JPH07303635A - 超音波振動子用駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、超音波振動子や駆動回路にストレス
を与えず、安定した定振幅振動を与え得る超音波振動子
用駆動装置を提供することを目的とする。 【構成】ＰＬＬ制御による振動子駆動回路において、Ｐ
ＬＬの過渡特性を切り換える手段を設ける。その切り換
え手段は、発振開始時点から駆動に移る時点、または駆
動を終了する時点、あるいは一定時間経過した時点で切
り換え動作する。この場合、発振開始時のスキャンによ
って共振点をとらえるステップでの確実性と、その後の
共振点追尾動作を行なうステップでの安定性を両立させ
得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばランジュバン型
圧電振動子を駆動し、発生した振動をプローブに伝達し
て所定の処置作業を行う外科用超音波メスや超音波加工
装置等に使用される超音波振動子に係り、特に、その超
音波振動子用駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の超音波変換器としての超音波振
動子を用いる超音波装置は種々提案されており、これに
は例えば外科用超音波メスや超音波加工装置等が知られ
ている。このような外科用超音波メスや超音波加工装置
に使用される超音波振動子は、その変換効率を高めるた
め、従来から、その超音波振動子の機械的共振点で駆動
することが知られており、その方法として、振動成分を
帰還して発振させる自励式発振回路や、電圧制御発振器
（ＶＣＯ）を用いて、振動子の共振点の周波数を検出・
追従して発振させる他励式発振回路等の方式が知られて
いる。

【０００３】その中で、超音波振動子に加わる電圧と流
れる電流の位相を検出し、その位相差が零となるように
制御する、いわゆるフィーズ・ロック・ループ（ＰＬ
Ｌ）方式の共振点追尾回路を用いるものは、共振周波数
で確実に駆動できるため、超音波振動子に加わる負荷の
変化に追従する方法として優れている。また、発明者は
この技術を応用して確実に共振点に、ＰＬＬ動作をロッ
クインさせる方式を出願した（特開平２−２９０２８１
号公報を参照）。これは、共振点での駆動に入る前に、
オープンループで周波数をスキャンし、その途中で共振
点を検出したら、クローズループに移行し、ＰＬＬ動作
にスムーズに入るというものである。

【０００４】また、超音波振動子を駆動する他の技術と
して、振動振幅を一定化するために、負荷変動によらず
に定電流化する方式も知られている（特開平２−２６５
６８１号公報）。これは超音波振動子に流れる電流を検
出し、フィードバックする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の駆動回
路においては、超音波振動子に締結するプローブが多種
にわたる場合であっても安定した駆動を行なえるが、次
のような問題があることが判明した。

【０００６】すなわち、前記駆動回路では、ＰＬＬ制御
による共振点追尾、及び定電流制御による振幅の一定化
を行なっているが、これらの閉ループの過度特性におい
ては、多種のプローブ負荷でも安定して動作するような
特性に設計する。この場合、周波数をスキャンして共振
点をサーチする際、早く周波数を変化させると、時定数
が大きいため、その変化にループの動作が追従できず、
結局、発振開始動作が不安定になるという事態が起き
る。

【０００７】また、定電流駆動制御において、発振開始
時は、電流値は零であるため、発振回路から超音波振動
子へ大きな電圧を加えるように働き、その後、フィード
バック信号としての電流検出信号が現れて、ある点に収
束するという動作をする。このため、これも、発振開始
動作時に過大電圧が加わるなどの不安定な動作となると
いう問題があった。

【０００８】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、その超音波振動子や
駆動回路にストレスを与えず、安定した定振幅振動を与
え得る超音波振動子用駆動装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決する手段および作用】本発明は、超音波振
動子を駆動させる駆動回路において、発振開始時に適す
る特性に駆動回路を設定する第１の手段と、発振開始後
の所定の状態を維持するに適する特性に駆動回路を設定
する第２の手段と、発振開始時の第１の手段の設定から
発振開始後の第２の手段の設定に前記駆動回路を切り換
える手段とを具備することを特徴とする超音波振動子用
駆動装置である。例えば、 (1) ＰＬＬ制御による振動子駆動回路において、ＰＬＬ
の過渡特性を切り換える手段を設けるものである。ま
た、 (2) 定電流制御による振動子駆動回路においては、前記
制御ループの過渡特性を切り換える手段を設けるもので
ある。 (3) 振動子駆動回路において、定電流制御回路と、定電
圧制御回路を設け、各々を切り換えれる手段を設けるも
のである。 そして、前記各切り換え手段は、発振開始時点から駆動
に移る時点、または駆動を終了する時点、あるいは一定
時間経過した時点で切り換え動作する。

【００１０】

【実施例】

（第１の実施例）図１は本発明の第１の実施例に係る超
音波振動子の駆動回路であり、この実施例はランジュバ
ン型振動子を用いた超音波メス装置に適用したものであ
る。同図中、１０は超音波メス用のハンドピースであ
り、このハンドピース１０には、ランジュバン型振動子
１１が組み込まれている。この振動子１１は後述する駆
動回路によって駆動される。振動子１１には発生した超
音波振動を処置部位に伝えるプローブ１２が締結されて
いる。

【００１１】前記振動子１１を駆動する駆動回路はその
超音波振動子を共振点を追尾して駆動させる。また、そ
の発振を開始するステップと、発振開始後所定の状態を
維持するステップとで、その駆動回路の追尾特性を切り
換える手段を有するように構成されている。すなわち、
電圧制御発振器（ＶＣＯ）１４およびパワーアンプ１５
を有してなり、通常、２０ＫＨｚ〜４０ＫＨｚの超音波
周波数の電力を発生し、これを電圧・電流検知部１６を
通じてランジュバン型振動子１１に印加する。

【００１２】前記電圧・電流検知部１６は、ランジュバ
ン型振動子１１に加わる電圧の位相信号θｖと振動に応
じた電流の位相信号θ_Iを検出する。電圧・電流検知部
１６で検出された電圧位相信号θｖは、位相比較回路
（ＰＣ）１７のバリアブル入力端子（Ｖ）に供給され、
一方、電流位相信号θ_Iは、位相比較回路（ＰＣ）１７
のリファレンス入力端子（Ｒ）に供給される。そして、
電圧位相信号θｖと電流位相信号θ_Iは、位相比較回路
（ＰＣ）１７により、その位相差に応じた電圧信号に変
換され、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１８に入力され
る。このローパスフィルタ１８にて直流化された制御電
圧が、前記電圧制御発振器（ＶＯＣ）１４にフィードバ
ックされる。これにより、フェーズ・ロック・ループ
（ＰＬＬ）を構成している。

【００１３】ローパスフィルタ１８には、発振開始時の
ステップと開始後の所定の状態でステップで、その時定
数を変更するための切り換え手段として、その抵抗素子
１９に平行に接続したスイッチ２０が含まれている。こ
のスイッチ２０は後述する制御回路２１によって操作さ
れる。このスイッチ２０には電子スイッチ、例えばアナ
ログスイッチを用いることが望ましい。

【００１４】また、前記各位相信号θｖ、θ_Iは、共振
点検知部２２に入力され、その位相差が零になった点を
検出する。この検出信号は、制御回路２１に入力され
る。一方、２３は周波数スキャン信号発生回路であり、
これは発振開始時に周波数が、例えば４０ＫＨｚから２
０ＫＨｚに次第に変化する信号θｓを発生する。この信
号は切換え用スイッチ２４を介して前記位相比較回路１
７のリファレンス入力端子（Ｒ）に入力される。切換え
用スイッチ２４は前記制御回路２１によって切り換え操
作され、前記電圧・電流検知部１６からの電流位相θ_I
と周波数スキャン信号発生回路２３からの信号θｓのい
ずれかを位相比較回路１７のリファレンス入力端子
（Ｒ）へ選択的に供給するものである。

【００１５】このように構成された駆動回路によるその
駆動のオン／オフ操作は、発振開始スイッチ２５によっ
て行われる。この発振開始スイッチ２５としては、例え
ばフットスイッチを用いることができる。

【００１６】このように構成された駆動回路は、制御回
路２１によって、以下のように制御される。まず、発振
開始前、切換え用スイッチ２４を周波数スキャン信号発
生回路２３側に切り換えてあり、周波数スキャン信号θ
ｓを位相比較回路１７のリファレンス入力端子（Ｒ）に
入力させる状態とする。また、ローパスフィルタ（ＬＰ
Ｆ）１８の時定数を切り換える切り換える手段としての
スイッチ２０をオンの状態とする。つまり、発振開始時
に適する特性の状態に駆動回路を設定する手段が組み込
まれている。

【００１７】超音波メスを発振開始時、すなわち、発振
開始スイッチ２５をオン操作すると、制御回路２１はス
キャン信号発生回路２３に発振動作を開始する信号を与
える結果、スキャン信号発生回路２３は、例えば４０Ｋ
Ｈｚから２０ＫＨｚの時間的に変化する周波数の信号θ
ｓを発生する。この時、位相比較回路１７、ローパスフ
ィルタ１８、電圧制御発振器１４からなるフェーズ・ロ
ック・ループは、電圧位相信号θｖが、そのスキャン信
号θｓにロックして、同様に、電圧位相信号θｖが４０
ＫＨｚから２０ＫＨｚまで変化することになる。したが
って、振動子１１に加わる電圧も周波数がスキャンされ
る。

【００１８】この動作の時のフェーズ・ロック・ループ
は、スキャンする信号θｓの変化に追従しなければなら
ないので、その系はある程度、応答が早くなるようにル
ープ特性を設定するために、前記ローパスフィルタ（Ｌ
ＰＦ）１８におけるスイッチ２０がオンとなっている。
このスキャンの途中で、電圧位相信号θｖと電流位相信
号θ_Iの位相差が零になる点、すなわち、共振点が存在
する。この点を共振点検知回路２２で検出したなら、そ
の信号を制御回路２１が受けて切換えスイッチ２４を周
波数スキャン信号発生回路２３側から電圧・電流検知部
１６側へ瞬時に切り換える。こうすると、フェーズ・ロ
ック・ループは電圧位相信号θｖと電流位相信号θ_Iに
よるＰＬＬ動作に入る。すなわち、電圧位相信号θｖと
電流位相信号θ_Iとの位相差が常に零になるように周波
数を制御して、共振点追尾動作に入る。この動作に移っ
たなら、ＰＬＬの動作が外乱の影響を受けにくいよう、
該系の応答を遅くした方が、その後の追尾動作が安定す
るので、制御回路２１からの信号を受けてスイッチ２０
は開となり、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１８の時定数
を大きくさせる。つまり、発振開始後の所定の状態を維
持するに適する特性の状態に駆動回路を設定する手段が
組み込まれている。

【００１９】前記のように、フェーズ・ロック・ループ
（ＰＬＬ）の特性を切り換えることで、発振開始時のス
キャンによる共振点サーチが確実に行われ、かつ、電圧
位相信号θｖと電流位相信号θ_Iによによるロックイン
後の追尾動作も安定させることができるようになる。こ
の場合、発振開始時のスキャンによって共振点をとらえ
るステップでの確実性と、その後の共振点追尾動作を行
なうステップでの安定性を両立させ得る。

【００２０】なお、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１８に
おけるスイッチ２０を切り換える動作には、共振点検知
回路２２からの信号を直接使用しても良い。また、ロー
パスフィルタ（ＬＰＦ）１８の定数の切換え方式や、ス
イッチ位置等は、図１に示した方法に限定しなくとも良
い。さらに、振動子１１の共振点を追尾して動作させる
方法をＰＬＬ制御以外の方法としても応用できる。

【００２１】（第２の実施例）図２は本発明の第２の実
施例に係る超音波振動子の駆動回路であり、この実施例
はランジュバン型振動子を用いた超音波メス装置に適用
したものである。同図中、３０は超音波メス用のハンド
ピースであり、このハンドピース３０には、ランジュバ
ン型振動子３１が組み込まれている。このランジュバン
型振動子３１は後述するような駆動回路によって駆動さ
れる。振動子３１には発生した超音波振動を処置部位に
伝えるプローブ３２が締結されている。

【００２２】そして、このランジュバン型振動子３１に
駆動信号を供給する駆動回路は、以下のように構成され
ている。すなわち、この駆動回路は、超音波周波数の信
号を発振する発振回路３３を備える。この実施例での発
振回路３３は前記ランジュバン型振動子３１の共振周波
数に等しい固定周波数の超音波周波数の信号を発振する
ものとして説明する。

【００２３】なお、この部分は、前述した第１の実施例
のようなフェーズ・ロック・ループ（ＰＬＬ）を構成す
る系で制御されるものでもよい。また、同図２中、点線
で示すように、振動子３１に加わる電流を検出し、この
検出した信号を発振回路３３にフィードバックして、そ
の共振周波数で発振する形としたものでもよいものであ
る。

【００２４】前記発振回路３３で発振した信号Ｘは、乗
算器３４に供給される。乗算器３４は発振回路３３から
の入力Ｘを、後述するローパスフィルター回路４０から
の設定信号Ｙで変調する。乗算器３４の出力は、パワー
アンプ３５で振動子３１を駆動するに十分なエネルギー
まで増幅され、その振動子３１に供給される。振動子３
１に供給される駆動電流の絶対値（±）は電流検出回路
３６で検出される。

【００２５】この駆動回路には、基準電圧発生回路３７
と差動アンプ３８が設けられている。基準電圧発生回路
３７は、定電流制御によって振動子３１の振動振幅を設
定するための基準電圧を発生するものである。差動アン
プ３８はその基準電圧発生回路３７で発生した基準電圧
と、前記電流検出回路３６で検出した電流検出結果を比
較し、先の基準電圧との差に応じた出力信号を得るもの
である。

【００２６】差動アンプ３８の出力は、フィルター回路
４０に供給される。フィルター回路４０の中には動作ス
テップに応じてそのフィルタの時定数を変更するための
切り換える手段としてのスイッチ４１が設けられてい
る。このスイッチ４１は制御回路４２によって操作され
る。

【００２７】また、制御回路４２は前記発振回路３３を
起動するスタート回路４３と前記基準電圧発生回路３７
を制御する。スタート回路４３は例えば第１の実施例の
ようなスキャン信号を発生する回路である。この装置に
おける駆動のオン／オフ操作は発振開始スイッチ４４で
行われる。この発振開始スイッチ４４としては、例えば
フットスイッチを用いることができる。

【００２８】そして、この実施例においての駆動回路
は、定電流制御回路を構成している。つまり、振動子３
１に流れる電流値の大きさと、ある基準電圧とを比較
し、両者の差がほぼ零になるように、乗算器３４で、パ
ワーアンプ３５への入力電圧を変化させ、その結果、パ
ワーアンプ３５の出力電圧が制御されて電流値が補償さ
れる。このように振動子３１が流れる電流値が一定にな
ることで、振動子１１における超音波振動の振幅が一定
化される。つまり、振幅を設定することができる。

【００２９】ここで、前記駆動回路は閉ループを構成し
ているが、これの特性、例えば、安全性や応答性は、ル
ープフィルタと呼ばれる、ローパスフィルタ回路４０に
よって決定する。

【００３０】発振開始時のステップにおいて、振動子３
１の振幅は零の状態から、ある設定する値まで大きく変
化することになる。この時、定電流制御の閉ループの応
答性が遅いと、発振開始後から、一定振幅に落ち着くま
で時間がかかってしまうので、この発振開始時のステッ
プでは応答を早くした方がよい。特に、この実施例の構
成を第１の実施例に記載のスキャン式ＰＬＬ追従回路と
組合わせた場合の、発振開始時のスキャン中では、この
応答が早いことが特に必要である。

【００３１】一方、一旦、設定振幅になった後の発振開
始後の状態を維持するステップでは、定電流制御の閉ル
ープは、応答性よりも安定性が重要になる。例えば、振
動子３１に締結されたプローブ３２の先端に、瞬間的に
大きな負荷が加わり、インピーダンスが上昇した場合、
それに伴って電流値が低下するので、閉ループが印加す
る電圧を高める方向に制御を働かせ、パワーアンプ３５
の出力電圧が急激に高くなることになる。

【００３２】しかし、パワーアンプ３５の出力電圧が高
くなった時点で、プローブ３２の負荷が解除されていた
なら、振動子３１のインピーダンスはすでに元の低い状
態に戻っており、その結果、一瞬、大きな電流が振動子
３１に流れ、振動振幅がプローブ３２の許容振幅を越え
てしまう可能性もあり得る。そこで、前記の様な瞬間的
外乱に、閉ループが応答しないようにするほうが、本駆
動装置では望ましい。

【００３３】したがって、発振開始後、一定電流値に落
ち着いたなら、前記ローパスフィルター回路４０の定数
を変更して、応答を遅くする。すなわち、発振開始時、
スイッチ４１は開いておくことにより、時定数を小さく
しておき、発振後、そのスイッチ４１を閉じて時定数を
大きくし、ループの応答を遅くするようにするのであ
る。

【００３４】以上のように構成することで、一定電流で
制御する回路を振動子駆動回路に応用した場合の発振開
始時の確実性と、その後の安定性の両立を図ることが可
能となる。

【００３５】（第３の実施例）図３は、本発明の第３の
実施例に係る超音波振動子の駆動回路であり、この実施
例は前述した第２の実施例の一部を変更した変形例を示
すものである。図２と同じ構成の個所には同一の番号を
付して説明を簡略し、新たな構成については詳述する。

【００３６】すなわち、前記乗算回路３４に入力するＹ
信号の信号元を切り換えるスイッチ手段５１を設ける。
この信号の１つは前記同様のローパスフィルター回路４
０の出力であり、他方はある基準電圧を発生する第２の
基準電圧発生回路５２の出力である。この第２の基準電
圧発生回路５２は、前述した基準電圧発生回路３７とは
別に設けられる。切換え用スイッチ手段５１は、制御回
路４２によって制御される。

【００３７】ここで、スイッチ手段５１がＡ接点側にあ
る場合、前述した第２の実施例の場合と同様な回路構成
となり、前述したと同様な動作を行う。一方、スイッチ
手段５１がＢ接点側にある場合、乗算回路３４のＹ信号
の入力は、一定のある電圧値であるから、パワーアンプ
３５の出力電圧は一定となり、つまり、定電圧制御とな
る。

【００３８】そこで、ランジュバン型振動子３１を駆動
させる場合、前記第２の実施例で説明したように、定電
流制御を行うことで、振幅が一定化するので、この制御
方式を用いる。

【００３９】ところが、発振開始時、定電流回路は、振
動子３１に流れる電流を検出する電流検出回路３６から
の信号は零であるため、差動アンプ３８の出力は最大値
を出力する。したがって、パワーアンプ３５の出力電圧
を最大にするように働き、振動子３１に電圧が印加され
てから、電流が流れ出して電流を検出する結果、信号が
現れてやっと閉ループが安定することになる。

【００４０】このため、発振開始時、振動子３１に一
瞬、最大電圧が印加され、突入的な電流が流れてしま
い、その結果、プローブ３２の許容を超える振幅を発生
することも予想される。

【００４１】そこで、発振開始時、スイッチ手段５１を
Ｂ接点側に切り換えておき、ある低い出力電圧がパワー
アンプ３５から出力される状態を作る。これで、電流検
出回路３６からの出力は零にはならないので、ある時間
経過後、スイッチ手段５１をＡ接点側に切り換えて、定
電流制御に移行させる。

【００４２】このようにすることにより、発振開始の、
定電流回路の特性による過大電圧や突入電流が防止で
き、定電流制御の安定までの時間が短くなる。また、こ
れによって、従来の過大電圧等による発振開始時に発生
するノイズ発生がなくなり、他の装置への悪影響を解消
できるという効果を奏する。

【００４３】以上は発振開始時について説明したが、発
振停止時は、上述した手順の逆のシーケンスで終了させ
る。なお、この第３の実施例の特徴的な構成の内容を前
述した第１の実施例で説明した構成に組み換えて駆動回
路を構成してもかまわない。

【００４４】前述した説明によれば、次のような項目の
内容の発明が得られる。 (1) 超音波振動子の共振周波数を追尾する制御、また定
電流を制御することにより、超音波振動子を駆動させる
駆動回路において、発振開始時に適する特性に駆動回路
を設定する第１の手段と、発振開始後の所定の状態を維
持するに適する特性に駆動回路を設定する第２の手段
と、発振開始時の第１の手段の設定から発振開始後の第
２の手段の設定に前記駆動回路を切り換える手段とを具
備することを特徴とする超音波振動子用駆動装置。

【００４５】(2) 超音波振動子を共振点を追尾して駆動
させる駆動回路において、発振を開始するステップと、
発振開始後所定の状態を維持するステップとで、その駆
動回路の特性、例えば追尾特性を切り換える手段を有す
る超音波振動子用駆動装置。

【００４６】(3) ＰＬＬ制御を用いて超音波振動子の共
振周波数を追尾制御する駆動回路において、ＰＬＬ制御
回路内に含まれるローパスフィルタの時定数を発振開始
時のステップと開始後の所定の状態を維持するステップ
とで切り換える手段を有することを特徴とする超音波振
動子用駆動装置。

【００４７】(4) 超音波振動子を一定電流で駆動させる
駆動回路において、前記各ステップにて定電流制御の特
性、例えば制御ループの過渡特性を切換える手段を有す
ることを特徴とする超音波振動子用駆動装置。

【００４８】(5) 超音波振動子を駆動する回路におい
て、発振開始時のステップでは、定電圧制御とし、発振
開始後のステップでは定電流制御に切換える手段を有す
ることを特徴とする超音波振動子用駆動装置。 (6) 前記（2)と(4) の構成の両者を有する駆動回路。 (7) 前記（2)と(4) と(5) の構成を有する駆動回路。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波振動子の駆動回路において、発振を開始するステッ
プでの回路動作の確実性と、発振開始後のステップでの
安定性を両立させることができる。また、発振開始時の
過渡現象の程度を低減し、超音波振動子へのストレスを
低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る超音波振動子の駆
動回路のブロック図。

【図２】本発明の第２の実施例に係る超音波振動子の駆
動回路のブロック図。

【図３】本発明の第３の実施例に係る超音波振動子の駆
動回路のブロック図。

【符号の説明】

１０…ハンドピース、１１…ランジュバン型振動子、１
２…プローブ、１４…電圧制御発振器（ＶＣＯ）、１５
…パワーアンプ、１６…電圧・電流検知部、１７…位相
比較回路（ＰＣ）、１８…ローパスフィルタ（ＬＰ
Ｆ）、２０…スイッチ、２１…制御回路、２２…共振点
検知部、２３…周波数スキャン信号発生回路、２４…切
換え用スイッチ、２５…発振開始スイッチ、３０…ハン
ドピース、３１…ランジュバン型振動子、３２…プロー
ブ、３３…発振回路、３４…乗算器、３５…パワーアン
プ、３６…電流検出回路、３７…基準電圧発生回路。３
８…差動アンプ、４０…ローパスフィルター回路、４１
…スイッチ、４２…制御回路、４３…スタート回路、４
４…発振開始スイッチ、５１…切換え用スイッチ手段、
５２…第２の基準電圧発生回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波振動子を駆動させる駆動回路におい
   て、発振開始時に適する特性に駆動回路を設定する第１
   の手段と、発振開始後の所定の状態を維持するに適する
   特性に駆動回路を設定する第２の手段と、発振開始時の
   第１の手段の設定から発振開始後の第２の手段の設定に
   前記駆動回路を切り換える手段とを具備することを特徴
   とする超音波振動子用駆動装置。