(57)【要約】【課題】ランジュバン型超音波振動子で励起される超音波振動であって、新規な振動モードの縦・ねじり複合超音波振動を励起する方法を提供する。【解決手段】金属ブロック、側面に環状に突出した支持枠体を備えた金属ブロック、そしてこれらの金属ブロックの間に固定された縦方向に分極処理された円板状圧電素子と円周方向に分極された円板状圧電素子とを含むランジュバン型超音波振動子を用意し、このランジュバン型超音波振動子を支持枠体を介して基台に接続して拘束状態にて支持した後、超音波振動子の縦方向に分極処理された円板状圧電素子と円周方向に分極された円板状圧電素子の双方に、超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる縦振動とそして超音波振動子の内部に振動の一つの節を持つねじり一次振動とを励起させることのできる周波数を持つ電圧を印加することによって、ランジュバン型超音波振動子に、超音波振動子の内部に振動の節を持たない縦方向の往復振動からなる超音波振動とねじり一次振動との複合振動である縦・ねじり超音波振動とを励起させる方法。【選択図】図１１【選択図】図１６
2017082350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ブロック、側面に環状に突出した支持枠体を備えた金属ブロック、そしてこれらの金属ブロックの間に固定された縦方向に分極処理された円板状圧電素子と円周方向に分極された円板状圧電素子とを含むランジュバン型超音波振動子を用意し、このランジュバン型超音波振動子を該支持枠体を介して基台に接続して拘束状態にて支持した後、該超音波振動子の縦方向に分極処理された円板状圧電素子と円周方向に分極された円板状圧電素子の双方に、該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる縦振動とそして該超音波振動子の内部に振動の一つの節を持つねじり一次振動とを励起させることのできる周波数を持つ電圧を印加することによって、該ランジュバン型超音波振動子に、該圧電素子の平面に垂直な方向での該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる超音波振動とねじり一次振動との複合振動である縦・ねじり超音波振動を励起させることを特徴とするランジュバン型超音波振動子の縦・ねじり振動励起方法。
【請求項２】
上記の超音波振動子の縦・ねじり振動励起方法において用いる周波数が、該振動子の縦一次振動モードの振動を励起する共振周波数よりも低い周波数範囲に含まれる周波数であるランジュバン型超音波振動子の新規な縦・ねじり振動励起方法。
【請求項３】
上記の超音波振動子の縦・ねじり振動励起方法において、環状の支持枠体が基台と接する部位に縦振動の節を持ち、上記超音波振動と同位相の超音波振動を行うランジュバン型超音波振動子の新規な縦・ねじり振動励起方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランジュバン型超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法に関し、特に新規な振動モードの超音波振動の縦・ねじり振動を励起する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を超音波発生源として利用する超音波振動子は各種の構成のものが知られているが、その代表的な構成として、一対の金属ブロックとこれらの金属ブロックの間に固定された分極処理済の圧電素子から構成されたランジュバン型超音波振動子が知られている。なかでも、分極処理済の圧電素子を一対の金属ブロックの間でボルトにより、高圧で締め付け固定した構造のボルト締めランジュバン型超音波振動子は、高エネルギーの超音波振動の発生が可能なため、各種材料の切削加工、塑性加工、砥粒加工などを行う工具に付設して用いる超音波加工での利用が検討されている。さらに、各種の超音波振動子については、その超音波振動子にて発生する超音波振動を振動板や振動手段を介して送信することによる、超音波洗浄、金属接合、プラスチック溶着、超音波霧化、乳化・分散などの超音波処理の用途、そして魚群探知機などの水中音響器（ソナー）、超音波探傷器、医療用エコー診断装置、流量計などの通信的応用機器への利用が検討され、多くの分野で実際に利用されている。【０００３】
ボルト締めランジュバン型超音波振動子を含む各種の超音波振動子の構成は既に知られているが、念のため、代表的なボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成とその利用形態の一例を添付の図１と図２を参照して以下に簡単に説明する。【０００４】
図１は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の代表的な構造の例を示す図である。ボルト締めランジュバン型超音波振動子１は、一対の金属ブロック２ａ、２ｂの間に分極済の圧電素子（例：ＰＺＴシートなどの圧電セラミックシート）３a、３bを挟み、ボルト４を用いて金属ブロック２ａ、２ｂを互いに締め付けた構造を有する。図１において、圧電素子に記入されている矢印は分極方向を示す。なお、圧電素子３a、３bには、電気エネルギーを印加するための端子として利用する電極片（通常はリン青銅などの電極片を用いる）５ａ、５ｂが接続されている。【０００５】
図２は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子を超音波振動源として用いる超音波加工装置としての超音波研磨機の構成例を示す図である。図２において、超音波研磨機１０は、ハウジング１１内に、下端部にホーン１２を介して接続された研磨具１３を備えた超音波振動子１を収容し、この超音波振動子１を軸受１４により回転可能に支持している。超音波振動子１の回転は、サーボユニット１５に接続された交流スピンドルモータ１６により駆動される。図２の装置では、超音波振動子１の超音波振動のための電気エネルギーは、外部に設けた電気エネルギー供給源１７に接続しているカーボンブラシとスリップリングとから構成されている接触型給電装置１８を介して供給される。【０００６】
図１に示したボルト締めランジュバン型超音波振動子１は、圧電素子２ａ、２ｂを素子平面に垂直な方向に分極させた構成としており、この場合には、超音波振動子は通常圧電素子２ａ、２ｂの位置の近傍に振動の節を持つ長さ方向（図１では縦方向に相当する）の振動（縦一次振動と呼ばれる）の振動モードを示す。図２に示した超音波加工装置や、超音波洗浄、魚群探知機などの水中音響器（ソナー）、超音波探傷器、医療用エコー診断装置、流量計などで一般的に利用されている振動は、この縦一次振動の振動モードの振動である。【０００７】
一方、円板状の圧電素子を図３に示すようにその円周方向に分極させたねじり振動用圧電素子３ｃも知られている。このねじり振動用圧電素子３ｃは、円板状の圧電素子を一旦分割して素子片とした後、各素子片を円板の平面方向（矢印の方向）に分極させ、次いで接着剤を用い、分極済素子片を円板状に再結合して作製することができる。【０００８】
図３に示した構成の円周方向に分極させたねじり振動用圧電素子は、それ自体をランジュバン型超音波振動子に組み込んで、ねじり振動モードの超音波振動を励起するために使用される。【０００９】
また、ねじり振動用圧電素子は、図１に示した縦振動励起用の縦方向に分極した圧電素子と組み合わせてランジュバン型超音波振動子に組み込み、縦振動とねじり振動との複合振動（縦・ねじり振動）モードの超音波振動を励起するためにも使用される。このような縦・ねじり振動モードの超音波振動の代表的な利用形態としては超音波モータが知られている。【００１０】
特許文献１は、従来から知られている超音波振動子の縦・ねじり振動モードを利用する超音波モータの改良発明を開示しており、その改良の対象とされた従来型の超音波モータとして、図４の構成の超音波モータを示し、その説明を記載している。すなわち図４において、超音波モータ２０は、ボトムナット２２、ねじり振動用圧電素子２４、中空のホルダ２６、縦振動用圧電素子２８、中空のステータヘッド３０を連結して構成したステータ３２、そのステータの軸芯部に回転可能に配置されたセンターボルト３８、そしてセンターボルト３８に支持されたロータ３４を含む。この超音波モータ２０には、更に別のセンターボルト４０が備えられており、このセンターボルト４０とセンタボルト３８を連結させることにより、ステータ３２のステータヘッド３０とロータ３４は摺動状態で接続することになる。ステータヘッド３０とロータ３４の間には摩擦材３６が備えられている。センターボルト４０には、バネ部材４２が装着されていて、ロータ３４をステータヘッド３０に摩擦材３６を介して押圧する。また、ロータ３４の内部には、センターボルト４０の周囲での円滑な回転を保証するためのベアリング４４が組み込まれている。なお、超音波振動子の内部において、縦振動用圧電素子が励起する縦振動モードの節となる位置とねじり振動用圧電素子が励起するねじり振動モードの節となる位置とは略同一となるように設定され、この位置にフランジ４８が設けられる。超音波モータ２０を基台に設置する際には、このフランジ４８を基台に固定する。【００１１】
図４に示した構成の超音波モータ２０では、ねじり振動用圧電素子２４がロータ３４に回転駆動力を発生させ、縦振動用圧電素子２８がステータ３２とロータ３４の接触制御を行う。詳しく云うと、バネ部材４２のバネ力によってステータヘッド３０とロータ３４が押圧下に接触している状態でねじり振動用圧電素子に電圧を印加すると、ねじり振動用圧電素子２４が発生するねじり振動によってロータ３４は微小角にて回転する。この微小角の回転後に、縦振動用圧電素子２８の励起によりロータ３４のステータヘッド３０に対する押圧力を弱めると、ねじり振動用圧電素子２４のねじり振動は消失する。そして、次いでねじり振動用圧電素子２４に再び電圧を印加すると、ロータ３４は再び微小角の回転を行う。こうしたねじり振動用圧電素子２４のねじり振動と縦振動用圧電素子２８の縦振動との結合により発生する楕円振動を繰り返し行うことで、ロータ３４を一定の方向に連続的に回転させることができる。そして、ロータ３４に交差して穿孔形成されたカップリング孔４６、５６にスポークを差し込み、そのスポークに回転運動体を装着することにより、その回転運動体を回転運動させる。【００１２】
上述した構成の超音波モータは、低速で高トルクの回転が容易に実現し、また運転音が静かであるため、特に小型の精密機器や電気機器に装着するモータとして有用である。【００１３】
ところで、前述の超音波加工装置において各種工具に超音波振動を与えることにより期待される効果は、当該工具による加工作業に必要な電気エネルギーの節減や加工精度の向上などであるが、これまでに製造され、実際の加工作業に使用されてきた超音波加工装置では、その期待された効果が充分に得られていない。このため、現在の時点では超音波加工装置の普及は十分進んでいるとは云えない。従って、超音波加工の更なる普及を進めるためには、超音波加工作業の実施において超音波振動子の振動の励起のため必要な電気エネルギー量の大幅な低減を実現し、さらに充分な加工精度の向上が得られるような改良が必要である。【００１４】
本発明の発明者は、これまでに、超音波加工に際して超音波振動子の振動の励起に必要な電気エネルギー量に見合う加工精度の向上が期待できる様々な超音波振動子の改良発明を案出し、特許出願を行ってきた。たとえば、それらの改良発明の内で最近の発明としては特許文献２に開示されている発明を挙げることができる。【００１５】
特許文献２には、工具と超音波振動体との振動複合体を高い安定性にて支持し、かつ超音波振動体において発生する超音波エネルギーの該振動複合体の支持体（固定支持体）への漏出を低いレベルに抑制することによって振動エネルギーの工具への高い効率での印加を可能にする支持構造として、工具を備えた超音波振動体にフランジを付設し、フランジの片側面を、別に用意した固定体に形成したフランジ支持面に応力を掛けた状態で接触させることにより係合支持する支持構造（但し、超音波振動体のフランジは、固定体のフランジ支持面には接合されてなく、また固定体の支持面に接触して係合支持された超音波振動体のフランジは、該超音波振動体が振動状態にある時にはフランジの厚み方向に超音波振動する構造とされる）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平５−１４６１７２号公報
【特許文献２】国際公開  WO 2014/017460 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
特許文献２に記載の新たな超音波振動子の支持構造を利用する超音波加工装置により、従来知られていた構造の縦振動を励起する超音波振動子を用いる超音波加工装置の問題点については少なからずの解決が見られた。しかしながら、特許文献２に記載の超音波振動子の支持構造を利用した超音波加工装置についても、依然として実用的に充分に満足できるレベルの電気エネルギーの必要量の削減と加工精度の向上とが得られていない。【００１８】
一方、ランジュバン型超音波振動子を、例えば前述の超音波モータで利用する縦・ねじり振動モードの超音波振動の励起手段として用いる場合には、その超音波振動の励起に必要な電気エネルギーの削減に加えて別の問題がある。この別の問題について以下に詳しく説明する。【００１９】
ランジュバン型超音波振動子に縦振動励起用の圧電素子とねじり振動励起用の圧電素子とを組み合わせ装着させて、ランジュバン型超音波振動子に縦・ねじり振動を起こさせる場合には、特許文献１に記載されているように、超音波振動子の内部において縦振動励起用圧電素子が励起する縦振動モードの節となる位置とねじり振動励起用圧電素子が励起するねじり振動モードの節となる位置とを略同一とする必要がある。また、縦・ねじり振動用のランジュバン型超音波振動子の小型化のためには、縦振動励起用圧電素子の振動励起とねじり振動励起用圧電素子の振動励起に用いる電気エネルギーは互いに共通する共振周波数の電圧の付与により実現されるのが望まれる。しかしながら、通常の縦振動励起用のランジュバン型超音波振動子に利用される縦一次振動（振動子内に一個の縦振動の節が現れる振動）の励起のための共振周波数とねじり一次振動（同じく振動子内に一個のねじり振動の節が現れる振動）の励起のための共振周波数とは一致することはなく、一般にねじり一次振動励起用の共振周波数は縦一次振動励起用の共振周波数の約２／３から約１／２となることが知られている。例えば、ランジュバン型超音波振動子を鋼材から製造する場合には、ねじり一次振動励起用の共振周波数は、縦一次振動励起用の共振周波数を１とすると約０．６〜０．６５となる。従って、縦・ねじり振動用のランジュバン型超音波振動子において縦一次振動とねじり一次振動とを励起させるためには、原理的に二つの電気エネルギー供給システムを用いる必要があるが、このような複数の電気エネルギー供給システムの装着は実用的ではなく、実際には採用されていない。【００２０】
一方、振動子内に二個、三個などの複数個のねじり振動の節が形成されるねじり二次振動、ねじり三次振動などのねじり振動も知られていて、このような振動を励起するのための共振周波数は、ねじり一次振動の励起のための共振周波数よりも高い周波数なる。そして、この知見を利用して、例えば、縦一次振動とねじり二次振動とを組み合わせて縦・ねじり振動を発生させる方法も考えられるが、それぞれの振動の節を振動子内の略同一の位置に現れるようにするためには、振動子の長さを長くする必要があり、超音波モータの小型化に不利となる。更にねじり二次振動あるいはねじり三次振動により発生するねじり振動の振幅はねじり一次振動により発生するねじり振動の振幅に比較すると小さくなることから、そのような組み合わせの振動モードを利用する超音波モータは性能が低下するため、これもまた実用的と云えない。【００２１】
従って、本発明の課題は、超音波振動励起システムが簡略化でき、さらに実用的に充分に満足できるレベルの小型化と電気エネルギーの必要量の削減とを共に実現できるランジュバン型超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の発明者は、実用的に充分に満足できるレベルの小型化と電気エネルギーの必要量の削減とを共に実現できるランジュバン型超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法の開発を目指して、先ず、改めて超音波振動子における縦振動の超音波振動発生のメカニズムの検討を行なった。そしてその検討に際して、超音波振動子を強固に支持する構造のモデルとして、図５に示す支持構造を案出した。すなわち、図５の支持構造では、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１を組み立てるに際して、先ず、前方側に配置する金属ブロック（一般に「フロントマス」と呼ばれる）２ｂの上側端部の周囲に環状の支持枠体６を金属ブロックと一体として形成し、このフロントマス２ｂと後方側に配置する金属ブロック（一般に「リアマス」と呼ばれる）２ａとの間に上下方向に分極処理済の平板状の圧電素子３a、３bをボルト４で締め付け固定させた。そして、このように構成したボルト締めランジュバン型超音波振動子１を用意した上で、環状の支持枠体６の縁部を、雄ネジを備えたハウジング１１（このハウジング自体が図示しない支持構造体である基台に接続され、固定されている）と雌ネジを備えたナット７との嵌め合い構造により係合させ、拘束固定した。なお、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１の圧電素子３への電気エネルギーの供給は、ハウジング１１に形成した孔を介して、ハウジングの外部に設けた超音波発振回路８から予め決めた周波数を持つ電圧を印加するようにした。【００２３】
次いで、図５に示した支持構造で支持固定する超音波振動子として、その振動特性を実験により観察するために、図６に示す形状とサイズ（単位：ｍｍ）の縦振動励起用のボルト締めランジュバン型超音波振動子１を作製した。図６のボルト締めランジュバン型超音波振動子１は、上下方向に分極処理済の平板状圧電素子（ＰＺＴ圧電素子）３ａ、３ｂをステンレススチール製のリアマス２ａと同じくステンレススチールを材料として環状の支持枠体６と共に一体的に成形したフロントマス２ｂとの間に配置し、同じくフロントマス２ｂと一体的に成形したボルト４で締め付け固定させる構成としている。そして、フロントマス２ｂの下部には工具を装着したコレットをはめ込むためのテーパ状の凹部を形成した。【００２４】
図６に示した形状とサイズを持つボルト締めランジュバン型超音波振動子の超音波振動特性を実験により観察するために、まずインピーダンスアナライザを用いて、超音波振動子を非拘束とした状態での周波数特性を測定し、次いで、同じ超音波振動子を、図５に示した支持構造にて支持固定（拘束）した状態として同様に周波数特性を測定した。図６のボルト締めランジュバン型超音波振動子の非拘束状態での周波数特性を表すアドミッタンス曲線を図７に、そして図５に示した支持構造で拘束した状態での周波数特性を表すアドミッタンス曲線を図８に示す。【００２５】
図７のアドミッタンス曲線では、測定対象のボルト締めランジュバン型超音波振動子が非拘束状態の場合には、一つのアドミッタンスピークが４２．１２５ＫＨｚの周波数位置に現れる。このアドミッタンスピークの周波数（４２．１２５ＫＨｚ）は、非拘束状態にある図６の超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数であると理解される。【００２６】
一方、図８の拘束状態のボルト締めランジュバン型超音波振動子のアドミッタンス曲線には、図７のアドミッタンス曲線で見られた縦一次振動を励起させる共振周波数に近い周波数（４４．３７５ＫＨｚ）に一つのアドミッタンスピークが現れ、さらにそのアドミッタンスピークの周波数よりも低周波数側の領域の２４．２５０ＫＨｚの周波数位置に、上記共振周波数におけるアドミッタンスピークよりも若干小さいアドミッタンスピークが現れることが判明した。【００２７】
図８のアドミッタンス曲線で現れた二つのアドミッタンスピークの存在は、いずれの周波数であっても、測定対象のボルト締めランジュバン型超音波振動子の超音波縦振動の励起が可能であることを意味すると理解される。すなわち、それらの二つの周波数はいずれも超音波縦振動の励起を可能にする共振周波数に相当すると考えられる。そして、拘束された超音波振動子についての図８のアドミッタンスカーブでは、超音波振動子が拘束状態であるところから、非拘束状態にある超音波振動子の図７のアドミッタンスカーブにおける縦一次振動を励起させる共振周波数に相当するピークからはシフトするものの、図８の高周波数側のアドミットタンスピークが縦一次振動励起用の共振周波数に相当するはずであると理解できる。次いで、本発明者はこれらの二つの互いに異なる周波数位置に現れるアドミッタンスピークの存在に注目して、図８のアドミッタンス曲線から判明した二つの共振周波数に近似した周波数を持つ電圧を、図５に示した拘束条件にある図６のボルト締めランジュバン型超音波振動子に印加し、超音波振動を励起させ、振動下にあるリアマス２ａの上端面の縦方向の振動変位量をレーザードップラー振動計により測定した。【００２８】
レーザードップラー振動計を用いた上記のリアマス２ａの上端面の縦方向の振動変位量の測定結果によれば、図８に見られる相対的に大きな高周波数側のアドミッタンスピークの周波数に近似した周波数（４３．８６ＫＨｚ）の電圧を印加することにより超音波振動（いわゆる縦一次振動）を励起させた超音波振動子のフロントマスの２ａの上端面の振動変位量は約３３μｍであり、その超音波振動に要する電力は約３．５Ｗであることが判明した。これに対して、図８に見られる相対的に小さい低周波数側のアドミッタンスピークの周波数に近似した周波数（２３．６４ＫＨｚ）の電圧を印加して超音波振動を励起させた超音波振動子のリアマス２ａの上端面の振動変位量は約３０μｍと若干小さくなり、さらにその超音波振動に要する電力は約０．５Ｗと顕著に低減することが判明した。【００２９】
従って、図８のアドミッタンス曲線の高周波数側に現れている相対的に大きなアドミッタンスピークに相当する周波数の電圧印加により超音波振動子に現れる超音波振動（縦一次振動）と低周波数側に現れる相対的に小さなアドミッタンスピークに相当する周波数の電圧印加により超音波振動子に現れる超音波振動とを比較すると、その縦方向の振動変位量については後者が前者より若干小さくなり、さらに超音波振動を励起させるために必要な電力は、後者が前者の約１／７（０．５Ｗ／３．５Ｗ）となることが分かる。すなわち、図６に示した構成のボルト締めランジュバン型超音波振動子を図５に示した支持構造を利用して支持拘束した状態で超音波振動を励起させるために必要な電力は、後者の低周波数側の共振周波数の電圧の印加での振動を利用することにより、前者の高周波数側の共振周波数の電圧の印加での振動（縦一次振動）を利用した場合に比べて、大幅に低減することが判明した。【００３０】
次いで、図６に示した構成のボルト締めランジュバン型超音波振動子の下側のフロントマス２ｂの凹部に工具をそなえたコレットを装着して、その工具の先端部の振動変位量についても今度は縦方向と横方向の両方向で測定する実験を行った。この実験では、工具として想定したドリルのモデルとして、長さ４０ｍｍ、直径３ｍｍの断面が円形の棒体を選び、この棒体をコレット下端部に突き出し長さ１４．８ｍｍにて装着した超音波加工用工具モデルを作製し、この超音波加工用工具モデルを用いて円形棒体の先端部（下端部）の振動変位量の測定を行った。【００３１】
上記の工具先端部の振動変位量の測定実験では、図６の構成のボルト締めランジュバン型超音波振動子にコレットと工具を装着して構成した超音波加工用工具モデルについてインピーダンスアナライザーを用いる測定により得られたアドミッタンス曲線に基づき、高周波数側の共振周波数を３０．２０ＫＨｚ、そして低周波数側の共振周波数を２１．０９ＫＨｚとして、それぞれの周波数を持つ電圧をボルト締めランジュバン型超音波振動子に印加した。【００３２】
上記の測定実験の結果、高周波数側の共振周波数の電圧の印加により振動させた超音波振動子に装着した工具の先端部の縦方向の振動変位量は８．３３μｍｐ−ｐであって、横方向の振動変位量は０．７８７μｍｐ−ｐであること、そして当該振動に必要とした電力は１．１７Wであることが判明した。一方、低周波数側の共振周波数の電圧の印加により振動させた超音波振動子に装着した工具の先端部の縦方向の振動変位量は７．７０μｍｐ−ｐであって、横方向の振動変位量は０．２４８μｍｐ−ｐであること、そして当該振動に必要とした電力は０．３１Wであることが判明した。【００３３】
従って、上記の測定実験の結果から、低周波数側の共振周波数での超音波振動の縦方向の振動変位量は、高周波数側の共振周波数での超音波振動の縦方向の振動変位量に比較して若干小さくなり、一方、横方向の振動変位量については、低周波数側の共振周波数の電圧の印加による振動では、高周波数側の共振周波数の電圧の印加による振動（縦一次振動）に比べて、約１／３（０．２４８／０．７８７）となることが確認された。また、電力使用量も、低周波数側の共振周波数の電圧の印加による振動では、高周波数側の共振周波数の電圧の印加による振動（縦一次振動）に比べて、約１／４（０．３１／１．１７）となることから、超音波振動の励起に必要な電力使用量も顕著に低減することが確認された。【００３４】
以上に記載した実験結果から、上記の超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数よりも低周波数側に現れるアドミッタンスピークに相当する共振周波数の電圧の印加による超音波振動子の振動励起方法を利用することにより、振動励起に必要な電力の顕著な低減と共に、縦振動に付随して励起される横振動（横揺れ）の顕著な低減も実現することが判明した。【００３５】
本発明者は次いで、上記の超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数よりも低周波数側に現れるアドミッタンスピークに相当する共振周波数の電圧の印加により発生する超音波振動子の振動の性質を解明すべく、市販の有限要素法の解析ソフトウエアであるＡＮＳＹＳ（販売元：アンシス・ジャパン株式会社）を用い、図６のランジュバン型超音波振動子を図５の拘束条件（すなわち、図８のアドミッタンス曲線が得られた超音波振動子の拘束条件）にて拘束した場合に励起される超音波振動の解析を行った。【００３６】
上記の有限要素法による超音波振動の解析の結果、超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数よりも低周波数側に現れるアドミッタンスピークに相当する共振周波数の電圧の印加により発生する超音波振動子の振動は、図９のＡＮＳＹＳ解析画像から明らかなように、超音波振動子の全体が同一の縦方向（超音波振動子の長軸方向）に振動する往復運動であって、超音波振動子の内部には振動の節となる部位が存在しない超音波振動（本明細書では、この振動を疑似縦零次振動あるいはパラ縦零次振動と呼ぶ）であることが判明した。なお、図９の画像によれば、この疑似縦零次振動では、環状の支持枠体が基台と接する部位に振動の節が現れ、環状の支持枠体自体もまた上記超音波振動と同位相の超音波振動を行うことも判明した。すなわち、この疑似縦零次振動の超音波振動は、超音波振動子全体が同一の縦方向に振動する往復運動であって、超音波振動子の内部に振動の節となる部位を一個持ち、その節となる部位を境にして縦方向に互いに逆方向となる振動を示すモードである縦一次振動とは明らかに異なる振動であり、このため、印加される電気エネルギーの損失が少なく、かつ必然的に横方向への振動が少なくなるという利点が発生する結果となるのであろうと推定される。【００３７】
一方、超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数の電圧により発生する振動は、図１０のＡＮＳＹＳ解析画像からも明らかなように、超音波振動子の内部のフランジに近接する部位に振動の節を一個持ち、その節となる部位を境にして縦方向に互いに逆方向となる振動を示すモードである。【００３８】
本発明は、ランジュバン型超音波振動子における疑似縦零次振動の超音波縦振動の励起に関する上述の本発明者による新規な知見に基き、新たに見出された疑似縦零次振動による超音波振動に従来から知られているねじり一次振動による超音波振動を組み合わせることによって新規な縦・ねじり振動である超音波複合振動が得られるとの知見を得ることにより完成した発明である。【００３９】
従って、本発明により、金属ブロック、側面に環状に突出した支持枠体を備えた金属ブロック、そしてこれらの金属ブロックの間に固定された縦方向に分極処理された円板状圧電素子と円周方向に分極された円板状圧電素子とを含むランジュバン型超音波振動子を用意し、このランジュバン型超音波振動子を該支持枠体を介して基台に接続して拘束状態にて支持した後、該超音波振動子の縦方向に分極処理された円板状圧電素子と円周方向に分極された円板状圧電素子の双方に、該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる縦振動とそして該超音波振動子の内部に振動の一つの節を持つねじり一次振動とを励起させることのできる周波数を持つ電圧を印加することによって、該ランジュバン型超音波振動子に、該圧電素子の平面に垂直な方向での該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる超音波振動（疑似縦零次振動）とねじり一次振動との複合振動である縦・ねじり超音波振動を励起させることを特徴とするランジュバン型超音波振動子の新規な縦・ねじり振動励起方法が提供される。【００４０】
また、本発明により、上記の超音波振動子の縦・ねじり振動励起方法において用いる周波数（共振周波数）が、該振動子の縦一次振動モードの振動を励起する共振周波数よりも低い周波数範囲に含まれる周波数である振動励起方法も提供される。【００４１】
さらに、本発明により、上記の超音波振動子の縦・ねじり振動励起方法において、環状の支持枠体が基台と接する部位に縦振動の節を持ち、上記超音波振動と同位相の超音波振動を行う振動励起方法も提供される。
【発明の効果】
【００４２】
本発明のランジュバン型超音波振動子の縦・ねじり振動励起方法を利用することにより、超音波振動子の小型化、そして小型とされた超音波振動子であっても高出力の縦・ねじり振動の出力が可能となる。さらに、超音波振動子の縦・ねじり振動の励起に必要な電力エネルギーの大幅な低減ができる。さらにまた、利用するねじり振動が基本モードであるねじり一次振動であるため、スプリアス（不要振動）の発生が少ないねじり振動が実現し、従って、そのねじり一次振動と疑似縦零次振動との複合振動である本発明で利用する縦・ねじり振動においてもスプリアス（不要振動）の発生が少ない。
本発明のランジュバン型超音波振動子の縦・ねじり振動励起方法は特に小型の超音波モータの駆動に有効であるが、また、ドリルなどの研削具や研磨具を用いる超音波加工の実施においても、低電力エネルギーであって、高精度の加工ができるとの利点がある。そして、研削加工や，研磨加工において発生する切り屑の除去が、疑似縦零次振動に併せ発生するねじり振動の作用により研削加工や研磨加工の実施中に併行して行われるため、加工効率が向上するという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】代表的なボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成を示す図である。
【図２】ボルト締めランジュバン型超音波振動子を利用する超音波加工装置の構成の例を示す図である。
【図３】ねじり振動励起用圧電素子の例を示す図である。
【図４】超音波モータの例を示す図である。
【図５】本発明の超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法の基礎となる縦振動の励起に利用することのできる超音波振動子の支持固定（拘束）構造の例を示す図である。
【図６】本発明の超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法の基礎となる縦振動の励起に利用することのできる超音波振動子の構成の例を示す図である。
【図７】図６に示した超音波振動子の非拘束状態における周波数特性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。
【図８】図５に示した支持構造にて拘束した図６の超音波振動子の周波数特性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。
【図９】有限要素法による評価結果に基づく、本発明の超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法の基礎となる縦振動の励起方法で発生する振動モード（疑似縦零次振動）を示す図である。
【図１０】有限要素法による評価結果に基づく、超音波振動子の縦一次振動で発生する振動モードを示す図である。
【図１１】本発明の超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法で発生する縦・ねじり振動の基礎となる疑似縦零次振動の振動モードを模式的に示す図である。
【図１２】超音波振動子の縦一次振動の振動モードを示す図（Ａ)、そしてその圧電素子部分の挙動を表すために拡大して示した図（Ｂ)である。
【図１３】本発明の超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法の基礎となる縦振動の励起に利用する超音波振動子の形状とサイズそして支持固定構造の他の例を示す図である。
【図１４】図１３に示した超音波振動子の支持固定構造における励起により発生する超音波振動（疑似縦零次振動）を有限要素法による画像として示す図である。
【図１５】本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法の実施に用いるにおける縦振動励起用圧電素子とねじり振動励起用圧電素子を組み込んだボルト締めランジュバン型超音波振動子の概念図である。
【図１６】本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法の実施に用いる研磨装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明の超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法の基礎となる疑似縦零次振動の励起に利用する共振周波数（超音波振動子の縦一次振動モードの振動を励起する共振周波数に対応するアドミッタンスピークよりも低周波数側に現れるアドミッタンスピークに対応する共振周波数：本明細書では疑似縦零次振動を励起する共振周波数と表現する）の存在は、本発明者の知る限りにおいて、これまでに当業者に認識されたことはない。また、上記疑似縦零次振動を利用する超音波振動子の振動励起方法は、本発明者の知る限りにおいて、これまでに実施されたことはない。
【００４５】
本発明者の発見になる疑似縦零次振動を励起する共振周波数を利用して本発明の超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法を実施するためには、先ず、図１５に示すような基本構成を持つ縦振動励起用圧電素子とねじり振動励起用圧電素子を組み込んだボルト締めランジュバン型超音波振動子を作製する必要がある。
【００４６】
図１５に示したボルト締めランジュバン型超音波振動子１ａは、底部の周囲に環状の支持枠体（フランジ）６が形成されたリアマス２ａとフロントマス２ｂの間に、上下方向に分極された縦振動励起用圧電素子３ａ、３ｂと円周方向に分極されたねじり振動励起用圧電素子３ｃ、３ｄを挟み込み、ボルト締めにより高圧下に積層固定することにより作製する。
【００４７】
なお、図１５では、環状の支持枠体６は、リアマス２ａに形成されているが、環状の支持枠体は、フロントマスに形成されていてもよい。また、環状の支持枠体はフロントマスあるいはリアマスに一体的に形成することが望ましいが、独立して形成した環状あるいは円盤状の支持枠体をフロントマスあるいはリアマスに装着固定するか、あるいはフロントマスとリアマスとの間に装着固定することもできる。
【００４８】
図１５に示した基本構成を持つボルト締めランジュバン型超音波振動子１ａを組み込んだ超音波研磨装置の構成例を図１６に示す。図１６において、超音波研磨装置１０ａは、ハウジング（兼支持体）８の内側に、下端部にコレット１２ａを介して接続された研磨具１３ａを備えた超音波振動子１ａを収容し、この超音波振動子１ａを軸受（図示せず）により回転可能に支持している。なお、図１６の超音波研磨装置１０ａのハウジング（兼支持体）８の内部には、電源となる電池５０とその電池から得られる電気エネルギーを利用する超音波発振回路５１が備えられていて、超音波振動子のリード線（図示せず）を介して、縦振動励起用圧電素子３ａ、３ｂとねじり振動励起用圧電素子３ｃ、３ｄに共通の共振周波数の電圧を印加するようにされている。なお、研磨具１３ａの先端に楕円軌跡の振動を励起するためには、縦振動励起用圧電素子に印加する電圧とねじり振動励起用圧電素子に印加する電圧の位相差は９０°とする。
【００４９】
次に、図１６のように環状の支持枠体を利用して支持固定した超音波振動子の振動特性をインピーダンスアナライザにより測定し、図８に示すようなアドミッタンス曲線を得る。そのアドミッタンス曲線に図８のような二つのピーク（アドミッタンスピーク）が現れれば、通常、高周波側に現れるピークの周波数が縦一次振動励起の共振周波数であり、低周波数側に現れるピークの周波数が疑似縦零次振動の励起に利用できるの共振周波数であると判断できる。なお、必要であれば、その超音波振動子を非拘束状態とした上でインピーダンスアナライザを利用してアドミッタンス曲線を得て、そのアドミッタンス曲線に現れるアドミッタンスピークに相当する周波数（縦一次振動を励起する共振周波数に相当する）と、前記の高周波数側のアドミッタンスピークの周波数との比較に基づき、その高周波数側の共振周波数が縦一次振動励起の共振周波数に相当することを確認することもできる。
【００５０】
超音波振動子の形状によっては、アドミッタンス曲線に明確な縦一次振動のアドミッタンスピークが現れないこともある。その場合には公知の計算式を利用する方法に従って、縦一次振動を励起する共振周波数を推定し、その共振周波数よりも低波長側の領域に現れるアドミッタンスピークの周波数を疑似縦零次振動の周波数と決め、この疑似縦零次振動の周波数を持つ電圧の印加により目的の疑似縦零次振動を含む縦・ねじり複合超音波振動を励起させることもできる。
【００５１】
一方、アドミッタンス曲線に三つ以上のアドミッタンスピークが現れた場合においても、上記の方法により縦一次振動を励起する共振周波数を推定し、その共振周波数よりも低波長側の領域の隣接する位置に現れるアドミッタンスピークの周波数を疑似縦零次振動の周波数として、この疑似縦零次振動の周波数を持つ電圧の印加により目的の疑似縦零次振動を含む縦・ねじり複合超音波振動を励起させることもできる。
【００５２】
図１５の構成の超音波振動子に図１６に示したように工具を装着して超音波加工用振動工具を構成し、その超音波加工用振動工具に前記の方法により決定した疑似縦零次振動励起用の共振周波数の電圧を印加することにより、その工具に疑似縦零次振動を含む縦・ねじり複合超音波振動を励起することができる。但し、前記の方法により決定した疑似縦零次振動励起用の共振周波数は、工具およびコレットなどの工具装着具を装着していない状態での測定により確認した共振周波数であるため、工具の疑似縦零次振動を励起することができる最適な共振周波数とは若干のずれが生じる可能性がある。また、超音波加工用振動工具の拘束条件（支持固定条件）の僅かなずれによっても、最適な共振周波数のずれが発生することがある。従って、工具を装着させ、基台に拘束した超音波振動子の疑似縦零次振動励起用の共振周波数の決定は、励起される超音波振動を確認しながら最適な共振周波数を決定できるような共振周波数の追尾が可能な超音波発振回路を利用することにより行うことが望ましい。
【００５３】
なお、図１５のような構成の超音波振動子を製造し、図５に示したような支持固定構造により超音波振動子を拘束した状態でインピーダンスアナライザを利用してアドミッタンス曲線を得ても、図８に示したような複数（通常は二つ）のアドミッタンスピークが現れない場合には、超音波振動子の拘束条件を調整することにより、図８に示したような二つのピークを有するアドミッタンス曲線が得られるようになることもある。しかしながら、そのような超音波振動子の拘束条件の調整によっても、図８に示したような二つのピークを有するアドミッタンス曲線が得られない場合には、超音波振動子の形状の設定や、超音波振動子の支持固定構造が、目的とする疑似縦零次振動の励起には不適切であると考えられるため、改めて図５の超音波振動子の拘束条件と図１５の超音波振動子の形状とサイズを参考にして、超音波振動子の設計変更と支持固定構造の再検討を行う必要がある。なお、図５の超音波振動子の拘束条件と図６の超音波振動子の形状とサイズは、本発明の実施方法の代表的な態様を示したものに過ぎず、本発明の超音波振動子の疑似縦零次振動の励起方法の実施の態様を限定する条件ではない。
【００５４】
また、図１５のように構成した縦・ねじり振動励起用の超音波振動子を、図４に示したような超音波モータに組み込んで、本発明の方法に従って縦・ねじり振動（縦・ねじり複合振動）を発生させることにより小型で高性能の超音波モータが得られる。
【００５５】
前記のように、本発明者は、本発明の超音波振動子の振動励起方法により発生する縦・ねじり複合超音波振動を構成する縦振動が、「圧電素子の平面に垂直な方向での該振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる超音波振動」であるとした。次に、この結論の根拠となったデータについて改めて説明する。
【００５６】
前述のように、図８のアドミッタンス曲線の低周波数側に現れているアドミッタンスピークの存在は、本発明者が知る限りにおいては、知られていない。このため、この低周波数側のアドミッタンスピークが現れる周波数位置に相当する周波数が何を意味するかの点については、本発明者は最初は判断できなかった。しかしながら、これまでに説明した実験事実から明らかなように、この低周波数側のアドミッタンスピークが現れる周波数位置に相当する周波数も当該超音波振動子の共振周波数であって、当該共振周波数の電圧の印加により拘束状態にある超音波振動子で励起される縦方向の超音波振動は少ない消費電力で発生し、さらに横方向の振動は少ないことが確かめられた。
【００５７】
このため、本発明者は、今回確認された超音波振動の振動モードを解析するために、前述のように、市販の有限要素法に基づく計算ソフトであるＡＮＳＹＳを用い、実験に使用した超音波振動子の形状、サイズ、材料そして超音波振動子の支持固定条件（拘束条件）において超音波振動子に発生する超音波振動の振動モードの解析を行った。その振動モードの解析結果が図９と図１０に示されている。
【００５８】
前述のように、図９が、拘束条件での超音波振動子に、低周波数側の共振周波数の電圧を印加した場合に現れる振動モードを表す画像であり、この画像から、超音波振動子に現れる振動は超音波振動子全体が一方の方向に向かう振動であって、その振動の節は、超音波振動子の内部には存在せず、超音波振動子の環状支持枠体の外側端部（基台への接続部に相当する）に存在することが分かる。次に、図１０は、拘束条件での超音波振動子に、高周波数側の共振周波数の電圧を印加した場合に現れる振動モードを表す画像であり、この画像から、超音波振動子に現れる振動は、超音波振動子内部に節を有し、その節を境界として、上下に振動する伸縮振動であることが分かる。
【００５９】
図１１は、図９に示した画像が表す振動モードを模式的に説明する図である。すなわち、本発明に従う振動モードの超音波振動では、超音波振動子は、全体として一方の方向に振動する往復振動を繰り返す。超音波振動子を基台に支持固定する環状の支持枠体は、基台との接続部（環状支持枠体の周縁部に相当）に節を持ち、超音波振動子の接続部に相当する環状支持枠体の内周部もまた、超音波振動子と同期する往復運動を繰り返す振動を示す。この振動モードが本明細書で説明している疑似縦零次振動モードに相当する。
【００６０】
図１２の（Ａ）は、図１０に示した画像が表す振動モードを模式的に説明する図である。すなわち、図１０の超音波振動では、超音波振動子は、その圧電素子が存在する略中央部（圧電素子が存在する位置）に節を持ち、上下に伸縮する振動（縦一次振動）を繰り返す。縦一次振動がこのような伸縮振動であるため、工具が装着される一方の側の面（下側面）の縦振動の励起に際して、図１１に示した疑似縦零次振動モードで実現する下側面の縦振動と同等の振動量（変位量）を得るためには相対的に大きな電力が必要となるものと推定される。
【００６１】
図１２の（Ｂ）は、図１２（Ａ）に示した超音波振動子の振動の様子を模式的に拡大して示す図であって、電気エネルギーの印加による圧電素子３に現れるの変形の状況（推定状況）を模式的に示す図である。すなわち、圧電素子３は、印加される電気エネルギーの変動により膨張と収縮を繰り返すが、その膨張時には、図に示すように、圧電素子に付与されている圧力に抗する形で、中央部が膨出するように変形すると考えられる。従って、この圧電素子の変形がその中心に完全に対称な形状で発生しなければ、超音波振動子の上下の端面は伸縮振動の中心面とは完全な平行面とならず、このため、超音波振動子の上下の端面における横振動が発生しやすくなると推定される。
【００６２】
図１３は、本発明の超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法で発生する縦・ねじり振動の基礎となる超音波振動子の振動励起方法に利用できる超音波振動子の形状とサイズ（単位：ｍｍ）そして支持固定構造の他の例を示す図であり、図１４は、図１３に示した超音波振動子の支持固定構造における励起により発生する超音波振動（疑似縦零次振動）を有限要素法により得られた画像として示す図である。図９に示した画像と同様に、超音波振動子に現れる振動が超音波振動子全体が一方の方向に向かう往復振動であり、その振動の節は、超音波振動子の内部には存在せず、超音波振動子の環状支持枠体の外側端部（基台への接続部に相当する）に存在する。
【符号の説明】
【００６３】
１  ボルト締めランジュバン型超音波振動子
２ａ  金属ブロック（リアマス）
２ｂ  金属ブロック（フロントマス）
３ａ、３ｂ  縦振動励起用圧電素子
３ｃ、３ｄ  ねじり振動励起用圧電素子
４  ボルト
５ａ  銅電極
５ｂ  銅電極
６  環状の支持枠体
７  ナット
１０  超音波研削加工装置
１１  ハウジング
１２  ホーン
１３  研磨具
２０  超音波モータ
２２  ボトムナット
２４  ねじり振動用圧電素子
２６  ホルダ
２８  縦振動用圧電素子
３０  ステータヘッド
３２  ステータ
３４  ロータ
３６  摩擦材
３８  センターボルト
４０  センターボルト
４２  バネ部材
４４  ベアリング
４８  フランジ
【図１】
2017082350.tif 000003
【図２】
2017082350.tif 000004
【図３】
2017082350.tif 000005
【図４】
2017082350.tif 000006
【図５】
2017082350.tif 000007
【図６】
2017082350.tif 000008
【図７】
2017082350.tif 000009
【図８】
2017082350.tif 000010
【図９】
2017082350.tif 000011
【図１０】
2017082350.tif 000012
【図１１】
2017082350.tif 000013
【図１２】
2017082350.tif 000014
【図１３】
2017082350.tif 000015
【図１４】
2017082350.tif 000016
【図１５】
2017082350.tif 000017
【図１６】
2017082350.tif 000018
【国際調査報告】
2017082350.tif 000019
2017082350.tif 000020