(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する三本の軸によって構成される三次元座標空間の、第一の軸と第二の軸の上における原点から等距離の位置に、第三の軸と平行な方向へ延びる二対四本の棒状電極を配置することにより、炉内空間を構成し、更に、前記第三の軸上における原点に関して対称の位置で且つ炉内空間内の位置に一対の電極を配置し、
各電極にそれぞれ浮遊材料と極性の等しい一定の直流電圧を印加して浮遊材料を第三の軸の方向に対し原点の位置に束縛させるようにし、更に、各棒状電極に第一の軸と第二の軸が構成する座標平面上の位置に比例した大きさの直流電圧を浮遊材料の移動速度に比例した大きさの直流電圧で修正した直流電圧を印加させて、座標平面内で浮遊材料の位置制御を行わせることを特徴とする静電浮遊炉の位置制御方法。
【請求項２】
互いに直交する三本の軸によって構成される三次元座標空間の、第一の軸と第二の軸の上における原点から等距離の位置に、第三の軸と平行な方向へ延びる二対四本の棒状電極を配置することにより、炉内空間を構成し、更に、前記第三の軸上における原点に関して対称の位置で且つ炉内空間内の位置に一対の電極を配置し、各電極にそれぞれ浮遊材料と極性の等しい一定の直流電圧を印加する直流電源を接続すると共に、各棒状電極にそれぞれ印加する直流電圧を調整可能な直流電源を接続し、
更に、第三の軸上に、第一の軸と第二の軸が構成する座標平面が映るように撮像装置を配設し、撮像装置からの映像信号を画像処理する画像処理装置を設け、画像処理装置からの画像処理信号を入力して浮遊材料の位置と移動速度を求め、前記各直流電源へ、浮遊材料の座標平面上の位置に比例した大きさの直流電圧を浮遊材料の移動速度に比例した大きさの直流電圧で修正した直流電圧を、対応する棒状電極へ印加させるための電源制御信号を送る演算制御装置を設けたことを特徴とする静電浮遊炉の位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電浮遊炉の位置制御方法及び装置に関するものであり、より詳しくは、直流電源によって材料を浮遊させる場合に浮遊材料の位置をうまく制御し得るようにした静電浮遊炉の位置制御方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙空間や落下塔実験などの無重力環境或いは微小重力環境下において、炉などを用いて材料を溶融した場合、溶融された材料には、対流や沈殿などの現象が生じないため、比重の大きく異なる材料からでも均質な合金や混合物などを作ることができるという利点や、重力の影響がないため、容易に真球を作ることができるという利点など、各種の利点がある。
【０００３】
しかし、材料を溶融する際に、材料が炉などに接触されていると、炉などとの接触部分から不純物が混入して製品の品質を損ねるおそれがあるため、材料を浮遊させることにより、炉とは非接触の状態で材料を溶融させる必要がある。
【０００４】
そこで、材料を浮遊状態で溶融させるために静電浮遊炉が開発されている。
【０００５】
上記静電浮遊炉は、要するに、材料を帯電させると共に、材料を取り囲むように電極を多数対配置し、電極との間に生じる電気的な反発力を利用して、材料を電極の中心の位置に浮遊させるようにしている。
【０００６】
こうして材料が浮遊されたら、レーザー装置やプラズマランプなどの光源を用いて浮遊材料へ光を照射し、光のエネルギーによって浮遊材料を溶融させるようにする。
【０００７】
そして、浮遊する材料の位置を制御するため、従来は、対を成す電極間に交流電源を接続して、電極の極性を交互に変更させることにより、電極の中間に材料の位置を収束させるようにすることが行われている（交流方式）。
【０００８】
又、複数の電極に個別に直流電源を接続し、浮遊材料の位置を検出して各電極の電圧を個別に制御させることにより、材料の位置を制御させるようにすることも検討されている（直流方式）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直流電源を用いて浮遊材料の位置を制御させるようにする直流方式の場合、各電極の電圧をどのように制御したら、浮遊材料の位置がうまく制御できるかについては、現在のところ明らかにされていない。
【００１０】
本発明は、上述の実情に鑑み、直流電源によって材料を浮遊させる場合に浮遊材料の位置をうまく制御し得るようにした静電浮遊炉の位置制御方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第一の手段は、互いに直交する三本の軸によって構成される三次元座標空間の、第一の軸と第二の軸の上における原点から等距離の位置に、第三の軸と平行な方向へ延びる二対四本の棒状電極を配置することにより、炉内空間を構成し、更に、前記第三の軸上における原点に関して対称の位置で且つ炉内空間内の位置に一対の電極を配置し、各電極にそれぞれ浮遊材料と極性の等しい一定の直流電圧を印加して浮遊材料を第三の軸の方向に対し原点の位置に束縛させるようにし、更に、各棒状電極に第一の軸と第二の軸が構成する座標平面上の位置に比例した大きさの直流電圧を浮遊材料の移動速度に比例した大きさの直流電圧で修正した直流電圧を印加させて、座標平面内で浮遊材料の位置制御を行わせることを特徴とする静電浮遊炉の位置制御方法にかかるものである。
【００１３】
【００１４】
又、本発明の第二の手段は、互いに直交する三本の軸によって構成される三次元座標空間の、第一の軸と第二の軸の上における原点から等距離の位置に、第三の軸と平行な方向へ延びる二対四本の棒状電極を配置することにより、炉内空間を構成し、更に、前記第三の軸上における原点に関して対称の位置で且つ炉内空間内の位置に一対の電極を配置し、各電極にそれぞれ浮遊材料と極性の等しい一定の直流電圧を印加する直流電源を接続すると共に、各棒状電極にそれぞれ印加する直流電圧を調整可能な直流電源を接続し、更に、第三の軸上に、第一の軸と第二の軸が構成する座標平面が映るように撮像装置を配設し、撮像装置からの映像信号を画像処理する画像処理装置を設け、画像処理装置からの画像処理信号を入力して浮遊材料の位置と移動速度を求め、前記各直流電源へ、浮遊材料の座標平面上の位置に比例した大きさの直流電圧を浮遊材料の移動速度に比例した大きさの直流電圧で修正した直流電圧を、対応する棒状電極へ印加させるための電源制御信号を送る演算制御装置を設けたことを特徴とする静電浮遊炉の位置制御装置にかかるものである。
【００１５】
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
【００１６】
一対の電極と二対四本の棒状電極を設けて、一対の電極に対しては、特別な制御を行う代りに、浮遊材料と極性の等しい一定の電圧を印加することにより、浮遊材料を第三の軸の方向に対し原点の位置に束縛させるようにし、その上で、二対四本の棒状電極に対して、電圧を個別に調整させて、第一の軸と第二の軸が構成する座標平面内で浮遊材料の位置制御を行わせるようにする。
【００１７】
このようにすることにより、第三の軸の方向の制御が不要となるので、制御が簡略化される。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
そのために、第一及び第二の手段では、第三の軸上に配設した撮像装置によって座標平面を映し、撮像装置からの映像信号を画像処理装置で画像処理し、演算制御装置は、画像処理装置からの画像処理信号を入力して、浮遊材料の位置と移動速度を求め、求めた浮遊材料の位置と移動速度に基づき、演算制御装置が前記二対四本の棒状電極の各直流電源へ電源制御信号を送って、電圧の個別制御を行わせ、座標平面の原点の位置に浮遊材料を静止させるようにする。
【００２１】
このように、各棒状電極に、浮遊材料の座標平面上の位置における対応する座標軸方向の成分に比例した大きさの電圧を、浮遊材料の移動速度における対応する座標軸方向の成分に比例した大きさの電圧で修正した電圧を印加させるようにすることにより、画像処理に要する時間によって生じる制御遅れなどの影響を修正して、浮遊材料をより素速く、原点の位置に収束させることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図示例と共に説明する。
【００２３】
図１〜図３は、本発明の実施の形態である。
【００２４】
互いに直交する三本の軸（ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸）によって構成される三次元座標空間の、第一の軸（ｘ軸）上における原点から等距離の位置に第三の軸（ｚ軸）と平行な方向へ延びる一対の棒状電極３，４を対称的に配置すると共に、第二の軸（ｙ軸）上における原点から等距離の位置に前記棒状電極３，４と平行な方向へ延びる一対の棒状電極５，６を対称的に配置することにより、四本の棒状電極３〜６によってほぼ直方体状や円筒状などの炉内空間７を構成し、更に、前記第三の軸上における原点に関して対称の位置で且つ炉内空間７内の位置に一対の球状や平板状などの電極１，２を配置し、各電極１，２にそれぞれ浮遊材料２３と極性の等しい一定の直流電圧を印加する直流電源８，９を接続すると共に、各棒状電極３〜６にそれぞれ印加する電圧を調整可能な直流電源１０〜１３を接続する。
【００２５】
更に、第三の軸（ｚ軸）上に、第一の軸と第二の軸が構成する座標平面（ｘ−ｙ座標平面）が映るようにＣＣＤカメラなどの撮像装置１４を配設し、撮像装置１４からの映像信号１５を画像処理する画像処理装置１６を設け、画像処理装置１６からの画像処理信号１７を入力して浮遊材料２３の位置と移動速度Ｖを求め、前記各直流電源１０〜１３へ、浮遊材料２３の座標平面上の位置に比例した大きさの電圧を浮遊材料２３の移動速度Ｖに比例した大きさの電圧で修正した電圧を、対応する棒状電極３〜６へ印加させるための電源制御信号１８〜２１を送る演算制御装置２２を設ける。
【００２６】
尚、一対の電極１，２に対しては、浮遊材料２３と極性の等しい一定の電圧を印加させるようにする。又、各棒状電極３〜６は、少くとも炉内空間７側の面を曲面形状にする。
【００２７】
次に、本発明の作動について説明する。
【００２８】
直流電源８〜１３のみを用いて炉内空間７内に浮遊材料２３を閉じ込める場合、浮遊材料２３の位置を検出して全ての電極１〜６の電圧を個別に調整させることにより、浮遊材料２３の位置を制御させるようにする必要があるが、このようにすると、制御が非常に複雑になるという欠点がある。
【００２９】
そこで、本発明では、一対の電極１，２と二対四本の棒状電極３〜６を設けて、一対の電極１，２に対しては、特別な制御を行う代りに、浮遊材料２３と極性の等しい一定の電圧を印加することにより、浮遊材料２３をｚ軸方向に対し原点の位置に束縛させるようにし、その上で、二対四本の棒状電極３〜６に対して、電圧を個別に調整させて、ｘ−ｙ座標平面内で浮遊材料２３の位置制御を行わせるようにする。
【００３０】
このようにすることにより、ｚ軸方向の制御が不要となるので、制御が簡略化される。
【００３１】
そのために、本発明では、図２に示すように、ｚ軸上に配設したＣＣＤカメラなどの撮像装置１４によってｘ−ｙ座標平面を映し、撮像装置１４からの映像信号１５を画像処理装置１６で画像処理し、画像処理装置１６からの画像処理信号１７を演算制御装置２２へ入力して浮遊材料２３の位置と移動速度Ｖを求め、求めた浮遊材料２３の位置と移動速度Ｖに基づき、演算制御装置２２が前記二対四本の棒状電極３〜６の各直流電源１０〜１３へ電源制御信号１８〜２１を送って、電圧の個別制御を行わせ、ｘ−ｙ座標平面の原点の位置に浮遊材料２３を静止させるようにする。
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
より具体的には、演算制御装置２２は、図３に示すように、各直流電源１０〜１３に対して、浮遊材料２３のｘ−ｙ座標平面上の位置（Ｘ，Ｙ）における各座標軸（ｘ軸及びｙ軸）方向の成分（Ｘ及びＹ）に比例した大きさの電圧を求めると共に、浮遊材料２３の移動速度Ｖにおける各座標軸方向の成分（Ｖｘ及びＶｙ）に比例した大きさの電圧を求めて、位置に比例した電圧を速度に比例した電圧で修正した電圧を、対応する棒状電極３〜６に発生させる電源制御信号１８〜２１を送る。
【００３９】
これにより、例えば、位置に関する比例定数をαとして、浮遊材料２３の位置がｘ−ｙ座標平面における第一象限の（Ｘ，Ｙ）の位置にあり、移動速度Ｖに関する比例定数をβとして、浮遊材料２３の位置（ｘ，ｙ）におけるｘ軸方向の速度成分がＶｘ、ｙ軸方向の速度成分がＶｙであるとすると、棒状電極３には電圧αＸ−βＶｘ（ボルト）が印加され、棒状電極４には電圧−αＸ＋βＶｘ（ボルト）が印加され、棒状電極５には電圧αＹ−βＶｙ（ボルト）が印加され、棒状電極６には電圧−αＹ＋βＶｙ（ボルト）が印加されることとなる。
【００４０】
このように、各棒状電極３〜６に、浮遊材料２３のｘ−ｙ座標平面上の位置における対応する各座標軸方向の成分に比例した大きさの電圧を、浮遊材料２３の移動速度Ｖにおける対応する各座標軸方向の成分に比例した大きさの電圧で修正した電圧を印加させるようにすることにより、画像処理に要する時間によって生じる制御遅れなどの影響を修正して、浮遊材料２３をより素速く、原点の位置に収束させることが可能となる。
【００４１】
【００４２】
尚、本発明は、上述の実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の静電浮遊炉の位置制御方法及び装置によれば、直流電源によって材料を浮遊させる場合に浮遊材料の位置をうまく制御することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態の概略全体斜視図である。
【図２】  図１の制御系統図である。
【図３】  材料の位置制御の仕方を示す図である。
【符号の説明】
１，２ 電極
３〜６ 棒状電極
７ 炉内空間
８〜１３ 直流電源
１４ 撮像装置
１５ 映像信号
１６ 画像処理装置
１７ 画像処理信号
１８〜２１ 電源制御信号
２２ 演算制御装置
２３ 浮遊材料
【図１】
0004045618.tif 000002
【図２】
0004045618.tif 000003
【図３】
0004045618.tif 000004