(57)【要約】【課題】  従来の電磁石などでは取れなかった配置や構造が可能な電気力の応用装置の開発。【解決手段】  発明者によって新たに導き出された円電流（コイル）どうしの相互作用を表す数式の結果、特に外接、内接、中心位置などの特殊解を応用した装置の作成。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
従来の電磁石では取ることが出来なかった配置、あるいは構造を持つもので、かつ下記に記載する諸条件下の電流によって２つの円形コイルが及ぼしあう力が、下記に記載するＦ１ａ、Ｆ１ｂおよびＦ２のいずれかの数式によって算出、予想され、利用される事を特徴とする、電気力の応用装置。
条件および数式：
１：電流円面が同一の平面上にある円電流どうしの力
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図Ａに示すように、電流円面が同一の平面上にある２つの円電流の各電流の大きさを、Ｉ１及びＩ２、半径をｒ１及びｒ２、また２つの円電流の中心間の距離をＲとし、Ｉ１及びＩ２は同方向電流、半径ｒ２の方が半径ｒ１よりも大きいとする場合、この２つの円電流間の相互作用力Ｆ１ａおよび、Ｆ１ｂの大きさは、
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となる。
Ｉ１とＩ２の電流の方向が異なる場合には、これらの式の全体の符号が反転する。
上記の２式を使って、電流作用力Ｆ１を計算した結果のグラフを、図Ｂに示す。
図Ｂは、半径が４分の１の同方向円電流Ｉ１が、無限遠からＩ２に近づき中心の位置に来るまでに、どのような電流作用力が働くかを示したものであり、Ｆ１がプラスの場合は斥力を、マイナスの場合は引力を表す。
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２：電流円面と直交する中心軸を共有する平行円電流どうしの力
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図Ｃに示すように、電流円面と直交する中心軸を共有する２つの平行円電流の各電流の大きさをＩ１及びＩ２、半径をｒ１及びｒ２、２つの円電流の中心間の距離をＲ、Ｉ１及びＩ２は同方向電流、半径ｒ２の方が半径ｒ１よりも大きいとした場合、円電流間の相互作用力Ｆ２は、
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で表される。
Ｉ１とＩ２の電流の方向が異なる場合には、式の全体の符号が反転する。
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秒の二乗」を意味する。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、円電流どうしの相互作用力を応用した装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、電気によって力のやり取りを行う装置というのは、電動機（モータ）を始めとして多種、多様のものが存在する。
このうち円形コイルを用いるものに限定すれば、その代表的なものは、「電磁石」であろう。電磁石を用いた装置というのも多種、多様のものがあるが、電磁石そのものの構造は大体同じで、透磁率を大きくするための円筒形の鉄心、あるいは磁性体のまわりに円形のコイルを巻いた構造となっている。
また、従来の電磁石が作る力の計算の基になっているのは、電流によって円形コイルの内側に作られるほぼ均等な磁場の計算であり、これは円電流が作る磁場の分布全体の計算から言えば、極めて特別な解である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  曲線の導体に流した電流によって作られる磁場の大きさを表す、ビオ・サバールの法則を、連続的な空間位置に関してすべて解くのは極めて困難であり、正確に解けるのは非常に簡単な対称性を持った、一部の特殊な場合に限られていて、前記の円形コイルの内側に作られる磁場も、その一つの例である。
従って、そのような解の存在しない曲線構造をとろうとした場合、従来ではすでに存在する特殊な解を応用するかコンピュータ等で近似解を得る方法によって、予想される磁場の計算を行っており、２つの円形電流（コイル）どうしが、お互いの位置（距離）によって、いかなる力を及ぼし合うか、という連続的な空間位置による一般的な解は全く得られていなかった。
また従来の電磁石は、円形コイルの内側に鉄心、あるいは磁性体の芯を持っているのが通常の構造であり、従って円形コイルの内側に、もう一つの円形コイルを配置するような構造は取れなかった。
また、電磁石どうしは中心軸を共有するように配置されるのが通常であり、円形のコイルどうしが外接するような配置や構造を持つものも見られない。
本発明は、従来の電磁石を用いた多種・多様な個々の装置に関する個々の問題点を解決しようとするものではなく、従来の電磁石そのものが持っている構造的な欠点を補って、従来の電磁石では取ることが出来なかった配置や構造を持つ、新しい円電流相互作用力応用装置の開発の可能性を探ろうとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  従来知られていなかった円電流どうしの相互作用力について、２種類の限定的な条件付ではあるが、２つの円電流（コイル）の中心間の距離を変数として、一般的な代数方程式（関数）の形で表す数式を発明者自身が初めて導き出したものが請求項にあるＦ１ａ、Ｆ１ｂおよびＦ２の式である。
これらの式より、２つの円電流（コイル）の中心間の距離Ｒがゼロから無限大までの範囲における力Ｆの大きさをＲの関数として求めてみると、極めて特殊で特徴的な解が３種類ある事が解かった。
まず一つ目はＦ１ａ、Ｆ１ｂにおいて、２つの円電流（コイル）が外接、即ちＲ＝ｒ２＋ｒ１となる場合である。この場合Ｆ１ａ、Ｆ１ｂの両式とも分母がゼロとなるから、力Ｆ１ａ、Ｆ１ｂは、＋∞のおよび、−∞となる。（図Ｂの右側参照）
図Ｂは、２つの円電流Ｉ１及びＩ２の流れる方向が、同一の回転方向の場合を表しており、外接の状態でＦ１ａは＋∞即ち無限大の斥力、Ｆ１ｂは−∞即ち無限大の引力となることを表している。
もちろん「無限大の力」というのは計算上だけの話であり、実際には円電流（コイル）の導体の径をゼロにすることは不可能であるから力が無限大となることは無く「この位置で最も大きな力となる」という意味である。従ってこの場合２つの円電流（コイル）には「外接の状態を取るまい」という強い力が働くことになる。
また、特に興味深いのは２つの円電流Ｉ１及びＩ２の流れる方向が、逆回転方向の場合である。この場合円電流Ｉ１とＩ２の積がマイナスとなるから、力の変化は図Ｂの上下を反転させたグラフとなる。ゆえに外接の状態でＦ１ａは−∞即ち無限大の引力、Ｆ１ｂは＋∞即ち無限大の斥力となる。これは２つの円電流（コイル）に「外接の状態を保とう」という強い力が働くことを意味している。これは円の外接であればどの位置でも同じである。
二つ目の特殊な解は、同じくＦ１ａ、Ｆ１ｂにおいて、２つの円電流（コイル）が内接、即ちＲ＝ｒ２−ｒ１となる場合である。この場合においてもＦ１ａ、Ｆ１ｂの両式とも分母がゼロとなるから、力Ｆ１ａ、Ｆ１ｂは、＋∞および、−∞となる。（図Ｂの左側参照）
図Ｂのように２つの円電流Ｉ１及びＩ２の流れる方向が同一の回転方向で、内接の状態なら同じくＦ１ａは無限大の斥力、Ｆ１ｂは無限大の引力となるが、外接と異なるのはグラフの左右が反転しているため、この場合には２つの円電流（コイル）に「内接の状態を保とう」という強い力が働く。
また２つの円電流Ｉ１及びＩ２の流れる方向が逆回転方向の場合には、逆に２つの円電流（コイル）には「内接の状態を取るまい」という強い力が働くことになる。
三番目の特殊な解は、２つの円電流の半径が異なる場合でかつ中心間の距離がゼロの場合である。
式の前提条件である円電流Ｉ１及びＩ２の流れる方向が同一の回転方向の場合、Ｆ１ａは中心間の左右の不安定さを表す斥力（＋）として表され、Ｆ２は中心軸間、即ち２つの円電流の中心に対し直角方向の引力（−）として表されるため、プラスとマイナスになっているがＦ１ａ及びＦ２とも同じ解であり、この場合２つの円電流は円のすべての方向に同一の力で引き合うことになる。
しかしながらこの場合小さい方の円電流の位置は不安定であり、少しでも力のバランスが崩れると、Ｆ１ａの二番目の解のように「内接の状態になろうとする」はずである。
これに対し２つの円電流Ｉ１及びＩ２の流れる方向が逆回転方向の場合、中心には、
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という「引力」が働き「同一の中心位置を保とうとする」ことになる。
この場合２つの円電流の電流どうしは、円のあらゆる方向（角度）に、同一の力で押し合っており、小さい方の円電流（コイル）の中心位置が、大きな方の円電流（コイル）の中心位置から少しでもずれると、必ず元の中心の位置に引き戻そうとする力が働く。
以上３種類の極めて特殊な解があり、特に円電流の回転方向によっては、「外接の状態を保とうとする」、「内接の状態を保とうとする」、あるいは「同一の中心位置を保とうとする」という興味ある結果を招くことが解った。
これらの現象で特に特徴的なのは、２つの円電流の電流どうしが回転に対し、どの位置にあっても同じ結果をもたらすという事である。例えば外接の場合どちらの円電流のどこの外接位置であっても全く同じ力であり、内接の場合も同様である。
これらの結果を応用した電気力装置を開発すれば、従来の電磁石では出来なかった全く新しい装置が実現できる可能性があり、考えられるものを列記してみると、
・回転可能な、あるいは自在な形の電気力の伝播装置。
・ある部分を回転の中心に固定させる装置。
・電磁ばね装置。衝撃の緩和装置など。
その他にも考えられるものが色々あるであろう。
ただ、アンペールの力は非常に弱く、実用化が困難な部分もあるかも知れないが、これらを補う方法として例えば以下のようなものが考えられる。
・前式の２つの円電流Ｉ１及びＩ２は、巻き数Ｎ回のコイルにすれば、電流はＮ倍になり、Ｉ１及びＩ２が同じ巻き数であれば、力は理論的にはＮの二乗倍になるが、太さも大きくなるためコイルを真の円形に巻くというのは困難であり、実際には漏洩磁束などの影響でＮの二乗倍の数分の一に減ると考えられる。
・液体など流体の強磁性体が存在すれば透磁率μを大きくし、なおかつ円電流（コイル）の可動性を保つために、装置のシステム全体をその強磁性体で覆うか、漬けてしまう装置が考えられ、この場合力を、空気中の場合の数百倍に大きく出来る可能性がある。
・超伝導素子など、細くて大電流が流せる導体の開発。
・２つの円電流の交差を容易にするため片方の円電流を等価な磁場か電場などで代用する。
その他、実用化に関しては今後の研究開発に期待する。
【発明の実施例】
【０００５】  図１は３個の円電流（コイル）群を持つ電磁バネ装置を想定したものである。
図１ａの１，２，３は、各円電流（コイル）群であり、これらの各コイルは円形を保持し強度を上げるためのケーブルドラムのようなガイドに複数回巻かれてある。さらにこれら各コイルは上から見た図１ｄのように複数個（図の場合は３個）のコイルがつなぎ合わされて一つの群を作っており、ガイドレール４と５の上を左右に可動出来るようになっている。
図１ａの４と５は、コイル群のガイドレールとなる摺動部分を持ち、またコイルに流す電流の供給を行うプラス、マイナスの電極の部分でもあって、円電流（コイル）群１，３と２に円内の矢印のように互いに逆回転方向の電流が流れるようにしてある。
図１ａの６は、固定端であり、コイル群１はこれに固定されている。コイル群３には力の伝播を行うピン８が固定されており、逆の固定端７にはこのピン８が左右に可動できるように中央に穴が開いている。
さらにこれらの全体は、液体の強磁性体９の中に閉じ込められており、固定端７の穴とピン８の隙間や他の接合部分は、この液体が漏れないようにシールされている。
図１ｄの１０は、全体を覆う側板である。
いま、図１ａの装置に直流電源から電流を流したとすると、図１ａのピン８は下の太い矢印の方向に力が働き、図１ｂのように各円電流（コイル）群が外接状態となるまでピン８は引き込まれる。
仮に行過ぎて図１ｃのように各円電流（コイル）群が交差するような状態になると、力は反転し、図１ｃのピンの右側の太い矢印のようにピン８を外に押し出そうとする力が働き、結局図１ｂの状態を保とうとする。
従ってこの装置は、電磁気によるバネ、またはクッションとして作用するわけである。
また、この場合円電流（コイル）群２の電流の回転方向を反転させれば、すべての円電流（コイル）群に同一回転方向の電流が流れることになり、上記の場合と逆の力が働く。
図１の装置をさらに複雑にしたのが図２の装置である。
図１は直線的に動く電磁バネ装置であるが、図２の装置が特徴的なのは、円電流（コイル）群の数が増えただけでなく、ガイドレールおよび電極として機能する１５および１６が、円電流（コイル）群の直径に相当する一定間隔２１を保ちながら自在に変形可能な事である。
従ってこの場合、例えばロボットのアームなどに応用できると考えられる「人工筋肉」のような装置として作動することが可能である。
【発明の効果】
【０００６】  実施例では前記の数式のうち、外接の特殊効果を応用した電磁的なバネ、あるいはクッション装置をあげたが、前記の数式には、その他にも内接、あるいは中心位置における、特殊解が存在し、例えば電磁ベアリング等、各々の解における応用装置が出来ると考えられ、また各々の解を組み合わせたさらに複雑で高度な装置も出来るであろう。
またこれらの解を応用した装置が特徴的に可能な事は、
１：円電流（コイル）群を無数に配列することができる。
２：各円電流（コイル）群の半径はいかなる大きさの組み合わせでもよい。
３：各円電流（コイル）群は円のいかなる相対的位置も取ることができる。
などがあげられる。
これに技術の進歩によって小型化、軽量化、集積化、などが加われば、さらに広範囲の多種、多様な新装置の開発、およびそれらの装置への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】３個の円電流（コイル）群を持つ電磁バネ装置である。図１ａ  電磁バネが伸ばされた状態を示している。図１ｂ  電磁バネが最も縮んだ状態を示している。図１ｃ  電磁バネが縮みすぎた状態を示している。図１ｄ  図１ｃを上から見た図である。
【図２】複数個の円電流（コイル）群を持つ自在型電磁バネ装置である。
【符号の説明】
１    円電流（コイル）群１
２    円電流（コイル）群２
３    円電流（コイル）群３
４    ガイドレールおよび電極１
５    ガイドレールおよび電極２
６    固定端
７    逆固定端
８    ピン
９    液体の強磁性体
１０  側板
１１  円電流（コイル）群：図１の符号１の部分に相当する
１２  円電流（コイル）群：図１の符号２の部分に相当する
１３  円電流（コイル）群：図１の符号２の部分に相当する。但し逆電流
１４  円電流（コイル）群：図１の符号３の部分に相当する
１５  ガイドレールおよび電極１：図１の符号４の部分に相当する
１６  ガイドレールおよび電極２：図１の符号５の部分に相当する
１７  固定端：図１の符号６の部分に相当する
１８  逆固定端：図１の符号７の部分に相当する
１９  ピン：図１の符号８の部分に相当する
２０  液体の強磁性体：図１の符号９の部分に相当する
２１  ガイドレールおよび電極の幅（一定）
【図１】
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【図２】
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