JPH03205517A - 無重力状態における質量測定方法 - 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】 〔概　要〕 無重力状態における質量測定方法に関し、無重力状態に
おいても、地上と同様に且つ簡単に質量の測定を可能な
らしめることを目的とし、無重力状態において、一定電
場Ｅ中で被測定物体に既知量の電荷Ｑを与え、その結果
生じるクーロン力ｆ　　（＝ＱＥ）により移動する該物
体の一定時間ｔ内の移動量Ｘ　＜＝％・αｔ２、但し、
測定物体の加速度）から次式 ｍ＝ＱＥｔ”／　（２Ｘ） により質量ｍを求めるように構或する。

α　： 〔産業上の利用分野〕 本発明は、無重力ないし微小重力状態において、任意の
材質・形状を有する物体の質量を精度良く簡単に測定す
る方法に関する。

近年、種々の実験や開発・研究く例えば、新材料の開発
）のために無重力環境を利用することが注目されている
。これは、無重力下では、溶液あるいは融液の対流や、
その中で生或する結晶の沈降などが起こらず、地上では
得られない物理現象を容易に起こすことが可能である等
の理由により、地上にはない新規な材料を作り出す可能
性を秘めているためである。無重力環境を提供する場と
しては、宇宙空間が最も理想的であり、米国航空宇宙局
（ＮＡＳＡ）のプロジェクトの１つであるスペースシャ
トルや、日本における第一次材料実験計画（ＦＭＰＴ）
など、宇宙環境下での実験が精力的に進められている。

また、宇宙に飛び出すことなく比較的簡便に行える無重
力実験の場としては、航空機の弾道飛行によって得られ
る無重力場や、高い塔からの、あるいは深い垂直抗など
の実験系における自由落下による短時間の無重力場が代
表的である。

上記の系において、特に材料実験やライフサイエンス実
験などでは、試料や物体の質量を精度良く測定すること
が求められる。即ち、質量測定は、定量的な実験を遂行
する上での必須測定事項であり、質量測定が実験全体の
評価を左右する場合も少なくない。

地上における質量測定は、天秤やバネのひずみ量を測定
する原理に基づくものがほとんどである。

天秤の原理は周知の如く、同一の質量を有する物体には
、地球との間に同一の万有引力が働くため、基準質量（
分銅）にかかる引力との比較を行うことに基づいており
、精度良い測定が可能である。

また、ひずみ測定式としては、もっとも原理的なものが
バネ秤であり、これは、物体にかかる引力をバネのフッ
クの力とバランスさせ、その時のバネのひずみ量から、
物体の質量を測定するものである。その他、ひずみの測
定としては、バネに限らずひずみゲージや圧力計など、
さまざまな原理のものが用いられている。これらの測定
法に共通することは、物体と地球の間に作用する万有引
力を利用していることであり、宇宙における無重力状態
では、このような従来の考え方を適用することは全く出
来ないのは自明である。

このため、無重力状態においても、地上と同様に質量の
測定が可能な方法の開発が望まれている。

〔従来の技術〕

宇宙用の質量測定方法として、従来考案されてきたのは
、被測定物体の両側にバネを接続し、そのバネにひずみ
を与えて振動を起こし、その振動の加速度と変位を求め
、これを次式に代入し、質量を算出するものである。

ここで、ｍ：被測定物の質量 ｘｌ：被測定物の慣性座標系における 変位 ｍ′　：測定系全体の等価質量 ×２＝測定系全体の慣性座標系におけ る変位 ｋ：バネ定数 Ｘ：バネの歪み 〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、この装置では、比較的大きな物体の質量
を測定するのには適しているものの、ｌ個の質量がｇオ
ーダー以下の小さな物体に対しては、測定が困難で、ま
た、精度が良くないという欠点があった。

これは、小さな物体の振動における加速度や変位の測定
の精度に限界があること、また、バネを含む機械的な部
分の摩擦などによるエネルギー損失などが原因であった
。

本発明の目的は無重力環境下において、物体の質量を簡
単かつ確実に測定する方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記の問題を解決するため、被測定物体に対して、完全
に非接触状態で力を作用させ、その動きを観察すること
で、物体の質量を算出する方法を考案した。

即ち、本発咽に係る質量測定方法によれば、無重力状態
において、一定電場Ｅ中で被測定物体に既知量の電荷Ｑ
を与え、その結果生じるクーロン力ｆ　　（＝ＱＥ）に
より移動する被測定物体の一定時間ｔ内の移動量Ｘ　＜
＝％・αｔ２、但し、α：測定物体の加速度）から次式 ｍ＝ＱＥｔ”／　（２Ｘ） により質量ｍを求めることを特徹とする。

尚、本発明において、無重力状態とは微小重力状態も含
むものとする。

〔作　用〕

第１図は、本発明の原理説明図である。図中、１は被測
定物、２は直流電源、３は極板を示す。

被測定物１に電荷Ｑを与え、これを既知の電場Ｅの中に
置く。周知の如く、電場の中の荷電物体（被測定物１）
には、次式で与えられる力（クーロン力）ｆが作用する
。

ｆ＝ＱＥ　　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（１）一方、質量・ｍの物体に力ｆが作用する
とき、この物体に生じる加速度αは、 α＝ｆ／ｍ　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（２）で与えられる。

物体が空中に静止している場合は、物体は電場の方向に
沿って移動を開始する。電場が加わってから、ｔ時間後
の物体（被測定物１’　）の移動量Ｘは、 １ Ｘ一　　　αｔ２　　・・・・・・！・・・・・・・・
・・・（３）２ で表わされる。（１）を（２）に代入して、ｍについて
（３）を解くと、 が得られる。すなわち、一定電場で単位時間内に動く物
体の移動量を測定することにより質量の測定が行なえる
。

〔実施例〕

第２図に本発明の一実施例に係る構或図を示す。

図中、１は被測定物、２は直流電源、３は極板、４は測
定室、５はコンデンサ、６は電荷供給用直流電源、７は
エレクトロメータ、８はスイッチ、９は電荷供給針であ
る。

本発明による測定の方法を、以下順を追って説明する。

まず、コンデンサ５に、電荷供給用直流電源６から、電
圧を印加し（スイッチ８は端子ａに接続）コンデンサ５
に電荷Ｑ。を蓄積する。一方、測定室４に入れた被測定
物１の電荷を、例えば測定室〈４）の内壁く接地電圧）
に接触させることにより、一旦０にする。その後、適当
な治具（図示せず）を用いて被測定物１を測定室４の中
央付近に移動させ、電荷供給針９を接触させる。ここで
、スイッチ８を端子ａから端子Ｃに切り換え、コンデン
サ５に蓄積された電荷を被測定物１に移動させる。コン
デンサ５の全ての電荷が被測定物質１に移動するとは限
らないため、この電荷注入操作後、スイッチ８をｂの位
置にして、コンデンサ５の電圧（Ｑ′）をエレクトロメ
ーター７で測定し、被測定物１への注入電荷量を検出す
る。即ち、被測定￥ｙＪ１に蓄積される電荷Ｑは、 Ｑ＝Ｑ．−Ｑ’ 一Ｃ　（Ｖ−Ｖ’　）　　　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（５）但し、Ｑｏ：コンデンサの初期電荷
量 Ｑ′　：電荷移動後のコンデンサの電荷量Ｖ　：電荷供
給用直流電源電圧 Ｖ′　：電荷移動後のコンデンサの端子電圧 で表される。

次に、電荷注入用針９を被測定物１から離し、完全に浮
遊状態（無重力下では完全浮遊）で、極板３に電場Ｅを
与える。その結果、被測定物１は、クーロンカｆにより
移動を開始する。これを外部から観察し、一定時間ｔ後
の移動距離Ｘを測定する。移動量Ｘは例えば所定距離だ
け隔てて配置したそれ自体公知の光学センサ１３により
簡単に検出することができる。電荷Ｑ、電界Ｅ、時間ｔ
および移動距ＩＸを前記の式（４）に代入することによ
り、質量を求めることができる。

〔発明の効果〕

このように、本発明では、被測定物に非接触で質量の測
定を行うことが可能であり、従って、機械的なエネルギ
ー損失が無く、無重力下で高精度の測定が可能となる。

また、物体に作用する力は非常に微弱であるため、脆弱
なあるいは微小物体であってもその形状を損なうことな
く、質量を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す図、 第２図は本発明の一実施例を示す図である。 図中、 １は被測定物、 ２は直流電源、 ３は極板、 ４は測定室、 ５はコンデンサ、 ６は電荷供給用直流電源、 ７はエレクトロメータ、 ８はスイッチ、 ９は電荷供給針、 である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、無重力状態において、一定電場Ｅ中で被測定物体に
   既知量の電荷Ｑを与え、その結果生じるクーロン力ｆ（
   ＝ＱＥ）により移動する被測定物体の一定時間を内の移
   動量Ｘ（＝１／２・αｔ＾２、但し、α：測定物体の加
   速度）から次式 ｍ＝ＱＥｔ＾２／（２Ｘ） により質量ｍを求めることを特徴とする無重力状態にお
   ける質量測定方法。