JPH09102411A

JPH09102411A - 磁気応答性材料

Info

Publication number: JPH09102411A
Application number: JP27990595A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yonezawa; 隆米澤
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 1997-04-15

Abstract

(57)【要約】【課題】柔軟で応答性が良く変形量が大きいと共に、
容器等で形状を保持しなくても良い磁気応答性材料を提
供する。【解決手段】発泡体材料に、磁場の作用により磁気分
極する粒子１が分散されており、かつこの粒子１は、上
記発泡体材料の気孔２を区画する隔壁４内に保持されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、磁場内に置かれ
ることによって変形する磁気応答材料に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気エネルギを力学的エネルギに
変換する機能を有する高分子材料が種々考案されてお
り、例えば、特開平５−２５３１６号公報には、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性材料が
開示されている。

【０００３】この磁気応答性材料は、例えばシリコンゴ
ムに電解鉄粉を単純混合して硬化させたものであり、外
部磁場を作用させることによって分散粒子を磁気的に分
極させることによりこの粒子間に連鎖的な磁気的結合力
を生じさせ、これによって材料の弾性率や形態を可逆的
かつ連続的に変化させるものである。

【０００４】この磁気応答性材料によれば、粒子の担体
が可撓性を有する固体であるために、自動車のショック
アブソ−バや人工筋肉等のマニュピレ−タへの適用が容
易であり、外部磁場を制御することで所望の機能を奏さ
せることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の磁気応答性材料には、以下のような解決すべき課題
がある。

【０００６】第１に、上記磁気応答性材料をマニュピレ
−タとして使用する場合、反応が遅く、また、その変位
量をさほど大きくすることができないということがあ
る。

【０００７】すなわち、上記磁気応答性材料では、シリ
コンゴムのような高分子材料内に上記粒子を分散させて
いるため、粒子間に上記高分子材料が密に介在してい
る。したがって、この材料の収縮は、上記粒子間に生じ
る吸引力が上記高分子材料の弾性力に抗してこの高分子
材料を変形させることによって達成される。

【０００８】このため、固体状態の高分子材料では、材
料の硬さに応じて収縮量が小さくなったり反応が遅くな
ったりするということがある。一方、有効な収縮を得る
には、半流動体状（ゲル状）の高分子材料を採用する必
要があるが、この場合、容器に収納してその形態を規制
（保持）しなければ、アクチュエ−タとして採用するこ
とはできない等、取扱いに一定の制限が生じることとな
る。

【０００９】第２に、上記磁気応答性材料によれば、収
縮前と収縮後で高分子材料の体積に変化がないというこ
とがある。例えば、この材料を一方向に収縮させた場合
には、それと直交する方向に伸長することとなる。一
方、この材料を容器等に収納することによって収縮方向
と直交する方向の変形を規制すると、この材料を収縮さ
せるにしたがって内部に圧縮応力が生じ、収縮させるこ
とが困難になるということがある。

【００１０】この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたもので、柔軟で応答性が良く変形量が大きいと共
に、容器等に収納して形状を維持しなくても良い磁気応
答性材料を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、請求
項１に記載したように、発泡体材料に磁場の作用により
磁気分極する粒子が分散されていることを特徴とする磁
気応答性材料を提供する。

【００１２】このような構成によれば、この磁気応答性
材料を磁場内に位置させることによって、内部に分散さ
れた粒子を磁気的に分極させ、この粒子間に磁気相互作
用による吸引力を働かせることによってこの磁気応答性
材料を収縮させることができる。

【００１３】また、前記粒子は、請求項２に記載されて
いるように、上記発泡体材料の気孔を区画する隔壁内に
保持されていることが好ましい。

【００１４】この場合には、上記粒子が気孔を囲む状態
に位置し、粒子間には気体と隔壁とが存在するのみであ
るから、各粒子が近接することが非常に容易になる。し
たがって、大きな収縮量を得ることができると共に反応
も良くなる。なお、上記気孔は連続気孔であっても良い
し独立気孔であっても良い。

【００１５】さらに、請求項３に記載されているよう
に、上記粒子は、上記発泡体材料の発泡原料に混合され
た後この発泡原料を発泡させることで発泡体材料に分散
させるようにすることが好ましい。

【００１６】このようにすれば、この粒子は上記発泡体
材料中に均一に分散されかつ、各粒子は上記発泡体材料
の気孔を区画する隔壁内に保持されることとなる。

【００１７】なお、高い収縮率を得るためには、請求項
４に記載したように、上記発泡体の発泡倍率は５倍〜１
５倍の範囲内にあることが好ましく、７〜１２倍の範囲
内にあればより良好な収縮率を実現することができる。

【００１８】また、この磁気応答性材料に対する粒子の
含有率は、請求項５に記載されているように、６０重量
％〜９０重量％であることが好ましく、少なすぎると良
好な収縮率が得られず、多すぎると発泡が妨げられたり
発泡体材料の柔軟性が失われてやはり収縮率が低下する
こととなる。

【００１９】さらに、上記粒子の粒径は、請求項６に記
載されているように、１０μｍ〜５００μｍの範囲内に
あることが好ましく、あまり大きすぎると材料の柔軟性
が失われ、良好な収縮率を得られない。一方大きすぎる
と粒子間の距離が大きくなり収縮率が小さくなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、適宜図１〜図４を参照して説明する。

【００２１】この発明は、外部磁場により磁気分極する
微粒子を、発泡体材料中に分散することにより、収縮
性、形状復元性等に優れた磁気応答性材料を得ようとす
るものである。

【００２２】この発明では、上記発泡体材料（発泡原
料）の種類は特に限定されないが、例えば、ポリウレタ
ン、シリコ−ンゴム、ポリイミドのような熱硬化性樹脂
や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポ
リエステル、ポリブタジエン等の熱可塑性樹脂が挙げら
れる。

【００２３】また、前記粒子は、磁場の作用により磁気
分極を生じさせるものであれば良く、例えば、準鉄、電
磁軟鉄、珪素鋼、フェライト、マグネタイト、コバル
ト、ニッケル、ネオジウム等の無機磁性材料、ポリトリ
アミノベンゼン等の有機磁性材料、有機無機複合体磁性
材料または、これらの２種以上の混合材料からなるもの
が挙げられる。

【００２４】この磁気応答性材料の製造方法、すなわち
材料の発泡方法は、特に限定されるものではないが、例
えば、上記粒子を混入した樹脂材料に加圧下でガスやガ
ス化可能な液体を混入した後、加熱したり常圧に戻した
りして発泡させる方法、上記粒子を混入した樹脂材料に
分解型の発泡材を混入しておき加熱分解させることで発
泡させる方法、重合反応時に発生するガスを利用して発
泡させる方法等を採用することができる。

【００２５】いずれの方法をとる場合も、上記粒子は、
原料が発泡するに従って分散し、図１に１（黒丸）で示
すように、発泡により生じた気孔２を区画する発泡体材
料の隔壁４内に保持されることとなる。しかも、ほとん
どの粒子１は、隔壁３の分岐点、すなわち発泡時におけ
る変形が小さい部位に位置すると考えられる。

【００２６】このような磁気応答性材料を磁極間に位置
させて、外部磁場を印加すると、前述したように、分散
された各粒子は磁気分極し、各粒子間には磁場の方向に
磁気相互作用による吸引力が生じる。この吸引力によっ
て上記各粒子は気孔を押し潰すかたちで上記隔壁を撓ま
せつつ互いに近付こうとするから、この材料は全体とし
て磁場方向に変形することとなる。

【００２７】外部磁場の印加方法としては、例えば、こ
の磁気応答性材料を、Ｕ字磁石（電磁石でも良い）のＮ
極とＳ極間に位置させるようにしても良いし、Ｎ極とＳ
極とを有する磁石上にこの磁気応答性材料片を置くよう
にしても良い。

【００２８】ここで、上記発泡体材料中に形成された気
孔は、連続気孔であっても独立気孔であっても良い。た
だし、上記気孔が連続気孔の場合には、この気孔内の空
気が外部に押し出されつつ変形するから、独立気孔の場
合よりも収縮率が大きくなる。また、材料の体積が収縮
に応じて小さくなる。

【００２９】一方、独立気孔の場合には、気孔内の気体
が圧縮されつつ変形することになるから、連続気孔の場
合に比べると一般に収縮率は小さくなる。また、この独
立気孔の場合には、収縮時の体積変化が小さいから、一
方向に収縮するとそれと直交する方向に伸長することと
なる。しかし、クッション性が高いという利点がある。

【００３０】なお、好ましい変形を行わせるためには、
上記粒子の間隔を、磁気分極の相互作用による吸引力が
有効に働く程度の寸法に維持すること、粒子過剰による
発泡体材料の柔軟性の低下を防止すること等が重要にな
る。このためには、以下に説明する３つの事項が重要と
なる。

【００３１】まず発泡体材料の発泡倍率が重要である。

【００３２】すなわち、発泡倍率が小さいときには柔軟
性が低いので収縮率が小さい、また、発泡倍率が大きす
ぎる場合には、上記粒子間の間隔が離れ過ぎて吸引力が
弱くなり収縮率が小さくなる。

【００３３】図２に示すグラフは、発泡倍率と収縮率の
関係を示すグラフである。なお、この実験では、発泡体
材料としてウレタンフォ−ムを採用し、分散粒子として
平均粒径約１８０μｍの鉄粉（Ｆｅ）を成形後の磁気反
応性材料に対する含有量が８０重量％となるように混合
して発泡させた。なお、発泡体材料中に生じた気孔は連
続気孔である。

【００３４】このグラフによれば、収縮率のピ−クが得
られる範囲は、発泡倍率３倍〜１５倍であり、２．５％
以上の収縮率を得ることができる。ただし、柔軟性を考
慮すると発泡倍率５倍以上が実用範囲であると考えられ
る。したがって、好ましい発泡倍率は５倍〜１５倍とな
る。

【００３５】また、このグラフによれば、発泡倍率６．
５倍〜１２倍の範囲で１０％以上、発泡倍率７．５〜１
１．７５倍で１５％以上、発泡倍率８．７５倍〜１１．
５倍で２０％以上、発泡倍率９．２５倍〜１１倍で２５
％以上、そして発泡倍率約１０倍で最大の２７．５％の
収縮率を得ることができる。

【００３６】次に、この磁気反応性材料中の分散粒子の
含有量が重要である。

【００３７】すなわち、理論的には分散粒子含有量が多
いほど収縮率は増すのであるが、分散粒子の量が多すぎ
ると発泡体材料の柔軟性が失われ反対に収縮率は減少す
る。

【００３８】図３に示すグラフは、この磁気反応性材料
中の分散粒子の含有量（分散粒子の質量／分散粒子を含
む磁気反応性材料の質量 ×１００［重量％］）と収縮
率の関係を示すグラフである。

【００３９】なお、この収縮率の測定に用いた磁気反応
性材料は、前記と同じ発泡体材料（ウレタン）と分散粒
子（Ｆｅ）を用い、この発泡体材料を約１０倍に発泡さ
せて得られたものである。

【００４０】このグラフによれば、含有率６０重量％〜
９０重量％の間でピ−ク的効果を得られ、２．５％以上
の収縮率を得ることができる。また、含有率７３〜８６
重量％で１０％以上の収縮率が得られ、７５〜８５重量
％で１５％以上の収縮率が得られる。また、含有率７８
〜８４重量％で２０％以上の収縮率の収縮率、８０〜８
３重量％で２５％以上の収縮率が得られ、約８２重量％
で２５％と最高の収縮率が得られた。

【００４１】さらに、分散粒子の粒径も収縮率に大きな
影響を及ぼす。すなわち、磁気分極により粒子に生じる
ポテンシャルエネルギ−は粒径に比例する。また、粒子
の含有量が同一で、粒子径が小さい場合は、材料中の粒
子の間隔が小さくなり、発泡材料の柔軟性が失われる。
したがって収縮率が小さくなる。

【００４２】一方、粒径が大きすぎると材料中の粒子間
の間隔が大きくなり、粒子間吸引力がそれに応じて小さ
くなる。したがって収縮率が小さくなる。

【００４３】図４に示すグラフは、磁気応答性材料中の
分散粒子の粒径と収縮率の関係を示すグラフである。こ
のグラフによれば、ピ−ク範囲は１０μｍ〜５００μｍ
であり、この範囲で約２．５％以上の収縮率を得ること
ができる。そして、粒径１００μｍの場合に最大収縮量
約４０％をとっている。

【００４４】このような構成によれば、以下の効果を得
ることができる。

【００４５】第１に、収縮率が大きくかつ収縮時の反応
が良い磁気応答性材料を得ることができる。

【００４６】すなわち、従来の磁気応答性材料では、粒
子間に高分子材料が密に介在しているから、この高分子
材料の弾性によって粒子の近接が制限される。しかし、
この発明の磁気応答性材料によれば、粒子間にあるのは
気孔であるから、粒子どうしの近接があまり制限されな
い。このことにより、収縮量を大きくすることができる
と共に、収縮時の反応も良くなる。

【００４７】第２に、この磁気応答性材料は、従来の磁
気応答性材料と比較してその取扱いが非常に容易であ
る。

【００４８】すなわち、粒子の担体としては、粒子の移
動により破壊されない程度の機械的な強度を有すると共
に粒子が自由に近接することができる程度の柔らかさを
有することが必要となる。

【００４９】従来の高分子材料に粒子を分散させた材料
では、この条件を満たすためには、ゲル状（半流動状）
の高分子材料を採用する必要があるから、この材料のみ
では自立性が得られず形態が維持できない。このため、
この材料をアクチュエ−タとして用いるには、この高分
子材料を容器等に入れて保持等することが必要であり、
取扱いが困難である。

【００５０】しかし、この発明の場合には、粒子の担体
として、発泡体材料を用いたことにより、柔軟で収縮率
が高いにもかかわらず、自立性が高くそれのみで形態を
維持できるから、取扱いが非常に容易である。

【００５１】第３に、この発明の磁気反応性材料を収縮
させた場合、その体積は収縮量に応じて変化させること
ができる。

【００５２】すなわち、従来の磁気応答性材料は、高分
子材料を使用しているため、位置方向に収縮させた場合
でもそれと直交する方向に伸長し、結果として体積は変
わらない。一方、前述したようにアクチュエ−タとして
使用する場合に、容器で伸縮方向と直交する方向の伸長
を規制すると、収縮させるにしたがって材料内に相当の
圧力がかかり、これが材料の収縮を妨げるということが
ある。

【００５３】しかし、この発明によれば、気孔が押し潰
されることにより、容積を自由に変化させることがで
き、この場合でも内部圧力が高まることはない。したが
って、良好な作動を維持できる。

【００５４】第４に、この発明によれば、内部の気孔に
液体等を収納できるため、例えば、ドラッグデリバリ用
のアクチュエ−タとして使用した場合に、特に顕著な効
果を得ることができる。

【００５５】すなわち、上記材料によれば、収縮させた
後伸長させることにより内部に試薬等の液体を取り込
め、再び収縮させることによりこの液体を外部に放出で
きる。そして、これが、遠隔操作により行えるから、非
常に取扱いがしやすい。

【００５６】なお、このような構成を有する磁力応答性
材料の用途としては、このドラッグデリバリ用に限定さ
れるものではなく、他の種々の用途が考えられる。

【００５７】例えば、ロボットハンドの掴み部に適用す
る場合には、柔軟でクッション性に優れるため、対象物
に傷等をつけることなく掴むことが容易になる。また、
人工筋肉に用いる場合には、やはりクッション性に優れ
るため、従来のマニュピレ−タと比較してソフトな動き
を実現できる。

【００５８】

【実施例】ポリエ−テルポリオ−ル（武田薬品工業製、
商品名ＧＳ−９２）１００重量部に、平均粒径１８０μ
ｍのマトマイズ鉄粉（和光純薬工業製）６００重量部お
よびシリコ−ン界面活性剤を混ぜ、ミキサ−で十分に混
合した。

【００５９】その後、イソシアネ−ト（日本ポリウレタ
ン製、商品名ＴＤＩ−ＤＦ）２３重量部、水２．２重量
部を、触媒と共に上記混合物に加えて混合し、９．８倍
に発泡させた後、１００℃で３０分間加熱することで硬
化させた。

【００６０】このことにより、上記鉄粉を８２．５重量
％含む磁気応答性材料を得ることができる。この磁気応
答性材料を顕微鏡で７２倍に拡大して撮影したのが図６
に示す写真である。なお、図５は、粒子を含まない発泡
体材料の顕微鏡写真である。図６の写真に示すように、
上記分散した鉄粉は上記気孔を区画する隔壁に保持され
ている。

【００６１】また、この材料から１４mm×１４mm×１５
mmの立方体を試料として切出し、残留磁束密度１．２Ｔ
［ステラ］の永久磁石による外部磁場を印加すると、磁
場方向に速やかに３１％の収縮を示した。一方、永久磁
石を除去すると速やかに元の形状寸法に復帰した。

【００６２】また、この発泡体材料をドラッグデリバリ
材料として用いることによりその特性を評価した。それ
によると、上記発泡体材料を、収縮した状態から元の状
態に復帰させることで水分を吸収でき、上記永久磁石に
よって外部磁場を印加すると速やかに水分を放出した。

【００６３】なお、この場合、水分吸収量は、１．０cm
³あたり０．９１ｇであり、一方、一回の収縮による水
分放出量は１．０cm³あたり０．３５ｇであった。

【００６４】

【発明の効果】以上述べた構成によれば、以下の効果を
得ることができる。

【００６５】第１に、収縮率が大きくかつ収縮時の反応
が良い磁気応答性材料を得ることができる。

【００６６】すなわち、この発明の磁気応答性材料によ
れば、粒子間にあるのは気孔であるから、粒子どうしが
この気孔を押し潰すようにして近接でき、大きな収縮量
を得ることができると共に収縮時の反応も良くなる。

【００６７】第２に、この磁気応答性材料は、従来の磁
気応答性材料と比較してその取扱いが非常に容易であ
る。

【００６８】すなわち、粒子の担体として、発泡体材料
を用いたことにより、柔軟で収縮率が高いにもかかわら
ず、自立性が高くそれのみで形態を維持できるから、取
扱いが非常に容易である。

【００６９】第３に、この発明の磁気反応性材料を収縮
させた場合、その体積は収縮量に応じて変化させること
ができ、かつこのとき内部圧力が高まることはない。し
たがって、良好な作動を維持できる。

【００７０】第４に、この発明によれば、内部の気孔に
液体等を収納できるため、例えば、ドラッグデリバリ用
のアクチュエ−タとして使用した場合に、遠隔操作で液
体の吸収および放出が行え、特に顕著な効果を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態を示す拡大模式図。

【図２】同じく、発泡倍率と収縮量の関係を示すグラ
フ。

【図３】同じく、粒子の含有率と収縮量の関係を示すグ
ラフ。

【図４】同じく、粒子の粒径と収縮量の関係を示すグラ
フ。

【図５】粒子を含有しない発泡体材料を７２倍に拡大し
て示す顕微鏡写真。

【図６】この発明の磁気反応性材料を７２倍に拡大して
示す顕微鏡写真。

【符号の説明】

１…粒子、２…気孔、４…隔壁

【手続補正書】

【提出日】平成７年１１月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】磁気応答性材料

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】図２に示すグラフは、発泡倍率と収縮率の
関係を示すグラフである。なお、この実験では、発泡体
材料としてウレタンフォ−ムを採用し、分散粒子として
平均粒径約１８０μｍの鉄粉（Ｆｅ）を成形後の磁気応
答性材料に対する含有量が８０重量％となるように混合
して発泡させた。なお、発泡体材料中に生じた気孔は連
続気孔である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】次に、この磁気応答性材料中の分散粒子の
含有量が重要である。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】図３に示すグラフは、この磁気応答性材料
中の分散粒子の含有量（分散粒子の質量／分散粒子を含
む磁気応答性材料の質量 ×１００［重量％］）と収縮
率の関係を示すグラフである。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３９】なお、この収縮率の測定に用いた磁気応答
性材料は、前記と同じ発泡体材料（ウレタン）と分散粒
子（Ｆｅ）を用い、この発泡体材料を約１０倍に発泡さ
せて得られたものである。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５１】第３に、この発明の磁気応答性材料を収縮
させた場合、その体積は収縮量に応じて変化させること
ができる。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６９】第３に、この発明の磁気応答性材料を収縮
させた場合、その体積は収縮量に応じて変化させること
ができ、かつこのとき内部圧力が高まることはない。し
たがって、良好な作動を維持できる。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】この発明の磁気応答性材料を７２倍に拡大して
示す顕微鏡写真。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発泡体材料に、磁場の作用により磁気分
極する粒子が分散されていることを特徴とする磁気応答
性材料。
【請求項２】請求項１記載の磁気応答性材料におい
て、前記粒子は、上記発泡体材料の気孔を区画する隔壁内に
保持されていることを特徴とする磁気応答性材料。
【請求項３】請求項１記載の磁気応答性材料におい
て、上記粒子は、上記発泡体材料の発泡原料に混合され、こ
の発泡原料を発泡させることで発泡体材料に分散された
ものであることを特徴とする磁気応答性材料。
【請求項４】請求項１記載の磁気応答性材料におい
て、上記発泡体材料の発泡倍率は、５倍〜１５倍であること
を特徴とする磁気応答性材料。
【請求項５】請求項１記載の磁気応答性材料におい
て、この磁気応答性材料に対する粒子の含有率は、６０重量
％〜９０重量％であることを特徴とする磁気応答性材
料。
【請求項６】請求項１記載の磁気応答性材料におい
て、上記粒子の粒径は、１０μｍ〜５００μｍであることを
特徴とする磁気応答性材料。