JP4139776B2 - 電気粘性流体の降伏剪断応力を増大および調節する方法および装置 - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、電気粘性流体に関する。より具体的には、本発明は、電気粘性流体の降伏剪断応力を増大および／または調節するために方法、ならびにこのような方法を使用する装置に関する。

（発明の背景）
電気粘性（ＥＲ）流体およびＥＲ効果は、当業者に周知である。１９４７年頃にＥＲ流体が発見されたことから、ＥＲ流体の降伏剪断応力を、種々の産業用途に（例えば、トルク変速機（transmission）（例えば、クラッチ、ブレーキ、および動力伝達）のためのアクチュエーター、振動吸収（例えば、緩衝装置、エンジン台（enginemount）、およびダンパー）、流体制御（例えば、サーボバルブおよび圧力バルブ）および多くの他の産業用途に）有利に使用され得るレベルにまで増大させる、多くの取り組みが行われてきた。ＥＲ流体は、一般に、同じ機能を果たす、液圧式デバイス、機械式デバイス、または電気機械式デバイスよりエネルギー効率が良い。しかし、ＥＲ流体の強度は、概して、従来、十分に高くはなかった。強いＥＲ流体を探し出そうとしても、結果には限界があった。現在、ＥＲ流体は、印加された電場の存在下で約５ｋＰａまでの降伏剪断応力を有するが、これは、主要な産業用途には概して十分ではなく、従って、その用途の大部分では、ＥＲ流体は利用されない。本発明は、ＥＲ流体の微細構造特性の新規な使用を介して、増大した降伏剪断応力を達成する。

ＥＲ流体の流動特性は、電場が流体を通して印加されると変化する。このＥＲ流体は、漸次的なゲル化として説明され得ることによって印加された電場に応答する。より具体的には、ＥＲ流体は、一般に、分散媒流体（例えば、ポンプ油、シリコーン油、鉱油、または塩素化パラフィン）を含む。微細な粒子（例えば、ポリマー、無機物、またはセラミックス）は、分散媒流体中に懸濁されている。電場が、ＥＲ流体を通して印加されると、粒子上の正電荷または負電荷が分離し、従って、各粒子に正の末端および負の末端を与える。次いで、懸濁粒子は、互いに引きつけられ、一方の電極から他方の電極へと導くように鎖を形成する。これらの粒子鎖は、ＥＲ流体を、印加された電場の大きさに比例して、電極間の電場においてゲル化させる。従って、先行技術では、ＥＲ流体の降伏剪断応力（「有効粘性」）を、電場の印加によって増大させる手段を提供しているが、このようにして得られる最大降伏剪断応力（約５ｋＰａまで）は、大部分の産業用途に使用するためには、なお十分ではない。

上記の理由が原因で、簡単なプロセスによって、ＥＲ流体の降伏剪断応力を増大および／または調節するための方法が、所望される。さらに、ＥＲ流体の降伏剪断応力を増大および／または調節するこのような方法を使用する装置が、さらに所望される。

（発明の要旨）
本発明は、ＥＲ流体の降伏剪断応力を増大および／または調節するための方法、ならびにこのような方法を使用する装置に関する。

本発明の方法によれば、最初に、十分な電場をＥＲ流体に印加して、ＥＲ流体内の粒子が粒子鎖を形成するようにし、ＥＲ流体を、電極間で印加された電場において「ゲル化」させる。次いで、十分な圧力を、電極間のＥＲ流体に付与すると同時に、先の工程において印加された電場を実質的に維持する。このことにより、粒子鎖が密集し、従って、降伏剪断応力が増大する。圧力および剪断応力は、印加された電場の方向に対して相対的に、何れの方向にも付与され得る。この電場は、粒子鎖を密集させる。増大した剪断応力がもはや上方向にも下方向にも調節される必要がない場合は、圧力、および必要に応じて電場は、必要時に上方向または下方向に調節される。

本発明の方法の第１の実施形態において、圧力は、電場の方向に対して実質的に垂直な方向に印加される。この場合、鎖が凝集し、従って、より密集した状態になる。第２の実施形態において、圧力は、電場の方向に対して実質的に平行な方向に付与される。この場合、鎖は、より短くなり、従って、より密集した状態になる。しかし、本発明において意図されるように、圧力は、印加された電場の方向に対して任意の方向に印加され得、このことは、鎖が短くなり凝集することの組み合わせを通じて、鎖の密集を生じる。

本発明の装置によれば、ＥＲ流体は、２つの作業構造体の間に置かれ、２つの作業構造体と連絡している。これらの作業構造体の間には、（ＥＲ流体を通じて）力またはトルクが伝達される。そのＥＲ流体はまた、異なる電位を有する少なくとも２つの電極と連絡している。これらの電極は、降伏剪断応力の増大が所望される場合に、ＥＲ流体を通じて電場を印加するように働く。これらの電極は、同じ作業構造体上にあってもよいし、異なる作業構造体の上にあってもよく、互いに別々であってもよい。始めに、十分な電位を電極に印加して、電極間のＥＲ流体内の粒子が、粒子鎖に形成されるようにし、ＥＲ流体をゲル化させる。次いで、適切には、２つの作業構造体を互いに近づけることによって、十分な圧力をそのＥＲ流体に付与すると同時に、先の工程において印加された電位は、実質的に維持されて、粒子鎖をより密集した状態にし、従って、降伏剪断応力を増大させる。付与した圧力から生じた降伏剪断応力の増大は、任意の力またはトルクを引き起こし、これは、一方の作業構造体により提供されて、他方の作業構造体により効率的に伝えられる。より有効な力またはトルクが、もはや必要とされない場合は、圧力、および必要に応じて
電場は、除去され得る。中間的に有効な力またはトルク伝達が必要とされる場合、付与される圧力は、減少され得るが、印加された電場は、同じか、より高いか、またはより低いレベルで印加されたままである。従って、一旦より高い降伏剪断応力が確立されると、電場の強度、付与された圧力、またはその両方を増大または減少させることにより、必要な場合に、上方向または下方向に調節され得る。

本発明の装置の第１の実施形態において、第１作業構造体は、好ましくは、電気的に絶縁性であるが、電気的に接地されていてもよく、それらの電極は、全て、第２作業構造体上にあり、その作業表面は、第１作業構造体の作業表面に対して平行である。この実施形態において、その粒子鎖は、ＥＲ流体を通じて電極間の第２作業構造体の近位にて形成する。圧力は、２つの作業表面を互いに近づけることによって、電場の方向に対して垂直な方向に付与される。このことは、鎖をより密集した鎖に凝集させ、降伏剪断応力における増大を提供する。この実施形態の１バリエーションにおいて、その電極は、第２作業構造体上で互い違いの配置を有し、絶縁ゾーンによって分離されており、その結果、隣の(隣接する)電極は、異なる電位を有する。しかし、他の電極配置が可能であり、同様な結果を伴う。さらに、この実施形態の他のバリエーションが可能であり、このバリエーションにおいて、その２つの作業構造体は、平行でないか、かつ／または平面でない。

本発明の装置の第２の実施形態において、その２つの作業構造体は、平行であり、各１つが、電極として作用する。この実施形態において、その粒子鎖は、ＥＲ流体を通じてその２つの作業構造体の間で形成する。圧力は、その２つの作業表面を互いに近づけることによって、電場の方向に対して実質的に平行な方向に付与される。このことにより、鎖はより短くなり、従って、密集した状態になり、繰り返すと、降伏剪断応力の増大が提供される。この実施形態のバリエーションはまた可能であり、このバリエーションにおいて、その２つの作業構造体は、平行でないか、かつ／または平面でない。

前述の一般的記載および以下の詳細な説明が、本発明の例示であって、限定するものではないことが理解されるべきである。

（発明の詳細な説明）
本発明は、電気粘性（ＥＲ）流体の降伏剪断応力を、圧力の付与を通じて、それらの微細構造に変化を生じさせることによって、増大させる。図１〜１０を参照すると、本発明は、ＥＲ流体の降伏剪断応力を増大および／または調節するための方法、ならびにこのような方法を使用する装置に関する。

本発明に従う、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力を増大させるための方法は、以下の工程を包含する：
ａ）十分な電場をＥＲ流体１０に印加して、ＥＲ流体１０内の粒子を、電場内で粒子鎖に形成させる工程；および
ｂ）工程ａ）の後であって、かつ工程ａ）において印加された電場を実質的に維持しながら、十分な圧力をＥＲ流体１０に印加して、粒子鎖を密集または凝集させ、従ってＥＲ流体１０に降伏剪断応力の増加を付与する工程。

さらに、上記工程ａ）およびｂ）に従って、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力を増大させた後に、降伏剪断応力は、以下のさらなる工程によって調節され得る：
ｃ）工程ｂ）の後に、付与された圧力を減少もしくは増大させて、降伏剪断応力を、所望される場合に下方向もしくは上方向に調節して、力またはトルクを調整し、この力またはトルクが一方の作業構造体からもう一方の作業構造体に伝達される、工程；
ｄ）工程ｂ）の後に、印加された電場を減少もしくは増大させて、降伏剪断応力を、所望される場合に下方向または上方向に調節して、力またはトルクを調整し、この力またはトルクが一方の作業構造体からもう一方の作業構造体に伝達される、工程；または
ｅ）工程ｃ）と工程ｄ）とを組み合わせて、降伏剪断応力を、所望される場合に、上方向または下方向に調節する工程。

本発明に従う、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力を増大および／または調節するための上記の方法の例は、以下の工程を包含する：
ａ）十分な電場をＥＲ流体１０に印加して、ＥＲ流体１０内の粒子を、電場内で粒子鎖に形成させる工程；
ｂ）工程ａ）の後であって、かつ工程ａ）において印加された電場を実質的に維持しながら、十分な圧力をそのＥＲ流体１０に付与して、粒子鎖を密集または凝集させ、従ってＥＲ流体１０に降伏剪断応力の増加を付与する工程；
ｃ）工程ｂ）の後であって、かつ工程ａ）において印加された電場を実質的に維持しながら、付与された圧力を減少もしくは増大させて、粒子鎖の密集状態を減少させて、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力の減少を付与する工程；ならびに
ｄ）工程ｂ）およびｃ）を必要に応じて繰り返す工程。

本発明の方法のこの例において、電場は維持されるので、工程ｃ）の後に維持されるその降伏剪断応力は、ゼロではなく、仮に電場が除去されたとしても、同様にゼロではない。付与される圧力がない場合に、大部分のＥＲ流体で認められ得る最大降伏剪断応力は、非常に低く（代表的には、５ｋＰａ以下）、電場の除去は、いくつかの適用においては必要ではなく、そのために、本発明の方法の例は、よって適切であることが留意され得る。

本明細書中に記載される実施形態および例の各々において、ＥＲ流体１０は、低すぎもせず、高すぎもしない容積画分を有し、非伝導性液体（例えば、油など（限定されないが）ポンプ油、トランス油、シリコン油など）中に誘電粒子を含むことが好ましい。用語「容積画分」とは、本出願で使用される場合、ＥＲ流体の容積に対する正味の誘電粒子の容積をいい、値の有用な範囲は、ＥＲ流体に関与する先行技術分野において周知である。３５％の容積画分で本発明を試験すると、優れた結果が得られるが、他の容積画分、例えば、約１０％〜約６０％、より具体的には、約２０％〜約５０％の容積画分を用いた試験でも十分に機能する。

本発明の方法が記載されるにあたって、工程の各々は、種々のパラメーターまたは条件にて実施され得る。開示されるパラメーターおよび条件は、当業者が、具体的に記載される方法を実施することが可能であるが、具体的に記載される方法が、他のパラメーターおよび／または条件で効率的にも有効にも実施されないことを意図するのではない。選択された特定のパラメーターおよび条件は、多くの要因（例えば、使用される特定のＥＲ流体、ＥＲ流体の降伏剪断応力において所望される増大もしくはＥＲ流体の降伏剪断応力のレベル、またはこれらの方法を実施するために必要とされる特定のデバイスもしくは装置など）に起因して変化し得る。

本出願において記載される実施形態の電場を印加する工程、すなわち工程ａ）は、十分な電場がＥＲ流体１０に、ＥＲ流体１０への直接印加によって、または任意の他の公知の適切な方法によって、電極を介して印加された場合に、ＥＲ流体１０内の粒子を、粒子鎖に形成させる。例えば、この電極は、電気的絶縁層によってＥＲ流体１０から分離されてもよく、十分な電場（多かれ少なかれ減少されようとも）をＥＲ流体１０になお印加する。この工程において印加される電場の強度に関して制限は全くないが、その値の有用な範囲は、ＥＲ流体に関与する先行技術分野において周知である。電場は、適切な数の粒子鎖が、ＥＲ流体１０において形成されるように十分高くあるべきである。印加される電場は、例えば、約５００Ｖ／ｍｍ〜約３０００Ｖ／ｍｍ、より具体的には、約１０００Ｖ／ｍｍ〜約２０００Ｖ／ｍｍの範囲内であり得る。電場は、ＤＣであってもＡＣであってもよい。

本出願において記載される実施形態の圧力を付与する工程、すなわち工程ｂ）は、十分な圧力が、電場を維持しながらＥＲ流体１０に付与される場合に、工程ａ）において形成される粒子鎖を密集させる。鎖の密集は、降伏剪断応力の増大したＥＲ流体１０を提供する。圧力を付与する工程は、工程ａ）の後であって、工程ａ）において印加された電場を実質的に維持しながら起こす必要がある。付与される圧力は、約５０ｋＰａ〜約８５０ｋＰａの範囲であり得るが、必要とされる降伏剪断応力の増大の大きさに依存して、より低いかまたはより高くあり得る。その圧力は、印加される電場の方向に対して任意の方向で付与され得、その方向としては、具体的に、平行な方向（この場合、鎖は短くなり、従って、より密集した状態になる）または垂直な方向（この場合、鎖は凝集し、従って、より密集した状態になる）が挙げられる。

本発明に従うＥＲ流体１０の降伏剪断応力を増大および／または調節するための方法を使用する装置は、２つの作業構造体（その間に力またはトルクが伝達される必要がある）およびＥＲ流体１０（２つの作業構造体の間にあり、これらと連絡している）を備える。その２つの作業構造体の間にあるＥＲ流体１０はまた、異なる電位を有する少なくとも２つの電極と連絡しており、それらの電位は、その２つの作業構造体の間に力またはトルクをより良好に伝える目的で降伏剪断応力の増大が所望される場合に、ＥＲ流体１０を通じて電場を印加するように働く。それらの電極は、作業構造体の一方または両方の一部であってもよいし、その２つの作業構造体の間の領域内またはその領域の境界付近に電極があるのであれば、作業構造体とは別個であっても良い。本発明の方法に従って、十分な電場を、最初に、その作業構造体の間にあるＥＲ流体１０に印加して、粒子鎖を形成し、そのＥＲ流体１０を「ゲル化」させる。その電場は、それらの電極の間に電位差を印加することによって生成される。次いで、適切には、その２つの作業構造体を互いに近づけることによって、十分な圧力がそのＥＲ流体１０に付与されると同時に、先の工程において印加された電位差が実質的に維持されて、粒子鎖をより密集した状態にし、従って、降伏剪断応力を増大させる。印加された圧力から生じた降伏剪断応力の増大は、作業構造体の間の任意の力またはトルクの伝達を改善する。改善された力またはトルクの伝達が、もはや必要とされなくなると、圧力、および必要に応じて電場は、除去されるか、または特定の用途に必要な場合に、上方向もしくは下方向に調節される。

本発明の装置の第１の実施形態において、その第１作業構造体は、好ましくは、電気的に絶縁性であるが、電気的に接地されてもよく、全ての電極は、図１〜３のより詳細に示されるように、第２作業構造体の上にある。この実施形態において、その粒子鎖は、第２作業構造体の付近で形成し、ＥＲ流体１０を通じて電極の間で起こる。圧力の付与は、その作業構造体を互いに近づけることによってなされ得、このことは、鎖の凝集をより密集した鎖にし、従って、より高い降伏剪断応力および改善された力もしくはトルクの伝達をもたらす。この実施形態において、付与される圧力および印加される電場は、垂直である。この実施形態の図１および２に示される１バリエーションにおいて、線形平行電極２５、２７は、第２作業構造体２２の上に、絶縁ゾーンで分離された、互い違いになった配置を有する。その結果、隣接する電極２５、２７は、異なる電位を有する。この実施形態の図３に示されるバリエーションにおいて、装置１２は、円状かつ同心円状の電極１５、１７を有する。多くの他のバリエーションが可能であり、このバリエーションは、以下を含む、本発明の方法を適用するために必要な、必須の特徴を維持する：（１）互いに平行でないか、または平面でない（例えば、同心円状の球状部分である）作業表面、（２）作業構造体のいずれかに取り付けられないが、作業構造体の間にある、グリッドの一部である（中空であってもそうでなくてもよい）電極、または（３）電気的に絶縁性の層または膜によって、ＥＲ流体１０から分離された電極。

図１および２を参照すると、本発明の装置の第１の実施形態に従う装置２０は、第１作業構造体１８、第２作業構造体２２、電極２５、２７として働く金属ストリップ、絶縁バリア２４、２６、およびＥＲ流体１０を備える。その第１作業構造体１８は、内部（図面においては底部）絶縁表面２８（これは、ＥＲ流体１０と接触している）、外部表面３０、および複数の側面３２を有する。この実施形態の電極２５、２７は、第２作業構造体２２の内部（図面においては頂部）表面２９（これは、ＥＲ流体１０と接触している）に埋め込まれており、絶縁バリア２４、２６によって分離されている。その電極２５、２７は、各正電極２５が、少なくとも１つの負電極２７の隣に配置されるように、互い違いの構成にて配置される。電極に関して用語「正」および「負」は、電気的接地に対する何れの関係をいうことは意味されず、むしろ、１つの電極（正）が、他方（負）より高い電位にあることを示す。さらに、操作および装置に影響を及ぼすことなく、電極の極性（正および負）は逆にされ得る。この構成は、十分な電場を発生させて、ＥＲ流体１０の粒子を粒子鎖に整列させ、このことは、印加された電場の方向にＥＲ流体を整列させる。図１および２に例示されるように、作業表面を規定する、電極２５、２７の頂部表面およびバリア２４、２６の頂部表面は、水平で、平坦で、滑らかで、かつ第１作業構造体１８の内部表面２８に対して平行である。このことによって、電場が印加されない場合のこの作業表面とＥＲ流体１０との間の粘性摩擦が最小になる。そのＥＲ流体１０は、作業構造体１８、２２の間に配置される。装置２０が使用中の場合、その作業構造体１８、２２は、互いに向かって動き得、互いに離れ得る。第１の装置２０およびそのバリエーション（例えば、図３に例示される装置）は、多くの産業用途（例えば、自動車のクラッチ、トルクトランスミッションなど）に適していると考えられる。図１〜３は、第１作業構造体１８に、付与される圧力を生成する全ての動きを割り当てる。実際に、作業構造体１８、２２のいずれかまたは両方の動きは、付与される圧力に寄与し得る。

図１および２に示される実施形態のバリエーション（例示されない）において、同じ電位にある電極ストリップ２５、２７は全て、歯を有する単一のコーム型電極に一体化され得、その結果、正のコーム型電極の歯は、負のコーム型電極の歯の間に挟まれる。これら２つのコーム型電極の各一方は、導電性クロスバー（個々の電極ストリップの平面の下または個々の電極ストリップの同じ平面中のいずれか）を介して同じ電位にある、図１および２に示される個々の電極ストリップ２５、２７の全てをまとめて束ねることによって構築され得るか、あるいは同じコーム型の電極の一片として製造され得る。類似のバリエーションが、図３に示される実施形態に適用され得る。

本発明の装置の第１の実施形態のさらなるバリエーション（例示されない）において、その電極は、異なる電位にある互い違いになった二次元アレイ（すなわち、図１および２に示される一次元アレイの二次元等価物）の電極に配置される。あるいは、作業表面全体は、他方の電位（および任意の絶縁スペーサー）の電極の挿入を可能にする、二次元アレイの穴を組み込んだ、１つの電位の１つの電極として働き得る。何れの場合も、個々の電極は、個々の電極の平面の下に、前述の段落において記載されたコーム型電極の二次元等価物へと、まとめて束ねられ得る。

本発明の装置の第２の実施形態において、各作業構造体は、電極として働き、この電極に対して異なる電位が印加される。この実施形態において、粒子鎖は、その２つの作業構造体の間で、ＥＲ流体を通じて形成する。圧力の付与は、鎖の短縮化を引き起こし、このことにより、鎖はより密集した状態になり、より高い降伏剪断応力をもたらす。この実施形態において、付与される圧力および印加される電場は、平行である。この実施形態は、第１の実施形態に対して、２つの原理的な欠点を有する。これは、特定の適用において重要であるかもしれないし、重要でないかもしれない：（１）両方の作業構造体（これらは、互いに対して何らかの他の方法で回転または移動する）は、一方のみでなく、電気的接続を必要とする；および（２）作業構造体を互いに近づけて圧力を付与する場合、電極間の距離が変化する。このことは、電場の制御（一定に印加された電位のこの電場は、電極の間の距離に逆比例する）をより困難にし、作業構造体の間に電気的破壊の可能性をもたらす。この実施形態のバリエーションは可能であり、このバリエーションは、例えば、以下を含む、本発明の方法を適用するために必要な必須の特徴を維持する：（１）互いに平行でないかまたは平面でない（例えば、同心円状の球状部分の）作業表面、（２）各作業構造体上にある、同じ電位差の複数の電極、（３）作業構造体の各々に取り付けられていないが、作業構造体の間にある１つ以上の電極、または（４）電気的に絶縁性の層または膜によってＥＲ流体１０から分離された電極。

図４を参照すると、本発明の装置の第２の実施形態に従う装置４０は、２つの作業構造体４２、４３、２つの電極４４、４６、およびこれらの作業構造体４２、４３の間に配置されたＥＲ流体１０を備える。その第１作業構造体４２は、内部表面４８（これは、ＥＲ流体１０と接触している）、外部表面５０、および複数の側面５２を有する。その第２作業構造体４３は、内部表面５４（これは、ＥＲ流体１０と接触している）、外部表面５６、および複数の側面５８を有する。負電極４６は、第２作業構造体４３の内部表面５４上に配置される。正電極４４は、第１作業構造体４２の内部表面４８上に配置され、装置４０が使用中の場合、負電極４６に向かって、または離れて動き得る。繰り返すと、電極に関して用語「正」および「負」は、電気的接地に対する何れの関係をいうことは意味されず、むしろ、１つの電極（正）が、他方（負）より高い電位にあることを示す。さらに、操作および装置に影響を及ぼすことなく、電極の極性（正および負）は逆にされ得る。図４は、第１作業構造体４２に、付与される圧力を生成する全ての動きを割り当てる。実際に、両方の作業構造体４２、４３のいずれかまたは両方の動きは、付与される圧力に寄与し得る。

本発明の装置の第３の実施形態（例示されていない）は、第１の実施形態と第２の実施形態を組み合わせる。この実施形態において、両方の作業構造体は、わずか１つの作業構造体について第１の実施形態において記載される異なる電位の複数の電極を組み込み、その結果、印加される電場は、付与された圧力の方向に対して平行な構成要素および付与された圧力の方向に対して垂直な構成要素を有する。電場の印加は、ＥＲ流体１０内の、同じ作業構造体上の電極から電極までで起こる粒子鎖の形成、および一方の作業構造体上の電極から他方の作業構造体上の電極までで起こる粒子鎖の形成をもたらす。この実施形態の１バリエーションにおいて、この電極構成は、それらの粒子が逆になり、その結果、一方の作業構造体上の各正電極が以下に最も近いことを除いて、両方の作業構造体上で同じである：（１）同じ作業構造体上の少なくとも１つの負電極、および（２）他方の作業構造体上の少なくとも１つの負電極。図４に例示されるように、装置４０は、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力を測定する際に使用されるシステム６０に接続される。降伏剪断応力を測定する際に使用されるシステム６０は、線形テーブル６２、第１力センサ６４、第２力センサ６６、および親ねじ（lead screw）６８を備える。その第２力センサ６６は、基準圧力を測定する。次いで、剪断力は、第１力センサ６４に付与されて、降伏剪断応力が決定される。システム６０に類似のシステムは、装置２０においてＥＲ流体１０の降伏剪断応力を測定する際に使用される。また、他のシステムが、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力を測定するために使用され得ることは、当業者に明らかである。

第１の装置２０に関して、図５〜８は、降伏剪断応力測定の結果を示すグラフである。ここで、電場は、本発明に従って、それぞれ、異なる圧力および一定の圧力下で、異なる値を有し、ＥＲ流体１０に付与されている。図５において、付与される剪断力ＳＦ_１が、図１の装置のように、電場に対して平行である場合、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力は、５００Ｖ／ｍｍ、１０００Ｖ／ｍｍ、および２０００Ｖ／ｍｍの電場において付与される異なる圧力とともに、ほぼ線形的に増大する。図６において、付与される剪断力ＳＦ_２が、図２の装置におけるように、電場に対して垂直である場合、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力は、５００Ｖ／ｍｍおよび１０００Ｖ／ｍｍの電場において付与されている異なる圧力がとともに、ほぼ線形的に増大する。印加された電場が増大するにつれて、傾きｋは、わずかであるが測定可能に増大している。図７において、付与される剪断力ＳＦ_１が、電場に対して平行である場合、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力は、５０ｋＰａ、１００ｋＰａ、２００ｋＰａ、および４００ｋＰａの一定の圧力にて、印加された電場とともに増大する。図８において、付与される剪断力ＳＦ_２が、電場に対して垂直である場合、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力は、１００ｋＰａ、２００ｋＰａ、および４００ｋＰａの一定圧力にて印加される電場とともに増大する。圧力が増大するにつれて、降伏剪断応力もまた、印加される電場とともに、より劇的に増大する。本発明の技術を用いると、ＥＲ流体１０は、２０００Ｖ／ｍｍおよび４００ｋＰａ圧力にて約１１０ｋＰａ（図５）、１０００Ｖ／ｍｍおよび４００ｋＰａ圧力（図６）にて約９５ｋＰａの降伏剪断応力値を有し、多くの主要産業用途について十分以上である。剪断力が、付与される力の方向に対して垂直な平面において任意の方向である場合、剪断力は、一方は電場に対して平行に、および他方は電場に対して垂直に、２つの構成要素へ分解される。次いで、図５〜８は、付与される圧力に対して垂直ないずれの任意の方向にある降伏剪断応力を見いだすために使用され得る。図５〜８は、両方の場合において、その降伏剪断応力が大きく上昇されること、ならびに装置２０およびそのバリエーションが、付与される力に対して垂直ないずれの任意の方向にある剪断力に対して機能することを示す。

第２の装置４０に関して、図９および１０は、第１の装置２０についてのグラフに類似のグラフであり、これらの図は、電場が、本発明に従って、それぞれ、異なる圧力および一定の圧力の下で、異なる値を有し、ＥＲ流体１０に印加されている、降伏剪断応力測定の結果を示す。図９は、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力が、１０００Ｖ／ｍｍ、２０００Ｖ／ｍｍ、および３０００Ｖ／ｍｍの電場に付与された異なる圧力とともに、ほぼ線形的に増大することを示す。印加される電場が増大するにつれて、傾きｋは増大する。図１０は、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力が、５０ｋＰａ、２１０ｋＰａ、および５００ｋＰａの一定圧力にて印加される電場とともに増大することを示す。圧力が増大するにつれて、その降伏剪断応力もまた、電場とともにより劇的に増大する。本発明の技術を用いると、そのＥＲ流体１０は、３０００Ｖ／ｍｍおよび８００ｋＰａ圧力にて約２００ｋＰａの降伏剪断応力値、圧力の付与に起因して、約４０倍の改善を有し、大部分の主要産業用途に十分以上である。

図９および１０は、図５〜８と組み合わせた場合、印加される電場に対していずれの任意の方向で付与された圧力とともに、降伏剪断応力の増大を見いだすために使用され得る。このことは、その降伏剪断応力が、全ての場合において大きく上昇されること、ならびに装置２０と装置４０（本発明の装置の第３の実施形態）の組み合わせが、付与される力および印加される電場に関していずれの任意の方向にある剪断力に対して機能することを示す。

本発明は、付与される圧力に依存して、４０以上程度の高さであり得る倍数で、強さ、すなわち、ＥＲ流体１０の降伏剪断応力を増大する。この新たな技術を用いると、ＥＲ流体は、多くの主要な産業用途を有する。例えば、ＥＲ流体は、２つのディスクから製造され、その２つのディスクの間にＥＲ流体が充填される自動車クラッチに使用され得る（図３）。一方のディスクは、エンジンに接続され、他方のディスクは、駆動輪に接続される。その２つのディスクの間に印加される電位差または付与される圧力がない場合、そのＥＲ流体は、事実上、ゼロの降伏剪断応力を有し、クラッチは、係合されない。電場が印加され、続いて本発明に従って圧力が増大される場合、そのＥＲ流体は、数ミリ秒で約２００ｋＰａの降伏剪断応力に達し得る。従って、クラッチが係合される。このような新たな自動車クラッチが、既存の自動車クラッチより遙かにより効率的かつ機敏であり、摩耗部品がないので、より信頼性が高く、遙かに長い機能時間を有することは、明らかである。

５ｋＰａを遙かに超える降伏剪断を生成し得る先行技術は、存在しない。本発明の方法は、１００ｋＰａを超えるおよび２００ｋＰａ以上の程度までもＥＲ流体の降伏剪断応力を増大させるための手段を提供する。これらの値は、大部分の主要な産業用途の要件より卓越している。さらに、本発明の方法は、一般的かつ有効であるので、多くの、または全ての既存のＥＲ流体に適用され得る。

本発明は、本明細書中に記載の好ましいまたは他の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内の全ての実施形態を包含することが理解されるべきである。

図１は、本発明に従う装置の第１の実施形態を例示し、作業構造体の一方の上に複数の電極があり、付与された圧力は、電場に対して平行であり、剪断応力は、電場に対して平行に付与されている。 図２は、本発明に従う装置の第１の実施形態を例示し、作業構造体の一方の上に複数の電極があり、付与された圧力は、電場に対して垂直であり、剪断応力は、電場に対して垂直に付与されている。 図３は、図２の装置のバリエーションを例示する。 図４は、本発明に従う装置の第２の実施形態を例示し、各作業構造体に１つの電極があり、付与された圧力は、電場に対して平行であり、剪断応力は、電場に対して垂直に付与され、その装置は、圧力付与下で電気粘性流体の降伏剪断応力を測定する際に使用されるシステムに接続されている。 図５は、降伏剪断応力測定の結果を示すグラフである。ここで圧力は、異なる一定電場の下の異なる値を有し、図１の装置に従う電気粘性流体に付与されている。 図６は、降伏剪断応力測定の結果を示すグラフであり、ここで圧力は、異なる一定の電場の下の異なる値を有し、図２に従う電気粘性流体に付与されている。 図７は、降伏剪断応力測定の結果を示すグラフであり、ここで電場は、異なる一定の圧力の下で異なる値を有し、図１に従う電気粘性流体に印加されている。 図８は、降伏剪断応力測定の結果を示すグラフであり、ここで電場は、異なる一定の圧力の下で異なる値を有し、図２に従う電気粘性流体に印加されている。 図９は、降伏剪断応力測定の結果を示すグラフであり、ここで圧力は、異なる一定の電場の下の異なる値を有し、図４に従う電気粘性流体に付与されている。 図１０は、降伏剪断応力測定の結果を示すグラフであり、ここで電場は、一定の圧力の下で異なる値を有し、図４に従う電気粘性流体に印加されている。

類似の参照番号は、図面全体を通して類似の構成要素を示す。

Claims (29)

1. 電気粘性流体の降伏剪断応力を増大させるための方法であって、該方法は、以下の工程：
   ａ）十分な電場を該電気粘性流体に印加して、該電気粘性流体内の粒子を、該電場内で粒子鎖に形成させる工程；および
   ｂ）工程ａ）の後であって、かつ工程ａ）において印加された該電場を実質的に維持しながら、十分な圧力を該電気粘性流体に印加して、該粒子鎖を密集または凝集させ、そして該電気粘性流体に降伏剪断応力の増加を付与する工程、
   を包含する、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記工程ｂ）における圧力は、前記電場の方向に対して実質的に平行な方向に印加され、それにより、該電気粘性流体中の粒子鎖を短くかつ密集させる、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記工程ｂ）における圧力は、前記電場の方向に対して実質的に垂直な方向に印加され、それにより、前記電気粘性流体中の粒子鎖を凝集かつ密集させる、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、第１の電位を有する少なくとも１つの第１電極と、第２の電位を有する少なくとも１つの第２電極との間に電位差を印加することにより、前記電場は印加される、方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、前記電位差は、１つの第１電極と複数の第２電極との間に印加される、方法。
6. 請求項４に記載の方法であって、前記電位差は、複数の第１電極と、複数の第２電極との間に印加される、方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、該方法は、前記電気粘性流体の前記降伏剪断応力を調節するためのさらなる工程を包含し、該工程は、
   ｃ）工程ｂ）の後に、前記付与された圧力を減少もしくは増大させて、該降伏剪断応力を、それぞれ、下方向もしくは上方向に調節する、工程；または
   ｄ）工程ｂ）の後に、前記印加された電場を減少もしくは増大させて、該降伏剪断応力を、それぞれ、下方向または上方向に調節する、工程；または
   ｅ）工程ｃ）と工程ｄ）とを組み合わせて、該降伏剪断応力を、所望される場合に、上方向または下方向に調節する工程、
   を包含する、
   方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、該方法は、前記印加された電場および前記印加された圧力のうちの少なくとも一方を除去して、減少した降伏剪断応力を生成する工程、をさらに包含する、方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記印加された電場を除去して、約０の降伏剪断応力を生成する、方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、前記工程ａ）において印加された電場は、約２５０Ｖ／ｍｍ〜約３０００Ｖ／ｍｍである、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記電場は、約１０００Ｖ／ｍｍ〜約３０００Ｖ／ｍｍである、方法。
12. 請求項１に記載の方法であって、前記工程ｂ）において付与された圧力は、約５０ｋＰａ〜約８５０ｋＰａである、方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、前記付与された圧力は、約３００ｋＰａ〜約８００ｋＰａである、方法。
14. 電気粘性流体の降伏剪断応力を増大するための装置であって、該装置は、以下：
    第１の電位を有する少なくとも１つの第１電極；
    第２の電位を有する少なくとも１つの第２電極；
    第１作業構造体；
    第２作業構造体；および
    該作業構造体の間に置かれた電気粘性流体であって、該電気粘性流体は、該第１電極、該第２電極、および該作業構造体と連絡しており、その結果、該電気粘性流体内の粒子は、十分な電位差が該第１電極と第２電極との間に印加された場合に、粒子鎖を形成し、該粒子鎖は、該印加された電位差を実質的に維持しながら十分な圧力が該電気粘性流体に付与された場合に、凝集して、該粒子鎖が密集または凝集する、電気粘性流体、
    を備える、装置。
15. 請求項１４に記載の装置であって、該装置は、前記作業構造体を互いに近づけることによって、前記圧力を付与するように適合されている、装置。
16. 請求項１４に記載の装置であって、前記電位差は、１つの第１電極と複数の第２電極との間に印加される、装置。
17. 請求項１４に記載の装置であって、前記電位差は、複数の第１電極と、複数の第２電極との間に印加される、装置。
18. 請求項１４に記載の装置であって、該装置は、約２５０Ｖ／ｍｍ〜約３０００Ｖ／ｍｍの電場を印加するに十分な電圧源を備える、装置。
19. 請求項１８に記載の装置であって、該装置は、約１０００Ｖ／ｍｍ〜約３０００Ｖ／ｍｍの電場を印加するに十分な電圧源を備える、装置。
20. 請求項１４に記載の装置であって、前記印加された圧力は、約５０ｋＰａ〜約８５０ｋＰａである、装置。
21. 請求項２０に記載の装置であって、前記圧力は、約３００ｋＰａ〜約８００ｋＰａである、装置。
22. 請求項１４に記載の装置であって、前記電極は、線形平行構成を有する、装置。
23. 請求項１４に記載の装置であって、前記電極は、同心円状円形構成を有する、装置。
24. 請求項１４に記載の装置であって、前記電極は、二次元アレイに配置されている、装置。
25. 請求項１４に記載の装置であって、前記第１電極は、前記第１作業構造体に組み込まれ、前記第２電極は、前記第２作業構造体に組み込まれている、装置。
26. 請求項１４に記載の装置であって、前記第１電極および前記第２電極はともに、前記作業構造体の一方に組み込まれている、装置。
27. 請求項１４に記載の装置であって、前記第１電極および前記第２電極はともに、前記作業構造体の各々に組み込まれている、装置。
28. 請求項１４に記載の装置であって、前記第１電極および前記第２電極の各々は、歯を有するコーム型電極であって、ここで該第１電極の該歯は、該第２電極の歯の間に差し挟まれている、装置。
29. 請求項１４に記載の装置であって、前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ、前記第１作業構造体および前記第２作業構造体の対応する内表面の実質的全てを構成する、装置。

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