JP4134075B2 - Sonic levitation device - Google Patents
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Description
本発明は、音波浮揚装置及び音波浮揚装置の共振周波数検出方法に係り、詳しくは長尺の振動体の振動による超音波の放射圧を用いて物体を浮揚させる音波浮揚装置に関する。この明細書で「長尺の振動体」とは、振動体の長さが振動波長の10波長以上の長さのものを意味する。 The present invention relates to a resonance frequency detection method of acoustic levitation device and acoustic levitation devices, and particularly relates to acoustic levitation equipment levitate an object using a radiation pressure of the ultrasonic waves by vibrating the vibrator long. In this specification, the term “long vibrator” means that the length of the vibrator is not less than 10 wavelengths of the vibration wavelength.
長尺の振動体の一端に励振側(加振側)の振動子を設けるとともに、他端に受波側の振動子を設け、該振動体に進行波を発生させてその放射圧により振動体の表面上で物体を浮揚させた状態で搬送する物体浮揚搬送装置(音波浮揚装置)が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この装置は長尺の平板状の振動体を使用し、該振動体の一端に励振側の振動子を設けるとともに、他端に受波側の振動子を設ける。そして、励振側の振動子を発振器に接続して励振させ、振動体に進行波を発生させてその放射圧により振動体の表面上で物体を浮揚させた状態で搬送する。 A vibrator on the excitation side (excitation side) is provided at one end of the long vibrator, and a vibrator on the receiving side is provided at the other end. A traveling wave is generated in the vibrator, and the vibrator is generated by the radiation pressure. An object levitation conveyance device (sonic levitation device) that conveys an object in a state where the object is levitated on the surface of the surface has been proposed (for example, see Patent Document 1). This apparatus uses a long flat plate-like vibrating body, and an excitation-side vibrator is provided at one end of the vibrating body and a receiving-side vibrator is provided at the other end. Then, the vibrator on the excitation side is excited by being connected to an oscillator, a traveling wave is generated in the vibrating body, and the object is floated on the surface of the vibrating body by the radiation pressure and conveyed.
特許文献1の物体浮揚搬送装置では、励振側の振動子として圧電素子(ピエゾ素子)を使用したランジュバン形振動子が使用されている。そして、縞モードで受波側振幅が最大となる共振周波数で振動子を励振させることにより、振動体を必要な強さ(振幅)で振動させるとともに、受波側の振動状態を検出する振動状態検出手段の信号をフィードバックして前記発振器を制御する。前記振動状態検出手段としては受波側の振動子を構成する圧電素子の出力電圧を検出する電圧センサが設けられている。制御は、受波側の電圧が最大あるいは予め設定された設定値以上となるように行われ、実質的に定電流制御である。
長尺板のように振動体の励振側と受波側とが離れている場合、振動体が励振側で良好に振動されていても受波側では振動が良好に行われない場合がある。また、長尺の振動体は共振周波数の固有値が複数存在するため、励振側では所望のモード(例えば、縞モード)で振動していても、受波側では所望のモードでない状態で振動する場合がある。特に、振動体に定在波を生じさせる場合は共振点で励振させるのが良いが、進行波を発生させる場合は、共振点ではなく、共振点の近傍でかつ受波側と所定の位相差で励振させるのが良いため、受波側の振動状態をフィードバックする必要がある。 When the exciting side and the receiving side of the vibrating body are separated like a long plate, even if the vibrating body is vibrated satisfactorily on the exciting side, vibration may not be satisfactorily performed on the receiving side. In addition, since a long vibrating body has a plurality of eigenvalues of the resonance frequency, even if it vibrates in a desired mode (for example, a fringe mode) on the excitation side, it vibrates in a state other than the desired mode on the receiving side. There is. In particular, when a standing wave is generated in a vibrating body, it is preferable to excite at a resonance point. However, when a traveling wave is generated, a predetermined phase difference between the resonance point and the receiving side is not the resonance point. Therefore, it is necessary to feed back the vibration state on the receiving side.
特許文献1の装置では、縞モードで受波側振幅が最大となる共振周波数で振動子を励振させるようにしている。そのためには、装置の通常運転に先だって、発振器の出力を予め設定された周波数範囲全域にわたって掃引する周波数掃引を行い、縞モードで受波側振幅が最大となる共振周波数を検出する必要がある。従来装置では、発振器は定電流制御で制御されるので、前記周波数掃引も定電流制御で行われる。しかし、定電流制御で周波数掃引を行うと、共振点から多少ずれた位置で振動が起こるので、結果的に共振周波数の検出精度が低く、振動体を効率良く振動させるには微調整が必要になる。また、振動体の長さや負荷等の条件によっては、縞モードで受波側振幅が最大となる共振周波数で振動体を励振させた際に、必ずしも振動体の端部(振動体の振動子のホーンに対する固定箇所より振動体の端部側)まで均一に振動しない場合がある。 In the apparatus of Patent Document 1, the vibrator is excited at a resonance frequency that maximizes the receiving-side amplitude in the fringe mode. For this purpose, prior to the normal operation of the apparatus, it is necessary to perform a frequency sweep that sweeps the output of the oscillator over the entire frequency range set in advance, and to detect the resonance frequency that maximizes the receiving side amplitude in the fringe mode. In the conventional apparatus, since the oscillator is controlled by constant current control, the frequency sweep is also performed by constant current control. However, when frequency sweep is performed with constant current control, vibration occurs at a position slightly deviated from the resonance point. As a result, the detection accuracy of the resonance frequency is low, and fine adjustment is necessary to efficiently vibrate the vibrating body. Become. Also, depending on conditions such as the length and load of the vibrating body, when the vibrating body is excited at a resonance frequency that maximizes the receiving-side amplitude in the fringe mode, the end of the vibrating body (the vibrator of the vibrating body) There may be a case where the vibration does not vibrate uniformly from the fixed part to the horn to the end of the vibrating body.
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、長尺の振動体を励振側の振動子で励振させる際の共振周波数を正確に検出でき、従来装置より効率良く振動体を振動させることができる音波浮揚装置を提供することにある。 The present invention was made in view of the above problems, purpose of that can accurately detect the resonance frequency at the time of exciting the vibrating member elongated in the excitation side of the transducer, from the conventional apparatus An object of the present invention is to provide a sonic levitation device capable of efficiently vibrating a vibrating body .
前記第1の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、長尺の振動体の一端に連結した励振側の振動子を励振させる発振器を定電圧制御する定電圧制御手段と、前記発振器の出力を予め設定された周波数範囲全域にわたって定電圧制御で掃引する周波数掃引手段とを備えている。また、前記振動体の他端に連結した受波側の振動子が出力する出力電圧を検出する振動状態検出手段と、前記周波数掃引手段による周波数掃引時における前記振動状態検出手段の出力ピークの周波数のうち少なくとも前記振動体が最大振幅となる共振周波数及び二番目に大きな振幅となる共振周波数を記憶するとともに前記周波数掃引手段による周波数掃引時における前記励振側の振動子に供給される供給電圧の位相及び前記受波側の振動子が出力する出力電圧の位相を記憶する記憶手段と前記記憶手段に記憶された前記供給電圧の位相と前記出力電圧の位相との位相差に基づいて前記振動体の振動モードを判別する判別手段と前記記憶手段に記憶された共振周波数のうち、前記判別手段によって前記振動体が縞モードで振動すると判別された周波数の中から前記振動体の振幅が最大となる共振周波数を基準の共振周波数として選択する選択手段とを備えている。 In order to achieve the first object, the invention according to claim 1 includes constant voltage control means for performing constant voltage control of an oscillator that excites an excitation-side vibrator connected to one end of a long vibrator, and Frequency sweeping means for sweeping the output of the oscillator with constant voltage control over the entire frequency range set in advance. Further, a vibration state detection means for detecting an output voltage oscillator reception side that is connected to the other end of the vibrator is output, the frequency of the output peak of the vibration state detection means at the time of the frequency sweep by said frequency sweep means at least the supply voltage supplied to the excitation side of the vibrator at the time the frequency sweep by said frequency sweep means with vibrating body stores the resonance frequencies of large amplitude in the resonance frequency and the second becomes the maximum amplitude phase of the And a storage means for storing the phase of the output voltage output by the receiving-side vibrator, and a phase difference between the phase of the supply voltage and the phase of the output voltage stored in the storage means. Of the resonance frequency stored in the storage means and the determination means for determining the vibration mode, the determination means determines that the vibrating body vibrates in the fringe mode. The amplitude of the vibration member out of the frequency and a selection means for selecting a resonance frequency of the reference resonant frequency becomes maximum.
この発明では、周波数掃引手段により発振器の出力を予め設定された周波数範囲全域にわたって定電圧制御で掃引することにより、その周波数範囲内における全ての共振周波数を正確に検出することができる。そして、少なくとも振動体の受波側における振動体の振幅が最大となる共振周波数及び二番目に大きな振幅となる共振周波数が記憶手段に記憶される。従って、装置を通常運転する際、振動体の受波側における振幅が最大になる条件が振動体を最適な状態で励振させる条件でない場合に、二番目の共振周波数を基準に励振させることにより、振動体を適正な状態で振動させることができる。 In the present invention, by sweeping the output of the oscillator over the entire frequency range set in advance by the frequency sweep means, it is possible to accurately detect all the resonance frequencies within the frequency range. At least the amplitude of the vibration member in the reception side of the vibrating body becomes large amplitude in the resonance frequency and the second becomes the maximum resonance frequency is stored in the storage means. Therefore, when the apparatus is normally operated, when the condition that the amplitude on the receiving side of the vibrating body is maximized is not the condition for exciting the vibrating body in an optimum state, by exciting the second resonant frequency as a reference, by vibrating the vibrating body in an appropriate state can and Turkey.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記発振器を定電流制御する定電流制御手段を備え、通常運転時は前記発振器が定電流制御される。ここで、「通常運転」とは、物体を浮揚あるいは浮揚搬送させるために振動体を励振させる場合を意味する。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, there is provided constant current control means for controlling the oscillator at a constant current, and the oscillator is controlled at a constant current during normal operation. Here, the “normal operation” means a case where the vibrating body is excited in order to float or lift the object.
この発明では、定電圧制御で発振器を駆動することにより、長尺の振動体を励振側の振動子で励振させる際の共振周波数を正確に検出することができる。また、通常運転時には、発振器が定電流制御されるため、振動体を一定の振幅で駆動させることが容易になる。 In the present invention, by driving the oscillator by constant voltage control, it is possible to accurately detect the resonance frequency when the long vibrating body is excited by the vibrator on the excitation side. Further, since the oscillator is controlled at a constant current during normal operation, it becomes easy to drive the vibrator with a constant amplitude.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記定電流制御手段及び前記定電圧制御手段は同一回路で構成されている。この発明では、定電流制御手段及び定電圧制御手段をそれぞれ独立した回路構成とする場合に比較して、装置の体格及び重量の増大を抑制でき、製造コストを低減できる。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the constant current control means and the constant voltage control means are configured by the same circuit. In this invention, compared with the case where a constant current control means and a constant voltage control means are each made into an independent circuit structure, the increase in the physique and weight of an apparatus can be suppressed, and manufacturing cost can be reduced.
請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記記憶手段は、さらに、前記各共振周波数における前記振動体の振幅に対応する値を記憶する。ここで、「振幅に対応する値」とは、前記振動状態検出手段から出力される検出信号の値そのものに限らず、その検出信号の値から計算した振幅値あるいは振幅値に係数を掛けた値等を含む。 According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the storage means further stores a value corresponding to the amplitude of the vibrating body at each resonance frequency. To do . Here, the “value corresponding to the amplitude” is not limited to the value of the detection signal output from the vibration state detection unit itself, but is an amplitude value calculated from the value of the detection signal or a value obtained by multiplying the amplitude value by a coefficient. Etc.
この発明では、共振周波数と、その共振周波数における振動体の振幅に対応する値とが記憶手段に記憶されているため、その情報に基づいて最適な振動状態となる振動体の励振条件を選択するのが容易になる。 In this invention, since the resonance frequency and the value corresponding to the amplitude of the vibrating body at the resonance frequency are stored in the storage means, the excitation condition of the vibrating body that is in an optimal vibration state is selected based on the information. It becomes easy.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の発明において、少なくとも前記振動体の共振周波数と前記判別手段によって判別された前記振動体の振動モードとを表示する表示装置を備えている。従って、この発明では、表示装置で振動体の共振周波数と振動モードとを確認でき、装置が所望の状態で運転されているか否かを容易に確認できる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, at least a resonance frequency of the vibrating body and a vibration mode of the vibrating body determined by the determining means. A display device for displaying is provided. Therefore, according to the present invention, the resonance frequency and vibration mode of the vibrating body can be confirmed on the display device, and it can be easily confirmed whether or not the device is operated in a desired state.
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の発明において、前記振動体はホーンに固定されており、前記振動体の前記ホーンに対する固定箇所より端部側の振動を検出する振動検出手段を備えている。この発明では、振動体がその両端部まで振動しているか否かを確認でき、振動体がその両端部まで振動する状態と異なる状態で励振が継続されるのを防止するように励振条件を変更するのが容易になる。 The invention according to a sixth aspect is the invention according to any one of the first to fifth aspects, wherein the vibrating body is fixed to a horn, and an end portion of the vibrating body is fixed to the horn. Vibration detecting means for detecting side vibration is provided. In this invention, it can be confirmed whether or not the vibrating body vibrates to both ends thereof, and the excitation condition is changed to prevent the excitation from continuing in a state different from the state in which the vibrating body vibrates to both ends. Easy to do.
本発明によれば、音波浮揚装置において、長尺の振動体を励振側の振動子で励振させる際の共振周波数を正確に検出することができる。 According to the present invention, in the sonic levitation device, it is possible to accurately detect the resonance frequency when a long vibrating body is excited by the vibrator on the excitation side.
(第1の実施形態)
以下、本発明を物体浮揚搬送装置に具体化した第1の実施形態を図1〜図4に従って説明する。図1は物体浮揚搬送装置の概略斜視図、図2は物体浮揚搬送装置の模式側面図、図3は駆動用電源のブロック回路図である。
(First embodiment)
A first embodiment in which the present invention is embodied in an object levitating and conveying apparatus will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic perspective view of an object levitation conveyance device, FIG. 2 is a schematic side view of the object levitation conveyance device, and FIG. 3 is a block circuit diagram of a driving power source.
図1及び図2に示すように、音波浮揚装置としての物体浮揚搬送装置11は長尺の振動体としての振動板12を備えている。振動板12は矩形平板状に形成されている。振動板12の一端側(図1及び図2の左端側)には励振側の振動子13が、他端側には受波側の振動子14が、それぞれホーン15の先端において図示しないねじ16により締結されている。ホーン15は偏平なほぼ直方体状に形成され、振動板12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り付けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the object
各ホーン15は振動板12が締結される面の反対側の面において各振動子13,14に固定されている。即ち、ホーン15は振動子13の一部を構成している。ホーン15の先端面は振動子13,14の軸方向と直交する平面に形成され、ホーン15及び振動子13,14の中心軸が鉛直方向に延びる状態で配置されている。
Each
振動子13,14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17a,17bを備えている。両ピエゾ素子17a,17b間にリング状の電極板18が配置され、ピエゾ素子17a,17bの電極板18と当接する側と反対側の面に当接する金属ブロック19a,19b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振動子13,14が構成されている。ボルトは金属ブロック19aに形成された図示しないねじ穴に、金属ブロック19b側から螺合されている。両金属ブロック19a,19bはボルトを介して互いに導通された状態となっている。
So-called Langevin-type vibrators are used as the
図2に示すように、金属ブロック19aの上端にはフランジ20が形成され、金属ブロック19aはベースプレート21に形成された孔(図示せず)に嵌合された状態で図示しないボルトにより、フランジ20においてベースプレート21に固定されている。
As shown in FIG. 2, a
振動板12の励振側に締結されたホーン15を励振させる振動子13は発振器22を備えた電源装置23に接続されている。電極板18は配線24aを介して発振器22と接続され、発振器22の接地端子が配線24bを介して金属ブロック19bに接続されている。
The
振動板12の受波側に締結された振動子14のエネルギー変換用素子としてのピエゾ素子17a,17b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25に、電極板18及び金属ブロック19bを介してそれぞれ接続されている。振動子14にはピエゾ素子17a,17bに発生する電圧を検出する電圧センサ26が装備されている。電圧センサ26は、振動板12の受波側における振動状態に対応する検出信号を出力する振動状態検出手段を構成する。
図3に示すように、電源装置23は、直流定電圧生成回路27、インバータ回路28、制御装置29及び電流センサ30を備えている。直流定電圧生成回路27は、入力された電力を所定の直流定電圧に変換可能に構成され、変換電圧の上限値を設定可能に構成されている。インバータ回路28は、直流定電圧生成回路27から出力された直流電圧を入力して交流に変換する。インバータ回路28は、例えば、トランスにより出力電圧も変更可能に構成されている。電流センサ30は、インバータ回路28から出力されて負荷、即ち振動子13に流れる電流量を検出する。インバータ回路28は発振器22を構成する。
As shown in FIG. 3, the
この実施形態では、励振側の振動子13を励振させる発振器22を定電圧制御するための定電圧制御手段と、発振器22を定電流制御するための定電流制御手段とを直流定電圧生成回路27及び制御装置29が構成する。また、発振器22の出力を予め設定された周波数範囲全域にわたって定電圧制御で掃引する周波数掃引手段を制御装置29が構成する。
In this embodiment, a constant voltage control means for constant voltage control of the
制御装置29は、CPU(中央処理装置)31及び記憶手段としてのメモリ32を備えている。電圧センサ26及び電流センサ30は、A/D変換器、インタフェース(いずれも図示せず)を介して、CPU31に接続されている。制御装置29は、通常運転時には、設定された電流値になるように定電流制御を行う。また、制御装置29は、通常運転に先立って、振動板12の共振周波数を検出するように構成されている。制御装置29は、発振器22の出力を予め設定された周波数範囲全域にわたって定電圧制御で掃引し、電圧センサ26の検出信号に基づいて、振動板12の受波側における共振状態に対応する電圧のピークを検出して共振周波数を検出する。
The
定電流制御を行う際、制御装置29は、電流センサ30の検出信号を入力して、その検出信号が設定された電流値より小さければ、直流定電圧生成回路27に出力電圧を大きくする指令信号を出力して、インバータ回路28の出力電流値を大きくする。逆に、電流センサ30の検出信号が設定された電流値より大きければ、直流定電圧生成回路27に出力電圧を小さくする指令信号を出力して、インバータ回路28の出力電流値を小さくする。
When performing the constant current control, the
電圧制御を行う際、制御装置29は、直流定電圧生成回路27における出力電圧設定値の上限を絞り(例えば、最大値の10%に絞り)、インバータ回路28の出力定電流の設定値を大きくする(例えば、最大値の90%)。この状態で制御を行うと、インバータ回路28の出力電流を設定された定電流値に制御しようとして、直流定電圧生成回路27の出力電圧を大きくしようとするが、電圧上限設定を絞っているため、制限がかかる。その結果、直流定電圧生成回路27の出力は電圧上限設定値で一定となり、定電圧制御となる。
When performing voltage control, the
メモリ32には、定電圧制御を行う場合の電圧上限設定値と、負荷に供給する電流との関係を示すマップが記憶されており、負荷によって定電圧制御を行う場合の適正な電圧上限設定値が変更されるようになっている。前記マップは予め試験を行うことによって求められる。
The
制御装置29は、通常運転に先立って行われる周波数掃引時において検出される情報をメモリ32に記憶する。情報としては、電圧センサ26の出力ピークのうち少なくとも振動板12の最大振幅に対応するピークの周波数及び二番目に大きな振幅に対応するピークの周波数、即ち共振周波数のうち振動板12の最大振幅及び二番目に大きな振幅に対応する共振周波数と、その共振周波数における振動板12の振幅に対応する値とがある。この実施形態においては、振幅に対応する値として電圧センサ26から出力される電圧V2を記憶する。制御装置29は、全ての共振周波数及びそれに対応する電圧V2を記憶する。また、情報として、励振側の振動子13に供給される電圧V1の位相と、受波側の振動子14の振動に基づいて電圧センサ26から出力される電圧V2の位相とがある。
The
図4に示すように、制御装置29は通信ポート33を備えており、通信ポート33に接続される通信ケーブル34を介して、表示装置としての制御モニタ35が制御装置29に接続されている。制御モニタ35は図示しないマイクロコンピュータを備え、制御装置29のメモリ32に記憶された情報や、その情報を処理して得られる情報を画面に表示するようになっている。表示される情報には、少なくとも振動板12の共振周波数と、その共振周波数で振動板12が励振された場合の振動モードと、振動板12の振幅と、前記電圧V1及び電圧V2の位相差等がある。
As shown in FIG. 4, the
振動モード、即ち振動板12が縞モードで振動しているか格子モードで振動しているかは、電圧V1及び電圧V2の位相差から判別できるため、制御モニタ35は、通信ケーブル34を介して制御装置29から得られる電圧V1及び電圧V2の位相情報により、縞モードか格子モードかを判断して、振動モードの表示を行う。
Since the vibration mode, that is, whether the
図4に示す画面は、共振周波数検出のための定電圧制御時における表示画面の一例を示す。図4の画面では、縦軸を電圧V2、横軸を周波数としたグラフと、グラフのピーク位置の周波数、即ち共振周波数の値が文字で表示される。また、共振周波数を全て同時にグラフに表示することができない場合は、複数回に分けて、あるいは画面をスクロールして表示するようになっている。また、縞モードの振動となる共振周波数の部分に関しては、それを区別する表示がなされるようになっている。縞モードを区別する表示の一例としては、縞モードの共振周波数のピークを異なる色で表示したり、ピークを中心として縞モードで振動可能な周波数の範囲に網かけを施したりする方法がある。 The screen shown in FIG. 4 shows an example of a display screen at the time of constant voltage control for resonance frequency detection. In the screen of FIG. 4, a graph with the voltage V2 on the vertical axis and the frequency on the horizontal axis, and the frequency at the peak position of the graph, that is, the value of the resonance frequency are displayed in characters. Further, when all the resonance frequencies cannot be displayed on the graph at the same time, the resonance frequency is divided into a plurality of times or displayed by scrolling the screen. In addition, regarding the portion of the resonance frequency that causes the vibration in the stripe mode, a display for distinguishing it is made. As an example of the display for distinguishing the fringe mode, there are a method of displaying the peak of the resonance frequency of the fringe mode in a different color, or shading a range of frequencies that can vibrate in the fringe mode around the peak.
制御モニタ35は、通常運転中は、その運転状態における、振動モード、共振周波数、振動板12の振幅に対応する値、電圧V1及び電圧V2の位相差の情報を表示する。また、共振周波数検出のための定電圧制御時には、制御モニタ35は、検出された全ての共振周波数、振動板12の振幅、振動モード、電圧V1及び電圧V2の位相差を表示する。
During normal operation, the control monitor 35 displays information on the vibration mode, the resonance frequency, the value corresponding to the amplitude of the
制御装置29は、通常運転時の励振条件として、共振周波数の検出処理で検出された共振周波数のうち、振動板12が縞モードで振動する周波数の中から、振動板12の振幅が最大の共振周波数となる励振条件を選択して、振動子13を励振させるように、発振器22を定電流制御する。しかし、オペレータは、制御モニタ35に表示された共振周波数を選択することにより、全ての共振周波数の中から選択した共振周波数で振動子13を励振させるように、制御装置29に指令することができる。
As the excitation condition during normal operation, the
次に前記のように構成された物体浮揚搬送装置11の作用を説明する。
通常運転に先立って、共振周波数の検出が行われる。制御装置29は、発振器22の出力を予め設定された周波数範囲全域にわたって定電圧制御で掃引し、全ての共振周波数を検出する。そして、検出された全ての共振周波数の値、各共振周波数における振動板12の振幅に対応する値、電圧V1及び電圧V2の位相がメモリ32に記憶される。そして、制御モニタ35に、検出された共振周波数、各共振周波数における振動モード、振動板12の振幅に対応する値としての電圧V2、電圧V1及び電圧V2の位相差が表示される。
Next, the operation of the object
Prior to normal operation, the resonance frequency is detected. The
オペレータは制御モニタ35の表示を確認して、通常運転の共振周波数を選択する。そして、選択された共振周波数で通常運転が行われる。オペレータが共振周波数を選択しない場合は、制御装置29は、検出された共振周波数のうち、振動板12が縞モードで振動する周波数の中から、振動板12の振幅が最大の共振周波数となる励振条件を選択して、その励振条件で通常運転を行う。
The operator confirms the display on the control monitor 35 and selects the resonance frequency for normal operation. Then, normal operation is performed at the selected resonance frequency. When the operator does not select the resonance frequency, the
通常運転は、定電流制御で発振器22が制御される。制御装置29からの制御信号により発振器22が駆動されて、振動子13が選択された共振周波数(例えば、20kHz前後)の近傍の周波数で励振される。振動子13が励振されるとホーン15が縦振動され、ホーン15を介して振動板12が励振されて撓み振動を行う。振動板12から放射される音波の放射圧によって、物体Mは振動板12の表面から浮揚する。浮揚距離は数10〜数100μmである。
In normal operation, the
振動板12の振動は受波側の振動子14に伝達され、振動子14を構成するピエゾ素子17a,17b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25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、振動板12に生じる振動の波が励振側から受波側に向かって一方向へ進む進行波(この実施形態では振動子13側から振動子14側へ進む進行波)となり、板状の物体Mは振動板12の励振側から受波側へ浮揚状態で搬送される。
The vibration of the
制御装置29は図示しない物体検知センサの検出信号により、物体Mが停止位置近傍に達したことを確認すると、発振器22の出力を振動板12に定在波を発生させる状態に変更する。そして、物体Mが浮揚状態で減速されて停止される。
When the
制御装置29は振動板12に振動子13側から振動子14側へ向かう進行波が発生するように発振器22の出力を制御する。制御装置29は励振側の振動子13へ入力される電圧V1と、受波側の振動子14から出力される電圧V2との位相差が予め設定された進行波が発生し易い位相差(例えば90°)となり、かつ受波側の振動子14の出力電圧が所定の値以上となるように発振器22の出力を制御する。受波側の振動子14の出力電圧及び位相は電圧センサ26の出力信号により検出される。
The
圧電素子を使用した振動子13では、振動板12に定在波を発生させる状態で効率よく振動させるには、共振周波数で振動子13を励振させる必要がある。これに対して、振動板12に進行波を効率良く発生させる状態で振動させるには、共振周波数ではなく、共振周波数から若干ずれた周波数で振動子13を励振させるのが好ましい。そして、制御装置29は、複数の共振周波数のうちから選択された共振周波数を基準に設定した進行波を効率良く発生させるための、励振側及び受波側の振動子13,14の電圧V1,V2の位相差及び振動子13の周波数で振動子13を励振させるように発振器22を制御する。物体浮揚搬送装置11の環境が変化すると、共振周波数検出時には適正だった共振周波数及び電圧V1と電圧V2の位相差が適正な励振条件からずれる場合がある。
In the
制御装置29は、電圧センサ26からの出力を入力することにより受波側の振動子14の振動状態をつねに検出しているため、その電圧V2の位相及び大きさから振動状態を正確に把握できる。そして、振動子14の振動状態が弱くなる等、振動板12に進行波を効率よく発生させる状態からずれた場合は、発振器22から出力される電圧V1の位相を変更したり、定電流制御の設定電流値を高くしたりする。
Since the
そして、電圧センサ26の出力から、振動子14の振動状態が進行波を効率よく発生させる状態に復帰したことを確認したらその条件で発振器22の駆動を継続する。
この実施形態では以下の効果を有する。
When it is confirmed from the output of the
This embodiment has the following effects.
(1)長尺の振動板12の一端に連結した励振側の振動子13を励振させる発振器22を定電圧制御する定電圧制御手段(直流定電圧生成回路27及び制御装置29)と、発振器22の出力を予め設定された周波数範囲全域にわたって定電圧制御で掃引する周波数掃引手段(制御装置29)とを備えている。また、振動板12の受波側における振動状態に対応する検出信号(電圧V2)を出力する振動状態検出手段(電圧センサ26)を備えている。従って、制御装置29の制御により、発振器22の出力を予め設定された周波数範囲全域にわたって定電圧制御で掃引することにより、その周波数範囲内における全ての共振周波数を正確に検出することができる。また、物体Mの重量の違い等による振動系の負荷の変動で、受波側の振動状態が変化しても、正確な共振周波数に基づいて励振側の振動子13の励振条件を設定することができる。
(1) Constant voltage control means (DC constant
(2)前記周波数掃引時において検出された全ての共振周波数及び各共振周波数における振動板12の振幅に対応する値がメモリ32に記憶される。従って、物体浮揚搬送装置11を通常運転する際、振動板12の受波側における振幅が最大になる条件が振動板12を最適な状態で励振させる条件でない場合に、振動板12を適正な状態で振動させる励振条件に容易に変更することができる。
(2) All resonance frequencies detected during the frequency sweep and values corresponding to the amplitude of the
(3)発振器22を定電流制御する定電流制御手段(直流定電圧生成回路27及び制御装置29)を備え、通常運転時は発振器22が定電流制御される。従って、通常運転時には、発振器22が定電流制御されるため、振動板12を一定の振幅で駆動させることが容易になる。
(3) Constant current control means (a DC constant
(4)定電流制御手段及び定電圧制御手段は同一回路で構成されている。従って、定電流制御手段及び定電圧制御手段をそれぞれ独立した回路構成とする場合に比較して、装置の体格及び重量の増大を抑制でき、製造コストを低減できる。 (4) The constant current control means and the constant voltage control means are composed of the same circuit. Therefore, as compared with the case where the constant current control unit and the constant voltage control unit have independent circuit configurations, an increase in the size and weight of the apparatus can be suppressed, and the manufacturing cost can be reduced.
(5)メモリ32には、周波数掃引時において検出される情報のうち少なくとも共振周波数と、その共振周波数における振動板12の振幅に対応する値とが記憶されるため、その情報に基づいて最適な振動状態となる振動板12の励振条件を選択するのが容易になる。
(5) Since at least the resonance frequency and the value corresponding to the amplitude of the
(6)少なくとも振動板12の共振周波数と振動モードとを表示する制御モニタ35を備えている。従って、オペレータは、制御モニタ35で振動板12の共振周波数と振動モードとを確認でき、物体浮揚搬送装置11が所望の状態で運転されているか否かを容易に確認できる。
(6) A control monitor 35 that displays at least the resonance frequency and vibration mode of the
(7)制御モニタ35は、通常運転中は、その運転状態における、振動モード、共振周波数、振動板12の振幅及び電圧V1と電圧V2の位相差の情報を表示する。従って、オペレータは、運転環境が変わった場合に、現在の励振条件が適正な状態であるか否かを容易に判断できる。
(7) During normal operation, the control monitor 35 displays information on the vibration mode, the resonance frequency, the amplitude of the
(8)共振周波数検出のための定電圧制御時には、制御モニタ35は、検出された全ての共振周波数、振動板12の振幅に対応する値、振動モード及び電圧V1と電圧V2の位相差を表示する。従って、オペレータは、その表示に基づいて適正な励振条件に対応する共振周波数を選択するのが容易になる。
(8) During the constant voltage control for detecting the resonance frequency, the control monitor 35 displays all the detected resonance frequencies, values corresponding to the amplitude of the
(9)制御装置29は長尺の振動板12に進行波を発生させるように振動子13を励振させる。このとき、受波側の振動子14の振動状態が電圧センサ26で検出されてフィードバックされるため、制御装置29は励振側と受波側との振動の位相差が進行波を発生させるのに適正な状態か否かを確認することができる。
(9) The
(10)受波側の振動子14の振動状態を検出する振動状態検出手段としてエネルギー変換用素子(ピエゾ素子17a,17b)から出力される電圧V2を検出する電圧センサ26が使用されているため、受波側の振動子14の振動状態を簡単に検出できる。
(10) Since the
(11)励振側及び受波側の振動子13,14として、ピエゾ素子17a,17b等を備えた同じ構成の振動子が使用されている。従って、受波側の振動子14の振動状態を電気的に検出するのが容易になる。また、負荷回路25を接続することにより、進行波を安定して発生するのが容易になる。
(11) As the excitation-side and receiving-
(12) 受波側の振動子14を構成するピエゾ素子17a,17b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、この電気エネルギーが負荷回路25の抵抗Rでジュール熱に変換されて放散される。従って、前記振動エネルギーを負荷回路25で消費しない構成に比較して、励振側から受波側に向かう進行波を容易に発生させることができる。
(12) The vibration energy, which is mechanical energy, is converted into electrical energy by the
(第2の実施形態)
次に第2の実施形態を図5に従って説明する。この実施形態は、振動板12の両端部に振動検出手段を備えている点が前記第1の実施形態と異なっている。第1の実施形態と同様の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. This embodiment is different from the first embodiment in that vibration detecting means is provided at both ends of the
振動板12のホーン15に対する固定箇所より端部側の振動を検出するため、振動板12の両端部には、ホーン15に対する固定箇所より端部側下面に振動検出手段として振動ピックアップ36a,36bが固定されている。振動ピックアップ36aは振動板12の励振側端部に固定され、振動ピックアップ36bは振動板12の受波側端部に固定されている。振動ピックアップ36a,36bの検出信号は、制御装置29に入力される。
In order to detect the vibration on the end side of the
制御装置29は、共振周波数を検出するために定電圧制御で周波数掃引を行う際に、前記第1の実施形態における場合と同様の情報に加えて、振動ピックアップ36a,36bの検出情報、即ち振動板12の両端部の振幅に対応する値もメモリ32に記憶する。そして、制御モニタ35には、検出された共振周波数、各共振周波数における振動モード、振動板12の振幅に対応する値、電圧V1と電圧V2の位相差に加えて、振動板12の端部の振動状態としての振幅に対応する値が表示される。振動板12の端部の振動状態としての振幅に対応する値として、振動ピックアップ36aの出力電圧V3及び振動ピックアップ36bの出力電圧V4が表示される。
When performing frequency sweeping with constant voltage control to detect the resonance frequency, the
振動板12を縞モードで受波側の振幅が最大となる共振周波数で振動させた場合、必ずしも振動板12の端部まで均一に振動しない場合がある。振動板12の受波側の振動子14の振動状態は、振動板12のホーン15に固定された部分の間の振動に関しては正確に反映するが、ホーン15に固定された部分より自由端側の振動に関しては正確に反映されない。従って、電圧センサ26から出力される電圧V2の値をモニタするだけでは、振動板12全体の振動状態を把握するのに信頼性が低い。しかし、この実施形態では、振動ピックアップ36a,36bの検出信号により、振動板12の端部まで均一に振動しているか否かを確実に判断できる。
When the
従って、この第2の実施形態では、前記第1の実施形態の効果(1)〜(12)と同様の効果を有する他に次の効果を有する。
(13)振動板12のホーン15に対する固定箇所より端部側の振動を検出する振動検出手段(振動ピックアップ36a,36b)を備えている。従って、振動板12がその両端部まで振動しているか否かを確認でき、振動板12がその両端部まで振動する状態と異なる状態で励振が継続されるのを防止するように励振条件を変更するのが容易になる。また、振動板12の端部まで効率良く安定して均一に振動させる条件で、振動子13を励振させることができるので、複数の物体浮揚搬送装置11を直列に連結して物体Mを搬送する際、搬送方向上流側の振動板12から下流側の振動板12への乗り継ぎ部においても安定して物体Mを浮揚させることができる。
Therefore, the second embodiment has the following effects in addition to the same effects as the effects (1) to (12) of the first embodiment.
(13) A vibration detecting means (
(14)前記振動検出手段として振動板12に固定される振動ピックアップ36a,36bを使用しているため、コンパクトな構成で精度良く振動を検出できる。
実施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。
(14) Since the
The embodiment is not limited to the above, and may be configured as follows, for example.
○ 振動板12の受波側における振動状態に対応する検出信号を出力する振動状態検出手段として、受波側の振動子14を構成するピエゾ素子17a,17bに発生する電圧を検出する電圧センサ26に代えて、振動板12の受波側に振動ピックアップを設けてその検出信号を電圧V2の代替としてもよい。
A
○ 振動板12の受波側における振動状態に対応する検出信号を出力する振動状態検出手段は、励振側の振動子13が励振された際、振動板12の受波側が振動していることを検出できればよく、振動板12の受波側の振動を直接検出する構成に限らず、受波側が振動する際に振動する箇所の振動を検出する構成であってもよい。従って、振動ピックアップを振動状態検出手段として使用する場合、その取り付け位置は振動板12の受波側に限らず、振動板12の受波側以外の箇所に取り付けたり、振動板12やホーン15の振動に対応して振動する箇所に取り付けたりしてもよい。振動板12の受波側以外の箇所に取り付けた場合は、予めその検出信号と電圧V2との関係を求めておいて利用するのが好ましい。
The vibration state detecting means for outputting a detection signal corresponding to the vibration state on the receiving side of the
○ 振動板12のホーン15に対する固定箇所より端部側の振動を検出する振動検出手段は、前記端部側の振動に対応した検出信号を出力することができればよく、振動ピックアップ36a,36bに限らない。例えば、マイクロホンなどを用いて振動成分と等価な音圧信号を出力する構成としたり、レーザドップラ方式の非接触振動センサを使用したりしてもよい。また、振動状態検出手段においても同様な構成を採用してもよい。
The vibration detecting means for detecting the vibration on the end side from the fixed portion of the
○ 電流センサ30をインバータ回路28の出力側に設ける代わりに、インバータ回路28に内蔵されたトランスの一次側に設けて、その検出信号からインバータ回路28の出力電流を求める構成としてもよい。
Instead of providing the
○ 制御モニタ35を電源装置23と独立して設ける代わりに、電源装置23の筐体に表示部を設け、その表示部に共振周波数等の情報を表示する構成にしてもよい。
○ 制御モニタ35や前記表示部として、タッチパネルで表示を選択可能な構成とし、パネル上に表示された共振周波数の表示に触れることで、その共振周波数に関連する情報を表示する画面を選択したり、振動子13の励振条件を選択したりすることが可能な構成としてもよい。
O Instead of providing the control monitor 35 independently of the
○ As the control monitor 35 and the display unit, the display can be selected with a touch panel, and by touching the display of the resonance frequency displayed on the panel, a screen for displaying information related to the resonance frequency can be selected. Alternatively, the excitation condition of the
○ 制御モニタ35を設けず、他の機器への通信機能もしくは可搬の記憶媒体(各種ディスク、メモリーカードなど)への入出力機能を追加し、これら機能を用いて共振周波数等の情報および励振条件を授受する構成としてもよい。 ○ No control monitor 35 is provided, and a function for communication with other devices or an input / output function for portable storage media (various discs, memory cards, etc.) is added and information such as resonance frequency and excitation are added. It is good also as a structure which delivers conditions.
○ 定電流制御手段及び定電圧制御手段をそれぞれ独立に設けてもよい。
○ 振動板12に進行波を発生させる場合に、受波側の振動子14を構成するピエゾ素子17a,17bにより振動のエネルギーから変換された電気エネルギーを負荷回路25で消費させない構成としてもよい。
○ The constant current control means and the constant voltage control means may be provided independently.
When the traveling wave is generated in the
○ 物体浮揚搬送装置として、振動板12で進行波を発生させずに定在波を発生させて物体Mを浮揚させ、物体Mに対する推進力は音波以外の力を使用する構成としてもよい。例えば、図6に示すように、物体浮揚搬送装置40をローラコンベア装置41と、音波浮揚装置としての音波浮揚ユニット42とから構成する。この装置では、物体Mは音波浮揚ユニット42により音波の作用で浮揚されるが、物体Mを移動(搬送)させる力(推進力)はローラコンベア装置41で与えられる。ローラコンベア装置41は、支持プレート43の一対の側壁43a間に設けられた複数本の回転軸44と、回転軸44と一体回転するローラ45とを備えている。回転軸44は、モータ46によりベルト伝動機構を介して回転される。振動板12から発生する定在波により、物体Mの中央部は振動板12の表面から浮揚する。しかし、物体Mの両端部はローラ45の段差部45aに接触した状態に保持される。そして、ローラ45の回転により物体Mに推力が付与され、物体Mは側壁43aに沿って搬送される。なお、物体Mとして、例えば、薄いガラス板(厚さ1mm以下)の搬送に適用される。
The object levitation transfer device may be configured such that a standing wave is generated without generating a traveling wave on the
○ 振動板12に定在波を発生させて物体Mを浮揚状態で保持する物体浮揚装置に適用してもよい。この場合、受波側の振動子14には、ピエゾ素子17a,17bにより振動のエネルギーから変換された電気エネルギーを消費させるための負荷回路25は不要となる。
The present invention may be applied to an object levitation device that generates a standing wave on the
○ 搬送すべき物体Mの幅が広い場合は、振動板12及び両振動子13,14のユニットを複数平行に配置し、各ユニットの振動子13を共通の電源装置に並列に接続してもよい。この場合、幅の広い物体Mを複数の振動板12で安定した浮揚状態で搬送できる。
○ When the width of the object M to be transported is wide, a plurality of units of the
○ 進行波を発生させる物体浮揚搬送装置11において、振動板12の一端側及び他端側に連結された両振動子13,14を、発振器22に切換接続可能に構成し、励振側と受波側とを切替可能に構成してもよい。この場合、発振器22の連結状態を切り替えることにより、進行波の進行方向を振動板12の一端側から他端側、あるいは他端側から一端側に変更することができる。従って、物体Mを浮揚状態で搬送する際、進行波の向きを切り替えることで、浮揚状態で移動中の物体Mに制動をかけて所定位置に停止させるのが容易になる。
In the object levitating and conveying
○ ホーン15の形状は扁平な直方体状に限らず、円柱状や円錐台状等先端側が細くなった形状としてもよい。
○ 振動板12のホーン15への固定はねじ16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たりしてもよい。
The shape of the
The fixing of the
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
(1)前記周波数掃引手段は通常運転に先だって、周波数掃引を行い、前記記憶手段には全ての共振周波数が記憶される。
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
(1) Before Symbol frequency sweep means prior to normal operation, it performs frequency sweeping, the the memory means all the resonant frequency is stored.
(2)前記振動状態検出手段は、受波側の振動状態に対応する電圧及び位相を検出可能な電圧センサである。
なお、本明細書において、「振動体の受波側」とは、励振側の振動子から離れた位置で振動体に連結された固定部と対応する振動体の位置及び固定部に対して励振側の振動子より遠い側を意味する。
(2) pre-Symbol vibrating state detection means is capable of detecting a voltage sensor corresponding voltage and phase to the vibration state of the reception side.
In this specification, “the receiving side of the vibrating body” refers to the position of the vibrating body corresponding to the fixed portion connected to the vibrating body at a position away from the vibrator on the excitation side and the excitation to the fixed portion. This means the side farther from the vibrator on the side.
M…物体、11…音波浮揚装置としての物体浮揚搬送装置、12…振動体としての振動板、13,14…振動子、15…ホーン、22…発振器、26…振動状態検出手段としての電圧センサ、27…定電圧制御手段及び定電流制御手段を構成する直流定電圧生成回路、29…定電圧制御手段及び定電流制御手段を構成するとともに周波数掃引手段を構成する制御装置、32…記憶手段としてのメモリ、35…表示装置としての制御モニタ、36a,36b…振動検出手段としての振動ピックアップ。 M ... object, 11 ... object levitation transfer device as sonic levitation device, 12 ... diaphragm as vibration body, 13, 14 ... vibrator, 15 ... horn, 22 ... oscillator, 26 ... voltage sensor as vibration state detection means , 27... DC constant voltage generation circuit constituting constant voltage control means and constant current control means, 29... Control device constituting constant voltage control means and constant current control means and constituting frequency sweep means, 32. 35, a control monitor as a display device, 36a, 36b, a vibration pickup as vibration detecting means.
Claims (6)
前記励振側の振動子を励振させる発振器を定電圧制御する定電圧制御手段と、
前記発振器の出力を予め設定された周波数範囲全域にわたって定電圧制御で掃引する周波数掃引手段と、
前記振動体の他端に連結した受波側の振動子が出力する出力電圧を検出する振動状態検出手段と、
前記周波数掃引手段による周波数掃引時における前記振動状態検出手段の出力ピークの周波数のうち少なくとも前記振動体が最大振幅となる共振周波数及び二番目に大きな振幅となる共振周波数を記憶するとともに前記周波数掃引手段による周波数掃引時における前記励振側の振動子に供給される供給電圧の位相及び前記受波側の振動子が出力する出力電圧の位相を記憶する記憶手段と
前記記憶手段に記憶された前記供給電圧の位相と前記出力電圧の位相との位相差に基づいて前記振動体の振動モードを判別する判別手段と
前記記憶手段に記憶された共振周波数のうち、前記判別手段によって前記振動体が縞モードで振動すると判別された周波数の中から前記振動体の振幅が最大となる共振周波数を基準の共振周波数として選択する選択手段と
を備えている音波浮揚装置。 A sound levitation device that excites an excitation-side vibrator connected to one end of a long vibrator and floats an object using ultrasonic radiation pressure generated by vibration of the vibrator,
Constant voltage control means for constant voltage control of an oscillator for exciting the excitation-side vibrator;
Frequency sweeping means for sweeping the output of the oscillator by constant voltage control over the entire frequency range set in advance;
Vibration state detecting means for detecting an output voltage output by a receiving-side vibrator connected to the other end of the vibrator ;
It said frequency sweep means stores the resonant frequency of at least the vibrator becomes large amplitude in the resonance frequency and the second becomes the maximum amplitude of the frequency of the output peaks of the vibration state detection means at the time of the frequency sweep by said frequency sweep means Storage means for storing the phase of the supply voltage supplied to the excitation-side vibrator and the phase of the output voltage output from the receiving-side vibrator during frequency sweeping by
Discrimination means for discriminating a vibration mode of the vibrating body based on a phase difference between the phase of the supply voltage and the phase of the output voltage stored in the storage means;
Of the resonance frequencies stored in the storage means, the resonance frequency at which the amplitude of the vibrating body is maximized is selected as a reference resonance frequency from the frequencies determined by the determining means that the vibrating body vibrates in a fringe mode. A sound levitation device comprising: selection means for performing the operation.
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