JP5793942B2

JP5793942B2 - 物品分別装置

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Publication number: JP5793942B2
Application number: JP2011100180A
Authority: JP
Inventors: 哲行木村; 村岸　恭次; 恭次村岸
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP2012229118A

Description

本発明は、振動により複数の物品を分別することが可能な物品分別装置に関するものである。

従来より、振動を利用したリニアフィーダなどの物品搬送装置が多数知られており、こうした技術を展開した特許文献１に係るような物品分別装置が開示されている。

このものは物品搬送用の軌道を有する可動体に対して、垂直および水平方向の同一周波数の振動を加えることで楕円振動を生じさせ、摩擦係数に応じてそれぞれの方向の振動の位相差を設定することで、搬送方向を異ならせることを可能に構成したものである。これを用いることにより、摩擦係数の異なる２種の物品を同時に上面に載せ、摩擦係数に応じた所定の位相差を有する振動を付与することで、それぞれが反対方向に搬送されるようにして分別することが可能である。

特開２００５−２５５３５１号公報

しかしながら、上述の先行技術に係る物品分別装置では、垂直および水平の２方向の振動成分を合成することで楕円軌道の振動を生成し、これを利用して物品の分別および移動を行わせているが、物品の分別および移動の方向は主に水平振動の方向によって決定される。そのため、分別する物品の移動方向についての自由度が低く、３種以上の物品を分別し、それぞれを異なる方向に移動させることは困難である。

本発明は、このような課題を有効に解決することを目的としており、具体的には同時に３種類以上の物品の分別を行うことができるとともに、分別したそれぞれの物品の移動方向を細かく変更することができる物品分別装置を提供することを目的とする。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の物品分別装置は、基体上に弾性支持手段を介して設けられた可動台を具備し、当該可動台が振動することで可動台上に載せられた複数の物品を分別するものであって、前記可動台に対して垂直方向の周期的加振力を付与する垂直加振手段と、前記可動台に対して水平方向の周期的加振力を付与する第１の水平加振手段と、前記可動台に対して水平方向でかつ前記第１の水平加振手段による周期的加振力と交差する方向に周期的加振力を付与する第２の水平加振手段と、前記各加振手段による周期的加振力を位相差を有しつつ同一の周波数で同時に発生させ前記可動台に三次元の振動軌跡を生じさせるように前記各加振手段を制御する振動制御手段とを備え、前記第１の水平加振手段による周期的加振力と前記垂直加振手段による周期的加振力との位相差、および前記第２の水平加振手段による周期的加振力と前記垂直加振手段による周期的加振力との位相差を、それぞれ所定の基準摩擦係数μａ、μｂを境界として個々の物品が有する摩擦係数の前記基準摩擦係数μａ、μｂに対する大小関係に基づき各物品が異なる方向に移動するように設定するとともに、前記基準摩擦係数μａを前記基準摩擦係数μｂよりも小さい値に設定し、前記可動台上に載せられたμ１＜μａ＜μ２＜μｂ＜μ３の関係を満たす摩擦係数μ１、μ２、μ３をそれぞれ備える３種の物品を同時に分別し得るように構成したことを特徴とする物品分別装置。

このように構成すると、本発明で三次元の振動軌跡と称する鉛直平面および水平面に対して傾いた平面内の楕円の軌跡あるいは平面外の立体的な軌跡を有する振動を可動台に対して生じさせることができ、当該三次元の振動軌跡の大きさおよび方向を三次元的に自由に変えることができる。そして、分別する物品の摩擦係数に応じて各方向の周期的加振力の位相差を設定して適切な振動軌跡を形成することで、カメラを用いた画像処理など特別の機器を用いることなく、μ１＜μａ＜μ２＜μｂ＜μ３の関係を満たす摩擦係数μ１、μ２、μ３をそれぞれ備える３種の物品を自動的に同時に分別して、それぞれ別の方向に移動することが可能となる。また、各方向の振動の位相を調整することで様々な摩擦係数の物品に簡単に対応できる上に、可動台の上面を平面に構成することができるため、小型のものから大型のものまで、様々な大きさ・形状の物品に対応できる。

さらに、物品の分別を行うための基準を簡便に設定できるようにするため、前記第１の水平加振手段による周期的加振力と前記垂直加振手段による周期的加振力との位相差、および前記第２の水平加振手段による周期的加振力と前記垂直加振手段による周期的加振力との位相差を、それぞれ分別する物品の摩擦係数に応じて設定するための位相差入力部を備えるように構成することが好ましい。

以上説明した本発明によれば、簡単な構成でありながら、同時に３種類以上の物品の分別を行い、それぞれの物品を任意の方向に移動することができるとともに、多様な大きさ・形状の物品にも対応することができる物品分別装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る物品分別装置のシステム構成図。同物品分別装置の機械装置部の斜視図。同物品分別装置の機械装置部の正面図。同物品分別装置の第１バネ部材の断面を示す図３のＡ−Ａ断面図。同物品分別装置の機械装置部の水平方向への動作を示す正面図。同物品分別装置の機械装置部の垂直方向への動作を示す正面図。同物品分別装置の加振方向を示す概念図。同物品分別装置における各方向への周期的加振力間の位相差と物品の移動速度との関係を示す図。同物品分別装置における水平方向への周期的加振力の振幅と物品の移動速度との関係を示す図。同物品分別装置を用いて摩擦係数の異なる複数の物品を移動する際の移動領域を示した上面図。同物品分別装置を用いてＸ、Ｙ方向の位相差を変化させた際の、摩擦係数の異なる複数の物品のそれぞれの移動領域を示す表。同物品分別装置を用いてＸ、Ｙ方向の位相差を変化させた際の、摩擦係数の異なる複数の物品のそれぞれの移動領域を示す表。図１１（ａ）、（ｂ）に示す条件の時の物品の移動方向を示す上面図。同物品分別装置に物品の投入口、搬送口を取り付けた例を示す斜視図。図１とは別の実施形態に係る物品分別装置のシステム構成図。図１および図１５とは別の実施形態に係る物品分別装置のシステム構成図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形態の物品分別装置１は、図１に示すように、大きくは機械装置部２と制御システム部３とから構成される。この制御システム部３は、後述するように機械装置部２に組み込まれた圧電素子７１、７２、７３の制御を行うことで、機械装置部２にＸ、Ｙ、Ｚの各方向の周期的加振力を与えて振動を生じさせるように構成している。

なお、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向は図中左下に示した座標軸に示したとおりに定義することとし、以下においてもこの座標軸に沿って説明を進めていく。

機械装置部２は、図２および図３に示すように、大きくは床面に固定した基体４と、基体４に対して振動することで上に載せた物品９を移動する可動台６と、可動台６を基体４に対して弾性的に支持する弾性支持手段５とから構成している。基体４はＸ方向に長辺を向けた長方形の平板形状をしており、その上面４ａにはＹ方向に長辺を向けた直方体状の取付ブロック４１が２個Ｘ方向に間隔を空けて平行に固設してある。基体４の下に、図示しない防振ゴム等のバネ定数の小さい弾性体を取り付ければ、設置する床に対する反力を低減させることができて好適である。

弾性支持手段５は、基体４と連結される４本の棒状バネである第１バネ部材５２と、当該第１バネ部材によって基体４に対して水平方向に弾性的に支持される中間台５１と、当該中間台５１と連結され可動台６を垂直方向に弾性的に支持する４枚の板状バネである第２バネ部材５３とからなる。

Ｙ方向に平行に配置された一対の第１バネ部材５２は、それぞれ平板状に構成した下端部５２ｂで上記取付ブロック４１のＸ軸と直交する側面のうち外側の側面４１ａに連結しており、当該下端部５２ｂより鉛直上方（Ｚ方向）に向かって延出する形状としている。そして、合計４本の第１バネ部材５２がそれぞれ基体４の外縁をなす長方形の四隅のやや内側より起立するように配置してあり、上端部５２ａによって中間台５１の一部を構成する上側ブロック５１ａを側面から支持するように連結している。第１バネ部材５２のうち上端部５２ａと下端部５２ｂの間の中間部５２ｃは、断面が四角形となるように構成してあり、それぞれの側面がＸ軸、Ｙ軸に直交する平面となるようにしている。このように４本の第１バネ部材５２によって支持することによって、中間台５１は水平方向に弾性的に支持され、Ｘ、Ｙ方向に変位が生じる際にもほぼ水平状態を維持することができる。

中間台５１は、４枚の平板状の側板５１ｄを縦横に組んだ矩形状の枠を構成し、これをＸ方向に一対配置した上側ブロック５１ａで吊り下げるような形で固定するように構成している。上述したように、上側ブロック５１ａは４本の第１バネ部材５２によって支持しているため、中間台５１は全体として空中で水平方向に弾性的に支持される。さらに、側板５１ｄの内側には、４枚の板状バネである第２バネ部材５３を、２枚を一組としてＸ方向に直列にかつ水平面に平行となるように配置し、これを上下２段として取付けている。
側板５１ｄは、第２バネ部材５３に対して十分な強度を有しているために、強度メンバとして第２バネ部材５３のねじれ方向の変形を抑制するとともに、第１バネ部材５２が等しく変形するように変形方向を拘束するように機能する。上記の４枚の第２バネ部材５３は、それぞれ片端側を上記上側ブロック５１ａと中間ブロック５１ｂ、あるいは中間ブロック５１ｂと下側ブロック５１ｃによって上下に挟みこむようにして固定している。そして、他端側を可動台６の下部に設けられた支持ブロック上部６２ａと支持ブロック中間部６２ｂ、あるいは支持ブロック中間部６２ｂと支持ブロック下部６２ｃとによって上下に挟みこむようにして固定している。このように構成することで、可動台６は中間台５１に対して垂直方向に弾性的に支持され、Ｚ方向に変位が生じる際にも水平状態を維持することが可能となっている。

可動台６は下側に、上述したような支持ブロック上部６２ａと支持ブロック中間部６２ｂと支持ブロック下部６２ｃとを備えており、一体として動作を行う。そして、上面６１は平面状に構成してあり物品９を積載することが可能となっている。上述したように中間台５１は、基体４に対して同一の４本の第１バネ部材５２で連結されることによって水平方向に弾性支持されており、さらに可動台６は中間台５１に対して第２バネ部材５３で連結されることによって垂直方向に弾性支持されている。その結果、可動台６は、基体４に対してＸ、Ｙ、Ｚの各方向に弾性的に支持されるように構成されており、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向に変位が生じた場合でも可動台６の上面はほぼ水平の状態を維持することが可能となっている。

そして、この可動台６をＸ、Ｙ、Ｚの各方向に振動させるための駆動部として、以下のように圧電素子７１、７２、７３を設けている。

まず、Ｘ方向の振動を付与する第１の水平加振手段として、第１バネ部材５２の中間部５２ｃの長手方向中央以下の側面でＸ軸に直交する面に、直方体状の第１圧電素子７１を貼りつけてある。また、Ｙ方向の振動を付与する第２の水平加振手段としてとして、第１バネ部材５２の中間部５２ｃの長手方向中央以下の側面でＹ軸に直交する面に、直方体状の第２圧電素子７２を貼りつけてある。これらの圧電素子７１、７２は電圧を付与することにより全長に伸びを生じさせることができるため、これに伴って圧電素子７１、７２を貼りつけた第１バネ部材５２を図５に示すようにたわませ、可動台６に水平方向の変位を生じさせることが可能となっている。

本実施形態においては、図４（ａ）に示すように、それぞれの第１バネ部材５２に対して第１圧電素子７１ａ、７１ｂと第２圧電素子７２ａ、７２ｂとをそれぞれ対向する面に一対ずつ設けたバイモルフ型として構成した。本実施形態のように圧電素子の伸びを利用してバネ部材にたわみを生じさせようとする場合、対向面に設けた圧電素子の片方を伸び側に設定するときには他方を縮み側に設定する必要があるため、片方を伸び側とした際に、他方が縮み側になるように電圧印加及び貼り付け方向を設定してある。以下、圧電素子に対して付与する電圧に関しては、単純にＸ方向制御電圧、Ｙ方向制御電圧として説明を行い、Ｘ方向およびＹ方向に正の制御電圧を付与するということは、それぞれ可動台６をＸ、Ｙの正方向に移動させる向きに第１バネ部材５２に曲げを生じさせるように、第１圧電素子７１、第２圧電素子７２を伸び縮みさせる電圧を付与することを意味するものする。

４箇所に設けられた第１バネ部材５２は、それぞれ同じように第１圧電素子７１、第２圧電素子７２が貼りつけられ同時にたわみが制御されるため、常時同じ方向に同じ量の変形を行う。そのため、これらによって四隅を支持した中間台５１は、水平を維持しながらＸ方向、Ｙ方向に並進移動するようになっている。

また、第１バネ部材５２は変形を行う場合、図５に示すように中間部５２ｃの長手方向中央を境に、一つの面内の上下で伸び側と縮み側が逆転する。よって、第１圧電素子７１、第２圧電素子７２を長手方向中央付近を超えて広い範囲に貼りつけることは、却って変形を阻害することになり好ましくない。そのため、本実施形態のように長手方向中央付近より片端部側に寄せた位置に貼りつけることが効率的である。

次に、Ｚ方向の振動を付与する垂直加振手段として、図３に示すように、板状バネである第２バネ部材５３の長手方向中央より外側となる位置の裏表に第３圧電素子７３を貼りつけてある。なお、図中では４枚の第２バネ部材５３のうち上段の２枚にのみ第３圧電素子７３を貼りつけてあるが、これに代わって下段の第２バネ部材５３に対して第３圧電素子７３を取り付けても良いし、双方ともに第３圧電素子７３を取り付けても良い。ただし、第１バネ部材５２に貼りつけたある第１圧電素子７１、第２圧電素子７２と同様に、第２バネ部材５３の長手方向中央付近にまたがって貼りつけることは却って効率を損ない不適当である。当該圧電素子７３に電圧を付与することによって、伸び縮みを生じさせ、第２バネ部材５３をたわませ、可動台６を垂直方向に移動させることができる。

第２バネ部材５３の変形は、図６に示すような形で生じ、表裏に貼られた第３圧電素子７３、７３はそれぞれ伸びと縮みが逆転する。そのため、これを駆動する電圧は具体的に表裏に加える電圧を区別することなく、Ｘ、Ｙ方向の制御電圧と同様に、単に可動台６をＺ軸の正方向に移動させるものを正の制御電圧として表すことにする。

第２バネ部材５３および第３圧電素子７３は、可動台６に対して左右対称に設けられているため、可動台６は上面６１を水平に保ったままで垂直方向に移動することになる。

このようにして構成した機械装置部２に対して制御システム部３は、第１圧電素子７１、第２圧電素子７２および第３圧電素子７３に各々正弦波状の制御電圧を付与することによって、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の振動を発生させるための周期的加振力を生じさせる。

そのため、制御システム部３は、図１に示すように、正弦電圧を生じさせる発振機３４を備えており、この正弦電圧をアンプ３５により増幅した上で、各圧電素子７１、７２、７３に出力する。さらに、上記制御システム部３はＸ、Ｙ、Ｚの各方向の制御電圧を詳細に調整するための振動制御手段３１を有している。なお、発振機３４により生じさせる振動の周波数は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のいずれかの振動系と共振する周波数とすることで、振動を増幅して省電力化を図るようにしてある。なお、全ての方向の振動系の振動が干渉することを避けるためには、各方向の固有振動数を離してもよい。この時、各方向の固有振動数は例えば−１０％〜＋１０％程度離すようにする。

振動制御手段３１は大きくは、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の制御電圧の振幅を調整する振幅調整回路３１ａと、それぞれの位相差を調整するための位相調整回路３１ｂとからなる。本実施形態では、Ｘ、Ｙ、Ｚの各制御電圧にそれぞれ対応した振幅調整回路３１ａを有するとともに、Ｚ方向の制御電圧の位相を基準として、これと所定の位相差となるように制御電圧の位相を調整する位相調整回路３１ｂをＸ、Ｙの制御電圧についてそれぞれ設けるように構成している。

そして、制御システム部３は複数の物品９を分別する基準として、上記のように設定する位相差を入力する位相差入力部３２を有している。位相差入力部３２ではＺ方向の制御電圧の位相を基準としたＸ方向、Ｙ方向のそれぞれの位相差を入力し、当該位相差に設定するようにＸ、Ｙ方向に対応する各位相調整回路３１ｂに命令を出す。

上記のように構成した物品分別装置１では、具体的には次のような原理に従って物品の分別を行う。

ここで、図７の模式図に示すように簡略化して、可動台６が基体４に対してＸ、Ｙ、Ｚの各方向に弾性体５４、５５、５６により弾性的に支持するとともに、各方向の加振手段７４、７５、７６を設けている場合を想定する。このように構成することで、Ｘ、Ｙ、Ｚの三方向に設けた加振手段７４、７５、７６によって可動台６を三方向に動作させることが可能とされている。図７の模式図における弾性体５４、５５は、図２における第１バネ部材５２に該当するとともに、弾性体５６は第２バネ部材５３に該当する。また、図７の模式図における加振手段７４、７５、７６はそれぞれ第１の水平加振手段７１、第２の水平加振手段７２、垂直加振手段７３に該当する。

図７に示すモデルの可動台６に対して、Ｚ方向にＺ＝Ｚ_０×ｓｉｎωｔで表される周期的な振動変位を与える。ここで、Ｚ_０はＺ方向の振幅を、ωは角周波数を、ｔは時間を示す。さらに、Ｘ、Ｙ方向にもそれぞれＺ方向と同一周波数の振動を、Ｘ＝Ｘ_０×ｓｉｎ（ｗｔ＋φｘ）、Ｙ＝Ｙ_０×ｓｉｎ（ｗｔ＋φｙ）の式のように与えることとする。ここで、Ｘ_０、Ｙ_０はそれぞれＸ方向、Ｙの振幅を、φｘ、φｙはそれぞれＸ方向、Ｚ方向の振動のＺ方向の振動に対する位相差を示す。

このように、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向に正弦波状の周期的な振動変位を加えることにより、可動台６にはこれらが合成された三次元的な振動を生じさせることができる。例えば、図７に示すように、Ｚ方向の振動成分に対してφｘ、φｙの位相差を持たせてＸ、Ｙ方向の振動を生じさせたとき、二次元的にはＸＺ平面上で右側を上にした楕円軌道を有する振動が生じ、ＹＺ平面上で右側を下にした楕円軌道を有する振動が生じる。そして、さらにこの２つを合成することで、図中右下に示すように三次元空間上での楕円軌道が生じる。

そして、各方向の振動変位の振幅および位相を変えることにより、ＸＺ平面、ＹＺ平面内の二次元の楕円軌道の大きさや向きを変更することができ、対応して三次元空間上の楕円軌道の大きさや向きを自由に変更することができる。なお、このように各方向への周期的な振動変位を付与するために、制御上は各方向への周期的加振力を付与することで対応を行っている。

以上のように、可動台６が楕円軌道を描きつつ振動することによって、可動台６の上に載せられた物品９は移動を行う。そして、この移動のうちＸ方向への移動速度成分は上記ＸＺ平面内の楕円軌道によって制御でき、Ｙ方向への移動速度成分は上記ＹＺ平面内の楕円軌道によって制御できる。すなわち、Ｚ方向への振動成分を基準としてＸ方向、Ｙ方向のそれぞれの振動の振幅と位相差を変化させることで、Ｘ、Ｙ方向への移動速度成分を変化させ、任意の方向に物品９を移動することが可能となる。

具体的には移動速度の変更は次のようにして行う。

発明者らの知見によれば、図７を参照しつつ図８を用いて説明すると、位相差φｘ（φｙ）によって物品９の移動速度Ｖｘ（Ｙｙ）は正弦波に類似したカーブを描くように変化するとともに、物品９と可動台６との間の摩擦係数によっても変化する。すなわち、３種類の物品Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３と可動台６との間の摩擦係数をそれぞれμ１、μ２、μ３としてμ１＜μ２＜μ３の関係があるとき、Ｗ２の時の移動速度のグラフは、Ｗ１の時の移動速度のカーブを位相差が正となる方向にずらした形状となり、Ｗ３の時の移動速度のグラフはそれをさらに位相差が正となる方向にずらした形状になる。そのため、楕円振動を行う可動台６の上に同時に摩擦係数の異なる物品９を置いた場合には、移動速度及び移動方向が異なることになる。

具体的には、図８に示す位相差φ１に設定しているときには、Ｗ１は正の方向に進み、Ｗ２とＷ３とは同じ負の方向に進むがＷ３のほうがＷ２よりも移動速度が大きくなる。さらに位相差φ２に設定すると、Ｗ１は正方向に、Ｗ２はＷ１よりも小さな速度で正方向に進み、Ｗ３は負の方向に進む。位相差をφ３に設定すると、Ｗ１は負の方向に進み、Ｗ２は正方向に、Ｗ３はＷ２よりも大きな速度で正方向に進む。位相差をφ４に設定すると、Ｗ１を負の方向に、Ｗ２はＷ１よりも小さな速度で負の方向に進み、Ｗ３は正の方向に進む。このようなφ１〜φ４以外にも位相は任意に設定可能であり、Ｗ１からＷ３を全て正方向または逆方向に移動させることや、移動速度の大きさの順番を変更することも可能である。

また、発明者らの知見によれば、図７を参照しつつ図９を用いて説明すると、位相差φｘ（φｙ）と物品９の移動速度Ｖｘ（Ｙｙ）との関係は、振幅Ｘ_０（Ｙ_０）を変えることによっても変化する。すなわち、位相差φｘ（φｙ）に対する物品９の移動速度Ｖｘ（Ｙｙ）である正弦波類似のカーブは、概ね振動変位の振幅Ｘ_０（Ｙ_０）に比例して変化する。このことから、物品９の移動速度Ｖｘ（Ｙｙ）を２倍にしたい場合には、概ねＸ（Ｙ）方向の振動変位の振幅を２倍にすればよい。そのためには、それに応じた加振力を与えるべく、制御電圧の振幅を変化させればよい。

このような一方向に対する振動制御を、直交するＸ、Ｙ方向に同時に付与することによって、複数の種類の物品９を可動台６上で分別し異なる方向に移動することができる。

以下、図１０に示すように、可動台上にＷ１、Ｗ２、Ｗ３の三種の物品が載っていることを想定して説明を行う。なお、それぞれの摩擦係数はμ１、μ２、μ３としこれらの間にμ１＜μ２＜μ３の関係があるものとする。

このような物品を可動台６上で移動させる速度は、Ｘ方向移動速度成分Ｖｘ、Ｙ方向移動速度成分Ｖｘに分解して考えることができ、上述したようにＶｘ、ＶｙはそれぞれＸＺ平面内の楕円軌道、ＹＺ平面内の楕円軌道によって制御でき、それぞれＺ方向の振動成分に対する位相差との関係で、上述の図８の関係を有する。

ここで、摩擦係数の異なる物品Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を移動する方向として、図１０のように上下左右で領域を分け、それぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ領域とする。Ｘ、Ｙの振動成分のＺ方向振動成分に対する位相差φｘ、φｙを変化させることで、移動方向をこれらの領域のいずれかに設定することが可能となる。

例えば、φｘ、φｙをそれぞれ、図８に示すφ１、φ２に設定したとき、図１１（ａ）の表に示したように、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３のＸ方向移動速度成分Ｖｘは、それぞれ正（＋）、負（−）、負（−）の値となり、Ｙ方向移動速度成分Ｖｙは、それぞれ正（＋）、正（＋）、負（−）の値となる。すなわち、図１０に示す領域においては、Ｗ１はＤ領域に、Ｗ２はＣ領域に、Ｗ３はＡ領域に移動しようとすることになり、その結果、図１３（ａ）に示すようにＷ１〜Ｗ３はそれぞれの領域に分別されつつ移動する。

これと同様に図１１（ｂ）の表に示すように、φｘ＝φ１、φｙ＝φ４のときはＷ１、Ｗ２、Ｗ３はそれぞれＢ、Ａ、Ｃ領域に向かい、その結果、図１３（ｂ）に示すようにＷ１〜Ｗ３はそれぞれの領域に分別されつつ移動する。

さらに、図１１（ｃ）、（ｄ）および図１２（ｅ）〜（ｈ）に示すように、φｘ＝φ２、φｙ＝φ１のときはＷ１、Ｗ２、Ｗ３はそれぞれＤ、Ｂ、Ａ領域に、φｘ＝φ２、φｙ＝φ３のときはＷ１、Ｗ２、Ｗ３はそれぞれＢ、Ｄ、Ｃ領域に、φｘ＝φ３、φｙ＝φ２のときはＷ１、Ｗ２、Ｗ３はそれぞれＣ、Ｄ、Ｂ領域に、φｘ＝φ３、φｙ＝φ４のときはＷ１、Ｗ２、Ｗ３はそれぞれＡ、Ｂ、Ｄ領域に、φｘ＝φ４、φｙ＝φ１のときはＷ１、Ｗ２、Ｗ３はそれぞれＣ、Ａ、Ｂ領域に、φｘ＝φ４、φｙ＝φ３のときはＷ１、Ｗ２、Ｗ３はそれぞれＡ、Ｃ、Ｄ領域に分別されつつ移動することになる。

このように摩擦係数の異なる物品９であればそれぞれ別の方向に移動することができるとともに、それぞれを任意の移動方向に変更することも可能である。

上記のような原理を用いて、具体的には、次のように本物品分別装置１を用いて物品９の分別を行う。以下、図１および図８を用いて説明を行う。

まず、位相差入力部３２よりＺ方向の振動成分に対するＸ方向、Ｙ方向の振動成分のそれぞれの位相差φｘ、φｙを入力する。この入力値に従って位相差入力部３２は、Ｘ、Ｙ方向の振動の位相をφｘまたはφｙずらすように、それぞれに対応する位相調整回路３１ｂ、３１ｂに命令する。そして、位相調整回路３１ｂは、もともとの発振機３４の信号より位相をφｘまたはφｙずらして制御電圧として第１圧電素子７１、第２圧電素子７２に加えることでＺ方向の振動成分との位相差を与える。このようにして、例えば位相差入力部３２よりφｘ＝φ３、φｘ＝φ２と設定するものとして入力すると、上記のＷ１、Ｗ２、Ｗ３の性質を有する物品９は、それぞれ図１２（ｅ）のケースと同様にして、図１０のＣ、Ｄ、Ｂ領域に分別することができる。

また、位相差入力部３２より図１１、図１２に示すような位相差を設定すれば、それぞれの表中に記載の通り物品９を分別することができる。

ここで、本発明においては、上記分別を行うための位相差に設定したときに、移動速度が０になる摩擦係数を基準摩擦係数として定義する。すなわち、図８における位相差φ１、φ３に対応する基準摩擦係数はμａであり、φ２、φ４に対応する基準摩擦係数はμｂである。この図より分かるように基準摩擦係数μｂは基準摩擦係数μａよりも大きく設定されている。すなわち、位相差をφ３に設定することは、分別を行う境界として基準摩擦係数をμａに設定しつつ、これより摩擦係数が大きな物品９は正の方向に、摩擦係数が小さな物品９は負の方向に進ませるように設定することと同義である。同様に、位相差をφ２に設定することは、分別を行う境界として基準摩擦係数をμｂに設定しつつ、これより摩擦係数が大きな物品９は負の方向に、摩擦係数が小さな物品９は正の方向に進ませるように設定することと同義である。

よって、上記の位相差入力部３２を、Ｘ、Ｙの各方向に分別する基準として位相差そのものを入力するものではなく、Ｘ、Ｙの各方向に対する基準摩擦係数と、当該基準摩擦係数に対する摩擦係数の大小に応じて物品が進行する正負のいずれかの方向とを入力するものとして、これらの情報から内部に保存しておいた図８のグラフを基にして自動的に位相差を設定して出力するように構成することも可能である。

上記のような複数の物品９を分別し、それぞれ別の方向に向かって移動させる作用を利用して、本物品分別装置１を基点として、混在した複数の種類の物品を分別して異なるラインに向けて移動させていくことも可能である。そのためには、図１４に例として示したように、可動台６の中央付近の上側に混在した物品９を投入する投入口９１を設け、ここから放射線状に搬送口９２を設けるようにすれば、自動的に分別された物品９が４方向に分かれたそれぞれのラインに向けて搬送されるようにすることが可能となる。上述のように、位相差の設定を変えることでそれぞれ物品の搬送先を変えることも可能である。

さらに、図８から分かるように、Ｚ方向の振動に対して振動の位相差を変えることで、摩擦係数の異なる物品９の移動方向を変更できると同時に、速度差を設けることも可能である。そのため、本物品分別装置１は可動台上６の四隅に対応する領域に分別していくだけでなく、それらの領域の中間などのさらに細かな領域設定を行った上で、４種類以上に分別させることも可能である。

また、上記のように摩擦係数の異なる物品９を分別させるように制御することによって、厳密には摩擦係数が同じものであっても表面形状が異なるなど、見かけ上摩擦係数が異なっているようにとらえられるものについても分別することができる。例えば、同一部材の表面と裏面であっても、面の凹凸が異なり可動台６との接触面積が大きく異なるような場合が該当する。

以上のように本実施形態に係る物品分別装置１は、基体上に弾性支持手段５を介して設けられた可動台６を具備し、当該可動台６が振動することで可動台６上に載せられた複数の物品９を分別するものであって、前記可動台６に対して垂直方向の周期的加振力を付与する垂直加振手段７３と、前記可動台６に対して水平方向の周期的加振力を付与する第１の水平加振手段７１と、前記可動台６に対して水平方向でかつ前記第１の水平加振手段による周期的加振力と交差する方向に周期的加振力を付与する第２の水平加振手段７２と、前記各加振手段７１、７２、７３による周期的加振力を位相差を有しつつ同一の周波数で同時に発生させ前記可動台６に三次元の振動軌跡を生じさせるように前記各加振手段７１、７２、７３を制御する振動制御手段３１とを備え、前記第１の水平加振手段７１による周期的加振力と前記垂直加振手段７３による周期的加振力との位相差、および前記第２の水平加振手段７２による周期的加振力と前記垂直加振手段７３による周期的加振力との位相差を、それぞれ所定の基準摩擦係数を境界として個々の物品９が有する摩擦係数の前記基準摩擦係数に対する大小関係に基づき各物品９が異なる方向に移動するように設定することで、前記可動台６上に載せられた複数の物品９を同時に分別するように構成したものである。

このように構成しているため、可動台６に生じる三次元の振動軌跡を任意の形状や大きさに変更させることで、摩擦係数の異なる複数種類の物品９を同時に分別してそれぞれ別の方向に移動することが可能であるとともに、それらの移動方向を任意の方向に変更することができる。また、当該分別は摩擦係数の相違によって自動的に行われるために、カメラや画像処理機などの検査機器や分別のための特殊な機器を要することなく、簡単な構成で実現することができる。また、可動台６の上面６１は平面に構成できるため大型のものから小型のものまで幅広い大きさ・形状の物品に対応できる。

さらに、前記第１の水平加振手段７１による周期的加振力と前記垂直加振手段７３による周期的加振力との位相差、および前記第２の水平加振手段７２による周期的加振力と前記垂直加振手段７３による周期的加振力との位相差を、それぞれ分別する物品９の摩擦係数に応じて設定するための位相差入力部３２を備えるように構成しているため、物品９の分別を行うための基準を簡便に設定できる。

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態においては、各方向への加振手段７１、７２、７３をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚの互いに直交する方向に加振力を与えるように構成したが、可動台６に三次元的に合成した振動軌跡を生成・変更できるかぎり必ずしも直交させることは必要でなく、単にそれぞれの方向が交差しているだけでもよい。また、各加振手段７１、７２、７３は厳密に垂直、水平方向に設定することも必要ではないし、基体４を傾けて設置する等の種々の利用の態様も可能である。

また、上述の実施形態においては、第１バネ部材５２の側面に貼りつける第１圧電素子７１と第２圧電素子７２とは裏表に貼りつけた２個を一組としたバイモルフ型としていたが、図４（ｂ）のようにそれぞれを１個ずつとしたユニモルフ型とすることも可能である。

また、本実施形態においては、図２および図３に示すように、第１圧電素子７１および第２圧電素子７２は第１バネ部材５２の下側半分に貼りつけてあるが、これを上側半分に貼りつける構成とすることも可能であるし、上側半分と下側半分のそれぞれに設けるように構成することも可能である。同様に、第３圧電素子７３を第２バネ部材５３の外側半分ではなく内側半分に設けることも、内側と外側の双方に設けることも可能である。

さらに、本実施形態では第２バネ部材５３を合計４枚設けてあり、一対の第２バネ部材５３を直列に配置したものを上下の二段として設けているが、直列に配置した２枚を連続した１枚の板状バネとして形成し、これを上下段に配置することにより合計２枚で構成することも可能である。本実施形態のように４枚構成とする場合には、組立が容易となり精度が向上するという利点があるとともに、２枚構成とした場合には部品点数が削減できて管理が容易になるという利点がある。

また、上述の実施形態では、Ｚ方向の周期的加振力の位相を基準として、Ｘ方向の周期的加振力とＹ方向の周期的加振力の位相を調整するような制御回路としていたが、Ｚ方向の周期的加振力とＸ方向及びＹ方向の各周期的加振力との間の位相差を所定の値とすることができる限り、どの方向の周期的加振力の位相を変更するように構成しても良い。例えば、図１５に示すように、Ｘ方向の周期的加振力の位相を基準として、これに対する位相差が所定のものになるように、Ｚ方向、Ｙ方向の各周期的加振力の位相を変更するように制御システム部３を構成しても良い。

また、上述の実施形態では、加振手段として板状のバネ部材５２、５３に貼り付けた圧電素子７１、７２、７３を使用していたが、可動台６に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向にそれぞれ独立した振動を生じさせることができる限りこの形態を採ることは必須ではない。例えば、可動台３に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向にそれぞれ吸引力を作用させる電磁石を設け、それらに対して上記と同様の正弦電圧を付与するようにして位相差を設けつつ制御しても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、上述したように加振周波数を可動台６の共振周波数近くに設定することも好適であるが、分別する物品９が載った状態では共振周波数がずれる場合があるため、実際の加振台６の振動の振幅を検知しながら、加振周波数の補正を行うことも好適である。そのためには、図１６に示すように、可動台６の下部に張り出した支持ブロック下部６２ｃのＸ、Ｙ、Ｚ方向の振幅を検知するため、各方向に対応した変位センサ８１、８２、８３をそれぞれブラケット８１ａ、８２ａ、８３ａと、変位センサ台４２を介して基体４上に固定し、これらより得られる検知データを基にして発振機３７からの周波数信号を共振点追尾制御回路３１ｅや、定振幅制御回路３１ｃを用いて周波数及び振幅を適切に変換するようにして制御することで、安定した振動を得ることができる。

さらに、上述した実施形態では、個々の物品９の摩擦係数に着目して、摩擦係数を基準に物品９の分別を行うように構成したが、前述の通り物品９の表面形状によっては局所的な摩擦係数は同一であっても見かけ上は摩擦係数が異なるものと扱っても支障がない場合もある。また、物品９の表面形状を大きく変えることにより可動台６の上で転動や揺動を行うようになり、摩擦による推力の伝達を効果的に行うことができなくなる場合もある。さらには、可動台６の表面の硬さと、物品９の重量及び硬さとの関係から生じる幾何学的な形状変化も物品９に与える推力に影響を与える。そのため、通常の意味での摩擦係数に加えて、物品９および可動台６の表面形状や表面粗度、さらには重量や硬さによる形状変化等の影響を含めて、現実に物品９に対して水平方向に作用する推力を広い意味での摩擦力として捉え、当該広い意味での摩擦力を基準として各方向の振動成分の制御を行い、物品９の分別を行わせるように構成することも可能である。こうした考えを採る限りにおいては、物品９の分別を行うために基準として用いる摩擦係数の中に、上記広い意味での摩擦力の考えを取り込ませることも可能である。すなわち、上記広い意味での摩擦力を物品９に対する可動台６の垂直抗力で除した係数を広い意味での摩擦係数として、これを一般の摩擦係数と置き換えて基準として用いることでより多様な物品９の分別ができるようになるのであり、本発明における意図はこうした内容をも含むものである。また、上述の実施形態では摩擦係数を基準として制御を行うことで個々の物品９に対する推力を変化させて物品９の分別を行わせているが、上述のように広い意味での摩擦力を変化させることによって推力を変化させることが可能である限り、摩擦係数と置き換えて異なるパラメータを基準として用いても同様の作用効果を生じる物品分別装置として構成することもできるのであり、こうした構成についても本発明の均等の範囲に含まれる。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

４…基体
５…弾性支持手段
６…可動台
９…物品
３１…振動制御手段
３２…位相差入力部
５１…中間台
５２…第１バネ部材
５３…第２バネ部材
７１…第１圧電素子（第１の水平加振手段）
７２…第２圧電素子（第２の水平加振手段）
７３…第３圧電素子（垂直加振手段）

Claims

基体上に弾性支持手段を介して設けられた可動台を具備し、当該可動台が振動することで可動台上に載せられた複数の物品を分別する物品分別装置であって、前記可動台に対して垂直方向の周期的加振力を付与する垂直加振手段と、前記可動台に対して水平方向の周期的加振力を付与する第１の水平加振手段と、前記可動台に対して水平方向でかつ前記第１の水平加振手段による周期的加振力と交差する方向に周期的加振力を付与する第２の水平加振手段と、前記各加振手段による周期的加振力を位相差を有しつつ同一の周波数で同時に発生させ前記可動台に三次元の振動軌跡を生じさせるように前記各加振手段を制御する振動制御手段とを備え、前記第１の水平加振手段による周期的加振力と前記垂直加振手段による周期的加振力との位相差、および前記第２の水平加振手段による周期的加振力と前記垂直加振手段による周期的加振力との位相差を、それぞれ所定の基準摩擦係数μａ、μｂを境界として個々の物品が有する摩擦係数の前記基準摩擦係数μａ、μｂに対する大小関係に基づき各物品が異なる方向に移動するように設定するとともに、前記基準摩擦係数μａを前記基準摩擦係数μｂよりも小さい値に設定し、前記可動台上に載せられたμ１＜μａ＜μ２＜μｂ＜μ３の関係を満たす摩擦係数μ１、μ２、μ３をそれぞれ備える３種の物品を同時に分別し得るように構成したことを特徴とする物品分別装置。
前記第１の水平加振手段による周期的加振力と前記垂直加振手段による周期的加振力との位相差、および前記第２の水平加振手段による周期的加振力と前記垂直加振手段による周期的加振力との位相差を、それぞれ分別する物品の摩擦係数に応じて設定するための位相差入力部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の物品分別装置。