JP2005273913A - 電気粘性流体応用のための平行フィールド電極構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＲ流体の応用範囲において優れた電極構造を提供する。
【解決手段】電極は、電界を発生するように構成されており、その電界の大部分は可能性の高い歪み方向の予測される供給力の方向に平行に延在し、ＥＲ粒子の凝集を破壊するように作用する。このように電界をこのような力に対して平行に整列することによって、粒子の凝集が破壊される傾向に抵抗するように作用する強力な結合力が存在する。
【選択図】図３

Description

本発明は電気粘性（ＥＲ）流体応用における優れたフィールド構造と、このようなフィールド構造を発生する方法および装置に関する。特に、本発明は任意の予測される供給力または歪み方向に平行な主要な成分を有する電界を供給するように電極構造が設計されているＥＲ装置に関する。

電気粘性（ＥＲ）流体は通常、電気絶縁性の流体中に懸濁されているＥＲ粒子を含んでいる。ＥＲ流体は非常によく知られているのでここでは詳細に説明する必要はない。このような流体は流体の粘性特性が電界を供給することにより制御されることのできる特徴を有する。特に電界の適用において、流体の粘性が増加し、この特性は多数の応用で使用されることができ、それによって電界の適用では、流体は例えば（ａ）剪断に対して抵抗を与えるか、（ｂ）流動に対して抵抗を与えるか、（ｃ）曲げ歪みに対して抵抗を与えることができる。

しかしながら、多くの場合、剪断抵抗を与えるＥＲ応用では、剪断抵抗は剪断率の増加と共に減少し、それによって高い剪断率では、抵抗は最小であり、即ちＥＲ流体はその効率を失う。これはよく知られた一般的な問題である。類似の問題は流速が高いときに流体抵抗を与えるためにＥＲ流体が使用されるときに生じる。曲げ歪みに対する抵抗を与える目的のＥＲ応用では、曲げ歪みに対する抵抗が存在するが、生じるスチフネスは通常多くの応用に適応するように十分に高くはない。

本発明によれば、予測される外部応力フィールドの方向に平行である主要な成分を有する電界が発生されるように配置されている電気粘性流体と電極構造を具備する電気粘性装置が提供される。

ＥＲ粒子の凝集を破壊する役目を行う任意の形態の外部力の方向に平行である少なくとも１つの重要な成分を有するフィールドを発生する電極構造を提供することによって、粒子の凝集が破壊される傾向に抵抗するため、より強力な電気粘性結合力が粒子間に与えられる。

好ましくは、電極構造は絶縁基板上に形成される複数の正および負の電極を具備し、前記電極は前記方向で一連の等間隔に隔てられた正電極と負電極を交互に提供するように基板上に配置されている。

前述の本発明の概念は多数の異なる電気粘性応用で適用されることができる。

例えば、別の広い観点から見ると、本発明は円筒形の駆動部材と、円筒形の被駆動部材と、前記駆動部材と前記被駆動部材との間に配置される電気粘性流体とを具備する電気粘性クラッチを提供し、そのクラッチはさらに、電界を発生するための電極構造を具備し、その電極構造は駆動部材および被駆動部材の表面に平行で、前記駆動部材および被駆動部材の回転軸に垂直な重要な成分を発生するように構成されている。

クラッチは円筒形ハウジング内に設けられた円筒形回転子を具備し、この回転子は回転軸を中心に回転するように構成されており、電極構造は回転軸に平行で、回転軸を中心に等間隔に隔てられ、正電極と負電極とが軸を中心に交互に位置する複数のストリップ電極を具備している。回転子と円筒形ハウジングとの間の間隔は隣接する正電極と負電極との間の間隔と同程度の大きさであることが好ましい。

円筒形回転子は例えば対向端部に第１および第２の電極を設けられ、ストリップ電極は円筒形回転子の外部表面において第１および第２の電極から第１および第２の電極の他方の方向に延在している。回転軸に平行なストリップ電極は付加的に円筒形ハウジングの内部表面に設けられることが好ましい。

第１の電極から第２の電極の方向へ延在するストリップ電極と、第２の電極から第１の電極の方向へ延在するストリップ電極とは理想的には等しい長さであり相互に均等に隔てられている。

別の広い特徴では、基本的な本発明の概念は（例えばダンパーとして使用されることのできる装置のような）ＥＲ流体の流動を制限する装置で実施されることができ、それ故、さらに広い特徴から見ると、本発明は電気粘性流体の流動を制限する装置にも拡張され、これは前記電気粘性流体の流路を規定するチャンネルを具備し、前記チャンネルは絶縁材料で形成され、その上の複数の電極が形成され、それらの電極は前記流体の流路を横切って延在し、交互に位置する電極はそれぞれ正および負に帯電されている。

電極は好ましくは流体の流動方向で相互に等間隔で隔てられ、好ましくはチャンネルは２つの近接する正および負の電極間の間隔程度の幅を有している。

チャンネルはその内周に延在する電極を有する管であってもよい。代わりに、チャンネルは２つの平行な絶縁プレートにより規定されることができ、電極は前記プレートの１つの上に形成される。

本発明の更に別の特徴によれば、可変のスチフネスの管状部材が提供され、それはその管状部材を規定するために軸を中心に丸められる絶縁材料のシートを具備し、その絶縁材料のシートは前記軸を横切って延在するように前記絶縁シート上に交互の位置で配置されている正および負のストリップ電極を具備し、それらの負および正の電極は前記軸に沿って等間隔に隔てられ、さらに前記電極間に電気粘性流体が与えられている。

本発明の幾つかの実施形態を添付図面を参照して例示により説明する。
本発明はＥＲ流体の高電界状態が本質的に異方性であるとする観察に基づいており、これは多数のＥＲ流体応用における前述の問題を説明できる。即ちＥＲ流体装置の高電界状態は電界線に沿って（ＥＲ懸濁中の）固体粒子の凝集からその強力な強度を得る。したがって、電界線に対して垂直には、高い供給電界であっても弱い結合力しか存在しない。剪断の場合、図１は剪断に対する抵抗が高い剪断率で減少する理由を示している。

減少する剪断抵抗は、電界に常にしたがう力線が剪断率が増加するときに粒子を接合する（仮想）線上に投影される成分が非常に小さくなることによるものである。類似の理由は流動抵抗の応用でも考えられる。曲げ歪みに対しては、図２は歪みが力線にほぼ垂直であり、したがってチェーンの間／またはそれに垂直の力がチェーンに沿った力よりも非常に弱いので歪みに対する抵抗が弱いことを再度示している。

本発明は、電界が予測される歪み方向に対して平行であるように設計された電極構造を使用することにより、従来技術の問題に対する解決策を提供し、または少なくともこれらの問題を緩和する。その場合、剪断率にかかわりなく、常に粒子を接合する（仮想）線には力線の大きな投影が存在し、したがって大きな抵抗を与える。与えられる電界はＡＣまたはＤＣのいずれでもよいことが理解されるであろう。

図３はＥＲクラッチの形態の本発明の第１の実施形態を示している。図３のａは組立てられたクラッチを示し、図３のｂは明白にするために分解図でクラッチを示している。円筒形のＥＲクラッチ１は回転子10と絶縁外部シリンダ２から構成されている。回転子10は絶縁外部シリンダ２の内部にその中心軸12に沿って位置されている。ギャップ６は外部シリンダ２と回転子10との間に形成され、通常のＥＲ流体はこのギャップ６中に配置されている。回転子10は円筒形部分３と、電位の正および負の電源に接続されることのできる２つの電極７、８を具備している。円筒形部分は例えばプラスティックのような絶縁材料からなり、その上に垂直のストリップを有する２つのカップ型の金属電極４、５が取付けられている。電極４は電極７に接続され、電極５は電極８に接続されている。電極４、５の垂直ストリップは中心軸12に平行に回転子10の外部表面上に延在する。

各電極４、５の一部分として形成される垂直ストリップは回転子の周辺で等間隔に隔てられており、電極４の２つの隣接するストリップ間の間隔は電極５の２つの隣接するストリップ間の間隔と同一であり、上部電極４と下部電極５からの垂直ストリップは回転子12の周囲に交互に位置し、それによって電極４、７が負の電位で設けられるならば、電極５、８は正の電位で設けられ、したがって正と負の電圧が回転子表面に沿って現れる。

反対の極性の２つの隣接する電極間の分離がλであるならば、重要な電界は円筒形表面から外方向へ距離〜λ間で延在する。さらに、電界は外部シリンダ２の表面に平行であり、ストリップに垂直である重要な成分を有する。外部シリンダ２と回転子10との間のギャップ６もまた好ましくはλ程度であり、それによってギャップ全体を埋める重要な電界が存在する。内部シリンダと外部シリンダとの間に相対的な回転が存在するとき、剪断歪みはこの場合、電界に平行であることが認められる。

交番する垂直なストリップ電極は回転子の円筒形部分３の代わりに、またはそれに加えて絶縁外部シリンダ２の内部円形表面上に配置されることができることも認識されるであろう。交番する垂直ストリップ電極が回転子10の円筒形部分３と絶縁外部シリンダ２との両者の表面上に配置されるならば、（＋および−）電圧は時間の関数として交互に回転子または外部シリンダへ与えられるべきであり、例えば数秒毎に与えられた電圧は一方から他方へ切換わる。

図４は絶縁外部シリンダを有する図３の実施形態による円筒形ＥＲクランチにより得られた実験結果を示している。ストリップ間の分離距離は１ｍｍであり、内部円筒と外部シリンダ（内部表面）間のギャップは０．５ｍｍである。ＥＲ流体は５０ｎｍ（平均直径）のバリウムチタニルオキサレートコアと５ｎｍ（平均の厚さ）のウレア被覆を有する被覆されたナノ粒子を具備し、ナノ粒子は０．７ｍｌのシリコンオイル中で１ｇの粒子の濃度を有してシリコンオイルに分散されている。図４では、測定される剪断応力は４つの剪断率、即ち７５ｓ^-1、１０６ｓ^-1、１４０ｓ^-1、１９６ｓ^-1に対して電界の関数として示されている。挿入図は与えられた電界の１．５ｋＶ／ｍｍにおける剪断率の関数として剪断応力を示しており、剪断応力は剪断率２００秒^-1までかなり一定に上昇し、剪断応力はほぼ一定であることが認められる。

本発明の第２の実施形態は、ＥＲ流体への電界の供給がチャンネル中の流動抵抗を増加する目的を有するＥＲダンパー応用を提供する。図５は円筒形チャンネル形態の１実施形態を示し、図６は平行板のチャンネルを示している。

図５を参照すると、金属の円形ストリップ電極13、14が絶縁円筒形チャンネル17の内部円形表面に沿って形成されており、そこにＥＲ流体が充填され、それによって電極13、14はチャンネル17の内周に延在する。ストリップ電極13、14には正および負の電位が与えられ、それによって等間隔に隔てられた正および負の電極が円筒形チャンネル17の長さに沿って交互に位置している。円筒形チャンネルの直径は反対の極性の２つの電極13、14との間の分離距離と同程度であるべきである。この電極構造で発生された電界Ｅは図５の矢印により示されているように、ＥＲ流体の左／右の流動方向に平行である。

同様に、図６に示されている平行板チャンネルの場合には、交番する正および負の電圧はそれぞれ等間隔に隔てられている金属ストリップ電極20と21に与えられることができ、これらはＥＲ流体の左／右の流動方向（図６の矢印により示されている流動方向）における抵抗を増加するために平坦な絶縁基板23上に設けられている。電極20、21は流動方向に対して平行に延在する。絶縁カウンタ基板24は基板23と共にギャップを規定し、そのギャップの幅は正のストリップ電極20と負のストリップ電極21との間の分離距離と同程度であり、そこにＥＲ流体が充填されている。

両者の場合において、平行フィールド構造は高い流速でさえもＥＲ流体中の固体粒子がかなりの引力による相互作用を受け、それによって与えられる電圧を通して調節が可能である大きさの抵抗を流動体に提供するという利点を与える。

本発明の第３の実施形態では、時には、電界の供給を通してそのスチフネスを変化できる細い管またはカテーテルを有することが望ましいことが提案されている。この実施形態では、インターデジタル電極構造が図７のａに示されているような、絶縁フレキシブルシートに設けられる。２つの櫛型の金属電極25、26は、各櫛型電極のストリップ29、30がはしごのように絶縁フレキシブルシート28上に交互に相互整列されるように取付けられる。電圧は各櫛型の金属電極に与えられることができる。ＥＲ流体は櫛型の金属電極のストリップ間の空間27に充填される。インターデジタル金属電極を有する絶縁シートはその後、その上に位置された別の絶縁フレキシブルシート31により密封される。薄くてフレキシブルな層構造はその後図７のｂに示されているように金属ストリップに平行な方向に沿って巻かれる。この場合、電界は管（またはカテーテル）の長さ方向に沿っており、この場合、ＥＲ懸濁液中の固体粒子は引張られて離されるように力線は歪み方向に沿っているので、任意の曲げ歪みは大きな抵抗を受ける。

高い剪断率における剪断／流動抵抗に対する減少を示す図。 曲げ歪みへの低い抵抗を示す図。 本発明の実施形態にしたがったＥＲクラッチの概略図。 図３のクラッチの異なる剪断率において与えられる磁力の関数として剪断応力間の関係を示すグラフ。 円筒形チャンネルの流動抵抗を増加するための本発明の１実施形態の説明図。 平行板チャンネルの流動抵抗を増加するための本発明の１実施形態を示す図。 可変曲げ抵抗の管形態の本発明の１実施形態を示す図。

Claims (14)

1. 電気粘性流体と、予測される外部応力フィールドの方向に平行である重要な成分を有する電界が発生されるように配置されている電極構造とを具備している電気粘性装置。
2. 前記電極構造は、絶縁基板上に形成される複数の正および負の電極を具備し、前記電極は前記方向で一連の等間隔に隔てられた正電極と負電極を交互に設けるように前記基板上に配置されている請求項１記載の装置。
3. 円筒形の駆動部材、円筒形の被駆動部材および前記駆動部材と前記被駆動部材との間に配置される電気粘性流体を具備する電気粘性クラッチにおいて、前記クラッチはさらに、電界を発生するための電極構造を具備し、前記電極構造は駆動部材および被駆動部材の回転軸に垂直で、前記駆動部材および被駆動部材の表面に平行な重要な成分を発生させるように構成されている電気粘性クラッチ。
4. 円筒形ハウジング内に設けられた円筒形回転子を具備し、前記回転子は前記回転軸を中心に回転するように構成されており、前記電極構造は前記回転軸に平行で、前記回転軸を中心に等間隔に隔てられ、正電極と負電極が前記軸を中心に交互に位置する複数のストリップ電極を具備している請求項３記載のクラッチ。
5. 回転子と円筒形ハウジングとの間の間隔はストリップ電極間の間隔と同程度の大きさである請求項４記載のクラッチ。
6. 前記円筒形回転子は対向端部に第１および第２の電極を設けられ、前記ストリップ電極は前記円筒形回転子の外部表面上において前記第１および第２の電極から、前記第１および第２の電極の他方の電極の方向に延在している請求項４記載のクラッチ。
7. 回転軸に平行なストリップ電極は付加的に円筒形ハウジングの内部表面に設けられる請求項６記載のクラッチ。
8. 第１の電極から第２の電極の方向へ延在するストリップ電極と、第２の電極から第１の電極の方向へ延在するストリップ電極とは等しい長さであり、相互に均等に隔てられている請求項６記載のクラッチ。
9. 電気粘性流体の流動を制限する装置において、前記電気粘性流体の流路を規定するチャンネルを具備し、前記チャンネルは絶縁材料で形成され、その上に複数の電極を形成されており、前記電極は前記流体の流路を横切って延在し、交互に位置する電極はそれぞれ正および負に帯電されている装置。
10. 前記電極は流体の流動方向で相互に等間隔で隔てられている請求項９記載の装置。
11. チャンネルは２つの近接する電極間の間隔と同程度の幅を有している請求項１０記載の装置。
12. 前記チャンネルは管であり、前記電極は前記チャンネルの内周に延在している請求項９記載の装置。
13. 前記チャンネルは２つの平行な絶縁プレートにより規定され、前記電極は前記プレートの１つの上に形成されている請求項９記載の装置。
14. 可変のスチフネスの管状部材において、
    前記管状部材を規定するために軸を中心に丸められる絶縁材料のシートを具備し、前記絶縁材料のシートは前記軸を横切って延在するように前記絶縁シート上に交互の位置で配置されている正および負のストリップ電極を具備し、それらの負および正の電極は前記軸に沿って等間隔に隔てられ、さらに前記電極間に電気粘性流体が与えられる可変のスチフネスの管状部材。

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