特許 7421768 静電浮遊炉用試料浮遊位置制御方法及び試料浮遊位置制御装置

(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】2024-01-17

(45)【発行日】2024-01-25

(54)【発明の名称】静電浮遊炉用試料浮遊位置制御方法及び試料浮遊位置制御装置

(51)【国際特許分類】

   F27B 17/00 20060101AFI20240118BHJP

   F27D 21/00 20060101ALI20240118BHJP

   F27D 19/00 20060101ALI20240118BHJP

【ＦＩ】

F27B17/00 Z

F27D21/00 Z

F27D19/00 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020028563

(22)【出願日】2020-02-21

(65)【公開番号】P2021134932

(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】國方 康伸

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－１０８５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２８６２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１６８３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１１０２０７０４（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２７Ｂ １７／００－１９／０４

Ｆ２７Ｄ １７／００－９９／００

Ｇ０５Ｂ １／００－ ７／０４

Ｇ０５Ｂ １１／００－１３／０４

Ｇ０５Ｂ １７／００－１７／０２

Ｇ０５Ｂ ２１／００－２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに直交する３軸のそれぞれの方向において互いに対向して配置された３つの電極対を備える実験空間内で、それぞれの前記電極対に印加される電圧により発生する電界の作用の下、予め帯電させた試料を静電気力により浮遊させる、静電浮遊炉の試料浮遊位置制御方法であって、
前記実験空間内で浮遊する前記試料を２つの方向から撮影した画像を、所定の時間間隔で連続的に取得し、
前記画像を解析することにより前記試料の位置を算出し、
前記位置に基づいて、前記試料が浮遊目標位置に到達するために移動すべき所要移動行程、並びに、前記試料の速度及び加速度を算出し、
前記３軸の方向のうち、前記所要移動行程の符号と、前記速度の符号及び前記加速度の符号との不一致が検出された方向について、当該方向において互いに対向して配置された前記電極対に印加する前記電圧の極性を反転させることを特徴とする方法。

【請求項2】

前記所要移動行程、並びに、前記速度及び前記加速度の算出には、連続的に取得された複数の前記画像を解析することにより算出された複数の前記位置の平均値が用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記所要移動行程の絶対値が所定の閾値以下である場合には、前記所要移動行程の符号と、前記速度の符号及び前記加速度の符号との不一致の検出を行わないことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記電極対に印加する前記電圧の極性を反転させた場合に、その後の所定の時間は、前記速度の符号及び前記加速度の符号との不一致の検出を行わないことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

実験空間の周囲において、互いに直交する３軸のそれぞれの方向において互いに対向して配置された３つの電極対と、
互いに異なる方向に配向されて前記実験空間の画像を取得する２つの撮影装置と、
前記２つの撮影装置により取得された前記画像を解析することにより前記実験空間内における試料の位置を算出する試料位置認識装置と、
前記試料位置認識装置により算出された前記試料の位置に基いて、前記３つの電極対に印加すべき電圧及びその極性を決定し、これらに関する指令信号を出力する浮遊位置コントローラと、
前記浮遊位置コントローラから受信した前記指令信号に基いて、前記３つの電極対に電圧を印加する高速高圧電源装置と、
を備える静電浮遊炉の試料浮遊位置制御装置であって、
前記浮遊位置コントローラは、前記試料位置認識装置により算出された前記試料の位置に基づいて、前記試料が浮遊目標位置に到達するために移動すべき所要移動行程、並びに、前記試料の速度及び加速度を算出し、前記３軸の方向のうち、前記所要移動行程の符号と、前記速度の符号及び前記加速度の符号との不一致が検出された方向について、当該方向において互いに対向して配置された前記電極対に印加する前記電圧の極性を反転させるような前記指令信号を出力する、静電浮遊炉の試料浮遊位置制御装置。

【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、静電浮遊炉の実験空間内における試料の浮遊位置制御方法及び浮遊位置制御装置に関する。

【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】

静電浮遊炉の実験空間内の周囲には、互いに直交する３軸方向においてそれぞれ対向する計３対の電極が配置されており、試料が実験空間内の目標位置で浮遊するよう、各電極対に印加する電圧及びその極性が高速で制御される（試料の浮遊位置制御）。

【0005】

ところで、試料にレーザを照射して加熱する際、通常は試料の温度が約１２００℃を超えると熱電子の放出が始まり、試料は徐々に負の電荷を失うため、加熱の最終段階（即ち、試料が溶融する段階）においては、試料の帯電極性は正となる。

【0006】

しかしながら、試料がある種の酸化物である場合、十分な熱電子が放出される温度よりも低い特定の温度領域において、当該酸化物が実験空間内のガス（通常、空気又は窒素）と化学反応する結果、試料の帯電極性が逆転して負となることがある。

【0007】

そのため、上述した試料の浮遊位置制御においては、通常のＰＩＤ制御に加えて、試料の位置の目標位置からのずれが閾値を超えた場合には試料の帯電極性が逆転していると判断し、各電極対に印加する電圧の極性を反転させる制御を採用していた。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【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】

【0009】

上述したように、加熱の途中で帯電極性の逆転が生じることは、従来は稀なケースであると考えられていた。しかしながら、酸化物を含む様々な材料を試料として適用した静電浮遊炉の運用を通じて、加熱の途中での帯電極性の逆転は、比較的多くの材料において生じることが判明した。そして、帯電極性の逆転が生じた場合、上述した態様の浮遊位置制御では、試料が加速度的に目標位置から離れて飛び去ってしまうことが多く、試料を目標位置の近傍で浮遊させ続けることが困難であることが判明した。

【0010】

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、加熱の途中で帯電極性の逆転が生じた場合であっても、試料を確実に目標位置の近傍で浮遊させ続けることが可能な、静電浮遊炉の実験空間内における試料の浮遊位置制御方法及び浮遊位置制御装置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】

【0011】

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の実験空間内における試料の浮遊位置制御方法は、互いに直交する３軸のそれぞれの方向において互いに対向して配置された３つの電極対のそれぞれに印加される電圧により発生する電界の作用の下、予め帯電させた試料を静電気力により浮遊させるものであって、前記実験空間内で浮遊する前記試料を２つの方向から撮影した画像を、所定の時間間隔で連続的に取得し、前記画像を解析することにより前記試料の位置を算出し、前記位置に基づいて、前記試料が浮遊目標位置に到達するために移動すべき所要移動行程、並びに、前記試料の速度及び加速度を算出し、前記３軸の方向のうち、前記所要移動行程の符号と、前記速度の符号及び前記加速度の符号との不一致が検出された方向について、当該方向において互いに対向して配置された前記電極対に印加する前記電圧の極性を反転させるように構成されている。

【0012】

本発明の第２の態様の静電浮遊炉の実験空間内における試料の浮遊位置制御方法において、前記所要移動行程、並びに、前記速度及び前記加速度の算出には、連続的に取得された複数の前記画像を解析することにより算出された複数の前記位置の平均値が用いられる。

【0013】

本発明の第３の態様の静電浮遊炉の実験空間内における試料の浮遊位置制御方法において、前記所要移動行程の絶対値が所定の閾値以下である場合には、前記所要移動行程の符号と、前記速度の符号及び前記加速度の符号との不一致の検出を行わない。

【0014】

本発明の第４の態様の静電浮遊炉の実験空間内における試料の浮遊位置制御方法において、前記電極対に印加する前記電圧の極性を反転させた場合に、その後の所定の時間は、前記速度の符号及び前記加速度の符号との不一致の検出を行わない。

【0015】

本発明の一態様の静電浮遊炉の試料浮遊位置制御装置は、実験空間の周囲において、互いに直交する３軸のそれぞれの方向において互いに対向して配置された３つの電極対と、互いに異なる方向に配向されて前記実験空間の画像を取得する２つの撮影装置と、前記２つの撮影装置により取得された前記画像を解析することにより前記実験空間内における試料の位置を算出する試料位置認識装置と、前記試料位置認識装置により算出された前記試料の位置に基いて、前記３つの電極対に印加すべき電圧及びその極性を決定し、これらに関する指令信号を出力する浮遊位置コントローラと、前記浮遊位置コントローラから受信した前記指令信号に基いて、前記３つの電極対に電圧を印加する高速高圧電源装置と、を備え前記浮遊位置コントローラは、前記試料位置認識装置により算出された前記試料の位置に基づいて、前記試料が浮遊目標位置に到達するために移動すべき所要移動行程、並びに、前記試料の速度及び加速度を算出し、前記３軸の方向のうち、前記所要移動行程の符号と、前記速度の符号及び前記加速度の符号との不一致が検出された方向について、当該方向において互いに対向して配置された前記電極対に印加する前記電圧の極性を反転させるような前記指令信号を出力する。

【発明の効果】

【0016】

本発明の静電浮遊炉の実験空間内における試料の浮遊位置制御方法及び浮遊位置制御装置によれば、加熱の途中で帯電極性の逆転が生じた場合であっても、試料を確実に目標位置の近傍で浮遊させ続けることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態の浮遊位置制御方法が適用される静電浮遊炉の、試料浮遊位置制御装置を示す概略説明図である。

【図2】本発明の実施形態の浮遊位置制御方法の態様を１つの電極対が互いに対向する１つの方向に関して説明する図であって、（Ａ）は試料が浮遊目標位置に向かって移動している場合を、（Ｂ）は試料が浮遊目標位置を通過した後に減速している場合を、（Ｃ）は試料が浮遊目標位置を通過した後に加速している場合を、それぞれ示している。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

図１は、本発明の実施形態の方法によって試料の浮遊位置制御が行われる静電浮遊炉の試料浮遊位置制御装置を示す概略説明図である。

【0020】

図において、Ｃは実験空間であり、その内部で浮遊した状態の試料Ｓを併せて模式的に示してある。

【0021】

実験空間Ｃの周囲には、互いに直交する３軸（ｘ，ｙ，ｚ）のそれぞれの方向において互いに対向する３つの電極対が配置されている。即ち、ｘ方向（図では左右方向）において互いに対向する第１の電極対１１ａ及び１１ｂ、並びに、ｙ方向（図では上下方向）において互いに対向する第２の電極対１２ａ及び１２ｂと、ｚ方向（図の紙面に垂直な方向）において互いに対向する第３の電極対（図示省略）が配置されている。

【0022】

第１の電極対１１ａ及び１１ｂ、第２の電極対１２ａ及び１２ｂ、並びに、第３の電極対は、それぞれ、後述する高速高圧電源装置６０に接続されている（接続配線の図示は省略している）。高速高圧電源装置６０によって各電極対に好ましくは±３ｋＶ以上且つ１ｋＨｚ以上の電圧が印加されることにより、実験空間Ｃ内に電界が発生し、その作用の下で、予め帯電させられた試料Ｓが静電気力により実験空間Ｃ内で浮遊する。

【0023】

なお、実験空間Ｃ内で浮遊する試料Ｓには、加熱用レーザ装置７０からレーザ光線が照射され、これにより加熱され溶融した試料Ｓの状態は、観察用カメラ８０により観察される。

【0024】

実験空間Ｃの周囲には、更に、ｘ方向に対してＣＣＷ方向に所定の角を成すｘ’方向において互いに対向する第１カメラ２１及び第１光源３１（合わせて第１撮影装置）、並びに、ｙ方向に対してＣＣＷ方向に所定の角を成すｙ’方向において互いに対向する第２カメラ２２及び第２光源３２（合わせて第２撮影装置）が配置されている。なお、第１カメラ２１及び第２カメラ２２としては、例えば高速ＣＣＤカメラやインテリジェントビジョンセンサ（浜松ホトニクス株式会社の商標）を用いることができ、第１光源３１及び第２光源３２としては、例えばメタルハライドランプやレーザを用いることができる。このように、本発明の実施形態の試料浮遊位置制御装置は、互いに異なる方向に配向された２つの撮影装置を備えている。

【0025】

２つの光源３１及び３２は、加熱用レーザ装置７０から照射されるレーザ光線により加熱されつつある試料Ｓが、その温度がまだ低いために発光していない状態であっても、その位置を２台のカメラ２１及び２２のそれぞれにより認識できるよう、バックライトとして機能するものである。

【0026】

２台のカメラ２１及び２２は、それぞれ後述する試料位置認識装置４０に接続されている。第１カメラ２１はｙ’-ｚ平面内における試料Ｓの運動状況を、第２カメラ２２はｘ’-ｚ平面内における試料Ｓの運動状況を、それぞれ撮影し、取得された画像はリアルタイムで試料位置認識装置４０に伝送される。なお、画像の撮影は所定のサンプリングレート（例えば1kHz）で行われる。

【0027】

第１カメラ２１から伝送されたｙ’-ｚ平面の画像及び第２カメラ２２から伝送されたｘ’-ｚ平面の画像は、試料位置認識装置４０においてリアルタイムで解析され、各時刻における試料Ｓの位置（実験空間Ｃ内におけるｘ、ｙ及びｚの各方向における座標値）が算出される。なお、上述したように、２台のカメラ２１及び２２による画像の撮影は所定のサンプリングレートで行われるので、試料位置認識装置４０においては、一定の時間間隔（サンプリングレートが1kHzである場合は0.001sec）で試料Ｓの位置が算出される。

【0028】

試料位置認識装置４０において算出された試料Ｓの位置に関するデータは、リアルタイムで浮遊位置コントローラ５０に伝送される。

【0029】

浮遊位置コントローラ５０は、受領した試料Ｓの位置に関するデータに基づいて、当該試料Ｓが実験空間Ｃ内の目標位置において浮遊し得るよう、第１～３の各電極対に印加すべき電圧及びその極性を決定し、この電圧及び極性に関する指令信号を、高速高圧電源装置６０に伝送する。その結果、高速高圧電源装置６０によって各電極対に適正な電圧が印加され、試料Ｓが実験空間Ｃ内の目標位置の近傍において浮遊することが可能となる。

【0030】

本発明の実施形態の試料の浮遊位置制御方法においては、浮遊位置コントローラ５０により行われる制御のうち、実験空間Ｃ内において加熱用レーザ装置７０から照射されるレーザ光線により加熱されつつある試料Ｓの帯電極性が逆転した場合に必要となる、印加電圧の極性の反転制御の態様に特徴がある。これについて、以下で詳述する。

【0031】

浮遊位置コントローラ５０は、試料位置認識装置４０から伝送された、連続する少なくとも３つの時刻ｔ_ｉ－２、ｔ_ｉ－１、ｔ_ｉにおける試料Ｓの位置に関するデータ（座標値（Ｘ_ｉ－２，Ｙ_ｉ－２，Ｚ_ｉ－２）、（Ｘ_ｉ－１，Ｙ_ｉ－１，Ｚ_ｉ－１）及び（Ｚ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚ_ｉ））を記憶手段に保持している。そして、これらのデータを用いて、各時刻における試料Ｓの位置に加えて、その速度及び加速度を算出する。

【0032】

なお、以下においては、上述した所定のサンプリングレートに対応する時間間隔（例えば、サンプリングレートが1kHzである場合は0.001sec）を、速度及び加速度を算出する際の基準となる単位時間として用いている。以下の（式１）～（式９）の式中に時間の変数が含まれていないのは、そのためである。

【0033】

まず、時刻ｔ_ｉ－１及びｔ_ｉにおける試料Ｓの速度の各方向の成分（Ｖｘ_ｉ－１，Ｖｙ_ｉ－１，Ｖｚ_ｉ－１）及び（Ｖｘ_ｉ，Ｖｙ_ｉ，Ｖｚ_ｉ）は、それぞれ以下の（式１）～（式３）及び（式４）～（式６）によって算出される。

【0034】

Ｖｘ_ｉ－１＝Ｘ_ｉ－１－Ｘ_ｉ－２ （式１）
Ｖｙ_ｉ－１＝Ｙ_ｉ－１－Ｙ_ｉ－２ （式２）
Ｖｚ_ｉ－１＝Ｚ_ｉ－１－Ｚ_ｉ－２ （式３）
Ｖｘ_ｉ＝Ｘ_ｉ－Ｘ_ｉ－１ （式４）
Ｖｙ_ｉ＝Ｙ_ｉ－Ｙ_ｉ－１ （式５）
Ｖｚ_ｉ＝Ｚ_ｉ－Ｚ_ｉ－１ （式６）

【0035】

次に、時刻ｔ_ｉにおける試料Ｓの加速度の各方向の成分（Ａｘ_ｉ，Ａｙ_ｉ，Ａｚ_ｉ）は、以下の（式７）～（式９）によって算出される。

【0036】

Ａｘ_ｉ＝Ｖｘ_ｉ－Ｖｘ_ｉ－１ （式７）
Ａｙ_ｉ＝Ｖｙ_ｉ－Ｖｙ_ｉ－１ （式８）
Ａｚ_ｉ＝Ｖｚ_ｉ－Ｖｚ_ｉ－１ （式９）

【0037】

更に、浮遊位置コントローラ５０は、時刻ｔ_ｉにおける試料Ｓの位置（座標値（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚ_ｉ））の、浮遊目標位置（座標値（ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ））に対する誤差の各方向の成分（ΔＸ_ｉ，ΔＹ_ｉ，ΔＺ_ｉ）を、以下の（式１０）～（式１２）によって算出する。

【0038】

ΔＸ_ｉ＝ＸＴ－Ｘ_ｉ （式１０）
ΔＹ_ｉ＝ＹＴ－Ｙ_ｉ （式１１）
ΔＺ_ｉ＝ＺＴ－Ｚ_ｉ （式１２）

【0039】

（式１０）～（式１２）から分かるように、ここでの誤差は、時刻ｔ_ｉにおける試料Ｓの位置を始点とし浮遊目標位置を終点とするベクトルと見なすことができる。即ち、誤差は、試料Ｓが浮遊目標位置に到達するために各方向において移動すべき行程（所要移動行程）を表している。

【0040】

そして、浮遊位置コントローラ５０は、時刻ｔ_ｉにおいて、誤差のｘ方向成分ΔＸ_ｉの符号（sgn（ΔＸ_ｉ））が、速度のｘ方向成分ＶＸ_ｉの符号（sgn（ＶＸ_ｉ））及び加速度のｘ方向成分ＡＸ_ｉの符号（sgn（ＡＸ_ｉ））のいずれとも一致しないとき、即ち、（式１３）が満たされるとき、ｘ方向において互いに対向する第１の電極対１１ａ及び１１ｂに印加する電圧の極性を反転させる指令信号を、高速高圧電源装置６０に伝送する。
sgn（ΔＸ_ｉ）≠sgn（ＶＸ_ｉ）かつsgn（ΔＸ_ｉ）≠sgn（ＡＸ_ｉ） （式１３）

【0041】

同様に、浮遊位置コントローラ５０は、時刻ｔ_ｉにおいて、誤差のｙ方向成分ΔＹ_ｉの符号（sgn（ΔＹ_ｉ））が、速度のｙ方向成分ＶＹ_ｉの符号（sgn（ＶＹ_ｉ））及び加速度のｙ方向成分ＡＹ_ｉの符号（sgn（ＡＹ_ｉ））のいずれとも一致しないとき、即ち、（式１４）が満たされるとき、ｙ方向において互いに対向する第２の電極対１２ａ及び１２ｂに印加する電圧の極性を反転させる指令信号を、高速高圧電源装置６０に伝送する。
sgn（ΔＹ_ｉ）≠sgn（ＶＹ_ｉ）かつsgn（ΔＹ_ｉ）≠sgn（ＡＹ_ｉ） （式１４）

【0042】

更に同様に、浮遊位置コントローラ５０は、時刻ｔ_ｉにおいて、誤差のｚ方向成分ΔＺ_ｉの符号（sgn（ΔＺ_ｉ））が、速度のｚ方向成分ＶＺ_ｉの符号（sgn（ＶＺ_ｉ））及び加速度のｚ方向成分ＡＺ_ｉの符号（sgn（ＡＺ_ｉ））のいずれとも一致しないとき、即ち、（式１５）が満たされるとき、ｚ方向において互いに対向する第３の電極対に印加する電圧の極性を反転させる指令信号を、高速高圧電源装置６０に伝送する。
sgn（ΔＺ_ｉ）≠sgn（ＶＺ_ｉ）かつsgn（ΔＺ_ｉ）≠sgn（ＡＺ_ｉ） （式１５）

【0043】

時刻ｔ_ｉにおける試料Ｓの誤差の各方向の成分（ΔＸ_ｉ，ΔＹ_ｉ，ΔＺ_ｉ）は、試料Ｓが浮遊目標位置に到達するために各方向において移動すべき距離及び方向を表している。したがって、その符号が、同時刻における試料Ｓの速度の各方向の成分（Ｖｘ_ｉ，Ｖｙ_ｉ，Ｖｚ_ｉ）の符号と一致しないということは、試料Ｓが浮遊目標位置へ向かう方向とは逆の方向に移動していることを意味する。また、その場合において、時刻ｔ_ｉにおける試料Ｓの誤差の各方向の成分（ΔＸ_ｉ，ΔＹ_ｉ，ΔＺ_ｉ）の符号が、同時刻における試料Ｓの加速度の各方向の成分（Ａｘ_ｉ，Ａｙ_ｉ，Ａｚ_ｉ）の符号と一致しないということは、試料Ｓが浮遊目標位置へ向かう方向とは逆の方向に加速している（換言すれば、浮遊目標位置から加速度的に遠ざかりつつある）ことを意味する。これは、試料の帯電極性の逆転に起因するものであるため、浮遊位置制御が発散することを回避すべく、誤差の符号と速度及び加速度の符号との不一致が検出された方向において互いに対向する電極対に印加する電圧の極性を反転させる必要があるのである。

【0044】

以上で説明した浮遊位置制御の態様を、図を参照して視覚的に説明する。

【0045】

図２は、本発明の実施形態の浮遊位置制御方法の態様を、第２の電極対が互いに対向するｙ方向を例にとって説明する図であって、（Ａ）は試料が浮遊目標位置に向かって移動している場合を、（Ｂ）は試料が浮遊目標位置を通過した後に減速している場合を、（Ｃ）は試料が浮遊目標位置を通過した後に加速している場合を、それぞれ示している。なお、同図においては、試料Ｓの浮遊目標位置の座標ＹＴの値を5.000としている。

【0046】

図２（Ａ）に示したケースの場合、試料Ｓは、ｙ方向において浮遊目標位置（座標値はＹＴ）に接近する方向に等速で移動している（図中の表参照）。この場合、時刻ｔ_ｉにおける誤差ΔＹの符号は正（＋）であり、速度Ｖｙの符号も正（＋）である（加速度Ａｙはゼロである）。したがって、誤差ΔＹの符号は速度Ｖｙの符号と一致している（即ち、上述した（式１４）は満たされていない）ので、第２の電極対に印加される電圧の極性は反転されず、現状のまま維持される。その結果、試料Ｓは、引き続き浮遊目標位置に接近してゆくこととなる。

【0047】

図２（Ｂ）に示したケースの場合、試料Ｓは、ｙ方向において浮遊目標位置（座標値はＹＴ）を通過してしまっているが、減速しつつ移動している（図中の表参照）。この場合、誤差ΔＹの符号は負（－）であり、速度Ｖｙの符号は正（＋）である一方、加速度Ａｙの符号は負（－）である。したがって、誤差ΔＹの符号は加速度Ａｙの符号と一致している（即ち、上述した（式１４）は満たされていない）ので、第２の電極対に印加される電圧の極性は反転されず、現状のまま維持される。その結果、試料Ｓは、浮遊目標位置を通過してはいるものの、当該位置から加速度的に遠ざかることはない。

【0048】

図２（Ｃ）に示したケースの場合、試料Ｓは、ｙ方向において浮遊目標位置（座標値はＹＴ）を通過し、しかも加速しつつ移動している（図中の表参照）。この場合、誤差ΔＹの符号は負（－）である一方、速度Ｖｙの符号は正（＋）であり、加速度Ａｙの符号も正（＋）である。したがって、誤差ΔＹの符号は速度Ｖｙの符号及び加速度Ａｙの符号のいずれとも一致していない（即ち、上述した（式１４）が満たされている）ので、第２の電極対に印加される電圧の極性は反転される。その結果、浮遊目標位置から加速度的に遠ざかりつつある試料Ｓに、これまでとは逆向きの静電気力が作用するようになる。その結果、試料Ｓの浮遊目標位置から遠ざかる方向への移動に制動がかかり、試料Ｓの浮遊位置制御が発散することが回避される。

【0049】

なお、以上においては、制御の基本的な考え方について説明したが、本発明の実施形態の浮遊位置制御方法においては、印加電圧の極性反転に関する誤判定を防止して制御を安定させるために、以下のような付加的な措置を講じている。
（１）ノイズの影響を排除するために、上述した（式１３）～（式１５）による判定を行うために用いる試料Ｓの位置に関するデータとしては、連続して取得された複数（例えば２５個）のデータの平均値を用いる。
（２）ハンチングの発生を防止するために、試料Ｓの位置の誤差の絶対値が所定の閾値以下である場合は、上述した（式１３）～（式１５）による判定を伴う印加電圧の極性反転制御を行わない。換言すれば、ｘ，ｙ及びｚの各方向において、浮遊目標位置を中心としてプラス側及びマイナス側の両側に亘る不感帯を設ける（図２（Ａ）～（Ｃ）に図示したｙ方向における不感帯ＤＢ（浮遊目標位置ＹＴを中心として±Ｙ_ＤＢの範囲）を参照のこと）。
（３）チャタリングの発生を防止するために、上述した（式１３）～（式１５）による判定の結果、いずれかの方向において印加電圧の極性を反転させた場合には、当該方向においては、その後の所定の時間は、上述した（式１３）～（式１５）による判定を伴う印加電圧の極性反転制御を行わない。

【0050】

以上で説明したように、本発明の実施形態の浮遊位置制御方法においては、試料の運動状態（位置の誤差（所要移動行程）の符号と速度及び加速度の符号との不一致）に基づいて試料の帯電極性の逆転が検出され、制御の発散を回避すべく、電極対に印加する電圧の極性が反転される。したがって、試料の位置の誤差のみに基づいて、電極対に印加する電圧の極性を反転させていた従来の浮遊位置制御方法と比較して、試料を目標位置の近傍で浮遊させ続けることのできる確率が著しく向上するという優れた効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0051】

１１ａ，１１ｂ 第１の電極対（電極対）
１２ａ，１２ｂ 第２の電極対（電極対）
２１ 第１カメラ（第１撮影装置）
２２ 第２カメラ（第２撮影装置）
３１ 第１光源（第１撮影装置）
３３ 第２光源（第２撮影装置）
４０ 試料位置認識装置
５０ 浮遊位置コントローラ
６０ 高速高圧電源装置

【図1】

【図2】