JP6286767B2 - 非対称静電力を使うスイチバック型静電発電機 - Google Patents

Description

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発電機の構造に関するものである。

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発電機器の出願（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、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。）

以下、特許文献［４］の図１７、図１８及び図１９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

図１７において、記号１はエレクトレットを、記号２は電荷注入電極を、記号３は電荷搬送体を、記号４は電荷回収電極を、記号２０は電極２，４及びエレクトレット１の絶縁性支持体を示している。エレクトレット１の幅は、１００μｍで、注入電極２の幅も１００μｍで、、回収電極４の幅は１６０μｍである。注入電極２とエレクトレット１、及びエレクトレット１と回収電極４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１の電位は、＋３２０Ｖで、注入電極２は接地されていて、回収電極４の電位は、例えば−３５Ｖである。この結果、エレクトレット１と注入電極２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１と回収電界４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。

電荷搬送体３は、図の様に左側が開い箱型で、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、高さと奥行きは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、注入電極対２、エレクトレット対１、回収電極対４を通り抜ける。

電荷搬送体３が、注入電極対２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３）が注入電極対２からエレクトレット対１を通り回収電極対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１８に示す。

図１８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２とエレクトレット１間）では、約８．０Ｅ−８［Ｎ］と大きく、逆電界（エレクトレット１と回収電極４）では、約３．０Ｅ−８［Ｎ］と半分以下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。

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。

なお、電荷搬送体３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４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。この時の発電量Ｗは、
Ｗ＝０．９７Ｑｘ（Ｖ４−Ｖ２）
となる。
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２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。

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１９の構造が提案されている。図１９において、記号１０は。電荷搬送体円板で、記号１１と１２は、上下固定電極円板である。その中間に、電荷搬送体円板１０が、回転自在にセットされている。上下の固定電極円板１１、１２には、図の様に、注入電極２、エレクトレット１、回収電極４が、上下同じ位置に、放射状に多数配置されている。また、電荷搬送体円板１０には、箱型、樋型等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１０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。以下この構造を回転型と呼ぶ。

なお、この構成では、ひとつのエレクトレット１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１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。

電界駆動型静電発電機の構造として、従来提案されている回転型は、機械的な動きに無理がなく大変よい構造である。しかしながら、その構造が占有する空間中、静電発電に使用される部分の割合はあまり高くない。すなわち、図１９において、３枚の円板１０、１１、１２の中心部分は、静電発電にはまったく寄与していないのである。なお、この図で見るとこの不寄与部分の面積はそれほど大きくないが、実際に設計してみると、中心部に近い方でも、注入電極２と、エレクトレット１、エレクトレット１と回収電極４の間隔はある程度空けなければならないため、不寄与部分の面積は大きくなる。また、回収電極４と、次の注入電極２との間も、必要ではあるが、発電には寄与していない。

上記した様に、回転型の構造では、空間の利用効率が高くない。そこで、本発明の目的は、電界駆動型静電発電機において、空間の利用効率の高い構造を提案することである。

上記目的は、回転型の構造に替えて、スイッチバック型の構造にすることで、容易に達成される。スイッチバック型とは、電荷搬送体３が、注入電極２からスタートし、エレクトレット１を抜けて、回収電極４に入り、搬送電荷を放出後、反転して、注入電極２に戻る構造である。

下記に示す実施例１の平面図（図２）から明らかなように、該装置の大部分の面積は、発電に寄与している。

本装置の、正面図、平面図、側面図を、図１、図２、図３に示す。図１は。上記した図１７とまったく同じである。使用されている記号の意味も同じである。それらの、寸法もほとんど同じであるが、電荷搬送体３の奥行は、図３に示されるように、１．０ｍｍに伸ばされている。回転型では、各電極とエレクトレットは放射状に配置されたが、スイッチバック型では、図２に示されるように、お互いに、平行に配置される、

この構造・配置で、上記参考特許文献と同様に、帯電した電荷搬送体３に作用する静電気力を２次元差分法でシミュレーションして求めた。注入電極２と回収電極４の電位は、上記と同様に接地したが、エレクトレットの電位は、少し高めて約３９０Ｖとした。この時の、エレクトレットの電荷密度は、０．２ｍＣ／ｍ^２である。最初に、電荷搬送体３を注入電極２の出口に置いて接地し、注入電荷量Ｑを求めた。Ｑ＝−２．２９３Ｅ−１２［Ｃ］であった。該電荷に作用する静電気力を、注入電極２の出口より、回収電極４の奥まで、２０μｍごとに求めた結果を、図４に示す。

参考特許文献の図１８とほぼ同じパターンで、注入電極２とエレクトレット１間では強めの（約２μＮ）静電力が右方向に働き、エレクトレット１対間（順電界）で、ほぼゼロとなり、エレクトレット１と回収電極４間（逆電界）では、弱め（約１μＮ）の静電力が逆に左方向に働き、回収電極４対間に入ると、ゼロに近づく。順電界と逆電界において、静電力の絶対値に約２倍の差があるので、上記と同様に非対称静電力による静電発電が可能である。

それを確認するために、まず、該電荷搬送体の速度を計算した。該計算において、電荷搬送体の重さは、厚さ２０μｍの銅板と、厚さ１２０μｍの低摩擦で硬いプラスチック板で、作製したと仮定しで、０．８３１Ｅ−６［ｋｇ］であった。動摩擦係数は、電荷搬送体の支持体と、注入電極２、エレクトレット１、回収電極４の支持板間に、スペーサを兼ねて、直径４０μｍのテフロン球を挟むことで、０．０１とした。なお、内部を真空にすることで、空気抵抗はゼロとした。真空にすることで、さらに、銅の酸化を防ぎ、コロナ放電を防止する効果もある。
速度の計算結果を図５に示す。

図５で、該電荷搬送体が、８００μｍ進んだ時、すなわち、その全体が、回収電極対４の奥まで入った時（その後端部が、６０μｍ中に入った時）、非対称静電力の効果で、まだかなりの速度（０．０１６５ｍ／ｓ）が残っていることが分かる。この運動エネルギーは、１．０７５Ｅ−１０［Ｊ］である。これを全て、発電に振り向けられればよいのだが、スイッチバック方式では、電荷搬送体を回収電極４から、注入電極２まで、動摩擦力に抗して戻すエネルギーが必要である。そのエネルギーは、動摩擦力Ｘ搬送距離で、０．６５４Ｅ−１０［Ｊ］である。このエネルギーは、該電荷搬送体３の速度が、０．０１２５５［ｍ／ｓ］の時に相当する。この復路用エネルギーを差し引くと発電に残されたエネルギーは、０．４２１Ｅ−１０［Ｊ］である。

搬送された電荷量は、−２．２９３Ｅ−１２［Ｃ］なので、このエネルギーで発電できる電位は、−１８．４［Ｖ］である。なお、復路の速度計算を簡単にするため、回収電極４で、搬送された電荷が１００％回収されると仮定したが、実際は９７％である。
また、回収電極４の電位が、−１８．４［Ｖ］の時、電荷搬送体３の最終速度（８００μｍ到達時）は、０．０１２５５［ｍ／ｓ］になり、図示しない右の壁と完全弾性衝突して、その速度は、左向きに反転し、−０．０１２５５［ｍ／ｓ］になると仮定した。実際には、完全弾性衝突はないので、その分復路に振り向けるエネルギーを少し増やす必要がある。

初速度 −０．０１２５５［ｍ／ｓ］で、左方向に向かった、該電荷搬送体３（ただし、電荷はゼロ）の各位置での速度を計算した結果を、図６に示す。図６から、元の位置（０μｍ）に戻った時、その速度はほぼゼロになっていることが分かる。この復路に要した時間は、０．１１９［ｓ］である。なお、先の往路に要した時間は、０．０３８［ｓ］であった。合わせて、１往復に要する時間は、０．１５７［ｓ］である。この間に搬送された電荷は、−２．２９３Ｅ−１２［Ｃ］なので、電流としては、−１．４６Ｅ−１１［Ａ］になる。発電量（電流Ｘ電圧）は、４．２４Ｅ−１１［Ｊ］なので、電力は、２．７０Ｅ−１０［Ｊ／ｓ＝Ｗ］である。これは大きな電力とは言えないが、該方式は構造がシンプルで、小型、低コストの用途には適している。

実施例１では、電荷搬送体３をスイッチバックさせるためのエネルギーを、全て、非対称静電力で賄った。そのため、十分な電力が得られなかった。そこで、実施例２では、他の力も電荷搬送体３を搬送する力として使用することで、非対称静電力の搬送に向けられる割合を減らして、発電量を改善する。

具体的には、図７に示すように、電荷搬送体支持体３１の左右にバネ３３を配置する。左右のバネは、電荷搬送体３が、エレクトレット対１のセンターにあるとき、釣り合って、電荷搬送体３に力を及ぼさない。それより左にあるときは、左のバネ３３は縮められて、右のバネ３３は引き伸ばされて、それぞれ、電荷搬送体３を右に動かす力を与える。センターより、右にあるときは、同様に、左向きの力を与える。その力の大きさは、センターからの距離に比例する。その比例定数は、バネ定数と呼ばれる。

左右のバネ定数を、０．０００９４［Ｎ／ｍ］とすると、全体では、０．００１８８［Ｎ／ｍ］になる。この状態で、該電荷搬送体３の速度を計算した。なお、バネ３３を加えただけで、他の条件は、すべて実施例１と同じである。その結果を図８に示す。図８より、該電荷搬送体３の最終速度は、０．０１３１［ｍ／ｓ］であることが分かる。この値は、実施例１よりも低い。しかしながら、この運動エネルギーを、電荷搬送体の復路に割く必要はないので、すべて静電発電に使用できる。その電位は、−３１．２［Ｖ］で、実施例１の、−１８．４［Ｖ］より７０％も高い。

回収電極４の電位が、−３１．２［Ｖ］であるとき、電荷搬送体３の最終速度はゼロになる。そこで、搬送してきた電荷を回収電極４に放出後、電荷搬送体３は、初速度ゼロで、バネ力で戻り始める。その速度を計算した結果を図９に示す。図９より、該電荷搬送体３は、ちょうどその速度がゼロになって元の位置、出発点に戻ることが分かる。この復路に要する時間は、０．０６０９［ｓ］である。往路の時間は、０．０３３３［ｓ］だったので、一往復に要する時間は、０．０９４２［ｓ］になる。この結果、電流は、−２．４３Ｅ−１１［Ａ］に、電力は、７．５９Ｅ−１０［Ｗ］になる。

バネ力の例を示したが、静電反発力や磁力も使える。電荷搬送体支持体３１の先端と、それが接近する側壁３４に、同極性のエレクトレットを形成しておけば、接近した時に、強い静電反反発力が働き、電荷搬送体３は、左に押し返される。同様に、同極性の磁石を置いておいてもよい。その他、いろいろの力を使うことができる。その一例として、糸の張力（元々は重力）を使ったベンチモデルの実験を実施例３として紹介する。

図１０が、該ベンチモデルの平面図である。記号１が、エレクトレットに置き換えて、エレクトレットと同じ電位を印加する電界形成電極である。記号２、３、４は、上記と同じく、それぞれ、注入電極、電荷搬送体及び回収電極である。但し、電荷搬送体３は、電界形成電極１と平面的に同形であるため、その下に隠されて見えていない。それぞれの長さ（奥行き）は各５０ｍｍである。幅は、電界電極１と搬送体３が各１０ｍｍ、回収電極４が２５ｍｍである。注入電極は板厚で０．２ｍｍである。注入電極２と電界電極１の間隔は４５ｍｍ、形成電極１と回収電極４の間隔は３２ｍｍである。新しい記号３１は、電荷搬送体３の絶縁性支持体である。また、記号３２は、それを吊り下げるための絶縁性生糸を通す孔である。

図１１は正面図である。電荷搬送体３は、厚さ０．４ｍｍの金メッキアルミ板で作られた、横向きＴ字形で、その高さ、幅とも１０ｍｍである。上下の電界電極１の間隔は、２０ｍｍなので、電荷搬送体３は、この間を、上下５ｍｍずつ空けてほぼ平行に通過できる。記号３５は、電荷搬送体支持体３１を吊り下げる絶縁性の生糸で、長さは５００ｍｍである。
回収電極４は、横向きの樋形である。幅は２５ｍｍ、高さは２０ｍｍである。注入電極は、高さ２０ｍｍ、板厚０．２ｍｍのアルミ平板である。

図１２は側面図である。長さ５０ｍｍの電荷搬送体３を支持する絶縁性支持体３１の長さは７０ｍｍで、吊り下げ糸間は約６０ｍｍである。このため、長さ５０ｍｍの固定された電界電極１に当たることなく通り抜けられる。

この構成で、まず、該電荷搬送体の各地点での速度をシミュレーションで求めた。なお、この時の電位は、注入電極２と回収電極４を０Ｖ、電界電極１を７０００Ｖとした。注入電荷量は、−１．１２Ｅ−９［Ｃ］であった。静電気力と糸の張力に加えて、実際の実験器なので、空気抵抗力も入れて計算した、この結果を図１３に示す。図１３より、回収電極４内に深く入った９８．０ｍｍ地点で、まだ、０．０３８ｍ／ｓの速度を残していることが分かる。この結果、約−３８０Ｖの発電が可能である。なお、この地点での電荷回収率は９２％であった、

次に、この地点９８．０ｍｍよりの復路の速度をシミュレーションした。糸の張力、空気抵抗力に加えて残存電荷（８％）に作用する静電力も加えた。その結果を、図１４に示す。図１４より、初速度ゼロで戻り始めた電荷搬送体３が、０．１ｍ／ｓ強の速度を残して、注入電極２に当たることが分かる。

このシミュレーション結果を確認するために、実機で、電界電極１に７ｋＶを印加して、電荷搬送体３の動きを動画撮影した。その結果、７ｋＶでは、回収電極の奥までは入らないことが分かったので、電界電極１の電圧を９ｋＶに上げたところ、電荷搬送体３は、回収電極４の奥まで入り、戻って、かなりの速度で、注入電極２に当たり、また、回収電極４に向かい、このスイッチバック、往復運動を、何かに引っかかって止まるまで、１０回以上連続して続けた。この結果は、非対称静電力と他の力を組み合わせることで、連続的に、電荷搬送体３を、注入電極２と、回収電極４間で往復運動させられることを示している。

実施例１，２において、注入電極対２、エレクトレット対１、回収電極対４の一つの組み合わせ（以下一ユニットと呼ぶ）内に置かれる電荷搬送体３は１個のみであるが、複数置くことも可能である。例えば、図１５の様に、３個の電荷搬送体３を、おのおの２８０μｍづつ間を空けて配置すれば、それぞれの電荷搬送体３に作用する静電力は、ほとんど変わらない。但し、この場合、３個連結の電荷搬送体支持体は、左右で、それぞれ、約６００μｍもユニット外に飛び出してしまうので、全体の長さは２ｍｍ以上になってしまう。

そこで、図１６に示すように、１０ｍｍの長さに、８ユニット（図では５ユニット）を配置し、その間に、２４個（図では１５個）の電荷搬送体３を、おのおの２８０μｍ空けて形成した長尺支持体３１を置けば、左右６００μｍづつの飛び出しは変わらないので、２４個でも１０ｍｍに収まる。
さらに、図１６に示すように、注入電極対２、エレクトレット対１及び回収電極対４の長さを、１０ｍｍに伸ばし、その間に、前記長尺支持体３１を８個（図では３個）連結して置けば、１０ｍｍ四方に、１９２個の電荷搬送体３が入り、実施例２の場合、その出力（電力）は、０．１４６μＷになる。なお、この場合、バネ３３は個々の長尺支持体ごとに付ける必要はなく、１９２個の電荷搬送体３を載せた１０ｍｍ角の大判支持体３１の左右に２個づつ付ければよい。

本発明（スイッチバック型静電発電機）の正面図。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の平面図。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の側面図。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の電荷搬送体に働く静電力を示すグラフ。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の電荷搬送体の往路の速度を示すグラフ。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の電荷搬送体の復路の速度を示すグラフ。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第二実施例の平面図。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第二実施例の電荷搬送体の往路の速度を示すグラフ。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第二実施例の電荷搬送体の復路の速度を示すグラフ。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第三実施例の平面図。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第三実施例の正面図。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第三実施例の側面図。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第三実施例の電荷搬送体の往路の速度を示すグラフ。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第三実施例の電荷搬送体の復路の速度を示すグラフ。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第四実施例の平面図（電荷搬送体３個）。 本発明（スイッチバック型静電発電機）の第四実施例の平面図（電荷搬送体１９２個）。 特許文献［４］に記載された静電発電機の正面図。 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。 特許文献［４］に記載された回転型静電発電機の俯瞰図。

１： エレクトレット（電界形成電極）
２： 電荷注入電極（接地電極）
３： 電荷搬送体
４： 電荷回収電極
１０： 回転型静電発電機の電荷搬送体円板。
１１： 回転型静電発電機の上固定電極円板。
１２： 回転型静電発電機の下固定電極円板。
２０： 電極２，４及びエレクトレット１の絶縁性支持体。
３１： 電荷搬送体の絶縁性支持体。
３２： 電荷搬送体を空中に吊り下げるための絶縁性生糸を通す孔。
３３： 電荷搬送体の絶縁性支持体にバネ力を加えるためのバネ。
３４： バネの固定端を固着する側壁。
３５： 電荷搬送体を空中に吊り下げるための絶縁性生糸。

Claims (5)

1. 互いに平行な電荷注入電極、電界形成源（エレクトレット）、及び電荷回収電極をこの順に順方向に並べ、これらの間を非対称形状の導体で形成される電荷搬送体を移動させ、該電荷搬送体に電荷注入電極より静電誘導により電荷を注入し、非対称形状に起因して、該注入電荷に作用する静電力の大きさが、該電界形成源（エレクトレット）の前後で異なる非対称静電力（現象）を利用して、該電荷を注入電極よりも該電荷に対して電気的ポテンシャルの高い電荷回収電極まで搬送して、そこで該搬送電荷を回収する電界駆動型静電発電機において、
   前記電荷回収電極の順方向後段に、前記電荷搬送体が弾性衝突する壁体を設置し、前記搬送電荷の回収後において前記電荷搬送体に残存している運動エネルギーを利用して、該搬送電荷が回収された該電荷搬送体を前記壁体に弾性衝突させ、該電荷搬送体の移動方向を反転して逆方向へ移動させ、且つ初期位置（電荷注入電極）まで戻すことを特徴とするスイッチバック電界駆動型静電発電機。
   
2. 請求項１において、前記電荷搬送体は、逆方向の一側が開いた箱型の非対称形状を有することを特徴とするスイッチバック電界駆動型静電発電機。
   
3. 請求項２において、前記電荷搬送体は、少なくとも金属板と低摩擦で硬質のプラスチック板とからなることを特徴とするスイッチバック電界駆動型静電発電機。
   
4. 請求項１乃至３において、前記電荷注入電極、電界形成源（エレクトレット）、及び電荷回収電極は平面状の支持板によって支持され、前記電荷搬送体は支持体を有し、且つ該支持板と該支持体との間において、これらの間隙を一定にするスペーサを兼ねた動摩擦低減部材を配置したことを特徴とするスイッチバック電界駆動型静電発電機。
   
5. 請求項１乃至４において、前記電荷搬送体が搬送される前記電荷注入電極から前記電荷回収電極に至る経路を真空にしたことを特徴とするスイッチバック電界駆動型静電発電機。