非接触式変位制御装置
【課題】音圧によって制御対象物の振動を抑制し、あるいは発散させることを可能とすることである。
【解決手段】非接触式変位制御装置１０は、ベース１２と、ベース上を移動可能な２つの移動台１４，１６と、２つの移動台１４，１６のそれぞれに搭載された２つの超音波音源である第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４と、これらにそれぞれ個別に接続される超音波発生回路２２，２６と、２つの移動台１４，１６の移動制御と超音波発生回路２２，２６の作動制御とを行う制御部３０を含んで構成される。制御部３０は、制御対象物である振り子８に対し、第１音圧発生源２０と、第２音圧発生源２４とから定在波による音圧を与え、その差動音圧を制御して、振り子８の振動制御を行う。
【解決手段】非接触式変位制御装置１０は、ベース１２と、ベース上を移動可能な２つの移動台１４，１６と、２つの移動台１４，１６のそれぞれに搭載された２つの超音波音源である第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４と、これらにそれぞれ個別に接続される超音波発生回路２２，２６と、２つの移動台１４，１６の移動制御と超音波発生回路２２，２６の作動制御とを行う制御部３０を含んで構成される。制御部３０は、制御対象物である振り子８に対し、第１音圧発生源２０と、第２音圧発生源２４とから定在波による音圧を与え、その差動音圧を制御して、振り子８の振動制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触式変位制御装置に係り、特に音圧発生源を用いて制御対象物の変位を非接触式で制御する非接触式変位制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御対象物を非接触式で保持する方法は、一般的に浮遊法と呼ばれ、音波、ガスジェット、磁場、電磁波、静電、及びこれらを組み合わせた方法が知られている。その中で、磁場、電磁波、静電を用いるものは、制御対象物に制限があり、ガスジェットを用いるものは、重力とのバランスを利用する必要がある。これに対し、音波を用いる方法はそのような制限が少ないので、例えば、宇宙空間における大気環境中で溶融液を保持し、混合する非接触式のるつぼ、いわゆる宇宙るつぼに応用できる等の期待が寄せられている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、超音波浮上力の制御方法について、超音波振動子のホーン上に置いたガラス円盤の浮上位置を検出する変位センサを設け、変位センサの検出に応じて超音波振動子に印加する高周波電圧のオン・オフすることが開示されている。ここでは、制御基準浮上高さを設定し、この浮上高さを下回ると高周波電圧をオンし、上回るとオフすることで、浮上高さの初期振動を収束させることが述べられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５３５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術においては、変位センサを用いて、超音波の音圧によって浮上させた制御対象物の浮上量を制御し、また、浮上直後の初期振動を収束させることが述べられている。
【０００６】
本発明の目的は、新しい構成によって、音圧によって制御対象物の振動を抑制し、あるいは発散させることを可能とする非接触式変位制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る非接触式変位制御装置は、制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、第１間隔距離と第２間隔距離とを可変する制御部と、を備え、制御部は、第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が正となるように、第１波長と第２波長とに基づいて、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を減衰させることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る非接触式変位制御装置は、制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、第１間隔距離と第２間隔距離とを可変する制御部と、を備え、制御部は、第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が負となるように、第１波長と第２波長とに基づいて、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を発散させることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る非接触式変位制御装置は、制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、第１波長と第２波長とを可変する制御部と、を備え、制御部は、第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が正となるように、第１間隔距離と第２間隔距離とに基づいて、第１波長と第２波長とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を減衰させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る非接触式変位制御装置は、制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、第１波長と第２波長とを可変する制御部と、を備え、制御部は、第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が負となるように、第１間隔距離と第２間隔距離とに基づいて、第１波長と第２波長とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を発散させることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る非接触式変位制御装置において、第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λは、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、制御部は、第１間隔距離と第２間隔距離であるｙを、ｎを０以上の正の整数として、ｎ（λ／２）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／４）の範囲に設定することが好ましい。
【００１２】
本発明に係る非接触式変位制御装置において、第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λは、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、制御部は、第１間隔距離と第２間隔距離であるｙを、ｎを０以上の正の整数として、ｎ（λ／２）＋（λ／４）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／２）の範囲に設定することが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る非接触式変位制御装置において、第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λは、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、制御部は、第１波長と第２波長であるλを、ｎを０以上の正の整数として、４ｙ／（２ｎ＋１）＜λ＜２ｙ／ｎの範囲に設定することが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る非接触式変位制御装置において、第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λは、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、制御部は、第１波長と第２波長であるλを、ｎを０以上の正の整数として、２ｙ／（ｎ＋１）＜λ＜４ｙ／（２ｎ＋１）の範囲に設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成の少なくとも１つにより、制御対象物に対し、第１音圧発生源と、第２音圧発生源とから定在波による音圧を与え、その差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、第１波長と第２波長、第１間隔距離と第２間隔距離との設定によって、等価バネ定数を変化させる。
【００１６】
制御対象物の平衡位置における振動を減衰させる場合には、等価バネ定数が正となるように、第１波長と第２波長、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定する。また、制御対象物の平衡位置における振動を発散させる場合には、等価バネ定数が負となるように、第１波長と第２波長、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定する。
【００１７】
上記のように、本発明に非接触式変位制御装置によれば、音圧によって制御対象物の振動を抑制し、あるいは発散させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、典型的な構成として、第１音圧発生源が、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λが、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙが、第２間隔距離と同じである例について計算等を説明する。これは、計算等の説明のための例示であり、第１音圧発生源と第２音圧発生源とがそれぞれ制御対象物に対し音圧に基づく定在波を形成する関係にあればよく、音波の放射方向、音波の波長または周波数、音源と制御対象物との間の間隔距離は、等価バネ定数の設定のためにそれぞれを変更してよい。また、以下で説明する波長、間隔距離等は説明のための一例であって、目的に応じ、これ以外の値であってもよい。
【００１９】
図１は、非接触式変位制御装置１０の構成を示す図である。ここでは、非接触式変位制御装置１０の構成要素ではないが、制御対象物としての振り子８が示されている。この振り子８は、両端に音圧を受け止め互いに平行である平坦面を有する金属錘と、これを周囲の４点で摩擦の少ない状態で吊り下げる細い４本の金属ワイヤで構成されている。
【００２０】
非接触式変位制御装置１０は、ベース１２と、ベース上を移動可能な２つの移動台１４，１６と、２つの移動台１４，１６のそれぞれに搭載された２つの超音波音源である第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４と、これらにそれぞれ個別に接続される超音波発生回路２２，２６と、２つの移動台１４，１６の移動制御と超音波発生回路２２，２６の作動制御とを行う制御部３０を含んで構成される。
【００２１】
ベース１２は、上記の２つの移動台１４，１６の移動を案内する基台で、例えば、案内レール付定盤等を用いることができる。２つの移動台１４，１６の移動を案内する案内レールは、その案内中心軸を一致させた２つのガイドレール等を用いることができる。２つのガイドレールを接続し、そのガイドレール上を２つの移動台１４，１６が共に移動できるものとしてもよい。
【００２２】
２つの移動台１４，１６は、ベース１２に設けられ、制御部３０の制御の下で案内レールに沿って移動駆動される音圧発生源移動台である。例えば、案内レールに沿って直線的に移動駆動されるリニアモータ等を用いることができる。２つの移動台１４，１６は、上記のように、案内中心軸を一致させた２つの案内レール上をそれぞれ移動するので、その上に搭載される第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とを、案内中心軸上で向かい合わせて移動駆動する機能を有することになる。２つの移動台１４，１６の移動方向として、図１にはｘ方向が示されている。ｘ方向は、案内中心軸の方向である。
【００２３】
第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とは、基本的に同じ構成を有し、超音波を放射する音源で、具体的には、振動子の超音波振動を大気中に放射するものである。超音波を放射する振動子としては、例えば圧電素子を用いることができる。
【００２４】
上記のように、第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とは、ベース１２の案内中心軸上で相互に対向して配置されるが、具体的には、第１音圧発生源２０の超音波放射面の放射中心軸と第２音圧発生源２４の超音波放射面の放射中心軸とが同一軸上になるように、相互に対向して配置される。そして、第１音圧発生源２０の超音波放射面と第２音圧発生源２４の超音波放射面とのちょうど中間の位置に、振り子８が配置される。
【００２５】
具体的には、振り子８の両端の平坦面のそれぞれから測って、第１音圧発生源２０の超音波放射面までの距離である第１間隔距離ｙ1と、第２音圧発生源２４の超音波放射面までの距離である第２間隔距離ｙ2とが同じ距離になるように、第１音圧発生源２０の位置と、第２音圧発生源２４の位置とが設定される。この位置の設定は、制御部３０の機能によって、例えば、第１間隔距離ｙ1と第２間隔距離ｙ2とを適当な計測器で計測しながら、移動台１４，１６をｘ方向にそれぞれ移動駆動することで行うことができる。
【００２６】
超音波発生回路２２，２６は、上記のように、第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とにそれぞれ個別に接続される回路である。第１音圧発生源２０に接続される超音波発生回路２２は、パルスジェネレータと増幅器とを含んで構成され、第１音圧発生源２０から放射される超音波の波長である第１波長λ1と、振幅の大きさ等を設定する機能を有する。第２音圧発生源２４に接続される超音波発生回路２６も同様にパルスジェネレータと増幅器とを含んで構成され、第２音圧発生源２４から放射される超音波の波長である第二
波長λ2と、振幅の大きさ等を設定する機能を有する。
【００２７】
制御部３０は、２つの移動台１４，１６に接続され、これらの移動制御と、２つの超音波発生回路２２，２６に接続され、これらの作動制御を行う機能とを有する。２つの移動台１４，１６の移動制御は、第１間隔距離ｙ1と第２間隔距離ｙ2とを予め定めた間隔距離とする制御である。２つの超音波発生回路２２，２６の作動制御は、例えば、第１波長λ1と第２波長λ2とを予め定めた波長とする制御である。
【００２８】
制御部３０は、制御対象物である振り子８に対し、第１音圧発生源２０と、第２音圧発生源２４とから定在波による音圧を与え、その差動音圧を制御して、振り子８の振動制御を行う機能を有するものである。差動音圧の制御は、第１波長λ1、第２波長λ2、第１間隔距離ｙ1、第２間隔距離ｙ2の設定によって行われる。そこで、以下に、第１音圧発生源２０と振り子８との間の定在波の形成、第２音圧発生源２４と振り子８との間の定在波の形成、振り子８に及ぼすそれぞれの音圧、およびその差動音圧について、説明する。以下では、一般式の形式で説明し、必要に応じ、図１の符号を用いるものとする。
【００２９】
図２は、第１音圧発生源２０と振り子８との間に音波による定在波が形成される様子を説明する模式図である。ここで、第１音圧発生源２０からの超音波の波長をλとして、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離がλ／２の整数倍であるときに、超音波の定在波が形成される。図２では、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離がλ／２の１０倍となっている。ここで、図２で示す波形は、定在波による音圧の大きさを示しているが、この音圧の周期性は、波長がλ／２である。つまり、波長λを有する音波の定在波による音圧の周期性の波長はλ／２になることになる。
【００３０】
このことから、一般的に、制御対象物の受圧面に作用する圧力、すなわち超音波振動子等の振動子から放射される音響放射圧を受ける受圧面に作用する圧力は、振動子表面から受圧面までの距離をｚとすると、次の式で近似する事ができる。なお、以下では、受圧面を単位面積として、受圧面に作用する力Ｆとして示すことにする。
【数１】
ただしπは円周率、λは超音波の波長である。この式の第一項a(z)は進行波による圧力成分によるものであり、距離ｚに比例してごくゆるやかに減少する。またb(z)は定在波による圧力成分によるものであり、距離ｚに反比例して急速に減少する、いずれも正の値を持つｚの関数である。
【００３１】
このような音圧特性を有する振動子である音圧発生源を、制御対象物の受圧面を挟んで対称になるように対向して配置する。受圧面は、実際には制御対象物の両端面であるが、計算上は受圧面の厚さを無視して１つの面として左右から音圧を受けるものとすることが便利であるので、以下の計算では、受圧面を仮想的に１つの面とする。制御対象物は、図１の例では振り子８である。
【００３２】
このとき、受圧面の静止つりあい位置、すなわち、初期の平衡位置を原点（ｘ＝０）とし、原点から振動子表面までの間隔距離（ギャップ距離）をｙとおく。そして受圧面のつりあい位置からの横変位をｘとする。また力Ｆおよび変位ｘはいずれも右向きを正とおく。
【００３３】
右振動子表面から受圧面に与えられる力Frと、左振動子表面から受圧面に与えられる力Flとは、（１）式のｚをそれぞれｚ＝ｙ−ｘ（右振動子）、ｚ＝ｙ＋ｘ（左振動子）とおくことで以下のように表わされる。なお、右振動子、左振動子とは、図１の例で、それぞれ第２音圧発生源２４、第１音圧発生源２０に相当する。
【数２】
【数３】
【００３４】
したがって、受圧面に作用する力（受圧面を単位面積として、２つの振動子の音圧の差動圧力Ｆ）は（２）（３）式の合計として次式で表される。
【数４】
【００３５】
ここで、ｘを微小とし、
【数５】
と近似すると、（４）式は以下のように簡略化できる。
【数６】
【００３６】
ここで、加法定理
【数７】
により、（５）式の[ ]内は更に
【数８】
と簡略化できることを用いると、（５）式は
【数９】
となる。
【００３７】
ここでさらに、ｘが微小（ｘ<<λ）の仮定およびsin(θ)≒θの近似を用いると、
【数１０】
と書くことができる。この式より、図１の系において、対向する振動子である第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とにより与えられた差動圧力に対応するＦは、受圧面のつりあい位置からの変位ｘに対して、比例係数
【数１１】
により与えられる力、すなわち変位に比例する力
【数１２】
を与える特性、いわば「等価ばね」としての特性を有していることになる。
【００３８】
ここで注目すべきは、（９）式中の等価ばね定数ｋeqは、「（通常のばねがそうであるように）常に正である」とは限らない、という点である。すなわち、式（８）より明らかに（π、by、λは正だから）、ｋeqの符号はsinの符号によって以下のように変化する。
【数１３】
【００３９】
すなわち、振動子表面と受圧面の距離（ギャップ距離）ｙの値がλ／４変化する毎に等価ばね定数の正負が変化する。これを一般式で書くと次のようになる。なお、以下において、ｎ，ｍは正の整数である。
【数１４】
【００４０】
また、上記関係を波長λについて書き直すと次のようになる。
【数１５】
【００４１】
その様子を図３に示す。図３の横軸は、間隔距離ｙ、縦軸は上記の等価バネ定数ｋeqである。このように、等価バネ定数ｋeqは、λ／２の周期で変化し、一例をあげると、ｙ＝λ／３のときにｋeqは負の値をとり、ｙ＝λ／２のときはｋeqはゼロとなり、ｙ＝７λ／１０のときにｋeqは正の値をとる。
【００４２】
この性質は、そのまま制御対象物である振り子８の振動の制御に利用することができる。いま、振り子８を理想的に受圧面のみとし、受圧面を一つの板のようなものと考えると、その板には板の質量ｍと加速度による慣性力と、板の速度と空気抵抗係数ｃによる減衰力と、音響放射圧による差動圧力に対応する力Ｆが作用する。これら力のつりあいを表わす式（運動方程式）として、
【数１６】
が得られる。
【００４３】
この式は、ｋeqが正ならば減衰振動、ｋeqが負ならば発散振動、ｋeqが０ならば振動せずに運動が減衰することが知られている。すなわち、ギャップ距離である間隔距離ｙを超音波の波長λに応じた適当な間隔距離ｙに設定することで、等価ばね定数ｋeqの正負を任意に設定することができ、これによって受圧する物体の振動を「減衰振動」「発散振動」「振動せずに減衰する」という任意の状態に制御する事が可能となる。以上が差動超音波力を利用した受動的振動制御方法の原理である。
【００４４】
次に、図１に説明した構成の作用を具体的に説明する。ここでは、第１音圧発生源２０と、第２音圧発生源２４とについて、同じ特性の超音波振動子を用い、制御部３０によって超音波発生回路２２，２６を制御して、これらの超音波周波数を２８，５００Ｈｚとなるようにした。空気中の音速は３４５ｍ／ｓであるので、これらから放射される超音波の波長は、いずれもλ＝３４５（ｍ／ｓ）／２８，５００（Ｈｚ）＝１２．１ｍｍである。
【００４５】
図４に、音圧発生源からの距離と、その距離における放射音圧との関係を示す。横軸は、音圧源からの距離、例えば第１音圧発生源２０の超音波放射面からの距離で、縦軸は適当な放射エネルギ測定装置で測定した放射音圧に対応する力である。ここでは放射音圧に対応し、単位受圧面が受ける力の大きさが縦軸にとられている。図４においては、音圧発生源からの音圧の周期性は、波長λが約１２ｍｍであり、上記の計算と合っていることが示されている。
【００４６】
次に、この条件の下で、第１音圧発生源２０と制御対象物である振り子８の一方側の受圧面との間の間隔距離ｙを、第２音圧発生源２４と制御対象物である振り子８の他方側の受圧面との間の間隔距離と同じに設定し、この間隔距離ｙを変化させて、振り子８の変位、すなわち、差動音圧に対応する力による変位を観測した結果を説明する。
【００４７】
以下において、共通の条件は次の通りである。すなわち、第１音圧発生源２０の超音波周波数は２８，５００Ｈｚ、その波長を第１波長λ1とすると、λ1＝１２．１ｍｍ、第２音圧発生源２４の超音波周波数は、２８，５００Ｈｚ、その波長を第２波長λ2とすると、λ2＝１２．１ｍｍである。以下では、λ1＝λ2＝λとする。そして、第１音圧発生源２０は、制御対象物である振り子８を挟んで第２音圧発生源２４と対向して配置され、両音圧放射の中心軸は一致している。換言すれば、振り子８は、第１音圧発生源２０からの音圧を図１における左側受圧面で受け、第２音圧発生源２４からの音圧を図１における右側受圧面で受け、左側受圧面と右側受圧面とは平行で、これらの受圧面の中心における法線が、第１音圧発生源２０の超音波放射の中心軸、第２超音波放射面の中心軸と一致している。また、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離をｙ1とし、第２音圧発生源２４と振り子８との間の間隔距離をｙ2とすると、ｙ1＝ｙ2である。以下では、ｙ1＝ｙ2＝ｙとする。
【００４８】
図５、図６は、ｙ＝８．４ｍｍ、すなわち、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離も第２音圧発生源２４と振り子８との間の間隔距離も、およそ７λ／１０に設定した場合の様子を示す図である。図５は、振り子８の初期平衡位置からの距離と、振り子８が受ける差動音圧に対応する力の大きさとの関係を示す図で、図６は、振り子８の変位の時間変化を示す図である。
【００４９】
上記のように、図５において、横軸は振り子８の初期平衡位置からの距離であり、縦軸は振り子８が受ける差動音圧を換算した力である。したがって、上記（９）式で説明したように、（差動音圧に対応する力Ｆ）−（距離ｘ）の特性における傾きは、等価バネ定数ｋeqを示すことになる。図５の距離＝０付近、すなわち、振り子８の初期平衡位置付近においては、等価バネ定数が正であることが示されている。ここでは、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそ７λ／１０に設定されているので、上記説明のｎ（λ／２）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／４）におけるｎ＝１に相当し、したがって、上記計算からｋeqは正であるとの結果と一致している。
【００５０】
正の符号の等価バネ定数を有する振動系は、上記のように減衰振動をすることが知られている。図６は、上記条件のように、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそ７λ／１０と設定されたときの振り子８の変位の時間変化を示す図である。このように、振り子８の振動が減衰することが示される。
【００５１】
図７、図８は、ｙ＝４ｍｍ、すなわち、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離も第２音圧発生源２４と振り子８との間の間隔距離も、およそλ／３に設定した場合の様子を示す図である。図７は図５に対応する図で、図７の横軸、縦軸は、図５の横軸、縦軸と同じである。図８は、図６に対応する図で、図８の横軸、縦軸は、図６の横軸、縦軸と同じである。
【００５２】
図７において、距離＝０付近、すなわち、振り子８の初期平衡位置付近においては、等価バネ定数が負であることが示されている。ここでは、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそλ／３に設定されているので、上記説明のｎ（λ／２）＋（λ／４）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／２）におけるｎ＝０の場合に相当し、したがって、上記計算からｋeqは負であるとの結果と一致している。
【００５３】
負の符号の等価バネ定数を有する振動系は、上記のように振動が発散することが知られている。図８は、上記条件のように、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそλ／３と設定されたときの振り子８の変位の時間変化を示す図である。このように、振り子８の振動が発散することが示される。
【００５４】
図９、図１０は、ｙ＝６ｍｍ、すなわち、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離も第２音圧発生源２４と振り子８との間の間隔距離も、およそλ／２に設定した場合の様子を示す図である。図９は図５、図７に対応する図で、図９の横軸、縦軸は、図５、図７の横軸、縦軸と同じである。図１０は、図６、図８に対応する図で、図１０の横軸、縦軸は、図６、図８の横軸、縦軸と同じである。
【００５５】
ここでは、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそλ／２に設定されているので、上記説明のｙ＝ｍ（λ／４）におけるｍ＝１の場合に相当し、したがって、上記計算からｋeqはゼロであり、振動が発生せず、振動しても減衰することが予想される。
【００５６】
実際には、図９に示すように、距離＝０付近、すなわち、振り子８の初期平衡位置付近においては、等価バネ定数がゼロを維持せず、図１０に示すように、振り子８は若干振動している。これは、制御対象物が重力の影響を受ける振り子８であるため、差動音圧のほかに、重力による復元力が働いており、計算上ｋeqがゼロの状態では、この重力復元力の影響を受けているためと考えることができる。
【００５７】
上記では、差動音圧の計算について、λ1＝λ2、ｙ1＝ｙ2を用いて説明し、これに対応するものとして図５から図１０を説明したが、このような条件でなくても、定在波による差動音圧が制御対象物に作用するとき、その差動音圧についての等価バネ定数の符号の変化を利用することで、制御対象物の振動を制御することができる。したがって、λ1＝λ2、ｙ1＝ｙ2の条件以外でも、制御部によって、λ1とλ2をそれぞれ独立に制御し、あるいはｙ1とｙ2を独立に制御して、その条件の下での等価バネ定数を正、または負とすることで、制御対象物の振動を制御できる。λ1、λ2、ｙ1、ｙ2を組み合わせて等価バネ定数の符号を設定制御するものとしてもよい。
【００５８】
また、第１音圧発生源からの音圧の振幅と、第２音圧発生源の音圧の振幅とを可変しても、上記式（４）以下を変更することで、差動音圧に対応する力を求めることができ、これに基づいて、等価バネ定数の符号を設定制御することもできる。超音波周波数制御、間隔距離制御によって制御対象物の振動制御を行うものを、受動的振動制御と呼ぶことにすれば、超音波振幅制御によって制御対象物の振動制御を行うものを、能動的振動制御と呼ぶことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明に係る非接触式変位制御装置は、比較的軽量でかつ非接触な支持あるいは保持を必要とする分野、例えば、クリーンルーム内でのウェファ搬送、薄板連続鋼板メッキ工程での鋼板の振動制御、宇宙空間における大気環境中で非接触式に溶融液を保持し、あるいは混合する宇宙るつぼ等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る実施の形態における非接触式変位制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態について、第１音圧発生源と振り子との間に音波による定在波が形成される様子を説明する模式図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、等価ばね定数ｋeqの特性を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、音圧発生源からの距離と、その距離における放射音圧との関係を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、ｙ＝８．４ｍｍ（およそ７λ／１０）の場合に、振り子の初期平衡位置からの距離と、振り子が受ける差動音圧の大きさとの関係を示す図である。
【図６】図５の条件において、振り子の変位の時間変化を示す図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、ｙ＝４ｍｍ（およそλ／３）の場合に、振り子の初期平衡位置からの距離と、振り子が受ける差動音圧の大きさとの関係を示す図である。
【図８】図７の条件において、振り子の変位の時間変化を示す図である。
【図９】本発明に係る実施の形態において、ｙ＝６ｍｍ（およそλ／２）の場合に、振り子の初期平衡位置からの距離と、振り子が受ける差動音圧の大きさとの関係を示す図である。
【図１０】図９の条件において、振り子の変位の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 非接触式変位制御装置、１２ ベース、１４，１６ 移動台、２０ 第１音圧発生源、２２，２６ 超音波発生回路、２４ 第２音圧発生源、３０ 制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触式変位制御装置に係り、特に音圧発生源を用いて制御対象物の変位を非接触式で制御する非接触式変位制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御対象物を非接触式で保持する方法は、一般的に浮遊法と呼ばれ、音波、ガスジェット、磁場、電磁波、静電、及びこれらを組み合わせた方法が知られている。その中で、磁場、電磁波、静電を用いるものは、制御対象物に制限があり、ガスジェットを用いるものは、重力とのバランスを利用する必要がある。これに対し、音波を用いる方法はそのような制限が少ないので、例えば、宇宙空間における大気環境中で溶融液を保持し、混合する非接触式のるつぼ、いわゆる宇宙るつぼに応用できる等の期待が寄せられている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、超音波浮上力の制御方法について、超音波振動子のホーン上に置いたガラス円盤の浮上位置を検出する変位センサを設け、変位センサの検出に応じて超音波振動子に印加する高周波電圧のオン・オフすることが開示されている。ここでは、制御基準浮上高さを設定し、この浮上高さを下回ると高周波電圧をオンし、上回るとオフすることで、浮上高さの初期振動を収束させることが述べられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５３５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術においては、変位センサを用いて、超音波の音圧によって浮上させた制御対象物の浮上量を制御し、また、浮上直後の初期振動を収束させることが述べられている。
【０００６】
本発明の目的は、新しい構成によって、音圧によって制御対象物の振動を抑制し、あるいは発散させることを可能とする非接触式変位制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る非接触式変位制御装置は、制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、第１間隔距離と第２間隔距離とを可変する制御部と、を備え、制御部は、第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が正となるように、第１波長と第２波長とに基づいて、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を減衰させることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る非接触式変位制御装置は、制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、第１間隔距離と第２間隔距離とを可変する制御部と、を備え、制御部は、第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が負となるように、第１波長と第２波長とに基づいて、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を発散させることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る非接触式変位制御装置は、制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、第１波長と第２波長とを可変する制御部と、を備え、制御部は、第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が正となるように、第１間隔距離と第２間隔距離とに基づいて、第１波長と第２波長とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を減衰させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る非接触式変位制御装置は、制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、第１波長と第２波長とを可変する制御部と、を備え、制御部は、第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が負となるように、第１間隔距離と第２間隔距離とに基づいて、第１波長と第２波長とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を発散させることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る非接触式変位制御装置において、第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λは、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、制御部は、第１間隔距離と第２間隔距離であるｙを、ｎを０以上の正の整数として、ｎ（λ／２）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／４）の範囲に設定することが好ましい。
【００１２】
本発明に係る非接触式変位制御装置において、第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λは、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、制御部は、第１間隔距離と第２間隔距離であるｙを、ｎを０以上の正の整数として、ｎ（λ／２）＋（λ／４）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／２）の範囲に設定することが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る非接触式変位制御装置において、第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λは、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、制御部は、第１波長と第２波長であるλを、ｎを０以上の正の整数として、４ｙ／（２ｎ＋１）＜λ＜２ｙ／ｎの範囲に設定することが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る非接触式変位制御装置において、第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λは、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、制御部は、第１波長と第２波長であるλを、ｎを０以上の正の整数として、２ｙ／（ｎ＋１）＜λ＜４ｙ／（２ｎ＋１）の範囲に設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成の少なくとも１つにより、制御対象物に対し、第１音圧発生源と、第２音圧発生源とから定在波による音圧を与え、その差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、第１波長と第２波長、第１間隔距離と第２間隔距離との設定によって、等価バネ定数を変化させる。
【００１６】
制御対象物の平衡位置における振動を減衰させる場合には、等価バネ定数が正となるように、第１波長と第２波長、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定する。また、制御対象物の平衡位置における振動を発散させる場合には、等価バネ定数が負となるように、第１波長と第２波長、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定する。
【００１７】
上記のように、本発明に非接触式変位制御装置によれば、音圧によって制御対象物の振動を抑制し、あるいは発散させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、典型的な構成として、第１音圧発生源が、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、第１波長λが、第２波長と同じであり、第１間隔距離ｙが、第２間隔距離と同じである例について計算等を説明する。これは、計算等の説明のための例示であり、第１音圧発生源と第２音圧発生源とがそれぞれ制御対象物に対し音圧に基づく定在波を形成する関係にあればよく、音波の放射方向、音波の波長または周波数、音源と制御対象物との間の間隔距離は、等価バネ定数の設定のためにそれぞれを変更してよい。また、以下で説明する波長、間隔距離等は説明のための一例であって、目的に応じ、これ以外の値であってもよい。
【００１９】
図１は、非接触式変位制御装置１０の構成を示す図である。ここでは、非接触式変位制御装置１０の構成要素ではないが、制御対象物としての振り子８が示されている。この振り子８は、両端に音圧を受け止め互いに平行である平坦面を有する金属錘と、これを周囲の４点で摩擦の少ない状態で吊り下げる細い４本の金属ワイヤで構成されている。
【００２０】
非接触式変位制御装置１０は、ベース１２と、ベース上を移動可能な２つの移動台１４，１６と、２つの移動台１４，１６のそれぞれに搭載された２つの超音波音源である第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４と、これらにそれぞれ個別に接続される超音波発生回路２２，２６と、２つの移動台１４，１６の移動制御と超音波発生回路２２，２６の作動制御とを行う制御部３０を含んで構成される。
【００２１】
ベース１２は、上記の２つの移動台１４，１６の移動を案内する基台で、例えば、案内レール付定盤等を用いることができる。２つの移動台１４，１６の移動を案内する案内レールは、その案内中心軸を一致させた２つのガイドレール等を用いることができる。２つのガイドレールを接続し、そのガイドレール上を２つの移動台１４，１６が共に移動できるものとしてもよい。
【００２２】
２つの移動台１４，１６は、ベース１２に設けられ、制御部３０の制御の下で案内レールに沿って移動駆動される音圧発生源移動台である。例えば、案内レールに沿って直線的に移動駆動されるリニアモータ等を用いることができる。２つの移動台１４，１６は、上記のように、案内中心軸を一致させた２つの案内レール上をそれぞれ移動するので、その上に搭載される第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とを、案内中心軸上で向かい合わせて移動駆動する機能を有することになる。２つの移動台１４，１６の移動方向として、図１にはｘ方向が示されている。ｘ方向は、案内中心軸の方向である。
【００２３】
第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とは、基本的に同じ構成を有し、超音波を放射する音源で、具体的には、振動子の超音波振動を大気中に放射するものである。超音波を放射する振動子としては、例えば圧電素子を用いることができる。
【００２４】
上記のように、第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とは、ベース１２の案内中心軸上で相互に対向して配置されるが、具体的には、第１音圧発生源２０の超音波放射面の放射中心軸と第２音圧発生源２４の超音波放射面の放射中心軸とが同一軸上になるように、相互に対向して配置される。そして、第１音圧発生源２０の超音波放射面と第２音圧発生源２４の超音波放射面とのちょうど中間の位置に、振り子８が配置される。
【００２５】
具体的には、振り子８の両端の平坦面のそれぞれから測って、第１音圧発生源２０の超音波放射面までの距離である第１間隔距離ｙ1と、第２音圧発生源２４の超音波放射面までの距離である第２間隔距離ｙ2とが同じ距離になるように、第１音圧発生源２０の位置と、第２音圧発生源２４の位置とが設定される。この位置の設定は、制御部３０の機能によって、例えば、第１間隔距離ｙ1と第２間隔距離ｙ2とを適当な計測器で計測しながら、移動台１４，１６をｘ方向にそれぞれ移動駆動することで行うことができる。
【００２６】
超音波発生回路２２，２６は、上記のように、第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とにそれぞれ個別に接続される回路である。第１音圧発生源２０に接続される超音波発生回路２２は、パルスジェネレータと増幅器とを含んで構成され、第１音圧発生源２０から放射される超音波の波長である第１波長λ1と、振幅の大きさ等を設定する機能を有する。第２音圧発生源２４に接続される超音波発生回路２６も同様にパルスジェネレータと増幅器とを含んで構成され、第２音圧発生源２４から放射される超音波の波長である第二
波長λ2と、振幅の大きさ等を設定する機能を有する。
【００２７】
制御部３０は、２つの移動台１４，１６に接続され、これらの移動制御と、２つの超音波発生回路２２，２６に接続され、これらの作動制御を行う機能とを有する。２つの移動台１４，１６の移動制御は、第１間隔距離ｙ1と第２間隔距離ｙ2とを予め定めた間隔距離とする制御である。２つの超音波発生回路２２，２６の作動制御は、例えば、第１波長λ1と第２波長λ2とを予め定めた波長とする制御である。
【００２８】
制御部３０は、制御対象物である振り子８に対し、第１音圧発生源２０と、第２音圧発生源２４とから定在波による音圧を与え、その差動音圧を制御して、振り子８の振動制御を行う機能を有するものである。差動音圧の制御は、第１波長λ1、第２波長λ2、第１間隔距離ｙ1、第２間隔距離ｙ2の設定によって行われる。そこで、以下に、第１音圧発生源２０と振り子８との間の定在波の形成、第２音圧発生源２４と振り子８との間の定在波の形成、振り子８に及ぼすそれぞれの音圧、およびその差動音圧について、説明する。以下では、一般式の形式で説明し、必要に応じ、図１の符号を用いるものとする。
【００２９】
図２は、第１音圧発生源２０と振り子８との間に音波による定在波が形成される様子を説明する模式図である。ここで、第１音圧発生源２０からの超音波の波長をλとして、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離がλ／２の整数倍であるときに、超音波の定在波が形成される。図２では、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離がλ／２の１０倍となっている。ここで、図２で示す波形は、定在波による音圧の大きさを示しているが、この音圧の周期性は、波長がλ／２である。つまり、波長λを有する音波の定在波による音圧の周期性の波長はλ／２になることになる。
【００３０】
このことから、一般的に、制御対象物の受圧面に作用する圧力、すなわち超音波振動子等の振動子から放射される音響放射圧を受ける受圧面に作用する圧力は、振動子表面から受圧面までの距離をｚとすると、次の式で近似する事ができる。なお、以下では、受圧面を単位面積として、受圧面に作用する力Ｆとして示すことにする。
【数１】
ただしπは円周率、λは超音波の波長である。この式の第一項a(z)は進行波による圧力成分によるものであり、距離ｚに比例してごくゆるやかに減少する。またb(z)は定在波による圧力成分によるものであり、距離ｚに反比例して急速に減少する、いずれも正の値を持つｚの関数である。
【００３１】
このような音圧特性を有する振動子である音圧発生源を、制御対象物の受圧面を挟んで対称になるように対向して配置する。受圧面は、実際には制御対象物の両端面であるが、計算上は受圧面の厚さを無視して１つの面として左右から音圧を受けるものとすることが便利であるので、以下の計算では、受圧面を仮想的に１つの面とする。制御対象物は、図１の例では振り子８である。
【００３２】
このとき、受圧面の静止つりあい位置、すなわち、初期の平衡位置を原点（ｘ＝０）とし、原点から振動子表面までの間隔距離（ギャップ距離）をｙとおく。そして受圧面のつりあい位置からの横変位をｘとする。また力Ｆおよび変位ｘはいずれも右向きを正とおく。
【００３３】
右振動子表面から受圧面に与えられる力Frと、左振動子表面から受圧面に与えられる力Flとは、（１）式のｚをそれぞれｚ＝ｙ−ｘ（右振動子）、ｚ＝ｙ＋ｘ（左振動子）とおくことで以下のように表わされる。なお、右振動子、左振動子とは、図１の例で、それぞれ第２音圧発生源２４、第１音圧発生源２０に相当する。
【数２】
【数３】
【００３４】
したがって、受圧面に作用する力（受圧面を単位面積として、２つの振動子の音圧の差動圧力Ｆ）は（２）（３）式の合計として次式で表される。
【数４】
【００３５】
ここで、ｘを微小とし、
【数５】
と近似すると、（４）式は以下のように簡略化できる。
【数６】
【００３６】
ここで、加法定理
【数７】
により、（５）式の[ ]内は更に
【数８】
と簡略化できることを用いると、（５）式は
【数９】
となる。
【００３７】
ここでさらに、ｘが微小（ｘ<<λ）の仮定およびsin(θ)≒θの近似を用いると、
【数１０】
と書くことができる。この式より、図１の系において、対向する振動子である第１音圧発生源２０と第２音圧発生源２４とにより与えられた差動圧力に対応するＦは、受圧面のつりあい位置からの変位ｘに対して、比例係数
【数１１】
により与えられる力、すなわち変位に比例する力
【数１２】
を与える特性、いわば「等価ばね」としての特性を有していることになる。
【００３８】
ここで注目すべきは、（９）式中の等価ばね定数ｋeqは、「（通常のばねがそうであるように）常に正である」とは限らない、という点である。すなわち、式（８）より明らかに（π、by、λは正だから）、ｋeqの符号はsinの符号によって以下のように変化する。
【数１３】
【００３９】
すなわち、振動子表面と受圧面の距離（ギャップ距離）ｙの値がλ／４変化する毎に等価ばね定数の正負が変化する。これを一般式で書くと次のようになる。なお、以下において、ｎ，ｍは正の整数である。
【数１４】
【００４０】
また、上記関係を波長λについて書き直すと次のようになる。
【数１５】
【００４１】
その様子を図３に示す。図３の横軸は、間隔距離ｙ、縦軸は上記の等価バネ定数ｋeqである。このように、等価バネ定数ｋeqは、λ／２の周期で変化し、一例をあげると、ｙ＝λ／３のときにｋeqは負の値をとり、ｙ＝λ／２のときはｋeqはゼロとなり、ｙ＝７λ／１０のときにｋeqは正の値をとる。
【００４２】
この性質は、そのまま制御対象物である振り子８の振動の制御に利用することができる。いま、振り子８を理想的に受圧面のみとし、受圧面を一つの板のようなものと考えると、その板には板の質量ｍと加速度による慣性力と、板の速度と空気抵抗係数ｃによる減衰力と、音響放射圧による差動圧力に対応する力Ｆが作用する。これら力のつりあいを表わす式（運動方程式）として、
【数１６】
が得られる。
【００４３】
この式は、ｋeqが正ならば減衰振動、ｋeqが負ならば発散振動、ｋeqが０ならば振動せずに運動が減衰することが知られている。すなわち、ギャップ距離である間隔距離ｙを超音波の波長λに応じた適当な間隔距離ｙに設定することで、等価ばね定数ｋeqの正負を任意に設定することができ、これによって受圧する物体の振動を「減衰振動」「発散振動」「振動せずに減衰する」という任意の状態に制御する事が可能となる。以上が差動超音波力を利用した受動的振動制御方法の原理である。
【００４４】
次に、図１に説明した構成の作用を具体的に説明する。ここでは、第１音圧発生源２０と、第２音圧発生源２４とについて、同じ特性の超音波振動子を用い、制御部３０によって超音波発生回路２２，２６を制御して、これらの超音波周波数を２８，５００Ｈｚとなるようにした。空気中の音速は３４５ｍ／ｓであるので、これらから放射される超音波の波長は、いずれもλ＝３４５（ｍ／ｓ）／２８，５００（Ｈｚ）＝１２．１ｍｍである。
【００４５】
図４に、音圧発生源からの距離と、その距離における放射音圧との関係を示す。横軸は、音圧源からの距離、例えば第１音圧発生源２０の超音波放射面からの距離で、縦軸は適当な放射エネルギ測定装置で測定した放射音圧に対応する力である。ここでは放射音圧に対応し、単位受圧面が受ける力の大きさが縦軸にとられている。図４においては、音圧発生源からの音圧の周期性は、波長λが約１２ｍｍであり、上記の計算と合っていることが示されている。
【００４６】
次に、この条件の下で、第１音圧発生源２０と制御対象物である振り子８の一方側の受圧面との間の間隔距離ｙを、第２音圧発生源２４と制御対象物である振り子８の他方側の受圧面との間の間隔距離と同じに設定し、この間隔距離ｙを変化させて、振り子８の変位、すなわち、差動音圧に対応する力による変位を観測した結果を説明する。
【００４７】
以下において、共通の条件は次の通りである。すなわち、第１音圧発生源２０の超音波周波数は２８，５００Ｈｚ、その波長を第１波長λ1とすると、λ1＝１２．１ｍｍ、第２音圧発生源２４の超音波周波数は、２８，５００Ｈｚ、その波長を第２波長λ2とすると、λ2＝１２．１ｍｍである。以下では、λ1＝λ2＝λとする。そして、第１音圧発生源２０は、制御対象物である振り子８を挟んで第２音圧発生源２４と対向して配置され、両音圧放射の中心軸は一致している。換言すれば、振り子８は、第１音圧発生源２０からの音圧を図１における左側受圧面で受け、第２音圧発生源２４からの音圧を図１における右側受圧面で受け、左側受圧面と右側受圧面とは平行で、これらの受圧面の中心における法線が、第１音圧発生源２０の超音波放射の中心軸、第２超音波放射面の中心軸と一致している。また、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離をｙ1とし、第２音圧発生源２４と振り子８との間の間隔距離をｙ2とすると、ｙ1＝ｙ2である。以下では、ｙ1＝ｙ2＝ｙとする。
【００４８】
図５、図６は、ｙ＝８．４ｍｍ、すなわち、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離も第２音圧発生源２４と振り子８との間の間隔距離も、およそ７λ／１０に設定した場合の様子を示す図である。図５は、振り子８の初期平衡位置からの距離と、振り子８が受ける差動音圧に対応する力の大きさとの関係を示す図で、図６は、振り子８の変位の時間変化を示す図である。
【００４９】
上記のように、図５において、横軸は振り子８の初期平衡位置からの距離であり、縦軸は振り子８が受ける差動音圧を換算した力である。したがって、上記（９）式で説明したように、（差動音圧に対応する力Ｆ）−（距離ｘ）の特性における傾きは、等価バネ定数ｋeqを示すことになる。図５の距離＝０付近、すなわち、振り子８の初期平衡位置付近においては、等価バネ定数が正であることが示されている。ここでは、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそ７λ／１０に設定されているので、上記説明のｎ（λ／２）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／４）におけるｎ＝１に相当し、したがって、上記計算からｋeqは正であるとの結果と一致している。
【００５０】
正の符号の等価バネ定数を有する振動系は、上記のように減衰振動をすることが知られている。図６は、上記条件のように、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそ７λ／１０と設定されたときの振り子８の変位の時間変化を示す図である。このように、振り子８の振動が減衰することが示される。
【００５１】
図７、図８は、ｙ＝４ｍｍ、すなわち、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離も第２音圧発生源２４と振り子８との間の間隔距離も、およそλ／３に設定した場合の様子を示す図である。図７は図５に対応する図で、図７の横軸、縦軸は、図５の横軸、縦軸と同じである。図８は、図６に対応する図で、図８の横軸、縦軸は、図６の横軸、縦軸と同じである。
【００５２】
図７において、距離＝０付近、すなわち、振り子８の初期平衡位置付近においては、等価バネ定数が負であることが示されている。ここでは、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそλ／３に設定されているので、上記説明のｎ（λ／２）＋（λ／４）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／２）におけるｎ＝０の場合に相当し、したがって、上記計算からｋeqは負であるとの結果と一致している。
【００５３】
負の符号の等価バネ定数を有する振動系は、上記のように振動が発散することが知られている。図８は、上記条件のように、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそλ／３と設定されたときの振り子８の変位の時間変化を示す図である。このように、振り子８の振動が発散することが示される。
【００５４】
図９、図１０は、ｙ＝６ｍｍ、すなわち、第１音圧発生源２０と振り子８との間の間隔距離も第２音圧発生源２４と振り子８との間の間隔距離も、およそλ／２に設定した場合の様子を示す図である。図９は図５、図７に対応する図で、図９の横軸、縦軸は、図５、図７の横軸、縦軸と同じである。図１０は、図６、図８に対応する図で、図１０の横軸、縦軸は、図６、図８の横軸、縦軸と同じである。
【００５５】
ここでは、ｙ1＝ｙ2＝ｙがおよそλ／２に設定されているので、上記説明のｙ＝ｍ（λ／４）におけるｍ＝１の場合に相当し、したがって、上記計算からｋeqはゼロであり、振動が発生せず、振動しても減衰することが予想される。
【００５６】
実際には、図９に示すように、距離＝０付近、すなわち、振り子８の初期平衡位置付近においては、等価バネ定数がゼロを維持せず、図１０に示すように、振り子８は若干振動している。これは、制御対象物が重力の影響を受ける振り子８であるため、差動音圧のほかに、重力による復元力が働いており、計算上ｋeqがゼロの状態では、この重力復元力の影響を受けているためと考えることができる。
【００５７】
上記では、差動音圧の計算について、λ1＝λ2、ｙ1＝ｙ2を用いて説明し、これに対応するものとして図５から図１０を説明したが、このような条件でなくても、定在波による差動音圧が制御対象物に作用するとき、その差動音圧についての等価バネ定数の符号の変化を利用することで、制御対象物の振動を制御することができる。したがって、λ1＝λ2、ｙ1＝ｙ2の条件以外でも、制御部によって、λ1とλ2をそれぞれ独立に制御し、あるいはｙ1とｙ2を独立に制御して、その条件の下での等価バネ定数を正、または負とすることで、制御対象物の振動を制御できる。λ1、λ2、ｙ1、ｙ2を組み合わせて等価バネ定数の符号を設定制御するものとしてもよい。
【００５８】
また、第１音圧発生源からの音圧の振幅と、第２音圧発生源の音圧の振幅とを可変しても、上記式（４）以下を変更することで、差動音圧に対応する力を求めることができ、これに基づいて、等価バネ定数の符号を設定制御することもできる。超音波周波数制御、間隔距離制御によって制御対象物の振動制御を行うものを、受動的振動制御と呼ぶことにすれば、超音波振幅制御によって制御対象物の振動制御を行うものを、能動的振動制御と呼ぶことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明に係る非接触式変位制御装置は、比較的軽量でかつ非接触な支持あるいは保持を必要とする分野、例えば、クリーンルーム内でのウェファ搬送、薄板連続鋼板メッキ工程での鋼板の振動制御、宇宙空間における大気環境中で非接触式に溶融液を保持し、あるいは混合する宇宙るつぼ等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る実施の形態における非接触式変位制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態について、第１音圧発生源と振り子との間に音波による定在波が形成される様子を説明する模式図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、等価ばね定数ｋeqの特性を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、音圧発生源からの距離と、その距離における放射音圧との関係を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、ｙ＝８．４ｍｍ（およそ７λ／１０）の場合に、振り子の初期平衡位置からの距離と、振り子が受ける差動音圧の大きさとの関係を示す図である。
【図６】図５の条件において、振り子の変位の時間変化を示す図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、ｙ＝４ｍｍ（およそλ／３）の場合に、振り子の初期平衡位置からの距離と、振り子が受ける差動音圧の大きさとの関係を示す図である。
【図８】図７の条件において、振り子の変位の時間変化を示す図である。
【図９】本発明に係る実施の形態において、ｙ＝６ｍｍ（およそλ／２）の場合に、振り子の初期平衡位置からの距離と、振り子が受ける差動音圧の大きさとの関係を示す図である。
【図１０】図９の条件において、振り子の変位の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 非接触式変位制御装置、１２ ベース、１４，１６ 移動台、２０ 第１音圧発生源、２２，２６ 超音波発生回路、２４ 第２音圧発生源、３０ 制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、
第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、
第１間隔距離と第２間隔距離とを可変する制御部と、
を備え、
制御部は、
第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が正となるように、第１波長と第２波長とに基づいて、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を減衰させることを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項２】
制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、
第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、
第１間隔距離と第２間隔距離とを可変する制御部と、
を備え、
制御部は、
第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が負となるように、第１波長と第２波長とに基づいて、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を発散させることを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項３】
制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、
第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、
第１波長と第２波長とを可変する制御部と、
を備え、
制御部は、
第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が正となるように、第１間隔距離と第２間隔距離とに基づいて、第１波長と第２波長とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を減衰させることを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項４】
制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、
第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、
第１波長と第２波長とを可変する制御部と、
を備え、
制御部は、
第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が負となるように、第１間隔距離と第２間隔距離とに基づいて、第１波長と第２波長とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を発散させることを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載の非接触式変位制御装置において、
第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、
第１波長λは、第２波長と同じであり、
第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、
制御部は、
第１間隔距離と第２間隔距離であるｙを、ｎを０以上の正の整数として、ｎ（λ／２）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／４）の範囲に設定することを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項６】
請求項２に記載の非接触式変位制御装置において、
第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、
第１波長λは、第２波長と同じであり、
第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、
制御部は、
第１間隔距離と第２間隔距離であるｙを、ｎを０以上の正の整数として、ｎ（λ／２）＋（λ／４）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／２）の範囲に設定することを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項７】
請求項３に記載の非接触式変位制御装置において、
第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、
第１波長λは、第２波長と同じであり、
第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、
制御部は、
第１波長と第２波長であるλを、ｎを０以上の正の整数として、４ｙ／（２ｎ＋１）＜λ＜２ｙ／ｎの範囲に設定することを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項８】
請求項４に記載の非接触式変位制御装置において、
第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、
第１波長λは、第２波長と同じであり、
第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、
制御部は、
第１波長と第２波長であるλを、ｎを０以上の正の整数として、２ｙ／（ｎ＋１）＜λ＜４ｙ／（２ｎ＋１）の範囲に設定することを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項１】
制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、
第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、
第１間隔距離と第２間隔距離とを可変する制御部と、
を備え、
制御部は、
第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が正となるように、第１波長と第２波長とに基づいて、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を減衰させることを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項２】
制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、
第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、
第１間隔距離と第２間隔距離とを可変する制御部と、
を備え、
制御部は、
第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が負となるように、第１波長と第２波長とに基づいて、第１間隔距離と第２間隔距離とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を発散させることを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項３】
制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、
第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、
第１波長と第２波長とを可変する制御部と、
を備え、
制御部は、
第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が正となるように、第１間隔距離と第２間隔距離とに基づいて、第１波長と第２波長とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を減衰させることを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項４】
制御対象物に対し、任意に設定される第１方向に沿い、任意に設定される第１間隔距離で配置され、任意に設定される第１波長の音波を放射する第１音圧発生源と、
第１音圧発生源とは異なる第２方向に沿って、任意に設定される第２間隔距離で配置され、任意に設定される第２波長の音波を放射する第２音圧発生源と、
第１波長と第２波長とを可変する制御部と、
を備え、
制御部は、
第１音圧発生源と制御対象物との間に形成される第１定在波による音圧と、第２音圧発生源と制御対象物との間に形成される第２定在波の音圧との差による差動音圧について、制御対象物の平衡位置からの変位に対する比例係数を等価バネ定数として、等価バネ定数が負となるように、第１間隔距離と第２間隔距離とに基づいて、第１波長と第２波長とを設定し、制御対象物の平衡位置における振動を発散させることを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載の非接触式変位制御装置において、
第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、
第１波長λは、第２波長と同じであり、
第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、
制御部は、
第１間隔距離と第２間隔距離であるｙを、ｎを０以上の正の整数として、ｎ（λ／２）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／４）の範囲に設定することを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項６】
請求項２に記載の非接触式変位制御装置において、
第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、
第１波長λは、第２波長と同じであり、
第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、
制御部は、
第１間隔距離と第２間隔距離であるｙを、ｎを０以上の正の整数として、ｎ（λ／２）＋（λ／４）＜ｙ＜ｎ（λ／２）＋（λ／２）の範囲に設定することを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項７】
請求項３に記載の非接触式変位制御装置において、
第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、
第１波長λは、第２波長と同じであり、
第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、
制御部は、
第１波長と第２波長であるλを、ｎを０以上の正の整数として、４ｙ／（２ｎ＋１）＜λ＜２ｙ／ｎの範囲に設定することを特徴とする非接触式変位制御装置。
【請求項８】
請求項４に記載の非接触式変位制御装置において、
第１音圧発生源は、制御対象物を挟んで第２音圧発生源と対向する位置に配置され、
第１波長λは、第２波長と同じであり、
第１間隔距離ｙは、第２間隔距離と同じであり、
制御部は、
第１波長と第２波長であるλを、ｎを０以上の正の整数として、２ｙ／（ｎ＋１）＜λ＜４ｙ／（２ｎ＋１）の範囲に設定することを特徴とする非接触式変位制御装置。
【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２００９−７５８００（Ｐ２００９−７５８００Ａ）
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４３２９８（Ｐ２００７−２４３２９８）
【出願日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
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