JP4842941B2 - 磁歪素子およびその使用 - Google Patents

Description

本発明は磁歪素子およびその使用に関する。

磁歪材料はそれ自体公知である。磁歪材料とは、磁界の存在下でその寸法が変化し、あるいはその寸法を変化させた場合に磁界を発生する材料のことである。

磁気歪み効果は、電界の存在により材料に寸法変化を起こさせる圧電効果に相当する。圧電効果では、格別の寸法変化を達成するためには、通常、非常に高い電界強度または数キロボルトレベルの非常に高い電圧を使用しなければならない。その反対に、所望の寸法変化を達成するために比較的低い電圧しか使用されない磁歪材料も公知である。そのような材料は、Terfenol-Dの名称で知られており、鉄、テレビウムおよびディスプロシウムからなる合金である。

磁歪材料については、例えば、欧州特許第３６１９６９号明細書、国際公開第００３３３２４号パンフレット、米国特許第６２７３９６５号明細書および米国特許第５２２３０４６号明細書の特許文献に記載されている。

磁気歪みエラストマー材料も既に公知である（Mide Technology Corporationの磁歪エラストマーを参照、www.mide.com）。この資料からは、その構造に関する詳細は読み取ることができない。

さらに、磁性粒子を含むエラストマー発泡体も公知である。

特開平１４−２７８４２５号公報は、磁性粉末を含む発泡ポリマー材料が開示している。この材料は、トナーの漏出を防止するための写真複写機のシーリングに用いられている。考えられるポリマーは、エチレンプロピレンエラストマーなどのエラストマーである。

特開平３−１２２１３９号公報は、架橋結合発泡材を製造するのための磁化弾性ゴム物質を開示している。これは、遮音および振動抑制に用いられる。

特開昭５８−５３３９２８号公報は、金属粉末を含む柔軟なセル状エラストマーを開示している。このエラストマーは、光線の遮蔽に使用される。

上記文献はいずれも、磁気歪み効果を利用してのエラストマー発泡材の使用、例えばアクチュエータ、適応ダンパまたは材料の寸法変化に対するセンサとしての使用を開示していない。

この度、強磁性粒子を含む多孔性ポリマーが、対応した密なポリマー材料に比べて明かに強力な磁気歪み効果を有していることが判明した。

本発明の課題は、際立った磁気歪み効果を示す充填された多孔性ポリマーを提供することである。

別の課題は、対象物の所望の運動、またはその振動抑制、またはその寸法変化の決定のための、高感度であることを特徴とし、容易に実施可能でかつ再現性ある結果をもたらす方法を提供することにある。

本発明は、
ａ）磁界を生成する少なくとも１つの装置、および
ｂ）強磁性粒子を含む多孔性ポリマーからなる少なくとも１つの成形部材
を有する磁歪素子に関する。

本発明により使用される装置ａ）は、磁界を生成することができれば任意の特性のものであってよい。この装置ａ）は、通常、導電体、有利には金属製導体であり、成形部材ｂ）の近くに配置され、この場合、装置ａ）により生成された磁界が成形部材ｂ）に作用するように、あるいはその逆で、成形部材ｂ）により生成された磁界の作用が装置ａ）に作用するようになっている。

この磁界は一定の磁界であってもよいし、有利には、経時的に変化する磁界であってもよい。

有利には、装置ａ）は、成形部材ｂ）の近くに配置されたコイルの形態で形成されており、特に有利には、特に円筒形をなす成形部材ｂ）の周りに巻き付けられている。

成形部材ｂ）は、任意の形態を取って、各使用目的に合わせることができる。

成形部材ｂ）は円筒形であると有利である。

多孔性ポリマーからの成形体の製造には、原則として全てのポリマーを使用することができる。そのポリマーは、通常、エラストマーを含む、熱可塑性のまたは架橋したもしくは部分的に架橋したポリマーである。

この成形体は、流体、つまり気体および／または液体で充満した孔を有している。孔のサイズは広い範囲に変化させることができる。孔の典型的なサイズは１０μｍ〜３ｍｍの範囲である。孔は、任意の形態にすることができる。成形体の孔は、独立気泡および／または連続気泡にすることができる。成形体の孔体積は、通常、少なくとも５体積％である。

成形体は、熱可塑性エラストマーからなる発泡体を含め、エラストマー発泡体からなっていると特に有利である。

本発明により使用される多孔性ポリマーからなる成形体は、圧密なポリマーからなる成形体とは異なり、圧力の影響下でその体積を変化させることができる。

本発明により使用される多孔性ポリマーは、任意の熱可塑性物質から誘導することができる。この熱可塑性物質の例としては、合成ポリマー、例えば、熱可塑性ポリウレタン、ポリスルホン、ポリエーテル、ポリケトンおよびポリエーテルケトン、ポリアミド、ポリエステル、ポリ（アリーレンオキシド）、ポリ（アリーレンスルフィド）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、ビニルポリマー、ポリアクリレートおよびポリオレフィンである。

特に有利には、エラストマー発泡体を使用する。このエラストマー発泡体は、本明細書の範囲内では、ゴム弾性挙動を示す発泡合成物質であると理解されたい。つまり、化学的または物理的に架橋した結合の粗いポリマーであって、ガラス転移点未満では鋼鉄弾性的に挙動し、ガラス転移点を超えるとゴム弾性である、すなわち高温でも非粘性で流動するものである。有利に使用されるエラストマーのガラス転移温度は２０℃以下である。本発明により使用されるエラストマー発泡体は、その融点もしくは分解温度までゴム弾性的に挙動する。

典型的でかつ有利に使用されるゴムは、アクリレートゴム、ポリエステルウレタンゴム、臭素化ブチルゴム、ポリブタジエン、塩素化ブチルゴム、塩素化ポリエチレン、エピクロロヒドリンホモポリマー、ポリクロロプレン、スルホン化ポリエチレン、エチレンアクリレートゴム、エチレンビニルアセテートゴム、エピクロロヒドリンコポリマー、エチレンプロピレンコポリマー（ＥＰ（Ｄ）Ｍ）、硫黄架橋または過酸化物架橋された、ポリエーテルウレタンゴム、エチレンビニルアセテートコポリマー、フルオロゴム、フルオロシリコンゴム（ＦＶＭＱ）またはビニル含有ジメチルポリシロキサンなどのシリコンゴム、水素化ニトリルゴム、ブチルゴム、ハロブチルゴム、ポリオクテネマー、ポリペンテネマー、ニトリルゴム、天然ゴム、チオプラスト、ポリフルオロホスファゼン、ポリノルボルネン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシ基含有ニトリルゴムまたは１種以上のこれらのゴムからなる混合物である。

本発明により使用される多孔性ポリマーの製造に有利に使用される他の出発材料は、熱可塑性エラストマー、例えば、熱可塑性ポリエステル（ＴＰＥ−Ｅ）、熱可塑性ポリアミド（ＴＰＥ−Ａ）、非架橋型熱可塑性ポリオレフィン（ＴＰＥ−Ｏ）、部分架橋型熱可塑性ポリオレフィン（ＴＰＥ−Ｖ）、熱可塑性スチレンポリマー（ＴＰＥ−Ｓ）および特に熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＥ−Ｕ）である。

多孔性ポリマーは、任意のセルタイプおよび任意のセルサイズを有していてよい。連続セル型発泡体、つまり個々の孔の少なくとも一部が互いに接触している発泡体、または独立セル型発泡体、つまりポリマーマトリックス内で全ての孔が互いに隔絶されている発泡体を使用することができる。典型的な孔の径は１０μｍ〜３ｍｍである。

本発明により使用される多孔性ポリマーは、それ自体公知である方式で、化学的および／または物理的な発泡体形成方法によって製造することができる。

多孔性ポリマーからなる成形体の製造には、ポリマー、特に弾性ゴムまたは熱可塑性エラストマーを、様々な形態、例えば顆粒状またはその他の微細な形状で使用することができる。このようなポリマーは、通常、発泡剤、強磁性材料、および必要に応じて添加剤、例えば架橋剤、架橋助剤、ならびにそれ自体一般的な別の添加物質、例えば柔軟剤、充填剤、離型剤および／または顔料と共に混合され、加熱により発泡加工される。

当加工は任意の機械で行うことができる。その例としては、捏和機、圧延機または押出機がある。当加工は乾式または湿式で行うことができる。

発泡作業は既に混合機の時点から、または後続過程で、例えば加熱可能な圧搾機のローラー被覆皮を圧搾機圧力の同時減圧下で加熱することによって、または射出装置内で行うことができる。

エラストマー発泡体は、通常、架橋剤の使用下で加工される。それには、常用タイプの架橋剤であればすべて使用することができる。

典型的で同時に好適に使用される架橋剤としては、硫黄、ラウリン酸またはステアリン酸などの脂肪酸、ポリメチロールフェノール樹脂のような架橋樹脂、または架橋促進剤としても作用する化合物がある。それには、例えばチウラム、グアニジン、チアゾール、キサントゲネート、ジチオカルバメート、チアジスルフェンアミド、ジチオホスフェート、過酸化物、ビスフェノールトリアジン促進剤またはキノンジオキシムが挙げられる。
架橋助剤としては、全ての慣用の種類を使用することができる。有利には、酸化金属、特に酸化マグネシウムまたは酸化亜鉛である。

強磁性材料としては、強磁性効果を有する全ての材料を使用することができる。この材料は、有利には、さらに磁気歪み効果を有し、磁界の影響下で少なくとも１つの方向の寸法が変化する強磁性材料である。

本発明により使用される強磁性材料は、硬質磁性タイプのものまたは有利には軟質磁性タイプのものであってよく、つまり、磁界遮断後、少なくとも残留磁気が保持されるかまたは有利には磁気が喪失するものであってよい。

強磁性材料は、微粒子の形態で多孔性ポリマーに添加する。成形体ｂ）における強磁性粒子の割合は、典型的には成形体体積の１０〜７０体積％である。この粒子は任意の形態を取ることができ、例えば、球形、楕円形、不規則な形態または繊維状の形態であってよい。この粒子の平均直径（Ｄ_５０値）は、広い範囲で変動させることができる。典型的な粒径は０．１μｍ〜１ｍｍの範囲であり、有利には１０〜３００μｍの範囲とする。

小球状または繊維状の粒子の使用の他、そのような粒子の集塊体も使用することができる。その集塊体は様々な形態を取ることができる。例えば、繊維からなるパーコレーションネットワーク（Perkolationsnetzwerke、浸透利用網状組織）などの網構造にすることができる。

有利に使用される強磁性材料は、コバルトおよび／またはニッケルおよび／または特に鉄を含む。

特に有利には、コバルト、ニッケルの粉末または特に鉄粉である。

強磁性の磁歪材料で同様に有利に使用されるものとしては、例えば、欧州特許第３６１９６９号明細書、国際公開第００３３３２４号パンフレット、米国特許第６２７３９６５号明細書および米国特許第５２２３０４６号明細書から公知の金属混合物または合金がある。
有利に使用される強磁性材料は、鉄および／またはコバルトおよび／またはニッケル、ならびにマンガン、銅、希土類金属またはこれらの１つ以上の金属の混合物を含む。

特に有利に使用される磁歪材料は強磁性合金であり、鉄および希土類金属を含み、特にテレビウム、ディスプロシウムおよび鉄を含有する強磁性合金を含む。

本発明は下記の措置、すなわち、
ｉ）少なくとも１つのセンサによって対象物の振動スペクトルを検出すること、
ｉｉ）経時的に変化する磁界を生成し、この磁界の時間毎の推移が、対象物の振動スペクトルの少なくとも一部を干渉によって補償するのに適していること、
ｉｉｉ）上記規定された少なくとも１つの成形部材ｂ）に対して磁界を作用させ、この成形部材の経時的な寸法変化を生成すること、
ｉｖ）対象物に対して成形部材ｂ）を作用させ、これにより、対象物の振動が少なくとも部分的に補償されること
を包含する、対象物の振動の減衰のための方法にも関する。

本発明は、上記の能動的な振動抑制方法のほか、受動的な振動抑制のための方法にも関する。

その方法は、下記の手段、すなわち、
ｖ）上記規定された装置ａ）において予め設定された強度を有する磁界を生成すること、
ｖｉ）上記装置ａ）を、上記規定された少なくとも１つの成形部材ｂ）に対して作用させ、これにより、成形部材の減衰特性へ予め設定されたように影響を及ぼすこと
を含む、対象物の振動抑制のための方法である。

本発明によるさらに別の方法は、対象物の寸法変化の検出に関する。この検出は、次の手段、すなわち、
ｖｉｉ）対象物を、上記規定された成形部材ｂ）に対して作用させ、これにより、対象物の寸法が変化した場合に成形部材ｂ）の少なくとも１つの寸法（次元）が変化すること、および
ｖｉｉｉ）成形部材ｂ）の寸法変化により生じた磁界の強度を、成形部材ｂ）付近に配置された導電体の電流誘導によって測定すること
を含む。

本発明によるさらに別の方法は、対象物の位置の所望の変化に関する。この方法は、次の段階、
ｉｘ）上記規定された装置ａ）において予め設定された強度を有する磁界を生成すること、
ｘ）上記装置ａ）を、上記規定された少なくとも１つの成形部材ｂ）に対して作用させ、これにより、成形部材の寸法へ予め設定されたように影響を及ぼすこと、および
ｘｉ）対象物に対して成形部材ｂ）を作用させ、これにより、対象物が予め設定されたように運動すること
を含む。

本発明はまた、強磁性粒子を含む多孔性ポリマーのアクチュエータとしての使用、強磁性粒子を含む多孔性ポリマーの振動抑制素子としての使用、さらには強磁性粒子を含む多孔性ポリマーの、対象物の機械的な変化のためのセンサ、特に振動センサとしての使用にも関する。

Claims (14)

1. ａ）磁界生成のための少なくとも１つの装置、および
   ｂ）強磁性粒子を含む多孔性ポリマーからなる少なくとも１つの多孔性成形部材
   を有する磁歪素子。
2. 多孔性ポリマーからなる前記成形部材が円筒形に形成されていて、その周りに、導電性材料からなるコイル状の磁界生成のための装置が巻き付けられている、請求項１に記載の磁歪素子。
3. 前記多孔性ポリマーがエラストマー発泡体である、請求項１に記載の磁歪素子。
4. 前記エラストマー発泡体が、アクリレートゴム、ポリエステルウレタンゴム、臭素化されたブチルゴム、ポリブタジエン、塩素化ブチルゴム、塩素化ポリエチレン、エピクロロヒドリンホモポリマー、ポリクロロプレン、スルホン化ポリエチレン、エチレンアクリレートゴム、エチレンビニルアセテートゴム、エピクロロヒドリンコポリマー、エチレンプロピレンコポリマー（ＥＰ（Ｄ）Ｍ）、硫黄架橋または過酸化物架橋された、ポリエーテルウレタンゴム、エチレンビニルアセテートコポリマー、フルオロゴム（ＦＫＭ）、シリコンゴム、特にフルオロシリコンゴム、ビニル含有ジメチルポリシロキサン、水素添加ニトリルゴム、ブチルゴム、ハロブチルゴム、ポリオクテネマー、ポリペンテネマー、ニトリルゴム、天然ゴム、チオプラスト、ポリフルオロホスファゼン、ポリノルボルネン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシ基含有ニトリルゴムまたはこれらの１つ以上のゴムからなる混合物から誘導されている、請求項３に記載の磁歪素子。
5. 前記多孔性ポリマーが、熱可塑性エラストマー、有利には熱可塑性ポリエステル（ＴＰＥ−Ｅ）、熱可塑性ポリアミド（ＴＰＥ−Ａ）、非架橋の熱可塑性ポリオレフィン（ＴＰＥ−Ｏ）、部分架橋の熱可塑性ポリオレフィン（ＴＰＥ−Ｖ）、熱可塑性スチレンポリマー（ＴＰＥ−Ｓ）および特に熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＥ−Ｕ）から誘導されている、請求項１に記載の磁歪素子。
6. 前記強磁性粒子が、鉄、コバルトおよび／またはニッケルを含んでいて、特に軟質磁性材料である、請求項１に記載の磁歪素子。
7. 前記強磁性粒子が、コバルト、ニッケルの粉末または特に鉄粉である、請求項１に記載の磁歪素子。
8. 前記強磁性材料が、鉄および／またはコバルトおよび／またはニッケルの他、追加的に、マンガン、銅、希土類金属またはこれら金属から成る一種類または数種類の混合物を含む、請求項６に記載の磁歪素子。
9. 前記強磁性材料が、鉄および希土類金属を含有する合金、特にテルビウム、ディスプロシウムおよび鉄を含有する合金を含む、請求項８に記載の磁歪素子。
10. 前記強磁性粒子が、０．１μｍ〜１ｍｍの中位径（Ｄ_５０）を有する、請求項１に記載の磁歪素子。
11. 対象物の振動を減衰させる方法であって、
    ｉ）少なくとも１つのセンサによって前記対象物の振動スペクトルを検出すること、
    ｉｉ）経時的に変化する磁界を生成し、該磁界の時間毎の推移が、前記対象物の振動スペクトルの少なくとも一部を干渉によって補償するのに適していること、
    ｉｉｉ）請求項１に記載の少なくとも１つの成形部材ｂ）に対して磁界を作用させ、該成形部材の経時的な寸法変化を生成すること、
    ｉｖ）前記対象物に対して前記成形部材ｂ）を作用させ、これにより、前記対象物の振動が少なくとも部分的に補償されること、
    の各段階を含む、方法。
12. 対象物の振動を減衰させる方法であって、
    ｘｉｉ）請求項１に記載の装置ａ）において、予め設定された強度を有する磁界を生成し、
    ｘｉｉｉ）前記装置ａ）が、請求項１に記載の少なくとも１つの成形部材ｂ）に対して作用し、これにより、前記成形部材の減衰特性に、予め設定されたように影響を及ぼすこと
    の各段階を含む、方法。
13. 対象物の寸法の変化を検出する方法であって、
    ｘｉｖ）請求項１に記載の成形部材ｂ）に対して対象物を作用させ、これにより、前記対象物の寸法が変化した場合に、当該成形部材ｂ）の少なくとも１つの寸法が変化すること、
    ｘｖ）前記成形部材ｂ）の寸法変化により生じた磁界の強度を、前記成形部材ｂ）付近に配置された導電体の電流誘導によって検出すること
    の各段階を含む、方法。
14. 対象物の位置を所望の通りに変化させる方法であって、
    ｘｖｉ）請求項１に記載の装置ａ）において、予め設定された強度を有する磁界を生成させること、
    ｘｖｉｉ）前記装置ａ）が、請求項１に記載の少なくとも１つの成形部材ｂ）に対して作用し、これにより、前記成形部材の寸法に予め設定されたように影響を及ぼすこと、および
    ｘｖｉｉｉ）前記対象物に対して成形部材ｂ）を作用させ、これにより、前記対象物が予め設定されたように運動すること、
    の各段階を含む、方法。