(57)【要約】【課題】鏡像力を電荷搬送体の駆動力とする静電発電機、モーター、加速機において、従来の球形の電荷搬送体では、電荷の供給を受けるときの電位が高く、またそれに作用し前方に移動させる前進鏡像力と、後方に引き戻す後退鏡像力の差が小さかった、そこで、低電位で十分な電荷を供給でき、かつ、前進鏡像力が後退鏡像力より十分大きくなる電荷搬送体の形状と適正な電極配置を提供するのが本発明の課題である。【解決手段】電荷搬送体の形状を略板状とし、その大面積の面を、電荷供給電極に接近させることで、低電位で十分な電荷供給が受けられるようにし、またその前方（進行方向）の面積を後方の面積より大きくすることで、たとえば、Ｌ字形状の電荷搬送体にすることで、前進鏡像力を後退鏡像力よりも数倍大きくした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に、誘導子（電界形成源）とその対抗電極を兼ねる電荷供給電極と、電荷回収電極対と、電荷搬送体より構成される、静電発電機、静電モーター、静電加速器等の静電気応用機器において、電荷搬送体の形状が略平板状であり、その大面積の面を、電荷供給電極と対抗接近させて電荷を供給されることを特徴とする鏡像力を利用する静電気応用機器。
【請求項２】
請求項１において、略平板状電荷搬送体の、電荷回収電極に先に接近する端面の面積が他端面の面積よりも広いこと。
【請求項３】
請求項２において、電荷搬送体の形状が、平板の先端を折ったＬ字形であること。
【請求項４】
請求項３において、Ｌ字形形状の、平坦部分と垂直部分の長さの比が、０．０５対０．９５から、０．９対０．１の範囲にあること。
【請求項５】
請求項３において、Ｌ字形形状の垂直部分に、電荷回収電極の一部が通り抜けられる空孔が開けられていること。
【請求項６】
請求項１において、該略平板状電荷搬送体の先端が平面であり、後端が凹面であること。
【請求項７】
請求項１、２において、電荷回収電極対の形状が平板状であり、電荷搬送体の通路を挟んで電荷搬送体の水平部分と平行に配置されること。
【請求項８】
請求項１、２において、誘導子と対向電極間間隔が、電荷搬送体の厚さの３倍以上６倍以下であること。
【請求項９】
請求項１、２において、複数の電荷搬送体を、適当な間隔をおいて配置し、これを、複数の、誘導子対向電極ペア、回収電極対間を順次回転移動させること。
【請求項１０】
請求項１、２において、誘導子対向電極ペアと回収電極対間に、シールド電極を配置すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、鏡像力を電荷搬送体の駆動力として使う静電発電機、静電モーター、静電加速器等の静電気応用機器の電荷搬送体の形状とその配置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、静電発電機においては、電荷搬送体を、搬送電荷に作用する静電力に抗して、静電エネルギー的により高い位置に搬送するために、機械的なエネルギーが使用されていた。たとえば、図４３に示すＳｅｃＫｅｒ静電発電機では、絶縁性円筒上に形成された電気的にフロート状態の導電性小片、電荷搬送体４が、誘導子１と対向電極２の間に入った時、誘導電荷を対向電極２より注入されて帯電し、機械的エネルギー、モーターが該円筒を回転させることで、その帯電電荷に作用する静電力に抗して、電荷回収電極対３間に運ばれ、そこで、接地された対向電極２より電気的にポテンシャルの高い電荷回収電極３に、搬送した電荷を放出していた。【０００３】  すなわち、電荷搬送体を搬送する駆動力として機械的エネルギーを使用することが長年にわたる当業界の常識であった。これにたいして、本発明者は、先に、機械的エネルギーに代えて、電気的エネルギーの一種である鏡像力が使用できることを発見し、その方法装置を出願した。
（特許文献１、２、３、４）
【特許文献１】特開２００２−１６５４６８
【特許文献２】特開２００４−１０４８６４
【特許文献３】特開２００３−１６４１６８
【特許文献４】ＷＯ  ０１／２２５６５  Ａ１
【０００４】    特許文献１〜４の基本的な原理は共通なので、特許文献２によりその概要を説明する。図４４がその装置の正面図である。図４４において、記号１は、対象空間に必要な電界を形成するための電界形成電極、またはそれに代わる電界形成エレクトレットであり、記号２は、１とともに電界を形成するための対抗電極であり、同時に、記号４の電荷搬送体に電荷を供給するための電荷供給電極である。電荷搬送体４は導電性の球状で電気的にフロート状態にある。一方、電荷供給電極２は接地されている。記号３ｂは、搬送された電荷を回収するための電荷回収電極で、接地されている電荷供給電極２よりも高い電位（この場合は、搬送電圧の極性が負だったので−６Ｖであった。）にある。記号３ａはシールド電極で、電荷回収電極３ｂと同じ電位に保たれていて、電荷回収電極３ｂの手前の空間の電界をほぼゼロにしている。【０００５】  図４４において、電荷搬送体である無帯電の導体球４は、真下から真上に向かって移動し、電荷供給電極２の孔を抜けるとき、コロナ放電等で帯電し、該電荷に、その空間の電界が作用する静電力で加速されながら上昇し、電界形成電極１の孔を抜けた後は、逆方向の静電力を受けて減速されながら上昇し、シールド電極３ａに接近すると、今度は、その間の鏡像力で再度加速されながら上昇し、電荷回収電極３ｂと接触したとき、搬送した電荷をすべて、放出して無帯電となり、次の電荷供給電極２に向かって上昇を続ける。【０００６】  この移動過程において、帯電した導体球４は、電荷を供給された地点の電位と、同一電位の地点までエネルギーを失うことなく進行することができる。なんとならば、電界で加速されて得る運動エネルギーと電界で減速されて失う運動エネルギーが等しいからである。なお、空気抵抗と重力は無いものと仮定している。ゆえに、同一電位地点まで戻った時、逆向きに働く静電力よりも、シールド電極３ａとの間の鏡像力の方が大きければ、該帯電導体球４はシールド電極３ａの孔を抜けて電荷回収電極３ｂに進むことができ、しかも、最初に持っていた運動エネルギーを減らすこともない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】    特許文献１〜４に示される、機械的エネルギーの代わりに鏡像力を使う静電気応用機器（静電発電機、静電モーター、静電加速機）を具体的に実施するためには、電荷搬送体４が低電位の状態で多量の電荷の供給を受ける必要がある。本発明者はその状態を実現できる条件を求めて鋭意努力したが、かなり難しいことがわかった。すなわち、特許文献１〜４に記載された電荷量が実際に電荷搬送体である導体球４に供給されたとき、その電位は、電荷を供給される前の正電位から、電荷供給電極２の電位（０Ｖ）を越えて、負電位になるが、これは過渡的な、オーバーシュート状態である。通常、コロナ放電で電荷を供給する場合、最終的には、供給先の電位が供給元の電位と一致するが、その過程で瞬間的に、それ以上の電位になることがある。しかしながら、この状態を安定して作り出すことはできない。すなわち、特許資料１〜４に記載された装置条件では、現実的には、必要とされる量の電荷を供給できなかった。そこで、電荷搬送体の形状を変えることで、安定して、常に、十分な電荷を、低電位の電荷搬送体に供給できるようにすることが本発明の第一の目的である。
また、従来の球状の電荷搬送体では、鏡像力は電荷回収電極に接近した時のみならず、電荷搬送体が電荷の供給を受けた対抗電極より離れる瞬間にも強く働き、その鏡像力間にほとんど差がないことが分かった。そのため、上記静電気応用機器を駆動するための十分なエネルギーを鏡像力から得ることができなかった。そこで、電荷搬送体の形状を変え電極位置を適正化することで、接近時の鏡像力を離間時の鏡像力よりも十分に大きくすることが、第二の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  １、電荷搬送体４の形状を、従来の球状より、略平板状に変えて、その大面積の面を、電荷供給電極２に向けて接近させた状態で電荷の供給を受ける。
２、平板状電荷搬送体４の、電荷回収電極３に向かう端（側）面の面積を、他端（側）面の面積よりも広くする。たとえば、Ｌ字形状とし、その垂直部分を進行方向の前方に置く。
【発明の効果】
【０００９】    １、電荷搬送体４が低電位の位置で多量の電荷の供給を受けられるようになった。
２、対向電極２と帯電した電荷搬送体４との間に作用する鏡像力よりも、回収電極３と電荷搬送体４との間に作用する鏡像力の方が数倍も大きくなり、上記静電気応用機器を鏡像力で十分駆動できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００１０】    実施例１をシミュレーションで説明する。実施例１に使用する装置の正面図を図１に示す。図中、記号１は、接地された対抗電極２に電荷を誘導させるための誘電子で、エレクトレットにより平均値で＋３１６５Ｖの電位が形成されている。エレクトレットに代えて、電極とし、図示しない電源より電圧を加えてもよい。誘導子の幅は１．０ｍｍで、奥行きは、１．２ｍｍ、厚さは、０．０５ｍｍである。【００１１】    誘導子１の真下、１．４ｍｍの位置に、誘導子１と、同一面積の、対抗電極２が置かれる。誘導子１及び、対抗電極２の右側面から２．０ｍｍ離れた位置に、回収電極３として一対の平行平板電極が置かれる。回収電極の幅と奥行きは、誘導子や対向電極と同じである。回収電極３となる平行平板電極間の間隔は、後で述べる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。【００１２】    図中、記号４は、Ｌ字形状の電荷搬送体を示している。その幅は、０．８ｍｍで、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。通常の金属薄板を使用することができるが、重さを軽くするために、比重１．０のプラスチックシートの表面に導電加工している。記号５は、誘導子と対向電極の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は誘導子の下０．３５ｍｍに置かれその長さは０．６ｍｍ、幅は０．０５ｍｍで接地されている。なお、このシールド電極を置かないと、誘導子１の正電荷が、搬送電極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ることを後に述べるシミュレーションで確認している。【００１３】    無帯電の電荷搬送体４が、初速度１．０ｍ／ｓｅｃで、図の左側から進入し、図の位置に来た時、すなわち、その中心点が、誘導子１と、対向電極２の中心点と一致し、対向電極２の０．０５ｍｍ上に来たとき、その電位は、＋５９．８Ｖになる。この時、図示されない導電性細線で瞬間的に、接地されている対向電極と導通されると、誘導子の正電荷（エレクトレット）で対向電極２に誘導されていた負電荷（電子）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になる。この時の、注入電荷量は−９．５５Ｅ−１２［Ｃ］になる。【００１４】    これらの電位と電荷量は、二次元の差分法の計算により求められた。その詳細は、後で説明するが、差分法に関しては、下記の文献に具体的なプログラム付きでそのやり方が紹介されている。
静電気学会誌，１６，６（１９９２）５３０−５３８  実験講座  電界計算の手ほどき
第ＩＩＩ講  差分法による石油タンク内部の電界計算  松原美之【００１５】    対向電極２からの電荷注入で負帯電した電荷搬送体４はそのまま右方向に移動を続けるが、その搬送する負電荷に作用する静電力（図４参照）で、図２に示すように、その速度が下がる。しかしながら、誘導子１と対向電極２で形成される空間を抜けて、回収電極３に接近すると、回収電極との間に作用する鏡像力（図５参照）で、その速度は逆に速くなり、ついには初速度を越えて、１．０２ｍ／ｓｅｃに達する。【００１６】    電荷搬送体４の移動速度ｖが変化するため、当然、その運動エネルギーＫも数式１に従って、移動速度の変化と同様に、図３に示すように、最初減少し、次に増加して、最初に保有していた運動エネルギーＫ０よりも多くなる。この減少、増加の原因は、主に、電荷搬送体４で搬送される負電荷と、対向電極２、または回収電極３との間に働く鏡像力である。その詳細は後で、詳しく説明する。【００１７】
【数式１】
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【００１８】    電荷搬送体４が一対の回収電極間に入り、その中心点が一致したとき、すなわち、幅０．８ｍｍの電荷搬送体４の左端（後端）が、幅１．０ｍｍの回収電極３に０．１ｍｍ入ったとき、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。ただし、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る訳ではないので、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。
【００１９】    −９．５５Ｅ−１２＊０．９９２＝−９．４７Ｅ−１２［Ｃ］の電荷が、０［Ｖ］から、−１００［Ｖ］まで運ばれたので、９．４７Ｅ−１０［Ｊ］の静電エネルギーが創出されたことになる。さらに、図２に示されるように、電荷搬送体４が、電荷回収電極３に入り、搬送電荷を放出するとき、その速度は、１．０２ｍ／ｓで初速度１．００ｍ／ｓよりも速いので、その運動エネルギーも図３に示されるように、初期値２５０Ｅ−１０［Ｊ］よりも１０Ｅ−１０［Ｊ］以上多く、この分、電荷回収電極の電圧を−１００Ｖより−２００Ｖに上げて、発電量を２倍にすることも可能である。ただし、今回は、電荷搬送体４に対する空気抵抗や、次に述べる発電機の軸の摩擦抵抗等を補う必要性を考慮して、電荷回収電極の電圧を−１００Ｖにとどめた。
図６にこの搬送工程で、帯電した電荷搬送体４が、獲得する運動エネルギーと、失う運動エネルギーと、その差のエネルギーを示すが、前者と後者の差が大きく、残されたエネルギーが大きいほど、発電余力は大きくなる。
【００２０】    電荷搬送体に１回の電荷搬送で創出される電気エネルギーは、９．４７Ｅ−１０［Ｊ］と非常に小さいが、必要な搬送距離はわずか３ｍｍなので、複数の電荷搬送体を同時に高速で移動させて、大きな電力を得ることが可能である。たとえば、図７に示すように、半径５ｍｍの円周上に６０度間隔で６組の、誘導子１対向電極２ペア、電荷回収電極３対を配置し、６０度間隔で、回転軸７に挿入された支持棒６の先端に電荷搬送体４を乗せて回転させるとき、各回収電極３を電荷搬送体が１秒間に１９１．２回通過するので、ここの電荷回収電極での発電量は、１．８１Ｅ−４｛Ｗ｝になり、全体では、１．０８６Ｅ−３「Ｗ］になる。この６セットの小型発電装置は、幅１３ｍｍ、奥行き１３ｍｍ、高さ３ｍｍでき、その容積は５．０７Ｅ−７［ｍ３］と見積もられるので、１立方メーターあたりの発電量は２．１４ＫＷになる。この計算は、電荷搬送体の速度を１ｍ／ｓで行ったが、１０ｍ／ｓも十分可能なので、１立方メーターあたり、２０ＫＷ以上の発電も期待できる。なお、各電極、電極間距離、搬送体の形状寸法等すべて図１と同じとしたが、図１には記入されていなかった、回収電極３対と次の誘導子１対向電極２ペア間の距離は１．２３ｍｍとした。
【００２１】    なお、装置の大きさは目的に応じて変えることができる。たとえば、マイクロマシーンに使用するときは、前記した寸法と電圧をすべて１／１０にすればよい。もちろん、発電量も１／１０になるが、超小型電源となり、従来の乾電池では大きすぎて入れられなかったところで使用できる。１／１００にすることも可能ではある。逆に、１０倍、１００倍として、発電量を上げることもできる。
【００２２】    以上、静電発電機としての応用を紹介したが、電荷回収電極３の電位を対向電極２と同じに０Ｖにしておけば、発電量はゼロだが、静電加速器、静電モーターとして応用できる。すなわち、そのまま使用すれば、電荷搬送体４は１回の電荷搬送ごとに次々に加速されて静電加速器となり、図７の構成で、回転軸７に負荷をつなげれば、それを動かす静電モーターとなる。
【００２３】    先に述べたように、本発明で、負帯電した電荷搬送体４が、電荷供給元の電位が０Ｖの対向電極２より、より静電エネルギーの高い、電位が−１００Ｖの電荷回収電極３に到達できるのは、鏡像力の効果、特に、搬送電荷と回収電極３間の鏡像力が、搬送電荷と対向電極２間の鏡像力よりも大きいためであり、左右で鏡像力が大きく異なったのは、電荷搬送体４の形状効果である。以下、この点を、シミュレーションで詳しく説明する。
【シミュレーション方法】
【００２４】    先に述べたように、本発明のシミュレーションは、二次元差分法であり、前述の論文を参考に、境界条件等を定めて実施した。二次元差分法では対象空間を格子と呼ばれる小さな矩形に細かく分割する。そして、格子を形成するＸＹ両方向の直線の交点、格子点と呼ばれる、の電位を、左右、上下４格子点の平均値とする一次方程式を、格子点の数だけ連立させ、電位が分かっている格子点を含む方程式から解いて、全格子点の電位を求める。格子の大きさは、場所によって変えることもできるが、今回は、５０μｍの正方形一種類に統一した。この格子を、横に８０個、縦に３０個並べて、横４．０ｍｍ、縦１．５ｍｍの空間の電位を、５０μｍピッチで求めた。この場合、格子点の数、つまり連立方程式の数は、８１＊３１＝２５１１個となり、１回の計算に、かなりの時間が必要になるので、全体の計算が、不要の時は、横幅を３．０ｍｍに縮めて、計算時間を短縮した。
【００２５】    シミュレーションに使用した格子図を一部間引いて図８に示す。図８において、最上行（一行目）のの太線は、誘導子電極１を、最下行（三十一行目）の太線は、対向電極２を示している。  なお、図の右側図外の二十五行目と三十一行目に電荷回収電極３がある。そして、その太線に含まれる格子点の電位は、それぞれ、＋３１５０Ｖ、０Ｖ、−１００Ｖが与えられる。なお、誘導子がエレクトレットの場合は、電位ではなく電荷がその格子点に与えられるのだが、複雑になるので、まずは、誘導子を通常の電極とし、そこに一定の電圧を印加して考える。図中、左側、下側の太線で囲まれた部分が、導電性の電荷搬送体４で、その中に含まれる格子点の電位は、常に、すべて同じである。たとえば、対向電極２に誘導された電荷を、電荷搬送体４に注入するために、両者を電気的に接続したとき、その電位はすべて、０Ｖになる。
【００２６】    このとき注入された電荷量Ｑは、導電体の場合、その電荷は、すべて表面に現れるので、電荷搬送体を構成する格子の表面電荷ｑの和として求められる。図８に示される電荷搬送体では、２４個の格子表面電荷の和として求められる。実際には、手前と奥側の面の電荷も計算にいれなければならないのだが、二次元のシミュレーションでは、それが求められないので入れていない。しかしながら、図８に示されるような、薄い平板を基本とする電荷搬送体では、前後の側面の、全表面積に占める割合は小さいので、実際と大きく異なるようなことはない。格子表面の電荷量ｑは、その表面の電荷密度σに、表面積Ｓをかけて求められ、電荷密度σは、表面の接する空気の誘電率εに、表面電界Ｅをかけて求められる。表面電界Ｅは、隣接格子点の電位と、電荷搬送体の電位（０Ｖ）の差を格子点間距離５０μｍで割って求められるので、結局、電荷搬送体４周囲の格子点の電位が分かれば、格子表面の電荷量ｑは、簡単に計算できる。
【シミュレーション結果１、電荷搬送体の形状と初期電位及び注入電荷量（１）】
【００２７】    それでは、電荷搬送体４の形状が、従来の球状の場合と本発明の薄い平板状の場合を対比させて、誘導電荷が対向電極２より注入される直前の初期電位と、その注入電荷量を求めて見よう。ただし、二次元のシミュレーションでは球状をあつかえないので、その代わりに、正立方体を使用する。図９に示す、Ａ型電荷搬送体が、球に代わる正立方体で、幅、高さ、奥行きとも０．６ｍｍである。Ｂ型は、幅が０．９ｍｍ、高さが０．４ｍｍで奥行きはＡ型と同じく０．６ｍｍである。以下、Ｃ型は、幅１．２ｍｍ、高さ０．３ｍｍ．Ｄ型は、幅１．８ｍｍ、高さ０．２ｍｍ、Ｅ型は、幅３．６ｍｍ、高さ０．１ｍｍで、奥行きはいずれも０．６ｍｍである。幅と高さをかけた断面積がいずれも０．３６平方ｍｍで、奥行きが０．６ｍｍなので、体積はいずれの型も、０．２１６立方ｍｍで同じである。
【００２８】    図９に示した５つの異なった形状の電荷搬送体４を、幅が４．０ｍｍの誘導電極１と対向電極２の間で、対向電極２より、０．１ｍｍ上空において、誘導電極に、＋３０００Ｖを印加し、対向電極を接地したとき（両電極間距離は３．０ｍｍ）シミュレーションで求められた初期電位と注入電荷量を図１０に示す。Ａ型からＥ型、すなわち、正立方体から、薄平板に、変わるに従って、初期電位が、２１１Ｖから１０４Ｖと半分以下になるばかりではなく、それに加えて、注入電荷量も、−１．０６＊１０−１１［Ｃ］より、−２．０５＊１０−１１［Ｃ］と倍増したことが分かる。この結果、同一注入電荷量の場合は、薄平板のＥ型では、誘導電極へ印加する電圧を半分にして、初期電位を、Ａ型の１／４の５１Ｖにすることができる。この、電荷搬送体の形状による、初期電位低減効果は、後で明らかになるように、非常に大きなものである。
【シミュレーション結果２、電荷搬送体の形状と損失＆獲得運動エネルギー（１）】
【００２９】電荷搬送体４の形状が、球状あるいは正立方体よりも、薄い平板の方が、同一注入電荷量で、初期電位を約１／４にも低減できることが判明したので、これを使った静電発電のシミュレーションを行ったが、残念ながら結果はＮＧであった。もちろん、前に比較すれば、よりよい結果であったが、電荷搬送体が初期の運動エネルギーを消耗せずに電荷回収電極に到達することはなかった。
そこで、図１１に示すように、Ｄ型平板状電荷搬送体４を基準に体積一定で、その前後の厚さを変えてみた。Ｄ型の厚さは均一で０．２ｍｍであるが、Ｆ型は、前方（右側）半分０９ｍｍの厚さが、０．２５ｍｍで、後方（左側）半分０．９ｍｍの厚さが０．１５ｍｍである。Ｇ型は、前方が０．３ｍｍ、後方が０．１ｍｍ、Ｈ型は、前方０．３５ｍｍ、後方０．０５ｍｍである。
【００３０】    このとき、電荷搬送体４と対向電極２間に作用する鏡像力を図１２に、電荷搬送体４と回収電極３間に作用する鏡像力を図１３に示す。前者は、電荷搬送体を後方に引き戻す力で、後者は、前方に引き寄せる力なので、以降それぞれ、後退鏡像力と前進鏡像力と呼ぶ。図１２より、電荷搬送体の後方の厚さが、０．２ｍｍより０．０５ｍｍと薄くなるにしたがって、後退鏡像力が小さくなることが分かる。また、図１３より、電荷搬送体の前方の厚さが、０．２ｍｍより０．３５ｍｍと厚くなるにしたがって、ピーク値は変わらないが、前進鏡像力が、回収電極よりより遠い時点から作用始めるのが分かる。
【００３１】    電荷搬送体４は、後退鏡像力により初期に持っていた運動エネルギーを失い、逆に、前進鏡像力によりプラスの運動エネルギーを獲得するわけであるが、それを、図１２と図１３で計算しまとめると図１４のようになる。
図１４より、電荷搬送体の前後の厚さを変えることで、前進鏡像力による獲得運動エネルギーはそんなに増えるわけではないが、後退鏡像力による損失運動エネルギーは、大幅に減って、獲得エネルギーと損失エネルギーの差、正味のエネルギー増加が、７〜８倍にもなったことが分かる。これによって、本発明の目的、鏡像力（の差）を使った静電発電機が可能になった。これが、本発明の基本であるが、以下さらに大きなエネルギーを得るための改良を説明する。
【シミュレーション結果３、電荷搬送体の形状と損失＆獲得運動エネルギー（２）】
【００３２】    最大の正味運動エネルギー増加があったＨ型電荷搬送体は、前方０．９ｍｍがすべて厚さ０．３５ｍｍ、後方０．９ｍｍがすべて厚さ０．０５ｍｍであったが、進行方向最前面と最後面の厚さのみが効いていてその中間は関係ないとも考えられる。そこで、この仮説を確認するために、図１５に示すように、最前面の厚さ０．０５ｍｍの部分のみが、厚さ（高さ）０．３５ｍｍのＩ型を導入した。Ｈ型とＩ型で後退鏡像力と前進鏡像力を比較した結果を、図１６と図１７にしめす。後退鏡像力は予想通り、Ｈ型もＩ型もおなじであったが、前進鏡像力は、やや予想外にＨ型よりＩ型の方が少し強くなった。これを損失＆獲得エネルギーで示すと、図１８のように、獲得エネルギーが増えた分、正味エネルギーはＩ型の方が約１割大きくなった。
【シミュレーション結果４、電荷搬送体の形状と初期電位及び注入電荷量（２）及び損失＆獲得運動エネルギー（３）】
【００３３】    基本的には薄い平板で、その前方に、垂直の壁のある構造が、電荷搬送体の形状として適していることが分かった。そこで、次に、その壁の高さが、どのくらいがよいかシミュレーションで求めることにした。そのために、図１９に示す、７種類の形状の異なった電荷搬送体を準備した。Ｊ型がその基本形状で、幅１．０ｍｍ、奥行き１．０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの正方形の導電性薄板である。Ｋ型はその前方０．２ｍｍを折って立てたものであり、Ｌ型、Ｍ型、Ｎ型、Ｏ型はそれぞれ、その前方、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍを折って立てたものである。最後の、Ｐ型はＪ型をそのまま立てたものである。
【００３４】    この７種類の形状の異なった電荷搬送体の、注入前（初期）電位と、注入電荷量を図２０に示す。基本的には、前方の壁の高さが高くなると、その部分は、対向電極より遠くなるので、全体としても注入前（初期）電位は高くなる。つまり、せっかく薄板状にして、従来の球状より約１／４に下げた効果が失われ、むしろ、悪くなる。もちろん、注入電荷量も増えるが、電位に比例するほどは増えていないので、これでカバーするわけにはいかない。
【００３５】    この時の、後退鏡像力を図２１に示す。壁が高い、Ｐ型、Ｏ型で、急激に大きくなっていることが分かる。ただし、これは、この２形状の注入電荷量が他５形状より多かったのが主な理由で、後退鏡像力が壁の高さに比例しているわけではない。図２１をよく見ると、壁の無いＪ型よりも、壁が、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍのＫ型、Ｌ型、Ｍ型の方が、小さくなっていることが分かる。これはうれしい誤算であるが、壁の高さと同時に、水平部分の幅も変わっているので、その点も考慮に入れないとこの効果は説明できない。なお、この４形状の注入電荷量は図２０に示されるようにほとんど同じである。
【００３６】    さらに、この時の前進鏡像力を図２２に示す。後退鏡像力と同様に、壁の高い、Ｐ型、Ｏ型でかなり強くなっていることが分かる。これも、主には、注入電荷量の差によるものである。これに対して、注入電荷量がほぼ等しい、その他５種頬の形状では、ピーク値がほとんど同じであった。ただし、興味深いのは、ただの平板のＪ型に対して、前方に壁のある形状では、回収電極３よりより遠い地点から、前進鏡像力が現れることである。
【００３７】    図２１、図２２の後退・前進鏡像力から電荷搬送体が失う、また獲得する運動エネルギーを求めると図２３のようになる。この図から、獲得エネルギーは、前方の壁が高くなるほど大きくなるが、損失エネルギーは、Ｏ型、Ｐ型を除いて、ほとんど変わらず、いやむしろＪ型より少なくなっていることが分かる。この結果、正味の獲得エネルギーは、最後のＰ型を除いて、壁が高くなるとともに、大きくなったことが分かる。特に、壁の無いＪ型と、わずか０．２ｍｍの壁のあるＫ型の間で、正味エネルギーが７〜８倍にも増加したことが注目される。
【００３８】    正味獲得エネルギーは、Ｐ型を除いて、壁が高いほど大きくなったが、発電可能電位がそれに比例して高くなるわけではない。なんとならば、初期電位が異なるからである。そこで、初期電位と正味獲得エネルギーより、各電荷搬送体の到達可能電位、すなわち発電可能電位を求めた。その結果を、図２４に示す。この図より、壁の無いＪ型と、すべてが壁のＰ型では、到達可能電位はプラスの範囲でマイナスに反転していない、すなわち、負電荷を搬送する静電発電機としては原理的に成立しないことが分かる。その他５形状の静電搬送体の場合には、到達（発電）可能電位はすべて、マイナス側に大きく反転していて静電発電が無理なく成立することが分かる。特に、壁の高さが０．２ｍｍから０．６ｍｍの４形状では、−３００Ｖ、あるいはそれ以上に達していて、効率の高い静電発電が可能になる。すなわち、電荷搬送体のベスト形状は、前方に垂直壁のある薄板で、壁の割合が、０．２から０．６の場合である。
なお、静電発電が可能な範囲は、図２４より、壁の割合が、０．０５〜０．９であると推定できる。
【シミュレーション結果５、電荷搬送体の形状と損失＆獲得運動エネルギー（４）】
【００３９】    さらに改良を試みる。電荷搬送体と回収電極間に作用する前進鏡像力は、その間の距離が短いほど強くなる。ところが、壁を高くすると、それを通過させるために、回収電極間のギャップは大きくなる。なお、今回のシミュレーションは、回収電極間ギャップを、壁の高さに０．１ｍｍ加えて行っている。すなわち、上下で、各０．０５ｍｍの間隔を空けて、電荷搬送体を、回収電極間を通過させている。
この場合、当然のことながら、壁の真ん中部分と回収電極との間の距離は壁が高くなるとともにどんどん遠くなる。この点を、改良するために、図２５に示す、壁に、スリットのあるＱ型電荷搬送体を導入した。Ｑ型は、ベースとなる、壁の高さ０．５ｍｍのＭ型の壁に、幅、０．１ｍｍのスリットを２箇所開けたものである。回収電極は、図示しないが、４平板平行電極となり、その真ん中の、厚さ０．０ｍｍの平板電極が、このスリットを通過する。
【００４０】    この時の、後退鏡像力を図２６に、前進鏡像力を図２７に示す。予想通り、スリットを入れたＱ型搬送体の前進鏡像力は、スリットの無いＭ型よりもかなり大きくなった。ところが、予想外なことに、後退鏡像力も大きくなってしまった。その結果、正味の獲得エネルギーの増加分は、図２８に示されるようにわずかであった。
【シミュレーション結果６、電荷搬送体の向きと損失＆獲得運動エネルギー（１）】
【００４１】    以上のシミュレーションは、すべて、電荷搬送体の壁が進行方向前方に、すなわち、回収電極側にある場合であった。直感的にこの方がよいと思われたが、念のために、同一形状の電荷搬送体で、壁の位置を逆にしてみた。すなわち、図２９に示すように、Ｍ型電荷搬送体を前後ひっくり返してＲ型電荷搬送体とした。
【００４２】    この時の、後退鏡像力を図３０に、前進鏡像力を図３１に示す。図３０より、電荷搬送体４が対向電極２上空に重なっている範囲では両搬送体に作用する後退鏡像力はほとんど変わらないが、対向電極２を抜けた後は、大きな違いがあり、後方に壁のあるＲ型では、対向電極より遠く離れても、後方にかなりの鏡像力で引っ張られることが分かる。これと逆の現象が図３１に見られる。すなわち、前方に壁のあるＭ型では、その先端が回収電極から１．１ｍｍの地点に来たときから前進鏡像力が発生し、そのピーク値は１１μＮに達するのに対して、後方に壁のあるＲ型では、０．５ｍｍの地点でようやく前進鏡像力になり、しかもそのピーク値も６μＮしかない。ただし、その先端が、回収電極対３間に入った後は、両者の差はすぐに小さくなる。
【００４３】    この両者の、損失、獲得及び正味増加運動エネルギーを両図より求めると、図３２のようになる。図３２の示す結果は明瞭で、壁の位置を前後逆転すると、結果も逆転して、正味運動エネルギーはマイナスになることを示している。すなわち、鏡像力（の差）で、運動エネルギーを増加させるためには、電荷搬送体の壁は必ずその進行方向前方になければならない。
【シミュレーション結果７、電荷搬送体の向きと損失＆獲得運動エネルギー（２）】
【００４４】    次に、Ｍ型を、図３３に示すように、上下反転してＳ型とした。この時の、後退及び前進鏡像力を図３４と図３５に示し、その結果として生じる運動エネルギーの変化を図３６に示す。図３４で、後退鏡像力がピークとなる位置が、Ｍ型では、その後端が対向電極を抜けた直後であるのに対して、Ｓ型では、後端がまだ０．４ｍｍも内部にいるときであったのは、Ｍ型では、水平部分の後端と対抗電極間に鏡像力が作用したのに対して、Ｓ型では、壁の裏面と対向電極間に鏡像力が作用したためである。
【００４５】    一方、図３５に示す前進鏡像力は、Ｓ型の方が少し小さくなった。回収電極側から見て、壁の大きさ、位置はまったく同じなので、完全に一致すると予測したが、水平部分の位置で違うようである。この説明は今のところできない。
この少しの差が効いて、正味の運動エネルギーの増加は、上下ひっくり返さないＭ型の方がよかった。加えて、Ｓ型では、初期電位がより大きくなるので、たとえ、運動エネルギーの増加が同じでも、Ｍ型の方が有利である。すなわち、水平部分は、壁の下、対向電極に近い側に置くべきである。
【シミュレーション結果８、電荷搬送体の形状と損失＆獲得運動エネルギー（５）】
【００５０】    次に、電荷搬送体の進行方向前面と後面の形状が、鏡像力に、ひいては運動エネルギーにどのような影響を与えるかシミュレーションした。壁があると、その影響が大きすぎて他の形状効果が隠されるので、前に戻り、図３７に示すように、幅１．８ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、奥行き０．６ｍｍのＤ型を基準搬送体とし、その前面に、高さ０．１ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの凸部を、逆に、後面に、高さ０．１ｍｍ、凹み０．０５ｍｍの凹部を設けてＴ型搬送体とした。
【００５１】    この時の後退鏡像力を図３８に、前進鏡像力を図３９に示す。図３８から、後端を凹部にすると、後退鏡像力が小さくなることが分かる。一方、前進鏡像力も図３９より明らかなように、前面を平坦から凸にすると小さくなった。この結果と、今までの結果と合わせて考えると、電荷搬送体の形状は、その最後端の面積が小さいほど後退鏡像力が小さくなり、その最前端の面積が広いほど前進鏡像力が大きくなって有利と結論づけられる。
【シミュレーション結果９、対抗電極の形状と後退鏡像力】
【００５２】    今までのシミュレーションでは、対向電極は、水平な平板で厚さは０．０ｍｍとしてきたが、実際には、厚さを持つことになる。そこで、対向電極の形状が、水平平板の場合と、箱型の場合で、その時の後退鏡像力を求めた。その結果を、図４０に示す。箱型にした方が、後退鏡像力のピーク値は少し小さくなるが、対向電極より離れた地点の鏡像力は箱型対向電極の方が少し大きくなるので、結局、どちらでも、損失運動エネルギーは同じになる。すなわち、対向電極の厚さは、いくらでもよいことになる。
【シミュレーション結果１０、回収電極の形状と前進鏡像力】
【００５３】    シミュレーション９と同様、今度は、回収電極の形状を変えて、前進鏡像力を求めた。今までの、水平平板に加えて、箱型と、垂直平板でシミュレーションした。その結果を、図４１に示す。図４１より、前進鏡像力は今までの平行平板が、他の２形状よりもかなり大きいことが明らかである。すなわち、回収電極の形状は、進行方向に水平な、薄い平板対がベストである。
【シミュレーション結果１１、誘導子対向電極間間隔と後退鏡像力】
【００５４】今まで、電荷搬送体４に作用する後退鏡像力は、電荷搬送体４と対向電極２間に作用すると暗黙のうちに仮定していた。なぜならば、誘導子（電極）１と、電荷搬送体４間の距離は、対向電極２と電荷搬送体４間の距離よりかなり遠いからである。となると、誘導子（電極）１と、対向電極２間間隔は、大きいほど後退鏡像力が小さく静電発電に有利のはずである。しかしながら、この間の間隔が大きいほど、装置が大きくなって、単位体積あたりの発電量が小さくなってしまう。そこで、この間隔がどの程度であれば、よいか判断するために、他の条件はそろえて、この間隔のみ変えて後退鏡像力を求めた、その結果を図４２に示す。
【００５５】    図４２に示されるように、間隔が一番狭い０．３ｍｍの時、後退鏡像力が最大になっている。これは、両電極１、２と電荷搬送体４の距離を考えると予想通りの結果である。そして、予想では、間隔が広がるほど、誘導子（電極）１は上方に遠のいて、後退鏡像力が順次小さくなるはずである。しかしながら、結果は予想と異なり、間隔が、０．６ｍｍあるいは０．９ｍｍの時最小となり、そこからは、１．２ｍｍ、無限大と広がるごとにまた大きくなっていった。この結果は、両電極間の間隔には最適値があり、狭すぎても、広すぎてもよくないことを示唆している。適当な範囲は、電荷搬送体の厚さの３倍から６倍程度と見積もられる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】  平板Ｌ型電荷搬送体を使用する静電発電装置の正面図
【図２】  電荷搬送体の速度変化を示すグラフ
【図３】  電荷搬送体の運動エネルギーの変化を示すグラフ
【図４】  電荷搬送体に作用する後退静電力を示すグラフ
【図５】  電荷搬送体に作用する前進静電力を示すグラフ
【図６】  電荷搬送体が電荷を注入されてから放出するまでの一工程中に獲得した、失った、またその差の運動エネルギーを示すグラフ
【図７】  複数の電荷搬送体が複数の誘導・対向電極対、回収電極対間を回転する静電発電機の平面図
【図８】  二次元差分法シミュレーション用の格子図
【図９】  Ａ〜Ｅ型電荷搬送体の正面図
【図１０】  Ａ〜Ｅ型電荷搬送体の初期電位と注入電荷量を示すグラフ
【図１１】  Ｄ及びＦ〜Ｈ型電荷搬送体の正面図
【図１２】  Ｄ及びＦ〜Ｈ型電荷搬送体に作用する後退鏡像力を示すグラフ
【図１３】  Ｄ及びＦ〜Ｈ型電荷搬送体に作用する前進鏡像力を示すグラフ
【図１４】  Ｄ及びＦ〜Ｈ型電荷搬送体が獲得した、失った、またその差の運動エネルギーを示すグラフ
【図１５】  Ｈ及びＩ型電荷搬送体の正面図
【図１６】  Ｈ及びＩ型電荷搬送体に作用する後退鏡像力を示すグラフ
【図１７】  Ｈ及びＩ型電荷搬送体に作用する前進鏡像力を示すグラフ
【図１８】  Ｈ及びＩ型電荷搬送体が獲得した、失った、またその差の運動エネルギーを示すグラフ
【図１９】  Ｊ〜Ｐ型電荷搬送体の正面図
【図２０】  Ｊ〜Ｐ型電荷搬送体の初期電位と注入電荷量を示すグラフ
【図２１】  Ｊ〜Ｐ型電荷搬送体に作用する後退鏡像力を示すグラフ
【図２２】  Ｊ〜Ｐ型電荷搬送体に作用する前進鏡像力を示すグラフ
【図２３】  Ｊ〜Ｐ型電荷搬送体が獲得した、失った、またその差の運動エネルギーを示すグラフ
【図２４】  Ｊ〜Ｐ型電荷搬送体の初期（注入前）電位と発電（到達）可能電位を示すグラフ
【図２５】  Ｍ及びＱ型電荷搬送体の正面図
【図２６】  Ｍ及びＱ型電荷搬送体に作用する後退鏡像力を示すグラフ
【図２７】  Ｍ及びＱ型電荷搬送体に作用する前進鏡像力を示すグラフ
【図２８】  Ｍ及びＱ型電荷搬送体が獲得した、失った、またその差の運動エネルギーを示すグラフ
【図２９】  Ｍ及びＲ型電荷搬送体の正面図
【図３０】  Ｍ及びＲ型電荷搬送体に作用する後退鏡像力を示すグラフ
【図３１】  Ｍ及びＲ型電荷搬送体に作用する前進鏡像力を示すグラフ
【図３２】  Ｍ及びＱ型電荷搬送体が獲得した、失った、またその差の運動エネルギーを示すグラフ
【図３３】  Ｍ及びＳ型電荷搬送体の正面図
【図３４】  Ｍ及びＳ型電荷搬送体に作用する後退鏡像力を示すグラフ
【図３５】  Ｍ及びＳ型電荷搬送体に作用する前進鏡像力を示すグラフ
【図３６】  Ｍ及びＳ型電荷搬送体が獲得した、失った、またその差の運動エネルギーを示すグラフ
【図３７】  Ｄ及びＴ型電荷搬送体の正面図
【図３８】  Ｄ及びＴ型電荷搬送体に作用する後退鏡像力を示すグラフ
【図３９】  Ｄ及びＴ型電荷搬送体に作用する前進鏡像力を示すグラフ
【図４０】  対向電極の形状と電荷搬送体に作用する後退鏡像力の関係を示すグラフ
【図４１】  回収電極の形状と電荷搬送体に作用する全身鏡像力の関係を示すグラフ
【図４２】  誘導子（電極）と対向電極間間隔が変わったときに電荷搬送体に作用する後退鏡像力を示すグラフ
【図４３】  Ｓｅｃｋｅｒ型静電発電機（従来技術）の正面図
【図４４】  特開２００４−１０４８６４に開示された鏡像力を使用する静電発電機（従来技術）の正面図
【符号の説明】
【００５７】１、誘導子（誘導電極またはエレクトレット）
２、対向（電荷供給）電極
３、電荷回収電極
４、電荷搬送体
５、シールド電極
６、電荷搬送体支持軸
７、回転軸
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
2006325394.tif 000040
【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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