JP5261138B2 - 超音波洗浄機における超音波振動子の駆動装置及び駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波洗浄機における超音波振動子の駆動装置及び駆動方法に関する。

従来より、医療分野において、内視鏡を利用した医療診断が広く行われており、特に、電子内視鏡の体腔内に挿入される挿入先端部にＣＣＤ等の撮像素子を内蔵して体腔内の画像（内視鏡画像）を撮影し、プロセッサ装置で信号処理を施してモニタに表示し、これを医者が観察して診断に用いるようにしている。

観察に用いられた内視鏡はそのつど洗浄・消毒する必要がある。例えば、洗浄槽内に内視鏡を設置して、超音波洗浄手段による洗浄工程と、液流洗浄手段による洗浄工程を組み合わせた一連の動作で内視鏡の洗浄を行う内視鏡洗浄消毒装置が知られている（例えば、特許文献１等参照）。

また、超音波を利用した洗浄装置は、内視鏡の洗浄に限らず様々な分野で用いられている。例えば、電子部品の製造工程において、半導体ウエハ、ハードディスク、ガラス基板等の電子部品に付着した微細なゴミやチリ等の塵埃を除去するために超音波洗浄装置が利用されている。

また、超音波洗浄機においては、複数の超音波振動子を配置して広い範囲に振動を伝えて洗浄することが一般的である。このとき、複数の超音波振動子の一つ一つに対してそれぞれドライブ回路を用意して一対一で駆動すると最も良い洗浄効果が得られるが、多数のドライブ回路を用意することでコスト高となってしまう。そこで、一つのドライブ回路で複数の超音波振動子を駆動するのが一般的となっている。
特開平９−２８６６９号公報

しかしながら、例えば上記特許文献１に記載されたものでは、洗剤で洗う液流洗浄工程と超音波で洗う超音波洗浄工程とを繰り返して行っているため時間が掛るという問題がある。

また、上述したように、従来複数の超音波振動子を一つのドライブ回路で駆動していたが、超音波振動子は、自身のばらつきや、自身の固定具合、水面の高さ、水面の揺れ、水中物（例えば内視鏡）の位置等によって個々の特性が大きく異なっている。従って各超音波振動子が最も効率良く動作する周波数は、各超音波振動子ごとに大きくばらついてしまう。

例えば、図８に、８個の超音波振動子ＢＬＴ１〜ＢＬＴ８について、それぞれを最も効率的に駆動できる周波数のばらつきを示す。このとき従来は、各超音波振動子ＢＬＴ１〜ＢＬＴ８の最適な駆動周波数のばらつきに対し、図９に示すように、ある周波数（３６ｋＨｚ）で駆動を開始し、その後フィードバック系に切り替えて、装置別に調整した周波数の中心値（３６．５ｋＨｚ）で駆動するようにしていた。なお、図９において、横軸は時間であり、１メモリが１秒程度である。

このように駆動すると、図８に示すように、超音波振動子ＢＬＴ８については最適な周波数で駆動できるが、その他の超音波振動子については、一応動作はするものの、必ずしも最適な周波数とはならず効率的に駆動することができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数の超音波振動子をそれよりも少ない数のドライブ回路で駆動する場合に、すべての超音波振動子について効率良く動作するタイミングを作り、かつ時間をかけることなく洗浄することのできる超音波洗浄機における超音波振動子の駆動装置及び駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、洗浄液に超音波振動を付与するための複数の超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動する前記超音波振動子よりも少ない数のドライブ回路とを有して構成され、前記ドライブ回路は、前記複数の超音波振動子ごとに最も効率良く駆動できる周波数のばらつきの上限と下限との間の任意の周波数を設定可能であり、さらに該設定した周波数と前記ばらつきの中心の周波数を切り換えることができ、かつ、前記ばらつきの中心の周波数を基準として、前記ばらつきの上限と下限の周波数を交互に繰り返すようにした超音波洗浄機における超音波振動子の駆動装置であって、前記ドライブ回路は、前記ばらつきの中心の周波数を基準として、前記ばらつきの上限と下限の周波数を交互に繰り返す際、前記ばらつきに偏りがある場合には、該偏っている側の周波数で駆動する比率を増加させるようにしたことを特徴とする超音波洗浄機における超音波振動子の駆動装置を提供する。

上記態様によれば、複数の超音波振動子をそれよりも少ない数のドライブ回路で駆動する場合に、すべての超音波振動子について効率良く動作するタイミングを作り、かつ時間をかけることなく洗浄することが可能となる。また、複数の超音波振動子毎の最適な周波数のばらつきに偏りが存在する場合であっても、複数の超音波振動子全体を効率良く駆動することができ、時間を増加させることなく洗浄効率を向上させることが可能となる。

本発明の第２態様は、洗浄液に超音波振動を付与するための複数の超音波振動子を、それよりも少ない数のドライブ回路で駆動する超音波振動子の駆動方法であって、前記複数の超音波振動子を駆動する周波数について、前記複数の超音波振動子ごとに最も効率良く駆動できる周波数のばらつきの上限と下限との間の任意の周波数を設定可能とし、さらに該設定した周波数と前記ばらつきの中心の周波数を切り換えることができ、かつ、前記ばらつきの中心の周波数を基準として、前記ばらつきの上限と下限の周波数を交互に繰り返すようにした超音波洗浄機における超音波振動子の駆動方法であって、前記ばらつきの中心の周波数を基準として、前記ばらつきの上限と下限の周波数を交互に繰り返す際、前記ばらつきに偏りがある場合には、該偏っている側の周波数で駆動する比率を増加させるようにしたことを特徴とする超音波洗浄機における超音波振動子の駆動方法を提供する。

上記態様によれば、複数の超音波振動子をそれよりも少ない数のドライブ回路で駆動する場合に、すべての超音波振動子について効率良く動作するタイミングを作り、かつ時間をかけることなく洗浄することが可能となる。また、複数の超音波振動子毎の最適な周波数のばらつきに偏りが存在する場合であっても、複数の超音波振動子全体を効率良く駆動することができ、時間を増加させることなく洗浄効率を向上させることが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、複数の超音波振動子をそれよりも少ない数のドライブ回路で駆動する場合に、すべての超音波振動子について効率良く動作するタイミングを作り、かつ時間をかけることなく洗浄して、「洗浄性能」と「洗浄の均一性」を向上させることが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る超音波洗浄機における超音波振動子の駆動装置及び駆動方法について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る超音波洗浄機が適用される内視鏡洗浄装置の一実施形態の外観を示す斜視図である。

図に示すように、本実施形態の内視鏡洗浄装置１０は、箱型に形成され、装置本体１２と上蓋１４とから構成されている。

装置本体１２の上面には内視鏡１６を収納する洗浄槽１８が形成され、この洗浄槽１８内には、回転型噴射装置２０が設けられている。また、回転型噴射装置２０の周囲の洗浄槽１８の円環状の底面には超音波振動ユニット２２が設けられている。

また、装置本体１２は、その上部前面に、複数の操作ボタンを有する操作パネル２４と、例えば液晶等を用いた表示用のディスプレイ２６等が配置されている。操作パネル２４は、内視鏡洗浄装置１０を制御するコマンドを入力するためのスイッチである。また、ディスプレイ２６には、洗浄作業の残り時間や、作業終了までの時間あるいはトラブル発生時の警告等が表示される。

また、図示を省略したが、装置本体１２は中央処理装置（ＣＰＵ）を有しており、ＣＰＵは、予め設定された洗浄プログラムに従って、回転型噴射装置２０や超音波振動ユニット２２等の各部の動作を制御し、内視鏡１６の洗浄開始から終了までを自動で制御する。

検査で使用された内視鏡１６は、図示を省略した光源装置内蔵制御ユニット（内視鏡プロセッサ）から取り外され、内視鏡洗浄装置１０の洗浄槽１８に収納される。そして電気信号コネクタに防水キャップを取り付け、上蓋１４が閉じられ、操作パネル２４からのスタートコマンドの入力により、予め設定された洗浄工程に従って、回転型噴射装置２０の噴射ノズル２０Ａから洗浄液が洗浄槽１８内に噴射され、内視鏡１６の洗浄が行われるようになっている。

以下、特に本実施形態の内視鏡洗浄装置１０における超音波洗浄について説明する。

図２に、内視鏡洗浄装置１０の洗浄槽１８の底面に設置された超音波振動ユニット２２の概略を示す。

図２に示すように、超音波振動ユニット２２は、洗浄槽１８の底面に設けられた振動板２８と、この振動板２８の下面側に取り付けられた複数の超音波振動子３０によって構成されている。ここで、超音波振動子３０は、例えばランジュバン型の超音波振動子（ＢＬＴ：Bolted Langevin type Transducers)によって形成されている。なお、振動板２８は、図１からもわかるように、その中心に回転型噴射装置２０が配置されるように円環状の板体として形成され、複数の超音波振動子３０が、洗浄される内視鏡１６が配置される位置に対応する振動板２８の下側の位置に沿って配置されている。

超音波振動子３０は振動板２８を振動させて、洗浄槽１８内に満たされている洗浄液中に振動波を発振させて洗浄液中に浸漬された物体（内視鏡１６）を洗浄するものである。

なお、超音波振動ユニット２２の形態はこのようなものに限定はされず、例えば、方形の洗浄槽の側面に振動板及び超音波振動子を配置して、洗浄槽の側面から振動波を発振するようにしてもよい。

図３に、超音波振動ユニット２２（超音波振動子（ＢＬＴ）３０）を駆動する駆動回路の概略を示す。

図３に示すように、超音波振動子（ＢＬＴ）３０の駆動回路は、主に上位基板３２と超音波駆動基板３４から構成されている。そして、超音波駆動基板３４は、主に、ＰＬＬ回路３６、分周回路３８、ドライブ回路４０、出力トランス４２、電圧／電流位相回路４４及び電流検出回路４６を有している。

上位基板３２は、超音波駆動基板３４に対して様々な制御信号を送出するものである。上位基板３２から出力される制御信号としては、ＰＬＬ回路の動作開始信号であるENABLE信号、リセット信号であるKILL信号、ドライブ回路のＯＮ／ＯＦＦ信号であるDRIVE信号、固定周波数（３．６ＭＨｚ）駆動とフィードバックの切り換えを制御する信号であるMODE信号等がある。

この超音波駆動基板３４によって複数の超音波振動子（ＢＬＴ）３０が駆動制御される。図３に示す例では、各電流検出回路４６に対して２つずつ超音波振動子（ＢＬＴ）３０が接続されており、８個の超音波振動子（ＢＬＴ）３０を備えている。

ところで、前にも述べたように超音波振動子（ＢＬＴ）３０は、その個体と取り付けられる装置の状態によって、それを最適な効率で駆動する周波数が変化する。例えば、図４に、３つの超音波振動子ＢＬＴ１、ＢＬＴ２、ＢＬＴ３について、それぞれを駆動した場合の周波数とそのときの駆動効率を示す。

図４に示すように、例えば超音波振動子ＢＬＴ１は周波数３６．５ｋＨｚで最も効率良く駆動されるが、このとき他の超音波振動子ＢＬＴ２やＢＬＴ３はせいぜい７０％〜８０％程度の効率でしか駆動されない。このように、超音波振動子ＢＬＴが複数あった場合それぞれを最適に駆動できる周波数はばらついている。

そこで、ＰＬＬ回路３６のセンタ周波数は、複数ある（ここでは８個）超音波振動子（ＢＬＴ）３０の中心周波数に設定する。なおこの値は、洗浄機１台ごとに調整した全体系の中心値であり、大体３６ｋＨｚ〜３７ｋＨｚ程度のいずれかの値となる。

また、分周回路（ＰＬＤ）３８に与える基準周波数３．６ＭＨｚは、設計中心値に設定しておく。これは、分周回路３８で１／１００に分周すると、３６ｋＨｚとなる。この分周後の３６ｋＨｚは、分周回路（ＰＬＤ）３８を書き換えることで任意に周波数変更が可能である。

図３において、ＰＬＬ回路３６、分周回路３８、ドライブ回路４０及び電圧／電流位相回路４４でＰＬＬフィードバックループが形成される。

ＰＬＬ回路３６から出力された信号は分周回路３８で分周されてドライブ回路４０に入力され、ドライブ回路４０からコンデンサ４１に電流が出し入れされる。そして出力トランス４２を介して各超音波振動子（ＢＬＴ）３０が駆動される。一方出力トランス４２に流れる電流は電圧／電流位相回路４４にも流れ、電圧／電流位相回路４４によって電圧及び電流が検出される。

電圧／電流位相回路４４の検出信号はＰＬＬ回路３６に入力される。ＰＬＬ回路３６では、電圧検出と電流検出の位相差を吸収するように周波数を変化させて共振状態に近づけるようにする。

また、図３に示すように、出力トランス４２、超音波振動子（ＢＬＴ）３０、電流検出回路４６及び超音波駆動基板３４外に設置された位相補正インダクタ４８とで出力トランスフィードバックループが形成される。

出力トランス４２の出力は各超音波振動子（ＢＬＴ）３０に入力され各超音波振動子（ＢＬＴ）３０を駆動する。超音波振動子（ＢＬＴ）３０は、電気的にはセラミック共振子や水晶振動子のような特性を有しており、電圧を印加するとＰＺＴのように歪んで超音波を発生する。

各超音波振動子（ＢＬＴ）３０に入力した電気信号は電流検出回路４６に戻る。電流検出回路４６は超音波振動子（ＢＬＴ）３０に過電流が流れて異常が発生していないかを検出する。電流検出回路４６において異常が発生していることが検出された場合には、電流検出回路４６から上位基板３２に対してエラー信号BLT-ERRが出力される。また、電流検出回路４６を通過した電気信号は各超音波振動子（ＢＬＴ）３０で生じた位相遅れを補正するために、位相補正インダクタ４８に入力される。位相補正インダクタ４８で補正された電気信号は出力トランス４２に戻される。

以下、本発明における超音波振動子（ＢＬＴ）３０の駆動方法について説明する。

その前に、従来は、図９に示すように、３６ｋＨｚからスタートし、３６．５ｋＨｚで収束したところで、規定時間（例えば３０秒）超音波洗浄を行っている。また、３６ｋＨｚから３６．５ｋＨｚまで移動する時間は、装置によって多少異なるが概ね１秒未満程度と、短い。

これに対して本実施形態における駆動方法の駆動波形を図５に示す。なお、図５に示す駆動波形のグラフにおいて、横軸の時間は１メモリが１秒程度である。

図５に示すように、本実施形態においては、３６ｋＨｚからスタートして、３６．５ｋＨｚになったところで、モード信号MODE（図３参照）を切り換えて、固定周波数である３６ｋＨｚに戻し、再びモード信号MODEをフィードバック系に切り換えるようにする。そして、以降この繰り返しとする。

このように、３６ｋＨｚから３６．５ｋＨｚの間の切り換えを数秒おきに実施することで、本実施形態の８個の超音波振動子（ＢＬＴ）３０が、例えば図８に示すように最適駆動効率周波数がばらついていた場合に、（図８の記号で）ＢＬＴ１、ＢＬＴ２、ＢＬＴ５、ＢＬＴ８という４個の超音波振動子について最適な駆動周波数を通過することとなる。

従来は、図８に示すように、３６．５ｋＨｚに固定して駆動していたため最適な周波数で駆動できるのはＢＬＴ８の１つのみであったのに対して、図５に示す本実施形態の方法では、少なくとも４個のＢＬＴについて最適な周波数で駆動できる場合があり、同じ洗浄時間でも、より洗浄効果を向上させることが可能となる。

しかし、図５に示すような駆動波形による駆動方法では、図８に示すようなばらつきを有する８個の超音波振動子（ＢＬＴ）３０については、そのうち半分しか効率良く駆動させることはできない。

そこで、この方法を改善し、３６ｋＨｚから３６．５ｋＨｚの間で切り換えるところを、３６ｋＨｚから３７ｋＨｚの間で切り換えるようにすることで、８個すべての超音波振動子（ＢＬＴ）３０について効率の高い周波数で動作させることができる。

図６に、このような駆動方法を行うための駆動波形を示す。図６のグラフにおいて、横軸の時間は、１メモリが略１秒である。

図６に示すように、まず３６ｋＨｚでスタートし、次に３６．５ｋＨｚで駆動し、次に３７ｋＨｚで駆動した後、再び３６．５ｋＨｚで駆動した後３６ｋＨｚに戻し、以降これの繰り返しとする。

このように駆動することにより、８個の超音波振動子（ＢＬＴ）３０がばらついている３６ｋＨｚから３７ｋＨｚの間の周波数をすべて満遍なく通過することができ、すべての超音波振動子（ＢＬＴ）３０を最適な駆動効率となる周波数で駆動できるようになり、洗浄効果をより一層向上させることが可能となる。

このとき、中心周波数を３７ｋＨｚに設定する方法もあるが、中心周波数はそのままとして、中心周波数が３６．５ｋＨｚの場合、上限と下限を３６．５ｋＨｚ±０．５ｋＨｚと考えて、３６．５ｋＨｚを中心として駆動する方が安定した動作になる。一度に少しずつ動かした方が安定動作するからである。

次に、その他の駆動方法について説明する。

これは複数の超音波振動子（ＢＬＴ）３０について、その最適な駆動効率となる周波数のばらつきが３６ｋＨｚと３７ｋＨｚの間でどちらかに偏っていた場合に好適な駆動方法である。

例えば、図８に示したような８個の超音波振動子ＢＬＴについて、その最適な周波数が３７ｋＨｚ側により多く偏っていた場合には、図６のように３６．５ｋＨｚを中心として３７ｋＨｚ側と３６ｋＨｚ側に均等に振るのではなく、３７ｋＨｚ側により多く振るようにして、３７ｋＨｚ側により多く偏在する超音波振動子ＢＬＴを駆動する機会を増やすことが好ましい。

図７に、この場合の駆動方法を実行するための駆動波形を示す。

図７に示すように、この駆動方法では、中心周波数を３６．５ｋＨｚとして、３６ｋＨｚ側に１回振る間に３７ｋＨｚ側に２回振るようにしている。

この場合３７ｋＨｚ側への超音波振動子ＢＬＴの偏り具合によっては、中心周波数を３６．５ｋＨｚとして、３６ｋＨｚ側に１回振る間に３７ｋＨｚ側に３回振るようにしてもよい。

また、逆に複数の超音波振動子ＢＬＴの最適な周波数が３６ｋＨｚ側により多く偏っていた場合には、３６．５ｋＨｚを中心周波数として、３７ｋＨｚ側よりも３６ｋＨｚ側に振る回数を増やすようにすることが好ましい。

また、このように、超音波振動子ＢＬＴの最適な周波数が偏っている側に振る回数を増やすのではなく、偏っている側の周波数で駆動する時間幅を増加するようにして駆動するようにしてもよい。

結局、従来のように一つの固定された周波数で複数の超音波振動子を駆動すると、一つの超音波振動子は効率が最適となる周波数で駆動できるが、その他の超音波振動子は駆動効率が悪い状態での駆動となってしまう。あるいは最悪の場合には、どの超音波振動子についても最適効率の周波数で駆動できないという場合もあり得る。

これに対して、上述した実施形態のように、各超音波振動子の最適効率周波数のばらつきの上限と下限の間で中心周波数を基に所定幅で周波数を振るようにして駆動すると、一つ一つの超音波振動子についてたとえ時間は短くとも全ての超音波振動子を１００％の効率で駆動することができ、同じ時間でも洗浄効率をより向上させることが可能となる。

以上、本発明の超音波洗浄機における超音波振動子の駆動装置及び駆動方法について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

本発明に係る超音波洗浄機が適用される内視鏡洗浄装置の一実施形態の外観を示す斜視図である。 内視鏡洗浄装置の洗浄槽の底面に設置された超音波振動ユニットの概略を示す断面図である。 超音波振動ユニット（超音波振動子（ＢＬＴ））を駆動する駆動回路の概略を示す構成図である。 複数の超音波振動子を駆動した場合の周波数とそれぞれの駆動効率を示すグラフである。 本実施形態における超音波振動子の駆動方法を示す駆動波形のグラフである。 本実施形態における超音波振動子の駆動方法の他の例を示す駆動波形のグラフである。 本実施形態における超音波振動子の駆動方法のさらに他の例を示す駆動波形のグラフである。 複数の超音波振動子についてそれぞれを最も効率的に駆動できる周波数のばらつきを示す説明図である。 従来の超音波振動子の駆動方法を示す駆動波形のグラフである。

符号の説明

１０…内視鏡洗浄装置、１２…装置本体、１４…上蓋、１６…内視鏡、１８…洗浄槽、２０…回転型噴射装置、２２…超音波振動ユニット、２４…操作パネル、２６…ディスプレイ、２８…振動板、３０…超音波振動子（ＢＬＴ）、３２…上位基板、３４…超音波駆動基板、３６…ＰＬＬ回路、３８…分周回路（ＰＬＤ）、４０…ドライブ回路、４２…出力トランス、４４…電圧／電流位相回路、４６…電流検出回路、４８…位相補正インダクタ

Claims (2)

1. 洗浄液に超音波振動を付与するための複数の超音波振動子と、
   前記超音波振動子を駆動する前記超音波振動子よりも少ない数のドライブ回路とを有して構成され、
   前記ドライブ回路は、前記複数の超音波振動子ごとに最も効率良く駆動できる周波数のばらつきの上限と下限との間の任意の周波数を設定可能であり、さらに該設定した周波数と前記ばらつきの中心の周波数を切り換えることができ、かつ、前記ばらつきの中心の周波数を基準として、前記ばらつきの上限と下限の周波数を交互に繰り返すようにした超音波洗浄機における超音波振動子の駆動装置であって、
   前記ドライブ回路は、前記ばらつきの中心の周波数を基準として、前記ばらつきの上限と下限の周波数を交互に繰り返す際、前記ばらつきに偏りがある場合には、該偏っている側の周波数で駆動する比率を増加させるようにしたことを特徴とする超音波洗浄機における超音波振動子の駆動装置。
2. 洗浄液に超音波振動を付与するための複数の超音波振動子を、それよりも少ない数のドライブ回路で駆動する超音波振動子の駆動方法であって、
   前記複数の超音波振動子を駆動する周波数について、前記複数の超音波振動子ごとに最も効率良く駆動できる周波数のばらつきの上限と下限との間の任意の周波数を設定可能とし、さらに該設定した周波数と前記ばらつきの中心の周波数を切り換えることができ、かつ、前記ばらつきの中心の周波数を基準として、前記ばらつきの上限と下限の周波数を交互に繰り返すようにした超音波洗浄機における超音波振動子の駆動方法であって、
   前記ばらつきの中心の周波数を基準として、前記ばらつきの上限と下限の周波数を交互に繰り返す際、前記ばらつきに偏りがある場合には、該偏っている側の周波数で駆動する比率を増加させるようにしたことを特徴とする超音波洗浄機における超音波振動子の駆動方法。

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