JP3986515B2 - 超音波装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波加工機，超音波ウエルダー，超音波カッター，超音波振動切削装置，超音波メスなどの超音波手術装置、或は、超音波洗浄器など各種の超音波応用装置（以下、これらを「超音波装置」という）に利用することが出来る制御技術に関し、より具体的には、振動子や工具などの振動体を、無負荷のときは小さな振動振幅として振動応力や発熱を少なくする一方、負荷が加わると所定の振動振幅にパワーアップして通常の振動をさせ、また、所定の定振幅で作動中に負荷がなくなると元の小さな振幅に戻したり、或は、振動を停止させる制御方法に関する。

従来、振動子に負荷が印加されたことを検知するための手段として、微小振幅で振動している振動子に流れる電流あるいは振動子のアドミッタンスなどの負荷による変動パラメータをモニターし、モニターしているパラメータの変化または変化率により負荷の印加、即ち負荷量を検知して定格振幅で振動させることが知られている。

上記従来技術の例としては特許文献１に見られるように、小さな振幅で駆動されている振動子の駆動電流iaをモニターし、電流の変化より負荷が印加されたとして振動振幅を定格値まで増加させたり、或は、特許文献２に開示されているように、振動子電流の変化率が設定値以上に大きくなったとき、上記と同様に定格振動に制御するものがある。

一方、特許文献３に見られるように、超音波プローブに冷却水が送水されていることを振動子のインピーダンスなどにより判断し、異常の場合は振動子の駆動を停止するものなどもある。

超音波装置において、無負荷時の過励振は、超音波振動子や工具などの発熱及び疲労による劣化を招来する。特に、大きな振動振幅を必要とする超音波ウエルダーや超音波カッターでは、負荷が印加されてない時の大きな振動振幅による工具の応力疲労による劣化がその信頼性の問題として残っており、超音波手術装置における超音波プローブの非冷却時の発熱、劣化なども同様である。一方、振動切削装置においては大きな振動切削効果を得るためには刃先の振動速度を大きくしなければならないが、無負荷時の工具の応力疲労や発熱を考慮すると、工具である刃先の振動振幅は制限せざるを得ないのが実状である。

さらに、超音波洗浄器では、洗浄液を入れたタンクの底面裏側に取りつけた振動子から振動を発生するものや、洗浄液を入れたタンクの中に密閉容器で囲った振動子を投入する投げ込み式があるが、それらにおいては無負荷、すなわち洗浄液を入れない状態で電源が投入されると振動子の過励振により振動子は発熱し破損に至り、信頼性を損ねる原因となっている。

上記の超音波洗浄器の具体例として、図３に示す洗浄液を入れたタンクの底面裏側に取りつけた振動子から振動を発生する一般的な超音波洗浄器について、その問題点を示す。
図３において、43は被洗浄物を入れる洗浄槽、44は洗浄液、45は振動子である。振動子45は洗浄槽43の底面裏側に接着剤46を用いて強固に接着されている。振動子45には通常圧電素子が用いられており、図示しない発振器より高周波電圧を印加することにより超音波振動を発生し、接着剤46と洗浄槽43を介して洗浄液44を振動させることによって、液中に浸漬された被洗浄物の超音波洗浄が行われる。ここで、振動子45の最適な振動条件は洗浄槽43に洗浄液44が満たされた状態のとき最適な振動が行われるような回路設定がなされている。

しかし、上記洗浄槽43において洗浄液44が無い場合に振動子45が駆動されると無負荷振動となるので、当該振動子45は過励振状態となり、発熱して接着が緩み、最悪の場合振動子45が脱落したり、或は、割れるなどの再生不可能な故障に至る場合が多々ある。

通常は洗浄槽43に常に洗浄液44が満たされているので、その限りにおいて上記のような過励振に陥る心配は全く無いが、洗浄液44の交換作業などの後に、新しい洗浄液の補充を忘れてうっかり発振させてしまうなどの人為的事故が後を絶たない。このため人為的ミスを防止する目的で水位センサーなどの安全策を講じる例も多いが、センサー設置コストやその信頼性などの点からも、直接駆動インピーダンスなどを検知して確実に動作する、安価な安全装置が望まれている。

また、上記洗浄器と同様に超音波エネルギーを重畳させた液体の振動を利用する加湿器や噴射式洗浄器もあるが、これらの超音波装置も同じく液体に振動子が接していないと振動が液体に伝わらないだけでなく、振動子は無負荷となって過励振により発熱し、劣化するに至る。さらに、噴射式洗浄器においては、下方に向けて作業を行なう時、洗浄中に噴射ノズル内にエアーが滞留すると、振動子と洗浄液とがエアーで分離されて無負荷状態となり振動子の劣化を招来するに至る。

上記の特許文献１の技術のように、無負荷時の過励振を避けるために駆動電圧を下げて振動振幅を小さくしたものでは、待機時に流れる振動子電流が、小さな振動振幅での無負荷状態なので僅少な値となるため、正しい振動子電流の測定には高周波整流器を含めて誤差が大きくなり、負荷の印加の正しい判別が困難になることが多いという問題がある。

この問題点を解決しようとすると、上記特許文献３のように、高周波-直流変換器や演算器によるインピーダンスの抽出など高度の技術を必要とすることによって大幅なコストアップを招来し、さらに高周波信号を扱う演算器では、よりコストの高いものが必要となり、さらにこの高周波−直流変換器や演算器は振動周波数が高くなるほど急激に実現が困難となるという別の問題がある。

さらに、従来技術では負荷の印加を振動子電流によって判別することが多いが、この場合、振動振幅の駆動レベルを変えると振動子電流値は変化してしまうので、電流値をそのまま使うことは出来ず、電流値の変化率を抽出するなどの処理が必要になるという課題がある。
特公平２−８８９１号公報 特開平11−２８４２１号公報 特開平３−１４６０４８号公報

本発明は、上記特許文献１〜３などにあるような超音波装置の制御に関する従来技術の問題点に鑑み、複雑な高周波整流や高周波演算を行うことがなく、簡単な回路と低コストの手法によって超音波装置における負荷の変動を確実に判別できる方法を提供することを、その課題とする。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明方法の機構は、発振開始時に小さな振動振幅で駆動した超音波装置におけるパワーアンプへの供給直流電源の、印加電圧と印加電流を計測して超音波振動子への負荷量を演算器により算出し、算出された負荷量が設定した値を超えたときは、所定乃至定格の振動振幅を印加し、所定乃至定格の発振時に負荷量が設定値を下回ったときは、振動開始時の小さな振幅に戻すか、振動を停止させることを特徴とするものである。

本発明では、上記構成において、計測された信号よりパワーアンプの内部損失である暗電流成分または暗電圧成分を差し引いて補正したのち、負荷量を演算器により算出し、算出された負荷量が設定した値を超えたときは、所定（定格）の振動振幅（駆動電圧または電流）を印加し、負荷量が設定値を下回った時は、小さな振幅に戻すか、振動を停止させることが好ましい。

本発明では、信号処理が直流信号の計測と演算によりなされるので、高周波信号の処理と違って高周波・直流変換誤差が含まれず、広範囲な振動振幅レベルに対しても負荷の状態を正しく反映した負荷量のパラメータが得られる。また計測された信号からパワーアンプの暗電流成分または暗電圧成分を補正することにより、一層正確に振動子の負荷量のパラメータを得ることができる。

次に、本発明の実施の形態例について、図を参照して説明する。
図１は本発明方法を適用した超音波装置をブロック図で例示した第１の実施例である。当業界では公知，公用されているように、直列共振周波数で駆動するときは定電流電源を用いて無負荷時の印加電圧が最小となり、負荷の印加とともに印加電圧が増大してパワーがアップする動作となるが、この実施例では超音波振動子９を並列共振周波数で駆動しているので定電圧駆動として説明する。

周波数自動追尾及び電源電圧などの制御を行なう制御回路１より駆動回路２を経てスイッチングアンプ３を駆動する。スイッチングアンプ３は、直流電源８が印加された２個のトランジスタからなり交互にON，OFFのスイッチング動作を行なうアンプであり、その直流電源端子には高周波パスコン４が接続され、超音波振動子９の共振周波数と同一の周波数を持つ矩形波出力を発生する。矩形波出力は直流阻止用コンデンサー５を経て出力トランス６により所要の電圧に変換された後、共軛整合用チョークコイル７を経て超音波振動子９に接続されている。

超音波振動子９は、図２に振動切削を行なうドリル用として例示したように、振動子11とホーン12が接続され、ホーン12の先端には工具であるドリル13が取り付けられ、また、振動子11は駆動端子としてホット端子14とグランド端子15が設けられている。

図１，図２に例示した超音波装置に電源が投入されるとスイッチングアンプ３は、超音波振動子９の共振周波数でスイッチングを始めて電源電流Ibが流れ、出力トランス６を経て発生した高周波電圧voが振動子９を駆動し、駆動電流ioが振動子９に流れる。ホーン12の先端に取りつけられたドリル（工具）13はホーン12により振動子11で発生した超音波振動振幅が実用的な振幅に拡大されて安定に振動する。振動子９は図示しない回転駆動装置によって回動自在に保持され作動時には回転駆動される。

ここでの工具であるドリル13が図示しない加工物と接触し加工を始めると、振動子電流ioはio´に増加して加工に要するエネルギーを供給する。同時に直流電圧Ebが印加されているスイッチングアンプ３への流入直流電流IbもIb´に増加して電気エネルギーを補給する。

ここでドリル13の振動振幅は振動子印加電圧voにほぼ比例するので、定電圧駆動されているスイッチングアンプ３により、工具（ドリル13）は定振幅動作となる。

そこで本発明では、スイッチングアンプ３へ直流供給電源８が印加されたとき、流入する電流Ibを検出抵抗22によって電圧降下として取出し、入力抵抗24と帰還抵抗25を持つ増幅器23により増幅する。演算器28は、３個の電流入力端子29,30及び31と１個の出力端子32を有し、出力端子32の出力電圧Voは入力端子29，30及び31への入力電流I1，I2及びI3との関係が次式のようになっている乗除算器である。

Vo=(I1×I3)/I2
ここで、I1は供給電源８の電圧Ebに比例した電流、I2はスイッチングアンプ３への流入電流Ibに比例した電流、I3は電圧源34から抵抗器33を経て流れる一定の電流である。

上記の式から出力電圧Voは、スイッチングアンプ３の抵抗成分のパラメータであるので、振動子９に負荷が印加されると流入電流Ibは増加してスイッチングアンプ３の抵抗成分である演算器出力電圧Voは小さくなる。すなわち負荷の印加により振動子インピーダンスが低下したことを示している。

また、もし本演算器28の入力端子29に増幅器23で処理した電流I2を、入力端子30に供給電源８の電圧Ebを抵抗器27で処理したI1を入力すると、出力電圧Voは、次の式となって振動子のアドミッタンス成分が得られる。前述のように、直列共振周波数で駆動するときは、このようなアドミッタンスで演算するのが都合が良い。

Vo=(I2×I3)/I1

このようにスイッチングアンプ３への直流供給電源８の電源電圧Ebと電流Ibとを計測して振動子９のインピーダンス成分、或は、アドミッタンス成分を演算器28により算出することにより、電源電圧Ebにより振動子９の駆動レベルを大幅に変化させても負荷量の状態を検出することが出来る。

負荷が印加されると振動子インピーダンスは低下するから、演算器28の出力電圧voは低くなり、比較器35で設定された電圧源38の設定値Vrefより低くなると、出力39は1となって制御回路に入力されて電源電圧Ebを上昇させ定格振幅で振動子９を駆動する。また、このようにして定格振幅で駆動中に振動子９の負荷が少なくなると、振動子インピーダンスは高くなり、演算器28の出力32は上昇して比較器35と制御回路により振動振幅を下げたり、駆動を停止させたりする。

しかし、かかる手段において、例えば電源電圧Ebと電流Ibより算出された抵抗成分は、振動子のインピーダンスに正確に比例しないことも多い。電流Ibはスイッチングアンプ３におけるスイッチング動作のための電流(暗電流)を含んでいるからである。即ち、振動子電流成分に対して暗電流成分が無視できなくなると誤差が出てくる。

図４はスイッチング回路の暗電流Idの特性の一例を示すもので、供給電圧Ebとの関係を示す。微小振幅時の供給電圧E1から定格振幅時の供給電圧E2まで変化させたとき暗電流Idはやや上向き凸形の曲線である。このように暗電流Idは必ずしも供給電圧に比例するものではなく、低い電圧領域で急増した後、ある電圧からほぼ直線的に増加するなど、スイッチング回路の構成によってその特性が異なり、このように比例関係とならないことも多い。

そこで本発明による課題を解決するための第２の手段として、電源電圧Ebと電流Ibとによる抵抗成分Rbの算出特性を補正し、算出結果を振動子インピーダンスあるいはアドミッタンスと等価な値に近づけるようにした。この点について、図５，図６を参照して説明する。

図５は直流電源８から見たスイッチングアンプの暗電流Id及び振動子電流Ioの概念図（等価回路）を示しており、スイッチング回路は図１におけるスイッチングアンプ３と、出力トランス６からなるマッチング回路を含んでいる。

ここで、暗電流Idはこれらの駆動装置から振動子９を外して測定したものである。即ち、電源電流Ibよりスイッチングアンプ３による固有な暗電流Id成分を差し引いて残りを振動子９の駆動電流成分であるIoとし、電源電圧Ebと補正後の電流Ioとで振動子インピーダンスあるいはアドミッタンスなどのパラメータを演算器28により算出する。

図６は、図１における電源電流Ibの計測アンプ23に、補正電流を流すための抵抗器40及び41を追加したものである。抵抗器40及び41がないときはアンプ23の出力端子26には電源電流Ibに比例した出力電圧が発生している。

図４におけるスイッチング回路の暗電流Idが、電源電圧Ebに無関係な電流I5と電源電圧Ebに比例した電流I6とを合成した電流I7に近似したものとすれば、第６図の電圧源42と抵抗40による電流I5と、抵抗41による電源電圧Ebに比例する電流I6とを合成してスイッチングアンプ３の暗電流Idに近似した電流I7を作って、計測アンプ23で減算する。

その結果、計測アンプ23の出力26には振動子電流Ioに正しく比例した出力が得られ、図１に示す演算器28を通すことにより、その出力32には電源電圧値Ebに左右されないで振動子９の負荷に応じたインピーダンス変化などのパラメータが得られ、この検出信号の変化により負荷量を判断して供給電圧により振動振幅を制御する。

そして、定振幅により作動中に、負荷がなくなったことを判別すると元の微小振幅に戻したり、あるいは超音波プローブの冷却水や、加湿器や噴射式洗浄器などの洗浄液の異常時に振動を止めたり、警報を発することが出来るようになる。

また、このようにして得られた供給電源電圧に比例した電流信号と振動子に流入する電流に比例した電流信号を、同様な演算器で乗算させるとその出力は振動子への供給電力となり、振動子駆動電力計を構成することも出来る。

なお、定電圧駆動で説明した以上の実施例では、暗電流成分をパワーアンプの内部損失として補正したが、定電流駆動の場合は暗電圧成分を内部損失として補正すれば良い。

以上のように本発明によれば、スイッチングアンプへの直流印加電圧及び電流を計測し演算器により負荷変動のパラメータとして検出したので、複雑な高周波整流や高周波演算を行なう必要がなく簡単な回路と低コストで負荷の変動を確実に判別することができる。

そして各種の超音波装置において、振動子や工具に負荷がかかっていない待機時には、小さな振動振幅で負荷の状態をモニターし、負荷が印加されると所定の振動振幅に確実に切り替わるので、無負荷時に振動子や工具が過励振されることによる発熱や劣化がなくなり超音波装置の信頼性が向上する。

また、超音波手術器の冷却水や洗浄器や加湿器などの洗浄液のように負荷伝達媒体の供給不備や過誤による振動子の過励振による劣化も未然に防止でき、この種の超音波装置の信頼性の向上が得られる。

本発明を適用した超音波装置の一例のブロック図。 図１の超音波装置における超音波振動子の一例である超音波ドリルの正面図。 超音波洗浄器の一例の断面図。 スイッチング回路における暗電流を説明するための特性線図。 スイッチング回路における暗電流を説明するためのブロック図。 本発明を実施するための計測回路の一例のブロック図。

符号の説明

１ 制御回路
２ 駆動回路
３ スイッチングアンプ
４ 高周波パスコン
５ 直流防止用コンデンサー
６ 出力トランス
７ 共軛整合用チョークコイル
８ 直流電源
９ 超音波振動子
11 振動子
12 ホーン
13 ドリル

Claims (2)

1. 発振開始時に小さな振動振幅で駆動した超音波装置におけるパワーアンプへの供給直流電源の、印加電圧と印加電流を計測して超音波振動子への負荷量を演算器により算出し、算出された負荷量が設定した値を超えたときは、所定乃至定格の振動振幅を印加し、所定乃至定格の発振時に負荷量が設定値を下回ったときは、振動開始時の小さな振幅に戻すか、振動を停止させることを特徴とする超音波装置の制御方法。
2. 計測された信号からパワーアンプの内部損失成分（暗電流成分または暗電圧成分）を差し引いて補正したのち、負荷量を演算器により算出することを特徴とする請求項１の超音波装置の制御方法。

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