(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電界を生じせしめる一対の電極間に、フッ素変性オイルからなる電気絶縁性分散媒中に固体粒子を分散させてなる電気粘性流体が配されており、前記一対の電極のうち少なくとも陽極の電気粘性流体と接する表面に、導電性材料からなる微細な凹凸が形成されていることを特徴とする電気レオロジー素子。
【請求項２】
前記導電性材料からなる微細な凹凸が網目状であることを特徴とする請求項１記載の電気レオロジー素子。
【請求項３】
前記電気粘性流体として、電界印加時に電極表面近傍にコラムの密度が薄い領域を形成するものを用いることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の電気レオロジー素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一対の電極間に電気粘性流体が配されてなる電気レオロジー素子に関し、特に電極表面の形状を改善することによりＥＲ効果を促進できるようにした電気レオロジー素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電気粘性流体と呼ばれる組成物は知られている。分散系電気粘性流体は、微小な固体粒子を電気絶縁性の媒体中に適当な濃度で分散させてなる流体であり、これに数ｋＶ／ｍｍ程度の外部電界を印加するとその流体の見かけの粘度（または降伏応力）が著しく増大する特性、いわゆる電気レオロジー効果（以下、ＥＲ効果という）を発現する。
このようなＥＲ効果による粘度変化は可逆的であり、その応答速度が数ｍｓのオーダと速いことから、例えばクラッチ、バルブ、ダンパ、アクチュエータ、ロボット制御、振動制御などの各種装置への応用が期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＥＲ効果の発現メカニズムについては多数の研究者によって検討されており、いくつかの説があるが、基本的には電界の印加によって粒子が分極し、粒子間の電気的な引力によって電極間に鎖状構造が形成され、その結果、剪断に対する抵抗力が発生して降伏応力が現れると考えられる。
しかしながら、ＥＲ効果の発現のメカニズムについては未だ不明な点が多く、実用に供する十分な降伏応力が得られていないのが現状であり、ＥＲ効果を促進させる新たな技術の開発が望まれている。
【０００４】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、電気粘性流体によるＥＲ効果を促進できるようにした電気レオロジー素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の電気レオロジー素子は、直流電界を生じせしめる一対の電極間に、フッ素変性オイルからなる電気絶縁性分散媒中に固体粒子を分散させてなる電気粘性流体が配されており、前記一対の電極のうち少なくとも陽極の電気粘性流体と接する表面に、導電性材料からなる微細な凹凸が形成されていることを特徴とする電気レオロジー素子。前記導電性材料からなる微細な凹凸は、例えば網目状に形成することが好ましい。前記電気粘性流体として、電界印加時に電極表面近傍にコラムの密度が薄い領域を形成するものを用いることが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、電界印加時に電極間に固体粒子の鎖状構造が形成され、さらにこの鎖状構造が破壊に至る過程を詳細に調べ、その結果、ある種の電気粘性流体（以下、ＥＲ流体ということもある）においては、電界を印加したときに電極の間に固体粒子のコラム（鎖）が一様に形成されず一方の電極の表面近傍にコラムの密度が薄い低密度領域が形成されること、さらにＥＲ流体に剪断速度が与えられるとこの低密度領域でコラムの切断が生じること、および電極表面とコラム先端との間に滑りが生じることを知見し、このような電極表面での滑り現象とコラムの切断がＥＲ効果の促進を妨げる原因となっていることを見い出して本発明に至った。
【０００７】
まず、本発明者等が知見したＥＲ流体における電極表面での滑り現象とコラムの破壊現象について説明する。
（実験例１）
図１は、本発明者等がＥＲ流体の挙動を可視化するために作製した装置の概略構成図である。
この装置は、円盤状の内側電極１と円筒状の外側電極２とが同軸となるように配置されており、これらの間にＥＲ流体３が満たされている。内側電極１の中心軸はモータ４に直結されており、内側電極１は所定の回転数で回転するように構成されている。また内側電極１とモータ４とは絶縁材料からなる接続部材５を介して接続されており、内側電極１とモータ４とが電気的に絶縁されているとともに、内側電極１には直流電圧Ｖが印加できるようになっている。一方外側電極２は接地され、動かないように固定されている。
また、内側電極１の外周面と外側電極２の内周面との間（ギャップという）の任意の位置の上方には、この位置のＥＲ流体３を拡大して撮像するための顕微鏡１１を備えたＣＣＤカメラ１２が設けられており、撮像された画像がモニター１３に映し出されるとともに、ビデオデッキ１４にてビデオテープに記録されるようになっている。図中符号１５はパーソナルコンピュータであり、ビデオデッキ１４を制御して静止画像を得るとともに、得られた静止画像をプリンタ１６から印画出力できるようになっている。
【０００８】
ＥＲ流体３のサンプルとしては、フッ素変成ジメチルシリコーンオイルに、球形の有機ポリマー表面に１μｍ程度の厚さで特殊酸化チタンをコーティングした無機・有機複合粒子を重量濃度３０％で分散させたＥＲ流体を用いた。用いた無機・有機複合粒子の平均粒径は約１０μｍ、カール・フィッシャー（Karl Fischer）法により測定した水分含有量が４０００ppmである。このＥＲ流体の密度は1.14g／cm3、粘度は53.5mPa・s、比誘電率(f=100Hz)は6.83、導電率は8.9×10-3である。
図１の装置において、内側電極１と外側電極２との間の距離、すなわちギャップ長ｄは４ｍｍとし、内側電極の回転数Ｎは１ｒｐｍで一定とした。電極間に印加される電界強度Ｅは１ｋＶ／ｍｍで一定とした。また観測の明瞭性を考慮してＥＲ流体の固体粒子濃度は５Wt％に調製した。測定は室温（２２℃）下で行った。
【０００９】
図２は内側電極１を陽極、外側電極２を陰極として電界を印加したときのＥＲ流体の挙動を示したもので、（ａ）は内側電極１が回転していないとき（Ｎ＝０）に電界を印加したときの静止画像である。この時点をｔ＝０とする。（ｂ）は、その後内側電極１が回転しはじめて０．１秒後（ｔ＝０．１）の静止画像であり、（ｃ）は０．５秒後（ｔ＝０．５）の静止画像であり、（ｄ）は３０秒経過後の定常状態における静止画像である。これらの図において内側電極１（図では上側）は回転により図中右側へ移動する。
この例のＥＲ流体にあっては、図２（ａ）に示されるようにギャップに電界が印加された直後に固体粒子は陰極（図では下側）に引き付けられ、多数個の非常に細いコラム（固体粒子からなる鎖）を形成するとともにコラムが陽極に向かって急速に成長した。その結果、ギャップのうち陰極に近い大半が非常に密度の濃いコラムによって占有され、あたかも固化したように粒子どうしの強い結び付きを示した。一方、陽極付近ではコラム密度が薄い領域（低密度領域；図中△ｄで示している）が存在し、陽極表面とコラム先端との結合力は弱い。
そして内側電極が回転し始めると、図２（ｂ）に示されるように、陽極表面上の低密度領域内のコラムのみが回転方向に僅かに傾き、図２（ｃ）に示されるように、この低密度領域内のコラムは内側電極の回転がさらに進んでもほとんど形状を変えることなく、陽極表面とコラム先端とで滑りを生じた。その後、この低密度領域内のコラムは、陽極表面の滑りに加えて切断と結合を繰り返すようになり、図２（ｄ）に示すように約３０秒経過後の定常状態においては、コラム密度が薄い低密度領域の境界が明確に観測されるようになった。
ＥＲ流体がこのような挙動を示す場合、降伏応力τyは、低密度領域内のコラムが陽極表面で滑りを開始し、切断を生じる直前に外側電極にかかる応力であると考えられる。
【００１０】
また図３は上記図２とは印加電圧の極性を変えて、内側電極１が陰極、外側電極２が陽極となるように電界を印加したときのＥＲ流体の挙動を示したもので、図３の（ａ）はＮ＝０、ｔ＝０、（ｂ）は、内側電極１が回転しはじめて０．１秒後（ｔ＝０．１）（ｃ）は０．５秒後（ｔ＝０．５）、（ｄ）は３０秒経過後の定常状態のそれぞれにおける静止画像である。これらの図において内側電極１（図では上側）は回転により図中右側へ移動する。
この図に示されるように、印加電圧の極性を変えても、やはり電界が印加された直後に固体粒子は陰極（図では上側）に引き付けられ、陰極付近にコラム密度が濃い領域が形成され、陽極付近ではコラム密度が薄い低密度領域形成された（図３(ａ)）。そして内側電極が回転し始めると、低密度領域内のコラムのみが傾いて（図３(ｂ)）、やがて陽極表面とコラム先端とで滑りを生じ（図３(ｃ)）、低密度領域においてコラムの切断と結合を繰り返すようになり、定常状態においては低密度領域の境界が明確に観測されるようになった（図３(ｄ)）。
なおこの実験例では、電極表面とコラム先端とのすべりは陽極側でのみ観察され、陰極表面における滑りは観察されなかったが、さらに大きな剪断速度においては陰極表面でも滑りが生じる可能性もある。
【００１１】
ここで、上記実験例１におけるＥＲ流体の挙動について、以下のように考察される。一般に、図４（ａ）に示すように、絶縁油中の含水性固体粒子５１は水の高い誘電率によって正に帯電される。正に帯電した固体粒子５１はこれと液体（絶縁油）との界面に電気二重層として固定吸着される負電荷を集めて殻５２を形成する。この吸着された負電荷からなる殻５２は、さらに正電界による雰囲気５３によって取り囲まれ拡散二重層を形成する。この殻５２の負電荷が固体粒子５１に強く拘束されているのに対して、雰囲気５３中の正電荷は固体粒子５１による拘束が弱いため、強い電界が印加されると図４（ｂ）に示すように雰囲気５３は殻５２に対して歪められる。これは固体粒子５１を陰極の方へ動かす電界と同じ方向の双極子を持つ拡散二重層の分極となり、粒子間に引力を生じさせる。
上記実験例１で用いたＥＲ流体のサンプルは、分散媒にフッ素原子が含まれていることから強い電気的負性を有する。従って電界の印加によって生成された負のフッ素イオンが固体粒子５１の界面に付着して殻５２を形成する可能性が大きく、分散媒にこのような陰イオンが含まれていない場合に比べてより密度の濃い殻５２を形成し、したがって雰囲気５３の密度も濃くなり、双極子は強化される。その結果、陰極への固体粒子の偏析が増し、陰極付近にコラム密度が濃い領域が形成され、陽極付近ではコラム密度が薄い低密度領域形成されると考えられる。
これに対して上記実験例１において、ＥＲ流体の分散媒として、フッ素変成ジメチルシリコーンオイルに代えてフッ素原子を含まないジメチルシリコーンオイルを用いると、電極間を架橋する多数のコラムがほぼ規則的に形成されてコラムの低密度領域は形成されず、剪断速度によるコラムの切断はギャップの中央よりわずかに陽極側で生じることが実験で確かめられた。
【００１２】
以下、本発明を詳しく説明する。本発明の電気レオロジー素子（以下、ＥＲ素子ということもある）は、電界を生じせしめる一対の電極間に、電気絶縁性分散媒中に固体粒子を分散させてなる電気粘性流体が配された構成を有するものであり、ＥＲ流体と接する電極の表面に微細な凹凸が形成されている。素子の構成や構成部材の形状等は任意とすることができる。電気粘性流体に印加される電界は好ましくは直流電界である。
電極表面に微細な凹凸を形成することにより、電極表面において局部的に電界強度を上昇させることができるので、その電極表面の近傍にコラムの低密度領域が形成されていれば、その低密度領域内における固体粒子どうしの結合力を強化し、これによりＥＲ効果を促進させ、降伏応力τyを向上させることができる。また電極が回転するなど、ＥＲ流体に剪断速度が与えられる場合には、電極表面の凹凸によって電極表面におけるコラム先端の滑りが抑制されるので、これによりＥＲ効果を促進させ、降伏応力τyを向上させることができる。
【００１３】
本発明のＥＲ素子において、電極表面の微細な凹凸は、一対の電極のうち一方にのみ設けてもよく、あるいは両方に設けてもよいが、好ましくはＥＲ流体に電界を印加したときにコラムの低密度領域が形成される側の電極表面、あるいはＥＲ素子の使用時にコラム先端の滑り現象が生じる電極の表面に形成される。
本発明において、電極の表面に形成される微細な凹凸の形状は、上述のような電界強度を局部的に上昇させる作用効果、および電極表面でのコラム先端の滑りを抑制する作用効果が効果的に得られるように設定される。したがって微細な凹凸は電極表面の少なくともＥＲ流体と接する部分の全面にわたって形成することが好ましく、その形状は規則性があった方が好ましいが、なくてもよい。
電極表面に凹凸を形成する手法は任意であり、例えば電極表面を金属などの導電性材料からなるメッシュで覆うことによって網目状の凹凸を形成する方法を好ましく用いることができる。メッシュの材料としては、例えばステンレススチール等の導電性のものを好ましく用いることができる。またメッシュの厚さや目の粗さによってＥＲ効果の促進効果が変化するので、ＥＲ効果を好ましく促進できるようにこれらの寸法を設定することが好ましい。好ましいメッシュの厚さおよび目の粗さはＥＲ流体の組成やＥＲ素子の使用条件にもよるが、概ね厚さが０．０２〜０．５ｍｍ、さらに好ましくは０．０５〜０．１５ｍｍであり、固体粒子の粒径：目開きの比が１：２〜１：２５程度の範囲内で好ましく設定される。また電極表面をメッシュで覆う代わりに、電極の表面を網目状に加工してもよい。
電極表面に網目状以外の任意の形状の微細な凹凸を形成する場合は、その電極表面の粗さが小さすぎると凹凸を設けたことによる効果が十分に得られず、大きすぎるとかえってＥＲ効果が劣化するおそれがある。したがって、電極の表面粗さが、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に規定される最大高さ（Ｒｙ）が固体粒子の粒径の２〜２５倍（単位：μｍＲｙ）であり、凹凸の平均間隔（Ｓｎ）が固体粒子の粒径の２〜５０倍（単位：ｍｍＳｎ）程度となるように凹凸を形成するのが望ましい。
【００１４】
本発明において電気粘性流体としては、電気絶縁性分散媒中に固体粒子を分散させてなるものであれば適宜のものを用いることが可能であるが、上記実験例１で用いたＥＲ流体のサンプルのように、電界印加時に電極表面近傍にコラムの密度が薄い低密度領域を形成する挙動を示すＥＲ流体を用いれば、低密度領域における固体粒子の結合を強化するとともに、電極とコラムとの滑りを抑制することができるので、電極表面に微細な凹凸を設けたことによるＥＲ効果を促進させる効果が大であり好ましい。また、コラムの低密度領域を形成しないＥＲ流体も使用可能であり、電極とコラムとの間に滑りを生じるような条件において電極表面に微細な凹凸を設けることによってこれらの滑り現象を抑制してＥＲ効果を促進する効果を得ることができる。
【００１５】
ＥＲ流体を構成する電気絶縁性分散媒および固体粒子は適宜のものを選択して用いることが可能であるが、例えばフッ素変成シリコーンオイルを電気絶縁性分散媒として用い、これに固体粒子として、例えば球形の有機ポリマー粒子の表面に特殊酸化チタンをコーティングしてなる二重構造の無機・有機複合粒子を分散させてなるＥＲ流体を好ましく用いることができる。このＥＲ流体は、上記実験例１で用いたＥＲ流体のように、電界印加時に陽極近傍にコラムの低密度領域を形成する。無機・有機複合粒子における酸化チタンの層の厚さは好ましくは１μｍ程度であり、無機・有機複合粒子の平均外径は例えば約１０μｍ程度に好ましく形成される。このような無機・有機複合粒子は好ましくはジェット気流攪拌法によって好ましく形成することができる。
ＥＲ流体に用いられる固体粒子が含水性である場合、その含水率によってＥＲ効果が大きく異なるので、伝導電流に伴う消費電力の妥当性と得られるＥＲ効果の大きさとを考慮して適切な含水率に調整することが好ましい。たとえばカールフィッシャー法による水分含有量で約４０００ｐｐｍである固体粒子を好ましく用いることができる。
ＥＲ流体における固体粒子の含有率は、低すぎると十分なＥＲ効果が得られず、含有率が高くなるほどＥＲ効果は大きくなるが、固体粒子がある濃度に達すると粒子間引力の飽和が生じ、ＥＲ効果は増大しなくなるので、固体粒子や分散媒の組成によっても変化するが、好ましくは５〜４０ｗｔ％程度とされる。
【００１６】
また分散媒として好適に用いられるフッ素変性シリコーンオイルとは、直鎖状ジメチルポリシロキサンのメチル基（Ｍ）が部分的にフッ素（Ｆ）で置換されたものであり、Ｆ／（Ｆ＋Ｍ）×１００（％）で定義されるフッ素含有量、すなわちシリコーンオイルのメチル基（Ｍ）がフッ素（Ｆ）で置換されている割合（置換数）が１０〜６０％程度のものが好ましい。このフッ素含有量が少なすぎるとフッ素で置換されていないものとの差異が十分に発現せず、多すぎると絶縁破壊を生じるおそれがあるためである。またフッ素変性シリコーンオイルの粘度は、低すぎると揮発成分が多量に混在し電気粘性流体の貯蔵安定性を低下させるので好ましくなく、高すぎると攪拌時に気泡を巻き込み、その気泡が抜け難く、取り扱いに支障を来すおそれがあるので、０．１〜３０００ｍＰａ・Ｓ程度が好ましい。
【００１７】
本発明のＥＲ素子によれば、ＥＲ流体と接触する電極表面に微細な凹凸を形成することにより、電極表面において局部的に電界強度を上昇させてコラムの低密度領域内における固体粒子どうしの結合力を強化することができ、また電極表面におけるコラム先端の滑りを抑制することができるので、これによりＥＲ効果を促進させ、降伏応力τyを向上させることができる。
本発明のＥＲ素子は、一対の電極間にＥＲ流体を配した構成を有するものであればあらゆる構成の素子、あるいは装置に適用可能であり、非常に適用範囲が広いものである。例えばクラッチ、バルブ、ダンパ、アクチュエータ、ロボット制御、振動制御等の各種装置に適用可能であり、実用に供するに十分な降伏応力がを得ることが期待できる。
また電極表面に微細な凹凸を形成するという簡単な方法で、複雑な装置やコストの大幅な増大等を招くことなくＥＲ効果を向上させることができるので、実施可能性が高く、技術的効果が極めて高いものである。
【００１８】
以下、本発明の効果を明らかにするために行った実験例について説明する。
（実験例２）
図５は、ＥＲ特性測定用装置の例を示す概略構成図である。この装置は二重円筒型回転粘度計の原理に基づいた内円筒回転式の装置であり、同軸円筒状に配された内円筒２１と外円筒２２を備えている。内円筒２１はアルミニウムからなり、直径４５ｍｍ、高さ４５ｍｍの円柱状に形成されている。内円筒２１の中心軸は回転数Ｎを０〜１１５rpmの範囲で調整可能な可変速モータ２３に直結されている。また内円筒２１とモータ２３との接続部材２３ａは絶縁材料からなり、内円筒２１とモータ２３とは電気的に絶縁されるとともに、内円筒２１には直流電圧Ｖが印加されるようになっている。
外円筒２２はアルミニウムからなり、自由に回転できるように構成されている。外円筒２２は接地されており、絶縁材料からなる底面２２ａおよび天板２２ｂが設けられている。また外円筒２２の底面２２ａの外面上には同軸状に直径１０ｍｍの滑車２４が取り付けられており、この滑車２４はロードセル（３kgf定格）２７と糸２５で連結されており、この糸２５にかかる張力が応力指示計２６により測定されるように構成されている。
【００１９】
内円筒２１と外円筒２２の間にＥＲ流体を満たし、内円筒２１に直流電圧Ｖを印加し、モータ２３を駆動して内円筒２１を回転させることによってＥＲ流体に剪断速度を与える。そして糸２５にかかる張力を測定し、これにより剪断応力τを求めた。ＥＲ流体としては上記実験例１で用いたＥＲ流体のサンプルと同じ組成で固体粒子の濃度が３０wt％のものを用いた。
測定に際しては、内円筒２１と外円筒２２との間のギャップ長ｄを４．０ｍｍに設定するとともに、内円筒２１に負の電圧を印加して外円筒２２を陽極とし、内円筒２１の回転速度Ｎおよび印加電界強度Ｅをそれぞれ変化させて剪断応力τを測定した。またτとＮの関係からＮ＝０のときのτを降伏応力τyとして求めた。その結果を図６に示す。図６の縦軸は剪断応力τを示しており、横軸は内円筒２１の回転速度Ｎを示すとともにその回転速度における剪断速度γを（）を付して示している。
また外円筒２２の内面を目開き１００μｍ、厚さ０．１ｍｍのステンレススチール製のメッシュで覆った他は同様にして測定を行った。その結果を図６に合わせて示す。
図６において破線はメッシュ無しの場合、実線はメッシュを装着した場合をそれぞれ示しており、Ｎ＝０における×は降伏応力τyをそれぞれ示している。
この図に示されるように、メッシュを装着することによって剪断応力および降伏応力が増大し、例えばＥ＝３．３３ｋＶ／ｍｍにおいては、メッシュを装着したことによってメッシュ無しの場合に比べて降伏応力τyが約１．８倍も上昇した。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電気レオロジー素子は、電界を生じせしめる一対の電極間に、電気絶縁性分散媒中に固体粒子を分散させてなる電気粘性流体が配されており、少なくとも一方の電極の電気粘性流体と接する表面に微細な凹凸が形成されていることを特徴とするものである。
したがって、電気粘性流体に電界が印加されたときに電気粘性流体中の固体粒子が形成する鎖状のコラム先端と電極表面との滑りを抑制することができ、これによって電気レオロジー効果を促進させることができる。また電極表面に凹凸を設けることによって局部的に電界を強化させ、電気粘性流体に電界が印加されたときに電極表面近傍に形成されるコラムの低密度領域における固体粒子の結合を強化することができ、これによって電気レオロジー効果を促進させることができる。
また電極表面の凹凸を好ましくは網目状に形成することができ、電気レオロジー効果を効果的に促進させることができる。
特に電気粘性流体として、電界印加時に電極表面近傍にコラムの密度が薄い領域を形成するものを用いれば、電極表面に凹凸を設けることによる電気レオロジー効果の促進効果が有効に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る実験例に用いた装置を示す概略構成図である。
【図２】  本発明に係る実験例におけるＥＲ流体の挙動を経時的に示した顕微鏡写真である。
【図３】  本発明に係る実験例におけるＥＲ流体の挙動を経時的に示した顕微鏡写真である。
【図４】  電気粘性流体における固体粒子の挙動を説明するための模式図である。
【図５】  本発明に係る実験例に用いた装置を示す概略構成図である。
【図６】  本発明に係る実験例で得られた回転速度および印加電界強度と剪断応力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…内側電極、２…外側電極、３…電気粘性流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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