(57)【要約】【課題】  振動のみによる発電を可能とする電圧発生方法とその電圧発生装置を提供する。【構成】  少なくとも１つのカーボンナノコイルの一端を導電性電極上に固定し、そのカーボンナノコイルにベリー位相が作られた状態でカーボンナノコイルを導電性電極に対して相対的に振動させることにより、導電性電極に電圧を発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのカーボンナノコイルの一端を導電性電極上に固定し、そのカーボンナノコイルにベリー位相が作られた状態でカーボンナノコイルを導電性電極に対して相対的に振動させることにより、導電性電極に電圧を発生させることを特徴とする電圧発生方法。
【請求項２】
導電性電極と当該導電性電極上に一端が固定されたカーボンナノコイルとを有しており、そのカーボンナノコイルにベリー位相が作られた状態でカーボンナノコイルを導電性電極に対して相対的に振動させることにより、導電性電極に電圧を発生させることを特徴とする電圧発生装置。
【請求項３】
カーボンナノコイルが、シングルウォールカーボンナノチューブをらせん状に巻回成長させたものであることを特徴とする請求項２記載の電圧発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、電圧発生方法および電圧発生装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、振動のみによる発電を可能とする電圧発生方法とその電圧発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、カーボンナノチューブの特異な形状および特性を利用した数多くの研究が、国内外を問わず、また、理学、工学、医学等の幅広い分野で、基礎および応用の両面から積極的になされている。また一方で、カーボンナノチューブのような直線状の繊維とは異なり、カーボンナノコイルやカーボンナノツイストといったらせん形状および捻じれ形状の炭素繊維についても、その物性や製造方法、応用等に関する研究が進められている。しかしながら、カーボンナノチューブと比較すると、カーボンナノコイルやカーボンナノツイストについての研究は十分に進行しているとは言えない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そしてこれらの材料は、たとえば、ナノスプリング、生体トレーサ等のナノマシン、電磁波吸収体、ナノインダクタ等のナノ電子デバイス、緻密フィルタ等としての応用が期待されているものの、同時に、カーボンナノコイルやカーボンナノツイストが有するナノレベルのらせん形状および捻じれ形状という特異な形状やそれに起因するいまだ未知の特性を活かした、全く新しい応用の展開が模索されている段階でもある。
【０００４】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、ナノレベルのらせん形状および捻じれ形状を量子レベルで捉えることにより、振動のみによる発電を可能とする新規な電圧発生方法およびその装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、少なくとも１つのカーボンナノコイルの一端を導電性電極上に固定し、そのカーボンナノコイルにベリー位相が作られた状態でカーボンナノコイルを導電性電極に対して相対的に振動させることにより、導電性電極に電圧を発生させることを特徴とする電圧発生方法を提供する。
【０００６】
また第２には、導電性電極と当該導電性電極上に一端が固定されたカーボンナノコイルとを有しており、そのカーボンナノコイルにベリー位相が作られた状態でカーボンナノコイルを導電性電極に対して相対的に振動させることにより、導電性電極に電圧を発生させることを特徴とする電圧発生装置を提供する。
【０００７】
第３には、前記カーボンナノコイルが、シングルウォールカーボンナノチューブをらせん状に巻回成長させたものであることを特徴とする前記電圧発生装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
上記第１の電圧発生方法によれば、導電性電極上に一端を固定させたカーボンナノコイルを、ベリー位相が作られた状態で、導電性電極に対して相対的に振動させるだけで、発電を実現することができる。
【０００９】
上記第２の電圧発生装置によれば、上記第１の電圧発生方法と同様な効果が得られ、振動のみによる発電を可能とする装置が実現される。
【００１０】
上記第３の電圧発生装置によれば、上記第２の電圧発生装置と同様な効果が得られ、また、シングルウォールカーボンナノチューブをらせん状に巻回成長させたシングルウォールカーボンナノコイルを用いることで、より効率的な電圧発生を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１２】
この出願の発明者は、これまでに培ってきた量子微細エレクトロニクス研究の経験に基づき、カーボンナノチューブの持つ大きな可能性をさらに開拓するべく、カーボンナノチューブについてさまざまな調査研究を行ってきた。そして、カーボンナノチューブをらせん形状にしたカーボンナノコイルについて、理想的一次元チャンネルであるカーボンナノコイル中を電子は位相を保持しながらコヒーレントに伝播し、幾何学的位相（ベリーの位相）を獲得すること、またこのベリーの位相がコイルを貫くベクトルポテンシャルと同様の働きをするので、ベクトルポテンシャルの時間微分が電圧であるように、ベリーの位相の時間微分も電圧になることに着目し、この出願の発明を完成するに至ったものである。
【００１３】
すなわち、この出願の発明が提供する電圧発生方法では、少なくとも１つのカーボンナノコイルの一端を導電性電極上に固定し、そのカーボンナノコイルにベリー位相が作られた状態でカーボンナノコイルを導電性電極に対して相対的に振動させることにより、導電性電極に電圧を発生させることを特徴としている。
【００１４】
たとえば図１に示したように、導電性電極上にカーボンナノコイルの一端を固定し、その後電極を含む全体に振動を加えるなどしてカーボンナノコイルを導電性電極に対して相対的に振動させると、カーボンナノコイルの相対位置が時間的に変化する。その結果、獲得されたベリーの位相も時間的に振動することになり、ベリーの位相の時間微分に相当する電圧が電極に発生することになる。
【００１５】
より理論的に説明すると、一般に、ファラデーの電磁誘導則によると、コイル中を伝播する電子によりコイルの周りには磁束が発生し、以下のとおりの電圧が発生する。
【数１】
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【００１６】
一方のこの出願の発明において、カーボンナノコイル中を電子が伝播する場合の電子の波動関数は、以下のとおりとなり、
【数２】
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【００１７】
ここにベリーの位相を導入すると、
【数３】
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【００１８】
そして新たに磁束Φ’を定義すると、
【数４】
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【００１９】
従って、
【数５】
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【００２０】
となり、ファラデーの電磁誘導則によらない発電が可能となる。
【００２１】
これにより、カーボンナノコイルを備えた導電性電極を振動させるだけで、他にはいかなる操作も不要な発電方法が実現されることになる。
【００２２】
また、この出願の発明が提供する電圧発生装置は、上記のこの出願の発明の電圧発生方法を実現するのに適した装置であって、導電性電極と当該導電性電極上に一端が固定されたカーボンナノコイルとを有しており、そのカーボンナノコイルにベリー位相が作られた状態でカーボンナノコイルを導電性電極に対して相対的に振動させることにより、導電性電極に電圧を発生させることを特徴としている。
【００２３】
この出願の発明の電圧発生装置に用いることのできるカーボンナノコイルは、電子が散乱なく伝播できるものであることが好ましい。
【００２４】
その形態には厳密な制限はないが、代表的には、たとえば、電気伝導性を有するカーボンファイバがらせん状（コイル状）に丸まった形態のものであって、その直径が１０００ｎｍ程度以下で、コイルピッチが１μｍ程度以下、そしてコイル長さは任意のものとすることができる。より好ましくは、直径が１〜２ｎｍ程度の範囲で、コイルピッチが数百ｎｍ程度の範囲、コイル長さが３〜１０μｍのものである。カーボンファイバについては、直径が０．０１〜１μｍ程度のグラファイト構造からなるファイバであれば、中心が空洞でないものであっても、中心が空洞のいわゆるカーボンナノチューブであっても良い。
【００２５】
また、シングルウォールカーボンナノチューブをらせん状に巻回成長させた形態のシングルウォールカーボンナノコイルであること、さらには欠陥のない高品質なシングルウォールカーボンナノコイルであることが、より一層効率的に電圧を発生させる点で、好ましいものとして例示される。
【００２６】
またさらに、カーボンナノコイルとしては、らせんのねじれが極めて強くコイルの穴がないカーボンナノツイストと呼ばれるものをも含むことができる。
【００２７】
一方、この出願の発明の電圧発生装置に用いることのできる導電性電極は、電気伝導性を示す材料であれば特に制限はなく、その大きさおよび形状等についても任意のものとすることができる。
【００２８】
そして、カーボンナノコイルは、少なくとも１つが、その一端を導電性電極に固定されることになる。ここで、１本のカーボンナノコイルのみによっても発電することができるが、多数のカーボンナノコイルを高密度に固定させることにより、発電量を増大することができるのは言うまでもない。
【００２９】
カーボンナノコイルの導電性電極への固定については、各種の有機、無機、金属材料による接着等のさまざまな手法を考慮することができるが、たとえば、カーボンナノコイルを導電性電極としての触媒および基板上に成長させたり、導電性電極としての基板上に選択的に成長させたり、さらには導電性電極上に付着するように成長させるなどして、そのまま用いること等も可能である。
【００３０】
たとえば、カーボンナノコイルを触媒および基板上に直接成長させる場合には、導電性電極としては、現状のカーボンナノコイルの成長条件において反応しないという条件が課せられるため、Ｓｉ等を用いることがより好ましい例として示される。もちろん、カーボンナノコイルの成長技術の進歩により、導電性電極はＳｉ等に限定されること無く、各種の材料、たとえばＦｅ等を使用できる可能性がある。
【００３１】
以上により、振動させるだけで発電が可能な電圧発生装置が実現されることになる。
【００３２】
なお、振動の条件については、発生する電圧をＶ、ベリーの位相をΩとすると、
【数６】
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【００３３】
となるので、急激な振動が電圧の発生にはより有利である。
【００３４】
また、温度３１０Ｋ〜４０Ｋで理想的な高品質のカーボンナノチューブおよびカーボンナノコイルの製造が可能となっていることから、室温での動作ももちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この出願の発明の電圧発生装置の一例を模式的に例示した斜視図である。
【図１】
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