JP2635109B2 - 超音波振動子の駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は体内の結石を破砕、除去する装置や、外科
手術的に組織を乳化、切除したりする超音波メス等にお
ける超音波振動子の駆動装置に関する。

〔従来の技術〕

外科手術用の超音波メスや、経内視鏡的に体内に発生
した結石を破砕する器具、あるいは超音波加工装置等に
使用されている超音波振動子は、その基本共振周波数、
もしくはその近傍にて駆動することが望ましい。この従
来例として、特開昭48−79613号公報に記載のトランス
ジューサ制御回路がある。ここでは、超音波振動子への
印加電圧とそこを流れる電流の位相を比較し、駆動信号
の周波数を共振周波数と一致、もしくはごく近傍となる
ように制御する。同様な従来例として、特開昭52−1500
08号公報、特開昭56−7669号公報がある。

一般に超音波振動子はその共振周波数の近傍におい
て、第７図に示すような等価回路となる。すなわち、超
音波振動子はC,L,Rの直列回路と制動容量Cdとの並列回
路として表わされる。

第８図にC,L,Rの直列回路を共振させた時の周波数特
性を示す。インピーダンス|Z|は共振周波数frで最低と
なり、その時、振動子に印加した電圧とC,L,Rの直列回
路を流れる電流との位相差θは０である。

超音波振動子は共振点で駆動することにより、効率の
良い電気−振動エネルギ変換を行なうが、共振周波数fr
は超音波振動子に加わる負荷、駆動状態、振動子毎のバ
ラツキ等によって微妙に変動する。そのため、共振点を
検出し、それを追尾するように駆動信号の周波数を制御
する必要がある。共振点は電圧−電流位相差を検出する
ことにより求められる。

ここで、共振点について説明する。共振周波数frは次
のように表わされる。

すなわち、第７図の等価回路において、L,Cが直列共
振し、そのインピーダンスが０となる周波数である。こ
のときの振動子の等価回路を第９図に示す。振動子に流
れ込む電流は次のように表わされる。

＝▲▼＋▲▼ …（２） ここで、▲▼は制動容量Cdに流れる電流、▲
▼は直列共振部分に流れる電流、すなわち抵抗Ｒに流れ
る電流である。

第10図に▲▼、▲▼の関係を示す。この特性
図は周波数を変化させた時の振動子に流れる電流の実数
部▲▼と虚数部▲▼の変化を示す図である。

振動子において、電気エネルギが振動エネルギに変換
される部分は、抵抗Ｒの部分であり、抵抗Ｒに流れる電
流▲▼が大きい程、振動エネルギは大きくなる。

ここで、振動子に負荷が加わると、この抵抗Ｒが変動
する。一方、制動容量Cdは振動子における圧電素子の機
械的結合性の静電容量であるから、ほとんど変動しな
い。このため、第10図において、▲▼は変化しない
が、▲▼は変化することがある。従って、振動子に
流れる共振時の電流の印加電圧に対する位相差Δθは
負荷によって変動することになる。

そこで、上記▲▼の影響を無くすために、第11図
に示すように、振動子に並列に次式のようなインダクタ
Ldを接続することが考えられている。

Ld＝Ｌ・C/Cd …（３） このようにすると、共振点において、LdとCdとが並列
共振を起こすので、共振点における振動子のインピーダ
ンスが第12図に示すように、見かけ上抵抗Ｒのみとな
る。このため、共振点では▲▼＝０となり、振動子
に加わる負荷がどのような値であっても、 ＝▲▼ …（４） となり、電圧に対する電流の位相差Δθを第13図に示
すように常に０とすることができる。

第14図は第11図の構成による振動系の共振周波数fr近
傍の周波数特性である。これはL,Cによる直列共振の特
性と、Ld,Cdによる並列共振の特性を組合わせたもので
ある。

共振点を追尾する従来の方法は、振動子に加わる電圧
の位相θｖと、振動子に流れ込む電流の位相θｉとを検
出し、位相比較器で両者の位相差を検出し、その位相差
に応じて駆動信号の周波数を制御することにより、常に
位相差が一定の値とする位相ロックループ（PLL）を用
いる方法である。すなわち、インダクタLdを接続した振
動系においては、位相差Δθが常に０となるような周波
数追尾を行なうことになる。このような周波数追尾回路
の従来例を第15図に示す。

電圧制御発振器（VCO）５の出力が波形整形回路６、
電圧制御増幅器（VCA）７、パワーアンプ８、マッチン
グ回路10を介して超音波振動子１に印加される。超音波
振動子１にはインダクタ（Ld）２が並列に接続されてい
る。VCA7の利得はマッチング回路10の出力により出力制
御回路９を介して制御される。マッチング回路10からは
電圧位相θｖと電流位相θｉとが出力され、これらが位
相比較器３、ローパスフィルタ（LPF）４を介してVCO5
に制御電圧として供給されている。位相比較器３、LPF
4、VCO5が位相ロックループ（PLL）を構成する。

〔発明が解決しようとする課題〕

第14図に示すように、PLLは自走発振周波数foがf1〜f
2の間の時、共振周波数frでロックするように起動され
る。すなわち、PLLの初期の発振周波数はf1〜f2の間で
変化するようにしておく。PLLのロックレンジは、第14
図に示すように、振動子のL,C,Rの直列回路のインピー
ダンス|Z|が最大のピークf1から隣の最大のピークf2の
範囲で周波数の追尾を行なう。そして、インピーダンス
|Z|が最小となっていない場合は、インピーダンスを下
げるように、VCO5の発振周波数を下げるように制御す
る。

ここで、振動子に急激な負荷が加わって共振周波数fr
がf1〜f2の範囲を越えた場合、PLLは正帰還動作とな
り、VCO5の発振周波数はその下限、または上限に飽和し
てしまい、再起動させなくてはならなくなる。

また、第16図に示すように、圧電素子101、ホーン102
からなる振動子の先端の加工用チップ103を変更した場
合等にも、共振周波数frがずれて、fo＜f1、またはf2＜
foとなり、起動できなくなる不具合がある。加工用チッ
プ103が変更されると、インピーダンスが最大となる周
波数がずれる。従って、PLLのロックレンジが変わり、
このレンジ内にPLLの自走発振周波数foが入らなくな
り、起動が不可能になる。

さらに、振動子の共振周波数は機械的大きさによって
決まるものであるが、それゆえ、第17図に示すように、
振動モードの異なった状態での副共振点fr′,fr″が発
生する。副共振点においても、電圧−電流位相差Δθは
０となるから、PLLはその点で疑似ロックしてしまう。
この対策として、VCOの制御電圧入力部に上下限を定め
るリミッタ回路やウィンドゥ回路を設けたりする方法が
あるが、調整が大変であることや、回路が複雑になる等
の問題点があった。

この発明は上述した事情に対処すべくなされたもの
で、その目的は位相ロックループにより超音波振動子の
駆動周波数をその基本共振周波数にロックする超音波振
動子の駆動装置において、簡単な回路構成を付加するだ
けで、ロックがはずれた場合に自動復帰させることであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

この発明による超音波振動子の駆動装置は、超音波振
動子へ印加される電圧と流れる電流との位相差に基づい
て超音波振動子の駆動周波数を制御する共振点追尾用の
第１の位相ロックループ（PLL）と、第１のPLLとは別に
第１のPLL内に設け、その出力が第１のPLLに入力される
第２のPLLを具備する。第２のPLLの自走発振周波数は振
動子の共振周波数近傍とし、そのロックレンジは振動子
の副共振周波数に満たない程度に狭いものにしておく。

〔作用〕

先ず、第２のPLLは振動子の共振周波数fr近傍の自走
発振周波数foで発振する。この発振信号に基づいて、第
１のPLLも共振周波数fr近傍の周波数から振動子の電圧
−電流位相差を検出し、位相差が０となるように周波数
を制御し、共振点でロックする。

負荷の急激な変動等で第１のPLLのロックが外れ、発
振周波数が第１のPLLのVCOの上限、あるいは下限に飽和
すると、第2PLLは入力がロックレンジ外であるので、ロ
ックが外れ、再び共振周波数fr近傍で自走発振する。こ
の発振信号に基づいて、第１のPLLは共振周波数fr近傍
で自走発振する。この発振信号に基づいて、第１のPLL
は共振周波数fr近傍から起動することになり、基本共振
点でロックする。

このようにして、第１のPLLのロックが外れても、第
２のPLLの自走発振により、自動的にロック状態に復帰
できる。

〔実施例〕

以下図面を参照してこの発明による超音波振動子の駆
動装置の実施例を説明する。第１図は第１実施例のブロ
ック図である。電圧制御発振器（VCO）５の出力が波形
整形回路６、電圧制御増幅器（VCA）７、パワーアンプ
８、マッチング回路10を介して超音波振動子１に印加さ
れ、電気エネルギが振動エネルギに変換される。

波形整形回路６はVCO5の出力から高調波成分、スパイ
クノイズ等を除去するためのフィルタ等で構成される。
VCA7は振動子の振幅を一定化するために、駆動信号の振
幅を一定に制御する。VCA7の利得はマッチング回路10の
出力により出力制御回路９を介して制御される。パワー
アンプ８はVCA7からの出力信号を振動子を駆動するに十
分な電力まで増幅する。

マッチング回路10はパワーアンプ８の出力を効率良く
振動子に伝えるためのインピーダンスマッチング回路
と、出力の大きさを表わす、例えば電流値ｉと電圧及び
電流の位相信号θv,θｉを取出す回路を含む。この電流
値ｉが出力制御回路９を介してVCA7に供給される。

超音波振動子１には位相補正用のインダクタ２が並列
に接続されている。

マッチング回路10から取出された電圧位相θｖが第１
の位相ロックループ（PLL）30にそのまま供給され、電
流位相θｉが第２のPLL20を介して第１のPLL30に供給さ
れる。

第２のPLL20は位相比較器21、ローパスフィルタ（LP
F）22、VCO23からなる。位相比較器21は電流位相θｉと
VCO23の出力位相θｉ′とを比較し、位相差に応じた信
号を出力する。LPF22は位相比較器21の出力信号を積分
しVCO23の制御端子へ直流制御電圧を供給する。

第１のPLL30は位相比較器３、LPF4、VCO5からなる。
位相比較器３は電圧位相θｉとVCO23の出力位相θｉ′
とを比較し、位相差に応じた信号を出力する。LPF4は位
相比較器３の出力信号を積分しVCO5の制御端子へ直流制
御電圧を供給する。

第１のPLL30は共振点を追尾するためのものであり、
第15図に示した従来例と同様である。

第２図に示した概略図を参照して、第２のPLL20の動
作を説明する。第２図において、可変抵抗24はロックレ
ンジ調整用、可変容量25は自走発振周波数調整用であ
る。

一般に、PLLはそのロックレンジ、またはキャプチャ
レンジが狭くなるように設計すると、自走発振周波数fo
に近い周波数の入力信号ｆinにしかロックしないという
周波数選択性を持たせることができる。すなわち、第３
図に示すように、入力信号ｆinが自走発振周波数foを中
心にΔｆで示されるロックレンジ内であれば、VCOの制
御電圧は周波数の増加に伴い増加し、出力ｆoutは入力
信号ｆinに追従したｆin＝ｆoutの信号となる。しか
し、入力信号ｆinがロックレンジΔｆの範囲外の場合
は、VCO制御電圧は０、すなわち自走発振周波数foが出
力ｆoutとして現れる。ｆinとｆoutの波形を第４図に示
す。

次に、第１実施例の動作を説明する。位相比較器３は
ロックレンジが広く位相差が０のPLLを構成できるよう
にエッジトリガ方式が採用されている。位相比較器３に
第２のPLL20の自走発振周波数信号foが入力されると、f
oは基本共振周波数frに近いため、第１のPLL30が動作
し、以後、電圧位相θｖと電流位相θｉ′が常に０とな
るような共振周波数追尾を行ない、共振点でロックす
る。

もし、振動子１への負荷変動等で、第１のPLL30の追
尾ロックが外れ、VCO5の発振周波数が第２のPLL20のロ
ックレンジΔｆを越えて、例えば副共振周波数で疑似ロ
ックしようとすると、第２のPLL20の電流位相θｉへの
ロックが外れ、自走発振する。これにより、第１のPLL3
0は再び起動され、基本共振点追尾の動作が再開され
る。

このように第１実施例によれば、第１のPLLによる基
本共振点追尾のロックが外れても、第２のPLLの自走発
振出力により、第１のPLLによる基本共振点の追尾動作
が再開されるので、常に基本共振点で超音波振動子を駆
動できる。

第５図は第２実施例のブロック図である。超音波振動
子１にパワーMOSFET等のスイッチング素子を用いたスイ
ッチング式の駆動回路41が接続され、スイッチング方式
の駆動ブロック40が構成される。スイッチング式駆動回
路41は電圧位相、電流位相検出回路も含む。電圧位相θ
ｖは第１のPLL30にそのまま供給される。電流位相θｉ
は第２のPLL20、移相器（90゜）50を介してθｉ′とし
て第１のPLL30に供給される。第１のPLL30はディジタル
式の位相比較器を有することが望ましいが、第２のPLL2
0はアナログ式の位相比較器を有することが望ましい。
第１のPLL30の出力がスイッチング式の駆動回路41に供
給される。

第１のPLL30は駆動回路41をスイッチング駆動する信
号を発生する。一般に、超音波振動子１をスイッチング
駆動、例えば方形波形の電圧で駆動すると、方形波形に
は高調波成分が多く含まれているので、電流位相波形ｉ
は第５図中に示すように歪んだものとなる。ディジタル
回路では、このような波形から基本共振周波数成分frを
取出すのは困難であるが、PLL20はアナログ式位相比較
器を有するので、容易に取出せる。この場合、PLL20の
入出力の間に90゜の位相差が生じるが、移相器50によっ
てこれが補償される。他の動作は第１実施例と同様であ
る。

このように第２実施例によれば、追尾に都合の良いデ
ィジタル式位相比較器を持つ第１のPLL30のみによって
は困難であったスイッチング駆動方式での位相追尾が可
能となる。そのため、第１実施例で必要であった大型の
パワーアンプ８をスイッチング方式の効率の良い駆動回
路１に置換えられるので、装置の小型化、軽量化が実現
できる。

第６図は第３実施例のブロック図である。第３実施例
は第１実施例に対して、マッチング回路10と第２のPLL2
0の間に基本共振周波数fr近傍は通過させ、副共振周波
数は減衰させる帯域通過型フィルタ（BPF）60を設ける
点が違う。

このように構成することで、第2PLL20のロックレンジ
の調整が困難な場合でも、基本共振点での追尾が可能と
なる。

なお、上述の実施例では、電流位相θｉを第2PLLに入
力したが、これに限定されずに、電流位相θｉの代わり
に電圧位相θｖを入力してもよいし、あるいは電流位相
θｉ、電圧位相θｖの両者とも入力してもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、第１のPLL
による基本共振点追尾のロックが外れても、第２のPLL
の自走発振出力により、第１のPLLによる基本共振点の
追尾動作が再開されるので、常に基本共振点で超音波振
動子を駆動できる超音波振動子の駆動装置が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による超音波振動子の駆動装置の第１
実施例のブロック図、第２図は第１実施例の第２のPLL
の概略を示す図、第３図は第１実施例の第２のPLLの特
性を示す図、第４図は第２のPLLの入力波形、出力波形
を示す図、第５図はこの発明の第２実施例のブロック
図、第６図はこの発明の第３実施例のブロック図、第７
図は一般的な超音波振動子の等価回路を示す図、第８図
は第７図に示した超音波振動子の周波数特性を示す図、
第９図は共振時の超音波振動子の等価回路を示す図、第
10図は第９図に示した超音波振動子の周波数特性を示す
図、第11図は制動容量の影響を無くするための回路を示
す図、第12図は第11図の共振時の回路図、第13図は第12
図の回路の周波数特性を示す図、第14図は第11図の回路
の周波数特性を示す図、第15図はPLLを用いた超音波振
動子の駆動装置の従来例のブロック図、第16図は超音波
振動子の従来例を示す図、第17図は超音波振動子の副共
振点を説明する図である。 １……超音波振動子、２……インダクタ、3,21……位相
比較器、4,22……LPF、5,23……VCO、10……マッチング
回路、20,30……PLL。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波振動子に印可される駆動電圧と駆動
   電流との位相差に基づいて駆動周波数を制御する共振点
   追尾用の位相ロックループを具備する超音波振動子の駆
   動装置において、 前記位相ロックループは、 第１および第２の信号入力端を有し、該第１、第２の信
   号入力端に入力された信号の位相差に基づき超音波駆動
   用の信号を出力する第１の位相ロックループと、 第１および第２の信号入力端を有し、該第１、第２の信
   号入力端に入力された信号の位相差に基づく信号を出力
   する自走発振機能を有する第２の位相ロックループと、 前記第１の位相ロックループの第１の信号入力端に前記
   駆動電圧または駆動電流を第１の信号として入力する手
   段と、 前記第１の位相ロックループの第２の信号入力端に前記
   第２の位相ロックループの出力信号を第２の信号として
   入力する手段と、 前記第２の位相ロックループの第１の信号入力端に前記
   第２の位相ロックループの出力信号、前記駆動電圧また
   は駆動電流を第３信号として入力する手段と、 前記第３信号が前記第２の位相ロックループの出力信号
   の場合、前記第２の位相ロックループの第２の信号入力
   端に前記第１信号とは異なる前記駆動電流または駆動電
   圧を第４信号として入力し、前記第３信号が前記駆動電
   圧または駆動電流の場合、前記第２の位相ロックループ
   の第２の信号入力端に前記駆動電流または駆動電圧を第
   ４信号として入力する手段とを具備することを特徴とす
   る超音波振動子の駆動装置。