JP4947602B2 - In-plane composite resonator, in-plane composite resonance apparatus and in-plane composite resonance method using the same - Google Patents

In-plane composite resonator, in-plane composite resonance apparatus and in-plane composite resonance method using the same Download PDF

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本発明は、超音波振動を用いて金属製の対象物の接合やプラスチック製の対象物の溶着を行う超音波加工の工具ホーンとして用いることのできる面内複合共振体、並びにこれを用いた面内複合共振装置及び面内複合共振方法に関する。   The present invention relates to an in-plane composite resonator that can be used as an ultrasonic processing tool horn for joining metallic objects and welding plastic objects using ultrasonic vibration, and a surface using the same. The present invention relates to an inner composite resonance apparatus and an in-plane composite resonance method.

例えば、超音波振動を用いて対象物の溶着を行う超音波溶着は、共振体である工具ホーンを、縦振動、横振動、たわみ振動及び捻じり振動から選択されるいずれか一つの振動によって行う、いわゆる単一振動モードによって行われることが多い。特に、縦振動を用いた超音波溶着は、精密な溶着が可能であり、制御も容易なので広く用いられている(特許文献1、2参照)
他方、超音波溶着においては、単一振動モードよりも二つ以上の振動を複合させた複合振動モードの方が、複雑な振動軌道を描くことができるため、対象物の溶着部が一様となり、高い溶着強度を得られることが示唆されている(非特許文献1、2参照)。
For example, ultrasonic welding in which an object is welded using ultrasonic vibration is performed by any one vibration selected from longitudinal vibration, lateral vibration, flexural vibration, and torsional vibration of a tool horn that is a resonator. The so-called single vibration mode is often used. In particular, ultrasonic welding using longitudinal vibration is widely used because precise welding is possible and control is easy (see Patent Documents 1 and 2) .
On the other hand, in ultrasonic welding, the composite vibration mode that combines two or more vibrations can draw a more complex vibration trajectory than the single vibration mode. It is suggested that high welding strength can be obtained (see Non-Patent Documents 1 and 2).

複合振動モードは、例えば、図16に示すように、円柱状の共振体100の周面に、当該共振体100の軸方向に対して斜めとなる方向に斜めスリット(脆弱部)103を複数設けることによって得ることができる(非特許文献1、2参照)。このような構成とすれば、共振体100の先端に設けられた溶着チップ部102において、超音波振動による縦振動と、斜めスリット103によって発生された捻り振動を複合した複合振動を得ることができる。なお、図16は、従来公知の複合振動を得るための共振体の一例を示す外観図である。   In the composite vibration mode, for example, as shown in FIG. 16, a plurality of oblique slits (fragile portions) 103 are provided on the circumferential surface of the cylindrical resonator 100 in a direction oblique to the axial direction of the resonator 100. (See Non-Patent Documents 1 and 2). With such a configuration, in the welding tip portion 102 provided at the tip of the resonator 100, it is possible to obtain a composite vibration in which the longitudinal vibration due to the ultrasonic vibration and the torsional vibration generated by the oblique slit 103 are combined. . FIG. 16 is an external view showing an example of a resonator for obtaining a conventionally known composite vibration.

また、複合振動モードは、例えば、図17に示すように、共振体200を複数本の振動子(図17では、共振体の側方に接続された4本の振動子)215によって超音波振動させることによっても得ることができる(非特許文献3参照)。このような構成とすれば、面内において縦方向と横方向の十字状に複合振動させることができるので、共振体200の先端の溶着チップ部202が円を描くように面内振動させることが可能となる。このような面内振動によれば、対象物に対して直接衝撃を与えないので、対象物に与えるダメージを軽減することが可能になると考えられる。なお、図17は、従来公知の複合振動を得るための共振体の他の一例を示す斜視図である。   In the composite vibration mode, for example, as shown in FIG. 17, the resonator 200 is ultrasonically vibrated by a plurality of vibrators 215 (in FIG. 17, four vibrators connected to the sides of the resonator). Can also be obtained (see Non-Patent Document 3). With such a configuration, it is possible to oscillate in a vertical and horizontal cross shape in the plane, so that the welding tip portion 202 at the tip of the resonator 200 can be oscillated in a plane so as to draw a circle. It becomes possible. According to such in-plane vibration, an impact is not directly applied to the object, so that it is considered possible to reduce damage to the object. FIG. 17 is a perspective view showing another example of a resonator for obtaining a conventionally known composite vibration.

特開平8−19877号公報JP-A-8-198777 特公昭54−23349号公報Japanese Patent Publication No.54-23349 辻野次郎丸、唐津良平、田中俊、上岡哲宜、Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol. 26, (2005) pp. 97-98Jiro Kanno, Ryohei Karatsu, Shun Tanaka, Tetsuyoshi Ueoka, Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol. 26, (2005) pp. 97-98 辻野次郎丸、川崎高広、岸本豪、平井一紀、Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol. 26, (2005) pp. 101-102Jiro Kanno, Takahiro Kawasaki, Go Kishimoto, Kazuki Hirai, Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol. 26, (2005) pp. 101-102 辻野次郎丸、三浦宏之、本江美杉、Proc. Symp. Ultrason. Electron.,Vol. 26, (2005) pp. 99-100Jiro Kanno, Hiroyuki Miura, Misugi Moesu, Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol. 26, (2005) pp. 99-100

しかしながら、単一振動モードでは振動軌跡が直線のみであるため、複合振動モードのように高い溶着強度を得ることができないという問題があった。単一振動モードで高い溶着強度を得るには超音波振動の出力を高くしなければならないが、超音波振動の出力を高くすると、縦振動する超音波振動によって、より精密且つ高い溶着強度で溶着する場合などに、対象物に与えるダメージが大きくなってしまうという問題があった。   However, since the vibration locus is only a straight line in the single vibration mode, there is a problem that a high welding strength cannot be obtained as in the composite vibration mode. In order to obtain high welding strength in the single vibration mode, the output of ultrasonic vibration must be increased. However, if the output of ultrasonic vibration is increased, the ultrasonic vibration that vibrates in the longitudinal direction causes welding with higher precision and higher welding strength. When doing so, there was a problem that the damage given to the object was increased.

また、非特許文献1、2に記載されている縦振動と捻り振動を複合した複合振動モードの場合は、振動軌跡が縦振動による直線と、スリットの向きに対応した角度で発生する捻り振動による直線のみであるため、十分に複雑な振動軌道を描くことができないという問題があった。また、非特許文献1、2に記載されている複合振動モードでは、複合時の各振動周波数が一致した場合に、振動軌跡が直線になるため、単一振動モードと同じ効果しか得られないという問題があった。   Further, in the case of the composite vibration mode in which the longitudinal vibration and the torsional vibration described in Non-Patent Documents 1 and 2 are combined, the vibration locus is caused by the straight line due to the longitudinal vibration and the torsional vibration generated at an angle corresponding to the direction of the slit. Since there are only straight lines, there is a problem that a sufficiently complicated vibration trajectory cannot be drawn. Further, in the composite vibration modes described in Non-Patent Documents 1 and 2, when the vibration frequencies at the time of composite match, the vibration trajectory becomes a straight line, so that only the same effect as the single vibration mode can be obtained. There was a problem.

非特許文献3に記載されている複合振動モードでは、溶着チップ部の面内において円を描くように振動させることが可能となるものの、超音波振動を発生させるための発振器及び振動体をそれぞれ複数個使用しなければならず、装置の大型化やコストが嵩むといった問題があった。   In the composite vibration mode described in Non-Patent Document 3, although it is possible to vibrate in a circle in the plane of the welding tip portion, a plurality of oscillators and vibrators for generating ultrasonic vibration are provided. There was a problem that the device had to be used, and the size and cost of the device increased.

本願発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、例えば、精密な溶着を可能にし、且つ高い溶着強度を得るため、複雑な振動軌跡で面内共振を行うことのできる面内複合共振体、並びにこれを用いた面内複合共振装置及び面内複合共振方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems.For example, an in-plane composite resonator capable of performing in-plane resonance with a complicated vibration locus in order to enable precise welding and obtain high welding strength, It is another object of the present invention to provide an in-plane composite resonance apparatus and an in-plane composite resonance method using the same.

本発明者らは、前記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、縦振動だけでなく、その共振周波数から遠く離れた共振周波数をもつたわみ振動を同時に励振することで、1つの周波数では得られない振動軌跡を持つ面内複合共振体、並びにこれを用いた面内複合共振装置及び面内複合共振方法を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have obtained not only longitudinal vibration but also flexural vibration having a resonance frequency far from the resonance frequency at the same time. It has been found that an in-plane composite resonator having a vibration locus that cannot be obtained, an in-plane composite resonator using the same, and an in-plane composite resonance method can be obtained, and the present invention has been completed.

〔1〕前記課題を解決した本発明に係る面内複合共振体は、縦振動とたわみ振動を複合した面内共振を行う共振部を有する面内複合共振体であって、当該面内複合共振体は、当該面内複合共振体の共振周波数となる第1の周波数の超音波振動と、前記第1の周波数とは異なる周波数を有する第2の周波数の超音波振動と、を加算してなる超音波振動によって励振されて縦振動するとともに、当該面内複合共振体の周面に、当該縦振動の超音波成分のうちの前記第2の周波数の超音波振動から前記たわみ振動を発生させるためのたわみ振動発生手段を設けたことを特徴としている。 [1] An in-plane composite resonator according to the present invention that solves the above-described problems is an in-plane composite resonator having a resonance part that performs in-plane resonance by combining longitudinal vibration and flexural vibration, and the in-plane composite resonance The body is obtained by adding the ultrasonic vibration of the first frequency, which is the resonance frequency of the in-plane composite resonator, and the ultrasonic vibration of the second frequency having a frequency different from the first frequency. In order to generate longitudinal vibration by being excited by ultrasonic vibration, and to generate the flexural vibration from the ultrasonic vibration of the second frequency among the ultrasonic components of the longitudinal vibration on the peripheral surface of the in-plane composite resonator. It is characterized in that a deflection vibration generating means is provided.

このようにすれば、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動を加算して発振された超音波振動によって励振されて縦振動すると、たわみ振動発生手段が設けられているため、加算して発振された超音波振動のうちの第2の周波数の超音波振動から、面内複合共振体の周面にたわみ振動を発生させることができる。また、第1の周波数の超音波振動が面内複合共振体の共振周波数であるため、当該第1の周波数の超音波振動によって面内複合共振体全体を縦振動させることができる。なお、第1の周波数の超音波振動は、第2の周波数と異なる周波数であるため、第2の周波数の超音波振動の節となる位置に設けられているたわみ振動発生手段の影響を受けない。つまり、第1の周波数の超音波振動によるたわみ振動は発生しない。その結果、その周面の面内において第1の周波数の超音波振動による縦振動と、第2の周波数の超音波振動によるたわみ振動とを複合した複雑な振動軌跡で面内共振を行う共振部を有する面内複合共振体を具現することができる。   In this way, when the longitudinal vibration is excited by the ultrasonic vibration generated by adding the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency, the bending vibration generating means is provided. Therefore, it is possible to generate a flexural vibration on the peripheral surface of the in-plane composite resonator from the ultrasonic vibration of the second frequency among the ultrasonic vibrations generated by addition. Further, since the ultrasonic vibration of the first frequency is the resonance frequency of the in-plane composite resonator, the entire in-plane composite resonator can be longitudinally vibrated by the ultrasonic vibration of the first frequency. Since the ultrasonic vibration of the first frequency is a frequency different from the second frequency, it is not affected by the flexural vibration generating means provided at a position that becomes a node of the ultrasonic vibration of the second frequency. . That is, the bending vibration due to the ultrasonic vibration of the first frequency does not occur. As a result, in the plane of the peripheral surface, a resonance unit that performs in-plane resonance with a complex vibration locus that combines longitudinal vibration due to ultrasonic vibration of the first frequency and flexural vibration due to ultrasonic vibration of the second frequency. An in-plane composite resonator having the above can be realized.

〔2〕本発明においては、前記たわみ振動発生手段を前記第2の周波数の超音波振動の節となる位置に設けるのが好ましい。このようにすれば、たわみ振動発生手段を第2の周波数の超音波振動の節となる位置に設けているので、加算して発振された超音波振動のうちの第2の周波数の超音波振動により、面内複合共振体にたわみ振動を確実且つ好適に発生させることができる。 [2] In the present invention, it is preferable that the flexural vibration generating means is provided at a position that becomes a node of the ultrasonic vibration of the second frequency. In this way, since the flexural vibration generating means is provided at a position that becomes a node of the ultrasonic vibration of the second frequency, the ultrasonic vibration of the second frequency among the ultrasonic vibrations generated by addition. Thus, flexural vibration can be reliably and suitably generated in the in-plane composite resonator.

〔3〕本発明においては、前記たわみ振動発生手段が、脆弱部であるのが好ましく、〔4〕前記たわみ振動発生手段としての脆弱部が、前記縦振動が印加される方向に対して垂直となる方向に2つ以上並べて設けられた脆弱部であるのが好ましい。このようにすれば、たわみ振動発生手段が脆弱部であり、好ましくは、たわみ振動発生手段としての脆弱部を2つ以上設けているので、たわみ振動を確実に発生させることができる。さらに、たわみ振動発生手段としての脆弱部が前記したように第2の周波数の超音波振動の節となる位置に設けられている場合は、当該脆弱部によって第2の周波数の超音波振動によるたわみ振動を確実に発生させることができる。 [3] In the present invention, the flexural vibration generating means is preferably a fragile part, and [4] the fragile part as the flexural vibration generating means is perpendicular to the direction in which the longitudinal vibration is applied. It is preferable that two or more weak portions are provided side by side. In this way, the flexural vibration generating means is a fragile part, and preferably two or more fragile parts are provided as the flexural vibration generating means, so that the flexural vibration can be reliably generated. Furthermore, when the fragile portion as the flexural vibration generating means is provided at a position that becomes a node of the ultrasonic vibration of the second frequency as described above, the fragile portion is bent by the ultrasonic vibration of the second frequency. Vibration can be reliably generated.

〔5〕本発明においては、前記たわみ振動発生手段としてのスリット状の脆弱部の形成角度αが、前記縦振動の印加方向からの開き角度で40〜50°であるのが好ましい。このようにすれば、たわみ振動発生手段としてのスリット状の脆弱部の形成角度が適切であるために、効率よくたわみ振動を発生させることができる。〔6〕本発明においては、前記たわみ振動発生手段としての脆弱部を、前記面内複合共振体を貫通するスリット状の貫通孔とするのが好ましい。〔7〕本発明においては、前記たわみ振動発生手段としての脆弱部を、前記面内複合共振体の一部の肉厚を薄くしたスリット状の有底穴とするのが好ましい。 [5] In the present invention, the formation angle α of the slit-like fragile portion as the flexural vibration generating means is preferably 40 to 50 ° as an opening angle from the longitudinal vibration application direction. In this way, since the formation angle of the slit-like weak part as the flexural vibration generating means is appropriate, the flexural vibration can be generated efficiently. [6] In the present invention, it is preferable that the fragile portion as the flexural vibration generating means is a slit-like through-hole penetrating the in-plane composite resonator. [7] In the present invention, it is preferable that the weakened portion as the flexural vibration generating means is a slit-shaped bottomed hole in which a part of the in-plane composite resonator is thinned.

〕本発明においては、前記第2の周波数の超音波振動の節とは異なる他の節となる位置に、前記たわみ振動発生手段で発生させた前記たわみ振動を打ち消すためのたわみ振動打消し手段を設けるのが好ましい。このようにすれば、たわみ振動発生手段で発生させたたわみ振動を当該たわみ振動打消し手段によって打ち消すことができる。従って、本発明に係る面内複合共振体の一端側を、超音波振動を発振する振動子と接続して固定するとともに、当該一端側の対辺となる他端側でも固定手段によって固定することができるようになる。 [ 8 ] In the present invention, the flexural vibration cancellation for canceling the flexural vibration generated by the flexural vibration generating means at a position that is another node different from the ultrasonic vibration node of the second frequency. Preferably means are provided. In this way, the flexural vibration generated by the flexural vibration generating means can be canceled by the flexural vibration canceling means. Accordingly, one end side of the in-plane composite resonator according to the present invention is connected and fixed to a vibrator that oscillates ultrasonic vibration, and the other end side opposite to the one end side can be fixed by a fixing means. become able to.

〕本発明においては、前記たわみ振動打消し手段が、脆弱部であるのが好ましく、〔10〕前記たわみ振動打消し手段としての脆弱部が、前記縦振動が印加される方向に対して垂直となる方向に2つ以上並べて設けられた脆弱部であるのが好ましい。このようにすれば、たわみ振動打消し手段が脆弱部であり、好ましくは、たわみ振動打消し手段としての脆弱部を2つ以上設けているので、たわみ振動を確実に打ち消すことができる。 [ 9 ] In the present invention, the flexural vibration canceling means is preferably a fragile part, and [ 10 ] the fragile part as the flexural vibration canceling means is in a direction in which the longitudinal vibration is applied. It is preferable that two or more weak portions are provided side by side in a vertical direction. In this way, the flexural vibration canceling means is a fragile portion, and preferably two or more fragile portions as the flexural vibration canceling means are provided, so that the flexural vibration can be reliably canceled.

11〕本発明においては、前記たわみ振動発生手段として形成角度αであるスリット状の脆弱部が形成され、前記たわみ振動打消し手段としてのスリット状の脆弱部の形成角度βが、前記形成角度αとの関係で、前記縦振動の印加方向からの開き角度でβ=180−α、又はβ=αの条件を満たすのが好ましい。このようにすれば、たわみ振動打消し手段としての脆弱部の形成角度が適切であるために、効率よくたわみ振動を打ち消すことができる。 In [11] the present invention, slit-like fragile portions are formed angle α as the bending vibration generating means is formed, forming an angle of the slit-shaped fragile portion as the bending vibration canceling means β is the angle formed In relation to α, it is preferable to satisfy the condition of β = 180−α or β = α in terms of the opening angle from the application direction of the longitudinal vibration. In this way, since the formation angle of the fragile portion as the bending vibration canceling means is appropriate, the bending vibration can be canceled efficiently.

〔12〕本発明においては、前記たわみ振動打消し手段としての脆弱部を、前記面内複合共振体を貫通するスリット状の貫通孔とするのが好ましい。〔13〕本発明においては、前記たわみ振動打消し手段としての脆弱部を、前記面内複合共振体の一部の肉厚を薄くしたスリット状の有底穴とするのが好ましい。14〕本発明においては、前記第2の周波数の超音波振動は、前記第1の周波数の0.5n倍であり、nは2よりも大きい数であるのが好ましい。このようにすれば、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との関係がより適切であり、これらの周波数が離れているので、これらを加算して発振しても周波数が一致したりせず、より確実に縦振動とたわみ振動を発生させることができる。 [12] In the present invention, it is preferable that the fragile portion as the flexural vibration canceling means is a slit-shaped through-hole penetrating the in-plane composite resonator. [13] In the present invention, it is preferable that the fragile portion as the flexural vibration canceling means is a slit-shaped bottomed hole in which a part of the in-plane composite resonator is thinned. [ 14 ] In the present invention, the ultrasonic vibration of the second frequency is 0.5n times the first frequency, and n is preferably a number larger than two . Thus, ultrasonic vibration of the first frequency and a relationship is more suitable to the ultrasonic vibration of the second frequency, because these frequencies are away oscillates by adding these However, the frequency does not match, and longitudinal vibration and flexural vibration can be generated more reliably.

15〕本発明に係る面内複合共振装置は、縦振動とたわみ振動を複合した面内共振を行う共振部を有する面内複合共振体を用いた面内複合共振装置であって、第1の周波数の超音波振動を発振させるための第1の電圧信号を出力する第1の発振器と、前記第1の周波数とは異なる周波数を有する第2の周波数の超音波振動を発振させるための第2の電圧信号を出力する第2の発振器と、前記第1の発振器から入力された第1の電圧信号と、前記第2の発振器から入力された第2の電圧信号とを加算し、加算された電圧信号を得る加算器と、前記加算器で加算した電圧信号により超音波振動を発振する振動子と、前記振動子と接続された前記〔1〕から〔14〕のうちのいずれか1つに記載の面内複合共振体と、を備えたことを特徴としている。 [ 15 ] An in-plane composite resonator according to the present invention is an in-plane composite resonator using an in-plane composite resonator having a resonance part that performs in-plane resonance by combining longitudinal vibration and flexural vibration. A first oscillator that outputs a first voltage signal for oscillating ultrasonic vibration of a second frequency, and a first oscillator for oscillating second frequency ultrasonic vibration having a frequency different from the first frequency. A second oscillator that outputs a voltage signal of 2; a first voltage signal that is input from the first oscillator; and a second voltage signal that is input from the second oscillator. An adder for obtaining a voltage signal, a vibrator for oscillating ultrasonic vibrations by the voltage signal added by the adder, and any one of [1] to [ 14 ] connected to the vibrator And an in-plane composite resonator according to claim 1. Yes.

このように、第1の発振器と、第2の発振器と、加算器と、振動子と、を備えているので、第1の周波数の超音波振動を発振させるための第1の電圧信号と、第2の周波数の超音波振動を発振させるための第2の電圧信号とを出力し、これらを加算した超音波振動を発振することができる。そして、前記〔1〕から〔14〕のうちのいずれか1つに記載の面内複合共振体を備えているので、発振された超音波振動によって励振され、当該面内複合共振体を縦振動すると、当該面内複合共振体に設けられたたわみ振動発生手段によって、縦振動の超音波成分のうちの第2の周波数の超音波振動からたわみ振動を発生させることができる。これにより、本発明に係る面内複合共振装置は、面内複合共振体の共振部に第1の周波数の超音波による縦振動と、第2の周波数の超音波によるたわみ振動とが複合した複雑な振動軌跡で面内共振を発生させることができる。 Thus, since the first oscillator, the second oscillator, the adder, and the vibrator are provided, the first voltage signal for oscillating the ultrasonic vibration of the first frequency, The second voltage signal for oscillating the ultrasonic vibration of the second frequency can be output, and the ultrasonic vibration obtained by adding them can be oscillated. Since the in-plane composite resonator according to any one of [1] to [ 14 ] is provided, the in-plane composite resonator is longitudinally vibrated by being excited by the oscillated ultrasonic vibration. Then, the flexural vibration can be generated from the ultrasonic vibration of the second frequency among the ultrasonic components of the longitudinal vibration by the flexural vibration generating means provided in the in-plane composite resonator. As a result, the in-plane composite resonance device according to the present invention is a complex in which longitudinal vibration caused by ultrasonic waves of the first frequency and flexural vibration caused by ultrasonic waves of the second frequency are combined in the resonance part of the in-plane composite resonator. In-plane resonance can be generated with a simple vibration trajectory.

16〕本発明に係る面内複合共振方法は、前記〔15〕に記載の面内複合共振装置を用いて縦振動とたわみ振動を複合した面内共振を発生させる面内複合共振方法であって、第1の発振器が第1の周波数の超音波振動を発振させるための第1の電圧信号を出力するとともに、第2の発振器が前記第1の周波数とは異なる周波数を有する第2の周波数の超音波振動を発振させるための第2の電圧信号を出力する電圧信号出力工程と、前記第1の発振器から入力された第1の電圧信号と、前記第2の発振器から入力された第2の電圧信号とを加算器によって加算し、加算された電圧信号を得る電圧信号加算工程と、前記加算器で加算された電圧信号により、縦振動する超音波振動を振動子によって発振させる超音波振動発振工程と、前記振動子と接続された前記〔1〕から〔14〕のうちのいずれか1つに記載の面内複合共振体を、発振された前記超音波振動によって励振して縦振動させるとともに、当該面内複合共振体に設けられたたわみ振動発生手段によって前記縦振動から前記たわみ振動を発生させて、前記縦振動と前記たわみ振動とを複合した面内共振を発生させる面内複合共振発生工程とを含むことを特徴としている。 [ 16 ] The in-plane composite resonance method according to the present invention is an in-plane composite resonance method that generates in-plane resonance in which longitudinal vibration and flexural vibration are combined using the in-plane composite resonance apparatus according to [ 15 ]. The first oscillator outputs a first voltage signal for oscillating the ultrasonic vibration of the first frequency, and the second oscillator has a second frequency having a frequency different from the first frequency. A voltage signal output step of outputting a second voltage signal for oscillating the ultrasonic vibration of the first voltage signal, a first voltage signal input from the first oscillator, and a second voltage input from the second oscillator. The voltage signal adding step of adding the voltage signals of the two by an adder and obtaining the added voltage signal, and the ultrasonic vibration for causing the vibrator to oscillate longitudinally oscillating ultrasonic vibration by the voltage signal added by the adder Oscillation process and said vibration The in-plane composite resonator according to any one of [1] to [ 14 ] connected to a child is excited by the oscillated ultrasonic vibration to longitudinally vibrate, and the in-plane composite An in-plane composite resonance generating step of generating an in-plane resonance in which the longitudinal vibration and the flexural vibration are combined by generating the flexural vibration from the longitudinal vibration by a flexural vibration generating means provided in a resonator. It is characterized by.

このように、電圧信号出力工程で、第1の周波数の超音波振動を発振させるための第1の電圧信号と第2の周波数の超音波振動を発振させるための第2の電圧信号とを出力させ、電圧信号加算工程で、第1の電圧信号と第2の電圧信号とを加算し、超音波振動発振工程で、前記加算した電圧信号による超音波振動を発振させることができる。そして、面内複合共振発生工程によって、発振した超音波振動で前記〔1〕から〔14〕のうちのいずれか1つに記載の面内複合共振体を縦振動させ、当該面内複合共振体に設けたたわみ振動発生手段により、縦振動の超音波成分のうちの第2の周波数の超音波振動からたわみ振動を発生させることができる。これにより、本発明に係る面内複合共振方法は、面内複合共振体の共振部に第1の周波数の超音波による縦振動と、第2の周波数の超音波によるたわみ振動とが複合した複雑な振動軌跡で面内共振を行わせることができる。 Thus, in the voltage signal output step, the first voltage signal for oscillating the ultrasonic vibration of the first frequency and the second voltage signal for oscillating the ultrasonic vibration of the second frequency are output. In the voltage signal adding step, the first voltage signal and the second voltage signal are added, and in the ultrasonic vibration oscillating step, ultrasonic vibration by the added voltage signal can be oscillated. Then, by the in-plane composite resonance generating step, the in-plane composite resonator according to any one of [1] to [ 14 ] is longitudinally vibrated by the oscillated ultrasonic vibration, and the in-plane composite resonator is The flexural vibration generating means provided in the can generate the flexural vibration from the ultrasonic vibration of the second frequency among the ultrasonic components of the longitudinal vibration. As a result, the in-plane composite resonance method according to the present invention is a complex in which longitudinal vibration by ultrasonic waves of the first frequency and flexural vibration by ultrasonic waves of the second frequency are combined in the resonance part of the in-plane composite resonator. In-plane resonance can be performed with a simple vibration locus.

本発明に係る面内複合共振体によれば、たわみ振動発生手段を設けているので、当該面内複合共振体の共振周波数による縦振動(すなわち、第1の周波数の超音波振動による縦振動)と、たわみ振動発生手段によって発生したたわみ振動(すなわち、第2の周波数の超音波振動によるたわみ振動)とを複合した複雑な振動軌跡の面内共振を発生させることができる。そのため、本発明に係る面内複合共振体によれば、精密な溶着を可能にし、且つ高い溶着強度を得ることができる。また、複合振動で高い溶着強度を得ることができるので、対象物に与えるダメージを小さくすることができる。さらに、複合振動を行わせるにあたって振動体を複数個使用しないため、装置を小型化することができ、コストを低く抑えることができる。   According to the in-plane composite resonator according to the present invention, since the flexural vibration generating means is provided, the longitudinal vibration due to the resonance frequency of the in-plane composite resonator (that is, the longitudinal vibration due to the ultrasonic vibration of the first frequency). And in-plane resonance of a complex vibration trajectory that combines the flexural vibration generated by the flexural vibration generating means (that is, the flexural vibration due to the ultrasonic vibration of the second frequency). Therefore, according to the in-plane composite resonator according to the present invention, precise welding can be achieved and high welding strength can be obtained. In addition, since high welding strength can be obtained by the composite vibration, damage to the object can be reduced. Furthermore, since a plurality of vibrating bodies are not used when performing the composite vibration, the apparatus can be downsized and the cost can be kept low.

本発明に係る面内複合共振装置によれば、本発明に係る面内複合共振体を備えているので、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動とを加算してなる超音波振動によって当該面内複合共振体を励振して縦振動させることで、当該面内複合共振体に設けたたわみ振動発生手段によってたわみ振動を発生させ、縦振動とたわみ振動とを複合した複雑な振動軌道の面内共振を発生させることができる。そのため、本発明に係る面内複合共振装置によれば、精密な溶着を可能にし、且つ高い溶着強度を得ることができる。また、複合振動で高い溶着強度を得ることができるので、対象物に与えるダメージを小さくすることができる。さらに、複合振動を行わせるにあたって振動体を複数個使用しないため、装置を小型化することができ、コストを低く抑えることができる。   According to the in-plane composite resonator according to the present invention, since the in-plane composite resonator according to the present invention is provided, the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency are added. The in-plane composite resonator is excited and longitudinally vibrated by the ultrasonic vibration, and the flexural vibration is generated by the flexural vibration generating means provided in the in-plane composite resonator, and the longitudinal vibration and the flexural vibration are combined. In-plane resonance of a complicated vibration trajectory can be generated. Therefore, according to the in-plane composite resonance device according to the present invention, precise welding can be performed and high welding strength can be obtained. In addition, since high welding strength can be obtained by the composite vibration, damage to the object can be reduced. Furthermore, since a plurality of vibrating bodies are not used when performing the composite vibration, the apparatus can be downsized and the cost can be kept low.

本発明に係る面内複合共振方法によれば、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動とを加算してなる超音波振動によって本発明に係る面内複合共振体を励振して縦振動させることで、当該面内複合共振体に設けたたわみ振動発生手段によってたわみ振動を発生させ、縦振動とたわみ振動とを複合した複雑な振動軌道の面内共振を発生させることができる。そのため、本発明に係る面内複合共振方法によれば、精密な溶着を可能にし、且つ高い溶着強度を得ることができる。また、複合振動で高い溶着強度を得ることができるので、対象物に与えるダメージを小さくすることができる。さらに、複合振動を行わせるにあたって振動体を複数個使用しないため、装置を小型化することができ、コストを低く抑えることができる。   According to the in-plane composite resonance method of the present invention, the in-plane composite resonator according to the present invention is obtained by ultrasonic vibration obtained by adding the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency. By exciting and causing longitudinal vibration, flexural vibration is generated by the flexural vibration generating means provided in the in-plane composite resonator, and in-plane resonance of a complex vibration trajectory that combines longitudinal vibration and flexural vibration is generated. Can do. Therefore, according to the in-plane composite resonance method according to the present invention, precise welding can be performed and high welding strength can be obtained. In addition, since high welding strength can be obtained by the composite vibration, damage to the object can be reduced. Furthermore, since a plurality of vibrating bodies are not used when performing the composite vibration, the apparatus can be downsized and the cost can be kept low.

以下、適宜図面を参照して、本発明に係る面内複合共振体、並びにこれを用いた面内複合共振装置及び面内複合共振方法について詳細に説明する。
まず、本発明に係る面内複合共振体について説明する。図1は、本発明に係る面内複合共振体の構成を示す斜視図である。
Hereinafter, an in-plane composite resonator according to the present invention, an in-plane composite resonance apparatus using the same, and an in-plane composite resonance method will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
First, the in-plane composite resonator according to the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an in-plane composite resonator according to the present invention.

本発明に係る面内複合共振体1は、縦振動とたわみ振動を複合した面内共振を行う共振部2を有する。
本発明に係る面内複合共振体1は、当該面内複合共振体1の共振周波数となる第1の周波数(つまり、1波長)の超音波振動と、この第1の周波数とは異なる周波数を有する第2の周波数の超音波振動とを加算してなる超音波振動によって励振されて縦振動するとともに、図1に示すように、たわみ振動発生手段3を設けているため、当該面内複合共振体1の周面に、縦振動の超音波成分のうちの第2の周波数の超音波振動からたわみ振動を発生させ、前記した縦振動と、発生させたたわみ振動とを複合した複雑な振動軌跡の面内共振を、いわゆる長方形(角棒)の面内複合共振体1の上面及び下面中に発生させることができる。なお、面内複合共振体の周面において、縦振動とたわみ振動とが複合した複雑な振動軌跡で面内共振する部分が共振部2となる。なお、面内複合共振体の縦振動とたわみ振動による経時的な動きと共振部2の位置関係を図14と図15に示した。
The in-plane composite resonator 1 according to the present invention includes a resonance unit 2 that performs in-plane resonance that combines longitudinal vibration and flexural vibration.
The in-plane composite resonator 1 according to the present invention has a first frequency (that is, one wavelength) ultrasonic vibration that is a resonance frequency of the in-plane composite resonator 1 and a frequency different from the first frequency. The ultrasonic vibration generated by adding the ultrasonic vibration having the second frequency is longitudinally vibrated and the flexural vibration generating means 3 is provided as shown in FIG. A complex vibration locus in which a flexural vibration is generated from the ultrasonic vibration of the second frequency of the ultrasonic components of the longitudinal vibration on the peripheral surface of the body 1 and the above-described longitudinal vibration and the generated flexural vibration are combined. Can be generated in the upper and lower surfaces of a so-called rectangular (square bar) in-plane composite resonator 1. Note that a portion that resonates in a plane with a complex vibration locus in which longitudinal vibration and flexural vibration are combined on the peripheral surface of the in-plane composite resonator is the resonance portion 2. Note that FIGS. 14 and 15 show the temporal movement of the in-plane composite resonator due to longitudinal vibration and flexural vibration and the positional relationship of the resonance part 2.

ここで、当該技術分野において公知なように、縦振動とは、面内複合共振体1全体を、当該面内複合共振体1の長手方向と平行な方向に振動させることをいい、たわみ振動とは、面内複合共振体1の少なくとも一部を、当該面内複合共振体1の長手方向に対して横方向(つまり短手方向)に曲がるように振動させることをいう。   Here, as is known in the technical field, longitudinal vibration means that the entire in-plane composite resonator 1 is vibrated in a direction parallel to the longitudinal direction of the in-plane composite resonator 1. Means that at least a part of the in-plane composite resonator 1 is vibrated so as to bend in a lateral direction (that is, a short direction) with respect to the longitudinal direction of the in-plane composite resonator 1.

なお、面内共振を発生させるために複合される縦振動は、面内複合共振体1の共振周波数となる第1の周波数の超音波振動によるものであり、面内共振を発生させるために複合されるたわみ振動は、第1の周波数よりも高い周波数を有する第2の周波数の超音波振動によるものである。第1の周波数の超音波振動、第2の周波数の超音波振動、たわみ振動発生手段3を設ける位置、及び面内複合共振体1の形状の設定と材質の選定などについては、後ほど面内複合共振体1の設計手順にて説明する。   Note that the longitudinal vibration combined to generate the in-plane resonance is due to the ultrasonic vibration of the first frequency that is the resonance frequency of the in-plane composite resonator 1, and is combined to generate the in-plane resonance. The flexural vibration that is generated is due to the ultrasonic vibration of the second frequency having a higher frequency than the first frequency. Regarding the ultrasonic vibration of the first frequency, the ultrasonic vibration of the second frequency, the position where the flexural vibration generating means 3 is provided, the setting of the shape of the in-plane composite resonator 1 and the selection of the material, the in-plane composite will be described later. The design procedure of the resonator 1 will be described.

本発明に係る面内複合共振体1は、ジュラルミン、チタン合金、K−モネル、工具鋼、低損失鋼、ステンレス、及び燐青銅、又はこれらの表面にクロームめっきを施したものなど、公知の材質で形成することができる。また、面内複合共振体1の全体の形状も、加工しようとする対象物の形状、材質や、面内複合共振体1の形状の加工のし易さなどに応じて任意に設定可能である。例えば、いわゆる長方形、円筒形、円柱形、指数形、円錐形、段付形など公知の形状とすることができる。段付形の場合は、応力に強くするため、段となる部分をR加工して繋げるのが好ましい。   The in-plane composite resonator 1 according to the present invention is a known material such as duralumin, titanium alloy, K-monel, tool steel, low loss steel, stainless steel, phosphor bronze, or a chrome plated surface thereof. Can be formed. Also, the overall shape of the in-plane composite resonator 1 can be arbitrarily set according to the shape and material of the object to be processed, the ease of processing the shape of the in-plane composite resonator 1, and the like. . For example, a known shape such as a so-called rectangle, cylinder, column, index, cone, or stepped shape can be used. In the case of the stepped shape, it is preferable to connect the portions to be stepped by R processing in order to strengthen the stress.

たわみ振動発生手段3は、第2の周波数の超音波振動の節となる位置に設けるのが好ましい。第2の周波数の超音波振動の節となる位置からずれた位置にたわみ振動発生手段3を設けると、たわみ振動の発生効率が悪くなるため好ましくない。なお、たわみ振動発生手段3と後記するたわみ振動打消し手段4を設ける手法等については後に記載する。
かかるたわみ振動発生手段3は、脆弱部とするのが好ましい。かかる脆弱部は、面内複合共振体1の一部の肉厚を薄くした有底穴としてもよく、面内複合共振体1を貫通する貫通孔としてもよい。脆弱部を有底穴とするか、貫通孔とするかは任意に設定することが可能である。有底穴とすれば、面内複合共振体1の剛性の低下を抑えることができ、耐久性の向上を見込むことができる。他方、貫通孔とすれば、有底穴と比較して面内複合共振体1の剛性が低下するので、たわみ振動発生手段3によってたわみ振動を発生させ易く、また、たわみ振動の振幅を大きくできる可能性がある。
The flexural vibration generating means 3 is preferably provided at a position that becomes a node of ultrasonic vibration of the second frequency. If the flexural vibration generating means 3 is provided at a position deviated from the position of the ultrasonic vibration node having the second frequency, the generation efficiency of the flexural vibration is deteriorated, which is not preferable. A method for providing the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4 described later will be described later.
Such a flexural vibration generating means 3 is preferably a weak part. Such a fragile portion may be a bottomed hole in which a part of the in-plane composite resonator 1 is thinned, or may be a through-hole penetrating the in-plane composite resonator 1. It is possible to arbitrarily set whether the fragile portion is a bottomed hole or a through hole. If the bottomed hole is used, it is possible to suppress a decrease in the rigidity of the in-plane composite resonator 1 and to expect an improvement in durability. On the other hand, if the through hole is used, the rigidity of the in-plane composite resonator 1 is lower than that of the bottomed hole. Therefore, the flexural vibration generating means 3 can easily generate flexural vibration, and the amplitude of the flexural vibration can be increased. there is a possibility.

たわみ振動発生手段3としての脆弱部は、縦振動が印加される方向に対して垂直となる方向に2つ以上並べて設けるのが好ましく、平行に設けるのがより好ましい。かかる脆弱部が1つのみでは、たわみ振動を発生させ難くなるため好ましくない。かかる脆弱部の形状は、有限要素解析ソフトを用いた解析の結果、たわみ振動が得られる形状とされるものであればどのような形状としてもよい。例えば、縦幅7mm、横幅3mmなどとすることができる。脆弱部を有底穴とした場合は、例えば、深さ5mmなどとすることができる。
なお、有限要素解析ソフトは市販されている任意のものを使用することができるが、モーダル解析(固有振動モードの周波数解析)と周波数応答解析(ある周波数での応力解析など)ができればこれらを使用することでも同様の解析を行うことは可能である。
Two or more weak portions as the flexural vibration generating means 3 are preferably provided side by side in a direction perpendicular to the direction in which the longitudinal vibration is applied, and more preferably provided in parallel. A single weak portion is not preferable because it is difficult to generate a flexural vibration. The shape of the fragile portion may be any shape as long as it is a shape that can obtain a flexural vibration as a result of analysis using finite element analysis software. For example, the width may be 7 mm, the width may be 3 mm, and the like. When the fragile portion is a bottomed hole, for example, the depth can be 5 mm.
Any commercially available finite element analysis software can be used, but these can be used if modal analysis (frequency analysis of natural vibration mode) and frequency response analysis (stress analysis at a certain frequency, etc.) are possible. It is possible to perform the same analysis by doing.

たわみ振動発生手段3としての脆弱部の形成角度αは、縦振動の印加方向からの開き角度で40〜50°とするのが好ましい。たわみ振動発生手段3としての脆弱部の形成角度αが前記した範囲の上限値又は下限値を外れるといずれもたわみ振動の発生効率が悪くなるため好ましくない。なお、たわみ振動発生手段3としての脆弱部の形成角度αは、たわみ振動の発生効率が最も良くなる45°とするのが最も好ましい。   The formation angle α of the fragile portion as the flexural vibration generating means 3 is preferably 40 to 50 ° as an opening angle from the application direction of the longitudinal vibration. If the formation angle α of the fragile portion as the flexural vibration generating means 3 deviates from the upper limit value or the lower limit value of the above-described range, it is not preferable because the generation efficiency of the flexural vibration is deteriorated. It is most preferable that the formation angle α of the fragile portion as the bending vibration generating means 3 is 45 ° at which the generation efficiency of the bending vibration is the best.

本発明に係る面内複合共振体1は、第2の周波数の超音波振動の節とは異なる他の節となる位置に、前記したたわみ振動発生手段3で発生させたたわみ振動を打ち消すためのたわみ振動打消し手段4を設けるのが好ましい。すなわち、後記する振動子15(図2参照)と接合する面内複合共振体1の一端部5の対辺となる他端部6側において第2の周波数の超音波振動の節となる位置にたわみ振動打消し手段4を設けることができる。このようにすれば、面内複合共振体1を一端部5と他端部6の両端で固定することが容易となる。たわみ振動発生手段3と同様に、第2の周波数の超音波振動の節となる位置からずれた位置にたわみ振動打消し手段4を設けると、たわみ振動の打消し効率が悪くなるため好ましくない。なお、縦振動が印加される前記一端部5でのみ本発明に係る面内複合共振体1を固定する場合は、当該たわみ振動打消し手段4を設けなくてもよい。   The in-plane composite resonator 1 according to the present invention cancels the flexural vibration generated by the flexural vibration generating means 3 at a position that is another node different from the ultrasonic vibration node of the second frequency. It is preferable to provide a bending vibration canceling means 4. That is, it bends to a position that becomes a node of ultrasonic vibration of the second frequency on the other end 6 side that is the opposite side of the one end 5 of the in-plane composite resonator 1 to be bonded to the vibrator 15 (see FIG. 2) described later. Vibration canceling means 4 can be provided. In this way, it becomes easy to fix the in-plane composite resonator 1 at both ends of the one end portion 5 and the other end portion 6. Similarly to the flexural vibration generating means 3, it is not preferable to provide the flexural vibration canceling means 4 at a position shifted from the position of the ultrasonic vibration at the second frequency because the flexural vibration canceling efficiency is deteriorated. When the in-plane composite resonator 1 according to the present invention is fixed only at the one end portion 5 to which longitudinal vibration is applied, the bending vibration canceling means 4 need not be provided.

このたわみ振動打消し手段4は、たわみ振動発生手段3と同様に、脆弱部であるのが好ましく、かかる脆弱部は、面内複合共振体1の一部の肉厚を薄くした有底穴としてもよく、面内複合共振体1を貫通する貫通孔としてもよい。   The flexural vibration canceling means 4 is preferably a fragile portion, similar to the flexural vibration generating means 3, and the fragile portion is a bottomed hole in which a part of the in-plane composite resonator 1 is thinned. Alternatively, a through hole penetrating the in-plane composite resonator 1 may be used.

たわみ振動打消し手段4としての脆弱部は、縦振動が印加される方向に対して垂直となる方向に2つ以上並べて設けるのが好ましく、平行に設けるのがより好ましい。かかる脆弱部が1つのみではたわみ振動を打ち消し難くなるため好ましくない。   Two or more fragile portions serving as the flexural vibration canceling means 4 are preferably provided side by side in a direction perpendicular to the direction in which the longitudinal vibration is applied, and more preferably provided in parallel. It is not preferable that only one fragile portion is provided because it is difficult to cancel the flexural vibration.

この脆弱部の形状は、たわみ振動発生手段3としての脆弱部の形状と同様に、有限要素解析ソフトを用いた解析の結果、たわみ振動が得られる形状とされるものであればどのような形状としてもよい。例えば、縦幅7mm、横幅3mmなどとすることができる。脆弱部を有底穴とした場合は、例えば、深さ5mmなどとすることができる。   The shape of the fragile portion is the same as the shape of the fragile portion as the flexural vibration generating means 3, as long as it can be obtained as a result of analysis using finite element analysis software. It is good. For example, the width may be 7 mm, the width may be 3 mm, and the like. When the fragile portion is a bottomed hole, for example, the depth can be 5 mm.

たわみ振動打消し手段4としての脆弱部の形成角度βは、前記した形成角度αとの関係で、縦振動の印加方向からの開き角度でβ=180−α、又はβ=αの条件を満たすのが好ましい。例えば、たわみ振動発生手段3としての脆弱部の形成角度αを40〜50°で形成した場合、たわみ振動打消し手段4としての脆弱部の形成角度βは、140〜130°、又は40〜50°で形成するのがよい。また例えば、たわみ振動発生手段3としての脆弱部の形成角度αを縦振動の印加方向からの開き角度で45°で形成した場合、たわみ振動打消し手段4としての脆弱部の形成角度βは、縦振動の印加方向からの開き角度で135°、又は45°で形成するのがよい。たわみ振動打消し手段4としての脆弱部の形成角度βが前記した条件の上限値又は下限値を外れるといずれもたわみ振動の打消し効率が悪くなるため好ましくない。なお、たわみ振動打消し手段4としての脆弱部の形成角度βは、たわみ振動の打消効率が最も良くなる135°又は45°とするのが最も好ましい。   The formation angle β of the fragile portion as the flexural vibration canceling means 4 is in relation to the formation angle α described above, and satisfies the condition of β = 180−α or β = α in terms of the opening angle from the application direction of the longitudinal vibration. Is preferred. For example, when the formation angle α of the fragile portion as the flexural vibration generating means 3 is formed at 40 to 50 °, the formation angle β of the fragile portion as the flexural vibration canceling means 4 is 140 to 130 °, or 40 to 50 It is good to form at °. Further, for example, when the formation angle α of the fragile portion as the flexural vibration generating means 3 is formed at an opening angle of 45 ° from the application direction of the longitudinal vibration, the formation angle β of the fragile portion as the flexural vibration canceling means 4 is The opening angle from the direction of application of longitudinal vibration is preferably 135 ° or 45 °. If the formation angle β of the fragile portion as the flexural vibration canceling means 4 deviates from the upper limit value or the lower limit value of the above-described conditions, any flexural vibration canceling efficiency is deteriorated. The formation angle β of the fragile portion as the bending vibration canceling means 4 is most preferably set to 135 ° or 45 ° at which the bending vibration canceling efficiency is best.

つまり、このたわみ振動打消し手段4は、第2の周波数の超音波振動の節とは異なる他の節となる位置において、前記したたわみ振動発生手段3の形状と、いわば左右対称となる形状及び形成角度、又は全く同じ形状及び角度となるように設けるのが好ましい。たわみ振動打消し手段4は、超音波振動を振動子側に伝えないようにすることができればよく、たわみ振動発生手段3としての脆弱部と、たわみ振動打消し手段4としての脆弱部との間に伝播するたわみ振動の周波数、すなわち、第2の周波数によって、たわみ振動発生手段3の形状と左右対称となる形状及び形成角度とするか、又は、たわみ振動発生手段3の形状と全く同じ形状及び角度とするかを任意に選択することができる。   In other words, the flexural vibration canceling means 4 has a shape that is symmetrical to the shape of the flexural vibration generating means 3 described above at a position that is another node different from the node of the ultrasonic vibration of the second frequency. It is preferable to provide the forming angle or the same shape and angle. The flexural vibration canceling means 4 only needs to be able to prevent the ultrasonic vibration from being transmitted to the vibrator side, and between the weak part as the flexural vibration generating means 3 and the weak part as the flexural vibration canceling means 4. Depending on the frequency of the flexural vibration propagating to the surface, that is, the shape and the forming angle that is symmetrical with the shape of the flexural vibration generating means 3 according to the second frequency, or exactly the same shape as the shape of the flexural vibration generating means 3 and An angle can be arbitrarily selected.

また、たわみ振動発生手段3よりも外側、及びたわみ振動打消し手段4よりも外側となる部分の幅寸法をたわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の間の幅寸法よりも大きくするとよい。このようにすることで、振動子15や面内複合共振体1を固定している箇所へのたわみ振動の影響を少なくすることができる。
また、図1に示すように、たわみ振動発生手段3よりも外側の一端部5側の幅寸法を大きくし、たわみ振動発生手段3よりも先の幅寸法を小さくすることで、縦振動、特に第1の周波数の超音波振動による縦振動の変性効果を得ることも可能である。つまり、振動子15からの振幅を増幅する効果を得ることも可能である。
Further, the width dimension of the portion outside the flexural vibration generating means 3 and outside the flexural vibration canceling means 4 may be larger than the width dimension between the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4. . By doing in this way, the influence of the flexural vibration to the location which has fixed the vibrator | oscillator 15 or the in-plane composite resonator 1 can be decreased.
Further, as shown in FIG. 1, by increasing the width dimension on the one end portion 5 side outside the flexural vibration generating means 3 and decreasing the width dimension ahead of the flexural vibration generating means 3, longitudinal vibration, particularly It is also possible to obtain a modification effect of longitudinal vibration by ultrasonic vibration of the first frequency. That is, it is possible to obtain an effect of amplifying the amplitude from the vibrator 15.

第2の周波数の超音波振動は、第1の周波数の0.5n倍(nは2よりも大きい数、好ましくは3以上の整数)であるのが好ましい。第2の周波数の超音波振動が、第1の周波数の0.5n倍(nは2よりも大きい数、好ましくは3以上の整数)でないと、例えば、面内複合共振体1の中央部近傍などで第1の周波数の超音波振動の腹に対して逆位相の腹を有する超音波振動が生じてしまい、これらが相殺してしまう場合がある。その結果、面内共振が得られなかったり、得られる面内共振が弱いものとなってしまったりするおそれがある。なお、前記したnを2よりも大きいいずれの数とするかは、たわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の間の共振部2の太さ、強度等に応じて任意に選択することができる。また、前記したnを2よりも大きいいずれの数とするかは、前記した有限要素解析ソフトを用いることにより、容易に解析することができる。   The ultrasonic vibration of the second frequency is preferably 0.5n times the first frequency (n is a number larger than 2, preferably an integer of 3 or more). If the ultrasonic vibration of the second frequency is not 0.5n times the first frequency (n is a number larger than 2, preferably an integer of 3 or more), for example, near the center of the in-plane composite resonator 1 As a result, ultrasonic vibrations having antiphase antinodes with respect to antinodes of ultrasonic vibrations of the first frequency may occur, which may cancel each other. As a result, the in-plane resonance may not be obtained, or the obtained in-plane resonance may be weak. It should be noted that any number larger than 2 is arbitrarily selected depending on the thickness, strength, etc. of the resonance part 2 between the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4. Can do. In addition, it can be easily analyzed by using the above-described finite element analysis software whether n is greater than 2 or not.

第2の周波数の超音波振動は、前記したようにして設定することができるが、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との関係は、これらの周波数比が、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動とができるだけ遠く離れた振動周波数を得ることができ、且つ面内複合共振体1の強度を十分保つことができる比率で設定するのが好ましい。   The ultrasonic vibration of the second frequency can be set as described above, but the relationship between the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency is that the frequency ratio is as follows: The ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency are set at a ratio that can obtain a vibration frequency as far as possible and can sufficiently maintain the strength of the in-plane composite resonator 1. Is preferred.

具体的には、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との周波数比を1:1.5とするのが最も好ましいが、面内複合共振体1の形状等から印加できる第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との周波数比が正確に1:1.5とはならない場合がある。そのような場合であっても、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との周波数比が1:1.5から1:2の範囲内であれば本発明の所望の効果を得ることができ、且つ十分な強度を保つことができるので許容される。かかる周波数比が1:1.5から1:2の範囲を外れると、前記したように、面内複合共振体1の中央部近傍などで第1の周波数の超音波振動の腹に対して逆位相の腹を有する超音波振動が生じ、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動が相殺してしまい、面内共振が得られなかったり、得られる面内共振が弱いものとなってしまったりするおそれがある。また、強度が十分でないために破断等してしまう場合がある。   Specifically, the frequency ratio between the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency is most preferably set to 1: 1.5, but from the shape of the in-plane composite resonator 1 and the like. The frequency ratio between the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency that can be applied may not be accurately 1: 1.5. Even in such a case, if the frequency ratio between the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency is within the range of 1: 1.5 to 1: 2, the desired of the present invention. The above effect can be obtained and sufficient strength can be maintained, so that it is allowed. When the frequency ratio is out of the range of 1: 1.5 to 1: 2, as described above, it is opposite to the antinode of the ultrasonic vibration of the first frequency near the center of the in-plane composite resonator 1. An ultrasonic vibration having antinodes is generated, and the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency cancel each other, so that in-plane resonance cannot be obtained or the obtained in-plane resonance is weak. There is a risk of becoming a thing. Moreover, since the strength is not sufficient, it may break.

次に、本発明に係る面内複合共振体1の設計手順を、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との周波数比が1:1.5である場合を例に説明する。
初めに、面内複合共振体1の長さを設定する。面内複合共振体1の長さは、1波長の共振体として使用する場合、用いる材質などから次式に従って任意に設定可能である。
面内複合共振体の長さ[mm]=音速[m/s]/共振周波数[kHz]
Next, the design procedure of the in-plane composite resonator 1 according to the present invention is an example in which the frequency ratio between the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency is 1: 1.5. Explained.
First, the length of the in-plane composite resonator 1 is set. The length of the in-plane composite resonator 1 can be arbitrarily set according to the following formula from the material used when used as a one-wavelength resonator.
In-plane composite resonator length [mm] = sonic velocity [m / s] / resonance frequency [kHz]

従って、例えば、設計周波数を面内複合共振体1の共振周波数とし、ジュラルミン2024S(音速5186m/s)の角棒(共振周波数28.3kHz)を1波長の共振体として使用する場合、長さを180mmとすることができる。面内複合共振体1の幅及び厚さも任意に設定することができ、例えば、幅30mm、厚さ20mmの角棒状の共振体とすることができる。なお、設計周波数が面内複合共振体1の共振周波数となるか否かは、当該技術分野で公知の機器、例えば、エヌエフ回路設計ブロック社製周波数特性分析器やヒューレットパッカード社製インピーダンスアナライザなどの周波数特性分析器を用いることにより確認することができる。また、面内複合共振体1の共振部2となる部分の幅の適正化については後ほど説明する。   Therefore, for example, when the design frequency is the resonance frequency of the in-plane composite resonator 1 and the square rod (resonance frequency 28.3 kHz) of duralumin 2024S (sound speed 5186 m / s) is used as a one-wavelength resonator, the length is It can be 180 mm. The width and thickness of the in-plane composite resonator 1 can also be set arbitrarily. For example, a rectangular rod-like resonator having a width of 30 mm and a thickness of 20 mm can be obtained. Whether or not the design frequency becomes the resonance frequency of the in-plane composite resonator 1 is determined by a device known in the technical field, such as a frequency characteristic analyzer manufactured by NF Circuit Design Block, an impedance analyzer manufactured by Hewlett Packard, or the like. This can be confirmed by using a frequency characteristic analyzer. The optimization of the width of the portion that becomes the resonance portion 2 of the in-plane composite resonator 1 will be described later.

次に、たわみ振動発生手段3を設ける。たわみ振動発生手段3を設ける位置は、有限要素解析ソフトなどにより決定することができる。また、たわみ振動打消し手段4を設ける場合は、前記したたわみ振動発生手段3と同様に有限要素解析ソフトなどにより決定することができる。
たわみ振動発生手段3のみを設ける場合は、長さを設定した前記角棒の共振周波数である第1の周波数の超音波振動(1波長)の1.5倍となる第2の周波数の超音波振動(1.5波長)の節となる位置を有限要素解析ソフトで解析し、そこにたわみ振動発生手段3を設ければよい。
他方、たわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の両方を設ける場合は、長さを設定した前記角棒の共振周波数である第1の周波数の超音波振動の1.5倍となる第2の周波数の超音波振動の腹となる位置が、たわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の中間に位置するようにして、第2の周波数の超音波振動の節となる位置を決定する。
Next, a flexural vibration generating means 3 is provided. The position where the flexural vibration generating means 3 is provided can be determined by finite element analysis software or the like. Further, when the flexural vibration canceling means 4 is provided, it can be determined by finite element analysis software or the like in the same manner as the flexural vibration generating means 3 described above.
When only the flexural vibration generating means 3 is provided, the ultrasonic wave of the second frequency that is 1.5 times the ultrasonic vibration (one wavelength) of the first frequency that is the resonance frequency of the square bar whose length is set. A position that becomes a node of vibration (1.5 wavelengths) may be analyzed by finite element analysis software, and a bending vibration generating means 3 may be provided there.
On the other hand, when both the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4 are provided, the first frequency which is 1.5 times the ultrasonic vibration of the first frequency which is the resonance frequency of the square bar whose length is set. The position that becomes the node of the ultrasonic vibration of the second frequency is determined such that the position of the antinode of the ultrasonic vibration of the second frequency is located between the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4. To do.

なお、前記では、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との周波数比が11.5である場合を例示して説明したので、第2の周波数の超音波振動の腹となる位置が、たわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の中間に位置するように設定したが、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との周波数比が11.5でない場合、例えば、1:2や1:2.5などの場合はこの限りでない。周波数比によっては、たわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の中間に位置するものが、第2の周波数の超音波振動の節となる場合もある。 In the above description, the case where the frequency ratio between the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency is 1 : 1.5 is described as an example. The position of the vibration antinode is set so as to be located between the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4, but the first frequency ultrasonic vibration and the second frequency ultrasonic vibration This is not the case when the frequency ratio is not 1 : 1.5, for example, 1: 2 or 1: 2.5. Depending on the frequency ratio, what is positioned between the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4 may be a node of ultrasonic vibration of the second frequency.

これを前記した例で説明すると、前記した長さ180mmの角棒について、1.5波長に相当する38.5kHzで縦振動する共振周波数を用いた場合、第2の周波数の超音波振動の節となる位置は、一端部5から20mmと160mmとなる。なお、第2の周波数の超音波振動の節となる位置は、当該技術分野で公知の機器、例えば、レーザードップラー振動計とロックインアンプなどの振動変位分布測定器を用いることによって測定し、確認することができる。   This will be explained using the above-described example. When the above-described square bar having a length of 180 mm is used with a resonant frequency that longitudinally vibrates at 38.5 kHz corresponding to 1.5 wavelengths, the ultrasonic vibration node having the second frequency is used. The positions are 20 mm and 160 mm from one end 5. The position that becomes the node of the ultrasonic vibration of the second frequency is measured and confirmed by using a device known in the technical field, for example, a vibration displacement distribution measuring instrument such as a laser Doppler vibrometer and a lock-in amplifier. can do.

測定した第2の周波数の超音波振動の節となる位置のうち一端部5から20mmの位置に、たわみ振動発生手段3としての脆弱部を、縦振動が印加される方向に対して垂直となる方向に2つ以上平行に並べて設ける。例えば、かかる脆弱部を、その形成角度αが縦振動の印加方向からの開き角度で45°となるように、縦7mm、横3mm、深さ5mmの有底穴を2つ平行に並べて設ける。   The weak part as the flexural vibration generating means 3 is perpendicular to the direction in which the longitudinal vibration is applied at a position 20 mm from the one end part 5 of the measured position of the ultrasonic vibration of the second frequency. Two or more are arranged in parallel in the direction. For example, two bottomed holes of 7 mm in length, 3 mm in width, and 5 mm in depth are provided in parallel so that the weakened portion has an angle of formation α of 45 ° with respect to the application direction of the longitudinal vibration.

また、面内複合共振体1を両端で固定する場合は、測定した第2の周波数の超音波振動の節となる位置のうち一端部5から160mmの位置に、たわみ振動打消し手段4としての脆弱部を設ける。かかる脆弱部は、有限要素解析ソフトで解析することでどのような形状とすればよいかわかるため、有限要素解析ソフトで解析して形状を決定する。前記した角棒と第2の周波数の超音波振動を条件として前記したたわみ振動発生手段3を設ける場合、当該たわみ振動発生手段3といわば左右対称となるようにたわみ振動打消し手段4を設けるとよい。つまり、たわみ振動発生手段3を設けた場合は、たわみ振動打消し手段4としての脆弱部を、縦振動が印加される方向に対して垂直となる方向に、且つその形成角度βが縦振動の印加方向からの開き角度で135°となるように、縦7mm、横3mm、深さ5mmの有底穴を2つ平行に並べて設ける。   Further, when the in-plane composite resonator 1 is fixed at both ends, the bending vibration canceling means 4 is positioned at a position of 160 mm from the one end portion 5 of the measured position of the ultrasonic vibration at the second frequency. Establish a vulnerable part. Since the fragile part can be identified by analyzing with finite element analysis software, the shape is determined by analyzing with finite element analysis software. When the flexural vibration generating means 3 is provided on the condition that the square bar and the ultrasonic vibration of the second frequency are provided, the flexural vibration canceling means 4 is provided so as to be symmetrical with the flexural vibration generating means 3. Good. That is, when the flexural vibration generating means 3 is provided, the weakened portion as the flexural vibration canceling means 4 is set in a direction perpendicular to the direction in which the longitudinal vibration is applied, and the formation angle β is the longitudinal vibration. Two bottomed holes having a length of 7 mm, a width of 3 mm, and a depth of 5 mm are provided in parallel so that the opening angle from the application direction is 135 °.

次に、面内複合共振体1において縦振動とたわみ振動とが複合した複雑な振動軌跡で面内共振する共振部2の幅を適正化する。たわみ振動が励起される部分の幅の適正化は、例えば、当該技術分野において公知のflloop-fh曲線グラフ(図7参照)から求めることができる。つまり、面内複合共振体1を一端部5と他端部6の両端で固定する場合は、縦振動の周波数(第1の周波数)と、前記したたわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の間の長さとから、flloop-fh曲線グラフを用いた偶関数分布にて求めることができる。 Next, in the in-plane composite resonator 1, the width of the resonance portion 2 that resonates in a plane with a complex vibration locus in which longitudinal vibration and flexural vibration are combined is optimized. The optimization of the width of the portion where the flexural vibration is excited can be obtained, for example, from a fl loop- fh curve graph (see FIG. 7) known in the art. That is, in the case where the in-plane composite resonator 1 is fixed at both ends of the one end portion 5 and the other end portion 6, the longitudinal vibration frequency (first frequency), the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means described above. From the length between 4, it can be obtained by an even function distribution using the fl loop- fh curve graph.

なお、たわみ振動の対称性から、flloop-fh曲線グラフのflloopは、たわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の間の距離の1/2に相当する。また、fは、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動を加算した縦振動によって励振する際の共振周波数である。よって、flloop-fh曲線グラフからたわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の間の共振部2の幅寸法を求めることができる。 Note that the deflection from the symmetry of vibration, fl loop -fh curve fl loop of the graph corresponds to 1/2 of the distance between the bending vibration generating means 3 with the flexural vibration canceling means 4. Further, f is a resonance frequency at the time of excitation by the longitudinal vibration obtained by adding the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency. Therefore, the width dimension of the resonance part 2 between the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4 can be obtained from the fl loop- fh curve graph.

例えば、前記した長さと、たわみ振動発生手段3及びたわみ振動打消し手段4とを設ける面内複合共振体1の場合、たわみ振動の対称性を考慮して、flloop-fh曲線グラフを用いた偶関数分布から、たわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の間における共振部2の幅寸法は、lloopを3番目のモード次数(図7中の3rd)のたわみ振動とした場合、21.8mmとなる。従って、縦振動の印加方向からの開き角度が左右対称となるように設けたたわみ振動発生手段3とたわみ振動打消し手段4の間の幅寸法が21.8mmとなるように切削する。 For example, in the case of the in-plane composite resonator 1 provided with the above-described length and the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4, the fl loop- fh curve graph is used in consideration of the symmetry of flexural vibration. From the even function distribution, the width dimension of the resonance part 2 between the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4 is determined when l loop is a flexural vibration of the third mode order (3rd in FIG. 7). 21.8 mm. Therefore, cutting is performed so that the width dimension between the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4 provided so that the opening angle from the application direction of the longitudinal vibration is bilaterally symmetric is 21.8 mm.

他方、例えば、面内複合共振体1を縦振動が印加される一端部5側でのみ固定する場合は、縦振動の周波数(第1の周波数)と、前記したたわみ振動発生手段3と面内複合共振体1の他端部6までの長さとから、flloop-fh曲線グラフを用いた奇関数分布にて共振部2の幅寸法を求めることができる。 On the other hand, for example, in the case where the in-plane composite resonator 1 is fixed only on the one end portion 5 side to which the longitudinal vibration is applied, the longitudinal vibration frequency (first frequency), the above-described flexural vibration generating means 3 and the in-plane From the length to the other end portion 6 of the composite resonator 1, the width dimension of the resonance portion 2 can be obtained by an odd function distribution using the fl loop- fh curve graph.

なお、前記した長さと、たわみ振動発生手段3及びたわみ振動打消し手段4とを設ける面内複合共振体1の場合であっても、flloop-fh曲線グラフを用いた奇関数分布から便宜的に共振部2の幅寸法を求めることが可能であることはいうまでもない。
さらに、面内複合共振体1を縦振動が印加される一端部5側でのみ固定する場合に、縦振動の周波数(第1の周波数)と、前記したたわみ振動発生手段3と面内複合共振体1の他端部6までの長さとから、flloop-fh曲線グラフを用いた偶関数分布から便宜的に共振部2の幅寸法を求めることが可能であることはいうまでもない。
Even in the case of the in-plane composite resonator 1 provided with the above-described length and the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4, it is convenient from the odd function distribution using the fl loop- fh curve graph. Needless to say, the width dimension of the resonating part 2 can be obtained.
Further, in the case where the in-plane composite resonator 1 is fixed only at the one end 5 side to which longitudinal vibration is applied, the longitudinal vibration frequency (first frequency), the flexural vibration generating means 3 and the in-plane composite resonance are described. It goes without saying that the width dimension of the resonance part 2 can be conveniently obtained from the even function distribution using the fl loop- fh curve graph from the length to the other end part 6 of the body 1.

以上に説明した手順によって本発明に係る面内複合共振体1を設計することができる。なお、設計を行って完成した面内複合共振体1の形状等は、設計開始時の角棒の形状等と異なっているため、共振周波数も異なってしまう場合がある。従って、完成した面内複合共振体1の共振周波数を前記した周波数特性分析器で測定し、測定して得られた共振周波数を第1の周波数の超音波振動として励振させるとよい。また、完成した面内複合共振体1の第2の周波数の超音波振動も同様に前記した振動変位分布測定器で測定し、測定して得られた周波数で第2の周波数の超音波振動を励振させるようにするとよい。   The in-plane composite resonator 1 according to the present invention can be designed by the procedure described above. In addition, since the shape etc. of the in-plane composite resonator 1 completed by designing are different from the shape of the square bar at the start of design, the resonance frequency may also be different. Therefore, it is preferable to measure the resonance frequency of the completed in-plane composite resonator 1 with the above-described frequency characteristic analyzer and excite the resonance frequency obtained by the measurement as ultrasonic vibration of the first frequency. Similarly, the ultrasonic vibration of the second frequency of the completed in-plane composite resonator 1 is also measured by the above-described vibration displacement distribution measuring instrument, and the ultrasonic vibration of the second frequency is measured at the obtained frequency. It is good to be excited.

次に、本発明に係る面内複合共振体1を備えた面内複合共振装置10について説明する。なお、面内複合共振体1の説明で既に説明した事項については同一の符号で示し、その説明を省略する。
図2は、本発明に係る面内複合共振装置10の構成を示す概念図である。
本発明に係る面内複合共振装置10は、縦振動とたわみ振動を複合した面内共振を行う共振部2を有する面内複合共振体1を用いた面内複合共振装置であって、図2に示すように、第1の発振器11と、第2の発振器12と、加算器13と、振動子15と、前記した面内複合共振体1とを備えた構成となっている。
Next, the in-plane composite resonance apparatus 10 provided with the in-plane composite resonator 1 according to the present invention will be described. In addition, the matter already demonstrated by description of the in-plane composite resonator 1 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the configuration of the in-plane composite resonance apparatus 10 according to the present invention.
An in-plane composite resonance apparatus 10 according to the present invention is an in-plane composite resonance apparatus using an in-plane composite resonator 1 having a resonance section 2 that performs in-plane resonance that combines longitudinal vibration and flexural vibration. As shown in FIG. 1, the first oscillator 11, the second oscillator 12, the adder 13, the vibrator 15, and the in-plane composite resonator 1 are provided.

第1の発振器11は、面内複合共振体1の共振周波数となる第1の周波数の超音波振動を発振させるための第1の電圧信号を後記する加算器13に出力するものである。第1の発振器11で出力する第1の電圧信号は、設計して完成した面内複合共振体1の共振周波数を第1の周波数の超音波振動として出力するのが好ましい。第1の周波数の超音波振動としては、例えば、26.477kHzの超音波振動とすることができる。   The first oscillator 11 outputs a first voltage signal for oscillating ultrasonic vibration having a first frequency, which is the resonance frequency of the in-plane composite resonator 1, to an adder 13 described later. The first voltage signal output from the first oscillator 11 is preferably output as the ultrasonic vibration having the first frequency at the resonance frequency of the in-plane composite resonator 1 that has been designed and completed. As the ultrasonic vibration of the first frequency, for example, ultrasonic vibration of 26.477 kHz can be used.

第2の発振器12は、前記した第1の周波数とは異なる周波数、好ましくは、第1の周波数の0.5n倍(nは2よりも大きい数、好ましくは3以上の整数)となる第2の周波数の超音波振動を発振させるための第2の電圧信号を、後記する加算器13に出力するものである。なお、第2の発振器12は、前記したように、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との周波数比が1:1.5となるように第2の電圧信号を出力する。第2の周波数の超音波振動としては、例えば、38.090kHzの超音波振動とすることができる。   The second oscillator 12 has a frequency different from the first frequency, preferably 0.5n times the first frequency (n is a number larger than 2, preferably an integer of 3 or more). The second voltage signal for oscillating the ultrasonic vibration of the frequency is output to the adder 13 described later. As described above, the second oscillator 12 outputs the second voltage signal so that the frequency ratio between the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency is 1: 1.5. Is output. As the ultrasonic vibration of the second frequency, for example, ultrasonic vibration of 38.090 kHz can be used.

加算器13は、第1の発振器11から入力された第1の電圧信号と、第2の発振器12から入力された第2の電圧信号とを加算し、加算された電圧信号を得るものである。当該加算器13は、加算した電圧信号を増幅して後記する振動子15に出力するための増幅器14を備えてもよい。   The adder 13 adds the first voltage signal input from the first oscillator 11 and the second voltage signal input from the second oscillator 12 to obtain an added voltage signal. . The adder 13 may include an amplifier 14 for amplifying the added voltage signal and outputting the amplified voltage signal to a vibrator 15 described later.

振動子15は、加算器13で加算し、好ましくは増幅器14で増幅された電圧信号により超音波振動を発振するものである。すなわち、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動とを加算した超音波振動を発生し、後記する面内複合共振体1を励振して縦振動させる。   The vibrator 15 oscillates ultrasonic vibration by the voltage signal added by the adder 13 and preferably amplified by the amplifier 14. That is, an ultrasonic vibration obtained by adding the ultrasonic vibration of the first frequency and the ultrasonic vibration of the second frequency is generated, and the in-plane composite resonator 1 described later is excited and longitudinally vibrated.

なお、第1の発振器11及び第2の発振器12は、それぞれの周波数となるように出力を設定した通常使用される発振器を用いることができる。また、第1の発振器11及び第2の発振器12はそれぞれに周波数追尾回路(例えばPLL回路)を備えているのが好ましい。かかる周波数追尾回路を備えることにより、振動系をその最適な周波数で駆動させることができる。
加算器13及び増幅器14も通常使用されるものを用いることができる。
振動子15は、圧電振動子又は磁歪振動子を用いることができ、例えば、圧電振動子を用いたボルト締めランジュバン型超音波振動子などを好適に用いることができる。
Note that the first oscillator 11 and the second oscillator 12 may be normally used oscillators whose outputs are set to have respective frequencies. Further, each of the first oscillator 11 and the second oscillator 12 preferably includes a frequency tracking circuit (for example, a PLL circuit). By providing such a frequency tracking circuit, the vibration system can be driven at the optimum frequency.
The adder 13 and the amplifier 14 may be those normally used.
As the vibrator 15, a piezoelectric vibrator or a magnetostrictive vibrator can be used. For example, a bolted Langevin type ultrasonic vibrator using a piezoelectric vibrator can be preferably used.

次に、本発明に係る面内複合共振方法について説明する。なお、面内複合共振体1及び面内複合共振装置10の説明で既に説明した事項については同一の符号で示し、その説明を省略する。
図3は、本発明に係る面内複合共振方法のフローを示すフローチャートである。
本発明に係る面内複合共振方法は、前記した面内複合共振装置10を用いて縦振動とたわみ振動を複合した面内共振を発生させるものであり、図3に示すように、本発明に係る面内複合共振方法は、電圧信号出力工程S1と、電圧信号加算工程S2と、超音波振動発振工程S3と、面内複合共振発生工程S4とを含む。
Next, the in-plane composite resonance method according to the present invention will be described. In addition, the matter already demonstrated by description of the in-plane composite resonator 1 and the in-plane composite resonator 10 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted.
FIG. 3 is a flowchart showing a flow of the in-plane composite resonance method according to the present invention.
The in-plane composite resonance method according to the present invention generates in-plane resonance that combines longitudinal vibration and flexural vibration using the above-described in-plane composite resonance apparatus 10, and as shown in FIG. The in-plane composite resonance method includes a voltage signal output step S1, a voltage signal addition step S2, an ultrasonic vibration oscillation step S3, and an in-plane composite resonance generation step S4.

電圧信号出力工程S1は、第1の発振器11が第1の周波数の超音波振動を発振させるための第1の電圧信号を加算器13に出力するとともに、第2の発振器12が第1の周波数とは異なる周波数、好ましくは、第1の周波数の0.5n倍(nは2よりも大きい数、好ましくは3以上の整数)、より好ましくは、第1の周波数の超音波振動と第2の周波数の超音波振動との周波数比が1:1.5となる第2の周波数の超音波振動を発振させるための第2の電圧信号を加算器13に出力する工程である。   In the voltage signal output step S1, a first voltage signal for causing the first oscillator 11 to oscillate ultrasonic vibration of the first frequency is output to the adder 13, and the second oscillator 12 is set to the first frequency. , Preferably 0.5n times the first frequency (where n is a number greater than 2, preferably an integer greater than or equal to 3), more preferably ultrasonic vibration of the first frequency and the second frequency This is a step of outputting to the adder 13 a second voltage signal for oscillating the ultrasonic vibration of the second frequency with a frequency ratio of 1: 1.5 to the ultrasonic vibration of the frequency.

電圧信号加算工程S2は、第1の発振器11から入力された第1の電圧信号と、第2の発振器12から入力された第2の電圧信号とを加算器13によって加算し、加算された電圧信号を得る工程である。なお、この電圧信号加算工程S2においては、必要であれば増幅器14によって加算された電圧信号を増幅させてもよい。   In the voltage signal addition step S2, the adder 13 adds the first voltage signal input from the first oscillator 11 and the second voltage signal input from the second oscillator 12, and the added voltage This is a step of obtaining a signal. In this voltage signal addition step S2, the voltage signal added by the amplifier 14 may be amplified if necessary.

超音波振動発振工程S3は、加算器13で加算され、好ましくは増幅器14で増幅された電圧信号により、縦振動する超音波振動を振動子15によって発振させる工程である。   The ultrasonic vibration oscillating step S3 is a step of causing the vibrator 15 to oscillate longitudinally oscillating ultrasonic vibration by the voltage signal added by the adder 13 and preferably amplified by the amplifier 14.

面内複合共振発生工程S4は、振動子15と接続された面内複合共振体1を、発振された超音波振動によって励振して縦振動させるとともに、当該面内複合共振体1に設けられたたわみ振動発生手段3によって前記縦振動の超音波成分のうちの第2の周波数の超音波振動からたわみ振動を発生させて、前記縦振動と前記たわみ振動とを複合した面内共振を発生させる工程である。   In the in-plane composite resonance generating step S4, the in-plane composite resonator 1 connected to the vibrator 15 is excited by the oscillated ultrasonic vibration to longitudinally vibrate, and provided in the in-plane composite resonator 1 A step of generating a flexural vibration from the ultrasonic vibration of the second frequency among the ultrasonic components of the longitudinal vibration by the flexural vibration generating means 3 to generate an in-plane resonance in which the longitudinal vibration and the flexural vibration are combined. It is.

次に、本発明に係る面内複合共振体、並びにこれを用いた面内複合共振装置及び面内複合共振方法の効果を確認した実施例について説明する。
[1]面内複合共振体の設計
まず1つめの面内振動として、1波長で縦振動する面内複合共振体の側面を利用することとした。面内複合共振体の設計は、共振周波数28.3kHzの縦振動子を用いた。面内複合共振体には、ジュラルミン2024S(音速:5186m/s)を使用した。そして、設計周波数を面内複合共振体の共振周波数としたため、面内複合共振体は、長さ180mmに設定し、幅30mm、厚さ20mmの角棒のものを用いることとした(図6参照)。
Next, an in-plane composite resonator according to the present invention, an in-plane composite resonance apparatus using the same, and an example in which the effect of the in-plane composite resonance method has been confirmed will be described.
[1] Design of in-plane composite resonator First, the side surface of the in-plane composite resonator that longitudinally vibrates at one wavelength was used as the first in-plane vibration. In the design of the in-plane composite resonator, a longitudinal vibrator having a resonance frequency of 28.3 kHz was used. Duralumin 2024S (sound speed: 5186 m / s) was used as the in-plane composite resonator. Since the design frequency is the resonant frequency of the in-plane composite resonator, the in-plane composite resonator is set to a length of 180 mm, and a rectangular bar having a width of 30 mm and a thickness of 20 mm is used (see FIG. 6). ).

次に、2つめの面内振動であるたわみ振動は、縦振動の節となる位置に45°スリット(すなわち、脆弱部)を入れることで発生させることとした。
縦振動の共振周波数から遠くに離すため、1波長で縦振動する面内複合共振体の長さに対して、1.5波長で縦振動する共振周波数を用い、そのときの節となる位置に前記したスリットを設け、たわみ振動を発生させることとした。そのため、1.5波長の縦振動の節となる位置を振動変位分布測定にて調べた。
Next, the second flexural vibration, which is the in-plane vibration, is generated by inserting a 45 ° slit (that is, a fragile portion) at a position that becomes a node of the longitudinal vibration.
In order to move away from the resonance frequency of the longitudinal vibration, the resonance frequency that vibrates longitudinally at 1.5 wavelengths is used for the length of the in-plane composite resonator that vibrates longitudinally at one wavelength. The aforementioned slit is provided to generate a flexural vibration. Therefore, the position which becomes the node of the longitudinal vibration of 1.5 wavelength was examined by vibration displacement distribution measurement.

振動変位分布測定は、図4に示すようにして行った。図4は、スリットを設けた角棒の側面に垂直な方向の振動速度分布を測定する様子を説明する概略図である。
図4に示すように、振動子で縦振動させた面内複合共振体のスリットのないAサイド、Bサイドの両側面を、レーザードップラー振動計(図4には、レーザードップラー振動計のレーザープローブが示されている)と、このレーザードップラー振動計と接続されたロックインアンプと、ロックインアンプと接続されたX−Yレコーダーとを用い、縦振動する面内複合共振体を一定間隔で測定することにより行った。測定したAサイド及びBサイドのデータはそれぞれV1、V2として得て次式を用いることにより、縦振動の分布(応力分布)とたわみ振動の分布(振動分布)を算出することができる。
縦振動の分布(応力分布)VL=(V1+V2)/2
たわみ振動の分布(振動分布)VB=(V1−V2)/2
The vibration displacement distribution measurement was performed as shown in FIG. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining how the vibration velocity distribution in the direction perpendicular to the side surface of the square bar provided with the slit is measured.
As shown in FIG. 4, the A-side and B-side sides of the in-plane composite resonator longitudinally vibrated by a vibrator are connected to a laser Doppler vibrometer (FIG. 4 shows a laser probe of a laser Doppler vibrometer). Is measured at regular intervals using a lock-in amplifier connected to the laser Doppler vibrometer and an XY recorder connected to the lock-in amplifier at a constant interval. It was done by doing. The measured A-side and B-side data are obtained as V 1 and V 2 , respectively, and the following equations are used to calculate the longitudinal vibration distribution (stress distribution) and the flexural vibration distribution (vibration distribution).
Longitudinal vibration distribution (stress distribution) V L = (V 1 + V 2 ) / 2
Distribution of flexural vibration (vibration distribution) V B = (V 1 −V 2 ) / 2

図5に、振動変位分布測定の結果を示す。なお、同図中、横軸は角棒の面内複合共振体の左端(一端部)からの長さ[mm]を示し、縦軸は振幅[μmp-p]を示す。なお、8.2Vp-pの電圧を印加した。
図5に示すように、節となる位置は、面内複合共振体の左端から20mmと160mmの位置であることがわかった。また、1.5波長で縦振動する共振周波数は38.5kHzであることもわかった。
FIG. 5 shows the result of the vibration displacement distribution measurement. In the figure, the horizontal axis indicates the length [mm] from the left end (one end) of the in-plane composite resonator of the square bar, and the vertical axis indicates the amplitude [μm pp ]. A voltage of 8.2 V pp was applied.
As shown in FIG. 5, it was found that the positions of the nodes are 20 mm and 160 mm from the left end of the in-plane composite resonator. It was also found that the resonance frequency of longitudinal vibration at 1.5 wavelengths was 38.5 kHz.

そこで、図6に示すように、面内複合共振体の左端から20mmの位置に、縦振動の印加方向からの開き角度が45°のスリットを設け、たわみ振動を発生させるように設計した。また、図6に示すように、面内複合共振体の左端から160mmの位置に、互いのスリットの向きが逆(左右対称)となるように同じ形状のスリットを、縦振動の印加方向からの開き角度が135°となるように設けることで、たわみ振動がスリット間に発生するようにした。なお、図6は、角棒状である面内複合共振体の一部にスリットを設けた様子を示す平面図である。同図中の単位のない数字は寸法を示し、その単位はミリメートル(mm)である。   Therefore, as shown in FIG. 6, a slit having an opening angle of 45 ° from the application direction of the longitudinal vibration is provided at a position 20 mm from the left end of the in-plane composite resonator so as to generate a flexural vibration. In addition, as shown in FIG. 6, at the position of 160 mm from the left end of the in-plane composite resonator, slits having the same shape are arranged from the direction of application of longitudinal vibration so that the directions of the slits are opposite (symmetric). By providing the opening angle to be 135 °, the bending vibration is generated between the slits. FIG. 6 is a plan view showing a state in which a slit is provided in a part of the in-plane composite resonator having a square bar shape. The numbers without units in the figure indicate dimensions, and the units are millimeters (mm).

次に、たわみ振動は、たわみ振動の節となる位置から腹となる位置flloopまでの距離を示す図7のflloop-fh曲線グラフを用いて設計した。なお、同図中、横軸はfh[kHz・cm]を示し、縦軸はflloop[kHz・cm]を示す。
たわみ振動の対称性から、図7のlloopはスリット間距離LBの1/2に相当する。また、fは縦振動1.5波長時の共振周波数である。よって、図7のflloop-fh曲線グラフからスリット間の幅hが求まる(E. Mori et. al., Ultarasonics International 89 Conference Proceedings, 256-261, 1989.)。lloopを3番目(図7中の3rd)のモード次数のたわみ振動の腹としたとき、幅hは21.8mmとなった。
Next, the flexural vibration was designed using the fl loop- fh curve graph of FIG. 7 showing the distance from the position that becomes the node of the flexural vibration to the position fl loop that becomes the antinode. In the figure, the horizontal axis indicates fh [kHz · cm], and the vertical axis indicates fl loop [kHz · cm].
From the symmetry of flexural vibration, l loop in FIG. 7 corresponds to ½ of the distance L B between the slits. F is the resonance frequency at 1.5 wavelengths of longitudinal vibration. Therefore, the width h between slits can be obtained from the fl loop- fh curve graph of FIG. 7 (E. Mori et. Al., Ultarasonics International 89 Conference Proceedings, 256-261, 1989.). l When the loop is the antinode of the third mode (3rd in FIG. 7) mode order flexural vibration, the width h is 21.8 mm.

図8の(a)に、このようにして作製した面内複合共振体を示す。なお、同図中の単位のない数字は寸法を示し、その単位はミリメートル(mm)である。図8の(b)は、(a)に示す面内複合共振体におけるたわみ振動の理論曲線を示す。作製した面内複合共振体は、振動子にたわみ振動を伝わり難くするため、両スリットの外側の幅を30mmのままとした。また、面内複合共振体の厚さを抑えることにより、1.5波長の縦振動を共振させた時の、応力による共振部に垂直な方向の振動の発生を軽減するように配慮した。   FIG. 8A shows the in-plane composite resonator manufactured in this manner. In addition, the number without the unit in the figure shows a dimension, The unit is a millimeter (mm). FIG. 8B shows a theoretical curve of flexural vibration in the in-plane composite resonator shown in FIG. In order to make it difficult for the produced in-plane composite resonator to transmit flexural vibration to the vibrator, the outer width of both slits was kept at 30 mm. In addition, by reducing the thickness of the in-plane composite resonator, consideration was given to reduce the occurrence of vibration in the direction perpendicular to the resonance portion due to stress when resonating longitudinal vibration of 1.5 wavelengths.

[2]面内複合共振体の振動特性の測定
図9に、作製した面内複合共振体のアドミタンス円を示す。同図中、横軸はコンダクタンス[mS]を示し、縦軸はサセプタンス[mS]を示す。図9に示すように、縦振動では、共振周波数fL=26.477kHz、Q=3483.82、|Ym0|=5.42mSという特性が得られた。また、たわみ振動では、共振周波数fB=38.090kHz、Q=793.54、|Ym0|=3.40mSという特性が得られた。
[2] Measurement of vibration characteristics of in-plane composite resonator FIG. 9 shows an admittance circle of the manufactured in-plane composite resonator. In the figure, the horizontal axis indicates conductance [mS], and the vertical axis indicates susceptance [mS]. As shown in FIG. 9, in the longitudinal vibration, the resonance frequency f L = 26.477 kHz, Q = 348.82, | Y m0 | = 5.42 mS were obtained. In the flexural vibration, the resonance frequency f B = 38.090 kHz, Q = 793.54, and | Y m0 | = 3.40 mS were obtained.

次に、図10に示すようにして、レーザードップラー振動計(図10には、レーザードップラー振動計のレーザープローブが示されている)を用いて、作製した面内複合共振体の側面に垂直な方向の振動速度分布を測定した。なお、縦振動に対しては、振動応力分布に比例した分布が得られるので、たわみ振動分布との合成結果が測定される。そこで、振動速度分布の測定値をAサイド、Bサイドの両側面においてV1、V2とし、次式を用いて縦振動とたわみ振動の分布を分離した。
縦振動の分布(応力分布)VL=(V1+V2)/2
たわみ振動の分布(振動分布)VB=(V1−V2)/2
図11に、作製した面内複合共振体の側面に垂直な方向の振動速度分布を測定した結果を示す。同図中、横軸は面内複合共振体における長さ[mm]を示す、縦軸は相対振幅を示す。振動速度分布の測定は、縦振動及びたわみ振動に対して8.2Vp-pの電圧を印加して行った。
Next, as shown in FIG. 10, a laser Doppler vibrometer (FIG. 10 shows a laser probe of the laser Doppler vibrometer) is used to be perpendicular to the side surface of the fabricated in-plane composite resonator. The vibration velocity distribution in the direction was measured. For longitudinal vibration, since a distribution proportional to the vibration stress distribution is obtained, a combined result with the flexural vibration distribution is measured. Therefore, the measured values of the vibration velocity distribution are V 1 and V 2 on both sides of the A side and B side, and the distribution of longitudinal vibration and flexural vibration is separated using the following equation.
Longitudinal vibration distribution (stress distribution) V L = (V 1 + V 2 ) / 2
Distribution of flexural vibration (vibration distribution) V B = (V 1 −V 2 ) / 2
FIG. 11 shows the result of measuring the vibration velocity distribution in the direction perpendicular to the side surface of the manufactured in-plane composite resonator. In the figure, the horizontal axis indicates the length [mm] in the in-plane composite resonator, and the vertical axis indicates the relative amplitude. The vibration velocity distribution was measured by applying a voltage of 8.2 V pp to the longitudinal vibration and the flexural vibration.

図11に示すように、ほぼ中央部において、1波長の縦振動と、1.5波長の縦振動によるたわみ振動とが複合されていることがわかった。また、たわみ振動は対称性に欠けており、中央部での振幅が小さくなることもわかった。しかし、作製した面内複合共振体の両端からそれぞれ約70mmの2箇所では、周波数の異なる縦振動とたわみ振動が複合していることがわかった。   As shown in FIG. 11, it was found that longitudinal vibration with one wavelength and flexural vibration due to longitudinal vibration with 1.5 wavelengths are combined in a substantially central portion. It was also found that the flexural vibration lacks symmetry and the amplitude at the center is small. However, it was found that longitudinal vibrations and flexural vibrations having different frequencies were combined at two locations of about 70 mm from both ends of the produced in-plane composite resonator.

そこで、図12に示す面内複合共振装置を作製し、1波長の縦振動と、1.5波長の縦振動によるたわみ振動とを複合した際の振動軌跡の測定を行った。図12に示す面内複合共振装置は、共振周波数fLが26.477kHzの発振器と、共振周波数fBが38.090kHzの発振器と、これらの発振器と接続された加算器と、当該加算器と接続された増幅器と、当該増幅器と接続された振動子とを備えており、この振動子に作製した面内複合共振体を接続した。そして、振動子に接続した面内複合共振体の端部から70mmの位置の振動軌跡を測定するために、横(X)方向の振動軌跡を測定するための光子センサーと、縦(Y)方向の振動軌跡を測定するための光子センサーとを設け、これらの光子センサーとバンドパスフィルター(BPF)を介してオシロスコープに接続し、その振動軌跡を測定した。図13に、1波長の縦振動と1.5波長の縦振動によるたわみ振動とを複合した際の振動軌跡の測定結果を示す。なお、振動軌跡の測定は、それぞれの振動に対して80Vp-pの電圧を印加して行った。
図13に示すように、面内複合共振装置は、前記した面内複合共振体を備えているので、1波長の縦振動と1.5波長の縦振動によるたわみ振動とを複合した複雑な振動軌跡が得られることが確認できた。
Therefore, the in-plane composite resonance device shown in FIG. 12 was manufactured, and the vibration trajectory when the longitudinal vibration of one wavelength and the flexural vibration due to the longitudinal vibration of 1.5 wavelength were combined was measured. The in-plane composite resonance apparatus shown in FIG. 12 includes an oscillator having a resonance frequency f L of 26.477 kHz, an oscillator having a resonance frequency f B of 38.090 kHz, an adder connected to these oscillators, A connected amplifier and a vibrator connected to the amplifier were provided, and the in-plane composite resonator produced was connected to the vibrator. In order to measure the vibration locus at a position 70 mm from the end of the in-plane composite resonator connected to the vibrator, a photon sensor for measuring the vibration locus in the lateral (X) direction, and the longitudinal (Y) direction A photon sensor for measuring the vibration trajectory was provided, connected to an oscilloscope via these photon sensors and a band pass filter (BPF), and the vibration trajectory was measured. FIG. 13 shows the measurement result of the vibration trajectory when the longitudinal vibration of one wavelength and the flexural vibration due to the longitudinal vibration of 1.5 wavelength are combined. The vibration trajectory was measured by applying a voltage of 80 V pp to each vibration.
As shown in FIG. 13, since the in-plane composite resonator includes the above-described in-plane composite resonator, a complex vibration in which a longitudinal vibration of one wavelength and a flexural vibration due to a longitudinal vibration of 1.5 wavelengths are combined. It was confirmed that a trajectory was obtained.

[3]まとめ
たわみ振動発生手段を設けた1つの面内複合共振体に、1波長の縦振動と、1.5波長の縦振動によるたわみ振動という2つの周波数を用いて同時に励起することにより、単一周波数による単一モード振動では得られないような複雑な振動軌跡を得ることができた。
[3] Summary By exciting simultaneously in one in-plane composite resonator provided with a flexural vibration generating means using two frequencies of longitudinal vibration of one wavelength and flexural vibration due to longitudinal vibration of 1.5 wavelengths, A complicated vibration trajectory that cannot be obtained by single mode vibration with a single frequency was obtained.

以上に加えて、有限要素解析ソフト(ANSYS Mechanical ver. 11)を用いて、前記作製した面内複合共振体の縦振動及びたわみ振動する様子を解析した。図14(a)〜(d)は順に、作製した面内複合共振体が縦振動する様子を経時的に示した図である。図15(a)〜(d)は順に、作製した面内複合共振体がたわみ振動する様子を経時的に示した図である。図14及び図15は、縦振動とたわみ振動とを個別に解析したものであるが、実際には、図14(a)〜(d)に示す縦振動と、図15(a)〜(d)に示すたわみ振動とが複合された、非常に複雑な振動が生じている。
なお、上記図14と図15では、たわみ振動発生手段3及びたわみ振動打消し手段4としてのそれぞれの脆弱部の形成角度が、図1と逆向きとなっている図で示したが、このように開き角度を図1と逆向きにとっても効果は同じである。
In addition to the above, using the finite element analysis software (ANSYS Mechanical ver. 11), the state of longitudinal vibration and flexural vibration of the fabricated in-plane composite resonator was analyzed. FIGS. 14A to 14D are views sequentially showing how the produced in-plane composite resonator is longitudinally oscillated in order. FIGS. 15A to 15D are views sequentially showing how the produced in-plane composite resonator is flexibly vibrated. 14 and 15 show the analysis of the longitudinal vibration and the flexural vibration individually, but actually, the longitudinal vibration shown in FIGS. 14 (a) to (d) and FIGS. 15 (a) to (d). A very complicated vibration is generated in combination with the flexural vibration shown in FIG.
In FIGS. 14 and 15, the formation angles of the respective weak portions as the flexural vibration generating means 3 and the flexural vibration canceling means 4 are shown in the opposite directions as in FIG. Even if the opening angle is opposite to that shown in FIG. 1, the effect is the same.

以上、本発明について、特に好ましい実施形態及び様々な代替案としての実施形態とともに実施例を参照して説明したが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲で、形状及び細部において様々な変更が可能であることが、当業者にとって理解されるであろう。本明細書内で言及された全ての発行された刊行物等が、参照により本明細書に組み込まれる。   Although the present invention has been described with reference to examples together with particularly preferred embodiments and various alternative embodiments, various changes in form and detail may be made without departing from the spirit and scope of the invention. It will be appreciated by those skilled in the art that this is possible. All published publications, etc. mentioned in this specification are hereby incorporated by reference.

本発明に係る面内複合共振体の構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a configuration of an in-plane composite resonator according to the present invention. 本発明に係る面内複合共振装置の構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the in-plane composite resonance apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る面内複合共振方法のフローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the in-plane compound resonance method which concerns on this invention. スリットを設けた角棒の側面に垂直な方向の振動速度分布を測定する様子を説明する概略図である。It is the schematic explaining a mode that the vibration velocity distribution of a direction perpendicular | vertical to the side surface of the square bar provided with the slit is measured. 振動変位分布測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of vibration displacement distribution measurement. 角棒状である面内複合共振体の一部にスリットを設けた様子を示す平面図である。It is a top view which shows a mode that the slit was provided in some in-plane composite resonators which are square rod shape. flloop-fh曲線グラフである。It is a fl loop -fh curve graph. (a)は、作製した面内複合共振体の平面図であり、(b)は、(a)に示す面内複合共振体におけるたわみ振動の理論曲線を示す図である。(A) is a top view of the produced in-plane composite resonator, (b) is a figure which shows the theoretical curve of the flexural vibration in the in-plane composite resonator shown to (a). 作製した面内複合共振体のアドミタンス円を示す図である。It is a figure which shows the admittance circle | round | yen of the produced in-plane composite resonator. 作製した面内複合共振体の側面に垂直な方向の振動速度分布を測定する様子を説明する概略図である。It is the schematic explaining a mode that the vibration velocity distribution of the direction perpendicular | vertical to the side surface of the produced in-plane composite resonator is measured. 作製した面内複合共振体の側面に垂直な方向の振動速度分布を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the vibration velocity distribution of the direction perpendicular | vertical to the side surface of the produced in-plane composite resonator. 振動軌跡の測定を行うために作製した面内複合共振装置の構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the in-plane composite resonance apparatus produced in order to measure a vibration locus. 図12に示した構成の面内複合共振装置で測定した、1波長の縦振動と1.5波長の縦振動によるたわみ振動とを複合した際の振動軌跡の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the vibration locus | trajectory at the time of combining the longitudinal vibration of 1 wavelength and the flexural vibration by a 1.5 wavelength longitudinal vibration measured with the in-plane composite resonance apparatus of the structure shown in FIG. (a)〜(d)は順に、作製した面内複合共振体が縦振動する様子を経時的に示した図である。(A)-(d) is the figure which showed a mode that the produced in-plane composite resonator longitudinally vibrates in order. (a)〜(d)は順に、作製した面内複合共振体がたわみ振動する様子を経時的に示した図である。(A)-(d) is the figure which showed sequentially a mode that the produced in-plane composite resonator was bending-vibrated in order. 従来公知の複合振動を得るための共振体の一例を示す外観図である。It is an external view which shows an example of the resonator for obtaining a conventionally well-known composite vibration. 従来公知の複合振動を得るための共振体の他の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows another example of the resonator for obtaining the conventionally well-known composite vibration.

符号の説明Explanation of symbols

1 面内複合共振体
2 共振部
3 たわみ振動発生手段
4 たわみ振動打消し手段
5 一端部
6 他端部
10 面内複合共振装置
11 第1の発振器
12 第2の発振器
13 加算器
14 増幅器
15 振動子
S1 電圧信号出力工程
S2 電圧信号加算工程
S3 超音波振動発振工程
S4 面内複合共振発生工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 In-plane composite resonator 2 Resonance part 3 Deflection vibration generation means 4 Deflection vibration cancellation means 5 One end part 6 Other end part 10 In-plane compound resonance apparatus 11 1st oscillator 12 2nd oscillator 13 Adder 14 Amplifier 15 Vibration Child S1 Voltage signal output step S2 Voltage signal addition step S3 Ultrasonic vibration oscillation step S4 In-plane composite resonance generation step

Claims (16)

縦振動とたわみ振動を複合した面内共振を行う共振部を有する面内複合共振体であって、
当該面内複合共振体は、当該面内複合共振体の共振周波数となる第1の周波数の超音波振動と、前記第1の周波数とは異なる周波数を有する第2の周波数の超音波振動と、を加算してなる超音波振動によって励振されて縦振動するとともに、
当該面内複合共振体の周面に、当該縦振動の超音波成分のうちの前記第2の周波数の超音波振動から前記たわみ振動を発生させるためのたわみ振動発生手段を設けた
ことを特徴とする面内複合共振体。
An in-plane composite resonator having a resonance part that performs in-plane resonance that combines longitudinal vibration and flexural vibration,
The in-plane composite resonator includes a first frequency ultrasonic vibration that is a resonance frequency of the in-plane composite resonator, a second frequency ultrasonic vibration having a frequency different from the first frequency, and As it is excited by ultrasonic vibration that adds
Bending vibration generating means for generating the bending vibration from the ultrasonic vibration of the second frequency among the ultrasonic components of the longitudinal vibration is provided on the peripheral surface of the in-plane composite resonator. In-plane composite resonator.
前記たわみ振動発生手段を前記第2の周波数の超音波振動の節となる位置に設けたことを特徴とする請求項1に記載の面内複合共振体。   2. The in-plane composite resonator according to claim 1, wherein the flexural vibration generating means is provided at a position that becomes a node of the ultrasonic vibration of the second frequency. 前記たわみ振動発生手段が、脆弱部であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の面内複合共振体。   The in-plane composite resonator according to claim 1 or 2, wherein the flexural vibration generating means is a fragile portion. 前記たわみ振動発生手段としての脆弱部が、前記縦振動が印加される方向に対して垂直となる方向に2つ以上並べて設けられていることを特徴とする請求項3に記載の面内複合共振体。   The in-plane composite resonance according to claim 3, wherein two or more weak portions as the flexural vibration generating means are provided side by side in a direction perpendicular to a direction in which the longitudinal vibration is applied. body. 前記たわみ振動発生手段としてのスリット状の脆弱部の形成角度αが、前記縦振動の印加方向からの開き角度で40〜50°であることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の面内複合共振体。 The formation angle α of the slit-like fragile portion as the flexural vibration generating means is 40 to 50 ° in terms of an opening angle from the application direction of the longitudinal vibration. In-plane composite resonator. 前記たわみ振動発生手段としての脆弱部が、前記面内複合共振体を貫通するスリット状の貫通孔であることを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の面内複合共振体。  6. The in-plane composite according to claim 3, wherein the weakened portion as the flexural vibration generating means is a slit-like through-hole penetrating the in-plane composite resonator. 6. Resonator. 前記たわみ振動発生手段としての脆弱部が、前記面内複合共振体の一部の肉厚を薄くしたスリット状の有底穴であることを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の面内複合共振体。  6. The fragile portion as the flexural vibration generating means is a slit-shaped bottomed hole in which a part of the in-plane composite resonator is thinned. The in-plane composite resonator according to the item. 前記第2の周波数の超音波振動の節とは異なる他の節となる位置に、前記たわみ振動発生手段で発生させた前記たわみ振動を打ち消すためのたわみ振動打消し手段を設けたことを特徴とする請求項1から請求項のうちのいずれか1項に記載の面内複合共振体。 Bending vibration canceling means for canceling the bending vibration generated by the bending vibration generating means is provided at a position that is another node different from the node of the ultrasonic vibration of the second frequency. The in-plane composite resonator according to any one of claims 1 to 7 . 前記たわみ振動打消し手段が、脆弱部であることを特徴とする請求項に記載の面内複合共振体。 The in-plane composite resonator according to claim 8 , wherein the flexural vibration canceling means is a fragile portion. 前記たわみ振動打消し手段としての脆弱部が、前記縦振動が印加される方向に対して垂直となる方向に2つ以上並べて設けられていることを特徴とする請求項に記載の面内複合共振体。 10. The in-plane composite according to claim 9 , wherein two or more fragile portions as the flexural vibration canceling means are provided side by side in a direction perpendicular to a direction in which the longitudinal vibration is applied. Resonator. 前記たわみ振動発生手段として形成角度αであるスリット状の脆弱部が形成され、
前記たわみ振動打消し手段としてのスリット状の脆弱部の形成角度βが、前記形成角度αとの関係で、前記縦振動の印加方向からの開き角度でβ=180−α、又はβ=αの条件を満たすことを特徴とする請求項又は請求項10に記載の面内複合共振体。
A slit-like fragile portion having a forming angle α is formed as the flexural vibration generating means,
The formation angle β of the slit-like fragile portion as the bending vibration canceling means is β = 180−α or β = α in terms of the opening angle from the application direction of the longitudinal vibration in relation to the formation angle α. The in-plane composite resonator according to claim 9 or 10 , wherein the condition is satisfied.
前記たわみ振動打消し手段としての脆弱部が、前記面内複合共振体を貫通するスリット状の貫通孔であることを特徴とする請求項8から請求項11のいずれか1項に記載の面内複合共振体。  The in-plane according to any one of claims 8 to 11, wherein the fragile portion as the bending vibration canceling means is a slit-like through-hole penetrating the in-plane composite resonator. Composite resonator. 前記たわみ振動打消し手段としての脆弱部が、前記面内複合共振体の一部の肉厚を薄くしたスリット状の有底穴であることを特徴とする請求項8から請求項11のいずれか1項に記載の面内複合共振体。  12. The fragile portion as the bending vibration canceling means is a slit-shaped bottomed hole in which a part of the in-plane composite resonator is thinned. The in-plane composite resonator according to item 1. 前記第2の周波数の超音波振動は、前記第1の周波数の0.5n倍であり、nは2よりも大きい数であることを特徴とする請求項1から請求項13のうちのいずれか1項に記載の面内複合共振体。  14. The ultrasonic vibration of the second frequency is 0.5n times the first frequency, and n is a number larger than 2, 14. The in-plane composite resonator according to item 1. 縦振動とたわみ振動を複合した面内共振を行う共振部を有する面内複合共振体を用いた面内複合共振装置であって、
第1の周波数の超音波振動を発振させるための第1の電圧信号を出力する第1の発振器と、
前記第1の周波数とは異なる周波数を有する第2の周波数の超音波振動を発振させるための第2の電圧信号を出力する第2の発振器と、
前記第1の発振器から入力された第1の電圧信号と、前記第2の発振器から入力された第2の電圧信号とを加算し、加算された電圧信号を得る加算器と、
前記加算器で加算した電圧信号により超音波振動を発振する振動子と、
前記振動子と接続された請求項1から請求項14のうちのいずれか1項に記載の面内複合共振体と、
を備えたことを特徴とする面内複合共振装置。
An in-plane composite resonance apparatus using an in-plane composite resonator having a resonance part that performs in-plane resonance that combines longitudinal vibration and flexural vibration,
A first oscillator that outputs a first voltage signal for oscillating ultrasonic vibration of a first frequency;
A second oscillator that outputs a second voltage signal for oscillating ultrasonic vibration of a second frequency having a frequency different from the first frequency;
An adder that adds the first voltage signal input from the first oscillator and the second voltage signal input from the second oscillator to obtain an added voltage signal;
A vibrator that oscillates ultrasonic vibrations by the voltage signal added by the adder;
The in-plane composite resonator according to any one of claims 1 to 14 connected to the vibrator,
An in-plane composite resonance device comprising:
請求項15に記載の面内複合共振装置を用いて縦振動とたわみ振動を複合した面内共振を発生させる面内複合共振方法であって、
第1の発振器が第1の周波数の超音波振動を発振させるための第1の電圧信号を出力するとともに、第2の発振器が前記第1の周波数とは異なる周波数を有する第2の周波数の超音波振動を発振させるための第2の電圧信号を出力する電圧信号出力工程と、
前記第1の発振器から入力された第1の電圧信号と、前記第2の発振器から入力された第2の電圧信号とを加算器によって加算し、加算された電圧信号を得る電圧信号加算工程と、
前記加算器で加算された電圧信号により、縦振動する超音波振動を振動子によって発振させる超音波振動発振工程と、
前記振動子と接続された請求項1から請求項14のうちのいずれか1項に記載の面内複合共振体を、発振された前記超音波振動によって励振して縦振動させるとともに、当該面内複合共振体に設けられたたわみ振動発生手段によって前記縦振動から前記たわみ振動を発生させて、前記縦振動と前記たわみ振動とを複合した面内共振を発生させる面内複合共振発生工程と、
を含むことを特徴とする面内複合共振方法。
An in-plane composite resonance method for generating in-plane resonance by combining longitudinal vibration and flexural vibration using the in-plane composite resonance apparatus according to claim 15 ,
The first oscillator outputs a first voltage signal for oscillating ultrasonic vibrations having a first frequency, and the second oscillator has a second frequency exceeding the first frequency. A voltage signal output step of outputting a second voltage signal for oscillating the sonic vibration;
A voltage signal adding step of adding a first voltage signal input from the first oscillator and a second voltage signal input from the second oscillator by an adder to obtain an added voltage signal; ,
An ultrasonic vibration oscillating step of causing a vibrator to oscillate longitudinally oscillating ultrasonic vibration by the voltage signal added by the adder;
The in-plane composite resonator according to any one of claims 1 to 14 connected to the vibrator is excited by the oscillated ultrasonic vibration to longitudinally vibrate, and the in-plane An in-plane composite resonance generating step of generating an in-plane resonance in which the longitudinal vibration and the flexural vibration are combined by generating the flexural vibration from the longitudinal vibration by a flexural vibration generating means provided in a composite resonator;
An in-plane composite resonance method comprising:
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