JP2916660B2 - 光アクチュエータ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光アクチュエータ装置
に関し、さらに詳細にいえば、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
チュエータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、医療用、または航空機エンジ
ン、原子力発電所の点検、補修用等の用途に適用され、
しかも極めて限られた狭小な空間内において機能的な機
械的動作を確実に行なわせるための、いわゆるマイクロ
マシン装置の採用が検討されている。ところで、機能的
な機械的動作を確実に行なわせるための装置としてはア
クチュエータ装置が最も広く採用されている。そして、
アクチュエータ装置としては、モータ等の駆動源に対し
て、ボールスクリュー等の駆動力伝達機構を介して駆動
片を連結する構成が採用される。特に、駆動源として
は、極めて限られた狭小な空間からかなり離れた場所で
簡単にかつ正確に制御できることが好ましいので、電気
エネルギーで動作されるモータが最も一般的に採用され
る。

【０００３】したがって、駆動源、駆動力伝達機構およ
び駆動片をコンパクトに一体化した状態で狭小な空間に
導入し、駆動源と外部の遠隔制御装置との間を電源ケー
ブルで接続しておき、遠隔制御装置によって電源のＯＮ
−ＯＦＦ制御等を行なうことにより所望の動作を行なわ
せることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のアクチ
ュエータ装置を組込んでマイクロマシン装置を作製する
に当っては、一般的にマイクロマシン装置全体としての
寸法が、作業領域としての狭小な空間のサイズによって
限定されてしまうので、このサイズよりも十分に小さい
サイズのアクチュエータ装置を採用しなければならな
い。特に、人体の血管等の内部に導入されるようなマイ
クロマシン装置の場合には、アクチュエータ装置のサイ
ズを著しく小さくしなければならない。したがって、ア
クチュエータ装置を構成する多数の構成部品を作製する
ための装置の精度を例えばミクロンオーダー、サブミク
ロンオーダーに設定しなければならなくなってしまう。
また、全ての構成部品がミクロンオーダー、サブミクロ
ンオーダーで作製された場合には、これら全ての構成部
品を組立てるに当って、作製時と同程度の組立て精度が
要求されることになってしまう。したがって、作製、組
立てに関しては、マイクロマシン装置の小形化に伴なっ
て作業性が著しく低下するのみならず、コストが著しく
高くなってしまう。

【０００５】このような現状下において、作業領域が比
較的広い場合には特に問題にはならないのであるが、作
業領域が著しく狭小である場合には、上述の作製精度お
よび組立て精度を満足するアクチュエータ装置を得るこ
とが殆ど不可能であり、この結果、アクチュエータ装置
を組込んだマイクロマシン装置を適用可能な作業領域の
サイズを狭小側に余り拡張することができない。

【０００６】このような問題点を考慮して、本願特許出
願人は、一端が光源と光学的に結合された光ファイバの
他端部に筒体を被着し、筒体の遊端部から突出するピス
トンを設け、光ファイバの他端面、筒体の内面およびピ
ストンの基端面とで形成される空間に光吸収性流体を収
容した構成の光アクチュエータ装置を提案している（特
開平５−１７０５号公報参照）。

【０００７】しかし、この構成の光アクチュエータ装置
においては、筒体の内面とピストンの外面との係合によ
り光吸収性流体の漏出を防止しなければならないので両
者間の摩擦抵抗が大きくなり、ピストンを滑らかに、か
つ制御性よく動作させることが困難になってしまう。

【０００８】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、マイクロマシン装置の構成の簡単化およ
び小形化を達成し、しかも光吸収性流体の漏出を確実に
防止し、かつ滑らかで制御性がよい動作を達成すること
ができる光アクチュエータ装置を提供することを目的と
している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの、請求項１の光アクチュエータ装置は、一端が光源
に対して光学的に結合される光ファイバの他端部に筒体
が被着されてあり、筒体内において軸方向に移動自在で
あり、かつ筒体の内面と近接する外周面にボールベアリ
ングが装着された駆動片が筒体内に挿通されてあり、光
ファイバの他端面と筒体の内面と駆動片とで形成される
空間内に光吸収性流体が密閉袋体からなる流出阻止部材
に収容された状態で収容されてある。

【００１０】

【作用】請求項１の光アクチュエータ装置であれば、一
端が光源に対して光学的に結合される光ファイバの他端
部に筒体が被着されてあり、筒体内において軸方向に移
動自在であり、かつ筒体の内面と近接する外周面にボー
ルベアリングが装着された駆動片が筒体内に挿通されて
あり、光ファイバの他端面と筒体の内面と駆動片とで形
成される空間内に光吸収性流体が密閉袋体からなる流出
阻止部材に収容された状態で収容されてあるので、光源
から出射される光が光ファイバを導波して筒体内に導入
された場合に、光吸収性流体が光を吸収して膨脹する。
そして、筒体の内面と駆動片との係合部、筒体の内面と
光ファイバとの係合部からの光吸収性流体の流出が流出
阻止部材により阻止されているので、光吸収性流体の膨
脹に伴って駆動片が筒体の軸方向に移動させられる。こ
の場合において、筒体の内面と係合するボールベアリン
グが駆動片に装着されているので、上記移動時の抵抗を
著しく低減することができ、光吸収性流体の膨脹に追従
して駆動片がスムーズに移動する。

【００１１】さらに詳細に説明すると、光ファイバを導
波して筒体内に導入される光の強度および単位強度の光
が単位時間だけ照射された場合における光吸収性流体の
膨脹率は既知であるから、例えば、光源の点灯継続時間
（または断続的に点灯させる場合には、点灯時間の割
合）を制御することにより、光吸収性流体の膨脹量を制
御することができる。そして、駆動片がボールベアリン
グを介して筒体の内面と係合しているとともに、流出阻
止部材により光吸収性流体の流出が阻止されているので
あるから、駆動片の最大静止摩擦抵抗を著しく小さくす
ることができ、光吸収性流体の膨脹量が著しく少ない状
態でも駆動片をスムーズに移動させることができる。も
ちろん、駆動片は、所望の動作を行なわせるための動作
機構と連結されているので、駆動片の移動量を制御する
ことにより所望の動作を行なわせることができる。

【００１２】以上のようにして光吸収性流体を膨脹させ
ることにより所望の動作を行なわせた後は、光源を消灯
させておくことにより光吸収性流体を収縮させることが
でき、ひいては駆動片を元の位置まで移動させることが
できる。

【００１３】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。図１はこの発明の光アクチュエータ装置の一
実施例を示す概略中央縦断面図であり、一端が光源１と
光学的に結合された光ファイバ２の他端部に筒体３が装
着されてあり、しかも、筒体３の内部に、図示しない駆
動機構に対して駆動力を与えるための駆動片４が軸方向
移動自在に収容されてある。そして、駆動片４の外周面
所定位置にボールベアリング５が装着され、ボールベア
リング５が筒体３の内面と係合している。また、光ファ
イバ２の他端面、筒体３および駆動片４により構成され
る空間に光吸収性流体６が収容されている。さらに、駆
動片４と筒体３との間隙を通して光吸収性流体６が流出
しないように、流出阻止部材７が設けられている。尚、
光源１が点灯されていない場合に駆動片４を確実に復元
させるための復元部材８が設けられている。また、駆動
片４により駆動されて所定の動作を行なう動作部は図示
を省略してある。

【００１４】上記光源１としては種々のもの、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、半導体レーザ等が
採用可能であるが、光吸収性流体６による吸収効率が高
い波長の光を出射するものを選択することが好ましい。
上記光ファイバ２としては種々のもの、例えば、ガラス
系光ファイバ、プラスチック系光ファイバ等が採用可能
であるが、純石英コアを有するマルチモードタイプの光
ファイバを採用することが好ましく、光源１からの出射
光を高効率で導波させることができる。

【００１５】上記筒体３としては種々の材質からなるも
の、例えば、プラスチックからなるもの、金属からなる
もの等が採用可能である。具体的には、光吸収性流体６
の膨脹によっても容易には変形しない程度の剛性を有し
ていることが好ましいので、例えば、薄肉のＳＵＳから
なる筒体が採用される。また、筒体３は、例えば、接着
剤による被着、筒体３自体の収縮力による光ファイバ２
の他端部に対する被着等を行なえばよい。また、必要に
応じて駆動片４の抜けを防止するためのストッパ機構
（図１においては、駆動片４の小径の軸を挿通し得るキ
ャップがストッパ機構を構成する）が設けられる。

【００１６】上記駆動片４としては、軽量で、かつある
程度の圧縮剛性を有する材質からなるものを採用するこ
とが好ましく、流出阻止部材７に接する側の端部にフラ
ンジを形成し、他の部分を小径の棒状に形成してあるこ
とが好ましい。また、上記材質は、合成樹脂、金属等を
適宜選択することが可能である。さらに、上記フランジ
部の外周面にボールベアリング５が装着されてある。

【００１７】上記光吸収性流体６としては、光の照射を
受けて体積が膨脹するものであれば種々の流体が採用可
能である。したがって、一般的に光吸収性流体として認
識されている、短時間の光の照射で大きな熱膨脹が得ら
れる流体のみならず、一般的に光吸収性流体として認識
される程度の熱膨脹が認められない流体であってもこの
発明における光吸収性流体６として採用可能である。し
たがって、各種気体、液体のみならず空気も光吸収性流
体として採用可能である。但し、光源１から出射される
光の波長に対する吸収率が高い流体を採用することが好
ましく、短時間の光照射で駆動片４を十分に長い距離だ
け移動させることができる。即ち、十分に大きな駆動力
を与えることができる。具体的には、励起光波長が２．
１μｍのＨｏ−ＹＡＧレーザを光源１として採用した場
合には、上記波長に対する吸収効率が高い水を光吸収性
流体６として採用することが好ましい。また、任意の光
源１、任意の光吸収性流体６が採用された場合に、カー
ボン粉末等、高い光吸収性を示す粉末を混入することが
好ましく、この場合において混入される粉末の色を黒色
に設定することが最も好ましい。さらに、光吸収性流体
６が収容される空間のサイズ（内径および長さ）は、光
ファイバ２の外径、必要とする駆動片５の押圧力等に基
づいて適宜設定されることになるが、例えば、内径が３
０〜６００μｍ程度、長さが１〜１００ｍｍ程度に設定
される。

【００１８】上記流出阻止部材７としては種々のもの、
例えば、薄肉のゴム膜、合成樹脂膜等が採用可能であ
る。また、光吸収性流体６の全てを収容し得る袋体を採
用している。この袋体は、伸縮性が大きく、耐圧性、耐
熱性が高く、しかも光透過性が高い材質からなるもので
ある。具体的には、光吸収性流体６を封入した、縦断面
形状がほぼ円筒状の袋体の上部から１０ｇｆの荷重を加
えた場合に、袋体の幅が元の幅の２〜５倍程度変化する
とともに、荷重を除去することにより直ちに元の形状に
戻る程度の伸縮性を有していることが好ましく、また、
５０℃以上の環境下において上記伸縮性等を含む所望の
特性を維持することができる程度の耐熱性を有している
ことが好ましい。但し、耐熱性に関しては、レーザ光を
照射することを考慮すれば、１００℃以上において上記
所望の特性を維持することができる程度の耐熱性を有し
ていることが一層好ましい。耐圧性に関しては、上記伸
縮性、耐熱性を満足し得る範囲において可能な限り高い
耐熱性を有することが好ましい。さらに、光ファイバ２
から出射される光を効率よく光吸収性流体６に導くこと
が要求されるので、袋体として透明性が可能な限り高い
ものを採用することが好ましい。上記の要請を充足し得
る材質としては、例えば、シリコン、ポリアミド、ポリ
エチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネ
ート、ポリエステル、ポリスチレン、アセチルセルロー
ス、ラテックス等が例示できる。また、袋体の膜厚は５
〜１００μｍ程度に設定される。そして、光吸収性流体
６を封入した密閉袋体を得るに当たっては、例えば、一
方が開口された袋体に光吸収性流体６を封入し、次い
で、開口部を熱封着等により閉塞する方法が採用され
る。上記復元部材８としては、コイルばね、エアばね、
ゴム等からなる弾性体を採用することが可能であるが、
復元部材８を省略することも可能である。但し、この場
合には、流出阻止部材７の一部と駆動片４の一部とが接
着剤等により一体化されていることが好ましい。

【００１９】上記の構成の光アクチュエータ装置の作用
は次のとおりである。所定の方法により筒体３および図
示しない動作部を作業対象領域に導いた状態において、
光源１を点灯させることにより、光源１から出射される
光を光ファイバ２を通して光吸収性流体６に照射するこ
とができる。光吸収性流体６は、光の照射を受けること
により膨脹するのであるが、筒体３および光ファイバ２
の他端面においては膨脹が阻止されているので、膨脹に
起因する力が駆動片４のフランジ部に作用し、駆動片４
を光ファイバ２から離れる方向に移動させる。この場合
に、駆動片４のフランジ部と筒体３の内面とは直接係合
しているのではなく、ボールベアリング５を介在させた
状態で係合しているのであるから、最大静止摩擦抵抗を
著しく小さくできており、上記膨脹に起因する力を受け
てスムーズに移動する。また、駆動片４の移動量を制御
するためには、光源１を連続的に点灯させる場合には点
灯継続時間（光源１を断続的に点灯させる場合には点灯
時間の割合）を制御することにより、駆動片４の移動量
を正確に制御することができる。

【００２０】また、動作部による所定の動作を行なわせ
た後は、光源１を消灯させればよく、光吸収性流体が収
縮するとともに、復元部材８により復元力が駆動片４に
作用するので、駆動片４が元の位置まで復元される。
尚、復元部材８を省略した場合には、駆動片４が元の位
置に復元するまでの所要時間が多少長くなるが、動作部
により所定の動作を行なった後であるから、特に不都合
とはならない。

【００２１】以上のように請求項１の発明は、光源の点
灯継続時間または点灯時間の割合を制御することにより
駆動片の移動量を正確に制御し、ボールベアリングによ
り駆動片をスムーズに移動させることができ、しかも、
アクチュエータ機構を採用する場合と比較して著しく小
型化できるとともに、機械的動作要素数を大幅に減少さ
せて構成を簡素化し、作製、組立ての作業性を高めるこ
とができ、さらに、光吸収性流体の流出を完全に防止す
ることができるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光アクチュエータ装置の一実施例を
示す概略中央縦断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−180148（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−155310（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−71703（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F15B 21/06 G02B 27/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端が光源（１）に対して光学的に結合さ
   れる光ファイバ（２）の他端部に筒体（３）が被着され
   てあり、筒体（３）内において軸方向に移動自在であ
   り、かつ筒体（３）の内面と近接する外周面にボールベ
   アリング（５）が装着された駆動片（４）が筒体（３）
   内に挿通されてあり、光ファイバ（２）の他端面と筒体
   （３）の内面と駆動片（４）とで形成される空間内に光
   吸収性流体（６）が密閉袋体からなる流出阻止部材
   （７）に収容された状態で収容されてあることを特徴と
   する光アクチュエータ装置。