JP4984048B2 - エネルギ貯蔵装置 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギ貯蔵装置に関する。流体等が有する運動エネルギや熱エネルギは、電気的なエネルギに変換され電池に貯蔵されたりアキュムレータによって圧力の形で貯蔵されたりする。
本発明は、液晶を利用してエネルギを貯蔵するエネルギ貯蔵装置に関する。

従来から、液晶は液晶ディスプレイに使用されている。この液晶ディスプレイでは一対の平板間に液晶を挟んで保持しているが、一対の平板間に挟まれている液晶において、液晶分子は、その配向方向が所定の方向を向くように調整されている。このため、液晶に電圧を加えることによって、液晶分子の配向方向を調整でき、液晶ディスプレイに所定の画像を表示させることができる。
また、液晶に電圧を加えたときに発生する液晶流動を物体移動に利用する技術も開発されている（特許文献１）。この技術では、液晶に対して電圧を加えたときに配向方向の変化が生じると液晶分子の周りに速度勾配が生じることを明らかにした上で、一対の平板間に挟まれている液晶に対して電圧を加えることによって一方の平板に対して他方の平板を移動させることができることを開示している。

上記の技術のように、液晶に対して電界を加えること、つまり、液晶に対して電気的なエネルギを与えることによる液晶分子の動きを利用する技術は開発されているものの、外部から液晶に加えられたエネルギを液晶中に貯蔵する技術は現在のところ開発されていない。

特許第３５８６７３４号公報

本発明は上記事情に鑑み、液晶に加えられるエネルギを液晶中に貯蔵できるエネルギ貯蔵装置を提供することを目的とする。

第１発明のエネルギ貯蔵装置は、液晶を内部に保持する保持手段と、該保持手段内の液晶中に配設され、該液晶内に転傾を形成する転傾形成手段と、前記液晶内に形成された転傾の移動を拘束する拘束手段とを備えていることを特徴とする。
第２発明のエネルギ貯蔵装置は、第１発明において、前記液晶内に形成された転傾を移動させる移動手段を備えていることを特徴とする。
第３発明のエネルギ貯蔵装置は、第１発明において、前記転傾形成手段が、該液晶内に、強度の符号が互いに異なる一対の転傾を形成するものであることを特徴とする。
第４発明のエネルギ貯蔵装置は、第３発明において、前記液晶内に形成された転傾を移動させる移動手段を備えており、該移動手段は、前記液晶内に形成された一対の転傾を互いに接近離間させるものであり、前記拘束手段は、前記一対の転傾を離間させた状態で保持し得るものであることを特徴とする。
第５発明のエネルギ貯蔵装置は、液晶を内部に保持する保持手段と、該保持手段内の液晶中に配設され、該液晶内に転傾を形成する転傾形成手段と、前記液晶内に形成された転傾を前記液晶中で回転させる回転手段と、前記液晶内に形成された転傾の回転を拘束する拘束手段とを備えていることを特徴とする。
第６発明のエネルギ貯蔵装置は、第１、第２、第３、第４または第５発明において、前記転傾形成手段が、前記液晶中に挿入される挿入部材を備えており、該挿入部材は、その表面に、該挿入部材の周囲に位置する液晶分子が該挿入部材の位置に転傾が存在するときと同等の配向状態となるように、ラビング処理が施されていることを特徴とする。
第７発明のエネルギ貯蔵方法は、液晶中にエネルギを貯蔵する方法であって、転傾を有する液晶中において、転傾を安定状態から移動させ、その状態で転傾の移動を拘束することを特徴とする。
第８発明のエネルギ貯蔵方法は、液晶中にエネルギを貯蔵する方法であって、転傾を有する液晶中において、転傾を安定状態から回転させ、その状態で転傾の回転を拘束することを特徴とする。

第１発明によれば、転傾形成手段によって安定状態となる位置からずれた位置に転傾を形成しその移動を拘束すれば、液晶分子の配向状態が不安定な状態で保持される。よって、不安定な状態で配向状態を維持するために必要なエネルギを液晶に貯蔵することができる。また、転傾が移動できる状態とすれば、安定状態となるように転傾が移動して液晶分子の配向状態が変化する。すると、液晶中に貯蔵されていたエネルギを、転傾の移動や、転傾の移動に伴って液晶中に発生する流動を利用して取り出すことができる。
第２発明によれば、転傾形成手段によって形成された転傾を、移動手段によって移動させれば、保持手段内における液晶分子の配向状態を変化させることができる。そして、転傾を安定位置から移動させてその移動を拘束すれば、液晶分子の配向状態も安定状態から変化した状態で保持される。よって、安定状態から配向状態を変化させるために必要としたエネルギを液晶に貯蔵することができる。
第３発明によれば、一対の転傾を形成し、その位置で両転傾の移動を拘束すれば、転傾を形成する前の状態に対して液晶分子の配向状態が変化するので、その変化に要するエネルギを液晶に貯蔵することができる。また、両転傾を移動可能な状態とすれば、安定状態となるために両転傾同士が接近し融合しようとするから、液晶中に貯蔵されていたエネルギを、転傾の移動や、転傾の移動に伴って液晶中に発生する流動を利用して取り出すことができる。
第４発明によれば、転傾形成手段によって一対の転傾を形成し、移動手段によって両転傾を接近離間させれば、液晶分子の配向状態が変化するので、液晶中にエネルギを貯蔵したりエネルギを取り出したりすることができる。
第５発明によれば、転傾形成手段によって形成された転傾を、回転手段によって回転させれば、保持手段内における液晶分子の配向状態を変化させることができる。そして、転傾を安定状態から回転させてその回転を拘束すれば、液晶分子の配向状態も安定状態から変化した状態で保持される。よって、安定状態から配向状態を変化させるために必要としたエネルギを液晶に貯蔵することができる。また、転傾が回転できる状態とすれば、安定状態となるように転傾が回転して液晶分子の配向状態が変化する。すると、液晶中に貯蔵されていたエネルギを、転傾の回転や、転傾の回転に伴って液晶中に発生する流動を利用して取り出すことができる。
第６発明によれば、液晶中に、挿入部材の位置に転傾が存在しているかのような配向状態を形成することができるから、挿入部材を移動させたり回転させたりすることによって、液晶中に、転傾を移動させたり回転させたりした場合と同等の配向状態の変化を生じさせることができる。そして、拘束手段による拘束を解放すれば、安定状態となるように液晶分子の配向状態が変化し、挿入部材が移動したり回転したりするので、貯蔵されているエネルギを容易に取り出すことができる。
第７発明によれば、転傾を安定位置から移動させてその移動を拘束すれば、液晶分子の配向状態も安定状態から変化した状態で保持される。よって、安定状態から配向状態を変化させるために必要としたエネルギを液晶に貯蔵することができる。また、転傾が移動できる状態とすれば、安定状態となるように転傾が移動して液晶分子の配向状態が変化する。すると、液晶中に貯蔵されていたエネルギを、転傾の移動や、転傾の移動に伴って液晶中に発生する流動を利用して取り出すことができる。
第８発明によれば、転傾を安定状態から回転させてその回転を拘束すれば、液晶の配向状態も安定状態から変化した状態で保持される。よって、安定状態から配向状態を変化させるために必要としたエネルギを液晶に貯蔵することができる。また、転傾が回転できる状態とすれば、安定状態となるように転傾が移動して液晶分子の配向状態が変化する。すると、液晶中に貯蔵されていたエネルギを、転傾の回転や、転傾の回転に伴って液晶中に発生する流動を利用して取り出すことができる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
まず、本発明の液晶欠陥を利用してエネルギを貯留する装置であるが、装置について説明する前に、液晶欠陥である転傾について説明する。
図４は転傾が存在する液晶のシュリーレン組織の写真である（出展：C. Destrader, H. -T. Nguyen, H. Gasparoux, J. Malthete, and A. M. Levelunt, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 71, 118,(1981) 図2.233）。
転傾とは、液晶における配向ベクトルの場の欠陥、すなわち不連続線をいい、図４では、周囲の液晶分子に対して液晶分子の配向方向が不連続となっている部分が、紙面と垂直な方向に沿って並んで線状に存在することによって形成されている。この図４において、白色と黒色の帯状組織が交差する箇所が欠陥核、つまり、転傾において液晶分子の配向方向の空間的歪みが最も高くなるところである。なお、周囲の液晶分子に対して配向状態が不連続となっているとは、その位置において、紙面内での配向方向が規定できない状態となっていることを意味する。例えば、図４であれば、紙面と垂直な方向、つまり、紙面面外に向かう方向に液晶分子が配向していたり、配向秩序が低下していたりする状態をいう。
図５に、転傾の周囲における液晶分子の配向状態をモデル化した図を示す（出展：液晶辞典）。図５において、点で表されている部分が、転傾が存在する位置である。また、図４において実線が転傾周囲の配向場を示しており、実線に沿って液晶分子は、その配向方向が連続するように配向している。なお、図５中のｓは欠陥の強度を示している。

図５に示すように、転傾の周囲に位置する液晶分子は、その配向方向が連続的に変化するように配置されるのであるが、転傾は、周囲に位置する液晶分子の配向方向の空間的状態によって正の転傾と負の転傾に分類される。具体的には、正の転傾と負の転傾は、一対の転傾を偏光子を通して同じ方向かつ軸方向から見たときに、転傾の周りに位置する黒色の帯状組織が偏光子の回転方向と同じ方向に回転する場合が正の転傾であり、転傾の周りに位置する黒色の帯状組織が偏光子の回転方向と逆方向に回転する場合が負の転傾である。図４であれば、強度の符号が互いに異なる一対の転傾Ａ，Ｂを偏光子を通して紙面と垂直な方向から見たときに、転傾の周りに位置する黒色の帯状組織が偏光子の回転方向と同じ方向に回転する場合が正の転傾であり、転傾の周りに位置する黒色の帯状組織が偏光子の回転方向と逆方向に回転する場合が負の転傾である。

さて、本発明のエネルギ貯蔵装置を説明する。
図１は第１実施形態のエネルギ貯蔵装置の概略説明図であり、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は棒状部材４を移動させたときにおける液晶分子の配向状態の変化を示した図である。なお、図１（Ｂ）、（Ｃ）において、液晶ＬＣ中に記載されている実線が転傾周囲の配向場を示しており、液晶分子は、実線に沿って配向方向が連続するように配向している。以下、図２〜図４でも同様である。

図１において、符号ＬＣは液晶を示している。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、転傾を生じさせることができるものであればよく、特に限定はない。

図１に示すように、液晶ＬＣは、保持手段１内に収容されている。この保持手段１は、例えば、ガラスや金属、プラスチック等によって形成された矩形の容器であり、その内部に液晶ＬＣを収容することができる空間を有している。
なお、保持手段１は、矩形の容器に限られず、液晶をその内部に保持しておくことができるものであればよい。
さらになお、保持手段１の底面および内面には、ラビング処理やラビングレス処理等の液晶分子の配向方向を拘束する処理が行われている。

図１において、符号４は、棒状部材を示している。この棒状部材４は、液晶ＬＣ中に転傾を形成させる転傾形成手段である。この棒状部材４の表面には、その表面近傍の液晶ＬＣの配向を拘束する、例えば、ラビング処理やラビングレス処理等の配向拘束処理が行われている。この配向拘束処理は、液晶ＬＣに浸漬させたときに、棒状部材４の側面に沿って欠陥構造を形成させる処理、つまり、棒状部材４の位置に転傾が存在するかのごとき配向状態を液晶ＬＣ中に形成させる処理である。

具体的には、配向拘束処理は、棒状部材４の内部に欠陥核が仮想的に存在するかのような配向状態となるように液晶分子を配向させる処理である。このように処理された棒状部材４を液晶ＬＣ中に浸漬すれば、棒状部材４の周囲における液晶ＬＣの空間的配向状態を、図５（ｂ）に示すような配向状態にすることができる。

そして、第１実施形態のエネルギ貯蔵装置では、上記のごとき配向拘束処理が行われた棒状部材４が、保持手段１の中心位置において、その軸方向が保持手段１の底面と直交するように液晶ＬＣに浸漬されている。したがって、液晶ＬＣ内には、棒状部材４の位置に欠陥構造（転傾）が存在するときと同様の空間的配向状態が形成される。すると、保持手段１内の液晶には、図１（Ｂ）に示すような配向状態が形成され、この配向状態が形成された状態で液晶ＬＣは安定状態となる。

また、棒状部材４は、その位置を移動させる移動手段に連結されている。この移動手段は、特に限定されず、公知の移動機構を採用することができるが、一例としては、ボールネジ機構やシリンダ機構等を使用することができる。
しかも、棒状部材４は、その移動を拘束する図示しない拘束手段にも連結されている。この拘束手段も特に限定されず、移動手段によって棒状部材４を移動させるときに、その抵抗が少ないものが好ましい。

例えば、移動手段としてボールネジ機構を採用すれば、移動手段を拘束手段としても機能させることができる。つまり、図１（Ａ）に示すようにナット５を、そのネジ孔が棒状部材４の軸方向と交差するように棒状部材４に固定する。そして、保持手段１の底面と平行にネジ軸６を配設しこのネジ軸６にナット５を螺合させる。この状態で、ネジ軸６をモータ等の駆動源７によって回転させれば、棒状部材４を、その軸方向を底面と垂直に保ったまま底面と平行に移動させることができる。しかも、駆動源７の回転を拘束してネジ軸６の回転を固定すれば、棒状部材４の移動を拘束することができるのである。

つぎに、移動手段兼拘束手段としてボールネジ機構を採用した場合における第１実施形態のエネルギ貯蔵装置の作動を説明する。

まず、初期状態、つまり安定状態では、保持手段１内に挿入されている棒状部材４によって、液晶ＬＣには図１（Ｂ）中の太い実線に沿うような液晶分子の配向状態が形成されている。この状態から、貯蔵されるエネルギを発生させる手段、つまり、ボールネジ機構の駆動源７によってネジ軸６を回転させると、棒状部材４が移動する。すると、保持手段１内の液晶ＬＣは、図１（Ｃ）に示すように液晶分子の配向状態が変化する。

ついで、駆動源７が停止されネジ軸６の回転が固定されると、棒状部材４の移動が拘束される。言い換えれば、棒状部材４の位置に存在する転傾の移動が拘束される。すると、液晶ＬＣの配向状態も、安定状態（図１（Ｂ）の状態）から変化した状態(図１（Ｃ）の状態)で保持される。図１（Ｃ）の状態では、液晶ＬＣは安定状態に比べて不安定な状態であり、この不安定な状態を形成しておくためのエネルギが液晶ＬＣ内、つまり、エネルギ貯蔵装置に貯蔵されたことになるのである。

そして、ネジ軸６の回転の固定を解放しネジ軸６が自由に回転できる状態にすると、棒状部材４が自由に移動できるようになる。すると、安定状態の配向状態に戻るように液晶ＬＣ中の液晶分子の配向状態が変化し、棒状部材４は元の位置に向かって移動される。棒状部材４が移動すると、その移動に伴ってネジ軸６に螺合しているナット５も移動するから、ナット５の移動によりネジ軸６が回転する。よって、エネルギ貯蔵装置に貯蔵されたエネルギをネジ軸６の回転を利用して取り出すことができるのである。
なお、駆動源７がモータの場合には、ネジ軸６の回転によってモータの主軸も回転できるようにしておけば、ネジ軸６の回転によってモータに起電力を発生させることができる。つまり、モータを、エネルギを貯蔵するときには駆動源として利用でき、エネルギを取り出すときには発電機として使用することもできる。

また、液晶ＬＣ中の液晶分子の配向方向が変化するときには、液晶ＬＣ中に液晶ＬＣの流動が発生する。したがって、液晶流動を利用してエネルギを取り出すことも可能である。例えば、液晶ＬＣに、棒状部材４とは別の部材を浸漬させておいたり、液晶ＬＣ表面に別の部材を接触させておけば、その部材の移動を利用してエネルギを取り出すこともできる。

なお、安定状態において液晶ＬＣ中に形成される配向状態は図１に示すようなものに限られないのはいうまでもない。つまり、棒状部材４や液晶ＬＣに対して外部から力やエネルギが加わらない状態において、棒状部材４を静止させた状態で維持できる配向状態であればよく、特に限定されない。
さらになお、棒状部材４の表面に行う処理は、上記の処理に限られず、棒状部材４の側面に沿って液晶分子が欠陥構造と同様の空間的配向状態となる処理、言い換えれば、液晶分子を、棒状部材４の位置に転傾が存在しているかのように配向させることができるのであれば、どのような処理を行ってもよい。
さらになお、棒状部材４は、その軸方向が保持手段１の上面と直交するように配設されている必要はなく、保持手段１の上面に対して傾いていてもよい。

上記の棒状部材４が、特許請求の範囲にいう挿入部材であるが、挿入部材は棒状に限られず、どのような形状の部材でもよく、挿入部材の位置に転傾が存在しているかのように配向させることができるものであればよい。

また、液晶ＬＣ内に浸漬させた棒状部材４を移動させる移動手段、つまり、液晶ＬＣ内に形成された転傾を移動させる移動手段は設けなくてもよい。
例えば、棒状部材４の表面に、棒状部材４を保持手段１の中心に位置するように液晶ＬＣに浸漬させると安定状態となるような配向拘束処理を行う。そして、この棒状部材４を、保持手段１の中心位置からずれた位置において液晶ＬＣに浸漬させ、その移動を拘束する。すると、棒状部材４を拘束している間は液晶ＬＣの配向状態は不安定な状態に保持されるので、安定状態から不安定な状態に移行するためのエネルギが液晶ＬＣ中に貯蔵される。
一方、棒状部材４が移動できるようにすれば、棒状部材４は安定状態となる位置、つまり、保持手段１の中心まで移動される。すると、棒状部材４の移動または、液晶ＬＣ中に発生する液晶ＬＣの流動として貯蔵されていたエネルギを取り出すことができる。
なお、上記のごとき構造を採用する場合には、棒状部材４を液晶ＬＣに浸漬離脱させる機構、および、液晶に浸漬していない状態において棒状部材４と保持手段１との相対的位置を移動させる機構が必要となる。

また、棒状部材４を液晶ＬＣに浸漬したときに、棒状部材４がその中心軸周りに回転したときに配向状態に歪が発生する配向状態を形成するようにしてもよい。この場合には、棒状部材４を移動させなくも、その中心軸周りに回転させることによって液晶ＬＣにエネルギを貯蔵させることができる。例えば、図２（Ｂ）に示すような配向状態を形成させておき、棒状部材４を、この棒状部材４に連結されたモータ等の駆動源８によって反時計回りに回転させれば（図２（Ｃ）では矢印の方向）、図２（Ｃ）に示すような配向状態に変化する。すると、図２（Ｃ）の状態で棒状部材４の回転を拘束すればエネルギを液晶ＬＣ内に貯蔵でき、棒状部材４の拘束を解放し自由に回転できる状態とすれば、棒状部材４の回転（時計回りの回転）としてエネルギを取り出すことができる。

なお、棒状部材４を液晶ＬＣに浸漬したときに形成される配向状態によっては、棒状部材４を反時計回りに回転させてエネルギを蓄積しても、棒状部材４の拘束を解放したときに棒状部材４が反時計回りに回転してエネルギを放出する場合もある。逆に、時計回りに回転させてエネルギを蓄積しても、棒状部材４の拘束を解放したときに棒状部材４が時計回りに回転してエネルギを放出する場合もある。つまり、エネルギを蓄積するために棒状部材４を回転させる方向および、エネルギを放出するときに棒状部材４が回転する方向は任意の形態を取ることができるのである。
さらになお、図２（Ｂ）に示すような配向状態を液晶ＬＣ中に形成する場合にも、配向拘束処理は、棒状部材４の内部に欠陥核が仮想的に存在するかのような配向状態となるように液晶分子を配向させる処理を行えばよい。
さらになお、安定状態において、図２（Ｂ）に示すような配向状態を有する場合でも、棒状部材４の位置を安定状態（保持部材１の中心）から移動させれば、棒状部材４の位置変化、つまり、転傾の移動によって供給されるエネルギを貯蔵することができる。したがって、棒状部材４の位置を安定状態から移動させながら回転させれば、位置移動による配向状態の変化によって供給されるエネルギと、回転による配向状態の変化よって供給されるエネルギを、両方貯蔵することができる。すると、保持手段１内に収容されている液晶ＬＣの量が同じであっても、棒状部材４の位置移動により供給されるエネルギしか貯蔵できない場合に比べて、貯蔵可能なエネルギ量を多くすることができる。

また、液晶中に浸漬させる棒状部材は、一本に限られず２本以上でもよい。例えば、図３に示すように、液晶ＬＣに、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂを、互いに離間させた状態で配置してもよい。この場合、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂの表面に沿って、液晶分子が互いに強度の符号が異なる欠陥構造を形成するように配向拘束処理を行う。すると、保持部材１内に収容された液晶ＬＣにおいて、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂの周囲には、図３（Ｂ）に示すような配向状態を形成させることができる。

具体的には、棒状部材４の表面に接する液晶分子が垂直配向、つまり、液晶分子の配向方向が棒状部材４の軸方向を向くように配向させれば、棒状部材４の周囲における液晶の空間的配向状態を、図５（ｄ）に示すような状態にすることができる。
棒状部材４Ａの表面に接する液晶分子を垂直配向させるには、界面活性剤やクロム錯体、酸化ケイ素（ＳｉＯ）の垂直蒸着を行えばよく、この場合には、棒状部材４Ａの位置が、正の符号を有する転傾であるかのように液晶分子は配向する。
一方、棒状部材４Ｂの表面を、その軸方向に沿って複数の領域に分割し、各領域において異なるラビング処理、例えば、棒状部材４の軸方向に対するラビング方向やラビング強度を軸方向に沿って徐々に変化させる。すると、図５（ｄ）に示すような液晶分子の配向状態を形成させ、かつ、棒状部材４Ｂの位置が負の符号を有する転傾であるかのように液晶分子を配向状態させることができる。
すると、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂの周囲には、図３（Ｂ）に示すような配向状態を形成させることができるのである。

そして、強度の符号が互いに異なる一対の転傾が存在する場合、両転傾が融合し消滅した状態が最も安定な状態であるから、一対の転傾は接近して融合しようとする。つまり、強度の符号が互いに異なる一対の転傾が離間した位置に存在することは、液晶中には不安定な状態を形成させていることになる。
したがって、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂを離間させた状態でその移動を拘束手段によって拘束したり、また、移動手段によって一対の棒状部材４Ａ，４Ｂを両者間の距離が大きくなるように移動させて拘束手段によって拘束したりすれば、一対の転傾が離間している状態と同等の配向状態を液晶ＬＣ中に形成させることができるから、液晶ＬＣ中にエネルギを貯蔵することができる。

逆に、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂの拘束を解放し移動可能にすれば、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂは互いに接近するように移動する。すると、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂの移動として液晶ＬＣ中に貯蔵されていたエネルギを取り出すことができる。
なお、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂが接近するときに液晶ＬＣ中に発生する液晶流動を利用してエネルギを取り出すことも可能であるのは、いうまでもない。
さらになお、一対の棒状部材４Ａ，４Ｂを液晶ＬＣ中に浸漬させる場合には、保持手段１の底面および内面には、配向を拘束する処理は必ずしも行う必要はない。

なお、上記の実施形態では、特許請求の範囲にいう挿入部材として、棒状部材を用いた場合を説明しているが、挿入部材は棒状部材に限られず、球体や突起を有する形状等でもよく特に限定されない。挿入部材が液晶ＬＣから露出している部分を有する場合には、その露出している部分を利用して挿入部材を移動させればよい。また、液晶ＬＣ中に完全に浸漬されてしまう挿入部材を使用する場合には、例えば、磁性体の挿入部材を使用し、磁力によって挿入部材を移動させたりしてもよい。

液晶中に液晶欠陥（転傾）を発生させた場合において、液晶欠陥の挙動を数値解析した。
計算領域は、図６（Ａ）に示す二次元空間を使用し、S=1/2の液晶欠陥を、計算領域中央(0.5Ｈ,0.5Ｈ)に発生させた場合と、計算領域中央からずれた位置(0.2Ｈ,0.5Ｈ)に発生させた場合において、液晶欠陥発生後の液晶欠陥の動きを比較した。

図６（Ｂ）に示すように、計算パラメータは代表長さＨ、または等方状態における回転拡散係数Ｄによって無次元化しており、時間刻み幅Δtは、無次元化した時間刻み幅Δt *=1.0×10-4を与えて計算した。なお、t*=0での液晶分子の配向状態は前計算により求めた。
液晶分子の長距離効果を表す物理量liは、無次元化した液晶分子の長距離効果を表す物理量li*=2.0×10-1を与えて計算した。なお、計算に使用した液晶は代表的な低分子液晶であるN-(p-methoxybenzylidene)-p’-butyl-aniline（MBBA）であり、実際の液晶ではli*=2.0×10-1以下であるが、計算時間を短縮するために上記のごとき数値を採用している。
また、ｘ軸方向，ｚ軸方向ともに100分割して計算を行っており、境界条件は強アンカリング(液晶分子の配向方向を変化させない)としている。

今回の数値計算には、液晶分子の配向状態を配向分布関数で表す土井理論（参考文献：Doi, M., J. Poly. Sci., Poly. Phys. Ed., 19, 229, (1981)）を用いた。配向挙動を満足に記述するためには分子間の長距離秩序効果、短距離秩序効果、および流動効果を含む理論が必要とされる。しかし、土井理論は短距離秩序効果と流動効果しか有していない。そのため土井理論中の短距離秩序効果を表すMaier-Saupeポテンシャル（参考文献：W. Maier and A. Saupe, Z. Naturforsch, 13a, 564, (1958); ibid., 14a, 882, (1959); ibid., 15a, 287, (1960)）を短距離秩序効果と長距離秩序効果を表すMarrucci-Grecoポテンシャル（参考文献：Marrucci, G. and Greco, F., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 206, 17, (1991)）に拡張した。また、配向分布関数の厳密な計算には膨大な計算量を必要とするため配向分布関数を球面調和関数の級数で近似した。空間の離散化には中心差分法を、時間積分には４次精度のルンゲクッタ法を使った。使用した言語はフォートラン、計算機はＥＷＳである。

計算結果を図７〜図１２に示す。図７〜図９は計算領域中央（(0.5,0.5)）に液晶欠陥を発生させた場合における計算結果であり、図７は偏光顕微鏡観測画像を模した配向状態の時間変化を示した図、図８は配向秩序度の時間変化を示した図、図９は領域中における各軸の2n(nは整数で0から50の値を取る)の位置における液晶分子の配向状態を棒状分子で描画した図である。
また、図１０〜図１２は計算領域中央からずれた位置（(0.2,0.5)）に液晶欠陥を発生させた場合における計算結果であり、図１０は偏光顕微鏡観測画像を模した配向状態の時間変化を示した図、図１１は配向秩序度の時間変化を示した図、図１２は領域中における各軸の2n(nは整数で0から50の値を取る)の位置における液晶分子の配向状態を棒状分子で描画した図である。
なお、図７および図１０では、液晶分子が偏光方向に平行、または垂直に配向している領域は明視野（白）で示され、±45°方向に配向している領域は暗視野（黒）で示され、その他の方向に配向している領域ではグレーで示されている。図８および図１１では、配向秩序度の大きさが0に近いほど黒く示され、逆に配向秩序度の大きさが1に近いほど白く示されている。なお、配向秩序度の大きさが大きくなるほど（１に近づくほど）配向方向の長距離秩序を有している、つまり、隣接する液晶分子の方向が揃っていることを意味しており、配向秩序度の大きさが小さくなるほど（０に近づくほど）配向方向の長距離秩序がないことを意味している。

図７〜図９に示すように、液晶欠陥を計算領域中央に発生させた場合、液晶欠陥を発生させた後、液晶中の配向状態や配向秩序度が若干変化するものの、液晶欠陥は移動しない。
これに対し、図１０〜図１２に示すように、液晶欠陥を計算領域中央からずれた位置に発生させた場合、液晶欠陥を発生させた後、計算領域中央からずれた位置から計算領域中央にまで移動する。そして、計算領域中央まで移動すると、その後はその場にとどまり続ける。

以上の結果から、強アンカリングによって壁面での液晶分子を拘束した場合、液晶分子の配向が安定状態となる位置に液晶欠陥が配置されれば、液晶欠陥はその位置に留まり続け、安定状態となる位置からずれた位置に配置されれば液晶欠陥は安定位置まで移動することが確認できる。

したがって、液晶欠陥が安定位置からずれた位置に配置されていると、その位置から安定位置まで液晶欠陥を移動させるエネルギが液晶中に貯蔵されていることが確認できる。つまり、液晶欠陥を安定位置から移動させてその状態で液晶欠陥が移動できないように保持すればその移動に要したエネルギを液晶中に貯蔵でき、また、液晶欠陥が移動できる状態に戻せば液晶欠陥の移動に伴って液晶中に貯蔵されていたエネルギを放出することができると推察される。

本発明のエネルギ貯蔵装置は、非常に微細なマイクロスケールやナノスケールの物質を取り扱う装置等において、エネルギの供給や貯蔵する装置に適している。

第１実施形態のエネルギ貯蔵装置の概略説明図であり、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は棒状部材４を移動させたときにおける液晶分子の配向状態の変化を示した図である。 第２実施形態のエネルギ貯蔵装置の概略説明図であり、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は棒状部材４を移動させたときにおける液晶分子の配向状態の変化を示した図である。 第３実施形態のエネルギ貯蔵装置の概略説明図であり、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は棒状部材４Ａを移動させたときにおける液晶分子の配向状態の変化を示した図である。 転傾が存在する液晶のシュリーレン組織の写真である。 転傾の周囲における液晶分子の配向状態をモデル化した図である。 （Ａ）は本実施例の計算領域を示した図であり、（Ｂ）は本実施例の計算に使用した各種パラメータの説明である。 計算領域中央（(0.5,0.5)）に液晶欠陥を発生させた場合における計算結果であり、偏光顕微鏡観測画像を模した配向状態の時間変化を示した図である。 計算領域中央（(0.5,0.5)）に液晶欠陥を発生させた場合における計算結果であり、配向秩序度の時間変化を示した図である。 計算領域中央（(0.5,0.5)）に液晶欠陥を発生させた場合における計算結果であり、領域中における各軸の2n(nは整数で0から50の値を取る)の位置における液晶分子の配向状態を棒状分子で描画した図である。 計算領域中央からずれた位置（(0.2,0.5)）に液晶欠陥を発生させた場合における計算結果であり、偏光顕微鏡観測画像を模した配向状態の時間変化を示した図である。 計算領域中央からずれた位置（(0.2,0.5)）に液晶欠陥を発生させた場合における計算結果であり、配向秩序度の時間変化を示した図である。 計算領域中央からずれた位置（(0.2,0.5)）に液晶欠陥を発生させた場合における計算結果であり、領域中における各軸の2n(nは整数で0から50の値を取る)の位置における液晶分子の配向状態を棒状分子で描画した図である。

符号の説明

１ 保持手段
４ 棒状部材
ＬＣ 液晶

Claims (8)

1. 液晶を内部に保持する保持手段と、
   該保持手段内の液晶中に配設され、該液晶内に転傾を形成する転傾形成手段と、
   前記液晶内に形成された転傾の移動を拘束する拘束手段とを備えている
   ことを特徴とするエネルギ貯蔵装置。
2. 前記液晶内に形成された転傾を移動させる移動手段を備えている
   ことを特徴とする請求項１記載のエネルギ貯蔵装置。
3. 前記転傾形成手段が、該液晶内に、強度の符号が互いに異なる一対の転傾を形成するものである
   ことを特徴とする請求項１記載のエネルギ貯蔵装置。
4. 前記液晶内に形成された転傾を移動させる移動手段を備えており、
   該移動手段は、前記液晶内に形成された一対の転傾を互いに接近離間させるものであり、
   前記拘束手段は、前記一対の転傾を離間させた状態で保持し得るものである
   ことを特徴とする請求項３記載のエネルギ貯蔵装置。
5. 液晶を内部に保持する保持手段と、
   該保持手段内の液晶中に配設され、該液晶内に転傾を形成する転傾形成手段と、
   前記液晶内に形成された転傾を前記液晶中で回転させる回転手段と、
   前記液晶内に形成された転傾の回転を拘束する拘束手段とを備えている
   ことを特徴とするエネルギ貯蔵装置。
6. 前記転傾形成手段が、前記液晶中に挿入される挿入部材を備えており、
   該挿入部材は、
   その表面に、該挿入部材の周囲に位置する液晶分子が該挿入部材の位置に転傾が存在するときと同等の配向状態となるように、ラビング処理が施されている
   ことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のエネルギ貯蔵装置。
7. 液晶中にエネルギを貯蔵する方法であって、
   転傾を有する液晶中において、転傾を安定状態から移動させ、その状態で転傾の移動を拘束する
   ことを特徴とするエネルギ貯蔵方法。
8. 液晶中にエネルギを貯蔵する方法であって、
   転傾を有する液晶中において、転傾を安定状態から回転させ、その状態で転傾の回転を拘束する
   ことを特徴とするエネルギ貯蔵方法。