Object levitating device and object carrying device having same device and object levitating method

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体を空中に浮揚させる物体浮揚装置及びその方法と、該装置を具備した物体搬送装置とに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置として、下記の各方式のものが知られている。

【０００３】（１）コイルを流れる交流磁界を用いて物体を磁気的に浮揚、搬送させる方式。 （２）超電導マイスナー効果を利用して浮揚、搬送させる方式。 （３）圧搾空気等の加圧気体を用いて浮揚、搬送させる方式。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これら各装置のうち（１）及び（２）に記載したものにおいては、浮揚、搬送の対象とする物体が強磁性体や半導体に限られると共に、磁気を受ける条件下に置くことが好ましくない物体に関しては適用できないという欠点がある。 また、超電動マイスナー効果を利用する装置についてはコイルを極低温まで冷却するために高価な冷却液が必要であり且つその消耗の問題などからもコストの増大を招来すると共に、冷却液の安全性についても配慮しなければならず、
しかも、長時間安定した状態で浮揚させ、搬送するためには装置の規模を極めて大きくしなければならないという問題がある。

【０００５】一方、上記（３）に記載した方式の装置においては、物体の搬送路全面に加圧気体を供給する必要があり、このために大掛かりな加圧気体供給手段が設けられ、装置全体としての小型化を図ることが困難であると共に、供給気体の圧力を広範囲にわたって均一化するための制御が容易ではないという問題を擁している。 また、該装置においては、いわゆるクリーンルームなど、
雰囲気を清浄に保つべき条件下にて使用される場合、上記加圧気体供給手段より噴出せられる気体の拡散を防ぐためにこれを吸引回収する手段も必要となり、装置の小型化を図る上で更なる障害となっていると同時に、気体の回収を完全に行うことは難しいという問題もある。

【０００６】ところで、最近、図３７に示す如き装置が開発されている。 なおこの装置は、１９８３年１０月３
日に発行された『日本音響学会講演論文集』の第７４５
頁及び第７４６頁において開示されている。

【０００７】すなわち、図３７において、励振手段１０
１により励振される段つき円形振動板１０２と、これに対応して配置された反射板１０３との間に定在波（図示せず）を生じさせ、発泡スチロールからなる球１０４
（重さ１．２ｍｇ、直径４ｍｍ）を複数、音場により浮揚させている。 なお、図３７において、重力方向を矢印ｇにて示している。 この場合、各球１０４は空中超音波の波長の１／２間隔で静止し、その位置は音圧の谷であることが判明したとされている。 また、浮揚可能な球の大きさは１／２波長以下がよく、その重さは音圧に関係するとされている。

【０００８】しかしながら、このように定在波を用い、
その節の位置に物体を静止させる構成の装置においては、現在、供試体としての球１０４は極めて軽量なものに限られ、重量の大きな物体を浮揚させるには振動板１
０２の振動振幅を極めて大きくしなければならない。 従って、振動板１０２やホーン１０１ａ（図３７参照）の応力的な破壊に鑑みれば、重量物を長時間安定して浮揚させることは困難であり、実用化には遠いものと考えられる。 また、かかる構成において、音波を集束させて強力音波にする方法を採用し、比較的重い物体でも浮揚を可能にすることも考えられるが、これでは振動板１０２
の直径に比べ小さな面積に音波が作用することなり、結果として小径の物体しか扱うことができない。

【０００９】そこで本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであって、扱う物体の材質等の制約がないと同時に比較的大きな重量及び寸法の物体を取り扱え、且つ、小型にしてコストが安く、しかも安全性等の面からも好適であり、制御も容易な物体浮揚装置及び該装置を具備した物体搬送装置並びに物体浮揚方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、振動体と、該振動体を励振する超音波励振手段とを備え、該振動体の音波の放射圧により該振動体の表面上において物体を浮揚させる物体浮揚装置において、該振動体がその全体が該表面に対して略垂直な縦振動を行うように構成したものである。 また、本発明は、振動体と、該振動体を励振する超音波励振手段と、物体を走行させる走行手段とを備え、該振動体の音波の放射圧により該振動体の表面上において物体を浮揚させ、走行させる物体搬送装置において、該振動体がその全体が該表面に対して略垂直な縦振動を行うように構成したものである。 また、本発明による物体浮揚方法は、振動体にその表面に対して略垂直な縦振動を生じさせ、該振動体の音波の放射圧により該表面上において物体を浮揚させるようにしたものである。 更に、本発明は、振動体と、該振動体を励振する超音波励振手段とを備え、振動体の音波の放射圧により該振動体の表面上において物体を浮揚させる物体浮揚装置において、前記超音波励振手段が前記振動体をして縞モード振動を行わせるべく励振するように構成したものである。 また、本発明は、振動体と、該振動体を励振する超音波励振手段と、物体を走行させる走行手段とを備え、該振動体の音波の放射圧により該振動体の表面上において物体を浮揚させ、走行させる物体搬送装置において、前記超音波励振手段は前記振動体をして縞モード振動を行わせるべく励振するように構成したものである。
また、本発明による物体浮揚方法は、振動体に縞モード振動を生じさせ、該振動体の音波の放射圧により該表面上において物体を浮揚させるようにしたものである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００１２】図１乃至図３は、本発明の第１実施例としての物体搬送装置を示すものである。

【００１３】図示のように、当該物体搬送装置は、矩形板状に形成された振動体１を有している。 この振動体１
は例えばその中心部にてホーン２の先端に螺子３（図２
に図示）により締結されている。 ただし、振動体１の形状に関しては、平板状に限らず、その用途等に応じて適宣可変である。 また、ホーン２に対する振動体１の取付けについても、ロウ付けや溶接など、他の種々の手段を用いてよく、取付位置も可変である。 なお、図１において、ホーン２による超音波振動の振動方向を矢印Ｕにて示す。 このように、ホーン２は縦振動を行う。 振動体１
の長さＬ（図２参照）及び幅Ｂは、ホーン２から伝達される振動に基づく撓み振動の共振長に定められ、図１に示す撓み曲線Ａのような撓み振動をする。

【００１４】因に、本実施例の振動体１は、その長さＬ
が４３４ｍｍ、幅Ｂが１５４ｍｍ、厚みｔ（図１に図示）が３ｍｍとなされ、素材としてジュラルミンが用いられている。 また、ホーン２については、約１９．４ｋ
Ｈｚで励振され、先端には振幅が３２μｍｐ−ｐ程度の振動がのせられる。 これらの設定により、振動体１の振動の節はその長さ方向において約５４．２５ｍｍ、幅方向においては約１９．２５ｍｍの間隔で現れ、格子状の振動モードにて振動する。 なお、振動体１の各寸法、共振周波数及びその振幅並びに振動モードの形態については、適宣設定することができ、例えば長さＬに関しては１０００ｍｍ以上とすることが可能である。

【００１５】図１に示すように、ホーン２は、振動体１
に対する結合部とは反対側において振動子４と結合されている。 この振動子４の電極４ａと発振器５とが接続されており、振動子４は該発振器５によって励振されて超音波振動を発生する。 ホーン２は、この振動子４が発する振動を機械的に増幅するものである。 なお、ホーン２
にはフランジ部２ｂが形成されており、振動子４及び該ホーン２を内蔵するケース６に対して該フランジ部２ｂ
がパッキン２ｃを介して締結されている。

【００１６】上述したホーン２と、振動子４と、発振器５と、これらに関連する周辺の部材を、超音波励振手段と総称する。

【００１７】図２及び図３に示すように、搬送されるべき物体７の搬送路両側に沿って板状の音波反射部材８が配置されており、且つ、ケース６に取り付けられている。

【００１８】次に、以上のような構成よりなる物体搬送装置の作用について説明する。

【００１９】まず、当該物体搬送装置が含む物体浮揚装置としての作用について説明する。

【００２０】まず、装置の作動に際し、図１に示すように、振動体１が仮想水平面１０に対して平行となるように装置の姿勢が調整される。 この状態で給電がなされ、
発振器５により振動子４が励振され、ホーン２が縦振動して該ホーンを通じて振動体１が励振されて撓み振動を行う。 振動体１が撓み振動を行うことにより、該振動体１より音波（図示せず）が放射される。

【００２１】上記のように振動体１が振動を開始した後、物体７を振動体１上に持ち来し、静かに手を離す。
但し、物体７は、振動体１の振動開始以前に予め振動体１上に載置しておいてもよい。

【００２２】図４は図１における部分Ｅを拡大したものであるが、該図から明らかなように、振動体１より発せられる音波の放射圧によって、物体７は該振動体１の表面から距離ｅ ₁を隔てた状態で浮揚する。 ここで、この浮揚距離ｅ ₁は、未だ音波を発することなく静止した状態の振動体１の表面を０（ゼロ）とし、これを基準とした距離である。 また、振動体１の面積が小さければ、振動体１は撓み振動をせずにホーン２より付与される縦振動そのものの振動モードで振動するが、この場合も物体７は同様に浮揚する。 なお、超音波励振手段への給電を断てば振動体１よりの音波は直ちに停止し、物体７は振動体１に接触する。

【００２３】図１乃至図４に示した物体７は、単に平板状で比較的軽量のもの、例えば名刺や、合成樹脂製あるいは金属製の薄板等を想定している。 これらの物体は、
本実施例で示した装置を試作し、供試体として浮揚させてみたものであるが、この他、図５に示すような形態の物体７についても実験を行った。 すなわち、平板状のキャリア７ａと、該キャリア７ａ上に担持された重量物７
ｂとからなるものである。 図５において、この場合のキャリア７ａと振動体１との距離をｅ ₂にて示している。
なお、このようなキャリア７ａを必要とする重量物７ｂ
としては、球形に近いものあるいは凹凸を有するものなど自体のみにては浮揚し得ない物体や、容器に収容した状態の粉体又は液体等が挙げられる。 但し、自体の底面が平坦であればキャリア７ａを外して該重量物７ｂのみにても浮揚する故、そのような重量物７ｂについては自体のみの浮揚実験をも行った他、種々の物体についても実験を行った。 この実験の実際及び該実験により得られた諸データ等については後述する。

【００２４】上記の実験の結果、浮揚に供する供試体の材質には何等制約されることがなく、どのような物体でも浮揚することが判明した。 また、軽量なものから重いものに亘り幅広く実験を行ったが、軽量物については勿論浮揚し、重量物に関しては実験中最大のもので直径が約１４０ｍｍ、重量が約３．２６Ｋｇの金属製の物体が浮揚し、これから、振動体１よりの音波の放射圧によって物体が受ける最大浮力を計算すると２１．４ｇ／ｃｍ
²となった。 よって、振動体１の表面積よりこの数値を換算すると、仮に振動体１の全面に亘って延在するような物体であれば、その物体の重量が１４．３Ｋｇでも浮揚可能となる。 ただし、比較的軽量の物体を浮揚させる際は装置に加える振動系への入力電力は１３０Ｗで済んだが、上記のように重い物体を浮揚させる場合には１６
０Ｗを要した。

【００２５】また、前述したように、浮揚実験にはさまざまな材質の物体が供されたが、振動体１の表面と対向する底面の平面精度が高いものほど、重量が大きくとも浮揚することが判明した。 ただし、振動体１の表面の平面精度が高いこと、また、装置全体の安定性が重要であることも確認された。

【００２６】上記から明らかなように、本発明に係る装置においては、磁性体であるや否やなど、扱う物体の材質等の制約を受けることがなく、また、磁界中におくことができないもの等、あらゆる物体を浮揚させ、後述のように搬送することができる。 また、扱う物体の重量及び寸法が比較的大きくとも、浮揚させ、搬送することができるものである。

【００２７】続いて、上述した物体浮揚装置を含む物体搬送装置の作用について説明する。 この物体搬送装置は、前述した物体浮揚装置の構成に、浮揚した状態の物体７を走行させる走行手段を付加させたものである。

【００２８】この走行のための手段の一例として、図６
に示すような構成を採用している。 すなわち、振動体１
の表面が仮想水平面１０に対して角度θ ₁だけ傾斜するようになされる。 この傾斜θ ₁により、物体７に重力に基づく加速度が生じ、走行する訳である。 但し、角度θ
₁については実験では１〜５°に設定された。 かかる構成の場合、物体７を走行させるための駆動源を特に必要とせず、単に装置を傾けるだけでよいため、装置全体としての小型化及びコストの低減が図り易くなっている。
なお、前述したように、超音波励振手段への給電を断てば物体７は瞬時に振動体１に接触し、摩擦抵抗により停止する。

【００２９】ところで、上記のようにして物体７が搬送される際、下記の作用によって搬送路からの逸脱が防止される。

【００３０】すなわち、図２及び図３に示すように、該搬送路の両側に沿って音波反射部材８が配設されている。 図３から明らかなように、これらの音波反射部材８
は振動体１とは非接触の状態であり、図において矢印にて示すように振動体１の下面より放射される音波を反射しつつ上記搬送路の側方へと導く。 搬送路の側方にはこのように導かれた音波が存在することとなるため、これが壁となり、物体７が搬送路から逸脱しようとするとこれを押し戻す作用をなす。 よって物体７が搬送路から逸脱することがない。 また、かかる構成によれば、物体７
は音波反射部材８と接触することがない。 但し、このような音波反射部材８を設けずとも、振動体１の縁からはみ出そうとした物体７が、該振動体１自体が放射する音波の作用によって内側に引き戻される作用があることが確認されている。

【００３１】次に、上述のように重力を利用して物体７
を走行させる形式とは異なる走行手段を夫々備えた他の物体搬送装置について説明する。 なお、これら各物体搬送装置は、以下に説明する部分以外は図１乃至図３並びに図６に示した第１実施例としての物体搬送装置と同様に構成されているので、装置全体としての説明は重複する故に省略し、要部のみの説明に留める。 また、以下の説明において。 図１乃至図３並びに図６に示した物体搬送装置の構成部分と同一の構成部分については同じ参照符号を用いて示している。

【００３２】図７に、本発明の第２実施例としての物体搬送装置の要部を示す。

【００３３】図示のように、当該物体搬送装置においては、振動体１が、仮想水平面１０に対して平行となされている。 そして、物体７を走行させる走行手段が、該物体７が走行すべき方向に沿って互いに所定間隔を隔てて並設された複数のノズル１５を有している。 これらのノズル１５は例えば振動体１の上方に配設され、斜め後方より物体７に向けて圧搾空気を噴出する。 物体７はこの噴出する圧搾空気によって加速され、搬送される。 これらのノズル１５と、該ノズル１５に圧搾空気を供給するコンプレッサ（図示せず）等とによって、上記走行手段として作用する気体噴射手段が構成されている。 なお、
加圧して噴射される気体は、空気に限らず、用途に応じて、また、雰囲気等の環境に及ぼす影響が許容されるならば、種々のものが使用可能である。

【００３４】図８は、本発明の第３実施例としての物体搬送装置の要部を示すものである。 上記第２実施例としての物体搬送装置においては気体の噴射によって物体７
を走行させているが、当該装置においては物体７に対して超音波を放射し、これを推進力として走行させる。

【００３５】すなわち、図示のように、振動体１の上方に、物体７が走行すべき方向に沿って複数の超音波放射器２０が等間隔にて並べて設けられている。 そしてこれらの超音波放射器２０は、各々が具備した振動板２０ａ
より放射する超音波２１が斜め前下方に指向するように傾斜した状態に設置されている。

【００３６】かかる構成においては、物体７は各超音波放射器２０より発せられる音波の放射圧により加速され、搬送される。

【００３７】図９に、本発明の第４実施例としての物体搬送装置の要部を示す。 図８に示した第３実施例としての物体搬送装置においては物体７の推進のために超音波放射器２０を設けているが、本実施例においては振動体１自体が発する音波を物体推進用として活用している。

【００３８】図示のように、本実施例においては、振動体１の上方に、物体７が走行すべき方向に沿って複数の平板状の反射部材２５が並べて設けられている。 各反射部材２５は振動体１の表面に対してθ ₂の角度をなすように、且つ前方が高くなるように傾けて設置されている。 よって、振動体１より上方に向けて放射された音波２６ａはこれら反射部材２５にて反射し、斜め前下方向に向って進む。 物体７はこの反射波２６ｂにより加速され、搬送される。

【００３９】なお、本実施例においては複数の反射部材２５を個別に設けたが、この他、複数の傾斜部を波状に形成した長尺の反射部材（図示せず）を１つのみ設ける構成としてもよい。

【００４０】また、図７乃至図９に夫々示した第２乃至第４実施例においては、ノズル１５、超音波放射器２０
及び反射部材２５を物体搬送路に沿って各々複数並べて設けているが、これらを単一として、搬送すべき物体７
を追うように移動させる構成とすることも可能である。

【００４１】図１０は、本発明の第５実施例としての物体搬送装置を示すものである。 当該物体搬送装置においては、物体７を走行させる走行手段が下記のように構成されている。

【００４２】図示のように、振動体１を励振する超音波励振手段３０が該振動体１の右端側に設置され、左端側に、該超音波励振手段３０とほぼ同様の構成を有するエネルギー変換手段３１が配置されている。 このエネルギー変換手段３１は、超音波励振手段３０により励振された振動体１が発する超音波のエネルギーを再び電気エネルギーに戻すべく変換するものである。 具体的には、該エネルギー変換手段３１が具備する振動子４の電極４ａ
に、抵抗Ｒ及びコイルＬからなる回路が接続されており、機械的エネルギーとしての超音波エネルギーより変換された電気エネルギーはこの回路を経ることにより更にジュール熱に変換され、放散される。

【００４３】かかる構成においては、超音波励振手段と同時にこのエネルギー変換手段３１を作用させれば、矢印Ｓにて示すように、振動体１に生ずる撓み振動の波が進行波となる。 物体７は、この進行波に載る状態にて走行する。

【００４４】図１１に、本発明の第６実施例としての物体搬送装置の要部を示す。

【００４５】図示のように、当該物体搬送装置においては、物体７の走行のための手段として、物体１の走行方向側に重り３２を搭載させることが行われる。 このように重りを載せると、物体７は該物体の走行方向側とその反対方向側とで重量配分が異なり浮揚した状態にて傾斜する。 すると、振動体１より上方に向けて放射された音波（図示せず）は物体７の下面にて反射し、その反射波（図示せず）が斜め後下方向に向かって進む。 物体７はこの反射波による推進力によって加速され、走行する。
なお、このような重り３２を用いず、物体７自体について走行方向側とその反対方向側との厚さを変えるなどして重量配分を異ならしめて傾斜させてもよい。

【００４６】図１２は、本発明の第７実施例としての物体搬送装置の要部を示すものである。

【００４７】図示するように、この物体搬送装置においては、物体７を走行させるための手段として、物体７の後部下面に凹凸７ｄが形成されている。 図１３から明らかなように、この凹凸７ｄは例えば、該物体７が走行すべき方向において鉛直面７ｅ及び傾斜面７ｆとを交互に且つ連続的に形成することによりなる。 そして、該傾斜面７ｆは、振動体１の表面に対してθ ₃の角度をなすように、且つ前方が低くなるように形成されている。 よって、振動体１より上方に向けて放射された音波２６ａはこれら傾斜面７ｆにて反射し、斜め後下方向に向って進む。 物体７はこの反射波２６ｂによる推進力によって加速され、走行する。

【００４８】ところで、図２及び図３に示すように、前述した各実施例の物体搬送装置においては、物体７の搬送路からの逸脱を防止するために、搬送路に沿って音波反射部材８を設け、振動体１の下面側より発せられて該音波反射部材８に沿って反射された音波を壁として作用させている。 かかる構成により、ある程度の質量までの物体に対処し得るのであるが、物体７の質量がかなり大きくなると搬送路外に逸脱しようとする時の慣性も大きく、音波の壁のみにてはこれを規制することは困難である。 そこで図１４に示す構成を付加することが行われる。

【００４９】図１４に示すように、重量が大きい物体７
（例えば重量物７ｂのみからなる）の搬送路の両側に、
平板状の逸脱防止部材３５を配設している。 よって、物体７は搬送路から逸脱しようとするとこの逸脱防止部材３５の内側面に極く軽く接触し、逸脱が回避される。

【００５０】前述した各実施例においては、１台の物体搬送装置について示したが、図１５に示すように、２台またはそれ以上の物体搬送装置を、その各々の搬送路が連続するように直列に並べて設置することができる。 このように、搬送路の長さを自在に設定することができ、
自由度が大きく、汎用性に優れている。

【００５１】ところで、前述した各実施例の物体搬送装置によって搬送される被搬送側の実用化の一例として図１６に示す構成を考えた。

【００５２】この構成において搬送されるべき物体は、
半導体（ＩＣチップ）を製造する際の一次製品としてのシリコンウェハー４０であり、該シリコンウェハー４０
を例えば矩形板状に形成したキャリア４１上に搭載させた状態で前述の物体搬送装置により浮揚させ、搬送することを行う。

【００５３】図から明らかなように、キャリア４１には、略円形のシリコンウェハー４０が挿通されるべき円形の凹部４１ａが設けられている。 この凹部４１ａの内周面には例えば４つの突起４１ｂが等間隔にて形成されており、シリコンウェハー４０は凹部４１ａ内においてこれら突起４１ｂ上に載置されるようになされている。
そして、キャリア４１の両側には、凹部４１ａに連通する切欠部４１ｃが形成されている。 この切欠部４１ｃ
は、シリコンウェハー４０を上記突起４１ｂ上に載置した状態において該切欠部４１ｃの底面とシリコンウェハー４０の下面との間に所定の間隙が生ずる程度の深さを有している。 すなわち、図示しないロボットハンド等がこのシリコンウェハー４０を凹部４１ａ内に挿入したり取り出す際に、上記切欠部４１ｃを通じてシリコンウェハー４０を保持するようになされている。

【００５４】なお、かかるキャリア４１を使用せずに、
直接シリコンウェハー４０を搬送することも可能である。

【００５５】ここで、前述した各実施例の物体搬送装置（物体浮揚装置を含む）に関し、搬送（浮揚）に供される物体７の大きさによる浮揚状態を確認すべく行った実験について述べる。

【００５６】すなわち、前述した各実施例におけるように格子モード音源の場合、振動体１が撓み振動しているため、放射される音波の放射圧が放射面上での位置により異なる。 そのためクラードニの砂図で得られる格子の四角形の寸法より小さなものは、振動体１の表面と水平に安定して浮揚せずに、斜めに傾いて浮揚したり、振動の節の部分に物体７の一辺が接触してしまう場合がある。 そこで、撓み振動の波長と物体７の大きさについて実験的に検討した。 なお、物体７として浮揚に供される供試体は、ベークライトを素材として図１７に示す各種寸法のものを製作した。 但し、この図１７において、符合λは撓み振動の１波長を示す。 また、この実験においては、振動体１として、長さＬが４３４ｍｍ、幅Ｂが１
７８ｍｍ、厚みｔが３ｍｍのジェラルミン製の矩形状板を用いた。 駆動周波数、すなわち、ホーン２（図１、図２等参照）の励振周波数は１９．１１ｋＨｚで、格子状の振動モードの格子の寸法は約３２×２３ｍｍである。
振動体１の中心、すなわち図２に示す螺子３の頭部での振動振幅は３０μｍｐ−ｐ一定にして測定した。 そのときの振動系の入力電圧は７０Ｗである。

【００５７】浮揚状態を測定した結果を図１７の右側部分に示している。

【００５８】上述した格子モードの節の寸法、約３２×
２３ｍｍは半波長の寸法である。 これに対して安定に浮揚する供試体の寸法は、６０×６０ｍｍ（厚さ１ｍｍ）
以上であることが測定された。 このことから、ほぼ３／
２波長以上の寸法であれば振動体と水平に安定して浮揚することが判明した。 その概念図を図１８に示す。

【００５９】次に、本発明の第８実施例としての物体浮揚装置について図１９及び図２０に基づいて説明する。
なお、当該物体浮揚装置は、以下に説明する部分以外は前述の第１実施例としての物体搬送装置に含まれる物体浮揚装置（図１乃至図３に図示）と同様に構成されているので、装置全体としての説明は省略し、要部のみの説明に留める。 また、以下の説明において、この図１乃至図３に示した物体浮揚装置の構成部分と同一の構成部分については同じ参照符合を用いて示している。 また、これらのことは、後述する他の実施例の説明に関しても同様である。

【００６０】当該物体浮揚装置においては、物体７を表面上にて浮揚させるための振動体として、直径６０ｍ
ｍ、共振長１２６ｍｍのステンレス製のストレートホーン４５を用いた。 このストレートホーン４５は振幅拡大率２．５倍のホーン２の先端にＭ１４のねじ（図示せず）で結合されており、振動振幅を数箇所測定した結果、全体として均一に同相に、すなわち、物体７を浮揚させるための表面に対して垂直若しくは略垂直に縦振動していることが確認された。 この「同相」とは、ストレートホーン４５の振動方向Ｖが、これが結合されたホーン２の振動方向Ｕと同方向であることを表わすものである。 なお、クラードニの砂図では、振動面上に振動の節がないためパターンが得られないので、図は省略する。
また、このようなストレートホーン４５は、１９５５年６月２７日に発行された『超音波加工に使用する固体ホーンの設計（電気通信学会報）』の第１頁乃至第２１頁などにおいて開示されている。

【００６１】上記した構成によっても、物体７はストレートホーン４５の表面上において浮揚する。 なお、前述したように、かかる構成においては、ストレートホーン４５はこれを励振するためのホーン２と同相にてピストンのように振動することから、以下、該ストレートホーン４５の振動モードについて同相ピストンモードと称する。

【００６２】図２１は、本発明の第９実施例としての物体浮揚装置を示すものである。 図示のように、本実施例においては、物体７を表面上に浮揚させるための振動体として、比較的厚肉の円板状部材４８が使用されている。 この円板状部材４８の素材としては例えばジュラルミン等が挙げられる。 また、このような円板状の振動体は、１９８１年２月２３日に発行された『厚い円板形超音波放射体（電子通信学会報ＵＳ８０−６３）』の第７
頁乃至第１２頁などにおいて開示されている。

【００６３】かかる構成においても、上記円板状部材４
８はホーン２と同相のピストンモードにて全体が縦振動し、物体７が円板状部材４８の表面上において浮揚する。

【００６４】次いで、本発明の第１０実施例としての物体浮揚装置を、図２２及び図２３を参照して説明する。
図示のように、本実施例においては、物体７を表面上に浮揚させるための振動体として、前述した円板状部材４
８と同様の肉厚を有する矩形板状部材５１が使用されている。 この矩形板状部材５１の素材としては例えばジュラルミン等が挙げられる。 また、このような矩形板状の振動体は、１９８１年２月２３日に発行された『厚い角板形超音波放射体（電子通信学会報ＵＳ８０−６４）』
の第１３頁乃至第１８頁などにおいて開示されている。

【００６５】かかる構成においても、上記矩形板状部材５１はホーン２と同相のピストンモードにて全体が縦振動を行い、物体７が矩形板状部材５１の表面上において浮揚する。

【００６６】また、この構成の物体浮揚装置に対し、図６乃至図１３に示したような走行手段を付加することにより、物体７の搬送をなし得る物体搬送装置が構成される。 この搬送を行う場合、図２３に示すように、２台またはそれ以上の物体搬送装置を、その各々の搬送路が連続するように直列に並べて設置すれば、搬送路の長さを自在に設定することができ、自由度が大きく汎用性に優れる。

【００６７】図２４に、本発明の第１１実施例としての物体浮揚装置を示す。 図示のように、本実施例においては、物体７を表面上に浮揚させる振動体５５が、略直方体状に形成されている。 この振動体５５は例えばアルミニウムなどを素材として形成される。 このような振動体５５は、１９８６年２月２４日に発行された『超音波プラスチックウエルダ用大型工具の設計法の検討（電子通信学会報ＵＳ８５−６４）』の第１３頁乃至第２６頁などにおいて開示されている。

【００６８】この構成の物体浮揚装置においても、上記振動体５５はホーン２と同相のピストンモードにて全体が縦振動を行い、物体７が振動体５５の表面上において浮揚する。 なお、図２４に示すように、振動体５５にはその振動方向において伸長する複数、この場合３条のスリット５５ａが互いに平行に形成されているが、これらのスリット５５ａは、Ｐｏｉｓｓｏｎ比の影響による横方向の振動を抑圧し、放射面で均一な変位分布を得るためのものである。

【００６９】図２４に示した構成の物体浮揚装置に対し、図６乃至図１３に示したような走行手段を付加することにより、物体７の搬送をなし得る物体搬送装置が構成される。 この搬送を行う場合、図２４に示すように、
２台またはそれ以上の物体搬送装置を、その各々の搬送路が連続するように直列に並べて設置すれば、搬送路の長さを自在に設定することができ、自由度が大きく汎用性に優れる。

【００７０】図２５は、本発明の第１２実施例としての物体浮揚装置を示すものである。 当該物体浮揚装置は、
上記した第１１実施例としての物体浮揚装置が具備する振動体５５の両端部近傍下面側に対して、トラップホーンと称される付加振動体５７を垂下状態にて装着した点を除き、該第１１実施例たる物体浮揚装置と同様に構成されている。 よって、当該物体浮揚装置においても振動体５５はホーン２と同相のピストンモードにて全体が縦振動を行い、物体７が振動体５５の表面上において浮揚する。

【００７１】上記付加振動体５７は、これを装着することによって、振動体５５の放射面上で平坦な鉛直方向の振動変位分布を実現できるものである。 なお、このような付加振動体は、１９８８年２月２３日に発行された『ウェーブトラップトホーンによる超音波大型工具の振動モード制御（電子通信情報学会報ＵＳ８７−６５）』
の第９頁乃至第１６頁などにおいて開示されている。

【００７２】次に、本発明の第１３実施例としての物体浮揚装置を図２６及び図２７に基づいて説明する。

【００７３】図示のように、当該物体浮揚装置においては、物体７をその表面上にて浮揚させるための主振動体６１と、該主振動体６１と励振用のホーン２との間に介在する副振動体６２とを備えている。 主振動体６１は、
ジュラルミン製であり、その長さＬが６９５ｍｍ、幅Ｂ
が２２０ｍｍ、厚みｔが３ｍｍとなされている。 また、
副振動体６２としては、有限要素法解析で先端面を均一な振動分布になるように設計されたプレート状のホーンが用いられ、上記ホーン２の先端に下端部にて締結されると共に、上記主振動体６１の片側に対して、Ｍ６の六角穴付きボルト１８ケを用いて結合してある。

【００７４】上記した構成の物体浮揚装置においては、
ホーン２を通じて伝達される縦振動に基づき、主振動体６１が縞状の振動モードにて振動する。 その振動モードをクラードニの砂図により測定したところ、図２７に示すような結果が得られた。 この構成によっても、物体７
は主振動体６１の表面上において浮揚する。

【００７５】図２６に示した構成の物体浮揚装置に対し、図６乃至図１３に示したような走行手段を付加することにより、物体７の搬送をなし得る物体搬送装置が構成される。 この搬送を行う場合、図２６に示すように、
２台またはそれ以上の物体搬送装置を、その各々の搬送路が連続するように直列に並べて設置すれば、搬送路の長さを自在に設定することができ、自由度が大きく汎用性に優れる。

【００７６】前述した各実施例の物体浮揚装置について、物体浮揚状態の実際を確認すべく実験を行った。 具体的には、振動体の振動モードを変えて、振動振幅と浮揚距離の関係、被浮揚物体の質量と浮揚距離の関係などの基本的な実験を行った。 以下、この実験について説明する。

【００７７】この実験のため、図２８に示すような測定装置を用意した。 この測定装置は前述したような各種振動体（例えば格子モード振動をする振動体１を示す）上における各種物体７の浮揚距離ｅを測定するものである。 図示のように、レーザ変位計６７と、該レーザ変位計６７による測定値を表示するオシロスコープ６８と、
該レーザ変位計６７より発せられる信号の増幅等を行ってオシロスコープ６８に表示させるべく両者間に介在する変位計本体６９とを有している。

【００７８】上記レーザ変位計６８は、物体７の直上から該物体の上面に向けてレーザ６７ａを照射し、その反射光等を利用して距離を測定するためのものであるが、
種々ある公知の測定原理のものが採用され得る。 測定は、具体的には下記のように行われる。

【００７９】まず、振動体１を振動させることなく静止状態とし、該振動体１上に物体７を載置する。 この状態で上記測定装置を作動させ、静止状態の物体７の上面までの距離を浮揚距離測定の基準すなわち０（ゼロ）とすべくリセットさせる。 次いで、振動体１を励振させて物体７を浮揚させる。 この浮揚状態にて再び測定装置を作動させ、測定を行う。 ここで得られる測定値は上記基準よりの距離であるから、該測定値がすなわち浮揚距離ｅ
となる。 なお、物体７が金属の場合、非浮揚状態において物体７と振動体１とに通電して相互の導通状態を得ておき、この導通状態が消えて非導通状態となったことを以て物体７が浮揚したことを確認することも行われた。

【００８０】本実験においては、被浮揚物体として図２
９及び図３０に示す各種形態の供試体を用意し、これらの供試体につき浮揚距離等の測定を行った。 今回の実験で浮揚させた供試体は、シリコンウェハー、ベーク（ベークライト）板、アルミ製の金属ブロックの３種類であり、音波の放射圧を利用して浮揚するため、供試体の底面は、平坦なものを選んだ。

【００８１】図２９は、格子状の振動モードの浮揚実験に用いた各種供試体を示すものであり、供試体としては格子モード振動にて水平に安定して浮揚する大きさのものを選んだ。 また、縞モード振動の浮揚実験に関してもこの図２９に示す供試体を用いた。 また、同相ピストンモード（縦振動）の浮揚実験については、図３０に示す各種供試体を用いた。 この同相ピストンモード振動の場合は、小さな供試体でも浮揚する。 また、後述もするが、音源の直径が６０ｍｍであるので、それより小さな寸法のものを選んだ。

【００８２】一方、上記各供試体を浮揚させるべき物体浮揚装置として、下記のものが選定された。

【００８３】まず、格子モード振動の浮揚実験については、図１乃至図３に第１実施例として示した物体浮揚装置を選んだ。 但し、当該物体浮揚装置に装備される振動体１として、長さＬが４３４ｍｍ、幅Ｂが１７８ｍｍ、
厚みｔが３ｍｍのジュラルミン製の矩形状板を用いた。
この振動体１は、その中心で、ジュラルミン製のエキスポネンシャルホーン２に対してＭ６の六角穴付ボルト（図示せず）で結合された。 そして、同一の振動体１で振動モードの異なる３の共振周波数にて励振させて浮揚特性を測定した。 共振周波数は次の通りである。 ｆ１＝１８．４８ｋＨｚ ｆ２＝１９．１１ｋＨｚ ｆ３＝１９．９８ｋＨｚ 入力電力は、駆動周波数ｆ２＝１９．１１ｋＨｚ、ボルト頭部の振動振幅が２０μｍｐ−ｐの時２７．５Ｗである。

【００８４】次に、縞モード振動の浮揚実験に関しては、図２６及び図２７に第１３実施例として示した物体浮揚装置を用いた。 なお、この場合、装備される主振動体６１及び副振動体６２について、その寸法、材質等は当該物体浮揚装置の説明において示した通りのものを採用した。 また、共振周波数は、１９．０４ｋＨｚで、振動子の入力電力はボルト頭部の振動振幅が２０μｍｐ−
ｐの時１０２Ｗである。 前述したように、その振動モードをクラードニの砂図（図２７参照）により測定したところ、節と節すなわち１／２波長の距離は約１９ｍｍであった。

【００８５】そして、同相ピストンモード振動（縦振動）の浮揚実験には、図１９及び図２０に第８実施例として示した物体浮揚装置を採用した。 なお、共振周波数は１９．３６ｋＨｚである。

【００８６】第１の実験として、図２９及び図３０に示した各供試体を各音源に乗せ、振動振幅を一定に保ち、
そのときの供試体の質量に対する浮揚距離を測定した。
その結果を図３１乃至図３３に示す。 該各図において、
横軸の質量は供試体の底面の面積、すなわち音波を直接受ける面の面積で規格化した。 従って、単位当たりの質量で、単位は（ｇ／ｃｍ ² ）である。

【００８７】以上の結果から、振動振幅に対する浮揚距離は異なるものの、単位面積当たりの質量と浮揚距離との関係は、音源の振動モードの種類に関わらず、ほぼ−
１／２乗に比例することが確認された。 また、音源の振動モードが異なると供試体の浮揚距離も異なる。 これは振動体に振動振幅の分布があるため、位置により放射される音波の放射圧も変わるからと考えられる。 尚、振動系への入力電力は、定振幅制御の発信器を用いているため、供試体の質量により若干異なる。 質量の大きいものを振動体に乗せると振動子端から見たインピーダンスが大きくなり、振幅を一定に制御する発信器を用いているので発信器の出力が大きくなるからである。

【００８８】次に、第２の実験として、振動振幅を変化させ、浮揚距離を測定した。 ここで、各振動モードに於ける振動振幅測定位置は、次の通りである。 （１）格子モード振動：振動体の中心の締結用ボルトの頭部 （２）縞モード振動：プレート状ホーン６２との接続ボルトの頭部 （３）同相ピストンモード振動：直径６０ｍｍのストレートホーン４５の先端面のほぼ中央

【００８９】格子モード振動に関しては、前述したように一つの振動体１（４３４×１７８×厚さ３ｍｍのジュラルミン製）を用い、その３つの共振点において、それぞれ振動振幅を変化させて測定した。 前述の通り各周波数は低い方から、ｆ１、ｆ２、ｆ３とし、次の値を持つ。 それぞれの振動モードは異なっている。 ｆ１＝１８．４８ｋＨｚ ｆ２＝１９．１１ｋＨｚ ｆ３＝１９．９８ｋＨｚ 結果を図３４に示す。

【００９０】また、縞モード振動に関しても、同様に、
６９５×２２０×厚さ３ｍｍのジュラルミン製の縞モード振動体を用いて、振動振幅を変化させて測定した。 駆動周波数は１９．０４ｋＨｚである。 結果を図３５に示す。

【００９１】そして、同相ピストンモード振動についても、同じく、直径６０ｍｍのステンレス製ストレートホーンを用いて、同様に振動振幅を変化させて測定した。
結果を図３６に示す。

【００９２】以上の結果から、いずれのモードも振動振幅に比例して浮揚距離が大きくなることが確認された。
しかしながら、その比例の傾きは振動モードにより異なることが判明した。 格子モード振動では、約０．７５乗〜約１．１４乗 縞モード振動では、約１．０４乗〜約１．２２乗 同相ピストンモード振動では約０．９９乗 である。

【００９３】また、供試体の質量によっても浮揚距離の傾きが異なることが判明した。 図３４の格子モード音源の実験結果から、６インチのシリコンウェハー（２６．
７ｇ）（供試体Ｎｏ．７１）では、比例の傾きは約０．
７５乗であるが、アルミ製の金属ブロック（９００ｇ）
（供試体Ｎｏ．７４）では、約１．１４乗に比例している。

【００９４】これは次の点が原因しているものと考えられる。 浮揚中のシリコンウェハーや板厚の薄いベーク板上に砂をのせると、振動体と同様な振動パターンが確認され、板厚の大きい金属ブロック（９００ｇ）では砂図パターンは全く現れなかった。 このことから、板厚が薄い供試体では音波の反射と透過が行われることが分かる。
ところが、板厚の大きい金属ブロックでは透過は極めて少なく境界面（供試体の底面）で音波が全反射しているものとみなせる。 従って、浮揚距離と振幅の関係の比例の傾きが異なるものと推定される。 単位面積当たりの質量が増加するに従い、供試体から受ける反抗力も大きくなり、振動体が静的にたわんでしまったために測定上誤差が出て、比例の傾きが変わってしまったものと推定される。

【００９５】以上のように、今回、撓み振動の波長と供試体すなわち浮揚物質の大きさ及び、振動モードの異なる音源を用いて、振動モードと浮揚特性の関係を実験的に検討した。 これらの実験結果から次のことが明らかになった。 １）浮揚物質が振動体と平行に安定に浮上するためには、浮揚物質の大きさが撓み振動の波長の長さに対して約３／２波長以上必要である。 ２）浮揚距離と浮揚物質の単位底面積当たりの質量の関係は、振動モードに関わらず、ほぼ−１／２乗に比例している。 ３）浮揚距離と振動振幅との関係は、比例関係にあるが、音源の振動モードによりその比例の傾きが異なる。 ４） 浮揚距離と振動振幅との関係は、浮揚させる物質の質量によっても比例の傾きが異なる。 すなわち、質量の大きいものほど傾きが大きくなる。 これは上述した通り、音波の透過及び、放射圧の反抗力により振動体が静的にたわんでしまったため測定上比例の傾きが異なってしまったものと推定される。

【００９６】なお、本発明は、前述した各実施例の構成に限らず、これら各実施例のいずれか２以上の構成をその一部ずつでも互いに組み合わせることなどにより、多岐に亘る構成を実現できることは勿論である。

【００９７】また、前述の各実施例においては、振動体の素材としてジュラルミン等が使用されているが、他に、炭素鋼及びその合金鋼であるステンレス鋼や、チタン合金等、種々の材質が採用可能である。

【００９８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁性体であるや否やなど、扱う物体の材質等の制約を受けることがなく、また、磁界中におくことができないもの等、あらゆる物体を浮揚させ、搬送することができ、
しかも、物体の重量及び寸法が比較的大きくとも対処可能であるという効果がある。 また、装置に関しては、実質的に、振動体とこれを励振する超音波励振手段のみを最小限設けるだけでよいから、小型化及びコストの低減が達成されるという効果が得られると共に、消費電力も極めて少なくて済み、省エネルギー化に寄与するものである。 更に、電気エネルギーを変換した音波の放射圧による浮揚作用であるため、作業者の安全性についても容易に確保し得ると共に、給電及びその断をなすことにより簡単に制御できる利点を有する。 そして、用途に応じて振動体の形状を適宜変更し得、また、物体を長距離搬送するためには装置を並べればよいなど、その自由度が非常に大きく、且つ汎用性に優れている。 また特に、同相ピストンモード振動によれば、振動の節が存在しないので、浮揚、搬送されるべき物体の寸法が小さくとも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施例としての物体搬送装置の要部の、一部断面を含む正面図である。

【図２】図２は、図１に示した物体搬送装置の要部の平面図である。

【図３】図３は、図１に関するＤ−Ｄ矢視図である。

【図４】図４は、図１における部分Ｅの拡大図である。

【図５】図５は、図１乃至図３に示した物体搬送装置によって搬送されるべき物体の他の構成を示す図である。

【図６】図６は、図１乃至図３に示した物体搬送装置の動作説明図である。

【図７】図７は、本発明の第２実施例としての物体搬送装置の要部の正面図である。

【図８】図８は、本発明の第３実施例としての物体搬送装置の要部の正面図である。

【図９】図９は、本発明の第４実施例としての物体搬送装置の要部の正面図である。

【図１０】図１０は、本発明の第５実施例としての物体搬送装置の、一部断面を含む正面図である。

【図１１】図１１は、本発明の第６実施例としての物体搬送装置の要部の正面図である。

【図１２】図１２は、本発明の第７実施例としての物体搬送装置の要部の正面図である。

【図１３】図１３は、図１２における部分Ｇの拡大図である。

【図１４】図１４は、図１乃至図１３に示した各実施例の物体搬送装置に関し、その一部の変形例を示す側面図である。

【図１５】図１５は、物体搬送装置を複数台並べた状態を示す、一部断面を含む正面図である。

【図１６】図１６は、図１乃至図１３に示した各実施例の物体搬送装置により搬送されるべきシリコンウェハーと、該シリコンウェハーを搭載するキャリアの斜視図である。

【図１７】図１７は、本発明に係る物体浮揚装置に関する浮揚実験に供されるべき各種供試体の形態を示す図である。

【図１８】図１８は、本発明に係る物体浮揚装置上における供試体の浮揚状態を示す概念図である。

【図１９】図１９は、本発明の第８実施例としての物体浮揚装置の一部断面を含む正面図である。

【図２０】図２０は、図１９に示した物体浮揚装置の一部の斜視図である。

【図２１】図２１は、本発明の第９実施例としての物体浮揚装置の要部の斜視図である。

【図２２】図２２は、本発明の第１０実施例としての物体浮揚装置の一部断面を含む正面図である。

【図２３】図２３は、図２２に示した物体浮揚装置の一部の斜視図である。

【図２４】図２４は、本発明の第１１実施例としての物体浮揚装置の要部の斜視図である。

【図２５】図２５は、本発明の第１２実施例としての物体浮揚装置の要部の斜視図である。

【図２６】図２６は、本発明の第１３実施例としての物体浮揚装置の要部の斜視図である。

【図２７】図２７は、図２６に示した物体浮揚装置が具備する振動体の平面図である。

【図２８】図２８は、本発明に係る物体浮揚装置の要部と該装置に関する測定を行う測定装置の概略を示す正面図である。

【図２９】図２９は、図２８に示した測定装置による測定に供される供試体の形態を示す図である。

【図３０】図３０は、図２８に示した測定装置による測定に供される供試体の形態を示す図である。

【図３１】図３１は、図２８に示した測定装置により得られた測定値をまとめた結果を示すグラフである。

【図３２】図３２は、図２８に示した測定装置により得られた測定値をまとめた結果を示すグラフである。

【図３３】図３３は、図２８に示した測定装置により得られた測定値をまとめた結果を示すグラフである。

【図３４】図３４は、図２８に示した測定装置により得られた測定値をまとめた結果を示すグラフである。

【図３５】図３５は、図２８に示した測定装置により得られた測定値をまとめた結果を示すグラフである。

【図３６】図３６は、図２８に示した測定装置により得られた測定値をまとめた結果を示すグラフである。

【図３７】図３７は、従来の物体浮揚装置の概略を示す正面図である。

【符号の説明】

１ 振動体 ２ ホーン ４ 振動子 ５ 発振器 ６ ケース ７ 物体 ８ 音波反射部材 １０ 仮想水平面 ２０ 超音波放射器 ２５ 反射部材 ３０ 超音波励振手段 ３１ エネルギー変換手段 ３５ 逸脱防止部材 ４０ シリコンウェハー ４１ キャリア ４５ ストレートホーン（振動体） ４８ 円板状部材（振動体） ５１ 矩形板状部材（振動体） ５５ 振動体 ５７ 付加振動体 ６１ 主振動体 ６２ 副振動体 ６７ レーザ変位計 ６８ オシロスコープ ６９ 変位計本体 ７１、７２ａ〜７２ｆ、７３、７４、７５、７７ａ〜７
７ｊ 供試体（被浮揚物体）