(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発生手段と、この超音波発生手段により発生された超音波によって励振される放射部材とを備え、前記放射部材上に浮揚対象物を浮揚させることができる超音波浮揚装置であって、
前記放射部材が、平坦な放射面と、この放射面よりも凹んでいる凹部とを有し、
前記凹部が前記放射面の略中央部に設けられ、
前記凹部の平面形状と、前記放射面の平面形状とが略相似していることを特徴とする超音波浮揚装置。
【請求項２】
前記浮揚対象物の前記放射面と対向する面が平坦であることを特徴とする請求項１に記載の超音波浮揚装置。
【請求項３】
平面視における前記凹部の面積が、前記放射面の面積のおよそ７．５％〜２５％であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波浮揚装置。
【請求項４】
超音波発生手段により発生された超音波によって放射部材を励振させ、前記放射部材上に浮揚対象物を浮揚させる超音波浮揚方法であって、
前記放射部材に、平坦な放射面と、この放射面よりも凹んでいる凹部とを形成しておき、
前記凹部が前記放射面の略中央部に設けられ、
前記凹部の平面形状と、前記放射面の平面形状とが略相似していることを特徴とする超音波浮揚方法。
【請求項５】
前記浮揚対象物の前記放射面と対向する面が平坦であることを特徴とする請求項４に記載の超音波浮揚方法。
【請求項６】
平面視における前記凹部の面積を、前記放射面の面積のおよそ７．５％〜２５％に設定することを特徴とする請求項４または５に記載の超音波浮揚方法。
【請求項７】
超音波発生手段と、この超音波発生手段により発生された超音波によって励振される放射部材とを備え、凸部を有する吸引対象物を前記放射部材に吸引することができる超音波吸引装置であって、
前記放射部材が、平坦な放射面と、この放射面よりも凹んでおり、前記吸引対象物の前記凸部が入り込み得る凹部とを有し、
前記凹部が前記放射面の略中央部に設けられ、
前記凹部の平面形状と、前記放射面の平面形状とが略相似していることを特徴とする超音波吸引装置。
【請求項８】
前記放射部材に含まれる前記凹部の平面形状と、前記吸引対象物に含まれる前記凸部の平面形状とが略相似していることを特徴とする請求項７に記載の超音波吸引装置。
【請求項９】
前記放射部材の前記放射面が略鉛直下方に向けられると共に、前記吸引対象物の前記凸部が略鉛直上方に向けられた状態で用いられることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波吸引装置。
【請求項１０】
超音波発生手段により発生された超音波によって放射部材を励振させ、凸部を有する吸引対象物を前記放射部材に吸引する超音波吸引方法であって、
前記放射部材に、平坦な放射面と、この放射面よりも凹んでおり、前記吸引対象物の前記凸部が入り込み得る凹部とを形成しておき、
前記凹部が前記放射面の略中央部に設けられ、
前記凹部の平面形状と、前記放射面の平面形状とが略相似していることを特徴とする超音波吸引方法。
【請求項１１】
前記放射部材に含まれる前記凹部の平面形状を、前記吸引対象物に含まれる前記凸部の平面形状と略相似するように形成しておくことを特徴とする請求項１０に記載の超音波吸引方法。
【請求項１２】
前記吸引対象物を前記放射部材に吸引する際に、前記放射部材の前記放射面を略鉛直下方に向けると共に、前記吸引対象物の前記凸部を略鉛直上方に向けることを特徴とする請求項１０または１１に記載の超音波吸引方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波浮揚装置、超音波浮揚方法、超音波吸引装置、および、超音波吸引方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、超音波を利用して物体を浮揚させる技術として、例えば、特開平８−２７７０３３号公報によって開示されたものが知られている。この公報には、発振器、振動子、および、ホーンからなる超音波励振手段によって、所定寸法の振動体を所定の振動モードで振動させ、振動体から発せられる放射圧により物体を浮上させる物体搬送装置が記載されている。この物体搬送装置では、更に、振動体から発せられる放射圧が、搬送路の幅方向における両端側で大きく設定され、これにより、物体の搬送路からの逸脱を防止している。
【０００３】
また、従来から、超音波を利用して物体を吸引する技術として、特開平５−１５８４８号公報によって開示されたものが知られている。この公報には、超音波の音響直進流を発生させた際に、その発生端近傍で生ずる負圧により小物体を吸引する手法が記載されている。この手法を実施する場合、超音波振動子にホーンが接続されると共に、ホーンの先端に、平滑面を有するチップが取り付けられる。そして、超音波振動子から所定周波数の超音波振動がホーンに与えられると、チップの先端から、平滑面と垂直に音響直進流が発せられる。これにより、チップの平滑面近傍に負圧が発生し、水中等において、ガラス片等の小物体をチップ先端に吸着させることができる。
【０００４】
これらの超音波浮揚技術や超音波吸引技術は、例えば静電気、磁気、更には、気体の負圧等を利用した技術と比較して、対象物の材質の制約が少ない、また、設備が単純なものでよい、等の理由から幅広い分野において実用化が期待されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の超音波浮揚技術は、物体を搬送するために該物体を浮揚させることを目的とするものである。このため、従来の超音波浮揚技術における物体の浮揚量は、上限で０．１ｍｍ程度と極めて小さい。この程度の浮揚量では、従来の超音波浮揚技術を搬送以外の用途に応用するのに実用上不十分である。例えば、マニピュレータやハンドリング装置等を用いて物体を把持する際に、予め把持対象となる物体を浮揚させるために上述の超音波浮揚技術を適用しても、得られる浮揚量が０．１ｍｍ以下であると、把持手段の位置決めや、直接対象物と接触する把持部の形状等における制約が非常に厳しくなってしまう。また、上述の特開平５−１５８４８号公報に記載された超音波吸引手法は、水中において吸引作用を発揮し得ることが確認されているが、大気中で同様の構成を適用しても実用上求められる吸引作用を得ることはできない。
【０００６】
そこで、本発明は、簡易な構成によって浮揚対象物を安定かつ確実に浮揚させ得ると共に、その浮揚量を容易に増加させることができる超音波浮揚装置および超音波浮揚方法、ならびに、簡易な構成によって吸引対象物を大気中においても安定かつ確実に吸引することができる超音波吸引装置および超音波吸引方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の形態は、超音波浮揚装置に係るものである。この超音波浮揚装置は、超音波発生手段と、この超音波発生手段により発生された超音波によって励振される放射部材とを備える。本発明者らは、この種の超音波浮揚装置について、その浮揚量を増加させるべく、鋭意研究を進めた。その結果、放射部材上に浮揚対象物を安定かつ確実に浮揚させるためには、放射部材に、平坦な放射面を設けると共に、放射面の略中央部に、この放射面よりも凹んでいる凹部を形成すること、及び、凹部の平面形状と、放射面の平面形状とを略相似とすることが極めて有効であることを見出した。このように、放射部材に凹部を設けることにより、浮揚対象物の浮揚量を従来に比して大幅に増加させることが可能となり、浮揚状態を安定化させることができる。また、このような構成は、浮揚装置のコストアップ等を実質的に招くことなく、極めて簡易かつ低コストで実現することができる。
【０００８】
この場合、浮揚対象物の放射面と対向する面が平坦であると好ましい。
【０００９】
また、平面視における凹部の面積が、放射面の面積のおよそ７．５％〜２５％であると好ましい。
【００１１】
本発明の他の形態は、超音波発生手段により発生された超音波によって放射部材を励振させ、放射部材上に浮揚対象物を浮揚させる超音波浮揚方法に係るものである。この方法では、放射部材に、平坦な放射面と、この放射面の略中央部に放射面よりも凹んでいる凹部とを形成しておき、凹部の平面形状を、放射面の平面形状と略相似とする。これにより、浮揚対象物の浮揚量を従来に比して大幅に増加させることが可能となり、浮揚状態を安定化させることができる。また、このような方法は、浮揚装置のコストアップ等を実質的に招くことなく、極めて簡易かつ低コストで実施可能である。
【００１２】
この場合、浮揚対象物の放射面と対向する面が平坦であると好ましい。
【００１３】
また、平面視における凹部の面積を、放射面の面積のおよそ７．５％〜２５％に設定すると好ましい。
【００１５】
本発明の第２の形態は、超音波吸引装置に係るものである。そして、この超音波吸引装置は、超音波発生手段と、この超音波発生手段により発生された超音波によって励振される放射部材とを備える。本発明者らは、超音波浮揚装置に加えて、更に、この種の超音波吸引装置の応用範囲を広げるべく、鋭意研究を進めた。その結果、凸部を有する吸引対象物を放射部材に安定かつ確実に吸引するためには、放射部材に、平坦な放射面を設けると共に、放射面の略中央部に、この放射面よりも凹んでおり、吸引対象物の凸部が入り込み得る凹部を形成すること、及び凹部の平面形状と、放射面の平面形状とが略相似していることが極めて有効であることを見出した。このように、放射部材に凹部を設けることにより、大気中であっても、安定かつ確実に吸引対象物を放射部材に吸引することができる。また、このような構成は、吸引装置のコストアップ等を実質的に招くことなく、極めて簡易かつ低コストで実現可能である。
【００１６】
この場合、放射部材に含まれる凹部の平面形状と、吸引対象物に含まれる凸部の平面形状とが略相似していると好ましい。
【００１７】
また、本発明による超音波吸引装置は、放射部材の放射面が略鉛直下方に向けられると共に、吸引対象物の凸部が略鉛直上方に向けられた状態で用いられると好ましい。
【００１８】
本発明の他の形態は、超音波発生手段により発生された超音波によって放射部材を励振させ、凸部を有する吸引対象物を放射部材に吸引する超音波吸引方法に係るものである。この方法では、放射部材に、平坦な放射面と、この放射面よりも凹んでおり、吸引対象物の凸部が入り込み得る凹部とを形成しておく。凹部は放射面の略中央部に形成し、凹部の平面形状と、放射面の平面形状とを略相似とする。これにより、大気中であっても、安定かつ確実に吸引対象物を放射部材に吸引することができる。また、このような方法は、吸引装置のコストアップ等を実質的に招くことなく、極めて簡易かつ低コストで実施可能である。
【００１９】
この場合、放射部材に含まれる凹部の平面形状を、吸引対象物に含まれる凸部の平面形状と略相似するように形成しておくと好ましい。
【００２０】
また、吸引対象物を放射部材に吸引する際に、放射部材の放射面を略鉛直下方に向けると共に、吸引対象物の凸部を略鉛直上方に向けると好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による超音波浮揚装置、超音波浮揚方法、超音波吸引装置、および、超音波吸引方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波浮揚装置を示す概略構成図である。同図に示される超音波浮揚装置１は、超音波発生ユニット２と、放射部材３とを備える。超音波発生ユニット２は、振動子、超音波発振器等を含んでおり、電源４から給電されると、超音波振動を発生する。放射部材３は、例えばアルミ等の金属等からなる。放射部材３の基端側は、超音波発生ユニット２に装着され、その遊端側には放射面３ａが設けられている。放射部材３が超音波発生ユニット２により発生された超音波によって励振されると、放射面３ａからは、浮揚対象物を浮揚させるための放射圧が発せられる。図１に示されるように、本実施形態では、放射部材３は、直径ｄ１の円柱状に形成されており、放射面３ａは、平滑に形成されている。
【００２３】
ここで、本発明者らは、この種の超音波浮揚装置について、その浮揚量を増加させるべく、鋭意研究を進めた。その結果、放射部材３の放射面３ａの例えば略中央部に、その放射面３ａよりも凹んでいる凹部３ｂを形成することが、浮揚対象物の浮揚量を増加させる上で極めて有効であることを見出した。図２および図３に、このような凹部３ｂの有効性の根拠となる実験結果を示す。
【００２４】
図２は、超音波を発生させるために超音波発生ユニット２に異なる値の電流を加えた場合における凹部３ｂの直径と浮揚量との関係を示す図表である。この場合、浮揚対象物として、直径２２ｍｍ、板厚０．２５ｍｍ、質量およそ０．２７ｇの円盤状アルミ板を用いた。また、放射部材３（放射面３ａ）の直径ｄ１も浮揚対象物のものと同様に２２ｍｍとした。凹部３ｂの断面形状は円形とされ、その直径ｄ２を６ｍｍ〜１５ｍｍの範囲において１ｍｍ刻みで変化させ、その深さを２ｍｍとした。更に、電流の値は、０．２Ａ〜１．０Ａの範囲において０．２Ａ刻みで変化させた。このような範囲で電流値を設定することにより、超音波発生ユニット２によって発生される超音波の振幅が、０．０１〜０．０５ｍｍの範囲で比例的に変化する。図２において、プロットＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４およびＰ５は、それぞれ、電流値０．２Ａ，０．４Ａ，０．６Ａ，０．８Ａおよび１．０Ａの場合のデータである。
【００２５】
一方、図３は、放射面に凹部が存在しない場合における浮揚量と超音波を発生させるために超音波発生ユニット２に加えた電流の値との関係を示す図表である。この場合も、浮揚対象物として、直径２２ｍｍ、板厚０．２５ｍｍ、質量およそ０．２７ｇの円盤状アルミ板を用いた。また、放射部材３（放射面３ａ）の直径ｄ１も浮揚対象物のものと同様に２２ｍｍとした。
【００２６】
図３に示される結果からわかるように、放射部材３に凹部が存在しない場合（放射面３ａが完全に平坦である場合）、超音波発生ユニット２に対して、およそ０．２Ａ〜０．３Ａの電流を加えた場合にのみしか浮揚対象物は浮揚せず、しかも、浮揚対象物の浮揚量は、０．０４ｍｍ〜０，０６ｍｍ程度と極めて小さい。これに対して、放射部材３に凹部３ｂが存在すれば、図２に示されるように、電流値（超音波の振幅）と凹部のサイズとを適切に組み合わせることにより、浮揚対象物の浮揚量を１ｍｍ程度と従来に比して大幅に増加させることができる。なお、図２に関連する実験では、凹部３ｂの直径がおよそ１０ｍｍ〜１２ｍｍの範囲にある場合、浮揚対象物の浮揚状態が不安定になったが、この範囲内に浮揚量のピークが存在する可能性もある。また、凹部３ｂの直径がおよそ１２ｍｍを超えた場合、浮揚対象物は浮揚したものの、その浮揚量は従来の場合とさほど変化がなかった。
【００２７】
何れにしても、上述のとおり、超音波浮揚装置１を構成する放射部材３に凹部３ｂを設けることにより、浮揚対象物の浮揚量を従来に比して大幅に増加させることが可能となり、浮揚状態を安定化させることができる。また、このような構成は、浮揚装置のコストアップ等を実質的に招くことなく、極めて簡易かつ低コストで実現することができる。
【００２８】
また、図２に示される結果から、直径２２ｍｍの円盤状の浮揚対象物に対して、直径およそ６ｍｍ〜１０ｍｍ程度の凹部を設けると、浮揚対象物の浮揚量が増加することがわかる。このような結果から、凹部の直径と、放射面の直径との関係を両者の面積の関係に換算すれば、凹部の断面積を、放射面の面積のおよそ７．５％〜２５％とすれば、実用上良好な結果を得られることがわかる。
【００２９】
更に、浮揚対象物の浮揚を安定化させると共に浮揚量を増加させるためには、信学技報ＵＳ９６−７４（１９９６年１２月発行）「近距離音波の浮揚力に関する理論的研究」等において報告されているように、浮揚対象物の面のうち、放射部材３の放射面３ａと対向する面が平坦（平滑）であると好ましい。更に、本実施形態のように、凹部３ｂの断面形状と、放射面３ａ（放射部材３）の断面形状とが略相似していると好ましい。これは、放射面３ａからの放射圧によって浮揚に適した空気層の流れが形成されると考えられるからである。
【００３０】
なお、本発明者らは、更に、放射部材３の凹部３ｂの深さと、浮揚対象物の浮揚量との関係についても更に考察した。図４に、その考察結果が示される。図４に関連する実験では、上述の円柱状の放射部材３（直径２２ｍｍ）に、直径７ｍｍの断面円形の凹部３ｂを設けると共に、当該凹部３ｂの深さを１．５ｍｍ、２ｍｍおよび４ｍｍと変化させた。そして、超音波発生ユニット２に対して、０．２Ａ刻みで０．２Ａ〜２．０Ａの範囲にわたって電流を加えながら、浮揚対象物（図２の場合と同様のもの）の浮揚量を計測した。なお、図４において、プロットｐ１，ｐ２およびｐ３は、それぞれ、凹部３ｂの直径が、１．５ｍｍ，２ｍｍおよび４ｍｍの場合のデータである。また、直径４ｍｍの場合については、電流値の範囲を０．２Ａ〜１．０Ａとした。
【００３１】
図４に示される結果から、浮揚対象物の浮揚量は、凹部の深さには、実質的に依存していないことがわかる。この点から、放射部材３には、ごく浅い凹部３ｂを形成しておけば、浮揚対象物の浮揚量が効果的に増加するということがわかる。従って、放射部材３に凹部３ｂを設けることによる浮揚装置のコストアップは、最小限に抑えることができる。
【００３２】
〔第２実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態に係る超音波吸引装置を示す概略構成図である。同図に示される超音波吸引装置１１は、例えば図６に示されるような、凸部１５ａを有する吸引対象物１５を非接触で吸引保持するためのものである。超音波吸引装置１１も、上述の超音波浮揚装置１と同様に、超音波発生ユニット１２と、放射部材１３とを備える。超音波発生ユニット１２は、振動子、超音波発振器等を含んでおり、電源１４から給電されると、超音波振動を発生する。
【００３３】
放射部材１３は、例えばアルミ等の金属等からなる。また、放射部材１３の基端側は、超音波発生ユニット１２に装着され、その遊端側には放射面１３ａが設けられている。放射部材１３が超音波発生ユニット１２によって励振されると、放射面１３ａ付近には、吸引対象物を吸引するための負圧が形成される。図５に示されるように、本実施形態においても、放射部材１３は、直径ｄ１’の円柱状に形成されており、放射面１３ａは、平滑に形成されている。
【００３４】
ここで、本発明者らは、この種の超音波吸引装置についても、その応用範囲を広げるべく、鋭意研究を進めた。その結果、図６に示されるような凸部１５ａを有する吸引対象物１５を放射部材１３に吸引するためには、放射部材１３の平坦な放射面１３ａの例えば略中央部に、放射面１３ａよりも凹んでおり、吸引対象物１５の凸部１５ａが入り込み得る凹部１３ｂを形成することが極めて有効であることを見出した。
【００３５】
すなわち、上述の超音波吸引装置１１により、次のような条件下で吸引対象物１５を実用上良好な状態で吸引することが可能であった。この場合、浮揚対象物として、直径２２ｍｍ、板厚０．２５ｍｍ、質量およそ０．２７ｇの凸部１５ａを有する円盤状アルミ板を用いた。凸部１５ａは、直径３．５ｍｍ、高さ１ｍｍの円柱状に形成した。また、放射部材１３（放射面１３ａ）の直径ｄ１’も浮揚対象物１５のものと同様に２２ｍｍとした。凹部１３ｂの断面形状は円形とされ、その直径ｄ２’を１０ｍｍ，１１ｍｍおよび１２ｍｍとし、その深さを２ｍｍとした。
【００３６】
上述の条件のもと、図５に示されるように、大気中において、放射部材１３の放射面１３ａを略鉛直下方に向けると共に、吸引対象物１５の凸部１５ｂを略鉛直上方に向けた状態で、超音波発生ユニット１２に０．８Ａの電流を加え、振幅０．０４ｍｍの超音波を発生させた。この場合、凹部１３ｂの直径が１０ｍｍ，１１ｍｍおよび１２ｍｍの何れの場合においても、吸引対象物１５は、安定した状態で放射部材１３に対して非接触でほぼ静止した。
【００３７】
このように、超音波吸引装置１１の放射部材１３に凹部１３ｂを設ければ、大気中であっても、安定かつ確実に吸引対象物１５を放射部材１３に吸引することが可能となり、吸引状態を安定化させることができる。また、このような構成は、吸引装置のコストアップ等を実質的に招くことなく、極めて簡易かつ低コストで実現可能である。
【００３８】
更に、上述の超音波浮揚装置１の場合と同様に、放射面１３ａ周辺の空気層の流れを適正にする上で、放射部材１３に含まれる凹部１３ｂの断面形状と、吸引対象物１５に含まれる凸部１５ａの断面形状とが略相似していると好ましい。なお、超音波吸引装置１１は、図５に示されるように、放射部材１３の放射面１３ａが略鉛直下方に向けられると共に、吸引対象物１５の凸部１５ａが略鉛直上方に向けられた状態で用いられると好ましいが、これに限られるものではない。すなわち、超音波吸引装置１１は、放射部材１３の放射面１３ａが略鉛直上方に向く状態等、任意の状態で使用され得る。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明の第１の形態では、超音波を利用して浮揚対象物を浮揚させるにあたり、超音波発生手段により発生された超音波によって励振される放射部材に、平坦な放射面と、この放射面よりも凹んでいる凹部とを設けている。これにより、簡易な構成によって浮揚対象物を安定かつ確実に浮揚させると共に、その浮揚量を容易に増加させることが可能となる。
【００４０】
また、本発明の第２の形態では、超音波を利用して吸引対象物を吸引するにあたり、超音波発生手段により発生された超音波によって励振される放射部材に、平坦な放射面と、この放射面よりも凹んでおり、吸引対象物の凸部が入り込み得る凹部とを設けている。これにより、簡易な構成によって吸引対象物を大気中においても安定かつ確実に吸引することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波浮揚装置を示す概略構成図である。
【図２】超音波発生ユニットに異なる値の電流を加えた場合における凹部の直径と浮揚量との関係を示す図表である。
【図３】放射面に凹部が存在しない場合における浮揚量と超音波発生ユニットに加えた電流の値との関係を示す図表である。
【図４】凹部の深さを変化させた場合における浮揚量と超音波発生ユニットに加えた電流の値との関係を示す図表である。
【図５】本発明による超音波吸引装置を示す概略構成図である。
【図６】図５の超音波吸引装置によって吸引され得る吸引対象物の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  超音波浮揚装置
２，１２  超音波発生ユニット
３，１３  放射部材
３ａ，１３ａ  放射面
３ｂ，１３ｂ  凹部
１１  超音波吸引装置
１５  吸引対象物
１５ａ  凸部
【図１】
0004001270.tif 000002
【図２】
0004001270.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004001270.tif 000007