JPH09236076A - イオンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大口径・厚肉の加速電極を備えた低燃費・長
寿命の大型イオンエンジンを提供する。 【解決手段】 シールドケース（１）内に配設された放
電容器（３）内へ作動ガスを導入し、この作動ガスを電
離させて放電容器（３）内にプラズマを生成するととも
に放電容器の内壁から離れた領域にプラズマを保持し、
加速電極（４）によりプラズマ中のイオンを取り出して
加速しイオンビーム通過孔（５）から放電容器（３）の
外部へ送り出し推力を生成するイオンエンジンにおい
て、加速電極（４）を構成するグリッド板（４ｂ）は、
イオンビーム通過孔（５ｂ）の形成された複数枚の薄い
グリッド板（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を張り合わせて
形成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオンエンジンに係
り、特に人工衛星等の宇宙構造物に搭載されるイオンエ
ンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】イオンエンジンは、人工衛星等の宇宙構
造物の軌道制御、南北位置保持、主推進等に用いられる
電気ロケットである。

【０００３】このようなイオンエンジンのうち電子衝撃
型イオンエンジンの主要部は通常、図８に示すように構
成されている。すなわち、図８において符号１は円筒状
に形成された金属材製のシールドケースを示している。
このシールドケース１の周壁には小孔２が多数形成され
ている。そしてシールドケース１内には磁性材で有底筒
状に形成された放電容器３が同心的に配置されている。
この放電容器３の開口部は２枚または３枚の孔開き電極
板によって形成された加速電極４によって蓋されてい
る。これらの電極板には、それぞれ数千個のイオンビー
ム通過孔５が同軸的に形成されている。放電容器３の底
壁中央部には小径の開口部６が形成されており、この開
口部６は筒体７を介してガス導入系８に通じている。そ
して、筒体７内には主陰極となるホローカソード９が配
置されている。また、放電容器３の内壁面にはＮ極とＳ
極とを交互に内側に位置させるように環状の磁石１０が
複数固定されている。

【０００４】このイオンエンジンでは、ホローカソード
９に対して放電容器３が陽極電位に保たれる。この状態
で推進剤、例えばＸｅガス（キセノンガス）がガス導入
系８からホローカソード９内を通って放電容器３内に導
入されると、ホローカソード９と放電容器３との間に放
電が生起され、ホローカソード９から放出された電子が
加速される。この電子が放電容器３内のＸｅガスに衝突
し、放電容器３内に電離プラズマが生成される。

【０００５】この電離プラズマは、磁石１０の作るカス
プ磁場によって放電容器３の内周面から離れた領域に閉
じ込められる。加速電極４は電離プラズマからＸｅ+ イ
オンを引き出し、１ｋｅＶ程度の運動エネルギーを与え
てイオンビーム通過孔５から宇宙空間に放出する。この
放出に伴う反力が推力となる。中和器１１は放出された
Ｘｅ+ イオンビームと同じ量の電子ｅを宇宙空間に放出
して中和し、人工衛星等の宇宙構造物が帯電するのを防
止する。

【０００６】ところで、このように構成されたイオンエ
ンジンでは、加速電極４のスパッター粒子の行き先が問
題となる。１個当たりのイオンビーム通過孔５は図９に
示すように構成されている。加速電極４は放電容器３側
から順にスクリーングリッド４ａと、加速グリッド４ｂ
と、減速グリッド４ｃとで構成されている。なお、減速
グリッド４ｃはない場合もある。電位的にはスクリーン
グリッド４ａが１ｋＶ程度で、加速グリッド４ｂが−５
００Ｖ程度、減速グリッド４ｃは０Ｖである。スクリー
ングリッド４ａ、加速グリッド４ｂおよび減速グリッド
４ｃには、イオンビーム通過孔５ａ、５ｂおよび５ｃが
形成されている。この中でイオンビーム通過孔５ｂが最
も小さい径である。

【０００７】Ｘｅ+ イオンビーム径はレンズ効果で絞ら
れて加速グリッド４ｂ近傍で最小となる。加速グリッド
４ｂのイオンビーム通過孔５ｂはＸｅガスの使用量をで
きるだけ少なくするためにＸｅ+ イオンビーム径とほぼ
同じ孔径に設定されている。

【０００８】Ｘｅガスの使用量はイオンエンジンの燃費
に関係し、イオンエンジンの燃費は加速グリッド４ｂの
開口率に依存する。この開口率が小さい程イオンエンジ
ンの燃費は良いことになる。ここで、開口率とは、所定
個数のイオンビーム通過孔５ｂを形成する場合において
加速グリッド４ｂの全体表面積に対するイオンビーム通
過孔５ｂの合計開口面積の割合をいう。

【０００９】加速グリッド４ｂの開口率を小さくするた
めにはスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂの間
隔を狭くしてレンズ効果を強くすることと、全てのイオ
ンビーム通過孔５で上手く位置合わせをすることが必要
になる。

【００１０】一方、イオンエンジンの寿命は加速電極４
のスパッター現象で決まっている。スクリーングリッド
４ａと加速グリッド４ｂの間では高密度のＸｅガスと高
速のＸｅ+ （Ｈ）イオンビームが混在し、荷電交換反応
によって低速のＸｅ+ （Ｌ）イオンが多量に生成される
ことになる。

【００１１】低速のＸｅ+ （Ｌ）イオン１３ａは加速グ
リッド４ｂのイオンビーム通過孔５ｂを通り抜けること
ができず、加速グリッド４ｂの放電容器３側表面に衝突
することになる。低速のＸｅ+ （Ｌ）イオン１３ａは加
速グリッド４ｂに衝突するまでに加速を受けるためスパ
ッター現象を引き起こすことになる。このスパッター粒
子１４ａは放電容器３側に飛んで行くことになる。低速
のＸｅ+ （Ｌ）イオンには、上記以外にもイオンビーム
通過孔５ｂ等のイオンビーム軌道上で生成されるもの１
３ａや、スクリーングリッド４ａのイオンビーム通過孔
５ａを通過できなかったもの１３ｂ等がある。量的には
少ないがこれらのイオンもスパッター現象を引き起こ
す。スパッター粒子は放電容器３側に飛んで行くもの１
４ａと、宇宙空間に飛んで行くもの１４ｂとに分かれ
る。

【００１２】何れにしろ、スパッター粒子の放出部分は
痩せることになり、イオンエンジンの燃費に大きな影響
が生じた時をもって寿命としている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】現在、イオンエンジン
は大型化と低燃費・長寿命化が同時に図られている。開
発を遅らせている原因は寸法精度の良い加速電極４を製
作できないことにあることは言うまでもない。特に、グ
リッド板の孔開け加工は位置精度（±数μｍ程度）と孔
径精度（±数十μｍ程度）が両立せず困難を極めてい
る。この傾向はグリッド板が大口径・厚肉化する程ひど
くなっている。例えば、レーザー加工、放電加工、ドリ
ル加工では十分な位置精度が得られないし、エッチング
加工では十分な孔径精度が得られない。

【００１４】このように従来のイオンエンジンでは、大
口径・厚肉のグリッド板を製作しようとする場合に、必
要な位置精度と孔径精度を満たした孔開け加工をできな
いため、加速電極を大型化できないという問題があっ
た。

【００１５】そこで本発明の目的は、上記従来技術の有
する問題を解消し、必要な位置精度と孔径精度で孔開け
が可能な大口径・厚肉の加速電極を備えた低燃費・長寿
命の大型イオンエンジンを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係わるイオンエンジンでは、シールドケー
ス内に配設された放電容器内へ作動ガスを導入し、この
作動ガスを電離させて前記放電容器内にプラズマを生成
するとともに前記放電容器の内壁から離れた領域にプラ
ズマを保持し、加速電極により前記プラズマ中のイオン
を取り出して加速しイオンビーム通過孔から前記放電容
器の外部へ送り出し推力を生成するイオンエンジンにお
いて、前記加速電極を構成するグリッド板は、イオンビ
ーム通過孔の形成された複数枚の薄板を張り合わせて形
成されていることを特徴とする。

【００１７】好適には、前記薄板は、前記薄板どうしの
張り合わせを容易にする材料、耐スパッター特性の高い
材料、あるいは輻射係数の高い材料からなることを特徴
とする。

【００１８】また、前記薄板は、表面の一部または全面
で、前記薄板どうしの張り合わせを容易にする材料、耐
スパッター特性の高い材料、あるいは輻射係数の高い材
料で覆われていることを特徴とする。

【００１９】また、前記薄板は、イオンビーム通過孔の
形成された複数個の分割領域が集合されて形成されてい
ることを特徴とする。

【００２０】また、前記分割領域を区分する分割線は、
上下にある他の前記薄板における分割線と重ならない位
置に配設されていることを特徴とする。

【００２１】グリッド板の孔開け加工、例えばエッチン
グ加工では、大口径化と厚肉化を両立させることが困難
であるが、厚肉化を除き一方の大口径化のみなら±数μ
ｍ程度の位置精度と±数十μｍ程度の孔径精度を実現す
ることは可能である。例えば直径３０ｃｍ程度のＭｏ製
グリッド板で、０．２ｍｍ程度の厚さまで正確なエッチ
ング孔開け加工が可能である。適当な大きさでエッチン
グ孔開け加工した薄いグリッド板をずらさずに張り合わ
せれば、任意の口径で、任意の厚さのグリッド板が製作
できることになる。本願発明はこのような思想に基づく
ものである。

【００２２】なお、ずらさないための位置合わせ孔も同
時にエッチング加工すれば、位置合わせも容易である。

【００２３】また、グリッド板を複数の分割領域に分割
することにより、表面処理や材質を分割領域によって変
えることが可能であり、耐スパッター特性や輻射特性等
を部分的に変えることができるようになる。

【００２４】本願発明によれば、加速電極の大型化と長
寿命化、高寸法精度化と多機能化が図られることにな
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態例を説明する。図８と同一構成要素には同一
符号をつけ、重複する説明は省略する。

【００２６】図１には本発明の第１実施形態例に係わる
イオンエンジンを一部切欠した斜視図が示されている。

【００２７】本実施形態例に係わるイオンエンジンが従
来のものと異なる点は、スクリーングリッド４ａと加速
グリッド４ｂが複数の同じ材質・形状の薄いグリッド板
の張り合わせで構成されていることである。スクリーン
グリッド４ａも加速グリッド４ｂもほぼ同じ構造なの
で、加速グリッド４ｂを例に説明する。

【００２８】図２に、本実施形態例の加速グリッド４ｂ
を示す。図２（ｂ）に示すように、加速グリッド４ｂは
複数枚の薄いグリッド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃから構
成されている。

【００２９】図２（ａ）は、薄いグリッド板２１ａ，２
１ｂ，２１ｃの各々の表面を示す。図２（ａ）に示すよ
うに、加速グリッド４ｂの径方向は、部分２０ａ，２０
ｂ，２０ｃと、盲部分２０ｄと、軸方向バネへの取り付
け部分２０ｅとに分かれている。部分２０ａ，２０ｂ，
２０ｃには、全面に渡って孔が開けられている。各部分
にある孔の径は同一である。また部分の間では孔の径
は、グリッド板の種類等に応じて、互いに異なるように
あるいは同一であるように開けられている。

【００３０】取り付け部分２０ｅには複数の軸方向バネ
取り付け孔１５と位置合わせ孔１６が開いている。取り
付け部分２０ｅ以外の領域は補強のために曲率成形され
ている。

【００３１】図２（ｂ）に示すように、加速グリッド４
ｂは、軸方向には複数枚（ここでは３枚）に分割された
薄いグリッド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃが張り合わされ
て形成されている。

【００３２】薄いグリッド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃは
±数μｍ程度の位置精度と±数十μｍ程度の孔径精度が
実現できる形状とする。例えば、孔開けにエッチング加
工を用いると、直径３０ｃｍ程度の薄いＭｏ製グリッド
板２１ａ，２１ｂ，２１ｃで厚みを０．２ｍｍ以下程度
にすれば良い。

【００３３】薄いグリッド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃの
形状が皆同じで良い場合には、エッチング孔開け加工が
特に有利である。薄いグリッド板２１ａ，２１ｂ，２１
ｃの張り合わせには接着剤を用いても良いが、曲率成形
のことを考えると圧接する方が良い。

【００３４】曲率成形と張り合わせ（孔開け）の順序は
どちらが先でも同じでも良いが、エッチング孔開け加工
後に圧接する場合は張り合わせの後に曲率成形した方が
良い寸法精度を得られる。

【００３５】適当な大きさでエッチング孔開け加工した
薄いグリッド板をずらさずに張り合わせれば、任意の口
径で、任意の厚さのグリッド板が製作できることにな
る。ずらさないための位置合わせ孔１６も同時にエッチ
ング加工すれば、位置合わせも容易である。

【００３６】本実施形態例の構成によれば、加速グリッ
ド４ｂを複数枚の薄いグリッド板２１ａ，２１ｂ，２１
ｃを張り合わせて形成するようにしたので、各々の薄い
グリッド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃに対して個別に孔開
け加工を行うことが可能になり、従って、高精度な位置
精度および孔径精度で孔開け可能な加工法、例えばエッ
チング加工法を適用して孔開け加工を行うことができ
る。

【００３７】次に、図３を参照して本発明の第２実施態
様例に係わる加速グリッド４ｂについて説明する。

【００３８】本実施態様例では、複数の薄いグリッド板
２１ａ，２１ｂ，２１ｃの間に、張り合わせを容易にす
る材料もしくは耐スパッター特性の高い材料でできた複
数の薄いグリッド板２２ａ，２２ｂが挿入されている。

【００３９】張り合わせを容易にする材料として、Ｍｏ
にはＴｉ（チタン）等が有効である。耐スパッター特性
の高い材料として、Ｘｅ＋イオンにはＣ（カーボン）等
が有効である。

【００４０】本実施形態例の構成によれば、加速グリッ
ド４ｂを複数枚の薄いグリッド板２１ａ，２１ｂ，２１
ｃを張り合わせて形成するとともに、複数の薄いグリッ
ド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃの間に、張り合わせを容易
にする材料を挿入することにより、高精度な位置精度お
よび孔径精度で孔開け可能な加工法を適用できるととも
に薄いグリッド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃの間の張り合
わせを確実かつ容易にすることができる。

【００４１】また、複数の薄いグリッド板２１ａ，２１
ｂ，２１ｃの間に耐スパッター特性の高い材料を挿入す
ることにより、加速グリッド４ｂの耐スパッター特性を
よくすることができる。

【００４２】次に、図４を参照して本発明の第３実施態
様例に係わる加速グリッド４ｂについて説明する。

【００４３】本実施態様例では、複数の薄いグリッド板
２１ａ，２１ｂ，２１ｃの外側両面または片面に、耐ス
パッター特性の高い材料もしくは輻射係数の高い材料で
できた複数の薄いグリッド板２３ａ，２３ｂが張り合わ
されている。輻射係数の高い材料として、ＭｏにはＣ等
が有効である。

【００４４】イオンエンジン内ではプラズマを生成する
ために放電電流を流すので発熱し、約三分の一はイオン
ビームとして外部へ放出されるものの残りは内部に貯ま
る。冷却器を備えるイオンエンジンを別にすれば、この
熱は赤外線等の輻射熱として外部へ放出して冷却する必
要がある。

【００４５】本実施形態例の構成によれば、複数の薄い
グリッド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃの外側面に耐スパッ
ター特性の高い材料の部材を張り合わせることにより、
加速グリッド４ｂの耐スパッター特性をよくすることが
できる。

【００４６】また、複数の薄いグリッド板２１ａ，２１
ｂ，２１ｃの外側面に輻射係数の高い材料の部材を張り
合わせることにより、イオンエンジン内の熱を輻射熱と
して効率的に放出することができる。

【００４７】次に、図５を参照して本発明の第４実施態
様例に係わる加速グリッド４ｂについて説明する。

【００４８】加速グリッド４ｂは複数枚の薄いグリッド
板２１ａ，２１ｂ，２１ｃから構成されている。図５
に、加速グリッド４ｂを構成する薄いグリッド板２１ａ
の詳細を示す。他の薄いグリッド板２１ｂ，２１ｃも同
様である。

【００４９】図５において、薄いグリッド板２１ａの表
面の一部または全部が、張り合わせを容易にする材料
か、耐スパッター特性の高い材料もしくは輻射係数の高
い材料の部材２４ａ、２４ｂで覆われている。被覆面は
両面でも片面でも良く、材料の選択は場所によって変化
させても良い。被覆の方法は溶射やメッキ等何でも良い
が、厚い時は溶射が有効である。

【００５０】本実施形態例の構成によれば、加速グリッ
ド４ｂを構成する各々の薄いグリッド板２１ａ，２１
ｂ，２１ｃを、耐スパッター特性の高い材料もしくは輻
射係数の高い材料の部材２４ａ、２４ｂで被覆するよう
にしたので、たとえ上層の薄いグリッド板２１ａ，２１
ｃが破損した場合においても、加速グリッド４ｂの耐ス
ッター特性あるいは輻射特性を安全に保持することがで
きる。

【００５１】次に、図６を参照して本発明の第５実施態
様例に係わる加速グリッド４ｂについて説明する。

【００５２】加速グリッド４ｂは複数枚の薄いグリッド
板２１ａ，２１ｂ，２１ｃから構成されており、複数の
薄いグリッド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃの一部（ここで
は、薄いグリッド板２１ｂ）に、耐スパッター特性の高
い材料からなる薄いグリッド板２５が、例えば蜂の巣状
に挿入されている。

【００５３】挿入の方法は板状以外に溶射等で埋め込ん
でも良く、この方法であれば線膨脹率の大きく異なる材
料も採用できる。

【００５４】耐スパッター特性の高い材料として、例え
ばＸｅ＋イオンに対してＣより効果的なＥｒ（エルビウ
ム）等が使用できる。

【００５５】本実施形態例の構成によれば、薄いグリッ
ド板２１ｂ等に耐スパッター特性の高い材料からなる薄
いグリッド板２５を挿入するようにしたので、加速グリ
ッド４ｂの耐スパッター特性をよくすることができる。

【００５６】次に、図７を参照して本発明の第６実施態
様例に係わる加速グリッド４ｂについて説明する。

【００５７】本実施態様例では、複数の薄いグリッド板
２１ａ，２１ｂ，２１ｃが多数の分割領域２６に分割さ
れている。すなわち、複数の薄いグリッド板２１ａ，２
１ｂ，２１ｃの各々は、イオンビーム通過孔５ｂが予め
形成された複数個の分割領域を集合して形成されてい
る。

【００５８】分割領域２６の分割線が接している薄いグ
リッド間で広い範囲で重ならなければ強度上の問題はな
い。

【００５９】本実施形態例の構成によれば、薄いグリッ
ド板２１ａ，２１ｂ，２１ｃを多数の分割領域２６に分
割して構成したので、大口径化が難しい孔開け加工を小
形で行なうことができる。

【００６０】以上説明した上述の実施態様例において
は、本発明は加速グリッド４ｂに関して説明したがスク
リーングリッド４ａ等の全てのグリッド板に対して適用
できる。また、上述の実施態様例の複数を組み合わせて
適用することも可能である。

【００６１】なお、本発明は上述した各実施態様例に限
定されるものではない。すなわち、上述した実施態様例
では推進剤としてＸｅガスを使用しているが、Ｘｅガス
に限定されるものではない。

【００６２】また、加速電極も２枚のＭｏ製グリッド板
を軸方向バネで支持する方式を採用しているが、本枚数
やＭｏ製グリッド板および軸方向バネ支持方式に限定さ
れない。薄いグリッド板の枚数も各実施例に限定されな
い。

【００６３】また、上述した実施態様例は本発明をカス
プ磁場型のイオンエンジンに適用したものであるが、カ
スプ磁場型以外の電子衝撃型および高周波型のイオンエ
ンジンにも同様に適用できる。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、加速電極を構成するグリッド板を、イオンビーム
通過孔の形成された複数枚の薄板を張り合わせて形成す
るようにしたので、大口径・厚肉の加速電極の製作が可
能になり、低燃費・長寿命の大型のイオンエンジンを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオンエンジンを一部切欠して示す斜
視図。

【図２】本発明の第１実施形態例の加速グリッドを示す
平面図（ａ）と断面図（ｂ）。

【図３】本発明の第２実施形態例の加速グリッドを示す
断面図。

【図４】本発明の第３実施形態例の加速グリッドを示す
断面図。

【図５】本発明の第４実施形態例の加速グリッドを構成
する一枚の薄いグリッド板を示す断面図。

【図６】本発明の第５実施形態例の加速グリッドを示す
断面図。

【図７】本発明の第６実施形態例の加速グリッドを示す
断面図。

【図８】従来のイオンエンジンを一部切欠して示す斜視
図。

【図９】加速電極でスパッター現象の起こることを示す
模式図。

【符号の説明】

１ シールドケース ３ 放電容器 ４ 加速電極 ９ 主陰極用ホローカソード １０ 磁石 １１ 中和器 １２ 軸方向バネ支持部 １３ 低速イオン １４ スパッター粒子 １５ 軸方向バネ取り付け孔 １６ 位置合わせ孔 ２０ グリッド板 ２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 薄いグリッド板 ２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 薄いグリッド板 ２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 薄いグリッド板 ２４ 被覆層 ２５ 薄いグリッド板 ２６ 分割領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早 川 幸 男 東京都調布市深大寺東町７丁目44番地１ 科学技術庁航空宇宙技術研究所内 (72)発明者 吉 田 英 樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 前 田 敏 雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 赤 井 公 積 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝小向工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールドケース内に配設された放電容器内
   へ作動ガスを導入し、この作動ガスを電離させて前記放
   電容器内にプラズマを生成するとともに前記放電容器の
   内壁から離れた領域にプラズマを保持し、加速電極によ
   り前記プラズマ中のイオンを取り出して加速しイオンビ
   ーム通過孔から前記放電容器の外部へ送り出し推力を生
   成するイオンエンジンにおいて、 前記加速電極を構成するグリッド板は、イオンビーム通
   過孔の形成された複数枚の薄板を張り合わせて形成され
   ていることを特徴とするイオンエンジン。
2. 【請求項２】前記薄板は、前記薄板どうしの張り合わせ
   を容易にする材料、耐スパッター特性の高い材料、ある
   いは輻射係数の高い材料からなることを特徴とする請求
   項１に記載のイオンエンジン。
3. 【請求項３】前記薄板は、表面の一部または全面で、前
   記薄板どうしの張り合わせを容易にする材料、耐スパッ
   ター特性の高い材料、あるいは輻射係数の高い材料で覆
   われていることを特徴とする請求項１に記載のイオンエ
   ンジン。
4. 【請求項４】前記薄板は、イオンビーム通過孔の形成さ
   れた複数個の分割領域が集合されて形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン。
5. 【請求項５】前記分割領域を区分する分割線は、上下に
   ある他の前記薄板における分割線と重ならない位置に配
   設されていることを特徴とする請求項４に記載のイオン
   エンジン。