(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動体を励振手段で励振させて、振動体の音波の放射圧により振動体の表面上において物体を浮揚させる物体浮揚装置において、
前記複数の振動体のうち物体の撓みを抑制する役割を果たす撓み抑制用振動体の表面と、前記物体を撓みのない平らな状態で浮揚させた状態での物体の底面との距離を、前記撓み抑制用振動体から発生される音波の疑似定在波の波長λの１／２以上とし、
前記各振動体は定在波を発生させるように振動されるとともに、前記撓み抑制用振動体は物体の中央側に水平に配置され、物体の周縁寄りに配置された振動体は物体に作用する放射圧が物体の水平方向において釣り合うように該振動体の表面全体が物体の底面に対して内側に向かって傾斜した状態で配置されている物体浮揚装置。
【請求項２】
前記距離は前記波長λのｎ／２倍（ｎは自然数）である請求項１に記載の物体浮揚装置。
【請求項３】
前記ｎは１又は２である請求項２に記載の物体浮揚装置。
【請求項４】
前記物体の周縁寄りに配置された振動体は、矩形板状の物体の四隅と対向する位置に配設され、前記撓み抑制用振動体は、前記物体の周縁寄りに配置された４個の振動体から等距離に配置されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の物体浮揚装置。
【請求項５】
前記物体の周縁寄りに配置された各振動体のエッジは、前記物体のエッジに揃うように配置された請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の物体浮揚装置。
【請求項６】
前記物体の周縁寄りに配置された各振動体は、前記各振動体表面と水平面となす角度が３°以下に傾斜されている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の物体浮揚装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば音波等の放射圧を用いて物体を浮揚させる物体浮揚装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体を空中に浮揚させる物体浮揚装置として、励振手段により振動される振動体の音波の放射圧により振動体の表面上において物体を浮揚させる物体浮揚装置が特開平７−２４４１５号公報、特開平７−１３７８２４号公報、特開平９−２０２４２５公報等に開示されている。これらの装置では平板状の振動体を使用し、浮揚させるべき物体の前記平板状の振動体の表面と対向する面を平面とし、振動体の振動による音波の放射圧により物体が浮揚する。また、浮揚した物体に空気を噴射したり、前記振動体で進行波を発生させて浮揚した物体を移動させる物体搬送装置も開示されている。
【０００３】
また、物体を浮揚状態で搬送する方法として、台車に前記浮揚装置を装備して浮揚装置を移動させる方法がある。
また、特開平９−１６９４２７号公報には、ガラス基板等比較的大きな可撓性を有する物体を搬送する基板搬送装置として、物体を接触状態で支持して搬送する手段と、物体の撓みを音波の放射で防止する手段とを組み合わせた装置が提案されている。この装置では、平行に配設された無端状のベルトで物体の両端を支持して、ベルトの移動により物体を搬送するとともに、物体の撓みを防止するため、物体の中央付近に振動板から発する音波に基づく疑似定在波の節のエネルギーによって浮揚力を与えている。振動板の共振周波数が２０ｋＨｚ程度のため、疑似定在波の波長が２０ｍｍ程度となり、振動板からの距離が１０〜２０ｍｍの箇所に浮揚力の一つのピークが存在する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
浮揚させるべき物体が面積の広い板状の場合、物体を安定した状態で浮揚させるには、複数の振動板で物体に放射圧を作用させるのが好ましい。振動板の数を物体の面積に対応して多くすれば物体の撓みも防止できて安定した状態で浮揚させることができる。しかし、振動板が増えると振動子の数も増え、コストが高くなる。そのため、物体の周縁部に振動板を配置して物体を浮揚保持するとともに、中央部に物体の撓みを防止するための振動板を配置することが考えられる。
【０００５】
特開平９−１６９４２７号公報に開示された装置のように、物体を接触状態で支持部材で支持し、撓み防止のためだけに音波の疑似定在波の浮揚力を用いる構成では、物体を支持している位置が正確に判り、撓み防止用の振動板を該振動板から放射される疑似定在波の節が物体の底面と対応する位置となるように振動板を配置することは比較的簡単にできる。
【０００６】
しかし、物体を完全に非接触状態で浮揚保持する場合は、各振動体を同様な強さで励振させないと物体を安定した状態で浮揚させるのが難しく、物体の底面と各振動体の表面との距離が変動する。また、振動系を構成する各部品の製造誤差及び組み付けの誤差等により、振動体を含む振動系の共振周波数を一定にするのは難しい。その結果、面積が大きく撓みが大きな物体を浮揚保持する際に、単に撓み防止用の振動板を設けただけでは、物体が振動板と接触して、物体に傷が付き易くなる。
【０００７】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は面積の大きな板状の物体を複数の振動体を使用して浮揚させる場合、物体の撓みを所定以下に抑制して安定した状態で浮揚することができる物体浮揚装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、複数の振動体を励振手段で励振させて、振動体の音波の放射圧により振動体の表面上において物体を浮揚させる物体浮揚装置において、前記複数の振動体のうち物体の撓みを抑制する役割を果たす撓み抑制用振動体の表面と、前記物体を撓みのない平らな状態で浮揚させた状態での物体の底面との距離を、前記撓み抑制用振動体から発生される音波の疑似定在波の波長λの１／２以上とし、前記各振動体は定在波を発生させるように振動されるとともに、前記撓み抑制用振動体は物体の中央側に水平に配置され、物体の周縁寄りに配置された振動体は物体に作用する放射圧が物体の水平方向において釣り合うように該振動体の表面全体が物体の底面に対して内側に向かって傾斜した状態で配置されている。
【０００９】
従って、この発明では、励振手段で励振される複数の振動体からの音波の放射圧により、振動体の表面上において物体が浮揚される。撓み抑制用振動体から発生される音波の放射圧により他の振動体からの音波の放射圧によって浮揚状態に保持される物体の撓みが抑制される。振動体から発生する音波の浮揚力は、振動体に非常に近い近距離場（数１０μｍ〜数１００μｍ）の他に、撓み抑制用振動体の表面からの距離が、前記疑似定在波の波長λの１／２のｎ倍（ｎは自然数）の位置で浮揚力が大きくなる。そして、前記距離が前記疑似定在波の波長λの１／２以上のため、通常は前記波長λのｎ／２倍の部分で物体の撓みが抑制され、何らかの原因でその部分での物体の浮揚に失敗して撓みが大きくなっても、物体は振動体の近距離場での浮揚力により浮揚されて振動体と接触せずに撓みが抑制される。
また、この発明では、各振動体から発生する定在波に基づく音波の放射圧のバランスにより、物体が所定位置において浮揚状態に保持される。また、物体の周縁寄りに配置された振動体と物体との間に発生する空気流の作用により、物体には内側に向かう水平方向の力が存在する状態となり、物体に小さな水平方向の外力が作用した程度では物体は所定位置により安定した状態でとどまる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記距離は前記波長λのｎ／２倍（ｎは自然数）である。従って、この発明では、初期状態から、撓み抑制用振動体から発生される疑似定在波の浮揚力の大きな位置である半波長の自然数倍の位置に物体の底面が存在することになり、物体の撓みが効果的に抑制され易い。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記ｎは１又は２である。振動体から発生する疑似定在波による浮揚力は波長λのｎ／２倍（ｎは自然数）の部分で大きくなるが、その大きさは、振動体からの距離が疑似定在波の波長λの１／２のときの方が波長λと同じときより大きく、距離がｎ／２（ｎが３以上の自然数）では浮揚力は波長λと同じときより格段に小さくなる。従って、前記距離を疑似定在波の波長λの１／２又は波長λと同じにすることにより、安定した状態で撓みが抑制された状態で浮揚保持され易い。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記物体の周縁寄りに配置された振動体は、矩形板状の物体の四隅と対向する位置に配設され、前記撓み抑制用振動体は、前記物体の周縁寄りに配置された４個の振動体から等距離に配置されている。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記物体の周縁寄りに配置された各振動体のエッジは、前記物体のエッジに揃うように配置されている。
請求項６に記載の発明では、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記物体の周縁寄りに配置された各振動体は、前記各振動体表面と水平面となす角度が３°以下に傾斜されている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を矩形状の平板を浮揚保持するのに適した物体浮揚装置に具体化した一実施の形態を図１及び図２に従って説明する。図１（ａ）は物体浮揚装置の模式平面図である。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、物体浮揚装置１は矩形板状に形成された複数（この実施の形態では５個）の振動体２ａ〜２ｄ，３を備えている。各振動体２ａ〜２ｄ，３は同じ大きさに形成されている。４個の振動体２ａ〜２ｄは矩形板状の物体４（鎖線で図示）の四隅と対応する位置に配設され、物体の撓みを抑制する役割を果たす撓み抑制用振動体３は４個の振動体２ａ〜２ｄから等距離の位置に配設されている。各振動体２ａ〜２ｄ，３には励振手段を構成するホーン５が、それぞれその先端において図示しないネジにより締結されている。ホーン５は円錐台の上部に円柱部が連続する形状に形成され、各振動体２ａ〜２ｄ，３の中央において各振動体２ａ〜２ｄ，３と直交する状態で取付けられている。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、振動体３はその表面が水平に配置されている。物体４の長手方向（図１（ａ），（ｂ）における左右方向）に沿って配設された各一対の振動体２ａ，２ｃ、２ｂ，２ｄは、その表面が物体４の底面に対して内側に向かって傾斜した状態に、かつ物体４に作用する放射圧が釣り合うように配置されている。各振動体２ａ〜２ｄの水平面と成す角度θは、物体４の質量、振動体２ａ〜２ｄの面積などによって適正値は変化するが、例えば、ほぼ１°前後であり、通常３°以下である。
【００１９】
図１（ｂ）に示すように、各ホーン５は振動体２ａ〜２ｄ，３が締結される面の反対側の面において振動子６に固定されている。ホーン５の先端面は振動子６の軸方向と直交する平面に形成され、ホーン５及び振動子６の中心軸が鉛直方向に対して、水平面と振動体２ａ〜２ｄ，３との成す角度θと同じ角度傾斜した状態で配置されている。
【００２０】
振動体２ａ〜２ｄ，３を駆動する振動子６には所謂ランジュバン形振動子が使用され、一対のリング状のピエゾ素子７ａ，７ｂと、ピエゾ素子７ａ，７ｂ間に配置されたリング状の電極板８と、ピエゾ素子７ａ，７ｂの外側面と当接する位置に配置された金属ブロック９ａ，９ｂとを、図示しないボルトによって締め付け固定することにより構成されている。ボルトは金属ブロック９ａに形成された図示しないねじ穴に、金属ブロック９ｂ側から螺合されている。両金属ブロック９ａ，９ｂはボルトを介して互いに導通された状態となっている。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、物体浮揚装置１は台車１０上に支持ブラケット１１を介して取り付けられている。各振動子６は各振動体２ａ〜２ｄ，３が所定の角度θ又は水平となるように支持ブラケット１１に固定されている。
【００２２】
撓み抑制用振動体３は、その表面と、物体４を撓みのない平らな状態で浮揚させた状態での物体４の底面との距離Ｄが、撓み抑制用振動体３から発生される音波の疑似定在波の波長λの１／２以上となるように配設されている。この実施の形態では距離Ｄが前記波長λの１／２の２倍、即ち１波長分の大きさとなるように配設されている。
【００２３】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、各振動体２ａ〜２ｄ，３を励振させる振動子６は、それぞれ別の発振器１２に接続されている。図１（ｂ）に示すように、電極板８は配線１３ａを介して発振器１２と接続され、発振器１２の接地端子が配線１３ｂを介して金属ブロック９ｂに接続されている。ホーン５、振動子６、発振器１２により各振動体２ａ〜２ｄ，３を励振させる励振手段が構成されている。
【００２４】
次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
物体浮揚装置１は、搬送すべき板状の物体４を浮揚状態に保持しつつ台車１０の移動により目的位置まで搬送される。
【００２５】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、物体４は各エッジ４ａが各振動体２ａ〜２ｄの外側のエッジ１４に揃うように各振動体２ａ〜２ｄ，３上に載置される。その状態で発振器１２の駆動により、振動子６が所定の共振周波数（例えば、２０ｋＨｚ前後）で励振され、ホーン５が縦振動してホーン５を介して振動体２ａ〜２ｄ，３が励振されて撓み振動を行う。振動体２ａ〜２ｄ，３が撓み振動を行うことにより、振動体２ａ〜２ｄ，３から音波（定在波）が発生する。振動体２ａ〜２ｄ，３から放射される音波の放射圧によって、物体４は振動体２ａ〜２ｄ，３の表面から浮揚する。
【００２６】
互いに内側に傾斜した振動体２ａ，２ｂ、２ｃ，２ｄから物体４に対して斜めに放射圧が作用し、物体４は互いに向かい合う水平方向の分力が釣り合う状態で浮揚する。各振動体２ａ〜２ｄは物体４に対して近距離場の浮揚力を作用させる。
【００２７】
一方、撓み抑制用振動体３は、撓み抑制用振動体３から発生される音波の疑似定在波の波長λと等しい距離において、物体４に浮揚力を作用させるように振動される。撓み抑制用振動体３から発生する疑似定在波の１波長の共振部での浮揚力により物体４の撓みが防止されれば、図２に実線で示すように、物体４は撓み抑制用振動体３の表面からの距離Ｄが疑似定在波の波長λの１／２の２倍の位置で、撓みのないほぼ水平な状態で浮揚保持される。疑似定在波の１波長の共振部での浮揚において、何らかの原因でその部分での浮揚に失敗した場合には、図２に鎖線で示すＡの状態ように、物体４は撓み抑制用振動体３の表面からの距離Ｄが疑似定在波の波長λの１／２の位置になるまで撓んだ状態で浮揚保持される。また、何らかの原因でλ／２の距離での浮揚に失敗した場合は、図２に鎖線で示すＢの状態ように、物体４は撓み抑制用振動体３の表面からの距離Ｄがλ／２よりずっと小さな近距離場の浮揚力により物体４の撓みが防止された状態となる。
【００２８】
振動体２ａ〜２ｄのエッジ１４と物体４のエッジ４ａとが揃った状態に配置された状態では、振動体２ａ〜２ｄのエッジ１４からはみ出そうとした物体４が、振動体２ａ〜２ｄが放射する音波の作用によって内側に引き戻される作用があるため、物体４が所定の位置に安定した状態で保持される。
【００２９】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）  撓み抑制用振動体３の表面と、物体４を撓みのない平らな状態で浮揚させた状態での物体４の底面との距離Ｄを、撓み抑制用振動体３から発生される音波の疑似定在波の波長λの１／２以上とした。従って、通常は前記疑似定在波の波長λのｎ／２倍（ｎは自然数）の部分で物体４を浮揚させて、物体４の撓みを抑制でき、何らかの原因で前記部分での物体４の浮揚に失敗して撓みが大きくなっても、物体４は撓み抑制用振動体３の近距離場での浮揚力により浮揚されて振動体３と接触せずに撓みが抑制される。
【００３０】
（２）  距離Ｄは波長λのｎ／２倍（ｎは自然数）、この実施の形態ではｎ＝２であるため、撓み抑制用振動体３から発生する疑似定在波により物体４を浮揚させる大きな浮揚力が作用する個所が、撓み抑制用振動体３からの距離が波長λに等しい個所と、波長λの１／２の個所と、それよりずっと近い近距離場との３か所になり、物体４に各振動体２ａ〜２ｄ，３が接触せずに撓みの抑制が効果的に行われる。
【００３１】
（３）  各振動体２ａ〜２ｄ，３は定在波を発生させるように振動されるため、進行波を発生する構成に比較して構造が簡単になる。
（４）  物体４の四隅と対応する位置に配置される振動体２ａ〜２ｄが水平面に対して所定角度θ傾斜した状態に配設されているため、各振動体２ａ〜２ｄを水平に配置した場合より、物体４を所定位置に保持する効果が向上するとともに、物体４が撓んでも振動体２ａ〜２ｄのエッジが物体４に接触し難くなる。
【００３２】
（５）  物体浮揚装置１は台車１０上に装備されている。従って、台車１０の移動により物体４を浮揚状態で所定の位置まで確実に搬送することができる。
（６）  浮揚すべき物体４は底面がフラットで、直線状のエッジ４ａを有し、振動体２ａ〜２ｄは物体４を浮揚状態で保持する際、その外側のエッジ１４が物体４の直線状のエッジ４ａの近傍で該エッジ４ａに沿って延びるように配置されている。従って、物体４を所定位置により安定した状態で保持できる。
【００３３】
実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○  撓み抑制用振動体３の表面と、物体４を撓みのない平らな状態で浮揚させた状態での物体４の底面との距離は、撓み抑制用振動体３から発生される音波の疑似定在波の波長λと同じに限らず、波長λの１／２以上であればよく、例えば波長λの１／２でもよいし、３／２でもよい。
【００３４】
○  撓み抑制用振動体３は物体４の四隅と対応する位置に配設されてもよい。即ち物体４の材質の関係上、四隅の内の一つに他の三つに比較して比重がかかる場合、対応する位置に撓み抑制用振動体３を配設すれば、何らかの原因で撓み抑制用振動体３の表面から波長λの距離で浮揚に失敗しても、λ／２の距離や近距離場での浮揚が可能になり、安定的な浮揚が行われる。
【００３５】
○  図３に示すように、撓み抑制用振動体３を昇降手段により昇降可能に構成してもよい。例えば、支持ブラケット１１を昇降手段としてのアクチュエータ１５のロッド１５ａに固定する。アクチュエータ１５としては例えば電動シリンダやリニアアクチュエータのように、電気信号により制御可能なものが使用される。この場合、物体４の厚さや比重によって、前記距離が前記波長λと同じになる位置と、波長λの１／２となる位置とに容易に変更できる。
【００３６】
○  物体浮揚装置は物体４を所定位置に浮揚状態で保持するものに限らず、長尺に形成されるとともに平行に配置されて進行波を発生するように励振される複数の搬送用振動体を備えたものであってもよい。例えば、図４に示すように、一対の搬送用振動体としての振動体１６ａ，１６ｂの間に、定在波を発生する撓み抑制用振動体１７が配設されている。各振動体１６ａ，１６ｂの一端側に締結されたホーン１８ａを励振させる振動子６はそれぞれ発振器１９に接続されている。各振動体１６ａ，１６ｂの他端側に締結されたホーン１８ｂを励振させる振動子６は、抵抗Ｒ及びコイルＬからなる負荷回路２０にそれぞれ接続されている。撓み抑制用振動体１７の中央にホーン１８ｃが締結され、ホーン１８ｃはそれぞれ発振器に接続された振動子（いずれも図示せず）に固定されている。
【００３７】
この実施の形態の装置では発振器１９に接続された振動子６が励振されると、ホーン１８ａ，１８ｂを介して振動体１６ａ，１６ｂが撓み振動し、物体４が振動体１６ａ，１６ｂから浮揚する。振動体１６ａ，１６ｂの振動は負荷回路２０に接続された振動子６に伝達され、振動子６を構成するピエゾ素子７ａ，７ｂにより機械エネルギーである振動のエネルギーが電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーが負荷回路２０の抵抗Ｒでジュール熱に変換されて放散される。そのため、各振動体１６ａ，１６ｂに生じる振動の波が一方向へ進む進行波となり、物体４は発振器１９に接続された側の振動子６と対応する側から他方へ向かって浮揚状態で搬送される。搬送の停止は発振器１９の駆動を停止することにより行われる。両振動体１６ａ，１６ｂから発生する進行波により浮揚状態で搬送される物体４の撓みが、両振動体１６ａ，１６ｂの間に配設された撓み抑制用振動体１７により抑制される。
【００３８】
○  搬送用の振動体１６ａ，１６ｂを互いに内側に向かうように傾斜した状態に配設してもよい。この場合、物体４の安定性が向上する。
○  矩形状の物体４を所定位置に浮揚保持する物体浮揚装置１において、各振動体２ａ〜２ｄの配設位置は、物体４の四隅と対応する位置に限らず、各辺の中央と対応する位置に配置してもよい。また、振動体２ａ〜２ｄの数は４個に限らず、物体４の大きさにより複数であれば適宜変更し、配置位置も適宜変更してもよく、撓み抑制用振動体３の数は１個に限らず、物体４の大きさにより２個以上であれば適宜変更し、配置位置も適宜変更してもよい。
【００３９】
○  振動子６を励振させる共振周波数は２０ｋＨｚ付近に限らず、より高周波であってもよい。例えば、４０ｋＨｚ付近としてもよい。高周波の方が音圧による浮揚力が強くなるとともに、撓み抑制用振動体３，１７から水平状態の物体４の底面までの距離が同じでも、浮揚力の強くなる位置の数、即ちλ×（ｎ／２）のｎの値が大きくなる。
【００４０】
○  浮揚保持する物体４の形状は矩形等の四角形に限らず、三角形や他の多角形あるいは円形等任意の形状としてよい。
○  振動体２ａ〜２ｄを水平面に対して所定角度θ傾斜した状態に配設する構成に代えて、全ての振動体２ａ〜２ｄを水平に配置する構成としてもよい。
【００４１】
○  各振動体２ａ〜２ｄのエッジ１４の一部が物体４のエッジ４ａと対応せず、物体４がエッジ１４からはみ出す大きさのものに適用してもよい。
○  振動体２ａ〜２ｄ，３，１６ａ，１６ｂ，１７のホーン５，１８ａ，１８ｂへの固定はネジによる締結に限らず、接着剤を使用したり、ロウ付けや溶接で固着してもよい。
【００４２】
○  振動子６はランジュバン形振動子に限らず他の振動子を使用してもよい。
前記実施の形態から把握される請求項記載以外の発明（技術思想）について、以下に記載する。
【００４３】
（１）  前記搬送用振動体は２個設けられ、互いに内側に向かうように傾斜した状態に配設されている。
（２）  前記物体は矩形状であり、少なくとも前記物体の四隅と対応する位置に前記振動体が配置されている。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、各請求項に記載の発明によれば、面積の大きな板状の物体を複数の振動体を使用して浮揚させる場合、物体の撓みを所定以下に抑制して安定した状態で浮揚することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は一実施の形態の物体浮揚装置の模式平面図、（ｂ）は台車に装備された物体浮揚装置の模式正面図。
【図２】  物体の撓みと、撓み抑制用振動体の関係を示す模式図。
【図３】  別の実施の形態の物体浮揚装置の模式正面図。
【図４】  別の実施の形態の模式斜視図。
【符号の説明】
１…物体浮揚装置、２ａ〜２ｄ…振動体、３，１７…撓み抑制用振動体、４…物体、５，１８ａ，１８ｂ…励振手段を構成するホーン、６…同じく振動子、１２，１９…同じく発振器、１６…搬送用振動体、Ｄ…距離。
【図１】
0003975666.tif 000002
【図２】
0003975666.tif 000003
【図３】
0003975666.tif 000004
【図４】
0003975666.tif 000005