(57)【要約】      （修正有）【課題】より大きく静電力が変わる電荷搬送体を提供する。【解決手段】電界に垂直な、円板３０に対し、絶縁層３３を介して、円筒３２を取り付けたところ、該非対称形状の帯電導体３に作用する電界反転後の静電力は、反転前の約１／４になった。さらに、該非対称形状の導体の、円筒が取り付けられていない面に、絶縁層を介さず、直接、円筒を取り付けたところ、該帯電導体に作用する電界反転後の静電力は、反転前の、１／５０にまで小さくなった。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非対称形状の帯電導体に作用する静電力の大きさ（絶対値）が、電界の向きで大きく変わる現象、すなわち、非対称静電力を使用する、各種、静電気応用機器に使用される、非対称型導体が、電界と垂直に置かれる平板と、この上に、絶縁層を介して垂直に取り付けられる平板、円筒、棒等の電界集中部材で構成されることを特徴とする非対称静電力を使用する静電気応用機器の非対称型導体。
【請求項２】
請求項１において、該非対称型導体の裏面に、絶縁層を介さず、直接、平板、円筒、棒等の電界集中部材を垂直に取り付けること。
【請求項３】
請求項１、２において、電界集中部材を複数使用すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、新たに確認された、静電気力、すなわち、非対称静電気力を使用する静電気応用機器の非対称型導体の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  本出願人は先に、本出願人により新たに見い出された静電気力（非対称静電気力）を使用する新方式の静電気応用機器の出願（特許文献［１］［２］［３］［４］［５］）を行った。
非対称静電力とは、非対称形状の帯電導体に作用する静電力の強さが、電界の方向が反転した時大きく変わる現象である。
また、静電気応用機器としては、代表的に、発電機、モータ、加速器があるが、ここでは、発電機に限定して説明する。しかし、本発明は、すべての静電気応用機器に適応できるものである。
非対称静電力を使う新方式の静電発電機と言っても、その基本原理は従来の静電発電機（例えば、バンデグラーフ型）と同じで、低電位（０Ｖ）で電荷（例えば、マイナス電荷を有する電子）を電荷搬送体に乗せ、それに作用する静電気力に逆らって、該電荷搬送体を高電位（例えば−１０００Ｖ）まで搬送し、そこで搬送してきた電荷を下ろすだけである。両者の違いは、その搬送力にあり、従来型は、機械力を使用するのに対して、新方式では、非対称静電力を利用する。（以下、新方式静電発電機を電界駆動型静電発電機と呼ぶ。）【０００３】  以下、特許文献［４］の図１７、図１８により、非対称静電力の効果、電界駆動型静電発電機の原理とその構造を説明する。なお、特許文献［２］，［３］にも同一の図と同様の説明が記載されている。
特許文献［１］特開２００８−００５６９０
特許特許［２］特開２００９−２３２６６７
特許文献［３］特開２０１０−０９８９２５
特許文献［４］特開２０１２−０３９８４２
特許文献［５］特開２０１２−０７０６０７【０００５】  図１７において、記号１１はエレクトレットを、記号１２は電荷注入電極を、記号１３は電荷搬送体を、記号１４は電荷回収電極を、記号２０は電極１２，１４及びエレクトレット１１の絶縁性支持体を示している。エレクトレット１１の幅は、１００μｍで、注入電極１２の幅も１００μｍで、、回収電極１４の幅は１６０μｍである。注入電極１２とエレクトレット１１、及びエレクトレット１１と回収電極１４の間隔はそれぞれ３２０μｍである。上下の支持体の間隔は２００μｍである。
エレクトレット１１の電位は、＋３２０Ｖで、注入電極１２は接地されていて、回収電極１４の電位は、例えば−３５Ｖである。この結果、エレクトレット１１と注入電極１２の間には左向きの電界が形成される。その強度は約１．０Ｅ＋６［Ｖ／ｍ］である。以下、順電界と呼ぶ。一方、エレクトレット１１と回収電界１４の間には右向きの電界が形成される。その強度も約１．０Ｅ＋６［Ｖ／ｍ］である。以下、逆電界と呼ぶ。【０００５】  電荷搬送体１３は、図の様に左側が開い円筒型で、電界の方向に対して左右非対称形である。軽い導体、例えばアルミで形成されていて、図示しない支持体に支持されている。その幅は８０μｍで、直径は１６０μｍ、板厚は２０μｍである。そして、電気的にフロートである。該電荷搬送体１３は、次に述べる非対称静電力で駆動されて、左から右に、注入電極対１２、エレクトレット対１１、回収電極対１４を通り抜ける。【０００５】  電荷搬送体１３が、注入電極対１２を抜ける時、図示しない接地導線が接触して、静電誘導で、約−０．３ｐＣの電荷が注入される。この結果は、軸対象２次元差分法でシミュレーションして求めた。該非対称形帯電導体（電荷搬送体１３）が注入電極対１２からエレクトレット対１１を通り回収電極対１４に至る間に、電界から受ける静電力を同様にシミュレーションで求めた。なお、回収電協の電位は０Ｖとした。その結果を図１８に示す。【０００６】  図１８より、該電荷搬送体１３が受ける静電力の強さは、順電界（注入電極１２とエレクトレット１１間）では、最大で１０．０Ｅ−８［Ｎ］と大きく、逆電界（エレクトレット１１と回収電極１４）では、最大で５．０Ｅ−８［Ｎ］と半分になることが分かる。このように、電界の方向が反転したとき、作用する静電力の強さが大きく変わる現象を、特に、非対称静電力（現象）と呼ぶ。この現象は、帯電した導体の形状が、電界の方向で非対称の場合にのみ見られる特異な現象である。【０００７】  電界駆動型静電発電機では、この順電界と逆電界の静電力の差を、電荷搬送体１３の駆動力として使用する。すなわち、順電界中で、強い静電力で、電荷搬送体１３を加速運動させ、逆電界に入り減速運動になっても、弱い静電力なので、十分な速度を残して、回収電極１４に到達させるのである。この速度は、電荷搬送体１３が、注入電極を抜けた時の速度よりかなり速い。しかしながら、加速器ではないので、速度を速める必要はない。そこで、この速度差に基づく運動エネルギーの差を使って（分配して）、電荷搬送体１３を搬送すると同時に、その帯電電荷を電気的により高い電位まで搬送する。これが、電界駆動型静電発電機の原理である。【０００８】  なお、電荷搬送体１３によって、接地電位Ｖ２の注入電極２より、高電位Ｖ４の回収電極１４に搬送された電荷Ｑの大部分（例えば、その９７％）は、電荷搬送体１３が、回収電極１４と電気的に接続されることで、回収電極に移行する。すなわち、回収される。この時の発電量Ｗは、
Ｗ＝０．９７Ｑｘ（Ｖ４−Ｖ２）                （１）
となる。
搬送した電荷の大部分を、回収電極１４に放出した電荷搬送体１３は、回収電極１４を抜けてさらに右方向に移動し、次の注入電極１２に入る。そして、同様に非対称静電力により電界駆動型発電を行う。
【比較例】
【０００９】  下記に示す実施例と直接比較するため、上記形状（円筒型）を少し変えて、またサイズを大きくして、非対称型帯電導体に働く静電力を、軸対象二次元差分法で、新たにシミュレーションした。形状を変えたのは、上記特許文献出願後、変更後の形状の方がコストを下げて同一の効果が得られることが分かったからである。また、サイズを大きくしたのは、実際に作製し、そこに働く静電力を実測するためである。
【００１０】    図１に、実際に作製して実験に使用した、また新たなシミュレーションの対称とした非対称型導体の正面図と側面図を示す。直径３５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのアルミ円板上に、直径１８ｍｍ、高さ１０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの円筒を導電剤で貼り付けた。
図２に、実験とシミュレーションで使用した、左右電極とその間に、軸を揃えて置かれた円筒円板型非対称導体を模式的に示す。左右の電極間間隔は、９５．６ｍｍで、左右の電極半径は、５３．７ｍｍである。電圧は、片方の電極を接地して、他方の電極に、＋１３ｋＶ，＋１１ｋＶ，＋９ｋＶ，＋７ｋＶ，＋５ｋＶを加えた。なお、図中、記号１は、左側電極を、記号２は右側電極を、記号３は非対称導体を、記号３０はそれを構成する円板を、記号３１はそれを構成する円筒を、記号４は高圧電源を示している。
図３に、軸対象二次元差分法のシミュレーションで使用した格子図（主要部）を示す。
図４に、シミュレーションの結果を示す。非対称形型導体の帯電量は、実測値に基づいて、−５．０ｎＣとした。結果は、電界により異なるが、左電極１に高圧を印加した逆電界（電界反転後）の静電力は、右電極２に高圧を印加した順電界（電界反転前）の約半分であることが分かる。なお、実測の結果は、これより少し悪かった。シミュレーション及び実験の詳細は、現在、静電気の専門誌、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓに投稿中なので、掲載後そちらをご参照下さい。
【００１１】  電界反転後、すなわち、逆電界で、帯電した非対称型（円筒円板型）導体３に作用する静電気力が小さくなるのは、その表面の電界が弱くなったためと考えられる。そこで、円筒３１の有無で、円板３０表面の電界を比較した。その結果を図５に示す。但し、円筒３１で覆われた部分は、円板３０表面に代えて、円筒３１先端の電界を表示した。図５より、円筒３１があると、円筒３１及び円板３０のエッジ部を除く大部分で、電界が、約１／１０程度に大幅に弱くなっているのが分かる。しかしながら、円筒３１の先端部分では、逆に、約５倍と強くなり、エッジ部では、ほとんど同じであるため、その差し引きで、作用する静電力が約半分になった訳である。
【００１２】  円板３０上の大部分の領域で電界が約１／１０にも弱くなったのは、図６に摸式的に示す様に、円筒３１がなければ、左電極１（正電圧印加）から円板３０の表面に、垂直に入った（円板３０エッジ部を除く）電気力線（電界）が、円筒３１があると、途中で曲がって、円筒３１の先端と、円筒３１の壁の上部に入り、円板３０表面にはほとんど到達しなかったからである。見方を変えれば、円筒３１は、円板３０に対する電気的なシールド部材である。しかしながら、現象をより明確にするために、以降、これを電界集中部材と呼ぶ。電界集中部材の形状としては、円筒に限らず、平板や棒等、先端の面積が小さく、ある程度の長さを有する形状はすべて使える。また、それを、複数個使用もできる。但し、その先端への電界集中を考慮すると、複数個の方が有利とは限らない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】  ここで、電界反転による静電気力の変化を定量的に示す指標として、非対称率ＡＳＲを次の様に定義する。
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ここで、Ｆｂは電界反転前の静電力の絶対値、Ｆａは電界反転後の静電力の絶対値を示す。
この式により、電界反転後、静電力の大きさが変わらなければ、非対称率ＡＳＲは、０％に、反転後、静電力がゼロになれば、非対称率ＡＳＲは、１００％になる。図７に、比較例の非対称率ＡＳＲを示す。電界により異なるが、３５〜５５％である。【００１４】  従来、さまざまな非対称型の導体を使用し、シミュレーションと実験を行なったが、非対称率ＡＳＲは、良くて、軸対象二次元差分法シミュレーションで、６０％、実験で４０％程度であった。
なお、出願人の作成した、特許・文献中には、シミュレーションの結果として、もっと良い数字も記載されているが、これらは、ＸＹ二次元差分法の結果で、実際の三次元空間の形状には適応できないことが今は判明している。但し、軸対象二次元差分法は、数学的には、二次元であるが、物理的には三次元を扱っているので、その結果は信用できる。【００１５】  同一電界の場合、静電発電機の発電量は、電界反転前後の、静電力の差、すなわち、非対称率ＡＳＲに、密接に関係している。そのため、発電効率を上げるためには、非対称率ＡＳＲの改善が必須である。そこで、本発明の目的は、非対称型導体の形状を改良して、非対称率ＡＳＲを改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】  上記目的は、電界に垂直に置かれる導電性平板に対して、絶縁層を介して、円筒を垂直に取り付けた新型非対称型導体で、容易に達成される。
【発明の効果】
【００１７】  下記に示す実施例１の非対称率ＡＳＲと、比較例の非対称率ＡＳＲを並べて示す図１０より、本発明の新型非対称導体の効果は、明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００１８】  図８に示すように、直径３５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの導電性円板３０（部分Ａとする）上に、直径１８ｍｍ、高さ９．９ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの導電性円筒３２（部分Ｂとする）を、厚さ０．１ｍｍの絶縁層３３を介して貼り付けて非対称型導体３、円板＋円筒型（直接貼り付けた比較例の円筒円板型と区別するためこのように記載する）を作製した。該円板＋円筒型非対称導体３に働く静電力を、比較例と同様に、軸対象二次元差分法でシミュレーションした。なお、帯電量は、部分Ａが、−５．０ｎＣ、部分Ｂが、０．０ｎＣとした。【００１９】  シミュレーションで求められた各電界に対する順静電力および逆静電力を、比較例と並べて、図９に示す。また、その値から計算した、非対称率ＡＳＲを図１０に、比較例と並べて示す。なお、比較例の場合は、図２の配置において、すなわち、円筒円板型導体３の円筒３１を円板３０の左側して、該負帯電非対称導体３に対し、左電極１を接地し、右電極２に高電圧を印加した場合を順電界、そのとき働く静電力を順静電力としたが、実施例１では、図１０に示すように、この電圧印加状態で、逆に、円筒３２が円板３０の右側になる配置を、順電界、順静電力とした。なぜならば、この方が、作用する静電力が大きかったからである。【００２０】  図１０から、同一電界に対して、実施例１では、比較例と比較して、より高い非対称率ＡＳＲが得られたことが分かる。【００２１】  比較例と実施例１の非対称型導体の違いは、円筒３１  ｏｒ  ３２を円板３０に直接貼り付けたか、厚さ０．１ｍｍの絶縁層３３を介して貼り付けたか、それだけである。その結果が、このように、まったく逆の結果になったのは大変不思議である。そこで、先ほどと同様に、該円筒の有無で、円板表面の電界を比較してみる。その結果を、図１１に示す。【００２２】  図１１より、この場合でも、比較例と同様に、円板３０表面の大部分では、円筒３２があることにより電界は弱まることが分かる。また、エッジ部では、比較例と同様にほとんど同じであることが分かる。また、円筒３２の、先端部に、比較例と同じ強い電界ができていることも分かる。
実施例１と、比較例の、大きな違いは、円筒３２下部周辺の円板３０表面の電界にある。比較例では、この領域は、完全にシールドされて、その電界は実質ゼロであったが、実施例１の場合はここに強い電界ができている。【００２３】  この理由は、次のように考えられる。すなわち、図１２に示すように、円筒３２がなければ、円板３０表面に、右電極２（正電圧印加）から垂直に下りた電気力線が、途中で曲がって、円筒３２先端部と円筒３２の壁の上部に入る。ここまでは、比較例と同じである。その結果、電気力線の終点には、負電荷が集まる。比較例では、円板３０部分から帯電された負電荷（電子）が移動してきたのだが、実施例１では、円板３０と円筒３２は絶縁層３３で分離されているので、円板３０からの電子の移動はなく、円筒３２の静電分極で電子が発生する。このとき、円筒３２の下部には、電子と等量の正孔が発生する。その結果、該正孔と、円板３０の電子の間に強い電界が生じる。
これが、この不思議な現象の生じた理由である。【００２４】  しかしながら、よく考えて見ると、別に不思議な現象ではない。よくある高校物理の問題に、電極間に、電気的に、フロートの状態で、電極と同面積の導電性板を挿入したら、電界はどうなるか、という問題がある。その答えは、電界は強くなるであり、板厚が分かっていれば、その電界も簡単に計算できる。実施例１の、円筒３２下部周囲の円板３０表面の電界は、基本的には。これと同じ現象で、強くなっている。但し、高校物理の問題の様に数値計算はできない。
【実施例２】
【００２５】  比較例では、円板３０裏面に直接円筒３１を貼り付けて、円板３０裏面の電界を弱めることで、非対称静電力を生じさせた。一方、実施例１では、円板３０表面に絶縁層３３を介して円筒３２を貼り付け、円板３０表面の電界を強めることで、非対称静電力を生じさせた。
それでは、円板３０裏面に直接円筒３１を貼り付け、円板３０表面に絶縁層３３を介して円筒３２を貼り付けたらどうなるであろうか。両方の効果が足し合わされて、より大きな非対称静電力が生じると期待される。【００２６】  そこで、実施例１の、非対称型（円板＋円筒型）導体の裏面に、比較例１と同じ円筒３１を直接貼り付けて、円筒円板＋円筒型非対称導体を作製した。該導体に働く、順逆静電力を上記と同様に、軸対象二次元差分法でシミュレーションした。図１３、１４にその結果を、比較例、実施例１と並べて示す。また、その値から、計算で求めた、非対称率ＡＳＲを、比較例、実施例１と並べて、図１５に示す。
図１５より、実施例２では、実施例１よりも、非対称率ＡＳＲは、さらに改善されたことが分かる。但し、図１５では、非対称率の比較では、その程度が、比較例と実施例１を足し合わせたものに等しいか否かは明らかでない。そこで、その点を直接比較するために、順静電力と逆静電力の絶対値の差、順逆静電力差を計算し、その結果を図１６に示した。図１６より、実施例２の、順逆静電力差は、実施例１の順逆静電力差と、比較例の順逆静電力差を足し合わせたものにほぼ等しいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】非対称型導体（電荷搬送体）の正面図及び側面図。
【図２】シミュレーション及び実験に使用した左右電極と非対称型導体の配置略図。
【図３】シミュレーションに使用した非対称型導体主要部の格子図。
【図４】比較例の非対称型導体（円筒円板型）に作用する静電気力を示すグラフ。
【図５】比較例の非対称型導体（円筒円板型）の円板表面の電界を示すグラフ。
【図６】比較例の非対称型導体（円筒円板型）に、逆電界中で入る電気力線の分布図。
【図７】比較例の非対称型導体（円筒円板型）の電界に対する非対称率を示すグラフ。
【図８】順電界における実施例１の非対称型導体（円板＋円筒型）の配置図。
【図９】比較例の非対称型導体（円筒円板型）と実施例１の非対称型導体（円板＋円筒型）に作用する静電気力を示すグラフ。
【図１０】比較例の非対称型導体（円筒円板型）と実施例１の非対称型導体（円板＋円筒型）の電界に対する非対称率を示すグラフ。
【図１１】実施例１の非対称型導体（円板＋円筒型）の円板表面の電界を示すグラフ。
【図１２】実施例１の非対称型導体（円板＋円筒型）に、順電界中で入出する電気力線の分布図。
【図１３】比較例の非対称型導体（円筒円板型）と実施例２の非対称型導体（円筒円板＋円筒型）に作用する静電気力を示すグラフ。
【図１４】実施例１の非対称型導体（円板＋円筒型）と実施例２の非対称型導体（円筒円板＋円筒型）に作用する静電気力を示すグラフ。
【図１５】比較例、実施例１、実施例２の非対称型導体の電界に対する非対称率を示すグラフ。
【図１６】比較例、実施例１、実施例２の、順、逆電界の静電力の絶対値の差と、比較例と実施例１のその値を合計した値を示すグラフ。
【図１７】特許文献［４］に記載された静電発電機の正面図。
【図１８】特許文献［４］に記載された静電発電機の電荷搬送体に働く静電力を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２９】１：  非対称型導体（電荷搬送体）に電界を加えるための左側電極
２：  非対称型導体（電荷搬送体）に電界を加えるための右側電極
３：  非対称型導体（電荷搬送体）
３０：  非対称型導体（電荷搬送体）を構成する円板
３１：  比較例及び実施例２の非対称型導体（電荷搬送体）を構成する円筒（裏側）
３２：  実施例１及び実施例２の非対称型導体（電荷搬送体）を構成する円筒（表側）
３３：  実施例１及び実施例２で円筒（表側）を円板に固定する絶縁層
４：  高圧電源
１１：  エレクトレット（電界形成電極）
１２：  電荷注入電極（接地電極）
１３：  電荷搬送体
１４：  電荷回収電極
２０：  電極１２，１４及びエレクトレット１１の絶縁性支持体。
【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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