JP3915026B2 - 電気粘性流体の制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
電気粘性流体のレオロジー特性の新規な制御方法に関するものであり、従来の制御方法が適用される振動吸収、トルク伝達、ロボット制御等の用途だけでなく、特にマイクロマシン等の小型あるいは超小型のアクチュエータやポンプの潤滑制御等に極めて好適に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
電気粘性流体は電界を印加することによりその粘性を制御することができる流体である。この流体に電界を印加する方法としては、従来、対向する一対の電極間隙に電気粘性流体を介在させる方法が用いられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする問題点】
電気粘性流体の粘性の変化は電界強度に依存し、実用上の有効な粘性変化を得るには一般に数ｋＶ／ｍｍ程度の高電界強度の印加が必要である。従って、できるだけ低電圧の印加で作動させるためには、電極間隙を出来るだけ狭くする必要がある。
【０００４】
従来の対向電極基板を用いた電界印加方法では、電極基板間隙を狭くすると加工精度上対向電極基板が一部で接近し過ぎて放電したり、接触して短絡したりする問題点があり、狭くすること、即ち、低電圧で作動させることは非常に困難であった。
このような放電や短絡を防止するため、電極表面を薄い絶縁性物質の被膜で被覆する方法や電極基板間に絶縁性の多孔膜等のスペーサーを介在させる方法、等が提案されているが、電気粘性効果が大きく低下するという問題があった。
【０００５】
【問題を解決するための手段】
本発明は電極間の接触や接近による短絡や放電の問題がなく、低電圧の印加で安定して電気粘性流体のレオロジー的特性を変化させる制御方法を提供するものである。即ち、絶縁性物質からなる間隙を挟んで正負の電極を交互に配列した集合体電極基板とそれに対向する絶縁性基板の間隙に電気粘性流体を介在させ、該電極に電界を印加することにより該流体の剪断あるいは圧縮に対するレオロジー的性質を、変化させる流体制御方法である。
【０００６】
本発明で云う集合体電極基板とは、複数個の正負の電極が同一平面上あるいは同一円筒面上に絶縁性物質からなる間隙を挟んで交互に配列されたものであり、各電極の形状は短冊状、櫛型状、あるいは波状であってもよく、集合体電極基板が円盤型であれば同心円状であってもよい。電極は銅、ニッケル、金等の金属あるいは酸化スズ、酸化インジューム等の導電性金属化合物、黒鉛、ポリピロール、ポリアニリン等の導電性ポリマー、等の導電性物質を合成樹脂、ガラス、セラミックス、金属酸化物等の電気絶縁性物質の基板上に間隔を置いて形成される。電極および間隙の幅は、共に狭い方が好ましく、一般的には５ｍｍ以下で数μｍ以上であり、間隙は狭く数ｍｍ以下であることが電気粘性流体のレオロジー的性質を低電圧の印加で変化させる上で好ましい。また電極の間隙は一般には一定の幅に設定されるが、目的に応じて変化させてもよい。電極および上記間隙の長さは電極間に有効な電界がかかる限り長さには制限はない。電極の形成は埋め込み、蒸着、メッキ、塗布、等の方法によって形成される。特異な例として金属電極を空隙（電気粘性流体で充満される）を介して交互に配列した集合体電極基板も使用することができる。
【０００７】
集合体電極基板と対向する絶縁性基板は、集合体電極基板と対応した形状をなし、正負の電極の間隙形成に用いられる材料と同様に合成樹脂、ガラス、セラミックス、金属酸化物等の電気絶縁性物質が用いられる。また、表面を絶縁性物質で被覆した金属等の導電性物質を用いることも可能である。更に、基板表面に強誘電性物質や電気粘性流体に使われている誘電体粒子を被覆することも電気粘性効果を高める上で好ましい。電極基板とこの絶縁性基板の間隙は、広過ぎると電極に高電界を印加しても変化する電気粘性流体のレオロジー的性質の効果を有効に利用することが難しい。好ましい間隙としては電極間隙と同等あるいはそれ以下である。
【０００８】
本発明に使用される電気粘性流体とは、電界を印加した際にその粘性が瞬間的且つ大きく、可逆的に変化する流体であり、誘電体粒子を絶縁油に分散させた分散系と粒子を用いない均一系とに大別される。前者に用いられる粒子としては、イオン分極可能な水、酸、アルカリあるいは有機電解質等を含んだ、シリカやゼオライト等の無機粒子系、あるいはイオン交換樹脂やセルロース等の有機粒子、水を含まずイオン分極よりは電子分極を生じ易い炭素やポリアニリン、金属フタロシアニン等の半導体粒子、表面に絶縁性薄膜を被覆した金属粒子や導電ポリマー性粒子、その他、異方導電性や非線形光学特性をもつ材料からなる粒子、等が挙げられる。また、後者の均一系としては、液晶性、粘度異方性、両親媒性、強誘電性、高双極子能率等をもつ物質あるいはその溶液が挙げられ、中でも液晶、特に高分子液晶が好ましいものとして挙げられる。前者の分散系は一般に電界印加時に剪断応力が剪断速度によらず大略一定である、いわゆるビンガム流動を示す。一方、後者の均一系は一般に剪断応力が剪断速度に比例する、いわゆるニュートン流動を示す。本発明にはいずれの流体をも使用することができる。
【０００９】
ところで、本発明で云う電気粘性流体のレオロジー的性質とは、粘性、弾性、変形等の性質であり、これらが、電解の印加により変化することは既に知られている。本発明により制御される電気粘性流体のレオロジー的性質の変化は、集合体電極基板とそれに対向する絶縁性基板の電気粘性流体に剪断をかけた際の剪断応力、集合体電極基板あるいは絶縁性基板を押し広げあるいは引き縮める圧縮応力、等として利用される。従来の電気粘性流体が適応される振動吸収やトルク伝達、ロボット運動制御、等のアクチュエーターに利用されるのみならず、マイクロマシン等の小型あるいは超小型のアクチュエーターやポンプの潤滑制御等に極めて好適に利用される。以下、実施例をもって本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
【００１０】
【実施例】
（実施例１）
長さ１０ｃｍで幅５ｃｍの長方形のガラス板（絶縁性物質）１に蒸着法で酸化インジューム（ＩＴＯ）を０．１μｍの厚みに部分蒸着し、正負の電極２および３を交互に配列した櫛形電極基板４（集合体電極基板、図１にその部分拡大図を示す）を形成した。電極幅は１．０ｍｍであり、電極間隙は０．５ｍｍである。対向する絶縁性基板５としては中央部に約５０ｇの鉄製の立方体の重り６が貼り付けられた４ｃｍ角の無地のガラス板を用いた。図２に示す如く、水平架台７の上に置いた電極基板４の上に、電極基板４と絶縁性基板５の間隙（０．５０ｍｍ）を保持するスペーサーとして約２０個の架橋ポリスチレン製の真球状粒子（直径０．５０ｍｍ）を均一に分散させた下記の電気粘性流体８を垂らし、その上に重りを乗せた絶縁性基板５を重ねた。
【００１１】
電極に電圧を印加しないで架台６を傾けると、約２５度で絶縁性基板５は滑り始めたが、４００ボルトの直流電圧を印加すると６０度傾けてやっと徐々に滑り始めた。
使用した電気粘性流体は、イオン交換樹脂粒子〔三菱化成（株）、ＭＣＩゲル・Ｋ０８Ｐ、Ｎａ型、粒径約３μｍ、含水率６ｗｔ％〕をシリコーン油（２０ｃｓｔ）に粒子濃度３０容量％で分散させて得たものである。
なお、上記電気粘性流体８の代わりに媒体に用いたシリコーン油（２０ｃｓｔ）のみを介在させたものでは４００ボルトの電圧を印加しても１５度傾けるだけで滑り始めた。
【００１２】
（実施例２）
筒外面に電極幅２ｍｍ、電極間隙１ｍｍの正負の電極２および３が回転軸方向に交互に配列してなる集合体電極基板４（図４に部分拡大図を示す）が形成された内円筒９（直径３９．８ｍｍ、ポリアミド樹脂製、固定のトルク計１０に接続）、内面がポリイミドの薄膜で被覆され電気絶縁性を付与した外円筒１１（内部直径４０．０ｍｍ、モータ１２に接続されて回転）からなり、図３に示すような２重円筒型の回転粘度計を用いて、電圧印加による電気粘性流体８の粘性変化を測定した。電気粘性流体８としては実施例１の粒子分散系流体（スペーサーの真球状粒子は添加せず）および液晶シリコーンからなる均一系の電気粘性流体〔旭化成（株）、試作サンプルＡＤ０１、下記化学式（１）に示す分子構造の化合物をジメチルシリコーンで１．５倍に希釈したもの〕を使用し、２００ボルトの直流電圧を印加し、１００Ｓ-1の剪断速度で測定した。その結果を表１に示す。有効電極面積が少ない分だけ、見かけ上の粘性変化は小さいが、内外筒の間隙が０．１ｍｍという狭い状態でもスペーサーがなくとも、従来の対向電極基板方式で懸念された電極基板間の接触や絶縁破壊といった問題を起こさず安定した粘性制御が可能となった。
【００１３】
【化１】
ー
【００１４】
【表１】
【００１５】
【発明の効果】
本発明は、絶縁性物質からなる間隙を挟んで正負の電極を交互に配列した集合体電極基板とそれに対向する絶縁性基板との間隙に電気粘性流体を介在させ、該電極に電界を印加することにより該流体の剪断あるいは圧縮に対するレオロジー的性質を変化させる流体制御方法であり、そのため電極間の接触や接近による短絡や放電の問題がなく、低電圧の印加で安定して電気粘性流体のレオロジー的特性を変化させることができ、特にマイクロマシン等の小型あるいは超小型のアクチュエーターやポンプの潤滑制御等に極めて好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で使用した集合体電極基板の拡大図である。
【図２】電界印加による粘性変化を測定するための基板の積層状態を示す図である。
【図３】実施例２で使用した回転型粘度計を示す図である。
【図４】粘度計の内筒外表面の集合体電極基板の拡大図である。
【符号の説明】
１：絶縁性物質
２：電極（正極）
３：電極（負極）
４：集合体電極基板
５：絶縁性基板
６：重り
７：架台
８：電気粘性流体
９：内円筒
１０：トルク計
１１：外円筒
１２：モータ
【発明の属する技術分野】
電気粘性流体のレオロジー特性の新規な制御方法に関するものであり、従来の制御方法が適用される振動吸収、トルク伝達、ロボット制御等の用途だけでなく、特にマイクロマシン等の小型あるいは超小型のアクチュエータやポンプの潤滑制御等に極めて好適に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
電気粘性流体は電界を印加することによりその粘性を制御することができる流体である。この流体に電界を印加する方法としては、従来、対向する一対の電極間隙に電気粘性流体を介在させる方法が用いられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする問題点】
電気粘性流体の粘性の変化は電界強度に依存し、実用上の有効な粘性変化を得るには一般に数ｋＶ／ｍｍ程度の高電界強度の印加が必要である。従って、できるだけ低電圧の印加で作動させるためには、電極間隙を出来るだけ狭くする必要がある。
【０００４】
従来の対向電極基板を用いた電界印加方法では、電極基板間隙を狭くすると加工精度上対向電極基板が一部で接近し過ぎて放電したり、接触して短絡したりする問題点があり、狭くすること、即ち、低電圧で作動させることは非常に困難であった。
このような放電や短絡を防止するため、電極表面を薄い絶縁性物質の被膜で被覆する方法や電極基板間に絶縁性の多孔膜等のスペーサーを介在させる方法、等が提案されているが、電気粘性効果が大きく低下するという問題があった。
【０００５】
【問題を解決するための手段】
本発明は電極間の接触や接近による短絡や放電の問題がなく、低電圧の印加で安定して電気粘性流体のレオロジー的特性を変化させる制御方法を提供するものである。即ち、絶縁性物質からなる間隙を挟んで正負の電極を交互に配列した集合体電極基板とそれに対向する絶縁性基板の間隙に電気粘性流体を介在させ、該電極に電界を印加することにより該流体の剪断あるいは圧縮に対するレオロジー的性質を、変化させる流体制御方法である。
【０００６】
本発明で云う集合体電極基板とは、複数個の正負の電極が同一平面上あるいは同一円筒面上に絶縁性物質からなる間隙を挟んで交互に配列されたものであり、各電極の形状は短冊状、櫛型状、あるいは波状であってもよく、集合体電極基板が円盤型であれば同心円状であってもよい。電極は銅、ニッケル、金等の金属あるいは酸化スズ、酸化インジューム等の導電性金属化合物、黒鉛、ポリピロール、ポリアニリン等の導電性ポリマー、等の導電性物質を合成樹脂、ガラス、セラミックス、金属酸化物等の電気絶縁性物質の基板上に間隔を置いて形成される。電極および間隙の幅は、共に狭い方が好ましく、一般的には５ｍｍ以下で数μｍ以上であり、間隙は狭く数ｍｍ以下であることが電気粘性流体のレオロジー的性質を低電圧の印加で変化させる上で好ましい。また電極の間隙は一般には一定の幅に設定されるが、目的に応じて変化させてもよい。電極および上記間隙の長さは電極間に有効な電界がかかる限り長さには制限はない。電極の形成は埋め込み、蒸着、メッキ、塗布、等の方法によって形成される。特異な例として金属電極を空隙（電気粘性流体で充満される）を介して交互に配列した集合体電極基板も使用することができる。
【０００７】
集合体電極基板と対向する絶縁性基板は、集合体電極基板と対応した形状をなし、正負の電極の間隙形成に用いられる材料と同様に合成樹脂、ガラス、セラミックス、金属酸化物等の電気絶縁性物質が用いられる。また、表面を絶縁性物質で被覆した金属等の導電性物質を用いることも可能である。更に、基板表面に強誘電性物質や電気粘性流体に使われている誘電体粒子を被覆することも電気粘性効果を高める上で好ましい。電極基板とこの絶縁性基板の間隙は、広過ぎると電極に高電界を印加しても変化する電気粘性流体のレオロジー的性質の効果を有効に利用することが難しい。好ましい間隙としては電極間隙と同等あるいはそれ以下である。
【０００８】
本発明に使用される電気粘性流体とは、電界を印加した際にその粘性が瞬間的且つ大きく、可逆的に変化する流体であり、誘電体粒子を絶縁油に分散させた分散系と粒子を用いない均一系とに大別される。前者に用いられる粒子としては、イオン分極可能な水、酸、アルカリあるいは有機電解質等を含んだ、シリカやゼオライト等の無機粒子系、あるいはイオン交換樹脂やセルロース等の有機粒子、水を含まずイオン分極よりは電子分極を生じ易い炭素やポリアニリン、金属フタロシアニン等の半導体粒子、表面に絶縁性薄膜を被覆した金属粒子や導電ポリマー性粒子、その他、異方導電性や非線形光学特性をもつ材料からなる粒子、等が挙げられる。また、後者の均一系としては、液晶性、粘度異方性、両親媒性、強誘電性、高双極子能率等をもつ物質あるいはその溶液が挙げられ、中でも液晶、特に高分子液晶が好ましいものとして挙げられる。前者の分散系は一般に電界印加時に剪断応力が剪断速度によらず大略一定である、いわゆるビンガム流動を示す。一方、後者の均一系は一般に剪断応力が剪断速度に比例する、いわゆるニュートン流動を示す。本発明にはいずれの流体をも使用することができる。
【０００９】
ところで、本発明で云う電気粘性流体のレオロジー的性質とは、粘性、弾性、変形等の性質であり、これらが、電解の印加により変化することは既に知られている。本発明により制御される電気粘性流体のレオロジー的性質の変化は、集合体電極基板とそれに対向する絶縁性基板の電気粘性流体に剪断をかけた際の剪断応力、集合体電極基板あるいは絶縁性基板を押し広げあるいは引き縮める圧縮応力、等として利用される。従来の電気粘性流体が適応される振動吸収やトルク伝達、ロボット運動制御、等のアクチュエーターに利用されるのみならず、マイクロマシン等の小型あるいは超小型のアクチュエーターやポンプの潤滑制御等に極めて好適に利用される。以下、実施例をもって本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
【００１０】
【実施例】
（実施例１）
長さ１０ｃｍで幅５ｃｍの長方形のガラス板（絶縁性物質）１に蒸着法で酸化インジューム（ＩＴＯ）を０．１μｍの厚みに部分蒸着し、正負の電極２および３を交互に配列した櫛形電極基板４（集合体電極基板、図１にその部分拡大図を示す）を形成した。電極幅は１．０ｍｍであり、電極間隙は０．５ｍｍである。対向する絶縁性基板５としては中央部に約５０ｇの鉄製の立方体の重り６が貼り付けられた４ｃｍ角の無地のガラス板を用いた。図２に示す如く、水平架台７の上に置いた電極基板４の上に、電極基板４と絶縁性基板５の間隙（０．５０ｍｍ）を保持するスペーサーとして約２０個の架橋ポリスチレン製の真球状粒子（直径０．５０ｍｍ）を均一に分散させた下記の電気粘性流体８を垂らし、その上に重りを乗せた絶縁性基板５を重ねた。
【００１１】
電極に電圧を印加しないで架台６を傾けると、約２５度で絶縁性基板５は滑り始めたが、４００ボルトの直流電圧を印加すると６０度傾けてやっと徐々に滑り始めた。
使用した電気粘性流体は、イオン交換樹脂粒子〔三菱化成（株）、ＭＣＩゲル・Ｋ０８Ｐ、Ｎａ型、粒径約３μｍ、含水率６ｗｔ％〕をシリコーン油（２０ｃｓｔ）に粒子濃度３０容量％で分散させて得たものである。
なお、上記電気粘性流体８の代わりに媒体に用いたシリコーン油（２０ｃｓｔ）のみを介在させたものでは４００ボルトの電圧を印加しても１５度傾けるだけで滑り始めた。
【００１２】
（実施例２）
筒外面に電極幅２ｍｍ、電極間隙１ｍｍの正負の電極２および３が回転軸方向に交互に配列してなる集合体電極基板４（図４に部分拡大図を示す）が形成された内円筒９（直径３９．８ｍｍ、ポリアミド樹脂製、固定のトルク計１０に接続）、内面がポリイミドの薄膜で被覆され電気絶縁性を付与した外円筒１１（内部直径４０．０ｍｍ、モータ１２に接続されて回転）からなり、図３に示すような２重円筒型の回転粘度計を用いて、電圧印加による電気粘性流体８の粘性変化を測定した。電気粘性流体８としては実施例１の粒子分散系流体（スペーサーの真球状粒子は添加せず）および液晶シリコーンからなる均一系の電気粘性流体〔旭化成（株）、試作サンプルＡＤ０１、下記化学式（１）に示す分子構造の化合物をジメチルシリコーンで１．５倍に希釈したもの〕を使用し、２００ボルトの直流電圧を印加し、１００Ｓ-1の剪断速度で測定した。その結果を表１に示す。有効電極面積が少ない分だけ、見かけ上の粘性変化は小さいが、内外筒の間隙が０．１ｍｍという狭い状態でもスペーサーがなくとも、従来の対向電極基板方式で懸念された電極基板間の接触や絶縁破壊といった問題を起こさず安定した粘性制御が可能となった。
【００１３】
【化１】
【００１４】
【表１】
【発明の効果】
本発明は、絶縁性物質からなる間隙を挟んで正負の電極を交互に配列した集合体電極基板とそれに対向する絶縁性基板との間隙に電気粘性流体を介在させ、該電極に電界を印加することにより該流体の剪断あるいは圧縮に対するレオロジー的性質を変化させる流体制御方法であり、そのため電極間の接触や接近による短絡や放電の問題がなく、低電圧の印加で安定して電気粘性流体のレオロジー的特性を変化させることができ、特にマイクロマシン等の小型あるいは超小型のアクチュエーターやポンプの潤滑制御等に極めて好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で使用した集合体電極基板の拡大図である。
【図２】電界印加による粘性変化を測定するための基板の積層状態を示す図である。
【図３】実施例２で使用した回転型粘度計を示す図である。
【図４】粘度計の内筒外表面の集合体電極基板の拡大図である。
【符号の説明】
１：絶縁性物質
２：電極（正極）
３：電極（負極）
４：集合体電極基板
５：絶縁性基板
６：重り
７：架台
８：電気粘性流体
９：内円筒
１０：トルク計
１１：外円筒
１２：モータ
Claims (1)
- 複数個の正負の電極が同一平面状或いは同一円筒面状に、絶縁性物質からなる間隙を挟んで交互に配列した集合体電極と、それに対向する絶縁性基板の間隙に電気粘性流体を介在させ、該電極に電界を印加することにより該流体のせん断あるいは圧縮に対するレオロジー的性能を変化させることを特徴とする電気粘性流体制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23211495A JP3915026B2 (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | 電気粘性流体の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23211495A JP3915026B2 (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | 電気粘性流体の制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0953610A JPH0953610A (ja) | 1997-02-25 |
| JP3915026B2 true JP3915026B2 (ja) | 2007-05-16 |
Family
ID=16934232
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23211495A Expired - Fee Related JP3915026B2 (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | 電気粘性流体の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3915026B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5158349B2 (ja) * | 2008-01-22 | 2013-03-06 | 株式会社Ｅｒテック | Ｅｒ流体の制御方法 |
| US9052724B2 (en) | 2012-08-07 | 2015-06-09 | International Business Machines Corporation | Electro-rheological micro-channel anisotropic cooled integrated circuits and methods thereof |
| JP6016020B2 (ja) * | 2012-11-06 | 2016-10-26 | 独立行政法人国立高等専門学校機構 | Ｅｒ流体の制御方法と制御装置 |
| JP6736481B2 (ja) * | 2014-03-14 | 2020-08-05 | メルク パテント ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＭｅｒｃｋ Ｐａｔｅｎｔ Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｍｉｔ ｂｅｓｃｈｒａｅｎｋｔｅｒ Ｈａｆｔｕｎｇ | 電気粘性流体および触覚デバイス |
-
1995
- 1995-08-18 JP JP23211495A patent/JP3915026B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0953610A (ja) | 1997-02-25 |
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Legal Events
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| A521 | Written amendment |
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