JP2009075708A - Device and program for analyzing particle behavior - Google Patents
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- Dry Development In Electrophotography (AREA)
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Abstract
Description
本発明は、粒子挙動解析装置およびプログラムに関する。より詳細には、粉体の性質を呈する粒子の挙動をシミュレーションにより解析する仕組みに関する。たとえば、プリンタ装置、ファクシミリ装置、あるいはそれらの機能を有する複合機などの画像形成装置において使用される粉体(トナー粒子やキャリア粒子など)などにおける、1種もしくは複数種の粒子が混合された状態での粒子の挙動をシミュレーションにより解析する仕組みに関する。 The present invention relates to a particle behavior analysis apparatus and a program. More specifically, the present invention relates to a mechanism for analyzing the behavior of particles exhibiting powder properties by simulation. For example, a state in which one or more kinds of particles are mixed in powder (toner particles, carrier particles, etc.) used in an image forming apparatus such as a printer device, a facsimile device, or a multifunction device having the functions thereof It is related with the structure which analyzes the behavior of the particle in the simulation by simulation.
たとえば、プリンタ装置、ファクシミリ装置、あるいはそれらの機能を有する複合機などの画像形成装置において、電子写真方式を利用する場合、一般的には、感光ドラムなどの光導電性絶縁体上に一様な静電荷を与え、様々な手段によりこの光導電性絶縁体上に光像を照射することによって静電潜像を形成し、次いで、形成した潜像を現像器を用いて磁性粉体を用いて現像可視化し、紙などの記録媒体にトナー粉像を転写した後に定着させ、印刷物を得る。 For example, when an electrophotographic system is used in an image forming apparatus such as a printer device, a facsimile device, or a multifunction device having these functions, it is generally uniform on a photoconductive insulator such as a photosensitive drum. An electrostatic latent image is formed by applying an electrostatic image by irradiating a light image on this photoconductive insulator by various means, and then using the magnetic powder using the developing device. Development is visualized, and the toner powder image is transferred to a recording medium such as paper and then fixed to obtain a printed matter.
このような電子写真法による画像形成装置においては、容器に収容されている磁性粉体の攪拌や磁性ローラへの搬送、磁性ローラへの吸着、記録画像に応じて帯電され潜像が形成されている感光体への飛翔などの振る舞いが記録画像の画質に影響を与える。そこで、この磁性粉体の挙動の解析が電子写真装置本体や現像装置の開発にとって重要となる。 In such an electrophotographic image forming apparatus, the magnetic powder contained in the container is stirred, conveyed to the magnetic roller, adsorbed to the magnetic roller, and charged according to the recorded image to form a latent image. The behavior such as flight to the existing photoconductor affects the quality of the recorded image. Therefore, analysis of the behavior of the magnetic powder is important for the development of the electrophotographic apparatus main body and the developing apparatus.
粉体や粒体(何れも個々の粒子の集合体の意味である)などにおいて個々の粒子の挙動シミュレーションについては、個別要素法あるいは離散粒子法と呼ばれる方法が普及されている。個別要素法は粉体を構成する個々の粒子の挙動を運動方程式に基づいて追跡することにより、精度よく粉体の挙動をシミュレートする方法である。粉体の性質を個々の粒子として取り扱う粒子挙動解析を粒子シミュレーションとも称する。 A method called an individual element method or a discrete particle method is widely used for behavior simulation of individual particles in powders and granules (both meaning the aggregate of individual particles). The discrete element method is a method of accurately simulating the behavior of powder by tracking the behavior of individual particles constituting the powder based on the equation of motion. Particle behavior analysis that handles the properties of powder as individual particles is also called particle simulation.
粉体や粒体などの粒子の挙動シミュレーションについては、個別要素法あるいは離散粒子法と呼ばれる方法が普及されている。しかしながら、個別要素法に基づいた粒子挙動計算アルゴリズムでは、概ね粒子数の2乗で解析負荷が増大するので、粒子数が多くなると、計算量が膨大になり、いくら計算機の性能が向上したとはいっても、実際の系と同等の粒子数での計算を実行することは困難な場合が多い。 Regarding behavioral simulation of particles such as powders and granules, a method called individual element method or discrete particle method is widely used. However, in the particle behavior calculation algorithm based on the discrete element method, the analysis load increases approximately by the square of the number of particles. Therefore, if the number of particles increases, the amount of calculation becomes enormous and the performance of the computer improves. However, it is often difficult to perform calculations with the same number of particles as the actual system.
そこで、従来の粒子挙動シミュレーション方法として、計算時間の短縮を目的として、プログラムがインストールされた電子計算機を複数台使用し、各プログラムの並列化動作による分散処理が提案されている(非特許文献1〜5、特許文献1を参照)。 Thus, as a conventional particle behavior simulation method, a distributed processing using a parallel operation of each program using a plurality of electronic computers installed with a program has been proposed for the purpose of shortening the calculation time (Non-patent Document 1). ~ 5, see Patent Document 1).
たとえば、非特許文献1,2では、分子動力学(Molecular Dynamics;MD)法においては、粒子分割法、領域分割法、力分割法などの並列処理手法が開示されている。一方、複数種類の粒子間相互作用を考慮した仕組みとして、非特許文献3および特許文献1に記載の仕組みがある。これらの文献では、計算コスト、通信コスト、メモリコストを考慮して、これらを比較すると領域分割法が最も高い性能を示し、当該手法を現像剤粒子シミュレーションに適用する事例が開示されている。たとえば、現像剤粒子シミュレーションに領域分割並列化法を適用した提案がなされている。 For example, Non-Patent Documents 1 and 2 disclose parallel processing methods such as a particle division method, a region division method, and a force division method in the molecular dynamics (MD) method. On the other hand, there are mechanisms described in Non-Patent Document 3 and Patent Document 1 as a mechanism that considers the interaction between multiple types of particles. In these documents, in consideration of calculation cost, communication cost, and memory cost, the region division method shows the highest performance when compared, and an example in which the method is applied to developer particle simulation is disclosed. For example, a proposal has been made in which a region division parallelization method is applied to developer particle simulation.
他方、非特許文献4,5では、領域分割法に周期境界条件を導入することによって、個別要素法の課題である計算時間の短縮を図る仕組みが開示されている。この仕組みでは、個別要素法では、計算負荷が多大であるため、計算規模が限定されるしまた粒子間の磁気相互作用を考えた場合には、解析領域の境界近傍では解析領域外には粒子が存在しないことを起因として、磁気相互作用が過少に評価されてしまう難点を解消しようとしている。 On the other hand, Non-Patent Documents 4 and 5 disclose a mechanism for reducing the calculation time, which is a problem of the individual element method, by introducing a periodic boundary condition into the region division method. In this mechanism, the computational load is large in the discrete element method, so the calculation scale is limited, and when considering the magnetic interaction between particles, particles outside the analysis region are near the boundary of the analysis region. The problem is that the magnetic interaction is underestimated due to the absence of.
本発明は、粒子間相互作用を複数の計算機で処理する粒子挙動シミュレーションにおいて、領域分割法に周期境界条件を導入するよりも計算負荷や通信負荷を低減できる仕組みを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a mechanism capable of reducing a calculation load and a communication load in a particle behavior simulation in which an interparticle interaction is processed by a plurality of computers, rather than introducing a periodic boundary condition into a region division method.
請求項1に記載の発明は、解析対象範囲内の解析対象粒子を、力マトリクスを使用した力分割法を適用可能なように、ネットワーク接続された複数の計算装置のそれぞれに割り当てる分割処理部と、前記分割処理部による分割処理により割り当てられた分割部分について、前記力分割法に従って計算する、ネットワーク接続された各計算装置に備えられたデータ処理部とを備え、前記分割処理部は、前記解析対象範囲を所定方向に分割してその一部の分割領域を注目領域に設定し、この注目領域内の解析対象粒子を、前記力分割法を適用可能なように前記複数の計算装置に備えられた各データ処理部のそれぞれに割り当てるとともに、前記注目領域に隣接する所定範囲に対して複写領域を配置し当該複写領域の粒子に所定の物性を割り当て、前記データ処理部は、前記力分割法を適用して、自身が担当する前記注目領域内の解析対象粒子について、他の前記データ処理部が担当する前記注目領域内の解析対象粒子および前記複写領域の粒子との相互作用力を計算することで、前記粒子の挙動を解析することを特徴とする粒子挙動解析装置である。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a division processing unit that assigns analysis target particles within an analysis target range to each of a plurality of network-connected computing devices so that a force division method using a force matrix can be applied. A data processing unit included in each network-connected computing device that calculates a divided portion assigned by the division processing by the division processing unit according to the force division method, and the division processing unit includes the analysis The target range is divided in a predetermined direction, a part of the divided area is set as the attention area, and the analysis target particles in the attention area are provided in the plurality of calculation devices so that the force division method can be applied. Assigning to each of the data processing units, placing a copy area with respect to a predetermined range adjacent to the area of interest, and assigning predetermined physical properties to particles in the copy area, The data processing unit applies the force splitting method, and the analysis target particle in the region of interest for which the data processing unit is responsible and the copy region The particle behavior analysis apparatus is characterized by analyzing the behavior of the particles by calculating the interaction force with the particles.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明においてさらに、前記分割処理部は、前記注目領域の粒子の物性を複写して前記複写領域の粒子の物性に割り当てることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the division processing unit copies the physical properties of the particles in the region of interest and assigns them to the physical properties of the particles in the copied region. .
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明においてさらに、前記分割処理部は、前記解析対象範囲の処理プロセスに沿う方向に対して直交する方向に沿って分割してその一部の分割領域を前記注目領域に設定することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the division processing unit is further divided along a direction orthogonal to a direction along the processing process of the analysis target range. The divided area is set as the attention area.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明においてさらに、前記分割処理部は、前記処理プロセスに沿う方向に回転するロール状の部材の長手方向に沿って分割してその一部の分割領域を前記注目領域に設定することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the split processing section is further divided along the longitudinal direction of a roll-shaped member that rotates in a direction along the processing process. The divided area is set as the attention area.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明においてさらに、前記分割処理部は、前記長手方向の中央部の分割領域を前記注目領域に設定し、その前記注目領域の前記長手方向の両側に前記複写領域を設定することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the division processing unit sets a divided area at a central portion in the longitudinal direction as the attention area, and the longitudinal direction of the attention area. The copy areas are set on both sides of the image.
請求項6に記載の発明は、請求項4に記載の発明においてさらに、前記分割処理部は、前記長手方向の端部の分割領域を前記注目領域に設定し、その前記注目領域の前記長手方向の前記端部と反対側に前記複写領域を設定することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the division processing unit sets a divided area at an end portion in the longitudinal direction as the attention area, and the longitudinal direction of the attention area. The copy area is set on the side opposite to the end portion.
請求項7に記載の発明は、請求項1に記載の発明においてさらに、前記分割処理部は、前記解析対象範囲を処理プロセスに沿って分割してその一部の分割領域を前記注目領域に設定することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the division processing unit divides the analysis target range along a processing process and sets a partial region as the attention region. It is characterized by doing.
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の発明においてさらに、前記分割処理部は、最初の過程の分割領域を前記複写領域として、前記処理プロセスに沿って分割した最終の過程の分割領域の粒子の情報の一部を前記最初の過程の分割領域の粒子の対応する一部の情報として割り当てるととともに、前記最初の過程の分割領域の粒子の残りの情報は所定の条件に従って割り当てることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the seventh aspect of the present invention, the division processing unit further divides the final process by dividing the first process as the copy area along the processing process. A part of the information on the particles in the region is assigned as a corresponding part of the information on the particles in the divided region in the first process, and the remaining information on the particles in the divided region in the first process is assigned according to a predetermined condition. It is characterized by.
請求項9に記載の発明は、請求項1に記載の発明においてさらに、前記データ処理部は、前記注目領域および前記複写領域を粒子サイズと同程度の大きさのセルで分割し、セル番号と粒子番号との対応づけを行ない、着目粒子の属するセルと当該着目粒子の属するセルの近傍のセルに属する他の粒子との距離を算出して相互作用力を計算することを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the data processing unit further divides the region of interest and the copy region into cells having a size similar to a particle size, It is associated with the particle number, and the interaction force is calculated by calculating the distance between the cell to which the target particle belongs and the other particles belonging to the cell in the vicinity of the cell to which the target particle belongs.
請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の発明においてさらに、前記データ処理部は、距離の近い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である近距離力であるのか、距離の遠い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である遠距離力であるのかに基づき、前記着目粒子と前記他の粒子との相互作用力についての計算時に設定する前記近傍のセルの範囲を設定することを特徴とする。 The invention according to claim 10 is the invention according to claim 9, wherein the data processing unit is a short-distance force that is an interaction force that performs an analysis focusing on an interaction with a particle having a short distance. The neighborhood set when calculating the interaction force between the particle of interest and the other particles based on whether the interaction force is a long-distance force that performs an analysis focusing on the interaction with a particle at a distance A range of cells is set.
請求項11に記載の発明は、請求項1に記載の発明においてさらに、前記データ処理部は、前記注目領域内の着目粒子と前記複写領域内の他の粒子との距離に応じて、相互作用力の計算頻度を設定することを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the data processing unit interacts according to a distance between the target particle in the target region and another particle in the copy region. It is characterized by setting the frequency of force calculation.
請求項12に記載の発明は、電子計算機に備えられる中央演算制御部を、解析対象範囲内の解析対象粒子を、力マトリクスを使用した力分割法を適用可能なように、ネットワーク接続された複数の計算装置のそれぞれに割り当てる分割処理部と、前記分割処理部による分割処理により割り当てられた分割部分について、前記力分割法に従って計算する、ネットワーク接続された各計算装置に備えられたデータ処理部と、して機能させるとともに、前記分割処理部により、前記解析対象範囲を所定方向に分割してその一部の分割領域を注目領域に設定し、この注目領域内の解析対象粒子を、前記力分割法を適用可能なように前記複数の計算装置に備えられた各データ処理部のそれぞれに割り当てるとともに、前記注目領域に隣接する所定範囲に対して複写領域を配置し当該複写領域の粒子に所定の物性を割り当て、前記データ処理部により、前記力分割法を適用して、自身が担当する前記注目領域内の解析対象粒子について、他の前記データ処理部が担当する前記注目領域内の解析対象粒子および前記複写領域の粒子との相互作用力を計算することで、前記粒子の挙動を解析することを特徴とするプログラムである。 In the invention according to claim 12, the central processing control unit provided in the electronic computer is connected to a plurality of networks connected so that a force dividing method using a force matrix can be applied to analysis target particles in the analysis target range. A division processing unit assigned to each of the computing devices, and a data processing unit provided in each network-connected computing device that calculates a division portion assigned by the division processing by the division processing unit according to the force division method; And the division processing unit divides the analysis target range in a predetermined direction and sets a part of the divided region as the attention region, and the analysis target particles in the attention region are subjected to the force division. Assigning to each of the data processing units provided in the plurality of computing devices so that the method can be applied, and to a predetermined range adjacent to the region of interest Then, a copy region is arranged, predetermined physical properties are assigned to the particles in the copy region, and the force dividing method is applied by the data processing unit, and the analysis target particles in the region of interest that the user is in charge of The program is characterized in that the behavior of the particle is analyzed by calculating the interaction force between the analysis target particle in the region of interest and the particle in the copy region, which is handled by the data processing unit.
請求項1に記載の発明によれば、粒子間相互作用を複数の計算機で処理する粒子挙動シミュレーションにおいて、領域分割法に周期境界条件を導入するよりも計算負荷や通信負荷を低減できる粒子挙動解析装置を実現できる。 According to the first aspect of the present invention, in the particle behavior simulation in which the interaction between particles is processed by a plurality of computers, the particle behavior analysis that can reduce the calculation load and the communication load than introducing the periodic boundary condition into the region division method. A device can be realized.
請求項2に記載の発明によれば、複写領域の粒子物性の設定が簡単である。 According to the second aspect of the present invention, it is easy to set the particle physical properties of the copy area.
請求項3に記載の発明によれば、処理プロセスの影響を受けずに、力分割法に周期境界条件を導入することができる。 According to the third aspect of the present invention, the periodic boundary condition can be introduced into the force division method without being affected by the processing process.
請求項4に記載の発明によれば、さらに分割位置による場の影響を受けずに、力分割法に周期境界条件を導入することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the periodic boundary condition can be introduced into the force division method without being affected by the field due to the division position.
請求項5に記載の発明によれば、ロール部材の長手方向の中央部での粒子の挙動を、力分割法に周期境界条件を導入して解析することができる。 According to invention of Claim 5, the behavior of the particle | grains in the center part of the longitudinal direction of a roll member can be analyzed by introduce | transducing a periodic boundary condition into a force division method.
請求項6に記載の発明によれば、ロール部材の長手方向の端部での粒子の挙動を、力分割法に周期境界条件を導入して解析することができる。 According to invention of Claim 6, the behavior of the particle | grains in the edge part of the longitudinal direction of a roll member can be analyzed by introduce | transducing a periodic boundary condition into a force division method.
請求項7に記載の発明によれば、処理プロセスに沿った粒子の挙動を、力分割法に周期境界条件を導入して解析することができる。 According to the seventh aspect of the present invention, the behavior of particles along the processing process can be analyzed by introducing a periodic boundary condition into the force splitting method.
請求項8に記載の発明によれば、プロセス方向での粒子の挙動を考慮して複写領域に割り当てる粒子情報の物性を調整することで、より現実に即した解析ができるようになる。 According to the invention described in claim 8, it is possible to perform a more realistic analysis by adjusting the physical properties of the particle information assigned to the copy area in consideration of the behavior of the particles in the process direction.
請求項9に記載の発明によれば、相互作用計算をする対象粒子数を低減でき、その結果、計算負荷を一層低減できる。 According to the ninth aspect of the present invention, the number of target particles for calculating the interaction can be reduced, and as a result, the calculation load can be further reduced.
請求項10に記載の発明によれば、近距離力と遠距離力の相違に基づき、近傍のセルの範囲を適正に設定して、力分割法に周期境界条件を導入した解析を行なうことができる。 According to the invention described in claim 10, based on the difference between the short-range force and the long-range force, the analysis can be performed by appropriately setting the range of the neighboring cells and introducing the periodic boundary condition into the force division method. it can.
請求項11に記載の発明によれば、相互作用力の計算負荷を一層低減できる。 According to the eleventh aspect, the calculation load of the interaction force can be further reduced.
請求項12に記載の発明によれば、粒子間相互作用を複数の計算機で処理する粒子挙動シミュレーションにおいて、計算負荷や通信負荷をより低減できる仕組みを、コンピュータを用いて実現できる。 According to the invention described in claim 12, in the particle behavior simulation in which the interaction between particles is processed by a plurality of computers, a mechanism capable of further reducing the calculation load and the communication load can be realized using a computer.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下においては、解析対象粒子が存在する装置として、たとえば、プリンタ装置、ファクシミリ装置、あるいはそれらの機能を有する複合機などの画像形成装置を例に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, an image forming apparatus such as a printer apparatus, a facsimile apparatus, or a multifunction machine having these functions will be described as an example of the apparatus in which the analysis target particles exist.
解析対象粒子との関係においては、トナー粒子のみあるいはキャリア粒子とトナー粒子からなる現像剤を用いる電子写真方式による画像形成装置の現像装置における現像剤挙動解析に着目する。ただしこれは一例であって、本実施形態の仕組みが適用される装置は画像形成装置に限定されない。 In relation to the analysis target particles, attention is paid to developer behavior analysis in a developing device of an electrophotographic image forming apparatus using only toner particles or a developer composed of carrier particles and toner particles. However, this is merely an example, and an apparatus to which the mechanism of the present embodiment is applied is not limited to an image forming apparatus.
<画像形成装置の概要>
図1は、印刷装置(プリンタ)や複写装置(コピー機)などの電子写真方式の画像形成装置の一構成例を示す図である。図示のように、画像形成装置1は、感光体10を中心として、その近傍に配された直流電源22、交流バイアス電源24、および帯電部26を具備した帯電装置20、レーザ光源32やポリゴンミラー34やモータ36を具備した露光装置30、図示しない攪拌機構を備えた現像装置40、転写電源52および転写部54を具備した転写装置50、およびブレード機構を持つクリーニング装置60と、用紙搬送路上の後流側の所定位置に配されたロール機構を具備した定着装置70とを備えている。
<Outline of image forming apparatus>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an electrophotographic image forming apparatus such as a printing apparatus (printer) or a copying apparatus (copier). As shown in the figure, the image forming apparatus 1 includes a charging device 20 including a DC power source 22, an AC bias power source 24, and a charging unit 26 arranged around the photoreceptor 10, a laser light source 32, and a polygon mirror. 34, a developing device 40 having a stirring mechanism (not shown), a transfer device 50 having a transfer power source 52 and a transfer unit 54, a cleaning device 60 having a blade mechanism, and a paper transport path. And a fixing device 70 having a roll mechanism arranged at a predetermined position on the wake side.
画像形成装置1を複写装置として構成する場合、先ず、帯電装置20によって、直流電源22からの直流電圧に交流バイアス電源24からの交流バイアス電圧を重畳させて帯電電位(初期電位)を生成し、この帯電電位で、感光体10の表面を一様な表面電位に帯電させる。 When the image forming apparatus 1 is configured as a copying apparatus, first, the charging device 20 generates a charging potential (initial potential) by superimposing the AC bias voltage from the AC bias power source 24 on the DC voltage from the DC power source 22. With this charging potential, the surface of the photoreceptor 10 is charged to a uniform surface potential.
この後、原稿を図示しない読取装置によってスキャンして得た画像データに従って感光体10の表面に露光装置30に備えられるレーザ光源32から発せられるレーザ・ビームをモータ36により回転駆動されるポリゴンミラー34でスキャンすることによって、感光体10表面を露光して所望の潜像電位からなる静電潜像を形成する。 After that, a polygon mirror 34 that is rotated by a motor 36 with a laser beam emitted from a laser light source 32 provided on the exposure device 30 on the surface of the photoreceptor 10 in accordance with image data obtained by scanning the original with a reading device (not shown). Scanning, the surface of the photoconductor 10 is exposed to form an electrostatic latent image having a desired latent image potential.
続いて、現像装置40は、図示しない攪拌機構において所定色のトナー粒子やキャリア粒子などでなる現像剤粒子102を混合しながら、その現像剤粒子102中のトナー粒子を感光体10の表面に形成されている静電潜像に重畳することでトナー像を感光体10の表面に形成させる。 Subsequently, the developing device 40 forms the toner particles in the developer particles 102 on the surface of the photoreceptor 10 while mixing the developer particles 102 including toner particles and carrier particles of a predetermined color in a stirring mechanism (not shown). A toner image is formed on the surface of the photoconductor 10 by being superimposed on the electrostatic latent image.
この後、転写装置50は、感光体10の表面に形成されているトナー像を、外部から搬送されてきた印刷用紙上に転写する。感光体10と転写部54とが対向する所定範囲を転写領域と称し、転写プロセスについての粒子挙動解析では、現像剤粒子102(特にトナー粒子)に作用する電場および重力場を考慮する必要がある。 Thereafter, the transfer device 50 transfers the toner image formed on the surface of the photoreceptor 10 onto the printing paper conveyed from the outside. A predetermined range in which the photoconductor 10 and the transfer unit 54 face each other is referred to as a transfer region, and in the particle behavior analysis regarding the transfer process, it is necessary to consider an electric field and a gravitational field acting on the developer particles 102 (particularly toner particles). .
転写済の用紙は定着装置70側に搬送され、定着装置70にて加熱溶融・圧着作用によりトナー像を転写体としての印刷用紙上に定着する。定着済の用紙は、図示しない排出装置によって、画像形成装置1の外に排紙される。 The transferred sheet is conveyed to the fixing device 70 side, and the fixing device 70 fixes the toner image onto a printing sheet as a transfer body by heating, melting and pressing. The fixed paper is discharged out of the image forming apparatus 1 by a discharge device (not shown).
一方、クリーニング装置60は、転写装置50による転写後の感光体10の表面に残留する残留トナーを除去する。清掃後の感光体10の表面には残留電位が残っているが、帯電装置20で初期電位を印加してから次の電子写真プロセスに利用される。 On the other hand, the cleaning device 60 removes residual toner remaining on the surface of the photoreceptor 10 after being transferred by the transfer device 50. Although the residual potential remains on the surface of the photoreceptor 10 after cleaning, it is used in the next electrophotographic process after the initial potential is applied by the charging device 20.
なお、カラー画像形成用の画像形成装置1を構成する場合、画像形成に関わる主要部の構成としては、たとえば転写装置50にて直接に用紙に感光体10のトナー像を転写体である用紙に転写させるのではなく、たとえば、K(黒),Y(イエロー),M(マゼンタ),C(シアン)の出力色に対応する複数のエンジンを、たとえばK→Y→M→Cの順にインライン状に配列し、K,Y,M,Cの画像を4つのエンジンで並列的(同時進行的)に処理する、すなわち配置位置に応じた時間を隔てて、1色ずつ中間転写ベルトに感光体10のトナー像を転写(特に1次転写という)させ、その後、中間転写ベルト上のトナー像を用紙に転写(特に2次転写という)させるように構成したタンデム型のカラー画像形成装置にしてもよい。 In the case where the image forming apparatus 1 for color image formation is configured, as a configuration of a main part related to image formation, for example, the toner image of the photoconductor 10 is directly applied to a sheet by a transfer device 50 on a sheet as a transfer body. For example, a plurality of engines corresponding to output colors of K (black), Y (yellow), M (magenta), and C (cyan) are inlined in the order of K → Y → M → C, for example. The K, Y, M, and C images are processed in parallel (simultaneously) by four engines, that is, the photosensitive member 10 is placed on the intermediate transfer belt one color at a time according to the arrangement position. The toner image may be transferred (particularly referred to as primary transfer), and then the toner image on the intermediate transfer belt may be transferred onto the paper (particularly referred to as secondary transfer). .
このような電子写真プロセスでは、感光体10に対する帯電、スキャンした原稿イメージの露光、現像すなわち感光体10へのトナー重畳、用紙へのトナー転写およびトナー定着、感光体10のクリーニングという複数の工程からなる。このような電子写真プロセスでは、たとえば、攪拌、現像、転写などの各プロセスにおいて粉体挙動解析シミュレーションを適用することで、現実に画像形成実験を行なうことなく、形成される画像を予測し評価することができる。 In such an electrophotographic process, charging of the photoconductor 10, exposure of a scanned original image, development, that is, toner superimposition on the photoconductor 10, toner transfer to a sheet and toner fixing, and cleaning of the photoconductor 10 are performed. Become. In such an electrophotographic process, for example, by applying a powder behavior analysis simulation in each process such as stirring, development, and transfer, an image to be formed is predicted and evaluated without actually performing an image forming experiment. be able to.
たとえば、転写プロセスでは、感光体表面粗さや、感光体・中間転写ベルトや用紙などの転写体間の速度差、転写体の接触幅などの転写プロセスにおける条件パラメータを変更しながら、粉体挙動解析シミュレーションを繰り返し行なっていくことで、転写プロセスを再現しながら形成される画質の評価を行なうことができる。 For example, in the transfer process, the powder behavior analysis is performed while changing the condition parameters in the transfer process such as the surface roughness of the photoconductor, the speed difference between the transfer bodies such as the photoconductor / intermediate transfer belt and paper, and the contact width of the transfer body By repeating the simulation, it is possible to evaluate the image quality formed while reproducing the transfer process.
<現像装置の概要>
図1Aは、画像形成装置1に使用される現像装置40の一構成例を示す図である。図1A(1)に示すように、現像装置40は、感光体10に対向して配置されており、現像剤粒子102を収納容器101の内部に充填している。収納容器101は、現像剤粒子102を感光体10側に飛翔させるための開口部101aが形成されている。
<Overview of development device>
FIG. 1A is a diagram illustrating a configuration example of the developing device 40 used in the image forming apparatus 1. As shown in FIG. 1A (1), the developing device 40 is disposed so as to face the photoconductor 10 and fills the inside of the storage container 101 with developer particles 102. The storage container 101 has an opening 101a for causing the developer particles 102 to fly toward the photoreceptor 10 side.
現像剤102は、図1A(2)に示すように、それぞれ物性や粒径の異なるキャリア粒子102aとトナー粒子102b(たとえば黒色トナー粒子)とを含有して構成された2成分方式のものである。キャリア粒子102aとトナー粒子102bとの対によって、全体として磁性粉体が形成されるようにしている。すなわち、キャリア粒子102aは磁性体から構成され、マグネットに吸着するようになっている。一方、トナー粒子102bは非磁性トナーであって、所定の色を持つ粉体である。一般的には、キャリア粒子102aの粒径の方がトナー粒子102bの粒径よりも大きい。なお、トナー粒子102bとしては、磁性トナーを使用することも可能である。 As shown in FIG. 1A (2), the developer 102 is a two-component system configured to contain carrier particles 102a and toner particles 102b (for example, black toner particles) having different physical properties and particle sizes. . The pair of carrier particles 102a and toner particles 102b forms a magnetic powder as a whole. That is, the carrier particles 102a are made of a magnetic material and are attracted to the magnet. On the other hand, the toner particles 102b are non-magnetic toner and are powder having a predetermined color. In general, the particle size of the carrier particles 102a is larger than the particle size of the toner particles 102b. As the toner particles 102b, magnetic toner can be used.
また、現像剤102には、前述のキャリア粒子102aおよびトナー粒子102bの他に、粉体流動性、帯電性、転写性、あるいはクリーニング性を確保するための粒子径(平均粒子径で約1〜50ナノメートル)の小さな物質(外添剤102c)が混合されている。たとえば外添剤102cとしては、酸化チタンやシリコーンオイル含有シリカなどが用いられる。 In addition to the above-described carrier particles 102a and toner particles 102b, the developer 102 has a particle size (average particle size of about 1 to about 1) to ensure powder flowability, chargeability, transferability, or cleaning properties. A small substance (external additive 102c) of 50 nanometers is mixed. For example, as the external additive 102c, titanium oxide, silica containing silicone oil, or the like is used.
収納容器101内には、表面に現像剤粒子102を担持する担持ロールの一例である現像ロール(マグロール、マグネットローラ、磁気搬送ローラとも言われる)140を、周面が開口部101aから少し突き出すように備えている。現像ロール140内には、その内周縁に沿って、所定間隔で所定数のマグネット142が配置されている。 In the storage container 101, a developing roll (also referred to as a mag roll, a magnet roller, or a magnetic transport roller) 140, which is an example of a carrying roll that carries developer particles 102 on the surface, slightly protrudes from the opening 101 a. In preparation. A predetermined number of magnets 142 are arranged in the developing roll 140 at predetermined intervals along the inner peripheral edge thereof.
また、現像装置40は、現像ロール140の近傍に、高さ規制部材や層形成部材として機能する規制ブレード(トリマーバー)150を備えており、マグネット142による磁力線に沿ってできた現像剤粒子102の磁気ブラシの高さを規制するようになっている。この規制ブレード150の攪拌搬送ロール160b側の所定範囲領域を層形成領域と称し、現像剤粒子102についての粒子挙動解析では、磁場および重力場の作用を考慮する必要がある。 Further, the developing device 40 is provided with a regulating blade (trimmer bar) 150 that functions as a height regulating member or a layer forming member in the vicinity of the developing roll 140, and the developer particles 102 formed along the magnetic force lines of the magnet 142. The height of the magnetic brush is regulated. The predetermined range region on the stirring and conveying roll 160b side of the regulating blade 150 is referred to as a layer formation region, and in the particle behavior analysis of the developer particles 102, it is necessary to consider the effects of a magnetic field and a gravitational field.
また、収納容器101内には、現像剤粒子102を攪拌するとともに現像ロール140側に搬送する1対の攪拌搬送ロール160(それぞれを160a,160bとする)を備えている。一方の攪拌搬送ロール160aは、収納容器101内の奥の方に配置され、他方の攪拌搬送ロール160bは現像ロール140と対向して配置されている。攪拌搬送ロール160は、その回転動作によって、現像剤粒子102を現像ロール140側に攪拌しながら搬送する。 In addition, the storage container 101 is provided with a pair of stirring and conveying rolls 160 (respectively referred to as 160a and 160b) for stirring the developer particles 102 and conveying them to the developing roll 140 side. One agitating / conveying roll 160 a is disposed in the back of the storage container 101, and the other agitating / conveying roll 160 b is disposed to face the developing roll 140. The agitating / conveying roll 160 conveys the developer particles 102 to the developing roll 140 side while being agitated by the rotating operation.
攪拌搬送ロール160a,160bにより攪拌・搬送される所定範囲領域を攪拌搬送領域と称し、現像剤粒子102についての粒子挙動解析では、重力場の作用を考慮する必要がある。 The predetermined range area stirred and conveyed by the agitating and conveying rolls 160a and 160b is referred to as an agitating and conveying area. In the particle behavior analysis of the developer particles 102, it is necessary to consider the action of the gravitational field.
現像ロール140は、矢印X方向に回転される感光体10とともに、感光体10と対向する側のその表面の回転移動方向が、感光体10の移動方向Xと同じ向き(矢印Y方向)に回転される。感光体10の移動方向Xと逆向きに回転駆動するようにしてもよい。 The developing roll 140 rotates together with the photoconductor 10 rotated in the direction of arrow X, and the rotational movement direction of the surface on the side facing the photoconductor 10 rotates in the same direction as the movement direction X of the photoconductor 10 (arrow Y direction). Is done. The photosensitive member 10 may be driven to rotate in the direction opposite to the moving direction X.
現像ロール140内にはマグネット142を内蔵している。現像ロール140は、現像剤102を攪拌搬送ロール160bから磁気力により吸着する。現像ロール140に吸着された現像剤102は、規制ブレード150により現像剤102の吸着量が規制される。 A magnet 142 is built in the developing roll 140. The developing roller 140 adsorbs the developer 102 from the stirring and conveying roller 160b by a magnetic force. The developer 102 adsorbed on the developing roll 140 is regulated in the amount of adsorption of the developer 102 by the regulating blade 150.
すなわち、キャリア粒子102a、トナー粒子102b、および外添剤102cは、攪拌機能を持つ攪拌搬送ロール160により攪拌され摩擦帯電されつつ現像ロール140側に搬送され、規制ブレード150によって一定の高さで、現像ロール140の周縁に付着する。 That is, the carrier particles 102a, the toner particles 102b, and the external additive 102c are agitated by the agitating / conveying roll 160 having the agitating function and conveyed to the developing roll 140 side while being frictionally charged, and are fixed at a certain height by the regulating blade 150. It adheres to the periphery of the developing roll 140.
すなわち、キャリア粒子102a、トナー粒子102b、および外添剤102cは、攪拌機能を持つ攪拌搬送ロール160により攪拌され摩擦帯電されつつ現像ロール140側に搬送され、規制ブレード150によって一定の高さで、現像ロール140の周縁に付着する。 That is, the carrier particles 102a, the toner particles 102b, and the external additive 102c are agitated by the agitating / conveying roll 160 having the agitating function and conveyed to the developing roll 140 side while being frictionally charged, and are fixed at a certain height by the regulating blade 150. It adheres to the periphery of the developing roll 140.
攪拌搬送領域と層形成領域との間の現像剤粒子102が現像ロール140に磁気吸着される所定範囲領域をピックアップ領域と称し、現像剤粒子102についての粒子挙動解析では、磁場および重力場の作用を考慮する必要がある。 A predetermined area where the developer particles 102 between the agitating and conveying area and the layer forming area are magnetically attracted to the developing roll 140 is referred to as a pickup area. In the particle behavior analysis of the developer particles 102, the action of a magnetic field and a gravitational field Need to be considered.
トナー粒子102bや外添剤102cは、キャリア粒子102aに静電力により互いに吸着されている。キャリア粒子102aは、現像ロール140に内蔵されたマグネット142からの磁場により磁気ブラシを構成する。トナー粒子102bや外添剤102cはキャリア粒子102aとともに、感光体10に対向する部分まで搬送される。 The toner particles 102b and the external additive 102c are adsorbed to the carrier particles 102a by electrostatic force. The carrier particles 102 a constitute a magnetic brush by a magnetic field from a magnet 142 built in the developing roll 140. The toner particles 102b and the external additive 102c are conveyed together with the carrier particles 102a to a portion facing the photoconductor 10.
現像ロール140は、感光体10に対向して設けられており、現像ロール140に吸着された現像剤102の内トナー粒子102bや外添剤102cは、帯電されており、感光体10に吸着される。このとき、感光体10の表面は、記録画像に応じて帯電されることで静電潜像が形成されており、トナー粒子102bや外添剤102cは、感光体10に形成された静電潜像に応じて吸着される。 The developing roll 140 is provided to face the photoconductor 10, and the inner toner particles 102 b and the external additive 102 c of the developer 102 adsorbed to the developing roll 140 are charged and adsorbed to the photoconductor 10. The At this time, the surface of the photoconductor 10 is charged in accordance with the recorded image to form an electrostatic latent image, and the toner particles 102b and the external additive 102c are formed on the electrostatic latent image formed on the photoconductor 10. Adsorbed according to the image.
つまり、現像ロール140は、キャリア粒子102aを介して現像ロール140に担持されたトナー粒子102bを感光体10側に飛翔させ、感光体10の表面に形成された潜像を現像するようになっている。この際、外添剤102cを利用して、粉体流動性、帯電性、転写性、あるいはクリーニング性を確保する。 That is, the developing roller 140 develops the latent image formed on the surface of the photoconductor 10 by causing the toner particles 102b carried on the developing roller 140 to fly to the photoconductor 10 side via the carrier particles 102a. Yes. At this time, the powder additive fluidity, charging property, transfer property, or cleaning property is secured by using the external additive 102c.
この感光体10と現像ロール140の各周縁が対向し現像作用の行なわれる所定範囲領域を現像ニップ領域と称し、現像剤粒子102についての粒子挙動解析では、電場、磁場、および重力場の作用を考慮する必要がある。 A predetermined range area where the peripheral edges of the photoconductor 10 and the developing roll 140 face each other and a developing action is performed is referred to as a developing nip area. In the particle behavior analysis of the developer particles 102, the action of an electric field, a magnetic field, and a gravitational field are expressed. It is necessary to consider.
現像処理後のキャリア粒子102aと、感光体10側に飛翔されなかったトナー粒子102bとは、収納容器101内に回収される。この現像剤粒子102の回収される所定範囲領域をピックオフ領域と称し、現像剤粒子102についての粒子挙動解析では、磁場および重力場の作用を考慮する必要がある。 The carrier particles 102a after the development processing and the toner particles 102b that have not been ejected to the photoreceptor 10 are collected in the storage container 101. The predetermined range area in which the developer particles 102 are collected is referred to as a pick-off area. In the particle behavior analysis of the developer particles 102, it is necessary to consider the effects of a magnetic field and a gravitational field.
ここで、図1A(2)に示すように、感光体10の表面は、記録画像に応じて帯電されており、トナー粒子102bや外添剤102cは、静電力により感光体10の表面に飛翔する。感光体10の表面には、飛翔したトナー粒子102bや外添剤102cが付着し、記録画像に応じたトナー像が形成される。このとき、トナー粒子102bの感光体10への吸着のされ方によって、記録画像の画質が左右される。 Here, as shown in FIG. 1A (2), the surface of the photoconductor 10 is charged according to the recorded image, and the toner particles 102b and the external additive 102c fly to the surface of the photoconductor 10 by electrostatic force. To do. The flying toner particles 102b and the external additive 102c adhere to the surface of the photoreceptor 10, and a toner image corresponding to the recorded image is formed. At this time, the image quality of the recorded image depends on how the toner particles 102b are attracted to the photoreceptor 10.
トナー粒子102bは、キャリア粒子102aにより感光体10に搬送されているので、トナー粒子102bの感光体10への吸着のされ方は、現像ロール140と感光体10との間の現像ギャップでのキャリア粒子102aおよびトナー粒子102bの挙動により決定される。このため、キャリア粒子102aおよびトナー粒子102bの挙動の解析が電子写真装置本体や現像装置40の開発にとって重要な要素となる。 Since the toner particles 102b are conveyed to the photoconductor 10 by the carrier particles 102a, how the toner particles 102b are attracted to the photoconductor 10 is determined by the carrier in the developing gap between the developing roll 140 and the photoconductor 10. It is determined by the behavior of the particles 102a and the toner particles 102b. For this reason, analysis of the behavior of the carrier particles 102a and the toner particles 102b is an important element for the development of the electrophotographic apparatus main body and the developing apparatus 40.
また、粉体流動性、帯電性、あるいはクリーニング性に影響を与えるので、やはり、キャリア粒子102aおよび外添剤102cの挙動の解析は、電子写真装置本体や現像装置40の開発にとって重要な要素となる。 Further, since it affects the powder flowability, charging property, or cleaning property, the analysis of the behavior of the carrier particles 102a and the external additive 102c is also an important factor for the development of the electrophotographic apparatus main body and the developing device 40. Become.
<粒子挙動解析システム;基本>
図2は、本発明に係る粒子挙動解析装置の一構成例である粒子挙動解析システムの基本構成を示すブロック図である。基本構成の粒子挙動解析システム200は、それぞれ粒子挙動解析機能を有する複数台の粒子挙動解析装置202がネットワーク接続されて構成されている。
<Particle behavior analysis system; basics>
FIG. 2 is a block diagram showing a basic configuration of a particle behavior analysis system which is a configuration example of the particle behavior analysis device according to the present invention. The particle behavior analysis system 200 having a basic configuration is configured by connecting a plurality of particle behavior analysis devices 202 each having a particle behavior analysis function to a network.
各粒子挙動解析装置202は、主要の処理データを相互にネットワーク208を介して伝達し合い、粒子挙動解析処理を並列的に実行可能になっており、粒子挙動解析システム200としては、事実上の並列型計算装置(クラスタ計算機)として構成されている。ネットワーク208は、通信状態がルーティング機能を持つネットワーク管理装置208aで管理されるようになっている。 Each particle behavior analysis device 202 communicates main processing data to each other via a network 208, and can perform particle behavior analysis processing in parallel. It is configured as a parallel computing device (cluster computer). The network 208 is managed by a network management device 208a whose communication state has a routing function.
各粒子挙動解析装置202は、一般の電子計算機と同様のもので構成されている。また、図示した例では、粒子挙動解析システム200を構成する各粒子挙動解析装置202の内の1台が全体を統括する計算管理ノードとしての機能を持つ主粒子挙動解析装置202aとして機能するようになっており、この主粒子挙動解析装置202aに対して残りの粒子挙動解析装置202が、主粒子挙動解析装置202aにより制御される副粒子挙動解析装置202bとしてネットワーク接続されている。 Each particle behavior analysis device 202 is configured by the same as a general electronic computer. In the illustrated example, one of the particle behavior analysis devices 202 constituting the particle behavior analysis system 200 functions as a main particle behavior analysis device 202a having a function as a calculation management node that controls the whole. The remaining particle behavior analysis device 202 is connected to the main particle behavior analysis device 202a as a secondary particle behavior analysis device 202b controlled by the main particle behavior analysis device 202a.
なお、図では便宜的に、ネットワーク管理装置208aから1本のネットワーク線を出し、そのネットワーク線上に主粒子挙動解析装置202aと副粒子挙動解析装置202bとを接続する態様で示しているが、実際には、ネットワーク管理装置208aに備えられる個別のポートに各粒子挙動解析装置202が接続され、各粒子挙動解析装置202間の通信は、このネットワーク管理装置208aを介してなされるようになっている。 In the figure, for convenience, one network line is drawn from the network management device 208a, and the main particle behavior analysis device 202a and the secondary particle behavior analysis device 202b are connected to the network line. Each particle behavior analysis device 202 is connected to an individual port provided in the network management device 208a, and communication between each particle behavior analysis device 202 is performed via the network management device 208a. .
主粒子挙動解析装置202aには、粒子挙動解析処理用の各種の操作を行なうためのキーボードやマウスなどの指示入力装置210と、処理結果をユーザに画像情報として提示する表示装置212とが接続されている。 The main particle behavior analysis device 202a is connected to an instruction input device 210 such as a keyboard and a mouse for performing various operations for particle behavior analysis processing, and a display device 212 that presents the processing result as image information to the user. ing.
このような基本構成のシステム構成を採ることで、複数種類の多体粒子間相互作用がある系について粒子挙動解析処理を行なうに当たり、各粒子の磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力;壁などと粒子間の接触力や粒子間接触)などの各相互作用について、並列処理にて解析を実行する。なお、機械的相互作用は、たとえば、壁やその他の物体と粒子間の接触力や粒子間接触による接触力である。 By adopting such a basic system configuration, when performing particle behavior analysis on a system with multiple types of multi-particle interactions, each particle's magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction Analysis of each interaction such as action (contact force; contact force between particles and particles and contact between particles) is performed in parallel processing. The mechanical interaction is, for example, a contact force between a wall or other object and particles, or a contact force due to contact between particles.
たとえば、キャリア粒子102aについてはMaxwell方程式を基礎とした磁場解析法などを利用した磁気的な運動解析を行ない、またトナー粒子102bについては粒子要素法などを利用した純力学的な運動解析やクーロン力に着目した静電界解析を行ない、最終的には、各解析結果を組み合わせて、現像剤102の流動挙動を高精度で予測する。 For example, the carrier particles 102a are subjected to magnetic motion analysis using a magnetic field analysis method based on the Maxwell equation, and the toner particles 102b are subjected to pure mechanical motion analysis and Coulomb force using the particle element method. Electrostatic field analysis focusing on the above is performed, and finally, the flow behavior of the developer 102 is predicted with high accuracy by combining the analysis results.
特に、各粒子挙動解析装置202において各相互作用の解析を行なう際、力分割法(力マトリクスを用いたアルゴリズム)を用いて解析すると、全プロセッサ(本実施形態の各粒子挙動解析装置202)間の通信量を低減させることができる。通信量を低減させると、多プロセッサ使用時のプログラムの並列化性能を向上させることができ、計算時間を大幅に短縮することができるのである。加えて、詳細は後述するが、粒子間距離と相互作用力との関係(相互作用力の距離依存性)を考慮して力分割法と領域分割法領域分割法(SD;Spatial Decomposition Method)を組み合わせた処理とすることで、並列化効率がより高まるようにする。 In particular, when analyzing each interaction in each particle behavior analysis device 202, if analysis is performed using a force splitting method (algorithm using a force matrix), all the processors (each particle behavior analysis device 202 of the present embodiment) are connected. Can be reduced. If the amount of communication is reduced, the parallelization performance of the program when using multiple processors can be improved, and the calculation time can be greatly shortened. In addition, although details will be described later, the force decomposition method and the domain decomposition method (SD: Spatial Decomposition Method) are considered in consideration of the relationship between the interparticle distance and the interaction force (distance dependency of the interaction force). By using combined processing, parallelization efficiency is further increased.
なお、図2に示した粒子挙動解析システム200の基本構成では、事実上の並列型計算装置(クラスタ計算機)の構成で示したが、これに限らず、図示を割愛するが、それぞれ粒子挙動解析機能を有する複数台の粒子挙動解析装置を第1ネットワークにてネットワーク接続されて並列型計算装置として構成されている複数の粒子挙動解析システムを、さらに、別の第2ネットワークで接続して構成されたものとしてもよい。 In addition, in the basic configuration of the particle behavior analysis system 200 shown in FIG. 2, the configuration of a de facto parallel computer (cluster computer) is shown. A plurality of particle behavior analysis devices having a function are connected by a network in a first network and a plurality of particle behavior analysis systems configured as a parallel computing device are further connected by another second network. It is also good.
この場合、各粒子挙動解析システムは、主要の処理データを相互に外部ネットワーク(第2ネットワーク)を介して伝達し合い、それぞれ対象の異なる粒子挙動解析処理を並列的に実行可能になり、このような変形例の粒子挙動解析システムとしては、事実上の並列型計算装置をネットワーク接続してなるグリッド型計算装置として構成される。 In this case, each particle behavior analysis system can transmit main processing data to each other via an external network (second network), and can execute different particle behavior analysis processing for different objects in parallel. The particle behavior analysis system of a modified example is configured as a grid-type computing device formed by connecting a virtual parallel computing device over a network.
たとえば、各粒子挙動解析システムにおいては、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)などの各相互作用の何れかに特化した解析処理を行ない、それぞれ個別の相互作用についての解析処理を並列して実行する。つまり、複数種類の相互作用を、それぞれ独立して同時に、別の粒子挙動解析システムを用いて解析する。 For example, in each particle behavior analysis system, analysis processing specialized in each interaction such as magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction (contact force) is performed, and each interaction is individually performed. The analysis process for is executed in parallel. That is, a plurality of types of interactions are analyzed independently and simultaneously using different particle behavior analysis systems.
あるいは、現像剤102を構成するキャリア粒子102aやトナー粒子102bの別に、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)などの各相互作用の解析処理を並列して実行する。たとえば、磁気力の影響度が大きいキャリア粒子102aについては特に磁気力に特化した粒子挙動解析処理を行ないつつ、磁気力および静電気力の双方の影響度が大きいトナー粒子102bについては特に磁気力および静電気力に特化した粒子挙動解析処理を行なうなど、粒子種ごとに、別の粒子挙動解析システムを用いて粒子挙動解析処理を行なってもよい。 Alternatively, analysis processing of each interaction such as magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction (contact force) is executed in parallel for the carrier particles 102a and the toner particles 102b constituting the developer 102. . For example, the carrier particle 102a having a large influence of the magnetic force is subjected to a particle behavior analysis process specializing in the magnetic force, while the toner particles 102b having a large influence of both the magnetic force and the electrostatic force are particularly affected by the magnetic force and the magnetic force. The particle behavior analysis processing may be performed using a different particle behavior analysis system for each particle type, such as performing particle behavior analysis processing specialized for electrostatic force.
各粒子挙動解析システムは、基本構成で説明したように、各相互作用の解析を行なう際、粒子分割法ではなく力分割法を用いて解析する。処理速度の改善効果を高めるべく、並列計算装置として構成されている粒子挙動解析システム同士での通信においても、通信量の少ない力分割並列化法を採用する。つまり、このような変形構成のシステム構成を採ることで、各粒子挙動解析システムは、それぞれ独立した粒子挙動解析処理を行なうことで、基本構成のシステム構成よりもさらに処理時間の短縮を図る。 As described in the basic configuration, each particle behavior analysis system uses force splitting instead of particle splitting when analyzing each interaction. In order to enhance the effect of improving the processing speed, a force-division parallelization method with a small communication amount is adopted even in communication between particle behavior analysis systems configured as parallel computing devices. That is, by adopting such a modified system configuration, each particle behavior analysis system performs an independent particle behavior analysis process, thereby further reducing the processing time compared to the system configuration of the basic configuration.
また、粒子間相互作用の計算負荷の程度に応じて、使用する粒子挙動解析システム(事実上の並列計算装置)を、その処理能力を基に選択してもよい。たとえば、異種環境(性能など)のシステムが混在する状況において、効率的に計算機リソースを用いて粒子挙動解析処理を行なう。 Further, the particle behavior analysis system to be used (de facto parallel computing device) may be selected based on the processing capability depending on the degree of calculation load of the interparticle interaction. For example, in a situation where systems of different environments (performance, etc.) coexist, the particle behavior analysis process is efficiently performed using computer resources.
<粒子挙動解析装置;機能ブロック>
図3は、各粒子挙動解析装置202の一構成例を示すブロック図である。ここでは、特に計算管理ノードの機能を具備した主粒子挙動解析装置202aについて示している。
<Particle behavior analyzer; functional block>
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of each particle behavior analysis apparatus 202. Here, the main particle behavior analysis apparatus 202a having the function of the calculation management node is particularly shown.
なお、粒子挙動解析装置202による後述する詳細な解析手法の説明では、電子写真プロセス方式の画像形成装置1における、たとえばキャリア粒子102aとトナー粒子102bの攪拌プロセスや、感光体10の表面に形成された静電潜像へトナー粒子102bを重畳する現像プロセスや、転写プロセスなどの所定プロセスでの現像剤102を構成する成分粒子を解析対象として説明するが、この種の画像形成装置1の他に、粒子種や作用力を問わず、あらゆる粒子(粉体)を取り扱うシステムのシミュレーションにも同様に適用できる。 In the description of the detailed analysis method described later by the particle behavior analysis device 202, for example, the stirring process of the carrier particles 102a and the toner particles 102b in the electrophotographic process type image forming apparatus 1 or the surface of the photoreceptor 10 is formed. The component particles constituting the developer 102 in a predetermined process such as a development process for superimposing the toner particles 102b on the electrostatic latent image and a transfer process will be described as an analysis target. It can be similarly applied to a simulation of a system that handles all particles (powder) regardless of the kind of particles and the acting force.
図示のように、主粒子挙動解析装置202aは、指示入力装置210などを利用して処理対象データを取り込むデータ入力部220と、粒子挙動解析処理を行なうデータ処理部230と、処理結果を表示装置212などを利用してユーザに提示する情報提示部240とを備えている。データ入力部220と情報提示部240とは、主粒子挙動解析装置202aの計算管理ノードに相当する部分に設けられている。 As shown in the figure, a main particle behavior analysis device 202a includes a data input unit 220 that captures processing target data using an instruction input device 210, a data processing unit 230 that performs particle behavior analysis processing, and a processing result display device. And an information presenting unit 240 that presents the user with 212 or the like. The data input unit 220 and the information presentation unit 240 are provided in a portion corresponding to the calculation management node of the main particle behavior analysis apparatus 202a.
データ入力部220は、指示入力装置210を構成するキーボードやマウスを介してユーザより入力されるコマンドやデータを受け付け、データ処理部230に渡す。 The data input unit 220 receives commands and data input from the user via the keyboard and mouse constituting the instruction input device 210 and passes them to the data processing unit 230.
データ処理部230は、データ入力部220から入力されたデータに基づいて後述する粒子挙動解析処理を行なう。このデータ処理部230は、より詳細には、データ受付部232、数値演算処理部234、および出力データ処理部236を有している。副粒子挙動解析装置202bは、このデータ処理部230のみで構成すればよい。 The data processing unit 230 performs a particle behavior analysis process described later based on the data input from the data input unit 220. More specifically, the data processing unit 230 includes a data receiving unit 232, a numerical operation processing unit 234, and an output data processing unit 236. The secondary particle behavior analysis apparatus 202b may be configured by only the data processing unit 230.
データ受付部232は、図示を割愛したデータ記憶部を具備しており、データ入力部220から入力されたデータをデータ記憶部に記憶し、数値計算時に必要なデータを数値演算処理部234に供給する。データ受付部232のデータ記憶部には、たとえば、解析の対象としている現像装置40の構成および現像剤102の物性値に関するデータなどが記憶される。 The data receiving unit 232 includes a data storage unit (not shown), stores the data input from the data input unit 220 in the data storage unit, and supplies data necessary for numerical calculation to the numerical operation processing unit 234. To do. The data storage unit of the data receiving unit 232 stores, for example, data relating to the configuration of the developing device 40 to be analyzed and the physical property value of the developer 102.
数値演算処理部234は、データ受付部232から供給されたデータに基づいて、粒子の一例である現像剤102(詳細にはキャリア粒子102aやトナー粒子102b)について、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)など、複数の相互作用を同時に考慮した粒子挙動を、力分割法を適用してシミュレーション処理にて解析する。数値演算処理部234は、その解析結果を出力データ処理部236に供給する。 Based on the data supplied from the data receiving unit 232, the numerical calculation processing unit 234 performs magnetic interaction and electrostatic interaction on the developer 102 (specifically, the carrier particle 102a and the toner particle 102b) as an example of particles. Alternatively, the particle behavior considering a plurality of interactions at the same time, such as mechanical interaction (contact force), is analyzed by a simulation process using a force splitting method. The numerical operation processing unit 234 supplies the analysis result to the output data processing unit 236.
出力データ処理部236は、数値演算処理部234での計算結果を受け取り、数値演算処理部234での計算結果を表示データに変換し、表示装置212に供給する。表示装置212は、出力データ処理部236から供給された表示データに基づいた処理結果画像を表示する。実際には確認困難な現像剤102の挙動を視覚的に把握することができるように、現像剤102の挙動予測を可視化して表示装置212上に表示するのである。 The output data processing unit 236 receives the calculation result in the numerical calculation processing unit 234, converts the calculation result in the numerical calculation processing unit 234 into display data, and supplies the display data to the display device 212. The display device 212 displays a processing result image based on the display data supplied from the output data processing unit 236. The behavior prediction of the developer 102 is visualized and displayed on the display device 212 so that the behavior of the developer 102 that is actually difficult to confirm can be visually grasped.
また、本実施形態の特徴部分として、主粒子挙動解析装置202aの計算管理ノードに相当する部分に、所定の分割法により解析対象粒子を分割するに当たり、それぞれ計算装置で構成され粒子挙動解析を行なう各計算システム(プロセッサとも称する;図1Aでは粒子挙動解析装置202)に各分割部分を割り当てる分割処理部250を備えている。分割処理部250は、決定した分割法に従って力マトリクスを設定し、各力マトリクスに解析対象粒子を割り当てる。 In addition, as a characteristic part of the present embodiment, in dividing a particle to be analyzed into a part corresponding to a calculation management node of the main particle behavior analysis apparatus 202a by a predetermined division method, each of the calculation apparatuses is configured to perform particle behavior analysis. Each calculation system (also referred to as a processor; in FIG. 1A, particle behavior analysis apparatus 202) includes a division processing unit 250 that assigns each divided portion. The division processing unit 250 sets a force matrix according to the determined division method, and assigns analysis target particles to each force matrix.
なお、分割処理部250は、各ノードでの計算負荷が概ね均等となるようにすることも考慮するのがよい。たとえば、処理対象要素を所定の分割法により分割するに当たり、それぞれ複数の計算装置で構成された各計算システム(粒子挙動解析システム200)における同一範囲時点での計算時間(ステップ当たりの計算時間)が同等となるように解析対象要素を配分する解析負荷分散処理部を具備する構成とする。この解析負荷分散処理部は、分割処理部250が兼用する構成としてもよいし、分割処理部250とは別の機能要素として設けてもよい。 It should be noted that the division processing unit 250 may consider that the calculation load at each node is substantially equal. For example, when dividing the processing target element by a predetermined dividing method, the calculation time (calculation time per step) at the same range time in each calculation system (particle behavior analysis system 200) each constituted by a plurality of calculation devices is calculated. An analysis load distribution processing unit that distributes analysis target elements so as to be equivalent to each other is provided. The analysis load distribution processing unit may be configured to be shared by the division processing unit 250 or may be provided as a functional element different from the division processing unit 250.
解析負荷分散処理部は、静電相互作用、磁気相互作用、機械的相互作用(接触力)、あるいは付着力などの複数種類の粒子間相互作用を考慮する場合や、現像剤102を構成する物性の異なる複数種類の粒子(本例ではキャリア粒子102a、トナー粒子102b、外添剤102c)を解析対象とする場合においても、並列解析処理時のプロセッサ間の計算時間差が確実に小さくなるように、解析対象の作用力の相違や粒子種の相違を勘案して解析対象要素を配分する分割処理を行なう。 The analysis load distribution processing unit considers a plurality of types of interparticle interactions such as electrostatic interaction, magnetic interaction, mechanical interaction (contact force), or adhesion force, or the physical properties constituting the developer 102. Even when a plurality of different types of particles (carrier particles 102a, toner particles 102b, and external additive 102c in this example) are to be analyzed, the difference in calculation time between processors during parallel analysis processing is surely reduced. A division process for allocating the elements to be analyzed is performed in consideration of the difference in the acting force of the analysis object and the difference in the particle type.
また解析負荷分散処理部は、粒子挙動解析システム200を構成する各粒子挙動解析装置202や、粒子挙動解析システム201を構成する各粒子挙動解析システム200の処理性能(計算能力)をも勘案して、解析対象要素を配分するのがよい。 The analysis load distribution processing unit also takes into account the processing performance (calculation capability) of each particle behavior analysis device 202 constituting the particle behavior analysis system 200 and each particle behavior analysis system 200 constituting the particle behavior analysis system 201. It is better to allocate analysis target elements.
そして、解析負荷分散処理部は、分割担当領域や分割担当粒子(のグループ)をそれぞれ複数の計算装置(粒子挙動解析装置202)で構成された計算システム(粒子挙動解析システム200)に割り当てる。データ処理部230では、必要に応じて他の分割部分に関しての処理を担当する他のプロセッサとの間でデータ通信を行ないつつ、分割された担当する分割部分について、力分割法による粒子挙動解析を行なう。 Then, the analysis load distribution processing unit assigns the division responsible region and the division responsible particle (group thereof) to a calculation system (particle behavior analysis system 200) configured by a plurality of calculation devices (particle behavior analysis device 202). The data processing unit 230 performs particle behavior analysis by the force division method for the divided divisions in charge while performing data communication with other processors in charge of processing for other divisions as necessary. Do.
力分割法を適用したデータ処理時には、粒子間距離と相互作用力との関係(相互作用力の距離依存性)を考慮して、解析対象粒子種を複数とする複数成分粒子系の解析時には複数のカットオフを設定してもよい。たとえば、解析対象の相互作用力が距離の近い粒子との相互作用についてのみ着目すればよい相互作用力(近距離力もしくは短距離力と称する)であるときにはカットオフを小さく設定し、距離の近い粒子とだけでなく距離の離れた粒子との相互作用についても着目する必要のある相互作用力(遠距離力もしくは長距離力と称する)であるときにはカットオフを大きく設定する。 When processing data using the force splitting method, consider the relationship between the interparticle distance and the interaction force (distance dependence of the interaction force), and analyze multiple component particle systems with multiple particle types to be analyzed. A cut-off may be set. For example, when the interaction force to be analyzed is an interaction force that should be focused only on the interaction with particles close to each other (referred to as short-range force or short-range force), the cut-off is set small and the distance is close When the interaction force needs to be paid attention not only to the particles but also to the particles at a distance, the cut-off is set large.
ここで、本実施形態のデータ処理部230と分割処理部250は、単純な力分割法のみの適用よりも計算負荷を低減できるように、周期境界条件(詳細は後述する)を導入した処理を行なうようにする点に特徴を有する。 Here, the data processing unit 230 and the division processing unit 250 of the present embodiment perform processing in which a periodic boundary condition (details will be described later) is introduced so that the calculation load can be reduced as compared with the application of only the simple force division method. It is characterized in that it is performed.
<粒子挙動解析装置;計算機構成>
図4は、各粒子挙動解析装置202の他の構成例を示すブロック図である。ここでは、パーソナルコンピュータなどの電子計算機を利用して、粒子挙動解析をソフトウェアを実行するマイクロプロセッサなどから構築されるより現実的なハードウェア構成を示している。
<Particle behavior analyzer; computer configuration>
FIG. 4 is a block diagram illustrating another configuration example of each particle behavior analysis apparatus 202. Here, a more realistic hardware configuration is shown that is constructed from a microprocessor that executes software for particle behavior analysis using an electronic computer such as a personal computer.
すなわち、本実施形態において、2種類以上の相互作用力を考慮し、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを用いて粒子の挙動を解析する仕組みは、ハードウェア処理回路により構成することに限らず、その機能を実現するプログラムコードに基づき電子計算機(コンピュータ)を用いてソフトウェア的に実現することも可能である。 That is, in this embodiment, a mechanism for analyzing the behavior of particles using a parallel algorithm combining a force division method and a region division method in consideration of two or more kinds of interaction forces is configured by a hardware processing circuit. However, the present invention is not limited to this, and it can be realized in software using an electronic computer (computer) based on a program code that realizes the function.
よって、本発明に係る仕組みを、電子計算機(コンピュータ)を用いてソフトウェアで実現するために好適なプログラムあるいはこのプログラムを格納したコンピュータ読取可能な記憶媒体を発明として抽出することもできる。 Therefore, a program suitable for realizing the mechanism according to the present invention by software using an electronic computer (computer) or a computer-readable storage medium storing this program can be extracted as an invention.
電子計算機に、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを用いて2種類以上の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ(組込みマイコンなど)、あるいは、CPU(Central Processing Unit )、論理回路、記憶装置などの機能を1つのチップ上に搭載して所望のシステムを実現するSOC(System On a Chip:システムオンチップ)、または、各種のプログラムをインストールすることで各種の機能を実行することが可能な汎用のパーソナルコンピュータなどに、記録媒体からインストールされる。 When a computer executes a particle behavior analysis processing function that considers two or more types of interaction forces using a parallelized algorithm that combines force splitting and domain splitting, a program that configures the software However, a computer (embedded microcomputer, etc.) embedded in dedicated hardware, or a CPU (Central Processing Unit), logic circuit, storage device, and other functions are mounted on a single chip to realize a desired system. It is installed from a recording medium in an SOC (System On a Chip) or a general-purpose personal computer capable of executing various functions by installing various programs.
記録媒体は、コンピュータのハードウェア資源に備えられている読取装置に対して、プログラムの記述内容に応じて、磁気、光、電気などのエネルギの状態変化を引き起こして、それに対応する信号の形式で、読取装置にプログラムの記述内容を伝達できるものである。 The recording medium causes a state change of energy such as magnetism, light, electricity, etc. according to the description contents of the program to the reading device provided in the hardware resource of the computer, and in the form of a signal corresponding to the change. The program description can be transmitted to the reader.
たとえば、コンピュータとは別に、ユーザにプログラムを提供するために配布される、プログラムが記録されている磁気ディスク(フレキシブルディスクFDを含む)、光ディスク(CD−ROM(Compact Disc-Read Only Memory )、DVD(Digital Versatile Disc)を含む)、光磁気ディスク(MO(Magneto Optical Disk)を含む)、または半導体メモリなどよりなるパッケージメディア(可搬型の記憶媒体)により構成されるだけでなく、コンピュータに予め組み込まれた状態でユーザに提供される、プログラムが記録されているROMやハードディスクなどで構成されてもよい。 For example, a magnetic disk (including a flexible disk FD), an optical disk (CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory)), a DVD on which a program is recorded, which is distributed to provide a program to a user separately from a computer. (Including Digital Versatile Disc), magneto-optical disk (including MO (Magneto Optical Disk)), or package media (portable storage medium) made of semiconductor memory, etc. It may be composed of a ROM, a hard disk, or the like in which a program is recorded that is provided to the user.
また、ソフトウェアを構成するプログラムは、記録媒体を用いずに、記録媒体を介して提供されることに限らず、有線あるいは無線などの通信網を介して提供されてもよい。 The program constituting the software is not limited to being provided via the recording medium without using the recording medium, and may be provided via a wired or wireless communication network.
たとえば、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを利用し複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、ハードウェア処理回路にて構成する場合と同様の効果は達成される。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が力分割並列化法を利用し複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理の機能を実現する。 For example, a storage medium that records a program code of software that implements a particle behavior analysis processing function that considers multiple types of interaction forces using a parallelization algorithm that combines force splitting and region splitting methods is stored in a system or device. The same effect as in the case where the hardware processing circuit is used can also be achieved by reading and executing the program code stored in the storage medium by the computer (or CPU or MPU) of the system or apparatus supplied. In this case, the program code itself read from the storage medium realizes a particle behavior analysis process function that takes into account a plurality of types of interaction forces using a force-division parallelization method.
また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することで、力分割法と領域分割法とを組み合わせた並列化アルゴリズムを利用し複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理を行なう機能が実現されるだけでなく、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているOS(Operating Systems ;基本ソフト)などが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理により力分割法と領域分割法とを組み合わせて複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理を行なう機能が実現される場合であってもよい。 In addition, by executing the program code read by the computer, a function to perform particle behavior analysis processing that takes into account multiple types of interaction forces using a parallelized algorithm that combines force splitting and region splitting is realized. In addition, the OS (Operating Systems; basic software) running on the computer performs part or all of the actual processing based on the instruction of the program code, and the force division method and the region division method are performed by the processing. And a function of performing particle behavior analysis processing in consideration of a plurality of types of interaction forces.
さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張カードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張カードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によって粒子挙動解析処理を行なう機能が実現される場合であってもよい。 Further, after the program code read from the storage medium is written in a memory provided in a function expansion card inserted into the computer or a function expansion unit connected to the computer, the function expansion is performed based on the instruction of the program code. The CPU or the like provided in the card or the function expansion unit may perform part or all of the actual processing, and the function of performing the particle behavior analysis processing may be realized by the processing.
なお、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを利用し複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理を行なう機能を実現するプログラムコードを記述したファイルとしてプログラムが提供されるが、この場合、一括のプログラムファイルとして提供されることに限らず、コンピュータで構成されるシステムのハードウェア構成に応じて、個別のプログラムモジュールとして提供されてもよい。 The program is provided as a file that describes the program code that implements the function of performing particle behavior analysis processing considering multiple types of interaction forces using a parallelization algorithm that combines force splitting and region splitting. In this case, the program files are not limited to be provided as a batch program file, but may be provided as individual program modules according to the hardware configuration of a system configured with a computer.
たとえば、コンピュータシステム900は、コントローラ部901と、ハードディスク装置、フレキシブルディスク(FD)ドライブ、あるいはCD−ROM(Compact Disk ROM)ドライブ、半導体メモリコントローラなどの、所定の記憶媒体からデータを読み出したり記録したりするための記録・読取制御部902とを有する。 For example, the computer system 900 reads and records data from a controller unit 901 and a predetermined storage medium such as a hard disk device, a flexible disk (FD) drive, a CD-ROM (Compact Disk ROM) drive, a semiconductor memory controller, or the like. And a recording / reading control unit 902.
コントローラ部901は、CPU(Central Processing Unit )912、読出専用の記憶部であるROM(Read Only Memory)913、随時書込みおよび読出しが可能であるとともに揮発性の記憶部の一例であるRAM(Random Access Memory)915、および不揮発性の記憶部の一例であるRAM(NVRAMと記述する)916を有している。 The controller unit 901 includes a CPU (Central Processing Unit) 912, a ROM (Read Only Memory) 913 which is a read-only storage unit, and a RAM (Random Access) which can be written and read at any time and is an example of a volatile storage unit. Memory) 915 and RAM (described as NVRAM) 916 which is an example of a nonvolatile storage unit.
なお、上記において“揮発性の記憶部”とは、装置の電源がオフされた場合には、記憶内容を消滅してしまう形態の記憶部を意味する。一方、“不揮発性の記憶部”とは、装置のメイン電源がオフされた場合でも、記憶内容を保持し続ける形態の記憶部を意味する。記憶内容を保持し続けることができるものであればよく、半導体製のメモリ素子自体が不揮発性を有するものに限らず、バックアップ電源を備えることで、揮発性のメモリ素子を“不揮発性”を呈するように構成するものであってもよい。 In the above description, the “volatile storage unit” means a storage unit in which the stored contents are lost when the power of the apparatus is turned off. On the other hand, the “non-volatile storage unit” means a storage unit in a form that keeps stored contents even when the main power supply of the apparatus is turned off. Any memory device can be used as long as it can retain the stored contents. The semiconductor memory device itself is not limited to a nonvolatile memory device, and a backup power supply is provided to make a volatile memory device “nonvolatile”. You may comprise as follows.
また、半導体製のメモリ素子により構成することに限らず、磁気ディスクや光ディスクなどの媒体を利用して構成してもよい。たとえば、ハードディスク装置を不揮発性の記憶部として利用できる。また、CD−ROMなどの記録媒体から情報を読み出す構成を採ることでも不揮発性の記憶部として利用できる。 Further, the present invention is not limited to a semiconductor memory element, and may be configured using a medium such as a magnetic disk or an optical disk. For example, a hard disk device can be used as a nonvolatile storage unit. In addition, it is possible to use as a nonvolatile storage unit by adopting a configuration for reading information from a recording medium such as a CD-ROM.
また、コンピュータシステム900は、ユーザインタフェースをなす機能部としての指示入力部903と、操作時のガイダンス画面や処理結果などの所定の情報をユーザに提示する表示出力部904と、各機能部との間のインタフェース機能をなすインタフェース部(IF部)909とを有する。 Further, the computer system 900 includes an instruction input unit 903 as a functional unit that forms a user interface, a display output unit 904 that presents a user with predetermined information such as a guidance screen and a processing result, and each functional unit. And an interface unit (IF unit) 909 that performs an interface function between them.
なお、解析処理結果を印刷出力してユーザに提示する構成とするべく、処理結果を所定の出力媒体(たとえば印刷用紙)に出力する画像形成部906を設けてもよい。 Note that an image forming unit 906 that outputs the processing result to a predetermined output medium (for example, printing paper) may be provided so that the analysis processing result is printed out and presented to the user.
指示入力部903としては、たとえば、ユーザインタフェース部985の操作キー部985bを利用してもよい。あるいは、キーボードやマウスなどを利用してもよい。 As the instruction input unit 903, for example, an operation key unit 985b of the user interface unit 985 may be used. Alternatively, a keyboard or a mouse may be used.
表示出力部904は、表示制御部919と表示装置とを備える。表示装置としては、たとえば、ユーザインタフェース部985の操作パネル部985aを利用してもよい。あるいは、CRT(Cathode Ray Tube;陰極線管)やLCD(Liquid Crystal Display;液晶)などでなるその他のディスプレイ部を利用してもよい。 The display output unit 904 includes a display control unit 919 and a display device. As the display device, for example, an operation panel unit 985a of the user interface unit 985 may be used. Alternatively, other display units such as CRT (Cathode Ray Tube) or LCD (Liquid Crystal Display) may be used.
たとえば、表示制御部919が、操作パネル部985aやディスプレイ部上に、ガイダンス情報や画像読取部905が取り込んだ全体画像などを表示させる。また、各種の情報をユーザに通知する際の表示デバイスとしても利用される。なお、表示面上にタッチパネルを有するディスプレイ部とすることで、指先やペンなどで所定の情報を入力する指示入力部903を構成してもよい。 For example, the display control unit 919 displays guidance information, the entire image captured by the image reading unit 905, and the like on the operation panel unit 985a and the display unit. It is also used as a display device for notifying the user of various information. Note that an instruction input unit 903 for inputting predetermined information with a fingertip, a pen, or the like may be configured by using a display unit having a touch panel on the display surface.
インタフェース部909としては、処理データ(画像データを含む)や制御データの転送経路であるシステムバス991の他、たとえば、画像形成部906や他のプリンタとのインタフェース機能をなすプリンタIF部996、およびネットワークとの間の通信データの受け渡しを仲介する通信IF部999を有している。 The interface unit 909 includes a system bus 991 that is a transfer path for processing data (including image data) and control data, a printer IF unit 996 that functions as an interface with the image forming unit 906 and other printers, and the like. A communication IF unit 999 is provided to mediate communication data exchange with the network.
このような構成において、CPU912は、システムバス991を介してシステム全体の制御を行なう。ROM913は、CPU912の制御プログラムなどを格納する。RAM915は、SRAM(Static Random Access Memory )などで構成され、プログラム制御変数や各種処理のためのデータなどを格納する。また、RAM915は、所定のアプリケーションプログラムに従って演算して得たデータや外部から取得したデータなどを一時的に格納する領域を含んでいる。 In such a configuration, the CPU 912 controls the entire system via the system bus 991. The ROM 913 stores a control program for the CPU 912 and the like. The RAM 915 is configured by SRAM (Static Random Access Memory) or the like, and stores program control variables, data for various processes, and the like. The RAM 915 includes an area for temporarily storing data obtained by calculation according to a predetermined application program, data obtained from the outside, and the like.
たとえば、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムにより複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能をコンピュータに実行させるプログラムは、CD−ROMなどの記録媒体を通じて配布される。あるいは、このプログラムは、CD−ROMではなくFDに格納されてもよい。また、MOドライブを設け、MOに前記プログラムを格納してもよく、またフラッシュメモリなどの不揮発性の半導体メモリカードなど、その他の記録媒体にプログラムを格納してもよい。さらに、他のサーバなどからインターネットなどのネットワークを経由してプログラムをダウンロードして取得したり、あるいは更新したりしてもよい。 For example, a program that causes a computer to execute a particle behavior analysis processing function considering a plurality of types of interaction forces by a parallel algorithm combining a force division method and a region division method is distributed through a recording medium such as a CD-ROM. Alternatively, this program may be stored in the FD instead of the CD-ROM. In addition, an MO drive may be provided to store the program in the MO, or the program may be stored in another recording medium such as a nonvolatile semiconductor memory card such as a flash memory. Furthermore, the program may be downloaded from another server or the like via a network such as the Internet, or may be updated or updated.
なおプログラムを提供するための記録媒体としては、FDやCD−ROMなどの他にも、DVDなどの光学記録媒体、MOなどの光磁気記録媒体、テープ媒体、磁気記録媒体、ICカードやミニチュアカードなどの半導体メモリを用いてもよい。記録媒体の一例としてのFDやCD−ROMなどには、力分割法と領域分割法を組み合わせて複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能を実現する際の、一部または全ての機能を格納してもよい。 As a recording medium for providing the program, in addition to FD and CD-ROM, optical recording medium such as DVD, magneto-optical recording medium such as MO, tape medium, magnetic recording medium, IC card and miniature card A semiconductor memory such as the above may be used. Some or all of the FD, CD-ROM, etc. as an example of the recording medium when realizing the particle behavior analysis processing function considering a plurality of kinds of interaction forces by combining the force division method and the region division method. Functions may be stored.
また、ハードディスク装置は、制御プログラムによる各種処理のためのデータを格納したり、自装置で取得したデータや外部から取得したデータなどを大量に一時的に格納したりする領域を含んでいる。 Further, the hard disk device includes an area for storing data for various processes by the control program, and temporarily storing a large amount of data acquired by the device itself or data acquired from the outside.
このような構成により、操作キー部985bを介した操作者による指令にて、後述する粒子挙動解析方法を実行するプログラムが記憶されているCD−ROMなどの読取可能な記録媒体からRAM915に粒子挙動解析プログラムがインストールされ、また操作キー部985bを介した操作者による指令や自動処理にて粒子挙動解析プログラムが起動される。 With such a configuration, the particle behavior is stored in the RAM 915 from a readable recording medium such as a CD-ROM in which a program for executing a particle behavior analysis method described later is stored in response to an instruction from the operator via the operation key unit 985b. The analysis program is installed, and the particle behavior analysis program is activated by an instruction or automatic processing by the operator via the operation key unit 985b.
CPU912は、この粒子挙動解析プログラムに従って後述する粒子挙動解析方法に伴う計算処理を施し、処理結果をRAM915やハードディスクなどの記憶装置に格納し、必要により操作パネル部985a、あるいはCRTやLCDなどの表示装置に出力する。 The CPU 912 performs calculation processing according to the particle behavior analysis method described later in accordance with the particle behavior analysis program, stores the processing result in a storage device such as the RAM 915 or a hard disk, and displays the operation panel unit 985a or a display such as a CRT or LCD as necessary. Output to the device.
なお、このようなコンピュータを用いた構成に限らず、図4を用いて示した各機能部の処理をなす専用のハードウェアの組合せにより、複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理を行なう粒子挙動解析システム200や粒子挙動解析装置202を構成してもよい。 Not only the configuration using such a computer, but also a particle behavior analysis process considering a plurality of types of interaction forces by a combination of dedicated hardware that performs the processing of each functional unit shown in FIG. You may comprise the particle behavior analysis system 200 and the particle behavior analysis apparatus 202 to perform.
たとえば、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを利用した複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理のための各機能部分の全ての処理をソフトウェアで行なうのではなく、これら機能部分の一部を専用のハードウェアにて行なう処理回路908を設けてもよい。ソフトウェアで行なう仕組みは、並列処理や連続処理に柔軟に対処し得るものの、その処理が複雑になるに連れ、処理時間が長くなるため、処理速度の低下が問題となる。 For example, instead of performing all the processing of each functional part for particle behavior analysis processing considering multiple types of interaction force using a parallel algorithm combining force division method and region division method, A processing circuit 908 for performing a part of the functional part with dedicated hardware may be provided. Although the mechanism performed by software can flexibly cope with parallel processing and continuous processing, the processing time becomes longer as the processing becomes complicated, so that a reduction in processing speed becomes a problem.
これに対して、ハードウェア処理回路で構築すると、処理が複雑であっても、処理速度の低下を防ぐことができ、高いスループットを得ることができる高速化を図ったアクセラレータシステムが構築される。 On the other hand, when constructed with a hardware processing circuit, even if the process is complicated, a reduction in processing speed can be prevented, and an accelerator system capable of achieving high throughput can be constructed.
たとえば、力分割法と領域分割法を組み合わせて複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能を実現する場合であれば、処理回路908としては、図4に示したデータ処理部230を構成するデータ受付部232に相当するデータ受付部908a、数値演算処理部234に相当する数値演算処理部908b、出力データ処理部236に相当する出力データ処理部908cなどをハードウェアで構成するとよい。 For example, in the case of realizing a particle behavior analysis processing function considering a plurality of types of interaction forces by combining the force division method and the region division method, the data processing unit 230 shown in FIG. The data receiving unit 908a corresponding to the data receiving unit 232, the numerical operation processing unit 908b corresponding to the numerical operation processing unit 234, the output data processing unit 908c corresponding to the output data processing unit 236, and the like may be configured by hardware.
また、全体を統括する主粒子挙動解析装置202aを構成する場合であれば、分割処理部250に相当する分割処理部908dをハードウェアで構成するとよい。 In the case of configuring the main particle behavior analysis apparatus 202a that controls the whole, the division processing unit 908d corresponding to the division processing unit 250 may be configured by hardware.
<粒子種および粒子間距離と相互作用力との関係>
通信ネットワーク網によって接続された並列型計算機上で、物性の異なる複数種類の粒子の挙動を解析する際には、粒子に働く相互作用力の種類を考慮した解析計算、つまり、粒子種や粒子間距離を勘案した処理とすることが、全体の処理効率を高める上で肝要となる。着目すべき相互作用力は粒子種や粒子間距離によって異なるし、粒子の挙動に与える影響度合いは、相互作用力の種類によっても異なるからである。
<Relationship between particle type and interparticle distance and interaction force>
When analyzing the behavior of multiple types of particles with different physical properties on a parallel computer connected by a communication network, analysis calculations that take into account the types of interaction forces acting on the particles, that is, the types of particles and between particles It is important to set the processing in consideration of the distance in order to increase the overall processing efficiency. This is because the interaction force to be noted differs depending on the particle type and the distance between particles, and the degree of influence on the behavior of the particle also varies depending on the type of interaction force.
たとえば、粒子種の観点では、非磁性のトナー粒子102bに関しては、静電相互作用、機械的相互作用(接触力)、および付着力を考慮した解析計算が必要になるし、磁性のトナー粒子102bに関しては、さらに磁気的相互作用力をも考慮した解析計算が必要になる。 For example, from the viewpoint of the particle type, for the non-magnetic toner particle 102b, analytical calculation in consideration of electrostatic interaction, mechanical interaction (contact force), and adhesion force is required, and the magnetic toner particle 102b. With regard to, analysis calculation considering the magnetic interaction force is also required.
静電相互作用は、さらに詳細には、電場から受ける力と、粒子相互間のクーロン力と、付着力の鏡像力を分けて解析する必要がある。なお、解析処理を工夫することで、電場から受ける力と粒子相互間のクーロン力とを纏めて電場で解析することもできる。 In more detail, the electrostatic interaction needs to be analyzed separately for the force received from the electric field, the Coulomb force between the particles, and the mirror image force of the adhesion force. In addition, by devising the analysis processing, the force received from the electric field and the Coulomb force between the particles can be collectively analyzed in the electric field.
非磁性のトナー粒子102bの挙動に与える影響度合いは、静電相互作用が最も大きく、以下、機械的相互作用(接触力)、付着力の順になる。また、磁性のトナー粒子102bの挙動に与える影響度合いは、磁気的相互作用が最も大きく、以下、静電相互作用、機械的相互作用(接触力)、付着力の順になる。 The degree of influence on the behavior of the non-magnetic toner particles 102b is the largest in electrostatic interaction, and in the following order, mechanical interaction (contact force) and adhesion force. The degree of influence on the behavior of the magnetic toner particles 102b is the largest in the magnetic interaction, and in the following order, the electrostatic interaction, the mechanical interaction (contact force), and the adhesion force.
一方、キャリア粒子102aに関しては、磁気的相互作用、静電相互作用(粒子相互間のクーロン力に着目するが電場から受ける力は除く)、機械的相互作用(接触力)、および付着力を考慮した解析計算が必要になる。 On the other hand, regarding the carrier particle 102a, magnetic interaction, electrostatic interaction (focusing on Coulomb force between particles but excluding force received from electric field), mechanical interaction (contact force), and adhesion force are considered. Analytical calculation is required.
キャリア粒子102aの挙動に与える影響度合いは、磁気的相互作用が最も大きく、以下、機械的相互作用(接触力)、静電相互作用、付着力の順になる。 The degree of influence on the behavior of the carrier particle 102a has the largest magnetic interaction, and is in the order of mechanical interaction (contact force), electrostatic interaction, and adhesive force.
また、粒子種を問わず、一般的には、相互作用の計算負荷としては、磁気的相互作用が最も大きく、以下、静電相互作用、機械的相互作用(接触力)、付着力の順になる。 Regardless of the particle type, generally, the interaction calculation load is the largest in terms of magnetic interaction, and in the following order, electrostatic interaction, mechanical interaction (contact force), and adhesion force. .
したがって、上述の図3に示した手順に従って、非磁性のトナー粒子102bの挙動解析とキャリア粒子102aの挙動解析を別のプロセッサで同時並行的に行なおうとすると、トナー粒子102bに関しては事実上、計算負荷が最も大きな磁気的相互作用の解析手順を割愛することになるので、プロセッサ間の計算時間に大きな相違が生じる。 Therefore, if the behavior analysis of the non-magnetic toner particles 102b and the behavior analysis of the carrier particles 102a are performed simultaneously by different processors according to the procedure shown in FIG. 3, the toner particles 102b are effectively Since the analysis procedure of the magnetic interaction with the largest calculation load is omitted, there is a great difference in calculation time between processors.
ここでは、キャリア粒子102aとトナー粒子102bとの関係について特に注目して説明したが、一般的には、解析対象の粒子種数N、各粒子に作用する作用力の種類数M、解析対象となる各粒子に作用する作用力の総数Lとしたときに、何れかの粒子は何れかの作用力についての解析が不要の場合、M×N>Lの条件を満たすようになる。この場合、プロセッサ間の計算時間に相違が生じることになるので、各プロセッサ間の計算時間を均等化する仕組みを講じることが、全体の処理時間の短縮化の上で重要となる。 Here, the relationship between the carrier particles 102a and the toner particles 102b has been described with particular attention. In general, however, the number of particle types N to be analyzed, the number M of types of acting force acting on each particle, Assuming that the total number of acting forces acting on each particle is L, if any particle does not need to be analyzed for any acting force, the condition of M × N> L is satisfied. In this case, since a difference occurs in the calculation time between processors, it is important to take a mechanism for equalizing the calculation time between processors in order to shorten the entire processing time.
一方、磁性のトナー粒子102bの挙動解析とキャリア粒子102aの挙動解析とを同時並行的に行なおうとすると、キャリア粒子102aに関しては事実上、電場から受ける力に関する静電的相互作用の解析手順を割愛することになるので、少しではあるが、プロセッサ間の計算時間に相違が生じる。 On the other hand, if the behavior analysis of the magnetic toner particles 102b and the behavior analysis of the carrier particles 102a are performed simultaneously, the analysis procedure of the electrostatic interaction regarding the force received from the electric field is practically applied to the carrier particles 102a. Since it will be omitted, there is a slight difference in calculation time between processors.
ここでも、キャリア粒子102aとトナー粒子102bとの関係について特に注目して説明したが、一般的には、解析対象の粒子種数N、各粒子に作用する作用力の種類数M、各粒子に作用する作用力の総数Lとしたときに、各粒子は全ての作用力についての解析が必要である。その詳細が微妙に異なる場合、M×N=Lの条件を満たすものの、実際にはプロセッサ間の計算時間に微妙な相違が生じることになるので、この場合でも、各プロセッサ間の計算時間を均等化する仕組みを講じることが、全体の処理時間の短縮化の上で重要となる。 Here, the relationship between the carrier particles 102a and the toner particles 102b has been described with particular attention. Generally, however, the number N of particle types to be analyzed, the number M of types of acting force acting on each particle, When the total number of acting forces L is applied, each particle needs to be analyzed for all acting forces. If the details are slightly different, the condition of M × N = L is satisfied, but in actuality, there will be a slight difference in calculation time between processors. In order to shorten the overall processing time, it is important to take a mechanism to make it easier.
これらの粒子種の観点からの相互作用力との関係を勘案した場合、各プロセッサにおける計算時間(計算負荷)が同等になるようにするには、単純に割当て粒子数を均等にするだけでは不十分である。たとえば、粒子番号順に割り当てていく場合であれば、粒子番号の割当て時に、粒子種と相互作用力との関係で決まる計算負荷を考慮しておことが肝要となる。一例としては、各プロセッサが対象とする粒子数と各粒子種数と配分比が同等となるようにする。 Considering the relationship with the interaction force from the viewpoint of these particle types, it is not necessary to simply equalize the number of assigned particles in order to make the calculation time (calculation load) of each processor equal. It is enough. For example, when assigning particles in order of particle numbers, it is important to consider the calculation load determined by the relationship between the particle type and the interaction force when assigning the particle numbers. As an example, the number of particles targeted by each processor, the number of each particle type, and the distribution ratio are made equal.
たとえば、キャリア粒子102aとトナー粒子102bと外添剤102cとに関しての処理時に、1台のプロセッサに6個の粒子を割り当てる場合、キャリア粒子102a→トナー粒子102b→外添剤102c→キャリア粒子102a→…(以下同順)と言うように番号を各粒子に割り当てることで、1台のプロセッサに、2個のキャリア粒子102aと2個のトナー粒子102bと2個の外添剤102cが確実に割り当てられるように配慮する。 For example, when 6 particles are assigned to one processor during processing related to the carrier particles 102a, the toner particles 102b, and the external additive 102c, the carrier particles 102a → the toner particles 102b → the external additive 102c → the carrier particles 102a → ... (hereinafter the same order) assigning a number to each particle, two carrier particles 102a, two toner particles 102b, and two external additives 102c are reliably assigned to one processor. To be able to
あるいは、キャリア粒子102aとトナー粒子102b(その数はキャリア粒子102aの2倍)に関しての処理時に、1台のプロセッサに3個の粒子を割り当てる場合、キャリア粒子102a→トナー粒子102b→トナー粒子102b→キャリア粒子102a→…(以下同順)と言うように番号を各粒子に割り当てることで、1台のプロセッサに、1個のキャリア粒子102aと2個のトナー粒子102bとが確実に割り当てられるように配慮する。 Alternatively, when three particles are assigned to one processor at the time of processing with respect to the carrier particles 102a and the toner particles 102b (the number thereof is twice that of the carrier particles 102a), the carrier particles 102a → the toner particles 102b → the toner particles 102b → By assigning a number to each particle such as carrier particles 102a →... (Hereinafter the same order), one carrier particle 102a and two toner particles 102b are reliably assigned to one processor. consider.
また、粒子間距離の観点では、相互作用力は、たとえば機械的な接触力や付着力のように、距離の近い粒子との相互作用についてのみ着目すればよい相互作用力(近距離力)と、磁気力や静電気力(クーロン力)のように、距離の近い粒子とだけでなく距離の離れた粒子との相互作用についても着目する必要のある相互作用力(遠距離力)に大別できる。 Further, from the viewpoint of the distance between particles, the interaction force is an interaction force (near-range force) that only needs to be paid attention to the interaction with particles close to each other, such as mechanical contact force and adhesion force. , It can be roughly divided into interaction forces (far-distance forces) that need to pay attention not only to particles that are close to each other but also to particles that are far away, such as magnetic force and electrostatic force (Coulomb force). .
分割法が対象粒子の距離に依存しない(距離を考慮しない)手法であれば、近距離力であるのか遠距離力であるのかを問わず、対象粒子の全てに関して処理を実行できる。その反面、全ての対象粒子に関して、全ての相互作用力を計算するために、通信ステップが多くなる不利益が生じる。 If the division method is a method that does not depend on the distance of the target particle (does not consider the distance), the process can be executed for all of the target particles regardless of whether the force is a short distance force or a long distance force. On the other hand, since all the interaction forces are calculated for all target particles, there is a disadvantage that communication steps are increased.
一方、粒子間距離の観点では、分割法が対象粒子の距離に依存する手法であれば、近距離力であるのか遠距離力であるのかによって、解析対象範囲を調整する必要が生じる。近距離力にのみ対応するべく解析対象範囲を狭くするとその解析対象範囲内に入ってくる粒子数が少なく通信ステップが少ないので処理時間を短縮できる。逆に、遠距離力に対応するべく解析対象範囲を広げるとその解析対象範囲内に入ってくる粒子数が増え通信ステップが多くなるので処理時間が掛かる不利益が生じる。遠距離力におけるこの問題を解消するためにカットオフを利用して解析対象範囲を少し狭くすることも考えられるが、その場合には、本来は着目すべき粒子との相互作用力の計算を割愛する場合が生じるので解析精度の低下が懸念される。 On the other hand, from the viewpoint of the interparticle distance, if the division method is a method that depends on the distance of the target particle, it is necessary to adjust the analysis target range depending on whether the force is a short distance force or a long distance force. If the analysis target range is narrowed to handle only the short-range force, the processing time can be shortened because the number of particles entering the analysis target range is small and the number of communication steps is small. On the contrary, if the analysis target range is expanded to cope with the long-distance force, the number of particles entering the analysis target range increases and communication steps increase, resulting in a disadvantage that processing time is required. In order to solve this problem in long-distance forces, it may be possible to narrow the analysis target range by using a cutoff, but in that case, the calculation of the interaction force with the particles that should be focused on is omitted. This may cause a decrease in analysis accuracy.
これらの粒子間距離種の観点からの相互作用力との関係を勘案した場合、距離依存性のない分割法を適用するか、もしくは、対象粒子の距離に依存する分割法では近距離力のみに特化して計算処理を行ない、対象粒子の距離に依存しない分割法では遠距離力の計算にのみに特化して計算処理を行なうと言った、2種類の分割法を組み合わせた手法にすることが考えられる。本実施形態では、遠距離力および近距離力の双方について力分割法を適用する手法を採る。 When considering the relationship with the interaction force from the viewpoint of these interparticle distance species, either the division method without distance dependency is applied, or the division method depending on the distance of the target particle is applied only to the short distance force. A method that combines two types of splitting methods that specializes in calculation processing, and that the splitting method that does not depend on the distance of the target particle performs calculation processing only for the calculation of far-distance forces. Conceivable. In the present embodiment, a method of applying the force division method to both the long distance force and the short distance force is adopted.
<力分割並列処理;基本(プロセッサ数M=N^2)>
図5および図6は、力分割法(力マトリクスを用いたアルゴリズム)の並列化処理を説明する図である。ここで、図5は、力分割並列処理手順の一例を示したフローチャートである。図6は、力分割法を適用する場合において、解析対象粒子を各ノードに割り当てる手法を説明する力マトリクスの一例を示す図である。
<Force division parallel processing; basic (number of processors M = N ^ 2)>
5 and 6 are diagrams for explaining the parallelization processing of the force division method (algorithm using a force matrix). Here, FIG. 5 is a flowchart showing an example of a force-division parallel processing procedure. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a force matrix for explaining a method of assigning analysis target particles to each node when the force division method is applied.
図5では、力分割並列処理手順を、電子写真方式で使用される現像剤102(詳細にはキャリア粒子102aやトナー粒子102b)について、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)をそれぞれ個別の力マトリクスを用いて解析処理する詳細手順の第1例(電子写真シミュレーションにおける並列処理例1)を示している。 In FIG. 5, a force-division parallel processing procedure is performed for the developer 102 (specifically, the carrier particles 102a and the toner particles 102b) used in the electrophotographic system, in a magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction ( A first example (parallel processing example 1 in electrophotographic simulation) of a detailed procedure for analyzing and processing (contact force) using individual force matrices is shown.
各粒子挙動解析装置202において各相互作用の解析を行なう際、力分割法(力マトリクスを用いたアルゴリズム)を用いて解析すると、従前よりも全プロセッサ間の通信量を低減させることができる。通信量を低減させることで、多プロセッサ使用時のプログラムの並列化性能を向上させ、計算時間を短縮するのである。 When analyzing each interaction in each particle behavior analysis device 202, if the analysis is performed using a force division method (algorithm using a force matrix), it is possible to reduce the amount of communication among all processors than before. By reducing the amount of communication, the parallelization performance of the program when using multiple processors is improved, and the calculation time is shortened.
特に第1例の処理手順は、図2に示した粒子挙動解析システム200において、現像剤102(詳細にはキャリア粒子102aやトナー粒子102b)について、磁気相互作用、静電相互作用、および機械的相互作用(接触力)を、順番に、それぞれ個別の力マトリクスを用いて解析する。つまり、各相互作用を、同一の並列計算装置にて順番に解析する。 In particular, the processing procedure of the first example is as follows. In the particle behavior analysis system 200 shown in FIG. 2, the developer 102 (specifically, the carrier particles 102a and the toner particles 102b) is subjected to magnetic interaction, electrostatic interaction, and mechanical The interaction (contact force) is analyzed in turn using an individual force matrix. That is, each interaction is analyzed in order by the same parallel computing device.
先ず、主粒子挙動解析装置202aにおいて、分割処理部250は、現時点において粒子挙動解析処理に使用可能なクラスタ構成の粒子挙動解析システム200を構成する粒子挙動解析装置202の数やグリッド構成の粒子挙動解析システムを構成する各粒子挙動解析システム200の数(纏めてプロセッサ数Mと呼ぶ)を特定する(S102)。 First, in the main particle behavior analysis device 202a, the division processing unit 250 includes the number of particle behavior analysis devices 202 constituting the cluster behavior particle behavior analysis system 200 that can be used for the particle behavior analysis processing at present and the particle behavior of the grid configuration. The number of particle behavior analysis systems 200 constituting the analysis system (collectively called the number of processors M) is specified (S102).
ここで、力分割法の基本原理としては、プロセッサ数Mは、N^2であり、N行N列の正方の力マトリクスに配されることが前提となっている。ここでは、一例として、N=3で、プロセッサ数Mが計9(=3^2)台であるとする。この場合、各プロセッサは、3行3列の力マトリクスに配される。 Here, the basic principle of the force division method is that the number of processors M is N ^ 2, and is assumed to be arranged in a square force matrix of N rows and N columns. Here, as an example, it is assumed that N = 3 and the total number of processors M is 9 (= 3 ^ 2). In this case, each processor is arranged in a force matrix of 3 rows and 3 columns.
この後、データ処理部230は、データ入力部220を介して、計算に必要な各種物理パラメータや粒子の初期配置や力分割法で特に必要となる解析対象粒子数などの計算条件を読み込む(S104)。図6では、1番から18番までの、計18個の粒子を9個のプロセッサで並列計算する場合で示している。 Thereafter, the data processing unit 230 reads, via the data input unit 220, calculation conditions such as various physical parameters necessary for the calculation, the initial arrangement of particles, and the number of analysis target particles that are particularly necessary in the force division method (S104). ). FIG. 6 shows a case where a total of 18 particles from No. 1 to No. 18 are calculated in parallel by nine processors.
次に、分割処理部250は、ステップS102にて特定したプロセッサ数Mが、N^2の関係を満たすか否かを判定する(S105)。プロセッサ数MがN^2の関係を満たす場合(S105−YES)、分割処理部250は、ステップS102にて特定した各プロセッサを、図6に示すように正方行列でマトリクス配置して、解析対象の粒子(現像剤102を構成するキャリア粒子102aやトナー粒子102b)を割り当てる(S108)。各番号のプロセッサ(各粒子挙動解析装置202もしくは各粒子挙動解析システム200)をノードN(本例では0〜8の計9台)とも呼ぶ。なお、各ノードへの粒子割当て時には、各ノードでの処理負荷が同等となるようにする。 Next, the division processing unit 250 determines whether or not the number of processors M specified in step S102 satisfies the relationship of N ^ 2 (S105). When the number of processors M satisfies the relationship of N ^ 2 (S105-YES), the division processing unit 250 arranges each processor specified in step S102 in a matrix form as a square matrix as shown in FIG. Particles (carrier particles 102a and toner particles 102b constituting the developer 102) are assigned (S108). Each numbered processor (each particle behavior analysis device 202 or each particle behavior analysis system 200) is also referred to as a node N (in this example, a total of nine from 0 to 8). When assigning particles to each node, the processing load at each node is made equal.
一方、プロセッサ数MがN^2の関係を満たさない場合(S105−NO)、分割処理部250は、プロセッサ数Mを超えない範囲で2乗関係を満たすNを特定し、その時点で使用可能なプロセッサ数Mに応じて、N^2を満たす範囲でのプロセッサ数での使用に設定する(S106)。 On the other hand, when the number of processors M does not satisfy the relationship of N ^ 2 (S105-NO), the division processing unit 250 identifies N that satisfies the square relationship within a range not exceeding the number of processors M, and can be used at that time. In accordance with the number of processors M, the number of processors in the range satisfying N ^ 2 is set (S106).
たとえば、その時点で使用可能なプロセッサ数Mが、N^2<Mの関係にあるときにはNで力分割法を適用するべく、縦N・横Nの力マトリクスを使用することにし、N^2台のプロセッサのみを使用し残りの“M−N^2”は使用しない。一方、その時点で使用可能なプロセッサ数Mが、M<N^2の関係にあるときには1段階下の“N−1”で力分割法を適用するべく、縦(N−1)・横(N−1)の力マトリクスを使用することにし、(N−1)^2台のプロセッサのみを使用し残りの“M−(N−1)^2”は使用しない。 For example, when the number of processors M that can be used at that time is N ^ 2 <M, N ^ 2 is used to apply the force division method to N, and N ^ 2 Only one processor is used and the remaining “MN 2” is not used. On the other hand, when the number M of processors that can be used at that time is in a relationship of M <N ^ 2, in order to apply the force division method by “N−1” one step below, the vertical (N−1) / horizontal ( N-1) force matrix is used, only (N-1) ^ 2 processors are used, and the remaining "M- (N-1) ^ 2" is not used.
図6に示す例では、9個のプロセッサで18粒子について並列計算するので、3行3列の力マトリクスに配される各プロセッサは、先ず、それぞれ2個の粒子に着目して、着目粒子ごとに対象となる他の粒子との間での相互作用を解析することになる。たとえば、ノード5(#5)に着目すると、先ず、11番目と12番目の粒子を着目粒子とする。 In the example shown in FIG. 6, 18 particles are calculated in parallel by 9 processors, so each processor arranged in a 3 × 3 force matrix first focuses on 2 particles, The interaction with other target particles will be analyzed. For example, when attention is paid to node 5 (# 5), firstly, the 11th and 12th particles are set as the particles of interest.
次に、複数種類の多体粒子間相互作用力を、力マトリクス中の自身を中心とする行方向および列方向に存在する通信を必要とするプロセッサ(特に特定プロセッサと呼ぶ)に分散して計算する(S110)。このとき、複数種類の多体粒子間相互作用に対しては、それぞれ別の力マトリクスを用いて計算する。 Next, multiple types of interaction forces between many-body particles are distributed and calculated in processors (especially called specific processors) that require communication in the row and column directions centered on themselves in the force matrix. (S110). At this time, a plurality of types of interaction between many-body particles are calculated using different force matrices.
ここで、各相互作用用の各別の力マトリクスは、取り扱う粒子番号が異なる点に特徴を有する。複数種類の多体粒子間相互作用に対して各別の力マトリクスを用いて計算することで、各力マトリクスでは相互作用計算に必要な最小数の粒子のみを計算するようにし、全粒子を計算する場合に比べて計算時間を短縮するのである。また、その時間短縮分、つまり計算負荷の低減分を見越して、各プロセッサが担当する解析対象の粒子数を増やす方向で調整するようにしてもよい。 Here, each force matrix for each interaction is characterized in that the particle numbers handled are different. By calculating each type of interaction between many-body particles using different force matrices, each force matrix calculates only the minimum number of particles required for interaction calculation, and calculates all particles. The calculation time is shortened compared to the case of doing so. In addition, in anticipation of the time reduction, that is, the reduction of the calculation load, the adjustment may be made in the direction of increasing the number of particles to be analyzed which each processor is in charge of.
たとえば、18個の解析対象粒子の内、粒子番号1〜9はキャリア粒子102a、粒子番号10〜18はトナー粒子102bであるとする。また、キャリア粒子102aについての解析を必要とする相互作用力は磁気力と接触力であり、トナー粒子102bについての解析を必要とする相互作用力は静電気力と接触力であるとする。 For example, of the 18 analysis target particles, the particle numbers 1 to 9 are carrier particles 102a, and the particle numbers 10 to 18 are toner particles 102b. Further, it is assumed that the interaction force that needs to be analyzed for the carrier particle 102a is a magnetic force and a contact force, and the interaction force that needs to be analyzed for the toner particle 102b is an electrostatic force and a contact force.
この場合、磁気力の力マトリクスはキャリア粒子102aのみを含むものとし、また静電気力の力マトリクスはトナー粒子102bのみを含むものとし、また接触力の力マトリクスはキャリア粒子102aとトナー粒子102bとを含むものとする。各プロセッサが担当する粒子数に関しては、接触力用の力マトリクスでは“2”にするが、磁気相互作用用の力マトリクス並びに静電相互作用用の力マトリクスでは“2”ではなく“1”にする。 In this case, the force matrix of magnetic force includes only carrier particles 102a, the force matrix of electrostatic force includes only toner particles 102b, and the force matrix of contact force includes carrier particles 102a and toner particles 102b. . The number of particles handled by each processor is set to “2” in the force matrix for contact force, but “1” instead of “2” in the force matrix for magnetic interaction and force matrix for electrostatic interaction. To do.
このように、各別の力マトリクスを用いることにより、各々のマトリクスでは必要最小数の粒子のみを計算するようにし、マトリクスによっては計算時間を短縮する。たとえば、磁気力の力マトリクスでは、9個のキャリア粒子102aについての計算のみを行なうことで、全粒子18個を計算する場合に比べて全計算時間を短縮する。 In this way, by using different force matrices, only the minimum necessary number of particles is calculated in each matrix, and the calculation time is shortened depending on the matrix. For example, in the force matrix of the magnetic force, only the calculation for the nine carrier particles 102a is performed, so that the total calculation time is shortened compared with the case of calculating all 18 particles.
次に、特定プロセッサ間で通信し、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)などの各相互作用について、力マトリクスにおける行方向の相互作用同士を足し合わせる、つまり、分散して計算した全ての相互作用力の全総和値SUM_Totalを求める(S112)。全総和値SUM_Totalは、静電気力、磁気力、機械的接触力、あるいは付着力などの複数の相互作用を一括して表したものとなる。 Next, it communicates between specific processors, and for each interaction such as magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction (contact force), the row direction interactions in the force matrix are added together, A total sum SUM_Total of all interaction forces calculated in a distributed manner is obtained (S112). The total sum value SUM_Total collectively represents a plurality of interactions such as electrostatic force, magnetic force, mechanical contact force, or adhesion force.
たとえば、ノード5に着目すると、ノード3,4での相互作用値をノード5に送り、ノード5にて総和計算を行なう。これにより、ノード5の担当粒子11,12の相互作用力の総和値が求まる。 For example, paying attention to node 5, the interaction values at nodes 3 and 4 are sent to node 5, and summation calculation is performed at node 5. Thereby, the total value of the interaction force of the particles 11 and 12 in charge of the node 5 is obtained.
次に、複数の相互作用を一括して表している全総和値SUM_Totalを使用して、各粒子の運動方程式を解き、位置座標を計算する(S114)。そして、このようにして求めた各粒子の位置座標を、相互作用マトリクスに関係する特定プロセッサに送り(通信し)、計算情報を更新する(S116)。 Next, using the total sum value SUM_Total that collectively represents a plurality of interactions, the equation of motion of each particle is solved, and the position coordinates are calculated (S114). Then, the position coordinates of each particle obtained in this way are sent (communication) to a specific processor related to the interaction matrix, and the calculation information is updated (S116).
たとえば、ノード5に着目すると、相互作用力の総和値から計算して更新されたノード5が担当する担当粒子11,12の位置座標を、相互作用マトリクスに関係する行方向のノード3,4および列方向のノード2,8に送る。これは、ノード5が担当する粒子11,12の情報を必要とするのは、行方向のノード3,4および列方向のノード2,8のみだからである。よって、ノード5は、この4つのノードとの間でのみ通信を行なうことで、通信量を少なくする。 For example, paying attention to the node 5, the position coordinates of the particles 11 and 12 in charge of the node 5 that are updated by calculating from the total value of the interaction force are changed to the nodes 3 and 4 in the row direction related to the interaction matrix, and Sent to nodes 2 and 8 in the column direction. This is because only the nodes 3 and 4 in the row direction and the nodes 2 and 8 in the column direction need the information on the particles 11 and 12 that the node 5 is in charge of. Therefore, the node 5 performs communication only with these four nodes, thereby reducing the amount of communication.
この後、所定の計算ステップに到達するまで、ステップS110に戻り、同様の処理を繰り返す(S118)。ここで“所定の計算ステップ”とは、解析対象の全粒子が、概ね安定した位置に納まった状態(全て流れてしまった状態)となるまでとすればよい。 Thereafter, the process returns to step S110 until the predetermined calculation step is reached, and the same processing is repeated (S118). Here, the “predetermined calculation step” may be performed until all the particles to be analyzed are in a state where they are in a generally stable position (a state in which all particles have flowed).
このように、プロセッサ数MがN^2の関係を満たす場合において、演算プロセッサとしてのCPUや記憶媒体(メモリ)としてのRAMなどを備えたプロセッサ(各粒子挙動解析装置202や各粒子挙動解析システム200)をネットワーク208で接続して相互通信可能にして並列型計算装置(クラスタ計算機)やグリッド型計算機を構成し、図6に示したように、力マトリクスに従って力分割並列化アルゴリズムを用いて、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)など、複数の相互作用を同時に考慮して挙動解析を行なう。 Thus, when the number of processors M satisfies the relationship of N ^ 2, a processor (each particle behavior analysis device 202 or each particle behavior analysis system) including a CPU as an arithmetic processor, a RAM as a storage medium (memory), or the like. 200) are connected via a network 208 to enable mutual communication to form a parallel computer (cluster computer) or a grid computer, and as shown in FIG. 6, using a force-division parallelization algorithm according to a force matrix, Behavior analysis is performed by simultaneously considering multiple interactions such as magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction (contact force).
画像形成装置1の現像装置40に収容される現像剤102(詳しくはキャリア粒子102aやトナー粒子102bなど)における磁気力、静電気力、機械的接触など電子写真現像プロセスの粒子挙動シミュレーションのように、複数種類の多体粒子間相互作用がある粒子について挙動解析を、力マトリクス(粒子間相互作用規則)を用いて処理を行なう。1種類の粒子の挙動に限らず、キャリア粒子102aとトナー粒子102bから構成される2成分現像剤の相互作用を解析してもよい。 As in the particle behavior simulation of the electrophotographic development process such as magnetic force, electrostatic force, and mechanical contact in the developer 102 (specifically, carrier particles 102a and toner particles 102b) accommodated in the developing device 40 of the image forming apparatus 1, Behavior analysis is performed on particles having multiple types of interaction between many-body particles using a force matrix (interparticle interaction rule). Not only the behavior of one type of particle, but also the interaction of a two-component developer composed of carrier particles 102a and toner particles 102b may be analyzed.
たとえば、感光体10にトナー粒子102bを電着した後のキャリア粒子102aからの電磁気的影響や摺擦の影響、また、キャリア粒子102aの中から現像に寄与するトナー粒子102bがどの程度の量、感光体10に飛翔しているのなどの解析、さらに、トナー粒子102bとキャリア粒子102aに働く接触力の影響などを解析してもよい。 For example, the influence of electromagnetic influence and rubbing from the carrier particles 102a after electrodepositing the toner particles 102b on the photosensitive member 10, and the amount of toner particles 102b contributing to development from the carrier particles 102a, You may analyze the flying to the photoconductor 10, etc. Furthermore, you may analyze the influence of the contact force which acts on the toner particle 102b and the carrier particle 102a.
また、電子写真における現像剤粒子シミュレーションに適用するために必要となる、静電気力、磁気力、機械的接触力、あるいは付着力などを同時に考慮した高速並列処理アルゴリズムを実現するようにしてもよい。 Further, a high-speed parallel processing algorithm that simultaneously considers electrostatic force, magnetic force, mechanical contact force, adhesion force, and the like necessary for application to developer particle simulation in electrophotography may be realized.
それぞれの特定プロセッサは、相互作用マトリクスに関係する自身を中心とする行方向および列方向の他の特定プロセッサとの間でのみ通信を行なえばよい。使用する特定プロセッサの数を増やすほど通信量を少なくすることで、解析処理時間を確実に低減するのである。 Each specific processor only needs to communicate with other specific processors in the row and column directions centered on itself associated with the interaction matrix. By increasing the number of specific processors to be used, the amount of communication is reduced, thereby reliably reducing the analysis processing time.
<周期境界条件の導入>
遠距離力や近距離力など複数の粒子の相互作用を計算する場合に、領域分割法を使わず力分割法を適用した粒子挙動解析処理とすることで、解析処理時間を短縮できる。
<Introduction of periodic boundary conditions>
When calculating the interaction of multiple particles such as long-distance force and short-distance force, the analysis processing time can be shortened by adopting the particle behavior analysis process using the force division method without using the region division method.
ただし、このような力分割法を適用した粒子挙動解析処理とすると、近距離力を計算するために粒子情報(座標)は毎ステップ通信するため、領域分割を適用した場合と比較すると通信負荷は大きくなり高い並列化性能が得られない。 However, in the particle behavior analysis process using such a force division method, particle information (coordinates) is communicated every step in order to calculate the short distance force, so the communication load is less than when applying region division. It becomes large and high parallelization performance cannot be obtained.
なお、分割法を適用して複数のコンピュータで並列化処理を行なうと通信負荷が大きくなるのは、力分割法に限った話ではない。並列処理における一般的な問題点として、複数プロセッサを用いた場合に、並列数に応じて全処理時間における通信時間の比率が増大し、並列化の効果が飽和するようになる。 It is not limited to the force division method that the communication load increases when the division method is applied to perform parallel processing on a plurality of computers. As a general problem in parallel processing, when a plurality of processors are used, the ratio of communication time in the total processing time increases according to the number of parallel processing, and the effect of parallelization becomes saturated.
一方、解析対象領域サイズとの関係においては、分割法を問わず、解析対象領域サイズが大きければ、その領域内に存在する解析対象粒子数が増えると考えられるので、解析対象領域サイズに応じて計算負荷が増える。 On the other hand, in relation to the analysis target area size, regardless of the division method, if the analysis target area size is large, it is considered that the number of analysis target particles in that area will increase. Calculation load increases.
ここで、解析精度を低減せずに計算負荷を低減する方法として、非特許文献4,5に記載のように、領域分割法に周期境界条件を導入する手法がある。この周期境界条件を導入する手法では、所定の解析領域を想定して解析を行なうに当たり、注目領域に対して仮想的に所定形状の解析領域(複写領域)が2次元方向に繰り返し配置されているものとして、粒子運動や磁気相互作用の処理を行なう。具体的には、注目領域の上下面は通常の固定境界として粒子との機械的相互作用が発生するものとするが、注目領域の側面の境界は粒子との機械的相互作用はなく、粒子が通過できるものとする。ただし、側面境界を超えて注目領域外に移動した粒子は、その時点の運動状態を保持したまま反対側の複写領域に配置させる。また、側面の境界近傍の粒子には注目領域外(つまり複写領域)に仮想的に存在する粒子からの磁気相互作用などを受けるものとする。 Here, as a method of reducing the calculation load without reducing the analysis accuracy, there is a method of introducing a periodic boundary condition into the region division method as described in Non-Patent Documents 4 and 5. In the method of introducing the periodic boundary condition, when an analysis is performed assuming a predetermined analysis region, an analysis region (copy region) having a predetermined shape is repeatedly arranged in a two-dimensional direction with respect to the region of interest. As a matter of course, particle motion and magnetic interaction are processed. Specifically, it is assumed that the upper and lower surfaces of the region of interest are normal fixed boundaries and mechanical interaction with the particles occurs, but the side boundary of the region of interest has no mechanical interaction with the particles, and the particles It can pass. However, particles that have moved beyond the region of interest beyond the side boundary are placed in the opposite copy region while maintaining the state of motion at that time. Further, it is assumed that the particles near the side boundary are subjected to magnetic interaction from particles virtually existing outside the region of interest (that is, the copy region).
本実施形態の手法においては、このような周期境界条件の考え方を力分割法に導入することを特徴とする。非特許文献4,5に記載の手法は、領域分割法に周期境界条件を導入する手法であるのに対して、本実施形態のように、力分割法に周期境界条件を導入する手法を採ることことで、非特許文献4,5に記載の手法では得られない優れた作用効果を享受できるようになる。周期境界条件を導入するという点においては共通するが、その導入によって得られる効果には大きな相違が生じる。この点については後で詳しく説明する。 The technique of this embodiment is characterized in that the concept of such periodic boundary conditions is introduced into the force division method. The methods described in Non-Patent Documents 4 and 5 are methods that introduce periodic boundary conditions into the region division method, but adopt a method that introduces periodic boundary conditions into the force division method as in this embodiment. In this way, it is possible to enjoy excellent operational effects that cannot be obtained by the methods described in Non-Patent Documents 4 and 5. Although common in terms of introducing periodic boundary conditions, there are significant differences in the effects obtained by the introduction. This point will be described in detail later.
また、周期境界条件を力分割法に導入するに当たっては、注目領域に対して周期境界条件を適用して配置する複写領域の各粒子の物性パラメータの設定を、注目領域のパラメータを単純にコピー(複写)することに限らず、処理プロセスをも考慮して所定領域(注目領域に限らない)のパラメータをコピー(複写)し、その際には必要に応じて値を修正して割り当てる。この点は、非特許文献4,5に記載の手法では、注目領域のパラメータを単純にコピー(複写)する手法のみしか開示されていないのと大きく異なる。本実施形態では、注目領域のパラメータを単純にコピー(複写)して周期境界条件を適用する手法を単純周期境界条件法と称し、処理プロセスをも考慮して所定領域(注目領域に限らない)のパラメータを参照して割り当てて周期境界条件を適用する手法を拡張周期境界条件法と称する。 In addition, when introducing the periodic boundary condition into the force splitting method, the physical property parameter setting of each particle in the copy area to be placed by applying the periodic boundary condition to the attention area is simply copied ( In addition to copying, parameters in a predetermined area (not limited to the attention area) are copied (copied) in consideration of the processing process, and values are corrected and assigned as necessary. This is very different from the methods described in Non-Patent Documents 4 and 5, in which only the method of simply copying (copying) the parameter of the region of interest is disclosed. In this embodiment, a method of simply copying (copying) a parameter of a region of interest and applying a periodic boundary condition is referred to as a simple periodic boundary condition method, and a predetermined region (not limited to the region of interest) in consideration of the processing process. A method of assigning the periodic boundary condition by referring to the parameters is referred to as an extended periodic boundary condition method.
<分割方向について>
図7および図7Aは、解析対象を設定するに当たっての分割方向の決定方法の一例を説明する図である。ここでは、図1Aに示した現像装置40における感光体10近傍の現像領域の解析の場合で例示する。
<About the division direction>
FIG. 7 and FIG. 7A are diagrams for explaining an example of a method for determining the division direction in setting the analysis target. Here, an example is given in the case of analysis of the development region in the vicinity of the photoconductor 10 in the development device 40 shown in FIG. 1A.
先ず、現像プロセスに着目したときには、基本的には、キャリア粒子102aやトナー粒子102bや外添剤102cが、攪拌搬送領域→ピックアップ領域→層形成領域→現像ニップ領域→ピックオフ領域と移行し再使用される循環プロセスと考えることができる。 First, when focusing on the development process, basically, the carrier particles 102a, the toner particles 102b, and the external additive 102c are transferred from the agitating / conveying area → pickup area → layer formation area → development nip area → pickoff area for reuse. Can be thought of as a circular process.
たとえば図1A(2)に示したように、現像装置40の現像ロール140は、感光体10と対向して配置されるロール状のものであり、その外接面にキャリア粒子102aを磁気力で順次吸着して磁気ブラシを形成する。そして、そのキャリア粒子102aとの付着作用によってトナー粒子102bが感光体10側に運ばれ、感光体10の潜像部分に吸着されることで、感光体10が現像されるようになっている。 For example, as shown in FIG. 1A (2), the developing roll 140 of the developing device 40 is in the form of a roll disposed to face the photoreceptor 10, and the carrier particles 102a are sequentially applied to the outer surface of the developing roll 140 by magnetic force. Adsorb to form a magnetic brush. The toner particles 102b are transported to the photoconductor 10 side by the adhesion action with the carrier particles 102a and are attracted to the latent image portion of the photoconductor 10, whereby the photoconductor 10 is developed.
したがって、処理プロセスに沿う方向をX方向、当該X方向に直交する現像ロール140から感光体10側への方向をY方向、当該X方向に直交する方向であって感光体10や現像ロール140(何れも処理プロセスに沿う方向に回転するロール状の部材である)の長手方向をZ方向としたとき、図7(1)に示すように、現像ロール140に対して同心円でかつ同一半径ステップで領域をY方向に分割すると、各分轄領域には必ず同じ処理プロセスが含まれるので本質的には処理プロセスの影響を受けない。処理プロセスの影響を受けずに解析ができる。 Therefore, the direction along the processing process is the X direction, the direction from the developing roll 140 perpendicular to the X direction to the photoreceptor 10 side is the Y direction, and the direction perpendicular to the X direction is the photoreceptor 10 or the developing roll 140 ( As shown in FIG. 7 (1), when the longitudinal direction of each roll is a roll-shaped member that rotates in the direction along the processing process is the Z direction, it is concentric with the developing roll 140 and has the same radius step. When the area is divided in the Y direction, each division area always includes the same processing process, and thus is essentially unaffected by the processing process. Analysis can be performed without being affected by the processing process.
しかしながら、実際には、現像ロール140と感光体10との間の磁界や静電界あるいは重力場の影響を受け、領域ごとに解析対象の粒子数が異なってしまうので、各ノードの計算負荷を均等にするように領域サイズを決定するのが事実上不可能である。現像ロール140に対して同心円で領域を分割しつつ、各ノードの計算負荷を均等にするには、分割時の半径ステップを適宜変更するしかないが、粒子挙動を勘案しなければならず、このようなことは困難であると考えてよい。 However, in reality, the number of particles to be analyzed differs depending on the region due to the influence of the magnetic field, electrostatic field, or gravitational field between the developing roll 140 and the photosensitive member 10, so that the calculation load of each node is equalized. It is virtually impossible to determine the region size so that In order to equalize the calculation load of each node while dividing the region concentrically with respect to the developing roll 140, the radius step at the time of division must be changed as appropriate, but the particle behavior must be taken into consideration. Such a thing may be considered difficult.
一方、現像ロール140の長手方向(Y方向)に着目して、図7(2)に示すように、ある半径距離の同心面上(現像ロール140そのものの外周面も含む)を、現像ロール140の長手方向(Y方向)に一定の分割ピッチでスライス状に分割すれば、その長手方向の各分轄領域には必ず同じ処理プロセスが含まれるので本質的に処理プロセスの影響を受けないし、トナー粒子102bが感光体10へ吸着される領域を除いては、現像ロール140と感光体10との間の磁界や静電界あるいは重力場の影響も同じになる。すなわち、ロール長手方向の各位置では、キャリア粒子102aの磁気ブラシの形成具合は概ね同一と考えてよく、また、トナー粒子102bの振る舞いは、感光体10へのトナー粒子102bの吸着分を除いて概ね同じと考えてよい。よって、ロールの長手方向に分割した各分割領域(セル)内の粒子種および粒子数を概ね均等にすることができ、計算負荷の均等化を図ることができると考えられる。後述する第1の適用例(適用例1)および第2の適用例(適用例2)では、この図7(2)に示す現像ロール140の長手方向への分割手法を適用する。 On the other hand, paying attention to the longitudinal direction (Y direction) of the developing roll 140, as shown in FIG. 7B, the developing roll 140 is located on a concentric surface having a certain radial distance (including the outer peripheral surface of the developing roll 140 itself). If the image is divided into slices at a constant division pitch in the longitudinal direction (Y direction), the same processing process is always included in each divided region in the longitudinal direction, so that the toner particles are essentially unaffected. Except for the region where 102b is attracted to the photoconductor 10, the influence of the magnetic field, electrostatic field or gravitational field between the developing roll 140 and the photoconductor 10 is the same. That is, at each position in the roll longitudinal direction, the carrier brush 102a may be considered to have substantially the same magnetic brush formation, and the behavior of the toner particles 102b is excluding the amount of toner particles 102b adsorbed to the photoreceptor 10. You may think that it is almost the same. Therefore, it is considered that the particle types and the number of particles in each divided region (cell) divided in the longitudinal direction of the roll can be made substantially uniform, and the calculation load can be made uniform. In a first application example (application example 1) and a second application example (application example 2) which will be described later, a method of dividing the developing roll 140 in the longitudinal direction shown in FIG. 7B is applied.
一方、現像プロセスに着目したときには、実際には、トナー粒子102bが現像ニップ領域で感光体10に吸着されるものも存在するが、キャリア粒子102aやトナー粒子102bや外添剤102cが、攪拌搬送領域→ピックアップ領域→層形成領域→現像ニップ領域→ピックオフ領域と移行し再使用される循環プロセスと考えることができる。すなわち、現像装置40における装置全体の粒子挙動解析への適用時には、攪拌搬送領域(攪拌部)から、攪拌搬送された現像剤粒子102(キャリア粒子102aやトナー粒子102bや外添剤102c)が磁気力により現像ロール140に吸着されるピックアップ領域に達し、その後、現像ロール140による層形成領域、現像ニップ領域、ピックオフ領域に移行し、最終的には、攪拌搬送領域(攪拌部)に戻る。このような場合、図7Aに示すように、その処理プロセスの方向(X方向)に沿うように分割することも考えられる。後述する第3の適用例(適用例3)では、この図7Aに示す処理プロセスに沿った分割手法を適用する。 On the other hand, when focusing on the development process, there are actually toner particles 102b that are adsorbed to the photoreceptor 10 in the development nip region, but the carrier particles 102a, the toner particles 102b, and the external additive 102c are stirred and conveyed. It can be considered as a circulation process that is reused by transitioning from region → pickup region → layer formation region → development nip region → pickoff region. That is, when applied to the particle behavior analysis of the entire apparatus in the developing device 40, the developer particles 102 (carrier particles 102a, toner particles 102b, and external additive 102c) that are stirred and conveyed from the stirring and conveying region (stirring unit) are magnetic. The pickup area is attracted to the developing roll 140 due to the force, and thereafter, the process proceeds to the layer forming area, the developing nip area, and the pick-off area by the developing roll 140, and finally returns to the stirring and conveying area (stirring unit). In such a case, as shown in FIG. 7A, it is possible to divide along the direction of the processing process (X direction). In a third application example (application example 3), which will be described later, a division method according to the processing process shown in FIG. 7A is applied.
<現像装置での第1の適用例(基本)>
図8および図9は、具体的な処理の第1例(適用例1)を説明する図である。ここで、図8は、適用例1において、着目する解析対象領域を説明する図である。図9は、適用例1において、力分割法アルゴリズムにより並列計算を行なう場合に、その力分割法に周期境界条件を導入する仕組みを説明する図(図8のA方向から見た状態の平面図)である。
<First application example in developing device (basic)>
8 and 9 are diagrams illustrating a first example (application example 1) of specific processing. Here, FIG. 8 is a diagram illustrating an analysis target region of interest in Application Example 1. FIG. 9 is a diagram for explaining a mechanism for introducing a periodic boundary condition in the force splitting method when performing parallel calculation by the force splitting method algorithm in Application Example 1 (a plan view as seen from the direction A in FIG. 8). ).
適用例1(基本)では、後述する適用例1の変形例との対比として、着目解析対象領域を、現像ロール140の長手方向の中央部とする場合、すなわち現像ロール140の中央部での現像剤粒子102の挙動を解析する場合である。また、適用例1は、後述する適用例2との対比として、現像剤粒子102の集合体(現像剤)である粉体が1種類の粒子の集合体である場合や、現像剤(粉体)が複数種類の粒子の集合体である場合でも着目する解析対象粒子が1種類の場合である。 In application example 1 (basic), as a comparison with a modification example of application example 1 described later, in the case where the region to be analyzed is the central portion in the longitudinal direction of the developing roll 140, that is, development at the central portion of the developing roll 140 is performed. This is a case where the behavior of the agent particles 102 is analyzed. In contrast to Application Example 2 to be described later, Application Example 1 is a case where the powder that is an aggregate (developer) of developer particles 102 is an aggregate of one kind of particles, or a developer (powder). ) Is an aggregate of a plurality of types of particles, this is a case where the target particle to be analyzed is one type.
たとえば、図8に示すように、現像装置40において、現像ロール140周りのピックアップ領域やピックオフ領域を解析対象領域(図中の点線で囲んだ領域)とする場合、現像ロール140の1周分の広い領域で解析するときに、キャリア粒子102aとトナー粒子102bの2種類を扱うと膨大な粒子数となり計算時間が増大する。また、ピックオフやピックアップの各性能を解析する場合、トナー粒子102bや外添剤102cはキャリア粒子102aと比較して低比重、小粒径でキャリア粒子102aの運動が支配的となることから、キャリア粒子102aのみを解析対象粒子として扱うことが考えられる。 For example, as shown in FIG. 8, in the developing device 40, when the pickup area and the pick-off area around the developing roll 140 are set as analysis target areas (areas surrounded by dotted lines in the drawing), When analyzing over a wide area, if two types of carrier particles 102a and toner particles 102b are handled, the number of particles becomes enormous and the calculation time increases. Further, when analyzing the performance of pickoff and pickup, the toner particles 102b and the external additive 102c have a lower specific gravity and smaller particle diameter than the carrier particles 102a, and the movement of the carrier particles 102a is dominant. It is conceivable to treat only the particles 102a as analysis target particles.
図8に示すように、解析対象を2次元の現像装置40の断面として粒子挙動を解析しても設計支援やメカニズム解析に十分有用であるが、より精度を向上させるためには、現像ロール140の長手方向に空間を広げた3次元の粒子挙動解析が必要となる。 As shown in FIG. 8, even if the particle behavior is analyzed with the analysis object as a cross section of the two-dimensional developing device 40, it is sufficiently useful for design support and mechanism analysis, but in order to improve the accuracy, the developing roll 140 is used. It is necessary to analyze the three-dimensional particle behavior in which the space is expanded in the longitudinal direction.
しかしながら、粒子個々の運動を解析する離散要素モデル(個別要素法:DEM))で現像ロール140の長手方向の全域について解析しようとすると、解析対象の粒子数が膨大となり、非現実的な計算時間となってしまう。 However, if an attempt is made to analyze the entire region in the longitudinal direction of the developing roll 140 with a discrete element model (discrete element method: DEM) for analyzing the motion of each particle, the number of particles to be analyzed becomes enormous, resulting in an unrealistic calculation time. End up.
その解決手法として、計算領域幅を狭くして、その狭い領域を注目領域とすることで、実用的なレベルまで計算時間を低減することが考えられる。ところが、単純に所定方向の計算領域幅を狭くしただけでは、注目領域の両側に粒子(本例ではキャリア粒子102a)が存在しないので、ある一部分だけを取り出して(一部分だけに着目して)計算していることにはならず、解析の精度が落ちてしまう。 As a solution to this problem, it is conceivable to reduce the calculation time to a practical level by narrowing the calculation area width and setting the narrow area as the attention area. However, simply by narrowing the calculation area width in a predetermined direction, there are no particles (carrier particles 102a in this example) on both sides of the attention area. This does not mean that the analysis accuracy is reduced.
そこで、解析精度を低減せずに計算負荷を低減する方法として、適用例1では、力分割法に単純周期境界条件法を導入する。基本的な考え方は、領域分割法に周期境界条件を導入する手法と似通っており、着目解析対象領域について解析を行なうに当たり、仮想的に所定形状の複写領域(注目領域と同様の形状・サイズとする)が1次元方向に繰り返し配置されているものとして、粒子運動や磁気相互作用の処理を行なう。1次元方向とするのは、ロール長手方向(y方向)のみに周期性を持ち、x方向やz方向には周期性がないからである。 Therefore, as a method for reducing the calculation load without reducing the analysis accuracy, the application example 1 introduces the simple periodic boundary condition method to the force division method. The basic idea is similar to the method of introducing periodic boundary conditions in the region segmentation method. When analyzing the target analysis target region, a virtual copy region (with the same shape and size as the target region) is virtually created. ) Is repeatedly arranged in the one-dimensional direction, particle motion and magnetic interaction are processed. The one-dimensional direction is because it has periodicity only in the roll longitudinal direction (y direction) and no periodicity in the x direction or z direction.
力分割法に周期境界条件を導入するに当たっては、先ず、分割処理部250は、解析対象領域を所定方向に分割してその一部の分割領域を注目領域に設定し、この注目領域内の解析対象粒子を、力分割法を適用可能なように複数の計算装置に備えられた各データ処理部230のそれぞれに割り当てるとともに、注目領域に隣接する所定範囲に対して複写領域を配置し、この複写領域の粒子に所定の物性を割り当てることが必要になる。 In introducing the periodic boundary condition into the force division method, first, the division processing unit 250 divides the analysis target region in a predetermined direction, sets a part of the divided region as the attention region, and analyzes the region within the attention region. The target particles are assigned to each of the data processing units 230 provided in the plurality of calculation devices so that the force division method can be applied, and a copy area is arranged in a predetermined range adjacent to the attention area. It is necessary to assign predetermined physical properties to the particles in the region.
この注目領域を設定する際の分割方向に関しては、たとえば、処理プロセスに沿う方向をX方向、X方向に直交する現像ロール140から感光体10側への方向をY方向、X方向に直交する方向であって感光体10や現像ロール140の長手方向をZ方向として、図7(1)に示したように、現像ロール140に対して同心円でかつ同一半径ステップで領域をY方向に分割し、その一部を注目領域に設定し、その両側に複写領域を配置することが考えられる。この場合、各分轄領域には必ず同じ処理プロセスが含まれるので本質的には処理プロセスの影響を受けないが、現像ロール140と感光体10との間の磁界や静電界あるいは重力場の影響を受け、分割領域ごとに解析対象の粒子数が異なってしまう。よって、注目領域に隣接する複写領域の粒子の物性を注目領域の粒子の物性をそのまま複写して割り当てたのでは正しい解析ができないことが予想される。 With respect to the dividing direction when setting the region of interest, for example, the direction along the processing process is the X direction, the direction from the developing roll 140 to the photoconductor 10 side orthogonal to the X direction is the Y direction, and the direction orthogonal to the X direction. The longitudinal direction of the photoconductor 10 and the developing roll 140 is the Z direction, and as shown in FIG. 7A, the region is concentric with the developing roll 140 and divided in the same radial step in the Y direction. It is conceivable that a part of the area is set as an attention area and copy areas are arranged on both sides thereof. In this case, since each divided area always includes the same processing process, it is essentially unaffected by the processing process, but the influence of the magnetic field, electrostatic field, or gravitational field between the developing roll 140 and the photoconductor 10 is not affected. As a result, the number of particles to be analyzed differs for each divided region. Therefore, it is expected that a correct analysis cannot be performed if the physical properties of the particles in the copy area adjacent to the attention area are assigned by copying the physical properties of the particles in the attention area as they are.
その解決手法として、図7(2)に示したことから推測されるように、図9(1)に示すように、現像ロール140の長手方向(Y方向)に着目して分割し、その一部を注目領域に設定し、つまり、長手方向の計算領域幅を狭くして、その狭い領域を注目領域とすることで、実用的なレベルまで計算時間を低減することが考えられる。この場合、長手方向の各分轄領域には必ず同じ処理プロセスが含まれるので本質的に処理プロセスの影響を受けないし、現像ロール140と感光体10との間の磁界や静電界あるいは重力場の影響も同じになる、すなわち場の影響の分割位置依存性を排除できると考えられる。 As a solution for this, as estimated from what is shown in FIG. 7 (2), as shown in FIG. 9 (1), the image is divided by paying attention to the longitudinal direction (Y direction) of the developing roll 140. It is conceivable to reduce the calculation time to a practical level by setting the area as the attention area, that is, by narrowing the calculation area width in the longitudinal direction and setting the narrow area as the attention area. In this case, since the same processing process is always included in each divisional area in the longitudinal direction, it is essentially unaffected by the processing process, and is not affected by the magnetic field, electrostatic field, or gravitational field between the developing roll 140 and the photoreceptor 10. It is considered that the dependence on the division position of the field effect can be eliminated.
ところが、単純に長手方向の計算領域幅を狭くしただけでは、注目領域の両側(現像ロール140の長手方向の両側)に粒子(本例ではキャリア粒子102a)が存在しないので、長い現像ロール140のある一部分だけを取り出して(一部分だけに着目して)計算していることにはならず、解析の精度が落ちてしまう。 However, simply by narrowing the calculation area width in the longitudinal direction, particles (carrier particles 102a in this example) do not exist on both sides of the attention area (both sides in the longitudinal direction of the developing roll 140). It does not mean that only a certain part is taken out (focusing on only a part), and the accuracy of analysis is reduced.
そこで、適用例1では、解析精度を低減せずに計算負荷を低減するべく、力分割法に単純周期境界条件法を導入し、仮想的に所定形状の複写領域(注目領域と同様の形状・サイズとする)が1次元方向(本例では現像ロール140の長手方向)に繰り返し配置されているものとして、粒子運動や磁気相互作用の処理を行なう。 Therefore, in the application example 1, in order to reduce the calculation load without reducing the analysis accuracy, a simple periodic boundary condition method is introduced into the force splitting method, and a virtual copy region (a shape / Assuming that the size is repeatedly arranged in a one-dimensional direction (in this example, the longitudinal direction of the developing roll 140), particle motion and magnetic interaction are performed.
具体的には、注目領域の上下面(本例ではプロセス方向の両側)は通常の固定境界として粒子との機械的相互作用が発生するものとするが、側面の境界(本例では現像ロール140の長手方向の境界)はキャリア粒子102aが通過できるものとする。ただし、側面境界を超えて注目領域外に移動したキャリア粒子102aは、その時点の運動状態を保持したまま反対側の複写領域に配置させる。つまり、図9(2)に示すように、計算領域である注目領域は現像ロール140の一部分(図ではほぼ中央部分)であるが、現像ロール140の長手方向に、注目領域と同じ分布もったキャリア粒子102aが繰り返し周期的に続いている状態を仮定して解析するのである。 Specifically, the upper and lower surfaces of the attention area (both sides in the process direction in this example) are assumed to have a normal fixed boundary and mechanical interaction with the particles, but the side boundary (development roll 140 in this example). The boundary in the longitudinal direction of the carrier particle 102a can pass through. However, the carrier particles 102a that have moved outside the region of interest beyond the side boundary are arranged in the copy region on the opposite side while maintaining the motion state at that time. That is, as shown in FIG. 9 (2), the attention area that is the calculation area is a part of the developing roll 140 (almost the center in the figure), but has the same distribution as the attention area in the longitudinal direction of the developing roll 140. The analysis is performed on the assumption that the carrier particles 102a continue periodically.
たとえば、図9(2)では、現像ロール140の長手方向の中央部に幅200μmの注目領域を設定し、カットオフ距離を400μmとして、注目領域の両側に、そのカットオフ距離の分だけ、注目領域と同サイズで、複写領域を設定している。本例の場合、注目領域の両側に各2つの複写領域が設定される。 For example, in FIG. 9B, an attention area with a width of 200 μm is set at the center in the longitudinal direction of the developing roll 140, the cutoff distance is 400 μm, and attention is paid to both sides of the attention area by the cutoff distance. The copy area is set with the same size as the area. In this example, two copy areas are set on both sides of the attention area.
力分割法を適用する場合であっても、周期境界条件を適用しないと、磁気相互作用の大きさが粒子数すなわち解析対象領域の大きさによって変化するため、シミュレーションの精度や計算負荷は解析対象領域サイズに大きく依存してしまう。 Even when the force splitting method is applied, if the periodic boundary condition is not applied, the magnitude of the magnetic interaction changes depending on the number of particles, that is, the size of the analysis target area. It depends greatly on the region size.
一方、力分割法に周期境界条件を適用して、注目領域の粒子物性を複写領域の粒子物性として複写して割り当てる手法を採ることで、精度や計算負荷の解析対象領域サイズに対する依存性が緩和(低減)される。注目領域を狭く(小さく)設定しても、実質的に大きな解析領域で解析したときと同等の精度(結果)が得られる。複写領域の粒子物性の設定は、注目領域の粒子物性を複写して割り当てるので簡単である。
加えて、周期境界条件を適用しても通信負荷の増大が生じない利点もある。現像ロール140の長手方向中央部の一部分だけ(注目領域)に着目して力分割法で解析しても、ピックアップ領域→現像ニップ領域→ピックオフ領域の各ロール中央部分でのキャリア粒子102aの挙動を、高速かつ高精度で計算できるようになる。
On the other hand, by applying a periodic boundary condition to the force splitting method and adopting a method of copying and assigning the particle physical properties of the region of interest as the particle physical properties of the copy region, the dependence of the accuracy and calculation load on the analysis target region size is reduced (Reduced). Even if the region of interest is set to be narrow (small), the same accuracy (result) as when analysis is performed in a substantially large analysis region can be obtained. Setting the particle property of the copy area is simple because the particle property of the region of interest is copied and assigned.
In addition, there is an advantage that the communication load does not increase even if the periodic boundary condition is applied. Even if analysis is performed by the force splitting method focusing on only a part of the central portion in the longitudinal direction of the developing roll 140 (region of interest), the behavior of the carrier particles 102a in the central portion of each roll in the pickup region → developing nip region → pickoff region It will be possible to calculate with high speed and high accuracy.
すなわち、領域分割法に周期境界条件を適用する手法では、注目領域の側面の境界近傍のキャリア粒子102aには注目領域外に仮想的に存在するキャリア粒子102aからの遠距離力(特に磁気相互作用)や近距離力(特に機械的な接触相互作用)を受けるものとして解析するので、複写領域の粒子情報を取得するための通信負荷が増える難点が生じる。これに対して、力分割法に周期境界条件を適用する手法では、注目領域についての力分割法による解析時に取得している全粒子情報をそのまま複写領域の粒子情報として利用することができるので、複写領域の粒子情報を取得するための通信が不要だからである。この通信負荷の差が生じる点については後でも説明する。 That is, in the method of applying the periodic boundary condition to the region division method, the long distance force (particularly magnetic interaction) from the carrier particles 102a virtually existing outside the attention region is applied to the carrier particles 102a near the boundary of the side surface of the attention region. ) And short-range forces (especially mechanical contact interaction), the communication load for acquiring the particle information in the copy area increases. On the other hand, in the method of applying the periodic boundary condition to the force division method, all particle information acquired at the time of analysis by the force division method for the region of interest can be used as it is as particle information of the copy region. This is because there is no need for communication for acquiring particle information in the copy area. The point where this communication load difference occurs will be described later.
<現像装置での第1の適用例の変形例>
図9Aは、具体的な処理の第1例(適用例1)に対する変形例を説明する図である。この変形例は、着目解析対象領域を、現像ロール140の長手方向の端部側とする場合、すなわち現像ロール140の端部での現像剤粒子102の挙動を解析する場合である。図9Aに示す例では、現物では最端部には現像剤粒子102が存在しないことが多い点を考慮して、最端部より少し内側に注目領域を設定している。
<Modification of First Application Example in Developing Device>
FIG. 9A is a diagram illustrating a modification of the first specific example (application example 1) of specific processing. This modification is a case where the target analysis target region is the end side in the longitudinal direction of the developing roll 140, that is, a case where the behavior of the developer particles 102 at the end of the developing roll 140 is analyzed. In the example shown in FIG. 9A, in consideration of the fact that the developer particles 102 often do not exist at the extreme end in the actual product, the attention area is set slightly inside the extreme end.
このように現像ロール140の端部でのキャリア粒子102aの挙動を解析をしたいときは、図9Aに示すように、端部側に設定した注目領域に対して、端部とは反対側の片側だけに周期境界条件を適用すればよい。 When it is desired to analyze the behavior of the carrier particles 102a at the end portion of the developing roll 140 as described above, as shown in FIG. 9A, one side opposite to the end portion with respect to the region of interest set on the end portion side. It is sufficient to apply the periodic boundary condition only to the above.
たとえば、図9Aでは、現像ロール140の長手方向の端部近傍に幅200μmの注目領域を設定し、カットオフ距離を400μmとして、注目領域の片側に、そのカットオフ距離の分だけ、注目領域と同サイズで、複写領域を設定している。本例の場合、注目領域の片側に2つの複写領域が設定される。 For example, in FIG. 9A, a region of interest having a width of 200 μm is set near the end of the developing roll 140 in the longitudinal direction, the cutoff distance is set to 400 μm, and the region of interest is set to one side of the region of interest by the cutoff distance. A copy area is set with the same size. In this example, two copy areas are set on one side of the attention area.
この変形例においても、力分割法に周期境界条件を適用して、現像ロール140の端部の一部分(注目領域)だけに着目して現像剤粒子102(特にキャリア粒子102a)の挙動を解析するので、高速かつ高精度で計算できるようになる。 Also in this modified example, the behavior of the developer particle 102 (particularly, the carrier particle 102a) is analyzed by applying a periodic boundary condition to the force splitting method and paying attention to only a part of the end portion (the attention region) of the developing roll 140. Therefore, it becomes possible to calculate with high speed and high accuracy.
<現像装置での第2の適用例>
図10〜図12Bは、具体的な処理の第2例(適用例2)を説明する図である。ここで、図10は、適用例2において、着目する解析対象領域を説明する図である。図11は、適用例2において、力分割法アルゴリズムにより並列計算を行なう場合に、その力分割法に周期境界条件を導入する仕組みを説明する図(図10のB方向から見た状態の平面図)である。図12は、適用例2において使用するセル法を適用する場合の分割サイズ(カットオフ距離にも拡張解釈できる)の決定方法を説明する図である。図12Aは、2次元セル法を説明する図である。図12Bは、3次元セル法を説明する図である。
<Second application example in developing device>
10 to 12B are diagrams illustrating a second example (application example 2) of specific processing. Here, FIG. 10 is a diagram illustrating an analysis target region of interest in Application Example 2. FIG. 11 is a diagram for explaining a mechanism for introducing a periodic boundary condition in the force division method when performing parallel calculation by the force division method algorithm in the application example 2 (a plan view in a state seen from the direction B in FIG. 10). ). FIG. 12 is a diagram for explaining a method for determining a division size (which can also be extended to a cutoff distance) when the cell method used in Application Example 2 is applied. FIG. 12A is a diagram illustrating the two-dimensional cell method. FIG. 12B is a diagram for explaining the three-dimensional cell method.
適用例2では、前述の適用例1との対比として、現像剤粒子102の集合体(現像剤)である粉体が複数種類の粒子の集合体であって、複数種類の粒子を解析対象とする場合である。たとえば、図10に示すように、現像ニップ領域において、感光体10上にトナー粒子102bを転写させてトナー画像を形成する粒子挙動解析への適用例である。この場合、感光体10にトナー粒子102bを現像する画像形成過程では、トナー粒子102bとキャリア粒子102aの双方の運動状態が重要で支配的であるため、現像ニップ領域におけるキャリア粒子102aとトナー粒子102bの挙動解析を力分割法アルゴリズムにより並列計算を行なう。 In application example 2, as a comparison with application example 1 described above, the powder that is an aggregate (developer) of developer particles 102 is an aggregate of a plurality of types of particles, and a plurality of types of particles are analyzed. This is the case. For example, as shown in FIG. 10, this is an application example to particle behavior analysis in which toner particles 102b are transferred onto the photoconductor 10 to form a toner image in the development nip region. In this case, in the image forming process in which the toner particles 102b are developed on the photoconductor 10, the movement states of both the toner particles 102b and the carrier particles 102a are important and dominant, and therefore the carrier particles 102a and the toner particles 102b in the development nip region. The behavioral analysis is performed in parallel using force division algorithm.
たとえば、図10に示すように、解析対象を2次元の断面として粒子挙動を解析しても設計支援やメカニズム解析に十分有用であるが、より精度を向上させるためには、感光体10および現像ロール140の長手方向に空間を広げた3次元の現像ニップ領域について粒子挙動解析が必要となる。 For example, as shown in FIG. 10, even if the particle behavior is analyzed with a two-dimensional cross section as the analysis target, it is sufficiently useful for design support and mechanism analysis. Particle behavior analysis is required for a three-dimensional development nip region in which a space is extended in the longitudinal direction of the roll 140.
しかしながら、粒子個々の運動を解析する離散要素モデル(個別要素法:DEM))で感光体10と現像ロール140の間の現像ニップ領域の長手方向の全域について解析しようとすると、解析対象の粒子数が膨大となり、非現実的な計算時間となってしまう。 However, if an attempt is made to analyze the entire area in the longitudinal direction of the developing nip region between the photoreceptor 10 and the developing roll 140 by a discrete element model (discrete element method: DEM) for analyzing the movement of each particle, the number of particles to be analyzed Becomes enormous, resulting in an unrealistic calculation time.
その解決手法として、適用例2においても、先ず適用例1と同様に、解析精度を低減せずに計算負荷を低減する方法とするべく、力分割法に単純周期境界条件法を導入する。 As a solution to this problem, in application example 2, as in application example 1, first, the simple periodic boundary condition method is introduced into the force division method so as to reduce the calculation load without reducing the analysis accuracy.
図11に示すように、長手方向の計算領域幅を狭くして、その狭い領域を注目領域とすることで、実用的なレベルまで計算時間を低減する。この際、注目領域の左右面(本例ではプロセス方向の両側)は通常の固定境界として粒子との機械的相互作用が発生するものとするが、側面の境界(本例では感光体10と現像ロール140の間の現像ニップ領域の長手方向の境界)は、キャリア粒子102aやトナー粒子102bが通過できるものとする。ただし、側面境界を超えて注目領域外に移動したキャリア粒子102aやトナー粒子102bは、その時点の運動状態を保持したまま反対側の複写領域に配置させる。つまり、図11に示すように、計算領域である注目領域は現像ニップ領域の一部分(図ではほぼ中央部分)であるが、現像ニップ領域の長手方向に、注目領域と同じ分布もったキャリア粒子102aとトナー粒子102bが繰り返し周期的に続いている状態を仮定して解析する。 As shown in FIG. 11, the calculation time is reduced to a practical level by narrowing the calculation area width in the longitudinal direction and setting the narrow area as the attention area. At this time, the left and right side surfaces of the attention area (both sides in the process direction in this example) are assumed to be normal fixed boundaries and cause mechanical interaction with the particles. It is assumed that carrier particles 102a and toner particles 102b can pass through the longitudinal boundary of the developing nip region between the rolls 140). However, the carrier particles 102a and the toner particles 102b that have moved out of the region of interest beyond the side boundary are placed in the opposite copy region while maintaining the motion state at that time. That is, as shown in FIG. 11, the attention area that is the calculation area is a part of the development nip area (substantially the central part in the figure), but the carrier particles 102a having the same distribution as the attention area in the longitudinal direction of the development nip area. Assuming that the toner particles 102b are repeated periodically, the analysis is performed.
たとえば、図11では、現像ニップ領域の長手方向の中央部に所定幅の注目領域を設定し、カットオフ距離を注目領域幅と同じにして、注目領域の両側に、そのカットオフ距離の分だけ、注目領域と同サイズで、複写領域を設定している。本例の場合、注目領域の両側に各1つの複写領域が設定される。 For example, in FIG. 11, an attention area having a predetermined width is set at the center in the longitudinal direction of the development nip area, the cut-off distance is set to be the same as the attention area width, and the cut-off distance is set on both sides of the attention area. The copy area is set in the same size as the attention area. In this example, one copy area is set on each side of the attention area.
ここで、適用例2では、粒子挙動解析において、粒子間の相互作用力をより高速に計算するために、周期境界条件だけでなくセル法も導入する。キャリア粒子102aとトナー粒子102bの各粒子サイズを比べた場合、トナー粒子102bの方がトナー粒子102bよりも遙かに小さく、解析対象の全粒子数が適用例1よりも相当程度多くなることが懸念されるからである。なお、セル法は適用例1に導入することも可能である。 Here, in the application example 2, in order to calculate the interaction force between particles at higher speed in the particle behavior analysis, not only the periodic boundary condition but also the cell method is introduced. When the particle sizes of the carrier particles 102a and the toner particles 102b are compared, the toner particles 102b are much smaller than the toner particles 102b, and the total number of particles to be analyzed may be considerably larger than the application example 1. This is because of concern. The cell method can also be introduced in Application Example 1.
<分割サイズとセル法の関係>
粒子挙動解析時には、図12(1)に示すように、相互作用の及ぼす範囲を一定範囲に制限して、その制限したカットオフ距離Lcut をカバーするように領域サイズを大きくして分割する手法を採るのが一般的である。
<Relationship between division size and cell method>
At the time of particle behavior analysis, as shown in FIG. 12 (1), the range of interaction is limited to a certain range, and the region size is divided so as to cover the limited cutoff distance Lcut. It is common to take it.
ここで、データ処理部230は、距離の近い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である近距離力であるのか、距離の遠い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である遠距離力であるのかに基づき、前記着目粒子と前記他の粒子との相互作用力についての計算時に設定する前記近傍のセルの範囲を設定(調整)する。詳しくは、データ処理部230は、着目粒子と距離の近い粒子との相互作用力である近距離力についての計算時に設定する近傍セルの範囲(探索範囲)を、着目粒子と距離の遠い粒子との相互作用力である遠距離力についての計算時に設定する近傍セルの範囲(探索範囲)よりも小さくする。 Here, the data processing unit 230 performs an analysis focusing on an interaction with a particle at a long distance, whether it is a short-distance force that performs an analysis focusing on an interaction with a particle at a short distance. Based on whether it is a long-distance force that is an acting force, a range of the neighboring cells that is set when calculating the interaction force between the target particle and the other particles is set (adjusted). Specifically, the data processing unit 230 sets the range (search range) of the neighboring cell set at the time of calculation of the short-range force, which is the interaction force between the target particle and the particle close to the distance, as the particle far from the target particle. The range is set to be smaller than the range (search range) of the neighboring cell set at the time of calculation of the long-distance force that is the interaction force.
たとえば、近距離力(たとえば機械的相互作用力)の解析のみに着目した領域サイズを設定する上では、図12(2)に示すように、少なくとも解析対象粒子を完全に含むように領域分割すれば十分である。このことは、事実上、カットオフ距離Lcut を粒子半径に設定すればよいことを意味し、粒子半径Lrad (=カットオフ距離Lcut )に対して、粒子半径Lrad の内接円を形成するように、縦横それぞれ粒子直径Ldia (=2・Lrad )サイズの矩形領域を最小サイズに設定することができる。 For example, in setting the region size focusing only on the analysis of the short-range force (for example, mechanical interaction force), as shown in FIG. 12 (2), the region is divided so that at least the analysis target particle is completely included. It is enough. This means that the cut-off distance Lcut should be set to the particle radius in effect, and an inscribed circle having the particle radius Lrad is formed with respect to the particle radius Lrad (= cutoff distance Lcut). A rectangular region having a particle diameter Ldia (= 2 · Lrad) in both vertical and horizontal directions can be set to the minimum size.
一方、近距離力の解析のみに着目した領域サイズを設定するときの最大サイズは、遠距離力の解析を考慮してなくてもよいので、遠距離力解析用のカットオフ距離を考慮する必要がなく遠距離力に異存しない任意の大きさにできる。実際には、たとえば分割セル内の各粒子数が均等になるように位置に応じたサイズを設定するのがよい。 On the other hand, the maximum size when setting a region size that focuses only on short-range force analysis need not consider far-distance force analysis, so it is necessary to consider cut-off distance for long-range force analysis It can be of any size that does not exist in the long-range force. In practice, for example, it is preferable to set the size according to the position so that the number of particles in the divided cells is equal.
一例としては、図12(1)に示すように、最小サイズに対して1近傍分広げた3×3セル分を探索範囲に設定して解析を行なう。なお、粒子間の機械的な接触力を計算する場合にも、図12(1)に示すように、着目粒子の存在するセルとその周りの近傍8セルだけを探索すればよい。 As an example, as shown in FIG. 12A, the analysis is performed by setting a search range of 3 × 3 cells expanded by one neighborhood with respect to the minimum size. When calculating the mechanical contact force between particles, as shown in FIG. 12 (1), it is only necessary to search for a cell in which the target particle exists and its neighboring eight cells.
たとえば、図12A(1)は、近距離力の解析に着目した2次元セル法を説明する図である。セル法は、解析対象領域を粒子サイズと同程度の大きさのセルで分割し、セル番号と粒子番号との対応づけを最初に行なうことで、どのセルにどの粒子が存在するかが分かるようになる。キャリア粒子102aとトナー粒子102bを解析対象とする本例では、キャリア粒子102aとトナー粒子102bの内の大きい方のキャリア粒子102aのサイズと同程度の大きさのセルで分割する。次に、着目した粒子との相互作用を計算するときには、自分(着目粒子)の属するセルとその近傍のセル(たとえば3×3分の中心を除く8セル)に属する粒子との距離を算出し、接触の有無(機械的な相互作用の計算要否)や磁気的あるいは静電的な相互作用力の計算要否などを判定すればよい。 For example, FIG. 12A (1) is a diagram illustrating a two-dimensional cell method focusing on short-range force analysis. In the cell method, the analysis target area is divided into cells of the same size as the particle size, and the cell number and particle number are first associated with each other so that it can be understood which particle is present in which cell. become. In this example in which the carrier particles 102a and the toner particles 102b are analyzed, the cell is divided into cells having a size similar to the size of the larger one of the carrier particles 102a and the toner particles 102b. Next, when calculating the interaction with the focused particle, the distance between the cell to which the own (targeted particle) belongs and a particle belonging to a cell in the vicinity thereof (for example, 8 cells excluding the center of 3 × 3 minutes) is calculated. The presence / absence of contact (necessity of calculation of mechanical interaction) and the necessity of calculation of magnetic or electrostatic interaction force may be determined.
相互作用計算では、通常、着目粒子は、相互作用計算をするか否かを決めるため、全粒子数Nと粒子間距離を算出して判定をする。つまり、粒子数Nで全粒子数Nとの計算を行なうので計算負荷はN^2=N*Nとなる。粒子数が多いと、着目粒子と全粒子数との距離を計算する負荷が増大するため(N*NなのでNの2乗できくため)、セル法によって負荷を低減する。 In the interaction calculation, the particle of interest usually makes a determination by calculating the total number of particles N and the interparticle distance in order to determine whether or not to perform the interaction calculation. That is, since the calculation is performed with the number of particles N and the total number of particles N, the calculation load is N ^ 2 = N * N. When the number of particles is large, the load for calculating the distance between the target particle and the total number of particles increases (because N * N, so that N can be squared), so the load is reduced by the cell method.
セル法では、セルと粒子との対応関係から、着目粒子とその周りの近傍粒子だけで判定の計算をすることができるので、大幅に計算負荷を低減できるようになる。近傍にいる粒子数(つまり探索範囲内の粒子数)をM(M<<N)とすると、計算負荷は、セル法を適用しない場合にはN^2であるのに対して、図12A(1)に示す2次元セル法を適用することでN*Mとなり、ホットスポットである粒子間距離の計算負荷を低減できるようになる。 In the cell method, the determination calculation can be performed only from the target particle and neighboring particles around the target particle from the correspondence relationship between the cell and the particle, so that the calculation load can be greatly reduced. When the number of particles in the vicinity (that is, the number of particles in the search range) is M (M << N), the calculation load is N ^ 2 when the cell method is not applied, whereas FIG. By applying the two-dimensional cell method shown in 1), N * M is obtained, and the calculation load of the interparticle distance that is a hot spot can be reduced.
一方、粒子間の機械的な接触力を計算する場合には、着目粒子の存在するセルとその周りの近傍8セルだけを探索すればよいが、遠距離力(たとえば磁気的相互作用力や静電的相互作用力)を計算する場合には、遠くの粒子を含めて判定を行なうため、図12A(2)に示すように、遠距離力の解析に着目した2次元セル法を適用する。簡単に言えば、探索エリアを広げることになる。 On the other hand, when calculating the mechanical contact force between the particles, it is only necessary to search for the cell in which the target particle exists and the neighboring eight cells, but a long distance force (for example, magnetic interaction force or static force). When calculating (electrical interaction force), in order to make a determination including distant particles, as shown in FIG. 12A (2), a two-dimensional cell method focusing on long-distance force analysis is applied. Simply put, it will expand the search area.
図12A(2)では自分の属するセルとその近傍のセル(たとえば5×5分の中心を除く24セル)に属する粒子との距離を算出し判定する。具体的な数値例を挙げると、セルサイズが40μm、磁気相互作用力のカットオフ距離を480μmとしたとき、480/40=12となるので、13×13分の中心を除く上下左右各12セル分の領域を探索することになる。 In FIG. 12A (2), the distance between a cell to which the cell belongs and a particle belonging to a cell in the vicinity thereof (for example, 24 cells excluding the center of 5 × 5 minutes) is calculated and determined. As a specific numerical example, when the cell size is 40 μm and the cutoff distance of the magnetic interaction force is 480 μm, 480/40 = 12, so each of the 12 cells up / down / left / right except the center of 13 × 13 minutes You will search for the minutes area.
説明を簡単にするため、図12Aでは2次元セル法を説明しているが、実際には、感光体10および現像ロール140の長手方向に空間を広げた3次元の現像ニップ領域について粒子挙動解析が必要となるので、図12Bに示すような3次元セル法を適用することになる。 In order to simplify the explanation, the two-dimensional cell method is described in FIG. 12A, but in reality, particle behavior analysis is performed on a three-dimensional development nip region in which a space is extended in the longitudinal direction of the photoreceptor 10 and the development roll 140. Therefore, the three-dimensional cell method as shown in FIG. 12B is applied.
3次元セル法においても、粒子の接触判定とカットオフ範囲内の判定に要する計算負荷が低減する。2次元セル法と比較して粒子数大のときに効果が大きい。 Even in the three-dimensional cell method, the calculation load required for particle contact determination and determination within the cutoff range is reduced. The effect is large when the number of particles is large as compared with the two-dimensional cell method.
たとえば、図12B(1)に示すようにセルサイズを40×40×40μmとする。そして、図12A(1),(2)に示したと同様にして、図12B(2)に示すように、遠距離力(たとえば磁気的相互作用力や静電的相互作用力)と近距離力(機械的相互作用力)で探索範囲を変更する。 For example, as shown in FIG. 12B (1), the cell size is 40 × 40 × 40 μm. Then, in the same manner as shown in FIGS. 12A (1) and (2), as shown in FIG. 12B (2), a long distance force (for example, a magnetic interaction force or an electrostatic interaction force) and a short distance force. The search range is changed by (mechanical interaction force).
図示を割愛するが、適用例1に対する変形例と同様に、着目解析対象領域を、現像ニップ領域の長手方向の端部側とする場合、端部側に設定した注目領域に対して、端部とは反対側の片側だけに周期境界条件を適用すればよい。 Although illustration is omitted, in the same way as in the modification to Application Example 1, when the target analysis target region is the end side in the longitudinal direction of the development nip region, the end portion of the target region set on the end side is It is only necessary to apply the periodic boundary condition to one side opposite to.
<周期境界条件と通信負荷の関係>
図13は、周期境界条件を領域分割法や力分割法に導入して粒子挙動解析を行なう際の通信負荷との関係を説明する図である。図13(1)は、周期境界条件を領域分割法に導入したときを示し、図13(2)は、周期境界条件を力分割法に導入したときを示す。何れも、前述の適用例2のように、現像ニップ領域におけるキャリア粒子102aとトナー粒子102bの挙動解析を複数のコンピュータを使用して並列計算を行なう場合である。
<Relationship between periodic boundary conditions and communication load>
FIG. 13 is a diagram for explaining the relationship with the communication load when performing the particle behavior analysis by introducing the periodic boundary condition into the region division method or the force division method. FIG. 13 (1) shows a case where the periodic boundary condition is introduced into the region dividing method, and FIG. 13 (2) shows a case where the periodic boundary condition is introduced into the force dividing method. In either case, as in Application Example 2 described above, the behavioral analysis of the carrier particles 102a and the toner particles 102b in the development nip region is performed in parallel using a plurality of computers.
先ず、現像ニップ領域(事実上感光体10や現像ロール140と同様)の長手方向に対して周期境界条件を適用する。また、先にも述べたが、複数成分粒子系であるので、遠距離力(たとえば磁気的相互作用力や静電的相互作用力)と近距離力(機械的相互作用力)に合わせて複数のカットオフ(探索範囲)を設定する。 First, the periodic boundary condition is applied to the longitudinal direction of the developing nip region (in effect, the same as the photosensitive member 10 and the developing roll 140). In addition, as described above, since it is a multi-component particle system, it can be used in combination with a long distance force (for example, magnetic interaction force or electrostatic interaction force) and a short distance force (mechanical interaction force). Set the cut-off (search range).
ここで、図13(1)に示すように、周期境界条件を領域分割法に導入したときには、注目領域の側面の境界近傍のキャリア粒子102aやトナー粒子102bには注目領域外の複写領域に仮想的に存在するキャリア粒子102aやトナー粒子102bからの遠距離力(磁気相互作用やクローン力)や近距離力(接触相互作用)を受けるものとして解析する。このとき、領域分割法では、注目領域についての各分轄領域を担当する各Node1,2,3,4は、他の分轄領域の粒子との間で相互作用を計算する都度粒子情報の交換を行なう。 Here, as shown in FIG. 13A, when the periodic boundary condition is introduced into the region division method, carrier particles 102a and toner particles 102b in the vicinity of the boundary of the side surface of the attention area are virtually displayed in the copy area outside the attention area. It is analyzed that it receives a long-distance force (magnetic interaction or clonal force) or a short-distance force (contact interaction) from the carrier particles 102a and toner particles 102b that are present. At this time, in the area division method, each Node 1, 2, 3, 4 in charge of each division area for the attention area exchanges particle information each time the interaction is calculated with particles in other division areas. .
したがって、たとえば、磁気相互作用についてカットオフ1(たとえば注目領域サイズと同じ)に設定したとき、Node1では複写領域1のNode4,3,2が担当する粒子情報の交換を必要とするのでその分の通信負荷が増える。また、クーロン力についてカットオフ2(たとえば注目領域サイズに対して3/4)に設定したとき、Node1では複写領域1のNode4,3が担当する粒子情報の交換を必要とするのでその分の通信負荷が増える。 Therefore, for example, when the cut-off 1 is set for the magnetic interaction (for example, the same size as the region of interest), Node 1 requires exchange of particle information handled by Nodes 4, 3 and 2 of the copy region 1, and accordingly Communication load increases. In addition, when the Coulomb force is set to cutoff 2 (for example, 3/4 with respect to the attention area size), Node 1 requires exchange of particle information handled by Nodes 4 and 3 in the copying area 1, and communication for that amount. Load increases.
さらに、複写領域との間で接触相互作用の解析が必要となるので、Node4では複写領域2のNode1が担当する粒子情報を必要とするし、図示しないがNode1では複写領域1のNode4が担当する粒子情報の交換を必要とするのでその分の通信負荷が増える。 Furthermore, since it is necessary to analyze the contact interaction with the copy area, Node 4 requires the particle information handled by Node 1 in the copy area 2 and Node 1 in the copy area 1 is in charge of Node 1 although not shown. Since the exchange of particle information is required, the communication load correspondingly increases.
一方、図13(2)に示すように、周期境界条件を力分割法に導入したときには、先ず、力域分割法では、各解析対象粒子を担当する各Node1,2,3,4は、図6に示したようにして、相互作用の解析に必要な粒子を担当するノードとの間で粒子情報の交換をしており、複写領域についても、注目領域についての力分割法による解析時に取得している全粒子情報をそのまま複写領域の粒子情報として利用することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 13 (2), when the periodic boundary condition is introduced into the force splitting method, first, in the force range splitting method, each Node 1, 2, 3, 4 in charge of each analysis target particle is As shown in Fig. 6, the particle information is exchanged with the node in charge of the particles necessary for the analysis of the interaction, and the copy area is also obtained during the analysis by the force division method for the attention area. All particle information can be used as it is as particle information in the copy area.
したがって、注目領域の側面の境界近傍のキャリア粒子102aやトナー粒子102bには注目領域外の複写領域に仮想的に存在するキャリア粒子102aやトナー粒子102bからの遠距離力(磁気相互作用やクローン力)や近距離力(接触相互作用)を受けるものとして解析する場合であっても、複写領域の粒子情報を交換するための新たな通信が不要であり、周期境界条件を力分割法に導入しても通信負荷が増えない。 Accordingly, the carrier particles 102a and the toner particles 102b near the boundary of the side surface of the region of interest have a long-distance force (magnetic interaction and clonal force) from the carrier particles 102a and toner particles 102b virtually existing in the copy region outside the region of interest. ) Or near-field forces (contact interaction), it is not necessary to conduct new communication for exchanging particle information in the copy area, and periodic boundary conditions are introduced into the force splitting method. However, the communication load does not increase.
周期境界条件を力分割法に導入する手法では、磁気相互作用やクローン力のそれぞれに合わせて複数のカットオフ距離を設定しても計算負荷や通信負荷が増加することはないし、接触判定する場合にも新たな通信が不要である。 In the method of introducing the periodic boundary condition into the force splitting method, even if multiple cut-off distances are set for each of the magnetic interaction and the clone force, the calculation load and communication load do not increase. In addition, no new communication is required.
領域分割法に周期境界条件を導入する場合、接触力やクーロン力を計算するには隣接領域の粒子情報、磁気相互作用力を計算するにはさらに遠くの領域の粒子情報の交換のための通信が必要となるのに対して、力分割法に周期境界条件を導入することで、周期境界条件を導入しても、通信量を増加させないで済む。 When introducing periodic boundary conditions into the domain decomposition method, communication for exchanging particle information in adjacent regions to calculate contact force and Coulomb force, and particle information in farther regions to calculate magnetic interaction force However, by introducing the periodic boundary condition into the force division method, it is not necessary to increase the amount of communication even if the periodic boundary condition is introduced.
<周期境界条件+力分割法の応用例>
図14は、周期境界条件を力分割法に導入する手法の応用例を説明する図である。この応用例は、データ処理部230は、カットオフ距離に応じて計算頻度を変えることで、つまり、注目領域内の着目粒子と複写領域内の他の粒子との距離に応じて相互作用力の計算頻度を設定(調整)することで、計算負荷を一層低減する点に特徴を有する。より具体的には、離れた周期境界エリア(複写領域)との相互作用力計算頻度を落とす。たとえば、図示のように、注目領域に対して1領域分以上離れた比較的大きなカットオフ1についての計算頻度をN1とし、注目領域に対して1領域分以内の比較的小さなカットオフ2についての計算頻度をN2(<N1)とする。
<Application example of periodic boundary condition + force division method>
FIG. 14 is a diagram for explaining an application example of a technique for introducing a periodic boundary condition into the force division method. In this application example, the data processing unit 230 changes the calculation frequency according to the cut-off distance, that is, the interaction force depends on the distance between the target particle in the target region and other particles in the copy region. It is characterized in that the calculation load is further reduced by setting (adjusting) the calculation frequency. More specifically, the frequency of calculating the interaction force with a distant periodic boundary area (copy region) is reduced. For example, as shown in the figure, the calculation frequency for a relatively large cutoff 1 that is one region or more away from the region of interest is N1, and for a relatively small cutoff 2 within one region of the region of interest. The calculation frequency is N2 (<N1).
これは、注目領域の各粒子に対しての複写領域であって相対的に小さく離れたカットオフ2の領域の作用力に比べると、注目領域の各粒子に対しての複写領域であって相対的に大きく離れたカットオフ1の領域の作用力は小さいと考えることができるので、カットオフ1の領域からの作用力の計算頻度を低減しても、実質的には解析精度をさほど低下させなくて済むという考えに基づく。 This is a copy region for each particle in the region of interest, and the copy region for each particle in the region of interest is relatively smaller than the acting force of the region of cutoff 2 that is relatively small. Therefore, even if the frequency of calculating the acting force from the cutoff 1 region is reduced, the analysis accuracy is substantially lowered. Based on the idea of not having to.
<現像装置での第3の適用例>
図示を割愛するが、力分割法に周期境界条件を導入する際に注目領域に設定する手法としては、適用例1(その変形例も含む),2のように感光体10や現像ロール140の長手方向に解析対象領域を分割してその一部を注目領域に設定する手法だけに限らない。
<Third application example in developing device>
Although illustration is omitted, as a method of setting a region of interest when introducing a periodic boundary condition in the force division method, as in application examples 1 (including modifications thereof) and 2, the photoreceptor 10 and the developing roll 140 may be used. The method is not limited to the method in which the analysis target region is divided in the longitudinal direction and a part thereof is set as the attention region.
たとえば、現像プロセスに着目して、その処理プロセスに沿って解析対象領域を設定(分割)し、その一部(たとえば現像ニップ領域の中心を含むように)に注目領域を設定して、周期境界条件を導入した力分割法で粒子挙動解析を行なうことができる。この手法を以下適用例3と称する。 For example, paying attention to the development process, the analysis target area is set (divided) along the processing process, and the attention area is set in a part (for example, so as to include the center of the development nip area). Particle behavior analysis can be performed by force splitting method that introduces conditions. This technique is hereinafter referred to as application example 3.
この適用例3を実行する際には、前述の適用例1(その変形例も含む)や適用例2では、注目領域に対して周期境界条件を適用して配置する複写領域の各粒子の物性パラメータの設定を、注目領域のパラメータを単純にコピー(複写)する単純周期境界条件法を導入していたが、処理プロセスを考慮して所定領域(注目領域に限らない)のパラメータを複写領域にコピー(複写)し、その際には必要に応じて値を修正して割り当てる。 When this application example 3 is executed, in the application example 1 (including modifications thereof) and the application example 2 described above, the physical properties of each particle in the copy region arranged by applying the periodic boundary condition to the region of interest. The simple periodic boundary condition method that simply copies (duplicates) the parameters of the region of interest has been introduced as the parameter setting, but the parameters of the predetermined region (not limited to the region of interest) are taken into the copy region in consideration of the processing process. Copy (duplicate) and modify the values as necessary to assign them.
たとえば、図1A(2)や図7Aに示したように、現像プロセスでは、攪拌搬送領域→ピックアップ領域→層形成領域→現像ニップ領域→ピックオフ領域と移行し再使用される循環プロセスと考えることができるので、現像ロール140内のマグネット142は、ピックオフ領域のN2極付近の粒子がピックアップ領域S2極付近とつながっていると考えれば、N2付近の粒子は、S2付近から流入することになる。したがって、ピックオフ領域のパラメータをピックアップ領域にコピー(複写)することが考えられる。 For example, as shown in FIG. 1A (2) and FIG. 7A, in the development process, it can be considered as a circulation process in which the agitation conveyance area → pickup area → layer formation area → development nip area → pickoff area is transferred and reused. Therefore, if the magnet 142 in the developing roll 140 is considered that the particles near the N2 pole in the pick-off area are connected to the vicinity of the S2 pole in the pick-up area, the particles near the N2 flow from the vicinity of S2. Therefore, it is conceivable to copy (copy) the parameters of the pick-off area to the pickup area.
このとき、現像プロセスでは、実際には、トナー粒子102bが現像ニップ領域で感光体10に吸着されトナー消費が起きるし、ピックアップ領域では、新しいトナー粒子102bが補充される。また、ピックオフ領域では、キャリア粒子102aやトナー粒子102bの全てが攪拌搬送領域に落下するとは限らない(いわゆるピックオフ不良がある)。また、ピックオフ領域での運動方向とピックアップ領域での運動方向とは異なるので、ピックオフ領域のパラメータを単純にピックアップ領域にコピー(複写)したのでは適正な粒子情報の割り当て方とはならない。 At this time, in the developing process, the toner particles 102b are actually attracted to the photoconductor 10 in the developing nip region and toner consumption occurs, and new toner particles 102b are replenished in the pickup region. Further, in the pick-off area, not all of the carrier particles 102a and toner particles 102b fall into the stirring and conveying area (there is a so-called pick-off defect). In addition, since the movement direction in the pick-off area is different from the movement direction in the pickup area, simply copying (copying) the parameters of the pick-off area to the pickup area does not provide an appropriate way of assigning particle information.
このような場合、分割処理部250は、最初の過程の分割領域(本例ではピックアップ領域側)を複写領域として、処理プロセスに沿って分割した最終の過程の分割領域(本例ではピックオフ領域側)の粒子の情報の一部を最初の過程の分割領域の粒子の対応する一部の情報として割り当てるととともに、最初の過程の分割領域の粒子の残りの情報は所定の条件に従って割り当てる。 In such a case, the division processing unit 250 uses the divided area in the first process (in this example, the pickup area side) as a copy area, and the divided area in the final process (in this example, the pick-off area side) divided along the processing process. A part of the particle information of (1) is assigned as the corresponding part of the information of the particles in the divided area in the first process, and the remaining information of the particles in the divided area in the first process is assigned according to a predetermined condition.
たとえば、ピックオフ領域から落下した(出た)キャリア粒子102aの数N1に対して、ピックアップ領域に入るキャリア粒子102aの数N2にする。このとき、N1=N2にしてもよいが、ピックオフ不良を考慮して、N1<N2にしてもよい。また、現像ニップ領域で感光体10に吸着されるトナー粒子102bを考慮して、ピックアップ領域に入るトナー粒子102bの数N3は、ピックオフ領域から落下した(出た)トナー粒子102bの数に関わらず、トナー密度(単位体積当たりのキャリア粒子102aの数に対する割合)に応じた値を割り当てる。また、ピックアップ領域におけるキャリア粒子102aやトナー粒子102bの配置位置や移動速度や移動方向は、ピックオフ領域のものではなく、予め適当に定めておいた値を割り当てる。 For example, the number N2 of carrier particles 102a entering the pickup region is set to the number N1 of carrier particles 102a falling (outing) from the pickoff region. At this time, N1 = N2 may be set, but N1 <N2 may be set in consideration of pick-off failure. Further, in consideration of the toner particles 102b adsorbed to the photoconductor 10 in the development nip region, the number N3 of toner particles 102b entering the pickup region is independent of the number of toner particles 102b falling (exiting) from the pickoff region. A value corresponding to the toner density (ratio to the number of carrier particles 102a per unit volume) is assigned. In addition, the arrangement position, the moving speed, and the moving direction of the carrier particles 102a and the toner particles 102b in the pickup area are not those in the pick-off area but are assigned values determined in advance.
このように、プロセス方向を考慮して領域分割を行ないつつ、力分割法に周期境界条件を導入することができる。この際には、プロセス方向での粒子の挙動を考慮して複写領域に割り当てる粒子情報のパラメータ値(粒子物性)を調整することで、より現実に即した解析ができるようになる。もちろん、力分割法に周期境界条件を導入することの利点は、適用例1,2と同様に享受できる。 As described above, the periodic boundary condition can be introduced into the force division method while performing the region division in consideration of the process direction. At this time, the parameter value (particle physical property) of the particle information assigned to the copy area is adjusted in consideration of the behavior of the particles in the process direction, so that a more realistic analysis can be performed. Of course, the advantage of introducing the periodic boundary condition into the force division method can be enjoyed in the same manner as in the first and second application examples.
以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で前記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various changes or improvements can be added to the above-described embodiment without departing from the gist of the invention, and embodiments to which such changes or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention.
また、前記の実施形態は、クレーム(請求項)にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。 Further, the above embodiments do not limit the invention according to the claims (claims), and all combinations of features described in the embodiments are not necessarily essential to the solution means of the invention. Absent. The embodiments described above include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. Even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, as long as an effect is obtained, a configuration from which these some constituent requirements are deleted can be extracted as an invention.
たとえば、個別要素法を適用した粒子挙動解析と、粉体を連続体として取り扱い粉体挙動の解析を行なう粒子挙動解析とを、解析対象空間中の解析対象粒子の数に関する判断指標に基づき特定した領域属性に応じて使い分ける手法を適用する仕組みは、現像装置40への適用に限定されない。たとえば、粒子攪拌装置や粒子搬送装置などへの適用の可能である。 For example, the particle behavior analysis using the discrete element method and the particle behavior analysis that handles powder as a continuum and analyzes the powder behavior were identified based on a judgment index regarding the number of particles to be analyzed in the analysis target space. A mechanism for applying a method to be used according to the region attribute is not limited to application to the developing device 40. For example, the present invention can be applied to a particle stirring device, a particle conveying device, and the like.
1…画像形成装置、10…感光体10、20…帯電装置、30…露光装置、40…現像装置、50…転写装置、60…クリーニング装置、70…定着装置、101…収納容器、101a…開口部、102…現像剤、102a…キャリア粒子、102b…トナー粒子、102c…外添剤、130…感光体、140…現像ロール、142…マグネット、150…規制ブレード、160…攪拌搬送ロール、200…粒子挙動解析システム、202…粒子挙動解析装置、208…ネットワーク、208a…ネットワーク管理装置、210…指示入力装置、212…表示装置、220…データ入力部、230…データ処理部、232…データ受付部、234…数値演算処理部、236…出力データ処理部、240…情報提示部、250…分割処理部(兼:解析負荷分散処理部) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Image forming apparatus, 10 ... Photoconductor 10, 20 ... Charging device, 30 ... Exposure device, 40 ... Developing device, 50 ... Transfer device, 60 ... Cleaning device, 70 ... Fixing device, 101 ... Storage container, 101a ... Opening Part 102, developer, 102 a carrier particles, 102 b toner particles, 102 c external additive, 130 photoconductor, 140 developing roller, 142 magnet, 150 regulating blade, 160 agitating and conveying roll, 200 Particle behavior analysis system 202 ... Particle behavior analysis device 208 ... Network 208a Network management device 210 ... Instruction input device 212 ... Display device 220 ... Data input unit 230 ... Data processing unit 232 ... Data reception unit 234 ... Numerical calculation processing unit, 236 ... Output data processing unit, 240 ... Information presentation unit, 250 ... Division processing unit (also: Analysis load distribution processing unit)
Claims (12)
前記分割処理部による分割処理により割り当てられた分割部分について、前記力分割法に従って計算する、ネットワーク接続された各計算装置に備えられたデータ処理部とを備え、
前記分割処理部は、前記解析対象範囲を所定方向に分割してその一部の分割領域を注目領域に設定し、この注目領域内の解析対象粒子を、前記力分割法を適用可能なように前記複数の計算装置に備えられた各データ処理部のそれぞれに割り当てるとともに、前記注目領域に隣接する所定範囲に対して複写領域を配置し当該複写領域の粒子に所定の物性を割り当て、
前記データ処理部は、前記力分割法を適用して、自身が担当する前記注目領域内の解析対象粒子について、他の前記データ処理部が担当する前記注目領域内の解析対象粒子および前記複写領域の粒子との相互作用力を計算することで、前記粒子の挙動を解析する
ことを特徴とする粒子挙動解析装置。 A division processing unit that assigns analysis target particles within the analysis target range to each of a plurality of network-connected computing devices so that a force division method using a force matrix can be applied;
A data processing unit provided in each network-connected calculation device that calculates according to the force division method for the divided portion allocated by the division processing by the division processing unit,
The division processing unit divides the analysis target range in a predetermined direction, sets a part of the divided region as a target region, and applies the force splitting method to analysis target particles in the target region. Assigning to each of the data processing units provided in the plurality of computing devices, as well as arranging a copy region for a predetermined range adjacent to the region of interest and assigning predetermined physical properties to particles in the copy region,
The data processing unit applies the force splitting method, and the analysis target particles in the region of interest in which the other data processing unit is responsible and the copy region A particle behavior analysis apparatus characterized in that the behavior of the particles is analyzed by calculating the interaction force with the particles.
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。 The particle behavior analysis apparatus according to claim 1, wherein the division processing unit copies the physical properties of the particles in the region of interest and assigns them to the physical properties of the particles in the copy region.
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。 The division processing unit is configured to divide along a direction orthogonal to a direction along a processing process of the analysis target range and set a partial region as the attention region. The particle behavior analysis apparatus described.
ことを特徴とする請求項3に記載の粒子挙動解析装置。 The division processing unit is configured to divide along a longitudinal direction of a roll-shaped member that rotates in a direction along the processing process and set a part of the division region as the attention region. The particle behavior analysis apparatus described.
ことを特徴とする請求項4に記載の粒子挙動解析装置。 5. The division processing unit sets a division area at a central portion in the longitudinal direction as the attention area, and sets the copy areas on both sides of the attention area in the longitudinal direction. Particle behavior analyzer.
ことを特徴とする請求項4に記載の粒子挙動解析装置。 The division processing unit sets a divided region at an end portion in the longitudinal direction as the attention region, and sets the copy region on a side opposite to the end portion in the longitudinal direction of the attention region. The particle behavior analysis apparatus according to claim 4.
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。 The particle behavior analysis apparatus according to claim 1, wherein the division processing unit divides the analysis target range along a processing process and sets a part of the divided region as the region of interest.
ことを特徴とする請求項7に記載の粒子挙動解析装置。 The division processing unit uses the divided area of the first process as the copy area, and part of the particle information of the divided area of the final process divided according to the processing process. The particle behavior analysis apparatus according to claim 7, wherein the information is assigned as a part of the corresponding information, and the remaining information of the particles in the divided region of the first process is assigned according to a predetermined condition.
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。 The data processing unit divides the region of interest and the copy region into cells having a size similar to the particle size, associates the cell number with the particle number, and associates the cell to which the particle of interest belongs and the particle of interest. The particle behavior analysis apparatus according to claim 1, wherein the interaction force is calculated by calculating a distance to another particle belonging to a cell in the vicinity of the cell to which the cell belongs.
ことを特徴とする請求項9に記載の粒子挙動解析装置。 The data processing unit is an interaction force that performs an analysis focusing on an interaction with a particle at a long distance or an interaction force that performs an analysis focusing on an interaction with a particle at a short distance. 10. The particle according to claim 9, wherein a range of the neighboring cells set when calculating an interaction force between the particle of interest and the other particles is set based on whether the force is a certain long-distance force. Behavior analysis device.
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。 2. The particle according to claim 1, wherein the data processing unit sets an interaction force calculation frequency according to a distance between the target particle in the target region and another particle in the copy region. Behavior analysis device.
解析対象範囲内の解析対象粒子を、力マトリクスを使用した力分割法を適用可能なように、ネットワーク接続された複数の計算装置のそれぞれに割り当てる分割処理部と、
前記分割処理部による分割処理により割り当てられた分割部分について、前記力分割法に従って計算する、ネットワーク接続された各計算装置に備えられたデータ処理部と、して機能させるとともに、
前記分割処理部により、前記解析対象範囲を所定方向に分割してその一部の分割領域を注目領域に設定し、この注目領域内の解析対象粒子を、前記力分割法を適用可能なように前記複数の計算装置に備えられた各データ処理部のそれぞれに割り当てるとともに、前記注目領域に隣接する所定範囲に対して複写領域を配置し当該複写領域の粒子に所定の物性を割り当て、
前記データ処理部により、前記力分割法を適用して、自身が担当する前記注目領域内の解析対象粒子について、他の前記データ処理部が担当する前記注目領域内の解析対象粒子および前記複写領域の粒子との相互作用力を計算することで、前記粒子の挙動を解析する
ことを特徴とするプログラム。 The central processing control unit provided in the electronic computer
A division processing unit that assigns analysis target particles within the analysis target range to each of a plurality of network-connected computing devices so that a force division method using a force matrix can be applied;
For the divided portion assigned by the division processing by the division processing unit, according to the force division method, to function as a data processing unit provided in each network-connected computing device,
The division processing unit divides the analysis target range in a predetermined direction, sets a part of the divided region as a target region, and applies the force splitting method to analysis target particles in the target region. Assigning to each of the data processing units provided in the plurality of computing devices, as well as arranging a copy region for a predetermined range adjacent to the region of interest and assigning predetermined physical properties to particles in the copy region,
By applying the force dividing method by the data processing unit, for the analysis target particle in the attention region for which the data processing unit is responsible, the analysis target particle and the copy region in the attention region for which the other data processing unit is responsible A program characterized by analyzing the behavior of the particles by calculating the interaction force with the particles.
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