希薄気体力学効果を用いたレーザ光マイクロタービンに関する研究

近年、人間が入り込むことのできない極限環境下で作動する、微小機械要素で構成された"マイクロマシン"が国内外で注目されている。その中でも試行錯誤が特に繰り返されている要素の一つ、駆動装置がある。本研究では、その駆動装置の候補として、希薄気体環境下で作動する"光マイクロタービン"を取り上げ、マイクロタービンへのエネルギ伝送方法の開発とタービン特性計測方法の獲得を目的とした。本研究における光マイクロタービンは、厚さの薄い正方形のアルミニウム翼4枚をガラス製軸受に接合させ翼の片面のみにカーボンブラックをコーティングした小型ロータ等から構成されている。作動方法はこのロータをニードル型ステンレス製の軸上に乗せ、真空チャンバ内に設置する。その後、チャンバ内を減圧し、ロータの翼にレーザ光を照射する。この時、カーボンブラックはエネルギ吸収率が非常に高い為、カーボンブラックをコーティングした面の温度が上昇する。また、カーボンブラックの熱伝導率が非常に小さい為、熱がロータの翼の裏側まで伝わらず、翼の表裏で温度差が発生する。この現象が低圧中で生じると、希薄気体特有の効果が得られ、この効果によりカーボン面が押される方向に力が発生し、光マイクロタービンは回転した。本研究においては、レーザ光の入射を光学的に遮断し赤外線のみを計測する光ファイバ付きのマイクロセンサを開発し、マイクロタビーンが回転することによりセンサに入射をする赤外線光量の増減により回転数と翼表面温度を計測する(非接触式温度回転数測定装置)ことを試みた。その結果、静止翼面上に設置した熱電対温度計との比較検討およびオシロスコープの出力結果により、本非接触式温度回転数測定装置は高精度を有していることが明らかになった。

近年、人間が入り込むことのできない極限環境下で作動する、微小機械要素で構成された"マイクロマシン"が国内外で注目されている。その中でも試行錯誤が特に繰り返されている要素の一つ、駆動装置がある。本研究では、その駆動装置の候補として、希薄気体環境下で作動する"光マイクロタービン"を取り上げ、マイクロタービンへのエネルギ伝送方法の開発とタービン特性計測方法の獲得を目的とした。本研究における光マイクロタービンは、厚さの薄い正方形のアルミニウム翼4枚をガラス製軸受に接合させ翼の片面のみにカーボンブラックをコーティングした小型ロータ等から構成されている。作動方法はこのロータをニードル型ステンレス製の軸上に乗せ、真空チャンバ内に設置する。その後、チャンバ内を減圧し、ロータの翼にレーザ光を照射する。この時、カーボンブラックはエネルギ吸収率が非常に高い為、カーボンブラックをコーティングした面の温度が上昇する。また、カーボンブラックの熱伝導率が非常に小さい為、熱がロータの翼の裏側まで伝わらず、翼の表裏で温度差が発生する。この現象が低圧中で生じると、希薄気体特有の効果が得られ、この効果によりカーボン面が押される方向に力が発生し、光マイクロタービンは回転した。本研究においては、レーザ光の入射を光学的に遮断し赤外線のみを計測する光ファイバ付きのマイクロセンサを開発し、マイクロタビーンが回転することによりセンサに入射をする赤外線光量の増減により回転数と翼表面温度を計測する(非接触式温度回転数測定装置)ことを試みた。その結果、静止翼面上に設置した熱電対温度計との比較検討およびオシロスコープの出力結果により、本非接触式温度回転数測定装置は高精度を有していることが明らかになった。