JP5126746B2 - Multipolar LCD motor - Google Patents
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Description
本発明は、多極型液晶モータに関する。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、その重心周り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多極型液晶モータに関する。
The present invention relates to a multipolar liquid crystal motor. A liquid crystal refers to a state that has fluidity but is optically anisotropic, exhibits birefringence, has crystal-like properties, or exhibits such a state. When an electric field or magnetic field is applied to the liquid crystal, all liquid crystal molecules rotate around the center of gravity, and the axial direction is oriented at an angle unique to the liquid crystal with respect to the direction of the electric field or magnetic field.
The present invention relates to a multipolar liquid crystal motor utilizing the properties of the liquid crystal.
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。
Conventionally, liquid crystals have been used in information display devices such as liquid crystal displays because their optical properties change as liquid crystal molecules are aligned.
The viscosity of the liquid crystal changes when the orientation direction of the liquid crystal molecules is changed by applying an electric field or a magnetic field. That is, since the liquid crystal also has a property as an electrorheological fluid, bearings, dampers, and the like using this property have been developed.
一方、液晶分子が配向するときに液晶流動が発生することが知られており、かかる液晶流動を工業的に利用する技術も開発されている(特許文献1)。
特許文献1には、中空な空間を有する外側部材と、この外側部材内に回転自在に配設された内側軸とを備え、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、内側軸の半径方向から電界を加えて液晶分子を回転させる液晶分子回転手段が設けられており、液晶分子の回転方向を拘束する一対の配向膜が外側部材の内面および内側軸の外面に設けられている。
そして、この物体移動機構では、一対の配向膜によって、液晶分子が内側軸の軸方向と交わる面内でのみ回転するように拘束されているので、液晶分子回転手段によって液晶分子を回転させれば、内側軸の周方向に沿って液晶流動が発生する。すると、外側部材を固定しておけば、内側軸を回転させることができるから、内側軸から回転力を取り出すことができる。
On the other hand, it is known that liquid crystal flow occurs when liquid crystal molecules are aligned, and a technique for industrially utilizing such liquid crystal flow has also been developed (Patent Document 1).
Patent Document 1 discloses an object moving mechanism that includes an outer member having a hollow space and an inner shaft rotatably disposed in the outer member, and that accommodates liquid crystal therebetween. In this object moving mechanism, liquid crystal molecule rotating means for rotating the liquid crystal molecules by applying an electric field from the radial direction of the inner axis is provided, and a pair of alignment films that restrict the rotation direction of the liquid crystal molecules are provided on the inner surface and the inner side of the outer member. It is provided on the outer surface of the shaft.
In this object movement mechanism, the liquid crystal molecules are constrained to rotate only in the plane intersecting the axial direction of the inner axis by the pair of alignment films, so if the liquid crystal molecules are rotated by the liquid crystal molecule rotating means, Liquid crystal flow is generated along the circumferential direction of the inner shaft. Then, if the outer member is fixed, the inner shaft can be rotated, so that the rotational force can be extracted from the inner shaft.
ところで、上記特許文献1の技術は、液晶流動から工業的に利用可能な回転力を発生させることができる点で有効な技術であるが、外側部材の内面および内側軸の外面に一対の配向膜を設けなければならない。このため、物体移動機構が小型化すると製造が難しくなるため、より製造が容易な構造を有する機構の開発が望まれている。 By the way, although the technique of the said patent document 1 is an effective technique at the point which can generate | occur | produce industrially available rotational force from a liquid-crystal flow, it is a pair of alignment film on the inner surface of an outer member, and the outer surface of an inner side shaft. Must be provided. For this reason, since the manufacture becomes difficult when the object moving mechanism is downsized, development of a mechanism having a structure that is easier to manufacture is desired.
本発明はかかる事情に鑑み、小型化しても製造が容易であり、しかも、効率よく回転力を発生させることができる多極型液晶モータを提供することを目的とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a multipolar liquid crystal motor that can be easily manufactured even if it is downsized and that can efficiently generate a rotational force.
第1発明の多極型液晶モータは、 液晶分子の回転に伴って該液晶分子の周囲に発生する速度勾配に起因する液晶流動により作動されるモータであって、中空な筒状部材と、該筒状部材の中空な空間内に配設された軸状部材と、該軸状部材の外面と前記筒状部材の内面との間に配設された液晶と、前記液晶の液晶分子に対して電界または磁界を加えて、該液晶の液晶分子を、前記軸状部材の軸方向と交差する面内において回転させる液晶分子回転手段とからなり、前記軸状部材は、その中心軸周りに回転可能となるように、前記筒状部材の中空な空間内に配置されており、前記液晶分子回転手段は、前記軸状部材の軸方向と交差する方向に沿った電界または磁界を発生する複数の回転手段を備えており、該複数の回転手段は、発生する電界または磁界の方向が、互いに交差するように配設されていることを特徴とする。
第2発明の多極型液晶モータは、第1発明において、電界または磁界を発生させる前記回転手段を、前記液晶分子が同じ方向に回転するように順次切り換える制御手段を備えていることを特徴とする。
第3発明の多極型液晶モータは、第1または第2発明において、前記複数の回転手段は、前記軸状部材の中心軸に対して、その円周方向に沿って並んで配置されており、前記制御手段は、電界または磁界を発生させる前記回転手段を、時計回りまたは反時計回りに順次切り換えることを特徴とする。
The multipolar liquid crystal motor of the first invention is a motor operated by liquid crystal flow caused by a velocity gradient generated around the liquid crystal molecules as the liquid crystal molecules rotate, and includes a hollow cylindrical member, A shaft-shaped member disposed in a hollow space of the tubular member, a liquid crystal disposed between an outer surface of the shaft-shaped member and an inner surface of the tubular member, and liquid crystal molecules of the liquid crystal It comprises liquid crystal molecule rotating means for applying an electric field or a magnetic field to rotate the liquid crystal molecules of the liquid crystal in a plane intersecting the axial direction of the shaft-shaped member, and the shaft-shaped member can rotate around its central axis. The liquid crystal molecule rotating means is arranged in a hollow space of the cylindrical member, and the liquid crystal molecule rotating means generates a plurality of rotations that generate an electric field or a magnetic field along a direction intersecting the axial direction of the axial member. A plurality of rotating means for generating an electric field generated or Direction of the magnetic field, characterized in that it is arranged so as to intersect with each other.
A multipolar liquid crystal motor according to a second invention is characterized in that, in the first invention, the multipolar liquid crystal motor comprises control means for sequentially switching the rotation means for generating an electric field or a magnetic field so that the liquid crystal molecules rotate in the same direction. To do.
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the plurality of rotating means are arranged side by side along the circumferential direction with respect to a central axis of the shaft-shaped member. The control means sequentially switches the rotating means for generating an electric field or a magnetic field clockwise or counterclockwise.
第1発明によれば、電界または磁界を発生させる回転手段を制御すれば、液晶分子を、その重心周りに揺動させることができるから、軸状部材の周囲に液晶分子の揺動に起因する液晶流動を発生させることができる。すると、液晶流動の方向に沿って軸状部材を回転させることができるから、各回転手段が電界または磁界を発生するタイミングや時間を制御すれば、発生する液晶流動の流量や流動方向をコントロールすることができ、軸状部材の回転速度や回転方向を制御することができる。しかも、液晶分子の回転を拘束する配向膜を設けなくても液晶分子の回転を制御できるので、小型化しても製造が容易になる。そして、液晶分子を拘束する配向膜を設けないので、液晶分子が回転したときに発生する液晶流動の流量を大きくできるから、軸状部材を効率よく回転させることができる。
第2発明によれば、制御手段によって液晶分子が同じ方向に回転するように各回転手段の作動が制御されているので、同じ方向に流れる液晶流動を発生させることができる。すると、制御手段によって各回転手段が電界または磁界を発生するタイミングや時間を制御すれば、同じ方向に連続した液晶流動を発生させることができるから、軸状部材を同一方向に連続して回転させることができる。
第3発明によれば、電界または磁界を発生させる回転手段を時計回りまたは反時計回りに順次切り換えれば、時計回りまたは反時計回りの連続した液晶流動を発生させることができ、軸状部材を時計回りまたは反時計回りに連続して回転させることができる。
According to the first invention, the liquid crystal molecules can be swung around the center of gravity by controlling the rotating means for generating an electric field or a magnetic field, so that the liquid crystal molecules are swung around the shaft member. Liquid crystal flow can be generated. Then, since the shaft-like member can be rotated along the liquid crystal flow direction, the flow rate and flow direction of the generated liquid crystal flow can be controlled by controlling the timing and time at which each rotating means generates an electric field or magnetic field. And the rotational speed and direction of the shaft-like member can be controlled. Moreover, since the rotation of the liquid crystal molecules can be controlled without providing an alignment film that restricts the rotation of the liquid crystal molecules, the manufacture is facilitated even if the size is reduced. And since the alignment film which restrains a liquid crystal molecule is not provided, since the flow volume of the liquid crystal flow generate | occur | produced when a liquid crystal molecule rotates can be enlarged, a shaft-shaped member can be rotated efficiently.
According to the second aspect of the invention, since the operation of each rotating means is controlled so that the liquid crystal molecules rotate in the same direction by the control means, it is possible to generate a liquid crystal flow that flows in the same direction. Then, if the timing and time at which each rotating means generates an electric field or magnetic field is controlled by the control means, it is possible to generate a continuous liquid crystal flow in the same direction, so that the shaft-like member is continuously rotated in the same direction. be able to.
According to the third aspect of the present invention, if the rotating means for generating an electric field or a magnetic field is sequentially switched clockwise or counterclockwise, it is possible to generate a continuous liquid crystal flow clockwise or counterclockwise. It can be continuously rotated clockwise or counterclockwise.
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
まず、本発明の多極型液晶モータを説明する前に、液晶に電界や磁界を加えたときに、液晶流動が発生する原理を説明する。
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のみ説明する。
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。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, before describing the multipolar liquid crystal motor of the present invention, the principle of liquid crystal flow when an electric field or magnetic field is applied to the liquid crystal will be described.
In addition, when an electric field or a magnetic field is applied to the liquid crystal, the axial direction of the liquid crystal molecules is aligned at an angle unique to the liquid crystal with respect to the direction of the electric field or the magnetic field. Only the liquid crystal in which the axial direction of the liquid crystal molecules is parallel to the direction of the electric field or magnetic field will be described.
In addition, since the liquid crystal molecules are aligned when an electric field or a magnetic field is applied, only the case where an electric field is applied will be described below.
図9は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。図10は固定された部材P(以下、固定部材Pという)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。
なお、図10において、液晶分子mがその重心周りに回転したときに、液晶分子mは固定部材Pの表面に沿って移動(並進移動)するのであるが、説明を分かりやすくするために並進移動をさせない状態で記載している。
FIG. 9 is an explanatory diagram of the movement of the liquid crystal molecules m when an electric field is applied. FIG. 10 is an explanatory view of the movement of the liquid crystal molecules m when an electric field is applied to the liquid crystal LC placed on the fixed member P (hereinafter referred to as the fixed member P).
In FIG. 10, when the liquid crystal molecule m rotates around its center of gravity, the liquid crystal molecule m moves (translates) along the surface of the fixed member P. It has been described in a state that does not.
図9に示すように、液晶LCに、その液晶分子mの軸方向と交差するように電界ef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9(A)
では矢印の方向)に、その軸方向が電界efと一致するまで回転する(図9(B) )。すると、各液晶分子mの周囲には速度勾配が発生するので、液晶流動が発生するのである(図9(C)
)。
As shown in FIG. 9, when an electric field ef is applied to the liquid crystal LC so as to intersect the axial direction of the liquid crystal molecule m, the liquid crystal molecule m has a direction in which the rotation angle decreases (FIG. 9A).
(In the direction of the arrow) until the axis direction coincides with the electric field ef (FIG. 9B). Then, since a velocity gradient is generated around each liquid crystal molecule m, liquid crystal flow is generated (FIG. 9C).
).
ここで、図10 に示すように、固定部材Pに接触している液晶LCでは、固定部材Pの壁面近傍に位置する液晶分子mは、壁面と液晶分子mとの間に生じる分子間相互作用の影響により、壁面から離れて位置する液晶分子mに比べてその重心周りの回転や並進移動が若干制限される。すると、電界efを加えても、固定部材Pの近傍に位置する液晶分子mは、その軸方向が電界efと一致するまで回転することができず、回転量が小さくなり、液晶分子mの回転によってその周囲に形成される速度勾配も小さくなる(図10(B)、(C)
)。
したがって、固定部材Pに接触するように配置された液晶LCでは、電界efを加えたときに、液晶LC内に、図10(D)に示すような速度分布を有する液晶分子mの流れが発生するのである。
Here, as shown in FIG. 10, in the liquid crystal LC in contact with the fixing member P, the liquid crystal molecules m located in the vicinity of the wall surface of the fixing member P are intermolecular interactions generated between the wall surface and the liquid crystal molecules m. As a result, the rotation and translation around the center of gravity of the liquid crystal molecules m located away from the wall surface are slightly limited. Then, even if the electric field ef is applied, the liquid crystal molecules m located in the vicinity of the fixing member P cannot rotate until the axial direction thereof coincides with the electric field ef, and the rotation amount becomes small, and the rotation of the liquid crystal molecules m. , The velocity gradient formed around it is also reduced (FIGS. 10B and 10C).
).
Therefore, in the liquid crystal LC arranged so as to be in contact with the fixing member P, a flow of liquid crystal molecules m having a velocity distribution as shown in FIG. 10D is generated in the liquid crystal LC when the electric field ef is applied. To do.
さて、本発明の多極型液晶モータを説明する。
図1は液晶LCに対して電界efが加えられていない状態における本実施形態の多極型液晶モータ10の概略説明図である。図1において、符号11は筒状部材を示している。この筒状部材11には、略断面円形に形成された中空な空間11hが設けられている。そして、この筒状部材11の内面には、配向膜が設けられておらず、ラビングレス処理も施されていない。または、この筒状部材11の内面には、弱アンカリング処理が施されている。つまり、筒状部材11の内面は、後述する液晶LCが弱アンカリングされている状態、または、全くアンカリングされていない状態となるように処理されている。
以下では、液晶LCが弱アンカリングされている状態と全くアンカリングされていない状態(配向膜が設けられておらず、ラビングレス処理も施されていない状態)とを含めて弱アンカリング状態といい、この弱アンカリング状態となるように処理することを弱アンカリング処理という。
なお、弱アンカリング処理には、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も含んでいる。
Now, the multipolar liquid crystal motor of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a multipolar
In the following, the weak anchoring state including the state in which the liquid crystal LC is weakly anchored and the state in which the liquid crystal LC is not anchored at all (the state in which the alignment film is not provided and the rubbing-less process is not performed) Okay, processing to achieve this weak anchoring state is called weak anchoring processing.
Note that the anchoring process described in Japanese Patent No. 4053530 “Zero-plane anchoring liquid crystal alignment method and liquid crystal device thereof” is applied to the weak anchoring process, that is, horizontal or oblique alignment is forced, but in-plane (horizontal It also includes an anchoring process that does not force alignment in the direction (within the horizontal plane in which the axis of the molecule is located).
なお、図1では、筒状部材11および空間11hが同心かつ円形断面の場合を例示しているが、筒状部材11および空間11hの断面は必ずしも円形である必要はなく、楕円形や四角形などでもよいし、必ずしも同心でなくてもよい。
1 illustrates the case where the
図1に示すように、前記筒状部材11の空間11h内には、軸状部材12が配設されている。この軸状部材12は、その中心軸12aが筒状部材11の空間11hの中心軸11aと一致するように配設されている。しかも、軸状部材12は、筒状部材11に対して、その中心軸11a周りに回転可能となるように支持されている。
また、軸状部材12の外面も、筒状部材11の内面と同様に、弱アンカリング処理が施されている。
As shown in FIG. 1, a shaft-
In addition, the outer surface of the shaft-
なお、軸状部材12は、図1に示すような中実な軸だけでなく、筒状の部材でもよく、その形状はとくに限定されない。そして、図1では、軸状部材12が円形断面の場合を例示しているが、軸状部材12の断面は必ずしも円形である必要はなく、楕円形や四角形などでもよい。
The shaft-shaped
この軸状部材12の外面と、筒状部材11の空間11h内の内面との間には、液晶LCが収容されている。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。
なお、磁界を加えたときに、液晶分子が回転する液晶でもよいのは、いうまでもない。
A liquid crystal LC is accommodated between the outer surface of the shaft-shaped
Needless to say, the liquid crystal molecules may rotate when a magnetic field is applied.
また、前記筒状部材11の外面には、複数の電極Eが設けられている。この複数の電極Eは、筒状部材11の外面に沿って、筒状部材11の空間11hの中心軸周りに並んで配設されている。しかも、複数の電極Eは、筒状部材11の空間11hの中心軸周りに等角度間隔で並ぶように配設されており、隣合う電極E同士のなす角度θが鋭角となるように配設されている。図1であれば、複数の電極Eが、45度間隔で並ぶように配設されている。
この複数の電極Eが特許請求の範囲にいう複数の回転手段である。なお、電極E同士のなす角度θとは、各電極Eにおける筒状部材11の外面に沿った方向の中間点と筒状部材11の中心軸11aとを結ぶ線同士が挟む角を意味している。
A plurality of electrodes E are provided on the outer surface of the
The plurality of electrodes E are a plurality of rotating means referred to in the claims. The angle θ between the electrodes E means an angle between lines connecting the intermediate point of each electrode E in the direction along the outer surface of the
そして、前記複数の電極Eは、いずれも制御手段20に電気的に接続されている。この制御手段20は、複数の電極Eに印加する電圧を制御して、筒状部材11の空間11h内に発生させる電界の方向や強さ、タイミングを制御するものである。
具体的には、制御手段20は、複数の電極Eのうち、筒状部材11の空間11hの中心軸11aを挟んで対向する一対の電極対E,E(例えば電極対Ea,Ea)に電圧を印加して、電極対E,E間に電界efを発生させるようになっている。しかも、制御手段20は、一の電極対E,Eの間に電界efを発生させた後に他の電極対E,Eに電界efを発生させる場合には、両電界efの方向が互いに交差するように、電界efを発生させる電極対E,Eを制御している。
The plurality of electrodes E are all electrically connected to the control means 20. The control means 20 controls the voltage applied to the plurality of electrodes E to control the direction, intensity, and timing of the electric field generated in the
Specifically, the control means 20 applies a voltage to a pair of electrodes E, E (for example, electrode pairs Ea, Ea) facing each other across the
つぎに、図1〜図5に基づいて、本実施形態の多極型液晶モータ10の作用と効果を説明する。
なお、以下の例では、筒状部材11の移動が固定され、軸状部材12が回転する場合を説明するが、軸状部材12の移動を固定し、筒状部材11を回転させるようにしてもよい。
Next, operations and effects of the multipolar
In the following example, the case where the movement of the
図2 は電極Ea,Ea間に電界eafを発生させたときにおける液晶分子mの配列を示した図である。図3
は図2の状態から電極対Eb,Eb間に電界ebfを発生させたときにおける液晶分子mの配列を示した図である。図4は図3の状態から電極対Ec,Ec間に電界ecfを発生させたときにおける液晶分子mの配列を示した図である。図5は図4の状態から電極対Ed,Ed間に電界edfを発生させたときにおける液晶分子mの配列を示した図である。図6は図5の状態から電極対Ea,Ea間に電界eafを発生させたときにおける液晶分子mの配列を示した図である。
FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of liquid crystal molecules m when an electric field eaf is generated between the electrodes Ea and Ea. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an arrangement of liquid crystal molecules m when an electric field ebf is generated between the electrode pair Eb and Eb from the state of FIG. FIG. 4 is a diagram showing the arrangement of the liquid crystal molecules m when the electric field ecf is generated between the electrode pair Ec and Ec from the state of FIG. FIG. 5 is a diagram showing the arrangement of the liquid crystal molecules m when the electric field edf is generated between the electrode pair Ed and Ed from the state of FIG. FIG. 6 is a diagram showing the arrangement of the liquid crystal molecules m when the electric field eaf is generated between the electrode pair Ea and Ea from the state of FIG.
まず、制御装置20によって一対の電極対Ea,Ea間に電圧を加えると、筒状部材11には、筒状部材11の空間11hの軸方向(図1では紙面に垂直な方向)と交差する方向に沿って電界eafが発生する。すると、液晶LCの全ての液晶分子mは、その軸方向が電界eafと平行になるように回転する(図2)。
電圧を加えられる前の状態では、筒状部材11の内面および軸状部材12の外面が弱アンカリング処理されているので、電界eafが印加されるまでは筒状部材11内の液晶分子mの方向はある任意の方向を向いている。このため、液晶分子mが回転したときに、筒状部材11内に発生する液晶流動の方向は特定できない。
First, when a voltage is applied between the pair of electrodes Ea and Ea by the control device 20, the
In a state before the voltage is applied, the inner surface of the
なお、図2に示すように、電界eafは全ての液晶分子mに対しては加えられない。このため、電界eafの直接的な影響によって回転する液晶分子mは、電界eafは加えられた一部の液晶分子mに限定される。しかし、筒状部材11の内面および軸状部材12の外面は弱アンカリング処理されているので、電界eafが加えられていない液晶分子mは任意の方向に配向することができる。すると、長距離秩序効果によって液晶分子m同士の空間的連続性を保つために、電界eafが加えられていない液晶分子mも、電界eafが加えられた一部の液晶分子mと同じ方向を向くように回転する。よって、筒状部材11内の液晶LCは、その一部の領域の液晶分子mにのみ電界eafが加えられても、全ての液晶分子mが同じ配向、つまり、電界eafの方向を向くように回転するのである。
なお、どの電極対E,Eから電界efが加えられた場合でも、上記と同様の理由から、全ての液晶分子mが電界efの方向に配向する。
As shown in FIG. 2, the electric field eaf is not applied to all the liquid crystal molecules m. For this reason, the liquid crystal molecules m rotating due to the direct influence of the electric field eaf are limited to some liquid crystal molecules m to which the electric field eaf is applied. However, since the inner surface of the
Note that, when the electric field ef is applied from any electrode pair E, E, all the liquid crystal molecules m are aligned in the direction of the electric field ef for the same reason as described above.
液晶LCの全ての液晶分子mが電界eafと平行となると、一対の電極対Ea,Ea間への電圧の印加を停止する。このとき、筒状部材11の内面および軸状部材12の外面には弱アンカリング処理が施されているので、一対の電極対Ea,Ea間への電圧の印加を停止すると、全ての液晶分子mに対して何も力が作用していない状態となるので、全ての液晶分子mは電界eafと平行なままで維持される。
When all the liquid crystal molecules m of the liquid crystal LC are parallel to the electric field eaf, the application of voltage between the pair of electrodes Ea and Ea is stopped. At this time, since the inner surface of the
ついで、制御装置20によって一対の電極対Eb,Eb間に電圧を印加すれば、一対の電極対Eb,Eb間に電界ebfが発生する。すると、電極Ebは、電極Eaに対して反時計回りに45度回転した位置に設けられているので、電界ebfの方向も、電界eafの方向に対して反時計回りに45度回転した方向となる。すると、電界ebfは、電界eafが加えられていたときにおける全ての液晶分子mの方向に対して反時計回りに45度回転した方向となるから、全ての液晶分子mはその重心周りに反時計回りに回転する(図3)。
このとき、筒状部材11はその移動が固定されているので、筒状部材11の内面と軸状部材12の外面との間において、筒状部材11の空間11hの中心軸11aと直交する面内に、図8(A)
に示した速度分布が形成される。すると、筒状部材11の空間11hには、その中心軸11aを中心とする反時計周りの液晶流動が発生する。
かかる液晶流動が発生すると、軸状部材12は筒状部材11に対してその中心軸11a周りに回転可能となるように支持されているので、反時計周りの液晶流動により、軸状部材12が反時計周りに回転される。
Next, when a voltage is applied between the pair of electrodes Eb and Eb by the control device 20, an electric field ebf is generated between the pair of electrodes Eb and Eb. Then, since the electrode Eb is provided at a position rotated 45 degrees counterclockwise with respect to the electrode Ea, the direction of the electric field ebf is also a direction rotated 45 degrees counterclockwise with respect to the direction of the electric field eaf. Become. Then, the electric field ebf becomes a direction rotated 45 degrees counterclockwise with respect to the direction of all the liquid crystal molecules m when the electric field eaf is applied, so that all the liquid crystal molecules m are counterclockwise around the center of gravity. Rotate around (Fig. 3).
At this time, since the movement of the
The velocity distribution shown in is formed. Then, in the
When such a liquid crystal flow occurs, the shaft-
また、液晶LCの全ての液晶分子mが電界ebfと平行となると、一対の電極対Eb,Eb間への電圧の印加を停止する。すると、全ての液晶分子mは電界ebfと平行なままで維持される。 When all the liquid crystal molecules m of the liquid crystal LC are parallel to the electric field ebf, the application of voltage between the pair of electrodes Eb and Eb is stopped. Then, all the liquid crystal molecules m are maintained in parallel with the electric field ebf.
ついで、制御装置20によって一対の電極対Ec,Ec間に電圧を印加すれば、一対の電極対Ec,Ec間に電界ecfが発生する。すると、電界ecfの方向は、電界ebfの方向に対して反時計回りに45度回転した方向となるから、全ての液晶分子mは、その重心周りに反時計回りに回転する(図4)。
このときにも、筒状部材11の空間11hには図8(A) に示した速度分布が形成され、空間11hの中心軸11aを中心とする反時計周りの液晶流動が発生するから、軸状部材12はさらに反時計周りに回転される。
Next, when a voltage is applied between the pair of electrodes Ec and Ec by the control device 20, an electric field ecf is generated between the pair of electrodes Ec and Ec. Then, since the direction of the electric field ecf becomes a direction rotated 45 degrees counterclockwise with respect to the direction of the electric field ebf, all the liquid crystal molecules m rotate counterclockwise around the center of gravity (FIG. 4).
Also at this time, the velocity distribution shown in FIG. 8A is formed in the
さらに、液晶LCの全ての液晶分子mが電界ecfと平行となると、一対の電極対Ec,Ec間への電圧の印加を停止して、制御装置20によって一対の電極対Ed,Ed間に電圧を印加する。すると、全ての液晶分子mは、その重心周りに反時計周りに回転し(図5)、図8(A)
に示した速度分布が形成され、筒状部材11の空間11hの中心軸11aを中心とする反時計周りの液晶流動が発生するから、軸状部材12はさらに反時計周りに回転される。
Further, when all the liquid crystal molecules m of the liquid crystal LC are parallel to the electric field ecf, the voltage application between the pair of electrode pairs Ec and Ec is stopped, and the control device 20 causes the voltage between the pair of electrode pairs Ed and Ed. Apply. Then, all the liquid crystal molecules m rotate counterclockwise around the center of gravity (FIG. 5), and FIG.
Is generated, and the liquid crystal flow around the
さらに、液晶LCの全ての液晶分子mが電界edfと平行となると、一対の電極対Ed,Ed間への電圧の印加をやめて、制御装置20によって一対の電極対Ea,Ea間に電圧を印加する。すると、電界edfの方向も、電界ecfの方向に対して反時計回りに45度回転した方向となるから、全ての液晶分子mは、その重心周りに反時計周りに回転する(図6)。このときにも、筒状部材11の空間11hには、図8(A)
に示した速度分布が形成され、空間11hの中心軸11aを中心とする反時計周りの液晶流動が発生するから、軸状部材12はさらに反時計周りに回転される。
Further, when all the liquid crystal molecules m of the liquid crystal LC are parallel to the electric field edf, the voltage application between the pair of electrode pairs Ed and Ed is stopped, and the voltage is applied between the pair of electrode pairs Ea and Ea by the controller 20. To do. Then, since the direction of the electric field edf is also a direction rotated 45 degrees counterclockwise with respect to the direction of the electric field ecf, all the liquid crystal molecules m rotate counterclockwise around the center of gravity (FIG. 6). At this time as well, the
Is generated, and the liquid crystal flow around the
上記手順を繰り返して電圧を印加する電極Eを、順次反時計回りに変更していけば、液晶分子mは連続して反時計回りに回転する。すると、筒状部材11の空間11hには、反時計周りに連続した液晶流動を発生させることができるから、軸状部材12を連続して反時計周りに回転させることができる。
よって、本実施形態の多極型液晶モータ10では、軸状部材12から反時計周りの回転力を取り出すことができるのである。
If the electrode E to which the voltage is applied is sequentially changed counterclockwise by repeating the above procedure, the liquid crystal molecules m continuously rotate counterclockwise. Then, since the liquid crystal flow continuous in the counterclockwise direction can be generated in the
Therefore, in the multipolar
しかも、電圧を印加する電極対E,Eを切り換えるだけで状部材11の空間11hに連続した液晶流動を発生させることができる。言い換えれば、電圧を印加する電極対E,Eを切り換えるだけで液晶分子mを連続して同じ方向回転させることができるから、液晶分子mが一定の方向に回転するように拘束する配向膜等を、筒状部材11の内面や軸状部材12の外面に処理する必要がない。そして、電極対E,Eは筒状部材11の外面に設ければよいのであるから、筒状部材11が小さくなっても、筒状部材11への電極対E,Eの配設は比較的容易に行うことができる。
よって、本実施形態の多極型液晶モータ10は筒状部材11や軸状部材12が小さくなっても簡単に製造できるから、例えば、外径0.1mm以下の非常に小さい液晶モータであっても製造することが可能となる。
そして、液晶分子mを拘束する配向膜を設けないので、液晶分子mが回転したときに発生する液晶流動の流量を大きくできるから、軸状部材12を効率よく回転させることができる。
Moreover, a continuous liquid crystal flow can be generated in the
Therefore, since the multipolar
And since the alignment film which restrains the liquid crystal molecule m is not provided, the flow rate of the liquid crystal flow generated when the liquid crystal molecule m rotates can be increased, so that the
また、制御手段20によって、電圧を印加する電極対E,Eを切り換えるタイミングを制御すれば、液晶流動の流量をコントロールすることができるから、軸状部材12の回転速度を制御することができる。
具体的には、一の電極対E,Eから隣接する電極対E,E(例えば、図1の電極対Ea,Eaから電極対Eb,Eb等)への切換時間を短くすれば、液晶分子mの回転により発生する液晶流動をより連続的な流れとすることができ、軸状部材12の回転速度を速くすることができる。
逆に、一の電極対E,Eから隣接する他の電極対E,Eへの切換時間を長くすれば、液晶分子mの回転により発生する液晶流動が断続的な流れとなるので、軸状部材12の回転速度を遅くすることができる。
Further, if the timing of switching the electrode pair E, E to which the voltage is applied is controlled by the control means 20, the flow rate of the liquid crystal flow can be controlled, so that the rotational speed of the
Specifically, if the switching time from one electrode pair E, E to the adjacent electrode pair E, E (for example, the electrode pair Ea, Ea in FIG. 1 to the electrode pair Eb, Eb, etc.) is shortened, the liquid crystal molecules The liquid crystal flow generated by the rotation of m can be a more continuous flow, and the rotational speed of the shaft-
Conversely, if the switching time from one electrode pair E, E to another adjacent electrode pair E, E is increased, the liquid crystal flow generated by the rotation of the liquid crystal molecules m becomes an intermittent flow. The rotation speed of the
なお、上記では、電圧を印加する電極対E,Eを、一の電極対E,Eから隣接する他の電極対E,Eへ切り換える場合を説明したが、一の電極対E,Eから一つ飛ばしや2つ飛ばしで印加する電極対E,Eを切り換えてもよいのはいうまでもない。このことにより広い速度範囲での駆動が期待できる。
とくに筒状部材11に設ける電極Eの数を多くすれば、印加する電極対E,Eの切換の自由度が増すので、精密な制御が期待できる。
In the above description, the case where the electrode pair E, E to which the voltage is applied is switched from one electrode pair E, E to another adjacent electrode pair E, E has been described. It goes without saying that the electrode pair E, E to be applied may be switched by skipping or skipping two. As a result, driving in a wide speed range can be expected.
In particular, if the number of electrodes E provided on the
また、上記例では、一の電極対Eのみに電圧を印加する場合を説明したが、この場合には、電界中に位置する液晶分子mの配向に伴って電界外の液晶分子mを配向させている。このため、実質的に軸状部材12に回転力を付与するのは、電界中に位置する液晶分子mだけになるので、軸状部材12の回転トルクが小さくなる。
そこで、各図において、一の電極対Eとその電極対を挟む電極対Eに対しても電圧を印加して電界を形成すれば、軸状部材12に対して回転力を付与する液晶分子mが多くなるので、軸状部材12の回転トルクを大きくすることができる。
具体的には、図11に示すように、一対の電極対Ea,Ea間に電圧を印加して電界eafを形成するときに、同時に、制御装置20によって電極対Ebと電極Edとの間に電圧を印加する。つまり、電極対Ebと電極Edとの間に、電界eafと平行な電界ebdfが形成されうように電極対Ebと電極Edとの間に電圧を印加する。すると、筒状部材11の断面のほぼ全域に電界eafと平行な電界が形成されるので、筒状部材11内のほぼ全ての液晶分子mに回転力が発生する。よって、軸状部材12に対して、ほぼ全ての液晶分子mから回転力が付与されるので、軸状部材12の回転トルクを大きくすることができる。
In the above example, the case where a voltage is applied only to one electrode pair E has been described. In this case, the liquid crystal molecules m outside the electric field are aligned with the alignment of the liquid crystal molecules m positioned in the electric field. ing. For this reason, it is only the liquid crystal molecules m located in the electric field that give the rotational force to the shaft-shaped
Therefore, in each figure, if an electric field is formed by applying a voltage also to one electrode pair E and the electrode pair E sandwiching the electrode pair E, the liquid crystal molecules m that impart a rotational force to the
Specifically, as shown in FIG. 11, when a voltage is applied between the pair of electrodes Ea and Ea to form the electric field eaf, at the same time, the controller 20 causes the electrode pair Eb and the electrode Ed to be between Apply voltage. That is, a voltage is applied between the electrode pair Eb and the electrode Ed so that an electric field ebdf parallel to the electric field eaf is formed between the electrode pair Eb and the electrode Ed. Then, since an electric field parallel to the electric field eaf is formed in almost the entire cross section of the
図1では、筒状部材11に4つの電極対Ea〜Ed設ける電極Eの数はとくに限定されず、電極対Eを3組だけとしてもよいし(図12)、4組以上の電極対を設けても(図13)。
In FIG. 1, the number of electrodes E provided on the
とくに、図13、図14に示すように小さい電極対Eを筒状部材11の外周面に多数配設すれば、液晶Lに印加する電界の角度変化を細かく調整できるので、より好ましい。
具体的には、図13、図14では、筒状部材11の外周面に24個の電極E(反時計回りにE1〜E24)が配設されている。なお、図が複雑になるのを防ぐために、図13、図14では、一部の電極のみに符号を付している。
かかる構成の場合には、図13に示すように、電極E1と電極E12との間および、電極E24と電極E13との間に電界を形成した状態から、図13に示すように、電極E1と電極E12との間および、電極E24と電極E13との間に電界を形成した状態から、電界を形成する電極Eを反時計回りに変化させる。つまり、図14に示すように、電極E1と電極E14との間および、電極E2と電極E13との間に電界を形成した状態に変化させれば、電界の方向が反時計回りに変化する。すると、液晶分子mは、その電界の方向に沿って配向するように反時計回りに回転する。よって、電界を形成する電極Eを、反時計回りに順次移動させれば、液晶分子mの回転に伴って反時計周りの液晶流動が発生し、軸状部材12を反時計周りに回転させることができる。そして、電界を形成する電極Eを反時計回りに変化させたときに、形成される電界の方向の角度変化を細かく調整できるから、液晶分子mをより連続的に回転させることができる。すると、発生する液晶流動もより連続的な流れとできるから、軸状部材12の回転もより連続的になり、スムースに回転させることができる。
なお、図13、図14では、2組の電極対間にのみ電界を形成する場合を説明したが、電界を形成する電極対の数は限定されず、電極対の数が多くなるほど、軸状部材12の回転トルクを大きくすることができる。言い換えれば、電極対の数を変化させることによって、軸状部材12の回転トルクを細かく調整することができるのである。
In particular, as shown in FIGS. 13 and 14, it is more preferable to arrange a large number of small electrode pairs E on the outer peripheral surface of the
Specifically, in FIGS. 13 and 14, 24 electrodes E (E1 to E24 counterclockwise) are disposed on the outer peripheral surface of the
In the case of such a configuration, as shown in FIG. 13, from the state where electric fields are formed between the electrode E1 and the electrode E12 and between the electrode E24 and the electrode E13, as shown in FIG. From the state in which the electric field is formed between the electrode E12 and between the electrode E24 and the electrode E13, the electrode E that forms the electric field is changed counterclockwise. That is, as shown in FIG. 14, if the electric field is changed between the electrode E1 and the electrode E14 and between the electrode E2 and the electrode E13, the direction of the electric field changes counterclockwise. Then, the liquid crystal molecules m rotate counterclockwise so as to align along the direction of the electric field. Therefore, if the electrodes E that form the electric field are sequentially moved in the counterclockwise direction, the liquid crystal flow in the counterclockwise direction is generated with the rotation of the liquid crystal molecules m, and the shaft-
13 and 14, the case where the electric field is formed only between the two electrode pairs has been described. However, the number of electrode pairs that form the electric field is not limited, and the axial shape increases as the number of electrode pairs increases. The rotational torque of the
また、上記例では、電圧を印加する電極Eを順次反時計回りに変更したが、順次時計回りに変更してもよい。この場合には、液晶分子mは連続して時計回りに回転するから、筒状部材11の空間11hには時計周りに連続した液晶流動を発生させることができる(図8(B)参照)。よって、軸状部材12を連続して時計周りに回転させることができ、軸状部材12から時計回りの回転力を取り出すことができる。
つまり、本実施形態の多極型液晶モータ10では、電圧を印加する電極Eを制御するだけで液晶分子mの回転方向を制御できるから、所望の方向の回転力を軸状部材12から取り出すことができる。
In the above example, the electrodes E to which the voltage is applied are sequentially changed counterclockwise, but may be sequentially changed clockwise. In this case, since the liquid crystal molecules m continuously rotate clockwise, a continuous liquid crystal flow in the clockwise direction can be generated in the
That is, in the multipolar
また、上記のごとく電圧を印加する電極Eを切り換えれば、軸状部材12を同じ方向に連続して回転させることができるが、以下のように電圧を印加する電極Eを切り換えれば、軸状部材12を正転逆転させることができる。
Further, if the electrode E to which the voltage is applied is switched as described above, the shaft-
図7は本実施形態の多極型液晶モータ10の軸状部材12を正転逆転させる状態の概略説明図である。なお、図7では、所定の角度に位置する複数の液晶分子mの配向方向を、一つの液晶分子mによって代表させて記載している。
FIG. 7 is a schematic explanatory diagram of a state in which the shaft-
まず、液晶分子mの方向がばらばらの状態において、制御装置20によって一対の電極Ea,Ea間に電圧を加える。すると、液晶LCの全ての液晶分子mはその重心周りに回転し、全ての液晶分子mが電界eafの方向を向いた状態になる(図7(B))。 First, a voltage is applied between the pair of electrodes Ea and Ea by the control device 20 in a state where the directions of the liquid crystal molecules m are different. Then, all the liquid crystal molecules m of the liquid crystal LC rotate around the center of gravity, and all the liquid crystal molecules m are in the state of facing the electric field eaf (FIG. 7B).
ついで、図7(B)の状態から、制御装置20によって、電圧を印加する電極対E,Eを、一対の電極Ea,Eaから一対の電極Eb,Eb間に切り換える。すると、一対の電極Eb,Eb間に電界ebfが発生し、全ての液晶分子mはその重心周りに反時計回りに回転し、全ての液晶分子mが電界ebfと平行となる(図7(A))。このとき、筒状部材11の空間11hには、その中心軸11aを中心とする反時計周りの液晶流動が発生するから(図8(A))、この反時計周りの液晶流動により、軸状部材12は反時計周りに回転される。
Next, from the state of FIG. 7B, the control device 20 switches the electrode pair E, E to which the voltage is applied between the pair of electrodes Ea, Ea to the pair of electrodes Eb, Eb. Then, an electric field ebf is generated between the pair of electrodes Eb and Eb, all the liquid crystal molecules m rotate counterclockwise around the center of gravity, and all the liquid crystal molecules m become parallel to the electric field ebf (FIG. 7A )). At this time, in the
また、図7(A)の状態から、制御装置20によって、電圧を印加する電極対E,Eを、一対の電極Eb,Ebから一対の電極Ea,Eaに切り換える。すると、再び一対の電極Ea,Ea間に電界eafが発生するから、全ての液晶分子mはその重心周りに時計回りに回転し、全ての液晶分子mが電界eafと平行となる(図7(B))。
このときには、筒状部材11の内面と軸状部材12の外面との間には、筒状部材11の空間11hの中心軸11aを中心とする時計周りの液晶流動が発生するから(図8(B))、軸状部材12は時計周りに回転される。
Further, from the state of FIG. 7A, the control device 20 switches the electrode pair E, E to which the voltage is applied from the pair of electrodes Eb, Eb to the pair of electrodes Ea, Ea. Then, since the electric field eaf is generated again between the pair of electrodes Ea and Ea, all the liquid crystal molecules m rotate clockwise around the center of gravity, and all the liquid crystal molecules m become parallel to the electric field eaf (FIG. 7 ( B)).
At this time, a clockwise liquid crystal flow around the
さらに、図7(B)の状態から、制御装置20によって、電圧を印加する電極対E,Eを、一対の電極Ea,Eaから一対の電極Ed,Edに切り換える。すると、全ての液晶分子mは時計回りに回転し、全ての液晶分子mが電界edfと平行となる(図7(C))。
このきにも、筒状部材11の内面と軸状部材12の外面との間には、筒状部材11の空間11hの中心軸11aを中心とする時計周りの液晶流動が発生するから、軸状部材12はさらに時計周りに回転される。
Further, from the state of FIG. 7B, the control device 20 switches the electrode pair E, E to which the voltage is applied from the pair of electrodes Ea, Ea to the pair of electrodes Ed, Ed. Then, all the liquid crystal molecules m rotate clockwise, and all the liquid crystal molecules m become parallel to the electric field edf (FIG. 7C).
Also in this case, since the liquid crystal flow around the
そして、図7(C)の状態から、制御装置20によって、電圧を印加する電極対E,Eを、一対の電極Ed,Edから再び一対の電極Ea,Eaに切り換える。すると、全ての液晶分子mは反時計回りに回転し、全ての液晶分子mが電界eafと平行となる(図7(B))。
すると、再び、筒状部材11の内面と軸状部材12の外面との間には、筒状部材11の空間11hの中心軸11aを中心とする反時計周りの液晶流動が発生するから、軸状部材12は再び反時計周りに回転される。
Then, from the state of FIG. 7C, the control device 20 switches the electrode pair E, E to which the voltage is applied from the pair of electrodes Ed, Ed to the pair of electrodes Ea, Ea again. Then, all the liquid crystal molecules m rotate counterclockwise, and all the liquid crystal molecules m become parallel to the electric field eaf (FIG. 7B).
Then, again, a liquid crystal flow counterclockwise around the
上記手順を繰り返して電圧を印加する電極Eを変更していけば、液晶分子mは正転反転を繰り返し、筒状部材11の空間11hに時計回り反時計周りの液晶流動を交互に発生させることができるから、軸状部材12を正転反転を繰り返すように回転させることができる。
If the electrode E to which the voltage is applied is changed by repeating the above procedure, the liquid crystal molecules m repeat the normal rotation and the liquid crystal flow in the counterclockwise direction is generated alternately in the
つまり、本実施形態の多極型液晶モータ10では、電圧を印加する電極Eを切り換える順番をコントロールすれば、筒状部材11の空間11hに発生する液晶流動の流動方向もコントロールすることができるから、軸状部材12の回転方向も制御することができるのである。
That is, in the multipolar
10 多極型液晶モータ
11 筒状部材11
11h 空間11
12 軸状部材12
20 制御手段
E 電極
LC 液晶
m 液晶分子
ef 電界
10 Multipolar
12 Shaft-shaped
20 Control means E electrode LC liquid crystal m liquid crystal molecule ef electric field
Claims (3)
中空な筒状部材と、
該筒状部材の中空な空間内に配設された軸状部材と、
該軸状部材の外面と前記筒状部材の内面との間に配設された液晶と、
前記液晶の液晶分子に対して電界または磁界を加えて、該液晶の液晶分子を、前記軸状部材の軸方向と交差する面内において回転させる液晶分子回転手段とからなり、
前記軸状部材は、
その中心軸周りに回転可能となるように、前記筒状部材の中空な空間内に配置されており、
前記液晶分子回転手段は、
前記軸状部材の軸方向と交差する方向に沿った電界または磁界を発生する複数の回転手段を備えており、
該複数の回転手段は、
発生する電界または磁界の方向が、互いに交差するように配設されている
ことを特徴とする多極型液晶モータ。 A motor operated by liquid crystal flow caused by a velocity gradient generated around the liquid crystal molecules as the liquid crystal molecules rotate;
A hollow cylindrical member;
A shaft-shaped member disposed in a hollow space of the cylindrical member;
Liquid crystal disposed between the outer surface of the shaft-shaped member and the inner surface of the cylindrical member;
A liquid crystal molecule rotating means for applying an electric field or a magnetic field to the liquid crystal molecules of the liquid crystal to rotate the liquid crystal molecules of the liquid crystal in a plane intersecting the axial direction of the shaft-shaped member;
The shaft-shaped member is
It is arranged in the hollow space of the cylindrical member so that it can rotate around its central axis,
The liquid crystal molecule rotating means includes:
A plurality of rotating means for generating an electric field or a magnetic field along a direction intersecting the axial direction of the shaft-shaped member;
The plurality of rotating means includes:
A multipolar liquid crystal motor, characterized in that the directions of the generated electric field or magnetic field are arranged so as to intersect each other.
電界または磁界を発生させる前記回転手段を、前記液晶分子が同じ方向に回転するように順次切り換える制御手段を備えている
ことを特徴とする請求項1記載の多極型液晶モータ。 The liquid crystal molecule rotating means includes:
2. The multipolar liquid crystal motor according to claim 1, further comprising control means for sequentially switching the rotating means for generating an electric field or a magnetic field so that the liquid crystal molecules rotate in the same direction.
前記軸状部材の中心軸に対して、その円周方向に沿って並んで配置されており、
前記制御手段は、
電界または磁界を発生させる前記回転手段を、時計回りまたは反時計回りに順次切り換える
ことを特徴とする請求項1または2記載の多極型液晶モータ。 The plurality of rotating means include
With respect to the central axis of the shaft-shaped member, it is arranged along the circumferential direction,
The control means includes
3. The multipolar liquid crystal motor according to claim 1, wherein the rotating means for generating an electric field or a magnetic field is sequentially switched clockwise or counterclockwise.
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