(57)【要約】【課題】電界の方向で、非対称形の導電性電荷搬送体３に作用する静電力の強さが変わる非対称静電力を使用する、静電発電機において、該帯電導体の移動経路を挟んで、従来その両側に電荷注入電極１、エレクトレット２、電荷回収電極４が配置されていた。この場合、同一の絶縁基板５上に、製法がまったく異なる電極とエレクトレットを形成しなければならないため、製造コストが高くなった。また、エレクトレットの素材は高価なため、その使用量を減らしてコストを下げるのが望ましい。【解決手段】エレクトレット２を、該電荷搬送体の移動経路の片側のみに配置し、その電荷密度を２倍にする。さらに望ましくは、片側に、エレクトレット２、もう一方の側に、電荷注入電極１と電荷回収電極４を配置する。【選択図】図３
2016082856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界の方向で、非対称形の帯電導体に作用する静電力の強さが変わる非対称静電力を使用する、静電発電機、静電モーター、静電加速器等の静電応用機器において、該帯電導体の進行方向を挟んで、従来その両側に配置された電極や、エレクトレットや高誘電体等の電位発生源の内、電位発生源を片側のみに配置したことを特徴とする非対称静電力を使用する静電応用機器の構造。
【請求項２】
請求項１において、片側に電極、もう一方の側に、電極と電位発生源を配置する静電応用機器の構造。
【請求項３】
請求項１において、片側に電極、もう一方の側に、電位発生源を配置する静電応用機器の構造。
【請求項４】
請求項１において、片側に電極と電位発生源を置き、もう一方の側には、何も置かない  静電発電機、静電加速器の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、新たに発見された非対称静電気力を使用する静電発電機等の静電応用機器の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  本出願人は先に、本出願人に発見された静電気力（非対称静電気力）を使用する新方式の静電発電機、静電モーター、静電加速器等の静電応用機器を発明した（特許文献
［１］［２］［３］［４］［５］［６］［７］、参考文献［１］）。
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、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）と同じである。すなわち、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、参考文献［１］のＦｉｇ．３３，Ｆｉｇ．３５，Ｆｉｇ．３８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、特許文献にも同一の図と同様の説明が記載されている。但し、静電気力のシミュレーションを、軸対称二次元差分法で行なっているため、本発明の説明ができない。そこで、ＸＹ二次元差分法を使用し、本発明の説明が可能な参考文献を使用する。
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
特許文献［６］  特開２０１３−２３６５３０
特許文献［７］  特開２０１４−１７６２８６
参考文献［１］  ″Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｆｏｒｃｅｓ  ａｎｄ  ａ  Ｎｅｗ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ″Ｎｏｖａ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，２０１０【０００５】  図７（参考文献［１］のＦｉｇ．３３）において、記号１は電荷注入電極を、記号２はエレクトレットを、記号３は電荷搬送体を、記号４は電荷回収電極を、記号５は電極１，４及びエレクトレット２の絶縁性支持体を示している。エレクトレット２の幅は、１６０μｍで、注入電極１の幅は８０μｍで、、回収電極４の幅は２４０μｍである。両電極とエレクトレットの長さは、３８．０ｍｍである。注入電極１とエレクトレット２、及びエレクトレット２と回収電極４の間隔はそれぞれ３２０μｍである。上下の支持体５の間隔は２４０μｍである。
エレクトレット２の電荷密度は、０．１ｍＣ／ｍ２で、注入電極１は接地されていて、回収電極４の電位は、目標の発電電位、例えば−２６０Ｖである。但し、シミュレーションは、０Ｖで行な
2016082856.tif 000003
なる。）この結果、エレクトレット２と注入電極１の間には左向きの電界が形成される。以下、これを順電界と呼ぶ。一方、エレクトレット２と回収電界４の間には右向きの電界が形成される。以下、これを逆電界と呼ぶ。【０００５】  電荷搬送体３は、図の様に左側が開い樋型で、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、高さは１６０μｍ、奥行きは３８．０ｍｍ、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３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１、エレクトレット２、回収電極４を通り抜ける。【０００５】  電荷搬送体３が、注入電極対１を抜ける時、図示しない接地導線が接触して、静電誘導で、−０．５８６ｎＣの電荷が注入される。この結果は、ＸＹ２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３）が注入電極１からエレクトレット２を通り回収電極４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８（参考文献［１］のＦｉｇ．３５）に示す。【０００６】  図８より、該電荷搬送体３が受ける静電力の強さは、順電界（注入電極１とエレクトレット２間）では、ピーク値で、２．２［ｍＮ］と大きく、逆電界（エレクトレット２と回収電極４間）では、１．３［ｍＮ］と半分近く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３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３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４に到達させるのである。この速度は、電荷搬送体３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（余剰エネルギー）を使って（分配して）、電荷搬送体３を機械的に搬送すると同時に、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。具体的には、図８より、余剰エネルギーは、０．１５３［μＪ］と求められ、搬送電荷量は、−０．５８６［ｎＣ］なので、可能な発電電位は−２６１［Ｖ］となる。【０００８】  電荷搬送体３によって、接地電位の注入電極１より、高電位の回収電極４に搬送された電荷の９０％（シミュレーション結果）は、電荷搬送体３が、回収電極４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。回収率が９０％なので、発電可能電位は、−２３５｛Ｖ｝に下がる。（注、回収電極の幅をさらに拡げれば回収率は上がるがその分空間の利用効率は悪くなる。）
搬送した電荷の大部分を、回収電極４に放出した電荷搬送体３は、回収電極４を抜けてさらに右方向に移動し、次の注入電極１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。【０００９】  該電界発電工程をエンドレスに、スムーズに行うために、図９（参考文献［１］のＦｉｇ．３８）の構造が提案されている。図９において、記号６は。電荷搬送体円板で、記号５１と５２は、上下固定電極円板である。その中間に、電荷搬送体円板６が、回転自在にセットされている。上下の固定電極円板５１、５２には、図の様に、注入電極１、エレクトレット２、回収電極４が、上固定電極円板５１の裏面と下固定電極円板５２の表面に、相対して、放射状に多数配置されている。また、電荷搬送体円板６には、樋型の非対称形状の電荷搬送体３が、放射状に多数配置されている。電荷搬送体円板６が、等速度で回転することで、上記の様に、電界移動型発電がスムーズに、エンドレスに行われる。【００１０】  なお、この構成では、ひとつのエレクトレット２が構成する電界を、多数の電荷搬送体３が次々に通り抜けていく。このとき、エレクトレット２の構成する電界のエネルギーがそこに静止して蓄えられていれば、電荷搬送体３に静電力を働かせてこれを移動させることで、そのエネルギーは次々に消費され、すぐに枯渇する。すなわち、発電は止まる。しかしながら、幸いなことに、電界のエネルギーは静止して蓄えられているのではなく、その空間を光速度で移動しているので、その心配は不要である。なお、電子が、その全周囲に、絶えることなく光子（電気エネルギー）を放射し続けていることは、量子電気力学に記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  図９に示す電界駆動型静電発電機を実際に作製しようとしたとき、絶縁基板上に電極パターンを作製することは、既存技術（メタルエッチング）で容易で、コストも安い。一方、微細エレクトレットパターンを作製することは、既知技術とは言えない。スクリーン印刷で可能であるが、ノウハウの蓄積が必要と考えられる。また、電極パターンとエレクトレットパターンを、別々の基板上に作製することは可能でも、それらを、同一の基板上に作製することはさらに難しくなる。また、エレクトレット用特集テフロン樹脂は高価である。すなわち、図９に示される上下の固定電極円板５１、５２の構造は製造コストが高くなる。【００１２】  そこで、本発明の目的は、電界駆動型静電発電機において、製造コストの安い固定電極円板の構造を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  上記目的は、上下の固定電極円板５１、５２のどちらか片方のエレクトレット２を無くすことで達成できる。但し、そのままでは、電界が弱くなってしまうので、例えば、残されたエレクトレット２の電荷密度を２倍にする。エレクトレットの電荷密度を、０．１ｍＣ／ｍ２から０．２ｍＣ／ｍ２に上げることはまったく問題なく容易にできる。通常、エレクトレットフイルムは、コロナ放電器の下を、特殊テフロンフイルムを一定の速度で走行させることで作製される。その走行速度を１／２にすることで電荷密度は２倍になる。あるいは、走行速度を変えずに、コロナ放電電圧を１．４倍にすることでもできる。なお、特殊テフロンフイルムが半永久的に保持できる電荷には限りがあり、現状２．０ｍＣ／ｍ２が上限である。それ以上の電荷密度が必要な場合は、エレクトレットに代えて強誘電体を使用する必要がある。
【発明の効果】
【００１４】  エレクトレットの使用量が半分になったので、固定電極円板５１、５２の製造コストが大幅に下がった（実施例１、実施例２、実施例３）。さらに、電極パターンとエレクトレットパターンを同一基板上に作製する必要が無くなったので、さらにコストが下がった。（実施例２）
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００１５】  図７に示す電界駆動型静電発電機の実験装置を試作し実験し、順次改良した。但し、任意の電位でできるように、電位発生源は、エレクチレットに代えて、高圧電極を使用した。あるとき、上高圧電極に高電圧を印加する高圧ケーブルのグリップが外れていた。驚いたことに、それでも、電荷搬送体は動いていた。そこで、この実験装置の、電界の強さを、グリット有無でシミュレーションしてみた。意外なことに、上グリップが外れても、電界の強さは８割近く残っていた。すなわち、エレクトレットを、上下の固定電極円板５１、５２の両方に作製することは必須ではないのである。【００１６】  そこで、図１に示すように、図７の構造から、上のエレクトレットを除いて、上記参考文献と同様に、帯電した電荷搬送体３に作用する静電気力をＸＹ２次元差分法でシミュレーションして求めた。但し、エレクトレットの電荷密度を０．１ｍＣ／ｍ２から０．２ｍＣ／ｍ２に上げた。（注、上記実験装置では、１．３倍で同じ強さの電界が得られたのに対して、今回は、２．０倍必要になったのは、電極の形状や配置の違いによるものである。）最初に、電荷搬送体３を注入電極１の出口に置いて接地し、注入電荷量Ｑを求めた。Ｑ＝−０．５８６［ｎＣ］であった。該電荷に作用する静電気力を、注入電極１の出口より、回収電極４の奥まで、２０μｍごとに求めた。その結果を、「上エレクトレット無下完備型」として、参考文献の結果「上下完備型」と並べて、図２に示す。【００１７】  「上エレクトレット無下完備型」の静電気力は「上下完備型」とほぼ同じであった。すなわち、注入電極１とエレクトレット２間（順電界）では強めで（ピーク値で２．４ｍＮ）右方向に働き、エレクトレット２で、ほぼゼロとなり、エレクトレット２と回収電極４間（逆電界）では、弱めで（ピーク値で１．３ｍＮ）、逆に左方向に働き、回収電極４に入ってゼロに近づいた。なお、回収電極の奥まで入っても電界の強さはゼロにはならないので、電荷の回収率は「上下完備型」と同じく９０％である。【００１８】  順電界と逆電界において、静電力の絶対値に２倍近い差があるので、参考文献と同様に余剰運動エネルギーが生じる。その値は、０．１８１［μＪ］と、電荷密度が半分の完備型より大きくなった。搬送電荷量が、−０．５８６［ｎＣ］なので、発電可能電位は、−３０９Ｖになる。但し、先に述べたように、回収率を考慮すると、−２７８［Ｖ］に下がる。
【実施例２】
【００１９】  次に、図３に示すように、図１の構成からさらに、下絶縁性支持体５上の注入電極１と回収電極４を外した。この結果、上絶縁性支持体５上には、注入１・回収４両電極のみが、下絶縁性支持体５上には、エレクトレット２のみが残った。エレクトレットの電荷密度を実施例１と同じ０．２ｍＣ／ｍ２とした。この時の、注入電荷量を実施例１と同様にシミュレーションしてみると、−０．６６０［ｎＣ］であった。【００２０】  −０．６６０［ｎＣ］を帯電した電荷搬送体３に作用する静電力を実施例１と同様にシミュレーションした。但し、シミュレーション間隔は、２０μｍではなく、４０μｍ間隔とした。その結果を「上注入回収下エレクトレット型」として、「上下完備型」と並べて、図４に示す。そのパターンは、「上下完備型」や「上エレクトレット無下完備型」と同じであるが、その絶対値はやや大きい。すなわち、順電界のピーク値は、＋２．６ｍＮで、逆電界のピーク値は、−１．７ｍＮである。この結果、余剰エネルギーは、０．１６７［μＪ］となった。搬送電荷量が、−０．６６０［ｎＣ］なので、発電可能電位は、−２５３Ｖである。すなわち、電極とエレクトレットを分けて、上下に別々に配置しても、上下に電極とエレクトレットを完全配置した場合とほぼ同様に発電できる。【００２１】  但し、副作用もある。図４をよく見ると分かるように、電荷搬送体が、回収電極の下に入っても、そこに働く静電力は、「上下完備型」や「上エレクトレット無下完備型」の２倍以上も残されている。この結果は、ここに電界が残されていることを示している。その結果、電荷回収率は、「上下完備型」や「上エレクトレット無下完備型」の９０％から、６６％とかなり悪くなってしまった。しかしながら、電荷回収率の低下よりも、エレクトレットと電極を別々の基板に形成できる製造の容易さの方がメリットは大きい。
【実施例３】
【００２２】  次に、図５に示すように、図１の構成から、上絶縁性支持体５上の注入電極１とエレクトレット２と回収電極４を外した。この結果、上絶縁性支持体５上には、何もなく、下絶縁性支持体５上に、注入電極１、エレクトレット２、回収電極４が残った。エレクトレットの電荷密度を実施例１と同じ０．２ｍＣ／ｍ２とした。この時の、注入電荷量を実施例１と同様にシミュレーションしてみると、−０．６４７［ｎＣ］であった。【００２３】  −０．６４７［ｎＣ］を帯電した電荷搬送体３に作用する静電力を実施例２と同様にシミュレーションした。その結果を「上無下完備型」として、「上下完備型」と並べて、図６に示す。そのパターンは、「上注入回収下エレクトレット型」と同じで、「上下完備型」や「上エレクトレット無下完備型」より、その絶対値はやや大きい。すなわち、順電界のピーク値は、＋２．６ｍＮで、逆電界のピーク値は、−１．７ｍＮである。この結果、余剰エネルギーは、「上注入回収下エレクトレット型」と同じく０．１６７［μＪ］となった。搬送電荷量が、−０．６４７［ｎＣ］なので、発電可能電位は、−２５８Ｖである。すなわち、下側のみに、両電極とエレクトレットを配置しても、上下に電極とエレクトレットを完全配置した場合とほぼ同様に発電できる。【００２４】  但し、実施例２と同じく、回収電極が片側のみにしかないため、電荷の回収率は、実施例２と同じく６７％と低くかった。【００２５】  以上３実施例ともすべて静電発電機で説明したが、同様に、該電極及びエレクトレットの構造は、静電加速器や静電モーターでも大幅なコストダウン効果がある。静電発電機では、余剰エネルギーを、電荷搬送体を、より電位の高い回収電極まで搬送するために使用した。一方、静電加速器では、回収電極の電位を注入電極の電位と同じ（通常接地電位）とすることで、余剰エネルギーを全て、電荷搬送体を加速するために使用する。また、加速せずに、余剰エネルギーを、全て外部に取り出して、他の物体を移動させると、静電モーターになる。
なお、これらの場合、電荷の回収は不要なので、実施例２と３の、電荷回収率の低さは欠点にならない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】  エレクトレットを下側基板のみに形成する電界駆動型静電発電機の正面図。
【図２】  図１の構造で、電荷搬送体に作用する静電力を示すグラフ。
【図３】  上側基板に注入及び回収電極、下側基板にエレクトレットを形成する電界駆動型静電発電機の正面図。
【図４】  図３の構造で、電荷搬送体に作用する静電力を示すグラフ。
【図５】  上側基板に何も形成せず、下側基板に注入及び回収電極とエレクトレットを形成する電界駆動型静電発電機の正面図。
【図６】  図５の構造で、電荷搬送体に作用する静電力を示すグラフ。
【図７】  参考文献［１］に記載された電界駆動型静電発電機の正面図。
【図８】  参考文献［１］に記載された電界駆動型静電発電機の電荷搬送体に働く静電力を示すグラフ。
【図９】  参考文献［１］に記載された回転型電界駆動静電発電機の俯瞰図。
【符号の説明】
【００２７】１：  電荷注入電極（接地電極）
２：  エレクトレット（電位発生源）
３：  電荷搬送体
４：  電荷回収電極
５・  絶縁性基板
６：  回転型静電発電機の電荷搬送体円板。
５１：  回転型静電発電機の上固定電極円板。
５２：  回転型静電発電機の下固定電極円板。
【図１】
2016082856.tif 000004
【図２】
2016082856.tif 000005
【図３】
2016082856.tif 000006
【図４】
2016082856.tif 000007
【図５】
2016082856.tif 000008
【図６】
2016082856.tif 000009
【図７】
2016082856.tif 000010
【図８】
2016082856.tif 000011
【図９】
2016082856.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月10日(2014.11.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】追加
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界の方向で、非対称形の帯電導体に作用する静電力の強さが変わる非対称静電力を使用する、静電発電機、静電モーター、静電加速器等の静電応用機器において、該帯電導体の進行方向を挟んで、従来その両側に配置された電極や、エレクトレットや高誘電体等の電位発生源の内、電位発生源を片側のみに配置したことを特徴とする非対称静電力を使用する静電応用機器の構造。
【請求項２】
請求項１において、片側に電極、もう一方の側に、電極と電位発生源を配置する静電応用機器の構造。
【請求項３】
請求項１において、片側に電極、もう一方の側に、電位発生源を配置する静電応用機器の構造。
【請求項４】
請求項１において、片側に電極と電位発生源を置き、もう一方の側には、何も置かない  静電発電機、静電加速器の構造。
【請求項５】
電界の方向で、非対称形の帯電導体に作用する静電力の強さが変わる非対称静電力を使用する、静電発電機、静電モーター、静電加速器等の静電応用機器において、該帯電導体の進行方向を挟んで、その両側に配置される電極と、エレクトレットや高誘電体等の電位発生源を同一の絶縁基板の両側に分けて配置するか、または異なる絶縁基板の表面に配置して重ねることを特徴とする非対称静電力を使用する静電応用機器の構造。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】  順電界と逆電界において、静電力の絶対値に２倍近い差があるので、参考文献と同様に余剰運動エネルギーが生じる。その値は、０．１８１［μＪ］と、電荷密度が半分の完備型より大きくなった。搬送電荷量が、−０．５８６［ｎＣ］なので、発電可能電位は、−３０９Ｖになる。但し、先に述べたように、回収率を考慮すると、−２７８［Ｖ］に下がる。
なお、図１では、エレクトレット２が絶縁性支持体５の表面上に描かれているが、その裏面に形成されてもよい。この場合、電界の強さは多少弱くなるが、エレクトレットの電荷密度を少し高くすることで充分補償できる。これにより、同一表面上に、電極とエレクトレットを並べて作製するよりも製造コストを下げることができる。また、異なった絶縁性支持体５、５上に電極とエレクトレットを形成し、位置を合わせて重ねることでも同様の効果が得られる。なお、この効果は、従来の、電荷搬送体３の進行方向の両側に、エレクトレット２が配置される図７の構成でも得られる。