JP2617413B2 - Power generator - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、セル電極間に封入した
誘電性液体、代表的には液晶に電界を印加するに際して
発生する対流うずをエネルギー源とする動力発生装置に
関するものである。本発明動力発生装置はマイクロマシ
ン用の超小型動力発生装置として適する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power generation apparatus using a convection vortex generated when an electric field is applied to a dielectric liquid, typically a liquid crystal, sealed between cell electrodes as an energy source. The power generator of the present invention is suitable as a micro power generator for a micro machine.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、回転系駆動源としては周知の電磁
式モーターや超音波モーターなどが実用化されてきた。
これらは電磁石、誘電体振動子を使用して回転動力を発
生するものである。2. Description of the Related Art Heretofore, well-known electromagnetic motors and ultrasonic motors have been put into practical use as rotary system driving sources.
These generate rotary power using an electromagnet and a dielectric vibrator.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】最近、機械加工、医
療、精密計測、電子デバイス、光学デバイス等の分野に
おいてマイクロマシンと呼ばれる超小型の機構が要求さ
れるようになり、こうしたマイクロマシンに対しては従
来からの回転系駆動源では対応が限界となりつつある。
即ち、従来からの回転系駆動源では、小型化自体が限界
であり、加えて慣性に対する動力伝達制御問題、潤滑問
題等を解決する必要がある。Recently, in the fields of machining, medical treatment, precision measurement, electronic devices, optical devices, and the like, ultra-small mechanisms called micromachines have been required. With the rotation system drive source from Japan, the response is becoming the limit.
That is, in the conventional rotary system drive source, miniaturization itself is the limit, and it is necessary to solve a power transmission control problem with respect to inertia, a lubrication problem, and the like.
【０００４】本発明の課題は、マイクロマシン用の超小
型動力発生装置を新規に開発することである。An object of the present invention is to newly develop a micro power generation device for a micro machine.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明者は、液晶を含め
誘電体の研究を続けるうちに、対面する平行電極間に封
入した誘電性液体セルに電界を印加するに際してセルの
周辺部で対流うずが発生するという対流現象を発見し
た。この現象にヒントを得て、対流の起こっている部分
に回転子を設置することによりエネルギーを取り出して
モーターとすることを想到した。As the inventor of the present invention continued his research on dielectrics including liquid crystals, he applied a convection around the cell when applying an electric field to the dielectric liquid cell sealed between the facing parallel electrodes. I discovered a convection phenomenon in which vortices occur. Inspired by this phenomenon, I came up with the idea of installing a rotor in the area where convection is taking place to extract energy and use it as a motor.
【０００６】この知見に基づいて、本発明は、対向する
平行な側面に形成した平行電極間に誘電性液体を充満さ
せた密閉セルと、該電極間への電圧印加に際して対流う
ずを起こす領域のうず中心に配置される回転子と、該回
転子の回転エネルギーを取り出す手段と、平行電極に電
圧を印加する電圧印加手段とを具備することを特徴とす
る動力発生装置を提供する。Based on this finding, the present invention provides a sealed cell filled with a dielectric liquid between parallel electrodes formed on opposing parallel side surfaces, and a region where a convection vortex is generated when a voltage is applied between the electrodes. There is provided a power generation device comprising: a rotor arranged at the center of a vortex; means for extracting rotational energy of the rotor; and voltage applying means for applying a voltage to the parallel electrodes.
【０００７】[0007]
【作用】対向する平行な電極間に、誘電性液体、例えば
液晶を封入したセルにおいて、電極間に電界を印加する
とき、（−）に帯電した液晶粒子が（＋）極に移動して
電荷がなくなった後、次々と移動してくる（−）に帯電
した液晶粒子に押進せしめられて周辺部で対流を発生す
る。電圧印加中、対流は連続的にしかも一定の速度で発
生する。この対流現象を利用して、対流中心に回転子を
配置することによりその対流エネルギーを取り出してモ
ーターとする。電圧を変化することにより発生トルクを
調整することができる。In a cell in which a dielectric liquid, for example, a liquid crystal is sealed between opposing parallel electrodes, when an electric field is applied between the electrodes, the (-) charged liquid crystal particles move to the (+) pole and are charged. After disappearing, convection is generated in the peripheral portion by being pushed by the (-) charged liquid crystal particles that move one after another. During voltage application, convection occurs continuously and at a constant rate. Utilizing this convection phenomenon, a rotor is arranged at the center of the convection to extract its convection energy to form a motor. The generated torque can be adjusted by changing the voltage.
【０００８】[0008]
【実施例】図１は、誘電性液体として液晶を使用した本
発明の動力発生装置の原理を示す説明図である。パイレ
ックスガラスのようなガラスにより４側辺を密閉された
液晶Ｌを充満したセル１には、一対の対面する平行な
（＋）電極２及び（−）電極３が配置されている。これ
ら電極間には電源４より電界が印加される。こうした状
態で（＋）電極２及び（−）電極３間に電界を印加する
と、（−）に帯電した液晶粒子が（＋）極に移動して電
荷がなくなった後、次々と移動してくる（−）に帯電し
た液晶粒子に押進せしめられて周辺部で矢印で示すよう
な一対の対流が発生する。対流中心に回転子を配置する
ことによりその対流エネルギーを取り出してモーターと
することができる。特に、対流は電極が側辺全体に伸延
せず、側辺がその両端部で電極が形成されていない部分
を有する場合、対流は電極端部を中心として発生するこ
とが認められた。FIG. 1 is an explanatory view showing the principle of a power generating apparatus according to the present invention using a liquid crystal as a dielectric liquid. A pair of facing parallel (+) electrodes 2 and (-) electrodes 3 are arranged in a cell 1 filled with liquid crystal L whose four sides are sealed by glass such as Pyrex glass. An electric field is applied between these electrodes by a power supply 4. When an electric field is applied between the (+) electrode 2 and the (-) electrode 3 in such a state, the (-) charged liquid crystal particles move to the (+) pole and lose their charge, and then move one after another. The liquid crystal particles charged in (−) push the liquid crystal particles to generate a pair of convections as indicated by arrows in the peripheral portion. By arranging the rotor at the convection center, the convection energy can be taken out and used as a motor. In particular, it has been recognized that convection occurs around the end of the electrode when the electrode does not extend over the entire side and the side has a portion where the electrode is not formed at both ends.
【０００９】図２は、対流中心に回転子を配置した本発
明動力発生装置の具体例の斜視図である。セル１内の対
流発生領域に一対の回転子５が配置されている。回転子
は例えば、出力軸６を有するものとされ、セルの上下面
で適宜の手段で支承されている。セルは例えば次のよう
な寸法を有するものとして作成することができる：電極
間距離ｄ：約１ｍｍ、対流巾ａ：約１ｍｍ弱、セル長辺
ｌ：約２０ｍｍ、セル高さｈ：約３０ｍｍ。FIG. 2 is a perspective view of a specific example of the power generating apparatus of the present invention in which a rotor is disposed at the center of convection. A pair of rotors 5 are arranged in a convection generation region in the cell 1. The rotor has, for example, an output shaft 6 and is supported by appropriate means on the upper and lower surfaces of the cell. The cell can be made, for example, as having the following dimensions: inter-electrode distance d: about 1 mm, convection width a: less than about 1 mm, cell long side l: about 20 mm, cell height h: about 30 mm.
【００１０】セルは図１及び２では矩形断面を有するも
のとして示したが、これに制限されるものではなく、多
角形断面のものを使用することができる。極間距離ｄは
０．１ｍｍ以上で１０ｍｍ以下の範囲をとることができ
る。その寸法に応じて対流発生領域の寸法も変更するこ
とができる。セル周面はパイレックスガラスのようなガ
ラス製とすることが好ましいが、その他の材料の使用も
可能である。電極はガラス製のセルが使用される場合に
はＩＴＯのような透明電極が使用されるが、金属電極、
薄膜電極、バルク電極いずれをも使用することができ
る。基板上にＩＴＯその他の薄膜電極をスパッタリング
その他の方法により形成したものを対向させて使用する
ことが好ましい。Although the cells are shown in FIGS. 1 and 2 as having a rectangular cross-section, the invention is not so limited, and those having a polygonal cross-section can be used. The distance d between the electrodes can be in the range of 0.1 mm or more and 10 mm or less. The size of the convection generation region can be changed according to the size. The cell peripheral surface is preferably made of glass such as Pyrex glass, but other materials may be used. When a glass cell is used, a transparent electrode such as ITO is used for the electrode, but a metal electrode,
Either a thin film electrode or a bulk electrode can be used. It is preferable to use an ITO or other thin film electrode formed on a substrate by sputtering or other methods so as to face each other.
【００１１】回転子は、セルの電圧印加に際して液晶対
流うずが発生する領域のうず中心に配置される。セルの
断面形状に応じてうずの発生する領域数を変更すること
ができるので、図２のように一対の回転子を配した差動
型或いは例えば５角形の３側辺に沿って配置する複動型
のように２本乃至それ以上の回転子を配置することがで
きる。回転子の構造としては、軸付き、軸なし或いは軸
穴付き等いずれも採用可能である。回転子の表面は、液
晶対流の摩擦力が強いので平滑表面での回転子の回転を
発生せしめることができるが、より効率的に出力を取り
出すためには表面粗化、溝型、ギヤ型、羽根型等の構成
をとることが好ましい。回転子材料はガラス、セラミッ
ク等非導電性の材料であればいずれも使用することがで
きる。The rotator is arranged at the vortex center of a region where liquid crystal convection vortex is generated when a voltage is applied to the cell. Since the number of regions where eddies are generated can be changed according to the cross-sectional shape of the cell, a differential type in which a pair of rotors are arranged as shown in FIG. Two or more rotors can be arranged like a dynamic type. As the structure of the rotor, any of a structure with a shaft, a structure without a shaft, and a structure with a shaft hole can be adopted. Since the surface of the rotor has a strong frictional force of liquid crystal convection, the rotation of the rotor can be generated on a smooth surface.However, in order to extract output more efficiently, surface roughening, groove type, gear type It is preferable to adopt a configuration such as a blade shape. As the rotor material, any non-conductive material such as glass and ceramic can be used.
【００１２】図３は、回転子５の一端において出力軸６
に例えばガラス製の動力伝達用歯車７を装着した状態の
部分図である。こうして、本発明の超小型動力発生装置
は、小型光学素子や半導体ウエハ等の微細加工目的の駆
動源として威力を発揮する。印加する電圧の大きさをコ
ントロールすることにより発生トルクを容易に調整する
ことができる。回転子へのトルク伝達は、液晶と回転子
間の摩擦により達成されるので、原理的にスリップクラ
ッチの機能を有しており、従来の装置のように特別なク
ラッチを設けずとも慣性問題を排除することができる。
液晶自体の潤滑能力によりの潤滑問題も解決される。FIG. 3 shows an output shaft 6 at one end of the rotor 5.
FIG. 2 is a partial view showing a state where a power transmission gear 7 made of, for example, glass is attached to the power transmission gear 7. Thus, the microminiature power generation device of the present invention exerts its power as a driving source for micromachining of small optical elements and semiconductor wafers. By controlling the magnitude of the applied voltage, the generated torque can be easily adjusted. Since torque transmission to the rotor is achieved by friction between the liquid crystal and the rotor, it has the function of a slip clutch in principle, eliminating the problem of inertia without providing a special clutch unlike conventional devices. Can be eliminated.
The problem of lubrication due to the lubrication capability of the liquid crystal itself is also solved.
【００１３】誘電性液体としては液晶が代表的に使用さ
れる。液晶は、或る種の有機化合物結晶を熱すると、一
定の温度で融解し白濁した粘稠な液体となり、白濁した
液体は光学的に異方性であり、光学的に等方な通常液体
と区別して液晶と呼ばれている。本発明で使用する液晶
としては、電圧印加に際して流動し対流現象を発生する
液晶のすべてを対象とする。液晶は、若干の見解の相違
があるものの、基本的には次のように分類することがで
きる： （Ａ）リオトロピック（ライオトロピック）液晶 （Ｂ）サーモトロピック液晶 （Ｂ−１）ネマチック液晶（コレステリック液晶） （Ｂ−２）スメクティック液晶（例：Ｓm Ａ相、Ｓm Ｃ
相、Ｓm Ｃ* 相） （Ｂ−３）ディスコティック液晶A liquid crystal is typically used as the dielectric liquid. When a certain kind of organic compound crystal is heated, the liquid crystal melts at a certain temperature to become a cloudy viscous liquid, and the cloudy liquid is optically anisotropic and is optically isotropic ordinary liquid. It is called liquid crystal for distinction. As the liquid crystal used in the present invention, all liquid crystals which flow when a voltage is applied and generate a convection phenomenon are intended. Liquid crystals can be basically classified as follows, although there are some differences in opinion: (A) lyotropic (lyotropic) liquid crystal (B) thermotropic liquid crystal (B-1) nematic liquid crystal (cholesteric) LCD) (B-2) smectic liquid crystal (eg: S m A phase, S m C
Phase, S m C * phase) (B-3) discotic liquid
【００１４】リオトロピック液晶は、溶媒との相互作用
で液晶となるもの一般を指し、各種のミセル構造（球
状、柱状、管状）やラメラ構造のような分子集合体を形
成するものである。リオトロピック液晶は、各種の石け
ん類、界面活性剤、脂質類、或る種の金属の水和酸化
物、ブロック共重合体などの親水基と疎水基とを併せ持
つ両親媒性化合物を水またはその他の溶媒と適当な割合
で混合することにより生成する。A lyotropic liquid crystal generally refers to a liquid crystal that becomes a liquid crystal by interaction with a solvent, and forms a molecular aggregate such as various micellar structures (spherical, columnar, tubular) and lamellar structures. Lyotropic liquid crystals are used to convert various types of soaps, surfactants, lipids, hydrated oxides of certain metals, block copolymers, and other amphiphilic compounds having both hydrophilic and hydrophobic groups into water or other compounds. It is produced by mixing with a solvent in an appropriate ratio.
【００１５】サーモトロピック液晶は、単一組成或いは
多成分系の物質が温度変化により示す液晶状態をいう。
ベンゼン環を中心としたコアとアルキル鎖、不斉炭素な
どの両側末端基（テイル）を有する構造をとるものが多
い。コアはベンゼン環やシクロヘキサン環などを骨格構
造とするものである。ネマチック液晶は、最も粘度が低
く、流動性が大きいものをいう。スメクティック液晶は
グリース状の粘稠な濁った流体であり、偏光顕微鏡観察
下で種々の特徴的な光学模様を示し、Ｓm Ａ、Ｓm Ｂ・
・・Ｓm Ｉなどの多くの変種相が知られている。このう
ち、温度範囲が広い安定なものとしてＳm Ａ相、Ｓm Ｃ
相、Ｓm Ｃ* 相が知られている。Ｓm Ｃ* 相は、Ｓm Ｃ
相にキラル基のついた液晶を混合したものである。[0015] Thermotropic liquid crystal refers to a liquid crystal state of a single-composition or multi-component substance exhibited by a change in temperature.
Many have a structure having a benzene ring-centered core and both terminal groups (tails) such as an alkyl chain and asymmetric carbon. The core has a benzene ring or a cyclohexane ring as a skeleton structure. The nematic liquid crystal has the lowest viscosity and the highest fluidity. Smectic liquid crystal is a greasy viscous cloudy fluid, show various characteristic optical pattern under polarized light microscope, S m A, S m B ·
... many variants phases, such as S m I have been known. Among these, Sm A phase and S m C
The phase, S m C * phase, is known. S m C * phase is S m C
It is a mixture of liquid crystals having a chiral group in the phase.
【００１６】本発明は、液晶のうちでも、特定的には、
サーモトロピック液晶、特にはネマチック液晶並びにＳ
m Ａ相、及びＳm Ｃ* 相を代表例とするスメクティック
液晶を使用することが好ましい。特には、Ｓm Ｃ* 相ス
メクティック液晶を使用することが好ましい。According to the present invention, among liquid crystals, specifically,
Thermotropic liquid crystal, especially nematic liquid crystal and S
m A phase, and it is preferable to use a smectic liquid crystal typified example S m C * phase. In particular, it is preferable to use S m C * phase smectic liquid crystal.
【００１７】表１及び２は、市販のＳm Ｃ* 相スメクテ
ィック液晶の構造式及び温度特性を挙げたものである。Tables 1 and 2 list the structural formulas and temperature characteristics of commercially available S m C * phase smectic liquid crystals.
【００１８】[0018]
【表１】 [Table 1]
【００１９】[0019]
【表２】 [Table 2]
【００２０】（実施例）これら液晶のうち、Ｓm Ｃ* 相
スメクティック液晶（（株）日鉱共石製商品名ＭＩＣＯ
８０６）及びネマティック液晶（メルク社製ＺＬＩ−４
４４６）を使用して対流回転数を観測すると共にトルク
を計算した。トルクの計算には、直径１ｍｍそして高さ
３０ｍｍの円柱が観察された回転数で回転しているもの
とした。印加電圧は１０００Ｖ及び５００Ｖを使用し
た。結果を表３に示す。[0020] (Example) of these liquid crystal, S m C * phase smectic liquid crystal (Co., Nikko Kyoseki trade name MICO
806) and nematic liquid crystal (ZLI-4 manufactured by Merck)
446) was used to observe the convection speed and calculate the torque. For the calculation of the torque, it was assumed that a cylinder having a diameter of 1 mm and a height of 30 mm was rotating at the observed rotational speed. The applied voltage used was 1000 V and 500 V. Table 3 shows the results.
【００２１】[0021]
【表３】 [Table 3]
【００２２】表３からわかるように、印加電圧を増加す
ると回転数は増加し、最大１００ｒｐｍの回転数を実現
することができた。As can be seen from Table 3, when the applied voltage was increased, the number of revolutions was increased, and a maximum number of revolutions of 100 rpm could be realized.
【００２３】[0023]
【発明の効果】新たな原理に基づく超小型モーターを実
現し、印加する電圧の大きさをコントロールすることに
より発生トルクを容易に調整することができる。また、
回転子へのトルク伝達は、液晶と回転子間の摩擦により
達成されるので、従来の装置のように特別なクラッチを
設けずとも慣性問題を排除することができる。液晶自体
の潤滑能力により駆動系の潤滑問題も解決される。According to the present invention, a micro motor based on a new principle can be realized, and the generated torque can be easily adjusted by controlling the magnitude of the applied voltage. Also,
Since torque transmission to the rotor is achieved by friction between the liquid crystal and the rotor, the problem of inertia can be eliminated without providing a special clutch as in the conventional device. The lubrication ability of the liquid crystal itself also solves the problem of lubrication of the drive system.
【図１】本発明の動力発生装置動力発生装置の原理を示
す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing the principle of a power generator according to the present invention.
【図２】対流中心に回転子を配置した本発明動力発生装
置の具体例の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a specific example of the power generation device of the present invention in which a rotor is arranged at a convection center.
【図３】回転子の一端において出力軸に動力伝達用歯車
を装着した状態の部分斜視図である。FIG. 3 is a partial perspective view showing a state where a power transmission gear is mounted on an output shaft at one end of a rotor.
Ｌ 液晶 １ セル ２ （＋）電極 ３ （−）電極 ４ 電源 ５ 回転子 ６ 出力軸 ７ 動力伝達用歯車 L liquid crystal 1 cell 2 (+) electrode 3 (-) electrode 4 power supply 5 rotor 6 output shaft 7 power transmission gear
Claims (8)
間に誘電性液体を充満させた密閉セルと、該電極間への
電圧印加に際して対流うずを起こす領域のうず中心に配
置される回転子と、該回転子の回転エネルギーを取り出
す手段と、平行電極間に電圧を印加する電圧印加手段と
を具備することを特徴とする動力発生装置。1. A sealed cell filled with a dielectric liquid between parallel electrodes formed on opposing parallel side surfaces, and a rotor arranged at the center of the vortex in a region where convection occurs when a voltage is applied between the electrodes. And a means for extracting rotational energy of the rotor, and a voltage applying means for applying a voltage between the parallel electrodes.
て電極が形成されていない部分を有することを特徴とす
る請求項１の動力発生装置。2. The power generating device according to claim 1, wherein each of the opposite parallel sides has a portion where no electrode is formed.
る請求項１乃至２の動力発生装置。3. The power generator according to claim 1, wherein the dielectric liquid is a liquid crystal.
を特徴とする請求項３の動力発生装置。4. The power generator according to claim 3, wherein the liquid crystal is a thermotropic liquid crystal.
特徴とする請求項４の動力発生装置。5. The power generator according to claim 4, wherein the liquid crystal is a smectic liquid crystal.
であることを特徴とする請求項５の動力発生装置。6. The power generating device according to claim 5, wherein the liquid crystal is a smectic liquid crystal of S m C * phase.
あることを特徴とする請求項５の動力発生装置。7. The liquid crystal is a power generating apparatus according to claim 5, characterized in that the smectic liquid crystal of S m A phase.
徴とする請求項３の動力発生装置。8. The power generator according to claim 3, wherein the liquid crystal is a nematic liquid crystal.
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