WO2007013579A1

WO2007013579A1 - カーボンナノチューブ駆動機構

Info

Publication number: WO2007013579A1
Application number: PCT/JP2006/314955
Authority: WO
Inventors: Tomoyoshi Horie; Tomoya Niho
Original assignee: Kyushu Institute Of Technology
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2007-02-01
Also published as: JP4867017B2; WO2007013579A9; JPWO2007013579A1

Abstract

　円筒形ＣＮＴに対して、軸方向に定常磁場を、側面から変動磁場を与えることにより、ＣＮＴ内に発生した渦電流と定常磁場により電磁力が生じる。この変動磁場を与える向きを周期的に換えることにより、ＣＮＴは上下に振動することから、この機構はナノアクチュエータとしての機能を有することになる。また、定常磁場と変動磁場を同じ方向から与え、変動磁場を与える向きを周期的に換えることにより、ＣＮＴの断面および長さを伸縮させて、ナノポンプ或いはナノプッシャーとして機能させることも可能となる。さらに、これらの動作を組み合わせることによりＣＮＴの先端が円運動をすることからナノサイズの物質を搬送する搬送機構として動作させることも可能となる。

Description

力一ボンナノチューブ駆動機構

技術分野

[0001] 本発明は、ナノマシンゃナノアクチユエータといったナノスケールの超微小機械の駆動機構に適用することのできるカーボンナノチューブ (CNT)駆動機構に関する。背景技術

[0002] 近年、分子や原子を移動操作させるナノスケールのマニピュレータやマイクロマシン、ナノマシンといった超小型機械の技術開発が盛んに行われている。しかし、これらの機械にはナノスケールの駆動機構の開発が必要となる。

[0003] このナノテクノロジーを支える基盤材料のひとつにカーボンナノチューブ（Carbon N ano Tube:CNT)がある。 1991年に飯島により発見された CNTは、炭素原子のみで構成される直径が約 1應、長さが約 1 μ mの円筒形の細長い材料である（非特許文献 1参照)。 CNTの最大の特徴として多種多様な構造が存在し、構造によって金属や半導体の性質を示すことが挙げられる。またその他の特徴として、強度が高く弾力性力 Sあることや導電率が高いことが挙げられる。これらの性質を利用して、材料の原子構造を直接観ることができるナノマニュピユレータや、原子や分子を直接操作することができるナノピンセット (非特許文献 2参照)などが開発されている。

[0004] 中山喜萬 (大阪府立大学)はナノピンセットの開発を行って、る (特許文献 1参照)。

その結果、 2本の CNTに電圧を印加するとピンセットは閉じて行き、 4. 5V以上で全閉し、電圧を取り除くと元に戻ることを明らかにしている。

特許文献 1 :特開 2002— 172600号公報

非特許文献 1 :斎藤理一郎、篠原久典、 "カーボンナノチューブの基礎と応用"、培風館、 2003

特 §午文献 2 : S. Akita and Y. Nakayama, 'Nanotwezers consisting of carbon nanotu be operating in an atomic force microscopy , APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.79 , pp.1691- 1693, 2001.

非特許文献 3 : T. Horie and T. Niho, "Electromagnetic and Mechanical Interaction A nalysis of a Thin Shell Structure Vibration in an Electromagnetic Field", Int. J. of Ap plied Electromagnetics in Material, 4, 1994, pp.363 - 368

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] これまでのカーボンナノチューブを用いたナノスケールの駆動機構は、カーボンナノチューブに電圧を印加するための配線を必要とし、また、大きな駆動力を得るためには強い電圧を印加する必要があるが、このときには駆動機構に対して絶縁破壊を防ぐための対策も必要となる。さらに、これまでのカーボンナノチューブを用いた駆動機構の動作は、一方向の屈曲動作のみといつた単純な動作である。

[0006] そこで、本発明の目的は、カーボンナノチューブに対して、配線などを必要とせずに非接触でエネルギーを供給することによって動作し、また、その動作も全方向屈曲動作や伸縮動作といった運動自由度を持ち、さらに、駆動力や動作速度も制御できる強い駆動力が発生可能なナノスケールの駆動機構を実現することである。

[0007] ナノアクチユエータゃナノマニピュレータといったナノマシンの開発には、ナノサイズの材料を駆動させる必要がある。本発明は、 CNTが高導電性材料であることに注目して、従来技術とは異なる駆動原理に基づき、電磁力を用いた CNT駆動機構を提供する。なお、駆動機構の妥当性を検討するため有限要素法による電磁構造連成解析を行なう。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明のカーボンナノチューブ駆動機構は、円筒形カーボンナノチューブに対して、定常磁場を印加する手段と、変動磁場を印加する手段を備え、変動磁場を印加することにより、カーボンナノチューブ内に渦電流を発生させ、かつ、向きが変化する渦電流と、定常磁場により電磁力を発生させることにより、カーボンナノチューブを駆動することから成る。

[0009] また、定常磁場を印加する手段は、定常磁場を前記カーボンナノチューブに対して、その中心軸の一方向から印加すると共に、変動磁場を印加する手段は、前記カーボンナノチューブに対して、その側面の一方向から印加することにより、変動磁場の向きと同じ方向の電磁力を発生させ、カーボンナノチューブを振動させて、ナノアクチユエータとして機能させる。

[0010] また、定常磁場を印加する手段は、定常磁場を前記カーボンナノチューブに対して

、その側面の一方向或いはその中心軸の一方向から印加すると共に、変動磁場を印加する手段は、カーボンナノチューブの側面或いは中心軸の一方向から、定常磁場と同一方向、或いは逆方向に変動する磁場を印加することにより、定常磁場および力一ボンナノチューブの中心軸とは直角方向或いはカーボンナノチューブの半径方向の電磁力を発生させ、カーボンナノチューブの断面を伸縮させて、ナノポンプとして機能させる、或いは、断面を伸縮させることにより中心軸方向の長さも伸縮することを利用して、ナノプッシヤーとして機能させる。

発明の効果

[0011] 本発明によれば、従来技術とは異なる駆動原理に基づき、電磁力を用いた CNT駆動機構を提供することが可能となる。これによつて、ナノサイズの材料を駆動させることができるナノァクチユエータゃナノマニピュレータといったナノマシンを開発することが可能となる。

[0012] 本発明は、カーボンナノチューブに変動磁場を印加することにより生じる電流と磁場によって生じる誘導電磁力を駆動力として用いるため、駆動のためのエネルギーを非接触で供給して動作させることができ、カーボンナノチューブに印加する磁場の方向により、曲げ動作や伸縮動作を行ない、また、カーボンナノチューブに印加する磁場の強さや変動速度を変化させることにより、駆動力や動作速度を制御できる。

[0013] また、本発明は、カーボンナノチューブの高い導電性によりカーボンナノチューブに大きな電流を発生させることができるため、大きな駆動力を発生させることが可能となる。さらに、微小領域においては強い磁場を容易に得られるため、この磁場を用いることにより大きな駆動力を発生させることが可能となる。

[0014] ナノマシンやマイクロマシンは材料創成、超微細加工、ナノ'マイクロ医療をはじめとする幅広い分野への応用が期待される。しかし、その駆動機構はこれらのマシンよりも小さいサイズで、さらに、駆動力や動作速度の制御が可能である必要がある。本発明のカーボンナノチューブ駆動機構は、これらの条件を満足するため、ナノマシンやマイクロマシンの駆動機構として採用される可能性がある。また、分子や原子といった極微小サイズのさまざまな技術の応用には、これらのサイズの物体を搬送する機構が必要であり、本発明はこれら極微小サイズの物体の搬送機構としての応用が期待される。

図面の簡単な説明

[図 1]ナノアクチユエータの駆動原理を示す図である。

[図 2]それ自体公知の CNTの立体構造を説明する図である。

[図 3]電磁構造連成現象の流れを示す図である。

[図 4]ナノアクチユエータの構成を説明する図である。

[図 5]ナノポンプの動作原理を示す図である。

[図 6]ナノポンプの構成を説明する図である。

[図 7]ナノプッシヤーの動作原理を示す図である。

[図 8]ナノプッシヤーの構成を説明する図である。

圆 9]ナノサイズ搬送機構の動作原理を示す図である。

[図 10]解析モデルを示す図である。

圆 11]円筒部とふた部の材料定数を示す表である。

圆 12]変動磁場および定常磁場の向きと拘束条件についてそれぞれ解析を行う解析ケースを示す表である。

[図 13]円筒側面を固定し定常磁場を z軸方向に与えたときの P点および Q点（図 10参照）の X軸方向の変位を示す図である。

圆 14]上下に振動していることが分力る円筒全体の変形を示す図である。

圆 15]円筒左端を固定し、定常磁場を z軸方向に与えたときの P点および Q点の X軸方向の変位を示す図である。

圆 16]上下に振動していることが分力る円筒全体の変形を示す図である。

[図 17]円筒側面を固定し、定常磁場を X軸方向に与えたときの P点および Q点の X軸方向の変位を示す図である。

圆 18]断面方向に変形していることが分力る円筒全体の変形を示す図である。

[図 19]円筒左端を拘束し、定常磁場を X軸方向に与えたときの P点および Q点の X軸方向の変位を示す図である。 [図 20]断面方向に変形していることが分力る円筒全体の変形を示す図である。

[図 21]円筒左端を拘束し、変動磁場および定常磁場を z軸方向に与えたときの P点および Q点の z軸方向の変位を示す図である。

[図 22]伸縮変形していることが分かる円筒全体の変形を示す図である。

[図 23]解析を行う各ケース毎の長さ及び分割数を示す表である。

[図 24]円筒左端を拘束し定常磁場を z軸方向に与えたときの P点の X軸方向の変位を示す図である。

[図 25]上下に振動していることが分力る円筒全体の変形を示す図である。

[図 26]円筒左端を拘束し、定常磁場を X軸方向に与えたときの P点の X軸方向の変位を示す図である。

[図 27]断面方向に変形していることが分力る円筒全体の変形を示す図である。

[図 28]解析モデルを示す図である。

[図 29]変動磁場の周波数及び解析の時間刻み幅を示す表である。

[図 30]横軸に変動磁場の周波数、縦軸に Q点における X軸方向の最大変位量をとつたグラフである。

[図 31]変動磁場の周波数が 30MHzのときの円筒の変形を示す図である。

[図 32]ナノスケール搬送機構の解析モデルを示す図である。

[図 33]カーボンナノチューブの先端の変位および軌跡を示す図である。

[図 34]カーボンナノチューブの先端が円運動をして、ることが分かる円筒全体の変形を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、ナノアクチユエータに適用した本発明の第 1の実施形態の CNT駆動機構について、ナノアクチユエータの駆動原理を示す図 1を参照して、説明する。図示のナノアクチユエータは、電磁力を用いて、 CNTを上下に振動させる機構を有している。

1.図 1 (A)のように置かれた円筒形 CNTに対して、中心軸の一方向から（図中の左から)定常磁場を与える。

2. CNTに対して、側面の一方向から（図中の下から)変動磁場を与えると、 CNT内に渦電流が発生する。 3.この渦電流と定常磁場により電磁力が生じ、円筒形 CNTの長さ方向両側の一方（図中の a点）は上方向に、他方（図中の b点）は下方向に変形する（図 1 (B) )。

4.ここで変動磁場を逆向きに与えると、 CNT内の渦電流が逆向きに流れる（図 1 (C ) )。

5.この渦電流と定常磁場により電磁力が生じ、円筒形 CNTの長さ方向両側の一方（図中の a点）は下方向に、他方（図中の b点）は上方向に変形する（図 1 (D) )。

[0017] 変動磁場を与える向きを周期的に換えることにより、 CNTは上下に振動することから、この機構はナノアクチユエータとしての機能を有することになる。以下、このナノァクチユエータ機能について、さらに説明する。

[0018] 図 2は、それ自体公知の CNTの立体構造を説明する図である。 CNTは、図示したように、炭素原子だけ力も構成される円筒形の材料である。円筒内は真空となっている。 CNTの直径は約 lnm(10— ⁹m)、長さが約 1 m(10— ⁶m)と極小で細長い形状である。これは光の波長（1 m)より小さぐ遺伝子の大きさに匹敵する。また円筒面は黒鉛 (グラフアイト）の六方格子力もなる。 CNTは円筒の卷方によって多彩に存在し、この立体構造によって金属や半導体の性質を示す。同じ物質が金属にも半導体にもなることが CNTの最大の特徴である。

[0019] 炭素の結合は原子間の結合の中で最も強いため、炭素のみで構成される CNTの引張り強度は材料中最大（10GPa〜）である。この値は剛鉄（〜2GPa)の数倍の大きさである。

[0020] また、 CNTは、電気的特性として、電流密度が高く電気輸送量が大きヽとヽぅ特徴、及び、熱的性質として、熱伝導性がよくまた耐熱性に優れている（空気中： 750度）という特徴を有している。

[0021] 図 3は、 CNTに生じる電磁構造連成現象の流れを示す図である。電磁構造連成現象とは、導電性構造物に変動磁場をかけることにより発生する渦電流と定常磁場による電磁力と、物体の変形速度と定常磁場による速度起電力が、構造物や構造物の渦電流に影響を与える現象である。

[0022] 図示したように左端を固定した円筒状の導電性構造物を例に、電磁構造連成現象の流れを説明する 1.導電性構造物に定常磁場 Bを与える（図 3 (A) )。

0

2.構造物に変動磁場

[0023] [数 1]

[0024] を与えると、構造物に渦電¾ [が発生する（図 3 (B) )。

3.定常磁場 Bとそれに垂直な渦電流成分により、 J X Bの電磁力が生じ構造物は変

0 0

形する（図 3 (C) )。

4.この変形による

[0025] [数 2] 変形速度" と定常磁場 B。により w X B Q

[0026] の速度起電力が生じる（図 3 (D) )。

5.この速度起電力により、構造物の渦電流が逆方向に流れる（図 3 (E) )。

6.この渦電流 Jと定常磁場 Bにより、 J X Bの電磁力が生じ、構造物の変形を抑えよう

0 0

とする（図 3 (F) )。

[0027] 本発明の CNT駆動機構は、このような電磁構造連成現象を利用して、 CNTを駆動する。

[0028] 図 4は、ナノアクチユエータの構成を説明する図である。カーボンナノチューブ CNT は、その片端を拘束して配置される。この CNTに対して、中心軸の一方側（例えば、拘束端側)から定常磁場を与え、かつ、側面の一方向から変動磁場を与える。これによって、前述したように、 CNT内に発生した渦電流と定常磁場により電磁力が生じ、円筒形 CNTの先端側は一方向に変形する。変動磁場を逆向きに与えることにより、電磁力が反対方向になり、円筒形 CNTの先端側は他方向に変形することになる。このようにして、 CNTの先端側に固定されたナノサイズ駆動対象物を、上下に振動させることが可能となる。

[0029] 次に、ナノポンプに適用した本発明の第 2の実施形態の CNT駆動機構について、ナノポンプの動作原理を示す図 5を参照して、説明する。図示のナノポンプは、電磁力を用いて、 CNTの断面を伸縮させる機構を有している。 1.図 5 (A)のように置かれた円筒形 CNTに対して、円筒形側面の一方向から（図中の下から)定常磁場を与える。

2. CNTに定常磁場と同じ方向力変動磁場を与えると、 CNT内に渦電流が発生する。

3.この渦電流と定常磁場により、定常磁場および CNTの中心軸と直角方向に電磁力が生じる。これによつて、定常磁場および CNTの中心軸と直角方向の両側面（図中の c, c'点）が引張られ変形する（図 5 (B) )。

4.ここで変動磁場を逆向きに与えると、 CNT内の渦電流が逆向きに流れる（図 5 (C ) )。

5.この逆向きの渦電流と定常磁場により、図 5 (B)とは逆方向の電磁力が生じ、定常磁場および CNTの中心軸と直角方向の両側面は圧縮され、変形する（図 5 (D) )。

[0030] このように、定常磁場と変動磁場を同じ方向から与え、変動磁場を与える向きを周期的に換えることにより、 CNTの断面は伸縮することから、この機構はナノポンプとしての機能を有することになる。

[0031] 図 6は、ナノポンプの構成を説明する図である。図示のように配置された円筒形力一ボンナノチューブ CNTに対して、変動電流発生装置力コイルに電流を流すことにより円筒形側面の一方向から変動磁場を与える。また、この変動電流発生装置から、一定の直流電流を重畳して流すことにより、同じコイルから同時に定常磁場を発生させることができる。これによつて、前述したように、 CNT内に発生した渦電流と定常磁場により、定常磁場および CNTの中心軸と直角方向に電磁力が生じる。これによって、定常磁場および CNTの中心軸と直角方向の両側面が引張られ変形する。また、変動磁場を逆向きに与えることにより、 CNT内の渦電流が逆向きになり、 CNTの両側面は圧縮され、変形することになる。このようにして、電磁力を用いて、 CNTの断面を伸縮させることにより、円筒形 CNT内部のナノサイズ移動対象物を移動させることができるナノポンプとして機能する。

[0032] 次に、ナノプッシヤーに適用した本発明の第 3の実施形態の CNT駆動機構について、ナノプッシヤーの動作原理を示す図 7を参照して、説明する。図示のナノプッシャ一は、電磁力を用いて、 CNTの断面を伸縮させることにより中心軸方向の長さを伸縮させる機構を有している。

1.図 7 (A)のように置かれた円筒形 CNTに対して、円筒形中心軸の一方向から（図中の左から)定常磁場を与える。

3.この渦電流と定常磁場により、 CNTの半径方向外向きの電磁力が生じる。これによって、 CNTの断面が大きくなるため、これに伴いカーボンナノチューブが縮む（図 7 (B) )。

4.ここで変動磁場を逆向きに与えると、 CNT内の渦電流が逆向きに流れる（図 7 (C ) )。

5.この逆向きの渦電流と定常磁場により、図 7 (B)とは逆方向の電磁力が生じ、 CN Tの断面が圧縮されるため、これに伴いカーボンナノチューブが伸びる（図 7 (D) )。

[0033] このように、定常磁場と変動磁場を同じ方向から与え、変動磁場を与える向きを周期的に換えることにより、 CNTの断面が伸縮することによって中心軸方向の長さが伸縮することから、この機構はナノプッシヤーとしての機能を有することになる。

[0034] 図 8は、ナノプッシヤーの構成を説明する図である。図示のように配置された円筒形カーボンナノチューブ CNTに対して、変動電流発生装置力コイルに電流を流すことにより円筒形中心軸の一方向から変動磁場を与える。また、この変動電流発生装置から、一定の直流電流を重畳して流すことにより、同じコイルから同時に定常磁場を発生させることができる。前述したように、 CNT内に発生した渦電流と定常磁場により、定常磁場および CNTの半径方向の電磁力が生じる。これによつて、 CNTの断面が大きくなり、これに伴いカーボンナノチューブが縮む。また、変動磁場を逆向きに与えることにより、 CNT内の渦電流が逆向きになり、 CNTの断面が圧縮されるに伴いカーボンナノチューブが伸びる。このようにして、電磁力を用いて、 CNTの長さを伸縮させること〖こより、円筒形 CNT先端のナノサイズ移動対象物を移動させることができるナノプッシヤーとして機能する。

[0035] 次に、ナノスケール搬送装置に適用した本発明の第 4の実施形態の CNT駆動機構について、ナノサイズ搬送機構の動作原理を示す図 9を参照して、説明する。図示のナノサイズ搬送機構は、電磁力を用いて、 CNTを屈曲させる動作と、伸縮させる動作を組み合わせて、カーボンナノチューブ先端を円運動させることにより、ナノスケ一ル搬送装置として機能させる。片端を拘束した CNTを絨毯状に設置する。屈曲動作させるために、第 1のコイルから、 CNTに側面力変動磁場を、かつ、第 2のコイルに一定の電流を流すことにより、 CNTの中心軸と同じ向きの定常磁場を与えることによつて、 CNTに発生した渦電流と定常磁場により、 CNT先端を振動させる屈曲動作を行なう。また、伸縮動作させるために、この CNT側面の第 1のコイル力も定常磁場を与え、かつ、同時にこの第 1のコイルから、定常磁場と同一方向或いは逆方向に変動する磁場を印加することにより、 CNTの断面を伸縮させる伸縮動作を行なう。或いは、屈曲動作させるために、第 1のコイル、かつ、第 2のコイル力も変動磁場を与え、第 1 のコイルが作る磁場の時間変化によって生じる渦電流と第 2のコイルによる磁場によつて生じる電磁力により CNTの先端を振動させる屈曲動作を行う。また、第 2のコィルが作る磁場の時間変化によって生じる渦電流とこの第 2のコイルによる磁場によつて生じる電磁力により CNTの断面を伸縮させる伸縮動作を行う。そして、これらの動作を組み合わせることにより CNTの先端が円運動することから、この機構は、絨毯状に設置した CNTの先端側に位置するナノサイズ搬送対象物を移動させるナノサイズ搬送機構としての機能を有することになる。

実施例

[0036] 以下に示すように、 CNTを模擬した円筒モデルに対して、電磁構造連成解析を行い、 CNTが駆動機構としての可能性を持つことを確認した。さらに CNTの変形量が、円筒の長さや与える磁場の周波数により変化することを確認した。

[0037] 渦電流解析の有限要素式は

[0038] [数 3]

UT +RT-0 u= ^ ( I )

[0039] ここで、 Uはインダクダンスマトリックス、 Rはレジスタンスマトリックス、 Tは電流ポテンシャノレ、

[0040] [数 4] は速度起電力に関する項、

[0041] は外部変動磁場ベクトルである。

[0042] 構造解析の有限要素式は

[0043] [数 5]

[0044] ここで、 Mは質量マトリックス、 Kは剛性マトリックス、 uは変位、 C Tは電磁力に関す s

る項、 F^exは外荷重ベクトルである。

[0045] [数 6] と c_sT

[0046] は連成項で、式（1)と式 (2)を解くことにより、渦電流解析と構造解析の連成解析を行う (非特許文献 3参照)。

[0047] [CNTの電磁構造連成解析]

(1)磁場の向きと拘束条件による挙動の依存性

解析モデルは、図 10に示すように直径 d= 2. Onm、長さ L = 2. Onm、厚さ t=0. 1 nmの円筒形状である。電流ポテンシャルを未知変数とする渦電流解析により円筒形状問題を解析するため、円筒の右端には、非常にやわらかいふたがあるとして、このふたの抵抗率を非常に大きくすることによってふたには電流が流れな、ようにする。図 11は、円筒部とふた部の材料定数を示す表である。

[0048] 解析条件として要素分割は円周方向に 16分割、長さ方向に 10分割とする。時間刻み幅を 1.0 X 10— ⁸sec、ステップ数を 100とする。変動磁場を B=1.0sin2 π ftT(i¾MHz ),定常磁場を B=1.0Tとする。図 12は、変動磁場および定常磁場の向きと拘束条件についてそれぞれ解析を行う解析ケースを示す表である。解析結果は、以下の通りである。

[0049] Casel:円側面を固定し、変動磁場を x軸方向、定常磁場を z軸方向に与えたときの P点および Q点（図 10参照）の X軸方向の変位を、図 13に示す。図 13より、 P点の変形量は Q点の変形量より大きぐ 2つの点は同期した振動をしている。また振動の周期によって、最大振幅が異なるため、この振動は大きい振動と小さい振動を繰り返している。図 14は円筒全体の変形図で、円筒が上下に振動していることが分力る。

[0050] Ca_Se2 :円筒左端を固定し、変動磁場を X軸方向、定常磁場を z軸方向に与えたときの P点および Q点の X軸方向の変位を図 15に示す。図 15より P点と Q点の変形量は等しぐ 2つの点は対称的な振動をしている。図 16は円筒全体の変形図で、円筒が上下に振動していることが分力るが、側面固定のとき（図 14)と比べて、振動が小さいことが分力ゝる。

[0051] Ca_Se3 :円筒側面を固定し、変動磁場を X軸方向、定常磁場を X軸方向に与えたときの P点および Q点の X軸方向の変位を図 17に示す。図 17より P点の変形量は Q点の変形量より 2倍近くあり、 2つの点は同期した振動をしている。図 18は円筒全体の変形図で、円筒が断面方向に変形していることが分かる。

[0052] Ca_Se4 :円筒左端を拘束し、変動磁場を X軸方向、定常磁場を X軸方向に与えたときの P点および Q点の X軸方向の変位を図 19に示す。図 19より、側面を固定した場合（図 17)と比べて、 P点、 Q点とも変形量が少ないことが分かる。側面固定の場合は 2点が同期した振動をして、たが、このケースにぉ、ては 2点が対称的な変形をして、る。また最大振幅は 2点とも同じである。図 20は、円筒全体の変形図で、円筒が断面方向に変形して、ることが分かる。

[0053] Ca_Se5 :円筒左端を拘束し、変動磁場を z軸方向、定常磁場を z軸方向に与えたときの P点および Q点の z軸方向の変位を図 21に示す。図 21より P点と Q点の変形量は等しぐ同期した振動をしている。図 22は、円筒全体の変形図で、円筒が断面方向に変形し、また、この変形に伴ってカーボンナノチューブがその中心軸方向に伸縮運動をしていることが分かる。

[0054] これらの結果より、円筒形に変動磁場を与えると、円筒内に渦電流が発生することが確認できる。変動磁場を X軸方向、定常磁場を z軸方向に与えた場合、円筒は上下に振動するという結果は、図 1を参照して説明したナノアクチユエータの動作説明と一致する。また、変動磁場を X軸方向、定常磁場を X軸方向に与えた場合も同様に、図 5を参照して説明したナノポンプの動作説明と一致する。また、変動磁場を z軸方向、定常磁場を z軸方向に与えた場合も同様に、図 7を参照して説明したナノプッシヤーの動作説明と一致する。 [0055] 側面を固定した場合、円筒形は拘束の影響を受けにくいために変形しやすぐ円筒左端を固定した場合は、拘束の影響を受けやすいために変形しにくい。しかし円筒左端を固定した場合でも、円筒の長さが十分であれば円筒の先端は拘束の影響を受けに《なるので、変形しやすいと考えられる。また左端を固定した場合、 P点と Q 点の変形量が等しいため、円筒の振動は一定と考えられる。

[0056] この駆動方法について、円筒側面を固定すると変形しやすいことが確認できたが、円筒側面を固定することはナノスケールの構造物の場合、困難だと考えられる。つまり円筒左端を固定した状態での駆動が有効だと考えられる。

[0057] (2)長さによる挙動の依存性

CNTの長さによる挙動の依存性の解析を行う。解析モデルは、図 10に示すように、直径 d= 2. Onm、長さ L = 2. Onm、厚さ t=0. lnmの円筒形状である。材料定数につヽては図 11に示す値を用いる。

[0058] 解析条件として、要素分割は円周方向に 16分割とし、長さ方向については図 23に示すようにする。拘束条件として、円筒の左端を固定する。時間刻み幅を 1.0 X 10— ⁸se c、ステップ数を 100とする。変動磁場8 = 1.03 2兀11丁(1^3\11¾)を軸方向に与ぇる。図 23に示す長さの異なるモデルについて、定常磁場 B = 1.0Tを z軸方向に与えたときと、 X軸方向に与えたときの解析をそれぞれ行う。

[0059] 定常磁場を z軸方向に与えた場合の解析結果は、以下の通りである。

[0060] 円筒左端を拘束し定常磁場を z軸方向に与えたときの P点の X軸方向の変位を図 2 4に示す。図 24より、円筒の長さが長くなるにつれて、 P点の変形量が非常に大きくなつていることがわかる。また、振動の周期はどの長さとも同じであるため、自由端における変位の速度は円筒が長いほど速い。円筒の長さが lOnmまでの解析をおこなつたが、実際には円筒の長さは直径の 1000倍となることもあるので、弱い磁場でも変形しやすいと考えられる。図 25は円筒全体の変形図で、円筒が上下に振動していることが分かる。図 16の結果と比べても分力るように、長さが長くなると円筒先端 (P点、 Q点）の変形量が非常に大きくなつていることが確認できる。

[0061] 定常磁場を X軸方向に与えた場合の解析結果は、以下の通りである。円筒左端を拘束し、定常磁場を X軸方向に与えたときの P点の X軸方向の変位を図 26に示す。図 26より円筒の長さが長くなるにつれて、 P点の変形量が大きくなつているが、長さが 4 nmと lOnmの変形量はあまり変わらないことがわかる。長さを lOnm以上にしても、円筒先端の変形量はある一定の値に収束すると考えられる。図 27は円筒全体の変形図で、円筒が断面方向に変形していることがわ力る。

[0062] どのケースにおいても円筒の長さが長くなると変形量は大きくなつた。し力定常磁場を z軸方向に与えた場合は、変形量が円筒の長さに比例して急激に大きくなるのに対して、定常磁場を X軸方向力与えた場合は、円筒の長さが長くなるにつれて変形量に変化がみられなくなった。つまり円筒を上下に振動させる機構の場合には円筒の長さの影響を受けるが、円筒断面を伸縮させる機構の場合にはあまり影響がないことがわ力る。

[0063] (3)周波数による挙動の依存性

周波数による挙動の依存性の解析を行う。解析モデルは図 28のような直径 d= 2. Onm、長さ L= 10. Onm、厚さ t=0. lnmの円筒形状である。材料定数については図 11に示す値を用いる。

[0064] 解析条件として、要素分割は円周方向に 16分割、長さ方向に 50分割とする。拘束条件として、円筒の左端を固定する。変動磁場 = 1.(^112 71 11丁を軸方向に与ぇる。定常磁場 B= l. OTを X軸方向に与えたときについて、周波数 fを 3Hzから除々に上げて解析を行う。図 29は、変動磁場の周波数及び解析の時間刻み幅を示す表である。

[0065] 解析結果は、以下の通りである。図 30は、横軸に変動磁場の周波数、縦軸に Q点における X軸方向の最大変位量をとつたグラフである。図 30より変動磁場の周波数が大きくなるほど、 Q点における X軸方向の最大変位量も大きくなつていることがわかる。図 31に変動磁場の周波数が 30MHzのときの円筒の変形図を示す。図 31より、円筒が断面方向に変形して、ることがわ力る。

[0066] 変動磁場の周波数が円筒の固有振動数に近づくと、円筒は共振を起こし、変形しやすくなると考えられる。そこで、円筒形の固有振動数を求める。

[0067] 理論的にこの円筒形の固有振動数を求めると円筒面内の固有振動数 fは以下の式で与えられる。ただし境界条件を無拘束としている。 [0068] [数 7]

[0069] ここで、 Eはヤング率、 Iは断面次モーメント、 Vはポアソン比、 Rは半径である。この式より固有振動数 fを求めると、 f^3.0 X 10¹²[Hz]となる。図 30から変動磁場の周波数がこの 3.0 X 10¹²[Hz]に近づくに従、変形が大きくなつて、ることが確認できる。

[0070] (4)屈曲動作と伸縮動作の組み合わせによるナノスケール搬送機構の検証

解析モデルは、図 32に示すように直径 d= 2. Onm、長さ L= 10. Onm、厚さ t=0. Inmの円筒形状である。材料定数としては図 11に示す値を用い、解析条件として要素分割は円周方向に 16分割、長さ方向に 20分割とする。時間刻み幅は 1.0 X 10— ⁸se c、ステップ数は 1500とする。

O50k Hz)、

O50kHz)とする。

[0071] P点の X軸方向および z軸方向の変位およびその軌跡を図 33に示す。図 33より P点力軸方向と z軸方向に変形し、また、その軌跡が円となっていることがわかる。図 34 は、円筒全体の変形図で、屈曲運動と伸縮運動の組み合わせによって円筒の先端が円運動を行うため、ナノスケール搬送機構として動作することが確認される。

Claims

請求の範囲

[1] 円筒形カーボンナノチューブに対して、定常磁場を印加する手段と、変動磁場を印加する手段を備え、変動磁場を印加することにより、前記カーボンナノチューブ内に渦電流を発生させ、かつ、向きが変化する前記渦電流と、前記定常磁場により電磁力を発生させることにより、前記カーボンナノチューブを駆動することから成るカーボンナノチューブ駆動機構。

[2] 前記定常磁場を印加する手段は、定常磁場を前記カーボンナノチューブに対して、その中心軸の一方向から印加すると共に、変動磁場を印加する手段は、前記カーボンナノチューブに対して、その側面の一方向から印加することにより、変動磁場の向きと同じ方向の電磁力を発生させ、前記カーボンナノチューブを振動させて、ナノアクチユエータとして機能させる請求項 1に記載のカーボンナノチューブ駆動機構。

[3] 前記定常磁場を印加する手段は、定常磁場を前記カーボンナノチューブに対して、その側面の一方向から印加すると共に、変動磁場を印加する手段は、カーボンナノチューブの側面に対して、前記定常磁場と同一方向、或いは逆方向に変動する磁場を印加することにより、前記定常磁場およびカーボンナノチューブの中心軸とは直角方向の電磁力を発生させ、前記カーボンナノチューブの断面を伸縮させて、ナノポンプとして機能させる請求項 1に記載のカーボンナノチューブ駆動機構。

[4] 前記定常磁場を印加する手段は、定常磁場を前記カーボンナノチューブに対して、その中心軸の一方向から印加すると共に、変動磁場を印加する手段は、カーボンナノチューブの中心軸の一方向から、前記定常磁場と同一方向、或いは逆方向に変動する磁場を印加することにより、カーボンナノチューブの半径方向の電磁力を発生させ、前記カーボンナノチューブの断面を伸縮させることにより中心軸方向の長さも伸縮することを利用して、ナノプッシヤーとして機能させる請求項 1に記載のカーボンナノチューブ駆動機構。

[5] 前記定常磁場を印加する手段は、片端を拘束した前記カーボンナノチューブに対して、その中心軸の一方向力も定常磁場を印加すると共に、変動磁場を印加する手段は、前記カーボンナノチューブに対して、その側面の一方向から印加することにより、前記カーボンナノチューブを振動させる屈曲動作と、前記定常磁場を印加する手段は、定常磁場を前記カーボンナノチューブに対して、その側面の一方向から印加すると共に、変動磁場を印加する手段は、カーボンナノチューブの側面の一方向から、前記定常磁場と同一方向、或いは逆方向に変動する磁場を印加することにより、カーボンナノチューブの中心軸とは直角方向の電磁力を発生させ、前記カーボンナノチューブの断面を伸縮させることにより生じるカーボンナノチューブの伸縮動作を組み合わせて、

或いは、前記変動磁場を印加する手段は、片端を拘束した前記カーボンナノチューブに対して、その側面の一方向から磁場を印加すると共に、変動磁場を印加する手段は、前記カーボンナノチューブに対して、その中心軸の一方向から印加することにより、前記カーボンナノチューブを振動させる屈曲動作と、

前記変動磁場を印加する手段は、変動磁場を前記カーボンナノチューブに対して、その中心軸の一方向から印加することにより、カーボンナノチューブの中心軸の半径方向の電磁力を発生させ、前記カーボンナノチューブの断面を伸縮させることにより生じるカーボンナノチューブの伸縮動作を組み合わせて、

カーボンナノチューブ先端を円運動させることにより、ナノスケール搬送装置として機能させる請求項 1に記載のカーボンナノチューブ駆動機構。