JPH072034B2 - Optical motor - Google Patents

Optical motor

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JPH072034B2
JPH072034B2 JP3128465A JP12846591A JPH072034B2 JP H072034 B2 JPH072034 B2 JP H072034B2 JP 3128465 A JP3128465 A JP 3128465A JP 12846591 A JP12846591 A JP 12846591A JP H072034 B2 JPH072034 B2 JP H072034B2
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JP
Japan
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laser beam
electric field
minute object
force
optical motor
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JP3128465A
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口 孝 幸 坂
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工業技術院長
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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、対向する2本の直線偏
光または円偏光レーザービームを用いてローターを構成
する微小物体に回転動作を与えるオプティカルモーター
に関するものであり、さらに具体的には、例えば、マイ
クロマシン等の分野でのモーター、ロータリーポンプな
ど、回転機構に駆動力が必要となる微小装置において利
用するのに適したオプティカルモーターに関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical motor for rotating a minute object forming a rotor by using two linearly polarized or circularly polarized laser beams facing each other, and more specifically, to an optical motor. For example, the present invention relates to an optical motor suitable for use in a microdevice requiring a driving force for a rotating mechanism such as a motor in the field of micromachines and a rotary pump.

【0002】[0002]

【従来の技術】マイクロマシン等の分野で利用するマイ
クロモーターとしては、水車状のものを物体の流れによ
り回したり、多極モーターのように、多数の極がある微
小電極を作り、電場を掛ける電極を一つずつずらして、
駆動力を発生させるなどの手段が考慮されているが、こ
れらは、通常サイズのモーターをそのまま小さくすると
いう手法に基づくものであり、技術的に多くの困難性を
伴うばかりでなく、回転軸に関して機械的な抵抗をでき
るだけ小さくした簡易な軸支を考慮するなどの必要があ
る。
2. Description of the Related Art As a micromotor used in the field of micromachines, an electrode for applying an electric field by rotating a watermill-shaped object by the flow of an object or forming a microelectrode having many poles like a multipolar motor. Shift one by one,
Means such as generating driving force are considered, but these are based on the method of making a normal size motor as it is, and not only technically cause many difficulties, but also regarding the rotating shaft. It is necessary to consider a simple shaft support that minimizes mechanical resistance.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、レーザービームを用いて微小物体を捕獲、固定でき
ると共に、電場の回転によりその微小物体に回転動作を
与え得ることに着目し、微小物体を機械的な抵抗をなく
して高速回転できるようにしたオプティカルモーターを
得ることにある。
The technical problem of the present invention is to focus on the fact that a minute object can be captured and fixed by using a laser beam, and the minute object can be rotated by the rotation of an electric field. The purpose is to obtain an optical motor that can rotate an object at high speed without mechanical resistance.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のオプティカルモーターは、電気双極子を誘
起または保有する物質によりローターとなる微小物体を
構成し、この微小物体を浮かせて保持するための対向す
る2本の直線偏光または円偏光レーザービームの投射手
段を備え、それらの投射手段におけるレーザービームの
直線偏光の方向または円偏光の回転方向を、微小物体が
保持される場所で所要の回転電場が発生するように設定
したことを特徴とするものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the optical motor of the present invention constitutes a minute object which serves as a rotor by a substance which induces or holds an electric dipole, and holds this minute object in a floating state. For projecting the two linearly polarized or circularly polarized laser beams facing each other, the direction of the linearly polarized light of the laser beam or the direction of rotation of the circularly polarized light in these projecting means is required at the place where the minute object is held. It is characterized by being set so that a rotating electric field is generated.

【0005】[0005]

【作用】対向する2本の直線偏光または円偏光レーザー
ビームを微小物体に投射すると、それらの間の中間位置
で微小物体が捕獲され、また、その位置で回転電場を発
生させるため、微小物体は非接触で保持されて回転し、
回転の際の抵抗が極端に少なくなる。
When two linearly polarized or circularly polarized laser beams facing each other are projected onto a minute object, the minute object is captured at an intermediate position between them and a rotating electric field is generated at that position, so that the minute object is It is held and rotated without contact,
The resistance during rotation is extremely low.

【0006】[0006]

【実施例】図面を参照して本発明の実施例について詳細
に説明するに、本発明にかかるオプティカルモーター
は、マイクロマシン等の分野で利用されるモーター、ロ
ータリーポンプなど、回転機構に駆動力が必要となる微
小装置において利用するのに適したものである。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The optical motor according to the present invention requires a driving force for a rotary mechanism such as a motor or a rotary pump used in the field of micromachines. It is suitable for use in a micro device.

【0007】このオプティカルモーターにおいて、ロー
ターとして回転動作が与えられる微小物体は、電場によ
り電気双極子を誘起せしめられる物質、あるいは永久電
気双極子を持つ物質で作られる微細な粒子状物体であ
り、その大きさは、通常、数十nmから数十μmの径を
有するもので、形状は特に限定されるものではない。例
えば、上記物質により水車状のものを作り、これを回転
させてマイクロポンプを作ったり、モーターの回転子の
ような形状のものを作り、これを回転させてシャフトか
ら回転力を取り出すなどの利用が考えられる。
In this optical motor, the minute object to which the rotary motion is given as a rotor is a fine particle-like object made of a substance which induces an electric dipole by an electric field or a substance having a permanent electric dipole. The size thereof usually has a diameter of several tens nm to several tens μm, and the shape is not particularly limited. For example, making a water wheel-shaped object from the above substances and rotating it to make a micro pump, or making something like a rotor of a motor and rotating it to take out rotational force from the shaft. Can be considered.

【0008】図1は、本発明に係るオプティカルモータ
ーの第1実施例を示すものであり、この実施例として
は、2本の直線偏光の対向型レーザービームを用いる場
合の基本的構成を示している。このオプティカルモータ
ーにおいては、上述したような微小物体を浮かせて保持
するための対向する2本の直線偏光レーザービームB1
及びB2の投射手段として、レーザー1,2が対向配置
される。これらのレーザー1,2は、直線偏光レーザー
ビームB1及びB2を投射するものであるが、それらの
ビームにより、後述する原理に基づいて微小物体が中間
位置P1に捕獲、固定される。これにより微小物体は非
接触で保持されるので、回転の際の抵抗が極端に少なく
なる。
FIG. 1 shows a first embodiment of an optical motor according to the present invention. In this embodiment, a basic structure when two linearly polarized opposed laser beams are used is shown. There is. In this optical motor, two opposing linearly polarized laser beams B1 for floating and holding the above-mentioned minute object are held.
Lasers 1 and 2 are arranged to face each other as B2 projection means. These lasers 1 and 2 project linearly polarized laser beams B1 and B2, and these beams capture and fix a minute object at an intermediate position P1 based on the principle described later. As a result, the minute object is held in a non-contact manner, and the resistance during rotation is extremely reduced.

【0009】また、上記微小物体を、それが捕獲、固定
された位置P1で回転させるため、レーザー1,2にお
いては、その微小物体の位置で回転電場を発生するよう
に、それぞれのレーザービームの直線偏光の方向が設定
される。即ち、円偏光とは、2本の直交する直線偏光の
和であるから、微小物体が捕獲されている領域で、対向
するレーザービームの直線偏光が直交していれば、そこ
で円偏光を得ることができる。
Further, since the minute object is rotated at the position P1 where it is captured and fixed, in the lasers 1 and 2, the laser beams of the respective laser beams are generated so as to generate a rotating electric field at the position of the minute object. The direction of linearly polarized light is set. That is, since circularly polarized light is the sum of two orthogonal linearly polarized light, if the linearly polarized light of the opposing laser beam is orthogonal in the region where the minute object is captured, circularly polarized light is obtained there. You can

【0010】微小物体は、上記回転電場により力を受け
て回転するが、電場の回転は非常に早いので、電場の作
るトルクと微小物体の回転に対する抵抗がつり合った回
転数で、微小物体は回転する。この回転数を上げるに
は、電場を強くすればよい。
The micro object rotates by receiving a force from the rotating electric field, but the electric field rotates very quickly. Therefore, the micro object has a rotational speed in which the torque produced by the electric field and the resistance against the rotation of the micro object are balanced. Rotate. To increase the number of rotations, the electric field should be strengthened.

【0011】図2は、本発明に係るオプティカルモータ
ーの第2実施例を示すものであり、この実施例では、2
本の円偏光の対向型レーザービームを用いている。この
オプティカルモーターにおいては、上記第1実施例と同
様に、微小物体を浮かせて保持するため、レーザー3,
4が対向配置されるが、それらは、対向する2本の円偏
光レーザービームB3及びB4を投射するもので、それ
らのビームにより、後述する原理に基づいて微小物体が
中間位置P2に捕獲、固定される。また、上記微小物体
を捕獲、固定された場所で回転させるため、レーザー
3,4においては、その微小物体の位置で同じ方向に電
場が回転するように、それぞれのレーザービームの円偏
光の回転方向が設定される。
FIG. 2 shows a second embodiment of the optical motor according to the present invention. In this embodiment, 2
A circularly polarized opposed laser beam of a book is used. In this optical motor, in order to float and hold a minute object, the laser 3,
4 are arranged to face each other, but they project two circularly polarized laser beams B3 and B4 which face each other, and these beams capture and fix a minute object at an intermediate position P2 based on the principle described later. To be done. Further, since the minute objects are captured and rotated at a fixed place, in the lasers 3 and 4, the rotation directions of the circularly polarized lights of the respective laser beams are adjusted so that the electric fields rotate in the same direction at the positions of the minute objects. Is set.

【0012】レーザービームによる微小物体の捕獲、固
定は、次のような原理に基づいている。レーザービーム
が微小粒子に対して与える力としては、.光が粒子の
中を通る時に屈折して運動量が移行することにより起き
る力、.電気双極子が電場と相互作用して起こす力、
.光が粒子を押す力、の三つが考えられる。上記と
は、微小物体をレーザービームの軸上に引き込めよう
とする力として作用し、とは、微小物体をレーザー
ビームの軸方向に押す力として作用するものである。
The capture and fixation of a minute object by a laser beam is based on the following principle. The force that the laser beam exerts on the fine particles is. A force generated by the movement of momentum by refraction when light passes through a particle ,. The force created by the interaction of the electric dipole with the electric field,
. The force of light pushing particles can be considered. The above acts as a force to pull the minute object on the axis of the laser beam, and the term acts as a force to push the minute object in the axial direction of the laser beam.

【0013】従って、前者の力により粒子をレーザービ
ームの軸上に閉じ込めることができる。また、後者の力
により、レーザービームの軸上に閉じ込められた粒子を
レーザービームの進行方向に押すことができる。さら
に、2本のビームを同軸上で互いに逆方向に照射する
と、粒子を前後から押すことにより、それを3次元的に
捕獲、固定することができる。この時、2本の対向する
レーザービームをそれぞれ長焦点のレンズを用いて鋭角
に焦点を結ばせると、お互いの焦点の間に粒子が捕獲、
固定される。
Therefore, the former force can confine the particles on the axis of the laser beam. Further, the latter force can push the particles confined on the axis of the laser beam in the traveling direction of the laser beam. Further, when the two beams are coaxially irradiated in opposite directions, the particles can be three-dimensionally captured and fixed by pushing the particles from the front and back. At this time, when the two laser beams facing each other are focused at an acute angle by using long-focus lenses, particles are captured between the focal points,
Fixed.

【0014】ここで、図3を参照して、さらに具体的に
説明すると、同図に示すように、レーザービーム10が
球状の粒子11の表面で屈曲する時、運動量の移行が起
き、力FDi1,FDi2,FDo1,FDo2が発生する。図
中のF1,F2は、粒子2のそれぞれの半球で発生した
力の積分を表す。
More specifically, referring to FIG. 3, as shown in FIG. 3, when the laser beam 10 bends on the surface of the spherical particle 11, a momentum transfer occurs and the force FDi1 , FDi2, FDo1, and FDo2 are generated. F1 and F2 in the figure represent integrals of forces generated in the respective hemispheres of the particle 2.

【0015】いま、粒子11の中心がビーム10の軸上
からずれたとすると、ビームの軸に近い位置の方が電場
が強く、粒子11の軸に近い部分に作用する力が強いの
で、結果的に、F1とF2のビームの軸と垂直の方向の
力の和がビームの中心方向を向く。そのため、粒子11
には、ビーム10の中心方向へ引き込まれる力が作用す
る。
Now, assuming that the center of the particle 11 is deviated from the axis of the beam 10, the electric field is stronger at a position closer to the axis of the beam, and the force acting on the portion closer to the axis of the particle 11 is stronger. In addition, the sum of the forces of F1 and F2 in the direction perpendicular to the beam axis is directed toward the center of the beam. Therefore, the particles 11
A force to be drawn toward the center of the beam 10 acts on the beam.

【0016】また、F1,F2の力は、ビームの軸方向
への力FFをも発生する。レーザービーム10が平行ビ
ームあるいは鋭角に焦点を結ぶビームの場合、F1,F
2の合力FFはビームの進行方向に粒子11を押す。従
って、右からのビームと左からのビームのFFが釣り合
う点で粒子がトラップされる。鋭角に焦点を結ぶビーム
の場合、この釣り合う点は、通常2つのビームのそれぞ
れの焦点の間に位置している。このレーザーによる捕
獲、固定の原理は、対向する2本の直線偏光及び円偏光
レーザービームを用いる場合に共通である。
The forces of F1 and F2 also generate a force FF in the axial direction of the beam. If the laser beam 10 is a parallel beam or a beam focused at an acute angle, F1, F
The resultant force FF of 2 pushes the particles 11 in the traveling direction of the beam. Therefore, particles are trapped at the point where the FF of the beam from the right and the FF of the beam from the left balance. In the case of a sharply focused beam, this balancing point is usually located between the respective focal points of the two beams. The principle of capturing and fixing by the laser is common when two opposing linearly polarized and circularly polarized laser beams are used.

【0017】前記微小物体は、電気双極子を誘起または
保有する物質により形成しているため、次のような原理
により回転させることができる。即ち、電気双極子は、
電場の方向を向こうとする力を電場から受けるが、電場
が回転すれば、双極子もそれを追いかけて回転しようと
する。双極子が物体内部で回転するとき、物体のこの回
転面内での断面が円でなければ、双極子が物体にストレ
スをかけ、回転トルクを発生する。ここでいう「円でな
い」というのは、外形的に円でないということに限ら
ず、外形が円でも誘電率の分布が円対称でなければよ
い。微小物体がこのような電気双極子を持てば、その微
小物体に回転を与えることができる。
Since the minute object is formed of a substance that induces or holds an electric dipole, it can be rotated according to the following principle. That is, the electric dipole is
The electric field receives a force that tries to turn in the direction of the electric field, but when the electric field rotates, the dipole also tries to follow it and rotate. When the dipole rotates inside the object, if the cross section of the object in this plane of rotation is not circular, the dipole will stress the object and generate a rotational torque. The term "not circular" as used herein does not necessarily mean that the outer shape is not a circle, and it is sufficient if the outer shape is circular and the distribution of the dielectric constant is not circularly symmetric. If the micro object has such an electric dipole, it can give rotation to the micro object.

【0018】直線偏光を用いるか、円偏光を用いるか
は、そこまで光をどのようにして導いていくかにより、
直線偏光を用いるほうが効率がよいか、円偏光を用いる
ほうが効率がよいかにより判断する。これは、実際に装
置を組み上げるときに考えることである。
Whether to use linearly polarized light or circularly polarized light depends on how light is guided to that point.
Judgment is made based on whether linear polarized light is more efficient or circular polarized light is more efficient. This is a consideration when actually assembling the device.

【0019】[0019]

【発明の効果】このような本発明のオプティカルモータ
ーによれば、ローターを構成する微小物体の保持をオプ
ティカルトラップにより行うため、機械的な抵抗をなく
すことができ、またトルクの発生を光の回転電場によっ
て行うので、超高回転を行わせることができる。
According to the optical motor of the present invention as described above, since the minute object forming the rotor is held by the optical trap, mechanical resistance can be eliminated, and torque can be generated by rotating the light. Since it is performed by an electric field, it is possible to perform ultra-high rotation.

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

【図1】本発明の第1実施例の基本的構成を示す構成図
である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a basic configuration of a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2実施例の基本的構成を示す構成図
である。
FIG. 2 is a configuration diagram showing a basic configuration of a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明に基づいて微小物体を保持するための原
理を説明するための説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a principle for holding a minute object based on the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2,3,4 レーザー、B1,B2 直線偏光
レーザービーム、B3,B4 円偏光レーザービー
ム。
1,2,3,4 laser, B1, B2 linearly polarized laser beam, B3, B4 circularly polarized laser beam.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電気双極子を誘起または保有する物質によ
り、ローターとなる微小物体を構成し、この微小物体を
浮かせて保持するための対向する2本の直線偏光レーザ
ービームの投射手段を備え、それらの投射手段における
レーザービームの直線偏光の方向を、微小物体が保持さ
れる場所で回転電場が発生するように設定したことを特
徴とするオプティカルモーター。
1. A micro object as a rotor is constituted by a substance that induces or holds an electric dipole, and two opposing linearly polarized laser beam projection means for floating and holding the micro object are provided. An optical motor characterized in that the direction of linear polarization of the laser beam in these projection means is set so that a rotating electric field is generated at a place where a minute object is held.
【請求項2】電気双極子を誘起または保有する物質によ
り、ローターとなる微小物体を構成し、この微小物体を
浮かせて保持するための対向する2本の円偏光レーザー
ビームの投射手段を備え、それらの投射手段におけるレ
ーザービームの円偏光の回転方向を、微小物体が保持さ
れる場所で同じ方向に電場が回転するように設定したこ
とを特徴とするオプティカルモーター。
2. A micro object as a rotor is formed by a substance that induces or holds an electric dipole, and two opposing circularly polarized laser beam projection means for floating and holding the micro object are provided. An optical motor, characterized in that the rotation direction of circularly polarized light of the laser beam in those projection means is set so that the electric field rotates in the same direction where a minute object is held.
JP3128465A 1991-04-30 1991-04-30 Optical motor Expired - Lifetime JPH072034B2 (en)

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JPH04331487A JPH04331487A (en) 1992-11-19
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7444817B2 (en) 2003-06-13 2008-11-04 Canon Kabushiki Kaisha Optical micromotor, micropump using same and microvalve using same
US7530795B2 (en) 2003-06-13 2009-05-12 Canon Kabushiki Kaisha Fluid control mechanism

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