JP2014229625A

JP2014229625A - 磁気機能性流体およびそれを用いたダンパ、クラッチ

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Publication number: JP2014229625A
Application number: JP2013105357A
Authority: JP
Inventors: 康司井門; Yasushi Imon; 林　浩一; Koichi Hayashi; 浩一林; 吉田　貴行; Takayuki Yoshida; 貴行吉田
Original assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2014-12-08
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: US20140339029A1; JP6255715B2

Abstract

【課題】分散粒子の体積濃度を同じとして比較して、従来の磁気機能性流体よりも粘性の増大が可能な磁気機能性流体を提供する。【解決手段】分散媒中に、平均粒子径が０．５〜５０μｍである第１強磁性粒子１と、第１強磁性粒子１よりも粒子径が小さく、かつ、多磁区構造を有するとともに、長軸と短軸の長さ比が２以上である針状の第２強磁性粒子２とが分散された構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気機能性流体およびそれを用いたダンパまたはクラッチに関するものである。

磁気機能性流体は、磁場に応答する機能性流体である。このような磁気機能性流体としては、例えば、非特許文献１で紹介されているミクロンサイズの強磁性粒子をオイル等の分散媒に分散させた磁気粘性（ＭＲ）流体がある。これは、分散粒子のすべてがミクロンサイズである粒子径の大きい強磁性粒子で構成されている。この強磁性粒子は多磁区構造を有するものである。そして、ＭＲ流体は、降伏応力を示すビンガム流体的な粘性特性を示すことが知られている。

また、その他にも、特許文献１に開示されている磁気機能性流体がある。これは、電気絶縁性を有するケロシンやシリコーンオイル等の分散媒中に、分散粒子として、粒子径０．５〜５０μｍである粒子径の大きい強磁性粒子と粒子径２５ｎｍ以下である粒子径の小さい強磁性微粒子の両方を分散させたものである。粒子径の大きい強磁性粒子と粒子径の小さい強磁性微粒子は両方とも球状であり、粒子径の小さい強磁性微粒子は、粒子径２５ｎｍ以下であることから、単磁区構造を有するものである。

特開２００２−１７０７９１号公報

山口博司著、磁性流体、森北出版、２０１１年

現在、磁気機能性流体を利用した制振装置として、上記したＭＲ流体を用いたダンパが市販されている。このダンパは、流体の粘性を利用したものであり、流体の粘性を大きくすることで、ダンパの減衰力を増大できる。

しかし、上記したＭＲ流体の粘性を大きくするためには、分散粒子の体積割合を増加させるか、分散粒子径を大きくするなどの方法があるが、分散媒に混合しうる強磁性粒子の体積割合には限界があり、これを越えると流体として機能しなくなることが知られている。また、粒子径を大きくすると粒子の分散安定性が悪化し、粒子が沈降してしまう。

この問題は、上記した特許文献１の磁気機能性流体においても同様に言えることである。特に、上記した特許文献１の磁気機能性流体においては、分散粒子のすべてを粒子径の大きい強磁性粒子で構成した流体に対して、粒子径の大きい強磁性粒子の一部を粒子径の小さい強磁性微粒子に置き換えた構成となり、分散粒子のすべてを粒子径の大きい強磁性粒子で構成した流体と分散粒子の体積濃度を同じとして比較すると、置き換え量が多いほど粘性が小さくなってしまう。

本発明は上記点に鑑みて、分散粒子の体積濃度を同じとして比較して、上記した従来の磁気機能性流体よりも粘性の増大が可能な磁気機能性流体を提供することを目的とする。また、本発明は、このような磁気機能性流体を用いたダンパやクラッチを提供することを他の目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、分散媒中に、平均粒子径が０．５〜５０μｍである第１強磁性粒子（１）と、第１強磁性粒子（１）よりも粒子径が小さく、かつ、多磁区構造を有するとともに、長軸と短軸の長さ比が２以上である針状の第２強磁性粒子（２）とが分散されていることを特徴としている。

請求項１に記載の磁気機能性流体は、上記した特許文献１の磁気機能性流体と同様に、分散粒子のすべてを粒子径の大きい強磁性粒子で構成した流体に対して、粒子径の大きい強磁性粒子の一部を粒子径の小さい強磁性微粒子に置き換えた構成のものである。しかしながら、請求項１に記載の磁気機能性流体は、特許文献１の磁気機能性流体と異なり、分散粒子のすべてを粒子径の大きい強磁性粒子で構成した流体と分散粒子の体積濃度を同じとして比較すると、置き換え量が多いほど、粘性が増大するという特性を有する。

したがって、請求項１に記載の発明によれば、上記した従来のＭＲ流体や特許文献１の磁気機能性流体よりも粘性の増大が可能な磁気機能性流体を提供できる。

さらに、請求項１に記載の磁気機能性流体は、請求項３に記載のように、磁場非印加時にビンガム流体的な粘性特性を有するとともに、磁場印加時に擬塑性流体的な粘性特性を有するものであり、従来の磁気機能性流体とは異なる特性を有する。

請求項４に記載の発明では、作動流体（１５）の粘性抵抗を利用したダンパ（１０、２０）において、作動流体（１５）として請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気機能性流体を用いており、作動流体（１５）に磁場を印加する磁場印加手段（１４、２２、２３）を備えることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明では、作動流体（３３）を介して入力軸（３１）の回転を出力軸（３２）に伝達するクラッチ（３０）において、作動流体（３３）として請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気機能性流体を用いており、作動流体（３３）に磁場を印加する磁場印加手段（３４）を備えることを特徴としている。

請求項４、５に記載の発明によれば、請求項１〜３に記載の磁気機能性流体の粘性特性を利用したダンパ、クラッチを提供できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の磁気機能性流体中の分散粒子を示す概念図である。第１実施形態におけるダンパの構成を示す断面図である。第２実施形態におけるダンパの構成を示す断面図である。第３実施形態におけるクラッチの構成を示す断面図である。実施例で用いたダンパのオリフィス部中央位置での磁束密度分布を示す図である。比較例の流体１および実施例の流体２〜５を用いたダンパにおける印加磁場無しの場合のピストン速度と最大減衰力の関係を示す図である。比較例の流体１および実施例の流体２〜５を用いたダンパにおける印加磁場ありの場合のピストン速度と最大減衰力の関係を示す図である。粘性特性から流体を分類する一般的な傾向を説明する図である。比較例の流体１および実施例の流体２〜５を用いたダンパの減衰力−変位曲線を示す図であり、（ａ）は印加磁場無しの場合であり、（ｂ）は印加磁場ありの場合であり、どちらも加振周波数２Ｈｚの場合の図である。比較例の流体１および実施例の流体２〜５を用いたダンパの減衰力−変位曲線を示す図であり、（ａ）は印加磁場無しの場合であり、（ｂ）は印加磁場ありの場合であり、どちらも加振周波数１０Ｈｚの場合の図である。比較例の流体６〜８を用いたダンパの減衰力−変位曲線を示す図であり、（ａ）は印加磁場無しの場合であり、（ｂ）は印加磁場ありの場合であり、どちらも加振周波数２Ｈｚの場合の図である。比較例の流体１および実施例の流体９、１０を用いたダンパの減衰力−変位曲線を示す図であり、（ａ）は印加磁場無しの場合であり、（ｂ）は印加磁場ありの場合であり、どちらも加振周波数２Ｈｚの場合の図である。比較例の流体１および実施例の流体９、１０を用いたダンパの減衰力−変位曲線を示す図であり、（ａ）は印加磁場無しの場合であり、（ｂ）は印加磁場ありの場合であり、どちらも加振周波数１０Ｈｚの場合の図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
［磁気機能性流体の組成］
本発明の磁気機能性流体は、分散媒中に、分散粒子として、第１強磁性粒子と、それよりも粒子径が小さな針状の第２強磁性粒子とが分散されたものである。

分散媒としては、ポリアルファオレフィンなどの有機系オイルが用いられる。分散媒は有機系オイルに限られず、本発明の効果が得られる範囲であれば、水などの他の分散媒を用いても良い。

第１強磁性粒子は、ミクロンサイズ、すなわち、平均粒子径が０．５〜５０μｍのものである。これは、第１強磁性粒子として、粒子径がある程度大きな粒子を用いるとともに、粒子径が５０μｍよりも大きいと沈降しやすいからである。第１強磁性粒子の形状は、例えば、球状である。第１強磁性粒子の材質としては、強磁性を示す材料、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉやこれらの二種以上の元素からなる合金が挙げられる。

第２強磁性粒子は、第１強磁性粒子よりも粒子径が小さく、かつ、多磁区構造を有するものであり、例えば、平均粒子径（長軸方向での平均粒子径）が５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のものが用いられる。なお、第２強磁性粒子は、第１強磁性粒子よりも粒子径が小さければ、ミクロンサイズであっても良い。第２強磁性粒子の大きさは、後述する図１（ａ）に示す第１強磁性粒子１の鎖状クラスターにおいて、隣り合う粒子同士の間に入り込む大きさであることが好ましい。第２強磁性粒子の材質としては、第１強磁性粒子の材質と同様の強磁性を示す材料が挙げられる。第２強磁性粒子は、長軸と短軸の長さ比が２以上の針状であり、球状の強磁性粒子が２つ以上並んだクラスターと同様の形状である。このような第２強磁性粒子は、定常磁場が印加されると、その長軸方向に磁気モーメントを持ち、磁場方向に長軸が向く。

流体全体に対する分散粒子（第１、第２強磁性粒子）の体積割合は、流体的な特性が得られる範囲内で設定され、例えば、３０ｖｏｌ．％とすることができる。また、流体全体に対する第２強磁性粒子の体積割合は、第２強磁性粒子を添加可能な範囲で設定され、例えば、２〜１０ｖｏｌ．％とすることができる。

磁気機能性流体には、必要に応じて、粒子沈降を抑制する増粘剤と、分散性を改善するためのオレイン酸などの界面活性剤の一方またはその両方を加えても良い。

ここで、特許文献１に記載されているように、分散媒中の強磁性粒子は、磁場が印加されると磁気モーメントを持つようになり、粒子同士に作用する磁気的相互作用力によって鎖状のクラスターを形成することが知られている。

これに対して、本発明のように、針状の強磁性粒子を分散粒子として使用すると、針状の強磁性粒子は球状の強磁性粒子が２つ以上並んだクラスターと同様の形状を有するため、磁場がない状態でも、短い鎖状クラスターと同等の効果があり、流体の粘性が増加する。

さらに、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明の磁気機能性流体に磁場を印加すると、第１強磁性粒子１が鎖状クラスターを形成した後、この鎖状クラスターを針状の第２強磁性粒子２が補強するように大きなクラスターを形成する。このとき、図１（ａ）に示すように、隣り合う第１強磁性粒子１の間に１つの第２強磁性粒子２が入り込んで、隣り合う第１強磁性粒子１同士を橋渡しするように第１強磁性粒子１と一体化したり、これに加えて、図１（ｂ）に示すように、隣り合う第１強磁性粒子１の間に入り込んだ第２強磁性粒子２の外側にも第２強磁性粒子２が一体化したりする。このような流体の内部構造が流体の粘性を増大させている。

このため、本発明の磁気機能性流体は、次の特性を有するものと考えられる。すなわち本発明の磁気機能性流体は、上記した特許文献１の磁気機能性流体と同様に、分散粒子のすべてを粒子径の大きい強磁性粒子で構成した流体に対して、粒子径の大きい強磁性粒子の一部を粒子径の小さい強磁性微粒子に置き換えた構成のものである。分散粒子の体積割合を一定として、ミクロンサイズの大きな強磁性粒子の一部を、小さなサイズの小さな強磁性粒子に置き換える場合、上記した特許文献１の磁気機能性流体では、２５ｎｍ以下の強磁性微粒子への置き換え量が多いほど、粘性が小さくなるのに対して、本発明の磁気機能性流体では、第２強磁性粒子への置き換え量が多いほど、粘性が増大するという特性を有する。これにより、本発明の磁気機能性流体によれば、分散粒子の体積濃度を同じとして比較して、上記した従来のＭＲ流体や特許文献１の磁気機能性流体よりも粘性の増大が可能となる。

また、本発明の磁気機能性流体は、現時点では詳細な理由は不明であるが、後述する実施例に示すように、第１、第２強磁性粒子によって、磁場非印加時にビンガム流体的な粘性特性を有するとともに、磁場印加時に擬塑性流体的な粘性特性を有している。
［磁気機能性流体を用いたダンパ］
図２に、上記組成の磁気機能性流体を作動流体１５として用いるダンパ１０を示す。ダンパ１０は、作動流体１５の粘性抵抗を利用したものであり、シリンダー１１、ピストン１２、シャフト１３およびコイル１４を備えている。

シリンダー１１内部に作動流体１５が充填・封入されている。ピストン１２外周部とシリンダー１１内面の間にオリフィス部１６が形成されている。シャフト１３に固定されたピストン１２を動かすときに生じる作動流体１５の粘性抵抗により、減衰力が生じる。コイル１４は、作動流体１５に磁場を印加する磁場印加手段である。本実施形態では、コイル１４がシリンダー１１外周部全域を覆うようにボビン１７に巻かれており、コイル１４に電流を流すことによって、シリンダー１１内部全域の作動流体１５に磁場が印加できるようになっている。

本実施形態のダンパ１０は、上記組成の磁気機能性流体を作動流体１５として用いることにより、下記実施例で説明するように、磁場印加により減衰力を変化させることができ、かつ、低周波数域および微小振幅の場合に減衰力が小さくなる減衰力特性を有する。

（第２実施形態）
図３に、本実施形態におけるダンパ２０を示す。本実施形態のダンパ２０は、第１実施形態のダンパ１０に対してオリフィス部およびコイルの位置を変更したものであり、ピストン１２の内部にオリフィス部２１、内側コイル２２、外側コイル２３が設けられている。このダンパ２０は、オリフィス部２１を通過する作動流体へ、局所的に磁場を印加できるようにしたものである。このようなダンパ２０においても、第１実施形態のダンパ１０と同様の減衰力特性を有する。

（第３実施形態）
図４に、本発明の磁気機能性流体を用いたクラッチ３０の概略構成を示す。クラッチ３０は、作動流体３３を介して入力軸３１の回転を出力軸３２に伝達するものである。入力軸３１の先端板部３１ａと出力軸３２の先端板部３２ａとが対向しており、対向する両者の先端板部３１ａ、３２ａの間に、作動流体３３が配置されている。作動流体３３に磁場を印加する磁場印加手段としてのコイル３４が、両者の先端板部３１ａ、３２ａに設けられている。

本発明の磁気機能性流体は、磁場印加時に擬塑性流体的な粘性特性、すなわち、下記実施例での説明の通り、印加磁場下において低速度域での粘性が急激に低くなる粘性特性を有する。したがって、本実施形態のクラッチ３０は、入力軸３１の回転速度が小さくなるにしたがって出力軸３２に伝達されるトルクが急激に小さくなる特性、すなわち、低速域で伝達率が急激に低下する特性を有する。

（実験１）
表１に示す組成の各流体を作製し、作製した各流体を第１実施形態で説明した図２のダンパ１０の作動流体１５として用いて、ダンパ１０の減衰力を測定した。なお、用いたダンパ１０における図２中の各寸法は次の通りである。ピストン高さＨ１＝１０ｍｍ、シリンダー内側高さＨ２＝６０ｍｍ、シャフト径Ｄ１＝６ｍｍ、ピストン径Ｄ２＝３１ｍｍ、シリンダー内径Ｄ３＝３３ｍｍ。

表１において、流体１は、従来のＭＲ流体に相当する比較例であり、流体２〜５が、本発明の実施例である。表１に記載のμｍサイズ粒子が第１強磁性粒子であり、針状強磁性粒子が第２強磁性粒子である。いずれの流体も、分散粒子の体積割合は３０ｖｏｌ．％で一定であり、平均粒子径１．２μｍの第１強磁性粒子と、平均粒子径１００ｎｍ、長軸と短軸の長さ比が平均４である第２強磁性粒子とを用いたものであり、第１、第２強磁性粒子の混合割合を変えたものである。第１、第２強磁性粒子はどちらも鉄粉であり、第２強磁性粒子として、磁気テープの磁性粉として一般的に使用されるものを用いた。また、用いた分散剤はポリアルファオレフィンであり、増粘剤はスメクタイトであり、界面活性剤はオレイン酸である。

そして、ピストン１２に対して、振幅±４ｍｍの各一定周波数（１〜１０Ｈｚ）で強制加振した場合の減衰力を測定した。このとき、印加磁場無しの場合と印加磁場ありの場合の両方を測定した。図５（ａ）（ｂ）に、印加磁場ありの場合のオリフィス部１６中央位置での半径方向および軸方向における磁束密度分布を示す。軸方向位置は、シリンダー１１中央位置を０としている。

図６、７に、ピストン速度と最大減衰力の関係を示す。図６、７に示すような最大減衰力特性が得られた。図６は、磁場を印加しない場合の結果で、いずれの流体もピストン速度にほぼ比例して最大減衰力が増加していることがわかる。また、一定の分散粒子体積割合に占める第２強磁性粒子の割合が大きくなると、最大減衰力も大きくなることがわかる。図７は、磁場を印加した場合のピストン速度と最大減衰力の関係を示している。図７より、いずれの流体の場合にも無磁場の場合よりも最大減衰力が大きく増加することがわかる。また、本発明の機能性流体である流体２〜流体５の場合、ピストン速度が低くなると急激に最大減衰力が減少する傾向が明らかである。

以上から、本発明の磁気機能性流体は、図８を参照してわかるように、無磁場時にはビンガム流体的な粘性特性を有し、磁場が印加されると擬塑性流体的な粘性特性を有することが明らかである。これは従来の磁気機能性流体では見られなかった特性である。

また、図９、１０に減衰力−変位曲線を示す。図９は加振周波数２Ｈｚの場合であり、図１０は加振周波数１０Ｈｚの場合である。各図（ａ）は印加磁場がない場合であり、各図（ｂ）は印加磁場がある場合である。

図９（ａ）、図１０（ａ）より、どちらの場合も、印加磁場がない場合には第２強磁性粒子の体積割合が多いほど減衰力が大きくなることがわかる。一方、図９（ｂ）、図１０（ｂ）に示すように、磁場が印加された場合にも同様の傾向が見られるが、２Ｈｚのような低周波数の場合にはピストン速度が低い領域となり、擬塑性流体的な粘性特性のため、第２強磁性粒子の体積割合が小さい場合（流体２、３）には減衰力はあまり大きくならない。

以上の結果を特許文献１に開示されている磁気機能性流体と比較するために、表２に示す組成を持つ流体を３種類用意した（比較例としての流体６、７、８）。流体６、７、８は、分散粒子の体積割合を表１で示した流体の場合と同様に３０ｖｏｌ．％とし、μｍサイズの強磁性粒子と１０ｎｍサイズの強磁性微粒子の体積割合を変えたものである。なお、用いた分散媒は、表１で示した流体と同じである。

そして、これらの流体６〜８を図２に示したダンパ１０の作動流体１５として用い、減衰力−変位曲線を求めると、図１１のようになった。図１１は強制加振周波数２Ｈｚのものであり、図（ａ）が印加磁場無しの場合、図（ｂ）が印加磁場有りの場合である。図１１から、流体６〜８の場合には、１０ｎｍサイズ強磁性微粒子の体積割合が増加すると減衰力が減少していることが明らかである。

以上の実験結果から、本発明の磁気機能性流体は、特許文献１に開示されている磁気機能性流体とは、まったく逆の特性を示すことが確認された。
（実験２）
表３に示す組成の流体９、１０を作製し、実験１と同様の実験を行った。表３に記載のμｍサイズ粒子が第１強磁性粒子であり、針状強磁性粒子が第２強磁性粒子である。用いた第２強磁性粒子は、平均粒子径が１５０ｎｍであり、長軸と短軸の長さ比が５〜１０の範囲のものである。その他の材料は実験１と同じものを用いた。流体９、１０は、本発明の実施例であり、第１、第２強磁性粒子の割合が表１の流体３、５と同じものである。

その結果、図１２、１３に示すように、実験１と同様の結果が得られた。図１２、１３は減衰力−変位曲線であり、加振周波数２Ｈｚおよび１０Ｈｚの場合のものである。なお、図１２、１３では、比較例である流体１の結果を合わせて示している。各図（ａ）が印加磁場無しの場合であり、各図（ｂ）が印加磁場有りの場合である。

図１２（ａ）、１３（ａ）に示すように、磁場の印加がない場合には第２強磁性粒子の体積割合が大きいほど減衰力が大きくなる。一方、図１２（ｂ）、１３（ｂ）に示すように、磁場が印加される場合では、第２強磁性粒子の体積割合が８％の場合（流体１０）には、減衰力が顕著に大きくなっている。しかし、第２強磁性粒子の体積割合が４％程度の場合（流体９）では第２強磁性粒子が含まれていない場合（流体１）とほとんどかわらないことがわかる。このような結果が得られたのは、磁場印加がない場合にはピストン速度と最大減衰力はほぼ比例関係にあるが、磁場印加下では強制加振周波数を低くしていくと最大減衰力が急に低下するためである。

なお、本発明は上記した実施形態および実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１第１強磁性粒子
２第２強磁性粒子
１０ダンパ
１５作動流体（磁気機能性流体）
２０ダンパ
３０クラッチ
３３作動流体（磁気機能性流体）

Claims

分散媒中に、平均粒子径が０．５〜５０μｍである第１強磁性粒子（１）と、前記第１強磁性粒子（１）よりも粒子径が小さく、かつ、多磁区構造を有するとともに、長軸と短軸の長さ比が２以上である針状の第２強磁性粒子（２）とが分散されていることを特徴とする磁気機能性流体。
前記第２強磁性粒子（２）は、平均粒子径が５０ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の磁気機能性流体。
前記第１、第２強磁性粒子（１、２）によって、磁場非印加時にビンガム流体的な粘性特性を有するとともに、磁場印加時に擬塑性流体的な粘性特性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気機能性流体。
作動流体（１５）の粘性抵抗を利用したダンパ（１０、２０）において、
前記作動流体（１５）として請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気機能性流体を用いており、
前記作動流体（１５）に磁場を印加する磁場印加手段（１４、２２、２３）を備えることを特徴とするダンパ。
作動流体（３３）を介して入力軸（３１）の回転を出力軸（３２）に伝達するクラッチ（３０）において、
前記作動流体（３３）として請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気機能性流体を用いており、
前記作動流体（３３）に磁場を印加する磁場印加手段（３４）を備えることを特徴とするクラッチ。