JPH08117687A

JPH08117687A - 圧電振動子の駆動装置

Info

Publication number: JPH08117687A
Application number: JP6262578A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Sakurai; 友尚桜井; Yuichi Ikeda; 裕一池田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 1996-05-14
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: JP3486469B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、常に圧電振動子をその共振点にて確
実に駆動し、多様化する手術等にも容易に対応できる圧
電振動子の駆動装置を提供することを目的とする。【構成】本発明は、振動子１１と、これに高周波駆動電
圧を与える発振源４０を設け、前記振動子１１には補正
用コンデンサＣｃを並列に接続し、前記振動子１１に流
れる電流を検出する第１の検出手段４１と、前記補正用
コンデンサＣｃに流れる電流を検出する第２の検出手段
４２でそれぞれ検出した電流値の大きさが等しくなるべ
く前記検出電流の少なくとも一方を調節する第１の演算
手段４５，４６と、各検出手段でそれぞれ検出した各電
流信号を位相合成する第２の演算手段４７とを設け、こ
の第２の演算手段４７の出力を用いて前記振動子１１を
共振点で駆動すべく前記発振源４０を制御する。

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、外科手術用超
音波治療装置に用いられるランジュバン型超音波圧電振
動子のような圧電振動子を駆動する駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的なランジュバン型超音波振動子１
は、図７で示すように構成されている。つまり、ピエゾ
素子（圧電素子）２と電極３を交互に順次重ね合わせた
積層体を構成し、この積層体を振動増幅用ホーン４と裏
打ちブロック５の間に挟み込んでボルト６により締め付
けた構造となっている。各電極３には、駆動電圧を供給
するためのケーブル７が接続されている。図８はその超
音波振動子１の駆動回路の構成を電気記号で示してい
る。電気記号で示される超音波振動子１は、同じく電気
記号で示される駆動用発振源８に接続されている。

【０００３】ところで、この種の超音波振動子１には、
物理的に定まる共振周波数ｆｒがあり、この共振周波数
ｆｒに対応した駆動信号を与えると、最も効率よく振動
するという性質がある。この共振周波数ｆｒの近傍での
等価回路は、図９（Ａ）で示されるようになる。すなわ
ち、機械的振動の特性であるコイル分（Ｌ）およびコン
デンサ分（Ｃ）による共振成分、さらに機械的負荷を表
す抵抗分（Ｒ）で示される直列共振回路に、ピエゾ素子
２と電極３とで構成される制動コンデンサ分（Ｃｄ）が
並列に接続された形になっている。超音波振動に変換さ
れるのは、直列共振回路に流れる電流だけである。した
がって、直列共振回路の共振点にて駆動するのが最も効
率よく振動するということになる。

【０００４】以上のことから、超音波振動子１を最も効
率よく振動させる条件は、図中のコイル分（Ｌ）とコン
デンサ分（Ｃ）が共振する周波数、すなわち、ｆｒ＝１
／（２π√（ＬＣ））なる電圧を与えることである。こ
の条件での等価回路は、図９（Ｂ）のようになる。この
図９（Ｂ）での抵抗分（Ｒ）に流れる電流が、振動エネ
ルギーに変換されることになる。

【０００５】ところが、コイル分（Ｌ）とコンデンサ分
（Ｃ）は、超音波振動子１の先端に加わる負荷条件や温
度等の環境条件や経時変化によって微妙に変動する。こ
のため、超音波メスや超音波溶接機等のように、その超
音波振動子１に加わる負荷が使用状態によって変動しや
すい場合、例えば超音波メスにおいては、硬い組織や柔
らかい組織、微細な処置から大量に乳化吸引するなど、
負荷条件が一定していないときには、何らかの方法で、
Ｌ、Ｃの変動、すなわち共振周波数ｆｒの変動に追従し
てコントロールした駆動電圧を与える必要がある。

【０００６】これを実現するために、超音波圧電振動子
に印加する電圧と、そのときに流れる電流との位相関係
に着目し、電流信号をフィードバックして発振させる方
法や、各位相信号の位相差によってＰＬＬ（フェーズロ
ックループ）制御する方法が知られている。図１０
（Ａ）は、その発振源８をＰＬＬ制御回路９で追尾駆動
するＰＬＬ制御方式の原理図を示しており、図１０
（Ｂ）は圧電振動子１の共振周波数近傍でのアドミッタ
ンス特性を示す。同図中、ｆｒが共振周波数ポイントで
ある。図１０に示した方法では、コンデンサ分（Ｃｄ）
に流れる電流分ｉｃｄが位相ずれを招くため、ｆｒ′の
周波数で動作することになり、このままでは振動の効率
の低下につながる。つまり、電流ｉｃｄが振動に変換さ
れない無効電流となる。

【０００７】この問題を解決するために、図１１（Ａ）
に示すように、圧電振動子１に対してコイルＬｄを並列
に追加する方法が提案されている（特開昭２−２６５６
８１号公報を参照）。これによれば、コンデンサ分（Ｃ
ｄ）に流れる電流成分ｉｃｄが、先のコイルＬｄに流れ
る電流ｉＬｄによって打ち消されるようにコイルＬｄの
誘導性成分の値を設定することで、ｆｒの周波数で動作
が可能となる。そのときのアドミッタンス特性を図１１
（Ｂ）に示した。

【０００８】ここで、追加するインダクタコイルの誘導
性成分の値（Ｌｄ）は、ｆｒ＝１／（２π√（Ｌｄ・Ｃ
ｄ））を満足するよう設定すればよいことになる。つま
り、圧電振動子の物理的コンデンサ分（Ｃｄ）と、追加
するコイル分（Ｌｄ）とで、周波数ｆｒにて並列共振さ
せることで、従来、問題となった電流ｉｃｄ分をキャン
セルすることになる。これによって、超音波振動子に最
も効率的な振動を与える共振周波数ｆｒの駆動電圧を供
給することができるようになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た方式によっても以下のような改善すべき点があること
が知れた。先のマッチングコイルとＰＬＬ制御回路９の
組合せによって共振周波数の追従駆動が実現できるが、
そのコイル成分（Ｌｄ）は制動コンデンサ分（Ｃｄ）ま
たは共振周波数ｆｒによって決定されるため、もし、圧
電振動子の形状・大きさが異なるものを使用したい場合
や、同形の振動子を異なった周波数ｆｒ''で動作させた
い場合には、それに合わせてＬｄ値の異なるものをいく
つも用意しなければならない。

【００１０】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、常に圧電振動子をそ
の共振点にて確実に駆動し、多様化する手術等にも容易
に対応できる圧電振動子の駆動装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決する手段】本発明は、圧電振動子と、これ
に高周波駆動電圧を与える発振源を設け、前記圧電振動
子には補正用コンデンサを並列に接続し、前記圧電振動
子に流れる電流を検出する第１の検出手段と、前記補正
用コンデンサに流れる電流を検出する第２の検出手段で
それぞれ検出した電流値の大きさが等しくなるべく前記
検出電流の少なくとも一方を調節する第１の演算手段
と、各検出手段でそれぞれ検出した各電流信号を位相合
成する第２の演算手段とを設け、この第２の演算手段の
出力を用いて前記圧電振動子を共振点で駆動すべく前記
発振源を制御することを特徴とする圧電振動子の駆動装
置である。

【００１２】

【作用】並列に設けたコンデンサに流れる電流の位相成
分で圧電振動子に流れる電流成分からその圧電振動子に
含まれるコンデンサに流れる電流の位相成分をキャンセ
ルすることで、機械振動による電流位相のみがとり出
せ、これと、電圧位相で圧電振動子を共振点で駆動す
る。これによれば補正用のコイルは不要になる。

【００１３】

【実施例】図１ないし図６を参照して、本発明の一実施
例に係る圧電振動子用駆動装置を利用した外科手術用超
音波治療装置について説明する。この超音波治療装置に
使用する手術用ハンドピース１０は、図２で示すように
構成されている。手術用ハンドピース１０は、超音波振
動子１１を内蔵している。さらに、ハンドピース１０に
は、超音波振動子１１に超音波駆動信号を供給するコー
ド（ケーブル）１２と、破砕した組織を吸引する吸引チ
ューブ１３と、液体を供給する送水チューブ１４が接続
されている。コード１２、吸引チューブ１３および送水
チューブ１４は、その中間部で、それぞれ分離自在に結
合する中継接続手段としてのコネクタ群１５を持ってい
る。そして、これらは、この中継部を境として、ハンド
ピース１０側に位置する清潔部１６と、後述する装置本
体２１側に位置してセットされる不潔部１７（１２´、
１３´、１４´）となるように構成されている。ここで
は、切離し自在な清潔部１６と不潔部１７の両者を個別
的なコネクタによってそれぞれ結合したが、図３で示す
ように、前記コードおよびチューブ類の連結部を一体化
したコネクタ手段１８で連結したものでもよい。

【００１４】この手術用ハンドピース１０を装置本体２
１に接続した状態が図６で示される。装置本体２１に
は、後述する駆動電源の他、給水装置や吸引装置などが
組み込まれている。２２は給水装置で供給する生理食塩
水の貯溜瓶、２３は吸引装置で吸引した廃液を受ける廃
液タンクである。また、装置本体２１の前面には、操作
パネル２４が設けられている。なお、装置本体２１には
キャスタ２５が設けられ、移動自在なものとなってい
る。

【００１５】以上のような構成によれば、手術の準備の
際には、ハンドピース１０と各チューブ１２，１３，１
４の清潔部１６を一体にセットした状態であらかじめ滅
菌しておいたものを手術場所で準備し、一方、装置本体
２１側には、別に滅菌しておいた不潔部１７のチューブ
類１２´、１３´、１４´を、装置本体２１のコネクタ
やポンプ等にセットする。そして、使用する際には、中
継部をコネクタ群１５またはコネクタ手段１８によっ
て、両者を接続するのみで連結する簡単な作業を行う。
したがって、短時間にセットアップが可能である。

【００１６】次に、手術用ハンドピース１０の超音波振
動子１１について説明する。これは図４および図５で示
すように、ランジュバン型と呼ばれる圧電振動子であ
り、複数枚のピエゾ素子（圧電素子）３１と電極３２を
交互に順次積み重ねて合わせた積層体とし、この積層体
を振動増幅用ホーン３３と裏打ちブロック３４の間に挟
み込んでボルト３５により締め付けた構造のものとなっ
ている。各電極３２には、駆動電圧を供給するためのコ
ード１２に通じるフレキシブル配線部材３６がそれぞれ
接続されている。フレキシブル配線部材３６は、例えば
ポリイミドの厚み４０μｍ〜１２０μｍの極薄な絶縁フ
ィルムに銅箔等を接着した構造のプリント基板であり、
コード１２と電極３２とを結合してコード１２から電極
３２に超音波周波数の駆動電圧を供給する。コード１２
や電極３２と、このフレキシブル配線部材３６との電気
的接続は、例えば、半田付けでよい。

【００１７】電極３２が複数の場合、その各電極３２に
対するそれぞれのフレキシブル配線部材３６の接続位置
は、図５で示すように、周方向にずらして、フレキシブ
ル配線部材３６を配置すれば、互いに干渉することな
く、コンパクトに配置できる。

【００１８】ところで、超音波周波数の電圧を受けてそ
の厚み方向へ厚みが変化する動作の圧電素子３１群の振
動は、ホーン３３によって目的の振幅の大きさ（最大で
３００μｍｐ・ｐ程度）に拡大される。この振動の際、
電極３２は、圧電素子３１の厚み方向に振動するため、
その電極３２も、振動子１１の厚み方向に超音波周波数
で単振動する。これに対し、コード１２は弾性が少ない
状態で設置されているので、仮に、その振動を受ける
と、吸収できず、その接続部分が破損したり剥離したり
することが考えられる。しかし、ここではそれらの中間
に、厚み４０μｍ〜１２０μｍの極薄なフレキシブル配
線部材３６があり、このフレキシブル配線部材３６は質
量が小さく、かつ柔軟なため、その振動を受けながら電
極３２の振動を減衰・吸収し、コード１２や電極３２と
の半田付け部での破断や剥がれといった故障を防げる。
したがって、コード１２や電極３２と、このフレキシブ
ル配線部材３６との電気的接続強度を確保し、また、そ
の接続手段としてはハンダ付けなどで充分である。ま
た、フレキシブル配線部材３６は薄いため、ハンドピー
ス１０の部分の外径を小さくすることができ、ひいては
ハンドピース１０の小型化につながる。

【００１９】一方、超音波治療装置の振動子駆動回路
は、図１（Ａ）で示すように構成されている。超音波振
動子１１は、物理的に定まる共振周波数ｆｒがあり、こ
の共振周波数ｆｒに対応した駆動信号を与えると、最も
効率よく振動する。これの条件での等価回路は、前述し
たところから知れるように、抵抗ＲとコンデンサＣｄが
並列した回路となる。この超音波振動子１１の等価回路
には、超音波信号を発生する発振源４０に対して、並列
に補正用コンデンサＣｃが接続されている。４１は超音
波振動子１１への駆動電流を検出する第１のセンサ（検
出手段）であり、４２はコンデンサＣｃに流れる電流を
検出する第２のセンサ（検出手段）である。発振源４０
は、ＰＬＬ（フェーズロックループ）制御回路４３によ
ってその発振周波数が調節される。ＰＬＬ制御回路４３
は電圧センサ４４により検出する超音波振動子１１に印
加する電圧と、そのときに流れる電流との位相差によっ
て前記発振源４０の発振周波数を制御する。４５は超音
波振動子１１の電流値Ｉ₁ と補正用コンデンサＣｃの電
流値Ｉ₂ の大きさを比較する比較回路であり、４６は可
変ゲインのアンプ回路であり、これらは、各センサ４
１，４２の検出手段でそれぞれ検出した電流値の大きさ
が等しくなるべく前記検出電流の少なくとも一方を調節
する第１の演算手段を構成している。４７は、各センサ
４１，４２の検出手段でそれぞれ検出した電流値の位相
を合成する演算回路であって、第２の演算手段を構成す
る。

【００２０】この構成において、まず、発振源４０は、
超音波振動子１１の共振周波数とは異なる周波数電圧を
発生する。このとき、超音波振動子１１の抵抗Ｒに相当
する部分は、前述した図９（Ａ）におけるコイル分Ｌと
コンデンサ分Ｃの直列共振回路外なので、その抵抗Ｒの
値は、理想的には無限に大きくなる。このため、上記周
波数では、第１のセンサ４１で検出される電流は、コン
デンサＣｄを流れる電流ｉＣｄに等しくなる。さらに、
第２のセンサ４２では、補正コンデンサＣｃを流れる電
流ｉＣｃが検出される。これらの各電流ｉＣｄ，ｉＣｃ
は位相が等しく、その大きさが、そのコンデンサ分Ｃ
ｄ、Ｃｃの値に反比例したものとなる。

【００２１】電流ｉＣｄおよび電流ｉＣｃの大きさを比
較回路４５で比較し、その結合で、ｉＣｄ＝ｋ・ｉＣｃ
となるよう可変ゲインアンプ回路４６を設定する演算処
理を行う。もし、そのコンデンサ分ＣｄとＣｃが同じ値
であれば、ｋ＝１でよい。この信号を位相合成、すなわ
ちｉＣｄ−ｋ・ｉＣｃのベクトルの差の演算を行っ
た結果が、ｉｒ成分となるので、これの位相成分θＩ
と、前記電圧センサ４４からの電圧位相成分θＶを用い
て、これらの位相差が零になるように、ＰＬＬ制御回路
４３でＰＬＬ制御することで共振点駆動が可能となる。
この様子を図１（Ｂ）のアドミッタンス特性図に示して
おく。

【００２２】以上によれば、超音波振動子１１のタイプ
が変わり、コンデンサ分Ｃｄの値が変わっても、ゲイン
ｋを変更するだけで、そのコンデンサ分Ｃｄの値をキャ
ンセルすることができるので、超音波振動子１１のタイ
プに合わせて従来のようなコイルＬｄを準備する必要が
なく、よって拡張性にすぐれたものとなる。

【００２３】なお、図１（Ｃ）は、前記実施例の変形例
であり、超音波振動子１１と、駆動回路５１側とをトラ
ンス５２にて分離したものにも、上述した構成のものが
応用できる。この場合、トランス５２の巻線比をｎとし
て、１／ｎ・Ｉ₁ ＝ｋ・Ｉ₂となるようにゲインｋの値
を設定すればよい。＜付記＞ (1)圧電振動子と、この圧電振動子に高周波駆動電圧を
与える発振源と、前記圧電振動子に並列に接続した補正
用コンデンサと、前記圧電振動子に流れる電流を検出す
る第１の検出手段と、前記補正用コンデンサに流れる電
流を検出する第２の検出手段と、各検出手段でそれぞれ
検出した電流値の大きさが等しくなるべく前記検出電流
の少なくとも一方を調節する第１の演算手段と、各検出
手段でそれぞれ検出した各電流信号を位相合成する第２
の演算手段と、この第２の演算手段の出力を用いて前記
圧電振動子を共振点で駆動すべく前記発振源を制御する
制御回路とを具備したことを特徴とする圧電振動子の駆
動装置。 (2)圧電振動子と、この圧電振動子に高周波駆動電圧を
与える発振源と、前記圧電振動子に並列に接続した補正
用コンデンサと、前記圧電振動子に流れる電流を検出す
る第１の検出手段と、前記補正用コンデンサに流れる電
流を検出する第２の検出手段と、各検出手段でそれぞれ
検出した電流値の大きさが等しくなるべく前記検出電流
の少なくとも一方を調節する第１の演算手段と、各検出
手段でそれぞれ検出した各電流信号を位相合成する第２
の演算手段と、この第２の演算手段の出力と前記発振源
の電圧との位相差を用いて前記圧電振動子を共振点で駆
動すべくＰＬＬ制御する制御回路とを具備したことを特
徴とする圧電振動子の駆動装置。 (3)第２の演算手段の出力を、前記発振源に正帰還する
ことで前記圧電振動子を共振駆動することを特徴とする
第１項に記載の圧電振動子の駆動装置。 (4)前記演算手段は、可変ゲインアンプ回路であること
を特徴とする第１、２、３項に記載の圧電振動子の駆動
装置。 (5)前記第２の演算手段は、差動アンプ回路であること
を特徴とする第１、２、３項に記載の圧電振動子の駆動
装置。

【００２４】(6)超音波手術システムにおいて、超音波
手術を行うハンドピースと、装置本体と、前記ハンドピ
ース内の圧電振動子に電気信号を供給するためのケーブ
ルと、前記ハンドピースおよび術部に液体を供給するた
めの送水チューブと、前記ハンドピースで処置された破
砕組織を吸引除去するための吸引チューブとを備え、こ
れらケーブルおよびチューブが装置本体側にセットする
部分とハンドピース側にセットする部分とに分け、それ
らを中継接続する手段をもつ。これによれば、清潔域で
あるハンドピースに、ハンドピース側チューブ類をセッ
トしておき、不潔域である装置本体側もあらかじめチュ
ーブ類をセットしておける。そして、任意のときに各チ
ューブを中継部分で結合することができる。一般に、外
科手術においては、術者や手術台、患者および手術器具
は、清潔領域と呼ばれるエリアにあり、無菌状態を保っ
ておく必要がある。一方、装置本体やその周辺のエリア
は不潔領域と呼ばれ、先の清潔領域と明確に区別する必
要があるが、多種のケーブル・チューブの接続操作を手
術時の清潔な領域をおかすことなく、容易にする。

【００２５】(7)ハンドピースと、このハンドピース内
に設けられた圧電振動子と、この圧電振動子に超音波駆
動信号を供給するコードと、前記圧電振動子の電極と前
記コードとをフレキシブル配線部材を介して接続した。
これによれば、コードから供給された超音波駆動信号
は、フレキシブル配線材に伝達される。フレキシブル配
線材は、圧電振動子に、超音波駆動信号を供給する。こ
のとき、圧電振動子が超音波振動するので、同時に電極
が振動し、したがって、フレキシブル配線材にも伝わる
が、振動はそこで吸収・減衰され、コードには伝わらな
い。また、超音波メスのハンドピースは、小型、軽量の
方が扱いやすく、長時間の使用に耐えられるため、コン
パクトに設計するのが重要である。ところが先の電極
と、チューブの接続部分のスペースが、ハンドピースの
径を小さくするのに障害となる。さらに、ハンドピース
はくり返し使われるものであるが、電極はピエゾ素子の
振動に伴って径方向に振動し、それに、弾性の少ない銅
線がハンダ付けされていることで、長時間の使用によっ
てはハンダ付けした銅線が破断したり、あるいはハンダ
がはがれを起こしたりする問題があった。第６項のもの
は以上の問題点を解決し、多様化する手術に用意に対応
できる。

【００２６】

【発明の効果】以上、本発明によれば、常に圧電振動子
をその共振点にて確実に駆動し、多様化する手術等にも
容易に対応できる。そして、多様化・高度化する例えば
外科手術にも柔軟に対応でき、バージョンアップに容易
に対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る圧電振動子の駆動装置
の回路図。

【図２】本発明の一実施例に係る手術用ハンドピースの
斜視図。

【図３】本発明の一実施例に係る手術用ハンドピースの
変形例の斜視図。

【図４】本発明の一実施例に係る圧電振動子の構成の説
明図。

【図５】同じくその圧電振動子の平面図。

【図６】手術用ハンドピースを装置本体に接続した状態
の斜視図。

【図７】一般的なランジュバン型超音波振動子の構成説
明図。

【図８】その一般的なランジュバン型超音波振動子の電
気的な構成の回路図。

【図９】同じくランジュバン型超音波振動子の等価回路
図。

【図１０】ＰＬＬ制御方式の原理図。

【図１１】他のＰＬＬ制御方式の原理図。

【符号の説明】

１０…手術用ハンドピース、１１…超音波振動子、１２
…コード（ケーブル）、１３…吸引チューブ、１４…送
水チューブ、１５…コネクタ群、１６…清潔部、１７…
不潔部、１８…コネクタ手段、２１…装置本体、３１…
ピエゾ素子（圧電素子）、３２…電極、３３…振動増幅
用ホーン、３４…裏打ちブロック、３６…フレキシブル
配線部材、Ｒ…抵抗、Ｃｄ…コンデンサ、Ｃｃ…補正用
コンデンサ、４０…発振源、４１…第１のセンサ（検出
手段）、４２…第２のセンサ（検出手段）、４３…ＰＬ
Ｌ（フェーズロックループ）制御回路、４４…電圧セン
サ、４５…比較回路、４６…アンプ回路、４７…演算回
路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電振動子と、この圧電振動子に高周波駆
動電圧を与える発振源と、前記圧電振動子に並列に接続
した補正用コンデンサと、前記圧電振動子に流れる電流
を検出する第１の検出手段と、前記補正用コンデンサに
流れる電流を検出する第２の検出手段と、各検出手段で
それぞれ検出した電流値の大きさが等しくなるべく前記
検出電流の少なくとも一方を調節する第１の演算手段
と、各検出手段でそれぞれ検出した各電流信号を位相合
成する第２の演算手段と、この第２の演算手段の出力を
用いて前記圧電振動子を共振点で駆動すべく前記発振源
を制御する制御回路とを具備したことを特徴とする圧電
振動子の駆動装置。