JPH0356081A - 静電気浮遊物体の位置制御方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、帯電物体を静電気的な力を利用して容器な
どと非接触状態に保持し、所定の位置に安定して位置決
めできるようにした静電気浮遊物体の位置制御方法に関
し、特に気体による振動減衰効果が利用できない宇宙空
間で有効なものである。

［従来の技術コ 静電浮遊の利用分野の一つとして宇宙での新素材の開発
研究があり、宇宙の微小重力環境を利用して素材を空間
の一点に非接触状態で保持し、無容器で加熱、溶融、凝
固処理を行うことで新規な材料の開発を行うことが考え
られている。

この静電浮遊方法では、対象とする物体が帯電物体であ
れば、これを複数の７１１１を用いて形或した静電場内
の空間の所定の泣置に浮遊させて保ｔ，＋１させること
か可能であり、具体的な静ｆ５　ｌｆ，遊装置について
も提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、このような静電気浮遊装置によって帯電物体
を浮遊させた場合、高真空状態の宇市では、地上と異な
り空気などの気体の粘性などによる抵抗が帯電物体に作
用することが期待てきない。

このため帯電物体に振動が生じると、これを城衰するこ
とができず、振動が永久に続いてしまい、シ；ツ電物体
の静電浮上が不可能になってしまうという問題がある。

そこで、何等かの力を帯電物体に与えて振動を減衰させ
る必要から直流電圧による位置制御法が提案されている
が、上下一対の皿型の電極や空間に配置された４つの球
形の電極に直流電圧を印加して静電浮遊を行うため、静
電浮遊の制御の応答性が遅いという問題や位置制御のた
めの制御変数が電圧だけであり、安定に浮遊させること
ができる範囲が狭いという問題がある。

この発明は、かかる現状に鑑みてなされたもので、宇宙
などの高真空下であっても電気的な力で減衰力を与え、
安定した状態で静電浮遊させることができるとともに、
制御範囲も広い静電気浮遊物体の位置制御方法を提供し
ようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためこの発明の静電気浮遊物体の位
置制御方法は、帯電物体を静電気的な力で空間に位置決
めするに際し、前記物体の振動変位に応じてその振動方
向と逆向きに振動を減衰させる力を発生する交流電圧を
加えるようにしたことを特徴とするものである。

［作　用］ この静電気浮遊物体の位置制御方法によれば、帯電物体
の振動変位を位置検出器などで検出し、その検出値に応
じて、その振動方向と逆の向きに（位相が反転した）交
流電圧を加えるようにしており、この交流電圧によりク
ーロン力を発生させ、この力によって真空中で気体の粘
性力に相当する減衰力を帯電物体に与えるようにし、帯
電物体の位置を制御できるようにしている。

また、減衰力の発生のため交流電圧を印加するようにし
ているため、制御変数として電圧および周波数を用いる
ことができ、２つの変数を組合わせて安定に帯電物体の
位置を制御できる範囲の拡大を図るようにしている。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第１図はこの発明の静電気浮遊物体の位置制御方法の一
実施例が適用される静電浮遊装置にかかる概略構成図で
ある。

この静電浮遊装置１０では、軸方向と直交する方向の閉
じ込め力を発生させる第１電極１１と、これと直交する
軸方向の閉じ込め力を発生する第２電極１２とを備えて
いる。

まず、空間の左右方向の閉じ込め力を発生させる第１電
極１１は、例えば第１図に示すように、２本１組の円柱
電極１１ａ，ｌｌａおよびもう１組の円柱電極１ｌｂ，
ｌｌｂの４本で構成され、空間の原点を通る中心軸から
等距離の位置に軸方向に沿うよう配置され、平面状態で
は各電極１１ａ，ｌｌａ，ｌｌｂ，ｌｌｂが正方形の頂
点に位置している。

次に、空間の上下方向の閉じ込め力を発生させる第２電
極１２は、２個１組の球形電極１２ａ，１２ａで構威さ
れ、空間の原点を通る中心軸上の上下等距離の位置に配
置されている。

そして、これら第２電極１２に電圧を印加する電源１３
は、直流電源が使用される。

一方、４本の円柱電極１　１　ａ，　　１　１　ａ，　
　１　ｌ　ｂ，１．　１　ｂで構威された第１電極１１
に電圧を印加する電源■４は、少なくとも交流分を含む
電源が使用され、例えば交流のみの電源や直流を交流に
重畳した電源が使用される。この場合の電源１４の交流
分の周波数は、低周波から商用周波数を含む高周波まで
の広い範囲のものが使用される。

このように構成された静電浮遊装置１ｏによれば、第２
電極１２である球形電極１２ａ，１２ａに電源１３から
帯電物体１５の極性と同一の直流電圧を印加するととも
に、第１電極１１である円柱電極１１ａ，ｌｌａ，ｌｌ
ｂ，ｌｌｂに電源１４から交流電圧を印加し、空間の中
心部に帯電物体１５を位置させる。

すると、第２電極１２である球形電極１２ａ，］．　２
　ａによって上下方向の反発力としての閉じ込め力が発
生するとともに、第１電極１１である円柱電ｔｆｆｉｌ
ｌａ，ｌｌａ，ｌｌｂ，１ｌｂ＋．：よッテ左右方向の
閉じ込め力が発生し、左右方向については、帯電物体１
５は電気力線パターンに沿って運動し、第１電極１１の
中心部に向かって閉じ込め力が作用し散逸が防止される
とともに、上下方向については、上下の電極１２の極性
と（強制的に同じ極性になるように荷電された）同極性
の帯電物体１５が、第２電極１２間の反発力（閉じ込め
力）によって重力に逆らって浮上されることとなり、帯
電物体１５は左右方向及び上下方向の閉じ込み力で第１
，第２電極１１．１２の中央部で安定した状態で浮上さ
れる。

このような第１電極１１及び第２電極１２により帯電物
体１５が浮上された状態で、帯電物体１５に振動などが
生じると、宇宙においては、振動を減衰させることがで
きないことから、この静電浮遊装置ＩＯでは、帯電物体
１５の位置を検出して振動発生の有無などを知るため位
置検出器１６が設けられている。

この位置検出器１６は、空間における帯電物体１５の位
置を検出できるよう３個の位置検出器１６ａ，１６ａ，
１６ａで構成されており、位置演算器１７に検出信号か
人力され、泣置の変位が求められる。

この位置演算器１７には、交流電源Ａ，Ｂを備えた制御
器１８が接続され、帯電物体１５の変位が人力され、こ
れに基づくフィードバック制御により１組の円柱電極１
１ａ，ｌｌａに位置制御用の交流電圧を印加する。

この制御器１８によって円柱電極１１ａ，１１ａに加え
られる位置制御用の交流は、帯電物体１５の振動変位に
応じてその振動方向と逆向きの（位相か反転している）
もの（交流電圧）を加える。　このような帯電物体１５
の位置制御では、例えば、帯電物体１５の振動（位置Ｒ
）が、第２図中の実線で示すように変化し、次式（１）
で与えられる場合、減衰のため必要な交流は、第２図中
破線で示すように変化する次式（２）で与えられるもの
となる。

Ｒ　−　ｋ　−ｃｏｓωｔ・　　　　（］）Ｒ−　−−
ｋ　−　●ｃｏｓ　（ＩＪ−　ｔ　●（２）ここで、ｋ
，ｋ−：定数、ω，ω゛：角周波数、ｔ：時間である。

このような電気的な減衰力を与えることにより、帯電物
体１５の位置は、式（１）と式（２）を加えた次式（３
）で表わされる位置になることから、定数ｋ一及び角周
波数ω′を交流電源の電圧及び周波数を変数として制御
し、（３）式の値が０となるようにする。

Ｒ＋Ｒ−−ｋ−ｃｏｓ　ｃ＋．＋ｔ−ｋ−　●ｃｏｓ　
（ＩＪ　　ｔ（３） 次に、帯電物体１５の位置がずれた場合の具体的な制御
について、円柱電極１１ａ，ｌｌａ，１ｌｂ，ｌｌｂの
横断面状態を示す第３図により説明する。

今、帯電物体１５の位置が中心Ｏからｒだけずれたとす
ると、このずれ量『が位置検出器１６て検出される。

この場合、この変位ｒによって帯電物体１５に生じる最
大の力Ｆは、浮遊電極１１が第１図に示した４重極電極
の場合、次式（４）で与えられる。

Ｆ＝｛（Ｑ　−■　〉／（２Ｒ　−Ｍｅ・Ω２〉｝ｒ２
　　２　　　　　４ ◆・（４） ここで、Ｑ：帯電物体１５の電荷、Ｖ：４重極電極印加
電圧、Ｒ：４重極電極間距離、Ｍｅ：帯電物体１５の１
１Ω：電源角周波数である。

そこで、この帯電物体ｌ５に加わる力Ｆを０にするよう
にすれば良いが、その方法には、次の２つ（ａ），　　
（ｂ）がある。

（ａ）　　上記（４）式の力Ｆをｔ目殺するような力Ｑ
ＸＥ（この値ＱＸＥはクーロン力であり、Ｅは制御器１
８内のフィードバック回路での交流電源Ａで与えられる
電圧Ｖ′と角周波数ωによる電荷である。）を、力Ｆの
方向と逆に与えれば良い。

すなわち、（４）式−ＱｘＥとおいて、Ｅを求めると次
式（５）となり、この電界を交流電源Ｂにより与えられ
る４重極の交流信号と逆の位相（２πだけずれた位相）
で与え、力を相殺し、振幅を０にする。

２４ Ｅ＝ｌ（Ｑ−Ｖ　　）　／（　２Ｒ　　−Ｍｅ−Ω２）
｝『（５） このようにして帯電物体１５の周期と逆位相の周期の信
号を帯電物体１５に与えることで、真空中において、静
電浮遊している帯電物体１５に振動が発生しても空間の
一点に保持するよう制御することができる。

（ｂ）　　この方伏は、ストークス抵抗に等しい値を、
クーロンカて与える方式である。

すなわち、粘性低抗ηの媒質中を、半径Ｘの粒子が速度
Ｖで運動するときは、次式（６）で与えられるストーク
ス抵抗Ｆｓが生じる。

Ｆｓ　＝５π＊Ｘｅ７７ｅｙ　　　　　＋　　（６）そ
こで、この（６）式のストークス抵抗に等しい値を、ク
ーロン力で与えるようにするため、（６）式一ＱＸＥと
おくと、Ｅは次式（７）で求められる。

Ｅ＝Ｑ／（６π・Ｘ・η・ｖ）　　　　（７）ここで、
Ｑ，Ｘ，　　ηはそれぞれ定数であるから、（７）式は
、Ｅ　−　ｋ　／　ｖで表わすことができる。

したかって、帯電物体１５の速度Ｖを位置検出器１６と
位置演算器１７とから求め、Ｅを決定し、制御器１８に
よるフィードバックｉｌ１御により交流電圧を加えて帯
電物体１５の位置を制御する。

例えば、帯電物体１５の半径Ｘ＝　５　ｍｍＳＹ５界Ｅ
ｓ　−５ｋｖ／ｃｍで荷電した場合の理論荷電量Ｑは、
Ｑ−１２πεｏ　Ｘ２Ｅｓ　　（εｏ真誘電率）により
Ｑ＝４Ｘ１０−９となり、空気の粘性抵抗をη＝５−２ ｌ８×ｌＯ　Ｎ−ｍ　●Ｓとすれば、 Ｅ＝４２５ｘｖ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（８）となり、 帯電物体１５かｖ＝１００ｍ／ｓで移動してもＥ＝４２
５１　１ｖ　／ｍ−０．４２５ｋｖ／ｃｍと、通常の電
源で十分印加することができる値である。

このようにして空気の粘性抵抗に等しい電気力を電極空
間に与えることで、真空中において、静電浮遊している
帯電物体１５に振動か発生しても空間の一点に保持する
よう制御することができる。

以上のように、位置検出器］６および位置演算器１７に
より求められた帯電物体１５の変位に対し、帯電物体１
５の移動方向と逆方向に電気力を与えるようにし、帯電
物体１５を減衰させるようにしているので、帯電物体１
５を電極１１．，１．２の空間の中央部に安定状態で静
止させることができる。

また、帯電物体１５に対して減衰を与えるための電気力
（電界）は、（５）式により帯電物体１５の振幅、質量
、電源周波数、荷電量によって決まり、これらに基づき
演算器１８で演算された所定の交流電圧をフィードバッ
ク制御によって印加するようにしているので、真空中で
あっても帯電物体１５の振動を抑え、所定の位置に保持
することができる。

なお、上記実施例ては、浮遊用電極として球形７１Ｓ極
や２本１組の円柱電極を２組用いる静電ｌ甲遊装置に適
用した場合で説明したか、電極形状はこれに限らず池の
形状であっても良く、ざらにｍＷの個数や組数を増大す
るようにした静電浮遊装置であっても良い。

また、この発明の要旨を逸脱しない範囲で各構成要素を
変更しても良いことは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上、実施例とともに具体的に説明したようにこの発明
の静電気浮遊物体の位置制御方法によれば、帯電物体の
振動変位を１立置険出器などで検出し、その検出値に応
じて、その振動方向と逆の向きに（位相が反転した）交
流電圧を加えるようにしているので、この交流電圧によ
りクーロンカを発生させ、この力によって真空中で気体
の粘性力に相当する減衰力を帯電物体に与えるようにし
、帯電物体の位置を制御することができる。

また、減衰力の発生のため交流電圧を印加するようにし
ているので、制御変数として電圧および周波数を用いる
ことができ、２つの変数を組合わせて安定に帯電物体の
（立置を制御できる範囲の拡大を図ることがてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の静電気７＄遊物体の位置制御方法の
一実施例が適用される静電浮遊装置にかかる概略構成図
である。 第２図はこの発明方法による帯電物体の運動と電気的減
衰運動の関係の説明図である。 第３図はこの発明による帯電物体・＼の交流電圧の印加
方峡の説明図である。 １０：静電浮遊装置、１１：第１電極（空間ｌ’Ｆ−上
用電極）、ｌｌａ，ｌｌａｌｌｂ，１１．ｂ＋円柱電極
（空間浮上用電極）、１２二第２電極（空間浮上用電極
）、１２ａ，１２ａ：球状電極（空間浮上用電極）、１
３：電源（空間の上下浮上用直流電源）、１４：電源（
空間の左右浮上用交流・直流電源）、１５：帯電物体、
１６；位置検出器（振動変位）、１７二位置演算器、１
８：交流電源Ａ，Ｂを備えた制御器（交流電圧）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 帯電物体を静電気的な力で空間に位置決めするに際し、
   前記物体の振動変位に応じてその振動方向と逆向きに振
   動を減衰させる力を発生する交流電圧を加えるようにし
   たことを特徴とする静電気浮遊物体の位置制御方法。