(57)【要約】【課題】固有の共振周波数を有する超音波振動子の駆動周波数を自動設定する。【解決手段】発振周波数が制御可能な発振器を備え、その発振器で発生した交番電圧を固有の共振周波数を持つ超音波振動子に印可する超音波振動子の駆動装置であって、超音波振動子に流れる駆動電流を検出する電流検出手段と、駆動電流のピーク値を検出するピーク値検出手段と、発振周波数を昇順又は降順に変化させるとともに、電流検出手段で検出されたピーク値の周波数に該発振器の発振周波数を設定する周波数設定制御手段とを有するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振周波数が制御可能な発振器を備え、該発振器で発生した交番電圧を固有の共振周波数を持つ超音波振動子に印可する超音波振動子の駆動装置であって、
前記超音波振動子に流れる駆動電流を検出する電流検出手段と、
前記駆動電流のピーク値を検出するピーク値検出手段と、
前記発振周波数を昇順又は降順に変化させるとともに、前記電流検出手段で検出されたピーク値の周波数に該発振器の発振周波数を設定する周波数設定制御手段と
を有することを特徴とする超音波振動子の駆動装置。
【請求項２】
並列に接続された複数の超音波振動子を駆動する場合、複数の該超音波振動子のトータル駆動電流のピーク値を検出して発振周波数の設定を行うように構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波振動子の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波振動子の駆動装置に関し、特に超音波振動子に印可する交番電圧の周波数設定に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微弱超音波の生体への照射と軽度の運動とを併用することにより、照射部位の皮下脂肪が減少することが本願出願人らによって確かめられ、局所的に、且つ効率的に微弱超音波を照射し得る超音波照射装置（以下超音波美容・健康器と称する）が開発された。
この超音波美容・健康器は、図２の従来例を表す図に示すように、超音波を発生する２組の照射パッド（以下単にパッドとも称する）13,14、駆動部２、操作パネル７等により構成されており、パッド13,14を超音波ゼリーを介して部分やせしたい生体表面に接触させ、操作パネル７の押しボタンスイッチ（スタートSW 8）をオンすることにより、一定時間（約１０分間）、所定強さの超音波が体内に照射される仕組みとなっている。
図２において、パッド13,14は、照射部面積が20cm×13cm程度、厚さ10mm程度のゴムシートで、内部に複数の超音波振動子(2.5cm×2.5cm)17がモザイク状に１５個（３列５行）配列されている。
超音波振動子17は、共振周波数が500KHZ前後になるように成型されたセラミックスで、交番電圧を厚さ方向に印可することにより、ほぼ交番電圧の周波数に等しい超音波振動を圧電方向に発生する。これらの超音波振動子17の両面には電極が蒸着されており、パッド13,14内でそれぞれ並列に接続されていて、装置本体1にコネクタ15,16を介して接続される。
駆動部2は、パッド13,14に交番電圧を供給するものである。ここで、3は電圧制御型発振器VCO（V-Fコンバータ）で、電圧調整器VR 6により電圧を変化させて所要の超音波出力が得られるように発振周波数を調整する。4はゲートで、制御部10内のタイマ11により発生するゲート信号により、約10分間、VCO 3で発生した交番電圧を駆動アンプ5に供給する。操作パネル7には、スタートSW 8、ストップSW 9が設けられており、スタートSW 8をオンにすることにより、タイマ11が起動され、10分間パッド13,14を駆動して体内を照射する。任意の時間に照射を停止するときはストップSW 9を押下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
超音波振動子17は、図3の課題説明図に示すように、厚さ等に基づく固有の共振周波数f1を持つ。この共振周波数f1で振動子17を駆動すると、最も効率的に超音波を発生するが、共振周波数からずれると、指数関数的に出力が落ちる。パッド表面の超音波出力は均一であることが望ましいから、1つのパッド13、もしくはパッド14には、それぞれ共振周波数がほぼ同じ振動子17を配置するとともに、その照射パッドの共振周波数(振動子の共振周波数とほぼ同じ、以下、照射パッドは超音波振動子と同じものとして説明する)に発振器の周波数をあわせている。このため、出荷時に照射パッド表面上の超音波出力を計測器で計測しながらVR 3 で周波数を調整している。
超音波振動子は、製造上その共振周波数にバラツキがあり、共振周波数が所定範囲内になるよう、ロットごとに共振周波数を測定しながら製造される。しかし、ロットが異なると共振周波数が相違するため、同一ロットの超音波振動子を1つの照射パッドに収容しているが、照射パッドへの装着等に起因して、同一ロットでも照射パッドごとにわずかではあるが共振周波数が相違してくる。このため、照射パッドを交換する際には発振周波数を再調整しなければならず、保守員がユーザに出向かなければならないといった課題があった。
又、超音波美容・健康器では、腹部,足部等左右同時に照射するため、装置に通常2組の照射パッドが接続されるが、照射パッドの共振周波数は一般にはそれぞれ異なるため、2組を同一周波数(同一駆動回路)で駆動した場合には、平衡な出力を得ることが困難であるといった課題がある。すなわち、図4の2組の照射パッドを駆動する場合の課題を表す図に示すように、照射パッドPの超音波出力をみながら発振周波数を照射パッドPの共振周波数f1に調整した場合、その照射パッドPの出力はpとなるが、共振周波数f2を持つ他方の照射パッドQの出力はqとなり、他方の出力qがpと比較して極端に低下する。この結果、両方の出力の平衡を保つために、製造時においても保守時においても発振周波数の調整に手間取るといった課題があった。
本発明は上記課題に鑑み、効率的な超音波出力が得られ、且つ複数個の振動子を1つの周波数で駆動する場合に平衡出力が得られる、超音波振動子の駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記課題は、図１本発明の原理図に示すように、
(1)発振周波数が制御可能な発振器３を備え、その発振器３で発生した交番電圧を固有の共振周波数を有する超音波振動子17に印可する超音波振動子の駆動装置であって、超音波振動子17に流れる駆動電流を検出する電流検出手段28と、駆動電流のピーク値を検出するピーク値検出手段26と、発振周波数を昇順又は降順に変化(掃引)させるとともに、電流検出手段28で検出されたピーク値の周波数に発振周波数を設定する周波数設定制御手段21とを有する本発明の超音波振動子の駆動装置により解決することができる。                                                                                                                                                        
超音波振動子17をその振動子固有の共振周波数で駆動すると、駆動電流は最大となる。本発明によれば、駆動周波数を掃引しながら駆動電流を監視し、検出されたピーク値の周波数に発振周波数を固定するようにしたため、自動的に共振周波数に発振周波数を設定することができる。
(2)前記(1)において、並列に接続された複数の超音波振動子を駆動する場合は、複数の超音波振動子のトータル駆動電流のピーク値を検出して発振周波数の設定を行うように構成することにより解決することができる。
2組の振動子(又は照射パッド)が異なる共振周波数f1,f2を持つ場合では、図4に示すように、トータル電流が最大の周波数はf1とf2の中間のf3となり、本発明によると,このf3に自動的に設定され、両者とも出力がnとなり、均等となる。
【発明の効果】
【０００５】
前記(1) の場合、図3に示すように、超音波振動子をその共振周波数f1で駆動すると出力効率は最大であり、そのとき駆動電流が最大となる。従って駆動電流を監視しながら発振器の周波数を昇順又は降順に変化させ、それによって検出された駆動電流のピーク値の周波数に発振周波数を固定することにより、自動的に最大出力に周波数を調整することができる。
超音波美容・健康器における照射パッドは、複数の超音波振動子から構成されているが、それら振動子の共振周波数はほぼ同一であり、その共振周波数に近い固有の共振周波数を持つ1つの振動子として扱うことができる。(以下図３,図4を振動子と照射パッドと共用する)。このため、本発明を超音波美容・健康器に適用すれば、出荷時における調整が省けるだけでなく、ユーザにおける照射パッドの交換時にも調整の必要がなく、ユーザ側で簡単に交換できるという効果を奏する。
(b)前記(2)の場合、超音波振動子(照射パッド)を複数並列に駆動する場合も、平均的な周波数に自動設定することができる。2組の場合では、図4に示すように、それぞれの共振周波数の中間において駆動電流が最大となり、発振周波数はその周波数に自動的に設定される。これにより、2組の超音波振動子(照射パッド)の出力を同じレベルに設定することができ、左右部位を平等に照射することができるという極めて多大の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の実施例として、２組の照射パッドを使用した超音波美容・健康器について説明する。図５は実施例のブロック図、図６はピーク値検出回路例を表す図、図７は実施例の動作タイムチヤート図である。なお、全図を通じて同一符合は同一対象物を表す。
図５において、３は電圧制御型発振器VCOで、電圧に比例した周波数を発生する衆知のV-F(電圧-周波数)コンバータを形成し、入力電圧を変化させることで510 KHZ〜526 KHZの範囲の正弦波信号を発生する。4はゲートで、タイマ11で計数された照射時間、本装置では10分間の間、VCO 3で発生した交番電圧を通過させる。5は駆動アンプで、2組の照射パッド13,14を駆動する。28は電流検出器で、2組の照射パッド13,14のトータル駆動電流(交番電流)を検出する。27は直流変換器で、電流検出器28から出力される交番電流を検波し、ピーク値を保持する等により、ピーク値に比例した直流に変換する。26はピーク値検出部で、VCO 3の発振周波数を変えることにより変化する直流変換器27の出力電圧のピーク値を検出する。25はゲートで、電圧制御部21へのクロックCLKをピーク値検出器26の出力するピーク値検出信号により禁止する。21は電圧制御部で、クロックCLKを計数するカウンタ24、カウンタ24の出力をデコードするデコーダ23、デコーダ23の出力をDA変換してVCO 3に周波数を決定する電圧を入力するDA変換器22より構成される。
ここで、電流検出器28は、例えば駆動アンプ5と照射パッド13,14の間の接続線に挿入された電流検出ループ、もしくは直列に挿入された電流検出用の抵抗および増幅器より構成されるものであり、2組の照射パッド13,14の駆動電流の合成された交番電流が検出される。
図6は、ピーク値検出部26の1例を示したものである。図中、34はAD変換器で、直流変換された駆動電流をAD変換する。ｎレベルメモリ33はAD変換器34の今回の出力を記憶し、ｎ−１レベルメモリ32は、ｎレベルメモリ33がAD変換器34の今回の出力を記憶するとき、ｎレベルメモリ33に記憶されている前回の信号をレベルシフトカウンタ35によりシフト記憶する。つまり、ｎレベルメモリ33、ｎ−１レベルメモリ32、レベルシフトカウンタ35は複数ビット並列のシフトレジスタを構成する。
31は比較器で、ｎレベルメモリ33とｎ−１レベルメモリ32の出力を比較し、(ｎレベル≧ｎ−１レベル)から(ｎレベル＜ｎ−１レベル)に値が変化したとき、すなわち、今回の直流電圧が前回の直流電圧より低くなったと判断したとき、ピーク値検出信号を出力する。従って、真のピーク値より１クロック分遅れた時点でピーク値検出信号を出力する。
図7は、動作タイムチャートを示したものである。駆動電流のピーク値は518 KHZ(照射パッドが1組のときは図3のf1, 2組のときは図4のf3に相当)で、526 KHZから1 KHZおきの降順に掃引するものとし、517 KHZでピーク値検出信号が出力されることを示している。
以下、図7に従い、本装置の動作を説明する。図5において、オペレータがスタートSW 8を押下すると、タイマ11は、時間の計数を開始する。ここでは10分間計数し、その間ゲート4を開くとともに、制御部10はゲート25にクロックCLKを供給する。(図7のA )ピーク値検出部26は最初は未検出状態で禁止信号を出力していないから、クロックCLKはゲート25を通してカウンタ24に供給される。カウンタ24はクロックCLKごとにカウントダウンされ、その出力はデコーダ23を介してDA変換器22により、図7のCに示すように、降順の電圧に変換される。この電圧ステップは、初期値の526 KHZから1 KHZ単位となるように設定される。これにより、VCO 3は図7のBに示すように、526 KHZ, 525 KHZ・・・のごとく降順の周波数を持つ交番電圧を発生し、ゲート4を通して駆動アンプ5経由照射パッド13,14に供給する。いま、図3のf1、又は図4のf3に相当する周波数は518 KHZであるから、直流出力は、図7のDのようになり、ピーク電圧e1を通過した次のクロックCLKで次の電圧e2との比較から、比較器31からピーク値検出信号が出力される。これにより、カウンタ24へのクロック供給が停止され、カウンタ24が517 KHZの電圧値に相当する値で停止する。この結果、発振周波数を照射パッドの共振周波数に極めて近い周波数に自動的に設定することができる。
２組の照射パッド13,14が接続された本例の場合は、図4に示すように、それぞれの共振周波数f1,f2の中心周波数f3の駆動電流がピーク値として検出され、この周波数f3に固定される。照射パッドが１組の場合は、その照射パッドの共振周波数f1の周波数で駆動電流のピーク値が検出され、発振周波数はf1に固定される。
このように、操作パネル7でスタートSW 8を押下するごとに、周波数の設定動作が行われるので、連続動作等で、熱等の環境の変化があっても正確に設定することができる。又、どちらか一方を外しても、接続された照射パッドに対応した周波数に設定される。
以上説明したように、本発明は、発振周波数が制御可能な発振器を備え、その発振器で発生した交番電圧を固有の共振周波数を持つ超音波振動子に印可する超音波振動子の駆動装置であって、超音波振動子に流れる駆動電流を検出する検出手段と、駆動電流のピーク値を検出するピーク値検出手段と、発振周波数を昇順又は降順に変化(掃引)させるとともに、電流検出手段28で検出されたピーク値の周波数に発振周波数を設定する周波数設定制御手段とを有する超音波振動子の駆動装置を提供するもので、超音波振動子の駆動周波数をその振動子の共振周波数に自動的に設定することができ、さらに2組以上の超音波振動子を並列に駆動するときは、それらの中心周波数に自動的に設定することができる。
なお、本発明は、本実施例で示した超音波美容・健康器に限るものではなく、固有の共振周波数を持つ超音波振動子の駆動装置に適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の原理図
【図２】従来例を表す図
【図３】課題説明図
【図４】２組の照射パッドを駆動する場合の課題を表す図
【図５】実施例のブロック図
【図６】ピーク値検出回路例を表す図
【図７】実施例の動作タイムチャート図
【符号の説明】
【０００８】
1  装置本体
２  駆動部
３  発振器VCO
４  ゲート
５  駆動アンプ
６  電圧調整器VR
７  操作パネル
８  スタートSW
９  ストップSW
１０  制御部
１１  タイマ
１３  照射パッド
１４  照射パッド
１５  コネクタ
１６  コネクタ
１７  振動子
２０  駆動部
２１  電圧制御部
２２  DA変換器
２３  デコーダ
２４  カウンタ
２５  ゲート
２６  ピーク値検出部、又はピーク値検出手段
２７  直流変換器
２８  電流検出器、又は電流検出手段
３１  比較器
３２  ｎ−１レベルメモリ
３３  ｎレベルメモリ
３４  AD変換器
３５  レベルシフトカウンタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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