JPS5829379A - 静電発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエレクトレフトを利用した静電発電機に関する
ものである。

斯かる静電発電機は現在臂イクロホンやピックアップな
どにその使用例を見ることができるが、この例ではエレ
クトレフトの作る静電場中で電極を振動させることによ
って交流を得ているため、回転数や回転むらなどを検出
するセンサーとして利用できず、また電力を取り出す装
置としても不適当である。

これに対し、回転動を利用して発電を行うものとして、
球殻状のエレクトレフ）の中心付近で電極を回転させて
交流を得るものや、平行な２枚の固定電極間でエレクト
レットを支持した円板を回転させて交流電圧を得るもの
が知られている。ところが、前者のものでは、球殻状の
エレクトレフトを用意しなければならず、その製造に難
点があり、またその構造上電流を増大することも難しい
。

一方、後者のものでは、第１図に示すように、複数の板
状エレクトレット１を、同じ誘電率を有する誘電体２０
円板の同一円周上に等間隔で並べると共ニ、・このエレ
クトレット１と両電極３及び４との３者間を互に絶縁す
る必要があるため、構造が非常に複雑になり、その製作
が極めて面倒である。

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、構造が簡単で、製作がし易い回転式の
静電発電機を提供することにある。

以下本発明を図面第２図乃至第１２図について説明する
。

第２図は本発明による叢電発電機の基本原理を示す模式
図である。本発明による静電発電機は、シート状エレク
トレット１０を粘付した電極１１と、この電極１１のエ
レクトレット粘付面側に平行に配置した対向電極１２と
を備え、両電極１１及び１２を相対的に回転してエレク
トレット１０と対向電極１２との対向面積を連続的に変
化させ、両電極１１及び１２間に接続した負荷１３に交
流電圧を生じるようになっている。なお、図の例では両
電極１１及び１２間への負荷１３の！！貌は、電極１１
をアースに＃統し、かつ電極１２を負荷１３を介してア
ースに接続することにより行われているが、負荷１３を
電極１１側に接続するようにしてもよい。しかし、負荷
１３が接続される電極はアースから絶縁しなければなら
ないので、固定電極の方に負荷を！Ｉ統するようにし、
回転電極をアースするようにした方が、構造が簡単にな
る。

従って、図示の例では、電極１１を回転電極、電極１２
を固定電極とするのが好ましい。

今、電極１１が回転電極で、この電極１１に粘付されて
いるエレクトレット１０が図示のように電極１２と対向
する面倒が負となるように帯電されているとすると、回
転電極が所定回転速度に達している定常状態では、第３
図（ａ）に示すように、エレクトレット１０が対向電極
１２と対向し始めるＩＩ点ｔｌ　で、エレクトレット１
０と対向する電極１２の表面を十に、反対側の表面を−
にそれぞれ帯電するための電流が負荷１３に流れ始める
。

そして、対向面積が減少し始める時点ｔ２で、今度は電
極１２の表面に帯電されている十電荷を解放するための
電流が負荷１３に流れ始めるようになる。

上記電流の流れ方は負荷の大きさにより興なり、負荷１
３が抵抗で、エレクトレット１０と対向電流１２との対
向面積が第３図（ａｌに示すように時間と共に直線的に
変化する場合には、上記電流が流れることにより、第３
図（ｂｌに示すような波形の電圧が負荷１３に生じるよ
うになる。波形Ｘ及びｙは負荷抵抗が小さい場合と大き
い場合のもので、波形２は負荷抵抗が波形Ｘ及びｙの場
合の中間のときのものである。

なお、第３図（ａ）に示すように、対向面積が零となっ
た後、直ちにエレクトレフト１０と対向電極１２との次
の対向が始まるようにすれば、第３図に示す派形が違ら
なった交流電圧が発生される。

このための最も単純な例としては、第４図に示すように
、円板状の電極１１に半円状のエレクトレット１０を粘
付し、対向電極１２を半円状としたものが考えられる。

なお、回転電極は軸受によって回転自在に支承されるた
め、この軸受を介してアース或は負荷に接続することが
できるが、軸受での接触抵抗が大きい場合には、摺動環
のような摺動部材を介して接続するとよい。

ところで、上述した本発明による静電発電機によって発
生される電圧と電流との積である電力は、エレクトレッ
トの表面電荷密度、厚さに比例し、かつ電極間距離に反
比例して増大するが、エレクトレフトの表面電荷密度は
電極間距離とエレクトレットの厚さに依存するため、エ
レクトレフトの厚さに応じ電極間距離を成る程度以上に
する必要がある。また、発生される電圧及び電流の値は
上述した負荷抵抗の他に、相対回転速度にも依存してい
る。

今、回転数が一定のときには、負荷抵抗が成る値までは
、電流が一定で、電圧が直線的に増加するが、負荷抵抗
がその値を越えると、電流が減少し、電圧はその増加率
が減少し、ついには飽和に至る。

一方、回転速度がｎ倍になると、電流値はｎ倍になるが
、負荷抵抗の大きさに関係なく電流値が一定である、所
謂定電流領域が１／Ｈになり、それ大小さな負荷抵抗で
飽和電圧領域に至るようになる。

従って、電圧波形は、負荷が抵抗で、第３図（Ｍｌに示
したように、エレクトレットと対向電極との対向面積が
時間に直線的に比例して変化する場合には、定電流領域
で方形波（第３図（ｂ）の波形Ｘ）となり、飽和領域で
は三角波（第３図（ｂｌの波形ｙ）となる。なお、定電
流領域と飽和領域との間の過渡領域では、両者の中間の
例えば第３図〜）に２で示すような波形が得られる。

ところが、回転速度を増大したとき電圧及び電流の値と
それらの波形とに対して得られる効果は、第２図に示す
構成を単位構成とすると、この単位構成における対向電
極及びエレクトレットの両方の数を増やすこと、単位構
成そのものの数を増やしてそれらを並列接続すること、
或はこれらの両方を組合せることによっても得られる。

さて、単位構成数を一体構造の形で増やすには２つの方
法がある。その１つは、２単位構成を例にとると、第５
図に示すように、電極２１の両面にエレクトレット２０
１及び２０２を粘付すると共に、これらエレクトレフト
２０＋　及び２０２　の外側表面電荷を同一極性となる
ようにし、かつ電極２１の両側に同電位となるように互
に接続した２枚の対向電極２２１及び２２２を平行に配
置するもので、負荷１３は電極２２１とアース間に接続
されている。

４単位構成の場合は、第６図に示すように、２単位構成
のものを並列接続し、かつ両者間を静電遮蔽板２３によ
って静電遮蔽している。この遮蔽板２３はアースされる
ため、実際の構成に当っては、エレクトレット２０＋　
及び２０２が粘付された電極２１並びにエレクトレット
２０＋’及び２０２′が粘付された電極２１′と一体に
される。上述した構成方法は偶数単位の構成に向く。

第２の方法は、２単位構成を例にとると第７図に示すよ
うに、電極３１１及び３１２のそれぞれの同一方向を向
いた片面にエレクトレット３ｏ１及び３０２をそれぞれ
粘付すると共に、これらのユレクトレ７）３０１及び３
０２の外側表面電荷を同一極性となし、がっ電極３１１
及び３１２のそれぞれのエレクトレフト粘付面側に対向
電極３２１及び３２２を平行に配置するものである。

この方法によれば、２単位以上は全く同じ１単位構成の
繰返しであるので、偶数又は奇数単位のいずれの構成に
も向（。

電極の形としては、第４図に示した円板状の他に円筒状
のものが考えられる。円板状電極は極数が少く単位の多
い構成に向くのに対し、円筒状電極は極数が多い１単位
の構成に適する。

第８図（ａ）及び（ｂｌは円板電極を使用した場合の極
数４で１単位構成の静電発電機を簡略化してそれぞれ示
す平面図及び鋸断面図であるが、構成を明確にするため
エレクトレットの厚さは電極の厚さに比べ誇張して示し
ている０図において、エレクトレット４０］乃至４０４
が粘付された電極４１が回転子で、その中心の孔４１ａ
に図示しない回転軸が嵌合され、回転軸、軸受などを介
してアースされるようになっている。エレクトレフト粘
付面側に電極４１と平行に配電された電極４２が固定子
で、その外周部で筐体に絶縁体を介して保持されるよう
になっている。電極４２は外周部で互に連結されている
扇状の４つの電極部分４２１乃至４２４からなり、電極
部分４２１乃至４２４は９０°の等間隔で配列されてい
る。一方、エレクトレット４０１乃至４０２は、上記各
扇状の電極部分と同形に形成され、かつ電極４１の回転
により電極部分４２１乃至４２．と対向するように同一
円周上に９０°の等間隔で電極４１に粘付されている。

第９図は円筒状電極を使用した場合の極数６で１単位構
成の静電発電機を簡略化して示す断面図であり、第８図
と同様エレクトレットはその厚さを誇張して示している
。図において、エレクトレット５０１乃至５０６が６０
°の等間隔で外周面に粘付されている円柱状電極５１が
回転子で、その軸心に沿って穿った孔５１ａに嵌挿され
る回転軸により筐体に回転自在に支承され、回転軸、軸
受などを介してアースされるようになっている。

電極５１の外周にこれと同心円状に配置された円筒状の
対向電極５２が固定子で、適当な絶縁手段を介して筐体
に支持されるようになっている。電極５２は６０°の等
間隔で窓孔５２ａが穿たれて電極部分５２＋乃至５２＠
が形成されている。窓孔５２ａの長さｌは、電極５２及
び５１の側面をそれぞれ示す第１０図（ａ）及び中）か
ら判るように、エレクトレットの長さと略等しくなって
おり、巾Ｗは両電極の径の違い分だけエレクトレ−／　
）の巾より大きくなっている。

第８図に示す構成の静電発電機において、電極４１の厚
さ及び直径をそれぞれ０．５ｆｉ及び９００、孔４１Ｍ
の直径を１０鶴、エレクトレフトの厚さ、その扇形の開
き角度、及び半径を１２μｍ、２２．５゜及び４５ｆｉ
、扇形のエレクトレフトの切取られた先端部分の三角形
の高さを１０ｆｉとし、電極４２の厚さ及び外周直径を
それぞれ０．５ｆｉ及び１０６■、各電極部分の形状を
エレクトレ・ノドと同形とし、かつ回転子及び固定手間
の間隔を０．５ｆｉとすると共に、両電極の材質をアル
ミニウム、エレクトレフトの材質をＦＥＰテフロン、エ
レクトレフトの強さを平均１Ｏ−ＩＣ／−としたとき、
負荷抵抗をパラメータとして回転子の回転数を変化させ
ると第１１図に示すようなピーク電圧値が得られ、回転
数をパラメータとして負荷抵抗を変化させると第１２図
に示すようなピーク電流値が得られた。

第１１図及び第１２図から明らかなように、回転子の回
転数が１０００．３０００、及び５０００ｒｐｍのとき
、各回転数に対応して２μＡ、６μＡ１及び１０μＡの
定電流が得られ、その領域での負荷抵抗の範囲は、それ
ぞれ０乃至１５．０乃至５、及び０乃至３ＭΩである。

そして、飽和電圧は７０Ｖである。

上述の具体例では、回転数が５ｏｏｏｒｐｍのとき、定
電流領域で得られる最大電力番嘘Ｑ、３ｍＷ（負荷抵抗
３ＭΩで、出力電圧３０Ｖ、電流１０μＡ）であるが、
極数を１．５倍の６！こすること番こより更に１．５倍
、構成単位数を３０倍の３０４こすることにより更に３
０倍にすることができ、エレクトレットの厚さ及びその
平均強さを増すこと番こよっても更に増大することがで
きる。これ（こ関連し、飽和電圧も当然増大される。更
４こ、エレクトレットの厚さを更に厚クシ、電極間距離
をそれるこ応して広げ、発電機の容積を増せｉｆ、電力
、飽和電圧は共に更に増加する。また史書と、この発電
機を１０−４鶴Ｈｇ以上の高真空中又番嘘高絶縁性ガス
中に封入すれば、より一層の電力、飽和電圧の増加を図
ることができる。

なお、上述した具体例では、電極の大きさが大型になっ
ているが、回転数センサとするような場合には、円板電
極を用いたもので外形直径３５日、長さ約１０６、円筒
電極を用いたもので外形直径２０ｆｉ、長さ約２０ｆｉ
と小形にすることができる。

本発明は上述したように、シート状エレクＦレットを粘
付した電極と、この電極のエレクトレット粘付面に平行
に配電した対向電極とを相対的に回転してエレクトレッ
トと対向電極との対向面積を連続的に変化させ、両電極
間に接続した負荷１こ交流電圧を生じるようにしたもの
である。

このため、従来のようにエレクトレフトを支持するため
の特別の部材を必要とせず、構成が単純で製造がし易く
なっているため、トラブルが少なく、しかも安価で小型
の静電発電機が得られるようになる。

また、電極の多極化、構成単位の増大も、構成上簡単に
行えるため、大きな出力を発生する発電機を簡単に得ら
れる。従って、コロナモータのような静電モータ用の電
源として有効ｆ１重電機となしうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の回転式静電発電機の一例を示す模式図、
第２図は本発明による静電発電機の一実施例を示す模式
図、第３図＜８）及び（ｂ）はＩＮ２図の静電発電機の
動作庫理を説明するためのグラフ、第４図は第１図の静
電発電機の最も単純な構！ｌｉ、？Ｉを示す平面図、第
５図乃至第７図は本発明による静電発電機の他の実施例
をそれぞれ示す模式図、第８図（ａ）及び伽）は円板電
極を用いた本発明による静電発電機の具体的構成例をそ
れぞれ示す平面図及び側断面図、第９図は円筒電極を用
いた本発明による静電発電機の具体例を示す断面図、第
１０図（ａｌ及び伽）は第９図の静電発電機の構成部材
をそれぞれ示す側面図、並びに第１１図及び第１２図は
具体的実施例における静電発電機の電圧及び電流特性を
それぞれ示すグラフである。 １０　、２０１　．２０２，２０ｒ　’　　−２０２’
　　、３０１　　。 ３０ｓ、４０＋乃至４Ｏ−１５（ｈ乃至５０６・・・エ
レクトレット １１＝２１．２１’　　、３１１　−３１２　．４１゜
５１・・・電極 １２．２２＋　　、２２２　．２２１　’　、２２２’
　　、３２１　　。 ３２□　、４２，５２・・・対向電極 １３・・・負荷 特許出願人　　　　株式会社束工精機製作所手続補正書
（陪 昭和５７年　７月１６日 ４１Ｈｖ−肥官若杉和夫殿 １、□耘 蒙５６年幣１第１２６００３号 ３、　補正をする者 ４、代理人 ８、　補正の内容　　　　　別紙の通り補正の内容（特
願昭５６−１２６００３号）１、明細書第１頁第１９行
「や回転むらなど」を―Ｉ除する。 ２、同書第３頁第９行「交流」の前に「回転数と同じ周
波数の」挿入する。 ３、同書第３頁第１θ行「なお」の前に以下の文意を挿
入する。 「本発電機の最も単純な例としては、第３［Ｉ！Ｊに示
すように、円板状の電極１１に半円状のエレクトレット
１０を帖付し、対向電極１２を半円状としたものが考え
られる。」 ４、同書第３頁第１θ行「図」の前に「第３」を挿入す
る。 ５、同書第３頁第２０行と第４頁第１行との間に以下の
文章を挿入する。 「なお、回転電極は軸受によって回転自在に支承される
ため、この軸受を介してアース或は負荷に接続すること
ができるが、軸受での接触抵抗が大きい場合には、摺動
環のような摺動部材を介して接続するとよい。」 ６、同書第４頁第８行「反対側」を「残り」に訂正する
。 ７、同書第４頁第１４乃至第６頁第５行を削除する８、
　同書第５頁第３行「なお」を「そして」に訂正する。 ９、同書第５頁第５行乃至第６行「第３図・・・・・・
される。Ｊを「交流電流または電圧が連続的に発生され
る。上記電流、電圧の値及び波形は相対回転速度及び負
荷抵抗に依存している」に訂正する。 １０、同書第６頁第１３行「領域」の後に「の幅」を挿
入する。 １１、同書第６頁第１６行「従って」を「また」に訂正
する。 １２、同書第６頁第２０行「飽和」の後に「電圧」を、
挿入する。 １３、同書第７頁第３行「得られる。」の後に以下の文
章を挿入する。 「電圧及び電流を増加させるためには、エレクトレット
の表面電荷密度及び厚さを増し、かつ電極間距離を狭く
する必要があるが、エレクトレットの表面電荷密度は電
極間距離とエレクトレフトの厚さに依存するため、エレ
クトレフトの厚さに応じ電極間距離を成る程度以上にす
る必要がある。」１４、同書第８頁第２行乃至第８行「
接続し・・・向く。」を「接続したものとなる。」に訂
正する。 １５、同書第８頁第１７行乃至第１９行を削除する。 １６、同書第１１頁第４行「１０」の前にｒ　２．５　
Ｘ　Ｊを挿入する。 １７、同書第１１頁第４５行「で小型の」を「なＪに訂
正する。 １８、同書第１３頁第１６行及び第１７行間に以下の文
章を挿入する。 「また、本発電機はその発生電圧の周波数が回転数の整
数倍なので、その周波数を計数することにより、回転数
センサーとなしうる。しかもこの場合回転子の反作用が
きわめて少くないので被測定系に与える影響が小さく、
また小型、軽量に構成できるという優れた特徴をもって
いる。」１９、同書第１３頁第１７行「また」を「更に
」に訂正する。 ２０、同書第１４頁第５行乃至第８行「第３図・・・平
面図」を以下の如く訂正する。 「第３図は第１図の静電発電機の鰻も単純な構成例を示
す平面図、第４図（ａｌ及び（ｂｌは第２図の静電発電
機の動作原理を説明するためのグラフ」２１、同書第１
５頁第３行「、２２２’Ｊを削除する。 ｎ９図面第１図乃至第７図を添付図面と差し替える。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シート状エレクトレフトを粘付した電極と、該電極のエ
   レクトレフト粘付面側に平行に配曹した対向電極とを備
   え、前記両電極を相対的に回転して前記エレクトレフト
   と前記対向電極との対向面積を連続的に変化させ、前記
   両電極間に接続した負荷に交流電圧を生じるようにした
   ことを特徴とする静電発電機。