超声波非接触搬运机制的研究

　　目前为止，已知道振动板表面产生的空气流速与平衡力的大小有关。振动板的近距离声波场可以使板状物体被漂浮，而且与浮动材质无关。它只用电力，装置小、成本低，能够用在半导体、液晶基板的非接触搬运生产线上。与振动板尺寸相等的板状物体被浮起时，不仅在水平方向保持平衡，而且在水平方向稳定的移动，才可以开发位置精度较高，移动路径自由度较大的非接触搬运装置。非接触搬运装置的基本原理是在直线平台上产生行进波，则平台表面产生的放射压力使放在上面的平板物体被漂浮起来，然后通过行进波使板状物体在空气的粘着力作用下移动。为了液晶基板等面积较大的物体非接触搬运成为可能，必须研究板状物体在近距离声波场中保持平衡的机制。

　　1 近距离声波场浮动物体的平衡原理

　　1.1 近距离声波浮场[1]

　　如图1所示，螺栓紧固型郎之万振子上固定振动圆板，然后在圆板上面放平面状的物体。当振动子被驱动时，圆板产生弯曲振动产生声波，则声波在传播时被放在上面的平板挡阻，即在界面上产生放射压，使上面放的平板状物体在与自重相适应的高度浮动。

　　浮动物体在振动板上浮动，还可以保持平衡，施加一点外力是掉不下来的。平板状物体表面与振动板尺寸差不多时，与振动模态无关，浮动物体不仅漂浮，而且在水平方向产生比较小的保持平衡的分力。外界干扰比平衡分力大时，破坏漂浮时的平衡状态。

　　1.2 流体中的音响非线性现象[2]

　　为了说明近距离声波场中对浮动物体施加的力(浮力和平衡力)，可以举3个音响的非线性现象:

　　(1)音响的放射压;

　　(2)音响流;

　　(3)音响粘着力。

　　其中与保持平衡有关的是音响粘着力，与粘着力有关的是音响流。音响流是在流体中放射声波时被观察到的介质的流动。音响流是可以用非压缩性粘性流体的连续式和Navier-Stokes式表示。

　　式(2)中，ρ0为音场没有紊乱时的流体密度;

　　U为流体的速度向量;

　　P为流场的压力;

　　μ为介质的滑动粘性;

　　Fk为驱动力;

　　v为流体粒子的振动速度向量。

　　式(4)中，p是声压，即声压的分布决定音响流。

　　浮场空间的音响流模型如图2所示。

　　1.3 保持平衡的特征与音响流模型

　　通过音响流对浮动物体施加的水平力模型如图3所示。假设被浮物体静止不动，浮场间的音响流在x方向的用，xuy方向的用 表示，z方向为平衡流。