(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電場印加により流動特性が変わる液晶の流路を観察する液晶の流動パターンの可視化観察手段と、該可視化観察手段の画像又は光学情報から前記液晶の流量またはせん断速度を算定する測定手段と、前記液晶の流動を制御する流動制御手段とを具備する液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスであって、２枚の電極面（１Ａ，１Ｂ）で作成された流動制御用の２次元ＥＲ流路（２）の一部にガラス電極による窓（６）を設け、偏光膜（２Ａ，２Ｂ）、微小光源（３）および撮像素子又は光電素子（４）を取り付け、画像処理装置（７）と流量算定装置（８）によって行う画像解析又は明度測定による流量計測（流量算定）と、その情報を元にした印加電圧制御部（９）によって行う電場印加による液晶の流量制御とを同時に行えるようにしたことを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項２】
請求項１記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記窓（６）のガラス電極を複数個に分割された電極としたことを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項３】
請求項２記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記複数個に分割された電極は液晶の流れる方向に平行に配置することを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項４】
請求項２記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記複数個に分割された電極は液晶の流れる方向に直交するように配置することを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項５】
請求項１記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流動制御手段の電極を複数個に分割したことを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項６】
請求項１記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流路の断面積を変化可能にしたスペーサを具備することを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項７】
請求項１記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流路を積層状に形成することを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項８】
請求項１記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流路を３次元的に配置することを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項９】
請求項１記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流路を形成した２枚の電極面が相対的に回転運動を行う場合で、液晶を挟み対向する回転電極（３１，３３）を具備し、一方の回転電極（３３）に鏡面型流量測定用電極部窓（３４）を、もう一方の回転電極（３１）に偏光膜付き窓（３２）をそれぞれ設け、二電極間を流れる液晶の流量制御すなわち円板の回転速度の制御を行うことを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項１０】
請求項９記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶を３次元的に配置することを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【請求項１１】
請求項９記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、スペーサを配置し、流路測定用電極面間調整用素子と、ＥＲ制御用電極面間調整用素子とを具備することを特徴とする液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電場印加により、流動特性が変わる液晶を用いた電気粘性（ＥＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ）デバイスに係り、特に、液晶の流動パターン観察部を設けた、液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の参照文献としては、
（１）ＪＳＭＥ  ＣＥＮＴＥＮＮＩＡＬ  ＧＲＡＮＤ  ＣＯＮＧＲＥＳＳ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｆｌｕｉｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ：Ｊｕｌｙ  １３−１６，１９９７
（２）「電場利用知能流体の応用」  森下  信  知能流体工学に関する調査研究分科会  成果報告書  平成７年１２月発行  社団法人  日本機械学会
（３）ＥＲ流体の開発と応用  監修：小山  清人  発行所  シーエムシー  ｐｐ．１６３−１７３
ＥＲデバイスは、制振や運動・位置制御を目的としたダンパー、クラッチ、ショックアブソーバー、エンジンマウントなどに組み込まれる機器全般で利用されている。また、特に液晶を用いたＥＲデバイスは、マイクロマシンや超小型の機器で利用される。マイクロマシンの主応用分野の一つである生体内で利用される超小型医療機器は、動作環境の温度（体温）が安定しており、液晶を用いる本発明の最も有効な利用分野である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶などの均一系ＥＲ流体や粒子分散系ＥＲ流体を用いたＥＲダンパー、ＥＲクラッチなどに組み込まれるＥＲデバイスは各種提案されているが、制御だけの単一機能のみを有したものであり、制御のための元情報となる負荷荷重、変位量などの測定には別のセンサーを設ける必要があり、マシン全体のマイクロ化には妨げとなっている〔例えば、参照文献（３）参照〕。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、マシン全体のマイクロ化を図ることができる液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、電場印加により流動特性が変わる液晶の流路を観察する液晶の流動パターンの可視化観察手段と、この可視化観察手段の画像又は光学情報から前記液晶の流量またはせん断速度を算定する測定手段と、前記液晶の流動を制御する流動制御手段とを具備する液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスであって、２枚の電極面（１Ａ，１Ｂ）で作成された流動制御用の２次元ＥＲ流路（２）の一部にガラス電極による窓（６）を設け、偏光膜（２Ａ，２Ｂ）、微小光源（３）および撮像素子又は光電素子（４）を取り付け、画像処理装置（７）と流量算定装置（８）によって行う画像解析又は明度測定による流量計測（流量算定）と、その情報を元にした印加電圧制御部（９）によって行う電場印加による液晶の流量制御とを同時に行えるようにしたことを特徴とする。
【０００６】
〔２〕上記〔１〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記窓（６）のガラス電極を複数個に分割された電極としたことを特徴とする。
【０００７】
〔３〕上記〔２〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記複数個に分割された電極は液晶の流れる方向に平行に配置することを特徴とする。
【０００８】
〔４〕上記〔２〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記複数個に分割された電極は液晶の流れる方向に直交するように配置することを特徴とする。
【０００９】
〔５〕上記〔１〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流動制御手段の電極を複数個に分割したことを特徴とする。
【００１０】
〔６〕上記〔１〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流路の断面積を変化可能にしたスペーサを具備することを特徴とする。
【００１１】
〔７〕上記〔１〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流路を積層状に形成することを特徴とする。
【００１２】
〔８〕上記〔１〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流路を３次元的に配置することを特徴とする。
【００１３】
〔９〕上記〔１〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶の流路を形成した２枚の電極面が相対的に回転運動を行う場合で、液晶を挟み対向する回転電極（３１，３３）を具備し、一方の回転電極（３３）に鏡面型流量測定用電極部窓（３４）を、もう一方の回転電極（３１）に偏光膜付き窓（３２）をそれぞれ設け、二電極間を流れる液晶の流量制御すなわち円板の回転速度の制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
〔１０〕上記〔９〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、前記液晶を３次元的に配置することを特徴とする。
【００１５】
〔１１〕上記〔９〕記載の液晶を用いたセンサー機能を有するＥＲデバイスにおいて、スペーサを配置し、流路測定用電極面間調整用素子と、ＥＲ制御用電極面間調整用素子とを具備することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００１７】
ここではＥＲダンパーやＥＲクラッチ等に組み込むＥＲ流路部の基本構成を分解図等を用いて示す。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【００１９】
この実施例は電圧（電場）印加による液晶の流量制御と画像解析又は明度測定による流量計測が同時に行えるようにしたものである。
【００２０】
この図において、１はスペーサ、１Ａ，１Ｂは電極面、２は２次元ＥＲ流路、２Ａ，２Ｂは偏光膜、３はＬＥＤなどの微小光源、４は撮像素子又は光電素子、５は液晶の流れ、６はガラス電極による窓、７は画像処理装置、８は流量算定装置、９は印加電圧制御部（流動制御手段）である。なお、画像処理装置７、流量算定装置８、印加電圧制御部９は統合された一体のデータ処理・制御回路でもよい。
【００２１】
ここでは、ＥＲダンパーやＥＲクラッチ等に組み込むＥＲ流路部の基本構成を示している。
【００２２】
本発明によるＥＲデバイスは、微小ダンパーに組み込むために、図１に示すように、２枚の電極面１Ａ，１Ｂで作成された流動制御用の２次元ＥＲ流路２の一部にガラス電極による窓６を設け、偏光膜２Ａ，２Ｂ、微小光源３および撮像素子又は光電素子４を取り付け、画像処理装置７と流量算定装置８による画像解析又は明度測定による流量計測（流量算定）と、その情報を元にした印加電圧制御部９による電場印加による液晶の流量制御が同時に行えるようにした。
【００２３】
その流量算定例としては、例えば、画像情報から得た明暗情報を数値化し、そのデータの離散フーリエ変換処理により得られる値、前記明暗情報の明るさの振幅またはその平均値に対してそれぞれ得られる流量との一義的関係を用いて、流量の算定を行う方法などがある（詳細は、本願発明者らの提案にかかる第４９回レオロジー討論会  講演要旨集  ｐｐ．２８３−２８４  ２００１年１０月２４日〜２６日  神戸大学百年記念館・瀧川記念学術交流会館に記載されている）。
【００２４】
ＥＲデバイスは、従来からＥＲダンパーやクラッチ等への応用があるが、粘性変化は制御だけに活用されており、その変化量測定は別のセンサーを設けているため、小型化の妨げになってきている。それに比べ、本発明では、流動状態で分子配向や運動状態が変わる所に目を付け光学パターンの変化として観察し、それに対応する負荷を算定する機能をＥＲ流路自体に組み込んだ複合機能を持つＥＲデバイスを提案している。さらに、均一系ＥＲ流体であり、マイクロ構造内での利用が可能である液晶を用いているため、デバイスの更なる微小化が可能である。
【００２５】
また、加えられたせん断速度に対し、分子の配向や運動状態が変わり、その変化が光学パターンの変化として観察できる。これらの点を活用すべく、液晶の２次元ＥＲ流路２の一部に窓６を設け、偏光膜２Ａ，２Ｂ、ＬＥＤなどの微小光源３、撮像素子又は光電素子４を組み込み、ＥＲデバイス自体にセンサー機能を組み込む。すなわち、撮像素子又は光電素子４からの明暗等の情報をもとに、流量さらには対応する負荷荷重などを、予め得ておいた流量算定装置８の検定曲線などから判定する。
【００２６】
これにより、センサー機能が付加された複合機能を有するＥＲデバイスが得られ、マシンのマイクロ化が可能になる。また、液晶を使うため、デバイス自体も超小型で熱容量が小さく、デバイスの冷却等の温度調整も容易である。
【００２７】
図２は本発明の第２実施例を示すＥＲデバイスの分解斜視図である。
【００２８】
この実施例は、画像処理による流量計測と電場印加による液晶の高精度な流動制御が同時に行えるようにしたものである。
【００２９】
この図において、１１は平面内を分割した流量測定用電極部であり、その他の部分は図１と同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００３０】
この実施例のＥＲデバイスは、上記した第１実施例の流動制御用の電極を図２に示すように分割し、かつ、平面内を分割した流量測定用電極部１１を設け、その流量情報により流動制御手段としての印加電圧制御部９により電場をかける面積を変化できるようにして、より細かい流量制御ができるようにした。
【００３１】
図３は本発明の第３実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【００３２】
この実施例では、画像処理による流量計測と電場印加による液晶の高精度な流動制御が同時に行えるようにしたものである。
【００３３】
この図において、２１は積層形にした鏡面型流量測定用電極部を有する電極面、２２は積層形にしたスペーサ、２３は積層形にしたＥＲ流路、２４は積層形にしたＥＲ流路２３の一部に形成されたガラス電極による窓、２５は偏光膜、２６は微小光源、２７は微小光源２６からの光を反射した光を検出する撮像素子、２８は液晶の流れである。
【００３４】
この実施例では、流量計測に微小光源２６からの反射光を利用したセンサー部を用い、電極面２１、スペーサ２２、ＥＲ流路２３を積層状に形成し、センサー部からの情報を元に電場をかける電極面の数、すなわち電場をかける面積を変化できるようにして細かい流量制御ができるようにしている。
【００３５】
上記した第２実施例及び第３実施例における流量測定用電極部のパターン例としては、図４に示すように、液晶の流れ５，２８に対して平行方向に沿っている縞形状にしてもよいし、図５に示すように、液晶の流れ５，２８に対して直交する方向に形成される縞形状とするようにしてもよい。
【００３６】
また、流量算定には画像から得られる平均明度の測定、明暗比の解析、明暗縞のフーリエ解析などが用いられる。なお、ＥＲ流路２３内の液晶の状態変化から生じる電極面２１間に流れる微小な電流または電気容量の変化の測定結果を、画像情報と組み合わせることにより、精度の高い流量測定が可能になる。
【００３７】
図６は本発明の第４実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【００３８】
この実施例では、電場印加による回転運動の制御とせん断速度の算定が同時にできるようにしたものである。
【００３９】
この図において、３１は第１の電極（回転円板）、３２は第１の電極３１に形成される偏光膜付き窓、３３は第２の電極（回転円板）、３４は第２の電極３３に形成される鏡面型流量測定用電極部窓、３５は液晶、３６は回転軸、３７は微小光源、３８は微小光源３７からの光を反射して受ける撮像素子である。
【００４０】
この実施例では、ねじりダンパーまたはクラッチの制御のために、液晶３５を挟んだ２枚の回転円板３１，３３の一部に偏光膜付き窓３２と鏡面型流量測定用電極部窓３４を開け、撮像素子３８を取り付け、画像情報によるせん断速度の算定と、この算定値を元に回転円板３１と回転円板３３との間に加える電場を変化させることによる回転運動の制御を同時にできるようにした。
【００４１】
図７は本発明の第５実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【００４２】
この実施例は、電場印加によるスペーサをラバーなどの弾性体で作製したものである。
【００４３】
この図において、４１はラバーなどの弾性体からなるスペーサ、４２はそのスペーサ４１の厚みを可変にする圧電素子であり、その他の部分は、第１実施例と同様であり、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００４４】
この実施例では、電場印加によるスペーサ４１をラバーなどの弾性体で作製し、圧電素子４２等によりその２次元ＥＲ流路２の隙間を可変にできるようにして制御特性および流量測定特性を細かく調整できるようにした。
【００４５】
図８は本発明の第６実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【００４６】
図８において、５１は３次元的に配置されたＥＲ流路であり、その他の部分は第１実施例と同様であり、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００４７】
この実施例では、３次元的に配置されたＥＲ流路５１を形成し、つまり、制御部と測定部を３次元的に配置し、小型化するようにした。
【００４８】
図９は本発明の第７実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【００４９】
この実施例では、制御部と測定部を３次元的に配置して小型化し、さらにスペーサをラバーなどの弾性体で作成して高精度な流動制御が行えるようにしたものである。
【００５０】
この図において、６１は３次元に配置されたＥＲ流路、６２はその３次元ＥＲ流路６１を形成するラバーなどの弾性体からなるスペーサ、６３は流量測定用電極面間調整用圧電素子、６４はＥＲ制御用電極面間調整用圧電素子、６５はＥＲ制御用電極面、６６は流量測定用電極面であり、その他の部分は、第１実施例と同様であり、それらの部分については、説明を省略する。
【００５１】
流量測定用電極面間調整用圧電素子６３とＥＲ制御用電極面間調整用圧電素子６４により流量測定のための流路のすきまと流量制御のためのすきまの調整を独立に行うことにより、それぞれの特性を別々に変化させることができ、より細かい測定と制御ができるようにしたものである。
【００５２】
上記したように、本発明によれば、電場印加により流動特性が変わる液晶を用いた電気粘性（ＥＲ）デバイスを提供し、流動制御部に加えて、特にその液晶の流動パターン観察部を設けた、センサー機能付き超小型ＥＲデバイスを提供する。
【００５３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５５】
（Ａ）制御用デバイス内の一部を用いて流量やせん断速度などの計測を行うことにより、従来必要であった別の計測用デバイスが不要となり、マシン全体の小型化が可能になる。特に、電極、ＬＥＤ、撮像素子などいずれもマイクロ化できる部品による構成であるのでマイクロマシンでの応用に有効である。
【００５６】
（Ｂ）センサー機能が付加された複合機能を有するＥＲデバイスが得られ、マシンのマイクロ化が可能になる。また、液晶を使うためデバイス自体も超小型で熱容量が小さく、デバイスの冷却等の温度調整も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【図２】  本発明の第２実施例を示すＥＲデバイスの分解斜視図である。
【図３】  本発明の第３実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【図４】  本発明の第２実施例及び第３実施例における流量測定用電極部のパターン例（その１）を示す図である。
【図５】  本発明の第２実施例及び第３実施例における流量測定用電極部のパターン例（その２）を示す図である。
【図６】  本発明の第４実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【図７】  本発明の第５実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【図８】  本発明の第６実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【図９】  本発明の第７実施例を示すＥＲデバイスの斜視図である。
【符号の説明】
１    スペーサ
１Ａ，１Ｂ    電極面
２    ２次元ＥＲ流路
２Ａ，２Ｂ，２５    偏光膜
３，２６，３７    微小光源
４，２７，３８    撮像素子又は光電素子
５，２８    液晶の流れ
６，２４    ガラス電極による窓
７    画像処理装置
８    流量算定装置
９    印加電圧制御部（流動制御手段）
１１    平面内を分割した流量測定用電極部
２１    積層形にした鏡面型流量測定用電極部を有する電極面
２２    積層形にしたスペーサ
２３    積層形にしたＥＲ流路
３１    第１の電極（回転円板）
３２    第１の電極に形成される偏光膜付き窓
３３    第２の電極（回転円板）
３４    第２の電極に形成される鏡面型流量測定用電極部窓
３５    液晶
３６    回転軸
４１    ラバーなどの弾性体からなるスペーサ
４２    スペーサの厚みを可変にする圧電素子
５１，６１    ３次元的に配置されたＥＲ流路
６２    ３次元ＥＲ流路を形成するラバーなどの弾性体からなるスペーサ
６３    流量測定用電極面間調整用圧電素子
６４    ＥＲ制御用電極面間調整用圧電素子
６５    ＥＲ制御用電極面
６６    流量測定用電極面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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