JP2009232667A - 垂直・水平電界中の樋型電極を使用する静電モータ・発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 先に開示された非対称形形状効果を使う静電モータは、固定子として多数の電位源電極とその対向（接地）電極を必要とした。また、実際に静電モータを作成できる具体的な材料手段が示されていなかった。
【解決手段】 多数の固定子、電位源電極とその対向電極を交互に並べる代わりに、１枚の電位源電極と１枚の対向電極を対置させ、その間に、非対称形形状の導体よりなる移動子を置き、該移動子の左右面に作用する静電力の差で、該移動子を両電極と平行に移動させる静電モータ。
該移動子は、既知のプリント基板作成技術で容易に安価に多量に製造できる。すなわち、円板型絶縁性基板の両面に同一個所に放射状に複数の短冊形の銅箔層を形成し、該短冊型銅箔層の長辺を含んで、両面銅箔層と基板を貫いて短冊状にカットし、上下銅箔層につながる基板のカット面に銅スルーホールメッキで銅箔層を形成して該３面の銅箔層で構成される樋型電極を放射状に多数形成することで、１枚の回転型移動子が製造できる。
【選択図】図８

Description

本発明は静電気を応用した電気機器、特に、静電モータの移動子、静電発電機の電荷搬送体として、非対称形導体を使用する非対称形形状効果を使用する電気機器に関するものである。

左右非対称形導体を平行電界中に置いた時、該非対称形導体の左右面に作用する静電力が異なる（非対称形形状効果）新規な現象は、本発明者によって発見され報告されている。（参考文献１、２）また、この現象を応用した静電機器も本発明者により出願され、公開されている。（参考特許１，２）
参考文献１、米国静電気学会２００６年年次大会予稿集、ｐ．１３７〜ｐ．１４６
参考文献２、米国静電気学会２００７年年次大会予稿集、ｐ．１５５〜ｐ．１６５
参考特許１、公開特許第２００６−３２５３９４号
参考特許２、公開特許第２００８−５６９０号

たとえば、特許文献２に、図１８に示すように、３枚の電極円板を１．２ｍｍ間隔で並べ、両側の電極１０２を接地し、真中の電極１０１に＋１２００Ｖを印加して、それら電極円板の中心に開けられた孔１２１を抜けてコップ状の非対称形導体１０３をその左右に働く静電力の差（非対称力、約１．Ｅ−６［Ｎ］）で、移動させることで、２．４ｍｍ間に２．５Ｅ−９［Ｊ］のエネルギーが得られることを示した。また、このエネルギーを使って、静電加速器、静電モータ、静電発電機ができることを原理的に示した。

しかしながら、実際に、静電モータ等を試作しようと試みた時、使用する電極板の数が多くコスト高になること、また、空間の利用効率が良くない（装置空間に占める移動子の体積比率が小さい）ことが分かった。そこで、本発明の目的は、低コストで高効率の静電モータ、静電発電機が可能となる改良された非対称形形状効果利用方法と、機器の作成手段を提供することにある。

特許文献１、２においては、非対称形の移動子、電荷搬送体１０３は、すべて電界の向きと平行に配置された。たとえばコップ形状の場合、その円筒面を電界と平行に置き、その開口部と底面を電界と垂直に置いた。これに対して、今回、新しく、９０度回転させて、すなわち、円筒面を電界と垂直に、開口部と底面を電界と平行に置いても、非対称形形状効果は有効で、カップ型導体の左右にはやはり外底面側に強い静電力が働くことが分かった。この原理を使うと、一対の大面積の電位源電極と接地電極間に、コップまたは、箱型、または樋型の電極を並べることで静電モータが容易にできる。

また、電気部品の製法を研究したところ、既知のプリント基板作成技術を応用し、円板型プラスチック基板の両面に銅箔を付け、エッチングで短冊状の銅箔パターンを放射状に形成し、その長辺を含んで短冊状にカッティングし、上下の銅箔を銅スルーホールメッキで接続することで、多数の樋型移動子を該円板型プラスチック基板に放射状に同時に作成できることが分かった。

樋型移動子の平行する２辺を電界と垂直に置くことで、電位源電極と接地電極をそれぞれ一つだけに減らして、電極作成コストと電源コストの両方を大幅に下げることができる。また、樋型移動子とその上下両電極との距離を詰めて空間の利用効率（移動子の装置空間に占める体積比率）を高めることができる。

一般の電気部品の材料として使用されている銅箔付きプラスチック基板と、一般の電気部品の製造に使用される、銅箔エッチングとカッティングと銅スルーホールメッキで製造できるので、多量の樋型移動子を同時に安価に作成することができる。

実施例１の説明の前に、そこで使用する新しい非対称形形状効果の原理を説明する。古くから、大学生の電磁気学の問題の一つとして知られている現象であるが、図１に示すように、電圧が印加された電極１と、対向する接地電極２間に、誘電体板を両電極と平行に半分差し込むとこの誘電板に静電気力が働いて、この誘電板は中に引き込まれる。昔は、現在のような高速度の計算機もなかったので、この力はコンデンサーの有するエネルギーの変化から求められていた。幸いなことに、今日では、この程度のシミュレーションは個人用計算機でも簡単に処理できるので、二次元の差分法で解いて見た。なお、問題をより簡単にし、より分かりやすくするために、間に差し入れる板は無帯電の金属板とする。

計算領域を、縦３２０μｍ、横９００μｍとし、縦横２０μｍ間隔でメッシュを切って、その格子点の電位を差分法で求めた。計算範囲の１行目、左から６００μｍは電位源電極１としてそこに含まれる格子点すべてに＋３２０Ｖの電位を与えた。また、その１７行目、左から６００μｍは対向接地電極２としてそこに含まれる全格子点に０Ｖを与えた。１、１７行目の６００μｍから９００μｍまでは、通常の空間とし、計算上の制約により、そこに含まれる格子点の電位は、その一つ内側の格子点の電位と同じとした。１行目と１７行目、すなわち、電位源電極１と対向接地電極２間の間隔は３２０μｍで、その間の電位差は３２０Ｖなので、この空間の平均電界は、１Ｖ／１μｍ＝１．０Ｅ＋６［Ｖ／ｍ］である。

この両電極間の右端に、図のように、高さ１２０μｍ、幅１６０μｍ、奥行き１６０μｍ（注、二次元計算のため本来奥行きはないが、各格子点の電位を求めた後、静電力を求めるために、奥行きを１６０μｍと仮定した。）の導電性立方体３を置いた。このとき、この導電性立方体３の左右の面に働く静電力を二次元差分法で求めた各格子点の電位より算出したところ、左面に３．５Ｅ−８［Ｎ］、右面に５．６Ｅ−１０［Ｎ］であった。左方向の静電力が右方向の静電力の約６０倍もあるので、この無帯電の導電性立方体３は、この静電力で左に引かれて中に引き込まれていく。なお、上下面にもより強い静電力が働くが、その大きさはまったく同じ（１．３Ｅ−７［Ｎ］）で、方向が逆なので、互いに打ち消しあって、結局ゼロになり上下方向には移動しない。

このような結果になったのは、図２に示すように、この導電性立方体３の左側には、強い電界があり、その左面の上半分には、電位源電極１から発した電気力線４が途中で９０度曲がって入り、逆に、左面の下半分からは、電気力線４が発して、途中で９０度曲がって対向接地電極２に入るのに対して、右側にはほとんど電界がなく、右面に入る電気力線４も、出る電気力線４も無かったためである。よく知られているように、プラスから発した電気力線４が導体に入る時は必ず導体面と垂直に入りそこに誘導された負電荷を電気力線４と逆の方向に引く静電力を生じさせる。一方、導体から出る電気力線４は導体面と垂直に出て、そこに誘導された正電荷を電気力線４の向きに引く静電力を生じさせる。この結果、この導電性立方体３の左面には、その上半分にも下半分にも左方向への静電力が働いた訳である。

次に、この無帯電導電性立方体３を、図３に示すように、電位源電極１と対向電極２のちょうど真中に入れた。このとき、この左右面に働く静電力を求めて見ると、左面が３．６Ｅ−８［Ｎ］、右面が３．６Ｅ−８［Ｎ］と同じになった。すなわち、この状態では、上下同様、左右の静電力も等しく向きが逆なので相殺しあって結局ゼロとなる。特に電気力線４は示さないが、図２の左面の状態が、右面にも在るわけである。

次に、図３の状態で、この導電性立方体３の上下に、図４に示すように、該立方体の左側に合わせて、厚さ２０μｍ、幅２２０μｍ、奥行き１６０μｍの金属板５、６を重ねた。左側は、高さ１６０μｍの垂直な壁だが、右側には、上下に６０μｍの張り出し５ｏｈ、６ｏｈができたわけである。この状態で、元の立方体３の左右面と、加えた２枚の板５，６の左右面に作用する静電力を求めると、それぞれ、２．１Ｅ−８［Ｎ］、２．０Ｅ−１１［Ｎ］、４．８Ｅ−８［Ｎ］、４．８Ｅ−８［Ｎ］となった。すなわち、新しく加えた板の左右面に働く静電力は左右等しく合わせてゼロになるが、元の立方体の左右面に働く静電力は、上下の板を乗せる前の左右等しい状態から、大きく変わって、右面が、左面の約１／１０００になった。

元の立方体３に注目して図１、図３、図４の状態の時に、その左右面に働く静電力を並べて見ると、図５のようになる。すなわち、左面の静電力が少し小さくなったが、図４の状態は、図１の状態とほとんど同じであることが分かる。図１の場合は、その右側には元々電界がなく、その右面に出入りする電気力線はなかったのだが、図４の場合も、同様に、その右面に出入りする電気力線がなかったと考えられる。

電界中に置かれたのに、上下張り出しで囲まれた元の立方体の右面に電界が無い訳は、図６に模式図で示したように、元立方体３の上半分では、電位源１から下に出て９０度曲がって、右から元立方体３の右面に向かった電気力線４が、そこに到達する前に、９０度上に曲がって、上張り出し５ｏｈの下側に終わり、逆に、下半分では、下張り出し６ｏｈが無ければ、元立方体３の右面から出た電気力線が、下張り出し６ｏｈから上に出て９０度曲がって右に進み、更に９０度曲がって対抗接地電極２に入っているからである。
なお、この場合、上張り出し５ｏｈを下方に引く静電力と、下張り出し６ｏｈを上方に引く静電力は同じ強さで向きが逆なので、これも相殺しあって結局ゼロになる。

これが、新しい非対称形形状効果を使う静電モータの基本原理である。すなわち、上下２枚の電位差のある電極ではさまれた空間に、左右形状の異なる、左面が垂直平面で、右面が凹面の、無帯電導体を入れると、左面には電気力線が出入りして左方向の静電力が発生するが、右面では、電気力線が途中で曲げられて、張り出しに終り、その奥の垂直面に到達できない現象が実施例１の新しい静電モータの基本原理である。

特許文献２で、その円周面が電界と平行に置かれたカップ型導体に働く静電力を示し、今回、その側面が電界に垂直に置かれた上下に張り出しを有する立方体導体に働く静電力を示した。いずれも、非対称型導体の外の平面には多数の電気力線が入り、一方、逆側の凹面に向かった電気力線は、その大部分が凹面の内側に吸収されて、凹面奥の内平面には届かないことが基本的な原理であるが、このことが、電界の向きとは、無関係に、成立することは、この２件のシミュレーション結果から明らかである。すなわち、どんな角度であれ、電界中に置かれた非対称型導体には、その外平面に強い静電力が働いて、非対称型導体はこの方向に移動することになる。

次に、今回新しく発見された原理、すなわち、無帯電のカップ型や、樋型の非対称形電極が、縦型の電界中に横に置かれた場合にも、非対称形形状効果が現れて、その外平面向きに静電力が働く、ことを使った具体的な静電モータを、その作成方法とともに実施例１として、次に示す。

新しい非対称形形状効果を使って静電モータを実現するために、その移動子をプリント基板の作成に使用されている既知の材料と製法を元に作成した。
先ず、図７のＡに示すような、絶縁性薄層８両面に厚さ２０μｍの銅箔９が張られたプリント基板の素材７を購入した。次に、同図Ｂに示すように、エッチングで、幅９０μｍの短冊型銅箔パターンを作成した。次に、同図Ｃに示すように、該短冊型銅箔パターンの長辺１０μｍを含んで、幅８０μｍのスリットを機械的なカッテングで開けた。次に、同図Ｄに示すように、銅メッキ溶液中で、表裏両面の銅箔パターンに直流電圧を加えて、上下に銅箔の存在するスリット壁面に、銅スルーホールメッキ１０を行って、上下の銅箔パターンを銅メッキ層で電気的に接続した。最後に、銅箔パターンの端の連通部分をエッチングで除去して樋型電極の移動子を完成した。

上記の製法で、直径１２０ｍｍの円板型プリント基板に、樋型電極１２ａを放射状に形成して移動子１２とした。次に、固定子として、電位源１１と接地電極１３になる、直径１２０ｍｍの、２枚の電極を、厚さ３２０μｍのスペーサを介して向かい合わせた。そのとき、その中心軸１４の周りを自在に回転できるようにして、該移動子１２を、その間に、セットした。（図８参照）
下電極１３を筐体アースして、上電極１１に＋３２０Ｖを印加して、このモータ出力をシミュレーションしたところ、５ｍＮであった。

なお、樋型電極移動子は、この新方式（図９のＡ）に使って非常に効果があるが、多数の固定電極を並べて、帯電した移動子の動きに合わせて、固定子電極への印加電圧極性を次々に切り替える従来方式（図９のＢ）に使用しても効果があり、またこの場合に、固定子電極への印加電圧極性を固定（図９のＣ）しても使用することもできる。（注、従来型の対称形移動子ではトータルの静電力がゼロになり使用できない。）

図９のＢにおいて、固定子電極１１、１３間距離を、５００μｍ、その間の電位差を５００Ｖとして、その間に、図６に示した、上下張り出し付き立方体電極を置いた時、該電極に作用する静電力は、張り出し無し立方体電極の場合と比べて約１０％アップして、１．８２Ｅ−７［Ｎ］になった。なお、両立方体電極には、−３．０Ｅ−１３［Ｃ］の電荷を与えてシミュレーションを行った。

一方、図９のＣの場合、張り出し無し立方体電極では、固定子電極１１を通過するごとに、作用する静電力の向きが反転し、その絶対値は等しいため、総合した静電力はゼロになるが、張り出し付き立方体電極の場合は、向きが反転しても絶対値が異なるため、その差で平均して静電力、３．１５Ｅ−８［Ｎ］が残る。
なお、図９のＡとＣの場合、固定電圧が印加された電極に代えて、エレクトレット板を使用することもできる。エレクトレットでは、静電モータのオン・オフができないが、止めずに回転を続けさせる、たとえば、時計の用途には向いている。

次に、非対称形形状効果を使う静電モータの具体的な製法を示す。なお、その原理は、特許文献２等に開示されている。先ず、その電荷搬送体１７であるが、基本的には、実施例１の静電モータの移動子１２がそのまま使用可能である。ここでは、少し変えて、樋型の変わりに箱型の電極を使用することとする。製法は同じであるが、図７のＣにおいて、カッテイングでスリットを形成したのに代えて、図１０に示すように、１６０μｍごとに、１６０μｍ長さに、切り込みを入れた。そして、銅スルーホールメッキで、この切り込みにも銅メッキをして、上下銅箔８と３面の銅スルーホールメッキ１０で、１６０μ正立方体絶縁層９の５面を銅電極薄層が覆う箱型電極１７を作成した。

この電荷搬送体となる箱型電極１７を、図１１に示すように、電位源となる、上下２枚の、幅１００μｍのエレクトレット板１８と、その手前３２０μｍに置かれた、上下２枚の、幅１００μｍの対向接地電極（電荷注入電極）１６と、エレクトレットの向こう３２０μｍに置かれた、上下２枚の、幅１６０μｍの電荷回収電極１９で構成される一つの静電発電ユニット内に置いた。

箱型電極電荷搬送体１７が、該静電発電ユニット内を左から右に移動する時に、該箱型電荷搬送体１７に、対向接地電極１６より静電誘導で注入される電荷（注入電荷量）、該電荷を帯電して進む該搬送体１７に働く静電力、及び、該搬送体１７が、電荷回収電極１９内に入った時、搬送体１７から、電荷回収電極１９に移る電荷量（回収電荷量）をシミュレーションで求めた。なお、今回はさきほどのＸＹ二次元差分法に代えて、軸対象二次元差分法を使用した。
樋型電極１２の場合は、その両端は考慮しなくともよいため二次元で問題ないが、箱型電極１７の場合は、その両側の電極面も無視できないため三次元が必要になったからである。軸対象二次元差分法は数学的には二次元であるが、物理的には三次元空間の電位を求めることができる。ただし、軸対象の形状しか扱えないため、１６０μｍ角の箱型電極１７は、直径１６０μｍのコップ型電極１７として、２００μｍの間隔で対抗する一組の電極１６、１９およびエレクトレット１８はそれぞれ、直径２００μｍの円筒状の電極１６、１９及びエレクトレット１８として計算した。実際の形状と少し異なるが、結果が大きく変わるわけではない。

電荷搬送体１７が存在しないとき、エレクトレット１８と接地電極１６がその間に形成する電界が、約１．０Ｅ＋６［Ｖ／ｍ］になるように、エレクトレット１８の表面電荷密度を、＋１．２５Ｅ−５［Ｃ／ｍ^２］とした。これは、通常のエレクトレットより約１桁低い値であり、無理なく作成できる。
幅１００μｍ、直径２００μｍの接地電極円筒１６内を導電糸等で該電極と電気的に接触しながら進行した、幅８０μｍ、直径１６０μｍのコップ型電荷搬送体１７が、該電極を抜ける時、そこに静電誘導で注入された電荷量は、−３．０３Ｅ−１３［Ｃ］であった。

この電荷を帯電しているカップ型搬送体１７に働く静電力を、その位置に対してシミュレーションしたところ、図１２のようになった。すなわち、接地電極１６を出てから、エレクトレット１８の手前までは、６〜１０Ｅ−８［Ｎ］の強い静電力が右方向に働き、エレクトレット１８の手前からその静電力は順次弱くなり、エレクトレット１８内ではほとんどゼロとなる。そして、エレクトレット１８を抜けた後は、逆に左方向への静電力を受けるが、最初に右方向へ受けた強い静電力と比較すると、その強さは半分以下である。最後に、電荷回収電極１９内に入ると、受ける静電力はほぼゼロとなる。

この結果、このカップ型電荷搬送体１７は、エレクトレット１８まで加速されながら移動し、エレクトレット１８を過ぎた後は、減速されながら移動することになるが、加速中に受ける運動エネルギーの方が、減速中に失う運動エネルギーより大きいため、運動エネルギー＝１．０６Ｅ−１１［Ｊ］を残して、回収電極１９に到達する。なお、電荷搬送体１７の形状が、非対称形形状のカップ型だったので、この運動エネルギーが残されたのであり、たとえば、円柱状等対称形形状であったならば、エレクトレット１８前後で受ける静電力は、大きさが等しく、向きが逆で、回収電極到達時点でその運動エネルギーはゼロに戻る。

電荷回収電極１９に完全に入った時、導電糸等で、電荷搬送体１７と電荷回収電極１９を電気的に接続すると、搬送された電荷−３．０３Ｅ−１３［Ｃ］の内、−２．８３Ｅ−１３［Ｃ］の電荷は、電荷回収電極１９に移動する、すなわち、電荷回収率は９３．４％である。１００％にならないのは、この形状では、電荷回収電極１９が完全なシールド電極にならないためである。回収電極１９の幅、１６０μｍを伸ばして、電荷搬送体１７をさらに奥に入れれば回収率は高まるが、その分、静電発電ユニットの幅が１ｍｍより広がって、単位体積あたりの発電量が減るので、このくらいが適当である。

目的は静電発電機なので、余剰の運動エネルギーを使って、該電荷搬送体１７を加速する必要はない。速度は変えず初速度のままで、この余剰エネルギーを電気エネルギーに変換するのが目的である。

電荷ＱをＶボルト持ち上げるのに必要なエネルギーＷは、Ｑ^＊Ｖである。逆に、ここにＷの余剰エネルギーがあるとき、電荷Ｑを持ち上げられる電位Ｖは、Ｗ／Ｑである。電荷が−３．０３Ｅ−１３［Ｃ］で、余剰エネルギーＷが、１．０６Ｅ−１１［Ｊ］の時、持ち上げられる電位は、−３４．９Ｖになる。そこで、電荷回収電極１９の電位を０Ｖから−３４．９Ｖに変えると、たとえば、１ｍ／ｓｅｃの速度で、−３．０３Ｅ−１３［Ｃ］の電荷を注入されて、接地電極１６を出た電荷搬送体は、エレクトレット１８まで加速され、その後減速されて、ちょうど１ｍ／ｓｅｃに戻って、電荷回収電極１９に到達することになる。

実施例１と同様に、直径１２０ｍｍの両面銅箔ポリカーボネイト円板に、図１３に示すように、箱型電荷搬送体を並べて作成すると、その総数は１５０，０００個になる。この電荷搬送体集合円板２０を、図１４に示す静電ユニット集合体円板２１、２２ではさむと、ＣＤ型の静電発電ボックスができる。なお、図１１では、接地電極１６の左端から、回収電極１９の右端まで、静電ユニットの幅を１．０ｍｍとしたが、静電ユニット集合体円板２０では、回収電極１９右端から、次に静電ユニットの接地電極１６の左端まで、２００μｍ取って、１．２ｍｍとした。また、エレクトレット１８は、接地電極１６と回収電極１９のパターンをエッチングで形成後、マスクをかけて、片面ずつコロナ放電することで安価に形成できる。また、真空中で、電子線を打ち込むことでも、容易に正確に形成することが可能である。

上下の静電ユニット集合円板２１、２２を、２００μｍの間隔で対向配置し、その間に、回転自在に電荷搬送体集合円板２０をセットし、図示しない別モータで、これを回転させる。回転数が１０００ｒｐｍに達したら、別モータは止める。このとき、円板の中心から４０ｍｍ離れた円周の速度は、４．１８ｍ／ｓｅｃになる。この速度で、４２０μｍ間隔に置かれた箱型搬送体電極１７群が移動（回転）する時、１．２ｍｍごとに固定配置された電荷回収電極１９には、１秒間に、３４８６回、電荷搬送体１７が到達し、そのたびに、−２．８３Ｅ−１３［Ｃ］の電荷を置いていく。１秒間では、−９．８７Ｅ−１０［Ｃ］になる。すなわち、電流Ｉ＝−９．８７Ｅ−１０［Ａ｝である。電位差Ｖが３４．９Ｖなので、得られる電力Ｗは、Ｗ＝Ｉ^＊Ｖで、３．５Ｅ−８［Ｗ］になる。図１４に示す１個のＣＤ型静電発電ボックス全体では、５．２５ｍＷになる。小さな発電量ではあるが、これを１ｍ^３に適当な余裕を持って、重ね配置すると、その発電量は１ｋＷを越えるので、屋根裏等に３〜４個置けば、家庭の電力を十分まかなうことができる。
なお、最初に、搬送電極集合円板２０を回転させた別モータは、この静電発電機の使用目的が、連続発電であれば、工場から付けて出荷する必要はない。

また、両面銅箔絶縁板を、パターンエッチング、カッティング、銅スルーホールメッキする代わりに、絶縁板８の片面に、厚め（７０〜１００μｍ）の銅箔９を貼り、図１５に示すように、パターンエッチングするだけで、少し効率は落ちるが、容易に、安価に、同様な電荷搬送体集合円板２０を作成することもできる。なお、両面に、銅箔９を付けて、両面に非対称形電荷搬送体１７群を作ることもできる。
更に、もう少し、大きい電荷搬送体であれば、プリント基板作成技術によらず、たとえば、厚さ０．１ｍｍの銅板を機械的に加工（切断、折り曲げ）することで作成することもできる。
逆に、さらに、小さな電荷搬送体であれば、ＭＥＭＳ技術で作成することができる。それを、実施例３に紹介する。

ＭＥＭＳ技術で、小さな回転円板タイプの静電発電機を作ることも可能だが、ここでは、シーソ型の静電発電機を紹介する。この発電機では、図１６に示されるように、シーソ２３の左右両端に形成された電荷搬送電極１７が、対向接地電極１６と電荷回収電極室１９間を往復することで静電発電がなされる。たとえば、最初に、左の電荷搬送電極１７に静電誘導で電荷が注入されると、この帯電した上下非対称形電荷搬送電極１７の上下面に働く静電力の差によって、シーソの左側が上昇し、右側が下がる。中間の、エレクトレット層１８を過ぎると、実施例２と同様に、今度は下向きの静電力が働くが、非対称形形状効果で、それまでに与えられた上向きの静電力のエネルギーの方が強いため、減速されながらも上昇続けて、電荷回収電極室１９に入り停止する。そこで、搬送してきた電荷の大部分を、対向接地電極１６よりもこの電荷に対して電気的なレベルが高い電荷回収電極１９に放出する。このとき、右端の電荷回収電極１７に右側の対向接地電極１６から静電誘導で電荷が注入されるので、今度は、シーソの右端が上昇始めて、左端は下降始める。

このシーソ動作が高速度で行われることで、小電力ながらも発電が継続する。この発電セルは、ＭＥＭＳ技術で作成できる、ただし、１枚のウエーハでは難しいので、２枚に分けて作成し、そのウエーハを向かい合わせに重ねることで作成可能である。

たとえば、下ウエーハは、犠牲層を除去することで、絶縁性基板上に、シーソの支柱２４とその上に乗る絶縁材のシーソ２３を形成し、該絶縁性基板の左右の表面の一部を導電性加工して、対向接地電極１６を形成し、シーソの両端の上面、前後面、左または右面を導電性加工をして電荷搬送電極１７を形成することで作成できる。複雑な形状ではあるが、現に、ほぼ同様な形状で、シーソの代わりに、可動ミラーを置いた、ＴＩ社のマイクロミラーレンズアレーが、劇場映画の投影機としてすでに多量に市販されている。

上ウエーハは、可動部はないので、シーソ２３の通り道を深堀して、その左右の、電荷搬送体電極１７が入り込む部分を、上面と取り囲む４面を導電加工して、電荷回収電極室１９を作り、最後に、深堀されなかった部分、特に、電荷回収電極１７の進路の周囲を、コロナ放電、または、電子線照射してエレクトレット層１８を形成することで作成できる
この上下のウエーハを、位置合わせをして重ね合わせ固定すると、多数の静電発電セルを有する、ウエーハの大きさの、たとえば直径６インチの静電発電ユニットが１回で作成できる。

このシーソ型発電セルの、具体的な寸法としては、たとえば、全体の幅が２００μｍ、高さが４５μｍ（上下ウエーハの基板含まず）奥行き３４μｍである。下ウエーハの基板上左右に、接地対向電極１６となる電極（幅２０μｍ）があり、その中間に、高さ２０μｍのシーソの支柱２４が立っていて、その上に、長さ１４０μｍ、幅１０μｍ、厚さ５μｍのシーソ２３が乗っていて、その左右両端の下面を除く４面が導電性処理される。
上ウエーハの、幅、高さ、奥行きは、下ウエーハと同じである。その真中に、長さ１４４μｍ、幅１４μｍ、深さ２５μｍの溝がある。その左右１０μｍの４面は、電荷回収電極室１９を形成するために導電処理されている。また、その溝の外側、左右２０μｍの領域は、コロナ放電や電子線照射によりエレクトレット１８化されている。
この上下のウエーハを位置合わせして、向かい合わせに重ねると、その上ウエーハの溝の中を、下ウエーハのシーソ２３が通れるようになる。シーソと溝の壁の間隔は、どこでも２μｍである。

この一つの静電発電セルでどのくらいの電力が生まれるかシミュレーションして見よう。正確な値を求めるためには、３次元シミュレーションが必須であるが、ここでは、概略値でもよいので、実施例２と同様に、二次元の軸対称差分法を使うこととする。

全体が小さくなったのに比例して、メッシュの大きさも、２０μｍ＊２０μｍから、１μｍ＊１μｍと小さくなったが、基本的には同じなので、シミュレーションの説明は省いて、その結果だけを図１７に示す。
電荷搬送体１７に加わる静電力の大きさは異なるが、その傾向は実施例２と同じで、最初上向きの（正）静電力を受けるが、エレクトレット層１８を横切る時、その力がゼロとなり、その後、下向き（負）の静電力を受けて、減速されながら進み、電荷回収電極室１９に入る。こに入った後、また上向き（正）の力を受けるところが、実施例２と異なるが、これは、帯電した電荷搬送体１７が、電荷回収電極室１９の天井の電極に接近した時、鏡像力が働いたためである。また、実施例２と異なり、負の力が正の力の半分ではなくほぼ同じになったのは、エレクトレット層１８を抜けてからの距離が実質約半分で電界が約２倍になっているからである。

最初に静電誘導で注入された電荷量は、−２．７５Ｅ−１５［Ｃ］であった。その内、９１．２％の電荷量、−２．５１Ｅ−１５［Ｃ］が、電荷回収電極室１９で回収された。この間に、加えられた静電エネルギーの総和は、６．６０Ｅ−１５［Ｊ］なので、発電可能電位は、２．４０Ｖになる。シーソ２３が、１秒間に１０００回振動すると、電流は５．０２Ｅ−１２［Ａ］になり、発電量は、１．２０Ｅ−１１［Ｗ］となる。
ウエーハの大きさを、直径６インチとすると、２００μｍ＊３４μｍの静電セルが、２６万８千個入るので、直径６インチのウエーハ型静電発電ユニットの総発電量は、０．３２ｍＷになる。該ユニットを、１ｍ^３にくまなく配置するとすると、その発電量は３０Ｗになる。

これは、実施例２の１／２０である。対象空間に占める電荷搬送電極の体積比率が低いのと、回転運動に対して、シーソ運動が遅くなるのが原因である。ただし、シリコンプロセスで、ＩＣチップ上に同時に作成できるので、その点が長所である。

平行平板電極の右端に挿入された導電性立方体を示す模式図 平行平板電極間に半分挿入された導電性立方体周りの電気力線模式図 平行平板電極の真中に置かれた導電性立方体を示す模式図 上下に導電性平板を張って張り出しを作った導電性立方体を示す模式図 平行平板電極間に置かれた張り出し有無導電性立方体左右面に働く静電力比較図 平行平板電極間に置かれた上下張り出し有り導電性立方体周りの電気力線模式図 プリント基板作成技術による静電モータ移動子（樋型電極）作成図 樋型電極群を有するＣＤ型回転盤移動子とＣＤ型固定子（電位源電極と接地電極）を示す模式図 新旧３種類の静電モータ構成説明図 プリント基板作成技術による静電発電機の電荷搬送体（箱型電極）作成図 静電発電機１セルの構成図（対向電極、エレクトレット、回収電極、搬送体） 静電発電機１セル中の電荷搬送体の位置と該電荷搬送体に働く静電気力の関係図 電荷搬送体回転盤の全体図と部分拡大図 電荷搬送体回転盤を使用する静電発電機１ユニットの構成図 プリント基板作成技術による静電発電機の別の電荷搬送体（凹型電極）作成図 ＭＥＭＳ技術で作成できるシーソ型静電発電セルの構造説明図 シーソ型静電発電セル中の電荷搬送電極の位置と該電荷搬送電極に働く静電気力の関係図 電位源電極と左右の接地電極間を通り抜けるカップ型電荷搬送電極を示す模式図（従来技術）

符号の説明

１、 電位源電極
２、 対向接地電極
３、 導電性立方体
４、 電気力線
５、 導電性平板
５ｏｈ、上部張り出し部
６、 導電性平板
６ｏｈ、下部張り出し部
７、 プリント基板素材
８、 絶縁性基板
９、 銅箔層
１０、 銅スルーホールメッキ層
１１、 固定子（電位源電極）
１２、 移動子
１２ａ、短冊型樋型電極
１３、 固定子（接地電極）
１４、 モーター軸
１５、 絶縁性基板
１６、 対向接地電極（電荷注入電極）
１７、 電荷搬送体（箱型電極）
１８、 エレクトレット層
１９、 電荷回収電極
２０、 電荷搬送体回転盤
２１、 上固定電極板（対向電極、エレクトレット、回収電極）
２２、 下固定電極板（対向電極、エレクトレット、回収電極）
２３、 両端に電荷搬送体（箱型電極）を有するシーソ
２４、 シーソの支柱
１０１、電位源円板電極
１０２、対向接地電極円板（Ｌ、Ｒ）
１０３、電荷搬送カップ型電極
１２１、空孔
１２２、導電糸

Claims (6)

1. 電界中に任意の向きで、少なくとも平行な二面または円筒面とこれらの面と垂直な面をこれらの面の片側に有する非対称形状の導体を置き、該垂直面の外面と内面に作用する静電力の差により該非対称形状導体を移動させる静電応用機器。
2. 電源につながる電極またはエレクトレットとその対抗電極を平行に固定して固定子とし、その間に、少なくとも平行な二面または円筒面と該面と垂直な面を該二面または円筒面の片側に有する非対称形状の導体からなる移動子を、その平行な二面または円筒面が該固定子の面と平行に、垂直な面が該固定子の面と垂直になるように置き、該垂直面の左右に作用する静電力の差によって、該移動子を該固定子の面と平行な方向に移動させる静電モータ。
3. 交互に異なる固定電圧が印加されたを並べて、固定子とし、該固定子電極に接近して、少なくとも平行な二面または円筒面とこれらの面と垂直な面をこれらの面の片側に有する非対称形状の導体を移動子として配置した静電モータ。
4. 移動子の移動に合わせて印加される電圧が切り替わる複数の電極を並べて、固定子とし、該固定子電極に接近して、少なくとも平行な二面または円筒面とこれらの面と垂直な面をこれらの面の片側に有する非対称形状の導体を移動子として配置した静電モータ。
5. 絶縁性基板の両面に、導電層のパターンを形成し、該導電層パターンを含んでスリットを設け、その上下導電層につながる基板の壁面をスルーホールメッキ等で導電層化する非対称形状電極の製法。
6. 下ウエーハに、ＭＥＭＳ技術で、その左右両端に、導電層で形成される電荷搬送体箱型電極を持つ絶縁性シーソ板とその支点及び、該電荷搬送体に静電誘導で電荷を注入するための筐体接地電極を形成し、上ウエーハに、該シーソ端部の箱型電極電荷搬送体が入った時、これをシールドし且つ搬送された電荷を回収する電荷回収室と、該電荷搬送体に電界を作用させて電荷を注入し、移動させる電位源としてのエレクトレット層を形成し、両ウエーハを向かい合わせに重ねて作成する静電発電機。

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