(57)【要約】【課題】タービン羽根をレーザー光で照射し、羽根に運動量を与えることにより、簡単な機構で駆動を継続することができるレーザー駆動マイクロタービンを提供する。【解決手段】レーザー光照射装置６からタービン羽根１に直接レーザー光５を照射して、タービン羽根１に運動量を与える。すなわち、レーザー光を金属片からなるタービン羽根１の表面にタービン羽根１の回転による遠心力により液体４を供給しておき、レーザー光照射装置６から液体４を有するタービン羽根１に直接レーザー光５を照射すると蒸発が起こる。その蒸発による蒸気７はレーザー光５側に飛んで行くので、この反作用としてタービン羽根１は光の入射方向に加速される。この反力を利用してタービン羽根１を回転させる。【選択図】　図１
2004058205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）タービン羽根と、
（ｂ）該タービン羽根の表面に透明体を付与する手段と、
（ｃ）前記表面に透明体を有するタービン羽根にレーザー光を照射するレーザー照射装置とを具備することを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
【請求項２】
請求項１記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記透明体を付与する手段は、タービン羽根基部に配置される、遠心力によって前記タービン羽根に液体を供給する液体供給機構であることを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
【請求項３】
請求項１記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記透明体を付与する手段は、前記タービン羽根の表面に液体を噴霧する液体噴霧装置であることを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
【請求項４】
請求項１記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光を前記タービン羽根に直接照射することを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
【請求項５】
請求項１記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光をガイド手段を介して前記タービン羽根に照射することを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
【請求項６】
請求項５記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記ガイド手段はファイバーであることを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
【請求項７】
請求項１記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光強度調整手段を有することを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
【請求項８】
請求項７記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー光強度調整手段は、パルスレーザー光の間欠パルス幅を変調して前記タービン羽根の回転速度を可変にすることを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー駆動マイクロタービンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常のタービンでは、空気または蒸気を高温にし、それにより発生する高速流をタービンに導入して回転を行うようにしている。
【０００３】
かかる従来のタービンの中でも、特にマイクロメカニズムのマイクロタービンとしては以下に開示されるようなものがあった。
【０００４】
図８は従来のマイクロメカニズムのマイクロタービンの概略構成図である。
【０００５】
この図において、１０１はシリコン基板、１０２は半導体レーザー発光チップ、１０３は熱吸収体、１０４は加熱室、１０５は冷却器、１０６はタービン、１０７は密封板、１０８は熱媒体、１０９は圧力弁、１１０は連結溝、１１１はタービン室である。
【０００６】
半導体レーザー発光チップ１０２からレーザーを発光すると、熱吸収体１０３は光エネルギーを吸収し発熱する。この発熱により加熱室１０４内に封入された熱媒体１０８は、気化し体積膨張する。体積膨張した熱媒体１０８は連結溝１１０を経てタービン室１１１に流れ込み、タービン室１１１内に設けられたタービン１０６を回転させる。次に、気化した熱媒体１０８は連結溝１１０を経て冷却器１０５に流れ込む。この冷却器１０５を通過する過程において、気化した熱媒体１０８は冷却され液化する。次に、液化した熱媒体１０８は加熱室１０４、タービン室１１１からの圧力により、圧力弁１０９によって逐次、加熱室１０４に噴射される。
【０００７】
一方、本願発明者らは、レーザーを金属または液体に照射すると、蒸発が起こり、この蒸気はレーザー光側に飛んで行くので、この反作用として金属等は光の入射方向に加速されることに着目して、繰り返し推進装置及びそれを用いた軽量小型飛行機を開発した（例えば、特願２００１−３８０３１２）。ここでは、金属または液体にレーザーを照射して、繰り返し推進させる原理と、それを用いた推進装置が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、タービンの場合には、タービンが小さくなればなるほど表面積の占める割合が大きくなるため、熱するよりも表面からの冷却が支配的になる。また、このような作動流体（熱媒体）をタービンまでどのように導くかも大きな問題であり、熱効率が悪いといった問題がある。また、導入管の占める割合がタービンより大きくなり、使用を制限される。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、タービン羽根をレーザー光で照射し、羽根に運動量を与えることにより、簡単な機構で効率よく、駆動を継続することができるレーザー駆動マイクロタービンを提供することを目的とする。
【００１０】
【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〕レーザー駆動マイクロタービンにおいて、タービン羽根と、このタービン羽根の表面に透明体を付与する手段と、前記表面に透明体を有するタービン羽根にレーザー光を照射するレーザー照射装置とを具備することを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記透明体を付与する手段は、タービン羽根基部に配置される、遠心力によって前記タービン羽根に液体を供給する液体供給機構であることを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記透明体を付与する手段は、前記タービン羽根の表面に液体を噴霧する液体噴霧装置であることを特徴とする。
【００１３】
〔４〕上記〔１〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光を前記タービン羽根に直接照射することを特徴とする。
【００１４】
〔５〕上記〔１〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光をガイド手段を介して前記タービン羽根に照射することを特徴とする。
【００１５】
〔６〕上記〔５〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記ガイド手段はファイバーであることを特徴とする。
【００１６】
〔７〕上記〔１〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光強度調整手段を有することを特徴とする。
【００１７】
〔８〕上記〔７〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー光強度調整手段は、パルスレーザー光の間欠パルス幅を変調して前記タービン羽根の回転速度を可変にすることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図、図２はそのレーザー駆動マイクロタービンの斜視図である。
【００２０】
この図において、１はタービン羽根、２はタービン羽根１の基部に配置される液体供給装置、例えば、図示しないが、タービン羽根１の基部内の湿潤性を有する繊維に側面から水を供給する機構を備えておく。３は液体供給装置２に空けられたタービン羽根１の表面へ液体を供給する穴、４はタービン羽根１の表面に供給される液体、６はそのタービン羽根１にレーザー光５を照射するレーザー光照射装置、７はそのレーザー光照射によって発生する蒸気である。
【００２１】
この実施例では、レーザー光照射装置６からタービン羽根１に直接レーザー光５を照射して、タービン羽根１に運動量を与える。すなわち、金属片からなるタービン羽根１の表面にタービン羽根１の回転による遠心力により液体供給装置２により液体４を供給しておき、レーザー光照射装置６から表面に液体４を有するタービン羽根１に直接レーザー光５を照射すると蒸発が起こる。その蒸発による蒸気７はレーザー光５側に飛んで行くので、この反作用としてタービン羽根１は光の入射方向に加速される。この反力を利用してタービン羽根１を回転させる。
【００２２】
上記実施例では、タービン羽根１の表面へ液体を供給する方式によっているが、図３に示すように、噴霧装置８をタービン羽根１の近傍に配置して、タービン羽根１の表面へ液体を噴霧して供給するようにしてもよい。
【００２３】
このような透明体としての膜の形成は、回転軸と一体となった液体供給装置２に蓄えられた液が遠心力によってタービン羽根方向に薄く広がる効果を利用したり、噴霧機構により羽根に液体を噴霧して付着させる上記の方法以外にも色々な方法が考えられる。
【００２４】
また、第１実施例では、タービン羽根１にレーザー光照射装置６から直接レーザー光照射を行いようにしているが、以下のように変形することができる。
【００２５】
図４は本発明の第２実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。
【００２６】
この図において、１１はタービン羽根、１２はタービン羽根１１の基部に配置される液体供給装置、１３は液体供給装置１２に空けられたタービン羽根１１の表面へ液体を供給する穴、１４はタービン羽根１１の表面に供給される液体、１６はレーザー光照射装置、１７はタービン羽根１１にレーザー光１５を照射するガイド手段としてのファイバーである。なお、このファイバー１７に代えて、ミラーによる反射を行わせてガイドするようにしてもよい。
【００２７】
このように構成することにより、レーザー光照射装置１６を任意の個所に配置しておき、ファイバー１７を用いて、タービン羽根１１の所望の位置にレーザー光１５を照射させることにより、タービン羽根１１の回転を行わせることができる。
【００２８】
その場合、ファイバー１７中でのレーザー光１５の損失はほとんどないので、どのような細いところでもレーザーを導入することができる。
【００２９】
図５は本発明の第３実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。なお、図１と同じ部分には図１と同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００３０】
この実施例では、レーザー光照射装置２１はレーザー強度調整装置２２によってレーザー強度を調整可能にする。例えば、パルスレーザーのパルス幅を変調することにより、レーザー強度を可変にすることができる。
【００３１】
これによって、タービン羽根１に照射されるレーザー強度を可変にすることができるので、タービン羽根１の反力を可変にすることができる。
【００３２】
したがって、タービン羽根１の回転数を可変にすることができる。
【００３３】
以下、具体例（実験例）について説明する。
【００３４】
このマイクロタービンを検証するため、下記のような実証実験を行った。
【００３５】
図６は本発明のレーザー駆動マイクロタービンの実験装置を示す拡大図であり、６枚の５ｍｍ×５ｍｍ×０．２ｍｍのアルミニウム板３２を、外径２．１ｍｍ、内径１．５ｍｍ、長さ５ｍｍの中空アルミニウム軸３３に溶接したタービン羽根３１を示している。
【００３６】
この中空アルミニウム軸３３中に細線３４を通し、図６のように水平に支持した。
【００３７】
これに、出力２０５ｍＪでパルス幅５ナノ秒のＹＡＧレーザー３５を、１秒間に１０パルスの間隔で下部から照射した。この照射により、アルミニウム羽根３１が高速で回転することがわかり、回転数の実測値は４７４ｒｐｍであった。
【００３８】
図７は本発明の第４実施例を示す平板のアルミニウムにレーザーを照射したときに得られる運動量を照射したレーザーの強度とパルス幅の関係として表したものである。図の線はシミュレーション結果であり、記号は実験結果を表す。ＳＴが図６で使用された平板のアルミニウムに相当する実験である。
【００３９】
図６の実験のパラメータが１０４　ＭＷ．ｓｅｃ１／２　／ｍ２　であるので、Ｃｍ＝１０Ｎ−　ｓｅｃ／ＭＪで、すなわち、一枚の羽根は２×１０−６Ｎｓｅｃの運動量を得ていることになる。
【００４０】
この羽根の大きさを、例えば５分の１にすると、運動量は１２５分の１で済むことになり、レーザーの出力も２ｍＪ以下で済むことになる。
【００４１】
図６の実験では液体の供給を行わず、直接金属にレーザー照射を行い蒸発させたが、この加速効率を上げるために、レーザーを照射して蒸発させる部分に特殊な構造を持たせることも可能である。例えば、金属の上に透明体をコーティングすることによって、効率が桁違いに上昇する。
【００４２】
また、第１〜第３実施例では、蒸発する部分に透明体として水など液体を供給する例を示したが、金属の上に透明な物質（ガラスやアクリル等）をコーティングするようにしてもよい。ただし、繰り返し、長時間駆動する場合には、継続的に水などの液体を供給する機構を備えることが望ましい。
【００４３】
本発明によれば、以下のような利点を有する。
【００４４】
（１）レーザーによる加速時間は非常に短く、従来にない高速の起動を行うことができる。
【００４５】
（２）レーザー強度を調整することによってタービンの回転数の制御を行うことができる。
【００４６】
（３）構造を非常に小さくでき、マイクロマシンに好適な駆動系を提供することができる。
【００４７】
（４）従来装置に用いられるような蒸気発生装置が不要である。
【００４８】
このように構成することにより、コンパクトで、しかも駆動効率が桁違いに高いタービンを実現することができる。
【００４９】
本発明はマイクロロボットのマイクロ・マシンの駆動系に活用することができ、応用範囲は広い。
【００５０】
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。
【００５１】
【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。
【００５２】
（Ａ）レーザーによる加速時間は非常に短く、従来にない高速の起動を行うことができる。
【００５３】
（Ｂ）レーザー強度を調整することによってタービンの回転数の制御を行うことができる。
【００５４】
（Ｃ）構造を非常に小さくでき、マイクロマシンに好適な駆動系を提供することができる。
【００５５】
（Ｄ）従来装置に用いられるような蒸気発生装置が不要である。
【００５６】
このように構成することにより、コンパクトで、しかも駆動効率が桁違いに高いタービンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。
【図２】本発明の第１実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの斜視図である。
【図３】本発明の第１実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの変形例の模式図である。
【図４】本発明の第２実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。
【図５】本発明の第３実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。
【図６】本発明のレーザー駆動マイクロタービンの実験装置を示す拡大図である。
【図７】本発明の第４実施例を示す平板のアルミニウムにレーザーを照射したときに得られる運動量を照射したレーザーの強度とパルス幅の関係として表した図である。
【図８】従来のマイクロメカニズムのマイクロタービンの概略構成図である。
【符号の説明】
１，１１，３１　　タービン羽根
２，１２　　タービン羽根の基部に配置される液体供給装置
３，１３　　タービン羽根の表面へ液体を供給する穴
４，１４　　タービン羽根の表面に供給される液体（例えば、水）
５，１５　　レーザー光
６，１６，２１　　レーザー光照射装置
７　　蒸気
８　　噴霧装置
１７　　ガイド手段（ファイバー）
２２　　レーザー強度調整装置
３２　　アルミニウム板
３３　　中空のアルミニウム軸
３４　　細線
３５　　ＹＡＧレーザー
【図１】
2004058205.tif 000003
【図２】
2004058205.tif 000004
【図３】
2004058205.tif 000005
【図４】
2004058205.tif 000006
【図５】
2004058205.tif 000007
【図６】
2004058205.tif 000008
【図７】
2004058205.tif 000009
【図８】
2004058205.tif 000010