Light-driven actuators

Light-driven actuators (光駆動アクチュエーター）

　光エネルギーを直接運動エネルギーに変換する方法を模索しています。光での運動制御には、非接触、高い指向性、エネルギー供給と運動制御を同時に行え、他の制御チャンネルを必要としないなどの優れた特長があります[2 - ページ下リンクあり]。アメリカのSFシリーズStarTrekではTractor beamとしておなじみですが、実際には実現は簡単ではありません。


光による物体の運動制御には、光の運動量を利用したものと、 光のエネルギーを利用したものと、大きく2つの方式に分けられます。光の運動量を利用したものは、 光ピンセット（Optical Tweezer）、レーザー冷却 などが代表的なものです[1]。

　　　　光ピンセットの説明

　　　　ICUにて行った高校生対象のScience partnership program 2003「光で操る、光を操る」

光の運動量を利用したものは、発生できる力が小さいため、対象が微小物体に限られます。

　巨視的な物体の運動制御には、光のエネルギーを利用する必要があります。これは、光熱効果、光誘起相転移、などの物理現象を用います。

　本研究室では、光熱効果による形状記憶合金の相転移を利用した光駆動アクチュエーターを研究しています。この方式の特長は、高いエネルギー変換効率です。現在までに、さまざまな方式の光駆動アクチュエーターが報告されていますが、そのうち最も効率の高いものでも、光エネルギーの10⁻⁵ (=0.00001) %程度を利用できているにすぎません。それに対して、本方式は、約1%のエネルギー変換効率があり、実用レベルに近いものとなっています。

　右側のビデオは当研究室で開発した光駆動モーターです。目には見えない赤外のレーザー光を照射して回転しています。照射光のパワーは1W程度、実時間撮影ですので、実際にこのくらいのスピードで回転します。

　　　　Light-driven motor using shape memory alloy

              Energy conversion efficiency of a Light-driven actuator using shape memory alloy

　また、光熱効果による振動子について、振動を最大にする最適条件を見いだしました。[8]

さらに、パルスレーザーを用いて、レーザー照射による熱サイクルを考えたときの効率について理論的に明らかにしました。[9]


参考文献

  1. 1)岡村秀樹:”分子光学—高強度レーザー光による分子の運動制御とその応用—“, 分光研究, 50, pp. 101-109 (2001)

  2. 2)岡村秀樹, 「光駆動の現状と展望」，光学36巻２号110-111 (2007),  Current status and future of light-driven actuators, Kogaku 36, 110-111  (2007)  (in Japanese) DOWNLOAD

  3. 3)岡村秀樹, 「宇宙への光の動力利用の可能性」, 光学38巻7号 376-377 (2009), Possibility of using light as a means for propulsion in space, Kogaku 38 (7), 376-377 (2009)  (in Japanese)

  4. 4) 岡村秀樹，「動力としての光駆動」，O plus E　Vol.32 No.5, 特集「光で／を動かす技術」，pp. 533-538,  (2010)

  5. 5)Hideki Okamura,  Light activated and powered SMA microactuators, in Optical Nano and Micro Actuator Technology, edited by George K. Knopf and Yukitoshi Otani, CRC Press (2012)

  6. 6)H. Okamura, K. Yamaguchi, and R. Ono, "Light driven actuator with shape memory alloy for manipulation of macroscopic objects", International Journal of Optomechatronics, 3, 4, 277-288 (2009)

  7. 7)K. Yamaguchi, R. Ono, and H Okamura, "Light-Driven Actuator with Energy Conversion Efficiency in the Order of 1% ", App. Phys. Express. vol.2, No. 3, 034502 (2009)

  8. 8)H. Okamura, "Light driven motor" , Optical engineering Letters, 50 (2), 020503-1-3 (2011) DOI:10.1117/1.3542042

  9. 9) H. Okamura, K. Kawakami, A. Mitani, "Optimization of photothermal oscillators based on thermal diffusion analysis," International Journal of Optomechatronics, 5, 1-14 (2011)

  10. 10)H. Okamura, "On the efficiency of the heat engine by pulsed laser ", Proc. SPIE Vol. 7266, 726609-1 - 726609-7 (2008) (invited paper) [Paper Number: 7266A-106]