(57)【要約】  発電のための方法、構成及び装置が提供される。核磁気スピン及び残留分極発電メカニズムを通じて電気が生成される。この装置は、極性化強誘電性材料とカップリングされた高核磁気スピンまたは高残留分極材料を含むことができる。この装置はさらに、極性化強誘電性材料及び高核磁気スピンまたは高残留分極材料の両側に配置された一対の電気接触物を含むことができる。また、高核磁気スピン材料に磁場が印加されてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高核磁気スピンを有する材料と、
前記高核磁気スピン材料と密接に関連した極性化強誘電性材料と、
前記極性化強誘電性材料及び前記高核磁気スピン材料の反対の面上に配置される一対の電気接触物と、
を含む発電機。
【請求項２】
前記極性化強誘電性材料及び前記高核磁気スピン材料は、隣接した層状の材料である、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記極性化強誘電性材料及び前記高核磁気スピン材料は、混合材料である、請求項１に記載の発電機。
【請求項４】
前記電気接触物は、金属材料である請求項１に記載の発電機。
【請求項５】
一方の電気接触物は、アクセプタ材料であり、他方の電気接触物は、ドナー材料である請求項１に記載の発電機。
【請求項６】
前記磁場は、約０．０１テスラから１０テスラの範囲にある請求項１に記載の発電機。
【請求項７】
前記アクセプタ材料は、タンタル、金、白金及びｐ型半導体の中から選択される、請求項６に記載の発電機。
【請求項８】
前記ドナー材料は、仕事関数の高い材料及びｎ型半導体の中から選択される請求項６に記載の発電機。
【請求項９】
磁気材料を前記高核磁気スピン材料と混合することにより、前記磁場が印加される、請求項１に記載の発電機。
【請求項１０】
前記磁場は、外部磁石として印加される、請求項１に記載の発電機。
【請求項１１】
前記外部磁場は、磁気材料層を、前記極性化強誘電性材料または高核磁気スピン材料の中の少なくとも１つに隣接して配置することにより印加される、請求項２に記載の発電機。
【請求項１２】
前記磁場は、電気エネルギの生成を最適化するように調節された強度を有する、請求項１に記載の発電機。
【請求項１３】
前記発電機は、電子デバイスを細流充電するために十分な電力を供給する、請求項１に記載の発電機。
【請求項１４】
前記発電機に電気的に連結されたインダクタ回路をさらに含む請求項１に記載の発電機。
【請求項１５】
高核磁気スピン材料を有する複数の材料層をさらに含み、高核磁気スピン材料のそれぞれの層は、極性化強誘電性材料の一対の層の間に位置する、請求項１に記載の発電機。
【請求項１６】
前記高核磁気スピン材料は、＋１／２以上のスピンを有する、請求項１に記載の発電機。
【請求項１７】
前記高核磁気スピン材料は、−１／２以下のスピンを有する、請求項１に記載の発電機。
【請求項１８】
前記高核磁気スピン材料は、放射性である、請求項１に記載の発電機。
【請求項１９】
高残留分極を有する材料と、
前記高残留分極材料と密接に関連した極性化強誘電性材料と、
前記極性化強誘電性材料及び前記高残留分極材料の両側に配置される一対の電気接触物と、
前記高残留分極材料に印加される磁場と、
を含む、発電機。
【請求項２０】
前記極性化強誘電性材料及び前記高残留分極材料は、隣接した層状の材料である、請求項１９に記載の発電機。
【請求項２１】
前記強誘電性材料及び前記高残留分極材料は、混合材料である、請求項１９に記載の発電機。
【請求項２２】
前記電気接触物は、金属材料である、請求項１９に記載の発電機。
【請求項２３】
一方の電気接触物は、アクセプタ材料であり、他方の電気接触物は、ドナー材料である、請求項１９に記載の発電機。
【請求項２４】
前記アクセプタ材料は、タンタル、金、白金及びｐ型半導体の中から選択される、請求項２３に記載の発電機。
【請求項２５】
前記ドナー材料は、仕事関数の高い材料及びｎ型半導体の中から選択される、請求項２３に記載の発電機。
【請求項２６】
磁気材料を前記高核磁気スピン材料と混合することにより、前記磁場が印加される、請求項１９に記載の発電機。
【請求項２７】
前記磁場は、外部磁石として印加される、請求項１９に記載の発電機。
【請求項２８】
前記外部磁場は、磁気材料層を、前記極性化強誘電性材料または高核磁気スピン材料の中の少なくとも１つに隣接して配置することにより印加される、請求項１９に記載の発電機。
【請求項２９】
前記磁場は、電気エネルギの生成を最適化するように調節された強度を有する、請求項１９に記載の発電機。
【請求項３０】
前記発電機は、電子デバイスを細流充電するために十分な電力を供給する、請求項１９に記載の発電機。
【請求項３１】
前記発電機に電気的に連結されたインダクタ回路をさらに含む、請求項１９に記載の発電機。
【請求項３２】
高残留分極を有する複数の材料層をさらに含み、高残留分極材料のそれぞれの層は、極性化強誘電性材料の一対の層の間に位置する、請求項１９に記載の発電機。
【請求項３３】
核磁気スピンまたは残留分極のメカニズムを通じて独立的に電気を生成する材料と接触する一対の電気接触物を含む、発電機。
【請求項３４】
前記材料は、プラセオジミウム、マンガン、チタン酸バリウム、及びチタン酸ジルコン酸鉛で構成されたグループから選択される、請求項３３に記載の発電機。
【請求項３５】
高核磁気スピン材料または高残留分極材料である第１の材料を得るステップと、
極性化強誘電性材料を得て、これを前記第１の材料と密接に関連するように位置させるステップと、
前記極性化強誘電性材料及び前記第１の材料の両側に一対の電気接触物を配置するステップと、
前記第１の材料に磁場を印加するステップと、
を含む、発電デバイスの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電の方法、装置及び構成に関する。より具体的には、電気を生成するための磁気スピン発電（ＮＭＳＧ：ｎｕｃｌｅａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｐｉｎ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）及び／または残留分極発電（ＲＰＥＧ：ｒｅｍｎａｎｔ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）のメカニズムを採択する方法、装置及び構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力を容易に利用することができ、また携帯型で供給することは、現代の生活の殆どすべての側面において極めて重要なことである。電力は、現代社会において重要な役割を果たすようになった多様なデバイスを駆動する。このようなデバイスは、電灯や家庭用の設備から、医学、製造業、軍事、及び科学研究などのような分野で使用されるハイテクなデバイスにまで及ぶ。
【０００３】
数多くのアプリケーションにおいて、携帯型の電源を持つことは極めて重要である。従来、このような必要は、多様なタイプのバッテリを使用することにより満たされてきた。バッテリは、勿論、自動車及びトラックを起動させるために使用され、さらに、移動式の電気デバイスへ電力を供給するためにも使用される。このようなデバイスは、フラッシュライトから、携帯電話機及びラップトップ・コンピュータにまで及ぶ。
【０００４】
電力は、大きなアプリケーションも非常に小さなアプリケーションも有する。大規模では、電気は、大掛かりな発電機で発電されて、配電線を通じて最終使用者に分配される。小規模では、小さい電荷は、現代の生活のどこにでも存在する電子回路及びメモリデバイスを作動することに関与している。このようなデバイス及びシステムのそれぞれは、信頼性のある、制御可能な電源を必要とする。
【０００５】
携帯型の電子デバイスに関連した重要な技術的な問題点の一つは、信頼性のある携帯型電源を一貫して供給することである。上述したように、これは、一般にバッテリの使用によって達成される。しかしながら、バッテリは、問題点を有している。バッテリの電力は、ラップトップ・コンピュータのようなデバイスの使用において常に主な課題であった。バッテリの寿命は、関心の対象であり、また、バッテリ電力の信頼性も同様である。
【０００６】
バッテリ電力に関するさらなる問題点は、遠隔地へ十分なバッテリを供給することである。このことは、例えば、軍事作戦を考えてみるとよく理解することができる。軍事作戦は、数多くの電子デバイスを必要とする。これらのデバイスは、ラップトップ・コンピュータ及び関連デバイスから携帯電話機及びその他の通信システムにまで至る。勿論、これらは、電子構成要素を採用している軍事装備や兵器とも関連がある。このような性質を有する作戦は、そのような携帯型の電子デバイスに大きく依存している。そのようなデバイスに電力を供給するためにバッテリが供給されて、全ての装備が何時も動作するようにするためには、バッテリは絶えずに交換されなければならない。重大な軍事作戦に適切なバッテリ電力を供給することだけでも、重要な兵站問題であることが理解されるであろう。多量のバッテリを、安定的に供給元から作戦地へ供給し、また取り除かなければならない。
【０００７】
これは、ビジネス、医学、及び研究の分野での別のタイプの作業においても同じである。上述したように、上記のすべての分野は、携帯型の電子デバイスに大きく依存する。これらのすべてのデバイスは、携帯型の電源を必要とする。そのような電力を供給することは、難しい課題であった。
【０００８】
したがって、本発明は、電力を発生する新しい方法、装置及び構成に関するものであり、必要によっては、そのような電力を携帯型の形で提供する。これは、核磁気スピン（ＮＭＳＧ）及び残留分極発電（ＲＰＥＧ）の使用を通じて達成されており、以下において、簡単に説明する。
【０００９】
０ではないスピン量子数を有しながら、磁場に位置した核は、電磁気放射を介してエネルギの吸収及び放出を行うことができることが知られている。この放射は、核磁気共鳴の原理を利用して検出することができる。水素核、すなわち陽子とともに使用することは、最古で、且つ最も一般的なＮＭＲの方法であり、主に有機化合物を調査するために利用される。スピンＩ＝１／２を有する水素の核は、その軸の周りを回転して、磁場を発生する。この核が外部磁場に位置すると、水素核は、外部磁場と整列する傾向がある。スピニングとは、歳差（ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ）という用語で知られる、軸から少し外れて回転する玩具の頂上のスピニングと考えることができるため、整列は、外部磁場と平行であるか或いは逆平行であり得る。歳差の周波数は、ラーモア周波数（ω）と呼ばれる。ラーモア周波数は、外部磁場の強度及び材料の磁性に依存している。この場合、水素核は、１テスラの外部磁場の強度当たり、４２．６ＭＨｚのラーモア周波数を有する。磁場強度に合わせられた無線周波数は、核を逆平行状態から平行状態へとフリップさせることができ、したがって、検出可能な少量のエネルギを放出する。無線周波数は、水素核を取り囲んでいる環境によって変化し、それによって、水素核の化学的な環境に関する情報を提供する。
【００１０】
上述したように、水素核は、スピンＩ＝１／２を有する。他の構成要素は、１／２より大きいスピンを有する。また、原子核は、正電荷Ｚｅを有すると知られており、Ｚは、１つの元素を他の元素と区別する原子番号であり、ｅは、電子または陽子の電荷の大きさである。元素は、さらに、それぞれの同位元素ごとに相異し得る質量Ｍを有する。核は、さらに、スピン、磁気双極子モーメントμ、電気四重極モーメント、及び、時々より高いモーメントを有する。固有核角度モーメントは、量子化されて、Ｉｈとして表され、このとき、Ｉは、整数または半整数であり、スピン量子数と呼ばれる。例えば、Ｉ＝３／２である核は、３／２のスピンを有するとされている。異なる同位元素に対しては、Ｉは、異なっていてもよい。核が有することのできるスピンには、制限がある。偶数質量数を有する核に対して、Ｉは、整数または０でなければならず、奇数質量数を有する核に対して、Ｉは、半整数でなければならない。以下の表１は、選択された同位元素に対するスピンを含む、幾つかの一般的な核の性質を示している。
【００１１】
【表１】
2010505385.tif 000003
核が０のスピンを有すると、そのモーメントの全ては０であり、核配向の効果は発生しない。スピンが１／２以上であれば、核は、磁気モーメントμを有する。このような特性において、核は、任意の回転する電荷と類似している。核は、その方向がスピン軸に平行に固定された小さな磁石を有するものと考えることもできる。負のモーメントは、磁気モーメントベクトルがスピンベクトルと反対であることを意味する。核モーメントを表わす測定の単位は、ｅｈ／２πＭｃである核マグネトンである。この場合、Ｍは、陽子の質量である。１核マグネトン＝５×１０−２４ｅｒｇ／Ｇａｕｓｓである。１以上のスピンを有する核は、電気四重極モーメントを有する。核の角運動量ベクトルは、空間において２Ｉ＋１の方向を有することができる。このような空間での方向は、特定の方向に沿った分解角運動量によってしばしば特徴付けられる。分解運動量は、ＭＩで与えられ、Ｉ、Ｉ−１、Ｉ−２、…、−Ｉ＋１、−Ｉの値を有する。Ｉ＝１／２ＭＩ＝＋１／２または−１／２の一般的な状況について、転移は許容されるものの、エネルギ差が非常に小さくて、有効には観察されない。しかし、磁場において、考慮しなければならない付加的なエネルギがある。これは、羅針盤の針を、針が指している方向から移動させるために必要なエネルギと類似する。エネルギは−μＨｃｏｓθであり、Ｈは、磁場の大きさである。磁場のエネルギは、本開示において提示されている、発電機から抽出可能な電気エネルギの上限線を設定する。
【００１２】
ＭＩ＝−１／２と＋１／２との間の転移に関連している周波数が存在する。その周波数は、ｈν＝−（μ／Ｉ）Ｈ（−１／２−１／２）で与えられる。この周波数は、スピンを（＋）から（−）に“フリップ”するのに要されるエネルギに関連されたものであり、これは、より正確な用語では、双極子が場に平行であるときには（−）であって、双極子が場に逆平行であるときには（＋）である、配向位置エネルギである。エネルギは、常に双極子スピンの大きさの２倍である。このような計算の例は、下記の通りである。この等式は、磁気回転比γに関して記述することができ、この場合、γ＝μ／Ｉｈ、すなわちω＝２πμ＝γＨラジアン／ｓｅｃ（秒）である。表１は、１エールステッドの磁場において転移のための共鳴周波数（ラーモア周波数）を示すカラムを有する。
【００１３】
強誘電性は、外部電場の印加によって等価状態の間で切り替えられる方向に、特定の材料が自発的に双極子モーメントを示すことができる電気的な現象である。強誘電性材料の内部電気双極子は、物理的に材料格子に縛られており、したがって、キャパシタを通じた外部電圧の存在がなくても、物理的な格子を変化させるいずれのものであっても双極子の強度を変化させ、強誘電性材料の内部にまたは外に電荷が移動するようにさせる（以下の説明を参照）。材料の格子寸法を変化させる２つの刺激は、力と温度である。強誘電性材料に対する力の印加に応じて電荷が発生することを、圧電気と称する。温度の変化に応じて電流が発生することを、焦電気と称する。
【００１４】
強誘電性という用語は、材料が永久的な磁気モーメントを示す強磁性と類似して使用される。強磁性は、強誘電性が発見されたとき、既に知られていた。したがって、ほとんどの強誘電性材料が格子内に鉄を含んでいないにもかかわらず、その特性を説明するために、鉄を意味する「ｆｅｒｒｏ」という接頭辞が使用された。一部の強誘電体に対して、鉄は、強誘電性を制限する汚染物質として作用する。
【００１５】
強誘電性材料を２つの導電プレートの間に位置させると、強誘電体キャパシタを作り出す。強誘電体キャパシタは、非線形性を示し、通常、非常に高い誘電定数を有する。キャパシタの「分極対電圧」特性において、内部電気双極子が外部電圧の印加によってその方向を変化するように迫られることができることは、ヒステリシスを生じさせる。ヒステリシス・ループの一般的な形状の例としては、図７を参照されたい。この場合、分極は、キャパシタのプレート上に貯蔵された総電荷をプレートの面積で除算したものとして定義される。結晶構造とは独立的に、強磁性領域で観察されるのと類似した領域が、強誘電体にも観察される。所定の領域内に、双極子の方向を指すベクトルが存在する。多数の単一結晶粒を含む所定のバルク材に、配向ベクトルをお互いに分離する強誘電領域及び分壁が存在することもある。極性を有する強誘電体において、ほとんどの領域ベクトルは、外部電場によって決められた方向に整列する。
【００１６】
このようなヒステリシス及び強誘電体キャパシタンスに対する１つのアプリケーションは、コンピュータ・アプリケーションにおけるメモリに関する。他のアプリケーションは、メモリ、圧電気及び焦電気の複合特性を使用して、現代社会において最も有用な技術的デバイスの一部を作製する。強誘電体キャパシタは、医学用超音波器機（キャパシタは、人体の内部器官をイメージ化することに用いられる超音波「ピング」を発生させた後に、聞く）、高品質の赤外線カメラ（赤外線イメージは、摂氏何百万分の１度という温度差を検出することができる強誘電体キャパシタの２次元アレイに投射される）、火災センサー、ソナー、振動センサー、及び、さらには、ディーゼルエンジンに対する燃料噴射器にも使用される。エンジニアは、強誘電性材料の高い誘電定数を用いて、大きな値の電荷を小さな体積内に集中させ、非常に小さな表面実装キャパシタを作製する。表面実装キャパシタによって可能となった省空間化がなければ、コンパクトなラップトップ・コンピュータ及び携帯電話機は不可能であるはずである。インターネットのバックボーンを形成する電気光学変調器は、強誘電性材料から作製される。
【００１７】
当業界に、電気の生成をより有効且つ効率的に行うための必要が存在するということは明らかである。特に、携帯型の電気デバイスに電力を供給可能な方式で電気を生成する必要性が存在する。以下において開示される方法、装置及び構成は、電気の生成、そして、必要な時には、携帯型の方式によるそのような電気の生成を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、核磁気スピン（ＮＭＳＧ）及び残留分極発電（ＲＰＥＧ）のような現象を採択する発電方法、装置及び構成に関する。このような性質を有した発電機は、繰り返して安定的に電荷を供給し、持続的に電気出力を提供するものと観察された。そのような発電機は、大規模では、配電ネットワークを通じて分配される大量の電力を発生することに使用することができる。また、非常に小規模では、ラップトップ・コンピュータ及び携帯電話機のような携帯型の電気デバイスに対する電源などとして使用することもできる。また、そのような発電機は、より小さな規模では、電気回路内で個々の回路構成要素への電力の供給を行うために使用することも可能である。したがって、当然のことながら、ここに開示された発電機は、所望のアプリケーションによってその規模を合わせることができるものである。
【００１９】
磁場内で運動している電子は発電機であるということが理解されるだろう。これは、発電機の通常的な定義である。本発明は、２つの代替的なソースから電気を発生する装置、構成及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述したように、第一には、多くの元素の自然的な特性である核磁気スピン（ＮＭＳＧ）を採択して電気を発生する。ＮＭＳが大きなスピン角運動量をもたらすと、外側軌道の電子は、核から放射される正のクーロン力に起因した振動方式で運動するように誘導される。本発明の範囲内で、発電機は、元素のＮＭＳから、自発的で且つ連続的に電荷を生成する。
【００２１】
電気エネルギを発生する第二の手段は、第一の方法と非常に類似しているが、チタン酸ジルコン酸鉛のような、従来に知られた強誘電体の結晶に縛られた外郭電子を用いて、圧電気効果により電気を発生する。以下に説明する状況において、このような材料は、自発的で且つ連続的に電圧及び少量の電流を生成する。
【００２２】
本発明の実施形態は両方共、主に界面または面積デバイスである。これは、大きな面積を有する薄層で、電気がより効率的に生成可能であることを意味する。
前述した核磁気スピン特性を利用する第一の方法は、分光学及びイメージングの分野で数十年間成功裏に使用されてきた。核磁気共鳴（ＮＭＲ）は、初期には水素核のスピンを用いて有機分子の構造を決定するために利用された分光学的な技法である。後で、この技法は、酸素とシリコンの同位元素、Ｏ１７、１９Ｆ、２３Ｎ、３１Ｐ及びＳｉ２９のスピンを用いて、非晶質及び結晶固体のような無機材料の構造または特別な配向を決定するために使用されていた。後で、ＮＭＲ分光学技法は、今は磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）としてよく知られたイメージングの分野に拡張された。
【００２３】
一実施形態において、ＮＭＳを使用する発電機は、互いに接触する２つの材料の組み合わせを採択する。第１の材料は、潜在的に多様な元素であってもよいが、一般的に、以下のような特性を有することが好ましい。ａ）高核磁気スピン、または大きな双極子モーメント、ｂ）大きな電気的四重極モーメント（これは、核に大きな非球状の形状が存在することを意味する）、ｃ）高い天然的豊富性、ｄ）商業的アプリケーションのために、同位元素は放射性であってはいけないが、宇宙基盤または軍事アプリケーションのためには、放射性に対する制限は緩和されることもある、ｅ）同位元素に関連した歳差比率を記述する固有周波数またはラーモア周波数、ｆ）双極子モーメント、四重極モーメント及びラーモア周波数の組み合わせが、同位元素の外殻電子とクーロン力の相互作用を引き起こす。このような外殻電子は、核の非球状形状に応じて移動するようになる。このような外殻電子の運動が大きいほど、第２の材料である強誘電体への電気的な影響は、さらに大きくなるだろう。
【００２４】
電荷を与える機械的な運動に圧電性材料が反応することと同様に、第２の材料は、核磁気材料の運動の周波数に反応する。一般的に、このような材料は、電荷の貯蔵のために高誘電定数を有することになる。高い圧電気定数は、このような材料の選択のために要求される。
【００２５】
核磁気材料がラーモア周波数で歳差運動をするためには、磁場が必要とされる。歳差運動周波数は、磁場の強さに関係している。
両方共磁場内にある核磁気材料と強誘電体との組み合わせは、このようなタイプのデバイスが、２つの材料の接触の面積まで拡大されることを必要とする。２つの材料の接触の面積が大きいほど、デバイスの界面でより多量の電力が発電される。
【００２６】
ＲＰＥＧの原理に基づいて動作するとされているデバイスもまた、提供することができる。残留強誘電体発電機の効率は、以下のように要約することができる。まず、材料を温度ＴＣを上回るようにに加熱することにより、極性化された強誘電体結晶を得ることができる。その後、充分に大きい（抗磁力よりも大きい）外部電場を印加して、強誘電性材料をＴＣを下回るように冷却する。電場が除去されて、材料が室温まで冷却されると、最大の分極が実現される。時間が経つとともに、分極は、材料の安定性によって、減衰することも減衰しないこともある。この結果として生じた分極は、「残留分極」と呼ばれる。残留分極の図面に関しては、図８を参照されたい。
【００２７】
一部の場合では、残留分極は、自発分極と同様に維持されていてもよい。残留分極発生機の最大の出力のためには、高くて、安定的で且つ予測可能な残留分極を有する材料を用いることが好ましい。これは、電極の間に安定した強誘電体領域を保持することにより達成される。このような場合に、それぞれの層の厚さは、重要な変数になり得る。これは、核磁気スピン発生機の界面で発生する相互作用よりは、３次元でより効率的に分配することができる、強誘電体領域ベクトルのアラインメントに起因する。
【００２８】
ＲＰＥＧと強誘電体メモリの間の重要な差異の１つは、強誘電体領域の必須のスイッチングである。ほとんどのメモリ材料は、１０６サイクルを上回ると、急速スイッチング及び安定性に対して最適化されている。残留分極の安定性は、電子デバイスが遭遇する可能性の高い、極端な温度差を超える。他の重要な変数は、強誘電体結晶の成長配向、及び、その材料が強誘電体であるかまたは反強誘電体であるかを含む。
【００２９】
反強誘電体の状態は、結晶内のイオンラインが自発的に分極されるが、隣接したラインは、逆平行方向に分極されるものと定義される。単純な立方格子において、反強誘電体状態は、強誘電体状態よりもっと安定的である可能性が高い。反強誘電体キュリー点の上または下の誘電定数が、第１次及び第２次の転移両方に対して調査される。いずれの場合にも、誘電定数は非常に高い必要はないが、転移が第２次であれば、εは、キュリー点にわたって連続的である。反強誘電体の状態は、圧電状態ではない。キュリー点付近の熱的異常は、強誘電体の場合のそれと同じ性質及び大きさであるだろう。反強磁性体での対応する状況とは異なり、ストロンチウムチタネイトで発見されるようなＣ／（Ｔ＋θ）形の磁化率変動は、反強誘電体を示すものではない。
【００３０】
強誘電性材料は、２種のカテゴリーの材料から選択することができ、より一般的なものは、ＢａＴｉＯ３が原型である変位タイプである。イオンの変位運動の大きさは、他のところで説明することにする。そして、ポリビニリデンフルオライドのようなポリマーのように、極性分子が整列して大きな双極子モーメントを形成する、規則−不規則タイプがある。
【００３１】
２つのタイプの発電機の間には異なる点がある一方、両タイプのデバイスの効率性を向上することができる、一部の類似点も存在する。発電サイクルにおいて、電荷の供給は、電子を連続的に提供することにより向上することができる。接地は、電子の供給となることが知られている。両デバイスは、また電流を運搬する電極にも依存する。時々、実施例に示されているように、活性元素も電極として働くこともできる。表面面積の広い電極を使用することにより、デバイスの作動の向上が可能となる。炭素及び酸化ルテニウムは、貯蔵された電荷を増加するか或いはデバイスの大きさを小さくするために、キャパシタの作製に使用されてきた。極性によってｎ−タイプまたはｐ−タイプの行動を付与する材料から、より効率的な電極を選択することが可能となる。
【００３２】
本発明の範囲に属する発電機は、多数の公知の技法を用いて作製することができる。これらは、３つの個別グループ、すなわち、薄膜製造法、厚膜製造法、及び、バルク処理を含むことができる。薄膜製造法は、これに限定されるものではないが、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、イオン・アシスト・スパッタリング、レーザーアブレーション、ＭＢＥ、及びスピンオン液体を含むことができる。厚膜製造法は、これに限定されるものではないが、スクリーン印刷、テープキャスティング、ポリマ化コーティング、バルク処理、押圧、及び加熱押圧を含むことができる。
【００３３】
本発明の範囲に属する発電機は、バッテリ及びキャパシタを「細流充電」するのに十分であり、携帯電話機、ＰＤＡ、ノート型パソコン、ＧＰＳデバイス、携帯型音楽プレーヤ、フラッシュライト、リモートコントロールデバイス、無線及び通信デバイスなどのような多様な電子デバイスに電力を供給する定電流を供給するために使用することもできる。その他の発電機は、ディスクリート回路基板チップ、並びに、ペースメーカのための医療用インプラント及び痛症管理のための電気シミュレーションのような医療用アプリケーションに対して電力を供給することもできる。
【００３４】
本発明の範囲に属する発電機は、遠隔位置、家庭、事業場、自動車、ボートなどのための独立型の発電を提供するのに十分な規模で作製することができる。軍事用アプリケーションは、人工衛星、宇宙探査、及び野戦アプリケーションを含むことができる。
【００３５】
このような本開示の特徴や長所及び更なる特徴や長所は、発電デバイス、方法及び構成に組み込まれることができ、以下の説明及び添付の請求の範囲によってさらに明らかになるはずであり、または、本開示の実施及び具現によって理解することができる。上述したように、本開示は、ここに説明されたすべての特徴がすべての実施形態に組み込まれることを必要とするものではなく、また、特定の特徴が他の特徴を排除しながら使用されることを求めるものでもない。本開示の範囲内の発電デバイス、構成及び方法は、ここに説明された特徴の一つ以上の組み合わせを含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
本開示の前述した特徴や長所および更なる特徴や長所を容易に理解できるようにするために、添付の図面を参照し、以下においてより詳しく説明する。この図面は、本開示による血管アクセスデバイスの例示的な実施形態を示しただけのものであり、本開示の範囲を限定するものと見なされてはならない。
【図１】偶数−Ｎ、奇数−Ｚ核、及び、奇数−Ｎ、偶数−Ｚ核の測定された磁気双極子モーメントのグラフである。
【図２】偶数−Ｎと奇数−Ｚを有する核（左側に示される）、及び、奇数−Ｎと偶数−Ｚを有する核（右側に示される）の概略図である。
【図３】振動する核のジオメトリーの概略図である。
【図４】整列した双極子を有する強誘電性材料の概略図である。
【図５】本発明の範囲に属する発電機の概略図である。
【図６】多重層の材料を採択した、本発明の範囲に属する発電機の概略図である。
【図７】ヒステリシスループの一般的な形状を示すグラフである。
【図８】残留分極を示すグラフである。
【図９】（ａ），（ｂ）本発明の範囲に属する発電機の概略図である。
【図１０】本発明の範囲に属する大面積／多重積層発電機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
全般的に説明されて、図面に示されているとおり、本開示の構成要素は、多様な方式の異なる構成で配置及び設計可能であることが容易に理解できるであろう。したがって、図面に示されているような、以下におけるより詳細な説明は、本開示の範囲を制限しようとする意図ではなく、単に構成要素の例示的な組み合わせを示すものである。
【００３８】
上述したように、本発明の一側面は、ＮＭＳの応用による発電デバイスの生成である。図１に示されているように、核のスピンは、奇数及び偶数指定によって定義することができる。図１の上部グラフは、偶数−Ｎ、奇数−Ｚ核の測定された磁気双極子モーメントを表わす。Ｚは、原子番号であり、Ｎは、原子または同位元素内の中性子の数である。上部シュミットラインは、奇数陽子のスピン及び軌道角運動量が互いに平行である場合の予測値である。下部シュミットラインは、奇数陽子のスピン及び軌道角運動量が互いに逆平行である場合の予測値である。下部グラフは、奇数−Ｎ、偶数−Ｚ核の測定された磁気双極子モーメントを表わす。
【００３９】
１を超過するスピンを有する核は、さらに電気四重極モーメントを有し、これは、スピン軸にリンクされて、電場勾配、特に原子価電子から誘導された電場勾配にあるとき、エネルギ項を生じさせる。核に対して、電気双極子モーメントは０であり、電荷そのものは別として、一次的な電気タームは電気四重極モーメントである。これは、核の非球状の形状を描写するものと考えることもできる。スピン軸は、必ず円筒状の対称の軸であるが、核は、極性軸に沿って延長されることもでき、この場合、四重極モーメントは正である。反対に、ある核は、延長された赤道の軸を有して、極で扁平となり、このときのモーメントは負である。このような２つのジオメトリーの図面に関しては、図２を参照されたい。方程式Ｑ＝∫ρｒ２（３ｃｏｓ２θ−１）ｄτは、四重極モーメントＱの定義であり、ρは、単位体積当たりの電荷密度であり、ｒは、体積元素の距離であり、ｄτは原点からであり、そして、シータは、半径ベクトルとスピン量子化軸との間の角である。Ｑは、長さの二乗の次元を有する。
【００４０】
核四重極モーメントは、位置している電場、Ｅの勾配と相互作用する。この勾配は、電位Ｖの２次導関数である。この量は、方向を指示する適切な添字とともに一般にｑと表記する。ｚ方向は、最大のフィールド勾配として取られる。これは、電荷生成の効率を増加するものである。
【００４１】
偶数スピン数は、奇数値と比較して大きな値を有する。偶数指定は、図２に示されているようにモデリングすることができる。偶数−Ｎと奇数−Ｚを有する核が図２の左側に示され、奇数−Ｎと偶数−Ｚを有する核が右側に示されている。
【００４２】
図２から、核磁気スピンは、核の非球状ジオメトリーの測定であることが分かる。スピン値が大きいほど、核はより非球状である。最大の角運動量を有する核は、右側の図に示された特性を有する、奇数−Ｎと偶数−Ｚの核から来ることになる。
【００４３】
大きい角運動量の長所を取り、その運動を振動電子内に転換させるためには、核振動が電子に及ぼす影響を考慮しなければならない。図３は、振動する核のジオメトリーを示している。
【００４４】
磁場内の磁気双極子モーメントに対して、システムが、配向位置エネルギΔＥを放出する方法が無い。それで、磁気双極子モーメントは、磁場に沿って整列することができない。その代わりに、磁気双極子モーメントは、Ｂフィールド軸の周りで歳差運動をすることになる。歳差運動は、双極子に作用するトルク（Ｔ）の結果である。次の数式は、Ｂに対するμｌの歳差の角周波数の大きさを与える。
【００４５】
【数１】
2010505385.tif 000004
この現象象は、ラーモア歳差として知られており、ωは、ラーモア周波数である。
【００４６】
【数２】
2010505385.tif 000005
一部の表記は、最初に論議したものと違う。これは、参照文献からの符号及び表記の差異に起因する。しかし、表記がどの部分で変わったかは区別しなければならない。例えば、以前に使用されたｌは、文献１から来たものであって、文献２で使用されたμｌと等価である。
【００４７】
ボーア磁子は、次の数式で与えられる。
【００４８】
【数３】
2010505385.tif 000006
数式４は、磁気双極子に作用する平均力を与える。
【００４９】
【数４】
2010505385.tif 000007
このような数式の正味の影響は、非球状の形状、特に延長された「赤道」を有する核の歳差運動に対して、核内の正電荷の非球状分布が存在するということである。このような正の電荷の分布は、電子に対して、特に磁場内の運動が、強誘電体またはキャパシタのような材料上に自発的であり且つ継続的な電荷を生成する原子価電子に対して、クーロン効果を有する。
【００５０】
生成可能なエネルギの大きさは、おおよそ２μｌＢである。この数式は、磁場内の磁気双極子を、Ｂフィールドに対する平行配向からＢフィールドに対する逆平行配向にフリップするのに必要とされるエネルギの量に対応する。磁場が１テスラであり、磁気スピンが５／２である１モルのプラセオジミウムを使用していると仮定すれば、この実施例から導き出されるエネルギ量は、約２７．８ジュールである。プラセオジミウムを用いた以下の例は、このような数字がどのようにして得られたのかを表わしている。
【００５１】
双極子を整列するためのエネルギは、数式ΔＥ＝μｌ・Ｂによって得られ、μｌは、プラセオジミウムに対する核磁気モーメント（５／２）であり、Ｂは、我々が１テスラと仮定している磁場の強度である。次いで、２×μｌは、磁場に合わせて及びそれに反して整列するために要求されるトータルエネルギを与える。そうすると、エネルギＥ＝２（５／２）０．９２７×１０−２３ａｍｐ‐ｍ２×１ジュール／ａｍｐ‐ｍ２、すなわち４．６３５×１０−２３ジュール／原子が得られる。０．９２７×１０−２３ａｍｐ‐ｍ２という数字は、ボーア磁子の値である。さて、プラセオジミウム核が、そのスピンを磁場に平行に配向することから、磁場に逆平行に変化させるときに放出されるエネルギが得られた。１モルの原子に対して、放出されるエネルギは、Ｅ＝４．６３５×１０−２３ジュール／原子×６．０２２×１０２３原子／モル＝２７．９ジュール／モルである。ジュール×秒はワットであり、したがって、１モルのプラセオジミウムから潜在的に放出することのできるエネルギの量は、２７．９ワットである。
【００５２】
原子と分子内に幾つかの振動モードが存在する。大抵の振動モードは、熱的振動（室温で１０１３Ｈｚ以下）、電子運動などのようにマイクロ波の範囲以上である。一部の振動は、メガヘルツの範囲以下で測定される。このような振動は、発電に有利である。このようなタイプのデバイスの例は、点火器で見られるように圧電特性に基づいたもの、及び、電荷を生成するために温度差を用いる焦電気発生機である。前述した歳差のラーモア周波数は、通常、０．１から２０メガヘルツの範囲で測定される。これは、他の原子振動の場合と同様に、電荷を生成するための電子構成要素の周波数に対応するため、使用することができる周波数である。この周波数範囲の長所は、それが、これまでには活用されたことがないという点である。そして、この周波数範囲は、外部電子回路が内部調和振動を最適化するために使用されることのできる範囲内である。外部回路の使用は、圧電結晶の相互作用から、ＤＣ電流からＡＣ電流を抽出することを可能にする。このような実施例からデバイスを作製すると、次の数式及び論議によって与えられるキャパシタの構造と類似した大面積デバイスを作製することができる。キャパシタンスの数式は、次のように与えられる。
【００５３】
【数５】
2010505385.tif 000008
Ｃは、キャパシタンスであり、ε０は、自由空間の誘電率であり、ｋは、電極間材料の誘電定数である。
【００５４】
また、
【数６】
2010505385.tif 000009
そして、電圧を求めるためには、次の式を用いる。
【００５５】
【数７】
2010505385.tif 000010
さらに、
【００５６】
【数８】
2010505385.tif 000011
この数式は、デバイスの設計の最適化に関連する。デバイスは、できるだけ薄い層を有しなければならず、面積は大きくなければならない。他の設計は、強誘電体ホスト内に核磁気スピンの高い原子を含んでいてもよい。この設計の長所は、スピン材料と強誘電性材料との間にもっとも密接した接触を有していることである。
【００５７】
強誘電体は、結晶内の永久的な電気双極子モーメントで特徴付けられる。強誘電性材料において、双極子は、固体構造内でランダム化されている。極性化とともに、双極子のアラインメントが発生する。極性化した強誘電性材料が好ましい。双極子のこのようなアラインメントは、図４に概略的に示されている。原則的に、本発明の範囲に属する発電機は、大きな表面積を有しなければならない。大きな表面積を得る１つの方法は、発電機を多層として形成し、その層をできるだけ薄いものとすることである。多数の市販されている強誘電体は、ペロブスカイト構造を有する。
【００５８】
強誘電性の薄膜は、非揮発性の強誘電ランダムアクセスメモリ（ＮＶ−ＦＲＡＭ）デバイスに使用されることが知られている。強誘電膜を製造する多様な技法が公知されている。それらの方法のうちの１つは、非晶質膜を生成するスパッタリングまたはＭＯＣＶＤのような薄膜蒸着法であり、その後に、アニーリングが行われる。通常、中間物相を介して結晶化が進行される。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をアニーリングするとき、まず、パイロクロア相が形成され、その後にペロブスカイト相が続く。
【００５９】
表２には、一部の強誘電性材料の特性が記載されている。Ｐｓという用語は、強誘電性材料の表面電荷密度または電荷を貯蔵する能力の測定値を表わす。
【００６０】
【表２】
2010505385.tif 000012
発電機の構造
図５は、本発明の範囲に属する発電機の基本的な構成要素の概略図である。発電機は、高核磁気スピンまたは高残留分極を有する第１の材料と、第１の材料と密接に関連された、極性化された強誘電性材料とを含む。ここで、高核磁気スピンを有する材料は、１／２以上のスピンを有することになる。これは、原子の核が扁平化するかまたは延長することを意味する。高スピン値を有する材料は、より大量の電力の生成を可能とする。厳格に制御されるアプリケーションを除けば、スピンは、放射能を発生するほどに高くてはいけない。高核磁気スピンの材料の例は、図１に示されている。天然的に豊富であり、「奇数」のスピン特性もまた有する、高スピンの同位元素が好ましい。Ｐｒ、Ｍｎ及びＭｇの元素が、現在好ましい。ここで、「密接に関連された」とは、隣接した層からなる材料及び混合された材料を含む。
【００６１】
高核磁気スピンの材料及び強誘電性材料が、電気接触物の間に配置される。電気接触物は、金属材料であり得る。現在の好ましい実施形態において、１つの電気接触物は、タンタル、金、白金のようなアクセプタ材料または公知の他の材料である。他の電気接触物は、高い仕事関数を有する材料のような、ドナー材料である。高い仕事関数の材料の例は、これに限定されるものではないが、銀（４．６４ｅＶ）、ニッケル（５．２２ｅＶ）、アルミニウム（４．２０ｅＶ）、及びタンタル（４．１５ｅＶ）を含む。低い仕事関数の材料の一部例は、これに限定されるものではないが、ソジウム（２．３６ｅＶ）のようなアルカリ金属、またはユーロピウム（２．５ｅＶ）のような希土類金属を含む。
【００６２】
高核磁気スピンの材料に対して磁場が印加される。この磁場は、デバイスの全体構成に内部的に磁場を付加することにより導入することができ、または、磁場は外部から印加することができる。磁場の強度は、デバイスのカップリング効率に影響を及ぼすこともある。好ましくは、磁場は、調波共振に合わせてチューニングされ、デバイス性能の最適化を行うこともできる。本発明で使用可能な有効磁場の通常的な強度は、０．０１テスラから１０テスラの範囲であってもよい。
【００６３】
本発明の範囲に属する発電機が連続的に使用されるためには、最適の性能のために、短い時間の間に電荷を貯蔵するインダクタが必要となることがある。電荷の貯蔵時間は、それぞれの電力要素のキャパシタンス及びインダクタンスによって決定される。キャパシタンスとインダクタンスとの組み合わせは、ＬＣ回路に対して通常的な時定数を与える。キャパシタンス及びインダクタンスは、それぞれのアプリケーションごとに変化する。間歇的な使用のためには、インダクタの必要性はそれほど重要ではない。連続的な使用のためには、それぞれの電力要素には、デバイス内に組み込まれているかまたは外部的に統合されたインダクタが存在しなければならない。
【００６４】
図５に示された概略的なデバイスは、厚膜処理、薄膜処理、またはこの２つの処理の組み合わせを用いて具現することができる。次のセクションで厚膜処理の例について説明する。しかし、デバイスの大きさ及び性能を最適化するために、薄膜処理が具現されることがある。
【００６５】
図６は、本発明の範囲に属する多重層デバイスの概略図である。幾つかの層の材料が、異なる層の上に積層されている。図５に示されたデバイスのように、このデバイスは、高核磁気スピンまたは高残留分極を有する第１の材料（図面符号１）と、さらに、第１の材料と密接に関連された、極性化した強誘電性材料（図面符号２）の層とを含む。また、図６には、極性化した強誘電性材料または第１の材料の層のうち少なくとも１つに隣接して配置された磁気材料層３が示されている。多重層デバイスから電圧出力を収集するために、電気接触物が提供される。また、上述したように、インダクタが示されている。
【００６６】
図９及び１０は、より大きな「多層スタック」デバイスの概略図である。再び、これらのデバイスは、ここで論議された材料の多重層で構成される。
図９ａ及び９ｂは、酸化ルテニウムのような高表面積電極を用いる強誘電体発電機の概略図を示している。この場合、シリコン基板上に動作デバイスが設けられる。図１０は、図９に示された単一ユニットの繰り返しスタックを表わす。フレキシブル電極及び薄膜を使用すると、このようなスタックは、空間をより効率的にパッキングするか或いは使うために、圧延することができる。
【００６７】
以下、強誘電性材料を用いる固体発電機の可能な構造について概観する。
チタン酸バリウムは、変位タイプの強誘電体の典型である。分極は、イオンをその平衡位置からわずかに変位するようにさせる。これは、平衡イオン位置に非対称的である移動をもたらし、永久的な双極子モーメントの形成を引き起こす。規則−不規則の強誘電体には、それぞれのユニットセルに双極子モーメントが存在する。高温で、双極子ベクトルは、ランダムなした方向を指す。強誘電性材料のそれぞれの構成に対して、ＴＣで表記され、臨界温度と呼ばれる相転移温度が存在する。ＴＣよりも高温の強誘電体が、外部から印加される磁場で冷却されると、双極子は、ほとんどの双極子ベクトルが同一方向を指し示しながら整列される。
【００６８】
強誘電体の結晶はたびたび、強磁性体結晶と同様に、幾つかの転移温度及びドメイン構造ヒステリシスを示す。一部の強磁性体結晶における相転移の性質は、未だ明らかにされていない。
【００６９】
１９２１年に、Ｊ．Ｖａｌａｓｅｋは、ロッシェル塩（ＮａＫＣ４Ｈ４Ｏ６・４Ｈ２Ｏ）の変則誘電特性に関して調査する中、この材料が強誘電性を示すということを明らかにした。第２番目の強誘電性材料であるＫＨ２ＰＯ４は、１９３５年になってはじめて発見されており、後で異種同形体の一部が発見された。第３番目の強誘電性材料であるＢａＴｉＯ３は、Ａ．ｖｏｎ  Ｈｉｐｐｅｌにより１９４４年に報告された。その後、約２５０個の単一相材料及び多数の混晶システムが発見されてきた。
【００７０】
結晶が、双極子ベクトルを結晶内に固定する抗磁力よりさらに大きい外部電場の印加によって整列することができる内部双極子を有すれば、その結晶は、強誘電性である。ＰＳは、分極の飽和、すなわち、双極子の整列が最大の程度である。双極子の逆転は、スイッチングとしても知られている。それぞれの配向に対する結果的な状態は、０の外部電場において、エネルギの面及び対称の面で等価である。欠陥分布及び伝導率のような結晶の特性が、温度、圧力及び電極条件とともに、強誘電体の逆転に影響することができる。ほとんどの強誘電体は、ＰSとＴＣの特性値を有する。ＰＳの逆転または再配向は、常に原子変位の結果である。
【００７１】
ほとんどの強誘電体結晶の自発分極は、ＴＣ以下の温度で最も大きく、ＴＣで０に減少する。高温相もまた極性を示すと、ＰＳは、ＴＣでただ単に最小値を通過することができ；同様に、低温で他の相が形成されれば、そのような転移の下で、ＰＳは、増加したり減少したりするか、或いは０になることもある。
【００７２】
多重領域強誘電体結晶の方向に沿って抗磁気フィールドよりも高いｄｃフィールドを印加すると、すべてのＰＳベクトルの平行配向がもたらされる。磁壁を移動するために要求される最小限のｄｃフィールドは、抗磁気フィールドの測定値である。多重領域結晶におけるＰＳの初期値は、材料の特性である最大値までｄｃフィールドを増加するによって増加する。異なる部分でのＰＳの方位（ｓｅｎｓｅ）が逆転されるため、フィールドを逆転させることは、磁壁を再導入する。外部から印加されるフィールドがなければ、結晶は、自発分極より大きくない残留分極を有するはずであり、通常、ＰＳより小さい。完全逆転フィールド（ｆｕｌｌ  ｒｅｖｅｒｓｅ  ｆｉｅｌｄ）において、最終のＰＳは、本来の完全なＰＳと同等な大きさを有するが、符号が反対である。したがって、観察されるヒステリシスは、磁壁を移動させるために必要な仕事の関数であり、結晶における欠陥分布と、異なる配向状態を分離するエネルギバリアとの両方に密接に関連されている。
【００７３】
単一領域材料の自発分極は、通常、的に０．００１Ｃ／ｍ２から１０Ｃ／ｍ２の範囲に属する。数値は、慣例上、１０−２ｕＣ／ｃｍ２の単位で与えられる。単一結晶におけるＰＳの大きさは、強誘電体の逆転で発生する原子変位に直接関連しており、ユニットセル内の原子位置が既知であれば、それから計算することができる。Ｄｉを、原点でのｉ番目原子の位置とＰＳの方向に沿って逆戦された配向とを結合する原子変位ベクトルの構成要素であるとし、Ｚｉを有効電荷とし、Ｖをユニットセル体積であるとすれば、ＰＳ＝（１／２Ｖ）ＳｉＺｉＤｉである。自発分極は、細かいＸ線回折構造測定によって得られる電荷密度から直接、実験的に誘導することもできる。
【００７４】
変位強誘電体結晶における原子の配置は、通常、１Å未満の小さな変位が安定的な状態を維持するが、再配向したＰＳをもたらすようにする。中間位置配置は、より高度の対称構造に対応する。双極子の配向は、必ずしもランダムではなく、これは、このような状態の双極子は全て０であるかまたは正確に相殺されるからである。簡単な例は、バリウム原子は隅にあり、チタン原子は中心にあり、酸素原子は立方ユニットセルの面の真ん中にあって、「原型」結晶構造が立方体である、ＢａＴｉＯ３である。３９３Ｋのキュリー温度より下で、バリウム原子の位置を基準にして、チタン原子がｃ方向に沿ってその原型位置から約０．０５Åほど変位し、酸素原子が約０．０８Åほど反対方位に変位するため、結晶構造は、正方晶系である。その結果である変位は、自発分極を生じさせる。ｃ軸に沿って印加される電場は、チタン原子を約０．１Åほど、Ｏを約０．１６Åほど変位させることができ、このような軸及びＰＳの方位を逆転させる。
【００７５】
結晶におけるＰＳの相対的な方位は、単一領域結晶がＴＣより下で冷却するとき、極性面に展開される（ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ）電荷によって与えられる。このような方位は、Ｘ線回折実験で変則分散を用いることにより、原子の配置に関連することができる。ＰＳの絶対方位に対するすべての公知の実験的な決定は、有効な点電荷分布から計算される方位と一致し、したがって、正方晶系のＢａＴｉＯ３で、絶対方位は、酸素層から最も近いＴｉイオンに向かう方向に与えられる。一旦電場が解除されて、領域変化がなければ、ＰＳは、残留分極と同等である。
【００７６】
強誘電性材料は、ＰＳの逆転を生成する変位ベクトルＤｉの性質に基づいて、３つのクラスに分けることができる。１次元クラスは、正方晶系のＮａＴｉＯ３の場合と同様に、原子変位がすべてｃ軸に平行であることと関連される。このクラスで、ＰＳは、約０．２５Ｃ／ｍ２である。２次元クラスは、分極された軸を含む平面での原子の変位と関連される。以下において、ＢａＣｏＦ４を用いて、例を挙げることにする。
【００７７】
このペロブスカイトは、０．１Ｃ／ｍ２から０．３Ｃ／ｍ２に及ぶＰＳ値の範囲を有する。３次元クラスは、すべての３つの次元で類似した大きさを有する原子変位と関連される。典型的な例は、Ｔｂ２（ＭｏＯ４）３である。このクラスで、ＰＳは、約０．５Ｃ／ｍ２である。
【００７８】
一部の強誘電性材料が、表３に記載されている。リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）は、１２３Ｋで斜方晶系の強誘電体相から非極性である圧電正方晶系相に変換する。ロッシェル塩は、２つのキュリー温度を有し、２５５Ｋで非極性圧電斜方晶系から強誘電体単斜晶系に変換され、２９７Ｋで斜方晶系だがわずかに変化された構造に帰る。チタン酸バリウムは３個の強誘電体相及び３つのキュリー温度を有する：これは、１８３Ｋの下では菱面体であり、１８３Ｋと２７８Ｋの間では他の斜方晶系相であり、２７８と３９３Ｋの間では正方晶系であり、３９３Ｋより上では立方体になる。ニオブ酸ソジウムは、７３Ｋで強誘電体三方晶系から反強誘電体斜方晶系に変換し、６２７Ｋでは非極性斜方晶系に、さらに、より高い温度では４個の追加的な非極性相に変換する。
【００７９】
【表３】
2010505385.tif 000013
極性化強誘電体結晶は、材料をＴＣ以上に加熱して得ることができる。その後、充分に大きい（抗磁力よりも大きい）外部電場を印加して、強誘電性材料をＴＣ以下に冷却する。電場が除去されて、材料が室温まで冷却されると、最大の分極が実現される。時間が経つとともに、分極は、材料の安全性によって減衰することも、減衰しないこともある。この結果として生じた分極は、「残留分極」と呼ばれる。一部の場合において、残留分極は、自発分極と同様に維持されていてもよい。残留分極発生機の最大の出力のためには、高くて、安定的で且つ予測可能な残留分極を有する材料を用いることが好ましい。これは、安定した強誘電体領域を保持することにより達成される。
【００８０】
層を有する強誘電体デバイスによって、どのくらいの多量の電力を生成することができるのかを推定するために、キャパシタ概念からよく知られている数式及び用語を使用する。この場合、我々は、最大の残留分極材料のうちの１つを選択しなければならない。
【００８１】
例えば、ＺｎＯ上に成長したＢｉＦｅＯ３は、約０．９０Ｃ／ｍ２のＰｒを有する。
定義：
１    Ｃ＝クーロン＝１アンペア×秒
２    Ｃ＝１ファラッド（Ｆ）×ボルト（Ｖ）
４    ジュール／秒＝ワット
５    ジュール＝１／２（ボルト）２×クーロン
６    ジュール＝（Ｃ×Ｖ）／２
上式から、ＢｉＦｅＯ３が、約０．９０Ｃ／ｍ２のＰｒを有することが分かる。
【００８２】
もし層当たり２０ボルトの電位を有すると仮定すると、
定義２から、層当たり０．９０Ｃ／ｍ２／２０ボルト＝０．０４５Ｆが存在することが分かる。
【００８３】
定義６から、層当たり生成されたエネルギは、エネルギ＝［２０Ｖ×０．０４５ファラッド］／２＝９．０ジュールと決定することができる。
キャパシタに対する充電時間（ｔ）が発電機に対する充電時間と同等であると仮定すると、次の数式が適用されると推定される。
ｔ（秒）＝オーム×キャパシタンス
内部抵抗が約１０オーム／ｍ２であれば、これから、内部損失を幾分か考慮する必要がある。それでは：１０オーム×０．０４５ファラッド＝０．４５秒である。そうすると、定義４から、電力は、約９．０ジュール／０．４５秒の２０ワットの連続的な電力であることが分かる。
【００８４】
そして、層当たり２０ワットで、１，０００個の層を有する完全なデバイスは、２０，０００ワットを産出することができる。したがって、ＲＰＥＧメカニズムを使用して、連続的な電力発生機を製作することができる。
【００８５】
表４は、本発明で使用されるための候補となる選択された元素に対する参照情報を提供している。
【００８６】
【表４】
2010505385.tif 000014
2010505385.tif 000015
2010505385.tif 000016
2010505385.tif 000017
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2010505385.tif 000019
2010505385.tif 000020
【実施例】
【００８７】
以下の実施例は、本発明の範囲に属する多様な実施形態を説明するために提示される。これらの実施例は、単なる例示として与えられたものであり、以下の実施例が本発明の範囲に属する多数の実施形態を包括するか網羅するものではない。
【実施例１】
【００８８】
プラセオジミウムドーピング-ＮＭＳＧ
幅が約１．５インチ（３．８ｃｍ）であり、長さが約８フィート（２．４ｍ）であり、厚さが約０．００２インチ（０．０５ｍｍ）であるタンタルシートが、厚さが約０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）という点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムと酸化プラセオジミウムの活性混合物は、９０：１０から５０：５０までのモル比で、５％の増分で混合した。この混合物は、ニューヨーク所在のコルトロニクス社のレスボンド９０７（Ｒｅｓｂｏｎｄ９０７）と呼ばれるマイカベースのセメントと混合された。セメントと活性パウダーの比率は、５０：５０重量％比であった。ある混合物では、酸化プラセオジミウムの代わりに鉄粉が０．２モルパーセントまで加えられた。最後に２つの金属ホイルに塗装するか、刷毛で塗る厚いスラリーペーストを製造するために、蒸留水が加えられる。その後、２つのホイルは、互いの上に載せられて、１／２インチのマンドレルの上で圧延される。アルミニウムホイルは負電極に連結されて、タンタルホイルは正電極に連結された。組み合わされたコイルは、真空下で４６０℃まで加熱され、約１ミリアンペアの小さな電流で、６，０００ボルトを使用して極性化された。
【００８９】
コイルが極性化された後に、完成された発電機は、３．５Ｖの電位を生成した。電流をテストするために、電極の間にＬＥＤが配置されて、連続的に点灯されていた。ＬＥＤは、２．２ボルト及び１０ミリアンペアのターンオン電圧を必要とした。
【実施例２】
【００９０】
マンガンドーピング-ＮＭＳＧ
幅が約１．５インチ（３．８ｃｍ）であり、長さが約８フィート（２．４ｍ）であり、厚さが約０．００２インチ（０．０５ｍｍ）であるタンタルシートが、厚さが約０．００１（０．０２５ｍｍ）インチという点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムと酸化マンガンの活性混合物は、９０：１０のモル比で混合した。
【００９１】
この混合物は、ニューヨーク所在のコルトロニクス社のレスボンド９０７と呼ばれるセメントと混合された。セメントと活性パウダーの比率は、５０：５０の重量％比であった。ある混合物では、酸化マンガンの代わりに鉄粉が０．２モルパーセントまで加えられた。その後、２つの金属ホイルに塗装するか、刷毛で塗る厚いスラリーペーストを製造するために、蒸留水が加えられた。その後、２つのホイルは、互いの上に載せられて、１／２インチ（１．３ｃｍ）のマンドレルの上で圧延される。アルミニウムホイルは下で４６０℃まで加熱され、約１ミリアンペアの小さな電流で、６，０００ボルトを使用して極性化された。
【００９２】
コイルが極性化された後に、完成された発電機は、約５Ｖの電位を生成した。電流をテストするために、電極間にＬＥＤが配置されて、連続的に点灯された。ＬＥＤは、２．２ボルト及び１０ミリアンペアのターンオン電圧を必要とした。
【実施例３】
【００９３】
チタン酸バリウム−ＲＰＥＧ
幅が約１．５インチ（３．８ｃｍ）であり、長さが約８フィート（２．４ｍ）であり、厚さが約０．００２インチ（０．０５ｍｍ）であるタンタルシートが、厚さが約０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）という点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムの活性混合物は、５０：５０のモル比で混合した。この混合物は、ニューヨーク所在のコルトロニクス社のレスボンド９０７と呼ばれるセメントと混合された。セメントと活性パウダーの比率は、５０：５０の重量％比であった。後に、２つの金属ホイルに塗装するか、刷毛で塗る厚いスラリーペーストを製造するために、蒸留水が加えられる。その後、２つのホイルは、互いの上に載せられて、１／２インチ（１．３ｃｍ）のマンドレルの上で圧延される。アルミニウムホイルは負電極に連結されて、タンタルホイルは正電極に連結された。組み合わされたコイルは、真空で４６０℃まで加熱され、約１ミリアンペアの小さな電流で、６，０００ボルトを使用して極性化された。
【００９４】
コイルが極性化された後に、完成された発電機は、約３Ｖの電位を生成した。電流をテストするために、電極間にＬＥＤが配置されて、連続的に点灯された。ＬＥＤは、２．２ボルト及び１０ミリアンペアのターンオン電圧を必要とした。
【実施例４】
【００９５】
プラセオジミウムドーピング-ＮＭＳＧ
幅が約１．５インチ（３．８ｃｍ）であり、長さが約８フィート（２．４ｍ）であり、厚さが約０．００２インチ（０．０５ｍｍ）であるタンタルシートが、厚さが約０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）という点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムと酸化プラセオジミウムの活性混合物は、９０：１０のモル比で混合した。この混合物は、ニューヨーク所在のコルトロニクス社のレスボンド９０７と呼ばれるセメントと混合された。セメントと活性パウダーの比率は、５０：５０の重量％比であった。ある混合物では、酸化プラセオジミウムの代わりに鉄粉が０．２モールパーセントまで加えられたりした。後に２つの金属ホイルに塗装するか、刷毛で塗る厚いスラリーペーストを製造するために、蒸留水が加えられる。その後、２つのホイルは、互いの上に載せられて、１／２インチ（１．３ｃｍ）のマンドレルの上で圧延される。アルミニウムホイルは負電極に連結されて、タンタルホイルは正電極に連結された。組み合わされたコイルは、真空下で４６０℃まで加熱され、約１ミリアンペアの小さな電流で、６，０００ボルトを使用して極性化された。
【００９６】
コイルが極性化された後に、完成された発電機は、約１００Ｖの電位を生成した。電流をテストするために、電極の間にＬＥＤが配置されて、連続的に点灯された。ＬＥＤは、２．２ボルト及び１０ミリアンペアのターンオン電圧を必要とした。
【実施例５】
【００９７】
チタン酸ジルコン酸鉛プラスチタン酸バリウム-ＲＰＥＧ
幅が約１．５インチ（３．８ｃｍ）であり、長さが約８フィート（２．４ｍ）であり、厚さが約０．００２インチ（０．０５ｍｍ）であるタンタルシートが、厚さが約０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）という点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムとチタン酸ジルコン酸鉛酸化物の活性混合物は、５０：５０のモル比で混合した。この混合物は、ニューヨーク所在のコルトロニクス社のレスボンド９０７と呼ばれるセメントと混合された。セメントと活性パウダーの比率は、５０：５０の重量％比であった。後に２つの金属ホイルに塗装するか、刷毛で塗る厚いスラリーペーストを製造するために、蒸留水が加えられた。その後、２つのホイルは、互いの上に載せられて、１／２インチのマンドレルの上で圧延される。アルミニウムホイルは負電極に連結されて、タンタルホイルは正電極に連結された。組み合わされたコイルは、真空下で４６０℃まで加熱され、約１ミリアンペアの小さな電流で、６，０００ボルトを使用して極性化された。
【００９８】
このデバイスは、５０ボルトの電位を生成しており、これは、２週間の期間にわたって約５ボルトまで徐々に減衰した。このような減衰は、内部抵抗の低下をもたらした水気の吸収に起因した。
【実施例６】
【００９９】
スパッタリングされたバナジウム-ＮＭＳＧ
無線周波数（ＲＦ）マグネトロン真空チャンバ内で、ユタ州ソルトレークシティに所在のＥＤＯセラミックス社から入手可能なＰＺＴディスク上に、バナジウム金属がスパッタリングされる。このディスクは、厚さが約０．０２０インチ（０．５ｍｍ）であり、直径は、約１．５インチ（３．８ｃｍ）である。このディスクは、片方の面は銀でコーティングされており、バナジウムは、他の電極として働く。ディスクは、０．５テスラの外部磁石の内に位置された。やはり、バナジウム層を有するデバイスは、予測されたキャパシタンス効果を除けば、有意な電圧または電流を示さなかった。
【０１００】
ディスクが極性化された後に、完成された発電機は、電圧または電流が生成されないという否定的な結果をもたらした。これは、たとえバナジウムが天然的な豊富性が高く、高核磁気スピンを有するとしても、核スピンが「偶数」構成であるという事実に起因する。したがって、専ら「奇数」スピン核だけが、強誘電性材料により大きな影響を与える外殻電子との十分なクーロン力の相互作用を提供するという結論が得られた。
【実施例７】
【０１０１】
スパッタリングされたモリブデン-ＮＭＳＧ
無線周波数（ＲＦ）マグネトロン真空チャンバ内で、ユタ州ソルトレークシティーに所在のＥＤＯセラミックス社から入手可能なＰＺＴディスク上に、モリブデン金属がスパッタリングされる。このディスクは、厚さが約０．０２０インチ（０．５ｍｍ）であり、直径は、約１．５インチ（３．８ｃｍ）である。このディスクは、片方の面は銀でスパッタリングされており、モリブデンは、他の電極として働く。スパッタリングされた銀の厚さは、約２００ｎｍであり、モリブデンの厚さは、約８００ｎｍであった。ディスクは、０．５テスラの外部磁石の内に位置されている。モリブデン層を有するデバイスで得られた電位は約０．５Ｖであり、電流は３から６マイクロアンペアと測定された。電流及び電圧は、約６ヶ月間一定であった。デバイスは、構成要素の沈殿または拡散に対する電極ＰＺＴ界面を分析するために、区分化した。界面でどのような異常も発見されなかった。
【実施例８】
【０１０２】
ジュウテリウムでドーピングされたマグネシウム−ＮＭＳＧ
（ＲＦ）マグネトロン真空チャンバ内で、ユタ州ソルトレークシティに所在のＥＤＯセラミックス社から入手可能なＰＺＴディスク上に、厚さが８００ｎｍのマグネシウム金属層がスパッタリングされる。このディスクは、厚さが約０．０２０インチ（０．５ｍｍ）であり、直径は、約１．５インチ（３．８ｃｍ）である。このディスクの反対側は、厚さが２００ｎｍの銀層でコーティングされている。銀とマグネシウムは、電極として働く。コーティングされたディスクは、ジュウテリウムがマグネシウム層内に反応的にスパッタリングされる、ＲＦマグネトロンスパッタチャンバに配置された。約７％のマグネシウムが反応して、マグネシウムとともに重水素化された混合物を形成した。ディスクは、０．５テスラの外部磁石の内に位置された。ジュウテリウムがドーピングされたモリブデン上で得られた電位は約１ボルトであり、電流は約６マイクロアンペアと測定された。
【実施例９】
【０１０３】
ＲＰＥＧ
この場合、時々擬似キャパシタとも呼ばれるウルトラキャパシタが分解されて、残留分極発電機の作製に使用される構成部品を取り除いた。これらのうちの幾つかは、分解された２０から５０ファラッドのキャパシタを用いて製造された。活性電解質材料が除去されて、ポリビニリデンフルオライドで置き換えられた。このポリマは、それぞれ２０／８０の体積比でテトラヒドロフランに溶解された。酸化ルテニウムからなる２つの電極層が、この溶液に浸漬された。この溶液は、これらの２つの電極層上で６０℃で空気乾燥された。コーティングされた層は、巻かれて、ポリビニリデンフルオライドが溶解される１７０℃で２時間加熱されて、デバイスに製作された。冷却に際して、２つの電極層は、約２メガオームの内部抵抗で互いに電気的に分離された。このような特定の場合において、結晶化及び自己分極プロセスが起こり、電気的極性化で見られる効果のように、正と負の領域に分けられて組職化された機能的グループに電荷を供給した。デバイスは、自発的に自己充電され、電極に対して適切に接続することにより、電流及び電圧を測定することが可能となった。デバイスの測定された性能は、０．３５４ボルトを示しており、２ミリアンペアの電流を生成した。このデバイスのこれらの電極は、２週に至る長い時間の間に数回短絡され、すべての場合において、このデバイスは、上述の値まで自発的で且つ連続的に再充電された。充電または放電回数の劣化は、観察されなかった。
【０１０４】
上述した小規模の実験の結果に基づいて、多重層を有するか或いは圧延された構成を利用する別のデバイスが製作され、実質的により高い電流及び電圧を生成することもできる。発明の範囲内の発電機は、バッテリ及びキャパシタを「細流充電」するのに十分であり、携帯電話機、ＰＤＡ、ノート型パソコン、ＧＰＳデバイス、携帯型音楽プレーヤ、フラッシュライト、リモートコントロールデバイス、無線及び通信デバイスなどのような多様な電子デバイスに電力を供給する定電流を供給するために使用することもできる。その他の発電機は、ペースメーカーのための医療用インプラント及び痛症管理のための電気刺激のような医療用用途、並びに、ディスクリート回路基板チップに対して電力を供給することもできる。
【０１０５】
本発明の範囲に属する発電機は、遠隔位置、家庭、事業場、自動車、ボートなどのための独立型の発電を提供するのに十分な規模で作製することもできる。軍事用用途は、人工衛星、宇宙探査、及び野戦用途用の発電機を含むことができる。
【０１０６】
上述した開示は、独立した有用性を有する多数の別個の発明を包含すると考えられる。本発明が好ましい形態として開示されてきたが、ここに開示されて図示された特定の実施形態は、制限的な意味であると見なされてはならず、数多くの変形が可能である。本発明の主題は、上述した多様な構成要素、特徴、機能及び／または性質の、新規で且つ自明ではない組み合わせまたは下位組み合わせを全て含む。本開示、現在出願された請求項、または後に提示される請求項が「１つの」または「第１の」構成要素またはその等価物を言及していても、本発明の範囲は、１つ以上のそのような構成要素の組み込みも含むものとして理解すべきであり、それらの構成要素を２つ以上使用することを必要としたり排除しようとする意図はない。
【０１０７】
本出願人は、現請求項を提出しながら、開示された本発明の中の一つに向けられた、新規で且つ自明ではないと思われる特定の組み合わせ及び下位組み合わせに対する請求項を提出する権利を留保する。特徴、機能、構成要素及び／または性質に対する他の組み合わせ及び下位組み合わせで具現された発明は、本出願または関連出願において新たな請求項の提示またはそれらの請求項の補正を通じて請求されることも可能である。そのように補正されたり、新たな請求項は、異なる発明に対するのか或いは同一の発明に対するのか関係なく、さらに、本来の請求項に関する範囲と異なるか、より広いか、より狭いか或いは同等であるかに関係なく、本開示の発明の主題の範囲に属するものと見なされる。
【０１０８】
本発明は、本明細書に広範囲に説明されて請求されているような構造、方法、または他の本質的な特徴から逸脱することなく、別の特定の形態で具現されることもできる。説明された実施形態は、すべての面で単なる例示的なものと見なされるべきであり、制限的なものではない。したがって、本発明の範囲は、上述した説明よりは添付の請求項によって示される。請求項の等価物に関する意味及び範囲内に属するすべての変形は、発明の範囲に属するものとして捉えなければならない。
【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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【国際調査報告】
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