JP3864688B2

JP3864688B2 - 物体浮揚装置

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Publication number: JP3864688B2
Application number: JP2000285604A
Authority: JP
Inventors: 正己高三; 貞行上羽; 義和小池
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: JP2002096919A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば音波等の放射圧を用いて物体を浮揚させる物体浮揚装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体を空中に浮揚させる物体浮揚装置として、振動手段により振動される振動体の音波の放射圧により振動体の表面上において物体を浮揚させる物体浮揚装置が特開平７−２４４１５号公報、特開平７−１３７８２４号公報等に開示されている。この装置では平板状の振動体を使用し、浮揚させるべき物体の前記平板状の振動体の表面と対向する面を平面とし、振動体の振動による音波の放射圧により物体が浮揚する。また、浮揚した物体に空気を噴射したり、前記振動体で進行波を発生させて浮揚した物体を移動させる物体搬送装置も提案されている。
【０００３】
また、物体を浮揚状態で搬送する方法として、台車に前記浮揚装置を装備して浮揚装置を移動させる方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
浮揚させる物体が板状で面積が広い場合、物体を安定した状態で浮揚させるには、複数の振動板で物体に放射圧を作用させるのが好ましい。しかし、単純に複数の振動板に縦振動を発生させた場合、物体を所定の位置に保持する作用が不十分で、横方向から僅かな力が作用するだけで物体の位置ずれが発生するという問題がある。
【０００５】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は複数の振動体を使用して物体を浮揚させる場合、物体を所定位置に保持する保持力を向上させることができる物体浮揚装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、複数の振動体を励振手段で励振させて、振動体からの音波の放射圧により振動体の表面上において物体を浮揚させる物体浮揚装置であって、少なくとも３個の振動体と、前記各振動体を進行波が生じるように励振させる励振手段とを備え、浮揚保持すべき物体に前記各振動体の振動に基づく力以外の力が作用しない状態で、各振動体に進行波が生じるように励振させた際、各振動体に発生する進行波による前記物体への力の向きと大きさを示すベクトルの和が実質的に零となるように配設した。「実質的に零」とは、零及び零でなくても零からずれた力では物体を移動させることができない程度のずれを含む。
【０００７】
この発明では、励振手段で励振される複数の振動板からの音波の放射圧により、振動板の表面において物体が浮揚される。各振動体は進行波が発生するように振動される。振動体の数が奇数の場合は、各振動体の進行波の向きが、全部の振動体の配設位置の中心に向かうようになる。振動体の数が偶数の場合は、各振動体の進行波の向きが、全部の振動体の配設位置の中心に向かうようになる場合と、振動体が２個一組で互いに各振動体の進行波の向きが逆方向になる場合とがある。いずれの場合も、浮揚物体にそれぞれ異なる方向からの放射圧が作用して釣り合う状態にあるため、僅かな力が横方向から作用した場合でも、浮揚物体は最初の状態に保持され、保持力が向上する。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記進行波が生じるように励振される各振動体からほぼ等距離の位置に、定在波が生じるように励振される振動体が配設されている。この発明では、定在波が生じる振動体からの放射圧により、物体の面積が大きな場合でもその撓みが抑制されて、物体が安定した状態で浮揚する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を矩形状の平板を浮揚保持するのに適した物体浮揚装置に具体化した第１の実施の形態を図１及び図２に従って説明する。図１（ａ）は物体浮揚装置の模式平面図であり、図１（ｂ）は物体浮揚装置を備えた台車の模式側面図である。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、物体浮揚装置１は矩形板状に形成された振動体２ａ〜２ｄ，３を複数（この実施の形態では５個）備えている。各振動体２ａ〜２ｄ，３は同じ大きさに形成されている。４個の振動体２ａ〜２ｄは進行波を発生するものであり、矩形板状の物体４の四隅と対応する位置に配設されている。各振動体２ａ〜２ｄは、浮揚状態の物体４に各振動体２ａ〜２ｄの振動に基づく力以外の力が作用しない状態で、各振動体２ａ〜２ｄに進行波が生じるように励振された際、各振動体２ａ〜２ｄに発生する進行波による物体４への力の向きと大きさを示すベクトルの和が実質的に零となるように配設されている。１個の振動体３は定在波を発生するもので、４個の振動体２ａ〜２ｄからほぼ等距離の位置に配置されている。
【００１５】
各振動体２ａ〜２ｄには励振手段を構成する２個のホーン５ａ，５ｂが、それぞれその先端において図示しないネジにより締結されている。各ホーン５ａ，５ｂはほぼ円柱状に形成され、各振動体２ａ〜２ｄの対角線上に位置するように取り付けられている。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、各ホーン５ａ，５ｂは振動体２ａ〜２ｄが締結される面の反対側の面において振動子６に固定されている。振動子６には所謂ランジュバン形振動子が使用され、一対のリング状のピエゾ素子７ａ，７ｂと、ピエゾ素子７ａ，７ｂ間に配置されたリング状の電極板８と、ピエゾ素子７ａ，７ｂの外側面と当接する位置に配置された金属ブロック９ａ，９ｂとを、図示しないボルトによって締め付け固定することにより構成されている。ボルトは金属ブロック９ａに形成された図示しないねじ穴に、金属ブロック９ｂ側から螺合されている。両金属ブロック９ａ，９ｂはボルトを介して互いに導通された状態となっている。
【００１７】
図２に示すように、各振動体２ａ〜２ｄの振動体３から遠い側に位置するホーン５ａを励振させる振動子６は、発振器１０に接続されている。電極板８は配線１１ａを介して発振器１０と接続され、発振器１０の接地端子が配線１１ｂを介して金属ブロック９ｂに接続されている。発振器１０は図示しない制御装置からの制御信号により駆動される。
【００１８】
各振動体２ａ〜２ｄの振動体３に近い側に締結されたホーン５ｂを励振させる振動子６は、抵抗Ｒ及びコイルＬからなるエネルギー変換手段としての負荷回路１２に接続されている。負荷回路１２は配線１１ａを介して電極板８に、配線１１ｂを介して金属ブロック９ｂにそれぞれ接続されている。
【００１９】
振動体３には励振手段を構成する１個のホーン５ｃが、その先端において図示しないネジにより締結されている。ホーン５ｃはほぼ円柱状に形成されている。図１（ｂ）に示すように、ホーン５ｃは振動体３が締結される面の反対側の面において前記と同様に構成された振動子６に固定されている。振動子６は配線１１ａ，１１ｂを介して発振器１０に接続されている。
【００２０】
ホーン５ａ，５ｂ、振動子６、発振器１０により振動体２ａ〜２ｄを励振させる励振手段が構成されている。ホーン５ｃ、振動子６、発振器１０により振動体３を励振させる励振手段が構成されている。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、物体浮揚装置１は台車としての搬送車１４上に支持ブラケット１５，１６を介して取り付けられている。進行波を発生させる振動体２ａ〜２ｄを励振する各１組の振動子６は、１個の支持ブラケット１５に固定されている。定在波を発生させる振動体３を励振する振動子６は、支持ブラケット１６に固定されている。なお、図１（ｂ）では配線１１ａ，１１ｂ、発振器１０及び負荷回路１２の図示を省略している。
【００２２】
次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
物体浮揚装置１は、搬送すべき板状の物体４を浮揚状態に保持しつつ搬送車１４の移動により目的位置まで搬送される。
【００２３】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、物体４は各エッジ４ａが各振動体２ａ〜２ｄの外側のエッジ１７に揃うように各振動体２ａ〜２ｄ，３上に載置される。その状態で発振器１０の駆動により、振動子６が所定の共振周波数（例えば、２０ｋＨｚ前後）で励振され、ホーン５ａ〜５ｃが縦振動してホーン５ａ〜５ｃを介して振動体２ａ〜２ｄ，３が励振されて撓み振動を行う。振動体２ａ〜２ｄ，３が撓み振動を行うことにより、振動体２ａ〜２ｄ，３から音波が放射される。振動体２ａ〜２ｄ，３から放射される音波の放射圧によって、物体４は振動体２ａ〜２ｄ，３の表面から浮揚する。
【００２４】
発振器１０に接続された振動子６が励振されると、ホーン５ａ，５ｂを介して振動体２ａ〜２ｄが撓み振動し、振動体２ａ〜２ｄの振動は負荷回路１２に接続された振動子６に伝達され、振動子６を構成するピエゾ素子７ａ，７ｂにより機械エネルギーである振動のエネルギーが電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーが負荷回路１２の抵抗Ｒでジュール熱に変換されて放散される。そのため、各振動体２ａ〜２ｄに生じる振動の波が進行波となり、図１（ａ）に矢印で示すように、物体４に対してその四隅から中心側に向かうように放射圧が作用し、物体４は互いに向かい合う水平方向の分力が釣り合う状態で振動体２ａ〜２ｄの表面から安定に浮揚する。浮揚距離は数１０〜数１００μｍである。
【００２５】
物体４の中央と対応する位置に配置された振動体３は、振動子６が励振されると、撓み振動して定在波が発生する。この定在波により物体４は上方への放射圧を受ける。
【００２６】
振動体２ａ〜２ｄのエッジ１７と物体４のエッジ４ａとが揃った状態に配置された状態では、振動体２ａ〜２ｄのエッジ１７からはみ出そうとした物体４が、振動体２ａ〜２ｄが放射する音波の作用によって内側に引き戻される作用があるため、物体４が所定の位置に安定した状態で保持される。
【００２７】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）複数の振動体２ａ〜２ｄを各振動体２ａ〜２ｄに進行波が生じるように励振させ、各振動体２ａ〜２ｄに発生する進行波による物体４への力の向きと大きさを示すベクトルの和が実質的に零となるように配設した。従って、物体４に対して水平方向において、前記進行波の進行方向と直交する方向以外の方向から外力が作用した際に、その力に抗する放射圧が存在するため物体４の移動が抑制され、物体４を所定位置に保持する保持力が向上する。
【００２８】
（２）各振動体２ａ〜２ｄに発生する進行波が物体４の中央側に向かうように構成されている。従って、物体４に対して物体の中央側に向かう放射圧が作用する状態となり、物体４に対して水平方向においていずれの側から外力が作用した場合でも、その力に抗する放射圧により物体４の移動が抑制され、物体４を所定位置に保持する保持力がより向上する。
【００２９】
（３）進行波が生じるように励振される各振動体２ａ〜２ｄからほぼ等距離の位置に、定在波が生じるように励振される振動体３が配設されている。従って、定在波が生じる振動体３からの放射圧により、物体４の面積が大きな場合でもその撓みが抑制されて、物体４が安定した状態で浮揚する。
【００３０】
（４）物体４に音波を放射する振動体を物体４の底面積全体と対応する大きさの振動体を使用せずに、複数の振動体２ａ〜２ｄ，３を使用するとともに、その面積の合計が物体４の底面積より小さいため、振動体２ａ〜２ｄ，３を軽量化でき、ひいては物体浮揚装置１全体の軽量化を図ることができる。
【００３１】
（５）浮揚すべき物体４は底面がフラットで、直線状のエッジ４ａを有し、振動体２ａ〜２ｄは物体４を浮揚状態で保持する際、その外側のエッジ１７が物体４の直線状のエッジ４ａの近傍で該エッジ４ａに沿って延びるように配置されている。従って、物体４を所定位置により安定した状態で保持できる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を図３に従って説明する。この実施の形態では複数の振動体２ａ〜２ｄが進行波を発生させる構成に代えて、複数の振動板がそれぞれ１個の振動子の励振により複雑な振動を行うように構成した点が前記実施の形態と大きく異なっている。前記実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００３３】
図３に示すように、振動板としての振動体２ａ〜２ｄはその励振手段に対する固定位置が、該振動体２ａ〜２ｄの重心、即ち矩形の中心からずれた位置に設定されている。この実施の形態では重心に対して物体４の外側へずれた位置に設定されている。各振動体２ａ〜２ｄはホーン５ａに連結され、ホーン５ａを励振させる振動子６及び発振器１０等の励振手段の構成は前記実施の形態と同じである。
【００３４】
この実施の形態では、各振動体２ａ〜２ｄの励振手段に対する固定位置が、該振動体２ａ〜２ｄの重心からずれた位置に設定されているため、振動子６の振動に伴って振動体２ａ〜２ｄが単純な縦振動ではなく複雑に振動して物体４と振動体２ａ〜２ｄとの間に、物体４を所定位置に保持する保持力を増す空気流が発生する。前記空気流として旋回流（渦流）が発生すると考えられる。
【００３５】
従って、この実施の形態の物体浮揚装置１は、前記実施の形態の（４）及び（５）に記載の効果の他に次の効果を有する。
（６）各振動体２ａ〜２ｄの励振手段に対する固定位置を各振動体２ａ〜２ｄの重心からずれた位置に設定することで、浮揚保持すべき物体４と、各振動体２ａ〜２ｄとの間に保持力を増す空気流が発生し、簡単な構成で物体浮揚装置１の保持力が向上する。
【００３６】
実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 矩形状の物体４を浮揚保持する構成において、各振動体２ａ〜２ｄを物体４の四隅と対応する位置に配置するとともに、各振動体２ａ〜２ｄから発生する進行波の向きが、全部の振動体２ａ〜２ｄの配設位置の中心に向かう構成に代えて、図４に示すように、物体４の長手方向に沿って配置された振動体２ａ，２ｃと、振動体２ｂ，２ｄをそれぞれ一組とし、各組の振動体２ａ，２ｃ、２ｂ，２ｄの進行波の向きが逆方向になる構成としてもよい。この構成でも、各振動体２ａ〜２ｄに発生する進行波による物体４への力の向きと大きさを示すベクトルの和は実質的に零となる。この場合も物体を単純な定在波のみで浮揚させる構成に比較して、物体４の保持力が向上する。
【００３７】
○ 物体浮揚装置１を搬送車１４に装備した構成では、各振動体２ａ〜２ｄから発生する進行波によって物体に作用する力が、搬送車１４の進行方向へ物体を付勢する力が進行方向と反対側へ付勢する力より大きくなるようにしてもよい。搬送車１４の移動速度が大きい場合、物体４の慣性力により物体４が搬送車１４の進行方向に対して相対的に後側へ移動しようとするが、搬送車１４の進行方向に対する保持力が強くなるように各振動体２ａ〜２ｄを励振することにより、物体４の浮揚保持が安定する。例えば、図１（ａ）及び図４において搬送車１４の進行方向が左側であれば、両振動体２ｃ，２ｄの振動力を振動体２ａ，２ｂの振動力より大きくする。
【００３８】
○ 振動体２ａ〜２ｄ，３を全て水平に配置する代わりに、図５に示すように、振動体３のみを水平に配置して、振動体２ａ，２ｂと振動体２ｃ，２ｄとを水平面に対して所定角度θ傾斜した状態に配設してもよい。所定角度θは物体４に対して互いに向かい合う水平方向の分力が釣り合うように作用する放射圧が発生する角度であり、物体４の質量、振動体２ａ〜２ｄの面積などによって適正値は変化するが、例えば、ほぼ１°前後であり、通常３°以下である。この場合、各振動体２ａ〜２ｄを水平に配置した場合より、物体４を所定位置に保持する効果が向上する。
【００３９】
○ 矩形の物体４を浮揚させる際の進行波を発生させる振動体２ａ〜２ｄの配設位置は、物体４の四隅と対応する位置に限らず、各辺の中央と対応する位置に配置してもよい。この場合も各振動体２ａ〜２ｄから発生する進行波の向きは、全部の振動体２ａ〜２ｄの配設位置の中心に向かうようになる。
【００４０】
○ 振動体の数は４個に限らず３個以上であればよく、物体４の大きさや形状によって適切な数が選択される。例えば、物体４が円板状の場合、図６に示すように、３個の振動体１８を等角度間隔で物体４の中心と対応する位置の周囲に配設する。そして、ホーン５ａ，５ｂ及び振動子６等を各振動体１８の進行波の向きが、全部の振動体１８の配設位置の中心に向かうように配設する。また、物体４が大きな場合は振動体１８の数を適宜増やしてもよい。
【００４１】
○ 物体４の形状は矩形や円形に限らず、正方形や他の多角形状でもよい。
○ 進行波を使用する構成において、中央に配置される定在波を発生する振動体３を省略してもよい。
【００４２】
○ 第２の実施の形態のように、複数の振動体２ａ〜２ｄがそれぞれ１個の振動子６の励振により複雑な振動を行うタイプの物体浮揚装置１において、振動体２ａ〜２ｄの形状は矩形に限らず、円形、正方形、多角形あるいは任意の形状であってもよく、励振手段への固定位置が重心からずれていればよい。
【００４３】
○ 第２の実施の形態のように、複数の振動体２ａ〜２ｄがそれぞれ１個の振動子６の励振により複雑な振動を行うタイプの物体浮揚装置１において、振動体２ａ〜２ｄの励振手段への固定位置を重心と一致させてもよい。この場合、振動体２ａ〜２ｄは板状で、その形状が振動体２ａ〜２ｄの重心（図心）を通る互いに直交する軸に関する断面二次モーメントの値が異なる形状であればよく、例えば、矩形、台形などがある。この場合も、振動体（振動板）が単純な縦振動ではなく複雑に振動して浮揚状態の物体４と振動板との間に空気の旋回流が発生し、物体を所定位置に保持する保持力が向上する。
【００４４】
○ 物体浮揚装置１は搬送車１４のような移動体に装備されて使用されるとは限らず、所定位置に配設されて物体を一時浮揚状態で保持する用途に使用してもよい。
【００４５】
○ 各振動体２ａ〜２ｄ等のエッジ１７の一部が物体４のエッジ４ａと対応せず、物体４がエッジ１７からはみ出す大きさのものに適用してもよい。
○ 底面がフラットな物体を浮揚保持する装置に限らず、特開平７−１３７８２４号公報に開示された装置のように、物体の底面がＶ字状の物体を浮揚させる装置に適用してもよい。
【００４６】
○ 振動体２ａ〜２ｄ，３のホーン５ａ、５ｂ、５ｃへの固定はネジによる締結に限らず、接着剤を使用したり、ロウ付けや溶接で固着してもよい。
○ 振動子６はランジュバン形振動子に限らず他の振動子を使用してもよい。
【００４７】
前記実施の形態から把握される技術思想について、以下に記載する。
（１）請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記物体は直線状のエッジを有し、前記物体の周縁と対向する位置に配置される振動体は、該振動体の外側のエッジが物体のエッジとほぼ対応する位置に配置されている。
【００４８】
（２）請求項１又は請求項２に記載された発明において、前記励振手段は２個のホーンと、各ホーンを励振させる振動子と、一方の振動子を振動させる発振器と、他方のホーンに連結された振動子の振動を減衰させるエネルギー変換手段とを備えている。
【００４９】
（３）請求項１又は請求項２に記載された発明において、前記物体は矩形状であり、前記進行波を発生する各振動体は前記物体の四隅と対応する位置に配置されるとともに、その進行波の進行方向が物体の対角線に沿った方向となるように配設されている。
【００５０】
（４）請求項１又は請求項２に記載された発明の物体浮揚装置を装備した台車であって、前記各振動体から発生する進行波によって前記物体に作用する力が、前記台車の進行方向へ前記物体を付勢する力が進行方向と反対側へ付勢する力より大きくなるように構成されている。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように、各請求項に記載の発明によれば、複数の振動体を使用して物体を浮揚させる場合、物体を所定位置に保持する保持力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の実施の形態の物体浮揚装置の模式平面図、（ｂ）は台車に装備した模式側面図。
【図２】同じく振動体と励振手段を示す模式図。
【図３】第２の実施の形態の物体浮揚装置の模式平面図。
【図４】別の実施の形態の物体浮揚装置の模式正面図。
【図５】別の実施の形態の物体浮揚装置の模式側面図。
【図６】別の実施の形態の物体浮揚装置の模式平面図。
【符号の説明】
１…物体浮揚装置、２ａ〜２ｄ，３，１８…振動体、４…物体、５ａ，５ｂ，５ｃ…励振手段を構成するホーン、６…同じく振動子、１０…同じく発振器。

Claims

複数の振動体を励振手段で励振させて、振動体からの音波の放射圧により振動体の表面上において物体を浮揚させる物体浮揚装置であって、
少なくとも３個の振動体と、前記各振動体を進行波が生じるように励振させる励振手段とを備え、浮揚保持すべき物体に前記各振動体の振動に基づく力以外の力が作用しない状態で、各振動体に進行波が生じるように励振させた際、各振動体に発生する進行波による前記物体への力の向きと大きさを示すベクトルの和が実質的に零となるように配設した物体浮揚装置。
前記進行波が生じるように励振される各振動体からほぼ等距離の位置に、定在波が生じるように励振される振動体が配設されている請求項１に記載の物体浮揚装置。