JP2008282929A - 磁性流体およびダンパー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ダンパー1は、上下端が閉塞した円筒状のシリンダ2と、このシリンダ2の天井部21を貫通し、シリンダ2内に延伸するよう設けられたピストンロッド31と、ピストンロッド31の下端に設けられ、シリンダ2内を上下に摺動するピストン3と、シリンダ2内に収納された磁性流体10とを有している。また、ダンパー1には、磁性流体10に磁界を付与する磁界形成手段が設けられている。また、磁性流体10は、Fe系のアモルファス金属の粒子を含んでいる。ダンパー1では、磁性流体10に付与する磁界の有無や強度を調整することにより、その減衰力を調整することができる。
【選択図】図1
Description
ところで、磁性流体は、外部磁界に応じて、その粘度や流動性が変化する性質を有する。このため、この性質を利用し、減衰力を変化させることができるダンパー(緩衝器)が実用化されている。
このような減衰力可変ダンパーに用いる磁性流体としては、例えば、表面を界面活性剤等で被覆した、主に鉄とフェライトの混合物を含む粒子を、ヒマシ油のような植物油の誘導体に分散してなる磁性流体が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
さらに、フェライトのような飽和磁束密度が比較的低い材料では、外部磁界の変化に対して、磁性流体の流体特性の変化に著しく時間を要することがある。この場合、減衰力特性の変化を高い精度で制御することが困難となる。
本発明の磁性流体は、表面を界面活性剤で覆われた磁性粒子と、
該磁性粒子を分散させる液相分散媒とを有し、
前記磁性粒子が、Fe系アモルファス金属で構成されていることを特徴とする。
これにより、磁界がないときに磁性粒子同士の凝集が確実に防止されるとともに、流体特性の長期安定性に優れ、かつ、外部磁界に対する流体特性の変化の応答性に優れた磁性流体が得られる。
これにより、Fe系アモルファス金属は、そのアモルファス金属としての安定性が向上する。
これにより、Fe系アモルファス金属は、保磁力が特に小さく、かつ、飽和磁束密度が特に大きいものとなる。このため、かかるアモルファス金属で構成された磁性粒子を含む磁性流体では、磁界がないときに磁性粒子同士の凝集が確実に防止されるとともに、外部から付与された磁界に応じた、磁性流体の流体特性の変化の応答性を高めることができる。
これにより、磁性流体において、流体特性の最適化を図ることができる。
本発明の磁性流体では、前記磁性粒子の短径をS[μm]とし、長径をL[μm]としたとき、S/Lで定義される前記磁性粒子のアスペクト比の平均値は、0.4〜1であることが好ましい。
これにより、磁性粒子の形状が比較的球形に近くなるので、形状作用によって、より破壊・欠損し難くなる。このため、耐久性に優れた磁性粒子が得られる。
これにより、磁性粒子は、磁界がないときに凝集が確実に防止されるものとなる。
本発明の磁性流体では、前記磁性粒子の飽和磁束密度は、0.6T以上であることが好ましい。
これにより、磁性粒子は、外部磁界の変化に対して、流体特性の変化の応答性に優れた磁性流体が得られる。
これにより、より球形に近い磁性粒子が得られる。
本発明の磁性流体では、当該磁性流体における前記磁性粒子の含有率は、50〜95wt%であることが好ましい。
これにより、流動性に優れるとともに、外部磁界の変化に対して十分な応答性を示す磁性流体が得られる。
これにより、安定性に優れた磁性流体が得られる。
本発明の磁性流体では、前記液相分散媒は、炭化水素系オイル、シリコーン系オイルまたはフッ素系オイルを主成分とするものであることが好ましい。
これにより、耐久性に優れた磁性流体が得られる。
該シリンダ内を摺動し、前記シリンダ内の空間を2つに仕切るピストンと、
一端が前記ピストンに接続され、他端が前記シリンダの外部に位置するピストンロッドと、
前記シリンダ内に貯留された前記磁性流体に及ぶように磁界を形成する磁界形成手段とを有し、
磁界の作用によって前記磁性流体の流体特性を変化させることにより、減衰力を制御し得ることを特徴とする。
これにより、減衰力を長期にわたって正確に調整することができるダンパーが得られる。
前記磁界形成手段が前記流路近傍に設けられており、前記流路を通過する前記磁性流体に及ぶように磁界を形成して流体特性を変化させることにより、減衰力を制御し得ることが好ましい。
これにより、磁性流体の粘度をより厳密に調整することができる。
[ダンパー]
まず、本発明の磁性流体について説明する前に、本発明のダンパーについて説明する。
図1は、本発明のダンパーの実施形態を示す縦断面図、図2は、図1に示すダンパーの一部を拡大して示す部分拡大図、図3および図4は、図1に示すダンパーの動作を説明するための図である。なお、以下の説明では、図1ないし図4中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
ここで、磁性流体10では、後に詳述するが、磁界の有無や強度に応じて、その流体特性(粘度、流動性等)が変化する。このため、前述の磁界形成手段による磁界の有無や強度を適宜設定することにより、磁性流体10の流体特性を調整することができる。このような特性を利用することにより、ダンパー1は、その減衰力を制御し得る減衰力可変ダンパーとなる。
図1に示すシリンダ2の側面は、2層構造(複筒式)になっており、外側の外筒22と、内側の内筒23とで構成されている。
また、内筒23の内側の空間は、ピストン3の上方のロッド側室2aと、ピストン3の下方のピストン側室2bとに分けられている。
ベースバルブ24には、ベースバルブ24を貫通するオリフィス241が設けられており、このオリフィス241を介してピストン側室2bと第1リザーバ室25とが連通している。
また、内筒23の第1リザーバ室25と第2リザーバ室26とを隔てる部分には、この部分を貫通するオリフィス231が設けられており、このオリフィス231を介して、第1リザーバ室25と第2リザーバ室26とが連通している。
ここで、磁性流体10は、表面を界面活性剤で覆われた磁性粒子を、液相分散媒に分散させてなるものであり、それ全体が磁性を帯びた液体のように振る舞う。なお、磁性流体10については、後に詳述する。
ピストン3は、円柱状の部材で構成されており、その外側面がシリンダ2の内筒23の内壁面に摺接している。このピストン3により、前述したように、内筒23の内側の空間が、ロッド側室2aとピストン側室2bとに仕切られている。
また、ピストン3を貫通するように、2つのオリフィス32、33が設けられている。この各オリフィス32、33により、ロッド側室2aとピストン側室2bとが連通している。
また、コイル4には、前述したように電源回路5が接続されている。そして、コイル4に電圧を印加すると、コイル4の周囲に、図2に磁力線(破線)として示すような磁界が発生する。
電源回路5は、電源と、この電源とコイル4とを接続する導線とで構成されている。このようなコイル4および電源回路5により、磁界形成手段が構成されている。
また、図示しないが、電源は、コイル4に印加する電圧を調整する変圧回路を有している。この変圧回路によれば、コイル4に印加する電圧を変えることができ、コイル4が発生する磁界の強度を変えることができる。
また、これらの軟磁性材料は、例えば、積層体、圧粉成形体等の形態で、磁心を構成している。
また、図1では、ピストン3に設けられた2つのオリフィス32、33に対して、1つのコイル4を用いて磁界を付与しているが、それぞれ個別のコイルを用いて磁界を付与するようにしてもよい。この場合、各コイルの動作を独立して制御することにより、ダンパー1の減衰力を、より細かく厳密に制御することができる。
まず、ダンパー1の圧縮過程について説明する。
ここでは、図3(a)に示すように、ダンパー1が伸長した状態を初期状態とする。
ダンパー1の上端部に接続された上部材8と、下端部に接続された下部材9との間の距離が縮まると、それに伴って、図3(b)に示すように、ダンパー1においてもピストン3がシリンダ2内を下方に摺動する。
さらに、ピストン側室2b内の磁性流体10の一部は、オリフィス33を通過して、ロッド側室2aへと移動する。
また、ピストン3の摺動速度が所定の速度以上になると、弁体34が閉状態から開状態となり、オリフィス231にも磁性流体10の流れが形成される。この流れの形成により、ピストン3の摺動速度がこの所定の速度以上になったとき、減衰の程度をやや低下させることができる。
磁界が付与されると、各オリフィス32、33中の磁性流体10では、例えば、磁力線に沿って磁性流体10中の磁性粒子(金属粒子)が配列する。
磁性粒子が図3(c)のように配列すると、この磁性粒子が、各オリフィス32、33を流れる磁性流体10の流れを妨げることとなり、磁性流体10の粘度が上昇する。その結果、ダンパー1の減衰力が増大することとなる。
ここでは、図4(d)に示すように、ダンパー1が圧縮された状態を初期状態とする。
上部材8と下部材9との間の距離が広がると、それに伴って、図4(e)に示すように、ダンパー1においてもピストン3がシリンダ2内を上方に摺動する。
このとき、ロッド側室2a内の磁性流体10の一部が、ピストン3に押されて、オリフィス33を通過し、ピストン側室2bに押し出される。
さらに、第2リザーバ室26内の磁性流体10の一部は、各オリフィス231、231を通過して、第1リザーバ室25内に流れ込む。
このようにして、上部材8と下部材9との間の伸長力の一部が、ピストン3の摺動の駆動力や、磁性流体10の流れの駆動力へと変換されることにより、ダンパー1に吸収される。その結果、前記伸長力を緩和・減衰させることができる。
以上のような圧縮過程と伸長過程とを連続的に行うことにより、ダンパー1は、上部材8と下部材9との間に発生する伸長力および圧縮力を、それぞれ緩和させることができる。
次に、以上のようなダンパー1に用いることができる磁性流体(本発明の磁性流体)10について説明する。
本発明の磁性流体は、表面を界面活性剤で覆われた磁性粒子と、この磁性粒子を分散させる液相分散媒とを有している。このうち、磁性粒子は、Fe系のアモルファス金属材料で構成されたものである。
前述したように、ダンパー1では、付与される磁界の有無や強度に応じて、磁性流体の流体特性が変化することを利用して、その減衰力が調整可能になっている。
ところが、ダンパーのような可動部品中に磁性流体を用いた場合、ダンパーが伸縮を繰り返すたびに、磁性流体にはピストンやシリンダによる外部応力(例えば、せん断力等)が継続的に付与される。このため、磁性流体中の磁性粒子が、外部応力に耐えられずに破壊したり、欠損したりするという問題があった。磁性流体中の磁性粒子が破壊または欠損すると、磁性流体の流体特性が変化してしまい、ダンパーの減衰力が不安定になったり、本来の減衰力から逸脱してしまうこととなる。
さらに、フェライト粒子等は、飽和磁束密度が小さいため、磁性流体中において外部磁界に対する磁化が弱くなり、磁化力が十分に得ることができなかった。
アモルファス金属は、結晶粒を含んでいないので、転位(原子配置のズレ)や、粒界での亀裂が生じない。このため、アモルファス金属は、高硬度かつ高強度となる。
このような高硬度のアモルファス金属材料によれば、磁性粒子の破壊や欠損を確実に防止することができる。このため、本発明の磁性流体を用いれば、ダンパー1の減衰力を長期にわたって安定的に制御することができる。このようなアモルファス金属材料で構成された磁性粒子は、優れた軟磁性特性を示すものとなる。
さらに、Fe系アモルファス金属材料は、飽和磁束密度が比較的大きい。このため外部磁界に対する磁化力を十分に得ることができる。
また、Fe系アモルファス金属材料は、その構成元素として、Feの他に、さらにB(ホウ素)、C(炭素)、Si(ケイ素)およびCr(クロム)のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。かかる構成元素を含むFe系合金は、これらの構成元素の作用により、アモルファス金属としての安定性が向上する。このため、かかる構成元素を含むFe系アモルファス金属材料は、熱処理等が施されても、結晶化するのを確実に防止し得るものとなる。
これらの中でも特にFeを主成分とし、SiおよびBを含むアモルファス金属が好ましい。
また、上記のようなFe、SiおよびBを含むアモルファス金属は、さらに、Cを1wt%以下の含有率で含むのが好ましく、0.3〜1wt%程度の含有率で含むのがより好ましい。
なお、上記の最大粒径とは、累積重量が99.9%となる粒径のことを言う。
また、磁性粒子の飽和磁束密度は、できるだけ大きければよいが、0.6T以上であるのが好ましく、1T以上であるのがより好ましい。磁性粒子の飽和磁束密度が前記範囲内であれば、外部磁界の変化に対して、流体特性の変化の応答性(即応性および変化量の大きさ)に優れた磁性流体が得られる。
このような磁性粒子は、いかなる方法で製造されたものでもよいが、例えば、アトマイズ法、冷却ロール法等の方法で製造されたものを用いることができる。
このうち、磁性粒子は、アトマイズ法で製造されたものが好ましい。
さらに、アトマイズ法では、液滴が表面張力によって球形化するため、より球形に近い磁性粒子が得られる。これにより、前述のアスペクト比がより1に近い磁性粒子を得ることができる。
このうち、アトマイズ法としては、水アトマイズ法または高速回転水流アトマイズ法を用いるのが好ましい。これらのアトマイズ法によれば、冷却媒として熱容量の大きい水を用いるため、より大きい冷却速度で液滴を冷却・固化することができる。このため、液滴をより確実にアモルファス化することができる。
界面活性剤としては、特に限定されないが、例えば、オレイン酸塩、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、リン酸エステル塩のような各種陰イオン(アニオン)界面活性剤、アミノ酸塩、第4級アンモニウム塩のような各種陽イオン(カチオン)界面活性剤、グリセリン脂肪酸エステルのようなエステル型、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルのようなエーテル型、脂肪酸ポリエチレングリコールのようなエステル・エーテル型等の各種非イオン(ノニオン)界面活性剤、アルキルベタインのような各種両性界面活性剤等が挙げられる。
特に、界面活性剤は、オレイン酸塩を主成分とするものが好ましい。オレイン酸塩は、磁性粒子に対して強固に結合するとともに、液相分散媒中における磁性粒子の分散性が高いものである。このため、界面活性剤としてオレイン酸塩を用いることにより、安定性に優れた磁性流体が得られる。
このような界面活性剤の作用により、磁性粒子は、磁界がないときには凝集することなく、液相分散媒中に安定的に分散することができる。
このうち、特に、炭化水素系オイル、シリコーン系オイルまたはフッ素系オイルを主成分とするものが好ましい。これらのオイルは、耐熱性および化学的な安定性に優れることから、磁性流体の液相分散媒として特に好適に用いられる。すなわち、耐久性に優れた磁性流体が得られる。
以上、本発明の磁性流体およびダンパーについて、好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、本発明の磁性流体は、前述したダンパーに用いられる他、回転軸のシール部材、スピーカー、センサ等にも用いることができる。
1.ダンパーの製造
(実施例)
[1]まず、以下の組成の原材料を高周波誘導炉で溶融するとともに、水アトマイズ法により粉末化して、金属粉末を得た。
・Si:7.5wt%
・B :3.8wt%
・Fe:残部
なお、得られた金属粉末を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、図5に示すように、各金属粒子が球形に近い形をしていることがわかった。
また、得られた金属粉末の保磁力および飽和磁束密度をそれぞれ測定したところ、保磁力が1.5Oe、飽和磁束密度が1.3Tであった。
なお、磁性流体中のアモルファス金属粉末の含有率は、80wt%であった。
[3]次に、得られた磁性流体をダンパーのシリンダ内に注入し、ダンパーを作製した。
まず、以下の組成の原材料を高周波誘導炉で溶融するとともに、水アトマイズ法により粉末化して、金属粉末を得た。
<原材料の組成>
・Si:3wt%
・Fe:残部
次に、前記実施例と同様にして、得られた金属粉末をオレイン酸イオンで被覆するとともに、イソパラフィン中に分散させ、磁性流体を得た。
次に、得られた磁性流体をダンパーのシリンダ内に注入し、ダンパーを作製した。
まず、カルボニル鉄(Fe(CO)5)をイソパラフィン中に分散させ、磁性流体を得た。
次に、前記実施例と同様にして、得られた磁性流体をダンパーのシリンダ内に注入し、ダンパーを作製した。
なお、カルボニル鉄の保磁力は9.5Oe、飽和磁束密度は2.1Tであった。
実施例および各比較例で得られたダンパーについて、それぞれ、伸縮動作を1万回行った。
その後、シリンダ内から磁性流体を取り出し、磁性流体中の金属粉末を走査型電子顕微鏡で観察した。
その結果、実施例のダンパーから取り出した金属粉末(アモルファス金属の粉末)の外観は、評価前のものとほぼ同等であった。これに対し、比較例のダンパーから取り出した金属粉末(結晶金属の粉末)は、評価前のものより小さくなっていた。これは、金属粉末が破壊または一部欠損したためと考えられる。
Claims (13)
- 表面を界面活性剤で覆われた磁性粒子と、
該磁性粒子を分散させる液相分散媒とを有し、
前記磁性粒子が、Fe系アモルファス金属で構成されていることを特徴とする磁性流体。 - 前記Fe系アモルファス金属は、その構成成分として、B(ホウ素)、C(炭素)、Si(ケイ素)およびCr(クロム)のうちの少なくとも1種を含むものである請求項1に記載の磁性流体。
- 前記Fe系アモルファス金属は、Feを主成分とし、Siを4〜9wt%の含有率で含み、Bを1〜5wt%の含有率で含むものである請求項1または2に記載の磁性流体。
- 前記磁性粒子の平均粒径は、0.1〜25μmである請求項1ないし3のいずれかに記載の磁性流体。
- 前記磁性粒子の短径をS[μm]とし、長径をL[μm]としたとき、S/Lで定義される前記磁性粒子のアスペクト比の平均値は、0.4〜1である請求項1ないし4のいずれかに記載の磁性流体。
- 前記磁性粒子の保磁力は、5Oe以下である請求項1ないし5のいずれかに記載の磁性流体。
- 前記磁性粒子の飽和磁束密度は、0.6T以上である請求項1ないし6のいずれかに記載の磁性流体。
- 前記磁性粒子は、アトマイズ法により製造されたものである請求項1ないし7のいずれかに記載の磁性流体。
- 当該磁性流体における前記磁性粒子の含有率は、50〜95wt%である請求項1ないし8のいずれかに記載の磁性流体。
- 前記界面活性剤は、オレイン酸塩を主成分とするものである請求項1ないし9のいずれかに記載の磁性流体。
- 前記液相分散媒は、炭化水素系オイル、シリコーン系オイルまたはフッ素系オイルを主成分とするものである請求項1ないし10のいずれかに記載の磁性流体。
- 請求項1ないし11のいずれかに記載の磁性流体を貯留するシリンダと、
該シリンダ内を摺動し、前記シリンダ内の空間を2つに仕切るピストンと、
一端が前記ピストンに接続され、他端が前記シリンダの外部に位置するピストンロッドと、
前記シリンダ内に貯留された前記磁性流体に及ぶように磁界を形成する磁界形成手段とを有し、
磁界の作用によって前記磁性流体の流体特性を変化させることにより、減衰力を制御し得ることを特徴とするダンパー。 - 前記ピストンに形成され、前記2つの空間と互いに連通する流路を有し、
前記磁界形成手段が前記流路近傍に設けられており、前記流路を通過する前記磁性流体に及ぶように磁界を形成して流体特性を変化させることにより、減衰力を制御し得る請求項12に記載のダンパー。
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