JPH0525316A

JPH0525316A - 磁気応答材料

Info

Publication number: JPH0525316A
Application number: JP20847491A
Authority: JP
Inventors: Toru Shiga; 亨志賀; Shigeru Fujimoto; 慈藤本; Miharu Hirose; 美治広瀬; Akane Okada; 茜岡田; Norio Kurauchi; 紀雄倉内; Osami Uegakito; 修己上垣外
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1991-07-24
Publication date: 1993-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】電場よりも安全性の高い磁場の作用により弾性
率および形態が変化する可撓性高分子材料を提供する。【構成】可撓性高分子材料に、磁場の作用により磁気分
極する粒子が分散している弾性率可変材料および磁気変
形材料。高分子材料はゴム、ゲル等であり、分散粒子は
磁場の作用により磁気分極する性質を持つものである。【効果】磁場を印加することにより、弾性率や形態が速
やかに、且つ可逆的に変化する。よって、自動車のクラ
ッチ、ダンパ等のエネルギー伝達、吸収用部品や人工筋
肉等のアクチュエターに安全に適用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外部磁場の作用によっ
て材料の弾性率（材料の剛性を反映する動的弾性率およ
び粘性を表す損失弾性率）や形態が、可逆的、連続的に
変化する高分子材料に関する。これらはクラッチ、ダン
パ、ショックアブソーバ、エンジンマウントなどのエネ
ルギーの伝達や吸収、防振用の自動車部品等あるいはソ
フトマニピュレータ、人工筋肉などのアクチュエータ等
に適用し得る。

【０００２】

【従来の技術】近年、光、熱、電気などのエネルギーを
力学的エネルギーに変換する機能を有する高分子材料が
様々な分野へ応用されており、例えばU.S.P.３２１５５
７２号や特開昭５７−１３２３０３号には、磁場により
粘性を変える磁性流体が開示されている。一方、本件出
願人は、電場の作用で弾性率が変化する性質を有する粒
子分散型の高分子材料（特願平１−２２７８１７）を既
に出願している。

【０００３】しかし、上記の磁性流体は特定の形状を持
たない流動体であることなどから、自動車部品等に適用
し難い面がある。また、特願平１−２２７８１７号の高
分子材料はそのような欠点を持たない優れた材料である
が、マトリックスが電気絶縁性でなければならないとい
う制約があり、高電圧の電場を印加する場合には安全性
の配慮も必要になる。

【０００４】また、電磁場により長さを変えるゲル材料
としてイオン化高分子ゲルが古くから知られている（例
えば、Science 219,467(1982) 、特開昭６１−４７３
１）。これらは溶媒で膨潤したゲル状ポリマーであって
溶液中で電場の作用により内部の溶媒を吐き出したり周
囲の溶液から吸収して膨潤収縮を行う材料である。さら
に、磁気に感応して収縮する磁気感応媒体（特開昭６１
−２４８５０３）がある。

【０００５】これは溶媒で膨潤したゲル状ポリマーであ
って、その内部に磁性微粒子を分散してなる複合材料で
あり、磁場により磁性微粒子に働く応力により内部の溶
媒を外部に吐き出して収縮する。しかしながらこれらの
ゲル材料は伸縮に際して溶媒の出入り、即ち、体積変化
を伴う。従って、これらをソフトマニピュレータや人工
筋肉に応用するためには溶媒のシールが不可欠になり煩
雑なものになる。また、応答時間も極めて長いうえ、伸
張速度と収縮速度が著しく異なるために制御に限界があ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、マト
リックスが固体であるために賦形性を有する可撓性材料
であって、そのマトリックスが電気絶縁性であるか否か
を問わず、且つ安全性の高い磁場の作用により弾性率お
よび形態が変化する材料を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

（着眼点）本発明者は、磁場において磁気分極する微粒
子の相互作用を利用することにより上記の課題を解消し
得ることに着眼して、本発明を完成した。

【０００８】本発明のマトリックスとして用いられる可
撓性の高分子材料としては、ゴム状あるいはゲル状の高
分子材料が用いられる。例えば、エチレン−プロピレン
ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、シリコンゴム
や、これらのゴムを溶媒等で膨潤させたゲルは室温で可
撓性を有する。ポリビニルアルコール、ポリアクリルア
ミド、ポリスチレン、ポリアルキルチオフェンなどのゴ
ム以外の高分子ゲルも使用できる。また、エチレン−酢
酸ビニル共重合体、ポリウレタン、ポリプロピレン等
は、予想される使用温度においてゴム状あるいはゲル状
を呈する。

【０００９】本発明の分散粒子は、磁場の作用により磁
気分極する性質を有するものであれば良く、例えば純
鉄、電磁軟鉄、方向性ケイ素鋼、Ｍｎ−Ｚｎフェライ
ト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、マグネタイト、コバルト、
ニッケル等の金属、４−メトキシベンジリデン−４−ア
セトキシアニリン、トリアミノベンゼン重合体等の有機
物、フェライト分散異方性プラスチック等の有機・無機
複合体などを用いてなる粒子、またはこれらの２種以上
を用いてなる粒子が使用される。

【００１０】分散粒子の形状は、球形、針状、平板状な
どの定型的なものの他、不定型のものでも良く、特段の
制約はない。分散粒子の粒径も制限がないが、特に望ま
しいのは、一般的に微粒子として観念されるようなもの
（例えば、０．０１〜５００ミクロン程度の粒径のも
の）である。

【００１１】分散粒子は、その表面を界面活性剤や撥水
剤で処理したものでも差支えなく、さらに中実粒子、中
空粒子のいずれの形態においても使用できる。

【００１２】マトリックスである可撓性の高分子材料内
における分散粒子の第１の分散状態は、磁場を印加した
際に分散粒子間に磁気的結合が連鎖的に形成されるよう
な分散状態が良い。即ち分散粒子が相互に接触してつな
がりを持った状態のみでなく、分散粒子が相互に接触し
ていなくても、磁場を印加した際に実質的に相互に接触
した状態になれば良い。また、第２の分散状態は、粒子
同士の位置関係に特に制限がなく、磁気的相互作用のあ
るなしに関しても、特に制約のない分散状態である。

【００１３】以上のような分散粒子の分散状態を実現
し、且つ分散粒子過剰による材料の物性の悪化を避ける
ためには、分散粒子の分散濃度が、体積分率で５〜６０
％の範囲にあることが望ましい。なお、分散粒子をマト
リックスである高分子材料中に均一に分散させることも
でき、また、意図的に不均一に分散させることもでき
る。

【００１４】後者の場合、例えばマトリックスの特定の
部分と他の部分とで分散密度を異ならせたり、マトリッ
クスの全体にわたりあるいは一部において分散密度を傾
斜状に設定したりして、マトリックスの磁気応答変化が
特異なパターンの下に起こるようにすることができる。

【００１５】本発明の磁気応答材料は弾性率可変材料や
磁気変形材料などに使用することができる。特に、磁気
変形材料のゲルマトリックスとしては粒子により破壊さ
れないほどの機械的な強度をもつこと、また同時に粒子
が動き得るほどの柔らかさを有することが必要であり、
その硬さとしてゲル針入度が５０−２００を示すものが
よい。

【００１６】

【作用】本発明の磁気応答材料は、磁場を印加すると、
その作用により分散粒子内に存在する磁気モーメントが
磁力線の方向に沿った一定方向を向いて、分散粒子が磁
気的に分極するため、分散粒子間に連鎖的な磁気的結合
が、例えば網目状に形成される。この連鎖的な磁気的結
合の結合力により、材料の動的弾性率と損失弾性率とが
増大して、その弾性率が高くなったり（弾性率可変材
料）、粒子内に誘起された双極子と磁石との相互作用に
より粒子が引っ張られることによりゲルマトリックスが
変形する（磁気変形材料）。また、逆に、磁場を除去す
ると、分散粒子間の磁気的結合が解消され、材料は元の
状態に戻る。このような作用は、マトリックスである高
分子材料が電気絶縁性であるか否かに関係なく起こる。

【００１７】特に、磁場の印加に対する弾性率変化の応
答性は極めて良好であり、また弾性率変化の度合いは磁
場の強さに対応するため、磁場の強さを連続的に変化さ
せると、弾性率も連続的に変化して行く。このような応
答性の良さや、磁場の強さに対応する弾性率変化量の関
係は、上記のメカニズムより常に一定のものであり、磁
場の連続的な印加による劣化も、経時的な劣化も起こし
難い。

【００１８】また、磁場により変形する性質は本発明の
磁気応答材料を磁石に触れないように大気中、各種ガス
中、液体中において磁場を加えたときに発現する。

【００１９】

【発明の効果】本発明の磁気応答材料は弾性率可変材料
として使用できる。例えばクラッチ、ダンパ、ショック
アブソーバ、エンジンマウントなどのエネルギーの伝達
や吸収、防振を行う自動車部品等に適用できる。その
際、磁場の強さを調節することにより弾性率の変化量を
連続的に且つ任意にコントロールすることもできる。ま
た、弾性率を変化させるために高圧の電場を印加する必
要がなく、安全である。更に、本発明の弾性率可変材料
を使用した部品は、応答性と耐久性が優れる。

【００２０】さらに、本磁気応答材料は磁気変形材料と
しても使用可能である。これは、磁場の作用により速や
かに形態変化し、かつ磁場を除くと速やかに元の形態に
戻る。この変化量は磁場の大きさに応じて任意にコント
ロールでき、磁場の連続的な印加による変化量や応答性
の低下が少ない。従ってこの磁気変形材料はソフトマニ
ピュレータ、人工筋肉等のアクチュエターに適用するこ
とができる。

【００２１】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。（実施例１）

【００２２】速硬化型２液反応性シリコンゴムの反応液
２０ｇに粒径１５０μｍの電解鉄粉６０ｇを単純混合し
て室温にてゴム化を行った。本実施例では、こうして得
られたゴムを弾性率可変材料として評価した。評価にあ
たっては、材料のトルクを粘弾性スペクトロメータ（岩
本製作所製）を用いて測定した。

【００２３】即ち、サンドイッチ構造の平行平板プレー
ト間に本実施例の弾性率可変材料（底面積１ｃｍ² 、厚
み１ｍｍ）を置き、材料の変形を制限した後、平板と垂
直な方向に磁場を印加して内側の平板を周波数１０Ｈ
ｚ、振幅０．３ｍｍで振動させた。この状態において外
側の平板プレートにかかるトルクを測定した。そして測
定されたトルクから動的剪断弾性率と損失剪断弾性率を
求めた。

【００２４】本実施例の磁気応答材料は、３２０Ｇ（ガ
ウス）の磁場において室温にて動的剪断弾性率を５０
％、損失剪断弾性率を６５％、それぞれ速やかに増加さ
せた。

【００２５】（実施例２）加熱タイプの２液反応型シリ
コンゲルの反応液２０ｇに粒径５０μｍのカルボニル鉄
粉４１ｇを混合し、これをシャーレに移した後、永久磁
石の上において鉄粉を結合させた。この状態で７０℃に
加熱して粒子分散型シリコンゲルを得た。この材料の弾
性率可変材料としての性能を実施例１と同様の方法によ
り測定した。本実施例の磁気応答材料は７４０Ｇの磁場
を印加すると、５０℃にて動的剪断弾性率が７．８ｋＰ
ａから２１．５ｋＰａへ約２．８倍向上し、また損失剪
断弾性率が５．３ｋＰａから１８．２ｋＰａへ約３．４
倍向上した。また、これらの変化は速やかに起こり、ま
た磁場を除くと速やかに初期の値に戻った。

【００２６】（実施例３）加熱タイプの２液反応性シリ
コーンゲル（ゲル針入度５０）の反応液２０ｇに粒径１
５０μｍの電解鉄粉６０ｇを単純混合して室温にてゲル
化を行った。本実施例では、この材料の磁気変形材料と
しての性能を評価した。即ち、得られた長さ１０ｍｍ、
幅１０ｍｍ、厚さ２ｍｍの本実施例の粒子分散型ゲル材
料を電磁石内の中央において１０ｋＯｅの磁場を加える
と約６０％、２０ｋＯｅの磁場を加えると約３００％に
までそれぞれ瞬時に伸張し、磁場を除くと元の長さに戻
った。このとき内部の溶媒の放出はなかった。

【００２７】（実施例４）実施例３のシリコーンゲルの
反応液２０ｇに粒径５０μｍのカルボニル鉄粉４１ｇを
混合し、これをシャーレに移した後、永久磁石の上にお
いて鉄粉を結合させた。この状態で７０℃に加熱して粒
子分散型シリコーンゲルを得た。本実施例ではこの材料
を磁気変形材料とした時の性能を評価した。即ち、本材
料に１０ｋＯｅの磁場を与えると約１００％の伸びを瞬
時に生じ、印加磁場を除くと瞬時に元の長さに戻った。
このとき内部の溶媒の放出は観察されなかった。

【００２８】（実施例の評価）上記のように、本実施例
の弾性率可変材料および磁気変形材料は、磁場の作用に
より弾性率および形態が可逆的且つ速やかに、しかも満
足できる量の変化を起こした。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｃ０８Ｊ 3/20 Ｂ 9268−4Ｆ (72)発明者岡田茜愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者倉内紀雄愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者上垣外修己愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】可撓性を有する高分子材料に、磁場の作
用により磁気分極する粒子が分散していることを特徴と
する磁気応答材料。