JP2766787B2 - 超音波振動子の駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばランジュバン
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。

【０００２】

【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、例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。図９に上記ＰＬＬ方式の駆動装置の基本構成を
示している。

【０００３】即ち、この種の振動子は、その共振点近傍
において、図１０（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、図１０（ｂ）には、このイン
ピーダンス

【０００４】

【数１】 の周波数特性を示している。

【０００５】上記のような等価回路において、図１１
（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Ｌｄを振動子に対して並列に又は直列に接続
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
図１１（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θI 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。

【０００６】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
帰還となって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。

【０００７】また、振動子には、図１２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ｆｒ
ａ，ｆｒｂが存在する。これらの各副共振点ｆｒａ，ｆ
ｒｂ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。従って、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。

【０００８】そこで、例えば特開昭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ｆ1 〜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。

【０００９】また、例えば特開昭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ＶＣＯ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
欠点を解決することができない。

【００１０】さらに、例えば米国特許第４，７５４，１
８６号公報には、ＶＣＯを追尾可能周波数ｆ1 以下のあ
る周波数ｆ11（図１１（ｂ）参照）で動作させておき、
位相比較入力θV ，θI 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 〜ｆ2 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ｆ11〜ｆｒ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。

【００１１】

【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、異なった共振周波数
を有する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。

【００１２】

【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、前記共振点駆
動の基準となる周波数信号を発振する基準発振器と、各
々が異なった共振周波数を有し、該共振周波数を示す指
示手段を各々が有する複数の振動子手段と、前記基準発
振器からの信号と前記フィードバック手段からの信号と
を切換える切換手段と、を具備し、前記振動子手段の指
示手段が前記基準発振器に結合され、該基準発振器が各
振動子手段の共振周波数を発生するように構成されてい
る。

【００１３】

【作用】この発明は、上記した構成により、基準発信器
により共振点駆動の基準となる周波数信号が発振され、
振動子手段は異なった共振周波数を有しており、切換手
段により前記基準発振器からの信号とフィードバック手
段からの信号とが切換えられ、特に、前記振動子手段の
指示手段が前記基準発振器に結合され、該基準発振器に
より各振動子手段の共振周波数が発生されるようになっ
ている。

【００１４】

【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。図１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、及びこの
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。

【００１５】上記基準発振器５は、前記振動子１の基本
共振周波数ｆｒ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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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ｆｒにて駆動可
能となる。

【００１９】図２は、この発明の第１の実施例を示すも
のである。図２において、振動子１は、図１１（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θI 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θV 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（ＬＰＦ）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Ｖ
ＣＯ（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 及
び電流位相θI が位相比較器２１に供給されるようにな
っている。

【００２０】一方、発振起動時には、検出回路４からの
電流位相θI に代えて、基準発振器５より振動子１の共
振周波数ｆｒ近傍にて発振される発振基準信号ｆｒｅ
ｆ．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、例えば
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。

【００２１】次に上記構成の動作について説明する。い
ま、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θV 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。

【００２２】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ｆ1 〜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θI 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θV と電
流位相θI とを比較した際の位相差が常に零となるよう
に働く。即ち、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。従って、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ｆｒでロックさせることが可能となる。

【００２３】図３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，１ｂ，１ｃ，…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５０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，１ｂ，１ｃ，…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
１ａ，１ｂ，１ｃ，…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。

【００２４】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。

【００２５】図４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１
１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ｆｒ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。

【００２６】即ち、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、又は基準発振器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。

【００２７】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ｆｒ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ｆｒにて駆動するように動作する。

【００２８】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。

【００２９】この状態において、制御回路７によってス
イッチ回路６を切換えて、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ｆｒにて駆動するように働く。従って、帰還発振器３
０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ｆｒにて確実に駆動させることができるように
なる。

【００３０】図５乃至図８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。図
５に示すスイッチ回路６０は、３ステートバッファ６０
ａ，６０ｂとインバータ６０ｃとから構成されるもので
あり、例えば制御信号のハイレベル「Ｈ」でＡ側が、ロ
ーレベル「Ｌ」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。

【００３１】図６に示すスイッチ回路６１は、アンドゲ
ート６１ａ，６１ｂ、オアゲート６１ｃ及びインバータ
６１ｄを組合せたものであり、例えば制御信号のハイレ
ベル「Ｈ」でＡ側が、ローレベル「Ｌ」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。

【００３２】図７に示すスイッチ回路６２は、アナログ
スイッチ６２ａ，６２ｂとインバータ６２ｃとを用いて
構成されるものであり、例えば制御信号のハイレベル
「Ｈ」でＡ側が、ローレベル「Ｌ」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。

【００３３】図８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。即ち、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。

【００３４】尚、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。

【００３５】

【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、複数の異なった共振周波数
を有する振動子を各々の基本共振周波数にて確実にロッ
クイン（起動）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】

【図１】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である。

【図２】この発明の第１の実施例を示す駆動装置のブロ
ック図である。

【図３】この発明の第２の実施例を示す駆動装置のブロ
ック図である。

【図４】この発明の他の実施例を示す駆動装置のブロッ
ク図である。

【図５】駆動装置に用いられるスイッチ回路の構成例を
示す図である。

【図６】駆動装置に用いられるスイッチ回路の構成例を
示す図である。

【図７】駆動装置に用いられるスイッチ回路の構成例を
示す図である。

【図８】駆動装置に用いられるスイッチ回路の構成例を
示す図である。

【図９】従来技術とその問題点を説明するために示す図
である。

【図１０】従来技術とその問題点を説明するために示す
図である。

【図１１】従来技術とその問題点を説明するために示す
図である。

【図１２】従来技術とその問題点を説明するために示す
図である。

【符号の説明】

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。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、 前記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、 各々が異なった共振周波数を有し、該共振周波数を示す
   指示手段を各々が有する複数の振動子手段と、 前記基準発振器からの信号と前記フィードバック手段か
   らの信号とを切換える切換手段と、を具備し、前記振動
   子手段の指示手段が前記基準発振器に結合され、該基準
   発振器が各振動子手段の共振周波数を発生することを特
   徴とする超音波振動子の駆動装置。