JPH02245275A - 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、たとえばランジュバン型の超音波振動子を
共振点駆動する超音波振動子の駆動装置に関する。 ［従来の技術］ 一般に、外科手術用の超音波メスや超音波加工装置など
に使用されている振動子は、その基本共振周波数もしく
はその近傍において駆動することが望ましい。このよう
な技術に関し、たとえば振動子への駆動電圧と電流との
位相を比較して、振動子の駆動周波数を共振周波数と一
致させるように制御するＰＬＬ　（位相固定ループ）方
式による駆動装置が公知の技術として知られている。第
９図に、上記ＰＬＬ方式の駆動装置の基本構成を示して
いる。 すなわち、この種の振動子は、その共振点近傍において
、第１０図（ａ）に示すような等価回路として表わすこ
とができる。また、同図（ｂ）には、このインピーダン
スＺの周波数特性を示している。 上記のような等価回路において、第１１図（ａ）に示す
ように、制動容量ＣｄをキャンセルするためのコイルＬ
ｄを振動子に対して並列にまたは直列に接続する。この
時、振動子の特性は共振周波数で純抵抗成分Ｒのみとな
るから、電圧と電流との位相差が零となる周波数が振動
子の共振周波数（共振点）ｆｒである。この周波数ｆｒ
を中心とする振動子のインピーダンス特性を同図（ｂ）
に示している。しかして、ＰＬＬ動作によって電圧位相
θＶと電流位相θ１とを比較した際の位相差が零となる
ように駆動周波数を制御することにより、装置は共振点
ｆｒを追尾するようになる。 しかしながら、上記のような構成の駆動装置では、発振
起動時にＶＣＯ（電圧制御発振器）の発振周波数が必ず
しも追尾可能周波数ｆ１〜ｆ２の範囲間にあるとは限ら
ない。このため、もし起動時の発振周波数が追尾可能周
波数ｆ１以下の場合には、ＰＬＬ動作が正帰遠となって
ｖＣｏの最低発振周波数まで振られることになる。同様
にして、発振周波数が追尾可能周波数ｆ２以上の場合に
は、最高発振周波数まで振られてしまい、このような状
態となるともはや共振点ｆｒの追尾は不可能となる。 また、振動子には、第１２図に示すように、基本共振点
ｆｒの他に振動モードの異なる副共振点ｆｒａ、ｆｒｂ
が存在する。これらの各副共振点ｆｒａ、ｆｒｂにおい
ても、必ず電圧−電流位相差が零となる周波数がある。 したがって、ｖＣＯの発振周波数の発振可能な周波数範
囲内に、もしも副共振点ｆｒａ、ｆｒｂが存在するよう
な場合、その副共振点ｆｒａ、ｆｒｂで駆動される可能
性がある。このような場合、電気−機械振動の変換効率
が著しく悪くなり、使用不可能となる。 そこで、たとえば特開昭６３−２８７２１４号公報に開
示されるように、ｖｃｏの入力電圧にリミッタをかける
ことによってｖＣＯの発振周波数を制限するようにした
ものが提案されている。しかし、この提案では、リミッ
タの設定がドリフトなどによって変動されることがあり
、このような場合、ｖＣＯの発振周波数が追尾可能周波
数ｆ。 〜ｆ２の範囲をはずれてしまったり、あるいは振動子の
周波数特性が変動され、ｖＣＯの発振可能な周波数の範
囲と追尾可能周波数ｆ１〜ｆ２の範囲とがずれるという
不具合があった。 また、たとえば特開昭６２−１９５９２５号公報に開示
されるように、ｖＣＯの発振周波数の発振可能な周波数
範囲内に存在する副共振点ｆｒａ。 ｆｒｂで駆動されるのを防止できる程度に上記リミッタ
の範囲を設定するようにしたものでは、発振起動時にｖ
ＣＯの発振周波数が追尾可能周波数ｆ１〜ｆ２の範囲を
はずれている場合、共振点ｆｒの追尾が不可能となると
いう前記欠点を解決できない。 さらに、たとえば米国特許箱４．７５４．１８８号公報
には、ｖＣＯを追尾可能周波数

【ｌ以下のある周波数ｆ
ｌ！（第１１図（ｂ）参照）で動作させておき、位相比
較人力θ９．θ五にパルスを加えることによって、見か
け上、検出回路からのフィードバック信号の周波数を高
くして、ｖＣＯの発振周波数を追尾可能周波数ｆ１〜ｆ
２の範囲内に引込むという技術が開示されている。とこ
ろが、この場合にも、ｖＣＯの発振周波数を制限しなけ
ればならず、ドリフトなどでそれが変動したり、また振
動子の先端チップによって新たな副共振点が周波数ｆ　
ＩＩ〜ｆ「の範囲内に発生した場合、そこで装置が動作
されることが考えられる。 ［発明が解決しようとする課題］ 上記の如く、従来の駆動装置においては、振動子を基本
共振周波数にて確実に駆動することが難しいという欠点
があった。 そこで、この発明は、簡単な回路構成により、振動子を
基本共振周波数にて確実に駆動することができる超音波
振動子の駆動装置を提供することを目的としている。 ［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、この発明の超音波振動子の
駆動装置にあっては、超音波振動子を駆動する超音波振
動子駆動用発振器と、この超音波振動子駆動用発振器よ
り前記超音波振動子へ供給される駆動信号をフィードバ
ックするフィードバック手段とを有し、前記フィードバ
ック手段からのフィードバック信号に応じて前記超音波
振動子駆動用発振器を制御することにより、前記超音波
振動子をその共振点で駆動する超音波振動子の駆動装置
において、共振点駆動の基準となる周波数信号を発振す
る基準発振器と、この基準発振器からの基準周波数信号
と前記フィードバック、手段からのフィードバック信号
とを切換えるスイッチ回路とを具備し、発振起動時には
前記基準発振器からの基準周波数信号に応じて前記超音
波振動子を駆動し、起動後には前記フィードバック手段
からのフィードバック信号に応じて前記超音波振動子を
駆動するよう構成されている。 ［作　用］ この発明は、上記した手段により、超音波振動子をその
基本共振周波数あるいは基本共振周波数近傍の基準周波
数信号にて起動させ、その後、基本共振点駆動時に得ら
れるフィードバック信号にごく近いフィードバック出力
によって前記振動子を駆動するようにしたものである。 ［実施例］ 以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。 第１図は、この発明の超音波振動子の駆動装置の基本構
成を示すものである。この駆動装置は、超音波振動子１
を共振点駆動するための駆動信号（駆動周波数信号）を
発生する駆動回路２、この駆動回路２からの駆動信号を
増幅する増幅器３、この増幅器３を介して前記振動子１
に供給される駆動信号からフィードバック信号を検出す
る検出回路（フィードバック手段）４、この検出回路４
からのフィードバック信号または基準発振器５からの発
振基準信号（基準周波数信号）を選択的に前記駆動回路
２に供給するスイッチ回路６、およびこのスイッチ回路
６を制御する制御回路７によって構成されている。 上記基準発振器５は、前記振動子１の基本共振周波数ｆ
ｒあるいはその周波数ｆｒ近傍で発振されるようになっ
ており、前記基本共振周波数ｆｒあるいはその近傍の周
波数に応じた発振基準信号を出力するものである。 上記制御回路７は、発振起動時には前記基準発振器５か
らの発振基準信号を前記駆動回路２のフィードバック信
号入力端子に供給し、また起動後には前記検出回路４か
らのフィードバック信号を前記駆動回路２のフィードバ
ック信号入力端子に供給するように、前記スイッチ回路
６を制御するようになっている。 このような構成において、振動子１を起動させる場合、
制御回路７によってスイッチ回路６がＡ側に制御され、
まず基準発振器５からの発振基準信号が駆動回路２に供
給されるようにする。この状態に設定された後、駆動回
路２が動作されると、振動子１は、前記基準発振器５か
らの発振基準信号に応じた周波数（駆動信号）にて駆動
される。 すなわち、振動子１は、その基本共振周波数ｆｒあるい
はそれに近い周波数により起動されることとなる。この
結果、検出回路４からは、振動子１の基本共振点駆動時
に得られるフィードバック信号にごく近い出力（フィー
ドバック信号）が検出される。 そして、検出回路４により上記出力が得られる状態を維
持した後、つまり振動子１を起動させた後、制御回路７
によってスイッチ回路６がＢ側に制御される。すると、
上記駆動回路２には、検出回路４からの上記振動子ｌの
基本共振点駆動時に得られるフィードバック信号にごく
近い出力が供給されることとなり、駆動回路２が振動子
１をその共振点ｆｒにて駆動するように動作される。こ
れにより、上記振動子１を確実に基本共振点ｆ「にて駆
動可能となる。 第２図は、この発明の第１の実施例を示すものである。 第２図において、振動子１は、第１１図（ｂ）に示すよ
うな特性となるよう、コイルＬｄが選択され、接続され
ている。 この駆動装置には、上記振動子１における、振動に応動
した電圧位相θＶおよび電流位相θｌを検出回路（フィ
ードバック手段）４によって検出し、この検出回路４か
らの電圧位相θ７とスイッチ回路６を介して供給される
上記検出回路４からの電流位相θＩとを比較して両者の
位相差を求める位相比較器２１、この位相比較器２１か
らの出力より制御電圧を生成するローパスフィルタ（Ｌ
ＰＦ）２２、このローパスフィルタ２２からの制御電圧
に応じた周波数の駆動信号を発生するＶＣＯ（電圧制御
発振器）２３からなるＰＬＬ回路２ａが設けられており
、このＰＬＬ回路２ａによって上記振動子１の共振点追
尾制御を行うようになっている。すなわち、駆動中にお
いては、制御回路７がスイッチ回路６を制御することに
より、検出回路４からの電圧位相θＶおよび電流位相θ
ｌが位相比較器２１に供給されるようになっている。 一方、発振起動時には、検出回路４からの電流位相θ１
に代えて、基準発振器５より振動子１の共振周波数ｆ「
近傍にて発振される発振基準信号ｆｒｅｆ、が前記位相
比較器２１に供給されるよう、制御回路７はスイッチ回
路６を制御するようになっている。 なお、制御回路７によるスイッチ回路６の制御は、たと
えばタイマ回路によって時間的に行うようにしても良い
し、あるいは基準発振器５からの発振基準信号ｆｒｅｆ
、　と検出回路４からの電圧位相θＶとの両者の周波数
を比較し、ＰＬＬ回路２ａが上記発振基準信号ｆｒｅｆ
、に対して完全にロックした状態となったことが検知さ
れた場合に切換制御するようにしても良い。 次に、上記構成の動作について説明する。 今、上記装置を起動させる場合、ＰＬＬ回路２ａに基準
発振器５からの発振基準信号ｆｒｅｆ。 が供給されるように、制御回路７によってスイッチ回路
６が制御される。すると、検出回路４からの電圧位相θ
Ｖと基準発振器５からの発振基準信号ｆｒｅｆ、　との
位相ロック動作により、ＰＬＬ回路２ａが発振基準信号
ｆｒｅｆ、にロック状態となる。 ここで、上記発振基準信号ｆｒｅｆ、は振動子１の基本
共振周波数ｆｒの近傍で発振されるものであるから、増
幅器３から出力される駆動信号の周波数は振動子１の基
本共振周波数ｆｒのごく近傍の値である。したがって、
振動子１は、その基本共振周波数ｆｒに対する追尾可能
な周波数ｆｌ〜ｆ２の範囲内にある周波数で駆動される
こととなる。この時、検出回路４から得られる電流位相
θ！の信号は、電圧位相θＶの信号に対し、零かあるい
はごく少量の位相差をもった状態となる。 この状態において、制御回路７によってスイッチ回路６
を切換えると、ＰＬＬ回路２ａは電圧位相θ、と電流位
相θ１とを比較した際の位相差が常に零となるように働
く。すなわち、ＰＬＬ回路２ａが、振動子１の負荷変動
にともなう共振点変動にも追尾する共振点駆動の動作に
はいることになる。したがって、ＰＬＬ方式を用いた振
動子１の駆動装置において、確実に振動子１をその基本
共振周波数ｆ「でロックさせることが可能となる。 第３図は、この発明の第２の実施例を示すものである。 この第２の実施例においては、各種の振動子１ａ、ｌｂ
、ｌｃ、・・・の基本共振周波数ｆｒに応じた種々の発
振基準信号ｆｒｅｆ、が得られるように、基準発振器５
０からの出力を可変可能に構成している。この場合、各
振動子１ａ、１ｂｌｃ、・・・ごとに、それぞれの基本
共振周波数ｆｒに応じた発振基準信号ｆｒｅｆ、による
起動が可能となるため、複数の異なる種類の振動子ｌａ
。 ｌｂ、ｌｃ、・・・をそれぞれの基本共振周波数ｆｒに
て確実に駆動することができる。 また、振動子１を故意に別モード共振の周波数で起動さ
せ、この際にＰＬＬ回路２ａがロック状態となるような
発振基準信号ｆｒｅｆ、が得られるように、基準発振器
５０を構成することもできる。 第４図は、この発明の他の実施例を示すものである。こ
の駆動装置の場合、振動子１０に、機械的振動に応動し
た振動フィードバック信号が得られるような検出器１１
が取付けられている。そして、この検出器１１からのフ
ィードバック信号、または上記振動子１０の共振周波数
ｆ「近傍にて発振される基準発振器５からの発振基準信
号が、制御回路７の制御によるスイッチ回路６、を介し
て帰還発振器３０に供給されるように構成されている。 すなわち、帰還発振器３０が、上記検出器１１からのフ
ィードバック信号、または基準発振器５からの発振基準
信号に応じた周波数で発振されることにより、この帰還
発振器３０から増幅器３を介して供給される駆動信号に
て上記振動子１０は駆動されるようになっている。 ここで、上記振動フィードバック信号は、振動子１０が
その共振点ｆ「で駆動された場合に最大振幅となり、し
かもその共振周波数ｆｒと同一周波数の信号である。し
たがって、この信号が帰還発振器３０に供給されると、
帰還発振器３０は振動子１０を常に共振周波数ｆ「にて
駆動するように動作する。 このような構成の駆動装置において、発振起動時には、
帰還発振器３０に対して基準発振器５からの発振基準信
号が供給されるように、制御回路７によってスイッチ回
路６が制御される。この場合、上記発振基準信号は、振
動子１０の基本共振周波数ｆｒの近傍で発振されたもの
であるから、振動子１０はその基本共振周波数ｆｒのご
く近傍の周波数で駆動されることになる。 この状態において、制御回路７によってスイッチ回路６
を切換え、帰還発振器３０に対して検出器１１からの振
動フィードバック信号が供給されるようにする。すると
、帰還発振器３０が、上記検出器１１からの振動フィー
ドバック信号によって振動子１０を共振点ｆ「にて駆動
するように働く。したがって、帰還発振器３０を用いた
駆動装置において、振動子１０をその基本共振周波数ｆ
「にて確実に駆動させることができるようになる。 第５図乃至第８図は、上記実施例において用いられるス
イッチ回路６の一構成例を示すものである。 第５図に示すスイッチ回路６０は、３ステートバッフ７
６０ａ、６０ｂとインバータ６０ｃとから構成されるも
のであり、たとえば制御信号のハイレベルｒ　ＨＪでＡ
側が、ローレベルｒＬＪでＢ側がそれぞれ出力側と接続
されるようになっている。 第６図に示すスイッチ回路６１は、アンドゲート６１　
ａ、６１　ｂｓオアゲート６１ｃおよびインバータ６１
ｄを組合せたものであり、たとえば制御信号のハイレベ
ルｒＨＪでＡ側が、ローレベルｒＬＪでＢ側がそれぞれ
出力側と接続されるようになっている。 第７図に示すスイッチ回路６２は、アナログスイッチ６
２ａ、６２ｂとインバータ６２ｃとを用いて構成される
ものであり、たとえば制御信号のハイレベル「Ｈ」でＡ
側が、ローレベルｒＬＪでＢ側がそれぞれ出力側と接続
されるようになっている。 第８図に示すスイッチ回路６３は、機械式のリレーを利
用したものである。 上記したように、発振起動時には、振動子の基本共振周
波数あるいはその近傍で発振する発振器からの出力に応
じた駆動信号にて振動子を駆動するようにし、検出回路
によって振動子を基本共振周波数にて駆動した時と同じ
ようなフィードバック信号が得られる状態にしておいて
、上記発振器の出力を上記検出回路からのフィードバッ
ク信号に切換えることにより、振動子を確実に基本共振
点にて駆動できるようにしている。 すなわち、振動子の基本共振周波数あるいはその近傍で
発振する発振器と、この発振器の出力とフィードバック
信号とを切換えるスイッチ回路などを付加するだけで、
振動子をその共振点にて確実に駆動するように、駆動装
置を動作させることができるようにしたものである。 なお、上記実施例においては、基準発振器を振動子の基
本共振周波数あるいはその近傍にて発振するようにした
が、これに限らず、たとえば追尾可能周波数の範囲で駆
動信号を生成することができるフィードバック信号が得
られるような周波数にて発振するものであれば良い。 その他、この発明の要旨を変えない範囲において、種々
変型実施可能なことは勿論である。 Ｃ発明の効果】 以上、詳述したようにこの発明によれば、簡単な回路構
成により、振動子を基本共振周波数にて確実に駆動する
ことができる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】

第１図はこの発明の一実施例である超音波振動子の駆動
装置の基本構成を示すブロック図、第２図はこの発明の
第１の実施例を示す駆動装置のブロック図、第３図はこ
の発明の第２の実施例を示す駆動装置のブロック図、第
４図はこの発明の他の実施例を示す駆動装置のブロック
図、第５図乃至第８図はいずれも駆動装置に用いられる
スイッチ凹路の構成例を示す図、第９図乃至第１２図は
従来技術とその問題点を説明するために示す図である。 １・・・超音波振動子、２・・・駆動回路、２ａ・・・
ＰＬＬ回路、４・・・検出回路（フィードバック手段）
、５・・・基準発振器、６・・・スイッチ回路、７・・
・制御回路。 し−＝−＝−−Ｊ 第 図 第７図 第９図 （ａ） （ｂ） 第６図 第８図 手 続 有口 正 書 平成元年 月 日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動用発振器と、
   この超音波振動子駆動用発振器より前記超音波振動子へ
   供給される駆動信号をフィードバックするフィードバッ
   ク手段とを有し、前記フィードバック手段からのフィー
   ドバック信号に応じて前記超音波振動子駆動用発振器を
   制御することにより、前記超音波振動子をその共振点で
   駆動する超音波振動子の駆動装置において、 共振点駆動の基準となる周波数信号を発振する基準発振
   器と、 この基準発振器からの基準周波数信号と前記フィードバ
   ック手段からのフィードバック信号とを切換えるスイッ
   チ回路とを具備し、 発振起動時には前記基準発振器からの基準周波数信号に
   応じて前記超音波振動子を駆動し、起動後には前記フィ
   ードバック手段からのフィードバック信号に応じて前記
   超音波振動子を駆動することを特徴とする超音波振動子
   の駆動装置。