JP2007211906A - 液晶を利用した軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸の始動時や停止時における軸と軸受の接触等を防ぐことができる液晶を利用した軸受を提供する。
【解決手段】軸２と、軸２を内部に収容した軸受１と、軸受１の内面と軸２の外周面との間に充填された液晶ＬＣとを備えており、軸２の外周面には、軸２と軸受１内面との間に位置する液晶ＬＣ中に、軸２の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われている。軸２を液晶ＬＣに挿入するときに、軸２が軸受１の内面から離間した状態となるように配設しておけば、軸２が回転していない場合であっても、液晶ＬＣから軸受１の内面から軸２を離間させるような力を働かせることができる。したがって、軸２が静止している場合や低速で回転している場合であっても、軸２と軸受１内面の接触を防ぐことができるから、軸２や軸受１が摩擦や磨耗によって損傷することを抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶を利用した軸受に関する。液晶は、通常、隣接する液晶分子の向きが大きく変化しないように配向している。しかし、液晶中には、隣接する液晶分子に対して配向が不連続となった部分が発生する場合があり、この不連続となった部分が並んで線状になったものは転傾と呼ばれる。
本発明は、かかる液晶における転傾の周囲に発生する配向分布を利用した液晶を利用した軸受に関する。

流体軸受において、作動流体として液晶を使用する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。この技術では、作動流体として電圧を印加すると粘性が変化する流体、いわゆる電気粘性流体を使用するものであり、この電気粘性流体の一例として液晶化合物が記載されている。そして、電気粘性流体への電圧の印加停止や、印加する電圧を調整すれば、軸の回転抵抗を変化させることができる旨が記載されている。

しかるに、流体軸受では、軸の始動時や停止時には軸と軸受が接触した状態にあり、また、軸が低速で回転しているときには軸と軸受の間に十分な液膜が形成されないため、この状態における摩擦や磨耗を低減することが必要である。このため、耐摩耗性に優れた樹脂などを軸の表面や軸受の内面にコーティングして摩擦や磨耗を防ぐことも行われており、この磨耗や摩擦を防ぐコーティング材料として液晶高分子材料を使用する技術も開発されている（例えば、特許文献２〜４）。
しかし、液晶を作動流体として利用して、軸の始動時や停止時における軸と軸受の接触自体を防ぐ技術、また、軸が低速で回転しているときにおける安定性を高める技術は開発されていない。

特開２０００−２１３５４３号公報 特開２０００−１７９５４１号公報 特開２００１−２７２２５号公報 特開２００１−２７２２６号公報

本発明は上記事情に鑑み、軸の始動時や停止時における軸と軸受の接触等を防ぐことができる液晶を利用した軸受を提供することを目的とする。

第１発明の液晶を利用した軸受は、軸と、該軸が内部に配置された軸受と、該軸受の内面と前記軸の外周面との間に充填された液晶とを備えており、前記軸の外周面には、該軸と前記軸受内面との間に位置する前記液晶中に、該軸の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われていることを特徴とする。
第２発明の液晶を利用した軸受は、第１発明において、前記軸の外周面に施されている表面処理は、前記液晶中に形成される配向分布が前記軸に対して軸対称となるように施されたものであることを特徴とする。
第３発明の液晶を利用した軸受は、第１発明において、前記軸の外周面に施されている表面処理は、前記軸が静止している状態において、前記軸に対して、前記軸と前記軸受とが同軸となるような力が前記液晶から加わる配向分布となるように施されたものであることを特徴とする。

第１発明によれば、軸の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布が液晶中に形成されるから、軸が移動しようとすると、軸を元の位置に戻そうとする力が液晶から軸に加わる。よって、軸を液晶に挿入するときに、軸が軸受の内面から離間した状態となるように配設しておけば、軸が回転していない場合であっても、液晶から軸受の内面から軸を離間させるような力を働かせることができる。したがって、軸が静止している場合や低速で回転している場合であっても、軸と軸受内面の接触を防ぐことができるから、軸や軸受が摩擦や磨耗によって損傷することを抑えることができる。
第２発明によれば、軸に対して液晶から加わる力を軸対称にすることができるので、軸が低速で回転している状態でも、軸を軸受の中心に配置した状態で回転させることができる。
第３発明によれば、軸の回転が停止している状態において軸が軸受に接触する可能性をより一層低減することができる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の液晶を利用した軸受は、軸受の作動流体として液晶を利用したものであって、液晶欠陥である転傾を利用して軸と軸受の接触を防ぐようにしたことに特徴を有している。言い換えれば、軸受の作動流体である液晶内に形成される配向分布を、あたかも軸の位置に転傾が存在しているかのような配向分布としたことに特徴を有しているのである。

まず、本発明の液晶を利用した軸受の説明をする前に、転傾について説明する。
図３は転傾が存在する液晶のシュリーレン写真である（出展：C. Destrader, H. -T. Nguyen, H. Gasparoux, J. Malthete, and A. M. Levelunt, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 71, 118,(1981) 図2.233）。
転傾とは、液晶における配向ベクトルの場の欠陥、すなわち不連続線をいい、図３では、その紙面と垂直な方向に沿って、周囲の液晶分子に対して液晶分子の配向が不連続となっている部分が並んで線状に存在することによって形成されている。この図３において、白色と黒色の帯状組織が交差する箇所が欠陥核、つまり、転傾において液晶分子の向きの空間的歪みが最も高くなるところである。なお、周囲の液晶分子に対して配向が不連続となっているとは、その位置において、紙面内での配向が規定できない状態となっていることを意味する。例えば、図３であれば、紙面と垂直な方向、つまり、紙面面外に向かう方向に液晶分子が配向していたり、配向秩序が低下している状態をいう。
以下では、この液晶分子の配向が不連続となっている部分が並んでいる方向を転傾の軸方向という。
図４に、転傾の周囲における液晶分子の配向をモデル化した図を示す（出展：液晶辞典）。図４において、点で表されている部分が、転傾が存在する位置である。また、図４において実線が転傾周囲の配向場を示しており、実線に沿って液晶分子が、その配向方向が連続しているように配向している。なお、図４中のｓは欠陥の強度を示しておりその絶対値が大きいほど強度が強くなることを意味しており、その符号は欠陥の正負を表している。

つぎに、本発明の液晶を利用した軸受を説明する。
図１は本発明の液晶を利用した軸受を採用した軸受の一例であって、（Ａ）概略断面図であり、（Ｂ）は半径方向の断面図である。なお、図１（Ｂ）の液晶ＬＣ内に記載されている実線は転傾周囲の配向場を示している。

図１において、符号１は軸受を示している。この軸受１はその内部に円筒状の中空な空間を有する軸受本体１ａを備えている。この軸受本体１ａの中空な空間には液晶ＬＣが収容されており、この液晶ＬＣには軸２が挿入されている。この軸２は、その中心軸が軸受本体１ａの中空な空間の中心軸と一致し、かつ、軸受本体１ａに対してその軸周りに回転可能となるように配設されている。
なお、軸受本体１ａの中空な空間に収容される液晶ＬＣは、例えばネマティック液晶やスメクティック液晶、コレステリック液晶、ディスコティック液晶等であるが、転傾を生じさせることができるものであればよく、特に限定はない。この液晶ＬＣには、後述するように、軸２の位置に転傾が形成されている場合と同等の配向分布が形成されるのであるが、詳細は後述する。

また、図１に示すように、軸受１は、軸受本体１ａの前記空間を挟むように一対のシール部材１ｂ，１ｂが配設されており、この一対のシール部材１ｂ，１ｂによって、液晶ＬＣが空間内に保持されている。このシール部材１ｂと軸２の接触部分には、シール部材１ｂと軸２との間を液密に保つようにエポキシ樹脂などのシール剤１ｓが設けられている。
なお、シール剤１ｓは、軸受本体１ａの空間から液晶ＬＣが外部に漏れ出さないように保持しておけるものであればよい。そして、液晶ＬＣを空間内に保持しておく方法はとくに限定されず、軸２が回転しても軸受本体１ａの空間から液晶ＬＣ漏れないように保持できるのであれば、どのような構造を採用してもよい。

そして、軸２の表面および軸受本体１ａの空間の内面には、ラビング処理やラビングレス処理等の液晶の配向を拘束する表面処理が行われている。この表面処理は、軸２の位置に転傾が形成されている場合と同等の配向分布が液晶ＬＣ中に形成されるように行われている。具体的には、軸２の表面から軸受本体１ａの空間の内面に向かって液晶分子が配向するように表面処理を行えば、軸２の周囲における液晶の空間的配向状態（配向分布）を、図１（Ｂ）に示すような状態（図４（ｄ）と同じ配向分布）にすることができる。言い換えれば、液晶分子が軸２の半径方向に沿って配向するように表面処理を行えば、図１（Ｂ）に示すような配向分布にすることができるのである。液晶分子を軸２の半径方向に沿って配向させる場合、軸２の表面や軸受本体１ａの空間の内面に接する液晶分子は、軸２の表面や軸受本体１ａの空間の内面に対して垂直に配向するのであるが、かかる配向を生じさせるには、界面活性剤やクロム錯体、酸化ケイ素（ＳｉＯ）の垂直蒸着を行えばよい。そして、この場合には、軸２の位置が正の符号を有する転傾であるかのように軸２の周囲の液晶ＬＣに配向分布が形成される。

したがって、以上のごとき表面処理を行った軸２を液晶ＬＣ中に挿入するときに、軸２の中心軸が軸受本体１ａの空間の中心軸と一致するように挿入すれば、液晶ＬＣには空間の中心に転傾が存在するかのような配向分布が形成される。すると、軸２を空間の中心に維持しておこうとする力が液晶ＬＣから軸に加わるので、軸２が空間の中心から移動しても液晶ＬＣから加わる力によって軸２は空間の中心に戻される。つまり、軸２が移動しても液晶ＬＣから加わる力によって軸２は元の位置に戻されるから、軸２が回転していない場合であっても、液晶ＬＣを軸受本体１ａの空間の内面から離間した状態に保つことができるのである。
よって、軸２が静止している場合や低速で回転している場合であっても、軸２と軸受本体１ａの内面との接触を防ぐことができるから、軸２や軸受本体１ａが摩擦や磨耗によって損傷することを抑えることができる。そして、軸２がくさび効果によって十分な液膜を形成できる速度で回転している場合には、作動流体が油等である場合と同様に、軸２と軸受本体１ａの内面との間に液晶ＬＣの層が形成されるのは言うまでもない。

なお、軸２の表面に行う表面処理は、上記の処理に限られず、軸２の側面に沿って液晶分子が欠陥構造と同様の空間的配向状態となる処理、言い換えれば、軸２の周囲の液晶ＬＣに、軸２の位置に転傾が存在しているかのような配向分布を形成させることができるのであれば、どのような処理を行ってもよい。
さらになお、図１（Ｂ）に示すような配向分布や、図４（ｂ）、（ｃ）に示すような配向分布、つまり、軸２の周囲に、この軸２に対して軸対称な配向分布が液晶ＬＣ中に形成されるように表面処理を施せば、軸２に対して液晶ＬＣから加わる力を軸対称にすることができる。すると、軸２が低速で回転している状態のように、軸２の回転に伴って発生する動圧が小さい場合でも、軸２を軸受本体１ａの空間の中心に配置した状態で回転させることができる。
さらになお、図１には軸受本体１ａとして円筒状の部材を示しているが、液晶は流体であり特定の形状を持たないので、軸受本体１ａの外形は特に限定されないのはいうまでもない。

また、垂直に配設された軸２を支持する軸受として本発明の軸受を採用する場合、軸２の回転が停止している状態では、通常、軸２を半径方向に移動させるような力は加わらない。このため、軸２の中心軸が軸受本体１ａの空間の中心軸と一致するように軸２を液晶ＬＣ中に挿入しておけば、軸２の回転が停止している状態において液晶ＬＣからの軸２に加わる力で軸２をその位置に確実に保持しておくことができる。つまり、軸２と軸受本体１ａ内面との距離がどの位置（例えば図２（Ａ）のａ、ｂ）でも等しい状態で軸２を保持しておくことができる（図２（Ａ））。
一方、軸２が水平であったり傾斜していたりする場合には、軸２や軸２に連結されている部材の重さにより軸２を半径方向（下方）に移動させるような力（軸加重）が加わる。すると、この力が液晶ＬＣから軸２に加わる力、つまり、軸２を元の位置に戻そうとする力よりも大きくなる場合があり、かかる場合には、液晶ＬＣからの力で軸２を元の位置に維持しておくことができず、軸が下方に移動してしまう。すると、軸２と軸受本体１ａ内面との距離が、下方に形成される隙間ｄは上方に形成される隙間ｃよりも狭くなる（図２（Ｂ））。しかし、液晶ＬＣから軸２に加わる力は軸２の移動量に応じて変化し、その移動量が大きくなれば軸２加わる力は強くなる。したがって、軸２と軸受本体１ａ内面との距離がある距離ｄとなったときに、軸２を下方に移動させようとする力と液晶ＬＣから軸２に加わる力が釣り合うように配向分布が形成されていれば、軸２と軸受本体１ａ内面が接触しない状態で維持することは可能である。
なお、液晶ＬＣから軸２に加わる力は、軸２の移動量だけでなく、欠陥の強度、つまり、軸２の周囲に形成される配向分布によって変化し、欠陥の強度が強くなれば同じ移動量でも軸２に加わる力は強くなる。したがって、軸２の周囲に形成される配向分布を調整することによって、軸に加えることができるラジアル荷重等の軸受の性質を調整することができる。

本発明の液晶を利用した軸受は、非常に微細な動きを必要とするマイクロスケールやナノスケールの物体を移動させる搬送装置等の軸受に適している。

本発明の液晶を利用した軸受を採用した軸受の一例であって、（Ａ）概略断面図であり、（Ｂ）は半径方向の断面図である。 （Ａ）は垂直に軸２を配置した場合における軸受１の概略断面図であり、（Ｂ）水平に軸２を配置した場合における軸受１の概略断面図である。 転傾が存在する液晶のシュリーレン写真である 転傾の周囲における液晶分子の配向をモデル化した図である。

符号の説明

１ 軸受
２ 軸
ＬＣ 液晶

Claims (3)

1. 軸と、該軸が内部に配置された軸受と、該軸受の内面と前記軸の外周面との間に充填された液晶とを備えており、
   前記軸の外周面には、該軸と前記軸受内面との間に位置する前記液晶中に、該軸の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われている
   ことを特徴とする液晶を利用した軸受。
2. 前記軸の外周面に施されている表面処理は、
   前記液晶中に形成される配向分布が前記軸に対して軸対称となるように施されたものである
   ことを特徴とする請求項１記載の液晶を利用した軸受。
3. 前記軸の外周面に施されている表面処理は、
   前記軸が静止している状態において、前記軸に対して、前記軸と前記軸受とが同軸となるような力が前記液晶から加わる配向分布となるように施されたものである
   ことを特徴とする請求項１記載の液晶を利用した軸受。