JPH08194545A - 電気レオロジー流体を用いた圧力制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 容易かつ低コストで製造することができ、し
かも操作が簡単で圧力の調整精度が向上する圧力制御弁
を提供する。 【構成】 電気レオロジー流体２が流動する流体流路３
を有する圧力制御弁本体４と、この圧力制御弁本体４に
固定され前記流体流路３に突出された一対の互いに極性
の異なる電極部５とを備えてなり、電気レオロジー流体
２は電気絶縁性媒体６中に誘電体粒子７に分散してな
り、誘電体粒子７が、有機高分子化合物からなる芯体８
と電気レオロジー効果を有する無機物からなる表層９と
によって形成される無機・有機複合粒子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気レオロジー流体を
用いた圧力制御弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧等を利用した流体圧回路に設けられ
る圧力制御弁にあっては、入力側と出力側との間におけ
る作動流体の差圧を制御する制御手段を設けることが一
般的である。前記制御手段としては、入力側と出力側に
設置した圧力計によって計測した圧力に基づいて弁の開
閉量を調整するフィードバック回路等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
な圧力制御弁には、制御手段の必要性に起因して、設置
に手間がかかることや、コストの上昇といった問題が生
じていた。すなわち、例えば、作動流体の入力側、出力
側で差圧を一定に保持する場合、差圧の変化に対応して
前記制御手段が常時追従作動する必要があり、入力側、
出力側のそれぞれの圧力の調整精度が制御手段の制御能
力に大きく依存するため、構造が複雑になる。また、圧
力制御弁の開閉量と差圧との関係は複雑であり、各圧力
制御弁毎にその特性を把握するには、従来、膨大な測定
値に基づいた経験的なものに頼らざるを得ず、目的の差
圧に対応する圧力制御弁の開閉量の調整は、極めて不便
を強いられていた。したがって、差圧の調整に高い精度
が要求される場合には高度な電子制御機構を導入する必
要が生じる。また、開閉量と差圧との関係を経験的なデ
ータのみに頼る場合、制御手段の高度化によって調整精
度の向上には限界がある。

【０００４】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、容易かつ低コストで製造することができ、しかも
操作が簡単で圧力の調整精度が向上する電気レオロジー
流体を用いた圧力制御弁を提供することを目的とするも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、以下の構成を採用した。すなわち、請求項
１記載の電気レオロジー流体を用いた圧力制御弁では、
電気レオロジー流体を用いた流体圧回路に設けられる圧
力制御弁であって、弁本体と、該弁本体に固定され前記
電気レオロジー流体が流動する流体流路に突出された一
対の互いに極性の異なる電極部と、この電極部の間に電
圧を印加する電圧印加手段とを備えてなり、前記電気レ
オロジー流体は電気絶縁性媒体中に誘電体粒子を分散し
てなることを前記課題の解決手段とした。

【０００６】請求項２記載の電気レオロジー流体を用い
た圧力制御弁では、誘電体粒子が有機高分子化合物から
なる芯体と電気レオロジー効果（以下、ＥＲ効果とい
う）を有する無機物からなる表層とによって形成される
無機・有機複合粒子であり、前記無機物が無機イオン交
換体、シリカゲルおよび電気半導体性無機物の内から選
択される少なくとも一つから形成されていることを前記
課題の解決手段とした。

【０００７】請求項３記載の電気レオロジー流体を用い
た圧力制御弁では、電圧印加手段が、電極部間の電位差
を調整して前記電気レオロジー流体の流動抵抗を調整す
る構成とされていることを前記課題の解決手段とした。

【０００８】請求項４記載の電気レオロジー流体を用い
た圧力制御弁では、電圧印加手段が、電極部間の電圧の
印加時間と非印加時間との比を調整することにより前記
電気レオロジー流体の流動抵抗を調整する構成とされて
いることを前記課題の解決手段とした。

【０００９】

【作用】請求項１記載の電気レオロジー流体を用いた圧
力制御弁によれば、電極部間に電圧を印加することによ
り、流体流路における電気レオロジー流体の降伏応力が
流体の粘度に比べ大きく変化し、圧力制御弁の入力側と
出力側との間の差圧が弁通過流量によらず調整される。

【００１０】請求項２記載の電気レオロジー流体を用い
た圧力制御弁によれば、無機・有機複合粒子を形成する
無機物が、無機イオン交換体、シリカゲルおよび電気半
導体性無機物の内から選択される少なくとも一つである
ため前記ＥＲ効果が格段に優れているので、印加電圧に
対する降伏応力の調整の応答性が良好となり、しかも、
低い印加電圧によっても大きい剪断抵抗力を得ることが
できる。前記無機・有機複合粒子は、無機物と有機物の
種類や比率等を調整することにより、容易に比重を変更
することができる。また、全体として軟質であり、流動
中に電極や機器壁を擦傷することがなく、弁本体のみな
らずこの流体圧回路に設けられた各機器の寿命を延長す
る。

【００１１】請求項３記載の電気レオロジー流体を用い
た圧力制御弁によれば、電極部間の印加電圧を調整する
ことにより、流体流路における電気レオロジー流体の降
伏応力を調整する。電極部間の印加電圧を増大させると
圧力制御弁の入出力両側間の差圧は増加するという比例
関係になるので、電圧印加手段における印加電圧の調整
によって圧力制御弁の入力側と出力側との間の差圧が調
整される。

【００１２】請求項４記載の電気レオロジー流体を用い
た圧力制御弁によれば、印加電圧をオン、オフした時の
デューティ比に応じて、流体流路における電気レオロジ
ー流体の降伏応力が変化し、圧力制御弁の入力側と出力
側との間の差圧が印加電圧そのものを調整した時と同様
に調整される。

【００１３】

【実施例】以下本発明の電気レオロジー流体を用いた圧
力制御弁の一実施例を、図１から図６を参照して説明す
る。本実施例の圧力制御弁１は、図１および図２に示す
ように、電気レオロジー流体２が流動する流体流路３を
有する弁本体４と、この弁本体４に固定され前記流体流
路３に突出された一対の互いに極性の異なる電極部５と
を備えてなっている。

【００１４】前記電気レオロジー流体２は、電気絶縁性
媒体６中に誘電体粒子７を３０ｗｔ％となるように分散
してなっている。前記電気絶縁性媒体６は、粘度１０ｃ
ｓ／２５℃、比重１．１２３／２５℃、屈折率１．３７
８／２５℃のトリフルオロプロピル変性ポリシロキサン
（フッ素含有率２５ｗｔ％）である。前記誘電体粒子７
は、図３に示すように、有機高分子化合物からなる芯体
８とＥＲ効果を有する無機物からなる表層９とによって
形成される無機・有機複合粒子である。前記表層９を形
成する無機物は、水酸化チタン等の無機イオン交換体で
ある。この誘電体粒子７は、以下の手法によって得られ
たものである。すなわち、水酸化チタン（一般名；含水
酸化チタン、石原産業株式会社製、Ｃ−１１）４０ｇ、
アクリル酸ブチル３００ｇ、１，３−ブチレングリコー
ルジメタクリレート１００ｇおよび重合開始剤の混合物
を、第三リン酸カルシウム２５ｇを分散化安定剤として
含有する１８００ｍｌの水中に分散し、６０℃で１時間
撹拌下に懸濁重合を行ない、得られた生成物を濾過、酸
洗浄し、さらに水洗後、乾燥し、ここで得られた生成物
をジェット気流撹拌機を用いて６０００ｒｐｍで５分間
撹拌し、表面研磨する。前記の手法によって得られた誘
電体粒子７のカールフィッシャー滴定法による測定結果
は、含水率０．６７ｗ％、平均粒径１３．７μｍであ
る。

【００１５】前記流体流路３中には、前記電極部５の電
極軸１０に固定された複数の電極板１１が、流体流路３
内の電気レオロジー流体２の流動方向に沿って積層状態
に配置されている。これら電極板１１は、対を形成する
各電極軸１０のいずれかに接続されている。また、これ
ら電極板１１は、互いの間に０．５ｍｍ程度の隙間を介
して互いに離間されており、かつ極性が交互になるよう
に配置されている。

【００１６】前記弁本体４は、前記流体流路３が貫通さ
れた筐体であって、前記電極軸１０が上壁部１２とこの
上壁部１２に対向する下壁部１３との間に架設状態に固
定されている。上壁部１２においては、各電極軸１０の
周囲に取り囲むように配置されたテフロンリング１４を
介して電極軸１０が取り付けられている。下壁部１３に
あっては、下壁部１３内壁に設けられたテフロン層１５
内に一方の電極軸１０の端部が埋め込まれ、テフロン層
１５表面に他方の電極軸１０の先端が当接状態で固定さ
れている。前記電極軸１０は、弁本体４の外部に設けら
れた電圧印加手段１６と接続されている。

【００１７】本発明の圧力制御弁１は、流体流路３の弁
本体４に対する入力側３ａ（３）と出力側３ｂ（３）と
の間で差圧が存在する場合、電極部５間に一定の電圧を
印加することにより、その差圧を一定に保持することが
できる（図１参照）。すなわち、例えば、図３に示すよ
うな流体圧回路において、ダイアフラム形ポンプ１７か
ら電気レオロジー流体２を供給し、流体流路３の入力側
３ａに接続されたシリンダ１８と、流体流路３の出力側
３ｂに接続されたタンク１９とに電気レオロジー流体２
を送り込む場合、電極部５間の印加電圧を一定にすれ
ば、電気レオロジー流体２の供給圧が変化した場合であ
っても入力側３ａと出力側３ｂの間の差圧を常に一定に
保持することができる。また、この場合、圧力制御弁１
は、電気レオロジー流体２の粘性抵抗による圧力降下に
比してＥＲ効果による圧力降下の方が大きいので、電気
レオロジー流体２の流量変化にかかわらず一定の差圧が
維持される。

【００１８】実験により得られた、本発明の圧力制御弁
１における流量一定のもとでの電界と差圧との関係を図
４に示す。これによれば、電界の増大に伴い差圧も比例
的に増加している。このことは、一般の制御弁が差圧一
定下においてオリフィス面積に比例して流量が変化する
のに対し、本発明の圧力制御弁１の特性が全く異なるも
のであることを示している。したがって、電圧印加手段
１６における印加電圧の調整によって圧力制御弁の入出
力双方の間の差圧を極めて容易かつ正確に調整すること
ができる。但し、電気レオロジー流体２は、電圧印加下
においては一度固化すると崩壊しにくくなる性質があり
相当の差圧に耐え得ることがあるので、流体流路４にお
ける電気レオロジー流体２の流量を常時確保する必要が
ある。

【００１９】また、誘電体粒子７として高いＥＲ効果が
得られる無機イオン交換体からなる表層９の誘電体粒子
７を用いているので、極めて高いＥＲ効果を有する電気
レオロジー流体が得られ、印加電圧に対する降伏応力の
応答性が大幅に向上している。したがって、ブレーキ、
バイブレータ、プリンタ等の高速で作動する機構を制御
する制御系の流体圧回路に幅広く応用することができ
る。

【００２０】一方、実験により得られた、本発明の圧力
制御弁１における印加電圧を正弦波状とした際の周波数
と差圧との関係から導かれる、各振幅における印加電圧
と差圧との間の周波数応答特性を図５に示す。なお、図
５において差圧のゲインは、１Ｈｚで印加電圧を変化さ
せた時に生じる差圧の振幅に対する値である。

【００２１】図５の結果から、圧力制御弁１は、印加電
圧の振幅にかかわらず、任意の周波数における位相やゲ
イン（単位電圧に対応する差圧）が一定であり、また、
一定振幅の印加電圧においては周波数と位相との関係お
よび周波数と差圧のゲインとの関係がともに線形となる
ことが判明した。したがって、本発明の圧力制御弁１
は、印加電圧の振幅を変動させた際に振幅に依存するこ
となく差圧を調整することができ、特に周波数０〜１０
Ｈｚの範囲では前記線形性が高いので差圧の調整が容易
である。この性質は、制振装置等に幅広く応用すること
ができる。

【００２２】加えて、前記電圧印加手段１６が、電極部
５間の電圧の印加時間と非印加時間との比（デューティ
比）を調整することにより前記電気レオロジー流体２の
流量を調整する構成とされている場合には、前記デュー
ティ比に応じて流体流路３における電気レオロジー流体
２の降伏応力が変化し、圧力制御弁１の入力側３ａと出
力側３ｂとの間の差圧が設定されることが判明した。す
なわち、圧力制御弁１に、電極部５間の印加電圧をオ
ン、オフしてデューティ比を変化させるＰＷＭ制御(Pul
se Width Modulation制御)を搬送周波数５０Ｈｚで行な
った場合、図６に示すように、差圧とデューティ比との
関係に線形性が確認された。（図６のデータは、電気レ
オロジー流体２の温度を２２℃に保持した場合におい
て、印加電圧Max1400V,Min250Vとして計測した結果であ
る。）

【００２３】印加電圧のオン、オフ制御のみで差圧を制
御する場合には、構成が簡単で安価な電圧印加手段１６
で制御可能なので、印加電圧そのものを変化させる電圧
印加手段１６を用いる場合に比して、圧力制御弁１を低
コスト化できる。また、印加電圧のオン、オフ制御のみ
で差圧を制御する電圧印加手段１６は、コンピュータ等
のデジタル制御装置からの入力に対してＡ／Ｄコンバー
タ無しで印加電圧を制御することが可能であるから、デ
ジタル制御装置等との結合性が向上するとともに、流量
の計測値等から印加電圧を制御する制御機構を簡略化す
ることができ、一層の低コスト化や小型化が可能であ
る。なお、印加電圧のオン、オフ制御のみで差圧を制御
する電圧印加手段１６を使用した場合、印加電圧のオ
ン、オフにしたがって差圧が変動するが、印加電圧が一
定周波数の搬送波を形成する場合には、搬送周波数を上
げることにより差圧の変動量が減少して、差圧を変動の
平均的な値に安定化できる。

【００２４】前記誘電体粒子７は、芯体８が有機高分子
化合物からなるので、その比重を調整することが容易で
ある。誘電体粒子７の比重を電気絶縁性媒体６と近似さ
せれば、電気レオロジー流体２の低流速時における誘電
体粒子７の沈降を防止することができ、長期にわたって
圧力制御弁１の高い応答速度等の優れた性能を維持する
ことができる。また、誘電体粒子７の芯体８が有機高分
子化合物であることは、表層９が硬質であるにもかかわ
らず、全体として軟質であり、流動によって電極部５や
機器壁を擦傷しないので、圧力制御弁１の寿命を延長す
ることができるとともに、長期の使用によっても圧力制
御弁１の作動精度に影響を与えることが無い。

【００２５】なお、電気絶縁性媒体としては、トリフル
オロプロピル変性ポリシロキサン以外のフッ素変性シリ
コーンオイルであってもよく、またジメチルシリコーン
油や他の電気絶縁性媒体であってもよい。前記誘電体粒
子の表層としては、前記水酸化チタン以外の無機イオン
交換体であってもよく、また、無機イオン交換体以外の
シリカゲルや電気半導体性無機質であってもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の電
気レオロジー流体を用いた圧力制御弁によれば、弁本体
と、該弁本体に固定され前記電気レオロジー流体が流動
する流体流路に突出された一対の互いに極性の異なる電
極部と、この電極部の間に電圧を印加する電圧印加手段
とを備えてなり、前記電気レオロジー流体は電気絶縁性
媒体中に誘電体粒子を分散してなり、弁通過流量によら
ず電界にほぼ比例して差圧が生じるので、電圧印加手段
における電圧印加によって、圧力制御弁の入出力両側間
の差圧を極めて容易かつ正確に設定することができる。

【００２７】請求項２記載の電気レオロジー流体を用い
た圧力制御弁によれば、電気レオロジー流体中に分散さ
れている誘電体粒子が有機高分子化合物からなる芯体と
ＥＲ効果を有する無機物からなる表層とによって形成さ
れる無機・有機複合粒子であり、前記無機物が無機イオ
ン交換体、シリカゲルおよび電気半導体性無機物の内か
ら選択される少なくとも一つから形成されているので、
電気レオロジー流体に極めて高いＥＲ効果が得られ、印
加電圧に対する電気レオロジー流体の降伏応力の応答性
が大幅に向上し、より高速かつ正確な制御が可能であ
る。また、誘電体粒子は、芯体が有機高分子化合物から
なるので、その比重を調整することが容易であるので、
電気レオロジー流体の低流速時における誘電体粒子の沈
降を防止を可能にすることができ、長期にわたって圧力
制御弁の高い応答速度等の優れた性能を維持することが
できるとともに、前記有機高分子化合物の芯体によって
全体として軟質であり、流動によって電極部や機器壁を
擦傷しないので、弁本体の寿命延長や一層の作動精度・
応答性の向上が可能である。

【００２８】請求項３記載の電気レオロジー流体を用い
た圧力制御弁では、電極部間の電位差を調整して前記電
気レオロジー流体の流動抵抗を調整する構成の電圧印加
手段を使用したことにより、この電圧印加手段で電極部
間の印加電圧を調整して流体流路における電気レオロジ
ー流体の降伏応力を変化させて、電圧印加手段における
印加電圧の調整によって圧力制御弁の入力側と出力側と
の間の差圧を線形性を以て調整出来るので、差圧の調整
を極めて容易かつ正確に行なうことができる。

【００２９】請求項４記載の電気レオロジー流体を用い
た圧力制御弁では、前記電圧印加手段が、電極部間の電
圧の印加時間と非印加時間との比を調整することにより
前記電気レオロジー流体の流動抵抗を調整する構成とさ
れ、印加電圧をオン、オフした時の印加時間のデューテ
ィ比を制御するだけで、流体流路における電気レオロジ
ー流体の降伏応力を変化させて圧力制御弁の入力側と出
力側との間の差圧を容易かつ正確に調整でき、構成が単
純かつ安価な電圧印加手段で制御可能なので圧力制御弁
を低コスト化できるとともに、前記差圧のデジタル制御
が容易になるので印加電圧の制御機構を簡略化すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力制御弁の一実施例を示す正断面図
である。

【図２】本発明の圧力制御弁に使用される電気レオロジ
ー流体の誘電体粒子を示す断面図である。

【図３】本発明の圧力制御弁の適用例を示す流体圧回路
図である。

【図４】本発明の圧力制御弁の作用を示す図であって、
印加電圧による電界と差圧との関係を示すグラフであ
る。

【図５】本発明の圧力制御弁の作用を示す図であって、
印加電圧の各振幅における印加電圧と差圧間の周波数応
答を示すグラフである。

【図６】本発明の圧力制御弁の作用を示す図であって、
５０Ｈｚの搬送周波数での各デューティ比における流量
と差圧との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 圧力制御弁 ２ 電気レオロジー流体 ３ 流体流路 ４ 弁本体 ５ 電極部 ６ 電気絶縁性媒体 ７ 誘電体粒子 ８ 芯体 ９ 表層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気レオロジー流体を用いた流体圧回路
   に設けられる圧力制御弁であって、弁本体と、該弁本体
   に固定され前記電気レオロジー流体が流動する流体流路
   に突出された一対の互いに極性の異なる電極部と、この
   電極部の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備えてな
   り、前記電気レオロジー流体は電気絶縁性媒体中に誘電
   体粒子を分散してなることを特徴とする電気レオロジー
   流体を用いた圧力制御弁。
2. 【請求項２】 前記誘電体粒子が有機高分子化合物から
   なる芯体と電気レオロジー効果を有する無機物からなる
   表層とによって形成される無機・有機複合粒子であり、
   前記無機物が無機イオン交換体、シリカゲルおよび電気
   半導体性無機物の内から選択される少なくとも一つから
   形成されていることを特徴とする請求項１記載の電気レ
   オロジー流体を用いた圧力制御弁。
3. 【請求項３】 前記電圧印加手段が、電極部間の電位差
   を調整して前記電気レオロジー流体の流動抵抗を調整す
   る構成とされていることを特徴とする請求項１または２
   記載の電気レオロジー流体を用いた圧力制御弁。
4. 【請求項４】 前記電圧印加手段が、電極部間の電圧の
   印加時間と非印加時間との比を調整することにより、前
   記電気レオロジー流体の流動抵抗を調整する構成とされ
   ていることを特徴とする請求項３記載の電気レオロジー
   流体を用いた圧力制御弁。