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公開番号2021044896
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210318
出願番号2019164133
出願日20190910
発明の名称微小機械
出願人個人
代理人
主分類H02N 11/00 20060101AFI20210219BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】ブラウン運動を利用して動作する微小機械を提供する。
【解決手段】本発明のある実施形態に係る微小機械1は、磁石10と、コイル20とを備える。磁石10とコイル20との間の相対的な位置関係はブラウン運動により変化する。ブラウン運動による相対的な位置関係の変化に応じた電磁誘導により、コイル20に電圧が発生する。ブラウン運動を利用して磁石10とコイル20との間の相対的な位置関係を変化させる。ブラウン運動により、磁石10とコイル20との間の相対的な位置関係はランダムに変化する。位置関係がランダムに変化する過程で、磁石10はコイル20に相対的に接近したり離れたりし、電磁誘導によりコイル20に電圧が発生する。これにより、ブラウン運動から電力を発生させることができる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
磁石と、
コイルと、
を備え、
前記磁石と前記コイルとの間の相対的な位置関係はブラウン運動により変化し、
前記ブラウン運動による前記相対的な位置関係の変化に応じた電磁誘導により、前記コイルに電圧が発生する、微小機械。
続きを表示(約 2,000 文字)【請求項2】
前記磁石は、前記ブラウン運動により前記コイルに対して移動する、請求項1に記載の微小機械。
【請求項3】
前記コイルに接続された負荷をさらに備え、
前記電磁誘導により前記コイルに流れる電流が前記負荷に供給される、請求項1または2に記載の微小機械。
【請求項4】
前記電流が供給された前記負荷は、熱を発生させる、請求項3に記載の微小機械。
【請求項5】
前記磁石および前記コイルは、第1エリアに位置し、
前記負荷は、第1エリアとは異なる第2エリアに位置し、
前記負荷が熱を発生させることで、前記第2エリアの温度は前記第1エリアの温度よりも高くなる、請求項4に記載の微小機械。
【請求項6】
前記第1エリアと前記第2エリアとの間には壁が設けられている、請求項5に記載の微小機械。
【請求項7】
熱電素子をさらに備え、
前記熱電素子には前記負荷が発生させた熱が供給される、請求項4から6のいずれかに記載の微小機械。
【請求項8】
複数の前記磁石と、
複数の前記コイルと、
複数の前記負荷と、
複数の第1エリアと、
前記複数の第1エリアとは異なる第2エリアと、
を備え、
前記複数の磁石は、前記複数の第1エリアのうちの互いに異なる第1エリアに位置し、
前記複数のコイルは、前記複数の第1エリアのうちの互いに異なる第1エリアに位置し、
前記複数の負荷は、前記第2エリアに位置し、
前記複数の負荷のうちの電流が流れた前記負荷は熱を発生させる、請求項3または4に記載の微小機械。
【請求項9】
複数の前記コイルを備え、
前記磁石と前記複数のコイルとの間の相対的な位置関係はブラウン運動により変化し、
前記ブラウン運動による前記相対的な位置関係の変化に応じた電磁誘導により、前記複数のコイルの少なくとも一つに電圧が発生する、請求項1から6のいずれかに記載の微小機械。
【請求項10】
前記複数のコイルに接続された複数の負荷をさらに備え、
前記電磁誘導により少なくとも一つの前記コイルに流れる電流が、前記少なくとも一つのコイルに接続された少なくとも一つの前記負荷に供給される、請求項9に記載の微小機械。
【請求項11】
前記磁石および前記複数のコイルは、第1エリアに位置し、
前記複数の負荷は、前記第1エリアとは異なる第2エリアに位置し、
前記複数の負荷のうちの電流が流れた前記負荷は熱を発生させる、請求項10に記載の微小機械。
【請求項12】
熱電素子をさらに備え、
前記熱電素子には複数の前記負荷が発生させた熱が供給される、請求項8、10および11のいずれかに記載の微小機械。
【請求項13】
前記磁石と前記コイルの少なくとも一方は、コーティング膜で被覆されている、請求項1から12のいずれかに記載の微小機械。
【請求項14】
前記磁石と前記コイルの少なくとも一方は、分散剤で被覆されている、請求項1から13のいずれかに記載の微小機械。
【請求項15】
前記磁石と前記コイルの少なくとも一方は、界面活性剤で被覆されている、請求項1から14のいずれかに記載の微小機械。
【請求項16】
前記磁石に設けられた回転軸をさらに備え、
前記磁石は、ブラウン運動により回転する、請求項1から15のいずれかに記載の微小機械。
【請求項17】
回転可能な回転部材をさらに備え、
前記磁石は、前記回転部材に設けられ、
前記磁石は、ブラウン運動により前記回転部材とともに回転する、請求項1から15のいずれかに記載の微小機械。
【請求項18】
エレクトレットと、
第1電極と、
前記エレクトレットに接続された第2電極と、
を備え、
前記エレクトレットと前記第1電極との間の相対的な位置関係はブラウン運動により変化し、
前記ブラウン運動による前記相対的な位置関係の変化に応じて電力が発生する、微小機械。
【請求項19】
前記エレクトレットは、前記ブラウン運動により前記第1電極に対して移動する、請求項18に記載の微小機械。
【請求項20】
前記第1電極および前記第2電極に接続された負荷をさらに備え、
静電誘導により発生した電流が前記負荷を流れる、請求項18または19に記載の微小機械。
【請求項21】
前記エレクトレットは、回転軸に対して非対称に設けられている、請求項18から20のいずれかに記載の微小機械。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、ブラウン運動を利用する微小機械に関する。
続きを表示(約 3,800 文字)【背景技術】
【0002】
環境から得られる微弱なエネルギーを集めて利用するエネルギーハーベスティング技術がある。エネルギーハーベスティング技術では、例えば、環境中の振動、熱および電磁波などの様々な形態のエネルギーを電力に変換する。
【0003】
非特許文献1には、分子の熱運動から利用可能なエネルギーを得る装置(ブラウン・ラチェット:Brownian ratchet)が提案されている。ブラウン・ラチェットは、ファインマンのラチェット(Feynman’s ratchet)、ファインマンのサーマルラチェット(Feynman’s thermal ratchet)などとも称される。
【0004】
非特許文献2には、ブラウン運動により回転するナノスケールの粒子を監視し、マクスウェルの悪魔と呼ばれる物理現象を実現する方法を提案している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
ファインマン物理学 II 光・熱・波動 岩波書店 1986年発行
Nature Physics volume6, pages988-992 (2010) “Experimental demonstration of information−to−energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality” 2010年11月14日公開
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ブラウン・ラチェットモデルでは、微小な羽根車にラチェット機構が接続されている。羽根車の回転軸には、錘が付いた紐が取り付けられている。羽根車の周囲には気体または液体の流体が存在する。その流体中の多数の分子が羽根車にランダムに衝突し、羽根車を揺動させる。熱運動する分子が物体にランダムに衝突することによりその物体に発生する運動は、ブラウン運動と呼ばれる。ブラウン運動により羽根車が回転する方向はランダムに変化する。ラチェット機構は、分子が衝突する羽根車を概ね一方向に回転させるために、羽根車に接続されている。ブラウン・ラチェットモデルは、羽根車を一方向に回転させ、紐が回転軸に巻かれることにより、錘を持ち上げようとする機構である。すなわち、ブラウン・ラチェットモデルは、ブラウン運動を利用して錘に対して仕事を行おうとする機構である。
【0007】
しかし、非特許文献1の中で、著者であるリチャード・フィリップス・ファインマンは、上記のようなブラウン・ラチェットモデルは物理学的には実現できないと考察している。具体的には、ラチェット機構の歯止め(爪)自体もブラウン運動により揺動し、歯止めが歯車から離れるため、羽根車の回転を一方向に制限することはできないとファインマンは考察している。ラチェット機構が機能せず、羽根車の回転方向がランダムに変化してしまうと、錘を継続的に上昇させることはできない。
【0008】
非特許文献2では、ランダムに回転するナノスケールの粒子を監視し、粒子に印加する電場を制御することで、粒子の回転を一方向に偏らせている。非特許文献2に示す方法では、ナノスケールの粒子の運動をカメラ等で監視する必要があり、この監視によりエントロピーが増大するという課題があった。
【0009】
本発明は、ブラウン運動を利用する微小機械を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の実施形態に係る微小機械は、磁石と、コイルとを備え、前記磁石と前記コイルとの間の相対的な位置関係はブラウン運動により変化し、前記ブラウン運動による前記相対的な位置関係の変化に応じた電磁誘導により、前記コイルに電圧が発生する。
【0011】
ブラウン運動を利用して磁石とコイルとの間の相対的な位置関係を変化させる。ブラウン運動により、磁石とコイルとの間の相対的な位置関係はランダムに変化する。位置関係がランダムに変化する過程で、磁石はコイルに相対的に接近したり離れたりし、電磁誘導によりコイルに電圧が発生する。これにより、ブラウン運動から電力を発生させることができる。
【0012】
ある実施形態において、前記磁石は、前記ブラウン運動により前記コイルに対して移動してもよい。
【0013】
ブラウン運動により磁石がランダムに移動する過程で、磁石はコイルに接近したり離れたりし、電磁誘導によりコイルに電圧が発生する。これにより、ブラウン運動から電力を発生させることができる。
【0014】
ある実施形態において、前記微小機械は、前記コイルに接続された負荷をさらに備え、前記電磁誘導により前記コイルに流れる電流が前記負荷に供給されてもよい。
【0015】
これにより、ブラウン運動により発生した電力を負荷で利用することができる。
【0016】
ある実施形態において、前記電流が供給された前記負荷は、熱を発生させてもよい。
【0017】
これにより、ブラウン運動から特定のエリアに熱を発生させることができる。
【0018】
ある実施形態において、前記磁石および前記コイルは、第1エリアに位置し、前記負荷は、第1エリアとは異なる第2エリアに位置し、前記負荷が熱を発生させることで、前記第2エリアの温度は前記第1エリアの温度よりも高くなってもよい。
【0019】
ブラウン運動から第2エリアに熱を発生させることができる。例えば、第1エリアおよび第2エリアの温度が均一であったとしても、そこから第1エリアと第2エリアとの間で温度差を発生させることができる。すなわち、エントロピーを減少させることができる。これにより、物理学においてマクスウェルの悪魔(Maxwell’s demon)と呼ばれている現象を実現できる。
【0020】
ある実施形態において、前記第1エリアと前記第2エリアとの間には壁が設けられていてもよい。
【0021】
第1エリアと第2エリアとの間の熱の移動を壁が抑制することにより、第1エリアと第2エリアとの間の温度差を大きくすることができる。すなわち、エントロピーをより大きく減少させることができる。これにより、物理学においてMaxwell’s demonと呼ばれている現象を実現できる。
【0022】
ある実施形態において、前記微小機械は、熱電素子をさらに備え、前記熱電素子には前記負荷が発生させた熱が供給されてもよい。
【0023】
前記熱電素子に熱を供給することで、熱電素子に電力を発生させることができる。
【0024】
ある実施形態において、前記微小機械は、複数の前記磁石と、複数の前記コイルと、複数の前記負荷と、複数の第1エリアと、前記複数の第1エリアとは異なる第2エリアとを備え、前記複数の磁石は、前記複数の第1エリアのうちの互いに異なる第1エリアに位置し、前記複数のコイルは、前記複数の第1エリアのうちの互いに異なる第1エリアに位置し、前記複数の負荷は、前記第2エリアに位置し、前記複数の負荷のうちの電流が流れた前記負荷は熱を発生させてもよい。
【0025】
ブラウン運動から第2エリアに熱を発生させることができる。例えば、第1エリアおよび第2エリアの温度が均一であったとしても、そこから第1エリアと第2エリアとの間で温度差を発生させることができる。すなわち、エントロピーを減少させることができる。これにより、物理学においてMaxwell’s demonと呼ばれている現象を実現できる。
【0026】
ある実施形態において、複数の前記コイルを備え、前記磁石と前記複数のコイルとの間の相対的な位置関係はブラウン運動により変化し、前記ブラウン運動による前記相対的な位置関係の変化に応じた電磁誘導により、前記複数のコイルの少なくとも一つに電圧が発生してもよい。
【0027】
磁石1個に対して複数のコイルを配置することで、磁石がいずれかのコイルに接近する機会を増やすことができる。これにより、ブラウン運動による発電の機会を増やすことができる。
【0028】
ある実施形態において、前記微小機械は、前記複数のコイルに接続された複数の負荷をさらに備え、前記電磁誘導により少なくとも一つの前記コイルに流れる電流が、前記少なくとも一つのコイルに接続された少なくとも一つの前記負荷に供給されてもよい。
【0029】
ブラウン運動により発生した電力を負荷で利用することができる。
【0030】
ある実施形態において、前記磁石および前記複数のコイルは、第1エリアに位置し、前記複数の負荷は、前記第1エリアとは異なる第2エリアに位置し、前記複数の負荷のうちの電流が流れた前記負荷は熱を発生させてもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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