(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】本発明の面内複合共振体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を有する面内複合共振体であって、当該面内複合共振体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１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３を設けている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項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。
【請求項５】
前記たわみ振動発生手段として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。
【請求項６】
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５のうちのいずれか１項に記載の面内複合共振体。
【請求項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６に記載の面内複合共振体。
【請求項８】
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７に記載の面内複合共振体。
【請求項９】
前記たわみ振動打消し手段として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７又は請求項８に記載の面内複合共振体。
【請求項１０】
前記第１の周波数の超音波振動と前記第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であることを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項に記載の面内複合共振体。
【請求項１１】
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１０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。
【請求項１２】
請求項１１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１０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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【非特許文献１】辻野次郎丸、唐津良平、田中俊、上岡哲宜、Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol. 26, (2005) pp. 97-98
【非特許文献２】辻野次郎丸、川崎高広、岸本豪、平井一紀、Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol. 26, (2005) pp. 101-102
【非特許文献３】辻野次郎丸、三浦宏之、本江美杉、Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol. 26, (2005) pp. 99-100
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
〔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。
【００１２】
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。
【００１３】
〔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。
【００１４】
〔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。
【００１５】
〔５〕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。
【００１６】
〔６〕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。
【００１７】
〔７〕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、〔８〕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。
【００１８】
〔９〕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。
【００１９】
〔１０〕本発明においては、前記第１の周波数の超音波振動と前記第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、これらの周波数が遠くに離れているので、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。
【００２０】
〔１１〕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〔１０〕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。
【００２１】
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〔１０〕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。
【００２２】
〔１２〕本発明に係る面内複合共振方法は、前記〔１１〕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〔１０〕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。
【００２３】
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〔１０〕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。
【発明の効果】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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］
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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１；１．５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１；１．５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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【実施例】
【００６９】
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）。
【００７０】
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。
【００７１】
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
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
［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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
［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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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５】振動変位分布測定の結果を示す図である。
【図６】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。
【図７】flloop-fh曲線グラフである。
【図８】（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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【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１６】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。
【図１７】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。
【符号の説明】
【００８４】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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