JP2709318B2 - 液晶パネルおよび液晶パネルを用いた変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、液晶パネルおよびこれを用いた変換装に関
するものである。

［従来の技術］ 液晶パネルは、従来専ら表示素子として用いられてい
たが、これを圧電素子として用いた圧力感知装置に関す
るものが最近発表された（特開昭63−204313号公報）。

［解決しようとする課題］ しかしながら、上記公報では、強誘電性液晶パネルを
圧電素子として用いる旨の記載はあるが、圧電効果を大
きくするための強誘電性液晶パネルの構成については記
載されていない。また、強誘電性液晶パネルを圧力感知
装置として用いる旨の記載はあるが、その他の用途につ
いては記載されていない。

本発明の第１の目的は、強誘電性液晶パネルを圧電素
子として用いた場合に、圧電効果を大きくするための構
成を提供することである。

本発明の第２の目的は、強誘電性液晶パネルを圧電素
子として用いた有用な装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、第１の電極と、上記第１の電極と対向した
第２の電極と、上記第１の電極と第２の電極間に介在し
た強誘電性液晶と、上記第１の電極および第２の電極と
上記強誘電性液晶間に形成された配向層とからなる液晶
パネルを圧電素子として用いるものであり、上記第１の
電極と上記強誘電性液晶間に形成された配向層と上記第
２の電極と上記強誘電性液晶間に形成された配向層と
が、互いに平行または反平行からずらしてホモジニアス
配向処理されていることを特徴とする。

また、本発明における電気機械変換装置は、第１の電
極と、上記第１の電極と対向した第２の電極と、上記第
１の電極と第２の電極間に介在した強誘電性液晶と、上
記第１の電極および第２の電極と上記強誘電性液晶間に
形成された配向層とからなり、圧電素子として用いられ
る液晶パネルと、上記液晶パネルを機械的に変位させる
ための電気信号を上記第１の電極および／または第２の
電極に供給する電気信号発生手段とを有し、上記第１の
電極と上記強誘電性液晶間に形成された配向層と上記第
２の電極と上記強誘電性液晶間に形成された配向層と
が、互いに平行または反平行からずらしてホモジニアス
配向処理されていることを特徴とする。

［実施例］ 以下、図面に基き、本発明における一実施例の説明を
行う。

（Ｉ）圧電素子の実施例 第１図は、本発明における圧電素子の一実施例を示し
たものである。

同図において、１および２は導電性を有する第１の電
極および第２の電極であり、ITO（インジウム ティン
オキサイド）、Al（アルミニウム）、Cr（クロム）、
Ni（ニッケル）等により形成されるものである。

３は上記第１の電極１と第２の電極２間に介在した強
誘電性液晶である。

４は上記第１の電極１および第２の電極２と上記強誘
電性液晶３間に形成された配向層であり、これは、ポリ
イミド、ポリビニルアルコール、ポリアミド、テフロ
ン、アクリル系樹脂等の有機材料、SiO2、Al2O3等の無
機材料等を基材として形成されたものである。なお、こ
の配向層は、第１の電極１または第２の電極２と強誘電
性液晶３間の、いずれか一方にのみ形成されていてもよ
い。

５はガラス等を用いた支持体であり、６は上記強誘電
性液晶３を封止するシール材である。

なお、例えば、りん青銅等の板材により、上記第１の
電極１および／または第２の電極２と、上記支持体５と
を共用することもできる。

また、強誘電性液晶３を上記シール材６等により封止
することは必ずしも必要ではない。

上記のように、本発明における圧電素子では、変形自
在な強誘電性液晶をその基本構成要素としているため、
容易に任意の形状に形成することができる。また、製造
に際し、基本的に数百度以上での高温処理を必要としな
いため、寸法精度の高い素子を形成することができる。
さらに、機械的強度に優れた素子を得ることができる。

次に、パラメータを変えたときの上記圧電素子の圧電
特性を、各周波数での音圧により評価した測定結果を示
す。

各測定図の、横軸は圧電素子に印加される交流電圧の
周波数、縦軸は音圧である。

なお、圧電素子には第１図に示したようなものを用い
ており、測定条件は以下の通りである。

測定方法 第１の電極と第２の電極間に交流電圧（駆動周波数は
200Hz〜20KHz）を印加し、第１の電極または第２の電極
を上方約15（mm）の位置で、マイクロフォンにより音圧
（単位はdB）を測定し、これにより圧電効果の大きさを
判定した。

素子サイズ 70（mm）×80（mm） 支持体材料 ガラス（厚さ1.0（mm）） 強誘電性液晶の種類 ZLI−3774（メルク社製） 測定例１ 配向層の配向処理を以下のように変えて測定した。な
お、第１の電極と第２の電極との間隔は８（μｍ）であ
る。

A:ホモジニアス配向処理（ポリイミド膜をスピンコート
後ベーキングし、これをラビング法により配向した。） B:ホメオトロピック配向処理（シランカップリング剤を
ディッピングによりコートした後ベーキングした。） C:配向処理なし（ポリイミド膜をスピンコート後ベーキ
ングした。） 以上の測定結果を第２図に示す。

ホメオトロピック配向処理（Ｂ）を行ったものでも圧
電効果を示すが、ホモジニアス配向処理（Ａ）を行った
ものが特に強い圧電効果を示している。この圧電性は、
温度を上げていったとき、強誘電性液晶の強誘電性を示
す相からスメクティックＡ相への転移温度付近で急激に
低下することから、強誘電性を示す相に特有なものと考
えられる。なお、配向処理なし（Ｃ）の測定では、ノイ
ズのため、圧電効果の程度は判然としなかった。

以上のことから、ホモジニアス配向処理により、有効
な圧電性を得ることができる。

測定例２ 配向層のホモジニアス配向処理を以下のように変えて
測定した。なお、ホモジニアス配向処理は、上記の測定
例１のＡの場合と同様である。また、第１の電極と第２
の電極との間隔は10（μｍ）である。

D:配向層を互いに平行または反平行からずらしてホモジ
ニアス配向処理したもの（配向処理方向の角度は100
度） E:配向層を互いに反平行にホモジニアス配向処理したも
の（配向処理方向の角度は180度） F:一方の配向層のみホモジニアス配向処理したもの 以上の測定結果を第３図に示す。

同図から明らかなように、圧電効果の大きさは、Ｄ＞
Ｅ＞Ｆとなっている。なお、同図には示していないが、
配向層を互いに平行にホモジニアス配向処理したものの
圧電効果は、配向層を互いに反平行にホモジニアス配向
処理したものの圧電効果と同等と考えられる。

以上のことから、配向層を互いに平行または反平行か
らずらしてホモジニアス配向処理すれば、有効な圧電性
を得ることができる。

測定例３ 配向層のホモジニアス配向処理の度合いを以下のよう
に変えて測定した。なお、ホモジニアス配向処理および
ホメオトロピック配向処理は、上記の測定例１のＡおよ
びＢの場合と同様である。また、第１の電極と第２の電
極との間隔は８（μｍ）である。

G:ストロングラビング法によるホモジニアス配向処理
（ラビング回数10回以上、配向処理方向の角度は100
度） H:ウィークラビング法によるホモジニアス配向処理（ラ
ビング回数２〜３回、配向処理方向の角度は100度） I:ホメオトロピック配向処理 以上の測定結果を第４図に示す。

同図から明らかなように、圧電効果の大きさは、スト
ロングラビング法によるホモジニアス配向処理（Ｇ）の
方が、ウィークラビング法によるホモジニアス配向処理
（Ｈ）よりも大きいことがわかる。

以上のことから、ストロングラビング法によるホモジ
ニアス配向処理を行えば、有効な圧電性を得ることがで
きる。

測定例４ 第１の電極と第２の電極間に印加する電圧（Peak−Pe
ak）を以下のように変えて測定した。なお、配向処理は
いずれもホモジニアス配向処理（配向処理角度は100
度）であり、第１の電極と第２の電極との間隔は８（μ
ｍ）である。

J:印加電圧30（Vp−ｐ） K:印加電圧10（Vp−ｐ） L:印加電圧０（Ｖ） 以上の測定結果を第５図に示す。

同図から明らかなように、印加電圧が高いほど圧電効
果が大きいことがわかる。

測定例５ 強誘電性液晶が強誘電相からスメクティックＡ相へ転
移する転移温度（62℃のものを使用）近傍で、温度を以
下のように変えて測定した。配向処理はいずれもホモジ
ニアス配向処理（配向処理角度は100度）であり、第１
の電極と第２の電極との間隔は８（μｍ）である。な
お、本測定では、圧電素子を一定温度に保つために、圧
電素子をホットプレート上に保持したまま測定を行った
ので、理想的な無響雰囲気での測定はなされていない。
従って、ホットプレートからの反射成分等も含まれてい
る。また、ホットプレート上の温度を測定温度としたの
で、強誘電性液晶の正確な温度は多少異なったものと考
えられる。

M:温度57（℃） N:温度67（℃） 以上の測定結果を第６図に示す。

同図からわかるように、臨界温度以下の強誘電性を示
す相でははっきりと圧電性を示しているのに対し、臨界
温度以上の強誘電性を示さない相では明確な圧電性を示
していない。

以上のことから、強誘電性を示す相（Ｍ）で有効な圧
電性を得ることができる。

以上述べた事項の他に、本発明における圧電素子で
は、以下のようにしても良好な圧電性を得ることが可能
である。

ホモジニアス配向処理には、上記のラビング法以外に
も、酸化シリコン等の斜め蒸着法、ポリイミド等のＬ−
Ｂ（Langmuir Blodgett）膜を用いる方法等でもよい。

第１の電極と第２の電極との間隔は、狭い方が好まし
い。第１の電極と第２の電極との間隔は１（μｍ）程度
まで狭くすることができるが、間隔が狭いほど強誘性電
液晶に加わる電界が強くなり、より大きな圧電効果を得
ることができる。

第１の電極と上記強誘電性液晶間に形成された配向層
と、上記第２の電極と上記強誘電性液晶間に形成された
配向層とが、互いに異なった材料により形成されていて
もよい。このとき、一方の配向層を強誘電性液晶の自発
分極を吸引する材料で形成し、他方の配向層を強誘電性
液晶の自発分極を反発する材料で形成すれば、強誘電性
液晶の各分子がそろい易いので、有効な圧電性を得るこ
とができる。

強誘電性液晶は、自発分極が大きいものを使用するこ
とが好ましい。本願特許の発明者らは、種々の強誘電性
液晶について、圧電効果に対する測定を行ったが、その
結果、自発分極が大きい強誘電性液晶を用いたときほ
ど、圧電素子は大きな圧電性を生じる傾向があることを
確認した。

強誘電体を用いた圧電素子では、自発分極の向きをそ
ろえるためにポーリング処理を行うことがあるが、本発
明における圧電素子の場合、ポーリング処理を行っても
行わなくてもよい。ポーリング処理を行う場合には、強
誘電液晶がスメクティックＡ相にある温度から行うより
も、スメクティックＡ相よりも高い温度範囲にあるネマ
ティック相やアイソトロピック相の温度から行った方
が、ポーリング処理の印加電界を小さくできるので、好
ましい。

配向層には、先に述べたポリイミド等以外に、PVDF等
の強誘電体の配向層を用いてもよい。このとき、上記の
強誘電体の配向層はポーリング処理を行うことが好まし
いが、このポーリング処理は、強誘電性液晶のポーリン
グ処理と同時に行えば、圧電素子の製造工程を簡略化す
ることができる。

以上のことから、本発明における圧電素子において、
圧電性を高くするためには、以下に示すこと、あるいは
これらのことを組み合わせたものが好ましい。

これにより有効な圧電性を得ることができ、効果的で
ある。

（１）配向層が、ホモジニアス配向処理をしたものであ
ること。

（２）配向層が、互いに平行または反平行からずらして
ホモジニアス配向処理したものであること。

（３）配向膜が、ストロングラビング法によるホモジニ
アス配向処理したものであること。

（４）強誘性電液晶に印加する電圧は、状況が許す限り
できるだけ高いこと。

（５）強誘性電液晶が、強誘電性を示す相であること。

（６）第１の電極と第２の電極との間隔は、できるだけ
狭いこと。

（７）一方の配向層を強誘電性液晶の自発分極を吸引す
る材料で形成し、他方の配向層を強誘電性液晶の自発分
極を反発する材料で形成すること。

（８）強誘電性液晶に、自発分極が大きいものを使用す
ること。

（９）ポーリング処理を行う場合には、強誘電性液晶が
ネマティック相やアイソトロピック相にある温度から行
うこと （II）圧電装置の実施例 次に、本発明における圧電素子を用いた圧電装置につ
いて述べる。

本発明における圧電装置は、基本的に次の二つに分類
することができる。

（II−１）本発明における圧電素子と、この圧電素子の
第１の電極および／または第２の電極に電気信号を供給
する電気信号発生手段とを有する圧電装置。

この圧電装置を使用することにより、発音装置、アク
チュエータ、モーター等を構成することができる。

これらの一例として、上記第１の電極および／または
第２の電極を、ITO等の透明電極で形成したものをあげ
る。これによれば、圧電素子を液晶表示素子と共用する
ことにより、発音装置と表示装置を同一の素子で形成し
たものや、圧電素子を、ポスターやディスプレイ装置と
積層したもの等を構成することができ、コンパクトな装
置を得ることができる。

（II−２）本発明における圧電素子と、この圧電素子の
第１の電極および／または第２の電極の電気信号を検出
する電気信号検出手段とを有する圧電装置。

この圧電装置を使用することにより、後述の圧電セン
サー等を構成することができる。

上記の（II−１）および（II−２）に示した本発明に
おける圧電装置では、圧電素子が、容易に任意の形状に
高い寸法精度で形成でき、しかも機械的強度に優れたも
のであるため、効果の大きい装置を得ることができる。

（III）電気機械変換装置の実施例 第７図は、本発明における電気機械変換装置を示した
ものである。

これは、電気機械変換手段として用いる本発明におけ
る圧電素子11と、この圧電素子11の第１の電極１および
／または第２の電極２に電気信号を供給する電気信号発
生手段12とからなるものである。

本発明における電気機械変換装置では、圧電素子が、
容易に任意の形状に高い寸法精度で形成でき、しかも機
械的強度に優れたものであるため、効果の大きい装置を
得ることができる。

以下、上記の電気機械変換装置の具体的な利用例につ
いて説明する。

（III−１ 利用例１） 本利用例は、上記の電気機械変換装置を、電気音響変
換装置とするものである。

本発明の圧電素子を、単独で発音体等の電気音響変換
手段として用いたとき、用途によっては充分な音響出力
を得ることができないことがある。このときには、圧電
素子の固有振動に対応する共振手段22を第７図のように
設ければよい。

共振手段としては、発泡スチロールや発泡アルミ板等
の振動板、あるいはヘルムホルツの共鳴箱等を用いるこ
とができる。このとき、圧電素子の固有振動と共振手段
の固有振動を対応させ、両者を共振状態にすれば大きな
音響出力を得ることができる。

（III−１ 利用例２） 本利用例は、上記の電気機械変換装置に、本発明にお
ける圧電素子の圧電振動を回転運動に変換する動力変換
手段を設けたものである。

以下この例として、圧電モーターに関する説明を行
う。

圧電素子の縦方向振動を円運動に変換する圧電モータ
ーには、基本的に二つの方式があるが、本発明の圧電素
子を用いても、上記二つの方式の圧電モーターを作成す
ることができる。これらについての、既に述べた電気機
械変換装置の基本的な効果を当然得ることができる。

以下、図面に基き具体例の説明を行う。

第９図は、上記の圧電モーターの第１の方式の一例を
示したものである。（日経エレクトロニクス、1985年−
９月23日号、115〜116ページを参考） 同図において、11は電気機械変換手段として用いる本
発明の圧電素子であるが、本例では、この圧電素子を２
個設け、一方の圧電素子の第１の電極１と他方の圧電素
子の第２の電極２とを密着させたものである。12は上記
圧電素子11の各電極に電気信号を供給する電気信号発生
手段であり、本例では、二つの圧電素子の振動方向が同
じになるように、逆位相の２種類の交流信号を発生し
て、それぞれ二つの圧電素子に信号を供給している。21
は動力変換手段であり、上記圧電素子の圧電振動を回転
運動に変換するものである。31は回転運動をするロータ
である。32および33はそれぞれ上側円板および下側円板
である。34は上記動力変換手段21の中心を固定するボル
トである。

電気信号発生手段12からの交流信号により、二つの圧
電素子11には縦振動（ａ）が生じ、この縦振動は動力変
換手段21に伝わる。このとき力が加わるのは動力変換手
段21の二つの足部21bである。動力変換手段21の中心は
ボルトで固定されているので、動力変換手段21は屈曲運
動（ｂ）する。本例では、動力変換手段21の突起部21a
が足部21bに対して斜めになっているので、突起部21aは
ねじり振動（ｃ）する。このねじり振動のうち、突起部
21aがロータ31の面に平行な変位をしている期間を利用
して、ロータ31の回転運動（ｄ）させている。

本例によれば、ボルト34を締めるときに圧電素子11に
力が加わっても、圧電素子11が割れたりすることがな
く、ボルト34をしっかりと締めることができ、安定した
動作を行うことができる。

次に、圧電モーターの第２の方式について述べる。

第10図および第11図は、この第２の方式による従来の
圧電モーターの一例を示したものである。

同図において、11はセラミックを用いた圧電素子、41
は下側電極、42は上側電極、43はロータ、44はスライダ
ー、45は軸受、46はシャフトである。

これは第11図に示すように、逆方向に分極した圧電素
子11を1/2波長（λ/2）ごとに接続した圧電素子列を２
組設け、互いの圧電素子列の両端部をそれぞれλ/4およ
び３λ/4離して、全体を円形に構成したものである。２
組の圧電素子列には、位相が90度ずれた交流電圧が印加
されて表面進行波が生じ、これをロータ43に伝えること
により、ロータ43の回転運動を得ることができる。

上記従来の圧電モーターの圧電素子を本発明の圧電素
子に置き換えれば、従来のように、圧電素子列を形成す
る各圧電素子を１個１個張り合せて形成するようなこと
は不要で、パターニングした電極間に強誘電性液晶を注
入するだけで全ての圧電素子列が同時に形成でき、しか
も、それぞれの高さを調整したりする必要もない。ま
た、圧電素子が割れたりすることがなく、機械的強度に
優れた圧電モーターを得ることができる。

なお、上記の圧電モーターに本発明の圧電素子を用い
る場合、互いに逆向きの分極を得るためには次のように
するのが効果的である。すなわち、一方の分極の向きに
対しては、圧電素子の第１の電極および第２の電極に対
応した配向層の材料を、それぞれ強誘電液晶の自発分極
を吸引および反発するものとし、他方の分極の向きに対
しては、圧電素子の第１の電極および第２の電極に対応
した配向層の材料を、それぞれ強誘電液晶の自発分極を
反発および吸引するものとすればよい。このとき配向処
理は各配向層ごとに行わずに、同時に行うことが好まし
い。

また、逆方向に分極した圧電素子11を1/2波長（λ/
2）ごとに配置することは必ずしも必要ない。例えば、
第12図に示すように、各圧電素子11の分極方向は同一と
し、隣り合った各圧電素子に180度位相のずれた交流電
圧を印加すればよい。

本発明における圧電素子を用いれば、上記の圧電モー
ター以外にも第13図に示すような圧電モーターを構成す
ることが可能である。

第13図において、11は本発明における圧電素子であ
り、これは、圧電素子の第１の電極１、ロータ43と一体
形成され上側電極を兼ねた第２の電極２、強誘電性液晶
３等により構成されている。41は下側電極、45は軸受、
46はシャフト、47は強誘電性液晶３を保持する保持壁で
ある。第１の電極の構成、この第１の電極に印加する交
流電圧およびその接続は、第12図のようにすればよい。

本例によれば、圧電素子が割れたりすることがなく、
機械的強度に優れた圧電モーターを得ることができ、ま
た複数の圧電素子を同時に形成でき、さらに、ロータ43
を強誘電性液晶に浮かした構造となるため、ロータ43や
圧電素子11が摩耗するようなことがなく、高信頼性の圧
電モーターを得ることができる。

（IV）機械電気変換装置の実施例 第８図は、本発明における機械電気変換装置を示した
ものである。

これは、本願発明者らが、本発明における圧電素子に
機械的な力を加えたとき、二つの電極間に起電力が生じ
ることを見出したことによる。

この機械電気変換装置は、機械電気変換手段として用
いる本発明における圧電素子11と、この圧電素子11の第
１の電極１および／または第２の電極２からの電気信号
を検出する電気信号検出手段13とからなるものである。

本発明における機械電気変換装置では、圧電素子が、
容易に任意の形状に高い寸法精度で形成でき、しかも機
械的強度に優れたものであるため、効果の大きい装置を
得ることができる。

この機械電気変換装置の一例として、圧電センサーを
あげる。

これは、圧電素子11により電気信号に変換された圧電
素子11に加わる圧力を、電気信号検出手段13により検出
して、圧力を読取るものである。

本発明の圧電素子は、機械的強度に優れているため、
大きな圧力を受けても破損することのない圧電センサー
を得ることができる。また、フォトエッチング法等によ
り複数の電極をパターニングすることで、複数のセンサ
ーを同時にかつ均一に形成することができる。

［効果］ 本発明では、強誘電性液晶パネルを圧電素子として用
いた場合に、二つの配向層が互いに平行または反平行か
らずらしてホモジニアス配向処理されたものであるた
め、圧電効果を大きくすることが可能となる。

また、本発明における電気機械変換装置は、強誘電性
液晶を圧電素子として用いることにより、従来にない新
規かつ有用な装置を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電素子の一例を示した断面図、第２
図〜第６図は実験による圧電素子の圧電特性の一例を示
した特性図、第７図は本発明の電気機械変換装置の説明
図、第８図は本発明の機械電気変換装置の説明図、第９
図、第12図および第13図は本発明の機械電気変換装置の
一例である圧電モーターの説明図、第10図および11図は
従来の圧電モーターの説明図である。 １……第１の電極 ２……第２の電極 ３……強誘電性液晶 ４……配向層 11……圧電素子（液晶パネル） 12……電気信号発生装置 21……動力変換手段 22……共振手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大野 裕和 東京都墨田区太平４丁目１番１号 株式 会社精工舎内 (56)参考文献 特開 昭63−204313（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−121814（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−291622（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−163425（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−157931（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の電極と、上記第１の電極と対向した
   第２の電極と、上記第１の電極と第２の電極間に介在し
   た強誘電性液晶と、上記第１の電極および第２の電極と
   上記強誘電性液晶間に形成された配向層とからなる液晶
   パネルを圧電素子として用いた場合において、 上記第１の電極と上記強誘電性液晶間に形成された配向
   層と上記第２の電極と上記強誘電性液晶間に形成された
   配向層とが、互いに平行または反平行からずらしてホモ
   ジニアス配向処理されたものであることを特徴とする液
   晶パネル。
2. 【請求項２】第１の電極と、上記第１の電極と対向した
   第２の電極と、上記第１の電極と第２の電極間に介在し
   た強誘電性液晶と、上記第１の電極および第２の電極と
   上記強誘電性液晶間に形成された配向層とからなり、圧
   電素子として用いる液晶パネルと、 上記液晶パネルを機械的に変位させるための電気信号を
   上記第１の電極および／または第２の電極に供給する電
   気信号発生手段とを有し、 上記液晶パネルにおいては、上記第１の電極と上記強誘
   電性液晶間に形成された配向層と上記第２の電極と上記
   強誘電性液晶間に形成された配向層とが、互いに平行ま
   たは反平行からずらしてホモジニアス配向処理されたも
   のであることを特徴とする電気機械変換装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の電気機械変換装置におい
   て、上記液晶パネルの固有振動に対応する共振手段を設
   けたことを特徴とする電気機械変換装置。
4. 【請求項４】請求項２記載の電気機械変換装置におい
   て、上記液晶パネルの圧電振動を回転運動に変換する動
   力変換手段を設けたことを特徴とする電気機械変換装
   置。