CN108136441B - 朗之万型超声波振子的振动激励方法以及超声波加工方法和超声波发送方法 - Google Patents

朗之万型超声波振子的振动激励方法以及超声波加工方法和超声波发送方法 Download PDF

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Abstract

提供使用朗之万型超声波振子来激励新的振动模式的往复运动的超声波振动的方法以及利用该新的超声波振动的超声波加工方法和超声波发送方法。一种方法，其中，准备包含金属块、具备向侧面呈环状突出的支承框体的金属块、以及固定在这些金属块之间的极化处理完毕的压电元件的朗之万型超声波振子，在将该超声波振子经由支承框体连接于基台而以拘束状态支承之后，向超声波振子的压电元件施加具有规定的频率的电压，由此，使超声波振子激励与压电元件的平面垂直的方向上的在振子的内部不具有振动节点的往复振动的超声波振动，以及利用该超声波振子的振动激励方法的超声波加工方法和超声波发送方法。

Description

朗之万型超声波振子的振动激励方法以及超声波加工方法和 超声波发送方法
技术领域
本发明涉及朗之万型超声波振子的振动激励方法，特别是涉及新的振动模式的超声波振动的激励方法。本发明还涉及利用朗之万型超声波振子的新的振动模式的超声波振动的超声波加工方法和超声波发送方法。
背景技术
关于将压电元件用作超声波产生源的超声波振子，已知有各种结构的超声波振子，但是，作为其代表的结构，已知由一对金属块和在这些金属块之间固定的极化处理完毕的压电元件构成的朗之万型超声波振子。在其中，在一对金属块之间利用螺栓将极化处理完毕的压电元件连接并且在高压下拧紧固定的构造的螺栓紧固朗之万型超声波振子也能够进行高能量的超声波振动的产生，因此，讨论了附设于用于进行各种材料的切削加工、塑性加工、磨粒加工等的工具来使用的超声波加工中的利用。进而，关于各种超声波振子，讨论通过经由振动板或振动单元发送在该超声波振子产生的超声波振动进行的、超声波洗涤、金属接合、塑料熔敷、超声波雾化、乳化、分散等超声波处理的用途、以及向鱼群探知器等水声设备（underwater acoustic device）（声纳）、超声波探伤器、医疗用回声诊断装置、流量计等通信应用设备的利用，在许多领域中被实际使用。
已经知晓包含螺栓紧固朗之万型超声波振子的各种超声波振子的结构，但是，为了明确起见，参照添附的图1和图2来在以下简单地说明代表的螺栓紧固朗之万型超声波振子的结构以及其利用方式的一个例子。
图1是示出螺栓紧固朗之万型超声波振子的代表的构造的例子的图。螺栓紧固朗之万型超声波振子1具有在一对金属块2a、2b之间夹持极化完毕的压电元件（例子：PZT等压电陶瓷板）3a、3b并且使用螺栓4将金属块2a、2b彼此拧紧后的构造。在图1中，在压电元件中记入的箭头表示极化方向。再有，在压电元件3连接有用作用于施加电能的端子的电极片（通常使用磷青铜等的电极片）5a、5b。
图2是示出将螺栓紧固朗之万型超声波振子用作超声波振动源的超声波磨削加工装置（研磨机）的结构例的图。在图2中，超声波磨削加工装置10在外壳11内收容有在下端部具备经由角状物（horn）12连接的研磨工具13的超声波振子1，利用轴承14以能旋转的方式支承该超声波振子1。超声波振子1的旋转由连接于伺服单元15的交流主轴电动机16驱动。在图2的装置中，经由连接于在外部设置的电能供给源17的由碳刷和滑环（slip ring）构成的接触型供电装置18供给超声波振子1的超声波振动用的电能。
在超声波加工装置中通过向各种工具提供超声波振动而期待的效果为利用该工具的加工作业所需要的电能的节省或加工精度的提高等，但是，在此之前制造而用于实际的加工作业的超声波加工装置中，无法充分得到该期待的效果。因此，在当前的时间点超声波加工装置的普及不可说是充分发展。因此，为了发展超声波加工的进一步的普及，在超声波加工作业的实施中需要实现为了超声波振动的振动的激励而需要的电能量的减少并且得到进一步充分的加工精度的提高那样的改良。
本发明的发明者在此之前提出了能够期待与超声波振子的振动的激励所需要的电能量相称的加工精度的提高的各种超声波振子的改良发明，进行了专利申请。例如，在那些改良发明之中作为最近的发明能够举出专利文献1所公开的发明。
在专利文献1中，作为以高的稳定性支承工具与超声波振动体的振动复合体并且通过将在超声波振动体中产生的超声波能量向该振动复合体的支承体（固定支承体）的漏出抑制为低的水平来能够进行振动能量的向工具的高的效率下的施加的支承构造，公开了通过在具备工具的超声波振动体附设凸缘并且使凸缘的单侧面与形成于另外准备的固定体的凸缘支承面以施加应力的状态接触来卡合支承的支承构造（其中，超声波振动体的凸缘并不接合于固定体的凸缘支承面，此外，与固定体的支承面接触而被卡合支承的超声波振动体的凸缘为在该超声波振动体处于振动状态时在凸缘的厚度方向上进行超声波振动的构造）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开 WO 2014/017460 A1。
发明内容
发明要解决的课题
根据利用专利文献1所记载的新的超声波振子的支承构造的超声波加工装置，针对使用以往已知的构造的超声波振子的超声波加工装置的问题点，能看出来很多解决。可是，关于利用了专利文献1所记载的超声波振子的支承构造的超声波加工装置，也不会得到实用地充分地能够满足的水平的电能的需要量的削减和加工精度的提高。
因此，本发明的课题在于提供能够共同实现实用地充分地能够满足的水平的电能的需要量的削减和加工精度的提高的适于超声波加工的超声波振子的构造和超声波振子的振动的激励方法。
用于解决课题的方案
本发明的发明者将专利文献1所记载的超声波振子的支承构造的改良作为目的，重新进行了超声波振子中的超声波振动产生的机理的讨论。然后在该讨论时，作为坚固地支承超声波振子的构造的模型，提出了图3所示的支承构造。即，在图3的支承构造中，在安装螺栓紧固朗之万型超声波振子1时，首先，在配置在前方侧的金属块（通常称为“前块体”）2b的上侧端部的周围与金属块成为整体而形成有环状的支承框体6，在该前块体2b与配置在后方侧的金属块（通常称为“后块体”）2a之间使用螺栓4拧紧固定有极化处理完毕的平板状的压电元件3a、3b。然后，在准备像这样构成的螺栓紧固朗之万型超声波振子1之后，利用具备外螺纹的外壳11（该外壳自身连接于未图示的支承构造体即基台而被固定）和具备内螺纹的螺帽7的嵌合构造使环状的支承框体6的缘部卡合而拘束固定。再有，螺旋紧固朗之万型超声波振子1向压电元件3的电能的供给经由在外壳11中形成的孔从设置在外壳的外部的超声波振荡电路8施加具有预先决定的频率的电压。
接着，作为由图3所示的支承构造支承固定的超声波振子，为了通过实验观察其振动特性而制作了图4所示的形状和尺寸（单位：mm）的螺栓紧固朗之万型超声波振子1。图4的螺栓紧固朗之万型超声波振子1采用如下结构：将极化处理完毕的平板状压电元件（PZT压电元件）3a、3b配置在不锈钢制的后块体2a与同样地将不锈钢作为材料与环状的支承框体6一起整体成形的前块体2b之间并使用同样地与前块体2b整体成形的螺栓4使其拧紧固定。然后，在前块体2b的下部形成有用于嵌入装配有工具的筒夹的圆锥状的凹部。
为了通过实验观察具有图4所示的形状和尺寸的螺栓紧固朗之万型超声波振子的超声波振动特性，首先使用阻抗分析仪来测定使超声波振子为非拘束的状态下的频率特性，接着，使相同的超声波振子为由图3所示的支承构造支承固定（拘束）的状态来同样地测定了频率特性。在图5中示出表示图4的螺栓紧固朗之万型超声波振子的非拘束状态下的频率特性的导纳曲线，而且在图6中示出表示由图3所示的支承构造拘束的状态下的频率特性的导纳曲线。
从图5的导纳曲线明显可知，测定对象的螺栓紧固朗之万型超声波振子在非拘束状态下在42.125KHz的频率位置出现一个导纳峰值。该导纳峰值的频率（42.125KHz）被理解为使处于非拘束状态的图4的超声波振子的纵向一阶振动激励的谐振频率。
另一方面，在图6的拘束状态的螺栓紧固朗之万型超声波振子的导纳曲线中，判明了：在与在图5的导纳曲线中能看见的使纵向一阶振动激励的谐振频率接近的频率（44.375KHz）出现一个导纳峰值，进而在与该导纳峰值的频率相比低频率侧的区域的24.250KHz的频率位置出现比上述谐振频率处的导纳峰值少许小的导纳峰值。
在图6的导纳曲线中出现的二个导纳峰值的存在被理解为意味着在哪一个频率都能够进行测定对象的螺栓紧固朗之万型超声波振子的超声波振动的激励。即，那些二个频率都被认为相当于能够进行超声波振动的激励的谐振频率。本发明者注目于在这些二个彼此不同的频率位置出现的导纳峰值的存在，向处于图3所示的拘束条件的图4的螺栓紧固朗之万型超声波振子施加具有近似于从图6的导纳曲线判明的二个谐振频率的频率的电压，使超声波振动激励，通过激光多普勒振动计测定了处于振动下的后块体2a的上端面的纵向的振动移位量。
根据使用了激光多普勒振动计的上述的前块体2b的下端面的纵向的振动移位量的测定结果，判明了：通过施加近似于图6的相对大的高频率侧的导纳峰值的频率的频率（43.86KHz）的电压而使超声波振动（所谓的纵向一阶振动）激励的超声波振子的前块体的2b的下端面的振动移位量为约33μm，其超声波振动所需要的功率为约3.5W。相对于此，判明了：施加近似于图6的相对小的低频率侧的导纳峰值的频率的频率（23.64KHz）的电压而使超声波振动激励的超声波振子的前块体2b的下端面的振动移位量为约30μm，但是，其超声波振动所需要的功率显著地减少为约0.5W。
因此，通过与在图6的导纳曲线的高频率侧出现的相对大的导纳峰值相当的频率的电压施加而在超声波振子出现的超声波振动（纵向一阶振动）和通过与在低频率侧出现的相对小的导纳峰值相当的频率的电压施加而在超声波振子出现的超声波振动关于其纵向的振动移位量大致同等，但是，判明了：关于为了使该大致同等的振动移位量的超声波振动激励而需要的功率，后者为前者的约1/7（0.5W/3.5W），即，关于为了利用图3所示的支承构造将图4所示的结构的螺栓紧固朗之万型超声波振子支承拘束的状态下使超声波振动激励而需要的功率，通过利用后者的低频率侧的谐振频率的电压的施加下的振动，从而与利用前者的高频率侧的谐振频率的电压的施加下的振动（纵向一阶振动）的情况相比，大幅度地减少。
接着，在图4所示的结构的螺栓紧固朗之万型超声波振子的前块体2b的凹部装配具备工具的筒夹，进行了此次在纵向和横向这两个方向上测定该工具的顶端部的振动移位量的实验。在该实验中，作为设想为工具的钻头的模型，选择长度40mm、直径3mm的剖面为圆形的棒体，以在筒夹下端部突出长度为14.8mm装配该棒体，使用该超声波加工用工具模型来进行了测定。
在上述的工具顶端部的振动移位量的测定实验中，基于针对在图4的结构的螺栓紧固朗之万型超声波振子中装配筒夹和工具而构成的超声波加工用工具模型的通过阻抗分析仪得到的导纳曲线，高频率侧的谐振频率为30.20KHz，而且低功率侧的谐振频率为21.09KHz，将具有各个频率的电压向螺栓紧固朗之万型超声波振子施加。
该测定实验的结果是，判明了：在通过高频率侧的谐振频率的电压的施加而振动的超声波振子中装配的工具的顶端部的纵向的振动移位量为8.33μmp-p，横向的振动移位量为0.787μmp-p，以及该振动所需要的功率为1.17W。另一方面，判明了：在通过低频率侧的谐振频率的电压的施加而振动的超声波振子中装配的工具的顶端部的纵向的振动移位量为7.70μmp-p，横向的振动移位量为0.284μmp-p，以及该振动所需要的功率为0.31W。
因此，根据上述的测定实验的结果，判明了：在哪一个谐振频率下的超声波振动中都得到同等的纵向的振动移位量，但是，关于横向的振动移位量，若论利用低频率侧的谐振频率的电压的施加的振动，与利用高频率侧的谐振频率的电压的施加的振动（纵向一阶振动）相比，为约1/3（0.248/0.787）。此外，关于功率使用量，若论利用低频率侧的谐振频率的电压的施加的振动，与利用高频率侧的谐振频率的电压的施加的振动（纵向一阶振动）相比，为约1/4（0.31/1.17），因此，确认了超声波振动的激励所需要的功率使用量也显著地减少。
根据以上所记载的实验结果，判明了：利用根据相当于与使上述的超声波振子的纵向一阶振动激励的谐振频率相比出现在低频率侧的导纳峰值的谐振频率的电压的施加的超声波振子的振动激励方法，由此，也实现振动激励所需要的功率的显著的减少以及随附于纵向振动而被激励的横向振动（横向摆动）的显著的减少。
本发明者接着为了弄清通过相当于与使上述的超声波振子的纵向一阶振动激励的谐振频率相比出现在低频率侧的导纳峰值的谐振频率的电压的施加而产生的超声波振子的振动的性质，使用市售的有限元法的解析软件即ANSYS（贩卖源：ANSYS JAPAN股份有限公司）进行了在以图3的拘束条件（即，得到图6的导纳曲线的超声波振子的拘束条件）拘束图4的朗之万型超声波振子的情况下激励的超声波振动的解析。
利用上述的有限元法的超声波振动的解析的结果是，从图7的ANSYS解析图像明显可知，判明了：通过相当于与使超声波振子的纵向一阶振动激励的谐振频率相比出现在低频率侧的导纳峰值的谐振频率的电压的施加而产生的超声波振子的振动为超声波振子的整体在同一纵向（超声波振子的长轴方向）上振动的往复运动即在超声波振子的内部不存在成为振动节点的部位的超声波振动（在本说明书中将该振动称为拟纵向零阶振动）。再有，根据图7的图像，也判明了：在该拟纵向零阶振动中，在环状的支承框体与基台相接的部位出现振动节点，环状的支承框体自身也还是进行与上述超声波振动相同相位的超声波振动。即，该拟纵向零阶振动的超声波振动为超声波振子整体在同一纵向上振动的往复运动，与表示在超声波振子的内部具有一个成为振动节点的部位并且以成为该节点的部位为界在纵向上彼此成为相反方向的振动的模式即纵向一阶振动为明显不同的振动，因此，施加的电能的损失少，并且估计为必然发生向横向的振动变少这样的优点的结果。
另一方面，从图8的ANSYS解析图像明显可知，通过使超声波振子的纵向一阶振动激励的谐振频率的电压而产生的振动为表示在超声波振子的内部具有一个成为振动节点的部位并且以成为该节点的部位为界在纵向上彼此成为相反方向的振动的模式。
本发明是基于与朗之万型超声波振子中的超声波振动的激励有关的根据上述的本发明者的新的见解而完成的发明。
因此，根据本发明提供一种朗之万型超声波振子的新的振动激励方法，其特征在于，准备包含金属块、具备向侧面呈环状突出的支承框体的金属块、以及固定在这些金属块之间的极化处理完毕的压电元件的朗之万型超声波振子，在将该朗之万型超声波振子经由该支承框体连接于基台而以拘束状态支承之后，向该超声波振子的压电元件施加具有频率的电压，所述频率能够使由与该压电元件的平面垂直的方向上的在该超声波振子的内部不具有振动节点的往复运动构成的超声波振动激励，由此，使该朗之万型超声波振子激励由与该压电元件的平面垂直的方向上的在该超声波振子的内部不具有振动节点的往复振动构成的超声波振动（拟纵向零阶振动）。
此外，根据本发明也提供振动激励方法，在上述的超声波振子的振动激励方法中，能够激励拟纵向零阶振动的频率为比对该振子的纵向一阶振动模式的振动进行激励的谐振频率低的频率范围所包含的频率。
进而，根据本发明也提供振动激励方法，在上述的超声波振子的振动激励方法中，在环状的支承框体与基台相接的部位具有振动节点，进行与所述超声波振动相同相位的超声波振动。
进而此外，根据本发明提供一种超声波加工方法，其特征在于，准备将包含金属块、具备向侧面呈环状突出的支承框体的金属块、以及固定在这些金属块之间的极化处理完毕的压电元件的朗之万型超声波振子以在该朗之万型超声波振子的一个端部连接有工具的状态经由所述支承框体连接于基台而以拘束状态支承的超声波加工装置，向该朗之万型超声波振子的压电元件施加具有能够使与该压电元件的平面垂直的方向上的在该超声波振子的内部不具有振动节点的往复运动激励的频率的电压，使由与该压电元件的平面垂直的方向上的在该超声波振子的内部不具有振动节点的往复振动构成的超声波振动激励，由此，向所述工具传递该超声波振动。
进而此外，根据本发明提供超声波加工方法，在上述的超声波加工方法中，工具为绕所述朗之万型超声波振子的中心轴旋转的工具。
进而此外，根据本发明提供超声波加工方法，在上述的超声波加工方法中，工具为进行沿着所述朗之万型超声波振子的中心轴的方向上的往复运动的工具。
进而此外，根据本发明提供一种超声波发送方法，其特征在于，准备将包含金属块、具备向侧面呈环状突出的支承框体的金属块、以及固定在这些金属块之间的极化处理完毕的压电元件的朗之万型超声波振子以在该朗之万型超声波振子的一个端部连接有超声波发送工具的状态经由所述支承框体连接于基台而以拘束状态支承的超声波发送装置，向该朗之万型超声波振子的压电元件施加具有能够使与该压电元件的平面垂直的方向上的在该超声波振子的内部不具有振动节点的往复运动激励的频率的电压，使由与该压电元件的平面垂直的方向上的在该超声波振子的内部不具有振动节点的往复振动构成的超声波振动（拟纵向零阶振动）激励，由此，向所述超声波发送工具传递该超声波振动。
发明效果
本发明的超声波振子的振动激励方法实现超声波振子的新的模式的超声波振动即拟纵向零阶振动的激励。而且，在利用本发明的超声波振子的振动激励方法的超声波加工方法中，使用超声波振子的超声波加工的省功率化成为可能，此外也实现加工精度的提高。此外，在利用本发明的超声波振子的振动激励方法的超声波发送方法中，超声波的省功率化成为可能，进而由超声波振子产生的拟纵向零阶振动的超声波振动示出高的指向性，因此，能够进行效率高的超声波振动的发送。
附图说明
图1是示出代表的螺栓紧固朗之万型超声波振子（bolted Langevin typeultrasonic vibrator）的结构的图。
图2是示出利用螺栓紧固朗之万型超声波振子的超声波加工装置的结构的例子的图。
图3是示出能够在本发明的超声波振子的振动激励（vibrational excitation）方法中利用的超声波振子的支承固定（拘束）构造的例子的图。
图4是示出能够在本发明的超声波振子的振动激励方法中利用的超声波振子的结构的例子的图。
图5是示出表示图4所示的超声波振子的非拘束状态下的频率特性的导纳曲线（admittance curve）的图。
图6是示出表示由图3所示的支承构造拘束后的图4的超声波振子的频率特性的导纳曲线的图。
图7是示出基于根据有限元法（finite element method）的评价结果的、通过按照本发明的超声波振子的振动激励方法产生的振动模式（拟纵向零阶振动（pseudolongitudinal zero-order vibration））的图。
图8是示出基于根据有限元法的评价结果的、通过超声波振子的纵向一阶振动产生的振动模式的图。
图9是示出超声波振子的纵向一阶振动的振动模式的图（A），而且是为了表示其压电元件部分的举动而放大显示的图（B）。
图10是示意性地示出在本发明的超声波振子的振动激励方法中利用的拟纵向零阶振动的振动模式的图。
图11是示出在本发明的超声波振子的振动激励方法中利用的超声波振子的形成和尺寸以及支承固定构造的另一例子的图。
图12是作为根据有限元法的图像而示出图11所示的超声波振子的支承固定构造中的利用激励产生的超声波振动（拟纵向零阶振动）的图。
图13是示出在本发明的超声波振子的振动激励方法中利用的超声波振子的支承固定构造的另一例子的图（A），而且是示出以将按照本发明的拟纵向零阶振动和在以往技术中利用的纵向一阶振动组合的方式使用处于该支承固定构造的超声波振子的超声波加工的振动模式的图（B）。
图14是示出在本发明的超声波加工方法的实施中使用的超声波加工装置的一个方式即作为工具而使用钻头（drill）的穿孔装置的结构例的图。
图15是示出在本发明的超声波加工方法的实施中使用的超声波加工装置的一个方式即作为工具而使用研磨工具的研磨装置的结构例的图。
图16是示出在本发明的超声波加工方法的实施中使用的超声波加工装置的一个方式即作为工具而使用切割机（cutter）（切断工具）的磨削装置的结构例的图。
图17是示出在本发明的超声波发送方法的实施中使用的超声波发送装置的一个方式即具备超声波振子的洗涤器的结构例的图。
图18是示出在本发明的超声波发送方法的实施中使用的超声波发送装置的一个方式即超声波声纳（sonar）的结构例的图。
具体实施方式
在本发明的超声波振子的新的振动激励方法中利用的谐振频率（与对超声波振子的纵向一阶振动模式的振动进行激励的谐振频率所对应的导纳峰值相比出现在低频率侧的导纳峰值所对应的谐振频率：在本说明书中表现为对拟纵向零阶振动进行激励的谐振频率）的存在在本发明者知晓的范围内在此之前并未被本领域技术人员识别。此外，利用上述拟纵向零阶振动的超声波振子的振动激励方法在本发明者知晓的范围内在此之前未被实施。
为了实施按照本发明的利用对拟纵向零阶振动进行激励的谐振频率的超声波振子的振动激励方法，首先，需要制造能够将超声波振子坚固地支承固定（拘束）于设想在外部的支承体（基台）的、具备图4所例示那样的结构的环状的支承框体的超声波振子。而且，使用图3所示那样的方法在环状的支承框体的周缘部通过外壳（housing）和螺帽支承固定（拘束）像那样制造的超声波振子。再有，在图3中，环状的支承框体6被形成于前块体（frontmass）2b，但是，环状的支承框体也可以被形成于后块体（rear mass）。此外，期望环状的支承框体整体地形成于前块体或后块体，但是，也能够将独立形成的环状或圆盘状的支承框体装配固定于前块体或后块体或者装配固定于前块体与后块体之间。
接着，利用阻抗分析仪（impedance analyzer）测定如前述那样利用环状的支承框体支承固定的超声波振子的振动特性，得到图6所示那样的导纳曲线。只要在该导纳曲线中出现图6那样的二个峰值（导纳峰值），则通常能够判断为：在高频侧出现的峰值的频率为纵向一阶振动激励的谐振频率，在低频率侧出现的峰值的频率为能够用于拟纵向零阶振动的激励的谐振频率。再有，只要需要，则在使该超声波振子为非拘束状态之后利用阻抗分析仪来得到导纳曲线，基于和在该导纳曲线中出现的导纳峰值相当的频率（相当于对纵向一阶振动进行激励的谐振频率）与前述的高频率侧的导纳峰值的频率的比较，也能够确认该高频率侧的谐振频率相当于纵向一阶振动激励的谐振频率。
根据超声波振子的形状，也存在在导纳曲线中不出现明确的纵向一阶振动的导纳峰值的情况。在该情况下按照利用公知的计算式的方法，估计对纵向一阶振动进行激励的谐振频率，将与该谐振频率相比在低波长侧的区域中出现的导纳峰值的频率决定为拟纵向零阶振动的频率，也能够通过具有该拟纵向零阶振动的频率的电压的施加使目的的拟纵向零阶振动激励。
另一方面，在导纳曲线中出现三个以上的导纳峰值的情况下，也利用上述的方法来估计对纵向一阶振动进行激励的谐振频率，将与该谐振频率相比出现在低波长侧的区域的相邻的位置的导纳峰值的频率作为拟纵向零阶振动的频率，也能够通过具有该拟纵向零阶振动的频率的电压的施加使目的的拟纵向零阶振动激励。
在上述的超声波振子中装配工具来构成超声波加工用振动工具，向该超声波加工用振动工具施加利用前述的方法决定的拟纵向零阶振动激励用的谐振频率的电压，由此，能够对该工具激励拟纵向零阶振动。其中，利用前述的方法决定的拟纵向零阶振动激励用的谐振频率为通过未装配有工具和筒夹（collet）等工具装配工具的状态下的测定确认的谐振频率，因此，存在与能够对工具的拟纵向零阶振动进行激励的最佳的谐振频率产生少许偏差的可能性。此外，根据超声波加工用振动工具的拘束条件（支承固定条件）的微小的偏差，也存在产生最佳的谐振频率的偏差的情况。因此，使工具装配而拘束于基台后的超声波振子的拟纵向零阶振动激励用的谐振频率的决定期望通过利用一边确认激励的超声波振动一边能够决定最佳的谐振频率那样的能够进行谐振频率的跟踪的超声波振荡电路来进行。
再有，在即使制造图4那样的结构的超声波振子并且在利用图3所示那样的支承固定构造拘束超声波振子的状态下利用阻抗分析仪来得到导纳曲线也不出现图6所示那样的多个（通常为二个）导纳峰值的情况下，也存在通过调整超声波振子的拘束条件来得到图6所示那样的具有二个峰值的导纳曲线的情况。可是，在通过那样的超声波振子的拘束条件的调整也不会得到图6所示那样的具有二个峰值的导纳曲线的情况下，超声波振子的形状的设定或超声波振子的支承固定构造被认为不适于作为目的的拟纵向零阶振动的激励，因此，重新使图3的超声波振子的拘束条件以及图4的超声波振子的形状和尺寸为参考，需要进行超声波振子的设计变更和支承固定构造的再讨论。再有，图3的超声波振子的拘束条件以及图4的超声波振子的形状和尺寸只不过示出了本发明的实施方式的代表的方式，不是对本发明的超声波振子的拟纵向零阶振动的激励方法的实施的方式进行限定的条件。
如前述那样，本发明者假设利用本发明的超声波振子的振动激励方法产生的超声波振动为“由与压电元件的平面垂直的方向上的在该振子的内部不具有振动节点（vibration node）的往复振动构成的超声波振动”。接着，重新对成为该结论的根据的数据进行说明。
如前述那样，在图6的导纳曲线的低频率侧出现的导纳峰值的存在在本发明者知晓的范围内不被知晓。因此，本发明者最初不能对相当于该低频率侧的导纳峰值出现的频率位置的频率意味着什么的方面进行判断。可是，从在此之前说明的实验事实明显可知，相当于该低频率侧的导纳峰值出现的频率位置的频率也为该超声波振子的谐振频率，并且，确认了：通过该谐振频率的电压的施加而由处于拘束状态的超声波振子激励的纵向的超声波振动以较少的功耗产生，进而横向的振动少。
因此，本发明者为了解析此次确认的超声波振动的振动模式，如前述那样使用市售的基于有限元法的计算软件即ANSYS，进行了在用于实验的超声波振子的形状、尺寸、材料以及超声波振子的支承固定条件（拘束条件）下在超声波振子中产生的超声波振动的振动模式的解析。在图7和图8中示出了该振动模式的解析结果。
如前述那样，图7是表示在对按照本发明的拘束条件下的超声波振子施加低频率侧的谐振频率的电压的情况下出现的振动模式的图像，根据该图像可知：在超声波振子出现的振动为超声波振子整体朝向一个方向的振动，其振动节点不存在于超声波振子的内部而存在于超声波振子的环状支承框体的外侧端部（相当于向基台的连接部）。接着，根据图8而是表示在对拘束条件下的超声波振子施加高频率侧的谐振频率的电压的情况下出现的振动模式的图像，根据该图像可知：在超声波振子出现的振动为在超声波振子内部具有节点并且将该节点作为边界上下振动的伸缩振动。
图9是示意性地说明图7所示的图像所表示的振动模式的图。即，在按照本发明的振动模式的超声波振动中，超声波振子作为整体重复在一个方向上进行振动的往复振动。将超声波振子支承固定于基台的环状的支承框体在与基台的连接部（相当于环状支承框体的周缘部）具有节点，相当于超声波振子的连接部的环状支承框体的内周部也还是示出重复与超声波振子同步的往复运动的振动。该振动模式相当于在本说明书中说明的拟纵向零阶纵向振动模式。
图10的（A）是示意性地说明图8所示的图像所表示的振动模式的图。即，在图8的超声波振动中，超声波振子在其压电元件所存在的大致中央部（压电元件所存在的位置）具有节点，重复上下伸缩的振动（纵向一阶振动）。由于纵向一阶振动为这样的伸缩振动，所以，估计在装配有工具的一侧的面（下侧面）的纵向振动的激励时为了得到与通过图9所示的拟纵向零阶纵向振动模式实现的下侧面的纵向振动同等的振动量（移位量）而需要相对大的功率。
图10的（B）是示意性地放大地示出图10（A）所示的超声波振子的振动的情况的图，是示意性地示出由电能的施加造成的在压电元件3出现的变形的状况（估计状况）的图。即，压电元件3根据被施加的电能的变动而重复膨胀和收缩，但是，在其膨胀时，如图所示那样，被认为以反抗向压电元件赋予的压力的形式以中央部膨出的方式进行变形。因此，如果该压电元件的变形未以完全对称于其中心的形状产生，则超声波振子的上下的端面与伸缩振动的中心面不会成为完全的平行面，因此，估计容易产生超声波振子的上下的端面处的横向振动。
图11是示出能够在本发明的超声波振子的振动激励方法中利用的超声波振子的形状和尺寸（单位：mm）以及支承固定构造的另一例子的图，图12是作为利用有限元法得到的图像而示出图11所示的超声波振子的支承固定构造中的通过激励产生的超声波振动（拟纵向零阶振动）的图。与图7所示的图像同样地，在超声波振子出现的振动为超声波振子整体朝向一个方向的往复振动，其振动节点不存在于超声波振子的内部而存在于超声波振子的环状支承框体的外侧端部（相当于向基台的连接部）。
根据本发明在超声波振子激励的拟纵向零阶振动也能够与以往利用的纵向一阶振动组合利用。参照图13的（A）和（B）来说明其利用的方式。
图13的（A）和（B）分别是示出在本发明的超声波振子的振动激励方法中利用的超声波振子的支承固定构造的另一例子的图以及示出以将按照本发明的拟纵向零阶振动和在现有技术中利用的纵向一阶振动组合的方式使用处于该支承固定构造的超声波振子的超声波加工的振动模式的图。例如，在图13（A）的超声波振子的右侧的前块体的端部作为工具而装配有切断刀具（切割机）的用于切断加工的情况下，为了提高利用该切断刀具的切断作业的作业效率以及防止切断刀具的局部疲劳，考虑在超声波振子交替地产生图（B）所示的拟纵向零阶振动模式的振动和纵向一阶振动模式的振动那样的实施方式。
图14是示出本发明的超声波加工方法的利用的一个方式即作为工具（绕超声波振子的中心轴旋转的工具）而使用钻头的穿孔装置的结构例的图（省略超声波振荡电路的图示）。该图14示出作为将钻头用作工具的超声波加工装置的超声波振子而使用能够提供本发明的拟纵向零阶振动的超声波振动的朗之万型超声波振子的装置。
图14所示的超声波加工装置处于在超声波振子支承旋转装置中装配有具备工具的朗之万型超声波振子的结构，所述超声波振子支承旋转装置包含：电动机21、电动机轴22、电动机台23、联结器（coupling）（结合工具）24、旋转轴25、旋转变压器（rotarytransformer）固定部26a、旋转变压器旋转部26b、固定侧变压器台27、套筒（sleeve）28、旋转侧变压器台29、外侧衬垫用环30、壳体（case）31、外壳32、外侧衬垫33a、内侧衬垫33b、以及轴承（bearing）34。该超声波振子支承旋转装置为作为超声波加工装置中的超声波振子支承旋转装置而通常利用的装置。
在超声波振子支承旋转装置的下端部通过螺帽39（其自身被装配固定于基台）装配固定（拘束）有具有通过使用前块体36和后块体37将压电元件35a、35b夹持并且使用螺栓38紧固来固定的结构的朗之万型超声波振子。而且，在朗之万型超声波振子的前块体36的凹部通过筒夹螺帽41装配固定有筒夹40，而且在筒夹40装配固定有作为工具的钻头42。
图15是示出本发明的超声波加工方法的利用的一个方式即作为工具（绕超声波振子的中心轴旋转的工具）而使用研磨工具的研磨装置的结构例的图（省略超声波振荡电路的图示）。该图15的研磨装置的超声波振子支承旋转装置采用与图14所示的超声波加工装置的超声波振子支承旋转装置相同的结构。而且，在图15的研磨装置中，也在超声波振子支承旋转装置的下端部通过螺帽39装配固定（拘束）有具有通过使用前块体36和后块体37将压电元件35a、35b夹持并且使用螺栓38紧固来固定的结构的朗之万型超声波振子。而且，在朗之万型超声波振子的前块体36的下端部经由磨具基台（通常为铝合金制）44装配固定有作为工具的环状磨具43。
图16是示出本发明的超声波加工方法的利用的一个方式即作为工具（在超声波振子的轴向上往复运动的工具）而使用切割机的磨削装置的结构例的图。在该磨削装置中，磨削装置和加工对象材料（工件）的一个或双方以改变相对的位置关系的方式在水平方向上移动，装配于超声波振子的切割机52在上下方向上进行振动（往复运动），因此，超声波振子的支承构造体不旋转。因此，在图16的磨削装置中，在筒状外壳51的内部下侧通过螺帽39（其自身被装配固定于基台）装配固定（拘束）有具有通过使用具备环状的支承框体36a的前块体36和后块体37将压电元件35a、35b夹持并且使用螺栓38紧固来固定的结构的朗之万型超声波振子。而且，在朗之万型超声波振子的前块体36的凹部通过筒夹螺帽41装配固定有筒夹40，而且在筒夹40装配固定有作为工具的切割机52。
在压电元件35a、35b的各个的表面形成的电极板53a、53b电连接于超声波振荡电路54，向超声波振子施加电能。
再有，在图16的磨削装置中，作为用于使朗之万型超声波振子的外壳51的内部中的固定可靠的方案而填充发泡树脂55。
图17是示出利用本发明的超声波发送方法的装置的一个方式即具备超声波振子的洗涤器的结构例的图。在图17的装置中，通过螺帽39在外壳51装配固定（拘束）有具有通过使用前块体36和后块体37将压电元件35a、35b夹持并且使用形成于后块体37的螺帽紧固螺栓38来固定的结构的朗之万型超声波振子。而且，在朗之万型超声波振子的前块体36的上端部通过螺栓57装配固定有在洗涤器（未图示）的底部装配的振动板56。
图18是示出利用本发明的超声波发送方法的装置的一个方式即超声波声纳的结构例的图。在图18的超声波声纳中，也通过螺帽39在外壳51装配固定（拘束）有具有通过使用前块体36和后块体37将压电元件35a、35b夹持并且使用形成于后块体37的螺帽紧固螺栓38来固定的结构的朗之万型超声波振子。而且，在朗之万型超声波振子的前块体36的上端部经由螺栓57装配固定有用于将超声波发送到空气中的发送工具58。
再有，能够在利用本发明的拟纵向零阶振动的超声波加工方法和超声波发送方法的实施中利用的装置并不限定于附图所示的结构的装置。即，在利用超声波的弯曲加工、深拉深加工、减薄拉深加工、拉拔加工等塑性加工、利用超声波的磨削加工、利用超声波的浮悬磨粒加工、利用超声波的接合加工、利用超声波的塑料成形加工、利用超声波的微加工、利用超声波的分散装置或雾化装置、超声波电动机、超声波白内障手术装置、超声波破碎吸引装置、超声波结石破碎装置、超声波牙科用治疗装置、超声波连续铸造装置、超声波腐蚀（erosion）试验装置、聚乙烯交联装置、超声波干燥装置、超声波空中传感器、超声波流量计等作为超声波产生源而使用朗之万型超声波振子的各种装置中，能够利用本发明的振动激励方法所提供的拟纵向零阶振动。
附图标记的说明
1 螺栓紧固朗之万型超声波振子
2a 金属块（后块体）
2b 金属块（前块体）
3 压电元件
4 螺栓
5a 铜电极
5b 铜电极
6 环状的支承框体
7 螺帽
10 超声波磨削加工装置
11 外壳
12 角状物
13 磨削工具。

Claims (9)

1.一种朗之万型超声波振子的振动激励方法，其特征在于，准备包含第一金属块、具备向侧面呈环状突出的支承框体的第二金属块、以及利用螺栓固定在这些金属块之间的极化处理完毕的压电元件的朗之万型超声波振子，在将该朗之万型超声波振子经由该支承框体连接于基台而以拘束状态支承之后，向该超声波振子的压电元件施加具有相当于与能够对该朗之万型超声波振子的纵向一阶振动模式的振动进行激励的谐振频率相比出现在低频率侧的导纳峰值的谐振频率的电压，使所述朗之万型超声波振子和所述支承框体这二者激励相同相位的、在该支承框体的与基台相接的部位具有振动的节点的与所述压电元件的平面垂直的往复振动模式的超声波振动。
2.根据权利要求1所述的朗之万型超声波振子的振动激励方法，其中，所述朗之万型超声波振子经由所述支承框体向基台的连接利用具备外螺纹的外壳和具备内螺纹的螺帽的嵌合构造来进行。
3.一种超声波加工方法，其特征在于，准备将包含第一金属块、具备向侧面呈环状突出的支承框体的第二金属块、以及利用螺栓固定在这些金属块之间的极化处理完毕的压电元件的朗之万型超声波振子以在该朗之万型超声波振子的一个端部连接有工具的状态经由所述支承框体连接于基台而以拘束状态支承的超声波加工装置，在将该朗之万型超声波振子经由该支承框体连接于基台而以拘束状态支承之后，向该超声波振子的压电元件施加具有相当于与能够对该朗之万型超声波振子的纵向一阶振动模式的振动进行激励的谐振频率相比出现在低频率侧的导纳峰值的谐振频率的电压，使所述朗之万型超声波振子和所述支承框体这二者激励相同相位的、在该支承框体的与基台相接的部位具有振动的节点的与所述压电元件的平面垂直的往复振动模式的超声波振动，向所述工具传递该超声波振动。
4.根据权利要求3所述的超声波加工方法，其中，所述工具为绕所述朗之万型超声波振子的中心轴轴旋转的工具。
5.根据权利要求4所述的超声波加工方法，其中，所述工具为从由立铣刀、钻头、研磨工具和磨削工具构成的组选择的工具。
6.根据权利要求3所述的超声波加工方法，其中，所述工具为进行沿着所述朗之万型超声波振子的中心轴的方向的往复运动的工具。
7.根据权利要求6所述的超声波加工方法，其中，所述工具为从由切削工具、振动板和熔敷工具构成的组选择的工具。
8.一种超声波发送方法，其特征在于，准备将包含第一金属块、具备向侧面呈环状突出的支承框体的第二金属块、以及利用螺栓固定在这些金属块之间的极化处理完毕的压电元件的朗之万型超声波振子以在该朗之万型超声波振子的一个端部连接有超声波发送工具的状态经由所述支承框体连接于基台而以拘束状态支承的超声波发送装置，在将该朗之万型超声波振子经由该支承框体连接于基台而以拘束状态支承之后，向该超声波振子的压电元件施加具有相当于与能够对该朗之万型超声波振子的纵向一阶振动模式的振动进行激励的谐振频率相比出现在低频率侧的导纳峰值的谐振频率的电压，使所述朗之万型超声波振子和所述支承框体这二者激励相同相位的、在该支承框体的与基台相接的部位具有振动的节点的与所述压电元件的平面垂直的往复振动模式的超声波振动，向所述超声波发送工具传递该超声波振动。
9.根据权利要求8所述的超声波发送方法，其中，所述超声波发送工具为振动板。
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