JP6710411B2 - 超音波振動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波振動を発生する超音波振動子を備えた超音波振動装置に関する。
超音波振動装置として、下記特許文献１，２に示されるような、ボルト締めランジュバン型振動子（Ｂｏｌｔ−Ｃｌａｍｐｅｄ Ｌａｎｇｅｖｉｎ Ｔｙｐｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＢＬＴ）を具備するものが知られている。
ＢＬＴは、積層方向にそれぞれ分極処理された圧電素子が電極板を介して積層されて構成される圧電要素が、金属ブロックで挟み込まれ、ボルト等の締結具により一体に締結されたものであり、高出力振動ないし超音波振動が可能なものである。
特許文献１のＢＬＴは、積層方向の振動（軸振動）を発生し、特許文献２のＢＬＴは、積層方向と交わる方向の振動（たわみ振動）を発生する。
特許文献１の超音波振動装置は、医療用で凝固や切開等に利用される超音波処置具であり、体外から患部に届くような長尺のプローブを有していて、そのプローブ（ツール）がＢＬＴにより軸振動される。
特許文献２の超音波振動装置は、バイトがＢＬＴによりたわみ振動される切削装置であるが、近年、バイトの他、食品等を切断するナイフ状やメス状の刃物といった薄いツールが良く用いられている。
これらの細いあるいは薄いツールは、径や厚みに比較して軸方向（長手方向）の寸法が大きい、高アスペクト比の形状となっている。
かように、超音波振動が高アスペクト比形状のツールに所定の発振周波数で与えられる場合、駆動のため付与する超音波振動とは異なる方向や異なる発振周波数の振動（不要な振動）が生起することがある。この不要な振動は、付与する振動の発振周波数と一致した場合（付与する振動と不要な振動の共振のモードが一致する場合）に加え、発振周波数の整数分の１の周波数と一致したとき（不要な振動の共振のモードが付与する振動の低次のモードと一致するとき）にも生起する。
従来、不要な振動を抑制するために、付与する振動の方向以外の方向に振動しないような重量バランスとしたり、剛性を高くして変形を押さえたりしている。
しかし、重量バランスや剛性の向上には限界があり、特に高アスペクト比形状のツールではその限界が比較的に低い。その限界を超えてしまい、不要な振動が生起してしまうと、不要な振動がツールの振動方向等を変化させて加工の質に影響を与える可能性があり、更には不要な振動が可聴域での振動となって騒音が生起する可能性があり、又不要な振動がツール等に甚大な応力を生起してツールが破損する可能性があって、悪影響が及ぶ可能性が生じてしまう。
又、特に高アスペクト比形状のツールでは、たわみ振動に係る低次のモードが比較的に多数存在することとなる。例えば、両端自由の３次の共振モード（２波長分の共振）でたわみ振動させる場合には、低次のモードとして、２次（１．５波長分の共振）や、１次（１波長分の共振）のモードが含まれていることになる。
更に、ツールを交換可能とする場合、ツールや振動子の部材等は、不要な振動の抑制のために重量バランスや剛性等について厳密な管理が必要になる。
加えて、振動子やツール等の共振周波数は、温度によって変化することがあり、例えば駆動により温度が上昇した場合に、不要な振動が生起し始めることがある。
又、特に特許文献２のものの場合、たわみ振動するバイトの刃先切込量が増加するにつれて切削抵抗が増大し、切削抵抗が閾値を超えると、駆動用の本来の振動周波数におけるたわみ振動に、所望しない周波数における不要な振動が重畳される現象が本出願の発明者によって確認されており、その不要な振動によって、刃先の振動方向が変化して振動痕が加工面に現れる等、加工の質に影響を与えることが確認されている。
他方、ＢＬＴではなくアクチュエータによりたわみ振動する板状体について振動を抑制する振動抑制装置としては、下記特許文献３のものが知られている。
この振動抑制装置では、板状体に接着される圧電素子に、インダクタと抵抗の直列回路から成るシャント回路が接続され、拘束状態においてコンデンサと等価と考えられる圧電素子とシャント回路で共振回路が構成されている。そして、圧電素子の静電容量に合わせてインダクタのインダクタンスが設定され、板状体の共振周波数に共振回路の周波数が合わせられることによって、板状体の特定の共振周波数に係る振動エネルギーは、圧電素子によって電気エネルギーに変換され、シャント回路を介して熱エネルギーとして消散される。よって、特定の共振周波数における振動が抑制されることとなる。
特許第５１２４４３７号公報 特公平６−４９２４２号公報 特許第４８１０６４６号公報
ＢＬＴを具備することで大出力で超音波振動可能となった超音波振動装置において、ツール駆動用の所望する超音波振動以外の不要な振動を抑制するために、装置に圧電素子が接着され、圧電素子にシャント回路が接続されたとしても、不要な振動を抑制できない可能性がある。
即ち、超音波振動装置に接着された圧電素子は、超音波振動により高温となり、接着状態を維持できず装置から離脱してしまう可能性があり、特に大出力の場合に顕著になるものと考えられる。例えば、周波数２０ｋＨｚ（キロヘルツ）、振幅１０μｍ（マイクロメートル）で超音波振動する部位においては、加速度は約１６００００ｍ／ｓｅｃ２（メートル毎秒毎秒）となり、重力加速度に換算すると１６０００Ｇ以上となる程度の甚大な加速度となるのであって、かような加速度に耐えて接着状態を維持する可能性は、相当に低いものと考えられる。
又、圧電素子の接着によりＢＬＴや超音波振動装置の重量バランスや剛性に影響を与えるから、圧電素子を単に接着するだけでは、別の不要な振動の生起を招来し、結局不要な振動を抑制することにならない可能性がある。
本発明は、超音波振動を発生する振動子（ＢＬＴ）を具備しながら、不要なたわみ振動を抑制可能である超音波振動装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１個以上の第１圧電素子を含む第１圧電素子ユニットと、１個以上の第２圧電素子を含む第２圧電素子ユニットと、前記第１圧電素子ユニット及び前記第２圧電素子ユニットを挟む一対の導体ブロックと、前記第１圧電素子ユニット及び前記第２圧電素子ユニット並びに一対の前記導体ブロックを締結する締結具と、を有する振動子と、前記振動子に連結されるツールと、前記第２圧電素子ユニットに接続されるシャント回路と、を備えており、前記第２圧電素子ユニットに接続されるシャント回路を有する振動子と、前記振動子に連結されるツールを備えており、前記第１圧電素子ユニットは、駆動電圧が印加されることで、前記振動子における所定の振動を発生し、前記シャント回路は、その所定の振動以外のたわみ振動において前記第２圧電素子ユニットが示す静電容量に対して電気的に共振するように設定されていることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、上記発明において、前記シャント回路は、インダクタと抵抗の直列回路を含むことを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、１個以上の第１圧電素子を含む第１圧電素子ユニットと、１個以上の第２圧電素子を含む第２圧電素子ユニットと、前記第１圧電素子ユニット及び前記第２圧電素子ユニットを挟む一対の導体ブロックと、前記第１圧電素子ユニット及び前記第２圧電素子ユニット並びに一対の前記導体ブロックを締結する締結具と、を有する振動子と、前記振動子に連結されるツールと、を備えており、前記第１圧電素子ユニットは、駆動電圧が印加されることで、前記振動子における所定の振動を発生し、前記駆動電圧は、その所定の振動以外のたわみ振動において前記第２圧電素子に生起する電圧に応じて調節されることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、上記発明において、前記第２圧電素子は、前記振動子の中心軸と交わる方向において、片寄せられ、あるいは分割されていることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、上記発明において、前記第２圧電素子は、前記振動子の中心軸と交わる方向であって互いに異なる複数の方向において、片寄せられ、あるいは分割されていることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、上記発明において、前記第１圧電素子は、前記振動子の中心軸と交わる方向において、片寄せられ、あるいは分割されていることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、上記発明において、前記第１圧電素子及び第２圧電素子は、分極処理されており、それらの分極方向が前記振動子の中心軸と平行な方向となっていることを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、複数の圧電素子を含む圧電素子ユニットと、前記圧電素子ユニットを挟む一対の導体ブロックと、前記圧電素子ユニット及び一対の前記導体ブロックを締結する締結具と、を有する振動子と、前記振動子に連結されるツールと、を備えており、複数の前記圧電素子は、前記振動子の中心軸と交わる方向において分かれるように配置されており、複数の前記圧電素子にそれぞれ駆動電流が流されることで、前記振動子における所定の振動を発生し、少なくとも一つの前記駆動電流は、その所定の振動以外のたわみ振動によって複数の前記圧電素子においてそれぞれ変化した電流の差分に応じて調節されることを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明は、上記発明において、複数の前記圧電素子は、分極処理されており、それらの分極方向が前記振動子の中心軸と平行な方向となっていることを特徴とするものである。
本発明によれば、超音波振動を発生する振動子（ＢＬＴ）を具備しながら、不要なたわみ振動を抑制可能である超音波振動装置を提供することができる。
本発明の第１形態に係る超音波振動切断装置の模式的な斜視図である。 図１の装置に係る振動子の（ａ）左側面模式図，（ｂ）（ａ）のＫ−Ｋ断面模式図である。 本発明の第２形態に係る超音波振動切断装置の模式的な左側面図である。 本発明の第３形態に係る超音波振動切断装置の模式的な斜視図である。 図４の装置に係る振動子の左側面模式図である。 本発明の第４形態に係る超音波振動切断装置の模式的な左側面図である。 本発明の第５形態に係る超音波振動切断装置の模式図である。 本発明の第６形態に係る超音波振動切断装置の模式図である。 図８の装置において基本波の軸振動に対してその２分の１の周波数でたわみ振動が生起した場合のシミュレーションに係る、各種の電流波形に関するグラフである。
以下、本発明に係る実施の形態が、適宜図面に基づいて説明される。尚、本発明は、下記の実施の形態に限定されない。
［第１形態］
図１は、本発明の第１形態に係る超音波振動装置の一例である食品用の超音波振動切断装置１の模式的な斜視図である。
超音波振動切断装置１は、振動子２と、ツールの一種である刃物４と、振動子２のホルダー６を備えている。
図２にも示される振動子２は、ＢＬＴであり、所望する振動（目的とする振動）を発生するための第１圧電素子ユニットとしての振動発生用圧電素子ユニット１０と、所望しない振動（目的としない振動）を抑制するための第２圧電素子ユニットとしての防振用圧電素子ユニット１２と、３枚の電極板１４〜１６と、薄円筒状の絶縁筒１８と、振動振幅拡大用の先細の金属材２０と、厚円筒状の金属ブロック２２と、締結具としてのボルト２４を備えている。
尚、振動子２において、金属材２０側を前側として金属ブロック２２側が後側とされ、又後述の電極板１６の接続部３８が配置される側が左側とされているが、作業状態等に応じ、前後上下左右は様々に変更可能である。
振動子２において、振動発生用圧電素子ユニット１０、防振用圧電素子ユニット１２、電極板１４〜１６、絶縁筒１８、金属材２０、金属ブロック２２、ボルト２４は、中心軸が前後方向を向いて同軸となる状態で配置されている。尚、図１において、電極板１４〜１６や回路は省略されている。又、回路部分を除く各図において、配線は省略されている。
振動発生用圧電素子ユニット１０は、軸方向（振動子長手方向）の超音波振動を発生可能であり、軸振動の発生に係る公知の構成を有している。
超音波振動（超音波領域の周波数における振動）は、概ね、１６ｋＨｚ以上とされても良いし、２０ｋＨｚ以上とされても良い。尚、１６ｋＨｚを下回る振動で駆動される振動子を含む振動装置について、本発明が適用されても良い。
振動発生用圧電素子ユニット１０は、それぞれ円盤状である２個の駆動用圧電素子３０，３０を含んでいる。第１圧電素子としての各駆動用圧電素子３０の残留分極の分極方向は、振動子２の中心軸と平行な方向（肉厚方向）となっている。尚、振動発生用圧電素子ユニットに含まれる駆動用圧電素子の数は、１個でも良いし、３個以上でも良いが、構成のし易さの観点から好ましくは偶数個とされる。
駆動用圧電素子３０，３０は、肉厚方向である中心軸を同軸として肉厚方向に並べられており、それらの間には、環状の電極板１４が挟まれている。電極板１４は、径方向外方に突出する接続部３２を備えている。
防振用圧電素子ユニット１２は、それぞれＵ字状（半円環状）の板状部材である４個の防振用圧電素子３４，３４・・を含んでいる。第２圧電素子としての各防振用圧電素子３４の分極方向は、振動子２の中心軸と平行な方向（肉厚方向）となっている。
これら防振用圧電素子３４，３４・・のうちの２個は、振動発生用圧電素子ユニット１０に近い側において、左右方向の間隔を有する環状となるように、上下に配置されている（２分割された環状圧電素子）。これらの防振用圧電素子３４，３４は、均等に分割されていると言える。これらの防振用圧電素子３４，３４の分極方向は、互いに逆方向とされており、ここでは上の半割の防振用圧電素子３４の分極方向が前方とされ、下の半割の防振用圧電素子３４の分極方向が後方とされている。これらの防振用圧電素子３４，３４の前面と、振動発生用圧電素子ユニット１０の後部の駆動用圧電素子３０の後面の間には、環状の電極板１５が挟まれている。電極板１５は、径方向外方に突出する接続部３６を備えている。
又、これらの防振用圧電素子３４，３４・・の後側において、別の一対の防振用圧電素子３４，３４は、同様に間隔を有する環状となるように配置されている（２分割された環状圧電素子）。これらの防振用圧電素子３４，３４の分極方向は、互いに逆方向とされており、ここでは上の防振用圧電素子３４の分極方向が後方とされ、下の防振用圧電素子３４の分極方向が前方とされている。
更に、振動発生用圧電素子ユニット１０に隣接する防振用圧電素子３４，３４と、その後側の防振用圧電素子３４，３４の間には、環状の電極板１６が挟まれている。電極板１６は、径方向外方に突出する接続部３８を備えている。尚、防振用圧電素子ユニット１２に、電極板１５や他の電極板の少なくとも何れかが含まれるものと考えても良い。
よって、上の２個の防振用圧電素子３４，３４の分極方向は、電極板１６を挟んで互いに離れる方向となり、下の２個の防振用圧電素子３４，３４の分極方向は、電極板１６を挟んで互いに向かい合う方向となる。
又、絶縁体で形成された絶縁筒１８が、駆動用圧電素子３０，３０及び二対の防振用圧電素子３４，３４・・の内孔に通されている。絶縁筒１８の内孔には、ボルト２４が進入可能である。
導体ブロックとしての金属材２０は、前端部に近づくにつれて細くなる（中心軸に直交する断面の面積が次第に小さくなる）テーパ形状を有するように形成される。テーパ形状の種類としては、コニカルホーン形状や、エクスポネンシャルホーン形状、ステップホーン形状が例示される。金属材２０の前端部には、刃物４を連結するための雌ネジ穴であるツール取付部４０が形成されている。ツール取付部４０は、金属材２０の前面から後方へ空けられている。他方、金属材２０の後端部には、ボルト２４が入るボルト穴４２が形成されている。ボルト穴４２は、金属材２０の後面から前方へ空けられている。
もう一つの導体ブロックとしての金属ブロック２２の内孔には、ボルト２４が進入可能である。
そして、駆動用圧電素子３０，３０及び二対の防振用圧電素子３４，３４・・は、電極板１４〜１６を順次介在させ、更に共通の絶縁筒１８を含んだ状態で、金属材２０と金属ブロック２２に挟み込まれている。これらは、金属ブロック２２の後方から、その内孔や絶縁筒１８の内孔、更にはボルト穴４２に入るボルト２４により、締結されている。
かような締結により、駆動用圧電素子３０，３０及び二対の防振用圧電素子３４，３４・・は十分な強度で拘束され、超音波振動によっても拘束状態を維持する。
前の駆動用圧電素子３０の前面は、金属材２０の後面に接触してアースされ、後の防振用圧電素子３４，３４の後面は、金属ブロック２２の前面に接触してアースされる。
又、電極板１４，１５には、軸振動発生用の公知の駆動電圧印加回路（駆動電圧印加手段，図示略）が接続されている。
ここでは、電極板１５の接続部３６にアースが接続され、電極板１４の接続部３２に所定の交流電圧が印加される。アースは、例えば金属材２０又は金属ブロック２２に接続することでなされる。電極板１４に交流電圧が印加されると、駆動用圧電素子３０，３０は軸振動（振動子２の中心軸と平行な方向の振動）を発生する。振動子２は、その形状（長さや径の大きさないしその分布等）や重量配分等の構造により、軸振動及びたわみ振動についてそれぞれ所定の共振周波数を有しており、駆動用圧電素子３０，３０に対する所定の交流電圧の印加により、振動子２に１次の共振モードにおける軸振動が発生する。１次の共振モードにおける軸振動は、両端開放で振幅最大となり、振幅最小（ゼロ）となる節（ノード）が１箇所、振動子２上に存在する。又、駆動用圧電素子３０，３０によって積極的にたわみ振動を発生させることはしないが、振動子２は、１次の共振モードにおける軸振動の節の部分に設けられたフランジ部２６において、ホルダー６に支持されている。
更に、電極板１６には、接続部３８を介して、シャント回路５０が接続されている。シャント回路５０は、インダクタ５２と抵抗５４が、直列に接続されて成る。シャント回路５０における、電極板１６と逆側の回路端は、アースされている。
インダクタ５２のインダクタンスＬは、３次の共振モードに係るたわみ振動において、拘束状態の防振用圧電素子３４，３４・・（防振用圧電素子ユニット１２）が呈する静電容量Ｃと電気的に共振する大きさとされている。
又、抵抗５４の抵抗値Ｒは、３次のたわみ振動における内部インピーダンスと同じ値とされる。
駆動電圧印加回路やシャント回路５０は、図示されない超音波発振装置に内蔵されており、コード６０を介して、振動発生用圧電素子ユニット１０あるいは防振用圧電素子ユニット１２と電気的に接続されている。
尚、これらの回路の少なくとも一方は、振動子２やホルダー６に内蔵されるようにしても良い。
超音波振動切断装置１の動作例は、次の通りである。
即ち、振動発生用圧電素子ユニット１０に所定の交流電圧を与えると、振動子２が軸振動して、金属材２０のツール取付部４０に連結された刃物４が軸方向に超音波振動する。作業者は、超音波軸振動された刃物４により、ケーキ等の食品について、切断抵抗が低減され、切れ味に優れた状態で、押し潰したり、破片を飛び散らせたりすることなく、綺麗に切断することができる。
又、作業中、振動子２にたわみ振動が生起することがあり、かようなたわみ振動は、刃物４の駆動用の軸振動に重畳し、刃物４の振動方向等を変化させ、切断の質に影響を与えるので、所望されない不要な振動である。超音波振動切断装置１では、所望されない３次の共振モードにおけるたわみ振動が生起し始めたとしても、そのエネルギーを、防振用圧電素子ユニット１２によって電気エネルギーに変え、更にはシャント回路５０によって熱エネルギーに変えて、消散させる。
シャント回路５０は、３次のたわみ振動において防振用圧電素子ユニット１２が示す静電容量Ｃに合わせて共振するように調節されたインダクタンスＬを有するインダクタ５２を備えており、３次のたわみ振動のエネルギーを熱エネルギーに変え、他の振動のエネルギーを熱エネルギーに変えない。
又、シャント回路５０において、抵抗５４の抵抗値Ｒが３次のたわみ振動における内部インピーダンスと同じ値とされているから、最も効率良く電気エネルギーを熱エネルギーに変換して消散させることができる。
第１形態の超音波振動切断装置１は、２個の駆動用圧電素子３０，３０を含む振動発生用圧電素子ユニット１０と、４個（２対）の防振用圧電素子３４，３４・・を含む防振用圧電素子ユニット１２と、振動発生用圧電素子ユニット１０及び防振用圧電素子ユニット１２を挟む金属材２０及び金属ブロック２２と、振動発生用圧電素子ユニット１０及び防振用圧電素子ユニット１２並びに金属材２０及び金属ブロック２２を締結するボルト２４と、を有する振動子２と、振動子２に連結される刃物４と、防振用圧電素子ユニット１２に接続されるシャント回路５０と、を備えており、振動発生用圧電素子ユニット１０（駆動用圧電素子３０，３０）は、駆動電圧が印加されることで、振動子２における軸振動を発生し、シャント回路５０は、その軸振動以外の３次のたわみ振動において防振用圧電素子ユニット１２が示す静電容量Ｃに対して電気的に共振するように設定されている。
よって、３次の共振モードにおけるたわみ振動のエネルギーのみを、防振用圧電素子ユニット１２によって電気エネルギーとして取り出し、シャント回路５０によって熱エネルギーに変換して発散させることができ、その結果３次の共振モードにおける不要なたわみ振動が抑制される。ここで、駆動用圧電素子３０，３０が金属ブロックにより挟み込まれて締結具により締結されており高出力（高周波数及び大振幅の少なくとも何れか等）の超音波振動の発生が可能であるＢＬＴに係る振動子２においても、防振用圧電素子３４，３４・・が共に挟み込まれることで振動子２から離脱することなく確実に不要な振動が抑制される。又、防振用圧電素子３４，３４・・を始めとする防振用の各種部材は、振動子２の中心軸（前後方向）を中心として対称的に配置し易く、防振用部材を組み込んだ後の状態においても重量バランスに優れる。従って、不要な振動が目的の軸振動に影響を与える事態が防止され、又防振用部材の組み込みにより重量バランスに影響を与える事態が防止されることとなり、通常のツールによる切断の質が極めて良好になるのは勿論、アスペクト比の高いツール（刃物４等）による切断の質も極めて良好になる。
加えて、シャント回路５０は、インダクタ５２と抵抗５４の直列回路を含むから、電気エネルギーから熱エネルギーへの変換ないしエネルギーの発散を簡便に行える。
更に、防振用圧電素子３４，３４・・は、振動子２の中心軸と交わる方向（上下方向）において分割されている（上下に分かれている）。よって、防振用圧電素子３４，３４・・がたわみ振動の抑制に合致したものとなる。
又、駆動用圧電素子３０，３０及び防振用圧電素子３４，３４・・は、分極処理されており、それらの分極方向が振動子２の中心軸と平行な方向（前後方向）となっている。よって、所望する振動の付与や不要な振動の抑制のための構成がシンプルになる。
第１形態においては、次のような変更例が存在する。
防振用圧電素子ユニットについて、前側の２個の防振用圧電素子が省略されたり、後側の２個の防振用圧電素子が省略されたり、上側の２個の防振用圧電素子が省略されたり、下側の２個の防振用圧電素子が省略されたり、防振用圧電素子の数が１以上の任意の数に増減されたり、分極方向が上下や左右で入れ替えられたりする等、その構成は様々に変更されて良い。上側若しくは下側の２個の圧電素子が省略された場合、防振用圧電素子は振動子の中心軸と交わる方向（上下方向）において、片寄せられていることになり、この場合、省略された圧電素子と同様な大きさないし重量のスペーサ（金属材あるいは金属ブロックと一体でも別体でも良い）が省略された側に設けられることが好ましい。電極板についても、更に分割する等、様々に変更することができる。又、２分割された圧電素子は、円環状の圧電素子本体における、互いに離れた上部と下部にのみ分極処理されたもの、即ち分極処理された上部と、分極処理されていない中央部（間隙に相当する部分）と、分極処理された下部を有する円環状のものとされても良い。
締結具に関し、防振用圧電素子ユニットを締結するボルトと、振動発生用圧電素子ユニットを締結するボルトが設けられても良い。
シャント回路は、別の構成とされて良く、インダクタンスは２次以下あるいは４次以上のたわみ振動中に示される静電容量と共振するものに設定されても良いし、抵抗値は第１形態とは別の値とされても良い。
目的とする振動（所定の振動）は、２次以上の軸振動とされても良く、１次や２次等の複数の振動状態の何れかに切替可能とされても良い。目的とする振動として、軸振動にたわみ振動を重畳した楕円振動（円振動を含む）が採用されても良い。
電極板として、接続部が省略されたものが採用されても良く、又圧電素子の面に導体を塗布して形成されたものが採用されて、その塗布された導体にコード等が接続されても良い。
振動発生用圧電素子ユニットと防振用圧電素子ユニットの間に、導体のスペーサが配置されて、これらのユニットが互いに離隔されるようにしても良い。各圧電素子ユニット内にスペーサが配置されても良い。
第１形態は、食品用の超音波切断装置に代えて、他のワークを超音波切断する装置や、切断以外の加工を超音波振動するツールによってワークに対して行う装置、あるいは医療用を始めとする他の用途の超音波振動装置に適用されても良い。
［第２形態］
図３は、本発明の第２形態に係る食品用の超音波振動切断装置に含まれる、振動子２０２の模式的な左側面図である。
第２形態は、防振用圧電素子ユニットに係る電極板の設置数及び形状並びにシャント回路の設置数及び設定を除き、第１形態と同様に成る。第１形態と同様に成る部材等には同じ符号が付されて適宜説明が省略される。
第２形態では、防振用圧電素子ユニット２１２に係る電極板２１６，２１６が２個設けられている。各電極板２１６は、１個の防振用圧電素子３４の一面に合うように半円環状に形成されており、径方向に突出する接続部２３８を備えている。
電極板２１６，２１６は、左右方向の間隔を有する環状となるように、上下に配置されている（２分割された環状電極板）。電極板２１６，２１６は、上側又は下側における一対の防振用圧電素子３４，３４に、互いの半円環状の面を合わせた状態で挟まれている。
そして、上側の電極板２１６に第１のシャント回路２５０が接続され、下側の電極板２１６に第２のシャント回路２６０が接続される。
第１のシャント回路２５０は、直列接続されたインダクタ２５２と抵抗２５４を有している。シャント回路２５０における、電極板２１６と逆側の回路端は、アースされている。
インダクタ２５２のインダクタンスＬ２は、２次の共振モードに係るたわみ振動において、拘束状態の上側の防振用圧電素子３４，３４が呈する静電容量Ｃ２と電気的に共振する大きさとされている。
又、抵抗２５４の抵抗値Ｒ２は、２次のたわみ振動における内部インピーダンスと同じ値とされる。
第２のシャント回路２６０は、直列接続されたインダクタ２６２と抵抗２６４を有している。シャント回路２６０における、電極板２１６と逆側の回路端は、アースされている。
インダクタ２６２のインダクタンスＬ３は、３次の共振モードに係るたわみ振動において、拘束状態の下側の防振用圧電素子３４，３４が呈する静電容量Ｃ３と電気的に共振する大きさとされている。
又、抵抗２６４の抵抗値Ｒ３は、３次のたわみ振動における内部インピーダンスと同じ値とされる。
第２形態の超音波振動切断装置では、目的としない２次の共振モードにおけるたわみ振動が生起し始めたとしても、そのエネルギーを、上側の一対の防振用圧電素子３４，３４と第１のシャント回路２５０により、電気エネルギーに変え、更には熱エネルギーに変えて、消散させる。
第１のシャント回路２５０は、２次のたわみ振動において上側の一対の防振用圧電素子３４，３４が示す静電容量Ｃ２に合わせて共振するように調節されたインダクタンスＬ２を有するインダクタ２５２を備えており、２次のたわみ振動のエネルギーを熱エネルギーに変え、他の振動のエネルギーを熱エネルギーに変えない。
又、目的としない３次の共振モードにおけるたわみ振動が生起し始めたとしても、そのエネルギーを、下側の一対の防振用圧電素子３４，３４と第２のシャント回路２６０により、電気エネルギーに変え、更には熱エネルギーに変えて、消散させる。
第２のシャント回路２６０は、３次のたわみ振動において下側の一対の防振用圧電素子３４，３４が示す静電容量Ｃ３に合わせて調節されたインダクタンスＬ３を有するインダクタ２６２を備えており、３次のたわみ振動のエネルギーを熱エネルギーに変え、他の振動のエネルギーを熱エネルギーに変えない。
又、第２のシャント回路２６０において、抵抗２６４の抵抗値Ｒ３が３次のたわみ振動における内部インピーダンスと同じ値とされているから、３次のたわみ振動についても最も効率良く電気エネルギーを熱エネルギーに変換して消散させることができる。
かように、第２形態の超音波振動切断装置では、主に振動モードの次数について異なる２種類の不要な振動を抑制することが可能である。
第２形態においては、第１形態と同様の変更例が適宜存在する他、次のような変更例が存在する。
第１と第２のシャント回路におけるインダクタンスの調整等により、抑制する不要なたわみ振動の種類は様々に変更されても良い。例えば、１次と２次のたわみ振動が抑制されるようにしても良いし、４次のたわみ振動と５次のたわみ振動が抑制されるようにしても良い。
防振用圧電素子の数が周方向において増加され（分割数が増やされ）、それに対応してシャント回路の数が増加されることにより、３種類以上の不要なたわみ振動が抑制されるようにしても良い。
［第３形態］
図４は、本発明の第３形態に係る食品用の超音波振動切断装置に含まれる、振動子３０２の模式的な斜視図であり、図５は、振動子３０２の模式的な左側面図である。尚、図４において、各種の電極板や回路は省略されている。
第３形態は、防振用圧電素子ユニットの構成並びにシャント回路の設置数を除き、第１形態と同様に成る。第１形態と同様に成る部材等には同じ符号が付されて適宜説明が省略される。
第３形態では、防振用圧電素子ユニット３１２は、８個の防振用圧電素子３４，３４・・を備えている。そのうち４個の防振用圧電素子３４，３４・・や電極板１６は、第１形態の防振用圧電素子ユニット１２ないしこれに挟まれる電極板１６と同じ構成を具備している。又、他の４個の防振用圧電素子３４，３４・・についても、電極板１６と同じ電極板３１６を挟んで同様に配置される。
そして、振動発生用圧電素子ユニット１０の後側において、電極板１５を介して隣接するように、電極板３１６を挟む４個の防振用圧電素子３４，３４・・が配置され、更にその後側において、電極板３１７を介して隣接するように、電極板１６を挟む４個の防振用圧電素子３４，３４・・が配置される。電極板３１６を挟む二対（４個）の防振用圧電素子３４，３４・・における間隙の方向は上下方向であり、これらの防振用圧電素子３４，３４・・は、振動子２の中心軸と平行な方向（前後方向）と交わる方向である左右方向において、分割されている。又、電極板１６を挟む二対（４個）の防振用圧電素子３４，３４・・における間隙の方向は左右方向であり、これらの防振用圧電素子３４，３４・・は、振動子２の中心軸と平行な方向（前後方向）と交わる方向である上下方向において、分割されている。
振動発生用圧電素子ユニット１０、及び８個の防振用圧電素子３４，３４・・を備えた防振用圧電素子ユニット３１２は、金属材２０及び金属ブロック２２により挟み込まれて、ボルト２４により締結され、振動子３０２からの離脱が防止される。
電極板３１６は、径方向外側に突出する接続部３３８を有しており、電極板３１７は、径方向外側に突出する接続部３３５を有している。
電極板３１７は、接続部３３５を介して、電極板１５と同様にアースされている。
電極板３１６には、接続部３３８を介して、シャント回路５０と同様に成るシャント回路３５０が接続されている。シャント回路３５０のインダクタ３５２のインダクタンスＬはシャント回路５０のインダクタ５２と同じであり、シャント回路３５０の抵抗３５４の抵抗値Ｒはシャント回路５０の抵抗５４と同じである。
第３形態の超音波振動切断装置では、目的としない３次の共振モードにおけるたわみ振動が振動子３０２において主に上下方向で生起し始めたとしても、そのエネルギーを、主に電極板１６を挟む二対の防振用圧電素子３４，３４・・とシャント回路５０により、電気エネルギーに変え、更には熱エネルギーに変えて、消散させる。
又、目的としない３次の共振モードにおけるたわみ振動が主に左右方向で生起し始めたとしても、そのエネルギーを、主に電極板３１６を挟む二対の防振用圧電素子３４，３４・・と第２のシャント回路３５０により、電気エネルギーに変え、更には熱エネルギーに変えて、消散させる。
かように、第３形態の超音波振動切断装置では、防振用圧電素子３４，３４・・は、振動子２の中心軸と交わる方向であって互いに異なる複数の方向即ち上下方向と左右方向において分割されていることから、主に振動方向について異なる２種類の不要な振動を抑制することが可能である。
第３形態においては、第１形態や第２形態と同様の変更例が適宜存在する。
特に、第３形態においても、第１と第２のシャント回路におけるインダクタンスの調整等により、抑制する不要な振動の種類は様々に変更されても良い。例えば、２次の左右方向のたわみ振動と２次の上下方向のたわみ振動が抑制されるようにしても良いし、４次の左右方向のたわみ振動と４次の上下方向のたわみ振動が抑制されるようにしても良いし、２次の左右方向のたわみ振動と３次の上下方向のたわみ振動が抑制されるようにしても良い。
又、振動子の中心軸と交わる方向であって、上下方向や左右方向とは異なる斜めの方向において分割された圧電素子が設けられるようにして、更にその斜めの方向の不要なたわみ振動が抑制されるようにしても良い。
［第４形態］
図６は、本発明の第３形態に係る食品用の超音波振動切断装置に含まれる、振動子４０２の模式的な左側面図である。
第４形態は、振動発生用圧電素子ユニットの構成及びシャント回路の設定を除き、第１形態と同様に成る。第１形態と同様に成る部材等には同じ符号が付されて適宜説明が省略される。
第４形態の振動子４０２の振動発生用圧電素子ユニット４１０は、たわみ方向の超音波振動を発生可能であり、たわみ振動の発生に係る公知の構成（上記特許文献２参照）を有している。
振動発生用圧電素子ユニット４１０は、それぞれ半円環状である４個の駆動用圧電素子４３０，４３０・・を含んでいる。各駆動用圧電素子４３０の分極方向は、肉厚方向に向いており、振動子４０２の中心軸と平行な方向に向いている。
これら駆動用圧電素子４３０，４３０・・のうちの２個は、金属材２０に近い側において、左右方向の間隔を有する環状となるように、上下方向に分割されている。これらの駆動用圧電素子４３０，４３０の前面は金属材２０に共通に接しており、各後面は半円環状の電極板４１４，４１４に接している。各電極板４１４は、外方に突出する接続部４３２，４３２を有している。
又、電極板４１４，４１４の後側において、別の一対の駆動用圧電素子４３０，４３０は、同様に間隔を有する環状となるよう、上下方向において分割されている。これらの電極板４１４，４１４の後面は、アースされた環状の電極板１５に接している。
振動発生用圧電素子ユニット４１０は、駆動用圧電素子４３０，４３０・・の分極方向に応じ、たわみ振動発生用の公知の駆動電圧印加回路（駆動電圧印加手段，図示略）により駆動される。駆動電圧印加回路は、各電極板４１４の接続部４３２において接続されており、振動子２において３次の共振モードに係るたわみ振動（目的の振動）が発生するような駆動電圧を印加する。例えば、上側の駆動用圧電素子４３０，４３０の分極方向がそれぞれ電極板４１４に向かうことで互いに向かい合い、下側の駆動用圧電素子４３０，４３０の分極方向がそれぞれ電極板４１４とは逆側に向かうことで互いに離れるものとなっている場合、同位相の駆動電圧が印加されれば、目的のたわみ振動が発生する。あるいは、上側と下側の駆動用圧電素子４３０，４３０の分極方向が互いに合致する場合、逆位相の駆動電圧が印加されれば、目的のたわみ振動が発生する。
そして、第４形態の振動子４０２の防振用圧電素子ユニット１２は、電極板１５の後側において、第１形態と同様に配置される。
電極板１６には、シャント回路４５０が接続されている。
シャント回路４５０は、直列接続されたインダクタ４５２及び抵抗４５４を含む。インダクタ４５２のインダクタンスＬ４は、２次の共振モードに係るたわみ振動において、拘束状態の防振用圧電素子３４，３４・・が呈する静電容量Ｃ４と電気的に共振する大きさとされている。
又、抵抗４５４の抵抗値Ｒ４は、２次のたわみ振動における内部インピーダンスと同じ値とされる。
第４形態の超音波振動切断装置では、目的とする３次の共振モードにおけるたわみ振動の発生中に、目的としない２次の共振モードにおけるたわみ振動が生起し始めたとしても、そのエネルギーを、防振用圧電素子ユニット１２とシャント回路４５０により、電気エネルギーに変え、更には熱エネルギーに変えて、消散させる。
シャント回路４５０は、２次のたわみ振動において防振用圧電素子ユニット１２が示す静電容量Ｃ４に合わせて共振するように調節されたインダクタンスＬ４を有するインダクタ４５２を備えており、２次のたわみ振動のエネルギーを熱エネルギーに変え、他の振動のエネルギーを熱エネルギーに変えない。
かように、第４形態の超音波振動切断装置では、所定の周波数（３次の共振モードの周波数）におけるたわみ振動を目的とする振動子４０２において、その周波数以外の特定の周波数（３次より低次である２次の共振モードの周波数）におけるたわみ振動（目的としないたわみ振動）を抑制することが可能である。
又、駆動用圧電素子４３０，４３０・・は、振動子４０２の中心軸と交わる方向（上下方向）において分割されているから、所望する振動がたわみ振動である場合に適した構成となる。
第４形態においては、第１形態ないし第３形態の少なくとも何れかと同様の変更例が適宜存在する他、次のような変更例が存在する。
目的とするたわみ振動が４次のたわみ振動とされ、不要なたわみ振動が３次のたわみ振動とされたり、目的とするたわみ振動が２次のたわみ振動とされ、不要なたわみ振動が３次のたわみ振動とされたりする等、駆動や防振に係る共振モードの組合せは様々に変更されて良い。目的とするたわみ振動の共振モード（次数）が切替可能とされても良い。
振動発生用圧電素子ユニットがたわみ振動に係る駆動用圧電素子と軸振動に係る駆動用圧電素子を備えるようにして、ツールが楕円振動（円振動を含む）を行うものとされても良い。
［第５形態］
図７は、本発明の第５形態に係る食品用の超音波振動切断装置に含まれる、刃物４及び振動子５０２並びに回路の模式図である。
第５形態は、防振用圧電素子ユニット及び振動発生用圧電素子ユニット並びに回路の構成を除き、第４形態と同様に成る。第４形態と同様に成る部材等には同じ符号が付されて適宜説明が省略される。
第５形態の振動子５０２の振動発生用圧電素子ユニット５１０は、第４形態の振動発生用圧電素子ユニット４１０と同様に成り、駆動用圧電素子４３０と同様の駆動用圧電素子５３０や、電極板４１４（接続部４３２）と同様の電極板５１４（接続部５３２）を備えている。
但し、振動発生用圧電素子ユニット５１０は、１次の軸振動を発生する。ここでは、４個の駆動用圧電素子５３０，５３０・・のうち、上側の２個をＰＺＴ１とし、下側の２個をＰＺＴ２とすると、分極方向がＰＺＴ１とＰＺＴ２で同一になっている状態で、ＰＺＴ１の間の電極板５１４に同位相の駆動電圧が印加される。又、振動発生用圧電素子ユニット５１０は、振動検出用圧電素子ユニット５１２の後側に配置されている。
第５形態に係る不要な振動を検出するための振動検出用圧電素子ユニット５１２（第２圧電素子ユニット）は、第２形態の防振用圧電素子ユニット２１２と同様に成り、防振用圧電素子３４と同様の振動検出用圧電素子５３４（第２圧電素子）や、電極板２１６（接続部２３８）と同様の電極板５１６（接続部５３８）を備えている。
４個の振動検出用圧電素子５３４，５３４・・のうち、上側の２個をＰＺＴ３とし、下側の２個をＰＺＴ４とすると、ここでは分極方向はＰＺＴ３とＰＺＴ４で同一になっている。
振動検出用圧電素子ユニット５１２と振動発生用圧電素子ユニット５１０の間には、接続部３６を有する電極板１５が配置されている。
ＰＺＴ３やＰＺＴ４において、圧縮による歪みにより、歪みの大きさに応じたプラスの電圧が生起するものとする。
又、振動発生用圧電素子ユニット５１０と金属ブロック２２の間には、電極板１５と同様に成る電極板５１７が配置されている。電極板５１７は、接続部５３９を有している。
電極板１５，５１７は、接続部３６，５３９を介して、アースされている。
第５形態の駆動用ないし防振用の回路５７０は、駆動電源５７２と、乗算器５７４と、アンプ（ＡＭＰ）５７６，５７８と、電圧比較器５７９を備えている。回路５７０は、駆動電圧印加手段と駆動電圧調節手段を兼ねており、より詳しくは、駆動電源５７２とアンプ（ＡＭＰ）５７６，５７８が駆動電圧印加手段を構成し、乗算器５７４と電圧比較器５７９が駆動電圧調節手段を構成している。尚、駆動電圧調節手段は、ＰＺＴ３やＰＺＴ４あるいは電極板５１６，５１６を含めて構成されると考えても良い。
駆動電源５７２とＰＺＴ１は、乗算器５７４、アンプ５７６、電極板５１４（接続部５３２）を介して接続されている。駆動電源５７２で発生した交流電圧は、乗算器５７４を経て、アンプ５７６により増幅され、電極板５１４（接続部５３２）を介してＰＺＴ１に印加される。
駆動電源５７２とＰＺＴ２は、アンプ５７８、電極板５１４（接続部５３２）を介して接続されている。駆動電源５７２で発生した交流の駆動電圧は、アンプ５７８により増幅され、電極板５１４（接続部５３２）を介してＰＺＴ２に印加される。ＰＺＴ１とＰＺＴ２が同様に構成されるため、アンプ５７６，５７８における増幅率は同じものとされている。
ＰＺＴ３と電圧比較器５７９は、電極板５１６（接続部５３８）を介して接続されている。ＰＺＴ４と電圧比較器５７９は、電極板５１６（接続部５３８）を介して接続されている。
電圧比較器５７９は、乗算器５７４に接続されている。電圧比較器５７９は、ＰＺＴ３において生起した電圧と、ＰＺＴ４において生起した電圧を比較してその差分を乗算器５７４へ出力する。乗算器５７４は、受信した差分に応じ、駆動電源５７２からの駆動電圧を、適宜増減してあるいは増減せずに、アンプ５７６に送る。
即ち、電圧比較器５７９は、ＰＺＴ３の電圧がＰＺＴ４の電圧より大きいと、マイナスの差分を出力し、乗算器５７４は、差分の絶対値に応じた０以上で１より小さい数を駆動電圧に乗ずる。アンプ５７６に与えられる駆動電圧は、差分の絶対値に応じ、アンプ５７８に与えられる駆動電圧より小さくなる。他方、電圧比較器５７９は、ＰＺＴ３の電圧がＰＺＴ４の電圧より小さいと、プラスの差分を出力し、乗算器５７４は、差分の絶対値に応じた１以上の数を駆動電圧に乗ずる。アンプ５７６を経てＰＺＴ１に与えられる駆動電圧は、差分の絶対値に応じ、アンプ５７８を経てＰＺＴ２に与えられる駆動電圧より大きくなる。
第５形態の超音波振動切断装置では、アンプ５７６，５７８を介して駆動電圧が印加されることで駆動されるＰＺＴ１，ＰＺＴ２により、振動子５０２に軸振動が発生する。
そして、軸振動中において振動子５０２にたわみ振動が生起した場合、ＰＺＴ３やＰＺＴ４においてたわみ振動に応じた大きさの歪みが生じ、その歪みの大きさに応じた電圧が生起する。
かように生起したＰＺＴ３の電圧とＰＺＴ４の電圧は、電圧比較器５７９において比較され、乗算器５７４においてそれら電圧の差分に応じた係数がＰＺＴ１の駆動電圧に乗算されることで、ＰＺＴ２の駆動電圧に対するＰＺＴ１の駆動電圧が調節される。
即ち、たわみ振動によってＰＺＴ３側に大きな歪みが生起した場合、ＰＺＴ３においてＰＺＴ４より大きな電圧が生起し、電圧比較器５７９はマイナスの差分を出力して、乗算器５７４はＰＺＴ１の駆動電圧を差分の絶対値に応じて小さくする。よって、ＰＺＴ１はＰＺＴ２に比べて小さい駆動電圧で駆動されることになり、自身と同じ上側にあるＰＺＴ３側への歪みを、ＰＺＴ２の駆動より弱く適切な大きさである駆動によって、能動的に打ち消す。他方、たわみ振動によってＰＺＴ４側に大きな歪みが生起した場合、ＰＺＴ４においてＰＺＴ３より大きな電圧が生起し、電圧比較器５７９はプラスの差分を出力して、乗算器５７４はＰＺＴ１の駆動電圧を差分の絶対値に応じて大きくする。よって、ＰＺＴ１はＰＺＴ２に比べて大きい駆動電圧で駆動されることになり、自身と逆側の下側にあるＰＺＴ４側への歪みを、ＰＺＴ２の駆動より強く適切な大きさである駆動によって、能動的に打ち消す。
第５形態の超音波振動切断装置は、４個の駆動用圧電素子５３０，５３０・・（ＰＺＴ１，ＰＺＴ２）を含む振動発生用圧電素子ユニット５１０と、４個の振動検出用圧電素子５３４，５３４・・（ＰＺＴ３，ＰＺＴ４）を含む振動検出用圧電素子ユニット５１２と、振動発生用圧電素子ユニット５１０及び振動検出用圧電素子ユニット５１２を挟む金属材２０及び金属ブロック２２と、振動発生用圧電素子ユニット５１０及び振動検出用圧電素子ユニット５１２並びに金属材２０及び金属ブロック２２を締結するボルト２４と、を有する振動子５０２と、振動子５０２に連結される刃物４と、を備えており、振動発生用圧電素子ユニット５１０は、駆動電圧印加手段により駆動電圧が印加されることで、振動子５０２における１次の軸振動を発生し、その駆動電圧は、乗算器５７４や電圧比較器５７９により、その軸振動以外のたわみ振動において振動検出用圧電素子５３４，５３４・・（ＰＺＴ３，ＰＺＴ４）に生起する電圧に応じて調節される。
よって、目的としないたわみ振動の状態が振動検出用圧電素子ユニット５１２（ＰＺＴ３，ＰＺＴ４）によって検出され、その状態に応じて、振動発生用圧電素子ユニット５１０（ＰＺＴ１，ＰＺＴ２）の駆動電圧が、目的としないたわみ振動を打ち消すようにフィードバック制御されることになる。従って、第１形態ないしは第４形態のように、不要なたわみ振動の発生に対して受動的に対応する（パッシブ防振）のではなく、不要なたわみ振動が能動的に抑制されることとなる（アクティブ防振）。そしてその結果、通常の超音波振動切断の場合のみならず、アスペクト比の高いツールを用いる場合であっても、又大出力の振動をツールに与える場合であっても、不要なたわみ振動を確実に抑制して、極めて優れた切断を提供することができる。又、振動検出用圧電素子ユニット５１２（ＰＺＴ３，ＰＺＴ４）によって検出されたたわみ振動の状態に応じて駆動電圧がフィードバック制御されることにより、たわみ振動の次数を問わず、様々な共振モードに係るたわみ振動を適切に抑制することが可能である。
更に、振動検出用圧電素子５３４，５３４・・は、振動子５０２の中心軸と交わる方向（上下方向）において分割されている。よって、振動検出用圧電素子５３４，５３４・・がたわみ振動の抑制に合致したものとなる。
又、駆動用圧電素子５３０，５３０・・は、振動子５０２の中心軸と交わる方向（上下方向）において分割されている。よって、不要なたわみ振動をフィードバック制御により能動的に打ち消して抑制する場合に適した構成となる。
加えて、駆動用圧電素子５３０，５３０及び振動検出用圧電素子５３４，５３４・・は、分極処理されており、それらの分極方向が振動子５０２の中心軸に平行な方向となっている。よって、フィードバック制御における、所望する振動の付与や不要な振動の抑制のための構成が、シンプルになる。
第５形態においては、第１形態ないし第４形態の少なくとも何れかと同様の変更例が適宜存在する他、次のような変更例が存在する。
回路の構成は、回路の各種要素と同等である他の要素に置き換えたり、ＰＺＴ２に対する電圧あるいは双方の電圧を調節するものとしたり、電圧比較器において係数が出力されるようにしたり、電圧比較器と乗算器が統合された比較乗算器が用いられたり、アンプの倍率が調節されることで駆動電圧が調節されるものとしたり、アンプが省略されたりする等、様々に変更されて良い。
又、振動発生用圧電素子ユニットにおいて駆動用圧電素子の分極方向がＰＺＴ１とＰＺＴ２で逆になっている状態で、ＰＺＴ１の間の電極板に逆位相の駆動電圧が印加され、その駆動電圧が調節されるようにしても良い。
［第６形態］
図８（ａ）は、本発明の第６形態に係る食品用の超音波振動切断装置に含まれる、刃物４及び振動子６０２並びに回路の模式図であり、図８（ｂ）は、振動子６０２のたわみ振動中の模式図である。
第６形態は、振動検出用圧電素子ユニット及び振動発生用圧電素子ユニット並びに回路の構成を除き、第５形態と同様に成る。第５形態と同様に成る部材等には同じ符号が付されて適宜説明が省略される。
第６形態の振動子６０２における４個の圧電素子６３１，６３１・・を含む圧電素子ユニット６１１は、第５形態の軸方向の振動発生用圧電素子ユニット５１０とたわみ方向の振動検出用圧電素子ユニット５１２の役割を兼ねている。
圧電素子ユニット６１１は、第５形態の振動発生用圧電素子ユニット５１０あるいは振動検出用圧電素子ユニット５１２と同様に構成される。即ち、圧電素子６３１，６３１・・はそれぞれ半円環状であり、２個の半円環状の電極板６１７を２個の圧電素子６３１，６３１で挟んでいて、上下に分かれている。ここで、下の２個の圧電素子６３１，６３１はＰＺＴαとされ、上の２個の圧電素子６３１，６３１はＰＺＴβとされる。
ＰＺＴαとＰＺＴβの分極方向は、互いに同じ向きとされ、例えば電極板６１７に向かう向きとされている。
各電極板６１７は、径方向外方に突出する接続部６３９を備えている。
圧電素子ユニット６１１の前面と後面は、アースされている。
第６形態の駆動用兼防振用の回路６７０は、駆動電源５７２と、乗算器５７４と、アンプ（ＡＭＰ）５７６，５７８と、演算回路６７９と、電流センサーＣＣ１，ＣＣ２を備えている。回路６７０は、駆動電圧印加手段と駆動電圧調節手段を兼ねており、より詳しくは、駆動電源５７２とアンプ（ＡＭＰ）５７６，５７８が駆動電圧印加手段を構成し、乗算器５７４と演算回路６７９と電流センサーＣＣ１，ＣＣ２が駆動電圧調節手段を構成している。尚、駆動電圧調節手段は、ＰＺＴαやＰＺＴβあるいは電極板６１７，６１７を含めて構成されると考えても良いし、電流センサーＣＣ１，ＣＣ２を除いて構成されると考えても良い。
駆動電源５７２とＰＺＴαは、アンプ５７８、電極板６１７（接続部６３９）を介して接続されている。駆動電源５７２で発生した交流の駆動電圧は、アンプ５７８により増幅され、電極板６１７（接続部６３９）を介してＰＺＴαに印加される。
駆動電源５７２とＰＺＴβは、乗算器５７４、アンプ５７６、電極板６１７（接続部６３９）を介して接続されている。駆動電源５７２で発生した交流電圧は、乗算器５７４を経て、アンプ５７６により増幅され、電極板６１７（接続部６３９）を介してＰＺＴβに印加される。ＰＺＴαとＰＺＴβが同様に構成されるため、アンプ５７６，５７８における増幅率は同じものとされている。
又、アンプ５７８を出た（ＰＺＴαに付与される）電流Ｉ１を測定するように電流センサーＣＣ１が配置され、アンプ５７６を出た（ＰＺＴβに付与される）電流Ｉ２を測定するように電流センサーＣＣ２が配置される。
電流センサーＣＣ１，ＣＣ２は演算回路６７９に接続されており、測定された電流Ｉ１，Ｉ２を演算回路６７９に出力する。
演算回路６７９は、乗算器５７４と接続されている。演算回路６７９は、受信した電流Ｉ１，Ｉ２について、その差分（Ｉ１−Ｉ２）に応じてＰＺＴβの駆動電流Ｉ２が（駆動電流Ｉ１に対して相対的に）抑制され、増大され、あるいは維持されるよう、係数Ｂを演算する。係数Ｂは、下記［数１］により算出される。
係数Ｂは乗算器５７４に出力され、乗算器５７４は、受信した係数Ｂを、駆動電源５７２からの駆動電圧Ａに乗算し（Ａ×Ｂ）、その結果に係る増幅前の駆動電圧がアンプ５７６に与えられる。
Figure 0006710411
第６形態の超音波振動切断装置では、アンプ５７６，５７８を介して同電圧で同位相の駆動電圧が印加されることで、ＰＺＴα，ＰＺＴβが同様に振動し、振動子６０２に軸振動が発生する。
振動子６０２にたわみ振動がない場合、ＰＺＴα，ＰＺＴβには同一の応力が発生しており、それぞれの圧電素子６３１，６３１（ＰＺＴα，ＰＺＴβ）におけるインピーダンスは同一であって、ＰＺＴα，ＰＺＴβに流れ込む電流Ｉ１，Ｉ２は等しい。このとき、係数Ｂは１となり、アンプ５７６への電圧ＡないしＰＺＴβに流れ込む電流Ｉ２は維持される。
そして、軸振動中において振動子６０２にたわみ振動が生起した場合、ＰＺＴαやＰＺＴβにおいて異なる応力が生起し、互いにインピーダンスが相違することになる。よって、そのインピーダンスの影響により、ＰＺＴαに流れ込む電流Ｉ１と、ＰＺＴβに流れ込む電流Ｉ２は、互いに異なるものとなる。
すると、演算回路６７９は、電流センサーＣＣ１，ＣＣ２から受信した電流Ｉ１，Ｉ２から、それらの差分に応じた係数Ｂを算出し、乗算器５７４は、駆動電圧Ａに、演算回路６７９から受信した係数Ｂを掛けることで、駆動に係る電流Ｉ２を調節する。
即ち、電流Ｉ２が電流Ｉ１より大きい場合には、ＰＺＴβのインピーダンスがＰＺＴαのインピーダンスより小さくなっており、不要なたわみ振動によりＰＺＴα側に比較的に大きい応力がかかっているので（図８（ｂ）の状態）、電流Ｉ２が、電流Ｉ１，Ｉ２の差分に応じて小さくなるように調節される。比較的に小さい応力がかかっているＰＺＴβは、駆動に係る電流Ｉ２が小さくなった分、軸振動を弱め、相対的にＰＺＴαの駆動電流Ｉ１が大きくなって、ＰＺＴαの軸振動が強められることになる。相対的にＰＺＴαの軸振動が強くなれば、たわみ振動によって応力のかかっているＰＺＴαは、ＰＺＴβより大きく軸振動することになり、たわみ振動が打ち消されるように軸振動することになる。
他方、電流Ｉ２が電流Ｉ１より小さい場合には、ＰＺＴβのインピーダンスがＰＺＴαのインピーダンスより大きくなっており、不要なたわみ振動によりＰＺＴβ側に比較的に大きい応力がかかっているので、電流Ｉ２が、電流Ｉ１，Ｉ２の差分に応じて大きくなるように調節される。比較的に大きい応力がかかっているＰＺＴβは、駆動に係る電流Ｉ２が大きくなった分、ＰＺＴαに対して軸振動を強め、ＰＺＴαより大きく軸振動して、やはりたわみ振動が打ち消されるように軸振動する。
かように、回路６７０により、電流Ｉ１，Ｉ２について、電流Ｉ１，Ｉ２の差分の負帰還に係るフィードバック制御が行われ、ＰＺＴα，ＰＺＴβに係る各駆動電圧が制御されて、たわみ振動が能動的に打ち消される状態で軸振動が継続される。
このような制御の詳細が、図８（ｂ）や図９に基づき、以下更に説明される。
図８（ｂ）に模式的に示されるように、たわみ振動中のある瞬間において、ＰＺＴβは定常時より伸び、ＰＺＴαは定常時より縮んでいる。このとき、ＰＺＴα，ＰＺＴβには、逆位相の起電力が生起し、見かけ上のインピーダンスはＰＺＴαとＰＺＴβで異なることとなって、流れる電流はＰＺＴαとＰＺＴβで異なることとなる。かような現象は、たわみ振動中、継続する。よって、軸振動にたわみ振動が重畳されると、たわみ振動によるインピーダンスの差分の電流が、軸振動の電流に重畳されることになる。
これに対し、たわみ振動が生起していない正常な軸振動においては、ＰＺＴα，ＰＺＴβは同相で振動し、インピーダンスは等しく、流れる電流はＰＺＴαとＰＺＴβで同一である。
図９は、電流波形を示すグラフであり、基本波の軸振動に対して、その２分の１の周波数でたわみ振動が生起した場合のシミュレーションに係るグラフである。尚、縦軸は相対的な電流の大きさ（曲線Ｅ１の振幅を１とした場合）であり、横軸は時間である。
図中、曲線Ｅ１（太実線）は、ＰＺＴα，ＰＺＴβに本来流れるべき軸振動用の電流波形であり、曲線Ｅ２（細実線）は、たわみ振動によってＰＺＴαに発生した起電力に係る電流成分の波形であり、曲線Ｅ３（細点線）は、ＰＺＴαに実際に流れる電流波形であり、曲線Ｅ４（太点線）は、ＰＺＴβに実際に流れる電流波形である。
たわみ振動が生起すると、ＰＺＴαにおいては、曲線Ｅ１で示される本来の電流に、曲線Ｅ２で示される電流成分が重畳し、ＰＺＴαには曲線Ｅ３で示される電流が流れることになる。
他方、たわみ振動によってＰＺＴβに発生した起電力に係る電流成分の波形は、曲線Ｅ２の逆位相の曲線となり、ＰＺＴβにおいては、曲線Ｅ１で示される本来の電流に、曲線Ｅ２の逆位相の曲線で示される電流成分が重畳し、ＰＺＴβには曲線Ｅ４で示される電流が流れることになる。
その結果、ＰＺＴα，ＰＺＴβには、たわみ振動に応じた不平衡電流が流れることになり、たわみ振動を打ち消すような軸振動が発生することになるのである。
第６形態の超音波振動切断装置は、４個の圧電素子６３１，６３１・・を含む圧電素子ユニット６１１と、圧電素子ユニット６１１を挟む金属材２０及び金属ブロック２２と、圧電素子ユニット６１１並びに金属材２０及び金属ブロック２２を締結するボルト２４と、を有する振動子６０２と、振動子６０２に連結される刃物４と、を備えており、複数の圧電素子６３１，６３１・・は、振動子６０２の中心軸と交わる方向（上下方向）において分かれるように配置されており（上側のＰＺＴα，下側のＰＺＴβ）、複数の圧電素子６３１，６３１・・（ＰＺＴα，ＰＺＴβ）にそれぞれ駆動電流Ｉ１，Ｉ２が流されることで、振動子６０２における軸振動を発生し、駆動電流Ｉ２は、軸振動以外のたわみ振動によって複数の圧電素子６３１，６３１・・（ＰＺＴα，ＰＺＴβ）においてそれぞれ変化した電流Ｉ１，Ｉ２の差分（Ｉ１−Ｉ２）に応じて調節される。
よって、目的としないたわみ振動の状態が、電流センサーＣＣ１，ＣＣ２によって検出され演算回路６７９によって算出された電流Ｉ１，Ｉ２の差分Ｉ１−Ｉ２によって把握され、圧電素子６３１，６３１（ＰＺＴβ）の駆動電流Ｉ２が、目的としないたわみ振動を打ち消すよう能動的にフィードバック制御されることになる（アクティブ防振）。従って、通常の超音波振動切断の場合のみならず、アスペクト比の高いツールを用いる場合であっても、又大出力の振動をツールに与える場合であっても、不要なたわみ振動を確実に抑制して、極めて優れた切断を提供することができる。又、圧電素子ユニット６１１（ＰＺＴα，ＰＺＴβ）における電流Ｉ１，Ｉ２の差分Ｉ１−Ｉ２によって把握されたたわみ振動の状態に応じて、駆動電流Ｉ２がフィードバック制御されることにより、たわみ振動の次数を問わず、様々な共振モードに係るたわみ振動を適切に抑制することが可能である。
又、圧電素子６３１，６３１・・は、分極処理されており、それらの分極方向が振動子６０２の中心軸と平行な方向（前後方向）となっている。
よって、フィードバック制御における、所望する振動の付与や不要な振動の抑制のための構成が、シンプルになる。
第６形態においては、第１形態ないし第５形態の少なくとも何れかと同様の変更例が適宜存在する。
特に、回路の構成について、ＰＺＴαに対する電流あるいは双方の電流を調節するものとされて良い。又、圧電素子ユニットにおいて圧電素子の分極方向がＰＺＴαとＰＺＴβで逆になっている状態で、ＰＺＴβの間の電極板に逆位相の駆動電流が印加され、その駆動電流が調節されるようにしても良い。
第１形態ないし第６形態及びそれらの変更例のうち、少なくとも何れか二つが、適宜組み合わせられても良い。
１・・超音波振動切断装置（超音波振動装置）、２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２・・振動子、４・・刃物（ツール）、１０，４１０，５１０・・振動発生用圧電素子ユニット（第１圧電素子ユニット）、１２，２１２，３１２・・防振用圧電素子ユニット（第２圧電素子ユニット）、２０・・金属材（導体ブロック）、２２・・金属ブロック（導体ブロック）、２４・・ボルト（締結具）、３０，４３０，５３０・・駆動用圧電素子（第１圧電素子）、３４・・防振用圧電素子（第２圧電素子）、５０，２５０，２６０，３５０，４５０・・シャント回路、５２，２５２，２６２，３５２・・インダクタ、５４，２５４，２６４，３５４・・抵抗、５１２・・振動検出用圧電素子ユニット（第２圧電素子ユニット）、５３４・・振動検出用圧電素子（第２圧電素子）、６１１・・圧電素子ユニット、６３１・・圧電素子。

Claims (9)

  1. １個以上の第１圧電素子を含む第１圧電素子ユニットと、
    １個以上の第２圧電素子を含む第２圧電素子ユニットと、
    前記第１圧電素子ユニット及び前記第２圧電素子ユニットを挟む一対の導体ブロックと、
    前記第１圧電素子ユニット及び前記第２圧電素子ユニット並びに一対の前記導体ブロックを締結する締結具と、
    を有する振動子と、
    前記振動子に連結されるツールと、
    前記第２圧電素子ユニットに接続されるシャント回路と、
    を備えており、
    前記第１圧電素子ユニットは、駆動電圧が印加されることで、前記振動子における所定の振動を発生し、
    前記シャント回路は、その所定の振動以外のたわみ振動において前記第２圧電素子ユニットが示す静電容量に対して電気的に共振するように設定されている
    ことを特徴とする超音波振動装置。
  2. 前記シャント回路は、インダクタと抵抗の直列回路を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動装置。
  3. １個以上の第１圧電素子を含む第１圧電素子ユニットと、
    １個以上の第２圧電素子を含む第２圧電素子ユニットと、
    前記第１圧電素子ユニット及び前記第２圧電素子ユニットを挟む一対の導体ブロックと、
    前記第１圧電素子ユニット及び前記第２圧電素子ユニット並びに一対の前記導体ブロックを締結する締結具と、
    を有する振動子と、
    前記振動子に連結されるツールと、
    を備えており、
    前記第１圧電素子ユニットは、駆動電圧が印加されることで、前記振動子における所定の振動を発生し、
    前記駆動電圧は、その所定の振動以外のたわみ振動において前記第２圧電素子に生起する電圧に応じて調節される
    ことを特徴とする超音波振動装置。
  4. 前記第２圧電素子は、前記振動子の中心軸と交わる方向において、片寄せられ、あるいは分割されている
    ことを特徴とする請求項１ないしは請求項３の何れかに記載の超音波振動装置。
  5. 前記第２圧電素子は、前記振動子の中心軸と交わる方向であって互いに異なる複数の方向において、片寄せられ、あるいは分割されている
    ことを特徴とする請求項１ないしは請求項３の何れかに記載の超音波振動装置。
  6. 前記第１圧電素子は、前記振動子の中心軸と交わる方向において、片寄せられ、あるいは分割されている
    ことを特徴とする請求項１ないしは請求項５の何れかに記載の超音波振動装置。
  7. 前記第１圧電素子及び第２圧電素子は、分極処理されており、それらの分極方向が前記振動子の中心軸と平行な方向となっている
    ことを特徴とする請求項１ないしは請求項６の何れかに記載の超音波振動装置。
  8. 複数の圧電素子を含む圧電素子ユニットと、
    前記圧電素子ユニットを挟む一対の導体ブロックと、
    前記圧電素子ユニット及び一対の前記導体ブロックを締結する締結具と、
    を有する振動子と、
    前記振動子に連結されるツールと、
    を備えており、
    複数の前記圧電素子は、前記振動子の中心軸と交わる方向において分かれるように配置されており、
    複数の前記圧電素子にそれぞれ駆動電流が流されることで、前記振動子における所定の振動を発生し、
    少なくとも一つの前記駆動電流は、その所定の振動以外のたわみ振動によって複数の前記圧電素子においてそれぞれ変化した電流の差分に応じて調節される
    ことを特徴とする超音波振動装置。
  9. 複数の前記圧電素子は、分極処理されており、それらの分極方向が前記振動子の中心軸と平行な方向となっている
    ことを特徴とする請求項８に記載の超音波振動装置。
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