(57)【要約】      （修正有）【課題】効率的に機能させるためのカーボンナノチューブを用いた誘導コイルを生成するプロセス技術を提案する。【解決手段】誘導制御技術を用いると、電磁誘導により時間平均して直流成分を含む交流電界を流すことができる。これにより金属板、導電性流体、プラズマ、イオンのように、無電極では直流電流を流すことが不可能であったものでも電磁誘導を通して無電極で直流電流を流すことができ、リニア同期モータやシンクロトン、核磁気共鳴等で必要であった周波数や位相を制御するプロセスが省略することができるので、システムは非常にシンプルなものとなる。誘導制御技術は様々な分野での応用が期待でき、本件では誘導制御技術を活用した、リニアモータ、誘導プラズマ、リニアック、核磁気共鳴、スピン書き込み、液体マイクロレンズ、海流電池パネルを提案する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導制御技術を用いたリニア誘導制御モータ
【請求項２】
誘導制御技術を用いた高周波誘導制御プラズマ
【請求項３】
誘導制御技術を用いた誘導制御型リニアック
【請求項４】
誘導制御技術を用いた誘導制御パルスによる量子スピン書き込み
【請求項５】
誘導制御技術を用いた特定位相角における電子の高周波振動
【請求項６】
誘導制御技術を用いた液体マイクロレンズとこれを用いた化学物質特定法
【請求項７】
誘導制御技術を用いた海洋電池パネルと海流発電システム
【請求項８】
上記のシステムを効率化するカーボンナノチューブの製法
【請求項９】
請求項８に関連するカーボンナノチューブ内のフラーレンの生成
【請求項１０】
請求項８に関連するカーボンナノチューブのねじれ制御
【請求項１１】
請求項８に関連するツリー構造を有するカーボンナノチューブの製法
【請求項１２】
請求項８に関連するトーラス構造を有するカーボンナノチューブの製法
【請求項１３】
請求項８に関連するたまねぎ構造を有するカーボンナノチューブ製法
【請求項１４】
請求項８に関連するプロセス技術
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本件では先に出願人が考案している誘導制御技術を用いた新しいシステムを提案し、更に、このシステムの効率的に機能させるカーボンナノチューブ・コイルの製法を提案する。
【０００２】
【発明の実施形態】以下、この発明の実施形態について詳細に説明する。
【０００３】励磁コイル、制御コイル、集電コイルが設けられた図１のシステムにおいて、制御コイルを開放した状態（左側）で励磁コイルを励磁すると、集電コイルには誘導電流が流れる。ここで制御コイルのスイッチを閉じて（右側）で同様に励磁すると、制御コイルに生じた誘導電流により生じる磁界が、励磁コイルの磁界を妨げるため、集電コイルに流れる電流は減少する。つまり、制御コイルは励磁コイルにより生じる誘導電流を抑制する働きをする。
【０００４】誘導電圧は、励磁コイルに流れる交流電流により生じる磁界（つまり交流磁界）の時間微分の関数で表され、この誘導電圧により生じる誘導電流は時間平均すると直流成分を含まない。ここで先に述べた制御コイルを導入して、特定の方向の誘導電流を抑制するように（例えば電流に正負の方向を定義して、負方向の電流のみを抑制するように）制御コイルを開閉すると、時間平均して直流成分を含む誘導電流を集電コイルに流すことができることを実験により確認することができた。
【０００５】このように制御コイルを導入する方法以外に、回路の強制切断が可能な電圧源を用いて矩形波パルス（以降、誘導制御パルスと呼ぶ）で励磁すると、励磁の際には励磁コイルの自己インダクタンス成分が制御コイルと同様の働きをして誘導電流を抑制し、消磁の際には回路を強制切断することで、自己インダクタンスによる抑制がなく誘導電流が流れることで、結果として制御コイルを導入せずとも直流成分を含む誘導電流を流すことができることを実験により確認した。インダクタンスを有する素子を強制切断すると半導体スイッチへ負担がかかり、スイッチの破損を招く恐れがあるため、電源には通常、還流ダイオード等の保護回路が取り付けられている。この場合、消磁の際にもインダクタンスに蓄えられた電力が電流として還流ダイオードを通して回路内を循環するため、自己インダクタンスによる誘導電流の抑制が起こり、時間平均して直流成分を含んだ誘導電流が流れることはない。誘導制御パルスを用いた誘導制御技術は、還流ダイオードを用いず、回路を強制切断する際のインダクタンスの特性を逆手にとって利用したものである。この際には半導体スイッチが破損しないように細心の注意を払う必要がある。
【０００６】誘導制御技術を用いると、完全な直流電流を流すことはできないものの、時間平均して直流成分を含む交流電界を流すことができる。これを用いることで金属板、導電性流体、プラズマ、イオンのように、従来、無電極では直流電流を流すことが不可能であったものにも直流電流を流すことができ、リニア同期モータやリニアック、核磁気共鳴のように周波数や位相の制御が必要であり、そのため大型化、複雑化していたシステムの簡略化が可能となる。誘導制御技術は様々な分野での応用が期待でき、本件では誘導制御技術を活用した、リニアモータ、誘導プラズマ、リニアック、核磁気共鳴、スピン書き込み、海流電池パネルを提案する。更に、これらのシステムを効率的に機能させるためのカーボンナノチューブを用いた誘導コイルの製法を提案する。
【０００７】（請求項１）従来のリニア同期モータは、一般にセンサにより位置速度を検出し、車両と同期を取りインバータにより電機子を制御することで浮上推進の制御を行っていた。このように同期を取るプロセスはシステムの複雑化、大型化、高コスト化につながる。そこで本件では誘導制御技術を用いることで、電機子の位相や周波数、電流を制御するプロセスを省略することができる新しいリニアモータ「リニア誘導制御モータ」を提案する。本件で提案するリニア誘導制御モータの概要を図２に示す。このシステムは積層構造の鉄心に励磁コイルと制御コイル（もしくは励磁コイルのみ）及び永久磁石を設置し、軌道側には導体板を設置する。先に述べたように誘導制御を用いることで、時間平均して直流成分を含む誘導電流を流すことができる。励磁コイルに交流電流を流し、これを制御コイルにより誘導制御を施す、もしくは誘導制御パルスにより励磁すると、軌道の導体板には直流成分を含む誘導電流が流れ、この誘導電流により時間平均して直流成分を含む交流磁界ができる。この結果、電機子に組み込まれた永久磁石と導体板に生じる直流成分の磁界との間で反発吸引力が生じ推進することができる。このリニア誘導制御モータは、永久磁石の導入によるトルク特性の向上、高電圧低電流化による力率の改善、鉄心やコイルの軽量化が可能となり、制御コイルや誘導制御パルスの制御パターンの変更によって、すべりによる力率低下を防止することができる。
【０００８】（請求項２）高周波誘導プラズマは電磁誘導により気体を電離し、プラズマを生成するものであり、無電極でクリーンなプラズマの生成が可能なことから、近年ではプラズマＣＶＤ等に用いられている。この従来の高周波誘導プラズマでは、プラズマ中に直流電流の流れが存在せず電気的にも中性であるため、外部から磁界を与えてもプラズマを制御することはできない。そこで本件では誘導制御技術を用いてプラズマに直流電流を流し、外部磁界による制御が可能な高周波誘導制御プラズマを提案する。誘導制御プラズマの構成を図３に示す。高周波コイルは誘導コイル、励磁コイル、制御コイルよりなり、補正コイルにより外部から磁気勾配を与える構造となっている。注入された推進薬は誘導コイルにより誘導プラズマとなり、ここで励磁コイルと制御コイルを用いて、生成された誘導プラズマに時間平均して直流成分を含む誘導電流を流すと、外部から磁気勾配が与えられていることから、磁界と電界の相互作用によりプラズマ粒子に電磁力が生じてプラズマの流動が得られる。励磁コイルを用いて誘導プラズマを生成する方法も考えられる。また、制御コイルを用いずに、先に述べた誘導制御パルスを用いて誘導プラズマを生成しながら直流電流を流すことも可能である。この誘導制御プラズマはプラズマＣＶＤをはじめ、誘導制御パルスを用いた際には電離と加熱を励磁コイルのみで実現できる性能を生かし、よりコンパクトな人工衛星用のプラズマ推進装置の実現が可能となる。
【０００９】（請求項３）線形加速器（リニアック）は線形の軌道であるため、加速距離には物理的、資金的な制約がある。より高エネルギーの粒子を得るためには加速距離をできる限り長く確保する必要があり、装置の低コスト化が必要不可欠となる。そこで誘導制御技術を用いた、より低コンパクト、低コストな誘導制御型リニアックを提案する。図４に断面図を示す。加速管及び制御管は導電性の円筒の筒となっている。加速管を誘導制御パルスで励磁すると、加速空洞内で加速方向、減速方向に交互に誘導電界が生じ、荷電粒子はこの誘導電界により加速方向、減速方向に対して交互に力を受ける。誘導制御により減速方向の誘導電界のみを抑制するプロセスを繰り返すことで荷電粒子は加速方向に多重加速される。この際、制御管には直流電流を流し、加速空洞内に定常磁界を与えておく。これにより荷電粒子は空洞内を移動する際に、磁界と電界の相互作用により加速管の中心方向にローレンツ力を受けるので軌道を安定させることができる。この誘導制御型リニアックは、同期を取りながら制御しなければならない従来のリニアックと大きく異なり、極めてシンプルであり低コストなリニアックとなる。
【００１０】（請求項４）定常磁界の中に置かれた物質内に存在する不対電子や核子に、電磁波を照射すると、特定の周波数において電磁波を吸収が起き励起状態となるいわゆる核磁気共鳴、電子スピン共鳴が起きる。この原理を利用した従来のスピン書き込み技術では、原子と外部磁界の強度から算出される固有の共鳴周波数の交流を与えなくてはならなかった。このため、ＮＭＲ等を用いた量子メモリの集積化は困難となっている。そこで、本件では誘導制御パルスを印加することで、スピン書き込みが可能なスピン書き込み技術を提案する。誘導制御パルスを用いると直流成分を含む誘導電流が生じる。これは原子レベルにおいても同様に成り立ち、核子や電子は誘導制御パルスにより生じる磁界を与えると、周波数が共鳴周波数に一致していなくとも、直流成分を含むため励磁状態となりうる。このシステムは図５に示すように、誘導コイル、半導体スイッチ、時定数を調整するためのキャパシタンス、抵抗よりなる遅延回路、スピンが与えられる高分子の構成となる。なおこのシステムは外部から定常磁界をかけておく必要がある。矩形波パルス状の電圧を誘導コイルに印加するシンプルなシステムであるので、半導体プロセス技術を導入することで集積化が可能となり、大容量の量子メモリの実現が期待できる。誘導コイル内に存在する高分子内のそれぞれの不対電子は異なる周波数の電磁波を吸収するので、誘導制御パルスの立ち上がり、立下りを遅延回路により調整することで一つのメモリへの多重書き込みが可能となり、大容量のメモリを構成することが期待できる。
【００１１】（請求項５）制御コイル、励磁コイルより構成される図６右図のシステムに、図６左上の３に示す位相角の区間で励磁コイルに共鳴周波数の交流電流を与えると、電子は励磁コイルの位相、周波数に同期した際差運動を起し、左下図と左上図の位相はほぼ一致する。ここで４に示す位相角の区間において断続的に制御コイルの開閉を高速に繰り返すと、励磁コイルに同期して際差運動している電子は、左下に示す濃く示した区間に限定して軌道の接線方向に対して高周波振動を起す。制御コイルによる高周波振動は量子の共鳴には殆ど影響を与えず、また制御コイルの開閉時で瞬時に電磁波の強度が大きく変化する特徴を持つ。これによってフリーラジカルや不対電子の位相角を特定した電離の制御が可能となり、これを用いた新しい化学合成が期待できる。
【００１２】（請求項６）誘導制御を用いることで電磁力により制御が可能な液体マイクロレンズを提案する。図７に示すように、基板上に励磁コイルを設け、中央に孔を開け、外部から直流磁界を与えておく。孔に導電性液体を注入すると、液体は自身の表面張力により凹型もしくは凸型の液体マイクロレンズを形成する。励磁コイルに誘導制御パルスを与えることで液体レンズには直流電流が流れ、外部磁界との相互作用により電磁力が生じ、凹凸の曲面が変化する。これにより液体レンズの屈折率を制御する。この際に図８に示すように、直流磁界と直流電流の相互作用により生じるローレンツ力により向心力方向、遠心力方向の力の制御も可能であり、非球面レンズを形成することができる。このレンズはフラットな構造となるので、ズーム機能を有するカードサイズのデジタルカメラを実現することができる。
【００１３】この液体マイクロレンズを用いた新しい化学物質特定法を提案する。この液体マイクロレンズにある種の物質を溶解させた場合、液体レンズの電離度、表面張力や電気抵抗、屈折率等の特性に変化が生じる。この性質を利用して、測定する物質を溶解した液体そのものを液体レンズとして用い、レンズの特性の変化（励磁コイルのインダクタンスの変化、レーザ光の模様の変化、液体レンズの振動特性等）から溶解している物質を特定することができる。この特定法は測定する対象物を液体レンズとして用いるので、対象物が微量であってもレーザ光の模様などの大きな変化として情報を得ることができ、物質の特定を容易にする。
【００１４】（請求項７）誘導制御技術を用いた海流電池パネル及びこれを用いた海洋発電システムを提案する。図９に示すように基板上にコイル、ＰＭを設置したパネル（以降、海洋電池パネルと呼ぶ）を海中に沈めると、海水はイオンを含むので、海洋電池パネルの上に海水の流れが生じると、ＰＭの定常磁界中を通過する海水には誘導電流が生じ、この誘導電流が海流の力で押し流される際にコイルに電流が誘導され発電する。この海洋発電パネルは沿岸に設置して発電された電力を送電線で地上に送り利用したり、船舶に設置して航行中に発電した電力を液体水素等の燃料として貯蔵して多目的に利用することができる。日本−アメリカ大陸間を循環する海流を利用した図１０に示す発電システムを提案する。日本−アメリカ間には循環する暖流、寒流があり、日本からアメリカへ海流にのって移動する際に海洋電池パネルによる発電を行い、海水を電気分解して液体水素として貯蔵しながら航行し、収集した液体水素はアメリカで多目的に利用する。帰国の際も同様である。
【００１５】海洋電池パネルは、海水の導電率や相互インダクタンスが非常に小さいことから、発電効率は悲観的なものであり実用的とはいえない。海洋電池パネルの発電効率を上げるには、コイルの巻き数を増やすことでインダクタンスを格段に増大させる必要がある。ところが銅やアルミを主成分とする従来のマグネットワイヤーでは巻き数を増やすごとに電気抵抗が指数的に増大し、抵抗を下げるために断面積の大きなワイヤーを使用しても、漏れインダクタンスの増大、システムの大型化へとつながり十分な発電効率を得ることはできない。そこで近年、注目を集めているカーボンナノチューブを活用することでこの問題を解決する。カーボンナノチューブはバリスティック伝導が長さによらず一定であり、マイグレーション許容値は従来の銅やアルミに比べて突出して高いことが知られており、このカーボンナノチューブをモータや発電機用のコイルとして用いることで、上記のような抵抗増加の問題がなく、高インダクタンスのコイルを製作するできることが可能となり、海洋電池パネルの効率化が期待できる。ところが、このようなマクロなコイル型カーボンナノチューブを製作する技術は未だ確立されていない。
【００１６】（請求項８）本件では、スロット内に充填された炭素がグラファイトととして結晶化する過程で生成する平面の層（以降、結晶面）が、収束点付近で円形もしくは楕円形の形となることで収束点付近で確率的にカーボンナノチューブを多く生成する可能性があることを有限要素法により解析的に導き出し、この原理を用いた新しいカーボンナノチューブの生成法およびプロセス技術を提案する。
【００１７】図１１に密閉された領域に充填され、加熱された炭素原子が境界からの熱流出によりグラファイトとして徐々に結晶化する過程で生じる結晶面を、有限要素法を用いて解析的に求めた結果を示す。ＸＹが断面図であり、Ｚ方向が奥行きである。ＸＹ断面図によると結晶面は境界付近から四角形に近い結晶面を形成しはじめ、中心に近づくにしたがって円形状へと変形することが分かる。領域が正方形でなく長方形の場合は楕円形となる。領域の形状によりこの結晶面の歪みや中心点の位置や中心点の数は変化するものの、中心点付近では円形もしくは楕円形の結晶面を形成する。このような条件下では高い確率でカーボンナノチューブやフラーレンの生成が期待できる。また、多層のカーボンナノチューブやフラーレンの生成も期待できる。
【００１８】（請求項９）この手法では図１２に示すように、炭素原子を充填する領域のスロット幅の変更、スロット間隔の変更、斜めスロット、スロット高さの変更やジグザグスロットによりそれぞれ結晶面が異なることが分かり、多様なカーボンナノチューブの生成が可能となる。幅の異なるスロットに挟まれた領域ではチューブ内で残留炭素原子が生じ、これらの残留炭素が球状に結晶化することでフラーレンが生成され、チューブ内に内包されるものと考えられる。また、スロットの間隔等で残留炭素量が異なるので、スロットの制御によって目的に合ったフラーレンの生成が可能となる。またこれらに金属イオンを打ち込むことで半導体特性やその他の機械的特性を与えることが期待できる。
【００１９】（請求項９）スロット幅の間隔を変更したり、スロットにねじ状の掘り込みを入れたりすることで結晶化に遅延時間を与え、目的のねじれ率をもつカーボンナノチューブの生成が可能となる。
【００２０】（請求項１１）図１４に示すように、分岐したスロットを用いてナノチューブを生成すると、木の構造を有するカーボンナノチューブが得られる。以降、このカーボンナノチューブをカーボンナノツリーと呼ぶ。このカーボンナノツリーの分岐点では残留炭素が生じ、ここではフラーレン等の生成が可能である。また、この分岐点に金属イオンを打ち込むことである種の電気的、機械的特性を持たせることができ、半導体スイッチとしての利用が期待できる。このような端子を有するカーボンナノツリーを組み合わせると、図１５に示すようなサーフェス構造、立体構造、神経ネットワーク構造、繊維構造を組み立てることができる。サーフェス構造はカーボンナノチューブを２次元に展開でき、立体構造は３次元に展開できる。神経ネットワーク構造では先に述べたように分岐点に半導体特性や機械的特性を与えることで、新しいナノマシンやマイクロプロセッサの実現が期待できる。
【００２１】（請求項１２）図１６に示すように閉じたループ状のスロットでカーボンナノチューブを生成すると、トーラス型のカーボンナノチューブが得られる。また上記に述べた方法と組み合わせることである種の機能を持った様々なトーラス型チューブの生成が可能となる。
【００２２】（請求項１３）スロット内での熱伝導のばらつきや、外部からの熱流入があると図１７のように複数の収束点が生じ、「たまねぎ」構造を有するカーボンナノチューブが生成される。カーボンナノチューブの中には、異なる収束点を中心とする多層ナノチューブを内包するものも存在しうることがわかる。この構造はこれまでのナノチューブとは異なり対称な形ではない。このため、先に述べたチューブにねじれを与えたり、トーラス構造と組み合わせることで数学的の非常に興味深いメビウスの輪構造を有するカーボンナノチューブの生成も可能である。
【００２３】以下にカーボンナノチューブのプロセス技術の手順を示す。図１３参照
▲１▼  基板にスロットを作成する。目的の機能を得るために、スロット幅、間隔等を変更する。
▲２▼  基板上に炭素を堆積させる。
▲３▼  余分に堆積した炭素分子を取り除く。
▲４▼  特定の箇所に金属イオンを打ち込む。
▲５▼  加熱して徐々に冷却することで結晶化を行いカーボンナノチューブを形成する。特定の箇所にレーザを照射し、グラファイトの結晶化に遅延時間を与える。
▲６▼  金属配線、コンタクトホール、ゲート等の各種配線を設け、次のレイヤーを作成するための酸化シリコン等を堆積する。
可能であれば図１８右図のように加熱の工程を最後に回す方法も考えられる。上記のプロセスを繰り返すことで高インダクタンスのコイルやその他の集積回路を構築する。
【００２４】カーボンナノチューブの生成の際にできる余分なグラファイト層は、半導体特性を与える場合には不要な部分である。この場合にはグラファイトの定格以上の電流を流すことで断線する。この場合、カーボンナノチューブまで熱衝撃で断線しないように注意する。
【００２５】以上のプロセスにより、カーボンナノチューブによる高密度のコイルの製造が可能となり、コイルの高インダクタンス化により高効率な海洋電池パネルが実現できる。
【００２６】
【発明の効果】以上、誘導制御技術は、電磁誘導により生じる誘導電界や誘導電流に直流成分を与える技術であり応用分野は多岐に渡るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘導制御モータの基本原理を示す。左図が制御コイルを開放した状態であり、右図が制御コイルを短絡した状態である。
【符号の説明】
１  励磁コイル
２  制御コイル
３  集電コイル
４  制御コイルのスイッチ
【図２】請求項１のリニア誘導制御モータの構造
【符号の説明】
１  積層構造鉄心
２  励磁コイル及び制御コイル
３  永久磁石（ＰＭ）
４  軌道の導体板（アルミ板、銅版、鉄板）
【図３】請求項２に述べる誘導制御型プラズマの断面図
【図４】請求項３に述べる誘導制御型リニアックの断面図
【図５】請求項４に述べる誘導制御パルスによる量子スピンメモリ構成図
【符号の説明】
１  スピン書き込み用誘導コイル
２  スピンが書き込まれる高分子の固まり
３  キャパシタンスや抵抗よりなる遅延回路
４  電源、グランド、データバス、アドレスバス等
【図６】請求項５に述べる誘導制御による特定位相角における電子の高周波振動の原理の説明図。左上が励磁コイルおよび制御コイルの動作パターンを位相角で示した図。左下は、励磁コイルにより共鳴した電子の位相角を示した図。右図がシステムの構成図を示す。
【符号の説明】
１  励磁コイル
２  制御コイル
３  励磁コイルが動作するタイミング。
４  制御コイルが動作するタイミング。破線は高速に開閉を繰り返すことを意味する。
５  原子核
６  電子軌道
７  電子
８  振動する位相角で制御コイルの制御パターンとほぼ一致する。
【図７】左図が請求項６に述べる液体レンズの斜視図、右上図が断面図、右下図が右上図に示す円の領域の拡大図を示す。
【符号の説明】
１  励磁コイル及び制御コイル
２  液体レンズ
３  基板
４  断面図の線
【図８】請求項６に述べる液体レンズに働く力の説明図
【符号の説明】
１  液面
２  励磁コイル及び制御コイル
３  基板
４  ローレンツ力
５  誘導制御により時間平均して直流成分を含む渦電流
６  渦電流と外部磁界の相互作用により導電性液体（液体レンズ）かかる電磁力
【図９】請求項７に述べる海洋電池パネルの説明図。左図が斜視図、右図が断面図
【符号の説明】
１  コイル
２  永久磁石、基板
３  海水に生じる渦電流
４  海流の流れ
【図１０】請求項７に述べる日本、アメリカ間を結ぶ海洋電池パネルによる発電システム
【図１１】請求項８に述べる有限要素法による炭素の結晶化過程の解析結果
【図１２】スロットに変化を与えた場合の、有限要素法による結晶面の生成過程の解析結果。
上から等間隔スロットの場合、間隔の異なるスロットの場合、斜めスロットの場合、スロット幅が異なる場合、ジグザグスロットの場合の解析結果を示す。
【図１３】カーボンナノチューブのプロセス技術。左図は加熱の過程を先に行う場合のプロセスを示す。右図は加熱の過程を後に行う場合のプロセスを示す。
【図１４】木の構造のスロット内での炭素原子の結晶化過程の解析結果
【図１５】カーボンナノツリーを用いた新しいデバイスの生成過程
【図１６】トーラス構造のスロット内での炭素原子の結晶化過程の解析結果
【図１７】熱伝導にばらつきを与えた場合の、炭素原子の結晶化過程の解析結果
【符号の説明】
１  収束点
２  熱伝導のばらつきにより生じた新しい収束点
３  ２の収束点を中心に生成する多層カーボンナノチューブを半ば包み込む１の収束点を中心とする多層ナノチューブの最外層
４  １，２の収束点を中心とする多層カーボンナノチューブの両方を内包する最も内側のカーボンナノチューブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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