JP2796549B2

JP2796549B2 - 超音波振動子の駆動回路

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Publication number: JP2796549B2
Application number: JP1120748A
Authority: JP
Inventors: 友尚桜井
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-06-17
Filing date: 1989-05-15
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: JPH0286874A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は機械加工、医療等に用いられる電歪型等の超
音波振動子の駆動回路に関する。

［従来の技術］従来、ボルト締めランジュバン型超音波振動子を用い
て電気−機械振動変換を行ない、その振動をホーンによ
って拡大してから生体組織に伝達し、生体組織を切除す
る超音波装置が開発されている。このような装置におい
ては、振動系構成部は駆動時に大きな歪みが発生してお
り、その設計及び材質の選定には機械的強度等を考慮に
入れる必要がある。さらに、駆動回路側においても、過
大な振動や急激な応力変化による振動系の破壊、劣化を
防止するための保護回路を設けている。

このような駆動回路の一例として、超音波振動子の駆
動のための定電流源の設定値を負荷時と無負荷時とで変
える駆動回路が特公昭61−7877号公報に記載されてい
る。ここでは、無負荷時の無駄な電力消費、及び振動
子、電流制御用トランジスタの温度上昇を防止するため
に、振動子のアドミッタンスによって負荷の有無が検知
され、無負荷時に設定時が低減される。

また、発振開始時に回路素子が電気的衝撃を受けるこ
とを防止するため、及び振動系が負荷状態にある時の立
上がりを容易ならしめるための起動衝撃緩和回路を電力
増幅回路中に設けた装置が特開昭58−58034号公報に記
載されている。

［発明が解決しようとする課題］前者の装置においては、無負荷状態から負荷状態に変
化すると、定電流源の設定値が急激に変化するので、や
はり急激な応力変化が避けられない。さらに、振動系の
先端部材を取替えた場合に振動系のアドミッタンスが変
化するため振動子のアドミッタンスから負荷の有無を検
知することが不可能な場合がある。

また、後者の装置においても発振開始時の急激な応力
変化は避けられなかった。

この発明は上述した事情に対処すべくなされたもの
で、その目的は振動子の起動時の急激な応力変化を防止
する超音波振動子の駆動回路を提供することである。

［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回路は、超音波振
動子を駆動するための信号を発生する発振器と、可変の
増幅率で前記発振器で発生された信号を増幅する電圧制
御増幅回路と、前記電圧制御増幅回路からの信号を電力
増幅して前記超音波振動子に印加する電力増幅回路と、
前記電力増幅回路から出力される信号の電流値を検出す
る電流検出回路と、前記電流検出回路で検出された電流
値に基づいて前記電圧制御増幅回路に増幅率を決定する
ための電圧信号を出力して前記電力増幅回路から前記超
音波振動子に印加する電流値を一定値に保つための定電
流制御回路と、前記超音波振動子に印加する信号の電流
値の大きさを指示する指示回路と、を有し、前記指示回
路から前記超音波振動子に印加する信号の電流値の大き
さが指示入力されると、前記超音波振動子に印加する信
号の電流値が０または小さい値に設定されその後所定時
間内に指示入力された電流値の大きさまで徐々に増加さ
れその後指示入力された一定値に保つべく前記定電流制
御回路から前記電圧制御増幅回路に出力される電圧信号
を変化させることを特徴とする。

［作用］この駆動回路において、超音波振動子14の振動開始
（起動）指示があると、制御回路３は電圧制御増幅回路
２の増幅率を０、または非常に小さい値から徐々に増加
させ、起動してから一定時間後に所定の増幅率にする。
この所定の増幅率は超音波振動子14が所望の強力な超音
波を発振できるような値に決定されている。そして、一
定時間後はこの所定の増幅率を保持するように制御され
る。このため、超音波振動の振幅は徐々に増加するの
で、起動時に急激な応力変化が発生しない。

このような制御のために、制御回路３から電圧制御増
幅回路２へ供給される制御信号Vcを第２図に示す。すな
わち、制御信号Vcは起動時は０であり、一定時間t1経過
するまでは徐々に増加し、一定時間t1経過後は所定値Vc
1に保持される。

［実施例］以下、この発明による超音波振動子の駆動回路の実施
例を説明する。

第３図は第１実施例のブロック図である。発振回路１
からの信号が乗算回路７に供給される。乗算回路７の出
力が電力増幅回路４を介して超音波振動子14の圧電変換
器５に供給される。超音波振動子14は圧電変換器５、ホ
ーン６からなる。

乗算回路７の係数を設定することにより電力増幅回路
４の入力信号の振幅を設定する可変電圧源からなる振幅
設定回路９の出力が起動スイッチ30と抵抗Ｒを介して比
較器12の＋側入力端子に供給される。比較器12の＋側入
力端子はリレースイッチ10、コンデンサＣを介してアー
ス、または基準電位に接続される。

起動スイッチ30からの信号がタイマー回路11に供給さ
れ、タイマー回路11からの信号がリレースイッチ10に供
給される。

電力増幅回路４と超音波振動子14の間に電流検出器８
が接続され、電流検出器８の出力ＶFが比較器12の−側
入力端子に供給される。比較器12は抵抗Ｒと、リレース
イッチ10との接続点の電圧Vcと、電流検出器８の出力、
すなわち超音波振動子14に流れる電流値の振幅に対応し
た電圧ＶFとを比較し、その差に応じた電圧信号を乗算
回路７に供給する。乗算回路７は比較器12の出力信号と
発振回路１の出力信号を乗算し、乗算した信号を電力増
幅回路４に供給する。

第１実施例の動作を説明する。先ず、超音波振動子14
の起動前に振幅設定回路９により振幅を設定する。起動
スイッチ30が押されると、タイマー回路11が起動し、リ
レースイッチ10をオンし、コンデンサＣを比較器12の＋
側入力端子に接続する。これにより、抵抗Ｒとコンデン
サＣの時定数回路が形成される。このため、比較器12の
＋側入力端子への入力電圧Vcはこの時定数回路により徐
々に増加する。

起動スイッチ30がオンされてから一定時間t1経過する
と、タイマー回路11はリレースイッチ10をオフする。こ
れにより、コンデンサＣが抵抗Ｒから切り離され、比較
器12の＋側入力端子に供給される電圧Vcは振幅設定回路
９の設定値と一致する。

この設定電圧が高い場合の入力電圧Vcと時間との関係
を第４図（ａ）、設定電圧が低い場合の入力電圧Vcと時
間との関係を第４図（ｂ）に示す。

比較器12は電流検出回路８の出力電圧ＶFと入力電圧V
cとを比較し、その差に応じた電圧を乗算回路７に供給
する。乗算回路７は電流検出回路８の出力ＶFと入力電
圧Vcが一致するように発振回路１の出力を所定数倍（増
幅）する。これにより、負荷の大小により超音波振動子
14に流れる電流が変動しても、常に所定の電力を超音波
振動子14に供給できる。

このようにすれば、振幅設定回路９の設定値にかかわ
らず、抵抗Ｒ、コンデンサＣ、タイマ時間t1を適当に設
定することにより、超音波振動子の振幅はなめらかに所
定値に近づくことができる。

また、この実施例によれば、電源投入から起動スイッ
チ30押下までの期間、発振回路１、電力増幅回路４は動
作し、ウォームアップ状態である。そのため、起動スイ
ッチ30が押されると、直ぐに安定した動作が開始され
る。そして、超音波振動子14の負荷状態がどのような場
合でも、起動から所定時間t1まではCRの時定数回路によ
って振幅が徐々に増加し、所定時間t1後は時定数回路を
構成するコンデンサＣが切り離されるから、動作遅れを
生じず完全な定電流制御が実行される。よって、超音波
振動子14に起動時の急激な応力変化が生じることがな
く、起動後は安定な定電流制御が行われる。

次に、第２実施例を説明する。第５図は第２実施例の
ブロック図である。電圧制御発振器21の出力が乗算回路
７、リレー接点411、電力増幅回路４、マッチング回路2
0を介して超音波振動子14に供給される。マッチング回
路20は効率のよい駆動のためにマッチングをとる回路で
ある。マッチング回路20は超音波振動子14の駆動電圧の
位相を検出する電圧検出回路201、超音波振動子14の駆
動電流の位相を検出する電流検出回路202、超音波振動
子14へ流れる電流の振幅を検出する電流値検出回路203
を有する。電圧検出回路201、電流検出回路202の出力が
位相比較回路23に供給される。位相比較回路23は両位相
の差に応じた電圧信号をローパスフィルタ（LPF）22を
介して電圧制御発振器21の制御端子に供給する。なお、
電圧制御発振器21の制御端子はリレー接点421を介して
接地される。ローパスフィルタ22は位相比較回路23の出
力の高調波成分を除去する。電圧制御発振器21は位相比
較回路23の出力が０になる、すなわち振動子14の駆動電
圧、駆動電流の位相差が０になる共振周波数で超音波振
動子14を駆動する信号を発生する。

一方、振幅下限設定可変抵抗（VR）27、振幅設定可変
抵抗25、振幅上限設定可変抵抗26が直列に接続されてい
る。振幅上限設定可変抵抗26は振幅設定電圧の上限を設
定し、超音波振動子14を必要以上に振幅させて破壊など
を起こさぬようにする。振幅設定可変抵抗25の出力が差
動増幅器24の非反転入力端子に接続される。電流値検出
回路203の出力が抵抗54を介して差動増幅器24の反転入
力端子に接続される。差動増幅器24の出力端子は帰還抵
抗53を介して反転入力端子に接続される。差動増幅器24
の出力端子は乗算回路７に接続される。

振幅設定可変抵抗25の出力はリレー接点431を介して
コンデンサ28の一端にも接続される。コンデンサ28の他
端は振幅下限設定可変抵抗27と振幅設定可変抵抗25との
接続点に接続される。なお、コンデンサ28の両端間には
リレー接点422、抵抗51が直列に接続される。

起動スイッチ30がタイマー回路11に接続され、タイマ
ー回路11によりリレー41,42,43が制御される。リレー41
はリレー接点411を、リレー42はリレー接点421,422を、
リレー43はリレー接点431をそれぞれ制御する。

ここで、タイマー回路11の詳細を第６図に示す。起動
スイッチ30の出力がインバータ64,65を直列に介してＪ
−Ｋ型フリップフロップ31のクロック端子CKに入力され
る。フリップフロップ31の出力端子はトランジスタ61の
ベースに接続されるとともに、インバータ66を介してタ
イマーIC32のクロック端子CKにも接続される。トランジ
スタ61のエミッタは接地され、そのコレクタはリレー41
に接続される。

タイマーIC32の出力端子はノアゲート67を介してトラ
ンジスタ62のベースに接続される。トランジスタ62のエ
ミッタは接地され、そのトランジスタ62のコレクタはリ
レー42に接続される。

ノアゲート67の出力はインバータ68を介してタイマー
IC33のクロック端子CKに接続される。タイマーIC33の出
力端子はノアゲート69を介してトランジスタ63のベース
に接続される。トランジスタ63のエミッタは接地され、
そのコレクタはリレー43に接続される。

第７図を参照して第２実施例の動作を説明する。起動
前に、振幅下限設定可変抵抗27、振幅設定可変抵抗25、
振幅上限設定可変抵抗26の抵抗値を予め設定しておく。
電源投入から起動までの間、全てのリレー41,42,43は動
作せず、電力増幅回路４の入力端子はリレー41の接点41
1、抵抗55を介して接地される。そのため電力増幅回路
４の出力はノイズ等によって影響されることがなく、超
音波振動子14が誤って振動することはない。リレー42の
接点421を介してローパスフィルタ22の出力は接地され
る。このため、電圧制御発振器21は自走発振状態であ
る。リレー42の接点422を介してコンデンサ28の両端間
に抵抗51が接続され、リレー43の接点431を介してコン
デンサ28が差動増幅器24の非反転入力端子に接続され
る。このため、差動増幅器24の非反転入力端子の電圧Vc
は振幅下限設定可変抵抗27で設定される電圧値である。

起動スイッチ30が押下されると、フリップフロップ31
のクロック端子CKに第７図（ａ）に示すようなＬレベル
のパルスが供給される。これにより、第７図（ｂ）に示
すようにフリップフロップ31の出力はＨレベルとなる。
これにより、第７図（ｃ）に示すようにリレー41がオン
するとともに、タイマーIC32が動作開始する。リレー41
がオンすると、その接点411を介して乗算器７の出力が
電力増幅回路４に供給する。このため、電力増幅回路４
は超音波振動子14に振幅下限設定可変抵抗27で設定され
た値の駆動電圧を供給する。この時、位相比較回路23は
電圧検出回路201の検出電圧位相と、電流検出回路202の
検出電流位相とを比較し、比較した結果に応じて信号を
出力する。振幅下限設定可変抵抗27の値は位相比較回路
23で位相検出が十分なされ、しかも、超音波振動子14に
それ程衝撃を与えない程度の振幅設定電圧となるように
決定しておく。

タイマーIC32の出力は所定時間後にＨレベルとなり、
これにより、リレー42が第７図（ｄ）に示すようにオン
するとともに、タイマーIC33が動作開始する。リレー42
がオンすると、その接点421がオフされるので、ローパ
スフィルタ22の出力が電圧制御発振器21に供給される。
電圧制御発振器21、ローパスフィルタ22、位相比較回路
23は超音波振動子の共振周波数を追尾する回路を構成す
る。この時、接点422が開放されるので、差動増幅器24
の非反転入力端子の電圧Vcは第７図（ｆ）に示すように
コンデンサ28と振幅設定可変抵抗25とのCR回路により徐
々に増加する。

タイマーIC33の出力は所定時間後にＨレベルとなり、
これによりリレー43が第７図（ｅ）に示すようにオンす
る。リレー43がオンすると接点431が開放され、CR回路
のコンデンサ28が切り離され、差動増幅器24の非反転入
力端子の電圧Vcは第７図（ｆ）に示すように振幅設定電
圧となり、制御は定電流制御となる。

なお、上記第１、第２実施例においては、時定数回路
のオン／オフ等の制御に機械接点式のリレーを用いた
が、それらの代わりに第８図に示すような電界効果型ト
ランジスタ（FET）40を用いてもよい。

次に、第３実施例を説明する。第９図は第３の実施例
のブロック図であり、例えば超音波外科手術装置等に用
いられるものである。圧電変換器５には、例えば長さの
異なるプローブA61、またはプローブB62を、用途に応じ
て適宜交換して使用できるようになっている。

上記第５図に示した第２実施例と同一部分には同一符
号を付して説明を省略する。

プローブ判別回路80は、圧電変換器５及びホーン６に
締結されているプローブの種類を判別する回路である。
このプローブ判別回路80は、例えばインピーダンス特性
の違いや、図示せぬ操作盤から手操作で設定入力された
情報により締結されているプローブの種類を判別するも
のである。このプローブ判別回路80で生成した判別信号
は、後述する切換回路97,98に送られる。

電圧発生回路91,92は、それぞれ、プローブA61及びプ
ローブB62における最大振幅設定値を決定するための電
圧を発生するもので、電圧発生回路93,94は同様に、最
小振幅設定値を決定するための電圧を発生するものであ
る。切替回路97は、上記プローブ判別回路80からの判別
信号に基づき、電圧発生回路93又は電圧発声回路94のい
ずれかの出力を選択して最小振幅設定値を出力するもの
である。切替回路98は、同様に、上記プローブ判別回路
80からの判別信号に基づき、電圧発生回路91又は電圧発
声回路92のいずれかの出力を選択して最大振幅設定値を
出力するものである。

99,100,101はアナログスイッチ、102はコンデンサ28
とともにCR時定数回路を構成する抵抗、103はコンデン
サ28の放電のためダイオード、104,105は逆流防止のダ
イオードである。95は超音波振動子14の発振／停止を制
御するフットスイッチである。このフットスイッチ95の
出力はコントロール回路96に供給されるようになってい
る。コントロール回路96はフットスイッチ95からの信号
に基づいて、制御信号T1,T2,T3を生成し、アナログスイ
ッチ99,100,101のオン／オフを時間的に制御するもので
ある。このコントロール回路96は、位相比較回路23か
ら、PLL（フェイズド・ロック・ループ）が共振点周波
数にロックし、追尾動作が開始されたことを知らせるロ
ック検出信号を入力するようになっている。

第10図を参照して第３実施例の動作を説明する。初期
状態では、各アナログスイッチ99,100,101はオフとなっ
ている。また、プローブ判別回路80からの例えばプロー
ブA61が締結されている旨を示す判別信号により切換回
路97,98は、それぞれ、締結されたプローブA61に適合す
る電圧発生回路91及び電圧発生回路93の出力を選択し、
プローブA61に適合する最大振幅設定電圧、最小振幅設
定電圧を出力している。かかる状態でフットスイッチ95
が押下され、第10図（ａ）に示すように、フットスイッ
チ95からの信号が立ち上がると、同図（ｂ）に示すよう
に、まず制御信号T1がコントロール回路96から出力され
アナログスイッチ99がオンにされる。これにより、ダイ
オード105を通して差動増幅器24の非反転入力端子に最
小振幅設定値の電圧が入力され、これによりPLLが共振
点追尾動作に入る。この共振点追尾動作中は、振幅は設
定した最小値でフィードバック制御されている。次に、
追尾動作が完了し、PLLがロック状態に入ったなら、第1
0図（ｃ）に示すように、位相比較器23はその旨を示す
ロック検出信号を出力する。このロック検出信号がコン
トロール回路96に供給されることにより、コントロール
回路96は、制御信号T2を出力してアナログスイッチ100
をオンにする（第10図（ｄ）参照）。これにより、振幅
設定可変抵抗25の両端に最大振幅設定電圧と最小振幅設
定電圧とが印加され、振幅設定可変抵抗25で分圧された
電圧が可変抵抗102とコンデンサ28とで構成されている
時定数回路に供給される。この時定数回路の出力電圧
は、上記第２実施例で説明したと同様に、時間の経過と
ともに徐々に上昇しながら差動増幅器24の非反転入力端
子に印加されることになる（第10図（ｆ）参照）。そし
て、一定時間t1経過後に、コントロール回路96が制御信
号T3を出力してアナログスイッチ101をオンすることに
より可変抵抗102はショートされ、第10図（ｅ）に示す
ように、振幅設定可変抵抗25で分圧された電圧が、その
まま差動増幅器24の非反転入力端子に入力されるように
なる。

ここで、可変抵抗102をショートしても振幅設定可変
抵抗25とコンデンサ28とで時定数回路を形成はするが、
可変抵抗102の抵抗値を比較的大とし、コンデンサ28の
容量を小とし、かつ振幅設定可変抵抗25の抵抗値を小と
しておけば、振幅設定可変抵抗25による設定に対し、実
際の振幅設定が遅れる時間差を極小にできるので通常の
動作に対して影響はない。

また、フットスイッチ95をオフにすると、各アナログ
スイッチ99,100,101がオフとなり、コンデンサ28に蓄積
された電荷はダイオード103を通して放電される。

プローブがＡからＢに交換された場合、プローブ判別
回路80からのプローブB62が締結されている旨を示す判
別信号により切換回路97,98は、それぞれ、締結された
プローブB62に適合する電圧発生回路92及び電圧発生回
路94の出力を選択し、プローブB62に適合する最大振幅
設定電圧、最小振幅設定電圧を出力するように切り替わ
り、以下、上記と同様の動作を行う。

なお、上記実施例において超音波振動子14の発振停止
時もゆるやかに振幅が変化するように、アナログスイッ
チ101を取り去って、コンデンサ28の放電を利用して振
幅が０に変化するように構成しても良い。

また、上記実施例では、振幅制御に、超音波振動子14
に流れる電流値を利用したが、第11図に示すように、振
動検出器106から得られる信号を利用しても良い。

以上、この第３実施例によれば、プローブの種類が変
更されても、そのプローブが破壊しない最大振幅設定値
の範囲内で、振幅突入変化が緩和できる装置を提供でき
る。また、可変抵抗102の値及び一定時間t1を適正に設
定することで、最小振幅設定値でのPLLの共振点追尾ロ
ック完了後、設定振幅までの振動増加の過程における共
振点変化に追従でき、発振の確実性が向上できる効果が
ある。

次に第４実施例を説明する。第12図は第４の実施例の
ブロック図である。この実施例においては、制御回路３
としてマイクロプロセッサ320を用い、超音波振動子14
の起動を制御するものである。

上記制御回路３はマイクロプロセッサ320とD/A変換器
310とにより構成されている。その他は上述した第１図
に示したものと同一であるので説明は省略する。

マイクロプロセッサ320は、超音波振動子14の発振開
始（起動）指示を検出すると、第13図に示すような、階
段状に徐々に増加し、一定時間t1経過により一定値とな
る波形のデジタル信号を生成して出力する。このデジタ
ル信号はD/A変換器310によりアナログ信号に変換され、
電圧制御増幅回路２に供給される。これにより、電圧制
御増幅回路２は、発振回路１からの駆動信号を制御回路
３の出力信号に応じて増幅率を徐々に大きくするように
制御する。この電圧制御増幅回路２からの信号は電力増
幅回路４を介して圧電変換器６とホーン６とからなる超
音波振動子に供給される。これにより、超音波振動子の
超音波振動の振幅は徐々に増加し、急激な応力変化が発
生しないものとなっている。

このような構成とすることにより、マイクロプロセッ
サ320に組み込むソフトウエアで、超音波振動子の超音
波振動の振幅増加の変化（時間的な変化及び電圧の変
化）を簡単に設定できる。また、上記振幅増加の変化を
変更することもソフトウエアを変更することにより容易
にできるので、装置の調整が簡単になるという効果もあ
る。

［発明の効果］この発明によれば、超音波振動子の起動時の急激な応
力変化を防止する超音波振動子の駆動回路が提供され
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回路の概略
を示す図、第２図は第１図の動作を示す図、第３図はこ
の発明による超音波振動子の駆動回路の第１実施例のブ
ロック図、第４図（ａ），（ｂ）は第１実施例の動作を
示す図、第５図はこの発明による超音波振動子の駆動回
路の第２実施例のブロック図、第６図は第２実施例のタ
イマー回路の詳細を示す図、第７図は第２実施例の動作
を示す図、第８図は変形例を示す図、第９図はこの発明
による超音波振動子の駆動回路の第３実施例のブロック
図、第10図は第３実施例の動作を示す図、第11図は変形
例を示す図、第12図はこの発明による超音波振動子の駆
動回路の第４実施例のブロック図、第13図は第４実施例
の動作を説明するための図である。１……発振回路、２……電圧制御増幅回路、３……制御
回路、４……電力増幅回路、５……圧電変換器、６……
ホーン、14……超音波振動子。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波振動子を駆動するための信号を発生
する発振器と、可変の増幅率で前記発振器で発生された
信号を増幅する電圧制御増幅回路と、前記電圧制御増幅
回路からの信号を電力増幅して前記超音波振動子に印加
する電力増幅回路と、前記電力増幅回路から出力される
信号の電流値を検出する電流検出回路と、前記電流検出
回路で検出された電流値に基づいて前記電圧制御増幅回
路に増幅率を決定するための電圧信号を出力して前記電
力増幅回路から前記超音波振動子に印加する電流値を一
定値に保つための定電流制御回路と、前記超音波振動子
に印加する信号の電流値の大きさを指示する指示回路
と、を有し、前記指示回路から前記超音波振動子に印加
する信号の電流値の大きさが指示入力されると、前記超
音波振動子に印加する信号の電流値が０または小さい値
に設定されその後所定時間内に指示入力された電流値の
大きさまで徐々に増加されその後指示入力された一定値
に保つべく前記定電流制御回路から前記電圧制御増幅回
路に出力される電圧信号を変化させることを特徴とする
超音波振動子の駆動回路。