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公開番号2025169120
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-12
出願番号2024082201
出願日2024-04-30
発明の名称非対称鏡像力を有する4層PWB電荷搬送体
出願人個人
代理人
主分類H02N 1/08 20060101AFI20251105BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】電荷保持層とこれと平行で幅がより短い電位制御層で構成される電荷搬送体が電荷を充電されたのち、回収されるまでに移動する区間で、該帯電した電荷搬送体に作用する後退静電力をより小さくし、前進静電力をより大きくした電荷搬送体を提供する。
【解決手段】電荷搬送体4の移動方向と平行な電荷保持層42の進行方向先端に、進行方向と垂直な電荷保持層41を追加し、また、移動方向と平行な電荷保持層と充電電極(エレクトレット)3との間隔を機械的精度の許容範囲で最小にした。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
外周に搬送電荷を保持する電荷保持層、その内部に電荷保持層と平行で、幅が電荷保持層より狭い電位制御層を有し、該両層を誘電体で支持する静電発電機用電荷搬送体。
続きを表示（約 780 文字）【請求項２】
請求項１において、電位制御層の後端と、電荷保持層の後端の位置が、電荷搬送体の進行方向で一致していること。
【請求項３】
請求項１において、電位制御層の幅が、電荷保持層の幅の２割以上５割以下であること。
【請求項４】
請求項１において、電荷保持層が半径５０ｍｍの支持体円板上に形成されている場合、電荷保持層と電位制御層の間隔は、８０μｍ以上、３００μｍ以下であること。支持体の形状や大きさが変わる場合は、それに応じて、該間隔を調整すること。
【請求項５】
請求項１において、電荷保持層が半径５０ｍｍの支持体円板上に形成されている場合、電荷保持層の厚さは８０μｍ以上であること。支持体の形状や大きさが変わる場合は、それに応じて、該層厚を調整すること。
【請求項６】
請求項１において、電荷保持層が半径５０ｍｍの支持体円板上に形成されている場合、電荷保持層の厚さを前半で４０μｍ以下、後半で８０μｍ以上であること。支持体の形状や大きさが変わる場合は、それに応じて、該層厚構成を調整すること。
【請求項７】
請求項１において、電荷搬送体の進行方向と水平な電荷保持層の進行方向先端に、進行方向と垂直な電荷保持層を追加すること。
【請求項８】
請求項７において、電荷搬送体の支持体を、電荷搬送体の内部のみに形成すること。
【請求項９】
請求項１において、電荷搬送体の進行方向と水平な電荷保持層と、対抗する充電あるいは回収電極との間隔を機械的精度が許容する範囲で最小にすること。
【請求項１０】
請求項１および７において、該電荷搬送体を支持する誘電体の比誘電率が小さいこと。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電荷保持層に近接したより短い電位制御層を有する４層ＰＷＢ電荷搬送体に発生する非対称鏡像力を利用して、該電荷搬送体を自力で移動させる新規な静電発電方法に関するものである。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
地球の温暖化と、環境問題を解決するために、二酸化炭素を発生しない発電方法がいろいろと実施されている。例えば、原子力発電、太陽光発電、風力発電、核融合発電、地熱発電、等である。しかしながら、これらは、安全性、安定性、コスト、及び耐久性、並びに小型化等の観点で難がある。他方、静電発電機は、製造、使用、及び廃棄を通じて危険性はなく、又、天候、発電時刻に左右されず、発電量は常時安定である。更に、小型化も容易なため、蓄電器や送電線も不要である。更に、エネルギーの補給やメンテナンスも略不要であり、長い（約１００年）寿命を有し、低コストでできる電源である。
【０００３】
かかる静電発電機は、低電位の電荷充電電極（以下充電電極という）で、電荷を電荷搬送体に注入し、電界においてこれに作用する静電力に逆らって、該電荷搬送体を高電位の電荷回収電極（以下回収電極という）まで搬送し持ち上げ、そこで、搬送した電荷を回収するものである。
（旧型静電発電機）
【０００４】
この静電力に抗して電荷搬送体を電位の高いところまで持ち上げるためには、より強い力が必要である。現在、静電発電機としてもっとも普及しているバンデグラフの静電発電機では、この力を電気モータで得ている。
しかしながら、このとき、モータで消費される電気エネルギーは、発生する電気エネルギーより大きいので、正確には発電機ではなく高電位発生器である。
また、波力を使用する小型静電発電機も開発されているが、出力が小さくほとんど使われていないのが現状である。
（新型静電発電機）
【０００５】
これに対して、出願人は、新規に発見した非対称静電力を電荷搬送体の搬送力とする新型の静電発電機を考案した。
ここで、非対称静電力とは、電界の方向が反転する前後において、帯電した非球形の導体に作用する反転前後の静電力の絶対値が異なることを特徴とする静電力である。又、非球形とは、例えば、横置きした樋や箱等、進行方向前後で非対称な縦断面を有する立体形状を言う。
（非対称静電力）
【０００６】
静電力には、電界中に置かれた電荷に作用するクーロン力（電界力）、電界がなくとも導体の近傍に置かれた電荷に作用する鏡像力、電荷がなくとも収束する電界中に置かれた物体に作用するグラディエント力の３種類がある。同様に、非対称静電力も３種類ある。
（非特許文献２）そのうち、非対称電界力と非対称鏡像力が新型静電発電機で用いられる。非対称鏡像力静電発電機の方が構造が簡単で主に使用されると考えられるので、以下非対称鏡像力に絞って説明する。非対称鏡像力駆動型静電発電機の詳細な原理、構造等は関連する先行特許（特許文献１～５）や論文（非特許文献１、２）に記載されている。
（二次元差分法）
【０００７】
図１に示すように、点電荷１が、接地された導電性の平板２から距離ｒにあるとき、該点電荷１には、下記（１）式で計算される静電気力（静電力）が働く。これが鏡像力に相当する。
Ｆ＝ｑ
２
／４πε
０
（２ｒ）
２
（１）
尚、電荷は、点電荷または球状帯電体として説明されるが、非球状の帯電体でも同様に鏡像力が発生する。
ここで、帯電体の形状が対称形であれば、該帯電体の向きが反転しても、電荷に作用する鏡像力の強度は変わらないが、非対称形状の場合は、その向きが反転したとき、その強度は大きく変わる（非特許文献１、２）。
（電界駆動型静電発電機）
【０００８】
例えば、図２に示した横置き樋型の帯電体１１の帯電量が１μＣで、接地された導体板２との距離が１．０ｍｍのとき、開口部を接地導体板２に向けたときは、該帯電体１１に作用する鏡像力は３２．４Ｎで、逆に底面を接地導体板２に向けたときは６９．０Ｎになることが二次元差分法のシミュレーションで明らかになった。以下、この現象を非対称鏡像力と言う。
【０００９】
かかる非対称鏡像力を電荷搬送体の駆動力とする鏡像力駆動型静電発電機では、電位０Ｖで、電荷搬送体を静電誘導によって帯電させ、該電荷搬送体を鏡像力で回収電極まで搬送する。搬送に要するエネルギーが、鏡像力よりも小さいとき、回収電極に到達した該電荷搬送体には余剰の運動エネルギーが残っている。該余剰エネルギーで、接地電位より搬送した電荷をより高い電位に引き上げることができる。すなわち、電荷搬送体の保持する電荷に作用する鏡像力のエネルギーは、電荷搬送体を搬送する機械的なエネルギーと、搬送電荷をより高い電位に持ち上げる電気的なエネルギーとに二分して使われる。
【００１０】
図３は、かかる鏡像力駆動型静電発電機の基本ユニットの正面図である。
主要部品は、充電電位源３（例えば、充電電極または充電エレクトレット、以下充電電極と表記した場合でも充電エレクトレットも含まれる、なお、以下の説明において、電圧を印加した電極で、シミュレーションが行われるが、同電位のエレクトレットでもほぼ同じ結果が得られる。本特許の説明は主に電極を使用して行われるが、製品化に際してはすべてエレクトレットに置きかられる）、横置き樋型の電荷搬送体４と、回収電極（装置構成によっては電荷回収部と表記される）５のみである。電荷搬送体４は、その進行方向と平行な上下水平板４２と、その前方にあって進行方向と垂直な垂直板４１で構成される。該水平板４２と垂直板４１は充電電極で充電された電荷の保持層である。但し、実際の装置には、そこに、充電電極電源３１、回収電極コンデンサー６、電荷を注入する導電性端子７と、電荷を回収する導電性端子８が加わるが、以下、簡略化のため、主に主要部品のみについて説明する。
（【００１１】以降は省略されています）

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