JPH01260710A - 電気粘性流体の作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分軒］ 本発明は電圧制御により粘性変化可能な電気粘性流体の
作動方法に関するものであり、クラッチ、ブレーキ等の
トルク伝達用、あるいはバルブ、ダンパー等の流体制動
用のアクチュエータとして利用され、高温でも長期にわ
たり優れた安定な性能を発揮させることができる。

［従来の技術］ シリカ、デンプン、イオン交換樹脂等の含水微粒子を、
鉱油、シリコーン油、塩化パラフィン等の電気絶縁性液
体に分散させた流体に電圧を印加すると瞬間かつ可逆的
に大きく粘性を変化する。この現象はウィンズロ−効果
として古くから知られており、これまで提案されてきた
電気粘性流体はこのウィンズロ−効果を応用したものが
主流であり、この効果を高める方法として、微粒子を中
心に多くの提案がなされている。

例えば、マイカ、ヒル石などの層構造間に金属イオンと
極性物質の水溶液を含有させた粒子（特公昭４９−５１
１７号公報）、強酸性あるいは強塩基性の含水イオン交
換樹脂粒子（ｆ？開昭５０−９２２７８号公報）、ポリ
アクリル酸のような酸性基をもつ高吸水性の樹脂粒子（
特開昭５３−９３１８８号公報）等の含水微粒子を用い
る方法、また、チタン酸カルシウムなどの強誘電体粒子
（Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓｌｃｓ、３８（１）６７（１
９８７）］　、ポリ（アセン−キノン）やアニリンブラ
ックなどの有機゛ｒ導体粒子（特開昭６１−２１８２０
２号公報）等の非含水粒子を用いる方法が挙げられる。

これらの電気粘性流体は一般に直流および交流のいずれ
にも作動することから、両者の使用が可能であるが、長
時間電圧を印加し続けると徐々に電圧が低下したり絶縁
破壊し易くなる傾向かあり、これを防止するため直流パ
ルス電圧を印加する方法（英国特許第２１２５２３０号
）が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来提案されてきた電気粘性流体の殆どは、含水微粒子
を電気絶縁性流体に分散させた所謂ウィンズロ−タイプ
の流体であり、この微粒子中の水の移行、蒸発、電気分
解、昇温による電流急増などの問題があり本質的に高温
での使用が難しい。

また有機半導体や強誘電体粒子を用いた方法では電流量
が高過ぎたり電気粘性効果が低いといった問題があり実
用が難しい。

［課題を解決するための手段］ 従来の電気粘性流体の粘性発現機構としては、次の考え
方が有力である。すなわち含水微粒子表面の水が形成す
る電気２重層が外部電界により自由イオンの移動を起し
分極を生じる。この分極電荷が静電引力による粒子間の
電界方向の架橋を形成させ、これが架橋と直角方向の流
れに対して抵抗となり、流体の粘度を増大させる。

これは所ハＶ、電気２重層膜と言われるものである。。

本発明者らはこのような水の存在なく、外部電界により
粒子表面に分極電荷を容易に誘起させ、かつ分極電荷が
粒子表面にある程度の強さで保持させ粒子間に架橋を形
成させる物質が粒子として望ましいのではないかとの仮
説を基に各種の粒子を検討した結果、少くとも表面が導
電性を有する粒子の表面に電気絶縁性薄膜層を形成した
粒子が優れた粒子間の架橋形成能を示し、これを電気絶
縁性の流体に分散させた実質的に非含水の流体が高温で
も優れた電気粘性効果を発現することを見出し、既に特
許出願した（特願昭６１−２４１９２９号、特願昭８２
−１５９８０９号等）。

本発明は、更にこれらの新しい電気粘性流体の作動方法
と用途につき鋭意検討した結果生まれたものである。す
なわち、上記発明の流体は、交流あるいは直流をパルス
的に印加することによって、高温でも長期にわたり優れ
た電気粘性効果を安定に発現することを見出し、高温長
期使用可能なトルク伝達用あるいは流体制動用のアクチ
ュエーターとして優れたものであることを確認した。

その結果、本発明の構成は、特許請求の範囲に記載のよ
うに、少くとも表面が導電性を有する粒子の表面に電気
絶縁性薄膜層を形成させた粒子を、電気絶縁性の流体に
分散させてなる実質的に水を含まない電気粘性流体を、
交流電圧あるいは直流パルス電圧の印加により作動させ
る電気粘性流体の作動方法である。

本発明にいう少くとも表面が導電性を有する粒子として
は、アルミニウム、ケイ素、ニッケル、ジェラルミン、
シルミン（アルミニウムーケイ素合金）などの金属ある
いは合金、カーボンブラック、黒鉛、炭化ケイ素などの
炭素あるいは炭素化合物、ポリアセチレン、ポリピロー
ルなどをベースとした有機導電性ポリマー、硫化鋼、酸
化インジウムなどの導電性金属化合物等そのもの自体が
導電性を示す物質からなる粒子が挙げられる。また合成
高分子やセルロースなどの有機固体粒子あるいはシリカ
やアルミナバルーンなどの無機固体粒子のようにそのも
の自体は絶縁性ではあるが、その表面に金属や導電性ａ
機高分子、カーボンブラックなどの導電性物質を被覆し
た粒子、あるいは導電性物質を混合して導電性を付与し
た粒子も挙げられる。

いずれの粒子もその電気抵抗は１０５以下、好ましくは
１０２［単位Ω・ｃＩｌあるいはΩ］以下の導電性を示
す粒子であれば基本的に使用できる。

これらの粒子の形状はできるだけ丸みを帯びた、球状や
楕円状のものがよく、特に球状が好ましい。

粒径は１ないし１００μｌが好ましく、特に粒径の小さ
い方が粒子の沈降や摺動摩耗の防止の面から好ましい。

粒径分布についてはできるだけ単分散に近いものが優れ
た電気粘性効果と安定性の点で好ましい。

次に、電気絶縁性薄膜層とは、導電性薄膜上に形成され
た有機および無機の電気絶縁性物質からなる薄膜層であ
る。この電気絶縁性薄膜層を設けることによって、電界
下に置かれた上記粒子表面の導電性薄膜に生じた分極電
荷が、粒子間の接触で容易に電荷の中和を起したり、電
極間に導電路を形成し、度々スパークをともなった絶縁
破壊の原因になるのを防止することができる。

このような目的に使用できる有機および無機の絶縁性物
質としては、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリアクリ
ロニトリル、ポリフッ化ビニリデン等の有機合成高分子
物質、ワックス、アスファルト、フェス等の有機天然高
分子物質、シリカ、アルミナ、酸化チタン、チタン酸バ
リウム等の無機化合物等が代表例として挙げられる。

一般に体積あるいは表面電気抵抗が１０”Ωあるいは１
０６ΩＣｆｆ１以上で、できるだけ絶縁破壊強度や誘電
率の大きな物質が好ましい。

絶縁薄膜層の厚さは絶縁破壊させない限り、できるだけ
薄い方が好ましいが、耐摩耗性や均一性との関連から、
１μ−以下、好ましくは０．５μ■以下０．０５μｍ以
上で使用される。

絶縁性薄膜層の形成には、溶液または粉体コーティング
、表面重合、蒸着、表面反応等、公知の被覆方法が適用
できる。この場合も導電性薄膜層形成時と同様に、厚さ
が均一な全面被覆が好ましいが、被覆時の二次粒子の発
生をできるだけ防止することが必要である。このような
被覆方法としては、工業技術ライブラリー２５“マイク
ロカプセル″　（近藤朝士著、日刊工業新聞社）に紹介
された各種の方法、あるいは導電性薄膜層表面の酸化、
窒化等により絶縁化する方法、金属アルコキシドを表面
吸着させた後、加水あるいは加熱分解し金属酸化膜を形
成する方法などが、好ましい方法として使用できる。

無機質固体粒子の表面にこれらの導電性層および絶縁性
層の２層を積層させた３層構造粒子は実用上、これらの
層間にかなりの接着力が必要となるが、このためには粒
子表面の酸化、エツチングなどの物理的又は化学的処理
、カップリング剤、アンカーコート剤などの結合助剤の
使用が有効な場合が多い。

高温での長期連続使用のためには、粒子表面と導電性層
、導電性層と絶縁性薄膜層の接着性及び絶縁性薄膜層の
耐摩耗性が重要であり、中でも導電性粒子として金属粒
子を絶縁性薄膜層としてその金属粒子の表面を酸化や窒
化などの化学的処理により絶縁性薄膜を形成させる方法
が最もよく、かつ簡単であることがわかった。

アルミニウム粒子を例に表面絶縁性薄膜層の形成方法を
挙げると、温水やアルカリ水処理による水酸化アルミニ
ウム化、クロム酸あるいはクロム酸−リン酸処理による
クロメート化、酸素や窒素、アンモニアなどの一定分圧
のガス雰囲気下での高温加熱処理による酸化や窒化があ
るが、中でもクロメート化が絶縁層の厚さの調整調整や
絶縁破壊強度、耐摩耗性の面で好ましい。

水酸化アルミニウム化はそのままでは被膜強度が低く長
期使用の面から望ましくなく、また同じ絶縁破壊強度を
得るための被膜強度も厚くなり電気粘性効果が低くなる
傾向があるが、−変角熱処理により水酸化物の一部また
は大部分を酸化物にすると耐摩耗性や絶縁破壊強度も向
上し長期使用にも耐えられるようになる。

本発明に使用される電気絶縁性の流体としては、従来の
電気粘性流体で使用されてきた塩化ジフェニル、セパチ
ン酸ブチル、芳香族ポリカルボン酸高級アルコールエス
テル、ハロフェニルアルキルエーテル、トランス油、塩
化パラフィン、フッ素系オイル、シリコーン系オイル等
は勿論、電気絶縁性や絶縁破壊強度が高く、化学的に安
定で、分散粒子と比重が近いものであれば何でも使用可
能である。

本発明においては粒子と電気絶縁性流体の混合重量比率
は５対９５から６０対４０、好ましくは１０対９０から
５０対５０の範囲で選ばれる。混合された電気粘性流体
は、電気絶縁特性をあまり低下させない範囲で分散の安
定性や防錆、酸化防止等の目的で添加剤を使用すること
ができる。

また、本発明でいう実質的に無水とは、粒子および流体
ともに水を全く含有しない状態でも本質的に電気粘性効
果を示すということであるが、実用上僅かの水を含有し
てもさしつかえなく、通常は粒子としては１重量％以下
、流体としては数百ｐｐｍ以下の含有水であってもさし
つかえない。

ところで、本発明の作動方法であるが、従来の含水粒子
を用いた電気粘性流体では一般に直流及び交流のいずれ
の電圧印加に対しても作動するが、本発明の電気粘性流
体は、本質的に直流電圧では作動し難く、交流電圧ある
いは直流パルス電圧に作動することが見出された。この
ことは従来の電気粘性流体とは電気粘性の発現機構の点
でも大きく異なることを示唆するものと考えられる。ま
たこのような作動方法をとることにより低温は勿論、高
温でも長期間にわたり優れた電気粘性効果を安定に発現
させつることも見出された。この原因はまだ明確ではな
いが、従来の含水粒子を用いた電気粘性流体では長時間
の連続電圧印加で粒子が一方あるいは両方の電極面に移
行しスケール状に沈着する傾向が見られるのに対して、
本発明の電気粘性流体及び作動方式ではその傾向が見ら
れないことから、粒子の電極部への沈着のないことにも
関連するのではないかと考えられる。

このように本発明の電気粘性流体の作動方法により、高
温での長期の連続運転にも耐え得ることから、従来、電
気粘性流体の大きな用途として期待されてきた。例えば
、使用温度や耐久性の問題で実用化できなかったクラッ
チ、ブレーキ等のトルク伝達用あるいはバルブ、ダンパ
ー等の流体制動用のアクチュエーターの実現が可能とな
り、各種のクラッチ、バルブ、ショックアブシーバー、
エンジンマウント、振動加振装置、油圧システムなど幅
広い用途への応用が期待される。

［実施例コ 以下、実施例によって本発明をより詳細に示す。

本実施例での電気粘性特性は同一中心軸をもつ内径４０
１ｍのシリンダーと外径３８１１１１のロータの間隙（
１，０ｍｍ）に封入された試料流体間に、所定速度の剪
断をかけ、電圧を印加した際の発生剪断応力と電流を測
定する方法により評価した。

実施例１ 平均粒径２０μｌの球状アルミニウム粒子を無水クロム
酸１．５、リン酸５．０、フッ化ナトリウム　１．０（
いずれも重量％）を含有する３０℃の水溶液に１分間浸
漬処理した後、完全に水洗し、７０℃で２日間乾燥させ
た。この粒子は表面に約０．２μｍのクロメートの絶縁
層が形成されていること、また実質的に水分を含有しな
い（１０００ｐｐ＋ｎ以下）のものであることが確認さ
れた。

この粒子を乾燥窒素雰囲気下で吸湿させることなく直ち
に乾燥したジメチルシリコーン（水分率１００ｐｐＩ１
１以下）に粒子濃度３０重量％にして混合分散させ、２
０℃での電気粘性特性を評価した。

電圧印加は交流（５０サイクル）、直流パルス（パルス
幅１０ｎ＋５ｅｃｓデユーテイ比１対１の矩形波）およ
び直流で行った。

第１表に各電圧印加方法での印加電圧、発生剪断応力（
単位：９／ｃＩＩ１２）の関係を示した。

なお本実施例の粒子の電気抵抗は５Ｘ１０１２Ω・ｃｍ
であった。

第１表の結果より、本発明の電気粘性流体は、直流では
印加による応力の発生は見られないものの直流パルスで
は交流並の応力の発生が見られることがわかる。

第１表 実施例２ 実施例１て得られた電気粘性流体を、同じ交流および直
流パルスの電圧印加方法で１２０℃で２、ＯＫｖ／ｎｕ
ｎの電圧印加をし続けながら１週間連続耐久性試験を行
った。なお２４時間毎に短時間２５℃に戻し、室温での
性能の変化も測定した。

第２表に発生剪断応力（単位：　ｇ／ｃ１Ｍ’　）の経
時変化を示した。

第２表 この結果より本発明の電気粘性流体は１２０℃において
も長時間極めて安定な電気粘性効果を示し、また、高温
と室温での発生応力比も１近く（従来の電気粘性流体で
は低温領域の僅かな温度変化においても数倍あるいは数
十倍の変化が見られる）極めて優れた性能を示すことが
わかる。

本実施例の電気粘性特性の測定装置自体が、１つの円筒
クラッチであり、上記の結果はとりも直さず、トルク伝
達用アクチュエーターとして極めて優れた高温性能及び
耐久性能をもつことを示すものである。

［発明の効果］ 以上説明したように従来の電気粘性流体は６０〜７０℃
以上の高温では全く実用不可能であったが、本発明の電
気粘性流体は本質的には１００℃以上、例えば２００℃
の高温でも使用することが可能である。特に、交流電圧
あるいは直流パルス電圧の印加による作動方法をとるこ
とにより、このような高温でも長期間にわたり優れた電
気粘性効果を安定に発現させ得るものである。したがっ
て、本発明の方法は各種のトルク伝達用あるいは流体制
動用の実用的なアクチュエータの実現を可能とするもの
である。

特許出願人　旭化成工業株式会社 代理人　弁理士　小　松　秀　岳

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少くとも表面が導電性を有する粒子の表面に電気
   絶縁性薄膜層を形成させた粒子を、電気絶縁性の流体に
   分散させてなる実質的に水を含まない電気粘性流体を、
   交流電圧あるいは直流パルス電圧の印加により作動させ
   ることを特徴とする電気粘性流体の作動方法。