(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性流体と、
前記絶縁性流体に１vol％以上、５０vol％以下の割合で分散させた、平均粒径が２０ｎｍ以上、５０μｍ以下の磁性及び電気伝導性を有する軟磁性材料からなる粒子とを備え、
印加する磁場の強さにより電気抵抗が変化する、電気抵抗可変流体。
、電気抵抗可変流体。
【請求項２】
前記粒子は、平均粒径が２０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の第１の粒子と、平均粒径が１μｍ以上、５０μｍ以下の第２の粒子とを含み、
前記第１の粒子の全粒子に対する比率は、３０質量％以上、７５質量％以下である、請求項１に記載の電気抵抗可変流体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電気抵抗可変流体と、
電気抵抗可変流体に印加する磁場の強さを可変できる磁気回路とを備えている、可変抵抗装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電気抵抗可変流体及びそれを用いた可変抵抗装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極が設けられた容器内に導電性の流体を封入することにより様々なスイッチやセンサを実現することが検討されている。例えば、ヨウ化カリウム等の導電剤と粘度調整剤とを溶媒に溶解させた導電性流体を用いてスイッチを形成することが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。また、硝酸リチウム等の導電剤を炭素数が４以下の低級アルコールとアルキル基が４以下のプロピオン酸アルキルエステルとの混合溶媒に溶解させた導電性流体を用いて加速度センサを形成することが検討されている（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１２６５９１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これらの導電性流体は、それ自体の電気抵抗値が一定であり、電極間の抵抗値を変化させるためには、導電性流体と電極との接触面積を変化させたり、電極の間隔を変化させたりすることが必要となる。
【０００５】
本開示の課題は、電気抵抗を容易に変化させることができる電気抵抗可変流体を実現できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の電気抵抗可変流体の一態様は、絶縁性流体と、絶縁性流体に１vol％以上、５０vol％以下の割合で分散させた、平均粒径が２０ｎｍ以上、５０μｍ以下の磁性及び電気伝導性を有する粒子とを備え、印加する磁場の強さにより電気抵抗が変化する。
【０００７】
電気抵抗可変流体の一態様において、粒子は、平均粒径が２０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の第１の粒子と、平均粒径が１μｍ以上、５０μｍ以下の第２の粒子とを含み、第１の粒子の全粒子に対する比率は、３０質量％以上、７５質量％以下であってもよい。
【０００８】
本開示の可変抵抗装置は、本開示の電気抵抗可変流体と、電気抵抗可変流体に選択的に磁場を印加する磁場の強さを可変できる磁気回路とを備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の電気抵抗可変流体によれば、印加する磁場の強さを変化させることにより電気抵抗を容易に変化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係る可変抵抗装置を示す模式図である。
【図２】抵抗値の測定装置を示す模式図である。
【図３】粒子の混合比率と、抵抗変化率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態の電気抵抗可変流体は、印加する磁場の強さにより電気抵抗が変化する、電気抵抗可変流体である。具体的に、絶縁性流体に磁性及び電気伝導性を有する粒子が分散している。
【００１２】
本実施形態の電気抵抗可変流体は、絶縁性粒対中に磁性及び電気伝導性を有する粒子が分散している。電気抵抗可変流体に磁場が印加されていない場合には、粒子は絶縁性流体内で分散しているため、流体の電気伝導率は小さく、高い抵抗値を示す。電気抵抗可変流体に磁場を印加すると、粒子はクラスタを形成する。クラスタの形成により粒子同士が接触して導電経路が形成され、電気伝導率が上昇する。印加する磁場が強くなるに従いクラスタが大きくなるため、電気伝導率は印加する磁場の強さに応じて高くなる。
【００１３】
絶縁性流体は、絶縁性で、磁性及び電気伝導性を有する粒子を分散させることができればどのようなものを用いてもよい。例えば、水、シリコーンオイル、フッ素オイル、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）、パラフィン、エーテル油、エステル油、鉱物油、植物性油又は動物性油等を用いることができる。また、アルコール、トルエン、キシレン、ヘキサン、エステル類及びエーテル類等の有機溶媒を用いることもできる。これは、単独で用いることも２種類以上を組み合わせて用いることもできる。
【００１４】
磁性及び電気伝導性を有する粒子としては、鉄及び導電性の鉄化合物等の粒子が挙げられる。例えば、アークプラズマ法により形成した鉄ナノ粒子、カルボニル鉄粒子、マグネタイト粒子、及び窒化鉄粒子等を用いることができる。また、アルミニウム含有鉄合金、ケイ素含有鉄合金、コバルト含有鉄合金、ニッケル含有鉄合金、バナジウム含有鉄合金、モリブデン含有鉄合金、クロム含有鉄合金、タングステン含有鉄合金、マンガン含有鉄合金、及び銅含有鉄合金等の鉄合金からなる粒子を用いることもできる。鉄化合物又は鉄合金以外にも、クロム、ニッケル及びコバルト等の化合物又は合金からなる粒子を用いることもできる。また、カルボニル鉄等の磁性を有する粒子の表面に、金等の磁性を有さず、電気伝導率が高い材料からなる被膜を形成した粒子を用いることもできる。電気伝導率が低いフェライト等の材料からなる粒子の表面に、電気伝導率が高い材料からなる皮膜を形成した粒子を用いることも可能である。これらの粒子は、単独で用いることも、複数を混合して用いることもできる。
【００１５】
磁性及び電気伝導性を有する粒子は、磁場を印可した場合には磁性を帯び、磁場を印可していない場合には実質的に磁性を帯びていない状態となる、軟磁性材料からなる粒子が好ましい。具体的には保磁力が３００Ｏｅ以下の粒子が好ましく、２５０Ｏｅ以下の粒子がより好ましく、２００Ｏｅ以下の粒子がさらに好ましい。
【００１６】
磁性及び電気伝導性を有する粒子の分散濃度は、電気伝導性を確保する観点から１vol％以上であり、２vol％以上が好ましく、５vol％以上がより好ましい。また、分散濃度は、分散性の観点から５０vol％以下であり、３０vol％以下が好ましく、２０vol％以下がより好ましい。
【００１７】
磁性及び電気伝導性を有する粒子の平均粒径は、印加する磁場の強さに応じてクラスタを形成させ、電気抵抗を変化させる観点から２０ｎｍ以上であり、３０ｎｍ以上が好ましく、５０ｎｍ以上がより好ましく、１００ｎｍ以上が更に好ましい。また、平均粒径は、クラスタ形成のし易さ及び沈降を避ける観点から、５０μｍ以下であり、１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましく、２μｍ以下が更に好ましい。
【００１８】
磁性及び電気伝導性を有する粒子は、平均粒径が異なる複数の粒子を混合して用いてもよい。混合する粒子は特に限定されないが、例えば、平均粒径が３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、より好ましくは１５０ｎｍ以下で、２０ｎｍ以上、好ましくは３０ｎｍ以上、より好ましくは５０ｎｍ以上の第１の粒子と、平均粒径が１μｍ以上、好ましくは１．５μｍ以上で、５０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の第２の粒子とを混合して用いることができる。このようなサイズの第１の粒子と第２の粒子とを混合することにより、電気抵抗の変化率を大きくすることができる。電気抵抗の変化率を大きくする観点から、第１の粒子の全粒子に対する比率は３０質量％以上が好ましく、３５％質量以上がより好ましく、４０質量％以上が更に好ましく、また７５質量％以下が好ましく、６５質量％以下がより好ましく、６０質量％以下が更に好ましい。
【００１９】
磁束密度がＴ１の際の抵抗値をＲ１、磁束密度がＴ２の際の抵抗値をＲ２とした際における、磁束密度の変化量当たりの抵抗値の変化率ΔＲをΔＲ＝（Ｒ１／Ｒ２）／（Ｔ２−Ｔ１）とすると、ΔＲを容易に１０以上とすることができる。磁性及び電気伝導性を有する粒子の平均粒径及び濃度を調整することにより、ΔＲを自由に変化させることができ、１×１０2以上、又は１×１０3以上とすることもできる。粒径が異なる第１の粒子と第２の粒子とを混合して用いる場合には、ΔＲを１×１０4以上、又は１×１０5以上とすることも可能である。
【００２０】
本実施形態の電気抵抗可変流体は、印加する磁場の強さにより抵抗値が変化するため、スイッチ、可変抵抗装置及び磁気センサ等に用いることができる。
【００２１】
可変抵抗装置とする場合には、例えば図１に示すような構成とすることができる。本実施形態の可変抵抗装置２００は、本実施形態の電気抵抗可変流体１００が封入された抵抗器本体２１０と、電気抵抗可変流体１００に磁場を印加する磁場発生部２２０とを有している。抵抗器本体２１０は、間隔をおいて相対するように配置された２枚の電極２１１を有する容器内２１２に、本実施形態の電気抵抗可変流体１００が封入されている。電極２１１は配線２３１により電気回路（図示せず）と接続されている。磁場発生部２２０は、電極２１１と交差するように磁気回路２２３を発生させるコイル２２１及びヨーク２２２を有している。コイル２２１を流れる電流を変化させることにより、電気抵抗可変流体１００に印加される磁場の強さが変化する。このため、電極２１１間の電気抵抗を変化させることができる。
【００２２】
可変抵抗装置２００の抵抗値及び可変範囲は、電極２１１の面積及び間隔、電気抵抗可変流体１００の粒子の種類、サイズ及び分散濃度、並びに印加する磁場の強さ等によって調製することができる。
【００２３】
本実施形態の電気抵抗可変流体について実施例を用いて更に詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を何ら限定するものではない。
【００２４】
＜電気抵抗測定方法＞
電気抵抗可変流体の電気抵抗は、図２に示す抵抗値測定装置３００を用いて測定した。抵抗値測定装置３００は、電気抵抗可変流体１００を溝部３１１に保持する筐体部３１０と、溝部に保持された電気抵抗可変流体１００の抵抗値を測定する測定部３２０とを有している。
【００２５】
筐体部３１０の溝部３１１は、幅５ｍｍ、深さ１０ｍｍ、長さ１０ｍｍとした。筐体部３１０内に設けられたコイル３１２により磁気回路３１３が形成され、溝部３１１に保持した電気抵抗可変流体１００を横切るように磁場を印加することができる。コイル３１２は可変電源３１４と接続されており、コイル３１２を流れる電流を変化させることにより、電気抵抗可変流体１００に印加される磁場の強さを変化させた。磁場の強さは、溝部３１１に電気抵抗可変流体１００を入れない状態において、溝部３１１内にガウスメータ（カンテック株式会社製ＴＭ−７０１）のセンサー部分を挿入することにより測定した。
【００２６】
測定部３２０は、高電圧絶縁抵抗計（日置電気社製３４５５）およびデジタルサーキットテスター（カイセ株式会社製ＫＵ−２６００）を用い、電極間の距離を１ｍｍとし、試験電圧を５００Ｖとして抵抗値を測定した。
【００２７】
＜磁性及び電気伝導性を有する粒子＞
［粒子１］
粒子１は、以下の方法によりアークプラズマ法により作成した鉄ナノ粒子とした。まず、図３に示す装置１０の容器１３内に、水素及びアルゴンの混合気体を満たして大気圧とした。水素及びアルゴンの分圧はそれぞれ、０．５ａｔｍとした。直流電源１４により、タングステンからなるプラズマトーチ１１（陰極）と、水冷銅ハース１２の上に載置した金属材料２１（陽極）との間に４０Ｖで１５０Ａの電流を供給することにより、アークプラズマ１８を発生させた。金属材料２１として、純鉄（純度９９．９８％：アルドリッチ社製）を用いた。鉄ナノ粒子の生成速度は０．８ｇ／ｍｉｎ程度であった。
【００２８】
鉄ナノ粒子を生成した後、容器１３及び粒子捕集器１６内をアルゴンを５％含むドライエア（窒素８０％、酸素２０％）雰囲気として、３時間放置し、粒子の表面に酸化鉄からなる層を形成した。
【００２９】
ＢＥＴ（Brunauer-Emmett-Teller）法により求めた平均粒径は、１００ｎｍであった。
【００３０】
［粒子２］
粒子２は市販のカルボニル鉄粒子（ＢＡＳＦ社製：Softgrade SM）とした。粒子２の平均粒径（カタログ値）は２μｍであった。
【００３１】
［粒子３］
粒子３は、市販のマグネタイトからなる磁性流体（シグマハイケミカル社製Ｆ−３１０）とした。粒子３は、パーフルオロポリエーテルに分散させた状態で入手した。粒子３の平均粒径（カタログ値）は１０ｎｍであった。
【００３２】
（実施例１）
粒子１をシリコーンオイル（信越化学社製：ＫＦ−９６−５０ｃｓ）に２vol％となるように分散させた電気抵抗可変流体について、印加する磁場の強さと抵抗値との関係を測定した。印加する磁場を強くすると抵抗値は減少し、磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は７３９０００ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は８５００ＭΩであり、変化率ΔＲは３０１であった。
【００３３】
（実施例２）
粒子１の分散濃度を５vol％とした以外は実施例１と同様にした。磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は６９９０００ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は１５００ＭΩであり、変化率ΔＲは１６１２であった。
【００３４】
（実施例３）
粒子１の分散濃度を１０vol％とした以外は実施例１と同様にした。磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は５１７０００ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は３７６ＭΩであり、変化率ΔＲは４７５８であった。
【００３５】
（実施例４）
粒子１の分散濃度を１５vol％とした以外は実施例１と同様にした。磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は４３５０００ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は２１０ＭΩであり、変化率ΔＲは７１６６であった。
【００３６】
（実施例５）
粒子１の分散濃度を２０vol％とした以外は実施例１と同様にした。磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は３９００００ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は１６６ＭΩであり、変化率ΔＲは８１２８であった。
【００３７】
（実施例６）
粒子１に代えて粒子２を用いた以外は実施例１と同様にした。磁束密度が０．０７９Ｔの場合の抵抗値は１８ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は４ＭΩであり、変化率ΔＲは２０であった。
【００３８】
（比較例１）
粒子１に代えて粒子３を用い、絶縁性流体にパーフルオロポリエーテルを用い、分散濃度を８．３vol％とした。印加する磁場の強さを強くしても、必ずしも抵抗値は減少傾向を示さなかったため、変化率は計算できなかった。
【００３９】
表１に実施例１〜６及び比較例１について、磁束密度と抵抗値とをまとめて示す。
【００４０】
【表１】
0006489883.tif 000002
【００４１】
（実施例７）
粒子１と粒子２とを混合した粒子を用いた以外は、実施例１と同様にした。粒子１の全粒子に対する比率は２質量％とした。磁束密度が０．１９１Ｔの場合の抵抗値は２４ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は５．６ＭΩであり、変化率ΔＲは３９であった。
【００４２】
（実施例８）
粒子１の全粒子に対する比率を２５質量％とした以外は実施例７と同様にした。磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は９２．５ＭΩであり、０．０７９Ｔの場合の抵抗値は１．９８ＭΩであり、変化率ΔＲは６８７であった。
【００４３】
（実施例９）
粒子１の全粒子に対する比率を４０質量％とした以外は実施例７と同様にした。磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は１１３００ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は０．４１ＭΩであり、変化率ΔＲは９５３６７であった。
【００４４】
（実施例１０）
粒子１の全粒子に対する比率を５０質量％とした以外は実施例７と同様にした。磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は１１４０００ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は２ＭΩであり、変化率ΔＲは１９７２３２であった。
【００４５】
（実施例１１）
粒子１の全粒子に対する比率を６０質量％とした以外は実施例７と同様にした。磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は１３２０００ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は２ＭΩであり、変化率ΔＲは２２８３７４であった。
【００４６】
（実施例１２）
粒子１の全粒子に対する比率を７５質量％とした以外は実施例７と同様にした。磁束密度が０．０１１Ｔの場合の抵抗値は２７０００ＭΩであり、０．３Ｔの場合の抵抗値は１２５ＭΩであり、変化率ΔＲは７４７４であった。
【００４７】
表２に実施例７〜１２について、磁束密度と抵抗値とをまとめて示す。図４には、粒子１の混合比率と変化率ΔＲとの関係を示す。
【００４８】
【表２】
0006489883.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本開示の電気抵抗可変流体は、印加する磁場の強さにより、電気抵抗を容易に変化させることができ、有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１００      電気抵抗可変流体
２００      可変抵抗装置
２１０      抵抗器本体
２１１      電極
２１２      容器内
２２０      磁場発生部
２２１      コイル
２２２      ヨーク
２２３      磁気回路
２３１      配線
【図１】
0006489883.tif 000004
【図２】
0006489883.tif 000005
【図３】
0006489883.tif 000006