JP2014506856A - 分散型マイクロ推進機を使用する飛行制御 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの操縦翼面に形成された複数の推力生成装置を使用して乗り物の移動を制御する方法及び装置が示されている。推力を生成するため操縦翼面を通りガスを推進するように構成された複数の推力生成装置への電力供給は、操縦翼面の物理的な変位が発生するように制御される。この物理的な変位は、複数の推力生成装置への電力供給に従い、乗り物の移動を制御する。

Description

（相互参照）
本願は、２００９年９月３日付けで出願された米国仮特許出願第61/239,446号、２００９年１１月２７日付けで出願された米国仮特許出願第61/264,778号、２０１０年１月１９日付けで出願された米国仮特許出願第61/296,198号、２０１１年３月２日付けで出願された米国仮特許出願第61/448,621号、および２０１０年９月３日付けで出願されたＰＣＴ国際出願第US2010/002428号を参照するものであり、これらの開示内容は参考にここに一体のものとして統合される。本願は、２０１１年３月２日付けで出願された米国仮特許出願第61/448,621号に基づく優先権を主張するものである。

（技術分野）
本願明細書は、流体、例えばガスの移動をもたらす方法及び装置に関し、これは、推進システム、真空形成、ガス圧縮、及びその他の使用に適用してもよい。

ガスの作用に関するデバイスが広く利用されている。最も初期の飛行機エンジンは、ピストン駆動式プロペラであった。こうしたエンジンは、ピストンエンジンをプロペラに連結することにより駆動するものであった。その簡便性により、ジェットエンジンが発明されるまで、ピストンエンジンは一般に普及した。ターボジェットエンジンは、タービンを燃料燃焼システムに連結するという原理に基づいて作動するものである。タービンが回転すると、空気混合燃料が圧縮され、これか燃焼すると、推進力およびトルクが発生し、タービンが回転する。初期のターボジェットエンジンは、エンジンから排出される排出ガスにより推進力を生むものであった。ターボジェットエンジンの最新の変形例として、ターボプロップエンジンおよびターボファンエンジンがあり、これらのエンジンは、排気ガスによる得られたトルクを用いてプロペラまたはファンを駆動するとともに、空気混合燃料を圧縮するものである。ロケットエンジンは、おそらくは最も古い機械式の推進システムの１つであり、開発以来あまり変わっていない。ロケットエンジンは、酸化剤混合燃料が内部充填（内部供給）されたチューブまたはコーンを有する。この酸化剤混合燃料が燃焼するときの膨張ガスにより推進力が得られる。すべての既存の推進システムの中で最も高い燃焼推進比が得られるロケットエンジンは、出力推進力の大きさを容易に変更することができない。またロケットエンジンの回転を駆動または停止する機能を追加しようとすると、その設計はきわめて複雑なものになる。

２つの物質間の吸引力は、５つのタイプ、すなわち機械的、化学的、分散的、静電気的、拡散的なものに分類される。現時点においては、これらの５つのタイプのうち、静電気的吸引力および特定形式の機械的吸引力のみが容易に可逆的プロセスである。真空を用いて、物質の表面を吸引して、これを持ち上げることができる。しかし、こうしたデバイスは、一般に、減圧して物質表面に真空を引く装置（メカニズム）を必要とする。真空形成システムは、通常、真空ポンプ、制御バルブ、空気フィルタ、真空ゲージ、真腔リザーブタンク、および電源を有する。ただし、吸引力を得るために真空を用いる利点は、形跡が残らない（残留物がない）点にある。通常、他のタイプの吸引力は、吸引した形跡を残し、これは好ましくない場合が多い。

また一般に、上述した従来式の推進システムは、ガスを圧縮するために用いることができる。ピストンまたはダイアフラムと同様、理想気体の法則に則って、ガスを圧縮することが可能である。現在あるデバイスは、加圧容器とは別体のポンプ装置を必要とする。

温度差により、表面上にガスフローを形成できることは古くから知られていた。１８７３年、ウィリアム・クルックス卿（Sir William Crookes）は、熱および光の放射エネルギを測定するためのラジオメータ（放射計）を開発した。現在、クルックスのラジオメータは、しばしば博物館の売店にてノベルティ商品として販売されている。それは、４つの羽根からなり、それぞれの羽根の一方の表面を黒く、他方の表面を白くしたものである。これらの羽根はロータ（回転子）に固定され、摩擦力がきわめて小さいため、回転することができる。この仕掛けは、透明ガラス球の中に収容され、ガラス球内の空気は、完全ではないが、ほとんど取り除かれている。光が羽根に当たると、黒色表面があたかも光によって押されているかのように、羽根車が回転する。

クルックスは、当初、放射光が黒色表面に圧力を加えたために回転すると説明した。彼の論文は、ジェイムズ・クラーク・マクスウェル（James Clerk Maxwell）により引用され、彼の電磁気理論に合致するようだとの説明を受け入れた。しかし、羽根の黒色表面に当たる光は吸収され、白色表面に当たる光は反射する。とすると、白色表面が黒色表面より２倍の放射圧力を受けることなり、クルックスの当初の説明が正しければ、ラジオメータは反対方向に回転することになる。その後、他の不正確な説明が提唱されたが、現在でも主張されている。ある提案によれば、ガラス球内のガスが白色表面より黒色表面においてより強く加熱されるというものであった。羽根の黒色表面を押しているのは、より高温のガスの圧力であると提唱された。ただし、マクスウェルのより詳細な分析により、電磁気学的効果による純然たる力は形成されず、安定した気流が羽根の周りに形成されることが証明された。現在なお、広く主張されている別の不正確な説明は、黒色表面上の高温分子がより素早く運動して、羽根を押すというものである。

クルックスのラジオメータの動きに関する正確な説明は、オズボーン・レイノルズが１８７９年初頭に王立学会に提出した論文に記述されている。彼は、「熱遷移」と称するプレートの対向表面の温度差に起因して、ガスのフローが多孔質プレートを貫通する点を説明した。均一な圧力を有するガスは、冷たい方から暖かい方へ多孔質プレートを貫通する。プレートが移動できない場合、平衡状態に達し、いずれか一方の表面上の圧力比は、絶対温度の平方根の比に等しい。レイノルズの論文は、クルックスのラジオメータについても説明した。ラジオメータの羽根の端部を考慮されたい。より暖かい表面の端部は、冷たい端部より大きな力を与え、ガス分子に対して斜めに衝突する。この効果により、端部表面における温度勾配の間でガスが移動することになる。羽根は、暖められたガスから遠ざかる方向に移動し、このときガスは羽根の端部周囲を反対方向に通過する。マクスウェルは、レイノルズの論文を引用しつつ、「温度格差に起因する熱平衡状態にある希薄なガスの応力について」と題する、彼自身の論文を書いて問いただした。レイノルズの功績を認めつつ、批判するマクスウェルの論文は、レイノルズの論文の発表前の１８７９年終わりに、王立学会の哲学議事録（the Philosophical Transactions of the Royal Society）で公開された。フィリップ・ギブス著の「物理学と相関性についてのＦＡＱ」（2006年）（math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html. ）を参照されたい。

熱により表面上を移動するガスフローに関して、１９世紀から始まるレイノルズおよびマクスウェルによる議論にも拘わらず、高温表面および低温表面の相互作用に起因するガスの運動に関する可能性は、未だ完全には理解されていない。クルックスのラジオメータの動きには、（圧力が大気圧よりはるかに低い）希薄なガスを必要とし、部分的には、厚みおよび多孔質プレートの無作為に配置された孔に起因して、多孔質プレートを貫通するガスフローは利用可能な推進力を形成しない。

本願明細書は、複数の推力生成装置を使用する乗り物の移動を制御する装置及び方法として具体化されてもよい。１つの例示的な方法は、推力を生成するために操縦翼面を通りガスを推進するように構成された、操縦翼面に形成される複数の推力生成装置への電力供給を制御すること、及び、乗り物の移動を制御するため複数の推力生成装置への電力供給に従って操縦翼面の物理的な変位を発生することを含んでいる。

１つの例示的な装置は、推力を生成するため操縦翼面を通りガスを推進するように構成され、乗り物の操縦翼面に形成された複数の推力生成装置と、少なくとも複数の推力生成装置へ電力を供給する電源と、乗り物の移動を制御するために複数の推力生成装置への電力供給に従い複数の推力生成装置が操縦翼面の物理的な変位を発生するように、複数の推力生成装置への電源による電力の供給を制御する制御装置と、を含んでいる。

本願明細書は、また、航空機の移動を制御する飛行制御システムとして具体化されてもよい。１つの例示的なシステムは、推力を生成するためガスを推進するように構成され、航空機の少なくとも１つの操縦翼面に埋め込まれた複数の推力生成装置と、少なくとも複数の推力生成装置へ電力の供給を行う電源と、航空機の飛行経路を決定し、かつ決定した飛行経路に沿って航空機の移動を制御するため複数の推力生成装置への電力供給に従い複数の推力生成装置が少なくとも１つの操縦翼面の物理的な変位を発生するように、複数の推力生成装置への電源による電力の供給を制御する制御装置と、を含んでいる。

乗り物の表面に埋め込まれた多数の熱遷移デバイスを使用する乗り物の移動を制御する別の例示的な方法は、熱遷移デバイスのそれぞれのものを通るガスの流れを発生するために熱遷移デバイスのそれぞれのものの第１層及び第２層間で熱の偏りを発生すること、並びに、熱遷移デバイスのそれぞれのものを通るガスの流れを使用して乗り物の移動を制御することを含んでいる。

ヒートポンプを示す。これは、ペルチェ板、熱電子放出により駆動される板、または他の任意の好適な手段であってもよい。 図１のヒートポンプの周囲のガスフローパターンを示す。 平行な高温壁および平行な低温壁を有する正方形の箱の中に閉じ込められたガスを示す。 鋸歯形状を有するナノ分子固体電気力学的スラスタ（ＮＭＳＥＴ）の積層体に加わる合力を示す。 鋸歯形状を有するＮＭＳＥＴ積層体の周囲のガス粒子速度を示す。 熱トンネル効果による改善されたペルチェ効果を示す。 放物線形状を有するＮＭＳＥＴ積層体を示す。 図７のＮＭＳＥＴ積層体の周囲のガスフローパターン、およびそのガスの運動量空間を示す。 三角形状を有するＮＭＳＥＴ積層体を示す。 三角形状を有するＮＭＳＥＴ積層体の周囲のガスの運動量空間を示す。 鋸歯形状を有するＮＭＳＥＴ積層体を示す。 鋸歯形状を有するＮＭＳＥＴ積層体の周囲のガスの運動量空間を示す。 ＮＭＳＥＴの断面図であって、固体ヒートポンプの内部構造を示す。これらのヒートポンプは、ペルチェ効果、熱電子放出または他の任意の好適な手段により駆動できる。 図１３のＮＭＳＥＴの斜視図であって、固体ヒートポンプの内部構造を示す。 ＮＭＳＥＴの斜視図であって、固体ヒートポンプの外部構造を示す。 図１５のＮＭＳＥＴの断面図であって、固体ヒートポンプの外部構造を示す。 ＮＭＳＥＴの斜視図であって、非固体ヒートポンプの外部構造を示す。 段差構造(staged arrangement)を有するＮＭＳＥＴの断面図を示す。 直線形状を有するＮＭＳＥＴを示す。 ＮＭＳＥＴの１つの例示的な製造方法を示す。 ＮＭＳＥＴの別の例示的な製造方法を示す。 熱遷移デバイスを示す側面断面図である。 熱遷移デバイスの動作を示す側面断面図である。 熱遷移デバイスを示す側面断面図であって、１つの延長層および複数の傾斜壁を示す。 図２４に示す熱遷移デバイスの上面断面図である。 熱遷移デバイスの側面断面図であって、１つの延長層、およびウェットエッチングまたはドライエッチングされた壁部を示す。 図２６に示す熱遷移デバイスの上面断面図である。 熱遷移デバイスの側面断面図であって、２つの延長層および傾斜壁を示す。 一実施形態に係る熱遷移デバイスの初期の製造工程における断面図である。 図２９に示す熱遷移デバイスの次の製造工程における断面図である。 図３０に示す熱遷移デバイスの次の製造工程における断面図である。 図３１に示す熱遷移デバイスのさらに次の製造工程における断面図である。 熱遷移デバイスの断面図であって、構造内で形成される島状部を示す。 本開示内容に係る制御システムの一実施形態の上面図である。 図３４に示す制御システムの上面図であって、一連の接続経路への電力供給動作を示す。 図３４に示す制御システムの上面図であって、１つの電源ラインの故障の影響を示す。 本開示内容に係る耐故障性機能を備えた制御システムの一実施形態の上面図である。 制御システムの別の実施形態の上面図であって、複数の分散型スラスタからなるより大きいアレイを制御するように設計された、図３４のものより大きい制御システムを示す。 制御システムの別の好適な実施形態の上面図であって、複数の分散型スラスタからなるより大きいアレイを制御するように設計された、図３８のものより大きい制御システムを示す。 本開示内容の別の実施形態の上面図であって、制御システムが標的領域を駆動したときの第１および第２の作動領域(affected area)を示す。 図４０ａに示す実施形態の断面図であって、交差電源ラインがデバイスの加熱側に配置されている。 図４０ａに示す実施形態の別の断面図であって、交差電源ラインがデバイスの両側に配置されている。 本開示内容に係る、電気絶縁材および／または断熱材を含む別の実施形態の上面図を示す。 図４１ａに示す実施形態の断面図であって、交差電源ラインがデバイスの加熱側に配置されている。 複数の分散型スラスタからなるアレイの格子構造を示す上面図であって、この分散型スラスタは、制御システムが利用する１つの電源ラインおよび複数の支流ラインを含む。 図４２ａの上方に配置された中間絶縁層の上面図である。 図４２ｂの上方に配置された制御システムが利用する１つの電源ラインおよび複数の支流ラインからなる格子構造の上面図であって、１つの電源ラインの交差点において複数の標的点が形成される。 温度勾配を形成するための概略図である。 温度勾配を形成するための概略図である。 温度勾配を有するデバイス内での温度の有効な増減を示すグラフである。 本開示内容に係る水平行および垂直列に配列された複数のスラスタ領域の上面断面図である。 複数のスラスタ領域の上面断面図であって、スラスタ領域を駆動した際の隣接する領域の加熱効果を示す。 本開示内容に係る複数の温度勾配デバイスのうちの温度勾配デバイスの駆動シーケンスを示す。 従来のクワッドローターの斜視図を示す。 分散型マイクロ推進機を有する装置の平面図を示す。 図５０の装置の側面図を示す。 分散型マイクロ推進機を有する乗り物の平面図を示す。 図５２の乗り物の側面図を示す。 分散型マイクロ推進機を有するさらなる乗り物の平面図である。 図５４のさらなる乗り物の側面図である。 分散型マイクロ推進機を有するさらなる乗り物の平面図である。 図５６のさらなる乗り物の正面図である。 垂直上昇を増強する分散型マイクロ推進機及び前方への推力を提供するための複数のエンジンを有する別の乗り物の平面図である。 図５８の別の乗り物の側面図である。 マイクロ推進機を使用する例示的な制御方法のフローチャートである。 マイクロ推進機を使用する別の例示的な制御方法のフローチャートである。

添付の請求項で規定される本発明の方法、デバイスおよびシステムについて、例示的な実施形態によって以下で説明することになるが、本発明はこれに限定されない。添付の図面と以下の説明において、本開示内容の１つ以上の実施形態の詳細について説明している。他の特徴、目的および利点は、説明、図面および請求項から明らかになるであろう。

［総論］
好ましい実施形態で、分散型スラスタの一例は、本明細書で説明するナノ分子固体電気力学的スラスタ（Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters:ＮＭＳＥＴ）と呼ぶことができるデバイスである。ＮＭＳＥＴの動作の基礎は、ＮＭＳＥＴを利用する態様に応じて、推進、接着、圧縮および冷却といった複数の分野にＮＭＳＥＴを応用することを可能とする。好ましい実施形態で、ＮＭＳＥＴおよび関連する分散型スラスタデバイスは、調整可能な流速を用いて、軽量かつコンパクトで、エネルギ効果的なガス圧力差を作り出す。

［推進］
幾つかの実施形態で、ＮＭＳＥＴのような分散型スラスタは、ガス推進の分野で下記の複数の改良点の１つ以上を提供できる。
１．改良した弾性：従来のガス推進システム内の任意の領域に対する損傷は、システム全体の故障につながる可能性があった。分散型スラスタは、向上した冗長性(redundancy)とロバスト性を提供する。
２．軽量：電気駆動される分散型スラスタは太陽電池薄膜を利用でき、その場合燃料負荷がなくなる。さらに、分散型スラスタシステム内の各スラスタは局所的なガス圧力差を作り出すので、このようなガス推進システムの構造的完全性を維持するために、この局所的な影響により、同じガスフロー体積を生成する非分散型ガス推進システムで通常必要とされるであろうものより小さいか、または軽い装置が必要となることがある。
３．スケーラビリティ：従来のガス推進システムを容易に拡大縮小する(scale)ことはできない。小型の航空機に最適なターボジェットは、大型の航空機に最適なターボジェットを縮小したものではない。分散型スラスタは、拡大縮小が容易である。なぜなら、スケーリングは、個々のスラスタ寸法をほぼそのままにして、まずスラスタの量を変化させるからである。
４．応答時間：より小型の推進力生成デバイスは、より高速で取り込み(spool up)と送り出し(spool down)を行う。分散型スラスタガス推進システムから得られる推進力は、ニーズの変化に応じて容易に調節できる。
５．電力非依存性(power independence)：従来の推進システムの多くは、動作するために特定のタイプまたはクラスの燃料を必要とする一方で、例えばＮＭＳＥＴのような分散型スラスタの幾つかの実施形態は、電気が作る温度差源のみを必要とする。
６．グリーン推進：分散型スラスタの幾つかの実施形態、例えばＮＭＳＥＴの幾つかの実施形態は、動作に電気入力を必要とし、化石燃料を必要としない。それゆえ、必要とされる電流を生成する無公害の方法を使用する場合には、通常の動作中に汚染排気ガス（例えば、一酸化炭素、窒素酸化物等）は生成されない。

［接着］
幾つかの実施形態で、例えばＮＭＳＥＴのような分散型スラスタは、吸引を通じて面に接着する軽量の機械的接着材として使用できる。接着を解消する(reverse)ために必要である唯一のステップは、幾つかの実施形態においてシステムに加わる電力をカットすることであるので、当該プロセスは可逆的とすることができる。このようなシステムの使用は、当該システムが、接着されて平坦性や導電性を有するような材料を必要とせず、また残渣を残さない点で、静電接着を上回る利点を提供できる。他の機械的な接着プロセスと比較すると、このようなシステムの使用は、接着面の前処理を必要としないであろう。

［ガス圧縮］
例えばＮＭＳＥＴのような分散型スラスタは、表面を流れるガスフローを駆動するように配列できるので、加圧型容器のすべてまたは一部がガス圧縮を提供するように機能してもよい。したがって、幾つかの配列では、分離したポンプ容器(containment)と加圧型容器は必要とされないことがある。さらに、一般に、このようなシステムの動作は短い距離にわたって生じるので、幾つかの実施形態では、複数段の分散型スラスタを積層することにより、充分にコンパクトな圧縮機として当該システムを使用できる。従来のガス推進システムは、典型的にセンチメートルの長さスケール、ときにはメートルの長さスケールで動作する。このように、従来の推進システムを積層することは、複雑で高価となる傾向がある。対照的に、分散型スラスタは、より小さいスケール、例えばマイクロメートルで動作するように包装できる。さらに、このようなシステムの汎用性は、高圧ポンプや標準の大気ポンプ(atmospheric pump)として、あるいは充分な数の段を用いて高真空ポンプとして機能するように、当該システムを容易に構成できることを意味する。

［ＮＭＳＥＴデザイン］
一態様および実施形態で、ＮＭＳＥＴおよび本明細書で説明する、関連する幾つかのデバイスは、システムに接触しているガス中でのエントロピーを低下させることにより機能すると考えることができる。このようなデバイスは、必要に応じて、システムの非効率性を通じて失われたエネルギに加えて、例えば熱エネルギをガスに追加できる。別の態様および実施形態で、ＮＭＳＥＴおよび関連する幾つかのデバイスの形状は、ガスフローの向きと使用の利便性に影響を与えうる。さらに、ＮＭＳＥＴおよび関連する幾つかのデバイスの実施形態は、スケールパラメータの併用、有利な分子反射特性、形状、設計、効率性の大幅な増加を与えるエレメントの構造と配列、および／またはより高い周囲圧力で動作し、かつ／またはより大きい流速を作り出す能力により、従来の熱遷移デバイス(thermal transpiration)等と区別できる。好ましい実施形態で、最小限の熱力学的損失である特定の方向で強いガスフローを作り出すことができ、かつ／または、より大きい周囲圧力で動作でき、かつ／または、より大きい流速を作り出すことができる、これらおよび他のパラメータの説明と併せて、ＮＭＳＥＴの種々の例示的な実施形態について、本明細書で説明している。

ＮＭＳＥＴによるガス中のエントロピーの低下は、ガスの運動量空間ｋ内の変換Ａで表すことができる。一組の好適な基底(base)が運動量空間ｋについて選択されると、Ａを行列で表すことができる。変換された運動量空間Ａｋの期待値がゼロでない場合、ＮＭＳＥＴは、運動量保存則により、期待値の反対方向で全運動量(net momentum)を受ける。

ＮＭＳＥＴの形状は、より効果的に機能するように最適化できる。ＮＭＳＥＴの形状は、変換行列Ａに影響を与える。単位行列Ｉに本質的に等しい行列Ａを生成する形状は、全運動量のバイアスを作らない（すなわち、変換された運動量空間Ａｋがゼロ以外の期待値を持たないようにする）。正しくは、ガスの渦が生じてもよい。Ａのより大きい固有値を生じさせる形状は、より効果的な機能、例えば、特定の方向に移動するガス粒子がより大きい運動量を運搬するという機能を示す傾向がある。

一例として、図１に示すように、ガス中のヒートポンプ１００を考える。ヒートポンプ１００は、上部層１０１と下部層１０２とを備える。簡単にするために、下部層１０２から上部層１０１の方向を向くｙ軸で、デカルト座標系を規定する。温度差は、層の間のペルチェ素子（図示せず）や、上部層１０１がガスより低温で下部層１０２がガスより高温となるような任意の好適な手段により確立される。簡単にするために、ヒートポンプ１００は、１００％のカルノーサイクル効率性を有すると仮定できる。しかし、他の効率性も考えられる。この場合、ヒートポンプ１００は、真の熱をガスまで伝達させないことになる。ヒートポンプ１００によるガス運動量空間ｋへの変換は、エルミート行列Ａにより表現できる。ガス粒子（分子または原子）が下部層１０２と衝突する場合、衝突が非断熱的であると仮定すると、ガス粒子は跳ね返って衝突前より高速となる。ガス粒子が上部層１０１と衝突する場合、衝突が非断熱的であると仮定すると、ガス粒子は上部層１０１で跳ね返って衝突前より低速となる。ヒートポンプ１００は、ｙ方向に合力(net forces)を感知する。換言すると、下部層１０２は高温となって下部層１０２より下のガスの圧力を増加させる一方で、上部層１０１は低温となって上部層１０１より上のガスの圧力を減少させる。圧力差により、ヒートポンプ１００にｙ方向の力が加わる。ガスの運動量空間ｋの変換に関して、上部層１０１から跳ね返ったガス粒子は、下部層１０２から跳ね返ったガス粒子より小さい運動量を持って離れるので、変換された運動量空間Ａｋは、−ｙ方向で優先的に歪み、すなわち変換された運動量空間Ａｋの期待値ｐはゼロでなく、向きは−ｙ方向である。閉じた系（すなわち、他の物体との相互作用がない）をガスとヒートポンプ１００が構成すると仮定すると、ヒートポンプ１００は、運動量−ｐを得て、閉じた系の全運動量が保存される。

図１中のヒートポンプ１００の形状が方向性の力(direction force)を発生させるが、それは以下の理由のために特定の状況では実用的でない。
１．ヒートポンプ１００が大きい場合、ヒートポンプ１００のｙ方向に沿った並進運動により、ガスは強制的にヒートポンプの縁を一周して流れる。
２．熱の大部分は、ガスの対流を通じてヒートポンプ１００の表面から伝達される。
３．表面近くのガスは、断熱効果を有する。図２に示すように、ヒートポンプ１００とガスとの間の運動量の移動は、板の縁の近傍を除いて効果的でない。
４．ヒートポンプ１００の表面積は、その凸包(convex hull)の表面積である。

これらの問題はすべて、非常に少量のガスが任意の直接的な表面接触を有するという１つの核心問題に関する。したがって、より複雑な形状が有利な場合がある。本明細書では、３つの異なる形状を用いた例示的な実施形態について説明する。

［動作原理］
ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの多くの異なる形状が可能であるが、ＮＭＳＥＴの動作原理は同一のままである。いずれかの特定の理論に限定されることは望まないが、動作は、エネルギを使用して、幾つかのデバイス表面でのエントロピーを低下させ、低下したエントロピーを表面に接触するガスに伝達する。デバイスは、ガス温度を上昇させることにより、必要に応じてガスにエネルギを提供できる。それゆえ、ＮＭＳＥＴの機能は３つの領域に分割できる。すなわち、デバイス表面でエントロピーを低下させる手段と、低下したエントロピーをガスに伝達する手段と、ヒートポンプのカルノーサイクルの非効率性以外の方法によってガスの温度を上昇させるオプションの手段とである。

［温度差］
ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスが動作するためには、材料層の間の温度差、より正確には対向する２つの面の温度差が一般に必要とされる。本明細書で説明する好ましい実施形態では、固体電気力学的メカニズム、すなわちＮＭＳＥＴの「ＳＥ」において、温度差を確立できる。しかし、本明細書で説明するデバイスと方法は、電子デバイスや純粋な固体デバイスに限定されない。例えば、流体冷却剤、発熱化学反応または他の化学的熱源を使用して、燃焼からの熱伝導により温度差を確立してもよい。以下で説明するように、単純な抵抗加熱、ペルチェ効果、熱電子放出(thermoionic emission)、熱トンネル効果による改善された(thermo-tunneling enhanced)ペルチェ効果、または他の任意の好適な手段により温度差を確立してもよい。二物体間に温度差を確立する手段は、２つの特性により現象学的に説明できる。すなわち、エントロピーの減少（二物体間での熱伝達）と非断熱性（環境と二物体との間での全熱伝達）である。

一実施形態では、温度差を確立するためにペルチェ効果を使用できる。ペルチェ効果は、２つの接合部で接合されかつペルチェ係数が異なる２つの材料から構成されたループを印加電流が流れる際に発生する。電流の方向に応じて、一方の接合部から他方の接合部に熱が流れ、これにより接合部間に温度差が確立される。ペルチェ効果は、以下のように理解できる。すなわち、材料内での電荷キャリアの熱容量は、当該材料内で単位電荷キャリア当たりに運搬される熱量であるペルチェ係数Пにより特徴付けられる。ペルチェ係数ПＡの材料Ａとペルチェ係数ПＢの材料Ｂとの接合部を電流Ｉが流れる場合、電荷キャリアが単位時間に接合部に運搬する熱量は、Ｉ×（ПＡ−ПＢ）である。

理想的なペルチェ効果は、局所的にエントロピーを減少させ、かつ断熱的である。ジュール熱および／またはカルノーサイクルの非効率性を無視できると仮定すると、ペルチェ効果では、一接合部から他の接合部に熱伝達されるが、２つの材料のループ内には熱が加わらない。このエントロピーの減少は、ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの積層可能性（stackability）において利点を提供できる。結果として、ペルチェ効果は、幾つかの実施形態に特によく適する。

この実施形態では、２つの表面間の電流を電源が駆動する。電子および／または正孔のような電荷キャリアは、電流内を流れる際に熱を運搬し、これにより、２つの表面間には更なる温度差が作成される。温度差が確立されると、エントロピーは減少する。

フォノンの流れは、ペルチェ効果により確立された温度差を減少させる。フォノンが自由に流れることができる場合（すなわち、無限の熱伝導率またはゼロ熱容量）、それらの流れは、ペルチェ効果により確立された温度差を相殺することになる。ペルチェ効果の効率性は、電気抵抗と熱コンダクタンスを減少させることにより増加させることができる。

熱コンダクタンスを減少させる１つの方法は、電流経路に狭い真空ギャップを設けることである。フォノンは真空ギャップを容易には通過できないが、電荷キャリアは真空ギャップに対して交差する(across)電圧の下で通過できる。これは、熱トンネル効果による改善されたペルチェ効果（または熱トンネル冷却(thermotunnel cooling)）と呼ばれる。図６は、熱トンネル効果による改善されたペルチェ効果の略図を示す。電荷キャリア６０１は、真空ギャップ６０２を通り抜けることができる。

一般に、熱トンネル効果による改善されたペルチェ効果は、真空ギャップ近傍での電荷キャリアの挙動を制限し、トンネル確率を増加させる可能性がある表面形状と材料を選択して増強されない限り、高温または高電圧でのみ重要となる。例えば、好適な表面コーティングと構造は、電荷キャリアの低エネルギ状態でなく、真空ギャップ近傍での電荷キャリアの高エネルギ状態のみを可能とするフィルタとして機能することができる。

別の実施形態では、電界増強された熱電子放出により温度差を作成および維持できる。熱電子放出は、ポテンシャルエネルギ障壁を越えた電荷キャリアの、熱により誘導された流れである。電荷キャリアは、電子またはイオン（すなわち、熱電子）であってもよい。簡単な近似で、ポテンシャルエネルギ障壁は、その高さよりも小さい熱エネルギを有するキャリアを抑制し、その高さよりも高い熱エネルギを有するキャリアが溢れ出る(flow over)ようにするという点で、ダムのように動作する。溢れ出たキャリアがポテンシャルエネルギ障壁を通過するときに、熱が一緒に運び出される。ポテンシャルエネルギ障壁の後方に残ったキャリアは、再熱運動化(re-thermalize)（エネルギにおける再分配）してより低い温度へ至る。無視できない少量のキャリアが、ポテンシャルエネルギ障壁を超えるのに充分大きい熱エネルギを有するように、通常、熱電子放出には摂氏数百度の動作温度が必要となる。ポテンシャルエネルギ障壁の高さを低下させると共に、必要とされる動作温度を低下させることにより、電界が熱電子放出を支援できる。

また、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスにおける温度差は、抵抗加熱（以下で説明する）を使用することにより、および／または好適な化学処理により確立できる。デバイスの全体温度を上昇させず温度差を維持するために、例えば大気に対して曝露されたヒートシンクのような幾つかの冷却手段を設けることができる。どのような冷却手段を使用しても、デバイスの高温側表面が低温側表面と同程度に効果的に冷却（例えば断熱により達成可能な）されなければ、温度差はより顕著となる。

［力の生成］
一態様で、全推進力の生成は、確立された温度差からガスへの減少したエントロピーの伝達であると考えることができる。理論に縛られることは望まないが、断熱処理として、ガス中で動作する単一のデバイスについて考える。この例では、ペルチェ効果等の好適な手段により、高温層(hot layer)と低温層(cold layer)との間の温度差を確立できる。簡単にするために、ガスとデバイスとの間で正味の熱は伝達されないと仮定する。ガス粒子は、高温層と低温層に等確率で衝突することになり、ガス粒子とこれらの層との相互作用は、高温層と低温層の表面近傍で、ガスの局所的な運動量空間に影響を与えることになる。ガスと表面が異なる温度を有する場合、高温層と低温層の表面に充分に近接したガスの局所的な運動量空間は、ゼロでない期待値を有する。また、どのガス粒子も表面を貫通しないと仮定すると、ガス粒子は入斜運動量と異なる運動量を持って表面から跳ね返り、表面法線に沿って運動量空間を歪ませる。歪みの大きさは表面とガスとの間の温度差に直接に関係する。

ランダム状の配列で（すなわち、種々の表面位置での表面法線は、ランダムな方向を向く）、ガスの局所的な運動量空間の期待値の加重和はほぼゼロであり、それは結果として全推進力をほぼ生じさせない。しかし、最適化された形状のＮＭＳＥＴでは、ガスの局所的な運動量空間の期待値の加重和をゼロでない値とすることができ、それは全推進力につながる。

ゼロでない全推進力を有する配列の簡単な例を前述の通り図１に示す。巨視的な対流ガスフローと渦の形成が、エントロピーを増加させると共に有効な仕事量を制限するので、この形状はあまり効果的でない。例示的な対流ガスフロー１２０，１３０を図２に示す。周囲温度のガス１１０は、低温層１０１に向かって流れ、冷却される。冷却されたガスフロー１２０は、低温層１０１から離れてヒートポンプ１００の縁周りを流れる。加熱されたガス１３０は、高温層１０２から離れて流れる。

説明を簡単にするために、ニュートンの第２法則と気体運動論の観点からシステムについて考えることが有効であろう。図１と２のヒートポンプ１００の周囲で、層１０１と１０２の温度によってガスの温度がひとくくりにされる(bracketed)と仮定すると、層１０２と衝突したガス粒子は、衝突前より大きい運動量を持って層１０２から離れる。同様に、層１０１と衝突したガス粒子は、衝突前より小さい運動量を持って層１０１から離れる。ガス圧力はガス粒子の運動量に直接に関連するので、層１０２近傍のガスは、層１０１近傍のガスより高い圧力を有する。この圧力バイアスは、ヒートポンプ１００全体をｙ方向に押す。

別の実施形態で、ヒートポンプ１００は、層１０１と層１０２との間に少なくとも１つのスルーホールを有することができる。ガスは、ガスのより大きい加熱速度を可能とするホールを通り、層１０１から層１０２に向けて自発的に流れる。このような優先的な(preferential) ガスフローを熱遷移と呼ぶ。層１０１近傍のガスが温度Ｔｃ、圧力Ｐｃであり、層１０２近傍のガスが温度Ｔｈ、圧力Ｐｈであると仮定し、以下の式が満たされると、熱遷移により、ガスがホールを通って層１０１から層１０２に流れる。

効率性を向上させるために、ガスフロー内に従来の制限が存在する場合について理解することが有効である。クヌーセン数が現れる辺りの長さスケールでは、ガスフローの対流の説明は機能しない(break down)。結果として、幾つかの態様で、ガスの平均自由行程は、ＮＭＳＥＴの有利な形状を決定する際の有効なパラメータとなる。

例えば、１０ｎｍの平均自由行程を有する特定の圧力のガスを考える。図３に示すように、このようなガスの雲が、２０ｎｍ×２０ｎｍの２次元の正方形の箱の中に閉じ込められた場合、ガス粒子は、１０ｎｍの移動範囲内で、近似的に、それが箱の壁と衝突する可能性があるのと同じように、別のガス粒子と衝突する可能性があるだろう。箱の壁が加熱される場合、小さい箱は大きい箱よりも速く中のガスと熱力学的平衡に達することになる。これは、小さい箱中のガス粒子は、壁と衝突して熱交換する多くの機会を持つからである。一般に、ガスでの衝突の多くがガス粒子と表面との衝突である場合、平均自由時間（ガス粒子が平均自由行程を移動する時間）内に熱力学的平衡を近似的に達成できる。

このため、幾つかの実施形態では、ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの個々の特徴の特性スケールは、ナノスケール、すなわちＮＭＳＥＴの「ＮＭ」であってもよい。しかし、本明細書で説明した方法とデバイスは、ナノスケールの実施形態に限定されないことを理解する必要がある。平均自由行程パラメータは、幾つかの実施形態と使用において、より大きいスケールの特徴を利用できるように、ガス密度に依存する。さらに、本明細書で説明しているように、複数のＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスエレメントは、大きい表面にわたる動作を提供するように組み合わせることができる。例えば、図１５，１６，１７に示すように、ＮＭＳＥＴのような分散型スラスタを、有利にはアレイ内またはアレイの配列(array)内に配置して、大きい表面間にわたって、方向性を有するガスの移動を提供できる。また、例えばＮＭＳＥＴのような分散型スラスタは、例えば図１８Ａから１８Ｄに示すように、１段以上で配置して、より大きい圧力差が達成されるようにすることができる。図１８Ａは、多段の分散型スラスタ、例えばＮＭＳＥＴの配列１８００のアレイの断面図を示す。各段の配列１８００は、図１８Ｂから１８Ｄで拡大して図示したＮＭＳＥＴ１８４０，１８５０，１８６０のような分散型スラスタからなるアレイを含む同心半球状の段１８１０，１８２０，１８３０から構成される。各段での個々の分散型スラスタの開口部１８４５，１８５５，１８６５は、動作中に各前段で受けるだろう周囲圧力の減少に従って、最適な大きさと厚さが大きくなる。

［表面相互作用］
表面間の相互作用は、運動量空間変換行列Ａに影響を与えうる。ガス粒子を介して近接表面が容易にフォノンを交換できる場合、これらの表面でのエントロピーは、渦の成長を通じてフォノンを容易に交換できない表面よりも高速で、局所的に増加することになる。一般に、これがシステムの効率性を低下させることになる。

フォノン交換を減少させることができる１つの方法は、複数の表面間で、任意の共有のベースを制限または削除することである。例えば、図３の箱３００内のガス粒子について考える。箱３００は、互いに平行な２つの平面状の高温壁３０２と、互いに平行な２つの平面状の低温壁３０１とを含む。箱３００の大きさがその中のガス粒子の平均自由行程と同等であり、壁３０１と３０２が完全に鏡面反射性を有する場合、ガス粒子は、独立して、低温壁３０１および高温壁３０２と熱平衡に達することができる。これは、壁の表面法線が、２つの低温壁３０１の間のみまたは２つの高温壁３０２の間のみで共有され、低温壁３０１と高温壁３０２との間では共有されていないからである。結果として、ガス粒子は高温壁３０２と低温壁３０１との間で、運動量を少ししか、あるいはまったく交換できない。これは、ガス粒子間に衝突が生じないと仮定すると、ガス粒子と低温壁３０１との間の相互作用はｘ方向の運動量のみに影響を与え、ｙ方向の運動量に影響を与えず、ガス粒子と高温壁３０２との間の相互作用はｙ方向の運動量のみに影響を与え、ｘ方向の運動量には影響を与えないからであり、また、ｘ方向の運動量はｙ方向の運動量と直交するという事実があるからである。ガス粒子と壁との間で熱平衡に到達した後、ガス粒子はｘ方向よりｙ方向に高速で移動する。

実施上の問題として、表面は通常、完全には鏡面反射性を有しない。しかし、鏡面反射性の表面特性は幾つかの材料で非常に強く存在し、隅部(corner)で対流フローが減少しうる角度が存在する。一般にこの効果はクヌーセン数が大きい場合に観察され、これは、ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスについて、特にナノスケールの実施形態で好ましい条件である。デンマーク人の物理学者のマルティンクヌーセン（１８７１−１９４９）の名を取って名付けられたクヌーセン数（Ｋｎ）は、代表的な物理学的長さスケールに対する分子の平均自由行程の比として定義された無次元数である。本明細書で説明しているＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスでの代表的な物理学的長さスケールは、デバイスの開口径の大きさの次数であると解釈される。すなわち、代表的な物理学的スケール長さは、例えば、ナノメートルで開口を測定する場合はナノメートルであり、マイクロメートルで開口を測定する場合はマイクロメートルである。本明細書で開示した、デバイスを使用する好ましい方法では、クヌーセン数は、好ましくは０．１より大きく、または１より大きく、または１０より大きい。

［ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの最適化方法］
（モデリング）
特定の形状を有するＮＭＳＥＴの性能は、最適化のためのモンテカルロ法によりシミュレートできる。具体的には、任意の所定形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスについてのシミュレーションが、デバイス周辺でランダムな初期位置と初期運動量を有するガス粒子のグループから開始する。短い時間間隔の後、既知の物理法則、例えば温度や圧力、化学的同一性、デバイスの形状、デバイス表面とガス粒子との間の相互作用等のパラメータを使用して、これら粒子の位置と運動量を初期位置と初期運動量から計算する。シミュレーションは、選択された反復回数繰り返され、シミュレーションの結果が分析される。デバイスの形状は、シミュレーション結果を用いて最適化できる。好ましい実施形態では、シミュレーション分析の結果を用いてデバイスを構成する。

好ましい実施形態では、シミュレーションを下記の表で表すことができる。

反復回数（ｋ）を経て摂動モデルＭを展開する。最初に、Ｍを初期化して、ソリューションの知識を示さない空集合とする。次に、探索パラメータにより有限の探索空間Ｐから任意の要素が内部で生成されるようなループを開始し、先に学習した知識Ｍを使用してＰに摂動を与える(perturb)。実施に当たっての詳細(implementation detail)として具体的なアルゴリズムを使用し、摂動を与える。

グリッドコンピューティング環境で実行する場合、理想的には全ノード間でＭが同一である必要がある。しかしこれは、本質的に確率的である処理の性質に起因して、必ずしも必要ではない。実際にモンテカルロシミュレーションを実行するＥＶＯＬＶＥ＿ＭＯＤＥＬのステップは、全体の中で断然計算コストが高く、Ｍを同期させるために多くの時間を割く。

具体的なパラメータは、環境に依存する。ユーザが指定できるパラメータは、以下のものを含む。
１．ＣＯ_２やＨ_２Ｏのような、最大３原子を含む幾つかの実施形態での分子ダイアグラム。
２．構成分子についての部分的な濃度。
３．ガス全体の初期温度と初期圧力。

定常シミュレーションでは、すべての軸で周期的境界を用いたモンテカルロシミュレーションを実行できる。ただし、ｙ軸では、周期的境界に遭遇する粒子は、温度と圧力の設定に従って確率的に温度自動調整化され(thermostatted)、周囲条件がシミュレートされる。ｘ軸では、粒子速度を変更せず、同一デバイスのアセンブリの周期的な集合体(ensemble)を当該方向に沿ってシミュレートする。シミュレーションは、計算の複雑性を減少させるために二次元で実行してもよい。モデル化されたデバイスが円筒対称性を有する場合には、三次元シミュレーションが同様の結果を与える必要がある。一般に、シミュレータは本明細書に示した周期性を使用する必要はなく、境界をまったく特定化しなくてもよいことに留意されたい。境界は、計算上の利便性として規定されるのみである。

好ましい実施形態で、可能なデバイスの形状は、デバイスをその下で使用することになるような条件と、それを構成することになる材料の既知の表面反射特性とを考慮して評価できる。ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの製造において、幾何学的パラメータは、実際に形状を使用する前にシミュレーションの結果を分析することにより最適化できる。

［例示的な形状］
以下、形状の異なる４つの実施形態について特に説明する。これら４つの形状を、直線形状、放物線形状、三角形状および鋸歯形状と呼ぶ。本明細書で説明するＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの形状は大きく変化することがあり、これらの例は、システムの効率性に対する或る設計上の選択の影響を説明するための図面としてのみ解釈するべきであることに留意する必要がある。

（直線形状）
図１９は、直線形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイス１９００の一実施形態を示す。この実施形態で、デバイス１９００は、高温層１９０２と低温層１９０１とを備える。用語「高温層」(hot layer)と低温層(cold layer)は、これらの層の間に温度差があることを意味しており、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスが浸漬しているガスより「高温層」が必ず高温であること、あるいは当該ガスより「低温層」が必ず低温であることを意味するのではない。少なくとも１つの直線形状を有するスルーホール１９１０がデバイス１９００の全層を貫通して延び、好ましくは各層の組について同一の断面形状と大きさを有する。直線形状を有するスルーホール１９１０は、円状、スリット状およびくし状といった任意の断面形状を有することができる。

好ましくは、直線形状を有するスルーホール１９１０の全長１９１０Ｌ（すなわち、一方の入口から他方の入口までの距離）は、デバイス１９００が浸漬しているガスの平均自由行程の最大１０倍、最大５倍または最大２倍である。標準の大気圧における空気の平均自由行程は、約５５ｎｍである。より高度では、空気の平均自由行程は増加する。大気中での利用の場合、全長１９１０Ｌは、好ましくは１５００ｎｍ以下であり、用途に応じて、より好ましくは５５０ｎｍ以下、２７５ｎｍ以下または１１０ｎｍ以下である。高温層１９０２と低温層１９０１との間の温度差は、好ましくは最低０．５℃、より好ましくは最低３０℃、より好ましくは最低５０℃、最も好ましくは最低１００℃である。

高温層１９０２と低温層１９０１は、それらの間の断熱用のギャップにより分離できる。当該ギャップは、好ましくは真空ギャップであり、かつ／または断熱材を含む。一例で、ギャップは、二酸化ケイ素等の良好な断熱材からなる複数の薄い柱状物(pillar)を含む。

デバイス１９００は、好ましくは平方センチメートル当たり少なくとも１０個の直線状スルーホールを有する。平方センチメートル当たりのデバイス１９００のすべての直線状スルーホールの全周囲長は、好ましくは少なくとも２センチメートルである。

（放物線形状）
図７は、放物線形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイス７００の一実施形態を示す。この実施形態では、高温層７０２と低温層７０１とが交互に積層される。図面で、各高温層７０２と低温層７０１は、直線状のスルーホールを有する。すべてのホールは整列している(aligned)。各高温層７０２でのホールは、すぐ上の低温層７０１でのホールと同じ大きさを有し、すぐ下の低温層７０１でのホールよりも小さい。各低温層７０１は、直接に隣接した高温層７０２よりも低温で、各高温層７０２は直接に隣接した低温層７０１よりも高温である。各高温層７０２の、−ｙ方向に表面法線を有する表面７０２ａが露出する。すべてのホールは、まとめて放物線表面の輪郭を有するノズルを形成する。この形状は、高温層と低温層との間の共有のベースを最小化する。しかし、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスは、ガスのエネルギを充分に増加させなくてもよいので、ホールの直径を増加させることにより、ガス圧力が縁部で降下することがある。これは、下側の開口付近で強い渦を作り出し、全体の効率性を低下させる可能性がある。放物線形状を有するＮＭＳＥＴは、断熱または定圧とすることが可能だが、これら両方とすることはできない。放物線形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイス内でのガスフローの近似を図８に示している。ガスの運動量空間は、運動量の期待値が−ｙ方向を向くように歪んでいる。

放物線形状は、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスにおいて有効であるが、ガス圧力の降下が、下側の開口の大きさの上限を制限する。一般に、移動するガスが内部で体積変化を受けるような任意の断熱デバイスは、その効率性の点に影響を受けることになる。

放物線形状を有するデバイスでの温度差が非断熱手段により確立される（すなわち、デバイスがガスの全体温度を上昇させる）場合、放物線形状を有するＮＭＳＥＴは、ガスに加えられた熱量が渦の形成を妨げるのに充分である限り、その効率性の点で、体積の変化を受けるガスに影響を受けないであろう。しかし、このようなデバイスは、その効率性の点で、高い全体エントロピーに影響を受ける。すなわち、ガスの運動量空間の固有ベクトルは、ガスが膨張せざるをえない場合ほどには遠く離れていないが、通常、小規模で熱を供給することは、それを運び去るよりも容易である。

（三角形状）
図９に詳細に示した三角形状は、断熱フローのための放物線形状の部分的な最適化である。この場合、ガスは充分に膨張して大規模な渦生成を引き起こす過程を経ることがないようになっている。さらに、開口部は大きさを変更させないので、このような三角形配列は容易に積層できる。

図１０に示すように、この三角形状の運動量空間には、より効果的にバイアスが加わる。放物線構造と同様に、露出した高温表面と低温表面は、好ましくは角度９０°で交わる。しかし、中心のギャップを横切り、表面の間を前後して粒子が熱を運搬する場合、非効率性の源が生じる。

図９は、三角形状のＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの積層体(stack)９００を示す。積層体９００内の各デバイスは、等しい厚さの高温層９０２と低温層９０１とを備える。低温層９０１と高温層９０２との間の温度差は、ペルチェ効果またはヒートポンプ等の他の任意の好適な手段により確立できる。各デバイスは、スルーホール９０３を有する。各スルーホール９０３は、各入口に約４５°の面取り部(chamfer)（９０３１と９０３２）を有する。面取り部９０３１と９０３２の面は、構造的考察のために鋭角を修正することを含まないで、例えば低温層９０１と高温層９０２の厚さの１．４０倍から１．４２倍である。スルーホール９０３は、積層体９００内のすべての層で整列している。一般に、積層体９００内のデバイスでの高温層９０２の温度は、積層体の片側から反対側に向けて単調増加しない。一般に、積層体９００内のデバイスでの低温層９０１の温度は、積層体の片側から反対側に向けて単調減少しない。好ましくは、各低温層９０１は直接に隣接した高温層９０２よりも低温で、各高温層９０２は直接に隣接した低温層９０１よりも高温である。工学的理由のために、三角構造の高温表面と低温表面は先端(fine point)に達しなくてもよい。

（鋸歯形状）
図１１は、鋸歯形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの積層体１１００を示す。積層体１１００内の各デバイスは、厚さｔｈを有する高温層１１０２と厚さｔｃを有する低温層１１０１とを備える。低温層１１０１と高温層１１０２との間の温度差は、ペルチェ効果またはヒートポンプ等の他の任意の好適な手段により確立できる。各デバイスは、スルーホール１１０３を有する。図示したデバイスで、各スルーホール１１０３は、低温層１１０１側の入口で面取り部１１０３１を有し、高温層１１０２側の入口で面取り部１１０３２を有する。面取り部１１０３１とスルーホール１１０３の中心軸との間の角度はθ１であり、面取り部１１０３２とスルーホール１１０３の中心軸との間の角度はθ２である。θ１とθ２の合計は、好ましくは７５°から１０５°であり、より好ましくは８５°から９５°であり、さらに好ましくは８８°から９２°である。ｔｃのｔｈに対する比は、θ１のコタンジェントのθ２のコタンジェントに対する比にほぼ等しい。θ２は、好ましくは７０°から８５°である。

本明細書で説明した面取り角度の関係は、好ましい制限であって、厳しい境界ではない。一般に、完全に鏡面反射性の分子反射特性を示す材料の場合、面取り角度の関係を若干緩和できる。完全には鏡面反射性の分子反射特性を示さない材料の場合、関係は厳しいであろう。面取り形状は、好ましくは共有のベースを最小化するように配列される。したがって、鏡面反射的に反射する面取り部表面の表面法線は、好ましくは直交する。直交から離れると、効率性の点で、ペナルティがコサイン関数として発生することがある。工学的理由のために、鋸歯構造の高温表面と低温表面は、先端に達する必要はない。

図示したデバイスで、積層体１１００中のすべての層で、スルーホール１１０３は整列している。積層体１１００中の各デバイスでの高温層１１０２の温度は、積層体１１００の片側から反対側に単調増加しない。積層体１１００中の各デバイスでの低温層１１０１の温度は、積層体１１００の片側から反対側に単調増加しない。各低温層１１０１は、直接に隣接した高温層１１０２より低温で、各高温層１１０２は、直接に隣接した低温層１１０１よりも高温である。

図１１に示す鋸歯形状は、すべての高温層１１０２が好ましくはほぼ同じ方向に配向している（すなわち、θ２は好ましくはほぼ９０°である）という点で、三角形状を上回る改良点を提供する。これは、スルーホール１１０３に対して交差する高温層１１０２と低温層１１０１との間の直接的な相互作用を減少させ、全体の効率性を向上させる。

さらに、高温層１１０２は低温層１１０１よりも露出表面の面積が小さく、低温層１１０１は好ましくはスルーホール１１０３の中心軸に対して三角形状より浅い角度に配向しているので、鋸歯形状は三角形状より効果的にガス中のエントロピーを減少させる（これにより、より大きい仕事をさせる）ことができる。図１２に示すように、当該鋸歯形状の運動量空間には、三角形状の運動量空間より効果的にバイアスが加えられる。

三角形の構成では、断面の反対側でのデバイスのスライス(slice)は、分離角度が９０度であることから、ｙ軸で１／√２の大きさを有する。これは、エントロピー減少の効率性を制限する。なぜなら、エントロピーの幾らかは、直接的な表面間の相互作用において中性化される(neutralized)ことになるからである。

しかし、鋸歯の構成では、高温層１１０２は、隣接した低温層１１０１とベース(basis)を共有しないだけでなく、スルーホール１１０３に対して交差する高温層および低温層とほとんどベースを共有しない。組み合わされたこの特性により、鋸歯形状は三角形状よりも有効となる。

ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスが電力供給された後（すなわち、温度差が確立される）、低温層から跳ね返るガス粒子は、低下した合成速度を有する。一方、高温層から跳ね返るガス粒子は、より大きい合成速度を有する。図４は、積層体１１００の層（鋸歯形状）が受ける合力を示す。安定状態では、対応する積層体１１００上方の低圧領域と積層体１１００下方の高圧領域を順に生成する入口側の開口部（図４の上側の開口部）で、低圧が生成される。ガス粒子の衝突により生じる積層体１１００のガス粒子速度を図５に示す。

［温度差を確立する手段］
（内部ペルチェ）
一実施形態によれば、デバイス形状における各エレメントは、粒子誘導デバイスとして、また、エントロピー減少装置(reducer)として機能する。ペルチェ素子では、加熱プレートと冷却プレートは、ペルチェ係数が異なる材料から作られる。電流は、加熱プレートと冷却プレートとの間を流れるようになっている。この電流の流れは、ペルチェ熱を運搬し、デバイスを動作させるのに必要となる温度差を確立させる。幾つかの実施形態では、圧電スペーサをデバイスエレメント間に配置して、それらの間の分離ギャップを維持できる。

内部ペルチェ構造を有する一実施形態に係るＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの断面を、図１３と１４に詳細に示している。すべての高温層１３０２が接続されている。すべての低温層１３０１が接続されている。低温層と高温層との間に介在するペルチェ素子を通して電流が流れ、温度差が確立される。層が薄いほど、大きい電流が必要となる。

内部ペルチェ構造を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスは、デバイスの小型化を容易にする。図１４に示したような単一の積層体は、推進力を生成するのに充分に機能的とすることができる。さらに、内部ヒートポンプを有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスは、最大粒度を重視するマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）での使用に適している。

（電界増強された熱電子放出）
別の実施形態では、電界増強された熱電子放出により、温度差を生成できる。図１９に示すように、電界は、低温層１９０１から熱放出された複数の電荷キャリアが低温層１９０１から高温層１９０２に熱を運搬するように、層１９０１と層１９０２との間に確立できる。

（外部ペルチェ）
別の実施形態では、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスに対して外部に存在するペルチェ素子のようなヒートポンプにより、温度差を生成できる。図１５と１６に詳細に示すように、この市松模様状(checker board fashion)に配列されたペルチェ素子（図示せず）は、界面層１５１０と１５２０を介して、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの積層体１５００に熱的に結合される。

外部ペルチェ素子を有するデバイスは、温度差の生成に使用する材料からガスフローの生成に使用する材料が分離されるという利益を有する。工学的な観点から、ヒートポンプに適した材料が微細構造に適さないことがあり、またはその逆もあるので、これが好ましいであろう。なお、外部ヒートポンプは、より大きく、より効果的に作ることができ、充分な温度差を確立するために、より小さい電流を必要とする場合がある。

圧電スペーサは、層の間で使用できる。ＮＭＳＥＴでの使用に適した材料は、好ましくは熱膨張と熱収縮に機械的に耐えるのに充分に強く、かつ／または、好ましくは非常に小さい膨張係数を有する。それ以外の場合、層中のホールは位置ずれして、効率性が低下する可能性がある。

（外部非ペルチェ）
さらに別の実施形態によれば、任意の好適な熱源および／またはヒートシンクにより、温度差を確立できる。熱源は、例えば、電界増強熱電子放出、抵抗加熱器、化学反応、燃焼、および／または明るい光の直接照明、または、他の形態の放射線であってもよい。このような実施形態の図を図１７に示す。示した実施形態で、加熱表面１７０２は、抵抗加熱材料、または放射加熱を効果的に受けることができる材料とすることができる。外部の非ペルチェヒートポンプは、ペルチェ素子のような内蔵式のヒートポンプを必要としないので便利である。幾つかの用途では、まず放射線を電気に変化するのでなく、加熱表面を例えば太陽等の放射線源の方向へ向け、さらにペルチェ素子を駆動させることは便利であろう。あるいは、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの高温層と熱をやりとりする熱吸収表面の方向へ放射線源を向けてもよい。しかし、外部の非ペルチェヒートポンプでは、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスが確実に過熱されないように注意することが好ましい。

図１７に示す毛細管１７５０は、ヒートシンクを与える例示的な機構である。しかし、ヒートシンクを簡単に一連のベーン、または他の任意の好適なヒートシンクとすることもできる。あるいは、図１７における外部の非ペルチェヒートポンプは、毛細管１７５０を通じて熱源を提供するように構成できる。熱源は、発熱化学反応であって、好ましくは大きすぎる圧力を生成しないものとすることができる。

［材料］
ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスは、広範囲の材料で構成できる。種々の態様において、材料の特性は、好ましい形状と組み合わせて利用できる。

ガス分子の鏡面反射は、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスのガス露出表面、例えば流動ガスと接触する加熱表面と冷却表面を形成する材料の好ましい特性である。鏡面反射は、鏡のように光を、あるいはこの場合はガス粒子を表面から反射するものである。鏡面反射面の上に単一の入射角で入射するガス粒子は、表面で反射されて単一の出射角度となる。入射ガス粒子と表面とが同一の温度を有する場合、表面法線に対して入射角度と出射角度とは同一である。つまり、入射角は反射角に等しい。鏡面反射を規定する第２の特性は、入射方向と、法線方向と、反射方向とが同一平面上にあることである。入射ガス粒子と表面とが同一の温度でなく、非断熱（すなわち、ガス粒子と表面との間の熱交換がある）である場合、反射角は、表面とガス粒子との間で伝達される熱の関数である。

材料の鏡面性の度合いは、位相空間の単位体積当たりのガス粒子の反射状態の確率密度関数として定義された（例えば、Ｃｅｒｃｉｇｎａｎｉ−Ｌａｍｐｉｓカーネルのような）反射カーネルにより表すことができる。反射カーネルの詳細について、論文("Numerical Analysis of Gas-Surface Scattering Effect on Thermal Transpiration in the Free Molecular Regime", Vacuum, Vol. 82, Page 20-29, 2009）と、その中で引用された文献に開示されているが、それらすべてが参照により本明細書に組み込まれる。

また、個々の高温層と低温層は、例えば剛性を与える手段である構造材料と、例えば温度差生成手段と熱を伝達し合う手段である熱伝導性材料と、例えば好ましい反射カーネル特性を付与する手段である原子反射材料(atomic reflection material)とを含みうる１つ以上の構造エレメントから構築できる。幾つかの実施形態で、個々の高温層と低温層は、そのような材料の層状の複合材料で構築されてもよい。

このように、材料の選択と組成は広く可変的である。幾つかの実施形態で、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの構造に好適な材料は、チタン、シリコン、鋼鉄、および／または鉄を含むことができる。チタンは軽量で、かつ六角形の結晶構造を有する。チタンの界面は、結晶歪み(crystalline warping)なく直角で作成でき、それゆえ応力限界は存在しない。チタンの材料コストは高い。シリコンは安価で、特性や機械加工用処理が充分に理解されている。シリコンの結晶構造はダイアモンド立方晶である。鋼鉄は、チタンよりも安価で、立方晶構造を有し、ガスの侵入に対して高い耐性を有する。鉄は、鋼鉄よりも安価で、ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスでの利用に適するような結晶形状を有する。

［ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスを製造する例示的な方法］
図２０に示す一実施形態によれば、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスを製造する方法は、以下の工程を含む。
（ａ）例えばアモルファスシリコン、結晶シリコン、セラミックのような好適な基板２００１を設ける工程。基板２００１は好ましくは５００ミクロンから１５００ミクロンの厚さを有する。しかし、これより薄い基板または厚い基板も可能である。
（ｂ）主として犠牲層であり、好ましくは電気絶縁体、例えば二酸化ケイ素等である第１層２００２を堆積させる工程。第１層２００２は、好ましくは２００ｎｍから５０ミクロンの厚さを有する。しかし、これより薄い層または厚い層も可能である。さらに、基板のウインドウ２００１ａの面積に応じて、この層が調整可能な応力レベルを有することは好都合である。例えば、１ｃｍ^２の基板ウインドウ２００１ａの場合、ＳｉＯｘＮｙを用いた６０ＭＰａの引っ張り強度での結果が成功であった。
（ｃ）フォトリソグラフィと第１層２００２のエッチングにより、第１層から、例えば帯状(strip)、正方形、円等任意の好適な形状の分離した島状部のパターンを形成する工程。
（ｄ）分離した島状部の上に第２層２００３を堆積させる工程。第２層２００３は、例えばＡｌ、Ｎｂ、Ｚｎのような導電体であり、好ましくは５ｎｍから２００ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｅ）第２層２００３の上に第３層２００４を堆積させる工程。第３層２００４は、例えば二酸化ケイ素や層２００２で使用されるものと同じ材料のような電気絶縁体であり、好ましくは第１層と同じ厚さを有するが、他の厚さも考えられる。
（ｆ）第１層２００２が露出するまで第３層２００４と第２層２００３を部分的に除去する工程。
（ｇ）第４層２００５を堆積させる工程。第４層２００５は、例えば二酸化ケイ素等、好ましくは第２層２００３と同じ材料の電気絶縁体であり、好ましくは３ｎｍから１５ｎｍの厚さを有するところ、被覆(coverage)にギャップが少ししか、あるいは全く存在しない限り、より薄い方が好ましい。
（ｈ）第５層２００６を堆積させる工程。第５層は、例えばＰｔ、Ｎｉ、Ｃｕのような導電体であり、好ましくは５ｎｍから２００ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｉ）第６層２００７を堆積させる工程。当該層は、基板の裏面での作業を行いつつ前面を保護するために形成する。当該層は、例えば、熱剥離テープ(thermal release tape)を用いて第５層２００６に貼付されたワックス、フォトレジストまたは二酸化ケイ素基板から作成できる。第６層２００７は、好ましくは５００ｎｍから１５００ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｊ）フォトリソグラフィと基板２００１のエッチングにより、第１層２００２の少なくとも１つの分離した島状部が内側に露出するように、基板２００１中にスルーホール２００１ａを形成する工程。スルーホール２００１ａは、例えば六角形、正方形および円のような任意の好適な形状を有し、かつ、例えば六角格子、正方格子および極格子(polar grid) のような任意の好適なパターンで配列する。
（ｋ）上側の第４層２００５の一部が露出するまでエッチングすることにより、露出した状態の分離した島状部を除去する工程。
（ｌ）上側の第５層２００６の一部が露出するまでエッチングすることにより、第４層２００５の露出部分を除去する工程。
（ｍ）エッチングにより、第５層２００６の露出部分を除去する工程。
（ｎ）第２層２００３と第５層２００６が第４層２００５から２ｎｍから５ｎｍだけ張り出すように横方向エッチングすることにより、第４層２００５を部分的に除去する工程。
（ｏ）熱剥離、溶解またはエッチングにより、第６層２００７を完全に除去する工程。
好ましくは、第２層２００３と第５層２００６は、仕事関数が少なくとも０．１ｅＶ、少なくとも１ｅＶ、少なくとも２ｅＶ、少なくとも３ｅＶ異なる。

図２１に示す別の実施形態によれば、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスを製造する方法は、以下の工程を含む。
（ａ）例えばアモルファスシリコン、結晶シリコン、セラミックのような好適な基板２１０１を設ける工程。基板２１０１は好ましくは５００ミクロンから１５００ミクロンの厚さを有する。しかし、これより薄い基板または厚い基板も可能である。
（ｂ）主として犠牲層であり、好ましくは電気絶縁体、例えば二酸化ケイ素等である第１層２１０２を堆積させる工程。第１層２１０２は、好ましくは５０ｎｍから１０００ｎｍの厚さを有する。しかし、これより薄い層または厚い層も可能である。さらに、基板のウインドウ２１０１ａの面積に応じて、この層が調整可能な応力レベルを有することは好都合である。例えば、１ｃｍ^２の基板ウインドウ２１０１ａの場合、ＳｉＯｘＮｙを用いた６０ＭＰａの引っ張り強度での結果が成功であった。
（ｃ）第１層２１０２の上に第２層２１０３を堆積させる工程。第２層２１０３は、例えばＡｌ、Ｎｂ、Ｚｎのような導電体であり、好ましくは５ｎｍから１５０ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｄ）第２層２１０３の上に第３層２１０４を堆積させる工程。第３層２１０４は、例えば二酸化ケイ素のような電気絶縁体であり、好ましくは５ｎｍから１００ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられ、好ましくは第１層２１０２と同じ厚さを有する。
（ｅ）第３層２１０４の上に第４層２１０５を堆積させる工程。第４層２１０５は、例えばＰｔ、Ｎｉ、Ｃｕのような導電体で、好ましくは５ｎｍから１５０ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｆ）フォトリソグラフィとエッチングにより、第２層２１０３、第３層２１０４および第４層２１０５を貫通するホールを形成する工程。ホールは、例えば複数の帯状、正方形、円のような任意の好適な形状を有する。
（ｇ）第２層２１０３と第４層２１０５が第３層２１０４から張り出すように横方向エッチングすることにより、第３層２１０４を部分的に除去する工程。
（ｈ）フォトリソグラフィと基板２１０１のエッチングにより、基板２１０１にスルーホール２１０１ａを形成する工程。これにより、第２層２１０３、第３層２１０４および第４層２１０５を貫通する少なくとも１つのホールが、１つのスルーホール２１０１ａと重なり合うようにする。スルーホール２１０１ａは、例えば六角形、正方形および円のような任意の好適な形状を有する。スルーホール２１０１は、例えば六角格子、正方格子および極格子のような任意の好適なパターンで配列される。
（ｉ）スルーホール２１０１ａ内に露出した第１層２１０２の一部を除去する工程。
好ましくは、第２層２１０３と第４層２１０５は、仕事関数が少なくとも０．１ｅＶ、少なくとも１ｅＶ、少なくとも２ｅＶ、少なくとも３ｅＶ異なる。

［例示的な真空層を有する熱遷移デバイス］
いくぶん冗長であるが、図２２は、全体を２２０４で示す、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスのような熱遷移デバイスを示す側面断面図である。熱遷移デバイスは、低温側膜２２０２と高温側膜２２０１とを含み、その間に断熱材２２００が設けられている。断熱材２２００は、真空で形成できる。真空は、例えばベンチュリ効果により達成できる。熱遷移デバイス２２０４は、低温側膜２２０２、断熱材２２００および高温側膜２２０１によって画定される厚さ２２０３を含む。

図２３は、全体を２３０９で示す、熱遷移デバイスの動作を示す側面断面図である。デバイス２３０９は、高温層２３０１と低温層２３０２とを含み、その間に断熱材２３００が設けられている。デバイス２３０９内には、前述のようにして開口部２３０８が形成されている。熱遷移デバイス２３０９は、低温層２３０２、断熱材２３００および高温層２３０１によって画定される厚さ２３０３を含む。断熱材２３００は、例えばベンチュリ効果によって達成可能な真空で形成できる。

半径２３０５で示す平均自由行程（他の粒子に衝突する前に移動した平均距離）を有する低温ガス粒子２３０４は、開口部２３０８に入り、またはそのエッジに到達し、さらに他の粒子と衝突し、エネルギを交換する。半径２３０７で示す平均自由行程を有する高温ガス粒子２３０６は、高温層２３０１と衝突し、プロセスにおいてエネルギを取得して正の運動量による力(momentum force)を与える。低温ガス粒子２３０４は、高温ガス粒子２３０６の温度を低下させ、高温ガス粒子２３０６は衝突して高温層２３０１へ戻り、これによりエネルギを取得して、正の運動量の力と増加した圧力を高温層２３０１に与える。

図２４と２５は、全体を２４１４で示す熱遷移デバイスを示す側面断面図と上面断面図であって、複数の傾斜壁を有する１つの延長層(extended wall)を示す。デバイス２４１４は、高温層２４０１と低温層２４０２とを含み、その間に断熱材２４００が設けられている。断熱材２４００は、例えばベンチュリ効果によって達成可能な真空で形成できる。デバイス２４１４の全厚さは、参照符号２４０３で示され、低温層２４０２、断熱材２４００および高温層２４０１によって画定される。

デバイス２４１４内には、前述のようにして、開口部２４０８が設けられ、高温層２４０１に傾斜壁２４１５が形成されている。開口部２４０８および／またはそのエッジは、高温表面２４０９、低温表面２４１０、一般的に熱遷移が生じる活性領域２４１１、および支持領域２４１２の画定に役立つ。図２４に示すように、高温表面２４０９の角度２４１３は９０度未満であり、傾斜壁２４１５を形成する。

図２４と２５は、傾斜壁を有する延長層を高温層２４０１として示すが、当業者ならば、許容される代替として、低温層２４０２を、傾斜壁を有する延長層として実装可能であると理解するであろう。

図２６と２７は、それぞれ、全体を２６１５で示す熱遷移デバイスの側面断面図と上面断面図であって、ウェットエッチングまたはドライエッチングされた壁部を有する１つの延長層を示す。デバイス２６１５は、高温層２６０１と低温層２６０２とを含み、その間に断熱材２６００が設けられている。断熱材２６００は、例えばベンチュリ効果によって達成可能な真空で形成できる。デバイス２６１５の全厚さは、参照符号２６０３で示され、低温層２６０２、断熱材２６００および高温層２６０１によって画定される。

デバイス２６１５内には、前述のようにして、開口部２６０８が設けられ、高温層２６０１内に、一般的に放物線形状を有するウェットエッチング壁またはドライエッチング壁２６１４が形成される。開口部２６０８および／またはそのエッジは、高温表面２６０９、低温表面２６１０、一般的に熱遷移が生じる活性領域２６１１、支持領域２６１２およびウェットエッチングまたはドライエッチングされた表面２６１４の画定に役立つ。

参照符号２６０５は、低温ガス粒子２６０４の平均自由行程の半径を示す。参照符号２６０７は、高温ガス粒子２６０６の平均自由行程の半径（他の粒子に衝突する前に移動した平均距離）を示す。低温ガス粒子２６０４は、開口部２６０８に入り、またはそのエッジに到達し、さらに他の粒子と衝突し、エネルギを交換する。高温ガス粒子２６０６は、高温層２６０１と、その外縁またはウェットエッチングされた表面で衝突し、プロセスにおいてエネルギを取得して、正の運動量の力と増加した圧力を高温層２６０１に与える。

図２６と２７は、ウェットエッチング壁を有する延長層を高温層２６０１として示すが、当業者ならば、許容される代替として、低温層２６０２を傾斜壁を有する延長層として実装可能であると理解するであろう。

図２８は、全体を２８１６で示す熱遷移デバイスの側面断面図であって、複数の傾斜壁を有する２つの延長層を示す。デバイス２８１６は、高温層２８０１と低温層２８０２とを含み、その間に断熱材２８００が設けられている。断熱材２８００は、例えばベンチュリ効果によって達成可能な真空で形成できる。デバイス２８１６は、低温層２８０２、断熱材２８００および高温層２８０１によって画定される全厚さ２８０３を有する。

デバイス２８１６内には開口部２８０８が設けられ、前述のようにして、高温層２８０１と低温層２８０２にそれぞれ傾斜壁２８１７と２８１８が形成される。開口部２８０８および／またはそのエッジは、高温表面２８０９、低温表面２８１０、一般的に熱遷移が生じる活性領域２８１１、高温層２８０１のための支持領域２８１２、および低温層２８０２のための支持領域２８１５の画定に役立つ。図２８に示すように、高温表面２８０９と低温表面２８１０の両方が９０度未満であり、傾斜壁２８１８と２８１７をそれぞれ形成する。高温表面２８０９の角度２８１９と低温表面２８１０の角度２８１９を、ほぼ同一の角度で図２８に示しているが、高温表面２８０９と低温表面２８１０は、許容される代替として、実施形態において異なる角度で傾斜してもよい。

理想的な熱遷移デバイスでは、大気中で動作するよう設計される活性領域の厚さは、５００ｎｍ未満である必要がある。最適化のために、高温表面と低温表面との間の厚さは、１００ｎｍ以下である必要がある。このように小さい厚さは、デバイスを非常に壊れ易くし、動作を困難にする。例えば、デバイスの層または膜をより厚くして、デバイスの安定性や強度に必要な厚さを付与する場合、その全体厚さは、上記の理想的な厚さを超えた値まで増加することになる。

図２９は、熱遷移デバイスの一実施形態の当初の構造の断面図であり、本開示内容に従って一般的に示しているところ、デバイスの臨界領域での厚さを理想的な厚さ範囲内に維持しつつ、熱遷移デバイスの厚さをより大きくして、耐久性と強度を向上させることができる。

図２９に示すように、デバイスの構造は以下の通りである。まず、シリコン基板層２９１６が設けられている。基板２９１６の上に、例えば約４０ｎｍのアルミニウムの第１金属層２９１７が堆積する。堆積プロセスは、蒸着であってもよいし、例えばスパッタリング、有機金属気相成長等のような他の方法を使用してもよい。したがって、第１金属層２９１７は、蒸着した４０ｎｍのアルミニウムであってもよい。

第１金属層２９１７の上に、誘電体層２９１８が堆積する。誘電体層２９１８は低応力である必要があり、プラスチックや無機の非導電性膜材料で形成されてもよい。膜（すなわち誘電体層２９１８）は、特に、低応力（例えば６０ＭＰａ）である、プラズマ増強化学気相成長した厚さ２ミクロンの酸窒化物であってもよい。他の厚さも考えられる。

誘電体層２９１８の上に接着促進層(adhesion promoter)層２９１９を堆積させ、誘電体に対する接着を促進し、かつ／または強化されたマスク層として機能するようにしてもよい。このような材料は、例えばＨＭＤＳの化学的単層(chemical monolayer)、有機レジストの薄膜、または金属、特に６ｎｍのクロムであってもよい。接着促進層２９１９は、薄膜とエッチング方法またはエッチング薬剤との特定の組み合わせに応じて必要でない場合がある。

従来から知られているようにして、約１．３ミクロンのＳＰＲ−３０１２のマスク２９２０を使用し、例えば非マスク領域２９２１の部分でデバイスをエッチングする。当業者に知られているように、接着促進層２９１９の上にフォトレジスト層またはマスク２９２０を堆積させることにより、エッチングを達成できる。このようなフォトレジストは、好ましくはShipley ＳＰＲ−３０１２である。しかし、他のフォトレジストを利用してもよい。次に、従来のマスクを用いてフォトレジスト層２９２０を露光し、非マスク領域２９２１を成長させてもよい。露光は、例えば好適な波長の光を使用して実施できる。当業者に知られているように、接触型リソグラフィ(contact lithography)を使用してもよい。一度露光すると、非マスク領域２９２１を形成するという目的に適した溶液中で、フォトレジスト層２９２０を成長させてもよい。この溶液は、例えば、ＳＰＲ−３０１２に対して約６０秒間用いる、０．２６Ｍの水酸化テトラメチルアンモニウムであってもよい。

図３０に示すように、デバイスを非マスク領域２９２１（図２９参照）の部分でエッチングして、エッチング領域３０２２を形成する。エッチング領域３０２２は、接着促進層２９１９と誘電体層２９１８を第１金属層２９１７の一部が露出するまでエッチングすることにより形成される。次に、フォトレジスト層２９２０（図２９参照）を除去する。接着促進層２９１９は、例えばTransene社のクロムエッチングのようなウェットエッチングを使用して、シリコン基板２９１６が露出するまでエッチングできる。例えば第１金属層２９１７をエッチングしないであろう薬剤を用いて、誘電体層２９１８をエッチングしてもよい。アルミニウムの上の酸窒化物の場合、Transene社の含水酸溶液Silox Vapox IIを使用できる。他の湿式薬剤を使用してもよいし、ドライプラズマエッチングを使用してもよい。

図３１は、図２９から３０に示す熱遷移デバイスの更なるエッチングを示す側面断面図である。参照符号２９１６はシリコン基板であり、参照符号２９１７は第１金属層であり、参照符号２９１８は誘電体層であり、参照符号２９１９は接着促進層である。図３１で、デバイス、すなわちエッチング領域３０２２（図３０参照）はさらにエッチングされてエッチング領域３１２２とアンダーカット領域３１２３を与える。エッチング領域３１２２を形成するために、第１金属層２９１７がエッチングされ、次に基板２９１６の一部をエッチングする。アンダーカット領域３１２３を形成する１つの方法は、第１金属層２９１７の下側を等方的にエッチングすることである。

第１金属層２９１７は、ウェットエッチングまたはドライエッチングのいずれかによってエッチングできる。例えばアルミニウムの場合、低圧で塩素とアルゴンを用いる反応性イオンエッチャ内でのアルミニウムエッチングを使用して、第１金属層２９１７をエッチングできる。４０ｎｍのアルミニウムについてのエッチングの例は、５０ｓｃｃｍのＢＣｌ３、２０ｃｃｍのＣｌ２、１０ｍＴｏｒｒ、３００ＷのＲＦ電力である。

薬剤が第１金属層２９１７、誘電体層２９１８または第２金属層２９１９をエッチングしない限り、ウェットエッチングまたは気相エッチングを使用して基板２９１６をエッチングできる。アルミニウムと酸窒化物を有するシリコン基板の場合、例えばガスＸｅＦ２を用いてシリコンをエッチングしてもよい。基板２９１６を処理してホウ素を除去してもよい。この処理の１つの例示的な方法は、３５ｓｃｃｍのＣＦ４、２０ｍＴｏｒｒ、３００ＷのＲｆ電力という条件下、反応性イオンプラズマベースでフッ素を使用することである。

図３２は、図２９から３１に示す熱遷移デバイスの更なる形成を示す断面図である。二酸化ケイ素または他の電気絶縁体の薄層３２２４がデバイスの上に設けられる。二酸化ケイ素層３２２４は、例えば約２ｎｍから約１０ｎｍの厚さとすることができる。特に第１金属層２９１７近くでのカバレッジでギャップが少ししかないか全くない限りにおいて、一般的に薄い方が優れている。二酸化ケイ素の層３２２４は、トンネル厚さを制御するために設けられている。層３２２４は、蒸着または他の既知の技術によって付加できる。他の材料と同様に、例えば、スパッタリング、プラズマ増強化学気相成長、原子層堆積等の他の方法を使用してもよい。二酸化ケイ素層３２２４の上に、第２金属層３２２５を設ける。第２金属層３２２５は、ニッケルや銅のような金属の層でもよく、約４０ｎｍの厚さであってもよい。第２金属層３２２５は、蒸着によって形成してもよく、例えばスパッタリングやイオンアシスト蒸着のような他の方法を使用してもよい。

次に、基板２９１６をキャリア基板（図示せず）に、当該キャリアに面する薄膜積層体を用いて実装する。実装材料は、Revalphaの熱剥離テープのような両面テープであってもよい。しかし、例えばワックスやフォトレジストのような他のテープまたは材料を使用してもよい。

次に、残りのシリコン基板２９１６を、例えばＸｅＦ２気相エッチングによって除去する。基板２９１６のエッチング部分に形成された二酸化ケイ素層３２２４と第２金属層３２２５のごく一部は、基板２９１６と一緒に除去される。また、第１金属層２９１７と第２金属層３２２５をエッチングしない限りにおいて、湿式薬剤を用いて基板２９１６を除去できる。図３３に示すように、残るのは、第１金属層２９１７、誘電体層２９１８、接着促進層２９１９、熱トンネル層３２２４および第２金属層３２２５によって形成された島状部３１２７である。次に、デバイスを超音波処理してニッケル塊(plug)を除去する。例えばRevalphaの熱剥離テープの場合、デバイスの除去に役立つように、充分な温度のホットプレートの上にキャリア基板を配置できる。

［分散型マイクロスラスタのための耐故障性制御システム］
分散型マイクロスラスタを用いて、特定の方向におよび／または所望の速さで、物体を駆動推進するためには、制御システムが必要となる。制御システムは、分散型マイクロスラスタまたは複数の分散型マイクロスラスタに対して、選択的に出力を起動し、および／または出力レベルを調整することにより、所望の方向の所望の推進力を得ることができる。

本発明に係る制御システムによれば、分散型マイクロスラスタの駆動を制御するための制御システムは、出力分配配線からなる少なくとも１つの冗長化２次元ネットワークにより供給される、格子上に配置された構成要素として構成してもよい（各構成要素は１つまたはそれ以上のスラスタを含むものである。）。分配ネットワークは、水平方向の行および垂直方向の列を構成する複数のスラスタに接続された水平ラインおよび垂直ラインまたは水平配線および垂直配線からなる複数のループとして構成されるものである。

本発明の実施形態に係る制御システムによれば、水平ラインおよび垂直ラインのそれぞれは、４つの位置で出合い、交差するものであるが、別の接続形態は、冗長性（重複性）、ループ数、およびアドレス精度のバランスを考慮して設計してもよい。さらに別の接続形態は、交差位置の数が異なるものであってもよい。

格子内の構成要素、すなわち複数の構成要素のそれぞれに、少なくとも１つの電源を提供するようにしてもよい。１つの構成要素が複数のスラスタを含むものであってもよい。電源の一方の端子が水平ラインに接続され、電源の他方の端子が垂直ラインに接続される。このように電源の端子を適当な行ラインおよび列ラインに接続することにより、１つの構成要素または一群の構成要素にアドレスすることを可能にするものである。

ＮＭＳＥＴ等の分散型スラスタの一般的な動作において、電気回路を用いて、分散型スラスタに熱量を加え、または調節することにより、分散型スラスタを駆動する。電気回路は、水平ラインおよび垂直ラインからなるループにより構成される。所与のループの両方の端子は同電位を有するように駆動される。これは、（たとえばアレイ表面に対するダメージに起因する）所与のループにおける任意の位置での単一の断線が、カスケード接続の機能損失を最小限に抑えるということを意味する。電気回路による加熱および冷却は、ペルチェスラブ（ペルチェ板）を用いたペルチェ効果により駆動されるヒートポンプ方式で実現してもよい。この具体例では、分散型スラスタのいずれか一方の表面に配線し、後述する抵抗式の実施形態では、高温側のみに配線する。さらに別の実施形態に係る分散型スラスタでは、分散型スラスタに電力供給する別の方法を用いることができる。

図３４は、本発明の制御ユニットを用いた、分散型スラスタ３４０２のアレイ３４０１のための１つの実施形態に係る制御システム３４００の平面図である。図３４から分かるように、アレイ３４０１において、複数の分散型スラスタ３４０２が互いに平行な水平行および垂直列で格子状に配置されている。

少なくとも１つの電源３４０６は、水平行および垂直列のそれぞれにより分散型スラスタに接続された複数の第１の電源ライン３４０４および複数の第２の電源ライン３４０５を用いて、選択された分散型スラスタ３４０２に電力を供給する。１つの第１の電源ライン３４０４が１つの第２の電源ライン３４０５に沿って選択されたとき、電気回路が形成され、少なくとも１つの分散型スラスタがエネルギを推進力に変換するように駆動する。制御ユニット３４０３は、所望のスラスタまたは所望の一群のスラスタのために選択された電源ライン３４０４，３４０５の電圧印加および／または電力レベルを制御する。

本発明に係る制御システムで採用されているように、電源３４０６は電池であり、制御ユニット３４０３は中央演算ユニットであってもよい。さらにスラスタは、複数のスラスタデバイスを含むものであってもよい。

ＮＭＳＥＴデバイスは、ガスを推し出すことができる装置であって、積層体を構成する少なくとも１つの第１および第２の層と、高温層およびこれより低温である低温層を形成するために第１および第２の層を加熱および／または冷却する手段と、積層体を貫通する少なくとも１つの貫通孔とを備えるものであってもよい。各高温層の表面は貫通孔内で露出し、各低温層の表面は貫通孔の内面において露出し、貫通孔の活性領域全体の長さは、上述したように、装置周囲にあるガスの平均自由行程の１０倍未満であり、１５００ｎｍ以下である。

所与のＮＭＳＥＴデバイスにおいて、少なくとも１つの貫通孔は、直線形状、鋸歯形状、三角形形状、放物線形状、または上述したようなＮＭＳＥＴデバイスに有用であると判断される任意の形状を有するものであってもよい。

図３５は、分散型スラスタの隣接領域３５０６を駆動するために、隣接領域で交差する電源ライン３５０４，３５０５を図示するものである。制御ユニット３５０３は、電源ライン３５０４，３５０５に電源供給することにより、分散型スラスタの隣接領域３５０６を駆動する

図３６は、電源ライン３６０５の開回路の故障状態（不具合）を示すものである。図３６に示すように、電源ライン３６０５は、複数のポイント３６０８付近の領域に隣接する垂直列のスラスタに関連するものである。電源ライン３６０５に開回路３６０７があるため、複数のポイント３６０８の周りの領域に隣接するスラスタが、この故障状態に起因して作動することができない。

１つの実施形態に係る制御システムにおいて、電源ラインに不具合が生じた場合に、冗長性を実現し、システム障害を回避するために、図３７に示すように、冗長経路接続が設けられている。電源ライン３７０１は水平行のスラスタに接続され、別の電源ライン３７０２は垂直列のスラスタに接続されている。すなわち電源ライン３７０５上の不具合（開回路）３７０７が生じた場合に備えて、冗長経路がポイント３７０６に設けられている。冗長性は電源ライン３７０５，３７０４により提供され、制御ユニット３７００は、電源ライン３７０７の第１の接続ポイントから第２の接続ポイントに電気回路の経路を変更するか、または電源ラインを内部で迂回させて、ポイント３７０６付近のスラスタを駆動する。別の実施形態に係る制御システムにおいて、図３７に示すように、任意の電源ラインのうちの１つに故障状態（不具合）を検出するために、故障検出デバイス３７０８が提供される。故障検出デバイス３７０８は、電源３７０３および制御ユニット３７００に接続され、故障状態が存在する電源ラインを補償し、経路変更し、通知し、および／または置換することにより、適当な電源ラインの駆動を制御するものである。

キャパシタバンク電圧検出技術を用いて、故障状態（不具合）を検出する。単一パルスで完全に放電させないようにキャパシタバンクを設計し、電力パルスが１つのスラスタ要素または一群のスラスタ要素に出力された前後における帯電電圧を測定することにより、１つのスラスタ要素または一群のスラスタ要素が消費する電力を特定し、その電力と予定される電圧とを比較することができる。測定された電圧降下が、予定される電圧より実質的に小さいときには開回路の兆候があり、電圧降下が実質的に大きい場合には、短絡回路の兆候がある。

埋め込み式電流検出素子を用いて、故障状態を検出してもよい。アレイに流れる瞬間的な電流を測定するために、シャント抵抗を電力配線ラインに直列に接続してもよい。通常、電流が小さい場合、いくつかのセルが開回路状態である。電流が過剰に大きいとき、短絡回路が存在する。この方法の主たる問題点は、電源とスラスタとの間の直列抵抗が僅かに（ゼロではなく）増大する点にある。

この方法の実用的な利点は、パルス出力後のキャパシタ電圧を検出する際、十分に迅速に（おそらくは数ＭＨｚレベルのサンプリング速度で）、短絡回路に対してリアルタイムで応答するようにシステムを設計することにより、多大なエネルギが供給されてアーク放電により隣接するスラスタに甚大な被害を与え、急激に放電した電源を過熱させるパルス出力を中断できる点にある。このシステムは、連続使用モードで作動する分散型スラスタに応用することができる。

上記任意の方法または当業者により理解される別の方法により、分散型スラスタの一部が故障していると検出されると、推進力の喪失、および／またはカスケード接続の不具合を最小限に抑えるために、矯正処理を施す必要がある。

設計段階において、バルス出力式分散型スラスタのタイミング解析を実行する場合、任意のスラスタ領域（スラスタ部分）において連続してパルス出力する際の冷却時間を最小必要時間より長くすることに留意すべきである。このように設計した場合、損傷したスラスタ、すなわちスラスタ領域を推進シーケンスから除外し、非損傷の残りのスラスタを、デューティサイクルを少し増大させて駆動することにより、全体的な推進力を維持することができる。

デューティサイクルを増大させることにより、システムに対する損傷の最大限度のみを補償することができる。この最大限度を超えると、利用可能な推進力が低減することは避けられない。すなわち、スラスタアレイの制御システムは、平衡レベルを維持するために、対応する対向パネルの推進力が多少低減したことにより、航空機または分散型スラスタを用いた他の用途の一方の推進能力の損失を補償するように設計することができる。

図３８は、例示的な制御システムの別の実施形態の平面図であり、特に、より大型の分散型スラスタ、および／またはあまり精緻に制御できない用途において有用なものである。この実施形態は、より精緻な制御が必要される通常の場合に比して、電源ラインおよび／または制御ラインを少なくし、必要なコンピュータの機能を低いものとすることができる点において有用である。例示的な制御システムは、（破線で示し、電源供給ラインの交差点における複数の個別のスラスタを含む）一群の分散型スラスタ３８０３，３８０４，３８０５，３８０６を駆動するために用いられる電源ライン３８０１，３８０２および／またはサブ電源ラインを示すものである。たとえば制御ユニット３８００は、電源供給ライン３８０３を電源供給ライン３８０１の１つの適当な電源ライン、および電源供給ライン３８０２の１つの適当な電源ラインに接続して、相当するサブ電源ライン３８１０、および対応するスラスタ、すなわち一群のスラスタ３８０３，３８０４，３８０５，３８０６に、またはその付近に電流を供給するものである。さらに制御ユニット３８００は、スラスタ領域３８０３およびスラスタ領域３８０５，３８０４，または３８０６を同時に、順次に、または所望のパターンで駆動して、電源供給ライン３８０１，３８０２およびサブ電源ライン３８１０に電流を供給し、これらの電源ラインおよびサブ電源ラインの交差ポイントにおける追加的なマイクロプロセッサに電流を供給し、デジタル信号を用いて、これらのマイクロプロセッサと通信することにより、所望の効果が得られるように設計することができる。

図３９は、図３８に示すものと同様のさらなる実施形態を示す平面図である。図３９は、図示のような格子状の態様を有する電源供給ライン３９０１，３９０２および複数のサブ電源ライン３９１０を示す。制御ユニット３９００は、電源３９１１を電源供給ライン３９０１のうちの１つの適当な電源供給ラインおよび電源供給ライン３９０２のうちの１つの適当な電源供給ラインに接続して、相当するスラスタまたは一群のスラスタ３９０３の付近に電流を供給するものである。さらに図３８で説明したように、制御ユニット３９００は、任意の分散型スラスタ３９０３，３９０４，３９０５，３９０６，３９０７，３９０８，３９０９のグループ全体に、またはこれらを個別に駆動することができる。

図４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、図３４に示す制御システムの実施形態の拡大図を示すものである。電源ライン４００１，４００２を用いてスラスタ領域をアドレス選択し、このスラスタ領域がアドレス選択ポイント４００３の周囲の温度勾配４００６に作用するものである。アドレス選択ポイント４００３の周囲の複数のスラスタ領域がアドレス選択され、電源ライン４００１，４００２を介して電流が供給され、アドレス選択ポイント４００３が加熱され、エリア４００４が第１に加熱され、エリア４００５が第２に加熱される。

１つのアドレス選択ポイントが加熱され、隣接するポイントが加熱されることは好ましくない場合があり、図４１ａ，４１ｂに図示された別の例示的な実施形態は、ヒートバリア（熱遮断部）４１１７を有する。ヒートバリアは、導電性パッド、絶縁物、間隙（ギャップ）、または当業者により認識される他の任意のヒートバリアであってもよい。ヒートバリア４１１７は、導電性領域の熱伝導性および熱遮断性を変える効果を有する。ヒートバリア４１１７は、電源ライン４１０５，４１０４の接合部４１０６に隣接するスラスタ領域４１０８の周囲の境界部として図示されているが、異なる所望する効果に応じて、ヒートバリア４１１７を構成してもよい。電源ライン４１０５，４１０４に電源供給することにより、接合部４１０６に隣接するスラスタ領域４１０８は駆動され、ヒートバリア４１１７は、クロスハッチング４１１９で示すボックス領域の外側スラスタ領域が意図せず駆動することを防止する。

図４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、制御システムの別の実施形態に係る電源ラインまたは導電構造体を示すものである。図４２ａは、スラスタ領域を駆動するために用いられる導電性ラインの上層格子構造体４２０２を示し、電源供給ライン４２００は、電源に接続され、複数のブランチライン（支流ライン）４２０１は複数のスラスタ領域の近傍に配置されるように設計される。

図４２ｂは、絶縁体４２０２および抵抗体を示す最適化された中間層、または図４２ａに示す格子構造体と、図４２ａのブランチライン４２０１がスラスタ領域４２０３で交差する別の格子構造体との間で用いられる温度勾配形成デバイスまたはスラスタ領域４２０３を駆動する他の手段を図示するものである。

図４２ｃは、図４２ａおよび図４２ｂを組み合わせた図であり、図４２ａの上層が図４２ｂの中間層の上方に配置されている。図４２ｃは、単一の電源ラインポイントから複数の標的ポイントを制御するために、抵抗体４２０３すなわち温度勾配形成デバイス、またはスラスタ領域を駆動する手段、および制御システムの１つの実施形態で示す絶縁体４２０２により構成された耐熱性温度接合部上に積層された電源供給ライン４２００およびブランチライン４２０１を図示するものである。

［抵抗性温度勾配形成の具体例］
上述した［動作原理］および［温度差］と題した章を参考にしながら説明する。図４３は、温度勾配を形成するために用いられる本願明細書に係るデバイスの概略図である。この章において、ヒートポンプまたは温度勾配形成デバイスは、これに限定するものではないが、ＮＭＳＥＴデバイスを駆動するものであってもよい。このデバイスは、上側表面４３０２および下側表面４３０５を有し、導電性材料からなる、より低温の低温層４３０１を有する。より高温の高温層４３０４の上側表面４３０６は、低温層４３０１の下側表面４３０５にきわめて隣接させるか、直接的に、または実施形態によるが、熱的および／または電気的に絶縁された中間層を介して、低温層４３０１の下側表面４３０５に接合されるものである。

電源４３０７の一方の端子は、低温層４３０１の上側表面４３０２に接続され、電源４３０７の他方の端子は、スイッチ４３０８の一方の端子に接続されている。スイッチ４３０８の他方の端子は、高温層４３０４の下側表面４３０３に接続されている。高温層４３０４は、電流が流れたときに抵抗熱またはジュール熱により加熱される抵抗材料からなる層を含む複数の副層（sub-layers）から構成される構造体である。副層に関する実施形態において、１つの層は、温度勾配が形成される位置付近に配置される、絶縁材料からなる薄膜であってもよいし、温度勾配が形成される位置に配置される、より迅速に加熱するように構成された金属膜であってもよい。

低温層４３０１は、動作位置においてジュール熱にあまり影響を受けない材料で構成してもよい。抵抗性のジュール熱特性は、材料や、（たとえば熱が発生する位置において高温層が対向する位置における低温層より薄く形成して、高温層内の電子密度が高いために、低温層より多量のジュール熱が生じるように支援する）構成、その他特定の実施形態に依存するが、一方の層において他方の層より多量の熱を発生させ、もしくは迅速に加熱させ、またはこれらの特性を組み合わせる要素の選択によって変更することができる。たとえば高温層を薄膜の表面配線で構成してもよく、すなわち高温層は、ＮＭＳＥＴ構造体または一群のＮＭＳＥＴ構造体等の加熱する必要がある位置における高温層の断面をより狭くするか、またはより小さくして構成してもよい。その結果、こうした位置における電荷キャリア密度／抵抗を増大させ、より多量のジュール熱を発生させる。低温層は、キャリア密度を低減するために、より膜厚で、より低い抵抗率を有する材料からなり、（たとえば高温層の全体表面を覆うように）より面積の大きくしてもよい。どのようなメカニズムであれ、一方の層に電流が流れるとジュール熱が発生し、他方の層に電流が流れないと、少なくとも一方の層で発生するのと同程度のジュール熱は発生しない。

一方の層から他方の層に電流を流すメカニズムは、量子トンネル効果等の任意の適当な方法またはメカニズムを利用することができる。半導体の導電性は、低温層がＰ型半導体で、高温層がＮ型半導体であるときＰＮ接合を構成し、これらの対向する表面上に電極を形成し、トランジスタがアドレスラインに接続され、読み出し／書き込みラインやメモリデバイスのアドレスラインと同様、一方の表面上で隣接する電極を加熱し、スイッチは、アドレス選択可能なメモリサイトまたはメモリピクセルの構造とほとんど同じような構造体を有するが、
メモリサイトまたはメモリピクセルの構造体が温度的に加熱する電極、または温度勾配デバイスまたはこうしたデバイスのクラスタに選択的にアドレス選択可能な任意の他のタイプの構造体と置き換えられる。

択一的または追加的には、高温層は、同一層内で入力表面および出力表面を有し、一方の表面から他方の表面に電流が流れ、高温層を抵抗式に加熱することができる。この実施形態は、選択された複数の部位で発熱させ、高温層が導電性材料で完全に覆われていない場合には、選択された複数の部位より部位で発熱させるが、導電性ラインを有し、このとき導電性ラインが一群のＮＭＳＥＴ構造体等の選択部位で発熱させることができる特性を有する。すなわち、この導電性ラインは、電流を供給すると選択的に加熱されるように、加熱されない断面積は十分に大きいが、選択された部位は小さい断面積を有する。

図４３の実施形態において、電流が上層４３０１の上側表面４３０２から下側表面４３０４に流れる。図４３に示すように、スイッチ４３０８が開回路状態にある。すなわち上層４３０１と下層４３０４との間に電流は流れない。したがって、表面４３０２と表面４３０３との間の温度勾配または温度差は生じない。

図４４は、スイッチが閉回路状態にある場合を示すものである。すなわち、電源４４０７からの電流が層４４０１および層４４０２に流れる。電流が流れると、層４４０２がその抵抗特性に起因して発熱し始め、層４４０１も同様に加熱する。層４４０２が加熱されると、上側表面４４０３および下側表面４４０４の間に温度勾配４４０５が形成される。スイッチ４４０６が開回路状態にすると、もはや層４４０１および層４４０２の間に電流は流れない。すなわち、上側表面４４０３および下側表面４４０４の間の温度差がやがてゼロになるように、温度勾配４４０５は消滅する。

図４５は、スイッチ４４０６を閉じて、電流を流したときの表面４４０４の温度上昇をプロットしたものである。ｘ軸に沿って時間、ｙ軸に沿って温度をプロットしている。図４５に示す表面４４０４の温度は、プロット曲線４５０１で示すように急激に増大し、平衡温度に達している。その後、図４４のスイッチ４４０６を開いて、電流を流さないようにすると、温度は下降し始める。

スイッチ４４０６を閉じたときの表面４４０３の温度は、層４４０２からの熱が層４４０１を介して表面４４０３に伝導するものであるので、そのプロット曲線４５０２で示すように、プロット曲線４５０１と同様に推移するが、遅延パターン４５０７を示す。表面４４０３の温度は、図４４のスイッチ４４０６を開いた後も若干上昇し続け、平衡温度４５０５に達する。図４５の符号４５０６は、スイッチ４４０６が閉じている時間を示す。スイッチ４４０６が閉じている時間４５０６が、平行温度４５０４に達するまでに必要な時間を超えると、温度勾配４５０３がなくなるまで、表面４４０３の温度が上昇し続ける。

すなわち、表面４４０４の温度４５０４と表面４４０３の温度４５０５との間の温度勾配は、ある所定の時刻において、図４５の温度勾配４５０３で図示されている。

図４５に示すように、層４３０１，４３０４への電流を流すことを止めた後、表面４４０３および表面４４０４の温度が、その周囲の雰囲気温度に戻るのに有限な時間がかかる。隣接する温度勾配デバイスが近接して配置されている場合、余熱により問題が生じることがある。

図４６は、別の例示的な実施形態に係る水平行および垂直列に配置された温度勾配デバイス４６０３により操作される複数の分散型スラスタデバイスの平面断面図である。電流が、マトリックス（行列）形式で、電源から各デバイスに複数の電源ライン４６０１，４６０２を介して供給される。制御ユニットは、プロセッサ、とりわけプログラム可能なプロセッサで構成してもよく、このプロセッサは、活性領域における制御電子回路に関して上記説明したように、電源ラインが読み込み／書き込みのアドレス選択ラインのように作動して、活性部位に隣接する制御電気回路を制御するか、または単に、水平および垂直電源ラインに電流を供給して交差ポイントで十分な電流を流し、温度勾配を形成するときに、特定の部位を選択的に作動させるものである。電気エネルギ源は、実施態様に応じて、電池や、その他任意の電源、ＡＣ電源またはＤＣ電源で構成されるものであってもよい。また、上述の［耐故障性制御システム］と題した章をここで参照する。

再び、図４６を参照すると、第１の温度勾配デバイス４６０３が完全に冷却される前に、１つの隣接する温度勾配デバイス４６０３が作動すると、新たに作動するデバイスの温度勾配は、予定した温度勾配とはならない可能性がある。用途にもよるが、これは最適なものではありえない。こうした状態が図４７に図示されるが（たとえば図４０ａ，図４０ｂ，図４０ｃに類似のものである。）、このとき温度勾配デバイス４７０３は電源ライン４７０４，４７０５により駆動される。図４７に示すように、発生した熱は、第１のエリア４７０１を加熱し、続いて第２のエリア４７０２を加熱する。加熱されたエリアは、他の隣接する温度勾配デバイスにも拡大し、これらのデバイスを駆動したときに、適正な温度勾配が形成されない可能性がある。この潜在的な問題は、温度勾配デバイスの選択的な駆動により緩和または解消することができる。

たとえば、図４６に示す制御ユニット４６００は、所定時間前に隣接した駆動された温度勾配デバイスの駆動を回避するものである。そうすることにより、以前に駆動された温度勾配デバイスを十分に冷却することができ、または少なくとも許容可能な温度まで冷却することができるため、余熱により隣接する温度勾配デバイスの動作を阻害することがなくなる。さらに温度勾配デバイスは、読み出し／アドレス選択ラインを介して、温度勾配デバイスを個別に、または一群の温度勾配デバイスを選択的にアドレス選択することができるので、デジタルディスプレイ上の画素またはメモリアレイのメモリ部位をアドレス選択し、制御することができる。

図４８は、この実施形態に係る複数の温度勾配デバイスからなるアレイの各温度勾配デバイスの駆動シーケンスの実施形態を示すものである。参照符号４８０１は、図４６に示す複数の温度勾配デバイスからなるアレイのうちの１つの温度勾配デバイスを示すものである。参照符号４８０２は、これに隣接する１つの温度勾配デバイスまたは隣接する１つの温度勾配デバイスアレイを示すものである。このパターンは、参照符号４８０３〜４８１６で示され、全体で１６個の温度勾配デバイスもしくは図示の温度勾配デバイスアレイ、または当然により適当なものとして最良の実施形態に係るＮＭＳＥＴデバイスで示されている。

図４８を用いて、当業者ならば容易に理解されるが、最近過去に駆動された隣接する温度勾配デバイスによる熱干渉を防止または低減するように、個々の温度勾配デバイスまたは一軍の温度勾配デバイスの駆動シーケンスを決定することができる。最近過去に駆動された隣接する温度勾配デバイスを十分に冷却させるために十分な時間を経過させるためである。たとえば温度勾配デバイスの対（４８０１，４８０９）、対（４８０３，４８１１）、対（４８０５，４８１３）、対（４８０７，４８１５）、対（４８０１，４８０９）ごとに順次駆動して、最近過去に駆動された隣接する温度勾配デバイスに対して実質的な熱干渉が生じないようにすることができる。当業者ならば図４８から他の駆動シーケンスを認識することができる。

図示のように、開示された実施形態は、温度勾配を形成し、維持するための数多くの用途を有し得る。特に、これに限定するものではないが、温度勾配構造体は、分散型スラスタを駆動するヒートポンプであってもよく、本明細書で開示された数多くの態様および変形例に係るＮＭＳＥＴにより駆動される、より特別の分散型スラスタであってもよい。

ＮＭＳＥＴを使用した飛行制御
図４９は、従来のクワッドローター４９５０の斜視図を示している。
図４９を参照して、クワッドローター４９５０は、４つの水平に配置したローター４９０５〜４９０８によって上昇されかつ推進される航空機である。クワッドローター４９５０は、共通の乗り物コンパートメント４９００、４台のエンジン４９０１〜４９０４、及び４つのローター４９０５〜４９０８を含む。クワッドローター４９５０のローター４９０５〜４９０８は、固定ピッチのブレードを使用し、ブレードが回転するとき、そのローターピッチは変わらない。クワッドローター４９５０の制御は、各ローター４９０５〜４９０８によって発生する推力及びトルクを変更するために各ローター４９０５〜４９０８の相対速度を変えることにより達成可能である。

各ローター４９０５〜４９０８は、推力及びその回転中心周りのトルクの両方を、並びに飛行方向と反対の抵抗力を発生する。ローター４９０５及びローター４９０７が右回りに回転しローター４９０６及びローター４９０８が左回りに回転する状態で、ローター４９０５〜４９０８（例えばローターのすべて）が共通の角速度で回る場合には、正味の空気力学トルク、及びそれによるヨー軸周りの角加速度はゼロ（例えば正確にゼロ）である。したがって、従来のヘリコプターのヨー・安定化ローターは、クワッドローター４９５０において除去されてもよい。しかしながら、ヨーイングは、空気力学トルクのバランスを不釣り合いにすることにより（例えば反回転ブレードペア間の累積推力コマンドをオフセットすることにより）意図的あるいは気づかずに引き起こされるかもしれない。

ピッチ及びロールの各軸周りのクワッドローター４９５０の角加速度は、ヨー軸に影響を与えることなく別々に生成することができる。同じ方向に回転するローター４９０５：４９０７あるいは４９０６：４９０８の各組のブレードは、ロールもしくはピッチのどちらかの一軸を制御する。ローター４９０７あるいは４９０８の推力を減らしながら（例えば同時に減らしながら）ローター４９０５あるいは４９０６の推力を増すことは、ヨーイング安定用のトルクバランスを維持可能であり、ロールもしくはピッチ軸の周りの正味のトルクを誘導可能である。固定ローターブレードは、ヘリコプターよりもより正確により速くクワッドローター４９５０を（例えば任意の方向に）操作するのに使用することができる。しかしながらクワッドローターの設計は、ヘリコプターよりもわずかにより正確で速い反応であるだけで、ローター４９０５〜４９０８の１つに対するコストを回収しないかもしれない。

ある例示的な実施形態では、航空機用の飛行制御システムは、マイクロスラスタ（micro-thrusters:マイクロ推進機）のアレイ（例えば多数のアレイ）、例えばマイクロ推進機のしきい値数を超えるもの（例えば１０^５〜１０^９のマイクロ推進機の範囲）を含んでもよく、かつ航空機の１つ以上の表面（例えば操縦翼面）に配置されてもよいアレイを使用してもよい。マイクロ推進機は、航空機を上昇あるいは下降させる推力を発生してもよく、あるいは飛行経路を迅速に変更するために推力操作を提供してもよい。

ある例示的な実施形態では、マイクロ推進機の少なくとも１つの領域は機械的に動かされてもよく、即ち、マイクロ推進機に対応する領域への電力は、その領域の動きに関連する航空機における力もしくは抗力の違い、つまりマイクロ推進器への電力の変化が所望の方向（例えば希望の飛行経路における）へ航空機を移動させるかもしれないように、変更されてもよい。

図５０及び図５１は、分散型マイクロ推進機５０００を有するデバイス５０５０の平面図及び側面図を示す。

図５０及び図５１を参照して、デバイス５０５０は、複数のマイクロ推進機（例えばＮＭＳＥＴ）５０００、本体５００２、及び支持構造５００１を含んでもよい。

複数のマイクロ推進機５０００は、支持構造５００１を介してデバイス５０５０の本体５００２に連結（例えば、接続）されてもよい。

ある例示的な実施形態では、複数のマイクロ推進機５０００は、デバイス５０５０に力を発生するために、ガス（例えば大気ガスあるいは他の環境ガス）が複数のマイクロ推進機５０００によってマイクロ推進機本体５０１０を通り推進されてもよいように、マイクロ推進機本体５０１０に埋め込まれた一もしくは複数のアレイを形成してもよい。複数のマイクロ推進機５０００が本体５００２の方へガスを推進するとき、第１方向の力がデバイス５０５０に作用してもよく、また、複数のマイクロ推進機５０００が本体５００２から遠ざかる方へガスを推進するとき、第２方向（例えば第１方向に反対）における力がデバイス５０５０に作用してもよい。マイクロ推進機本体５０１０に対応した平面の配向に頼って、複数のマイクロ推進機５０００がデバイス５０５０へ任意の方向に力を提供してもよい。

支持構造５００１は、デバイス５０５０の本体からマイクロ推進機本体５０１０と間隔をあけるために複数の支持体５０２０を含んでもよく、その結果、マイクロ推進機本体５０１０とデバイス５０５０の本体５００２との間の隙間が一定となるかもしれない。

支持体は、固定され柱形状のように示され、推進されたガスの流れに影響せずもしくは推進されたガスの流れに無視可能な影響のみを有するものでもよいが、デバイス５０５０の任意方向における移動あるいは回転を可能にするように、支持体あるいはそのような他の構造は、可動であってもよく、あるいはデバイス５０５０の周囲で推進されたガス流への変更を可能にするものでもよいことが考えられる。

マイクロ推進機本体５０１０は、円形断面として示されているが、任意の形状のマイクロ推進機本体５０１０が可能であると考えられる。

マイクロ推進機本体５０１０は、本体５００２よりも大きなものとして示されているが、マイクロ推進機本体５０１０は、本体５００２に対していずれのサイズであってもよく、例えば、デバイス５０５０に特定の力を発生するように大きさを決めてもよいと考えられる。

ある例示的な実施形態では、デバイス５０５０は、次のものを含んでもよい：
（１）特に航空機あるいはヘリコプターのような空上の乗り物；
（２）特に自動車、トラック、バンあるいはオートバイのような地上の乗り物；及び／又は
（３）特にカートあるいはフォークリフトのような他の可動式輸送装置。

ある例示的な実施形態では、デバイスは玩具及びゲーム用の推進システムとして使用されてもよい。

本体５００２は、発電または格納システム５０２５及び／又はパワー制御システム５０３０を含んでもよい。このパワー制御システム５０３０は、様々な領域によって生産された推力を変更してマイクロ推進機５０００の動作条件を変更するために、複数のマイクロ推進機（例えばＮＭＳＥＴ）５０００への電力供給を制御してもよい。例えば、マイクロ推進機５０００のアレイが、ある領域のマイクロ推進機５０００によって生産された推力を調節することによって、任意の方向（例えばすべての次元において）にデバイスあるいは乗り物５０５０を操作してもよい。マイクロ推進機本体５０１０の一端５０４０でデバイス５０５０の方へガスを推進し、かつ、同時にマイクロ推進機本体５０１０の対向端５０４５でデバイス５０５０から離してガスを推進することによって、デバイス５０６０は、軸５０７０の周りに回転するかもしれない。別の例として、マイクロ推進機本体５０１０の分散した数のあるいは全てのマイクロ推進機５０００用のデバイス５０５０の方へガスを推進することによって、デバイス５０５０は、ガスの流れの反対方向に移動するかもしれない。

ある例示的な実施形態では、マイクロ推進機本体は、例えば航空機のような乗り物の操縦翼面でもよいし、例えば、特にアルミニウム及び／又は炭素繊維の軽量の材料で作製されてもよい。その操縦翼面は、ＮＭＳＥＴで作製されてもよい。

図５２及び図５３は、分散型マイクロ推進機を有する乗り物５１５０の平面図及び側面図を示す。

図５１及び図５２を参照して、乗り物（例えば航空機）５２５０は、本体５２００、翼５２０１、５２０２、水平安定板５２０３、５２０４、及び、垂直安定板５２０５を含んでもよい。マイクロ推進機（例えばＮＭＳＥＴ）は、１つ以上の翼５２０１、５２０２、水平安定板５２０３、５２０４、及び／又は垂直安定板５２０５に設けられ（例えば、埋め込まれる）、（１）飛行経路に沿った移動及び方向制御の両方のためにマイクロ推進機を使用して乗り物５２５０を移動可能（例えば従来のエンジンなしで）にしてもよい。

翼５２０１、５２０２、水平安定板５２０３、５２０４、及び、垂直安定板５２０５は、操縦翼面を覆い（例えば、接続されるがそれから分離されて）、あるいは操縦翼面と一体化して（例えばそこに埋め込まれた）マイクロ推進機を含み操縦翼面を形成してもよく、そのマイクロ推進機は、例えば推進力（propulsion）及び／又は上昇力を発生して飛行経路への調整を提供するために、ガス（例えば、操縦翼面を囲む空気）を管理（direct）あるいは推進してもよい。

例えば、翼５２０１、５２０２上のマイクロ推進機は、推進力、上昇力、及び／又は推力操作を発生するために使用されてもよい。すなわち、各翼５２０１、５２０２の上側を取り巻くガスは、推進力及び上昇力の両方を発生するために、マイクロ推進機の１つ以上の領域によって下方へ及び各翼５２０１、５２０２の後方へ推進されてもよい。各翼５２０１、５２０２の上に発生された推力は、ロール（例えば長手方向軸５１６０に沿った回転）を制御されるかもしれない乗り物５２５０における差分（differential）の力（上昇力）を発生するように制御されてもよい。

それぞれの翼５２０１、５２０２は、各翼５２０１、５２０２の後端であるいはその近くで、各翼５２０１、５２０２の上側を取り囲む空気を、推進力及び上昇力の両方を生成する方向に、放出させる構造を含んでもよいことが考えられる。そのような構造は、推進されたガスの推力偏向を提供する案内穴を含んでもよい。

別の例として、水平安定板５２０３、５２０４におけるマイクロ推進機は、推力操作を発生してもよい。すなわち、各水平安定板５２０３、５２０４の上側を取り巻くガスは、マイクロ推進機の１つ以上の領域によって上向きの推力操作を発生する下方へ推進されてもよく、あるいは、各水平安定板５２０３、５２０４の下側を取り巻くガスは、マイクロ推進機の１つ以上の領域によって下方への推力操作を発生する上向きへ推進されてもよい。各水平安定板５２０３、５２０４の上に生成された推力は、ピッチ（例えば横軸５１７０に沿った回転）を制御するかもしれない、乗り物５２５０の横軸周りの力を生成するように制御されてもよい。

３番目の例として、垂直安定板５２０５におけるマイクロ推進機は、別の推力操作を発生するために使用されてもよい。すなわち、垂直安定板５２０５の一側面を取り巻くガスは、マイクロ推進機の１つ以上の領域によって推力操作を発生する他方側面に推進されてもよい。推力は、推進されているガスへの反力として一方の方向にあるかもしれない。垂直安定板５２０５によって発生された推力は、ヨーイング（例えば垂直軸５１８０に沿った回転）を制御してもよい、乗り物５２５０の垂直軸周りの力を生成するように制御されてもよい。

ある例示的な実施形態において、操縦桿もしくは操縦ホイール（図示せず）が第１ロール方向に移動されるとき、例えば、制御装置５２６０は、第２翼５２０２と比べて第１翼５２０１における上昇力の差分を発生して第２翼５２０２と比べて第１翼５２０１における上昇力を減じるように、翼５２０１、５２０２のマイクロ推進機へ電力供給することを電源５２７０に引き起こす制御信号を生成してもよい。第１ロール方向に操縦桿を移動することは、第２翼５２０２に対して第１翼５２０１の降下を引き起こし（例えば制御）、航空機５２５０を右回りに回転させ左へ向くのを開始させる。操縦桿を中央にすることは、上昇力の差分を停止してもよく、バンク角を維持してもよい。真っ直ぐな飛行を行うためバンク角をゼロに戻すように上昇力における反対の差分が生じるまで、航空機５２５０は旋回を維持するかもしれない。操縦桿もしくは操縦ホイールが反対のロール方向である第２方向に移動されるとき、例えば、制御装置５２６０は、第２翼５２０２と比べて第１翼５２０１において上昇力の差分を発生して第２翼５２０２と比べて第１翼５２０１において上昇力を増すように、マイクロ推進機へ電力供給することを電源５２７０に引き起こす制御信号を生成してもよい。第２ロール方向に操縦桿を移動することは、第２翼５２０２に対して第１翼５２０１の上昇を引き起こし（例えば制御）てもよく、航空機５２５０を左回りに回転させ右へ向くのを開始させる。操縦桿を中央にすることは、上昇力の差分を停止してもよく、バンク角を維持してもよい。真っ直ぐな飛行を行うためバンク角をゼロに戻すように上昇力における反対の差分が生じるまで、航空機５２５０は旋回を維持するかもしれない。

ある例示的な実施形態において、操縦桿もしくは操縦ホイールが第１ピッチ方向に移動されるとき、例えば、制御装置５２６０は、上昇力を増すため水平安定板５２０３、５２０４のマイクロ推進機へ電力供給することを電源５２７０に引き起こす制御信号を生成してもよい。第１ピッチ方向に操縦桿を移動させることは、翼５２０１、５２０２に比して水平安定板５２０３、５２０４を上昇させる（例えば制御）かもしれず、航空機を下方へピッチさせる。操縦桿もしくは操縦ホイールが反対方向の第２方向に移動されるとき、例えば、制御装置５２６０は、上昇力を減少するため水平安定板５２０３、５２０４のマイクロ推進機へ電力供給することを電源５２７０に引き起こす制御信号を生成してもよい。操縦桿を第２ピッチ方向に移動させることは、翼５２０１、５２０２に比して水平安定板５２０３、５２０４を下降させ（例えば制御）てもよく、航空機を上向きにピッチさせる。操縦桿を中央にすることは、ピッチの変化を停止するかもしれない。

ある例示的な実施形態において、第１制御ペダル（図示せず）が移動されるとき、制御装置５２６０は、第１方向における推力を増加もしくは起こすため、垂直安定板５２０５のマイクロ推進機へ電力供給することを電源５２７０に引き起こし、及び、垂直軸における反対方向である第２方向に乗り物５２５０を移動させ（例えば制御）、反対方向の第２方向において航空機のノーズにヨーイングをもたらすことを垂直安定板５２０５に引き起こしてもよい制御信号を生成してもよい。第２制御ペダル（図示せず）が移動されるとき、制御装置５２６０は、第２方向における推力を増加もしくは起こすため、垂直安定板５２０５のマイクロ推進機へ電力供給することを電源５２７０に引き起こし、及び、第１方向に乗り物５２５０を移動させ（例えば制御）てもよく、第１方向において航空機のノーズにヨーイングをもたらすことを垂直安定板５２０５に引き起こす制御信号を生成してもよい。制御ペダルを中央にすることは、ヨーイングを停止させるかもしれない。第１及び第２のペダルは、一方が押される（例えば、押し下げられる）とき、他方のペダルが相反方法にて移動するように構成されてもよい。

操縦桿もしくは操縦ホイール、及び制御ペダルを用いて、乗り物の制御動作について記述するが、乗り物の操縦翼面に関して推力を制御するために制御信号が生成されてもよい限り、乗り物を操作するために任意の入力装置が使用されてもよい。

共通のやり方で全操縦翼面に電力供給することに基づいて、乗り物の制御動作を記述しているが、例えば、より小さい旋回半径で乗り物の能力を改善し操作するために、各操縦翼面の領域が異なって電力供給されてもよいことが考えられる。

図５４及び図５５は、分散型マイクロ推進機を有する乗り物５４５０の平面図及び側面図を示す。

図５４及び図５５を参照して、乗り物５４５０は、本体５４００、翼５４０１、５４０２、水平安定板５４０３、及びヒンジユニット５４０４を含んでもよい。マイクロ推進機（例えばＮＭＳＥＴ）は、飛行経路に沿った移動及び方向制御の両方にマイクロ推進機を使用して乗り物５４５を移動可能（例えば従来のエンジンなしで）にするように、１つ以上の翼５４０１、５４０２、及び／又は水平安定板５４０３に設けられ（例えば、埋め込まれる）てもよい。

翼５４０１、５４０２、及び水平安定板５４０３は、操縦翼面を覆い（例えば、そこに接続されるがそれから分離されて）、あるいは操縦翼面と一体化した（例えばそこに埋め込まれた）マイクロ推進機を含み、操縦翼面を形成してもよく、そのマイクロ推進機は、例えば推進力及び／又は上昇力を発生して飛行経路への調整を提供するためにガス（例えば、操縦翼面を囲む空気）を管理あるいは推進してもよい。

翼５４０１、５４０２におけるマイクロ推進機は、推進力、上昇力、及び／又は推力操作を発生するために使用されてもよい。例えば、各翼５４０１、５４０２の上側を取り巻くガスは、推進力及び上昇力の両方を発生するために、マイクロ推進機の１つ以上の領域によって下方へ及び各翼５４０１、５４０２の後方へ推進されてもよい。１つ以上の翼５４０１、５４０２に関連したヒンジユニット５４０４は、ロール（例えば長手方向軸５１６０に沿った回転）を制御するため、長手方向軸５１６０の方向において１つ以上の翼５４０１、５４０２を回転させるように制御されてもよい。

水平安定板５４０３におけるマイクロ推進機は、推力操作を発生してもよい。すなわち、水平安定板５４０３の上側を取り巻くガスは、上向きの推力操作を発生するように、マイクロ推進機の１つ以上の領域によって下方へ推進されてもよく、あるいは、水平安定板５４０３の下側を取り巻くガスは、下方への推力操作を発生するように、マイクロ推進機の１つ以上の領域によって上向きに推進されてもよい。水平安定板５２０３によって発生された推力は、ピッチ（例えば横軸５１７０に沿った回転）を制御するかもしれない、乗り物５４５０の横軸５１７０周りの力を生成するために制御されてもよい。

水平安定板５４０３におけるマイクロ推進機は、別の推力操作を発生してもよい。すなわち、水平安定板５４０３の一方側を取り巻くガスは、垂直軸方向において正味の力を発生するように、水平安定板５２０３の表面を横切る流れにおける差異によって案内されるかもしれない。正味の力は、水平安定板５４０３の各側面５４２０の第２領域５４１２に対する、水平安定板５４０３の各側面５４２０の第１領域５４１０におけるマイクロ推進機から推進されたガス流における勾配に起因するかもしれない。垂直安定板５４０５によって発生された推力は、ヨーイング（例えば垂直軸５１８０に沿った回転）を制御するかもしれない、乗り物５４５０の垂直軸５１８０周りの力を生成するために制御されてもよい。

ある例示的な実施形態では、操縦桿もしくは操縦ホイール（図示せず）が第１ロール方向に移動されるとき、例えば、制御装置５４６０は、翼５４０１及び／又は翼５４０２の１つ以上のヒンジユニット５４０４を作動させて（例えば、移動又は回転させる）ロールを発生させることを電源５４７０に引き起こす制御信号を生成してもよい。第１回転方向に操縦桿を移動させることは、第２翼５４０２に対して下へ第１翼５４０１を回転させ（例えば制御）、乗り物（例えば航空機５４５０）を右回りに回転させ左へ向くのを開始させるかもしれない。操縦桿を中央にすることは、バンク角を維持するかもしれない。真っ直ぐな飛行を生じさせるためにバンク角をゼロに戻すように反対の制御操作が生じるまで、乗り物５４５０（例えば航空機）は旋回を維持するかもしれない。操縦桿もしくは操縦ホイールが反対方向の第２方向に移動されるとき、例えば、制御装置５４６０は、翼５４０１及び／又は翼５４０２の１つ以上のヒンジユニット５４０４を作動させて（例えば、移動又は回転させる）、反対方向においてローリングを発生させることを電源５４７０に引き起こしてもよい制御信号を生成してもよい。反対のロール方向である第２方向に操縦桿を移動することは、第２翼５４０２に対して上へ第１翼５４０１を回転させ（例えば制御）、航空機５４５０を左回りに回転させ右へ向くのを開始させるかもしれない。操縦桿を中央にすることは、バンク角を維持するかもしれない。真っ直ぐな飛行を生じさせるためにバンク角をゼロに戻すように反対の制御操作が生じるまで、航空機５４５０は旋回を維持するかもしれない。

ある例示的な実施形態において、操縦桿（あるいは操縦ホイール）が第１ピッチ方向に移動されるとき、例えば、制御装置５４６０は、ピッチの変更を発生させるため、水平安定板５４０３の１つ以上のヒンジユニット５４０４を作動させる（例えば、移動あるいは回転させる）ことを電源５４７０に引き起こす制御信号を生成してもよい。第１ピッチ方向に操縦桿を移動することは、翼５４０１、５４０２に対して水平安定板５４０３を回転（例えば制御）させ、航空機を下方へピッチさせるかもしれない。操縦桿（あるいは操縦ホイール）が反対方向の第２方向に移動されるとき、例えば、制御装置５２６０は、反対方向にピッチの変更を発生させるため、水平安定板５４０３の１つ以上のヒンジユニット５４０４を作動させる（例えば、移動あるいは回転させる）ことを電源５４７０に引き起こす制御信号を生成してもよい。第１ピッチ方向に操縦桿を移動することは、翼５４０１、５４０２に対して水平安定板５４０３を回転（例えば制御）させ、航空機を上方へピッチさせるかもしれない。操縦桿を中央にすることは、ピッチの変更を止めるかもしれない。

ある例示的な実施形態において、第１制御ペダル（図示せず）が移動されるとき、制御装置５４６０は、水平安定板５４０３の面における横軸方向５１７０において水平安定板５４０３の表面を横切って流れ勾配を生成するため、水平安定板５４０３のマイクロ推進機へ電力を供給させることを電源５４７０に引き起こし航空機のノーズを第１方向にヨーイング可能にする制御信号を生成してもよい。第２制御ペダル（図示せず）が移動されるとき、制御装置５４６０は、水平安定板５４０３の面における反対の横軸方向５１７０において水平安定板５４０３の表面を横切って流れ勾配を生成するため、水平安定板５４０３のマイクロ推進機へ電力を供給させることを電源５４７０に引き起こし航空機のノーズを反対方向の第２方向にヨーイング可能にする制御信号を生成してもよい。制御ペダルを中央にすることは、ヨーイングを止めるかもしれない。第１及び第２のペダルは、一方が押される（例えば、押し下げられる）とき、他方のペダルが相反方法にて移動するように構成されてもよい。

ある例示的な実施形態では、乗り物５４５０は、とりわけアルミニウム及び／又は炭素繊維のような軽量の材料から構築されてもよく、また、操縦翼面は、ＮＭＳＥＴエレメントで作製されてもよい。複数の操縦翼面は、ヒンジユニット５４０４（例えばヒンジとアクチュエーター）によって乗り物５４５０に接続されてもよい、分散型マイクロ推進機５４０１〜５４０３で作製されてもよい。

ある例示的な実施形態では、乗り物５４５０は、任意の次元において乗り物を操作するため、ある操縦翼面及び／又は全操縦翼面のマイクロ推進機の領域によって生成された推力を変更するパワー及び制御システムを含んでもよい。単一の電源が記述されているが、乗り物５４５０は、より大きなレベルの制御操作を提供するために操縦翼面に接続されたヒンジを作動するため第２電源（例えばパワー及び制御システム）を含んでもよい。

ある例示的な実施形態では、ヒンジは、チタンまたはアルミニウムのような軽金属で作製されてもよく、また、アクチュエーターは、とりわけ油圧、磁気あるいはケーブル駆動であってもよい。

乗り物の制御動作が操縦桿もしくは操縦ホイール及び制御ペダルを用いて記述されているが、乗り物の操縦翼面に関連した推力及び／又はヒンジユニット回転（例えば角度）を制御するように制御信号が発生されてもよい限り、乗り物を操作するためにいずれの入力装置が使用されてもよい。

図５６及び図５７は、分散型マイクロ推進機を有する乗り物５６５０の平面図及び側面図を示す。

図５６及び図５７を参照して、乗り物５６５０は、本体５６００、及び翼５６０５、５６０２を含んでもよい。飛行経路に沿った移動及び方向制御の両方にマイクロ推進機を使用して乗り物５６５０を移動（例えば従来のエンジンなしで）可能にするため、マイクロ推進機（例えばＮＭＳＥＴ）が翼５６０１、５６０２に設けられ（例えば、埋め込まれ）てもよい。

翼５６０１、５６０２は、操縦翼面を覆い（例えば、そこに接続されるがそれから分離されて）、あるいは操縦翼面と一体化した（例えばそこに埋め込まれた）マイクロ推進機を含んでもよく、そのマイクロ推進機は例えば推進力及び／又は上昇力を発生して飛行経路への調整を提供するためにガス（例えば、操縦翼面を囲む空気）を管理あるいは推進してもよい。

翼５６０１、５６０２におけるマイクロ推進機は、推進力、上昇力及び／又は推力操作を発生するように領域によって制御されるかもしれない。例えば、各翼５６０１、５６０２の上側を取り巻くガスは、推進力及び／又は上昇力を発生するためにマイクロ推進機の１つ以上の領域によって下方へ、及び／又は各翼５６０１、５６０２の後方へ推進されてもよい。翼５６０１、５６０２の異なる領域が、各領域に関連した異なる推力ベクトルにてそれぞれ異なる方向に作動するマイクロ推進機を有するように、翼５６０１、５６０２は、曲がった形状とともに乗り物５６５０の本体５６００から突出してもよい。翼５６０１、５６０２の各領域に関する推力を変えることによって、横軸、垂直軸、及び／又は長手方向軸５１６０，５１７０，５１８０における合成力ベクトルは、飛行経路を維持又は調整するために調整することができる。

ある例示的な実施形態では、操縦翼面は柔軟であってもよく、また、乗り物５６５０は、より大きなレベルの制御操作を提供するため、柔軟な操縦翼面をアクチュエーター・ユニット５６２０を使用して作動させるため電源５６１０（例えばパワー及び制御システム）を含んでもよい。例えば、そのアクチュエーターは、翼の曲率を増、減してもよく、これは横軸、垂直軸、及び／又は長手方向軸５１６０，５１７０，５１８０における合成力ベクトルにおいて対応した変化を起こし、飛行経路を維持あるいは調整するかもしれない。

ある例示的な実施形態では、乗り物５６５０は、とりわけアルミニウム及び／又は炭素繊維のような軽量の材料から構築されてもよく、また、操縦翼面は、ＮＭＳＥＴエレメントで作製されてもよい。

ある例示的な実施形態では、乗り物５６５０は、操縦翼面のマイクロ推進機の領域によって生成された推力を変更するパワー及び制御システムを含んでもよい。単一の電源が記述されているが、乗り物５６５０は、作動ユニット用の電力を供給する第２あるいはさらなる電源（例えばパワー及び制御システム）を含んでもよい。

図５８及び図５９は、分散型マイクロ推進機を有する乗り物５８５０の平面図及び側面図を示す。

図５８及び図５９を参照して、乗り物５８５０は、本体５８００、翼５８０１、５８０２、水平安定板５８０３、５８０４、垂直安定板５８０５、及び、エンジン５８０６、５８０７を含んでもよい。飛行経路及び方向制御に沿った移動用のマイクロ推進機によって増強されたエンジン５８０６、５８０７を使用して乗り物５８５０を移動可能にするために、マイクロ推進機（例えばＮＭＳＥＴ）は、１つ以上の翼５８０１、５８０２、水平安定板５８０３、５８０４、及び／又は垂直安定板５８０５に設けられ（例えば、埋め込まれ）てもよい。例えば、エンジンが乗り物５８５０に関する上昇力及び推進力を提供し、例えば離着陸距離を低減するためにマイクロ推進機によって増強されるかもしれないという点を除いて、乗り物５８５０の操作は、乗り物５２５０の操作に似ている。エンジン５８０６、５８０７は、マイクロ推進機からの増強のため、同じ大きさの従来の乗り物よりも小さく製造されるかもしれない。複数の操縦翼面５８０１〜５８０５は、操縦翼面を曲げて上昇力、推進力、及び／又は飛行制御の調整を達成するそれらの形状を変更するように、対応の一連の作動ユニット５８１１〜５８１５を有する柔軟な操縦翼面であってもよい。

ある例示的な実施形態では、作動ユニットは、それらの形を変更して上昇力、推進力、及び／又は飛行制御の調整を達成するために、操縦翼面を曲げる１以上の組のアクチュエーターであってもよい。他の例示的な実施形態では、荷重（load）は、同じ効果を提供するために操縦翼面構造内でシフトされてもよい。

乗り物５８５０は、柔軟な操縦翼面で示されているが、固い表面も可能であると考えられる。そのような場合、作動ユニット５８１１〜５８１５は除去されてもよい。

制御装置５８３０は、作動ユニット５８１１〜５８１５及びマイクロ推進機へ電力を供給するため、１つ以上の電源５８３５を制御してもよい。

ある例示的な実施形態では、乗り物５８５０は、とりわけアルミニウム及び／又は炭素繊維のような軽量の材料から構築されてもよく、また、操縦翼面は、ＮＭＳＥＴエレメントで作製されてもよい。

ある例示的な実施形態では、乗り物５６５０は、それぞれの操縦翼面のマイクロ推進機の領域によって生成された推力を変更するパワー及び制御システムを含んでもよい。単一の電源が記述されているが、乗り物５８５０は、作動ユニット用の電力を供給するため、さらなる電源（例えばパワー及び制御システム）を含んでもよい。推進システム５８０６、５８０７は、ジェットエンジン、ターボプロップあるいは通常のプロペラエンジンになりえる。

ナセルの内側にエンジンを有する双発機が示されているが、例えば、乗り物の後部部分にエンジンを含む、他のエンジン構成が可能である。

図６０は、マイクロ推進機を使用した、例示的な制御方法６０００を説明するフローチャートである。

図６０を参照し、方法６０００は、少なくとも１つの操縦翼面に形成された複数の推力生成装置を使用して乗り物の移動を制御してもよい。ブロック６０１０では、制御装置は、ガスを推進して推力を生成するように構成した複数の推力生成装置への電力供給を制御してもよい。ブロック６０２０では、少なくとも１つの操縦翼面の複数の推力生成装置は、乗り物の移動を制御するために複数の推力生成装置への電力供給に従って物理的な変位を発生してもよい。

ある例示的な実施形態では、所望の経路に乗り物を移動させるため、第１操縦翼面に形成された第１推力生成装置及び第２操縦翼面に形成された第２推力生成装置への電力供給が制御されるように、少なくとも１つの操縦翼面は、第１操縦翼面及び第２操縦翼面を含んでもよい。

ある例示的な実施形態では、操縦翼面は、乗り物と一体的に形成されてもよい。ある例示的な実施形態では、ＮＭＳＥＴエレメントは、操縦翼面に一体に形成されてもよく、あるいは操縦翼面へ埋め込まれてもよい。ある例示的な実施形態では、複数の推力生成装置は、複数の推力生成装置の電源オンに応答して、少なくとも１つの操縦翼面を通してガスを推進してもよい。ある例示的な実施形態では、複数の操縦翼面は、複数の軸のそれぞれのもの（複数可）に沿って乗り物を操作するように制御されてもよい。例えば、複数の推力生成装置への電力供給の制御は、各操縦翼面の物理的な変位を個々に制御するために、それぞれ異なる操縦翼面に関連する推力生成装置を別々に制御することを含んでもよい。別の例として、乗り物は、第１操縦翼面に形成された第１推力生成装置、及びさらなる操縦翼面に形成されたさらなる推力生成装置への電力供給を制御することによって３つの軸に沿って操作されてもよい。

図６１は、熱遷移デバイスを使用した例示的な制御方法６１００を説明するフローチャートである。

図６１を参照して、方法６１００は、乗り物の表面に埋め込まれた熱遷移デバイスのアレイを使用して乗り物の移動を制御してもよい。それぞれの熱遷移デバイスの各々は、少なくとも第１層及び第２層を含んでもよく、また、それぞれの熱遷移デバイスを通ってガス流を可能にするように構成したスルーホールを形成してもよい。ブロック６１１０では、熱遷移デバイスのそれぞれのものを通るガス流を発生するために、熱の偏りが熱遷移デバイスのそれぞれのものの少なくとも第１層と第２層との間に発生してもよい。ブロック６１２０では、乗り物の移動は、熱遷移デバイスのそれぞれのものを通るガス流を使用して制御される。

ここに記述されるように、例えば、発明は、ソフトウェアにおいて（例えば、プラグインあるいはスタンドアロンのソフトウェア）、メモリにソフトウェアを含む装置において（例えば、コンピュータシステム、マイクロプロセッサに基づいた電化製品、等）、あるいはマイクロ推進機及び作動ユニット用の制御スキームを実行するように構成した非一時的なコンピュータ可読な格納媒体において（例えば、とりわけ自己内蔵型のシリコンデバイス、ソリッド・ステート・メモリ、光ディスク、あるいは磁気ディスク）、具体化されるかもしれない。

一方、マイクロ推進機、それに関連する装置及び方法は、具体的な実施形態を参照して詳細に記述されているが、添付の請求範囲における権利範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正を行なうことができること、及び等価物の使用は、当業者に明白であろう。

ここに記述されるように、例えば、発明は、ソフトウェアにおいて（例えば、プラグインあるいはスタンドアロンのソフトウェア）、メモリにソフトウェアを含む装置において（例えば、コンピュータシステム、マイクロプロセッサに基づいた電化製品、等）、あるいは制御スキームを実行するように構成した非一時的なコンピュータ可読な格納媒体において（例えば、とりわけ自己内蔵型のシリコンデバイス、ソリッド・ステート・メモリ、光ディスク、あるいは磁気ディスク）、具体化されるかもしれない。

上述の明細書は、実施例のみの目的で提供された例とともに本発明の原理を教示しているが、添付の請求範囲における権利範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正が形式的及び詳細に行うことができ、それらの十分な幅を与えることになる等価物が使用されることは、この明細書を読むことから当業者によって理解されるであろう。

Claims (25)

1. 複数の推力生成装置を使用して乗り物の移動を制御する方法であって、
   少なくとも１つの操縦翼面に形成され、推力を生成するために操縦翼面を通りガスを推進するように構成した複数の推力生成装置への電力供給を制御すること、
   乗り物の移動を制御するため、複数の推力生成装置への電力供給に従って少なくとも１つの操縦翼面の物理的な変位を発生すること、
   を備えた方法。
2. 上記少なくとも１つの操縦翼面は、複数の操縦翼面を含み、
   複数の推力生成装置への電力供給の制御は、乗り物が所望の経路で移動するように、第１操縦翼面に形成した第１推力生成装置、及び第２操縦翼面に形成した第２推力生成装置への電力供給を制御することを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 複数の推力生成装置としてＮＭＳＥＴエレメントを使用して少なくとも１つの操縦翼面を形成することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも１つの操縦翼面の形成は、乗り物に上記操縦翼面を一体に形成することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 少なくとも１つの操縦翼面の形成は、少なくとも１つの操縦翼面にＮＭＳＥＴエレメントを一体化することを含む、請求項３に記載の方法。
6. 少なくとも１つの操縦翼面の物理的な変位の発生は、複数の推力生成装置の電源オンに反応して、複数の推力生成装置によって少なくとも１つの操縦翼面を通りガスを推進することを含んでいる、請求項１に記載の方法。
7. 複数の軸のそれぞれの一もしくは複数のものに沿って乗り物を操作するために複数の操縦翼面を制御することをさらに備える、請求項２に記載の方法。
8. 複数の推力生成装置への電力供給の制御は、各操縦翼面の物理的な変位を個々に制御するためにそれぞれ異なる操縦翼面に関連した推力生成装置を別々に制御することを含む、請求項２に記載の方法。
9. 第１操縦翼面に形成された第１推力生成装置、及びさらなる操縦翼面に形成されたさらなる推力生成装置への電力供給の制御によって３つの軸に沿って乗り物を操作することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
10. 推力を生産するため操縦翼面を通りガスを推進するように構成され、乗り物の少なくとも１つの操縦翼面に形成された複数の推力生成装置と、
    少なくとも複数の推力生成装置への電力供給用の電源と、
    乗り物の移動を制御するため、複数の推力生成装置への電力供給に従い複数の推力生成装置が少なくとも１つの操縦翼面の物理的な変位を発生するように、複数の推力生成装置への電源による電力供給を制御する制御装置と、
    を備えた、乗り物の移動制御装置。
11. 複数の推力生成装置は、ＮＭＳＥＴエレメントで作製される、請求項１０に記載の移動制御装置。
12. ＮＭＳＥＴエレメントは、少なくとも１つの操縦翼面へ統合される、請求項１１に記載の移動制御装置。
13. 少なくとも１つの操縦翼面は柔軟性がある、請求項１２に記載の移動制御装置。
14. 複数の推力生成装置は、複数の推力生成装置の電源オンに応答して少なくとも１つの操縦翼面を通りガスを推進することによって、少なくとも１つの操縦翼面の物理的な変位を発生する、請求項１０に記載の移動制御装置。
15. 少なくとも１つの操縦翼面は、複数の操縦翼面を含み、
    制御装置は、乗り物が所望の経路で移動するように、第１操縦翼面に形成された第１推力生成装置、及び第２操縦翼面に形成された第２推力生成装置への電力供給を制御する、請求項１４に記載の移動制御装置。
16. 制御装置は、複数の軸のそれぞれの一もしくは複数に沿って乗り物を操作するため複数の操縦翼面の変位を制御する、請求項１４に記載の移動制御装置。
17. 制御装置は、各操縦翼面の物理的な変位を個々に制御するためにそれぞれ異なる操縦翼面に関連した推力生成装置を別々に制御する、請求項１４に記載の移動制御装置。
18. 制御装置は、３つの軸に沿って乗り物を操作するため、第１操縦翼面に形成された第１推力生成装置、及びさらなる操縦翼面に形成されたさらなる推力生成装置への電力供給を制御する、請求項１４に記載の移動制御装置。
19. 複数の操縦翼面は、複数の軸のそれぞれの一もしくは複数に沿って乗り物を制御する、請求項１４に記載の移動制御装置。
20. 少なくとも１つの操縦翼面は、乗り物に一体化して形成される、請求項１４に記載の移動制御装置。
21. 少なくとも１つの操縦翼面は、ヒンジ機構によって乗り物に連結するように構成する、請求項１４に記載の移動制御装置。
22. 複数の推力生成装置を使用して乗り物の移動を制御する方法を実行するプロセッサでの実行用の非一時的なコンピュータ記憶媒体であって、上記方法は、
    推力を生成するため操縦翼面を通りガスを推進するように構成され少なくとも１つの操縦翼面に形成された複数の推力生成装置への電力供給を制御すること、
    乗り物の移動を制御するため複数の推力生成装置への電力供給に従って少なくとも１つの操縦翼面の物理的な変位を発生すること、
    を備えた、記憶媒体。
23. 推力を生成するためガスを推進するように構成され、航空機の少なくとも１つの操縦翼面に埋め込まれた複数の推力生成装置と、
    少なくとも複数の推力生成装置へ電力を供給する電源と、
    航空機の飛行経路を決定し、かつ、決定した飛行経路に沿った航空機の移動を制御するために複数の推力生成装置への電力供給に従い複数の推力生成装置が少なくとも１つの操縦翼面の物理的な変位を発生するように、複数の推力生成装置への電源による電力供給を制御する制御装置と、
    を備えた、航空機の移動制御用飛行制御システム。
24. 乗り物の表面に埋め込まれた多数の熱遷移デバイスを使用して乗り物の移動を制御する方法であって、それぞれの熱遷移デバイスは、少なくとも第１層及び第２層を備え、かつそれぞれの熱遷移デバイスを通るガス流を可能にするように構成したスルーホールを形成した、上記方法は、
    熱遷移デバイスのそれぞれのものを通りガス流を発生するため熱遷移デバイスのそれぞれのものの少なくとも第１層及び第２層間に熱の偏りを発生すること、
    熱遷移デバイスのそれぞれのものを通るガス流を使用して乗り物の移動を制御すること、
    を備えた方法。
25. 乗り物の表面に埋め込まれた複数の熱遷移デバイスであって、それぞれの熱遷移デバイスの各々は、少なくとも第１層及び第２層を含み、かつそれぞれの熱遷移デバイスを通るガス流を可能にするように構成したスルーホールを形成する、熱遷移デバイスを備え、
    熱遷移デバイスのそれぞれのものの第１層及び第２層は、熱遷移デバイスのそれぞれのものを通るガス流を発生するためそれらの間に熱の偏りを発生し、熱遷移デバイスのそれぞれのものを通るガス流を使用して乗り物の移動を制御する、
    乗り物の移動を制御する装置。

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