JP2007510606A - 部品および材料の非接触の搬送、ハンドリングおよび保管のための装置 - Google Patents

Abstract

音響レビテーションに適当である少なくとも１つの面部分を有する物体（１）の音響レビテーションによる振動状態を発生させるための装置であって、その際この面部分が音響放射する面の上方を浮遊する前記装置において、前記装置が次の特徴：
振動する物体の重力もしくは加速によってその支持構造体表面（３）に対して垂直に作用する力を受けるための支持構造体表面（３）を有する剛性が高い支持構造体（２）、
支持構造体表面（３）に対して平行に配置されている振動可能な薄い面エレメント（４）、
この振動可能な薄い面エレメント（４）を、前記面エレメント（４）が支持構造体表面（３）の上方を非接触で浮遊し、かつ前記物体（１）が前記面エレメント（４）の上方を浮遊するような振動状態にするための振動発生手段（５）
を有する、物体の音響レビテーションによる振動状態を発生させるための装置である。

Description

本発明は、搬送軌道に沿って部品または材料を非接触もしくはほぼ非接触（ｂｅｒｕｅｈｒｕｎｇｓａｒｍｅｎ）で搬送するための装置に関する。さらに本発明は、部品または材料を非接触もしくはほぼ非接触でハンドリングおよび保管するための装置に関する。

部品または材料を非接触もしくはほぼ非接触で移動または保持するのに、従来技術では種々の技術が公知である。例えば、磁石の斥力またはエアクッションを利用する搬送装置が広く普及している。エアクッションは、空気が流れ出るノズル板を用いて発生させることができる。エアクッションを発生させるためのもう一つの技術は、音波の利用である。

特許資料である特許文献１から、音圧原理に従って作動する搬送装置が公知である。このテーマ、音圧および音響レビテーションについてのさらなる説明は下記の文献に示されている：
非特許文献１
非特許文献２。

特許文献１による装置は搬送レールを有し、この搬送レールの始まりの部分に振動発生機（ソース）が結合されており、進行波が発生するようにこの振動発生機が搬送レールの始まりの部分を励起する。このようにして誘発された進行波は、搬送レールに沿って搬送方向に拡散する。搬送レールの終わり部分には、進行波の機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための装置（シンク）が備えられている。したがってこの装置によって反射が防止され、かつしたがって進行波の逆行が防止される。

搬送レール上に物体が存在する場合には、この物体は、搬送レールと搬送すべき物体の底面の間で進行波が発生させた移動するエアクッションによって搬送レールに沿ってシンクに向かって動かされる。テストの結果、この装置を用いて物体を搬送することは原理的に可能であった。

従来技術における更なる構造は、特許文献２、特許文献３、特許文献４および、特許文献５に示されている。

近接音場における音響レビテーションのこれまで公知となった全ての構造は、振動し、かつしたがって音響を放射する表面の上を部品が非接触で支えられる、即ち浮遊することを基礎としている。そのためには、この表面に振動を起こすことが必要である。固体の振動特性が主として材料とその寸法、即ち形状で決まることは、当業者に知られている。例えばある搬送システムのために平たい部品の搬送のための搬送軌道が構成されるべき場合には、この搬送軌道は一方では振動可能な系として設計されなければならないが、しかしながら他方では、搬送システム全体の空間的要求によって設定されている構造上の周辺条件を満たさなければならない。したがって、音響レビテーションの原理に従った非接触での搬送、保管またはハンドリングのための装置がレビテーションの発生のために必要な振動特性を達成するために予め決められた幾何学的形状および予め決められた寸法を有していなければならないことと、寸法または例えば重量に関しての搬送軌道、保管装置または保持−もしくはハンドリング装置としての要求に応えるために通常はまったく別の幾何学的形状をもたなければならないはずであることとに目標葛藤がある。

この問題を明確にするために、例えば、エアクッションをエアノズルによって発生させる搬送レールがこの制限を受けないことが示唆される、というのも空気はほぼ自由に形成可能なダクトを経由してノズルにまで導くことができ、このダクトもまたほぼ自由に選択可能な位置に配置することができるからである。しかしながらガス状媒体において不可避の流体の流れ効果（Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｅｆｆｅｋｔｅ）が特定の技術の場合に望ましくないため、このシステムを全般的に使用することはできない。
米国特許第５８１０１５５号明細書 独国特許出願公開第１９９１６９２２号明細書 独国特許出願公開第１９９１６９２３号明細書 独国特許第１９９１６８５６号明細書 独国特許第１９９１６８７２号明細書 Ｌｉｅｒｋｅ，Ｅ．Ｇ．：Ｖｅｒｇｌｅｉｃｈｅｎｄｅ Ｂｅｔｒａｃｈｔｕｎｇ ｚｕｒ ｂｅｒｕｅｈｒｕｎｇｓｌｏｓｅｎ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｅｒｕｎｇ ｖｏｎ Ｅｉｎｚｅｌｔｒｏｐｆｅｎ ｉｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｓｃｈｅｎ，ａｋｕｓｔｉｓｃｈｅｎ ｕｎｄ ｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅｎ Ｋｒａｆｔｆｅｌｄｅｒｎ．Ｉｎ：Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ｉｍ Ｉｎｇｅｎｉｅｕｒｗｅｓｅｎ，第６１巻（１９９５）７／８，ｐ．２０１−２１６ Ｌｉｅｒｋｅ Ｅ．Ｇ．：Ａｋｕｓｔｉｓｃｈｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｅｒｕｎｇ − Ｅｉｎ ｕｍｆａｓｓｅｎｄｅｒ Ｕｅｂｅｒｂｌｉｃｋ ｕｅｂｅｒ Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ ｕｎｄ Ａｎｗｅｎｄｕｎｇｅｎ．Ｉｎ：Ａｃｕｓｔｉｃａ ８２（１９９６），ｐ．２２０−２３７

したがって本発明の課題は、上記技術の欠点を回避する音響振動によるレビテーション技術を提供することである。

この課題は、請求項１による装置および請求項１７による方法を用いて解決される。

音響レビテーションに適当である少なくとも１つの面部分をその物体が有していなければならない、音響レビテーションにより物体の振動状態を発生させるための装置が提供された。硬い（音を反射する）面が有利であり、その際、この硬い面部分が音響放射する面の上方を浮遊する。しかしながら粉末状の材料あるいは粉粒体を浮上させることも可能である、がしかしその際この場合には完全な非接触の浮遊状態を達成できるわけではない。本発明によればこの装置は、剛性の高い支持構造体を有する。この支持構造体は自由に選択可能な材料、例えば金属、プラスチック、ガラス、セラミックスまたは複合材料、からなることができる。製造方法も自由に選択可能であり、したがって例えば鋳造法および射出成形法もまた適用可能である。決定的な前提条件は、振動する物体の重力もしくは加速によって支持構造体表面に作用する力の吸収に支持構造体が適当であることである。さらに支持構造体表面は、物体または材料の浮上に用いられるレビテーション音波による動的負荷に対して材料安定性でなければならない。支持構造体表面に対して平行に、振動可能な薄い面エレメントが配置されている。この面エレメントが支持構造体表面の上方を非接触で浮遊するように該面エレメントを振動させるために、さらに振動発生手段が備えられている。振動の発生は種々の方法で、例えば外的な励起または内的な励起によって、行うことができる。面エレメントのための材料として、それらが外的に励起される限りは、高い塑性と硬さを有する基本的に全ての原料、例えば薄鋼板、非鉄金属合金製の薄板、プラスチックあるいはまた複合材料、が適当である。内的な励起のための材料として例えば、逆圧電効果を振動の発生に利用するフィルムを使用することができる。支持構造体表面の形状は必ずしも平らである必要はない。

「支える」と「振動する」という機能を本発明により分離したことによって、音響レビテーションの技術においてパラダイムの交替が達成された。例えば搬送軌道をその振動挙動を考慮することなく構築することが初めて可能となったのである。したがって搬送軌道を種々の周辺条件、例えば重量、攻撃性媒体に対する耐性、材料費など、に関して最適化することが可能である。振動する面エレメントのための材料の選択においても設計者はわずかな制限しか受けず、かつ材料と技術を幅広く選択することができる。

標準化された空間的比率のある適用もしくは技術に特に利点がある。これについての典型的な技術はウェーハ製造である。したがって本発明によって、この技術のあらかじめ定められた空間的比率に適合させることができる装置を提供することが初めて可能となるのである。

請求項２によれば振動可能な面エレメントは、金属薄板または比較し得る振動特性を有するプラスチック板である。振動発生手段は、この金属薄板またはプラスチック板に伝達される力学的な振動を発生させるための装置である。

請求項３によれば、面エレメントは電気により励起されるピエゾフィルムである。逆圧電効果を力学的な厚み振動の発生に利用するフィルムは当業者に公知であり、したがって、想定される工業的な適用のためにピエゾフィルムを適宜選択するのに発明活動は不要である。このフィルムの利点は特に、振動周波数が非常に広い範囲で電気的に調整可能なことである。

請求項４によれば面エレメントは、磁気ひずみにより励起される材料フィルムである。磁場における磁気ひずみ材料の弾性変形の発生は当業者に同じく公知である。この適用の場合には電磁石が、非磁性材料からなる支持構造体中に組み込まれていることが好ましい。

請求項５によれば面エレメントは、電気ひずみにより励起される材料フィルムであり、その際この材料は電気ひずみ性質を有し、かつ電気ひずみによる励起のための装置が備えられている。

請求項６によれば、振動の励進（Ｅｉｎｋｏｐｐｌｕｎｇ）は力学的に剛性の高い結合装置によって行われる。特に有利であるのは、唯一つの装置で同時に複数の面エレメントを励振できることである。

請求項７によれば、振動の励進は直接行われずに中間媒体を介して行われる。

請求項８によれば中間媒体はガス状である、即ち流動するガスが例えば面エレメントの縁部と接触して振動を発生させる。

請求項９によれば中間媒体は液状である、即ち流動する液体が例えば面エレメントの縁部と接触して振動を発生させる。

請求項１０によれば面エレメントは種々の周波数および／または振幅で振動するように制御される。この措置によって例えば、一搬送区間を直線的に動かされている物体を強制的に方向変換させる振幅の過度の高まりを生じさせることができる。

請求項１１によれば、複数の面エレメントが配置されておりかつ選択的に制御可能である。例えば一搬送区間に複数の面エレメントが同一平面上にかつ該搬送区間の方向に配置されている場合には、面エレメントの異なる制御によって同様に強制的に方向変換が行われることができ、その結果、分岐機能が達成される。

請求項１２によれば、支持構造体表面に少なくとも１つの吸気口もしくはガス吸引口が備えられている。面エレメントに同じく少なくとも１つの穴が配置されており、その際この穴は前記吸引口と完全に等しくは向かい合わせになっていない。吸引口が減圧されている場合には、面エレメントは外側の気圧によって支持構造体表面に押さえ込まれる。その場合この薄くしなやかな面エレメントは支持構造体表面の外形に近接しており、かつそのことによって位置固定される。しかしながら面エレメントの振動運動によって支持構造体表面との直接の接触は妨げられ、その結果、この実施の形態の場合にも面エレメントは支持構造体の表面と平行に浮遊する。面エレメントにも少なくとも１つの穴が備えられているため、この実施の形態は例えばグリッパとして好適であり、それというのも平たい部品を上から捕らえる、即ち吸引することができるからである。

面エレメントに穴が備えられていない場合には、この実施の形態は、平らな表面をもたない搬送軌道を形成するのに特に適当である。

請求項１３によれば、請求項１から１２による装置が使用されている搬送装置の特許の保護が請求されており、この場合、搬送とは、ＡからＢへの水平もしくは若干傾斜した軌道上における物体の動きのことをいう。

請求項１４によれば、請求項１から１２による装置が使用されているグリッピング装置の特許の保護が請求されており、この場合、グリッピングとは、部品を拾い上げ、搬送しそして降ろすことをいう。このような装置は、例えば多関節ロボット（Ｍｅｈｒｇｅｌｅｎｋｒｏｂｏｔｅｒ）に組み込むことができる。

請求項１５によれば、請求項１から１２による装置が使用されている保管−および保持装置の特許の保護が請求されている。これを用いて例えば、部品が引き続き次の工程段階に送られるまで該部品を非接触で一時保管することが可能である。

請求項１６によれば、請求項１から１２による装置の使用下に、その中で軸が非接触で回転する軸受が提供される。そのために支持構造体は管として形成されている。面エレメントは管の内壁に接触することなく該内壁に近接している。

請求項１７によれば、音響レビテーションに適当である少なくとも１つの面部分を有する物体のための音響レビテーションによる振動状態を発生させるための方法であって、その際この面部分が音響放射する面の上方を浮遊する該方法の特許の保護が請求され、この場合、該方法は次の処理段階：
振動する物体の重力もしくは加速によってその支持構造体表面に対して垂直に作用する力を受けるための支持構造体表面を有する剛性の高い支持構造体の用意、
支持構造体表面に対して平行に配置されている振動可能な薄い面エレメントの用意、
この振動可能な薄い面エレメントを、該面エレメントが支持構造体表面の上方を非接触で浮遊しかつ該物体が該面エレメントの上方を浮遊するような振動状態にするための振動発生手段の用意
を有する。

次に本発明を添付された概略的な図面とともに実施例につき詳説する。

図１は、その上を平たいディスク１が矢印方向に運ばれることができる水平な搬送軌道の側面図である。支持構造体表面３を有する支持構造体２は、該ディスク１の重量もしくはその他の影響が支持構造体２を変形させないように、即ち支持構造体２が硬く形成されているように、設計されている。支持構造体表面３の上方に０．０５ｍｍの厚さのばね鋼シート４ａが配置されており、このばね鋼シートは静止状態では支持構造体表面３に載っている。部分Ａにて該シートは、振動発生機５と力学的に剛性高く接合されている。ばね鋼シート４に振動発生機を用いて周波数３０ｋＨｚで振動が起こされると、該シートは支持構造体表面３から解き放たれ、該表面の上方を非接触で約０．０２ｍｍの距離で浮遊する。必要な周波数は、当業者によって該シートの寸法形状および材料特性を考慮して選択される。該シート上にウェーハが置かれると、該ウェーハは非接触で浮遊し、かつ従来技術で公知の種々の加速手段によって動かされることができる。このような加速手段は、例えば傾斜させた搬送軌道における重力または音響による照射である。

図２は、図１と同じ構造を示している。ばね鋼シートの代わりに、その表面が金属化されたピエゾフィルム４ｂが使用されている。ピエゾフィルムには剛性高いセラミック・タイプのものとポリマー材料製のものがある。この金属化された表面に、周波数発生器に接続された電気接続が配置されている。ポリマーピエゾフィルムの利点は、厚み振動の自由に選択可能な幅広い周波数範囲である。

図３もまた、図１と同じ構造を示している。ばね鋼シートの代わりに、磁気ひずみ材料製のフィルム４ｃが使用されている。電流により生じる交番磁界が該フィルムに振動を起こすように、プラスチック製の支持構造体内にソレノイド５が組み込まれている。

図４は図１による搬送軌道の上面図を示すが、しかしながら、別々に制御される３枚のばね鋼シート４₁、４₂、４₃が備えられている。この装置は案内としても分岐としても使用することができる。シート４ａおよび４ｃがシート４ｂより強く振動する場合には、ディスク１は中央に寄せられ、かつ軌道中央に沿って外側のストッパなしに案内される。シート４ａがシート４ｂより強く振動し、同様にシート４ｂがシート４ｃより強く振動する場合には、ディスクは軌道から矢印方向Ｒに滑り、その結果、分岐機能が実現される。

図５は、重ね合わせに保持ないしは保管すべき３枚のディスクのための保持装置を示す。支持構造体には３段あり、シート４₁、４₂、４₃は結合装置６を介して振動発生機に接続されている。この装置を用いてディスクを次の工程段階まで一時保管することができる。

図６ａ、６ｂは、吸引孔７を有する支持構造体２ａを備えたグリッピング装置の側面図および上面図をそれぞれ示す。この支持構造体の上方には多孔板８が配置されている。このグリッピング装置を起動させる場合には、多孔板８が振動状態に達するために先ず振動発生機のスイッチを入れることが好ましい。次に吸引孔７が減圧され、その結果、多孔板が支持構造体表面へと押さえ込まれる。つまり、この吸引によって、距離をおいて振動する多孔板８が支持構造体表面と向かい合わせに固定されるのである。ディスク１がこの多孔板８上を非接触で浮遊する場合には、このディスクは多孔板８が固定されるのと同じ原理で同様に固定される。このグリッピング装置は多関節ロボットに使用することができ、その結果、ディスクは自由に選択可能な空間軌道（Ｒａｕｍｂａｈｎｅｎ）で動かすことが可能である。流量条件を特別に形成することにより、ディスクの側方での固定を不要にすることができる。

図７は、その中で軸が非接触で回転する軸受を示す。そのために支持構造体は管１０として形成されている。面エレメント４は、管１０の内壁に近接している。

この原理に従って材料のための閉じられた（管形の）搬送区間も構築できることは明らかであり、このことによって、例えば粉末状の材料の場合に管壁における著しくわずかな摩擦抵抗が可能となる。

図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。 図２は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。 図３は、本発明の第３の実施の形態を示す図である。 図４は、本発明の第４の実施の形態を示す図である。 図５は、本発明の第５の実施の形態を示す図である。 図６ａ、図６ｂは、本発明の第６の実施の形態を示す図である。 図７は、本発明の第７の実施の形態を示す図である。

Claims (17)

1. 音響レビテーションに適当である少なくとも１つの面部分を有する物体（１）の音響レビテーションによる振動状態を発生させるための装置であって、その際この面部分が音響放射する面の上方を浮遊する前記装置において、
   前記装置が次の特徴：
   振動する物体の重力もしくは加速によってその支持構造体表面（３）に対して垂直に作用する力を受けるための支持構造体表面（３）を有する剛性が高い支持構造体（２）、
   支持構造体表面（３）に対して平行に配置されている振動可能な薄い面エレメント（４）、
   この振動可能な薄い面エレメント（４）を、前記面エレメント（４）が支持構造体表面（３）の上方を非接触で浮遊し、かつ前記物体（１）が前記面エレメント（４）の上方を浮遊するような振動状態にするための振動発生手段（５）
   を有することを特徴とする、物体の音響レビテーションによる振動状態を発生させるための装置。
2. 振動可能な薄い面エレメント（４）が金属薄板（４ａ）または比較し得る振動特性を有するプラスチック板であり、かつ振動発生手段が力学的な振動を発生させるための装置であり、この装置は振動が前記金属薄板またはプラスチック板に伝達されるように前記金属薄板またはプラスチック板と結合していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 振動可能な薄い面エレメントが電気ひずみにより励起可能なピエゾフィルム（４ｂ）であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 振動可能な薄い面エレメントが磁気ひずみにより励起可能な材料フィルム（４ｃ）であり、その際前記材料は磁気ひずみ性質を有し、かつ磁気ひずみによる励起のための装置が備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 振動可能な薄い面エレメント（４）が電気ひずみにより励起可能な材料フィルムであり、その際前記材料は電気ひずみ性質を有し、かつ電気ひずみによる励起のための装置が備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記結合が力学的に剛性高い結合装置によって行われていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
7. 前記結合が中間媒体を介して行われていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
8. 中間媒体がガス状であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 中間媒体が液状であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
10. 振動可能な薄い面エレメント（４）が種々の周波数および／または振幅で振動するように制御されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 複数の面エレメント（４）が配置されており、かつ選択的に制御可能であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 支持構造体表面に少なくとも１つの吸気口もしくはガス吸引口（７）が備えられており、かつ、面エレメント（８）に少なくとも１つの穴が配置されており、その際、吸引流量条件が、前記物体が前記穴により吸引され、かつ振動している面エレメントの空気膜によって面エレメントの表面に対して一定の距離で保持されるように調整されていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置が使用されている搬送装置。
14. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置が使用されているグリッピング装置。
15. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置が使用されている保管−および保持装置。
16. 支持構造体が管（１０）である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置が使用されている軸受。
17. 音響レビテーションに適当である少なくとも１つの面部分を有する物体（１）の音響レビテーションによる振動状態を発生させるための方法であって、その際この面部分が音響放射する面の上方を浮遊する前記方法において、
    前記方法が次の処理段階：
    振動する物体の重力もしくは加速によってその支持構造体表面（３）に対して垂直に作用する力を受けるための支持構造体表面を有する剛性が高い支持構造体（２）の用意、
    支持構造体表面（３）に対して平行に配置されている振動可能な薄い面エレメント（４）の用意、
    この振動可能な薄い面エレメント（４）を、前記面エレメント（４）が支持構造体表面の上方を非接触で浮遊し、かつ前記物体（１）が前記面エレメント（４）の上方を浮遊するような振動状態にするための振動発生手段（５）の用意
    を有することを特徴とする、物体の音響レビテーションによる振動状態を発生させるための装置。
    

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