JP2727140B2 - Optical actuator device - Google Patents

Optical actuator device

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JP2727140B2 JP3180235A JP18023591A JP2727140B2 JP 2727140 B2 JP2727140 B2 JP 2727140B2 JP 3180235 A JP3180235 A JP 3180235A JP 18023591 A JP18023591 A JP 18023591A JP 2727140 B2 JP2727140 B2 JP 2727140B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバを利用した
アクチュエーター装置に関し、特に狭領域での機械的動
作が要求されるマイクロマシン技術への適用に好適な光
アクチュエーター装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator device using an optical fiber, and more particularly to an optical actuator device suitable for application to micromachine technology requiring mechanical operation in a narrow area.

【0002】[0002]

【発明の背景】近年医療用や、或いは航空機エンジンや
原子力発電所の点検・補修用に、極めて限られた空間内
において機能的な機械的動作を行い得る、いわゆるマイ
クロマシン装置の採用が検討されている。一方、機能的
な機械的動作を行わせる装置としてはアクチュエーター
装置が挙げられるが、一般的にアクチュエーター装置
は、モーターとボールスクリュー等からなる駆動機構に
駆動片を連結してなる電動タイプである。
2. Description of the Related Art In recent years, the use of a so-called micromachine device capable of performing a functional mechanical operation in an extremely limited space has been studied for medical use, or for inspection and repair of an aircraft engine or a nuclear power plant. I have. On the other hand, examples of a device that performs a functional mechanical operation include an actuator device. Generally, an actuator device is an electric type in which a driving piece is connected to a driving mechanism including a motor and a ball screw.

【0003】しかしながら電動アクチュエーターはその
メカニズムが複雑であり、縮小化を図ろうとするとモー
ター等の各構成部品全般を微小化せねばならず、部品の
製作や組み立て作業が非常に困難で、マイクロ化が要求
される分野への適用には不向きであった。
[0003] However, the mechanism of the electric actuator is complicated, and in order to reduce the size, it is necessary to miniaturize all components such as a motor. It was not suitable for application in the required fields.

【0004】[0004]

【発明の目的】従って本発明は、電動機構を使用するこ
と無く、且つ簡単な構成でマイクロ化も容易である、光
ファイバを利用した全く新しいタイプのアクチュエータ
ー装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a completely new type of actuator device using an optical fiber, which does not use an electric mechanism, has a simple structure, and can be easily miniaturized.

【0005】[0005]

【発明の構成】本発明の光アクチュエーター装置は、一
端が光源に接続された光ファイバの他端にチューブが被
着され、該チューブ内にはチューブの軸方向に移動自在
な駆動片が挿通されており、且つチューブ内において前
記光ファイバ端面と駆動片との間に空間が設けられて
り、さらに前記光ファイバ端面は先細り加工されている
ことを特徴とするものである。
In the optical actuator device of the present invention, a tube is attached to the other end of an optical fiber having one end connected to a light source, and a driving piece movable in the axial direction of the tube is inserted into the tube. and has, and I a space is provided between the drive pieces and the optical fiber end faces in the tubes
Furthermore, the optical fiber end face is tapered .

【0006】図1は本発明の構成を示す概略断面図であ
り、コア21及びクラッド22を有する光ファイバ2の
一端に光源1が、他端側の端部20(拡大図にて表示)
に駆動片5が挿通されたチューブ3が被着されている。
チューブ3は光ファイバ端部20とは固着されている
が、駆動片5はチューブ3内部を軸方向に移動自在とさ
れている。またチューブ3内には光ファイバ端面23と
駆動片5の内側端部との間に空間4が設けられている。
そして図1には表示省略してあるが、前記の光ファイバ
端面23は(図3に示すような)先細り加工が施され
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of the present invention, in which a light source 1 is provided at one end of an optical fiber 2 having a core 21 and a clad 22, and an end 20 at the other end (shown in an enlarged view).
The tube 3 in which the driving piece 5 is inserted is attached.
The tube 3 is fixed to the optical fiber end portion 20, but the driving piece 5 is movable in the tube 3 in the axial direction. A space 4 is provided in the tube 3 between the optical fiber end face 23 and the inner end of the driving piece 5.
Although not shown in FIG. 1, the above optical fiber
The end face 23 is tapered (as shown in FIG. 3).
You.

【0007】動作を説明すると、光源1からレーザ光等
の光パワーを光ファイバ2により伝送させて端面23か
ら放射させた場合、チューブ3内の空間4に存在する流
体Sがレーザ光により加熱されて熱膨張し、その結果該
熱膨張力によってチューブ3の軸方向に移動自在とされ
た駆動片5が前方に移動する。またレーザ光の供給を停
止すると、空間4内の流体Sが収縮し駆動片5は元の位
置まで戻ることになる。すなわち、チューブ3と駆動片
5はシリンダーとピストンのような関係にあり、光源1
からの光の供給のON−OFFにより駆動片5がピスト
ン運動を行うものである。
In operation, when light power such as laser light is transmitted from the light source 1 through the optical fiber 2 and emitted from the end face 23, the fluid S existing in the space 4 in the tube 3 is heated by the laser light. As a result, the driving piece 5, which is movable in the axial direction of the tube 3, is moved forward by the thermal expansion force. When the supply of the laser beam is stopped, the fluid S in the space 4 contracts, and the driving piece 5 returns to the original position. That is, the tube 3 and the driving piece 5 have a relationship like a cylinder and a piston, and the light source 1
The drive piece 5 performs a piston motion by ON-OFF of the supply of light from the camera.

【0008】光源1としては各種のレーザ光源が好適で
あり、例えばYAGレーザ、Arレーザ、He−Neレ
ーザ、Nd−YAGレーザ、Ho−YAGレーザ等が使
用できる。光ファイバ2としてはガラス系光ファイバ、
プラスチック系光ファイバ等各種のものが使用可能であ
る。就中、純石英コアを有するマルチモードタイプの光
ファイバが、レーザパワーを高効率で伝送させることが
できるので好ましい。また光ファイバは通常一本で充分
であるが、複数本の光ファイバを集束したものであって
も良い。さらに光ファイバの外周に補強の目的で樹脂被
覆層等を設けることが望ましい。
As the light source 1, various laser light sources are suitable, and for example, a YAG laser, Ar laser, He-Ne laser, Nd-YAG laser, Ho-YAG laser or the like can be used. As the optical fiber 2, a glass-based optical fiber,
Various types such as plastic optical fibers can be used. Above all, a multi-mode type optical fiber having a pure silica core is preferable because the laser power can be transmitted with high efficiency. Although one optical fiber is usually sufficient, a plurality of optical fibers may be converged. Further, it is desirable to provide a resin coating layer or the like on the outer periphery of the optical fiber for the purpose of reinforcement.

【0009】チューブ3としてはプラスチックチュー
ブ、金属チューブ等種々のものが使用可能であるが、流
体Sの熱膨張力によっても容易に変形しない程度の剛性
を有していることが望ましく、例えば薄肉のSUS管等
が好適なものとして例示できる。チューブ3の光ファイ
バ端部20への被着は、例えば接着剤による被着、チュ
ーブ自体の収縮力による被着等の手段が採用できる。
Various tubes such as a plastic tube and a metal tube can be used as the tube 3, but it is desirable that the tube 3 has such a rigidity that it is not easily deformed by the thermal expansion force of the fluid S. A SUS tube or the like can be exemplified as a suitable one. The tube 3 can be adhered to the optical fiber end 20 by, for example, an adhesive or a contraction force of the tube itself.

【0010】駆動片5は、最も簡素なものとしてチュー
ブ3の内周形状と同一の形状のものを使用すれば良い
が、一般に用途に応じた形状、材料のものが使用され
る。また軸方向への移動を容易とするために、チューブ
3との接触部分に滑剤を塗布しておくことが望ましい。
なお、駆動片5がチューブ3から抜け出す恐れがある場
合は、後述するような抜け防止用のストッパー機構を設
けることが望ましい。
The driving piece 5 may be the simplest one having the same shape as the inner peripheral shape of the tube 3, but is generally of a shape and material according to the application. Further, in order to facilitate the movement in the axial direction, it is desirable to apply a lubricant to a portion in contact with the tube 3.
When there is a risk that the driving piece 5 may fall out of the tube 3, it is desirable to provide a stopper mechanism for preventing the driving piece 5 from slipping out as described later.

【0011】チューブ3内の空間4は必ずしも気密空間
でなくても良いが、熱膨張力を効率良く駆動片に伝達さ
せるためには可及的に気密状態とされていることが好ま
しい。また空間内は単に空気が存在しているだけであっ
ても、別途各種気体や液体が封入されていても良く、い
ずれも上記の流体Sとして適用可能である。特に短時間
の光の照射で大きな熱膨張力が得られるよう、光吸収性
の流体を封入することが好ましい。例えば光源としてH
o−YAGレーザを使用した場合は、その波長は2.1
μmであり、当該波長は水が良好に吸収するので、空間
4内に水を少量封入しておくのも好適な例の一つであ
る。この他に例えばカーボン粉末等の光吸収性に優れる
黒色粉末を封入するのも、熱膨張力を向上させる好適な
手段である。また、空間4の直径及び長さは、光ファイ
バ2の外径や必要とする駆動片5の押圧力等によって適
宜選択されるが、具体的には直径は30〜300μm程
度、長さは1〜100mm程度の範囲が好適である。
Although the space 4 in the tube 3 is not necessarily an airtight space, it is preferable that the space be as airtight as possible in order to efficiently transmit the thermal expansion force to the driving piece. The space may simply contain air, or may be separately filled with various gases or liquids, and any of them can be used as the fluid S. In particular, it is preferable to encapsulate a light-absorbing fluid so that a large thermal expansion force can be obtained by short-time light irradiation. For example, H as a light source
When an o-YAG laser is used, its wavelength is 2.1.
It is one of the preferable examples that a small amount of water is sealed in the space 4 since the wavelength is μm and the wavelength is well absorbed by water. In addition to this, encapsulating black powder having excellent light absorption such as carbon powder is also a suitable means for improving the thermal expansion force. The diameter and length of the space 4 are appropriately selected depending on the outer diameter of the optical fiber 2, the required pressing force of the driving piece 5, and the like. Specifically, the diameter is about 30 to 300 μm and the length is 1 A range of about 100 mm is preferred.

【0012】[0012]

【実施例】以下本発明の実施例について説明する。図1
において、空間4の断面積をS、内容積をV、空間4内
に充填された流体の密度をd、比熱をCとすると、空間
4内の流体の熱容量Qは、Q=V・d・C[J/K] で表さ
れる。また、光ファイバ2から空間4内に照射されるレ
ーザ光エネルギーEは、光ファイバ2のレーザパワー密
度Pと照射時間tに依存し、E=S・P・t[J] で表さ
れる。従って空間4内の流体は、エネルギーEの照射に
よってΔT=E/Q[K] だけ温度上昇し、流体が気体で
ある場合該温度上昇ΔTにより、初期温度,圧力をそれ
ぞれTo,Poとすると、ボイル−シヤルルの法則によ
って圧力は、ΔP=ΔT・Po/To[kg/cm2 ] だけ上
昇することになる。そして駆動片5はこの圧力上昇ΔP
を受けて、チューブ3内の端面に押圧力F=ΔP・S[k
g 重] を得ることになり、従って駆動片5はチューブ3
の軸方向前方に移動することになる。
Embodiments of the present invention will be described below. FIG.
In the equation, when the sectional area of the space 4 is S, the internal volume is V, the density of the fluid filled in the space 4 is d, and the specific heat is C, the heat capacity Q of the fluid in the space 4 is Q = V · d · It is represented by C [J / K]. The energy E of the laser light emitted from the optical fiber 2 into the space 4 depends on the laser power density P of the optical fiber 2 and the irradiation time t, and is expressed by E = S · P · t [J]. Therefore, the temperature of the fluid in the space 4 rises by ΔT = E / Q [K] due to the irradiation of the energy E. When the fluid is a gas, the initial temperature and pressure are To and Po, respectively, due to the temperature rise ΔT. The pressure will increase by ΔP = ΔT · Po / To [kg / cm 2 ] according to Boyle-Charles law. Then, the driving piece 5 receives the pressure rise ΔP
In response to this, a pressing force F = ΔP · S [k
g weight], so that the driving piece 5 is
In the axial direction.

【0013】例えば、光ファイバ2のコア21の径を2
0μm、チューブ3の内径を100μm、空間4の長さ
を10mmとし、空間4に空気(密度1.2×10-3g/cm
3 、比熱1J/g ・K )を充填し、これに光ファイバ2の
レーザパワー密度を106 W/cm2 の条件でレーザ光を
0.1秒照射すると、上記の式から押圧力F=0.79
kg重の駆動片5への初期押圧力を得ることができる。
For example, if the diameter of the core 21 of the optical fiber 2 is 2
0 μm, the inner diameter of the tube 3 was 100 μm, the length of the space 4 was 10 mm, and air (density: 1.2 × 10 −3 g / cm
3. When a specific heat of 1 J / g · K) is filled and a laser beam is irradiated for 0.1 second under the condition that the laser power density of the optical fiber 2 is 10 6 W / cm 2 , the pressing force F = 0.79
An initial pressing force on the driving piece 5 having a weight of kg can be obtained.

【0014】このように内径100μm程度のチューブ
3と、光ファイバ2及び駆動片5のみの簡単な構成で、
極めて小さい駆動系を実現することが可能である。
As described above, the tube 3 having an inner diameter of about 100 μm, the optical fiber 2 and the driving piece 5 only have a simple structure.
It is possible to realize an extremely small drive system.

【0015】前述した通り、駆動片5にはチューブ3か
ら抜け出さないようにストッパー機構を設けることが望
ましい。図2はかかるストッパー機構の一例を示し、チ
ユーブ3の一部にスリット30を設けると共に、駆動片
5の周上に前記スリット30から突出する係止片51を
設けた構成である。このようにすれば、駆動片5の移動
範囲はスリット30の幅に規制され抜け出しを防止する
ことができる。
As described above, it is desirable that the driving piece 5 is provided with a stopper mechanism so as not to get out of the tube 3. FIG. 2 shows an example of such a stopper mechanism, in which a slit 30 is provided in a part of the tube 3 and a locking piece 51 protruding from the slit 30 is provided on the periphery of the driving piece 5. In this way, the moving range of the driving piece 5 is restricted by the width of the slit 30, and it is possible to prevent the driving piece 5 from slipping out.

【0016】図3は本発明の他の実施態様を示してお
り、駆動片5の周囲に係止片51を設け、該係止片51
とチューブ3端縁とをバネ62で連結し、この連結部分
を覆うと共に係止片51との当接部を有し駆動片5のチ
ューブ3からの抜け防止機能を兼ねるカバー61を設け
てなる構成である。図面は光ファイバ2からレーザ光が
照射され空間4の流体が熱膨張し、駆動片5が最大に押
圧移動させられた状態を示しており、レーザ光の照射が
停止された場合は、バネ62の収縮力により直ちに駆動
片5は元の状態に強制的に戻されることになる。本実施
例のような構成は、駆動片5を高速でピストン運動させ
たい場合等に有用である。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention, in which a locking piece 51 is provided around a driving piece 5, and the locking piece 51 is provided.
And the end of the tube 3 are connected by a spring 62, and a cover 61 is provided to cover this connection portion and to have a contact portion with the locking piece 51 and also to prevent the driving piece 5 from coming off the tube 3. Configuration. The drawing shows a state in which the laser beam is irradiated from the optical fiber 2, the fluid in the space 4 thermally expands, and the driving piece 5 is pressed and moved to the maximum. When the irradiation of the laser beam is stopped, the spring 62 is moved. Immediately, the driving piece 5 is forcibly returned to the original state. The configuration as in the present embodiment is useful when the driving piece 5 needs to be moved at a high speed by a piston.

【0017】ところで空間4内へは、可及的に全空間に
対して均一にレーザ光が照射されることが、空間4内に
存在する流体全部に熱膨張を行わせ効率良く押圧力を発
生させる点で望ましい。このため図3の実施例では、光
ファイバ端面20を先細り状に加工しコア21を比較的
長距離露出させた端面210とし、空間4内へなるべく
均一に光が照射し得るような工夫をしているものであ
る。
By irradiating the laser beam into the space 4 as uniformly as possible over the entire space, all of the fluid existing in the space 4 undergoes thermal expansion to efficiently generate a pressing force. This is desirable. For this reason, in the embodiment shown in FIG. 3, the end face 210 of the optical fiber 20 is tapered and the core 21 is formed as an end face 210 which is exposed for a relatively long distance so that light can be irradiated into the space 4 as uniformly as possible. Is what it is.

【0018】上記したようなアクチュエーター装置は、
光ファイバ自体が通常40〜200μm程度の外径であ
り、本来的に微小なアクチュエーター装置として好適で
あるので、マイクロマシンの動力源等に利用し得る。例
えば駆動片5の先端にギア機構を介してマイクロメス等
を取り付けると、人体内に挿入して患部の切除手術が行
なえる等、医療分野への適用も容易に可能となる。
The actuator device as described above includes:
The optical fiber itself usually has an outer diameter of about 40 to 200 μm and is inherently suitable as a small actuator device, so that it can be used as a power source of a micromachine. For example, when a micro scalpel or the like is attached to the distal end of the driving piece 5 via a gear mechanism, it can be easily applied to the medical field, such as being inserted into a human body to perform a surgical operation on an affected part.

【0019】[0019]

【効果】以上説明した通りの本発明の光アクチュエータ
ー装置によれば、一本の光ファイバとチューブ及び駆動
片のみを基本構成とするアクチュエーター装置であっ
て、電動アクチュエーター等に比較してモーター等の駆
動源が不要であると共に電源供給用リード線も不要であ
る極めて簡単な構成であり、また簡単な構成であるので
マイクロ化も極めて容易である。しかも電気を使用しな
いので、人体内等に適用する場合でも感電等の心配が無
く安全である。従って本発明は、医療用マイクロマシン
等の動力源として極めて有用なアクチュエーター装置で
ある。
According to the optical actuator device of the present invention as described above, the actuator device basically includes only one optical fiber, a tube, and a driving piece. It has a very simple configuration that does not require a driving source and no power supply lead wire, and has a simple configuration, so that microfabrication is extremely easy. In addition, since electricity is not used, there is no fear of electric shock even when applied to the inside of a human body or the like, so that it is safe. Therefore, the present invention is an actuator device that is extremely useful as a power source for a medical micromachine or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例を示す断面図FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention.

【図2】駆動片の抜け防止機構の一例を示す断面図FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a drive piece detachment prevention mechanism.

【図3】本発明の他の実施例を示す断面図FIG. 3 is a sectional view showing another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 光ファイバ 20 光ファイバ端部 3 チューブ 4 空間 5 駆動片 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Optical fiber 20 Optical fiber end part 3 Tube 4 Space 5 Drive piece

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 一端が光源に接続された光ファイバの他
端にチューブが被着され、該チューブ内にはチューブの
軸方向に移動自在な駆動片が挿通されており、且つチュ
ーブ内において前記光ファイバ端面と駆動片との間に空
間が設けられてなり、さらに前記光ファイバ端面は先細
り加工されていることを特徴とする光アクチュエーター
装置。
1. A tube is attached to the other end of an optical fiber having one end connected to a light source, and a driving piece movable in the axial direction of the tube is inserted into the tube. A space is provided between the optical fiber end face and the driving piece, and the optical fiber end face is tapered.
An optical actuator device characterized by being processed .
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