(57)【要約】【課題】磁界中でコイルを回転させる磁界型発電機において、コイルを回転させる力として、水力、火力、風力、原子力、地熱、波浪、海流等が使用されているが、安全で、コストが安く、地球環境に悪い影響を与えないエネルギー源はない。【解決手段】Ｎ極とＳ極の磁石３ａ、３ｂが形成する磁界中で、コイル１を回転させる力として、非対称静電力を使用する。エレクトレット２ａと対向電極２ｂが形成する電界中の、断面が、非対称形状。例えば、樋型、のコイルの線分１ａ、１ｂには、樋型の底面の外側に、この面と垂直な方向に非対称静電力が働く。この力は、コイルが非対称形の導体であれば、帯電していなくとも働く。そして、エレクトレットの電荷が存在し、電界が形成される限り、外部からのエネルギーの補給も必要としない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界中でコイルを回転させ、コイルを貫く磁力線の数を変化させることで発電する磁界型発電機において、コイルの断面形状を非対称形とし、電界中で、非対称形状の導体に作用する非対称静電力によりコイルを回転させることを特徴とする磁界型発電機。
【請求項２】
磁界中にその長手方向を磁界の方向と垂直な方向に置かれた導体を磁界の方向と垂直な方向に移動させてローレンツ力により発電させるローレンツ型発電機において、該導体の断面形状を非対称形とし、電界中で、非対称形状の導体に作用する非対称静電力により、該導体を移動させることを特徴とするローレンツ型発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、エレクトレットまたは強誘電体からなる半永久帯電体が形成する電界により、非対称形の導体を静電力で、磁界を横切る方向に移動させて発電させる磁界型発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】  現在、産業界で主に使用される発電機は磁界型発電機である。磁界型発電機は、コイルを磁界中で回転させて発電させる。そのとき、コイルを動かす力として、空気や水等の流体や水蒸気流が使用される。前者は主に自然界に存在し、後者は、石油・石炭を燃やしたり原子力を使って人工的に作られる。
また、現状、発電量が少なすぎるため、産業的に利用されることはないが、電荷を低電位から高電位まで搬送することで発電させる静電発電機もある。近年、本発明でも使用される非対称静電力を使用した新型静電発電機も提案されていて、小型、超小型電源として期待されている。
【先行技術文献】
磁界型発電機に関しては一般的な教科書に記載されているので特に提示しない。上記新型静電発電機に関しては下記の文献がある。
【文献】
特開２００８−５６９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】    コイルを駆動する力として、自然界のエネルギーを利用する方式は、一般的にコストも安く安全ではあるが、安定性に欠ける。一方、人工的にそのエネルギーを生成する方式は、一般的に、コストが高く、二酸化炭素が多量に発生して地球環境を悪化させ、また安全性にも問題がある。【０００４】  本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、磁界型発電機のコイルを駆動する力として、コストが安く、二酸化炭素を発生せず、安全で、安定な非対称静電気力を使用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  上記の課題を解決するため、本発明による磁界型発電機は、エレクトレットまたは強誘電体からなる半永久帯電体（以下、単にエレクトレットと記載するが、内容的には強誘電体もふくんでいる。）と、対向電極とを、磁界中で、対向に設置し、その間に、断面形状が非対称形の線分からなるコイルを回転自在に配置し、該非対称形状の線分に加わる非対称静電力により、該コイルを回転させることを特徴とする。（請求項１）
また、エレクトレットと対向電極とを、磁界中で、対抗に配置し、その間に、断面形状が非対称性の導体を、その長手方向が、磁界の方向と直角になるように配置し、該非対称形状の導体に加わる非対称静電力により、該長手導体を、磁界と直角方向に移動させることを特徴とする。（請求項２）
【発明の効果】
【０００６】  本発明によれば、半永久帯電体と対向電極で形成される電界は、該非対称形線分で構成されるコイルに静電力を加えて回転させても変わらないため、半永久的に、安定して発電を継続することができる。また、エレクトレットは絶縁性フイルムを帯電するだけで製造できるため、そのコストは安く、またその電荷はフイルム中に閉じ込められているため安全である。また、その原理上二酸化炭素の発生はまったくない。（請求項１）
さらに、コイルを回転させる代わりに、長手導体を水平移動させることで、必要とされるエレクトレットの電位を下げ、また装置の高さを下げることができる。（請求項２）
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【０００７】  以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１に本発明の発電機の構造を示す。記号３で示す相対する異極性の２箇の磁石が形成する磁界中で、記号１で示すコイルが回転する構造は従来の磁界型発電機と同じである。しかし、コイルを回転させるタービンは、どこにもない。その代わりに、記号２で示すエレクトレットとその対向電極が図のように配置されていて、その間に電界を形成している、
また、コイル１も従来のような断面が円形の線状ではなく、特にその左右の部分では、断面が、樋型になっている。なお、図中、矢印はコイル１の回転方向を示している。【０００８】    すなわち、断面形状が樋型のコイルが、電界の中で、磁界を切って回転するように構成されている。なお、磁界は、永久磁石で形成しても、電磁石で形成してもよい。また、コイルから電荷を取り出す回収端子が図示されていないが、従来と同じなので省略した。また、エレクトレットとその対向電極を、磁石の方向と直角の方向に配置したが、平行に配置してもよい。また、２ａと２ｂは、どちらが、エレクトレットでも、対抗電極でもよい。、【０００９】  この構成で、樋型コイルの底面（外側）に垂直な方向に静電力が働き、コイルが回転する。この静電力が非対称静電力である。これは、非対称形状の導体に作用する静電力で、近年本発明者により確認された長年見逃されていた静電力である。本発明者によりいくつかの論文が発表されているが、それらをまとめたのが下記の本である。
・表題：Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｆｏｒｃｅｓ  ａｎｄ  ａ  Ｎｅｗ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．
・出版社：Ｎｏｖａ  ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｉｎｃ．Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ
・著者：Ｋａｔｓｕｏ  Ｓａｋａｉ【００１０】    よく知られているように、静電力には３種類ある。すなわち、グラディエント（電界勾配）力、イメージ（鏡像）力、クーロン力である。同様に、非対称静電力にも３種類ある。すなわち、電界中で無帯電の非対称形状の導体に働く静電力（ＡＦ）と、無電界中で、導体の近傍に置かれた帯電した非対称形状の導体に働く静電力（ＡＩＦ）と、電界中で帯電した非対称形状の導体に働く静電力（ＡＣＦ）である。本発明では、その中で、１番目の静電力（ＡＦ）を使用する【００１１】  この力は、上記のように、無帯電の非対称形状の導体に働く力である。すなわち、図１で、コイルの樋状部分、１ａ、１ｂに作用する静電力である。その大きさを、シミュレーションで求めた。図１において、コイルが含まれる筐体の大きさを、１ｍ立方とし、コイルの長さを８００ｍｍ、コイルの左右の樋状部分を、幅１００ｍｍ、高さ１００ｍｍ、長さ８００ｍｍとし、その厚さを１ｍｍとした（図２参照）なお、この形状と寸法が最良というわけではではない。原理的には、大きさの制限になく、形状も非対称形であれば、どんな形でも使用可能である。【００１２】  コイルの樋状部分は、図２に示されるように８個の面、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８を有している。該８面に作用する静電力、ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６、ｆ７、ｆ８をシミュレーションで求め、水平静電力ｆｘ、垂直静電力ｆｙを算出した。なお、これ以外に、コイルの樋状部分の、手前と、奥に３個づつの面があり、そこにも同様に静電力が作用するが、手前と奥の静電力は強さが等しく、その方向が反対で、相殺するのでシミュレーションの対象としなかった。【００１３】  シミュレーションは、二次元の差分法で行なった。対象空間を細かい格子に分割し、各格子点の電位を、左右、上下の格子点の電位の平均値として一次元の数千個の連立方程式をたて、電位の確定している格子点より、順次代入法で解いていく方式である。詳細は、先に本発明者が出願した、特開２００６−３２５３９４に記載した。
電位の確定している格子点とは、この場合、接地電極上の格子点、及び、エレクトレット上の格子点である。なお、今回は、計算を簡略化するため、エレクトレットと同電位の１，０００，０００Ｖが印加された電極を使用した、この場合、コイルを囲む電界はどちらも、１，０００，０００Ｖ／ｍと同じになる。なお、１，０００，０００Ｖのエレクトレットは、フッ素樹脂フイルムを、コロナ放電で、電荷密度２．０ｍＣ／ｍ２に帯電し、４．５ｍｍの空気層を介して、接地電極と相対させることで形成できる。【００１４】  シミュレーションは、単体の樋型電極を、図３に示す４つの位置、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに置いて行なった。その結果を表１に示す。表１より、コイルが水平になったとき、その左端の樋型導体には、上向きに、５．９１８ｍＮの非対称静電力が働き、右端の樋型導体には、下向きに、同じ強さの非対称静電力が働くことがわかる。強さが同じで、方向が反対であるが、コイルの両端に加わるためコイルを回転させる力となる。同様に、コイルが垂直になった時も、その両端に、同じ強さで、逆方向の力が加わり、コイルを回転させる。但し、その強さは、１．７５４ｍＮと、水平位置に比較して、１／３以下である。いずれにせよ、この力が、コイルに働く動摩擦力や空気抵抗よりも大きければ、コイルは止まることなく回転続けられる。
【表１】
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【００１５】  上記非対象静電力に比較して、空気抵抗はかなり大きいため、コイルの周速は、０．２ｍ／ｓに抑える必要がある。高速回転させるためには、筐体内を減圧する必要がある。さらに、、図４に示すように、無帯電の樋型導体４１−４６を、コイルの回転円周上に、コイルと一体化して（４７が連結部材）多数配置すると効果的である。さらには、該減圧樋型導体群をコイルの筐体の外部に出し、コイツと軸で連結する方法もある。【００１６】  コイルが回転続ける限り、発電は継続される。コイルの樋状部分に非対象静電力が働くかぎりコイルは回転し続ける。非対象静電力は、電界が存在する限り発生する。電界はエレクトレットの電荷が存在する限り対向電極との間に形成される。すなわち、本発明の磁界型発電機のエネルギー源は、エレクトレットの電荷、またはそれが形成する電界にある。【００１７】  現在、一般的には、電界のエネルギーは空間に、静止状態で蓄えられていると言われている。そのため、電界から連続的にエネルギーを引き出すことができないと言われている。一方、電界は、電子が、その周囲に、連続的に光子を放射して形成されるという意見もある。すなわち、電界は、エネルギーが静止して蓄えられている所ではなく、エネルギーが光速度で移動しているところになる。そうであれば、太陽電池が、太陽が光を放射続ける限り発電するように、該新型発電機も、電子が光子を放射続ける限り発電することになる。この議論は、大変難しいので、実際に、該新型発電機を作製して、後者の意見が正しいことを立証する予定である。
【実施例２】
【００１８】  コイル中を通過する磁力線の本数の変化で発電する磁界型発電機以外に、磁界中を移動する導体中の電荷に作用するローレンツ力で発電する発電機もある。これも、磁界型発電機ではあるが、コイル回転型と区別するために、以下、ローレンツ型発電機と呼ぶ。ここでも、この導体を移動させる力として非対象静電力が有効である。【００１９】  ローレンツ力は高校の物理の教科書にも説明されている既知の力である。図５（ａ）は、側面図で、（ｂ）は正面図である。摸式的に描いたように、磁界５中を、導線６が、磁界の方向と垂直な方向７に移動すると、導線内の自由電子８には、磁界の方向５と、導線６の移動方向７の両方に垂直な方向９にローレンツ力が働く。１個の自由電子に働く力ｆは、磁界の磁束密度をＢ［Ｗｂ／ｍ２］，電子の電荷を−ｅ［Ｃ］、移動速度をｖ［ｍ／ｓ］とすると
ｆ＝ｅｖＢ［Ｎ］
となる。
導線６中を、自由電子８が左に移動し（注、電流すなわち正電荷の移動方向は逆）、正孔１０が右に残るため、長さｌ［ｍ］の導線の両端には電位差（誘起起電力）Ｖ
Ｖ＝Ｂｌｖ［Ｖ］
が生じる。【００２０】  このとき、該導線の両端にコンデンサーの両端を接続するとこれらの正負電荷は、コンデンサーの両面に移動してこれを充電する。もちろん、抵抗をつないで、発熱させたり、発光させることもできる。これら、導線の両端に電位差（誘起起電力）を発生させた後の処理は当業界で広く公知の内容なので、本明細書ではこれ以上言及しない。また、磁界の発生方法も当業界で広く公知の内容なので、本明細書ではこれ以上言及しない。【００２１】  磁界中で動線を移動させ、ローレンツ力でその両端に正負電荷を移動させ、該電荷を外部に取り出したのち、該導線を再び磁界中で移動させるとまたその両端に正負電荷が移動することは当業界で昔からよく知られた事実である。本明細書では、この点に関しても特に言及しない。【００２２】  図６に非対称静電力を駆動力とするローレンツ型発電機のひとつの構成例を示す。ローラ１２、１３の周囲を矢印方向に回転する薄い絶縁性ベルト１１の表面に樋型電極が図のように張り付けられている。その大きさは、実施例１と同じで、たてよこ５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、板厚０．１ｍｍである。軽量化のためアルミ板で構成されている。筐体１４の上部に、エレクトレット２ａと、磁性板３ａ、下部に、対向電極２ｂと、磁性板３ｂが図のように置かれる。筐体の高さは、３０ｍｍ、奥行き４０ｍｍ、幅７０ｍｍである。【００２３】  エレクトレットは、背面電極を有する、厚さ０．２５０ｍｍ、比誘電率２．０のフッ素樹脂フイルムの自由表面をコロナ放電で、電荷密度２．０ｍＣ／ｍ２に帯電して作製した。その表面電位は、２５０００Ｖである。なお、エレクトレットの背面電極として、上部磁性板を使うこともできる。また、対向電極として、下部磁性板を使うこともできる。
エレクトレットと対向電極により、筐体内には強い電界が形成される。その、結果、各樋型電極の底面の外側には、この面に垂直な方向に非対象静電力が働き、樋型電極１を載せたベルト１１は矢印の方向に回転する。この時、上下の磁性板３ａ、３ｂで形成される磁界を各樋型電極が横切るため、ローレンツ力で、手前と奥に正負の電荷が集まる。この電荷を、図示しない回収端子で集めることで、直流発電機ができる。【００２４】  この構成で、樋型電極に作用する、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、計算条件とともに、図７に示す。樋型電極が、ベルトの上下の位置にあるとき（左右は除く）、＋Ｘ方向、及びーＸ方向に働く静電力の強さは、０．１６７ｍＮであった。ベルトの速度が、０．５ｍ／ｓの時、該樋型電極が受ける空気抵抗は、０．０２３ｍＮなので、動摩擦力を考慮しても、筐体内を減圧することなく、樋型電極の載ったベルトを動かすことができる。
この時の、誘起起電力は、磁束密度を、１．０Ｗｂ／ｍ２として、１５ｍＶである。【００２５】  樋型電極の形状を変えず、磁束密度１．０Ｗｂ／ｍ２のままで、さらに高い電圧を得るためには、ベルトの速度を速くする必要がある。そのためには、静電力をより強くしなければ、ならない。静電力を強くするためには、電界を強くする必要がある。電界を強くするためには、エレクトレットの電位を上げるか、対向電極までの距離を短くすればよい。例えば、図６の構成で、エレクトレットと対向電極の距離を、３０ｍｍから１５ｍｍに半減させれば、電界の強さは２倍になる。しかし、これでは、樋型電極を載せたベルトが、高さが半減した筐体に入らない。【００２６】  そこで、ベルト方式に替えて、図８に示すように、回転円板方式にすればよい。図８において、記号１５は、軽い絶縁性の回転円板を示す。その上に、８個の樋型電極１が、放射状に載せられている。但し、図では、そのうちの３個のみ表示している。エレクトレット２ａと対向電極２ｂの間隔は１５ｍｍである。この結果、図６と比較して、電界の強さは２倍になった。この条件で、樋型電極に作用する静電力をシミュレーションしたところ、０．６５７ｍＮと４倍になった。速度が２ｍ／ｓの時の、空気抵抗は、０．３６０ｍＮなので、余裕である。このとき、誘起起電力は６０ｍＶになる。【００２７】  なお、以上すべて、エレクトレットで説明したが、エレクトレットに代えて、強誘電体を使用することも、もちろん可能である。強誘電体の方が、エレクトレットよりも、高電荷密度が得られるので、より強い電界を形成し、より強い非対称静電力を発生させることができる。強誘電体の、具体的な材料やその製法に関しては、例えば、特開２００７−２９８２９７に詳細に開示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】非対称形状のコイル部分に、電界により非対称力を加えて、該コイルを磁界中で回転させる本発明の基本構成図である。
【図２】図１の構成における非対称形状コイルの８個の面を示す説明図である。
【図３】図１の構成における非対称形状コイルの４つの位置とその向きを示す説明図である。
【図４】図１の構成において、コイルに、非対称形状の導体を加えた第二構成図である。
【図５】ローレンツ力の説明図である。
【図６】ベルト上の複数の樋型電極に、電界により非対称静電力を加えて、磁界と直角方向に移動させるローレンツ型発電機の基本構成図である。
【図７】図６の構成における樋型電極に加わる静電力のシミュレーション条件とその結果を示す説明図である。
【図８】図６の構成において、樋型電極を、ベルトに替えて、回転円板に載せた、ローレンツ型発電機の第二構成図である。
【符号の説明】
【００２９】１  非対称形状（樋型）導体（コイル）
２  エレクトレットとその対向電極
３  磁石
４１〜４６  樋型導体
４７  樋型導体連結部材
５  磁界
６  導線
７  導線の移動方向
８  自由電子
９  電子の移動方向
１０  正孔
１１  絶縁性ベルト
１２  ベルト回転軸
１３  ベルト回転軸
１４  筐体
１５  絶縁性回転円板
【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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