(57)【要約】【課題】レーザーのエネルギーを電流に変換することなく直接に物体の運動エネルギーに転換して物体を駆動することを可能にし、小型軽量で、省エネルギーの可能性を持ち、金属部品を特に必要とせず、磁場の影響を受けず、かつレーザーの照射の時間・空間的パターンの変更により直接にその運動を制御できるようなレーザー駆動のモーターを実現する。【解決手段】レーザーの照射タイミング及びパターンをコントロールする１の制御装置と、２のレーザー装置と、３の変調装置と、４の検波手段と、５,６の異なる物体と、７の加圧装置を備える。レーザー照射により物体に弾性波の進行波を生成し、これに接触させた別の物体との間で並進、回転運動を可能にする。照射の制御で、進行波の向き、速度を制御することが可能であり、物体に制御装置を搭載することなく運動を遠隔に操作できる。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射タイミング及びパターンをコントロールした光を物体の外部から照射し、物体に弾性波を生成し、これに接触させた別の物体との間で相対的な運動を可能にするような、光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる方法。
【請求項２】
上記運動を可能にするような、光源の照射タイミング及びパターンをコントロールするための制御手段と、光源と、照射タイミング及びパターンをコントロールされた適切な光をうけ、弾性波を生じる物体と、そのようにして弾性波を生じた物体に接触する別の物体を備えることを特徴とする、光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる装置。
【請求項３】
請求項1記載の運動を可能にするような、光源の照射タイミング及びパターンをコントロールするための制御手段と、光源と、パルス照射を可能にするための変調手段と、照射タイミング及びパターンをコントロールされた輻射を適切な方法で物体に照射するための検波手段と、照射タイミング及びパターンをコントロールされた適切な光をうけ、弾性波を生じる物体と、そのようにして弾性波を生じた物体に接触する別の物体と、この２つの物体が適切な圧力で接触するために加圧手段を備えることを特徴とする、光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる装置。
【請求項４】
照射の時間・空間的パターンの組合せにより、物体に制御可能な進行弾性波を誘起し、複数のパルス光源もしくは変調された光源および、その制御装置と、その光源からの照射を受けて弾性波を生じる弾性体を有することを特徴とする、レーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる装置。
【請求項５】
レーザーの繰り返し周波数を物体の固有周波数に一致するようにすることで振幅の大きい弾性波を物体に励起することを可能にした制御方法を含む、レーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる装置。
【請求項６】
請求項２記載の装置を実現するために、時間的、及び空間的に位相をπ/２ずらして物体に光パルス列を照射して物体表面に進行波を発生するための変調手段を備えることを特徴とする、レーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる装置。
【請求項７】
請求項２記載の装置を実現するために、レーザー装置を２台以上使用したレーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる装置。
【請求項８】
請求項２記載の装置を実現するために、2種類以上の波長を用い、検波手段として波長選別用フィルターを使用したレーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる装置。
【請求項９】
請求項２記載の装置を実現するために、検波手段として回折光学素子を使用して物体表面に進行波を発生するレーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる装置。
【請求項１０】
物体表面または裏面にエッチングや蒸着によって弾性波波長に対応した構造を作成し、物体表面に進行波を発生することのできる、レーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光から運動へのエネルギー転換に関する研究に係り、特に電力に転換することなしにレーザー光のエネルギーを対象物の運動エネルギーに転換し、対象物を駆動させる方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、遠隔にエネルギーを伝送し物体を駆動させる方法に関して、マイクロ波、もしくは光が多用され、それをマイクロ波の場合は受信アンテナ、光の場合は太陽電池により電力に転換し動力として利用している。たとえば、米航空宇宙局（NASA）のレーザーと太陽電池を用いた遠隔操作の飛行機があり、これは燃料や電池を積まず軽量で、地上からエネルギーを供給し続けられる限り飛行を続けるという特徴を有する。
【０００３】
また、レーザーの照射によって物体表面に弾性波を生成できることは、先行の研究によって証明されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２７２３８１  「球面上の弾性波の発生法」
【特許文献２】特開平５−２６４４３９  「レーザービームの干渉による弾性波励起方法及びその装置」
【特許文献３】特開平１０−７８４１５  「非接触破壊の材料評価方法とその装置及び弾性波励起方法と弾性波励起」
【特許文献４】特開平６−１８６２０８  「弾性波の発生方法」
【非特許文献１】米航空宇宙局（National Aeronautics and Space Administration）ホームページ編集 Jim Wilson  NASA Official: Brian Dunbar  [オンライン]、平成１７年７月３１日  [平成１７年７月３１日検索]、  インターネット  ＜ＵＲＬ：http://www.nasa.gov/lb/vision/earth/improvingflight/laser_plane.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術では、マイクロ波、もしくは光によって伝送されたエネルギーを電力に転換するプロセスが不可避である。
【０００６】
電力への転換プロセスがあるため、バッテリー、アンテナ若しくは太陽電池、電線を必要とするので飛行体や走行物体の小型軽量化に困難が生じる。そのため、自力で走行する物体や、たとえばマイクロマシンのように体内など非常に狭い範囲で活動するロボットなどの動力の供給源としても困難がある。
【０００７】
さらに、方向転換など、モーターを制御したいとき、光もしくはマイクロ波はエネルギー供給手段にすぎないため、制御手段を兼ねることは出来ず、外部からの別の制御手段を必要とする。
【０００８】
また、従来の電磁モーターはその構造上、水中、特に電解質中での使用が困難であったため、体内などでの活用の幅が著しく制約されていた。
【０００９】
また、従来の電磁モーターは一般的に金属部品が不可欠であり、腐食性ガス、放射線などの影響を受けやすい。電気的接点を有するため引火性ガスの下での使用も危険である。また電力へ転換し、モーターを回すというプロセスを経るため磁場が発生し、さらに磁場の影響を受けやすいという欠点がある。このように従来の電磁モーターは、金属の腐食、磁力、重量、引火性などの要因によって使用可能な範囲が限定されるため、悪環境下での遠隔操作に用いるには制約が大きい。
【００１０】
遠隔にエネルギーを伝送するにあたり、マイクロ波では回析のために広がってしまうので、非常な遠方にエネルギーを送るのは困難である。
【００１１】
従来技術はその原理上、幾多ものプロセスを経るためマイクロ波若しくは光のエネルギーの一部しか運動エネルギーに転換できず、エネルギー利用効率に原理的な制約がある。
【００１２】
そこで、本発明は上記の欠点を改善し小型軽量で、省エネルギーの可能性を持ち、電力への転換を必要としないレーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる方法及び装置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】
【００１３】
上記の目的を達成する本発明は、照射タイミング及びパターンをコントロールしたレーザー光を物体の外部から照射し、物体表面に進行する弾性波を生成し、これに接触させた別の物体との間で相対的な並進、回転、屈曲運動を可能にする。なぜなら生成した表面波の頂点は楕円状に回転運動をしているので、それを物体表面に適度な一定圧力で押し付ければ物体を駆動させることが出来るからである。本発明は物体を駆動させる方法と、この方法を実現化した装置と、物体の駆動を可能にせしめた進行波の励起方法から成る。
【００１４】
第一に、本発明は照射タイミング及びパターンをコントロールしたレーザー光を物体の外部から照射し、物体表面に進行する弾性波を生成し、これに接触させた別の物体との間で相対的な並進、回転運動を可能にするような、レーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる方法である。
【００１５】
第二に、本発明を実現化するために、レーザーの照射タイミング及びパターンをコントロールするための制御手段と、レーザー装置と、パルス発振を可能にするための変調手段と、照射タイミング及びパターンをコントロールされ発振されたレーザーを受けるための検波手段と、照射タイミング及びパターンをコントロールされたレーザー光をうけ、弾性波を生じる物体と、照射タイミング及びパターンをコントロールされたレーザー光をうけ弾性波を生じた物体に接触する別の物体と、照射タイミング及びパターンをコントロールされたレーザー光をうけ弾性波を生じた物体に接触する別の物体が適度な力で弾性波を生じた物体に接触するために圧力をかけるための加圧手段を備えることを特徴とする装置を考案する。
【００１６】
第三に、本発明は定在波をつくり、照射タイミング及びパターンをコントロールして物体表面に安定した進行する弾性波を生成する方法も含む。レーザーを物体に照射すると、物体表面に弾性波を誘起させることが出来るが、通常この波は照射点から同心円状に広がるので、物体を一方向に駆動させることは不可能である。しかしながら、本発明は照射タイミング及びパターンを制御する手段の考案によって、レーザーの断続的照射によって物体表面に安定した進行波を生成することを可能にしたため、異なる物体間での相対的な運動を実現した。進行波を起こしている物体に別の物体を適度な圧力をかけることの出来る加圧装置で押しつけることで、モーターのように物体を駆動させる役割を担える。
【発明の効果】
【００１７】
照射タイミング及びパターンをコントロールしたレーザー光を物体の外部から照射し、物体表面に進行する弾性波を生成し、これに接触させた別の物体との間で相対的な並進、回転運動を可能にするような、レーザー光によって発生させた弾性波を利用して物体を駆動させる方法、及びこの方法を実現化したことにより、小型軽量で、省エネルギーの可能性を持ち、金属部品を必ずしも必要とせず、磁力の影響を受けず、電力への転換を必要としないことを特徴としてあげることができる、装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１に本願発明の概略図を示す。図１において１は制御装置である。２はレーザー装置である。３は変調装置である。４は検波手段である。５、６は異なる物体である。７は加圧装置である。図１において２のレーザー装置は必ずしも２台とは限らず、１台のレーザーであってもかまわないし、３台以上であってもかまわない。また、パルス光を作る変調手段３はレーザーの外部に設置してもかまわない。４の検波手段は分かれていて、それぞれのパルス用に離れた場所に設置されている場合もあるし、また全くない場合もある。
【００２０】
１の制御装置では、２台のレーザーの照射タイミング及びパターンを制御することによって、前述の２つの定在波を組み合わせて進行する弾性波を物体に生成できるようなレーザー照射を可能にする（図２参照）。２のレーザー装置は、１の制御によってパルス発振するものである。３の変調装置はその手段である。４の検波手段は、２から発振されたレーザーのうち必要なもの(波長、偏光)を選択し、物体の特定位置、または物体にある空間的パターンを持って照射するための手段である。マスク、エッチング、蒸着膜、フィルター、回折素子を用いるなどの手段が考えられる。５は物体であり、２から発振されたレーザーにより、進行する弾性波を表面に生じる。６は７の加圧装置により適度に一定の圧力で物体５に押しつけられている。進行波で物体を駆動する原理は図４の通りである。
図４にはレーザーの照射によって弾性波が生成されている図である。図１の５に対応している。照射の位置は物体の裏、脇、若しくは物体が透明であれば物体の上方からも可能である。物体は一定の圧力Ｐで弾性波に押し付けられている。
【００２１】
図３には、図１の１から７までを２台のレーザーを用いて、検波手段として波長選別用フィルターと回折素子を用いた場合の例である。２台のレーザーでタイミングをπ／２ずらして照射する。１’は制御手段、２ａ、２ｂはＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ、４ａ、４ｂは波長選別用フィルター、５ａ、５ｂは回折光学素子、６’は物体６である。
【００２２】
以上図１乃至図４において、本発明の実施形態を示した。ここでは、物体表面に進行波を作るためにレーザーを用いているが、十分なエネルギーを持ち、タイミングがコントロールでき、パルス駆動が可能ならば、ＬＥＤや他の光源を用いてもかまわない。また、本装置の利点を損なわない限り、マイクロ波等の電磁波を用いてもかまわない。
【００２３】
また、物体に進行波を生成できる他の手段があるならば、変調手段、検波手段も必ずしも必要ではない。
【００２４】
図３において、使用している各種の機材は実施例であって、必ずしもこれに限定するものではない。
【００２５】
図１において加圧装置の変わりに、重力や磁力を利用することも可能である。
【００２６】
進行波の励起方法は次の通りである。
【００２７】
進行波を作る第一段階は，安定し波長の定まった定在波を作ることである。進行波は、２つの定在波を、位相関係を満足しながら重ね合わせることによって得ることができる。ここでωは物体の弾性振動の角周波数、ｋはその波数、Ａは振幅、Ｔは時刻、Ｚは物体表面における位置である。
【００２８】
【数１】
2007166689.tif 000003
【００２９】
【数２】
2007166689.tif 000004
【００３０】
【数３】
2007166689.tif 000005
【００３１】
（３）は＋Ｚ方向へ速度ω／kで進む進行波である。運動の向きを逆にするには照射パターンを変えればよい。逆向きに物体を動かすには、ここで、定在波2の励起を空間的には変えないままで、タイミングだけを変えて行うことで実現される。
【００３２】
【数４】
2007166689.tif 000006
【００３３】
【数５】
2007166689.tif 000007
【００３４】
（５）は−Ｚ方向に進行する進行波である。よってレーザー照射のタイミングを変えるだけで進行波の方向を制御できることが示された。
【００３５】
本発明は上記の数式に基づきレーザー照射を用いて物体表面に進行波を生成することを可能にしている。
【００３６】
２つの振動の励起において位相関係を満足するためには、照射位置とタイミングを正確にコントロールする必要がある。まず各々の定在波を作るために好適な方法として物体に空間的パターンを持った光を照射する方法が考えられる。これを実現するにはたとえば、回析素子、マスクなどを用いて物体表面に照射する光パターンを形成する方法、物体表面にエッチングや蒸着によって弾性波波長に対応した構造をもうけ空間的に一様なパルスレーザーを照射するという方法が検討される。レーザーの繰り返し周波数を物体内での弾性波の固有振動数に一致するようにすることで、振幅の大きい定在波が誘起できる。
【００３７】
定在波から進行波の転換には、上記数式に従って位相をπ/2だけずらせて、同時に空間的にもシフトさせた励起が必要である。実現のためには、照射する場所をパルスごとにガルバノミラー、スキャナー等を用いて高速で機械的に切り替える方法、２台のレーザーを用いて別々の箇所に励起する方法、さらに２種類のレーザーパルスを重ねて物体に照射し光の性質を使って分離する方法の３つが考えられる。３つめの方法の場合さらに、（a）異なる波長、例としてＮｄ：ＹＡＧレーザーの基本波（１０６４  nm）と第二高調波（５３２ nm）の２つの波長を用いる方法と、(b)同じ波長で２つの異なった偏光を用いる方法などが考えられる。物体の手前に、２つの光波を分離するための波長選別、偏光フィルター、もしくは回折素子を空間的に配置することにより、これが実現できる。（a）の場合、対象物の回転に対して依存しないという利点がある。
【００３８】
なお、物体表面に進行波を生成する手段として、レーザーの斜入射、もしくは干渉縞の掃引があり、これによって進行波を生成してもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
レーザーパルスを分離するためのフィルターもしくは回折光学素子、およびレーザーの正確な照射タイミングを得るための安定に同期がとれたパルスレーザーは、すでに実用化された技術であり、装置の製作に大きな困難はない。本方式の正常な動作には振動励起の位相関係を満足するように注意深く設計する必要があり、たとえば、物体の温度変化によって振動の波長が変化し、位相にずれを生じる可能性なども検討されるが、適当な手段でそれを補償することが可能である。
【００４０】
図５に、レーザーにより実際に銅の板状円環に定在波を誘起した実験例を示す。用いた銅板は、外径48.1mm，内径38.7mm，厚み2.0mmであり、これの表面に圧電トランスデューサを貼り付けて振動を計測した。用いたレーザーはQ-sw Nd:YAGレーザーで、照射パルス幅は10ns, パルス繰り返し周波数は9650 Hzであった。図5の上側の信号がトランスデューサ、下側は、レーザーのトリガ信号である。レーザーの繰り返し周波数を調節し、円環における固有振動数に一致したときに、図5に示すような大きな振幅の振動が観察される。レーザーの繰り返し周波数を増減させると、それに応じてこの振動の振幅が顕著に減少するため、この周波数で共振をおこしていることがわかる。なお、これがレーザー照射によって実際に誘起された弾性波であることは、レーザー光を物体直前で遮ったとき、この信号が消失することにより確認される。
【００４１】
応用としてたとえば、極めて軽量のアクチュエーター、レーザーで操作するマイクロロボット、特に遠赤外レーザーによる体外から駆動する医用ロボットや、有害環境でのロボットの駆動、航空機や飛行船の外部からの駆動などが考えられる。また、レーザーが遠方まで到達可能であることから、宇宙空間でのロボットや小型衛星の遠隔駆動、操作などの応用も考えられる。以下にいくつかの実用例案をあげる。
【００４２】
第一の実用例案として、図６にＮＡＳＡの宇宙エレベータを挙げる。米航空宇宙局（ＮＡＳＡ）の検討している軌道エレベータでは、最初のテザーをのぼるエレベータは特に軽量であることが要求される。ＮＡＳＡの構想では、マイクロ波で電力を送信しモーター駆動するとなっているが、本方式を使えばモーターも電力変換部も必要とせず極めて軽量にすることができる。図６の２０はリボンで、軽量で丈夫なテザーである。ここでは、図７のような直線状の本発明による物体駆動方法が応用できると考える。２１のレーザー装置から制御されたパルス光を発振し、物体２３に照射する。レーザーは極めて遠くまでエネルギーを伝送できるので、静止軌道（３５，７８６ｋｍ）まで到達できる。図２で示したように、照射タイミングをコントロールすることによって、上昇、下降が可能であり、エレベータ本体に制御装置を搭載する必要もなく、小型軽量化を実現できる。エレベータの位置は、２４のレトロリフレクターからの反射光を地上からモニターすることで知ることができる。制御装置２５，２６を用いてレーザー光をエレベーター本体に正確に照射することが可能であり、また、エレベータ本体の地上からの距離に応じてレーザーの集光距離を調整することもできる。参考文献として、以下の２点をあげる。
石原藤夫、金子隆一  『軌道エレベータ』裳華房  1997年
Bradley C. Edwards, Eric A. Westling "The Space Elevator" 2003.3. BC Edwards 
第二の実用例案として、医療分野におけるマイクロロボットへの応用をあげる。例えば、体内に埋め込んだ装置を、切開せずに体外からマイクロ波やレーザーを照射して操作できる。波長１ミクロン近辺の近赤外光は1cm程度なら体内中に到達する。この他に、手術用、投薬用としても本発明は体外からの操作が可能な点、また電解質中でも使用可能な点、そして小型軽量化が可能な点において、生体に負担の少ない医療用マイクロロボットを提供できる。
【００４３】
第三の実用例案として悪環境用リモートコントロールマイクロロボットを挙げる。図８に示したように、本発明の物体を駆動させる装置を搭載した車輪のついている三輪車状のロボットが、３波長のレーザー照射によって左右の車輪を独立して駆動させる構造になっている。これにより、悪環境でも遠隔操作が可能で、小型のロボットが実現できるのと考えられる。図８において３１，３２、３３は車輪、３４，３５の黒い部分が本発明の物体駆動装置である。３１、３３に関しては、３４、３５の本発明装置をつつんでいる車輪であり、レーザー照射によって本発明装置に進行波を誘起して、車輪との間に相対的な運動をおこし、これによってロボットは移動する。なお、制御用のレーザービームは重なっていて、各々の波長の光はフィルターによって分けることができるため各車輪にではなくロボット全体に光を照射することで制御できる。２つのモーターに対し4波長ではなく３波長でよい理由は、本発明物体駆動装置1は波長1、波長2によって駆動されるとすると、本発明物体駆動装置2は波長1、波長3で駆動するように設計することが可能だからである。
【００４４】
第四の実用例案として、図９に遠方、奥まっていて操作の困難な場所での微小な調整を可能にする、マイクロアクチュエーターを提案する。例えば、図に示したように、ノブや調節キーが遠方、奥まった場所、人が簡単に入れない原子炉などにあった場合に、本発明の方法でノブ、調節キーを動かすことが可能である。図９において、４０はレーザー装置、４１、４１´は加圧装置、４２、４２´は物体である。レーザーの場合は、正確に非常に細かい単位の照射をすることが可能なので、微小な調整も可能な高性能のアクチュエーターを提供できる。
【００４５】
第五の実用例案として、第四の実用例と同じ理由で、手の届きにくい場所でのミラーやアンテナの方向転換、たわみの調整などを可能にする調整用アクチュエーターも提供可能である。図１０において、高層ビルの壁面にすき間なく取り付けた板材、反射板、スクリーン等の角度やたわみの調整を想定した。物体５０、５１の間で相対運動を起こさせてネジの回転を行なう。電動に比べ配線も要らないため、多数の調整ポイントがある場合には全体として特に有効である。同様の装置は、通風や換気のための窓の開閉にも応用が可能である。
【００４６】
また、原理的に水中での使用を妨げるものはないので、水中でもメンテナンスフリーのモーターを提供できる。
【００４７】
また、電気、金属、磁気の使用に制約がある超高磁場内、たとえばＣＴやＮＭＲ、リニアモーターなどの装置の内部や近傍で利用できるモーターを提供できる。
【００４８】
また、２次元平面内で微小な物体を動かすベルトコンベアーも実現可能である。
【００４９】
そのほかに、太陽電池の使用が困難で、電源の確保が必要な場所、例えば深海や宇宙空間での作業用ロボットのモーターとしても活用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本願発明の実施形態を示す概略構成図
【図２】照射タイミングの例
【図３】２台のレーザーを使用したパルス発振の実施例
【図４】進行波で物体を駆動する原理
【図５】レーザー照射によって誘起された物体中の定在波の測定結果
【図６】宇宙エレベータ実用案模式図
【図７】直線状の本発明装置の模式図
【図８】悪環境用マイクロロボット実用案模式図
【図９】マイクロアクチュエータ実用案模式図
【図１０】マイクロアクチュエータを応用した角度調整装置実用案模式図
【符号の説明】
【００５１】
１      制御装置
２      レーザー装置
３      変調装置
４      検波手段
５，６  弾性振動により相対運動を行なう異なる物体
７      加圧装置
１’  制御手段
２ａ，２ｂ  ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ
４ａ，４ｂ  波長選別用フィルター
５ａ，５ｂ  光学回折素子
６’  弾性振動を行なう物体
２０  軽量で丈夫なリボン状テザー
２１  レーザー装置
２３  物体
２４  レトロリフレクタ
２５  鏡
２６  鏡
３１，３２，３３  車輪
３４，３５  本発明の物体駆動装置
４０  レーザー装置
４１，４１´  加圧装置
４２，４２´  弾性振動により移動する調節キー
５０、５１  弾性振動により回転する調節ネジ
【図１】
2007166689.tif 000008
【図２】
2007166689.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007166689.tif 000012
【図６】
2007166689.tif 000013
【図７】
2007166689.tif 000014
【図８】
2007166689.tif 000015
【図９】
2007166689.tif 000016
【図１０】
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