JPH04285485A

JPH04285485A - 物体の加速装置及びその加速方法

Info

Publication number: JPH04285485A
Application number: JP7059091A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1991-03-11
Filing date: 1991-03-11
Publication date: 1992-10-09

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的な物体を加速す
る装置および加速方法に関する。本発明による物体の加
速は、例えば、物理実験用の高速物体の発射や、人工衛
星等の発射等に使用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】物体を高速に加速する技術は中世から常
に改良が加えられてきたが、近年になって、より一層、
その重要性を増している。その主たる用途は、人工衛星
等の物体を衛星軌道もしくはそれ以上の高度まで運ぶ必
要が生じたからである。

【０００３】物体の加速は、歴史的には、大砲のように
火薬の爆発によって密閉容器内に生じた圧力によって物
体を押し出す方法、あるいはロケットのように、火薬等
の爆発・燃焼によって生じた高速気体を後方に噴出させ
た際のその反作用によって推進する方法が最初に考案さ
れた。

【０００４】これらの方法はいずれも燃焼・爆発といっ
た化学反応を使用するものであり、大砲の場合は砲身の
長さ等によって、また、ロケットの場合は燃料と本体の
重量比等によって、得られる最高速度が決定され、加速
度も大きなものは得られなかった。

【０００５】一方、近年になって、レールガンと称する
、物理的な加速手段が注目を集めている。その原理と基
本的な構造を説明する。図２にはレールガンの基本構造
を示した。レールガンは、電磁砲とも呼ばれ、電磁気力
によって物体を加速する装置である。

【０００６】まず、レールガンには、２本の平行な線路
２０１ａと２０１ｂが設けられている。線路間の距離は
ｌである。これらの線路は電流源２０３に接続され、図
中のＩで示される電流が流れている。この線路を横切る
ようにして、被加速物体２０２が置かれている。物体２
０２は線路２０１ａと２０１ｂに電気的に接続され、電
流は線路２０１ａ−物体２０２−線路２０１ｂというよ
うに流れる。

【０００７】このとき、線路に磁束密度Ｂの磁場が加え
られていると、物体は、

【０００８】

【数１】

【０００９】で表される右向きの力を受ける。この力に
よって物体２０２は加速される。物体の長さはｌに等し
いものとし、物体の高さをＤ、長さ（図において左右方
向）をｘとし、物体の密度をρとしたら、物体の加速度
ａは、

【００１０】

【数２】

【００１１】と表される。ここで、物体を流れる電流密
度をＪとすれば、

【００１２】

【数３】

【００１３】なので、

【００１４】

【数４】

【００１５】である。Ｊとしては、通常の金属であれば
、１０３　Ａ／ｃｍ２　＝１０９　Ａ／ｍ２　は十分耐
えうる値であり、ρとしては、金属においては１０４　
ｋｇ／ｍ３が普通の数字である。また、磁束密度の値と
しては、１テスラは通常の永久磁石でも得られる数字で
ある。以上の数字を代入すると、１０５　ｍ／ｓ２　と
いう十分大きな値が得られる。

【００１６】しかしながら、実際にはそのような大きな
加速度は得られない。すなわち、図から明らかなように
、物体は線路の上を滑る、もしくは転がってゆくわけで
あるため、電流が大きくとれないことがその原因の１つ
である。実際にはＪは１０６　Ａ／ｍ２　が限度であり
、したがって、得られる加速度は１０２　ｍ／ｓ２　が
限度である。さらに、物体は常に線路と接触しなければ
ならないから、絶えず摩擦による抵抗が存在する。

【００１７】加速度が１０２　ｍ／ｓ２　とすれば、物
体を１０３　ｍ／ｓまで加速するには、空気抵抗や線路
との摩擦が全くない場合であっても、５ｋｍもの線路が
必要であり、その線路に磁石を敷き詰める必要があるこ
とから、このような装置を作製することは全く不可能で
ある。さらに付け加えるならば、１０２　ｍ／ｓ以上の
速度で物体が線路の上を走ることはほとんど不可能であ
る。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の議論
で明らかにした、いわゆるレールガンの持つ問題点、す
なわち、小さい加速度と多量の高性能磁石を使用をはじ
めとする制作上の問題点を解決するものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴的な点は、
いわゆるレールガンに見られるような磁場を一切使用し
ないことである。本発明は静電場の誘電体に対する相互
作用を利用することによって加速をおこなう。

【００２０】平行平板コンデンサーにＥの電場がかけら
れているとする。ここに、誘電率ε（≫ε０　）の誘電
体を持ってくると、誘電体はコンデンサーの電極の間に
吸い込まれる。このときに誘電体にはたらく力Ｆは、誘
電体の幅をｌ、高さをＤ、長さ（誘電体の吸い込まれる
方向）をｘとすると、

【００２１】

【数５】

【００２２】となる。誘電体の密度をρとすると、物体
の加速度ａは、

【００２３】

【数６】

【００２４】で表される。真空中であれば、Ｅ＝１０７
　Ｖ／ｍが可能であり、εとしては真空中の誘電率の１
００倍のものを考え、ｘ＝１０−２ｍ、ρ＝１０４　〔
ｋｇ／ｍ３　〕とすれば、加速度は５００ｍ／ｓ２　と
なる。この値は先のレールガンもものとさほど違わない
ように見えるが、レールガンの場合には、５ｋｍもの距
離にわたって磁石を敷き詰めなければならなかったのに
対し、本発明では、装置の総延長は１ｋｍとなるが、磁
石を敷き詰める必要が全くないということである。また
、本発明はその技術思想において、被加速物体が他の物
体と接触しながら加速してゆくということを必要としな
いので、摩擦抵抗の全くない加速も可能である。

【００２５】次に本発明による物体の加速の原理を図１
を用いて説明する。まず、図に示されるように３つの平
行平板電極対がそれぞれ電圧Ｖの電源に接続されている
。最初、図１（Ａ）で示されるように、図の左端に誘電
体２０３が存在する。この誘電体は電極対１０１ａと１
０２ａによって引き寄せられる。

【００２６】次に、電極対１０１ａと１０２ａの間の電
圧を０にすると、誘電体は慣性でそのまま、図１（Ｂ）
のように電極対１０１ａと１０２ａを通過する。

【００２７】そして、誘電体は、図１（Ｃ）に示される
ように、次なる電極対１０１ｂと１０２ｂ（電圧Ｖがか
かっている）に引き寄せられる。この動作を繰り返すこ
とによって、誘電体は加速される。

【００２８】これと同じことは、電極対に交流を加える
ことによっても実現される。この過程は図４に示される
。すなわち、第１の電極対（４０１ａと４０２ａ）には
＋Ｖの、第２の電極対（４０１ｂと４０２ｂ）には０の
、第３の電極対（４０１ｃと４０２ｃ）には−Ｖの電圧
が加えられている。誘電体４０３は、最初に第１の電極
対に引き寄せられる。（図４（Ａ））そして、誘電体が
、第１の電極対にある間に、第１の電極対の電圧はゼロ
とされ、したがって、誘電体は第１の電極対を飛び出す
ときには第１の電極対に引き戻されることはなく、慣性
によって第１の電極対を速度を保ったまま脱出する。一方、このときには第２の電極対には＋Ｖの電圧がかけ
られているので、誘電体は、第１の電極対を脱出したあ
と、第２の電極対の引力を受け、加速されて第２の電極
対へと進む。（図４（Ｂ））そして、誘電体が第２の電
極対にある間に、第２の電極対の電圧はゼロとされ、ま
た、このときには第３の電極対に＋Ｖの電圧がかけられ
ているので、誘電体は第３の電極対へと加速される。以
下、同じ動作を繰り返し、誘電体は加速されてゆく。こ
のとき、図から明らかなように、各電極対は、極性が時
間とともに変化する交流等の電圧がかけられている。

【００２９】交流をかけた場合と同様な効果は、脈流の
ように、電圧の大きさが時間とともに変化する電圧を各
電極対にかけた場合にも実現する。この過程は図５に示
されているが、ここでは説明はくどいので省略する。

【００３０】

【実施例】〔実施例１〕電極はアルミニウム板（厚さ２
ｍｍ）を用いて形成し、１つの電極の幅は２ｃｍ、長さ
（誘電体の進行方向）は１ｃｍとした。また、電極の間
隔は５ｍｍとし、各電極対は１ｃｍの間隔で配置した。電極対は１０組配置した。各々の電極対には、高電圧直
流電源を結合した。本実施例で用いた回路の等価回路図
を図３（Ａ）に示す。本実施例の電源と電極対を結合す
る回路においては、誘電体が通過すると同時に電源との
回路が切断され、さらに電極間に蓄えられている電荷を
放電するようになっている。すなわち、図３（Ｂ）に示
されるように、誘電体が電極間に入る前にはスイッチＳ
１は閉じられ、Ｓ２は開けられており、電極には＋Ｖの
電圧がかかっている。この状態は誘電体が電極の間に入
りきるまで持続する。そして、誘電体が電極間を抜けよ
うとするときに、図３（Ｃ）に示されるようにＳ１を切
り、次にＳ２を閉じて、電極間に蓄えられていた電荷を
放電させ、電極間の電圧をゼロとする。すると、誘電体
は、電極による引力を受け、引き戻されることなく、次
の電極の引力によって加速され、前進する。

【００３１】アルミニウム電極の表面には誘電体との接
触による損傷を避けるために、薄い窒化珪素被膜をグロ
ー放電法によって形成した。窒化珪素のかわりに酸化珪
素、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）を用いても、ほとん
ど差異はなかった。電極の列は２０ｃｍであり、この電
極の列も含めて装置全体は真空容器中に置かれた。装置
の回路図を図３に示す。

【００３２】誘電体としては、チタン酸バリウム（Ｂａ
ＴｉＯ３　）の焼結体を用いた。この焼結体の大きさは
、１０ｍｍ×４ｍｍ×１０ｍｍのほぼ直方体であった。その質量はだいたい３ｇであった。

【００３３】まず、真空容器を排気し、１０−６ｔｏｒ
ｒとした。真空度が低い（圧力が高い）と、電極間に電
圧をかけたときに放電が生じるので、十分に排気するこ
とが必要である。各電極対には１ｋＶの電圧をかけてお
いた。電場の大きさは、２×１０５　Ｖ／ｍであると考
えられる。そして、電極対の一方の端に、マジックハン
ドで誘電体を近づけた。

【００３４】マジックハンドから誘電体を離すと、誘電
体は加速され、電極対の列の他方の端から放出された。電極対の列の端から飛び出した速度は、高速写真から、
約７ｍ／ｓであり、理論的に予想された値とほぼ一致し
た。このことから、加速度は約１２０ｍ／ｓ２　と算出
される。

【００３５】〔実施例２〕電極はアルミニウム板（厚さ
２ｍｍ）を用いて形成し、１つの電極の幅は２０ｃｍ、
長さ（誘電体の進行方向）は５ｃｍとした。また、電極
の間隔は１０ｃｍとし、各電極対は１ｃｍの間隔で配置
した。電極対は１０組配置した。各々の電極対には、図
６（Ｂ）〜（Ｄ）で示される回路を接続した。この回路
の特性を説明する。

【００３６】電極対に誘電体が入る際には、図６（Ｂ）
に示されるようにスイッチＳが閉じられている。Ｔは一
定電圧以上の電圧がかかると、自動的に放電し、電圧を
維持するように設計された装置で、例えば、スパークギ
ャップや定電圧放電管、ツェナーダイオード等である。また、真空中での電界放出効果を利用しても同様な装置
を作製することができる。

【００３７】さて、このように電極対に電源からの電圧
がじかにかかっている状態では、電極対に誘電体が入る
と、誘電体は電極対に引き寄せられ、誘電体は加速され
る。この間に電源から電極に電荷が移動し、例えば、図
６（Ｂ）に示されているように、誘電体が半分だけ入っ
た状態で電荷Ｑ１が電極に存在している。

【００３８】誘電体は電極に引き寄せられ、やがて、図
６（Ｃ）に示されるように、誘電体と電極がもっとも重
なった状態となる。このときの電極上の電荷量をＱ２と
する。このときにスイッチＳを開ける。

【００３９】誘電体はその後、慣性によって電極対を離
れるが、そのとき、電極間にかかる電圧は増加しようと
する。すなわち、誘電体が電極対を離れるということは
、電極対によって構成されるコンデンサーの容量が減少
するということである。この電極対（コンデンサー）の
容量をＣとすれば、

【００４０】

【数７】

【００４１】すなわち、

【００４２】

【数８】

【００４３】である。ここで、コンデンサーの容量が半
分になったとすると、この電極対は電源からは実質的切
り離されているので、電荷Ｑ２は不変である。したがっ
て、電圧は上式より、２倍になる必要がある。しかしな
がら、電圧が２倍になると一定電圧を維持する装置Ｔに
よって過剰な電圧は放電され、結局、電圧がＶを越えな
いように電荷がＴを伝って移動し、電極間の電圧はＶに
保たれる。一方、電極の電圧がＶで一定であるならば、
電極対から離れようとする誘電体には何ら力が作用せず
、誘電体は速やかに次の電極対に向かうこととなる。そして、次の電極対では上と同じ操作が繰り返され、こ
の動作の繰り返しによって誘電体は加速され続けてゆく
。

【００４４】本実施例では、各電極対に設けられたスイ
ッチＳは、誘電体の進行に同期して開閉するようになっ
ていたが、スイッチＳのかわりに、電荷の逆流を阻止す
るようなダイオード特性を有する装置を用いてもよい。例えば、半導体ダイオードや２極真空管等を用いること
ができる。このような素子を用いた場合には、スイッチ
ングの動作を外部で誘電体の進行に併せて同期的におこ
なう必要がなく、誘電体の進行と共に自動的に全ての操
作が行われるため構造が簡単である。また、物体を高速
に加速する場合には、機械的なスイッチ操作が不可能と
なるが、ダイオード等を用いるのであればかなりの速度
、例えば、１０ナノ秒までスイッチング動作を行うこと
が可能である。図６（Ｅ）は、機械的な装置を用いない
で構成した装置の例であり、Ｄ１、Ｄ２はダイオードで
あり、Ｄ２はダイオードのツェナー特性を利用すること
によって、電極間に過剰な電圧がかからないように構成
されている。

【００４５】さて、本実施例では加速装置を２組使用し
、２つの誘電体の側面に腕を設け、その腕の延長上に被
加速物を設置する台を設けた。図６（Ａ）はこのような
加速装置の断面であり、紙面に垂直な方向に誘電体およ
び被加速物体は進行する。ここで、６０１ａおよびｂ、
６０２ａおよびｂは電極であり、６０３ａおよびｂは誘
電体、６０５ａおよびｂは誘電体から延びる腕であり、
６０４は被加速物体の台である。このような構造を有す
ることによって、誘電体以外の物体を加速することが可
能である。６０６ａおよびｂは６０４を支えるための台
車である。

【００４６】各誘電体の大きさは幅２０ｃｍ、高さ８ｃ
ｍ、長さ（誘電体の進行方向）５ｃｍであった。誘電体
としてはチタン酸バリウムセラミックスを使用した。ま
た、誘電体および腕、台車、台、被加速物体を含めた総
重量は３０ｋｇであった。装置全体は真空容器に入れ、
１０−５ｔｏｒｒまで真空排気した。そして、電極間に
１００ｋＶの電圧をかけた。このとき、各電極対の電極
間にかかっている電界強度は１０６　Ｖ／ｍであると推
測される。この状態で装置を離すと、物体はゆるやかに
加速され、電極対列を通過したときの速度は、連続写真
から約１．５ｍ／ｓであることがわかった。したがって
、加速度は約２．３ｍ／ｓ２　であると算出される。

【００４７】〔実施例３〕以上実施例１および２では誘
電体が加速され、電極は固定されていた。しかしながら
、これとは逆に誘電体を固定して、電極を加速すること
も可能である。図７にその例を示す。図７（Ａ）に示さ
れるように、直線状に配置された誘電体７０３ａ〜ｄを
またぐように電極対７０１と７０２が設けられ、この電
極対は本発明の原理によって誘電体間を推進する。本実
施例では、誘電体の幅は５ｃｍ、高さは１０ｃｍ、長さ
（電極の進行方向）は１３ｃｍであった。また、誘電体
の間隔は１３ｃｍであった。１つの電極の大きさは、長
さが１５ｃｍ、高さが１０ｃｍであった。電極には図７
（Ｂ）で示される回路によって電力が供給された。

【００４８】図７には示されていないが、電極に加速さ
れるべき物体を図６（Ａ）で示される方法もしくはその
他の方法によって、固定することが可能なことは明らか
である。

【００４９】〔実施例４〕以上の実施例は物体を直線状
に加速する装置および方法に関するものであったが、本
発明の原理を用いて、これを回転運動を起こす装置を形
成することも可能である。その例を図８に示す。図８（
Ａ）は本実施例の装置を上から見た様子、図８（Ｂ）は
その断面を示す。図８には、４つの電極対８０１ａ〜ｄ
が円周状に配置されている。電極対の下面には対称的に
電極８０２ａ〜ｄが配置されている。電極対の数は４よ
り多くても構わないし、少なくても構わない。しかし、
対称性よく配置する方が安定した回転が得られた。そして、この電極対の電極の間を誘電体８０３ａとｂが
通過するように形成されている。誘電体には支持体が付
けられ、この誘電体および支持体は円周の中心を軸とし
て回転する。

【００５０】本実施例では電極対が固定され、誘電体（
とその支持体）が回転する構成であるが、その逆に誘電
体が固定され、電極が回転する構成も取りうることが可
能であることは、実施例３の記述からして明らかであろ
う。

【００５１】このようにして、本発明によって電場エネ
ルギーを回転エネルギーにかえることが可能となった。

【００５２】

【発明の効果】本実施例から明らかなように、本発明は
従来の物体加速方法の概念を打ち破った、画期的な方法
である。すなわち、いわゆるレールガンのような磁場は
必要としない。さらにまた、従来の通常の電気磁気的な
加速方法であったリニアモーターのような交流を必ずし
も用いる必要がない。もちろん、本発明においても交流
を用いることは可能であるが、必要条件ではない。特に
、図６（Ｅ）に示された回路を用いると、機械的なスイ
ッチ操作は全く必要とされず、さらに、交流を供給する
必要もない。すなわち、装置には常に一定の電圧が供給
されておれば十分である。従来の例としては、直流モー
ターも電源から一定の電流・電圧が供給されてあれば動
作するのであるが、モーターの内部において機械的なス
イッチ操作が自動的おこなわれており、また、そのよう
な機械的な操作がない場合においても、モーターの回転
数に同期して直流を交流に変換する操作が必要である。本発明はそのような操作は必ずしも必要としない。

【００５３】本発明の注目すべき利点は、体積あたりに
おこすことのできる力の大きさが従来の電磁力を利用し
たモーターに比べて格段に大きいということである。こ
れはそもそも、電場のエネルギーが磁場のエネルギーに
比べて桁違いに大きいということに由来する。例えば、
体積Ｖの空間に蓄えられるエネルギーは、電場の場合に
は、

【００５４】

【数９】

【００５５】磁場の場合には

【００５６】

【数１０】

【００５７】（ここで、Ｄは電束密度、Ｈは磁場強度）
で、それぞれ表されるが、電場の場合にはＥ＜１０７　
Ｖ／ｍでは、

【００５８】

【数１１】

【００５９】の関係が成り立ち、強誘電体ではε＞１０
−８なので、Ｅ＝１０６　Ｖ／ｍという、比較的穏やか
な条件であっても、Ｗ＞１０４　Ｖである。一方、磁場
によるエネルギーは、例えば、電磁モーター等では鉄心
が用いられるが、鉄の場合、Ｂの最大値は１〔Ｔ〕であ
り、コイルに流される電流の制限から、１０３　〔Ａ／
ｍ〕が限度であり、よって、せいぜい１０３　Ｖのエネ
ルギーしか蓄えられない。空間に蓄えられるエネルギー
を長さのディメンジョンで割れば、力が導出されるから
、結局、磁場によって生じる力は電場によって生じる力
より大きくない。

【００６０】このように本発明は従来の方法と比較して
も優れた方法であることは明白である。特に本発明は、
被加速物体が加速装置と機械的な接触をしないという意
味で高速物体の発射に適しており、また、真空中であっ
ても物体の加速には何ら問題はないため、宇宙空間にお
ける物体の加速、発射に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示したものである。

【図２】従来の技術の例を示したものである。

【図３】本発明の一例を示したものである。

【図４】本発明の別な原理を示したものである。

【図５】本発明の別な原理を示したものである。

【図６】本発明の一例を示したのである。

【図７】本発明の一例を示したのである。

【図８】本発明の一例を示したのである。

【符号の説明】

１０１ａ〜ｃ、１０２ａ〜ｃ・・・・電極１０３・・・
・・・・誘電体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向した電圧のかけられる電極を有する連
続した電極対を少なくとも２つ有し、該電極の正および
負の電極間には誘電体を主とする加速されるべき物体が
通過するための空間を有し、それぞれの電極対には電極
対と電源との電気的な接続を遮断するための装置を有す
ることを特徴とする、物体の加速装置。
【請求項２】請求項１において該電極対には電極間の電
圧を一定以上の電圧としないための装置が設けられてい
ることを特徴とする物体の加速装置。
【請求項３】対向した電圧のかけられる電極を有する連
続した電極対を少なくとも２つ有し、該電極の正および
負の電極間には誘電体を主とする加速されるべき物体が
通過するための空間を有し、それぞれの電極対には電極
対と電源との間に電荷もしくは電流を一方向にのみ流す
装置と、該電極対には電極間の電圧を一定以上の電圧と
しないための装置が設けられていることを特徴とする、
物体の加速装置。
【請求項４】周期的に配置された誘電体を挟んで、もし
くはその上に設けられた少なくとも１つの電極対と電源
とを有し、電源と電極対の少なくとも一方の電極の間に
は、電気的な接続を遮断するための装置が設けられてい
ることを特徴とする物体の加速装置。
【請求項５】請求項４において該電極対には電極間の電
圧を一定以上の電圧としないための装置が設けられてい
ることを特徴とする物体の加速装置。
【請求項６】周期的に配置された誘電体を挟んで、もし
くはその上に設けられた少なくとも１つの電極対と電源
とを有し、電源と電極対の少なくとも一方の電極の間に
は、電流もしくは電荷を一方向にのみ流す装置が設けら
れているとともに、該電極対には電極間の電圧を一定以
上の電圧としないための装置が設けられていることを特
徴とする物体の加速装置。
【請求項７】円周状に配置された少なくとも２つの電極
対と該円周の中心を軸として回転する誘電体からなる物
体を有し、前記回転する誘電圧に回転力を発生させるこ
とを特徴とする物体の加速装置。
【請求項８】円周状に配置された少なくとも２つの誘電
体と該円周の中心を軸として回転する電極を含む物体を
有する、物体の回転力発生装置。
【請求項９】対向した電極を有する少なくとも２つの電
極対において、第１の電極対に加えられた電圧によって
、誘電体を主とする物体を第１の電極間に設けられた空
間に引き込む過程と、第１の電極対に加えられていた外
部電圧を取り去る過程と、第２の電極対に加えられた電
圧によって第１の電極対を通過した物体を第２の電極間
に設けられた空間に引き込む過程と、第２の電極対に加
えられていた外部電圧を取り去る過程とを有することを
特徴とする、物体の加速方法。
【請求項１０】対向した電極を有する少なくとも２つの
電極対において、第１の電極対に加えられた電圧によっ
て、誘電体を主とする物体を第１の電極間に設けられた
空間に引き込む過程と、第１の電極対に蓄えられていた
過剰な電界を取り去る過程と、第２の電極対に加えられ
た電圧によって第１の電極対を通過した物体を第２の電
極間に設けられた空間に引き込む過程と、第２の電極対
に蓄えられていた過剰な電荷を取り去る過程とを有する
ことを特徴とする、物体の加速方法。