JP2667290B2 - Floating control device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、物理実験等に用いられ、試料を空中に浮
遊させる浮遊制御装置に関するものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a floating control device used for a physical experiment or the like and for floating a sample in the air.
第７図は例えば「ディベロップメント オブ アン
エレクトロスタティック ポジショナ フォア スペー
ス マティリアル プロセシング」，レビュー オブ
サイエンティフィック インスツルメンツ（“Developm
ent of an Electrostatic Positioner for Space Mater
ial Processing",Reviw of Scientific Instruments）,
1985年２月号に示された従来の静電浮遊制御装置の構成
を示す構成図である。図において、１は試料５を撮影す
るCCDカメラ、２はCCDカメラ１とのインタフェース部お
よび電圧演算部を含む制御部、３は電極4a,4bに印加す
る電圧を発生する高圧電源部である。なお、ｘは試料の
位置の座標を示している。FIG. 7 shows, for example, “Development of An
Electrostatic Positioner For Space Material Processing, ”Review of
Scientific Instruments (“Developm
ent of an Electrostatic Positioner for Space Mater
ial Processing ", Reviw of Scientific Instruments),
It is a block diagram which shows the structure of the conventional electrostatic floating control apparatus shown by the February, 1985 issue. In the figure, 1 is a CCD camera for photographing a sample 5, 2 is a control section including an interface section with the CCD camera 1 and a voltage calculation section, and 3 is a high-voltage power supply section for generating a voltage applied to the electrodes 4a, 4b. Note that x indicates the coordinates of the position of the sample.
次に動作について説明する。浮遊させるべき試料は、
あらかじめ帯電されている。そして、CCDカメラ１は、
試料５の位置を撮影する。CCDカメラ１から出力された
映像信号は制御部２のインタフェース部に入力される。
インタフェース部は、映像信号から試料５の位置、速度
および位置の時間積分等の情報を生成し、電圧演算部に
与える。すると、電圧演算部はそれらの情報から
（１），（２）式で示される演算により電極4a,4bに印
加する電圧値を算出する。Next, the operation will be described. The sample to be suspended is
Pre-charged. And the CCD camera 1
The position of the sample 5 is photographed. The video signal output from the CCD camera 1 is input to the interface unit of the control unit 2.
The interface generates information such as the position, velocity, and time integration of the position of the sample 5 from the video signal, and supplies the information to the voltage calculator. Then, the voltage calculation unit calculates a voltage value to be applied to the electrodes 4a and 4b from the information by the calculation represented by the equations (1) and (2).
Ｖ＝Ｅ・ｄ ……（２） ここで、Ｅは静電界の強さ、ｄは電極間の距離、Ｖは
印加電圧、ｘは試料の位置、∫xdtは位置ｘの時間積分
値、dx/dtは位置ｘの時間微分値、そして、P,I,D,Cはそ
れぞれ制御特性を定める係数である。 V = E · d (2) where E is the strength of the electrostatic field, d is the distance between the electrodes, V is the applied voltage, x is the position of the sample, Δxdt is the time integral of the position x, dx / dt is a time differential value of the position x, and P, I, D, and C are coefficients respectively defining control characteristics.
算出された電圧値は、高圧電源算部３に伝えられる。
すると高圧電源算部３は、電極4a,4b間の電圧がその電
圧値になるように、電極4a,4bに電圧を印加する。従っ
て、電極4a,4b間に電界が形成され、帯電した試料５
は、電界から上向きまたは下向きの力を受けて位置制御
される。そして、試料５は、再びCCDカメラ１で撮影さ
れ、CCDカメラ１、制御部２、高電圧電源部３および電
極4a,4bのループでフィードバック制御されて、電極4a,
4b間の所望の位置に浮遊する。The calculated voltage value is transmitted to the high-voltage power supply calculator 3.
Then, the high-voltage power supply calculating unit 3 applies a voltage to the electrodes 4a and 4b so that the voltage between the electrodes 4a and 4b becomes the voltage value. Accordingly, an electric field is formed between the electrodes 4a and 4b, and the charged sample 5
Is position-controlled by receiving upward or downward force from an electric field. Then, the sample 5 is again photographed by the CCD camera 1, and is feedback-controlled by a loop of the CCD camera 1, the control unit 2, the high-voltage power supply unit 3, and the electrodes 4a and 4b, and
Float at the desired location between 4b.
第８図は、簡単のためにＩ＝0,D＝０とした場合の印
加電圧Ｖと試料５の位置との関係を示したものである。FIG. 8 shows the relationship between the applied voltage V and the position of the sample 5 when I = 0 and D = 0 for simplicity.
従来の浮遊制御装置は以上のように構成されているの
で、電圧4a,4bおよび装置自身が外部から加速度を受け
振動する場合に、試料５にもその影響が伝えられるとい
う課題があった。Since the conventional floating control device is configured as described above, there is a problem in that when the voltages 4a and 4b and the device itself are oscillated by acceleration from the outside, the influence is transmitted to the sample 5.
この発明は上記のような課題を解消するためになされ
たもので、試料が受ける加速度の影響を低減できる浮遊
制御装置を得ることを目的とする。The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a floating control device that can reduce the influence of acceleration applied to a sample.
この発明に係る浮遊制御装置は、試料を浮遊させる力
を発生する試料駆動部と、この試料駆動部が受けた加速
度を検出する加速度検出器と、この加速度検出器で検出
された加速度に応じて、試料を浮遊させる力に対応した
制御量を算出し、この制御量を試料駆動部に与える制御
部とを備えたものである。A floating control device according to the present invention includes a sample driving unit that generates a force for floating a sample, an acceleration detector that detects acceleration received by the sample driving unit, and an acceleration detector that detects the acceleration detected by the acceleration detector. And a control unit that calculates a control amount corresponding to the force for floating the sample and supplies the control amount to the sample driving unit.
この発明における制御部は、試料駆動部が受けた加速
度に応じた制御量を試料駆動部に与え、試料駆動部が
（等価的に装置そのものが）外部から加速度を受けて
も、試料へのその加速度による影響を低減する。The control unit according to the present invention provides the sample drive unit with a control amount according to the acceleration received by the sample drive unit, so that even if the sample drive unit (equivalently, the apparatus itself) receives an external acceleration, Reduce the effects of acceleration.
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図において、10は電極4a,4bが受けたＸ方向の加速
度、即ち、試料５を浮遊させる力方向またはその力の逆
方向の加速度を検出する加速度検出器、20は加速度検出
器が検出した加速度にもとづいて電極4a,4bに印加する
電圧値を算出する制御部であり、その他のものは同一符
号を付して第７図に示したものと同一のものである。な
お、この実施例では、試料駆動部は、高圧電源部３およ
び電極4a,4bで構成されている。また、加速度検出器10
は制御部20に密着して設けられているように図示されて
いるが、制御部20と電極4a,4bとは装置において固定さ
れているものであるから、加速度検出器10は電極4a,4b
または装置が受けた加速度を検出すると言える。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In FIG. 1, reference numeral 10 denotes an acceleration detector for detecting the acceleration in the X direction received by the electrodes 4a and 4b, that is, acceleration in a force direction for floating the sample 5 or acceleration in a direction opposite to the force, and 20 for an acceleration detector. The control unit calculates the voltage value applied to the electrodes 4a and 4b based on the acceleration, and the other components are the same as those shown in FIG. 7 with the same reference numerals. In this embodiment, the sample driving unit includes the high-voltage power supply unit 3 and the electrodes 4a and 4b. In addition, acceleration detector 10
Although shown as being provided in close contact with the control unit 20, since the control unit 20 and the electrodes 4a and 4b are fixed in the device, the acceleration detector 10 is provided with the electrodes 4a and 4b.
Alternatively, it can be said that the acceleration received by the device is detected.
第２図は制御部20およびその周辺の構成を示したもの
で、図において、22は加速度検出器10が検出した検出値
をディジタル値にするＡ−Ｄ変換器、23は高圧電源部３
に与える制御量となる印加電圧値を算出する電圧演算
部、24は印加電圧値をアナログ値にするＤ−Ａ変換器で
ある。FIG. 2 shows the configuration of the control unit 20 and its periphery. In FIG. 2, reference numeral 22 denotes an A / D converter for converting the detection value detected by the acceleration detector 10 into a digital value, and reference numeral 23 denotes a high-voltage power supply unit 3.
And a voltage calculator 24 for calculating an applied voltage value which is a control amount given to the analog-to-digital converter. The DA converter 24 converts the applied voltage value into an analog value.
次に動作について説明する。浮遊させるべき試料はあ
らかじめ帯電されている。そして、この浮遊制御装置が
無重力環境にある場合には、電極4a,4bの間に置かれた
試料５は浮遊している。ところが、電極4a,4bはあるい
は浮遊制御装置そのものがｘ方向の加速度を受けると、
浮遊している試料５は静止しているので、試料５の浮遊
状態を保つには試料５にも加速度が与えられる必要があ
る。従来の場合には、CCDカメラ１を用いてPID制御によ
り加速度を与えていた。よって、試料５には急に加速度
が加えられていた。Next, the operation will be described. The sample to be suspended is charged in advance. When the floating controller is in a zero gravity environment, the sample 5 placed between the electrodes 4a and 4b is floating. However, when the electrodes 4a and 4b or the floating control device itself receives an acceleration in the x direction,
Since the floating sample 5 is stationary, it is necessary to apply acceleration to the sample 5 in order to maintain the floating state of the sample 5. In the conventional case, the acceleration is given by the PID control using the CCD camera 1. Therefore, the sample 5 was suddenly subjected to acceleration.
そこで、電圧演算部23は、加速度検出器10が検出した
加速度をＡ−Ｄ変換器22を介して入手し、以下の
（３），（４）式の演算により電極4a,4b間に印加する
電圧を算出する。Therefore, the voltage calculation unit 23 obtains the acceleration detected by the acceleration detector 10 via the AD converter 22, and applies it between the electrodes 4a and 4b by the calculation of the following equations (3) and (4). Calculate the voltage.
goto＝gsτ ……（４） ここで、ｍは試料５の慣性質量、ｑは試料５の帯電荷
重、goは浮遊制御装置が受けた加速度、toは加速度を受
けた時間、gsは試料５に許容される加速度、そしてτは
電圧Ｖの印加時間である。 g o t o = g s τ ...... (4) where, m is the inertial mass of the sample 5, q is the charge loading of the sample 5, g o is the acceleration received by the floating control unit, t o received acceleration Time, g s is the acceleration allowed for sample 5 and τ is the time of application of voltage V.
例えば、第３図（ａ）に示すような加速度を装置が受
けた場合には、装置は移動するが浮遊している試料５は
加速度を受けず移動しない。つまり、装置に対する試料
５の相対位置が偏移することになる。そこで、第３図
（ｂ）に示すような加速度、すなわち（４）式の関係を
満足するような加速度を試料５に与えることにより、試
料５に与えられる加速度を最小限に止めつつ、試料５は
電極4a,4b間における浮遊状態を維持できる。第３図
（ｃ）は、（３）式で表わされる印加電圧Ｖの様子を図
示したものである。すなわち、そのような電圧Ｖを電極
4a,4b間に印加することにより、第３図（ｂ）に示され
た許容範囲内の加速度を試料５に与える。従って、電圧
演算部23は、（３）式で示される電圧Ｖが時間τの間だ
け電極4a,4bに印加されるように、高圧電源部３に指示
を与える。For example, when the apparatus receives an acceleration as shown in FIG. 3A, the apparatus moves but the floating sample 5 does not receive the acceleration and does not move. That is, the relative position of the sample 5 with respect to the device shifts. Therefore, the acceleration given to the sample 5 is minimized by giving the sample 5 an acceleration as shown in FIG. Can maintain a floating state between the electrodes 4a and 4b. FIG. 3C illustrates the state of the applied voltage V expressed by the equation (3). That is, such a voltage V is applied to the electrode
By applying a voltage between 4a and 4b, an acceleration within the allowable range shown in FIG. Accordingly, the voltage calculation unit 23 gives an instruction to the high voltage power supply unit 3 so that the voltage V represented by the equation (3) is applied to the electrodes 4a and 4b only during the time τ.
浮遊制御装置自体は、第４図（ａ）に示されるような
加速度を受けると、例えば第４図（ｃ）にＤ曲線で示さ
れるような位置の変動を生ずる。そして、何ら制御がな
されなければ、その位置の変動量はそのまま装置と試料
５との位置の差になる。しかし、試料５に対して第４図
（ｂ）に示されるような加速度を与えると、試料５の位
置は第４図（ｃ）においてＳ曲線で示されるように変動
する。つまり小さな偏差Δｘをもって試料５は装置に追
随する。その結果、試料５は低い加速度をもって移動す
ることになる。When the floating control device itself receives an acceleration as shown in FIG. 4 (a), the floating control device itself changes in position as shown by a D curve in FIG. 4 (c). If no control is performed, the amount of change in the position becomes the difference between the position of the apparatus and the sample 5 as it is. However, when an acceleration as shown in FIG. 4 (b) is applied to the sample 5, the position of the sample 5 changes as shown by the S curve in FIG. 4 (c). That is, the sample 5 follows the apparatus with a small deviation Δx. As a result, the sample 5 moves with low acceleration.
なお、上記実施例では無重力環境に浮遊制御装置を設
置した場合について説明したが、重力が存在する環境で
あっても使用可能である。その場合には、試料５の質量
および設置地点での重力加速度に対応した電界をあらか
じめ発生しておいて、試料５を浮遊制御装置させておけ
ばよい。In the above embodiment, the case where the floating control device is installed in a zero gravity environment has been described. However, the present invention can be used in an environment where gravity exists. In that case, an electric field corresponding to the mass of the sample 5 and the gravitational acceleration at the installation point may be generated in advance, and the sample 5 may be caused to be in a floating control device.
また、CCDカメラ１を用いた試料５の位置検出による
制御と加速度検出器10を用いた制御とを組み合わせた浮
遊制御装置を構成してもよい。第５図はそのような構成
を示したものであり、第６図は制御部21とその周辺の構
成を示したものである。第６図において、25はCCDカメ
ラ１から受けた映像信号をディジタル値とするＡ−Ｄ変
換器、26はディジタル映像信号を記憶するフレームメモ
リ、27は試料の位置等の情報を生成するインタフェース
部、28はＤ−Ａ変換器24を介して高圧電源部３に印加電
圧の値を通知する電圧演算部である。このように構成し
た場合には、浮遊制御装置が外部から加速度を受けたと
きには、加速度検出器10が検出した加速度に応じて電圧
演算部28は（３），（４）式による演算を行ってその演
算結果に従って電極4a,4b間の電圧を制御する。また、
加速度以外の要因によって試料５の位置が変化したとき
には、CCDカメラ１が出力した映像信号にもとづいて、
電圧演算部28は（１），（２）式による演算を行ってそ
の演算結果に従って電極4a,4b間の電圧を制御すること
によって、試料５を所望の浮遊状態に維持する。このと
き、インタフェース部27は、例えばディジタル化された
映像信号とフレームメモリ26に保存されている過去のデ
ィジタル化された映像信号との差から、試料５の位置や
速度等の情報を生成し、その情報を電圧演算部28に与え
る。In addition, a floating control device combining control by detecting the position of the sample 5 using the CCD camera 1 and control using the acceleration detector 10 may be configured. FIG. 5 shows such a configuration, and FIG. 6 shows the configuration of the control unit 21 and its periphery. In FIG. 6, reference numeral 25 denotes an A / D converter for converting a video signal received from the CCD camera 1 into a digital value; 26, a frame memory for storing a digital video signal; and 27, an interface unit for generating information such as the position of a sample. , 28 are voltage calculation units for notifying the high voltage power supply unit 3 of the value of the applied voltage via the DA converter 24. In such a configuration, when the floating control device receives acceleration from the outside, the voltage calculation unit 28 performs calculations by the equations (3) and (4) according to the acceleration detected by the acceleration detector 10. The voltage between the electrodes 4a and 4b is controlled according to the calculation result. Also,
When the position of the sample 5 changes due to factors other than acceleration, based on the video signal output by the CCD camera 1,
The voltage calculator 28 performs the calculations according to the equations (1) and (2) and controls the voltage between the electrodes 4a and 4b according to the calculation results, thereby maintaining the sample 5 in a desired floating state. At this time, the interface unit 27 generates information such as the position and speed of the sample 5 from the difference between the digitized video signal and the past digitized video signal stored in the frame memory 26, for example. The information is provided to the voltage calculator 28.
なお、上記各実施例は試料５が静電界によって駆動さ
れる静電浮遊制御装置について説明したが、試料駆動部
は音響型や電磁型等の他のタイプであってもよく、それ
らの場合であっても上記各実施例と同様の効果を奏す
る。Although each of the above-described embodiments has described the electrostatic levitation control device in which the sample 5 is driven by the electrostatic field, the sample driving unit may be another type such as an acoustic type or an electromagnetic type. Even in this case, the same effects as those of the above embodiments can be obtained.
以上のようにこの発明によれば、浮遊制御装置を、加
速度で検出した装置が受けた加速度にもとづいて試料の
位置を制御するように構成したので、装置が動いてしま
ったときに試料に与えられる加速度を低減することがで
き、例えば、浮遊状態において試料に加工等を施すよう
な場合に安定した加工等が行えるものが得られる効果が
ある。As described above, according to the present invention, since the floating control device is configured to control the position of the sample based on the acceleration received by the device detected by the acceleration, the floating control device is provided to the sample when the device moves. For example, when a sample is processed in a floating state, stable processing can be performed.
第１図はこの発明の一実施例による浮遊制御装置の構成
を示すブロック図、第２図は第１図に示した制御部とそ
の周辺とを示すブロック図、第３図は加速度と印加電圧
との関係を示す説明図、第４図は加速度と位置との関係
を示す説明図、第５図はこの発明の他の実施例による浮
遊制御装置の構成を示すブロック図、第６図は第５図に
示した制御部とその周辺とを示すブロック図、第７図は
従来の浮遊制御装置の構成を示すブロック図、第８図は
試料の位置と印加電圧との関係を示す説明図である。 ３は高圧電源部、4a,4bは電極、５は試料、10は加速度
検出器、20は制御部。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a floating control device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing the control unit shown in FIG. 1 and its surroundings, and FIG. 3 is acceleration and applied voltage. FIG. 4 is an explanatory view showing the relationship between acceleration and position, FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a floating control device according to another embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 5 is a block diagram showing a control unit and its periphery shown in FIG. 5, FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a conventional floating control device, and FIG. 8 is an explanatory diagram showing a relationship between a position of a sample and an applied voltage. is there. 3 is a high voltage power supply, 4a and 4b are electrodes, 5 is a sample, 10 is an acceleration detector, and 20 is a control unit. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０９Ｂ 23/18 Ｇ０９Ｂ 23/18 Ｚ Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Reference number in the agency FI Technical display location G09B 23/18 G09B 23/18 Z
Claims (1)
と、この試料駆動部がその試料を浮遊させる力方向また
はその力の逆方向に受けた加速度を検出する加速度検出
器と、前記試料を浮遊させる力に、前記加速度検出器に
より検出された加速度にその試料を追従させる力を加え
た制御量を演算し、この制御量を前記試料駆動部に与
え、その試料をその試料駆動部の変動に追従させる制御
部とを備えた浮遊制御装置。1. A sample driving unit for generating a force for floating a sample, an acceleration detector for detecting an acceleration received by the sample driving unit in a force direction for floating the sample or in a direction opposite to the force, and the sample. Calculate a control amount obtained by adding a force that causes the sample to follow the acceleration detected by the acceleration detector to a force that causes the sample to float, apply the control amount to the sample drive unit, and apply the sample to the sample drive unit. A floating control device comprising: a control unit for following a change.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2293996A JP2667290B2 (en) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | Floating control device |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2293996A JP2667290B2 (en) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | Floating control device |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH04168339A JPH04168339A (en) | 1992-06-16 |
| JP2667290B2 true JP2667290B2 (en) | 1997-10-27 |
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| JP2293996A Expired - Fee Related JP2667290B2 (en) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | Floating control device |
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| JPH07275690A (en) * | 1994-04-05 | 1995-10-24 | Mitsubishi Electric Corp | Flotation apparatus |
Family Cites Families (2)
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| JPS55145817A (en) * | 1979-04-28 | 1980-11-13 | Cambridge Thermionic Corp | Magnetic suspended body and magnetic suspention system |
| JPH0738135B2 (en) * | 1988-12-07 | 1995-04-26 | 宇宙開発事業団 | Floating device |
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1990
- 1990-10-31 JP JP2293996A patent/JP2667290B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH04168339A (en) | 1992-06-16 |
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