JP2006230148A - 超音波浮上装置 - Google Patents

Abstract

【課題】許容負荷荷重を大きくすることが可能な超音波浮上装置を提供する。
【解決手段】固定部１と、上記固定部１に対して移動可能に設置された可動部９と、上記固定部１又は可動部９に設けられ超音波振動を発生する振動発生装置１３と、を具備し、上記振動発生装置１３が超音波振動することにより上記可動部９が浮上面を介して浮上するように構成された超音波浮上装置において、上記振動発生装置１３によって発生される超音波振動が主振動に対して副次振動を伴うものであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波浮上装置に係り、特に、振動発生装置によって発生される超音波振動が主振動に対して副次振動が伴うものとすることにより、可動部の浮上量を増大させ、それによって、許容負荷荷重をより大きくすることができるように工夫したものに関する。

超音波振動を利用した超音波浮上装置は、非接触であって摩耗や潤滑剤による環境汚染がないため、クリーンルーム環境や精密位置決め用途に好適なものとして考えられている。
そのような超音波浮上装置として、例えば、特許文献１に示すようなものがある。これは本発明者による発明である。

ＷＯ ２００３／０７６３１３Ａ１号公報

上記特許文献１に開示された超音波浮上装置の構成を図６及び図７に示す。まず、固定部１０１があり、この固定部１０１はその横断面形状が略Ｕ字状をなしていて、Ｕ字溝１０２を備えた形状になっている。上記Ｕ字溝１０２は左右に固定部左側ガイド部１０３と固定部右側ガイド部１０５を備えていると共に、これら固定部左側ガイド部１０３と固定部右側ガイド部１０５とは底板部１０７を介して一体化されている。

上記固定部左側ガイド部１０３は、上側傾斜面１０３ａと下側傾斜面１０３ｂを備えていて、固定部左側ガイド部１０３はこれら上側傾斜面１０３ａと下側傾斜面１０３ｂとによって内側に凸状に突出・配置された構成になっている。同様に、上記固定部右側ガイド部１０５は、上側傾斜面１０５ａと下側傾斜面１０５ｂを備えていて、固定部右側ガイド部１０５は、これら上側傾斜面１０５ａと下側傾斜面１０５ｂとによって内側に凸状に突出・配置された構成になっている。

上記Ｕ字溝１０２内には可動部１０９が、図６（ｂ）中Ｚ軸方向に浮上可能であって、図６（ａ）中Ｙ軸方向に移動可能な状態で収容・配置されている。上記可動部１０９は主として可動部本体１１１と振動発生装置１１３と運動量発生装置１１５とストップ装置１４１から構成されている。上記振動発生装置１１３は、振動板１１７と該振動板１１７の上下面に設けられた電極部１１９、１２１と該振動板１１７の左右に設けられた可動部左側ガイド部１２３、可動部右側ガイド部１２５とから構成されている。

上記振動板１１７は圧電材料から構成されている。又、上記振動発生装置１１３の左右両側は、既に説明した固定部左側ガイド部１０３と固定部右側ガイド部１０５の形状に対応するように凹状に形成されている。すなわち、振動発生装置１１３の左側には、上記したように可動部左側ガイド部１２３が設けられていて、この可動部左側ガイド部１２３は、上側傾斜面１２３ａと下側傾斜面１２３ｂとによって凹状に形成されている。同様に、振動発生装置１１３の右側にも、上記したように可動部右側ガイド部１２５が設けられていて、この可動部右側ガイド部１２５は、上側傾斜面１２５ａと下側傾斜面１２５ｂとによって凹状に形成されている。

そして、上記構成をなす振動発生装置１１３が超音波振動することにより、可動部左側ガイド部１２３、可動部右側ガイド部１２５と固定部左側ガイド部１０３、固定部右側ガイド部１０５との間の空気が圧縮され、それによって発生する浮上力によって、図６（ｂ）に示すように、可動部１０９がＺ軸方向に浮上した状態になるものである。

上記可動部１０９には、上記したように、運動量発生装置１１５が設けられている。すなわち、図７に示すように、振動発生装置１１３の振動板１１７の上側には一対の柱部材１３１、１３３を介して既に述べた可動部本体１１１が設けられていて、この可動部本体１１１の下面側に上記運動量発生装置１１５が設けられている。上記運動量発生装置１１５は、上記可動部本体１１１の下面に固定された固定部材１３５と、この固定部材１３５に取り付けられたアクチュエータ１３７と、このアクチュエータ１３７の先端に取り付けられた錘１３９とから構成されている。上記アクチュエータ１３７及び錘１３９は、アクチュエータ１３５の伸長・収縮によって他の部材と接触しないように空間を設けた状態で配置されている。

又、上記可動部１０９にはストップ装置１４１が取り付けられている。上記ストップ装置１４１は、上記可動部本体１１１に取り付けられたアクチュエータ１４３と、このアクチュエータ１４３の両側に取り付けられたストッパ部材１４５、１４７とから構成されている。

そして、ストップ装置１４１の動作時（オン）は、アクチュエータ１４３に対する印加電圧を「０」とする。それによって、アクチュエータ１４３は本来の伸長状態に戻っていて、その結果、上記ストッパ部材１４５、１４７が固定部１０１のＵ字溝１０２の内壁に押し付けられている。つまり、ストッパ機能が発揮されることになる。これに対して、ストップ装置１４１の非動作時（オフ）には、アクチュエータ１４３に電圧を印加する。電圧の印加によりアクチュエータ１４３を収縮させ、それによって、上記ストッパ部材１４５、１４７の固定部１０１のＵ字溝１０２の内壁に対する押し付けが解除されることになる。

尚、既に説明した一対の柱部材１３１、１３３は、図７（ｃ）に示すように、幅狭の突起部１５１、１５３及び括れ部１５５、１５７を介して振動板１１７に接続されている。

上記従来の構成によると次のような問題があった。
すなわち、従来の構成による超音波浮上装置によると、振動板１１７の厚みと左右の可動部左側ガイド部１２３、可動部右側ガイド部１２５の厚みを異ならせることにより、装置を大型化させることなく浮上安定性や浮上剛性を向上させることができる。しかしながら、可動部１０９の浮上量を増大させて許容負荷荷重をさらに大きくしたいという要求に対しては不十分であった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、可動部の浮上量を増大させて許容負荷荷重を大きくすることが可能な超音波浮上装置を提供することにある。

上記目的を達成させるべく本願発明の請求項１による超音波浮上装置は、固定部と、上記固定部に対して移動可能に設置された可動部と、上記固定部又は可動部に設けられ超音波振動を発生する振動発生装置と、を具備し、上記振動発生装置が超音波振動することにより上記可動部が浮上面を介して浮上するように構成された超音波浮上装置において、上記振動発生装置によって発生される超音波振動が主振動に対して副次振動を伴うものであることを特徴とするものである。
又、請求項２による超音波浮上装置は、請求項１記載の超音波浮上装置において、上記主振動と副次振動の位相差が同位相又は略同位相であることを特徴とするものである。
又、請求項３による超音波浮上装置は、請求項２記載の超音波浮上装置において、上記主振動と同一面内又は略同一面内で副次振動を伴うものであることを特徴とするものである。
又、請求項４による超音波浮上装置は、請求項２記載の超音波浮上装置において、上記主振動と直交面内又は略直交面内で副次振動を伴うものであることを特徴とするものである。
又、請求項５による超音波浮上装置は、請求項４記載の超音波浮上装置において、上記主振動の方向に直交する方向に対して上記固定部又は可動部の振動体の横断面形状が非対称であることを特徴とする超音波浮上装置。

以上述べたように本願発明による超音波浮上装置によると、固定部と、上記固定部に対して移動可能に設置された可動部と、上記固定部又は可動部に設けられ超音波振動を発生する振動発生装置と、を具備し、上記振動発生装置が超音波振動することにより上記可動部が浮上面を介して浮上するように構成された超音波浮上装置において、上記振動発生装置によって発生される超音波振動が主振動に対して副次振動を伴うものとなっているので、それによって、可動部の浮上量が増大されて許容負荷荷重をより大きなものとすることができる。
又、上記主振動と副次振動の位相差が同位相又は略同位相とした場合には、可動部の浮上量増大効果がより高いものとなり、それによって、許容負荷荷重をより効果的に増大させることができる。
又、上記主振動と同一面内又は略同一面内で副次振動を伴うように構成した場合と、上記主振動と直交面内又は略直交面内で副次振動を伴うように構成した場合の両方が考えられるが、何れの場合も効果的な副次振動を発生させることができ、それによって、可動部の浮上量が増大されて許容負荷荷重をより大きなものとすることができる。
又、上記主振動方向に直交する方向に対して上記固定部又は可動部の振動体の横断面形状が非対称とした場合には、上記主振動と直交面内又は略直交面内で副次振動を発生させる構成を容易に提供することができ、それによって、可動部の浮上量を増大させて許容負荷荷重をより大きなものとすることができる。

以下、図１乃至図４を参照して本発明の一実施の形態を説明する。まず、固定部１があり、この固定部１はその横断面形状が略Ｕ字状をなしていて、Ｕ字溝２を備えた形状になっている。上記Ｕ字溝２は左右に固定部左側ガイド部３と固定部右側ガイド部５を備えていると共に、これら固定部左側ガイド部３と固定部右側ガイド部５とは底板部７を介して一体化されている。

上記固定部左側ガイド部３は、上側傾斜面３ａと下側傾斜面３ｂを備えていて、固定部左側ガイド部３はこれら上側傾斜面３ａと下側傾斜面３ｂとによって内側に凹状に形成・配置された構成になっている。同様に、上記固定部右側ガイド部５は、上側傾斜面５ａと下側傾斜面５ｂを備えていて、固定部右側ガイド部５は、これら上側傾斜面５ａと下側傾斜面５ｂとによって内側に凹状に形成・配置された構成になっている。

上記Ｕ字溝２内には可動部９が、図１（ｂ）中Ｚ軸方向に浮上可能であって、図１（ａ）中Ｙ軸方向に移動可能な状態で収容・配置されている。上記可動部９は主として可動部本体１１と振動発生装置１３と駆動用ボイスコイルモータ１５のマグネット３３とから構成されている。上記振動発生装置１３は、振動板１７と該振動板１７の上下面に設けられた電極部１９、２１と該振動板１７の左右に設けられた可動部左側ガイド部２３、可動部右側ガイド部２５とから構成されている。

上記振動板１７は圧電材料から構成されている。又、上記振動発生装置１３の左右両側は、既に説明した固定部左側ガイド部３と固定部右側ガイド部５の形状に対応するように凸状に形成されている。すなわち、振動発生装置１３の左側には、上記したように可動部左側ガイド部２３が設けられていて、この可動部左側ガイド部２３は、上側傾斜面２３ａと下側傾斜面２３ｂとによって凸状に形成されている。同様に、振動板１７の右側にも、上記したように可動部右側ガイド部２５が設けられていて、この可動部右側ガイド部２５は、上側傾斜面２５ａと下側傾斜面２５ｂとによって凸状に形成されている。
そして、上記構成をなす振動発生装置１３が超音波振動することにより、図１（ｂ）に示すように、可動部９がＺ軸方向に浮上した状態になるものである。

次に、駆動用ボイスコイルモータ１５の構成について説明する。まず、上記可動部９の可動部本体１１には支持柱３１を介してマグネット３３が取り付けられている。又、上記固定部１側にはコイル３５が設置されている。上記コイル３５に適宜の方向の電流を流すことにより、上記マグネット３３の磁束の流れと相互作用によって、いわゆる「フレミングの左手の法則」に基づいて、可動部９に対してＹ方向の何れかに移動させるための駆動力が発生する。それによって、可動部９は固定部１に対して浮上した状態でＹ方向の何れかの方向に移動することになる。

さて、ここで既に説明した振動発生装置１３による超音波振動について詳しく説明する。既に説明したように振動発生装置１３が超音波振動することにより振動板１７はＸ方向に振動する。そして、可動部左側ガイド部２３と可動部右側ガイド部２５をＸ方向に振動させて、固定部１側の固定部左側ガイド部３と固定部右側ガイド部５との間の空気を圧縮させる。それによって、可動部９がＺ方向に浮上することになる。これはいわゆる「主振動（Ｘ方向への振動）」によるものである。本実施の形態の場合には、この主振動による振動だけではなく、「副次振動」をも利用して、さらに耐荷重（負荷容量）の改善を図っているものである。すなわち、主振動と共に副次振動によっても可動部９側の左側ガイド部２３、右側ガイド部２５と固定部１側の左側ガイド部３、右側ガイド部５との間の空気を圧縮させるようにすることにより、両者の隙間の空気の圧力は主振動のみによる場合に比べてさらに上昇することになり、その反力である浮上力も向上することになるものである。

以下、詳しく説明する。本実施の形態の場合には、主振動面と同一面内において主振動と同位相の副次振動を発生させるようにしている。このような副次振動を発生させるためには、図２に示すように、振動発生装置１３における縦寸法（Ｌ）、横寸法（Ｂ）、振動の周波数（Ｆ）を適宜選択する必要がある。

そして、図３（ａ）に示すように、Ｘ方向の主振動に対してＹ方向に副次振動をさせる。具体的に説明すると、Ｘ方向の主振動が伸びる時｛図３（ａ）中仮想線ａ１、ａ２で示す｝、Ｙ方向を逆位相とするとＹ方向は縮むことになる｛図３（ａ）中仮想線ｂ１、ｂ２で示す｝。その結果、Ｘ方向の伸びは図示したように｛図３（ａ）中仮想線ｃ１、ｃ２で示す｝、端では伸びが小さく、中央で伸びが最大のアーチ状の伸びとなる。逆に、Ｘ方向の主振動が縮むとき｛図３（ａ）中仮想線ａ３、ａ４で示す｝、Ｙ方向は伸びることになり｛図３（ａ）中仮想線ｂ３、ｂ４で示す｝、端部で最も縮みが少なく、中央部でもっとも大きく縮む。このように、アーチ状の中央部が最大の振幅を示す副次振動が（伸びの時：ｃ１−ａ１、ｃ２−ａ２、縮む時：ｃ３−ａ３、ｃ４−ａ４）Ｘ方向の主振動に付加されたことになる。又、この副次振幅の大きさは振動板１７のＹ方向幅（Ｂ）が大きいほど大きくなる。

ここで、副次振動を付加することにより可動部９の浮上量がどの程度大きくなるかについて図４を参照して説明する。図４は横軸に時間（ｓｅｃ）をとり、縦軸に浮上量（μｍ）をとり、３つの場合について浮上量（μｍ）がどのようになるかについて比較して示したものである。ここでいう３つの場合とは、「主振動のみの場合」、「主振動＋同位相の副次振動」の場合、「主振動＋逆位相の副次振動」の３つである。又、主振動に対して主振動振幅の１０％実効振幅の副次振動を付加したものである。

この図４から明らかなように、同位相で副次振動を付加したときは、主振動のみに比べ約８０％の浮上量向上が認められる。しかしながら、逆位相で付加すると浮上できずにすぐ墜落してしまう。すなわち、主振動と同位相成分の副次振動は、主振動とともに協力して空気をさらに圧縮できるが、逆位相では主振動の空気圧縮をキャンセルする方向に作用してしまう。したがって、副次振動は同位相または同位相成分の方が逆位相成分より大きい位相にすることが副次振動付加のときに浮上高さ（耐荷重）向上に有効である。

以上の構成を基にその作用を説明する。まず、振動発生装置１３によって、可動部９に対して超音波振動を付与する。該超音波振動の付与によって、固定部１側の固定部左側ガイド部３の上側傾斜面３ａ、下側傾斜面３ｂ、固定部右側ガイド部５の上側傾斜面５ａ、下側傾斜面５ｂと、可動部９側の可動部左側ガイド部２３の上側傾斜面２３ａ、下側傾斜面２３ｂ、可動部右側ガイド部２５の上側傾斜面２５ａ、下側傾斜面２５ｂと間の空気が圧縮されて圧力が上昇する。それによって、可動部９が浮上することになる。

上記振動発生装置１３による超音波振動に関してさらに詳しく説明する。前述したように、本実施の形態の場合には、主振動に対して同一面内において同位相の副次振動を付与するようにしている。その結果、可動部９側の可動部左側ガイド部２３、可動部右側ガイド部２５は、固定部１側の固定部左側ガイド部３、固定部右側ガイド部５に対して、図３（ａ）中仮想線ｃ１、ｃ２で示すように、円弧状に湾曲した状態でより近接することになる。その結果、可動部９側の可動部左側ガイド部２３、可動部右側ガイド部２５と、固定部１側の固定部左側ガイド部３、固定部右側ガイド部５の間の空気はより大きく圧縮されることになり、それによって、可動部９の浮上量は大幅に高くなる。これは、図４に示すとおりである。
因みに、そのような副次振動が付与されない場合には、可動部９側の可動部左側ガイド部２３、可動部右側ガイド部２５が、固定部１側の固定部左側ガイド部３、固定部右側ガイド部５に対して、図３（ａ）中仮想線ａ１、ａ２で示すように、平面的な状態で近接し大きな空気圧縮はなされない。

又、コイル３５に適宜の方向の電流を流すことにより、マグネット３３の磁束の流れとの相互作用によって、いわゆる「フレミングの左手の法則」に基づいて、可動部９に対してＹ方向の何れかに移動させるための駆動力が発生する。それによって、可動部９は固定部１に対して浮上した状態でＹ方向の何れかの方向に移動することになる。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、振動発生装置１３によって発生される超音波振動が主振動に対して副次振動を伴うものとなっているので、可動部９側の可動部左側ガイド部２３、可動部右側ガイド部２５と、固定部１側の固定部左側ガイド部３、固定部右側ガイド部５の間の空気はより大きく圧縮されることになり、それによって、可動部９の浮上量が大幅に増大し、その結果、許容負荷荷重をより大きなものとすることができるようになった。
又、本実施の形態の場合には、主振動と副次振動の位相差が同位相又は略同位相となっているので、可動部９の浮上量増大効果がより高いものとなり、それによって、許容負荷荷重をより効果的に増大させることができる。
尚、増大効果は低減するが必ずしも主振動と副次振動の位相差が同位相又は略同位相である必要はなく、副次振動が同位相成分の方が逆位相成分より大きい位相になっていればよい。
因みに、Ｙ方向の同位相の副次振動を主振動振幅の１５％振幅を付加した場合、耐荷重（負荷容量）は３２％増加させることができた。

次に、図５を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。前記第１の実施の形態の場合は、同位相の有効な副次振動を生じさせる際に、主振動面と同一面内において副次振動を発生させるようにしていたが、この第２の実施の形態の場合には、主振動面と直交する面内において副次振動を発生させるようにしているものである。

すなわち、この実施の形態においては、図５（ｂ）に示すように、振動板１７と左側ガイド部２３、右側ガイド部２５との間の上側に隙間４１、４１を設け、それによって、振動板１７の重心位置を可動部左側ガイド部２３、可動部右側ガイド部２５との重心位置に対してＺ方向にずらしている。それによって、Ｘ方向の主振動に対して、振動板１７はＺ方向に撓むことになり、このＺ方向の撓みにより浮上ガイド面においては、Ｘ方向伸縮のＺ方向による伸縮差が生じる。その結果、図５（ｂ）中仮想線ｄ１で示すように、振動振幅が可動部左側ガイド部２３、可動部右側ガイド部２５の夫々において中央部では小さく端部では大きなものとなる。これによって、これがＸ方向主振動に付加される副次振動となる。
尚、この副次振動の大きさは振動板１７と可動部左側ガイド部２３、可動部右側ガイド部２５のＺ方向重心位置の差が大きいほど大きくなる。

よって、このような構成でも前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。
因みに、Ｚ方向の同位相の副次振動を主振動振幅の１１％振幅を付加した場合、耐荷重（負荷容量）は２３％増加させることができた。
又、本実施例では、隙間４１によってＺ方向重心位置の差を付加したが、錘を載せる等、他の方法でも良いことはいうまでもない。

尚、本発明は前記第１、第２の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、前記各実施の形態では可動部に振動発生装置を取り付けた例を示したが、固定部側に取り付けるようにしてもよい。

本発明は超音波浮上装置に係り、特に、振動発生装置の構成を改良することにより、許容負荷荷重をより大きくすることができるように工夫したものに関し、例えば、各種のアクチュエータに使用する浮上装置に好適である。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、図１（ａ）は超音波浮上装置の構成を示す平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ断面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、図２（ａ）は超音波浮上装置の振動装置の構成を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ断面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、図３（ａ）は超音波浮上装置の振動装置の構成を示す平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のｂ−ｂ断面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、副次振動の付与によって浮上量がどのように変化するかを示すための特性図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、図５（ａ）は超音波浮上装置の振動発生装置の構成を示す平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のｂ−ｂ断面図である。 従来例を示す図で、図６（ａ）は超音波浮上装置の構成を示す平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のｂ−ｂ断面図である。 従来例を示す図で、図７（ａ）は超音波浮上装置の可動部の側面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のｂ−ｂ断面図、図７（ｃ）は図７（ａ）のｃ−ｃ矢視図である。

符号の説明

１ 固定部
３ 固定部左側ガイド部
５ 固定部右側ガイド部
９ 可動部
１３ 振動発生装置
１５ 駆動用ボイスコイルモータ
１７ 振動板
１９ 電極部
２１ 電極部
２３ 可動部左側ガイド部
２５ 可動部右側ガイド部

Claims (5)

1. 固定部と、
   上記固定部に対して移動可能に設置された可動部と、
   上記固定部又は可動部に設けられ超音波振動を発生する振動発生装置と、
   を具備し、
   上記振動発生装置が超音波振動することにより上記可動部が浮上面を介して浮上するように構成された超音波浮上装置において、
   上記振動発生装置によって発生される超音波振動が主振動に対して副次振動を伴うものであることを特徴とする超音波浮上装置。
2. 請求項１記載の超音波浮上装置において、
   上記主振動と副次振動の位相差が同位相又は略同位相であることを特徴とする超音波浮上装置。
3. 請求項２記載の超音波浮上装置において、
   上記主振動と同一面内又は略同一面内で副次振動を伴うものであることを特徴とする超音波浮上装置。
4. 請求項２記載の超音波浮上装置において、
   上記主振動と直交面内又は略直交面内で副次振動を伴うものであることを特徴とする超音波浮上装置。
5. 請求項４記載の超音波浮上装置において、
   上記主振動の方向に直交する方向に対して上記固定部又は可動部の振動体の横断面形状が非対称であることを特徴とする超音波浮上装置。

Images