(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料（５）の上下にそれぞれ設けられた１対の浮遊コイル（６ａ，６ｂ）と加熱コイル（７ａ，７ｂ）とを備え、上下の浮遊コイルに逆向きの高周波電流を流して試料を浮遊させ、かつ上下の加熱コイルに同方向の高周波電流を流して試料を加熱溶融する電磁浮遊炉の振動減衰方法であって、試料の位置を検出するためのサーチコイル（１２ａ，１２ｂ）を試料の上下に設け、該サーチコイルの起電力から試料の位置と速度を演算し、この位置と速度に応じて前記浮遊コイルの電流を制御し、
１Ｇにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌ′とμＧにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌを予め設定し、カプセル落下時に浮遊電流を最低電流Ｉｌ′から最低電流Ｉｌにパルス状に変化させる、ことを特徴とする電磁浮遊炉の振動減衰方法。
【請求項２】
（Ａ）前記浮遊コイル（６ａ，６ｂ）の浮遊電流の最低電流Ｉｌとそれより高い減衰電流Ｉｈを予め設定し、（Ｂ）試料の上下動がないときには、浮遊電流を最低電流Ｉｌに設定し、（Ｃ）試料が上下動しかつ試料位置が中心となったとき、浮遊電流を最低電流Ｉｌから減衰電流Ｉｈにパルス状に変化させ、（Ｄ）試料速度がほぼ０となったとき、浮遊電流を減衰電流Ｉｈから最低電流Ｉｌにパルス状に変化させる、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁浮遊炉の振動減衰方法。
【請求項３】
試料（５）の上下にそれぞれ設けられた１対の浮遊コイル（６ａ，６ｂ）と加熱コイル（７ａ，７ｂ）とを備え、上下の浮遊コイルに逆向きの高周波電流を流して試料を浮遊させ、かつ上下の加熱コイルに同方向の高周波電流を流して試料を加熱溶融する電磁浮遊炉の振動減衰装置であって、試料の上下に設けられ試料の位置を検出するためのサーチコイル（１２ａ，１２ｂ）と、該サーチコイルの起電力から試料の位置と速度を演算して前記浮遊コイルの電流を制御する減衰制御装置（１４）と、を備え、
１Ｇにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌ′とμＧにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌを予め設定し、カプセル落下時に浮遊電流を最低電流Ｉｌ′から最低電流Ｉｌにパルス状に変化させる、ことを特徴とする電磁浮遊炉の振動減衰装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁浮遊炉の振動減衰方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙空間における無重力環境を地上で実現するために、図５に示す落下型無重力実験施設が建設されている。この実験施設は、地下に垂直に掘った縦穴（ドロップシャフト１）内に地上の落下塔２から落下カプセル３を自由落下させて、落下カプセル３内に短時間の無重力環境を形成するものである。例えば、ドロップシャフト１の全長が約７００ｍの場合、そのうち上部の約５００ｍを自由落下部、下部の約２００ｍを制動部とすると、落下カプセル３内に約１０秒間の間、無重力に近い１０-5Ｇ前後の微小重力場を形成することができる。以下、かかる微小重力場を「マイクロＧ」又は「μＧ」と呼ぶ。
【０００３】
図６は、上述した落下型無重力実験に使用する落下カプセル３の一例を示す構成図である。この例において、落下カプセル３は、上からスラスターモジュール３ａ、ペイロードモジュール３ｂ、バスモジュール３ｃの３つのモジュールが直線状に連結されている。またスラスターモジュール３ａには下方に加速するためのスラスターノズルが搭載され、ペイロードモジュール３ｂには内カプセル４が搭載され、バスモジュール３ｃにはバッテリー等が搭載されている。更に、内カプセル４の中に微小重力場を利用した種々の試験装置を搭載するようになっている。
【０００４】
微小重力場を利用した実験の１つとして、微小重力場における試料の溶融試験が計画されている。この試験は、微小重力場において溶融状態の半導体および金属の挙動を画像データおよび数値データとして取得するものであり、これらのデータを解析することにより対象試料の精密な熱物性値（表面張力、粘性など）を取得することができる。なお、従来、地上（重力環境下）においては同様の実験が行われていたが、重力に起因する熱対流や重力自体の影響等から精密な熱物性値を取得することは極めて困難であった。
【０００５】
図７は、この試験に用いる電磁浮遊炉の原理図である。電磁浮遊炉は、電磁誘導で試料の浮遊および加熱を行う装置であり、試料５の上下にそれぞれ設けられた浮遊コイル６ａ，６ｂと加熱コイル７ａ，７ｂとを備える。上下の浮遊コイル６ａ，６ｂに逆向きの高周波電流を流すことにより、コイル系内におかれた試料５（導電材料）に誘電電流を誘起し、この電流とコイル電流との反発により試料５を浮遊させる。また、上下の加熱コイル７ａ，７ｂに同方向の高周波電流を流すことにより試料５に誘導電流を流し、そのジュール熱により試料５を加熱溶融させるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の落下カプセルに搭載する電磁浮遊炉において、測定対象の試料が１ＧからμＧの浮遊状態に遷移するときに、重力環境の変化により激しい上下動が発生する問題点があった。
この振動を減衰させるために、従来はＰＩＤ制御による振動減衰方法が用いられていたが、十分に振幅が小さくなるまでに時間がかかり（数１０秒オーダ）、微小重力場を利用した物性測定のための試験が実質的にできない問題点があった。
【０００７】
また、振動の減衰方法として、米国特許第４，８２１，８４９号が開示されているが、この方法は、中間部材に機械的に連結されたダンパーの効果を相対的な位置と速度に応じて積極的に変化させるものであり、上述した電磁浮遊炉には本質的に適用できないものである。
【０００８】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電磁浮遊炉内で浮遊状態にある試料の上下振動を短時間に減衰させることができる電磁浮遊炉の振動減衰方法と装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、試料（５）の上下にそれぞれ設けられた１対の浮遊コイル（６ａ，６ｂ）と加熱コイル（７ａ，７ｂ）とを備え、上下の浮遊コイルに逆向きの高周波電流を流して試料を浮遊させ、かつ上下の加熱コイルに同方向の高周波電流を流して試料を加熱溶融する電磁浮遊炉の振動減衰方法であって、試料の位置を検出するためのサーチコイル（１２ａ，１２ｂ）を試料の上下に設け、該サーチコイルの起電力から試料の位置と速度を演算し、この位置と速度に応じて前記浮遊コイルの電流を制御し、
１Ｇにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌ′とμＧにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌを予め設定し、カプセル落下時に浮遊電流を最低電流Ｉｌ′から最低電流Ｉｌにパルス状に変化させる、ことを特徴とする電磁浮遊炉の振動減衰方法が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、試料（５）の上下にそれぞれ設けられた１対の浮遊コイル（６ａ，６ｂ）と加熱コイル（７ａ，７ｂ）とを備え、上下の浮遊コイルに逆向きの高周波電流を流して試料を浮遊させ、かつ上下の加熱コイルに同方向の高周波電流を流して試料を加熱溶融する電磁浮遊炉の振動減衰装置であって、試料の上下に設けられ試料の位置を検出するためのサーチコイル（１２ａ，１２ｂ）と、該サーチコイルの起電力から試料の位置と速度を演算して前記浮遊コイルの電流を制御する減衰制御装置（１４）と、を備え、
１Ｇにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌ′とμＧにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌを予め設定し、カプセル落下時に浮遊電流を最低電流Ｉｌ′から最低電流Ｉｌにパルス状に変化させる、ことを特徴とする電磁浮遊炉の振動減衰装置が提供される。
【００１１】
上記本発明の方法及び装置によれば、サーチコイル（１２ａ，１２ｂ）と減衰制御装置（１４）を備えて、サーチコイルの起電力から試料の位置と速度を演算し、この位置と速度に応じて浮遊コイルの電流を制御するので、従来のＰＩＤ制御に比較して能動的に減衰効果を高めることができ、必要な低振幅までに短時間で減衰させることが可能となる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、（Ａ）前記浮遊コイル（６ａ，６ｂ）の浮遊電流の最低電流Ｉｌとそれより高い減衰電流Ｉｈを予め設定し、（Ｂ）試料の上下動がないときには、浮遊電流を最低電流Ｉｌに設定し、（Ｃ）試料が上下動しかつ試料位置が中心となったとき、浮遊電流を最低電流Ｉｌから減衰電流Ｉｈにパルス状に変化させ、（Ｄ）試料速度がほぼ０となったとき、浮遊電流を減衰電流Ｉｈから最低電流Ｉｌにパルス状に変化させる。
【００１３】
この方法により、試料が上下動しかつ試料位置が中心となったとき、浮遊電流を最低電流Ｉｌから減衰電流Ｉｈにパルス状に変化させるので、最も速度が高いときに減衰効果を高めることができる。また、試料速度がほぼ０となったとき、浮遊電流を減衰電流Ｉｈから最低電流Ｉｌにパルス状に変化させるので、最も速度が小さいときに減衰効果を弱め、次のステップに備えることができる。
また、この方法により、電磁浮遊炉内で浮遊状態にある試料を短時間（２〜３秒）に観測に支障のない振幅（±１ｍｍ以下）まで短縮できることが試験により確認された。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１６】
図１は、本発明の振動減衰装置を備えた電磁浮遊炉の構成図である。この図において、電磁浮遊炉は、試料５の上下にそれぞれ設けられた１対の浮遊コイル６ａ，６ｂと加熱コイル７ａ，７ｂとを備える。１対の浮遊コイル６ａ，６ｂは、浮遊用高周波発振器９に接続され、上下の浮遊コイル６ａ，６ｂに逆向きの高周波電流を流して試料５を浮遊させるようになっている。また、１対の加熱コイル７ａ，７ｂは、加熱用高周波発振器８に接続され、上下の加熱コイル７ａ，７ｂに同方向の高周波電流を流して試料５を加熱溶融するようになっている。
試料５は、少なくとも導電性を有する半導体又は金属であり、例えばＮｉ基超合金をその物性値測定のため用いる。
【００１７】
本発明の振動減衰装置１０は、サーチコイル１２ａ，１２ｂと減衰制御装置１４とからなる。サーチコイル１２ａ，１２ｂは、試料５の上下に設けられ試料５の位置を検出するために用いる。また、減衰制御装置１４は、試料位置検出回路１５とコンピュータ１６からなり、サーチコイル１２ａ，１２ｂの起電力から試料５の位置と速度を演算して浮遊コイル６ａ，６ｂの電流を制御するようになっている。
【００１８】
図２は、図１の試料位置検出回路図である。この図において、１５ａはレベルダウン器、１５ｂはフィルター、１５ｃはｒｍｓ変換器、１５ｄは減算器、１５ｅは増幅器である。
【００１９】
浮遊コイル６ａ，６ｂは、上下逆方向に巻いてあり、交流電流を流すと試料表面に誘導電流が流れる。サーチコイル１２ａ，１２ｂは、浮遊コイル電流と試料表面に流れる電流の両方から誘導を受けるため、コイル端に起電力が生じる。このとき試料５が鉛直方向に浮遊コイル６ａ，６ｂの中央にあるときは、上下のサーチコイル１２ａ，１２ｂに生じる起電力は等しいので起電力に差は生じない。ところが試料位置が上下に変位すると起電力に差が生じる。試料位置検出回路１５では、この差を位置信号として検出する。また、加熱用コイル７ａ，７ｂは上下同方向に巻いてあり、これによる起電力は位置信号とは無関係であるためフィルター１５ｂによりカットする。検出された位置信号は、コンピュータ１６に入力される。
【００２０】
コンピュータ１６では、位置信号から速度を微分により求め、位置と速度に応じて浮遊コイル６ａ，６ｂの電流（浮遊電流）を制御する。この浮遊電流は、試料５の重量が小さいときには、上下同一とするのが良いが、必要により僅かに差を付けてもよい。なお、以下の説明は、上下の浮遊電流が同一の場合である。
【００２１】
図３は、本発明の振動減衰方法の説明図である。この図において、上図は位置データの変化を示し、下図は浮遊電流の変化を示している。本発明の方法では、（Ａ）浮遊コイル６ａ，６ｂの浮遊電流の最低電流Ｉｌとそれより高い減衰電流Ｉｈを予め設定し、（Ｂ）試料５の上下動がないときには、浮遊電流を最低電流Ｉｌに設定する。
この状態において、試料５は上下動がない限り、最低電流Ｉｌにより浮遊コイル６ａ，６ｂの中央にある。
【００２２】
落下型無重力実験のように落下等により、（Ｃ）試料５が上下動しかつ試料位置が中心となったとき、浮遊電流を最低電流Ｉｌから減衰電流Ｉｈにパルス状に変化させる。また、（Ｄ）試料速度がほぼ０となったとき、浮遊電流を減衰電流Ｉｈから最低電流Ｉｌにパルス状に変化させる。従って試料５が上下動する限り、（Ｃ）と（Ｄ）は交互に行われる。
【００２３】
この方法により、試料５が上下動しかつ試料位置が中心となったとき、浮遊電流を最低電流Ｉｌから減衰電流Ｉｈにパルス状に変化させるので、最も速度が高いときに減衰効果を高めることができる。また、試料速度がほぼ０となったとき、浮遊電流を減衰電流Ｉｈから最低電流Ｉｌにパルス状に変化させるので、最も速度が小さいときに減衰効果を弱め、次のステップに備えることができる。従って、図３の上図に破線で示すように、上下振動の振幅を能動的に抑え、かつその周期を短縮することができる。
【００２４】
なお、落下型無重力実験の場合には、１Ｇにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌ′とμＧにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌを予め設定し、カプセル落下時に浮遊電流を最低電流Ｉｌ′から最低電流Ｉｌにパルス状に変化させることにより、落下前と落下後に瞬時に対応させ、短時間に振動を減衰させることができる。
【００２５】
図４は、本発明の実施例を示す図である。この図は、上述した振動減衰装置１０を備えた電磁浮遊炉の落下型無重力実験の試験結果であり、横軸は時間、縦軸は位置データと浮遊電流を示している。この試験では、１Ｇにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌ′を約５５０Ａ、μＧにおける浮遊電流の最低電流Ｉｌを約２３０Ａ、減衰電流Ｉｈを約３５０Ａに設定した。
この試験結果から、カプセル落下から電磁浮遊炉内で浮遊状態にある試料を短時間（２〜３秒）に観測に支障のない振幅（±１ｍｍ以下）まで短縮できることが確認された。
【００２６】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の電磁浮遊炉の振動減衰方法と装置により、従来のＰＩＤ制御に比較して能動的に減衰効果を高めることができ、電磁浮遊炉内で浮遊状態にある試料の上下振動を短時間に減衰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動減衰装置を備えた電磁浮遊炉の構成図である。
【図２】図１の試料位置検出回路図である。
【図３】本発明の振動減衰方法の説明図である。
【図４】本発明の実施例を示す図である。
【図５】落下型無重力実験施設の構成図である。
【図６】落下カプセルの構成図である。
【図７】電磁浮遊炉の原理図である。
【符号の説明】
１  縦穴（ドロップシャフト）、２  落下塔、
３  落下カプセル、３ａ  スラスターモジュール、
３ｂ  ペイロードモジュール、３ｃ  バスモジュール、
４  内カプセル、５  試料、
６ａ，６ｂ  浮遊コイル、
７ａ，７ｂ  加熱コイル、
１０  振動減衰装置、１２ａ，１２ｂ  サーチコイル、
１４  減衰制御装置、１５  試料位置検出回路、
１５ａ  レベルダウン器、１５ｂ  フィルター、
１５ｃ  ｒｍｓ変換器、１５ｄ  減算器、１５ｅ  増幅器、
１６  コンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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