JP2022545760A - 光学アクチュエータ - Google Patents

Abstract

フォトニックエネルギーによって動力が供給される本発明によるアクチュエータは、電磁放射線に露出されたときに第１の非変形状態から第２の変形状態に変形し且つ電磁放射線を除去したときに第１の非変形状態に戻り始める材料を含む本体を有する。アクチュエータは更に、本体に固定された定置要素と、少なくとも本体が第２の変形状態にあるときに定置要素に係合する移動要素を有する。移動要素の動作を生じさせるために、適用された電磁放射線に応答する変形可能な材料の変形は、定置要素と移動要素の間の摩擦によって、定置要素を介して移動要素に伝達される。

Description

〔政府の権利〕
本発明は、国立衛生研究所によって与えられたＮＣＩ Ｇｒａｎｔ♯ＲＯＩ ＣＡ１６６３７９の下で、政府の支援を得てなされた。政府は、本発明の幾つかの権利を有する。

光学アクチュエータが記載され、さらに詳細には、直接作業させるための機械式移動を創出する光学アクチュエータが記載される。

アクチュエータの設計は、使用目的によって変化する。例えば、ＭＲＩ機械は、強い磁場を有し、ＭＲＩに適合可能なロボット工学は、成長分野である。ＭＲＩに適合可能な在来の非鉄圧電モータを作ることができるけれども、ＭＲＩセーフ（ＭＲＩ安全）ではない。在来の圧電アクチュエータの非鉄材料は、ＭＲＩのＢＯ磁場（外部静磁場）の均質性に影響を及ぼし、歪みを生じさせ、画質を低下させる。空気式及び液圧式アクチュエータを、金属構成要素なしで作ることができるけれども、正確さを低下させ、寸法を増大させることがある。

真空環境において、在来のモータを遠隔操作し且つそれに搭載型バッテリーによって動力を供給することができる。しかしながら、作動時間は、バッテリーの寿命に制限される。モータケーブルが真空シールを横切る特別なシールを形成することができるけれども、このことは、真空チャンバの設計に複雑さを追加し、故障原因を引き起こす。

爆発性の環境、例えば、航空機の燃料タンクでは、モータは、遮蔽され、即ち、火花発生のおそれを減少させた低電圧で作動されるのがよい。例えば、圧電モータは、アーク放電しない。

上述した理由で、電子機器又は金属構成要素を作動箇所のところで又はその近くで必要としない新規なアクチュエータの要望がある。アクチュエータは、ＭＲＩセーフであるべきであり、真空環境及び爆発性の環境でも使用可能であるべきである。理想的には、アクチュエータは、射出成型可能又は３Ｄ印刷可能である。

光学アクチュエータのより完全な理解のために、添付図面に示し且つ以下に説明する実施形態をこれから参照すべきである。

光学作動フォトストリクティブアクチュエータの実施形態の斜視図である。 フォトストリクティブアクチュエータの別の実施形態の斜視図である。 図１及び図２に示すフォトストリクティブアクチュエータと一緒に使用される光源の概略的な側面図である。 圧電アクチュエータの実施形態の斜視図である。 図１及び図２に示すフォトストリクティブアクチュエータと一緒に使用される複数の光源の概略図である。 図１及び図２に示すフォトストリクティブアクチュエータと一緒に使用される複数移動可能な光源の概略的な側面図である。 振動又は音を供給するためのフォトストリクティブアクチュエータの実施形態の図である。 フォトストリクティブアクチュエータの別の実施形態の概略図である。 図８に示すアクチュエータの光発生器に供給されるパルス光出力の２つのパターンを示すグラフである。 ４５０ｎｍの波長の紫外光に露出されたときに変形し且つ３６５ｎｍの波長の紫外光に露出されたときに非変形状態に戻るアゾベンゼンＬＣＰを示す図である。 フォトストリクティブアクチュエータの別の実施形態の概略図である。 図１１に示すアクチュエータの光発生器に供給されるパルス光出力の２つのパターンを示すグラフである。 回転モータの実施形態の概略図である。 ２面駆動式リニアモータの実施形態の概略図である。 緩和状態の多指向性スタックモータの実施形態の概略図である。 活性化状態の多指向性スタックモータの実施形態の概略図である。 図１５ａ及び図１５ｂに示す多指向性スタックモータの照明表面上の光出力の概略図である。 図１５ａ及び図１５ｂに示す多指向性スタックモータに供給されるパルス光出力の４つのパターンを示すグラフである。 水面下の環境内で使用される装置の実施形態の概略図である。 真空環境内で使用される装置の実施形態の概略図である。

幾つかの用語は、本明細書において便宜のためだけに使用され、限定として解釈されるべきではない。例えば、「上」、「下」、「左」、「右」、「水平」、「鉛直」、「上向き」、「下向き」、「トップ」、「ボトム」等の語は、図に示した形態を記述するにすぎない。実際、構成要素は、いずれの方向に向けられてもよく、したがって、かかる用語を、それが特定されていなければ、変形例を包含するように理解すべきである。「内側」、「外側」の語はそれぞれ、コア及びその指定された部分の幾何学的中心に向かう方向及びそれから遠ざかる方向を参照する。用語は、特に上述した語、その派生語、及び同様の外来語を含む。

フォトストリクティブ(photostrictive又はphotorestrictive)アクチュエータ、即ち、光作動式機械アクチュエータは、光又はその他の電磁放射線に露出されたときに変形し且つかかる光等を除去したときにヒステリシス効果の下で完全ではないが実質的に最初の非変形状態に戻る材料を含む。変形可能な材料は、ランタンをドープしたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）の層であるのがよい。他の実施形態では、変形可能な材料は、光活性歪を有する別の材料であってもよく、かかる材料は、限定するわけではないが、マグネシウムニオブ酸鉛－チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）、ＢｉＦｅО₃、及びアゾベンゼンを含有した幾つかの液晶ポリマー（ＬＣＰ）を含む。単一の紫外線（ＵＶ）光源が、ＰＬＺＴ、ＰＭＮ－ＰＴ、及びＢｉＦｅО₃を変形させる。材料に露出される光の供給持続時間を制御することにより、所望の変形を生じさせる。様々な種類の光源を使用することができ、かかる光源は、様々なスペクトル（中心波長及びそれと関連した半値全幅（ＦＷＨＭ）を含む）を含む。アクチュエータを制御するのに使用される光源又はその部分は、オンオフパルスであってもよいし、強度が変化可能に制御されていてもよい。

１つの形態では、０．５％のＷО₃でドープされた（Ｐｂ０．９７ Ｌａ０．０３）（Ｚｒ０．５２ Ｔｉ０．４８）１－０．０３／４О₃［ＰＬＺＴ（３／５２／４８）］が、波長３６６ｎｍ及び出力密度ｌ０ｍＷ／ｃｍ²のＵＶ光源の下で、フォトストリクティブ効果を発揮する。例えば、ＰＬＺＴ（３／５２／４８）の応答時間は、典型的には遅く、１分までの数秒である。変形例として、ＰＭＮ－ＰＴ－３２％は、比較的大きい圧電定数及び比較的速い応答時間、約１秒を有する。ＢｉＦｅО₃は、最適化されたＰＬＺＴセラミックスよりも低いフォトストリクティブ効率でしか機能しないが、ＢｉＦｅО₃の単結晶は、約１００μ秒以下である更に高速な応答時間により、幾つかの適用例により適している。アゾベンゼンＬＣＰは、４５０ｎｍの波長の紫外光に露出されたときに変形し、３６５ｎｍの波長の紫外光に露出されたときに非変形状態に戻る（図１０）。相変化パルス光システムが、任意の材料に適用されるのがよい。様々な材料は、縮小及び拡張のための様々なタイムスケールを有し、適当な動的パラメータが、材料の選択及び準備並びに光源の形態及び制御によって調整されるのがよい。様々な時間応答又はスペクトル応答を有する様々な材料を組合わせて、動作全体を制御するための単一のアクチュエータにするのがよく、幾つかの実施形態では、アクチュエータの様々な部分の動作を完全に又は部分的に切り離してもよい。

光源からの光が制御され、光パターンが、フォトストリクティブ材料への適用のために設計され且つカスタマイズされるのがよい。１つの形態では、光ガイドが、１つ又は２つ以上の光ファイバケーブルで構成され、所望のパターンを出力するのがよい。１つの実施形態では、光出力は、パルス光発生器を介して、予め決められたパターンを有するパルス光出力に変換される。レーザが、３００ｎｍと１０，０００ｎｍの間のスペクトルの光出力を発生させる。適当なレーザは、限定するわけではないが、Ａｒイオンレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、調整可能な固体及び色素レーザ、半導体レーザ、及び炭酸ガスレーザを含むレーザから選択されるのがよい。上述したように、制御システムは、可変強度の光出力を発生されるのに適用されるのがよい。所望の光出力は、光学システムによって発散されるのがよく、光学システムは、可視又は赤外スペクトルの光出力を発生させる装置と、レンズ又は他のカプラを介するその他のガイドを有する。

図面を参照すると、フォトストリクティブアクチュエータ、即ち、光作動式機械アクチュエータの実施形態が図１に示され、全体的に符号１００で指示されている。アクチュエータは、光又はその他の電磁放射線に露出されたときに変形し且つかかる光等が除去されたときにヒステリシス効果の下で部分的に第１の非変形状態に実質的に戻る材料１０１を含む。１つの実施形態では、材料１０１は、アクチュエータ１００の他の層に結合された個別の構成要素であってもよいし、他の材料に直接付けられてもよい。

図１に見られるようなアクチュエータの実施形態は、更に、ステータ１０２を有する。光作動材料１０１は、光作動材料１０１の変形を伝達する機能を有するステータ１０２に結合される。

材料１０１の変形は、材料１０１を照明する複数の光源を含む１つ又は２つ以上の光源１０３、１０４によって引き起こされる。光源１０３、１０４は、複数のＬＥＤ又はレーザのように固定物に完全に一体にされていてもよいが、それに限定されない。光源は、アクチュエータ１００と一緒に、モータ包囲体内に配置されるのがよい。変形例として、複数の光発生器が、アクチュエータ１００又は作動部位から遠隔にあり、光源１０３、１０４に例えば光ファイバ又はその他の光ガイドを介して光結合されていてもよい。この形態では、１つ又は２つ以上のレンズがモータ包囲体の本体の中に配置されるのがよい。

ステータ１０２は、移動要素１０５に摩擦結合される。変形は、ステータ１０２によって移動要素１０５に伝達され、移動要素１０５は、ステータ１０２によって伝達された変形を移動要素１０５の動作に変換する。１つの実施形態では、ステータ１０２は、変形の予め定められた周期的パターンを有する。

１つの実施形態では、アクチュエータ１００は、回転モータである。ステータ１０２に結合された光作動材料１０１は、光源１０３、１０４に露出されたときに変形し、移動要素１０５の回転を生じさせる。かくして、移動要素１０５は、ロータとして機能する。この回転モータの実施形態では、回転シャフト１０６又は取付け孔パターン等のアタッチメントの形態が、モータに機械的に結合され、回転モータの動作が外部装置によって使用される。

１つの適用例では、材料１０１及びステータ１０２は、空間内に固定され、ロータ１０５は、材料１０１及びステータ１０２に対して移動する。この構成は、光源１０３、１０４も固定されたままであることを可能にする利点を有する。しかしながら、材料１０１及びステータ１０２は、固定要素のように留まるロータ１０５に対して移動してもよいことを理解すべきである。

フォトストリクティブアクチュエータの別の実施形態を図２に示す。アクチュエータのこの実施形態は、光又はその他の電磁放射線に露出されたときに変形し且つかかる光等が除去されたときに非変形状態に実質的に戻る材料２０１を含む。材料２０１は、ステータ２０２の上に配置される。ステータ２０２は、隣接した平らな又は球形移動本体２０５に一致する１つ又は２つ以上の自由度に沿う並進動作を発生させるのに使用される。移動本体２０５は、ばね又は巨大物体２０７を介して重力に逆らってステータ２０２に押し付けられるように配置されるのがよい。移動本体２０５は、突起又は取付け孔パターン２０６を介して取付けられてもよいし、別の物体を直接押したり引いたりするのに使用されてもよい。この構成は、移動本体２０５が、作動される別の物体の一部分であってもよい状況を排除しないことを理解すべきである。この構成はまた、移動本体２０５が並進されることに加えて又はそれに変えて回転させられてもよい形態を排除しない。

図３を参照すると、光源３０１は、光又はその他の電磁放射線を生じさせるのに使用される。光源３０１は、光学デマルチプレクサ３０３に結合されるのがよい。光学デマルチプレクサは、ビームスプリッタ及び音響シャッタを含むのがよく、ビームスプリッタ及び音響シャッタは、生成された光又はその他の電磁放射線を、光等に露出されたときに変形する材料１０１、２０１まで延びるファイバ３０４又はその他のガイドの中に所定のタイミングで差し向ける。しかしながら、音響デマルチプレクサ３０３からの出力は、目標部分に直接結合されてもよいことを理解すべきである。図５に示す別の実施形態では、多数の光源５０１の各々が、レンズ５０３又は別のカプラに結合されてファイバ―又はその他のガイド５０４を経由する。

正規の圧電アクチュエータ４００（図４）又はその均等物を、光電コンバータ４０３の追加により、光学アクチュエータに変換することができる。光電コンバータ４０３は、圧電材料４０１又は電気的に従属した歪特性を有する別の材料に直接取り付けられるのがよい。

図６に示すように、光学末端６０２は、材料６０３から間隔をあけていてもよいし、材料６０３に結合されてもよく、材料６０３は、光又はその他の電磁放射線に露出されたときに変形し且つかかる光等が除去されたときに実質的に非変形状態に戻る。光学末端６０２は、材料６０３に対して移動可能であってもよいことを理解すべきである。

図７に示すアクチュエータの実施形態は、音を生じさせる必要があるような媒体内に様々な圧力を形成するのに使用されるのがよい。アクチュエータのこの実施形態は、光又はその他の電磁放射線に露出されたときに変形する材料７０１を含む。この材料は、層７０２に接着され、層７０２は、振動を要素７０３上に伝達し、結合させ又は増幅し、要素７０３は、媒体に結合され、又は、媒体を移動させる。要素７０３は、媒体の中に存在しており、円錐形状であってもよいし、平らな形状であってもよいし、円形であってもよいし、媒体を変位させるように形成された他の形態であってもよい。しかしながら、アクチュエータはまた、媒体の中に完全に、即ち、全く存在せずに、媒体内に圧力を形成してもよいことを理解すべきである。

アクチュエータの別の実施形態が図８に示され、全体的に符号８００で指示される。この実施形態では、アクチュエータ８００は、光作動材料８０１を含み、光作動材料８０１は、他の層に結合された個別の構成要素であってもよいし、ステータとして作用する別の材料に直接取付けられてもよい。ロータ８０２は、図８において矢印８０９によって指示されるようなステータに向かう方向の高圧で、光作動材料８０１の表面と組合せられる。光源８０５は、光ガイド８０８の中を通る光出力を発生させる。１つの実施形態では、光ガイド８０８は、１つ又は２つ以上の光ファイバからなる。１つの形態では、光ガイド８０８は、マルチモード光ファイバケーブルである。光出力は、光ファイバケーブル８０８の中を通して光学システム８０３、８０４のうちの一方の形態に伝達され、光学システム８０３、８０４は、光出力を光作動材料８０１の照明表面上に差し向け、照明領域を活性化させる。１つの実施形態では、光出力は、パルス光発生器８０６、８０７を介してパルス光出力に変換される。図９に示すように、複数の第１のパルス光発生器８０６は、パターン９０１を供給し、複数の第２のパルス光発生器８０７は、別のパターン９０２を供給する。活性化された領域の形状は、これらのパターンと一緒に変形し、矢印８１０で指示される方向移動波を発生させる。移動波は、楕円形軌道８１１の個々の波ピークの各々のところで、ロータ８０２の表面に係合し、かかる表面のところで、ロータ８０２は、動作を発生させる出力のために、光作動材料８０１に摩擦結合される。矢印８１２によって指示されるロータ８０２移動方向８１２は、移動波が進む方向８１０と反対の方向である。

図１１に示す別の実施形態では、光作動材料１１０１は、アゾベンゼンＬＣＰを含む。光作動材料１１０１は、他の層に結合された個別の構成要素であってもよいし、ステータとして作用する別の材料に直接取付けられてもよい。ロータ１１０２は、図１０において矢印１１１０によって指示されるステータに向かう方向の高圧で、光作動材料１１０１の表面と組合せられる。光源９０５、９０６は、光ガイド１１０９の中を通る様々な光出力を発生させる。１つの実施形態では、光ガイド１１０９は、１つ又は２つ以上の光ファイバを含む。この形態では、３６５ｎｍの波長及び４５０ｎｍの波長の紫外光はそれぞれ、マルチモード光ファイバケーブル１１０９の中に進入し。１つの実施形態では、各光出力は、パルス光発生器１１０７、１１０８を介してパルス光出力に変換される。パルス光は、図１２に示すパターンに従う。１つの形態では、一方の光出力１１０７は、２つのパルスパターン１００１、１００３を有し、他方の光出力１１０８は、別の２つのパルスパターン１２０２、１２０４を有する。

光出力は、光ファイバケーブルを介して２つの光学システム形態１１０３、１１０４に伝達され、各光学システム形態は、光出力を光作動材料１１０１の照明表面上に差し向けるように設計され、照明された領域を活性化させる。活性化させた領域の形状は、変形し、矢印１１１２で指示する方向移動波を発生させる。移動波は、楕円形軌道の個々の波ピークの各々のところで、ロータ１１０２の表面に係合し、かかる表面のところで、ロータは、動作を発生させる出力のために、光作動材料１１０１に摩擦結合される。矢印１１１３によって指示されるロータ１１０２移動方向は、移動波が進む方向１１１２と反対の方向である。ロータ１１０２は、移動波の方向１１１２と反対である矢印１１１３で指示される方向に回転する。

回転モータの実施形態が、図１３に示され、全体的に符号１３００で指示される。回転モータ１３００は、ステータとして機能するフォトストリクティブ材料１３０１を含む。ロータ１３０２は、矢印１３０６によって指示される方向の高圧の下で、ステータの表面と組合せられる。１つの形態では、光出力は、光ケーブル１３０５を介して光学システム１３０３、１３０４の一方の形態に伝達され、光学システム１３０３、１３０４は、光出力をフォトストリクティブ材料１３０１の照明表面上に差し向けるように設計される。上述したように、供給される光は、活性化されたパターンに従う。フォトストリクティブ材料の活性化された領域の形状は、変形し、矢印１３０８で指示される方向移動波を発生させる。ロータ１３０２は、楕円形軌道の個々の波ピークの各々のところだけで、ステータに係合し、係合しているところで、ロータは、動作を発生させる出力のために、フォトストリクティブ材料１３０１に摩擦係合される。ロータ１３０２移動方向１３０９は、矢印１３０８で指示する移動波が進む方向と反対の方向である。ロータ１３０２は、移動波の方向１３０８と反対の方向１３０９に回転する。

図１４を参照すると、２面駆動式リニアモータの実施形態が示され、全体的に符号１４００で指示される。リニアモータ１４００は、ステータとして作用するフォトストリクティブ材料１４０１の１対の層を含む。スライダ１４０２は、ステータの上の層と下の層の間に挟まれる。高圧が、これらの層を矢印１４０５で指示する方向に横切るように付与される。１つの形態では、光出力は、光ケーブル１４０４を介して光学アレイシステム１４０３に伝達され、光学アレイシステム１４０３は、光出力をフォトストリクティブ材料１４０１の照明表面上に差し向けるように設計される。光は、上述したようなパターンで供給される。フォトストリクティブ材料１４０１の活性化された領域のＴ字形状は変形し、移動波１４０７を発生させる。スライダ１４０２は、上面及び下面の両方の波形のピークの各々のところだけで、ステータに接触する。波形の複数のピークは、表面粒子の軌道、例えば楕円形軌道、移動１４０７を実行する。表面粒子のこの軌道１４０６移動方向は、移動波１４０７の方向と反対の方向である。スライダは、移動波１４０７と反対の方向１４０８に移動する。

図１５ａ及び図１５ｂ参照すると、多指向性スタックモータが示され、全体的に符号１５００で指示される。１つの実施形態では、スタックモータ１５００は、所望のアレイ構造で互いに積重ねられた２形態ポリマーフォトストリクティブ材料を含む。１つの配置では、２形態材料の２ｘ２ｘ５のアレイが積重ねられる。出力要素１５０２が、アレイ１５０１の上面の中心に配置される。光源１５０３が、光ガイドの中を通過する光出力を発生させる。１つの実施形態では、光出力は、図１７に示す例示の相シフトパターン１７０１－１７０４に従って、パルス光発生器１５０４を介してパルス光出力に変換される。１つの光源は、１つのパルスパターン１７０１に従う。２つの光源は、第２のパルスパターン１７０２に従う。３つの光源は、第３のパルスパターン１７０３に従う。４つの光源は、第４のパルスパターン１７０４に従う。光出力は、マルチモード光ファイバケーブル１５０５の中に伝達され、材料の照明表面上で反射して広がる（図１６）。別の実施形態は、ファイバセンサコネクタであってもよいし、ファイバ端部連結及び展開法であってもよい。出力光は、光ファイバケーブル１６０３から光学システム１６０２の１つの形態に伝達する。１つの実施形態では、４５°反射式マイクロミラー１６０７、１６０８の２層アレイが、２形態ポリマーフォトストリクティブ材料１６０１の２つの層の間に配置される。光出力１６０６が照明しているとき、光は、マイクロミラーアレイによって反射させられ、材料１６０１の表面を照明する。１つの形態では、光出力は、フロントミラーの中を通過させられ、エンドミラーに到達する。光のパワーロス及び反射比を考慮する必要がある。図１７に示す配列の下では、積重ねアレイ全体がぐるりとねじれ、出力要素が、地面と平行な表面上で回転する。別の実施形態では、パターンは、異なる相シフト設定、例えば、オーパラップさせた３０°相シフトであってもよく、この場合、出力要素を地面と平行な表面上で且つより小さい円で回転させる。変形例のスイッチング可能な作動パルスパターンは、例えば、１と３だけの出力パルスであり、２と４の出力は無く、出力要素は、地面に対して垂直な表面上で回転する。

図１８は、水環境適用例の下での装置の実施形態を示し、装置は、全体的に符号１８００で指示されている。１つの実施形態では、装置１８００は、水タンク１８０３内に且つ水１８０４の表面よりも下に位置するモータ１８０１を含む。１つの形態では、パルス光出力が、光ケーブル１８０６を介して光学システム１８０５に伝達され、光学システム１８０５は、光出力を差し向けるように設計される。光出力１８０７は、１８０８のところの水を照明し、水１８０８は、光出力を反射させるが、主に、光出力をある角度で水の中に屈折させ１８０９、それにより、フォトストリクティブ材料１８０２の表面を照明し、フォトストリクティブ材料１８０２を励起させて変形させる。反射、屈折、及び水の中の通行による光出力のパワーロスを注意深く考慮する必要がある。また、アクチュエータ１８００及び光出力の位置を、最大光パワー密度を伝達するように整列させる必要がある。様々な屈折率を有する様々な液体並びに多層液体を使用してもよいことを理解すべきである。

図１９は、真空チャンバ環境内で使用するための装置の実施形態を示し、装置は、全体的に符号１９００で指示されている。１つの実施形態では、装置１９００は、真空チャンバ１９０３の内側に位置するアクチュエータ１９０１を有する。１つの形態では、真空チャンバ１９０３は、上面を有し、上面は、十分な吸光係数を有するガラス窓１９０４又はその他の透明材料を含む。外部のポンプ１９０５が、真空チャンバ１９０３内の真空状態１９１１を維持する。使用するとき、パルス光出力が、光ケーブル１９０７を介して光学システム１９０６に伝達され、光学システム１９０６は、光出力を差し向けるように設計されている。光出力１９０８は、１９０９のところのガラスを照明する。光出力は、反射するが、主に、ガラスを透過し１９１０、それにより、フォトストリクティブ材料１９０２の表面を照明し、フォトストリクティブ材料１９０２を励起させて変形させる。ある形態では、透明材料の吸光係数による光出力のパワーロスを考慮する必要がある。また、アクチュエータ１９０１及び光出力の位置を、最大光パワー密度を伝達するように整列させる必要がある。別の実施形態では、入れ子式の真空チャンバ形態が適用されてもよい。この形態では、二重の透明材料吸収を考慮する必要がある。別の実施形態では、超低温且つ超高圧の超電導環境がこの形態に適用されてもよい。

本明細書に記載したようなフォトストリクティブアクチュエータは、多くの利点を有し、かかる利点は、特有の環境、例えば、ＭＲＩ機械、真空環境、爆発性の環境等において適合可能な種類の光学モータを提供することを含む。フォトストリクティブアクチュエータは、ＭＲＩ機械、脳磁気図、又はその他のＮＭＲ装置の強い磁場において安全に作動することができきる。かくして、フォトストリクティブアクチュエータは、「ＭＲＩセーフ」の最高の相互運用等級を達成することができる。真空環境において、フォトストリクティブアクチュエータへの駆動信号を、真空チャンバで典型的に使用される透明な窓を通過させることができる。光学結合により、真空シールを破壊するワイヤを用いることなしに、モータを作動させることを可能にする。このことはまた、水中適用例に適用されてもよい。フォトストリクティブアクチュエータは、バッテリーの寿命制限なしに作動することができる。フォトストリクティブアクチュエータは、爆発性の環境において、電子機器を何も用いることなしに、作動することができ、それにより、モータの火花と関連した危険を取り除く。

フォトストリクティブアクチュエータはまた、他の非常に敏感な環境において、例えば、干渉の機会を最小にするために電子機器がフォトストリクティブアクチュエータから除去されなければならない器具の使用のために働く。このことは、地球の研究所並びに宇宙の適用例のための化学的機器の使用に適用可能であろう。さらに、モータの光学的な「後端」は、大きく且つ複雑な装置であることがある。しかしながら、作動の時点において、光学的な後端は、非常に低コストである圧電性結晶（本質的には、まさにセラミックディスク）に結合されてもよく、物理的な（すなわち、滅菌の境界を横切る）接触を必ずしも必要としない。この構成は、滅菌された単一使用の外科キットの作動モジュールに理想的である。マイクロ作動技術は、光学ユニットを遠隔に配置し且つ高度に焦点合せされた小さい光ファイバ又は光ガイドをフォトストリクティブアクチュエータのところに配置することによって可能である。

共鳴モータは、それが振動装置又はスピーカー内に作られ且つ腐食しない部品で作られ且つイオン環境内において伝導性を失うワイヤがないのであれば、水中超音波モジュールとして作動する。航空宇宙適用例では、光学結合により、ワイヤ制御設定なしに、モータを作動させることを可能にし、ワイヤ制御設定は、例えば、ハッブル宇宙望遠鏡の回転角におけるリアクションホイールをローリングさせるような使用のためのものである。上述した産業におけるように、他の更なる直接的な解答が、バッテリー、遮蔽等の接線解答の必要なしに可能である。

光学アクチュエータを、そのほんのわずかな例示の実施形態に関してかなり詳細に示し且つ説明したけれども、当業者は、発明者がかかる実施形態に自ら限定する意図がないことを理解すべきであり、その理由は、特に上述した技術に照らして本願装置の新規な技術及び利点から実質的に逸脱することなしに、開示した実施形態に種々の変更、省略及び追加を行ってもよいからである。したがって、発明者は、特許請求の範囲によって定められる装置、システム及び方法の精神及び範囲内に含まれるようなかかる変更、省略及び追加のすべて及び均等例をカバーすることを意図している。特許請求の範囲において、機能的手段の記載は、記載された機能を実行するように本明細書に記載された構造、構造的な均等物、及びそれだけでなく、均等な構造を意味するものである。かくして、爪とねじは、爪が木造部品を互いに固着させる円筒面を採用し且つねじが螺旋面を採用している点で構造的な均等ではないかもしれないが、木造部品を締結する環境では、爪とねじは、均等な構造である。

Claims (24)

1. フォトニックエネルギーによって動力が供給されるアクチュエータであって、
   電磁放射線に露出されたときに第１の非変形状態から第２の変形状態に変形し且つ電磁放射線を除去したときに第１の非変形状態に戻り始める材料を含む本体と、
   前記本体に固定された定置要素と、
   少なくとも前記本体が第２の変形状態にあるときに前記定置要素に係合する移動要素と、を有し、
   前記移動要素の動作を生じさせるために、適用された電磁放射線に応答する変形可能な前記材料の変形は、前記定置要素と前記移動要素の間の摩擦によって、前記定置要素を介して前記移動要素に伝達される、アクチュエータ。
2. 変形可能な前記材料は、ランタンをドープしたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛－チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）、ＢｉＦｅО₃、及びアゾベンゼンを含有した液晶ポリマー（ＬＣＰ）から選択される、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記変形は、前記本体の変形可能な前記材料の弾性的な体積寸法変化を含む、請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 更に、出力を発生させるように構成された電磁放射線源を有し、前記電磁放射線源は、光出力が前記本体の表面を放射するように配置される、請求項１に記載のアクチュエータ。
5. 更に、前記電磁放射線源を変形可能な前記材料に光結合させる光学ガイドを有する、請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記光学ガイドは、光ファイバである、請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 前記電磁放射線源は、出力を発生させる光源である、請求項３に記載のアクチュエータ。
8. 前記光源は、光出力を合焦させるように構成された光整形光学デバイスを含む、請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記光整形光学デバイスは、光学レンズを含む、請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 前記光源は、パルス光出力を発生させるように構成される、請求項７に記載のアクチュエータ。
11. 前記光源は、レーザ源を含む、請求項７に記載のアクチュエータ。
12. 更に、重力に逆らって前記移動要素を前記定置要素に押し付けるように配置されたばね又は大規模な物体を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
13. 前記動作は、回転であり、前記移動要素は、ロータを含み、
    更に、前記ロータに結合された回転可能な出力シャフトを有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
14. 前記動作は、１つ又は２つ以上の自由度に沿う並進である、請求項１に記載のアクチュエータ。
15. 更に、前記移動要素と一緒に動作するように作動的に連結された物体を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
16. 前記光源は、光学デマルチプレクサに結合される、請求項１に記載のアクチュエータ。
17. 前記光学デマルチプレクサは、ビームスプリッタであり、前記ビームスプリッタは、前記電磁放射線源から伝達された出力を前記本体の複数の表面への伝達のために分配するように構成される、請求項１６に記載のアクチュエータ。
18. 圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに連結された光電コンバータと、を有する光学アクチュエータ。
19. 光学アクチュエータであって、
    電磁放射線に露出されたときに第１の非変形状態から第２の変形状態に変形し且つ電磁放射線を除去したときに第１の非変形状態に戻り始める材料を含む本体と、
    前記本体に固定された定置要素と、
    前記定置要素に結合された媒体と、を有し、
    様々な圧力を前記媒体内に形成する変位を生じさせるために、適用された電磁放射線に応答する変形可能な前記材料の変形は、前記定置要素を介して前記媒体に伝達される、光学アクチュエータ。
20. 前記定置要素の形状は、円錐形状、平らな形状、及び円形平面から選択される、請求項１３に記載のアクチュエータ。
21. 前記移動要素の連続的な動作を発生させるために、前記電磁放射線源からの出力は、周期的な変形が前記本体内に発生するように連係された仕方で制御される、請求項４に記載のアクチュエータ。
22. 発生させた連続的な動作は、回転動作である、請求項２１に記載のアクチュエータ。
23. 発生させた連続的な動作は、線形動作である、請求項２１に記載のアクチュエータ。
24. 前記パルス光出力は、前記本体の往復動変形を生じさせる、請求項１０に記載のアクチュエータ。

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