JPS6128482A - 超音波振動発生方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、振動体出力端部における振動の大きさと方向
とを自由に制御することができる超音波振動発生方法及
びその装置に関する。

発明の技術的背景及びその問題点 一般に、超音波振動は工作機械等の各種方面において利
用される。ここに、その振動姿態としては種々のものが
あり、横形振動子、縦形振動子、ねじり振動子等がある
。しかるに、要求される振動状態としては、これらの横
振動、縦振動、ねじり振動に限らず、斜め振動、円振動
、楕円振動等の各種のものがあり、その大きさや方向も
種々のものが要求され得る。

この点、斜め振動、円振動、楕円振動等の振動姿態は、
縦振動と同時にねじり振動を重畳させることにより発生
させ得ると考えられる。ところが、例えば円柱の長さ方
向に縦振動で共振させた周波数と同一のねじり振動共振
周波数でねじり振動を駆動させると、その約６０％位の
長さで共振してしまうため、結局、同じ長さで同じ周波
数によっては共振させることができない、つまり、軸方
向の長さに変位が生じないもので、ねじり振動のみとな
ってしまうものである。

発明の目的 本発明は、このような点に鑑みなされたもので、振動体
出力端部における振動の方向と大きさとを自由に制御す
ることができる超音波振動発生方法及びその装置を得る
ことを目的とする。

発明の概要 本発明は、ねじり振動子とそのノート部分に軸と直角に
設けた径方向又は長さ方向共振体の共振周波数をねじり
振動共振周波数と同一に設定し。

ポアソン現象に基づく応力最大部分でのそれと直角方向
の変位を利用して軸方向長さを変位させ、　□ねじり共
振振動と合成するものであり、各々の振幅又は相対位相
を変えることにより、合成振動の姿態としてその大きさ
や方向を自由に制御することができるように構成したも
のである。

発明の実施例 本発明の第一の実施例を第１図ないし第６図に基づいて
説明する。まず、第１図及び第２図は構造を示すもので
、ねじり振動を発生させるねじり振動子１をペースとし
て構成される。このねじり振動子１は、駆動用の電極板
２の両面にねじり振動発生用の駆動素子として電歪素子
３，４を設け、更に、各々の軸上に雌ねじ５ａ、６ａを
形成した振動体５，６を両端に雄ねじ７ａを有するボル
ト７により締着してなる。しかして１本実施例では、振
動体５，６間に電歪素子３，４と径方向に共振振動する
円板状共振体８とその駆動素子としての電歪素子９，１
０とを介在させ、前記ボルト７により一体的に締着する
ものである。電歪素子９゜１０間には駆動用の電極板１
１が設けられている。

ここで、電歪素子９，１０によって径方向に共振振動す
る円板状共振体８は、ねじり振動子１のノード部分に位
置して軸に直角とされている。つまり、振動体６，７は
同軸上に締着された電歪素子３，４、円板状共振体８及
び電歪素子９，１０と一体となって、この円板状共振体
８の径方向共振周波数と同一の周波数でねじり共振振動
するように軸方向の長さが設定されている。

このような構成において、今、電極板１１を駆動電源に
接続し、その周波数を円板状共振体８の径方向共振周波
数とすると、この円板状共振体８は共振振動する。この
時の変位分布、応力分布をみると、第３゛図に示すよう
に、円板状共振体８の周上で最大振幅、軸上にて最大応
力となる。従って、ポアソン現象により、軸方向にも振
動を発生し、振動体５，６の両端表面に軸方向での最大
振幅を生ずる□。つまり、ここで注目すべき点は、この
軸方向の振動が、軸方向の縦形共振振動によって生ずる
ものでなく、円板状共振体８の径方向共振振動によって
発生する点である。

次に、電極板２を同一の駆動電源に並列に接続し、径方
向共振周波数とねじり振動共振周波数とを同一として、
電歪素子３，４によりねじり振動子１を駆動すると、振
動体５，６の端面周上の点例えばＡ点には前述した軸方
向の振動にねじり振動が合成されるので、第１図に矢印
１２で示すような方向に共振振動することになる。

即ち、第４図に量子ように、軸方向振動の振幅及び位相
をカーブ１３、ねじり方向の振動の振幅及び位相をカー
ブ１４で示すとすると、合成された振動姿態はカーブ１
５で示され、斜め振動となるものである。又、軸方向振
動の相対位相を点線カーブ１６の如く反転させれば、合
成された振動姿態は点線カーブ１７のように軸対称に反
転される。更に、両者の相対振幅を変えれば１合成振動
の傾斜角度も変えることができる。そして、相対振幅及
び相対位相を変えることにより、円、楕円、傾斜楕円等
に、合成振動の振動姿態と回転方向とを自由に制御する
ことができる。

第５図は、このような相対振幅、相対位相の一方又は双
方を変えた場合におけるＡ点の合成振動の振動姿態（軌
跡）の代表例を示すもので、その大きさや方向を任意に
制御できることがわかる。

（ａ）は横振動、（ｂ）は縦振動、（Ｃ）及び（ｄ）は
斜め振動、（ｅ）は円振動、（ｆ）は横楕円振動、（ｇ
）は縦楕円振動、（ｈ）及び（ｉ）は斜め楕円振動を示
す。

第６図は、上述した各種制御を行なうための駆動用電源
装置の制御系ブロック図を示すものである。簡略化して
示す振動子２０は、第１図に示した構造のもので１円板
状共振体８の径方向に端子（電極板）１１が駆動され、
その振動速度信号２１に電圧制御発振器２２の出力位相
を常に一定の位相差をもって合わせるように動作する位
相固定ループ２３に入力され、前記電圧制御発振器２２
は径方向振動の共振周波数を追尾して発振する。

この電圧制御発振器２２の発振出力は振幅制御回路２４
に入力されて所要の振幅に制御され、更に。

増幅器２５を介して、径方向共振駆動し、例えばＡ点を
軸方向に一定の振幅で振動させる。一方、電圧制御発振
器２２の発振出力は、その一部が切換スイッチ２６を経
て位相制御回路２７に入力されており、この位相制御回
路２７により±１８０゜内の位相の制御が行なわれた後
、振幅制御回路２８に入力される。ここで、所要の振幅
に制御された後、増幅器２９を介して、ねじり振動が端
子（電極板）２より駆動される。又、切換スイッチ２６
を切換えて位相反転器３０を選択させることにより、ね
じり方向の信号はその位相が反転されることになる。

従って、同一のねじり方向及び径方向の共振周波数によ
り駆動される振動子２０は、振動体５゜６の局面端部に
おいては合成され、振幅制御回路２４．２８、位相制御
回路２７及び位相反転器３０等の制御により、第５図に
例示した如き各種姿態の合成振動を作り出すことができ
るものである。

なお、この第６図では径方向の振動制御を基準としてい
るが、ねじり方向の振動制御を基準とするようにしても
よい。

つづいて、本発明の第二の実施例を第７図により説明す
る。前記実施例で示した部分と同一部分は同一符号を用
いて示す。本実施例は、円板状共振体８に代えて、矩形
板状共振体３１を設け、電歪素子９，１０により矩形板
状共振体３１を長さ方向に共振振動させるものである。

この矩形板状共振体３１の場合にも、長さ方向共振周波
数で駆動すると、変位分布、応力分布は円板状共振体８
の場合と同様に、矩形板状共振体３１の端部で最大振幅
、軸上にて最大応力となる。従って、ポアソン現象によ
り、軸方向にも振動を発生し、振動体５，６の両端表面
に軸方向での最大振幅を生ずる。そこで、電歪素子３，
４により長さ方向共振周波数と同一のねじり振動共振周
波数でねじり振動子１を駆動すると、振動体５，６の端
面周上にて軸方向の振動とねじり振動とを合成した振動
姿態が得られる。

次に１本発明の第三の実施例を第８図及び第９図により
説明する。まず、ねじり振動子１はそのノード部分に角
状ブロックとしての正方角状ブロック３２を有し、その
上下両端にねじり振動用の電歪素子３，４及び電極板２
を介して振動体５゜６を設け、これらを中心ボルト３３
により一体的に締着することにより構成されている。こ
のようなねじり振動子１の軸に直角に、前記正方角状ブ
ロック３２の左右両端に対し長さ方向振動用の電歪素子
９，１０及び電極板１１を介して振動体３４．３５を設
けた縦形振動子３６とし、これらを中心ボルト３７（中
心ボルト３３の中心にねじ着されている）により一体的
に締着したものである。

これにより、振動体５，６は電歪素子３，４、正方角状
ブロック３２等を一体としてその長さで決まるねじり振
動を生ずる。又、この時のねじり振動共振周波数と同一
の長さ方向共振周波数にて電歪素子９，１０を駆動する
と、振動体３４，３５、電歪素子９，１０、正方角状ブ
ロック３２等を含めてその長さ方向に共振振動する。従
って、前述した実施例と同様に、振動体５，６の端面に
は長さ方向振動に基づく軸方向振動とねじり振動とが合
成された振動姿態が発生する。そこで、振幅や相対位相
を変えることにより、振動姿態を自由に制御することが
できる。特に１本実施例の場合には、振動体３４．３５
等に対しその長さ方向共振軸上に駆動用の電歪素子９，
１０等を設けているので、第−又は第二の実施例方式に
比べて、長さ方向での電気機械変換効率が・一層面上す
るものとなる。

発明の効果 本発明は、上述したようにねじり振動子とそのノード部
分に位置させて軸に直角でその共振周波数をねじり振動
共振周波数と同一に設定して設けた径方向又は長さ方向
共振体との各々の振幅又は相対位相を変えることにより
、振動体出力端部にねじり振動とポアソン現象に基づく
軸方向振動との合成振動を生じさせるとともにその方向
や大きさ等を自由に制御することができ、よって、振動
体出力端部に縦振動、横振動、斜振動、円振動、楕円振
動等の各種の振動姿態を得ることができるとともに、そ
の傾斜角や楕円率２円や楕円の回転方向等も任意に制御
でき、このような振動発生方法はねじり振動子に円板状
共振体又は矩形板状共振体を組合せる簡単な構造で達成
することができ、又、ねじり振動子に角状ブロックを用
いて縦形振動子を組合せて構成することにより、電気機
械変換効率を高めることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す縦断正面図、第２
図は斜視図、第３図は変位分布及び応力分布を示す説明
図、第４図は振動の合成を示す説明図、第５図（、）〜
（ｉ）は各種振動姿態を示す説明図、第６図はブロック
図、第７図は本発明の第二の実施例を示す斜視図、第８
図は本発明の第三の実施例を示す斜視図、第９図はその
正面図である。 １・・・ねじり振動子、８・・・円板状共振体（径方向
共振体）、９〜１０・・・電歪素子（駆動素子）、２４
・・・振幅制御回路、２７・・・位相制御回路、２８；
・・振幅制御回路、３１・・・矩形板状共振体（長さ方
向共振体）、３２・・・正方角状ブロック（角状ブロッ
ク）、３６・・・縦形振動子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ねじり振動子とこのねじり振動子のノード部分に位
   置させて軸に直角でその共振周波数をねじり振動共振周
   波数と同一に設定して設けた径方向又は長さ方向共振体
   との各々の振幅又は相対位相を変えることにより、振動
   体出力端部における合成振動の姿態を制御することを特
   徴とする超音波振動発生方法。 ２、ねじり振動子に対し、そのノード部分に位置させて
   軸に直角でその径方向共振周波数をねじり振動共振周波
   数と同一に設定して設けた円板状共振体とその駆動素子
   とを一体的に締着したことを特徴とする超音波振動発生
   装置。 ３、ねじり振動子に対し、そのノード部分に位置させて
   軸に直角でその長さ方向共振周波数をねじり振動共振周
   波数と同一に設定して設けた矩形板状共振体とその駆動
   素子とを一体的に締着したことを特徴とする超音波振動
   発生装置。 ４、ノード部分に角状ブロツクを持つねじり振動子に対
   し、その角状ブロツク部分に位置させて軸に直角でその
   長さ方向共振周波数をねじり振動共振周波数と同一に設
   定した縦形振動子を一体的に締着したことを特徴とする
   超音波振動発生装置。 ５、ねじり振動子と、このねじり振動子のノード部分に
   位置させて軸に直角でその径方向又は長さ方向共振周波
   数をねじり振動共振周波数と同一に設定した径方向又は
   長さ方向共振体とを設け、径方向あるいは長さ方向の共
   振周波数又はねじり方向の共振周波数を追尾駆動し、こ
   の周波数信号の一部を位相制御回路を通して他方向の振
   動駆動を行なわせたことを特徴とする超音波振動発生装
   置。 ６、各々の振動方向の駆動ループ内に、振幅制御回路を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の超
   音波振動発生装置。