JPWO2017094894A1 - 電気粘性流体および電気デバイス - Google Patents

Abstract

フッ素原子を０重量％を超え５０．０重量％以下含有する分散媒中に、スルホン酸基の含有量が３０重量％以上７０重量％以下のスルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子を、前記分散媒と前記粒子との合計体積に対して１０体積％以上５０体積％以下含有する、電気粘性流体。

Description

本発明は、電圧の印加により粘性が可逆的に変化する電気粘性流体、およびそれを用いる電気デバイスに関する。

電気粘性（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｒｈｅｏｌｏｇｙ、ＥＲ）流体は、電場の印加によってレオロジー特性が可逆的に変化する流体であり、その応答性の高さを活かしたクラッチ、ブレーキ、ダンパー、力覚提示装置、リハビリ装置などのデバイス、装置などが提案されている。
こうした用途へ応用可能な大きな電気粘性効果を発揮する電気粘性流体としては、これまでに、例えば、スルホン化ポリスチレン粒子をシリコーンオイル中に分散した流体が提案されている（特許文献１）。

電気粘性流体を前記用途へ適用する場合、電場を印加したときのせん断応力の大きいことの他、基底粘度（電場を印加しないときの粘度）が低く、電場の無印加時／印加時の応力の差が大きいことが要求される。粒子の分散安定性も重要な要求特性の一つである。粒子の分散安定性が悪いと、電圧印加時の電気粘性効果の安定性にも影響する。この点において、特許文献１記載の技術は、分散安定性が低く、基底粘度が高い傾向にあり、十分に高い電気粘性効果（ＥＲ効果）が得られ難いという問題がある。

電気粘性流体の粘性変化は、印加される電界強度のほぼ２乗に比例する。各種デバイス用途に適用可能なせん断応力を得るためには、数ｋＶ／ｍｍの高い電圧の印加が必要とされる。これらの電気デバイスをできるだけ低い電圧で作用させるには、例えば、電極間距離を狭める方法、電極に凹凸を施すことによって電気粘性流体と電極表面との滑りを抑制する方法（特許文献２〜４）などが提案されている。

上記の方法のうち、電極間距離を狭める方法には以下の難点がある。
電気粘性流体を用いる電気デバイスの製造においては、まずデバイスを組み上げ、その後で電極の隙間に電気粘性流体を充填する工程が採用されている。従って、電極間距離が狭まると、電極の間に充填することが非常に難しくなる。さらに、電気粘性流体を電極間に充填するときに、電極の隙間に気泡が残存する可能性が高くなる。気泡が残存すると、絶縁耐圧の低下が起こり易くなり、スパークが発生して電気粘性流体が劣化するといった問題、デバイスの性能が不安定になるという問題などが発生する。特に粒子を分散した電気粘性流体の場合に、これらの傾向が顕著である。
上記の現象を防止するために、例えば、予め電気粘性流体を脱気する技術が提案された（特許文献５）。しかし、電気粘性流体自身が脱気されていても、狭い電極間に電気粘性流体を充填するときには、気泡の混入は避けられない。

電気粘性流体を用いる電気デバイスを低い電圧で作用させるための公知技術のうち、電極に凹凸を施す技術を検討したところ、電極に凹凸を施しても電気粘性効果がほとんど向上しない場合が見受けられた。さらに、凹凸の程度によっては、電極が平坦な場合よりも絶縁破壊を生じ易い傾向が生じた。この絶縁破壊は、電気粘性流体を流し込むときに電極表面の凹凸部分に気泡が入り込み、高電圧をかけたときにスパークが発生することに起因すると考えられる。さらに、電極と電気粘性流体との界面に気泡が入り込むと、両者間にハイドロブレーニング現象類似の滑りが発生する場合がある。

この点、特許文献５に従って、電気粘性流体を予め脱気しておいたとしても、電極間隔の狭いデバイス、特に電極形状が極めて複雑なデバイスにおいては、電極の隙間に気泡が残存することを避け難く、上記の問題は未だ解決されていない。

特開平７−１７３４８７号公報 特開平０７−０６４６４９号公報 特開２０００−１４４１６５号公報 特開２００１−３１１７８９号公報 特開平０５−１１２７９３号公報

本発明は、上記のような事情を改善しようとしてなされたものである。
従って、本発明が解決しようとする課題の１つは、基底粘度が十分に低く、高いＥＲ効果を発現することのできる電気粘性流体を提供することである。
本発明の解決しようとする別の課題の１つは、電気粘性流体を用いる電気デバイスにおいて、印加する電圧が低い場合であっても高いせん断応力が得られ、絶縁破壊および滑り現象の起こり難い、信頼性の高いデバイスを提供することである。

本発明者らは、上記の課題を解決しようして鋭意研究を行った。その過程において、電気粘性流体を用いた電気デバイスにおいて、駆動するモーターなどの運動を電気粘性流体に伝達するときに、いわゆる「スティックスリップ現象」が起こる場合があることを見出した。

スティックスリップ現象とは、例えば、回転駆動するモーターの駆動力が電気デバイスに連続的に伝達されずに、該電気デバイスが停止と駆動とを脈動的に繰り返す現象をいう。
モーターの回転力を電気デバイスに伝達する動力伝達系を備える装置において、モーターの回転トルクがデバイスの静止摩擦力に至らない間は、デバイスは駆動しない。モーターのトルクがデバイスの静止摩擦力に打ち勝った時点で、デバイスは回転を開始する。しかしこの回転は、該デバイスの動摩擦力と平衡するところを越えてオーバーシュートする。そうすると、モーターが連続回転を続けているにもかかわらず、デバイスはこのオーバーシュート状態を解消しようと再び停止して、静止摩擦力が支配する。そして、モーターのトルクがデバイスの静止摩擦力に再び打ち勝つと、デバイスは再び回転を開始する。

スティックスリップ現象が起こると、上記のような機構によって、デバイスは停止と稼働とを脈動的に繰り返すことになるのである。
このようなスティックスリップ現象は、動力伝達系に、剛性または柔軟性の異なる複数種類の材料が使用されているときに、特に顕著である。従って、電気デバイスを、例えばリハビリなどに用いられる力覚提示デバイスとして使用するときに、問題になると考えられる。

従って、本発明の解決しようとするさらに別の課題は、電気粘性流体を用いながら、スティックスリップ現象による脈動の発生が抑制された電気デバイスを提供することである。

本発明者らは上記の問題点に鑑み、電気粘性流体の組成、および電気デバイスにおける電極の態様について検討した結果、以下の手段による解決策を見出した。

［１］ フッ素原子を０重量％を超え５０．０重量％以下含有する分散媒中に、
スルホン酸基の含有量が３０重量％以上７０重量％以下のスルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子を、前記分散媒と前記粒子との合計体積に対して１０体積％以上５０体積％以下含有する、電気粘性流体。
［２］ 前記分散媒が、フッ素原子を３８．０重量％以上４１．５重量％以下含有する、［１］に記載の電気粘性流体。

［３］ 前記スルホン酸基含有ポリマーがスルホン化芳香族構造を有する、［１］または［２］に記載の電気粘性流体。
［４］ 前記電気粘性流体用粒子中の塩素原子の含有量が５，０００ｐｐｍ以下である、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の電気粘性流体。
［５］ 前記電気粘性流体用粒子中の塩素原子の含有量が１ｐｐｍ以上である、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の電気粘性流体。

［６］ フッ素原子を含有する分散媒中に、
スルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子を含有し、そして、
下記数式（１）で表される電気粘性効果Ｘが１４０以上である、電気粘性流体。
Ｘ＝Ｓ_１／Ｓ_０ （１）
｛数式（１）中、Ｓ_１は３．０ｋＶ／ｍｍの電場を印加したときのせん断応力であり、Ｓ_０は電場を印加しないときのせん断応力である。｝
［７］ スルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子であって、
前記電気粘性流体用粒子中のスルホン酸基の含有量が３０重量％以上であり、
前記電気粘性流体用粒子中の塩素原子の含有量が１ｐｐｍ以上５，０００ｐｐｍ以下である、前記電気粘性流体用粒子。
［８］ フッ素原子を含有する分散媒中に［７］に記載の粒子を含有する、電気粘性流体。

［９］ 分散媒中に電気粘性流体用粒子を含有する電気粘性流体を一対の電極間に充填して成る電気デバイスであって、
前記一対の電極の互いに対向する面のうちの、少なくとも片方の面の少なくとも一部の領域において、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以上３００μｍ未満であり、かつ粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が１０ｎｍ以上１００μｍ未満である、前記電気デバイス。
［１０］ 前記一対の電極の間隔が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、［９］に記載の電気デバイス。

［１１］ 前記電気粘性流体が、［１］〜［６］のいずれか一項に記載の電気粘性流体である、［９］または［１０］に記載の電気デバイス。
［１２］ ブレーキ、クラッチ、または力覚提示装置である、［９］〜［１１］のいずれか一項に記載の電気デバイス。

本発明により、基底粘度が十分に低く、高いＥＲ効果を発現することのできる電気粘性流体、ならびに低い電圧の印加によっても高いせん断応力が得られ、絶縁破壊および滑り現象の起こり難い、信頼性の高いデバイスが提供される。

本発明の電気デバイスの実施形態の一例である、電気粘性流体を用いるブレーキの概念図である。 本発明の電気デバイスの実施形態の別の一例である、電気粘性流体を用いるクラッチの概念図である。 本発明の電気デバイスの実施形態の別の一例である、電気粘性流体を用いるダンパーの概念図である。 図３に示したダンパーの、Ａ−Ａ線断面図である。 本発明の電気デバイスを用いる、仮想現実の力覚提示装置のグリップおよびアームの概念図である。 図５に示した仮想現実の力覚提示装置のアーム部に配置された、本発明の電気デバイスを用いる同芯二軸ブレーキの概念図である。 本発明の電気デバイスを用いる、仮想現実の力覚提示装置の一例である、リハビリ装置の概念図である。 実施例Ｃ−１、Ｃ−２、Ｅ−１、比較例ｃ−１、参考例ｅ−１、および参考例ｆ−１〜ｆ−４で使用した、電気粘性流体を用いるディスク型ブレーキの構造を示す概念図である。 実施例Ｃ−１、Ｃ−２、Ｅ−１、比較例ｃ−１、参考例ｅ−１、および参考例ｆ−１〜ｆ−４で使用したディスク型ブレーキの部品の写真である（表面加工前のもの）。 実施例Ｅ−１および参考例ｅ−１で作製した電気粘性流体ブレーキを山崎式回転トルクメータに接続した状態を示す概略図である。 参考例ｆ−１においてサンドブラスト加工した、ディスク型ブレーキのロータの写真、およびその凹凸プロファイルである。 参考例ｆ−２においてエッチング加工した、ディスク型ブレーキのロータの写真、およびその凹凸プロファイルである。 参考例ｆ−３においてエッチング加工した、ディスク型ブレーキのロータの写真、およびその凹凸プロファイルである。 参考例ｆ−１〜ｆ−４で測定した電界強度に対してトルクをプロットしたグラフである。

本発明の電気粘性流体は、
フッ素原子を含有する分散媒中に、スルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子を含有する。

＜分散媒＞
先ず、分散媒について述べる。
本発明の電気粘性流体に用いられる分散媒には、フッ素原子が含有される。
本発明の電気粘性流体における分散媒中のフッ素原子の含有量は、好ましくは０重量％を超え５０．０重量％以下である。この値は、より好ましくは５．０重量％以上、１０．０重量％以上、２０．０重量％以上、または３８．０重量％以上であり、５０．０重量％以下、４７．０重量％以下、４５．０重量％以下、４１．５重量％以下、または４１．０重量％である。

フッ素原子の含有量が０重量％を超え５０．０重量％以下である分散媒中に、スルホン酸基の含有量が３０重量％以上７０重量％以下のスルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子が分散された電気粘性流体は、基底粘度が低く、優れたＥＲ効果を示す。
分散媒中のフッ素含有量は元素分析などの適宜の手法により測定することができる。

分散媒中のフッ素原子のフッ素源はフッ素系オイルである。
フッ素系オイルとしては、フッ素原子を含有する電気絶縁性のオイルであれば、特に制限はなく使用することができる。このフッ素系オイルとしては、例えば、一般に潤滑剤、離型剤などに用いられている三フッ化エチレンの低重合物；一般に潤滑剤などに用いられているパーフルオロポリエーテル油；潤滑剤などに用いられているフッ素変性シリコーンオイルなどを挙げることができる。本発明におけるフッ素系オイルとしては、三フッ化塩化エチレンの低重合物が好ましい。

前記フッ素系オイルは、これに含有されるフッ素の原子数を分子とし、炭素の原子数を分母とする比が、１．０〜２．０の範囲のフッ化度を有することが好ましく、さらに好ましくは１．５〜２．０の範囲である。
前記フッ素系オイルは、２５℃における動粘度が１ｃＳｔ〜５０ｃＳｔであることが好ましく、さらに好ましくは１ｃＳｔ〜２０ｃＳｔである。
前記フッ素系オイルは、比重が１．７〜２．０であることが好ましく、さらに好ましくは１．８〜１．９である。
前記フッ素オイルは、その重量平均分子量が３００〜７００であることが好ましく、さらに好ましくは４００〜６００である。

本発明の電気粘性流体の分散媒中のフッ素原子含有量を上記範囲に調整するためには、フッ素系オイルそのものに含有されるフッ素原子量が上記範囲にあるものを選択するか、フッ素系オイルに他の分散媒を混合して上記範囲に調整する方法によることができる。

フッ素系オイルと共に混合するその他の分散媒としては、電気絶縁油であり、かつ前記フッ素系オイルと相溶して混合溶媒を形成するものであれば特に制限はない。例えば、ポリジメチルシロキサン、部分オクチル置換ポリジメチルシロキサン、部分フェニル置換ポリジメチルシロキサンなどのシリコーンオイル；流動パラフィン、デカン、メチルナフタレン、デカリン、ジフェニルメタン、部分水添されたトリフェニルなどの炭化水素；クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ブロモベンゼン、クロロビフェニル、クロロジフェニルメタンなどのハロゲン化炭化水素；フタル酸ジオクチル、トリメリット酸トリオクチル、セバシン酸ジブチルなどのエステル化合物などを挙げることができ、これらの中から選択される１種または２種以上選んで用いることができる。本発明でフッ素系オイルと共に混合するその他の分散媒としては、シリコーンオイルが好ましく、ポリジメチルシロキサンが特に好ましい。

前記その他の分散媒は、２５℃における動粘度が１０ｃＳｔ〜５０ｃＳｔであることが好ましく、さらに好ましくは１０ｃＳｔ〜３０ｃＳｔである。
前記その他の分散媒は、その比重が０．７〜１．０であることが好ましく、さらに好ましくは０．９〜１．０である。
前記その他の分散媒の重量平均分子量は、１，０００〜５，０００であることが好ましく、さらに好ましくは１，０００〜３，０００である。

＜粒子＞
次に、粒子について述べる。
本発明の電気粘性流体に用いられる粒子は、スルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子である。
本発明における電気粘性流体用粒子としては、下記の２つの場合が好ましい。
（１）スルホン酸基の含有量が３０重量％以上７０重量％以下のスルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子１である場合、および
（２）スルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子２であって、
前記電気粘性流体用粒子２中のスルホン酸基の含有量が３０重量％以上であり、かつ
前記電気粘性流体用粒子２中の塩素原子の含有量が１ｐｐｍ以上５，０００ｐｐｍ以下である場合。

塩素原子を含有する電気粘性流体用粒子２が、フッ素原子を含有する分散媒中に分散された電気粘性流体は、分散媒中のフッ素原子の含有量にかかわらず基底粘度が低く、従って優れたＥＲ効果を示すことができる。粒子中の塩素含有量が１ｐｐｍ以上である場合、この傾向はより顕著である。
一方で、電気粘性流体用粒子１が、フッ素原子を含有する分散媒中に分散された電気粘性流体は、該粒子が塩素原子を含有しない場合であっても、分散媒中のフッ素原子含有量が０重量％を超え５０．０重量％以下であるときに基底粘度が低く、優れたＥＲ効果を示すことができる。電気粘性流体用粒子１は、塩素原子を含有していても含有していなくてもよい。
従って本発明における電気粘性流体用粒子は、上記の電気粘性流体用粒子１および電気粘性流体用粒子２から選択される１種以上であることが好ましい。

本発明における電気粘性流体用粒子１および２は、それぞれ、ポリマーとしてスルホン酸基含有ポリマーのみを含む粒子であってもよいし、芯となる別の材質の粒子の表面がスルホン酸基含有ポリマーでコーティングされた粒子でもよい。芯粒子としては、例えば、樹脂材料、無機材料などから目的に応じて適宜選択できる。芯粒子の使用により、例えば、粒子の比重を分散媒の比重と合わせることによる分散安定性の向上、粒子径の調整、球体以外の形状とすることによる電気粘性効果の向上などを図ることが可能となる。芯材としては、例えば、架橋ポリスチレン、ポリアミドなどの多孔質ポリマー粒子；多孔質シリカ粒子などが好適である。

スルホン酸基は、粒子の内部および表面に存在することができる。しかしスルホン酸基の少なくとも一部は、粒子表面に存在していることが必要である。本発明の電気粘性流体において、スルホン酸基が内部に存在する粒子を使用しても電気粘性効果を発揮することができる。しかし、できるだけ多くのスルホン酸基が粒子表面に存在することが、より高い電気粘性効果を発揮する観点から好ましい。粒子表面におけるスルホン酸基の存在量は、使用するポリマー、芯材、粒径などに応じて適宜に設定されるべきであり、一概に特定することができない。しかしながら、例えば、ポリスチレンの芳香環すべてにスルホン酸基が１つずつ導入されたスチレンスルホン酸ポリマーを粒径１０μｍの真球に成形し、スルホン酸基がすべて粒子の表面に存在するとした場合、粒子表面におけるスルホン酸基の存在量は０．０１４ｍｏｌ／ｍ^２と計算される。

本発明で用いるスルホン酸基含有ポリマーは、スルホン酸基を有する重合体、および重合体に導入されたスルホン酸基の一部またはすべてのプロトンが別の陽イオンに置換されてスルホン酸塩となっているものから選択される。プロトンが置換される陽イオンとしては、例えば、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、ＩＩＩＡ属金属イオン、ＩＶＡ金属イオン、遷移金属カチオン種、有機カチオンなどを挙げることができる。これらの具体例としては、アルカリ金属イオンとして例えばＮａ^＋、Ｋ^＋など；アルカリ土類金属イオンとして例えばＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋など；ＩＩＩＡ属金属イオンとして例えばＡｌ^３＋など；ＩＶＡ金属イオンとして例えばＳｎ^２＋、Ｐｂ^２＋など；遷移金属カチオン種として例えばＺｎ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｆｅ^３＋など；有機カチオンとして例えばアンモニウムイオン、有機４級アンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、グアニジウムイオンなどが挙げられ、これらの中から選択される一種類以上を用いることができる。プロトンの置換は、例えば、中和、イオン交換などの操作により行われる。

本発明の電気粘性流体に用いられる粒子は、粒子中のスルホン酸基含有ポリマーの重量に対するスルホン酸基の重量が、３０重量％以上であり、３０〜７０重量％であることが好ましい。スルホン酸基含有ポリマーの重量に対するスルホン酸基の含有量は、好ましくは４５〜７０重量％、より好ましくは５０〜７０重量％である。スルホン酸基含有量が多ければ電気粘性効果が向上する傾向があるが、上述の上限値よりも多くなると、経時的安定性に影響を及ぼす場合がある。
前述のとおり、本発明におけるスルホン酸基とは、スルホン酸基（−ＳＯ_３Ｈ）およびスルホン酸塩（−ＳＯ_３（Ｘ）_ｎ、Ｘは陽イオンであり、ｎは（１÷陽イオンＸの価数）で計算される数である。）の双方を包含する。従って、上記スルホン酸基の重量比率は、スルホン酸基含有ポリマーの重量に対する、−ＳＯ_３Ｈ部分と−ＳＯ_３（Ｘ）_ｎ部分の重量総和の比率となる。

スルホン酸基（スルホン酸塩）の定量は、滴定、元素分析などの適宜の手段によって行うことができるが、元素分析によって定量することが好ましい。粒子中に含有されるスルホン酸基含有ポリマー重量は、例えば、以下の手順で定量することができる。
先ず、ＧＣ−ＭＡＳＳ、ＩＲなどによって、使用されているポリマーの構造および含有量を調べ、そのうちのスルホン酸基含有ポリマーの含有比率を求める。粒子がポリマーのみから構成されている場合は、スルホン酸基含有ポリマーの重量は前述の含有比率から定量することができる。芯材として無機粒子が用いられている場合には、溶剤を用いてスルホン酸基含有ポリマーのみを溶解抽出するか、示差熱測定で有機分が完全に燃焼する温度以上の温度までの重量減少率を測定し、該重量減少率と、前述のポリマー含有比率とから定量可能である。芯材として別種の樹脂が用いられている場合は、スルホン酸基含有ポリマーの定量と同様の手法によって、スルホン酸基含有ポリマーとその他の樹脂との重量組成を決定したうえで、計算により定量することができる。

本発明の電気粘性流体は、スルホン酸基含有ポリマーの重量に対して３０〜７０重量％のスルホン酸基を含有する粒子を使用することにより、分散安定性が極めて良好となり、かつ高い電気粘性効果を得ることができる。
このような粒子を含有する本発明の電気粘性流体は、さらに、電圧無印加状態における基底粘度が低いため、電気粘性倍率（電圧印加時の粘度との差）が大きくなる。従って、該流体を用いる電気デバイスは、低電圧においても力覚のコントラストをより大きく提示できるのである。

本発明でいうスルホン酸基含有ポリマーとは、ポリマー鎖にスルホン酸基が結合しているポリマーを称する。例えば、スルホン化芳香族ビニルポリマー、アクリルスルホン酸ポリマー、スルホン化フェノールホルムアルデヒドポリマーなどが挙げられる。
本発明で用いられるスルホン酸基含有ポリマーとしては、ポリマーの主鎖にスルホン酸基が直接結合したものであっても、スルホン化された芳香族を主鎖または側鎖に結合したものであってもよい。取り分け、スルホン化された芳香族を側鎖に持つものが好適に用いられる。
本発明で用いられるこのようなポリマーは、以下に挙げる芳香族化合物モノマー（Ａ）からなる単独ポリマー、あるいは芳香族モノマー（Ａ）およびジビニル化合物（Ｂ）、ならびに必要に応じてビニル化合物モノマー（Ｃ）を加えた共重合ポリマーであることが好ましい。

芳香族化合物モノマー（Ａ）としては、例えば、アルキルスチレン化合物、ビニルモノアルキルナフタレン化合物、フェノール、メラミンなど、およびこれらのハロゲン化物、アルコキシ化物、アリールオキシ化物などを挙げることができ、これらの中から選択される一種または二種以上を用いることができる。具体的には、スチレン、メトキシスチレン、ジメトキシスチレン、エトキシスチレン、メトキシメチルスチレン、メチルスチレン、クロロスチレンなどである。
ジビニル化合物（Ｂ）としては、例えば、ジビニル芳香族炭化水素、ジビニル脂肪族炭化水素などである。このジビニル化合物（Ｂ）は、主として、ビニル芳香族化合物モノマーの重合の際の架橋剤として用いられる。具体的には、例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルエチルベンゼン、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ホルムアルデヒドなどが挙げられ、これらの中から選択される一種または二種以上を用いることができる。
その他のビニル化合物モノマー（Ｃ）としては、例えば、オレフィン系炭化水素およびそのハロゲン置換体、不飽和カルボン酸のエステル化合物、１価のカルボン酸のビニルエステル化合物、不飽和アミド化合物およびその誘導体、不飽和シアン化合物、不飽和アルコール化合物、不飽和二塩基酸（例えば、１価のアルコールと不飽和二塩基酸とのモノエステル化合物など）などを挙げることができ、これらの中から選択される一種または二種以上を用いることができる。

各モノマーの使用割合としては、以下の範囲が推奨される。
芳香族化合物モノマー（Ａ）：好ましくは５０．０重量％以上、より好ましくは６０．０〜９９．９重量％、特に８０．０〜９９．８重量％；
ジビニル化合物（Ｂ）：好ましくは５０．０重量％以下、より好ましくは０．１〜４０．０重量％、特に０．１〜２０．０重量％；
その他のビニル化合物モノマー（Ｃ）：好ましくは５０．０重量％以下、より好ましくは０．１〜４０．０重量％、特に０．１〜２０．０重量％

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、架橋体でも非架橋体でもかまわないが、粒子寿命の観点から架橋体が好ましい。該スルホン酸基含有ポリマーを架橋する方法としては、上記のジビニル化合物（Ｂ）を共重合する方法が挙げられる。
本発明における、芳香族化合物モノマーを成分とするポリマーのスルホン化は、例えば、硫酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、クロロ硫酸、フルオロ硫酸、アミド硫酸などのスルホン化剤に接触させる手法により、行うことができる。

本発明における電気粘性流体用粒子は、塩素原子を含有していてもよい。
電気粘性流体用粒子中の塩素原子の含有量は、該粒子の重量を基準として、５，０００ｐｐｍ以下であることが好ましく。より好ましくは１ｐｐｍ以上５，０００ｐｐｍ以下である。
上述したとおり、電気粘性流体用粒子中の塩素原子含有量が１ｐｐｍ以上であると、フッ素原子を含有する分散媒に該粒子を含有する電気粘性流体は、分散媒中のフッ素原子の含有量にかかわらず基底粘度が低く、従って優れたＥＲ効果を示すことができる。一方で、粒子中の塩素原子が５，０００ｐｐｍ以下であると、電気粘性流体における粒子の分散安定性を高いものとすることができる。従って、塩素原子の含有量が１ｐｐｍ以上５，０００ｐｐｍ以下の範囲である粒子を含有する電気粘性流体は、実用性が極めて高いものである。
電気粘性流体用粒子中の塩素原子の含有量は、さらに好ましくは、１０ｐｐｍ以上、１００ｐｐｍ以上、または５００ｐｐｍ以上であり、４，５００ｐｐｍ以下、４，０００ｐｐｍ以下、または３，５００ｐｐｍ以下である。

本発明における電気粘性流体用粒子に含有される塩素原子の源は、本発明において好適に用いられるスルホン酸基含有ポリマーの製造工程中で用いられるクロロ硫酸などの原料の残存物であると考えられる。このような塩素源は、中和によって除去または低減することが可能である。しかしながら、上記の塩素源は、得られる粒子中に取り込まれ、経時的にゆっくりと放出される可能性があるため、中和に当っては、ｐＨの安定を注意深く観察しつつ行うことが望ましい。

電気粘性流体用粒子に含有される塩素原子が、上記の好ましい範囲の下限を下回る場合には、該粒子に塩素源を添加することによって塩素原子含有量を調節することができる。上記塩素源としては、例えば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の塩化物（例えば塩化ナトリウム、塩化カルシウムなど）、塩化水素などを挙げることができる。

電気粘性流体用粒子の平均粒子径は、０．１〜１００μｍの範囲にあることが好ましく、特に好ましくは１〜２０μｍまたは５〜２０μｍの範囲である。
特に、電気粘性流体用粒子が１ｐｐｍ以上の塩素原子を含有する場合には、該粒子の平均粒子径が５μｍ以上であるときに、該粒子中の塩素原子の含有量と、該粒子を電気粘性流体に使用したときの基底粘度との相関が大きくなるため、ＥＲ効果をより有効に享受することができるため、好ましい。
上記の範囲内で大粒径のものと小粒径のものを適宜混合して用いてもよい。具体的には、粒子の粒度分布の算術標準偏差が０．１〜２０μｍの範囲にあることが好ましく、特に好ましくは１μｍ〜１０μｍの範囲である。
粒子の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径（Ｄ５０）を以て平均粒子径とする。粒子の形状は球状であっても不定形であっても差し支えない。

＜電気粘性流体＞
本発明の電気粘性流体は、上記のような分散媒中に、上記のような電気粘性流体用粒子を含有する。
本発明の電気粘性流体における電気粘性流体用粒子と分散媒との比は、これらの合計に対する電気粘性流体用粒子の割合が、１０〜５０体積％であることが好ましく、より好ましくは２０〜５０体積％、さらに好ましくは２５〜５０体積％、特に好ましくは２５〜４５体積％である。電気粘性流体用粒子の含有割合が過度に低いと、電圧印加時に粒子間に形成されるブリッジが少なくなるため、印加した電圧に対する粘度向上の度合いが小さくなることがある。一方、電気粘性流体用粒子の含有割合が過度に高いと、電圧無印加状態における粘度（基底粘度）が高くなる傾向にある。従って、電気粘性効果および基底粘度の値を使用目的に応じて考慮して、適切な粒子割合を設定すればよい。

本発明における電気粘性流体は、上記の粒子および分散媒のみから構成されていてもよいし、必要に応じて、酸化防止剤、腐食防止剤、分散剤などの添加剤が添加されていてもよい。また、電気粘性効果を阻害しない程度に水を添加してもよい。水の添加量は、粒子に対して５重量％以下とすることが好ましく、０．５重量％〜５重量％が好ましく、さらに好ましくは１重量％〜３重量％である。

本発明の電気粘性流体は、
下記数式（１）で表される電気粘性効果（ＥＲ効果）Ｘが１１０以上であることができる。
Ｘ＝Ｓ_１／Ｓ_０ （１）
｛数式（１）中、Ｓ_１は３．０ｋＶ／ｍｍの電場を印加したときのせん断応力であり、Ｓ_０は電場を印加しないときのせん断応力である。｝
上記Ｘ値が大きいほど、ＥＲ効果が高いことを示す。本発明の電気粘性流体におけるＸ値は、さらに、１２０以上、１３０以上、１４０以上、１５０以上、１６０以上、または１７０以上であることができる。
このＸ値は、ＥＲ効果の発現の点からは大きいほど好ましいが、用途との関連で必要なＥＲ効果と、製造コストとのバランスを考慮すると、２５０以下、２２５以下、２００以下、１９０以下、または１８０以下であってよい。

＜電気デバイス＞
本発明の電気デバイスは、
分散媒中に電気粘性流体用粒子を含有する電気粘性流体を一対の電極間に充填して成る電気デバイスであって、
前記一対の電極の互いに対向する面のうちの、少なくとも片方の面の少なくとも一部の領域において、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以上３００μｍ未満であり、かつ粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が１０ｎｍ以上１００μｍ未満である
ことが好ましい。

本発明の電気デバイスは、一対の電極の間に、分散媒中に電気粘性流体用粒子を含有する電気粘性流体を配置した構成を有し、前記電極間に電圧を付加することによって、電極の相対位置を変化するのに必要な力、および電極間隙を流れる電気粘性流体の流動のうちの少なくとも片方を制御するものである。電気粘性流体中の粒子は、電圧の印加によって分極し、分極した粒子同士が電極間で電界方向にブリッジを形成し、該ブリッジを切るために要する力が粘性を増大させる。ここで、電気粘性流体の粘性変化は、印加される電界強度に比例するので、電極間隔は可能な限り狭い方が、低い電圧で大きなせん断応力を発揮することができる。

本発明の電気デバイスの作用の一例について、図面を参照しつつ説明する。
図１に電気粘性流体を用いるブレーキの概念図を、
図２に電気粘性流体を用いるクラッチの概念図を、
図３に電気粘性流体を用いるダンパーの概念図を、
それぞれ示した。

図１のブレーキ１は、固定円筒２と、可動部である回転円筒３と、その間に充填された電気粘性流体４とからなる。
固定円筒２と回転円筒３とが対向し、両者の間隙には電気粘性流体４が充填されている。該電気粘性流体４と接触する固定円筒２および回転円筒３の内表面には、それぞれ、電極が配置されている。これらの電極は、固定円筒２および回転円筒３の内表面の一部にのみ形成配置されていてもよいし、またはこれらの内表面の全面に形成されていてもよい。固定円筒２の内表面に配置された電極、および回転円筒３の内表面に配置された電極には、一方には高電圧が、他方には低電圧（一般にはアース）が印加されており、双方で一対の電極対を構成する。電極は、固定円筒２または回転円筒３自体が導電性ある金属から成る場合には該円筒自体が電極を兼ねていてもよいし、円筒が導電性のない樹脂などから成る場合には、該円筒とは別の導電性材料から構成されていてもよい。図１には、固定円筒２および回転円筒３とそれぞれ一体となり、表面が粗化された電極５の一対を有するブレーキ１が示されている。

図１のブレーキにおける電極間に電圧を印加しない時には、該電極間に存在する電気粘性流体４の粘性は低い状態である。従って、可動部である回転円筒３は小さな力で容易に回転し、所謂ブレーキが切れた状態になっている。電極間に電圧を印加すると、電気粘性流体４に電界が印加されて粘性が大きくなる。このことにより、回転円筒３を回転させるためのトルクが増大し、所謂ブレーキがかかった状態となる。そして電極間に印加する電圧の強さを制御することにより、ブレーキトルクを任意の値に連続的に変化させることが可能となるのである。
このようなトルク可変のブレーキは、例えば、車両の駆動部のブレーキ；ドア、トランクなど回転可動部のブレーキ；回転駆動部を有する装置のブレーキ；義手、義足、アシストロボットなどにおけるブレーキ；仮想現実感を提示する装置に搭載されるブレーキなどとして、好適に適用することができる。

次に、図２のクラッチの概念図について説明する。図２は円筒型のクラッチの断面図である。
図２のクラッチ６は、外力が入力される入力回転円筒７と、入力回転円筒７の動きに応じて回転力を出力する出力回転円筒８と、その間に充填された電気粘性流体４とからなる。入力回転円筒７と出力回転円筒８とは対向して、電気粘性流体４と接触する内表面には、それぞれ電極が配置されている。これらの電極の構成については、上述のブレーキの場合と同様である。図２には、入力回転円筒７および出力回転円筒８とそれぞれ一体となり、表面が粗化された電極５の一対を有するクラッチ２が示されている。ただし、図２における電極５の表面粗化の形状および程度は作図上の便宜のために変更または強調されており、図示された矩形の凹凸形状が本実施態様における電極の好ましい表面形状を示すものではない。

図２のクラッチにおける電極間に電圧を印加しない時には、電極間に存在する電気粘性流体４の粘性は低い状態である。従って、入力回転円筒７の回転は出力回転円筒８には伝達されず、所謂クラッチが切れた状態になっている。電極間に電圧を印加すると、電気粘性流体４に電界が印されて粘性が大きくなる。このことにより、入力回転円筒７の回転が、出力回転円筒８に伝達され、所謂クラッチがつながった状態となる。そして、電極間に印加する電圧の強さを制御することにより、クラッチの伝達割合を任意の値で連続的に変化させることが可能となるのである。
このような伝達割合可変のクラッチは、例えば、車両のエンジン、ファン駆動部などにおけるクラッチ；産業用機器のクラッチ；義手、義足、アシストロボットなどにおけるクラッチ；仮想現実感を提示する装置に搭載されるクラッチなどとして、好適に適用することができる。

図３のダンパー９は、左右に動くピストン軸１４を内蔵する円筒型のシリンダー１０とシリンダー１０の外部に設置された平行平板１６ａおよび１６ｂからなる平行平板型の電気粘性流体バルブ１６とが、配管１５によって接続された構成を有する。ピストン軸１４は、ピストンリング１２を有し、ピストン軸１４に接続されている。シリンダー１０、配管１５、および平行平板バルブ１６のそれぞれには、電気粘性流体４が完全に充填されている。バルブ１６における平行平板１６ａおよび１６ｂには、それぞれ、これらの平板の互いに対向する表面が粗化された電極５が形成され、電気粘性流体４に電界を印加することができる。ピストン軸１４とシリンダー内面との間、およびピストン軸１４とシリンダー１０の軸受け部との間には、それぞれ、電気粘性流体４の漏れを防止するためのシール１３が設置されている。
図４は、図３のダンパー９のＡ−Ａ断面図である。
図３および図４のダンパー９は、電気粘性流体４に電界を印加しないときには、ピストン軸１４は軽く左右に動くが、電界を印加すると、シリンダー内の電気粘性流体４の粘度が向上して配管を移動し難くなる。ピストン軸１４の動き易さは印加する電界の強さによって制御することができる。

図１〜図３における電極５の表面粗化の形状および程度は、いずれも、作図上の便宜のために変更または強調されており、図示された矩形の凹凸形状が本実施態様における電極の好ましい表面形状を示すものではない。

上記の電気デバイスは、一般的に「せん断流れ型」と称されるものである。本発明は、せん断流れ型の他に、バルブ、ダンパーなどとして用いられる圧縮流れ型；ダンパーとして用いられる圧縮せん断流れ型（スクイズフロー）などに適用してもよい。本発明は、これらのいずれも包含するものである。

前述のとおり、電気粘性流体の粘性変化は、印加される電界強度のほぼ２乗に比例する。従って、電極の間隔は可能な限り狭い方が、低い電圧で大きなせん断応力を発揮することができる。本発明の電気デバイスでは、電極の間隔は、好ましくは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以下であるが、下記の理由から０．０１ｍｍ以上の間隔を有することが好ましい。すなわち：
（１）電極間隙を狭くするにつれて、電極を移動させるときの電気粘性流体にかかるせん断速度が大きくなり、電圧を印加しない状態でも電極の移動抵抗が大きくなり過ぎること、
（２）電気粘性流体には、一般に、粒径数μｍから数十μｍの粒子が用いられるが、電極間隙が狭すぎると、たとえ一時的であっても、会合して２次粒子を形成した粒子を含む流体を使用することができなくなること、および
（３）デバイスが大きくなると、機械精度的に、０，０１ｍｍ未満の電極間隙を均一に保持することが難しくなること。
以上の点から、電極間隔を０．０１ｍｍ未満とすると、製品不良が発生し易くなる可能性がある。電極間隔は、より好ましくは０．０５ｍｍ以上であり、さらに好ましくは０．１ｍｍ以上である。

本発明の電気デバイスにおける電極表面は、電界印加時に電極と電気粘性流体との間に働く応力を十分に高いものとし、スティックスリップ現象を抑えるとの観点から、その算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以上であることが好ましい。このＲａは、より好ましくは０．７μｍ以上、さらに好ましくは０．９μｍ以上、特に好ましくは１．１μｍ以上である。一方で、電界無印加時に電極と電気粘性流体との間に働く応力を低く保ち、後述の電気粘性流体の基底粘度が低いことのメリットを十分に活かすとともに、コンパクトなデバイス設計を可能とする観点から、上記Ｒａは３００μｍ以下であることが好ましい。このＲａは、２００μｍ以下、１００μｍ以下、５０μｍ以下、または１０μｍ以下であってよい。

本発明の電気デバイスは、電極表面の凹凸における粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が一定の範囲内であれば、スティックスリップ現象を極めて効果的に抑制することができる。このような観点から、ＲＳｍは１０ｎｍ以上であることが好ましい。このＲＳｍは、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以上、１μｍ以上、または５μｍ以上であってよい。一方で、上記のＲＳｍは、１００μｍ未満であることが好ましい。このＲＳｍは、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、または５０μｍ以下であってよい。

本発明において、電極表面の算術平均粗さ（Ｒａ）および粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、例えば、当該電極について市販の表面形状測定装置によって得られたプロファイル曲線、レーザー顕微鏡により撮影した画像などから、ＪＩＳ Ｂ ０６０１-２００１に基づいて算出することができる。
測定長さは、４００μｍ以上とすることが望ましく、典型的には５５０μｍである。

電極の表面に凹凸を形成すると、電気粘性効果が向上する。従来技術における凹凸の形成方法としては、例えば、サンドブラスト、エッチング、ヘアライン加工、梨地加工、パターンエッチングなどの方法が知られている。しかしながら、本発明者は、その中でもサンドブラスト加工が、他の凹凸加工よりも電気粘性効果を向上させ、脈動を抑制するのに著しい効果があることを見出した。
サンドブラスト加工とは、投射材である粒子を圧縮空気で加工する表面に噴射し、表面に凹凸を形成する加工方法である。投射する粒子の径としては、３０μｍ〜３００μｍが好ましい。投射材の材料としては、例えば、ジルコニア、ステンレス、アルミナ、カーボランダム、ボロンカーバイドなどからなるビーズが使用される。投射材の材質および粒子径は、必要となる凹凸の形状および大きさに応じて、適宜に選択することができる。

図１１〜図１３に、後述の参考例ｆ−１〜ｆ−３において凹凸加工した電極表面の写真、および該写真に対して画像解析ソフトＩｍａｇｅＪ（パブリックドメイン、http://rsb.info.nih.gov/ij/）の表面プロット機能を用いて描画した凹凸プロファイルを示した。該プロファイルのプロットは、ブレーキのロータの端部から、軸の根元までを描出している。これらのプロファイルを比較すると、加工方法によって凹凸の形状が著しく異なることが明確となる。サンドブラスト加工（参考例ｆ−１、図１１）は凹凸ピッチが狭く、先端が尖った形状を有する。これに対してエッチング処理（参考例ｆ−２およびｆ−３、図１２および図１３）は凹凸ピッチが広く、先端は丸みを帯びているか、平坦である。

一般的には、電気粘性流体を用いる電気デバイスの電極表面に凹凸が形成されると、電極の凹凸と電気粘性流体の間の摩擦抵抗力が高くなり、滑りによる電気粘性効果の低減が抑制されると考えられている。サンドブラスト加工が他の加工に対して特に効果的である理由は、この凹凸の先端形状にあると推定される。
すなわち、電極表面の凹凸の形状は、凸部の先端が尖った形状であることが好ましい。凹凸の先端を尖った形状とすることにより、電界集中が生じ易くなり、このことによって電気粘性効果が増大されると考えられる。

凹凸の先端が平坦であっても、滑り抑制効果による電気粘性効果の向上は若干生じると考えられる。しかしながら平坦形状の凹凸においては、電界集中が起き難いため、トータルの電気粘性効果はさほど大きくはないと考えられる。
電極表面の凹凸ピッチおよび凹凸の高さは、それぞれ、使用する電気粘性流体に分散されている固体粒子の粒子径より大きいことが好ましい。ただし、この凹凸が大きすぎると平坦な形状となってしまうため、電界集中が起き難くなる。

本発明の電気デバイスにおける電極の凹凸は、一対の電極の双方の表面上に存在することが好ましい。凹凸が形成される電極の表面領域は、電気デバイスとした後に電気粘性流体と接触して摺動する領域の全部を１００％としたときの面積割合として、７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましく、９０％以上であることさら好ましく、９５％以上であることが特に好ましく、１００％であってもよい。

本発明の電気デバイスにおける電気粘性流体は、分散媒中に電気粘性流体用粒子を含有する電気粘性流体であり、上記で説明した本発明の電気粘性流体であることが好ましい。

本発明の電気デバイスは、例えば、ブレーキ、クラッチ、ダンパー、振動・衝撃吸収、油圧・空圧制御、位置・速度制御、把持・固定などの用途全般に適用することが可能である。本発明の電気デバイスの具体的な用途としては、例えば、自動車用デバイス、仮想現実感提示装置、義手・義足、アシストロボットなどが挙げられる。仮想現実感（バーチャルリアリティ）とは、コンピュータの作り出す仮想の空間を現実であるかのように知覚させる技術である。本発明の電気デバイスは、コンピュータによって提示される画像情報や音声情報などに応答した力覚を提示することにより、仮想現実感を人間に与えるシステムに好適に用いられる。このような仮想現実感の力覚提示システムの例としては、例えば、ゲーム、リハビリ用機器、トレーニング装置、リハビリ用ロボットなどが挙げられる。

本発明の電気デバイスは、電極間に印加する電圧が低い場合であっても、大きなせん断応力を表現することが可能なので、家庭で用いられる機器に適している。また、応答時間が速く、せん断応力の変位を細かく滑らかに制御できるので、実際の筋肉の動きに対応するような微妙な動作感覚を表現することが可能である。リハビリ機器としては、例えば、患者がディスプレイを見ながら電気デバイスに接続されたハンドルを操作するときに、ディスプレイの表示に対応したせん断応力が与えられるようなシステムが挙げられる。本発明の電気デバイスは、よりリアルな力覚を患者に提示することが可能である。該電気デバイスは、動作電圧が低いことから、家庭内で使用されるリハビリ用機器としての力覚提示装置への用途が最も適している。

［力覚提示装置］
図５〜７に、本発明の電気デバイスの用途である仮想現実感の力覚提示装置および、それを用いたリハビリ機器の一例を示す。
図５は、本発明の電気デバイスを用いた、仮想現実の力覚提示装置のアーム１７の概念図である。
該アーム１７は、２本のＸ軸アーム１９と、２本のＹ軸アーム２０とが、平行リンクを形成している。この平行リンクの一端は、同芯２軸型のブレーキ、クラッチの軸などに連結されている。これらのブレーキ、クラッチなどがＸ軸およびＹ軸の動きを規制することにより、グリップ１８の動きが規制され、力覚が発生する。グリップ１８の位置の変化は、前記ブレーキ、クラッチなどを介してパソコンにより制御され、グリップ１８を握る操作者には、あたかも現実の力が発揮されているように感じる。

図６は、図５の仮想現実の力覚提示装置のアーム部に配置された、本発明の電気デバイスの一例である同芯二軸ブレーキ２１の概念図である。該同芯二軸ブレーキ２１は、固定円筒中に電極５を形成した円盤の２枚が設置された構造を有し、該円盤と固定円筒との隙間は電気粘性流体４で充填されている。２枚の円盤の中心にはそれぞれ内軸２２および該軸２３が接続されている。内軸２２は、パソコンから示されるＸ軸方向制御のための電気的信号を受信する。そして、受信信号の電圧の強度に応じて電気粘性流体４の粘度が変化し、Ｘ軸方向の可動性が決定される。同様の仕組みにより、外軸２３もＹ軸方向の可動性を決定する。これらにより、任意の方向への可動性を、電気的信号によって制御することができる。内軸と外軸との間、および外軸と固定円筒との間には、それぞれ、絶縁ベアリング２４が設けられる。さらに、固定円筒と外軸２３との間、および外軸２３と内軸２２との間には、それぞれ、電気粘性流体４の漏れ防止のためにシール１３が設けられる。

図７は、図５のアーム部を備えた、仮想現実感の力覚提示によるリハビリ機器の概略図である。パソコン２５のモニタには、リハビリ用ゲームの一例である、バス釣りゲーム２６が表示されている。患者２７は、グリップ１８を握って上下左右に操作し、釣り糸およびその先の針の位置を動かす。画面上でバスがうまく針にかかれば、患者は引っ掛かったバスを釣り上げるようにグリップ１８を動かす。すると、バスの逃げる方向が電圧として同芯二軸ブレーキ２１へ伝えられ、ある方向へはグリップ１８が動き難く、ある方向へは動き易くなる。これらの機構により、釣竿にバスが実際にかかったような力の提示を、グリップ１８を握った患者２７に与えることが可能となる。

（電気粘性流体の分析）
実施例、比較例、および参考例において用いた粒子におけるスルホン酸基の重量割合は、特記ない限り、元素分析による硫黄原子およびナトリウム原子それぞれの含有量から求めた。
粒子中の塩素原子量は、粒子を王水で湿式分解し、ＩＣＰ発光測定を行って定量した。
分散媒中に含有されるフッ素原子の重量割合は、フッ素源として用いたダイフロイル（登録商標）およびデムナム（登録商標）の構造、ならびにこれらの添加量より算出した。
下記の実施例、比較例、および参考例で用いたフッ素系オイルおよびシリコーンオイルは以下のとおりである。
＜フッ素系オイル＞
ダイフロイル＃１：ダイキン工業株式会社製、構造式（Ｃ_２Ｆ_３Ｃｌ）_ｎ、平均分子量：５００、粘度：５〜１５ｃＳｔ（２５℃）
ダイフロイル＃３：ダイキン工業株式会社製、構造式（Ｃ_２Ｆ_３Ｃｌ）_ｎ、平均分子量：７００、粘度：２０〜５０ｃＳｔ（２５℃）
ダイフロイル＃１＋デムナム：上記のダイフロイル＃１の１００重量部に、デムナムＳ−２０（ダイキン工業（株）製、パーフルオロポリオキシプロピレン油）を４２重量部添加した混合物
＜シリコーンオイル＞
ＫＦ９６−５ｃｓ：信越化学工業株式会社製、ポリジメチルシロキサン、動粘度：５．０ｍｍ^２／ｓ（２５℃）
ＫＦ９６−２０ｃｓ：信越化学工業株式会社製、ポリジメチルシロキサン、動粘度：２０ｍｍ^２／ｓ（２５℃）

＜分散媒中のフッ素原子含有量の効果＞
（実施例Ａ−１）
攪拌機、還流冷却管、および温度計を備えた５００ｍＬの四つ口フラスコに、３０重量％発煙硫酸２０７ｇを仕込み、撹拌しながら氷浴を用いて０℃に冷却した。次いで、スチレンジビニルベンゼン共重合体ビーズ（ＡＬＤＲＩＣＨ製、ジビニルベンゼンの共重合割合＝５重量％、粒径８．０〜９．０μｍ）１５ｇを添加し、窒素をフローさせながら撹拌し、均一な分散液とした。次いで、滴下ロートにクロロ硫酸３２ｇを仕込み、５分かけて滴下した。氷浴をはずし、２５℃で１時間撹拌した後、８０℃に昇温して８時間撹拌し、粒子をスルホン化した。反応終了後、フラスコ中の反応混合物を氷の中に少しずつ注ぎ、静置して上澄み液を取り除き、スルホン酸基含有ポリマー粒子（該スルホン酸基含有ポリマーに対するスルホン酸基の重量割合が５５．５重量％、平均粒子径１１μｍ、含水率２重量％）を得た。
上記スルホン酸基含有ポリマー粒子をＧｅ製の試料台の上でつぶしたうえで、ＩＲ測定に供した。得られたスペクトルをデータベースソフトで解析することにより、上記スルホン酸基含有ポリマーが、スルホン化芳香族構造を有する、スチレンジビニルベンゼン共重合体のスルホン酸化物であることを確認した。

得られたスルホン酸基含有ポリマー粒子を蒸留水約１Ｌの中に入れ、静置した後に上澄みを取り除き、水およびアセトンで順次に洗浄した後、ろ取によって粒子のみを取り出した。
ｐＨメーターを備えたビーカーに、分離した粒子を入れ、１０重量％の水酸化ナトリウム水溶液を加えて分散液とし、撹拌しながら中和して、中和粒子（１）を得た。このとき、分散液のｐＨが安定するまで撹拌を十分に長い時間継続し、粒子が確実に中和されたことを確認した。
その後、ろ取によって中和粒子（１）を取出し、水およびアセトンで順次に洗浄した。洗浄後の中和粒子（１）に塩化ナトリウム水溶液を添加し、塩素原子の量を乾燥粒子重量比で８００ｐｐｍに調整した流体組成物１を得た。
この流体組成物１を８０℃で１０時間真空乾燥し、得られた粒子を、ダイフロイル＃３：６５体積部およびＫＦ９６−５ｃｓ：３５体積部の組成を有する分散媒中に、体積比率が４０％となるように混合・分散し、電気粘性流体（Ａ−１）を得た。

（実施例Ａ−２〜Ａ−１０および比較例ａ−１〜ａ−３）
分散媒におけるフッ素系オイル（ダイフロイル＃１）とシリコーンオイル（ＫＦ９６−２０ｃｓ）との混合体積比率、およびスルホン酸基含有ポリマー粒子におけるスルホン酸基の重量割合を、それぞれ、表１に記載のとおりとした以外は実施例Ａ−１と同様の方法により、電気粘性流体（Ａ−２）〜（Ａ−１０）および比較流体（ａ−１）〜（ａ−３）を得た。
スルホン酸基含有ポリマー粒子におけるスルホン酸基の割合は、スチレンジビニルベンゼン共重合体ビーズをスルホン化するときの、発煙硫酸およびクロロ硫酸の使用量、ならびに反応温度を変更することにより、調節した。

（電気粘性流体の評価）
上記で得られた電気粘性流体のそれぞれを、一対の電極の間（電極間距離０．５ｍｍ、電極面積１，２２３ｍｍ^２）に充填し、温度２５℃において電圧３.０ｋＶ／ｍｍを印加して、株式会社マザーツール製、デジタルフォースゲージＦＧ−５００５を用いてせん断応力を測定した。また、外部電場を印加しない状態で、２５℃におけるせん断応力値を、粘度計（東機産業株式会社製、ＴＶ−３３型粘度計コーンプレートタイプ）を用いて測定した（せん断速度＝１０／ｓｅｃ）。
電気粘性流体は、電場をかけていないときのせん断応力値が小さいほど、また電場を印加したときのせん断応力値が大きいほど好ましく、それらが共に優れたものが特に好ましい。そこで、電気粘性流体のＥＲ効果を判断するパラメーターとして、３．０ｋＶ／ｍｍの電場を印加したときのせん断応力の値Ｓ_１と、電場をかけていないときのせん断応力値Ｓ_０との比Ｘ＝Ｓ_１／Ｓ_０を用いた。電場を印加しないときのせん断応力Ｓ_０が小さく、３．０ｋＶ／ｍｍの電場を印加したときのせん断応力Ｓ_１が大きい電気粘性流体では、上記のＸ値が大きくなり、大きなＥＲ効果を示すと評価できる。

上記で得られた電気粘性流体につき、粒子中のスルホン酸基含有ポリマー重量に対するスルホン酸基の重量割合、分散媒中のフッ素原子の重量割合、電場を印加しないときのせん断応力、およびＸ値の結果を、それぞれ表１に示す。

比較例ａ−１における評価結果欄の「測定不可」とは、測定した条件において電気粘性流体の分散性が悪く、再現性のある測定ができなかったことを示す。この比較例ａ−１で調製した分散媒の粘度は２０ｍＰａ・ｓであった。

表１から理解されるように、
フッ素原子を含有する分散媒中に、
スルホン酸基の含有量が３０重量％以上７０重量％以下のスルホン酸基含有ポリマーである電気粘性流体用粒子を含有する流体は、大きなＥＲ効果を示した。

＜粒子中のスルホン酸基含有量および塩素原子含有量の効果＞
（実施例Ｂ−１〜Ｂ−９および比較例ｂ−１〜ｂ−４）
分散媒におけるフッ素系オイルおよびシリコーンオイルの種類および混合体積比率、スルホン酸基含有ポリマー粒子におけるスルホン酸基の重量割合、ならびに該粒子中の塩素原子の含有量を、それぞれ、表２に記載のとおりとした以外は実施例Ａ−１と同様の方法により、電気粘性流体（Ｂ−１）〜（Ｂ−９）および比較流体（ｂ−１）〜（ｂ−４）を得て、評価を行った。
スルホン酸基含有ポリマー粒子におけるスルホン酸基の割合は、スチレンジビニルベンゼン共重合体ビーズをスルホン化するときの、発煙硫酸およびクロロ硫酸の使用量、ならびに反応温度を変更することにより、調節した。
粒子中の塩素原子の含有量は、洗浄後の中和粒子（１）に添加する塩化ナトリウム溶液の濃度を変更することにより、調節した。
上記において、各粒子中のスルホン基量は、粒子を王水で湿式分解し、ＩＣＰ発光測定を行って定量した。
評価結果を表２に示す。

比較例ｂ−１およびｂ−３における評価結果欄の「測定不可」とは、測定した条件において電気粘性流体の分散性が悪く、再現性のある測定ができなかったことを示す。

＜電極間の間隔が狭い電気デバイスへの適用例＞
（実施例Ｃ−１）
（電気デバイスの製造）
電気デバイスとして、図８に示す基本構造の、電気粘性流体を用いるディスク型ブレーキを製作した。使用した部品の写真を図９に示した。
側板３１および３２、本体リング３３、ならびにインナーディスク３４は、いずれもアルミ製であり、内軸（図８における２２）はステンレス製である。インナーディスク３４には高圧端子から高電圧を印加するための配線が接続され、側板３１には、低電圧側の配線が接続されている。インナーディスク３４、側板３１および３２、ならびにピストンリング１２は、それぞれ、樹脂軸受により絶縁されている。インナーディスク３４と、側板３１および３２、ならびに本体リング３３と、の隙間は３００μｍである。
上記の実施例Ａ−１で調製した電気粘性流体（Ａ−１）を、本体リング３３に形成された注入孔から充填した。
電気粘性流体を充填したときの状態の評価結果を表３に示す。

（実施例Ｃ−２および比較例ｃ−１）
電気粘性流体（Ａ−１）に代えて、上記実施例Ａ−２および比較例ａ−１で調製した電気粘性流体（Ａ−２）および（ａ−１）をそれぞれ用いた以外は実施例Ｃ−１と同様にして電気デバイスを製造して評価した。評価結果を表３に示す。
比較例ｃ−１において、電気粘性流体（ａ−１）を図８の電気粘性流体ブレーキに充填しようとしたところ、電極間への流体の浸透性に劣り、注入口で流体が溢れる状態になった。そのため、真空下における注入を試みた。その結果、実施例Ｃ−１における電気粘性流体（Ａ−１）を用いた場合よりも、流体の注入量（体積）が約９％少なく、ブレーキの性能（ブレーキ力）に不安定さが見られた。

表３に示したとおり、本発明の電気粘性流体は、狭い電極間にも容易に注入可能であり、空気の噛み込みも少なかった。従って本発明により、信頼性の高い電気デバイスを簡便な操作で製造することが可能となる。

＜電極表面を粗化した電気デバイスへの適用例（１）＞
実施例Ｄ−１および参考例ｄ−１〜ｄ−４で用いたプレート、ならびに実施例Ｄ−２および参考例ｄ−５で用いた本体リング３の内側およびインナーディスク４の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）および粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、それぞれ以下の条件で測定した。
測定装置：ＫＥＹＥＮＣＥ社製、レーザー顕微鏡、型式「ＶＫ−Ｘ２５０」
対物レンズの倍率：２０倍
λｓ：２５μｍ
λｃ：０．０８ｍｍ
得られた画像についてＶＫ−Ａｎａｌｙｚｅｒ （ＫＥＹＥＮＣＥ社製）を用いてフィルター処理を行った後、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に基づいて、測定長さを５５０μｍとして、算術平均粗さ（Ｒａ）および粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）を決定した。

（実施例Ｄ−１）
スチレン−ジビニルベンゼン共重合体粒子（ジビニルベンゼンの共重合割合＝５重量％）を原料として、上記実施例Ａ−１と略同様の手法により、スルホン酸基を導入し、次いでプロトンをＮａ置換して、スルホン酸基含有ポリマー粒子（該スルホン酸基含有ポリマーに対するスルホン酸基の重量割合：５２．３重量％、塩素原子の含有率：８００ｐｐｍ、平均粒子径：１１μｍ、含水率：１重量％）を調製した。
フッ素系オイル（ダイキン工業株式会社製のダイフロイル＃３）とシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製のＫＦ９６−５ｃｓ）とを、液中のフッ素原子含量が４２重量％となるように混合して得た液体を分散媒とした。
上記ポリマー粒子を、その体積比率が４０％となるように上記分散媒中に均一に分散することにより、電気粘性流体（Ｄ−１）を得た。

上記電気粘性流体（Ｄ−１）のＥＲ効果を、測定装置として株式会社ユービーエム製の動的粘弾性測定装置、型式「Ｇ２０００Ｔ−ＥＲ」を用いて調べた。この装置は、上下２枚のパラレルプレートの間に電気粘性流体を流し込み、これらのプレート間にかかる電圧を変化させながら下プレートを回転させたときのせん断応力を測定するものである。
プレート部分の材料としてはＳＵＳ＃３０４を用い、上下両プレートの互いに対向する面を、それぞれ粒度４０番（＃４０）の研磨材を用いるサンドブラストによって加工した。加工後のプレート表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は１．５５μｍであり、粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は３０．１５μｍであった。
電極間隔は０．３ｍｍとし、せん断速度は３４９ｓｅｃ^−１とした。

上記装置のプレート間に電気粘性流体（Ｄ−１）を流し込み、直流外部電界２ｋＶ／ｍｍを印加したときのせん断応力は、２，５１８．５Ｐａであった。

（参考例ｄ−１〜ｄ−３）
上記実施例Ｄ−１において、プレート面のサンドブラスト加工の際に使用する研磨材の粒度を、それぞれ、表４に記載のとおりとした他は、実施例Ｄ−１と同様にして電気粘性流体（Ｄ−１）のＥＲ効果を測定した。
測定結果を、プレート面の算術平均粗さ（Ｒａ）および粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）とともに、表４に示した。

参考例ｄ−４
上記実施例Ｄ−１において、プレート面を鏡面仕上げした他は、実施例Ｄ−１と同様にして電気粘性流体（Ｄ−１）のＥＲ効果を測定した。
測定結果を、プレート面の算術平均粗さ（Ｒａ）および粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）とともに、表４に示した。

＜スリップスティック現象の改善＞
（実施例Ｅ−１）
電気デバイスとして電気粘性流体ブレーキを作製し、これを山崎式回転トルクメータに接続し、回転稼働状態からブレーキを作動させたときのスリップスティック現象（脈動）の有無を調べた。山崎式回転トルクメータは、回転軸が伝達する力を測定ばねの捩れ角に変換し、外周スリット窓から白いトルクマークとして表示するものである。

ブレーキの部品の写真を図９に示した。このブレーキは、側板３１および３２、本体リング３３、ならびにインナーディスク３４より成る。
本体リング３３の内側およびインナーディスク３４の表面に、それぞれサンドブラスト加工を施して、Ｒａ：２．８８μｍ、ＲＳｍ：４２．７μｍの凹凸を形成した。インナーディスク３４と本体リング３３との隙間（電極間隔）は０．５００ｍｍに設定した。
上記ブレーキを組み立て、本体リング３３の注入孔から、上記実施例Ｄ−１で調製した電気粘性流体（Ｄ−１）を充填することにより、電気粘性流体ブレーキを作製した。ここで、インナーディスク３４には高圧端子から高電圧を印加するための配線が接続され、側板３１には低電圧側の配線が接続されており、本電気粘性流体ブレーキにおける電極として機能する。

上記で作製した電気粘性流体ブレーキを山崎式回転トルクメータに接続した状態を示す概略図を、図１０に示した。
図１０において、電気粘性流体ブレーキ５０は、山崎式回転トルクメータ６０および２つの軸受け８０を介してモーター７０に接続されている。
電気粘性流体ブレーキ５０の電極間に電圧をかけずにモーター７０を回転数３０ｒｐｍで回転させた。この状態でブレーキ５０の電極間に１ｋＶ／ｍｍの電圧をかけてトルクメータのトルクマークを観察したところ、脈動は見られず、一定のトルク値を示すことが確認された。

（参考例ｅ−１）
上記実施例Ｅ−１において、本体リング３３の内側およびインナーディスク３４の表面を、それぞれサンドブラストしなかった他は、実施例Ｅ−１と同様にして電気粘性流体ブレーキを作製し、評価した。本体リング３３の内側およびインナーディスク３４の表面における凹凸の程度は、Ｒａ：０．４２μｍ、ＲＳｍ：２３μｍであった。
その結果、ブレーキ５０の電極間に電圧をかけた後、一定の周波数で脈動が見られ、トルク値が不安定であることが分かった。

＜電極表面を粗化した電気デバイスへの適用例（２）＞
（参考例ｆ−１）
スチレン−ジビニルベンゼン共重合体粒子（ジビニルベンゼンの共重合割合＝５重量％）にスルホン酸基を導入後、プロトンをＮａ置換して、スルホン酸基含有ポリマー粒子（該スルホン酸基含有ポリマーに対するスルホン酸基の重量割合が５２．３重量％、平均粒子径１１μｍ、含水率２重量％）を調製した。
粘度０．０１Ｐａ・ｓのフッ素系オイル（ダイキン工業株式会社製のダイフロイル＃１）と粘度０．０２Ｐａ・ｓのシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製のＫＦ９６−２０ｃｓ）とを６５：３５の体積比率で混合した液体（液中にフッ素を３８．４重量％含有）を分散媒とした。
上記ポリマー粒子を、その体積比率が４０％となるように上記分散媒中に均一に分散することにより、電気粘性流体（ｆ−１）を得た。

（電気デバイスの製造）
電気デバイスとして電気粘性流体ブレーキを作製し、電極間の印加電圧を変化させながら、該ブレーキの下点に要するトルクを調べた。ここで作製したブレーキの構造は、上記実施例Ｅ−１で作製したものと同じである。
本参考例ｆ−１においては、本体リング３３の内側およびインナーディスク３４の表面に、それぞれサンドブラスト加工を施して凹凸を形成した。凹凸形成後のインナーディスク３４の写真、およびこの写真を基に画像解析ソフトＩｍａｇｅＪの表面プロット機能を用いて描画した凹凸プロファイルを図１１に示す。
このデバイスを組み立てハウジング円筒部３３の注入孔から上記の電気粘性流体（ｆ−１）を流し込んだ。
凹凸加工により、電極間隔は設定値から変化している。そのため、電極間隔は、注入された電気粘性流体の重量および比重から電極間の空間体積を求め、電極面積（凹凸形成前の電極表面積）で割り返すことにより、算出した。その結果、本参考例ｆ−１における電極間隔は０．５０６ｍｍであった。

上記で作製したブレーキにおける電極間に、値を変化させながら電圧をかけ、各電圧における電界強度、およびインナーディスク３４の回転に要したトルク値を測定した。このときの電圧、電界強度、およびトルクの値を表５に、電界強度に対してトルク値をプロットしたグラフを図１４に、それぞれ示す。
本参考例ｆ−１のブレーキは、１，６００Ｖの電圧のときに絶縁破壊した。

参考例ｆ−２〜ｆ−４
凹凸形成方法を表５に記載のとおりとした他は上記参考例ｆ−１と同様にして電気デバイス（ブレーキ）を組み立て、絶縁破壊に至るまで評価した。
参考例ｆ−２およびｆ−３においてエッチング加工した後のインナーディスク３４の写真、および該写真から得られた凹凸プロファイルを、図１２および図１３に示す。
評価結果は、表５および図１４に示す。表２の「電圧」欄における最大値が絶縁破壊電圧である。

電極表面に凹凸形成加工を施していない参考例ｆ−４と比較して、表面に凹凸加工を施した参考例ｆ−１〜ｆ−３のブレーキは、同じ電界強度におけるトルク値が高く、電気粘性効果が有効に表れていることが分かる。その中でも、サンドブラスト処理による参考例ｆ−１のブレーキは、エッチング処理による参考例ｆ−２およびｆ−３のブレーキに対して、電気粘性効果が高いことが検証された。

本発明の電気デバイスは、例えば、自動車用デバイス、仮想現実の力覚提示装置、義手・義足、アシストロボットなどへの利用が可能である。中でも、仮想現実の力覚提示装置である、例えば、ゲーム、リハビリ用機器、トレーニング装置、リハビリロボットなどへの適用が適している。

１ ブレーキ
２ 固定円筒
３ 回転円筒
４ 電気粘性流体
５ 電極
６ クラッチ
７ 入力回転円筒
８ 出力回転円筒
９ ダンパー
１０ 円筒シリンダー
１１ ピストン
１２ ピストンリング
１３ シール
１４ ピストン軸
１５ 配管
１６ 平行平板型バルブ
１７ アーム
１８ グリップ
１９ Ｘ軸アーム
２０ Ｙ軸アーム
２１ 同芯二軸ブレーキ
２２ 内軸
２３ 外軸
２４ 絶縁ベアリング
２５ パソコン
２６ モニタに表示されたバス釣りゲーム
２７ 患者
３１ 側板
３２ 側板
３３ 本体リング
３４ インナーディスク
５０ 電粘性流体ブレーキ
６０ 山崎式回転トルクメータ
７０ モーター
８０ 軸受け

Claims (12)

1. フッ素原子を０重量％を超え５０．０重量％以下含有する分散媒中に、
   スルホン酸基の含有量が３０重量％以上７０重量％以下のスルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子を、前記分散媒と前記粒子との合計体積に対して１０体積％以上５０体積％以下含有する、電気粘性流体。
2. 前記分散媒が、フッ素原子を３８．０重量％以上４１．５重量％以下含有する、請求項１に記載の電気粘性流体。
3. 前記スルホン酸基含有ポリマーがスルホン化芳香族構造を有する、請求項１または２に記載の電気粘性流体。
4. 前記電気粘性流体用粒子中の塩素原子の含有量が５，０００ｐｐｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気粘性流体。
5. 前記電気粘性流体用粒子中の塩素原子の含有量が１ｐｐｍ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気粘性流体。
6. フッ素原子を含有する分散媒中に、
   スルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子を含有し、そして、
   下記数式（１）で表される電気粘性効果Ｘが１４０以上である、電気粘性流体。
   Ｘ＝Ｓ_１／Ｓ_０ （１）
   ｛数式（１）中、Ｓ_１は３．０ｋＶ／ｍｍの電場を印加したときのせん断応力であり、Ｓ_０は電場を印加しないときのせん断応力である。｝
7. スルホン酸基含有ポリマーを含む電気粘性流体用粒子であって、
   前記電気粘性流体用粒子中のスルホン酸基の含有量が３０重量％以上であり、
   前記電気粘性流体用粒子中の塩素原子の含有量が１ｐｐｍ以上５，０００ｐｐｍ以下である、前記電気粘性流体用粒子。
8. フッ素原子を含有する分散媒中に請求項７に記載の粒子を含有する、電気粘性流体。
9. 分散媒中に電気粘性流体用粒子を含有する電気粘性流体を一対の電極間に充填して成る電気デバイスであって、
   前記一対の電極の互いに対向する面のうちの、少なくとも片方の面の少なくとも一部の領域において、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以上３００μｍ未満であり、かつ粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が１０ｎｍ以上１００μｍ未満である、前記電気デバイス。
10. 前記一対の電極の間隔が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、請求項９に記載の電気デバイス。
11. 前記電気粘性流体が、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気粘性流体である、請求項９または１０に記載の電気デバイス。
12. ブレーキ、クラッチ、または力覚呈示装置である、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の電気デバイス。