JP7406204B2 - 粘弾性可変装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気粘弾性エラストマーシートの粘弾性を変えることができる粘弾性可変装置に関する。

磁気粘弾性エラストマーシート（ＭＲエラストマーともいう）は、磁場が印加されたときにヤング率（縦弾性係数）が変わる材料から構成される。具体的には、磁気粘弾性エラストマーシートの一部に磁場を印加すると、その部分のみのヤング率（すなわち剛性）が変化するという特性を持つ。同様の特性を持つ材料として磁気粘性流体（ＭＲ流体ともいう）があるが、磁気粘性流体は文字通り流体であって流動性が高く、元の形状を保持することができない。これに対し、磁気粘弾性エラストマーシートはその形状を実質的に維持しつつ、その一部または全体のヤング率を変化させることができる。このような特性を持つ磁気粘弾性エラストマーシートには、様々な用途が期待されている。

特開２０１５－４５３６９号公報

磁場を発生させる装置には、通常、電磁石が使用される。しかしながら、磁場を発生させるために電流をコイルに流し続けると、コイルが徐々に発熱する。そのコイルの熱は磁気粘弾性エラストマーシートに伝わり、磁気粘弾性エラストマーシートが熱膨張するか、あるいは熱によって磁気粘弾性エラストマーシートが硬化する。結果として、磁場の強さが一定であるにもかかわらず、磁気粘弾性エラストマーシートのヤング率が少しずつ変化してしまう。さらに、電磁石を消磁しても、熱の影響で磁気粘弾性エラストマーシートのヤング率が元に戻らないということがあった。

そこで、本発明は、磁気粘弾性エラストマーシートのヤング率（剛性）を精度よく制御することができる粘弾性可変装置を提供する。

一態様では、磁気粘弾性エラストマーシートと、前記磁気粘弾性エラストマーシートに対向する磁場印加装置と、前記磁場印加装置に電気的に接続された電流供給装置を備え、前記磁場印加装置は、磁石と、前記磁石を囲む電磁コイルと、前記磁石および前記電磁コイルが収容された磁気ヨークを備えており、前記電流供給装置は、正方向の単発パルス電流または逆方向の単発パルス電流を選択的に前記電磁コイルに供給するように構成されており、前記磁場印加装置は、前記電磁コイルの端部と前記磁気粘弾性エラストマーシートとの間に配置された非磁性スペーサをさらに備え、前記磁石、前記非磁性スペーサ、および前記磁気ヨークは、前記磁気粘弾性エラストマーシートに接触している、粘弾性可変装置が提供される。

一態様では、前記磁石は、アルニコ磁石、鉄クロムコバルト磁石、およびサマリウムコバルト磁石のうちのいずれか１つである。
一態様では、前記磁石の保磁力は２００００～７００００Ａ／ｍであり、前記磁石の残留磁束密度は１．０Ｔ以上である。

電流供給装置が電磁コイルに正方向の単発パルス電流（着磁トリガー電流）を流すと、前記磁石は着磁し、電磁コイルへの電流供給が停止した後も前記磁石は永久磁石として機能する。単発パルス電流の時間的長さは極めて短いので、電磁コイルはほとんど発熱せず、磁気粘弾性エラストマーシートへの伝熱も起こらない。結果として、磁気粘弾性エラストマーシートのヤング率変化の再現性が確保され、粘弾性可変装置は、磁気粘弾性エラストマーシートのヤング率（剛性）を精度よく制御することができる。

粘弾性可変装置の一実施形態を示す断面図である。 図１に示すＡ－Ａ線断面図である。 磁場印加装置が発生する磁場を測定したグラフである。 粘弾性可変装置の他の実施形態を示す断面図である。 図４のＢ－Ｂ線断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、粘弾性可変装置の一実施形態を示す断面図であり、図２は図１に示すＡ－Ａ線断面図である。粘弾性可変装置５５は、磁気粘弾性エラストマーシート５８と、磁気粘弾性エラストマーシート５８に対向する磁場印加装置６０と、磁場印加装置６０に電気的に接続された電流供給装置６２を備えている。電流供給装置６２は電流を磁場印加装置６０に供給し、磁場印加装置６０に磁場を発生させるように構成されている。

粘弾性可変装置５５は、磁場印加装置６０と磁気粘弾性エラストマーシート５８を保持する磁気ヨーク７１をさらに備えている。磁気ヨーク７１は、磁場印加装置６０によって発生される磁場を制御するための部材であり、透磁率や残留磁気特性などの電磁気的特性の良い磁性材料（例えば鉄）から構成されている。

磁気粘弾性エラストマーシート５８は、その一部に磁場が印加されると、その部分のみのヤング率（縦弾性係数）が局所的に増加するという特性を有している。すなわち、磁気粘弾性エラストマーシート５８の全体は、弾性を有した柔らかいメンブレンであるが、その一部に磁場が印加されると、その部分が固くなる。言い換えれば、磁場が印加された磁気粘弾性エラストマーシート５８の部分の剛性が高くなる。

磁気粘弾性エラストマーシート５８は、弾性を有するエラストマー基材と、このエラストマー基材内に分散された磁性粒子を有している。磁性粒子は、エラストマー基材の厚さ方向に配向するクラスターをエラストマー基材内で形成している。本実施形態では、エラストマー基材は、シリコンゴムとシリコンオイルとの混合から構成されており、磁性粒子は鉄粉から構成されている。シリコンゴムに代えて、各種ゴム材、ジメチルポリシロキサン、天然ゴムなどを用いてもよい。エラストマー基材は、ゲル状であってもよい。

磁気粘弾性エラストマーシート５８は、シリコンゴムとシリコンオイルとの混合がエラストマーを形成する範囲内で、できるだけ柔らかいことが好ましい。これは、磁場が印加されたときに磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率をできるだけ大きく変化させるためである。このような観点から、磁気粘弾性エラストマーシート５８の初期ヤング率(初期縦弾性係数)は、０．０５ＭＰａ～１．００ＭＰａの範囲内である。ここで、初期ヤング率(初期縦弾性係数)は、磁場が印加されていないときの磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率である。磁気粘弾性エラストマーシート５８の初期ヤング率は、シリコンゴムとシリコンオイルとの混合割合によって変えることができる。

磁気粘弾性エラストマーシート５８の透磁率を大きくして強い磁場が印加されるようにするために、磁気粘弾性エラストマーシート５８内の磁性粒子の濃度は、ある程度高くすることが好ましい。その一方で、磁性粒子の濃度が高すぎると、エラストマー基材の量が減少し、磁気粘弾性エラストマーシート５８を柔らかくすることが困難になる。このような観点から、磁性粒子の濃度は、７０～９０ｗｔ％の範囲内である。

本実施形態では、磁気粘弾性エラストマーシート５８の厚さは、２．０ｍｍである。磁気粘弾性エラストマーシート５８が薄すぎると、意図した機能を持つ磁気粘弾性エラストマーシート５８の製造が困難となる。その一方で、磁気粘弾性エラストマーシート５８が厚すぎると、磁場が磁気粘弾性エラストマーシート５８内に十分に透過しないことがあり、磁気粘弾性エラストマーシート５８の局所的なヤング率が変化しにくくなる。このような観点から、磁気粘弾性エラストマーシート５８の厚さは、０．５ｍｍ～３．０ｍｍの範囲内としてもよい。

電流供給装置６２は、電流を磁場印加装置６０に供給し、磁場印加装置６０は磁場を発生させて、磁場印加装置６０に対向する磁気粘弾性エラストマーシート５８の部位のヤング率を局所的に上昇させることができる。

次に、磁場印加装置６０について説明する。磁場印加装置６０は、磁性コアである磁石７８と、磁石７８を囲む電磁コイル８１を備えている。磁石７８は円柱形状を有し、電磁コイル８１は円筒形状を有する。ただし、本発明は本実施形態には限定されず、磁石７８は多角柱の形状を有してもよい。電磁コイル８１も同様に他の形状を有してもよい。図１に示すように、電磁コイル８１は、電流供給装置６２に電気的に接続されている。電流供給装置６２から電流が電磁コイル８１に供給されると、電磁コイル８１は磁場を磁石７８内に発生させる。

磁場印加装置６０は、磁気ヨーク７１に形成された孔７１ａ内に収容されている。磁場印加装置６０は、電磁コイル８１の端部と磁気粘弾性エラストマーシート５８との間に配置された非磁性スペーサ９０を備えている。非磁性スペーサ９０は、磁石７８の端部を囲んでおり、磁気ヨーク７１の孔７１ａ内に配置されている。非磁性スペーサ９０は、円環状であり、磁石７８と同心状に配置されている。本実施形態では、非磁性スペーサ９０は、非磁性のステンレス鋼から構成されている。

磁石７８の端面と、非磁性スペーサ９０の端面と、磁気ヨーク７１の端面は、同一平面内にある。磁気ヨーク７１、磁石７８、および非磁性スペーサ９０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触している。より具体的には、磁石７８の端面、非磁性スペーサ９０の端面、および磁気ヨーク７１の端面は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の裏側に接触している。磁気粘弾性エラストマーシート５８の表側は露出面を構成している。

図３は、図１および図２に示す磁場印加装置６０が発生する磁場を測定したグラフである。図３の縦軸は磁束密度を表し、横軸は磁石７８の中心からの距離を表している。図３に示す実線は、図１に示す、磁気ヨーク７１、磁石７８、および非磁性スペーサ９０が磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触した配置を有する磁場印加装置６０の磁場の磁束密度の分布を示している。図３の点線は比較例として、非磁性スペーサ９０を設けず、磁石７８のみが磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触し、磁気ヨーク７１は磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触していない配置を有する磁場印加装置の磁場の磁束密度の分布を示している。

図３から分かるように、磁気ヨーク７１、磁石７８、および非磁性スペーサ９０が磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触した本実施形態の配置は、磁石７８のみが磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触する配置に比べて、磁場印加装置６０が発生させる磁場を強めることができる。したがって、磁場印加装置６０は、強い磁場を磁気粘弾性エラストマーシート５８に印加することができる。

磁石７８は、高い着磁と容易な消磁ができるように、保磁力［Ｈcj］が２００００～７００００Ａ／ｍで、かつ残留磁束密度［Ｂｒ］が１．０Ｔ以上の磁石である。このような磁石の例として、着磁および消磁が容易なアルニコ磁石、鉄クロムコバルト磁石、サマリウムコバルト磁石が挙げられる。

本実施形態では、磁石７８としてアルニコ５磁石が用いられている。アルニコ５磁石の周りの電磁コイル８１に正方向の電流を瞬間的に流すと、アルニコ５磁石は永久磁石として機能し始める。すなわち、電磁コイル８１に正方向の電流を瞬間的に流すと、アルニコ５磁石は着磁し、電磁コイル８１への電流の供給を止めた後でも、アルニコ５磁石は磁場を発生し続ける。一方、電磁コイル８１に逆方向の電流を瞬間的に流すと、アルニコ５磁石が消磁し、永久磁石としての機能が消滅する。鉄クロムコバルト４磁石も同様の特性を有している。

電流供給装置６２は、正方向の単発パルス電流または逆方向の単発パルス電流を選択的に電磁コイル８１に供給するように構成されている。正方向の単発パルス電流は、アルニコ５磁石からなる磁石７８を着磁させるための着磁トリガー電流であり、逆方向の単発パルス電流は、アルニコ５磁石からなる磁石７８を消磁させるための消磁トリガー電流である。電流供給装置６２は、予め定められた大きさ（アンペア：Ａ）の正方向の単発パルス電流または逆方向の単発パルス電流を電磁コイル８１に供給するように構成されている。

電流供給装置６２と、アルニコ５磁石からなる磁石７８との組み合わせは、次のような利点がある。鉄のような保磁力の極めて小さい材料を磁石７８に使用した場合、磁場を発生し続けるためには電磁コイル８１に電流を流し続ける必要がある。しかしながら、電流を流し続けるにつれて、電磁コイル８１が徐々に発熱する。電磁コイル８１の熱は磁気粘弾性エラストマーシート５８に伝わり、磁気粘弾性エラストマーシート５８が熱膨張するか、あるいは熱によって磁気粘弾性エラストマーシート５８が硬化する。結果として、磁場の強さが一定であるにもかかわらず、磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率が少しずつ変化してしまう。さらに、磁石７８を消磁しても、熱の影響で磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率が元に戻らない。

そこで、このような問題を解決するために、本実施形態では、電流を瞬間的に電磁コイル８１に印加する電流供給装置６２と、アルニコ５磁石からなる磁石７８との組み合わせが使用されている。上述したように、電流供給装置６２が電磁コイル８１に正方向の単発パルス電流（着磁トリガー電流）を流すと、磁石７８は着磁し、電磁コイル８１への電流供給が停止した後も磁石７８は永久磁石として機能する。一実施形態では、正方向の単発パルス電流（着磁トリガー電流）のパルス幅、すなわち時間的長さは、０．０５～０．１秒の範囲内である。したがって、電磁コイル８１はほとんど発熱せず、磁気粘弾性エラストマーシート５８への伝熱も起こらない。

同様に、電流供給装置６２が電磁コイル８１に逆方向の単発パルス電流（消磁トリガー電流）を流すと、アルニコ５磁石からなる磁石７８は消磁し、永久磁石としての機能が消滅する。一実施形態では、この逆方向の単発パルス電流（消磁トリガー電流）のパルス幅、すなわち時間的長さは、０．０５～０．１秒の範囲内である。したがって、電磁コイル８１はほとんど発熱せず、磁気粘弾性エラストマーシート５８への伝熱も起こらない。

このように、電流を瞬間的に印加する電流供給装置６２と、アルニコ５磁石からなる磁石７８との組み合わせは、電磁コイル８１の発熱を最小にし、磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率変化の再現性を確保することができる。電流供給装置６２と、鉄クロムコバルト４磁石からなる磁石７８との組み合わせも、同様の効果が得られる。

電流供給装置６２は、電磁コイル８１に電気的に接続されたコンデンサー（図示せず）と、パルス電流の流れ方向を正方向と逆方向との間で切り替える切り替え装置（図示せず）を有している。コンデンサーは、商用電源などの交流電源から供給される交流電力を整流して電荷をその内部に蓄え、その後電荷を瞬間的に放電することで、単発パルス電流を電磁コイル８１に印加する。ただし、電流供給装置６２の構成は、本実施形態に係るコンデンサータイプに限らず、他のタイプであってもよい。

磁気粘性流体（ＭＲ流体ともいう）は、磁気粘弾性エラストマーシート５８と同じような磁場印加による粘弾性可変特性を有している。しかしながら、磁気粘性流体は流動性が高いため、チャンバーなどの部屋内に閉じ込める必要がある。仮に、磁気粘性流体が部屋から漏れると、周囲を汚染してしまう。これに対し、磁気粘弾性エラストマーシート５８は弾性があるものの、流動性はないため、磁気粘弾性エラストマーシート５８の一部が離脱することはない。さらに、磁気粘弾性エラストマーシート５８は、磁場を受けた部分だけ局所的にヤング率（または剛性）を変えることができ、その部分の周囲のヤング率はそのままに維持することができる。これに対して、磁気粘性流体は、それ自体が流動性を持つために、ヤング率を安定的に変化させることが難しい。

図４は、粘弾性可変装置５５の他の実施形態を示す断面図であり、図５は、図４のＢ－Ｂ線断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図４および図５に示すように、粘弾性可変装置５５は、磁気粘弾性エラストマーシート５８に対向する複数の磁場印加装置６０を備えている。複数の磁場印加装置６０は、磁気ヨーク７１に形成された複数の孔７１ａ内にそれぞれ収容されている。複数の磁石７８の端面と、複数の非磁性スペーサ９０の端面と、磁気ヨーク７１の端面は、同一平面内にある。磁気ヨーク７１、複数の磁石７８、および複数の非磁性スペーサ９０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触している。

複数の磁場印加装置６０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の複数の部位にそれぞれ磁場を印加し、磁気粘弾性エラストマーシート５８の上記複数の部位のヤング率（あるいは剛性）を上昇させるように配置されている。電流供給装置６２は、複数の磁場印加装置６０に電気的に接続されており、電流を複数の磁場印加装置６０に独立かつ選択的に供給することができるように構成されている。すなわち、電流供給装置６２は、電流を複数の磁場印加装置６０のうちの少なくとも１つに選択的に供給し、前記少なくとも１つの磁場印加装置６０は磁場を発生させて、磁気粘弾性エラストマーシート５８の対応する部位のヤング率を局所的に上昇させることができる。

電流供給装置６２は、複数の電磁コイル８１にそれぞれ電気的に接続された複数のコンデンサー（図示せず）と、パルス電流の流れ方向を正方向と逆方向との間で切り替える複数の切り替え装置（図示せず）を有している。各コンデンサーは、商用電源などの交流電源から供給される交流電力を整流して電荷をその内部に蓄え、その後電荷を瞬間的に放電することで、単発パルス電流を電磁コイル８１に印加する。ただし、電流供給装置６２の構成は、本実施形態に係るコンデンサータイプに限らず、他のタイプであってもよい。

複数の磁場印加装置６０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の全体に亘って分布している。より具体的には、複数の磁場印加装置６０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の径方向および周方向に沿って分布している。したがって、複数の磁場印加装置６０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の径方向に沿った複数の部位、および周方向に沿った複数の部位を選択的に硬化させることができる。

図５に示す磁場印加装置６０の配列は一例であり、特に限定されない。例えば、複数の磁場印加装置６０はマトリックス状に配列されてもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

５５ 粘弾性可変装置
５８ 磁気粘弾性エラストマーシート
６０ 磁場印加装置
６２ 電流供給装置
７１ 磁気ヨーク
７８ 磁石
８１ 電磁コイル
９０ 非磁性スペーサ

Claims (3)

1. 磁気粘弾性エラストマーシートと、
   前記磁気粘弾性エラストマーシートに対向する磁場印加装置と、
   前記磁場印加装置に電気的に接続された電流供給装置を備え、
   前記磁場印加装置は、磁石と、前記磁石を囲む電磁コイルと、前記磁石および前記電磁コイルが収容された磁気ヨークを備えており、
   前記電流供給装置は、正方向の単発パルス電流または逆方向の単発パルス電流を選択的に前記電磁コイルに供給するように構成されており、
   前記磁場印加装置は、前記電磁コイルの端部と前記磁気粘弾性エラストマーシートとの間に配置された非磁性スペーサをさらに備え、
   前記磁石、前記非磁性スペーサ、および前記磁気ヨークは、前記磁気粘弾性エラストマーシートに接触している、粘弾性可変装置。
2. 前記磁石は、アルニコ磁石、鉄クロムコバルト磁石、およびサマリウムコバルト磁石のうちのいずれか１つである、請求項１に記載の粘弾性可変装置。
3. 前記磁石の保磁力は２００００～７００００Ａ／ｍであり、前記磁石の残留磁束密度は１．０Ｔ以上である、請求項１または２に記載の粘弾性可変装置。

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