JP4611645B2 - 回転軸に超音波振動を発生させる方法、及び、同装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば工作機械における各種の回転軸（工具軸や主軸など）に、軸心方向の振動を発生させる技術に係り、特に超音波領域の高サイクルの振動を発生させるに適している。

回転軸に対して、その回転に伴って軸心方向の往復動（すなわち振動）を発生させるための各種の技術が公知である。
例えばカム機構を用いて往復動させる技術は周知である。
しかし、カム部材自体が慣性を有しているため、振動のサイクルには自ずから限界が有り、超音波領域には程遠かった。
回転軸に偏心重錘を取り付けることによって比較的に高いサイクルの振動を発生させる技術も提案されているが、この技術によって発生する振動は軸心に対して直角方向であり、軸心方向の振動を発生させることはできない。
特開平９−３７５３２号公報 特開２００１−９３７２号公報

回転軸を回転駆動する技術は周知であり、また、超音波振動を発生させる各種の技術も公知である。
しかし、回転軸に対して「軸心周りの回転」と、「軸心方向の超音波振動」とを与えようとすると、回転駆動手段と超音波振動発生手段とを併設しなければ成らず、装置全体が大型・大重量となり、製造コストも高価である。
本発明の目的とする処は、「回転軸を回転駆動することにより、これに伴って自動的ないし半自動的に軸心方向の振動を発生させることができ、特に、超音波領域の高サイクル振動の発生が可能な技術」を提供するにある。

上記の目的を達成するために創作した本発明は、カムというような機械的に接触して力を伝える手段に代えて、磁力吸引および磁力反撥といった非接触手段を用いる。
上述の基本原理に基づいて、本願にかかる請求項１の発明方法は、（図１参照）直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚを想定し、
Ｘ軸と同心の回転軸をＸ軸方向に振動させる方法において、
Ｙ−Ｚ面と平行な仮想の平面Ｐ１上に（図３（Ａ）参照）Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒの円Ｓ１を想定するとともに、
前記の回転軸（本例において、回転軸８の第１のフランジ８ａ）に対し、上記の円Ｓ１に沿わしめて、複数の磁極から成る第１の磁石列（Ｍ１）を構成し、
かつ、前記の平面Ｐ１と平行な平面Ｐ２上に（図３（Ｂ）参照）Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒの円Ｓ２を想定するとともに、
前記の回転軸を支持している静止部材（本例において第１の壁９）に対し、上記の円Ｓ２に沿わしめて、複数の磁極から成る第２の磁石列（Ｍ２）を構成し、
さらに、前記第１、第２の磁石列は、基本的には半径ｒの円弧上に等間隔で磁極が配列されるとともに、隣接する磁極相互は極性を異にしており、
回転軸の回転に伴って、第１、第２の磁石列相互が磁力吸引と磁力反撥とを繰返させることにより、回転軸（８）に対してＸ軸方向の繰り返し往復力（振動加速度）を与えることを特徴とする。

以上に説明した請求項１の発明方法によると、回転軸の中心と同心に配列されて対向する磁極相互の間に磁力吸引や磁力反撥が発生し、かつ該回転軸の回転に伴って対向する磁極の極性が変化して吸引・反撥を交互に繰り返す。これにより回転軸は軸心方向（Ｘ軸方向）の振動を与えられる。
上述の作用は、機械的な接触を伴わずに行なわれるので、機械的な摩擦による発熱、摩耗、およびエネルギー損失を生じない。
さらに、上記のように機械的な接触を伴わないので騒音を生じることもなく、高速作動させることに別段の困難を生じない。
回転軸の回転速度、および磁石列の磁極数に比例して振動周波数が増加するので、超音波領域の振動を発生させることも容易に可能である。

請求項２に係る発明方法の構成は、前記請求項１の発明方法の構成要件に加えて、（図１及び図２参照）前記の平面Ｐ１、Ｐ２に平行な複数組の平面Ｐ３、Ｐ４それぞれの上に「Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒ′の円Ｓ３、Ｓ４」を想定し、
前記の回転軸（８）に対し、上記の円Ｓ３に沿わしめて、複数の磁極から成る第３の磁石列（Ｍ３）を構成し、
かつ、 前記の回転軸を支持している静止部材（１０）に対し、上記の円Ｓ４に沿わしめて、複数の磁極から成る第４の磁石列（Ｍ４）を構成し、
さらに、前記第３、第４の磁石列は、基本的には半径ｒ′の円上に等間隔で磁極が配列されるとともに、隣接する磁極相互は極性を異にしており、
回転軸の回転に伴って、第３、第４の磁石列相互が磁力吸引と磁力反撥とを繰り返して
Ｘ軸方向の繰り返し往復力を発生させ、「前記第１の磁石列（Ｍ１）、第２の磁石列（Ｍ２）によるＸ軸方向の繰り返し往復力」と協働せしめることを特徴とする。

以上に説明した請求項２の発明方法によると、回転軸に発生させる振動の力（振動加速度）を複数倍にすることができる。
すなわち、請求項１に係る基本構成においては１対の磁石列を配設して吸引・反撥させたが、本請求項２を適用して２対の磁石列を配設すると、磁石列相互の吸引力、反撥力は２倍になる。
同様にしてＮ対の磁石列を配設することによって、 磁石列相互の吸引力、反撥力をＮ倍にすることができる。

請求項３に係る発明方法の構成は、前記請求項１または請求項２の発明方法の構成要件に加えて、前記の回転軸に設置する磁石列は、これを永久磁石とし、
かつ、静止部材に設置する磁石列は、その全部もしくは一部分を電磁石とし、
上記の電磁石に対する通電電流を制御することによって、回転軸に発生する振動の強さを調節することを特徴とする。

以上に説明した請求項３の発明方法によると、回転軸に発生させる振動の強さを任意に調節できるのみでなく。振動の発生・停止をも自在に制御することができ、実用的な適用範囲を拡大することができる。
本発明に係る装置が停止しているとき、回転軸を回転させると、その回転速度が定格回転速度に到達するまでに若干の時間を要する。このようにして回転速度が増加しつつある過渡的状態においては、回転速度に比例して振動の周波数が増加する。
例えば振動周波数が増加する途中で、いずれかの構成部材の固有振動数に一致したとき、共振して騒音を生じたり、亀裂を生じて重大な損傷を招いたりする虞れが有る。
こうした観点において、本請求項３を適用すると、回転軸の回転速度が所定の値に達するまでは振動の発生を抑制し、所定回転速度に達してから任意の時点で振動を発生させたり、任意に振動を停止させたりすることができる。
さらに、本請求項の発明は、回転軸に永久磁石を用いて電磁石を用いないので、回転部材に対して励磁電流を供給する必要が無い。このため、スリップリングなどの摩擦部材に伴う摩耗・発熱・酸化・接触不良などのトラブルを生じる虞れが無く、作動信頼性に優れる。

請求項４に係る発明方法の構成は、前記請求項２の発明方法の構成要件に加えて、前記の面Ｐ１と面Ｐ３との中央の点で、前記の回転軸を軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持するとともに、
上記の支持点を振動の主節とし、
この主節から距離Ｌ＝（振動波の伝播速度／振動周波数）×（１／２）すなわち、
波長をλとしてλ／２だけ離れた点を軸受によって支持することを特徴とする。

以上に説明した請求項４の発明方法によると、軸心方向に振動する回転軸を無理なく支持することができる。（図１参照）面Ｐ１と面Ｐ３との中央、すなわちＺ−Ｙ面を軸受で支持すると、この箇所が振動の節となる。従って、この節（主節と名付ける）からλ／２だけ離れた所がもう一つの振動の節となり、この箇所を前記と異なる軸受で支持することにより、無理の無い支持が可能となる。

請求項５に係る発明方法の構成は、前記請求項２の発明方法の構成要件に加えて、前記の面Ｐ１と面Ｐ３との中央の点で、前記の回転軸を軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持するとともに、
上記の支持点を振動の主節とし、
この主節から距離Ｌ＝（振動波の伝播速度／振動周波数）×（１／２）すなわち、
波長をλとしてλ／２だけ離れた箇所の付近をフレキシブルな軸受手段によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向の変位可能」に支持することを特徴とする

以上に説明した請求項５の発明方法によると、回転軸が定格回転速度で回転しているときは該回転軸に係る振動の節を無理なく支持することができ、かつ、何らかの事情で回転軸の回転速度が変化して振動の節が移動しても順応することができる。
回転軸の回転に対して何らかの負荷が掛かると、その回転速度は微小でも低下する場合が多い。本請求項５を適用すると、回転速度の微小変化による振動周波数の微小変化に順応して、回転軸の振動を拘束せずに支持することができ、回転軸の支持状態に無理を生じないので、本発明方法の実用的な価値を高からしめる。

請求項６に係る発明装置の構成は、（図１参照）直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚと、Ｙ−Ｚに平行な２面Ｐ１、Ｐ２とが設定され、かつ、上記面Ｐ１上に「Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒの円Ｓ１」が設定されるとともに、
面Ｐ２上に「Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒの円Ｓ２」が設定されており、
Ｘ軸と同心の回転軸（８）に対し、前記の円Ｓ１に沿わしめて、複数の磁極から成る第１の磁石列（Ｍ１）が配設されるとともに、
上記回転軸を支持している静止部材（９）に対し、前記の円Ｓ２に沿わしめて、複数の磁極から成る第２の磁石列（Ｍ２）が配設されていて、
さらに、前記第１、第２の磁石列は、基本的には半径ｒの円弧上に等間隔で磁極が配列されるとともに、隣接する磁極相互は極性を異にしており、
回転軸の回転に伴って、第１、第２の磁石列相互が磁力吸引と磁力反撥とを繰り返すようになっていることを特徴とする。

以上に説明した請求項６の発明装置によると、回転軸が回転するに伴ってその軸心と同心に配列されて対向する磁極相互の間に磁力吸引や磁力反撥が発生し、かつ該回転軸の回転に伴って対向する磁極の極性が変化して吸引・反撥を交互に繰り返す。これにより回転軸は軸心方向（Ｘ軸方向）の振動を与えられる。
上述の作用は、機械的な接触を伴わずに行なわれるので、機械的な摩擦による発熱、摩耗、およびエネルギー損失を生じない。
さらに、上記のように機械的な接触を伴わないので騒音を生じることもなく、高速作動させることに別段の困難を生じない。
回転軸の回転速度、および磁石列の磁極数に比例して振動周波数が増加するので、超音波領域の振動を発生させることも容易に可能である。

請求項７に係る発明装置の構成は、前記請求項６の発明装置の構成要件に加えて、（図１、図３および図４参照）前記の平面Ｐ１、Ｐ２と平行な複数組の平面Ｐ３、Ｐ４それぞれの上に「「Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒ′の円Ｓ３、Ｓ４」が設定されており、 前記の回転軸（８）に対し、上記の円Ｓ３に沿わしめて、複数の磁極から成る第３の磁石列（Ｍ３）が設置されるとともに、
前記の回転軸を支持している静止部材（１０）に対し、上記の円Ｓ４に沿わしめて、複数の磁極から成る第４の磁石列（Ｍ４）が設置されていて、
前記第３、第４の磁石列は、基本的には半径ｒ′の円上に等間隔で磁極が配列されるとともに、隣接する磁極相互は極性を異にしており、
回転軸の回転に伴って、第３、第４の磁石列相互が磁力吸引と磁力反撥とを繰り返して
Ｘ軸方向の繰り返し往復力を発生させ、「前記第１の磁石列（Ｍ１）、第２の磁石列（Ｍ２）によるＸ軸方向の繰り返し往復力」と協働するようになっていることを特徴とする。

以上に説明した請求項７の発明装置によると、回転軸に発生させる振動の力（振動加速度）を複数倍にすることができる。
すなわち、請求項６に係る基本構成においては１対の磁石列を配設して吸引・反撥させたが、本請求項７を適用して２対の磁石列を配設すると、磁石列相互の吸引力、反撥力は２倍になる。
同様にしてＮ対の磁石列を配設することによって、 磁石列相互の吸引力、反撥力をＮ倍にすることができる。

請求項８に係る発明装置の構成は、前記請求項６または請求項７の発明装置の構成要件に加えて、前記の回転軸に設置された磁石列が永久磁石によって構成されるとともに、
前記の静止部材に設置された磁石列は、その全部もしくを一部分を電磁石によって構成されていて、
上記の電磁石に対する通電電流を制御することによって、回転軸に発生する振動の強さを調節する手段が設けられていることを特徴とする。

以上に説明した請求項８の発明装置によると、回転軸に発生させる振動の強さを任意に調節できるのみでなく。振動の発生・停止をも自在に制御することができ、実用的な適用範囲を拡大することができる。
本発明に係る装置が停止しているとき、回転軸を回転させると、その回転速度が定格回転速度に到達するまでに若干の時間を要する。このようにして回転速度が増加しつつある過渡的状態においては、回転速度に比例して振動の周波数が増加する。
例えば振動周波数が増加する途中で、いずれかの構成部材の固有振動数に一致したとき、共振して騒音を生じたり、亀裂を生じて重大な損傷を招いたりする虞れが有る。
こうした観点において、本請求項８を適用すると、回転軸の回転速度が所定の値に達するまでは振動の発生を抑制し、所定回転速度に達してから任意の時点で振動を発生させたり、任意に振動を停止させたりすることができる。
さらに、本請求項の発明は、回転軸に永久磁石を用いて電磁石を用いないので、回転部材に対して励磁電流を供給する必要が無い。このため、スリップリングなどの摩擦部材に伴う摩耗・発熱・酸化・接触不良などのトラブルを生じる虞れが無く、作動信頼性に優れる。

請求項９に係る発明装置の構成は、前記請求項７の発明装置の構成要件に加えて、
前記の回転軸が、前記の面Ｐ１と面Ｐ３との中央の点で、軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持されるとともに、
上記の支持点を振動の主節とし、
この主節から距離Ｌ＝（振動波の伝播速度／振動周波数）×（１／２）すなわち、
波長をλとしてλ／２だけ離れた点が、上記と異なる軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持されていることを特徴とする。

以上に説明した請求項９の発明装置によると、軸心方向に振動する回転軸を無理なく支持することができる。（図１参照）面Ｐ１と面Ｐ３との中央、すなわちＺ−Ｙ面を軸受で支持すると、この箇所が振動の節となる。従って、この節（主節と名付ける）からλ／２だけ離れた所が振動の節となり、この箇所を前記と異なる軸受で支持することにより、無理の無い支持が可能となる。

請求項１０に係る発明装置の構成は、前記請求項７の発明装置の構成要件に加えて、
前記の回転軸が、前記の面Ｐ１と面Ｐ３との中央の点で、軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持されるとともに、
上記の支持点を振動の主節とし、
この主節から距離Ｌ＝（振動波の伝播速度／振動周波数）×（１／２）すなわち、
波長をλとしてλ／２だけ離れた点がフレキシブルな軸受手段によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向の変位可能」に支持されていることを特徴とする

以上に説明した請求項１０の発明装置によると、回転軸が定格回転速度で回転しているときは該回転軸に係る振動の節を無理なく支持することができ、かつ、何らかの事情で回転軸の回転速度が変化して振動の節が移動しても順応することができる。
回転軸の回転に対して何らかの負荷が掛かると、その回転速度は微小でも低下する場合が多い。本請求項１０を適用すると、回転速度の微小変化による振動周波数の微小変化に順応しすることができ、回転軸の支持状態に無理を生じないので、本発明装置の実用的な価値を高からしめる。

請求項１１に係る発明装置の構成は、前記請求項９の発明装置の構成要件に加えて、（図１参照）前記回転軸（８）と同心に回転駆動手段（Ｍ）が配設されていて、
上記回転駆動手段のケーシングが、「該回転軸を支持している静止部材（７）」に対して固定的に装着され、
該回転駆動手段の回転部分は、前記回転軸（８）に連結されており、
前記の面Ｐ１と面Ｐ３との中央に位置している「振動の主節」から「λ／４の奇数倍」だけ離れた箇所付近に、工具（望ましくは研削工具）または被加工物が装着されるようになっていることを特徴とする。ただし前記のλは、回転軸内をＸ軸方向に伝播する縦振動の波長である。

以上に説明した請求項１１の発明装置によると、軸心方向に振動する回転軸を無理なく支持するとともに、該回転軸の振動を工具または被加工物に対して有効に伝動することができる。
すなわち、回転軸の軸心方向の振動に関する腹の部分に工具（または被加工物）が取り付けられるので、該工具（または被加工物）が最大振幅で振動せしめられる。このため、発生した振動のエネルギーが研削部（または切削部）に対して有効に供給される。

請求項１の発明方法によると、回転軸の中心と同心に配列されて対向する磁極相互の間に磁力吸引や磁力反撥が発生し、かつ該回転軸の回転に伴って対向する磁極の極性が変化して吸引・反撥を交互に繰り返す。これにより回転軸は軸心方向（Ｘ軸方向）の振動を与えられる。
上述の作用は、機械的な接触を伴わずに行なわれるので、機械的な摩擦による発熱、摩耗、およびエネルギー損失を生じない。
さらに、上記のように機械的な接触を伴わないので騒音を生じることもなく、高速作動させることに別段の困難を生じない。
回転軸の回転速度、および磁石列の磁極数に比例して振動周波数が増加するので、超音波領域の振動を発生させることも容易に可能である。

請求項２の発明方法によると、回転軸に発生させる振動の力（振動加速度）を複数倍にすることができる。
すなわち、請求項１に係る基本構成においては１対の磁石列を配設して吸引・反撥させたが、本請求項２を適用して２対の磁石列を配設すると、磁石列相互の吸引力、反撥力は２倍になる。
同様にしてＮ対の磁石列を配設することによって、 磁石列相互の吸引力、反撥力をＮ倍にすることができる。

請求項３の発明方法によると、回転軸に発生させる振動の強さを任意に調節できるのみでなく、振動の発生・停止をも自在に制御することができ、実用的な適用範囲を拡大することができる。
本発明に係る装置が停止しているとき、回転軸を回転させると、その回転速度が定格回転速度に到達するまでに若干の時間を要する。このようにして回転速度が増加しつつある過渡的状態においては、回転速度に比例して振動の周波数が増加する。
例えば振動周波数が増加する途中で、いずれかの構成部材の固有振動数に一致したとき、共振して騒音を生じたり、亀裂を生じて重大な損傷を招いたりする虞れが有る。
こうした観点において、本請求項３を適用すると、回転軸の回転速度が所定の値に達するまでは振動の発生を抑制し、所定回転速度に達してから任意の時点で振動を発生させたり、任意に振動を停止させたりすることができる。
さらに、本請求項の発明は、回転軸に永久磁石を用いて電磁石を用いないので、回転部材に対して励磁電流を供給する必要が無い。このため、スリップリングなどの摩擦部材に伴う摩耗・発熱・酸化・接触不良などのトラブルを生じる虞れが無く、作動信頼性に優れる。

請求項４の発明方法によると、軸心方向に振動する回転軸を無理なく支持することができる。（図１参照）面Ｐ１と面Ｐ３との中央、すなわちＺ−Ｙ面を軸受で支持すると、この箇所が振動の節となる。従って、この節（主節と名付ける）からλ／２だけ離れた所が振動のもう一つの節となり、この箇所を前記と異なる軸受で支持することにより、無理の無い支持が可能となる。

請求項５の発明方法によると、回転軸が定格回転速度で回転しているときは該回転軸に係る振動の節を無理なく支持することができ、かつ、何らかの事情で回転軸の回転速度が変化して振動の節が移動しても順応することができる。
回転軸の回転に対して何らかの負荷が掛かると、その回転速度は微小でも低下する場合が多い。本請求項５を適用すると、回転速度の微小変化による振動周波数の微小変化に順応して回転軸を自由に振動させながら支持することができ、回転軸の支持状態に無理を生じないので、本発明方法の実用的な価値を高からしめる。

請求項６の発明装置によると、回転軸が回転するに伴ってその軸心と同心に配列されて対向する磁極相互の間に磁力吸引や磁力反撥が発生し、かつ該回転軸の回転に伴って対向する磁極の極性が変化して吸引・反撥を交互に繰り返す。これにより回転軸は軸心方向（Ｘ軸方向）の振動を与えられる。
上述の作用は、機械的な接触を伴わずに行なわれるので、機械的な摩擦による発熱、摩耗、およびエネルギー損失を生じない。
さらに、上記のように機械的な接触を伴わないので騒音を生じることもなく、高速作動させることに別段の困難を生じない。
回転軸の回転速度、および磁石列の磁極数に比例して振動周波数が増加するので、超音波領域の振動を発生させることも容易に可能である。

請求項７の発明装置によると、回転軸に発生させる振動の力（振動加速度）を複数倍にすることができる。
すなわち、請求項６に係る基本構成においては１対の磁石列を配設して吸引・反撥させたが、本請求項７を適用して２対の磁石列を配設すると、磁石列相互の吸引力、反撥力は２倍になる。
同様にしてＮ対の磁石列を配設することによって、 磁石列相互の吸引力、反撥力をＮ倍にすることができる。

請求項８の発明装置によると、回転軸に発生させる振動の強さを任意に調節できるのみでなく、振動の発生・停止をも自在に制御することができ、実用的な適用範囲を拡大することができる。
本発明に係る装置が停止しているとき、回転軸を回転させると、その回転速度が定格回転速度に到達するまでに若干の時間を要する。このようにして回転速度が増加しつつある過渡的状態においては、回転速度に比例して振動の周波数が増加する。
例えば振動周波数が増加する途中で、いずれかの構成部材の固有振動数に一致したとき、共振して騒音を生じたり、亀裂を生じて重大な損傷を招いたりする虞れが有る。
こうした観点において、本請求項８を適用すると、回転軸の回転速度が所定の値に達するまでは振動の発生を抑制し、所定回転速度に達してから任意の時点で振動を発生させたり、任意に振動を停止させたりすることができる。
さらに、本請求項の発明は、回転軸に永久磁石を用いて電磁石を用いないので、回転部材に対して励磁電流を供給する必要が無い。このため、スリップリングなどの摩擦部材に伴う摩耗・発熱・酸化・接触不良などのトラブルを生じる虞れが無く、作動信頼性に優れる。

請求項９の発明装置によると、軸心方向に振動する回転軸を無理なく支持することができる。（図１参照）面Ｐ１と面Ｐ３との中央、すなわちＺ−Ｙ面を軸受で支持すると、この箇所が振動の節となる。従って、この節（主節と名付ける）からλ／２だけ離れた所が振動の節となり、この箇所を前記と異なる軸受で支持することにより、無理の無い支持が可能となる。

請求項１０の発明装置によると、回転軸が定格回転速度で回転しているときは該回転軸に係る振動の節を無理なく支持することができ、かつ、何らかの事情で回転軸の回転速度が変化して振動の節が移動しても順応することができる。
回転軸の回転に対して何らかの負荷が掛かると、その回転速度は微小でも低下する場合が多い。本請求項１０を適用すると、回転速度の微小変化による振動周波数の微小変化に順応することができ、回転軸の支持状態に無理を生じないので、本発明装置の実用的な価値を高からしめる。

請求項１１の発明装置によると、軸心方向に振動する回転軸を無理なく支持するとともに、該回転軸の振動を工具または被加工物に対して有効に伝動することができる。すなわち、回転軸の軸心方向の振動に関する腹の部分に工具（または被加工物）が取り付けられるので、該工具（または被加工物）が最大振幅で振動せしめられる。このため、発生した振動のエネルギーが研削部（または切削部）に対して有効に供給される。

図１は、本発明に係る回転軸に振動を発生させる装置の実施形態を示し、Ｘ−Ｚ面で切断して描いた模式図である。
直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚを想定する。
符号７は筒状ケースであって、第１の軸受１１と第２の軸受１２とによって、回転軸８をＸ軸上に支持している。
上記筒状ケース７内には、仕切り壁状の第１の壁９と第２の壁１０とが設けられている。前記の回転軸８は、これらの壁を貫いている。貫通箇所には孔が設けられているが、本図１の断面には現れていない（壁に穿たれた孔については、図３、図４を参照して後に説明する）。

回転軸８には、前記第１の壁９に対向させて第１のフランジ８ａが設けられるとともに、第２の壁１０に対向させて第２のフランジ８ｂが設けられている。
符号Ｍは回転駆動機であって、本例ではパルスモータである。本発明を実施する場合、回転駆動機器の種類は限定されない。
上記回転駆動機器Ｍのケーシングは、静止部材である筒状ケース７に固着され、その回転出力軸は自在継手（Ｊ）を介して回転軸８に接続されている。

前記第１のフランジ８ａに接し、Ｚ−Ｘ面に平行な平面Ｐ１を想定するとともに、
前記第１の壁９に接し、Ｚ−Ｘ面に平行な平面Ｐ２を想定する。
面Ｐ１による断面を矢印ａ−ａ方向に見ると、図２（Ａ）のごとくであり、面Ｐ２による断面を矢印ｂ−ｂ方向に見ると、図２（Ｂ）のごとくである。
（Ａ）、（Ｂ）双方の図に、筒状ケース７の断面が現れている。符号１４は台座である。（Ａ）図には前記第１のフランジ８ａが、（Ｂ）図には第１の壁９が、それぞれ現れている。符号８ｃは（図１を併せて参照）回転軸８を第１の軸受１１で支持するための第３のフランジである。
前記第１のフランジ８ａに第１の磁石列Ｍ１が、第１の壁９に第２の磁石列Ｍ２が、それぞれ配列されている。その詳細については、次の段落で述べる。

図３（Ａ）は、前記図２（Ａ）の部分的な拡大詳細図である。従って、図１のＰ１断面ａ−ａ矢視詳細図に相当する。
図３（Ｂ）は、前記図２（Ｂ）の部分的な拡大詳細図である。従って、図１のＰ２断面ｂ−ｂ矢視詳細図に相当する。
点ＯはＸ軸との交点であり、回転軸８の中心線である。第１のフランジ８ｃの端面に、上記の点Ｏを中心とする半径ｒの円Ｓ１を想定し、第１の磁石列Ｍ１を設置する。
同様に第１の壁９の面に、前記の点Ｏを中心とする半径ｒの円Ｓ２を想定し、第２の磁石列Ｍ２を設置する。
上記双方の磁石列ＭＩ，Ｍ２は共に、北極Ｎと南極Ｓとが交互に等間隔で配列されている（Ｎ，Ｓ交互、等間隔が基本構造である。ただし、本発明を実施する際、変形例を構成することは可能であり、本発明の技術的範囲に属する）。

図１と図２とを対比して理解できるように、第１の磁石列Ｍ１と第２の磁石列Ｍ２とは対向している。
このため、図３（Ａ）と（Ｂ）とのように、向かい合っている磁極の極性が同じであると両者が反撥する。（図１参照）第１の磁石列Ｍ１と第２の磁石列Ｍ２とが反撥すると回転軸８は図の左方に動かされる（左方に動かされることを暫時ご記憶に留められたい）。 図３に描かれている状態から、回転軸８が４５度だけ回転すると、第１の磁石列Ｍ１と第２の磁石列Ｍ２との関係は、異性の磁極が対向するようになる。その結果、両者は磁力吸引される。（図１参照）第１の磁石列Ｍ１と第２の磁石列Ｍ２とが相互に吸引されると、回転軸８は図の右方に動かされる（磁力の方向が反転する）。
さらに４５度回転すると、再び同性の磁極が対向して反撥し、回転軸８は左方に動かされる。

回転軸８が回転を続けると、磁力反撥と磁力吸引とが交互に繰り返されるので、該回転軸は軸心方向（Ｘ軸方向）に振動する。
上記の構造機能から明らかなように、回転軸８の回転速度（回転／秒）に比して振動周波数は、そのｎ倍になる。ここにｎは「磁石列の磁極数／２」である。
磁極の数を増し、回転軸の回転速度を上げることによって振動周波数を増加することができる。本発明者らの実験によれば、市販の永久磁石および市販のパルスモータを用いて、別段の困難なく超音波領域の振動を発生させることができた。。

以上に図２および図３を参照して説明したのは、図１の面Ｐ１に設置した第１の磁石列Ｍ１と、面Ｐ２に設置した磁石列Ｍ２との構造機能であった。
（図１参照）さらに、Ｚ−Ｙ面に平行な平面Ｐ３および平面Ｐ４を想定するとともに、
回転軸８に、面Ｐ３に接する第２のフランジ８ｂを設け、かつ面Ｐ４に接する第２の壁１０を設ける。
第２のフランジ８ｂに第３の磁石列Ｍ３を配設するとともに、第２の壁１０に第４の磁石列Ｍ４を配設する。

面Ｐ３による断面のｃ−ｃ矢視を図４（Ａ）に、面Ｐ４による断面のｄ−ｄ矢視を図４（Ｂ）に、それぞれ示した。
上記の図４（Ａ）、（Ｂ）は、前掲の図３（Ａ）、（Ｂ）とよく似ているが、次の点が異なっている。
図３における第１の磁石列Ｍ１と第２の磁石列Ｍ２とは、向かい合っている磁極の極性が同じで、磁力反撥するように配列されている。
これに対して図４における第３の磁石列Ｍ３と第４の磁石列Ｍ４とは、向かい合っている磁極の極性が反対で、磁力吸引されるように配列されている。

（図１参照）第１の磁石列Ｍ１と第２の磁石列Ｍ２とが互いに反撥すると、回転軸８は図の左方へ動かされる。そして、第３の磁石列Ｍ３と第４の磁石列Ｍ４とが互いに吸引すると、回転軸８は左方へ動かされる。このように、磁力反撥と磁力吸引とが協働して回転軸を左方へ動かす。
この状態から、回転軸８が４５度回ると、反撥・吸引が反転して右方へ動かされ、このような作用が繰り返し連続されて回転軸にＸ軸方向の振動が与えられる。
（図３と図４とを併せて参照）この実施例では、「第１、第２の磁石列を配置した円Ｓ１、円Ｓ２の半径ｒ」と、「第３、第４の磁石列を配置した円Ｓ３、円Ｓ４の半径ｒ′」
とを等しく設定した。本発明を実施する場合、半径寸法ｒおよび半径寸法ｒ′は任意に設定することができる。

（図１参照）この実施例のように、回転軸８に設けた第３のフランジ８ｃを第１の軸受１１で支承し、この回転軸にＸ軸方向の振動を与えると、この支承点が振動の節（説明の便宜上、主節と名付ける）になる。
回転軸内をＸ軸方向に伝播する縦波の進行速度を周波数で除すると波長λが得られる。
前記の主節からλ／２だけ離れた所に、もう一つの節ができる。この箇所に第４のフランジ８ｄを設けて第２の軸受１２で支持すると、この第２の軸受はＸ軸方向の無理な力を受けない。

また、前記の主節から「λ／２の奇数倍」離れた所には、振動の腹ができる。この腹の箇所は、回転軸を支持するには不適当であるが、振動のエネルギーを取り出すには好適である。
本実施例では、主節から３λ／４だけ離れた箇所の付近に砥石１３を装着した。これによると、該砥石にＸ軸周りの回転とＸ軸方向の超音波振動とを与えて研削作業を遂行することができる。砥石のような研削工具の代りに切削工具を装着することもできる。
図示を省略するが、上記の砥石１３に代えて被加工物（ワーク）を装着して研削作業または切削作業を遂行することもできる。

実際問題として、研削、切削などの作業を行なう場合、回転軸の回転に抵抗が掛かると、僅かではあっても回転速度の変化を生じる場合が有る。また、特殊な研削作業においては、意識的に回転速度を可変させて調節する場合も有り得る。何らかの事情で回転軸の回転速度が変化すると、Ｘ軸方向の振動周波数も変化する。
振動周波数が変化すると、「前記の主節からλ／２だけ離れた箇所」が移動する。このような変化に対して順応するには、第３のフランジ８ｄを支持する軸受をフレキシブルに構成することが望ましい。具体的には、ゴムなどの弾性材を介装するとか、スラストを受けない型式の軸受を用いるとか、適宜の公知技術を適用すれば良い。

図１の実施形態においては、第１の磁石列ないし第４の磁石列の総べてを永久磁石で構成した。永久磁石は励磁電流を供給する必要が無いので使い易く、特に、回転部材に対して給電しなくても良いので好都合である。
図示を省略するが、回転軸８に設置する磁石列を永久磁石で構成し、静止部材（第１、第２の壁）に設置する磁石列を電磁石で構成することも有益である。
電磁石の励磁電流制御手段を設けて通電を調節することによって、第２の磁石列Ｍ２の磁力と第４の磁石列Ｍ４の磁力とを消失させると、第１、第２の永久磁石からなる磁石列が磁力を保持していても、磁力による吸引・反撥を生じない。
通電を調節して第２、第４の電磁石による磁石列に磁力を発生させると、磁力による吸引・反撥を生じて、回転軸に振動を与える。
このようにして、振動の発生・停止を自在に制御したり、振動の強さを任意に調節したりすることができると、回転軸に振動を発生させる装置の実用的な適用範囲が広くなる。

本発明の実施例に係る「回転軸の振動を発生させる装置」の模式的なＸ−Ｚ断面図 （Ａ）は前掲の図１の面Ｐ１で切断して描いたａ−ａ矢視図、（Ｂ）は同じく面Ｐ２で切断して描いたｂ−ｂ矢視図 （Ａ）は前掲の図２（Ａ）の部分的拡大詳細図、（Ｂ）は前掲の図２（Ｂ）の部分的拡大詳細図 （Ｃ）は前掲の図１の面Ｐ３で切断して描いたｃ−ｃ矢視図、（Ｄ）は同じく面Ｐ４で切断して描いたｄ−ｄ矢視図

符号の説明

７…筒状のケース
８…回転軸
８ａ…第１のフランジ
８ｂ…第２のフランジ
８ｃ…第３のフランジ
８ｄ…第４のフランジ
９…第１の壁
９ａ…孔
１０…第２の壁
１０ａ…孔
１１…第１の軸受
１２…第２の軸受
１３…砥石
１４…台座
Ｊ…ジョイント（軸継手）
Ｍ…回転駆動機器
Ｍ１…第１の磁石列
Ｍ２…第２の磁石列
Ｍ３…第３の磁石列
Ｍ４…第４の磁石列
Ｎ…北極
Ｏ…Ｘ軸との交点
Ｐ１…第１のフランジに接しＺ−Ｙ面に垂直な切断面
Ｐ２…第１の壁に接しＺ−Ｙ面に垂直な切断面
Ｐ３…第２のフランジに接しＺ−Ｙ面に垂直な切断面
Ｐ４…第２の壁に接しＺ−Ｙ面に垂直な切断面
ｒ…仮想の円Ｓ１，Ｓ２の半径
ｒ′…仮想の円Ｓ３，Ｓ４の半径
Ｓ…南極
Ｓ１…第１のフランジに想定した半径ｒの仮想の円
Ｓ２…第１の壁に想定した半径ｒの仮想の円
Ｓ３…第２のフランジに想定した半径ｒ′の仮想の円
Ｓ４…第２の壁に想定した半径ｒ′の仮想の円
λ…振動の波長

Claims (9)

1. 直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚを想定し、
   Ｘ軸と同心の回転軸をＸ軸方向に振動させる方法において、
   Ｙ−Ｚ面と平行な仮想の平面Ｐ１上に「Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒの円Ｓ１」を想定するとともに、
   前記の回転軸に対し、上記の円Ｓ１に沿って複数の磁極から成る第１の磁石列を構成し、
   かつ、前記の平面Ｐ１と平行な平面Ｐ２上に「Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒの円Ｓ２」を想定するとともに、
   前記の回転軸を支持している静止部材に対し、上記の円Ｓ２に沿って複数の磁極から成る第２の磁石列を構成し、
   さらに、前記第１、第２の磁石列は、半径ｒの円弧上に等間隔で磁極が配列されるとともに、隣接する磁極相互は極性を異にしており、
   回転軸の回転に伴って、第１、第２の磁石列相互が磁力吸引と磁力反撥とを繰り返し、
   回転軸に対してＸ軸方向の繰り返し往復力を与え、
   さらに前記の平面Ｐ１、Ｐ２に平行な複数組の平面Ｐ３、Ｐ４それぞれの上に前記Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒ′の円Ｓ３、Ｓ４を想定し、
   前記の回転軸に対し、上記の円Ｓ３に沿って複数の磁極から成る第３の磁石列を構成し、
   かつ、 前記の回転軸を支持している静止部材に対し、上記の円Ｓ４に沿って複数の磁極から成る第４の磁石列を構成し、
   さらに、前記第３、第４の磁石列は、半径ｒ′の円上に等間隔で磁極が配列されるとともに、隣接する磁極相互は極性を異にしており、
   回転軸の回転に伴って、第３、第４の磁石列相互が磁力吸引と磁力反撥とを繰り返してＸ軸方向の繰り返し往復力を発生させ、前記第１の磁石列、第２の磁石列によるＸ軸方向の繰り返し往復力と協働させることを特徴とする、回転軸に超音波振動を発生させる方法。
2. 前記の回転軸に設置する磁石列は、これを永久磁石とし、
   かつ、静止部材に設置する磁石列は、その全部もしくは一部分を電磁石とし、
   上記の電磁石に対する通電電流を制御することによって、回転軸に発生する振動の強さを調節することを特徴とする、請求項１に記載した回転軸に超音波振動を発生させる方法。
3. 前記の平面Ｐ１と平面Ｐ３との中央の点で、前記の回転軸を軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持するとともに、
   上記の支持点を振動の主節とし、
   この主節から距離Ｌ＝（振動波の伝播速度／振動周波数）×（１／２）すなわち、
   波長をλとしてλ／２だけ離れた点を軸受によって支持することを特徴とする、請求項１に記載した回転軸に超音波振動を発生させる方法。
4. 前記の平面Ｐ１と平面Ｐ３との中央の点で、前記の回転軸を軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持するとともに、
   上記の支持点を振動の主節とし、
   この主節から距離Ｌ＝（振動波の伝播速度／振動周波数）×（１／２）すなわち、
   波長をλとしてλ／２だけ離れた箇所の付近をフレキシブルな軸受手段によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向の変位可能」に支持することを特徴とする、請求項１に記載した回転軸に超音波振動を発生させる方法。
5. 直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚと、Ｙ−Ｚに平行な２平面Ｐ１、Ｐ２とが設定され、
   かつ、上記平面Ｐ１上に「Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒの円Ｓ１」が設定されるとともに、平面Ｐ２上に「Ｘ軸との交点を中心とする、半径ｒの円Ｓ２」が設定されており、
   Ｘ軸と同心の回転軸に対し、前記の円Ｓ１に沿って複数の磁極から成る第１の磁石列が配設されるとともに、
   上記回転軸を支持している静止部材に対し、前記の円Ｓ２に沿って複数の磁極から成る第２の磁石列が配設されていて、
   さらに、前記第１、第２の磁石列は、半径ｒの円弧上に等間隔で磁極が配列されるとともに、隣接する磁極相互は極性を異にしており、
   回転軸の回転に伴って、第１、第２の磁石列相互が磁力吸引と磁力反撥とを繰り返し、
   さらに前記の平面Ｐ１、Ｐ２と平行な複数組の平面Ｐ３、Ｐ４それぞれの上にＸ軸との交点を中心とする、半径ｒ′の円Ｓ３、Ｓ４が設定されており、
   前記の回転軸に対し、上記の円Ｓ３に沿って複数の磁極から成る第３の磁石列が設置されるとともに、
   前記の回転軸を支持している静止部材に対し、上記の円Ｓ４に沿って複数の磁極から成る第４の磁石列が設置されていて、
   前記第３、第４の磁石列は、基本的には半径ｒ′の円上に等間隔で磁極が配列されるとともに、隣接する磁極相互は極性を異にしており、
   回転軸の回転に伴って、第３、第４の磁石列相互が磁力吸引と磁力反撥とを繰り返してＸ軸方向の繰り返し往復力を発生させ、前記第１の磁石列、第２の磁石列によるＸ軸方向の繰り返し往復力と協働す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。
6. 前記の回転軸に設置された磁石列が永久磁石によって構成されるとともに、
   前記の静止部材に設置された磁石列は、その全部もしくは一部分を電磁石によって構成されていて、
   上記の電磁石に対する通電電流を制御することによって、回転軸に発生する振動の強さを調節する手段が設けられていることを特徴とする請求項５に記載した回転軸に超音波振動を発生させる装置。
7. 前記の回転軸が、前記の平面Ｐ１と平面Ｐ３との中央の点で、軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持されるとともに、
   上記の支持点を振動の主節とし、
   この主節から距離Ｌ＝（振動波の伝播速度／振動周波数）×（１／２）すなわち、
   波長をλとしてλ／２だけ離れた点が、上記と異なる軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持されていることを特徴とする、請求項５に記載した回転軸に超音波振動を発生させる装置。
8. 前記の回転軸が、前記の平面Ｐ１と平面Ｐ３との中央の点で、軸受部材によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向のスライド不可能」に支持されるとともに、
   上記の支持点を振動の主節とし、
   この主節から距離Ｌ＝（振動波の伝播速度／振動周波数）×（１／２）すなわち、
   波長をλとしてλ／２だけ離れた点がフレキシブルな軸受手段によって「Ｘ軸周りの回転自在、かつＸ軸方向の変位可能」に支持されていることを特徴とする、請求項５に記載した回転軸に超音波振動を発生させる装置。
9. 前記回転軸と同心に回転駆動手段が配設されていて、
   上記回転駆動手段のケーシングが、「該回転軸を支持している静止部材」に対して固定的に装着され、
   該回転駆動手段の回転部分は、前記回転軸に連結されており、
   前記の平面Ｐ１と平面Ｐ３との中央に位置している「振動の主節」から「λ／４の奇数倍」だけ離れた箇所付近に、工具（望ましくは研削工具）または被加工物が装着されるようになっていることを特徴とする、請求項７に記載した回転軸に超音波振動を発生させる装置。
   ただし前記のλは、回転軸内をＸ軸方向に伝播する縦振動の波長である。

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