JP4558599B2 - オーロラカーテンの発生装置、及び、同方法 - Google Patents

Description

本発明は、人工的に放電を行わせてオーロラを発生させる技術に係り、特に、一般成人の身長に比して大形のカーテン状オーロラを現示し得る装置、及び同方法を提供するものである。

人工的にオーロラを発生させる研究は種々行われている。これらの研究を大別すると、
（イ） 学術的研究として、
荷電粒子を放射する太陽と、磁気を帯びた地球との関係をミニチュアに再現して、オー ロラ発生のメカニズムを探求するもの（例えば特開平９−４４０８１号公報）と、
エキジビション（展覧、展示）として、壮大華麗なる大宇宙ショーを想わせる光
の幕を作り出すものと、
になる。

上記（ロ）項の展示用のオーロラとしては、多数の漏光性の光ファイバーでカーテンを作り、人工光を照射するもの（特開平５−２７４９０３号公報に係るオーロラ演出装置）や、多数のレーザー光束を投射するもの（特開平６−２０３６１０号公報に係るオーロラ照明装置）などが知られている。
しかし、これらの模擬オーロラは放電現象を利用していないので、真実感に乏しく、感動を呼ぶ迫力が無い。

そこで、実際の放電現象を用いたオーロラ発生装置が提案されている。この放電方式のオーロラ発生装置における問題点は、「如何にしてカーテン状の発光を実現するか」である。
すなわち、単に真空放電によって発光させるというだけのことであれば、例えばネオン灯として１００年以上も昔に創作され実用されている。最近における人工オーロラの工夫は、カーテン状に発光させること、すなわち、平面に沿って真空放電を行なわせることであった。

平面状に発光させる技術として、特開平１０−６３１８０号公報にオーロラ発生装置が開示されている。この発明は、余分な発光（放電）を抑制するシールド板と、放電を導くセンターガラスとを必須の要件とし、帯状のオーロラを現出し得たことが報告されている。
上記発明の改良発明として、アース電極に地上事物を模した部材を追加したオーロラ発生装置（特開２００１−１７５１６３号公報）も公知である。
特開平１０−６３１８０号公報 特開２００１−１７５１６３号公報

前記特開平１０−６３１８０号公報に記載されたオーロラ発生装置は、平板状の放電（発光）を行わせたという点で貴重なものであり、人工オーロラ技術の進歩に貢献したところ多大である。
しかしながら、実際のオーロラを小型化して現出させるという観点から、更なる改良が要望される。
すなわち、余分な発光（放電）を抑制するシールド板と、放電を導くセンターガラスとを必須の要件としているため、発光（放電）形状が平板に限定される。

実際のオーロラには襞（ひだ）が有り、しかも、その襞は絶えず揺れ動き、チラつき、色彩が変化する。すなわち、きわめて流動的であって静止画像ではない。
本発明の第１の目的は、電極付近にシールド板やセンターガラスを設ける必要が無く、従って、これらの構成部材に拘束されることなく、襞（波形）を形成させたり、該襞を動かせたりし得る、加工自由度の高いカーテン状のオーロラ（真空放電）発生装置、及び同発生方法を提供するものであり、
本発明の第２の目的は、上記第１の発明の改良発明として、オーロラカーテンに動きや色彩を与え、より現実感に溢れたカーテン状のオーロラ発生装置、及びオーロラ発生方法を提供するものである。

上記の目的を達成するために創作した本発明の基本的な原理について、その１実施形態に対応する図１を参照して略述すると次の通りである。
図１（Ａ）のように、減圧室１の中に２個の電極２，３をＺ軸方向に対向せしめて配置し、高電圧を印加すると不定形の発光５を生じることは広く知られている。
本発明は、図１（Ｂ）のように、整形コイル６を設けて、放電方向（Ｚ軸方向）に平行な磁力線（磁界）ｍを与える。これにより、線状の電極２を通る面に沿って、平板状の発光を生じる。
この発光（放電）は、シールド板やセンターガラスの制約を受けないので、後述するようにして曲げたり揺れ動かしたりすることが可能である。

上述した原理に基づく具体的な構成として、請求項１に係る発明装置の構成は、（図１参照）減圧室１内で放電を行なわせてオーロラを発生させる装置において、
直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚを想定し、
それぞれ電源４に接続される２個の電極が、Ｚ軸方向に対向して設置されており、 該２個の電極の内の少なくとも１個の電極２が、ほぼＸ軸方向の線状をなし、
かつ、上記２個の電極の間にＺ軸方向の磁力線ｍを発生させるコイル（整形コイルと名付ける）６が設けられていて、
放電により面状に発光するようになっていることを特徴とする。
本発明における直交座標Ｘ，Ｙ，Ｚは、説明の便宜上想定したものであって、Ｚ軸は必ずしも地球を基準として垂直であることを要せず、Ｘ軸，Ｙ軸は必ずしも水平軸に限定されるものではない。

請求項２に係る発明装置の構成は、前記請求項１の発明装置の構成要件に加えて、（図２参照）
前記の線状の電極２が、ほぼＸ−Ｙ面上に位置する曲線８をなしていて、
「Ｚ軸方向の線を上記曲線８に沿ってＸ軸方向に平行移動させたときの軌跡面」が発光するようになっていることを特徴とする。

請求項３に係る発明装置の構成は、前記請求項１または請求項２の発明装置の構成要件に加えて、（図３参照）
ほぼＹ軸方向の磁力線Ｍ，Ｍ′を発生する偏向コイル１３が設けられていて、
「Ｙ軸成分を含む形状の曲面」に沿って発光するようになっていることを特徴とする。

請求項４に係る発明装置の構成は、前記請求項１ないし請求項３の発明装置の構成要件に加えて、（図１（Ｂ）参照）
前記２個の電極の間にＺ軸方向の磁力線を発生させる整形コイル６の通電を制御して、Ｚ軸方向の磁力線ｍの磁界強度を調節できるようになっていて、磁界強度の変化に伴って発光面の厚さ寸法が変化するようになっていることを特徴とする。

請求項５に係る発明装置の構成は、前記請求項２の発明装置の構成要件に加えて、（図２（Ａ）参照）
Ｘ−Ｙ面上に位置する曲線を成す電極が、フレキシブルな線状部材８で構成され、
かつ、上記フレキシブルな線状部材８の複数箇所のそれぞれに、Ｙ軸方向に作動する電極駆動手段９が配設されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明装置の構成は、前記請求項２の発明装置の構成要件に加えて、（図２（Ｂ）参照）
Ｘ−Ｙ面上に位置する電極が、Ｘ−Ｙ面に配列された多数の電極群１１から成り、
該多数の電極の中の特定の複数の電極を電源に接続し得るようになっており、
かつ、上記特定の電極を時間経過に伴って変化せしめ得るようになっていることを特徴とする。

請求項７に係る発明装置の構成は、前記請求項１ないし請求項６の発明装置の構成要件に加えて、（図１（Ｂ）参照）
前記の電源４の電圧を時間的に変化させて、オーロラの発光輝度を変化せしめ得るようになっており、
かつ、その変化のサイクルが、ヒトが眼で見たときに、チラツキを感じさせる程度であることを特徴とする。

請求項８に係る発明装置の構成は、前記請求項１ないし請求項７の発明装置の構成要件に加えて、
前記の減圧室１に、真空吸引手段Ｖａｃと併せて、「特定種類のガス」を注入する手段Ｇｃが設けられていることを特徴とする。

請求項９に係る発明方法の構成は、（図１（Ｂ）参照）
減圧室１内で放電を行なわせてオーロラを発生させる方法において、
直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚを想定し、
それぞれ電源４に接続される２個の電極を、Ｚ軸方向に対向させて設置し、
予め、該２個の電極の内の少なくとも１個の電極２を、ほぼＸ軸方向の線状に構成しておき、
かつ、上記２個の電極の間に「ほぼＺ軸方向の磁力線（磁界）ｍ」を発生させることにより、「前記線状電極を含む面」に沿わせてカーテン状のオーロラを発光させることを特徴とする。

請求項１の発明装置を適用すると、本発明に係る整形コイル６が設けられていて、両極間に放電方向の磁界（磁力線）が形成されるので、線状の電極を通る面に沿ってオーロラカーテンが発生する。
このオーロラカーテンは、従来技術のようにシールド板やセンターガラスによって制約を受けることが無いので、更に工夫を加えて発光面を３次元的に曲げ得る可能性を有している。
また、放電電極の直近にシールド部材（接地されている）が無いので、該放電電極の絶縁に格別の困難を生じる虞れが無い。

請求項２の発明装置を前記請求項１の発明装置に併用すると、放電電極が屈曲しているので、発生するオーロラカーテンが平面でなく曲面になる。
上記の曲面は、放電電極の形状に応じて屈曲するので、ある程度任意に設定することができる。
このように、任意の曲面に沿ったオーロラカーテンを発生させることは、従来技術においては考え得なかった新規な効果である。

請求項３の発明装置を請求項１の発明装置に適用すると、オーロラカーテンを、前記請求項２の発明装置におけると異なった形態に屈曲させることができる。
仮にＺ軸を垂直方向に採って考えると、請求項２の装置の発光面は、例えば屏風やアコーデオンドアに類似した形態、すなわち、縦の線を水平方向に平行移動させた軌跡面を成すように屈曲するが、
これに比して請求項３の装置の発光面は、水平な線を上下方向に平行移動させた軌跡面を成す（図３参照）。
上記２種類の屈曲を複合させることも可能である。これにより、いっそう複雑で新規な曲面に沿わせて発光（放電）させることができる。

請求項４の発明装置を請求項１ないし請求項３の発明装置に適用すると、面に沿って発光しているオーロラカーテンの厚さ寸法を任意に調節することが可能である。
本請求項４の発明によれば、オーロラカーテン発光の厚さを所望の厚さに設定することもでき、
また、例えば音楽に合わせて厚さを変化させることもできるので、エキジビション（展覧、展示）効果の向上が多大である。

前記請求項２の発明装置においては、発光面を波形に屈曲させることができたが、該請求項２の発明に本請求項５を併せて適用すると、機械的な操作によって上記の波形を変化させることができる。
この変化により、発光面の静的な形状設定も可能であるが、また例えば音楽に合わせて波形オーロラカーテンを踊らせることも可能である。このようにしてエキジビション（展覧、展示）効果の向上が絶大である。

請求項６の発明装置を請求項２の発明装置に併せて適用しても、電磁的な操作によって発光面の波形を変化させることができる。
この変化により、発光面の静的な形状設定も可能であるが、また例えば音楽に合わせて波形オーロラカーテンを舞わせることも可能である。このようにしてエキジビション（展覧、展示）効果の向上が絶大である。

請求項７に係る発明装置を、請求項１ないし請求項６の何れかの発明装置に併せて適用すると、
該請求項１ないし請求項６の発明装置それぞれの作用効果を阻害することなく、オーロラの発光にチラつきを与えることができる。
発光にチラつきを与えることによって、一つには自然のオーロラに類似させるという効果を奏し、また一つには、エキジビション（展覧、展示）効果を一層向上させる。

請求項８の発明装置を請求項１ないし請求項７の発明装置に併せて適用すると、
該請求項１ないし請求項７の発明装置それぞれの作用効果を阻害することなく、オーロラの発光に色彩変化を与えることができ、エキジビション（展覧、展示）効果を更に一層向上させる。

請求項９の発明方法によると、両極間に放電方向の磁界（磁力線）が形成されるので、線状の電極を通る面に沿ってオーロラカーテンを発生させることができる。
このオーロラカーテンは、従来技術におけるがごときシールド板やセンターガラスによって制約することなく発生させるので、更に工夫を加えて発光面を曲げ得る可能性を有している。
また、放電電極の直近にシールド部材（接地されている）を設ける必要が無いので、該放電電極の絶縁に格別の困難を生じる虞れが無い。
本発明方法によって発生する人工オーロラは実際の放電によって発生するので、従来技術に係る模擬オーロラと異なり、真実性が高く、見る者をして感動せしめ得る迫力を有している。

図１は、先に本発明の基本的な原理を説明する際に参照した模式図であって、（Ａ）は対照のために掲げた従来例であり、線状の電極２を備えている。（Ｂ）が本発明の１実施形態である。
従来例に比して本実施形態が異なっている主要な点は、放電（発光）を整形するためのコイル６を設けたことである。これにより、双方の電極２，３の間にＺ軸方向の磁力線ｍが発生する。
説明の便宜上、直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚを想定する。Ｚ軸は２個の電極が対向している方向であり、Ｘ軸は線状の電極２と平行である。

コイルに通電して人工的に発生させた磁力線の大部分は必然的に曲線となる。従って、本発明においてＺ軸方向の磁力線（磁界）とは、両極間においてほぼＺ軸方向であるとの意である。この場合、Ｚ軸方向は、両極が対向している方向であり、放電方向と同じになる。
また、本発明において線状の電極とは、必ずしも幾何学的に厳密な「線」であることを要せず、例えば針金であっても、リボンであっても良い。要するに線状のエッジを有する部材であれば良い。

２個の電極の中の少なくとも片方が線状の電極であることと、前記の磁力線ｍを形成することとによって、放電は「線状の電極を通り、他方の電極に交わる面」に沿って発生する。すなわち、上記の面に沿って発光する。
このようにしてカーテン状のオーロラ（放電発光）７が形成される。
整形コイル６の通電を調節して、電流値を上げるとカーテン状発光７の厚さ寸法が減少し、電流値を下げるとカーテン状発光７の厚さ寸法が増大する。

電流値減少の極限的な状態として電流を断てば図１（Ａ）のように不定形発光５となるのであるから、電流値の増減によってカーテン状発光７の厚さが変化することは容易に納得される。
電流値を調節して最適厚さのカーテン状発光７とすることもできるが、電流値を経時的に変化させ（例えば、音楽に合わせて変化させ）ると、エキジビション（展覧、展示）効果の向上に有効である。

図１（Ｂ）参照。減圧室１は、真空放電が発生する程度の高真空（１Ｔｏｒｒ以下）に真空吸引Ｖａｃされている。上記の真空度を破壊しない程度に着色ガスＧｃを導入すると、該着色ガスによってカーテン状発光の色彩が変化する。
例えば窒素によって青色に、ネオンによってピンク色に、ヘリウムによって青緑色に、変化する。
酸素による変色は、荷電粒子の衝突エネルギーが大きいときは赤色に、荷電粒子の衝突エネルギーが小さいときは緑色になる。
計画的にオーロラカーテンの色調を変化させることによって、エキジビション（展覧、展示）効果を向上させることができる。

図１（Ｂ）の実施形態における電源４は、模式的に電池のシンボルマークを描いたが、印加電圧は必ずしも直流であることを要しない。
真空放電に必要な数キロボルトの直流電源に交流成分を重畳して脈流電圧にし、又は
パルス電圧にすると、カーテン状発光７にチラつきを生じるので、見る者をして一層の臨場感を覚えさせる。
図１（Ｂ）には１個の着色ガス導入部を描いてあるが、本発明を実施する場合、複数個の着色ガス導入部を設けることもできる。

図２及び図３は、互いに異なる実施形態を描いたものであるが、双方共に「図１（Ｂ）に示した平板形のカーテン状発光７」を屈曲させるように改良した例である。
（図２（Ａ）参照）本例の線状電極は、ほぼＸ軸方向に配置されたフレキシブル線状電極８によって構成されている。
上記フレキシブル線状電極８の長さ方向に関して複数箇所に、電極駆動手段９が接続されている。
上記電極駆動手段９を作動させて、フレキシブル線状電極８にＹ軸方向の撓みを与えると、該フレキシブル線状電極は波形に変形する。

フレキシブル線状電極８が波形に変形すると、放電面は上記の波形からＺ軸方向に発生するので、カーテン状のオーロラ発光面に襞（ひだ）が形成される。
後に説明する図３の実施形態における襞と対比するため、本実施形態（図２（Ａ））の襞の形態を確認しておくとつぎの通りである。
任意の水平面による断面形状が波形であり、垂直断面形状は直線状である。この曲面を比喩的に平行な山脈と谷と考えれば、稜線や谷底該が縦方向である。

電極駆動手段９を計画的に伸縮させると、波形カーテン状発光１０の襞を自在に動かすことができる。すなわち、波形の波長や波高（振幅）を変化させることもでき、該波形をＸ軸方向に進行させたり後退させたりすることもでき、波動の伝播速度を自在に調節することができる。
本例の波形カーテン状発光１０をエキジビション（展覧、展示）として用いる場合は、会場音楽に合わせて襞の波を動かすことによって、観衆の感動を呼ぶことができるという実用的効果を奏する。
本図２（Ａ）の電極駆動手段９はシリンダを模して描いてあるが、本発明を実施する場合の電極駆動手段はシリンダ手段に限らない。例えばステップモータでも、リンク機構でも、カム手段でも良く、要するに、フレキシブルな線状電極８を機械的（力学的）に変形させる構造であれば良い。

図２（Ｂ）は、波形の電極を電磁的に操作して動かすように構成した実施形態の要部を模式的に描いた斜視図である。Ｘ−Ｙ面に沿わせて、多数の電極をマトリックス（行列・格子縞）状に配列してＸＹ配列電極群１１が形成されている。
例えば、図において黒色に塗り潰した電極を電源（図外）に接続すると、このＸＹ配列電極群１１は実質的に波形電極として作用する。
例えば電光掲示板に関する公知技術を適用すれば、ＸＹ配列電極群１１によって任意形状の電極を形成することができ、該電極を任意に変形させることもできる。

図３は前記と異なる実施形態を示す。これを前掲の図１（Ｂ）に比較すると、本図３は図１（Ｂ）の改良例である。
本図３に描かれている減圧室１、電極２、電極３、及び整形コイル６は、図１におけると同様ないし類似の構成部材である（電源４、真空吸引Ｖａｃ、及び着色ガス導入Ｇｃは図示を省略してあるが、同様の機構が設けられている）。
本図３を図１（Ｂ）と比較して異なる主な点は、偏向コイル１３が配置されていることである。

上記の偏向コイル１３は、Ｙ軸方向の磁力線（磁界）Ｍ，Ｍ′が形成されるように配設される。
図２と図３とを対比して参照しつつ、双方の実施形態の相違点について考察すると、
双方共、図１の実施形態における平板形のカーテン状発光（７）に改良を加えて曲面形ならしめたものであるが、
イ．発光面を屈曲させる手段、及び、
ロ．屈曲の形態、
それぞれ次のように異なっている。

イ．発光面を屈曲させる手段
図２の実施形態においては、線状電極の形状をＸ−Ｙ面上の曲線にした。図３の実施形態においては、Ｙ軸方向の磁力線を生じるコイル（６）を設けた。
ロ．図２の実施形態における発光面の屈曲形状は（先に考察したように、山頂と谷とに
なぞらえると）稜線や谷底が縦方向であり、図３の実施形態における稜線や谷底は横方向である。

本図３の実施形態では、多数の偏向コイル１３を上下３段に配列したので、波形カーテン状発光１２の屈曲形状は、山２つ谷１つになっている。すなわち、これを波として見たとき、１波長と半分が形成されている。
本発明を実施する際、偏向コイル１３の配置状態を種々に設定することにより、波形カーテン状発光１２の屈曲形態を種々に変化させることができる。
更に、多数の偏向コイル１３に対する通電を経時的に変化させると、例えば場内音楽に合わせてオーロラを踊らせることもできる。

本発明の基本は、図１（Ｂ）に示したようにＺ軸方向の磁界を与えて平板状のオーロラカーテンを発生させることであるが、
磁界強度を制御して上記平板の厚さ寸法を調節することもできる。
更に、図２のように線状電極をＸ−Ｙ面内で屈曲させて光のカーテンに縦襞（ひだ）を作ることもでき、図３のようにＹ軸方向の磁界を与えて横襞を作ることもでき、これらの襞を動かすこともできる。
上記の作用効果に加えて、印加電圧を制御してオーロラカーテンにチラつきを与えることもでき、特定のガスを導入してオーロラカーテンを着色することもできるので、
これらの機能を総合的にアレンジして優れたエキジビション（展覧、展示）効果を挙げることができる。

本発明の基本的な原理を説明するための図であって、（Ａ）は比較例として示した従来例の真空放電装置の模式的な斜視図、（Ｂ）は本発明の１実施形態の模式的な斜視図 面状の発光を屈曲させるように改良した実施形態の２例を示し、（Ａ）はフレキシブルな線状電極を機械的に変形させる構成部分の模式的な斜視図、（Ｂ）はＸーＹ面に配列した電極群の模式的な斜視図 前記と更に異なる実施形態において、偏向コイルにより光のカーテンを屈曲させた状態を模式的に描いた斜視図

符号の説明

１…減圧室
２…線状の電極（Ｘ軸方向）
３…電極
４…電源
５…不定形な発光
６…オーロラカーテン整形用のコイル
７…カーテン状発光
８…フレキシブル線状電極
９…電極駆動手段
１０…波形カーテン状発光
１１…ＸーＹ面に配列した電極群
１２…波形カーテン状発光
１３…Ｙ軸方向の磁力線を発生する偏向コイル
Ｇｃ…着色ガスの導入を表す矢印
Ｖａｃ…真空吸引を表す矢印
ｍ…Ｚ軸方向の磁力線
Ｍ，Ｍ′…Ｙ軸方向の磁力線
Ｘ…線状電極の方向に想定した座標軸
Ｙ…Ｘ軸とＺ軸とに直交する座標軸
Ｚ…電極の対向方向に想定した座標軸

Claims (6)

1. 減圧室内で放電を行なわせてオーロラを発生させる装置において、
   直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚを想定し、
   電源に接続されＺ軸方向に対向して設置される２個の電極の内の少なくとも１個の電極が、Ｘ−Ｙ面上でほぼＸ軸方向に位置するフレキシブルな線状部材から構成され、
   かつ、上記２個の電極の間にＺ軸方向の磁力線を発生させる整形コイルが設けられ、
   上記フレキシブルな線状部材の複数箇所のそれぞれに、上記２個の電極間の放電による発光面を波形に変形させるＹ軸方向に作動する電極駆動手段が配設されることを特徴とするオーロラカーテンの発生装置。
2. 減圧室内で放電を行なわせてオーロラを発生させる装置において、
   直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚを想定し、
   電源に接続されＺ軸方向に対向して設置される２個の電極の内の少なくとも一方の電極が、Ｘ−Ｙ面に配列されたマトリクス状の電極群から成り、
   かつ、上記２個の電極の間にＺ軸方向の磁力線を発生させる整形コイルが設けられ、
   上記マトリクス状の電極群の中の任意の電極に電源を接続することにより、放電に供される電極を任意に変形させることを特徴とするオーロラカーテンの発生装置。
3. ほぼＹ軸方向の磁力線を発生する偏向コイルが設けられていて、
   「Ｙ軸成分を含む形状の曲面」に沿って発光するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載したオーロラカーテンの発生装置。
4. 前記２個の電極の間にＺ軸方向の磁力線を発生させる整形コイルの通電を制御して、Ｚ軸方向の磁力線の磁界強度を調節できるようになっていて、磁界強度の変化に伴って発光面の厚さ寸法が変化することを特徴とする、請求項１または３に記載したオーロラカーテンの発生装置。
5. 前記の電源の電圧を時間的に変化させて、オーロラの発光輝度を変化せしめ得るようになっており、
   かつ、その変化のサイクルが、ヒトが眼で見たときに、チラツキを感じさせる程度であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れかに記載したオーロラカーテンの発生装置。
6. 前記の減圧室に、真空吸引手段と併せて放電発光の色彩を変化させるためのガスを注入する手段が設けられていることを特徴とする、請求項１ないし請求項５の何れかに記載したオーロラカーテンの発生装置。

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