂの一対の磁石から構成されているが、回転する磁場を発生させることができるのであれば、駆動磁石５３を構成する磁石の数は、いくつであってもよい。例えば、Ｎ個（Ｎ＝２ｎ、ｎはｎ≧１の整数）の小型の磁石を駆動磁石保持台５２の回転方向に沿って、磁石の上面の磁極が交互にＮ極とＳ極とになるように配置してもよい。前記駆動磁石保持台５２は、第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂの上面が垂直面となるように、試料容器３１内に収容された試料３２の液面と平行に磁場が生成される構成にしてもよい。
【0032】
図２に示されるように、本実施の形態において、測定対象ユニット３０は、試料容器３１、該試料容器３１内に収容された測定対象物質としての試料３２、前記試料容器３１に下端が接続された回転子保持部材３３、前記試料３２に接するように配設された、すなわち、少なくとも一部が試料３２に没するように配設された回転子２０、及び、前記試料容器３１を下方から支持する試料台３６を有する。
【0033】
前記回転子２０は、上下方向に延在する円筒状の本体部２１と、該本体部２１の下端に接続された円板状の回転板２２と、前記本体部２１の上端に接続された上部２３とを有する。なお、前記回転子２０は、一体的に形成された部材であってもよいし、それぞれ個別に形成された本体部２１、回転板２２及び上部２３を相互に接続した部材であってもよい。また、前記回転子２０は、少なくとも一部が導体（例えば、金属材料）によって形成されている。例えば、前記回転子２０は、一部分のみがアルミニウム等の導電性材料によって形成され、その他の部分がプラスチック、ビニール等の誘電体で形成されたものであってもよい。また、例えば、前記回転板２２を、プラスチック製の円板の上面に市販のアルミ箔などを貼着させることによって作成することもできる。これにより、市販のプラスチック製の円板と市販のアルミ箔とから、容易に、かつ、低コストで、回転板２２を形成することができる。なお、本実施の形態において、前記回転板２２は、アクリルの円板で形成されているものとする。
【0034】
前記回転板２２は、回転子２０の回転軸２６が中心を通過する平坦な円板形状を有し、中心には貫通孔が形成されている。また、前記本体部２１は、回転軸２６が中心を通過する円筒形状を有し、前記回転板２２と同軸である。さらに、前記上部２３は、回転軸２６が中心を通過する円柱形状を有し、前記回転板２２及び本体部２１と同軸である。なお、前記上部２３の下面には、下方に突出する凸状の突起２４が形成され、回転軸２６が突起２４の先端を通過する。
【0035】
前記本体部２１又は回転板２２のいずれか一方の表面には、回転子２０の回転を検出するために測定ユニット８０が有する回転検出センサ８６によって検出可能な大きさのマーク２１ａが設けられている。なお、図に示される例においては、本体部２１の外側面にマーク２１ａが設けられている。
【0036】
前記試料容器３１は、平坦な円板状の底板３１ａと、該底板３１ａの周縁に接続された背の低い円筒状の側壁３１ｂとを有する。また、該側壁３１ｂの上端には、円筒状の容器蓋３５が取り付けられている。そして、前記試料容器３１は、力学的物性としての粘性（すなわち、粘性係数）ηを測定する対象物としての試料３２を収容する。前記試料容器３１及び容器蓋３５の各々は、例えば、ガラス、プラスチック等の透明な材料で形成されている。前記試料容器３１は、例えば、小型のシャーレなどのような有底円筒状の容器である。前記試料容器３１の内径は、回転子２０の回転板２２の直径よりわずかに大きければよい。
【0037】
前記容器蓋３５は、試料容器３１に収容された試料３２の蒸発や、試料３２への異物の混入などを防止するため、外部環境（外気など）から完全に試料３２を遮断するために用いるものであり、不要であれば省略することができる。
【0038】
前記試料容器３１及び容器蓋３５としては、ガラス又はプラスチックを材料とするディスポーザルな市販のシャーレ等を使用することができる。このため、前記試料容器３１及び容器蓋３５を安価に準備することができ、また、測定を行う度に、試料容器３１及び容器蓋３５を廃棄しても、測定のコストが上昇することがない。さらに、生体材料などのようにその廃棄に特段の注意を要する物質を試料３２とするときであっても、回転子２０、試料容器３１及び容器蓋３５を容易に廃棄することができ、焼却、減菌等の後処理の問題と同様に、他の医療器具の廃棄と同様に容易に廃棄することができる。
【0039】
また、前記底板３１ａの中心には、上下方向に延在する円柱状の回転子保持部材３３の下端が接続されている。そして、回転子２０は、前記回転子保持部材３３の上端に回転可能に支持されている。具体的には、図２に示されるように、上部２３の突起２４の先端が、回転子保持部材３３の上面に凹入するように形成された保持部としての保持凹部３４内に受容され、回転中心点としての支持点２５において保持凹部３４と点接触するようにして、支持されている。これにより、回転子２０は、前記支持点２５を通過して鉛直方向に延在する回転軸２６を中心にして回転することができる。また、前記回転子２０の重心２７は、前記支持点２５の鉛直下方に位置している。このように、前記回転子２０は、支持点２５において支持された「やじろべえ」の構造となっているので、回転軸２６を中心にして、回転板２２が水平となるような姿勢に、自動的に保持される。
【0040】
なお、前記マーク２１ａは、図に示される例においては、本体部２１の外側面に配置されているが、必ずしもこの例に限定される必要はなく、例えば、回転板２２の上面における回転検出センサ８６によって検出可能な位置に配置されていてもよい。前記マーク２１ａの位置の変化を前記回転検出センサ８６や撮像装置等によって光学的に読み取って回転子２０の回転数を求め、回転子２０の回転速度を算出することができる。
【0041】
また、前記回転子保持部材３３の高さ、本体部２１の高さ、及び、上部２３の高さは、試料３２の厚さ３２ａが一定になるように作製される。これにより、回転板２２の下面と試料容器３１の底板３１ａの上面との間隔を、高い精度で一定に保つことができ、回転板２２の回転に伴って生じる試料３２中におけるずり速度を高い精度で決定することができるので、試料３２の粘性測定の精度が向上する。
【0042】
前記試料台３６は、試料３２が充填された試料容器３１を固定する平坦な板部材であり、上面が駆動磁石保持台５２の上面と平行となるように配置されている。これにより、試料容器３１内の試料３２中における回転子２０の回転板２２と、回転した際の第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂの上面が形成する平面とが平行となる。
【0043】
前記駆動磁石保持台５２を回転させるモータ５１は、モータ回転軸５１ａが駆動磁石保持台５２の上面に対して垂直となるように固定されている。
【0044】
また、回転子２０の回転板２２が試料容器３１の側壁３１ｂの内面に接触せず、かつ、試料３２に接して回転するように、平面視における回転子２０の回転軸２６の位置関係、及び、モータ５１のモータ回転軸５１ａの位置関係が決定されている。すなわち、平面視において、試料容器３１の底板３１ａの中心と、モータ回転軸５１ａの軸方向とが重なるように、試料容器３１とモータ５１とが配置されている。
【0045】
このような測定対象ユニット３０の各部と駆動ユニット５０の各部との配置によって、回転子２０に対して時間的に変動する磁場を発生させることができる。
【0046】
前述のように、駆動磁石保持台５２の回転によって駆動磁石５３が回転すると、回転する磁場が発生する。すると、回転する磁場によって、回転子２０の導電性を有する部分、すなわち、導体によって形成されている部分の内部に誘導電流が発生し、該誘導電流と磁場とのローレンツ相互作用により、前記回転子２０の導体によって形成されている部分に、磁場の回転に追随する方向の回転トルクＴM が生じる。該回転トルクＴM の大きさは、駆動磁石５３の回転速度と回転子２０の回転速度との差に比例し、また、試料３２のずり変形速度は回転子２０の回転速度に比例するため、回転子２０の回転速度と、駆動磁石５３の回転数、すなわち、モータ５１の回転数とを測定すれば、試料３２の粘性を測定することができる。
【0047】
図４は、試料３２としてそれぞれ異なる既知の粘性ηを有する複数の物質である標準試料を使用した場合におけるモータ回転軸５１ａの回転速度、すなわち、単位時間（例えば、１秒）当たりの回転数ΩＭと、各標準試料の表面に浮かんでいる回転子２０の回転速度、すなわち、単位時間（例えば、１秒）当たりの回転数ΩＤとの関係を表すグラフである。図４において、縦軸は回転数ΩＭと回転数ΩＤとの回転数差ΩＭＤ（回転数ΩＭ－回転数ΩＤ）を示し、横軸は回転数ΩＤを示している。ここで使用した各標準試料の粘性ηは、それぞれ異なり、例えば、試料Ａの粘性ηは１．０〔ｍＰａ・ｓ〕、試料Ｂの粘性ηは２．０〔ｍＰａ・ｓ〕、試料Ｃの粘性ηは５．０〔ｍＰａ・ｓ〕である。そして、図４に示される３本の直線のように、粘性ηの異なる標準試料毎の回転数差ΩＭＤと回転数ΩＤとの関係、すなわち、傾きΩＭＤ／ΩＤの対応を示す直線を最小二乗法等の方法によって求める。前記傾きΩＭＤ／ΩＤは、各標準試料の粘性ηと比例するものである。
【0048】
また、図５は、図４に示される関係から求められた各標準試料（試料Ａ、試料Ｂ及び試料Ｃ）の傾きΩＭＤ／ΩＤと標準試料の粘性ηとの関係を表すグラフである。図５において、縦軸はグラフの傾きΩＭＤ／ΩＤを示し、横軸は標準試料の粘性（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ、ｍＰａ・ｓ）を示している。図５において、傾きΩＭＤ／ΩＤが粘性ηに比例した関係にあることが示されている。
【0049】
純水の粘性（粘度）は室温において、１．０〔ｍＰａ・ｓ〕である。このことから、試料３２が純水と同程度に低い粘性を有するものである場合であっても、本実施の形態により粘性の差を高い精度で検出可能であることが分かる。
【0050】
本実施の形態においては、測定ユニット８０が試料３２の粘性を算出する。前記測定ユニット８０は、図１に示されるように、回転検出部８１、粘弾性検出部としての粘性検出部８２、回転磁場制御部８３、標準データ記憶部８４、装置制御部８５及び回転検出センサ８６を有している。
【0051】
該回転検出センサ８６は、試料容器３１内の試料３２中の回転子２０の検出可能な位置に設けられたマーク２１ａを検出することができる位置として、試料容器３１の横方向の位置（具体的には、容器蓋３５の横方向）に配置され、前記マーク２１ａ（図に示される例においては、本体部２１の外側面に配置されたマーク２１ａ）の回転における位置を光学的に検出する。すなわち、回転検出センサ８６は、図示されない光照射部からレーザ光を出射し、前記マーク２１ａからの反射光が図示されない受光部に入射され、入射光の強度に対応した検出電気信号を出力する。
【0052】
また、前記回転検出センサ８６の代わりに、レンズとＣＣＤ等の撮像素子とを顕微鏡に付加した撮像装置を採用し、回転子２０の回転における前記マーク２１ａの移動状態を拡大して撮像した撮像画像を出力させ、画像処理によって回転子２０の回転数ΩＤ（マーク２１ａの周回数）を検出するようにしてもよい。また、回転子２０の回転板２２の上面に前記マーク２１ａを配置して、該マーク２１ａの移動状態を撮像装置によって撮像し、回転子２０の回転数ΩＤを検出するようにしてもよい。
【0053】
さらに、回転子２０の回転板２２の上面、又は、本体部２１の外側面に対してレーザを照射し、回転による反射及び干渉パターンの変化を光学的に測定し、回転子２０の回転数ΩＤを検出するようにすることもできる。
【0054】
さらに、回転子２０の回転板２２又は本体部２１の一部を誘電体で形成してマーク２１ａとし、一対の電極同士の間に回転板２２又は本体部２１が挟まれるような電極対を配置し、コンデンサを構成するようにしてもよい。この場合、回転検出センサ８６は、回転を検出するためのマーク２１ａとしての誘電体が、前記一対の電極同士の間を通過する際、検出電気信号を出力する。すなわち、回転検出部８１は、マーク２１ａとしての誘電体が電極間を通過する際、電極対で構成されたコンデンサの容量変化を検出し、所定の期間（例えば、１秒）における前記容量変化の回数を検出し、回転子２０の回転数ΩＤを検出するように構成されてもよい。
【0055】
さらに、回転子２０の回転板２２又は本体部２１の一部を永久磁石で形成してマーク２１ａとするとともに、磁場検出素子を配置し、回転子２０の回転に伴う磁場強度の変化から回転子２０の回転速度を読み取るようにしてもよい。
【0056】
そして、回転検出部８１は、回転検出センサ８６から供給される検出電気信号により、回転子２０の回転検出を行い、単位時間（例えば、１秒）当たりの検出回数を、単位時間当たりの回転数（ｒｐｓ：ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）（すなわち、回転速度）として、回転数ΩＤを求めて出力する。また、回転検出部８１は、回転子２０の回転数ΩＤの検出において、回転検出センサ８６の検出電気信号を用いるのではなく、前述のように、撮像装置の撮像画像を用いることもできる。この場合、撮像装置が撮像して出力する撮像画像から、回転子２０に付加したマーク２１ａを画像処理によって検出し、単位時間当たりの回転数ΩＤを求めるようにしてもよい。また、回転検出部８１は、前述のようにコンデンサを用いることもできる。この場合、回転検出部８１は、コンデンサからの検出電気信号によって電極対で構成されたコンデンサの容量変化を検出し、所定の期間（例えば、１秒）における前記容量変化の回数を検出し、回転子２０の回転数ΩＤを検出するようにしてもよい。さらに、回転検出部８１は、前述のように磁場検出素子を用いることもできる。この場合、回転検出部８１は、ホール素子等の磁場検出素子の出力電圧を検出し、所定の期間（例えば、１秒）における前記電圧変化の回数を検出し、回転子２０の回転数ΩＤを検出するようにしてもよい。
【0057】
粘性検出部８２は、試料３２における傾きΩＭＤ／ΩＤ（ΩＭＤ＝ΩＭ－ΩＤ）を求める。このとき、粘性検出部８２は、回転磁場制御部８３に対して、異なる複数の回転数ΩＭでモータ５１を回転させる制御を行い、回転数を変更する毎に制御信号を回転検出部８１へ出力する。該回転検出部８１は、粘性検出部８２から制御信号が供給される毎に、回転数ΩＭにおいて試料容器３１に収容された試料３２中の回転子２０の回転数ΩＤを回転検出センサ８６から入力する。そして、回転検出部８１は、検出した回転数ΩＤを、制御信号に対応して粘性検出部８２へ出力する。
【0058】
そして、該粘性検出部８２は、標準データ記憶部８４に記憶されている粘性検出テーブルから、試料３２の傾きΩＭＤ／ΩＤに対応する粘性η〔ｍＰａ・ｓ〕を読み出し、これを試料３２の粘性η〔ｍＰａ・ｓ〕として出力する。ここで、標準データ記憶部８４に実験式が記憶されている場合、粘性検出部８２は、標準データ記憶部８４から前記実験式を読み出し、この実験式に対して傾きΩＭＤ／ΩＤを代入し、試料３２の粘性η〔ｍＰａ・ｓ〕を算出して求めるようにしてもよい。
【0059】
回転磁場制御部８３は、設定された回転数でモータ回転軸５１ａが回転するように、モータ５１に対する回転制御を行う。これにより、モータ回転軸５１ａを介して駆動磁石保持台５２が回転することになり、第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂによって発生する磁場が回転し、回転子２０を試料３２中において等速回転させる回転磁場を発生させる。
【0060】
標準データ記憶部８４には、図４に示されるような関係から求めた粘性η〔ｍＰａ・ｓ〕と、傾きΩＭＤ／ΩＤとの対応を示す粘性検出テーブルが記憶されている。
【0061】
該粘性検出テーブルは、以下の様に作成されている。本実施の形態における粘性の測定装置において、粘度があらかじめ分かっている標準試料を試料容器３１に入れ（充填し）、標準試料中に回転子２０を入れ、あらかじめ設定した複数の回転数ΩＭによってモータ５１を回転させた場合に、該モータ５１の各回転数ΩＭに対応した回転子２０の回転数ΩＤを、回転検出部８１によって測定する。この標準試料に対する回転数ΩＤの測定を、複数の異なる粘性ηを有する標準試料（あらかじめ粘性ηの分かっている試料）に対して行う。また、粘性検出テーブルではなく、粘性η〔ｍＰａ・ｓ〕と、傾きΩＭＤ／ΩＤとの対応を示す実験式が記憶されていてもよい。
【0062】
装置制御部８５は、測定ユニット８０内の各部の動作の制御を行う。
【0063】
次に、前記回転する磁場によって、回転子２０に回転トルクＴM を生じさせる、すなわち、回転子２０に回転トルクＴM を付与する方法について、より詳細に説明する。
【0064】
ここでは、回転子２０の本体部２１の全体が導電性材料であるアルミニウム製であるものとする。この場合、回転する磁場による渦電流が生じるのは、回転可能な円筒状の本体部２１の側面であり、該側面において、磁場は、ほぼ水平方向を向き、かつ、その向きを一定の角速度ΩＭで回転させている。説明を簡単にするために、ここでは、磁場の水平方向成分のみを考えるが、磁場に垂直成分があっても、この後の説明に支障はない。
【0065】
回転板２２を含む平面をｘ－ｙ平面とし、鉛直方向に延在する軸をｚ軸とする直交座標を考えると、前記本体部２１の側面における磁場を表すベクトルは、次の式（１）で表される。
【0066】
【数1】
【0067】
一例として、時刻がｔ＝２πｎ／ΩＭ（ｎは整数）であるとき、磁場の向きは＋ｘ方向であり、その後回転して順次、＋ｙ方向、－ｘ方向、－ｙ方向を向く。したがって、この時刻においては、磁場の＋ｙ方向成分が増加し、＋ｘ方向成分には増減はない。
【0068】
よって、回転子２０を－ｙ方向から＋ｙ方向に向かってみたとき、レンツの法則によって、本体部２１の側面には、反時計回り方向の渦電流が生じる。
【0069】
【0070】
このように、回転する磁場によって回転子２０に回転トルクＴM が働くことが分かる。測定対象ユニット３０においては、回転子２０に対して働く回転トルクＴM によって、回転板２２が試料３２中を回転するため、前記式（１）における磁場の回転数ΩＭは、磁場の回転数ΩＭと回転子２０の回転数ΩＤとの差である回転数差ΩＭ－ΩＤで置き換えられる。また、磁場によって印加される回転トルクＴM の大きさは磁場の強度の二乗に比例する。
【0071】
この結果、回転子２０の導電体に発生する渦電流が回転トルクＴM （トルクＴM ）を受けることによって、回転子２０に対して回転トルクＴM が印加されることになる。そして、回転子２０に対して回転トルクＴM が印加された結果、回転板２２は、試料３２中において回転トルクＴM の印加される方向に回転することになる。
【0072】
また、回転板２２の回転に伴い、試料３２の粘性ηに対応したずり流動による粘性抵抗トルクＴvis が、回転板２２に対して印加される。この粘性抵抗トルクＴvis のため、回転子２０の回転数ΩＤは、粘性抵抗トルクＴvis に比例した分、磁場の回転数ΩＭには達しない。
【0073】
したがって、回転子２０に付与される回転トルクＴM の大きさは、回転する磁場の回転数ΩＭ（モータ５１の回転数ΩＭと同様）と、回転子２０の回転数ΩＤとの差に比例することになる。
【0074】
そして、回転子２０の本体部２１に印加される回転トルクＴM （すなわち、回転子２０全体に印加されるトルクＴM ）と、試料３２中において回転する回転子２０の回転数ΩＤと、回転子２０の半径（すなわち、回転板２２の半径）ｒと、回転板２２の下面と試料容器３１の底板３１ａの上面との間隔（すなわち、回転板２２の下方の試料３２の厚さ３２ａ）とによって、試料３２の粘性ηを求める。
【0075】
試料３２の粘性ηの測定においては、回転子２０の回転板２２に印加される回転トルクＴM を、あらかじめ粘性ηが分かっている標準試料を用いて、図４に示されるように、回転磁界の回転数ΩＭと回転子２０の回転数ΩＤとの回転数差ΩＭＤの関数として求めておく。
【0076】
前述のように、本実施の形態によれば、回転磁界を発生する第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂを、試料容器３１を配設する試料台３６の下方に配置することができ、粘性又は弾性を測定する測定装置を従来と比較して小型化することが可能である。
【0077】
また、図に示される例において、駆動磁石５３は、第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂの一対の磁石から構成されている。この場合、平面視において、１個のＮ極と１個のＳ極とが対向して配設された１組の組み合わせによって回転磁場を発生している。これに対して、回転子２０の本体部２１にトルクを与える磁石の組の数は１組以上の任意でよく、例えば、平面視において正方形の磁石４個を、Ｓ極とＮ極とが互い違いになるように配置してもよい。
【0078】
なお、駆動磁石５３を保持する駆動磁石保持台５２を回転させることによって回転する磁場を生成するのではなく、電磁石を用いて回転磁界を生成するようにしてもよい。この場合、図１に示されるような駆動ユニット５０に代えて、図３に示されるような駆動ユニット５０の変形例を使用することができる。
【0079】
図３に示されるような駆動ユニット５０においては、巻線５５ａ及び５５ｂに電流を流して磁場を生成し、流す電流の向きを周期的に変化させ、磁場の向きを回転させて回転磁場を形成することができる。すなわち、円周上に配列された電磁石５４ａ～５４ｄの各々が隣接する他の電磁石と異なる極性となるように、電磁石５４ａ～５４ｄの各々を駆動する。これらの電磁石５４ａ～５４ｄを駆動させる際、時間的に電磁石５４ａ～５４ｄの各々の極性を変化させることによって、回転磁場を生成することができる。この場合、回転磁場制御部８３が前記巻線５５ａ及び５５ｂに対して電流を流し、この流す電流の向きを周期的に変えて、回転磁場を生成させる処理を行う。このような回転磁場によって、前記駆動磁石５３を用いた駆動ユニット５０と同様に、回転子２０に対して回転トルクＴM を印加し、回転軸２６を回転中心として回転板２２の回転運動を、試料３２内で行わせて、該試料３２の粘性ηを求めることができる。
【0080】
また、回転磁場制御部８３は、回転子２０に対して、印加する回転磁場の回転速度及び回転方向を任意に変化させるようにしてもよい。
【0081】
例えば、回転磁場の回転速度ΩＭを、次の式（２）で表されるように、周期的に変調することによって、回転子２０に対して、周期的に変化する回転トルクＴM を与えることができる。
ΩＭ＝Ω０sin （ωｔ） ・・・式（２）
ΩＭ＝Ω０sin （ωｔ） ・・・式（２）
【0082】
この場合、磁場の回転速度は時計回りに徐々に大きくなった後に減少し、いったん０になった後に反時計回りに徐々に大きくなった後に再び減少して０になる、という周期的な動きを２π／Ω０の時間周期で繰り返す。このとき、回転子２０の回転運動の速度の最大値と、時間周期２π／ωで変動する磁場の周期運動からの位相遅れとを測定することによって、試料３２の粘弾性を測定することも可能である。
【0083】
さらに、時間周期の逆数である磁場の変調周波数ωを掃引しながら、それぞれの変調周波数における粘弾性を測定することによって、粘弾性の周波数スペクトルを測定することも可能である。
【0084】
次に、本実施の形態による測定装置で試料３２の粘性ηを測定する場合の測定精度について検討する。
【0085】
回転子２０には、回転する磁場による回転トルクＴM と試料３２の粘性ηによる粘性抵抗トルクＴvis とに加えて、回転子２０の突起２４の支持点２５と回転子保持部材３３の保持凹部３４との接触による摩擦トルクＴfricが加わるので、回転子２０が一定速度で回転するときには、次の式（３）が成立する。
ＴM ＝Ｔvis ＋Ｔfric ・・・式（３）
ＴM ＝Ｔvis ＋Ｔfric ・・・式（３）
【0086】
ここで、摩擦トルクＴfricは、未知であるために実験的に決定されるが、その値は、常に一定ではない。このため、既知の回転トルクＴM に対し、不確定な摩擦トルクＴfricの大きさを相対的に小さくすることによって、測定すべき量である粘性抵抗トルクＴvis の測定精度が向上する。
【0087】
また、前記突起２４の支持点２５と回転子保持部材３３の保持凹部３４との接触点は、実際には有限の接触面積を有し、その形状が円であり、その半径がＲC であるとすると、摩擦トルクＴfricは、次の式（４）で表される。
Ｔfric＝２／３μＭｇＲC ・・・式（４）
Ｔfric＝２／３μＭｇＲC ・・・式（４）
【0088】
ここで、μは回転子２０と回転子保持部材３３との間の摩擦係数、Ｍは回転子２０の重量、ｇは重力加速度である。
【0089】
よって、要求される粘性の測定精度をαとすると、粘性抵抗トルクＴvis 及び摩擦トルクＴfricに課される条件は、次の式（５）で表される。
αＴvis ＞Ｔfric ・・・式（５）
αＴvis ＞Ｔfric ・・・式（５）
【0090】
そして、該式（５）は、次の式（６）で表される。
ＲC ＜（３α／２μＭｇ）Ｔvis ・・・式（６）
ＲC ＜（３α／２μＭｇ）Ｔvis ・・・式（６）
【0091】
回転子２０の一部が試料３２に没している場合、試料３２による浮力によって前記接触点に加わる力は小さくなるので、試料３２の密度をρとし、回転子２０の試料３２に没する部分の体積をＶとすると、次の式（７）が成立する。
ＲC ＜｛３α／２μ（Ｍ－ρＶ）ｇ｝Ｔvis ・・・式（７）
ＲC ＜｛３α／２μ（Ｍ－ρＶ）ｇ｝Ｔvis ・・・式（７）
【0092】
ここで、１つの実施例に即して、粘性抵抗トルクＴvis 及び摩擦トルクＴfricの値を概算する。この場合、試料３２に接する回転子２０において、回転板２２は、半径２０〔ｍｍ〕、厚さ１〔ｍｍ〕のアクリル製の円板であり、本体部２１は、外径１０〔ｍｍ〕、内径９〔ｍｍ〕、長さ２０〔ｍｍ〕のアルミニウム製の円筒であり、上部２３は、直径９〔ｍｍ〕、高さ３〔ｍｍ〕の樹脂製部材であり、回転子２０の重量は１．０〔ｇ〕であるものとする。また、突起２４の支持点２５と回転子保持部材３３の保持凹部３４との接触点が、実際には有限の接触面積を有し、その形状は接触半径１０〔μｍ〕の円形であるものとする。
【0093】
そして、回転子２０が受ける粘性抵抗トルクＴvis は、回転板２２の半径をＲ、試料３２の厚さをｄ、試料３２の粘性をη、回転子２０の回転数（角速度）をωとすると、次の式（８）で表される。
Ｔvis ＝πηωＲ4 ／２ｄ ・・・式（８）
Ｔvis ＝πηωＲ4 ／２ｄ ・・・式（８）
【0094】
試料３２として測定がより困難になる低粘性物質の代表である水を選び、回転子２０の回転速度は従来の粘性測定においては十分に低い回転数と考えられる毎秒１回転、すなわち、ω＝６π〔ｒａｄ／ｓ〕とし、試料３２の厚さを１〔ｍｍ〕とすると、前記式（８）によって、粘性抵抗トルクＴvis は１０-7〔Ｎｍ〕となる。この値を前記式（６）に代入すれば、期待される測定精度としてα＝０．０１、すなわち、１〔％〕の測定精度を実現することができる。
【0095】
このように、本実施の形態によれば、特段な機構を用いることなく回転子２０の水平を安定に保持することができ、また、回転子２０と回転子保持部材３３との接触点の大きさを適当な面積とすることによって、十分な精度での粘性測定が可能になる。従来は、この水平を保持する機構として、例えば、特許文献３に記載されているような装置では、回転子の軸を保持する筒状のガイドを採用していたが、回転子の軸の径に比例した摩擦トルクが発生し、測定精度を制限していた。本実施の形態は、この制限を解消するものである。
【0096】
次に、本実施の形態における弾性の測定について説明する。
【0097】
【0098】
本実施の形態によれば、液体のように粘性を求めるのではなく、ゲルやゴムなどのように弾性を有する物質、又は、粘性の緩和によって弾性が生じる高分子溶液のような物質に対し、一定のトルクを与えた際の静止位置からの変位によって、粘性（粘性率）及び弾性（弾性率）を同時に測定することが可能である。ここで、弾性率は、いわばばね定数であり、試料３２の回転変形に比例した復元力に対応している。
【0099】
したがって、粘性に加えて弾性がある場合、弾性による復元力は、歪みの程度に比例して大きくなる。このため、回転子２０は、回転を開始してから、試料３２のばね定数に比例した弾性力と、回転磁場による回転トルクＴM とが釣り合った回転角度θで回転を停止することになる。駆動磁石５３が反時計回りに回転することによって、反時計回りの回転トルクＴM が試料３２中の回転子２０に印加される。そして、該回転子２０に対して印加される回転トルクＴM と弾性による反発力とが釣り合う回転角度θの位置で、回転子２０の回転が停止する。
【0100】
ここで、回転検出部８１は、モータ５１が回転しておらず、駆動磁石保持台５２が停止状態にあるときの回転子２０のマーク２１ａの位置と、所定の回転数ΩＭでモータ５１が回転した後、回転が停止した際のマーク２１ａの位置との各々の撮像画像から回転角度θを求める。この角度θから弾性を求めることができる。
【0101】
図６は、モータ５１の回転速度、すなわち、回転数ΩＭ（すなわち、回転トルク）と、回転子２０が停止する回転角度θとの関係を示すグラフである。図６において、横軸はモータ５１の回転数ΩＭを示し、縦軸は回転子２０が停止する回転角度θを示している。
【0102】
図１及び２に示される例における測定装置の場合、駆動磁石保持台５２がモータ５１によって回転させられることにより、前記駆動磁石保持台５２に保持されている第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂの各々が、モータ５１の回転速度に対応した回転磁場を生成する。
【0103】
そして、回転磁場制御部８３は、あらかじめ設定されたステップに従い、モータ５１の回転速度を変化させ、回転速度毎の回転角度θを求め、回転数ΩＭと回転角度θとの関係を求めて図６に示されるようなグラフを作成する。ここで、あらかじめ弾性が分かっている複数の標準試料に対して、粘性と同様に、弾性が未知の試料３２の弾性測定に用いる標準データを作成するため、前述の処理を行う。粘性の標準データの作成時と同様に、標準試料を試料容器３１に入れて、回転角度θの測定を行う。
【0104】
図７は、弾性と、回転速度及び回転角度の比との関係を示すグラフである。図７において、横軸は弾性（弾性率：Ｐａ）を示し、縦軸は回転速度、すなわち、回転数ΩＭと回転角度θとの比例係数を示している。ここで、弾性と回転角度θとは逆比例する。
【0105】
【0106】
弾性が未知の試料３２の測定においては、該試料３２を試料容器３１に入れ、標準試料の場合と同様に、回転磁場制御部８３がモータ５１をあらかじめ設定した回転速度で回転させる。そして、回転検出部８１は、回転速度毎の回転角度θを求めて、粘性検出部８２に対して出力する。該粘性検出部８２は、回転検出部８１から供給される回転数ΩＭと回転角度θとの比例係数を求め、該比例係数に対応する弾性のデータを、標準データ記憶部８４に記憶された標準データから読み出し、読み出したデータを試料３２の弾性として出力する。
【0107】
このように、本実施の形態によれば、試料３２の粘性及び弾性を一括して同時に測定することが可能となる。
【0108】
また、回転子２０に加える回転トルクを時間的に変化させることによって、弾性と粘性とを同時に測定することも可能である。この場合、回転磁場を生成する駆動ユニット５０として、図３に示されるような電磁石５４ａ～５４ｄを有する変形例を使用する。
【0109】
例えば、電磁石５４ａ～５４ｄに対して励磁電流を印加し、回転子２０に対して所定の回転トルクを印加した後、この励磁電流の印加を停止し、停止した後の回転子２０の回転状態を観察する。
【0110】
このとき、回転子２０は、自身が接している試料３２の弾性に応じて回転振動を起こすことになる。ここで、弾性に対して回転振動の周期及び振動時間が比例し、粘性に対して回転振動の振幅の減衰率が比例している。
【0111】
したがって、あらかじめ粘性及び弾性の分かっている複数の標準試料毎に、その回転振動の振幅の減衰率と、周期及び振動時間とを、回転子２０に対して回転磁界を印加することによって測定し、標準データを作成して標準データ記憶部８４にあらかじめ記憶させておく。
【0112】
次に、未知の粘性及び弾性を有する物質を測定対象とする際、粘性検出部８２は、測定対象物質である試料３２の振幅の減衰率と、周期及び振動時間とを回転子２０に対して回転磁界を印加することによって測定し、測定した振幅の減衰率に対応する粘性と、周期及び振動時間に対応する弾性とを、それぞれ、標準データ記憶部８４に記憶された標準データから読み出す。
【0113】
そして、粘性検出部８２は、標準データから読み取った粘性及び弾性を、測定対象の試料３２の粘性及び弾性として出力する。
【0114】
このように、本実施の形態によれば、試料３２の粘性及び弾性を一括して同時に測定することが可能となる。
【0115】
また、回転子２０に印加する回転磁場の回転方向と、回転トルク（モータ５１の回転数ΩＭ）とを周期的に変調することによって、回転子２０に、向きと大きさとが周期的に変化する回転トルクを印加することができる。そして、回転方向と回転トルクとを掃引する周期を変化させつつ、回転子２０の回転振動の振幅と位相とを、回転子２０のマーク２１ａを撮像した撮像画像から観察することによって、粘性と弾性とを独立して測定することが可能となる。この回転振動の観察は、前述した磁場を消去した後の減衰振動を、周波数スペクトルとして検出するものであり、磁場を消去した後の粘性及び弾性の測定と原理的に同様である。
【0116】
次に、本実施の形態における測定装置の具体的な応用例について説明する。
【0117】
該応用例においては、試料容器３１として、内径が２５〔ｍｍ〕、側壁３１ｂの高さが３０〔ｍｍ〕のガラス製のシャーレを用いた。そして、試料容器３１に測定対象物質である試料３２を０．５〔ｍＬ〕入れた後、試料容器３１を容器蓋３５によって封止した。ここで、例えば、試料３２の温度は２０〔℃〕とした。
【0118】
あらかじめ粘性の分かっている標準試料としては、図４に示されるように、粘性が１．０〔ｍＰａ・ｓ〕であるもの、２．０〔ｍＰａ・ｓ〕であるもの、及び、５．０〔ｍＰａ・ｓ〕であるものの３種類を用いた。
【0119】
そして、これら標準試料内の回転子２０に回転トルクを印加して、回転子２０を回転させた。この場合、回転板２２の下面が標準試料と接している。
【0120】
ここで、回転板２２は、直径２０〔ｍｍ〕、厚さ１〔ｍｍ〕のアクリル製の円板であり、該円板の回転中心には直径１０〔ｍｍ〕の貫通孔が形成され、その中心を通るようにアクリル製の回転子保持部材３３が前記貫通孔に挿入されている。また、本体部２１は、アルミニウム製の円筒である。さらに、回転子保持部材３３は、高さ２０〔ｍｍ〕、直径３〔ｍｍ〕であり、その上面に深さ０．５〔ｍｍ〕の滑らかな保持凹部３４が形成されている。回転子２０は、上部２３の下面中心に形成された突起２４の先端が前記保持凹部３４に受容された状態で、支持点２５において前記保持凹部３４と点接触するように支持されているので、安定して水平を保ち、かつ、滑らかに回転することができる。
【0121】
そして、回転磁場制御部８３は、モータ５１を駆動して、第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂを保持する駆動磁石保持台５２を回転させる。すると、第１駆動磁石５３ａ及び第２駆動磁石５３ｂが生成する磁場が回転し、回転子２０の本体部２１に回転磁場が印加される。この回転磁場によって、本体部２１に回転トルクが付与されるので、回転子２０は、回転磁界の回転方向と同一方向に回転を行う。
【0122】
そして、回転検出部８１は、例えば、撮像装置が撮像した回転子２０に付加されたマーク２１ａの回転する動画像を撮像画像として自身内部の記憶部に記憶し、画像処理によってマーク２１ａの回転周期を求め、該回転周期から回転子２０の回転数ΩＤを求める。また、粘性検出部８２は、回転磁場制御部８３に指令して異なる複数の回転速度ΩＭでモータ５１を回転させる制御を行わせる。そして、モータ５１の回転数ΩＭが変わる毎に、回転検出部８１は対応する回転子２０の回転数ΩＤを求め、粘性検出部８２は、図４に示されるように、粘性の異なる標準試料毎に、回転子２０の回転数ΩＤと、モータ５１の回転数ΩＭと回転子２０の回転数ΩＤとの差分との対応関係を求める。
【0123】
図４に示される例において、各標準試料についての回転数ΩＤと、回転数差ΩＭ－ΩＤとの関係は、直線となっている。このため、図４は、回転子２０の回転数ΩＤと、回転子２０に印加される回転トルクの関係のみから粘性を求めることが可能であることを示している。したがって、標準データを用いることによって粘性を正確に測定することができることが分かる。
【0124】
次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【0125】
図８は第２の実施の形態における測定装置の測定対象ユニットを示す側断面図である。
【0126】
前記第１の実施の形態においては、測定対象ユニット３０の回転子２０の回転板２２が平坦で厚さが一定の円板形状を有する部材である場合について説明したが、本実施の形態における回転板２２は、円板形状を有するが、その厚さが中心から外縁に向かって減少するように形成されている。具体的には、回転板２２の下面２２ａは、回転板２２の中心から半径方向外側に進むにつれて上昇する円錐面となるように形成されている。そのため、回転板２２の下面２２ａと試料容器３１の底板３１ａの上面との間に挟まれた試料３２の厚さ３２ａは、回転中心である回転軸２６からの距離に比例して厚くなっている。
【0127】
これにより、試料容器３１に収容されている試料３２内の至るところに、すなわち、各部に、一様なずり速度の変形を実現することができる。したがって、本実施の形態における回転板２２は、ずり速度によって粘性の値が変化する非ニュートン流体の粘性及び／又は弾性の測定に有効である。
【0128】
なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【0129】
次に、第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【0130】
図９は第３の実施の形態における測定装置の測定対象ユニットを示す側断面図である。なお、図において、（ａ）は回転子の全体が試料に没した形態を示す図、（ｂ）は回転子の上部が試料の外側に露出した形態を示す図である。
【0131】
前記第１及び第２の実施の形態においては、測定対象ユニット３０の回転子２０が回転板２２を有する場合について説明したが、本実施の形態における回転子２０は、回転板２２を有していない。そして、試料容器３１は、前記第１及び第２の実施の形態と比較して、底板３１ａの径が小さく、側壁３１ｂの高さが高くなるよう（望ましくは、回転子２０の上部２３よりも上方にまで到達するよう）に形成されている。また、試料容器３１内に収容される試料３２の量は、その液面３２ｂが、図９（ａ）に示されるように、回転子２０の上部２３よりも上方にまで到達する程度、又は、図９（ｂ）に示されるように、回転子２０の上部２３に近い高さに到達する程度である。
【0132】
これにより、円筒状の本体部２１の内側面及び外側面が試料３２に接することとなる。したがって、円筒状の本体部２１の内側面と回転子保持部材３３の外側面とに挟まれた領域の試料３２、及び、円筒状の本体部２１の外側面と試料容器３１の側壁３１ｂの内側面とに挟まれた領域の試料３２にずり変形を与え、その際に回転子２０の回転に対する粘性抵抗を検出するようになっている。
【0133】
また、本実施の形態においては、試料容器３１が縦長の円筒形状となっているので、その側壁３１ｂの上部及び下部に試料３２の流入口及び排出口を形成することによって、前記試料容器３１を図示されない試料流路に接続して、該試料流路内を流動する試料３２の粘性及び／又は弾性を測定することができる。
【0134】
なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【0135】
また、本明細書の開示された測定装置の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって試料の粘性を求める処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【0136】
さらに、「コンピュータシステム」とは、ホームページ提供環境（又は表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。さらに、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【0137】
さらに、前記プログラムは、該プログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、又は、伝送媒体中の伝送波によって他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、前記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現することができるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【0138】
なお、本明細書の開示は、好適で例示的な実施の形態に関する特徴を述べたものである。ここに添付された特許請求の範囲内及びその趣旨内における種々の他の実施の形態、修正及び変形は、当業者であれば、本明細書の開示を総覧することにより、当然に考え付くことである。
【産業上の利用可能性】
【0139】
本開示は、粘性又は弾性の測定装置及び方法に適用することができる。
【符号の説明】
【0140】
２０ 回転子
２１ 本体部
２１ａ マーク
２２ 回転板
２２ａ 下面
２５ 支持点
２６ 回転軸
２７ 重心
３１ 試料容器
３２ 試料
３３ 回転子保持部材
３４ 保持凹部
５０ 駆動ユニット
８１ 回転検出部
８２ 粘性検出部
８４ 標準データ記憶部
２１ 本体部
２１ａ マーク
２２ 回転板
２２ａ 下面
２５ 支持点
２６ 回転軸
２７ 重心
３１ 試料容器
３２ 試料
３３ 回転子保持部材
３４ 保持凹部
５０ 駆動ユニット
８１ 回転検出部
８２ 粘性検出部
８４ 標準データ記憶部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】