JPH02265681A - 超音波駆動装置 - 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、超音波変換器駆動回路に関する。

〔従来の技術〕

超音波変換器を用いる装置は、従来種々提案されており
、例えば外科用超音波メス、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
等に使用されている超音波変換器は、効率を高めるため
、その共振周波数で駆動することが望ましいが、共振周
波数は負荷条件や温度によって変動するという問題があ
る。

このようなことから、従来、例えば超音波変換器の駆動
電圧と駆動電流あるいは振動速度検出信号との位相差を
検出し、その出力に基づいて超音波変換器の駆動周波数
を制御するいわゆるフェーズロックループ（ＰＬＬ）方
式の共振点追尾回路を用いるものが提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、本発明者の実験によれば、従来提案され
ているＰＬＬ方式の駆動回路においては、以下に説明す
るような重大な問題があることが解った。

すなわち、超音波変換器は、第１１図に圧電型の振動子
１の等価回路を示すように、直列接続さ″れた抵抗Ｒ１
インダクタＬ１キャパシタＣと、この直列回路に並列に
接続された制動容量Ｃｄとから成り、実際の使用におい
ては、一般に制動容量ｃｄを打ち消すため、補正インダ
クタＬｄを並列接続している。この場合、振動子１の駆
動電圧と駆動電流との位相差θの周波数特性は、第１２
国人に示すようになり、インピーダンスＩ　Ｚ　ｌ　（
Ｄｍ波数特性は第１２図Ｂに示すようになる。すなわち
、位相差θは共振点ｆ１およびその前後の副共振点ｆ＋
、ｆｚで零となり、インピーダンスＩ２１は共振点【、
、で最小、副共振点ｆ＋、ｆｚで最大となる。

従来の駆動回路では、ＰＬＬにより上記の位相差θを監
視しながら、駆動周波数゛がｒ、となるように制御して
いるため、第１２図Ａ、Ｂから明らかなように、ＰＬＬ
による共振点追尾範囲が副共振点のｆ、からｆ、の間だ
けとなり、ｆ、以下あるいは１２以上ではループの帰還
制御が働がず、追尾不能となってしまう。このため、特
に発振開始時において、共振周波数にロックできないと
いう問題がある。

上記の問題を解決する方法として、例えばＰＬＬにおけ
る発振周波数範囲をリミッタ等で制御することが考えら
れる。しかし、この場合にはリミッタの設定を精度良く
行う必要があるため、回路構成が複雑となり、実用的で
ない。

また、他の方法として特開昭５６−１０７９２号公報に
開示されているように、ＰＬＬ内の電圧制御発振器（Ｖ
ＣＯ）の制御電圧をスィーブ回路により変化させること
によってＶＣＯの発振周波数をスィーブさせ、共振点を
検出した時点でスイープを停止させて、ＰＬＬによる追
尾動作を開始させることが考えられる。しかし、この場
合には追尾動作においてスィーブ回路の出力がＶＣＯに
印加されるため、Ｖｃｏの制御電圧にオフセットをもた
らす結果となり、ＰＬＬのループ特性に悪影響を与える
という問題がある。

更に他の方法として、米国特許第４，７５４゜１８６号
明細書に開示されているように、ＶＣＯを第１２図Ａ、
Ｂに示すｆ１以下のある周波数で発振させ−ながら、Ｐ
ＬＬへのフィードバック信号中にパルスを負荷°シ、こ
れによりフィードバック信号の見かけ一トの周波数を高
めてＶＣＯの発振周波数を超音波変換器の共振周波数方
向へ付勢してロックすることが考えられる。しかし、こ
の場合にはロック動作がＰＬＬのループ特性に顧ること
になるため、ＶＣＯの発振周波数を超音波変換器の共振
周波数に確実にロックすることが極めて困難であり、ロ
ック動作の確実性が極めて低いという問題がある。

この発明は、上述した種々の問題点に着目してなされた
もので、ＰＬＬによる超音波変換器の駆動周波数を、オ
フセットをもたらすことなく、簡単な回路構成、で多種
類の超音波変換器に対しても、常にその共振周波数に確
実にロックインできるよう適切に構成した超音波変換器
駆動回路を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段および作用〕上記目的を達
成するため、この発明では、超音波変換器の駆動信号に
基づく２つの帰還信号をフェーズロックループの位相比
較器に供給して、該フェーズロックループにより前記超
音波変換器を、その駆動信号周波数が当該超音波変換器
の共振周波数となるように追尾制御するようにした超音
波変換器駆動回路において、周波数が変化する基準信号
を発生する基準信号発生手段と、この基準信号発生手段
からの基準信号と前記２つの帰還信号の一方とを切り換
えて前記位相比較器に供給する信号切換手段と、前記帰
還信号に基づいて前記超音波変換器の駆動信号周波数が
該超音波変換器の共振周波数とほぼ等しいか否かを検出
する共振点検出手段と、この共振点検出手段の出力に基
づいて前記信号切換手段を制御する制御手段とを具え、
前記基準信号発生手段からの基準信号と前記２つの帰還
信号の他方とを前記位相比較器に供給することにより、
前記駆動信号周波数が前記共振周波数とほぼ等しい周波
数で、前記フェーズロックループを前記２つの帰還信号
による共振周波数追尾制御に移行し得るよう構成する。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図である。

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、ハンドピース１０に設けられ
たランジュバン型振動子１１は、フェーズロックループ
（ＰＬＬ）１２により電力増幅器１３を介して駆動する
ようにすると共に、その駆動信号に基づいて電圧・電流
検出回路１４により振動子１１に加わる電圧位相θ９、
振動に応じた電流位相θ１およびインピーダンスＺ１を
検出するようにする。

ＰＬＬ１２は、位相比較器（ＰＣ）１５の出力をループ
フィルタ１６を経て電圧制御発振器（■Ｃｏ）１７に供
給するよう°構成し、ＶＣＯ１’ｌ）出力を電力増幅器
１３により振動子１１を駆動するのに十分な電力まで増
幅して振動子１１に供給するようにすると共に、ＰＣｌ
５のバリアプル入力端子（Ｖ）に電圧・電流検出回路１
４から出力される電圧位相信号θ９を供給し、リファレ
ンス入力端子（Ｒ）に電圧・電流検出回路１４から出力
される電流位相信号θ、をスイッチ回路１日を介して選
択的に供給するようにする。

また、ＰＣｌ５のＲ入力端子には基準信号発生回路１９
からの基準信号θ９．をスイッチ回路１８を介して選択
的に供給するようにする。この基準信号発生回路１９は
、ジェネレータ２０と発振器２１とをもって構成し、ジ
ェネレータ２０の出力に基づいて発振器２１から周波数
が変化する基準信号θ、、□を出力させるようにする。

一方、電圧・電流検出回路１４から出力される電圧位相
信号θ９、電流位相信号θ１およびインピーダンス信号
ＩＺ１は共振点検出回路２２に供給し、ここでこれら電
圧位相信号θ９、電流位相信号θ１およびインピーダン
ス信号Ｉ７１に基づいて振動子１１に加わっている駆動
信号の周波数が該振動子１１の共振周波数とほぼ等しい
か否かを検出し、その出力に基づいてスイッチ回路１８
における電流位相信号θ、と基準信号θｒｏｆとの切り
換え動作を制御するようにする。

第２図〜第５図は第１図に示すスイッチ回路１８の４つ
の例を示すものである。第２図に示すスイッチ回路１８
は、電流位相信号θ１および基準信号θｒ、ｆをそれぞ
れ３ステートバッファ２５−１および２５−２に供給す
ると共に、３ステートバッファ２５−１の制御端子に共
振点検出回路２２の出力を直接供給し、３ステートバッ
ファ２５−２の制御端子に共振点検出回路２２の出力を
インバータ２６を介して供給することにより、共振点検
出回路２２の出力がハイ（Ｈ）レベルにあるときに、例
えば電流位相信号θ、を、ロー（Ｌ）レベルにあるとき
に基準信号θ、、□を、それぞれＰＬＬ１２内のＰＣｌ
５のＲ入力端子に供給するようにしたものである。

第３図に示すスイッチ回路１８は、電流位相信号θ、お
よび基準信号θ、、をそれぞれＡＮＤゲ−）２７−４お
よび２７−２の一方の入力端子に供給すると共に、ＡＮ
Ｄゲー）２７−１の他方の入力端子に共振点検出回路２
２の出力を直接供給し、ＡＮＤゲート２７−２の他方の
入力端子に共振点検出回路２２の出力をインバータ２８
を介して供給して、共振点検出回路２２の出力がＨレベ
ルにあるときに、例えば電流位相信号θ１を、Ｌレベル
にあるときに基準信号θ、、、を、それぞれＯＲゲート
２９を経てＰＬＬ１２内のＰＣｌ５のＲ入力端子に供給
するようにしたものである。

第４図に示すスイッチ回路１８は、電流位相信号θ１お
よび基準信号θ４．をそれぞれアナログスイッチ３０−
１および３０−２に供給すると共に、アナログスイッチ
３０−１の制御端子に共振点検出回路２２の出力を直接
供給し、アナログスイッチ３０−２の制御端子に共振点
検出回路２２の出力をインバータ２８を介して供給して
、共振点検出回路２２の出力がＨレベルにあるときに、
例えば電流位相信号θ１を、Ｌレベルにあるときに基準
信号θｒｍｆを、それぞれＰＬＬ１２内のＰＣｌ５のＲ
入力端子に供給するようにしたものである。

また、第５図に示すスイッチ回路１８は、電流位相信号
θ１および基準信号θｒａｆをそれぞれリレー接点３１
−１および３１−２に供給すると共に、リレー３２に共
振点検出回路２２の出力を供給して、共振点検出回路２
２の出力がＨレベルにあるときに、例えばリレー３２を
附勢して電流位相信号θ、を、Ｌレベルにあるときにリ
レー３２を減勢して基準信号θ、。、を、それぞれＰＬ
Ｌ１２内のＰ、Ｃ１５のＲ入力端子に供給するようにし
たものである。

次に、この実施例の動作を説明する。

起動時においては、スイッチ回路１８はＰＬＬ１２内の
ＰＣｌ５のＲ入力端子に発振器２１からの基準信号θ１
．ｆが入力するように接続され、またＰＣｌ５の■入力
端子には、ＶＣＯ１７および電力増幅器１３を介して振
動子１１に加えられている駆動信号の電圧位相信号θ７
が帰還され、その結果ＰＬＬ１２はその出力信号が発振
器２１からの基準信号θ、、、ｆに゛ロックされるよう
に作動する。すなわち、振動子１１の駆動信号周波数は
、発振器２１からの基準信号θｒｅｆの周波数と等しく
なるように作動し、基準信号θｒ、、の周波数がジェネ
レータ２０の出力に基づいて変化すると、それに応じて
振動子１１の駆動信号周波数も変化することになる。

第６図はこのときの基準信号θｒ、ｔ、電圧位相信号θ
９および電流位相信号θ、の位相関係を示すものである
。第６図から明らかなように、基準信号θ、、、ｆを、
例えば周波数の低い方（ｆ、側）から高い方（ｒｚ側）
へ変化させると、振動子１１の振動に応じた帰還信号で
ある電流位相信号θ１は、その共振周波数ｆ、の時点で
電圧位相信号θ９と位相が一致する。また、電圧位相信
号θ９はＰＬＬ１２により基準信号θ、、、、にロック
されるので、電流位相信号θ１は基準信号θｒｏｔとも
位相が一致する。

この共振点状態を共振点検出回路２２で検出し、それが
検出された時点でその出力を例えばＨレベルとして、ス
イッチ回路１８をＰＣｌ５のＲ入力端子に電流位相信号
θ１が入力されるように切り換える。これにより、ＰＬ
Ｌ１２は電圧位相信号θ９と電流位相信号θ１との位相
比較動作に入り、その結果振動子１１の駆動信号周波数
が、電圧位相信号θ９と電流位相信号θ１との位相が常
に一致するように制御され、振動子１１の共振点追尾動
作が行われる。ここで、スイッチ回路１８による基準信
号θ、。、から電流位相信号θ、への切り換えは、これ
を瞬時に行えば、基準信号θｒａｔと電流位相信号θ１
との位相が一致しており、したがってＰＬＬ１２として
は入力信号の位相に変化がないので、ＰＬＬ　１２での
ロック状態に何ら悪影響を与えることなく、ロック状態
が有効に維持され、ＰＬＬ１２による共振点追尾制御に
確実に移行することができる。

なお、共振点検出回路２２での共振点の検出は、発振器
２１からの基準信号θｒａｆの周波数変化範囲が、第６
図においてｆ、〜ｆｚの範囲内にあるときは、電圧位相
信号θ９と電流位相信号θ１との位相差θのみを監視し
て、位相差θが零の点を共振点として検出するようにす
ればよい。これに対し、振動子１１の異なるハンドピー
ス１０を用いたり、ハンドピース１０の先端チップを変
更する等して、ハンドピース１０としてバリエーション
を持つ場合には、共振周波数が広範囲に亘って個々に異
なるため、発振器２１からの基準信号θ、。、の周波数
変化範囲もそれに応じて広くする必要がある。この場合
、上記と同様に、単に電圧位相信号θ９と電流位相信号
θ１との位相差θが零の点を共振点として検出すると、
第６図からも明らかなように共振周波数ｆ、の他に副共
振点ｆ。

およびｆ２でも位相差θが零となるため、ｆ、またはｆ
ｚで誤動作してしまう。このような場合には、第１２図
ＡおよびＢに示したインピーダンス＋２１の周波数特性
に着目し、共振周波数ｆ、でのインピーダンスの大きさ
ＩＺｌが副共振点ｆ。

およびｆ２におけるそれよりも大幅に低くなるのを利用
して、共振点検出回路２２にインピーダンスの大きさ＋
２１を検出する手段をも設け、ＩＺが設定値以下でかつ
位相差θが零の点を共振点として検出するようにすれば
良い。

以上のように、この実施例によれば共振周波数の異なる
振動子１１やハンドピース１０を用いる場合でも、ＰＬ
Ｌ　１２による共振点追尾制御に確実に移行することが
できる。

第７図はこの発明に係る超音波変換器駆動回路を具える
超音波メス装置の一例の構成を示すブロック図である。

ハンドピース３５に設けられたランジュバン型振動子３
６は、ＰＬＬ３７の出力に基づいてマツチング用トラン
ス３８を介して駆動するようにする。振動子３６は、マ
ツチング用トランス３８の二次側に接続すると共に、こ
のマツチング用トランス３８の二次側には振動子３６の
制動容量を打ち消す補正インダクタ３９を並列に接続す
る。

ＰＬＬ３７は、位相比較器（ＰＣ）４０と、そのデジタ
ル出力をアナログ信号に変換するチャージポンプ４１と
、ループフィルタ４２と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）４
３とをもって構成し、チャージポンプ４１の出力をルー
プフィルタ４２を介してＶＣＯ４３に制御電圧として供
給するようにする。ＶＣＯ４３の出力は、フィルタ４４
に供給すると共に、分周回路４５で分周してフィルタ４
４に供給し、これによりＶＣＯ４３から出力される矩形
波の駆動信号を振動子３６の共振周波数成分のみの正弦
波の駆動信号に変換して、振動子３６内での無駄な発熱
を引き起こさないようにする。

この例では、フィルタ４４としてカットオフ周波数が外
部クロック人力によって変更可能なスイッチド・キャパ
シタ・フィルタ（ＳＣＦ）を用いる。

このように、フィルタ４４としてＳＣＦを用いれば、Ｖ
ＣＯ４３の発振周波数が変化しても、フィルタ出力波形
の大きさや位相回転の変動が無くなり、その結果後述す
る定電流制御やＰＬＬ動作に与える影響が減少し、理想
的な矩形波−正弦波変換を行うことが可能となる。

フィルタ４４の出力は、増幅率が変更可能な電圧制御増
幅回路（ＶＣＡ）４６、バッファアンプ４７、スイッチ
回路４８および電力増幅器４９を経てマツチング用トラ
ンス３８の一次側に供給する。このようにして、マツチ
ング用トランス３８により、振動子３６の回路系とその
駆動回路系とを分離して電気的絶縁を図ると共に、電力
増幅器４９と負荷となる振動子３６とのマツチングをと
るようにする。

電力増幅器４９を経て振動子３６に加わる電圧および振
動子３６に流れる電流は、マツチング用トランス３８の
一次側に設けた電圧・電流検出回路５０で検出し、これ
ら電圧検出信号および電流検出信号をそれぞれ差動増幅
器５１−１および５１−２に供給して同相ノイズを除去
するようにする。

第８図は電圧・電流検出回路５０および差動増幅器５１
−１．５１−２の一例の構成を示すものである。振動子
３６に加わる電圧は、抵抗５２による分圧によって検出
し、その出力を差動増幅器５１−１に供給して電圧検出
信号■を得るようにする。また、振動子３６に流れる電
流は、カレントセンサ５３で検出し、その出力を差動増
幅器５１−２に供給して電流検出信号Ｉを得るようにす
る。このように、電圧・電流検出回路５０で検出した電
圧、電流をそれぞれ差動増幅器５１−１５１−２に供給
して電圧検出信号■、電流検出信号Ｉを得るようにする
ことにより、高電圧、大電流を低電圧にて検出する場合
の同相ノイズの問題を有効に解消できると共に、電力増
幅器４９の出力の正負の接続を逆にしても、また出力の
一方が接地された出力形式でないものであっても、電圧
。

電流の各信号■、■を安定して検出することができる。

第７図において、差動増幅器５１−１から得られる電圧
検出信号は、比較器５４および絶対値検出回路５５にそ
れぞれ供給し、比較器５４において電圧位相信号θ９を
、絶対値検出回路５５において電圧検出信号の絶対値Ｉ
ＶＩを検出するようにする。同様に、差動増幅器５１−
２から得られる電流検出信号は、比較器５６および絶対
値検出回路５７にそれぞれ供給し、比較器５６において
電流位相信号θ、を、絶対値検出回路５７において電流
検出信号の絶対値ＩＩＩを検出するようにする。

比較器５４から得られる電圧位相信号θ９は位相比較器
５日に供給すると共に、ＰＬＬ３７を構成するＰＣ４０
のバリアプル入力端子■に供給し、比較器５６から得ら
れる電流位相信号θ１は位相比較器５８に供給すると共
に、スイッチ回路５９を介してＰＣ４０のリファレンス
入力端子Ｒに供給する。また、絶対値検出回路５５から
得られる電圧検出信号の絶対値＋Ｖ＋は、電圧比較器６
０に供給して所定の設定値と比較し、その出力を位相検
出器５８に供給する。このようにして、位相検出器５８
において電圧比較器６０の出力、比較器５４からの電圧
位相信号θ９および比較器５６からの電流位相信号θ１
に基づいて、振動子３６に加わっている駆動信号の周波
数が該振動子３６の共振周波数とほぼ等しいか否かを検
出し、その出力に基づいてスイッチ回路５９における電
流位相信号θ１と、後述する発振器からの基準信号θｒ
ｏｆとの切り換え動作を制御すると共に、発光ダイオー
ド６１の点灯を制御してＰＬＬ３７が共振点追尾動作に
移行したか否かを表示させるようにする。

第９図は位相検出器５８および電圧比較器６０の一例の
構成を示すものである。位相検出器５８は３つのＤ−フ
リップフロップ（１）−ＦＦ）６２゜６３および６４と
、ＯＲゲート６５とをもって構成する。比較器５４から
得られる電圧位相信号θ９は、Ｄ−ＦＦ６１のＤ入力端
子に供給し、比較器５６から得られる電流位相信号θ、
は、Ｄ−ＦＦ６２のクロック入力端子に供給する。この
Ｄ−ＦＦ６２のＱ出力および頁出力は、Ｄ−ＦＦ６３の
クロック入力端子およびＤ−ＦＦ６４のクロック入力端
子にそれぞれ供給し、これらＤ−ＦＦ６３および６４の
Ｑ出力をＯＲゲート６５に供給してスイッチ回路５９お
よび発光ダイオード６１の制御信号を得るようにする。

なお、Ｄ−ＦＦ６３および６４のＤ入力端子には、ＶＣ
Ｃを印加する。また、電圧比較器６０はＯＰアンプをも
って構成し、その反転入力端子に絶対値検出回路５５か
ら得られる電圧検出信号の絶対値ＩＶＩを供給し、非反
転入力端子に設定電圧ＶＳＥア、を印加して、その出力
をＤ　−Ｆ　Ｆ　６．３および６４のクリア端子に供給
する。なお、ＯＲゲート６５の出力はコントロール回路
６６（第７図参照）に供給すると共に、コントロール回
路６６からはＤ−ＦＦ６２のクリア端子にリセット信号
を供給するようにする。

第７図において絶対値検出回路５７から得られる電流検
出信号の絶対値ＩＩ＋は、差動増幅回路６７の反転入力
端子に供給する。この差動増幅回路６７の非反転入力端
子には、電流値設定回路６８からの設定信号を供給し、
その出力に基づいて振動子３６が常に設定信号に対応す
る一定電流で駆動されるように、リミンタ回路６９を介
してＶＣＡ４６の増幅率を制御するようにする。電流値
設定回路６８には、出力振幅設定用可変抵抗器７０と低
定電流駆動設定用可変抵抗器７１とを設け、これらをコ
ントロール回路６６からの信号に基づいて選択して、起
動時においては低定電流駆動設定用可変抵抗器７１の出
力を、共振点追尾動作においては出力振幅設定用可変抵
抗器７０の出力を差動増幅回路６７に供給するようにす
る。このように５．絶対値検出回路５７から得られる電
流検出信号の絶対値ＩＩＩと、電流値設定回路６８から
の設定信号とを差動増幅回路６７で比較し、その出力に
基づいてＶＣＡ４６の増幅率を制御してバッファアンプ
４７および電力増幅器４９に入力する信号電圧を制御す
ることにより、ハンドピース３５の負荷変動等によるイ
ンピーダンス変化に対しても、振動子３６を常に電流値
設定回路６８からの設定信号に対応する一定電流で駆動
することができ、ハンドピース３５の振幅を一定にする
ことができる。

コントロール回路６６には、トリガ出力回路７２を接続
して、コントロール回路６６の制御の下にトリガ信号を
発生させるようにする。このトリガ信号は、ジェネレー
タ７３に供給してノコギリ波を発生させ、これを発振器
７４に供給して該発振器７４から周波数が変化する基準
信号θ、、、、を発生させるようにする。この基準信号
θ１．．は１、上述したように位相比較器５８の制御の
下にスイッチ回路５９を介してＰＬＬ３７を構成するＰ
Ｏ４０のＲ入力端子に供給する。また、トリガ出力回路
７２からのトリガ信号はカウンタ７５に供給してカウン
トし、そのカウント値が設定値以上となったときに、ス
イッチ回路４８をＯＦＦすると共に、ハンドピース３５
の異常としてプローブチエツク用の発光ダイオード７６
を点灯させるようにする。なお、この力°ウンタ７５は
コントロール回路６６からのリセット信号によりリセッ
トするようにする。

一方、ＰＬＬ３７を構成するループフィルタ４２の出力
は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）７７にも供給し、ここ
でＶＣＯ４３の制御電圧中に含まれるスパイク状のノイ
ズを除去するようにする。

このＬＰＦ７７の出力は、ウィンドコンパレータ７８に
供給し、ここでＶＣＯ４３の出力周波数範囲を監視して
それが所定の範囲を外れたときにコントロール回路６６
にリセット信号を出力するようにする。すなわち、ＶＣ
Ｏ４３はループフィルタ４２からの制御電圧によって発
振周波数が変化するが、ＰＬＬ３７が振動子３６の共振
点追尾制御から外れると、ＶＣＯ４３の発振周波数はそ
の最高または最低発振周波数に飽和してしまう。そこで
、このロック外れ状態を検出するために、■Ｃ０４３の
制御電圧をウィンドコンパレータ７８で監視する。ここ
で、ＶＣＯ４３に供給される制御電圧は、ループフィル
タ４２によっである程度平滑化された信号となるが、例
えばＰＬＬ３７のＰＯ２０にエツジトリガ式のものを使
用して、ループの特性をループフィルタ４２の設計によ
っである程度高速のものにすると、ＶＣＯ４３に供給さ
れる制御電圧にはＰＯ２０の２つの入力信号のエツジの
比較部分でスパイク状のノイズが漏れてくる。このスパ
イク状のノイズは、ウィンドコンパレータ７８の動作に
悪影響を与えるので、この例では上述したようにＬＰＦ
７７を挿入して、スパイク状のノイズを除去するように
している。

また、コントロール回路６６には、振動子３６の０Ｎ１
０ＦＦを制御するフットスイッチ７９を接続し、このフ
ットスイッチ７９からの信号、上述した位相比較器５８
からの信号およびウィンドコンパレータ７８からのリセ
ット信号に基づいて上記の各部の動作を制御するように
すると共に、超音波メスにより切除した組織を除去する
吸引ユニット８０、ハンドピース３５のプローブを冷却
したり、切除部位を洗い流すための送水ユニット８１の
動作を制御するようにする。

以下、この超音波メス装置の動作を、第１０図に示すフ
ローチャートを参照しながら説明する。

フットスイッチ７９のＯＦＦ状態では、スイッチ回路４
８はＯＦＦ、スイッチ回路５９は発振器７４の出力をＰ
ＬＬ３７のＰＯ４０のＲ入力端子に供給するように接続
されている。

フットスイッチ７９をＯＮにすると、これによりコント
ロール回路６６は始動信号を得、位相検出器５８および
カウンタ７５をリセットすると共に、電流値設定回路６
８の低定電流駆動設定用可変抵抗器７１を選択してその
出力を差動増幅回路６７に供給するようにする。さらに
、スイッチ回路４８をＯＮにすると共にζトリガ出力回
路７２を作動して該トリガ出力回路７２からトリガ信号
を発生させる。これにより、ＰＬＬ３７には発振器７４
からスイッチ回路５９を介して、ジェネレータ７３の出
力に応じて周波数が変化する基準信号θｒａｔが供給さ
れ、その結果ＰＬＬ３７は振動子３６の駆動信号周波数
を基準信号θ４．にロックされるようにスキャンさせる
。

ここで、振動子３６は、電流値設定回路６８の可変抵抗
器７１で設定された低い定電流で駆動制御されるので、
振動子３６に加わる電圧とそのインピーダンスの大きさ
とは比例し、したがって振動子３６に加わる電圧はその
インピーダンスの大きさの周波数特性に相似した形でス
キャンによって変化する。この駆動電圧の変化は、電圧
・電流検出回路５０、差動増幅器５１−１、絶対値検出
回路５５を介して電圧比較器６０で監視され、それが設
定電圧Ｖｓ！ｙ　　（第９図参照）以下、すなわち基準
信号θ１．ｆの周波数がハンドピース３５の共振周波数
近傍となってインピーダンスが設定値以下となった時点
で、位相比較器５８にイネーブル信号が出力される。位
相比較器５８においては、電圧比較器６０からイネーブ
ル信号が出力され、かつ比較器５４からの電圧位相信号
θ９および比較器５６からの電流位相信号θ１の位相差
が零となった時点で、その出力がＨレベルとなってホー
ルドされ、これによりスイッチ回路５９が切り換わって
比較器５６からの電流位相信号θ１がＰＣ４０のＲ入力
端子に供給されると共に、発光ダイオード６１が点灯し
て共振点追尾動作に移行したことが表示される。同時に
、位相比較器５日の出力に基づいてコントロール回路６
６を介して電流値設定回路６８の出力振幅設定用可変抵
抗器７０が選択され、その出力が差動増幅回路６７に供
給される。したがって、ハンドピース３５は、以後は電
圧位相信号θ９と電流位相信号θ１との位相が常に一致
するように、可変抵抗器７０で設定された所定の電流で
駆動制御されることになる。また、共振点追尾動作に移
行することにより、コントロール回路６６から吸引ユニ
ット８０、送水ユニット８１に駆動信号が供給されて、
各動作が行われる。以上の動作は、フットスイッチ７９
をＯＦＦとすることにより解除される。

一方、−回のスキャンによって共振点が検出されないと
きは、ＶＣＯ４３の発振周波数は発振器７４からの基準
信号θ、、、ｔにロックされて上昇または下降し、ウィ
ンドコンパレータ７８において所定の周波数範囲から外
れたことが検出されて、コントロール回路６６にリセッ
ト信号が出力される。これにより、コントロール回路６
６からトリガ出力回路７２に再トリガを出力するように
信号が送出され、上記の動作が繰り返される。この、ト
リガ出力回路７２からのトリガ信号の出力回数すなわち
駆動信号周波数のスキャン回数は、カウンタ７５でカウ
ントされ、それが所定の値に達したとき、この例では一
回のフットスイッチ７９のＯＮ操作で駆動信号周波数を
１０回スキャンしても共振周波数にロックインできない
ときは、所定の周波数範囲内にハンドピース３５の共振
点が存在しないものとして、その時点でカウンタ７５の
出力によりスイッチ回路４８がＯＦＩ’となって振動子
３６の駆動が停止すると共に、発光ダイオード７６が点
灯してハンドピース３５の異常が表示される。これによ
り、ハンドピース３５が異常の状態で駆動を続けること
による危険をを効に防止することができる。

上述した超音波メス装置によれば、確実に共振点追尾動
作に移行することができると共に、追尾動作のロックが
外れても再起動ができ、しかもハンドピース３５の異常
も検出することができる。

また、−船釣な定電流駆動回路を組み合わせることで、
定振幅動作を行うことができると共に、簡単な方法でイ
ンピーダンスの周波数特性を検出することかでき、これ
により共振点を正確かつ確実に検出することができる。

さらに、振動子３６に加わっている電圧および振動子３
６に流れる電流を差動方式で検出するようにしたので、
同相ノイズを有効に除去できると共に、電力増幅器４９
の出力形式にこだわらず所望の電圧および電流を有効に
検出でき、これにより高電圧を発生している電力増幅器
周辺の回路部分を接地から浮かせることが可能となり、
振動子回路すなわち患者回路の対接地漏れ電流を大幅に
減少させることができる。

なお、上記の超音波メス装置においては、振動子３６に
加わっている電圧および振動子、３６に流れる電流をマ
ツチング用トランス３８の一次側において検出するよう
にしたが、これらはマツチング用トランス３８の二次側
で検出するようにすることもできる。また、発振器７４
から発生する基準信号θ、、、ｆの周波数範囲を、振動
子３６がもつ副共振点を含まない範囲として、副共振点
での不所望なロックインを更に確実に防止するようにす
ることもできる。

また、この発明は超音波メス装置に限らず、超音波加工
装置やその他の超音波装置に用いられる超音波変換器の
駆動回路に有効に適用することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば基準信号発生手段から
の基準信号をフェーズロックループの位相比較器に供給
して超音波変換器の駆動信号周波数を基準信号周波数に
ロックし、これにより共振点を検出して共振点追尾制御
に移行するようにしたので、不所望なオフセットをもた
らすことなく、簡単な回路構成で多種類の超音波変換器
に対してその共振周波数に常に確実にロックインするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
〜第５図は第１図に示すスイッチ回路の４つの例を示す
図、 第６図は第１図の動作を説明するための図、第７図はこ
の発明に係る超音波変換器駆動回路を具える超音波メス
装置の一例の構成を示すブロック図、 第８図は第７図に示す電圧・電流検出回路部分の一例の
構成を示す図、 第９図は同じく位相検出器および電圧比較器の一例の構
成を示す図、 第１０図は第７図の動作を説明するためのフローチャー
ト、 第１１図および第１２図Ａ、Ｂは従来の技術を説明する
ための図である。 １０−　　ハンドピース １１−・−振動子 １２・・・・−フェーズロックループ（ＰＬＬ）１３−
・−電力増幅器 １４−・−電圧・電流検出回路 １５−・位相比較器（ｐｃ） １６−・・ループフィルタ １７−電圧制御発振器（ＶＣＯ） １８−・スイッチ回路 １９−基準信号発生回路 ジェネレータ １−発振器 共振点検出回路 第２図 許出願人 オリンパス光学工業株式会社 ２２力゛−” 第３図 ／、ｌ？ ２２〃タ １ａ ｒ−−＝−−−−−イ ２２〃９ 第５図 第８図 口−−一−一一−−−−−−一−イ ベ９ 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波変換器の駆動信号に基づく２つの帰還信号を
   フェーズロックループの位相比較器に供給して、該フェ
   ーズロックループにより前記超音波変換器を、その駆動
   信号周波数が当該超音波変換器の共振周波数となるよう
   に追尾制御するようにした超音波変換器駆動回路におい
   て、 周波数が変化する基準信号を発生する基準 信号発生手段と、 この基準信号発生手段からの基準信号と前 記２つの帰還信号の一方とを切り換えて前記位相比較器
   に供給する信号切換手段と、 前記帰還信号に基づいて前記超音波変換器 の駆動信号周波数が該超音波変換器の共振周波数とほぼ
   等しいか否かを検出する共振点検出手段と、 この共振点検出手段の出力に基づいて前記 信号切換手段を制御する制御手段とを具え、前記基準信
   号発生手段からの基準信号と前 記２つの帰還信号の他方とを前記位相比較器に供給する
   ことにより、前記駆動信号周波数が前記共振周波数とほ
   ぼ等しい周波数で、前記フェーズロックループを前記２
   つの帰還信号による共振周波数追尾制御に移行し得るよ
   う構成したことを特徴とする超音波変換器駆動回路。