JP4915987B2 - 回転軸に超音波振動を発生させる装置 - Google Patents

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。

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。

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

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 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 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 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

符号の説明

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

Claims (4)

1. 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λ＋ｎλ／２（ｎ＝１以上の奇数）であって、
   両端からそれぞれλ／４の箇所またはｎλ／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３λ／４の箇所付近または両端から（ｎ＋２）λ／４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、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、
   上記電磁石に超音波サイクルの間欠的な磁気吸引力を発生させ、上記フランジを振動させる超音波振動発振回路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。
2. 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λ＋ｎλ／２（ｎ＝０以上の整数）であって、
   ｎ＝１以上の奇数の場合、両端からそれぞれλ／４の箇所またはｎλ／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／４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、
   ｎ＝０または２以上の偶数の場合、両端からそれぞれλ／４の箇所または（ｎ＋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＋２）λ／４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、
   上記電磁石に超音波サイクルの間欠的な磁気吸引力を発生させ、上記フランジを振動させる超音波振動発振回路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。
3. 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。
4. 前記回転軸に固着され、かつ、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。

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