JP2006526725A - 自動スイッチおよび発電機の並列アレイを利用するエネルギー変換システム - Google Patents

Abstract

ナノメートル・スケールのアセンブリを利用し、熱エネルギーを巨視的レベルで有用な仕事を為すために使用できる他の形態のエネルギーに変換するナノ電気機械システムが提供される。詳しくは、本発明は、ナノメートル・スケールの梁を備えており、このナノメートル・スケールの梁に衝突する作動物質分子の速度を、衝突分子の運動エネルギーの幾らかをナノメートル・スケールの梁の運動エネルギーに変換することによって、低下させる。いくつかの実施の形態においては、ナノメートル・スケールの梁が特定の大きさを超える電圧のみをもたらすよう、レギュレータを実現するために自動スイッチが追加される。数百万のこのような装置の出力エネルギーを効率的に合計するシステム、ならびにナノメートル・スケールのトランジスタを備えるシステムも、開示される。

Description

本発明は、ナノメートル・スケールの電気機械システムに関する。とくに、本発明は、ヒート・エンジン、ヒート・ポンプ、または推進システムなどのさまざまな用途に使用できるナノメートル・スケールの電気機械システムに関する。

分子の運動を基にする電気機械システムは、既に知られている。例えば、米国特許第４，１５２，５３７号（「‘５３７号特許」）には、ガス中の分子のランダムな運動、および全体としては均一な温度にあるガス中の異なる分子の熱エネルギーの不均一な分布から、電気エネルギーを生み出す発電機が記載されている。

他のこのようなシステムが、例えば米国特許第３，３６５，６５３号、第３，４９５，１０１号、第２，９７９，５５１号、第３，６０９，５９３号、第３，２５２，０１３号、および第３，５０８，０８９号に記載されている。これらのシステムは、分子の運動および熱エネルギーにもとづいて、電気を発生し、あるいはオシレータなどの電気によって駆動される装置を生み出している。

これらのシステムのすべてに共通する１つの問題点は、当該システムを運転するために必要な力の大きさと比べたとき、出力のレベルが低いことにある。例えば、このようなシステムは、システムを一定の全体温度に維持するために或る量のエネルギーを必要とすることがしばしばである。‘５３７号特許は、このようなシステムの公知の欠点のいくつかに対処しようと試みているが、そこに記載されている発電機も、やはり同様の欠点を抱えている。例えば、‘５３７号特許は、２つの異なる材料間の熱電対接合部を、単に平均を上回る速度を有している気体分子と接触させることによって、加熱しようと試みている。さらに、‘５３７号特許は、電気整流器のアレイを使用している（例えば、図２および４の整流器ブリッジ４０を参照）が、分子規模において生成される電圧はきわめて小さいため、適切に動作するためには困難をともなうであろう。

さらに、電子デバイスの使用が広がり続けていることから、通常はそのようなデバイスの心臓部であるコンポーネントを、より効果的かつ／またはより静かに冷却するためのやり方を提供することが、ますます求められるようになってきている。例えば、大部分のパーソナル・コンピュータは、マイクロプロセッサの温度を或る動作範囲内に保つために必要とされる１つ以上のファンを備えている。これらのファンは、騒々しいことがしばしばであり、大抵の場合、大量の汚れた空気を空気取り入れ口からコンピュータを通過するように引き込むことになる。

したがって、本発明の目的は、分子レベルのエネルギーを巨視的スケールで利用できる他の形式に効率的に変換するナノメートル・スケールの電気機械システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、分子レベルの熱エネルギーを有用な機械的および／または電気的エネルギーに効率的に変換するナノメートル・スケールの電気機械システムを提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、物体を制御可能な方向へと推進させるため、当該物体の表面上に圧力差を生み出すべく分子レベルのエネルギーを利用するナノメートル・スケールの電気機械システムを提供することにある。

本発明のさらにまた別の目的は、外部の物質を加熱または冷却すべく分子レベルのエネルギーを利用するナノメートル・スケールの電気機械システムを提供することにある。

本件出願は、２００１年６月２０日に出願された米国特許出願第０９／８８５，３６７号に対する改良であり、この特許出願は、その全体がここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。

本発明のナノメートル・スケールの電機機械システムは、作動物質内の分子の速度を低下させることによって、分子レベルのエネルギーを、或る１つの形態から他の形態へと効率的に変換する。それらのシステムには、例えば、分子レベルの熱エネルギーを有用な機械または電気エネルギーに変換するヒート・エンジンが含まれうる。さらに、そのようなシステムには、物質を加熱または冷却するために分子レベルのエネルギーを利用するヒート・ポンプが含まれうる。例えば、本発明のシステムを、主たる冷却装置としてマイクロプロセッサに取り付けることができ、必要とされるファンが小さくてよく、あるいはファンが不要になる。さらに、これらのシステムには、分子レベルのエネルギーを物体の表面に圧力差を生じさせるために使用し、これによって当該物体を制御可能な方向に推進させる能力をもたらす推進システムが含まれうる。

本発明に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システムは、液体中またはガス中に配置されるパドル、衝突用質量、および／またはチューブなどの多数のナノメートル・サイズの物体を備えることができる。これらの物体は、各辺が数ナノメートル程度である寸法であってよく、約１または２ナノメートル程度の厚さを有してよい。パドルの一辺が、各パドルを共通の基部へと接続する柔軟なばね状の取り付け座に接続される。さらに各パドルには、圧電式、起電力式、または静電気式発電機など、ランダムな分子の運動を電気、電磁気、または熱エネルギーに変換する或る種の発電装置が取り付けられている。

ナノメートル・サイズのパドルは、関連の発電機と連動して、個々の分子の速度を低下させ、作動流体内の熱エネルギーの減少をもたらす。生み出された電気エネルギーを、作動流体よりも高温の熱エネルギーへと再変換することができ、有用な仕事を実行できる温度差の確立に使用することができる。基本的に、パドルは、作動物質中に浸漬されるように構成されている。パドルは、作動物質の分子の熱運動のばらつきゆえ、作動物質中でランダムな様相で運動する。この運動は、パドルに振動を生じさせるために充分大きい作動物質の分子とパドルとの間の衝突から、必然的にもたらされる。次いで、この振動からの運動エネルギーを、すでに述べたとおり電気、電磁気、または熱エネルギーに変換することができる。

さらに、本発明に従って構成されるナノメートル・スケールの電気機械システムは、有用な電気的出力が生み出されるよう、多数のパドルの出力を効率的に集めて合算するコンポーネントを提供する。例えば、本発明の一実施の形態は、各パドルについて１つずつの抵抗素子からなるアレイの使用を含んでおり、これらの抵抗素子が、熱電対の片側に接触している。熱電対の他方の側は、周温にある何かほかのもの（気体または液体など）との熱接触に置かれている。熱電対のそれぞれが出力（すなわち、ＤＣ電流および電圧）を生み、それらを単純な直列接続によって合計して、パドルの数および構成によるが数ミリワット程度の出力を生み出すことができる。

ある特定の実施の形態においては、本発明に従って構成されるナノメートル・スケールの電気機械システムが、カーボンで作られたチューブなど、ナノチューブのアレイを備えることができ、それらがキャパシタの２枚のプレート間に接続される。チューブの一端が、キャパシタの一方のプレートに物理的に接続され、他端は自由に動くことができる。アセンブリ全体が、流体（すなわち、液体または気体）中に浸漬される。電圧がキャパシタ（プレート間）に印加され、チューブの長さをキャパシタ・プレートの表面に対して直角に保つ電界（「Ｅ」）が生成される。作動物質中に浸漬されているチューブの「自由」端が、作動物質の分子とチューブとの間の衝突によって不安定に運動し、チューブのいくつかを互いに接触させる。衝突するチューブの運動エネルギーならびに他のエネルギーを、すでに述べたとおり、１つ以上の有用な目的のために変換することができる。

本発明の他の実施の形態においては、多数のナノチューブのそれぞれの端部が、導電性かつ熱伝導性であるレールに接続される。各チューブは、チューブにたるみまたは曲がりが存在するように設置される。このたるみが、周囲の流体（気体または液体）からのランダムな圧力変動に応答するチューブの振動を可能にする。この場合には、外部の磁界（「

」）がアセンブリの全体に対し、チューブおよびレールと直交して印加される。誘起された電流からチューブにおいて生じる熱が、熱伝導性のプレートに取り付けられた熱伝導性のレールへと、チューブを流れて下る。

本発明のさらなる特徴、その本質および種々の利点が、添付の図面および好ましい実施の形態についての以下の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

本発明の上記の目的および利点ならびに他の目的および利点が、添付の図面と関連して解釈される以下の詳細な説明を検討することによって、明らかになるであろう。添付の図面において、同様の参照符号は、図面の全体を通じて同様の部分を指し示している。

図１Ａは、本発明に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分の説明用の実例を示している。図示の部分は、パドル１００の形態である衝突用質量、拘束部材１０２、発電装置１０４（リード１０６に電気的出力をもたらす）、および基部１０８（通常は、パドル１００よりも数千倍も、数百万倍も大きい）を含んでいる。パドル１００は、おそらくは熱伝導性であるが必ずしも熱伝導性でなくてもよい基部１０８へと、所定の距離の範囲内で１つ以上の方向（横方向、または上下など）へと運動できるように取り付けられている。ナノメートル・スケールのアセンブリを使用するエネルギー変換システム一式は、以下でさらに明らかになる（例えば、図５および６を参照）とおり、通常は、図１Ａに示したデバイスを１００万個以上含んでいる。

パドル１００は、例えば、カーボンやシリコンなどの物質から構成できるが、当業者であれば、本発明の技術的思想から離れることなくパドル１００の製造材料についてさまざまな変更が可能であることを、理解できるであろう。さらに、パドル１００は、一般に、スパッタリング、エッチング、フォトリソグラフィ、などの公知の半導体製造技術を使用して製造することができる。

さらに、パドル１００は、各辺について約５ナノメートルであるように構成でき、約１〜２ナノメートルの高さを有することができるが、この寸法は、ブラウン運動の作用がパドル１００の慣性および拘束部材１０２のばね定数に打ち勝つために充分大きくなるように選択される。当業者であれば、パドル１００に衝突する作動物質の分子の速度のランダムなばらつきの結果として、パドル１００が作動物質の中で不規則に運動することができるのであれば、パドル１００の特定の寸法が本発明の基本的動作にとって重要ではないことを、理解できるであろう。

さらに図１Ａには、分子１１０がパドル１００で跳ね返されて示されており、今や遅くなった速度で運動している。いくつかの分子は、衝突の結果として速度が遅くなる一方で、他の分子は速度がほとんど変化しない可能性があり、他の分子には実際には速度の増加がもたらされるかもしれないことを、当業者であれば理解できるであろう。しかしながら、一般的には、本発明によれば、分子１１０のパドル１００との衝突は、平均すれば、速度の減少をもたらす。

この分子は、当該システムの作動物質の分子であり、好ましくは流体（すなわち、気体または液体）であるが、固体であってもよい。流体は、大気圧に保つことができ、あるいは例えば１５ＰＳＩ超の圧力など、高められた圧力に保ってもよい。すでに述べたように、作動流体の圧力は、システムによってもたらされる出力を左右しうる。分子１１０がパドル１００に衝突し、分子１１０に速度の低下が生じる。速度の低下は、システムの作動物質の温度の低下に対応する。

分子１１０の速度の低下は、パドル１００によって装置１０４との協働において生じるが、装置１０４は、本発明から離れることなく、さまざまな装置のうちの任意の装置であってよい。例えば、装置１０４は圧電装置であってよく、あるいは起電力または静電力発電機であってよい。いずれの場合も、装置１０４が、分子１１０の衝突用質量１００への衝突から、衝突用質量のエネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーがリード１０６を介して出力される。

リード１０６を介して出力される電気エネルギーの量は、たとえ最も好都合な条件下であっても、きわめて小さい。例えば、パドル１００の出力は、装置のサイズおよび他のさまざまな要因によって決まるが、約１０^−１２ワット程度であると考えられる。したがって、このシステムが、例えば数マイクロワット程度の有用な出力をもたらすためには、このようなパドルを数百万個製造し、それらのすべてまたは事実上すべての出力を１つの出力信号へと合算できるよう、何らかのやり方で一体に接続する必要がある。

数百万のパドル１００が、まとめてアレイに配置される（例えば、図５および６を参照）ならば、これらパドルのそれぞれからのエネルギーのすべてを合算するための１つのやり方は、各パドル１００のリード１０６を抵抗素子１１２（図１Ｂを参照）に接続し、これら抵抗素子１１２を、熱電対１１６の片側１１４に熱的に接触させることである。次いで、熱電対１１６の反対側１１８をヒートシンクまたは周温にある他の何らかの物質（作動物質そのものも含まれる）に、熱的に接触させる。熱電対１１６は、温度差に応答して一対のリード間に電圧を生み出し、それらリードが負荷へと接続されているならばＤＣ電流を発生させる熱電発電機である。

パドル１００への分子の衝突の変化によって、抵抗素子１１２の温度の上昇が生じ、次いでこの温度上昇が熱電対１１６によって電気エネルギーに変換され、リード１２０を介して出力される。抵抗素子の使用の利点の１つは、抵抗性の負荷が電流／極性の方向と無関係であり、各パドルに整流器を組み合わせる必要がない点にある。すなわち、本発明によれば、パドル１００への分子１１０の衝突によって生み出される電圧がきわめて小さくても、抵抗素子を有用な値にまで加熱するために使用できる。次いで、アレイ内の熱電対のそれぞれが、ＤＣ電圧を有する出力を生み出し、電気的負荷へと接続されているならば電流を生み出す。次いで、これらの出力のすべてを、まとめて直列に接続し、少なくとも数マイクロワットの出力を生み出すことができる。

さらなる出力が必要であれば、パドルからなるサブアセンブリを多数、まとめて直列に組み合わせることができる。例えば、所与のサブアセンブリが、パドル・アセンブリのアレイを含むように構成され、各アセンブリが約１００平方ナノメートルを占めている場合、１平方センチメートルのアセンブリは、大まかに１兆のパドル・アセンブリを含むであろう。次いで、１平方センチメートルのサブアセンブリを、任意の数だけまとめて、所望の電圧および電流の比を実現すべ直列または並列に接続できる。

さらに、約７００ｍＶ程度の組み合わせの出力ゆえ、１平方センチメートルの組立体のそれぞれの出力を、通常の半導体スイッチを使用して操作することさえ可能である。このように、薄くて柔軟なシート状の材料（アルミニウムなど）上に、連続プロセスにて１平方センチメートルのアセンブリを多数隣接して形成することによって、所与のコンポーネントを製造することができる。次いで、或る種のキャパシタの製造プロセスと同様に、得られたシート状の材料を切断して、筒へと巻き上げることができる。

これらの装置の単位表面積当たりの電気的出力が、流体の圧力、流体の平均温度、パドルの振動数、および使用される流体分子の質量（流体が気体であるか、液体であるかにかかわらず）に比例することを、当業者であれば理解できるであろう。単位面積当たりの出力は、パドルのサイズおよびパドル材料の密度に反比例する。したがって、キセノンなど重たい分子の気体を選択することによって、あるいは炭素分子を多く抱えた空気など、粒子状物質を大量に含んだ流体を使用することによって、さらには／あるいはパドルを例えば大気圧の１００倍などに圧力を高めた気体中に浸漬することによって、ユニットの出力を、空気中で大気圧で動作するユニットに比べ、１００倍以上に増加させることができる。

図２は、図１に示したパドル・アセンブリの他の実施の形態を示している。とくに、図２のアセンブリは、拘束部材１０２が、基部１０８ではなくハウジング２０８へと接続されている点で、図１のアセンブリと異なっている。ハウジング２０８は、熱の入力（図２に「Ｑ」で示されている）を受け取る能力を備えている熱伝導性の部屋である。この実施の形態においては、熱Ｑの流入が電気エネルギーに変換され、リード１０６のそれぞれによって出力される。さらに、図１に示したアセンブリはハウジングを備えていないが、アセンブリをハウジング内に配置することは、アセンブリを汚染から守るためにも、必須ではないまでも望ましい。

図２に示した実施の形態は、本発明のナノメートル・スケールのエネルギー変換システムをヒート・ポンプとして使用することができるという、本発明の利点の１つを説明するために使用することができる。例えば、熱伝導性のハウジング２０８が、パドル１００への分子の衝突ならびに引き続くパドルの運動エネルギーの電気エネルギーへの変換の結果として、冷却される。温暖または高温の空気を、ハウジング２０８を横切るように吹きつけることによって、冷却することができる。一方で、抵抗性の負荷１１２をリード１０６と直列に接続することができ、抵抗性の負荷１１２の温度の上昇がもたらされる。抵抗性の負荷１１２へと吹きつけることによって、冷たい空気を暖めることができる。このようなやり方で、同じアセンブリを、外部の物質を加熱するために使用でき、あるいは外部の物質を冷却するために使用できる。

図３は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システム３００の一部分の他の実施の形態を示している。図３に示したシステム３００の一部分は、それぞれが１つのピエゾ発電機３０４、３２４および３４４に接続されている３つのパドル・アセンブリ３０２、３２２および３４２を備えている。各パドル・アセンブリ３０２、３２２および３４２は、図３に示した各パドル・アセンブリが、やはり事実上平坦な表面を分子の衝突に応答して運動できるように所定の位置に保持して備えている点で、図１のパドル・アセンブリ１００と幾らか類似している。この場合には、パドル・アセンブリ３０２、３２２および３４２が、図３において広く番号３８０で示されている一端において、取り付けられている。

ピエゾ発電機はそれぞれ、圧電性材料からなる部位および抵抗アセンブリから構成されている。例えば、発電機３２４は、発電機３０４および３４４とほぼ同様であるが、圧電性材料３２６と抵抗アセンブリ３２８との間の区分を示すように図示されている。しかしながら、圧電性の部位と抵抗アセンブリとの間の区分は、図３において発電機３０４および３４４についても観察することができる。

抵抗アセンブリ３０８、３２８および３４８はそれぞれ、異なる材料から作られた２つのワイヤに接続されている。例えば、ワイヤ３０７、３２７および３４７のそれぞれが１つの材料から作られる一方で、ワイヤ３０９、３２９および３４９はすべて、別の材料から作られる。すべてのワイヤの他端は、一連のヒートシンク３６０へと接続されており、ヒートシンクそのものは、基板３７０（例えば、シリコン基板であってよい）に機械的に接続されている。パドル・アセンブリ３０２、３２２および３４２が、例えば容易に上下に振動できるよう、広く参照番号３８０にて示されている一端においてのみ基板３７０に接続されている点に、注意すべきである。

システム３００は、以下のとおり本発明に従って動作する。システム全体を、流体（すなわち、液体または気体中）すなわち作動物質中に浸漬させる。例えば、パドル３０２に衝突する作動物質分子の速度における統計的ばらつきが、パドル３０２の自由端を上下に振動させる。このパドル３０２の上下運動が、圧電材料３０６に歪みを生じさせ、この材料３０６の下部導電外側層３８５と上部導電層３８７との間に電圧を生じさせる。

材料３０６の外側導電層３８５および３８７は、抵抗アセンブリ３０８に接しており、したがって電流が、材料３０６から抵抗３０８を通って再び材料３０６へと流れる。電流の通過によって抵抗３０８が加熱されるが、この抵抗は、ワイヤ３０７および３０９（すでに述べたとおり、異なる材料から作られている）によって形成される熱電発電機の片側に接続されている。熱電発電機（熱電対と称することも可能である）の反対側は、より低い温度にあるヒートシンク３６０に接続されている。本発明の技術的思想から離れることなく、ここに説明した熱電発電機ではなく、熱から電気へのヒート・エンジン（例えば、熱電子ヒート・エンジンなど）など他の装置を使用してもよいことを、当業者であれば理解できるであろう。

この温度差によって、熱電発電機が電圧を発生させ、この電圧が、以下でさらに詳しく説明するとおり他のパドル・アセンブリからの電圧と組み合わされ、システムの出力電圧がもたらされる。本発明によれば、これらの電圧をまとめて直列に接続し、システム３００から有用なレベルの電気的出力を生み出すことができる。各パドル・アセンブリからの電圧の合算のプロセスは、図５および６に関して以下でさらに詳しく説明される。

システム３００を、衝突用質量の運動エネルギー（作動物質中に浸漬させた衝突用質量のブラウン運動からもたらされる）をＡＣ電気エネルギーへと変換し、熱エネルギーへと変換し、さらにＤＣ電気エネルギーに変換するシステムとして説明したが、小さな変更によって、システム３００がこの運動エネルギーの結果として直接ＤＣ電気エネルギーを生み出しうることを、当業者であれば理解できるであろう。

とくに、上方へと動き、次いで静止位置へと下方に動くパドル３０２の運動によって、或る１つの極性の電圧が生み出される点に、注意すべきである。下方へと動き、次いで静止位置へと上方へ戻る運動は、反対の極性の電圧を生み出す。このように、本発明によれば、パドル３０２が、中立点（すなわち、静止位置）とただ１つの極限点との間の運動に事実上限られている（通常の振動が、第１の極限点から中立点を通過して第２の極限点へと進み、また戻るのに対し）。

したがって、パドル３０２が、物体を位置３０３（すなわち、パドル３０２の自由端付近）に置くことによって「上方」運動に制限されるならば、出力電圧が或る１つの極性（本質的に、パルス状のＤＣ）に限定される。そのような構成においては、圧電発電機（発電機３０４など）の出力を、まとめて直列に接続することができ、整流回路を必要とすることなく有用なレベルの電気的出力を依然としてもたらしつつ、例えば抵抗アセンブリ３０８、ワイヤ３０７および３０９、ならびにヒートシンク３６０を不要にすることができる。

図４は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システム４００の一部分の他の実施の形態を示している。図４に示したシステム４００の一部分は、それぞれが１つのピエゾ発電機３０４、３２４および３４４（図３に関してすでに説明した）に接続されている３つのパドル・アセンブリ４０２、４２２および４４２を備えている。

図４に示すとおり、パドル・アセンブリ４０２、４２２および４４２のそれぞれは、衝突用質量４９０および衝突用質量４９０にほぼ直交するように取り付けられた多数のナノチューブ４９２を備えている。ナノチューブ４９２はそれぞれ、約２ナノメートルの直径および約２５〜５０ナノメートルの高さを有する例えばカーボンなどの材料で構成できる（ナノチューブ４９２の寸法を、本発明の技術的思想から離れることなく変更できることを、当業者であれば理解できるであろう）。さらに、ナノチューブ４９２の剛性および整列を、図７に示されて以下に説明されるものなど、静的な電圧の印加によって制御することができる。

システム４００は、システム３００についてすでに説明したものと、きわめて同じやり方で動作する。パドル４０２、４２２および４４２の周辺のガス圧の統計的なばらつきが、パドル４０２の自由端を上下に振動させ、圧電材料に歪みを生じさせて、圧電材料の導電外側層に電圧を生じさせる。しかしながら、システム４００においては、システム４００のパドルの上下運動を、さらなる分子の衝突を引き起こすナノチューブ４９２によって、強調することができる。

圧電材料の外側導電層は、抵抗アセンブリに接しており、したがって電流が流れて抵抗が加熱される。例えばワイヤ３０７および３０９によって形成された熱電発電機が、加熱された抵抗と低温にあるヒートシンク３６０との間に位置している。この温度差によって、熱電発電機が電圧を生み出す。

図５および６は、それぞれナノメートル・スケールの電気機械システム５００および６００という２つの類似する構成を示しており、どちらも本発明の原理に従って構成されている。システム５００および６００はそれぞれ、多数のパドル・アセンブリ３０２を発電機３０４に接続して備えており、発電機３０４そのものは、ヒートシンク３６０へと接続されたワイヤ３０７および３０９に接続されている。これは、例えば図３に示したシステム３００の一部分を見つけることができる場所を示している破線による囲み部分を眺めることによって、さらに明らかになるであろう。図５および６に示すとおり、システム５００および６００は、それぞれ９０のパドル・アセンブリ３０２および関連のコンポーネント（すなわち、発電機、ワイヤ、およびヒートシンク）を備えている。

実際には、本発明に従って構成されるナノメートル・スケールの電気機械システムは、百万以上のパドル・アセンブリを１つの基板上に備えることができる。本発明によれば、１つの基板上のそれぞれの熱電発電機から延びる各組のワイヤにまたがる出力電圧が、直列にまとめて接続されて、システムのただ１つの出力信号をもたらす。この出力信号は、使用される個々のコンポーネントの数およびそれらのコンポーネントを製造するために使用される特定の製造技術によって決まるが、ボルトのオーダでありうる電圧を有しうる。システム５００と６００との間の主たる相違は、システム５００が負荷抵抗５０２を有する一方で、システム６００が有していない点にある。

負荷抵抗５０２が基板３７０に搭載されて示されているが、負荷抵抗５０２によって放散された熱が作動流体の温度を左右することがないよう、負荷抵抗を基板３７０が浸漬される作動流体から絶縁することが好ましいかもしれないということを、当業者であれば理解できるであろう。

図７は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システム７００の他の実施の形態を示している。システム７００は、キャパシタ７０８の上側プレート７０４と下側プレート７０６との間に位置するナノチューブ７０２のアレイと、やはりキャパシタ７０８の両プレート間にまたがって接続されている電圧源７１０とを含んでいる。ナノチューブ７０２はそれぞれ、約２ナノメートルの直径および約２５〜５０ナノメートルの高さを有する例えばカーボンなどの材料で構成できる（ナノチューブ７０２の寸法を、本発明の技術的思想から離れることなく変更できることを、当業者であれば理解できるであろう）。

各ナノチューブ７０２の一端は、キャパシタ７０８の下側プレート７０６に固定されている。各ナノチューブ７０２の他端は、自由に運動できる。次いで、アセンブリ７００の全体が、通常は流体（すなわち、気体または液体）中に浸漬される。キャパシタ７０８の両プレートにまたがって電圧源７１０から電圧Ｖが印加されると、電界Ｅが生み出され、ナノチューブ７０２の長さをキャパシタ・プレート７０４および７０６に対して事実上直角を向いた状態に保とうとする力が生じる。ナノチューブ７０２に衝突する作動流体分子の速度および方向の統計的なばらつきによって、ナノチューブ７０２の周囲の流体の圧力に統計的なばらつきが生じ、これが図８および９に示すようなナノチューブ７０２の弾性的な運動を生じさせる。

図８に示すとおり、ナノチューブ８０２および８２２（単に、隣り合う任意の２つのナノチューブ７０２である）は、個々の分子１１０が各ナノチューブに衝突した直後であっても、下側のキャパシタ・プレート７０６に対して事実上直交している。この場合、ナノチューブのいずれの側においても気体の圧力にばらつきはなく、チューブは直立したままである。２つのナノチューブの相互関係が示されているが、数千または数百万のナノチューブについて分子の衝突が同時に生じることを、当業者であれば理解できるであろう。

一方、図９は、作動流体分子の熱運動のばらつきによってもたらされるナノチューブ９０２および９２２（ナノチューブ８０２および８２２と同様、単に隣り合う任意の２つのナノチューブ７０２である）の周囲の流体の圧力の統計的なばらつきの影響を示しており、位置９３０においてナノチューブ９０２および９２２の自由端の衝突を引き起こしている。衝突するナノチューブ９０２および９２２の運動エネルギーの一部が、これらチューブがお互いを摺動して過ぎるとき、接触による摩擦の結果として熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーが、ナノチューブ９０２および９２２の長さに沿って下方に、熱伝導性のプレート７０６まで導かれる。

さらに、図８および９に示されているとおり、各ナノチューブ７０２（または、ナノチューブ８０２、８２２、９０２および９２２）は、キャパシタ・プレート７０４および７０６間の電界Ｅゆえ、帯電を有している。ナノチューブ９０２および９２２の衝突は、電荷を加速させることによってチューブの運動エネルギーをさらに放散させ、次いでこれが、ナノチューブの自由端に電磁波を生じさせる。このようなやり方で、電磁エネルギーが作動物質の冷却および下側キャパシタ・プレート７０６の加熱という正味の効果をもたらすため、作動流体の運動エネルギーの一部が、下側のキャパシタ・プレート７０６へと運ばれ、周囲の空間へと運ばれる。次いで、この温度差を、空間の或る領域を直接加熱または冷却するために使用でき、あるいはヒート・エンジンを駆動するために使用できる。

図１０は、本発明に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械アセンブリ１０００の他の実施の形態を示している。アセンブリ１０００は、多数のナノチューブ１００２を備えており、すべて基部１００４に接続されている。先の実施の形態と異なり、ナノチューブ１００２は上端において閉じており、気体の分子が各ナノチューブ１００２の中に閉じ込められている。さらに、図１０に示すとおり、各ナノチューブ１００２において少なくとも１つの分子が帯電させられている（例えば、個々のナノチューブ１０１２が、正に帯電した分子を少なくとも１つ含む一方で、個々のナノチューブ１０２２は、負に帯電した分子を少なくとも１つ含んでいる）。

アセンブリ１０００は、チューブの半数が正の電荷を含み、残りの半分が負の電荷を含み、アセンブリ中のナノチューブ１００２の正味の電荷がゼロであるように構成されている。この実施の形態においては、帯電した分子がナノチューブの壁面およびナノチューブ内の他の分子に衝突して跳ね返るとき、電荷の加速度が生じて、周囲の空間へとチューブ・アセンブリを通過する電磁波が生み出される。電磁放射の結果として、ナノチューブ１００２内の気体が冷却され、これによって熱伝導性の基部１００４が冷却される。この場合には、当業者にとって明らかであるとおり、基部１００４の温度の低下を、流体を冷却するために利用することができ、あるいはヒート・エンジンの「低温側」として使用することができる。

図１１は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械アセンブリ１１００の他の実施の形態を示している。アセンブリ１１００は、一連のナノメートル部材１１０２を、導電性かつ熱伝導性である一対のレール１１０４および１１０６の間に接続して備えている。この実施の形態においては、ナノメートル部材１１０２がカーボン・ナノチューブであり、周囲の作動物質のランダムな圧力変化に反応してナノチューブが振動できるよう、ナノチューブ１１０２のそれぞれに或る程度のたるみが設けられている。レール１１０４および１１０６は、熱伝導性の基部１１０８に取り付けられて熱接触している。

ここに説明したナノチューブの代わりに、他のさまざまなナノメートル部材を本発明に従って使用できることに、注意すべきである。例えば、本発明の原理を、きわめて細い繊維に形成できる基本的に任意の導電材料を使用して実行できる。それらには、ナノチューブの代わりに、単純なカーボン繊維が含まれる。

図１１および１２に示したナノメートル部材（ならびに、後で説明する図１３〜１６のナノメートル部材）は、例えばすでに説明したパドルと比較したとき、さらなる機能を果たす。例えば、図１１〜１６のナノメートル部材はすべて、衝突用質量として機能しつつ、すでに説明した拘束部材および発電装置の機能に貢献する。さらに、図１１および１２のナノメートル部材は、抵抗素子としても機能する（図１３〜１６は、後でさらに詳しく説明するとおり抵抗素子１３０４を備えている）。

本発明の原理に従い、熱伝導性の基部１１０８には、熱絶縁材料１１１０が取り付けられており、さもなくば露出する熱伝導性の基部１１０８の部位の少なくとも大部分を覆っている。絶縁１１１０の使用は、熱エネルギーの損失防止を助けている。さらに、すでに説明した実施の形態において、それらのシステムおよびアセンブリの効率をさらに高めるべく同様の絶縁を利用可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。

外部の磁界（図１１において「

」で示されている）がアセンブリ１１００を貫いており、レール１１０４および１１０６ならびに基部１１０８に直交している。アセンブリ１１００の動作が図１２に示されており、レール１１０４および１１０６の一部が示され、個々の２つのナノチューブ１２０２および１２２２（単純に、隣り合う２つのナノチューブ１１０２である）が含まれている。作動物質に浸漬されたナノチューブ１２０２および１２２２が、作動物質の分子の熱運動のランダムな変動ゆえ、緩んだ「休止」位置（直線状の破線１２０３および１２２３で示されている）から不規則的に運動する。磁界

の存在下でのナノチューブ１２０２および１２２２の運動によって、ナノチューブ１２０２および１２２２の長さに沿って電界Ｅが誘起される（図１２に示すとおり）。

この電界Ｅによって、１つのナノチューブから１つのレールを下り方向に流れ、他方のナノチューブを横切って他方のレールを上り方向に流れる電流「ｉ」が生じる（時計回りの電流として図示されているが、ナノチューブの運動の方向が変化する他の或る時点においては反時計回りの電流であるかもしれず、したがってＡＣ電流が生み出される）。ナノチューブおよびレールを通って流れる電流によって、抵抗性の発熱が生じ、熱がナノチューブおよびレールに沿って熱伝導性の基部１１０８へと移動する。ナノチューブの周囲の流体（気体または液体）が冷却される一方で、基部１１０８が加熱され、さまざまなやり方（すでに述べたヒート・ポンプやヒート・エンジンなど）で利用できる温度差が確立される。

図１３〜１６は、アセンブリ１３００について、本発明の原理による絶縁の使用のさらなる例を示している。アセンブリ１３００は、多くの点で図１１のアセンブリ１１００と類似している。アセンブリ１３００も、ナノチューブ１３０２を作動物質に浸漬させて備えている。さらに、ナノチューブ１１０２に関してすでに説明したとおり、ナノチューブ１３０２が、作動物質の分子の熱運動のランダムな変動によって不規則的に運動できるよう、たるみを有して据え付けられている。

アセンブリ１３００も、外部の磁界

に依拠している。すでに述べたとおり、磁界

を横切るナノチューブ１３０２の運動が、ＡＣ電流の流れを誘起し、この電流が、この場合には、各ナノチューブ１３０２の直下に位置する抵抗１３０４を通って導かれる。抵抗１３０４の値は、ナノチューブの抵抗の約２倍となるように選択でき、その場合、生成された電力の大部分が、抵抗によって熱として放散される。

アセンブリ１３００は、抵抗１３０４が絶縁層１３１０の下方かつ熱伝導性シート１３１２の上方に位置するように構成されている。これにより、生成された電力および熱の大部分を、上方の作動流体にではなく、下方へとアセンブリ１３００に導くことができる。さらに、アセンブリ１３００は、レールを使用するのではなく、柱１３０６を利用しているため、高温にある表面積のうちで作動流体に暴露されるのは、限られた部分だけである。抵抗１３０４、柱１３０６、および抵抗リードは、熱伝導層１３１２上に堆積させた電気絶縁の薄い層１３１４によって、熱伝導シート１３１２から電気的に絶縁される。

抵抗１３０４からの熱が、熱伝導シート１３１２の温度を上昇させる。熱伝導シート１３１２の底部が、熱電発電機１３３４の「高温」部１３３０と熱接触している（シート１３１２は、電気絶縁シート１３１６によって高温部１３３０から電気的に絶縁されている）。第２の熱伝導シート１３２２が、熱電発電機１３３４の「低温」部１３３２と熱接触している（この二者は、薄い層１３１８によって電気的に絶縁されている）。このようなやり方で、生み出された熱が、抵抗１３０４からアセンブリ１３００を通過して下方へ、下側層１３２２の底面まで導かれる。

熱電発電機１３３４の高温部と低温部（それぞれ、１３３０および１３３２）との間の温度差が、それぞれの接点を横切ってＤＣ電圧を生じさせる。他の実施の形態に関してすでに説明したとおり、複数のこれら接点をまとめて直列に相互接続することによって、アセンブリ１３００を、少なくとも約１ボルトであろう有用な電圧を供給するために使用することができる。アセンブリ１３００が負荷を駆動すべく使用され、負荷が熱電発電機１３３４に直列に接続され、作動流体が冷却または所定の温度範囲に保たれるとき、負荷において放散される電力が作動流体の温度を作用することがないよう、負荷を作動流体から離しておくことによって、システムの効率が高められる。

さらに、図１５に最もはっきりと見て取れるように、追加の熱絶縁の層が、アセンブリ１３００の高温部をアセンブリ１３００の低温部から分離するために使用される。とくに、アセンブリ１３００が、さらに絶縁層１３４２を熱伝導シート１３１２（実際には、図示のとおり、層１３４２は電気絶縁層１３１６の下方にある）と低温部１３３２との間に介装して備えている。一方、絶縁層１３５２が、第２の熱伝導シート１３２２と高温部１３３０（実際には、図示のとおり、層１３５２は電気絶縁層１３１８の下にある）との間に位置している。これらの絶縁層は、熱電発電機の高温部と低温部との間の温度差を大きくし、熱電発電機１３３４の電気出力を増加させる。

アセンブリ１３００の動作は、アセンブリ１１００に類似しており、図１６に関して説明されている。外部磁界

のもとでのナノチューブ１３０２の運動によって、図１６に示すとおり電流「ｉ」の流れが生じる。しかしながら、この場合には、個々のナノチューブ１３０２のそれぞれからの電流は、対応する抵抗１３０４を備える自己完結の回路内にとどまる。例えば、個々のナノチューブ１３４２に誘起された電流は、アセンブリ１１００に関して説明したように隣のナノチューブと相互に交流するのではなく、個々の抵抗器１３４４を備える「絶縁された」回路内にとどまる。２つのナノチューブの運動が示されているが、やはり数千または数百万のナノチューブの運動が同時に生じることを、当業者であれば理解できるであろう。

個々のナノチューブ１３０２のそれぞれに個々の熱電発電機部が用意されているように見受けられるが、このような構成を実現することが現実的ではなく、法外に高価につく可能性があることを、当業者であれば理解しなければならない。したがって、本発明によれば、個々の熱電発電機１３３４の部分のそれぞれに、数百万とはいわないがいくつかのナノチューブ１３０２を熱的に接続することが、より現実的であろう。

図１７は、本発明に従って構成された推進システム１７００を示しており、作動物質内に浸漬された物体が、物体への作動物質分子の分子衝突のばらつきの結果として、制御可能な方向に駆動される。システム１７００は、球１７０２を備え、さらに電子装置コア１７１６を中心に軸方向に配置された一連の電磁石１７０４、１７０６、１７０８、１７１０、１７１２および１７１４（１７１２および１７１４は、１組の破線によって示されている）を備えている（軸方向とは、単に１つの電磁石が、電子装置コア１７１６の６つの側面のそれぞれに平行に位置していて、それぞれの電磁石の中心が、コアの表面に直交して延びる仮想の軸に整列していることを指している）。これらの電磁石が、以下でさらに詳しく説明するとおり制御システムとともに駆動システムを形成し、球１７０２の推進を助ける。

球１７０２は、任意の三次元物体であってよい。球が示されているが、立方体や円筒形などの他の形状も、使用することができる。球１７０２の表面は、図１１〜１６に関してすでに説明したとおり、或る程度のたわみを備えて当該表面へと取り付けられた一連のナノチューブなど、ナノメートル・スケールのアセンブリで覆われている。

電磁石１７０４、１７０６、１７０８、１７１０、１７１２および１７１４は、例えば電池や他の何らかの供給源から駆動することができる。いずれにせよ、外部の電力が電子装置コア１７１６へと供給され、次いで以下に説明するとおり適切な電磁石へと供給される。

球１７０２がゼロでない温度に保たれた流体内に位置していると仮定し、例えば電磁石１７０４など、或る１つの電磁石が駆動されたとき、もたらされる磁界１７１８がナノチューブ・アセンブリと協働し、表面の直上の流体の圧力を低下させる。この圧力の低下によって、球１７０２が方向１７２０へと動かされる（推進力が充分強い場合）。例えば、さらに電磁石１７１０も駆動されるならば、これによって磁界１７２２が確立され、球１７０２が力１７２４によっても影響される。この場合には、球１７０２が、磁気軸１７１８および１７２２から４５度離れたベクトルに沿って、（矢印１７２６によって示されているとおり）進められる。それぞれの電磁石に供給される電流を変化させることによって、流体中の球１７０２の運動を制御することができる。

図３に再び目を向けると、システム３００にジョンソン雑音が存在しうることを、当業者であれば認識できるであろう。ジョンソン雑音は、抵抗の本体において、通常は温度の振動によってもたらされる担体のランダムな運動に起因し、望ましくない電圧を生じさせる。ジョンソン雑音は、標準的な電圧（例えば、１２４ボルト）を調節するために使用されるセンチメートル・スケールの抵抗においては、通常は問題でないが、ナノメートル・スケールの抵抗においては、調節すべききわめて小さな電圧のすべてまたはいくらかをジョンソン雑音が打ち消してしまう可能性があるため、厄介な問題になりうる。システム３００のピエゾ発電機３０４、３２４、および３４４は、それぞれ抵抗３０８、３２８、および３４８の周囲にきわめて小さい電圧を生じさせるため、これらの抵抗におけるジョンソン雑音が、システムの出力の一部を帳消しにしてしまう可能性がある。

システム３００からのジョンソン雑音の影響を緩和するため、ピエゾ発電機３０４、３２４、および３４４をそれぞれ抵抗３０８、３２８、および３４８へと選択的に接続するため、自動スイッチを備えることができる。そのような自動スイッチがオンであるとき、２つのコンポーネント間に閉じた回路が存在し、抵抗にピエゾ発電機の電位からの電流を流すことができる。そのような自動スイッチがオフであるとき、２つのコンポーネント間に開いた回路が存在し、抵抗に電位が加わることがない。ピエゾ発電機によって生成される電位の大きさに関して自動スイッチのオンおよびオフ時間を制御することで、抵抗によって調節される電圧を制御することができる。この「オンになる」電圧が、好ましくは、ジョンソン雑音によって生じる平均電圧よりも大きくされ、これによりジョンソン雑音による悪影響が基本的にシステムから除かれる。

図１８のグラフ１８００は、縦軸１８０１および横軸１８０２に関するマクスウェル分布曲線１８００を示している。詳しくは、縦軸１８０１は、作動物質内の該当しうる分子の数を表わしている。横軸１８０２は、作動物質内の分子についてありうる速度を表わしている。したがって、マクスウェル曲線１８００は、作動物質中で分子は有する速度の範囲を示している。マクスウェル曲線１８００がさまざまな要因に依存して変化しうることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、作動物質の温度が高くなると、分子の平均速度が大きくなるため、マクスウェル曲線１８００は別の形状をとるであろう。

グラフ１８００を眺めると、任意の或る時点において、幅広い範囲の速度を有している複数の分子が図３のパドル３０２、３２２、および３４２に衝突しうることが明らかである。したがって、パドル３０２、３２２、および３４２は、それらの衝突によって生じる力に従って曲げられることになる。いずれの場合にも、数百、または数千にもなる分子が、パドル３０２、３２２、および３４２に衝突しうる。すでに述べたとおり、好ましくは本発明の自動スイッチが、ピエゾ発電機３０４、３２４、および３４４によって生み出される電位が抵抗３０８、３２８、および３４８に存在するジョンソン雑音よりも大きいときに、ピエゾ発電機３０４、３２４、および３４４が抵抗３０８、３２８、および３４８に接続されるように構成されている。図３のシステム３００によって生み出される電位の大きさは、パドル３０２、３２２、および３４２へと加えられた力の大きさを表わしているため、自動スイッチを、ピエゾ発電機３０４、３２４、および３４４をそれぞれ抵抗３０８、３２８、および３４８へと、パドル３０２、３２２、および３４２に衝突するすべての分子の合計の力が少なくとも特定の大きさおよび特定の方向を有しているときに接続するように構成できることを、当業者であれば理解できるであろう。

図２７のシステム２７００に関して後で説明するとおり、本発明のシステムは、動作のために必ずしも作動物質中に浸漬させる必要はない。さらに詳しく述べると、物体は、その温度に比例した平均速度で振動し、かつその質量に反比例した平均速度で振動する。すなわち、本発明の実施の形態を真空中で動作させることができ、温度によって励起させることができる。したがって、熱源を備えることができる。そのような熱源は、低級の熱源（例えば、体温）であってよく、あるいは太陽光によってもたらされる熱であってよい。このような実施の形態は、動作のために周囲の流体を必要としないが、それらを作動物質中に浸漬させることが有益であろう。

図１９は、ナノ電気機械システム１９００の一部分の一例を示しており、本発明に従って構成された自動スイッチ９１２を備えてなるパドル１９０１を使用している。システム１９００は、パドル１９０１の形態である衝突用質量、拘束部材１９０２、発電装置１９０４（スイッチ１９１２の状態に応じてリード１９０６に電気的出力をもたらす）、および基部１９０８（通常は、パドル１９００よりも数千倍も、数百万倍も大きい）を含んでいる。パドル１９０１は、おそらくは熱伝導性であるが必ずしも熱伝導性でなくてもよい基部１９０８へと、所定の距離の範囲内で１つ以上の方向（横方向、または上下など）へと運動できるように取り付けられている。

２つ以上の拘束部材１９０２でパドル１９１０を基部１９０８に接続してもよいことを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、パドル１９０１の対向する２つの端部を、２つの別個の拘束部材１９０２で拘束してもよい。そのような実施の形態において、パドル１９０１はネットの形態をとることができ、分子または一群の分子が衝突したとき、きわめて小さいが依然として利用可能である電位を生み出すことができる。

さらに図１９には、分子１９１０がパドル１９０１で跳ね返されて示されており、今や遅くなった速度で運動している。いくつかの分子は、衝突の結果として速度が遅くなる一方で、他の分子は速度がほとんど変化しない可能性があり、他の分子には実際には速度の増加がもたらされるかもしれないことを、当業者であれば理解できるであろう。しかしながら、一般的には、本発明によれば、分子１９１０のパドル１９０１との衝突は、平均すれば、速度の減少をもたらす。

分子１９１０は、好ましくは当該システムの作動物質の分子であり、好ましくは流体（例えば、気体または液体）であるが、固体であってもよい。すでに述べたとおり、作動流体の圧力は、システムによってもたらされる出力を左右しうる。したがって、システム１９００を、密度の大きい分子が高速で運動している作動物質中に沈めることが好ましいと考えられる。さらに、作動物質中に含まれている分子の速度を高めるため、この作動物質に熱を導入してもよい。

分子１９１０の速度の低下は、パドル１９０１によって装置１９０４との協働において生じるが、装置１９０４は、本発明の原理から離れることなく、さまざまな装置のうちの任意の装置であってよい。例えば、装置１９０４は圧電装置であってよく、あるいは起電力または静電力発電機であってよい。いずれの場合も、装置１９０４が、分子１９１０の衝突用質量１９００への衝突から、衝突用質量の運動エネルギーをリード１９０６を介する出力電気エネルギーに変換する。

リード１９０６を介する電気的出力の量は、たとえ最も好都合な条件下であっても、きわめて小さい。例えば、パドル１９００の出力は、装置のサイズおよび他のさまざまな要因によって決まるが、約１０^−１２ワット程度であると考えられる。したがって、このシステムが、例えば数マイクロワットなどの有用な出力をもたらすためには、このようなパドルを数百万個製造し、システムのすべてまたは事実上すべての出力を１つの出力信号へと合算できるよう、一体に接続する必要がある。

システム１９００が作動物質なしでも動作可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。さらに詳しくは、システム１９００を真空中で動作させることができ、パドル１９０１が、自身の有限の温度ゆえに振動することができる。

すでに述べたとおり、発電機１９０４の電圧が充分に大きくない場合、素子をリード１９０６に接続して備えている電気回路のジョンソン雑音が、発電機の出力のいくらかまたはすべてを打ち消してしまうかもしれない。いつパドル１９０１の出力を利用するかを制御するため、リード１９０６にスイッチ１９１２を備えることができる。スイッチ１９１２は、発電機１９０４の出力を、最小限の大きさの電圧が生み出されているときにのみ利用するように構成することができる。好ましくは、この最小限の電圧は、リード１９０６へと接続された回路素子のジョンソン雑音によって生み出される電圧の平均よりも大きくされる。

作動物質によって（あるいは、自身の熱振動によって）パドルが動かされる方向が、パドル１９０１の運動の方向を左右する。パドル１９００に加わる方向の異なる圧力によって、極性の異なる電圧が生み出されることにつながる。図示のシステム１９００において、静止位置から上方へと動き、次いで静止位置へと下方に動くパドル１９０１の運動によって、或る１つの極性の電圧が生み出される点に注意すべきである。下方へと動き、次いで静止位置へと上方に戻る運動は、反対の極性の電圧を発生させる。このようにして、パドルが分子の衝突を受けたとき、パドルが静止位置の両側の間を振動でき、両方の極性の電位（例えば、ＡＣ電圧）を生み出すことができる。したがって、スイッチ１９０６を、特定の極性の最小電圧がパドルによって達成されたときにのみ、開くように構成できる。換言すれば、スイッチ１９１２を、パルス状のＤＣ電圧を生じさせるために使用することができる。

図２０は、ナノメートル・スケールの電気機械システム２０００の一部分の斜視図であり、ジョンソン雑音の影響を軽減し、ランダムなパルス状ＤＣ出力電圧を生成する自動スイッチを備えて構成されている。システム２０００は、図３のシステム３００に類似している。しかしながら、システム２０００はスイッチ２０９１を備えており、かつ圧電層をパドル・アセンブリ（例えば、パドル・アセンブリ２００２、２０２２、および２０４２）に一体化している。システム２０００においては、パドル・アセンブリが、パドルとして構成されたピエゾ発電機である。

例えば、パドル・アセンブリ２０４２は、上側導電層２０４４、圧電性材料２０４６、および下側導電層２０４５で構成されたピエゾ発電機である。すなわち、パドル・アセンブリ２０４２が衝突する分子（あるいは、真空中での自身の熱振動）からのエネルギーを吸収するとき、圧電性材料２０４６に圧力が加わり、上側導電層２０４４と下側導電層２０４５との間に電位が形成される。この電位が抵抗アセンブリ２０４８に接続されたとき、抵抗アセンブリ２０４８を通って電流が流れる。抵抗アセンブリ２０４８を通過して流れる電流の副産物として、熱が生じる。この熱を、熱電発電機によって回収することができ、あるいは別の物質を加熱するために使用することができる。

自動スイッチ２０９１が、いつパドル・アセンブリ２０４２を抵抗アセンブリ２０４８に接続するかを支配している。すなわち、スイッチ２０９１が、いつパドル・アセンブリ２０２４の電圧発生特性を抵抗アセンブリ２０４８に接続するかを支配している。具体的には、抵抗アセンブリの片側が、上側導電層２０４４に接続される。抵抗アセンブリ２０４８の反対側は、導電延長部２０９２を介してスイッチ２０９１に接続される。

自動スイッチ２０９１は、パドル・アセンブリ２０４２が静止位置にあるとき、下側導電層２０４５がスイッチ２０９１に接触せず、パドル・アセンブリ２０４２と抵抗アセンブリ２０４８との間に開いた回路が存在するよう、パドル・アセンブリ２０４２の近傍に配置されている。しかしながら、スイッチ２０９１はさらに、好ましくは、パドル・アセンブリ２０４２が静止位置から或る所望の距離だけ変位させられたときに下側導電層２０４５がスイッチ２０９１に接触し、パドル・アセンブリ２０４２と抵抗アセンブリ２０４８との間に閉じた回路が存在するよう、パドル・アセンブリ２０４２の近傍に配置されている。下側導電層２０４５を層２０９２から隔てるため、絶縁層２０９３を配置することができる。

自動スイッチ２０９１とパドル・アセンブリ２０４２の静止位置との間の間隔を小さくすると、システム２０００を作動物質中に浸漬させたときに、下側導電層２０４５がスイッチ２０９１に接触する単位時間当たりの回数が増加する。さらに、システム２０００が作動物質を含んでいない真空中でも動作可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。そのようなシステムは、パドルそのものの熱特性を利用することができる。詳しくは、パドル・アセンブリ２０４２が、熱振動によって振動できる。このようなやり方で、スイッチ２０９１とパドル・アセンブリ２０４２の静止位置との間の間隔を小さくする場合、下側導電層２０４５がスイッチ２０９１に接触する回数を、好ましくは増加させることができる。

さらに、自動スイッチ２０９１の位置をパドル・アセンブリ２０４２の下方で横にずらすことによって、下側導電層２０４５が自動スイッチ２０９１に接触する回数を多くすることができ、あるいは少なくすることができることを、当業者であれば認識できるであろう。同様に、自動スイッチ２０９１とパドル・アセンブリ２０４８の静止位置との間の間隔を増すこと、またはスイッチ２０９１の位置によって、下側導電層２０４５が自動スイッチ２０９１に接触する回数を少なくすることができる。

スイッチ２０９１とパドル・アセンブリ２０４２の静止位置との間の間隔を増すと、パドル・アセンブリ２０４２をスイッチ２０９１へと閉じるために必要な力の大きさも、増加する。この増加した力の大きさは、パドル・アセンブリ２０４２の圧電性層２０４６に生じる応力の大きさに直接比例する。すなわち、この増加した力の大きさは、ピエゾ発電機にて生み出される電位がより大きいことを意味する。抵抗アセンブリ２０４８のジョンソン雑音の影響を最小限にするため、自動スイッチ２０９１とパドル・アセンブリ２０４２の静止位置との間の間隔は、好ましくは、閉じた回路を形成するために必要とされる力の大きさが、抵抗２０４８内のジョンソン雑音によって生み出される平均の電位よりも大きくなるように、選択されるべきである。

スイッチ２０９１を、どの極性の電力が必要とされるかに応じてパドル２０４２のいずれかの側に配置できることを、当業者であれば理解できるであろう。同様に、２つの別個の自動スイッチを、本発明の圧電パドル・アセンブリに備えてもよい。具体的には、１つの自動スイッチを、パドル・アセンブリの下方の或る位置および或る距離に配置できる一方で、第２のスイッチを、同じパドル・アセンブリの上方の或る位置および或る距離に配置することができる。このようにすることで、このパドル・アセンブリによって交流電流を生み出すことができる。生み出された交流電流は、パドル・アセンブリ２０４２の出力が、多くの場合、抵抗２０４８によって生じるジョンソン雑音よりも大きな値にて生み出されているため、抵抗２０４８のジョンソン雑音の影響をほとんど受けていない。

抵抗２０４８を流れる電流によって、抵抗２０４８が加熱されるが、この抵抗２０４８が、ワイヤ２０４７および２０４９（すでに述べたとおり、異なる材料から作られている）によって形成される熱電発電機の片側に接続されている。ワイヤ２０４７および２０４９を、絶縁層２０９４によって互いに絶縁することができる。熱電発電機（熱電対と称することも可能である）の反対側は、抵抗２０４８よりも低い温度にあるヒートシンク２０６０に接続されている。本発明の技術的思想から離れることなく、ここに説明した熱電発電機ではなく、熱から電気へのヒート・エンジン（例えば、熱電子ヒート・エンジンなど）など他の装置を使用してもよいことを、当業者であれば理解できるであろう。

この温度差によって、熱電発電機がＤＣ電圧を発生させ、この電圧が、以下でさらに詳しく説明するとおり、他のパドル・アセンブリからの電圧と組み合わされて、システムの出力電圧がもたらされる。本発明によれば、これらの電圧をまとめて直列に接続し、システム２０００から有用なレベルの電気的出力を生み出すことができる。システム２０００の抵抗素子、熱電発電機、およびヒートシンクを取り除き、電流を圧電アセンブリから直接導いてもよいことを、当業者であれば理解できるであろう。さらに、コンタクト２０９１がナノチューブであることに加え、導電層２０４５もナノチューブであってよく、あるいは導電層２０４５をナノチューブの上端に設けてもよいことを、やはり当業者であれば理解できるであろう。そのようにすることで、層２０４５とコンタクト２０９１との間の磨耗を少なくすることができる。

自動スイッチ２０９１が、毎秒多数回の下側導電層２０４５の接触にさらされることを、当業者であれば認識できるであろう。実際において、スイッチ２０９１と下側導電層２０４５との間の接触の回数は、容易に毎秒１０００回に達しうる。したがって適切には、自動スイッチ２０９１が、低摩耗特性を呈する導電性材料から作られることが好ましい。例えば、ナノチューブが１つの分子として良好な摩耗特性を呈するため、自動スイッチ２０９１を、ナノチューブで構成することができる。しかしながら、スイッチ２０９１を製造するために、任意の導電性材料を使用することが可能である。自動スイッチ２０９１と下側導電層２０４５との間の摩耗を少なくするため、ナノチューブを、下側導電層２０４５の底面に配置してもよい。

図２１は、システム２１００を示しており、図２０のナノメートル・スケールの電気機械システムについて線２０‐２０に従って得た断面図である。システム２１００は、好ましくはシステム２００と同じやり方で動作する。詳しくは、パドル・アセンブリ２１４２が静止位置２１９９の辺りに位置しており、分子２１１０（または１群の分子２１１０）がパドル・アセンブリ２１４２に衝突するとき、生じる力２１１１がパドル・アセンブリ２１４２によって受け止められ、静止位置２１９９を中心とするパドル・アセンブリ２１４２の振動を引き起こす。力２１１１が充分に大きい場合（例えば、力２１１１の垂直成分が充分に大きい場合）には、パドル・アセンブリ２１４２が、コンタクト２１９１に接触するに至る。このとき、圧電性層２１４６に加わる応力の結果としてパドル・アセンブリ２０４２を横切って生み出される電位が、上側導電層２１４４を通って抵抗２１４８の片側へと運ばれ、下側導電層２１４５、スイッチ２１９１、および導電層２１９２を通って抵抗２１４８の他方の側へと運ばれる。

抵抗２１４８をまたがって加わる電位によって、抵抗２１４８の加熱が生じる。この抵抗の熱が、ワイヤ２１４７および２１４９を通ってヒートシンク２１６０へと運ばれる。他のパドル・アセンブリ（例えば、隣接するパドル・アセンブリ）からの熱も、ワイヤ２１９４を介してヒートシンク２１６０へと運ばれる。

電流または電位を得るために、システム２１００の熱電発電コンポーネントが必須ではないことを、当業者であれば理解できるであろう。さらに、システム２１００の個々の抵抗アセンブリも、電流または電位を得るために必須ではない。図２２は、システム２２００を示しているが、システム２２００は、個々の抵抗アセンブリまたは熱電発電機コンポーネントを備えていないナノメートル・スケールの電気機械システムの他の実施の形態である。

システム２２００のパドル２２４２は、抵抗アセンブリや熱電発電機コンポーネントを備えることなく構成されている。結果として、抵抗アセンブリおよび熱電発電機コンポーネントを統合してなるパドル・アセンブリに比べ、より多数のパドル・アセンブリ２２４２をアレイ内に配置することができる。図２１のシステム２１００のパドル・アセンブリ２１４２と同様、パドル・アセンブリ２２４２がピエゾ発電機を形成しており、圧電性層２２４６が静止位置から動かされたとき、圧電性層２２４６に応力が加わって上部導電層２２４４と下部導電層２２４５との間に電位が生じる。この電位をいつシステム２２００の出力へと渡すことができるようにするかを、スイッチ２２９１が制御する（図２３のシステム２３００に示されている）。

システム２２００のパドル・アセンブリが、システム２１００のものと異なる構成であることを、当業者であれば理解できるであろう。詳しくは、自動スイッチ２２６１が、パドル・アセンブリ２２６２の下側導電層２２９５と別のパドル・アセンブリ２２４２の上側導電層２２４４との間の回路を開閉するために、使用されている。このようなやり方で、システム２１００は、パドル・アセンブリ２２４２および２２６２を互いに直列構成に配置している。

さらに、システム２２００のパドルのいくつかが共通の上側導電層を共有していることに、当業者であれば気付くであろう。具体的には、システム２２００のパドル・アセンブリは２列に分割されており、各列が、互いに並列接続にある複数のパドル・アセンブリで構成されている。具体的には、パドル２２０２、２２２２、および２２４２が互いに並列接続され、システム２２００のパドル列の１つの一部分を構成している。これらのパドル・アセンブリが、共通の上側導電層２２４４を共有しており、次いで、この共通の上側導電層２２４４が、システム２２００の別のパドル・アセンブリ列（例えば、自動スイッチ２０６５、２０６３、および２０６１を含んでいるパドル・アセンブリ列）の自動スイッチへと接続されている。

分子がパドル・アセンブリ２２６２に衝突した場合、アセンブリ２２６２の下側導電層２２９５と導電層２２４４との間に、スイッチ２２６１を介して閉じた回路が形成される。この例において、導電層２２４４は、層２２９４の電位をパドル・アセンブリ２２６２の圧電性層によって生み出される電位に加えた（あるいは、アセンブリ２２６２の構成によっては、層２２９４の電位をパドル・アセンブリ２２６２の圧電性層によって生み出される電位から減算した）ものとほぼ等しい電位を有する。ここで、アセンブリ２２０２も閉じているならば、導電層２２９２は、導電層２２９４における電圧にアセンブリ２２０２および２２６２によって生み出される電圧を加えた（あるいは、アセンブリの構成によっては、アセンブリ２２０２および２２６２によって生み出される電圧を減算した）ものとほぼ等しくなる。

システム２２００は、数十億にはならないかもしれないが、数百万のパドル・アセンブリ（例えば、圧電発電機）と、数百万にはならないかもしれないが、数千のパドル・アセンブリ列を含むことができる。図２３に描かれている回路２３００は、図２２のシステム２２００のアレイの原理を説明している。詳しくは、回路２３００は、２つのパドル・アセンブリ列（例えば、列２３１０および２３２０）を含んでいる。列２３１０が、パドル・アセンブリ２３１２、２３０２、２３２２、および２３４２を含む一方で、列２３２０は、パドル・アセンブリ２３６８、２３６６、２３６４および２３６２を含んでいる。各パドル・アセンブリは、図２２の自動スイッチ２２６１に類似の自動スイッチによって制御される。

回路２３００のパドル・アセンブリの構成が、線２３９２、２３４４、および２３９４の間で生成された電圧の加法の機能をもたらすことを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、回路２３００として捕らえられた場合においては、スイッチ２３９２および２３９４のみが閉じている。この結果、線２３９２および２３９４をまたがる電位は、両方のパドル・アセンブリ２３１２および２３６４によって生み出された合計の電位とほぼ等しい。すでに述べたとおり、システム２３００の個々の列のそれぞれのパドル・アセンブリは、並列接続で配置されている。システム２３００の各列は、直列接続で配置されている。

図２４に目を向けると、システム２４００が示されており、図２２のナノメートル・スケールの電気機械システムについて線２２‐２２に沿って得た断面図である。システム２４００は、パドル・アセンブリ２４１０および２４２０を、コンタクト線２４９２および２４９４の間に構成して備えている。パドル・アセンブリ２４１０および２４２０は、それぞれ別個パドル・アセンブリ列（図示されていない）に含まれている。

パドル・アセンブリ２４１０および２４２０は、それぞれそれらの静止位置２４０１および２４０２に関して示されている。さらに、中間コンタクト層２４９３が、パドル・アセンブリ２４１０および２４２０の間に備えられている。パドル・アセンブリ２４１０が自動スイッチ２４１９へと閉じ、かつパドル・アセンブリ２４２０が自動スイッチ２４２９へと閉じるとき、コンタクト線２４９２とコンタクト線２４９４との間の電位は、パドル・アセンブリ２４１０および２４２０によって生み出される電位の合計に事実上等しくなる。システム２４００のアレイにより多くの列（直列接続で配置される）を備えることによって、線２４９２および２４９４の間の電位がより高くなる。

図２５のシステム２５００に示すように、線２４９２および２４９４の間に、負荷抵抗を配置することができる。図２５は、線２５９２および２５９４の間に負荷抵抗２５９０を備えてなるシステム２５００を示している。負荷抵抗２５９０を、作動物質から熱的に絶縁してもよい。

図１９〜２５に関して説明した自動スイッチの原理を、すでに説明した他のナノメートル・スケールのエネルギー変換システムにおいても使用できることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、ジョンソン雑音の影響を小さくするため、図１３のシステム１３００に自動スイッチを追加してもよい。さらに、本発明の自動スイッチは、何ら追加のコンポーネントや構造を加えることなく、製造することができる。

例えば、図１３の負荷抵抗１３０４を、小さな電流が通過するときに抵抗１３０４が内部抵抗がゼロである超伝導体として動作する（例えば、ジョンソン雑音がない）よう、特定の臨界磁界を有するよう特別な形状とすることができる。抵抗１３０４の臨界磁界は、大きな電流が通過するときに抵抗１３０４が通常の抵抗性の導体として機能するよう、特定の臨界磁界を有するように形作ることができる。大きな電流が抵抗１３０４を通過するときにのみ、抵抗１３０４が加熱されて利用可能なエネルギーが生み出されることを、当業者であれば理解できるであろう。換言すれば、抵抗１３０４を、超伝導材料を使用して製造することができる。次いで、システム１３００を熱的に絶縁された室に配置し、抵抗１３０４が通常でない大きな電流を流していないときにすべての電気抵抗を失う（すなわち、超伝導になる）温度まで、冷却することができる。

上述の例では、抵抗１３０４の形状が、本発明の原理による自動スイッチを生み出している。さらに具体的には、抵抗１３０４において大きな電流は、大きな電流が抵抗１３０４に大きな磁界を生むため、ナノチューブに比較的高速で運動している分子が衝突したときにのみ生じる。この大きな磁界が充分に大きい場合、抵抗の臨界磁界に打ち勝って、通常の抵抗性の導体になるであろう。一方、ナノチューブに比較的低速で運動している分子が衝突したときは、小さな電流が生じる。小さな電流は、抵抗１３０４に小さな磁界を生む。この小さな磁界が、抵抗の臨界磁界に打ち勝つためには充分大きくない場合、抵抗１３０４は超伝導状態のままであろう。図示のとおり、負荷抵抗１３０４の成形の原理は、図２３の自動スイッチ２３９２の構成に関するそれと類似している。

図２６に目を向けると、ナノメートル・スケールのトランジスタ２６００が示されている。トランジスタ２６００は、ベース端子２６２２、コレクタ端子２６４１、およびエミッタ端子２６４２によって定められている。一般に、適切な信号がベース端子２６２２およびコレクタ端子２６４１へと印加されたとき、流電スイッチ（ｇａｌｖａｎｉｃ ｓｗｉｔｃｈ）２６１１が、コレクタ端子２６４１をエミッタ端子２６４２に電気的に接続する。さらに詳しくは、スイッチ２６１１が、ベース電圧供給源２６２１からの信号によって位置２６１３へと位置させられたときに、エミッタ端子２６４２へと電気的に連絡する。スイッチ２６１１は、例えば正に帯電させたナノチューブまたはナノワイヤであってよい。

それぞれベース、コレクタ、およびエミッタ端子という各端子２６２２、２６４１、および２６４２の呼称が、これら端子の機能を限定するものではないことを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、端子２６２２、２６４１、および２６４２をそれぞれ、例えばゲート、ソース、およびドレイン端子として使用することができる。

好ましい実施の形態においては、ベース端子２６２２が、コンタクト２６４２の周囲（例えば、直下）に位置し、かつコンタクト２６４２から電気的に絶縁されている負に帯電した層である。したがって、スイッチ２６１１に正の電荷を持たせることによって、ベース端子２６２２の負の電荷の密度を高めたときに、スイッチ２６１１をベース端子２６２２に引きつけることができる。ベース端子２６２２の電荷の量は、例えばベース電圧供給源２６２１によって制御することができる。コレクタ端子２６４１を電圧源２６３１に接続することができ、さらに負荷抵抗２６３２によってエミッタ端子２６４２から隔てることができる。一般に、スイッチ２６１１のコンタクト２６４２とのスイッチング特性を決定するものは、電圧２６３１および２６２１の組み合わせである。好ましくは、電圧２６３１および２６２１は、反対の極性を有するべきであり、Ｖ_２６３１＊Ｖ_２６２１の絶対値は、或る最小値であるべきである。さらに、ベース電圧２６２１を、外部の磁界が存在する場合（図２６には示されていない）、ナノチューブ２６１１の先端の相対速度が特定の大きさ（例えば、図１８の点１８０４の速度）を超えたときにナノチューブ２６１１がエミッタ・コンタクト２６４２に接するように、設定することができる。

図１１のアセンブリ１１００と同様、トランジスタ・アセンブリ２６００を、磁界中に配置することができる。ベース端子２６２２に静電荷が存在しないとき、スイッチ２６１１は、自身の熱振動ゆえに位置２６１２および２６１３の間を運動し、ごくまれに（例えば、１時間に１回）エミッタ端子２６４２に接触する。ベース端子２６２２に静電荷が存在し、かつスイッチ２６１１が電圧源２６３１によって正の電荷を得た場合、スイッチ２６１１は、より頻繁に（例えば、１ミリ秒に１回）エミッタ端子２６４２に接触するであろう。ナノメートル・スケールのトランジスタ２６００において磁界が使用される場合、スイッチ２６１１を、スイッチ２６１１を通って電流を流しつつ、閉じた状態（例えば、エミッタ端子２６４２に接続された状態）にとどまるように強いることができる。

システム２６００の多数のコンポーネントを通じて熱雑音を好都合に利用できることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、電圧源２６３１、負荷抵抗２６３２、またはナノメートル・スケールの機械的スイッチ２６１１の周囲の熱雑音を、機械的スイッチ２６１１の先端に時間変化する電圧を生じさせるために使用することができる。さらに詳しくは、機械的スイッチ２６１１が機械的スイッチ２６１１の先端（自由に運動する部分）の電圧が或る最小値に達したときにコンタクト２６４２に電気的に連絡するよう、帯電部材２６２２にＤＣ電圧を加えることができる。真空にもとづくシステムなど、いくつかのシステムにおいては、スイッチ２６１１の電圧を熱雑音によって決まるように構成できるため、この最小値を、最小の熱雑音値に関連付けることができる。すなわち、いくつかの実施の形態においては、帯電部材層２６２２の電圧が、ＤＣでありかつ制御されてよい一方で、熱雑音によって誘起されるスイッチ２６１１の電圧は、ＡＣであって制御されていない。

他の好都合なナノメートル・スケールの電気機械アセンブリが、本件出願と譲受人が同一であって同時に係属中である「Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｗｉｔｃｈ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称のＰｉｎｋｅｒｔｏｎらの米国特許出願第 号（代理人事件番号第ＡＭＢ／００３号）、本件出願と譲受人が同一であって同時に係属中である「Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃｅｌｌｓ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ」という名称のＰｉｎｋｅｒｔｏｎらの米国特許出願第 号（代理人事件番号第ＡＭＢ／００４号）、および本件出願と譲受人が同一であって同時に係属中である「Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−Ｓｃａｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｂｅａｍｓ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓａｍｅ」という名称のＰｉｎｋｅｒｔｏｎらの米国特許出願第 号（代理人事件番号第ＡＭＢ／００２号）に記載されており、これらの米国出願はすべて、本件出願と同時に出願され、その全体がここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。

図２７は、スイッチング機構としてナノチューブ２７１１を備えるように構成されたナノメートル・スケールのトランジスタ２７００を示している。図示のとおり、ナノチューブ２７１１が閉じた位置にあり、ナノチューブ２７１１がコレクタ・コンタクト２７４１をエミッタ・コンタクト２７４２に電気的に接続している。一方、ナノチューブ２７１１が位置２７１２または２７１３に位置するとき、ナノチューブ２７１１は開いた位置にあって、コレクタ・コンタクト２７４１をエミッタ・コンタクト２７４２に電気的に接続してはいない。一般に、ナノチューブ２７１１は、コレクタ・コンタクト２７４１に加えられる電圧と帯電部材２７２２に加えられる電圧とが逆の極性であるとき、エミッタ・コンタクト２７４２に引きつけられる。ナノチューブ２７１１が、機械的に柔軟でありかつ導電性であるナノメートル・スケールの任意の種類の梁でよいことを、当業者であれば理解できるであろう。

好ましくは、ナノチューブ２７１１は、帯電部材２７２２の負の電荷が、正に帯電したナノチューブ２７１１（ナノチューブ２７１１の正の電荷は、コレクタ・コンタクト２７４１の電圧によって左右される）を帯電部材２７２２に向かってナノチューブ２７１１がエミッタ端子２７４２に電気的に連絡する程度まで引きつけるために充分高いとき、閉じた位置にある。帯電部材２７２２のＤＣ電圧がエミッタ・コンタクト２７４２へと漏れることがないよう、絶縁層２７５２が設けられている。さらに、ナノチューブ２７１１の一端は、拘束部材２７６１によってコレクタ・コンタクト２７４１に取り付けられている。

本発明の原理に従って構成されるナノメートル・スケールの梁および帯電部材の帯電の様相が、任意の種類の極性を取りうることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、ナノチューブ２７１１が負の電荷を有し、帯電部材２７２２へと印加される正の電荷によって操作されてもよい。

ナノメートル・スケールのトランジスタ２７００を、外部の磁界によって好都合に操作できることを、当業者であれば理解できるであろう。トランジスタ２７００に磁界を導入することによって、例えば、電流がコレクタ・コンタクト２７４１からエミッタ・コンタクト２７４２へと流れているときに、ナノチューブ２７１１を閉じた位置に保つことが可能である。さらに、トランジスタ２７００の複数の実例を使用して、種々さまざまな構成（例えば、並列および直列構成）にアレイ化することができる。

ナノチューブ２７１１を、真空中で熱源によって振動させてもよい。例えば、トランジスタ２７００が真空中で動作している場合でも、ナノチューブ２７１１は、室温において毎秒約１０メートルの平均で振動しうる。トランジスタ２７００の摩耗を抑えるため、第２のナノチューブを、ナノチューブ２７１１が層２７４２の代わりにこの第２のナノチューブに接するように、層２７４２上に配置することができる。さらに、一般に２つのナノチューブの間の衝突によって生じる摩耗は、たとえ生じるにしてもわずかであるため、層２７４２を第２のナノチューブで置き換えてもよい。

ナノチューブ２７１１がコンタクト層２７４２と電気的に連絡するときにナノチューブ２７１１によってもたらされる電気信号を検出するため、検出回路２７９２をコンタクト層２７４２に接続することができる。検出回路２７９２は、ナノチューブ２７１１からコンタクト層２７４２へともたらされる単位時間当たりの電気インパルスの数を検出することによって、或る時間期間についてナノチューブ２７１１とコンタクト層２７４２との間の接触の度合いを検出する機能をさらに備えてもよい。同様に、帯電部材層２７２２、コンタクト層２７４１、または帯電部材層２７２２およびコンタクト層２７４１の両者に、制御回路２７９１を接続することができる。一般に、制御回路２７４２は、システム２７００の特定の導電性コンポーネントへと電気信号（例えば、電圧または電流信号）をもたらすことができる。さらに、制御回路２７４２が、そのような制御信号の大きさ、極性、および周波数を制御してもよい。制御回路２７９１および検出回路２７９２を、システム２７００の他の導電性コンポーネントに接続してもよいことを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、制御回路２７９１をコンタクト層２７４２に接続できる一方で、検出回路２７９２をコンタクト層２７４１に接続することができる。

基部２７９３を、システム２７００の残りのコンポーネントならびにシステム２７００に示されていない他のコンポーネントのため、支持層として使用することができる。例えば、システム２７００に示したようなトランジスタ・アセンブリを複数、ただ１つの基部２７９３上に製造することができる。基部２７９３が、例えばシリコンの層として含まれてもよい。ナノチューブ２１１が、一般に取り付けアセンブリによって基部２７９３へと取り付けられることを、当業者であれば理解できるであろう。この取り付けアセンブリは、さまざまな形態をとることができる。システム２７００に示されているとおり、この取り付けアセンブリが、コンタクト層２７４１、絶縁層２７５２、および帯電部材層２７２２を含んでもよい。一方で、システム２７００を、例えばコンタクト層２７４１または絶縁層２７４２のみがこの取り付けアセンブリを形成するように、構成してもよい。さらに詳しくは、取り付けアセンブリは、ナノチューブ２７１１の一部分を基部２７９３へと固定する一方で、ナノチューブ２７１１の一部分を自由に運動できるようにしている。この自由に運動できる部分は、例えば位置２７１２、２７１３、およびシステム２７００においてナノチューブ２７１１が位置しているとして描かれている位置の間で、運動することができる。他の例については、図４のパドル４９０を、図４の基部３７０に取り付けられていると考えることができ、ここで図４の基部３７０が、図４のパドル４９０のための取り付けアセンブリである。

電気信号をナノチューブ２７１１から導電層２７４２へと渡すために、必ずしもナノチューブ２７１１が導電層２７４２に物理的に接触しなくてもよいことは、当業者であれば理解できるであろう。一般に、電気信号をナノチューブ２７１１から導電層２７４２へと渡すためには、ナノチューブ２７１１が導電層２７３２に電気的に連絡しさえすればよい。電気的連絡の形態としては、例えば容量性または誘導性の結合、ならびに２つのコンポーネント間の任意の物理的な電気接続が含まれうる。

トランジスタ２７００の複数の実例を、利用可能な機能が実現されるように、図２３のシステム２３００と同様にまとめてアレイに配置することができる。図２８のナノメートル・スケールの電気機械システム２８００は、そのようなアレイ構成の１つである。好ましい実施の形態において、システム２８００は、ヒート・エンジンとして利用され、熱源２８４０からの熱エネルギーが、負荷抵抗２８６０をまたがる有用な量の電気エネルギーに変換される。このやり方において、システム２３００は、ジョンソン雑音の影響を取り除いていない。むしろ、システム２３００は、ジョンソン雑音の通常でない高い瞬時値を、使用可能なエネルギー源に変換する。

システム２８００は、任意の数のナノメートル・スケールの電気機械スイッチ２８０１〜２８０６を含んでいる。ナノメートル・スケールの梁２８０１〜２８０６のそれぞれ１つが、好ましくは、それぞれ１つの抵抗２８１１から２８１６に接続されている。さらに、電荷２８２１〜２８２６が、それぞれナノメートル・スケールの梁２８０１〜２８０６の付近に加えられている。電荷２８２１〜２８２６は、好ましくはベース電圧源２８５０から生み出されている。熱エネルギーの有用な電気エネルギーへの変換は、以下のとおりにして生じる。ナノメートル・スケールの梁２８０１〜２８０６がナノチューブとして備えられている場合、抵抗２８１１〜２８１６を不要にできることを、当業者であれば理解できるであろう。これは、ナノチューブが抵抗の性質を呈するためであり、したがってシステム２８００においてジョンソン雑音の源となりうるからである。このようなやり方で、抵抗の性質を有するシステム２８００の任意のコンポーネントが、システム２８００においてジョンソン雑音の源となることができる。

１つ以上の熱源２８４０が、抵抗２８１１〜２８１６のそれぞれに加えられる。結果として、抵抗において熱雑音（すなわち、ジョンソン雑音）が発生する。この抵抗２８１１〜２８１６の熱雑音が、それぞれの機械的スイッチ２８０１〜２８０６の端部に電荷を生じさせる。好ましくは、電荷２８２１〜２８２６が適切な強さを有し、かつ機械式スイッチ２８０１〜２８０６の電荷の極性と反対の極性を有する場合、機械式スイッチ２８０１〜２８０６が、それぞれコンタクト２８３１〜２８３６に電気的に連絡する（流電接続を生む）。次いで、スイッチ２８０１〜２８０６がそれぞれコンタクト２８３１〜２８３６へと電気的に連絡することによって生み出された電流が、まとめて加算され、負荷抵抗２８６０を通って導かれる。

このようにして、負荷抵抗２８６０をまたがる電圧を、電気エネルギーとして利用することができる。同様に、負荷抵抗２８６０によって生み出される熱を、熱エネルギーとして利用することができる。負荷抵抗２８６０をまたがる電圧を大きくするため、追加の熱源および機械式スイッチを、システム２８００に加えることができる。好ましい実施の形態において、ジョンソン雑音の通常でない高い瞬時値を生み出している抵抗２８１１〜２８１６のみが、ナノメートル・スケールの梁２８０１〜２８０６の端部にナノメートル・スケールの梁２８０１〜２８０６をコンタクト２８３１〜２８３６へと閉じるために充分大きい電荷の発生をもたらすことを、当業者であれば理解できるであろう。

したがって、システム２８００に少なくとも２つの並列な熱雑音発生源を備えることが有益である。これは、多くのやり方で行なうことができる。システム２８００に示されているとおり、スイッチの複数の事例が、まとめて並列および直列の両方の構成に配置され、各スイッチが、自身の熱雑音源を有している。他の実施の形態も、本発明の原理に従って容易に実現および構成することができる。例えば、２つ以上のスイッチをまとめて、並列構成にのみ構成することができる。さらに、本発明のスイッチのそれぞれを、２つ以上の熱雑音源に接続してもよい。好ましくは、ベース電圧源２８５０からの電圧は、所与の任意の時点においてシステム２８００の機械的スイッチの少なくとも１０％がそれぞれのコンタクトに電気的に連絡する（やはり、流電接続を生む）ように調節される。

システム２８００のナノメートル・スケールの電気アセンブリ（例えば、アセンブリ２８９０）を、それぞれ図２７および２８のトランジスタ２７００または２８００によって置き換えできることを、当業者であれば理解できるであろう。従って、アセンブリ２８９０の機械的スイッチ２８０１を、ナノチューブとして用いることができ、あるいは例えば磁界によって操作することができる。さらに、スイッチ２８０１〜２８０６を、熱雑音の電圧が特定の極性でありかつ最小限の大きさである場合にのみコンタクト２８３１〜２８３６への電気的な連絡が生じるように、構成することができる。抵抗２８１１〜２８１６を、エネルギーを１つの形態から他の形態へと変換していると見ることができる一方で、ナノメートル・スケールの梁２８０１〜２８０６が、負荷抵抗２８６０をまたがってもたらされるエネルギーの量を調節していることを、当業者であれば理解できるであろう。さらに、ナノメートル・スケールの梁が、ジョンソン雑音の電圧（あるいは、ナノメートル・スケールの梁２８０１〜２８０６へと供給される任意の電圧）の高い瞬時値と低い瞬時値の間に区別を付けて調節していることを、当業者であれば理解できるであろう。

図２９を眺めると、ナノメートル・スケールの電気機械システム２９００が提示されている。システム２９００は、図８のシステム２８００に類似している。とくに、コンポーネント２９ＸＸは、コンポーネント２９ＸＸと同一である。

ナノチューブ２９７１〜２９７６が、熱源２９４０に起因するナノチューブ２９７１〜２９７６の運動がそれぞれナノメートル・スケールの梁２９０１〜２９０６に電荷を生むよう、好ましくは磁界２９７０内に浸漬される。ナノチューブ２９７１〜２９７６のそれどれの端部を、取り付け点に電気的に接続することができ、運動が生じることができるようにこれらの取り付け点の間にたるみを設けることができる。このようなやり方で、ナノチューブ２９７１〜２９７６は、例えば図１１のシステム１１００またはシステム１１００のナノチューブと類似であってよい。ナノメートル・スケールの梁２９０１〜２９０６は、好ましくは、ナノチューブ２９７１〜２９７６のそれぞれがナノメートル・スケールの梁２９０１〜２９０６の自由運動端に特定の極性と最小限の大きさとを有する電荷を生じさせるときのみ、コンタクト２９３１〜２９３６に電気的に連絡するように構成される。ナノチューブ２９７１〜２９７６を、エネルギーを１つの形態から他の形態へと変換していると見ることができる一方で、ナノメートル・スケールの梁２９０１〜２９０６が、負荷抵抗２９６０をまたがってもたらされるエネルギーの量を調節していることを、当業者であれば理解できるであろう。

システム２９００を、空気などの作動物質の熱を、ナノチューブ２９７１〜２９７６を作動物質の分子の速度を選択的に遅くするために使用することによって、使用可能な電気エネルギーへと変換するために使用することができる。高い速度を呈している分子がナノチューブ２９７１〜２９７６に衝突すると、ナノチューブ２９７１〜２９７６が磁界２９７０を通過して動かされ、ナノメートル・スケールの梁２９０１〜２９０６に電圧がそれぞれ生み出される。この結果として、ナノメートル・スケールの梁２９０１〜２９０６の自由運動部分の先端に電荷がもたらされ、それぞれ層２９２１〜２９２６の電荷へと引き寄せられるために充分大きいならば、ナノメートル・スケールの梁２９０１〜２９０６が閉じて、コンタクト２９３１〜２９３６と流電接続を形成する。図示のシステム２９００においては、ナノメートル・スケールの梁２９０２および２９０６が、それぞれコンタクト２９３２および２９３６へと閉じている。ナノチューブ２９７２および２９７６によって生み出された電圧が組み合わされ、負荷抵抗２９６０を通過する主電流へと切り替えられている。このようなやり方で、作動物質の運動エネルギーが、利用可能な電気エネルギーに変換される。システム２９００は、例えば推進用など、さまざまな用途に使用可能である。

図２８のシステム２８００および図２９のシステム２９００を、さまざまな有用な用途に使用できることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、図２８のシステム２８００を、マイクロプロセッサの近傍に配置し、マイクロプロセッサの放出するあらゆる熱を有用な電気エネルギー（例えば、時間変化するＤＣ信号）に変換するために利用することができる。次いで、この電気エネルギーを、マイクロプロセッサの電力消費を小さくし、マイクロプロセッサを動作させるために必要な入力電圧の大きさを小さくし、同時にマイクロプロセッサを冷却するため、マイクロプロセッサへと再び供給することができる。

２つのコンポーネントが互いに電気的に相互作用するために、それら２つのコンポーネントを接続し、あるいは一体に組み合わせる必要が必ずしもないことを、当業者であれば理解できるであろう。すなわち、少なくとも本件出願に関しては、一方のコンポーネントが他方のコンポーネントに電気的に影響をもたらすとき、その２つのコンポーネントが電気的に一体に組み合わされていることを、当業者であれば理解できるであろう。電気的な組み合わせには、例えば、物理的な接続または一方のコンポーネントが他方のコンポーネントに電気的に影響をもたらすような２つのコンポーネント間の連絡、容量性の結合、電磁気による結合、空隙によって隔てられた２つの導体間の自由電荷の流れ（例えば、真空管）、および誘導性の結合が含まれうる。

以上の説明から、本発明が、或る１つの形態のエネルギーを他の形態に変換するために使用できるナノメートル・スケールの電気機械アセンブリおよびシステムを提供することを、当業者であれば認識できるであろう。これらのアセンブリおよびシステムを、例えば、ヒート・エンジン、ヒート・ポンプ、または推進装置を提供するために使用することができる。さらに、ここに説明したさまざまな構成を、本発明から離れることなく組み合わせることができることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、図４に示したナノチューブを、図示の構成の代わりに、図４の圧電発電機に直接取り付けてもよい。他の例としては、図２９のシステム２９００を、図１７の球を推進させるために利用することができる。さらに、本発明がこの明細書に開示した以外の多数の形態をとりうることも、理解できるであろう。したがって、本発明が、ここに開示した方法、システム、および装置に限られるわけではなく、以下の特許請求の範囲の技術的思想の範疇に包含されるそれらの変形および変更を含むものであることを、ここに強調しておく。

図１Ａは、本発明に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分を示した概略図である。 図１Ｂは、本発明の原理に従って構成された変換回路の一実施の形態を示した概略図である。 図２は、本発明の原理に従って構成された他のナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分を示した概略図である。 図３は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分の斜視図である。 図４は、本発明の原理に従って構成された他のナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分の斜視図である。 図５は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システムを示した概略図である。 図６は、本発明の原理に従って構成された他のナノメートル・スケールの電気機械システムを示した概略図である。 図７は、本発明の原理に従って構成された他のナノメートル・スケールの電気機械システムの斜視図である。 図８は、図７のナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分を示した概略図である。 図９は、図７のナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分を示した他の概略図である。 図１０は、本発明の原理に従って構成された他のナノメートル・スケールの電気機械システムの断面図である。 図１１は、本発明の原理に従って構成された他のナノメートル・スケールの電気機械システムの斜視部分断面図である。 図１２は、図１１のナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分を示した概略図である。 図１３は、本発明の原理に従って構成された他のナノメートル・スケールの電気機械システムの斜視部分断面図である。 図１４は、図１３のナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分を示した概略図である。 図１５は、図１３のナノメートル・スケールの電気機械システムについて、線１４−１４に沿って得た断面図である。 図１６は、図１３のナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分を示した概略図である。 図１７は、本発明の原理に従って構成された電気機械推進システムを示した概略図である。 図１８は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・ピエゾ発電機アセンブリについての速度対ポテンシャル曲線のグラフ表示である。 図１９は、本発明に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システムの他の実施の形態の一部分を示した概略図である。 図２０は、図１９のナノメートル・スケールの電気機械システムの一部分の斜視図である。 図２１は、図２０のナノメートル・スケールの電気機械システムについて、線２０−２０に沿って得た断面図である。 図２２は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システムの他の実施の形態の斜視図である。 図２３は、図２２のナノメートル・スケールの電気機械システムのアレイを示した概略図である。 図２４は、図２２のナノメートル・スケールの電気機械システムについて、線２２−２２に沿って得た断面図である。 図２５は、図２２のナノメートル・スケールの電気機械システムのアレイの斜視図である。 図２６は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールのトランジスタの回路図である。 図２７は、図２６のナノメートル・スケールのトランジスタの一実施の形態の斜視図である。 図２８は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システムの回路図である。 図２９は、本発明の原理に従って構成されたナノメートル・スケールの電気機械システムの回路図である。

Claims (38)

1. 基部部材と、
   該基部部材に接続されるとともに、熱エネルギーを時間変化する電気信号に変換する発電機と、
   該基部部材に接続され、該発電機に直列に電気的に接続されており、少なくともゼロでない最小限の大きさを有している該時間変化する電気信号に反応して自動的に閉じるナノメートル・スケールのスイッチと
   を備える、エネルギー変換および調節システム。
2. 前記発電機が、前記基部部材に可撓的に接続されたナノメートル・スケールの梁を備えており、かつ前記発電機が、該ナノメートル・スケールの梁の熱運動を、前記時間変化する電気信号に変換する、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
3. 前記発電機が、
   磁界の供給源と、
   ２つの取り付けパッド間に吊られたナノメートル・スケールの梁
   を備え、かつ前記発電機が、前記ナノメートル・スケールの梁の熱運動を、前記時間変化する電気信号に変換する、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
4. 前記発電機が、前記基部部材に可撓的に接続されたナノメートル・スケールの圧電性梁を備えており、かつ前記発電機が、該圧電性梁の熱運動を、前記時間変化する電気信号に変換する、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
5. 前記発電機が抵抗を備え、前記時間変化する電気信号が、該抵抗のジョンソン雑音によって生み出される、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
6. 前記スイッチが、
   前記基部部材に接続され、自由に撓むことができる部位を有するナノメートル・スケールの梁
   を備える、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
7. 前記ナノメートル・スケールの梁がナノチューブからなる、請求項６に記載のエネルギー変換システム。
8. 前記スイッチが、前記ナノチューブに接続された圧電性層をさらに備える、請求項７に記載のエネルギー変換システム。
9. 前記スイッチが、前記自由に撓むことができる部位の近傍に配置された帯電部材層をさらに有しており、該帯電部材層が前記ナノメートル・スケールの梁の付近に電界をもたらし、前記ナノメートル・スケールの梁を撓ませる、請求項７に記載のエネルギー変換システム。
10. 作動流体内に浸漬される、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
11. エネルギー変換および調節システムであって、該エネルギー変換および調節システムが、
    基部部材と、
    システムの出力と、
    複数の並列アレイと
    を備え、
    該複数の並列アレイの少なくとも２つが電気的に直列に接続されるとともに、該複数の並列アレイのそれぞれ１つが、
    電気的に並列に接続され、かつ該システムの出力に電気的に接続された複数の発電機−スイッチ・アセンブリ
    を備え、
    該複数の発電機−スイッチ・アセンブリのそれぞれが、
    該基部部材に接続されるとともに、熱エネルギーを時間変化する電気信号に変換する、発電機と、
    該基部部材に接続され、該発電機に直列に電気的に接続されており、少なくともゼロでない最小限の大きさを有している該時間変化する電気信号に反応して自動的に閉じるナノメートル・スケールのスイッチと
    を備える、エネルギー変換および調節システム。
12. 基部部材、
    一端のみにおいて該基部部材に固定され、他端は自由に運動できる電気的に並列構成で接続された複数のナノメートル・スケールのピエゾ発電機と、
    該自由に運動できる端部の付近に位置し、該発電機が平均を上回る電気的出力を生み出すときに該自由に運動できる端部と電気的に連絡するナノメートル・スケールのコンタクトと
    を備える、エネルギー変換および調節システム。
13. ＤＣ電圧の供給源と、
    並列構成で接続された複数の抵抗−トランジスタ・アセンブリ
    を備えるエネルギー調節および変換システムであって、
    該アセンブリのそれぞれが、
    抵抗と、
    ベース端子、コレクタ端子、およびエミッタ端子を有し、該抵抗に電気的に直列に接続されているナノメートル・スケールのトランジスタ
    を有しており、
    該抵抗が、該コレクタ端子にジョンソン雑音を生じさせており、該ベース端子が、該ＤＣ電圧の供給源に接続されており、該ジョンソン雑音が最小レベルを超えるとき、該ＤＣ電圧が該トランジスタを自動的にオンにする、エネルギー調節および変換システム。
14. 前記複数のアセンブリのうちの少なくとも２つが、システムの出力に直列に接続されている、請求項１３に記載のシステム。
15. ＤＣ電圧の供給源と、
    並列構成で接続された複数の発電機−トランジスタ・アセンブリ
    を備える、エネルギー生成および調節システムであって、
    該発電機‐トランジスタ・アセンブリのそれぞれ１つが、
    コレクタ端子と、該ＤＣ電圧に接続されたベース端子と、エミッタ端子とを有しているトランジスタと、
    該トランジスタと直列に接続されたナノメートル・スケールの起電力発電機と
    を有しており、
    該発電機が、該コレクタ端子に出力電圧を生じさせ、該出力電圧が最小レベルを超えるとき、ＤＣ電圧が前記トランジスタを自動的にオンにする、エネルギー生成および調節システム。
16. 前記複数のアセンブリのうちの少なくとも２つが、システムの出力に直列に接続されている、請求項１５に記載のシステム。
17. 基部部材と、
    該基部部材に接続された複数のナノメートル・スケールアセンブリと
    を備える、エネルギー変換および調節システムであって、
    該ナノメートル−スケールアセンブリのそれぞれが、或る１つの形態のエネルギー、すなわち未変換エネルギーを、他の形態のエネルギー、すなわち変換済みエネルギーに変換し、該ナノメートル−スケールアセンブリのそれぞれが、
    出力と、
    該基部部材に接続された取り付けアセンブリと、
    該取り付けアセンブリに固定されるとともに、自由に運動できる部分を有しているナノメートル・スケールの梁と、
    該自由に運動できる部分の付近に配置された導電性の自動スイッチと
    を有しており、
    該自由に運動できる部分が該自動スイッチに電気的に連絡したときに、該変換済みエネルギーが該出力にもたらされる、エネルギー変換および調節システム。
18. 前記ナノメートル・スケールの梁が、第１の導電層と第２の導電層との間に配置される圧電性材料の層を備えている、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記自由に運動できる部分の前記第２の導電層が、前記スイッチと電気的に結合する、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記自動スイッチがナノチューブである、請求項１９に記載のシステム。
21. エネルギー変換および調節システムであって、該システムが、
    基部部材と、
    該基部部材に接続された複数のアセンブリと
    を備え、
    該複数のアセンブリのそれぞれ１つが、
    アセンブリの出力と、
    或る１つの形態のエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置と、
    該電気エネルギーの量を調節し、該調節済みのエネルギーを該アセンブリの出力へともたらすナノメートル・スケールの電気レギュレータと
    を有しており、
    該電気レギュレータが、該エネルギー変換装置に直列構成で接続されている、エネルギー変換および調節システム。
22. 前記調節されたエネルギーの量が、前記電気エネルギーの大きさが最小の大きさを上回っている場合に、前記電気エネルギーの量と等しい、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記調節されたエネルギーの量が、前記電気エネルギーの大きさが最小の大きさに満たないとき、ゼロである請求項２１に記載のシステム。
24. 前記電気レギュレータが、
    前記アセンブリの出力に接続されたレギュレータ出力コンタクトと、
    導電性でありかつ機械的に柔軟であるナノメートル・スケールの梁と
    をさらに備え、
    該ナノメートル・スケールの梁が、該レギュレータ出力コンタクトの近傍に位置する自由に運動できる部分を有している、請求項２１に記載のシステム。
25. 前記電気レギュレータが、
    前記自由に運動できる部分の近傍に配置され、かつ前記レギュレータ出力から電気的に絶縁されている帯電部材層をさらに有しており、
    該帯電部材層が、前記ナノメートル・スケールの梁に機械的応力を電気的に加える、請求項２４に記載のシステム。
26. 磁界の供給源をさらに備える、請求項２４に記載のシステム。
27. ナノメートル・スケールのトランジスタであって、該トランジスタが、
    第１の入力コンタクトと、
    第２の入力コンタクトと、
    基部部材と、
    該基部部材に接続された取り付けアセンブリと、
    該取り付けアセンブリに固定されるとともに、自由に運動できる部分を有しており、該第１の入力コンタクトに接続されて第１の電荷がもたらされるナノメートル・スケールの梁と、
    該自由に運動できる部分の近傍に配置され、該第２の入力コンタクトに接続されて第２の電荷がもたらされる帯電部材層と
    を備え、
    該第１の電荷と該第２の電荷とが相互に作用して、前記自由に運動できる部分に機械的な応力がもたらされる、ナノメートル・スケールのトランジスタ。
28. 前記ナノメートル・スケールの梁がナノチューブである、請求項２７に記載のナノメートル・スケールのトランジスタ。
29. 外部の磁界をさらに有している、請求項２７に記載のナノメートル・スケールのトランジスタ。
30. ナノメートル・スケールのトランジスタであって、該トランジスタが出力コンタクトをさらに備え、前記機械的な応力が、前記自由に運動する部分の該出力コンタクトとの電気的結合を生じさせる、請求項２７に記載のナノメートル・スケールのトランジスタ。
31. 前記第１および第２の電荷が同じ極性を有している、請求項３０に記載のナノメートル・スケールのトランジスタ。
32. 前記第１および第２の電荷が反対の極性を有している、請求項３０に記載のナノメートル・スケールのトランジスタ。
33. ナノメートル・スケールのトランジスタであって、該トランジスタが外部の光源をさらに有しており、前記機械的な応力の大きさが、少なくとも部分的に、前記第２の電荷、前記第１の電荷、および該外部の光源の大きさに比例する、請求項３０に記載のナノメートル・スケールのトランジスタ。
34. 或る１つの形態のエネルギーを電気エネルギーに変換するナノメートル・スケールのアセンブリであって、該アセンブリが、
    一端において基部部材に取り付けられ、該一端と反対の端部が自由に運動可能であるナノメートル・スケールの圧電性パドルを備え、
    該パドルが、
    第１の導電層と、
    第２の導電層と、
    該自由に運動可能である部分が撓まされたときに、該圧電性パドルが該第１および第２の導電層にまたがって電気エネルギーを生み出す、該第１および第２の導電層の間に配置された圧電性層と、
    絶縁空隙によって該第２の層から隔てられている第３の導電層と
    を有しており、
    該自由に運動可能である部分が撓まされたときに、該第２の金属層が該第３の金属層に電気的に結合する、ナノメートル・スケールのアセンブリ。
35. 複数の分子を含んでいる作動物質中に浸漬され、エネルギーを或る１つの形態から他の形態に変換するエネルギー変換システムであって、該システムが、
    第１の熱伝導部材と、
    第２の熱伝導部材と、
    第１の複数の取り付け点と
    それぞれが該第１の複数の取り付け点のうちの１つに対応している、第２の複数の取り付け点と
    それぞれが該第１および第２の複数の取り付け点のうちの１つの間に、たるみが存在するように緩く取り付けられており、ブラウン運動によって運動が生じる、複数のナノメートル部材と
    それぞれが該第１の熱伝導部材に熱的に接続され、かつ該ナノメートル部材のそれぞれに対応して存在するように前記第１および第２の複数の取り付け点のうちの１つの間に取り付けられている、複数の抵抗素子と
    該運動するナノメートル部材へと加えられたときに、電流の流れを誘起する電界を生じさせる、外部の磁界と、
    第１および第２の熱応答部材を有しており、該第１の熱応答部材のそれぞれが該第１の熱伝導部材に接続されるとともに、該第２の熱応答部材のそれぞれが該第２の熱伝導部材に接続されている、複数の熱電発電機と
    を有しているエネルギー変換システム。
36. 複数の分子を含んでいる作動物質中に浸漬されるエネルギー変換システムであって、該システムが、
    基部部材と、
    該基部部材に接続されるとともに、それぞれが、該基部部材に取り付けられた第１の端部と自由に動くことができる第２の端部とを有している分子スケールのパドル、および圧電性材料からなる部分と該第１の端部に接続された抵抗アセンブリとを有しているピエゾ発電機とを有している複数のナノメートル・スケールのアセンブリと、
    高温側および低温側を有し、高温側が前記抵抗アセンブリのうちの１つに熱的に接続されるとともに、低温側が第１のヒートシンクに熱的に接続されている少なくとも第１のヒート・エンジンと
    を有している、エネルギー変換システム。
37. エネルギー変換および調節システムであって、該システムが、
    基部部材と、
    該基部部材に接続され、熱エネルギーを時間変化する電気信号に変換するナノメートル・スケールの発電機と、
    超伝導材料から作られ、該基部部材へと接続された可変の抵抗と
    を備え、
    該抵抗が該発電機に接続され、少なくともゼロでない最小限の大きさを有している該時間変化する電気信号の電流に応答して、ゼロ抵抗から或る有限の抵抗へと自動的に移行する、エネルギー変換および調節システム。
38. エネルギー変換および調節システムであって、該システムが、
    基部部材と、
    複数の並列アレイと
    を備え、
    該複数の並列アレイのそれぞれ１つが、
    電気的に並列に接続された複数の発電機−スイッチ・アセンブリ
    を有しており、
    該複数の発電機−スイッチ・アセンブリのそれぞれが、
    該基部部材に接続され、熱エネルギーを時間変化する電気信号に変換する発電機と、
    該基部部材に接続されたナノメートル・スケールのスイッチと
    を有しており、
    該スイッチが、少なくともゼロでない最小限の大きさを有している該時間変化する電気信号の電流に応答して自動的に閉じるように、該発電機に電気的に直列に接続されている、エネルギー変換および調節システム。

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