JP2001253528A - Control method for ultrasonic floating power and its device - Google Patents

Control method for ultrasonic floating power and its device

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JP2001253528A
JP2001253528A JP2000071481A JP2000071481A JP2001253528A JP 2001253528 A JP2001253528 A JP 2001253528A JP 2000071481 A JP2000071481 A JP 2000071481A JP 2000071481 A JP2000071481 A JP 2000071481A JP 2001253528 A JP2001253528 A JP 2001253528A
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JP
Japan
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ultrasonic
levitation
control
floating
vibrator
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JP2000071481A
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Inventor
Toru Watanabe
亨 渡辺
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Keio University
Original Assignee
Keio University
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control method for ultrasonic floating power by direct control of an oscillator capable of carrying out speedy and precise floating control of a floating object by accelerating convergence of oascillation of the floating object by directly controlling high frequency voltage applied on the ultrasonic oscillator and controlling amplitude of the oscillator and its device. SOLUTION: A control device of ultrasonic floating power is furnished with an ultrasonic oscillator electric power source 1, an oscillator 3 having a horn 4, a solid relay 2 provided between the ultrasonic oscillator electric power source 1 and the oscillator 3, a glass disc 5 to be set on the horn 4, a CCD laser displacement sensor 6 to measure floating height of this glass disc 5, an electronic controller 8 to take in a data from this sensor 6 and a means to on-and-off-control the solid relay 2 by an output signal from the electronic controller 8.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波浮上力の制
御方法及びその装置に係り、特に、振動子の直接制御に
よる超音波浮上力の制御方法及びその装置に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for controlling an ultrasonic levitation force, and more particularly to a method and an apparatus for controlling an ultrasonic levitation force by directly controlling a vibrator.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、超音波振動子の振動面に平行にご
く短いギャップ間隔で平面を配置すると、振動面と平面
の間に音圧による反発力が生じる。この反発力による超
音波浮上力を非接触アクチュエータとして用いることが
既に提案されており、例えば、特開平11−30183
2号公報「浮揚装置」、特開平11−40645号公報
「超音波式浮揚搬送機構を備えたクラスターツール型枚
葉処理装置」、特開平10−312659号公報「磁気
ディスク駆動装置」、特開平7−242317号公報
「物体浮揚装置を具備した物体搬送装置」が挙げられ
る。
2. Description of the Related Art Heretofore, if planes are arranged at a very short gap interval in parallel with the vibration surface of an ultrasonic vibrator, a repulsive force is generated between the vibration surface and the plane due to sound pressure. It has already been proposed to use the ultrasonic levitation force due to this repulsion force as a non-contact actuator.
No. 2, "floating device", Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-40645, "Cluster tool type single-wafer processing device provided with an ultrasonic type levitating and conveying mechanism", Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-312659, "Magnetic Disk Drive", Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-242317 entitled "Object Conveying Device Equipped with Object Levitating Device".

【0003】また、論文としては、浮上力/搬送力とし
て用いた超音波搬送システム〔参考文献(1):橋本・
小池・上羽、「精密工学会誌」、Vol.63、No.
7、pp.947−950(1999)〕、参考文献
(2):橋本・小池・上羽、「計測と制御」、Vol.
38、No.2、pp.105−108(1999)〕
や、支持力として用いた超音波軸受〔参考文献(3):
磯部・久曽神・小島、精密工学会誌、Vol.65、N
o.3、pp.438−442(1999)〕などが発
表されている。
[0003] Further, as a dissertation, an ultrasonic transfer system using levitation force / conveyance force [Reference (1): Hashimoto
Koike and Ueba, "Journal of the Japan Society for Precision Engineering", Vol. 63, no.
7, pp. 947-950 (1999)], Reference (2): Hashimoto / Koike / Ueba, "Measurement and Control", Vol.
38, no. 2, pp. 105-108 (1999)]
And the ultrasonic bearing used as the supporting force [Reference (3):
Isobe / Kusojin / Kojima, Journal of the Japan Society of Precision Engineering, Vol. 65, N
o. 3, pp. 438-442 (1999)].

【0004】今後、超音波力の利用がさらに一般化する
につれ、その精度に対する要求は、現在より大幅に高度
化するものと予想される。例えば電磁力浮上がそうであ
ったように単に浮上しているというレベルから、浮上物
体の安定化や振動の制御、非接触搬送速度の制御、非接
触位置決め制御などが要求されるようになると予想さ
れ、近い将来に超音波反発力を制御する手法として、上
記参考文献(1)によれば、複数の振動子を波動のソー
ス/シンクとすることで板面に定在波/進行波を発生さ
せ、これにより横方向の保持/位置決めを行う手法を提
案している。
[0004] In the future, as the use of ultrasonic power becomes more general, the demand for its accuracy is expected to be much higher than at present. For example, it is expected that stabilization and vibration control of floating objects, control of non-contact conveyance speed, non-contact positioning control, etc. will be required from the level of simply floating as in the case of electromagnetic force levitation According to the above-mentioned reference (1), as a method of controlling the ultrasonic repulsive force in the near future, a standing wave / a traveling wave is generated on a plate surface by using a plurality of transducers as a source / sink of a wave. A method of holding / positioning in the lateral direction by using this method has been proposed.

【0005】一方、上記参考文献(2)によれば、振動
子に圧電素子を用い、励振用高周波電圧に直流バイアス
を加え、バイアス電圧を制御することで圧電素子の全長
を変化させ、対象物とのギャップ間隔を制御すること
で、間接的に反発力を制御する手法を用いている。
On the other hand, according to the above-mentioned reference (2), a piezoelectric element is used as a vibrator, a DC bias is applied to a high-frequency voltage for excitation, and the overall length of the piezoelectric element is changed by controlling the bias voltage. A method of controlling the repulsive force indirectly by controlling the gap interval with the gap is used.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の手法
は、それぞれに有益なものであるが、何れの場合におい
ても、超音波振動子(あるいは振動励起のための電圧)
は常に定常状態にあり、超音波に関しては、一定の出力
で発生させるようにしている。
The above-mentioned conventional techniques are respectively useful, but in each case, the ultrasonic transducer (or the voltage for exciting the vibration) is used.
Is always in a steady state, and ultrasonic waves are generated at a constant output.

【0007】しかし、従来、より高い精度を要求される
制御では、超音波音場と制御対象物の相互干渉のためギ
ャップ間隔と反発力の間とのダイナミックスが無視でき
なくなる可能性がある。あるいは、ギャップ距離自体が
問題となるような位置決め制御の場合には、ギャップ距
離と反発力とを独立に制御する必要が生じる。
However, conventionally, in the control requiring higher accuracy, there is a possibility that the dynamics between the gap interval and the repulsive force cannot be ignored due to mutual interference between the ultrasonic sound field and the control object. Alternatively, in the case of positioning control in which the gap distance itself becomes a problem, it is necessary to control the gap distance and the repulsive force independently.

【0008】このような要求に対しては、ギャップ距離
を制御する手法では、これらの問題への対応は困難であ
る。
[0008] In response to such a demand, it is difficult to address these problems by a method of controlling the gap distance.

【0009】そこで、本発明は、超音波振動子に印加さ
れる高周波電圧を直接制御し、振動子の振幅を制御する
ことにより、浮上対象物の振動の収束を速めて、迅速、
的確な浮上対象物の浮上制御を行うことができる超音波
浮上力の制御方法及びその装置を提供することを目的と
する。
Accordingly, the present invention hastens the convergence of the vibration of a floating object by directly controlling the high-frequency voltage applied to the ultrasonic vibrator and controlling the amplitude of the vibrator, thereby achieving rapid and rapid convergence.
It is an object of the present invention to provide an ultrasonic levitation force control method and device capable of performing accurate levitation control of a levitation object.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記目
的を達成するために、 〔1〕超音波浮上力の制御方法において、ホーンを有す
る振動子上の浮上対象物の浮上高さを監視し、振動子の
直接制御により、前記浮上対象物の定常浮上距離にこの
浮上対象物の振動の高速な収束を行わせることを特徴と
する。
According to the present invention, in order to achieve the above object, there is provided a method for controlling an ultrasonic levitation force, wherein a levitation height of an object to be levitated on a vibrator having a horn is determined. By monitoring and directly controlling the vibrator, high-speed convergence of the vibration of the levitation object is performed at the steady levitation distance of the levitation object.

【0011】〔2〕上記〔1〕記載の超音波浮上力の制
御方法において、前記浮上対象物が定常浮上距離を超過
した位置で、前記振動子の電源をオフにし、前記浮上対
象物の定常浮上距離を下がる位置で前記振動子の電源を
オンにすることを特徴とする。
[2] In the method of controlling an ultrasonic levitation force according to the above [1], the power of the vibrator is turned off at a position where the levitation object exceeds a steady levitation distance, and The power supply of the vibrator is turned on at a position where the flying distance is reduced.

【0012】〔3〕超音波浮上力の制御装置において、
超音波振動子・電源と、ホーンを有する振動子と、前記
超音波振動子・電源と前記振動子との間に設けられる固
体リレーと、前記ホーン上にセットされる浮上対象物
と、この浮上対象物の浮上高さを測定するセンサと、こ
のセンサからのデータを取り込む電子制御器と、この電
子制御器からの出力信号により前記固体リレーをオン・
オフ制御する手段とを具備することを特徴とする。
[3] In the control device for the ultrasonic levitation force,
An ultrasonic vibrator / power supply, a vibrator having a horn, a solid state relay provided between the ultrasonic vibrator / power supply and the vibrator, and a floating object set on the horn; A sensor for measuring the flying height of the object, an electronic controller for capturing data from the sensor, and an output signal from the electronic controller for turning on / off the solid-state relay;
Off control means.

【0013】〔4〕上記〔3〕記載の超音波浮上力の制
御装置において、前記ホーン表面は円形をなし、前記浮
上対象物は前記ホーンに対応する円盤であることを特徴
とする。
[4] The ultrasonic levitation force control device according to [3], wherein the horn surface is circular, and the levitation object is a disk corresponding to the horn.

【0014】〔5〕上記〔3〕記載の超音波浮上力の制
御装置において、前記センサはCCDレーザ変位センサ
であることを特徴とする。
[5] In the ultrasonic levitation force control device according to the above [3], the sensor is a CCD laser displacement sensor.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0016】まず、超音波浮上力による制御対象物の浮
上について説明する。
First, the levitation of the control object by the ultrasonic levitation force will be described.

【0017】図3に示すように、一定の速度振幅でピス
トン運動するピストン音源101の上部に、質量m、半
径aの浮揚物体(浮上円盤)102が、波長に比べて十
分短い距離hを隔てて浮上しているものとする。流体粒
子は上下のz方向のみに振動して径方向のr成分はない
ものとする。
As shown in FIG. 3, a floating object (floating disk) 102 having a mass m and a radius a is provided above a piston sound source 101 which makes a piston movement at a constant velocity amplitude, at a distance h sufficiently shorter than the wavelength. It is assumed that it is emerging. The fluid particles vibrate only in the upper and lower z-directions and have no radial r-component.

【0018】ピストン音源101と浮揚物体102との
間隙の速度ポテンシャルをφとおけば、音場を平面波近
似して
If the velocity potential in the gap between the piston sound source 101 and the levitating object 102 is φ, the sound field is approximated by a plane wave.

【0019】[0019]

【数1】 (Equation 1)

【0020】で表される。ここで、k=ω/c0 は波数
(ωは音波の角周波数c0 は音速)である。z=0では
ピストン音源がu1 の速度振幅で、また、z=hでは浮
揚物体102が音源と同じ周波数の速度u2 をもって上
下運動しているとして
## EQU1 ## Here, k = ω / c 0 is the wave number (ω is the angular frequency c 0 of the sound wave, the sound speed). At z = 0, the piston sound source has a velocity amplitude of u 1 , and at z = h, the levitating object 102 moves up and down at a speed u 2 of the same frequency as the sound source.

【0021】[0021]

【数2】 (Equation 2)

【0022】の境界条件よりFrom the boundary condition of

【0023】[0023]

【数3】 (Equation 3)

【0024】となる。音圧は、p=jρ0 ωφの関係か
ら求められ、特に浮揚物体102の下面z=hでの音圧
1 は、
## EQU1 ## The sound pressure is obtained from the relationship of p = jρ 0 ωφ. In particular, the sound pressure p 1 at the lower surface z = h of the levitating object 102 is

【0025】[0025]

【数4】 (Equation 4)

【0026】ここで、ρ0 は浮揚間隙内の空気の密度で
ある。間隙が波長に比べて十分小さく、kh≪1が満た
されるとき、sinkh≒kh,coskh≒1であ
り、間隙内の音圧は位置zに依存せず、ほぼ一定の値
Here, ρ 0 is the density of air in the levitation gap. When the gap is sufficiently smaller than the wavelength and kh≪1 is satisfied, sinkh ≒ kh, coskh ≒ 1, and the sound pressure in the gap does not depend on the position z and is almost constant.

【0027】[0027]

【数5】 (Equation 5)

【0028】をとる。浮揚物体が振動することで音波が
正のz方向に放射されるが、このときの放射インピーダ
ンスをzr とすると、ニュートンの運動方程式から、
Is taken. When sound waves by buoyant object vibrates but is emitted in the positive z-direction, the radiation impedance at this time is z r, from Newton's equation of motion,

【0029】[0029]

【数6】 (Equation 6)

【0030】になる。よって、u2 として、## EQU1 ## Therefore, as u 2 ,

【0031】[0031]

【数7】 (Equation 7)

【0032】を得る。ここではσ=m/s=m/πa2
は浮揚物体102の単位面積あたりの質量である。
Is obtained. Here, σ = m / s = m / πa 2
Is the mass per unit area of the levitating object 102.

【0033】以上より、2つの式(4)と式(7)から
1 はピストン音源の振動速度u2をもって表され、次
の結果を与える。
As described above, P 1 is represented by the vibration velocity u 2 of the piston sound source from the two equations (4) and (7), and gives the following result.

【0034】[0034]

【数8】 (Equation 8)

【0035】これらの関係式を見て、以下のことがわか
る。放射インピーダンスは、媒質密度と音速の積で決ま
り波動の状態には依存しない。よって、Zr ≒ρ0 0
と近似してよい。また、σとしておよそ1kg/m2
上の物体を対象としており、音源の振動周波数は20k
Hz付近を利用している。
The following can be understood from these relational expressions. The radiation impedance is determined by the product of the medium density and the speed of sound, and does not depend on the state of the wave. Therefore, Z r ≒ ρ 0 c 0
May be approximated. In addition, an object having a σ of about 1 kg / m 2 or more is targeted, and the vibration frequency of the sound source is 20 k
Hz is used.

【0036】従って、σω=8.18×105 (kg/
2 s)でありρ0 0 ≒414kg/m2 s(ρ0
1.2kg/m3 ,c0 =344m/s)に比べて十分
大きく、
Therefore, σω = 8.18 × 10 5 (kg /
m 2 s) and ρ 0 c 0 ≒ 414 kg / m 2 s (ρ 0 =
1.2 kg / m 3 , c 0 = 344 m / s).

【0037】[0037]

【数9】 (Equation 9)

【0038】の条件も満たされる。以上の条件を考慮す
ると、上記式(8)は
The condition (1) is also satisfied. Considering the above conditions, the above equation (8) becomes

【0039】[0039]

【数10】 (Equation 10)

【0040】と近似される。この結果から、p1 ,u2
はともに周波数依存性があることが分かる。
Is approximated. From these results, p 1 , u 2
It can be seen that both have frequency dependence.

【0041】ランジュバンの放射力は、浮揚物体が動い
ているときは、下面では上向きに
When the levitating object is moving, the radiation force of Langevin is upward on the lower surface.

【0042】[0042]

【数11】 [Equation 11]

【0043】また、上面では下向きにOn the upper surface,

【0044】[0044]

【数12】 (Equation 12)

【0045】であり、F=F1 −F2 が物体の自重mg
(gは重力加速度)と平衡するので
Where F = F 1 −F 2 is the own weight mg of the object.
(G is the gravitational acceleration)

【0046】[0046]

【数13】 (Equation 13)

【0047】を得る。なお、上記した条件式(9−1)
から上記式(13)を誘導する際に|Zr 2 2 /ρ
0 0 2 の項は除いている。上記式(10)を上記式
(13)に代入してhについてまとめると
Is obtained. In addition, the conditional expression (9-1) described above is satisfied.
From in inducing the expression (13) | Z r u 2 | 2 / ρ
The term 0 c 0 2 is excluded. The above equation (10) is substituted into the above equation (13) to summarize h.

【0048】[0048]

【数14】 [Equation 14]

【0049】を導く。ここで気付くことは、u1 =0で
もhは有限の値を持つ。つまり、音波が放射されなくと
も物体が浮揚している、ということになる。しかし、上
記式(14)の右辺第2項の存在による浮揚距離は微小
であるため無視できると考えられる。従って
Is derived. Here, it is noted that h has a finite value even if u 1 = 0. In other words, the object is levitated even if no sound wave is emitted. However, it is considered that the levitation distance due to the presence of the second term on the right side of Expression (14) is very small and can be ignored. Therefore

【0050】[0050]

【数15】 (Equation 15)

【0051】で代表されることになる。他の研究報告に
よれば
This is represented by According to other research reports

【0052】[0052]

【数16】 (Equation 16)

【0053】であり、係数の違いはあるものの変数の依
存性は同形式である。係数の違いの現れは、放射力を求
める基本式が異なる点にあると思われる。
Although there are differences in the coefficients, the dependencies of the variables are the same. The difference in the coefficients seems to be due to the fact that the basic formula for calculating the radiation power is different.

【0054】なお、浮揚物体102の振動速度u2 につ
いて付け加えるならば、上記式(10)と上記式(1
5)から
Incidentally, if the vibration speed u 2 of the levitating object 102 is added, the above equation (10) and the above equation (1)
From 5)

【0055】[0055]

【数17】 [Equation 17]

【0056】になり、u1 ,hの大きさに依存せず、一
定である。浮揚物体102の振動速度u2 が面密度σの
逆数に関与すること、すなわち重い物体ほど振動し難く
なることが理解できる。
Is constant regardless of the magnitudes of u 1 and h. It can be understood that the vibration speed u 2 of the levitating object 102 contributes to the reciprocal of the surface density σ, that is, the heavier the object, the harder it is to vibrate.

【0057】図1は本発明の実施例を示す超音波浮上制
御システムの構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic levitation control system showing an embodiment of the present invention.

【0058】この図において、1は超音波振動子・電源
システム(ウエルダーの電源部)であり、(株)精電舎
電子工業製 超音波ウエルダーSONOPET−150
B、つまり、振動部と発振部とからなり、振動部はラン
ジュバン型ボルト締めPZT振動子を用い、発振部は公
称出力は150W、発振周波数は28.5kHz、発振
方式は振動帰還・自動追尾、入力はAC100V、3.
0Aを用いた。
In this figure, reference numeral 1 denotes an ultrasonic vibrator / power supply system (power supply section of a welder), and an ultrasonic welder SONOPET-150 manufactured by Seidensha Electronics Co., Ltd.
B, that is, composed of a vibrating part and an oscillating part, the vibrating part uses a Langevin-type bolted PZT vibrator, the oscillating part has a nominal output of 150 W, an oscillating frequency of 28.5 kHz, and an oscillating method of oscillating feedback and automatic tracking. Input is AC100V, 3.
OA was used.

【0059】また、振動子3の先端に先端面の直径が3
0mmとなるホーン4を取付けた。このホーン4は、振
幅を増幅する機能を有し、(株)精電舎電子工業製の材
質がジュラルミン、振動面半径が15mm、振幅が0〜
5μmである。
The tip of the vibrator 3 has a diameter of 3
A horn 4 having a thickness of 0 mm was attached. The horn 4 has a function of amplifying the amplitude. The material manufactured by Seidensha Electronics Co., Ltd. is duralumin, the vibration surface radius is 15 mm, and the amplitude is 0 to 0.
5 μm.

【0060】このホーン4上に同一直径で厚さ1.85
mm、質量3.23gの浮上対象物としての浮上物体で
あるガラス円盤5を乗せ、これを浮上させるものとし
た。この時、横方向には、ごく弱い復元力が生じるの
で、振動子3への通電開始と共に完全な浮上状態とな
る。
The horn 4 has the same diameter and a thickness of 1.85.
A glass disk 5 which is a floating object as a floating object having a diameter of 3.2 mm and a mass of 3.23 g was placed thereon, and the glass disk 5 was raised. At this time, since a very weak restoring force is generated in the lateral direction, a complete levitation state occurs when the power supply to the vibrator 3 is started.

【0061】この浮上システムに対し制御回路を付加す
る。超音波振動子・電源システム1は発振器と電源アン
プが一体となっており、この電源出力と振動子3の間の
電力線に固体リレー(ソリッド・ステート・リレー)2
を挿入し、CCDレーザ変位センサ6により計測された
ガラス円盤5の高さを基に電子制御器(DSP及びディ
ジタルコンピュータ)8の指令により単純オン・オフ制
御するようにした。
A control circuit is added to the levitation system. The ultrasonic vibrator / power supply system 1 includes an oscillator and a power amplifier, and a solid state relay (solid state relay) 2 is connected to a power line between the power supply output and the vibrator 3.
And a simple on / off control is performed by a command from an electronic controller (DSP and digital computer) 8 based on the height of the glass disk 5 measured by the CCD laser displacement sensor 6.

【0062】ここで、CCDレーザ変位センサ6は、
(株)KEYENCE製であり、型式は、センサヘッド
LK−030、アンプユニットLK−2000、基準距
離30mm、測定範囲±5mm、分解能1μm、サンプ
リング周期512μsであり、このCCDレーザ変位セ
ンサ6は、浮上物体の浮上高さ変位を高い精度で測定す
ることができる。
Here, the CCD laser displacement sensor 6 is
The model is a sensor head LK-030, an amplifier unit LK-2000, a reference distance of 30 mm, a measurement range of ± 5 mm, a resolution of 1 μm, and a sampling period of 512 μs. The CCD laser displacement sensor 6 is a floating type. The displacement of the flying height of the object can be measured with high accuracy.

【0063】電子制御器〔DSP(ディジタルシグナル
プロセッサー)及びディジタルコンピュータ〕8におけ
る、ディジタルコンピュータとしては、(株)NEC型
式PC9821 Ra.300を用い、測定されるデー
タの取込み、及びDSPに制御プログラムを入力するた
めに用いる。そのDSPは(株)MTT製、型式LOR
Y Turbo DSP4400C、このDSPは高速
信号処理を実現するもので、32bit浮動小数点タイ
プのシステムである。
As the digital computer in the electronic controller [DSP (Digital Signal Processor) and Digital Computer] 8, NEC Model PC9821 Ra. 300 is used to capture measured data and to enter control programs into the DSP. The DSP is manufactured by MTT, model LOR
Y Turbo DSP4400C, which realizes high-speed signal processing, is a 32-bit floating point type system.

【0064】また、CCDレーザ変位センサ6により浮
上物体の浮上距離を測定し、測定データは、図示しない
が、センサコントローラを介してFFTアナライザに送
られる。このFFTアナライザは、物体の浮上距離を把
握するために用いる。
The flying distance of the flying object is measured by the CCD laser displacement sensor 6, and the measurement data is sent to the FFT analyzer via a sensor controller, not shown, though not shown. This FFT analyzer is used to grasp the flying distance of an object.

【0065】次に、制御対象について述べる。Next, the control target will be described.

【0066】本発明では、超音波振動を用いた上記した
物体浮上現象に注目し、浮上物体の電気的な振動制御を
行う。超音波浮上の最大の利点は、電磁気浮上と違い磁
性体に関わらずどんな物体でも浮上が可能なことであ
る。そこで、この実施例では、非磁性体であるガラス円
盤5を浮上させる。超音波ホーン4の振動面の径と、こ
のガラス円盤5の径を同じに工夫したところ、完全非接
触浮上に成功した。このガラス円盤5のパラメータを表
1に示す。
In the present invention, attention is paid to the above-mentioned object floating phenomenon using ultrasonic vibration, and electric vibration control of the floating object is performed. The greatest advantage of ultrasonic levitation is that unlike electromagnetic levitation, any object can be levitated, regardless of magnetic material. Therefore, in this embodiment, the glass disk 5 which is a non-magnetic material is levitated. When the diameter of the vibrating surface of the ultrasonic horn 4 and the diameter of the glass disk 5 were devised to be the same, complete non-contact floating was achieved. Table 1 shows the parameters of the glass disk 5.

【0067】[0067]

【表1】 [Table 1]

【0068】次に、浮上物体の浮上制御方法について説
明する。
Next, a floating control method of a floating object will be described.

【0069】制御入力を入れる際には、測定データをセ
ンサアンプ7を介して電子制御器8のDSPに入力し、
ディジタルコンピュータ内で製作したプログラム指令に
基づき制御電圧を出力する。出力先に固体リレー(AC
ソリッド・ステート・リレー)2を接続した。この固
体リレー2を超音波振動子・電源システム1と振動子3
本体の間に挟むことにより電気的高速スイッチングを実
現している。この固体リレー2では、入力側電圧が2.
5〜24Vになれば、出力側の回路が閉じられる。そこ
で、電圧のオーバーシュートの影響による誤ったオン・
オフ切換を防止するのと、できる限り高速でオン−オフ
切換ができるように固体リレー2への入力電圧を3Vと
した。ここで、この固体リレー2は、JEL SYST
EM CO製で、型式A2P−202 KZ06、入力
側は2.5〜24V、出力側は50〜25Vである。
When inputting a control input, measurement data is input to the DSP of the electronic controller 8 via the sensor amplifier 7,
The control voltage is output based on a program command produced in the digital computer. Output to solid state relay (AC
Solid state relay) 2 was connected. The solid state relay 2 is connected to the ultrasonic vibrator / power supply system 1 and the vibrator 3
Electric high-speed switching is realized by being sandwiched between the main bodies. In this solid state relay 2, the input side voltage is 2.
When the voltage becomes 5 to 24 V, the output side circuit is closed. Therefore, erroneous ON / OFF due to the effect of voltage overshoot
The input voltage to the solid state relay 2 was set to 3 V so as to prevent the switching off and to perform the switching on and off as fast as possible. Here, the solid state relay 2 is a JEL SYST
Made of EM CO, model A2P-202 KZ06, input side is 2.5 ~ 24V, output side is 50 ~ 25V.

【0070】図2は本発明の実施例を示す浮上物体の制
御フローチャートである。
FIG. 2 is a flowchart for controlling a flying object according to an embodiment of the present invention.

【0071】図3に示すように、まず、ガラス円盤(浮
上物体)5の定常浮上距離hは、前記したように式(1
6)で決定される。つまり、h=(c0 /√2ω)・√
(ρ0 ・u1 /σg)となるので、予めガラス円盤5の
定常浮上距離hに少し高い位置を第1の制御基準浮上高
さ位置H1 (振動子の電源のオフ位置)、定常浮上距離
hに少し低い位置を第2の制御基準浮上高さ位置H2
制御目的値として電子制御器8に設定しておく(ステッ
プS1)。
As shown in FIG. 3, first, the steady floating distance h of the glass disk (floating object) 5 is calculated by the equation (1) as described above.
Determined in 6). That is, h = (c 0 / {2ω) · √
0 · u 1 / σg), a position slightly higher than the steady flying height h of the glass disk 5 is set in advance to the first control reference flying height position H 1 (off position of the power supply of the vibrator), and steady flying. the slightly lower position the distance h is set to the electronic control unit 8 and the second control reference flying height H 2 as a control target value (step S1).

【0072】次いで、ガラス円盤5がその制御基準浮上
高さ位置H1 を越えれば(ステップS2)、振動子3の
電源を切り、浮上力がガラス円盤5に働かなくなるよう
にする(ステップS3)。すると、上昇したガラス円盤
5は落下し、その制御基準浮上高さ位置H2 を下回った
とき(ステップS4)、振動子3の電源を入れ、ガラス
円盤5の落下を止め、再び、浮上させる(ステップS
5)ように、電子制御器8のコンピュータ(PC982
1)内でプログラムを設定した。そこで、ガラス円盤5
の振動を収束させることができる(ステップS6)。
[0072] Then, if the glass disc 5 exceeds the control reference flying height position H 1 (step S2), and turn off the oscillator 3, the floating force is made to be inoperative in a glass disk 5 (step S3) . Then, the glass disk 5 elevated dropped, when below its control reference flying height position H 2 (step S4), and turn on the vibrator 3, stop the fall of the glass disk 5 again to float ( Step S
5) As described above, the computer (PC982) of the electronic controller 8
The program was set in 1). Therefore, the glass disk 5
Can be converged (step S6).

【0073】ここでは、制御基準浮上高さ位置H1 は、
定常浮上距離h(0.6mm)よりも少し高い位置と
し、様々な位置でのオン−オフ高速切換アクティブ振動
制御を行った。
Here, the control reference flying height position H 1 is
A position slightly higher than the steady flying distance h (0.6 mm) was set, and active vibration control for high-speed on-off switching at various positions was performed.

【0074】図4に本発明の制御を行わずに通電(=浮
上)を開始させた時のガラス円盤の高さの時刻歴応答を
示す。この図から明らかなように、電源投入直後、通電
開始に伴う衝撃でガラス円盤は大きく跳ね上がり、振動
が収束するまで約0.8秒を要する。
FIG. 4 shows a time history response of the height of the glass disk when energization (= floating) is started without performing the control of the present invention. As is apparent from this figure, immediately after the power is turned on, the glass disk jumps greatly due to the impact accompanying the start of energization, and it takes about 0.8 seconds for the vibration to converge.

【0075】これに対し、ガラス円盤の浮上が0.75
mm以上でオフ、それ以下でオンとなるような制御を加
えた結果を図5に示す。
On the other hand, the floating of the glass disk was 0.75
FIG. 5 shows a result obtained by adding control to turn off when the distance is equal to or larger than mm and turn on when the distance is equal to or smaller than mm.

【0076】この図から明らかなように、大振幅振動は
最初の周期で、ほぼ収束しており、制御の効果が明確に
表れている。つまり、約0.1秒で大方振動が収束す
る。
As is apparent from this figure, the large-amplitude vibration is almost converged in the first cycle, and the effect of the control is clearly shown. That is, the general vibration converges in about 0.1 second.

【0077】このとき、制御は一旦オフとなった直後に
オンとなる切り換えにとどまっており、再投入の際の衝
撃が制振に有利に作用したと考えられる。
At this time, the control is limited to the switching to be turned on immediately after the control is once turned off, and it is considered that the shock at the time of re-input has advantageously acted on the vibration suppression.

【0078】このように、本発明によれば、振動子を直
接制御することにより、超音波浮上力を制御し、超音波
振動子に印加される高周波電圧を直接制御し、振動子の
振幅を制御することにより、浮上対象物の振動の収束を
速めて、迅速、的確な浮上対象物の浮上制御を行うこと
ができる。
As described above, according to the present invention, by directly controlling the vibrator, the ultrasonic levitation force is controlled, the high-frequency voltage applied to the ultrasonic vibrator is directly controlled, and the amplitude of the vibrator is reduced. By performing the control, the convergence of the vibration of the object to be levitated is accelerated, and the floating control of the object to be levitated quickly and accurately can be performed.

【0079】更に、振動子系のダイナミックスを同定す
る一方、連続的かつ滑らかに超音波出力を変化できるよ
うにすることも可能である。
Further, while identifying the dynamics of the vibrator system, it is also possible to change the ultrasonic output continuously and smoothly.

【0080】上記のように構成することにより、ギャッ
プ距離と反発力とを独立に制御することが可能であり、
またギャップ間隔と反発力の間のダイナミックスを同定
し、それを考慮した制御を行うことも容易である。
With the above configuration, the gap distance and the repulsive force can be controlled independently.
Further, it is easy to identify the dynamics between the gap interval and the repulsive force, and to perform control in consideration of the dynamics.

【0081】更に、本発明によれば、超音波反発力によ
る非接触振動制御や非接触精密位置決め制御がより実用
的なものとなり、それらが非磁性体の振動制御やマイク
ロメカニズムの非接触加工・支持などへの展開が可能で
ある。
Further, according to the present invention, non-contact vibration control and non-contact precision positioning control by ultrasonic repulsion become more practical, and they are used for non-magnetic material vibration control and micro-mechanical non-contact processing. It can be expanded to support.

【0082】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

【0083】[0083]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.

【0084】(1)振動子を直接制御することにより、
超音波振動子に印加される高周波電圧を直接制御し、振
動子の振幅を制御することにより、材質に制限されない
広汎な浮上対象物の振動の収束を速めて、迅速、的確な
浮上対象物の浮上制御を行うことができる。
(1) By directly controlling the vibrator,
By directly controlling the high-frequency voltage applied to the ultrasonic vibrator and controlling the amplitude of the vibrator, the convergence of the vibration of a wide range of floating objects that is not limited to the material is accelerated, and the rapid and accurate Flying control can be performed.

【0085】(2)浮上対象物の振動の収束を速めるこ
とができるので、浮上対象物として磁性体を含む広汎な
浮上対象物の、迅速にして正確な浮上制御、引いてはそ
の搬送制御の実用化に資するところは著大である。
(2) Since the convergence of the vibration of the object to be levitated can be accelerated, rapid and accurate levitation control of a wide variety of levitation objects including a magnetic substance as the object to be levitated, and consequently, control of the conveyance control thereof. The place that contributes to practical use is significant.

【0086】(3)超音波反発力による非接触振動制御
や非接触精密位置決め制御がより実用的なものとなり、
それらが非磁性体の振動制御やマイクロメカニズムの非
接触加工・支持などへの発展させることができる。
(3) Non-contact vibration control and non-contact precision positioning control by ultrasonic repulsion become more practical.
They can be developed for vibration control of non-magnetic material and non-contact processing / support of micro mechanism.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例を示す超音波浮上制御システム
の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic levitation control system showing an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例を示す浮上物体の制御フローチ
ャートである。
FIG. 2 is a control flowchart of a floating object according to the embodiment of the present invention.

【図3】超音波浮上の基本モデルを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a basic model of ultrasonic levitation.

【図4】従来の浮上体であるガラス円盤の浮上の時間対
応を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a correspondence of a floating time of a glass disk which is a conventional floating body.

【図5】本発明の実施例を示す超音波浮上制御システム
によるガラス円盤の浮上の時間対応を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the correspondence of the floating time of the glass disk by the ultrasonic levitation control system according to the embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 超音波振動子・電源システム(発振器と電源アン
プ) 2 固体リレー 3 振動子 4 ホーン 5 ガラス円盤(浮上対象物) 6 CCDレーザ変位センサ 7 センサアンプ 8 電子制御器(DSPを搭載) 101 ピストン音源 102 浮揚物体(浮上円盤)
REFERENCE SIGNS LIST 1 ultrasonic transducer / power supply system (oscillator and power supply amplifier) 2 solid state relay 3 transducer 4 horn 5 glass disk (floating object) 6 CCD laser displacement sensor 7 sensor amplifier 8 electronic controller (DSP mounted) 101 piston sound source 102 levitating object (floating disk)

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 超音波浮上力の制御方法において、 ホーンを有する振動子上の浮上対象物の浮上高さを監視
し、振動子の直接制御により、前記浮上対象物の定常浮
上距離に該浮上対象物の振動の高速な収束を行わせるこ
とを特徴とする超音波浮上力の制御方法。
1. A method for controlling an ultrasonic levitation force, wherein a levitation height of a levitation object on a vibrator having a horn is monitored, and the levitation is performed at a steady levitation distance of the levitation object by direct control of the vibrator. A method for controlling an ultrasonic levitation force, wherein a high-speed convergence of a vibration of an object is performed.
【請求項2】 請求項1記載の超音波浮上力の制御方法
において、前記浮上対象物が定常浮上距離を超過した位
置で、前記振動子の電源をオフにし、前記浮上対象物の
定常浮上距離を下がる位置で前記振動子の電源をオンに
することを特徴とする超音波浮上力の制御方法。
2. The method of controlling an ultrasonic levitation force according to claim 1, wherein a power of said vibrator is turned off at a position where said levitation object exceeds a steady levitation distance, and a steady levitation distance of said levitation object is set. A method for controlling the ultrasonic levitation force, wherein the power of the vibrator is turned on at a position where the vibration is lowered.
【請求項3】 超音波浮上力の制御装置において、
(a)超音波振動子・電源と、(b)ホーンを有する振
動子と、(c)前記超音波振動子・電源と前記振動子と
の間に設けられる固定リレーと、(d)前記ホーン上に
セットされる浮上対象物と、(e)該浮上対象物の浮上
高さを測定するセンサと、(f)該センサからのデータ
を取り込む電子制御器と、(g)該電子制御器からの出
力信号により前記固体リレーをオン・オフ制御する手段
とを具備することを特徴とする超音波浮上力の制御装
置。
3. An ultrasonic levitation force control device,
(A) an ultrasonic transducer / power supply, (b) a transducer having a horn, (c) a fixed relay provided between the ultrasonic transducer / power supply and the transducer, and (d) the horn. A floating object set above, (e) a sensor for measuring the flying height of the floating object, (f) an electronic controller for capturing data from the sensor, and (g) an electronic controller. Means for controlling on / off of the solid state relay by an output signal of the ultrasonic levitation force.
【請求項4】 請求項3記載の超音波浮上力の制御装置
において、前記ホーン表面は円形をなし、前記浮上対象
物は前記ホーンに対応する円盤であることを特徴とする
超音波浮上力の制御装置。
4. The ultrasonic levitation force control device according to claim 3, wherein the surface of the horn has a circular shape, and the object to be levitated is a disk corresponding to the horn. Control device.
【請求項5】 請求項3記載の超音波浮上力の制御装置
において、前記センサはCCDレーザ変位センサである
ことを特徴とする超音波浮上力の制御装置。
5. An ultrasonic levitation force control device according to claim 3, wherein said sensor is a CCD laser displacement sensor.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009075800A (en) * 2007-09-20 2009-04-09 Univ Nihon Non-contact type displacement controller
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CN110118593A (en) * 2019-05-23 2019-08-13 浙江大学 A kind of novel laboratory acoustic velocity measurement device

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