(57)【要約】ホスト・デバイスで使用するために電気を供給するシステムおよび方法である。システムは、構造およびインタフェースを備えている。構造は、基盤に関して配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えている。動作に関しては、システムは、電気の圧電発生を容易にするための力刺激を受けている。詳細にはアレイが力を受け、その力から電気を圧電発生している。アレイは、インタフェースと電気結合している。構造は、インタフェースを介して、インタフェースと結合している電気デバイスに電気を供給することができる。
2004518389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホスト・デバイスで使用するために電気を発生するシステムであって、システムが電気の発生を容易にするための力刺激を受け、かつ、
基盤と、基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイとを備えた構造であって、アレイが力を受け、その力から電気を圧電発生する構造と、
アレイと電気結合したインタフェースとを備えたシステム。
【請求項２】
インタフェースと電気結合したバッテリ・アセンブリをさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
バッテリ・アセンブリがアレイから電気を受け取る、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
インタフェースが変換器を備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
変換器がアレイから電気を受け取り、受け取った電気を交流に変換する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
アレイが複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブを備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
絶縁単一壁炭素ナノチューブの各々が、絶縁単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを禁じるように構成された、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
アレイが複数の半導電単一壁炭素ナノチューブを備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
半導電単一壁炭素ナノチューブの各々が、半導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを抑制するように構成された、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
アレイが複数の導電単一壁炭素ナノチューブを備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
導電単一壁炭素ナノチューブの各々が、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを促進するように構成された、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
導電単一壁炭素ナノチューブの各々が、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気を導電性の高い流れに促進するように構成された、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
ホスト・デバイスが超小型電気機械システム（ＭＥＭ）を備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
ホスト・デバイスがナノスケール・システムを備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
構造がスプリングからなる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
電気を発生するシステムであって、システムが電気の発生を容易にするための力刺激を受け、かつ、
基盤および基盤と共に配列された炭素ナノチューブのアレイを備えた構造であって、アレイが力を受け、その力から電気を圧電発生する構造と、
アレイと電気結合したインタフェースとを備えたシステム。
【請求項１７】
バッテリを充電するためのシステムであって、システムが電気の発生を容易にするための力刺激を受け、かつ、
基盤および基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた構造であって、アレイが力を受け、その力から電気を圧電発生する構造と、
アレイおよびバッテリと電気結合したインタフェースであって、バッテリがインタフェースを介してアレイから電気を受け取るインタフェースとを備えたシステム。
【請求項１８】
ホスト・デバイスで使用するために電気を供給するための方法において、
構造に力を印加する段階であって、構造が基盤および基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた段階と、
構造に印加される力に基づいて、アレイを介して電気を発生させる段階と、
アレイと電気結合したインタフェースを介して、アレイから電気を受け取る段階と、
インタフェースからインタフェースと結合したホスト・デバイスに電気を引き渡す段階とを含む方法。
【請求項１９】
インタフェースからホスト・デバイスと電気結合した蓄積ユニットに電気を引き渡す段階をさらに含む方法。
【請求項２０】
電気を引き渡す段階が、アレイに設けられた複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを禁じる段階を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
電気を引き渡す段階が、アレイに設けられた複数の半導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを抑制する段階を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
電気を引き渡す段階が、アレイに設けられた複数の導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを促進する段階を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
構造に力を印加することによって発生する電気を蓄積するための方法であって、構造が基盤および基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備え、それにより構造に印加される力に基づいてアレイから電気が発生し、前記方法が、
アレイと電気結合したインタフェースを介して、アレイから電気を受け取る段階と、
インタフェースからインタフェースと電気結合した蓄積ユニットに電気を引き渡す段階とを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（Ｉ．発明の分野）
本発明は一般に機械力が印加されると電気を発生する材料構造に関し、より詳細にはホスト・デバイス（上位装置）で使用するために電気を発生するシステムおよび方法に関する。このシステムは、機械力を受け取り、その機械力から電気を圧電発生させるための単一壁炭素ナノチューブ・アレイ（配列装置）を特徴としている。
【０００２】
（ＩＩ．従来技術の詳細な説明）
例えば電動機車両、遠隔知覚システム、およびコンピュータ、セルラー電話、パーソナル・データ・アシスタント（ＰＤＡ）などの可搬型無線情報デバイスなど、多くの典型的なホスト・システムの実施例には、それらを動作させるための電気が必要である。しかし、これらの移動ホスト・デバイスは、例えば壁のコンセントなど標準の電力源から離れた領域で使用されるため、しばしばその運用活動が制限されている。
【０００３】
通常、このような遠隔領域でホスト・デバイスを動作させるために、バッテリ・システムおよび／または石油で動作する発電機などの可搬型発電システムを使用して電気が供給されている。可搬型コンピュータおよびセル電話などの小型電気デバイスにはバッテリ・システムが広く使用されているが、より大型のデバイスには、可搬型発電機または発電機とバッテリ・システムを特徴とするハイブリッド・システムが必要である。
【０００４】
残念ながら、デバイスの複雑化に伴い、バッテリ・システムおよび／または可搬型発電機は、ホスト・デバイスに電気を供給するための動作寿命が有限である。例えば電気エネルギーを使い果たしたバッテリ・システムは、一定の電気を供給してホスト・デバイスの動作を継続させるためには、標準の電気コンセントを介して充電するか、あるいは他のバッテリと交換しなければならない。同様に、可搬型発電機は、電気を発生する関連部品を駆動するために、例えば化石燃料、核燃料棒、水素燃料電池などの燃料源を補給しなければならない。
【０００５】
電気に基づくデバイスに対する相互依存がますます強くなっているにもかかわらず、既存の遠隔電気発電システムの電気供給は、その供給時間すなわち連続使用動作期間が長くなっていない。
【０００６】
従来技術のその他の多くの問題および欠点については、これらの従来技術と本明細書において説明する本発明とを比較することにより、当業者には明らかになるであろう。
【０００７】
（発明の概要）
炭素の３つの共通の同素体は、バッキーボールなどのダイヤモンド、グラファイトおよびフラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）である。例えば炭素ナノチューブは、圧電に関する電気特性ばかりでなく、鋼および他の材料より優れた機械強度特性およびひずみ特性を示し、かつ、現行のセラミックまたは重合体複合材と同程度またはそれ以下の、極めて小さい密度特性を示す新しいタイプのフラーレンである。
【０００８】
炭素ナノチューブは、典型的には中空管状タイプのフラーレン構造である。通常、炭素ナノチューブは、六角形格子、場合によっては七角形格子と五角形格子を組み合わせた二次元シートからなっている。このシートは、まとめて折り重ねられ、両端にフラーレン・キャップの蓋が施されることもある。形状が管状であるため、炭素ナノチューブは外側に向かって延び、その直径の何百万倍もの長さを潜在的に有する素線を形成している。
【０００９】
圧電特性には、機械的な力の印加による、炭素ナノチューブと結合した誘電体結晶構造中での電気の発生が含まれていることに言及しておく。また、炭素ナノチューブは、その結晶格子構造の配列に応じて、絶縁特性、半導電特性および金属電気特性を組み合わせた多様性を備えている。詳細には、ナノチューブのカイラリティすなわち捻れが、コンダクタンス（導電率）、密度、格子構造、およびナノチューブに関連する他の特性をもたらしている。
【００１０】
本発明の態様は、ホスト・デバイスで使用するために電気を供給するためのシステムおよび方法に見出される。一例示的実施形態では、システムは、基盤に関して配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた構造を備えている。
【００１１】
動作に関しては、システムは、電気の圧電発生を容易にするための力刺激を受けている。詳細にはアレイが力を受け、受けた力から電気を圧電発生している。システムは、さらに、アレイと電気結合したインタフェース（仲立ち装置）を備えており、上記の構造は、このインタフェースによって、インタフェースと結合した電気デバイスに電気を供給することができる。
【００１２】
一態様では、システムは、さらに、インタフェースと電気結合したバッテリ・アセンブリ（組立体）を備えている。動作に関しては、バッテリ・アセンブリがアレイから電気を受け取っている。
【００１３】
一態様では、インタフェースは変換器を備えており、この変換器がアレイから電気を受け取り、直流と交流の間の変換を提供している。
【００１４】
一例示的実施形態では、アレイは、複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブを備えている。他の例示的実施形態では、アレイは、複数の半導電単一壁炭素ナノチューブを備えている。他の例示的実施形態では、アレイは、複数の導電単一壁炭素ナノチューブを備えている。
【００１５】
一態様では、ホスト・デバイスは、超小型電気機械システム（ＭＥＭ）を備えている。他の態様では、ホスト・デバイスは、サイズの範囲が１×１０−９メートル以内のシステムを表すナノスケール・システムを備えている。一例示的実施形態では、構造がスプリングからなっていることにさらに言及しておく。
【００１６】
さらに他の態様では、方法には、ホスト・デバイスで使用するために電気を供給する段階が含まれている。また、方法には、アレイと電気結合したインタフェースを介して、アレイから電気を受け取る段階が含まれている。
【００１７】
本発明の他の態様、利点および新規な特徴については、添付の図面と共に本発明についての詳細な説明を考察することにより、明らかになるであろう。
【００１８】
図に示す構成要素が、分かり易く簡潔に示されており、また、必ずしもスケール通りに画かれていないことについては、当業者には理解されよう。例えば、本発明の実施形態をより深く理解するために、図に示す構成要素のいくつかは、他の構成要素に対して寸法が誇張されている。
【００１９】
添付の図は、何ら制限されることのない実施例として本発明を示したものである。図の類似参照番号は、類似の構成要素を表している。
【００２０】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図は、本発明の好ましい実施形態を示したもので、全図を通して類似番号を使用して、同一部品および対応する部品が参照されているが、開示する実施形態が単に本発明の典型例に過ぎず、様々な形態で具体化することができることを理解すべきである。
【００２１】
図１は、ホスト・デバイス５０で使用するために電気を発生するシステム１０の態様を示したもので、数ある態様のうちの１つである。通常、システム１０は、電気の圧電発生を容易にするための力刺激を受けている。
【００２２】
図１に示すように、システム１０は構造２０を備えている。構造２０は、基盤２１および基盤２１と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイ２２を備えている。
【００２３】
動作に関しては、構造２０は力を受けている。したがってその力によってアレイ２２が変位し、その変位によって電気が圧電発生する。
【００２４】
電気は、事実上、元の位置から機械的に変位した単一壁炭素ナノチューブの各々に対して圧電発生する。したがって各々の単一壁炭素ナノチューブが互いに集合的に協同し、それによりアレイ２２は、それぞれ機械的に変位した単一壁炭素ナノチューブの合計によって特性化される電気を発生する。
【００２５】
構造２０によって生成される電気の量は、アレイ２２を形成している炭素ナノチューブの総数によって決まる。また、構造によって生成される電気の量は、構造２０、基盤２１およびアレイ２２の形状およびサイズ構成によって決まる。構造２０によって生成される電気の量は、さらに、アレイ２２によって提供される各単一壁炭素ナノチューブの格子構造の形状およびサイズ構成によって決まる。実例として例えばアレイ２２は、複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブ２６、複数の半導電単一壁炭素ナノチューブ２７、および／または導電または高導電炭素ナノチューブ２８のアレイを備えている。
【００２６】
電気を圧電発生させるための力変位に適応する限り、構造２０の構成を任意の形状またはサイズ構成にすることができることは、当業者には容易に認識されよう。したがって図１の文字「Ｃ」で示すように、構造２０に圧縮力が印加されると、アレイ２２は機械的に変位する。この圧縮力の印加によって炭素ナノチューブが変位し、それにより電気が圧電発生する。同様に、実例として図１の文字「Ｔ」で示す引張り力を構造２０に印加することにより、アレイ２２は電気を圧電発生する。
【００２７】
図１に示す一例示的実施形態では、構造２０はスプリング構成になっており、したがってスプリング構造２０による元の位置からの変位と元の位置への復帰運動によってアレイ２２が自由に運動し、それにより電気の圧電発生が強化されている。
【００２８】
一例示的実施形態では、基盤２１は、アレイ２２に電気的に適応する材料からなっている。一例示的実施形態では、基盤２１は、少なくとも１つの電解材を備えている。一例示的実施形態では、基盤２１は、アレイ２２の変位に適応するべく、例えばエラストマーすなわちスマート材などの弾性材からなっている。
【００２９】
一例示的実施形態では、アレイ２２は、以下でさらに詳細に考察するように、電気の圧電発生を最適化するべく、基盤２１に関して配列されている。実例としては、図１および２の例示的実施形態の場合、アレイ２２は、メッシュすなわち「ネット形状」構成になっており、したがってアレイ２２を画定している単一壁炭素ナノチューブは、ネットすなわちメッシュ形状構成で配列され、それにより電気を圧電発生し、かつ、構造２０から引き渡すための電気回路を形成している。また、各炭素ナノチューブの強度特性および破砕特性により、炭素ナノチューブをメッシュ様構造にすることによって基盤２１が補強され、ひいてはその機械力による反復変位にもかかわらず、構造２０の最適形状およびサイズが維持されている。実例として一例示的実施形態では、単一壁炭素ナノチューブのアレイ２２によって提供されるネット形状により、スプリング構成を有する構造２０が強化されている。一例示的代替実施形態では、図９に示すアレイ８４は、ファン（扇）様形状からなっており、構造２８の末端領域は、その反対側の、変位量が少なく、したがって単一壁炭素ナノチューブの量が少ない領域と比較すると単一壁炭素ナノチューブがより多く集中している。
【００３０】
図１を参照すると、システム１０は、さらに、アレイ２２と電気結合したインタフェース３０を備えている。動作に関しては、インタフェース３０は、アレイ２２が発生する電気を受け取っている。また、インタフェース３０は電気デバイスとリンクしており、アレイ２２からインタフェース３０を介して、これには限定されないが、バッテリ・アセンブリまたはホスト・デバイスなどの電気デバイスに電気を引き渡している。
【００３１】
一例示的実施形態では、インタフェース３０は、図１に示すように、リード（導出）・アセンブリ３５を備えている。リード・アセンブリ３５は、アレイ２２と電気結合しており、構造２０からリード・アセンブリ３５に電気が引き渡される。リード・アセンブリ３５はライン（導線）３１を備えている。動作に関しては、ライン３１によって、インタフェース３０を介してリード・アセンブリ３５から電気が引き渡される。
【００３２】
一例示的実施形態では、インタフェースは変換器３３を備えている。変換器３３はアレイ２２から電気を受け取り、直流と交流の変換を提供している。また、一例示的実施形態では、変換器３３は、例えばＮｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ州Ｃｅｄａｒ  ＫｎｏｌｌｓにあるＴＤＩ製の５．０キロワット（ｋＷ）ＤＣ−ＡＣ正弦波インバータなど、当業界で良く知られているタイプのインバータを備えている。
【００３３】
図１を参照すると、システム１０は、さらに、インタフェース３０と電気結合したバッテリ・アセンブリ４０を備えている。動作に関しては、インタフェース３０を介してアレイ２２から受け取った電気を使用して、バッテリ・アセンブリ４０を充電している。一例示的実施形態では、インタフェース３０は、バッテリ・アセンブリ４０を徐々に充電するべく、細流充電シーケンスを実施するための回路を備えている。一例示的実施形態では、バッテリ・アセンブリ４０は、構造２２によって充電される複数のバッテリを備えている。
【００３４】
図１の参照矢印４４で示すように、アレイ２２によって生成された電気は、最終的にはシステム１０からホスト・デバイス５０へ引き渡される。ホスト・デバイスには、例えば動作用直流電気あるいは交流電気を必要とする任意の１つまたは複数のデバイスが含まれていることは、当業者には認識されよう。ホスト・デバイスとして、例えば、セル電話、ディジタル・カメラおよび可搬型コンピュータがあるが、これらに限定されるものではない。
【００３５】
ホスト・デバイス５０に最終的に電気を提供するために、バッテリ・アセンブリ４０をインタフェース３０に結合する必要のない他の例示的実施形態が存在していることについては、当業者には容易に認識されよう。これに代えて、変換器３３と結合したインタフェース３０に、ホスト・システム５０に交流を直接提供させることもできる。
【００３６】
要約すると、ホスト・デバイス５０に電気を提供するためのシステム１０の動作は、次の通りである。構造２０に印加される機械力によってアレイ２２が変位し、それによりアレイ２２を構成している炭素ナノチューブが電気を圧電発生する。アレイ２２は、発生した電気を構造２０からインタフェース３０に引き渡すための回路を形成している。インタフェース３０は、最終的に電気をホスト・デバイス５０に引き渡すために、システム１０によって設けられている。
【００３７】
図２の例示的実施形態を参照すると、システム１１０は、ホスト・デバイス１５５で使用するために電気を生成している。一例示的実施形態では、ホスト・デバイス１５５は超小型電気機械システム（ＭＥＭ）を備えており、それによりアレイ１２２の炭素ナノチューブが、ホスト・デバイス１５５が消費する電気を圧電発生している。一例示的実施形態では、ホスト・デバイス１５５は、サイズの範囲が１×１０−６メートルと１×１０−９メートルの間の大きさのシステムを備えており、それによりアレイ１２２の炭素ナノチューブが、ホスト・デバイス１５５が消費する電気を圧電発生している。一例示的実施形態では、ホスト・デバイス１５５は、サイズが約１×１０−９メートルまでの大きさのシステムを備えており、それによりアレイ１２２の炭素ナノチューブが、ホスト・デバイス１５５が消費する電気を圧電発生している。
【００３８】
図２の例示的実施形態は、図１に示す例示的実施形態と類似しているが、図２のシステム１１０は別法として、ＭＥＭホスト・デバイス１５５に電気を提供している。したがってシステム１１０は、基盤１２１に関して配列されたアレイ１２２を有する構造１２０を備えている。アレイ１２２は、これらには限定されないが、絶縁単一壁炭素ナノチューブ１２６、半導電単一壁炭素ナノチューブ１２７、および導電単一壁炭素ナノチューブ１２８を備えた炭素ナノチューブからなっている。システム１１０は、さらにインタフェース１３０を備えている。インタフェース１３０は、リード・アセンブリ１３５、ライン１３１、および任意選択の変換器１３３を備えている。システム１１０は、さらに、インタフェース１３０と結合したバッテリ・アセンブリ１４０を備えている。図２の参照矢印１４４で示すように、システム１１０は、最終的にＭＥＭホスト・デバイス１５５に電気を提供している。
【００３９】
図３は、アレイ２２を形成している単一壁炭素ナノチューブに関連する様々な格子構造を示したものである。ここでも、当業者であれば、アレイ２２が、図３に示す格子構造の任意の組合せを備えることができることを認識されるであろうことに言及しておく。したがって各炭素ナノチューブは、実質的に単一壁炭素ナノチューブの各々の中心線に沿って延びた対称軸６６を有している。
【００４０】
図３ａは、電気絶縁単一壁炭素ナノチューブ２２８を示したものである。したがってアレイ２２は、複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブ１２８を備えている。したがって絶縁単一壁炭素ナノチューブ２２８は、絶縁格子構造２１８を備えている。図３ａに示すように、絶縁格子構造２１８は、対称軸６６から角度αで格子が形成されていることを示している。格子構造２１８の角度αは、対称軸６６から３０°である。一例示的実施形態では、格子構造２１８は、ジグザグ・フォーメーション（配置）からなっている。したがって絶縁単一壁炭素ナノチューブ２２８の各々は、絶縁単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを禁じるように構成されている。
【００４１】
図３ｂを参照すると、半導電単一壁炭素ナノチューブ２２７が示されている。一例示的実施形態では、アレイ２２は、複数の半導電単一壁炭素ナノチューブ２２７を備えている。半導電単一壁炭素ナノチューブ２２７の各々は、半導電格子構造２１７を備えている。したがって格子構造２１７の各々は、図３ｂに示すように、対称軸６６から角度βの位置に配置されている。一例示的実施形態では、半導電格子構造２１７の角度βは、０°より大きく、かつ、３０°未満である。一例示的実施形態では、格子構造２１７はキラル（ｃｈｉｒａｌ）構成からなっている。したがってアレイ２２の半導電単一壁炭素ナノチューブ２２７の各々は、半導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを抑制するように構成されている。
【００４２】
図３ｃを参照すると、導電単一壁炭素ナノチューブ２２６が示されている。導電単一壁炭素ナノチューブ２２６は、導電格子構造２１６を備えている。図３ｃに示すように、格子構造２１６の各々は、対称軸６６に対して角度θで配置されている。格子構造２１６の角度θは、対称軸６６から０°である。一例示的実施形態では、格子構造２１６はアームチェア構成からなっている。したがってアレイ２２の導電単一壁炭素ナノチューブの各々は、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを促進するように構成されている。
【００４３】
さらに、一例示的実施形態では、アレイ２２の導電単一壁炭素ナノチューブ２２６の各々は、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気を導電性の高い流れに促進するように構成されている。詳細には、高導電構成の場合、導電格子構造２１６は、対称軸６６に対して平行に整列している。本明細書および特許請求の範囲の各請求項においては、高導電という用語は、実質的に損失を伴うことなく電気を引き渡すことができる炭素ナノチューブの能力を意味していることに言及しておく。しかしながら、一例示的実施形態における、アレイとインタフェースの間での電気の引き渡しの際に生じる固有の抵抗損失については、当業者には認識されよう。
【００４４】
要約すると、アレイ２２の単一壁炭素ナノチューブの各々の格子構造が変化すると、そのナノチューブの電気を導く能力が変化する。アレイ２２は、適用例に応じて、絶縁、半導電および導電の各単一壁炭素ナノチューブの任意の組合せを備えることができる。また、他の例示的実施形態では、アレイ２２が、例えば同様の機械的特性および電気的特性を有する多重壁炭素ナノチューブなど、単一壁炭素ナノチューブ以外のナノチューブを備えていることに言及しておく。
【００４５】
図４は、アレイを画定するべく単一壁炭素ナノチューブを配列するいくつかの態様を詳細に示した略図である。詳細には、図４は、少なくとも１つのアレイを備えた構造を製造するための一例示的実施形態を示したものである。システム１００は、構造１１０によって提供される基盤に関してアレイを配列している。図４に示すシステム１００により、制御環境１０５中で、少なくとも１つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを備えた構造１１０が形成される。
【００４６】
詳細には、構造１１０は、例えばレイジング（レーザ処理）・システムなどの装置１０７を使用して形成される。装置１０７の例として、これらに限定されないが、高エネルギー密度システム、レイジング・システム、電子ビーム装置、電気アーク装置、化学蒸着装置、および分子線エピタキシャル装置がある。装置１０７は、フォーメーション・エレメント（構成要素）１０８を備えている。フォーメーション・エレメント１０８は、基盤および基盤に関して配列された少なくとも１つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを備えた構造を生成している。フォーメーション・エレメント１０８は、単一壁炭素ナノチューブを基盤に関して配列し、電気を圧電発生させるための少なくとも１つのアレイを画定している。
【００４７】
実例として、例えば装置は、当業界で良く知られているタイプの産業用レーザを備えている。産業用レーザは、制御環境１０５内でのレーザ・エネルギーの発生を容易にするために、サポート・アセンブリ（支持組立体）１０９に結合されている。実例として、操作に関しては、例えばレーザ・アブレーションあるいは電気アーク放電など、当業界で良く知られているタイプの確立した手順に従って、レーザ・エネルギーを装置１０７から基盤に印加することによってアレイが形成される。したがって構造１１０は、システム１００によって形成されている。
【００４８】
図５に示す例示的実施形態の装置１８０は、少なくとも１つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを備えた構造を生成するために設けられたものである。図５に示す実施形態では、多数の単一壁炭素ナノチューブが、構造を製造する場所とは別の場所で製造されている。詳細には、別の場所で製造された単一壁炭素ナノチューブ供給材料は、供給材料源１８９から装置１８０に供給される。装置１８０は、ジェネレーティング（創生）・エレメント１８３を備えている。ジェネレーティング・エレメント１８３は、供給材料源１８９と結合した、単一壁炭素ナノチューブ供給材料１８９を介して構造に単一壁炭素ナノチューブを提供するための供給ユニット１８５を備えている。例えば一例示的実施形態では、ジェネレーティング・エレメント１８３は、少なくとも１つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを基盤に関して形成するためのレイジング・エネルギー・アプリケータ（付与装置）１８４を備えている。
【００４９】
また、装置１８０には制御システム１８８が結合されていることについても言及しておく。制御システム１８８は、構造の形成に関して、供給材料源１８９からの単一壁炭素ナノチューブ供給材料の供給を制御している。また、制御システム１８８は、処理装置１８０がアレイの配列を実施する際に、構造内における単一壁炭素ナノチューブの各々のアレイの配列を用意している。
【００５０】
図５に示す構造１９０は、基板１９９上に配置された合成物１９８を備えている。構造１９０の他の実施形態では基板が排除され得ることは、当業者には容易に認識されよう。
【００５１】
図５に示す実施形態の場合、構造１９０は、格子様軸配列１９５に沿ったネット、ウェブおよび／またはメッシュ様形状の複数のアレイ１９３を備えている。また、一実施形態では、少なくとも１つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイは、基盤１９４に関して配列された炭素ナノチューブ・ファイバのネットワーク（網状組織）によって画定されている。
【００５２】
図６に示す実施形態の場合、構造１６０は、基盤１６１に関して本来の位置に導入された単一壁炭素ナノチューブのアレイ１６３を備えている。したがって構造１６０には、複数の触媒１６４が含まれている。図６に示すように、少なくとも１つのアレイが格子様配列１６５に沿って配列され、実質的にメッシュ様形状を形成している。
【００５３】
図７に示す実施形態の場合、構造は、基盤１７１に関して本来の位置に導入された単一壁炭素ナノチューブのアレイ１７３を備えている。したがって構造１７０には、複数の触媒１７４が含まれている。図７に示すように、少なくとも１つのアレイが格子様軸配列１７５に沿って配列され、メッシュ様形状を形成している。
【００５４】
図８は、実例として、ホスト・デバイスに電気を供給するためのシステム６０の一例示的実施形態を示したもので、システムは構造６６を備えている。構造６６は、基盤に関して配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えている。アレイは、水域６１の波動を介して力を受け、その力から電気を圧電発生している。一例示的実施形態では、図８に示すように、構造６６は、水域６１によって付与される潮汐運動と動作状係合している。
【００５５】
しかしながら、様々な物理的状態を利用して構造６６に力を付与することができる他の構造の構成については、当業者には容易に認識されよう。例えば、これらに限定されないが、急激な流れ、飛行中に生成される突風、太陽風、砂および雪などの粒子の移動、あるいは大気条件から、構造６６に付与する運動を引き出すことができる。
【００５６】
図８を参照すると、構造６６は、水域６１下の土壌６２中に固定されている。図８に示すシステム６０は、電気ウェル（汲み上げ井戸）・アセンブリ６５を備えており、該電気ウェル・アセンブリ６５は、ハウジング６７を備えている。一例示的実施形態では、ハウジング６７は圧力容器からなっている。動作に関しては、ハウジング６７は、構造６６によって生成される電気を保持するための蓄積ユニットを備えている。また、ハウジング６７は、構造６６を水域６１と係合させるべく所定の位置に固定している。
【００５７】
システム６０は、さらに、構造６６を電気結合したインタフェース６８を備えている。構造６６内における炭素ナノチューブの変位によって圧電生成された電気は、インタフェース６８に引き渡される。
【００５８】
例えばバッテリなどの蓄積ユニットは、インタフェース６８に結合され、インタフェース６８から電気を受け取っている。図８に示すように、インタフェース６８には単一の蓄積ユニット６９が結合されているが、多重蓄積ユニット・アセンブリ７０をインタフェース６８に結合することができる。多重蓄積ユニット・アセンブリ７０は、蓄積ユニット７２のアレイと結合した制御システム７１を備えている。制御システム７１は、インタフェース６８から蓄積ユニット７２のアレイへの電気の分配を容易にしている。したがって電気は、インタフェース７１から制御システム７１へ引き渡され、制御システム７１から、複数の蓄積ユニット７２の中から制御システム７１によって選択された少なくとも１つの蓄積ユニットへ引き渡される。
【００５９】
一例示的実施形態では、電気ウェル・アセンブリ６５は、さらに、ハウジング６７の蓄積ユニットと結合したアウトレット（出力）・ライン７７を備えている。また、アウトレット・インタフェース７８がアウトレット・ライン７７に結合されている。アウトレット・ライン７７とアウトレット・インタフェース７８を組み合わせることにより、電気ウェル・アセンブリ６５からの電気の採集を遠隔で便利に実施することができる。
【００６０】
実例として、例えばアウトレット・インタフェース７８を水域６１上に浮遊させ、それにより構造６６によって生成される電気を水域６１上で採集することもできる。他の実施形態では、電気ウェル・アセンブリのネットワークにアウトレット・インタフェース７８が結合され、複数の構造６６から電気が集合的に採集されている。他の例示的実施形態では、インタフェース７８およびアウトレット・ライン７７は、土壌６２を介して陸上の遠隔ホスト・デバイスに電気を引き渡すべく配置されている。
【００６１】
図９は、電気を発生させるためのシステム８０を示したもので、図８に示すシステム６０と類似している。システム８０は、構造８２および構造８２と電気結合したインタフェース８８を備えている。構造８２は、基盤８３および多数の単一壁炭素ナノチューブ９０を備えたアレイ８４を備えている。
【００６２】
一例示的実施形態では、構造８２は、図９に示すように、水域の潮汐運動に最適係合させるべく、フック様構成からなっている。構造８２は、任意選択でフィン８６および８７を備え、移動水域との係合を強化している。図９に示すように、フィン８６は、ＺＹ平面に沿って移動する流体に係合させるためのものであり、一方、フィン８７は、ＸＹ平面に沿った流体運動に係合させるためのものである。
【００６３】
上で言及したように、図９に示すアレイはファン構成からなっており、単一壁炭素ナノチューブが、潮汐力による最適運動を受ける、構造８２のフック様末端部分の基盤８３内により多く集中するようになっている。また、一例示的実施形態では、炭素ナノチューブ９０は、電気を圧電発生させるための複数の高導電炭素ナノチューブを備えている。
【００６４】
システム８０は、構造８２の一端を固定するためのアンカ８１を備えている。また、一例示的実施形態では、アンカ８１は、インタフェース８８を収納している。インタフェース８８は、アレイ８４と電気結合した、アレイ８４から電気を受け取るための端子９２を備えている。一例示的実施形態では、インタフェース８８は、直流を交流に変換するための変換器９６を備えている。システム８０は、さらに、インタフェース８８と電気結合したバッテリ・アセンブリ８９を備えている。
【００６５】
動作に関しては、端子９２からライン９４に沿ってインタフェース８８を経由してバッテリ・アセンブリ８９に電気が流れ、バッテリ・アセンブリ８９が、アレイ８４から受け取った電気を収集する。また、図９の参照矢印９９で示すように、バッテリ・アセンブリ８９は、ホスト・デバイス（図示せず）に電気を引き渡している。
【００６６】
以上、本発明について詳細に説明したが、特許請求の範囲の各請求項に記述されている本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更、代用および改変を加えることができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた、電気を発生させるための本発明によるシステムを示す略図である。
【図２】
電気を圧電発生させるためのシステムの他の実施形態を示す略図である。
【図３】
電気を圧電発生させるための構成として、単一壁炭素ナノチューブの様々な格子構造を示す略図である。
【図３ａ】
電気絶縁アプリケーションのためのジグザグ格子を示す図である。
【図３ｂ】
電気半導電のアプリケーションのためのキラル格子を示す図である。
【図３ｃ】
高電気導電アプリケーションのためのアームチェア格子を示す図である。
【図４】
図１に示す単一壁炭素ナノチューブのアレイを生成するための構造形成アセンブリを示す略図である。
【図５】
単一壁炭素ナノチューブをアレイに配列するいくつかの態様を詳細に示す略図である。
【図６】
単一壁炭素ナノチューブをアレイに配列するいくつかの態様を詳細に示す略図である。
【図７】
単一壁炭素ナノチューブをアレイに配列するいくつかの態様を詳細に示す略図である。
【図８】
機械的な波動に基づいて電気を発生させるためのシステムを示す略図である。
【図９】
単一壁炭素ナノチューブのアレイとインタフェースを電気結合する一態様を含む、図８のシステムを詳細に示す略図である。
【国際公開パンフレット】
2004518389.tif 000003
2004518389.tif 000004
2004518389.tif 000005
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2004518389.tif 000031
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004518389.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成14年10月15日(2002.10.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ホスト・デバイス用に、機械的刺激に応じて電気を発生するシステムであって、
基盤と、この基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイとを備えた構造であって、各単一壁炭素ナノチューブが力を受け、その力から電気を圧電発生する構造と、
アレイと電気結合したインタフェースとを備えたシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１５】
構造がコイルからなる、請求項１に記載のシステム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１６】
力刺激を受けて電気を発生するシステムであって、
基盤およびこの基盤と共に配列された炭素ナノチューブのアレイを備えた構造であって、各炭素ナノチューブが力を受け、その力から電気を圧電発生する構造と、
アレイと電気結合したインタフェースとを備えたシステム。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１７】
バッテリを充電するためのシステムであって、システムが電気の発生を容易にするための機械的刺激を受け、かつ、
基盤および基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた構造であって、各単一壁炭素ナノチューブが機械的刺激を受け、その機械的刺激から電気を圧電発生する構造と、
アレイおよびバッテリと電気結合したインタフェースであって、バッテリがインタフェースを介してアレイから電気を受け取るインタフェースとを備えたシステム。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１８】
ホスト・デバイスで使用するために電気を供給するための方法において、
構造に力を印加する段階であって、構造が基盤およびこの基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備え、単一壁炭素ナノチューブが力の作用を受けると電気を圧電発生する段階と、
構造に印加される力に基づいて、アレイを介して電気を発生させる段階と、
アレイと電気結合したインタフェースを介して、アレイから電気を受け取る段階と、
インタフェースからインタフェースと結合したホスト・デバイスに電気を引き渡す段階とを含む方法。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２３】
構造に力を印加することによって発生する電気を蓄積するための方法であって、構造が基盤および基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備え、それにより構造に印加される力に基づいてアレイ内の単一壁炭素ナノチューブによって電気が圧電発生し、前記方法が、
アレイと電気結合したインタフェースを介して、アレイから電気を受け取る段階と、
インタフェースからインタフェースと電気結合した蓄積ユニットに電気を引き渡す段階とを含む方法。
【国際調査報告】
2004518389.tif 000033
2004518389.tif 000034
2004518389.tif 000035