JPH0286874A - 超音波振動子の駆動回路 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は機械加工、医療等に用いられる電歪型等の超音
波振動子の駆動回路に関する。

［従来の技術］ 従来、ボルト締めランジュバン型超音波振動子を用いて
電気−機械振動変換を行ない、その振動をホーンによっ
て拡大してから生体組織に伝達し、生体組織を切除する
超音波装置が開発されている。このような装置において
は、振動系構成部は駆動時に大きな歪みが発生しており
、その設計及び材質の選定には機械的強度等を考慮に入
れる必要がある。さらに、駆動回路側においても、過大
な振動や急激な応力変化による振動系の破壊、劣化を防
止するための保護回路を設けている。

このような駆動回路の一例として、超音波摂動子の駆動
のための定電流源の設定値を負荷時と無負荷時とで変え
る駆動回路が特公昭６１−７８７７号公報に記載されて
いる。ここでは、無負荷時の無駄な電力消費ミ及び振動
子、電流制御用トランジスタの温度上昇を防止するため
に、振動子のアドミッタンスによって負荷の有無が検知
され、無負荷時に設定時が低減される。

また、発振開始時に回路素子が電気的衝撃を受けること
を防止するため、及び振動系が負荷状態にある時の立上
がりを容易ならしめるための起動衝撃緩和回路を電力増
幅回路中に設けた装置が特開昭５８−５８０３４号公報
に記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ 前者の装置においては、無負荷状態がら負荷状態に変化
すると、定電流源の設定値が急激に変化するので、やは
り急激な応力変化が避けられない。

さらに、振動系の先端部材を取替えた場合に振動系のア
ドミッタンスが変化するため振動子のアドミッタンスか
ら負荷の有無を検知することが不可能な場合がある。

また、後者の装置においても発振開始時の急激な応力変
化は避けられなかった。

この発明は上述した事情に対処すべくなされたもので、
その目的は振動子の起動時の急激な応力変化を防止する
超音波振動子の駆動回路を提供することである。

［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回路は、第１図に示
すように、圧電変換器５とホーン６からなる超音波振動
子１４を発振させる駆動信号を発生する発振回路１、発
振回路１の出力信号を可変の増幅率で増幅する電圧制御
増幅回路２、電圧制御増幅回路２の出力信号を増幅して
超音波振動子１４に供給する電力増幅回路４、電圧制御
増幅回路２へ制御信号を供給してその増幅率を制御する
制御回路３を具備する。

［作　用］ この駆動回路において、超音波振動子１４の振動開始（
起動）指示があると、制御回路３は電圧制御増幅回路２
の増幅率を０、または非常に小さい値から徐々に増加さ
せ、起動してから一定時間後に所定の増幅率にする。こ
の所定の増幅率は超音波振動子１４が所望の強力な超音
波を発振できるような値に決定されている。そして、一
定時間後はこの所定の増幅率を保持するように制御され
る。このため、超音波振動の振幅は徐々に増加するので
、起動時に急激な応力変化が発生しない。

このような制御のために、制御回路３から電圧制御増幅
回路２へ供給される制御信号Ｖｃを第２図に示す。すな
わち、制御信号Ｖｃは起動時はＯであり、一定時間ｔ１
経過するまでは徐々に増加し、一定時間ｔ１経過後は所
定値Ｖｃｌに保持される。

［実施例］ 以下、この発明による超音波振動子の駆動回路の実施例
を説明する。

第３図は第１実施例のブロック図である。発振回路１か
らの信号が乗算回路７に供給される。乗算回路７の出力
が電力増幅回路４を介して超音波振動子１４の圧電変換
器５に供給される。超音波振動子１４は圧電変換器５、
ホーン６からなる。

乗算回路７の係数を設定することにより電力増幅回路４
の入力信号の振幅を設定する可変電圧源からなる振幅設
定回路９の出力が起動スイッチ３０と抵抗Ｒを介して比
較器１２の＋側入力端子に供給される。比較器１２の＋
側入力端子はリレースイッチ１０、コンデンサＣを介し
てアース、または基準電位に接続される。

起動スイッチ３０からの信号がタイマー回路１１に供給
され、タイマー回路１１からの信号がリレースイッチ１
０に供給される。

電力増幅回路４と超音波振動子１４の間に電流検出器８
が接続され、電流検出器８の出力ＶＦが比較器１２の一
側入力端子に供給される。比較器１２は抵抗Ｒと、リレ
ースイッチ１０との接続点の電圧Ｖｃと、電流検出器８
の出力、すなわち超音波振動子１４に流れる電流値の振
幅に対応した電圧ｖＦとを比較し、その差に応じた電圧
信号を乗算回路７に供給する。乗算回路７は比較器１２
の出力信号と発振回路１の出力信号を乗算し、乗算した
信号を電力増幅回路４に供給する。

第１実施例の動作を説明する。先ず、超音波振動子１４
の起動前に振幅設定回路９により振幅を設定する。起動
スイッチ３０が押されると、タイマー回路１１が起動し
、リレースイッチ１０をオンし、コンデンサＣを比較器
１２の＋側入力端子に接続する。これにより、抵抗Ｒと
コンデンサＣの時定数回路が形成される。このため、比
較器１２の＋側入力端子への入力電圧Ｖｃはこの時定数
回路により徐々に増加する。

起動スイッチ３０がオンされてから一定時間ｔ１経過す
ると、タイマー回路１１はリレースイッチ１０をオフす
る。これにより、コンデンサＣが抵抗Ｒから切り離され
、比較器１２の＋側入力端子に供給される電圧Ｖｃは振
幅設定回路９の設定値と一致する。

この設定電圧が高い場合の入力電圧Ｖｃと時間との関係
を第４図（ａ）、設定電圧が低い場合の入力電圧Ｖｃと
時間との関係を第４図（ｂ）に示す。

比較器１２は電流検出回路８の出力電圧ＶＦと入力電圧
Ｖｃとを比較し、その差に応じた電圧を乗算回路７に供
給する。乗算回路７は電流検出回路８の出力ＶＦと入力
電圧ＶＣが一致するように発振回路１の出力を所定数倍
（増幅）する。これにより、負荷の大小により超音波振
動子１４に流れる電流が変動しても、常に所定の電力を
超音波振動子１４に供給できる。

このようにすれば、振幅設定回路９の設定値にかかわら
ず、抵抗Ｒ、コンデンサＣ１タイマ時間ｔ１を適当に設
定することにより、超音波振動子の振幅はなめらかに所
定値に近づくことができる。

また、この実施例によれば、電源投入から起動スイッチ
３０押下までの期間、発振回路１、電力増幅回路４は動
作し、ウオームアツプ状態である。

そのため、起動スイッチ３０が押されると、直ぐに安定
した動作が開始される。そして、超音波振動子１４の負
荷状態がどのような場合でも、起動から所定時間ｔ１ま
ではＣＲの時定数回路によって振幅が徐々に増加し、所
定時間ｔ１後は時定数回路を構成するコンデンサＣが切
り離されるから、動作遅れを生じず完全な定電流制御が
実行される。

よって、超音波振動子１４に起動時の急激な応力変化が
生じることがなく、起動後は安定な定電流制御が行われ
る。

次に、第２実施例を説明する。第５図は第２実施例のブ
ロック図である。電圧制御発振器２１の出力が乗算回路
７、リレー接点４１１、電力増幅回路４、マツチング回
路２０を介して超音波振動子１４に供給される。マツチ
ング回路２０は効率のよい駆動のためにマツチングをと
る回路である。

マツチング回路２０は超音波振動子１４の駆動電圧の位
相を検出する電圧検出回路２０１、超音波振動子１４の
駆動電流の位相を検出する電流検出回路２０２、超音波
振動子１４へ流れる電流の振幅を検出する電流値検出回
路２０３を有する。電圧検出回路２０１、電流検出回路
２０２の出力が位相比較回路２３に供給される。位相比
較回路２３は両位相の差に応じた電圧信号をローパスフ
ィルタ（ＬＰＦ）２２を介して電圧制御発振器２１の制
御端子に供給する。なお、電圧制御発振器２１の制御端
子はリレー接点４２１を介して接地される。ローパスフ
ィルタ２２は位相比較回路２３の出力の高調波成分を除
去する。電圧制御発振器２１は位相比較回路２３の出力
が０になる、すなわち振動子１４の駆動電圧、駆動電流
の位相差が０になる共振周波数で超音波振動子１４を駆
動する信号を発生する。

一方、振幅下限設定可変抵抗（ＶＲ）２７、振幅設定可
変抵抗２５、振幅上限設定可変抵抗２６が直列に接続さ
れている。振幅上限設定可変抵抗２６は振幅設定電圧の
上限を設定し、超音波振動子１４を必要以上に振幅させ
て破壊などを起こさぬようにする。振幅設定可変抵抗２
５の出力が差動増幅器２４の非反転入力端子に接続され
る。電流値検出回路２０３の出力が抵抗５４を介して差
動増幅器２４の反転入力端子に接続される。差動増幅器
２４の出力端子は帰還抵抗５３を介して反転入力端子に
接続される。差動増幅器２４の出力端子は乗算回路７に
接続される。

振幅設定可変抵抗２５の出力はリレー接点４３１を介し
てコンデンサ２８の一端にも接続される。コンデンサ２
８の他端は振幅下限設定可変抵抗２７と振幅設定可変抵
抗２５との接続点に接続される。なお、コンデンサ２８
の両端間にはリレー接点４２２、抵抗５１が直列に接続
される。

起動スイッチ３０がタイマー回路１１に接続され、タイ
マー回路１１によりリレー４１．４２゜４３が制御され
る。リレー４１はリレー接点４１１を、リレー４２はリ
レー接点４２１゜４２２を、リレー４３はリレー接点４
３１をそれぞれ制御する。

ここで、タイマー回路１１の詳細を第６図に示す。起動
スイッチ３０の出力がインバータ６４゜６５を直列に介
してＪ−に型フリップフロップ３１のクロック端子ＣＫ
に入力される。フリップフロップ３１の出力端子はトラ
ンジスタ６１のベースに接続されるとともに、インバー
タ６６を介してタイマーＩ　Ｃ３２のクロック端子ＣＫ
にも接続される。トランジスタ６１のエミッタは接地さ
れ、そのコレクタはリレー４１に接続される。

タイマーＩＣ３２の出力端子はノアゲート６７を介して
トランジスタ６２のベースに接続される。

トランジスタ６２のエミッタは接地され、そのトランジ
スタ６２のコレクタはリレー４２に接続される。

ノアゲート６７の出力はインバータ６８を介してタイマ
ーＩＣ３３のクロック端子ＣＫに接続される。タイマー
ＩＣ３３の出力端子はノアゲート６９を介してトランジ
スタ６３のベースにｔ［される。トランジスタ６３のエ
ミッタは接地され、そのコレクタはリレー４３に接続さ
れる。

第７図を参照して第２実施例の動作を説明する。

起動前に、振幅下限設定可変抵抗２７、振幅設定可変抵
抗２５、振幅上限設定可変抵抗２６の抵抗値を予め設定
しておく。電源投入から起動までの間、全てのリレー４
１．４２．４３は動作せず、電力増幅回路４の入力端子
はリレー４１の接点４１１、抵抗５５を介して接地され
る。そのため電力増幅回路４の出力はノイズ等によって
影響されることがなく、超音波振動子１４が誤って振動
することはない。リレー４２の接点４２１を介してロー
パスフィルタ２２の出力は接地される。このため、電圧
制御発振器２１は自走発振状態である。リレー４２の接
点４２２を介してコンデンサ２８の両端間に抵抗５１が
接続され、リレー４３の接点４３１を介してコンデンサ
２８が差動増幅器２４の非反転入力端子に接続される。

このため、差動増幅器２４の非反転入力端子の電圧Ｖｃ
は振幅下限設定可変抵抗２７で設定される電圧値である
。

起動スイッチ３０が押下されると、フリップフロップ３
１のクロック端子ＣＫに第７図（ａ）に示スようなＬレ
ベルのパルスが供給される。これにより、第７図（ｂ）
に示すようにフリップフロップ３１の出力はＨレベルと
なる。これにより、第７図（Ｃ）に示すようにリレー４
１がオンするとともに、タイマーＩＣ３２が動作開始す
る。リレー４１がオンすると、その接点４１１を介して
乗算器７の出力が電力増幅回路４に供給される。

このため、電力増幅回路４は超音波振動子１４に振幅下
限設定可変抵抗２７で設定された値の駆動電圧を供給す
る。この時、位相比較回路２３は電圧検出回路２０１の
検出電圧位相と、電流検出回路２０２の検出電流位相と
を比較し、比較した結果に応じた信号を出力する。振幅
下限設定可変抵抗２７の値は位相比較回路２３で位相検
出が十分なされ、しかも、超音波振動子１４にそれ程衝
撃を与えない程度の振幅設定電圧となるように決定して
おく。

タイマーＩ　Ｃ３２の出力は所定時間後にＨレベルとな
り、これにより、リレー４２が第７図（ｄ）に示すよう
にオンするとともに、タイマーＩＣ３３が動作開始する
。リレー４２がオンすると、その接点４２１がオフされ
るので、ローパスフィルタ２２の出力が電圧制御発振器
２１に供給される。電圧制御発振器２１、ローパスフィ
ルタ２２、位相比較回路２３は超音波振動子の共振周波
数を追尾する回路を構成する。この時、接点４２２が開
放されるので、差動増幅器２４の非反転入力端子の電圧
ＶＣは第７図（ｆ）に示すようにコンデンサ２８と振幅
設定可変抵抗２５とのＣＲ回路により徐々に増加する。

タイマーＩ　Ｃ３３の出力は所定時間後にＨレベルとな
り、これによりリレー４３が第７図（ｅ）に示すように
オンする。リレー４３がオンすると接点４３１が開放さ
れ、ＣＲ回路のコンデンサ２８が切り離され、差動増幅
器２４の非反転入力端子の電圧ＶＣは第７図（ｆ）に示
すように振幅設定電圧となり、制御は定電流制御となる
。

なお、上記第１、第２実施例においては、時定数回路の
オン／オフ等の制御に機械接点式のリレーを用いたが、
それらの代わりに第８図に示すような電界効果型トラン
ジスタ（ＦＥＴ）４０を用いてもよい。

次に、第３実施例を説明する。第９図は第３の実施例の
ブロック図であり、例えば超音波外科手術装置等に用い
られるものである。圧電変換器５には、例えば長さの異
なるプローブＡ６１、またｔ’ｔプローブＢ６２を、用
途に応じて適宜交換して使用できるようになっている。

上記第５図に示した第２実施例と同一部分には同一符号
を付して説明を省略する。

プローブ判別回路８０は、圧電変換器５及びホーン６に
締結されているプローブの種類を判別する回路である。

このプローブ判別回路８０は、例えばインピーダンス特
性の違いや、図示せぬ操作盤から手操作で設定入力され
た情報により締結されているプローブの種類を判別する
ものである。

このプローブ判別回路８０で生成した判別信号は、後述
する切換回路９７．９８に送られる。

電圧発生回路９１．９２は、それぞれ、プローブＡ６１
及びプローブＢ６２における最大振幅設定値を決定する
ための電圧を発生するもので、電圧発生回路９３．９４
は同様に、最小振幅設定値を決定するための電圧を発生
するものである。切替回路９７は、上記プローブ判別回
路８０からの判別信号に基づき、電圧発生回路９３又は
電圧発声回路９４のいずれかの出力を選択して最小振幅
設定値を出力するものである。切替回路９８は、同様に
、上記プローブ判別回路８０からの判別信号に基づき、
電圧発生回路９１又は電圧発声回路９２のいずれかの出
力を選択して最大振幅、設定値を出力するものである。

９９．１００，１０１はアナログスイッチ、１０２はコ
ンデンサ２８とともにＣＲ時定数回路を構成する抵抗、
１０３はコンデンサ２８の放電のためのダイオード、１
０４．１０５は逆流防止のダイオードである。９５は超
音波振動子１４の発振／停止を制御するフットスイッチ
である。このフットスイッチ９５の出力はコントロール
回路９６に供給されるようになりでいる。コントロール
回路９６はフットスイッチ９５からの信号に基づいて、
制御信号ＴＩ、Ｔ２．Ｔ３を生成し、アナログスイッチ
９９，１００，１０１のオン／オフを時間的に制御する
ものである。このコントロール回路９６は、位相比較回
路２３から、ＰＬＬ（フェイズ下・ロック・ループ）が
共振点周波数にロックし、追尾動作が開始されたことを
知らせるロック検出信号を入力するようになっている。

第１０図を参照して第３実施例の動作を説明する。初期
状態では、各アナログスイッチ９９゜１００．１０１は
オフとなっている。また、プローブ判別回路８０からの
例えばプローブＡ６１が締結されている旨を示す判別信
号により切換回路９７．９８は、それぞれ、締結された
プローブＡ６１に適合する電圧発生回路９１及び電圧発
生回路９３の出力を選択し、プローブＡ６１に適合する
最大振幅設定電圧、最小振幅設定電圧を出力している。

かかる状態でフットスイッチ９５が押下され、第１０図
（ａ）に示すように、フットスイッチ９５からの信号が
立ち上がると、同図（ｂ）に示すように、まず制御信号
Ｔ１がコントロール回路９６から出力されアナログスイ
ッチ９９がオンにされる。これにより、ダイオード１０
５を通して差動増幅器２４の非反転入力端子に最小振幅
設定値の電圧が入力され、これによりＰＬＬが共振点追
尾動作に入る。この共振点追尾動作中は、振幅は設定し
た最小値でフィードバック制御されている。次に、追尾
動作が完了し、ＰＬＬがロック状態に入ったなら、第１
０図（Ｃ）に示すように、位相比較器２３はその旨を示
すロック検出信号を出力する。このロック検出信号がコ
ントロール回路９６に供給されることにより、コントロ
ール回路９６は、制御信号Ｔ２を出力してアナログスイ
ッチ１００をオンにする（第１０図（ｄ）参照）。これ
により、振幅設定可変抵抗２５の両端に最大振幅設定電
圧と最小振幅設定電圧とが印加され、振幅設定可変抵抗
２５で分圧された電圧が可変抵抗１０２とコンデンサ２
８とで構成されている時定数回路に供給される。この時
定数回路の出力電圧は、上記第２実施例で説明したと同
様に、時間の経過とともに徐々に上昇しなから差動増幅
器２４の非反転入力端子に印加されることになる（第１
０図（ｆ）参照）。そして、一定時間ｔ１経過後に、コ
ントロール回路９６が制御信号Ｔ３を出力してアナログ
スイッチ１０１をオンすることにより可変抵抗１０２は
ショートされ、第１０図（ｅ）に示すように、振幅設定
可変抵抗２５で分圧された電圧が、そのまま差動増幅器
２４の非反転入力端子に入力されるようになる。

ここで、可変抵抗１０２をショートしても振幅設定可変
抵抗２５とコンデンサ２８とで時定数回路を形成はする
が、可変抵抗１０２の抵抗値を比較的大とし、コンデン
サ２８の容量を小とし、かつ振幅設定可変抵抗２５の抵
抗値を小としておけば、振幅設定可変抵抗２５による設
定に対し、実際の振幅設定が遅れる時間差を極小にでき
るので通常の動作に対して影響はない。

また、フットスイッチ９５をオフにすると、各アナログ
スイッチ９９，１００’、１０１がオフとなり、コンデ
ンサ２８に蓄積された電荷はダイオード１０３を通して
放電される。

プローブがＡからＢに交換された場合、プローブ判別回
路８０からのプローブＢ６２が締結されている旨を示す
判別信号により切換回路９７゜９８は、それぞれ、締結
されたプローブＢ６２に適合する電圧発生回路９２及び
電圧発生回路９４の出力を選択し、プローブＢ６２に適
合する最大振幅設定電圧、最小振幅設定電圧を出力する
ように切り替わり、以下、上記と同様の動作を行う。

なお、上記実施例において超音波振動子１４の発振停止
時もゆるやかに振幅が変化するように、アナログスイッ
チ１０１を取り去りて、コンデンサ２８の放電を利用し
て振幅が０に変化するように構成しても良い。

また、上記実施例では、振幅制御に、超音波振動子１４
に流れる電流値を利用したが、第１１図に示すように、
振動検出器１０６から得られる信号を利用しても良い。

以上、この第３実施例によれば、プローブの種類が変更
されても、そのプローブが破壊しない最大振幅設定値の
範囲内で、振幅突入変化が緩和できる装置を提供できる
。また、可変抵抗１０２の値及び一定時間ｔ１を適正に
設定することで、最小振幅設定値でのＰＬＬの共振点追
尾ロック完了後、設定振幅までの振動増加の過程におけ
る共振点変化に追従でき、発振の確実性が向上できる効
果がある。

次に第４実施例を説明する。第１２図は第４の実施例の
ブロック図である。この実施例においては、制御回路３
としてマイクロプロセッサ３２０を用い、超音波振動子
１４の起動を制御するものである。

上記制御回路３はマイクロプロセッサ３２０とＤ／Ａ変
換器３１０とにより構成されている。その他は上述した
第１図に示したものと同一であるので説明は省略する。

マイクロプロセッサ３２０は、超音波振動子１４の発振
開始（起動）指示を検出すると、第１３図に示・すよう
な、階段状に徐々に増加し、−定時間ｔ１経過により一
定値となる波形のデジタル信号を生成して出力する。こ
のデジタル信号はＤ／Ａ変換器３１０によりアナログ信
号に変換され、電圧制御増幅回路２に供給される。これ
により、電圧制御増幅回路２は、発振回路１からの駆動
信号を制御回路３の出力信号に応じて増幅率を徐々に大
きくするように制御する。この電圧制御増幅回路２から
の信号は電力増幅回路４を介して圧電換器６とホーン６
とからなる超音波振動子に供給される。これにより、超
音波振動子の超音波振動の振幅は徐々に増加し、急激な
応力変化が発生しないものとなっている。

このような構成とすることにより、マイクロプロセッサ
３２０に組み込むソフトウェアで、超音波振動子の超音
波振動の振幅増加の変化（時間的な変化及び電圧の変化
）を簡単に設定できる。また、上記振幅増加の変化を変
更することもソフトウェアを変更することにより容易に
できるので、装置の調整が簡単になるという効果もある
。

［発明の効果］ この発明によれば、超音波振動子の起動時の急激な応力
変化を防止する超音波振動子の駆動回路が提供される。

【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回路の概略
を示す図、第２図は第１図の動作を示す図、第３図はこ
の発明による超音波振動子の駆動回路の第１実施例のブ
ロック図、第４図（ａ）。 （ｂ）は第１実施例の動作を示す図、第５図はこの発明
による超音波振動子の駆動回路の第２実施例のブロック
図、第６図は第２実施例のタイマー回路の詳細を示す図
、第７図は第２実施例の動作を示す図、第８図は変形例
を示す図、第９図はこの発明による超音波振動子の駆動
回路の第３実施例のブロック図、第１０図は第３実施例
の動作を示す図、第１１図は変形例を示す図、第１２図
はこの発明による超音波振動子の駆動回路の第４実施例
のブロック図、第１３図は第４実施例の動作を説明する
ための図である。 １・・・発振回路、２・・・電圧制御増幅回路、３・・
・制御回路、４・・・電力増幅回路、５・・・圧電変換
器、６・・・ホーン、１４・・・超音波振動子。 第３ 第 図 第８ 図 第１２ 図 第１３ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波振動子の駆動信号を発生する手段と、可変の増幅
   率で前記駆動信号を増幅する手段と、前記増幅手段の増
   幅率を起動から所定時間経過するまで徐々に増加させ、
   所定時間経過後に所定利得にする制御手段を具備する超
   音波振動子の駆動回路。