(57)【要約】      （修正有）【課題】振動体の剛性に富み、先端位置決め精度が高く、低損失の超音波加工機用の超音波複合振動体を提供すること。【解決手段】縦波共振周波数に近接した振動体の駆動周波数における縦波および捩り波の位相差が零でなくπ／２に近く、かつ一方の端面が振動の節面、他方の端面が振動の腹面となるように形成した超音波複合振動体を設計し、その最適構造をシミュレーションにより決定する。【選択図】図６
2005288351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦波および捩り波モードで振動する超音波複合振動体において、その振動体の縦振動の腹面１／４波長から節面１／２波長の区間に周波数調整用の要素として段付部を設置するとき該段付部の設置位置を調整することにより、縦波共振周波数に近接した振動体の駆動周波数における縦波および捩り波の位相差が零でなくπ／２に近く、かつ、縦波および捩り波のそれぞれの共振周波数における一方の端面が振動の節面、他方の端面が振動の腹面となるように形成したことを特徴とする超音波複合振動体。
【請求項２】
前記超音波複合振動体の縦波モードの節部に、縦波用の電気音響変換器、若しくは、縦・捩り変換用のスリット部を設置した請求項１記載の超音波複合振動体。
【請求項３】
前記縦波用の電気音響変換器を設置した超音波複合振動体と、縦・捩り振動変換用のスリット部を設置した超音波複合振動体は、それぞれの節面を同一軸心で結合するか、若しくは、両方の複合振動体を一体形成して縦波モードの節面を共通に形成した請求項１および請求項２記載の超音波複合振動体。
【請求項４】
超音波複合振動体に周波数調整要素を設置するとき、縦波および捩り波の両振動モードでこの複合振動体の一方の端面が振動の節面に、及び他方の端面が振動の腹面となるように前記周波数調整要素の設置位置を調整することを特徴とする超音波複合振動体の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路、金属、プラスチックス、セラミックス等を振動加工（接合、切削、研磨等）するための超音波加工機に用いられる超音波複合振動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波複合振動体としては、特許文献１が公知である。
上記従来技術では、図７に例示するように、振動系を縦振動および捩り振動を合成するホーン（以下、スクリュー振動ホーンという）構造とすることにより、縦・捩り振動を実現するものである。
【０００３】
しかしながら、上記スクリュー振動ホーン１は、縦振動で１波長共振、捩り振動で１．５波長共振となっていて、両方の振動モードに共通した振動の節は存在しない。従って、当該スクリュー振動ホーン１を保持体で支持する場合、強固に固定すると振動損失が増大し、低損失となるように支持すると剛性に欠けるという問題がある。
【０００４】
また、上記スクリュー振動ホーン１は、その基端部側に、縦振動を印加するためのホーン２と、捩り振動を印加するためのホーン３が装着されているので、ホーン２の先端は捩り振動で駆動され、ホーン３の先端は縦振動による曲げ振動で駆動される。そして、夫々のホーン２およびホーン３は縦振動の節面は有するが、その節面が、捩り振動若しくは曲げ振動の節面とは一致しない。
従って、ホーン２およびホーン３の支持に際しても、強固に固定すると振動損失が増大し、低損失となるように支持すると、剛性に欠ける問題がある。
【０００５】
このため、超音波加工機を構成する複合振動体の支持に際しては、剛性に富む支持でありながら、その支持部での振動損失が僅少な複合振動体が切望されている。
【特許文献１】特開平６−２９３５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記要請に応えることができる超音波複合振動体を形成するに当たり、複合振動を構成する縦波および捩り波振動モードのそれぞれの近接した共振周波数において共通の節面と腹面を有する条件を予め求め、当該節面において複合振動体を支持することにより、剛性に富む一方でその支持面での振動損失が僅少であり、かつ、先端位置決め精度も高い超音波加工機用の複合振動体を提供することを、その課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決することを目的としてなされた本発明の複合振動体の構成は、複合振動体に周波数調整要素を設置するに当り、該周波数調整要素の設置位置を調整することにより、縦波および捩り波の両振動モードでこの複合振動体の一方の端面が振動の節面に、他方の端面が振動の腹面となるように形成したことを主な特徴とするものである。
【０００８】
本発明は上記構成において、複合振動体に設置する周波数調整要素を、当該振動体の縦波振動の腹面から節面までの１／４波長の間の一定条件下に設置する段付部で形成することにより、この複合振動体の縦振動と捩り振動の振動モードが、当該振動体の一方の端面が節面に、他方の端面が腹面となるようにする音響伝送線路理論に基づいて完成したものである。
【０００９】
即ち、請求項１の発明は、複合振動体に周波数調整部を設置することによって、縦波共振周波数に近接した振動体の駆動周波数において縦波および捩り波の位相差が零でなくπ／２に近くなり、この複合振動体の縦・捩り両振動モードのそれぞれの共振周波数において、片方の端面が節面、他方の端面が腹面となる超音波複合振動体を構成するものである。そして、請求項２の発明は、請求項１の超音波複合振動体の縦波振動の中間の節部に電歪素子若しくは縦・捩り変換用のスリットを設置した構成であり、請求項３の発明は、請求項２の電歪素子を設置した超音波複合振動体と、縦・捩り変換用のスリットを伝送特性を考慮して設置した超音波複合振動体を共通の節面で結合した超音波複合振動体であり、請求項４の発明は、超音波複合振動体に周波数調整要素をその位置を調整して設置するとき、この複合振動体の一方の端面が振動の節面になると共に、他方の端面が振動の腹面となるように調整して周波数調整要素を設けるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
縦振動用の電歪振動子を設置した本発明の超音波複合振動体に電気信号を印加すると、この超音波複合振動体は縦振動モードで励振される。この超音波複合振動体を、縦・捩り変換スリットを設置した超音波複合振動体と共通節面で結合すると、縦振動は縦・捩り複合振動となって両方の超音波複合振動体を励振する。
【００１１】
結合した上記の超音波複合振動体は、共通の節面を有し、両端が振動の腹面となって振動するから、上記共通の節面を支持することにより、変換スリットを設置した超音波複合振動体の先端の複合振動によって超音波加工が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、縦振動と捩り振動の振動モードにおける共振周波数近傍のモーショナルアドミッタンスとその位相特性を示す説明図、図２は、本発明による周波数調整要素を具備し、電歪振動子を設置した本発明超音波複合振動体の一例と、その複合振動モードの模式図、図３は、本発明による周波数調整要素を具備し、縦・捩り振動変換用のスリット部を設置した本発明超音波複合振動体の例と、その複合振動モードの模式図、図４は、図２の複合振動体における振動体と周波数調整要素の直径比(M)をパラメータとしたその周波数調整要素の設置位置(x)の周波数特性図、図５は、図３の複合振動体における振動体と周波数調整要素の直径比(M)をパラメータとしたその周波数調整要素の設置位置(x)の周波数特性図、図６は、図２と図３の超音波複合振動体を共通節面で結合した超音波加工機用の本発明超音波複合振動体の他の例とその複合振動モードの模式図である。
【００１３】
図１において、１１，１２および１３，１４は、それぞれ縦振動および捩り振動の両振動モードの共振周波数ｆlとｆtにおけるモーショナルアドミッタンス|Ｙmo|が等しい場合のモーショナルアドミッタンス|Ym|と位相Φの周波数特性である。
１５は両振動モードの位相差を示し、ここでは縦振動モードの位相と捩り振動モードの位相の差で表している。この位相差１５は、駆動周波数ｆd1、ｆd2でπ／２となる。
ここで、両方の共振周波数が等し（ｆl＝ｆt）ければ、両振動モードの位相特性１３と１４は略同一曲線となるので、位相差１５は零となってπ／２にはならない。
位相差１５がπ／２となる条件は、両方の共振周波数差が、両振動モードの共振時の機械的尖鋭度をＱl，Ｑtとして次の［数１］式のときである。
【００１４】
【数１】
2005288351.tif 000003
【００１５】
図１において複合振動体を駆動周波数ｆd1（若しくはｆd2）で励振すると、縦および捩り振動モードの動作点を示すモーショナルアドミッタンスと位相角は、図１にそれぞれ符号１６，１７および符号１８、１９で示す点となり、縦振動および捩り振動モードは、振動位相差がπ／２となるため振動体先端周縁部の振動は円振動を誘起する。また、振動位相差がπ／２に近付くときには、楕円振動から円振動となる。
【００１６】
図２において、２は模式的に示した本発明超音波複合振動体で、２１，２２，２３，２４，２５はこの超音波複合振動体２の構成要素である。各構成要素２１〜２５は、共通軸心を有する円柱一体構造、若しくは、複数の円柱体が中心ボルト（図示せず）で締結された結合構造であるが、以下の説明では、中心ボルトは無視する。
【００１７】
図２の超音波複合振動体２の一方の端（図の左側）が振動の節面で、他方の端が振動の腹面となる条件は、構成要素ｉの長さをｌi、断面積をＳi、縦波音響インピーダンスをＺli、捩り波音響インピーダンスを{ EMBED Equation.3  , }、縦波波長定数をβi、捩り波波長定数をαi、極慣性モーメントをＩiとおくと、音響伝送線路理論より、縦波および捩り波振動モードに対して、cosβi≠０，cosαi≠０のとき、それぞれ次の［数２］式および［数３］式で表される。
【００１８】
【数２】
2005288351.tif 000004
【００１９】
【数３】
2005288351.tif 000005
【００２０】
いま、図２の複合振動体２の各構成要素２１〜２５の密度をρi、縦波音速をＣli、捩り波音速をＣti、半径をｒiとし、縦波および捩り波の共振周波数をｆl，ｆtとすると、各パラメータは、次の式［数４］で与えられる。
【００２１】
【数４】
2005288351.tif 000006
【００２２】
上記の超音波複合振動体２の各構成要素２１〜２５をアルミニウム合金と電歪素子(ジルコン・チタン酸鉛(PZT))とした場合の必要な諸データを表１に示す。
【００２３】
【表１】
2005288351.tif 000007
【００２４】
図２の超音波複合振動体２において、構成要素２４を縦波用電歪素子（PZT）とし、この構成要素２４が構成要素２５で両側を挟持された半波長共振のボルト締めランジュバン型振動子とすると、共振条件は、{ EMBED Equation.3  , }のとき次の式［数５］となる。
【００２５】
【数５】
2005288351.tif 000008
【００２６】
上記式［数５］において、ｆ＝40（kHz）、Ｓ4＝Ｓ5、{ EMBED Equation.3  , }＝10（mm）とすると、{ EMBED Equation.3  , }＝24.82（mm）を得る。
【００２７】
図２の複合振動体２において、電歪素子２４以外の構成要素２１〜２３，２５は、同一材料のアルミニウム合金とし、周波数調整用円柱２２の厚さを８（mm）、縦振動モードの腹部からの距離をxとおき、次の式［数６］の条件と表１のデータを上記の式［数２］に代入して、振動の節面から腹面までの距離を求めると、その距離は40.27（mm）となり、よって{ EMBED Equation.3  , }＝40.27＋ｘとなる。
【００２８】
【数６】
2005288351.tif 000009
【００２９】
周波数調整要素２２の断面積をＭ2Ｓ（Ｍは直径比）とし、Ｍをパラメータとしたときの、ｘとｆの相関を上述の{ EMBED Equation.3  , }と各式［数２］，［数３］および［数６］より求めると、図４の周波数特性が得られる。
【００３０】
図４において、４１、４２、４３は、前述の直径比Ｍが、Ｍ＝1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの縦振動特性であり、また、４４、４５、４６は、直径比ＭがM=1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの捩り振動特性である。
この図４の特性から、xを長くすると縦振動の共振周波数は高くなり、捩り振動の共振周波数は低くなってからなだらかに高くなる。
【００３１】
両方の振動特性曲線は、前述の直径比Ｍ＝1.1のときは図４の点47（x＝4.8）、Ｍ＝1.2のとき図４の点48（x＝3.2）、Ｍ＝1.3のときは図４の点49（x=2.8）でそれぞれ交わっている。このことから、図２，図３の周波数調整要素２２を前記の直径比Ｍに対応した上述の交点４７，４８，４９のいずれかの位置に設置すると、両振動モードは同一周波数で一方の端が節面、他方の端が腹面となる。
【００３２】
この場合における縦振動および捩り振動の振動モードは、同一共振周波数のため、駆動周波数を両共振周波数（ｆd＝ｆl＝ｆt）とすると、複合振動体２の先端周縁部は直線振動となる。
【００３３】
縦振動および捩り振動の振動モードの共振周波数を図４の同一共振周波数（図４の点４７，４８，４９）近傍で、両共振周波数差を前述の式［数１］のΔFに等しくなるように選んだ場合の縦振動および捩り振動の振動モードをそれぞれ図２の波形２６および２７に示す。図２において、Ｎは振動の節面、Ｌは振動の腹面を表す。
【００３４】
図３において、３は縦・捩り振動変換用のスリットを具備した本発明超音波複合振動体の一例で、３１，３２，３３，３４，３５は、この超音波複合振動体３の構成要素である。
図３において、各構成要素３１〜３５は、共通軸心を有する円柱一体構造となっている。そして、構成要素３４を振動変換用スリット部とし、この構成要素３４が構成要素３３と３５で両側を挟持された形状の半波長共振のアルミニウム合金製ホーンとすると、前述の式［数５］、表１より、ｆ＝40kHz，Ｓ4＝ｎ2Ｓ5（ｎ2はスリットによる等価断面積比で、深さｔのスリットの場合、ｎ2＝（ｒ4−ｔ）2／ｒ52で表わす）、{ EMBED Equation.3  , }＝７（mm）とすると{ EMBED Equation.3  , }＝25.16（mm）を得る。
【００３５】
図３において、構成要素３１〜３５を全て同一材料のアルミニウム合金とし、周波数調整用円柱３２の厚さを７（mm）、縦振動モードの腹部からの距離をｘとおき、先の式［数７］の条件と表１のデータを、先の式［数２］に代入して、振動の節面から腹面までの距離を求めると、その距離は31.25（mm）となり、{ EMBED Equation.3  , }＝31.25＋ｘが得られる。
【００３６】
【数７】
2005288351.tif 000010
【００３７】
周波数調整要素３２の断面積をＭ2Ｓ（Ｍは直径比）とし、Ｍをパラメータとしたときのｘとｆの相関を上述のｌ1、並びに式［数２］、［数３］および［数７］より求めると、図５の周波数特性が得られる。
【００３８】
図５において、５１、５２、５３は、直径比Ｍ＝1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの縦振動特性であり、５４、５５、５６は、直径比Ｍ＝1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの捩り振動特性である。
図５の特性から、ｘを長くすると縦振動の共振周波数は高くなり、捩り振動の共振周波数は急激に低くなる。
【００３９】
両振動特性曲線は、Ｍ＝1.1のときは交点が無く、Ｍ＝1.2のとき点57（ｘ＝13.2）、Ｍ＝1.3のとき点58（ｘ＝11.4）で交わっている。周波数調整要素３２をＭに対応した上述の交点の位置に設置すると、両振動モードは同一共振周波数のため、駆動周波数を両共振周波数（ｆd＝ｆl＝ｆt）とすると、複合振動体３の先端周縁部は直線振動となる。
【００４０】
縦振動および捩り振動の振動モードの共振周波数を、図５の同一共振周波数（５７、５８）近傍で両共振周波数差を前述の式［数１］のΔFに等しくなるように選んだ場合の縦振動および捩り振動の振動モードをそれぞれ図３の波形３６および３７に示す。図３において、Ｎは振動の節面、Ｌは振動の腹面を表す。
図２および図３の縦振動モードの波形２６、３６より電歪素子２４および縦・捩り変換ユニット３４は、振動の節部に設置されていて、歪力最大のため、電歪素子の振動効率および縦・捩り変換ユニットの縦・捩り変換効率が最大となる。
【００４１】
図６に、本発明超音波複合振動体の他の例として、図２および図３の振動体２，３の節面Ｎを共通させて結合した構造の超音波加工機用の超音波複合振動体とその振動モードを示す。
図６では、図４および図５の周波数特性より、Ｍ＝1.2の場合とすると、図４の交点４８および図５の交点５７近傍で両共振周波数差をΔFに等しくなるように選んだ場合、両振動モードの平均共振周波数は共に約39.9 kHzとなる。この場合の複合振動体の駆動周波数ｆdは、図１と式［数１］より式［数８］となる。
【００４２】
【数８】
2005288351.tif 000011
【００４３】
式［数８］より、縦・捩り振動モードの共振時の機械的尖鋭度Ｑl，Ｑtがほぼ等しい時には、駆動周波数を両振動モードの平均共振周波数39.9KHzに選ぶと、両振動モードの位相差はπ／２となって、この複合振動体の先端周縁部は楕円振動となる。
【００４４】
なお、共通節面Ｎで振幅の拡大(縮小)効果があり、超音波複合振動体の構成要素２１および３１の直径比ｒ（ｒ＝ｒ21／ｒ31）に対応して、縦振動モードの先端振幅がrの二乗に比例し、捩り振動モードの先端外周の振幅がrの三乗に比例する。
【００４５】
また、前記実施例においては、周波数調整要素２２又は３２を凸状（Ｍ＞１）段付にしたが、凹状（Ｍ＜１）段付としても同様の効果が期待できる。
【００４６】
更に、前記実施例において、複合振動体３の構成要素を直径方向振動円板付き構造とすることにより、その円板を縦・径方向振動と捩り振動の合成された複合振動で励振し、当該円板の外周部に楕円振動モードを誘起することができる。
【００４７】
一方、前記実施例においては、複合振動体２と３の各構成要素２１，２２，２３，２４，２５、同じく構成要素３１，３２，３３，３４，３５が円柱状をなす場合について説明したが、必ずしも各構成要素が円柱状をなしている必要は無く、例えばその軸心を含む長さ方向の断面積の変化が指数関数で表されるエキスポネンシャル型、円錐関数で表されるコニカル型、双曲線で表されるカテノイダル型、フ―リェ級数で表されるフーリェ型等にもそれぞれ上記断面積変化に対応したそれぞれの設計式を対応させることにより、同様に適用することができ、同様の効果が期待できる。
【００４８】
また、前記実施例において、複合振動体３の構成要素を曲げ振動棒付き構造とすることにより、同振動棒を縦・曲げ方向振動と捩り振動の合成された複合振動で励振し、同振動棒先端に楕円振動モードを誘起することができる。
【００４９】
更に、前記実施例において、複合振動体３の構成要素を曲げ振動円板付き構造とすることにより、同円板を縦・曲げ振動と捩り振動の合成された複合振動で励振し、同円板外周部に楕円振動モードを誘起することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は以上の通りであって、周波数調整要素を具備した超音波複合振動体を本発明によって形成することにより、縦・捩り両振動モードのシミュレーションが可能になるから、両振動の最大効率を与える複合振動体が実現できる。
【００５１】
また、複数の振動体を結合した本発明複合振動体では、その共通節面を支持することにより、当該振動体の剛性に富む支持が実現でき、先端位置決め制度が高く、高効率な超音波加工用の複合振動体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】超音波複合振動体のモーショナルアドミッタンスと位相特性を示す本発明の説明図
【図２】本発明を適用して電歪振動子を設置した超音波複合振動体とその振動モードの模式図。
【図３】本発明を適用して縦・捩り変換用スリットを設置した超音波複合振動体とその振動モードの模式図。
【図４】図１の場合の、周波数調整要素の設定位置の周波数特性図。
【図５】図２の場合の、周波数調整要素の設定位置の周波数特性図。
【図６】図２、図３の振動体を共通節面とした超音波加工機用の超音波複合振動体とその振動モードの模式図。
【図７】従来の複合振動体の例の説明図。
【符号の説明】
【００５３】
１１、１２      縦・捩り振動モードのモーショナルアドミッタンス特性
１３，１４      縦・捩り振動モードの位相特性
１５            縦・捩り振動モードの位相差
２、  ３      超音波複合振動体
２２、３２      周波数調整要素
２４            電歪振動素子
３４            縦・捩り変換用スリット
２６、３６      縦振動モード
２７，３７      捩り振動モード
４１〜４３      縦振動モード１６の周波数特性
４４〜４６      捩り振動モード１７の周波数特性
４７〜４９      縦・捩り振動モードの周波数一致点
５１〜５３      縦振動モード２６の周波数特性
５４〜５６      捩り振動モード２７の周波数特性
５７、５８      縦・捩り振動モードの周波数一致点
【図１】
2005288351.tif 000012
【図２】
2005288351.tif 000013
【図３】
2005288351.tif 000014
【図４】
2005288351.tif 000015
【図５】
2005288351.tif 000016
【図６】
2005288351.tif 000017
【図７】
2005288351.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月2日(2004.4.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路、金属、プラスチックス、セラミックス等を振動加工（接合、切削、研磨等）するための超音波加工機に用いられる超音波複合振動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波複合振動体としては、特許文献１が公知である。
上記従来技術では、図７に例示するように、振動系を縦振動および捩り振動を合成するホーン（以下、スクリュー振動ホーンという）構造とすることにより、縦・捩り振動を実現するものである。
【０００３】
しかしながら、上記スクリュー振動ホーン１は、縦振動で１波長共振、捩り振動で１．５波長共振となっていて、両方の振動モードに共通した振動の節は存在しない。従って、当該スクリュー振動ホーン１を保持体で支持する場合、強固に固定すると振動損失が増大し、低損失となるように支持すると剛性に欠けるという問題がある。
【０００４】
また、上記スクリュー振動ホーン１は、その基端部側に、縦振動を印加するためのホーン２と、捩り振動を印加するためのホーン３が装着されているので、ホーン２の先端は捩り振動で駆動され、ホーン３の先端は縦振動による曲げ振動で駆動される。そして、夫々のホーン２およびホーン３は縦振動の節面は有するが、その節面が、捩り振動若しくは曲げ振動の節面とは一致しない。
従って、ホーン２およびホーン３の支持に際しても、強固に固定すると振動損失が増大し、低損失となるように支持すると、剛性に欠ける問題がある。
【０００５】
このため、超音波加工機を構成する複合振動体の支持に際しては、剛性に富む支持でありながら、その支持部での振動損失が僅少な複合振動体が切望されている。
【特許文献１】特開平６−２９３５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記要請に応えることができる超音波複合振動体を形成するに当たり、複合振動を構成する縦波および捩り波振動モードのそれぞれの近接した共振周波数において共通の節面と腹面を有する条件を予め求め、当該節面において複合振動体を支持することにより、剛性に富む一方でその支持面での振動損失が僅少であり、かつ、先端位置決め精度も高い超音波加工機用の複合振動体を提供することを、その課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決することを目的としてなされた本発明の複合振動体の構成は、複合振動体に周波数調整要素を設置するに当り、該周波数調整要素の設置位置を調整することにより、縦波および捩り波の両振動モードでこの複合振動体の一方の端面が振動の節面に、他方の端面が振動の腹面となるように形成したことを主な特徴とするものである。
【０００８】
本発明は上記構成において、複合振動体に設置する周波数調整要素を、当該振動体の縦波振動の腹面から節面までの１／４波長の間の一定条件下に設置する段付部で形成することにより、この複合振動体の縦振動と捩り振動の振動モードが、当該振動体の一方の端面が節面に、他方の端面が腹面となるようにする音響伝送線路理論に基づいて完成したものである。
【０００９】
即ち、請求項１の発明は、複合振動体に周波数調整部を設置することによって、縦波共振周波数に近接した振動体の駆動周波数において縦波および捩り波の位相差が零でなくπ／２に近くなり、この複合振動体の縦・捩り両振動モードのそれぞれの共振周波数において、片方の端面が節面、他方の端面が腹面となる超音波複合振動体を構成するものである。そして、請求項２の発明は、請求項１の超音波複合振動体の縦波振動の中間の節部に電歪素子若しくは縦・捩り変換用のスリットを設置した構成であり、請求項３の発明は、請求項２の電歪素子を設置した超音波複合振動体と、縦・捩り変換用のスリットを伝送特性を考慮して設置した超音波複合振動体を共通の節面で結合した超音波複合振動体であり、請求項４の発明は、超音波複合振動体に周波数調整要素をその位置を調整して設置するとき、この複合振動体の一方の端面が振動の節面になると共に、他方の端面が振動の腹面となるように調整して周波数調整要素を設けるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
縦振動用の電歪振動子を設置した本発明の超音波複合振動体に電気信号を印加すると、この超音波複合振動体は縦振動モードで励振される。この超音波複合振動体を、縦・捩り変換スリットを設置した超音波複合振動体と共通節面で結合すると、縦振動は縦・捩り複合振動となって両方の超音波複合振動体を励振する。
【００１１】
結合した上記の超音波複合振動体は、共通の節面を有し、両端が振動の腹面となって振動するから、上記共通の節面を支持することにより、変換スリットを設置した超音波複合振動体の先端の複合振動によって超音波加工が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、縦振動と捩り振動の振動モードにおける共振周波数近傍のモーショナルアドミッタンスとその位相特性を示す説明図、図２は、本発明による周波数調整要素を具備し、電歪振動子を設置した本発明超音波複合振動体の一例と、その複合振動モードの模式図、図３は、本発明による周波数調整要素を具備し、縦・捩り振動変換用のスリット部を設置した本発明超音波複合振動体の例と、その複合振動モードの模式図、図４は、図２の複合振動体における振動体と周波数調整要素の直径比(M)をパラメータとしたその周波数調整要素の設置位置(x)の周波数特性図、図５は、図３の複合振動体における振動体と周波数調整要素の直径比(M)をパラメータとしたその周波数調整要素の設置位置(x)の周波数特性図、図６は、図２と図３の超音波複合振動体を共通節面で結合した超音波加工機用の本発明超音波複合振動体の他の例とその複合振動モードの模式図である。
【００１３】
図１において、１１，１２および１３，１４は、それぞれ縦振動および捩り振動の両振動モードの共振周波数ｆlとｆtにおけるモーショナルアドミッタンス|Ｙmo|が等しい場合のモーショナルアドミッタンス|Ym|と位相Φの周波数特性である。
１５は両振動モードの位相差を示し、ここでは縦振動モードの位相と捩り振動モードの位相の差で表している。この位相差１５は、駆動周波数ｆd1、ｆd2でπ／２となる。
ここで、両方の共振周波数が等し（ｆl＝ｆt）ければ、両振動モードの位相特性１３と１４は略同一曲線となるので、位相差１５は零となってπ／２にはならない。
位相差１５がπ／２となる条件は、両方の共振周波数差が、両振動モードの共振時の機械的尖鋭度をＱl，Ｑtとして次の［数１］式のときである。
【００１４】
【数１】
2005288351.tif 000019
【００１５】
図１において複合振動体を駆動周波数ｆd1（若しくはｆd2）で励振すると、縦および捩り振動モードの動作点を示すモーショナルアドミッタンスと位相角は、図１にそれぞれ符号１６，１７および符号１８、１９で示す点となり、縦振動および捩り振動モードは、振動位相差がπ／２となるため振動体先端周縁部の振動は円振動を誘起する。また、振動位相差がπ／２に近付くときには、楕円振動から円振動となる。
【００１６】
図２において、２は模式的に示した本発明超音波複合振動体で、２１，２２，２３，２４，２５はこの超音波複合振動体２の構成要素である。各構成要素２１〜２５は、共通軸心を有する円柱一体構造、若しくは、複数の円柱体が中心ボルト（図示せず）で締結された結合構造であるが、以下の説明では、中心ボルトは無視する。
【００１７】
図２の超音波複合振動体２の一方の端（図の左側）が振動の節面で、他方の端が振動の腹面となる条件は、構成要素ｉの長さをｌi、断面積をＳi、縦波音響インピーダンスをＺli、捩り波音響インピーダンスをＺti、縦波波長定数をβi、捩り波波長定数をαi、極慣性モーメントをＩiとおくと、音響伝送線路理論より、縦波および捩り波振動モードに対して、cosβi≠０，cosαi≠０のとき、それぞれ次の［数２］式および［数３］式で表される。
【００１８】
【数２】
2005288351.tif 000020
【００１９】
【数３】
2005288351.tif 000021
【００２０】
いま、図２の複合振動体２の各構成要素２１〜２５の密度をρi、縦波音速をＣli、捩り波音速をＣti、半径をｒiとし、縦波および捩り波の共振周波数をｆl，ｆtとすると、各パラメータは、次の式［数４］で与えられる。
【００２１】
【数４】
2005288351.tif 000022
【００２２】
上記の超音波複合振動体２の各構成要素２１〜２５をアルミニウム合金と電歪素子(ジルコン・チタン酸鉛(PZT))とした場合の必要な諸データを表１に示す。
【００２３】
【表１】
2005288351.tif 000023
【００２４】
図２の超音波複合振動体２において、構成要素２４を縦波用電歪素子（PZT）とし、この構成要素２４が構成要素２５で両側を挟持された半波長共振のボルト締めランジュバン型振動子とすると、共振条件は、cosβiｌi≠０のとき次の式［数５］となる。
【００２５】
【数５】
2005288351.tif 000024
【００２６】
上記式［数５］において、ｆ＝40（kHz）、Ｓ4＝Ｓ5、ｌ4＝10（mm）とすると、ｌ5＝24.82（mm）を得る。
【００２７】
図２の複合振動体２において、電歪素子２４以外の構成要素２１〜２３，２５は、同一材料のアルミニウム合金とし、周波数調整用円柱２２の厚さを８（mm）、縦振動モードの腹部からの距離をxとおき、次の式［数６］の条件と表１のデータを上記の式［数２］に代入して、振動の節面から腹面までの距離を求めると、その距離は40.27（mm）となり、よってｌ1＝40.27＋ｘとなる。
【００２８】
【数６】
2005288351.tif 000025
【００２９】
周波数調整要素２２の断面積をＭ2Ｓ（Ｍは直径比）とし、Ｍをパラメータとしたときの、ｘとｆの相関を上述のｌ1と各式［数２］，［数３］および［数６］より求めると、図４の周波数特性が得られる。
【００３０】
図４において、４１、４２、４３は、前述の直径比Ｍが、Ｍ＝1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの縦振動特性であり、また、４４、４５、４６は、直径比ＭがM=1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの捩り振動特性である。
この図４の特性から、xを長くすると縦振動の共振周波数は高くなり、捩り振動の共振周波数は低くなってからなだらかに高くなる。
【００３１】
両方の振動特性曲線は、前述の直径比Ｍ＝1.1のときは図４の点47（x＝4.8）、Ｍ＝1.2のとき図４の点48（x＝3.2）、Ｍ＝1.3のときは図４の点49（x=2.8）でそれぞれ交わっている。このことから、図２，図３の周波数調整要素２２を前記の直径比Ｍに対応した上述の交点４７，４８，４９のいずれかの位置に設置すると、両振動モードは同一周波数で一方の端が節面、他方の端が腹面となる。
【００３２】
この場合における縦振動および捩り振動の振動モードは、同一共振周波数のため、駆動周波数を両共振周波数（ｆd＝ｆl＝ｆt）とすると、複合振動体２の先端周縁部は直線振動となる。
【００３３】
縦振動および捩り振動の振動モードの共振周波数を図４の同一共振周波数（図４の点４７，４８，４９）近傍で、両共振周波数差を前述の式［数１］のΔFに等しくなるように選んだ場合の縦振動および捩り振動の振動モードをそれぞれ図２の波形２６および２７に示す。図２において、Ｎは振動の節面、Ｌは振動の腹面を表す。
【００３４】
図３において、３は縦・捩り振動変換用のスリットを具備した本発明超音波複合振動体の一例で、３１，３２，３３，３４，３５は、この超音波複合振動体３の構成要素である。
図３において、各構成要素３１〜３５は、共通軸心を有する円柱一体構造となっている。そして、構成要素３４を振動変換用スリット部とし、この構成要素３４が構成要素３３と３５で両側を挟持された形状の半波長共振のアルミニウム合金製ホーンとすると、前述の式［数５］、表１より、ｆ＝40kHz，Ｓ4＝ｎ2Ｓ5（ｎ2はスリットによる等価断面積比で、深さｔのスリットの場合、ｎ2＝（ｒ4−ｔ）2／ｒ52で表わす）、ｌ4＝７（mm）とするとｌ5＝25.16（mm）を得る。
【００３５】
図３において、構成要素３１〜３５を全て同一材料のアルミニウム合金とし、周波数調整用円柱３２の厚さを７（mm）、縦振動モードの腹部からの距離をｘとおき、先の式［数７］の条件と表１のデータを、先の式［数２］に代入して、振動の節面から腹面までの距離を求めると、その距離は31.25（mm）となり、ｌ1＝31.25＋ｘが得られる。
【００３６】
【数７】
2005288351.tif 000026
【００３７】
周波数調整要素３２の断面積をＭ2Ｓ（Ｍは直径比）とし、Ｍをパラメータとしたときのｘとｆの相関を上述のｌ1、並びに式［数２］、［数３］および［数７］より求めると、図５の周波数特性が得られる。
【００３８】
図５において、５１、５２、５３は、直径比Ｍ＝1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの縦振動特性であり、５４、５５、５６は、直径比Ｍ＝1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの捩り振動特性である。
図５の特性から、ｘを長くすると縦振動の共振周波数は高くなり、捩り振動の共振周波数は急激に低くなる。
【００３９】
両振動特性曲線は、Ｍ＝1.1のときは交点が無く、Ｍ＝1.2のとき点57（ｘ＝13.2）、Ｍ＝1.3のとき点58（ｘ＝11.4）で交わっている。周波数調整要素３２をＭに対応した上述の交点の位置に設置すると、両振動モードは同一共振周波数のため、駆動周波数を両共振周波数（ｆd＝ｆl＝ｆt）とすると、複合振動体３の先端周縁部は直線振動となる。
【００４０】
縦振動および捩り振動の振動モードの共振周波数を、図５の同一共振周波数（５７、５８）近傍で両共振周波数差を前述の式［数１］のΔFに等しくなるように選んだ場合の縦振動および捩り振動の振動モードをそれぞれ図３の波形３６および３７に示す。図３において、Ｎは振動の節面、Ｌは振動の腹面を表す。
図２および図３の縦振動モードの波形２６、３６より電歪素子２４および縦・捩り変換ユニット３４は、振動の節部に設置されていて、歪力最大のため、電歪素子の振動効率および縦・捩り変換ユニットの縦・捩り変換効率が最大となる。
【００４１】
図６に、本発明超音波複合振動体の他の例として、図２および図３の振動体２，３の節面Ｎを共通させて結合した構造の超音波加工機用の超音波複合振動体とその振動モードを示す。
図６では、図４および図５の周波数特性より、Ｍ＝1.2の場合とすると、図４の交点４８および図５の交点５７近傍で両共振周波数差をΔFに等しくなるように選んだ場合、両振動モードの平均共振周波数は共に約39.9 kHzとなる。この場合の複合振動体の駆動周波数ｆdは、図１と式［数１］より式［数８］となる。
【００４２】
【数８】
2005288351.tif 000027
【００４３】
式［数８］より、縦・捩り振動モードの共振時の機械的尖鋭度Ｑl，Ｑtがほぼ等しい時には、駆動周波数を両振動モードの平均共振周波数39.9KHzに選ぶと、両振動モードの位相差はπ／２となって、この複合振動体の先端周縁部は楕円振動となる。
【００４４】
なお、共通節面Ｎで振幅の拡大(縮小)効果があり、超音波複合振動体の構成要素２１および３１の直径比ｒ（ｒ＝ｒ21／ｒ31）に対応して、縦振動モードの先端振幅がrの二乗に比例し、捩り振動モードの先端外周の振幅がrの三乗に比例する。
【００４５】
また、前記実施例においては、周波数調整要素２２又は３２を凸状（Ｍ＞１）段付にしたが、凹状（Ｍ＜１）段付としても同様の効果が期待できる。
【００４６】
更に、前記実施例において、複合振動体３の構成要素を直径方向振動円板付き構造とすることにより、その円板を縦・径方向振動と捩り振動の合成された複合振動で励振し、当該円板の外周部に楕円振動モードを誘起することができる。
【００４７】
一方、前記実施例においては、複合振動体２と３の各構成要素２１，２２，２３，２４，２５、同じく構成要素３１，３２，３３，３４，３５が円柱状をなす場合について説明したが、必ずしも各構成要素が円柱状をなしている必要は無く、例えばその軸心を含む長さ方向の断面積の変化が指数関数で表されるエキスポネンシャル型、円錐関数で表されるコニカル型、双曲線で表されるカテノイダル型、フ―リェ級数で表されるフーリェ型等にもそれぞれ上記断面積変化に対応したそれぞれの設計式を対応させることにより、同様に適用することができ、同様の効果が期待できる。
【００４８】
また、前記実施例において、複合振動体３の構成要素を曲げ振動棒付き構造とすることにより、同振動棒を縦・曲げ方向振動と捩り振動の合成された複合振動で励振し、同振動棒先端に楕円振動モードを誘起することができる。
【００４９】
更に、前記実施例において、複合振動体３の構成要素を曲げ振動円板付き構造とすることにより、同円板を縦・曲げ振動と捩り振動の合成された複合振動で励振し、同円板外周部に楕円振動モードを誘起することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は以上の通りであって、周波数調整要素を具備した超音波複合振動体を本発明によって形成することにより、縦・捩り両振動モードのシミュレーションが可能になるから、両振動の最大効率を与える複合振動体が実現できる。
【００５１】
また、複数の振動体を結合した本発明複合振動体では、その共通節面を支持することにより、当該振動体の剛性に富む支持が実現でき、先端位置決め制度が高く、高効率な超音波加工用の複合振動体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】超音波複合振動体のモーショナルアドミッタンスと位相特性を示す本発明の説明図
【図２】本発明を適用して電歪振動子を設置した超音波複合振動体とその振動モードの模式図。
【図３】本発明を適用して縦・捩り変換用スリットを設置した超音波複合振動体とその振動モードの模式図。
【図４】図１の場合の、周波数調整要素の設定位置の周波数特性図。
【図５】図２の場合の、周波数調整要素の設定位置の周波数特性図。
【図６】図２、図３の振動体を共通節面とした超音波加工機用の超音波複合振動体とその振動モードの模式図。
【図７】従来の複合振動体の例の説明図。
【符号の説明】
【００５３】
１１、１２      縦・捩り振動モードのモーショナルアドミッタンス特性
１３，１４      縦・捩り振動モードの位相特性
１５            縦・捩り振動モードの位相差
２、  ３      超音波複合振動体
２２、３２      周波数調整要素
２４            電歪振動素子
３４            縦・捩り変換用スリット
２６、３６      縦振動モード
２７，３７      捩り振動モード
４１〜４３      縦振動モード１６の周波数特性
４４〜４６      捩り振動モード１７の周波数特性
４７〜４９      縦・捩り振動モードの周波数一致点
５１〜５３      縦振動モード２６の周波数特性
５４〜５６      捩り振動モード２７の周波数特性
５７、５８      縦・捩り振動モードの周波数一致点