JP2007090139A - 超音波発生装置及び超音波美容装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、安定的に目標の駆動周波数で超音波を発生することができる超音波発生装置及びこの超音波発生装置を用いた超音波美容装置を提供する。
【解決手段】本発明の超音波発生装置１は、電気振動を生成する駆動部１１と、駆動部１１からの電気振動を超音波の機械振動に変換する超音波振動子１２と、一方面に超音波振動子１２が接合され超音波振動子１２からの超音波の機械振動を他方面の放射面に伝達するホーン１３と、超音波振動子１２のインピーダンスを測定する測定部１４と、負荷の場合の超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と無負荷の場合のそれとの交点におけるインピーダンス、及び、測定部１４で測定したインピーダンスに基づいて超音波振動子１２を駆動すべき目標駆動周波数を求め、この求めた目標駆動周波数で超音波振動子１２が振動するように、駆動部１１を制御する制御部１５とを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、安定的に目標の駆動周波数で超音波を発生することができる超音波発生装置及び該超音波発生装置を用いた超音波美容装置に関する。

近年、超音波は、その性質から、剤浸透促進、美容、霧化、乳化、分散、攪拌、洗浄、接合、加工等の様々な分野に応用されており、超音波を発生する超音波発生装置が開発されている。

図１０及び図１１は、背景技術に係る超音波発生装置の構成を示す図である。図１０は、振動子をホーンに接着するタイプの超音波発生装置であり、図１１は、振動子をホーンにボルト締めするタイプの超音波発生装置である。図１０及び図１１において、（Ａ）は、全体構成を示し、（Ｂ）は、ホーン部分を拡大した図である。

図１０及び図１１において、背景技術に係る超音波発生装置５００Ａ、５００Ｂは、電気振動を生成する駆動部５１１Ａ、５１１Ｂと、駆動部５１１Ａ、５１１Ｂからの電気振動を超音波の機械振動に変換する超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂと、一方面の接合面５１３−１Ａ、５１３−１Ｂに超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂが接合され超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂからの超音波の機械振動を他方面の放射面５１３−２Ａ、５１３−２Ｂに伝達する伝達部材の一例としてのホーン５１３Ａ、５１３Ｂとを備えて構成される。

超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂとホーン５１３Ａ、５１３Ｂとの接合タイプは、２つに大別することができ、例えば、図１０（Ｂ）に示すように、超音波振動子５１２Ａがホーン５１３Ａの接合面５１２−１Ａに接着剤５１４Ａによって接着される接着タイプと、図１１（Ｂ）に示すように、重ね合わされた２つの振動子５１２−１Ｂから成る超音波振動子５１２Ｂがホーン５１３Ｂの接合面５１３−１Ｂにボルト５１４Ｂによって締結されるボルト締めタイプとがある。ボルト締めタイプでは、ボルト５１４Ｂと超音波振動子５１２Ｂとの間、振動子５１２−１Ｂ間、超音波振動子５１２Ｂとホーン５１３Ｂとの間には、導電性シート５１２−２Ｂが挟まれている。接着タイプは、主に、数百ｋＨｚ以上の高周波数タイプに用いられ、ボルト締めタイプは、主に、１００ｋＨｚ以下の低周波数タイプに用いられる。

図１２及び図１３は、超音波振動ブロックの特性を説明するための図である。図１４は、超音波振動ブロックの振動モードを説明するための図である。図１２は、振動子をホーンに接着するタイプの超音波発生装置であり、図１３は、振動子をホーンにボルト締めするタイプの超音波発生装置である。図１２（Ａ）、図１３（Ａ）及び図１４（Ｂ）は、超音波振動ブロックと超音波振動の振動幅位相位置との関係を示す図であり、図１２（Ｂ）、図１３（Ｂ）及び図１４（Ａ）は、超音波振動ブロックのインピーダンス周波数特性を示す図であり、その横軸は、周波数ｆであり、その縦軸は、常用対数表示のインピーダンスＺである。なお、超音波は、縦波であるが図１２（Ａ）、図１３（Ａ）及び図１４（Ｂ）では便宜上横波として図示している。また、超音波の波長λは、（波長λ）＝（音速ｖ）／（周波数ｆ）であるため、伝播する媒質の音速によって変化する。

超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂとホーン５１３Ａ、５１３Ｂと接合部材とから成る超音波振動ブロック５０１Ａ、５０１Ｂのサイズは、図１２（Ａ）及び図１３（Ａ）に示すように、超音波振動ブロック５０１Ａ、５０１Ｂの両端面５０１−１Ａ、５０１−２Ａ（５１３−２Ａ）、５０１−１Ｂ、５０１−２Ｂ（５１３−２Ｂ）に定在波の腹が位置するように、ホーン５１３Ａ、５１３Ｂの接合面５１３−１Ａ、５１３−１Ｂから放射面５１３−２Ａ、５１３−２Ｂまでの厚さＬ１、Ｌ３（図１０（Ｂ）、図１１（Ａ））や、超音波振動ブロック５０１Ａ、５０１Ｂの全体の長さＬ２、Ｌ４（図１０（Ａ）、図１１（Ａ））が設計されており、ホーン５１３Ａ、５１３Ｂに接合されている状態の超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂは、図１２（Ｂ）及び図１３（Ｂ）に示すように、周波数ｆの変化に対しインピーダンスＺが変化する固有のインピーダンス周波数特性ＣＡ、ＣＢを有している。

このインピーダンス周波数特性ＣＡ、ＣＢは、周波数ｆが高くなるに従って、インピーダンスＺが小さくなって周波数ｆｒＡ、ｆｒＢで極小ＺｒＡ、ＺｒＢとなり、その後大きくなって周波数ｆａＡ、ｆａＢで極大ＺａＡ、ＺａＢとなり、そして再び小さくなるプロファイルであり、このプロファイルが、図１４（Ａ）に示すように、振動モードごとに繰り返している。このインピーダンスＺが極小ＺｒＡ、ＺｒＢとなる点が共振点であり、インピーダンスＺが極大ＺａＡ、ＺａＢとなる点が反共振点である。共振点では、インピーダンスＺが極小ＺｒＡ、ＺｒＢとなることから超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂに電流が多く流れ、反共振点では、逆に、インピーダンスＺが極大ＺａＡ、ＺａＢとなることから超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂに流れる電流は、少ない。

図１４（Ｂ）に示すように、接着タイプの超音波振動ブロック５０１Ａにおける超音波は、その両端面５０１−１Ａ、５０１−２Ａ（５１３−２Ａ）に定在波の腹が位置するように設計されていることから、半波長λ／２の整数倍の定在波となっている。振動モードは、超音波振動ブロック５０１Ａに生じている定在波の相違を表しており、例えば、超音波振動ブロック５０１Ａに生じている定在波が半波長の１倍である場合の振動モードは、基本モードであり、超音波振動ブロック５０１Ａに生じている定在波が半波長の３倍である場合の振動モードは、３倍モードであり、そして、超音波振動ブロック５０１Ａに生じている定在波が半波長の５倍である場合の振動モードは、５倍モードである。なお、図１４では、接着タイプの超音波振動ブロック５０１Ａで振動モードを説明しているが、ボルト締めタイプの超音波振動ブロック５０１Ｂについても同様である。

ここで、超音波振動ブロック５０１Ａの接合部材は、接着剤５１４Ａの層であり、超音波振動ブロック５０１Ｂの接合部材は、ボルト５１４Ｂである。また、超音波振動ブロック５０１Ａにおける一方端面５０１−１Ａは、超音波振動子５１２Ａにおけるホーン５１３Ａと接合している面に対向する面（ホーン５１３Ａと接合していない面）であり、他方端面５０１−２Ａは、ホーン５１３Ａの放射面５１３−２Ａである。超音波振動ブロック５０１Ｂにおける一方端面５０１−１Ｂは、ボルト５１４Ｂにおける超音波振動子５１２Ｂと接している面に対向する面（超音波振動子５１２Ｂと接していない面）であり、他方端面５０１−２Ｂは、ホーン５１３Ｂの放射面５１３−２Ｂである。

このような構成の超音波発生装置５００Ａ、５００Ｂでは、駆動部５１１Ａ、５１１Ｂで生成された電気振動ＥＶは、超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂに印加され、超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂで超音波の機械振動に変換されて接合面５１３−１Ａ、５１３−１Ｂからホーン５１３Ａ、５１３Ｂに伝えられ、そして、超音波の機械振動がホーン５１３Ａ、５１３Ｂの放射面５１３−２Ａ、５１３−２Ｂから放射される。上記剤浸透促進及び美容等の超音波処理を施される対象物Ｏは、ホーン５１３Ａ、５１３Ｂの放射面５１３−２Ａ、５１３−２Ｂに、直接、又は、水やジェルやゲル等の超音波伝達用媒体を介して接触され、放射面５１３−２Ａ、５１３−２Ｂから放射された超音波は、対象物Ｏに伝えられ、超音波処理に供される。

そして、図１２（Ｂ）及び図１３（Ｂ）に示すように、超音波振動ブロック５０１Ａ、５０１Ｂが共振点から反共振点までの発振範囲ＲＲＡ、ＲＲＢにおける何れかの周波数ｆ、例えば駆動周波数ｆｄＡ、ｆｄＢで超音波振動するように、超音波発生装置５００Ａ、５００Ｂが制御される。この超音波発生装置５００Ａ、５００Ｂの制御方法には、超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂの周波数ｆを駆動部５１１Ａ、５１１Ｂに帰還することによって目標の駆動周波数ｆｄＡ、ｆｄＢで超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂが振動するように駆動部５１１Ａ、５１１Ｂで生成する電気振動ＥＶを調整する自励発振方式と、超音波振動子５１２Ａ、５１２Ｂが目標の駆動周波数ｆｄＡ、ｆｄＢで振動するような電気振動ＥＶを生成するように駆動部５１１Ａ、５１１Ｂを予め設定しておく他励発振方式とがある。このような自励発振方式及び他励発振方式は、例えば、特許文献１に開示されている。
特開２００２−２４８１５３号公報

ところで、自励発振方式では、超音波振動子のインピーダンスＺを検出することによって超音波振動子の周波数ｆを検出しているため、目標の駆動周波数ｆｄを含む振動モードとは異なる振動モードで駆動部の電気振動ＥＶを調整してしまうことがあるため、目標の駆動周波数ｆｄとは異なる周波数ｆ（誤った周波数ｆ）で超音波振動子が振動してしまうという不都合や、自励発振であるために、超音波振動子の出力を一定に制御することが難しいという不都合があった。さらに、出力を一定に制御することが難しいため、比較的低いインピーダンスＺとなるメガヘルツ帯を出力する超音波発生装置には、不適当であった。

一方、他励発振方式では、周囲環境の変化や超音波振動子自体の発熱等による温度変化等によって超音波振動子の出力特性が変化してしまうため、目標の駆動周波数ｆｄで超音波振動子を振動させたとしても、目的の出力が得られないという不都合があった。

さらに、周囲環境の変化や超音波振動子自体の発熱等による温度変化、及び、外部応力等による経年変化等により、共振周波数ｆｒや反共振周波数ｆａがシフトする場合が多いために、自励発振方式では目標の駆動周波数ｆｄとは異なる周波数ｆで超音波振動子が振動してしまう不都合や、他励発振方式では出力が変化してしまう不都合がより問題となる。特に、メガヘルツ以上の周波数で出力する超音波発生装置では、例えば３倍モードや５倍モード等の高次モードを利用するため、これら上記不都合がさらに問題となる。

本発明は、上述の問題に鑑みて為された発明であり、安定的に目標の駆動周波数で超音波を発生することができる超音波発生装置を提供することを目的とする。また、この超音波発生装置を用いた超音波美容装置を提供することを目的とする。

本発明者は、種々検討した結果、下記の点に気づき、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。

図１は、本発明の原理を説明するための図である。図１（Ａ）は、インピーダンス周波数特性を示し、その横軸は、周波数ｆであり、その縦軸は、常用対数表示のインピーダンスＺである。実線は、超音波の機械振動を伝達する対象物Ｏが伝達部材に接触していない無負荷の場合における超音波振動子のインピーダンス周波数特性であり、一点鎖線は、超音波の機械振動を伝達する対象物Ｏが伝達部材に接触している負荷の場合における超音波振動子のインピーダンス周波数特性である。図１（Ｂ）は、無負荷の場合におけるホーン等の伝達部材に接合されている状態の超音波振動子の等価回路を示し、図１（Ｃ）は、負荷の場合におけるホーン等の伝達部材に接合されている状態の超音波振動子の等価回路を示す。

図１（Ａ）に示すように、無負荷の場合のインピーダンス周波数特性ＣＮＬは、或る振動モードにおいて、背景技術でも説明したように、周波数ｆが高くなるに従って、インピーダンスＺが小さくなって周波数ｆｒで極小Ｚｒ１となり、その後大きくなって周波数ｆａで極大Ｚａ１となり、そして再び小さくなるプロファイルである。そして、負荷の場合のインピーダンス周波数特性ＣＬは、無負荷の場合のインピーダンス周波数特性ＣＮＬと略同様なプロファイルであるが、負荷の場合のインピーダンス周波数特性ＣＬにおける極小のインピーダンスＺｒ２が無負荷の場合のインピーダンス周波数特性ＣＮＬにおける極小のインピーダンスＺｒ１よりも大きく、そして、負荷の場合のインピーダンス周波数特性ＣＬにおける極大のインピーダンスＺａ２が無負荷の場合のインピーダンス周波数特性ＣＮＬにおける極大のインピーダンスＺａ１よりも小さくなっている。

これは、図１（Ｂ）及び（Ｃ）にそれぞれ示すように、無負荷の場合では、伝達部材に接合されている状態の超音波振動子の等価回路が、直列に接続されたコイルＬ、コンデンサＣ１及び抵抗器Ｒ１に、並列にコンデンサＣ２を接続した回路であり、負荷の場合では、伝達部材に接合されている状態の超音波振動子の等価回路が、直列に接続されたコイルＬ、コンデンサＣ１、抵抗器Ｒ１及び抵抗器Ｒ２に、並列にコンデンサＣ２を接続した回路である。即ち、負荷の場合では、無負荷の場合に較べて、対象物Ｏが伝達部材に接触している負荷に相当する抵抗の抵抗器Ｒ２が抵抗器Ｒ１にさらに直列接続している。

このため、インピーダンス周波数特性における無負荷の場合の極小及び極大のインピーダンスＺｒ１、Ｚａ１は、負荷の場合では上述のように変化し、極小の周波数ｆｒから極大の周波数ｆａまでの発振範囲において、無負荷の場合のインピーダンス周波数特性と負荷の場合のインピーダンス周波数特性とは、一つの点Ｐで交わる。

この無負荷の場合のインピーダンス周波数特性と負荷の場合のインピーダンス周波数特性とが一点Ｐで交わることは、背景技術で示した特許文献１にも記載されているけれども、ここで、発明者らは、伝達部材に加わる負荷のかかり具合が変わったとしても抵抗器Ｒ２の抵抗の大きさが変わるだけなので、無負荷の場合のインピーダンス周波数特性と負荷の場合のインピーダンス周波数特性とが常に一点Ｐで交わり、かつ、交点Ｐの周波数ｆｍとインピーダンスＺｍとが変わらないことに気が付いた。そこで、発明者らは、超音波発生装置やこれを用いた超音波美容装置がどのような状態にあっても、この無負荷の場合のインピーダンス周波数特性と負荷の場合のインピーダンス周波数特性との交点Ｐを基準に、超音波振動子を駆動すべき目標駆動周波数ｆｄを決定すれば、安定的に目標駆動周波数ｆｄで超音波を発生することができることを見出した。

本発明は、このような知見に基づくものであり、本発明の一態様に係る超音波発生装置は、電気振動を生成する駆動部と、前記駆動部からの前記電気振動を超音波の機械振動に変換する超音波振動子と、一方面に前記超音波振動子が接合され前記超音波振動子からの前記超音波の機械振動を他方面の放射面に伝達する伝達部材と、前記超音波振動子のインピーダンスを測定する測定部と、前記超音波の機械振動を伝達する対象物が前記伝達部材に接触している負荷の場合における前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性と、前記超音波の機械振動を伝達する対象物が前記伝達部材に接触していない無負荷の場合における前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性との交点におけるインピーダンス、及び、前記測定部で測定したインピーダンスに基づいて前記超音波振動子を駆動すべき目標駆動周波数を求め、該求めた目標駆動周波数で前記超音波振動子が振動するように、前記駆動部を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

そして、上述の超音波発生装置において、前記測定部は、前記駆動部によって前記超音波振動子に一定振幅の電圧を印加した場合における前記超音波振動子に流れる電流値に基づいて前記インピーダンスを測定することを特徴とする。

また、これら上述の超音波発生装置において、前記交点のインピーダンスは、前記超音波の機械振動を伝達する対象物が前記伝達部材に接触している負荷の場合における前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性、及び、前記超音波の機械振動を伝達する対象物が前記伝達部材に接触していない無負荷の場合における前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性を予め測定し、該測定結果より予め求めた値であることを特徴とする。

さらに、これら上述の超音波発生装置において、前記制御部は、さらに、前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性における共振周波数及び反共振周波数を前記測定部によって測定し、該測定した共振周波数及び反共振周波数に基づいて前記交点のインピーダンスを求めることを特徴とする。

そして、これら上述の超音波発生装置において、前記目標駆動周波数は、前記交点の周波数に関する一次関数によって表され、前記制御部は、前記一次関数を用いて前記目標駆動周波数を求めることを特徴とする。

また、これら上述の超音波発生装置において、前記目標駆動周波数は、外部要因によるインピーダンス周波数特性の変動を考慮したマージンだけ反共振点又は共振点から離れた周波数であることを特徴とする。

さらに、これら上述の超音波発生装置において、前記制御部は、複数の周波数の電気振動で前記超音波振動子を駆動した場合における複数のインピーダンスを前記測定部で測定し、前記複数の周波数と前記複数の周波数とからインピーダンス周波数特性の傾きを求め、該求めたインピーダンス周波数特性の傾きに基づいて前記目標駆動周波数を求めることを特徴とする。

また、これら上述の超音波発生装置において、前記目標駆動周波数で前記超音波振動子を駆動している場合における前記無負荷の場合のインピーダンス又は前記負荷の場合のインピーダンスを記憶する記憶部をさらに備え、前記制御部は、前記無負荷の場合に又は前記負荷の場合に、前記超音波振動子の駆動中におけるインピーダンスを前記測定部で測定し、該測定したインピーダンスと前記記憶部に記憶されているインピーダンスとを比較し、該比較の結果に応じて、前記目標駆動周波数を求めるか否かを判断し、該判断の結果に応じて前記目標駆動周波数を求めることを特徴とする。

そして、本発明の他の態様に係る超音波美容装置は、上述の超音波発生装置の何れか１つを用いたことを特徴とする。

このような構成の超音波発生装置及び超音波美容装置は、安定的に目標駆動周波数で超音波を発生することができる。このため、超音波発生装置は、対象物Ｏに超音波処理を効果的に施すことができる。また、超音波美容装置は、対象物Ｏに美容効果を効果的に与えることができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
（実施形態の構成）
図２は、実施形態に係る超音波発生装置の構成を示すブロック図である。図２において、超音波発生装置１は、駆動部１１と、超音波振動子１２と、ホーン１３と、測定部１４と、制御部１５と、記憶部１６とを備えて構成される。

駆動部１１は、超音波振動子１２を駆動するための電気振動を生成するものであり、例えば、正弦波等の所定の周波数の交流信号を発生する発振回路１１３と、交流信号を所定の増幅率で増幅する増幅回路１１２とを備えて構成される。発振回路１１３は、コルピッツ発振回路やハートレイ発振回路等の公知な発振回路を利用することができるが、容易に発振周波数を変更することができる観点から、本実施形態では、例えば、ＰＬＬ（phase locked loop）回路を用いた周波数シンセサイザである。周波数シンセサイザは、例えば、基準発振器と、位相比較器と、ローパスフィルタと、電圧制御発振器と、分周器とを備えて構成される。このような構成の周波数シンセサイザでは、電圧制御発振器の出力は、分周器で分周又は逓倍されて所定の周波数に変換され、位相比較器へ出力される。位相比較器では、分周器からの出力と基準発振器からの出力との位相が比較され、その誤差成分がローパスフィルタへ出力される。ローパスフィルタでは、位相比較器からの出力に基づいて補正値電圧が生成され、電圧制御発振器へ出力される。そして、分周後の周波数と基準発振器の周波数とが一致するように、電圧制御発振器が補正値電圧に応じて発振周波数を変えるものである。周波数シンセサイザでは、分周又は逓倍する分周器の倍率を変更することによって所望の周波数が得られる。

超音波振動子１２は、測定部１４を介した駆動部１１からの電気振動を超音波の機械振動に変換するものであり、例えば、水晶等の圧電材料を電極で挟んだ構造の圧電振動子である。ホーン１３は、一方面に超音波振動子１２が接合され超音波振動子１２からの超音波の機械振動を他方面の放射面に伝達するものであり、伝達部材の一例である。

超音波振動子１２とホーン１３と接合タイプに応じた接合部材（不図示）は、超音波振動ブロック２を構成し、背景技術で説明した図１０や図１１に示すものと同様である。接着タイプでは、図１０に示すように、ホーン５１３Ａは、短高有底の円筒形状をした例えばアルミニウムや軽合金等の金属部材であり、例えば水晶振動子等の超音波振動子５１２Ａがホーン５１３Ａの内底面に接着剤５１４Ａによって接着され、固定される。ボルト締めタイプでは、図１１に示すように、ホーン５１３Ｂは、放射面側に向けて先細り状の円錐台形状をした例えばアルミニウムや軽合金等の金属部材であり、大径の接合面の略中央にボルト５１４Ｂを締結するためのねじ溝が放射面側に向けて内部に形成されており、略中央に貫通孔を有する複数（図１１では２個）の振動子５１２−１Ｂを重ねた超音波振動子５１２Ｂが貫通孔を介して挿通されるボルト５１４Ｂによってホーン５１３Ｂに締結され、固定される。そして、ボルト５１４Ｂと超音波振動子５１２Ｂとの間、各振動子５１２−１Ｂ間、及び、超音波振動子５１２Ｂとホーン５１３Ｂとの間には、それぞれ導電性シート５１２−２Ｂが挟まれている。接着タイプは、例えばメガヘルツ帯等の数百ｋＨｚ以上の高周波数の超音波を発生する超音波発生装置に好適であり、高周波数であることから、例えば、美容、パーティクル洗浄及び霧化等の用途に好適である。一方、ボルト締めタイプは、例えばキロヘルツ帯等の１００ｋＨｚ以下の低周波数の超音波を発生する超音波発生装置に好適であり、低周波数であることから、例えば切断、接合、分散、液体噴霧等の用途に好適である。

測定部１４は、超音波振動子１２のインピーダンスＺを測定するものであり、例えば、超音波振動子１２に流れる電流を検出する例えば検出抵抗器等を備える電流検出回路１４１と、発振回路１１３の発振周波数を制御することで駆動部１１からの電気振動の周波数を制御する周波数制御部１４３と、駆動部１１からの電気振動の周波数の通知を周波数制御部１４３から受けると共に、電流検出回路１４１から通知された検出電流値に基づいて、周波数制御部１４３から通知を受けた周波数におけるインピーダンスＺを演算するインピーダンス演算部１４２とを備えて構成される。

制御部１５は、超音波の機械振動を伝達する対象物Ｏ（不図示）がホーン１３に接触している負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と、超音波の機械振動を伝達する対象物Ｏがホーン１３に接触していない無負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点ＰにおけるインピーダンスＺ、及び、測定部１４で測定したインピーダンスＺに基づいて、後述するように、超音波振動子１２を駆動すべき目標駆動周波数ｆｄを求め、この求めた目標駆動周波数ｆｄで超音波振動子１２が振動するように、駆動部１１を制御するもので、例えば、周波数演算部１５１と、電圧制御部１５２と、駆動周波数制御部１５３とを備えて構成される。

この負荷の場合の超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と、無負荷の場合の超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点ＰにおけるインピーダンスＺｍは、本実施形態では、これら負荷の場合の超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と、無負荷の場合の超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性とを予め実測し、この測定結果からこれらインピーダンス周波数特性の交点Ｐを求めることによって予め求めておき、超音波発生装置１に利用される。この実測する超音波振動子１２は、超音波発生装置１に組み込まれた状態の実物が最も好ましいが、実物と同仕様の超音波振動ブロック２でもよい。また、交点ＰのインピーダンスＺｍをより精度よく求めるために、複数の同仕様の超音波振動ブロック２から、平均等の統計に利用される手法を用いて統計的に求めること等によって求めることが好ましい。

周波数演算部１５１は、負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と、無負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点ＰにおけるインピーダンスＺｍ、及び、測定部１４で測定したインピーダンスＺに基づいて、超音波振動子１２を駆動すべき目標駆動周波数ｆｄを求め、この求めた目標駆動周波数ｆｄを駆動周波数制御部１５３に通知する。

電圧制御部１５２は、増幅回路１１２の増幅率を制御することで駆動部１１の出力電圧を制御するものである。駆動周波数制御部１５３は、超音波発生装置１の通常の使用状態において、周波数演算部１５１で演算された目標駆動周波数ｆｄで超音波振動子１２が振動するように、発振回路１１３の発振周波数を制御することで駆動部１１からの電気振動の周波数を制御するものである。

ここで、これらインピーダンス演算部１４２、周波数制御部１４３、周波数演算部１５１、電圧制御部１５２及び駆動周波数制御部１５３は、例えば、マイクロプロセッサ及びその周辺回路等（以下、「ＭＰＵ」と略記する）を備えて構成され、機能的にこれら各部が構成される。

記憶部１６は、目標駆動周波数ｆｄを演算するために超音波発生装置１の各部を制御する目標駆動周波数演算プログラムや超音波発生装置１の通常の使用状態において超音波発生装置１の各部を制御する制御プログラム等の各種プログラム、及び、測定部１４で測定したインピーダンスＺ及びこのインピーダンスＺを測定した際の周波数ｆや、各種プログラムの実行に必要なデータや、その実行中に生じるデータ等の各種データを記憶するものである。記憶部１６は、例えば、上記ＭＰＵの所謂ワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性の記憶素子、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の書換え可能な不揮発性の記憶素子、及び、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性の記憶素子等を備えて構成される。

次に、本実施形態の動作について説明する。
（実施形態の動作）
図３は、実施形態に係る超音波発生装置の目標駆動周波数演算処理における動作を示すフローチャートである。図４は、目標駆動周波数を説明するための図である。図４の横軸は周波数ｆであり、その縦軸は常用対数表示のインピーダンスＺである。実線は、無負荷の場合のインピーダンス周波数特性であり、一点鎖線は、負荷の場合のインピーダンス周波数特性である。

超音波発生装置１に電源を投入する電源スイッチ（不図示）と超音波発生装置１に超音波発生動作を開始させる始動スイッチ（不図示）とが超音波発生装置１に設けられており、例えば、この電源スイッチがオンされ、超音波発生装置１に電源が投入されると、目標駆動周波数演算プログラムが実行され、目標駆動周波数ｆｄを演算する目標駆動周波数演算処理が開始される。

図３において、制御部１５の電圧制御部１５２は、増幅回路１１２の増幅率を調整することによって、駆動部１１が出力する交流信号の電圧を目標駆動周波数演算処理用に設定し、電圧の設定終了を周波数制御部１４３に通知する（Ｓ１１）。この目標駆動周波数演算処理用の電圧は、任意の大きさでよいが、目標駆動周波数演算処理を実行する上で消費電力が少なく、かつ、要求される精度で目標駆動周波数ｆｄを演算し得るインピーダンスＺが得られる電圧値が採用され、例えば、本実施形態では、インピーダンス演算部１４２が後述の処理Ｓ１３で測定した電流からインピーダンスを容易に演算し得ることから、交流信号の極大のピークにおける電圧が１Ｖで極小のピークにおける電圧が−１Ｖである１Ｖｐ−ｐである。

電圧の設定終了が電圧制御部１５２から通知されると、測定部１４の周波数制御部１４３は、発振回路１１３の周波数を調整することによって、即ち、本実施形態では分周器の倍率を調整することによって、インピーダンスＺを測定すべき周波数範囲における所定の周波数ｆに、駆動部１１が出力する交流信号の周波数ｆを設定し、この設定した周波数ｆ及び周波数ｆの設定終了をインピーダンス演算部１４２に通知する（Ｓ１２）。

これらの設定が終了すると、設定に応じた電圧及び周波数ｆの交流信号が駆動部１１から測定部１４の電流検出回路１４１を介して超音波振動子１２に出力される。

測定部１４の電流検出回路１４１は、駆動部１１から超音波振動子１２へ流れる電流を実効値で測定し、測定した電流をインピーダンス演算部１４２に通知する（Ｓ１３）。

測定部１４のインピーダンス演算部１４２は、電流検出回路１４１から測定した電流が通知されると、（インピーダンス）＝（電圧）／（電流）の関係を用いて、この測定した電流からインピーダンスＺを演算し、演算したインピーダンスＺと周波数制御部１４３から通知を受けた周波数ｆとを対応付けて記憶部１６に記憶する（Ｓ１４）。

次に、インピーダンス演算部１４２は、インピーダンスＺを測定すべき周波数範囲における全ての周波数ｆでインピーダンスＺを測定したか否かを判断する（Ｓ１５）。

この処理Ｓ１５における判断の結果、所定の周波数範囲における全ての周波数ｆでインピーダンスＺを測定している場合（Ｙｅｓ）には、インピーダンス演算部１４２は、記憶部１６に記憶したインピーダンスＺと周波数ｆとの各組（あるいは、インピーダンスＺと周波数ｆとの各組の記憶部１６における記憶位置）、及び、インピーダンスＺの測定終了を周波数演算部１５１に通知する（Ｓ１６）。

一方、この処理Ｓ１５における判断の結果、所定の周波数範囲における全ての周波数ｆでインピーダンスＺを測定していない場合（Ｎｏ）には、インピーダンス演算部１４２は、所定の周波数範囲におけるインピーダンスＺを測定すべき次の周波数ｆでインピーダンスＺの測定を実行すべく、周波数制御部１４３から通知を受けた周波数ｆにおけるインピーダンスＺの測定終了を周波数制御部１４３に通知することで処理を処理Ｓ１２に戻す。

当該周波数におけるインピーダンスＺの測定終了がインピーダンス演算部１４２から通知されると、周波数制御部１４３は、上述と同様に処理Ｓ１２を実行し、電流検出回路１４１は、上述と同様に処理Ｓ１３を実行し、インピーダンス演算部１４２は、上述と同様に処理Ｓ１４及び処理Ｓ１５を実行する。このように所定の周波数範囲における全ての周波数ｆでインピーダンスＺの測定が終了するまで、処理Ｓ１２乃至処理Ｓ１５が繰り返し実行され、周波数制御部１４３が処理Ｓ１２で駆動部１１から出力される交流信号の周波数ｆを設定するごとに、インピーダンスＺを測定すべき周波数範囲内で、所定の周波数ｆを変更することによって、このインピーダンスＺを測定すべき周波数範囲における全ての周波数ｆにおいてインピーダンスＺが測定される。即ち、インピーダンスＺを測定すべき周波数範囲で周波数ｆがスイープされながらインピーダンスＺが測定される。

このインピーダンスＺを測定すべき周波数範囲は、負荷の場合の超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と無負荷の場合の超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点Ｐにおける周波数ｆｍを中心とした一定の周波数範囲であることが好ましい。このインピーダンスＺを測定すべき周波数範囲は、例えば、この交点Ｐにおける周波数ｆｍの±１０％（即ち、０．９×ｆｍ〜１．１×ｆｍ）や、この交点Ｐにおける周波数ｆｍの±１５％（即ち、０．８５×ｆｍ〜１．１５×ｆｍ）等である。このようにこの交点Ｐにおける周波数ｆｍを中心とした一定の周波数範囲とすることで、他の振動モードを誤って選択することなく、超音波振動子１２を駆動すべき所定の振動モードにおける目標駆動周波数ｆｄを選定することができる。

そして、処理Ｓ１２で駆動部１１から出力される交流信号の周波数ｆを設定するごとにおける所定の周波数ｆの変更は、交点ＰのインピーダンスＺｍと一致するインピーダンスＺを与える周波数ｆをより精度よく測定するために、目標駆動周波数ｆｄの大きさを考慮した適宜な間隔で変更される。例えば、目標駆動周波数ｆｄが３ＭＨｚや５ＭＨｚ等のメガヘルツ帯である場合には０．５ｋＨｚや１ｋＨｚ等の間隔で変更され、また例えば、目標駆動周波数ｆｄが１００ｋＨｚや５００ｋＨｚ等のキロヘルツ帯である場合には１０Ｈｚや５０Ｈｚ等の間隔で変更される。

次に、インピーダンスＺの測定終了がインピーダンス演算部１４２から通知されると、制御部１５の周波数演算部１５１は、記憶部１６に予め記憶されている負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と無負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点ＰにおけるインピーダンスＺｍに一致する、あるいは、最も近い、測定部１４で測定したインピーダンスＺを選択し、この選択したインピーダンスＺに対応する周波数ｆを取得する（Ｓ１７）。

次に、周波数演算部１５１は、この取得した周波数ｆから所定の式を用いて目標駆動周波数ｆｄを求め、この求めた目標駆動周波数ｆｄを駆動周波数制御部１５３に通知すると共に、目標駆動周波数演算処理の終了を電圧制御部１５２に通知する（Ｓ１８）。この所定の式は、負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と無負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点Ｐにおける周波数ｆｍと、目標駆動周波数ｆｄとの間における関係を表す関数であり、例えば、ｆｄ＝α×ｆｍ＋βのように、一次関数で与えられる。

目標駆動周波数ｆｄは、図４に示すように、共振点の周波数ｆｒから反共振点の周波数ｆａまでの発振範囲ＲＲ内であれば、何れの周波数ｆでもよいが、周囲環境の変化や経年変化等の外部要因によるインピーダンス周波数特性の変動を考慮したマージンだけ反共振点又は共振点から離れた周波数ｆｄ１、ｆｄ２であることが好ましい。言い換えれば、周囲環境の変化や経年変化によるインピーダンス周波数特性の変動を考慮した上で、無負荷の場合のインピーダンスＺと負荷の場合のインピーダンスＺとの差が最も大きくなるように目標駆動周波数ｆｄを設定することが好ましい。例えば、交点Ｐの周波数ｆｍから反共振点の周波数ｆａまででは、無負荷の場合のインピーダンスＺｄ１と負荷の場合のインピーダンスＺｄ１’との差（｜Ｚｄ１−Ｚｄ１’｜）が最も大きくなるように目標駆動周波数ｆｄ１を設定することが好ましく、交点Ｐの周波数ｆｍから共振点の周波数ｆｒまででは、無負荷の場合のインピーダンスＺｄ２と負荷の場合のインピーダンスＺｄ２’との差（｜Ｚｄ２−Ｚｄ２’｜）が最も大きくなるように目標駆動周波数ｆｄ２を設定することが好ましい。なお、｜ｘ｜は、ｘの絶対値である。外部要因によるインピーダンス周波数特性の変動は、例えば、共振点のシフト、反共振点のシフト及びインピーダンス周波数特性における共振点付近や反共振点付近のプロファイルの変形等がある。このように目標駆動周波数ｆｄを設定することによって、無負荷の場合であるか負荷の場合であるかを判別する必要がある場合に、目標駆動周波数ｆｄで駆動中の超音波振動子１２のインピーダンスＺを測定することによって、無負荷の場合であるか負荷の場合であるかを容易に判別することができる。

さらに、目標駆動周波数ｆｄは、無負荷の場合の消費電力が小さく、発熱を抑制することができる観点から、発振範囲ＲＲのうち交点Ｐの周波数ｆｍから反共振点の周波数ｆａまでの範囲が好ましく、この観点から反共振点から上記マージンだけ離れた周波数ｆｄ１が最も好ましい。上記マージンは、統計的に、あるいは、経験的に設定される。

目標駆動周波数演算処理の終了が周波数演算部１５１から通知されると、電圧制御部１５２は、超音波発生装置１の通常の動作における増幅率で発振回路１１３からの交流信号を増幅するように増幅回路１１２を設定し、目標駆動周波数演算処理の終了を周波数制御部１４３に通知し、この通知を受けると、周波数制御部１４３は、発振回路１１３の周波数制御を終了する（Ｓ１９）。このように動作することによって、目標駆動周波数演算処理が終了され、超音波発生装置１は、通常の動作が可能な状態に設定される。

そして、始動スイッチがオンされると、駆動周波数制御部１５３は、発振回路１１３の周波数を調整することによって、周波数演算部１５１から通知された目標駆動周波数ｆｄで超音波振動子１２が駆動するように、駆動部１１が出力する交流信号の周波数ｆを制御する。

このように動作するので、超音波発生装置１は、安定的に目標駆動周波数ｆｄで超音波を発生することができる。このため、超音波発生装置１は、対象物Ｏに超音波処理を効果的に施すことができる。

なお、上述の実施形態では、各周波数で、駆動部１１によって超音波振動子１２に一定振幅の電圧（上述では、１Ｖｐ−ｐ）を印加した場合における超音波振動子１２に流れる電流を電流検出回路１４１で検出し、この検出した電流からインピーダンス演算部１４２でインピーダンスＺを測定するように構成したが、インピーダンスＺをよりよい精度で測定するために、超音波振動子１２に印加する電圧を変更してもよい。

また、上述の実施形態では、各周波数ｆで、駆動部１１によって超音波振動子１２に一定振幅の電圧（上述では、１Ｖｐ−ｐ）を印加した場合における超音波振動子１２に流れる電流を電流検出回路１４１で検出し、この検出した電流からインピーダンス演算部１４２でインピーダンスＺを測定するように構成したが、これに限定されるものではなく、公知なインピーダンス測定法を採用することができる。例えば、超音波振動子１２に一定値の電流を流す場合の電圧を測定することによってインピーダンスを測定してもよい。

さらに、上述の実施形態では、インピーダンスＺを測定すべき周波数範囲における全ての周波数ｆでインピーダンスＺを測定部１４で測定した後に、記憶部１６に予め記憶されている負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と無負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点ＰにおけるインピーダンスＺｍに一致する、あるいは、最も近い、測定部１４で測定したインピーダンスＺを選択し、この選択したインピーダンスＺに対応する周波数ｆから目標駆動周波数ｆｄを制御部１５で求めるように構成したが、測定部１４がインピーダンスＺを測定するごとに、この測定したインピーダンスＺとこの測定時における周波数ｆとを制御部１５に通知し、この通知されたインピーダンスＺが、記憶部１６に予め記憶されている負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と無負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点ＰにおけるインピーダンスＺｍと所定の範囲内で一致する場合に、この通知されたインピーダンスＺを選択し、この選択したインピーダンスＺに対応する周波数ｆから目標駆動周波数ｆｄを制御部１５で求めるように構成してもよい。このように構成することによって、インピーダンスＺを測定すべき周波数範囲における全ての周波数ｆでインピーダンスＺを測定する必要がなくなるので、目標駆動周波数演算処理をより短い時間で実行することができる。

また、上述の実施形態では、負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と無負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点ＰにおけるインピーダンスＺｍは、両インピーダンス周波数特性を予め実測して予め求めておき、この予め求めた交点ＰにおけるインピーダンスＺｍ、及び、測定部１４で測定したインピーダンスＺに基づいて、超音波振動子１２を駆動すべき目標駆動周波数ｆｄを求めたが、共振点及び反共振点を求め、共振点の周波数ｆｒ及び反共振点の周波数ｆａと交点Ｐの周波数ｆｍとの関係を表す関数ｆｍ＝γ×ｇ（ｆｒ）＋δ×ｈ（ｆａ）から交点Ｐの周波数ｆｍを求め、この求めた交点Ｐの周波数ｆｍから目標駆動周波数ｆｄを求めるように構成してもよい。例えば、超音波振動ブロック２における超音波振動子１２において、交点Ｐの周波数ｆｍが共振点の周波数ｆｒと反共振点の周波数ｆａとの中間に存在することが多いことから、交点Ｐの周波数ｆｍは、ｆｍ＝（ｆｒ＋ｆａ）／２で与えられる。

図５は、共振点及び反共振点に基づいて交点の周波数を求めて目標駆動周波数を求める場合のフローチャートを示す図である。

この共振点及び反共振点に基づいて交点Ｐの周波数ｆｍを求めて目標駆動周波数ｆｄを求める場合には、超音波発生装置１の各部を次のように動作させればよい。図５において、共振点及び反共振点に基づいて交点Ｐの周波数ｆｍを求めて目標駆動周波数ｆｄを求める場合の目標駆動周波数演算処理の処理Ｓ２１乃至処理Ｓ２６は、インピーダンスＺを測定するためにスイープする周波数範囲が異なる点を除き、図３を用いて説明した上述の処理Ｓ１１乃至処理Ｓ１６と同様であるので、その説明を省略する。

インピーダンスＺを測定するためにスイープする周波数範囲は、上述の処理Ｓ１１乃至処理Ｓ１６では交点Ｐの周波数ｆｍを与えるインピーダンスＺｍを探索することが目的であったので、交点Ｐの周波数ｆｍを中心とした一定の周波数範囲であったが、この処理Ｓ２１乃至処理Ｓ２６では、共振点及び反共振点を探索することが目的であるので、例えば、これら共振点の周波数ｆｒ及び反共振点の周波数ｆａを含む広い範囲の周波数範囲である必要がある。

処理Ｓ２７において、インピーダンスＺの測定終了がインピーダンス演算部１４２から通知されると、制御部１５の周波数演算部１５１は、記憶部１６に記憶されているインピーダンスＺと周波数ｆとの各組から共振点及び反共振点を抽出し、この抽出した共振点における周波数ｆｒ及びこの抽出した反共振点ｆａを、共振点の周波数ｆｒ及び反共振点の周波数ｆａと交点Ｐの周波数ｆｍとの関係を表す関数、例えばｆｍ＝（ｆｒ＋ｆａ）／２から交点Ｐの周波数ｆｍを演算する。共振点は、インピーダンス周波数特性の極小であり、反共振点は、インピーダンス周波数特性の極大であるから、共振点及び反共振点は、容易に精度よく抽出することができる。

次に、周波数演算部１５１は、この演算した周波数ｆｍから所定の式を用いて目標駆動周波数ｆｄを求め、この求めた目標駆動周波数ｆｄを駆動周波数制御部１５３に通知すると共に、目標駆動周波数演算処理の終了を電圧制御部１５２に通知する（Ｓ２８）。

目標駆動周波数演算処理の終了が周波数演算部１５１から通知されると、電圧制御部１５２は、超音波発生装置１の通常の動作における増幅率で発振回路１１３からの交流信号を増幅するように増幅回路１１２を設定し、目標駆動周波数演算処理の終了を周波数制御部１４３に通知し、この通知を受けると、周波数制御部１４３は、発振回路１１３の周波数制御を終了する（Ｓ２９）。このように動作することによって、目標駆動周波数演算処理が終了され、超音波発生装置１は、通常の動作が可能な状態に設定される。

このように共振点及び反共振点に基づいて交点Ｐの周波数ｆｍを求めて目標駆動周波数ｆｄを求めることによって、超音波振動子１２や超音波発生装置１の製造バラツキによる目標駆動周波数ｆｄへの影響を抑制することができる。

あるいは、上述の実施形態では、負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と無負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点ＰにおけるインピーダンスＺｍは、両インピーダンス周波数特性を予め実測して予め求めておいたが、共振点及び反共振点を求め、共振点の周波数ｆｒ及び反共振点の周波数ｆａと交点Ｐの周波数ｆｍとの関係を表す関数から交点Ｐの周波数ｆｍを求め、この求めた交点Ｐの周波数ｆｍから交点ＰのインピーダンスＺｍを求めるように構成してもよい。

図６は、共振点及び反共振点に基づいて交点のインピーダンスを求める場合のフローチャートを示す図である。

この共振点及び反共振点に基づいて交点ＰのインピーダンスＺｍを求める場合には、超音波発生装置１の各部を次のように動作させればよい。図６において、共振点及び反共振点に基づいて交点ＰのインピーダンスＺｍを求める処理の処理Ｓ３１乃至処理Ｓ３７は、図５を用いて説明した上述の処理Ｓ２１乃至処理Ｓ２７と同様であるので、その説明を省略する。

処理Ｓ３８において、周波数演算部１５１は、記憶部１６に記憶されている測定部１４で測定したインピーダンスＺと周波数ｆと各組の中から処理Ｓ３７で演算した周波数ｆｍに一致する、あるいは、最も近い、測定部１４で測定した周波数ｆを選択し、この選択した周波数ｆに対応するインピーダンスＺを取得し、交点ＰのインピーダンスＺｍとして記憶部１６に記憶すると共に、本処理の終了を電圧制御部１５２に通知する。

本処理の終了が周波数演算部１５１から通知されると、電圧制御部１５２は、超音波発生装置１の通常の動作における増幅率で発振回路１１３からの交流信号を増幅するように増幅回路１１２を設定し、本処理の終了を周波数制御部１４３に通知し、この通知を受けると、周波数制御部１４３は、発振回路１１３の周波数制御を終了する（Ｓ３９）。

このように共振点及び反共振点に基づいて交点Ｐの周波数ｆｍを求めて交点ＰのインピーダンスＺｍを求めることによって、超音波振動子１２や超音波発生装置１の製造バラツキによる目標駆動周波数ｆｄへの影響を抑制することができる。

ここで、図５や図６に示す動作において、インピーダンスＺを測定するためにスイープする周波数範囲は、共振点及び反共振点を探索することが目的であるので、共振点の周波数ｆｒを中心とした一定の周波数範囲及び反共振点の周波数ｆａを中心とした一定の周波数範囲だけでもよく、また、共振点の周波数ｆｒを中心とした一定の周波数範囲及び反共振点の周波数ｆａを中心とした一定の周波数範囲では周波数間隔を細かく、他の範囲では周波数間隔を粗くしてもよい。

さらに、上述の実施形態では、負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性と無負荷の場合における超音波振動子１２のインピーダンス周波数特性との交点ＰにおけるインピーダンスＺｍは、両インピーダンス周波数特性を予め実測して予め求めておき、この予め求めた交点ＰにおけるインピーダンスＺｍ、及び、測定部１４で測定したインピーダンスＺに基づいて、超音波振動子１２を駆動すべき目標駆動周波数ｆｄを求めたが、予めインピーダンス周波数特性の傾きａと交点Ｐの周波数ｆｍとの対応関係を求めておき、複数の周波数ｆの電気振動で超音波振動子１２を駆動した場合における複数のインピーダンスＺを測定部１４で測定し、複数の周波数ｆと複数のインピーダンスＺとからインピーダンス周波数特性の傾きａを求め、この求めたインピーダンス周波数特性の傾きａに基づいて目標駆動周波数ｆｄを求めるように構成してもよい。無負荷の場合を含む同一負荷におけるインピーダンス周波数特性は、共振点の周波数ｆｒと反共振点の周波数ｆａとの差、その間のインピーダンスＺの差が略同程度であることから、共振点と反共振点との間におけるインピーダンス周波数特性の傾きａから交点Ｐの周波数ｆｍを求めることができる。

図７は、インピーダンス周波数特性の傾きに基づいて交点の周波数を求めて目標駆動周波数を求める場合のフローチャートを示す図である。

まず、インピーダンス周波数特性の傾きａと交点Ｐの周波数ｆｍとの対応関係を予め実測し、この対応関係を記憶部１６に記憶しておく。そして、インピーダンス周波数特性の傾きａに基づいて交点Ｐの周波数ｆｍを求めて目標駆動周波数ｆｄを求める場合には、超音波発生装置１の各部を次のように動作させればよい。図７において、インピーダンス周波数特性の傾きａに基づいて交点Ｐの周波数ｆｍを求めて目標駆動周波数ｆｄを求める目標駆動周波数演算処理の処理Ｓ４１乃至処理Ｓ４６は、インピーダンスＺを測定するためにスイープする周波数範囲が異なる点を除き、図３を用いて説明した上述の処理Ｓ１１乃至処理Ｓ１６と同様であるので、その説明を省略する。

インピーダンスＺを測定するためにスイープする周波数範囲は、上述の処理Ｓ１１乃至処理Ｓ１６では交点Ｐの周波数ｆｍを与えるインピーダンスＺｍを探索することが目的であったので、交点Ｐの周波数ｆｍを中心とした一定の周波数範囲であったが、この処理Ｓ４１乃至処理Ｓ４６では、共振点から反共振点までのインピーダンス周波数特性の傾きａを求めることが目的であるので、これら共振点の周波数ｆｒから反共振点の周波数ｆａまでの範囲で少なくとも２個の測定点を含む周波数範囲であればよい。測定点を増やすことによって求めれるインピーダンス周波数特性の傾きａの精度が向上する。

処理Ｓ４７において、インピーダンスＺの測定終了がインピーダンス演算部１４２から通知されると、制御部１５の周波数演算部１５１は、記憶部１６に記憶されている測定部１４で測定したインピーダンスＺと周波数ｆとの各組からインピーダンス周波数特性の傾きａを求め、記憶部１６に予め記憶されているインピーダンス周波数特性の傾きａと交点Ｐの周波数ｆｍとの対応関係におけるインピーダンス周波数特性の傾きａの中から、この求めたインピーダンス周波数特性の傾きａと一致する、あるいは、最も近い、インピーダンス周波数特性の傾きａを選択し、この選択したインピーダンス周波数特性の傾きａに対応する周波数ｆｍを取得する。

次に、周波数演算部１５１は、この取得した周波数ｆｍから所定の式を用いて目標駆動周波数ｆｄを求め、この求めた目標駆動周波数ｆｄを駆動周波数制御部１５３に通知すると共に、目標駆動周波数演算処理の終了を電圧制御部１５２に通知する（Ｓ４８）。

目標駆動周波数演算処理の終了が周波数演算部１５１から通知されると、電圧制御部１５２は、超音波発生装置１の通常の動作における増幅率で発振回路１１３からの交流信号を増幅するように増幅回路１１２を設定し、目標駆動周波数演算処理の終了を周波数制御部１４３に通知し、この通知を受けると、周波数制御部１４３は、発振回路１１３の周波数制御を終了する（Ｓ４９）。このように動作することによって、目標駆動周波数演算処理が終了され、超音波発生装置１は、通常の動作が可能な状態に設定される。

このように構成することにより、数点で、最小のケースでは２点でインピーダンスＺを測定すればよいので、より高速に目標駆動周波数演算処理を実行することができる。

そして、上述の実施形態では、目標駆動周波数演算処理を超音波発生装置１の電源が投入された場合に実行したが、これに限定されるものではない。例えば、始動スイッチがオンされ超音波発生装置１が超音波を発生している通常の動作中に、目標駆動周波数演算処理を実行するように構成してもよい。あるいは、電源スイッチがオンされ電源の投入後であって始動スイッチがオフである待機中に、目標駆動周波数演算処理を実行するように構成してもよい。あるいは、超音波発生装置１がさらに電源供給源となる二次電池を備えた充電機能付きである場合に、その充電中に、目標駆動周波数演算処理を実行するように構成してもよい。これら動作中、待機中及び充電中における目標駆動周波数演算処理は、１回でもよいし、所定のタイミング（例えば始動後５分間隔や、始動後１０分間隔や、始動後２０分間隔等）で繰り返し実行されてもよい。そして、目標駆動周波数演算処理の実行を完了してから通常の動作に移行してもよいが、目標駆動周波数ｆｄを求めるために必要なインピーダンスＺを測定した後に通常の動作に移行し、通常の動作中にこの測定したインピーダンスＺを用いて目標駆動周波数ｆｄを求める演算を実行するように構成してもよい。

また、上述の実施形態において、目標駆動周波数演算処理を実施した後に、目標駆動周波数ｆｄで超音波振動子１２を駆動している場合における無負荷の場合のインピーダンスＺ又は負荷の場合のインピーダンスＺを記憶部１６に記憶し、制御部１５は、無負荷の場合に又は負荷の場合に、超音波振動子１２の駆動中におけるインピーダンスＺを測定部１４で測定し、この測定したインピーダンスＺと記憶部１６に記憶されているインピーダンスＺとを比較し、この比較の結果に応じて、目標駆動周波数演算処理を実行するか否かを判断し、この判断の結果に応じて目標駆動周波数演算処理を実行してもよい。

図８は、インピーダンスのずれによる目標駆動周波数演算処理の実行の判断動作を示すフローチャートである。図８（Ａ）は、インピーダンスの記憶動作を示すフローチャートであり、図８（Ｂ）は、目標駆動周波数演算処理の実行の判断動作を示すフローチャートである。

図８（Ａ）において、まず、制御部１５は、直近の目標駆動周波数演算処理で求められた目的駆動周波数ｆｄで駆動部１１によって超音波振動子１２を駆動する（Ｓ５１）。次に、測定部１４は、この駆動中における超音波振動子１２のインピーダンスＺを測定し、記憶部１６に記憶する（Ｓ５２）。

目標駆動周波数演算処理をする際に、図８（Ｂ）において、制御部１５は、無負荷の場合又は負荷の場合で、直近の目標駆動周波数演算処理で求められた目的駆動周波数ｆｄで駆動部１１によって超音波振動子１２を駆動する（Ｓ６１）。次に、測定部１４は、この駆動中における超音波振動子１２のインピーダンスＺを測定し、測定結果を制御部１５に通知する（Ｓ６２）。次に、制御部１５は、記憶部１６に記憶してあるインピーダンスＺと、この測定したインピーダンスＺとを比較し、比較した結果、これらの差が所定の範囲以内であるか否かを判断する（Ｓ６３）。

この判断の結果、差が所定の範囲以内である場合（Ｙｅｓ）には、本処理を終了し、目標駆動周波数演算処理を実行しない。即ち、超音波発生装置１は、直近の目標駆動周波数演算処理で求められた目的駆動周波数ｆｄで駆動される。

一方、この判断の結果、差が所定の範囲以内ではない場合（Ｎｏ）には、目標駆動周波数演算処理を実行する（Ｓ６４）。即ち、超音波発生装置１は、新たな目標駆動周波数演算処理で求められた目的駆動周波数ｆｄで駆動される。

ここで、この図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す動作は、無負荷の場合又は負荷の場合の何れかにおいて実行される。無負荷の場合であるか負荷の場合であるかは、図４から分かるように、無負荷の場合と負荷の場合とで超音波振動子１２に流れる電流が相違するので、超音波振動子１２に流れる電流を測定することによって判断することができる。

このように動作することによって、周囲環境の変化もなく共振点及び反共振点が略固定して安定している場合には、目標駆動周波数演算処理を実行する必要がない。

そして、このような超音波発生装置１を超音波美容装置に適用してもよい。図９は、超音波発生装置の超音波美容装置への適用例を示す一部断面図である。

図９において、超音波美容装置２０は、ハウジング（収容容器）２１と、上述の駆動部１１、測定部１４、制御部１５及び記憶部１６を備えた回路ブロック２２と、上述の超音波振動子１２及びホーン１３を備えた接着タイプの超音波振動ブロック２３とを備えて構成される。ハウジング２１は、例えば合成樹脂等で構成され、使用時に手で把持する把持部２１−１と、把持部２１−１の一方先端に配設された振動部２１−２とを備え、ハウジング２１内、主に把持部２１−１内には回路ブロック２２が収容され、振動部２１−２の一方面（正面）にはホーン１３の放射面が肌等の対象物Ｏに直接又は超音波伝達媒体３１を介して接触可能となるように超音波振動ブロック２３が配設される。

このような超音波美容装置２０は、上述の超音波発生装置１が組み込まれているので、安定的に目標駆動周波数ｆｄで超音波を発生することができる。このため、超音波美容装置２０は、対象物Ｏに美容効果を効果的に与えることができる。特に、薬剤を用いることで薬剤が肌に効果的に作用して美肌がもたらされる。

ここで、インピーダンスは、上述したように、（インピーダンス）＝（電圧）／（電流）の関係にあるので、電圧が既知の場合の電流や、電流が既知の場合の電圧は、インピーダンスと等価的であり、この意味でインピーダンスに含まれる。即ち、インピーダンスに代えて電圧が既知の場合に電流を利用することができ、また、インピーダンスに代えて電流が既知の場合に電圧を利用することができる。

本発明の原理を説明するための図である。 実施形態に係る超音波発生装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る超音波発生装置の目標駆動周波数演算処理における動作を示すフローチャートである。 目標駆動周波数を説明するための図である。 共振点及び反共振点に基づいて交点の周波数を求めて目標駆動周波数を求める場合のフローチャートを示す図である。 共振点及び反共振点に基づいて交点のインピーダンスを求める場合のフローチャートを示す図である。 インピーダンス周波数特性の傾きに基づいて交点の周波数を求めて目標駆動周波数を求める場合のフローチャートを示す図である。 インピーダンスのずれによる目標駆動周波数演算処理の実行の判断動作を示すフローチャートである。 超音波発生装置の超音波美容装置への適用例を示す一部断面図である。 背景技術に係る超音波発生装置の構成を示す図である。 背景技術に係る超音波発生装置の構成を示す図である。 超音波振動ブロックの特性を説明するための図である。 超音波振動ブロックの特性を説明するための図である。 超音波振動ブロックの振動モードを説明するための図である。

符号の説明

１、５００Ａ、５００Ｂ 超音波発生装置
２、２３ 超音波振動ブロック
１１、５１１Ａ、５１１Ｂ 駆動部
１２、５１２Ａ、５１２Ｂ 超音波振動子
１３、５１３Ａ、５１３Ｂ ホーン
１４ 測定部
１５ 制御部
１６ 記憶部
２０ 超音波美容装置
２１ ハウジング（収容容器）
２２ 回路ブロック
１１２ 増幅回路
１１３ 発振回路
１４１ 電流検出回路
１４２ インピーダンス演算部
１４３ 周波数制御部
１５１ 周波数演算部
１５２ 電圧制御部
１５３ 駆動周波数制御部
５１３−１Ａ、５１３−１Ｂ 接合面
５１３−２Ａ（５０１−２Ａ）、５１３−２Ｂ（５０１−２Ｂ） 放射面
５１４Ａ 接着剤
５１４Ｂ ボルト

Claims (9)

1. 電気振動を生成する駆動部と、
   前記駆動部からの前記電気振動を超音波の機械振動に変換する超音波振動子と、
   一方面に前記超音波振動子が接合され前記超音波振動子からの前記超音波の機械振動を他方面の放射面に伝達する伝達部材と、
   前記超音波振動子のインピーダンスを測定する測定部と、
   前記超音波の機械振動を伝達する対象物が前記伝達部材に接触している負荷の場合における前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性と、前記超音波の機械振動を伝達する対象物が前記伝達部材に接触していない無負荷の場合における前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性との交点におけるインピーダンス、及び、前記測定部で測定したインピーダンスに基づいて前記超音波振動子を駆動すべき目標駆動周波数を求め、該求めた目標駆動周波数で前記超音波振動子が振動するように、前記駆動部を制御する制御部とを備えること
   を特徴とする超音波発生装置。
2. 前記測定部は、前記駆動部によって前記超音波振動子に一定振幅の電圧を印加した場合における前記超音波振動子に流れる電流に基づいて前記インピーダンスを測定すること
   を特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
3. 前記交点のインピーダンスは、前記超音波の機械振動を伝達する対象物が前記伝達部材に接触している負荷の場合における前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性、及び、前記超音波の機械振動を伝達する対象物が前記伝達部材に接触していない無負荷の場合における前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性を予め測定し、該測定結果より予め求めた値であること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波発生装置。
4. 前記制御部は、さらに、前記超音波振動子のインピーダンス周波数特性における共振周波数及び反共振周波数を前記測定部によって測定し、該測定した共振周波数及び反共振周波数に基づいて前記交点のインピーダンスを求めること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波発生装置。
5. 前記目標駆動周波数は、前記交点の周波数に関する一次関数によって表され、
   前記制御部は、前記一次関数を用いて前記目標駆動周波数を求めること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の超音波発生装置。
6. 前記目標駆動周波数は、外部要因によるインピーダンス周波数特性の変動を考慮したマージンだけ反共振点又は共振点から離れた周波数であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の超音波発生装置。
7. 前記制御部は、複数の周波数の電気振動で前記超音波振動子を駆動した場合における複数のインピーダンスを前記測定部で測定し、前記複数の周波数と前記複数の周波数とからインピーダンス周波数特性の傾きを求め、該求めたインピーダンス周波数特性の傾きに基づいて前記目標駆動周波数を求めること
   を特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の超音波発生装置。
8. 前記目標駆動周波数で前記超音波振動子を駆動している場合における前記無負荷の場合のインピーダンス又は前記負荷の場合のインピーダンスを記憶する記憶部をさらに備え、
   前記制御部は、前記無負荷の場合に又は前記負荷の場合に、前記超音波振動子の駆動中におけるインピーダンスを前記測定部で測定し、該測定したインピーダンスと前記記憶部に記憶されているインピーダンスとを比較し、該比較の結果に応じて、前記目標駆動周波数を求めるか否かを判断し、該判断の結果に応じて前記目標駆動周波数を求めること
   を特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の超音波発生装置。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の超音波発生装置を用いた超音波美容装置。

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