JPH03282023A - 電気粘性流体用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電圧印加により粘度を制御しつる電気粘性流
体への電圧印加用電極に関し、産業機械、玩具、運動具
等におけるクラッチ、バルブ、ショックアブソーバ−等
の電気的制御に利用される電気粘性流体への電圧印加用
電極に関する。

（従来の技術） 電圧の印加により流体の粘度が変化する電気粘性流体（
Ｂｌｅｃｔｒｏ−Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｆｌｕｉｃ
ｌ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｖｉｓｃｏｕｓ　Ｆｌｕｉｄ、　
〉は古くから知られている（Ｄｕｆｆ。

Ａ、ＩＶ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｖｏｌ　
、　　４　、　Ｎｏ、１（１８９６）２３）。

電気粘性流体に関する当初の研究は、液体のみの系に注
目したものであり、効果も不充分なものであるが、その
後固体分散系の電気粘性流体の研究に移り、かなりの電
気粘性効果が得られるようになった。

例えば、Ｗｉｎｓｌｏｗはパラフィンとシリカゲル粉末
、それに系を僅かに電導性にするために水を使用した電
気粘性流体を提案した（　Ｗｉｎｓｌｏｗ、　Ｗ２Ｎ、
。

Ｊ、ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　Ｖｏｌ
、２０（１９４９）１１３７）　ｆ、このＷｉｎｓｌｏ
ｗの研究により電気粘性流体のもつ電気粘性効果は、Ｅ
Ｒ効果又はＷｉｎｓｌｏｗ効果と呼ばれている。

一方、電気粘性流体における増粘効果（ＥＲ効果）の発
現メカニズムの解明も進み、例えばＫｌａｓｓは電気粘
性流体中の分散質である各粒子は、電場内で二層構造の
誘電分極（Ｊｎｄｕｃｅｄ　Ｐｏ１ａｒｉｚａｔｉｏｎ
　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｌａｙｅｒ）を生じ、
これが主因であるとしている（　Ｋｌａｓｓ、　Ｄ、Ｌ
、、　ｅｔ　ａｌ、、　Ｊ、ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ、　　Ｖｏｌ、３８．　　ＮｏＨ１９６７
）　６７）　ｏ　これを電気二重Ｎ　（ｅｌｅｃｔｒｉ
ｃ　ｃｌｏｕｂｌｅ　１ａｙｅｒ　）から説明すると、
分散質（シリカゲル等）の周囲に吸着したイオンは、Ｅ
（電場）＝０の時は分散質の外表面に均一に配置してい
るが、Ｅ（電場）＝有限値の時はイオン分布に片寄りが
生じ、各粒子は電場内で相互に静電気作用を及ぼし合う
ようになるこのようにして電極間において各粒子がブリ
ッジ（架橋）を形成し、応力に対して剪断抵抗力を発現
、即ちＥＲ効果を発現するようになる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の電気粘性流体への電圧印加用電極
としては銅等の金属電極が使用されているが、電気粘性
流体に電圧を印加すると、電気粘性流体は電気絶縁性流
体からなるとしても、分散質粒子の双極子形成に伴うブ
リッジ形成等により一定の電流が流れ電気化学反応が必
然的に生じる。

そのため、従来の電気粘性流体装置は電圧を印加しつづ
けると ■　分極促進剤として使用されている水、多価アルコー
ル等の電気化学的消耗等により、電気粘性流体が電気化
学的劣化を受けて増粘効果が減少する、 ■　電気化学反応等により金属電極の溶出、また腐蝕が
生じ、電気粘性流体装置の耐久性を悪くする 等、耐久性に大きな問題があり、電気粘性流体装置への
銅等の金属板電極の使用には大きな制約となっている。

そのため、本発明者等は先に電気粘性流体と接触する電
極面を絶縁層で被覆することにより、電気粘性流体用電
極の耐久性を向上しうろことを提案したが（特願平１−
１１０４９７号公報）、電気粘性流体用電極に絶縁層を
設けるにあたって、焼成工程等を採用する等により電極
端部において絶縁層にクラックが生じ、電極部が電気粘
性流体と直接接触し、電極寿命が上述したと同様の消耗
を受けるという課題があることがわかった。

本発明は、この電気粘性流体用電極の改良に関するもの
であり、高温領域までＥＲ効果を安定して維持すると共
に、特に耐久性を向上させることができる電気粘性流体
用電極の提供を課題とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の電気粘性流体用電極は、電気粘性流体への電圧
印加用電極、特に電気絶縁性流体及び多孔質固体粒子を
主成分とする電気粘性流体への電圧印加用電極であって
、該電極が基板、電極、絶縁層からなり、該基板面にそ
の端部を除いて電極膜が積層され、次いで該電極膜が絶
縁層により被覆されたことを特徴とする。

本発明の電気粘性流体用電極を第１図、第２図により説
明する。図中１は基板、１゛は基板面端部、２は電極、
３は絶縁層、４はリード部を示す。

本発明の電気粘性流体用電極における基板１は、電気粘
性流体用電極の支持体としての機能を有す基板は、ポリ
エチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリパラバン酸
、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、
ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミド等のプラス
ティック板、またアルミナ、チタニア、ジルコニア、ジ
ルコニア／イツトリア、シリカ等のセラミックス板を使
用することができ、そのＭ厚は０．５ｍｍ〜２ｍ＋＋＋
のものを使用するとよい。

電極形成材料としては、銅、アルミニウム、金、白金、
銀、鉄、亜鉛、パラジウム、オスミウム、イリジウム、
ニッケル、鉛、タンタル等を使用することができ、これ
らの金属材料を金属薄膜（１μｍ〜２０μｍの膜厚）と
して、上述の基板の片面又は両面に貼着して形成するか
、又はスパッタ法、蒸着法、無電解メツキ法等により基
板上に上記金属材料を積層して電極を形成するとよい。

本発明の電気粘性流体用電極は、第１図に示すように、
基板面端部１′を除いて基板上に積層され、電極へのり
一ドＢ４を設けることによりコンセントタイプとするこ
とができ、電源との接続をとることができる。

また電極形状としては、平板型、又は曲面等を有する複
雑な形状の場合があり、複雑な形状の場合には金属材料
を蒸着、又は無電解メツキさせて電極層を形成するとよ
い。

次に、この電極を被覆する絶縁層は、無機絶縁層又は有
機絶縁層とするとよい。

無機絶縁層形成材料としては、酸化ジルコニウム／酸化
イツトリウム、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、酸
化カルシウム、二酸化珪素、シランカップリング剤、ア
ルミナ、チタニア、酸化トリウム等の酸化物、炭化珪素
、炭化チタン、炭化タングステン、炭化硼素（Ｂ、Ｃ）
、炭化ジルコニウム、炭化バナジウム、炭化タンタル等
の炭化物、窒化珪素等の窒化物、その外ダイアモンド、
ｉ−Ｃ（ａ−Ｄｉａｍｏｎｄ）等を使用することができ
る。

無機絶縁層は、ＣＶ　ｌ）　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａ
ｐｏｒ　Ｄｅｐａｓｉｔｉｏｎ　）法、プラズマＣＶＤ
法、イオンビームＣＶＤ法、スラリー塗布法、スピンキ
ャスト、ＬＰＤ　（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）法等により積層することができる。

有機絶縁層としては、絶縁性ポリマーを使用するが、電
気粘性流体に対する耐油性、また１５０℃での高温状態
での作動される場合もあるので、耐熱性が要求される。

このような有機絶縁層形成材料としては、例えばポリア
ミド、ポリアセターＪＬｚ、ポリブチレンテレフタレー
ト、ポリエチレンテレフタレート、強化型ポリエチレン
テレフタレート等の熱可塑性エンジニアリングプラステ
ィック、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルフ
ァイド、ボリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエー
テルイミド、ポリエーテルエーテルケトン等の非架橋型
熱可塑性エンジニアリングプラスティック、ポリイミド
、ボリアリレート、フッ素樹脂等の非架橋型圧縮成形エ
ンジニアリングプラスティック、更にポリアミノビスマ
レイミド、ポリトリアジン、架橋ポリアミドイミド、ポ
リビニルフェノール／エポキシ、フリーデルタラフト樹
脂／エポキシ、耐熱エポキシ等の架橋型エンジニアリン
グプラスティック、またこれらプラスティックのブレン
ド体（例えばポリマーアロイ、また共重合体）、更にグ
ラスファイバーや無機物質のウィスカー（例えばカーボ
ンファイバー）で強化したものを形成材料として使用す
ることかできる。

有機絶縁層は、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、蒸着法、スプレー
塗布法、スピンキャスト法、静電塗布法、デイツプ法、
刷毛塗布法により形成することができる。またプラスチ
ックフィルムを接着剤を使用して貼着しても形成される
。

また乾性油をコーティングして焼き付けて形成される、
所謂エナメル被覆、ポリビニルホルマールをコーティン
グして焼き付けたホルマール被覆等の絶縁性被膜を使用
してもよい。

電極が平板型であって、絶縁材料としてアルミナ、又は
アルミナ−シリカを使用する場合にはＣＶＤ法、プラズ
マＣＶＤ法、ＰＶＤ法を使用して絶縁層を形成するとよ
く、又ＰＣＰによる窒化珪素を使用する場合にはスピン
キャスト、スプレー塗布法、刷毛塗布法、浸漬法等によ
り、更にポリイミド、ポリアミドイミド、ＰＰＡ　　（
ポリパラバン酸）フェス等のエンジニアリングプラステ
ィックを使用する場合にはスピンキャスト、スプレー塗
布法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法により、またフッ素樹脂塗料
、エポキシ−フェノール樹脂塗料等の耐熱、耐候、電気
絶縁性塗料を使用する場合にはスピンキャスト、スプレ
ー塗布、また静電塗布法を使用して絶縁層を形成すると
よい。

電極が曲面等を有する複雑な形状を有する場合には、特
にポリイミド、ＰＰＡワニス等のエンジニアリングプラ
スティックをスプレー塗布法、デイツプ法等により積層
するか、又はフッ素樹脂塗料、エポキシ−フェノール樹
脂塗料等をスプレー塗布法、デイツプ法等により積層す
るとよい。

無機絶縁層、有機絶縁層共に電極上に積層される膜厚は
、０．０１μｍ〜５０μｍ出するとよく、好ましくは０
．　１μｍ〜２０μｍの膜厚とするとよい。

絶縁層の膜厚が薄いと、製膜時にピンホールやクラック
が生じる結果、絶縁効果が無くなるので、少なくとも０
．０１μｍ以上の膜厚が必要である。

また余り厚いと、粒子と電極の静電気作用が抑えられ、
また絶縁層での電圧ロスが大きく電気粘性流体へ効果的
に電圧配分がされないので５０μｍを越えるものは好ま
しくない。

本発明の電気粘性流体用電極が適用される電気絶縁性流
体としての特に限定はないが、例えば鉱油、合成潤滑油
があり、具体的にはパラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油
、ポリ−α−オレフィン、ポリアルキレングリコール、
シリコーン、ジエステル、ポリオールエステル、燐酸エ
ステル、珪素化合物、弗素化合物、ポリフェニルエーテ
ル等のオイルがあげられる。これらの電気粘性流体の粘
度範囲は４０℃において５〜３００ｃＳｔのものが使用
できる。

また分散質としての多孔質固体粒子は、慣用のものが使
用され、例えばシリカゲル、含水性樹脂、ケイソウ土、
アルミナ、シリカ−アルミナ、ゼオライト、イオン交換
樹脂、セルロース等を使用できる。これら多孔質固体粒
子は、通常粒径１．Ｏｎｍ〜２００μｍのものが、０．
１〜５０ｗｔ％の割合で使用される。

０、１ｗｔ％未滴ではＥＲ効果が少なく、また５０　ｗ
ｔ％を越えると分散性が悪くなるので好ましくない。

また電気粘性流体においては、電気絶縁性流体中に多孔
質固体粒子を均一かつ安定して分散させるために分散剤
を使用してもよい。分散剤は慣用のものが使用されるが
、例えばスルホネート類、フェネート類、ホスホネート
類、コハク酸イミド類、アミン類、非イオン系分散剤等
が使用され、具体的にはマグネシウムスルホネート、カ
ルシウムスルホネート、カルシウムホスホネート、ポリ
ブテニルコハク酸イミド、ソルビタンモノオレート、ソ
ルビタンセスキオレート等がある。これらは通常、０．
１〜１０　ｗｔ％が使用されるが、多孔質固体粒子の分
散性がよい場合には使用しなくてもよい。

また多価アルコール成分と酸、塩、又は塩基成分を添加
してもよいが、その場合絶縁層としては耐アルコール性
、耐酸性を有するものを使用するとよい。多価アルコー
ル成分と酸、塩、又は塩基成分は、それぞれ単独に使用
してもＥＲ効果を改善することができるが、多価アルコ
ール成分は高温領域でのＥＲ効果を向上させることがで
き、また酸成分は分極効果を増大させることできるもの
である。またこの二成分を併用することができ、高温領
域でのＥＲ効果と共に、分極効果を増大させるという相
乗効果を奏するものである。

多価アルコールとしては二価アルコール、三価アルコー
ルが有効であり、エチレングリコール、グリセリン、プ
ロパンジオール、ブタンジオール、ヘキサンジオール等
を使用するとよい。

また酸としては硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸、クロム酸
、リン酸、ホウ酸等の無機酸、或は酢酸、ギ酸、プロピ
オン酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、シュウ酸、マロン酸
等の有機酸が使用される。

また塩としては金属または塩基性基（ＮＨ。

、Ｎ１Ｈｓ＋等）と酸基からなる化合物であり、これら
はいずれでも使用することができる。

中でも多価アルコール、または多価アルコールと水に溶
解して解離するもの、例えば、アルカリ金属、アルカリ
土類金属のハロゲン化物などの典型的なイオン結晶を形
成するもの、あるいは有機酸のアルカリ金属塩などが好
ましい。この種の塩として、ＬｉＣ１，ＮａＣ］、ＫＣ
Ｉ、ＭｇＣｌ２、ＣａＣｌ２．ＢａＣｌ２．ＬｉＢｒ、
ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＭｇＢｒ２．Ｌｉ　１．ＮａＩ、Ｋ
Ｉ。

ＡｇＮ○ｓ、Ｃａ（ＮＯａ）２　、ＮａＮＯ２，ＮＨ４
Ｎ○ｓ　、に２５０４　、Ｎａ２ＳＯ４，ＮａＨ３ｏ、
、　　（ＮＨ４）２　Ｓｏ、あるいはギ酸、酢酸、シュ
ウ酸、コハク酸などのアルカリ酸金属塩がある。

上記の塩基とは、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金
属の水酸化物、アルカリ金属の炭酸塩、アミン類などで
あり、多価アルコール、あるいは多価アルコールと水の
系に溶解して解離するものが好ましい。この種の塩基と
して、ＮａＯＨ，ＫＯＨ，Ｃａ　　（ＯＨ）＝　、Ｎａ
２ＣＯ−、ＮａＨＣ○、、に、ＰＯ，、Ｎａｓ　ＰＯ，
、アニリン、アルキルアミン、エタノールアミンなどが
ある。なお、本発明において、前記した塩と塩基を併用
することができる。

酸、塩、塩基類は、通常電気粘性流体全体に対して０．
０１〜５ｗｔ％の割合で使用するとよい。０．０１ｗｔ
％未満であるとＥＲ効果が少なく、また５ｗｔ％を越え
ると通電しやすくなり、消費電力が増大するので好まし
くない。− また酸化防止剤を添加してもよい。酸化防止剤は電気絶
縁性液体の酸化防止と共に、分極剤である多価アルコー
ルの酸化を防止することを目的とするものである。

酸化防止剤としては、分極剤、多孔質固体粒子に不活性
なものを使用するとよく、慣用されるフェノール系、ア
ミン系酸化防止剤を使用することができができ、具体的
にはフェノール系としては２・６−ジーｔ−ブチルパラ
クレゾール、４・４°　−メチレンビス（２・６−ジー
ｔ−ブチルフェノール）、２・６−ジーｔ−ブチルフェ
ノール等、またアミン系としてはジオクチルジフェニル
アミン、フェニル−α−ナフチルアミン、アルキルジフ
ェニルアミン、Ｎ−ニトロソジフェニルアミン等を使用
することができる。

尚、電気粘性流体系においてＥＲ効果を阻害しない程度
に水を使用してもよいことは勿論である。

（作用） 電気粘性流体に電圧が印加されると、電気粘性流体を構
成する電気絶縁性流体中においてシリカゲル等の固体粒
子が分極し、電極間において固体粒子によるブリッジを
形成する。このブリッジ形成により電気粘性流体は印加
電圧に比例した増結効果を生じ、応力に対して剪断抵抗
力を発揮するものである。

このような電気粘性流体においては、固体粒子の分極を
促進するために導電性である分極促進剤が添加されるが
、逆にそのために電気化学反応が生じ、電気粘性流体、
電極等の寿命に悪影響を与える。従来は電気粘性流体に
おける固体粒子のブリッジにとって、一定の電流が流れ
ることによりその結合が強まるものと推測されているた
めに、この電気化学反応はＥＲｉ置にとって不可避の問
題として考えられていた。

本発明者等は固体粒子の分極形成、並びにブリッジ形成
にとって必ずしも電流が流れる必要はなく、電極に絶縁
層を積層しても電気粘性流体はＥＲ効果を発揮すること
を見出した。但し絶縁層があまり厚いと粒子と電極間の
静電気作用が弱まり、又絶縁層における電圧ロスが大き
く、電気粘性流体にかかる電圧を高くすることができな
いので、５０μｍ以下の膜厚とするとよい。

本発明の電気粘性流体用電極は、基板面にその端部を除
いて電極膜が積層され、次いで該電極膜が絶縁層により
被覆されて形成されることにより、絶縁層を電極端部に
形成するに際してクラック等を生じることなく形成させ
ることができるので、電気粘性流体、電極の寿命を大幅
に改良することができ、従来のＥＲ装置の問題を解決し
えるものである。

以下、本発明を図面に基づいて説明するが、本発明はこ
れらに限定されるものではない。

〔実施例１〕 第１図、第２図に示すように、リード部４を有するポリ
エチレンテレフタレート製基板（膜厚０５ｍｍ）１上に
、銅薄膜（膜厚１５μｍ）２を、基板面積より小さく、
またリード部４の先端部で接続がとれるように接着剤を
使用して基板１の表裏両面に張り合わせ、次いで上にポ
リエチレンテレフタレートフィルム（膜厚６μｍ）３を
接着剤を使用して貼着させて電極を被覆し、本発明の電
気粘性流体用電極を作製した。

〔実施例２〕 実施例１と同様にして基板上に電極を形成した後、その
両面の電極上に電極部を被覆するように乾性油をスプレ
ー塗布法により塗布し、１５０℃で焼付を行い、エナメ
ル質の絶縁層を５μｍの膜厚で形成した。

〔実施例３〕 アルミナ製基板（厚さ０．７ｍｍ）上に、Ｎ】薄膜を無
電解メツキ法により基板の両面に基板面積より小さく製
膜し、更にその上にプラズマＣＶＤ法により実施例１と
同様の形状にアルミナを製膜（３μｍ）Ｌ、絶縁層を形
成した。

〔実施例４〕 ポリエーテルイミド製基板（厚さ０．　５闘）上にＣｕ
薄膜（１５μｍ）を基板面積より小さく貼り合わせ、次
に実施例１と同様の形状にポリイミドフィルム（１２μ
ｍ）を接着剤で貼り合わせた。

次に、本発明の電気粘性流体用電極を使用する電気粘性
流体の組成例を示す。

鉱油　　　　　　　　８９重量％ シリカゲル　　　　　　６重量％ エチレングリコール　　０．５重量％ 酢酸　　　　　　　　　０．５重量％ コハク酸イミド　　　　４重量％ 尚、これらのサンプルは４０℃で全て８０ｃＳｔとなる
ように、鉱油の粘度を調整した。

（操作条件と電気粘性流体の評価項目）電気粘性流体を
４０℃と９０℃で、電圧の印加が可能な回転粘度計を用
いて、以下の項目について測定し、評価した。

・応答性−交流電場を０から２．　Ｏｘ　１０６（Ｖ／
ｍ）に変化させた時に、何秒で粘度が安定す るかにより評価。

・再現性−交流電場を０−２．　ＯＸ　１０６（Ｖ／ｍ
）　−０のサイクルを繰り返した時、電場２．Ｏｘ　１
０’　（Ｖ／ｍ）の時の粘度の変動割合により評価。

・耐久性−交流電場を２．　ＯＸ　１０’　（Ｖ／ｍ）
で一定させた時、経時的な粘度の変化量（％） （測定時間５０時間）で評価。

・増粘効果−電場０時と比較して、交流電場を２゜Ｏｘ
　１０６（Ｖ／ｍ）とした時の粘度の倍率で評価。

評価結果を下表に示す。

尚、絶縁層を積層しないで銅電極のみの場合を比較例と
して示す。

また電極についても、測定径変化は全く見られなかった
。

（発明の効果） 本発明の電気粘性流体用電極は、高温領域に至る広い温
度範囲において極めて耐久性があるものであり、また測
定時間５０時間後においても殆ど粘度が変化せず、耐久
性のある電気粘性流体装置となしえるものである。

また、本発明の電気粘性流体用電極は、従来の電極に比
較して軽量化でき、回路形成によるコンパクト化を図る
ことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の電気粘性流体用電極の概略図、第２
図は、第１図に示す電気粘性流体用電極＜７）Ａ−Ａ線
での断面図である。 図中１は、電極、２は絶縁層、３は支持体、４はリード
部を示す。 出　　願　　人　　東　燃　株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気粘性流体への電圧印加用電極であって、該電
   極が基板、電極、絶縁層からなり、該基板面にその端部
   を除いて電極膜が積層され、次いで該電極膜が絶縁層に
   より被覆されたことを特徴とする電気粘性流体用電極。
2. （２）上記基板が、プラスティック基板又はセラミック
   ス基板である請求項１記載の電気粘性流体用電極。
3. （３）上記電気粘性流体が、電気絶縁性流体及び多孔質
   固体粒子を主成分とするものである請求項１又は２記載
   の電気粘性流体用電極。