JP4480510B2 - 液晶流動現象を利用する物体移動装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶層内に配置されている物体を、液晶流動現象を利用することによって移動させる物体移動装置に関する。特に、直線運動のみならず、物体の移動方向を変えることができる物体移動装置に関する。

液晶層内に配置されている物体を液晶流動現象を利用することによって移動させる装置が特許文献１や特許文献２で提案されている。これら物体移動装置は、第１電極と第１ラビング層と液晶層と第２ラビング層と第２電極が順に配置された構造を備えている。特許文献１では、第１ラビング層と第２ラビング層のラビング方向は、逆向きに調整されている。特許文献２では、第１ラビング層と第２ラビング層のラビング方向は、同じ向きに調整されている。この場合、液晶分子は、一対の電極間において１８０°ねじれた状態で存在している。
一対の電極間に電圧を印加すると、液晶分子は電界方向と一致するまで回転する。電圧をオフすると、液晶分子は元の状態になるまで回転する。液晶分子の回転によって、液晶層内には液晶流動が発生する（背流とも呼ばれる）。一般的に、液晶はラビング方向と反対方向に流動するといわれている。第１ラビング層と第２ラビング層のラビング方向が逆向きに調整されていれば、第１ラビング層の近傍での液晶流動と第２ラビング層近傍での液晶流動は逆向きとなる。
特許文献１の技術では、一対の電極間に矩形波交番電圧を印加する。そのときに、正極パルス電圧が負極パルスの電圧（絶対値）よりも高い状態と低い状態を切換える。この切換えに伴って、液晶層内に配置されている物体は、第１ラビング層の近傍に位置する状態と第２ラビング層の近傍に位置する状態の間で切換えられる。
特許文献１の技術では、液晶層内に配置されている物体をラビング方向に移動させることができる。正極パルス電圧と負極パルスの電圧（絶対値）の大小関係を切換えることによって、物体を往復運動させることもできる。
特開２００１−１３８９５（その公報の図７参照） 特開２００３−１１３８１４（その公報の図１及び図２参照）

上記の物体移動装置では、物体の移動方向が１次元に限られている。一方向には限られず、物体を往復運動させることができるけれども、それでも１次元に限られている。物体の移動可能な方向をＸ方向とすると、それに交差するＹ方向に物体を移動させることはできない。
そこで本発明では、物体を２次元に移動可能な物体移動装置を実現する。相互に交差する（典型的には直交する）Ｘ，Ｙ方向に物体を移動させることが可能な物体移動装置を実現する。

本発明の物体移動装置は、第１電極と第１ラビング層と液晶層と第２ラビング層と第２電極が順に配置された構造を備えている。本発明の物体移動装置は、第１ラビング層と第２ラビング層のラビング方向が交差する関係に調整されており、さらに液晶層内に移動可能に配置されている物体を、第１ラビング層に接近する位置と第２ラビング層に接近する位置の間で移動させる面直方向移動手段を備えていることを特徴とする。
面直方向移動手段は、物体を第１ラビング層に接近する位置と第２ラビング層に接近する位置の間で移動させることができる任意の手段を採用することができ、典型的には物体に、静電気力、磁気力、レーザトラップ力、音波による力などを加えて物体を面直方向に移動させる任意の手段を採用することができる。後記するように、前記物体と一体に移動して液晶層の側面から液晶層外に伸びる連結部材を備えている場合には、連結部材に力を加えることによって物体を面直方向に移動させる手段を構成することもできる。

上記の物体移動装置によると、第１ラビング層に近接する位置では第１ラビング層のラビング方向（以下では第１方向という）を向く液晶流動現象が得られ、第２ラビング層に近接する位置では第２ラビング層のラビング方向（以下では第２方向という）を向く液晶流動現象が得られる。第1方向と第２方向は並行でなく、交差している。また、物体を第１ラビング層に接近する位置と第２ラビング層に接近する位置の間で移動させることができる面直方向移動手段を備えている。両者を組合わせて用いると、物体を第１方向と第２方向に移動させることができ、物体を２次元に移動させることが可能となる。即ち、面直方向移動手段によって物体が第１ラビング層に接近する位置におき、この状態で第１電極と第２電極の間に電界を加えると、物体は第１方向に移動する。面直方向移動手段によって物体が第２ラビング層に接近する位置におき、この状態で第１電極と第２電極の間に電界を加えると、物体は第２方向に移動する。両者を組合わせて用いると、物体を２次元に移動させることが可能となる。
物体の移動を正確に記述すると、第1方向の移動と、第２方向の移動と、面直方向の移動を組合わせた３次元の移動をしているが、面直方向の移動は微小であり、移動方向を第１方向と第２方向の間で切換えるためのものであるから、実質的には２次元の移動ということができる。

第１ラビング層の第１ラビング方向と第２ラビング層の第２ラビング方向は、平行でなく、交差さえしていれば２次元の移動を実現できるが、第１ラビング方向と第２ラビング層が直交していることが好ましい。
直交座標系を内蔵する物体移動装置を実現することができる。

面直方向移動手段には、前記したように、磁気やレーザや音波等を利用することができるが、第１電極と第２電極の間に加える電圧の極性を切換える手段で構成することもできる。
通常の物体は自然に帯電しており、第１電極と第２電極の間に加える電圧の極性を切換えることによって、第１ラビング層に向けて移動したり第２ラビング層に向けて移動したりする。この現象を活用すると、面直方向移動手段を実現することができる。
物体を２次元に移動させるのに必要な電極と電圧を利用して、面直方向移動手段を実現することができ、装置構成を簡単化することができる。

液晶中に配置する微小物体は、例えば点状の微小物体であってもよい。たとえば透過型プロジェクタに組込めば、物体の影の位置が２次元に制御できる投射像を実現することができる。
物体に加える移動力を大きくするためには、メッシュが形成された板状の物体を利用することが好ましい。
この場合には物体と液晶の接触面積が増大し、液晶流動が物体に加える力が増大する。物体を強い力で移動させることができる。

第１ラビング層と第２ラビング層の間隔が微小な場合、即ち、液晶層が薄い場合、液晶層は表面張力によって第１ラビング層と第２ラビング層の間隔に閉じ込められ、側壁がなくてもその間隔外に流出しない。この性質を利用すると、間隔内にある物体の移動を間隔外に伝達することが可能となる。
このためには、第１ラビング層と第２ラビング層によって流出が防止されている液晶層の側面から液晶層外に伸びている連結部材を利用する。この連結部材は、物体と一体に移動するものであればよく、部材の一部が間隔外に伸びていてもよいし、間隔外に伸びる連結部材と物体が固着されていてもよい。
上記態様の物体移動装置は、物体の移動力を装置外部に取出し、他の物体を駆動するアクチュエータとして利用することができる。極めて扁平な、２次元アクチュエータを実現することができる。

液晶層の側面から液晶層外に伸びている連結部材を利用して装置外部に駆動力を取出す構造は、積層するのに適しており、積層すれば液晶層外に伸びる連結部材が積層されている構造が得られる。この場合、液晶層外に伸びて積層されている連結部材を、液晶外で一体化することが好ましい。
上記によると、積層枚数を増加することによって、駆動力を大きくすることができる。

物体を極座標によって２次元に移動させることも可能である。この場合には、第１ラビング層のラビング方向を放射状とし、第２ラビング層のラビング方向を同心円状とする。
上記の移動装置では、物体を第１ラビング層に接近させることによって物体を半径方向に移動させることができ、第２ラビング層に接近させることによって物体を周方向に移動させることができる。極座標によって物体を２次元に移動させることができる。

物体を２次元に移動させるという場合、その面は平面に限られず、円筒面であることがある。円筒面内において、物体を周方向と軸方向の２次元に移動する必要があることがある。上記必要は、下記の条件を満たす物体移動装置で、実現することができる。
第１電極は、その内面が円筒状であり、周方向に分割されている。
第１ラビング層は、第１電極の内面に沿って配置されている。
第２電極は、その外面が円柱状であり、周方向に分割されており、第１電極と同心に配置されている。
第２ラビング層は、第２電極の外面に沿って配置されている。
第１ラビング層と第２ラビング層のラビング方向は、一方が周方向であり、他方が軸方向である。
物体は、長径が第１ラビング層の直径にほぼ等しく、短径が第２ラビング層の直径にほぼ等しい楕円状であることが好ましい。あるいは、第１電極と第２電極のそれぞれの分割電極に選択的に電圧が加わったときに、前記楕円状に変形可能な柔らかい材料で形成されていてもよい。上記の移動装置では、物体は長径部において第１ラビング層に接近し、短径部において第２ラビング層に接近する。
最初に、第１ラビング方向が周方向であり、第２ラビング方向が軸方向であるとする。この場合、物体の長径部に対応する分割電極に電圧を加えると、物体は周方向に移動して回転する。物体の回転に追従して電圧を加える分割電極を切換えれば、物体を回転させ続けることができる。物体の短径部に対応する分割電極に電圧を加えると、物体は軸方向に移動する。組合わせて用いれば、周方向の回転と軸方向の移動が複合した螺旋状の移動を実現することができる。
第１ラビング方向が軸方向であり、第２ラビング方向が周方向である場合には、物体の長径部に対応する分割電極に電圧を加えると、物体は軸方向に移動する。物体の短径部に対応する分割電極に電圧を加えると、物体は周方向に移動して回転する。物体の回転に追従して電圧を加える分割電極を切換えれば、物体を回転させ続けることができる。組合わせて用いれば、周方向の回転と軸方向の移動が複合した螺旋状の移動を実現することができる。

第１電極と第２電極の間に矩形波電圧を印加する電圧印加手段を備えており、その矩形波電圧のデューティ比を制御する制御手段を備えていることが好ましい。
ディーティ比を調整することによって、液晶流動速度を増減し、流動方向の正負を反転することができる。前者によって、物体の移動速度が可変な物体移動装置を実現することができる。後者によって、放射状に広がる任意の方向に物体を移動させることができる物体移動装置を実現することができる。第１移動方向について正負両方向に移動させることができ、それに交差する第２移動方向について正負両方向に移動させることができることから、放射状に広がるうちの任意の方向に物体を移動させることが可能となる。

本発明によると、物体を２次元に移動させることができる極めて扁平な物体移動装置をを実現することができる。

最初に実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態） 物体移動装置は、矩形波電圧の極性、デューティ比、電圧強度、周波数を変動したときの、液晶流動の方向と速度に関するデータを記憶する手段をさらに備えているのが好ましい。
（第２形態） 物体移動装置の使用者が、所望する移動方向と移動速度を入力すると、それを実現する矩形波電圧の極性、デューティ比、電圧強度、周波数を選択する手段を備えている。
（第３形態） 物体移動装置の使用者が、物体の移動後の位置を指定すると、現在位置を参照して移動経路を決定し、その経路に沿って物体を移動させるのに必要な、矩形波電圧の極性、デューティ比、電圧強度、周波数の経時的変化を計算する手段を備えている。
（第４形態） 少なくとも第１電極と第１ラビング層は透明であり、移動する物体を外部から観測できる。
（第５形態） 第１電極と第１ラビング層と第２ラビング層と第２電極は透明であり、移動する物体の影を外部に投射できる。
（第６形態） 第１電極と第１ラビング層と第２ラビング層と第２電極には開口が形成されていない。それにもかかわらず、液晶層中に配置されている物体の移動が外部に取出される。
（第７形態） 液晶層中に配置されている物体はフィルムであり、そのフィルムは第１ラビング層と第２ラビング層の間に閉じ込められている液晶層の側面から間隔外に飛び出している。そのフィルムは、面内で２次元に移動する。

図面を参照して以下に各実施例を詳細に説明する。
（第１実施例） 図１に、物体移動装置１０の要部断面図を模式的に示す。
この物体移動装置１０は、透明な下側ガラス基板１２と、下側電極２２（第１電極の一例）と、下側ラビング層３２（第１ラビング層の一例）と、ネマティック液晶層４２（液晶層の一例）と、上側ラビング層３４（第２ラビング層の一例）と、上側電極２４（第２電極の一例）と、透明な上側ガラス基板１４が順に積層されている。下側電極２２と上側電極２４は、一対の透明なガラス基板（１２、１４）の内面に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を塗布して形成されている。一対のガラス基板（１２、１４）間の距離は２０μｍで形成されており、両者は平行に伸びている。この一対のガラス基板（１２、１４）及び一対の電極（２２、２４）を平面視すると、その形状は面状に広がった矩形で形成されている。なお、この一対のガラス基板（１２、１４）間の距離を一定に維持するために、所定間隔を置いて図示しないスペーサーが介在していてもよい。
ネマティック液晶４２の材料は、５ＣＢ（4-ciano-4'-n-pentylbiphenil）が用いられている。ラビング層（３２、３４）の材料は、ポリビニルアルコールが用いられている。下側ラビング層３２のネマティック液晶層４２と接する面３２ａと、上側ラビング層３４のネマティック液晶層４２と接する面３４ａには、ラビングが施されている。このラビング方向は、図２に示すように、下側ラビング層３２の面３２ａのラビング方向３２ｂと、上側ラビング層３４の面３４ａのラビング方向３４ｂが直交する関係で処理されている。
図１に示すように、本物体移動装置１０はさらに、ネマティック液晶層４２内を移動可能に配置されている球状のポリマービーズ５２（移動させる物体一例）を備えている。このポリマービーズ５２は、自然な状態で負に帯電しており、その粒径は１０μｍである。
一対の電極（２２、２４）に、ファンクションジェネレータ９２（電圧印加手段の一例）が接続されている。ファンクションジェネレータ９２は、一対の電極（２２、２４）間に矩形波電圧を印加する。ファンクションジェネレータ９２は、ＣＰＵ９４（制御手段の一例）から電気信号を入力する。なお、このＣＰＵ９４は、ファンクションジェネレータ９２の一部として組み込まれていてもよい。このＣＰＵ９４は、一対のラビング層（３２、３４）のラビング方向を記憶している第１メモリー９６と、ポリマービーズ５２の移動先を記憶している第２メモリー９８を備えている。

ネマティック液晶層４２を構成する液晶分子（本実施例では５ＣＢである）は、上下のラビング層面（３２ａ、３４ａ）のラビング方向（３２ｂ、３４ｂ）に沿って配向する。したがって、ネマティック液晶層４２を構成する液晶分子は、一対のラビング層（３２、３４）間において９０°ねじれた状態で存在している（一般的に、ＴＮ型液晶と呼ばれる状態である）。
ネマティック液晶層４２を構成する液晶分子は、液体としての流動性と、結晶の誘電率異方性の両者の特性を有している。したがって、一対の電極（２２、２４）間にファンクションジェネレータ９２を用いて矩形波電圧を印加すると、矩形波電圧の立ち上がり時に、ネマティック液晶層４２の液晶分子は、誘電率異方性に基づいてその分子の長軸方向が電界方向と一致するまで回転する（一般的に、フレデリクス転移と呼ばれる）。一方、矩形波電圧の立ち下がり時に、ネマティック液晶層４２の液晶分子は、元の配向状態まで回転する。これら回転に基づいて、ネマティック液晶層４２内に液晶流動が発生する。

図３に、ネマティック液晶層４２内の液晶流動方向と流速分布を示す。なお、Ｚ軸の原点は、下側ラビング層３２とネマティック液晶層４２との接触界面の位置と一致しており、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向は図１のそれと一致している。
図３（Ａ）は、矩形波電圧の立ち上がり時に発生する液晶流動方向と流速分布を示す。図に示すように、矩形波電圧の立ち上がり時に発生する液晶流動方向は、下側ラビング層３２側において、下側ラビング層３２のラビング方向３２ｂと反対向き（−Ｙ方向）に発生している。一方、上側ラビング層３４側において、上側ラビング層３４のラビング方向３４ｂと反対向き（−Ｘ方向）に発生している。即ち、液晶流動方向は、一対の電極（２２、２４）間の上下側において、直交している。
また、図３（Ｂ）は、矩形波電圧の立ち下がり時に発生する流動方向と流速分布を示す。図に示すように、矩形波電圧の立ち下がり時に発生する液晶流動方向は、下側ラビング層３２側において、下側ラビング層３２のラビング方向３２ｂと一致する向き（Ｙ方向）である。一方、上側ラビング層３４側において、上側ラビング層３４のラビング方向３４ｂと一致する向き（Ｘ方向）である。即ち、液晶流動方向は、一対の電極（２２、２４）間の上下側において、直交している。
なお、Ｚ軸方向において、流速分布が生じているのは、上下のラビング層面（３２ａ、３４ａ）のラビング処理によって液晶分子が拘束されるからである。これにより、矩形波電圧の立ち上がり時、あるいは立ち下がり時の液晶分子の回転が規制されるからである。したがって、このラビング層面（３２ａ、３４ａ）近傍では、流速が小さくなっている。

ポリマービーズ５２の移動は、図３（Ａ）と図３（Ｂ）に示す、矩形波電圧の立ち上がり時と立ち下がり時に発生する液晶流動が合計された現象として得られる。矩形波電圧の立ち上がり時に発生する液晶流動が優勢であれば、その液晶流動方向に液晶流動が発生する。矩形波電圧の立ち下がり時に発生する液晶流動が優勢であれば、その液晶流動方向に液晶流動が発生する。
本実施例では、矩形波電圧のデューティ比（１周期あたりの矩形波電圧のオン時間の割合）を制御することで、立ち下がり時あるいは立ち下がり時に発生する液晶流動のいずれかを優勢にすることができる。これにより、一対の電極（２２、２４）の上下側において、所望する方向に液晶流動を発生させることができる。

本実施例のポリマービーズ５２は負に帯電している。したがって、印加する矩形波電圧の極性に基づいて、このポリマービーズ５２に静電気力が作用する。例えば、正極性の矩形波電圧を上側電極２４に印加すると、ポリマービーズ５２に静電引力が作用し、ポリマービーズ５２は上側電極２４側（上側ラビング層３４側でもある）に引き寄せられる。一方、負極性の矩形波電圧を上側電極２４に印加すると、ポリマービーズ５２に斥力が作用し、ポリマービーズ５２は下側電極２２側（下側ラビング層３２側でもある）に引き寄せられる。即ち、ポリマービーズ５２は、印加する矩形波電圧の極性によって、上側ラビング層３４に接近する位置と下側ラビング層３２に接近する位置の間で移動することができる（Ｚ軸方向に移動することができる）。Ｚ軸方向に移動したポリマービーズ５２は、上述したように、矩形波電圧のデューティ比に基づいて発生する流動方向に沿って±Ｘ方向（あるいは±Ｙ方向）に移動する。この現象を利用して、ポリマービーズ５２を、一対の電極（２２、２４）に直交する面内において、２次元で移動させることができる。

より詳細には、物体移動装置１０の使用者は、次の手順に沿ってポリマービーズ５２を移動させることができる。
まず、使用者は、ポリマービーズ５２の移動先を図示しないインタフェースを介して第２メモリー９８に入力する。ＣＰＵ９４は、第１メモリー９６に記憶されているラビング処理方向（本実施例では、上側がＸ方向であり、下側がＹ方向である）と、入力された移動先を照らし合わせて、印加する矩形波電圧の、デューティ比、電圧、周波数、極性などを決定する。決定された値に基づいて、ファンクションジェネレータ９２を作動させ、ポリマービーズ５２を所望する移動先に移動させる。具体的には、まずポリマービーズ５２を上側ラビング層３４側に引き寄せ、所望するＸ方向の位置まで移動する。次に、ポリマービーズ５２を下側ラビング層３２側に引き寄せ、所望するＹ方向の位置まで移動する。次に、ポリマービーズ５２を電極（２２、２４）間の中心付近に移動させる。なお、ポリマービーズ５２は、一対のガラス基板（１２、１４）間距離の半分の大きさを使用しているので、Ｚ軸方向の移動は微小である。Ｚ軸方向の移動は、Ｘ方向とＹ方向への移動を切り替えるためのものであり、Ｚ軸方向の移動は実質的に移動していないとしてもよい。これにより、ポリマービーズ５２を、一対の電極（２２、２４）間に直交する面内で、２次元で移動させることができる。

次に、図４〜図６を参照し、本実施例の物体移動装置１０におけるポリマービーズ５２の粒子速度と矩形波電圧との関係を説明する。なお、各データの粒子速度は、５個のポリマービーズ５２が１０秒間に移動する距離を測定し、その平均を算出している。また、本実施例では、正極矩形波電圧を上側電極２４に印加し、Ｘ軸方向のポリマービーズ５２の移動の観測結果のみを示しているが、矩形波電圧の極性を変えて、Ｙ軸方向のポリマービーズ５２の移動を観測しても、同様の結果が得られることに留意されたい。
図４は、ポリマービーズ５２の粒子速度と矩形波電圧のデューティ比との関係を示す。矩形波電圧の周波数は１００Ｈｚ、電圧は４０Ｖである。
粒子速度は、デューティ比が略２０％のときに＋Ｘ方向に最大となる。デューティ比を２０％よりも大きくすると、粒子速度は序々に減少する。これは、デューティ比を大きくすると、立ち上がり時に発生する液晶流動の効果（図３（Ａ）で示すように、液晶流動方向が−Ｘ方向である）が大きくなり、逆に立ち下がり時に発生する液晶流動の効果（図３（B）で示すように、液晶流動が＋X方向）が小さくなるためだと考えられる。デューティ比が略５５％のときに、粒子速度は０となる。この粒子速度が０となるデューティ比が５０％と一致しないのは、立ち下がり時の液晶流動の緩和時間が、立ち上がり時の液晶流動の緩和時間よりも長いためだと考えられる。デューティ比が５５％を超えると、液晶流動方向は−X方向となる。デューティ比が７０％を超えると、流れが強くなり過ぎて、粒子の運動が不安定となった。
この結果から、矩形波電圧のデューティ比を調整するだけで、液晶流動方向を容易に逆転させ得ることが分かる。

図５は、ポリマービーズ５２の粒子速度と矩形波電圧の電圧強度との関係を示す。矩形波電圧の周波数は１００Ｈｚ、デューティ比は２０％である。
電圧強度が１０Vまでは、粒子の移動は発生しない。これは液晶分子がラビング処理によって拘束されているので、ある程度の大きさの電圧を印加しないと液晶分子の回転が発生しないためである（閾値を持つということである）。電圧強度をさらに大きくすると、略４０V以上において、粒子速度は略一定となる。電圧強度が６０Vを超えると乱流現象が発生し、粒子が一方向のみに移動しなくなる。このため見かけ上の粒子速度は減少する。
この結果から、矩形波電圧の電圧強度を調整するだけで、液晶流動の速度を容易に調整し得ることが分かる。

図６は、ポリマービーズ５２の粒子速度と矩形波電圧の周波数との関係を示す。矩形波電圧の電圧強度は４０Vであり、デューティ比は２０％である。
周波数が略８００Hｚにおいて粒子速度は最大となる。周波数が５０Hｚ以下では、粒子の運動が不安定である。周波数が２ｋHｚを超えると、粒子の移動は観測されなかった。これは、矩形波電圧の変動に、液晶分子の回転が追随できないためだと考えられる。
この結果から、矩形波電圧の周波数を調整するだけで、液晶流動の速度を容易に調整し得ることが分かる。
図４〜図６に示す結果は、例えば、別個に設けられたメモリー（第１メモリー９６や第２メモリー９８にこの機能を兼用させてもよい）に記憶するのが好ましい。これら結果に基づいて、印加する矩形波電圧のデューティ比、電圧強度、周波数が決定されるのが好ましい。ポリマービーズ５２のより正確な移動を可能にする。
なお、図４〜図６に示す結果は、本実施例における結果であり、物体移動装置の形状や材料等が異なれば、異なる結果が得られるのは当然である。

上記実施例は、次の変形例であってもよい。
上記実施例のポリマービーズ５２は、一対のガラス基板（１２、１４）間距離の半分の大きさを使用している。したがって、移動先に関しては、Ｚ軸方向を実質的に考慮しなくてもよい。ｘｙ平面の移動先を設定し、その移動を実現する。ポリマービーズ５２が一対のガラス基板（１２、１４）間の距離に比して十分に小さい場合、移動先に関しては、必要に応じてＺ軸方向を考慮してもよい。この場合、ポリマービーズの３次元の移動を得ることができる。また、この場合、必要に応じて、Ｚ軸方向の流速分布を考慮するのが好ましい。電極（２２、２４）方向において流速分布が存在することを考慮して、印加する矩形波電圧のデューティ比、電圧、周波数などを設定するのが好ましい。このＺ軸方向の流速分布は、別個に設けられたメモリー（第１メモリー９６や第２メモリー９８にこの機能を兼用させてもよい）に記憶するのが好ましい。この流速分布も考慮することで、ポリマービーズ５２のより正確な移動を可能にする。
また、一対のラビング層（３２、３４）に施されている一対のラビング方向（３２ｂ、３４ｂ）は、直交する場合に限定されず、要は交差（非平行）であれば、ポリマービーズ５２の２次元の移動、あるいは３次元の移動を実現できる。必要に応じて、一対のラビング方向（３２ｂ、３４ｂ）が交差した関係であってもよい。

（第２実施例） 図７に、物体移動装置１００の概略的な斜視図を示す。図８に、図７のVIII−VIII線に対応する断面図を示す。なお、本実施例では、物体の移動力を外部に取出し、他の物体を駆動するアクチュエータとしての利用を説明する。したがって、物体の移動力を外部に取り出す機構を中心に説明するので、液晶層やラビング層など第１実施例と略同一の構成要素は省略されていることに留意されたい。
この物体移動装置１００は、面状に広がる下側電極１２２、図示しない下側ラビング層と、図示しないネマティック液晶層と、図示しない上側ラビング層と、上側電極１２４が順に配置されている。下側ラビング層のラビング方向と上側ラビング層のラビング方向は、直交している。
図示しないネマティック液晶層内に、可動フィルム１５２（移動部材の一例）が移動可能に配置されている。この可動フィルム１５２の材料は、ポリスチレンなどが好適に用いられる。この実施例の電極（１２２、１２４）間の距離は極めて微小に構成されている。したがって、この間に介在するネマティック液晶層の側面に側壁が存在しないが、表面張力によって外部に流出することは防止されている。これにより、可動フィルム１５２は、ネマティック液晶層の側面からネマティック液晶層外に伸びることが実現されている。なお、この装置外部に伸びている部分は、連結部材と評価してもよい。
可動フィルム１５２には、それぞれの伸縮する方向が直交する位置関係となる第１弾性部材１６２と第２弾性部材１６４が連結している。それぞれの弾性部材（１６２、１６４）の他端は、可動フィルム１５２の周囲に直交して設けられている第１外壁１７２と第２外壁１７４に連結している。この弾性部材（１６２、１６４）は、例えば、ポリスチレンなどの高分子材料やタングステン細線などが好適に利用される。これら第１弾性部材１６２と第２弾性部材１６４の伸縮するそれぞれの方向は、ラビング層に施されているラビング方向のそれぞれと平行である。弾性部材（１６２、１６４）は、可動フィルム１５２を初期位置に付勢している。
なお、弾性部材（１６２、１６４）は、場合によって省略してもよい。この弾性部材（１６２、１６４）の主な機能は、可動フィルム２５２をたるませないためのものである。したがって、この弾性部材（１６２、１６４）を省略しても、原理上は双方向に移動させることが可能である。

この可動フィルム１５２が、液晶流動に沿って移動する現象のメカニズムは、基本的には第１実施例のそれと同一である。即ち、一対の電極（１２２、１２４）間に印加する矩形波電圧の極性によって、可動フィルム１５２を上下のラビング層に近接する位置に移動させるとともに、一対の電極（１２２、１２４）間に印加する矩形波電圧のデューティ比、電圧、周波数などを制御することで、下側ラビング層側に近接する位置と、上側ラビング層側に近接する位置で直交して発生している液晶流動の方向と速度を制御して、可動フィルム１５２を所望の位置へと移動させる。
この実施例では、可動フィルム１５２がネマティック液晶層の側面からネマティック液晶層外に突出している。この突出している部分の上側面１５４に、ある種の物体を載置、あるいは連結すると、その物体は可動フィルム１５２の移動に追随して駆動することになる。即ち、可動フィルム１５２の移動力を利用して、載置あるいは連結された物体を駆動させることができる。この物体移動装置１００は、アクチュエータとして機能することができる。可動フィルム１５２の移動は、極めて微小距離で制御可能であるので、ひいては、その物体も微小距離で移動させることができる。本実施例では、可動フィルム１５２が一対の電極（１２２、１２４）間方向に直交する面内で移動可能であるので、載置あるいは連結されている物体もその面内で移動させることができる。即ち、載置あるいは連結されている物体を、２次元で微小距離移動させることができる。なお、第１弾性部材１６２と第２弾性部材１６４は、印加する矩形波電圧をオフしたときに、可動フィルム１５２を初期位置に移動させ、物体移動装置１００を初期状態に戻す。

第２実施例は、次の特徴を有している。
可動フィルム１５２を、ネマティック液晶層の側面から外部に突出させているので、一対の電極（１２２、１２４）間方向の物体移動装置１００の大きさは、ほとんど大きくならない。扁平構造が望まれる場面で、好適に利用することができる。
また、可動フィルム１５２を、ネマティック液晶層の側面から外部に突出させることで、外部において載置あるいは連結されている物体の移動範囲を大きくすることができる。
なお、第２実施例は、次の変形例であってもよい。
可動フィルム１５２の厚みが、一対の電極（１２２、１２４）間の距離に比して十分に薄い場合は、３次元での移動を実現することができる。ひいては、載置あるいは連結されている物体を、３次元で移動させることができる。
一対のラビング層のラビング方向は、逆向きに形成してもよい。この場合、可動フィルムは、そのラビング方向と平行方向の直線往復運動となる。この場合でも、物体移動装置の扁平化というメリットを得ることができる。
また、図９に示すように、メッシュ２５２ａが多数形成された可動フィルム２５２を利用してもよい。この場合、ネマティック液晶と可動フィルム２５２が接する面積が増大するので、液晶流動が可動フィルム２５２に加える力が増大し、可動フィルム２５２を強い力で移動させることができる。したがって、載置あるいは連結される物体の重量が重い場合でも、その物体を駆動させることができる。

次に、強い駆動力を得るための工夫の一例を図１０に示す。
図１０に示す物体移動装置３００は、図７に示す物体移動装置１００を単位として、その物体移動装置１００が複数積層されていると評価することができる。実際には、本実施例の物体移動装置３００は、積層方向に隣接する下側電極と上側電極は兼用して用いられている。この場合も、単位となる物体移動装置が複数積層されていると評価する。
この物体移動装置３００は、複数積層された電極（３２２、３２３、３２４、３２５、３２６、３２７）を備えている。それぞれの電極（３２２、３２３、３２４、３２５、３２６、３２７）間にネマティック液晶が介在している。それぞれの電極（３２２、３２３、３２４、３２５、３２６、３２７）とそれぞれのネマティック液晶との間に、ラビング層が介在している。ラビング層面（３２２ａ、３２４ｂ、３２４ａ、３２６ｂ、３２６ａ）のラビング方向は一致している。一方、ラビング層面（３２３ｂ、３２３ａ、３２５ｂ、３２５ａ、３２７ｂ）のラビング方向は一致している。そして、両者のグループのラビング方向が直交している。各ネマティック液晶層内に、可動フィルム（３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃ、３５２ｄ、３５２ｅ）が移動可能に配置されている。その可動フィルム３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃ、３５２ｄ、３５２ｅ）はネマティック液晶層の側面からネマティック液晶層外に伸びるとともに、その外部において一体化されている。これにより、一体の可動フィルム群３５２を構成している。可動フィルム群３５２の突出部分の上側面３５４には、ある種の物体を載置、あるいは連結可能になっている。この可動フィルム群３５２に弾性部材３６２が連結しており、この弾性部材３６２の他端は外壁３７２と連結している。なお、図示しない図面奥行き方向に、もう一つの弾性部材が備えられており、この弾性部材は可動フィルム群３５２と図示しない外壁とを連結している。この弾性部材３６２は、可動フィルム群３５２を所定の初期位置に付勢している。
電極（３２２、３２３、３２４、３２５、３２６、３２７）のうち、電極（３２２、３２４、３２６）はファンクションジェネレータ３９２の一方の端子に接続しており、電極（３２３、３２５、３２７）は、ファンクションジェネレータ３９２の他方の端子に接続している。ファンクションジェネレータ３９２は、ＣＰＵ３９４（制御手段の一例）から電気信号を入力する。なお、このＣＰＵ３９４は、ファンクションジェネレータ３９２の一部として組み込まれていてもよい。このＣＰＵ３９４は、それぞれのラビング層のラビング方向を記憶している第１メモリー３９６と、可動フィルム群３５２の移動先を記憶している第２メモリー３９８を備えている。

ファンクションジェネレータ３９２から、電極（３２３、３２５、３２７）に正極矩形波電圧を印加すると、可動フィルム（３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃ、３５２ｄ、３５２ｅ）に静電引力が作用し、可動フィルム（３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃ、３５２ｄ、３５２ｅ）は前記電極（３２３、３２５、３２７）に引き寄せられる（可動フィルムの材料によっては、斥力が働く場合もある）。可動フィルム群３５２は、柔らかい素材が用いられているので、変形するとともに、前記電極（３２３、３２５、３２７）に引き寄せられる。この電極（３２３、３２５、３２７）のラビング層面（３２３ｂ、３２３ａ、３２５ｂ、３２５ａ、３２７ｂ）には、同一方向のラビングが施されている。したがって、可動フィルム３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃ、３５２ｄ、３５２ｅ）は、そのラビング方向に沿って移動する。それぞれの可動フィルム３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃ、３５２ｄ、３５２ｅ）は一体で構成されているので、可動フィルム郡３５２全体としての駆動力は、それぞれの可動フィルム３５２ａ、３５２ｂ、３５２ｃ、３５２ｄ、３５２ｅ）の合計として得ることができる。強い駆動力を得ることができ、ひいては、載置あるいは連結されている物体の重量が重い場合でも、その物体を移動させることができる。
また、印加する矩形波電圧の極性、デューティ比、電圧強度、周波数などを制御することで、この可動フィルム３５２を２次元、あるいは３次元で自在に移動させることができる。したがって、載置あるいは連結されている物体の重量が重い場合であっても、その物体を２次元、あるいは３次元で自在に移動させることができる。

（第３実施例） 図１１に第３実施例の物体移動装置４００の概略的な平面図を示す。この物体移動装置４００は、電極間方向から可動フィルム４５２の移動力を利用して駆動力を得るタイプである。一対の電極間方向の厚みがそれほど問題とならない場面などは、この種のタイプを採用してもよい。
図示４２４は上側電極であり、その略中心に開口４２５が形成されている。なお、図示しない下側電極は、上側電極４２４と対向する位置に設けられており、それぞれが面状に広がる下側電極と、下側ラビング層と、ネマティック液晶と、上側ラビング層と、上側電極４２４がこの順で配置されている。一対のラビング層のそれぞれのラビング方向は直交している。可動フィルム４５２は、略矩形の面状で形成されており、各々の角に弾性部材（４６２、４６３、４６４、４６５）が連結している。この弾性部材（４６２、４６３、４６４、４６５）の他端は、外壁（４７２、４７３、４７４、４７５）に連結している。弾性部材（４６２、４６３、４６４、４６５）は、可動フィルム４５２を所定の初期位置に付勢している。なお、弾性部材（４６２、４６３、４６４、４６５）の数は、必要に応じて増減させてもよい。上側電極４５２の開口４２５を介して、可動フィルム４５２と連結する図示しない連結部材がネマティック液晶層外に伸びている。
この可動フィルム４５２が、液晶流動に沿って移動する現象のメカニズムは、基本的には第１実施例のそれと同一である。即ち、一対の電極間に印加する矩形波電圧の極性によって、可動フィルム４５２を上下のラビング層に近接する位置に移動させるとともに、一対の電極間に印加する矩形波電圧のデューティ比、電圧、周波数などを制御することで、下側ラビング層側に近接する位置と、上側ラビング層側に近接する位置で直交して発生している液晶流動の方向と速度を制御して、可動フィルム４５２を所望の位置へと移動させる。
これにより、可動フィルム４５２は、２次元で移動することができる。この可動フィルム４５２の２次元の移動は、開口部４２５を介して図示しない連結部材を２次元で駆動させることができる。
なお、必要に応じて、可動フィルム４５２のネマティック液晶層外に伸びている部分を利用して、連結部材を構成してもよい。この場合、開口４２５は不要となる。

（第４実施例） 第４実施例は、可動フィルム５５２を極座標によって２次元で移動させる例である。図１２に、物体移動装置５００の一対のラビング層面（５２２ａ、５２４ａ）に施されているラビング方向（５２２ｂ、５２４ｂ）を示す。図１３に、物体移動装置５００の概略的な平面図を示す。なお、本実施例の一対の電極は円形状である。
図１２に示すように、上側ラビング層面５２４ａのラビング方向５２４ｂは、放射状に伸びて処理されている。下側ラビング層面５２２ａのラビング方向５２２ｂは、同心円状に伸びて処理されている。放射状の中心と同心円状の中心は、一対のラビング層面（５２２ａ、５２４ａ）間方向に一致している（以下、座標中心という）。したがって、放射状のラビング方向５２４ｂと、同心円状のラビング方向５２２ｂは、直交する位置関係である。即ち、この一対のラビング層面（５２２ａ、５２４ａ）間の図示しないネマティック液晶の液晶分子は、９０°ねじれた状態で存在している。
なお、図示されないが、上側電極５５２は下側電極と対向しており、それぞれが面状に広がる下側電極と、下側ラビング層と、ネマティック液晶層と、上側ラビング層と、上側電極４２４がこの順で配置されている。

この可動フィルム５５２が、液晶流動に沿って移動する現象のメカニズムは、基本的には第１実施例のそれと同一である。本実施例の液晶流動は、一対のラビング層面（５２２ａ、５２４ａ）のそれぞれのラビング方向（５２２ｂ、５２４ｂ）に沿って、上側ラビング層に近接する位置では座標中心から放射状に発生し、下側ラビング層に近接する位置では座標中心周りに回転する方向に発生する。印加する矩形波電圧の極性を利用して、可動フィルム５２４を上側ラビング層に近接する位置に移動させると、図１３に示すように、可動フィルム５５２を、座標中心を通る直線上で移動させることができる。座標中心から伸びる直線往復運動を得ることができる。また、印加する矩形波電圧の極性を利用して可動フィルム５２４を下側ラビング層側に移動させると、図１３に示すように、可動フィルム５５２を上側電極５２４の周縁方向に沿って移動させることができる。座標中心周りの回転運動を得ることができる。両者の移動を組合わせることで、可動フィルム５５２を極座標によって２次元で移動させることができる。

（第５実施例） 図１４に、第５実施例の物体移動装置６００の概略的な斜視図を示す。なお、この図１４の紙面右側に円筒状の可動フィルム６５２が示されているが、実際は、この可動フィルム６５２は、紙面左側の一対の電極（１６２０、１６４０）間に配置されていることに留意されたい。図の明瞭化のために、敢えて別に図示している。図１５と図１６は、図１４のＸＶ−ＸＶ線と、ＸＶＩ−ＸＶＩ線に対応する断面図である。
図１４に示すように、この物体移動装置６００は、その内面が円筒状であり、周方向に４つの電極（６２２、６２３、６２４、６２５）に分割された外側円筒電極１６２０（第１電極の一例）を備えている。図示しない外側ラビング層（第１ラビング層の一例）は、外側円筒電極１６２０の内面に沿って配置されている。さらに、その外面が円柱状であり、周方向に沿って４つの電極（６２６、６２７、６２８、６２９）に分割された内側円柱電極１６４０（第２電極の一例）を備えている。図示しない内側ラビング層（第２ラビング層の一例）は、内側円柱電極１６４０の外面に沿って配置されている。
それぞれの分割電極（６２２〜６２９）間は、絶縁材（６８２、６８４、６８６）によって電気的に隔てられている。外側円筒電極１６２０と内側円筒電極１６４０に設けられて分割電極は、それぞれ対を成して対向している。外側円筒電極１６２０と内側円筒電極１６４０の間には図示しないネマティック液晶層が介在している。
外側ラビング層は、その周方向を一巡してラビングが施されている。一方、内側ラビング層は、その円柱の軸方向に沿ってラビングが施されている。したがって、一対のラビング層間の図示しないネマティック液晶層の液晶分子は、９０°ねじれた状態で存在している。

この可動フィルム６５２が、液晶流動に沿って移動する現象のメカニズムは、基本的には第１実施例のそれと同一である。本実施例の液晶流動は、外側円筒電極１６２０の外側ラビング層側に近接する位置において、その周方向を一巡する方向に沿って発生している。一方、内側円柱電極１６４０の内側ラビング層に近接する位置において、液晶流動は、その円柱の軸方向に沿って発生している。
分割電極（６２３、６２５、６２６、６２８）に正極矩形波電圧を印加すると、図１５と図１６に示すように、可動フィルム６５２に静電引力が作用し、可動フィルム６５２は分割電極（６２３、６２５、６２６、６２８）側に引き寄せられる。なお、この可動フィルム６５２は柔らかい材料（例えば、ポリスチレンなどが材料として好適に用いられる）で形成されているので、変形した状態で引き寄せられる。この状態の可動フィルム６５２の断面形状は楕円形状であり、その長径は外側ラビング層の直径に略等しく、その短径は内側ラビング層の直径に略等しくなる。
図１５に示すように、外側円筒電極１６２０側の分割電極（６２３、６２５）に引き寄せられた可動フィルム６５２は、周方向を一巡する方向に沿って発生する液晶流動から力を受けて、その周方向を一巡する方向に移動し回転する。図１５では、紙面垂直方向に移動する。一方、図１６に示すように、内側円柱電極１６４０側の分割電極（６２６、６２８）に引き寄せられた可動フィルム６５２は、円柱の軸方向に沿って発生する液晶流動から力を受けて、その円柱の軸方向に沿って移動する。図１６では、紙面上下方向に沿って移動する。可動フィルム６５２のこれら移動方向が複合すると、図１４に示すように、螺旋状の移動を得ることができる。
なお、可動フィルム６５２にもともと楕円形状に加工された可動フィルムを用いてもよい。同様の作用効果を得ることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、印加する電圧は交番電圧であってもよい。典型的には、矩形波の交番電圧や、サイン波の交番電圧や、三角波の交番電圧や、鋸波の交番電圧を挙げることができる。
また、本明細書で記載される技術は、例えば、バイオチップ、μ−ＴＡＳ（マイクロ化学分析システム）、クロマトグラフィー、顕微鏡用の微小物***置決め装置、内部粒子を動かすことによって表示するディスプレイなどに利用され得る。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の物体移動装置の要部断面図を示す。 第１実施例のラビング方向を示す。 第１実施例の液晶における、矩形波電圧の立ち上がり時（Ａ）と立ち下がり時（Ｂ）の液晶流動方向と流速分布を示す。 第１実施例の粒子速度と矩形波電圧のデューティ比との関係を示す。 第１実施例の粒子速度と矩形波電圧の電圧強度との関係を示す。 第１実施例の粒子速度と矩形波電圧の周波数との関係を示す。 第２実施例の物体移動装置の斜視図を示す。 第２実施例の要部断面図を示す。 可動フィルムの変形例を示す。 積層構造の物体移動装置を示す。 第３実施例の物体移動装置の平面図を示す。 第４実施例のラビング方向を示す。 第４実施例の物体移動装置の平面図を示す。 第５実施例の物体移動装置の斜視図を示す。 第５実施例の物体移動装置の要部断面図を示す（１）。 第５実施例の物体移動装置の要部断面図を示す（２）。

符号の説明

１２、１４：ガラス基板
２２：下側電極
２４：上側電極
３２：下側ラビング層
３２ａ：下側ラビング面
３２ｂ：下側ラビング方向
３４：上側ラビング層
３４ａ：上側ラビング面
３４ｂ：上側ラビング方向
４２：ネマティック液晶層
５２：ポリマービーズ
９２：ファンクションジェネレータ
９４：ＣＰＵ
９６：第１メモリー
９８：第２メモリー
１５２：可動フィルム

Claims (9)

1. 第１電極と第１ラビング層と液晶層と第２ラビング層と第２電極が順に配置されており、
   第１ラビング層と第２ラビング層のラビング方向が交差する関係に調整されており、
   液晶層内に移動可能に配置されている物体を、第１ラビング層に接近する位置と第２ラビング層に接近する位置の間で移動させる面直方向移動手段を備えている物体移動装置。
2. 第１ラビング層と第２ラビング層のラビング方向が直交することを特徴とする請求項１の物体移動装置。
3. 面直方向移動手段は、第１電極と第２電極の間に加える電圧の極性を切換えることによって、第１ラビング層に接近する位置と第２ラビング層に接近する位置の間で物体を移動させることを特徴とする請求項１又は２の物体移動装置。
4. 前記物体は、メッシュが形成された板状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの物体移動装置。
5. 前記物体と一体に移動し、第１ラビング層と第２ラビング層によって流出が防止されている液晶層の側面から液晶層外に伸びる連結部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの物体移動装置。
6. 請求項５の物体移動装置の複数が積層されており、単位となる物体移動装置のそれぞれの液晶層から外に伸びる連結部材が、液晶層外で一体化されていることを特徴とする物体移動装置。
7. 第１ラビング層のラビング方向は放射状であり、第２ラビング層のラビング方向は同心円状であることを特徴とする請求項１の物体移動装置。
8. 第１電極は、その内面が円筒状であり、周方向に分割されており、
   第１ラビング層は、第１電極の内面に沿って配置されており、
   第２電極は、その外面が円柱状であり、周方向に分割されており、第１電極と同心に配置されており、
   第２ラビング層は、第２電極の外面に沿って配置されており、
   第１ラビング層と第２ラビング層のラビング方向は、一方が周方向であり、他方が軸方向であることを特徴とする請求項１の物体移動装置。
9. 第１電極と第２電極の間に矩形波電圧を印加する電圧印加手段をさらに備え、
   その電圧印加手段は、矩形波電圧のデューティ比を制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの物体移動装置。

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