(57)【要約】【課題】進行方向に前後非対称形状を有する電荷搬送体に静電誘導によって電荷を注入し、当該電荷搬送体に作用する前後非対称鏡像力で、当該注入電荷を高電位迄搬送する鏡像力駆動型静電発電機では、注入される電荷が少なく、これに作用する鏡像力も小さくて、十分な出力が得られなかった。【解決手段】高電位を有する高電位源に、導体たる電荷搬送体を接近また密着させつつ当該電荷搬送体を接地し、その際に充電される電荷で当該電荷搬送体を充電する。【効果】搬送電荷量及び発電機の出力は大幅に増大する。【選択図】図１１
2020150780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電され、移動方向前後に非対称な形状を有しする導電性の電荷搬送体を、電極であり高電位を有する高電位源から、電気的に、帯電された電荷搬送体の電荷より高いポテンシャルにある電荷回収電極に向かって順方向に搬送して発電する静電発電機であって、
前記高電位源に、前記電荷搬送体を接近または接触させつつ当該電荷搬送体を接地することで、当該電荷搬送体に前記高電位源と異極性の電荷を充電させて帯電し、且つ前記非対称な形状に基づいて当該電荷搬送体と前記高電位源の電極との間に生じる逆鏡像力よりも、前記非対称な形状に基づいて当該電荷搬送体と前記電荷回収電極との間に生じる順鏡像力の方を大きくして当該電荷搬送体を順方向に駆動し、当該帯電電荷を電気的により高いポテンシャルまで持ち上げる鏡像力駆動型の静電発電機。
【請求項２】
請求項１において、前記非対称な形状を有する導電性電荷搬送体は、移動方向反対側が開放する略箱型であり、その上下の水平板の少なくとも一が、前記高電位源と接近または接触する鏡像力駆動型の静電発電機。
【請求項３】
請求項１において、高電位源と回収電極間に、当該高電位源が形成する電界において前記電荷搬送体の帯電電荷に作用する静電力を遮る、接地されたシールド電極を有する鏡像力駆動型の静電発電機。
【請求項４】
請求項１において、高電位源と複数のシールド電極を円周上に配置した静電モータ。
【請求項５】
請求項１において、高電位源と複数のシールド電極を直線的に配置した静電加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、前後非対称形状の電荷搬送体の帯電電荷に作用する鏡像力の強さが進行方向の前後で異なる現象を利用し、その鏡像力を駆動力とする充電注入型の静電発電応用機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、我々が抱える最大の課題は、地球の温暖化、即ち環境問題である。
それを解決するために、二酸化炭素を発生しない発電方法が種々採用されている。原子力発電、太陽光発電、及び風力発電等である。
しかしながら、安全性、安定性、コスト、耐久性、及び小型化等に問題があり、完璧な解決案はいまだ得られていない。これを解決できる可能性があるのが、静電発電機である。
しかし、従来型の静電発電機では、この要求にこたえられず、依然として改良が必要である。
【０００３】
静電発電機の原理は、電荷注入電極（低電位にあり、以下、注入電極という）で、電荷を電荷搬送体に注入し、これに作用する静電力に逆らって、これを電荷回収電極（高電位にあり、以下、回収電極という）まで電気的に持ち上げ、そこで当該電荷を回収するというものである。
但し、現在の代表的な静電発電機であるバンデグラーフ発電機では、電荷搬送体を静電力に逆らって搬送するために、機械的手段（電気モータ）を使用している。当該モータで消費される電力が生成される電力よりも大きいため、高電位（約100万ボルト）発生装置ではあるが、発電機とは言えない。
【０００４】
一方、鏡像力を、電荷搬送体の搬送力として使用する方式がある。鏡像力とは、電荷が金属の近くにある時、金属内に鏡像電荷が生じ、引力が発生することにより、この電荷に作用する静電気力のことである。鏡像力の強さは、電荷の二乗に比例し、金属までの距離の二乗に反比例する。
そこで、注入電極より離れた位置で、注入電極のコロナ放電により、電荷を電荷搬送体に載せることで、これらの間に作用しており、電荷搬送体を引き戻そうとする逆方向鏡像力（以下、逆鏡像力という）を弱める。そして、回収電極に接近した時に、当該電荷搬送体を回収電極に引き寄せる順方向鏡像力（以下、順鏡像力という）を相対的に強くすることができる（参考特許文献１）。この場合、電荷搬送体の形状は球形を仮定していた。
【０００５】
しかしながら、コロナ放電で電荷を与えるのは、実際には困難であり、当該静電発電機は実現しなかった。そこで、コロナ放電に代えて、静電誘導で、電荷搬送体に電荷を注入することにした。
その場合、電荷搬送体の形状は、球形よりも平板状の方が注入電荷量が多くなるので、平板状に変えた。但し、平板状では、帯電した電荷搬送体が注入電極より抜けた後に、これを引き戻そうと働く逆鏡像力と、回収電極に接近した時に、これを引き寄せようとする順鏡像力の強さが等しく、電荷搬送体を駆動するエネルギーは得られないので、平板状電荷搬送体の先端を直角に折って、横置きL字形状とした。この結果、回収電極に接近した時の順鏡像力の方が、電荷搬送体が注入電極を抜けた時の逆鏡像力より強くなり、その差で、電荷搬送体を駆動できた。
【０００６】
この静電誘導による電荷注入型の鏡像力を利用した静電発電機の構成を、参考特許文献２および非特許文献１で説明する。
図１は原理説明図で、図２は、電荷搬送体に作用する静電力をシミュレーションするための装置の正面図である。
図１、図２において、参照番号１は、接地された対抗電極２に電荷を誘導させるために設けられたの高電位の静電誘導電位源（以下、高電位源という）であり、エレクトレットにより形成され、平均値で+3165Vの電位を有する。
尚、エレクトレットに代えて、強誘電体を使用することもできる。また、エレクトレットに代えて、電極を設け、図示しない電源より当該電極に電圧を加えてもよい。
【０００７】
高電位源１の幅は1.0mmで、奥行きは1.2mm、厚さは0.05mmである。高電位源１の1.4mm真下の位置に、高電位源１と同一面積の対抗電極２が置かれる。
高電位源１及び、対抗電極２の右側面から2.0mm離れた位置に、電荷回収電極３として一対の平行平板電極が置かれる。電荷回収電極３の幅と奥行きは、高電位源や対向電極と同じである。電荷回収電極３となる平行平板電極間の間隔は、後述するＬ形状の電荷搬送体４が通り抜けられるように0.3mmに設定されている。電荷回収電極３の電位は-100Vである。
【０００８】
参照番号４は、Ｌ字形状の電荷搬送体を示している。その左右方向の幅は0.8mm、奥行きは1.0mm、厚さは0.05mm、右端の垂直壁の高さは0.2mmである。
参照番号５は、高電位源１と対向電極２の各右端の間に置かれたシールド電極である。シールド電極５は高電位源１の下0.35mmに置かれ、その長さは0.6mm、幅は0.05mmであり、接地されている。
なお、このシールド電極５を置かないと、高電位源１の正電荷が、電荷搬送体４で搬送される負電荷に強い静電引力を及ぼして、その運動エネルギーを減少させてしまう。
参照番号６は、回収電極３で電荷搬送体４から回収した電荷を蓄積するコンデンサーである。参照番号７は、電荷搬送体４に対してこれを引き戻す方向に働く逆鏡像力の、参照番号８は、電荷搬送体４に対してこれを引き寄せる方向に働く順鏡像力の各方向である。
【０００９】
無帯電の電荷搬送体４が、図高電位源１の左側から進入し、図示する高電位源１の下方位置に来た時、その電位は+59.8Vになる。対向電極２には、図示されない導電性細線が取り付けられており、この時、電荷搬送体４が当該導電性細線に接し、接地されている対向電極２と導通されると、高電位源１の正電荷によって対向電極２に静電誘導されていた負電荷が、電荷搬送体４に注入されて電荷搬送体４は負帯電する。この結果、電荷搬送体４の電位は0Vになり、注入電荷量は-9.55pCになる。
この時、注入される電荷の量は、電荷搬送体４と対向電極２の向き合う面積に比例するので、電荷搬送体４の形状は平板状が最適である。
電荷搬送体４はさらに図中右に進み、回収電極３の中に入り、搬送した電荷は回収電極３に回収される。
この行程において、電荷搬送体４の形状が、図２のように、進行方向を垂直に折り曲げた横向きL字形であると、対向電極２との間に発生する逆鏡像力は小さく、回収電極３との間に発生する順鏡像力は大きくなる。この力の差を利用して、電荷搬送体４を機械的に駆動し、且つ、電荷を電気的により高い位置に引き上げることができる。
【００１０】
ここで、図２に示す装置の構成で、二次元差分法により求めた当該電荷搬送体に作用する鏡像力を、図３と図４に示す。
図３は、電荷搬送体４が、対向電極２より出る前後の鏡像力（逆鏡像力）で、特に出た直後、すなわち、対向電極２の右端と、電荷搬送体４の左端の間隔が、0.05mmの時に最大となり、4.5μNになる。
一方、図４は、当該電荷搬送体４が回収電極３に入る前後の鏡像力（順鏡像力）を示している。特に、電荷搬送体４と回収電極３の距離が、0.1mmになった時、7.0μNとなる。なお、対向電極２と回収電極３の中間地点では、各鏡像力は作用しない。
【００１１】
図５は、逆鏡像力によって失われたエネルギーと、順鏡像力により得られたエネルギーを計算した結果を示している。
図示するように、両者の差は、約1nJあり、これを利用して、当該電荷搬送体４を機械的に駆動し、且つその帯電電荷を電気的に高電位まで持ち上げることができる。
そして、電荷搬送体４が一対の回収電極３間に入り、夫々の中心点が一致したとき、電荷搬送体４は、回収電極３と電気的に短絡されて、その電位は-100Vとなり、搬送された電荷は回収電極３に移動する。
但し、回収電極３が、完全に電荷搬送体４を外部の電界よりシールドしていないので、99.2%の電荷は回収電極３に回収されるが、0.8%の電荷は電荷搬送体４に残される。
よって、-9.55pC * 0.992 = -9.47pCの電荷が、0Vから-100Vの電位まで運ばれたので、0.947nJの静電エネルギーが創出されたことになる。
【００１２】
上記シミュレーションで確認した当該静電誘導型の静電発電機を実際に試作して実験することができるが、上記寸法の少なくとも10倍乃至30倍の大きさが必要になる。これが機械的に可能であっても、エレクトレット高電位源の電位を10倍にすることは不可能である。この場合、電位を上げず、サイズのみ10倍にすると、単位面積当たりの注入電荷量は、1/10に下がってしまう。
しかしながら、近時、電荷搬送体に、静電誘導方式とは異なり、格段に多い電荷を注入できる新しい電荷注入方式が発明されており、この新しい電荷注入方式を、鏡像力を利用する静電誘導型の静電発電機で採用すると、その注入電荷量が大幅に増加して、実使用できる可能性がある。
【００１３】
本発明の電荷注入方式では、高電位の高電位源１を対向電極２の位置に置き、電荷搬送体４と高電位源１を非常に狭い間隔で向き合わせて、電荷搬送体４を接地するものである。
詰り、高電位源１と電荷搬送体４は、その間の空気層を挟んでコンデンサーを形成するため、電荷搬送体４が接地されると、電荷搬送体４にコンデンサー充電電流が流れ込む。すなわち、コンデンサー充電型電荷注入方式であり、以下、充電型注入方式という。尚、当該電荷搬送体４と高電位源１の間隔が0.05mmの時、充電電荷量は、-448pCとなり、上記静電誘導型注入方式の約50倍となった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
[特許文献１］特開２００２−１３５４６８号公報
[特許文献２］特開２００６−３２５３９４号公報
[特許文献３］特開２００８−００５６９０号公報
【非特許文献】
【００１５】
[非特許文献１］2006年米国静電気学会年次大会予稿集P.137
[非特許文献２］[Asymmetric Electrostatic Forces and a New Electrostatic Generator], Nova Science Publishers, New York, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、鏡像力駆動型静電発電機の注入電荷量を大幅に増加させて、実際に使用できるようにすることである。
【課題を解決する為の手段】
【００１７】
上記本発明の目的は、電荷搬送体に対する電荷の注入方式を、従来の静電誘導型から充電型に変えて、当該電荷搬送体に大量の電荷を注入することで達成できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の各実施例によれば、充電型注入方式で電荷搬送体に注入される電荷量は、静電誘導方式で注入される電荷量より格段に大きいため、当該電荷搬送体が搬送できる電荷量は格段に増大し、また電荷搬送体に作用する鏡像力も格段に強くなって鏡像力駆動型静電発電機は実用（試験機及び製品）化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、従来の鏡像力駆動型発電機の原理を説明する模式図である。
【図２】図２は、従来の鏡像力駆動型静電発電機において、シミュレーションにより電荷搬送体に作用する静電力を求めるための装置正面図である。
【図３】図３は、電荷搬送体が、注入電極より出る時間前後の鏡像力（逆鏡像力）を示すグラフである。
【図４】図４は、電荷搬送体が、回収電極に入る時間前後の鏡像力（順鏡像力）を示すグラフである。
【図５】図５は、逆鏡像力によって失われたエネルギーと、順静電力により得られたエネルギーを示すグラフである。
【図６】図６は、充電型注入方式の鏡像力駆動型静電発電機の正面図である。
【図７】図７は、高電位源の電圧に対して、電荷搬送体に充電注入される電荷量を示すグラフである。
【図８】図８は、電荷搬送体に作用する順鏡像力と逆鏡像力を別々に求めた結果を示すグラフである。
【図９】図９は、順鏡像力と逆鏡像力の差と、実質の鏡像力を示すグラフである。
【図１０】図１０は、電荷搬送体が高電位源から回収電極に至る間に受ける合計静電力を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明の第一実施例を実施するための装置の構成を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、電荷搬送体が、支持体が接地された高電位源から接地された回収電極に至る間に受けた実質鏡像力を示すグラフである
【図１３】図１３は、合計静電力と、実質鏡像力、およびその差を示すグラフである。
【図１４】図１４は、第二実施例において、電荷搬送体が、高電位源からシールド電極を抜けて回収電極に至る間に受ける合計静電力を示すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明の第二実施例を実施するための装置の構成を示す斜視図である。
【図１６】図１６は、本発明の第三実施例を実施するための装置の構成を示す斜視図である。
【図１７】図１７は、第三実施例において、電荷搬送体に作用する合計静電力を示すグラフである。
【図１８】図１８は、本発明の第四実施例を実施するための装置の構成を示す斜視図である。
【発明を実施する為の形態】
【００２０】
出願人は、鏡像力駆動型静電発電機において、電荷搬送体が搬送する電荷量を大幅に増やして、当該発電機を実用化するという目的を、高電位を有する高電位源と電荷搬送体を接近させて両者間に空気層コンデンサーを形成し、電荷搬送体を接地して当該電荷搬送体に充電注入される電荷で当該電荷搬送体を大量に帯電することで実現した。
【実施例１】
【００２１】
充電型電荷注入方式を使用する鏡像力駆動型の静電発電機の実使用性を確認するために、先ず、シミュレーションで、電荷搬送体に作用する静電力を求める。その際、試作機を作成して、実験でも実使用性を確認するために、試作機のサイズは大きくした。その正面図を図６に示す。
図６において、参照番号１は、高電位源で、エレクトレット、強誘電体または高電圧が印加された電極で形成される。なお、当該高電位源１は、前記従来の鏡像力駆動型静電発電機では、静電誘導を起こさせるための誘導子１に対応する。
参照番号３は回収電極で、参照番号４は電荷搬送体である。電荷搬送体４の形状は、横置きL字形に代えて、それ２つ重ねた樋型とした。上下に、高電位源と向き合う水平板があるので、L字形の２倍の電荷が充電される。
【００２２】
高電位源１の幅は19.2mm、回収電極3の幅は32.0mm、両者間の間隔は33.0mmとした。上下高電位源１および上下回収電極３の間隔は20.4mm、上下高電位源１および上下回収電極３と、電荷搬送体４の上下水平板の間隔は5.0mmとした。電荷搬送体４は厚さ0.2mmの金属板で形成され、その横幅は10.2mm、縦は10.4mm、奥行は60.0mmである。
先ず、この構成で、高電位源１を電極とし、1乃至10kVの電圧を加えた時、電荷搬送体４に充電注入される電荷量をシミュレーションで求めた。その結果を図７に示す。図示より、高電位源１の電圧に正比例して注入電荷量が増加することが分かる。
【００２３】
次に、帯電した電荷搬送体４に、高電位源１との間に働く逆鏡像力と、回収電極３との間に働く順鏡像力を、別々にシミュレーションで求めた。
具体的には、高電位源１と回収電極３の中間点に帯電した電荷搬送体４を置き、そして回収電極３を外し、高電位源１を接地して電荷搬送体４に作用する静電力、すなわち、逆鏡像力を求めた。また、逆に、高電位源１を外し、そして回収電極３を接地して順静電力を求めた。そして、電荷搬送体４の帯電量を変えて順逆鏡像力を求めた結果を図８に示す。
図８から、順静電力は逆静電力の3倍も大きいことが分かる。また、鏡像力は、帯電電荷量の二乗に比例して強くなることも明らかである。尚、この順逆鏡像力の差が、実際の鏡像力になると思われる。
【００２４】
そこで、接地された高電位源１と接地された回収電極3の両方が存在する状態で、当該帯電した電荷搬送体４に働く静電力、すなわち、実質鏡像力を求めた。その結果を、先に求めた順逆鏡像力差と並べて図９に示す。
図９から、実質鏡像力は、別々に求めた順鏡像力と逆鏡像力の差の半分以下であることが分かる。
この理由は、接地電極が片側に一つあるときは、電荷搬送４上の帯電電荷は、ほとんど接地電極側に偏るのに対して、接地電極が両側にある場合は、帯電電荷も両側に分かれるからである。
【００２５】
当該実質鏡像力でも、その強さは、帯電量の二乗に比例して大きくなっている。ゆえに、鏡像力を利用する方式では、帯電量はできるだけ多い方がよい。
そのためには、高電位源１の電位は高いほど有利であるが、この装置の構成での試作実験機では、9ｋV以上では、高電位源１と接地された電荷搬送体４のあいだに、試作実験機では、時々放電が発生した。その間隔が、設計通りに5mmに保たれていれば放電は発生しないはずであるが、試作機の精度が悪く、電荷搬送体の軌道がずれて間隔が3mm以下になってしまったと考えられる。
【００２６】
そこで、ここでは、高電位電極１の電圧を+8.0kVとする。
その時、電荷搬送体４に充電注入する電荷量は−30.8nCである。この電荷を有する電荷搬送体４の左端が高電位源１の右端に並んだ地点から、電荷搬送体４の右端が回収電極３の左端に到達するまでの各地点で、当該電荷搬送体４が受ける静電力をシミュレーションで求めた。その結果を図１０に示す。
図１０から、電荷搬送体４の左端と高電位源１の右端の間隔が0mmから10mmの間では、左方向、すなわち、これを引き戻す方向に-2mNから-4mNの逆静電力が働くが、その後、10mmから22.8mmの間では、逆に、右方向、すなわちこれを引っ張る方向に+3mNから+5mNの順静電力が作用していることが分かる。
なお、間隔22.8mmで、電荷搬送体４の右端は、回収電極３の左端に到達する。
【００２７】
この結果、この間を、左から右に移動する電荷搬送体４は、0mmから10mm間で減速されて運動エネルギーを失い、10mmから22.8mm間で加速されて運動エネルギーを得る。この時、失うエネルギーは、-24μJで、獲得するエネルギーは+45μJである。すなわち、当該電荷搬送体４が、この間に得る正味のエネルギーは、+21μJである。
そこで、本発明の第一実施例として、長さ60mmの該電荷搬送体４を、図１１に示すように、６０度間隔で６個、半径100mmの、中心軸１６の周りを回転する電荷搬送体円板１４に放射状に配置する。この時、長さ60mmの電荷搬送体４の中心の回転半径は70mmとなる。
さらに、当該電荷搬送体円板１４の上下に、固定電極板１３、１５を配置し、上電極板１３の裏面と下電極板１５の表面に、夫々高電位源１と回収電極３を３組、対向して配置する。
電荷搬送体円板１４上の６個の電荷搬送体４は、各高電位源１通過時に電荷を供給され、高電位源１と回収電極３の間で、静電力で弱く減速され、続いて強く加速され、回収電極３の中で、搬送した電荷を放出する。
【００２８】
個々の電荷搬送体４は、高電位源１から回収電極３に至る間に、正味、21μJのエネルギーを得る。電荷搬送体円板１４が１回転する間に、高電位源１と回収電極３の間を３回通るので、１回転中に得るエネルギーは、63μJである。電荷搬送体円板１４には６個の電荷搬送体４があるので、１回転中に、電荷搬送体円板１４が得るエネルギーは、378μJになる。
当該電荷搬送体円板１４は上記したように静電力で加速されるが、一方、その回転に伴い、空気抵抗と動摩擦力を受ける。注入および回収用の導電性端子（不図示）との接触により機械的な抵抗も受けるが、導電性端子が小さくまた柔軟であるため、この力は非常に小さい。
【００２９】
尚、空気抵抗力Faは次式で求められる。
【数１】
2020150780.tif 000003
上式において、Cdは空気抵抗係数、pは空気密度、Sは６個の電荷搬送体の前面面積、及びvは電荷搬送体電極の速度である。
空気密度は1.3kg/m3、電荷搬送体４の前面面積は0.0036m2である。従って、空気抵抗係数を1.5、電荷搬送体４の回転速度を0.44m/秒（60rpm）とすると、空気抵抗力faは0.68mNとなる。
【００３０】
一方、動摩擦力fkは次式で求められる。
【数２】
2020150780.tif 000004
ここで、μは動摩擦係数、mは電荷搬送体保持円板１４と電荷搬送体４の合計質量、及びgは重力加速度である
動摩擦係数を最小にするために、電荷搬送体円板１４の回転部分と、中心軸１６をともにテフロンにした場合、動摩擦係数は0.10である。電荷搬送体円板１４の質量は0.01kgで、重力加速度は、9.81m/s2なので、動摩擦力fkは9.81mNになる。この値は、電荷搬送体４が回収電極３の近傍にあるときに受ける最大静電力5.6mNより大きく、電荷搬送体円板１４は回転できない。
しかしながら、近年発明されたADB（自律分散式）ベアリング（空スペース社製）によれば、動摩擦係数が0.0015であり、その場合動摩擦力は、0.015mNになる。
なお、当該ADBベアリングは、従来のボールベアリングが、レオナルドダビンチの発明以来、全てボール同士が接触しないように、ボールホルダーを使用しているのに対して、その機構を工夫することで、ボールホルダーを不要にして動摩擦係数を驚異的に小さくしたものである。
【００３１】
そこで、電荷搬送体円板１４の中心に、ADBベアリングを固定し、ベアリングの中心の孔にステンレス製の固定支柱１６の先端にはめ込んだ。この結果、空気抵抗と動摩擦力の合計は0.695mNとなった。
これに、不図示の導電性端子との接触時に受ける機械的な抵抗分として0.035mNを加えると、当該電荷搬送体円板１４が回転を続けるのに必要な力は0.730mNとなる。この力を加えて、電荷搬送体円板１４を１回転させるのに必要なエネルギーは321μJと見積もられる。
【００３２】
この結果、電荷搬送体円板１４の１回転中に受け取るエネルギー378μJのうち57μJが、電荷をより高いポテンシャルに持ち上げるためのエネルギーとして残される。
電荷搬送体４は６個あるので、個々の電荷搬送体４には、9.5μJのエネルギーが残され、１回転中に3回、高電位源１から回収電極３に動くので、その１回ごとに残されるエネルギーは、3.17μJになる。すなわち、電荷q（-30.8nC)をより高いポテンシャルに持ち上げるために残されたエネルギーWは3.17μJである。この時、回収可能なポテンシャルVは、次式で求められ、103Vになる。
【数３】
2020150780.tif 000005
【００３３】
一方、この装置で得られる電流Aは次式で計算される。
【数４】
2020150780.tif 000006
尚、式中、Qは電荷搬送体に注入された電荷量、Rは 搬送された電荷の内の回収電極３に回収された電荷の割合、Nは回収電極の数、Mは電荷搬送体の数、及びRは電荷搬送体円板の１秒当たりの回転数である。
ここで、q=-30.8nC、r=0.90、n=3、m=6、R=1.00(60rpm)を代入すると、電流Aは、0.50μAになる。
【００３４】
この結果、当該装置の発生する電気出力Pは次式で求められ、51μWとなる。
【数５】
2020150780.tif 000007
大きな出力ではないが、装置内を真空にすれば、放電が発生しないので、高電位源１と電荷搬送体４の間隔を、5.0mmより、機械的に製造可能な、例えば、0.2mmにして注入電荷量を25倍とし、また、電荷搬送体円板１４の回転数を、ADBボールベアリングの許容値30,000rpmまで、500倍に上げることができる。その結果、出力は、12500倍の、0.64Wになると期待できる。
なお、機械的に問題なければ、電荷搬送体４を高電位源１に接触させて、注入電荷量をさらに上げることもできる。
【実施例２】
【００３５】
図１０に示す実施例１の高電位源（+8kV）１から回収電極(0V)３まで移動する、-30.8nCに帯電した電荷搬送体１に作用している静電力（以下、合計静電力という）は、両電極が形成する電界が、当該帯電電荷に働く静電力（以下、電界静電力という）と、当該電荷と高電位源電極１、および回収電極３との間に働く鏡像力の和である。
そこで、当該鏡像力を求めてみた。具体的には、回収電極３のみならず高電位電極１も接地して、この間を-30.8nCに帯電された電荷搬送体４が移動するときに、これに作用する静電力を、実施例１と同様に、二次元差分法でシミュレーションした。その結果を図１２に示す。
当該図から、高電位源電極１を抜けた直後には、当該電荷搬送体４を左に引き戻す弱い逆鏡像力が働くが、その後は、右に引き寄せる強い順鏡像力が働くことが分かる。
【００３６】
この鏡像力と、図１０示した合計静電力、および、その差を図１３に示す。
図１３から、鏡像力と合計静電力の差は、ほぼ一定であることが分かる。この力は、高電位源１の電位が形成している電界が、電荷搬送体４の帯電電荷に作用する電界静電力で、左方向、即ち引き戻し方向に作用する。クーロン力の公式で計算した値より小さいが、それは、電荷搬送体４の形状が球形ではなく、横置き樋型のためである（非特許文献２）。よって、もし、この電界静電力が無ければ、電荷搬送体４は、より強く右方向に引き寄せられて、発電量が増加する。
しかしながら、電荷搬送体４に多量の電荷を注入するためには、高電位源１の高電位化は必須である。
【００３７】
そこで、多量の電荷を注入でき、且つ、右方向に強い鏡像力を働かせるために、装置の構成を、高電位源１の右33mmに、幅19.2mmのシールド電極５を置き、接地し、その右33mmに、幅32mmの回収電極３を置くように変えた。
この構成で、-30.8nCに帯電した電荷搬送体４が、高電位源１(+8kV)から、シールド電極５(0V)を抜けて、回収電極３(0V)に至る間に受ける静電力をシミュレーションで求めた。この結果を図１４に示す。なお、シールド電極５内で受ける静電力は大きくはないため省略した（図３、図４参照）。
【００３８】
シールド電極５を抜けた直後、左方向の弱い逆鏡像力で、電荷搬送体５は1.6μJのエネルギーを失う。しかし、その後は、右方向の強い順鏡像力で、105.3μJのエネルギーが与えられる。すなわち、この間で、103.7μJのエネルギーを得る。
実施例１で述べたように、高電位電極１と接地された回収電極３間で得られたエネルギーは21μJであった。故に、当該電荷搬送体４が、高電位電極１から、シールド電極を抜けて、回収電極3に至る間に得るエネルギーは、124.7μJとなる。
【００３９】
図１１に示す実施例１の発電装置では、上下電極板１３、１５に、高電位源１と回収電極３を３組配置したが、本実施例では、図１５に示すように、高電位源１、シールド電極５、及び回収電極３を２組配置した。
この構成において、電荷搬送体円板１４が１回転する間に、個々の電荷搬送体４が受け取るエネルギーは、249.6μJとなり、６個の合計では1498μJとなる。
一方、この間に失うエネルギーは、電荷搬送体円板１４の回転数が、60rpmであれば、321Jであるが、作用する静電力が強くなり回転数が上がるので、空気抵抗力が大きくなる。
そして、120rpmになった時、空気抵抗力は４倍の2.71mNとなり、電荷搬送体円板１４回転させるのに必要なエネルギーは、1213μJとなる。この結果、搬送電荷のポテンシャルを上げるために残されたエネルギーは、285μJとなる。電荷搬送体４が６個あるので、個々の電荷搬送体４には、47.5μJになる。そして、１回転中に２回、高電位電極１とからシールド電極５を通過して回収電極３に至るので、その１回目では23.8μJが残され、-30.8nCの電荷は、0Vから-771Vに引き上げられる。
この時の電流は、数３式から求められて、0.67μAとなり、出力は、数４式から、0.52mWになる。
実施例１で述べたように、高電位源１と電荷搬送体４の間隔を0.2mmまで縮め、電荷搬送体円板１４の回転室を真空にすれば、出力は、6250倍の3.25Wまで上がる。
【実施例３】
【００４０】
以上静電発電機の説明をしたが、静電モータにすることもできる。
即ち、この場合は、図１６に示すように、上下電極板に、電荷注入のための、高電位源１を置いたあと、複数のシールド電極５を配置し、接地する。このようにすると、高電位源１通過時に、多量の電荷が注入された電荷搬送体１に、接地された各シールド電極５で、反時計回りに強い鏡像力が次々に働き、電荷搬送体円板１４は強い回転力を受ける。
この時、電荷搬送体円板１４と中心軸１６を一体化しておくと、当該中心軸１６と連結された外部回転体を回転させることができる。
この時、電荷搬送体円板上の１個の電荷搬送体４に作用する静電力を図１７に示す。
【実施例４】
【００４１】
実施例３では、１個の高電位源１と多数のシールド電極5を円周上に配置して静電モータとしたが、これを直列に並べると、静電加速器になる。即ち、この場合、図１８に示すように、樋型電荷搬送体に代えて、左側開放円筒型の電荷搬送体４を使用し、高電位源１と接地されたシールド電極５も平板状から円筒状に変えることで、より強力な加速器となる。
なお図中２００は、これらを保持する固定円筒、例えば銃身である。
円筒型電荷搬送体４を弾丸として使用すれば、静電銃となり、宇宙船に乗せて、適当な重さの円筒型電荷搬送体４を宇宙船外に射出すれば、宇宙船の加速器（即ち、エンジン）になる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
上記したように、充電型電荷注入方式を使う鏡像力駆動型静電応用機器（静電発電機、静電モーター、及び静電加速器）は、高電位源としてエレクトレットを使用するとき、外部からのエネルギーや消耗品の供給は不要なので、特に、停電で止まってはいけない交通信号、無線基地局、病院用電源、及び業務用冷蔵庫に使用した場合に効果がある。
また、エレクトレットの寿命は100年と言われているので、太陽圏外へ数十年の旅をする宇宙船や体内密閉型人工心臓に使われると効果的である。
【符号の説明】
【００４３】
１：高電位源（高圧電極、高電位エレクトレット、強誘電体）
２：対向電極
３：電荷回収電極
４：電荷搬送体
５：シールド電極
６：電荷回収電極用コンデンサー
７：逆鏡像力を示す矢印
８：順鏡像力を示す矢印
１３：高電位源、シールド電極及び電荷回収電極を支持する絶縁性支持体
１４：複数の電荷搬送体を保持する電荷搬送体円板
１５：高電位源、シールド電極及び電荷回収電極を支持する絶縁性支持体
１６：電荷搬送体円板の中心軸
２０：円筒型高電位源、円筒型シールド電極を保持する円筒部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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