(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せた超音波振動子において、
一対以上の前記主圧電素子に駆動電圧を印加して振動させる場合に、残りの少なくとも一対の前記副圧電素子の両端を前記主圧電素子に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングで短絡させて当該振動子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備えることを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、前記副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子において、
前記主振動モードで振動する圧電素子及び前記副振動モードで振動する前記主圧電素子にそれぞれ印加する同一の発振器からの信号に基づく同じ電圧と同一周波数で位相角をずらした電圧を前記副振動モードで振動する前記副圧電素子に印加して前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備え、常に前記主振動モードの共振周波数に前記副振動モードの共振周波数を一致させるようにしたことを特徴とする複合振動発生超音波振動子。
【請求項３】
振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、前記副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子において、
前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の両端を、前記主振動モードで振動する圧電素子及び前記副振動モードで振動する前記主圧電素子にそれぞれ印加する同一の発振器からの信号に基づく同じ電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングで短絡させて前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備え、常に前記主振動モードの共振周波数に前記副振動モードの共振周波数を一致させるようにしたことを特徴とする複合振動発生超音波振動子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種加工を行うために用いられる超音波振動子ないしは複合振動発生超音波振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、比較的大きなパワーが必要とされている超音波加工分野では、超音波振動子として容易に高出カが得られるランジュバン型振動子が多く使用されている。このランジュバン型振動子の共振周波数はこれを構成する部品のヤング率や密度及び寸法などの物理的特性で略決定されるが、かなり鋭い共振を示す。つまり、電気的先鋭度いわゆるＱ（Ｑuality Factor）が非常に大きいので共振周波数付近でインピーダンスが大きく変化し、僅かに駆動周波数がずれただけで振動子のインピーダンスや振幅が大きく変わる。従って、効率の良い超音波振動を実現させるには振動子の共振周波数を精密に自動追尾しなければならない。
【０００３】
もし、僅かでも駆動周波数が共振周波数と異なると希望の振動振幅が得られなかったり、異常電流が流れて振動子や発振装置を破壊してしまう危険がある。そのために温度変化や負荷変動による共振周波数の微変動が無視できず、振動子の共振周波数の変化を常に検出して、その周波数に精密に自動追尾させて駆動する技術が不可欠である。従って、発振器は振動子の振動状況をフィードバックしてその振動状況の電気信号の位相変化に応じて発振周波数を制御するＰＬＬ（Ｐhase Ｌocked Ｌoop）方式等が従来より広く使われている。
【０００４】
例えば、金属の塑性加工のような分野に超音波振動を応用する場合、加工部分で数ｋＷ以上のパワーを要求されることが多い。このような場合には多数の振動子の出力パワーを合成して大パワーとして取り出して使用する方法がとられる。
【０００５】
一例として、図１２に超音波パワー合成器２０１を示す。十字型の縦横の長さが各々１／２波長（λ／２）のパワー合成用振動体２０２の３面に励振用振動子２０３を装着し、残りの１面に加工用ホーン２０４を装着した超音波パワー合成器２０１の場合、３体の励振用振動子２０３の合成した超音波パワーが加工用ホーン２０４から得られる。
【０００６】
しかし、この場合、各々の励振用振動子２０３の共振周波数などの電気的特性が一致しないと効率よい出力が得られ難い。共振周波数などの電気的特性が一致しない振動子を複数個結合させると、各々の共振周波数が異なることによって幾つかのスプリアスレスポンスが現れることになり、理想的な自動追尾ができなくなる。このような状態で使用し続けると、必要とするだけの超音波パワーが得られなかったり、特定の振動子にのみ負担が加わり、その振動子を破損させてしまったり発振装置を破壊してしまうなどの不具合が発生する。
【０００７】
このような現象を回避するためには、振動子を製造する最終段階で、例えば、振動子の寸法を切り詰めたりして互いの周波数が一致するよう調節する方法がとられてきたが、非常に煩雑である上に、場合によっては経時変化で各々の共振周波数が再びずれてしまうこともあり、万全でなかった。
【０００８】
以前より、超音波振動の有効利用の目的で様々な振動形態の振動子が提案され実用化が試みられてきており、以前から存在する軸方向と一致した方向に振動する軸振動モードはもちろん、軸心を中心にねじれる方向に振動するねじれ振動モードや、軸と直角方向に曲げモーメントが働くたわみ振動モード等を利用した振動子が各種提案され使用されてきている。ここで言う“軸振動モード”とは縦波（粗密波）であり、ねじり振動モードは横波（せん断波）であり、その振動伝播メカニズムは全く異なり、かつ、同一形状で同一素材でも各々のモードの音速は異なる。また、たわみ振動モードは屈曲波とも呼ばれ、振動体の形状次第で音速が大きく変化し、ねじり振動の横波とはまた異質のものである。λ＝Ｖ／Ｆ（λ：波長、Ｖ：音速、Ｆ：共振周波数）の公式で表される共振周波数における波長λも各振動モードで全く異なる。従って、異なる振動モード間では負荷や温度等の条件が変化すると各々の振動モードにおける共振周波数の変化率も異なる。
【０００９】
昨今の工業技術の進歩に伴い、超音波の有効利用の試みが盛んになるにつれ、従来にない振動形態、特に複数の振動モードを１つの振動子で実現する複合振動発生超音波振動子の実現の要求が高まりつつあり、振動子先端部に２次元或いは３次元的に複雑な振動軌跡を描かせて、超音波による更なる性能の向上を得ようと試みられている。
【００１０】
例えば、ねじれ方向に振動するねじり振動（Ｔotional）と、軸方向に振動する軸振動（Ｌongitudinal）を１つの振動子で実現するＴ−Ｌ型複合振動子の場合、通常は各々の振動モードの音速が異なるので軸振動とねじれ振動では共振周波数は全く異なることになる。
【００１１】
しかし、形状を工夫することでねじり振動の共振周波数と軸振動の共振周波数とを設計上一致させることは可能である。一般に、軸振動の波長に対してねじり振動の波長は短いが、形状を工夫し且つ互いの最小公倍数の波長になるよう振動子を設計すれば共振周波数を一致させられる。
【００１２】
この場合、振動子先端部の振動軌跡は、軸振動とねじれ振動を駆動する電圧位相が同じであれば螺旋振動を発生させることが可能となる。一例として、図１３にＴ−Ｌ型複合振動子２１１の構成とその振動分布図を示す。前部ホーン２１２と後部ホーン２１３で軸振動用圧電素子２１４とねじり振動用圧電素子２１５を挟み込み、締着ボルト２１６で締着したランジュバン型のＴ−Ｌ型複合振動子２１１において、設計の段階で互いの共振周波数を一致させる形状とし、各々の圧電素子２１４，２１５に共振周波数に同期した高周波電圧を印加すれば、軸振動とねじり振動を同時に発生させることが可能になる。
【００１３】
このとき、振幅を縦軸に採った場合、図１３中に示すように軸振動を軸振動分布２１７、ねじり振動をねじり振動分布２１８として表される。
【００１４】
しかし、実用上安定して共振周波数が一致し続けることは非常に困難である。即ち、振動子２１４，２１５に装着された工具の摩耗や再研削若しくは交換等によっては勿論、温度変化や負荷の大きさによって変化する共振周波数は、その振動モードによって変化率が異なり、諸条件の変化によって各共振周波数の差は大きく離れてしまう。
【００１５】
更に、このような複合振動子を用いて楕円振動の発生についても数々の試みがなされてきている。
【００１６】
しかし、楕円振動もそもそも異なる振動モードを同一の周波数で駆動してその位相を調整することで得られるもので、既に説明した通り、やはり安定して長時間楕円振動を得るのは非常に困難である。
【００１７】
もっとも、短時間であれ自動追尾を用いて安定した楕円振動を得ようとの試みもあり、その基本的な構成の一例を図１４に示す。前部ホーン２１２と後部ホーン２１３で軸振動用圧電素子２１４とたわみ振動用圧電素子２１９，２２０を挟み込み、締着ボルト２１６で締着したランジュバン型のＢ−Ｌ（Ｂending−Ｌongitudinal）型複合振動子２２１を形成する。ここで、たわみ振動用圧電素子２１９，２２０は２枚の互いの圧電方向が向き合うように合わせた円環状の圧電素子を２分割して半円環状に形成している。
【００１８】
たわみ振動用圧電素子２１９は圧電方向がプラス側の面を向き合わせて構成し(→←で表す)、たわみ振動用圧電素子２２０は圧電方向がマイナス側の面を向き合わせて(←→で表す)構成している。これで共通の電極に駆動電圧を印加すれば一方の圧電素子２１９又は２２０が膨張するサイクルで他方の圧電素子２２０又は２１９が収縮するため、簡単にたわみ振動を発生することが可能になり、軸振動用圧電素子２１４との組合せでＢ−Ｌ型複合振動子２２１が構成される。この振動子は設計の段階で形状を工夫して互いの共振周波数を一致させる形状とし、各々の圧電素子２１９，２２０に共振周波数に同期した高周波電圧を印加すれば、軸振動とたわみ振動を同時に発生させることが可能になる。
【００１９】
いま、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２２２の出力をたわみ振動用出力増幅回路２２３で増幅し、たわみ振動速度検出器２２４を介してたわみ振動用圧電素子２１９，２２０に印加する。
【００２０】
ここに、印加される電圧及び電流の位相差をたわみ振動速度検出器２２４で検出して共振周波数とのずれを周波数制御電圧Ｖ１として出力して電圧制御発振器２２２にフィードバックし、駆動周波数と本来の共振周波数が外れれば、その差分が周波数制御電圧Ｖ１に表れ電圧制御発振器２２２の発振周波数を制御することで常に共振周波数で安定して発振するＰＬＬ型自動追尾回路が構成され、たわみ振動は共振周波数にて安定した振動を継続することが可能になる。
【００２１】
次に、電圧制御発振器２２２の出力を位相制御器２２５を介して軸振動用出力増幅回路２２６にて増幅して軸振動用圧電素子２１４に印加すれば、同時に軸振動も発生することになる。ここで、位相制御器２２５で位相をずらせば、たわみ振動と軸振動の動作タイミングも位相がずれることになり、リサージュ波形の振動軌跡を発生させ、９０度位相がずれていれば振動子先端は図１４中に示すように楕円振動の軌跡Ｓを描くことになる。
【００２２】
しかし、これはあくまで両振動モードの共振周波数が完全に一致しているときに実現できることで、何れか一方が僅かでも共振周波数からずれていれば、共振周波数からずれたその振動モードの効率は極端に悪化し、僅かな振幅しか得られず、ほぼ直線振動の振動軌跡になってしまう。
【００２３】
一例として示した図１４の回路の場合、たわみ振動の共振周波数は常に自動追尾しているので安定して共振周波数で振動することが可能であるが、軸振動に関してはたわみ振動の共振周波数で駆動されているに過ぎない。
【００２４】
従って、軸振動の共振周波数が何らかの要因でずれてしまえば安定した楕円振動は得られなくなる。ランジュバン型振動子はかなり鋭い共振、つまり、Ｑ（Ｑuality Ｆactor）が非常に大きいため、設計の段階で軸振動とたわみ振動の各々の共振周波数を一致させたとしても、負荷や温度等の条件が変化すると互いの共振周波数の変化率も違うことで全く異なる共振周波数になってしまい、その結果相対位相や相対振幅がずれて振動形態を正しく制御することができなくなる。
【００２５】
従って、ランジュバン型複合振動子における超音波楕円振動は応用研究段階での一時的な実験的結果しか得られていない現状にある。
【００２６】
この他に、軸と直角方向に振動するたわみ振動（Ｂending）と、軸心に対してねじれる方向に振動するねじり振動（Ｔotional）を１つの振動子で実現するＢ−Ｔ型複合振動子や３つの振動モードを組合せたＴ−Ｂ−Ｌ型複合振動子などもあるが、何れの場合も同様の理由で各共振周波数を満足して一致し続けることは実用上不可能である。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
以上、このような従来技術では、複数の超音波振動子を合成して大出力を得る装置において簡単に各々の振動子の共振周波数を一致させ、それを継続して安定させることは困難である。また、超音波振動子の固有の共振周波数の変動を検出してその周波数に合った周波数で駆動を行うのが従来の一般的な制御技術であるため、複合振動発生超音波振動子の場合に各々のモードで勝手に変動する共振周波数に各々発振器を接続して別駆動することはできても、リアルタイムで振動子の共振周波数をアクティブに制御する技術は存在せず、各々の振動モードで同期の取れた振動制御を安定して行うことは不可能である。
【００２８】
即ち、１つの振動体の中で異なる共振要素が複数存在する場合、各々の共振周波数を設計段階で合わせたとしても、それを継続的に安定し続けることは物理的に不可能であり、その対処方法としてアクティブに共振周波数を制御する方法が長年待ち望まれている。
【００２９】
そこで、本発明は、超音波振動子を構成する圧電素子の一部に、位相の異なった信号を印加したり、インピーダンス素子を接続してその値を制御したりすることで振動子の共振周波数を強制的に制御でき、これによって１つの振動体の中で異なる共振要素が複数存在する場合でも、各々の共振周波数を継続的かつ安定して完全に一致させることが可能な超音波振動子及び複合振動発生超音波振動子を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
【００３２】
請求項１記載の発明の超音波振動子は、軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せた超音波振動子において、一対以上の前記主圧電素子に駆動電圧を印加して振動させる場合に、残りの少なくとも一対の前記副圧電素子の両端を前記主圧電素子に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングで短絡させて当該振動子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備える。
【００３３】
即ち、軸振動用の複数対の圧電素子のうち、主圧電素子に対して位相角をずらしたタイミングで副圧電素子両端に発生する起電力を短絡することで超音波振動子の電気的に検出される共振周波数を強制的に制御できるようにしたものであり、一対以上の主圧電素子に電圧を印加して振動させ、残りの一対以上の副圧電素子は主圧電素子に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングでその副圧電素子の両端を短絡させることで超音波振動子の電気的に検出される共振周波数を任意の周波数に強制的にずらしかつ自動追尾による安定した振動が可能となる。この結果、超音波パワー合成器のように複数の振動子を同一の周波数で駆動する場合も、本発明を適用することで、容易に周波数を一致させ効率よく安定した動作が実現でき、また経時変化の問題もなくなる。
【００３４】
請求項２記載の発明の複合振動発生超音波振動子は、振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、前記副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子において、前記主振動モードで振動している圧電素子及び前記副振動モードで振動する前記主圧電素子にそれぞれ印加する同一の発振器からの信号に基づく同じ電圧と同一周波数で位相角をずらした電圧を前記副振動モードで振動する前記副圧電素子に印加して前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備え、常に前記主振動モードの共振周波数に前記副振動モードの共振周波数を一致させるようにした。
【００３５】
請求項３記載の発明の複合振動発生超音波振動子は、振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、前記副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子において、前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の両端を、前記主振動モードで振動する圧電素子及び前記副振動モードで振動する前記主圧電素子にそれぞれ印加する同一の発振器からの信号に基づく同じ電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングで短絡させて前記副振動モードで振動する前記副圧電素子の電気的に検出される共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段を備え、常に前記主振動モードの共振周波数に前記副振動モードの共振周波数を一致させるようにした。
【００３６】
即ち、これらの請求項２、３記載の発明は、振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、前記副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子で、主振動モードで振動している共振周波数に対して、別モードで振動している副振動モードの副圧電素子について、周波数可変手段を用いて強制的に電気的に検出される共振周波数を変化させて常に主振動モードの共振周波数に副振動モードの共振周波数を一致させるようにしたものであり、主振動モードで振動している共振周波数と、副振動モードの共振周波数とを強制的に一致させ、継続して安定した複合振動が得られることで、超音波を利用した切削や研削等の加工分野での応用範囲が広がり高品位な加工が期待できる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の参考例（その一）を図１に基づいて説明する。
【００４１】
まず、軸振動用の一対の主圧電素子１と軸振動用の一対の副圧電素子２を前部ホーン３と後部ホーン４とで挟み込み締着ボルト５で強力に締め込んで構成してなるランジュバン型軸振動子６において、電圧制御発振器７の出力信号を軸振動用の主出力増幅回路８で増幅し、振動速度検出器９を介して主圧電素子１に入力させるように接続する。ここに、印加される電圧及び電流の位相差を振動速度検出器９で検出して共振周波数とのずれを周波数制御電圧Ｖ１として出力して電圧制御発振器７にフィードバックさせることによりＰＬＬ自動追尾回路１０が構成され、軸振動は共振周波数にて安定した振動を継続することが可能になる。
【００４２】
一方、電圧制御発振器７の出力を位相制御器１１及び軸振動用の副出力増幅回路１２を経て副圧電素子２に入力させるように接続する。ここで、位相調整用の可変抵抗器１４により位相調整することで位相制御器１１は電圧制御発振器７の信号の位相角を自在に変化させることが可能である。この状態で可変抵抗器１４により位相を変化させると、その位相角のずれ具合に応じて電圧制御発振器７の発振周波数は自在に変化する。つまり、ランジュバン型軸振動子６の共振周波数が自在に変化することになる。これは、強制的に駆動電圧の位相を変えられて駆動される副圧電素子２が主圧電素子１により機械的に駆動される振動位相との合成ベクトルで振動するため、見掛け上、副圧電素子２自身の音速が変化したためと推測される。これらの可変抵抗器１４を有する位相制御器１１及び軸振動用の副出力増幅回路１２が周波数可変手段１３を構成している。
【００４３】
このように、本参考例によれば、副圧電素子２に対して主圧電素子１に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらした電圧を印加してランジュバン型軸振動子６の共振周波数を強制的に変化させる周波数可変手段１３を備えるので、可変抵抗器１４により位相を変化させるだけでランジュバン型軸振動子６の共振周波数を任意に決定することが可能になる。
【００４４】
本発明の第一の参考例（その二）を図２に基づいて説明する。第一の参考例（その一）で示した部分と同一又は相当する部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態及び参考例でも同様とする）。
【００４５】
本参考例のランジュバン型軸振動子２０では、周波数調整用の可変抵抗器２１によって任意の発振周波数に調整可能な発振器２２の信号は軸振動用の主出力増幅回路８で増幅し、振動速度検出器９を介して軸振動用の主圧電素子１に入力される。同じく、発振器２２から電圧制御型位相制御器２３を介して軸振動用の副出力増幅回路１２で増幅した信号は軸振動用の副圧電素子２に入力される。振動速度検出器９で検出したランジュバン型軸振動子２０の共振周波数に対する検出信号は、位相制御電圧Ｖ２として電圧制御型位相制御器２３に与えられその位相角を制御する。これらの振動速度検出器９、電圧制御型位相制御器２３及び軸振動用の副出力増幅回路１２が周波数可変手段２４を構成している。
【００４６】
このような構成において、発振器２２で任意の周波数の信号が軸振動用の主出力増幅回路８及び振動速度検出器９を経て軸振動用の主圧電素子１を駆動すると、本来のランジュバン型軸振動子２０の共振周波数と駆動した周波数との差分の信号が振動速度検出器９から位相制御電圧Ｖ２として電圧制御型位相制御器２３に出力され、それをフィードバック信号の電圧として電圧制御型位相制御器２３の位相角を変える。
【００４７】
軸振動用の主圧電素子１に加わる信号に対して軸振動用の副圧電素子２の信号の位相が大きくずれれば、見掛け上軸振動用の副圧電素子２自身の音速が変化したためと推測される現象でランジュバン型軸振動子２０そのものの共振周波数が変化することになる。そして、発振器２２の周波数とランジュバン型軸振動子２０の変化させられた共振周波数が一致したところで安定した共振振動を継続することになる。
【００４８】
ここで、温度変化や負荷変動などでランジュバン型軸振動子２０の共振周波数が変わったとしても、その差分が位相制御電圧Ｖ２として電圧制御型位相制御器２３を制御し位相を更に変化させることで、強制的にランジュバン型軸振動子２０の共振周波数を発振器２２の発振周波数に自動追尾的に合わせることが可能になる。
【００４９】
即ち、従来の超音波振動の自動追尾は、振動子の共振周波数の変化に合わせて発振周波数を変化させていたが、本参考例によれば、発振器２２の発振周波数に強制的にランジュバン型軸振動子２０の共振周波数を合わせるという新しい方法を提供するものである。また、次の図３に示す方式と同様に複数の振動子を同一の周波数で安定して駆動させることも可能である。
【００５０】
本発明の第一の参考例（その三）を図３に基づいて説明する。
【００５１】
本参考例は、図１に示した第一の参考例（その一）の制御方法を発展的に改良することで、図１２に示した超音波パワー合成器２０１の問題点を解決するようにしたものである。十字型の縦横の長さが各々１／２波長（λ／２）のパワー合成用振動体３１の３面に励振用振動子３２ａ，３２ｂ，３２ｃを装着し、残りの１面に加工用ホーン３３を装着した超音波パワー合成器３４において、３体の励振用振動子３２ａ，３２ｂ，３２ｃは各々軸振動用の主圧電素子１と軸振動用の副圧電素子２が含まれた構成となっている。そして、その合成した超音波パワーが加工用ホーン３３から得られるが、従来の手段では、各々の振動子の共振周波数などの電気的特性が一致しないと効率よい出力が得られ難かったものである。
【００５２】
この点、本参考例では、電圧制御発振器７の出力信号を軸振動用の主出力増幅回路８で増幅し、振動速度検出器９ａを介して１本目の励振用振動子３２ａの軸振動用の主圧電素子１に付与する。ここに、印加される電圧及び電流の位相差を振動速度検出器９ａで検出して共振周波数とのずれを周波数制御電圧Ｖ１として出力して電圧制御発振器７にフィードバックさせることによりＰＬＬ自動追尾回路１０が構成され、軸振動は共振周波数にて安定した振動を継続することが可能になる。
【００５３】
一方、電圧制御発振器７の出力を位相制御器１１ａを介して軸振動用の副出力増幅回路１２ａを経て軸振動用の副圧電素子２に付与する。ここで、位相調整用の可変抵抗器１４を調整することで位相制御器１１ａは電圧制御発振器７の信号の位相角を自在に変化させることが可能である。この状態で位相調整用の可変抵抗器１４を変化させると、その位相のずれ具合に応じて電圧制御発振器７の発振周波数は自在に変化し、励振用振動子３２ａの共振周波数が自在に変化することになる。
【００５４】
次に、軸振動用の主出力増幅回路８の出力を２個目の振動速度検出器９ｂを介して２本目の励振用振動子３２ｂの軸振動用の主圧電素子１に付与する。そして、電圧制御発振器７の出力を電圧制御型位相制御器１１ｂを介して２個目の軸振動用の副出力増幅回路１２ｂで増幅して、同じく２本目の励振用振動子３２ｂの軸振動用の副圧電素子２に付与する。３本目の励振用振動子３２ｃも２本目の励振用振動子３２ｂと同一の回路構成とする（添え字“ｃ”を付して示す）。ここで、１本目の励振用振動子３２ａの動作は図１に基づいて説明したので省略する。
【００５５】
２本目の励振用振動子３２ｂの場合、軸振動用の主圧電素子１に加えられる電圧は、１本目の励振用振動子３２ａの軸振動用の主圧電素子１に加えられる電圧と同一である。従って、本来の共振周波数とずれた信号が加わった場合、振動速度検出器９ｂからその偏差に応じた位相制御電圧Ｖ２ｂが出力され、その信号で電圧制御型位相制御器１１ｂは周波数の偏差分だけ電圧制御発振器７の位相角を変え、２個目の軸振動用の副出力増幅回路１２ｂで増幅して２本目の励振用振動子３２ｂの軸振動用の副圧電素子２を駆動して共振周波数を強制的に変化させ、１本目の振動周波数と一致した周波数で安定する。
【００５６】
３本目の励振用振動子３２ｃも同じ原理で動作し、従って、３本の励振用振動子３２ａ，３２ｂ，３２ｃが同一の周波数で振動する。ここに、共振周波数などの電気的特性が一致しない振動子を複数個結合させると、各々の共振周波数が異なることによって、幾つかのスプリアスレスポンスが現れることになり、理想的な自動追尾ができなくなり、このような状態で使用し続けると、必要とするだけの超音波パワーが得られなかったり、特定の振動子にのみ負担が加わりその振動子を破損させてしまったり発振装置を破壊してしまうなどの不具合が発生する。
【００５７】
このような現象を回避するためには、振動子を製作する最終段階で、例えば、振動子の寸法を切り詰めたりして互いの周波数が一致するよう調節する方法がとられてきたが、本参考例の対応策を用いることで、特別に振動子の形状などを調節することもなく、容易に周波数を一致させて効率よく安定した動作が実現でき、また、経時変化の問題もなくなる。
【００５８】
本発明の第一の実施の形態を図４に基づいて説明する。本実施の形態は、請求項１記載の発明に相当する。
【００５９】
本実施の形態のランジュバン型軸振動子４０では、周波数調整用の可変抵抗器２１によって任意の発振周波数に調整可能な発振器２２の信号が軸振動用の主出力増幅回路８で増幅し、振動速度検出器９を介して軸振動用の主圧電素子１に付与されるように接続されている。同じく、発振器２２からの信号が電圧制御型位相制御器２３を介して短絡回路４１及び共役整合用コイル４２を経て軸振動用の副圧電素子２に付与されるように接続されている。共役整合用コイル４２は軸振動用の副圧電素子２の制動容量と共役が取れる値にインダクタンスが設定されている。短絡回路４１は、結合トランス４３、コンデンサ４４、２個のフライホイルダイオード４５ａ，４５ｂ、２個のＦＥＴ４６ａ，４６ｂ、２個の反転増幅器４７ａ，４７ｂにより構成されている。この短絡回路４１は２個の反転増幅器４７ａ，４７ｂにより２個のＦＥＴ４６ａ，４６ｂを交互にオンさせており、結合トランス４３の２次側のコイル中性点０に直流電圧を加えれば、プッシュプル回路として従来より広く知られている増幅回路になるが、本実施の形態では、電圧を加えない構成とされている。振動速度検出器９により検出された振動子の共振周波数に対する検出信号は、位相制御電圧Ｖ２として電圧制御型位相制御器２３の位相角を制御する。これらの振動速度検出器９、位相制御器２３、短絡回路４１及び共役整合用コイル４２により周波数可変手段４８が構成されている。
【００６０】
このような回路構成において、発振器２２で任意の周波数の信号が軸振動用の主出力増幅回路８及び振動速度検出器９を経て軸振動用の主圧電素子１を駆動すると、本来の振動子の共振周波数と駆動した周波数との差分の信号が振動速度検出器９から位相制御電圧Ｖ２として出力され、その電圧Ｖ２に応じて電圧制御型位相制御器２３の位相角を変える。ここでは、電圧制御型位相制御器２３で変えられた位相角で２個の反転増幅器４７ａ，４７ｂを介して２個のＦＥＴ４６ａ，４６ｂを交互にオンさせる。軸振動用の主圧電素子１に加えられた信号で振動子は振動する。同時に軸振動用の副圧電素子２には振動によるピエゾ効果で振動周波数と同期した電圧が発生する。圧電素子は、その変形と電圧との間には可逆的な関係があり、電圧を加えれば変形し、変形させられれば電圧を発生する圧電効果を有する。
【００６１】
請求項１記載の発明に相当する本実施の形態では、発生した電圧を利用する。軸振動用の副圧電素子２に発生した電圧は共役整合用コイル４２を介して短絡回路４１に加えられることにより、結合トランス４３の２次側に電圧が誘起される。一方、２個のＦＥＴ４６ａ，４６ｂはオン・オフを繰返しており、電圧制御型位相制御器２３で位相をずらしたタイミングで軸振動用の副圧電素子２で発生した電圧を短絡することになり、その位相ずれのレベル、つまり、位相角を変えることで振動子の共振周波数を強制的に変化させる。ここに、本発明者は、以前、軸振動用の副圧電素子２を何も接続しない開放状態とアースへ短絡した状態とでは振動子の共振周波数が大きく異なることを発見した。これは、圧電素子のインピーダンスが異なるとその音速が変わるためと推測される。そして、この現象を利用し、かつ、連続的に共振周波数を可変させる手段として、位相角を連続可変して短絡することで振動子の共振周波数を連続可変させる周波数可変手段４８を具現化したものである。
【００６２】
このような構成において、発振器２２で任意の周波数の信号が軸振動用の主出力増幅回路８及び振動速度検出器９を経て軸振動用の主圧電素子１を駆動すると、本来の振動子の共振周波数と駆動した周波数との差に比例した信号が振動速度検出器９から位相制御電圧Ｖ２として出力し、それをフィードバック信号の電圧として電圧制御型位相制御器２３の位相角（位相差）を変える。軸振動用の主圧電素子１に加わる信号に対して軸振動用の副圧電素子２の短絡の位相角が大きくずれれば、強制的に軸振動用の主圧電素子１自身の音速が変化したためと推測される現象で振動子そのものの共振周波数が変化することになる。そして、発振器２２の駆動周波数と振動子の変化させられた共振周波数が一致したところで安定した共振振動を継続することになる。ここで、温度変化や負荷変動などで振動子の共振周波数が変わったとしても、その差分が位相制御電圧Ｖ２として電圧制御型位相制御器２３を制御し、位相を更に変化させることで強制的に振動子の共振周波数を発振器２２の発振周波数に自動追尾的に合わせることが可能になる。
【００６３】
即ち、従来の超音波振動の自動追尾は、振動子の共振周波数の変化に合わせて発振周波数を変化させていたが、本実施の形態では、前述した各参考例の場合と同様に、周波数可変手段４８を備えることにより、発振器２２の発振周波数に強制的に振動子の共振周波数を合わせることが可能となる。
【００６４】
本発明の第一の参考例（その四）を図５及び図６に基づいて説明する。
【００６５】
本参考例のランジュバン型軸振動子５０では、周波数調整用の可変抵抗器２１によって任意の発振周波数に調整可能な発振器２２の信号を軸振動用出力増幅回路５１で増幅し、振動速度検出器９を介して軸振動用の主圧電素子１に付与するように接続されている。振動速度検出器９は振動子の共振周波数と駆動される周波数の偏差に対応した信号であるインダクタンス制御電圧Ｖ３を発生する。軸振動用の副圧電素子２にはインダクタンス制御電圧Ｖ３に応じてインダクタンスが可変可能なインダクタンス可変回路５２を介して接地されている。このインダクタンス可変回路５２により周波数可変手段５３が構成されている。振動速度検出器９により検出された振動子本来の共振周波数と駆動される周波数の偏差に対応した検出信号は、インダクタンス制御電圧Ｖ３としてインダクタンス可変回路５２に与えられそのインダクタンスを制御する。
【００６６】
図６にインダクタンス可変回路５２の詳細な回路例を示す。可変コイル５４は可変コイル１次側５４ａと可変コイル２次側５４ｂとにより構成され、インダクタンス可変回路５２の端子Ａ及びＢは可変コイル１次側５４ａの端子Ａ及びＢと一致する。可変コイル２次側５４ｂの片端子は直流電源５５を介して接地されている。他端子はチョークコイル５６とコンデンサ５７とにより形成されるローパスフィルタ５８を介して定電流回路５９に接続されている。定電流回路５９はトランジスタ６０と検出抵抗６１とオペアンプ６２とにより構成されており、オペアンプ６２の＋入力にはインダクタンス制御電圧Ｖ３が印加され、その電圧に対応した直流安定化電流が可変コイル２次側５４ｂを流れるように構成されている。
【００６７】
なお、チョークコイル５６及びコンデンサ５７により構成されたローパスフィルタ５８によって可変コイル２次側５４ｂに誘起する超音波周波数の高周波電圧は定電流回路５９には流れ込まない。これにより、可変コイル５４のコアには直流磁界が重畳されることになり、直流磁界の強さによって可変コイル１次側５４ｂのインダクタンスがインダクタンス制御電圧Ｖ３の電圧レベルに応じて連続して変化させられることになる。
【００６８】
このような回路構成において、発振器２２による任意の周波数の信号が軸振動用出力増幅回路５１及び振動速度検出器９を経て軸振動用の主圧電素子１を駆動すると、発振器２２の信号に対応した周波数で振動子は振動する。同時に軸振動用の副圧電素子２には振動による圧電効果で振動周波数に同期した高周波電圧が発生しインダクタンス可変回路５２を経てアースに流れる。ここでインダクタンス可変回路５２のインダクタンスが変化すると振動子の共振周波数も変化する。これは、軸振動用の主圧電素子１から見て軸振動用の副圧電素子２のインピーダンスが変化し、それによって軸振動用の副圧電素子２の音速が変わり、その結果振動子の共振周波数が変化させられたためと推測される。
【００６９】
ここで、本来の振動子の共振周波数と駆動した周波数との偏差に比例した信号が振動速度検出器９からインダクタンス制御電圧Ｖ３として出力されるが、これをフィードバック信号の電圧としてインダクタンス可変回路５２のインダクタンスを変えるようにすれば、発振器２２の周波数と振動子の変化させられた共振周波数が一致したところで安定した共振振動を継続することになる。この際、温度変化や負荷変動などで振動子の共振周波数が変わったとしても、その差分がインダクタンス制御電圧Ｖ３としてインダクタンス可変回路５２を制御しインダクタンスを更に変化させることで強制的に振動子の共振周波数を発振器の発振周波数に自動追尾的に合わせることが可能になる。
【００７０】
即ち、従来の超音波振動の自動追尾は、振動子の共振周波数の変化に合わせて発振周波数を変化させるようにしていたが、本参考例では、周波数可変手段５３を備えることにより、前述した各実施の形態の場合と同様に、発振器２２の発振周波数に強制的に振動子の共振周波数を合わせることができる。
【００７１】
本発明の第二の実施の形態を図７に基づいて説明する。本実施の形態は、請求項２記載の発明に相当する。
【００７２】
本実施の形態は、複合振動発生超音波振動子なるＢ−Ｌ型複合振動子７０に適用されている。即ち、軸振動用の主圧電素子１、軸振動用の副圧電素子２に加えて、振動モードの異なるたわみ振動用圧電素子７１Ａ，７１Ｂを備えている。即ち、たわみ振動用圧電素子７１Ａ，７１Ｂ、軸振動用の主圧電素子１及び軸振動用の副圧電素子２を前部ホーン３と後部ホーン４で挟み込み、締着ボルト５で強力に締め付けたＢ−Ｌ型複合振動子７０において、電圧制御発振器７の信号を出力増幅回路７２により増幅し、たわみ振動速度検出器７３を介してたわみ振動用圧電素子７１Ａ，７１Ｂに印加する構成とされ、主振動モードなるたわみ振動を発生させる。ここで、たわみ振動速度検出器７３では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子７１Ａ，７１Ｂに印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧Ｖ４として出力し、この周波数制御電圧Ｖ４をフィードバック信号として電圧制御発振器７を制御すれば、たわみ振動はＰＬＬ型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【００７３】
一方、出力増幅回路７２の出力は軸振動速度検出器７４を介して軸振動用の主圧電素子１にも印加され、たわみ振動の共振周波数と同じ信号が印加される。また、電圧制御発振器７からの信号は電圧制御型位相制御器２３を介して軸振動用の副出力増幅回路１２で増幅された後、軸振動用の副圧電素子２に印加される。ここに、軸振動速度検出器７４、電圧制御型位相制御器２３及び副出力増幅回路１２により周波数可変手段７５（周波数可変手段２４に対応する）が構成されている。電圧制御型位相制御器２３は軸振動速度検出器７４により検出された位相制御電圧Ｖ２により位相角が制御される。この複合振動子７０の場合、常にたわみ振動の共振周波数で軸振動用の主圧電素子１も駆動されるわけであるが、本来の軸の共振周波数とたわみ振動の共振周波数との偏差に比例した信号がフィードバック信号となり位相制御電圧Ｖ２として軸振動用の副圧電素子２に加わる信号の位相角を制御することで軸振動の共振周波数が強制的にたわみ振動の共振周波数に合わせられることになる。つまり、軸振動（副振動モード）の共振周波数がたわみ振動（主振動モード）の共振周波数に自動追尾することになり、同一の周波数で安定した複合振動が実現できることになる。
【００７４】
なお、本実施の形態では、周波数可変手段２４対応の周波数可変手段７５を用いたが、周波数可変手段１３，４８又は５３対応の周波数可変手段を用いるようにしてもよい（請求項３記載の発明に相当する）。
【００７５】
本発明の第二の参考例を図８に基づいて説明する。
【００７６】
本参考例も、複合振動発生超音波振動子なるＢ−Ｌ型複合振動子８０に適用されている。
【００７７】
たわみ振動用圧電素子７１Ａ，７１Ｂ、軸振動用の主圧電素子１、軸振動用の副圧電素子２を前部ホーン３と後部ホーン４とで挟み込み、締着ボルト５で強力に締め付けたＢ−Ｌ型複合振動子８０において、電圧制御発振器７の信号をたわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１で振幅の制御が可能なたわみ振動用出力増幅回路８２で増幅し、たわみ振動速度検出器７３を介してたわみ振動用圧電素子７１Ａ，７２Ｂに印加する構成とし、たわみ振動を発生させる。ここで、たわみ振動速度検出器７３では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子に印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧Ｖ１として出力し、この周波数制御電圧Ｖ１をフィードバック信号として電圧制御発振器７を制御すれば、たわみ振動はＰＬＬ型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【００７８】
一方、電圧制御発振器７の信号は位相調整用の可変抵抗器８３で任意に位相角が可変できる振動軌跡制御用位相制御器８４を経て軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５で振幅の制御が可能な軸振動用出力増幅回路８６で増幅され、軸振動速度検出器７４を介して軸振動用の主圧電素子１に印加され、たわみ振動の共振周波数と同一の周波数で位相角が変えられた信号が印加される。また、電圧制御発振器７からの信号を電圧制御型位相制御器２３を介して軸振動用の副出力増幅回路１２で増幅して軸振動用の副圧電素子２に印加する。電圧制御型位相制御器２３は軸振動速度検出器７４で検出された位相制御電圧Ｖ２に応じて位相角が制御される。即ち、第二の実施の形態との対比では、振動軌跡制御用位相制御器８４と軸振動用出力増幅回路８６とによる制御手段８７が付加されている。つまり、本参考例では、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１によりたわみ振動（主振動）モードに印加する電圧を変えることでそのたわみ振動の振幅の変化可能な構造を有し、かつ、軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５により軸振動（副振動）モードに印加する電圧も変えることでその軸振動モードの振幅を変化可能な構造を有して、制御手段８７は、同時に位相角をたわみ振動モードの電圧の位相に対して変化させ、各々に印加する電圧と位相を制御することでリサージュ波形の振動軌跡を発生させ、その振動軌跡を任意に制御するものである。
【００７９】
このような構成の複合振動子８０の場合、常にたわみ振動の共振周波数で軸振動用の主圧電素子１も駆動されるわけであるが、第二の実施の形態で説明した原理と同じく軸振動の共振周波数とたわみ振動の周波数との偏差に比例した信号がフィードバック信号となり位相制御電圧Ｖ２として軸振動用の副圧電素子２に加わる信号の位相を制御することで軸振動の共振周波数が強制的にたわみ振動の共振周波数に合わせられることになり、同一の周波数で安定した複合振動が実現できることになる。ここで、位相調整用の可変抵抗器８３で位相角を調整すれば任意のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。
【００８０】
例えば、互いの位相角を９０度に設定すれば振動子先端部は楕円振動Ｓ１に示す軌跡を描くことになり、たわみ振動と軸振動の振動振幅が等しければ真円の軌跡を描くことが可能である。ここで、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１と軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５を調整すれば様々な楕円率のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。更に位相調整用の可変抵抗器８３を調整することで楕円の傾斜も調整でき、例えば傾斜した楕円振動Ｓ２のような振動軌跡も自由に実現できる。
【００８１】
本発明の第三の参考例を図９に基づいて説明する。
【００８２】
本参考例では、同一特性のたわみ振動用圧電素子７１Ｃ，７１Ｃ′と、軸振動用の副圧電素子２とを前部ホーン３と後部ホーン４とで挟み込み、締着ボルト５で強力に締め付けたＢ−Ｌ型複合振動子９０が用いられる。
【００８３】
ここで、一対のたわみ振動用圧電素子７１Ｃ，７１Ｃ′は互いの圧電方向が向き合うように合わせた円環状の圧電素子を２分割して半円環状に形成し、かつ、２組とも圧電方向がプラス側の面を向き合わせて(→←で表す)構成されている。もっとも、２組とも圧電方向がマイナス面を向き合わせて(←→で表す)構成しても効果は等しい。この場合、電極を共通化せずに各々の駆動電圧を逆相で印加すれば片方の圧電素子が膨張するサイクルでもう一方の圧電素子が収縮するため、簡単にたわみ振動を発生させることが可能になる。また、各々の電極に同相の駆動電圧を印加すれば各々のたわみ振動用圧電素子７１Ｃ，７１ｃ′は同一周期で伸び縮みを繰返すので軸振動を発生することができる。従って、同一のたわみ振動用圧電素子７１Ｃ，７１ｃ′を組合せて、各々に加える駆動電圧の位相を変えることで軸振動でもたわみ振動でも発生できることになる。
【００８４】
ここで、振動合成用トランス９１の２次側の一方の端子Ａを一方のたわみ振動用圧電素子７１Ｃの端子Ａに接続し、振動合成用トランス９１の２次側の他方の端子Ｂを他方のたわみ振動用圧電素子７１Ｃ′の端子Ｂに接続し、振動合成用トランス９１の２次側の中性点０に駆動電圧を加えれば、たわみ振動用圧電素子７１Ｃ，７１Ｃ′には同相の駆動電圧が印加されるので軸振動を発生する。同時に振動合成用トランス９１の１次側に別に駆動電圧を加えれば、振動合成用トランス９１の２次側には逆位相の電圧が端子Ａ，Ｂに現れるので、たわみ振動用圧電素子７１Ｃ，７１Ｃ′でたわみ振動を発生することが可能になる。
【００８５】
従って、振動合成用トランス９１を使用すれば、振動子構造が簡略化されたＢ−Ｌ型複合振動子９０が実現できる。
【００８６】
ここで、電圧制御発振器７の信号をたわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１で振幅の制御が可能なたわみ振動用出力増幅回路８２で増幅した後、たわみ振動速度検出器７３を介して振動合成用トランス９１に付与するように接続する。たわみ振動速度検出器７３では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子に印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧Ｖ１として出力し、この周波数制御電圧Ｖ１をフィードバック信号として電圧制御発振器７を制御すれば、たわみ振動はＰＬＬ型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【００８７】
一方、電圧制御発振器７の信号は位相調整用の可変抵抗器８３で任意に位相角が可変できる振動軌跡制御用位相制御器８４を経て軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５で振幅の制御が可能な軸振動用出力増幅回路８６で増幅し、軸振動速度検出器７４を介して振動合成用トランス９１の２次側の中性点に入力されるように接続され、たわみ振動の共振周波数と同一で位相角が変えられた信号が印加される。また、電圧制御発振器７からの信号を電圧制御型位相制御器２３を介して軸振動用の副出力増幅回路１２で増幅して軸振動用の副圧電素子２に印加する。電圧制御型位相制御器２３は軸振動速度検出器７４で検出された位相制御電圧Ｖ２で位相角が制御される。
【００８８】
本参考例のＢ−Ｌ複合振動子９０の場合、図８に示した第二の参考例の場合と同じ原理で安定した複合振動が実現できるわけであるが、たわみ振動用圧電素子７１Ｃ，７１Ｃ′が前述の第二の参考例におけるたわみ振動用圧電素子７１Ａ，７１Ｂと軸振動用の主圧電素子１との動作を同時に実行していることになる。従って、位相調整用の可変抵抗器８３で位相角を調整すれば振動子先端に任意のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。
【００８９】
例えば、互いの位相角を９０度に設定すれば振動子先端部は楕円振動Ｓ１に示す軌跡を描くことになり、たわみ振動と軸振動の振動振幅が等しければ真円の軌跡を描くことが可能である。ここで、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１と軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５とを調整すれば様々な楕円率のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。更に位相調整用の可変抵抗器８３を調整することで楕円の傾斜も調整でき、例えば傾斜した楕円振動Ｓ２のような振動軌跡も自由に実現できる。
【００９０】
本発明の第四の参考例（その一）を図１０に基づいて説明する。
【００９１】
本参考例は、複合振動発生超音波振動子なるＢ−Ｌ型複合振動子１００に適用されている。たわみ振動用圧電素子７１Ａ，７１Ｂ、軸振動用の主圧電素子１及び軸振動用の副圧電素子２を前部ホーン３と後部ホーン４とで挟み込み、締着ボルト５で強力に締め付けたＢ−Ｌ型複合振動子１００において、電圧制御発振器７の信号を分周回路１０１で整数分の１に分周後、その信号をたわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１で振幅制御が可能なたわみ振動用出力増幅回路８２で増幅し、たわみ振動速度検出器７３を介してたわみ振動用圧電素子７１Ａ，７１Ｂに印加する樽成とし、たわみ振動を発生させる。
【００９２】
ここで、たわみ振動速度検出器７３では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子に印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧Ｖ１として出力し、この周波数制御電圧Ｖ１をフィードバック信号として電圧制御発振器７を制御すれば、たわみ振動はＰＬＬ型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【００９３】
一方、軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５で振幅制御が可能な軸振動用出力増幅回路８６で電圧制御発振器７の信号を増幅し、軸振動速度検出器７４を介して軸振動用の主圧電素子１に入力させることで、たわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数の信号が印加される。また、電圧制御発振器７からの信号を電圧制御型位相制御器２３を介して軸振動用の副出力増幅回路１２で増幅して軸振動用の副圧電素子２に印加する。電圧制御型位相制御器２３は軸振動速度検出器７４で検出した位相制御電圧Ｖ２で位相角が制御される。
【００９４】
このような構成のＢ−Ｌ型複合振動子１００の場合、常にたわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数で軸振動用の主圧電素子１も駆動されるわけであるが、本来の軸の共振周波数とたわみ振動の整数倍の周波数との偏差に比例した信号がフィードバック信号となり、位相制御電圧Ｖ２として軸振動用の副圧電素子２に加わる信号の位相を制御することで軸振動の共振周波数が強制的にたわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数に合わせられることになり、安定した複合振動が実現できることになる。
【００９５】
例えば、分周回路１０１の分周比を１／２にした場合、振動子の先端部分に８の字振動Ｓ３のようなリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。そして、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１及び軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５を調整することで、８の字振動Ｓ３の振幅としては自由に縦／横比が異なる軌跡を描かせられる。
【００９６】
なお、本参考例では、周波数可変手段２４対応の周波数可変手段７５を用いたが、周波数可変手段１３，４８又は５３対応の周波数可変手段を用いるようにしてもよい。
【００９７】
本発明の第四の参考例（その二）を図１１に基づいて説明する。
【００９８】
たわみ振動用圧電素子７１Ａ，７１Ｂ、軸振動用の主圧電素子１及び軸振動用の副圧電素子２を前部ホーン３と後部ホーン４とで挟み込み、締着ボルト５で強力に締め付けたＢ−Ｌ型複合振動子１１０において、電圧制御発振器７の信号を分周回路１０１で整数分の１に分周し、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１で振幅の制御が可能なたわみ振動用出力増幅回路８２で増幅し、たわみ振動速度検出器７３を介してたわみ振動用圧電素子７１Ａ，７１Ｂに印加する構成とし、たわみ振動を発生させる。
【００９９】
ここで、たわみ振動速度検出器７３では、本来のたわみ振動子の共振周波数と圧電素子に印加される周波数との偏差に比例した電圧を周波数制御電圧Ｖ１として出力し、この周波数制御電圧Ｖ１をフィードバック信号として電圧制御発振器７を制御すれば、たわみ振動はＰＬＬ型自動追尾となり共振周波数で安定して振動を続けることができる。
【０１００】
一方、電圧制御発振器７の信号は位相調整用の可変抵抗器８３で任意に位相角が可変できる振動軌跡制御用位相制御器８４を経て軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５で振幅の制御が可能な軸振動用出力増幅回路８６で増幅し軸振動速度検出器７４を介して軸振動用の主圧電素子１に印加され、たわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数で位相角が変えられた信号が印加される。また、電圧制御発振器７からの信号を電圧制御型位相制御器２３を介して軸振動用の副出力増幅回路１２で増幅して軸振動用の副圧電素子２に印加する。電圧制御型位相制御器２３は軸振動速度検出器７４で検出された位相制御電圧Ｖ２で位相角が制御される。
【０１０１】
即ち、第四の参考例（その一）との対比では、振動軌跡制御用位相制御器８４と軸振動用出力増幅回路８６とによる制御手段８７が付加されている。つまり、本参考例では、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１によりたわみ振動（主振動）モードに印加する電圧を変えることでそのたわみ振動の振幅の変化可能な構造を有し、かつ、軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５により軸振動（副振動）モードに印加する電圧も変えることでその軸振動モードの振幅を変化可能な構造を有して、制御手段８７は、同時に位相角をたわみ振動モードの電圧の位相に対して変化させ、各々に印加する電圧と位相を制御することでリサージュ波形の振動軌跡を発生させ、その振動軌跡を任意に制御するものである。
【０１０２】
このような構成の複合振動子１１０の場合、常にたわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数で軸振動用の主圧電素子１も駆動されるわけであるが、本来の軸の共振周波数とたわみ振動の整数倍の周波数との偏差に比例した信号がフィードバック信号となり位相制御電圧Ｖ２として軸振動用の副圧電素子２に加わる信号の位相を制御することで軸振動の共振周波数が強制的にたわみ振動の共振周波数の整数倍の周波数に合わせられることになり、安定した複合振動が実現できることになる。
【０１０３】
ここで、分周回路１０１の分周比を１／２に設定し、位相調整用の可変抵抗器８３で位相角を調整すれば任意のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。例えば、互いの位相角を４５度に設定すれば振動子先端部は位相をずらしたリサージュ波形Ｓ４に示す形状の軌跡を描くことになり、互いの位相角を９０度に設定すれば振動子先端部は位相をずらしたリサージュ波形Ｓ５に示すように正弦波のような軌跡を描くことが可能である。さらに、ここで、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８１と軸振動振幅制御用の可変抵抗器８５とを調整すれば様々な縦／横比のリサージュ波形の軌跡を描かせることが可能になる。更に分周回路１０１の分周比を１／３に設定すると位相をずらしたリサージュ波形Ｓ６のような振動軌跡が実現できる。以上、分周比と位相角および振幅の設定を変えることで様々な振動軌跡を得ることができる。
【０１０４】
【発明の効果】
【０１０５】
請求項１記載の発明によれば、軸振動用の一対以上の主圧電素子に電圧を印加して振動させ、残りの軸振動用の一対以上の副圧電素子は主圧電素子に印加する電圧と同一周波数で位相角をずらしたタイミングでその副圧電素子の両端を短絡させるようにしたので、超音波振動子の電気的に検出される共振周波数を任意の周波数に強制的にずらしかつ自動追尾による安定した振動が可能になり、例えば超音波パワー合成器のように複数の振動子を同一の周波数で駆動する場合でも、容易に周波数を一致させて効率よく安定した動作が実現でき、また経時変化の問題もなくすことができる。
【０１０６】
請求項２、３記載の発明によれば、振動モードの異なる圧電素子を複数対組合せて、主振動モードと副振動モードとの異なる振動モードで同時に振動させることが可能で、副振動モードで振動する振動子部分が軸振動用の一対以上の主圧電素子と軸振動用の一対以上の副圧電素子とを組合せてなる複合振動発生超音波振動子で、主振動モードで振動している共振周波数に対して、別モードで振動している副振動モードの副圧電素子を周波数可変手段を用いて強制的に一致させるようにしたので、継続して安定した複合振動を得ることができ、超音波を利用した切削や研削等の加工分野での応用範囲が広がり高品位な加工が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一の参考例（その一）を示す超音波振動子の構成図である。
【図２】  本発明の第一の参考例（その二）を示す超音波振動子の構成図である。
【図３】  本発明の第一の参考例（その三）を示す超音波振動子の構成図である。
【図４】  本発明の第一の実施の形態を示す超音波振動子の構成図である。
【図５】  本発明の第一の参考例（その四）を示す超音波振動子の構成図である。
【図６】  そのインダクタンス可変回路の構成例を示す回路図である。
【図７】  本発明の第二の実施の形態を示す複合振動子の構成図である。
【図８】  本発明の第二の参考例を示す複合振動子の構成図である。
【図９】  本発明の第三の参考例を示す複合振動子の構成図である。
【図１０】  本発明の第四の参考例（その一）を示す複合振動子の構成図である。
【図１１】  本発明の第四の参考例（その二）を示す複合振動子の構成図である。
【図１２】  一般的な超音波パワー合成器を示す構成図である。
【図１３】  従来のＴ−Ｌ型複合振動子を示す構成図である。
【図１４】  従来のランジュバン型Ｂ−Ｌ型複合振動子を示す構成図である。
【符号の説明】
１      主圧電素子
２      副圧電素子
１３      周波数可変手段
２４      周波数可変手段
４８      周波数可変手段
５３      周波数可変手段
８１      可変手段
８５      可変手段
８７      制御手段
【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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