JP6176613B2 - 液晶を利用した変形可能なアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、液晶を利用した変形可能なアクチュエータに関する。

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。
また、液晶は、電界や磁界を加えて液晶分子の配向方向を変化させるとその粘性が変化する。つまり、液晶は、電気粘性流体としての性質も有しているので、この性質を利用した軸受やダンパー等が開発されている。

また、特許文献１には、筒状の管体の周方向に沿って電極と絶縁部とを交互に並べた構成が開示されており、電圧を印加する電極を周方向に沿って移動させれば、電極の移動方向に沿って液晶の流動が生じる旨が開示されている。
しかるに、特許文献１の技術は、液晶分子が電極に引っ張られることによって液晶流動が発生させる技術である。つまり、特許文献１の技術は、あくまでも磁石に金属が引きつけられる現象と同様の現象で液晶を移動させている技術にすぎず、液晶の流動を発生させているものではない。

一方、液晶分子に電場や磁場を印加することによって、実際に液晶流動を発生させることを実現し、この液晶流動を利用する技術が開発されている（特許文献２〜６）。

この特許文献２〜６の技術は、液晶分子の回転に起因して液晶分子の周囲に発生する速度勾配に起因して液晶流動を発生させるという原理に基づくものであり、実際に液晶の流動を発生させることができる。そして、特許文献２〜６では、この液晶流動を利用する構成も開示されている。

例えば、特許文献２〜６には、固定部材と、この固定部材に対して移動可能に設けられた移動部材とを備え、両者の間に液晶を収容した物体移動機構が開示されている。この物体移動機構では、移動部材および固定部材にそれぞれ一対の電極が設けられており、各液晶分子がそれぞれ一方向にのみ回転するように拘束する拘束手段が移動部材および固定部材の互いに対向する面に設けられている。

そして、この物体移動機構では、拘束手段によって、各液晶分子がそれぞれ一方向にのみ回転するように拘束されているので、一対の電極から液晶に電界を印加すれば液晶分子が回転し、一方向の液晶流動を発生させることができる。したがって、この液晶流動の方向に沿って移動部材を移動させることができるのである。

特開２００６−４２４３０号 特許第３５８６７３４号 特許第４２７３３４１号 特開２００９−１８５９９３号 特開２００９−１８５９９４号 特開２０１０−１８３７５４号

しかるに、上記特許文献２〜６の技術は、液晶を挟むように配置された一対の電極から液晶に対して電界を印加する必要があるので、液晶を挟むように電極を配置しなければならない。つまり、移動する部材にも電極を設けなければならないという点で物体移動機構の構造が複雑になる可能性がある。
より簡単な構造で液晶流動を発生させることができ、しかもその液晶流動を工業的に利用できる物体移動機構があれば、液晶流動の工業的な利用を促進することができる。

本発明はかかる事情に鑑み、簡単な構造かつ制御で液晶流動を発生させることができる液晶を利用した変形可能なアクチュエータ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変形可能なアクチュエータは、作動流体となる液晶と、該液晶が配置される移動面を備えた基礎部材と、前記液晶における液晶分子の回転を発生させる液晶分子回転手段と、を備えており、前記液晶分子回転手段は、前記基礎部材の移動面に沿って設けられた複数の基礎側電極および／または基礎側磁極と、前記複数の基礎側電極または基礎側磁極のうち、選択された印加電極および／または印加磁極間に電界および／または磁界を発生させる制御部と、を備えていることを特徴とする。
第２発明の液晶を利用した変形可能なアクチュエータは、第１発明において、前記複数の基礎側電極および／または基礎側磁極が、格子状に配列されていることを特徴とする。
第３発明の液晶を利用した変形可能なアクチュエータは、第１または第２発明において、前記基礎部材との間に前記液晶を挟むように設けられた対向部材を備えており、該対向部材には、前記基礎部材の移動面と対向する対向面に沿って複数の対向側電極または対向側磁極が設けられていることを特徴とする。

第１発明によれば、液晶分子回転手段の制御部によって、選択された印加電極間および／または印加磁極間に電界および／または磁界を発生させれば、印加電極間および／または印加磁極間に位置する液晶の液晶分子は、その軸方向が電界の電気力線および／または磁界の磁力線に対して所定の方向を向くようにその配向を変化させる。すると、液晶分子の配向の変化に起因して、基礎部材の移動面に沿って、液晶を移動させることができる。この液晶の移動を駆動力として利用すれば、物体を移動させたりすることができる。しかも、移動基板の表面に沿って複数の基礎側電極または基礎側磁極を設ければよく、液晶を挟むように電極または磁極を配置する必要がない。したがって、液晶を挟むように電極および／または磁極を配置する場合に比べて、流動機構の構造を簡素化でき小型化することができる。
第２発明によれば、印加電極および／または印加磁極を変更すれば、基礎部材の移動面に沿って、液晶の移動方向を自由に調整できる。また、塊状の液晶が基礎部材の移動面上に配置されている場合には、液晶の移動だけでなくその形状も変化させることが可能となる。
第３発明によれば、塊状または液滴状の液晶に対して３次元的に電界および／または磁界を発生させることができるので、液晶に複雑な移動をさせることができる。

本実施形態の液晶を利用した無定形アクチュエータ１の概略説明図であって、（Ａ）は概略平面図であり、（Ｂ）は概略側面図である。 基礎側電極６ａ，６ｂ間に電界ＥＦを発生させた場合における液晶８の挙動を示した概略説明図であり、（Ａ）は電界ＥＦ印加前の状態であり、（Ａ）は電界ＥＦ印加中の状態であり、（Ａ）は電界ＥＦ印加後の状態である。 複数の基礎側電極６を設けた例であり、（Ａ）は直線状に基礎側電極６を配置した例の概略側面図であり、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面矢視図であり、（Ｃ）は基礎側電極６を格子状に配置した例の概略平面図である。 （Ａ）は基礎側電極６を格子状に配置した例であり、（Ｂ）は格子状に配置した状態で、複数の印加電極６ｐ，６ｍ対間に電界ＥＦを発生させた状態の概略側面図である。 対向部材１２を設け、基礎側電極６と対向側電極１５の間に電界ＥＦを発生させた状態の概略側面図である。 溝状の通路ＢＲに液晶８を通過させる無定形アクチュエータ１の概略説明図である。 実施例１において、液晶滴の移動を側面から観察した結果である。 （Ａ）は実施例１における液晶滴の移動距離の解析結果であり、（Ｂ）は実施例１における液晶滴の移動速度の解析結果である。 実施例１において、液晶滴の移動を上面から観察した結果である。 実施例２の結果を示した図である。 実施例３および実施例４の結果を示した図である。 ４つの電極を設けて液晶滴を移動させた実施例５の概略説明図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
なお、図１〜図６は、各部の構成を分かりやすくするために、各部の相対的な寸法は実際のものと一致していない。

（本実施形態の液晶を利用した無定形アクチュエータ１）
まず、図１に基づいて、本実施形態の液晶を利用した変形可能なアクチュエータ１（以下、無定形アクチュエータ１という場合がある）を説明する。

（液晶８）
図１において、符号８は、無定形アクチュエータ１の作動流体となる液晶を示している。図１では、液晶８は液滴の状態となっているが、液晶８は必ずしも液滴状態となっているものに限られず、シート状や塊状になっているものも含まれる。

なお、本実施形態の液晶を利用した無定形アクチュエータ１に使用される液晶８は、とくに限定されない。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、電界や磁界を加えたときに、液晶分子が回転する液晶であれば、特に限定はない。

（基礎部材２）
図１に示すように、液晶８は、板状の基礎部材２の表面に配置されている。基礎部材２は、ベース３と、ベース３の表面に積層された配向膜４とから構成されている。

（ベース３）
ベース３は、基礎部材２の本体となるものであり、例えば、ガラスや金属、樹脂などのプレートなどで形成することができるが、その素材はとくに限定されない。

（配向膜４）
ベース３の表面（図１（Ｂ）では上面）には、配向膜４が積層されている。配向膜４は、液晶８中の液晶分子を所定の方向に配向させるものである。例えば、配向膜４には、液晶８中の液晶分子を基礎部材２の表面に垂直に配向させるように、その表面にラビング処理が行われている。

なお、液晶８中の液晶分子を配向させるのは、後述するように、液晶８に電界や磁界が印加された際に、液晶分子を所定の方向に回転させて所定の液晶流動を液晶８中に発生させるためである。上述した液晶８は、この配向膜４の表面に配置されて、配向膜４の表面を移動する。つまり、配向膜４の表面が、特許請求の範囲にいう基礎部材２の移動面４ａに相当するのである。以下では、配向膜４の表面を、単に基礎部材２の移動面４ａという。

（液晶分子回転手段）
本実施形態の無定形アクチュエータ１では、液晶８の液晶分子の回転に起因する液晶流動で液晶８を移動させるのであるが、この液晶８の液晶分子を回転させるために、液晶分子回転手段５が設けられている。この液晶分子回転手段５は、電極６と制御部７とを備えている。

（電極６）
図１に示すように、ベース３の表面と配向膜４との間には、一対の基礎側電極６ａ，６ｂが設けられている。この一対の基礎側電極６ａ，６ｂは、例えば、ＩＴＯや銅や銀などの導電体などを素材として形成されたものである。この一対の基礎側電極６ａ，６ｂは、互いに離間した状態となるように形成されている。言い換えれば、一対の基礎側電極６ａ，６ｂは、互いに電気的に絶縁された状態となるように形成されている。なお、一対の基礎側電極６ａ，６ｂ間の距離は、両電極間に電圧を印加したときに、両電極間に電界ＥＦが形成される程度とすればよく、距離はとくに限定されない。

（制御部７）
図１に示すように、一対の基礎側電極６ａ，６ｂは、配線によって電源を有する制御部７に電気的に接続されている。この制御部７は、一対の基礎側電極６ａ，６ｂ間に印加する電圧やそのタイミング、周期等を制御して、一対の基礎側電極６ａ，６ｂ間における電界ＥＦの形成、形成タイミング、電界ＥＦの強度などを調整するものである。

（無定形アクチュエータ１の作動）
以上のごとき構成であるので、以下のように本実施形態の無定形アクチュエータ１は作動する。
なお、以下の説明では、液晶８が、液滴の状態の場合を説明する。
また、以下の説明では、配向膜４によって、液晶８中の液晶分子は、電界ＥＦが加わったときに、時計回りの回転をするように配向されている場合を説明する。

図２（Ａ）は、本実施形態の無定形アクチュエータ１の一対の基礎側電極６ａ，６ｂ間に電圧が印加されていない状態を示している。図２（Ａ）に示すように、一対の基礎側電極６ａ，６ｂ間に電圧が印加されていない状態では、基礎部材２の移動面４ａ状の液晶８は、その表面張力によってその表面がほぼ球面状となるようにその形状が維持される。

図２（Ａ）の状態から、一対の基礎側電極６ａ，６ｂ間に電圧を印加すると、一対の基礎側電極６ａ，６ｂ間に電界ＥＦが形成される。図２（Ａ）のように、液晶８が配置されていると、形成された電界ＥＦは液晶８を通過する。

このとき、配向膜４によって、液晶８中の液晶分子は、その配向が基礎部材２の移動面４ａに対して垂直になるように配向されているのに対し、一対の基礎側電極６ａ，６ｂ間に形成される電界ＥＦは、一対の基礎側電極６ａ，６ｂ近傍を除き、移動面４ａの法線方向に対して傾斜した状態となっている。このため、電界ＥＦが形成されると、液晶８において電界ＥＦが通過する部分の液晶分子は、その軸方向が移動面４ａに対して垂直となった状態から、その軸方向が電界ＥＦの方向と平行となるように時計回りに回転する。すると、液晶分子の回転に伴って、液晶８中には、右方向に向かう液晶分子の流動が発生するので、液晶８は右方向に移動する。このとき、液晶８の表面形状は、右側（移動方向前方）が盛り上がった流線形となる（図２（Ｂ）参照）。

やがて、液晶分子は、その軸方向が電界ＥＦの方向と平行となるまで回転するとその状態で回転を停止する。つまり、電界ＥＦが液晶８に印加されて続けていても、液晶８中の液晶分子の流動は、最初に液晶分子が回転する際にしか発生しない。このため、液晶分子同士の摩擦や液晶８と移動面４ａとの間の摩擦などの影響より、液晶８中の液晶流動がなくなると、電界ＥＦが液晶８に印加されていても、液晶８はその移動を停止する。そして、液晶８中の液晶流動がなくなると、液晶８は、その形状が流線形の状態からほぼ球面状の状態に戻る。

以上のように、本実施形態の無定形アクチュエータ１では、一対の基礎側電極６ａ，６ｂ間に電圧を印加すれば、液晶８の液晶分子の回転に起因する液晶８中の液晶流動によって基礎部材２の移動面４ａに沿って、液晶８を移動させることができる。したがって、この液晶８の移動を駆動力として利用すれば、物体を移動させたりすることができる。例えば、軸状の部材の一端を液晶８に浸漬したり液晶８上にプレートを乗せたりすれば、軸状の部材の他端やプレートの移動を利用することができる。

しかも、基礎部材２の表面に一対の基礎側電極６ａ，６ｂ設ければよく、液晶８を挟むように電極を配置しなくてもよいので、無定形アクチュエータ１は、その構造を簡素化できるし小型化することも可能となる。

なお、一対の基礎側電極６ａ，６ｂに対して間欠的に電圧を印加すれば、電圧を印加する度に液晶８中に液晶流動を発生させることができる。すると、一対の基礎側電極６ａ，６ｂに対して間欠的に電圧を印加すれば、液晶８を、同じ方向（図２であれば右方向）に間欠的に移動させることができる。そして、電圧を印加する周期を短くすれば、液晶８の移動を、連続移動に近い状態で移動させることも可能となる。

なお、上記例では、電極６はベース３の表面と配向膜４との間に設けられている場合を説明した。しかし、電圧が印加されたときに液晶８を通過する電界EFを形成させることができるのであれば、電極６はベース３の外面（図１（Ａ）では下面）に設けてもよい。

（複数電極）
なお、上記例では、基礎部材２の表面に一対の基礎側電極６ａ，６ｂ設けた場合を説明したが、基礎側電極６を設ける数はとくに限定されない。例えば、基礎部材２の表面に沿って並ぶように（図１であれば左右方向に並ぶように）複数の基礎側電極６を設けてもよい。この場合には、液晶８を複数の基礎側電極６が並んでいる方向に沿って移動させることも可能となる。

例えば、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基礎部材２の表面に沿って、複数の基礎側電極６を、互いに間隔を空けた状態で並ぶように配設する。この際、隣接する基礎側電極６間の距離は、隣接する基礎側電極６間に電圧を印加したときに、隣接する基礎側電極６間に電界ＥＦが形成される程度とすればよく、距離はとくに限定されない。

複数の基礎側電極６を設ける場合、制御部７には、全ての基礎側電極６の中から、電圧を印加する電極（以下、印加電極という）を選択する電極選択部７ａと、選択した電極に対して、電圧を印加する電圧印加部７ｂとが設けられる。この電極選択部７ａが印加電極を選択する方法はとくに限定されないが、例えば、以下のように制御することができる。

図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、液晶８がＸの位置にある場合には、電極選択部７ａは、一対の基礎側電極６Ａ，６Ｂを印加電極として選択する。すると、この一対の基礎側電極６ａ，６ｂに電圧を印加すれば、液晶８中に図３における右向きの液晶流動を発生させれば、液晶８を右向きに移動させることができる。また、一対の基礎側電極６Ａ，６Ｂに対して、間欠的に電圧を印加すれば、間欠的に、液晶８を同じ方向に移動させることができる。

やがて、一対の基礎側電極６Ｂ，６Ｃ間に電圧を印加したときに電界ＥＦが形成される領域に液晶８が入ると（図３のＹの位置）、電極選択部７ａは、一対の電極６Ｂ，６Ｃを印加電極として選択する。この一対の基礎側電極６Ｂ，６Ｃに電圧を印加すれば、液晶８をさらに右方向に移動させることができる。

そして、液晶８の移動に伴って、順次電圧を印加する一対の電極を右方向にズラして行けば、液晶８を右方向に移動させることができる。つまり、一対の基礎側電極６Ｂ，６Ｃの間に電圧を印加したあとは、一対の基礎側電極６Ｃ，６Ｄ間、一対の基礎側電極６Ｄ，６Ｅ間、というように、液晶８の位置に合わせて電圧を印加する一対の電極を変更すれば、液晶８を右方向に移動させることができる。

なお、電圧を印加する一対の電極は、必ずしも隣合った電極でなくてもよい。例えば、一つ飛ばし、または、２つ飛ばしで一対の電極を選択して電極対としてもよい。つまり、電圧が印加された電極対によって形成される電気力線に液晶８を通過させることができるのであれば、電圧を印加する一対の電極はとくに限定されない。

さらに、複数の基礎側電極６は格子状に配置してもよい（図３（Ｃ）、図４参照）。この場合には、電極選択部７ａが、電圧を印加する一対の電極を通過し基礎部材２の移動面４ａと交差する交差面と基礎部材２の移動面４ａとの交線が、互いに平行となるように電圧を印加する印加電極を選択すれば、前記交線の軸方向に沿って液晶８を移動させることができる。しかも、選択する印加電極を調整すれば、液晶８が移動する方向を変更することも可能となる。

例えば、図３（Ｃ）に示すように、前記交線が線ＳＬと一致するように印加電極を選択すれば、線ＳＬに沿って液晶８を移動させることができる。また、前記交線が線ＬＬと一致するように印加電極を選択すれば、線ＬＬに沿って液晶８を移動させることができる。

つまり、液晶８を移動させる方向を変化させるときに、液晶８を移動させたい方向と電界ＥＦが形成される方向とが一致するように印加電極を選択すればよい。すると、電圧を印加する電極の移動方向（つまり、最初に電圧を印加した電極とつぎに電圧を印加した電極の相対的な位置）を考慮せずに、電圧を印加する電極を選択できるので、印加電極を選択する制御が複雑にならない。

また、液晶８の一部を電界ＥＦが通過するように、印加電極を選択した場合、電界ＥＦが通過する部分の液晶だけを移動させることもできる。例えば、図４（Ｂ）に示すように、液晶８の周縁部に位置する一対の基礎側電極６ｍ，５ｐ間に対して電圧を印加すれば、電圧印加により形成された部分の液晶だけが移動するので、液晶８の形状（外形）を変化させることがきる。
この場合、離間した複数箇所（図４（Ｂ）では３箇所）で一対の基礎側電極６ｍ，６ｐ間に電圧を印加すれば、液晶８をより複雑な形状に変化させることができる。

（変形による移動）
液晶８はその形状を自由に変化させることができるので、幅等が変化する領域であっても、その領域に複数の電極６さえ配列しておけば、その領域に沿って液晶８を移動させることができる。具体的には、溝状に通路を形成した場合において、その溝の床面（上述した基礎部材２に相当する）に、複数の電極を並べて配置しておく。すると、電圧を印加する複数の電極を順次変更していけば、電圧を印加する複数の電極の変更に伴って、溝状の通路内に液晶８を移動させることができる。つまり、液晶８は、移動する通路の形状や状態に係わらず、通路に沿って移動できるのである。

例えば、図６であれば、ベース部材Ｂに、空間Ｒ１と空間Ｒ２を形成し、この空間Ｒ１と空間Ｒ２の間を繋ぐように溝状の通路ＢＲを形成する。そして、空間Ｒ１、空間Ｒ２および溝ＢＲの床面に電極を並べて配置する。そして、空間Ｒ１内に液晶８を配置しておき、電圧を印加する電極が空間Ｒ１から空間Ｒ２に向かって順次変化するようにする。すると、電圧を印加する電極の変化に伴って、液晶８を、溝ＢＲを通過させて、空間Ｒ１から空間Ｒ２に移動させることができる。このとき、溝ＢＲは、空間Ｒ１における液晶８の径よりもその幅が狭くなっていても、液晶８は溝ＢＲの幅に合わせて変形し、溝ＢＲを通過することができる。また、溝ＢＲが曲がっていても、液晶８はその曲がりに合わせて変形し、溝ＢＲが曲がっている箇所も抵抗なく通過できる。そして、溝ＢＲを通過して空間Ｒ２に入れば、液晶８は、空間Ｒ１に存在していたときと同様な形状に戻るのである。

（基礎部材２の製造方法）
上述したような、基礎側電極６を備えた基礎部材２を製造する方法はとくに限定されないが、例えば、以下の方法によって形成することができる。

まず、ベース３の表面に、スパッタリングや真空蒸着などの方法でＩＴＯ等の膜を形成して一対の基礎側電極６ａ，６ｂを形成する。このとき、一対の基礎側電極６ａ，６ｂを形成する位置の間にマスキングしておけば、一対の基礎側電極６ａ，６ｂは、互いに電気的に絶縁された状態でベース３の表面に形成される。
ついで、一対の基礎側電極６ａ，６ｂが形成されたベース３の表面に、スピンコート法等によって配向膜４を形成する。すると、一対の基礎側電極６ａ，６ｂおよびベース３の表面が配向膜４によって覆われた基礎部材２を形成することができる。
なお、ＩＴＯ膜によって一対の基礎側電極６ａ，６ｂと制御部７とを接続するための配線を形成してもよい。この場合には、ベース３の表面に配線の形状のマスキングをしておけばよい。

なお、配向膜４は必ずしも設けなくてもよい。例えば、液晶流動を常に一定の方向に発生させるのであれば、配向膜４を設けて液晶８中の液晶分子の配向を揃える必要がある。しかし、液晶８を効率よく移動させる上では、移動面に、配向膜４を設けずラビングレス処理も施されていない状態、または、弱アンカリング処理が施されている状態、であることが好ましい。すると、液晶８中の液晶分子が回転したり液晶８が移動したりする際に、液晶８と移動面との抵抗を少なくできるので、効率よく液晶８を移動させることができる。なお、弱アンカリング処理とは、特許第4053530号「ゼロ面アンカリング液晶配向法及びその液晶デバイス」に記載されているアンカリング処理、つまり、水平又は斜め配向は強制するが、面内（水平配置している分子の軸がある水平面内）方向の配向強制力ないアンカリング処理などである。

また、液晶流動を発生させる方向の自由度を高める上では、配向膜４を設けないほうが好ましい。この場合には、基礎部材２をベース３だけで構成し、このベース３の表面を移動面とすればよい（図５参照）。

（基礎部材２の形状）
なお、基礎部材２の形状などはとくに限定されず、図１に示すように板状であってもよいし、ブロック状や半球状、カップ状など種々の形状のものを使用することができる。

また、基礎部材２を構成するベース３や移動部４は、曲げたり屈曲させたりすることができる柔軟性を有する部材で形成してもよい。つまり、基礎部材２は、曲げたり屈曲させたりすることによって、その形状を変化させることができるものを使用してもよい。この場合でも、移動部４の移動面４ａが、液晶８との間の移動抵抗が少なくなるように形成されていれば、液晶８を移動面４ａに沿ってスムースに移動させることができる。

（対向部材１２を設けた構造）
また、基礎部材２と同じ構造を有する対向部材１２を、基礎部材２との間に液晶８を挟むように設けてもよい。この場合には、対向部材１２の対向側電極１５と基礎部材２の基礎側電極６間に電圧を印加することもできる。すると、液晶８の形状をより複雑に変形させたり複雑に移動させたりすることができる。

例えば、図５に示すように、いずれも平板状に形成された基礎部材２と対向部材１２の間に液晶８を配置し、液晶８を斜め上方に貫通する電界ＥＦを形成した場合には、液晶８を、斜め上方に向かって移動させることもできる。

（磁極の使用）
また、上記例では、電極６を設けて電界ＥＦによって液晶８中に流動を発生させる場合を説明したが、電極６に代えて磁極を設けてもよい。この場合には、液晶８として、磁界によって液晶分子の配向が変化するものを使用すればよい。
さらに、液晶８として、電界と磁界の両方によって液晶分子の配向を変化させることができるものの場合には、電極と磁極を両方設けてもよい。

本発明の無定形アクチュエータにおいて、作動流体である液晶が移動することを確認した。
実験は、図１（Ａ）と同様の構造を有するアクチュエータを製造し、このアクチュエータにおける液晶の移動を確認した。

アクチュエータは、以下のようにして製造した。
まず、ベース部材として、表面にＩＴＯ膜によって形成された一対の電極を有するガラス基板(２０ｍｍ×１０ｍｍ)を使用した。ＩＴＯ膜が形成されたガラス基板の表面に、スピンコート法により液晶分子が垂直配向となるように配向膜（ＪＳＲ株式会社製ＪＡＬＳ―２０２１―Ｒ２５）を形成して基礎部材を製造した。
この基礎部材の表面（配向膜の表面）に、マイクロマニプレータを用いてネマティック液晶（4-Cyano-4’-n-penty-biphenll（5CB））を体積０．４ｎｌ（基板上の直径５０μｍ）滴下して、液晶滴が基礎部材上に配置されたアクチュエータを形成した。

なお、一対の電極は、電極間の間隔が１５μｍとなるように形成した。
また、液晶は、基礎部材の表面において、液晶滴の端面が電極の端縁と一致するように配置した。

そして、このアクチュエータの一対の電極間に１００Ｖの印加電圧を加えて、液晶の挙動を側面および上面から光学顕微鏡により確認した。

結果を図７〜図９に示す。

図７に示すように、一対の電極間に電圧を印加すると、液晶に電場が印加されるが、電場の印加により、液晶滴の右端部が右方へ移動しており、同時に左端部も右方へ移動していることが確認できる（図７（Ｂ））。ただし、左端部の量は右端部の移動量と比較すると小さく、液晶滴は横長な形状になっていることが確認できる。
そして、電圧の印加を中止して液晶滴に対する電場の印加を停止すると、液晶滴はその形状はほぼ初期状態（図７（Ａ）参照）と同じ形状に戻っていることも確認できる。最終的に、電圧の印加前後で液晶滴の図心位置を比較すると、液晶滴の図心は、約１４μｍ移動が実現していた。

以上の結果より、本発明の無定形アクチュエータでは、電場を印加することによって、作動流体である液晶を移動させることができることが確認できた。

また、図８に示すように、画像解析によって求めた図心位置の時間変化から、電場が印加された直後に液晶滴が急激に移動し、その後、緩やかな移動に移行したのち、停止していることが確認できる。そして、中心差分によって図心位置の移動速度を求めると、電場を印加した直後では、約３００μｍ/ｓであり、非常に高速で移動していることが確認できた。
なお、図８において、電場の印加を停止したのち、図心位置が僅かに戻っているが、これは、液晶滴の表面形状が初期状態へと戻るためである。

そして、上記液晶滴の移動と、液晶中の液晶分子の動き（分子配向）との関係を確認するために、液晶滴の上方から偏光顕微鏡で観察した画像を図９に示す。図９中の破線は液晶滴の外形を示しており、実線は電極膜の端縁を示している。
なお、偏光顕微鏡で観察において、偏光子および検光子は、液晶滴の移動方向に対して４５度傾いたクロスニコル状態とした。

図９（Ａ）に示すように、電場印加前の画像は、視野全領域にわたって暗視野状態であり、液晶滴全体で液晶分子が垂直配向状態にあることがわかる。
一方、図９（Ｂ）に示すように、電場が印加された状態では、液晶滴内の大部分で明視野となっており、電場の印加によって液晶分子の配向が電場方向への配向に変化したことがわかる。この結果より、この液昂分子配向状態の変化によって液晶滴内に液晶流動が発生し、その影響で液晶滴が移動したと考えられる。

つぎに、液晶滴の移動において、印加電圧および電場強度が与える影響を確認した。
実施例１の装置において、電極間隔を、１０、１５、２０μｍとした場合において、印加電圧および電場強度を変化させたときにおける液晶滴の移動量の変化を測定した。
なお、電場強度は、印加電圧Ｖと電極間隔Ｈから算出した。

結果を図１０に示す。
図１０（Ａ）に示すように、電極間隔に係わらず、電場強度を大きくすると、液晶滴の移動量が大きくなることが確認された。
また、図１０（Ｂ）に示すように、電極間隔に係わらず、印加電圧を大きくすると、液晶滴の移動量が大きくなることが確認された。

以上の結果より、印加電圧および電場強度を変化させることによって、液晶滴の移動量を調整できる可能性があることが確認された。

つぎに、液晶滴の移動において、液晶滴の移動量に電極間隔が与える影響を確認した。
電極間隔を、５、７．５、１０、１２．５、１５、１７．５、２０μｍの場合において、液晶滴の移動量を測定した。
なお、電極（幅５μｍ）間に印加する印加電圧Ｖは、印加電圧Ｖと電極間隔Ｈから算出した電場強度が６Ｖ／μｍとなるように調整した。つまり、電極間隔が５、７．５、１０、１２．５、１５、１７．５、２０μｍの場合において、それぞれ３０、４５、６０、７５、９０、１０５、１２０Ｖとした。

結果を図１１（Ｂ）に示す。
図１１（Ｂ）に示すように、電極間隔が５μｍのときには、液晶滴は２．５μｍほどしか移動しなかったが、電極間隔が広くなるにしたがって、液晶滴の移動量が増加していることが確認できる。
つまり、電場強度が一定でも電極間隔が広くなるにしたがって液晶滴の移動量が増加することが確認された。

つぎに、液晶滴の移動において、液晶滴の位置と電極との関係を確認した。
実験では、液晶滴と手前側の電極（図１では右側の電極、以下基準電極という）との位置を変化させて、液晶滴と電極の相対的な位置が、液晶滴の移動量に与える影響を確認した。
基準電極の手前側の端縁（図１では左側の端縁、以下、基準端縁という）を基準位置として、基準位置から液晶滴の先端縁（図１では右側の端縁）までの距離をＸとし、Ｘ＝０、５、１０、１５、２０μｍの位置に液晶滴の先端縁を配置した場合における、移動量を確認した。
なお、その他の条件は、実施例１と同じ条件とした。

結果を図１１（Ａ）に示す。
図１１（Ａ）に示すように、Ｘ＝０のとき、つまり液晶滴の先端縁が基準端縁と接する状態になっているとき，液晶滴は移動しなかった。
一方、Ｘ＝５のときに、約２３μｍ移動し、それ以降、液晶滴と基準電極の重なりが大きくなるにしたがって、移動量も減少した。

以上の結果から、液晶滴と電極との重なり状況によって、液晶滴の移動状態が変化することが確認された。

複数枚の電極を使用した場合における液晶滴の移動を確認した。
実験では、４つの電極６ａ〜６ｄ（電極幅５μｍ）、電極間隔Ｈを１５μｍ（つまり１ピッチ２０μｍ）として、印加する電極を変化させて、液晶滴８の移動を確認した（図１２参照）。
なお、各電極間に印加する直流電圧は９０Ｖとした。

まず、液晶滴８が左側に配置されている状態から、電極６ａ，６ｂ間に１秒間電圧を印加し，１秒間解放した。同様に、電極６ｂ，６ｃ間に電圧を１秒間印加し，１秒間解放した。そして、電極６ｃ，６ｄ間に電圧を印加した。すると、液晶滴８を、左側から右側まで連続的に移動させることができた。
また，液晶滴８が右側に移動した状態から、電極６ｃ，６ｄ間に１秒間電圧を印加し，１秒間解放した。同様に、電極６ｂ，６ｃ間に電圧を１秒間印加し，１秒間解放した。そして、電極６ａ，６ｂ間に電圧を印加した。すると、先ほどとは逆に、液晶滴８を、右側から左側まで連続的に移動させることができた。
つまり、図１２のように４つの電極６ａ〜６ｄを配列すれば、印加する電極を変化させることによって、液晶滴８をいずれの方向にも移動させることができることが確認できた。

本発明の液晶を利用した変形可能なアクチュエータは、軸状の部材やプレートなどの移動に利用できる。

１ 無定形アクチュエータ
２ 基礎部材
３ ベース
４ 配向膜
５ 液晶分子回転手段
６ 電極
７ 制御部
８ 液晶
１２ 対向部材
１６ 対向側電極部材
ＥＦ 電界

Claims (3)

1. 作動流体となる液晶と、
   該液晶が配置される移動面を備えた基礎部材と、
   前記液晶における液晶分子の回転を発生させる液晶分子回転手段と、を備えており、
   前記液晶分子回転手段は、
   前記基礎部材の移動面に沿って設けられた複数の基礎側電極および／または基礎側磁極と、
   前記複数の基礎側電極または基礎側磁極のうち、選択された印加電極および／または印加磁極間に電界および／または磁界を発生させる制御部と、を備えている
   ことを特徴とする液晶を利用した変形可能なアクチュエータ。
2. 前記複数の基礎側電極および／または基礎側磁極が、格子状に配列されている
   ことを特徴とする請求項１記載の液晶を利用した変形可能なアクチュエータ。
3. 前記基礎部材との間に前記液晶を挟むように設けられた対向部材を備えており、
   該対向部材と前記基礎部材との間に塊状または液滴状の前記液晶が配置されており、
   前記対向部材には、
   前記基礎部材の移動面と対向する対向面に沿って複数の対向側電極および／または対向側磁極が設けられている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の液晶を利用した変形可能なアクチュエータ。