超音波ガイドユニット
【課題】 スライダを浮上させるための空気膜を効率的に発生させることのでき、また、低廉簡易に案内剛性を高くすることのできる、超音波ガイドユニットを提供する。
【解決手段】 加振時の節位置に少なくとも１個の径拡大部を形成する共に水平設置されるロッド状のホーンと、該径拡大部を微小なクリアランスをもって囲繞して該径拡大部の周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能で、該径拡大部の幅より広幅寸法を有するスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該径拡大部はその周面が加振時の腹位置となる外郭寸法を有し、ホーンとスライダとの間に空気膜を形成してスライダをホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする。
【解決手段】 加振時の節位置に少なくとも１個の径拡大部を形成する共に水平設置されるロッド状のホーンと、該径拡大部を微小なクリアランスをもって囲繞して該径拡大部の周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能で、該径拡大部の幅より広幅寸法を有するスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該径拡大部はその周面が加振時の腹位置となる外郭寸法を有し、ホーンとスライダとの間に空気膜を形成してスライダをホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械の案内要素、その中でも、特には、直動案内に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械の案内要素として、従来、滑りや転がり方式の案内要素が用いられてきたが、近年の超精密な加工機や測定機などでは、超高分解能の位置決めや高い運動精度が要求されるため、空気静圧案内が多く用いられるようになってきた。
この空気静圧案内は、運動精度が高く摩擦が無いなどの長所を有するが、反面、剛性や振動減衰性が低く、また、コンプレッサなどの空気源が必要であり、小型のポータブルな機器への適用は困難であるという問題があった。
空気源が不要な案内要素としては、動圧案内があるが、性能が移動速度や回転速度などに依存し易く、空気案内としてはあまり普及していない。
他方、相対する面を高周波振動させると、その間の空気圧力が高まり空気膜（スクイズ空気膜）が発生することが知られており、特開２００３−８３３２６号公報に見るような精密位置決め装置が提案されている。
【０００３】
しかし、従来公報に提案されているこの構造では、テーブルがレールに跨り乗るように載置されているだけなので、軸受としての剛性が低いという問題がある他、テーブルを浮上させるに最も貢献するのはレールにおける加振時の腹位置付近に生ずる空気膜であろうと考えられることから、レール上にテーブルを浮上させるための空気膜を効率的に発生させているとは言えないものであった。
【特許文献１】特開２００３−８３３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることで空気膜を形成することを特徴とし、その際の空気膜を効率的に発生させることのでき、更には、低廉簡易に案内剛性を高くすることのできる、超音波ガイドユニットを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の超音波ガイドユニットにおいては、請求項１記載の発明では、水平設置されるホーンと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその水平方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの水平方向とは９０度直角の上下方向へと伝播させて、ホーン上の物体との間に空気膜を形成して該物体をホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることで空気膜を形成するので、この空気膜によりホーン上の物体を浮上させることができ、また、ホーンの下側に超音波振動子を設けないから、上下方向にコンパクトに形成することができる。
【０００６】
請求項２記載の発明では、水平設置されるロッド状のホーンと、該ホーンを微小なクリアランスをもって囲繞して該ホーンの周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能なスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその軸線方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの周面方向へと伝播させて、ホーンとスライダとの間に空気膜を形成して該スライダをホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることでホーンの周囲に空気膜を形成するので、この空気膜によりスライダをホーンから浮上させることができ、また、ホーンの下側に超音波振動子を設けないから、上下方向にコンパクトに形成することができる。
【０００７】
請求項３記載の発明では、加振時の節位置に少なくとも１個の張出部を形成する共に水平設置されるロッド状のホーンと、該張出部を微小なクリアランスをもって囲繞して該張出部の周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能で、該張出部の幅より広幅寸法を有するスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該張出部はその周面が加振時の腹位置となる外郭寸法を有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその軸線方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの張出部の周面方向へと伝播させて、ホーンの張出部とスライダとの間に空気膜を形成して該スライダをホーンの張出部と非接触状態で浮上させることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、単なるロッド状のホーン全体をガイド面とするのではなく、加振時の節位置に相当する部位で、その周面が加振時の腹位置となる外郭寸法の張出部の周面をスライダのガイド面とするので、振動振幅の一番大きい箇所でスライダと対向する。しかも、その余の部分では近接して対向しないこととなるので、変な歪み等による干渉などを生ずることなく、超音波振動子の振動を効率良くガイド面における空気膜として生じさせることができる。スライダは、この張出部を微小なクリアランスをもって囲繞しているので、もって、案内剛性を高くすることができる。
【０００８】
請求項４記載の発明では、超音波振動子で加振されたホーンのポアソン効果現象により加振方向に対し伝播方向が変換された超音波振動によって、前記ホーンの表面と被支持体との間に空気膜を形成させて、前記被支持体をホーンに対し非接触状態で支持するようにした。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動の伝達方向が加振方向に対し変換され、この変換された超音波振動によって空気膜を形成するので、この空気膜によりホーンに対し被支持体を非接触で支持することができる。また、ホーンを挟んで被支持体とは反対側に超音波振動子を設けないから、超音波ガイドユニットを被支持体の支持方向方向にコンパクトに形成することができる。
【０００９】
請求項５記載の発明では、棒状に形成されたホーンと、前記ホーンの軸線方向両端にそれぞれ連結固定され互いに同期して該ホーンを軸線方向に加振する一対の超音波振動子とを有し、前記ホーンが前記一対の超音波振動子にて加振されて生じるポアソン効果現象によって該ホーンの周面側に超音波振動を伝播させ、該超音波振動によって前記ホーンの周面と被支持体との間に空気膜を形成することで、該被支持体を前記ホーンに対し非接触状態で支持するようにしたことを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動の伝達方向が加振方向に対し変換され、この変換された超音波振動によって空気膜を形成するので、この空気膜によりホーンに対し被支持体を非接触で支持することができる。棒状のホーンを軸線方向両側から挟む一対の超音波振動子からの超音波振動が同期して１つのホーンに加えられることとなるので、振動が合成され、より大きな振動振幅が与えられ、案内剛性をより高めることができる。また、ホーンの軸線に対する放射方向外側に超音波振動子を設けないから、超音波ガイドユニットを軸線との直交方向にコンパクトに形成することができる。なお、棒状のホーンに断面形状には限定はない。
【００１０】
請求項６記載の発明では、請求項５記載の発明において、前記ホーンにおける前記超音波振動子による加振振動の節位置に、該ホーンの軸線との直交面に沿って張り出した張出部を設け、前記張出部を微小なクリアランスを持って囲繞すると共に該張出部の周面をガイド面として前記ホーンの軸線方向に移動可能とされたスライダをさらに備える特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、単にホーン全体をガイド面とするのではなく、加振時の節位置に相当する部位で、その周面が加振時の腹位置となる外郭寸法の張出部の周面をスライダのガイド面とするので、ホーンにおける振動振幅の一番大きい箇所がスライダと対向する。しかも、ホーンにおけるその余の部分ではスライダと近接して対向しないこととなるので、変な歪み等による干渉などを生ずることなく、超音波振動子の振動を効率良くガイド面における空気膜として生じさせることができる。スライダは、この張出部を微小なクリアランスをもって囲繞しているので、もって、案内剛性を高くすることができる。
【００１１】
請求項７記載の発明では、請求項６記載の発明において、前記張出部とスライドとを前記ホーンの軸線廻りの廻り止め形状としたことを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、廻り止め形状（非円形状）とされた張出部にスライダが微小なクリアランスを持って遊嵌することで、スライダのホーンに対する廻り止め構造を別途設けることなく、スライダの移動方向をホーンの軸線方向に沿う１自由度に規制することができる。
【００１２】
また、請求項８又は請求項９記載の発明では、請求項３又は請求項６記載の発明において、前記ホーンは、加振波長の１／２波長分程度の全長を有し、その中央に１個の張出部を形成したものであるか、加振波長の１波長分程度の全長を有し、２個の張出部を形成したものかであり、その軸線上又は軸線延長上の加振時の節位置に相当する部位近傍を支持して基台に連結固定し水平設置されることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、安定性あるガイド面を確保し得て、超音波振動子の超音波振動を極力阻害しない状態として設置することができ、コンパクトで実用的な超音波ガイドユニットとして提供することができる。
【００１３】
更に、請求項１０又は請求項１１記載の発明では、請求項３又は請求項６記載の発明において、前記張出部は、その断面形状が四角形であり、その外郭寸法とは軸線からその角への距離であるか、軸線からその辺への距離かであり、加振波長の１／４波長分程度であることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、スライダの４つの内側の角との間か、４つの辺の中央との間かにおいて、最大となる振動振幅を得て強い空気膜を発生させ、高い案内剛性を得ることができる。
【００１４】
また、請求項１２又は請求項１３記載の発明では、請求項８又は請求項９記載の発明において、前記スライダは、前記張出部の幅の２倍程度の幅を有するか、前記張出部の幅＋加振波長の１／２波長分程度の幅を少なくとも有することを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、張出部とスライダとは相応の幅寸法同士をもって確実に対向することとなり、スライダの左右動範囲内において確実な案内剛性を有することができる。
【００１５】
また、請求項１４又は請求項１５記載の発明では、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の発明において、前記超音波振動子は、複数個取り付け、全同期して駆動されるものであるか、これに加えて、超音波振動子は、前記ホーンの端面に連結固定された振動合成器の多分岐した各端面に連結固定されることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、各超音波振動子からの超音波振動が１つのホーンに加振されることとなるので、振動が合成され、より大きな振動振幅が与えられ、案内剛性をより高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上、本発明によれば、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることで空気膜を形成することができ、その際の空気膜を効率的に発生させることのでき、更には、低廉簡易に案内剛性を高くすることのできる、超音波ガイドユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１８】
以下、本発明に係る超音波ガイドユニットについて、図１乃至４を参照して説明する。
１０はロッド状のホーン、２０はスライダ、３０は超音波振動子、４０はステー、５０は基台であり、ホーン１０は張出部としての径拡大部１１を２箇所に形成しており、スライダ２０はこの径拡大部１１を囲繞して該径拡大部１１の周面をガイド面として左右動自在である。超音波振動子３０はホーン１０の両端面１５に連結固定され、また、ホーン１０の径拡大部１１はステー４０を介して基台５０に連結固定されて、超音波ガイドユニット１を構成し、これをベース６０に水平設置して使用する。
【００１９】
ホーン１０は、超音波振動子３０からホーン１０に対して加える超音波振動の１波長分程度の全長を有し、加振時の節位置に相当する部位、言い換えれば、左右両方の端面１５から各１／４波長分程度の位置を中心として、左右に適当な幅、例えば１／４波長弱の幅寸法Ｗｈをもって、径拡大部１１を形成している。この径拡大部１１は、縦断面形状が四角形状で、その周面が加振時の腹位置となる外郭寸法、すなわち、ホーン１０の軸線Ｃから径拡大部１１たるこの四角形状の角１２への距離寸法を１／４波長分程度とした形状としている。このため、径拡大部１１以外の部分は、断面形状が円形の円柱状であり、全体としては、図４に示すように２箇所に幅広な四角形状のフランジ部がある円柱体、角状鉄アレイのような外観を呈している。なお、径拡大部１１の軸線Ｃにより近い部位を座ぐって肉薄とした締着部１３にステー４０の片側をネジ止めし、他方を基台５０にネジ止めして一体と成し、ベース６０に水平設置可能としている。このホーン１０は、狭義には超音波振動の増幅部材として把握されるが、広義には振動伝達部材として把握される。すなわち、ホーン１０は、超音波振動を伝播する部材であれば足りる。
【００２０】
スライダ２０は、２個の径拡大部１１を跨ぎ、且つ、径拡大部１１の幅Ｗｈ＋１／２波長分程度の寸法より更に広幅の寸法Ｗｓを有して、左右動したときにも径拡大部１１から外れない寸法関係にすると共に、径拡大部１１を微小なクリアランスをもって囲繞して、ホーン１０上で左右動自在となっている。
【００２１】
ホーン１０の径拡大部１１とスライダ２０との間のクリアランスは、案内要素としての剛性に大きく影響するので狭い方が望ましいが、図５乃至６に示す方法により、狭くて精度の高いクリアランスでホーン１０の径拡大部１１を囲繞することのできるスライダ２０を製作することができる。すなわち、上下方向に関しては、図５に示すように、スライダ２０の左右部材たるスライダ片２１の上下面をホーン１０の径拡大部１１と同時に研削して同じ高さの寸法とした上で、図６に示すように、上下部材たるスライダ片２２との間にワッシャーなど既知の厚さのスペーサー２３を挟み込んで組み立てれば良い。また、左右方向に関しては、上下部材たるスライダ片２２に多少余裕のある座ぐり穴を明けた上で、シクネステープなどのスペーサー２４を挟み込んで組み上げ、その後にスペーサー２４を取り去れば良い。
【００２２】
なお、ホーン１０やスライダ２０の材質としては、必ずしも金属材料に限られるものではないが、軽くて剛性のあり超音波振動を減衰しない材料が望ましい。また、超音波振動子３０は、これに限るものではないが、ワッシャー形状のピエゾ素子二枚を重ね合わせてボルトでユニット化した「ボルト締めランジュバン振動子」などと称して市販されているものが好適である。超音波振動子３０は、ホーン１０の両端面１５にボルトで連結固定され、図示しない従来公知の発信器を備えた電源回路からの通電を受けて超音波領域の振動を発生し、その超音波振動を端面１５からホーン１０の軸線方向に加振するものであるが、ホーン１０は、後述する振動方向変換体としても機能し、超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの周面方向へと伝播する。
【００２３】
以上の実施態様の超音波ガイドユニット１では、単なるロッド状のホーンをガイド面とするのではなく、ロッド状のホーン１０の加振時の節位置に形成した径拡大部１１の周面をスライダ２０のガイド面としている。これは、軸線上での寸法長さとして、ホーン１０の端面１５から１／４波長分程度の位置を幅中心として、更に、その軸線から９０度直角方向へ１／４波長分程度の寸法の処が、径拡大部１１の外周面となっており、この結果、径拡大部１１の周面たるガイド面は、振動の腹位置となり振動振幅の一番大きい箇所となっている。また、径拡大部１１は相応の幅寸法Ｗｈを有しており、スライダと近接して対向する面はこの径拡大部１１の幅寸法Ｗｈの部分であるので、スライダ２０に対しては振動振幅の一番大きい部分を中心に近接して対向していることとなる。逆に、その余の部分では近接して対向しないこととなるので、その余の部分で変な歪みによる干渉などを生ずることがなく、超音波振動子の振動を効率良くガイド面におけるスクイズ空気膜として生じさせることができるようになっている。
【００２４】
また、スライダ２０は、径拡大部１１の周面をガイド面としてホーン１０上を左右動可能なように、該径拡大部１１を微小なクリアランスをもって囲繞すると共に、径拡大部１１の幅より広幅寸法Ｗｓを有している。この幅寸法としては、ホーン上の径拡大部が、１個の場合には、径拡大部の幅の２倍程度の幅、２個の場合には、径拡大部１１の幅Ｗｈ＋加振波長の１／２波長分程度の幅を少なくとも有することが望ましい。このような構成を採ることにより、径拡大部１１とスライダ２０とは相応の幅寸法同士をもって確実に対向することとなり、スライダの左右動範囲内において確実な案内剛性を有することができることとなる。
【００２５】
そこで、このような超音波ガイドユニット１において、左右の超音波振動子３０を同調させて駆動すれば、超音波振動子３０の振動は、ホーン１０の両端面１５からホーン１０にその軸方向の縦振動として伝播する。このとき、ホーン１０の全長は超音波振動子３０で加振する振動の１波長分程度の長さとしてあるので、ホーン１０上には、図３に示すような定常波が生ずる。すなわち、ここでは超音波を縦波と考えると、ホーン１０内部を伝わる超音波はその周波数ｆと音速Ｃによって決まる波長λを持ち、周期的に増減する。ここで、λ＝Ｃ／ｆ［λは波長（ｍ）、Ｃは固体（ホーン）内を伝播する縦波の音速（ｍ／ｓ）、ｆは超音波の振動数（Ｈｚ）］である。
【００２６】
そして、この場合、ホーン１０の両端面１５で変位の振幅は最大となり、そこから内側にλ／４の距離で最小となり、更にλ／４の距離で再び最大となる。また、応力は、この変位とは逆に、両端面１５で最小となり、そこからλ／４の距離で最大となる。一般に、振動振幅が最大となる箇所を腹、最小となる箇所を節と呼んでいる。このことは、ホーン１０の軸線上で両端面１５からλ／４の位置は振動振幅が零であるので、その部位に極力近い径拡大部１１の内側を座ぐって肉薄とした締着部１３を支持すれば、超音波振動子３０の超音波振動を極力阻害しない状態で設置することができることとなる。なお、電源回路の発信周波数は多少とも調整できるようにしてあるのが普通であるから、加振波長も当然に幅を持った値となり、また、雰囲気温度や長時間駆動により超音波振動子３０やホーン１０が発熱、熱膨張などもするので、ホーンの全長等の各寸法は厳密に１ポイント的に定まるものではなく、最頻稼働予定の周波数などから設計し、その後に試行してみて、真に最大振幅等が得られる寸法を確認してから、最終製作するのが望ましい。その意味で、加振波長を基準にした場合の寸法は、「程度」とある程度の幅をもった寸法としていることを理解すべきである。
【００２７】
ここで、ホーン１０の軸線方向の縦振動は９０度直角の方向へ変換することができることを、図７を用いて説明する。今、図７（ａ）のように振動方向変換体７０に右方向から圧縮荷重Ｐが掛かると、振動方向変換体７０の水平方向の長さは短くなる。このとき、振動方向変換体７０の材料はポアソン効果のために体積を一定に保とうとするので、上下方向には長くなる。逆に、図７（ｂ）のように引張荷重Ｓが働くと、水平方向の長さは大となるが、上下方向には縮まることになる。つまり、この動作によって、振動方向を９０度変換することができるのである。このとき、加振面７１から図の固定点Ｚまでの距離及び固定点Ｚから案内面７２までの距離を、加振振動の１／４波長分となるよう設定すると、加振面７１及び案内面７２が振動振幅の腹位置となって、効率良く、振動を加振面７１から案内面７２へと伝達できることとなる。
【００２８】
そこで、径拡大部１１をホーン１０の両端面１５から１／４波長分程度の位置を中心に左右、且つ、その軸線から断面四角形の径拡大部１１の角１２までの距離も１／４波長分程度の寸法で形成すると、超音波振動子３０の振動はこの径拡大部１１の４つの角１２の処で最大の振幅を生ずるようになる。このことは、スライダ２０の内側の４つの角を中心にしてスクイズ空気膜を発生させることにつながり、スライダ２０はホーン１０の径拡大部１１の外周面上で浮上するように離反し、外周下面、外周左右面でも同じような離反が起きるので、径拡大部１１とは非接触状態となり、径拡大部１１の外周面をガイド面とするリニアガイドとして機能するようになる。
【００２９】
以上の実施の形態の超音波ガイドユニットによれば、ホーン１０や超音波振動子３０は可動部分や撓みが生ずる部分がなくて剛性が高く、スライダ２０もロ字形の閉じた構造としているため剛性が高く、スライダ２０は直動方向の１自由度以外は全て拘束されているため、また、クリアランスは一定とすることができているので、振動振幅の増大によりスクイズ空気圧を高め、案内剛性を向上させることが可能となる。したがって、超音波振動子３０の超音波振動を、スライダ２０がホーン１０と対向する面、すなわち径拡大部１１の外周面に、効率良く伝えることができて、より大きなスクイズ空気膜を発生し、スライダ２０をクリアランスの間で浮上させることができ、剛性の高い案内要素として提供することが可能となる。また、超音波振動子３０はホーン１０の端面１５に連結固定しているので、上下方向にコンパクトなユニットとなっている。
なお、浮上中のスライダに横方向で非接触の応力を加えてスライダを直動させるのは勿論であり、また、浮上状態で、あるいは、移動後の位置で浮上中断させて、スライダ上のワークの測定や加工等を行うこと勿論である。
【００３０】
また、上記の実施の形態では、径拡大部をその縦断面形状が四角形状のものとしたが、本発明はこれに限らず、他の実施の形態として、三角形等の多角形とすることもできるし、円形とすることもできる。多角形であると、スライダとの間のクリアランスの加工精度を得るのが困難となり、円形であると、ホーンの軸線周りに自由度が生じて、別途の回転止め機構を必要としてしまうので、事実上は四角形状が最も望ましいと言える。また、上記の実施の形態では、ホーンの全長を１波長分程度の寸法として径拡大部を２つ形成したが、例えば、図８に示すように、ホーンの全長を１／２波長分程度の寸法として、その中央に径拡大部１１を１個形成するようにし、更には、片方の端面１５のみに超音波振動子３０を連結固定するようにしても良い。また、上記の実施の形態では、径拡大部は、縦断面形状が四角形状で、ホーンの軸線Ｃから径拡大部たるこの四角形状の角１２への距離寸法を１／４波長分程度として構成したが、軸線Ｃからその辺への距離Ｌを１／４波長分程度の寸法として構成しても良い。この場合には、スライダの上下左右の各スライダ片の中央において振動振幅が最大となり、これに呼応したスクイズ空気膜が発生して、浮上し、案内剛性を高めることができる。
【００３１】
更に他の実施の形態として、図９及び図１０に示すように、水平の交差方向に１／４波長分づつの距離で４分岐する振動合成器８０を形成し、その３つの端面１５に超音波振動子３０を各連結固定し、残る端面をホーン１０の片側又は両側の端面１５に連結固定し、この振動合成器８０における分岐の中心点付近の支持部８１をステー４１に連結固定して、基台乃至ベースに支持させるようにしても良い。この場合、ホーン１０上の径拡大部１１はステーを取り付ける為に座ぐる必要はなく、振動合成器８０の支持部８１にてステー４１を取り付けるので、加振時の節位置に最も近い位置で支持固定することが可能となり、超音波振動の伝播を阻害することが一番少ない。図示しないが、この支持固定方法を採るためだけに、ホーンの全長を２波長分程度の寸法として、中央から各１／４波長分だけ左右外側に２個の径拡大部を形成し、両端から各内側に１／４波長の位置には、この振動合成器におけると同じ支持部だけを形成して支持固定しても良い。この点からすれば、本発明では、径拡大部を形成するのはホーンの端面から１／４波長の奇数倍の位置で、その１番目と最後の形成を省略して製作する場合も含むものであると理解すべきである。
【００３２】
更に又、他の実施の形態として、図示しないが、径拡大部を全く形成しないロッド状ホーンとした場合にも、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることで、ホーンとスライダとの間に空気膜を発生させ、この空気膜によりスライダをホーンから浮上させることができる。更には、ホーンを囲繞して該ホーンの軸線方向に移動可能なスライダを設けずとも、ホーン上にシート状等の平面形状を採り得る比較的軽量な物体を直接置いた場合には、その物体との間にスクイズ空気膜を形成して、該物体を浮上させることができ、別途に水平方向の応力を加えれば、該物体を水平方向に非接触状態で搬送することなども可能となるものである。
【実施例】
【００３３】
本発明の実施の形態による具体的実施例では、ジュラルミン１７Ｓと呼ばれるアルミ合金を、全長１２０ｍｍで、円柱部分の直径が３１ｍｍ、断面正四角形の１辺が５３ｍｍの径拡大部の２個あるロッド状のホーンに加工し、図１乃至４に示すと同様な構造の超音波ガイドユニットを作成した。その他の寸法は、この全長１２０ｍｍを１波長分の長さとして設計し、径拡大部の幅は２２ｍｍ、スライダの幅は１３０ｍｍ、ホーンとスライダのクリアランスは、上下方向、左右方向とも１０μｍのスペーサーを使用して形成した。また、超音波振動子としては、本多電子株式会社製の「ボルト締めランジュバン振動子（ＨＥＣ−３０３９Ｐ４Ｂ）」を使用し、周波数３８．５〜４０．５ｋＨｚの間で駆動した。
【００３４】
このように製作した超音波ガイドユニットのスライダに測定用基準ブロックゲージや反射テープを貼着して、上下方向や左右方向の変位を光ファイバー変位計で測定したところ、上下方向で３９．７ｋＨｚ、左右方向で３９．６ｋＨｚのときに、径拡大部の外周面が一番振幅し、その際の各振幅は、２．４７３μｍ、２．０４３μｍであった。
また、上下方向の振幅が最大となる３９．７ｋＨｚで加振し、浮上中のスライダを２０ｍｍ直動させた際の誤差は、上下方向のピーク間で１．５７２μｍであった。さらに、案内剛性としては、上下方向で１．０９７５Ｎ／μｍ、左右方向で０．２６５１Ｎ／μｍであり、何れも、従来構造に比べて性能向上できることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態の超音波ガイドユニットを一部は断面として示す正面図。
【図２】図１の超音波ガイドユニットの径拡大部における縦断面図。
【図３】図１の超音波ガイドユニットのホーンのみを取り出し、これと加振波形を同位相的に示す横断面図。
【図４】図１の超音波ガイドユニットのホーンのみを取り出して示す斜視図。
【図５】図１の超音波ガイドユニットのホーンの径拡大部と左右部材たるスライダ片とを同時に加工する際の状態を示す縦断面図。
【図６】図１の超音波ガイドユニットのホーンを囲繞してスライダを組み立てる際の状態を示す縦断面図。
【図７】振動方向が９０度変換される様子を示す概要説明図。
【図８】他の実施の形態である超音波ガイドユニットの一部は断面として示す正面図。
【図９】更に他の実施の形態である超音波ガイドユニットの一部は断面として示す正面図。
【図１０】図９の超音波ガイドユニットの振動合成器と超音波振動子を取り出して示す平面図。
【符号の説明】
【００３６】
１ 超音波ガイドユニット
１０ ホーン
１１ 径拡大部（張出部）
１２ 角
１３ 締着部
１５ 端面
２０ スライダ
２１ 左右部材たるスライダ片
２２ 上下部材たるスライダ片
２３ スペーサー
２４ スペーサー
３０ 超音波振動子
４０ ステー
４１ ステー
５０ 基台
６０ ベース
７０ 振動方向変換体
７１ 加振面
７２ 案内面
８０ 振動合成器
８１ 支持部
Ｃ ホーンの軸線
Ｌ 辺への距離寸法
Ｐ 圧縮荷重
Ｓ 引張荷重
Ｗｈ 径拡大部の幅寸法
Ｗｓ スライダの幅寸法
Ｚ 固定点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械の案内要素、その中でも、特には、直動案内に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械の案内要素として、従来、滑りや転がり方式の案内要素が用いられてきたが、近年の超精密な加工機や測定機などでは、超高分解能の位置決めや高い運動精度が要求されるため、空気静圧案内が多く用いられるようになってきた。
この空気静圧案内は、運動精度が高く摩擦が無いなどの長所を有するが、反面、剛性や振動減衰性が低く、また、コンプレッサなどの空気源が必要であり、小型のポータブルな機器への適用は困難であるという問題があった。
空気源が不要な案内要素としては、動圧案内があるが、性能が移動速度や回転速度などに依存し易く、空気案内としてはあまり普及していない。
他方、相対する面を高周波振動させると、その間の空気圧力が高まり空気膜（スクイズ空気膜）が発生することが知られており、特開２００３−８３３２６号公報に見るような精密位置決め装置が提案されている。
【０００３】
しかし、従来公報に提案されているこの構造では、テーブルがレールに跨り乗るように載置されているだけなので、軸受としての剛性が低いという問題がある他、テーブルを浮上させるに最も貢献するのはレールにおける加振時の腹位置付近に生ずる空気膜であろうと考えられることから、レール上にテーブルを浮上させるための空気膜を効率的に発生させているとは言えないものであった。
【特許文献１】特開２００３−８３３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることで空気膜を形成することを特徴とし、その際の空気膜を効率的に発生させることのでき、更には、低廉簡易に案内剛性を高くすることのできる、超音波ガイドユニットを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の超音波ガイドユニットにおいては、請求項１記載の発明では、水平設置されるホーンと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその水平方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの水平方向とは９０度直角の上下方向へと伝播させて、ホーン上の物体との間に空気膜を形成して該物体をホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることで空気膜を形成するので、この空気膜によりホーン上の物体を浮上させることができ、また、ホーンの下側に超音波振動子を設けないから、上下方向にコンパクトに形成することができる。
【０００６】
請求項２記載の発明では、水平設置されるロッド状のホーンと、該ホーンを微小なクリアランスをもって囲繞して該ホーンの周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能なスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその軸線方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの周面方向へと伝播させて、ホーンとスライダとの間に空気膜を形成して該スライダをホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることでホーンの周囲に空気膜を形成するので、この空気膜によりスライダをホーンから浮上させることができ、また、ホーンの下側に超音波振動子を設けないから、上下方向にコンパクトに形成することができる。
【０００７】
請求項３記載の発明では、加振時の節位置に少なくとも１個の張出部を形成する共に水平設置されるロッド状のホーンと、該張出部を微小なクリアランスをもって囲繞して該張出部の周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能で、該張出部の幅より広幅寸法を有するスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該張出部はその周面が加振時の腹位置となる外郭寸法を有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその軸線方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの張出部の周面方向へと伝播させて、ホーンの張出部とスライダとの間に空気膜を形成して該スライダをホーンの張出部と非接触状態で浮上させることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、単なるロッド状のホーン全体をガイド面とするのではなく、加振時の節位置に相当する部位で、その周面が加振時の腹位置となる外郭寸法の張出部の周面をスライダのガイド面とするので、振動振幅の一番大きい箇所でスライダと対向する。しかも、その余の部分では近接して対向しないこととなるので、変な歪み等による干渉などを生ずることなく、超音波振動子の振動を効率良くガイド面における空気膜として生じさせることができる。スライダは、この張出部を微小なクリアランスをもって囲繞しているので、もって、案内剛性を高くすることができる。
【０００８】
請求項４記載の発明では、超音波振動子で加振されたホーンのポアソン効果現象により加振方向に対し伝播方向が変換された超音波振動によって、前記ホーンの表面と被支持体との間に空気膜を形成させて、前記被支持体をホーンに対し非接触状態で支持するようにした。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動の伝達方向が加振方向に対し変換され、この変換された超音波振動によって空気膜を形成するので、この空気膜によりホーンに対し被支持体を非接触で支持することができる。また、ホーンを挟んで被支持体とは反対側に超音波振動子を設けないから、超音波ガイドユニットを被支持体の支持方向方向にコンパクトに形成することができる。
【０００９】
請求項５記載の発明では、棒状に形成されたホーンと、前記ホーンの軸線方向両端にそれぞれ連結固定され互いに同期して該ホーンを軸線方向に加振する一対の超音波振動子とを有し、前記ホーンが前記一対の超音波振動子にて加振されて生じるポアソン効果現象によって該ホーンの周面側に超音波振動を伝播させ、該超音波振動によって前記ホーンの周面と被支持体との間に空気膜を形成することで、該被支持体を前記ホーンに対し非接触状態で支持するようにしたことを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動の伝達方向が加振方向に対し変換され、この変換された超音波振動によって空気膜を形成するので、この空気膜によりホーンに対し被支持体を非接触で支持することができる。棒状のホーンを軸線方向両側から挟む一対の超音波振動子からの超音波振動が同期して１つのホーンに加えられることとなるので、振動が合成され、より大きな振動振幅が与えられ、案内剛性をより高めることができる。また、ホーンの軸線に対する放射方向外側に超音波振動子を設けないから、超音波ガイドユニットを軸線との直交方向にコンパクトに形成することができる。なお、棒状のホーンに断面形状には限定はない。
【００１０】
請求項６記載の発明では、請求項５記載の発明において、前記ホーンにおける前記超音波振動子による加振振動の節位置に、該ホーンの軸線との直交面に沿って張り出した張出部を設け、前記張出部を微小なクリアランスを持って囲繞すると共に該張出部の周面をガイド面として前記ホーンの軸線方向に移動可能とされたスライダをさらに備える特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、単にホーン全体をガイド面とするのではなく、加振時の節位置に相当する部位で、その周面が加振時の腹位置となる外郭寸法の張出部の周面をスライダのガイド面とするので、ホーンにおける振動振幅の一番大きい箇所がスライダと対向する。しかも、ホーンにおけるその余の部分ではスライダと近接して対向しないこととなるので、変な歪み等による干渉などを生ずることなく、超音波振動子の振動を効率良くガイド面における空気膜として生じさせることができる。スライダは、この張出部を微小なクリアランスをもって囲繞しているので、もって、案内剛性を高くすることができる。
【００１１】
請求項７記載の発明では、請求項６記載の発明において、前記張出部とスライドとを前記ホーンの軸線廻りの廻り止め形状としたことを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、廻り止め形状（非円形状）とされた張出部にスライダが微小なクリアランスを持って遊嵌することで、スライダのホーンに対する廻り止め構造を別途設けることなく、スライダの移動方向をホーンの軸線方向に沿う１自由度に規制することができる。
【００１２】
また、請求項８又は請求項９記載の発明では、請求項３又は請求項６記載の発明において、前記ホーンは、加振波長の１／２波長分程度の全長を有し、その中央に１個の張出部を形成したものであるか、加振波長の１波長分程度の全長を有し、２個の張出部を形成したものかであり、その軸線上又は軸線延長上の加振時の節位置に相当する部位近傍を支持して基台に連結固定し水平設置されることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、安定性あるガイド面を確保し得て、超音波振動子の超音波振動を極力阻害しない状態として設置することができ、コンパクトで実用的な超音波ガイドユニットとして提供することができる。
【００１３】
更に、請求項１０又は請求項１１記載の発明では、請求項３又は請求項６記載の発明において、前記張出部は、その断面形状が四角形であり、その外郭寸法とは軸線からその角への距離であるか、軸線からその辺への距離かであり、加振波長の１／４波長分程度であることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、スライダの４つの内側の角との間か、４つの辺の中央との間かにおいて、最大となる振動振幅を得て強い空気膜を発生させ、高い案内剛性を得ることができる。
【００１４】
また、請求項１２又は請求項１３記載の発明では、請求項８又は請求項９記載の発明において、前記スライダは、前記張出部の幅の２倍程度の幅を有するか、前記張出部の幅＋加振波長の１／２波長分程度の幅を少なくとも有することを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、張出部とスライダとは相応の幅寸法同士をもって確実に対向することとなり、スライダの左右動範囲内において確実な案内剛性を有することができる。
【００１５】
また、請求項１４又は請求項１５記載の発明では、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の発明において、前記超音波振動子は、複数個取り付け、全同期して駆動されるものであるか、これに加えて、超音波振動子は、前記ホーンの端面に連結固定された振動合成器の多分岐した各端面に連結固定されることを特徴とする。
上記構成の超音波ガイドユニットでは、各超音波振動子からの超音波振動が１つのホーンに加振されることとなるので、振動が合成され、より大きな振動振幅が与えられ、案内剛性をより高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上、本発明によれば、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることで空気膜を形成することができ、その際の空気膜を効率的に発生させることのでき、更には、低廉簡易に案内剛性を高くすることのできる、超音波ガイドユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１８】
以下、本発明に係る超音波ガイドユニットについて、図１乃至４を参照して説明する。
１０はロッド状のホーン、２０はスライダ、３０は超音波振動子、４０はステー、５０は基台であり、ホーン１０は張出部としての径拡大部１１を２箇所に形成しており、スライダ２０はこの径拡大部１１を囲繞して該径拡大部１１の周面をガイド面として左右動自在である。超音波振動子３０はホーン１０の両端面１５に連結固定され、また、ホーン１０の径拡大部１１はステー４０を介して基台５０に連結固定されて、超音波ガイドユニット１を構成し、これをベース６０に水平設置して使用する。
【００１９】
ホーン１０は、超音波振動子３０からホーン１０に対して加える超音波振動の１波長分程度の全長を有し、加振時の節位置に相当する部位、言い換えれば、左右両方の端面１５から各１／４波長分程度の位置を中心として、左右に適当な幅、例えば１／４波長弱の幅寸法Ｗｈをもって、径拡大部１１を形成している。この径拡大部１１は、縦断面形状が四角形状で、その周面が加振時の腹位置となる外郭寸法、すなわち、ホーン１０の軸線Ｃから径拡大部１１たるこの四角形状の角１２への距離寸法を１／４波長分程度とした形状としている。このため、径拡大部１１以外の部分は、断面形状が円形の円柱状であり、全体としては、図４に示すように２箇所に幅広な四角形状のフランジ部がある円柱体、角状鉄アレイのような外観を呈している。なお、径拡大部１１の軸線Ｃにより近い部位を座ぐって肉薄とした締着部１３にステー４０の片側をネジ止めし、他方を基台５０にネジ止めして一体と成し、ベース６０に水平設置可能としている。このホーン１０は、狭義には超音波振動の増幅部材として把握されるが、広義には振動伝達部材として把握される。すなわち、ホーン１０は、超音波振動を伝播する部材であれば足りる。
【００２０】
スライダ２０は、２個の径拡大部１１を跨ぎ、且つ、径拡大部１１の幅Ｗｈ＋１／２波長分程度の寸法より更に広幅の寸法Ｗｓを有して、左右動したときにも径拡大部１１から外れない寸法関係にすると共に、径拡大部１１を微小なクリアランスをもって囲繞して、ホーン１０上で左右動自在となっている。
【００２１】
ホーン１０の径拡大部１１とスライダ２０との間のクリアランスは、案内要素としての剛性に大きく影響するので狭い方が望ましいが、図５乃至６に示す方法により、狭くて精度の高いクリアランスでホーン１０の径拡大部１１を囲繞することのできるスライダ２０を製作することができる。すなわち、上下方向に関しては、図５に示すように、スライダ２０の左右部材たるスライダ片２１の上下面をホーン１０の径拡大部１１と同時に研削して同じ高さの寸法とした上で、図６に示すように、上下部材たるスライダ片２２との間にワッシャーなど既知の厚さのスペーサー２３を挟み込んで組み立てれば良い。また、左右方向に関しては、上下部材たるスライダ片２２に多少余裕のある座ぐり穴を明けた上で、シクネステープなどのスペーサー２４を挟み込んで組み上げ、その後にスペーサー２４を取り去れば良い。
【００２２】
なお、ホーン１０やスライダ２０の材質としては、必ずしも金属材料に限られるものではないが、軽くて剛性のあり超音波振動を減衰しない材料が望ましい。また、超音波振動子３０は、これに限るものではないが、ワッシャー形状のピエゾ素子二枚を重ね合わせてボルトでユニット化した「ボルト締めランジュバン振動子」などと称して市販されているものが好適である。超音波振動子３０は、ホーン１０の両端面１５にボルトで連結固定され、図示しない従来公知の発信器を備えた電源回路からの通電を受けて超音波領域の振動を発生し、その超音波振動を端面１５からホーン１０の軸線方向に加振するものであるが、ホーン１０は、後述する振動方向変換体としても機能し、超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの周面方向へと伝播する。
【００２３】
以上の実施態様の超音波ガイドユニット１では、単なるロッド状のホーンをガイド面とするのではなく、ロッド状のホーン１０の加振時の節位置に形成した径拡大部１１の周面をスライダ２０のガイド面としている。これは、軸線上での寸法長さとして、ホーン１０の端面１５から１／４波長分程度の位置を幅中心として、更に、その軸線から９０度直角方向へ１／４波長分程度の寸法の処が、径拡大部１１の外周面となっており、この結果、径拡大部１１の周面たるガイド面は、振動の腹位置となり振動振幅の一番大きい箇所となっている。また、径拡大部１１は相応の幅寸法Ｗｈを有しており、スライダと近接して対向する面はこの径拡大部１１の幅寸法Ｗｈの部分であるので、スライダ２０に対しては振動振幅の一番大きい部分を中心に近接して対向していることとなる。逆に、その余の部分では近接して対向しないこととなるので、その余の部分で変な歪みによる干渉などを生ずることがなく、超音波振動子の振動を効率良くガイド面におけるスクイズ空気膜として生じさせることができるようになっている。
【００２４】
また、スライダ２０は、径拡大部１１の周面をガイド面としてホーン１０上を左右動可能なように、該径拡大部１１を微小なクリアランスをもって囲繞すると共に、径拡大部１１の幅より広幅寸法Ｗｓを有している。この幅寸法としては、ホーン上の径拡大部が、１個の場合には、径拡大部の幅の２倍程度の幅、２個の場合には、径拡大部１１の幅Ｗｈ＋加振波長の１／２波長分程度の幅を少なくとも有することが望ましい。このような構成を採ることにより、径拡大部１１とスライダ２０とは相応の幅寸法同士をもって確実に対向することとなり、スライダの左右動範囲内において確実な案内剛性を有することができることとなる。
【００２５】
そこで、このような超音波ガイドユニット１において、左右の超音波振動子３０を同調させて駆動すれば、超音波振動子３０の振動は、ホーン１０の両端面１５からホーン１０にその軸方向の縦振動として伝播する。このとき、ホーン１０の全長は超音波振動子３０で加振する振動の１波長分程度の長さとしてあるので、ホーン１０上には、図３に示すような定常波が生ずる。すなわち、ここでは超音波を縦波と考えると、ホーン１０内部を伝わる超音波はその周波数ｆと音速Ｃによって決まる波長λを持ち、周期的に増減する。ここで、λ＝Ｃ／ｆ［λは波長（ｍ）、Ｃは固体（ホーン）内を伝播する縦波の音速（ｍ／ｓ）、ｆは超音波の振動数（Ｈｚ）］である。
【００２６】
そして、この場合、ホーン１０の両端面１５で変位の振幅は最大となり、そこから内側にλ／４の距離で最小となり、更にλ／４の距離で再び最大となる。また、応力は、この変位とは逆に、両端面１５で最小となり、そこからλ／４の距離で最大となる。一般に、振動振幅が最大となる箇所を腹、最小となる箇所を節と呼んでいる。このことは、ホーン１０の軸線上で両端面１５からλ／４の位置は振動振幅が零であるので、その部位に極力近い径拡大部１１の内側を座ぐって肉薄とした締着部１３を支持すれば、超音波振動子３０の超音波振動を極力阻害しない状態で設置することができることとなる。なお、電源回路の発信周波数は多少とも調整できるようにしてあるのが普通であるから、加振波長も当然に幅を持った値となり、また、雰囲気温度や長時間駆動により超音波振動子３０やホーン１０が発熱、熱膨張などもするので、ホーンの全長等の各寸法は厳密に１ポイント的に定まるものではなく、最頻稼働予定の周波数などから設計し、その後に試行してみて、真に最大振幅等が得られる寸法を確認してから、最終製作するのが望ましい。その意味で、加振波長を基準にした場合の寸法は、「程度」とある程度の幅をもった寸法としていることを理解すべきである。
【００２７】
ここで、ホーン１０の軸線方向の縦振動は９０度直角の方向へ変換することができることを、図７を用いて説明する。今、図７（ａ）のように振動方向変換体７０に右方向から圧縮荷重Ｐが掛かると、振動方向変換体７０の水平方向の長さは短くなる。このとき、振動方向変換体７０の材料はポアソン効果のために体積を一定に保とうとするので、上下方向には長くなる。逆に、図７（ｂ）のように引張荷重Ｓが働くと、水平方向の長さは大となるが、上下方向には縮まることになる。つまり、この動作によって、振動方向を９０度変換することができるのである。このとき、加振面７１から図の固定点Ｚまでの距離及び固定点Ｚから案内面７２までの距離を、加振振動の１／４波長分となるよう設定すると、加振面７１及び案内面７２が振動振幅の腹位置となって、効率良く、振動を加振面７１から案内面７２へと伝達できることとなる。
【００２８】
そこで、径拡大部１１をホーン１０の両端面１５から１／４波長分程度の位置を中心に左右、且つ、その軸線から断面四角形の径拡大部１１の角１２までの距離も１／４波長分程度の寸法で形成すると、超音波振動子３０の振動はこの径拡大部１１の４つの角１２の処で最大の振幅を生ずるようになる。このことは、スライダ２０の内側の４つの角を中心にしてスクイズ空気膜を発生させることにつながり、スライダ２０はホーン１０の径拡大部１１の外周面上で浮上するように離反し、外周下面、外周左右面でも同じような離反が起きるので、径拡大部１１とは非接触状態となり、径拡大部１１の外周面をガイド面とするリニアガイドとして機能するようになる。
【００２９】
以上の実施の形態の超音波ガイドユニットによれば、ホーン１０や超音波振動子３０は可動部分や撓みが生ずる部分がなくて剛性が高く、スライダ２０もロ字形の閉じた構造としているため剛性が高く、スライダ２０は直動方向の１自由度以外は全て拘束されているため、また、クリアランスは一定とすることができているので、振動振幅の増大によりスクイズ空気圧を高め、案内剛性を向上させることが可能となる。したがって、超音波振動子３０の超音波振動を、スライダ２０がホーン１０と対向する面、すなわち径拡大部１１の外周面に、効率良く伝えることができて、より大きなスクイズ空気膜を発生し、スライダ２０をクリアランスの間で浮上させることができ、剛性の高い案内要素として提供することが可能となる。また、超音波振動子３０はホーン１０の端面１５に連結固定しているので、上下方向にコンパクトなユニットとなっている。
なお、浮上中のスライダに横方向で非接触の応力を加えてスライダを直動させるのは勿論であり、また、浮上状態で、あるいは、移動後の位置で浮上中断させて、スライダ上のワークの測定や加工等を行うこと勿論である。
【００３０】
また、上記の実施の形態では、径拡大部をその縦断面形状が四角形状のものとしたが、本発明はこれに限らず、他の実施の形態として、三角形等の多角形とすることもできるし、円形とすることもできる。多角形であると、スライダとの間のクリアランスの加工精度を得るのが困難となり、円形であると、ホーンの軸線周りに自由度が生じて、別途の回転止め機構を必要としてしまうので、事実上は四角形状が最も望ましいと言える。また、上記の実施の形態では、ホーンの全長を１波長分程度の寸法として径拡大部を２つ形成したが、例えば、図８に示すように、ホーンの全長を１／２波長分程度の寸法として、その中央に径拡大部１１を１個形成するようにし、更には、片方の端面１５のみに超音波振動子３０を連結固定するようにしても良い。また、上記の実施の形態では、径拡大部は、縦断面形状が四角形状で、ホーンの軸線Ｃから径拡大部たるこの四角形状の角１２への距離寸法を１／４波長分程度として構成したが、軸線Ｃからその辺への距離Ｌを１／４波長分程度の寸法として構成しても良い。この場合には、スライダの上下左右の各スライダ片の中央において振動振幅が最大となり、これに呼応したスクイズ空気膜が発生して、浮上し、案内剛性を高めることができる。
【００３１】
更に他の実施の形態として、図９及び図１０に示すように、水平の交差方向に１／４波長分づつの距離で４分岐する振動合成器８０を形成し、その３つの端面１５に超音波振動子３０を各連結固定し、残る端面をホーン１０の片側又は両側の端面１５に連結固定し、この振動合成器８０における分岐の中心点付近の支持部８１をステー４１に連結固定して、基台乃至ベースに支持させるようにしても良い。この場合、ホーン１０上の径拡大部１１はステーを取り付ける為に座ぐる必要はなく、振動合成器８０の支持部８１にてステー４１を取り付けるので、加振時の節位置に最も近い位置で支持固定することが可能となり、超音波振動の伝播を阻害することが一番少ない。図示しないが、この支持固定方法を採るためだけに、ホーンの全長を２波長分程度の寸法として、中央から各１／４波長分だけ左右外側に２個の径拡大部を形成し、両端から各内側に１／４波長の位置には、この振動合成器におけると同じ支持部だけを形成して支持固定しても良い。この点からすれば、本発明では、径拡大部を形成するのはホーンの端面から１／４波長の奇数倍の位置で、その１番目と最後の形成を省略して製作する場合も含むものであると理解すべきである。
【００３２】
更に又、他の実施の形態として、図示しないが、径拡大部を全く形成しないロッド状ホーンとした場合にも、ホーンのポアソン効果現象により超音波振動を９０度直角の方向へ伝播させることで、ホーンとスライダとの間に空気膜を発生させ、この空気膜によりスライダをホーンから浮上させることができる。更には、ホーンを囲繞して該ホーンの軸線方向に移動可能なスライダを設けずとも、ホーン上にシート状等の平面形状を採り得る比較的軽量な物体を直接置いた場合には、その物体との間にスクイズ空気膜を形成して、該物体を浮上させることができ、別途に水平方向の応力を加えれば、該物体を水平方向に非接触状態で搬送することなども可能となるものである。
【実施例】
【００３３】
本発明の実施の形態による具体的実施例では、ジュラルミン１７Ｓと呼ばれるアルミ合金を、全長１２０ｍｍで、円柱部分の直径が３１ｍｍ、断面正四角形の１辺が５３ｍｍの径拡大部の２個あるロッド状のホーンに加工し、図１乃至４に示すと同様な構造の超音波ガイドユニットを作成した。その他の寸法は、この全長１２０ｍｍを１波長分の長さとして設計し、径拡大部の幅は２２ｍｍ、スライダの幅は１３０ｍｍ、ホーンとスライダのクリアランスは、上下方向、左右方向とも１０μｍのスペーサーを使用して形成した。また、超音波振動子としては、本多電子株式会社製の「ボルト締めランジュバン振動子（ＨＥＣ−３０３９Ｐ４Ｂ）」を使用し、周波数３８．５〜４０．５ｋＨｚの間で駆動した。
【００３４】
このように製作した超音波ガイドユニットのスライダに測定用基準ブロックゲージや反射テープを貼着して、上下方向や左右方向の変位を光ファイバー変位計で測定したところ、上下方向で３９．７ｋＨｚ、左右方向で３９．６ｋＨｚのときに、径拡大部の外周面が一番振幅し、その際の各振幅は、２．４７３μｍ、２．０４３μｍであった。
また、上下方向の振幅が最大となる３９．７ｋＨｚで加振し、浮上中のスライダを２０ｍｍ直動させた際の誤差は、上下方向のピーク間で１．５７２μｍであった。さらに、案内剛性としては、上下方向で１．０９７５Ｎ／μｍ、左右方向で０．２６５１Ｎ／μｍであり、何れも、従来構造に比べて性能向上できることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態の超音波ガイドユニットを一部は断面として示す正面図。
【図２】図１の超音波ガイドユニットの径拡大部における縦断面図。
【図３】図１の超音波ガイドユニットのホーンのみを取り出し、これと加振波形を同位相的に示す横断面図。
【図４】図１の超音波ガイドユニットのホーンのみを取り出して示す斜視図。
【図５】図１の超音波ガイドユニットのホーンの径拡大部と左右部材たるスライダ片とを同時に加工する際の状態を示す縦断面図。
【図６】図１の超音波ガイドユニットのホーンを囲繞してスライダを組み立てる際の状態を示す縦断面図。
【図７】振動方向が９０度変換される様子を示す概要説明図。
【図８】他の実施の形態である超音波ガイドユニットの一部は断面として示す正面図。
【図９】更に他の実施の形態である超音波ガイドユニットの一部は断面として示す正面図。
【図１０】図９の超音波ガイドユニットの振動合成器と超音波振動子を取り出して示す平面図。
【符号の説明】
【００３６】
１ 超音波ガイドユニット
１０ ホーン
１１ 径拡大部（張出部）
１２ 角
１３ 締着部
１５ 端面
２０ スライダ
２１ 左右部材たるスライダ片
２２ 上下部材たるスライダ片
２３ スペーサー
２４ スペーサー
３０ 超音波振動子
４０ ステー
４１ ステー
５０ 基台
６０ ベース
７０ 振動方向変換体
７１ 加振面
７２ 案内面
８０ 振動合成器
８１ 支持部
Ｃ ホーンの軸線
Ｌ 辺への距離寸法
Ｐ 圧縮荷重
Ｓ 引張荷重
Ｗｈ 径拡大部の幅寸法
Ｗｓ スライダの幅寸法
Ｚ 固定点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平設置されるホーンと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその水平方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの水平方向とは９０度直角の上下方向へと伝播させて、ホーン上の物体との間に空気膜を形成して該物体をホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項２】
水平設置されるロッド状のホーンと、該ホーンを微小なクリアランスをもって囲繞して該ホーンの周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能なスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその軸線方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの周面方向へと伝播させて、ホーンとスライダとの間に空気膜を形成して該スライダをホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項３】
加振時の節位置に少なくとも１個の張出部を形成する共に水平設置されるロッド状のホーンと、該張出部を微小なクリアランスをもって囲繞して該張出部の周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能で、該張出部の幅より広幅寸法を有するスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該張出部はその周面が加振時の腹位置となる外郭寸法を有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその軸線方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの張出部の周面方向へと伝播させて、ホーンの張出部とスライダとの間に空気膜を形成して該スライダをホーンの張出部と非接触状態で浮上させることを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項４】
超音波振動子で加振されたホーンのポアソン効果現象により加振方向に対し伝播方向が変換された超音波振動によって、前記ホーンの表面と被支持体との間に空気膜を形成させて、前記被支持体をホーンに対し非接触状態で支持するようにしたことを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項５】
棒状に形成されたホーンと、前記ホーンの軸線方向両端にそれぞれ連結固定され互いに同期して該ホーンを軸線方向に加振する一対の超音波振動子とを有し、
前記ホーンが前記一対の超音波振動子にて加振されて生じるポアソン効果現象によって該ホーンの周面側に超音波振動を伝播させ、該超音波振動によって前記ホーンの周面と被支持体との間に空気膜を形成することで、該被支持体を前記ホーンに対し非接触状態で支持するようにしたことを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項６】
前記ホーンにおける前記超音波振動子による加振振動の節位置に、該ホーンの軸線との直交面に沿って張り出した張出部を設け、
前記張出部を微小なクリアランスを持って囲繞すると共に該張出部の周面をガイド面として前記ホーンの軸線方向に移動可能とされたスライダをさらに備えることを特徴とする請求項５記載の超音波ガイドユニット。
【請求項７】
前記張出部とスライダとを前記ホーンの軸線廻りの廻り止め形状としたことを特徴とする請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項８】
前記ホーンは、加振波長の１／２波長分程度の全長を有し、その中央に１個の前記張出部を形成したものであり、その軸線上又は軸線延長上の加振時の節位置に相当する部位近傍を支持して基台に連結固定し水平設置されることを特徴とする請求項３又は請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項９】
前記ホーンは、加振波長の１波長分程度の全長を有し、２個の前記張出部を形成したものであり、その軸線上又は軸線延長上の加振時の節位置に相当する部位近傍を支持して基台に連結固定し水平設置されることを特徴とする請求項３又は請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１０】
前記張出部は、その断面形状が四角形であり、その外郭寸法とは軸線からその角への距離で、加振波長の１／４波長分程度であることを特徴とする請求項３又は請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１１】
前記張出部は、その断面形状が四角形であり、その外郭寸法とは軸線からその辺への距離で、加振波長の１／４波長分程度であることを特徴とする請求項３又は請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１２】
前記スライダは、前記張出部の幅の２倍程度の幅を有することを特徴とする請求項８記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１３】
前記スライダは、前記張出部の幅＋加振波長の１／２波長分程度の幅を少なくとも有することを特徴とする請求項９記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１４】
前記超音波振動子は、複数個取り付け、全同期して駆動されるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１５】
前記超音波振動子は、前記ホーンの端面に連結固定された振動合成器の多分岐した各端面に連結固定されることを特徴とする請求項１４記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１】
水平設置されるホーンと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその水平方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの水平方向とは９０度直角の上下方向へと伝播させて、ホーン上の物体との間に空気膜を形成して該物体をホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項２】
水平設置されるロッド状のホーンと、該ホーンを微小なクリアランスをもって囲繞して該ホーンの周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能なスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその軸線方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの周面方向へと伝播させて、ホーンとスライダとの間に空気膜を形成して該スライダをホーンと非接触状態で浮上させることを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項３】
加振時の節位置に少なくとも１個の張出部を形成する共に水平設置されるロッド状のホーンと、該張出部を微小なクリアランスをもって囲繞して該張出部の周面をガイド面として該ホーンの軸線方向に移動可能で、該張出部の幅より広幅寸法を有するスライダと、該ホーンの少なくとも１端面に連結固定される超音波振動子とを有し、該張出部はその周面が加振時の腹位置となる外郭寸法を有し、該超音波振動子の超音波振動を縦波としてホーンの端面からその軸線方向に加えると共に、該ホーンのポアソン効果現象により該超音波振動の伝播方向をホーンの軸線方向とは９０度直角のホーンの張出部の周面方向へと伝播させて、ホーンの張出部とスライダとの間に空気膜を形成して該スライダをホーンの張出部と非接触状態で浮上させることを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項４】
超音波振動子で加振されたホーンのポアソン効果現象により加振方向に対し伝播方向が変換された超音波振動によって、前記ホーンの表面と被支持体との間に空気膜を形成させて、前記被支持体をホーンに対し非接触状態で支持するようにしたことを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項５】
棒状に形成されたホーンと、前記ホーンの軸線方向両端にそれぞれ連結固定され互いに同期して該ホーンを軸線方向に加振する一対の超音波振動子とを有し、
前記ホーンが前記一対の超音波振動子にて加振されて生じるポアソン効果現象によって該ホーンの周面側に超音波振動を伝播させ、該超音波振動によって前記ホーンの周面と被支持体との間に空気膜を形成することで、該被支持体を前記ホーンに対し非接触状態で支持するようにしたことを特徴とする超音波ガイドユニット。
【請求項６】
前記ホーンにおける前記超音波振動子による加振振動の節位置に、該ホーンの軸線との直交面に沿って張り出した張出部を設け、
前記張出部を微小なクリアランスを持って囲繞すると共に該張出部の周面をガイド面として前記ホーンの軸線方向に移動可能とされたスライダをさらに備えることを特徴とする請求項５記載の超音波ガイドユニット。
【請求項７】
前記張出部とスライダとを前記ホーンの軸線廻りの廻り止め形状としたことを特徴とする請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項８】
前記ホーンは、加振波長の１／２波長分程度の全長を有し、その中央に１個の前記張出部を形成したものであり、その軸線上又は軸線延長上の加振時の節位置に相当する部位近傍を支持して基台に連結固定し水平設置されることを特徴とする請求項３又は請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項９】
前記ホーンは、加振波長の１波長分程度の全長を有し、２個の前記張出部を形成したものであり、その軸線上又は軸線延長上の加振時の節位置に相当する部位近傍を支持して基台に連結固定し水平設置されることを特徴とする請求項３又は請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１０】
前記張出部は、その断面形状が四角形であり、その外郭寸法とは軸線からその角への距離で、加振波長の１／４波長分程度であることを特徴とする請求項３又は請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１１】
前記張出部は、その断面形状が四角形であり、その外郭寸法とは軸線からその辺への距離で、加振波長の１／４波長分程度であることを特徴とする請求項３又は請求項６記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１２】
前記スライダは、前記張出部の幅の２倍程度の幅を有することを特徴とする請求項８記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１３】
前記スライダは、前記張出部の幅＋加振波長の１／２波長分程度の幅を少なくとも有することを特徴とする請求項９記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１４】
前記超音波振動子は、複数個取り付け、全同期して駆動されるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の超音波ガイドユニット。
【請求項１５】
前記超音波振動子は、前記ホーンの端面に連結固定された振動合成器の多分岐した各端面に連結固定されることを特徴とする請求項１４記載の超音波ガイドユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−８４０１８（Ｐ２００６−８４０１８Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９９９５５（Ｐ２００５−９９９５５）
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【Ｆターム（参考）】
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