(57)【要約】【課題】非常に微細なトルクであっても測定可能である液晶を利用したトルク測定装置、トルクセンサおよびトルク測定方法を提供する。【解決手段】検出軸１２と、検出軸１２の一端部が内部に配置された軸保持部材１１と、軸保持部材１１の内面と検出軸１２の外周面との間に充填された液晶ＬＣとを備えたトルクセンサ１０と、トルクセンサ１０の液晶ＬＣに形成される配向分布を観測する観測部と、観測部によって観測された液晶ＬＣの配向分布の変化に基づいて、検出軸１２に加わるトルクを算出するトルク算出部２０とを備えており、トルクセンサ１０の検出軸１２は、その外周面には、検出軸１２と軸保持部材１１の内面との間に位置する液晶ＬＣ中に、検出軸１２に対して非軸対称であってかつ検出軸１２の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われている。【選択図】図１
2007212314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出軸と、該検出軸の一端部が内部に配置された軸保持部材と、該軸保持部材の内面と前記検出軸の外周面との間に充填された液晶とを備えたトルクセンサと、
該トルクセンサの液晶に形成される配向分布を観測する観測部と、
該観測部によって観測された前記液晶の配向分布の変化に基づいて、前記検出軸に加わるトルクを算出するトルク算出部とを備えており、
前記トルクセンサの検出軸は、
その外周面には、該検出軸と前記軸保持部材の内面との間に位置する前記液晶中に、該検出軸に対して非軸対称であってかつ該検出軸の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われている
ことを特徴とする液晶を利用したトルク測定装置。
【請求項２】
前記観測部は、
前記液晶に対して光を照射する光源と、
前記光源との間に前記液晶を挟む位置に配設され、前記液晶を透過する光を測定する測定器とを備えている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶を利用したトルク測定装置。
【請求項３】
検出軸と、該検出軸の一端部が内部に配置された軸保持部材と、該軸保持部材の内面と前記検出軸の外周面との間に充填された液晶とを備えており、
前記検出軸の外周面には、該検出軸と前記軸保持部材の内面との間に位置する前記液晶中に、該検出軸の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われており、
該表面処理は、
前記液晶中に形成される配向分布が前記検出軸に対して非軸対称となるように施されたものである
ことを特徴とする液晶を利用したトルクセンサ。
【請求項４】
一端部が液晶に挿入された検出軸に加わるトルクを測定するトルク測定方法であって、
検出軸の外周面には、検出軸の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われており、
検出軸に対してその中心検出軸周りの回転トルクを加え、液晶中に形成される配向分布を観測し、観測された配向分布の変化に基づいて、前記回転トルクを算出する
ことを特徴とする液晶を利用したトルク測定方法。
【請求項５】
液晶中に形成される配向分布の観測は、液晶に対して光を照射し、液晶を透過する光を測定することによって行われる
ことを特徴とする請求項４記載の液晶を利用したトルク測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶を利用したトルク測定装置、トルクセンサおよびトルク測定方法に関する。液晶は、通常、隣接する液晶分子の向きが大きく変化しないように配向している。しかし、液晶中には、隣接する液晶分子に対して配向が不連続となった部分が発生する場合があり、この不連続となった部分が並んで線状になったものは転傾と呼ばれる。
本発明は、かかる液晶における転傾の周囲に発生する配向分布を利用した液晶を利用したトルク測定装置、トルクセンサおよびトルク測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ等の回転トルクを測定する方法として、モータの主軸等の回転する軸に付加を加えたときに軸に発生するねじれを利用する方法が開発されており、このねじれの測定方法として、ストレインゲージを用いる方法や光電センサを利用する方法などが開発されている（非特許文献１）。
【０００３】
しかるに、マイクロモータ等のように発生するトルクが非常に微細である場合には、ねじれ自体が非常に微細であるため、従来のストレインゲージや光電センサではねじれを十分に計測することが困難である。
【０００４】
【非特許文献１】高橋  清編著、「センサ技術入門」、株式会社工業調査会、1983年5月15日、p.105
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記事情に鑑み、非常に微細なトルクであっても測定可能である液晶を利用したトルク測定装置、トルクセンサおよびトルク測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１発明の液晶を利用したトルク測定装置は、検出軸と、該検出軸の一端部が内部に配置された軸保持部材と、該軸保持部材の内面と前記検出軸の外周面との間に充填された液晶とを備えたトルクセンサと、該トルクセンサの液晶に形成される配向分布を観測する観測部と、該観測部によって観測された前記液晶の配向分布の変化に基づいて、前記検出軸に加わるトルクを算出するトルク算出部とを備えており、前記トルクセンサの検出軸は、その外周面には、該検出軸と前記軸保持部材の内面との間に位置する前記液晶中に、該検出軸に対して非軸対称であってかつ該検出軸の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われていることを特徴とする。
第２発明の液晶を利用したトルク測定装置は、第１発明において、前記観測部は、前記液晶に対して光を照射する光源と、前記光源との間に前記液晶を挟む位置に配設され、前記液晶を透過する光を測定する測定器とを備えていることを特徴とする。
第３発明の液晶を利用したトルクセンサは、検出軸と、該検出軸の一端部が内部に配置された軸保持部材と、該軸保持部材の内面と前記検出軸の外周面との間に充填された液晶とを備えており、前記検出軸の外周面には、該検出軸と前記軸保持部材の内面との間に位置する前記液晶中に、該検出軸の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われており、該表面処理は、前記液晶中に形成される配向分布が前記検出軸に対して非軸対称となるように施されたものであることを特徴とする。
第４発明の液晶を利用したトルク測定方法は、一端部が液晶に挿入された検出軸に加わるトルクを測定するトルク測定方法であって、検出軸の外周面には、検出軸の位置に転傾が存在するときと同等の配向分布を形成させる表面処理が行われており、検出軸に対してその中心検出軸周りの回転トルクを加え、液晶中に形成される配向分布を観測し、観測された配向分布の変化に基づいて、トルクを算出することを特徴とする。
第５発明の液晶を利用したトルク測定方法は、第４発明において、液晶中に形成される配向分布の観測は、液晶に対して光を照射し、液晶を透過する光を測定することによって行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
第１発明によれば、検出軸の位置に転傾が存在している場合と同等の配向分布が形成されており、しかも、その配向分布が非軸対称であるから、検出軸が回転して検出軸にねじれ変形が生じれば液晶の配向分布に変化が生じる。すると、液晶の配向分布の変化を観測部によって検出できるから、液晶の配向分布の変化に基づいてトルク算出部がトルクを算出することができる。そして、液晶の配向分布は、検出軸の微細なねじれにも反応して変化が生じるので、非常に微細なトルクでも検出することができる。
第２発明によれば、検出軸のねじれ変形に起因する液晶の配向分布に変化を、光源から照射された光の透過割合や液晶に形成される模様の変化として測定器が検出する。よって、透過割合や模様の変化に基づいてトルクを算出することができる。
第３発明によれば、検出軸の位置に転傾が存在している場合と同等の配向分布が形成されており、しかも、その配向分布が非軸対称であるから、検出軸が回転して検出軸にねじれ変形が生じれば液晶の配向分布に変化が生じる。すると、液晶の配向分布の変化に基づいて検出軸のねじれ量を検出することができ、ねじれ量に基づいてトルクを検出することができる。そして、液晶の配向分布は、検出軸の微細なねじれにも反応して変化が生じるので、非常に微細なトルクでも検出することができる。
第４発明によれば、検出軸の位置に転傾が存在している場合と同等の配向分布が形成されており、しかも、その配向分布が非軸対称であるから、検出軸が回転して検出軸にねじれ変形が生じれば液晶の配向分布に変化が生じる。すると、液晶の配向分布の変化に基づいて検出軸のねじれ量を検出することができ、ねじれ量に基づいてトルクを検出することができる。そして、液晶の配向分布は、検出軸の微細なねじれにも反応して変化が生じるので、非常に微細なトルクでも検出することができる。
第５発明によれば、検出軸のねじれ変形に起因する液晶の配向分布に変化を、光の透過割合や液晶に形成される模様の変化として検出することができるから、透過割合や模様の変化に基づいてトルクを算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の液晶を利用したトルク測定装置は、トルクを検出する媒体として液晶を採用したものであり、液晶内に形成される配向分布をあたかも検出軸の位置に転傾が存在しているかのような配向分布としたことにより、トルクに起因する検出軸のねじれを、液晶の配向分布の変化によって把握できるようにしたことに特徴を有している。
【０００９】
まず、本発明のトルクセンサの説明をする前に、転傾について説明する。
図３は転傾が存在する液晶のシュリーレン写真である（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３では、その紙面と垂直な方向に沿って、周囲の液晶分子に対して液晶分子の配向が不連続となっている部分が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３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向き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３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る状態をいう。
以下では、この液晶分子の配向が不連続となっている部分が並んでいる方向を転傾の軸方向という。
図４に、転傾の周囲における液晶分子の配向をモデル化した図を示す（出展：液晶辞典）。図４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が、その配向方向が連続しているように配向している。なお、図４中のｓは欠陥の強度を示しておりその絶対値が大きいほど強度が強くなることを意味しており、その符号は欠陥の正負を表している。
【００１０】
つぎに、本発明の液晶を利用したトルク測定装置を説明する。
図１は（Ａ）本発明のトルク測定装置１の一例を示した概略ブロック図であり、（Ｂ）は要部概略断面図である。図２は（Ａ）トルク測定装置１０におけるトルクセンサ１０の半径方向の概略断面図であり、（Ｂ）は検出軸１２にトルクを加えたときにおける配向分布の変化を示した概略説明図である。なお、図２の液晶ＬＣ内に記載されている実線は転傾周囲の配向場を示している。  
【００１１】
図１および図２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。
【００１２】
図１において、符号１０は本実施形態のトルク測定装置１におけるトルクセンサ１０を示しており、符号１１はトルクセンサ１０の軸保持部材を示している。この軸保持部材１１はその内部に中空な空間を有する本体１１ａを備えており、この中空な空間に前記液晶ＬＣが収容されている。この軸保持部材１１は、本体１１ａの前記空間を挟むように一対のシール部材１１ｂ，１１ｂが配設されており、この一対のシール部材１１ｂ，１１ｂによって、液晶ＬＣが空間内に保持されている。
なお、このシール部材１１ｂは、光を透過することができる、例えば、ガラスやプラスチック等の材料によって形成されているが、光を透過することができかつ本体１１ａの空間から液晶ＬＣが外部に漏れ出さないように保持しておけるものであればよく、特に限定されない。そして、シール部材１１ｂと後述する検出軸１２との間に、例えば、エポキシ樹脂等のシール剤を充填しておけば、液晶ＬＣの漏れをより抑えることができる。
【００１３】
また、本体１１ａの空間の内面には、ラビング処理やラビングレス処理、薬品処理等の既存の配向を拘束する処理を行っていてもよいし、配向を拘束する処理を行っていなくてもよい。
なお、図１には本体１１ａとして円筒状の部材を示しているが、本体１１ａの外形や中空な空間は、液晶ＬＣが流体であり特定の形状を有しないので、その形状が特に限定されないのはいうまでもない。
【００１４】
図１に示すように、液晶ＬＣには検出軸１２が挿入されている。この検出軸１２の表面には、ラビング処理やラビングレス処理等の液晶の配向を拘束する表面処理が行われている。この表面処理は、検出軸１２の側面に沿って液晶分子が欠陥構造（転傾）を形成するように行われている。しかも、検出軸１２の周囲における液晶ＬＣの空間的配向状態（配向分布）が、検出軸１２に対して非軸対称となるように表面処理が施されている。具体的には、検出軸１２の表面にマスキング処理を行っい、検出軸１２の中心軸に対して所定の角度ごとに、異なる配向処理を行なう。同様に、本体１１ａ内面にも、その中心軸に対して所定の角度ごとに、異なる配向処理を行えば、図２（Ａ）における実線に沿って液晶分子を配向させて液晶ＬＣ中に配向分布（図４（ａ）と同じ配向分布）を形成させることができる。
なお、上述した「異なる配向処理を行なう」とは、配向処理を行った面に接触している液晶分子の配向方向が異なるように処理を行うことを意味している。例えば、ある部分では検出軸１２の中心軸の軸方向に対して液晶分子が直交または傾くように配向させる処理を行い、その部分と隣接する部分では検出軸１２の中心軸の軸方向に対して液晶分子が平行となるように配向させる処理を行う場合が該当する。
【００１５】
そして、検出軸１２の一端（図１では右端）には、抵抗付加手段Ｒが連結されている。この抵抗付加手段Ｒは検出軸１２の回転を固定したり、検出軸１２が回転しているときに所定の回転抵抗を加えることができる機能を有するものである。例えば、検出軸１２を挟んで摩擦によって回転抵抗を加えるものや電磁力によって回転抵抗を加えるものなどが採用できるが、とくに限定されない。
なお、検出軸１２の回転を固定しておくだけであれば、右側のシール部材１１ｂに検出軸１２の一端を直接固定しておいてもよい。
さらになお、液晶ＬＣの弾性力を強くしておけば、検出軸１２をシール部材１１ｂに固定したり、また、抵抗付加手段Ｒを設けたりしないでも、検出軸１２に回転力が加われば、液晶ＬＣが検出軸１２に沿ってねじれた状態とすることができるので、トルク検出することが可能となる。
【００１６】
また、図１に示すように、前記軸保持部材１１を検出軸１２の軸方向から挟むように、光源１３と測定器１４が配設されている。
光源１３は、一般的な蛍光灯や白熱灯、ＬＥＤ等であるが、測定部１４に向かって液晶ＬＣとシール部材１１ｂを透過する光を放射することができるものであればよく、特に限定されない。
測定器１４は、光源１３から放射され、軸保持部材１１の一対のシール部材１１ｂ，１１ｂおよび液晶ＬＣを透過した光を検出できる機器であり、例えば、ＣＣＤカメラやフォトセンサなどであるが、特に限定されない。
【００１７】
この測定器１４は、液晶ＬＣの配向分布の変化から検出軸１２に加わるトルクを算出するトルク算出部２０が接続されている。このトルク算出部２０には、測定器１４が撮影する画像の変化、つまり、液晶ＬＣの配向分布の変化を検出する変化量検出部と、この変化量検出部が検出した液晶ＬＣの配向分布の変化割合に応じて検出軸１２に加わっているトルクを算出する演算部とが設けられている。
【００１８】
以上のごとき構成であるから、以下のようにトルクが検出される。
図１に示すように、検出軸１２の他端（図１では左端）にトルクを測定する機器ＭなどをカップラＣなどを介して連結する。そして、抵抗付加手段Ｒによって所定の抵抗を加えながら機器Ｍから検出軸１２に抵抗を加える。すると、検出軸１２にはトルクに応じたねじれが発生し、液晶ＬＣもトルクが加わっていない状態からねじられた状態となる（図２（Ｂ）参照）。つまり、軸保持部材１１の空間内において、右側のシール部材１１ｂに近い部分の液晶ＬＣの検出軸１２周りの回転量は、左側のシール部材１１ｂに近い部分の液晶ＬＣの検出軸１２周りの回転量よりも少なくなるため、液晶ＬＣが検出軸１２に沿ってねじれた状態となるのである。
すると、液晶ＬＣの配向分布は、トルクが加わる前に比べて検出軸１２のねじれの分だけ変化する。液晶ＬＣ中に形成されている配向分布は非軸対称であるから、液晶ＬＣは検出軸１２周りの配向分布が変化する。すると、測定器１４が撮影する画像は、液晶ＬＣ内に形成されている模様が変化するので、そのときの透過光強度や模様自体の変化割合が変化量検出部によって検出される。そして、変化量検出部が検出する液晶ＬＣの配向分布の変化割合に応じて演算部がトルクを算出するのである。
そして、液晶ＬＣの配向分布は、検出軸１２の微細なねじれにも反応して変化が生じるので、非常に微細なトルクでも検出することができるのである。
【００１９】
なお、演算部には、あらかじめトルクと透過光強度の相関データや理論式、また、液晶ＬＣ中に形成されている配向分布を形成する液晶欠陥に関する情報等が記憶されており、演算部はこれらに基づいてトルクを算出するのである。
さらになお、測定器１４として受光する光の量を検出する機器を使用する場合には、変化量検出部が光量の変化、つまり、光源１３から照射される光の透過割合を検出すれば、演算部は光の透過割合の変化に基づいてトルクを算出することができる。そして、この場合には、液晶ＬＣ中に形成される配向分布は、検出軸１２のねじれ量による配向分布の変化が光の透過割合の変化と相関関係を持つように形成するのはいうまでもない。
【００２０】
さらになお、検出軸１２の表面に行う表面処理は、上記の処理に限られず、検出軸１２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、検出軸１２の周囲の液晶ＬＣに、検出軸１２の位置に転傾が存在しているかのような配向分布を形成させることができ、かつ、形成された配向分布が検出軸１２に対して非軸対称となるのであれば、どのような処理を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の液晶を利用したトルク測定装置は、マイクロ・ナノモータや分子モータ等の非常に微小なトルクを検出する装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（Ａ）本発明のトルク測定装置１の一例を示した概略ブロック図であり、（Ｂ）は要部概略断面図である。
【図２】（Ａ）トルク測定装置１０におけるトルクセンサ１０の半径方向の概略断面図であり、（Ｂ）は検出軸１２に時計回りのトルクを加えたときにおける配向分布の変化を示した概略説明図である。
【図３】転傾が存在する液晶のシュリーレン写真である
【図４】転傾の周囲における液晶分子の配向をモデル化した図である。
【符号の説明】
【００２３】
１          トルク測定装置
１０        トルクセンサ
１１        軸保持部材
１２        検出軸
１３        光源
１４        測定器
２０        トルク算出部
ＬＣ        液晶
【図１】
2007212314.tif 000003
【図２】
2007212314.tif 000004
【図４】
2007212314.tif 000005
【図３】
2007212314.tif 000006