「永久独楽」の製作
金野茂男
１．はじめに今から１８年ほど前、写真１で示しているような「磁力ごま」を購入した。当時高校、中学で理科の非常勤講師をしており、磁石と磁場の作用の面白いであろう教材の一つとして購入したものである。
低い円筒形台の上面で、独楽を手で回すと、あら不思議、止まるどころか加速をつけて独楽が上面上で倒れることなく動き回りながら、回転し続けるのである。プラスチック製円柱台の直径は底面が約９ｃｍ、上面が約８ｃｍ、高さは約３ｃｍである。上面は平らではなく、中心部がへこんだ形状をし、中心部に小さな出べそがつけられている。上面で回転する独楽は最大
直 径 は 約 １ ８ mm 、 全 高 さ は 約 ２ ０ mm 、重さは約２．４５ｇである。
だいぶ昔に購入したことを思い出し、探してみたのである。本体（円柱台のこと）と独楽、それに説明書がうれしいことに残っていた。が、あまりにも時間が経過しており、動作するのであろうかと不安であった。新品の００６ｐの乾電池を取り付け、独楽を台上で回したら、何のことはない、全く昔と同じように安定して回転し続けるではないか。笑みがこぼれた。
ところで誠に残念ながら、この「磁力ごま」の製作会社名はわからずじまいである。本体にも、説明書にも会社名が書いていないのである。購入したときには箱に入っていたので、箱には明示されていたのであろう。箱は見つけられなかった。
この「磁力ごま」を大型化したい。小さい独楽が動き回るより、大きい独楽が動き回る方が見 た 人 へ の 印 象 は 大 き い で あ ろ う と 考 え た 。独 楽 の 大 型 化 、こ れ が 今 回 の 課 題 で あ っ た 。結果 、どうにか大型磁石独楽を試作することに成功した。実のところ、今回製作した装置は先行している「磁力ごま」をそのまま拡大したわけではない。独楽の部分に取り付けた磁石形状及び種類に大きな相違がある。このことから今回製作した装置の名称も「磁力ごま」では、少し誤解を招く。以下では自作品を「永久独楽」と呼称することにする。

写真１

台上で回転し続ける「磁力ゴマ」‑1‑２ ．「磁力ごま」の構造「磁力ごま」を参考として大型の永久独楽を作成するので、まず最初に「磁力ごま」の構造を理解しなければならない。嬉しくも残っていた説明書を資料１／２，２／２として最後尾に添 付 し て お い た 。「 磁 力 ご ま 」 の 構 造 、 動 作 の 原 理 の 詳 細 に つ い て は そ れ に 譲 る 。 本 文 中 で 再説明はしないので、以下の文章を読む前に、資料を熟読しておくことが必要である。
写 真 ２ ，３ ，４ に 円 柱 台 内 部 の 様 子 と 独 楽 の 詳 細 を 示 す 。円 柱 台 の 底 面 は 簡 単 に 取 り 外 せ る 。
取り外した様子が写真２である。円柱台も底部もプラスチック製である。右側の円柱台の内部には何の仕組みもない。台上で独楽が回るだけである。ただ、上面は凹んでいることは前述した。これは回転している独楽を中心部分に指向させる運動をもたらす機構である。上面が平らでは独楽は中央部に寄り難くなる。上面の中央部の下に底部に取り付けられているソレノイドコイルが位置する。このソレノイドコイルから、独楽は遠隔の回転力を受ける。独楽が中央部分から離れてばかりいては、この力を受けることができないのである。
独楽が中央付近に居続けても不都合が起こる。中央で回転しているだけでは、ソレノイドコイルを貫く磁束数が変化しないので、ソレノイドは回転力を発生しない。独楽が中央付近を横切る瞬間にソレノイドに回転力が発生し、そしてそれを独楽が受けるのである。したがって、独楽が中央に位置し続けないように、中央部に出べそが付けられている。
鉄心入りの単純な構造のソレノイドコイルが底部の中央に位置している。その脇に、直流電源である００６ｐ乾電池がある。写真では明瞭に識別できないが、ソレノイドコイルの縁には２ＳＣの小さいトランジスタが１個ある。台の内部の構造は以上の通り、簡単なものである。
ソレノイドコイルとトランジスタの作る電気回路が「磁力ごま」の秘密の１つである。写真２の中央の円形の小さな物体が独楽である。独楽を底部から見ている。回転軸の回りにリング状のフェライト製永久磁石が接着されている。この永久磁石の存在と形状が「磁力ごま」の秘密の２つ目である。
写真３は独楽を下側面から見たもの、写真４は上側面から見たものである。独楽本体もプラスチックでできている。スカートの下にリング状永久磁石があるだけの、一見すると単純な小さい独楽のように見える。

写真２

台及び底部と独楽の底面

写真３

‑2‑

独楽を下から見る

写真４

独楽を上から見る

２．製作（１）中型「永久独楽」の製作
さて 、「 磁 力 ご ま 」 を 手 本 に 、「 永 久 独 楽 」 の 製 作 に 取 り か か ろ う 。 独 楽 を 大 き く し 、 そ れ に対応させて、ソレノイドコイルと回転受け皿も大きくすればよいであろうことはすぐわかる。
「磁力ごま」に使用されているソレノイドコイルのパラメータは以下の通りであった。鉄心コア 直 径 ５ ． ５ mm、 長 さ ２ ８ mm 。 コ イ ル 巻 幅 １ ８ mm 、 コ イ ル 巻 外 直 径 １ ３ mm 。 コ イ ル の 巻数を、以上の形状と、直流抵抗の測定値（全抵抗値 １．５ｋΩ、そのうちベース−エミッタ間 １ ｋ Ω ）、 直 径 ０ ． ０ ５ mm の エ ナ メ ル 線 の 抵 抗 が ８ ． ８ ｋ Ω ／ ｋ ｍ で あ る こ と か ら 算 出した。結果、全巻数は５４００回、そのうちベース−エミッタ間は３６００回と推断した。
ソレノイドコイルの大型化はコアの鉄心を太くし、巻き線も太くし、使用するトランジスタの 定 格 も 大 き く す れ ば 、 ど う に か 大 型 化 で き そ う で あ る 。 コ ア の 鉄 心 と し て 、 直 径 １ ２ mm 、長 さ ４ ０ mm の 軟 鉄 （ ボ ル ト か ら 切 り 出 し た ） を 使 用 す る こ と に し た 。 コ イ ル の 巻 数 は 「 磁 力ご ま 」 の ソ レ ノ イ ド の 巻 数 と 同 じ と す る が 、 使 用 す る コ イ ル 線 と し て 直 径 ０ ． １ mm （抵抗２ ． ２ ｋ Ω ／ ｋ ｍ ） の も の を 使 用 す る こ と に し た 。 巻 幅 は ３ ０ mm 。 ト ラ ン ジ ス タ に は 手 元 にあった少し大きな２ＳＣ１３９８を使用した。図１にソレノイド駆動回路図を示しておく。写真５が製作したソレノイド回路である。左に伸びている２本線は電源線である。

2SC1398
C
巻終わり

3600 回
1800 回BE
中間タッ プ
0.1mm φ
ウレタン線

巻は じめ

直流電源

図１

新ソレノイド回路

写真５‑3‑

製作したソレノイド回路

独楽の受け皿として、いろいろなものを考え、探した。偶然絶好なものを見つけた。球面透明ガラス窓の付いたありふれた掛け時計である。通常の掛け時計では平板の透明窓が使用されているが、この時計は球面窓なのである。この窓を取り外して使用すれば、独楽の回転台として 最 適 で あ る 。残 り の 時 計 の 部 品 も こ の 球 面 鏡 を 保 持 す る た め の 台 と し て 転 用 で き そ う で あ る 。
結構なものを発掘した。写真６がその時計であり、外直径はおおよそ３５ｃｍ。

写真６

回転台に使用した時計

独楽に取り付けるマグネットとして、文房具として売られている書類留め用の穴あきマグネッ ト の 大 き な も の を 使 用 す れ ば よ い 。 と 、 最 初 は 考 え た 。 が 、 資 料 か ら わ か る よ う に 、「 磁 力ごま」の独楽に取り付けられているリング状マグネットは左右に磁化している。市販されているリング状マグネットは上下に磁化されている。図２にそれを図解しておいた。

Ｎ側

Ｓ側
Ｓ側
Ｎ側
（ ロ ） 通 常の マ グ ネ ッ ト（ イ ） 「 磁力 ご ま 」 の マ グ ネ ットの磁 化 分 布の磁化分布
図２

リング状マグネットの磁化区分

切り割り線

接着面Ｓ側Ｎ側

Ｓ側
Ｎ側

Ｎ側
Ｓ側

右側 を 反 転 し て 接着 す る
図３

通常のリングマグネットから「磁力ごま」と同じ磁化分布のマグネットを作る方法の加工‑4‑

マグネットのＮ極（或いはＳ極）がソレノイド上を瞬間的に横切るとき、電磁誘導現象により、独楽はソレノイドから磁気反発力を受ける。従って、図２の（ロ）のような磁石は使えない 。 ど う し て も 、（ イ ） の よ う に 磁 化 さ れ た 大 き な 磁 石 が 必 要 と な る 。 が 、 そ の 様 な 磁 石 は 市
場 に は 全 く な い 。（ イ ） の よ う な 磁 化 方 向 を 持 つ 磁 石 は 「 磁 力 ご ま 」 を 作 成 し た 会 社 が 特 別 に用立てたもののようである。
ど う し よ う か ？ ？ 一 案 と し て 、（ ロ ） の 磁 石 か ら （ イ ） の 磁 極 配 置 の 磁 石 を 作 る こ と を 試み た 。（ ロ ） の 磁 石 を 真 ん 中 か ら ２ つ に 切 り 掻 き 、 片 方 を 反 転 し て 切 り 口 を 接 着 す る 方 法 で ある。図３にその様子を図解している。フェライト製なので、尋常の方法で切断することは困難である。折り欠くしかない。破断面はボロボロとなる。が、接着すると、一応は「磁気ゴマ」のマグネットと同じ磁極配置にはなる。これをアクリル円盤に、同じくアクリル棒を回転軸として取り付けた独楽の底面に接着して「永久独楽」の試作品とした。
以 上 で 下 準 備 が で き た の で 、 回 転 試 験 を 試 み た 。「 磁 力 ご ま 」 の 独 楽 を 使 用 す る と 回 転 動 作
を 上 手 く さ せ る こ と が で き る 。が試作した独楽では 、ど う も 、フェライト磁石が厚すぎるのか 、また独楽が重すぎるのか、回転動作が思うようにならなかった。不調の最大の原因は独楽にあるとして、幾つかの独楽を試作して改善を試みたが、どうやっても上手く行かない。手図まりの状態に陥った。
そうしているうち、ふとアイデアが浮かんできた。独楽に希土類磁石（ネオジ磁石）を使え
ば 、軽いうえに 、強 力 な 磁 界 を 得 る こ と が で き る は ず 。ネ オ ジ 磁 石 の 形 状 は 円 形（或 い は 円 柱 ）で は あ る が 、「 磁 力 ご ま 」 の 資 料 か ら 判 断 す る と 、 独 楽 の ス カ ー ト 部 分 に ２ つ の ネ オ ジ 磁 石 を取り付ければ、リング磁石と同様の磁界を独楽に配置することができるはず、と考えた。図４のような独楽の試作品を作り、回転試験を試みた。不十分ながら、回転が持続されそうなことがわかった。独楽の大きさ、回転軸の長さ、スカート下の長さ、磁石の大きさ及び強さ、磁石の 取 り 付 け 位 置 、等 々 色 々 と 変 更 し て 、よ り 安 定 し た 回 転 を す る 独 楽 を 見 い だ す こ と に 努 め た 。

ネオジ磁石

図４SNN

S

ネオジ磁石を用いた独楽

最終的に、これとして選択した独楽は次のようにして製作した。写真７，８に独楽の原料を示している。店の文房具部門で販売している黒板などに書類を留めておくためのマグネットである。これは今までの通常の文具マグネット（フェライト製）と違い、透明さを売り物にした
新 型 の 文 具 マ グ ネ ッ ト で あ る 。 写 真 か ら 一 目 瞭 然 で あ ろ う 。。 こ の よ う な 文 具 マ グ ネ ッ ト は 今までに目にしたことはなかった。最近初めて目にした商品である。ネオジ磁石は結構高価であり、一般ではなかなか購入することができなかったものである。透明な円形プラスチックの一部に小さいながら強力なネオジ磁石が埋め込まれている。写真８でよく見える。円形のプラス
チ ッ ク の 直 径 は ３ ０ mm 、 ネ オ ジ 磁 石 の 大 き さ は 直 径 ５ mm 、 高 さ ３ mm で あ る 。 写 真 ８ か らわかるように、この磁石は独楽として使うのに好都合なことに、中心からずれたところに取り付けられている。円盤の中心部に穴を開け回転軸を取り付け、磁石の対称位置に穴を開けて同じネオジ磁石を取り付ければ、独楽ができる。写真９がそれである。
独楽のパラメータは次の通りである。全重４．９ｇ、ネオジ磁石を対称位置（取り付け半径７ mm ） に ２ つ 、 ス カ ー ト の 直 径 ３ ０ mm、 回 転 軸 （ ア ク リ ル 棒 ） の 直 径 ２ ｍ ｍ 。 回 転 軸 は ス‑5‑

カートにきつめに差し込む。接着はしない。スカート下の回転軸の長さが安定した回転運動に微妙に影響するので、微調整することができるようにするためである。
写真９の独楽を用いたとき、安定した連続回転状態が得られるのは、スカート下の回転軸の長 さ が ６ mm 〜９ mm の時である。それ で も １ mm の 長 さ の 違 い で 回 転 状 態 は 結 構 異 な る 。 電
源電圧は５Ｖ〜２０Ｖであった。回転開始時には高い電圧にしておき、安定回転状態に入った時点で、電圧を下げても安定回転動作は持続する。その様子を写真１０で示している。が、独楽は半透明であり、回転しながら動き回っているので、その姿が良く映っていない。１２時と１時の文字の間当たりに位置しているのであるが。カラーならば薄黄色で見れるが、白黒では全く見れないようである。

写真７ ネオジ磁石を用いた文具マグネット

写真９

調子の良い独楽

写真８

写真１０

写真１１‑6‑

左の拡大

独楽の回転取り付けたソレノイド

写真１０から、写真６で示している時計の透明窓を逆さにし、残りの部分はスペーサを用いて台として上手い具合に利用していることが見てとれよう。写真１１には、台の中の中央部に取り付けたソレノイドコイルの様子が示されている。ソレノイドコイルの上端に、球形状の皿が密着している。
（２）大型「永久独楽」の製作
重さ５ｇの独楽の回転に成功したので、更に大きな独楽に挑戦した。写真１２が独楽で、写
真 １ ３ が ソ レ ノ イ ド で あ る 。 独 楽 は ス カ ー ト の 厚 さ ３ mm 、 直 径 ７ ０ mm の ア ク リ ル 円 盤 、 回転 軸 は 直 径 ６ mm の ア ク リ ル 棒 で あ る 。 円 盤 の 半 径 １ ５ mm の 対 称 位 置 の ２ 箇 所 に １ ０ mm φの 穴 を 開 け 、 ネ オ ジ 磁 石 を 挟 み 込 ん で い る 。 ネ オ ジ 磁 石 の 大 き さ は 直 径 １ ０ mm 、厚さ３ mmである。回転軸は微調整ができるようにきつく差し込んでいる。独楽の全重は１７．１ｇとなった。ソレノイドは「中型」とほぼ同じ規格である。相違点はコイル線として直径が倍の直径０．２ｍｍのウレタン線を用いている点だけである。
写 真 １ ４ に 大 型 独 楽 の 安 定 回 転 の 様 子 を 示 し て い る 。中型独楽ほど勢い良く回転はしないが 、安定回転は中型独楽以上である。
直 径 １ ５ mm 、 厚 さ ３ mm の ネ オ ジ 磁 石 を ２ 個 、 取 り 付 け 半 径 １ ０ mm と し た 同 型 の 独 楽 も作成した。回転安定性は非常に良好である。
取り付け半径２０ mm と し て 、 ２ 個 の ネ オ ジ 磁 石 を 対 称 位 置 に 取 り 付 け た 独 楽 、 ４ 個 の ネ オジ磁石を９０°のづつずらして取り付けた独楽も作成してみた。これらの回転状態は思わしくなかった。
このように、ネオジ磁石を取り付ける半径長の大小、ネオジ磁石の個数、ネオジ磁石の取り付け向き、等により独楽の回転安定性に顕著な相違が見られる。今のところは詳しく分析はしていない。試験すれば、面白い所見が得られるのではないかと考える。
一応の所見は次のようなものである。
・ 磁 石 の 取 り 付 け 半 径 が ２ ０ mm で は 不 調 、 １ ５ mm 良 、 １ ０ mm 好 調 。
・取り付ける磁石の個数１個では不調、２個が良、４個では不調。
・取り付け半径が同じで、磁石数も同じなとき、大きい磁石ほど良好。

写真１２ 「大型」独楽

写真１３‑7‑「大型」独楽用ソレノイド

写真１４「大型」独楽の回転状態

写真１５

３つの独楽

３．終わりに
写真１５に 、３ つ の 独 楽 の 回 転 を １ 堂 に 集 め て 示 し て い る 。左 が 大 型 、中 央 が 中 型 、右が「 磁力ごま」である。
ガ ウ ス メ ー タ で 磁 束 密 度 を 測 定 す る と 。「 磁 力 ご ま 」 の フ ェ ラ イ ト 磁 石 の 磁 束 密 度 は 最 大 で約５００ガウス程度、ネオジ磁石のそれは約３０００ガウスであった。約６倍の強度である。
中型独楽は高速で軽快に回転してくれるが、始動時に上手くかつ早く回さないと、安定した回転動作に行かないので、まだまだ調整の余地がありそうである。
大 型 は 安 定 し て 回 転 し 続 け る が 、中 型 と 比 較 す る と 、回 転 速 度 が 遅 い 。磁石の取り付け位置 、磁石の大きさ、磁石の個数などを調整することで、軽快に回転動作をさせることができそうである。
更 に 大 き な ソ レ ノ イ ド コ イ ル を （ 軟 鉄 コ ア 、 直 径 ２ ０ mm 、 長 さ ８ ０ mm 、 巻 数 及 び ウ レ タ
ン線直径は大型独楽のソレノイドと同じ）作成し、調子の良かった中型独楽及び、大型独楽での回転動作を試験してみた。不調であった。特別に更に大きな独楽は作成はしてみていない。
ソレノイドの大きさにあった独楽が必要なようである。今後それを作るかどうか今のところ決めていない。このあたりで、一応製作を終了し、他の仕事に取りかかりたいのである。
以 上 か ら わ か る よ う に 、「 磁 気 ご ま 」 と は 異 な っ た 磁 石 を 用 い 、 大 き な 永 久 独 楽 を 安 定 し て回転させることに成功した。得られた結果から判断すると、色々な変種も可能であり、更なる改良方法が沢山ありそうである。もっともっと大きな独楽を回転させることもできるのかもしれない。
この独楽の製作は学園祭への参加作品として取り組んだものである。次回の学園祭にその様な独楽の作成に取りかかるかどうかは今のところ決めていない。
２００１年１１月１５日‑8‑

資料１／２‑9‑資料２／２‑10‑