JP5158082B2

JP5158082B2 - 量子モータ

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Publication number: JP5158082B2
Application number: JP2009528543A
Authority: JP
Inventors: 秀年久須美; ブラコビッツ，トマシュ; 弘道柳原; ベーゼル，マルレーンドゥ; アムベック−マデセン，ヨナス; オスメゾウリー，ガブリエル; スタンコビッチ，イゴール; 竜士船山; 克弘坂井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2027-01-11
Also published as: WO2008084559A1; US20100066216A1; CN101611529A; EP2102973A1; JP2010516220A

Description

この発明は、量子モータに関し、より特定的には磁場とロータとの作用により回転する量子モータに関するものである。

従来、量子の概念を用いたモータは、たとえば特開２００１−２６８９５７号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２００１−２６８９５７号公報

しかしながら従来の量子モータでは十分な回転力を得ることができないという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、十分な回転力を得ることが可能な量子モータを提供することを目的とする。

この発明に従った量子モータは、量子的特性を制御可能な機能材料を含むロータと、ロータに磁場を印加する磁場印加部と、ロータの量子的特性を変化させる可変部とを備え、可変部がロータの量子的特性を変化させてロータに回転力が生じてロータが回転する。ロータは、フタロシアニンを含む。

このように構成された量子モータでは、ロータの量子的特性を変化させてロータに回転力が生じるため、十分に回転力を発生させることができる量子モータを得ることができる。

この発明のさらに別の局面に従った量子モータは、磁気モーメントの向きを変化させることが可能な材料を含むロータと、ロータに磁場を印加する磁場印加部と、ロータに作用してロータの磁気モーメントの向きを変化させることが可能な可変部とを備え、ロータが磁場印加部に近づく方向に移動しているときにはロータと磁場印加部とが引き合い、ロータが磁場印加部から遠ざかる方向に移動しているときにはロータと磁場印加部とが反発するように可変部がロータの磁気モーメントの向きを調整する。

このように構成された量子モータでは、ロータが磁場印加部に近づく方向に移動しているときにはロータと磁場印加部とが引き合い、ロータが磁場印加部から遠ざかる方向に移動しているときにはロータと磁場印加部とが反発するように可変部がロータの磁気モーメントの向きを調整するため、ロータと磁場印加部との間の相互作用を用いることで確実にロータを回転させることができる。

この発明の機能材料の構造式であり、図１の（Ａ）は水素フタロシアニンの構造式を示す図であり、図１の（Ｂ）は、一部が磁気素子で置換されたフタロシアニン（Ｍｅ、Ｐｃ）の構造式を示す図である。水素フタロシアニンとＭｅ−フタロシアニンの希釈相の構成を示す図であり、図２の（Ａ）は、希釈されていないＭｅＰｃを示す図であり、図２の（Ｂ）は、Ｍｅ−フタロシアニンのβ相を示す図である。 β相ＡＭ［Ｈ₂Ｐｃ／ＭｅＰｃ］材料に対するアイデアを示す図である。ＡＭ［Ｈ₂Ｐｃ／ＭｅＰｃ］系のα相を示す図である。量子機構を説明するための斜視図であり、この発明の実施の形態１に従った量子モータの構成を模式的に示す斜視図である。光源に設けられたＬＥＤの配置を説明するために示す量子モータの斜視図である。機能材料を示す図であり、図７の（Ａ）は光が照射されていない機能材料の斜視図であり、図７の（Ｂ）は光が照射された機能材料の斜視図である。永久磁石の平面図であり、図８の（Ａ）はＮ極永久磁石の平面図であり、図８の（Ｂ）はＳ極永久磁石の平面図である。単位磁気モーメントを示す図である。量子モータの図であり、図１０の（Ａ）は量子モータのロータおよびステータの斜視図であり、図１０の（Ｂ）は分解斜視図であり、図１０の（Ｃ）はロータを拡大して示す断面図である。ロータの平面図であり、図１１の（Ａ）は連続的なロータの平面図であり、図１１の（Ｂ）は放射状にパターンが設けられたロータの平面図であり、図１１の（Ｃ）は放射状かつ円周状にパターンが設けられたロータの平面図である。電子の流れを説明するために示す量子モータの斜視図であり、図１２の（Ａ）はステータおよびロータの斜視図であり、図１２の（Ｂ）は量子モータの分解斜視図であり、図１２の（Ｃ）はロータの平面図であり、図１２の（Ｄ）は電子の位置とエネルギとの関係を示すグラフである。スピンの反転を説明するために示す量子モータの図であり、図１３の（Ａ）は量子モータのロータおよびステ−タの斜視図であり、図１３の（Ｂ）は機能材料を拡大して示す図、図１３の（Ｃ）はスピンの反転を説明するための図である。この発明の実施の形態２に従った量子モータの斜視図である。この発明の実施の形態２に従った量子モータを詳細に示す斜視図である。機能材料を構成するＦ₁₆ＣｕＰｃの構造式を示す図である。機能材料を構成するＶＯＰｃの構造式を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

（実施の形態１）
１．量子効果を用いて動きを生じさせるための基本的な概念および機構
有機分子磁石は、従来の強磁性金属合金のような直接的交換相互作用でなく、電子スピンの介在する磁気による異なる磁気機構（量子超交換、スーパーエクスチェンジ）に基づかせることができる。その仮定によると、従来の材料よりもかなり速い（所与の電源におけるより速い回転速度）切換の可能な（電気機械のロータ）、純粋なドメイン構造を有するかまたはドメイン構造を有さない磁気材料がもたらせ得る。

薄層として調製される新しい材料は、電気モータのロータの表面層として用いることにより、ステ−タとロータとの間の磁束の伝達を改善できる。回転速度がより速いために、材料の塊に磁束が貫通する深さが小さくなり得る（ワイヤード電流の強度が小さくなる）。仮説上の理想的な場合には、電気機械のステ−タおよびロータは、表面下の領域のみを通じて磁気的相互作用を行なうはずである。

要約すると、有機分子物質中の量子磁気によって、液体窒素の温度（１４０Ｋ）から３００Ｋおよびそれ以上の温度において全く新しい高速のドメインレス磁気切換を行なう材料がもたらされるはずである。

１．１材料
物理的観点から、分子系磁気の発達は以下のステップによって進行する。

ａ）入力（基本）材料としての水素フタロシアニン（Ｈ₂Ｐｃ）
図１は、この発明の機能材料の構造式であり、図１の（Ａ）は水素フタロシアニンの構造式を示す図であり、図１の（Ｂ）は、一部が磁気素子で置換されたフタロシアニン（Ｍｅ、Ｐｃ）の構造式を示す図である。

ｂ）金属置換−磁気素子置換（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，）による水素フタロシアニンの修飾
図１の（Ｂ）に一部が磁気素子で置換されたフタロシアニン（Ｍｅ、Ｐｃ）を示す。磁気原子間の距離は十分に大きい（２．５ｎｍ以下）ため、非常に低い温度（５Ｋ以下）における常磁性の挙動が保証される。

ｃ）Ｈ₂Ｐｃ／ＭｅＰｃの希釈相の調整
図２は、水素フタロシアニンとＭｅ−フタロシアニンの希釈相の構成を示す図であり、図２の（Ａ）は、希釈されていないＭｅＰｃを示す図であり、図２の（Ｂ）は、Ｍｅ−フタロシアニンのβ相を示す図である。

図２の（Ａ）を参照して、Ｍｅフタロシアニンではフタロシアニン２に磁性要素１が結合している。磁性要素１はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの金属元素である。図２の（Ｂ）を参照して、水素フタロシアニン３で希釈化された場合には、水素フタロシアニン３がＭｅフタロシアニンの間に介在する。超交換磁力媒介物（電子）のための空きの空間が必要である。

ｄ）Ｎａ，Ｋ，Ａｌ，Ｍｇなどのアルカリ金属（ＡＭ）により希釈Ｈ₂Ｐｃ／ＭｅＰｃの混合相の調製
これらの金属は、Ｐｃ分子の中心に位置する磁気原子間の（超交換）磁気量子力を媒介する電子の供給源となるはずである。この修飾によって、より高い温度における磁性挙動が保証されるはずである（室温以上での高温超電導体による作業のために重要）。

図３は、β相ＡＭ［Ｈ₂Ｐｃ／ＭｅＰｃ］材料に対するアイデアを示す図である。図３を参照して、金属フタロシアニンまたは水素フタロシアニンの間にアルカリ金属原子４が介在してこれらを結合している。

ｅ）溶液全体の材料のβ相およびα相の両方を確認すべきである。
図４は、ＡＭ［Ｈ₂Ｐｃ／ＭｅＰｃ］系のα相を示す図である。図４を参照して、α相では水素フタロシアニンおよび金属フタロシアニンが互いに同一平面上に位置している。

分子面間の距離は、サンプル生成条件に依存する。この距離は、磁気原子および分子間の量子相互作用の力を決定する。αおよびβ相の選択は、巨視的な機械的（弾性）特性にも依存し、（ＭＯＫＥおよびＢＬＳによる）実験による試験が行なわれるべきである。

提案されるタイプの材料は、Ａ．Ｒ．Harutyunyanらにより１９９６年に発明されたＮａ_x［（ＣｏＰｃ）_ｙ（Ｈ₂Ｐｃ）_1−ｙ］系（ここでｘ＝１．７、ｙ＝０．２または０．１１）である。彼らは室温におけるヒステリシスループ挙動を得た。しかし、異なる割合でのＮｉおよびＦｅなどのその他の磁気素子ならびにその他のアルカリ金属は試験されていない。

１．２．１．１で述べた材料を用いたトルク発生機構
トルクは古典的機構および量子機構から生じる。

古典的機構において、照明されたロータの外部からその中心へ向かって伝搬する電子キャリアは、ローレンツ型の力によって影響される。このような電流は、ロータの照明された（縁部付近の）部分および照明されていない部分の局所的な電気キャリアの濃度の差から生じる。磁界において保持されていないリングの半分は光によって照明される（注入される）。この古典的機構の一般概念を図で示す。

図５は、量子機構を説明するための斜視図であり、この発明の実施の形態１に従った量子モータの構成を模式的に示す斜視図である。たとえば、ロータ６０の周りで分布した１組の孔を用いた他の種類のロータの照明が存在することを無視することはできない。

図５で示すように量子モータ１０はロータ６０と、ロータ６０の上下に設けられたＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０と、光源９０と、非磁場７０とを有する。ロータ６０は機能材料４０と反強磁性材料５０の積層構造となっている。図５では機械的トルクを発生させるために有機的な、感光性の、磁気性の材料を用いる一般原理を示している。有機性の、感光性のかつ導電性の材料が機能材料４０として用いられＮ極永久磁石２０とＳ極永久磁石３０との間に位置している。この機能材料４０によりトルクが発生する。

反強磁性材料５０はたとえば基板の上に配置され、その反強磁性材料５０上に接触するように機能材料４０が設けられる。反強磁性材料５０は機能材料４０の磁気特性を制御する。

光源９０は機能材料４０に光を照射し、これにより機能材料４０でのスピンの向きを変化させることが可能である。

量子機構において、ロータ６０の層および取付けられた反強磁性材料５０の間の量子型の交換およびバイアスの相互作用のために、有機タイプの機能材料４０の層の磁性状態を制御することによって、トルクを強化することができる。これは外部印加磁場（Ｎ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０で印加される磁場）からのリングの除去をもたらす。量子ベースのエネルギは、有機材料における相互作用する分子のスピン間の超交換エネルギまたは二重交換エネルギから生じる。スピンの方位は、外部磁界によって、および有機材料の最も重要な利点と思われる外部から与えられる光（おそらくダイオードからのレーザ光）によって影響を及ぼされることができる。すなわち、光源９０として、レーザやダイオードが用いられる。

有機的な磁気タイプの層としての機能材料４０は光に反応しやすく、一部の次数（１０⁴以上）における導電率の変化をもたらす。この基準は、図１から図４で示したＨ₂Ｐｃ／ＭｅＰｃの希釈化されたフェーズ（金属タイプのフタロシアニン（ＭｅＰｃ）によって希釈化された純粋なフタロシアニン（Ｈ₂Ｐｃ））によって満たすことができる。好対称性を有するＭｅＰｃ分子は、新しい材料、すなわち磁気の感光性である、透明で有機的な二次元の組が強磁性または反強磁性的にスピンと相互作用する基本要素としてのみ扱われるべきである。

将来のデバイスの性能を高めるために、２分子層（強磁性／反強磁性の材料）を多層構造へと配列することができる。

量子モータ１０は主に４つの部分、すなわち、ロータ６０、１対のステ−タを構成するＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０、ダイオードユニット（コントローラ）から構成される光源９０およびシャフトからなる。

図６は、光源に設けられたＬＥＤの配置を説明するために示す量子モータの斜視図である。光源９０には複数のＬＥＤ９１（発光ダイオード）が配置されており、さらにＬＥＤ９１に電力を供給するための回路も設けられる。

光源９０に向かい合うようにＮ極永久磁石２０が配置される。Ｎ極永久磁石２０には複数の孔２１が設けられ、この孔２１が光源９０に設けられたＬＥＤ９１から放たれた光を透過してこの光がロータ６０に照射される。

ロータ６０はシャフト１００と固定されており、シャフト１００とともに回転する。また、ロータ６０はステータ８０に挟まれている。

ロータ６０に向かい合うようにステータ８０の一部を構成するＳ極永久磁石３０が配置される。

ステータ８０は外部磁界をロータ６０に与えるために、２つの部分の磁極性としてのＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０とを有する。

図７は、機能材料を示す図であり、図７の（Ａ）は光が照射されていない機能材料の斜視図であり、図７の（Ｂ）は光が照射された機能材料の斜視図である。図７の（Ａ）および（Ｂ）で示すように、薄い有機ベースの層としての機能材料４０はロータ６０上でコーティングされる。図７の（Ａ）で示すように、有機材料層である機能材料４０の表面には磁性要素を含むフタロシアニンが配置される。有機材料はたとえば光のような外部から与えられる物理的エネルギに対して準安定状態であるべきであり、外部から与えられる物理エネルギによってその電位または電子スピンを変化させる。図７の（Ｂ）で示すように一部分に光が照射されるとスピンの向きが配向し、電子の流れが中央に向かって生じる。ロータ６０は磁気ベアリング１１０によってシャフト１００に支持されている。

図８は、永久磁石の平面図であり、図８の（Ａ）はＮ極永久磁石の平面図であり、図８の（Ｂ）はＳ極永久磁石の平面図である。図８の（Ａ）および（Ｂ）で示すように、Ｎ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０はそれぞれ複数の部分に分割されている。Ｎ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０は各々ステータ８０を構成する。永久磁石はロータの一区分おきに置かれる。ステータ８０は、ロータがＬＥＤアレイユニットとしての光源９０からの光にさらされるための孔２１またはスリットをも有する。各々の孔２１は磁石が置かれていない一区分おきに置かれる。磁気ベアリングがシャフトのために用いられる。

２．１効果についての理論的説明
力と辺との積である機械的トルクＮは以下の式で表わされる。

単位磁気モーメント（スピン）に対して力が作用すると仮定する。この力は上記スピンの磁気モーメントｐに比例する。すなわち以下の式で表わされる。

ここでＨは外的に与えられた磁場である。
図９は、単位磁気モーメントを示す図である。スピンにより磁束Φが発生する。その磁束により磁気モーメントが生じ、磁気モーメントは磁束に比例する。

磁気モーメントはスピンにより生じた磁流に比例する（図９）。その値は、磁性体の巨視的なパラメータ、すなわち磁性Ｍから算出され得る。したがって、磁気モーメントｐは以下の式で表わされる。

ｐ＝Ｍ／（μ₀・ｄ）

ここで、μ₀は真空中の透磁率であり、ｄは磁気モーメント長さである。次に、外部磁場Ｈ＝Ｂ／μ₀に位置する、この磁気モーメントｐに作用する力Ｆは以下に等しい。

次に、ロータ軸から間隔（半径）Ｒだけ離れた何らかの態様で据付けられた磁気モーメントｐに対して作用する機械的モーメントＮ_Pは以下のように推定され得る。

この簡単な推定から、薄層技術を使用する重要性が示される（図１３と比較）。というのも、ｄパラメータは基本的な磁石（スピン）の長さを表わすばかりでなく、層の厚み範囲をも表わすからである。このプロジェクトの目的のためには、この範囲は単一の強磁性層についておよそ（５ｎｍから１００ｎｍ）に等しい。

Ｍ量は所与の材料のマクロパラメータとして扱われ得る。このように、それはサンプル（ロータ）の全体の磁性（磁気モーメント）を表わす。非磁性のフタロシアニンの場合、それは０．００１〜０．００２ｅｍｕ／グラム（Ａ・ｍ²／ｋｇ）に等しい。以下のデータ、すなわちロータの直径２Ｒ＝５ｃｍ、外部磁場の磁場誘導Ｂ＝１Ｔ、層の厚みｄ＝１０ｎｍを仮定すると、機械的トルクについてＮ_P＝０．１２５・１０⁴Ｎｍが得られる。これにより、角周波数１０００Ｈｚで動作するロータ（１層＝１０ｎｍ）の場合、１０⁷Ｗ（１０００ｋＷ）のオーダのパワーが与えられる。この完全な場合は、漂遊磁場、スピン反転に必要なエネルギを含まない（図１３と比較）。たとえば、既知の金属の場合（コバルト）についてのこのエネルギの推定は、１０００Ｈｚの周波数で切換えられるべき１リットルについての５ｋＷの値を与える。しかしながら、金属材料における量子のエネルギは結晶起源の磁気異方性（マクロ規模で）からの結果であることに注目されたい。磁性有機材料の場合、このエネルギはより低い場合もある。

トルク生成の古典的なメカニズム（図１２）は、局所的な光の影響に関連し、明らかに主に半導体において適用され得る。半導体の利点は、電荷担体の濃度が空間において局所的に（ロータのエッジの近くの領域で）変化させることができる点である。このメカニズムの欠点は、拡散電流がその性質において熱的であり、通常の電流ほど速くない点である。この弱い効果は、電流の流れの間にレンツの法則からの結果である負の要因を補償し得ることが予想され得る。一方で、上記流れをパターン化したロータの場合（図１１と比較）には阻止可能であり、トルク生成の問題を量子のメカニズムのみに還元する。

図１０は、量子モータの図であり、図１０の（Ａ）は量子モータのロータおよびステータの斜視図であり、図１０の（Ｂ）は分解斜視図であり、図１０の（Ｃ）はロータを拡大して示す断面図である。図１０の（Ａ）から（Ｃ）を参照して、ロータ６０はスピン型の量子ロータである。レーザダイオードからなる光源から放たれた光はＮ極永久磁石２０の孔２１を透過してロータ６０へ達する。ステータ８０の一部分であるＮ極永久磁石２０は光を供給するための孔２１を有する。感光性のロータ６０は強磁性材料と反強磁性材料との積層構造である。図１０の（Ｃ）で示されるように、基板５１上に反強磁性材料５０が設けられ、その上に機能材料４０が設けられる。反強磁性材料５０の厚みは１０から２００ｎｍである。強磁性材料である機能材料４０の厚みは２から５０ｎｍである。

図１１は、ロータの平面図であり、図１１の（Ａ）は連続的なロータの平面図であり、図１１の（Ｂ）は放射状にパターンが設けられたロータの平面図であり、図１１の（Ｃ）は放射状かつ円周状にパターンが設けられたロータの平面図である。図１１の（Ａ）で示すようにロータ６０が１つの領域で形成されていてもよい。

また図１１の（Ｂ）で示すようにロータ６０が中央から放射状に延びるような線で複数個に分割されていてもよい。

また、図１１の（Ｃ）で示すように放射状に延びる線と同心円とによりロータ６０の表面の領域が分割されていてもよい。

図１１（Ｂ）および（Ｃ）で示すような分割形状に応じて永久磁石がステータに配置されてもよい。

図１２は、電子の流れを説明するために示す量子モータの斜視図であり、図１２の（Ａ）はステータおよびロータの斜視図であり、図１２の（Ｂ）は量子モータの分解斜視図であり、図１２の（Ｃ）はロータの平面図であり、図１２の（Ｄ）は電子の位置とエネルギとの関係を示すグラフである。図１２を参照して、ロータ６０に光９２が当ると図１２の（Ｃ）で示すように中心に向かって電子が流れる。これは図１２の（Ｄ）を用いて説明される。すなわち、中心から外側に向かうにつれて電子のエネルギは高くなる。これは、光９２の照射によるものである。したがって、エネルギが高くなった外周部の電子が中心へ向かって流れる。これが図１２中の矢印で示されるような中心部へ向かう電子の流れを示している。

このように電子が流れることで電流が発生し、電流と直交する方向に印加される磁場とが作用してロータを回転させる方向の力が発生する。

図１３は、スピンの反転を説明するために示す量子モータの図であり、図１３の（Ａ）は量子モータのロータおよびステ−タの斜視図であり、図１３の（Ｂ）は機能材料を拡大して示す図であり、図１３の（Ｃ）はスピンの反転を説明するための図である。図１３の（Ａ）で示されるように、ステータ８０のＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０の間にロータ６０が配置されている。ロータ６０はシャフト１００と接続されている。

図１３の（Ｂ）で示されるように、スピン４１が機能材料４０内に存在し、この向きが変更されることによりそれぞれのスピン４１とステータ８０との間の相互作用により矢印Ｒで示す方向の回転力が発生する。スピン４１の向きが反転するまではステータ８０とスピン４１が引合い、反転した後はステータ８０とスピン４１とが反発するように構成する。

図１３の（Ｃ）を参照して、最大の磁気スピンエネルギ状態からスピンが反転し最小の磁気スピンエネルギ状態となる。これは光またはその他の外部的な要素により回復される。図１３では量子メカニズムおよびバイアス交換作用に基づくトルクが発生している間のスピンの反転の詳細を示している。

次に、モータの制御方法について述べる。
光トリガとなるＬＥＤのスイッチング周波数を変えることで、モータの回転数を制御する。

光の色（波長）または強度を変えることで、電子の励起レベルを制御、または電子スピンの角運動量を制御できるため、トルクを制御できる。

また図８において、光照射を外周部ではなく内側にし、励起電子の拡散方向を逆向きにすることで、回転方向を反転させることができる。すなわちＬＥＤの配置と点灯のタイミングを制御することで、正転／反転の制御ができる。

また、外部磁場となる磁石の配置を、励起状態の材料と組合せた方向を順方向と仮定すると、磁石の配置をずらし、図６のようにレスト状態の材料と組合せれば逆方向の回転運動を得ることができる。この場合、外部磁場を電磁コイルなどで自由にコントロールできるようなステータを設計すれば、外部から電磁力を制御することで正転／反転の制御が可能となる。

また、回転軸に発電専用の回転機を接続すれば、従来モータのような回生エネルギを得ることができる。本発明は、たとえば回転軸を設けずシステム全体を直線状に構成した、量子リニアモータに用いることができる。

また、光源として太陽光を利用し、半永久動作可能な屋外用途のモータとして用いることができる。

また、光源に太陽光を利用し、ロータを回転させることにより発電される、半永久的に動作が可能な太陽光発電装置として用いることができる。

また、ロータ部分を独立させディスク型の製品とし、ポータブルなエネルギ源として利用することもできる。この場合、外部磁場と光トリガを供給する別体の装置との組合せで使用することが可能である。

さらに、ロータディスク単体で持ち歩く際に必要となる、準安定的な有機材料の薄膜を保護するためのコーティング材料として用いることができる。

本発明の概要は、以下のように説明される。
（１）本発明では、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅなどの強磁性体とフタロシアニンを合成し、電子的または磁性的に準安定な強磁性材料を創出する。基本材料の合成として、水素フタロシアニンをベースとし、水素をＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅなどに置換した金属フタロシアニンとの合成材料を作る。金属原子への置換により、分子内に空孔が生成される。この空間内を電子が移動すること、または空間内で電子スピンが変化することによって、材料の磁性を変えることができる。

機能電子の供給に関し、電子の供給源として、水素／金属フタロシアニンにＮａ、Ｋ、Ａｌ、Ｍｇなどのアルカリ金属を合成する。アルカリ金属から供給される電子により、材料内の量子的磁力が分子内を伝わり、常温以上で材料の磁性を制御することが可能となる。

（２）上記の材料を用い、外部から光などのエネルギを用い材料の電子密度分布や電子スピンを制御することで材料物性を変化させることができる。

（３）さらにこの操作を予め設定した外部磁場内で行ない、その結果として生じる材料に働く力を、機械的エネルギとして取出すことを基本原理とした駆動装置が提供される。

（４）（１）から（３）の基本発明を利用した、回転運動を得るための基本構成が図５で示される。ロータ６０では上記（１）の材料が用いられる。（１）の材料は単分子程度の薄膜で、特に電子スピンを制御した際に所定の機能が得られるよう、反強磁性材料５０と層状に組合されている。これは図１０でも示されている。

２層１組で１つの機能材料を構成する。ロータとしては、この機能材料を何層にも多層に重ね、最下層に保持材として基板材料を構成する。機能材料の膜厚（２層）は１００〜３００ｎｍであるため、たとえば厚みｔ＝１ｃｍ程度のロータを想定した場合、基板材料の厚みを５ｍｍとすると数万層オーダの機能材料を積み重ねることが可能である。

（５）光を入力エネルギ（トリガ）とした場合、ロータ６０は透明性を保たなければならない。

（６）図５に示すように、ロータ６０は１対の永久磁石などによる外部磁場内に配置され、ロータ６０の中心には回転軸が設けられる。図示した要領でロータ６０の特定部位（ここでは外周部）に光を照射すると、準安定部分が光励起され、内部に電子密度分布変化による電流が発生し、フレミングの左手の法則に従い磁場と電流それぞれと直角の方向に力が働くため、ロータが回転を始める。同時に、準安定部分の電子スピンが反転することにより、外部磁場と反発する方向に力が発生するため、回転力はさらに強まる。一方、図５においてロータ６０の右半分には外部磁場も光トリガも与えない。これは材料をレストするためである。レスト部分を設けることにより、材料内電子のエネルギポテンシャルと、電子スピンは元の状態に戻り、次の励起に備えることができる。材料の持つ量子エネルギを、デバイス出力として機械的なエネルギに変換する過程において、励起部分とレスト部分とを交互に配置することは本発明の大きな特徴の１つであり、デバイスとしての重要な設計要件となる。

本発明に従った量子モータ１０は、外部から量子的特性を制御可能な機能材料４０を含むロータ６０と、ロータ６０に磁場を印加する磁場印加部としてのＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０と、ロータ６０の量子的特性を変化させる可変部としての光源９０とを備える。光源９０がロータ６０の量子的特性を変化させてロータ６０に回転力が生じてロータ６０が回転する。

光源９０はロータ６０に外部から物理エネルギを与えることによりロータ６０の量子的特性を制御する。

ロータ６０は反強磁性材料５０と機能材料４０とを含んで構成される。
物理的エネルギは、ロータ６０の一部分に与えられる。光源９０がロータ６０の量子的特性を変化させてロータ６０内で電流が流れ、その電流と磁場とが作用してロータ６０に回転力が生じる。光源９０がロータ６０の量子的特性を変化させてロータ６０と磁場との相互作用によりロータ６０に回転力が生じる。

量子モータ１０は、一部に電磁波が照射されることで照射された部分から他の部分へ電流が流れる材料を含むロータ６０と、ロータ６０に磁場を印加するＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０と、ロータ６０の一部に電磁波を照射する照射部としての光源９０とを備え、光源９０がロータ６０の一部に電磁波を照射することで照射された部分から他の部分へ電流が流れ、その電流と磁場との相互作用によりロータ６０が回転する。

（実施の形態２）
図１４は、この発明の実施の形態２に従った量子モータの斜視図である。図１４を参照して、機能材料４０内でスピン４１が存在し、スピン４１はある時点で反転する。このときの反転として、たとえば外部からの何らかの物理的な力を用いることが可能である。またスピン４１が反転する前には、スピン４１の各々はステータ８０を構成するＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０と引き合い、スピンが反転した後は、スピン４１はＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０と反発し合うようにすれば、ロータ６０に力が加わりロータ６０が回転する。

図１５は、この発明の実施の形態２に従った量子モータを詳細に示す斜視図である。図１５を参照して、量子モータ１０は、外部からの作用により磁気モーメント（スピン４１）の向きを変化させることが可能な材料を含むロータ６０と、ロータ６０に磁場を印加する磁場印加部としてのＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０と、ロータ６０に作用してロータ６０のスピン４１の向きを変化させることが可能な可変部としての光源８０１，８０２とを備える。ロータ６０がＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０に近づく方向に移動しているときにはロータ６０とＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０とが引き合い、ロータ６０がＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０から遠ざかる方向に移動しているときにはロータ６０とＮ極永久磁石２０およびＳ極永久磁石３０とが反発するように光源８０１，８０２がロータ６０のスピン４１の向きを調整する。

光源８０１，８０２は、ロータ６０に対して光（電磁波）を照射することでスピン４１の向きを変化させることが可能である。光源８０１，８０２に変えて、他の物理的な装置でスピン４１の向きを変化させることも可能である。スピン４１の矢印の先側がＳ極である。ロータ６０の上下にはＮ極永久磁石２０とＳ極永久磁石３０とが対になって配置されているため、各々のＮ極永久磁石２０とＳ極永久磁石３０とが、スピン４１と相互作用してロータ６０が回転する。機能材料４０のスピン４１は、光などの外部からのエネルギを得て向きを変える。

図１６は、機能材料を構成するＦ₁₆ＣｕＰｃの構造式を示す図である。図１７は、機能材料を構成するＶＯＰｃの構造式を示す図である。以上の実施の形態１および２においては、機能材料４０として、図１６および図１７で示すＦ₁₆ＣｕＰｃまたはＶＯＰｃを採用することも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１磁性要素、２フタロシアニン、３水素フタロシアニン、４アルカリ金属原子、１０量子モータ、２０Ｎ極永久磁石、３０Ｓ極永久磁石、４０機能材料、５０反強磁性材料、６０ロータ、７０非磁性空間、８０ステータ、９０光源。

Claims

量子的特性を制御可能な機能材料を含むロータ（６０）と、
前記ロータに磁場を印加する磁場印加部（２０）と、
前記ロータの量子的特性を変化させる可変部（９０）とを備え、
前記可変部（９０）が前記ロータ（６０）の量子的特性を変化させて前記ロータ（６０）に回転力が生じて前記ロータが回転し、
前記ロータはフタロシアニンを含む、量子モータ。
磁気モーメントの向きを変化させることが可能な材料を含むロータ（６０）と、
前記ロータ（６０）に磁場を印加する磁場印加部（８０）と、
前記ロータ（６０）に作用してロータ（６０）の磁気モーメントの向きを変化させることが可能な可変部（８０１，８０２）とを備え、
前記ロータ（６０）が前記磁場印加部（８０）に近づく方向に移動しているときには前記ロータ（６０）と前記磁場印加部（８０）とが引き合い、前記ロータ（６０）が前記磁場印加部（８０）から遠ざかる方向に移動しているときには前記ロータ（６０）と前記磁場印加部（８０）とが反発するように前記可変部（８０１，８０２）が前記ロータ（６０）の磁気モーメントの向きを調整する、量子モータ。