JPH03155377A - 静電浮遊装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は試料を静電気的な力を利用して空間に浮遊させ
るようにするもので、主として宇宙材料実験用の無容器
処理装置として用いる静電浮遊装置に関するものである
。

［従来の技術］ 近年の新素材の開発研究の進展に伴い地上はもとより宇
宙の微小重力環境を利用して新規な材料の開発を行うこ
とが考えられており、素材を空間の一点に非接触状態で
保持して無容器で加熱、溶融、凝固等の処理を行わせる
ことが考えられている。そのため、物体を何等かの方法
で空間の一点に非接触状態で保持する技術と、該保持さ
れた物体を加熱、溶融等する技術の開発が必要となって
いる。

前者の物体を空間の一点に非接触状態で保持する技術の
１つとしては、静電場を用いる方法があり、対象とする
物体が帯電物体であれば、これを空間の所定の位置に浮
遊させて保持させることが可能であるため、具体的な静
電浮遊装置が提案されるようになっている。

第５図はこれまでに提案されている静電浮遊装置の一例
として、対向電極を有する二次元四重極力式（以下、二
次元四重極力式という）の浮遊装置について示すもので
、軸方向と直交する方向に閉じ込め力を発生する第１浮
遊用電極としての４本の円柱状電極からなる二次元四重
極電極ａ、　ｂ、　ｃ、　ｄを、中心軸ｅから等距離の
位置に、該中心軸ｅに沿うよう平行に配置して各電極ａ
、　ｂ、　ｃ、　ｄが正方形の頂点に位置しているよう
にし、且つ上記中心軸ｅの線上の上下位置に、上下方向
閉じ込め力を発生する第２浮遊用電極としての２つの直
流電極ｆ、（］を所定間隔で配置し、上記二次元四重極
電極ａ、　ｂ、　ｃ、　ｄは第１浮遊用電源としての交
流電源りに接続し、又、上記直流電極ｆ１ｇは第２浮遊
用電源としての直流電源ｉに接続して、上記二次元四重
極電極と直流電極とを組み合わせてなる構成とし、上記
中心軸ｅの中心点に試料ｊを浮遊状態で保持させるよう
にしである。

そのほかにも、上記円柱状にした電極に代えて、球型、
リング型、皿型にしたものもある。

［発明が解決しようとする課題］ 電極に交流電圧を印加した場合は、プラスとマイナスが
交互に変って来るので、操作が楽であるが、上記二次元
四重極方式浮遊装計では、２つの直流電極ｆ７ｇを用い
、直流電圧を印加させるようにしであるため、直流電圧
を印加したときに試料ｊの浮上位置が変化させられると
、試料ｊを押し戻すために直流電圧を印加して操作する
必要があり、操作が複雑となるという問題があり、更に
、二次元四重極電極ａ、　ｂ、　ｃ、　ｄは正方形の各
頂点に位置するように配置されていて、該４本の電極間
の電気力線により試料ｊを中心部へ向けるようにするも
ので、本発明装置の場合と比較して、電極間隔が大きい
ため中心部へ向ける力が弱いといえる。

そこで、本発明は、電源系統を一系統にして操作を簡単
にすると共に浮遊している試料を無制御で安定に保持で
きるようにし、更に、試料を中心に向ける力を増すこと
ができるようにしようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決するために、静電気的な閉じ
込め力を発生させる浮遊用電極として、リング状にして
内周面を曲面状にした電極と該電極の中心部の上下両位
置に対向させて配置させた椀状の２つの電極とからなる
回転四重極電極を構成し、上記回転四重極電極のリング
状電極と２つの椀状電極を交流電源又は交流と直流を重
畳した電源に接続し、且つ上記各電極間に試料を導入さ
せる試料導入装置を設置してなる構成とする。上記各電
極には中心部へ向けて試料導入孔を貫通させ、電極内を
通して試料を各電極間の空間部へ導入させるようにする
こともできる。又、浮遊用電源としての交流電源の周波
数は１Ｈｚ程度の低周波から数１００Ｈｚ程度の高周波
の範囲で可変とすることができる。

［作　　用］ 回転四重極電極に交流電源を印加し、帯電物体である試
料を電極間に導入すると、該試料は電極間で発生する電
気力線に沿って運動させられる。この運動は電気力線が
Ｎ極中心部へ向っているので、試料は常に電極中心部へ
向う力を受けて浮上する。浮上すると、無制御で安定に
電極間中央部に保持される。この際、直流電圧は試料の
保持力には関係せず、単に試料の静止位置を制御するた
めのもので、本質的な安定性には影響を与えない。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すもので、静電気的な閉
じ込め力を発生する浮遊用電極として、回転四重極電極
１を配置し、該回転四重極電極１を浮遊用電極としての
交流電極２に接続し、且つ上記回転四重極電極１の中心
部へ帯電物体である試料３を導入させるための試料導入
装置４を設置する。

詳述すると、上記回転四重極電極１は、内周面を曲面状
としてリング状に成形した電極１ａと、該リング状の電
極１ａの中心部の上下両位置に相対向ざぜて配置し且つ
相対向する側の面を球面状にしてなる２つの椀状の電極
１ｂ、　ｌｃとを組み合わせてなり、且つ上記各電極１
ａ、　ｌｂ、　ｌｃの各内側の曲線を、第２図に示す如
く、ｒ−ｚ座標で、Ｒを電極定数として、ｒ２−２７２
＝±Ｒ２で表わされるようにした構成とする。又、上記
各電極１ａ、　ｆｂ、　ｌｃの間へ試料３を導入させる
ための試料導入装置４は、試料３を溜めておく試料溜め
部４ａと試料３を放出させるノズル部４ｂとを有し、上
記リング状の電極１ａと上方の椀状の電極１ｂとの間の
空隙部５にノズル部４ｂを電極中心部Ｏへ向けて挿入さ
せた構成としである。更に、上記回転四重極電極１を構
成する電極１ｂと１０を共通にして電極１ａとの間に交
流電圧を印加するように交流電源２に接続し、又、上記
交流電源２の周波数は、上記試料３の質量、荷電量、直
径、等に応じて、１［し程度の低周波から数１００田程
度の高周波の範囲で変化させることができるようにしで
ある。又、電極１ｂと１Ｃには直流電圧を印加させて試
料の浮上位置を変化させるようにするために直流電源９
とコンデンサ１０を第１図の如く組み込んだ構成とする
。

なお、第１図に示す如く、各電極１ａ、　ｌｂ、　ｌｃ
に、電極の中心部Ｏへ向けて開口するように・試料導入
孔６，７を貫通させて設け、該各試料導入孔６゜７を通
して試料３を電極の中心部０へ導入させるようにして電
極１ａと１ｂ間の空隙部５からの導入に代えることもで
きる。

今、リング状の電極１ａと上下２つの椀状の電極１ｂ、
　ｌｃとの間に交流電源２から交流電圧を印加させた状
態で、電極１ａ、　ｌｂ、　ｌｃの内部へ試料３を導入
すると、導入された試料３は、各電極１ａと１ｂ、　Ｉ
Ｃ間に生じている電気力線に沿って運動し、電極１ａ、
　ｌｂ、　１ｃの中心部Ｏへ強い力で向けられて安定し
て静止し浮上し、この浮遊状態で保持される。すなわち
、試料３が各電極１ａと１ｂ。

１０間の電気力線に沿って運動するときの運動モードに
は、試料３としての粒子の初期位置、交流電源２の周波
数、試料３の荷電量に応じて、第３図に示す撮動モード
運動と、第４図に示す渦モード運動があるが、上記電極
１ａとｌｂ、ＩＣ間に導入された試料３の運動は、第３
図、第４図に示す如く電気力線８が電極の中心部Ｏに向
つているため、該電気力線８に沿って行われ、上記第３
図の振動モード運動又は第４図の渦モード運動をしなが
ら試料３は常に電極中心部Ｏへ向って閉じ込められて行
き、電極中心部Ｏで安定して静止し浮上させられ、試料
３は電極中心部に浮遊状態で保持される。試料３が電極
中心部Ｏで浮上させられると、上記電極１ａと１ｂ、　
Ｉｃ間の電気力線８により試料３は常に電極中心部Ｏに
向う強い力を受けているため、以後は無制御で電極中心
部Ｏに試料３を安定に保持させることができる。

上記電極中心部Ｏに浮遊状態で保持している試料３の浮
上位置を変えたいときは、電極１ｂ。

１Ｃに直流電圧を印加させるようにして交流と直流を重
畳させるようにすればよい。この場合は、第１図に示す
如く組み込まれた直流電源９から直流電圧を電極１ｂ、
　ｌｃに印加させて試料３の浮上位置を変更させるよう
にする。この際、試料３の質量、荷電量、浮遊位置の精
度によっては電極１ｂ、　ｌｃに直流電圧を印加する必
要がないので、かかる場合は直流電源９を省略して・も
よい。

１０はコンデンサである。

なお、第１図は、リング状の電極１ａの断面がｒ２−２
７２＝±Ｒ２に従う形状や半円状の場合を示したが、断
面が円形もしくはこれに近い形状としても浮遊用電極と
して同様に機能できること、その信奉発明の要旨を逸脱
しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

［発明の効果］ 以上述べた如く、本発明の静電浮遊装置によれば、内周
面を曲面にしたリング状の電極と該リング状の電極の中
心に向けて相対向させた２つの椀状の電極とを組み合わ
せてなる浮遊用電極と、各電極に交流電圧を印加する交
流電源からなる浮遊用電源と、上記浮遊用電極の中心部
に荷電された試料を導入させる試料導入装置とからなる
構成としであるので、次の如き優れた効果を奏し得る。

（１）試料を常に電極中心部へ向ける力（保持力）が強
く、試料を安定に電極中心部へ保持させることができる
。

（１１）試料の保持力が強いことから、試料が電極中心
部で静止し浮上すると、無制御で試料を浮遊状態に保持
できる。

（ｉｉｉ）　　試料の浮上位置を変化させる場合を除き
、安定静止浮上のための電源系統は交流電源のみで済む
ため、構成が簡単となり、操作も簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の静電浮″ｆ１装置の一実施例を示す切
断側面図、第２図は第１図に示す浮遊用電極の断面図、
第３図及び第４図は電気力線による試料の運動を示す図
、第５図は現在までの静電浮遊装置の一例を示す概略斜
視図である。 １・・・回転四単極電極（浮遊用電極）、１ａ・・・リ
ング状の電極、ｌｂ、　ｌｃ・・・椀状の電極、２・・
・交流電源（浮遊用電源）、３・・・試料、４・・・試
料導入装置、８・・・電気力線、９・・・直流電源、１
０・・・コンデンサ、０・・・電極の中心部。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）内周面を曲面状にしたリング状の電極と該リング
   状の電極の中心に向けて相対向させ且つ対向面を球面状
   にした２つの椀状の電極とを組み合わせて静電気的な閉
   じ込め力を発生させる浮遊用電極を構成し、且つ上記浮
   遊用電極間に交流電圧又は交流と直流を重畳した電圧を
   印加する浮遊用電源を接続し、更に、上記浮遊用電極間
   に試料を導入させる試料導入装置を備えてなることを特
   徴とする静電浮遊装置。