JPH0220904A - 超音波振動子の駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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かあ・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５
２−１５０００８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ｆｆ１ｃｄとの並列回路として表わされる。

第８図にＣ，Ｌ、Ｈ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＋２１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。

ｆｒ−１／２π／でで　　　　　　　　・・・　（１）
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ｉは次のように表わされる。

１−ｉｄ＋ｉｒ　　　　　　　　　　・・・（２）ここ
で、ｉｄは制動容ｆｆ１ｃｄに流れる電流、ｉｒ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ｉｄ、ｉｒ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ｉｒと
虚数部ｉｄ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
ｉ「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、はとんど変動しない
。このため、第１０図において、ｉｄは変化しないが、
ｉｒ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ｉ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ｉｄ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Ｃ
ｄ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、見かけ主抵抗
Ｒのみとなる。このため、共振点では１ｄ−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、 １−ｉｒ　　　　　　　　　　　　　　−（４）となり
、電圧に対する電流ｉ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ｆ
「近傍の周波数特性である。これはり。

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（Ｐ　Ｌ　Ｌ）
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、マツチ
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の利得はマツチング回路１０の出力
により出力制御回路９を介して制御される。マツチング
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、ＬＰＦ４、ＶＣＯ５が位相ロックルー
プＣＰ　Ｌ　Ｌ）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
ｆｌ−ｆ２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
ｆｌ−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、振動子のり、Ｃ
，Ｈの直列回路のインピーダンス＋２１が最大のピーク
【１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Ｉ２１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、ＶＣＯ
５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ｆ「
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ｆ「がずれて、ｆ　Ｏ＜
　ｆｌ　、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、Ｐ
ＬＬ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Δ
θ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ウ回路を設けたりす
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（Ｐ　Ｌ　Ｌ）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Ｐ　
Ｌ　Ｌに入力される第２のＰＬＬを具備する。第２のＰ
ＬＬ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Ｏ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、マツチング回路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Ｖ　Ｃ０５の出力から高周波成分、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の利得はマツチング回路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ＶＣ
Ａ７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。

マツチング回路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ツチング回路と
、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。

マツチング回路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ＰＬ
Ｌ３０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
（ＬＰＦ）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。Ｌ
ＰＦ２２は位相比較器２１の出力信号を積分しｖＣＯ２
３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ｖＣ
Ｏ５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ｆ
ｏ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減少し、出力ｆ
　ｏｕｔは入力信号ｆ１ｎに追従したｆｌｎ−ｆｏｕｌ
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ｆ　ｏｕｔとして現れる。

ｆｉｎとｆ　ｏｕｔ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ＯのＰＬＬを構成できるよう
にエツ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、ＣＯは基本共振周波数ｆｒに近いため、第１のＰ
ＬＬ３０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ＰＬ
Ｌ２０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ＰＬＬ３０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θＶは第１のＰＬＬ３０にそのまま供給される
。電流位相θｌ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ＰＬＬ２０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ＰＬＬ３
０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
子ｒ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をスイッチイブ方式の効率の良い駆動
回路４１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、マツチング回路１０と第２のＰＬ
Ｌ２０の間に基本共振周波数ｆ「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）６
０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θ１１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ＰＬ
Ｌ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ＰＬ
Ｌ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１
４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・・・マツチング回路、２０゜３０・
・・ＰＬＬ。 出願人代理人　弁理士　　坪井　淳 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 因 １、事件の表示 特願昭６３−１７０４２０号 ２、発明の名称 超音波振動子の駆動装置 ３、袖１にをする者 巾件との関係　　特許出願人 （０３７）オリンパス光学工業株式会社４、代理人 東京都千代田区霞が関３丁目７番２号　ＵＢＥビル７．
１！口正の内容 （１）明細書第３頁第１５行目、第４頁第１３行□ 目、第５頁第８行目に記載の「ｉ」を「ｉ」と訂正する
。 （２）明細書第３頁第１７行目に記載のする。 （３）　　明細書第３頁第１８行目、第４頁第１行目、
第４頁第３行目、第４頁第１２行目、第４頁第（４）　
　明細書第３頁第１９行目、第４頁第１行ｌ」、第４頁
第３行目、第４頁第６行目、第４頁第１２−〉 行目に記載のｒｉ　ｒＪを「ｉ「」と訂正する。 （５）　　明細書第５頁第７行目に記載のｒｉ−ｉｒＪ
ラ　−〉 をｒｌ−ｉｒＪと訂正する。 （６）明細書第１０頁第１８行目に記載の「高周波」を
「高調波」と訂正する。 （力　明細書第１３頁第５行目に記載の「減少」を「増
加」と訂正する。 する。 図面第３図。 第１０図。 を別紙の通り訂正 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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
   追尾用の主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、前記主位相ロックループとは別に第
   ２の位相ロックループを前記主位相ロックループ内に設
   け、第２の位相ロックループからの出力を前記主位相ロ
   ックループに入力することを特徴とする超音波振動子の
   駆動装置。