レオメーター

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レオメーターとは？ 測定の特徴・原理と価格帯を紹介

まず最初に、レオメーターの基本的な特徴・原理と価格帯について説明します。

レオメーターの基本的な特徴・原理

レオメーターは、レオロジー特性を定量的に測定する機械です。固体がどのように変形するか（例：弾性、塑性変形）、液体や溶液がどのように流れるか（例：粘性）などを理解するために用いられます。

特に、粘性、弾性など、材料の応答を外力（応力）に対して評価することに使用されることが多いです。材料の研究開発、品質管理、生産プロセスの最適化など、幅広い用途があります。

レオメーターのほかにも、B型粘度計という粘度を測定する機械はありますが、B型粘度計は回転子の回転数が特定の回数しか選べないのに対して、レオメーターは回転数を自由に変えることで粘度を測ることができます。

レオメーターは、次のような一連の流れで動作します。

レオメーターの価格帯

レオメーターの値段は、種類や性能によって大きく異なりますが、一般的には約百万円から購入が可能です。

例えば、価格帯を次の三区分に分けることが可能です。

ここまで、レオメーターの基本的な特徴・仕組みと価格帯について説明しました。次の章では、レオメーターの基本構造を解説します。

基本的な特徴と仕組みを押さえた上で構造を理解することで、種類別の特徴が理解しやすくなります。ぜひ続けてお読みください。

レオメーターの基本構造を解説

ここからは、レオメーターの基本的な構造を説明します。ここでは回転式レオメーターを例に取り上げますが、レオメーターは一般的に以下の要素から構成されています。

それぞれの役割は以下のとおりです。

回転子（ローター）

回転子はレオメーターの動作部分で、モーターによって駆動します。この部分は、測定対象のサンプルに直接接触し、サンプルにせん断力を加えるために使用されます。せん断は、物が切断される方向に力が加わることです。

回転子の形状にはいくつか種類があり（円盤、円錐、円柱など）、使用されるサンプルの種類や測定目的によって選ばれます。

回転子はサンプルに対して一定の速度で回転することにより、サンプルをせん断流動させ、その応答（ひずみや流動性）を測定することができます。測定中、回転子にかかるトルク（回転力）や回転速度は精密に制御され、これによりサンプルの粘性や弾性などのレオロジー特性を評価します。

この回転子の部分は、レオメーターの種類によって、振動装置（振動式）や押出装置（キャピラリー）に変わります。

固定子（ステーター）

固定子は、その名の通りレオメーター内で固定されている部分で、回転子が回転する際の「基準点」として機能します。サンプルを保持し、回転子によって加えられる力に対してサンプルがどのように反応するかを観察するための静的な環境を提供します。

測定対象のサンプルの種類や測定条件によって異なりますが、固定子は一般的には平板やマッチングする円柱などが用いられます。

固定子はまた、温度制御機能を備えていることも多く、サンプルの温度を一定に保つか、または特定の温度制御調整に従って変化させることができます。これにより、温度が物質のレオロジー特性に与える影響を評価することが可能になります。

キャピラリーレオメーターの場合、この部分はキャピラリー管に変わります。サンプルを細い管（キャピラリー）を通して押し出し、圧力損失を測定することで粘性を求めます。

ここまで、回転式レオメーターを例に、レオメーターの基本構造について説明しました。

レオメーターの基本構造はこれで押さえられましたが、この構造部分の変動によって、レオメーターの種類が異なります。次の章では、4種類のレオメーターを確認し、各メリットとデメリットを説明します。

4種類のレオメーターと用途・メリットとデメリット

ここからは、レオメーターの種類とそれぞれのメリット、デメリットについて解説します。レオメーターは、大きく分けて次の4種類に分けることができます。

回転式レオメーター

回転式レオメーターは、特定のサンプルを保持するカップと、そのカップ内に配置された回転する円筒（ローター）を用いて、物質の流動と変形の特性を精密に分析する装置です。この装置によって、カップとローターの間に適用されるせん断応力と、それに応じて生じる物質のせん断速度との関係を正確に測定することが可能になります。

回転数やせん断応力を自由に設定できるため、非ニュートン流体（与える力によって粘度が変わる物体）の流動特性を詳細に調べられます。

さまざまな形状やサイズのローターを使うことで、測定対象の流体に合わせた最適な条件で測定できます。測定中に温度や圧力を制御したり、外部から力を加えたりすることで、実際の使用環境に近い状態で測定します。

デメリット

測定には比較的大量のサンプルが必要です。また、測定に時間がかかる場合があり、場合によっては流体の性質が変化してしまうこともあります。

測定結果にはローターの形状やサイズ、カップとローターの間隔などの影響があるため、測定条件を正確に記録したり、他の装置の結果と比較したりする際には注意が必要です。

振動式レオメーター

振動式レオメーターは、サンプル内に挿入された振動子を用いて、一定の周波数で振動を適用することにより、物質にかかるせん断応力とせん断速度の関係を精密に測定する高度な装置です。この方法により、物質の粘性応答と弾性応答を同時に評価することが可能となり、サンプルのビスコエラスティック（粘弾性）特性を包括的に理解することができます。

メリット

測定に時間がかからず、流体の性質が変化するリスクが低いです。そのため、サンプルの粘度変化や温度変化に素早く応答したリアルタイムの測定ができます。また、測定に必要なサンプル量が少なく、測定条件の影響も小さいです。

また、平板プレートタイプの振動子だと、サンプル組織の破壊が少なく、安定した粘度値と粘度変化に追従した測定ができます。

デメリット

ずり速度（せん断速度）の変更ができず、非ニュートン流体の流動特性を詳細に調べることができない場合があります。

また、測定には高精度の加振力センサーや温度センサーが必要で、装置が高価になる場合があります。ほかにも、測定結果には振動子の形状やサイズ、固有振動数などの影響があるため、測定条件を正確に記録したり、補正したりする必要も出てきます。

キャピラリーレオメーター

キャピラリーレオメーターは、サンプルを保持するシリンダーと、サンプルをキャピラリー管を通して押し出すためのピストンの間に生じる圧力と、物質の押し出し速度の関係を正確に測定する装置です。この測定により、特に高粘度の流体や溶融ポリマーなどの流動特性や粘性が詳細に分析されます。

メリット

微量のサンプルで測定できるため、高価なサンプルなどに適しています。

また、高せん断速度で測定できるため、高速で流動する流体の測定にも適しています。測定中に温度や圧力を制御したり、外部から力を加えたりすることで、サンプルの実際の使用環境に近い状態で測定ができます。

デメリット

測定には高精度の圧力センサーや温度センサーが必要となるため、装置が高価になる場合があります。また測定にはノズル（流体を特定の方向に導く）が必要です。サンプルの性質や測定条件に合わせて選択したり、清掃したりする必要があります。

測定結果にはノズルの形状やサイズ、圧力損失などの影響があるため、測定条件を正確に記録したり、補正したりする必要があります。

テクスチャーアナライザー

テクスチャーアナライザーは、食品、化粧品、医薬品、バイオマテリアルなど、様々なサンプルの物理的特性を測定するための万能物性試験機です。この装置は、サンプルに引張り、圧縮、曲げなどの様々な負荷を加えることにより、試験力と変形量の関係を測定します。

メリット

食品や化粧品の感触や食感を数値化できるため、品質管理に役立ちます。

さまざまな形状やサイズのサンプルに対応できるため、測定対象の幅が広いです。測定中に温度や湿度を制御したり、外部から力を加えたりすることで、実際の使用環境に近い状態で測定できます。

デメリット

測定には比較的大量のサンプルが必要です。また、測定に時間がかかり、サンプルの性質が変化してしまう場合があります。

測定結果には試験条件や治具の影響があるため、測定条件を正確に記録したり、他の装置の結果と比較したりする際には注意が必要です。

ここまで、各レオメーターの特徴とメリット・デメリットについて説明しました。

次の章では、実際に数多くあるレオメーターの中から、貴社に最適な機械を選ぶ際の基準を5つ解説します。選定基準を把握することが一番大切ですので、ぜひ続けてお読みください。

選定方法は？ レオメーターの比較基準5点

ここからは、レオメーターを選ぶ際の選定基準を解説します。機械の導入に際して、検討すべき事項は以下の5点です。

物体の硬さ

物体の硬さは、物質が外力に対してどの程度抵抗するかを示す指標であり、レオメーターを選ぶ際の重要な基準の一つです。測定するサンプルの硬さに応じて、適切な測定モード（例えば、せん断モードや伸張モード）を持つレオメーターを選択する必要があります。

硬さは、特に固体サンプルや半固体サンプルの特性を理解する上で重要です。レオメーターを使用して、様々な応力条件下での物質の変形や流動挙動を評価することができますが、こうした硬いサンプルの場合は、テクスチャーアナライザーなどが求められることがあります。逆に柔らかい場合は回転式や振動式が適しています。

測定温度

測定が必要なサンプルの温度範囲がどれくらいかによって、選ぶと良いレオメーターが変わります。例えば、高温での測定が必要な場合には、温度制御機能で高度に調節できる装置を選ぶ必要があります。

また、物体の硬さに関連して、温度が変わるとサンプルの粘度や粘弾性も変化する傾向にあります。

例えば、温度が高くなると、サンプルは流れやすくなり、粘度は低下し、粘弾性は減少します。この場合、キャピラリーレオメーターが適しています。一方、温度が低くなると、一般的にサンプルは固まりやすくなり、粘度は上昇し、粘弾性は増加します。この場合は振動式が適しています。

せん断応力・伸張応力

レオメーターのせん断応力が変わると、サンプルの流動曲線や動的粘弾性測定の結果が変わります。よって、得たい測定結果の性質によって適したレオメーターも変わってきます。

流動曲線は、せん断応力とせん断速度の関係を表すグラフで、サンプルの流動性や降伏値（流体状態へと変化する際に必要な最小の応力のこと）を評価するのに使われます。例えば、歯磨き粉がチューブから簡単に出るようにするためには、適切な降伏値を持つのが重要です。

動的粘弾性測定は、正弦波ひずみ（時間に対して正弦波形で変化する変形のこと。振動式レオメーターに関係する）をサンプルに加えて応力を測定する方法で、サンプルの弾性率や損失率を評価するのに使われます。

せん断応力が高いと、サンプルは流動しやすくなり、流動曲線ではせん断速度が大きくなります。高いせん断応力を求める場合、テクスチャーアナライザーが適しています。また、動的粘弾性測定では、応力とひずみの位相差が大きくなり、損失率が高くなります。位相差とは、適用された応力と材料の応答（ひずみ）との間の時間的なずれのことです。

せん断速度

せん断速度は、サンプルがどれだけ迅速に変形するか、または流れるかを示す速度であり、レオメーターの選択において考慮すべき基準のひとつです。

せん断速度の範囲が広いレオメーターを選ぶことで、低速から高速までの流動条件下での物質の挙動を広範囲にわたって評価することが可能です。

流体の流れや固体の変形の特性を評価する際に特に重要です。サンプルに対して適切なレオメーターを使用することで、求めている応答を測定することができます。例えば、速いせん断速度を求める場合は、キャピラリーレオメーターが適しています。

周波数

周波数は、振動式レオメーター測定において特に重要なパラメータで、サンプルに適用される振動の速度を示します。周波数を変えることで、物質の時間依存性や動的なビスコエラスティック特性を調べることができます。

高い周波数では、サンプルの弾性応答が主になり、低い周波数では、粘性応答が顕著になる傾向があります。選択するレオメーターがサンプルに対して適した周波数範囲をカバーしていることが、物質の挙動をより詳細に理解することに繋がります。

以上、レオメーターを選定する際の基準5点でした。次の章では、レオメーターを製造するメーカーを一覧で紹介します。続けて読むと、貴社にとって適切なメーカーがわかりますので、是非ご一読ください。

レオメーターを製造している主要メーカー5社

ここからは、レオメーターを製造している主要企業を紹介します。貴社の導入条件を整理し、比較基準の5点を確認した後は、実際にレオメーターを製造している企業を探しましょう。

Anton Paar/アントンパール

アントンパールは、1922年にオーストリアで創業した精密測定機器のメーカーです。粘度測定と粘弾性測定の分野では、世界的なメーカーとして知られています。

回転式レオメーターとキャピラリーレオメータを提供しています。特に、MCR（Modular Compact Rheometer）シリーズが有名です。

アントンパールの強みは、密度、濃度、屈折、粘度、粘弾性、引火点、FTIR、XRDなど、多様な物性測定・分析機器をカバーしていることです。

アントンパールのレオメーターは、食品、化粧品、医薬品、石油、塗料、コーティング、ポリマー、セラミックス、建築材料、金属、紙、生物学など、多岐にわたる分野で利用されています。

TA Instruments/ティー・エイ・インスツルメント

ティー・エイ・インスツルメントは、レオロジー、熱分析、マイクロキャリパリメトリーなどの材料特性評価の分野で世界的に有名なメーカーです。1991年に米国で設立され、現在はウォーターズコーポレーションの一部となっています。

Discovery Hybrid Rheometer (DHR) とARES-G2という回転式レオメーターと振動式レオメーターを製造しています。

DHRは、制御された応力、ひずみ、ずり、振動、回転変形、引張変形、伸び変形など、さまざまなレオロジー測定に対応できる多機能なレオメーターです。ARES-G2は、研究と材料開発に使用する非常に高度な回転式レオメーターです。

ティー・エイ・インスツルメントのレオメーターの強みは、正確で精密なレオロジーデータの取得、容易で再現性のあるサンプルローディング、多種多様な実験ニーズの満足、高度な特性評価などが可能なことです。

ティー・エイ・インスツルメントのレオメーターは、接着剤・シール剤、農薬、アスファルト舗装材、電池および電池材料、食品、塗料・インク・コーティング、パーソナルケア・家庭用品、医薬材料、ポリマーなど、さまざまな業界で利用されている。

Malvern Panalytical/マルバーン・パナリティカル

マルバーン・パナリティカルは、分析・測定で世界をリードするスペクトリスの一員で、粒子計測装置やX線分析装置などの科学機器やサービスを提供しています。

マルバーン・パナリティカルは、回転式レオメーターを扱っています。

ここのレオメーターの強みは、高品質なセンサーやソフトウェアを備え、正確で再現性の高い測定結果を提供することです。また、メンテナンスなどのサポートも充実しています。

マルバーン・パナリティカルのレオメーターは、食品の食感や安定性などの品質評価に利用されています。例えば、チョコレートの流動性や硬さ、ヨーグルトの粘度やゲル化、マヨネーズの乳化や分離などの測定です。

Thermo Fisher Scientific/サーモフィッシャーサイエンティフィック

サーモフィッシャーサイエンティフィックは、世界をリードする科学サービス会社であり、高度な分析機器、試薬、消耗品、ソフトウェアなどを提供しています。

レオメーターを含む材料科学関連の測定機器もその製品ラインナップの一部であり、精密なレオロジー測定により材料の特性を理解し、新しい材料の開発や既存材料の改良に貢献しています。回転式レオメーターを扱っています。

強みは、その包括的な技術力と幅広い製品ラインナップにあります。世界中の研究所や産業界におけるニーズに応えることができる製品とサービスを提供しています。

サーモフィッシャーサイエンティフィックのレオメーターは、化学分野、食品産業、医薬品・バイオテクノロジー、化粧品産業、石油・エネルギー産業で使用されています。

イマダ/IMADA

イマダは、荷重測定専門メーカーとして、フォースゲージ、ロードセル、計測スタンド、トルクゲージなどの製品を提供しています。設立は1987年で、現在では国内外に販売網を広げています。

イマダのレオメーターは、卓上タイプで持ち運びも可能なテクスチャーアナライザーです。食品の食感（テクスチャー）を数値化できる測定器で、食品の種類や規格を選択するだけで測定条件を簡単に設定することができます。

強みは、1秒に1000データを取得できる性能、±0.2パーセントフルスケールという高精度で、精密な食感試験を行うことができる点です。また、JIS、ISO、ユニバーサルデザインフードや嚥下困難者用食品規格に基づいた食品測定を簡単に実現できます。

イマダのレオメーターは、食品業界だけでなく、化粧品や医薬品などの業界でも利用されています。

レオロジー特性の測定にぜひ「レオメーター」導入検討を

レオメーターは、様々な材料の変形特性を精密に測定するための革新的な装置です。私たちの日常生活から産業界に至るまで、材料の挙動を正確に理解することは、製品の品質を向上させ、消費者の期待に応えるために不可欠と言えます。

レオメーターにはいくつか種類があります。貴社の目的に合った機械の導入をご検討いただき、レオロジー特性の測定にぜひお役立てください。

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