超音波浮上式非接触型2次元ステージの開発

超声波悬浮非接触式二维平台的研制

• 批准号: 19016013
• 负责人: 小山 大介
• 金额: $ 5.38万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19016013/
• 关键词: 近距離場音波浮揚; 超音波アクチュエータ; 2次元ステージ; 非接触型ステージ; 音響放射圧; たわみ振動; 有限要素解析

平板基盤上であれば環境・場所を選ばずホバリング可能な2次元平面を移動可能な超音波浮上式非接触2次元ステージを提案した。ステージは1軸方向に移動可能な4つのスライダと矩形板とで構成される。本年度は昨年度に開発した1軸方向に往復運動可能な超音波浮上式自走式スライダの構造を簡素化し、さらにそれらと矩形板を一体化した2次元ステージの設計を行い、超音波浮揚、並びに浮揚状態での移動の実現を目指した。昨年度開発したスライダの構造を簡素化し、単相駆動とすることで、駆動回路の簡素化に成功し、スライダ動作の再現性を向上した。2次元ステージは、この新たに開発したスライダ4つと平板を連結した一体構造とした。ステージの設計は4つのスライダのカップリングを防ぐため、各々のスライダ長さを有限要素解析によって決定した。解析結果より、共振周波数が60〜80kHz、41mm四方、厚さ1mの2次元ステージを設計した。設計に基づいた試作機を作成し、2次元ステージの浮揚・移動特性について実験的に検討した。設計段階で期待された駆動周波数60〜80kHzにおいて、いくつかの共振周波数でステージが完全に浮上することを確認出来た。浮揚距離を光学顕微鏡で測定し、振動特性をレーザードップラ振動計で測定することにより、ステータの振動振幅に対する浮揚距離特性を測定した。4つのスライダの各共振周波数において、ステージはx、y方向に往復直線運動することができた。単相駆動周波数を制御することにより、当初の目標であった平面基盤上で移動可能なステージの2次元非接触移動を実現でき、最大6.3mNの推力を得た。

我们提出了一种超声波悬浮式非接触式2D平台，可以在2D平面上移动，并且可以悬停在平板上的任何环境或位置。该平台由四个可沿一个轴移动的滑块和一个矩形板组成。今年，我们将简化去年开发的可单轴方向往复运动的超声波悬浮自走滑块的结构，设计一个将其与矩形板集成的二维平台，目的是实现漂浮时的运动。 。通过简化去年开发的滑块的结构并采用单相驱动，我们成功地简化了驱动电路并提高了滑块操作的再现性。二维平台采用一体化结构，连接四个新开发的滑块和平板。在设计平台时，通过有限元分析确定每个滑块的长度，以防止四个滑块耦合。根据分析结果，我们设计了一个谐振频率为60至80kHz、41mm见方、1m厚的二维平台。根据该设计制作了原型机，并对二维​​平台的悬浮和运动特性进行了实验研究。在设计阶段预期的 60 至 80kHz 驱动频率下，我们能够确认平台可以在几个谐振频率下完全悬浮。用光学显微镜测量悬浮距离，并用激光多普勒振动计测量振动特性，从而测量相对于定子振动幅度的悬浮距离特性。在四个滑块的每个共振频率下，平台能够在 x 和 y 方向上进行往复线性运动。通过控制单相驱动频率，我们实现了移动平台在平坦底座上二维非接触运动的最初目标，并实现了6.3 mN的最大推力。

项目成果

A self-running standing wave type slider for the ultrasonically levitated linear stage

一种用于超声悬浮线性平台的自运行驻波型滑块

• 发表时间: 2008
• 作者: D. Koyama;H. Takei;K. Nakamura and S. Ueha
• 通讯作者: K. Nakamura and S. Ueha

A stator for a self-running, ultrasonically-levitated sliding stage

• DOI: 10.1109/tuffc.2007.538
• 发表时间: 2007-12
• 期刊: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control
• 作者: D. Koyama;K. Nakamura;S. Ueha

超音波定在波を用いた自走式非接触リニアステージ

利用超声波驻波的自走式非接触式线性平台

• 发表时间: 2007
• 作者: 小山大介;武井裕之;中村健太郎;上羽貞行
• 通讯作者: 上羽貞行

A self-running ultrasonically levitated 2D stage using flexural vibrating plates

使用弯曲振动板的自运行超声波悬浮二维平台

• 发表时间: 2009
• 作者: 監修 : 藍光郎;分担佐々木実;D. Koyama and K. Nakamura
• 通讯作者: D. Koyama and K. Nakamura

A self-running standing wave-type bidirectional slider for the ultrasonically levitated thin linear stage

• DOI: 10.1109/tuffc.2008.865
• 发表时间: 2008-08
• 期刊: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control
• 作者: D. Koyama;H. Takei;K. Nakamura;S. Ueha