JP2011062068A - 非接触搬送装置、非接触搬送方法及び非接触搬送システム - Google Patents

非接触搬送装置、非接触搬送方法及び非接触搬送システム Download PDF

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Abstract

【課題】 超音波定在波により微小部品や液滴などの微小物体を捕捉し、捕捉した微小物体を非接触で長距離に亘って搬送する。
【解決手段】 １対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを電気信号により励振して、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板１０を長手方向の２箇所において加振することにより超音波振動させ、上記たわみ振動板１０と反射板２０により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体５０を捕捉し、上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記たわみ振動板１０を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体５０を上記たわみ振動板１０の長手方向に搬送する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波により微小部品や液滴などの被搬送微小物体を非接触で搬送する非接触搬送装置、非接触搬送方法及び非接触搬送システムに関する。
従来、非接触搬送技術としては、圧縮空気により被搬送物体を空間に浮揚させて搬送したり、磁力により被搬送物体を空間に浮揚させて搬送したり、あるいは、超音波の放射圧により被搬送物体を空間に浮揚させて搬送する各種浮揚技術を利用した方法が知られている。
圧搾空気を用いる浮揚技術では、エアコンプレッサやエアホースなどを必要とし、装置は大型化したり煩雑化する。また、クリーンルームで使用する場合、大量の清浄な空気を必要とし、コストパフォーマンスが低下する。また、磁力による浮揚技術は、搬送対象物が磁性体に限られ、また、磁気が搬送対象物に影響を与える虞がある。
超音波の放射圧により被搬送物体を空間に浮揚させて搬送する浮揚技術では、例えば、超音波振動板を超音波振動させて、上記超音波振動板と搬送対象との間に厚さ数１０マイクロメートルの薄い空気膜を作ることにより被搬送物体を空間に浮揚させる（例えば、特許文献１参照）。
また、振動子と反射板の間に超音波定在波を発生させ、その音圧節部に、音波に対して十分に小さい物体を捕捉し、振動子により放射される超音波の周波数を変えることにより、捕捉した物体を振動子の中心軸上を移動させるようにしたマニピュレーション方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
さらに、音軸が一点で交差するように所定の距離を保って同じ角度で傾斜させて配置した一対の超音波振動子を所定の電気信号で駆動し、放射される二つの超音波の交差区域に生成する定在波音場の音圧の節で微小物体を捕捉し、供給する電気信号を変化させて、捕捉した微小物体を移動するようにしたマニピュレーション方法が提案されている（例えば、特許文献３）。
特開平７−１３７８２４号公報 特開平９−１９３０５５号公報 特開平１１−２６２８８０号公報
ところで、圧搾空気を用いる浮揚技術では、エアコンプレッサやエアホースなどを必要とし、装置は大型化したり煩雑化する。また、クリーンルームで使用する場合、大量の清浄な空気を必要とし、コストパフォーマンスが低下する。また、磁力による浮揚技術は、搬送対象物が磁性体に限られ、また、磁気が搬送対象物に影響を与える虞がある。
超音波の放射圧により被搬送物体を空間に浮揚させて搬送する浮揚技術は、圧縮空気や磁力による問題がないのであるが、通常、超音波振動板と搬送対象との間に厚さ数１０マイクロメートルの薄い空気膜を作ることにより被搬送物体を空間に浮揚させるので、空気膜を発生しなければならないため微小物体の搬送は難しく、搬送対象が薄い平板に限定され、シリコンウエハや液晶ディスプレイ用ガラス板などの搬送に利用される。
また、振動子と反射板の間に超音波定在波を発生させ、その音圧節部に、音波に対して十分に小さい物体を捕捉し、振動子により放射される超音波の周波数を変えることにより、捕捉した物体を振動子の中心軸上を移動させるようにしたマニピュレーション方法や、音軸が一点で交差するように所定の距離を保って同じ角度で傾斜させて配置した一対の超音波振動子を所定の電気信号で駆動し、放射される二つの超音波の交差区域に生成する定在波音場の音圧の節で微小物体を捕捉して移動させるようにしたマニピュレーション方法が提案されているが、超音波の媒質中における減衰が問題となり、捕捉した微小物体を長距離にわたり非接触移動させることは難しい。
そこで、本発明の目的は、超音波定在波により微小部品や液滴などの微小物体を捕捉し、捕捉した微小物体を非接触で長距離に亘って搬送可能な非接触搬送装置、非接触搬送方法及び非接触搬送システムを提供することにある。
また、本発明の目的は、超音波定在波により微小部品や液滴などの微小物体を捕捉し、捕捉した微小物体を非接触で長距離に亘って連続的に高速で搬送可能な非接触搬送装置、非接触搬送方法及び非接触搬送システムを提供することにある。
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
本発明に係る非接触搬送装置は、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、上記たわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子と、上記複数個の超音波振動子を異なる位相の電気信号により励振する駆動部とを備え、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御して、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送することを特徴とする。
本発明に係る非接触搬送装置は、例えば、上記駆動部により上記たわみ振動板を長手方向の２箇所において加振する１対の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記駆動部により上記１対の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御して、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送するものとすることができる。
本発明に係る非接触搬送装置において、上記１対の超音波振動子は、例えば、上記たわみ振動板の自由振動における腹の位置を上記たわみ振動板を長手方向の２箇所において加振するものとすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送装置において、上記１対の超音波振動子は、例えば、それぞれ超音波ホーンを介して上記たわみ振動板を長手方向の２箇所において加振するものとすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送装置は、例えば、上記たわみ振動板と上記反射板は、互いに対向する矩形形状に形成され、上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれた直線状の空間を上記被搬送微小物体の搬送路とすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送装置は、例えば、上記たわみ振動板と上記反射板と上記１対の超音波振動子と上記駆動部とからなる搬送ユニットを複数連結してなるものとすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送装置は、例えば、上記駆動部は、上記１対の超音波振動子を励振する上記電気信号の周波数を変化させることにより、上記たわみ振動板と上記反射板に挟まれた空間において上記被搬送微小物体を捕捉する上記超音波定在波の節部の位置を制御するものとすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送装置は、例えば、上記たわみ振動板はリング形状に形成され、上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれたリング状の空間を搬送路とし、上記リング形状のたわみ振動板の円周方向の対向する位置において、上記駆動部により対をなす超音波振動子を逆位相の電気信号により励振して上記たわみ振動板の進行波超音波振動を周回させ、上記リング状の搬送路に沿って上記被搬送微小物体を搬送するものとすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送装置は、例えば、上記駆動部により上記たわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御し、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に上記被搬送微小物体を順次捕捉して上記たわみ振動板の長手方向に搬送するものとすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送装置は、例えば、上記たわみ振動板はリング形状に形成され、上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれたリング状の空間を搬送路とし、上記駆動部により上記リング形状のたわみ振動板の円周方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御し、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に上記被搬送微小物体を順次捕捉して上記リング状の搬送路に沿って上記被搬送微小物体を搬送するものとすることができる。
本発明に係る非接触搬送システムは、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、上記たわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子と、上記複数個の超音波振動子を異なる位相の電気信号により励振する駆動部とを備え、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する非接触搬送部を複数連結してなることを特徴とする。
また、本発明に係る非接触搬送システムは、例えば、たわみ振動板と反射板で挟まれた直線状の空間を被搬送微小物体の搬送路とした非接触搬送部を複数連結してなるものとすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送システムは、例えば、たわみ振動板と反射板で挟まれたリング状の空間を被搬送微小物体の搬送路とした非接触搬送部に、たわみ振動板と反射板で挟まれた直線状の空間を被搬送微小物体の搬送路とした非接触搬送部を複数連結してなるものとすることができる。
本発明に係る非接触搬送方法は、複数個の超音波振動子を位相の異なる電気信号により励振して、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振することにより上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送することを特徴とする。
本発明に係る非接触搬送方法は、例えば、１対の超音波振動子によりたわみ振動板を長手方向の２箇所において加振することにより超音波振動させ、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記１対の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送するものとすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送装置は、例えば、複数個の超音波振動子によりたわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振することにより上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を順次捕捉して上記たわみ振動板の長手方向に搬送するものとすることができる。
また、本発明に係る非接触搬送装置は、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振する超音波振動子と、上記超音波振動子を電気信号により励振する駆動部と、上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸収部とを備え、上記駆動部により上記超音波振動子を励振して、上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振することにより、上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸収部により上記たわみ振動板の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送することを特徴とする。
また、本発明に係る非接触搬送システムは、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振する超音波振動子と、上記超音波振動子を電気信号により励振する駆動部と、上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸部とを備え、上記駆動部により上記超音波振動子を励振して、上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振することにより、上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸収部により上記たわみ振動板の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する非接触搬送部を複数連結してなることを特徴とする。
さらに、本発明に係る非接触搬送方法は、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板とにより挟まれた空間を被搬送微小物体の搬送路とし、上記たわみ振動板を長手方向の一端において超音波振動子により加振することにより、上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸収部により上記たわみ振動板の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送することを特徴とする。
本発明では、複数個の超音波振動子を位相の異なる電気信号により励振して、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振することにより上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送することができ、微小部品や液滴などの被搬送微小物体を超音波定在波により捕捉し、捕捉した微小物体を非接触で長距離に亘って搬送可能な非接触搬送装置及び非接触搬送方法を提供することができる。
また、本発明では、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板とにより挟まれた空間を被搬送微小物体の搬送路とし、上記たわみ振動板を長手方向の一端において超音波振動子により加振することにより、上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸収部により上記たわみ振動板の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送することができ、微小部品や液滴などの被搬送微小物体を超音波定在波により捕捉し、捕捉した微小物体を非接触で連続的に高速で搬送可能な非接触搬送装置及び非接触搬送方法を提供することができる。
本発明によれば、大きさ１〜数ｍｍ程度の物体であれば、特に被搬送物体の種類を選ぶことなく非接触で数１０ｍ以上の長距離を搬送可能であり、しかも、数１０マイクロメートルオーダーの位置決め精度を確保することができる。また、被搬送物体は、小型の固体にとどまらず、液体の搬送も可能であることから、バイオテクノロジー分野において、純水や試薬などを不純物の混入なく搬送することが可能となる。
本発明を適用した非接触搬送装置の構成を模式的に示す図である。 上記非接触搬送装置において、たわみ振動板と反射板により挟まれた直線状の空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉して搬送している状態を模式的に示す図である。 上記非接触搬送装置を１つの搬送ユニットとして、複数の搬送ユニットを連結することにより構築した任意の搬送路長の非接触搬送装置の構成を模式的に示す図である。 被搬送微小物体の捕捉位置を二次元方向に制御することができるようにした非接触搬送装置の構成を模式的に示す図である。 リング状の搬送路に沿って被搬送微小物体を搬送するようにした非接触搬送装置の構成を模式的に示す図である。 上記非接触搬送装置において、たわみ振動板と反射板により挟まれたリング状の空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉して搬送している状態を模式的に示す図である。 リング状の搬送路に沿って被搬送微小物体を搬送するようにした非接触搬送装置の他の構成例を模式的に示す図である。 円板の振動モードを有限要素解析（ＦＥＡ）したモーダル解析による計算結果を示す図である。 本発明に係る非接触搬送装置のプロトタイプの構造を模式的に示す図である。 上記非接触搬送装置のプロトタイプにおけるリング状の圧電素子の駆動状況及び振動振幅分布の計算結果を模式的に示す図である。 プロトタイプの非接触搬送装置により被搬送微小物体としてポリスチレン粒子を５個捕捉した様子を撮影した画像を示す図である。 上記プロトタイプの非接触搬送装置において１個のポリスチレン粒子を捕捉してリング状の搬送路に沿って逆時計回り方向に非接触搬送する状態を撮影し重ね合わせた画像を示す図である。 リング状の非接触搬送路を有する非接触搬送部に直線状の非接触搬送路を有する非接触搬送部を複数連結した非接触搬送システムの構成例を模式的に示す図である。 上記非接触搬送システムにおける搬送路入口部分及び搬送路出口部分の構造を模式的に示す図である。 リング状の非接触搬送路を有する非接触搬送部と直線状の非接触搬送路を有する非接触搬送部をそれぞれ複数組み合わせて連結した非接触搬送システムの構成例を模式的に示す図である。 本発明を適用した非接触搬送装置の他の構成例を模式的に示す図である。 図１６に示した構成の非接触搬送装置におけるたわみ振動板の振動分布の測定結果を示す図である、 図１６に示した構成の非接触搬送装置におけるたわみ振動板と反射板との間の音圧分布の測定結果を示す図である。 図１８中の各場所Ａ１〜Ａ３における搬送方向の音圧の位相分布を示す図である。 図１８中の場所Ａ４の垂直方向の位相分布を示す図である。 図１６に示した構成の非接触搬送装置における粒子の搬送軌跡を音圧分布と共に示す図である。 図２１より求めた粒子の搬送速度の時間変化を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
本発明は、例えば図１に示すように、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板１０を長手方向の２箇所において加振する１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを電気信号により励振して、上記たわみ振動板１０を進行波超音波振動させて、上記たわみ振動板１０上の被搬送微小物体５０を上記たわみ振動板１０の長手方向に搬送する非接触搬送装置１００に適用される。
この非接触搬送装置１００には、上記たわみ振動板１０と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に反射板２０が設置されている。上記たわみ振動板１０と上記反射板２０は、互いに対向する矩形形状に形成されている。
また、この非接触搬送装置１００は、上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを電気信号により励振する駆動部４０を備える。
この非接触搬送装置１００において、たわみ振動板１０は、例えば、幅６０ｍｍ、長さ６００ｍｍ、厚み３ｍｍのジュラルミン製の振動板であって、その長手方向の両端部分にそれぞれ超音波ホーン３１Ａ，３１Ｂを介して連結板３５に設けられた１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂが接続されている。上記超音波ホーン３１Ａ，３１Ｂは、上記たわみ振動板１０に対してその長手方向両端部において長手方向と直交する状態で取付けられている。
上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂは、例えば、それぞれ図示しないボルトによって締め付け固定されるリング状のピエゾ素子を備えた所謂ボルト締めランジュバン型振動子が使用されており、駆動用の電気信号が駆動部４０からピエゾ素子に印加されることにより励振されるようになっている。
上記駆動部４０は、駆動用の電気信号として、周波数が２０〜５０ｋＨｚ程度の２相の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)）を発生する信号発生器４１と、上記第１の駆動信号cos(ωt)と第２の駆動信号cos(ωt＋θ)を増幅して上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂに供給する２つの電力増幅器４２Ａ，４２Ｂと、上記第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の位相θを可変制御する位相制御部４３からなる。
この非接触搬送装置１００では、駆動用の電気信号として、周波数が２０〜５０ｋＨｚ程度の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)）が駆動部４０から上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂに供給されることにより励振される上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂの超音波振動がそれぞれ超音波ホーン３１Ａ，３１Ｂにより増幅されて上記たわみ振動板１０に印加される。これにより、いくつかの共振周波数で上記たわみ振動板１０にたわみ振動を励振することができる。
ここで、上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂは、上記たわみ振動板１０の自由振動における腹の位置を上記たわみ振動板１０を長手方向の２箇所において加振するようにすると、効率よく上記たわみ振動板１０にたわみ振動を励振することができる。
そして、この非接触搬送装置１００では、上記たわみ振動板１０と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に反射板２０が設置されているので、上記駆動部４０により上記１対の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板１０を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板１０と上記反射板２０により挟まれた空間に超音波定在波が形成され、図２に示すように、この超音波定在波の節部に被搬送微小物体５０を捕捉することができる。また、上記駆動部４０により上記１対の超音波振動子を励振させる電気信号、すなわち、周波数が２０〜５０ｋＨｚ程度の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)）の位相差を制御することにより、上記たわみ振動板１０を伝搬するたわみ波の進む方向やその強さを制御することができ、この非接触搬送装置１００では、上記第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の位相θを位相制御部４３により可変制御することにより、上記たわみ振動板１０と上記反射板２０により挟まれた空間に形成される超音波定在波の節の位置を上記反射板２０の長手方向の一次元上で任意の位置及び方向に変化させ、上記超音波定在波の節部に捕捉されている被搬送微小物体５０の空間位置を制御することができ、上記位相制御部４３により上記第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の位相θを連続的に変化させることにより、上記たわみ振動板１０を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体５０を上記たわみ振動板１０の長手方向に非接触搬送することができる。上記たわみ振動板１０と上記反射板２０で挟まれた直線状の空間が上記被搬送微小物体５０の搬送路となっている。
この非接触搬送装置１００では、１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを電気信号により励振して、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板１０を長手方向の２箇所において加振することにより超音波振動させ、上記たわみ振動板１０と反射板２０により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体５０を捕捉し、上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記たわみ振動板１０を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体５０を上記たわみ振動板１０の長手方向に搬送する。
すなわち、この非接触搬送装置１００は、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板１０と、上記たわみ振動板１０と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板２０と、上記たわみ振動板１０を長手方向の２箇所において加振する１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂと、上記１対の超音波振動子を電気信号により励振する駆動部４０を備え、上記駆動部４０により上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを励振して上記たわみ振動板１０を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板１０と上記反射板２０により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体５０を捕捉し、上記駆動部４０により上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記たわみ振動板１０を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体５０を上記たわみ振動板１０の長手方向に搬送するようになっている。
ここで、上記反射板２０は、音波を十分に反射する材質であればよく、厚さ１ｍｍ程度の一般的なアルミニウム板やアクリル板などを使用することができる。また、被搬送微小物体５０は、音波の波長よりも十分小さいものであれば、比重の小さい材質ほど捕捉しやすい。また、非接触搬送可能な被搬送微小物体５０の重量は、上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを励振させる電気信号の電力によって決定される。さらに、非接触搬送される被搬送微小物体５０は、固体に限られることなく液体であってもよい。
この非接触搬送装置１００では、上記たわみ振動板１０と上記反射板２０で挟まれた直線状の空間を搬送路として上記被搬送微小物体５０を非接触搬送することができる。
上記非接触搬送装置１００では、上記たわみ振動板１０と上記反射板２０で挟まれた長さ６００ｍｍの直線状の搬送路を全長に亘って、被搬送微小物体５０として粒径が３ｍｍ程度の発砲スチロール粒子を非接触搬送することができた。
ここで、上記たわみ振動板１０と上記反射板２０と上記１対の超音波振動子３０Ａ，３０Ｂと上記駆動部４０とからなる搬送ユニットを複数連結することにより、数１０ｍに亘る長距離の非接触搬送も可能である。
例えば、上記非接触搬送装置１００を１つの搬送ユニットとして、図３に示すように、複数の搬送ユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・を連結することにより、任意の搬送路長の非接触搬送装置１０００を構築することができる。
また、上記非接触搬送装置１００では、上記駆動部４０の位相制御部４３により第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の位相θを可変制御することにより、上記たわみ振動板１０と上記反射板２０により挟まれた空間に形成される超音波定在波の節の位置を上記たわみ振動板１０の長手方向の一次元上で任意の位置及び方向に変化させ、上記超音波定在波の節部に捕捉されている被搬送微小物体５０の空間位置を制御するようにしたが、図４に示す非接触搬送装置２００のように、上記信号発生器４１で発生する上記高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)）の周波数を可変制御する周波数制御部４４を駆動部４０に設けて、第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の周波数も制御するようにしてもよい。なお、この非接触搬送装置２００において、駆動部４０の周波数制御部４４以外の構成要素については、上記非接触搬送装置１００と同じなので、図４中に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この非接触搬送装置２００では、上記第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の周波数を変化させることにより、上記たわみ振動板１０と上記反射板２０に挟まれた空間において、上記たわみ振動板１０の長手方向（Ｘ方向）と直交するＹ方向で上記被搬送微小物体５０を捕捉する上記超音波定在波の節部の位置を制御することができ、上記超音波定在波の節部に捕捉されている被搬送微小物体５０の空間位置を、上記位相制御部４３による第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の位相θの制御によりＸ方向で変化させ、また、上記周波数制御部４４による第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の周波数の制御によりＹ方向で変化させ、二次元方向に制御することができる。
また、上記非接触搬送装置１００では、上記たわみ振動板１０と上記反射板２０で挟まれた直線状の空間を搬送路として上記被搬送微小物体５０を非接触搬送するようにしたが、例えば、図５に示す非接触搬送装置３００のように、たわみ振動板３１０をリング形状に形成し、上記たわみ振動板３１０と円盤状の反射板３２０で挟まれたリング状の空間を被搬送微小物体３５０の搬送路とし、上記リング形状のたわみ振動板３１０の円周方向の対向する位置において、駆動部３４０により対をなす超音波振動子３３１Ａ・３３１Ｂ、３３２Ａ・３３２Ｂを逆位相の電気信号により励振して上記たわみ振動板３１０の進行波超音波振動を周回させ、上記リング状の搬送路に沿って上記被搬送微小物体３５０を搬送するように構成することもできる。
この非接触搬送装置３００は、対をなす超音波振動子３３１Ａ・３３１Ｂ、３３２Ａ・３３２Ｂとして、それぞれ所謂ボルト締めランジュバン型振動子を使用した二対の超音波振動子を備える。上記駆動部３４０は、周波数が２０〜５０ｋＨｚ程度の４相の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋π)、第３の駆動信号sin(ωt)、第４の駆動信号sin(ωt＋π))を駆動用の電気信号とし、上記リング形状のたわみ振動板３１０の円周方向の対向する位置において、超音波振動子３３１Ａ・３３１Ｂを逆位相の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋π)）にて励振するとともに、超音波振動子３３２Ａ・３３２Ｂを逆位相の高周波信号（第３の駆動信号sin(ωt)、第４の駆動信号sin(ωt＋π))にて励振することにより、図６に示すように、上記たわみ振動板３１０の進行波超音波振動を周回させ、上記リング状の搬送路に沿って上記被搬送微小物体３５０を搬送する。
なお、図７に示す非接触搬送装置３００Ａのように、円周方向に四分割した各領域に電極パターン３３１ａ・３３１、３３２ａ・３３２ｂを形成してなるリング形状の圧電素子３３０を二対の超音波振動子３３１Ａ・３３１Ｂ、３３２Ａ・３３２Ｂとして用い、上記円周方向に四分割した各領域に形成した電極パターン３３１ａ・３３１、３３２ａ・３３２ｂに駆動部３４０から逆位相の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋π)）と逆位相の高周波信号（第３の駆動信号sin(ωt)、第４の駆動信号sin(ωt＋π))を供給して、上記二対の超音波振動子３３１Ａ・３３１Ｂ、３３２Ａ・３３２Ｂを励振することにより、上記非接触搬送装置３００と同様に、上記たわみ振動板３１０の進行波超音波振動を周回させ、上記リング状の搬送路に沿って上記被搬送微小物体３５０を搬送することもできる。なお、この非接触搬送装置３００Ａにおいて、駆動部４０の超音波振動子３３１Ａ・３３１Ｂ、３３２Ａ・３３２Ｂの構造、すなわち、上記二対の超音波振動子３３１Ａ・３３１Ｂ、３３２Ａ・３３２Ｂとして、ボルト締めランジュバン型振動子に替えて、電極パターン３３１ａ・３３１、３３２ａ・３３２ｂを形成したリング形状の圧電素子３３０を上記リング形状のたわみ振動板３１０に直接貼り付けた構造以外は、上記非接触搬送装置３００と同じなので、共通構成要素については、図７中に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
なお、直線搬送を行う非接触搬送装置においても、超音波振動子として、ボルト締めランジュバン型振動子に替えて、電極パターンを形成した圧電素子をたわみ振動板に直接貼り付けた構造を採用することもでき、また、複数個の超音波振動子によりたわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振することにより上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を順次捕捉して上記たわみ振動板の長手方向に搬送することができる。
ここで、直径３０ｍｍで厚さ０．５ｍｍの２枚のアルミニウム円板をたわみ振動板と反射板として５ｍｍの距離で平行に設けたプロトタイプの非接触搬送装置において、上記反射板と上記振動板と間の空気中で音響定在波を発生させるために、円板の振動モードを有限要素解析（ＦＥＡ）することにより得られた１８〜１００ｋＨｚまでＦＥＡのモーダル解析による計算結果を図８に示す。図８において、ｍ及びｎは各共振振動モードにおける節線及び節円の数を示す。
そして、図９の（Ａ）に示すように、上記非接触搬送装置３００Ａのプロトタイプとして、直径３０ｍｍで厚さ０．５ｍｍのアルミニウム円板を上記たわみ振動板３１０として使用し、上記リング状の圧電素子３３０として厚さ０．５ｍｍの圧電ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）のリングをエポキシ化合物によって上記たわみ振動板３１０に付けるとともに、上記たわみ振動板３１０のセンターに支持ロッドを付け、上記直径３０ｍｍで厚さ０．５ｍｍのアルミニウム円板を用いた反射板３２０を上記たわみ振動板３１０と５ｍｍの距離で平行に設けたものを作成したところ、数ミリメートルの直径によるポリスチレン粒子を一定の間隔で定在波の節線で捕獲することができ、上記たわみ振動板３１０と反射板３２０により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に上記被搬送微小物体３５０としてポリスチレン粒子を順次捕捉して上記リング状の搬送路に沿って上記被搬送微小物体３５０を非接触搬送することすることができた。
上記非接触搬送装置３００Ａのプロトタイプでは、上記有限要素解析（ＦＥＡ）による計算結果から、リング状の圧電素子３３０の電極は、４７．８ｋＨｚの共振周波数で１つの節円及び４つの節線でたわみの振動モードを生み出すために、図９の（Ｂ）に示すように、２４の部分に分けた。
そして、プロトタイプの非接触搬送装置３００ＡについてのＦＥＡによる計算結果では、半波長が円周方向で４５度と一致する（１、４）たわみモードの定在波が発生したので、リング状の圧電素子３３０の駆動信号を制御することによって円周方向で捕獲粒子の位置を制御するの（１、４）たわみモードの定在波を用いた。
上記リング状の圧電素子３３０の駆動状況及び振動振幅分布の計算結果を図１０の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す。図１０の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）では、分割された電極がＶ＝ｃｏｓωｔと−ｃｏｓωｔの入力電圧で励起されたことを意味する「＋」及び「−」により駆動状況が示され、たわみ振動板３１０は、電気的に接地されている。
すなわち、図１０の(Ａ)に示すように、「＋」及び「−」の入力電圧は、４５度、各々の３つの電極に印加した駆動状態（ここでは、この駆動状態を３−３ドライブと呼ぶ）から、図１０の(Ｂ)に示すように、電極の入力駆動信号のうちの１つ「−」の入力電圧を「＋」の入力電圧に変えた駆動状態（ここでは、この駆動状態を４−２ドライブと呼ぶ）としたときに、（１、４）モードが現れ、節線が逆時計回り方向で７．５度回転し、さらに、図１０の(Ｃ)に示すように、電極の入力駆動信号のうちの１つ「＋」の入力電圧を「−」の入力電圧に変えて再度３−３ドライブの駆動状態としたときに、（１、４）モードが現れ、節線が逆時計回り方向でさらに７．５度回転し、全体で１５度回転する。
上記プロトタイプの非接触搬送装置３００では、上記リング状の圧電素子３３０の駆動状態を３-３ドライブの駆動状態と４-２ドライブの駆動状態に交互に切り換えることにより、上記たわみ振動板３１０と反射板３２０により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に上記被搬送微小物体３５０としてポリスチレン粒子を順次捕捉し、駆動状態を１回切り換える毎に逆時計回り方向で７．５度ずつ、上記リング状の搬送路に沿って逆時計回り方向に上記被搬送微小物体３５０を非接触搬送することができる。
ここで、上記プロトタイプの非接触搬送装置３００Ａにおいて、反射板３２０に透明なアクリル板を用いて、上記たわみ振動板３１０と反射板３２０により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に上記被搬送微小物体３５０としてポリスチレン粒子を５個捕捉した様子を撮影した画像を図１１の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、５個のポリスチレン粒子を円板のまわりで上記たわみ振動板３１０のたわみ振動の半波長と一致した一定の間隔で捕獲することができた。また、ポリスチレン粒子を捕獲することができる位置は、図１１の(Ｃ)に示すように、スキャンＬＤＶを使った観察によりＦＥＡで予測した位置と一致することが確認された。
また、上記プロトタイプの非接触搬送装置３００Ａにより、上記被搬送微小物体３５０として１個のポリスチレン粒子を捕捉し、上記リング状の圧電素子３３０の駆動状態を３-３ドライブの駆動状態と４-２ドライブの駆動状態に交互に切り換えることにより、上記たわみ振動板３１０と反射板３２０により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に上記ポリスチレン粒子を順次捕捉し、上記リング状の搬送路に沿って逆時計回り方向に非接触搬送する状態を撮影し重ね合わせた画像を図１２に示す。
上述の如きたわみ振動板と反射板で挟まれた直線状の空間を被搬送微小物体の搬送路とした本発明に係る非接触搬送装置は、複数連結することにより、長距離の非接触搬送システムを構築することができ、また、たわみ振動板と反射板で挟まれたリング状の空間を被搬送微小物体の搬送路とした非接触搬送装置と組み合わせることにより、例えば、図１３に示すように、搬送元や搬送先の切り換えることのできる非接触搬送システム５００を構築することができる。
この非接触搬送システム５００は、図１３の（Ａ）に示すように、リング状の非接触搬送路を有する非接触搬送部５１０に、それぞれ直線状の非接触搬送路を有する３個の非接触搬送部５２０Ａ，５２０Ｂ，５２０Ｃを連結してなる。
上記第１の非接触搬送部５２０Ａは、長尺な平板状に形成され直線状のたわみ振動板５２１Ａと、上記たわみ振動板５２１Ａと対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板５２２Ａと、上記たわみ振動板５２１Ａを長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子と、上記複数個の超音波振動子を異なる位相の電気信号により励振する駆動部とを備え、上記たわみ振動板５２１Ａと反射板５２２Ａで挟まれた直線状の空間を被搬送微小物体の非接触搬送路としたもので、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板５２１Ａを超音波振動させることにより、上記たわみ振動板５２１Ａと上記反射板５２２Ａにより挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板５２１Ａの長手方向に搬送する。上記第１の非接触搬送部５２０Ａには、図１４に示すように、この非接触搬送システム５００における被搬送微小物体５５０の搬送元となる上記たわみ振動板５２１Ａと反射板５２２Ａで挟まれた直線状の非接触搬送路の搬送路入口部分において、被搬送微小物体５５０を捕捉する超音波定在波の節部の上方に位置し、被搬送微小物体５５０を超音波定在波の節部に落下させて捕捉させるための複数の搬入管５３０が設けられている。上記搬入管５３０の先端位置は、搬送対象が捕捉される位置、すなわち空気中の音響定在波節線上に近い位置とすればよく、また、複数の搬入管５３０は、搬送方向の定在波の波長の間隔をもって設けられる。
上記搬入管５３０を通って第１の非接触搬送部５２０Ａに投入された被搬送微小物体５５０は、自動的に音響定在波の節の位置に捕捉され、直線状の搬送路に沿って非接触搬送される。
そして、上記第１の非接触搬送部５２０Ａは、搬送元から搬入された被搬送微小物体５５０を非接触搬送して上記リング状の非接触搬送路を有する非接触搬送部５１０に渡す。
また、上記非接触搬送部５１０は、長尺な平板状に形成されたリング状のたわみ振動板５１１と、上記たわみ振動板５１１と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板５１２と、上記たわみ振動板５１１を長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子と、上記複数個の超音波振動子を異なる位相の電気信号により励振する駆動部とを備え、上記たわみ振動板５１１と反射板５１２で挟まれたリング状の空間を被搬送微小物体の非接触搬送路としたもので、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板５１１を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板５１１と上記反射板５１２により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体５５０を捕捉し、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体５５０を上記たわみ振動板５１１の長手方向すなわち上記たわみ振動板５１１の円周方向に搬送する。この非接触搬送部５１０は、図１３（Ｂ）に示すように、上記搬送元から搬入され上記第１の非接触搬送部５２０Ａを介して受け渡された被搬送微小物体を非接触搬送して、第２の非接触搬送部５２０Ｂ、又は、第３の非接触搬送部５２０Ｃに渡す。
この第１の非接触搬送部５２０Ａは、搬送元から搬入された被搬送微小物体５５０を非接触搬送して上記リング状の非接触搬送路を有する非接触搬送部５１０に渡す。
上記第１の非接触搬送部５２０Ａから非接触搬送部５１０に被搬送微小物体５５０を確実に受け渡すために、この非接触搬送システム５００では、上記第１の非接触搬送部５２０Ａの振動板５２１Ａ及び反射板５２２Ａと上記非接触搬送部５１０の振動板５１１及び反射板５１２の一部を重ねて配置してある。この場合、上記第１の非接触搬送部５２０Ａにおける超音波の周波数と上記非接触搬送部５１０における超音波の周波数とに差を持たせることにより、各々の振動板５２１Ａ，５１１と反射板５２２Ａ，５１２間の距離に差が生じ、振動板５２１Ａ，５１１と反射板５２２Ａ，５１２を重ね合わせる配置とすることができる。
上記第１の非接触搬送部５２０Ａの直線状の搬送路を通って運ばれてきた被搬送微小物体５５０は、上記非接触搬送部５１０に超音波定在波によって捕捉されることにより受け渡され、上記非接触搬送部５１０のリング状の搬送路に沿って非接触搬送され、上記非接触搬送部５１０から第２又は第３の非接触搬送部５２０Ｂ，５２０Ｃに受け渡される。
すなわち、上記リング状の非接触搬送路を有する非接触搬送部５１０は、被搬送微小物体５５０の搬送先を切り替える進路切替部として機能する。
上記第２の非接触搬送部５２０Ｂは、長尺な平板状に形成され直線状のたわみ振動板５２１Ｂと、上記たわみ振動板５２１Ｂと対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板５２２Ｂと、上記たわみ振動板５２１Ｂを長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子と、上記複数個の超音波振動子を異なる位相の電気信号により励振する駆動部とを備え、上記たわみ振動板５２１Ｂと反射板５２２Ｂで挟まれた直線状の空間を被搬送微小物体５５０の非接触搬送路としたもので、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板５２１Ｂを超音波振動させることにより、上記たわみ振動板５２１Ｂと上記反射板５２２Ｂにより挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体５５０を上記たわみ振動板５２１Ｂの長手方向に搬送する。この第２の非接触搬送部５２０Ｂは、上記非接触搬送部５１０から受け渡された被搬送微小物体５５０を第１の搬送先まで非接触搬送する。
ここで、上記第２の非接触搬送部５２０Ｂには、図１４に示すように、この非接触搬送システム５００における被搬送微小物体５５０の第１の搬送先となる上記たわみ振動板５２１Ｂと反射板５２２Ｂで挟まれた直線状の非接触搬送路の搬送路出口部分において、被搬送微小物体５５０を捕捉する超音波定在波の節部の下方に位置し、被搬送微小物体５５０を超音波定在波の節部から落下させて取り出すための複数の搬出管５４０が設けられている。そして、上記第２の非接触搬送部５２０Ｂを介して第１の搬送先に非接触搬送された被搬送微小物体５５０は、上記非接触搬送路の搬送路出口部分において、当該被搬送微小物体５５０を節部に捕捉している超音波定在波の発生を停止させて捕捉をとくことにより、節部の下方に落下させて上記搬出管５４０を介して搬出される。
また、上記第３の非接触搬送部５２０Ｃは、長尺な平板状に形成され直線状のたわみ振動板５２１Ｃと、上記たわみ振動板５２１Ｃと対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板５２２Ｃと、上記たわみ振動板５２１Ｃを長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子と、上記複数個の超音波振動子を異なる位相の電気信号により励振する駆動部とを備え、上記たわみ振動板５２１Ｃと反射板５２２Ｃで挟まれた直線状の空間を被搬送微小物体５５０の非接触搬送路としたもので、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板５２１Ｃと上記反射板５２２Ｃにより挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体５５０を上記たわみ振動板５２１Ｃの長手方向に搬送する。この第３の非接触搬送部５２０Ｃは、上記非接触搬送部５１０から受け渡された被搬送微小物体５５０を第２の搬送先まで非接触搬送する。
なお、上記第３の非接触搬送部５２０Ｃでは、上記第２の非接触搬送部５２０Ｂと同様に、上記第３の非接触搬送部５２０Ｃを介して第２の搬送先に非接触搬送された被搬送微小物体５５０は、上記非接触搬送路の搬送路出口部分において、当該被搬送微小物体５５０を節部に捕捉している超音波定在波の発生を停止させて捕捉をとくことにより、節部の下方に落下させて搬出管を介して搬出される。
この非接触搬送システム５００では、搬送元から搬入された被搬送微小物体５５０を直線状の非接触搬送路を有する第１の非接触搬送部５２０Ａを介してリング状の非接触搬送路を有する非接触搬送部５１０まで搬送し、被搬送微小物体を上記非接触搬送部５１０から第２又は第３の非接触搬送部５２０Ｂ，５２０Ｃを介して第１の搬送先または第２の搬送先に搬送することができる。
なお、この非接触搬送システム５００では、上記第２及び第３の非接触搬送部５２０Ｂ、５２Ｃに備えられた上記たわみ振動板５２１Ｂ、５２１Ｃと反射板５２２Ｂ、５２２Ｂを上記第１の非接触搬送部５２０とは上下を反転した配置とし、上方側に位置する反射板５２２Ｂ、５２２Ｃに搬出管５４０を設けるようにしたが、上下を反転せずに、上方側に位置するたわみ振動板５２１Ｂ、５２１Ｃに搬出管５４０を設けるようにしてもよい。
また、上記非接触搬送システム５００では、リング状の非接触搬送路を有する非接触搬送部５１０に、それぞれ直線状の非接触搬送路を有する３個の非接触搬送部５２０Ａ，５２０Ｂ，５２０Ｃを連結したが、上記リング状の非接触搬送路を有する非接触搬送部５１０には、最大で上記リング状の非接触搬送路において同時に捕捉することのできる被搬送微小物体５５０の数に等しい数だけ、それぞれ直線状の非接触搬送路を有する非接触搬送部を連結することができ、また、複数の搬送元を有するものとすることもできる。
さらに、各非接触搬送部の反射板は、振動板と同形状である必要はなく、搬送路一式上に一枚存在する構造でもよく、例えば図１５に示すように、１枚の大型反射板６３０を用いることができ、さらに、リング状の非接触搬送路を有する複数の非接触搬送部６１０Ａ，６１０Ｂと直線状の非接触搬送路を有する複数の非接触搬送部６２０Ａ〜６２０Ｆを組み合わせて連結した非接触搬送システム６００を構築することもできる。
また、上記非接触搬送装置１００、２００、３００では、複数個の超音波振動子により、たわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振してたわみ振動板を超音波振動させるようにしたが、図１６に示す非接触搬送装置７００のように、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板７１０と、上記たわみ振動板７１０と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板７２０とにより挟まれた空間を被搬送微小物体７６０の搬送路とし、上記たわみ振動板７１０を長手方向の一端において超音波振動子７３０により加振することにより、上記たわみ振動板７１０を超音波振動させ、上記たわみ振動板７１０を長手方向の他端に取り付けられた超音波吸収材７４０Ａ，７４０Ｂからなる超音波吸収部７４０により上記たわみ振動板７１０の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板７１０を進行波超音波振動させ、上記たわみ振動板７１０と反射板７２０により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体７６０を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体７６０を上記たわみ振動板７１０の長手方向に搬送することもできる。
この非接触搬送装置７００では、超音波振動子７３０には、１本のエクスポーネンシャルホーン付ボルト締めランジュバン振動子を用いた。また、長さ４００ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム製板をたわみ振動板７１０とし、その一端から３０ｍｍの位置に超音波振動子７３０をネジ締結し、もう片端に超音波吸収材７４０Ａ，７４０Ｂとして鉛板(長さ４ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ１ｍｍ)を表裏両面に万力で固定して超音波吸収部７４０を設けた。そして、たわみ振動板７１０と反射板７２０の間の空中に、垂直方向(ｚ方向)に音圧の節が２つの空中音場が励振されるようにたわみ振動板７１０から１３．５ｍｍの位置に平行にアルミニウム製板(長さ２２０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ３ｍｍ)を反射板７２０として設置した。
なお、上記超音波吸収部７４０は、鉛以外の金属やプラスチックなど超音波吸収材７４０Ａ，７４０Ｂを用いて構成することもできる。
そして、駆動部７５０により上記超音波振動子７３０を励振して、上記たわみ振動板７１０を長手方向の一端において加振することにより、上記たわみ振動板７１０を超音波振動させ、上記たわみ振動板７１０の長手方向の他端に設けられた超音波吸収部７４０により上記たわみ振動板７１０の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板７１０を進行波超音波振動させ、上記たわみ振動板７１０と上記反射板７２０により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体７６０を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体７６０を上記たわみ振動板７１０の長手方向に搬送する。
この非接触搬送装置７００では、超音波振動子７３０の縦振動がたわみ振動板７１０のたわみ進行波に変換されて超音波吸収部７４０によって吸収される。
このような構成の非接触搬送装置７００では、駆動周波数３１．６ｋＨｚでたわみ振動板７１０を超音波振動させると、振動板幅方向中央部の長手方向（ｘ方向）の振動分布をＬＤＶ(CLV-1000&700,PI Polytec)で測定した結果を図１７に示すように、定在波比はおよそ３であり、たわみ振動板７１０に沿って伝播速度約５７０ｍ／ｓのたわみ進行波が発生する。
また、たわみ振動板７１０と反射板７２０との間の音圧分布をプローブマイクロホン(Type 5935,Bruel &Kjar)を使い測定した結果を図１８に示す。さらに、上記図１８中の各場所Ａ１〜Ａ３における搬送方向の音圧の位相分布を図１９に示すとともに、場所Ａ４の垂直方向の位相分布を図２０に示す。
図１９に示すように、搬送方向へは位相が直線的に変化しており、波長１９．０ｍｍの進行波が伝搬している。また、図２０に示すように、垂直方向へは節数２の定在波となっている。
したがって、たわみ振動板７１０のたわみ振動の伝播速度、空気中の音速からたわみ振動板７１０と反射板７２０の間の距離は上記の値とすることによって、垂直方向の定在波により被搬送微小物体７６０を浮揚し、水平方向の進行波により搬送することができる。
上記非接触搬送装置７００において、たわみ振動板７１０と反射板７２０の間に上述の進行波音場を発生することで被搬送微小物体７６０として直径２ｍｍのポリスチレン粒子を用いて距離約１００ｍｍ非接触直線搬送することができた。粒子の搬送軌跡を音圧分布と共に図２１に示す。
図２１は、０．１秒毎の粒子の位置を表している。粒子は音圧分布の節線に沿って移動していることがわかる。また、搬送方向に進むにつれて粒子の搬送軌跡が節線から上下にあばれている。
ここで、図２１より求めた粒子の搬送速度の時間変化を図２２に示す。
粒子にはｘ正方向の搬送力とそれと逆向きの速度と比例する空気抵抗が作用すると考えると、粒子の搬送速度ｖ（ｔ）はｖ（ｔ）＝ｖ０（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））で表される。
ここで、ｖ０は終端速度であり、τは時定数である。およそ０．２秒後に終端速度４１０ｍｍ／秒に達している。図２２の時刻ｔ＝０．０８秒における加速度は、速度の傾きより１１．７ｍ／ｓｅｃ２と算出される。よって、ポリスチレン粒子（０．３ｍｇ）を押す搬送方向への力は９．０×１０−７Ｎと見積もられる。節線から上下方向への位置ずれは音場分布の乱れによるものと思われる。
上記非接触搬送装置７００にように、たわみ振動板７１０と反射板７２０の間に、垂直方向へは超音波定在波を、水平方向（搬送方向）へは超音波進行波を用いることにより被搬送微小物体７６０を非接触で秒速数百ミリメートル程度の高速で長距離に亘って直線搬送できる。
また、上記非接触搬送装置７００を１つの搬送ユニットとして、複数の搬送ユニットを連結することにより、任意の搬送路長の非接触搬送システムを構築してもよい。
すなわち、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振する超音波振動子と、上記超音波振動子を電気信号により励振する駆動部と、上記たわみ振動板を長手方向の他端に取り付けられた超音波吸収材とを備え、上記駆動部により上記超音波振動子を励振して、上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振することにより、上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板を長手方向の他端に取り付けられた超音波吸収材により上記たわみ振動板の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する非接触搬送部を複数連結してなる非接触搬送システムを構築することもできる。
上記非接触搬送装置７００を１つの搬送ユニットとして、複数の搬送ユニットを連結してなる非接触搬送システムでは、１つの搬送ユニットにより連続的に高速で非接触搬送された被搬送物体は、慣性により次の搬送ユニットに順次移動する。
１０、３１０、５１１、５２１Ａ、５２１Ｂ、７１０ たわみ振動板
２０、３２０、５１２、５２２Ａ、５２２Ｂ、６３０、７２０ 反射板
３０Ａ・３０Ｂ、３３１Ａ・３３１Ｂ、３３２Ａ・３３２Ｂ、７３０ 超音波振動子
３１Ａ，３１Ｂ 超音波ホーン
３５ 連結板
４０ ３４０、７５０ 駆動部
４１ 信号発生器、
４２Ａ，４２Ｂ 電力増幅器
４３ 位相制御部
４４ 周波数制御部
５０、３５０、５５０、７６０ 被搬送微小物体
１００、２００、３００、３００Ａ、７００、１０００ 非接触搬送装置
１００Ａ，１００Ｂ・・・ 搬送ユニット
３３１ａ・３３１、３３２ａ・３３２ｂ 電極パターン
３３０ 圧電素子
５００、６００ 非接触搬送システム
５１０、６１０Ａ、６１０Ｂ 非接触搬送部
５２０Ａ〜５２０Ｃ、６２０Ａ〜６２０Ｆ 非接触搬送部
５３０ 搬入管
５４０ 搬出管
７４０ 超音波吸収部
７４０Ａ，７４０Ｂ 超音波吸収材

Claims (19)

  1. 長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、
    上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、
    上記たわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子と、
    上記複数個の超音波振動子を異なる位相の電気信号により励振する駆動部と
    を備え、
    上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、
    上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御して、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する非接触搬送装置。
  2. 上記駆動部により上記たわみ振動板を長手方向の２箇所において加振する１対の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、
    上記駆動部により上記１対の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御して、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する
    ことを特徴とする請求項１記載の非接触搬送装置。
  3. 上記１対の超音波振動子は、上記たわみ振動板の自由振動における腹の位置を上記たわみ振動板を長手方向の２箇所において加振することを特徴とする請求項２記載の非接触搬送装置。
  4. 上記１対の超音波振動子は、それぞれ超音波ホーンを介して上記たわみ振動板を長手方向の２箇所において加振することを特徴とする請求項２記載の非接触搬送装置。
  5. 上記たわみ振動板と上記反射板は、互いに対向する矩形形状に形成され、上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれた直線状の空間を上記被搬送微小物体の搬送路としたことを特徴とする請求項２記載の非接触搬送装置。
  6. 上記たわみ振動板と上記反射板と上記１対の超音波振動子と上記駆動部とからなる搬送ユニットを複数連結してなることを特徴とする請求項１記載の非接触搬送装置。
  7. 上記駆動部は、上記１対の超音波振動子を励振する上記電気信号の周波数を変化させることにより、上記たわみ振動板と上記反射板に挟まれた空間において上記被搬送微小物体を捕捉する上記超音波定在波の節部の位置を制御することを特徴とする請求項２記載の非接触搬送装置。
  8. 上記たわみ振動板はリング形状に形成され、上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれたリング状の空間を搬送路とし、上記リング形状のたわみ振動板の円周方向の対向する位置において、上記駆動部により対をなす超音波振動子を逆位相の電気信号により励振して上記たわみ振動板の進行波超音波振動を周回させ、上記リング状の搬送路に沿って上記被搬送微小物体を搬送することを特徴とする請求項１記載の非接触搬送装置。
  9. 上記駆動部により上記たわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御し、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に上記被搬送微小物体を順次捕捉して上記たわみ振動板の長手方向に搬送することを特徴とする請求項１記載の非接触搬送装置。
  10. 上記たわみ振動板はリング形状に形成され、上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれたリング状の空間を搬送路とし、
    上記駆動部により上記リング形状のたわみ振動板の円周方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御し、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に上記被搬送微小物体を順次捕捉して上記リング状の搬送路に沿って上記被搬送微小物体を搬送することを特徴とする請求項９記載の非接触搬送装置。
  11. 長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、上記たわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子と、上記複数個の超音波振動子を異なる位相の電気信号により励振する駆動部とを備え、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する非接触搬送部を複数連結してなる非接触搬送システム。
  12. たわみ振動板と反射板で挟まれた直線状の空間を被搬送微小物体の搬送路とした非接触搬送部を複数連結してなることを特徴とする請求項１１記載の非接触搬送システム。
  13. たわみ振動板と反射板で挟まれたリング状の空間を被搬送微小物体の搬送路とした非接触搬送部に、たわみ振動板と反射板で挟まれた直線状の空間を被搬送微小物体の搬送路とした非接触搬送部を複数連結してなることを特徴とする請求項１２記載の非接触搬送システム。
  14. 複数個の超音波振動子を位相の異なる電気信号により励振して、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振することにより上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、
    上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する非接触搬送方法。
  15. １対の超音波振動子によりたわみ振動板を長手方向の２箇所において加振することにより超音波振動させ、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、
    上記１対の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する
    ことを特徴とする請求項１４記載の非接触搬送方法。
  16. 複数個の超音波振動子によりたわみ振動板を長手方向の複数箇所において加振することにより上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御することにより、たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に隣接して発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を順次捕捉して上記たわみ振動板の長手方向に搬送する
    ことを特徴とする請求項１４記載の非接触搬送方法。
  17. 長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、
    上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、
    上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振する超音波振動子と、
    上記超音波振動子を電気信号により励振する駆動部と、
    上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸部と
    を備え、
    上記駆動部により上記超音波振動子を励振して、上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振することにより、上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸部により上記たわみ振動板の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、
    上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する
    ことを特徴とする非接触搬送装置。
  18. 長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振する超音波振動子と、上記超音波振動子を電気信号により励振する駆動部と、上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸収部とを備え、上記駆動部により上記超音波振動子を励振して、上記たわみ振動板を長手方向の一端において加振することにより、上記たわみ振動板を超音波振動させ、上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸収部により上記たわみ振動板の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記たわみ振動板と上記反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する非接触搬送部を複数連結してなる非接触搬送システム。
  19. 長尺な平板状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と対向して空気中における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板とにより挟まれた空間を被搬送微小物体の搬送路とし、
    上記たわみ振動板を長手方向の一端において超音波振動子により加振することにより、上記たわみ振動板を超音波振動させ、
    上記たわみ振動板を長手方向の他端に設けられた超音波吸部により上記たわみ振動板の超音波振動を吸収することによって、上記たわみ振動板を進行波超音波振動させ、上記たわみ振動板と反射板により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に被搬送微小物体を捕捉し、
    上記超音波定在波の節部に捕捉した被搬送微小物体を上記たわみ振動板の長手方向に搬送する非接触搬送方法。
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