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平成 17 年度の機能性流体の研究動向

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中村
展
太郎:平成17年度の機能性流体の研究動向
E23
望
平成 17 年度の機能性流体の研究動向*
中村太郎**
* 平成 18 年 6 月 5 日原稿受付
** 中央大学理工学部精密機械工学科,〒112-8551 東京都文京区春日 1-13-27
1.はじめに
機能性流体とは,電磁場や光,温度等の外部刺激によって,流体の特性を制御することができる流
体の総称である.現在,工学的分野で応用が期待される流体は以下のとおりである.
・電気粘性流体(ERF:Electro-Rheological Fluids)
電場の印加によって流体の見かけ上の粘弾性特性が変化する流体.
・磁気粘性流体(MRF:Magneto-Rheological Fluids)
磁場の印加によって流体の見かけ上の粘弾性特性が変化する流体.
・磁性流体(Magnetic Fluids)
磁場の印加によって流体の体積が変化する流体.
・EHD/ECF(Electro-Hydro-Dynamic Fluids/Electro-Conjugate-Fluids)
直流高電圧を印加するとジェット流が発生する流体
上記の 4 種類の流体は,それぞれの性質を上手に利用することによって,クラッチなどによる動力
伝達機構,ブレーキやダンパなどのエネルギの消散機構,バルブなどの流体制御機構,シールなどの
摩擦低減機構,モータなどの動力発現機構(アクチュエータ)などの多岐にわたる機械要素に適用するこ
とができる.これらの機械要素は,機械システム全体の高速化・コンパクト化・安全化を図ることが
可能となる.
機能性流体に関する研究は種々の分野にまたがっている.大まかには,化学工学系分野を主とした
「機能性材料の開発」,流体力学やレオロジ系の分野を中心とした「機能性流体の特性解析」,制御工
学や振動系,ロボティクス・メカトロニクス系を中心とした「機能性流体を用いたデバイス開発・応用」
,
の 3 種類の研究領域に分類することができる.
本稿では,特にフルードパワーシステムに関連する分野として,
「機能性流体の特性解析」および「機
能性流体を用いたデバイス開発・応用」に関連した研究動向を中心に展望していく.
2.平成17年度における機能性流体の研究活動の動向
平成 17 年度の機能性流体の各学会における活動状況および論文等の発表件数等について概観する.
とりわけ本稿では,国内の学会として,日本フルードパワーシステム学会および日本機械学会を中心
として科学技術振興機構で運営されている検索システム「J-DreamⅡ」を用いて検索し,海外では「IEEE
Explorer」や「Ingenta」等の検索システムを利用して,学術論文やプロシーディングを調査した.
まず,日本フルードパワーシステム学会においては,
「機能性流体を用いたスマートフルドパワーシ
ステムに関する研究委員会」(委員長:山形大学 中野政身教授)1) を中心とした研究活動があげられ
る.平成 17 年における本研究委員会は,4 年間の研究活動の総括として,通常の研究活動に加えて以
下の活動が行われている.
(1) 公開研究会(米沢市)の開催:委員以外の一般の方々も参加できる形式を採用.招待講演 9 件お
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よび一般講演 13 件が発表2)された.
(2) 第 6 回フルードパワーに関する国際シンポジウム:オーガナイズドセッションとして「機能性
流体とフルードパワーシステム」が企画され,ER 流体関連 6 件,MR 流体関連 1 件,EHD/ECF
関連 4 件のあわせて 11 件が発表 3)された.
(3) 研究成果報告書:これまでの研究活動の報告書として編纂 1)された.ER 流体関連 9 編,MR 流
体関連 7 編,磁性流体関連 2 編,EHD 関連 4 編,機能性ゲル関連 2 編のあわせて 24 件が報告
された.
また,H17 年度春季日本フルードパワーシステム講演会講演論文集 4)には ER 流体 2 件,MR 流体 1 件
のあわせて 3 件が発表されている.なお,本学会の論文集では毎年,機能性流体関連の論文が数件掲
載されているが,本年度に限っては報告されなかった.
次に,平成 17 年度における日本機械学会の研究動向を紹介する.日本機械学会論文誌における機能
性流体関連の論文掲載は 13 件が報告※されている.このうち ER 流体関連 4 報,MR 流体関連 5 報,磁
性流体関連 2 報,EHD/ECF 関連 2 報となっている.また,日本機械学会関連の講演会を含めると,66
件の講演発表※が確認されており,その内容も多岐にわたっている.
一方,平成 17 年度の海外における研究動向しては,IEEE 関連の論文およびプロシーディングとし
て,ER 流体関連 4 件,MR 流体関連 18 件,EHD/ECF 関連 26 件が報告されている.また,スマート材
料の開発からその応用まで広く紹介されている論文誌 Smart material and structures では,ER 流体関連
37 件,MR 流体関連 38 件,磁性流体関連 1 件が報告されている.さらに,Journal of Modern Physics B,
Vol.19, No.7-9 においては,昨年度開催された The 9th Int. Conf. on ER fluid and MR suspensions
(ERMR2004)の特集が組まれ,95 編の論文が報告された.
※
検索キーワード(JST:J-DreamⅡにて検索):機能性流体
or
ER 流体
or MR 流体 or 磁性流体 or EHD or ECF
3.各機能性流体の研究状況について
上記に示した 4 種類の各機能性流体について平成 17 年度の研究状況とその傾向について報告する.
3.1
電気粘性流体(ER 流体)―新たな材料開発に期待―
ER 流体は,電界を印加することにより見かけ上の粘弾性が可逆的かつ高速に変化する流体の総称
である.本流体の種類は,電界印加時の粘弾性特性やその発現機構の違いから,粒子分散系と均一系
に大別される.本稿ではそれぞれの流体についての研究状況を報告する.
(1)
粒子分散系 ER 流体
粒子分散系 ER 流体は,電場下において電気分極する微粒子を絶縁性の液体中に分散した流体であ
り,電場を印加するとビンガム流動下において流体のせん断応力が変化する.今年度における粒子
系 ER 流体の研究状況は,従来から活発に行われてきた種々の応用研究(振動用ダンパ,研磨,医療
福祉機器)をさらに発展した研究 5) 6) 7) 8)が多く見られた.流体の特性解析としては,回転平行二円盤
間のせん断応力の時間的な特性変化を実験的に検討した論文
流体をゲル構造化した ERG の開発および応用研究
9)
が見られた.また,粒子分散系 ER
10)
が活発に進められている.この ER ゲルは,ER
粒子がゲル相に固定されているため,従来の ER 流体のように粒子の沈降が起こりにくい.今年度に
おいては,片側パターン電極を用いた際の本ゲルの基本的な特性を検討した論文 11) のほか,クラッ
チをはじめとした種々の機械要素への適用が見られた.
(2)
均一系 ER 流体
均一系 ER 流体は,高分子液晶や低分子液晶が電場の印加によって配向する現象を利用した流体で
あり,粒子系 ER 流体や MR 流体の特性と違い,電場を印加するとニュートン流動を維持した状態で,
流体の見かけの粘性係数が変化する.本流体は,インテリジェント歩行器
12)
などの医療福祉機器へ
の応用がここ数年にわたって活発に行われている.今年度における本流体の研究動向としては,高
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分子液晶系 ER 流体を用いた直動系ダンパを空気圧除振装置に適用した例 13) や,低分子液晶をスラ
イド軸受の潤滑油として利用するために,電場印加による膜圧制御について検討した例 14) が報告さ
れた.また,本流体のセミアクティブデバイスとしての機能を鑑みて,フェイルセーフ機能を備え
た人間共存型ロボットへの応用に関する研究
15)
が行われている.本流体の特性解析としては,非定
常電場を利用した流動現象に関する研究 16) や,温度上昇に関する数学的モデルの導出 17)などが報告
されている.
3.2
磁気粘性流体(MR 流体)―有用性ではトップクラス―
MR 流体は,磁界を印加することにより見かけ上の粘弾性が可逆的かつ高速に変化する流体の総称
である.本流体の特徴としては,同様の特性を有する粒子系 ER 流体よりも粘性(減衰力)変化が非常に
大きいことが上げられる.これらの特性から,Lord 社や Delphi 社を中心した,自動車用振動用ダンパ
18)
等への実用化・応用研究が活発に行われている一方,建設用ダンパといった大規模システムの振動
制御への適用例 19)も見受けられる.また,本流体を用いた研磨装置への応用が実用化 20) 21)されており,
現段階において種々ある機能性流体の中でもっとも有用性の高い流体であるといえる.また,ER 流体
と同様にリハビリテーション用機器
22)
をはじめとした医療・福祉分野への応用研究も活発に行われて
いる.
3.3
磁性流体 ―医療分野への応用に期待―
磁性流体の近年の研究状況としては,従来から行われている界面現象や液滴等の流体的特性に関す
る研究に加えて,マイクロアクチュエータや医療分野への応用研究が注目されている.特に医療分野
への応用については,薬剤の磁気誘導 23) 24)・磁性流体ハイパーサーミヤ,MRI イメージング,血液ポ
ンプのシールへの応用
25)26)
など,いくつかの興味深い研究が行われている.薬剤の磁気誘導は,エマ
ルジョン磁性流体に制がん剤などの薬物を含有した磁性マイクロカプセルを構成し,それを磁場によ
り体内の希望する場所に長時間作用させることで,薬物の副作用の影響を局所的に限定することを目
的とした応用研究である.本研究は,家兎等の動物実験レベルにおいてその有用性が確認
23)
されてい
る.また,血液ポンプのシールへの応用に関しては,左心室補助の軸流型人工心臓のシールに磁性流
体を使用し,長期試験や細胞毒性ともに異常がないことが実証
25)
されている.さらに,これらの研究
は,磁性流体の生体適合性を十分に検討する必要がある.現在,磁性流体の人体の投与についての毒
性試験はすでに実施されており,その副作用は弱いことが報告されている.しかしながら,フェライ
ト金属組織の検討や臓器への蓄積検査当に関してさらに調査を行う必要があるとされている.
3.4
ECF/EHD
―マイクロアクチュエータとして利用可能性あり―
ECF/EHD に関しては,アクチュエータやポンプへの応用が活発に行われている.特に本流体を用い
たアクチュエータは,従来の磁気利用型アクチュエータと違い,電界に印加のみによって直接アクチ
ュエーションすることから,構造がシンプルでマイクロ化しやすい.現在 ECF においては,外形 2mm
の超小型モータの開発 27)をはじめとして,マイクロ人工筋 28)や平面薄型ポンプ 29),リニア駆動アクチ
ュエータ 30)などが試作されている.また,EHD においても,モータ 31)やポンプ 32)の試作が行われてい
る一方,EGD と呼ばれる EHD を気化させた流体を利用したモータの開発 33)も進められている.
4.おわりに
以上,本稿では機能性流体として,工業的有用性の高い 4 種類の流体を中心にその研究動向を検討
した.機能性流体の実用化が叫ばれて久しいが,最近になって MR 流体を中心に製品化・商品化の動
きが活発化している.本流体を用いた製品が広く世界に使用されることを期待する.
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参考文献
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
18)
19)
20)
21)
22)
23)
24)
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30) 中田 他:電界共役流体を用いたピストン型リニアアクチュエータ,機能性流体を用いたスマート
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32) 松本, 早川 他:多孔薄膜電極を用いたイオンドラッグマイクロポンプの研究,電気学会論文誌 E,
Vol.125 No.6,266-271 (2005).
33) S. Terasaka, et al.: The new type actuator by applying the EHD phenomenon –Development of the EGD
motor–,Proceedings of the 6th JFPS Int. Symp. on Fluid Power, 2D3-4 (2005).
著者紹介
なかむらたろう
中村太郎君
1975年1月生まれ.信州大学大学院工学系研究科博士後期課程修了.99年秋田県立
大学機械知能システム学科助手,04年中央大学理工学部専任講師を経て06年より
中央大学助教授,現在に至る.人工筋肉・機能性流体をはじめとしたスマートデ
バイスの制御とマニピュレータへの応用,生物規範型ロボティクスに関する研究
に従事.博士(工学).日本機械学会,日本ロボット学会,日本フルードパワーシ
ステム学会,IEEE等の会員.
E-mail:[email protected]
URL:http://www.mech.chuo-u.ac.jp/%7Enakalab/index.html
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