JP4419881B2

JP4419881B2 - 超音波発生装置

Info

Publication number: JP4419881B2
Application number: JP2005078351A
Authority: JP
Inventors: 真人布村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP2006255621A

Description

本発明は、超音波領域での振動エネルギーをホーンに発生させ、ホーンに接触させた被処理物に超音波を作用させて、加工、接合、洗浄、剤浸透促進、攪拌、分散、乳化、霧化、美容などの超音波処理を行う超音波発生装置において、動作が高安定なものと不安定なものとを判別し、所望の動作をさせる技術に関する。

従来一般の超音波発生装置としては、例えば、特許文献１に示されるようなものが知られている。図１６に示すように、この種の超音波発生装置１０は、電気振動を機械振動に変換する超音波振動子１（以下、振動子という）と、振動子１により変換された機械振動の振動エネルギーを、超音波音響エネルギーとして目的箇所へ伝達させる放射面を備えたホーン３からなる超音波振動ブロック４（以下、振動ブロックという）、及び、振動ブロック４内の振動子１に電気振動を供給する駆動回路などから構成されており、用途によっては水やジェル、ゲルなどの超音波伝達用媒体５を介して被処理部である生体２などに超音波を伝達させている。

この超音波伝達行程におけるエネルギー伝達フローにおいては、超音波美容器を例とした図１７に示すように、電気振動（電気エネルギー）から機械振動（運動エネルギー）、機械振動（運動エネルギー）から超音波音響エネルギーに変換され、最終的に目的の超音波処理が行われるため、各エネルギー変換の過程においてエネルギーのロスが生じる。

振動ブロックの構成としては、図１８に示すように、主に振動子１をホーン３に接着剤６ａにより接着する方法と、図１９に示すように、振動子１を電極１１とともにボルト９によりホーン３に締め付け固定する方法があり、前者は主に数百ｋＨｚ以上の高周波数タイプ、後者は主に１００ｋＨｚ程度以下の低周波数タイプに用いられる。

振動ブロックの構成内部においては、図２０に示すように、ホーン３、振動子１のそれぞれにおいて緻密な設計が要求される他に、振動子１とホーン３という全く別の部材を接着（機械的に接続することも含む）するために、振動子１とホーン３の間には空気層干渉防止も兼ねた２０μｍ程度の接着剤６ａや潤滑油の層が存在し、振動ブロック４全体のバランスを崩す要因となり、超音波振動エネルギー伝達の定量の妨げとなる。

また、装置を駆動させる際には、振動子給電リード線の断線防止や、ハウジングの防振、振動ブロックの防水などのために、シリコンゴムなどで振動ブロックの一部を保護する場合が多く、この部分でも不定量な超音波振動エネルギーのロスが生じる。

また、超音波振動エネルギーの損失は、主には振動ブロック発熱の原因となる。そこで、超音波発生装置の振動ブロック毎に、超音波音響出力測定装置を用いて音響出力を直接測定し、電気入力と音響出力との差が振動ブロックでの損失であることから、振動ブロックへ供給する電力を制御することも考えられるが、調整のために多くの時間を要した。

また、振動ブロックにおいては、その状態が長年の間、常に一定であるとは限らず、構成部品の劣化や、環境により超音波エネルギーのロスの割合は変化するため、常に安定的に超音波エネルギーを被処理部位へ伝達させることが困難であった。

また、超音波発生装置製造の際、超音波伝達ロスがある閾値以上の振動ブロックは、その能力を発揮できないため選別する必要があるが、選別には、実際に駆動回路を接続し、電気入力と音響出力の関係から超音波伝達ロスを導出するか、叉は、振動ブロックの発熱温度を計測する必要があり、振動ブロック毎の選別検査には多くの時間を要していた。
特開２００２−３４５９１５号公報

上述したように、高安定な超音波発生装置の実現のためには、簡単で低コストな方法で振動ブロック毎の超音波伝達ロスを導出する必要がある。そこで、本発明者らは、超音波発生装置において高安定な振動ブロックを実現する上で、簡単な方法で振動ブロックの超音波伝達ロスを導出し、安定的な音響出力の実現や、ロスの大きい振動ブロックの選別ができる方法を検討したところ、同じ構成の振動ブロック間では、共振インピーダンス値と振動ブロックのエネルギー変換効率とに高い相関関係があることを見出し、振動ブロックの共振インピーダンス値からエネルギー変換効率を導出することにより、低コストかつ容易に振動エネルギーの損失を導出できることに想到した。

本発明は、上記のようにして成されたもので、超音波振動ブロックを高安定に駆動させる上で、簡単に振動ブロック内のエネルギーロスを導出でき、適正に駆動制御することが可能な超音波発生装置を提供することを目的とする。

上述目的を達成するため、本発明は、超音波振動を発生させる振動子と、この振動子に接着され、任意形状の超音波放射面から被処理物に超音波を伝達させるホーンにより構成される超音波振動ブロック（振動ブロックという）と、これらを駆動する駆動回路とを備えた超音波発生装置において、前記駆動回路は、共振周波数におけるインピーダンス叉は電流値と振動ブロックの効率との相関式を記憶した相関式記憶部と、前記振動ブロックの共振周波数におけるインピーダンス値叉は電流値を測定し、前記相関式記憶部が記憶している相関式から該振動ブロックの効率を導出する効率導出部を有し、前記効率導出部で導出した効率を基に、所望の超音波出力が得られるように前記振動ブロックへの電気入力を制御するものである。
また、前記効率導出部は、予め求めておいた前記振動ブロックの動アドミタンス線図から取得したデータを基に効率を算出するものとすることができる。
また、前記効率導出部は、予め求めておいた前記振動ブロックの電気入力に対する超音波出力の熱量的測定値から取得したデータを基に効率を算出するものとすることができる。また、前記効率導出部は、予め求めておいた前記振動ブロックの電気入力に対する超音波出力の力学的測定値から取得したデータを基に効率を算出するものとすることができる。また、前記駆動回路は、前記効率導出部で算出した効率を基に、前記振動ブロックで発熱として損失する発熱量を制御するものとすることができる。

本発明によれば、超音波発生装置の駆動回路にエネルギー変換効率算出部を設け、音響出力や発熱量などの測定しにくい量を、電気入力から導出することができるようにしたので、同装置における振動ブロック内の振動エネルギー伝達ロスを簡単な仕組みで導出することができ、安全かつ安定した駆動ができる。また、効率をもとに発熱量を制御するようにすれば、超音波による効果のみならず、熱との相乗効果を得ることができる。

以下、本発明の実施形態に係る超音波発生装置について図面を参照して説明する。本発明は、上記の考えの基本構成を具体化したものである。図１は、本発明が適用される超音波発生装置１０の構成を、図２は同装置１０の振動ブロック４の構成示す。超音波発生装置１０は、超音波振動の駆動源となる振動子１と、振動子１が接着され、その超音波振動を目的箇所に伝達させるホーン３から構成される振動ブロック４と、それを駆動する駆動回路７と、それらを含むハウジング８などから成る。振動ブロック４でもって変換された振動エネルギーは、ホーン放射面から音響エネルギーに変換され、水やジェル、ゲルなどの超音波伝達用媒体５を介して接触された生体２の被美容処理部に超音波振動ｂを与える。

振動ブロック４における振動子１とホーン３を、超音波振動における１／２波長の整数倍に設定し、振動子１の両端電極１１にリード線１２，１３を通して交流電圧（電気信号ａ）をかけることで、電気エネルギーを振動エネルギー（運動エネルギー）に変換して振動ブロック４は超音波振動を行う。

なお、本明細書、図面では、超音波振動の振幅を表現の便宜上、本来の縦波を横波に変換して記述し、超音波振動の伝達方向を矢印の方向で示し、振動振幅の大きさ及び、振動エネルギーの大きさを矢印の大きさで示している。また、振動子のマイナス側（グランド側）の電極に関しては、振動子の電極を折り返す方法、電極を折り返さずにホーンから導通させる方法と大別して２種類あるが、ここではホーンから導通させる方法で記述した。

ところが、振動ブロック４は、各エネルギー変換行程や、振動子１とホーン３との接着面、さらには振動子１の給電リード線の断線防止や、ハウジング８の防振、振動ブロック４の防水などのために、シリコンゴムなどで振動ブロック４の一部を保護する場合が多く、必然的に不定量な超音波振動エネルギーのロスが生じる。そこで、本発明は、振動ブロック４の効率と、振動ブロック４の共振インピーダンス値が高い相関を持つことを利用し、各振動ブロックの効率を導出するようにした。

図３は、本実施形態に係る超音波発生装置１０の駆動回路７の構成を示す。駆動回路７は、駆動回路本体としての超音波出力制御部１１と、効率導出部１２と、相関式記憶部１３を備える。効率導出部１２は、振動ブロック４の共振周波数におけるインピーダンス値叉は電流値を測定し、振動ブロック４の電気−音響エネルギー変換効率を導出する。すなわち、効率導出部１２は、実際の各振動ブロックについて計測した共振インピーダンス値を、予め複数の振動ブロックについて求めて記憶させておいた相関式記憶部１３のインピーダンス値と効率の相関式に代入することで、各振動ブロック４の効率を導出することができる。

図４は駆動回路７の効率導出部１２での効率を測定する手順を示し、図５はそのときの振動ブロックでの電圧電流波形などを示し、図６は予め求めた共振インピーダンス−効率相関グラフを示す。振動ブロックのインピーダンス値と効率の相関式の求め方については、後述する。効率導出部１２における好ましいインピーダンス値の測定方法としては、図５に示されるように、超音波発生装置を駆動させる周波数付近の狭域周波数範囲で１Ｖp-ｐ程度の定電圧を入力し（＃１）、それにより流れた電流値を検知することで、インピーダンス値叉は電流値を測定する（＃２、＃３）。勿論、周波数によって電圧値を可変させてもよいし、定電流を流すための電圧を検知してもよいなど、インピーダンス値と電流値の測定方法は多岐にわたる。

ここで、周波数範囲は、その範囲に存在する共振点、反共振点がそれぞれ一つの周波数になるように、狙いの共振周波数±１０％程度の狭域を設定することが望ましく、これにより共振インピーダンスは、インピーダンスの最も低い値を選ぶことができるため、正確に共振インピーダンス叉は共振点の電流の値を測定することができる。

こうして求めた共振インピーダンスを、図６に示されるように、予め求めておいた相関グラフ（相関式）に代入することにより、振動ブロックのエネルギー変換効率を導出することが可能となる（＃４、＃５）。こにより、音響出力や発熱量などの、測定しにくい量を、電気入力の値から導出することができる。

次に、図７は、共振点を算出する場合の説明図である。ここに、共振周波数におけるインピーダンス値叉は電流値は、共振周波数周辺のインピーダンス値叉は電流値の測定から想定（算出）する。共振周波数におけるインピーダンス値は、通常、数Ω程度と、小さい値となることが多い。そのため、インピーダンス値叉は電流値を測定するには、１Ｖ程度の微小な電圧でも、高い電力が振動ブロックにかかる可能性があり、振動子破壊や故障の原因となる。そこで、同一構成の振動ブロックでは、共振周波数と反共振周波数の差が常に同程度であることを利用し、共振周波数と反共振周波数間のインピーダンス特性の傾きから、共振インピーダンス値叉は電流値を求めることができる。

その方法としては、ある周波数範囲内で、最低インピーダンス値叉は、最高電流値を予め決めておき、そのインピーダンス以上での周波数のみ測定を行う。ここから、共振周波数と反共振周波数間の特性を求め、その傾きから共振インピーダンスを想定する。これにより、インピーダンス値測定時に振動ブロックへかかる電気エネルギーを制限することができ、安全に効率を導出することができる。

図８（ａ）（ｂ）は、導出された効率を基に所望の超音波出力が得られるように振動ブロックへの電気入力を制御する様子を示す。装置における駆動回路には、共振インピーダンス叉は電流の値から振動ブロックの効率を導出できる効率導出部（図３の１２）が設けられており、導出した効率は、超音波出力を制御するために用いる。ここに、超音波発生装置においては、各振動ブロックの超音波エネルギー伝達損失によって異なる電力を入力することでもって、所望の超音波出力を得るようにしている。

例えば、所望の超音波出力３Ｗを実現するために、図８（ａ）に示すような、効率６０％の振動ブロックに対しては、５Ｗの電気入力が必要であり、一方、図８（ｂ）に示すような、効率８０％の振動ブロックに対しては、３.７５Ｗの電気入力が必要であり、それぞれの振動ブロックに応じて電気入力を制御する必要がある。そこで、上述したようにして予めインピーダンス周波数特性から導出したエネルギー変換効率の値により、振動ブロックへの電気入力を制御する。これにより、振動ブロック毎の制御や、振動ブロック劣化、変化にも対応して常に所望の超音波出力が得られるようになる。

以下に、予め取得する相関図の上記とは別の実施形態に係る導出方法について、図９及び図１０を参照して説明する。振動ブロックの動アドミタンス線図により、共振インピーダンスと効率との相関式を求めることができる。振動ブロックの圧電振動子の性質として、共振周波数付近における、無負荷時動アドミタンスと、負荷時動アドミタンスの比をとることで、電気−音響変換効率を理論算出できることは、文献にも記載されている。

振動ブロック単体での上記各アドミタンスを計測することで動アドミタンス線図が求まるとともに当該振動ブロックの電気−音響変換効率が求まる。これより、振動ブロックについて、図１１に示すようなインピーダンス実測データが得られ、このような多数の同一構成のサンプルで多数のデータを取得・蓄積することで、共振インピーダンスに対するエネルギー変換効率の相関図（上述の図６）を作成することができる。この相関図に基く相関式を駆動回路の効率導出部に格納する。

この相関式を利用することにより、振動ブロックの構成が同一とみなすことが出来れば、各振動ブロックの共振インピーダンス値を代入することで、効率を算出することができる。かくして、振動ブロックの共振インピーダンス値を求めることにより、その振動ブロックの効率を導出することが可能となる。

図１２は、振動ブロックの熱量測定を基に効率を導出する場合の説明図である。共振インピーダンスと効率との相関式における効率は、振動ブロックの電気入力に対する超音波出力の熱量的測定値から取得した値によっても算出できる。温度計測装置３０の温度測定プルーブ３１を駆動中の振動ブロック４に接触させ、その発熱量を計測する。この発熱量から同一構成の各振動ブロックの効率を算出し、これと各振動ブロック単体での共振インピーダンスとから、上述の図１１に示すような相関図を作成することができる。好ましくは、各振動ブロックの使用状態における、一定時間後の温度上昇から求めることが望ましい。

この相関式を利用することにより、振動ブロックの構成が同一とみなすことが出来れば、各振動ブロックの共振インピーダンス値を代入することで、振動ブロックの発熱量や効率を算出することができる。これにより、振動ブロックの共振インピーダンス値を求めることにより、比較的容易に振動ブロックの発熱量や効率を導出することが可能となる。

図１３は、振動ブロックの電気入力に対する超音波出力の力学的測定値を基に効率を導出する場合の説明図である。超音波の負荷時音圧を天秤などで力学的に測定する装置乃至方法は、文献にも記載されている。この種の力学的計測装置３５は、振動ブロック４を駆動させて、そのときの電気入力に対する音響出力から効率を算出する。同一構成の各振動ブロック単体での共振インピーダンスと、その力学的計測から算出された効率とから、上述の図１１に示すような相関図を作成することができる。

この相関図に表される相関式を利用することにより、振動ブロックの構成が同一とみなすことが出来れば、各振動ブロックの共振インピーダンス値を代入することで、振動ブロックの効率を算出することができる。これにより、振動ブロックの共振インピーダンス値を求めることにより、比較容易に振動ブロックの効率を導出することが可能となる。

図１４は、超音波発生装置を温熱超音波美容器に実施した場合を示す。この温熱超音波美容器も、上記と同様、駆動回路には効率導出部が設けられている。導出した効率は、振動ブロック４の発熱を制御するために用いられる。温熱超音波美容器は、超音波処理とは別に、温熱効果を併用するものであり、振動ブロック４に温熱ヒータ４０を付設している。温熱超音波加湿器を付設してもよい。振動ブロック４と温熱ヒータ４０とを駆動させることで、超音波振動と温熱とによる音波・温熱マッサージの相乗効果が得られる。なお、超音波のエネルギー伝達損失による振動ブロックの発熱を利用すれば、温熱ヒータ４０のような発熱のための別機構を設けなくてもよい。

図１５は、上記のような超音波処理と温熱効果を併用する温熱超音波美容器における駆動制御方法の説明図である。各振動ブロック４において計測した共振インピーダンス値を予め求められている効率導出部の相関式に代入することでエネルギー変換効率が求まり、このエネルギー変換効率を基に、振動ブロック４の発熱量を制御することができる。例えば、所望の発熱２Ｗを実現するために、予め振動ブロックの効率を求め、それが６０％と算出されれば、発熱分は４０％となり、電気入力を５Ｗにすることで、２Ｗの発熱を実現することができる。これにより、超音波による効果のみならず、熱との相乗効果も得ることができ、さらにその発熱量も制御することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変形しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明が適用される超音波発生装置の構成図。同装置の振動ブロックの構成図。本実施形態に係る超音波発生装置の駆動回路の構成を示す駆動回路の効率導出部での効率を測定する手順を示すフローチャート。効率測定時の振動ブロックでの電圧電流波形などを示す図。予め求めた共振インピーダンス−効率相関グラフを示す図。共振点を算出する場合の説明図。導出された効率を基に所望の超音波出力が得られるように振動ブロックへの電気入力を制御する様子を示す図。上記とは別の実施形態に係る、相関図の導出方法を説明する図。同上による実測データを示す図。同上方法によるインピーダンス実測データを示す図。振動ブロックの熱量測定を基に効率を導出する場合の説明図。振動ブロックの電気入力に対する超音波出力の力学的測定値を基に効率を導出する場合の説明図。超音波発生装置を温熱超音波美容器に実施した場合の図。同上温熱超音波美容器における駆動制御方法の説明図。従来の超音波発生装置の構成及び動作を説明する図。超音波伝達行程におけるエネルギー伝達フローを示す図。従来の超音波発生装置における振動ブロックの一例の構成図。同振動ブロックの他の例の構成図。従来の超音波発生装置における振動ブロックの内部構成図。

符号の説明

１振動子
３ホーン
４振動ブロック
７駆動回路
１０超音波発生装置
１１超音波出力制御部
１２効率導出部
１３相関式記憶部

Claims

超音波振動を発生させる振動子と、この振動子に接着され、任意形状の超音波放射面から被処理物に超音波を伝達させるホーンにより構成される超音波振動ブロック（振動ブロックという）と、これらを駆動する駆動回路とを備えた超音波発生装置において、
前記駆動回路は、共振周波数におけるインピーダンス叉は電流値と振動ブロックの効率との相関式を記憶した相関式記憶部と、
前記振動ブロックの共振周波数におけるインピーダンス値叉は電流値を測定し、前記相関式記憶部が記憶している相関式から該振動ブロックの効率を導出する効率導出部を有し、前記効率導出部で導出した効率を基に、所望の超音波出力が得られるように前記振動ブロックへの電気入力を制御することを特徴とする超音波発生装置。
前記効率導出部は、予め求めておいた前記振動ブロックの動アドミタンス線図から取得したデータを基に効率を算出することを特徴とする請求項１記載の超音波発生装置。
前記効率導出部は、予め求めておいた前記振動ブロックの電気入力に対する超音波出力の熱量的測定値から取得したデータを基に効率を算出することを特徴とする請求項１記載の超音波発生装置。
前記効率導出部は、予め求めておいた前記振動ブロックの電気入力に対する超音波出力の力学的測定値から取得したデータを基に効率を算出することを特徴とする請求項１記載の超音波発生装置。
前記駆動回路は、前記効率導出部で算出した効率を基に、前記振動ブロックで発熱として損失する発熱量を制御することを特徴とする請求項1記載の超音波発生装置。