JPH07190098A

JPH07190098A - 電極

Info

Publication number: JPH07190098A
Application number: JP33631693A
Authority: JP
Inventors: Mikiro Arai; 幹郎新井; Makoto Kanbara; 誠神原; Motonori Oota; 元規太田
Original assignee: Tonen Corp
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-07-28

Abstract

(57)【要約】【構成】本発明の電極は、電気絶縁性流体及び固体粒
子を主成分とする電気粘性流体への電圧印加用の対向電
極において、対向電極における一方、又は両方の電極の
電気粘性流体との接触面に、電極間隔距離１に対して
０．００１〜０．１の割合の膜厚であって、比誘電率が
分散媒の２倍以下の絶縁体層が積層されたことを特徴と
する。【効果】本発明の電極は、電気粘性流体用の電極とし
て、耐久性に優れると共に優れた増粘効果を有し、クラ
ッチ、バルブ、ショックアブソーバー等の機械装置の電
気的制御に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電圧印加により粘度を
制御しうる電気粘性流体への電圧印加用電極に関し、ク
ラッチ、バルブ、ショックアブソーバー等の機械装置の
電気的制御に利用できる電極に関する。

【０００２】

【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（ Electro-RheologicalFluid、Electrovi
scous Fluid、）は古くから知られている（Duff，A.W.P
hysical 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。

【０００３】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，W.M.，J.of A
pplied Physics，Vol.20(1949)1137）。この Winslowの
研究により電気粘性流体のもつ電気粘性効果は、ＥＲ効
果又は Winslow効果と呼ばれている。

【０００４】一方、電気粘性流体における増粘効果（Ｅ
Ｒ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（Induced Polarization of the Doub
le Layer）を生じ、これが主因であるとしている（ Kla
ss，D.L.，et al.，J.of Applied Physics，Vol.38，No
1(1967) 67）。これを電気二重層（electric double la
yer ）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。

【０００５】このような電気粘性流体への電圧印加用電
極においては、銅等の金属板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、（１）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、（２）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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この問題を解決するこ
とを目的に、本発明者等は、先に、特願平２−７９７４
２号として電気粘性流体との接触面に絶縁層を積層した
電極を提案し、耐久性に優れた電極となしうることを示
したが、本発明は、耐久性と同時に、電気粘性流体に対
してより高いＥＲ効果を発現させる電極の提供を課題と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の電極は、電気絶
縁性流体及び固体粒子を主成分とする電気粘性流体への
電圧印加用の対向電極において、対向電極における一
方、または両方の電極の電気粘性流体との接触面に、電
極間隔距離１に対して０．００１〜０．１の割合の膜厚
であって、比誘電率が分散媒の２倍以下の絶縁体層が積
層されたことを特徴とする。

【０００８】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、タンタル等の金属電極
を使用することができる。電極は、電気粘性流体装置用
電極としての一定の剛性を有することが必要であり、プ
レート状の平板電極でもよく、また、曲面等を有する電
極であってもよい。

【０００９】電極上に積層される絶縁体層における比誘
電率は、液体の場合は室温、低周波数の測定条件下、固
体の場合には室温、高周波数の測定条件下で得られるも
のであり、分散媒の２倍以下、好ましくは分散媒の比誘
電率以下とするとよく、また、絶縁体における比誘電率
は低い程、電気粘性効果が急増する。

【００１０】無機絶縁体材料として、酸化ジルコニウム
／酸化イットリウム、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、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（B₄C)、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、窒化ホウ素等の窒化物、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。これら無機絶縁体材料は、ＣＶＤ（ ChemicalVapor
Deposition )法、プラズマＣＶＤ法、イオンビームＣ
ＶＤ法、スラリー塗布法、スピンキャスト法、ＬＰＤ
（ Liquid Phase Deposition）法等により電極上に積層
することができる。

【００１１】有機絶縁体材料としては、高密度ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、塩
素化ポリエーテル、ポリクロロトリフルオロエチレン、
ナイロン６６、ポリカーボネート等の他に、１５０℃で
の高温で作動される場合には、例えばポリアミド、ポリ
アセタール、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、ポリア
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、ポリアリレー
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、フリーデルクラフト樹脂／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ができ
る。

【００１２】これらの有機絶縁体材料は、ＣＶＤ法、Ｐ
ＶＤ法、蒸着法、スプレー塗布法、スピンキャスト法、
静電塗布法、ディップ法、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
用して貼着しても層形成される。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体層としてもよい。

【００１３】電極が平板型であって、絶縁体材料として
アルミナ、シリカ又はアルミナ−シリカを使用する場合
にはＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ＰＶＤ法、スピンキ
ャスト、スプレー塗布法、刷毛塗布法、浸漬法等を使用
して絶縁体層を形成するとよく、ポリイミド、ポリアミ
ドイミド、ＰＰＡ（ポリパラバン酸）ワニス等のエンジ
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
絶縁体層を形成するとよい。

【００１４】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、ディップ
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静電塗布法、スプレー塗布
法、ディップ法等により積層するとよい。

【００１５】無機絶縁体層、有機絶縁体層共に、電極間
隔距離１に対して片極に０．００１〜０．１、好ましく
は０．００５〜０．０５の割合の膜厚であることが必要
であり、その膜厚が薄いと製膜時にピンホールやクラッ
クが生じ、絶縁効果がなくなる。また、膜厚が厚いと電
気粘性流体にかかる印加電圧を低下させるため、電気粘
性効果への寄与が低下する。また、絶縁体層の膜厚は、
電気粘性流体のパラメータに応じて最適値があり、固体
粒子の比誘電率が高いと、一般に絶縁体層の膜厚を薄く
するとよく、また、比誘電率が低いと絶縁体層の膜厚は
厚くするとよい。

【００１６】電気粘性流体は、分散媒、固体粒子、分散
剤、多価アルコール、及び必要に応じて酸、塩、又は塩
基成分、更に各種添加剤からなる。

【００１７】分散媒としては、電気絶縁性が要求され、
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、シリコーン油、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、合成炭化水素等のオイル
が挙げられる。これらの電気絶縁性流体の粘度範囲は４
０℃において１〜５００ｃＳｔ、好ましくは３ｃＳｔ〜
１００ｃＳｔであり、また、比誘電率は１．５〜４０、
好ましくは２〜５のものである。

【００１８】また、分散質としての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。固体粒子は、
通常粒径１０ｎｍ〜２００μｍのものが、０．１重量％
〜５０重量％の割合で使用される。０．１重量％より少
ないとＥＲ効果が少なく、また５０重量％を越えると分
散性が悪くなるので好ましくない。

【００１９】電気粘性流体においては、電気絶縁性流体
中に固体粒子を均一、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、変性シリコーン類、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、アミ
ノ変性シリコーン、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重量
％〜３０重量％が使用されるが、固体粒子の分散性がよ
い場合には使用しなくてもよい。

【００２０】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、ト
リエチレングリコール、トリプロピレングリコール、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。

【００２１】また、必要に応じて酸、塩基、塩類を添加
してもよい。酸成分としては硫酸、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。塩としては、金
属または塩基性基（ＮＨ₄ ⁺、Ｎ₂Ｈ₅ ⁺等）と酸基か
らなる化合物であり、いずれでも使用することができ
る。なかでも多価アルコール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、ＬｉＣｌ，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＭｇＣｌ₂，Ｃａ
Ｃｌ₂，ＢａＣｌ₂，ＬｉＢｒ，ＮａＢｒ，ＫＢｒ，Ｍ
ｇＢｒ₂，ＬｉＩ，ＮａＩ，ＫＩ，ＡｇＮＯ₃，Ｃａ(
ＮＯ₃)₂ ，ＮａＮＯ₂，ＮＨ₄ＮＯ₃，Ｋ₂ＳＯ₄，
Ｎａ₂ＳＯ_4,ＮａＨＳＯ₄，（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄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。塩基は、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）₂，Ｎａ
₂ＣＯ₃，ＮａＨＣＯ₃，Ｋ₃ＰＯ₄，Ｎａ₃ＰＯ₄，
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、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、５
重量％以下の割合で使用するとよい。５重量％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。

【００２２】尚、多価アルコール成分、酸、塩、又は塩
基成分を添加する場合には、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。

【００２３】また、添加剤として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。

【００２４】酸化防止剤としては、分極剤、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、具体的
にはフェノール系としては２・６−ジ−ｔ−ブチルパラ
クレゾール、４・４’−メチレンビス（２・６−ジ−ｔ
−ブチルフェノール）、２・６−ジ−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。

【００２５】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。

【００２６】

【作用】電気粘性流体は固体粒子を分散させた流体から
なり、両電極間に充填され、両電極間に電圧印加する
と、各粒子は電場内で相互に静電気作用を及ぼし合い、
電極間において各粒子がブリッジ（架橋）を形成する。
この状態で一方の電極をずらして電気粘性流体に歪みを
与えると、応力が電気粘性流体を通してもう一方の電極
に伝達されるものであるが、この際、電極平面に接して
いる電気絶縁性流体及び粒子が応力の伝達を最終的に行
なっているものと考えられ、電極表面と電気粘性流体と
の相互作用が重要な要素と考えられる。本発明者等は、
両電極間に電界を印加する際に、マックスウエルの応力
の横成分がその相互作用に大きな影響を与えるのではな
いかと考え、検討した結果、一方、又は両方の電極を被
覆する絶縁体層として、電極間隔距離１に対して０．０
０１〜０．１の割合の膜厚であって、比誘電率が分散媒
の２倍以下の場合に、電気粘性流体と電極との相互作用
が大きく、電気粘性効果が極めて大きくなることを見出
したものである。

【００２７】以下、本発明を実施例に基づいて説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

【００２８】

【実施例１】銅電極上に、シリカをＣＶＤ法により被覆
し、絶縁体層（比誘電率３．８）を片極に２０μｍずつ
の膜厚で形成し、本発明の電極を作製した。

【００２９】

【実施例２】ポリテトラフルオロエチレンを１，１，１
−トリクロロエタンと１，１，２−トリクロロ−１，
２，２−トリフルオロエタンの混合液に溶解し、その溶
液を銅電極上にスプレー塗布法により塗布し、３５０℃
で溶融させ、片極に１０μｍずつの膜厚で絶縁体層（比
誘電率２．１）を形成し、本発明の電極を作製した。

【００３０】

【実施例３】ペルヒドロポリシラザン（平均分子量１５
００〜１７００）２０重量％を含有するキシレンを溶媒
とする溶液を、ＳＵＳ電極上に浸漬法により塗布した
後、４００℃、空気中で焼成し、片極に１μｍずつの膜
厚で絶縁体層（比誘電率３．５）を形成し、本発明の電
極を作製した。

【００３１】

【実施例４】アルミ基板上にポリプロピレンフィルムを
エポキシ接着剤により接着し、片極に１０μｍずつの膜
厚で絶縁体層（比誘電率２．１）を形成し、本発明の電
極を作製した。

【００３２】

【比較例１】銅電極上に、シリカをＣＶＤ法により被覆
し、絶縁体層（比誘電率３．８）を片極に２００μｍず
つの膜厚で形成し、比較用の電極を作製した。

【００３３】

【比較例２】銅電極上に、アルミナをＣＶＤ法により被
覆し、絶縁体層（比誘電率９）を片極に２０μｍずつの
膜厚で形成し、比較用の電極を作製した。

【００３４】

【比較例３】実施例１において使用した銅電極を、絶縁
体層を積層しないで、そのまま、電極とした。

【００３５】電気粘性流体（粘度：４０℃で３０ｃＳ
ｔ）の組成を示す。

【００３６】・アルキルベンゼン（４０℃、１７ｃＳｔ、比誘電率２．２）８３重量％・シリカゲル（平均粒子径１．４μｍ）７重量％・トリエチレングリコール２重量％・ポリブテニルコハク酸イミド８重量％上記の実施例、比較例で作製した各電極について、電極
の大きさを巾２０ｍｍ×長さ５０ｍｍとし、電極間隔を
１ｍｍとしてそれぞれ対向させて電気粘性流体適用装置
とした。

【００３７】両電極間に一定流量（９０ｍｌ／ｍｉ
ｎ．）の電気粘性流体を流しつつ、２ＫＶ／ｍｍ（ＡＣ
５０ＨＺ）の電場を印加し、電気粘性流体の流量を上記
の値に保持するために必要な電気粘性流体への差圧（Ｋ
ｇ／ｃｍ²）を測定した。その結果を下記表に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】表からわかるように、本発明の電極は、増
粘効果に優れることがわかる。

【００４０】

【発明の効果】本発明の電極は、耐久性に優れると共
に、優れた増粘効果を有するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ１０Ｍ 105:06 125:26 129:16 133:56）Ｃ１０Ｎ 40:14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気絶縁性流体及び固体粒子を主成分と
する電気粘性流体への電圧印加用の対向電極において、
対向電極における一方、または両方の電極の電気粘性流
体との接触面に、電極間隔距離１に対して０．００１〜
０．１の割合の膜厚であって、比誘電率が分散媒の２倍
以下の絶縁体層が積層されたことを特徴とする電極。