JP4819445B2 - Ultrasonic levitation equipment - Google Patents
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Description
本発明は超音波浮上装置に係り、特に、超音波振動発生装置を圧電素子から構成してそれを固定部又は可動部に直接接合することにより、許容負荷荷重の拡大と装置のコンパクト化を図ることができるように工夫したものに関する。 The present invention relates to an ultrasonic levitation device, and in particular, an ultrasonic vibration generator is composed of a piezoelectric element and is directly joined to a fixed part or a movable part, thereby increasing an allowable load load and making the apparatus compact. It relates to things devised to be able to.
超音波駆動を用い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に、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を開示するものとして、例えば、特許文献1がある。
因みに、上記特許文献1は本件特許出願人によるものである。
An ultrasonic levitation apparatus using ultrasonic driving is considered to be suitable for clean room environments and precision positioning applications because it is non-contact and free from wear and environmental contamination due to a lubricant. For example,
Incidentally, the said
上記特許文献1に開示されている超音波浮上装置を図9に示す。まず、固定部201があり、この固定部201はロ字形状をなす固定側ガイド部203を備えている。上記固定側ガイド部203は、一対の短辺部205、207と、一対の長辺部209、211とから構成されている。上記一対の長辺部209、211は、夫々傾斜面209a、211aを備えている。
FIG. 9 shows an ultrasonic levitation device disclosed in
上記固定側ガイド部203の内側には、超音波振動発生装置213、215が設置されている。上記超音波振動発生装置213は、ランジュバン型超音波振動子217を備えていて、保持部材219によって保持されている。同様に、上記超音波振動発生装置215は、ランジュバン型超音波振動子221を備えていて、保持部材223によって保持されている。
上記固定部201上には可動部225が移動可能な状態で設置されている。この可動部225には、上記固定部201側の傾斜面209a、211aに対向するように傾斜面225a、225bが形成されている。又、ベース227上には、コイルベース229が設置されていて、このコイルベース229上にはコイル231が設置されている。又、可動部225側には凹部233が形成されていて、この凹部233内には永久磁石235が設置されている。上記コイル231と永久磁石235とによってボイスコイルモータ237を構成している。
On the
上記構成によると、超音波振動発生装置213、215によって超音波振動を発生させることにより可動部225が固定部201に対して浮上することになる。その状態で、コイル231に適宜の方向の電流を流すことにより、永久磁石235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225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。
According to the above configuration, the
上記従来の構成によると次のような問題があった。
まず、許容負荷荷重を増加させるべくガイド浮上面の振動振幅をより大きくしようとすると、振動が必ずしも主振動方向(X方向)のみではなく他方向の振動、具体的にはZ方向の振動が励起されてしまい、その他方向振動が固定部201側の浮上面209a、211aと可動部225側の浮上面225a、225bとの接触を容易にしてしまい、その結果、許容負荷荷重の増加が阻害されてしまうという問題があった。
この点に関して詳しく説明すると、従来の場合には超音波振動発生装置213、215をランジュバン型超音波振動子217、221から構成し、該ランジュバン型超音波振動子217、221の節部に相当する中心部において、保持部材219、223によって全体を保持するように構成している。すなわち、保持部材219、223と固定部側ガイド部203の短辺部205、207との接続部までの間は片持ち梁の状態となっている。つまり、主振動方向(X方向)に直角なZ方向の振動が励起され易い状態になっているものであり、特に、負荷荷重が大きくなるとより励起され易くなってしまう。
そして、許容負荷荷重を増大させるために主振動方向(X方向)の振動振幅を上げようとすれば、垂直方向(Z方向)の振動も励起され易くなり、既に述べたように、固定部201側の浮上面209a、211aと可動部225側の浮上面225a、225bとの接触を容易にしてしまい、その結果、許容負荷荷重の増加が阻害されてしまうことになるものである。
又、振動パワーを上げるべく超音波振動発生装置213、215を大型化しようとすると、口字型の固定部側ガイド203の内側にその大型化された超音波振動発生装置213、215をコンパクトに配置することができないという問題があった。
The conventional configuration has the following problems.
First, if the vibration amplitude of the guide air bearing surface is increased in order to increase the allowable load load, the vibration is not necessarily excited in the main vibration direction (X direction) but in the other direction, specifically in the Z direction. As a result, other directional vibrations facilitate the contact between the
This point will be described in detail. In the conventional case, the
If an attempt is made to increase the vibration amplitude in the main vibration direction (X direction) in order to increase the allowable load, vibration in the vertical direction (Z direction) can be easily excited. The
Further, if the size of the
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、許容負荷荷重の増大と装置のコンパクト化も図ることが可能な超音波浮上装置を提供することにある。 The present invention has been made based on such points, and an object thereof is to provide an ultrasonic levitation apparatus capable of increasing the allowable load and reducing the size of the apparatus.
上記目的を達成するべく本願発明の請求項1による超音波浮上装置は、一対の長辺部と一対の短辺部とからなりロ字形状をなしている固定部と、上記固定部に対して移動可能に設置された可動部と、上記短辺部の側面の両面又は片面に直接接合するように設けられた、又は、上記短辺部の上下面の両面又は片面に直接接合するように設けられた圧電素子と、を具備し、上記圧電素子は単板圧電素子又は積層圧電素子であり、上記圧電素子が超音波振動することにより上記可動部が浮上するように構成されたことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, an ultrasonic levitation apparatus according to
以上述べたように本発明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た超音波振動発生装置と、を具備し、上記超音波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するように構成された超音波浮上装置において、上記超音波振動発生装置を圧電素子から構成し、該圧電素子を上記固定部又は可動部に直接接合するように構成している。この種の圧電素子の場合には主振動方向に直交する方向の振動は殆ど励起されることはなく、よって、その他の方向の振動によって固定部側の浮上面と可動部側の浮上面とが接触してしまうという懸念もなく、許容負荷荷重の増加を効果的に図ることができる。
又、超音波振動発生装置を薄板状の圧電素子によって構成しているので、超音波振動発生装置自体はもとより超音波浮上装置全体の構成の簡略化とコンパクト化を図ることができる。
又、圧電素子を固定部又は可動部に直接接合することによってエネルギー伝達効率ロスを低減させることができる。又、固定部側の有効スペースが拡大されることになる。
As described above, the ultrasonic levitation apparatus according to the present invention includes a fixed part, a movable part installed movably with respect to the fixed part, and an ultrasonic vibration generator provided in the fixed part or the movable part. In the ultrasonic levitation apparatus configured to float the movable part by ultrasonic vibration of the ultrasonic vibration generation apparatus, the ultrasonic vibration generation apparatus includes a piezoelectric element, and the piezoelectric The element is configured to be directly joined to the fixed part or the movable part. In the case of this type of piezoelectric element, vibrations in the direction perpendicular to the main vibration direction are hardly excited, and therefore the air bearing surface on the fixed part side and the air bearing surface on the movable part side are caused by vibrations in other directions. without concern that come into contact, it is possible to increase the permissible applied load effectively.
In addition, since the ultrasonic vibration generator is composed of a thin plate-like piezoelectric element, the entire ultrasonic levitation apparatus as well as the ultrasonic vibration generator itself can be simplified and made compact.
Moreover, energy transmission efficiency loss can be reduced by directly joining the piezoelectric element to the fixed part or the movable part. In addition, the effective space on the fixed part side is expanded.
以下、図1乃至図5を参照して本発明の第1の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はロ字形状をなす固定側ガイド部3を備えている。上記固定側ガイド部3は、一対の短辺部5、7と、一対の長辺部9、11とから構成されている。上記一対の長辺部9、11は夫々傾斜面9a、11aを備えている。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, there is a
上記固定側ガイド部3の上記一対の短辺部5、7の両側面には超音波振動発生装置としての圧電素子13、15が直接接合・配置されている。上記圧電素子13、15は、板状の圧電材料の両面に電極を付与し、交流電圧を印加できるようにしたものであって、一枚の板で構成された単板タイプのものである。又、上記固定部1の長手方向両端には支持部材17、19が設置されていて、固定部1はこれら支持部材17、19を介してベース21上に支持されている。
上記固定部1上には可動部25が移動可能な状態で設置されている。この可動部25には、上記固定部1側の傾斜面9a、11aに対向するように傾斜面25a、25bが形成されている。
On the
又、上記ベース21上には、コイルベース29が設置されていて、このコイルベース29上にはコイル31が設置されている。又、可動部25側には凹部33が形成されていて、この凹部33内には永久磁石35が設置されている。上記コイル31と永久磁石35とによってボイスコイルモータ37を構成しているものである。
A
上記構成によると、圧電素子13、15によって超音波振動を発生させることにより可動部25が固定部1に対して浮上することになる。その状態で、コイル31に適宜の方向の電流を流すことにより、永久磁石35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25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。
According to the above configuration, the
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、超音波振動発生装置として圧電素子13、15を使用した構成になっており、この種の圧電素子13、15は薄板状であるので、交流電圧を印加することにより主振動方向(X方向)に伸長圧縮することによって短辺部5、7をX方向に伸長圧縮させることができ、その際従来のように主振動方向(X方向)に直交する方向(Z方向)の振動は殆ど励起されることはない。よって、その他の方向の振動によって固定部1側の浮上面9a、11aと可動部25側の浮上面25a、25bとが接触してしまうという懸念もないので、許容負荷荷重の増加を効果的に図ることができる。
又、超音波振動発生装置を薄板状の圧電素子13、15によって構成しているので、超音波振動発生装置自体はもとより超音波浮上装置全体の構成の簡略化とコンパクト化を図ることができる。
又、この実施の形態の場合には、支持部材17、19を短辺部5、7の中心部に取り付けており、それによって、安定した支持構造を提供することができる。すなわち、短辺部5、7の中心部は振動の節近傍であり振動減衰の生じにくい点であるからである。
又、圧電素子13、15を短辺部5、7に直接接合する構成になっているので、エネルギーの伝達損失を低減させることができる。
又、固定側ガイド部3の内側の有効スペースが拡大されることになるので、駆動装置、すなわち、コイル31や永久磁石35等を固定側ガイド部3の内側に容易に設置することができる。
又、本実施の形態の場合には、短辺部5、7の両側面に圧電素子13、15を接合・配置しているので、より高い振動振幅を得ることができ、それによって、許容負荷荷重の増大をより効果的に図ることができる。
尚、短辺部5、7の両側面の何れかのみに圧電素子を取り付ける構成も考えられる。
又、短辺部5、7の圧電素子に位相差を持たせて駆動させることにより、固定側ガイド部3に進行波を生じさせることができ、その進行波によって可動部25を駆動させることもできる。その場合には、コイル31や永久磁石35等からなる駆動装置が不要となるので、構成の簡略化を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
First,
In addition, since the ultrasonic vibration generating device is constituted by the thin plate-like
In the case of this embodiment, the
In addition, since the
Moreover, since the effective space inside the fixed
In the case of the present embodiment, since the
In addition, the structure which attaches a piezoelectric element only to either of the both sides | surfaces of the
Further, by driving the piezoelectric elements of the
次に、図6を参照して本発明の第2の実施の形態を説明する。この第2の実施の形態の場合には、図6(a)に示すように、短辺部5の底面に圧電素子13を接合・配置したものである。
又、図示は省略しているが、反対側の短辺部7の底面にも同様の圧電素子13が接合・配置されているものである。
その他の構成は前記第1の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
このような構成でも略同様の効果を奏することができる。
尚、この場合、短辺部5、7の上面にも圧電素子を接合する構成が考えられる。又、短辺部5、7の上面にのみ圧電素子を接合する構成も考えられる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the case of the second embodiment, as shown in FIG. 6A, the
Although not shown, the same
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
With such a configuration, substantially the same effect can be achieved.
In this case, a configuration in which a piezoelectric element is also bonded to the upper surfaces of the
次に、図7を参照して本発明の第3の実施の形態を説明する。この第3の実施の形態の場合には、短辺部5の下側に同じ形状の短辺部5を設置し、それら短辺部5、5
の間に圧電素子13を挟み込んだ構成になっている。
又、図示は省略しているが、反対側の短辺部7の下側にも同様の短辺部7を設置し、それら両短辺部7、7の間に圧電素子13が挟み込まれているものである。
その他の構成は前記第1の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
このような構成でも略同様の効果を奏することができる。又、下側においても浮上ガイド面を提供することができる。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the case of the third embodiment, the
The
Although not shown in the figure, a similar
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
With such a configuration, substantially the same effect can be achieved. In addition, a floating guide surface can be provided on the lower side.
次に、図8を参照して本発明の第4の実施の形態を説明する。この第4の実施の形態の場合には、短辺部5の形状が上下対称になっており、短辺部5の上下端に圧電素子13、13を取り付けた構成になっている。
その他の構成は前記第1の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
このような構成でも略同様の効果を奏することができる。又、下側においても浮上ガイド面を提供することができる。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the case of the fourth embodiment, the shape of the
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
With such a configuration, substantially the same effect can be achieved. In addition, a floating guide surface can be provided on the lower side.
尚、本発明は前記第1〜第4の実施の形態に限定されるものではない。
まず、前記第1〜第3の実施の形態においては、圧電素子を板状の圧電材料の両面に電極を付与し交流電圧を印加できるようにしたものであって、一枚の板で構成されている単板タイプとしたが、それに限定されるものではない。例えば、大きな振動振幅を得るときには高電圧の印加が必要となるが、低電圧化のためには薄い圧電素子を多数枚積層した積層圧電素子を用いることが考えられる。
又、前記第1〜第3の実施の形態においては、固定部に振動発生装置を取り付けた例を示したが、可動部側に取り付けるようにしてもよい。
The present invention is not limited to the first to fourth embodiments.
First, in the first to third embodiments, a piezoelectric element is provided with electrodes on both sides of a plate-like piezoelectric material so that an alternating voltage can be applied, and is configured by a single plate. However, the present invention is not limited to this. For example, when a large vibration amplitude is obtained, it is necessary to apply a high voltage, but it is conceivable to use a laminated piezoelectric element in which a large number of thin piezoelectric elements are laminated in order to reduce the voltage.
Moreover, in the said 1st-3rd embodiment, although the example which attached the vibration generator to the fixed part was shown, you may make it attach to the movable part side.
本発明は超音波浮上装置に係り、特に、超音波振動発生装置の構成を改良することにより、許容負荷荷重の拡大と装置のコンパクト化を図ることができるように工夫したものに関し、例えば、一軸アクチュエータに好適である。 The present invention relates to an ultrasonic levitation device, and more particularly, to a device devised so that an allowable load can be increased and the device can be made compact by improving the configuration of an ultrasonic vibration generator, for example, uniaxial Suitable for actuator.
1 固定部
3 固定部側ガイド部
5 短辺部
7 短辺部
9 長辺部
11 長辺部
13 圧電素子
15 圧電素子
25 可動部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
上記固定部に対して移動可能に設置された可動部と、
上記短辺部の側面の両面又は片面に直接接合するように設けられた、又は、上記短辺部の上下面の両面又は片面に直接接合するように設けられた圧電素子と、を具備し、
上記圧電素子は単板圧電素子又は積層圧電素子であり、
上記圧電素子が超音波振動することにより上記可動部が浮上するように構成されたことを特徴とする超音波浮上装置。 A fixed portion comprising a pair of long sides and a pair of short sides and having a square shape ;
A movable part installed movably with respect to the fixed part;
A piezoelectric element provided to be directly bonded to both sides or one side of the side surface of the short side part, or provided to be directly bonded to both sides or one side of the upper and lower surfaces of the short side part , and
The piezoelectric element is a single plate piezoelectric element or a laminated piezoelectric element ,
An ultrasonic levitation apparatus, wherein the movable part is floated by ultrasonic vibration of the piezoelectric element .
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