特開 2023-12284 摩擦帯電発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023012284

(43)【公開日】2023-01-25

(54)【発明の名称】摩擦帯電発電機

(51)【国際特許分類】

   H02N 1/04 20060101AFI20230118BHJP

【ＦＩ】

H02N1/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021115825

(22)【出願日】2021-07-13

(71)【出願人】

【識別番号】591001282

【氏名又は名称】大同メタル工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002192

【氏名又は名称】特許業務法人落合特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 豪男

(72)【発明者】

【氏名】城谷 友保

(72)【発明者】

【氏名】崔 ▲ジュン▼豪

(72)【発明者】

【氏名】ハレビル ラマスワミー シュリハシャ

(72)【発明者】

【氏名】高 莽

(57)【要約】

【課題】電極の構造を簡素化し活用範囲を広げることができる摩擦帯電発電機を提供する。
【解決手段】摩擦帯電発電機１１は、グラウンドに接続されて、特定方向に連続する導電体で形成される電極面２２ａを有する電極２２と、電極２２から分離され、電極面２２ａに向き合わせられる位置で特定方向に変位自在に支持されて、第１素材で形成され特定方向に並べられる第１接触面１６ａを有する第１帯電体１６と、特定方向に並べられながら電極面２２ａに固定され、第１素材に接触すると帯電する第２素材で形成されて、第１帯電体１６の変位に応じて第１接触面１６ａに接触し第１接触面１６ａから離隔する第２接触面２３ａを有する第２帯電体２３とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

グラウンドに接続されて、特定方向に連続する導電体で形成される電極面を有する電極と、
前記電極から分離され、前記電極面に向き合わせられる位置で前記特定方向に変位自在に支持されて、第１素材で形成され前記特定方向に並べられる第１接触面を有する第１帯電体と、
前記特定方向に並べられながら前記電極面に固定され、前記第１素材に接触すると帯電する第２素材で形成されて、前記第１帯電体の変位に応じて前記第１接触面に接触し前記第１接触面から離隔する第２接触面を有する第２帯電体と、
を備えることを特徴とする摩擦帯電発電機。

【請求項2】

請求項１に記載の摩擦帯電発電機において、前記第２接触面は、前記特定方向に等間隔で配置される前記第１接触面に同位相で配列されることを特徴とする摩擦帯電発電機。

【請求項3】

請求項１または２に記載の摩擦帯電発電機において、前記第１帯電体は転がりながら前記電極面および前記第２帯電体に相次いで前記第１接触面を接触させる球体から構成されることを特徴とする摩擦帯電発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特定方向に変位自在に支持されて、第１素材で形成され特定方向に並べられる第１接触面を有する第１帯電体と、特定方向に並べられ、第１素材に接触すると帯電する第２素材で形成されて、第１帯電体の変位に応じて第１接触面に接触し第１接触面から離隔する第２接触面を有する第２帯電体とを備える摩擦帯電発電機に関する。

【0002】

なお、摩擦帯電は、２つの物質が接触した際に発生する接触帯電と、２つの物質が接触状態から分離した際に発生する剥離帯電と、物質が導電体の場合に発生する誘導帯電とを含む。

【背景技術】

【0003】

非特許文献１は、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）で形成される第１帯電体と、ＦＥＰに接触すると帯電するアルミニウムで形成される第２帯電体とを有する摩擦帯電発電機を開示する。第１帯電体は１列に平行片を並べた格子形状に形作られる。第２帯電体は第１電極および第２電極に分割される。第１電極および第２電極は相互に噛み合う櫛歯形状に形作られる。第１電極の歯片と第２電極の歯片とは交互に一列に並ぶ。第１帯電体が平行片の列方向に移動すると、平行片は第１電極および第２電極に交互に接触する。第１電極および第２電極で交互に発電は実現される。非特許文献１では、第１電極および第２電極は相互に接続される。第１電極および第２電極の間に負荷は接続される。負荷には第１方向および第１方向に反対向きの第２方向から交互に電圧は作用する（電流は流通する）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｙａｎｎａｎ Ｘｉｅ外，「Ｇｒａｔｉｎｇ－Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ－Ｌａｙｅｒ Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ ａｔ ８５％ Ｔｏｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」，ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ドイツ，Ｗｉｌｅｙ Ｏｎｌｉｎｅ Ｌｉｂｒａｒｙ，２０１４年８月２５日，第２６巻，ｐ．６５９９－６６０７

【非特許文献2】Ｄａｅｈｗａｎ Ｃｈｏｉ外，「Ａ Ｓｅｌｆ－Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｓｍａｒｔ Ｒｏｌｌｅｒ－Ｂｅａｒｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉ Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ」，ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ，ドイツ，Ｗｉｌｅｙ Ｏｎｌｉｎｅ Ｌｉｂｒａｒｙ，２０１８年１２月１４日，第３巻，１８００２１９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１では、特定方向に連続する絶縁層の表面に第１電極および第２電極は形成される。第１電極および第２電極の配列にあたって絶縁層で第１電極および第２電極は絶縁される。どうしても絶縁層の形成が避けられない。

【0006】

本発明は、電極の構造を簡素化し活用範囲を広げることができる摩擦帯電発電機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一形態によれば、グラウンドに接続されて、特定方向に連続する導電体で形成される電極面を有する電極と、前記電極から分離され、前記電極面に向き合わせられる位置で前記特定方向に変位自在に支持されて、第１素材で形成され前記特定方向に並べられる第１接触面を有する第１帯電体と、前記特定方向に並べられながら前記電極面に固定され、前記第１素材に接触すると帯電する第２素材で形成されて、前記第１帯電体の変位に応じて前記第１接触面に接触し前記第１接触面から離隔する第２接触面を有する第２帯電体とを備える摩擦帯電発電機は提供される。

【0008】

第１接触面と第２接触面との相対変位に基づき摩擦帯電は実現される。電極およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の取り出しにあたって電極面に第２帯電体は固定される。連続する導電体はそのまま電極面に利用されることができる。第２帯電体の形成にあたって特定方向に連続する絶縁層の形成は省略されることができる。電極の構造は簡素化されることができる。摩擦帯電発電機の活用領域は広げられることができる。

【0009】

前記第２接触面は、前記特定方向に等間隔で配置される前記第１接触面に同位相で配列されてもよい。第２接触面で第１接触面との相対位置は同期することから、１電極から出力される電圧は増幅されることができる。

【0010】

前記第１帯電体は転がりながら前記電極面および前記第２帯電体に相次いで前記第１接触面を接触させる球体から構成されてもよい。第１接触面の周囲で球体は第２帯電体または電極面に向き合わせられる。こうした向き合わせに応じて第２帯電体または電極内で電荷が生じる。電荷の発生に応じて電極およびグラウンドの間で電圧が作用する。

【発明の効果】

【0011】

以上のように発明によれば、電極の構造を簡素化し活用範囲を広げることができる摩擦帯電発電機は提供される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態に係る摩擦帯電発電機の構成を示す概念図である。

【図2】第２軌道盤の平面図である。

【図3】摩擦帯電発電機の動作を示す概念図である。

【図4】電極から出力されオシロスコープで確認された電圧波形を示すグラフである。

【図5】第１実施形態の変形例に係る摩擦帯電発電機の構成を示す概念図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る摩擦帯電発電機の構成を示す概念図である。

【図7】第２軌道輪の斜視図である。

【図8】第２実施形態の変形例に係る摩擦帯電発電機の構成を示す概念図である。

【図9】本発明の第３実施形態に係る摩擦帯電発電機の構成を示す概念図である。

【図10】電極から出力されオシロスコープで確認された電圧波形を示すグラフである。

【図11】本発明の第４実施形態に係る摩擦帯電発電機の構成を示す概念図である。

【図12】軸受（第２半体）の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

【0014】

図１は本発明の第１実施形態に係る摩擦帯電発電機の構成を概略的に示す。摩擦帯電発電機１１はいわゆるスラストボールベアリングの構造を有する。すなわち、摩擦帯電発電機１１は、回転体１２に固定される環状の第１軌道盤１３と、第１軌道盤１３に同軸に第１軌道盤１３に向き合わせられて、支持体１４に固定される環状の第２軌道盤１５と、第１軌道盤１３および第２軌道盤１５の間に挟まれる転動体としての複数のボール（球体）１６と、回転体１２の回転軸線１２ａ回りに等間隔にボール１６を保持する保持器１７とを備える。回転体１２は回転軸線１２ａ回りに回転自在に支持体１４に支持されることができる。回転軸線１２ａの軸方向に回転体１２に作用する荷重は第１軌道盤１３、ボール１６および第２軌道盤１５経由で支持体１４に受け止められることができる。

【0015】

摩擦帯電発電機１１は、回転軸線１２ａ回りで回転体１２に駆動力を付与する駆動源１８を備える。駆動力に応じて回転軸線１２ａ回りで回転体１２は回転する。回転体１２の回転に伴ってボール１６は第２軌道盤１５上を転がる。第２軌道盤１５とボール１６との間で相対変位は引き起こされる。

【0016】

第１軌道盤１３には、上方からボール１６に接してボール１６の軌道を案内する軌道溝１９が形成される。軌道溝１９は回転軸線１２ａに同軸に環状に連続する。軌道溝１９にボール１６は受け入れられる。回転体１２の回転時、ボール１６は軌道溝１９に沿って転がる。第１軌道盤１３に対して個々のボール１６の接触位置は変位する。

【0017】

図２に示されるように、第２軌道盤１５には、下方からボール１６を支持してボール１６の軌道を案内する軌道溝２１が形成される。軌道溝２１は回転軸線１２ａに同軸に環状に連続する。軌道溝２１にボール１６は受け止められる。回転体１２の回転時、ボール１６は軌道溝２１に沿って転がる。第２軌道盤１５に対して個々のボール１６の接触位置は変位する。

【0018】

第２軌道盤１５は、グラウンドに接続されて、回転体１２の回転軸線１２ａ回りに連続する電極２２を備える。第２軌道盤１５の鋼本体は電極２２として機能する。電極２２は、回転軸線１２ａ回りに連続する導電体で形成される電極面２２ａを提供する。電極面２２ａは回転軸線１２ａに同軸に環状に広がる。ボール１６は電極面２２ａ上を転がる。鋼本体は一般の軌道盤と同様に構成されることができる。

【0019】

ボール１６は第１素材で形成される。ボール１６は回転軸線１２ａに同軸に環状に並べられる。ボール１６は、電極２２から分離されながら、電極面２２ａに向き合わせられる位置で、回転軸線１２ａに同軸に周方向に変位自在に第２軌道盤１５に支持される。個々のボール１６は第１帯電体として機能する。第１素材には例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。ボール１６には第２軌道盤１５との接点で第１接触面が確立される。ボール１６はＰＴＦＥといった絶縁体のほか導電体から形成されてもよい。

【0020】

電極２２の電極面２２ａには第２帯電体２３が固定される。第２帯電体２３はボール１６の転がりを受け止める第２接触面２３ａを形成する。第２接触面２３ａは回転軸線１２ａに同軸に環状に並べられる。第２接触面２３ａは回転軸線１２ａ回りで等間隔に配置される。こうして第２軌道盤１５の表面には回転軸線１２ａ回りに電極面２２ａおよび第２接触面２３ａは交互に配列される。第２接触面２３ａは、回転軸線１２ａ回りに等間隔で配置される第１接触面に同位相で配列される。

【0021】

第２帯電体２３は、第１素材に接触すると帯電する第２素材で形成される。ここでは、第２素材にはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が用いられる。ＤＬＣは電極面２２ａに成膜される。ＤＬＣの膜厚は０．１～１０．０［μｍ］に設定されればよい。個々の第２帯電体２３は電極面２２ａを覆う。回転体１２が回転すると、ボール１６は第２軌道盤１５上を転がり電極面２２ａおよび第２接触面２３ａに相次いで第１接触面を接触させる。

【0022】

摩擦帯電発電機１１は、第２軌道盤１５に接続されて、グラウンドに落とされる導電線２４をさらに備える。導電線２４には例えば電圧計２５が接続されることができる。電圧計２５はボール１６の転がりで生じる電圧を計測することができる。

【0023】

次に本実施形態の動作を説明する。回転体１２が回転すると、第２軌道盤１５上でボール１６は転がる。第２軌道盤１５に対して個々のボール１６の接触位置は変位する。図３（ａ）に示されるように、ボール１６の第１接触面１６ａが第２帯電体２３の第２接触面２３ａに接触すると、第２接触面２３ａに沿って第２帯電体２３内にプラスの電荷が生じる。このとき、第１接触面１６ａの周囲でボール１６は第２接触面２３ａに向き合わせられる。向き合わせに応じて第２帯電体２３内でプラスの電荷は生じる。第２帯電体２３の電荷に応じて電極２２およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の大きさは第２接触面２３ａに投影されるボール１６の面積に応じて変化する。

【0024】

図３（ｂ）に示されるように、ボール１６の第１接触面１６ａが第２帯電体２３の第２接触面２３ａから離隔し電極面２２ａに接触すると、電極面２２ａに沿って電極２２内にプラスの電荷が生じる。このとき、第１接触面１６ａの周囲でボール１６は電極面２２ａに向き合わせられる。向き合わせに応じて電極２２内でプラスの電荷は生じる。電荷の確立に応じて電極２２およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の大きさは電極面２２ａに投影されるボール１６の面積に応じて変化する。

【0025】

本実施形態では、第１接触面１６ａと第２接触面２３ａとの相対変位に基づき摩擦帯電は実現される。電極２２およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の取り出しにあたって電極面２２ａに第２帯電体２３は固定される。連続する導電体はそのまま電極面２２ａに利用されることができる。第２帯電体２３の形成にあたって特定方向に連続する絶縁層の形成は省略されることができる。電極２２の構造は簡素化されることができる。摩擦帯電発電機１１の活用領域は広げられることができる。

【0026】

摩擦帯電発電機１１では、第２接触面２３ａは、回転軸線１２ａ回りに等間隔で配置される第１接触面１６ａに同位相で配列される。第２接触面２３ａで第１接触面１６ａとの相対位置は同期することから、１電極２２から出力される電圧は増幅されることができる。

【0027】

本実施形態に係る摩擦帯電発電機１１では、第１帯電体は転がりながら電極面２２ａおよび第２接触面２３ａに相次いで第１接触面１６ａを接触させるボール１６（球体）から構成される。第１接触面１６ａの周囲でボール１６は第２接触面２３ａまたは電極面２２ａに向き合わせられる。こうした向き合わせに応じて第２帯電体２３または電極２２内で電荷が生じる。電荷の発生に応じて電極２２およびグラウンドの間で電圧が作用する。

【0028】

ＤＬＣの成膜にあたってＰＶＤ（ＰＢＩＩ法）が用いられる。ＤＬＣは第２軌道盤１５上で全体に均一に成膜されればよい。ＤＬＣの均一膜上には第２帯電体２３を象ったマスクが形成される。続いてサンドブラストが実施される。マスク以外の領域でＤＬＣは除去される。ＤＬＣの除去に応じて電極面２２ａは露出する。こうして第２帯電体２３は形成されることができる。その他、ＤＬＣの成膜に先立って第２軌道盤１５上で第２帯電体２３を象った空間を区画するマスクが形成されてもよい。マスク以外の領域でＤＬＣは成膜されることができる。ＤＬＣともどもマスクが除去されると、電極面２２ａは露出する。こうして第２帯電体２３は形成されることができる。

【0029】

本発明者は摩擦帯電発電機１１で発電を検証した。検証にあたって摩擦帯電発電機１１は製造された。摩擦帯電発電機１１には２０個のボール１６が組み込まれた。電極２２とグラウンドとの間にオシロスコープは接続された。回転軸線１２ａ回りに一定の速度で回転体１２は駆動された。回転体１２の速度は毎分６０回転に設定された。図４に示されるように、オシロスコープの電圧波形には周期的な山および谷が確認された。第２接触面２３ａとボール１６との相対変位が良好に観察された。

【0030】

図５に示されるように、摩擦帯電発電機１１ａはいわゆるスラストローラーベアリングの構造を有してもよい。ここでは、前述のボール１６に代えて第１軌道盤１３および第２軌道盤１５の間に転動体としてのローラー２６が挟まれればよい。ローラー２６は第１素材で形成される。ローラー２６は回転軸線１２ａに同軸に環状に並べられる。ローラー２６は、電極２２から分離されながら、電極面２２ａに向き合わせられる位置で、回転軸線１２ａに同軸に周方向に変位自在に第２軌道盤１５に支持される。個々のローラー２６は第１帯電体として機能する。ここでは、ローラー２６はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）で形成される。ローラー２６にはボール１６と同様に第２軌道盤１５との接点で線形の第１接触面が確立される。その他、ローラー２６には絶縁体のほか導電体が用いられてもよい。

【0031】

ローラー２６は転がりながら電極面２２ａおよび第２接触面２３ａに相次いで第１接触面を接触させる。第１接触面と第２接触面２３ａとの相対変位に基づき摩擦帯電は実現される。電極２２およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の取り出しにあたって電極面２２ａに第２帯電体２３は固定される。連続する導電体はそのまま電極面２２ａに利用されることができる。第２帯電体２３の形成にあたって特定方向に連続する絶縁層の形成は省略されることができる。電極２２の構造は簡素化されることができる。摩擦帯電発電機１１ａの活用領域は広げられることができる。

【0032】

図６は本発明の第２実施形態に係る摩擦帯電発電機の構成を概略的に示す。摩擦帯電発電機３１はいわゆるラジアルボールベアリングの構造を有する。すなわち、摩擦帯電発電機３１は、回転体３２に固定される環状の第１軌道輪（内輪）３３と、第１軌道輪３３に同軸に第１軌道輪３３に向き合わせられて、支持体３４に固定される環状の第２軌道輪（外輪）３５と、第１軌道輪３３および第２軌道輪３５の間に挟まれる転動体としての複数のボール３６と、回転体３２の回転軸線３２ａ回りに等間隔にボール３６を保持する保持器３７とを備える。回転体３２は回転軸線３２ａ回りに回転自在に支持体３４に支持されることができる。径方向に回転体３２に作用する荷重は第１軌道輪３３、ボール３６および第２軌道輪３５経由で支持体３４に受け止められることができる。

【0033】

摩擦帯電発電機３１は、回転軸線３２ａ回りで回転体３２に駆動力を付与する駆動源３８を備える。駆動力に応じて回転軸線３２ａ回りで回転体３２は回転する。回転体３２の回転に伴ってボール３６は第２軌道輪３５上を転がる。第２軌道輪３５とボール３６との間で相対変位は引き起こされる。

【0034】

第１軌道輪３３には、内側からボール３６に接してボール３６の軌道を案内する軌道溝３９が形成される。軌道溝３９は回転軸線３２ａに同軸に環状に連続する。軌道溝３９にボール３６は受け入れられる。回転体３２の回転時、ボール３６は軌道溝３９に沿って転がる。第１軌道輪３３に対して個々のボール３６の接触位置は変位する。

【0035】

第２軌道輪３５には、外側からボール３６を支持してボール３６の軌道を案内する軌道溝４１が形成される。軌道溝４１は回転軸線３２ａに同軸に環状に連続する。軌道溝４１にボール３６は受け止められる。回転体３２の回転時、ボール３６は軌道溝４１に沿って転がる。第２軌道輪３５に対して個々のボール３６の接触位置は変位する。

【0036】

第２軌道輪３５は、グラウンドに接続されて、回転体３２の回転軸線３２ａ回りに連続する電極４２を備える。第２軌道輪３５の鋼本体は電極４２として機能する。図７に示されるように、電極４２は、回転軸線３２ａ回りに連続する導電体で形成される電極面４２ａを提供する。電極面４２ａは回転軸線３２ａに同軸に環状に広がる。ボール３６は電極面４２ａ上を転がる。鋼本体は一般の軌道輪と同様に構成されることができる。

【0037】

ボール３６は第１素材で形成される。ボール３６は回転軸線３２ａに同軸に環状に並べられる。ボール３６は、電極４２から分離されながら、電極面４２ａに向き合わせられる位置で、回転軸線３２ａに同軸に周方向に変位自在に第２軌道輪３５に支持される。個々のボール３６は第１帯電体として機能する。第１素材には例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。ボール３６には第２軌道輪３５との接点で第１接触面が確立される。ボール３６はＰＴＦＥといった絶縁体のほか導電体から形成されてもよい。

【0038】

電極４２の電極面４２ａには第２帯電体４３が固定される。第２帯電体４３はボール３６の転がりを受け止める第２接触面４３ａを形成する。第２接触面４３ａは回転軸線３２ａに同軸に環状に並べられる。第２接触面４３ａは回転軸線３２ａ回りで等間隔に配置される。こうして第２軌道輪３５の表面には回転軸線３２ａ回りに電極面４２ａおよび第２接触面４３ａは交互に配列される。第２接触面４３ａは、回転軸線３２ａ回りに等間隔で配置される第１接触面に同位相で配列される。

【0039】

第２帯電体４３は、第１素材に接触すると帯電する第２素材で形成される。ここでは、第２素材にはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が用いられる。ＤＬＣは電極面４２ａに成膜される。ＤＬＣの膜厚は０．１～１０．０［μｍ］に設定されればよい。個々の第２帯電体４３は電極面４２ａを覆う。回転体３２が回転すると、ボール３６は第２軌道輪３５上を転がり電極面４２ａおよび第２接触面４３ａに相次いで第１接触面を接触させる。

【0040】

摩擦帯電発電機３１は、第２軌道輪３５に接続されて、グラウンドに落とされる導電線４４をさらに備える。導電線４４には例えば電圧計４５が接続されることができる。電圧計４５はボール３６の転がりで生じる電圧を計測することができる。

【0041】

次に本実施形態の動作を説明する。回転体３２が回転すると、第２軌道輪３５上でボール３６は転がる。第２軌道輪３５に対して個々のボール３６の接触位置は変位する。前述と同様に、ボール３６の第１接触面が第２帯電体４３の第２接触面４３ａに接触すると、第２接触面４３ａに沿って第２帯電体４３内にプラスの電荷が生じる。このとき、第１接触面の周囲でボール３６は第２接触面４３ａに向き合わせられる。向き合わせに応じて第２帯電体４３内でプラスの電荷は生じる。第２帯電体４３の電荷に応じて電極４２およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の大きさは第２接触面４３ａに投影されるボール３６の面積に応じて変化する。

【0042】

ボール３６の第１接触面が第２帯電体４３の第２接触面４３ａから離隔し電極面４２ａに接触すると、電極面４２ａに沿って電極４２内にプラスの電荷が生じる。このとき、第１接触面の周囲でボール３６は電極面４２ａに向き合わせられる。向き合わせに応じて電極４２内でプラスの電荷は生じる。電荷の確立に応じて電極４２およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の大きさは電極面４２ａに投影されるボール３６の面積に応じて変化する。

【0043】

本実施形態では、第１接触面と第２接触面４３ａとの相対変位に基づき摩擦帯電は実現される。電極４２およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の取り出しにあたって電極面４２ａに第２帯電体４３は固定される。連続する導電体はそのまま電極面４２ａに利用されることができる。第２帯電体４３の形成にあたって特定方向に連続する絶縁層の形成は省略されることができる。電極４２の構造は簡素化されることができる。摩擦帯電発電機３１の活用領域は広げられることができる。

【0044】

摩擦帯電発電機３１では、第２接触面４３ａは、回転軸線３２ａ回りに等間隔で配置される第１接触面に同位相で配列される。第２接触面４３ａで第１接触面との相対位置は同期することから、１電極４２から出力される電圧は増幅されることができる。

【0045】

本実施形態に係る摩擦帯電発電機３１では、第１帯電体は転がりながら電極面４２ａおよび第２接触面４３ａに相次いで第１接触面を接触させるボール３６（球体）から構成される。第１接触面の周囲でボール３６は第２接触面４３ａまたは電極面４２ａに向き合わせられる。こうした向き合わせに応じて第２帯電体４３または電極４２内で電荷が生じる。電荷の発生に応じて電極４２およびグラウンドの間で電圧が作用する。

【0046】

図８に示されるように、摩擦帯電発電機３１ａはいわゆるラジアルローラーベアリングの構造を有してもよい。ここでは、前述のボール３６に代えて第１軌道輪３３および第２軌道輪３５の間に転動体としてのローラー４６が挟まれればよい。ローラー４６は第１素材で形成される。ローラー４６は回転軸線３２ａに同軸に環状に並べられる。ローラー４６は、電極４２から分離されながら、電極面４２ａに向き合わせられる位置で、回転軸線３２ａに同軸に周方向に変位自在に第２軌道輪３５に支持される。個々のローラー４６は第１帯電体として機能する。ここでは、ローラー４６はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）で形成される。ローラー４６にはボール３６と同様に第２軌道輪３５との接点で線形の第１接触面が確立される。その他、ローラー４６には絶縁体のほか導電体で用いられてもよい。

【0047】

ローラー４６は転がりながら電極面４２ａおよび第２接触面４３ａに相次いで第１接触面を接触させる。第１接触面と第２接触面４３ａとの相対変位に基づき摩擦帯電は実現される。電極４２およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の取り出しにあたって電極面４２ａに第２帯電体４３は固定される。連続する導電体はそのまま電極面４２ａに利用されることができる。第２帯電体４３の形成にあたって特定方向に連続する絶縁層の形成は省略されることができる。電極４２の構造は簡素化されることができる。摩擦帯電発電機３１ａの活用領域は広げられることができる。

【0048】

図９は本発明の第３実施形態に係る摩擦帯電発電機の構成を概略的に示す。摩擦帯電発電機５１はいわゆるスラスト滑り軸受の構造を有する。すなわち、摩擦帯電発電機５１は、回転軸線５２ａ回りで回転自在に回転体（軸体）５２を支持する軸受５３を備える。軸受５３は、回転軸線５２ａに直交する平面で回転体５２を受け止める。回転体５２と平面との間には潤滑流体（例えば潤滑油）が供給されることができる。軸受５３は特定の支持体（図示されず）に組み込まれて利用されることができる。回転軸線５２ａの軸方向に回転体５２に作用する荷重は軸受５３で受け止められることができる。

【0049】

摩擦帯電発電機５１は、回転軸線５２回りで回転体５２に駆動力を付与する駆動源５４を備える。駆動力に応じて回転軸線５２ａ回りで回転体５２は回転する。回転体５２の端面と軸受５３の平面との間で相対変位は引き起こされる。

【0050】

軸受５３は、グラウンドに接続されて、回転体５２の回転軸線５２ａ回りに連続する電極５５を備える。軸受５３の鋼本体は電極５５として機能する。電極５５は、回転軸線５２ａ回りに連続する導電体で形成される電極面５５ａを提供する。

【0051】

回転体５２の先端には、第１素材で形成され回転軸線５２ａ回りに並べられる第１帯電体５６が固定される。第１帯電体５６は、電極５５から分離されながら、電極面５５ａに向き合わせられる位置で、回転軸線５２ａに同軸に周方向に変位自在に支持される。第１素材には例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。第１帯電体５６は回転体５２の端面を形成する第１接触面５６ａを有する。第１帯電体５６はＰＴＦＥといった絶縁体のほか導電体から形成されてもよい。

【0052】

電極５５の電極面５５ａには回転軸線５２ａ回りに並べられる第２帯電体５７が固定される。第２帯電体５７は第１帯電体５６の第１接触面５６ａを受け止める第２接触面５７ａを形成する。第２接触面５７ａは回転軸線５２ａに同軸に環状に並べられる。第２接触面５７ａは回転軸線５２ａ回りで等間隔に配置される。第２帯電体５７同士の間には空間が形成される。第２接触面５７ａは、回転軸線５２ａ回りに等間隔で配置される第１接触面５６ａに同位相で配列される。

【0053】

第２帯電体５７は、第１素材に接触すると帯電する第２素材で形成される。ここでは、第２素材にはアルミニウムが用いられる。第２帯電体５７は電極５５に一体化されてもよく電極面５５ａから連続してもよい。個々の第２帯電体５７は電極面５５ａから突出する。回転体５２が回転すると、回転体５２は空間および第２接触面５７ａに相次いで第１接触面５６ａを接触させる。

【0054】

摩擦帯電発電機５１は、軸受５３に接続されて、グラウンドに落とされる導電線５８をさらに備える。導電線５８には例えば電圧計５９が接続されることができる。電圧計５９は第１接触面５６ａおよび第２接触面５７ａの相対変位で生じる電圧を計測することができる。

【0055】

本実施形態では、第１接触面５６ａと第２接触面５７ａとの相対変位に基づき摩擦帯電は実現される。電極５５およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の取り出しにあたって電極面５５ａに第２帯電体５７は固定される。連続する導電体はそのまま電極面５５ａに利用されることができる。第２帯電体５７の形成にあたって特定方向に連続する絶縁層の形成は省略されることができる。電極５５の構造は簡素化されることができる。摩擦帯電発電機５１の活用領域は広げられることができる。

【0056】

摩擦帯電発電機５１では、第２接触面５７ａは、回転軸線５２ａ回りに等間隔で配置される第１接触面５６ａに同位相で配列される。第２接触面５７ａで第１接触面５６ａとの相対位置は同期することから、１電極５５から出力される電圧は増幅されることができる。

【0057】

本発明者は摩擦帯電発電機５１で発電を検証した。検証にあたって摩擦帯電発電機５１は製造された。摩擦帯電発電機５１では回転軸線５２ａに同軸の環状に４つの第１帯電体５６および第２帯電体５７は並べられた。電極５５とグラウンドとの間にオシロスコープは接続された。回転軸線５２ａ回りに一定の速度で回転体５２は駆動された。回転体５２の速度は毎分６０回転に設定された。図１０に示されるように、オシロスコープの電圧波形には周期的な山および谷が確認された。第１接触面５６ａと第２接触面５７ａとの相対変位が良好に観察された。

【0058】

図１１は本発明の第４実施形態に係る摩擦帯電発電機の構成を概略的に示す。摩擦帯電発電機６１はいわゆるジャーナル（滑り）軸受の構造を有する。すなわち、摩擦帯電発電機６１は、回転軸線６２ａ回りで回転自在に回転体（軸体）６２を支持する軸受６３を備える。軸受６３は、回転体６２周りで連続する円筒面６４を形成する。回転体６２と円筒面６４との間には潤滑流体（例えば潤滑油）が供給されることができる。ここでは、軸受６３は、回転軸線６２ａ回りで円筒面６４の一部分を形成する第１半体６３ａと、第１半体６３ａに結合されて、回転軸線６２ａ回りで円筒面６４の残りを形成する第２半体６３ｂとを有する。軸受６３は特定の支持体（図示されず）に組み込まれて利用されることができる。径方向に回転体６２に作用する荷重は軸受６３で受け止められることができる。

【0059】

摩擦帯電発電機６１は、回転軸線６２ａ回りで回転体６２に駆動力を付与する駆動源６５を備える。駆動力に応じて回転軸線６２ａ回りで回転体６２は回転する。回転体６２の外周面と軸受６３の円筒面６４との間で相対変位は引き起こされる。

【0060】

軸受６３は、グラウンドに接続されて、回転体６２の回転軸線６２ａ回りに連続する電極６６を備える。軸受６３の鋼本体は電極６６として機能する。電極６６は、回転軸線６２ａ回りに連続する導電体で形成される電極面６６ａを提供する。電極面６６ａは回転軸線６２ａ回りに同軸に環状に広がる。鋼本体は一般の滑り軸受と同様に構成されることができる。

【0061】

回転体６２の外周面には、第１素材で形成され回転軸線６２ａ回りに並べられる第１帯電体６７が固定される。第１帯電体６７は、電極６６から分離されながら、電極面６６ａに向き合わせられる位置で、回転軸線６２ａに同軸に周方向に変位自在に支持される。第１素材には例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。第１帯電体６７は回転体６２の外周面を形成する第１接触面６７ａを有する。第１帯電体６７はＰＴＦＥといった絶縁体のほか導電体から形成されてもよい。

【0062】

図１２を併せて参照し、電極６６の電極面６６ａには第２帯電体６８が固定される。第２帯電体６８は第１帯電体６７の第１接触面６７ａを受け止める第２接触面６８ａを形成する。第２接触面６８ａは回転軸線６２ａに同軸に環状に並べられる。第２接触面６８ａは回転軸線６２ａ回りで等間隔に配置される。こうして軸受６３の円筒面６４には回転軸線６２ａ回りに電極面６６ａおよび第２接触面６８ａは交互に配列される。第２接触面６８ａは、回転軸線６２ａ回りに等間隔で配置される第１接触面６７ａに同位相で配列される。

【0063】

第２帯電体６８は、第１素材に接触すると帯電する第２素材で形成される。ここでは、第２素材にはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が用いられる。ＤＬＣは電極面６６ａに成膜される。ＤＬＣの膜厚は０．１～１０．０［μｍ］に設定されればよい。個々の第２帯電体６８は電極面６６ａを覆う。回転体６２が回転すると、回転体６２は電極面６６ａおよび第２接触面６８ａに相次いで第１接触面６７ａを接触させる。

【0064】

摩擦帯電発電機６１は、軸受６３に接続されて、グラウンドに落とされる導電線７１をさらに備える。導電線７１には例えば電圧計７２が接続されることができる。電圧計７２は第１接触面６７ａおよび第２接触面６８ａの相対変位で生じる電圧を計測することができる。

【0065】

本実施形態では、第１接触面６７ａと第２接触面６８ａとの相対変位に基づき摩擦帯電は実現される。電極６６およびグラウンドの間で電圧は作用する。電圧の取り出しにあたって電極面６６ａに第２帯電体６８は固定される。連続する導電体はそのまま電極面６６ａに利用されることができる。第２帯電体６８の形成にあたって特定方向に連続する絶縁層の形成は省略されることができる。電極６６の構造は簡素化されることができる。摩擦帯電発電機６１の活用領域は広げられることができる。

【0066】

摩擦帯電発電機６１では、第２接触面６８ａは、回転軸線６２ａ回りに等間隔で配置される第１接触面６７ａに同位相で配列される。第２接触面６８ａで第１接触面６７ａとの相対位置は同期することから、１電極６６から出力される電圧は増幅されることができる。

【0067】

第１半体６３ａおよび第２半体６３ｂは相互に絶縁されてもよい。例えば、第１半体６３ａおよび第２半体６３ｂの結合にあたって第１半体６３ａおよび第２半体６３ｂの間に絶縁体が挟み込まれればよい。グラウンドに接続される第２帯電体６８は減少するものの、第１接触面６７ａと第２接触面６８ａとの相対変位に基づき摩擦帯電は実現されることができる。

【符号の説明】

【0068】

１１…摩擦帯電発電機、１１ａ…摩擦帯電発電機、１６…第１帯電体（ボール）、１６ａ…第１接触面、２２…電極、２２ａ…電極面、２３…第２帯電体、２３ａ…第２接触面、２６…第１帯電体（ローラー）、３１…摩擦帯電発電機、３１ａ…摩擦帯電発電機、３６…第１帯電体（ボール）、４２…電極、４２ａ…電極面、４３…第２帯電体、４３ａ…第２接触面、４６…転動体（ローラー）、５１…摩擦帯電発電機、５６…電極、５６ａ…電極面、５７…第１帯電体、５７ａ…第１接触面、５８…第２帯電体、５８ａ…第２接触面、６１…摩擦帯電発電機、６６…電極、６６ａ…電極面、６７…第１帯電体、６７ａ…第１接触面、６８…第２帯電体、６８ａ…第２接触面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】