JP2012072832A - 液晶を利用した物体移動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】小さいエネルギで物体をスムースに移動させることができる液晶を使用した物体移動機構を提供する。
【解決手段】固定された固定板ＢＰと、固定板ＢＰに対して相対的に移動可能に設けられた移動板ＭＰと、固定板ＢＰの上面と、固定板ＢＰの上面と対向する移動板ＭＰの下面との間に設けられた液晶ＬＣと、液晶ＬＣの液晶分子ｍを、固定板ＢＰの上面および／または移動板ＭＰの下面と交わる面内で回転させる液晶分子回転手段とからなり、固定板ＢＰの上面には、液晶ＬＣをはじく処理が施されている。液晶ＬＣの移動抵抗が少ないので、移動板ＭＰを固定板ＢＰに対してスムースに移動させることができる。一旦液晶ＬＣが移動を開始すると、移動抵抗が少ないので、連続的にエネルギを加えなくても、移動板ＭＰの移動を連続させることができる。よって、液晶ＬＣに加えるエネルギを少なくしても、移動板ＭＰをスムースにかつ連続的に移動させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶を利用した物体移動機構に関する。液晶とは、流動性はあるが、光学的には異方性で、複屈折を示し、結晶のような性質をもつ状態又はそのような状態を示す物質をいう。この液晶に対して電界や磁界を加えると、全ての液晶分子は、その重心回りに同じ方向に回転し、その軸方向が電界や磁界の方向に対して液晶固有の角度に配向する。本発明は、かかる液晶の性質を利用した液晶を利用した物体移動機構に関する。

従来から液晶は、液晶分子が配向することによってその光学的性質が変化するため、この性質を利用して液晶ディスプレー等の情報表示装置に使用されている。

近年、液晶分子が配向するときに発生する液晶流動を利用して、物体を移動させる機構が開発されている（例えば、特許文献１）。
かかる機構は、移動が固定された固定平板と、この固定平板に対して移動可能にもうけられた移動平板と、両者の間に充填され両平板にアンカリングされた液晶と、この液晶に対して平板と垂直な電界を加える手段と、を備えている。かかる構成を有して入れば、電界を加えることによって、液晶分子を回転させることができ、この液晶の回転に起因する液晶流動を発生させることができる。すると、移動平板が固定平板に対して移動可能に設けられており、しかも、液晶が両平板にアンカリングされているので、液晶流動に伴って移動平板を移動させることができる。

上記のごとく液晶の流動を利用して平板等の物体を移動させることができるのであるが、固定平板に液晶がアンカリングされているので、物体をスムースにかつ連続して移動させるには液晶に電界を印加し続けなければならず、物体の移動に要するエネルギがある程度大きくなる。よって、この物体の移動に要するエネルギを抑えつつ、物体をスムースに移動させることができる機構が求められている。

特許第３５８６７３４号公報

本発明は上記事情に鑑み、小さいエネルギで物体をスムースに移動させることができる液晶を使用した物体移動機構を提供することを目的とする。

第１発明の液晶を使用した物体移動機構は、固定された固定部材と、該固定部材に対して相対的に移動可能に設けられた移動部材と、前記固定部材の固定側対向面と、該固定部材の固定側対向面と対向する前記移動部材の移動側対向面との間に設けられた液晶と、該液晶の液晶分子を、前記固定部材の固定側対向面および／または前記移動部材の移動側対向面と交わる面内で回転させる液晶分子回転手段とからなり、前記固定部材の固定側対向面には、前記液晶をはじく処理が施されていることを特徴とする。
第２発明の液晶を使用した物体移動機構は、第１発明において、前記固定部材の固定側対向面には、前記移動部材の移動を案内する案内経路が設けられており、前記液晶をはじく処理は、前記案内経路にのみ施されていることを特徴とする。
第３発明の液晶モータは、中空な空間を有する外側部材と、該外側部材の中空な空間の内部に、前記外側部材に対して回転自在に配設された内側軸と、前記外側部材の内面と、前記内側軸の外面との間に入れられた液晶と、前記液晶の液晶分子を、前記内側軸の外面または前記外側部材の内面のいずれか一方と交わる面内で回転させる液晶分子回転手段とからなり、前記内側軸において、前記外側部材の外方かつ前記液晶の近傍に位置する表面には、前記液晶をはじく処理が施されていることを特徴とする。
第４発明の液晶モータは、第３発明において、前記液晶をはじく処理が、前記内側軸の表面において、前記液晶を挟む位置に施されていることを特徴とする。

第１発明によれば、液晶分子回転手段によって固定部材の固定側対向面および／または移動部材の移動側対向面と交わる面内で液晶分子を回転させれば、両部材の対向面間に、対向面に沿った液晶流動が発生する。すると、固定部材の固定側対向面には液晶をはじく処理が施されているので、液晶が固定部材に対して液晶流動の方向に沿って移動し、液晶とともに移動部材も固定部材に対して液晶流動の方向に移動させることができる。そして、固定部材に対する液晶の移動抵抗が少ないので、移動部材を固定部材に対してスムースに移動させることができる。また、一旦液晶が移動を開始すると、移動抵抗が少ないので、連続的にエネルギを加えなくても、液晶の移動、つまり、移動部材の移動を連続させることができる。よって、液晶に加えるエネルギを少なくしても、移動部材をスムースにかつ連続的に移動させることができる。
第２発明によれば、液晶をはじく処理が案内経路にのみ施されている。言い換えれば、液晶をはじく処理をした部分によって案内経路が形成されているので、移動部材を案内経路に沿って移動させることができる。すると、移動部材を所定の方向、経路に沿って移動させることができる。
第３発明によれば、内側軸の表面において、外側部材の外方かつ液晶の近傍に撥液晶部が設けられているので、撥液晶部が設けられている側に液晶が漏れることを防ぐことができる。
第４発明によれば、内側軸の表面における液晶を挟む位置には、液晶をはじく処理が施されているので、液晶が、内側軸の軸方向に移動することを防ぐことができる。よって、外側部材と内側軸との間の液晶が両者の間から漏れ出さず、液晶が両者間に保持された状態を維持できるので、液晶モータを安定した状態で作動させることが可能となる。

本発明の液晶を使用した物体移動機構の概略説明図であり、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は平面図である。 平行板Ｐ上に載せられた液晶ＬＣに電界が加えられたときにおける液晶分子ｍの動きの説明図である。 液晶をはじく処理を液晶モータに利用した例を示した概略説明図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
まず、本発明の液晶を使用した物体移動機構によって、物体を移動させる原理を説明する。
なお、液晶は、電界や磁界を加えたときに、電界や磁界の方向に対して液晶分子の軸方向が液晶固有の角度に配向するが、以下には、電界や磁界を加えたときに、液晶分子の軸方向が電界や磁界の方向と平行になるような液晶について説明する。
また、液晶分子は、電界、磁界いずれを加えた場合でも配向するので、以下には電界を加える場合のみを説明する。

図２(Ａ)において、符号Ｐは一対の平行板を示している。この一対の平行板Ｐ，Ｐは、下方に位置する平行板Ｐはその移動が固定されているが、上方に位置する平行板Ｐ（上方平行板Ｐ）は、下方に位置する平行板Ｐ（下方平行板Ｐ）に対して、相対的に移動可能に設けられている。具体的には、上方平行板Ｐは、その下面が、下方平行板Ｐの上面と平行に維持されたまま、下方平行板Ｐの上面と平行な方向に沿って移動するように設けられている。

図２（Ａ）に示すように、一対の平行板Ｐ，Ｐの互いに対向する面の間には、液晶ＬＣが配置されており、一対の平行板Ｐ，Ｐの互いに対向する面には、それぞれ配向膜Ｆが設けられている。この配向膜Ｆは、その素材は、例えばポリイミド等の高分子物質であり、液晶ＬＣの一部を接触させると、配向膜Ｆ近傍の液晶分子ｍを拘束（以下、アンカリングという）するものである。
なお、図２（Ａ）では、配向膜Ｆとして、液晶分子ｍがその軸方向が図２の左右方向に沿って並び、しかも、右端から左端に向かって上傾するようにアンカリングするものである場合を示している。

上記のごとく一対の平行板Ｐ，Ｐ間に配置された液晶ＬＣに対して、その液晶分子ｍの軸方向と交差するように電界ｅｆｆを加えると、液晶分子ｍは、その回転角度が小さくなる方向（図２(Ａ) では矢印の方向）に回転するので、各液晶分子ｍの周囲には速度勾配が発生し、液晶流動が発生する

このとき発生する液晶流動は、一対の平行板Ｐ，Ｐに平行な流れ（図２の左から右に流れる流れ）であるが、下方平行板Ｐは固定されているに対し、上方平行板Ｐは下方の部材Ｐに対して相対的に移動可能に設けられている。しかも、配向膜Ｆ近傍の液晶分子ｍは、配向膜Ｆにアンカリングされている。言い換えれば、配向膜Ｆ近傍の液晶分子ｍは平行板Ｐにアンカリングされている。
よって、液晶流動に起因する力が上方平行板Ｐに加わるので、液晶ＬＣの流れの方向に沿って、上方平行板Ｐを、下方平行板Ｐに対して移動させることができるのである（図２（Ｂ）
）。

（本発明の液晶を使用した物体移動機構の説明）
つぎに、上述した原理を利用した、本実施形態の液晶を使用した物体移動機構について説明する。
上述した原理では、一対の平行板Ｐ，Ｐの互いに対向する面に、それぞれ配向膜Ｆが設けられているが、本実施形態の液晶を使用した物体移動機構は、一対の平行板Ｐ，Ｐにおける互いに対向する面のうち、一方の面には配向膜Ｆを設けるが、他方の面には配向膜Ｆに代えて、液晶をはじく処理を施したことに特徴を有している。

図１において、符号ＢＰは、本実施形態の液晶を使用した物体移動機構における、移動が固定された板状部材（以下、固定板ＢＰという）を示している。この固定板ＢＰは、その上面が滑らかな平坦面に形成されたものであり、その上面が水平になるように配設されている。
この固定板ＢＰの上方には、固定板ＢＰの上面と平行な方向に沿って移動可能に設けられた板状部材（移動板ＭＰ）が設けられている。この移動板ＭＰは、その下面が滑らかな平坦面に形成されたものであり、その下面が水平になるように配設されている。つまり、移動板ＭＰは、その下面が、固定板ＢＰの上面と互いに平行になるように配設されているのである。

図１に示すように、固定板ＢＰの上面と移動板ＭＰの下面との間には、液晶ＬＣが配置されている。この液晶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、電界を加えたときに、液晶分子が回転する液晶であれば、特に限定はない。

また、本実施形態の液晶を使用した物体移動機構は、固定板ＢＰの上面および移動板ＭＰの下面と直交するような電界ｅｆを形成することができる液晶分子回転手段が設けられている。

そして、移動板ＭＰの下面には、配向膜Ｆが設けられている。この配向膜Ｆは、その素材が、例えばポリイミド等の高分子物質であり、その下面（つまり、液晶ＬＣと接する面）が、図１において右から左にラビングされている。つまり、移動板ＭＰの下面近傍の液晶分子ｍは、その軸方向が左右方向に沿って、しかも、右端から左端に向かって上傾するように配向されるのである（図２参照）。
一方、固定板ＢＰの上面には、液晶ＬＣをはじく処理が施されている。例えば、液晶ＬＣをはじく性質を有する界面活性剤や垂直配向剤等のように液晶ＬＣをはじく物質が塗布された層である撥液晶部ＲＣを形成している。つまり、液晶ＬＣと固定板ＢＰの上面の撥液晶部ＲＣとの間には、互いに反発するような力が作用しているのである。
なお、固定板ＢＰの上面の適所、具体的には、液晶分子回転手段によって電界ｅｆが形成される個所には、配向膜ＦＳが設けられている。この配向膜ＦＳは、その面積が、移動板ＭＰの下面の面積に比べて小さくなるように形成されている。

（移動板ＭＰを移動させる操作の説明）
つぎに、本実施形態の液晶を使用した物体移動機構において、移動板ＭＰを移動させる操作を説明する。
本実施形態の液晶を使用した物体移動機構において、液晶分子回転手段によって、固定板ＢＰの上面と移動板ＭＰの下面と直交する電界ｅｆを、液晶ＬＣに対して印加除去すれば、液晶分子ｍが回転（具体的には、液晶分子ｍが起立倒伏するように回転）する。すると、固定板ＢＰの上面と移動板ＭＰの下面との間に、両面に沿った液晶流動が発生する。

ここで、移動板ＭＰの下面には配向膜Ｆが設けられており、配向膜Ｆ近傍の液晶分子ｍが実質的に移動板ＭＰに固定されている。また、固定板ＢＰの適所にも配向膜ＦＳが設けられているので、配向膜ＦＳと配向膜Ｆとの間の部分では、移動板ＭＰを液晶流動の方向に移動させる力が発生し、移動板ＭＰが液晶流動の方向に移動する（図１の移動板ＭＰａ参照）。

図１に示すように、移動板ＭＰの下面の面積に比べて配向膜ＦＳの設けられている部分の面積が小さく、配向膜ＦＳの設けられている部分以外の固定板ＢＰの上面には、撥液晶部ＲＣが形成されている。このため、液晶流動が発生すると、移動板ＭＰとともに液晶ＬＣ全体が固定板ＢＰに対して液晶流動の方向（図１では左から右）に沿って移動する。

すると、固定板ＢＰ上を移動する液晶ＬＣは撥液晶部ＲＣと間に発生する移動抵抗が少ないので、液晶ＬＣを固定板ＢＰに対してスムースに移動させることができる。言い換えれば、移動板ＭＰを固定板ＢＰに対してスムースに移動させることができる。
しかも、一旦液晶ＬＣが移動を開始すると、液晶ＬＣが固定板ＢＰの上面を移動する移動抵抗が少ないので、連続的にエネルギを加えなくても、液晶ＬＣの移動、つまり、移動板ＭＰの移動を連続させることができる。

以上のごとくであるから、本実施形態の液晶を使用した物体移動機構では、液晶ＬＣに加えるエネルギ（電界ｅｆ）を少なくしても、移動板ＭＰを固定板ＢＰに対してスムースにかつ連続的に移動させることができる。

とくに、図１（Ｂ）に示すように、固定板ＢＰの上面に、撥液晶部ＲＣをライン上に設ければ、この撥液晶部ＲＣのラインに沿って移動板ＭＰの移動を案内することができる。
具体的には、固定板ＢＰの上面に、移動板ＭＰの幅とほぼ同じ幅を有するライン状の撥液晶部ＲＣ（特許請求の範囲における案内経路に相当する）を形成する。すると、液晶ＬＣに電界ｅｆを加えることによって液晶ＬＣが移動すると、撥液晶部ＲＣ上では液晶ＬＣが固定板ＢＰ上を滑るように移動するが、それ以外の部分では液晶ＬＣは移動抵抗を受ける。すると、液晶ＬＣは、移動抵抗の少ない方向に移動しようとするので、撥液晶部ＲＣに沿うように移動するのである。
よって、固定板ＢＰの上面に、撥液晶部ＲＣをライン上に設ければ、このラインに沿って液晶ＬＣを移動させることができる。つまり移動板ＭＰを、所望の経路に沿って移動させることができるのである。

なお、図１（Ｂ）において、撥液晶部ＲＣに沿って、所定の間隔を空けて配向膜ＦＳを設け、その部分では電界ｅｆを印加できるようにしておく。すると、配向膜ＦＳ部分では、撥液晶部ＲＣを移動する液晶ＬＣに対し、適宜液晶流動に起因する移動板ＭＰを移動させる力を発生させることができるから、移動板ＭＰの移動を連続させることができるので、好ましい。

上述した固定板ＢＰと移動板ＭＰが、特許請求の範囲にいう固定部材と移動部材に相当するが、固定部材および移動部材は平板に限られず、互いに対向する面を有し、その間に液晶ＬＣを保持したまま相対的に移動できるものであればよい。

また、固定板ＢＰの上面および移動板ＭＰの下面が、それぞれ特許請求の範囲にいう固定部材の固定側対向面、移動部材の移動側対向面に相当する。

さらに、液晶分子回転手段は、固定板ＢＰの上面と移動板ＭＰの下面との間に設けられた液晶ＬＣの液晶分子ｍを、固定板ＢＰの上面および／または移動板ＭＰの下面と交わる面内で回転させることができるものであれば、とくに限定されない。
例えば、固定板ＢＰにその上面と平行に設けられた電極と、移動板ＭＰにその下面と平行に設けられた電極と、この電極間に電圧を印加除去する電圧制御手段を設けておけば、上記のごとき電界ｅｆを形成することができる。

（液晶をはじく処理を液晶モータに利用した例）
上記例では、液晶をはじく処理を物体移動機構に採用した例を説明したが、液晶をはじく処理は、以下のように使用することもできる。

図３は液晶モータの概略説明図であり、符号ＡＸがモータの主軸となる軸状の内側軸を示している。この内側軸ＡＸは、中空な筒状の外側部材Ａ内に収容されており、その中心軸が外側部材Ａの中心軸と同軸になるように配設されている。また、この内側軸ＡＸは、外側部材Ａ内において、その軸周りに回転自在に取り付けられている。

内側軸ＡＸと外側部材Ａとの間には、液晶ＬＣが入れられており、この液晶ＬＣと、内側軸ＡＸの外面および外側部材Ａの内面との間には、一対の配向膜Ｆ ,Ｆがそれぞれ設けられている。図２（Ｃ）では、外側部材Ａの内面に設けられた配向膜Ｆは時計回りにラビングされており、内側軸ＡＸの外面に設けられた配向膜Ｆは反時計回りにラビングされている。つまり、外側部材Ａの内面と内側軸ＡＸの外面には、互いに逆方向に回転するラビング処理が行われているのである。
よって、内側軸ＡＸと外側部材Ａの間において、全ての液晶分子ｍは、その軸方向を内側軸ＡＸの外面の接線方向に配列し、しかも、下流側が上傾するように配列する。

なお、図示しないが、外側部材Ａおよび内側軸ＡＸには、電圧を加えると、外側部材Ａおよび内側軸ＡＸの半径方向に電界が形成されるように設けられている。

このため、外側部材Ａを固定した状態で、外側部材Ａと内側軸ＡＸとの間にその半径方向の電界ｅｆを形成すれば、液晶ＬＣには、内側軸ＡＸの接線方向に沿って流れが発生する。すると、内側軸ＡＸは、外側部材Ａの中空な空間内において、その軸周りに回転可能であるから、液晶ＬＣの流れの方向に沿って、内側軸ＡＸを反時計回りに回転させることができる。
逆に、内側軸ＡＸを固定した状態で、外側部材Ａと内側軸ＡＸの間にその半径方向の電界ｅｆｆを形成すれば、液晶ＬＣには、外側部材Ａの内面の接線方向に沿って流れが発生する。すると、外側部材Ａは、内側軸ＡＸの軸周りに回転可能であるから、液晶ＬＣの流れの方向に沿って、外側部材Ａを反時計回りに回転させることができる。

ここで、図３に示すように、内側軸ＡＸには、配向膜Ｆを挟むように液晶をはじく処理が施された一対の撥液晶部ＲＣ，ＲＣを設ける。言い換えれば、内側軸ＡＸの表面における液晶ＬＣを挟む位置には、液晶をはじく処理が施された一対の撥液晶部ＲＣ，ＲＣが設けられている。
かかる位置に一対の撥液晶部ＲＣ，ＲＣを設ければ、外側部材Ａと内側軸ＡＸとの間に収容されている液晶ＬＣと一対の撥液晶部ＲＣ，ＲＣとが反発するので、液晶ＬＣは、内側軸ＡＸの軸方向に移動せず、外側部材Ａと内側軸ＡＸとの間に保持される。
つまり、上記のごとき液晶モータに一対の撥液晶部ＲＣ，ＲＣを設けることによって、外側部材Ａと内側軸ＡＸとの間の液晶ＬＣが両者の間から漏れ出さず、液晶ＬＣが両者間に保持された状態を維持できるので、液晶モータを安定した状態で作動させることが可能となるのである。

なお、撥液晶部ＲＣは必ずしも内側軸ＡＸの表面における液晶ＬＣを挟む位置に設けなくてもよく、内側軸ＡＸの表面において、外側部材Ａの外方かつ液晶ＬＣの近傍に設けられていればよい。この場合でも、撥液晶部ＲＣが設けられている側に液晶ＬＣが漏れることを防ぐことができる。
例えば、内側軸ＡＸが、外側部材Ａの一端からのみ突出したような構造を有している場合（つまり、他端がほぼ同一面上に位置している場合）には、内側軸ＡＸにおいて、外側部材Ａから突出している側の表面における液晶ＬＣの近傍だけに撥液晶部ＲＣを設けてもよい。この場合でも、液晶ＬＣの移動を撥液晶部ＲＣが妨げるので、内側軸ＡＸと外側部材Ａとの間に液晶ＬＣを保持しておくことができる。

本発明の液晶を利用した物体移動機構は、微小物体を移動させる移動機構などに適している。

ＢＰ 固定板
ＭＰ 移動板
Ｆ 配向膜
ＬＣ 液晶
ＲＣ 撥液晶部
ｍ 液晶分子
ｅｆ 電界

Claims (4)

1. 固定された固定部材と、
   該固定部材に対して相対的に移動可能に設けられた移動部材と、
   前記固定部材の固定側対向面と、該固定部材の固定側対向面と対向する前記移動部材の移動側対向面との間に設けられた液晶と、
   該液晶の液晶分子を、前記固定部材の固定側対向面および／または前記移動部材の移動側対向面と交わる面内で回転させる液晶分子回転手段とからなり、
   前記固定部材の固定側対向面には、前記液晶をはじく処理が施されている
   ことを特徴とする液晶を利用した物体移動機構。
2. 前記固定部材の固定側対向面には、前記移動部材の移動を案内する案内経路が設けられており、
   前記液晶をはじく処理は、前記案内経路にのみ施されている
   ことを特徴とする請求項１記載の液晶を利用した物体移動機構。
3. 中空な空間を有する外側部材と、
   該外側部材の中空な空間の内部に、前記外側部材に対して回転自在に配設された内側軸と、
   前記外側部材の内面と、前記内側軸の外面との間に入れられた液晶と、
   前記液晶の液晶分子を、前記内側軸の外面または前記外側部材の内面のいずれか一方と交わる面内で回転させる液晶分子回転手段とからなり、
   前記内側軸において、前記外側部材の外方かつ前記液晶の近傍に位置する表面には、前記液晶をはじく処理が施されている
   ことを特徴とする液晶モータ。
4. 前記液晶をはじく処理が、
   前記内側軸の表面において、前記液晶を挟む位置に施されている
   ことを特徴とする請求項３記載の液晶モータ。

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