コロイダルダンパー
【課題】外部から作用する機械的エネルギーから実用的な電力の電気エネルギーを収穫可能としたコロイダルダンパーの提供。
【解決手段】シリンダ２と、このシリンダ２に往復動自在に案内支持され、シリンダ２と協働して密閉空間を形成するピストン４と、多数の細孔を有し、密閉空間３内に収容される多孔質体９と、多孔質体９とともに密閉空間３内に収容され、加圧時に多孔質体３の細孔へ流入する一方、減圧時に多孔質体３の細孔から流出する作動液体８と、密閉空間３内に設置された圧電素子６とを有する。
【解決手段】シリンダ２と、このシリンダ２に往復動自在に案内支持され、シリンダ２と協働して密閉空間を形成するピストン４と、多数の細孔を有し、密閉空間３内に収容される多孔質体９と、多孔質体９とともに密閉空間３内に収容され、加圧時に多孔質体３の細孔へ流入する一方、減圧時に多孔質体３の細孔から流出する作動液体８と、密閉空間３内に設置された圧電素子６とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密閉空間にシリカゲル等の多孔質体と作動液体との混合物を封入し、多孔質体の細孔へ作動液体を流出入させることにより、外部から作用する機械的エネルギーを散逸させるコロイダルダンパーに係り、より詳しくは、外部から作用する機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能なコロイダルダンパーに関する。
【背景技術】
【０００２】
コロイダルダンパーは、密閉空間にシリカゲル等の多孔質体と作動液体との混合物（コロイド溶液）を封入した装置であり、多孔質体の細孔へ作動液体を流出入させることにより、外部から作用する機械的エネルギーを散逸させるものである（例えば、特許文献１，２参照。）。また、この種のコロイダルダンパーを実用化するために、本発明者は、正減衰力のエネルギーを散逸するコロイダルダンパー（例えば、特許文献３参照。）および正負減衰力のエネルギーを散逸するコロイダルダンパー（例えば、特許文献４参照。）を提案している。
【０００３】
さらに、この種のコロイダルダンパーを実用化するために、本発明者は、作動液体として水と不凍剤との混合物を使用するコロイダルダンパー（例えば、特許文献５，９参照。）、シリカゲル等の多孔質体として疎水化多孔質シリカゲルを使用するコロイダルダンパー（例えば、特許文献６参照。）、および、密閉空間内から多孔質体および作動液体が漏れ出さないようにして耐久性を向上したコロイダルダンパー（例えば、特許文献７参照。）を提案している。
【０００４】
なお、パッシブ（受動）制御コロイダルダンパー（例えば、特許文献１〜７参照。）の減衰特性は定値である。しかしながら、外励振（例えば、乗り物の懸架装置の場合の凹凸路面の変位励振や、耐震システムの場合の地震の加振力）による、振動や衝撃のエネルギーを効果的に散逸するためには、ダンパーの減衰特性を変化させて調整（制御）しなければならない。そこで、本発明者は、減衰特性を制御することが可能なアクティブ（能動）制御コロイダルダンパー（例えば、特許文献８参照。）を提案している。
【０００５】
ところで、ディーゼル燃料やガソリン燃料を内燃機関の吸気マニホールドや燃焼器に注入する燃料噴射装置（例えば、特許文献１０，１１参照。）が提案されている。図１２に示すように、この種の燃料噴射装置２０には、圧電アクチュエータ２１と制御装置２２がついており、圧電アクチュエータ２１のトリガー電圧Ｕを制御装置２２で調整して圧電アクチュエータ２１の長さを制御し、燃料噴射装置２０を開閉することができる。この燃料噴射装置２０では、トリガー電圧と燃料の圧力とに互いに関係があり、例えば、燃料の圧力が１５０〜１７０ＭＰａの高圧範囲内で変動する場合、トリガー電圧を２２０〜２６０Ｖの範囲内に調整しなければならない。逆に、燃料の圧力が３０〜５５ＭＰａの低圧範囲内で変動する場合、トリガー電圧を５０〜８０Ｖの範囲内に調整しなければならない（特許文献１１参照。）。
【０００６】
このように、近年では内燃機関であっても外部から電気エネルギーを供給して制御することが必須となっている。また、近年では内燃機関（ガソリンエンジン）と電動機（モータ）を使用したハイブリッド車両の普及も進んでいる。図１３はハイブリッド車両のエネルギー的フローチャートを示している。図１３に示すハイブリッド車両では、２１ｋＷの電力を有するハイブリッドバッテリー（ＮｉＭＨ）を使用しており、バッテリーの直流電圧は、２８８Ｖか２０２Ｖであり、バッテリーの電気エネルギーは、１．８ｋＷｈか１．３ｋＷｈである。つまり、このハイブリッド車両の場合、バッテリーの電流は約６．３Ａｈである。また、発電機とインバータとの間、並びに電動機（モータ）とインバータとの間での電力は、２７４Ｖか５００Ｖの交流電圧で伝達されている。このように近年では、多くの電力を必要とする車両も増えており、電気エネルギーを無駄なく利用することが望まれている。
【０００７】
そこで、車両の懸架装置より電気エネルギーを収穫することが可能なシステムが提案されている（例えば、特許文献１２参照。）。このような車両用懸架装置は、電磁アクチュエータとばねの並列構造を使用している。具体的には、電磁アクチュエータとして、直流電動機（モータ）と発電機とを使用し、ばねとして、空気ばね（図１４参照。）あるいは圧縮コイルばね（図１５参照。）を使用している。この車両用懸架装置では、電磁アクチュエータの軸とボールねじロッドとが連結され、ボールねじロッドの回転運動に対して、相手のボールねじナットが並進運動を行うようになっている。
【０００８】
つまり、このようなボールねじ機構を用いると、凹凸路面により発生した車両の上下運動（跳ね上がりおよび跳ね下がり）を電磁アクチュエータの回転運動に変換することができる。その結果、懸架装置のある使用モードで電磁アクチュエータが跳ね上がりおよび跳ね下がりの運動に対して正減衰力を提供するので、ダンパー(減衰要素)の効果が得られる。逆に、懸架装置のある使用モードで電磁アクチュエータが跳ね上がりおよび跳ね下がりの運動エネルギーを電気エネルギーに変換した場合、つまり、負減衰力を提供した場合、発電の効果が得られ、このように収穫された電気エネルギーをバッテリーの充電に使用することができる。また、このシステムでは、制御装置により、電磁アクチュエータの使用モード、バッテリーの充電や放電などを制御することが可能となっている。
【０００９】
また、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する１つの古典的な方法として、イオン分離方法が知られている。イオン分離効果を得るためには、様々な原理を使用することが可能であるが、その１つとして、例えば、特許文献１３には、ナノ多孔質材料と電解液との混合物を用いたシステムが開示されている。このシステムの場合、機械的なエネルギー（例えば、振動や衝撃のエネルギー）を用いて電解液を強制的に吸着させると、同時に小さなイオンは細孔内に吸着できるが、大きなイオンは細孔内に吸着できない、といった条件で、ナノ細孔の直径が選択されることにより、イオン分離効果を得ている。その結果、ナノ細孔に吸着できた液体は、小さなイオンの余剰を持つのに対して、バルク液体、つまり、ナノ細孔に吸着できなかった液体は、大きなイオンの余剰を持つ。大きな面積を有する電極でこのような帯電差（電圧）を集中させると、ナノ多孔質材料に液体を強制的に吸着させた機械的な仕事の一部を電気エネルギーに変換することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第９６／１８０４０号
【特許文献２】国際公開第０１／５５６１６号
【特許文献３】特開２００４−４４７３２号公報
【特許文献４】特開２００５−１２１０９１号公報
【特許文献５】特開２００５−１２１０９２号公報
【特許文献６】特開２００６−１１８５７１号公報
【特許文献７】国際公開第２００８／０２９５０１号
【特許文献８】国際公開第２００８／１５２７７６号
【特許文献９】特開２０１０−１８５５７７号公報
【特許文献１０】米国特許出願公開第２０１０／０５９０２１号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２０１０／２９４８５３号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２０１０／２３０８７６号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００９／２４３４２８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１２に記載のような電気エネルギーを収穫する懸架装置はアクティブ制御システムであるため、欠点として、低信頼性、低ロバスト性や、複雑で高価な構造などが挙げられる。また、制御装置の偶然故障が発生したときに、負減衰力による車両の懸架装置が不安定となる可能性もある。
【００１２】
また、特許文献１３に記載のような機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するためにイオン分離効果を使用した全てのシステムでは、とても低い発電圧（ｍＶのオーダー）しか得られないといった大きな問題点が挙げられる。その結果、実際にこのようなイオン分離効果を使用したシステムは、実用化できない。
【００１３】
そこで、本発明においては、本発明者が提案するコロイダルダンパーを応用し、外部から作用する機械的エネルギーから実用的な電力の電気エネルギーを収穫可能としたコロイダルダンパーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のコロイダルダンパーは、シリンダと、このシリンダに往復動自在に案内支持され、シリンダと協働して密閉空間を形成するピストンと、多数の細孔を有し、密閉空間内に収容される多孔質体と、多孔質体とともに密閉空間内に収容され、加圧時に多孔質体の細孔へ流入する一方、減圧時に多孔質体の細孔から流出する作動液体と、密閉空間内に設置された圧電素子とを有するものである。
【００１５】
本発明のコロイダルダンパーでは、密閉空間内に収容された作動液体が多孔質体の細孔へ流出入することで、外部から作用する機械的エネルギーを散逸させて減衰させる。また、加圧時には、密閉空間内に収容された作動液体によって圧電素子が加圧されるので、圧電素子により電気エネルギーが収穫される。
【００１６】
また、本発明のコロイダルダンパーは、作動液体は通過させるが多孔質体は通過させないフィルタであり、密閉空間をピストンが往復動する側の第１密閉空間と反対側の第２密閉空間とに二分するフィルタを有し、圧電素子が第２密閉空間内に設置されていることが望ましい。
【００１７】
これにより、多孔質体はフィルタを通過せず、作動液体のみが通過するので、多孔質体がシリンダとピストンとの摺動部へ流入するのを防止することができるとともに、圧電素子が、ピストンが往復動する側と反対側の第２密閉空間内にあるので、ピストンと接触することがない。
【発明の効果】
【００１８】
（１）シリンダと、このシリンダに往復動自在に案内支持され、シリンダと協働して密閉空間を形成するピストンと、多数の細孔を有し、密閉空間内に収容される多孔質体と、多孔質体とともに密閉空間内に収容され、加圧時に多孔質体の細孔へ流入する一方、減圧時に多孔質体の細孔から流出する作動液体と、密閉空間内に設置された圧電素子とを有するコロイダルダンパーによれば、加圧時には密閉空間に収容された作動流体によって圧電素子が大きな圧力により加圧されるので、実用的な殿両の電気エネルギーを収穫することが可能となる。
【００１９】
（２）作動液体は通過させるが多孔質体は通過させないフィルタであり、密閉空間をピストンが往復動する側の第１密閉空間と反対側の第２密閉空間とに二分するフィルタを有し、圧電素子が第２密閉空間内に設置されていることにより、圧電素子が、ピストンが往復動する側と反対側の第２密閉空間内にあるので、ピストンと接触することがなく、ピストンの往復動により圧電素子を破損することがない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態におけるコロイダルダンパーの模式図である。
【図２】（ａ）は環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電する圧電素子を示す図、（ｂ）は内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電する圧電素子を示す図である。
【図３】環状筒形の端表面でアキシアル圧力による圧縮されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示す図である。
【図４】内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示す図である。
【図５】環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電すると同時に、内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示す図である。
【図６】（ａ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力を変更したときのヒステリシス変化を示す図、（ｂ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力を変更したときの一周期内の圧力変動を示す図である。
【図７】（ａ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と散逸エネルギーとの関係を示す図、（ｂ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と平均圧力との関係を示す図である。
【図８】（ａ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力を変更したときのヒステリシス変化および中央線を示す図、（ｂ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と内部ばね定数との関係を示す図である。
【図９】（ａ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と平均発電圧との関係を示す図、（ｂ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と平均発電力との関係を示す図である。
【図１０】コロイダルダンパーの実用化イメージを示す説明図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態におけるコロイダルダンパーの模式図である。
【図１２】燃料噴射装置を示す図である。
【図１３】ハイブリッド車両のエネルギー的フローチャートを示す図である。
【図１４】電磁アクチュエータと空気ばねの並列構造を使用した車両用懸架装置を示す図である。
【図１５】電磁アクチュエータと圧縮コイルばねの並列構造を使用した車両用懸架装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は本発明の実施の形態におけるコロイダルダンパーの模式図である。
図１において、本発明の実施の形態におけるコロイダルダンパー１は、シリンダ２と、このシリンダ２に往復動自在に案内支持され、シリンダ２と協働して密閉空間３を形成するピストン４と、密閉空間３を一定体積の密閉空間３ａと可変体積の密閉空間３ｂとに二分するように設けられた隔壁としてのフィルタ５と、密閉空間３ａ内に設置する圧電素子６とを備える。ピストン４の摺動面には、パッキン等の密閉装置４ａが設けられている。
【００２２】
密閉空間３内には作動液体８が収容されており、ピストン４が往復動する側と反対側の一定体積の密閉空間３ａ内には多数の細孔を有する多孔質体９が収容されている。フィルタ５は、多孔質体９の平均外径ｄ2（実際に測定された外径分布に関して計算された平均値）よりも小さな径（０．１μｍ〜１０μｍ程度のオーダ）の細孔が多数形成されたものであり、作動液体８は通過させるが、多孔質体９は通過させない。このフィルタ５の細孔によって、多孔質体９はシリンダ２とピストン４との摺動部から隔離され、作動液体８のみが密閉空間３ａ，３ｂ間を自由に移動することができるようになっている。
【００２３】
多孔質体９は、シリカゲル、アエロゲル、セラミックス、多孔質ガラス、ゼオライト、多孔質ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、多孔質蝋、多孔質ポリスチレン、アルミナやカーボン（黒鉛、木炭、フラーレンおよびカーボンナノチューブを含む。）等からなる外径１μｍ〜１００μｍ程度のマイクロオーダの略球形粒状物（マイクロ粒子）である。多孔質体９は、複数の内径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度のナノオーダの細孔（ナノ細孔）と、略中央に形成された中空部とを有する。細孔は、一端で中空部に開口し、他端で多孔質体９の外に開口して、中空部から放射方向に伸びている。なお、別の実施形態として、中空部がない特殊な構造の多孔質体とすることも可能である。多孔質体９のそれぞれの外面、細孔の内面、並びに中空部の内面は、作動液体８に対して親和性がなく分子鎖が線形である物質で被覆（疎水処理）されている。
【００２４】
作動液体８は、高い表面張力を有する液体であることが好ましく、代表的には水を挙げることができる。水以外の作動液体としては、水と不凍剤との混合液、例えばエタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等から選ばれた少なくとも一種以上を、好ましくは多くとも６７容量％混入させた水を用いることができる。この場合、０℃以下の環境でもコロイダルダンパー１を使用することができるようになる。また、水と、水よりも蒸発しにくい物質、例えばジメチルフォルムアミド、フォルムアミド等との混合液を使用することができる。この場合、１００℃以上の環境でもコロイダルダンパー１を使用することができるようになる。
【００２５】
さらに、水と消泡剤との混合液、例えばシリコン系の消泡剤、非シリコン系の消泡剤、オイル径の消泡剤等から選ばれた少なくとも一種以上を、好ましくは多くとも５０ｐｐｍ混入させた水を用いることができる。この場合、密閉装置３から空気が密閉空間に流入しても、コロイダルダンパー１を利用することができるようになる。多孔質体９の細孔の平均内径ｄ1（実際に測定された内径分布に関して計算された平均値）は、作動液体分子の平均自由行程をＬpとしたときのクヌーセン数Ｋn＝Ｌp／（ｄ1・１／２）が０．０３４よりも大きく、０．１１９（好ましくは０．０９７）よりも小さい範囲で決定されることが望ましい。また、多孔質体９の平均外径ｄ2は、この多孔質体９の細孔の平均内径ｄ1の１０倍以上であって１０００００倍以下の範囲で決定されることが望ましい。
【００２６】
なお、多孔質体９と作動液体８とは、多孔質体９の細孔の全容積をＭＶP（多孔質体９の質量Ｍと多孔質体９の細孔の比体積ＶPとの掛け算）とし、作動液体８の体積をＶLとすると、その比ＭＶP／ＶLが０．２以上であって２．５以下の範囲をもって収容されていることが望ましい。なお、本実施形態においては、比ＭＶP／ＶLが実質的に１となるように密閉空間３に収容されている。
【００２７】
この構成のコロイダルダンパー１では、ピストン４のピストンロッド４ｂに外力が加えられると（加圧時）、この外力がピストン４を介して作動液体８に加えられ、作動液体８が加圧される。この加圧により作動液体８は、密閉空間３ａ内に多孔質体９の細孔からその表面張力に抗して流入する。これにより、ピストン４は、密閉空間３の容積を減少するように移動する。また、このコロイダルダンパー１では、外力に関する振動や衝撃のエネルギーが細孔への作動流体の流入により消費されるために、ピストン４を移動させる力を減衰させる。
【００２８】
一方、ピストン４へ付与された力がなくなると（減圧時）、表面張力に抗して細孔へ流入した作動液体８は、その表面張力により細孔から多孔質体の外へ流出する。これにより、ピストン４は逆に密閉空間３の容積を増大するように移動し、初期位置へと復帰する。このとき、多孔質体９はフィルタ５の細孔を通過せずに、密閉空間３ａ内に留め置かれ、作動液体８のみがフィルタ５の細孔を通過する。したがって、このコロイダルダンパー１では、多孔質体９が密閉空間３ｂ内へ流入しないので、シリンダ２とピストン４との摺動部への多孔質体９の流入が防止されるので、コロイダルダンパー１の耐久性が向上している。
【００２９】
また、本実施形態におけるコロイダルダンパー１では、上記加圧時に密閉空間３内に設置された圧電素子６が加圧されるので、この圧電素子６に加えられた圧力が電気エネルギーに変換され、収穫される。圧電素子６は、圧電体に加えられた圧力を電圧に変換する圧電効果を利用した受動素子であり、密閉空間３内の作動液体８が加圧されると、この作動液体８の圧力を電圧に変換するものである。
【００３０】
圧電素子６としては、図２（ａ）に示すような環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電する圧電素子や、図２（ｂ）に示すような内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電する圧電素子などを使用することができる。これらの圧電素子の形状特性（形、体積）、発電特性（発電圧、圧電定数の範囲、発電力、相対誘電率）および強度的な条件の例を表１に示す。なお、発電圧Ｕは、コロイダルダンパー１により得られる電圧である。
【００３１】
【表１】
【００３２】
なお、圧電素子の形状、圧電素子の電気方向（分極方向）および圧電素子の機械方向（圧力方向）は、図２に示す形状や方向に制限されない。例えば、圧電素子の形状は、図２に示すような環状円筒形（チューブラ）や、表１に示すような丸棒、環状円筒形、円板および環状円板に制限されない。したがって、コロイダルダンパー１に使用できる圧電素子の形状は中空球、半球や正方形板等としても良い。また、分極方向として、圧電素子のアキシアル軸ではなく、圧電素子のラジアル方向に沿って圧電素子を分極しても良い。さらに、コロイダルダンパー１の構造を適当に変更させることによって、圧電素子に対して作動液体８（コロイド溶液）により、加圧（圧縮）ではなく、引張、曲げ、ねじりやせん断を加えて電気エネルギーを得ることも可能である。
【００３３】
また、圧電素子６を複数個用いて、並列電気回路を形成することにより発電力を増加することも可能である。図３は環状筒形の端表面でアキシアル圧力による圧縮されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示し、図４は内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示している。また、図５に示すように、環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電すると同時に、内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路とすることも可能である。このように圧電素子の二方向加圧を使用すると、アキシアル圧力により得られる発電力にラジアル圧力による得られた発電力を加えることで、コロイダルダンパー１の発電力をさらに増加させることができる。
【００３４】
次に、図５に示した環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電すると同時に、内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を構成したコロイダルダンパー１の発電機能について検証する。図５に示したｎ個の圧電素子の並列電気回路を構成したコロイダルダンパー１の発電力Ｐは、次式（１）となる。
【数１】
【００３５】
しかし、電気エネルギーを収穫するコロイダルダンパー１の応用的な立場から見ると、アキシアル圧力により得られる発電圧
の値と、ラジアル圧力による得られる発電圧
の値とが等しくなるような設計条件を課しなければならない。このような設計条件を課すと、選択された圧電素子の材料によって発電圧の圧電係数（ｇzz，ｇzr）が分かり、圧電素子の内直径と外直径との比ｄi／ｄoは、次式（２）で計算できる。
【数２】
【００３６】
例えば、選択された圧電素子のセラミックス材料の場合、発電圧の圧電係数がｇzz＝２６．１ｍＶ・ｍ／Ｎ、並びにｇzr＝１１．９ｍＶ・ｍ／Ｎであれば、式（２）より、圧電素子の内直径と外直径との比はｄi／ｄo＝０．５４４となる。
【００３７】
実際に、このような二方向加圧を使用した圧電素子の場合、アキシアル圧力により得られる発電圧と、ラジアル圧力により得られる発電圧とが等しくなった設計条件の上で発電力が２倍大きくなる（式（３）参照。）。
【数３】
【００３８】
四輪車両の場合、左右前後輪用コロイダルダンパー１のそれぞれの内圧力は瞬間的に異なるが、簡便のため本実施例では、左前輪用コロイダルダンパー１の内圧力と、左後輪用コロイダルダンパー１の内圧力と、右前輪用コロイダルダンパー１の内圧力と、右後輪用コロイダルダンパー１の内圧力とが等しい、といった仮定の下で、さらに発電力が４倍大きくなる（式（４）参照。）。
【数４】
【００３９】
圧電素子の体積
に式（２）より圧電素子の内直径と外直径との関係を代入し、得られた結果をさらに式（４）に代入すると、本実施例で使用するコロイダルダンパー１の発電力は次式（５）のようになる。
【数５】
【００４０】
本実施例では、圧電素子の個数はｎ＝５５、周波数はｆ＝１０Ｈｚ、圧電素子の外直径はｄo＝６０ｍｍ（式（２）より圧電素子の内直径はｄi＝３３ｍｍとなる。）、圧電素子の相対誘電率はＫz＝３２００、並びに絶対誘電率はε0＝８．８５ｐＦ／ｍとする。また、本実施例の発電圧の値として、Ｕ＝１２Ｖ（内燃機関（エンジン）を使用した自動車のバッテリーの普通電圧）、２４Ｖ（内燃機関（エンジン）を使用したトラックのバッテリーの普通電圧）、２０２Ｖ（ハイブリッド車両Ａのハイブリッドバッテリーの電圧）、並びに２８８Ｖ（ハイブリッド車両Ｂのハイブリッドバッテリーの電圧）とする。
【００４１】
図６（ａ）はコロイダルダンパー１の最大作動圧力が２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａ、３５ＭＰａ、４０ＭＰａ、並びに６０ＭＰａとなったときのヒステリシス（作動圧力とピストンストロークとの関係ループ）の形を示し、図６（ｂ）はコロイダルダンパー１の最大作動圧力が２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａ、３５ＭＰａ、４０ＭＰａ、並びに６０ＭＰａとなったときの一周期内の作動圧力の変動を示す。
【００４２】
コロイダルダンパー１の散逸エネルギーＥの解析は、ピストン４の断面積と図６（ａ）のようなｐ（Ｓ）ヒステリシスループの面積とを掛け算したものが散逸エネルギーとなる。図７（ａ）はコロイダルダンパー１の散逸エネルギーと最大作動圧力との関係グラフを示している。図７（ａ）より、最大作動圧力の増加につれて、コロイダルダンパー１の散逸エネルギーが単調に増加することが分かる。
【００４３】
コロイダルダンパー１の平均圧力ｐmは、図６（ｂ）のようなｐ＝ｐ（ｔｆ）グラフの平均値、つまり、一周期内の作動圧力と無次元化時間との関係グラフを積分したものが平均圧力となる。図７（ｂ）はコロイダルダンパー１の平均圧力と最大作動圧力との関係を示すグラフである。図７（ｂ）より、最大作動圧力の増加につれてコロイダルダンパー１の平均圧力が単調に増加することが分かる。
【００４４】
図８（ａ）はコロイダルダンパー１の最大作動圧力が２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａ、３５ＭＰａ、４０ＭＰａ、並びに６０ＭＰａとなったときのヒステリシス（作動圧力とピストンストロークとの関係ループ）の形、およびヒステリシスの中央線（ストロークと平均圧力との関係グラフ）を示している。コロイダルダンパー１のばね定数ｋsは、ピストン４の断面積と図８（ａ）のようなヒステリシスの中央線の傾きとを掛け算したものとなる。
【００４５】
また、図８（ｂ）はコロイダルダンパー１の内部ばね定数と最大作動圧力との関係グラフを示している。図８（ｂ）より、内部ばね定数は最大作動圧力が低圧部分と高圧部分で線形的に上昇していることが分かる。これは多孔質体９の細孔に作動液体８が出入りしていない部分であり、水の圧縮性と密閉装置の弾性特性により起きたと考えられる。また、１５〜４５ＭＰａの範囲内では、多孔質体９の細孔に作動液体８が出入り（吸着・脱着）することによってコロイダルダンパー１の剛性が低くなる、つまり、内部ばね定数が減少することが分かる。
【００４６】
図７（ｂ）より、コロイダルダンパー１の最大作動圧力と平均圧力との関係が分かるので、平均圧力の値を求め、そして、平均圧力の値、発電圧の圧電係数ｇzz＝２６．１ｍＶ・ｍ／Ｎの値、並びに圧電素子の長さ（厚み）ｌ＝０．１、０．７、１．０ｍｍの値を発電圧の式Ｕ＝ｌｐｇzz（表１参照。）に代入すると、平均発電圧Ｕmを計算することができる。その結果として、平均発電圧とコロイダルダンパー１の最大作動圧力との関係を図９（ａ）に示す。
【００４７】
また、図７（ｂ）より平均圧力の値、圧電素子の個数ｎ＝５５の値、周波数ｆ＝１０Ｈｚの値、圧電素子の外直径ｄo＝６０ｍｍの値、発電圧の圧電係数ｇzz＝２６．１ｍＶ・ｍ／Ｎとｇzr＝１１．９ｍＶ・ｍ／Ｎの値、圧電素子の相対誘電率Ｋz＝３２００の値、絶対誘電率ε0＝８．８５ｐＦ／ｍの値、並びに圧電素子の長さ（厚み）ｌ＝０．１、０．７、１．０ｍｍの値を、発電力の式（５）に代入すると、平均発電力Ｕmを計算することができる。その結果として、平均発電力とコロイダルダンパー１の最大作動圧力との関係を図９（ｂ）に示す。
【００４８】
図９（ａ）より、平均発電圧Ｕm＝１２Ｖ（内燃機関（エンジン）を使用した自動車のバッテリーの普通電圧）を得るための圧電素子の厚みは薄すぎるので、実用化が難しいと考えられる。しかし、平均発電圧Ｕm＝２４Ｖ（内燃機関（エンジン）を使用したトラックのバッテリーの普通電圧）、平均発電圧Ｕm＝２０２Ｖ（ハイブリッド車両Ａのハイブリッドバッテリーの電圧）、並びに平均発電圧Ｕm＝２８８Ｖ（ハイブリッド車両Ｂのハイブリッドバッテリーの電圧）を得るための圧電素子の厚み（ｌ＝０．１、０．７、並びに１．０ｍｍ）は技術的に可能であるので、コロイダルダンパー１の実用化ができると考えられる。
【００４９】
また、図９（ｂ）より、コロイダルダンパー１の平均発電力が１〜１００Ｗの範囲内で変動しているので、コロイダルダンパー１の実用化（例えば、図１０に示すようにバッテリー１０の充電、燃料噴射装置のアクチュエータ１１の電源など）ができると考えられる。
【００５０】
なお、上記実施形態におけるコロイダルダンパー１では、圧電素子６を一定体積の密閉空間３ａ内に設置しているが、図１１に示すように可変体積の密閉空間３ｂ内に設置することも可能である。このような構成であっても、密閉空間３内の圧力ｐは同じであり、ピストン４が接触しない位置に圧電素子６を設置することで、上述と同様の作用効果を得ることができる。
【００５１】
なお、本実施形態におけるコロイダルダンパー１においては、図１に示すように、密閉空間３内の作動圧力を調整する圧力調整手段７を備えている。圧力調整手段７としては、例えば、密閉空間３に連通され、密閉空間３内の作動液体８を流出入させるポンプ装置を用いることができる。ポンプ装置は、ポンプ、サーボ弁、圧力計、加速度計および制御装置から構成されており、密閉空間３への作動液体８の流出入量あるいは圧力を制御することができるようになっている。コロイダルダンパー１はシリンダ２とピストン４により形成される密閉空間３内の圧力を、この圧力調整手段７により調整することで、能動的に減衰特性および弾性特性を制御することができる。
【００５２】
また、圧力調整手段７として、多孔質体９、作動液体８またはシリンダ２に弾性波を加振する加振装置を備えた構成とすることも可能である。ここで、弾性波は、音波や超音波等であり、前述のポンプ装置に代えて、例えば、加振装置としての音波や超音波等の発生器を用いることによっても、能動的に減衰特性および弾性特性を制御することができる。
【００５３】
あるいは、圧力調整手段７として、多孔質体９および作動液体８のいずれかまたは両方の表面張力を制御する表面張力制御手段を備えた構成とすることも可能である。表面張力制御手段は、密閉空間３内の電場を制御する電場制御装置あるいは密閉空間３内の磁場を制御する磁場制御装置とすることが可能である。さらに、表面張力制御手段は、密閉空間３内の多孔質体９および作動液体８のいずれかまたは両方の温度を制御する温度制御装置とすることも可能である。あるいは、表面張力制御手段として、界面活性剤の可逆酸化還元性を制御する電気化学制御装置、光または紫外線の照射装置とすることも可能である。
【００５４】
あるいは、圧力調整手段７として、多孔質体９の細孔の内径を制御する細孔内径制御手段を備えた構成とすることも有効である。例えば、疎水処理分子によって疎水処理が施された多孔質体９に対し、疎水処理分子を回転または伸縮させる細孔内径制御手段により行うことが可能である。疎水処理分子を回転または伸縮させるための手段としては、光または紫外線の照射装置を用いることが可能である。あるいは、圧力調整手段として、多孔質体９および作動液体８のいずれかまたは両方の質量を調整する質量調整手段を備えた構成とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のコロイダルダンパーは、外部から作用する機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能なダンパーとして有用であり、バッテリーの充電や燃料噴射装置のアクチュエータの電源などに好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１ コロイダルダンパー
２ シリンダ
３ 密閉空間
３a 一定体積の密閉空間
３ｂ 可変体積の密閉空間
４ ピストン
４ａ 密閉装置
４ｂ ピストンロッド
５ フィルタ
６ 圧電素子
７ 圧力調整手段
８ 作動液体
９ 多孔質体
１０ バッテリー
１１ アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密閉空間にシリカゲル等の多孔質体と作動液体との混合物を封入し、多孔質体の細孔へ作動液体を流出入させることにより、外部から作用する機械的エネルギーを散逸させるコロイダルダンパーに係り、より詳しくは、外部から作用する機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能なコロイダルダンパーに関する。
【背景技術】
【０００２】
コロイダルダンパーは、密閉空間にシリカゲル等の多孔質体と作動液体との混合物（コロイド溶液）を封入した装置であり、多孔質体の細孔へ作動液体を流出入させることにより、外部から作用する機械的エネルギーを散逸させるものである（例えば、特許文献１，２参照。）。また、この種のコロイダルダンパーを実用化するために、本発明者は、正減衰力のエネルギーを散逸するコロイダルダンパー（例えば、特許文献３参照。）および正負減衰力のエネルギーを散逸するコロイダルダンパー（例えば、特許文献４参照。）を提案している。
【０００３】
さらに、この種のコロイダルダンパーを実用化するために、本発明者は、作動液体として水と不凍剤との混合物を使用するコロイダルダンパー（例えば、特許文献５，９参照。）、シリカゲル等の多孔質体として疎水化多孔質シリカゲルを使用するコロイダルダンパー（例えば、特許文献６参照。）、および、密閉空間内から多孔質体および作動液体が漏れ出さないようにして耐久性を向上したコロイダルダンパー（例えば、特許文献７参照。）を提案している。
【０００４】
なお、パッシブ（受動）制御コロイダルダンパー（例えば、特許文献１〜７参照。）の減衰特性は定値である。しかしながら、外励振（例えば、乗り物の懸架装置の場合の凹凸路面の変位励振や、耐震システムの場合の地震の加振力）による、振動や衝撃のエネルギーを効果的に散逸するためには、ダンパーの減衰特性を変化させて調整（制御）しなければならない。そこで、本発明者は、減衰特性を制御することが可能なアクティブ（能動）制御コロイダルダンパー（例えば、特許文献８参照。）を提案している。
【０００５】
ところで、ディーゼル燃料やガソリン燃料を内燃機関の吸気マニホールドや燃焼器に注入する燃料噴射装置（例えば、特許文献１０，１１参照。）が提案されている。図１２に示すように、この種の燃料噴射装置２０には、圧電アクチュエータ２１と制御装置２２がついており、圧電アクチュエータ２１のトリガー電圧Ｕを制御装置２２で調整して圧電アクチュエータ２１の長さを制御し、燃料噴射装置２０を開閉することができる。この燃料噴射装置２０では、トリガー電圧と燃料の圧力とに互いに関係があり、例えば、燃料の圧力が１５０〜１７０ＭＰａの高圧範囲内で変動する場合、トリガー電圧を２２０〜２６０Ｖの範囲内に調整しなければならない。逆に、燃料の圧力が３０〜５５ＭＰａの低圧範囲内で変動する場合、トリガー電圧を５０〜８０Ｖの範囲内に調整しなければならない（特許文献１１参照。）。
【０００６】
このように、近年では内燃機関であっても外部から電気エネルギーを供給して制御することが必須となっている。また、近年では内燃機関（ガソリンエンジン）と電動機（モータ）を使用したハイブリッド車両の普及も進んでいる。図１３はハイブリッド車両のエネルギー的フローチャートを示している。図１３に示すハイブリッド車両では、２１ｋＷの電力を有するハイブリッドバッテリー（ＮｉＭＨ）を使用しており、バッテリーの直流電圧は、２８８Ｖか２０２Ｖであり、バッテリーの電気エネルギーは、１．８ｋＷｈか１．３ｋＷｈである。つまり、このハイブリッド車両の場合、バッテリーの電流は約６．３Ａｈである。また、発電機とインバータとの間、並びに電動機（モータ）とインバータとの間での電力は、２７４Ｖか５００Ｖの交流電圧で伝達されている。このように近年では、多くの電力を必要とする車両も増えており、電気エネルギーを無駄なく利用することが望まれている。
【０００７】
そこで、車両の懸架装置より電気エネルギーを収穫することが可能なシステムが提案されている（例えば、特許文献１２参照。）。このような車両用懸架装置は、電磁アクチュエータとばねの並列構造を使用している。具体的には、電磁アクチュエータとして、直流電動機（モータ）と発電機とを使用し、ばねとして、空気ばね（図１４参照。）あるいは圧縮コイルばね（図１５参照。）を使用している。この車両用懸架装置では、電磁アクチュエータの軸とボールねじロッドとが連結され、ボールねじロッドの回転運動に対して、相手のボールねじナットが並進運動を行うようになっている。
【０００８】
つまり、このようなボールねじ機構を用いると、凹凸路面により発生した車両の上下運動（跳ね上がりおよび跳ね下がり）を電磁アクチュエータの回転運動に変換することができる。その結果、懸架装置のある使用モードで電磁アクチュエータが跳ね上がりおよび跳ね下がりの運動に対して正減衰力を提供するので、ダンパー(減衰要素)の効果が得られる。逆に、懸架装置のある使用モードで電磁アクチュエータが跳ね上がりおよび跳ね下がりの運動エネルギーを電気エネルギーに変換した場合、つまり、負減衰力を提供した場合、発電の効果が得られ、このように収穫された電気エネルギーをバッテリーの充電に使用することができる。また、このシステムでは、制御装置により、電磁アクチュエータの使用モード、バッテリーの充電や放電などを制御することが可能となっている。
【０００９】
また、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する１つの古典的な方法として、イオン分離方法が知られている。イオン分離効果を得るためには、様々な原理を使用することが可能であるが、その１つとして、例えば、特許文献１３には、ナノ多孔質材料と電解液との混合物を用いたシステムが開示されている。このシステムの場合、機械的なエネルギー（例えば、振動や衝撃のエネルギー）を用いて電解液を強制的に吸着させると、同時に小さなイオンは細孔内に吸着できるが、大きなイオンは細孔内に吸着できない、といった条件で、ナノ細孔の直径が選択されることにより、イオン分離効果を得ている。その結果、ナノ細孔に吸着できた液体は、小さなイオンの余剰を持つのに対して、バルク液体、つまり、ナノ細孔に吸着できなかった液体は、大きなイオンの余剰を持つ。大きな面積を有する電極でこのような帯電差（電圧）を集中させると、ナノ多孔質材料に液体を強制的に吸着させた機械的な仕事の一部を電気エネルギーに変換することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第９６／１８０４０号
【特許文献２】国際公開第０１／５５６１６号
【特許文献３】特開２００４−４４７３２号公報
【特許文献４】特開２００５−１２１０９１号公報
【特許文献５】特開２００５−１２１０９２号公報
【特許文献６】特開２００６−１１８５７１号公報
【特許文献７】国際公開第２００８／０２９５０１号
【特許文献８】国際公開第２００８／１５２７７６号
【特許文献９】特開２０１０−１８５５７７号公報
【特許文献１０】米国特許出願公開第２０１０／０５９０２１号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２０１０／２９４８５３号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２０１０／２３０８７６号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００９／２４３４２８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１２に記載のような電気エネルギーを収穫する懸架装置はアクティブ制御システムであるため、欠点として、低信頼性、低ロバスト性や、複雑で高価な構造などが挙げられる。また、制御装置の偶然故障が発生したときに、負減衰力による車両の懸架装置が不安定となる可能性もある。
【００１２】
また、特許文献１３に記載のような機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するためにイオン分離効果を使用した全てのシステムでは、とても低い発電圧（ｍＶのオーダー）しか得られないといった大きな問題点が挙げられる。その結果、実際にこのようなイオン分離効果を使用したシステムは、実用化できない。
【００１３】
そこで、本発明においては、本発明者が提案するコロイダルダンパーを応用し、外部から作用する機械的エネルギーから実用的な電力の電気エネルギーを収穫可能としたコロイダルダンパーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のコロイダルダンパーは、シリンダと、このシリンダに往復動自在に案内支持され、シリンダと協働して密閉空間を形成するピストンと、多数の細孔を有し、密閉空間内に収容される多孔質体と、多孔質体とともに密閉空間内に収容され、加圧時に多孔質体の細孔へ流入する一方、減圧時に多孔質体の細孔から流出する作動液体と、密閉空間内に設置された圧電素子とを有するものである。
【００１５】
本発明のコロイダルダンパーでは、密閉空間内に収容された作動液体が多孔質体の細孔へ流出入することで、外部から作用する機械的エネルギーを散逸させて減衰させる。また、加圧時には、密閉空間内に収容された作動液体によって圧電素子が加圧されるので、圧電素子により電気エネルギーが収穫される。
【００１６】
また、本発明のコロイダルダンパーは、作動液体は通過させるが多孔質体は通過させないフィルタであり、密閉空間をピストンが往復動する側の第１密閉空間と反対側の第２密閉空間とに二分するフィルタを有し、圧電素子が第２密閉空間内に設置されていることが望ましい。
【００１７】
これにより、多孔質体はフィルタを通過せず、作動液体のみが通過するので、多孔質体がシリンダとピストンとの摺動部へ流入するのを防止することができるとともに、圧電素子が、ピストンが往復動する側と反対側の第２密閉空間内にあるので、ピストンと接触することがない。
【発明の効果】
【００１８】
（１）シリンダと、このシリンダに往復動自在に案内支持され、シリンダと協働して密閉空間を形成するピストンと、多数の細孔を有し、密閉空間内に収容される多孔質体と、多孔質体とともに密閉空間内に収容され、加圧時に多孔質体の細孔へ流入する一方、減圧時に多孔質体の細孔から流出する作動液体と、密閉空間内に設置された圧電素子とを有するコロイダルダンパーによれば、加圧時には密閉空間に収容された作動流体によって圧電素子が大きな圧力により加圧されるので、実用的な殿両の電気エネルギーを収穫することが可能となる。
【００１９】
（２）作動液体は通過させるが多孔質体は通過させないフィルタであり、密閉空間をピストンが往復動する側の第１密閉空間と反対側の第２密閉空間とに二分するフィルタを有し、圧電素子が第２密閉空間内に設置されていることにより、圧電素子が、ピストンが往復動する側と反対側の第２密閉空間内にあるので、ピストンと接触することがなく、ピストンの往復動により圧電素子を破損することがない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態におけるコロイダルダンパーの模式図である。
【図２】（ａ）は環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電する圧電素子を示す図、（ｂ）は内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電する圧電素子を示す図である。
【図３】環状筒形の端表面でアキシアル圧力による圧縮されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示す図である。
【図４】内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示す図である。
【図５】環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電すると同時に、内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示す図である。
【図６】（ａ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力を変更したときのヒステリシス変化を示す図、（ｂ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力を変更したときの一周期内の圧力変動を示す図である。
【図７】（ａ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と散逸エネルギーとの関係を示す図、（ｂ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と平均圧力との関係を示す図である。
【図８】（ａ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力を変更したときのヒステリシス変化および中央線を示す図、（ｂ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と内部ばね定数との関係を示す図である。
【図９】（ａ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と平均発電圧との関係を示す図、（ｂ）はコロイダルダンパーの最大作動圧力と平均発電力との関係を示す図である。
【図１０】コロイダルダンパーの実用化イメージを示す説明図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態におけるコロイダルダンパーの模式図である。
【図１２】燃料噴射装置を示す図である。
【図１３】ハイブリッド車両のエネルギー的フローチャートを示す図である。
【図１４】電磁アクチュエータと空気ばねの並列構造を使用した車両用懸架装置を示す図である。
【図１５】電磁アクチュエータと圧縮コイルばねの並列構造を使用した車両用懸架装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は本発明の実施の形態におけるコロイダルダンパーの模式図である。
図１において、本発明の実施の形態におけるコロイダルダンパー１は、シリンダ２と、このシリンダ２に往復動自在に案内支持され、シリンダ２と協働して密閉空間３を形成するピストン４と、密閉空間３を一定体積の密閉空間３ａと可変体積の密閉空間３ｂとに二分するように設けられた隔壁としてのフィルタ５と、密閉空間３ａ内に設置する圧電素子６とを備える。ピストン４の摺動面には、パッキン等の密閉装置４ａが設けられている。
【００２２】
密閉空間３内には作動液体８が収容されており、ピストン４が往復動する側と反対側の一定体積の密閉空間３ａ内には多数の細孔を有する多孔質体９が収容されている。フィルタ５は、多孔質体９の平均外径ｄ2（実際に測定された外径分布に関して計算された平均値）よりも小さな径（０．１μｍ〜１０μｍ程度のオーダ）の細孔が多数形成されたものであり、作動液体８は通過させるが、多孔質体９は通過させない。このフィルタ５の細孔によって、多孔質体９はシリンダ２とピストン４との摺動部から隔離され、作動液体８のみが密閉空間３ａ，３ｂ間を自由に移動することができるようになっている。
【００２３】
多孔質体９は、シリカゲル、アエロゲル、セラミックス、多孔質ガラス、ゼオライト、多孔質ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、多孔質蝋、多孔質ポリスチレン、アルミナやカーボン（黒鉛、木炭、フラーレンおよびカーボンナノチューブを含む。）等からなる外径１μｍ〜１００μｍ程度のマイクロオーダの略球形粒状物（マイクロ粒子）である。多孔質体９は、複数の内径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度のナノオーダの細孔（ナノ細孔）と、略中央に形成された中空部とを有する。細孔は、一端で中空部に開口し、他端で多孔質体９の外に開口して、中空部から放射方向に伸びている。なお、別の実施形態として、中空部がない特殊な構造の多孔質体とすることも可能である。多孔質体９のそれぞれの外面、細孔の内面、並びに中空部の内面は、作動液体８に対して親和性がなく分子鎖が線形である物質で被覆（疎水処理）されている。
【００２４】
作動液体８は、高い表面張力を有する液体であることが好ましく、代表的には水を挙げることができる。水以外の作動液体としては、水と不凍剤との混合液、例えばエタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等から選ばれた少なくとも一種以上を、好ましくは多くとも６７容量％混入させた水を用いることができる。この場合、０℃以下の環境でもコロイダルダンパー１を使用することができるようになる。また、水と、水よりも蒸発しにくい物質、例えばジメチルフォルムアミド、フォルムアミド等との混合液を使用することができる。この場合、１００℃以上の環境でもコロイダルダンパー１を使用することができるようになる。
【００２５】
さらに、水と消泡剤との混合液、例えばシリコン系の消泡剤、非シリコン系の消泡剤、オイル径の消泡剤等から選ばれた少なくとも一種以上を、好ましくは多くとも５０ｐｐｍ混入させた水を用いることができる。この場合、密閉装置３から空気が密閉空間に流入しても、コロイダルダンパー１を利用することができるようになる。多孔質体９の細孔の平均内径ｄ1（実際に測定された内径分布に関して計算された平均値）は、作動液体分子の平均自由行程をＬpとしたときのクヌーセン数Ｋn＝Ｌp／（ｄ1・１／２）が０．０３４よりも大きく、０．１１９（好ましくは０．０９７）よりも小さい範囲で決定されることが望ましい。また、多孔質体９の平均外径ｄ2は、この多孔質体９の細孔の平均内径ｄ1の１０倍以上であって１０００００倍以下の範囲で決定されることが望ましい。
【００２６】
なお、多孔質体９と作動液体８とは、多孔質体９の細孔の全容積をＭＶP（多孔質体９の質量Ｍと多孔質体９の細孔の比体積ＶPとの掛け算）とし、作動液体８の体積をＶLとすると、その比ＭＶP／ＶLが０．２以上であって２．５以下の範囲をもって収容されていることが望ましい。なお、本実施形態においては、比ＭＶP／ＶLが実質的に１となるように密閉空間３に収容されている。
【００２７】
この構成のコロイダルダンパー１では、ピストン４のピストンロッド４ｂに外力が加えられると（加圧時）、この外力がピストン４を介して作動液体８に加えられ、作動液体８が加圧される。この加圧により作動液体８は、密閉空間３ａ内に多孔質体９の細孔からその表面張力に抗して流入する。これにより、ピストン４は、密閉空間３の容積を減少するように移動する。また、このコロイダルダンパー１では、外力に関する振動や衝撃のエネルギーが細孔への作動流体の流入により消費されるために、ピストン４を移動させる力を減衰させる。
【００２８】
一方、ピストン４へ付与された力がなくなると（減圧時）、表面張力に抗して細孔へ流入した作動液体８は、その表面張力により細孔から多孔質体の外へ流出する。これにより、ピストン４は逆に密閉空間３の容積を増大するように移動し、初期位置へと復帰する。このとき、多孔質体９はフィルタ５の細孔を通過せずに、密閉空間３ａ内に留め置かれ、作動液体８のみがフィルタ５の細孔を通過する。したがって、このコロイダルダンパー１では、多孔質体９が密閉空間３ｂ内へ流入しないので、シリンダ２とピストン４との摺動部への多孔質体９の流入が防止されるので、コロイダルダンパー１の耐久性が向上している。
【００２９】
また、本実施形態におけるコロイダルダンパー１では、上記加圧時に密閉空間３内に設置された圧電素子６が加圧されるので、この圧電素子６に加えられた圧力が電気エネルギーに変換され、収穫される。圧電素子６は、圧電体に加えられた圧力を電圧に変換する圧電効果を利用した受動素子であり、密閉空間３内の作動液体８が加圧されると、この作動液体８の圧力を電圧に変換するものである。
【００３０】
圧電素子６としては、図２（ａ）に示すような環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電する圧電素子や、図２（ｂ）に示すような内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電する圧電素子などを使用することができる。これらの圧電素子の形状特性（形、体積）、発電特性（発電圧、圧電定数の範囲、発電力、相対誘電率）および強度的な条件の例を表１に示す。なお、発電圧Ｕは、コロイダルダンパー１により得られる電圧である。
【００３１】
【表１】
【００３２】
なお、圧電素子の形状、圧電素子の電気方向（分極方向）および圧電素子の機械方向（圧力方向）は、図２に示す形状や方向に制限されない。例えば、圧電素子の形状は、図２に示すような環状円筒形（チューブラ）や、表１に示すような丸棒、環状円筒形、円板および環状円板に制限されない。したがって、コロイダルダンパー１に使用できる圧電素子の形状は中空球、半球や正方形板等としても良い。また、分極方向として、圧電素子のアキシアル軸ではなく、圧電素子のラジアル方向に沿って圧電素子を分極しても良い。さらに、コロイダルダンパー１の構造を適当に変更させることによって、圧電素子に対して作動液体８（コロイド溶液）により、加圧（圧縮）ではなく、引張、曲げ、ねじりやせん断を加えて電気エネルギーを得ることも可能である。
【００３３】
また、圧電素子６を複数個用いて、並列電気回路を形成することにより発電力を増加することも可能である。図３は環状筒形の端表面でアキシアル圧力による圧縮されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示し、図４は内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を示している。また、図５に示すように、環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電すると同時に、内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路とすることも可能である。このように圧電素子の二方向加圧を使用すると、アキシアル圧力により得られる発電力にラジアル圧力による得られた発電力を加えることで、コロイダルダンパー１の発電力をさらに増加させることができる。
【００３４】
次に、図５に示した環状筒形の端表面でアキシアル圧力により圧縮されて発電すると同時に、内部筒形の側面でラジアル圧力により加圧されて発電するｎ個の圧電素子の並列電気回路を構成したコロイダルダンパー１の発電機能について検証する。図５に示したｎ個の圧電素子の並列電気回路を構成したコロイダルダンパー１の発電力Ｐは、次式（１）となる。
【数１】
【００３５】
しかし、電気エネルギーを収穫するコロイダルダンパー１の応用的な立場から見ると、アキシアル圧力により得られる発電圧
の値と、ラジアル圧力による得られる発電圧
の値とが等しくなるような設計条件を課しなければならない。このような設計条件を課すと、選択された圧電素子の材料によって発電圧の圧電係数（ｇzz，ｇzr）が分かり、圧電素子の内直径と外直径との比ｄi／ｄoは、次式（２）で計算できる。
【数２】
【００３６】
例えば、選択された圧電素子のセラミックス材料の場合、発電圧の圧電係数がｇzz＝２６．１ｍＶ・ｍ／Ｎ、並びにｇzr＝１１．９ｍＶ・ｍ／Ｎであれば、式（２）より、圧電素子の内直径と外直径との比はｄi／ｄo＝０．５４４となる。
【００３７】
実際に、このような二方向加圧を使用した圧電素子の場合、アキシアル圧力により得られる発電圧と、ラジアル圧力により得られる発電圧とが等しくなった設計条件の上で発電力が２倍大きくなる（式（３）参照。）。
【数３】
【００３８】
四輪車両の場合、左右前後輪用コロイダルダンパー１のそれぞれの内圧力は瞬間的に異なるが、簡便のため本実施例では、左前輪用コロイダルダンパー１の内圧力と、左後輪用コロイダルダンパー１の内圧力と、右前輪用コロイダルダンパー１の内圧力と、右後輪用コロイダルダンパー１の内圧力とが等しい、といった仮定の下で、さらに発電力が４倍大きくなる（式（４）参照。）。
【数４】
【００３９】
圧電素子の体積
に式（２）より圧電素子の内直径と外直径との関係を代入し、得られた結果をさらに式（４）に代入すると、本実施例で使用するコロイダルダンパー１の発電力は次式（５）のようになる。
【数５】
【００４０】
本実施例では、圧電素子の個数はｎ＝５５、周波数はｆ＝１０Ｈｚ、圧電素子の外直径はｄo＝６０ｍｍ（式（２）より圧電素子の内直径はｄi＝３３ｍｍとなる。）、圧電素子の相対誘電率はＫz＝３２００、並びに絶対誘電率はε0＝８．８５ｐＦ／ｍとする。また、本実施例の発電圧の値として、Ｕ＝１２Ｖ（内燃機関（エンジン）を使用した自動車のバッテリーの普通電圧）、２４Ｖ（内燃機関（エンジン）を使用したトラックのバッテリーの普通電圧）、２０２Ｖ（ハイブリッド車両Ａのハイブリッドバッテリーの電圧）、並びに２８８Ｖ（ハイブリッド車両Ｂのハイブリッドバッテリーの電圧）とする。
【００４１】
図６（ａ）はコロイダルダンパー１の最大作動圧力が２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａ、３５ＭＰａ、４０ＭＰａ、並びに６０ＭＰａとなったときのヒステリシス（作動圧力とピストンストロークとの関係ループ）の形を示し、図６（ｂ）はコロイダルダンパー１の最大作動圧力が２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａ、３５ＭＰａ、４０ＭＰａ、並びに６０ＭＰａとなったときの一周期内の作動圧力の変動を示す。
【００４２】
コロイダルダンパー１の散逸エネルギーＥの解析は、ピストン４の断面積と図６（ａ）のようなｐ（Ｓ）ヒステリシスループの面積とを掛け算したものが散逸エネルギーとなる。図７（ａ）はコロイダルダンパー１の散逸エネルギーと最大作動圧力との関係グラフを示している。図７（ａ）より、最大作動圧力の増加につれて、コロイダルダンパー１の散逸エネルギーが単調に増加することが分かる。
【００４３】
コロイダルダンパー１の平均圧力ｐmは、図６（ｂ）のようなｐ＝ｐ（ｔｆ）グラフの平均値、つまり、一周期内の作動圧力と無次元化時間との関係グラフを積分したものが平均圧力となる。図７（ｂ）はコロイダルダンパー１の平均圧力と最大作動圧力との関係を示すグラフである。図７（ｂ）より、最大作動圧力の増加につれてコロイダルダンパー１の平均圧力が単調に増加することが分かる。
【００４４】
図８（ａ）はコロイダルダンパー１の最大作動圧力が２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０ＭＰａ、３５ＭＰａ、４０ＭＰａ、並びに６０ＭＰａとなったときのヒステリシス（作動圧力とピストンストロークとの関係ループ）の形、およびヒステリシスの中央線（ストロークと平均圧力との関係グラフ）を示している。コロイダルダンパー１のばね定数ｋsは、ピストン４の断面積と図８（ａ）のようなヒステリシスの中央線の傾きとを掛け算したものとなる。
【００４５】
また、図８（ｂ）はコロイダルダンパー１の内部ばね定数と最大作動圧力との関係グラフを示している。図８（ｂ）より、内部ばね定数は最大作動圧力が低圧部分と高圧部分で線形的に上昇していることが分かる。これは多孔質体９の細孔に作動液体８が出入りしていない部分であり、水の圧縮性と密閉装置の弾性特性により起きたと考えられる。また、１５〜４５ＭＰａの範囲内では、多孔質体９の細孔に作動液体８が出入り（吸着・脱着）することによってコロイダルダンパー１の剛性が低くなる、つまり、内部ばね定数が減少することが分かる。
【００４６】
図７（ｂ）より、コロイダルダンパー１の最大作動圧力と平均圧力との関係が分かるので、平均圧力の値を求め、そして、平均圧力の値、発電圧の圧電係数ｇzz＝２６．１ｍＶ・ｍ／Ｎの値、並びに圧電素子の長さ（厚み）ｌ＝０．１、０．７、１．０ｍｍの値を発電圧の式Ｕ＝ｌｐｇzz（表１参照。）に代入すると、平均発電圧Ｕmを計算することができる。その結果として、平均発電圧とコロイダルダンパー１の最大作動圧力との関係を図９（ａ）に示す。
【００４７】
また、図７（ｂ）より平均圧力の値、圧電素子の個数ｎ＝５５の値、周波数ｆ＝１０Ｈｚの値、圧電素子の外直径ｄo＝６０ｍｍの値、発電圧の圧電係数ｇzz＝２６．１ｍＶ・ｍ／Ｎとｇzr＝１１．９ｍＶ・ｍ／Ｎの値、圧電素子の相対誘電率Ｋz＝３２００の値、絶対誘電率ε0＝８．８５ｐＦ／ｍの値、並びに圧電素子の長さ（厚み）ｌ＝０．１、０．７、１．０ｍｍの値を、発電力の式（５）に代入すると、平均発電力Ｕmを計算することができる。その結果として、平均発電力とコロイダルダンパー１の最大作動圧力との関係を図９（ｂ）に示す。
【００４８】
図９（ａ）より、平均発電圧Ｕm＝１２Ｖ（内燃機関（エンジン）を使用した自動車のバッテリーの普通電圧）を得るための圧電素子の厚みは薄すぎるので、実用化が難しいと考えられる。しかし、平均発電圧Ｕm＝２４Ｖ（内燃機関（エンジン）を使用したトラックのバッテリーの普通電圧）、平均発電圧Ｕm＝２０２Ｖ（ハイブリッド車両Ａのハイブリッドバッテリーの電圧）、並びに平均発電圧Ｕm＝２８８Ｖ（ハイブリッド車両Ｂのハイブリッドバッテリーの電圧）を得るための圧電素子の厚み（ｌ＝０．１、０．７、並びに１．０ｍｍ）は技術的に可能であるので、コロイダルダンパー１の実用化ができると考えられる。
【００４９】
また、図９（ｂ）より、コロイダルダンパー１の平均発電力が１〜１００Ｗの範囲内で変動しているので、コロイダルダンパー１の実用化（例えば、図１０に示すようにバッテリー１０の充電、燃料噴射装置のアクチュエータ１１の電源など）ができると考えられる。
【００５０】
なお、上記実施形態におけるコロイダルダンパー１では、圧電素子６を一定体積の密閉空間３ａ内に設置しているが、図１１に示すように可変体積の密閉空間３ｂ内に設置することも可能である。このような構成であっても、密閉空間３内の圧力ｐは同じであり、ピストン４が接触しない位置に圧電素子６を設置することで、上述と同様の作用効果を得ることができる。
【００５１】
なお、本実施形態におけるコロイダルダンパー１においては、図１に示すように、密閉空間３内の作動圧力を調整する圧力調整手段７を備えている。圧力調整手段７としては、例えば、密閉空間３に連通され、密閉空間３内の作動液体８を流出入させるポンプ装置を用いることができる。ポンプ装置は、ポンプ、サーボ弁、圧力計、加速度計および制御装置から構成されており、密閉空間３への作動液体８の流出入量あるいは圧力を制御することができるようになっている。コロイダルダンパー１はシリンダ２とピストン４により形成される密閉空間３内の圧力を、この圧力調整手段７により調整することで、能動的に減衰特性および弾性特性を制御することができる。
【００５２】
また、圧力調整手段７として、多孔質体９、作動液体８またはシリンダ２に弾性波を加振する加振装置を備えた構成とすることも可能である。ここで、弾性波は、音波や超音波等であり、前述のポンプ装置に代えて、例えば、加振装置としての音波や超音波等の発生器を用いることによっても、能動的に減衰特性および弾性特性を制御することができる。
【００５３】
あるいは、圧力調整手段７として、多孔質体９および作動液体８のいずれかまたは両方の表面張力を制御する表面張力制御手段を備えた構成とすることも可能である。表面張力制御手段は、密閉空間３内の電場を制御する電場制御装置あるいは密閉空間３内の磁場を制御する磁場制御装置とすることが可能である。さらに、表面張力制御手段は、密閉空間３内の多孔質体９および作動液体８のいずれかまたは両方の温度を制御する温度制御装置とすることも可能である。あるいは、表面張力制御手段として、界面活性剤の可逆酸化還元性を制御する電気化学制御装置、光または紫外線の照射装置とすることも可能である。
【００５４】
あるいは、圧力調整手段７として、多孔質体９の細孔の内径を制御する細孔内径制御手段を備えた構成とすることも有効である。例えば、疎水処理分子によって疎水処理が施された多孔質体９に対し、疎水処理分子を回転または伸縮させる細孔内径制御手段により行うことが可能である。疎水処理分子を回転または伸縮させるための手段としては、光または紫外線の照射装置を用いることが可能である。あるいは、圧力調整手段として、多孔質体９および作動液体８のいずれかまたは両方の質量を調整する質量調整手段を備えた構成とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のコロイダルダンパーは、外部から作用する機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能なダンパーとして有用であり、バッテリーの充電や燃料噴射装置のアクチュエータの電源などに好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１ コロイダルダンパー
２ シリンダ
３ 密閉空間
３a 一定体積の密閉空間
３ｂ 可変体積の密閉空間
４ ピストン
４ａ 密閉装置
４ｂ ピストンロッド
５ フィルタ
６ 圧電素子
７ 圧力調整手段
８ 作動液体
９ 多孔質体
１０ バッテリー
１１ アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
このシリンダに往復動自在に案内支持され、シリンダと協働して密閉空間を形成するピストンと、
多数の細孔を有し、前記密閉空間内に収容される多孔質体と、
前記多孔質体とともに前記密閉空間内に収容され、加圧時に前記多孔質体の細孔へ流入する一方、減圧時に前記多孔質体の細孔から流出する作動液体と、
前記密閉空間内に設置された圧電素子と
を有するコロイダルダンパー。
【請求項２】
前記作動液体は通過させるが前記多孔質体は通過させないフィルタであり、前記密閉空間を前記ピストンが往復動する側の第１密閉空間と反対側の第２密閉空間とに二分するフィルタを有し、
前記圧電素子が前記第２密閉空間内に設置されていることを特徴とする請求項１記載のコロイダルダンパー。
【請求項１】
シリンダと、
このシリンダに往復動自在に案内支持され、シリンダと協働して密閉空間を形成するピストンと、
多数の細孔を有し、前記密閉空間内に収容される多孔質体と、
前記多孔質体とともに前記密閉空間内に収容され、加圧時に前記多孔質体の細孔へ流入する一方、減圧時に前記多孔質体の細孔から流出する作動液体と、
前記密閉空間内に設置された圧電素子と
を有するコロイダルダンパー。
【請求項２】
前記作動液体は通過させるが前記多孔質体は通過させないフィルタであり、前記密閉空間を前記ピストンが往復動する側の第１密閉空間と反対側の第２密閉空間とに二分するフィルタを有し、
前記圧電素子が前記第２密閉空間内に設置されていることを特徴とする請求項１記載のコロイダルダンパー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２１９９００（Ｐ２０１２−２１９９００Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８５６０８（Ｐ２０１１−８５６０８）
【出願日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【出願人】（５００３７２７１７）学校法人福岡工業大学 (32)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【出願人】（５００３７２７１７）学校法人福岡工業大学 (32)
【Ｆターム（参考）】
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