JP2000084485A - 超音波振動子の駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波振動子１を共振周波数ｆｒにて確実に
駆動し，多様化する手術や他機種化する超音波溶着等に
も容易に対応できる超音波振動子１の駆動装置を提供す
る。 【解決手段】 超音波振動子の駆動装置において， ａ．高周波駆動電圧信号を出力する発振源と， ｂ．超音波振動子に並列に接続した補正用コイルと， ｃ．補正用コイルに流れる電流信号の大きさを調整する
信号増幅手段と， ｄ．信号増幅手段の出力信号と超音波振動子に流れる電
流信号とを位相合成する演算手段と， ｅ．超音波振動子に印加される電圧信号と演算手段の出
力信号とを用いて発振源を制御するＰＬＬ制御回路と， ｆ．超音波振動子の非駆動時に静電容量を測定する静電
容量測定手段と， ｇ．超音波振動子の静電容量に応じて信号増幅手段の増
幅率を調整する増幅率調整手段 とを具備したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，超音波振動子の駆
動装置に関するものである。更に詳細には，外科手術用
超音波処置装置や超音波溶着機等に用いられるランジュ
バン型超音波振動子のような圧電型超音波振動子の駆動
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的なランジュバン型超音波振動子１
は図１１に示すように構成されている。圧電素子２と電
極板３を交互に順次重ね合わせ，それらを金属ブロック
４で挟み込み，全体をボルト５で締め付けた構造となっ
ている。

【０００３】このような超音波振動子１にはその構造等
から物理的に定まる共振周波数ｆｒがあり，この共振周
波数ｆｒで超音波振動子１を駆動すると最も効率よく振
動するという性質がある。この共振周波数ｆｒ付近にお
ける超音波振動子１の電気的等価回路は図１０（ａ）の
ように示されることが知られている。すなわち，機械的
振動特性（直列共振特性）を表すコイル分（Ｌ）及びコ
ンデンサ分（Ｃ），及び機械的負荷を表す抵抗分（Ｒ）
に，圧電素子２と電極板３により構成される制動コンデ
ンサ分（Ｃｄ）が並列に接続された等価回路になってい
る。一般に，制動コンデンサ分（Ｃｄ）のことを，超音
波振動子１の静電容量Ｃｄと呼んでいる。

【０００４】超音波振動子１に電気エネルギーを印加す
ると，電気エネルギーと同じ周波数の超音波振動が発生
する。印加された電気エネルギーのうち，超音波振動に
変換されるのは超音波振動子１の直列共振回路側に流れ
る電流（ｉＺ）のみである。したがって，直列共振回路
側のインピーダンス（Ｚ）が最小になったときに，超音
波振動子１の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）が最
大になり，最も効率良く超音波振動を発生できる。ここ
で，直列共振回路側のインピーダンス（Ｚ）はＺ＝Ｒ＋
ｊ・ω・Ｌ＋１／（ｊ・ω・Ｃ）である。

【０００５】したがって，超音波振動子１を最も効率よ
く振動させる条件は，直列共振回路側のコイル分（Ｌ）
とコンデンサ分（Ｃ）が直列共振する共振周波数ｆｒ，
すなわち，ｆｒ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ））で駆動する
ことである。この場合，直列共振回路側のコイル分
（Ｌ）とコンデンサ分（Ｃ）が打ち消し合い，電気的等
価回路は図１０（ｂ）のようになり，抵抗分（Ｒ）に流
れる電流（ｉＺ）が超音波振動に変換される。

【０００６】ところが，コイル分（Ｌ）とコンデンサ分
（Ｃ）は超音波振動子１の先端に加わる負荷条件や温度
等の環境条件や経時変化によって微妙に変化する。この
ため，超音波振動子１を常に最も効率良く駆動するに
は，何らかの方法でコイル分（Ｌ）及びコンデンサ分
（Ｃ）の変化，すなわち，共振周波数ｆｒの変化に追従
して超音波振動子１を駆動する必要がある。

【０００７】これを実現する方法として，超音波振動子
１に印加される電圧（Ｖ１）と，超音波振動子１の直列
共振回路側に流れる電流（ｉＺ）との位相関係に着目
し，その位相差によって発振源３１の発振周波数ｆｏを
制御するＰＬＬ制御が知られている。これは，共振周波
数ｆｒにて超音波振動子１を駆動している場合，超音波
振動子１の直列共振回路側のインピーダンス（Ｚ）が抵
抗分（Ｒ）のみになることを利用している。すなわち，
超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ１）と超音波振動
子１の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）が同位相に
なるよう，発振源３１の発振周波数ｆｏが制御される。

【０００８】図６は，発振源３１の発振周波数ｆｏをＰ
ＬＬ制御回路３０により超音波振動子１の共振周波数ｆ
ｒに追従するＰＬＬ制御方式の原理図を示している。こ
の方法では，電流検出手段３４ａにより超音波振動子１
に流れる電流は検出できるが，制動コンデンサ（Ｃｄ）
に流れる電流（ｉＣｄ）が位相ずれを招くため，超音波
振動子１の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）を精度
良く検出できない。すなわち，実際の共振周波数ｆｒと
は異なる周波数で駆動することになり，超音波振動の効
率を低下させてしまう。

【０００９】この問題を解決するために，図７に示すよ
うに，超音波振動子１に対して補正用コイル１１（Ｌ
ｄ）を並列に接続する方法が知られている。例えば，実
開昭５４−１３６９４３号公報には，制動コンデンサ
（Ｃｄ）に流れる電流（ｉＣｄ）を補正用コイル１１
（Ｌｄ）に流れる電流（ｉＬｄ）により打ち消すよう補
正用コイル１１（Ｌｄ）のインダクタンスを調整する方
法が開示されている。ここで補正用コイル１１（Ｌｄ）
のインダクタンスは，ｆｒ＝１／（２π√（Ｌｄ・Ｃ
ｄ））となるよう調整すれば良い。つまり，超音波振動
子１の制動コンデンサ（Ｃｄ）と追加する補正用コイル
１１（Ｌｄ）を共振周波数ｆｒにて並列共振させること
で，従来問題となった制動コンデンサ（Ｃｄ）に流れる
電流（ｉＣｄ）を打ち消すことができるようになる。こ
のことは電流検出手段３４ａに流れる電流ｉ１が次式で
表されることから容易に説明できる。 ｉ１＝ｉＺ＋ｉＣｄ＋ｉＬｄ ＝ｉＺ＋Ｖ・（ｊ・ωｒ・Ｃｄ）＋Ｖ／（ｊ・ωｒ・Ｌｄ） ＝ｉＺ＋ｊ・Ｖ・（ωｒ・Ｃｄ−１／（ωｒ・Ｌｄ）） ここで，ωｒ＝２πｆｒ＝１／（√（Ｌｄ・Ｃｄ））を
代入すると，式の右辺第２項及び第３項が打ち消さ
れ，ｉ１＝ｉＺが得られる。つまり，電流検出手段３４
ａにより超音波振動子１の直列共振回路側に流れる電流
（ｉＺ）を精度良く検出でき，これによって，超音波振
動子１を最も効率良く駆動できる共振周波数ｆｒの追従
駆動が実現できる。このような方法は，特開平２−２４
５２７５号公報，特開平２−２７７４４９号公報，特開
平２−２８３３６２号公報，特開平２−２８３３６３号
公報，特開平２−２８３３６４号公報，特開平８−１１
７６８７号公報等にも開示されている。

【００１０】その他の従来の技術として，図８に示すよ
うに，超音波振動子１及び３個の補正用コンデンサ１０
をブリッジ状に接続した回路がある。この回路は，超音
波振動子１に印加される電圧（Ｖ１）に相当する信号
（Ｖｆ１）と超音波振動子１の直列共振回路側に流れる
電流（ｉＺ）に相当する信号（Ｖｆ２）をＰＬＬ制御回
路３０にフィードバックすることにより，超音波振動子
１に印加される電圧（Ｖ１）と超音波振動子１の直列共
振回路側に流れる電流（ｉＺ）が同位相になるよう発振
源３１の発振周波数ｆｏを制御する仕組みになってい
る。以下，第１のフィードバック信号（Ｖｆ１）及び第
２のフィードバック信号（Ｖｆ２）が，それぞれ超音波
振動子１に印加される電圧（Ｖ１）及び超音波振動子１
の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）に相当する信号
になっていることを説明する。

【００１１】図８の回路図から，第１のフィードバック
信号（Ｖｆ１）は超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ
１）そのものであることは明らかである。すなわち，第
１のフィードバック信号（Ｖｆ１）は次式で表される。 Ｖｆ１＝Ｖ１ ＝Ｖ・Ｚ／（Ｚ・（１＋Ｃｄ／Ｃｃ）＋１／（ｊ・ω・Ｃｃ）） ただし，超音波振動子１の直列共振回路側のインピーダ
ンス（Ｚ）をＺ＝Ｒ＋ｊ・ω・Ｌ＋１／（ｊ・ω・
Ｃ），超音波振動子１及び補正用コンデンサ１０全体に
かかる電圧をＶとしている。また，ωは角周波数であ
る。

【００１２】補正用コンデンサ１０ａに印加される電圧
（Ｖａ）及び補正用コンデンサ１０ｃに印加される電圧
（Ｖｃ）はそれぞれ次式で表される。 Ｖａ＝Ｖ・（Ｚ・Ｃｄ／Ｃｃ＋１／（ｊ・ω・Ｃｃ）） ／（Ｚ・（１＋Ｃｄ／Ｃｃ）＋１／（ｊ・ω・Ｃｃ）） Ｖｃ＝Ｖ・（Ｃｄ／（Ｃｄ＋Ｃｃ））

【００１３】第２のフィードバック信号（Ｖｆ２）は，
補正用コンデンサ１０ｃに印加される電圧（Ｖｃ）と補
正用コンデンサ１０ａに印加される電圧（Ｖａ）との差
である。すなわち，第２のフィードバック信号（Ｖｆ
２）は次式で表される。 Ｖｆ２＝Ｖｃ−Ｖａ ＝Ｖ・Ｃｄ／（Ｃｄ＋Ｃｃ） −Ｖ・（Ｚ・Ｃｄ／Ｃｃ＋１／（ｊ・ω・Ｃｃ）） ／（Ｚ・（１＋Ｃｄ／Ｃｃ）＋１／（ｊ・ω・Ｃｃ）） ＝ｊ・Ｖ／（Ｚ・（１＋Ｃｄ／Ｃｃ）＋１／（ｊ・ω・Ｃｃ）） ／（ω・（Ｃｄ＋Ｃｃ）） ＝ｊ・Ｖ・Ｚ／（Ｚ・（１＋Ｃｄ／Ｃｃ）＋１／（ｊ・ω・Ｃｃ）） ／Ｚ／（ω・（Ｃｄ＋Ｃｃ）） ＝ｊ・Ｖ１／Ｚ／（ω・（Ｃｄ＋Ｃｃ）） ＝ｊ・ｉＺ／（ω・（Ｃｄ＋Ｃｃ）） ∽ｊ・ｉＺ ただし，ｉＺは超音波振動子１の直列共振回路側に流れ
る電流であり，ｉＺ＝Ｖ１／Ｚで表される。式から第
２のフィードバック信号（Ｖｆ２）は超音波振動子１の
直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）に比例し，位相が
９０度進んだ信号であることがわかる。

【００１４】以上のように，第１のフィードバック信号
（Ｖｆ１）は超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ１）
に相当する信号であり，第２のフィードバック信号（Ｖ
ｆ２）は超音波振動子１の直列共振回路側に流れる電流
（ｉＺ）に相当する信号（９０度進相）であるので，超
音波振動子１に印加される電圧（Ｖ１）と超音波振動子
１の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）を同位相に制
御するには，第１のフィードバック信号（Ｖｆ１）と第
２のフィードバック信号（Ｖｆ２）との位相差が常に９
０度になるよう制御すればよい。これによって，超音波
振動子１を最も効率良く駆動できる共振周波数ｆｒの追
従駆動が実現できる。このような方法は，特開平２−２
８６１４９号公報等に開示されている。

【００１５】その他の従来の技術として，図９に示すよ
うに，超音波振動子１に補正用コンデンサ１０ａ（Ｃ
ｃ）を並列に接続した回路がある。この回路も図８と同
様に，超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ１）に相当
する信号（Ｖｆ１）と超音波振動子１の直列共振回路側
に流れる電流（ｉＺ）に相当する信号（Ｖｆ２）をＰＬ
Ｌ制御回路３０にフィードバックすることにより，超音
波振動子１に印加される電圧（Ｖ１）と超音波振動子１
の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）が同位相になる
よう発振源３１の発振周波数ｆｏを制御する仕組みにな
っている。以下，第１のフィードバック信号（Ｖｆ１）
及び第２のフィードバック信号（Ｖｆ２）が，それぞれ
超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ１）及び超音波振
動子１の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）に相当す
る信号になっていることを説明する。

【００１６】図９の回路図から，第１のフィードバック
信号（Ｖｆ１）は超音波振動子１に印加される電圧
（Ｖ）そのものであることは明らかである。すなわち，
第１のフィードバック信号（Ｖｆ１）は次式で表され
る。 Ｖｆ１＝Ｖ

【００１７】第２のフィードバック信号（Ｖｆ２）は，
超音波振動子１に流れる電流（ｉ１）と，補正用コンデ
ンサ１０ａに流れる電流（ｉ２）を信号増幅手段２０に
よりＡ倍した信号（Ａ・ｉ２）との差である。電流検出
手段３４ａ，３４ｂで検出した電流を電圧に変換するた
めの係数をｋとすると，それぞれの電流検出手段３４
ａ，３４ｂからの出力信号はｋ・ｉ１，ｋ・ｉ２とな
る。したがって，第２のフィードバック信号（Ｖｆ２）
は次式で表される。 Ｖｆ２＝ｋ・ｉ１−Ａ・ｋ・ｉ２ ＝ｋ・（ｉＺ＋ｉＣｄ）−Ａ・ｋ・ｉＣｃ ＝ｋ・ｉＺ＋ｋ（ｉＣｄ−Ａ・ｉＣｃ） ここで，Ａは信号増幅手段２０の増幅率であり，ｉＣｄ
＝Ａ・ｉＣｃに設定することにより，第２のフィードバ
ック信号（Ｖｆ２）は次式で表される。 Ｖｆ２＝ｋ・ｉＺ ∽ｉＺ 式から第２のフィードバック信号（Ｖｆ２）は超音波
振動子１の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）に比例
した信号であることがわかる。

【００１８】以上のように，第１のフィードバック信号
（Ｖｆ１）は超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ１）
に相当する信号であり，第２のフィードバック信号（Ｖ
ｆ２）は超音波振動子１の直列共振回路側に流れる電流
（ｉＺ）に相当（比例）する信号であるので，超音波振
動子１に印加される電圧（Ｖ１）と超音波振動子１の直
列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）を同位相に制御すれ
ばよい。これによって，超音波振動子１を最も効率良く
駆動できる共振周波数ｆｒの追従駆動が実現できる。こ
のような方法は，特開平８−１１７６８７号公報に開示
されている。

【００１９】この方法では，信号増幅手段２０の増幅率
Ａを適切な値に設定することが重要である。その設定方
法として，まず発振源３１が超音波振動子１の共振周波
数ｆｒとは異なる周波数ｆ’の信号を発生する。このと
き，超音波振動子１の直列共振回路側のインピーダンス
（Ｚ）が非常に大きな値となり，インピーダンス（Ｚ）
を開放した状態，すなわちインピーダンス（Ｚ）を無視
することができる。そのため，図１０（ｃ）に示すよう
に超音波振動子１は静電容量がＣｄであるコンデンサと
等価になる。このため，上記周波数ｆ’では，電流検出
手段３４ａにより検出される電流（ｉ１）は制動コンデ
ンサ（Ｃｄ）に流れる電流（ｉＣｄ）に等しくなる。ま
た，電流検出手段３４ｂにより補正用コンデンサ１０ａ
（Ｃｃ）に流れる電流（ｉ２）が検出され，両検出電流
を比較回路４０にて比較し，ｉＣｄ＝Ａ・ｉＣｃとなる
よう信号増幅手段２０の増幅率Ａを設定する。その後，
超音波振動子１を共振周波数ｆｒで追従駆動するよう，
ＰＬＬ制御を開始する。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，上述し
た３つの方法によっても以下のような改善すべき点があ
る。制動コンデンサ（Ｃｄ）は，超音波振動子１自体の
温度によって変化する特徴がある。超音波振動子１を長
時間駆動した場合には超音波振動子１自体の発熱により
温度が高くなり，静電容量が変化する（一般に増加）。
超音波振動子１を長時間低温の雰囲気中に設置した場合
には超音波振動子１自体の温度が低くなり，静電容量が
変化する（一般に減少）。したがって，第１の方法（図
７）では，補正用コイル１１（Ｌｄ）のインダクタンス
が制動コンデンサ（Ｃｄ）の静電容量変化に追従できな
いため正しいフィードバック信号が得られず，結果的に
超音波振動子１を共振周波数ｆｒで駆動することができ
ない場合がある。また，第２の方法（図８）でも，制動
コンデンサ（Ｃｄ）の静電容量変化によって，ブリッジ
のバランスがくずれるため正しいフィードバック信号が
得られず，結果的に超音波振動子１を共振周波数ｆｒで
駆動することができない場合がある。第３の方法（図
９）でも，信号増幅手段２０の増幅率Ａを最初に設定し
ただけでは，超音波振動子１を使用している間に制動コ
ンデンサ（Ｃｄ）の静電容量が変化した場合に正しいフ
ィードバック信号が得られず，結果的に超音波振動子１
を共振周波数ｆｒで駆動することができない場合があ
る。

【００２１】本発明は前記課題に着目してなされたもの
であり，その目的とするところは，超音波振動子１を常
にその共振周波数ｆｒにて確実に駆動し，多様化する手
術や他機種化する超音波溶着等にも容易に対応できる超
音波振動子１の駆動装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は，超音波振動子
１に並列に補正用コイル１１を接続し，信号増幅手段２
０及び位相合成用演算手段２１を設置することによっ
て，超音波振動子１を共振周波数ｆｒにて駆動するため
のフィードバック信号を検出できることを見出し，さら
に超音波振動子１の非駆動時に静電容量Ｃｄを測定し，
超音波振動子１の静電容量Ｃｄに応じて信号増幅手段２
０の増幅率Ａを調整することにより超音波振動子１を確
実に共振周波数ｆｒにて駆動することができることを見
出し，本発明に到達したものである。

【００２３】本発明は，超音波振動子をその共振周波数
にて駆動する超音波振動子の駆動装置において， ａ．高周波駆動電圧信号を出力する発振源と， ｂ．発振源からの出力信号を電力増幅する電力増幅回路
と， ｃ．超音波振動子に並列に接続した補正用コイルと， ｄ．超音波振動子又は補正用コイルに流れる電流信号の
少なくとも一方の大きさを調整する信号増幅手段と， ｅ．信号増幅手段の出力信号と超音波振動子又は補正用
コイルに流れる電流信号とを位相合成する演算手段と， ｆ．発振源の出力信号又は超音波振動子に印加される電
圧信号と演算手段の出力信号とを用いて超音波振動子を
共振周波数にて駆動すべく発振源を制御するＰＬＬ制御
回路と， ｇ．超音波振動子の非駆動時に静電容量を測定する静電
容量測定手段と， ｈ．超音波振動子の静電容量に応じて信号増幅手段の増
幅率を調整する増幅率調整手段 とを具備したことを特徴とする超音波振動子の駆動装置
である。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下，本発明について詳細に説明
する。本発明は，超音波振動子１を共振周波数ｆｒにて
確実に駆動するための共振周波数追従機構を有する駆動
装置である。これは，上述の通り，超音波振動子１を共
振周波数ｆｒで駆動しているときには，超音波振動子１
に印加される電圧（Ｖ１）と超音波振動子１の直列共振
回路側に流れる電流（ｉＺ）が同位相になることに着目
している。すなわち，超音波振動子１に印加される電圧
（Ｖ１）と超音波振動子１の直列共振回路側に流れる電
流（ｉＺ）を何らかの方法で検出し，それらが同位相に
なるよう発振源３１の発振周波数ｆｏを調整する制御回
路を組み込めばよい。

【００２５】図１は本発明の超音波振動子１の駆動装置
の１実施例を示す回路図である。図１において，１は超
音波振動子，１１は補正用コイル，３３ａは第１の電圧
検出手段（超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ
１）），３４ａは第１の電流検出手段（超音波振動子に
流れる電流（ｉ１）），３４ｂは第２の電流検出手段
（補正用コイル１１に流れる電流（ｉ２）），２０は信
号増幅手段，２１は位相合成用演算手段（演算手段），
２２は増幅率調整手段，３０はＰＬＬ制御回路，３１は
発振源，３２は電力増幅回路である。

【００２６】この回路は，超音波振動子１に印加される
電圧（Ｖ１）に相当する信号（Ｖｆ１）と超音波振動子
１の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）に相当する信
号（Ｖｆ２）をＰＬＬ制御回路３０にフィードバックす
ることにより，超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ
１）と超音波振動子１の直列共振回路側に流れる電流
（ｉＺ）が同位相になるよう発振源３１の発振周波数ｆ
ｏを制御する仕組みになっている。以下，第１のフィー
ドバック信号（Ｖｆ１）及び第２のフィードバック信号
（Ｖｆ２）が，それぞれ超音波振動子１に印加される電
圧（Ｖ１）及び超音波振動子１の直列共振回路側に流れ
る電流（ｉＺ）に相当する信号になっていることを説明
する。

【００２７】図１の回路図から，第１のフィードバック
信号（Ｖｆ１）は超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ
１）そのものであることは明らかである。すなわち，第
１のフィードバック信号（Ｖｆ１）は次式で表される。 Ｖｆ１＝Ｖ１

【００２８】第２のフィードバック信号（Ｖｆ２）は，
超音波振動子１に流れる電流（ｉ１）と，補正用コイル
１１に流れる電流（ｉ２）を信号増幅手段２０によりＡ
倍した信号（Ａ・ｉ２）との差である。電流検出手段３
４ａ，３４ｂで検出した電流を電圧に変換するための係
数をｋとすると，それぞれの電流検出手段３４ａ，３４
ｂからの出力信号はｋ・ｉ１，ｋ・ｉ２となる。したが
って，第２のフィードバック信号（Ｖｆ２）は次式で表
される。 Ｖｆ２＝ｋ・ｉ１−Ａ・ｋ・ｉ２ ＝ｋ・（ｉＺ＋ｉＣｄ）−Ａ・ｋ・ｉＬｄ ＝ｋ・ｉＺ＋ｋ・（ｉＣｄ−Ａ・ｉＬｄ） 10 ここで，Ａは信号増幅手段２０の増幅率であり，ｉＣｄ
＝Ａ・ｉＬｄに設定することにより，第２のフィードバ
ック信号（Ｖｆ２）は次式で表される。 Ｖｆ２＝ｋ・ｉＺ ∽ｉＺ 11 11式から第２のフィードバック信号（Ｖｆ２）は超音波
振動子１の直列共振回路側に流れる電流（ｉＺ）に比例
した信号であることがわかる。ただし，補正用コイル１
１は，超音波振動子１の共振周波数ｆｒにおいて超音波
振動子１の静電容量Ｃｄと並列共振するインダクタンス
を有しており，Ｌｄ＝１／（（ωｒ）２・Ｃｄ）であ
る。したがって，ｉＣｄ＝Ａ・ｉＬｄが成立するには，
Ａ＝１でなければならない。これは，｜ｊ・ωｒ・Ｃｄ
・Ｖ１｜＝Ａ・｜Ｖ１／（ｊ・ωｒ・Ｌｄ）｜に，Ｌｄ
＝１／（（ωｒ）²・Ｃｄ）を代入すれば求まる。

【００２９】以上のように，第１のフィードバック信号
（Ｖｆ１）は超音波振動子１に印加される電圧（Ｖ１）
に相当する信号であり，第２のフィードバック信号（Ｖ
ｆ２）は超音波振動子１の直列共振回路側に流れる電流
（ｉＺ）に相当（比例）する信号であるので，第１のフ
ィードバック信号（Ｖｆ１）と第２のフィードバック信
号（Ｖｆ２）とを同位相に制御すればよい。これによっ
て，超音波振動子１を最も効率良く駆動できる共振周波
数ｆｒの追従駆動が実現できる。

【００３０】本方式において，信号増幅手段２０の増幅
率Ａを適切な値に設定することにより，超音波振動子１
を共振周波数ｆｒにて駆動できることが分かる。つま
り，超音波振動子１の静電容量Ｃｄが変化したとして
も，信号増幅手段２０の増幅率Ａを調整することにより
共振周波数ｆｒにて駆動することができる。例えば，超
音波振動子１を長時間駆動した結果，静電容量Ｃｄがｎ
倍，つまりＣｄ’＝ｎ・Ｃｄになったとする。この場
合，Ａ＝ｎに調整すれば，〜11式と同様な関係が成立
することが確認でき，共振周波数ｆｒに追従できること
が分かる。見方を変えれば，静電容量Ｃｄが多少異なる
超音波振動子１においても，信号増幅手段２０の増幅率
Ａを調整さえすれば，共振周波数ｆｒにて駆動できると
いえる。

【００３１】図２に他の実施例（図１の変形型）を示
す。図１の実施例と異なるのは，位相補正回路３５を設
置し，発振源３１の出力信号を第１のフィードバック信
号（Ｖｆ１）とした点である。第１のフィードバック信
号（Ｖｆ１）は超音波振動子１に印加される電圧信号
（Ｖ１）に相当する信号である必要があるが，位相補正
回路３５の位相補正量を適切に設定することにより，発
振源３１の出力信号と超音波振動子１に印加される電圧
信号（Ｖ１）とを同位相にすることができる。したがっ
て，動作特性としては図１の実施例と同様であり，超音
波振動子１をその共振周波数ｆｒにて駆動することがで
きる。超音波振動子１に印加される電圧信号は数十〜数
百ボルトと大きく，これをＰＬＬ制御回路３０にフィー
ドバックするには何らかの方法で電圧を低減しなければ
ならない。また，超音波振動子１に印加される電圧信号
は，超音波振動子１の駆動状態によってその電圧値が変
化し，その度にフィードバック信号の大きさを調整する
必要がある。図２の回路は，このようなわずらわしさを
解消した実施例である。つまり，発振源３１の出力信号
は，超音波振動子１の駆動状態に関係無く一定の電圧値
であり，発振源３１の出力信号をそのまま第１のフィー
ドバック信号（Ｖｆ１）とすることができる。電力増幅
回路３２に位相ずれが全く無い場合や，電流検出手段３
４ａ，３４ｂが位相ずれを生じない場合は，位相補正回
路の位相補正量を０に設定するか，取り除けば良い。

【００３２】図３〜図４は，他の実施例を示している。
これらの実施例は，超音波振動子１をフローティングで
駆動したい場合に有効である。フィードバックに関する
原理は図１の実施例と同様であり，超音波振動子１をそ
の共振周波数ｆｒにて駆動することができる。

【００３３】次に，超音波振動子１の静電容量Ｃｄに応
じて信号増幅手段２０の増幅率Ａを設定する方法につい
て説明する。その方法は，次に示す通りである。 （１）超音波振動子１の非駆動時に，静電容量測定手段
２３にて現在の静電容量Ｃｄを測定し， （２）現在の静電容量Ｃｄの測定結果と既知のインダク
タンスＬｄから適切な増幅率Ａを求め， （３）信号増幅手段２０の増幅率Ａを適切な値となるよ
う調整する 図５にこの方法の構成を示す。図５において，２３は静
電容量測定手段，２４はスイッチ手段，２８は静電容量
測定用発振源である。この方法は，超音波振動子１の静
電容量Ｃｄを測定する時間が必要であるため，駆動・停
止を繰り返すような間欠駆動にて超音波振動子１を駆動
する場合に非常に有効である。

【００３４】静電容量Ｃｄの測定には，共振周波数ｆｒ
とは異なる静電容量測定用周波数ｆｃを使用する。共振
周波数ｆｒとは異なる静電容量測定用周波数ｆｃにおい
ては，超音波振動子１の直列共振回路側のインピーダン
ス（Ｚ）が非常に大きな値となり，インピーダンス
（Ｚ）を開放した状態，すなわちインピーダンス（Ｚ）
を無視することができる。そのため，静電容量測定用周
波数ｆｃにおいては，図１０（ｃ）に示すように超音波
振動子１は静電容量がＣｄであるコンデンサと等価にな
る。したがって，静電容量Ｃｄを容易に測定することが
できる。一般の超音波振動子１の共振周波数ｆｒは２０
ｋＨｚ以上であるので，静電容量測定用周波数ｆｃは２
０ｋＨｚより充分小さい周波数，例えば１ｋＨｚとすれ
ば良い。超音波振動子１の共振周波数ｆｒより高い周波
数を選択することも可能であるが，副共振点ｆｒ’と一
致する場合があるので，できれば低い周波数を選択する
ほうが得策である。

【００３５】静電容量測定用周波数ｆｃにおいては，超
音波振動子１は静電容量がＣｄであるコンデンサと等価
になり，回路全体では静電容量がＣｄのコンデンサとイ
ンダクタンスがＬｄのコイルを並列に接続した回路と見
なすことができる。したがって，超音波振動子１に流れ
る電流信号（ｉ１）及び補正用コイル１１に流れる電流
信号（ｉ２）を測定し，それらの比をとれば増幅率Ａの
適切な値を得ることができる。例えば，超音波振動子１
の静電容量Ｃｄがｎ・Ｃｄに変化している場合を考える
と，ｉ１／ｉ２＝｜ｊ・ωｒ・ｎ・Ｃｄ・Ｖ１｜／｜Ｖ
１／（ｊ・ωｒ・Ｌｄ）｜＝ｎ・（ωｒ）²・Ｃｄ・Ｌ
ｄ＝ｎ＝Ａである。ここでは，（ωｒ）²・Ｃｄ・Ｌｄ
＝１を利用している。この計算は，結果的に補正用コイ
ル１１のインダクタンスＬｄを利用して，超音波振動子
１の静電容量Ｃｄを求めていることになる。上述のｉ１
／ｉ２に関する数式は複雑ではあるが，実際にはｉ１及
びｉ２の実効値，平均値又は最大値等を求め，それらの
比をとれば，増幅率Ａの適切な値が求まるのである。ま
た，この数式の説明では，並列に接続する補正用コイル
１１のインダクタンスＬｄを超音波振動子１の共振周波
数ｆｒにおいて超音波振動子１の静電容量Ｃｄと共振す
る値として説明したが，補正用コイル１１のインダクタ
ンスはどのような値でも良い。なぜなら，どのような値
においても上述のｉ１／ｉ２＝Ａの計算により，増幅率
Ａの適切な値が決まるからである。

【００３６】図５は超音波振動子１を駆動していない時
の構成を示している。超音波振動子１を駆動していない
時は，スイッチ手段２４ａにより超音波振動子１及び補
正用コイル１１を電力増幅回路３２から切り離し，スイ
ッチ手段２４ｂにより静電容量測定手段２３を接続す
る。静電容量測定手段２３により超音波振動子１の静電
容量Ｃｄを測定し，静電容量測定手段２３からの出力信
号（測定結果）をＡ／Ｄ変換回路によりコンピュータ
（ＣＰＵ）に取りこみ，信号増幅手段２０の増幅率Ａが
適切な値となるよう，適切な信号を出力する。コンピュ
ータ（ＣＰＵ）からの出力信号はＤ／Ａ変換回路を経て
信号増幅手段２０に出力される。信号増幅手段２０はＤ
／Ａ変換回路からの出力電圧に応じて増幅率Ａが変化す
るような電圧制御増幅器（ＶＣＡ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃ
ｏｎｔｒｏｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で構成される。

【００３７】超音波振動子１を駆動している時の構成は
図１に示す通りである。超音波振動子１を駆動していな
い時に測定した超音波振動子１の静電容量Ｃｄから，信
号増幅手段２０の増幅率Ａが適切な値に設定されてい
る。したがって，超音波振動子１はその共振周波数ｆｒ
にて駆動することができる。超音波振動子１を駆動して
いる間は，信号増幅手段２０の増幅率Ａは一定に保たれ
ている。超音波振動子１の駆動が停止すれば，静電容量
測定手段２３に再度接続され，信号増幅手段２０の増幅
率Ａを再度適切な値に設定するようになっている。これ
を効率良く行うには，図示しない超音波振動子１の駆動
用スイッチ手段とスイッチ手段２４ａ，２４ｂを連動さ
せれば良い。つまり，駆動用スイッチ手段をオンにした
ときにはスイッチ手段２４ａもオンになり，スイッチ手
段２４ｂはオフになるようにする。もちろん，駆動用ス
イッチ手段をオフにしたときにはスイッチ手段２４ａも
オフになり，スイッチ手段２４ｂはオンになるようにす
る。そうすれば，超音波振動子１を駆動していないとき
に自動的に静電容量Ｃｄが測定され，信号増幅手段２０
の増幅率Ａが超音波振動子１の駆動停止の度に最適な値
に設定される。超音波振動子１の非駆動時に静電容量Ｃ
ｄを毎回測定するのは，駆動時の発熱や非駆動時の冷却
・放熱によって静電容量Ｃｄが変化し，増幅率Ａの適切
な値が常に変化するからである。

【００３８】このように，超音波振動子１を駆動してい
ないときは信号増幅手段２０の増幅率Ａを最適な値に設
定し，超音波振動子１を駆動しているときは信号増幅手
段２０の増幅率Ａを一定に保つことを繰り返すよう動作
する。したがって，この方法は超音波振動子１の静電容
量Ｃｄを測定する時間が必要であるため，駆動・停止を
繰り返すような間欠駆動にて超音波振動子１を駆動する
場合に非常に有効である。一般に超音波振動子１は非常
に長い時間連続駆動されることは少なく，ほとんどが駆
動・停止を繰り返すような間欠駆動である。

【００３９】この方法のさらに良い点は，静電容量測定
手段２３で得られる静電容量Ｃｄが補正用コイル１１の
インダクタンスＬｄを基に算出しているため，補正用コ
イル１１のインダクタンスＬｄが経時的変化や温度変化
により従来の値とは異なる値に変化したとしても，超音
波振動子１を共振周波数ｆｒで駆動するために必要な正
しい増幅率Ａを得ることができることである。つまり，
補正用コイル１１のインダクタンスＬｄの経時的変化や
温度変化の影響を取り除くことができる。また，実施例
では補正用コイル１１のインダクタンスをＬｄ＝１／
（（ωｒ）²・Ｃｄ）としたが，実際はどのような値で
も良い。なぜなら，増幅率Ａの適切な値は，上述の通
り，補正用コイル１１のインダクタンス値を基に算出し
ているからであり，インダクタンスの値が変化した影響
は，増幅率Ａの適切な値に反映されているからである。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば，超音波振動子を常に共
振周波数で確実に駆動することができ，絶えず変化する
機械的負荷にも確実に追従することができるだけでな
く，温度変化等により超音波振動子の静電容量が変化し
ても共振周波数に確実に追従することができる。さらに
は，静電容量の異なる超音波振動子についても柔軟に対
応でき，拡張性・柔軟性に富んだ超音波振動子の駆動装
置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す回路図である。

【図２】本発明の実施例を示す回路図である。

【図３】本発明の実施例を示す回路図である。

【図４】本発明の実施例を示す回路図である。

【図５】本発明の実施例を示す回路図である。

【図６】ＰＬＬ制御方式の原理図である。

【図７】従来のＰＬＬ制御方式の原理図である。

【図８】従来のＰＬＬ制御方式の原理図である。

【図９】従来のＰＬＬ制御方式の原理図である。

【図１０】圧電型超音波振動子の電気的等価回路図であ
る。

【図１１】ランジュバン型超音波振動子の構造図であ
る。

【符号の説明】

１ 超音波振動子 ２ 圧電素子 ３ 電極板 ４ 金属ブロック ５ ボルト １０ 補正用コンデンサ １１ 補正用コイル ２０ 信号増幅手段 ２１ 位相合成用演算手段 ２２ 増幅率調整手段 ２３ 静電容量測定手段 ２４ スイッチ手段 ２８ 静電容量測定用発振源 ３０ ＰＬＬ（Phase Locked Loop）制御回路 ３１ 発振源 ３２ 電力増幅回路 ３３ 電圧検出手段 ３４ 電流検出手段 ３５ 位相補正回路 ３７ 絶縁トランス ４０ 比較回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波振動子をその共振周波数にて駆動
   する超音波振動子の駆動装置において， ａ．高周波駆動電圧信号を出力する発振源と， ｂ．発振源からの出力信号を電力増幅する電力増幅回路
   と， ｃ．超音波振動子に並列に接続した補正用コイルと， ｄ．超音波振動子又は補正用コイルに流れる電流信号の
   少なくとも一方の大きさを調整する信号増幅手段と， ｅ．信号増幅手段の出力信号と超音波振動子又は補正用
   コイルに流れる電流信号とを位相合成する演算手段と， ｆ．発振源の出力信号又は超音波振動子に印加される電
   圧信号と演算手段の出力信号とを用いて超音波振動子を
   共振周波数にて駆動すべく発振源を制御するＰＬＬ制御
   回路と， ｇ．超音波振動子の非駆動時に静電容量を測定する静電
   容量測定手段と， ｈ．超音波振動子の静電容量に応じて信号増幅手段の増
   幅率を調整する増幅率調整手段とを具備したことを特徴
   とする超音波振動子の駆動装置。
2. 【請求項２】 発振源の出力信号を超音波振動子に印加
   される電圧信号とほぼ同位相とするために発振源の出力
   信号の位相を補正する位相補正回路を具備した請求項１
   記載の超音波振動子の駆動装置。
3. 【請求項３】 超音波振動子を駆動するための駆動用ス
   イッチ手段と，静電容量測定手段を超音波振動子に接続
   するためのスイッチ手段を具備し，両スイッチ手段の動
   作を連動させた請求項１〜２記載のいずれかの超音波振
   動子の駆動装置。