JP2001179179A - 超音波振動子及び複合振動発生超音波振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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を提供す
る。 【解決手段】 一対以上の主圧電素子１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当該振動子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
備えることで、超音波振動子６の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
が可能となるようにした。この結果、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
る場合に適用すれば、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る。

Description

【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 Ｌo
cked 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２０
４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２
０３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、振動子先端部を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（Ｌongitud
inal）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２
１４，２１５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１
３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２１
４，２１５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−Ｌongi
tudinal）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２２
５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】請求項１記載の発明の超
音波振動子は、一対以上の主圧電素子と一対以上の副圧
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に対して前
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
らした電圧を印加して当該振動子の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。

【００３１】即ち、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電圧を副圧電素子に印加す
ることで超音波振動子の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、主圧電素子に電圧を印加して
振動させ、副圧電素子に同一周波数で位相角をずらした
電圧を加えることで超音波振動子の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。

【００３２】請求項２記載の発明の超音波振動子は、一
対以上の主圧電素子と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、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３記載の発明の超音波振動子は、一
対以上の主圧電素子と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コイルにより短絡さ
せ、前記コイルのインダクタンスを変化させて当該振動
子の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。

【００３５】即ち、複数対の圧電素子のうち、副圧電素
子の両端にコイルを接続しそのインダクタンスを変化さ
せることで超音波振動子の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駆
動電圧を印加して振動させる場合、残りの一対以上の副
圧電素子にはコイルを接続してその副圧電素子の両端を
短絡し、そのコイルのインダクタンスを変化させること
で超音波振動子の共振周波数を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。

【００３６】請求項４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一対以上の主圧電素子と一対以上
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
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
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。

【００３７】請求項５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一対以上の主圧電素子と一対以上
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
短絡させて前記副振動モードで振動する前記副圧電素子
の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。

【００３８】請求項６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一対以上の主圧電素子と一対以上
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
子の両端をコイルにより短絡させ、前記コイルのインダ
クタンスを変化させて前記副振動モードで振動する前記
圧電素子の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。

【００３９】即ち、これらの請求項４ないし６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
する振動子部分が一対以上の主圧電素子と一対以上の副
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前
述した請求項１〜３記載の発明における周波数可変手段
の何れかを用いて強制的に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】請求項７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一対以上の主圧電素子と一対以上
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
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
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
記主振動モードの整数倍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。

【００４１】請求項８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一対以上の主圧電素子と一対以上
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
短絡させて前記副振動モードで振動する前記副圧電素子
の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整数倍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。

【００４２】請求項９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一対以上の主圧電素子と一対以上
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
子の両端をコイルにより短絡させ、前記コイルのインダ
クタンスを変化させて前記副振動モードで振動する前記
圧電素子の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整数倍の共振周波
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。

【００４３】即ち、請求項７ないし９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
子部分が一対以上の主圧電素子と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請求項１〜３
記載の発明における周波数可変手段の何れかを用いて強
制的に共振周波数を変化させて常に主振動モードの整数
倍の共振周波数に副振動モードの共振周波数を一致させ
られるようにしたものであり、副振動モードの共振周波
数を強制的に共振周波数を変化させて常に主振動モード
の整数倍の共振周波数に副振動モードの共振周波数を一
致させることで、従来では不可能であった継続して安定
した複合振動を発生させることができ、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。

【００４４】請求項１０記載の発明は、請求項４ないし
９の何れか一に記載の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に印加する電
圧を可変させる可変手段を有してその主振動モードの振
幅の変化可能な構造と、前記副振動モードで振動する圧
電素子に印加する電圧を可変させる可変手段を有してそ
の副振動モードの振幅を変化可能な構造とを備え、前記
副振動モードで振動する前記圧電素子の位相角を前記主
振動モードで振動する圧電素子に印加する電圧の位相に
対して変化させ、各々に印加する電圧と位相とを制御す
る制御手段を備える。

【００４５】即ち、請求項４ないし９の何れか一に記載
の複合振動発生超音波振動子に関して、各々の複数対の
圧電素子の端子に印加する電圧を変えて振幅を変化可能
な構造にし、同時に各々の振動モードに印加する電圧の
位相角を制御することで、振動子先端にリサージュ波形
の振動軌跡を発生させ、その振動軌跡を安定して任意に
制御できるようにしたものであり、例えば、刃先に切削
バイトを装着することで、切削抵抗が少ない振動切削が
実現でき、特にセラミックスやガラスなどの高脆性材を
従来にない低切削抵抗で超精密切削が実現できる。その
他、研削やミーリング加工などの分野でも低切削抵抗で
の超精密加工が実現できる。

【００４６】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図１
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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】このように、本実施の形態によれば、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。

【００５０】本発明の第二の実施の形態を図２に基づい
て説明する。第一の実施の形態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でも順次同様とする）。本実施の
形態も、請求項１記載の発明に相当する。

【００５１】本実施の形態のランジュバン型軸振動子２
０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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】本発明の第三の実施の形態を図３に基づい
て説明する。本実施の形態も、請求項１記載の発明に相
当する。

【００５７】本実施の形態は、図１に示した第一の実施
の形態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。

【００５８】この点、本実施の形態では、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。

【００５９】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１１
ａ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。

【００６０】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１２
ｂ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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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、本実施の形態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。

【００６４】本発明の第四の実施の形態を図４に基づい
て説明する。本実施の形態は、請求項２記載の発明に相
当する。

【００６５】本実施の形態のランジュバン型軸振動子４
０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４
３、コンデンサ４４、２個のフライホイルダイオード４
５ａ，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２
３、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。

【００６６】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Ｖ
２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。

【００６７】請求項２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ＦＥＴ４６
ａ，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。

【００６８】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。

【００６９】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、前述した実施の形態の
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。

【００７０】本発明の第五の実施の形態を図５及び図６
に基づいて説明する。本実施の形態は、請求項３記載の
発明に相当する。

【００７１】本実施の形態のランジュバン型軸振動子５
０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。

【００７２】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５
４ａ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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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、本実施の形態では、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。

【００７７】本発明の第六の実施の形態を図７に基づい
て説明する。本実施の形態は、請求項４記載の発明に相
当する。

【００７８】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７
１Ａ，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Ｖ
４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。

【００７９】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。

【００８０】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５，６記載の発明に相当す
る）。

【００８１】本発明の第七の実施の形態を図８に基づい
て説明する。本実施の形態は、請求項１０記載の発明に
相当する。

【００８２】本実施の形態も、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。

【００８３】本実施の形態は、第六の実施の形態を発展
的に改良したものである。たわみ振動用圧電素子７１
Ａ，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８
０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。

【００８４】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、
第六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、本実施の形態では、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。

【００８５】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、第六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。

【００８６】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。

【００８７】本発明の第八の実施の形態を図９に基づい
て説明する。本実施の形態も、請求項１０記載の発明に
相当する。

【００８８】本実施の形態では、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。

【００８９】ここで、一対のたわみ振動用圧電素子７１
Ｃ，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。

【００９０】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７１
Ｃ，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。

【００９１】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９
０が実現できる。

【００９２】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。

【００９３】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。

【００９４】本実施の形態のＢ−Ｌ複合振動子９０の場
合、図８に示した第七の実施の形態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′が前述の第七の実施の形
態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。

【００９５】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。

【００９６】本発明の第九の実施の形態を図１０に基づ
いて説明する。本実施の形態は、請求項７記載の発明に
相当する。

【００９７】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。

【００９８】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。

【００９９】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。

【０１００】このような構成のＢ−Ｌ型複合振動子１０
０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。

【０１０１】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。

【０１０２】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８，９記載の発明に相当す
る）。

【０１０３】本発明の第十の実施の形態を図１１に基づ
いて説明する。本実施の形態は、請求項１０記載の発明
に相当する。

【０１０４】本実施の形態は、第九の実施の形態を発展
的に改良したものである。たわみ振動用圧電素子７１
Ａ，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。

【０１０５】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。

【０１０６】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。

【０１０７】即ち、第九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８
６とによる制御手段８７が付加されている。つまり、本
実施の形態では、たわみ振動振幅制御用の可変抵抗器８
１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。

【０１０８】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。

【０１０９】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。

【０１１０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、主圧電素
子に電圧を印加して振動させ、副圧電素子に同一周波数
で位相角をずらした電圧を加えるようにしたので、超音
波振動子の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。

【０１１１】請求項２記載の発明によれば、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
を短絡させるようにしたので、超音波振動子の共振周波
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。

【０１１２】請求項３記載の発明によれば、一対以上の
主圧電素子に電圧を印加して振動させる場合、残りの一
対以上の副圧電素子にはコイルを接続してその副圧電素
子の両端を短絡し、そのコイルのインダクタンスを変化
させるようにしたので、超音波振動子の共振周波数を強
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。

【０１１３】請求項４ないし６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
分が一対以上の主圧電素子と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前述した請求項１
〜３記載の発明における周波数可変手段の何れかを用い
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。

【０１１４】請求項７ないし９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
分が一対以上の主圧電素子と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前述した請求項１
〜３記載の発明における周波数可変手段の何れかを用い
て強制的に共振周波数を変化させて常に主振動モードの
整数倍の共振周波数に副振動モードの共振周波数を一致
させるようにしたので、従来では不可能であった継続し
て安定した複合振動を発生させることができ、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。

【０１１５】請求項１０記載の発明によれば、請求項４
ないし９の何れか一に記載の複合振動発生超音波振動子
に関して、各々の複数対の圧電素子の端子に印加する電
圧を変えて振幅を変化可能な構造にし、同時に各々の振
動モードに印加する電圧の位相角を制御することで、振
動子先端にリサージュ波形の振動軌跡を発生させ、その
振動軌跡を安定して任意に制御できるようにしたので、
例えば、刃先に切削バイトを装着することで、切削抵抗
が少ない振動切削が実現でき、特にセラミックスやガラ
スなどの高脆性材を従来にない低切削抵抗で超精密切削
が実現できる他、研削やミーリング加工などの分野でも
低切削抵抗での超精密加工が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】本発明の第二の実施の形態を示す超音波振動子
の構成図である。

【図３】本発明の第三の実施の形態を示す超音波振動子
の構成図である。

【図４】本発明の第四の実施の形態を示す超音波振動子
の構成図である。

【図５】本発明の第五の実施の形態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】本発明の第六の実施の形態を示す複合振動子の
構成図である。

【図８】本発明の第七の実施の形態を示す複合振動子の
構成図である。

【図９】本発明の第八の実施の形態を示す複合振動子の
構成図である。

【図１０】本発明の第九の実施の形態を示す複合振動子
の構成図である。

【図１１】本発明の第十の実施の形態を示す複合振動子
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

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Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対以上の主圧電素子と一対以上の副圧
   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に
   対して前記主圧電素子に印加する電圧と同一周波数で位
   相角をずらした電圧を印加して当該振動子の共振周波数
   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。
2. 【請求項２】 一対以上の主圧電素子と一対以上の副圧
   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。
3. 【請求項３】 一対以上の主圧電素子と一対以上の副圧
   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
   両端をコイルにより短絡させ、前記コイルのインダクタ
   ンスを変化させて当該振動子の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。
4. 【請求項４】 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一対以上の主圧電素子と一対
   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。
5. 【請求項５】 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一対以上の主圧電素子と一対
   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前
   記副振動モードで振動する前記副圧電素子の共振周波数
   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。
6. 【請求項６】 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一対以上の主圧電素子と一対
   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コ
   イルにより短絡させ、前記コイルのインダクタンスを変
   化させて前記副振動モードで振動する前記圧電素子の共
   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。
7. 【請求項７】 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一対以上の主圧電素子と一対
   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
   ドの整数倍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。
8. 【請求項８】 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一対以上の主圧電素子と一対
   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前
   記副振動モードで振動する前記副圧電素子の共振周波数
   を強制的に変化させる周波数可変手段を備え、常に前記
   主振動モードの整数倍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。
9. 【請求項９】 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一対以上の主圧電素子と一対
   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コ
   イルにより短絡させ、前記コイルのインダクタンスを変
   化させて前記副振動モードで振動する前記圧電素子の共
   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整数倍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。
10. 【請求項１０】 前記主振動モードで振動する振動子に
    印加する電圧を可変させる可変手段を有してその主振動
    モードの振幅の変化可能な構造と、前記副振動モードで
    振動する振動子に印加する電圧を可変させる可変手段を
    有してその副振動モードの振幅を変化可能な構造とを備
    え、 前記副振動モードで振動する前記圧電素子の位相角を前
    記主振動モードで振動する圧電素子に印加する電圧の位
    相に対して変化させ、各々に印加する電圧と位相とを制
    御する制御手段を備えることを特徴とする請求項４ない
    し９の何れか一に記載の複合振動発生超音波振動子。