JP2007268505A - Device for generating ultrasonic vibration on rotary shaft - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic generation device excellent in durability and having good controllability by improving a technique of generating ultrasonic vibration on a rotary shaft in the axial direction. <P>SOLUTION: Wavelength of ultrasonic wave in a rotary shaft is defined as λ, the length of the rotary shaft is set to be 3λ/2 and points at λ/4 distance (equivalent to nodes of the vibration) from both ends are journalled with bearings 9. A magnetic flange 10C and a magnetic flange 10E are fixed at points at λ/2 from both ends (equivalent to antinodes of the vibration) and an electromagnet 11 and an electromagnet 12 are set on the opposite to these magnetic flanges at an interval. Alternating voltage with ultrasonic cycle generated in an ultrasonic vibration oscillating circuit S is applied to the electromagnet 11 and the electromagnet 12. The electromagnets intermittently apply magnetically attracting power with the ultrasonic cycle to the magnetic flanges to cause ultrasonic vibration on the magnetic flanges. The ultrasonic vibration is transmitted to the rotary shaft 7 and the rotary shaft is vibrated by the ultrasonic vibration. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、回転軸に対して非接触で、該回転軸に超音波振動を発生させる装置に関するものであって、特に、耐久性に優れ、しかも制御性が良いように改良したものである。   The present invention relates to an apparatus that generates ultrasonic vibration on a rotating shaft without contact with the rotating shaft, and is particularly improved so as to have excellent durability and good controllability.

回転軸に超音波振動を発生させると、例えば該回転軸に回転砥石を装着して研削面の面あらさを改良するなど、多くの効果を期待することができる。
このため、各種の超音波発生技術が提案されている。
例えば、特許文献1として挙げた特開2003−145395号公報に記載された技術は、電歪素子から成る超音波振動子を回転軸に装着して超音波振動を発生させている。
また、特許文献2として挙げた特開2005−210863号公報に記載された技術は、固定的に設置された永久磁石と、回転軸に取り付けた永久磁石との間の磁力によって超音波振動を発生させている。
When ultrasonic vibration is generated on the rotating shaft, many effects can be expected, such as improving the surface roughness of the grinding surface by mounting a rotating grindstone on the rotating shaft.
For this reason, various ultrasonic generation techniques have been proposed.
For example, the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-145395 cited as Patent Document 1 generates an ultrasonic vibration by attaching an ultrasonic vibrator made of an electrostrictive element to a rotating shaft.
In addition, the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-210863 cited as Patent Document 2 generates ultrasonic vibrations by a magnetic force between a permanent magnet that is fixedly installed and a permanent magnet that is attached to a rotating shaft. I am letting.

図4は前記特開2003−145395号公報の代表的図面である。符号3はスピンドル本体であって回転駆動される。上記スピンドル本体3に本体スリーブ3bが形成され、その中に電歪素子から成る超音波振動子4が配置されている。支持ホーン6は上記超音波振動子4に連設されるとともに、該支持ホーン6に形成されたフランジが、前記本体スリーブ3bの内周面に対して摺動可能に接触している。
上述した特開2003−145395号公報の発明によると加工精度が向上し、かつ、組立工数が削減されたと報告されている。
特開2003−145395号公報 特開2005−210863号公報
FIG. 4 is a typical drawing of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-145395. Reference numeral 3 denotes a spindle body which is rotationally driven. A main body sleeve 3b is formed on the spindle main body 3, and an ultrasonic transducer 4 made of an electrostrictive element is disposed therein. The support horn 6 is connected to the ultrasonic transducer 4 and a flange formed on the support horn 6 is slidably in contact with the inner peripheral surface of the main body sleeve 3b.
According to the invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-145395 described above, it is reported that the machining accuracy is improved and the number of assembling steps is reduced.
JP 2003-145395 A Japanese Patent Laying-Open No. 2005-210863

前記の電歪素子を用いた超音波振動発生装置によると加工精度が向上し、かつ制御性が良好であるから、その価値は高い。しかしながら、
(イ).電歪素子の耐久性が良くないので、しばしば電歪素子を交換しなければならない。このため交換部品のコストが高い上に、手数が掛かり、機械装置の稼働率を低下させている。
さらに、電歪素子に電気エネルギーを供給するためにブラシを用いなければならないのでメンティナンス性が良くない。
According to the ultrasonic vibration generator using the electrostrictive element, the processing accuracy is improved and the controllability is good, so that its value is high. However,
(I). Since the electrostrictive element is not durable, it is often necessary to replace the electrostrictive element. For this reason, the cost of replacement parts is high, and it is troublesome, reducing the operating rate of the mechanical device.
Furthermore, since a brush must be used to supply electric energy to the electrostrictive element, maintenance is not good.

(ロ).永久磁石を用いた超音波振動発生装置は耐久性もメンテナンス性も優れているが、振動数が軸の回転数に比例する。このため、回転数を調節操作すると振動数が変化してしまう。
その上、振幅の制御が可能ではあるが容易でないという問題も有る。
本発明は以上に述べた事情に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは、
非接触で超音波駆動することができて、ブラシで給電する必要が無く、耐久性、制御性、およびメンテナンス性に優れた超音波振動発生技術を提供するにある。
(B). An ultrasonic vibration generator using a permanent magnet is excellent in durability and maintainability, but the vibration frequency is proportional to the rotational speed of the shaft. For this reason, when the rotational speed is adjusted, the vibration frequency changes.
In addition, the amplitude can be controlled but is not easy.
The present invention has been made in view of the circumstances described above, and the object is as follows.
It is an object of the present invention to provide an ultrasonic vibration generation technique that can be driven in a non-contact ultrasonic manner, does not need to be supplied with a brush, and has excellent durability, controllability, and maintainability.

上記の目的を達成するために創作した本発明の基本的な原理について、その1実施形態に対応する図1を参照して略述すると次の通りである。
回転軸7の中央部に、振動の節に相当する箇所付近に位置せしめて、磁性体からなるフランジ10が固着されている(振動の節付近に代えて、振動の腹付近に位置せしめても良い。また、節と腹との中間であっても良い)。
上記磁性体フランジ10の片方の側に電磁石11を、他方の側に電磁石12を、それぞれ配置する。
超音波振動発振回路Sで発振させた超音波サイクルの交流を、前記電磁石11と電磁石12とに交互に印加すると、磁性体フランジ10が超音波振動し、回転軸7が超音波振動する。
前記回転軸7は、その振動の節に相当する箇所をベアリングで支承する。上記の振動の節は理論的には点であるが、実際問題として点を支承することはできないので、本発明を実施する場合は節の近傍を支承すればよい。
The basic principle of the present invention created to achieve the above object will be briefly described with reference to FIG. 1 corresponding to one embodiment thereof.
A flange 10 made of a magnetic material is fixed to the central portion of the rotating shaft 7 in the vicinity of the portion corresponding to the vibration node (even if it is positioned in the vicinity of the vibration antinode instead of the vicinity of the vibration node). Good, or halfway between nodes and belly)
The electromagnet 11 is arranged on one side of the magnetic body flange 10, and the electromagnet 12 is arranged on the other side.
When the alternating current of the ultrasonic cycle oscillated by the ultrasonic vibration oscillation circuit S is alternately applied to the electromagnet 11 and the electromagnet 12, the magnetic body flange 10 vibrates ultrasonically and the rotating shaft 7 vibrates ultrasonically.
The rotating shaft 7 supports a portion corresponding to the vibration node by a bearing. Although the above-mentioned vibration node is theoretically a point, it is impossible to support a point as an actual problem. Therefore, when the present invention is carried out, the vicinity of the node may be supported.

上述の原理に基づく具体的な構成として、請求項1の発明に係る回転軸に超音波振動を発生させる装置は、
(図1参照)回転軸(7)に軸心方向の超音波振動を発生させる装置において、
回転軸内における超音波の、縦波振動の波長をλとし、
回転軸の長さが3λ/2、またはλ+nλ/2(n=0以上の整数)であって、
両端からそれぞれλ/4、または(2n+1)λ/4の箇所をベアリングによって回転自在に支承されるとともに、
上記回転軸の振動の節に当たる、端から(2n+3)λ/2の箇所に、磁性体で構成されたフランジ(10)が固着されており、
かつ、上記磁性体フランジの片方側の面に対向離間させて電磁石(11)が設けられるとともに、該磁性体フランジの他方側の面に対向離間させて上記と異なる電磁石(12)が設けられていることを特徴とする。
As a specific configuration based on the above-described principle, an apparatus for generating ultrasonic vibrations on a rotating shaft according to the invention of claim 1 is provided.
(See FIG. 1) In an apparatus for generating ultrasonic vibration in the axial direction on the rotating shaft (7),
The wavelength of the longitudinal vibration of the ultrasonic wave in the rotation axis is λ,
The length of the rotation axis is 3λ / 2, or λ + nλ / 2 (n = 0 or greater integer),
Λ / 4 or (2n + 1) λ / 4 from both ends are rotatably supported by bearings,
A flange (10) made of a magnetic material is fixed to a location of (2n + 3) λ / 2 from the end, which hits the vibration node of the rotating shaft,
In addition, an electromagnet (11) is provided opposite to and separated from one surface of the magnetic flange, and an electromagnet (12) different from the above is provided opposite to and separated from the other surface of the magnetic flange. It is characterized by being.

請求項2の発明に係る回転軸に超音波振動を発生させる装置の構成は、前記請求項1の発明装置の構成要件に加えて、
(図3参照)回転軸(7)に超音波振動を発生させる装置において、
回転軸内における超音波の、縦波振動の波長をλとし、
回転軸の長さが3λ/2、またはλ+nλ/2(n=0以上の整数)であって、
振動の腹に当たる、両端からそれぞれλ/4の箇所、または(2n+1)λ/4の箇所をベアリング(9)によって回転自在に支承されるとともに、
該回転軸の両端からλ/2の箇所、または両端から(n+1)λ/2の箇所それぞれに、磁性体で構成されたフランジが固着されており、
かつ、上記の磁性体フランジの内、いずれか片方の磁性体フランジ(10C)に対向離間させて電磁石(11)が設けられるとともに、他方の磁性体フランジ(10E)に対向離間させて上記と異なる電磁石(12)が設けられていることを特徴とする。
The configuration of the apparatus for generating ultrasonic vibrations on the rotating shaft according to the invention of claim 2 is in addition to the configuration requirements of the invention apparatus of claim 1,
(See FIG. 3) In an apparatus for generating ultrasonic vibrations on the rotating shaft (7),
The wavelength of the longitudinal vibration of the ultrasonic wave in the rotation axis is λ,
The length of the rotation axis is 3λ / 2, or λ + nλ / 2 (n = 0 or greater integer),
The bearings (9) are rotatably supported at the locations of λ / 4 from both ends, or the locations of (2n + 1) λ / 4 from both ends, which hit the antinode of vibration,
A flange made of a magnetic material is fixed to each of λ / 2 from both ends of the rotating shaft or each of (n + 1) λ / 2 from both ends,
In addition, the electromagnet (11) is provided to be opposed to and separated from one of the magnetic flanges (10C), and is different from the above by being opposed to and separated from the other magnetic flange (10E). An electromagnet (12) is provided.

請求項3の発明に係る回転軸に超音波振動を発生させる装置の構成は、前記請求項1または請求項2の発明装置の構成要件に加えて、
前記片方の電磁石(11)と他方の電磁石(12)とが、それぞれ複数個設けられていて、
前記回転軸(7)と同心の仮想の円に沿って配列され、または該回転軸に関して対称に配列されていることを特徴とする。
The configuration of the apparatus for generating ultrasonic vibrations on the rotating shaft according to the invention of claim 3 is in addition to the configuration requirements of the invention apparatus of claim 1 or claim 2,
A plurality of the one electromagnet (11) and the other electromagnet (12) are provided,
It is arranged along a virtual circle concentric with the rotation axis (7), or is arranged symmetrically with respect to the rotation axis.

請求項4の発明に係る回転軸に超音波振動を発生させる装置の構成は、前記請求項1または請求項2の発明装置の構成要件に加えて、
(図2参照)前記回転軸(7)に固着されたリング状のフランジ(15a)と、前記ベアリング(9)の内側に嵌合するインナレース受(15b)とを一体に連設されたアダプタ(15)が設けられており、
かつ、前記回転軸(7)を回転させる駆動モータ(16)が、カップリング(14)を介して上記アダプタ(15)に連結されていることを特徴とする。
The configuration of the apparatus for generating ultrasonic vibrations on the rotating shaft according to the invention of claim 4 is in addition to the configuration requirements of the invention apparatus of claim 1 or claim 2,
(See FIG. 2) An adapter in which a ring-shaped flange (15a) fixed to the rotary shaft (7) and an inner race receiver (15b) fitted inside the bearing (9) are integrally provided. (15) is provided,
And the drive motor (16) which rotates the said rotating shaft (7) is connected with the said adapter (15) through the coupling (14), It is characterized by the above-mentioned.

請求項1に係る回転軸に超音波振動を発生させる装置を適用すると、
ベアリング及び磁性体フランジが「振動の節」に相当する箇所に設けられているので、ベアリングや磁性体フランジがほとんど振動しない。
ベアリングが振動しないので可聴周波数の騒音を発生せず、かつベアリングが振動によって早期に損耗する虞れが無い。
磁性体フランジの振幅が小さいので、電磁石との相対的な位置を正確に調節し易く、調整状態が狂わない。
さらに、磁性体フランジの振幅が小さいので、超音波エネルギーが該磁性体フランジから空中へ逃げることが無い。
When an apparatus for generating ultrasonic vibration is applied to the rotating shaft according to claim 1,
Since the bearing and the magnetic material flange are provided at a position corresponding to the “vibration node”, the bearing and the magnetic material flange hardly vibrate.
Since the bearing does not vibrate, no audible noise is generated, and there is no possibility that the bearing will be worn out early due to vibration.
Since the amplitude of the magnetic flange is small, it is easy to accurately adjust the relative position with the electromagnet, and the adjustment state does not go wrong.
Furthermore, since the magnetic flange has a small amplitude, ultrasonic energy does not escape from the magnetic flange into the air.

請求項2に係る回転軸に超音波振動を発生させる装置を適用すると、ベアリングが「振動の節」に相当する箇所に設けられているので、該ベアリングがほとんど振動しない。
ベアリングが振動しないので可聴周波数の騒音を発生せず、かつベアリングが振動によって早期に損耗する虞れが無い。
さらに2個の磁性体フランジが、それぞれ振動の腹に相当する箇所に設置されているので、電磁石の力が有効に振動に変換され、エネルギー効率が高い。
When the apparatus for generating ultrasonic vibration is applied to the rotating shaft according to the second aspect, the bearing is provided at a location corresponding to the “vibration node”, so that the bearing hardly vibrates.
Since the bearing does not vibrate, no audible noise is generated, and there is no possibility that the bearing will be worn out early due to vibration.
Furthermore, since the two magnetic body flanges are respectively installed at locations corresponding to antinodes of vibration, the force of the electromagnet is effectively converted into vibration and energy efficiency is high.

請求項3に係る回転軸に超音波振動を発生させる装置を、前記請求項1または請求項2の発明に併せて適用すると、電磁石が複数個設けられているので強力な超音波振動を発生させることができ、
電磁石が円に沿って配列され、または対称に配列されているので、回転軸に対して余分な力を及ぼすことなく、回転軸に対してロス無く軸心方向の超音波振動を発生させることができる。
When the apparatus for generating ultrasonic vibrations on the rotating shaft according to claim 3 is applied in combination with the invention of claim 1 or claim 2, a plurality of electromagnets are provided, so that strong ultrasonic vibrations are generated. It is possible,
Since the electromagnets are arranged along a circle or symmetrically, ultrasonic vibrations in the axial direction can be generated without any loss on the rotation axis without exerting an extra force on the rotation axis. it can.

請求項4に係る回転軸に超音波振動を発生させる装置を、前記請求項1または請求項2の発明に併せて適用すると、振動している回転軸に対して、駆動モータの回転出力を無理なく伝導することができ、振動に起因する摩擦によって伝導カップリングが早期に摩耗する虞れが無い。   When the apparatus for generating ultrasonic vibrations on the rotary shaft according to claim 4 is applied in combination with the invention of claim 1 or claim 2, the rotational output of the drive motor cannot be applied to the vibrating rotary shaft. There is no possibility that the conductive coupling is worn early due to friction caused by vibration.

図1は本発明の第1の実施形態を示し、請求項1に対応する。
回転軸7の長さは3λ/2に設定されている。ここにλは、発生させる超音波が回転軸内を縦波として進行する場合の『伝播速度/周波数』である。すなわち、回転軸7の弾性的長さが3λ/2である。
このため、回転軸7は超音波に対して3λ/2で共振し、その波形はカーブWで示すごとくである。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention and corresponds to claim 1.
The length of the rotating shaft 7 is set to 3λ / 2. Here, λ is “propagation speed / frequency” when the generated ultrasonic wave travels as a longitudinal wave in the rotation axis. That is, the elastic length of the rotating shaft 7 is 3λ / 2.
For this reason, the rotating shaft 7 resonates at 3λ / 2 with respect to the ultrasonic wave, and its waveform is as indicated by a curve W.

説明の便宜上、回転軸7をλ/4ごとに区切って図示のようにA〜Gと名付ける。
回転軸7の両端それぞれからλ/4の箇所B,Fは振動の節に相当する。この箇所をベアリング9で回転自在に支承する。振動の節は、局部的に静止していると見做すことができるので、ベアリング9に対して振動が伝わらない。
これにより、
イ.ベアリングの耐久性に悪影響を及ぼさず、騒音を発生しない。
ロ.超音波振動がベアリング9へ逃げない。このため、発生させた超音波エネルギーが減 衰せず、有効に利用することができる。
上記のベアリング9で回転軸7を支承した箇所の、鎖線楕円で囲んで示した付近の詳細な構造は、図2を参照して後に詳しく説明する。
For convenience of explanation, the rotary shaft 7 is divided into λ / 4 and named A to G as shown in the figure.
Locations B and F of λ / 4 from both ends of the rotating shaft 7 correspond to vibration nodes. This part is supported rotatably by a bearing 9. Since the vibration node can be considered to be locally stationary, vibration is not transmitted to the bearing 9.
This
I. Does not adversely affect the durability of the bearing and does not generate noise.
B. The ultrasonic vibration does not escape to the bearing 9. For this reason, the generated ultrasonic energy is not attenuated and can be used effectively.
The detailed structure in the vicinity of the portion where the rotating shaft 7 is supported by the bearing 9 and surrounded by the chain line ellipse will be described in detail later with reference to FIG.

回転軸7の両端それぞれから3λ/4の箇所(D)に、磁性体製のフランジ10を固着する。
回転軸7の長さが3λ/2であるから、その中央部Dは振動の節に当たる。
本発明における磁性体製のフランジ10は、振動の節もしくは腹に設置される。この図1に描かれている第1の実施形態では振動の節に設置した。後に説明する図2に示した第2の実施形態においては振動の腹に設置される。
A flange 10 made of a magnetic material is fixed to a position 3D / 4 from both ends of the rotating shaft 7 (D).
Since the length of the rotating shaft 7 is 3λ / 2, the central portion D hits a vibration node.
The magnetic flange 10 according to the present invention is installed at a vibration node or abdomen. In the first embodiment illustrated in FIG. 1, the vibration node is installed. In the second embodiment shown in FIG. 2, which will be described later, it is installed on the vibration belly.

本第1の実施形態においては振動の節に当たる箇所Dに、2枚の磁性体フランジ10を、相互に近接せしめて固着し、それぞれの磁性体フランジ10の両側に対向離間させて電磁石11、同12を設置する。
上記電磁石11,12を超音波振動発振回路Sに接続して、超音波サイクルの電流を供給すると、該電磁石が交互に超音波サイクルの間欠的な磁気吸引力を発生する。この力が回転軸7に与えられて、該回転軸が超音波振動する。
In the first embodiment, two magnetic flanges 10 are fixed in close proximity to each other at a location D where the vibration is applied, and the electromagnet 11 and the same are separated from each other on both sides of each magnetic flange 10. 12 is installed.
When the electromagnets 11 and 12 are connected to the ultrasonic vibration oscillation circuit S and an ultrasonic cycle current is supplied, the electromagnets alternately generate an intermittent magnetic attractive force of the ultrasonic cycle. This force is applied to the rotating shaft 7, and the rotating shaft vibrates ultrasonically.

小形,小電流の電磁石で大きい磁気吸引力を発生させるには、間隙寸法を狭めることが有効である。本例のように磁性体フランジ10を振動の節に設置すると、該磁性体フランジそれ自体は外見に顕れる振動をしないので、電磁石との間隙寸法の設定・調節が容易である。
前記磁性体フランジ10自体が顕在的な振動をしないことは、周囲の空気に超音波振動を伝達しにくいという長所も有る。
超音波は不可聴であるが、サイクルによっては不快感を催したりするので、空気の伝わらない方が好ましい。さらに、僅少ではあるが、超音波エネルギーが周囲の空気中へ逃げないことも、この第1の実施形態(請求項1に対応)の長所である。
In order to generate a large magnetic attractive force with a small, small current electromagnet, it is effective to reduce the gap size. When the magnetic body flange 10 is installed at the vibration node as in this example, the magnetic body flange itself does not vibrate apparently, so that it is easy to set and adjust the gap size with the electromagnet.
The fact that the magnetic body flange 10 itself does not vibrate clearly has the advantage that it is difficult to transmit ultrasonic vibrations to the surrounding air.
Ultrasound is inaudible, but it may be uncomfortable depending on the cycle, so it is preferable not to transmit air. Furthermore, although it is slight, it is also an advantage of the first embodiment (corresponding to claim 1) that the ultrasonic energy does not escape into the surrounding air.

前記の電磁石11、同12は、各磁性体フランジ10に対して複数個ずつ配置される。
複数個の最少限は2個であるが、3個、4個というように多いほど望ましい。
上記複数個の電磁石電磁石11、同12は、それぞれ回転軸7の軸心Xと同心の円に沿って配列される。
これにより、該複数個の電磁石の力がバランスし、純粋なX軸方向の合力を形成して、純粋にX軸方向の超音波振動を発生することができる。
同様の理由により、前記複数個の電磁石を同心円に沿わせて配列する代りに、軸心Xに関して対称に配列しても良く、これによっても同様の作用効果(電磁力のバランス)が得られる。
A plurality of the electromagnets 11 and 12 are arranged for each magnetic flange 10.
The minimum number of the plurality is two, but it is desirable that the number is as large as three or four.
The plurality of electromagnets 11 and 12 are arranged along a circle concentric with the axis X of the rotating shaft 7.
As a result, the forces of the plurality of electromagnets are balanced to form a pure X-axis direction resultant, and ultrasonic vibrations in the X-axis direction can be generated purely.
For the same reason, instead of arranging the plurality of electromagnets along the concentric circles, they may be arranged symmetrically with respect to the axis X, and the same effect (balance of electromagnetic force) can be obtained.

特許文献1として挙げた特開2003−145395号公報において発明者は、その段落番号0003に『超音波振動が軸線方向と完全に一致して研削工具に伝達されるようにすることが最も重要な課題である』旨を述べておられる。これは正に然りであって、この発明者の蘊蓄の現れであると高く評価される。
而して本発明においては、前記の電磁石電磁石11、同12を回転軸7の軸心と同心に配列し、または軸心に関して対称に配列するという簡単な構成で、この課題を完全に解決したものである。
上述の構成・作用を考察すると、電磁石の設置個数が多数である場合、必ずしも1個の円に沿わせて配列しなくても、複数個の円に沿わせて分散配置することも可能であり、同様の作用効果が得られる。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-145395 cited as Patent Document 1, the inventor stated in paragraph No. 0003 that “the most important thing is that the ultrasonic vibration is transmitted to the grinding tool in complete agreement with the axial direction. It is an issue ”. This is exactly the case, and is highly regarded as a manifestation of the inventor's savings.
Thus, in the present invention, this problem is completely solved by a simple configuration in which the electromagnets 11 and 12 are arranged concentrically with the axis of the rotary shaft 7 or arranged symmetrically with respect to the axis. Is.
Considering the above configuration and operation, if there are a large number of electromagnets installed, they can be distributed along a plurality of circles without necessarily being arranged along one circle. The same effect can be obtained.

本第1の実施形態(図1)において、点B,D,F,が振動の節であり、点A,C,E,Gが振動の腹である。
振動の腹である点Gに砥石8を装着して、この回転軸7を回転駆動すると、該砥石8は円周方向に回転しながら軸心方向に超音波振動して、良好な仕上げ面あらさを得ることができる。
上述のごとく軸心方向に超音波振動している回転軸7に対して、軸心周りの回転を駆動するには、以下に述べるような工夫が必要である。
In the first embodiment (FIG. 1), points B, D, and F are vibration nodes, and points A, C, E, and G are vibration nodes.
When the grindstone 8 is attached to the point G which is the antinode of the vibration and the rotary shaft 7 is driven to rotate, the grindstone 8 is ultrasonically vibrated in the axial direction while rotating in the circumferential direction, and a good finished surface roughness is obtained. Can be obtained.
In order to drive the rotation around the axis with respect to the rotating shaft 7 that is ultrasonically vibrated in the axial direction as described above, the following measures are required.

磁性体フランジ10を固着した点Dが振動の節であったのと同様に、振動の節である点Bにおいて回転軸7を支承するとともに、該回転軸に対して駆動モータ16の回転出力を伝動する。本図1に鎖線楕円で囲んだ付近の詳細拡大を図2に示す。
符号15を付して示したのはアダプタであって、次のように構成されている。
振動の節Bに位置せしめて幅狭リング状のフランジ15aが配置され、回転軸7に固着されている。該フランジ15aの外周側に、インナレース受15bが一体に連設されている。
In the same way as the point D where the magnetic flange 10 is fixed is a vibration node, the rotary shaft 7 is supported at the point B which is the vibration node, and the rotation output of the drive motor 16 is applied to the rotation shaft. Be transmitted. FIG. 2 shows a detailed enlargement of the vicinity surrounded by a chain line ellipse in FIG.
Reference numeral 15 indicates an adapter, which is configured as follows.
A narrow ring-shaped flange 15 a is disposed at the vibration node B and fixed to the rotary shaft 7. An inner race receiver 15b is integrally provided on the outer peripheral side of the flange 15a.

ベアリング9は、相当寸法の幅Wを有している。これに比して振動の節BはX軸方向に著しく狭い(理論的にはX軸方向の長さがゼロである)。この節を覆って幅Wの区域にベアリング9を嵌合させると、回転軸7とベアリング9との間に摩擦を生じて、嵌合面を摩耗させたり、振動を減衰させたりする。
そこで本実施形態においては、X軸方向の幅をゼロと見做し得る程度に薄いフランジ15aを回転軸7に固着するとともに、
軸心X方向に寸法Wの幅を有するインナレース受15bによって、ベアリング9のインナレースを安定的に支承した。
The bearing 9 has a width W of a corresponding dimension. In comparison, the vibration node B is extremely narrow in the X-axis direction (theoretically, the length in the X-axis direction is zero). When the bearing 9 is fitted in the area of the width W so as to cover this node, friction is generated between the rotating shaft 7 and the bearing 9 to wear the fitting surface or attenuate the vibration.
Therefore, in the present embodiment, a flange 15a that is thin enough to assume that the width in the X-axis direction is zero is fixed to the rotary shaft 7, and
The inner race of the bearing 9 was stably supported by the inner race receiver 15b having a width of the dimension W in the axial center X direction.

さらに、駆動モータ16とアダプタ15との間に次のようなカップリング14を介装して、超音波振動の影響を受けることなく回転軸7を回転駆動する。
カップリング14は、X軸に同心の円盤状ディスク14aに、X軸方向のドライブバー14bの複数個を植設してある。
上記ドライブバー14bの先端を、アダプタ15のインナレース受15bに対して摺動可能に嵌合させてある。
Furthermore, the following coupling 14 is interposed between the drive motor 16 and the adapter 15, and the rotary shaft 7 is rotationally driven without being affected by ultrasonic vibration.
In the coupling 14, a plurality of drive bars 14b in the X-axis direction are implanted in a disc-like disk 14a concentric with the X-axis.
The tip of the drive bar 14 b is slidably fitted to the inner race receiver 15 b of the adapter 15.

図3は、本発明の第2の実施形態を示し、前掲の図1に示した第1の実施形態に比して異なる所は次のとおりである。
図1の磁性体フランジ10は、回転軸に関する超音波振動の節Dに配置されていたが、
図3における磁性体フランジは、超音波振動の腹に当たる2箇所C、Eに1枚ずつ配置されている。
これらの磁性体フランジは、図1における磁性体フランジ10と類似の部材であるが、説明の便宜上、振動の腹Cに位置する磁性体フランジに符号10Cを付し、振動の腹Eに位置する磁性体フランジに符号10Eを付して区別する。
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention, and the differences from the first embodiment shown in FIG. 1 are as follows.
The magnetic body flange 10 in FIG. 1 is disposed at the node D of ultrasonic vibration related to the rotation axis.
The magnetic body flanges in FIG. 3 are arranged one by one at two locations C and E that hit the antinode of ultrasonic vibration.
These magnetic body flanges are members similar to the magnetic body flange 10 in FIG. 1, but for convenience of explanation, the magnetic body flange located at the vibration antinode C is denoted by reference numeral 10 </ b> C and located at the vibration antinode E. The magnetic flanges are distinguished by attaching a reference numeral 10E.

前記2枚の磁性体フランジ10C、同10Eそれぞれに対向離間させて電磁石12を配置する。
本例では磁性体フランジ10Cの内側に電磁石11を配置するととももに、磁性体フランジ10Eの内側に電磁石12を配置してある。
図示を省略するが、2枚の磁性体フランジ10C、同10Eの外側に電磁石電磁石11、同12を配置しても良い。
The electromagnet 12 is disposed so as to face and separate from the two magnetic body flanges 10C and 10E.
In this example, the electromagnet 11 is arranged inside the magnetic flange 10C, and the electromagnet 12 is arranged inside the magnetic flange 10E.
Although illustration is omitted, the electromagnets 11 and 12 may be arranged outside the two magnetic flanges 10C and 10E.

何れの場合であっても、磁性体フランジ10Cに対する磁気吸引力と、磁性体フランジ10Eに対する磁気吸引力とが打ち消し合うことなく協働するように、超音波振動発振器の位相を調節する。このように構成すると、超音波振動の腹に対して超音波サイクルの磁気吸引力が作用するので、与えられた磁力エネルギーが有効に超音波振動エネルギーに変換される。   In any case, the phase of the ultrasonic vibration oscillator is adjusted so that the magnetic attractive force on the magnetic flange 10C and the magnetic attractive force on the magnetic flange 10E cooperate without canceling each other. If comprised in this way, since the magnetic attraction force of an ultrasonic cycle will act with respect to the antinode of ultrasonic vibration, the given magnetic energy will be effectively converted into ultrasonic vibration energy.

図1および図3を参照しつつ考察すると、次のような基本構造が理解される。
A.振動の節に当たる箇所が、ベアリングで回転自在に支承されている。
B.振動の節または腹に当たる箇所に、磁性体フランジが固着されている。
C.回転軸の両端が、振動の腹になっている(ただし、これは弾性柱の振動の原則であっ て、意図的に成立させた現象ではない)。
上記の条件を成立させるため、前掲の図1の実施形態(請求項1に対応)、及び図2の実施形態(請求項2に対応)は、いずれも回転軸の長さを3λ/2に設定してある。
When considered with reference to FIGS. 1 and 3, the following basic structure is understood.
A. The part that hits the vibration node is rotatably supported by a bearing.
B. A magnetic flange is fixed to a place where the vibration node or abdomen is hit.
C. Both ends of the rotating shaft are antinodes of vibration (however, this is the principle of elastic column vibration, not a phenomenon that was intentionally established).
In order to satisfy the above conditions, the embodiment of FIG. 1 (corresponding to claim 1) and the embodiment of FIG. 2 (corresponding to claim 2) both have the length of the rotating shaft set to 3λ / 2. It is set.

前記の条件を成立させるために、回転軸の長さは必ずしも3λ/2とは限らないが、実用的な超音波振動工具を作成するため、3λ/2が最も便利であるため、第1,第2の実施形態においては回転軸7の長さを3λ/2とした。しかし、使用する超音波の周波数と構成する超音波工具の大きさとの関係で、回転軸の長さをλにしたり、2λにしたり、5λ/2にしたりすることができる。
これらを総括すると、回転軸の弾性的長さLは、
L=λ+nλ/2………………………(1)
で表される。ただし、Nは0以上の整数である。
In order to satisfy the above conditions, the length of the rotating shaft is not necessarily 3λ / 2, but 3λ / 2 is the most convenient for creating a practical ultrasonic vibration tool. In the second embodiment, the length of the rotating shaft 7 is 3λ / 2. However, the length of the rotating shaft can be set to λ, 2λ, or 5λ / 2 depending on the relationship between the frequency of the ultrasonic wave used and the size of the ultrasonic tool to be configured.
In summary, the elastic length L of the rotating shaft is
L = λ + nλ / 2 (1)
It is represented by However, N is an integer greater than or equal to 0.

上記の式(1)は、
L=λ(n+2)/2…………………(2)
と変形することもできる。
第1の実施形態及び第2の実施形態における回転軸7の、L=3λ/2という長さは、前記の式(1)または式(2)にn=1を代入したときの数値である。
The above equation (1) is
L = λ (n + 2) / 2 (2)
It can also be modified.
The length of L = 3λ / 2 of the rotating shaft 7 in the first embodiment and the second embodiment is a numerical value when n = 1 is substituted into the formula (1) or the formula (2). .

以上に考察したように、図1の実施形態における回転軸の長さ3λ/2の変形例として、上記の式(1)または式(2)の回転軸を用いて、nの値を任意に設定しても、本発明の技術的範囲に属するものである。
前記の式(1)及び式(2)は、超音波領域に限らず可聴周波数領域にも適用し得る。
従って、本発明は可聴周波数領域の振動を発生させることもでき、可聴周波数領域の振動を発生させることも本発明の応用例として技術的範囲に属するものである。
回転軸の長さをnλ/2+λに設定した場合、アダプタ15およびベアリング9で回転軸7を支承する箇所は、振動の節の位置すなわち両端からλ/4、または(2n+1)λ/4の箇所となる。しかし、通常の場合、両端に最も近い節であるλ/4を支承することが望ましい。
As discussed above, as a modification of the length 3λ / 2 of the rotation shaft in the embodiment of FIG. 1, the value of n is arbitrarily set using the rotation shaft of the above formula (1) or formula (2). Even if set, it belongs to the technical scope of the present invention.
The above equations (1) and (2) can be applied not only to the ultrasonic region but also to the audible frequency region.
Therefore, the present invention can generate vibrations in the audible frequency region, and generating vibrations in the audible frequency region is also within the technical scope as an application example of the present invention.
When the length of the rotating shaft is set to nλ / 2 + λ, the place where the rotating shaft 7 is supported by the adapter 15 and the bearing 9 is the position of the vibration node, that is, the position of λ / 4 from the both ends, or (2n + 1) λ / 4. It becomes. However, in a normal case, it is desirable to support λ / 4, which is the node closest to both ends.

図1に示した第1の実施形態における回転軸の長さを、3λ/2よりも短縮して、すなわち、nλ/2+λのnを0として、長さλの回転軸を構成しようとすると、
磁性体フランジ10を設置する箇所(振動の節)が無い。
従って、この第1の実施形態における回転軸7の長さは3λ/2以上に設定しなければならない。
When the length of the rotation shaft in the first embodiment shown in FIG. 1 is shortened from 3λ / 2, that is, n of nλ / 2 + λ is set to 0, an attempt is made to configure a rotation shaft of length λ.
There is no place (vibration node) where the magnetic flange 10 is installed.
Therefore, the length of the rotating shaft 7 in the first embodiment must be set to 3λ / 2 or more.

図1に示した第1の実施形態における回転軸の長さを、3λ/2よりも延長した場合、
すなわち、nλ/2+λのnを2以上としたとき、
磁性体フランジ10を設置する箇所(振動の節)は、両端からλ/2の整数倍の箇所になる。
この場合、3枚またはそれ以上の磁性体フランジを設け得るようになる。しかし、必ずしも磁性体フランジの枚数を増やさなくても構わない。
また、回転軸の長さを図1の実施形態よりも延長すると、振動の節の数が増える(nの数だけ振動の節が現れる)ので、望むならばベアリングによる支承箇所の数を増やすこともできる。
3箇所以上をベアリングで支承しても本発明の技術的範囲に属する。しかし、必ずしもベアリングの数を増やさなくても良い。
When the length of the rotating shaft in the first embodiment shown in FIG. 1 is extended beyond 3λ / 2,
That is, when n of nλ / 2 + λ is 2 or more,
The location (node of vibration) where the magnetic flange 10 is installed is a location that is an integral multiple of λ / 2 from both ends.
In this case, three or more magnetic flanges can be provided. However, it is not always necessary to increase the number of magnetic flanges.
Further, if the length of the rotating shaft is extended as compared with the embodiment of FIG. 1, the number of vibration nodes increases (the number of vibration nodes appears by the number n). You can also.
Even if three or more places are supported by bearings, they belong to the technical scope of the present invention. However, it is not always necessary to increase the number of bearings.

図3に示した第2の実施形態(請求項2に対応)における回転軸の長さを、3λ/2よりも短縮した場合、すなわち、nλ/2+λのnを0として、長さλの回転軸を構成した場合、
磁性体フランジ10を設置する箇所(振動の節)は、両端からλ/2の箇所、すなわち回転軸の中央になる。
このため、与えられた一定の超音波振動数において、回転軸をできるだけ短く構成したい場合は、図1の実施形態(請求項1に対応)よりも図2の実施形態(請求項2に対応)の方が有利である。
When the length of the rotation shaft in the second embodiment shown in FIG. 3 (corresponding to claim 2) is shortened from 3λ / 2, that is, n is nλ / 2 + λ, and the rotation is λ If you configure the axis,
The location (node of vibration) where the magnetic body flange 10 is installed is the location of λ / 2 from both ends, that is, the center of the rotating shaft.
For this reason, when it is desired to configure the rotation axis as short as possible at a given ultrasonic frequency, the embodiment of FIG. 2 (corresponding to claim 2) is more preferred than the embodiment of FIG. 1 (corresponding to claim 1). Is more advantageous.

図3に示した第2の実施形態における回転軸の長さを、3λ/2よりも延長した場合、すなわち、nλ/2+λのnを2以上とした場合、
磁性体フランジ10を設置する箇所(振動の節)は、両端からλ/2の整数倍の箇所になる(nの数だけ振動の節が現れる)。従って、磁性体フランジの設置個数を3個もしくはそれ以上とすることもできる。
磁性体フランジの設置個数を3個以上とした場合、それぞれの磁性体フランジに対向離間させて電磁石を設置する。
When the length of the rotating shaft in the second embodiment shown in FIG. 3 is longer than 3λ / 2, that is, when n of nλ / 2 + λ is 2 or more,
Locations (vibration nodes) where the magnetic body flange 10 is installed are locations that are integral multiples of λ / 2 from both ends (vibration nodes appear for the number n). Therefore, the number of magnetic flanges installed can be three or more.
When the number of magnetic flanges installed is three or more, the electromagnets are installed so as to face and separate from the respective magnetic flanges.

本発明の請求項1の構成に対応する第1の実施形態を描いた模式的な断面図に振動図表を付記した図The figure which added the vibration chart to the typical sectional drawing which drawn the 1st embodiment corresponding to the composition of claim 1 of the present invention. 前掲の図1に鎖線楕円で囲んで示したベアリングおよび駆動モータ付近の拡大詳細図Enlarged detail of the vicinity of the bearing and drive motor shown in FIG. 本発明の請求項2に対応する第2の実施形態を描いた模式的な断面図に振動図表を付記した図FIG. 5 is a diagram in which a vibration diagram is added to a schematic cross-sectional view depicting a second embodiment corresponding to claim 2 of the present invention; 特許文献1に係る特開2003−145395号公報に開示された超音波振動装置の断面図Sectional drawing of the ultrasonic vibration apparatus disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-145395 which concerns on patent document 1

符号の説明Explanation of symbols

3…スピンドル本体
3b…本体スリーブ
4…超音波振動子
6…支持ホーン
6d…緩衝スリーブ
6e…周囲接フランジ
6f…軸接フランジ
6g…緩衝溝
7…回転軸
8…砥石
9…ベアリング
10…磁性体フランジ
10C…磁性体フランジ
10E…磁性体フランジ
11…電磁石
12…電磁石
14…カップリング
14a…ディスク
14b…ドライブバー
15…アダプタ
15a…フランジ
15b…インナレース受
16…駆動モータ16
A…回転軸の超音波振動の腹
B…回転軸の超音波振動の節
C…回転軸の超音波振動の腹
D…回転軸の超音波振動の節
E…回転軸の超音波振動の腹
F…回転軸の超音波振動の節
G…回転軸の超音波振動の腹
M…モータ
S…超音波振動発振回路
W…ベアリングの幅寸法
X…回転軸の軸心
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Spindle main body 3b ... Main body sleeve 4 ... Ultrasonic vibrator 6 ... Supporting horn 6d ... Buffer sleeve 6e ... Circumference flange 6f ... Shaft contact flange 6g ... Buffer groove 7 ... Rotary shaft 8 ... Grinding wheel 9 ... Bearing 10 ... Magnetic body Flange 10C ... Magnetic body flange 10E ... Magnetic body flange 11 ... Electromagnet 12 ... Electromagnet 14 ... Coupling 14a ... Disk 14b ... Drive bar 15 ... Adapter 15a ... Flange 15b ... Inner race receiver 16 ... Drive motor 16
A: Ultrasonic vibration antinode of rotating shaft B ... Ultrasonic vibration node of rotating shaft C ... Ultrasonic vibration node of rotating shaft D ... Ultrasonic vibration node of rotating shaft E ... Antinode of ultrasonic vibration of rotating shaft F: Node of ultrasonic vibration of the rotating shaft G ... Antinode of ultrasonic vibration of the rotating shaft M ... Motor S ... Ultrasonic vibration oscillation circuit W ... Bearing width X: Shaft axis

Claims (4)

回転軸に超音波振動を発生させる装置において、
回転軸内における超音波の、縦波振動の波長をλとし、
回転軸の長さが3λ/2、またはλ+nλ/2(n=0以上の整数)であって、
両端からそれぞれλ/4、または(2n+1)λ/4の箇所をベアリングによって回転自在に支承されるとともに、
上記回転軸の両端から(2n+3)λ/2の箇所付近に、磁性体で構成されたフランジが固着されており、
かつ、上記磁性体フランジの片方側の面に対向離間させて電磁石が設けられるとともに、該磁性体フランジの他方側の面に対向離間させて上記と異なる電磁石が設けられていることを特徴とする、回転軸に超音波振動を発生させる装置。
In a device that generates ultrasonic vibrations on the rotating shaft,
The wavelength of the longitudinal vibration of the ultrasonic wave in the rotation axis is λ,
The length of the rotation axis is 3λ / 2, or λ + nλ / 2 (n = 0 or greater integer),
Λ / 4 or (2n + 1) λ / 4 from both ends are rotatably supported by bearings,
A flange made of a magnetic material is fixed in the vicinity of (2n + 3) λ / 2 from both ends of the rotating shaft,
In addition, an electromagnet is provided opposite to and separated from one surface of the magnetic flange, and an electromagnet different from the above is provided opposite to and separated from the other surface of the magnetic flange. A device that generates ultrasonic vibrations on the rotating shaft.
回転軸に超音波振動を発生させる装置において、
回転軸内における超音波の、縦波振動の波長をλとし、
回転軸の長さが3λ/2、またはλ+nλ/2(n=0以上の整数)であって、
両端からそれぞれλ/4の箇所、または(2n+1)λ/4の箇所をベアリングによって回転自在に支承されるとともに、
該回転軸の両端からλ/2の箇所付近、または両端から(n+1)λ/2の箇所付近それぞれに、磁性体で構成されたフランジが固着されており、
かつ、上記の磁性体フランジの内、いずれか片方の磁性体フランジに対向離間させて電磁石が設けられるとともに、他方の磁性体フランジに対向離間させて上記と異なる電磁石が設けられていることを特徴とする、回転軸に超音波振動を発生させる装置。
In a device that generates ultrasonic vibrations on the rotating shaft,
The wavelength of the longitudinal vibration of the ultrasonic wave in the rotation axis is λ,
The length of the rotation axis is 3λ / 2, or λ + nλ / 2 (n = 0 or greater integer),
Each of the λ / 4 locations from both ends, or (2n + 1) λ / 4 locations are rotatably supported by bearings,
A flange made of a magnetic material is fixed to the vicinity of λ / 2 from both ends of the rotating shaft, or to the vicinity of (n + 1) λ / 2 from both ends,
In addition, an electromagnet is provided to be opposed to and separated from one of the magnetic flanges, and an electromagnet different from the above is provided to be opposed to and separated from the other magnetic flange. A device that generates ultrasonic vibrations on the rotating shaft.
前記片方の電磁石と他方の電磁石とが、それぞれ複数個設けられていて、
前記回転軸と同心の円に沿って配列され、または該回転軸に関して対称に配列されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載した回転軸に超音波振動を発生させる装置。
A plurality of the one electromagnet and the other electromagnet are provided,
3. The apparatus for generating ultrasonic vibrations on a rotating shaft according to claim 1, wherein the rotating shaft is arranged along a circle concentric with the rotating shaft or arranged symmetrically with respect to the rotating shaft. .
前記回転軸に固着されたリング状のフランジと、前記ベアリングの内側に嵌合するインナレース受とを一体に連設されたアダプタが設けられており、
かつ、前記回転軸を回転させる駆動モータが、カップリングを介して上記アダプタに連結されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載した回転軸に超音波振動を発生させる装置。















An adapter is provided in which a ring-shaped flange fixed to the rotating shaft and an inner race receiver that fits inside the bearing are continuously provided.
The apparatus for generating ultrasonic vibrations on the rotating shaft according to claim 1 or 2, wherein a drive motor for rotating the rotating shaft is connected to the adapter via a coupling. .















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