特許 7343878 静電浮遊炉用試料ホルダ及び試料の帯電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-05

(45)【発行日】2023-09-13

(54)【発明の名称】静電浮遊炉用試料ホルダ及び試料の帯電方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/00 20060101AFI20230906BHJP

【ＦＩ】

G01N1/00 101B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020028561

(22)【出願日】2020-02-21

(65)【公開番号】P2021135048

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2023-01-20

(73)【特許権者】

【識別番号】500302552

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩエアロスペース

(73)【特許権者】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110002664

【氏名又は名称】弁理士法人相原国際知財事務所

(72)【発明者】

【氏名】高田 哲也

(72)【発明者】

【氏名】石川 毅彦

(72)【発明者】

【氏名】中村 裕広

(72)【発明者】

【氏名】猿渡 英樹

【審査官】山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２７４０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第０３／０２９７４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００２８３３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】田丸晴香、石川毅彦、岡田純平、中村裕広、大熊隼人、柚木園諭、酒井由美子、高田哲也，“ＩＳＳ搭載用静電浮遊炉の概要”，International Journal of Microgravity Science and Application，日本，日本マイクログラビティ応用学会，2015年01月31日，Vol.32，No.1，pp.320104-1～320104-7，https://doi.org/10.15011/jasma.32.1.320104

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ １／００ － １／４４

Ｆ２７Ｂ １７／００ － １７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

静電浮遊炉内の実験空間に試料を供給するための試料ホルダであって、
前記試料ホルダは、
試料カートリッジに取り付けられていると共に、
円形の穴と、当該穴の周囲に配置された環状のレール部と、を備えるベースプレートと、
前記試料を収容する複数のホールド孔又はホールドスロットを有するロータと、
前記ロータを間に挟むように前記ベースプレートに取付けられたカバープレートと、
を備え、
少なくとも前記ベースプレート及び前記ロータは、テフロン（登録商標）から成ることを特徴とする静電浮遊炉用試料ホルダ。

【請求項2】

前記試料カートリッジの内部には、前記ロータを回転駆動するためのモータが配置されており、
前記モータは、時計回り及び反時計回りの両方向に回転可能であり、且つ、その回転速度を可変に制御可能であることを特徴とする請求項１に記載の静電浮遊炉用試料ホルダ。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の静電浮遊炉用試料ホルダによって保持された前記試料を、前記実験空間内に供給する前に帯電させるための方法であって、
当該方法は、前記複数のホールド孔を有する前記ロータの時計回りの回転と反時計周りの回転を、交互に所定の回数だけ繰り返すステップを含むことを特徴とする方法。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の静電浮遊炉用試料ホルダによって保持された前記試料を、前記実験空間内に供給する前に帯電させるための方法であって、
当該方法は、前記複数のホールドスロットを有する前記ロータを、時計回り又は反時計回りのいずれかの方向に回転させるステップを含むことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は静電浮遊炉に関し、より詳細には、静電浮遊炉の実験前及び実験後の試料の保管容器である試料ホルダに関する。

【背景技術】

【0002】

静電浮遊炉は、静電気力により実験空間内で浮遊させた試料にレーザを照射して加熱し、溶融した液体状態の試料の物性を調べるために用いられる。

【0003】

静電浮遊炉では、溶融した液体状態の試料を保持するための容器が不要であり、容器を構成する材料が溶融して試料に混入する虞がない。したがって、不純物を含まない状態で試料の物性を調べることができる。そのため、静電浮遊炉は、宇宙空間における微小重力環境を利用した材料実験や新材料開発に活用されている（例えば、非特許文献１参照）。

【0004】

ところで、静電気力により実験空間内で試料を浮遊させるためには、対向して配置された電極を用いて実験空間内に電場を発生させることに加えて、試料自体を帯電させることが必要である。

【0005】

試料を帯電させるためには、電極との接触（誘導帯電）、紫外光照射（光電効果による電子の放出）、レーザ光照射（加熱による熱電子の放出）等の方法が利用できる。電極との接触による誘導帯電が特に有効であるが、試料が導電性材料である場合に限られる。紫外光照射やレーザ光照射による帯電は、試料の温度と帯電量を別々に制御することが困難であり実用化されていない。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】田丸晴香，外７名，“ISS搭載用静電浮遊炉の概要”，Int. J. Microgravity Sci. Appl.日本マイクログラビティ応用学会，2015年1月31日，第32巻,第1号，p.320104-1～7

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、試料が例えば酸化物等の非導電性材料である場合、電極との接触による誘導帯電は、電極との接触部にのみ適用可能であるため、長い時間を要するうえ、試料の十分な帯電が達成できないという問題があった。

【0008】

このように試料の帯電が十分でない場合、実験空間内に試料を押し出すロッドの先端や誘導帯電用の電極と試料との間に作用するファンデルワールス力が、試料に作用する静電気力を上回る。その結果、微小重力環境であっても、試料はロッド先端や電極に付着したままとなり、浮遊させることが非常に困難であった。

【0009】

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであって、酸化物等の非導電性材料を試料とする場合であっても、当該試料を十分に帯電させて確実に浮遊させることができる静電浮遊炉用試料ホルダ及び試料の帯電方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様の静電浮遊炉用試料ホルダは、静電浮遊炉の実験前後の試料を保管するための容器である。前記試料ホルダは、試料を収容する孔又はスロットが複数個空いた円形のロータと、ロータの周囲に配置されたベースプレートと、前記ロータを間に挟むように前記ベースプレートに取付けられたカバープレートと、を備え、少なくとも前記ベースプレート及び前記ロータは、テフロン（登録商標）から成る。

【0011】

本発明の第２の態様の静電浮遊炉用試料ホルダは、試料カートリッジに取り付けられ、試料カートリッジ内部には、試料ホルダのロータを回転駆動するためのモータが配置されており、前記モータは、時計回り及び反時計回りの両方向に回転可能であり、且つ、その回転速度を可変に制御可能である。

【0012】

本発明の第１又は第２の態様の静電浮遊炉用試料ホルダにおいて、前記試料ホルダによって保持された前記試料を、前記実験空間に供給する前に帯電させるための方法は、前記複数のホールド孔を有する前記ロータの時計回りの回転と反時計周りの回転を、交互に所定の回数だけ繰り返すステップ、又は、前記複数のホールドスロットを有する前記ロータを、時計回り又は反時計回りのいずれかの方向に回転させるステップを含む。

【発明の効果】

【0013】

本発明の静電浮遊炉用試料ホルダ及び試料の帯電方法によれば、酸化物等の非導電性材料を試料とする場合であっても、テフロン製ベースプレート及びテフロン製ロータとの摩擦帯電によって当該試料を十分に帯電させて確実に浮遊させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態の試料ホルダを収納する試料カートリッジを示す概略説明図であり、（Ａ）は試料カートリッジの全体斜視図、（Ｂ）は試料カートリッジに設けられた試料ホルダ用の収容スペースの拡大斜視図である。

【図2】本発明の実施形態の試料ホルダを、試料カートリッジの内部にある実験空間側から見た図であり、（Ａ）は通常状態（完全に組み立てられた状態）を、（Ｂ）はカバープレートを取り外した状態を、（Ｃ）は更にロータを取り外した状態を、それぞれ示しており、（Ｄ）はロータを単体で示している。

【図3】本発明の実施形態の試料ホルダにおけるロータの変形例を示す概略説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0016】

図１は、本発明の実施形態の試料ホルダを収納する試料カートリッジを示す概略説明図であり、（Ａ）は試料カートリッジの全体斜視図、（Ｂ）は試料カートリッジに設けられた試料ホルダ用の収容スペースの拡大斜視図である。

【0017】

試料カートリッジは、図１（Ａ）に示されるように略円筒状に形成されており、その長手方向の中央部には円筒状に形成された実験空間部１０が、また、当該実験空間部１０に隣接して円筒状に形成された試料カートリッジ２０が、それぞれ配置されている。なお、以下においては、試料カートリッジ２０のうち実験空間部１０に近い側を前側、実験空間部１０から遠い側を後側と称することにする。

【0018】

実験空間部１０は、その内部に実験空間を有し、当該実験空間において、後述するようにして試料カートリッジ２０から供給された試料が、浮遊状態で加熱され溶融する。

【0019】

そのために、実験空間部１０の外周には、試料を加熱するためのレーザ装置、試料の浮遊位置の検知及び溶融状態の試料の観察を目的とする撮影装置（カメラ及び光源）、試料実験空間部内部の状態（圧力、温度等）を検知するためのセンサ等（以上、いずれも図示省略）を取り付けるための略円形の透明な窓が、複数配置されている。

【0020】

試料カートリッジ２０は、実験空間部１０内の実験空間に試料を供給する機能を有しており、当該実験空間に隣接する前端部には、試料を保持する試料ホルダ３０が配置されている。

【0021】

試料ホルダ３０は、試料カートリッジ２０の前端部に設けられた収容スペース２１に、径方向に着脱可能に収容されるように構成されており、図１（Ａ）では、試料ホルダ３０が、収容スペース２１から径方向外向きに取り外された状態で示されている。

【0022】

また、収容スペース２１内には、図１（Ｂ）に示されるように、試料カートリッジ２０の内部に配置されたモータ（図示省略）によって回転駆動されるアーム４０が配置されている。

【0023】

アーム４０は略Ｌ字状の部材であり、当該Ｌ字の一方の辺に対応する部位４０Ｚは試料カートリッジ２０の長手方向に、他方の辺に対応する部位４０Ｒは試料カートリッジ２０の径方向に、それぞれ配向されている。そして、試料カートリッジ２０の長手方向に配向された部位４０Ｚは、伝動機構（図示省略）を介して上述したモータに連結されており、当該モータの回転に伴って、アーム４０全体が、部位４０Ｚを中心として回転駆動される。

【0024】

更に、試料カートリッジ２０の径方向における中心部には、試料カートリッジ２０の長手方向に延びると共に同方向において往復移動可能なロッド５０が収容されている。ロッド５０は、通常は試料カートリッジ２０内において収容スペース２１よりも後方に格納されているが、図１（Ｂ）においては、当該ロッド５０が前方へ移動して収容スペース２１内に延びている状態を示している。

【0025】

図２は、試料ホルダ３０を前方から見た図であり、（Ａ）は通常状態（完全に組み立てられた状態）を、（Ｂ）はカバープレートを取り外した状態を、（Ｃ）は更にロータを取り外した状態を、それぞれ示しており、（Ｄ）はロータを単体で示している。

【0026】

試料ホルダ３０は、試料カートリッジ２０の収容スペース２１内に収容された状態において試料カートリッジ２０の外殻の一部を成す略円弧状のシュラウド３１を備え、当該シュラウド３１の径方向内側には、ベースプレート３２が取り付けられている（図２（Ｃ）参照）。

【0027】

ベースプレート３２は、略矩形の板状の部材であり、その略中央部には円形の穴３２Ｈが設けられている。また、ベースプレート３２の矩形を構成する４つの辺のうち、シュラウド３１と対向する側（径方向内側）の辺の中央部には、径方向に延びるスロット３２Ｓが形成されている。このスロット３２Ｓは、その径方向外端において、上述した穴３２Ｈと連結されている。更に、円形の穴３２Ｈの周囲には、他の部位よりも後方（紙面の奥側）へ陥没することにより薄く形成された環状のレール部３２Ｒが形成されている。

【0028】

ロータ３３は、図２（Ｄ）に示されるように、略円形の板状の部材であり、それぞれが球状の試料を収容する複数のホールド孔３３Ａが設けられている。

【0029】

また、ロータ３３には、その外周から中心部まで径方向に延びるスロット３３Ｓが形成されており、当該スロット３３Ｓによって、上述した環状のホールド部３３Ｈは、周方向の１か所において中断されている。スロット３３Ｓのうち、ロータ外周から中心部まで延びる部分には、上述したアーム４０（の径方向に配向された部位４０Ｒ）が嵌り込むようになっている（図２（Ｂ）参照）。

【0030】

以上のように構成されていることにより、ロータ３３は、モータによって回転駆動されるアーム４０（の径方向に配向された部位４０Ｒ）により、回転駆動され得る。これにより、ロータ３３のホールド部３３Ｈに設けられた複数のホールド孔３３Ａに収容された試料のうち任意の試料を、後述するロッド５０の前方に位置付け、当該ロッド５０の前方（紙面の手前側）への移動により、実験空間内に放出することができる。

【0031】

なお、図２（Ａ）に示された符号３４は、ロータ３３が組み付けられたベースプレート３２の前面に取り付けられたカバープレートである。

【0032】

カバープレート３４には、ロータ３３のスロット３３Ｓがベースプレート３２のスロット３２Ｓと同一の位相に位置付けられた状態（図２（Ｂ）に示された状態）において、両スロット３３Ｓ，３２Ｓを前方に完全に露出させ得るような形状を有するスロット３４Ｓが設けられている。したがって、ロータ３３のホールド部３３Ｈに設けられた複数のホールド孔３３Ａの全ては、上述した状態においてカバープレート３４によって覆われた状態となり、試料がホールド孔３３Ａから前方へ逸脱することが防止される。

【0033】

一方、ロータ３３のホールド部３３Ｈに設けられた複数のホールド孔３３Ａのうちの１つが、カバープレート３４のスロット３４Ｓと同一の位相に位置付けられた状態においては、試料カートリッジ２０内において収容スペース２１よりも後方に格納されているロッド５０を前方に移動させることにより、ホールド孔３３Ａ内に収容された試料を実験空間内に放出することができる。

【0034】

なお、カバープレート３４は、ロータ３３のホールド孔３３Ａへの試料の装填状況を視認できるよう、透明な材料（例えば、ポリカーボネート）から成ることが好ましい。

【0035】

以上のように構成された本発明の実施形態の試料カートリッジ２０は、試料ホルダ３０のうち少なくともベースプレート３２及びロータ３３がテフロン（登録商標）から成ることを特徴としている（第１の特徴）。

【0036】

テフロンは、帯電列（正／負に帯電しやすい順に物質を並べた表）において、最も負に帯電しやすい物質とされている。したがって、テフロン製のロータ３３のホールド部３３Ｈに保持された球状の試料がホールド孔３３Ａ内で転動した場合、当該ホールド孔３３Ａの内壁及びテフロン製のベースプレート３２のレール部３２Ｒとの摩擦により、試料は正に帯電することとなる。試料は、試料カートリッジの実験空間において加熱される際、熱電子の放出により正に帯電することになるので、試料が加熱前に既に正に帯電していることは、試料を実験空間内で安定的に浮遊させるうえで有利である。

【0037】

ここで、試料とテフロン製の試料ホルダ３０（ベースプレート３２及びロータ３３）との摩擦は、例えば静電浮遊炉が宇宙空間（国際宇宙ステーション内など）で運用される場合には、当該静電浮遊炉をロケットにより打ち上げる際の振動によっても実現することができる。しかしながら、当該摩擦を更に積極的に実現するため、本発明の実施形態の試料カートリッジ２０は、試料をロッド５０によって実験空間内に放出する前におけるアーム４０によるロータ３３の回転駆動態様に特徴を有している（第２の特徴）。

【0038】

アーム４０を回転駆動するモータは、時計回り及び反時計回りの両方向に回転可能であり、且つ、その回転速度を可変に制御可能である。そこで、試料をロッド５０によって実験空間内に放出する前に、アーム４０は、時計回りと反時計回りに交互に回転駆動（換言すれば、周方向において往復移動）される。これにより、試料は、ホールド孔３３Ａ内で激しく転動し、当該ホールド孔３３Ａの内壁及びテフロン製のベースプレート３２のレール部３２Ｒとの摩擦により、強く正に帯電することとなる。

【0039】

ここで、上述した回転駆動における時計回り及び反時計回りのそれぞれの方向における回転速度及び往復回数は、実験空間内での静電気力による浮遊にとって十分な程度に試料が正に帯電するよう、適宜に選択することができる。一例として、回転速度は６０～１２０ｒｐｍとすることができ、往復回数は２５～５０回とすることができる。

【0040】

なお、試料ホルダにおけるロータの構造を変更することにより、上述したものとは異なる態様の回転駆動を通じて試料を帯電させることができる。

【0041】

図３は、試料ホルダにおけるロータの変形例を示す概略説明図である。このロータ１３３は、テフロン製であって、それぞれが球状の試料Ｓ（１個を除いて図示省略）を収容する複数のホールドスロット１３３Ｓを備えている。複数のホールドスロット１３３Ｓは、半径Ｒｐｃのピッチ円ＰＣ上に等間隔で配置されており、各ホールドスロット１３３Ｓは、試料よりも大きな半径Ｒｓを有する円形の輪郭を有している。そして、ピッチ円ＰＣの半径Ｒｐｃは、
Ｒｐｃ＞Ｒｒ－Ｒｓ
となるように選定されている（ここに、Ｒｒはロータ１３３の半径）。これにより、各ホールドスロット１３３Ｓは、半径Ｒｓの円の一部（ロータ１３３の外周側）が切り欠かれた形状を有することとなる。

【0042】

また、ロータ１３３の外周は、テフロン製のベースプレート１３２の円周壁１３２Ｗによって取り囲まれており、両者の間には微小な間隙Ｇが設けられている。

【0043】

以上のように構成されたロータ１３３は、試料をロッドによって実験空間内に放出する前に、図示を省略した回転駆動機構によって、所定の時間、高速で回転駆動される（この場合、回転方向は時計回り又は反時計回りのいずれであってもよい）。これにより、各ホールドスロット１３３Ｓに収容された試料は、図３の下部に模式的に示したように、遠心力によって径方向外側へ押し付けられ、テフロン製のベースプレート１３２の円周壁１３２Ｗとの摩擦を通じて、強く正に帯電することとなる。

【0044】

なお、以上においては、試料ホルダ３０（ベースプレート３２及びロータ３３）を構成する材料としてテフロンを採用した場合について説明したが、当該材料としては、帯電列において、より負に帯電しやすい側に位置付けられている任意の材料を採用可能である。

【符号の説明】

【0045】

１０ 実験空間部
２０ 試料カートリッジ
３０ 試料ホルダ
３２ ベースプレート
３２Ｈ 穴
３２Ｒ レール部
３３ ロータ
３３Ａ ホールド孔
３４ カバープレート

【図1】

【図2】

【図3】