JP3730467B2 - Ultrasonic vibrator and composite vibration generating ultrasonic vibrator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種加工を行うために用いられる超音波振動子ないしは複合振動発生超音波振動子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、比較的大きなパワーが必要とされている超音波加工分野では、超音波振動子として容易に高出カが得られるランジュバン型振動子が多く使用されている。このランジュバン型振動子の共振周波数はこれを構成する部品のヤング率や密度及び寸法などの物理的特性で略決定されるが、かなり鋭い共振を示す。つまり、電気的先鋭度いわゆるQ(Quality Factor)が非常に大きいので共振周波数付近でインピーダンスが大きく変化し、僅かに駆動周波数がずれただけで振動子のインピーダンスや振幅が大きく変わる。従って、効率の良い超音波振動を実現させるには振動子の共振周波数を精密に自動追尾しなければならない。
【0003】
もし、僅かでも駆動周波数が共振周波数と異なると希望の振動振幅が得られなかったり、異常電流が流れて振動子や発振装置を破壊してしまう危険がある。そのために温度変化や負荷変動による共振周波数の微変動が無視できず、振動子の共振周波数の変化を常に検出して、その周波数に精密に自動追尾させて駆動する技術が不可欠である。従って、発振器は振動子の振動状況をフィードバックしてその振動状況の電気信号の位相変化に応じて発振周波数を制御するPLL(Phase Locked Loop)方式等が従来より広く使われている。
【0004】
例えば、金属の塑性加工のような分野に超音波振動を応用する場合、加工部分で数kW以上のパワーを要求されることが多い。このような場合には多数の振動子の出力パワーを合成して大パワーとして取り出して使用する方法がとられる。
【0005】
一例として、図12に超音波パワー合成器201を示す。十字型の縦横の長さが各々1/2波長(λ/2)のパワー合成用振動体202の3面に励振用振動子203を装着し、残りの1面に加工用ホーン204を装着した超音波パワー合成器201の場合、3体の励振用振動子203の合成した超音波パワーが加工用ホーン204から得られる。
【0006】
しかし、この場合、各々の励振用振動子203の共振周波数などの電気的特性が一致しないと効率よい出力が得られ難い。共振周波数などの電気的特性が一致しない振動子を複数個結合させると、各々の共振周波数が異なることによって幾つかのスプリアスレスポンスが現れることになり、理想的な自動追尾ができなくなる。このような状態で使用し続けると、必要とするだけの超音波パワーが得られなかったり、特定の振動子にのみ負担が加わり、その振動子を破損させてしまったり発振装置を破壊してしまうなどの不具合が発生する。
【0007】
このような現象を回避するためには、振動子を製造する最終段階で、例えば、振動子の寸法を切り詰めたりして互いの周波数が一致するよう調節する方法がとられてきたが、非常に煩雑である上に、場合によっては経時変化で各々の共振周波数が再びずれてしまうこともあり、万全でなかった。
【0008】
以前より、超音波振動の有効利用の目的で様々な振動形態の振動子が提案され実用化が試みられてきており、以前から存在する軸方向と一致した方向に振動する軸振動モードはもちろん、軸心を中心にねじれる方向に振動するねじれ振動モードや、軸と直角方向に曲げモーメントが働くたわみ振動モード等を利用した振動子が各種提案され使用されてきている。ここで言う“軸振動モード”とは縦波(粗密波)であり、ねじり振動モードは横波(せん断波)であり、その振動伝播メカニズムは全く異なり、かつ、同一形状で同一素材でも各々のモードの音速は異なる。また、たわみ振動モードは屈曲波とも呼ばれ、振動体の形状次第で音速が大きく変化し、ねじり振動の横波とはまた異質のものである。λ=V/F(λ:波長、V:音速、F:共振周波数)の公式で表される共振周波数における波長λも各振動モードで全く異なる。従って、異なる振動モード間では負荷や温度等の条件が変化すると各々の振動モードにおける共振周波数の変化率も異なる。
【0009】
昨今の工業技術の進歩に伴い、超音波の有効利用の試みが盛んになるにつれ、従来にない振動形態、特に複数の振動モードを1つの振動子で実現する複合振動発生超音波振動子の実現の要求が高まりつつあり、振動子先端部に2次元或いは3次元的に複雑な振動軌跡を描かせて、超音波による更なる性能の向上を得ようと試みられている。
【0010】
例えば、ねじれ方向に振動するねじり振動(Totional)と、軸方向に振動する軸振動(Longitudinal)を1つの振動子で実現するT−L型複合振動子の場合、通常は各々の振動モードの音速が異なるので軸振動とねじれ振動では共振周波数は全く異なることになる。
【0011】
しかし、形状を工夫することでねじり振動の共振周波数と軸振動の共振周波数とを設計上一致させることは可能である。一般に、軸振動の波長に対してねじり振動の波長は短いが、形状を工夫し且つ互いの最小公倍数の波長になるよう振動子を設計すれば共振周波数を一致させられる。
【0012】
この場合、振動子先端部の振動軌跡は、軸振動とねじれ振動を駆動する電圧位相が同じであれば螺旋振動を発生させることが可能となる。一例として、図13にT−L型複合振動子211の構成とその振動分布図を示す。前部ホーン212と後部ホーン213で軸振動用圧電素子214とねじり振動用圧電素子215を挟み込み、締着ボルト216で締着したランジュバン型のT−L型複合振動子211において、設計の段階で互いの共振周波数を一致させる形状とし、各々の圧電素子214,215に共振周波数に同期した高周波電圧を印加すれば、軸振動とねじり振動を同時に発生させることが可能になる。
【0013】
このとき、振幅を縦軸に採った場合、図13中に示すように軸振動を軸振動分布217、ねじり振動をねじり振動分布218として表される。
【0014】
しかし、実用上安定して共振周波数が一致し続けることは非常に困難である。即ち、振動子214,215に装着された工具の摩耗や再研削若しくは交換等によっては勿論、温度変化や負荷の大きさによって変化する共振周波数は、その振動モードによって変化率が異なり、諸条件の変化によって各共振周波数の差は大きく離れてしまう。
【0015】
更に、このような複合振動子を用いて楕円振動の発生についても数々の試みがなされてきている。
【0016】
しかし、楕円振動もそもそも異なる振動モードを同一の周波数で駆動してその位相を調整することで得られるもので、既に説明した通り、やはり安定して長時間楕円振動を得るのは非常に困難である。
【0017】
もっとも、短時間であれ自動追尾を用いて安定した楕円振動を得ようとの試みもあり、その基本的な構成の一例を図14に示す。前部ホーン212と後部ホーン213で軸振動用圧電素子214とたわみ振動用圧電素子219,220を挟み込み、締着ボルト216で締着したランジュバン型のB−L(Bending−Longitudinal)型複合振動子221を形成する。ここで、たわみ振動用圧電素子219,220は2枚の互いの圧電方向が向き合うように合わせた円環状の圧電素子を2分割して半円環状に形成している。
【0018】
たわみ振動用圧電素子219は圧電方向がプラス側の面を向き合わせて構成し(→←で表す)、たわみ振動用圧電素子220は圧電方向がマイナス側の面を向き合わせて(←→で表す)構成している。これで共通の電極に駆動電圧を印加すれば一方の圧電素子219又は220が膨張するサイクルで他方の圧電素子220又は219が収縮するため、簡単にたわみ振動を発生することが可能になり、軸振動用圧電素子214との組合せでB−L型複合振動子221が構成される。この振動子は設計の段階で形状を工夫して互いの共振周波数を一致させる形状とし、各々の圧電素子219,220に共振周波数に同期した高周波電圧を印加すれば、軸振動とたわみ振動を同時に発生させることが可能になる。
【0019】
いま、電圧制御発振器(VCO)222の出力をたわみ振動用出力増幅回路223で増幅し、たわみ振動速度検出器224を介してたわみ振動用圧電素子219,220に印加する。
【0020】
ここに、印加される電圧及び電流の位相差をたわみ振動速度検出器224で検出して共振周波数とのずれを周波数制御電圧V1として出力して電圧制御発振器222にフィードバックし、駆動周波数と本来の共振周波数が外れれば、その差分が周波数制御電圧V1に表れ電圧制御発振器222の発振周波数を制御することで常に共振周波数で安定して発振するPLL型自動追尾回路が構成され、たわみ振動は共振周波数にて安定した振動を継続することが可能になる。
【0021】
次に、電圧制御発振器222の出力を位相制御器225を介して軸振動用出力増幅回路226にて増幅して軸振動用圧電素子214に印加すれば、同時に軸振動も発生することになる。ここで、位相制御器225で位相をずらせば、たわみ振動と軸振動の動作タイミングも位相がずれることになり、リサージュ波形の振動軌跡を発生させ、90度位相がずれていれば振動子先端は図14中に示すように楕円振動の軌跡Sを描くことになる。
【0022】
しかし、これはあくまで両振動モードの共振周波数が完全に一致しているときに実現できることで、何れか一方が僅かでも共振周波数からずれていれば、共振周波数からずれたその振動モードの効率は極端に悪化し、僅かな振幅しか得られず、ほぼ直線振動の振動軌跡になってしまう。
【0023】
一例として示した図14の回路の場合、たわみ振動の共振周波数は常に自動追尾しているので安定して共振周波数で振動することが可能であるが、軸振動に関してはたわみ振動の共振周波数で駆動されているに過ぎない。
【0024】
従って、軸振動の共振周波数が何らかの要因でずれてしまえば安定した楕円振動は得られなくなる。ランジュバン型振動子はかなり鋭い共振、つまり、Q(Quality Factor)が非常に大きいため、設計の段階で軸振動とたわみ振動の各々の共振周波数を一致させたとしても、負荷や温度等の条件が変化すると互いの共振周波数の変化率も違うことで全く異なる共振周波数になってしまい、その結果相対位相や相対振幅がずれて振動形態を正しく制御することができなくなる。
【0025】
従って、ランジュバン型複合振動子における超音波楕円振動は応用研究段階での一時的な実験的結果しか得られていない現状にある。
【0026】
この他に、軸と直角方向に振動するたわみ振動(Bending)と、軸心に対してねじれる方向に振動するねじり振動(Totional)を1つの振動子で実現するB−T型複合振動子や3つの振動モードを組合せたT−B−L型複合振動子などもあるが、何れの場合も同様の理由で各共振周波数を満足して一致し続けることは実用上不可能である。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
以上、このような従来技術では、複数の超音波振動子を合成して大出力を得る装置において簡単に各々の振動子の共振周波数を一致させ、それを継続して安定させることは困難である。また、超音波振動子の固有の共振周波数の変動を検出してその周波数に合った周波数で駆動を行うのが従来の一般的な制御技術であるため、複合振動発生超音波振動子の場合に各々のモードで勝手に変動する共振周波数に各々発振器を接続して別駆動することはできても、リアルタイムで振動子の共振周波数をアクティブに制御する技術は存在せず、各々の振動モードで同期の取れた振動制御を安定して行うことは不可能である。
【0028】
即ち、1つの振動体の中で異なる共振要素が複数存在する場合、各々の共振周波数を設計段階で合わせたとしても、それを継続的に安定し続けることは物理的に不可能であり、その対処方法としてアクティブに共振周波数を制御する方法が長年待ち望まれている。
【0029】
そこで、本発明は、超音波振動子を構成する圧電素子の一部に、位相の異なった信号を印加したり、インピーダンス素子を接続してその値を制御したりすることで振動子の共振周波数を強制的に制御でき、これによって1つの振動体の中で異なる共振要素が複数存在する場合でも、各々の共振周波数を継続的かつ安定して完全に一致させることが可能な超音波振動子及び複合振動発生超音波振動子を提供することを目的とする。
【0030】
【課題を解決するための手段】
【0032】
請求項1記載の発明の超音波振動子は、軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せた超音波振動子において、一対以上の前記主圧電素子に駆動電圧を印加して振動させる場合に、残りの少なくとも一対の前記副圧電素子の両端を前記主圧電素子に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングで短絡させて当該振動子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備える。
【0033】
即ち、軸振動用の複数対の圧電素子のうち、主圧電素子に対して位相角をずらしたタイミングで副圧電素子両端に発生する起電力を短絡することで超音波振動子の電気的に検出される共振周波数を強制的に制御できるようにしたものであり、一対以上の主圧電素子に電圧を印加して振動させ、残りの一対以上の副圧電素子は主圧電素子に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングでその副圧電素子の両端を短絡させることで超音波振動子の電気的に検出される共振周波数を任意の周波数に強制的にずらしかつ自動追尾による安定した振動が可能となる。この結果、超音波パワー合成器のように複数の振動子を同一の周波数で駆動する場合も、本発明を適用することで、容易に周波数を一致させ効率よく安定した動作が実現でき、また経時変化の問題もなくなる。
【0034】
請求項2記載の発明の複合振動発生超音波振動子は、振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、前記副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子において、前記主振動モードで振動している圧電素子及び前記副振動モードで振動する前記主圧電素子にそれぞれ印加する同一の発振器からの信号に基づく同じ電圧と同一周波数で位相角をずらした電圧を前記副振動モードで振動する前記副圧電素子に印加して前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備え、常に前記主振動モードの共振周波数に前記副振動モードの共振周波数を一致させるようにした。
【0035】
請求項3記載の発明の複合振動発生超音波振動子は、振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、前記副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子において、前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の両端を、前記主振動モードで振動する圧電素子及び前記副振動モードで振動する前記主圧電素子にそれぞれ印加する同一の発振器からの信号に基づく同じ電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングで短絡させて前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備え、常に前記主振動モードの共振周波数に前記副振動モードの共振周波数を一致させるようにした。
【0036】
即ち、これらの請求項2、3記載の発明は、振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、前記副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子で、主振動モードで振動している共振周波数に対して、別モードで振動している副振動モードの副圧電素子について、周波数可変手段を用いて強制的に電気的に検出される共振周波数を変化させて常に主振動モードの共振周波数に副振動モードの共振周波数を一致させるようにしたものであり、主振動モードで振動している共振周波数と、副振動モードの共振周波数とを強制的に一致させ、継続して安定した複合振動が得られることで、超音波を利用した切削や研削等の加工分野での応用範囲が広がり高品位な加工が期待できる。
【0040】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の参考例(その一)を図1に基づいて説明する。
【0041】
まず、軸振動用の一対の主圧電素子1と軸振動用の一対の副圧電素子2を前部ホーン3と後部ホーン4とで挟み込み締着ボルト5で強力に締め込んで構成してなるランジュバン型軸振動子6において、電圧制御発振器7の出力信号を軸振動用の主出力増幅回路8で増幅し、振動速度検出器9を介して主圧電素子1に入力させるように接続する。ここに、印加される電圧及び電流の位相差を振動速度検出器9で検出して共振周波数とのずれを周波数制御電圧V1として出力して電圧制御発振器7にフィードバックさせることによりPLL自動追尾回路10が構成され、軸振動は共振周波数にて安定した振動を継続することが可能になる。
【0042】
一方、電圧制御発振器7の出力を位相制御器11及び軸振動用の副出力増幅回路12を経て副圧電素子2に入力させるように接続する。ここで、位相調整用の可変抵抗器14により位相調整することで位相制御器11は電圧制御発振器7の信号の位相角を自在に変化させることが可能である。この状態で可変抵抗器14により位相を変化させると、その位相角のずれ具合に応じて電圧制御発振器7の発振周波数は自在に変化する。つまり、ランジュバン型軸振動子6の共振周波数が自在に変化することになる。これは、強制的に駆動電圧の位相を変えられて駆動される副圧電素子2が主圧電素子1により機械的に駆動される振動位相との合成ベクトルで振動するため、見掛け上、副圧電素子2自身の音速が変化したためと推測される。これらの可変抵抗器14を有する位相制御器11及び軸振動用の副出力増幅回路12が周波数可変手段13を構成している。
【0043】
このように、本参考例によれば、副圧電素子2に対して主圧電素子1に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらした電圧を印加してランジュバン型軸振動子6の共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段13を備えるので、可変抵抗器14により位相を変化させるだけでランジュバン型軸振動子6の共振周波数を任意に決定することが可能になる。
【0044】
本発明の第一の参考例(その二)を図2に基づいて説明する。第一の参考例(その一)で示した部分と同一又は相当する部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する(以降の各実施の形態及び参考例でも同様とする)。
【0045】
本参考例のランジュバン型軸振動子20では、周波数調整用の可変抵抗器21によって任意の発振周波数に調整可能な発振器22の信号は軸振動用の主出力増幅回路8で増幅し、振動速度検出器9を介して軸振動用の主圧電素子1に入力される。同じく、発振器22から電圧制御型位相制御器23を介して軸振動用の副出力増幅回路12で増幅した信号は軸振動用の副圧電素子2に入力される。振動速度検出器9で検出したランジュバン型軸振動子20の共振周波数に対する検出信号は、位相制御電圧V2として電圧制御型位相制御器23に与えられその位相角を制御する。これらの振動速度検出器9、電圧制御型位相制御器23及び軸振動用の副出力増幅回路12が周波数可変手段24を構成している。
【0046】
このような構成において、発振器22で任意の周波数の信号が軸振動用の主出力増幅回路8及び振動速度検出器9を経て軸振動用の主圧電素子1を駆動すると、本来のランジュバン型軸振動子20の共振周波数と駆動した周波数との差分の信号が振動速度検出器9から位相制御電圧V2として電圧制御型位相制御器23に出力され、それをフィードバック信号の電圧として電圧制御型位相制御器23の位相角を変える。
【0047】
軸振動用の主圧電素子1に加わる信号に対して軸振動用の副圧電素子2の信号の位相が大きくずれれば、見掛け上軸振動用の副圧電素子2自身の音速が変化したためと推測される現象でランジュバン型軸振動子20そのものの共振周波数が変化することになる。そして、発振器22の周波数とランジュバン型軸振動子20の変化させられた共振周波数が一致したところで安定した共振振動を継続することになる。
【0048】
ここで、温度変化や負荷変動などでランジュバン型軸振動子20の共振周波数が変わったとしても、その差分が位相制御電圧V2として電圧制御型位相制御器23を制御し位相を更に変化させることで、強制的にランジュバン型軸振動子20の共振周波数を発振器22の発振周波数に自動追尾的に合わせることが可能になる。
【0049】
即ち、従来の超音波振動の自動追尾は、振動子の共振周波数の変化に合わせて発振周波数を変化させていたが、本参考例によれば、発振器22の発振周波数に強制的にランジュバン型軸振動子20の共振周波数を合わせるという新しい方法を提供するものである。また、次の図3に示す方式と同様に複数の振動子を同一の周波数で安定して駆動させることも可能である。
【0050】
本発明の第一の参考例(その三)を図3に基づいて説明する。
【0051】
本参考例は、図1に示した第一の参考例(その一)の制御方法を発展的に改良することで、図12に示した超音波パワー合成器201の問題点を解決するようにしたものである。十字型の縦横の長さが各々1/2波長(λ/2)のパワー合成用振動体31の3面に励振用振動子32a,32b,32cを装着し、残りの1面に加工用ホーン33を装着した超音波パワー合成器34において、3体の励振用振動子32a,32b,32cは各々軸振動用の主圧電素子1と軸振動用の副圧電素子2が含まれた構成となっている。そして、その合成した超音波パワーが加工用ホーン33から得られるが、従来の手段では、各々の振動子の共振周波数などの電気的特性が一致しないと効率よい出力が得られ難かったものである。
【0052】
この点、本参考例では、電圧制御発振器7の出力信号を軸振動用の主出力増幅回路8で増幅し、振動速度検出器9aを介して1本目の励振用振動子32aの軸振動用の主圧電素子1に付与する。ここに、印加される電圧及び電流の位相差を振動速度検出器9aで検出して共振周波数とのずれを周波数制御電圧V1として出力して電圧制御発振器7にフィードバックさせることによりPLL自動追尾回路10が構成され、軸振動は共振周波数にて安定した振動を継続することが可能になる。
【0053】
一方、電圧制御発振器7の出力を位相制御器11aを介して軸振動用の副出力増幅回路12aを経て軸振動用の副圧電素子2に付与する。ここで、位相調整用の可変抵抗器14を調整することで位相制御器11aは電圧制御発振器7の信号の位相角を自在に変化させることが可能である。この状態で位相調整用の可変抵抗器14を変化させると、その位相のずれ具合に応じて電圧制御発振器7の発振周波数は自在に変化し、励振用振動子32aの共振周波数が自在に変化することになる。
【0054】
次に、軸振動用の主出力増幅回路8の出力を2個目の振動速度検出器9bを介して2本目の励振用振動子32bの軸振動用の主圧電素子1に付与する。そして、電圧制御発振器7の出力を電圧制御型位相制御器11bを介して2個目の軸振動用の副出力増幅回路12bで増幅して、同じく2本目の励振用振動子32bの軸振動用の副圧電素子2に付与する。3本目の励振用振動子32cも2本目の励振用振動子32bと同一の回路構成とする(添え字“c”を付して示す)。ここで、1本目の励振用振動子32aの動作は図1に基づいて説明したので省略する。
【0055】
2本目の励振用振動子32bの場合、軸振動用の主圧電素子1に加えられる電圧は、1本目の励振用振動子32aの軸振動用の主圧電素子1に加えられる電圧と同一である。従って、本来の共振周波数とずれた信号が加わった場合、振動速度検出器9bからその偏差に応じた位相制御電圧V2bが出力され、その信号で電圧制御型位相制御器11bは周波数の偏差分だけ電圧制御発振器7の位相角を変え、2個目の軸振動用の副出力増幅回路12bで増幅して2本目の励振用振動子32bの軸振動用の副圧電素子2を駆動して共振周波数を強制的に変化させ、1本目の振動周波数と一致した周波数で安定する。
【0056】
3本目の励振用振動子32cも同じ原理で動作し、従って、3本の励振用振動子32a,32b,32cが同一の周波数で振動する。ここに、共振周波数などの電気的特性が一致しない振動子を複数個結合させると、各々の共振周波数が異なることによって、幾つかのスプリアスレスポンスが現れることになり、理想的な自動追尾ができなくなり、このような状態で使用し続けると、必要とするだけの超音波パワーが得られなかったり、特定の振動子にのみ負担が加わりその振動子を破損させてしまったり発振装置を破壊してしまうなどの不具合が発生する。
【0057】
このような現象を回避するためには、振動子を製作する最終段階で、例えば、振動子の寸法を切り詰めたりして互いの周波数が一致するよう調節する方法がとられてきたが、本参考例の対応策を用いることで、特別に振動子の形状などを調節することもなく、容易に周波数を一致させて効率よく安定した動作が実現でき、また、経時変化の問題もなくなる。
【0058】
本発明の第一の実施の形態を図4に基づいて説明する。本実施の形態は、請求項1記載の発明に相当する。
【0059】
本実施の形態のランジュバン型軸振動子40では、周波数調整用の可変抵抗器21によって任意の発振周波数に調整可能な発振器22の信号が軸振動用の主出力増幅回路8で増幅し、振動速度検出器9を介して軸振動用の主圧電素子1に付与されるように接続されている。同じく、発振器22からの信号が電圧制御型位相制御器23を介して短絡回路41及び共役整合用コイル42を経て軸振動用の副圧電素子2に付与されるように接続されている。共役整合用コイル42は軸振動用の副圧電素子2の制動容量と共役が取れる値にインダクタンスが設定されている。短絡回路41は、結合トランス43、コンデンサ44、2個のフライホイルダイオード45a,45b、2個のFET46a,46b、2個の反転増幅器47a,47bにより構成されている。この短絡回路41は2個の反転増幅器47a,47bにより2個のFET46a,46bを交互にオンさせており、結合トランス43の2次側のコイル中性点0に直流電圧を加えれば、プッシュプル回路として従来より広く知られている増幅回路になるが、本実施の形態では、電圧を加えない構成とされている。振動速度検出器9により検出された振動子の共振周波数に対する検出信号は、位相制御電圧V2として電圧制御型位相制御器23の位相角を制御する。これらの振動速度検出器9、位相制御器23、短絡回路41及び共役整合用コイル42により周波数可変手段48が構成されている。
【0060】
このような回路構成において、発振器22で任意の周波数の信号が軸振動用の主出力増幅回路8及び振動速度検出器9を経て軸振動用の主圧電素子1を駆動すると、本来の振動子の共振周波数と駆動した周波数との差分の信号が振動速度検出器9から位相制御電圧V2として出力され、その電圧V2に応じて電圧制御型位相制御器23の位相角を変える。ここでは、電圧制御型位相制御器23で変えられた位相角で2個の反転増幅器47a,47bを介して2個のFET46a,46bを交互にオンさせる。軸振動用の主圧電素子1に加えられた信号で振動子は振動する。同時に軸振動用の副圧電素子2には振動によるピエゾ効果で振動周波数と同期した電圧が発生する。圧電素子は、その変形と電圧との間には可逆的な関係があり、電圧を加えれば変形し、変形させられれば電圧を発生する圧電効果を有する。
【0061】
請求項1記載の発明に相当する本実施の形態では、発生した電圧を利用する。軸振動用の副圧電素子2に発生した電圧は共役整合用コイル42を介して短絡回路41に加えられることにより、結合トランス43の2次側に電圧が誘起される。一方、2個のFET46a,46bはオン・オフを繰返しており、電圧制御型位相制御器23で位相をずらしたタイミングで軸振動用の副圧電素子2で発生した電圧を短絡することになり、その位相ずれのレベル、つまり、位相角を変えることで振動子の共振周波数を強制的に変化させる。ここに、本発明者は、以前、軸振動用の副圧電素子2を何も接続しない開放状態とアースへ短絡した状態とでは振動子の共振周波数が大きく異なることを発見した。これは、圧電素子のインピーダンスが異なるとその音速が変わるためと推測される。そして、この現象を利用し、かつ、連続的に共振周波数を可変させる手段として、位相角を連続可変して短絡することで振動子の共振周波数を連続可変させる周波数可変手段48を具現化したものである。
【0062】
このような構成において、発振器22で任意の周波数の信号が軸振動用の主出力増幅回路8及び振動速度検出器9を経て軸振動用の主圧電素子1を駆動すると、本来の振動子の共振周波数と駆動した周波数との差に比例した信号が振動速度検出器9から位相制御電圧V2として出力し、それをフィードバック信号の電圧として電圧制御型位相制御器23の位相角(位相差)を変える。軸振動用の主圧電素子1に加わる信号に対して軸振動用の副圧電素子2の短絡の位相角が大きくずれれば、強制的に軸振動用の主圧電素子1自身の音速が変化したためと推測される現象で振動子そのものの共振周波数が変化することになる。そして、発振器22の駆動周波数と振動子の変化させられた共振周波数が一致したところで安定した共振振動を継続することになる。ここで、温度変化や負荷変動などで振動子の共振周波数が変わったとしても、その差分が位相制御電圧V2として電圧制御型位相制御器23を制御し、位相を更に変化させることで強制的に振動子の共振周波数を発振器22の発振周波数に自動追尾的に合わせることが可能になる。
【0063】
即ち、従来の超音波振動の自動追尾は、振動子の共振周波数の変化に合わせて発振周波数を変化させていたが、本実施の形態では、前述した各参考例の場合と同様に、周波数可変手段48を備えることにより、発振器22の発振周波数に強制的に振動子の共振周波数を合わせることが可能となる。
【0064】
本発明の第一の参考例(その四)を図5及び図6に基づいて説明する。
【0065】
本参考例のランジュバン型軸振動子50では、周波数調整用の可変抵抗器21によって任意の発振周波数に調整可能な発振器22の信号を軸振動用出力増幅回路51で増幅し、振動速度検出器9を介して軸振動用の主圧電素子1に付与するように接続されている。振動速度検出器9は振動子の共振周波数と駆動される周波数の偏差に対応した信号であるインダクタンス制御電圧V3を発生する。軸振動用の副圧電素子2にはインダクタンス制御電圧V3に応じてインダクタンスが可変可能なインダクタンス可変回路52を介して接地されている。このインダクタンス可変回路52により周波数可変手段53が構成されている。振動速度検出器9により検出された振動子本来の共振周波数と駆動される周波数の偏差に対応した検出信号は、インダクタンス制御電圧V3としてインダクタンス可変回路52に与えられそのインダクタンスを制御する。
【0066】
図6にインダクタンス可変回路52の詳細な回路例を示す。可変コイル54は可変コイル1次側54aと可変コイル2次側54bとにより構成され、インダクタンス可変回路52の端子A及びBは可変コイル1次側54aの端子A及びBと一致する。可変コイル2次側54bの片端子は直流電源55を介して接地されている。他端子はチョークコイル56とコンデンサ57とにより形成されるローパスフィルタ58を介して定電流回路59に接続されている。定電流回路59はトランジスタ60と検出抵抗61とオペアンプ62とにより構成されており、オペアンプ62の+入力にはインダクタンス制御電圧V3が印加され、その電圧に対応した直流安定化電流が可変コイル2次側54bを流れるように構成されている。
【0067】
なお、チョークコイル56及びコンデンサ57により構成されたローパスフィルタ58によって可変コイル2次側54bに誘起する超音波周波数の高周波電圧は定電流回路59には流れ込まない。これにより、可変コイル54のコアには直流磁界が重畳されることになり、直流磁界の強さによって可変コイル1次側54bのインダクタンスがインダクタンス制御電圧V3の電圧レベルに応じて連続して変化させられることになる。
【0068】
このような回路構成において、発振器22による任意の周波数の信号が軸振動用出力増幅回路51及び振動速度検出器9を経て軸振動用の主圧電素子1を駆動すると、発振器22の信号に対応した周波数で振動子は振動する。同時に軸振動用の副圧電素子2には振動による圧電効果で振動周波数に同期した高周波電圧が発生しインダクタンス可変回路52を経てアースに流れる。ここでインダクタンス可変回路52のインダクタンスが変化すると振動子の共振周波数も変化する。これは、軸振動用の主圧電素子1から見て軸振動用の副圧電素子2のインピーダンスが変化し、それによって軸振動用の副圧電素子2の音速が変わり、その結果振動子の共振周波数が変化させられたためと推測される。
【0069】
ここで、本来の振動子の共振周波数と駆動した周波数との偏差に比例した信号が振動速度検出器9からインダクタンス制御電圧V3として出力されるが、これをフィードバック信号の電圧としてインダクタンス可変回路52のインダクタンスを変えるようにすれば、発振器22の周波数と振動子の変化させられた共振周波数が一致したところで安定した共振振動を継続することになる。この際、温度変化や負荷変動などで振動子の共振周波数が変わったとしても、その差分がインダクタンス制御電圧V3としてインダクタンス可変回路52を制御しインダクタンスを更に変化させることで強制的に振動子の共振周波数を発振器の発振周波数に自動追尾的に合わせることが可能になる。
【0070】
即ち、従来の超音波振動の自動追尾は、振動子の共振周波数の変化に合わせて発振周波数を変化させるようにしていたが、本参考例では、周波数可変手段53を備えることにより、前述した各実施の形態の場合と同様に、発振器22の発振周波数に強制的に振動子の共振周波数を合わせることができる。
【0071】
本発明の第二の実施の形態を図7に基づいて説明する。本実施の形態は、請求項2記載の発明に相当する。
【0072】
本実施の形態は、複合振動発生超音波振動子なるB−L型複合振動子70に適用されている。即ち、軸振動用の主圧電素子1、軸振動用の副圧電素子2に加えて、振動モードの異なるたわみ振動用圧電素子71A,71Bを備えている。即ち、たわみ振動用圧電素子71A,71B、軸振動用の主圧電素子1及び軸振動用の副圧電素子2を前部ホーン3と後部ホーン4で挟み込み、締着ボルト5で強力に締め付けたB−L型複合振動子70において、電圧制御発振器7の信号を出力増幅回路72により増幅し、たわみ振動速度検出器73を介してたわみ振動用圧電素子71A,71Bに印加する構成とされ、主振動モードなるたわみ振動を発生させる。ここで、たわみ振動速度検出器73では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子71A,71Bに印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧V4として出力し、この周波数制御電圧V4をフィードバック信号として電圧制御発振器7を制御すれば、たわみ振動はPLL型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【0073】
一方、出力増幅回路72の出力は軸振動速度検出器74を介して軸振動用の主圧電素子1にも印加され、たわみ振動の共振周波数と同じ信号が印加される。また、電圧制御発振器7からの信号は電圧制御型位相制御器23を介して軸振動用の副出力増幅回路12で増幅された後、軸振動用の副圧電素子2に印加される。ここに、軸振動速度検出器74、電圧制御型位相制御器23及び副出力増幅回路12により周波数可変手段75(周波数可変手段24に対応する)が構成されている。電圧制御型位相制御器23は軸振動速度検出器74により検出された位相制御電圧V2により位相角が制御される。この複合振動子70の場合、常にたわみ振動の共振周波数で軸振動用の主圧電素子1も駆動されるわけであるが、本来の軸の共振周波数とたわみ振動の共振周波数との偏差に比例した信号がフィードバック信号となり位相制御電圧V2として軸振動用の副圧電素子2に加わる信号の位相角を制御することで軸振動の共振周波数が強制的にたわみ振動の共振周波数に合わせられることになる。つまり、軸振動(副振動モード)の共振周波数がたわみ振動(主振動モード)の共振周波数に自動追尾することになり、同一の周波数で安定した複合振動が実現できることになる。
【0074】
なお、本実施の形態では、周波数可変手段24対応の周波数可変手段75を用いたが、周波数可変手段13,48又は53対応の周波数可変手段を用いるようにしてもよい(請求項3記載の発明に相当する)。
【0075】
本発明の第二の参考例を図8に基づいて説明する。
【0076】
本参考例も、複合振動発生超音波振動子なるB−L型複合振動子80に適用されている。
【0077】
たわみ振動用圧電素子71A,71B、軸振動用の主圧電素子1、軸振動用の副圧電素子2を前部ホーン3と後部ホーン4とで挟み込み、締着ボルト5で強力に締め付けたB−L型複合振動子80において、電圧制御発振器7の信号をたわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81で振幅の制御が可能なたわみ振動用出力増幅回路82で増幅し、たわみ振動速度検出器73を介してたわみ振動用圧電素子71A,72Bに印加する構成とし、たわみ振動を発生させる。ここで、たわみ振動速度検出器73では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子に印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧V1として出力し、この周波数制御電圧V1をフィードバック信号として電圧制御発振器7を制御すれば、たわみ振動はPLL型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【0078】
一方、電圧制御発振器7の信号は位相調整用の可変抵抗器83で任意に位相角が可変できる振動軌跡制御用位相制御器84を経て軸振動振幅制御用の可変抵抗器85で振幅の制御が可能な軸振動用出力増幅回路86で増幅され、軸振動速度検出器74を介して軸振動用の主圧電素子1に印加され、たわみ振動の共振周波数と同一の周波数で位相角が変えられた信号が印加される。また、電圧制御発振器7からの信号を電圧制御型位相制御器23を介して軸振動用の副出力増幅回路12で増幅して軸振動用の副圧電素子2に印加する。電圧制御型位相制御器23は軸振動速度検出器74で検出された位相制御電圧V2に応じて位相角が制御される。即ち、第二の実施の形態との対比では、振動軌跡制御用位相制御器84と軸振動用出力増幅回路86とによる制御手段87が付加されている。つまり、本参考例では、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81によりたわみ振動(主振動)モードに印加する電圧を変えることでそのたわみ振動の振幅の変化可能な構造を有し、かつ、軸振動振幅制御用の可変抵抗器85により軸振動(副振動)モードに印加する電圧も変えることでその軸振動モードの振幅を変化可能な構造を有して、制御手段87は、同時に位相角をたわみ振動モードの電圧の位相に対して変化させ、各々に印加する電圧と位相を制御することでリサージュ波形の振動軌跡を発生させ、その振動軌跡を任意に制御するものである。
【0079】
このような構成の複合振動子80の場合、常にたわみ振動の共振周波数で軸振動用の主圧電素子1も駆動されるわけであるが、第二の実施の形態で説明した原理と同じく軸振動の共振周波数とたわみ振動の周波数との偏差に比例した信号がフィードバック信号となり位相制御電圧V2として軸振動用の副圧電素子2に加わる信号の位相を制御することで軸振動の共振周波数が強制的にたわみ振動の共振周波数に合わせられることになり、同一の周波数で安定した複合振動が実現できることになる。ここで、位相調整用の可変抵抗器83で位相角を調整すれば任意のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。
【0080】
例えば、互いの位相角を90度に設定すれば振動子先端部は楕円振動S1に示す軌跡を描くことになり、たわみ振動と軸振動の振動振幅が等しければ真円の軌跡を描くことが可能である。ここで、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81と軸振動振幅制御用の可変抵抗器85を調整すれば様々な楕円率のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。更に位相調整用の可変抵抗器83を調整することで楕円の傾斜も調整でき、例えば傾斜した楕円振動S2のような振動軌跡も自由に実現できる。
【0081】
本発明の第三の参考例を図9に基づいて説明する。
【0082】
本参考例では、同一特性のたわみ振動用圧電素子71C,71C′と、軸振動用の副圧電素子2とを前部ホーン3と後部ホーン4とで挟み込み、締着ボルト5で強力に締め付けたB−L型複合振動子90が用いられる。
【0083】
ここで、一対のたわみ振動用圧電素子71C,71C′は互いの圧電方向が向き合うように合わせた円環状の圧電素子を2分割して半円環状に形成し、かつ、2組とも圧電方向がプラス側の面を向き合わせて(→←で表す)構成されている。もっとも、2組とも圧電方向がマイナス面を向き合わせて(←→で表す)構成しても効果は等しい。この場合、電極を共通化せずに各々の駆動電圧を逆相で印加すれば片方の圧電素子が膨張するサイクルでもう一方の圧電素子が収縮するため、簡単にたわみ振動を発生させることが可能になる。また、各々の電極に同相の駆動電圧を印加すれば各々のたわみ振動用圧電素子71C,71c′は同一周期で伸び縮みを繰返すので軸振動を発生することができる。従って、同一のたわみ振動用圧電素子71C,71c′を組合せて、各々に加える駆動電圧の位相を変えることで軸振動でもたわみ振動でも発生できることになる。
【0084】
ここで、振動合成用トランス91の2次側の一方の端子Aを一方のたわみ振動用圧電素子71Cの端子Aに接続し、振動合成用トランス91の2次側の他方の端子Bを他方のたわみ振動用圧電素子71C′の端子Bに接続し、振動合成用トランス91の2次側の中性点0に駆動電圧を加えれば、たわみ振動用圧電素子71C,71C′には同相の駆動電圧が印加されるので軸振動を発生する。同時に振動合成用トランス91の1次側に別に駆動電圧を加えれば、振動合成用トランス91の2次側には逆位相の電圧が端子A,Bに現れるので、たわみ振動用圧電素子71C,71C′でたわみ振動を発生することが可能になる。
【0085】
従って、振動合成用トランス91を使用すれば、振動子構造が簡略化されたB−L型複合振動子90が実現できる。
【0086】
ここで、電圧制御発振器7の信号をたわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81で振幅の制御が可能なたわみ振動用出力増幅回路82で増幅した後、たわみ振動速度検出器73を介して振動合成用トランス91に付与するように接続する。たわみ振動速度検出器73では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子に印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧V1として出力し、この周波数制御電圧V1をフィードバック信号として電圧制御発振器7を制御すれば、たわみ振動はPLL型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【0087】
一方、電圧制御発振器7の信号は位相調整用の可変抵抗器83で任意に位相角が可変できる振動軌跡制御用位相制御器84を経て軸振動振幅制御用の可変抵抗器85で振幅の制御が可能な軸振動用出力増幅回路86で増幅し、軸振動速度検出器74を介して振動合成用トランス91の2次側の中性点に入力されるように接続され、たわみ振動の共振周波数と同一で位相角が変えられた信号が印加される。また、電圧制御発振器7からの信号を電圧制御型位相制御器23を介して軸振動用の副出力増幅回路12で増幅して軸振動用の副圧電素子2に印加する。電圧制御型位相制御器23は軸振動速度検出器74で検出された位相制御電圧V2で位相角が制御される。
【0088】
本参考例のB−L複合振動子90の場合、図8に示した第二の参考例の場合と同じ原理で安定した複合振動が実現できるわけであるが、たわみ振動用圧電素子71C,71C′が前述の第二の参考例におけるたわみ振動用圧電素子71A,71Bと軸振動用の主圧電素子1との動作を同時に実行していることになる。従って、位相調整用の可変抵抗器83で位相角を調整すれば振動子先端に任意のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。
【0089】
例えば、互いの位相角を90度に設定すれば振動子先端部は楕円振動S1に示す軌跡を描くことになり、たわみ振動と軸振動の振動振幅が等しければ真円の軌跡を描くことが可能である。ここで、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81と軸振動振幅制御用の可変抵抗器85とを調整すれば様々な楕円率のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。更に位相調整用の可変抵抗器83を調整することで楕円の傾斜も調整でき、例えば傾斜した楕円振動S2のような振動軌跡も自由に実現できる。
【0090】
本発明の第四の参考例(その一)を図10に基づいて説明する。
【0091】
本参考例は、複合振動発生超音波振動子なるB−L型複合振動子100に適用されている。たわみ振動用圧電素子71A,71B、軸振動用の主圧電素子1及び軸振動用の副圧電素子2を前部ホーン3と後部ホーン4とで挟み込み、締着ボルト5で強力に締め付けたB−L型複合振動子100において、電圧制御発振器7の信号を分周回路101で整数分の1に分周後、その信号をたわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81で振幅制御が可能なたわみ振動用出力増幅回路82で増幅し、たわみ振動速度検出器73を介してたわみ振動用圧電素子71A,71Bに印加する樽成とし、たわみ振動を発生させる。
【0092】
ここで、たわみ振動速度検出器73では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子に印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧V1として出力し、この周波数制御電圧V1をフィードバック信号として電圧制御発振器7を制御すれば、たわみ振動はPLL型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【0093】
一方、軸振動振幅制御用の可変抵抗器85で振幅制御が可能な軸振動用出力増幅回路86で電圧制御発振器7の信号を増幅し、軸振動速度検出器74を介して軸振動用の主圧電素子1に入力させることで、たわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数の信号が印加される。また、電圧制御発振器7からの信号を電圧制御型位相制御器23を介して軸振動用の副出力増幅回路12で増幅して軸振動用の副圧電素子2に印加する。電圧制御型位相制御器23は軸振動速度検出器74で検出した位相制御電圧V2で位相角が制御される。
【0094】
このような構成のB−L型複合振動子100の場合、常にたわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数で軸振動用の主圧電素子1も駆動されるわけであるが、本来の軸の共振周波数とたわみ振動の整数倍の周波数との偏差に比例した信号がフィードバック信号となり、位相制御電圧V2として軸振動用の副圧電素子2に加わる信号の位相を制御することで軸振動の共振周波数が強制的にたわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数に合わせられることになり、安定した複合振動が実現できることになる。
【0095】
例えば、分周回路101の分周比を1/2にした場合、振動子の先端部分に8の字振動S3のようなリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。そして、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81及び軸振動振幅制御用の可変抵抗器85を調整することで、8の字振動S3の振幅としては自由に縦/横比が異なる軌跡を描かせられる。
【0096】
なお、本参考例では、周波数可変手段24対応の周波数可変手段75を用いたが、周波数可変手段13,48又は53対応の周波数可変手段を用いるようにしてもよい。
【0097】
本発明の第四の参考例(その二)を図11に基づいて説明する。
【0098】
たわみ振動用圧電素子71A,71B、軸振動用の主圧電素子1及び軸振動用の副圧電素子2を前部ホーン3と後部ホーン4とで挟み込み、締着ボルト5で強力に締め付けたB−L型複合振動子110において、電圧制御発振器7の信号を分周回路101で整数分の1に分周し、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81で振幅の制御が可能なたわみ振動用出力増幅回路82で増幅し、たわみ振動速度検出器73を介してたわみ振動用圧電素子71A,71Bに印加する構成とし、たわみ振動を発生させる。
【0099】
ここで、たわみ振動速度検出器73では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子に印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧V1として出力し、この周波数制御電圧V1をフィードバック信号として電圧制御発振器7を制御すれば、たわみ振動はPLL型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【0100】
一方、電圧制御発振器7の信号は位相調整用の可変抵抗器83で任意に位相角が可変できる振動軌跡制御用位相制御器84を経て軸振動振幅制御用の可変抵抗器85で振幅の制御が可能な軸振動用出力増幅回路86で増幅し軸振動速度検出器74を介して軸振動用の主圧電素子1に印加され、たわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数で位相角が変えられた信号が印加される。また、電圧制御発振器7からの信号を電圧制御型位相制御器23を介して軸振動用の副出力増幅回路12で増幅して軸振動用の副圧電素子2に印加する。電圧制御型位相制御器23は軸振動速度検出器74で検出された位相制御電圧V2で位相角が制御される。
【0101】
即ち、第四の参考例(その一)との対比では、振動軌跡制御用位相制御器84と軸振動用出力増幅回路86とによる制御手段87が付加されている。つまり、本参考例では、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81によりたわみ振動(主振動)モードに印加する電圧を変えることでそのたわみ振動の振幅の変化可能な構造を有し、かつ、軸振動振幅制御用の可変抵抗器85により軸振動(副振動)モードに印加する電圧も変えることでその軸振動モードの振幅を変化可能な構造を有して、制御手段87は、同時に位相角をたわみ振動モードの電圧の位相に対して変化させ、各々に印加する電圧と位相を制御することでリサージュ波形の振動軌跡を発生させ、その振動軌跡を任意に制御するものである。
【0102】
このような構成の複合振動子110の場合、常にたわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数で軸振動用の主圧電素子1も駆動されるわけであるが、本来の軸の共振周波数とたわみ振動の整数倍の周波数との偏差に比例した信号がフィードバック信号となり位相制御電圧V2として軸振動用の副圧電素子2に加わる信号の位相を制御することで軸振動の共振周波数が強制的にたわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数に合わせられることになり、安定した複合振動が実現できることになる。
【0103】
ここで、分周回路101の分周比を1/2に設定し、位相調整用の可変抵抗器83で位相角を調整すれば任意のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。例えば、互いの位相角を45度に設定すれば振動子先端部は位相をずらしたリサージュ波形S4に示す形状の軌跡を描くことになり、互いの位相角を90度に設定すれば振動子先端部は位相をずらしたリサージュ波形S5に示すように正弦波のような軌跡を描くことが可能である。さらに、ここで、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器81と軸振動振幅制御用の可変抵抗器85とを調整すれば様々な縦/横比のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。更に分周回路101の分周比を1/3に設定すると位相をずらしたリサージュ波形S6のような振動軌跡が実現できる。以上、分周比と位相角および振幅の設定を変えることで様々な振動軌跡を得ることができる。
【0104】
【発明の効果】
【0105】
請求項1記載の発明によれば、軸振動用の一対以上の主圧電素子に電圧を印加して振動させ、残りの軸振動用の一対以上の副圧電素子は主圧電素子に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングでその副圧電素子の両端を短絡させるようにしたので、超音波振動子の電気的に検出される共振周波数を任意の周波数に強制的にずらしかつ自動追尾による安定した振動が可能になり、例えば超音波パワー合成器のように複数の振動子を同一の周波数で駆動する場合でも、容易に周波数を一致させて効率よく安定した動作が実現でき、また経時変化の問題もなくすことができる。
【0106】
請求項2、3記載の発明によれば、振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子で、主振動モードで振動している共振周波数に対して、別モードで振動している副振動モードの副圧電素子を周波数可変手段を用いて強制的に一致させるようにしたので、継続して安定した複合振動を得ることができ、超音波を利用した切削や研削等の加工分野での応用範囲が広がり高品位な加工が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第一の参考例(その一)を示す超音波振動子の構成図である。
【図2】 本発明の第一の参考例(その二)を示す超音波振動子の構成図である。
【図3】 本発明の第一の参考例(その三)を示す超音波振動子の構成図である。
【図4】 本発明の第一の実施の形態を示す超音波振動子の構成図である。
【図5】 本発明の第一の参考例(その四)を示す超音波振動子の構成図である。
【図6】 そのインダクタンス可変回路の構成例を示す回路図である。
【図7】 本発明の第二の実施の形態を示す複合振動子の構成図である。
【図8】 本発明の第二の参考例を示す複合振動子の構成図である。
【図9】 本発明の第三の参考例を示す複合振動子の構成図である。
【図10】 本発明の第四の参考例(その一)を示す複合振動子の構成図である。
【図11】 本発明の第四の参考例(その二)を示す複合振動子の構成図である。
【図12】 一般的な超音波パワー合成器を示す構成図である。
【図13】 従来のT−L型複合振動子を示す構成図である。
【図14】 従来のランジュバン型B−L型複合振動子を示す構成図である。
【符号の説明】
1 主圧電素子
2 副圧電素子
13 周波数可変手段
24 周波数可変手段
48 周波数可変手段
53 周波数可変手段
81 可変手段
85 可変手段
87 制御手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic vibrator or a combined vibration generating ultrasonic vibrator used for performing various types of processing.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in the field of ultrasonic processing where a relatively large power is required, a Langevin type vibrator that can easily obtain a high output is often used as an ultrasonic vibrator. The resonance frequency of the Langevin type vibrator is substantially determined by physical characteristics such as Young's modulus, density, and dimensions of the components constituting the Langevin type vibrator, but exhibits a fairly sharp resonance. That is, since the electrical sharpness so-called Q (Quality Factor) is very large, the impedance changes greatly in the vicinity of the resonance frequency, and the impedance and amplitude of the vibrator change greatly only by a slight shift of the driving frequency. Therefore, in order to realize efficient ultrasonic vibration, the resonance frequency of the vibrator must be automatically and accurately tracked.
[0003]
If the drive frequency is slightly different from the resonance frequency, there is a risk that a desired vibration amplitude cannot be obtained, or an abnormal current flows to destroy the vibrator or the oscillation device. For this reason, a minute change in the resonance frequency due to a temperature change or a load change cannot be ignored, and a technique for always detecting a change in the resonance frequency of the vibrator and driving it by accurately automatically tracking the frequency is indispensable. Therefore, a PLL (Phase Locked Loop) system or the like has been widely used as an oscillator, which feeds back the vibration state of the vibrator and controls the oscillation frequency in accordance with the phase change of the electric signal in the vibration state.
[0004]
For example, when applying ultrasonic vibration to a field such as plastic processing of metal, a power of several kW or more is often required in the processed portion. In such a case, a method is adopted in which the output powers of a large number of vibrators are combined and taken out as high power.
[0005]
As an example, an
[0006]
However, in this case, it is difficult to obtain an efficient output unless the electrical characteristics such as the resonance frequency of the
[0007]
In order to avoid such a phenomenon, at the final stage of manufacturing the vibrator, for example, a method of adjusting the frequency so that the frequencies of the vibrators coincide with each other by truncating the dimensions of the vibrator has been taken. In addition to being complicated, in some cases, each resonant frequency may be shifted again due to a change with time, which is not perfect.
[0008]
In the past, vibrators with various vibration forms have been proposed and put to practical use for the purpose of effective use of ultrasonic vibration, and of course the axial vibration mode that vibrates in the same direction as the existing axial direction. Various types of vibrators using a torsional vibration mode that vibrates in a direction twisting around an axis or a bending vibration mode in which a bending moment acts in a direction perpendicular to the axis have been proposed and used. The “axial vibration mode” here is a longitudinal wave (dense wave), the torsional vibration mode is a transverse wave (shear wave), its vibration propagation mechanism is completely different, and each mode is the same shape and the same material. The speed of sound is different. The flexural vibration mode is also called a bending wave, and the sound speed changes greatly depending on the shape of the vibrating body, which is different from the torsional vibration transverse wave. The wavelength λ at the resonance frequency expressed by the formula λ = V / F (λ: wavelength, V: sound velocity, F: resonance frequency) is also completely different in each vibration mode. Accordingly, when conditions such as load and temperature change between different vibration modes, the change rate of the resonance frequency in each vibration mode also changes.
[0009]
Along with recent advances in industrial technology, the realization of a composite vibration generating ultrasonic transducer that realizes unprecedented vibration modes, especially multiple vibration modes with a single transducer, as attempts to effectively use ultrasonic waves become active. The demand for the vibrator is increasing, and the tip of the vibratorInAn attempt has been made to obtain a further improvement in performance by ultrasonic waves by drawing a complicated vibration locus in two or three dimensions.
[0010]
For example, in the case of a TL composite vibrator that realizes torsional vibration (Totional) that vibrates in the torsional direction and axial vibration (Longitudinal) that vibrates in the axial direction with a single vibrator, the speed of sound in each vibration mode is usually used. Therefore, the resonance frequency is completely different between axial vibration and torsional vibration.
[0011]
However, it is possible to make the resonance frequency of the torsional vibration and the resonance frequency of the axial vibration coincide with each other by designing the shape. In general, the wavelength of torsional vibration is shorter than the wavelength of axial vibration, but the resonance frequency can be matched if the shape of the vibrator is designed and the vibrator is designed to have a wavelength of the least common multiple of each other.
[0012]
In this case, the vibration trajectory at the tip of the vibrator can generate spiral vibration if the voltage phase for driving axial vibration and torsional vibration is the same. As an example, FIG. 13 shows a configuration of a TL type composite vibrator 211 and its vibration distribution diagram. In the design stage of the Langevin type TL type composite vibrator 211, in which the axial oscillating piezoelectric element 214 and the torsional vibrating
[0013]
At this time, when the amplitude is taken on the vertical axis, the axial vibration is represented as the axial vibration distribution 217 and the torsional vibration is represented as the
[0014]
However, it is very difficult to keep the resonance frequencies consistent with each other in practice. That is, the resonance frequency that changes depending on the temperature change and the load size as well as the wear, regrinding, or replacement of the tools mounted on the
[0015]
Furthermore, many attempts have been made to generate elliptical vibration using such a composite vibrator.
[0016]
However, elliptical vibrations can be obtained by driving different vibration modes at the same frequency and adjusting their phases. As already explained, it is very difficult to obtain elliptical vibrations stably for a long time. is there.
[0017]
However, there is an attempt to obtain a stable elliptical vibration using automatic tracking even for a short time, and an example of the basic configuration is shown in FIG. A Langevin type B-L (Bending-Longitudinal) type composite vibrator in which the axial vibration piezoelectric element 214 and the flexural vibration piezoelectric elements 219 and 220 are sandwiched between the front horn 212 and the
[0018]
The flexural vibration piezoelectric element 219 is constructed by facing the positive side of the piezoelectric direction (→ represented by ←), and the flexural vibration piezoelectric element 220 is oriented by facing the negative side of the piezoelectric direction (represented by ← →). ) Is configured. When a driving voltage is applied to the common electrode, the other piezoelectric element 220 or 219 contracts in a cycle in which one piezoelectric element 219 or 220 expands, so that flexural vibration can be easily generated. A B-L type composite vibrator 221 is configured in combination with the vibration piezoelectric element 214. The shape of the vibrator is devised at the design stage so that the resonance frequencies of the vibrators coincide with each other. When a high-frequency voltage synchronized with the resonance frequency is applied to each of the piezoelectric elements 219 and 220, axial vibration and flexural vibration are simultaneously generated. Can be generated.
[0019]
Now, the output of the voltage controlled oscillator (VCO) 222 is amplified by the flexural vibration output amplifying circuit 223 and applied to the flexural vibration piezoelectric elements 219 and 220 via the flexural vibration speed detector 224.
[0020]
Here, the phase difference between the applied voltage and current is detected by the flexural vibration speed detector 224, and the deviation from the resonance frequency is output as the frequency control voltage V1 and fed back to the voltage controlled oscillator 222. If the resonance frequency deviates, the difference appears in the frequency control voltage V1, and the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator 222 is controlled, so that a PLL type automatic tracking circuit that always oscillates stably at the resonance frequency is configured. It is possible to continue stable vibration at.
[0021]
Next, if the output of the voltage controlled oscillator 222 is amplified by the shaft vibration output amplifying circuit 226 via the
[0022]
However, this can only be realized when the resonance frequencies of both vibration modes are completely the same. If either one is slightly deviated from the resonance frequency, the efficiency of the vibration mode deviated from the resonance frequency is extremely high. As a result, only a small amplitude is obtained, resulting in a substantially linear vibration locus.
[0023]
In the case of the circuit of FIG. 14 shown as an example, the resonance frequency of the flexural vibration is always automatically tracked, so that it is possible to stably vibrate at the resonant frequency. However, the shaft vibration is driven at the resonant frequency of the flexural vibration. It has only been done.
[0024]
Therefore, if the resonance frequency of the axial vibration is shifted for some reason, stable elliptical vibration cannot be obtained. Because the Langevin type resonator has a very sharp resonance, that is, Q (Quality Factor) is very large, even if the resonance frequencies of axial vibration and flexural vibration are matched at the design stage, the conditions such as load and temperature are If it changes, the resonance frequency changes from each other, resulting in a completely different resonance frequency. As a result, the relative phase and relative amplitude shift and the vibration mode cannot be controlled correctly.
[0025]
Therefore, the ultrasonic elliptical vibration in the Langevin type composite vibrator is in the present situation where only a temporary experimental result in the applied research stage has been obtained.
[0026]
In addition to this, a B-T type composite vibrator that realizes bending vibration (Bending) that vibrates in a direction perpendicular to the axis and torsional vibration (Totional) that vibrates in a direction twisting with respect to the axis by one vibrator, and 3 There are also T-B-L type composite vibrators that combine two vibration modes, but in any case, it is practically impossible to satisfy and satisfy each resonance frequency for the same reason.
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in such a conventional technique, it is difficult to easily match the resonance frequencies of the respective vibrators in a device that obtains a large output by synthesizing a plurality of ultrasonic vibrators and to continuously stabilize them. . In addition, in the case of an ultrasonic transducer that generates composite vibrations, it is a conventional general control technology that detects fluctuations in the resonance frequency inherent to the ultrasonic transducer and drives at a frequency that matches that frequency. Although it is possible to connect each oscillator to a resonant frequency that fluctuates freely in each mode and drive it separately, there is no technology to actively control the resonant frequency of the vibrator in real time, and it is synchronized in each vibration mode It is impossible to perform stable vibration control.
[0028]
That is, when there are a plurality of different resonant elements in one vibrating body, even if each resonant frequency is adjusted at the design stage, it is physically impossible to keep it stable, As a countermeasure, a method of actively controlling the resonance frequency has been desired for many years.
[0029]
Therefore, the present invention applies a signal having a different phase to a part of the piezoelectric element constituting the ultrasonic vibrator, or connects an impedance element to control the value of the resonance frequency of the vibrator. An ultrasonic transducer capable of forcibly controlling the resonance frequency, and even when there are a plurality of different resonance elements in a single vibrating body, the resonance frequency of each can be continuously and stably matched completely. An object is to provide a composite vibration generating ultrasonic transducer.
[0030]
[Means for Solving the Problems]
[0032]
Claim1The ultrasonic transducer according to the invention is an ultrasonic transducer in which a pair of main piezoelectric elements for axial vibration and a pair of sub piezoelectric elements for axial vibration are combined, and is driven by the pair of main piezoelectric elements. When a voltage is applied to vibrate, both ends of the remaining at least one pair of sub-piezoelectric elements are short-circuited at the same frequency as the voltage applied to the main piezoelectric element at a phase angle shifted to electrically connect the vibrator. The frequency variable means for forcibly changing the detected resonance frequency is provided.
[0033]
That is,For shaft vibrationAmong a plurality of pairs of piezoelectric elements, the ultrasonic vibrator is short-circuited by short-circuiting the electromotive force generated at both ends of the sub-piezoelectric element at a timing shifted from the main piezoelectric element.Detected electricallyThe resonance frequency can be forcibly controlled by applying a voltage to one or more main piezoelectric elements to vibrate, and the remaining one or more sub piezoelectric elements at the same frequency as the voltage applied to the main piezoelectric element. By short-circuiting both ends of the sub piezoelectric element at the timing of shifting the phase angle, the ultrasonic transducerDetected electricallyIt is possible to forcibly shift the resonance frequency to an arbitrary frequency and perform stable vibration by automatic tracking. As a result, even when a plurality of transducers are driven at the same frequency as in an ultrasonic power synthesizer, by applying the present invention, it is possible to easily achieve a stable operation by matching the frequencies with ease. The problem of change disappears.
[0034]
Claim2The composite vibration generating ultrasonic transducer according to the invention described above is capable of simultaneously oscillating in different vibration modes of the main vibration mode and the sub vibration mode by combining a plurality of pairs of piezoelectric elements having different vibration modes. In a composite vibration generating ultrasonic vibrator in which a vibrator portion that vibrates at a combination of a pair of main piezoelectric elements for axial vibration and a pair of sub piezoelectric elements for axial vibration is vibrated in the main vibration mode. Piezoelectric elementAnd the main piezoelectric element that vibrates in the sub vibration mode, respectively.ApplySame based on signals from the same oscillatorA voltage whose phase angle is shifted at the same frequency as the voltage is applied to the sub-piezoelectric element that vibrates in the sub-vibration mode, and the resonance frequency detected electrically of the sub-piezoelectric element that vibrates in the sub-vibration mode is forced. And a frequency varying means for changing the resonance frequency of the secondary vibration mode to the resonance frequency of the main vibration mode.
[0035]
Claim3The composite vibration generating ultrasonic transducer according to the invention described above is capable of simultaneously oscillating in different vibration modes of the main vibration mode and the sub vibration mode by combining a plurality of pairs of piezoelectric elements having different vibration modes. In the composite vibration generating ultrasonic vibrator in which the vibrator portion that vibrates at a combination of a pair of main piezoelectric elements for axial vibration and a pair of sub piezoelectric elements for axial vibration is combined, the vibrator vibrates in the sub vibration mode. Connect both ends of the sub piezoelectric element,Piezoelectric element that vibrates in the main vibration modeAnd the main piezoelectric element that vibrates in the sub vibration mode, respectively.ApplySame based on signals from the same oscillatorFrequency variable means for forcibly changing the resonance frequency detected electrically of the sub-piezoelectric element that vibrates in the sub-vibration mode by short-circuiting at the same frequency as the voltage and shifting the phase angle; The resonance frequency of the secondary vibration mode is made to coincide with the resonance frequency of the vibration mode.
[0036]
That is, these claims2, 3In the described invention, a plurality of pairs of piezoelectric elements having different vibration modes can be combined and vibrated simultaneously in different vibration modes of the main vibration mode and the sub vibration mode. This is a composite vibration generating ultrasonic transducer that combines one or more main piezoelectric elements for vibration and one or more sub piezoelectric elements for axial vibration. It is different from the resonance frequency that vibrates in the main vibration mode. Sub-piezoelectric element in sub-vibration mode vibrating atabout,Variable frequency handStepThe resonance frequency of the sub-vibration mode is always made to coincide with the resonance frequency of the main vibration mode by changing the resonance frequency that is forcibly electrically detected by using the resonance frequency of the main vibration mode. The frequency and the resonance frequency of the sub-vibration mode are forced to coincide with each other, and a stable composite vibration can be obtained continuously. This broadens the range of applications in processing fields such as cutting and grinding using ultrasonic waves, and provides high quality. Can be expected.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The first of the present inventionReference example (part 1)Is explained based on FIG..
[0041]
First, a Langevin formed by sandwiching a pair of main
[0042]
On the other hand, the output of the voltage controlled
[0043]
Like thisReference exampleAccording to the above, the frequency variable for forcibly changing the resonance frequency of the Langevin type axial vibrator 6 by applying a voltage whose phase angle is shifted at the same frequency as the voltage applied to the main
[0044]
Of the present inventionFirst reference example (2)Will be described with reference to FIG. FirstReference example (part 1)Portions that are the same as or correspond to the portions indicated by are denoted by the same reference numerals, and description thereof is also omitted (the following embodiments)And even in the reference exampleThe same).
[0045]
BookReference exampleIn the Langevin type axial vibrator 20, the signal of the
[0046]
In such a configuration, when a signal of an arbitrary frequency is driven by the
[0047]
If the phase of the signal of the
[0048]
Here, even if the resonance frequency of the Langevin type axial vibrator 20 changes due to a temperature change or a load change, the difference is controlled by the voltage control type phase controller 23 as the phase control voltage V2 to further change the phase. Thus, the resonance frequency of the Langevin type axial vibrator 20 can be forced to automatically follow the oscillation frequency of the
[0049]
In other words, the conventional automatic tracking of ultrasonic vibration has changed the oscillation frequency in accordance with the change of the resonance frequency of the vibrator.Reference exampleAccording to the present invention, a new method of forcibly matching the resonance frequency of the Langevin type axial vibrator 20 with the oscillation frequency of the
[0050]
Of the present inventionFirst reference example (Part 3)Is explained based on FIG..
[0051]
BookReference exampleThe first shown in FIG.Reference example (part 1)The problem of the
[0052]
This point, bookReference exampleThen, the output signal of the voltage controlled
[0053]
On the other hand, the output of the voltage controlled
[0054]
Next, the output of the main output amplification circuit 8 for axial vibration is applied to the main
[0055]
In the case of the second excitation vibrator 32b, the voltage applied to the axial vibration main
[0056]
The
[0057]
In order to avoid such a phenomenon, at the final stage of manufacturing the vibrator, for example, a method of adjusting the frequency of the vibrator to be the same by cutting the dimensions of the vibrator has been adopted.Reference exampleBy using this countermeasure, it is possible to easily achieve an efficient and stable operation by easily matching the frequencies without specially adjusting the shape of the vibrator, and the problem of change with time is eliminated.
[0058]
First of the present inventiononeThe embodiment will be described with reference to FIG. This embodiment claims1This corresponds to the described invention.
[0059]
In the Langevin type
[0060]
In such a circuit configuration, when a signal of an arbitrary frequency is driven by the
[0061]
Claim1In the present embodiment corresponding to the described invention, the generated voltage is used. A voltage generated in the auxiliary
[0062]
In such a configuration, when a signal of an arbitrary frequency is driven by the
[0063]
That is, in the conventional automatic vibration tracking, the oscillation frequency is changed in accordance with the change in the resonance frequency of the vibrator.Reference examplesAs in the case of, by providing the frequency varying means 48, the resonance frequency of the vibrator can be forcibly matched with the oscillation frequency of the
[0064]
Of the present inventionFirst reference example (4)Is explained based on FIG. 5 and FIG..
[0065]
BookReference exampleIn the Langevin type
[0066]
FIG. 6 shows a detailed circuit example of the
[0067]
Note that the high frequency voltage of the ultrasonic frequency induced in the variable coil secondary side 54 b by the
[0068]
In such a circuit configuration, when a signal of an arbitrary frequency from the
[0069]
Here, a signal proportional to the deviation between the resonance frequency of the original vibrator and the driven frequency is output from the vibration speed detector 9 as the inductance control voltage V3. This is used as the feedback signal voltage of the
[0070]
In other words, the conventional automatic tracking of ultrasonic vibration has been such that the oscillation frequency is changed in accordance with the change in the resonance frequency of the vibrator.Reference exampleThen, by providing the frequency variable means 53, the resonance frequency of the vibrator can be forcibly matched with the oscillation frequency of the
[0071]
First of the present inventiontwoThe embodiment will be described with reference to FIG. This embodiment claims2This corresponds to the described invention.
[0072]
This embodiment is applied to a BL type
[0073]
On the other hand, the output of the output amplifying circuit 72 is also applied to the main
[0074]
In the present embodiment, the frequency variable means 75 corresponding to the frequency variable means 24 is used, but a frequency variable means corresponding to the frequency variable means 13, 48 or 53 may be used.3Equivalent to the described invention).
[0075]
Of the present inventionSecond reference exampleIs explained based on FIG..
[0076]
BookReference exampleIs also applied to the BL type
[0077]
TheB in which bending vibration
[0078]
On the other hand, the amplitude of the signal of the voltage controlled
[0079]
In the case of the
[0080]
For example, if the mutual phase angle is set to 90 degrees, the tip of the transducer will draw a locus shown by elliptical vibration S1, and if the vibration amplitude of the flexural vibration and the axial vibration are equal, a perfect circular locus can be drawn. It is. Here, by adjusting the variable resistor 81 for controlling the flexural vibration amplitude and the variable resistor 85 for controlling the shaft vibration amplitude, it is possible to draw trajectories of Lissajous waveforms having various ellipticities. Furthermore, the inclination of the ellipse can be adjusted by adjusting the
[0081]
Of the present inventionThird reference exampleIs explained based on FIG..
[0082]
BookReference exampleThen, the flexural vibration piezoelectric elements 71C and 71C 'having the same characteristics and the axial vibration sub
[0083]
Here, the pair of flexural vibration piezoelectric elements 71C and 71C ′ is formed by dividing the annular piezoelectric element, which is aligned so that the piezoelectric directions of each other face each other, into a semi-annular shape. It is configured with the positive side facing each other (→ ←). However, the effect is the same even if the two piezoelectric groups are configured such that the piezoelectric directions face each other (represented by ← →). In this case, if each drive voltage is applied in the opposite phase without using electrodes in common, the other piezoelectric element contracts in a cycle in which one piezoelectric element expands, so that flexural vibration can be easily generated. become. Further, if an in-phase drive voltage is applied to each electrode, each flexural vibration piezoelectric element 71C, 71c 'repeats expansion and contraction in the same cycle, and thus shaft vibration can be generated. Accordingly, by combining the same flexural vibration piezoelectric elements 71C and 71c 'and changing the phase of the drive voltage applied to each, it is possible to generate both axial vibration and flexural vibration.
[0084]
Here, one secondary terminal A of the vibration synthesizing transformer 91 is connected to one terminal A of the flexural vibration piezoelectric element 71C, and the other secondary terminal B of the vibration synthesizing transformer 91 is connected to the other terminal B. If the drive voltage is applied to the neutral point 0 on the secondary side of the vibration synthesizing transformer 91 when connected to the terminal B of the flexural vibration piezoelectric element 71C ′, the flexural vibration piezoelectric elements 71C and 71C ′ have the same driving voltage. Is applied to generate shaft vibration. At the same time, if another drive voltage is applied to the primary side of the vibration synthesizing transformer 91, the opposite phase voltage appears on the terminals A and B on the secondary side of the vibration synthesizing transformer 91. Therefore, the piezoelectric elements 71C and 71C for flexural vibration are applied. It becomes possible to generate a flexural vibration at ′.
[0085]
Therefore, if the vibration synthesizing transformer 91 is used, a BL type composite vibrator 90 with a simplified vibrator structure can be realized.
[0086]
Here, the signal of the voltage controlled
[0087]
On the other hand, the amplitude of the signal of the voltage controlled
[0088]
BookReference exampleIn the case of the B-L composite vibrator 90 shown in FIG.Second reference exampleIn this case, stable composite vibration can be realized by the same principle as described above, but the flexural vibration piezoelectric elements 71C and 71C 'Second reference exampleThus, the operations of the bending vibration
[0089]
For example, if the mutual phase angle is set to 90 degrees, the tip of the transducer will draw a locus shown by elliptical vibration S1, and if the vibration amplitude of the flexural vibration and the axial vibration are equal, a perfect circular locus can be drawn. It is. Here, by adjusting the variable resistor 81 for controlling flexural vibration amplitude and the variable resistor 85 for controlling shaft vibration amplitude, it is possible to draw trajectories of Lissajous waveforms having various ellipticities. Furthermore, the inclination of the ellipse can be adjusted by adjusting the
[0090]
First of the present inventionFour reference examples (1)Is explained based on FIG..
[0091]
BookReference exampleIs applied to the BL type
[0092]
Here, the flexural
[0093]
On the other hand, the signal of the voltage controlled
[0094]
In the case of the B-L type
[0095]
For example, when the frequency dividing ratio of the
[0096]
BookReference exampleIn the above, the frequency variable means 75 corresponding to the frequency variable means 24 is used, but the frequency variable means corresponding to the frequency variable means 13, 48 or 53 may be used.Yes.
[0097]
Of the present inventionFourth reference example (2)Is explained based on FIG..
[0098]
TheB in which bending vibration
[0099]
Here, the flexural
[0100]
On the other hand, the amplitude of the signal of the voltage controlled
[0101]
That is,Fourth reference example (part 1)The control means 87 by the vibration locus
[0102]
In the case of the
[0103]
Here, if the frequency dividing ratio of the
[0104]
【The invention's effect】
[0105]
Claim1According to the described invention, a voltage is applied to one or more main piezoelectric elements for axial vibration to vibrate, and the remaining one or more sub piezoelectric elements for axial vibration have the same frequency as the voltage applied to the main piezoelectric element. Since both ends of the sub-piezoelectric element are short-circuited at the timing of shifting the phase angle, the resonance frequency detected by the ultrasonic transducer is forcibly shifted to an arbitrary frequency and stable vibration is achieved by automatic tracking. For example, even when multiple transducers are driven at the same frequency, such as an ultrasonic power synthesizer, the frequency can be easily matched to achieve an efficient and stable operation. Can be eliminated.
[0106]
Claim2, 3According to the described invention, a plurality of pairs of piezoelectric elements having different vibration modes can be combined to vibrate simultaneously in different vibration modes of the main vibration mode and the sub vibration mode. This is a composite vibration generating ultrasonic transducer that is a combination of one or more main piezoelectric elements for axial vibration and one or more sub piezoelectric elements for axial vibration. Sub-piezoelectric element in sub-vibration mode vibrating in modeAroundWave number variable handStepAs a result, it is possible to obtain a consistent composite vibration continuously, expanding the application range in machining fields such as cutting and grinding using ultrasonic waves, and expecting high-quality machining. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the first of the present invention.Reference example (part 1)It is a block diagram of the ultrasonic transducer | vibrator which shows.
FIG. 2 of the present inventionFirst reference example (2)It is a block diagram of the ultrasonic transducer | vibrator which shows.
FIG. 3 of the present inventionFirst reference example (Part 3)It is a block diagram of the ultrasonic transducer | vibrator which shows.
FIG. 4 shows the first aspect of the present invention.oneIt is a block diagram of the ultrasonic transducer | vibrator which shows this embodiment.
FIG. 5 shows the present invention.First reference example (4)It is a block diagram of the ultrasonic transducer | vibrator which shows.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of the inductance variable circuit.
FIG. 7 is a configuration diagram of a composite vibrator showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a composite vibrator showing a second reference example of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of a composite vibrator showing a third reference example of the present invention.
FIG. 10 shows the present invention.Fourth reference example (part 1)FIG.
FIG. 11 shows the present invention.Fourth reference example (2)FIG.
FIG. 12 is a configuration diagram showing a general ultrasonic power synthesizer.
FIG. 13 is a configuration diagram showing a conventional TL type composite vibrator.
FIG. 14 is a configuration diagram showing a conventional Langevin type BL composite vibrator.
[Explanation of symbols]
1 Main piezoelectric element
2 Sub piezoelectric element
13 Frequency variable means
24 Frequency variable means
48 Frequency variable means
53 Frequency variable means
81 Variable means
85 Variable means
87 Control means
Claims (3)
一対以上の前記主圧電素子に駆動電圧を印加して振動させる場合に、残りの少なくとも一対の前記副圧電素子の両端を前記主圧電素子に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングで短絡させて当該振動子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備えることを特徴とする超音波振動子。In an ultrasonic transducer in which a pair of main piezoelectric elements for axial vibration and a pair of sub piezoelectric elements for axial vibration are combined,
When a drive voltage is applied to one or more pairs of main piezoelectric elements to vibrate, both ends of the remaining at least one pair of sub-piezoelectric elements are shifted in phase angle at the same frequency as the voltage applied to the main piezoelectric elements. An ultrasonic transducer comprising frequency variable means for forcibly changing a resonance frequency detected electrically by short-circuiting.
前記主振動モードで振動する圧電素子及び前記副振動モードで振動する前記主圧電素子にそれぞれ印加する同一の発振器からの信号に基づく同じ電圧と同一周波数で位相角をずらした電圧を前記副振動モードで振動する前記副圧電素子に印加して前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備え、常に前記主振動モードの共振周波数に前記副振動モードの共振周波数を一致させるようにしたことを特徴とする複合振動発生超音波振動子。A plurality of pairs of piezoelectric elements having different vibration modes can be combined to vibrate simultaneously in different vibration modes of the main vibration mode and the sub vibration mode, and the vibrator portions that vibrate in the sub vibration mode have at least one pair for axial vibration. In the composite vibration generating ultrasonic transducer formed by combining the main piezoelectric element and a pair of auxiliary piezoelectric elements for axial vibration,
The piezoelectric element and the said main piezoelectric element into a voltage the secondary vibration mode by shifting the phase angle at the same voltage and same frequency based on a signal from the same oscillator to be applied respectively to vibrate in secondary vibration mode vibrates in the main vibration modes And a frequency variable means for forcibly changing a resonance frequency electrically detected by the sub-piezoelectric element that vibrates in the sub-vibration mode by applying to the sub-piezoelectric element vibrating at A composite vibration-generating ultrasonic transducer characterized in that the resonance frequency of the sub-vibration mode coincides with a frequency.
前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の両端を、前記主振動モードで振動する圧電素子及び前記副振動モードで振動する前記主圧電素子にそれぞれ印加する同一の発振器からの信号に基づく同じ電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングで短絡させて前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備え、常に前記主振動モードの共振周波数に前記副振動モードの共振周波数を一致させるようにしたことを特徴とする複合振動発生超音波振動子。A plurality of pairs of piezoelectric elements having different vibration modes can be combined to vibrate simultaneously in different vibration modes of the main vibration mode and the sub vibration mode, and the vibrator portions that vibrate in the sub vibration mode have at least one pair for axial vibration. In the composite vibration generating ultrasonic transducer formed by combining the main piezoelectric element and a pair of auxiliary piezoelectric elements for axial vibration,
The same voltage based both ends of the sub-piezoelectric element which vibrates at the secondary vibration mode, a signal from the same oscillator to be applied to each of the main piezoelectric element which vibrates by the piezoelectric element and the secondary vibration mode vibrates in the primary vibration mode And a frequency variable means for forcibly changing the resonance frequency detected electrically of the sub-piezoelectric element that vibrates in the sub-vibration mode by short-circuiting at the same frequency and with the phase angle shifted, and always changing the main vibration A composite vibration generating ultrasonic transducer characterized in that the resonance frequency of the sub vibration mode is made to coincide with the resonance frequency of the mode.
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Cited By (1)
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