JPH06339484A - 超音波振動子駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波振動子とその駆動回路とのマッチング
を適正化することが出来、超音波振動子を常に効率良く
駆動できるようにすること。 【構成】 複数の圧電素子p1〜p6を超音波発振源として
持つ超音波振動子３と、この超音波振動子を駆動する駆
動回路１と、複数の圧電素子のうちいずれかを選択する
リレ−２と、超音波振動子の少なくともインピーダンス
と共振周波数のどちらか一方を検出する検出回路４と、
検出回路４の出力に基づきリレ−２に駆動回路１とその
負荷となる超音波振動子３とのマッチングを適正化する
ような圧電素子p1〜p6を選択させる手段とから構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に腫瘍組織や結石、
血腫等を破砕したり、乳化したりする超音波処置装置に
使用される超音波振動子駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】腫瘍組織や結石、血腫等を破砕したり、
乳化したりする超音波処置装置として例えば、実開平２
−１４１４２５号公報で示す超音波変換器駆動装置が知
られている。

【０００３】この公報によれば、超音波振動子は、前面
金属部材と裏打金属部材の間に分極した圧電素子（ＰＺ
Ｔ）と電極を交互に重ねた発振部を挟み込み、前面金属
部材に先端を固定したボルトの後端部分を、前記発振部
から裏打金属部材を貫通し、その裏打金属部材の後方へ
突き出すとともに、そのボルトの突出部の外周にナット
を螺合し、このナットを捩じ込むことにより、前面金属
部材と裏打金属部材との間で発振部を強く締め付けるよ
うに構成されている。

【０００４】また、特開昭６２−１９６０００号公報で
知られているように裏打金属部材とナットを兼ねたタイ
プの振動子も発明されている。前述した実開平２−１４
１４２５号公報に記載されているような超音波振動子を
駆動するために、特開平２−２９０２８１号公報で知ら
れるように、駆動回路と、その負荷となる超音波変換器
とのマッチングを適正化するために、前記駆動回路の出
力インピーダンスを変化させるマッチング手段と、前記
超音波振動子のインピーダンスを検出する手段と、この
インピーダンス検出手段の出力に基づいて前記超音波振
動子に最適な駆動条件となるように前記マッチング手段
を制御して、前記駆動回路の出力インピーダンスを変化
させる手段を設ける考案がされていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
特開平２−２９０２８１号公報に開示された超音波変換
器駆動装置にあっては、整合トランスにタップを設けて
いるため、整合トランスに数多くの線を巻くことにな
り、整合トランスが大型化するという結果を招く。

【０００６】整合トランスが大型化してしまうと、装置
自体も大きくなり、手術室のスペースを余分に取って手
術室が手狭になるという不具合がある。さらに、特開平
２−２９０２８１号公報に記載された発明により確かに
インピーダンス整合の適正化を図かることはできるが、
種々の発振棒を装着した際、共振周波数のずれにより、
振動の分布が変化し、最も効率の良いとされている振動
の節になる部分に配置された圧電素子（ＰＺＴ）の位置
もずれる事になり、結局のところ、効率の悪い駆動にな
ってしまうという不具合もあった。

【０００７】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、その目的は超音波振動子とその駆動回路とのマッチ
ングを適正化することが出来、超音波振動子を常に効率
良く駆動できるようした超音波振動子駆動装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる超音波振
動子駆動装置は、複数の圧電素子を超音波発振源として
持つ超音波振動子と、この超音波振動子を駆動する駆動
回路と、前記複数の圧電素子のうちいずれかを選択する
選択手段と、前記超音波振動子の少なくともインピーダ
ンスと共振周波数のどちらか一方を検出する手段と、こ
の検出手段の出力に基づき前記選択手段に前記駆動回路
とその負荷となる超音波振動子とのマッチングを適正化
するような圧電素子を選択させる手段とを備えたことを
特徴とする。

【０００９】

【作用】すなわち、本発明では図１の基本構成を示すよ
うに、駆動回路１の出力を、リレー手段２を介して超音
波振動子３に供給する。リレー手段２は超音波振動子３
のインピーダンスと共振周波数を検出する手段４からの
出力を受けて、適正なマッチングになるよう超音波振動
子３の圧電素子（ＰＺＴ）５を選択し、駆動回路１が最
適な駆動条件になるようにする。

【００１０】このように構成することにより、超音波振
動子３とその駆動回路１のマッチングを適正化すること
が出来、超音波振動子３を常に効率良く駆動することが
可能となる。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照して本発明の第１実施例につ
いて図１乃至図４を参照して説明する。図１は本発明の
第１実施例の基本構成を示す構成図、図２は第１実施例
の詳細な構成を示すブロック図、図３は第１実施例の動
作を説明するためのフロ−チャ−ト、図４は駆動電圧の
周波数特性を示す図である。

【００１２】図１において、１は後述する超音波振動子
３に印加する高周波電圧を発生する駆動回路である。こ
の駆動回路１から出力される高周波電圧の一方極電圧は
リレ−２内のスイッチSW1 〜SW3 を介して圧電素子p4と
p5との間に介装された電極ｔ１、圧電素子ｐ２とp3との
間に介装された電極t2、圧電素子p1の端部に配設された
電極t3にそれぞれ接続される。

【００１３】さらに、駆動回路１から出力される高周波
電圧の他方極電圧はリレ−２内のスイッチSW4 〜SW6 を
介して圧電素子p1とp2との間に介装された電極t4、圧電
素子p3とp4との間に介装された電極t5、圧電素子p5とp6
との間に介装された電極t6に接続される。つまり、圧電
素子５は６つの圧電素子p1〜p6で構成されており、スイ
ッチSW1 〜SW6 を適宜オンさせることにより、圧電素子
p1〜p6のいずれかを選択的に駆動できるように構成され
ている。

【００１４】また、４は超音波振動子３のインピ−ダン
スあるいは共振周波数のいずれかを検出する検出回路で
あり、この検出回路４は超音波振動子３と駆動回路との
マッチングを最適となるような圧電素子p1〜p6のうちの
いずれかを選択すべくリレ−２に制御信号を出力する。

【００１５】次に、図２を参照して第１実施例の詳細な
構成について説明する。この実施例では、超音波振動子
２１（図１の超音波振動子３に相当する）を有する超音
波変換器の駆動信号の電圧位相および電流位相を検出
し、これら電圧位相および電流位相に基づいて共振点追
尾回路２２によりその駆動信号周波数が共振周波数とな
るように追尾制御（ＰＬＬ制御）するようにしたもので
ある。

【００１６】図２において、共振点追尾回路２２の出力
は、正弦波化フィルタ２３に供給して正弦波の駆動信号
に変換したのち、増幅率が変更可能な電圧制御増幅回路
（ＶＣＡ）２４、および電力増幅器２５を経て整合トラ
ンス２６の一次側に供給する。整合トランス２６は、１
次巻線２７および２次巻線２８とをもって構成し、２次
巻線２８に超音波振動子２１およびこれと並列に超音波
振動子２１の制動容量を打ち消すための補正インダクタ
３０を接続する。

【００１７】電力増幅器２５を経て振動子２１に加わる
電圧は、整合トランス２６の一次側に並列に接続した抵
抗群３１の分圧によって検出し、その出力を差動増幅器
３２に供給して同相ノイズを除去するようにする。ま
た、振動子２１に流れる電流は、整合トランス２６の一
次側に直列に接続したカレントセンサ３３で検出し、そ
の出力を差動増幅器３４に供給して同相ノイズを除去す
るようにする。

【００１８】差動増幅器３２から得られる電圧検出信号
は、コンパレータ３５および絶対値検出回路３６にそれ
ぞれ供給し、コンパレータ３５において電圧位相信号θ
ｖを、絶対値検出回路３６において電圧検出信号の絶対
値｜Ｖ｜を検出するようにする。同様に、差動増幅器３
４から得られる電流検出信号は、コンパレータ３７およ
び絶対値検出回路３８にそれぞれ供給し、コンパレータ
３７において電流位相信号θI を、絶対値検出回路３８
において電流検出信号の絶対値｜Ｉ｜を検出するように
する。

【００１９】コンパレータ３５から得られる電圧位相信
号θｖは、共振点追尾回路２２に供給すると共に、後述
するように振動子２１の駆動信号周波数をスイープさせ
て共振点を検出するために共振点検出回路３９に供給
し、コンパレータ３７から得られる電流位相信号θI は
共振点検出回路３９に供給すると共に、スイッチ４０を
介して共振点追尾回路２２に供給する。

【００２０】また、共振点追尾回路２２は前述した駆動
信号周波数と等しい周波数を持つ周波数信号を、共振周
波数検出回路５３に供給する。共振周波数検出回路５３
は入力される周波数信号に基づいて圧電素子５のうち最
適な圧電素子p1〜p6を駆動すべくスイッチ制御回路４３
に制御信号を出力する。スイッチ制御回路４３は、前述
した制御信号をラッチして、制御信号で指定されるリレ
−２９（図１のリレ−２に相当する）のスイッチSW1 〜
SW6 のうちの対応するスイッチを閉じるようにリレ−２
９に制御信号を出力する。

【００２１】また、絶対値検出回路３６から得られる電
圧信号の絶対値｜Ｖ｜は、インピーダンス検出回路５２
に供給し、その信号はスイッチ制御回路４３でラッチし
てリレー２９を制御するようにする。

【００２２】また、絶対値検出回路３８から得られる電
流検出信号の絶対値｜Ｉ｜は、差動増幅器４２の「−」
入力端に供給する。また、差動増幅器４２の「＋」入力
端には、電流値設定回路４４からの設定信号を供給して
電流検出信号の絶対値｜Ｉ｜との差を検出し、その出力
に基づいてその差が零となるようにＶＣＡ２４の増幅率
を制御することにより、振動子２１を常に設定信号に対
応する一定電流で駆動するようにする。なお、共振点検
出回路３９の出力はコントロール回路４５に供給する。

【００２３】電流値設定回路４４には、起動時において
低定電流を設定するための基準電圧Ｖo と、共振点追尾
動作において振動子２１を所定の振幅で駆動する定電流
を設定するための可変抵抗器４６と、この可変抵抗器４
６を選択するためのスイッチ４７と、ＶＣＡ２４の制御
電圧を零にして超音波振動子２１の振動を停止させるた
めのスイッチ４８とを設ける。

【００２４】一方、超音波振動子２１の駆動信号周波数
をスイープさせるため、鋸歯波状の電圧信号を発生する
ジェネレータ４９を設け、その出力を電圧制御発信器
（ＶＣＯ）５０に供給して周波数が変化する基準スイー
プ信号を発生させるようにし、これをスイッチ４０を介
して共振点追尾回路２２に供給するようにする。

【００２５】なお、スイッチ４０、スイッチ制御回路４
３、スイッチ４７，４８、ジェネレータ４９およびその
他の各部の動作は、コントロール回路４５により制御す
るようにすると共に、このコントロール回路４５には装
置の起動および停止を行うためのスイッチ５１を設け
る。

【００２６】次に、上記のように構成された本発明の第
１実施例の動作について図３のフロ−チャ−トを参照し
ながら説明する。まず、スイッチ５１のＯＦＦ状態で
は、スイッチ４０はＶＣＯ５０に接続され、スイッチ４
７はＯＮ、スイッチ４８はＯＦＦとなっている。

【００２７】この状態でスイッチ５１をＯＮにして、ま
ず電流値設定回路４４の基準電圧Ｖo で設定される低定
電流で振動子２１を駆動すると共に、ジェネレータ４９
を起動してＶＣＯ５０による基準スイープ信号に基づき
振動子２１を周波数スキャンさせる。すなわち、共振点
追尾回路２２をＶＣＯ５０の出力にロックさせて、ＶＣ
Ｏ５０の出力周波数をジェネレータ４９の出力によりス
キャンすることにより、ＰＬＬ発信周波数をスキャンす
る。

【００２８】ここで、振動子２１は、電流値設定回路４
４、差動増幅回路４２、ＶＣＡ２４によってスキャン中
も定電流駆動されるので、その電流値を｜Ｉ0 ｜と決め
ておくと、 ｜Ｚ｜＝１／（｜Ｉ0 ｜）・｜Ｖ｜であるから 絶対値検出回路３６ｖから出力される｜Ｖ｜を監視する
ことにより、インピ−ダンス検出回路５２はインピーダ
ンス｜Ｚ｜を検出することができる。ここで、インピー
ダンス｜Ｚ｜は、振動子２１を周波数スキャンすると共
振点ｆr で最小となるので、｜Ｖ｜も図４に示すように
最小となる。そして、インピ−ダンス検出回路５２にお
いて、｜Ｖ｜と複数のスレッシュホ−ルドＶth1 〜Ｖth
n との比較をそれぞれ行なうことにより、インピ−ダン
ス｜Ｚ｜の情報を検出している。例えば、｜Ｖ｜がＶth
1 より小さいことを検出するとインピ−ダンスが最小で
あると検出している。そして、インピ−ダンス検出回路
５２はインピ−ダンス｜Ｚ｜の情報に応じて、スイッチ
制御回路４３に、超音波振動子２１（３）と駆動回路１
とのマッチングを最適となるような圧電素子p1〜p6のう
ちのいずれかを選択すべくリレ−２に制御信号を出力す
る。

【００２９】ところで、前述したようにインピーダンス
｜Ｚ｜の最小値の情報を得たところで、スイッチ４８を
ＯＮにしてＶＣＡ２４の制御電圧を零にして電力増幅器
２５の出力を停止し、インピーダンス検出回路５２から
スイッチ制御回路４３にラッチされたインピーダンス検
出結果をもとにリレー２９を動作させ、これにより、適
正な圧電素子p1〜p6の枚数が選択されて、駆動回路側と
超音波振動子２１のインピーダンス整合がなされる。

【００３０】つまり、超音波振動子２１にはインピ−ダ
ンスの異なる種々のプロ−プを装着可能であり、このプ
ロ−ブのインピ−ダンスが大きい場合には駆動する圧電
素子p1〜p6のうち駆動する枚数を増加させることによ
り、駆動された圧電素子p1〜p6の合成インピ−ダンスを
下げ、駆動回路側と超音波振動子２１のインピ−ダンス
整合をとるようにしている。

【００３１】その後、スイッチ４８をＯＦＦにし、ジェ
ネレータ４９を再起動してＶＣＯ５０による基準スイー
プ信号に基づき振動子２１を周波数スキャンさせなが
ら、共振点検出回路３９において電圧位相信号θｖと電
流位相信号θI とに基づいてそれらの位相差が零になる
共振点を検出する。

【００３２】この共振点の情報が得られたところで、共
振点追尾回路２２から共振周波数検出回路５３に出力さ
れる共振周波数に基づいて、共振周波数検出回路５３は
その共振周波数に応じたデ−タ（つまり、適正な圧電素
子p1〜p6の位置）をスイッチ制御回路４３にラッチさせ
る。

【００３３】そして、スイッチ制御回路４３にラッチさ
れたデ−タを基に、リレー２９を動作させ、これにより
適正な圧電素子p1〜p6の位置が選択されて、駆動回路側
と超音波振動子２１の駆動効率整合がなされる。

【００３４】つまり、超音波振動子２１には用途に応じ
て種々の長さのプロ−ブが装着されるが、プロ−ブの長
さが変わると超音波振動子２１の共振周波数も変化す
る。そして、共振周波数検出回路５３はその共振周波数
に応じて圧電素子p1〜p6のうち圧電素子に節部がくるよ
うに圧電素子を選択してスイッチ制御回路４３にセット
するようにしたので、共振周波数が変化しても駆動され
る圧電素子には節部がくる。従って、駆動される圧電素
子が節部からずれることにより、超音波振動子２１が異
常に発熱したりした駆動効率が悪化するのを防止するこ
とができる。具体的には、圧電素子p5の端部に節部がく
るような共振周波数の場合には、スイッチSW1 とSW2 が
選択され、圧電素子p3の端部に節部がくるような共振周
波数の場合には、スイッチSW2 とSW5 が選択され、圧電
素子p1の端部に節部がくるような共振周波数の場合に
は、スイッチSW3 とSW4 が選択される。

【００３５】共振点が検出された後は、その検出時点で
スイッチ４０がコンパレータ３７に接続して共振点追尾
動作のロックに入り、ロックインした時点でスイッチ４
７をＯＦＦとして可変抵抗器４６で設定された電流値す
なわち設定振幅で振動子２１を駆動するようにする。

【００３６】以上述べたようにこの第１実施例では、超
音波振動子２１にインピ−ダンスの異なる種々のプロ−
プを装着した場合でも、プロ−ブのインピ−ダンスに応
じて駆動する圧電素子p1〜p6の駆動枚数を制御するよう
にして駆動回路と超音波振動子２１とのインピ−ダンス
整合をとるようにしたので、最適な駆動を実現できる。
さらに、プロ−ブの共振周波数に応じて、圧電素子に節
部がくるように圧電素子を駆動するようにしたので、駆
動効率を上げることができる。

【００３７】つまり、超音波振動子２１の動インピーダ
ンスの大きさおよび共振周波数を検出し、自動的にマッ
チングを適正化して駆動を開始できるようにしたので、
マニュアル切り換えにおけるような誤動作を有効に防止
できると共に、超音波メスや超音波加工機等で振動子２
１は同一で、先端に結合させるプローブの形状が異な
り、インピーダンスが大幅に変更になる場合でも、マッ
チングを自動的に適正化することができ、圧電素子を常
に効率良く駆動することができる。

【００３８】なお、この第１実施例では、インピーダン
ス検出と、共振周波数検出を行い、双方にマッチングす
るように２段階でリレー２９を切換えてきたが、どちら
か１方のみをマッチングさせて駆動させる構成としても
よい。

【００３９】次、本発明の第２実施例について図５を参
照しながら説明する。図５において、図２と同一番号に
は同一符号を付し、その詳細な説明については省略す
る。この第２実施例は、超音波振動子２１の制動容量を
打ち消すように補正インダクタンスのタップを切り換え
るようにしている。

【００４０】図５において、整合トランス２６の２次巻
線２８側は補正インダクタ５４のタップ５５−１，５５
−２に接続される。補正インダクタ５４の両端には超音
波振動子２１の両端に接続される。

【００４１】共振点追尾回路２２から出力される電圧信
号と電流信号は位相検出回路５６に出力される。この位
相検出回路５６において、その電圧信号と電流信号との
位相差を検出する。

【００４２】位相検出回路５６は、検出した位相に応じ
てその位相を相殺すべく補正インダクタ５４を適切に選
択するためのタップ５５ａ，５５ｂを切り換えるための
信号をスイッチ制御回路５７に出力する。

【００４３】次に、上記のように構成された本発明の第
２実施例の動作について説明する。第１実施例と構成が
同じ部分の動作については第１実施例の動作と同じであ
るので、その詳細な説明については省略する。以下、位
相検出回路５６以降の動作について説明する。

【００４４】位相検出回路５６は共振点追尾回路２２か
ら出力される電圧信号と電流信号との位相差に応じて、
その位相差を相殺する適切な補正インダクタ５４をスイ
ッチ制御回路５７の制御により適切にタップ５５ａ，５
５ｂを切り換えて選択するようにしている。

【００４５】このように、本発明の第２実施例によれ
ば、超音波振動子２１の制動容量の大きさに応じて発生
する電流と電圧との位相差を検出し、その位相差に応じ
て補正インデクタ５４を切換えて自動的に超音波振動子
２１の制動容量を相殺するようにしたので、プロ−ブを
交換する等によりたとえ異なった超音波振動子２１を使
用したとしても電圧と電流との位相差のない効率良く超
音波振動子２１を駆動することができる。

【００４６】なお、この第２実施例では超音波振動子２
１の制動容量を相殺するために補正インダクタ５４を使
用したが、補正キャパシタでも、補正インダクタと補正
キャパシタとの合成したものであっても良い。

【００４７】次に、本発明の第３実施例について図６を
参照して説明する。図６において、図２と同一部分には
同一番号を付し、その詳細な説明については省略する。
図６において、整合トランス２６の２次巻線２８側とリ
レ−２９との間には補正インダクタ５４が２次巻線２８
に並列に接続されている。

【００４８】共振点追尾回路２２から出力される電圧信
号と電流信号は位相検出回路５６に出力される。この位
相検出回路５６において、その電圧信号と電流信号との
位相差を検出する。

【００４９】位相検出回路５６は、検出した位相に応じ
てその位相を相殺すべく補正インダクタ５４を適切に選
択するためのタップ５５−１，５５−２を切り換えるた
めの信号をスイッチ制御回路５７に出力する。

【００５０】次に、上記のように構成された本発明の第
３実施例の動作について説明する。この第３実施例は前
述した第１実施例と第２実施例との組み合わせたように
動作するので、その詳細な動作については省略する。

【００５１】つまり、超音波振動子２１にインピ−ダン
スの異なる種々のプロ−プを装着した場合でも、プロ−
ブのインピ−ダンスに応じて駆動する圧電素子p1〜p6の
駆動枚数を制御するようにして駆動回路と超音波振動子
２１とのインピ−ダンス整合をとるようにしたので、最
適な駆動を実現できる。さらに、プロ−ブの共振周波数
に応じて、圧電素子に節部がくるように圧電素子を駆動
するようにしたので、駆動効率を上げることができる。

【００５２】つまり、超音波振動子２１の動インピーダ
ンスの大きさおよび共振周波数を検出し、自動的にマッ
チングを適正化して駆動を開始できるようにしたので、
マニュアル切り換えにおけるような誤動作を有効に防止
できると共に、超音波メスや超音波加工機等で振動子２
１は同一で、先端に結合させるプローブの形状が異な
り、インピーダンスが大幅に変更になる場合でも、マッ
チングを自動的に適正化することができ、圧電素子を常
に効率良く駆動することができる。

【００５３】さらに、超音波振動子２１の制動容量の大
きさに応じて発生する電流と電圧との位相差を検出し、
その位相差に応じて補正インデクタ５４を切換えて自動
的に超音波振動子２１の制動容量を相殺するようにした
ので、プロ−ブを交換する等によりたとえ異なった超音
波振動子２１を使用したとしても電圧と電流との位相差
のない効率良く超音波振動子２１を駆動することができ
る。なお、本発明は上記実施例に限らず本発明の趣旨を
変更しない範囲で種々変形可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波振動子のインピ−ダンスあるいは共振周波数のうち
少なくともいずれか一方を検出し、自動的にマッチング
を適正化して駆動を開始できるようにしたので、超音波
振動子を常に効率良く駆動することができる超音波振動
子駆動装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波振動子駆動装置の
基本構成を示す構成図。

【図２】同第１実施例の詳細な構成を示すブロック図。

【図３】同第１実施例の動作を説明するためのフロ−チ
ャ−ト。

【図４】同第１実施例の駆動電圧の周波数特性を示す
図。

【図５】本発明の第２実施例の超音波振動子駆動装置を
示す図。

【図６】本発明の第３実施例の超音波振動子駆動装置を
示す図。

【符号の説明】

１…駆動回路、２…リレ−、３…超音波振動子、４…検
出回路、２１…超音波振動子、２２…共振点追尾回路、
２４…電圧制御増幅回路、２６…整合トランス、３０…
補正インダクタ、４３，５７…スイッチ制御回路、５２
…インピ−ダンス検出回路、５３…共振周波数検出回
路、５６…位相検出回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の圧電素子を超音波発振源として持
   つ超音波振動子と、 この超音波振動子を駆動する駆動回路と、 前記複数の圧電素子のうちいずれかを選択する選択手段
   と、 前記超音波振動子の少なくともインピーダンスと共振周
   波数のどちらか一方を検出する手段と、 この検出手段の出力に基づき前記選択手段に前記駆動回
   路とその負荷となる超音波振動子とのマッチングを適正
   化するような圧電素子を選択させる手段とを備えたこと
   を特徴とする超音波振動子駆動装置。