JP2013509156A - 圧電ナノデバイス - Google Patents
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Abstract
圧電ナノデバイスが、複数のナノロッドが形成された第１の基板と、複数の圧電ナノロッドが形成された第２の基板とを備えることができる。第１の基板は第２の基板と連動して、第１の基板のナノロッドと第２の基板の圧電ナノロッドとの間に摩擦を発生させる。
Description
近年、風、波、太陽エネルギー、または体動等の環境由来の電気エネルギーを集める環境電源として、圧電デバイスが関心を受けている。圧電デバイスは、加えられた機械的応力に応じて電位を発生することのできる材料（水晶およびある種のセラミック等）を組み込む。ナノ材料およびナノデバイスを含むナノ技術における最近の発展により、発電可能な圧電ナノデバイスの開発に関心が向けられている。
圧電ナノデバイスが提供される。例示的な一実施形態では、圧電ナノデバイスが、複数のナノロッドが形成された第１の基板と、複数の圧電ナノロッドが形成された第２の基板とを備える。第１の基板は第２の基板と連動して、第１の基板のナノロッドと第２の基板の圧電ナノロッドとの間に摩擦を発生させる。
別の実施形態では、圧電ナノデバイスが、それぞれナノロッドを有する複数の第１の基板が垂直に取り付けられた第１の板と、それぞれ圧電ナノロッドを有する複数の第２の基板が垂直に取り付けられた第２の板とを備える。第１の板および第２の板の一方が、他方に対して上下に移動可能な可動板として機能することにより、第１の基板のナノロッドと第２の基板の圧電ナノロッドとの間に摩擦を発生させることができる。
さらに別の実施形態では、圧電ナノデバイスが、それぞれナノロッドを有する複数の第１の基板が垂直に取り付けられた第１の板と、それぞれ圧電ナノロッドを有する複数の第２の基板が垂直に取り付けられた第２の板と、一端が第１の板および第２の板の一方に接続された少なくとも１つの接続部材とを備える。少なくとも１つの接続部材を長くまたは短くして、第１の基板のナノロッドと第２の基板の圧電ナノロッドとの間に摩擦を発生させることができる。
前述の概要は例示に過ぎず、決して限定的なものではない。前述した例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、さらなる態様、実施形態、および特徴が、図面および以下の詳細な説明を参照することにより明らかになろう。
以下の詳細な説明で、本明細書の一部をなす添付図面を参照する。特に断りのない限り、通常、図における同様の符号は同様の構成要素を特定する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲に記載された例示的実施形態は、限定的なものではない。本明細書に提示された主題の趣旨または範囲を逸脱することなく、他の実施形態を使用することができ、他の変更を行うことができる。本明細書に全体が記載され図示された本開示の態様を、本明細書ですべてが明確に企図される種々の異なる構成で、配置、代用、組合せ、分離、設計可能であることが容易に理解されよう。
一実施形態では、圧電ナノデバイスが、複数のナノロッドが形成された第１の基板と、複数の圧電ナノロッドが形成された第２の基板とを備える。第１の基板は第２の基板と連動して、第１の基板のナノロッドと第２の基板の圧電ナノロッドとの間に摩擦を発生させる。
図１は圧電ナノデバイスの第１および第２の基板の例示的実施形態を示す概略図である。圧電ナノデバイス１００は、ナノロッド１４０を有する第１の基板１１０と、圧電ナノロッド１３０を有する第２の基板１２０とを備える。一実施形態では、第１の基板１１０および第２の基板１２０が、限定されないが、ガラス、シリコン、プラスチック、ガリウムヒ素、金属炭化物、あるいは十分な機械的強度または硬度を有する材料等の材料を含む。
複数の圧電ナノロッド１３０は、第２の基板１２０上に形成され、または成長される。圧電ナノロッド１３０は、限定されないが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、トルマリン、ロッシェル塩、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、第一リン酸アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）、またはナノワイヤアレイの形状に成長可能で、圧電性を有する任意の材料等の圧電材料を含むことができる。
各圧電ナノロッド１３０は、例として、直径が約５０ｎｍ、約１００ｎｍ、約１５０ｎｍ、または約２００ｎｍ等の約５０ｎｍ〜約２００ｎｍ、長さが約５００ｎｍ、約１，０００ｎｍ、約１，５００ｎｍ、約２，０００ｎｍ、約２，５００ｎｍ、約３，０００ｎｍ、または約３，５００ｎｍ等の約２００ｎｍ〜約３，５００ｎｍの円形、矩形、六角形、および多角形等の横断面形状を有することができる。しかし、圧電ナノロッド１３０の横断面形状、直径または長さは、圧電材料、製造プロセス、または圧電ナノデバイス１００によって発生すべき電力に応じて変化させることができる。
さらに、圧電ナノロッド１３０間の間隔を、圧電ナノロッド１３０を屈曲させて圧電電位を発生させるのに十分な大きさである、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、または約９００ｎｍ等の数百ナノメートルとすることができる。
熱蒸着または物理蒸着等の種々の周知の蒸着プロセスのいずれかを使用して、圧電ナノロッド１３０を第２の基板１２０に成長させることができる。以下、圧電ナノロッド１３０を第２の基板１２０に形成する例示的な一例について説明する。厚さ約１００ｎｍのシード層（図示せず）を、マグネトロンスパッタリングにより第２の基板１２０に均一に塗布する。次に、第２の基板１２０を約８０°Ｃの反応液に約１２時間浸漬させる。反応液は、約０．１８７８ｇのＺｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏと約０．０８８１ｇのヘキサメチレンテトラミンとを、室温の約２５０ｍｌの脱イオン水に溶解することにより調製することができる。約１２時間後、圧電ナノロッド１３０が第２の基板１２０に高密度に形成される。次に、第２の基板１２０を脱イオン水で数回すすぎ、約１５０°Ｃの温度で約１時間焼き付ける。これにより、図１に示したように、圧電ナノロッド１３０を第２の基板１２０の表面に熱水成長させることができる。
複数のナノロッド１４０を第１の基板１１０に成長させるか、または形成することができる。前記蒸着プロセスのいずれかを使用して、ナノロッド１４０を形成することができる。ナノロッド１４０は、限定されないが、シリコン（Ｓｉ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、またはナノワイヤアレイの形状に成長可能な材料等の材料を含むことができる。
各ナノロッド１４０を導電性材料で被覆することができる。導電性材料は、限定されないが、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕまたはこれらの組合せから選択することができる。ナノロッド１４０は、このような導電性材料で被覆されるため、圧電ナノロッド１３０と比較して容易に屈曲させることができない。
図２は、図１の第１および第２の基板の連動を示す概略図である。第１の基板１１０を第２の基板１２０と連動させて、第１の基板１１０のナノロッド１４０と第２の基板１２０の圧電ナノロッド１３０との間に摩擦を発生させることができる。本明細書で使用される場合、「連動」という用語は、通常、第１の基板１１０のナノロッド１４０が第２の基板１２０の圧電ナノロッド１３０間の空間に挿入されるように十分近接させて、第１の基板１１０を第２の基板１２０に隣接して配置することを指す。一部の実施形態では、図２に示すように、第１の基板１１０を、第２の基板１２０に沿って、その長手方向に上下に摺動するように構成することができる。特に、第１の基板１１０および第２の基板１２０の一方または両方を、限定されないが、熱膨張および熱収縮、音波、機械的振動、空気流、筋伸張、または鼓動等の種々の外力に応じて、（図２に矢印で示すように）上下に押し引きすることができる。例えば、第１の基板１１０および第２の基板１２０の一方または両方の上下動により、第１の基板１１０が第２の基板１２０に対して上下に摺動する。したがって、第１の基板１１０のナノロッド１４０と第２の基板１２０の圧電ナノロッド１３０との間で摩擦を発生させることができる。
このような機械的応力により、圧電効果の結果として圧電ナノロッド１３０に電気が発生する。圧電ナノロッド１３０は、機械的応力が加えられると（例えば、圧電ナノロッド１３０が屈曲または伸張されると）、電圧を発生する。この現象は、対称中心のない圧電ナノロッド１３０の結晶で生じる。圧電ナノロッド１３０の結晶の各分子は分極を有し、各分子の一端がより負に帯電され、他端が正に帯電される。この分極を双極子モーメントとも呼ぶ。したがって、機械的応力が圧電ナノロッド１３０に加えられると、機械的応力は圧電ナノロッド１３０の双極子モーメントの構成を変えて、電圧を発生させる。
図１は、第１の基板１１０および第２の基板１２０が互いに対向するように構成される様子を示しているが、第１および第２の基板１１０、１２０を異なる形で構成して、第１および第２の基板１１０、１２０の間に摩擦を発生させてもよいことが、当業者には明らかであろう。例えば、第１の基板１１０を第２の基板１２０の下に位置するように構成するか、第１の基板１１０を第２の基板１２０の上に位置するように構成してもよい。
再び図２を参照すると、第１の基板１１０を下方に移動させると、圧電ナノロッド１３０が下方に屈曲するように、ナノロッド１４０が圧電ナノロッド１３０に圧力を加える。これは、導電性材料で被覆されたナノロッド１４０の硬度が、圧電ナノロッド１３０の硬度よりも高いためである。したがって、第１の基板１１０または第２の基板１２０に加えられる前記外力のいずれかに応じて第１の基板１１０または第２の基板１２０を押し引きしたときに、圧電ナノロッド１３０を被覆されたナノロッド１４０により屈曲させて、その圧電性により圧電ナノロッド１３０に圧電電位を発生させることができる。詳細には、各圧電ナノロッド１３０の伸張面１３２（すなわち、図２の上面１３２）が正（＋）電位で帯電され、圧電ナノロッド１３０の圧縮面１３４（すなわち、図２の下面１３４）が負（−）電位で帯電される。正に帯電された側（すなわち、図２の伸張面１３２）は、ナノロッド１４０に逆方向バイアスがかかったショットキー接触（Schottky contact）をするのに対して、負に帯電された側（すなわち図２の圧縮面１３４）は、ナノロッド１４０に順方向バイアスのかかったショットキー接触をする。したがって、電流が、被覆されたナノロッド１４０から圧電ナノロッド１３０へ流れる。
図３は、圧電ナノデバイスの第１および第２の基板の別の例示的実施形態を示す概略図である。圧電ナノデバイス２００は、複数のナノロッド２４０と１または複数の溝２６０とを有する第１の基板２１０と、複数の圧電ナノロッド２３０と１または複数の突出部２５０とを有する第２の基板２２０とを備える。圧電ナノロッド２３０およびナノロッド２４０を形成するために使用される材料および製作プロセスが、図１に関連して前述した圧電ナノロッド１３０およびナノロッド１４０の材料および製作プロセスと同様またはほぼ同一であるため、本明細書では、重複する説明を省略する。
一部の実施形態では、１または複数の、例えば、２つの溝２６０を第１の基板２１０の両端にそれぞれ形成することができ、１または複数の、例えば、２つの突出部２５０を第２の基板２２０の両端にそれぞれ形成することができ、２つの突出部２５０を２つの溝２６０にそれぞれ挿入できるようになっている。２つの溝２６０は２つの突出部２５０よりも長く、後述するように、２つの突出部２５０が２つの溝２６０内でそれぞれ移動可能になっている。図３では、各溝２６０の下端および各突出部２５０の上端が丸形であるが、例えば、多角形または扇形であってもよい。溝２６０に挿入された突出部２５０が離れるのを防ぐために、溝２６０および突出部２５０の形状および数を様々に変更することができる。
図４は、図３の圧電ナノデバイスの第１および第２の基板の連動を示す概略図である。図５は、図４の圧電ナノデバイスの正面図である。図４および図５を参照し、突出部２５０が溝２６０に挿入されると、突出部２５０は、第１または第２の基板２１０、２２０に加えられる前記外力に応じて、溝２６０から離れることなく溝２６０内を（図４および図５に矢印で示すように）上下に移動することができる。第１の基板２１０は、第２の基板２２０に対して上下方向に振動するため、第１の基板２１０のナノロッド２４０が第２の基板２２０の圧電ナノロッド２３０に圧力を加えることができる。したがって、第２の基板２２０の圧電ナノロッド２３０を、第１の基板２１０のナノロッド２４０により屈曲させることができる。
図３〜図５は、第１の基板２１０に溝２６０が設けられ、第２の基板２２０に突出部２５０が設けられる様子を示すが、第１の基板２１０および第２の基板２２０に突出部２５０および溝２６０をそれぞれ設けてもよいことが、当業者には明らかであろう。
さらに、突出部２５０の数および溝２６０の数は２つに限定されない。例えば、１つの突出部２５０および１つの溝２６０、または３つ以上の突出部２５０および溝２６０を設けてもよい。
図６は、図３の第１および第２の基板２１０、２２０を備えた圧電ナノデバイス２００の例示的実施形態の概略図である。図７は、図６の圧電ナノデバイスの正面図である。図６および図７を参照すると、圧電ナノデバイス２００は、第１の基板２１０および第２の基板２２０に加えて、可動板として機能する第１の板２７０と、固定板として機能する第２の板２８０と、２つ以上の接続部材２９０（図６には４つの接続部材２９０が示されている）とを任意選択で備えることができる。
第１の板２７０および第２の板２８０は、限定されないが、ガラス、プラスチック、金属炭化物、あるいは高温または低温環境で十分な機械的強度または硬度を有する材料等の材料を含むことができる。
ナノロッド２４０が第１の板２７０に水平に位置するように、第１の基板２１０を、溶接、またはシリコン、エポキシ、ウレタン等を使用した接着等の任意の取付け方法により第１の板（可動板）２７０に垂直に取り付けることができる。圧電ナノロッド２３０が第２の板２８０に水平に位置するように、第２の基板２２０を、前記方法のいずれかにより第２の板（固定板）２８０に垂直に取り付けることができる。したがって、第１の基板２１０のナノロッド２４０は、第２の基板２２０の圧電ナノロッド２３０に対向して、圧電ナノロッド２３０とナノロッド２４０との間に摩擦を発生させることができる。固定板２８０を高温面２０２に取り付けることができ、この高温面２０２は、電子装置、機械エンジン、または太陽等の任意の加熱源により加熱可能で、固定板２８０に熱を伝達することができる。例として、高温の建築物表面、高温の動力装置表面、熱機関表面、またはアスファルト道路を高温面２０２として使用することができる。各接続部材２９０の一端を可動板２７０に接続することができ、各接続部材２９０の他端を高温面２０２に直接取り付けることができる。
例として、接続部材２９０は、第１の板２７０を支持する支柱、柱、その他の適切な支持部材とすることができる。接続部材２９０は、限定されないが、チタン、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、または銀等の熱膨張係数の高い材料を含むことができる。例えば、接続部材２９０を、高温面２０２から伝達される熱で加熱することができる。さらに、接続部材２９０を、水冷装置または空冷装置等の種々の周知の冷却装置を使用して冷却することができる。冷却装置（図示せず）を接続部材２９０に設けて、接続部材２９０を定期的にまたは断続的に冷却することができる。例として、冷却装置が接続部材２９０を囲むか貫通するパイプまたはチューブである場合、水または冷却液を断続的に管に流して接続部材２９０を冷却する。
熱が高温面２０２から接続部材２９０に伝達されると、接続部材２９０が加熱されることにより膨張し得る。接続部材２９０が膨張すると、可動板２７０と可動板２７０に垂直に取り付けられた第１の基板２１０とが共に上方に移動する。逆に、冷却液がパイプまたはチューブを通して接続部材２９０に投入されると、接続部材２９０が冷却されることにより収縮し得る。接続部材２９０が収縮すると、可動板２７０と可動板２７０に取り付けられた第１の基板２１０とが共に下方に移動する。熱が高温面２０２から固定板２８０に伝達されるが、固定板２８０は、限定されないが、ガラス、プラスチック、または金属炭化物等の熱伝達係数の低い材料から構成されるため、固定板２８０は、高温面２０２から伝達された熱を第２の基板２２０へ伝達する可能性が低い。同様に、熱が接続部材２９０から可動板２７０へも伝達されるが、可動板２７０も熱伝達係数の低い材料から構成されるため、可動板２７０は、接続部材２９０から伝達された熱を第１の基板２１０へ伝達する可能性が低い。したがって、可動板２７０、固定板２８０、第１の基板２１０および第２の基板２２０が、高温面２０２から伝達された熱によって影響を受けることはほとんどない。
したがって、可動板２７０および第１の基板２１０が加熱により上方へ移動し、冷却により下降すると、移動により生じる力によって、第１の基板２１０が上下に（図６および図７に矢印で示すように）振動する。この第１の基板２１０の振動により、第１の基板２１０のナノロッド２４０が、第２の基板２２０の圧電ナノロッド２３０に対して上下に摺動して、第２の基板２２０の圧電ナノロッド２３０を屈曲させる。したがって、ナノロッド２４０と圧電ナノロッド２３０との間で摩擦を発生させることができるため、電流がナノロッド２４０から圧電ナノロッド２３０へ流れることができる。前述した接続部材２９０の加熱および冷却を繰り返すことにより、接続部材２９０の膨張および収縮が繰り返されるため、可動板２７０に固定された第１の基板２１０を上下に振動させることができる。この結果、第１の基板２１０のナノロッド２４０と第２の基板２２０の圧電ナノロッド２３０との間で摩擦を発生させることができるため、電気を発生させることができる。
図示の都合上、図６および図７には示していないが、第１の基板２１０および第２の基板２２０に、図３〜図５に示す少なくとも１つの溝２６０または突出部２５０をそれぞれ設けて、第１の基板２１０を第２の基板２２０に対して確実に摺動させることができる。しかし、突出部２５０および溝２６０は任意選択であり、ある実施形態では省略してもよい。
さらに、第１の基板２１０および第２の基板２２０を、図６および図７に示したものとは逆に、固定板２８０および可動板２７０にそれぞれ取り付けてもよいことが、当業者には明らかであろう。さらに、図６には４つの接続部材２９０が示されているが、接続部材２９０の数は４つに限定されず、可動板２７０を上下に移動可能な接続部材２９０をいくつ使用してもよい。さらに、図６では、４つの接続部材２９０のそれぞれが矩形の横断面形状を有する様子が示されているが、接続部材２９０の横断面形状は矩形に限定されず、いかなる形状の接続部材２９０を使用してもよい。
図８は、複数の第１の基板３１０を有する第１の板３７０の例示的実施形態を示し、図９は、複数の第２の基板３２０を有する第２の板３８０の例示的実施形態を示し、図１０は、図８および図９の第１の板３７０および第２の板３８０を備えた圧電ナノデバイス３００の例示的実施形態の概略図である。
図６および図７の圧電ナノデバイス２００と比較すると、（可動板として機能する）第１の板３７０は、それぞれナノロッド３４０を有する複数の第１の基板３１０を備え、（固定板として機能する）第２の板３８０は、それぞれ圧電ナノロッド３３０を有する複数の第２の基板３２０を備える。
図８〜図１０の各第１の基板３１０、各第２の基板３２０、圧電ナノロッド３３０、ナノロッド３４０、少なくとも１つの突出部３５０、少なくとも１つの溝３６０、第１の板３７０、第２の板３８０、および接続部材３９０は、図３〜図７の第１の基板２１０、第２の基板２２０、圧電ナノロッド２３０、ナノロッド２４０、少なくとも１つの突出部２５０、少なくとも１つの溝２６０、第１の板２７０、第２の板２８０および、接続部材２９０と同様またはほぼ同一とすることができるため、本明細書では、重複する説明を省略する。
図８および図９は、それぞれナノロッド３４０および溝３６０を有する複数の第１の基板３１０と、それぞれ圧電ナノロッド３３０および突出部３５０を有する複数の第２の基板３２０とが、板３７０、３８０にそれぞれ設けられる様子を示す。これにより、圧電ナノロッド３３０とナノロッド３４０との間で発生する摩擦量が大きくなるため、圧電ナノデバイス３００で得られる電気量が多くなる。
圧電ナノデバイス３００は、複数の第１および第２の基板３１０、３２０を備えているため、第１または／および第２の基板３１０、３２０の１つまたは複数に欠陥があっても電気を発生することができる。さらに、圧電ナノデバイス３００は、第１または／および第２の基板３１０、３２０の１つまたは複数が不良となっても電気を発生することができる。例として、複数の第１の基板３１０および第２の基板３２０が第１の板３７０および第２の板３８０に独立して取り付けられている場合、欠陥のあるナノロッド３４０または圧電ナノロッド３３０を有する第１または第２の基板３１０、３２０を、容易に引き出して新しい第１または第２の基板３１０、３２０と交換することができる。
図８および図９では、第１の基板３１０が被覆されたナノロッド３４０を有し、第２の基板３２０が圧電ナノロッド３３０を有する様子が示されているが、第１の基板３１０が圧電ナノロッド３３０を有し、第２の基板３２０がナノロッド３４０を有することも可能である。さらに、突出部３５０および溝３６０は任意選択であり、ある実施形態では省略してもよい。
図示を単純にするために、図１０に、２つの接続部材３９０、２つの第１の基板３１０、および２つの第２の基板３２０を示す。例えば、図１０に示すように、各接続部材３９０の上端を第１の板３７０に接続し、各接続部材３９０の下端を、高温の建築物表面、高温の動力装置表面、熱機関表面等の高温面３０２に直接取り付ける。段落［００２８］で説明したように、接続部材３９０は熱膨張係数の高い材料を含むことができる。したがって、高温面３０２から接続部材３９０へ熱を伝達して、接続部材３９０を長くすることができる。さらに、冷却装置（図示せず）によって接続部材３９０を断続的に冷却することにより、接続部材３９０を短くすることができる。段落［００２９］で説明したように、第１の板３７０および第２の板３８０を介して第１の基板３１０および第２の基板３２０に熱が伝達されるが、第１の板３７０および第２の板３８０の熱伝達係数が低いため、熱による影響を最小にすることができる。
第１の板３７０が２つの接続部材３９０に取り付けられるので、接続部材３９０が加熱されることにより膨張すると、第１の板３７０および第１の基板３１０が上方に移動する。接続部材３９０が冷却されることにより収縮すると、第１の板３７０および第１の基板３１０が下降して、第１の板３７０と第２の板３８０との間の距離が再び短くなる。
したがって、接続部材３９０の加熱および冷却を繰り返すことにより、第１の板３７０が上下に移動して、圧電ナノロッド３３０とナノロッド３４０との間に摩擦を発生させる。この第１の板３７０の移動により、第１の基板３１０のナノロッド３４０が第２の基板３２０の圧電ナノロッド３３０に対して上下に摺動して、第２の基板３２０の圧電ナノロッド３３０を屈曲させる。したがって、段落［００１６］および［００１９］で説明したように、圧電ナノロッド３３０で圧電電位が発生して、電流がナノロッド３４０から圧電ナノロッド３３０へ流れる。
図１１は、熱伝導板を備えた圧電ナノデバイス４００の例示的実施形態の概略図である。図１１では、参照符号４１０が第１の基板を示し、参照符号４２０が第２の基板を示し、参照符号４３０が圧電ナノロッドを示し、参照符号４４０がナノロッドを示し、参照符号４７０が第１の板を示し、参照符号４８０が第２の板を示し、参照符号４９０が接続部材を示し、参照符号４９５が熱伝導板を示す。図１１の各第１の基板４１０、各第２の基板４２０、圧電ナノロッド４３０、ナノロッド４４０、少なくとも１つの突出部（図示せず）、少なくとも１つの溝（図示せず）、第１の板４７０、第２の板４８０、および接続部材４９０は、図１０の第１の基板３１０、第２の基板３２０、圧電ナノロッド３３０、ナノロッド３４０、少なくとも１つの突出部３５０（図９参照）、少なくとも１つの溝３６０（図８参照）、第１の板３７０、第２の板３８０、および接続部材３９０と同様またはほぼ同一であるため、本明細書では、重複する説明を省略する。
図１０の圧電ナノデバイス３００と比較すると、熱伝導板４９５が、高温の建築物表面、高温の動力装置表面、熱機関表面等の高温面４０２にさらに取り付けられる。本実施形態では、各接続部材４９０の下端が、高温面４０２に取り付けられる代わりに熱伝導板４９５に直接取り付けられ、第２の板４８０も熱伝導板４９５に配置される。
熱伝導板４９５は、限定されないが、鉄、ステンレス鋼、タングステン、銅、アルミニウム、または銀等の熱伝導性の高い材料を含むことができる。したがって、高温面４０２から接続部材４９０へ熱を容易に伝達することができる。段落［００２８］で説明したように、接続部材４９０の熱膨張係数が高いため、接続部材４９０は、熱伝導板４９５から伝達される熱により長くなり、冷却動作により短くなる。したがって、接続部材４９０の加熱および冷却を繰り返すことにより、圧電ナノロッド４３０とナノロッド４４０との間に摩擦を発生しながら、第１の板４７０を上下に移動させることができる。したがって、段落［００１６］および［００１９］で説明したように、圧電ナノロッド４３０で圧電電位が発生し、電流がナノロッド４４０から圧電ナノロッド４３０へ流れることができる。
図１２は、接続部材が、限定されないが、ばねまたはゴム等の弾性材料から作られた圧電ナノデバイス５００の例示的実施形態の概略図である。図１２では、参照符号５１０が第１の基板を示し、参照符号５２０が第２の基板を示し、参照符号５３０が圧電ナノロッドを示し、参照符号５４０がナノロッドを示し、参照符号５７０が第１の板を示し、参照符号５８０が第２の板を示し、参照符号５９０が接続部材を示す。図１２の各第１の基板５１０、各第２の基板５２０、圧電ナノロッド５３０、ナノロッド５４０、少なくとも１つの突出部（図示せず）、少なくとも１つの溝（図示せず）、第１の板５７０、および第２の板５８０は、図１０の第１の基板３１０、第２の基板３２０、圧電ナノロッド３３０、ナノロッド３４０、少なくとも１つの突出部３５０（図９参照）、少なくとも１つの溝３６０（図８参照）、第１の板３７０、および第２の板３８０とほぼ同様であるため、本明細書では、重複する説明は省略する。
図１０の圧電ナノデバイス３００と比較して、２つの接続部材５９０は、段落［００２８］で説明した熱膨張係数の高い材料の代わりに、弾性材料から作られる。図１２は各接続部材５９０の下端が第２の板５８０に取り付けられる様子を示すが、図１０に示すように各接続部材３９０の下端が高温面３０２に直接取り付けられるのと同様に、各接続部材５９０の下端も振動面に直接取り付けることができる。圧電ナノデバイス５００を、すでに振動が存在する環境、例えば、スピーカーや騒音のある道路の近くに取り付けることができる。
例として、接続部材５９０をばねまたはゴムから作ることができる。接続部材５９０を、第１の板５７０、第２の板５８０、および接続部材５９０の少なくとも１つに加えられた外力、例えば機械的振動、音波、または空気流に応じて伸張または圧縮することができる。振動、音波、または空気流が圧電ナノデバイス５００に加えられると、接続部材５９０を容易に上下に振動させることができる。したがって、第１の基板５１０が取り付けられた第１の板５７０と、第２の基板５２０が取り付けられた第２の板５８０とが上下に振動するため、第１の基板５１０のナノロッド５４０と第２の基板５２０の圧電ナノロッド５３０との間に摩擦を発生させることができる。したがって、第１の基板５１０のナノロッド５４０が第２の基板５２０の圧電ナノロッド５３０に対して上下に摺動する間、第１の基板５１０のナノロッド５４０が第２の基板５２０の圧電ナノロッド５３０を屈曲させる。したがって、段落［００１６］および［００１９］で説明した圧電効果により、電流が流れることができる
図示を単純にするため、図１０〜図１２にはいかなる突出部または溝も示されていないが、第１の基板３１０、４１０、５１０および第２の基板３２０、４２０、５２０に、少なくとも１つの突出部または溝をそれぞれ設けることができる。しかし、突出部および溝は任意選択であり、省略してもよい。
図１３は、拡大された第１の基板が取り付けられた第１の板の例示的実施形態を示し、図１４は、拡大された第２の基板が取り付けられた第２の板の例示的実施形態を示す。
図１３および図１４において、参照符号６１０は第１の基板を示し、参照符号６２０は第２の基板を示し、参照符号６３０は圧電ナノロッドを示し、参照符号６４０はナノロッドを示し、参照符号６５０は突出部を示し、参照符号６６０は溝を示し、参照符号６７０は第１の板を示し、参照符号６８０は第２の板を示す。図１３および図１４の圧電ナノロッド６３０、ナノロッド６４０、各突出部６５０、および各溝６６０は、図８および図９の圧電ナノロッド３３０、ナノロッド３４０、各突出部３５０、および各溝３６０と同様またはほぼ同一であるため、本明細書では、重複する説明を省略する。
図８および図９の第１の板３７０および第２の板３８０と比較すると、図１３および図１４に示す第１の板６７０および第２の板６８０は、より少ない数の第１の基板６１０および第２の基板６２０を備え、各第１の基板６１０および各第２の基板６２０の大きさまたは長さは、図８および図９の各第１の基板３１０および各第２の基板３２０の大きさまたは長さよりも大きい。
したがって、本実施形態による圧電ナノデバイスは、必要な費用および製造プロセスがより少なく、より容易に製造することができる。さらに、第１の基板６１０および第２の基板６２０は大きいため、より多くのナノロッド６４０および圧電ナノロッド６３０をそれぞれ有することができる。したがって、圧電ナノデバイスは、より大量の電気を発生することができる。
図１３および図１４では、第１の基板６１０が被覆されたナノロッド６４０を有し、第２の基板６２０が圧電ナノロッド６３０を有する様子が示されているが、第１の基板６１０が圧電ナノロッド６３０を有し、第２の基板６２０がナノロッド６４０を有していてもよい。さらに、突出部６５０および溝６６０は任意選択であり、ある実施形態では省略してもよい。
図１０〜図１２の圧電ナノデバイス３００、４００、５００が、図８の第１の板３７０または図１３の６７０を第１の板として備え、図９の第２の板３８０または図１４の第２の板５８０を第２の板として備えることができる点が、当業者には明らかであろう。さらに、図８〜図１４の板の形状を、図８〜図１４に示した例に限定されることなく変更することができる。
さらに、本開示の前述した例示的実施形態を、ナノロッドと圧電ナノロッドとの間に摩擦を発生することのできるいかなる環境にも適用可能であることが、当業者には明らかであろう。このような環境には、雑音の多い空間や、高温の建築物表面、高温の動力装置表面、熱機関表面等の加熱面が含まれる。
本明細書で開示されたこのプロセスおよび他のプロセスならびに方法について、プロセスおよび方法で実施される機能を異なる順番で実施してもよいことが、当業者に理解されよう。さらに、概略を説明したステップおよび動作は、例としてのみ提示されたものであり、開示された実施形態の本質から逸脱することなく、ステップおよび動作の一部を任意選択としたり、より少ないステップおよび動作にまとめたり、さらなるステップおよび動作に拡大することができる。
本開示は、本出願に記載された、種々の態様の例示として意図された特定の実施形態に限定されるものではない。当業者に明らかなように、本開示の趣旨および範囲を逸脱することなく、多くの修正および変更を行うことができる。本明細書中に列挙された方法および装置に加えて、本開示の範囲内で機能的に等価の方法および装置が、前述した説明から当業者には明らかであろう。このような修正および変更は、添付の特許請求の範囲に含まれるものである。本開示は、添付の特許請求の範囲の文言、およびかかる特許請求の範囲が権利化される均等物の全範囲によってのみ限定されるべきである。本開示は、特定の方法、試薬、化合物組成、または生物系に限定されるものではなく、当然、変更可能であることを理解されたい。本明細書で使用された専門用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定的なものではないことも理解されたい。
本明細書における実質的にすべての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。様々な単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。
通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（例えば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（例えば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｕｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。例えば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む実施形態に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（例えば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。例えば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。
さらに、本開示の特徴または態様がマーカッシュグループにより記載される場合、それによって、この開示が、マーカッシュグループの任意の各要素または要素のサブグループによっても記載されていることを、当業者は認識するであろう。
当業者に理解されるように、任意のおよびすべての目的のために、特に明細書の規定という点では、本明細書に開示されたすべての範囲は、任意のおよびすべての可能なサブ範囲およびそのサブ範囲の組合せも包含する。任意の記載された範囲は、十分に記述され、かつ同範囲は少なくとも等しく２等分、３等分、４等分、５等分、１０等分等に分割され得ると、容易に認識できる。非限定例として、本明細書に記載される各範囲は、容易に、下部３分の１、中央３分の１および上部３分の１等に分割され得る。また、当業者に理解されるように、「まで」、「少なくとも」等のすべての言語は、挙げられた数字を含み、かつ前記のサブ範囲に続いて分割され得る範囲を示す。最後に、当業者に理解されるように、範囲は、それぞれ個々の要素を含む。したがって、例えば、細胞１〜３個を有する群は、細胞１、２または３個を有する群を示す。同様に、細胞１〜５個を有する群は、細胞１、２、３、４または５個を有する群を示す等々。
前述した通り、本開示の種々の実施形態について、例示の目的で本明細書中に説明したが、本開示の範囲および趣旨を逸脱することなく、種々の修正が可能であることが理解されよう。したがって、本明細書に開示された種々の実施形態は限定的なものではなく、以下の特許請求の範囲により、その真の範囲および趣旨が示される。
Claims (21)
- 複数のナノロッドが形成された第１の基板と、
複数の圧電ナノロッドが形成された第２の基板とを備え、
前記第１の基板が前記第２の基板と連動して、前記第１の基板の前記ナノロッドと前記第２の基板の前記圧電ナノロッドとの間に摩擦を発生させる、圧電ナノデバイス。 - 前記第１の基板が、前記第２の基板に沿って、前記第２の基板の長手方向に上下に摺動して、前記摩擦を発生させる、請求項１に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記第１の基板および前記第２の基板の一方が可動板に取り付けられ、前記第１の基板および前記第２の基板の他方が固定板に取り付けられる、請求項１に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記可動板が、加熱により膨張可能かつ冷却により収縮可能な少なくとも１つの接続部材に接続される、請求項３に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記少なくとも１つの接続部材に結合され、冷却液を断続的に内部に流すことにより前記少なくとも１つの接続部材を冷却するように構成された冷却装置をさらに備えた、請求項４に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記可動板が少なくとも１つの弾性部材に接続され、前記可動板が、前記可動板に加えられる振動に応じて移動する、請求項３に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記少なくとも１つの弾性部材が、前記可動板に加えられる音波により伸張または圧縮する、請求項６に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記第１の基板および前記第２の基板の一方が少なくとも１つの突出部を有し、前記第１の基板および前記第２の基板の他方が少なくとも１つの溝を有し、さらに前記少なくとも１つの突出部が、前記少なくとも１つの溝に挿入されて、前記溝の内部で上下に摺動するように構成された、請求項１に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記第１の基板の前記ナノロッドが導電性材料で被覆される、請求項１に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記導電性材料が、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、またはこれらの組合せを含む、請求項１に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記第２の基板の前記圧電ナノロッドが、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＣｄＳ、トルマリン、ロッシェル塩、ＢａＴｉＯ３、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、またはこれらの組合せを含む、請求項１に記載の圧電ナノデバイス。
- それぞれナノロッドを有する複数の第１の基板が垂直に取り付けられた第１の板と、
それぞれ圧電ナノロッドを有する複数の第２の基板が垂直に取り付けられた第２の板とを備え、
前記第１の板および前記第２の板の一方が、他方に対して上下に移動する可動板として機能して、前記第１の基板の前記ナノロッドと前記第２の基板の前記圧電ナノロッドとの間に摩擦を発生させる、圧電ナノデバイス。 - 前記可動板が、加熱により膨張可能かつ冷却により収縮可能な少なくとも１つの接続部材に接続される、請求項１２に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記可動板が少なくとも１つの弾性部材に接続され、前記可動板が、前記可動板に加えられる振動に応じて移動する、請求項１２に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記少なくとも１つの弾性部材が、前記可動板に加えられる音波により伸張または圧縮する、請求項１４に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記第１の基板および前記第２の基板の一方が少なくとも１つの突出部を有し、前記第１の基板および前記第２の基板の他方が少なくとも１つの溝を有し、さらに前記少なくとも１つの突出部が、前記少なくとも１つの溝に挿入されて、前記溝の内部で上下に摺動するように構成された、請求項１２に記載の圧電ナノデバイス。
- それぞれナノロッドを有する複数の第１の基板が垂直に取り付けられた第１の板と、
それぞれ圧電ナノロッドを有する複数の第２の基板が垂直に取り付けられた第２の板と、
一端が前記第１の板および前記第２の板の一方に接続された少なくとも１つの接続部材とを備え、
前記少なくとも１つの接続部材を長くまたは短くして、前記第１の基板の前記ナノロッドと前記第２の基板の前記圧電ナノロッドとの間に摩擦を発生させる、圧電ナノデバイス。 - 前記少なくとも１つの接続部材が熱膨張係数の高い材料を含む、請求項１７に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記少なくとも１つの接続部材の他端に取り付けられた熱伝導板をさらに備えた、請求項１８に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記少なくとも１つの接続部材が弾性を有して、前記第１の板および前記第２の板の少なくとも一方に加えられる振動により伸張または圧縮する、請求項１７に記載の圧電ナノデバイス。
- 前記第１の基板および前記第２の基板の一方が少なくとも１つの突出部を有し、前記第１の基板および前記第２の基板の他方が少なくとも１つの溝を有し、さらに前記少なくとも１つの突出部が、前記少なくとも１つの溝に挿入されて、前記溝の内部で上下に摺動するように構成された、請求項１７に記載の圧電ナノデバイス。
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