JPH07185457A

JPH07185457A - 超音波振動子駆動回路

Info

Publication number: JPH07185457A
Application number: JP5332964A
Authority: JP
Inventors: Koji Fujio; 浩司藤尾
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1995-07-25

Abstract

(57)【要約】【目的】小型化および低コスト化を図ることができる
と共に、振動子を定電流で共振駆動できる超音波振動子
駆動回路を提供する。【構成】超音波振動子１を駆動する超音波振動子駆動
回路であって、超音波振動子１に並列に接続した整合用
インダクタンス39と、これら並列接続した超音波振動子
１および整合用インダクタンス39に接続したローパスフ
ィルタ38とを有し、ローパスフィルタ38のカットオフ周
波数を超音波振動子１の共振駆動周波数と一致またはほ
ぼ一致させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波振動子を共振
点駆動する超音波振動子駆動回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、外科手術用の超音波メスや超音
波加工装置等の強力な超音波を発生する機器において
は、大きな超音波振動振幅を得るために、超音波振動子
（以下、単に振動子という）をその共振周波数もしくは
その近傍で駆動するようにしている。このような振動子
駆動回路として、例えば、振動子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に一
致させるように制御するＰＬＬ（位相固定ループ）方式
によるものが知られている。

【０００３】図５は、かかるＰＬＬ方式の振動子駆動回
路の構成を示すものである。図５において、振動子１は
電力増幅器１５で駆動されるが、この振動子駆動回路に
おいては、振動子１を医用目的で使用するため、振動子
１と電力増幅器１５との間を、トランス３で絶縁分離し
ている。また、振動子１は、インダクタンス、キャパシ
タンスおよび抵抗の直列共振回路に、制動容量を並列接
続した等価回路で表されるため、図５では、振動子１と
並列に整合用インダクタンスＬｄを接続して、振動子１
の制動容量をキャンセルするようにしている。したがっ
て、振動子１のインピーダンスの周波数特性は、共振周
波数で実抵抗成分のみとなって、振動子１の駆動電圧お
よび電流の位相差が０となり、そのときの周波数が振動
子１の共振周波数となる。

【０００４】図５に示す振動子駆動回路では、振動子１
を共振周波数で駆動するために、振動子１の駆動電圧お
よび電流をトランス４および５でそれぞれ検出し、それ
らの出力をそれぞれ増幅回路６および７で増幅した後、
２値化回路８および９で２値化し、それらの出力を位相
比較回路１０に供給して電圧と電流との位相を比較して
いる。この位相比較回路１０の比較出力は、ローパスフ
ィルタ（ＬＰＦ）１１を経て電圧制御発振回路（ＶＣ
Ｏ）１２に供給し、ここで位相差に応じた発振信号を出
力させ、その発振信号出力を電圧制御発振増幅器（ＶＣ
Ａ）１３で増幅した後、ローパスフィルタ１４を経て電
力増幅器１５に供給して、振動子１を駆動するようにし
ている。

【０００５】一方、振動子１の駆動電流は、電流値設定
回路１７で設定して、差動増幅回路１８の一方の入力端
子に供給している。この差動増幅回路１８の他方の入力
端子には、増幅回路７から出力される実際の駆動電流
を、整流回路１６で整流して供給し、この差動増幅回路
１８の出力をローパスフィルタ１９を経て電圧制御発振
増幅器１３に供給して、振動子１の駆動電流が電流値設
定回路１７で設定した一定の駆動電流となるように制御
している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
のＰＬＬ方式の振動子駆動回路においては、電力増幅器
１５としてリニアアンプを用いるようにしているため、
駆動回路が大型になると共に、発熱対策および放熱構造
が必要になる等、装置の小型化および低コスト化が妨げ
られるという不具合がある。

【０００７】かかる従来の不具合を解決するものとし
て、本願人は、例えば、特開平４−２４７２６８号公報
において、図６（ａ）および（ｂ）に示すようなスイッ
チング方式の振動子駆動回路を提案している。図６
（ａ）に示す振動子駆動回路は、２個のスイッチングＭ
ＯＳトランジスタ２１，２２のソースを共通接続して、
それらのドレインを絶縁分離用のトランス２３の一次側
入力端子に接続し、このトランス２３の二次側に振動子
１を接続して、振動子駆動信号をバッファ２４を介して
一方のスイッチングＭＯＳトランジスタ２１のゲートに
印加すると共に、反転増幅器２５を介して他方のスイッ
チングＭＯＳトランジスタ２２のゲートに印加すること
により、スイッチングＭＯＳトランジスタ２１，２２の
ソースと、トランス２３の一次側のセンタータップとの
間に接続した直流駆動電源２６の出力電圧をスイッチン
グして、振動子１を駆動するようにしたものである。ま
た、図６（ｂ）に示す振動子駆動回路は、図６（ａ）に
示す振動子駆動回路において、トランス２３の二次側に
振動子１と直列にインダクタンス２７を接続したもので
ある。

【０００８】しかしながら、本発明者による種々の実験
によれば、上記のスイッチング方式には、以下のような
改良すべき点があることが判明した。すなわち、図６
（ａ）に示す振動子駆動回路では、スイッチングによる
振動子駆動電圧の波形が矩形波で、駆動電流波形が電圧
波形の微分波形となり、また、図６（ｂ）に示す振動子
駆動回路では、振動子１に直列にインダクタンス２７を
接続しているので、このインダクタンス２７と振動子１
の制動容量とによって、振動子駆動電圧および駆動電流
波形はそれぞれ正弦波に近づくが、高周波成分を多く含
んだものとなる。このため、これらの振動子駆動回路で
は、振動子１を共振点駆動するためのＰＬＬ駆動が極め
て困難になる。

【０００９】このような問題は、図７に示すように、振
動子１の制動容量をキャンセルするために、振動子１と
並列にインダクタンスＬｄを接続して、共振点での振動
子１のインピーダンスを実抵抗成分のみとしても、依然
として振動子駆動電圧および電流波形は歪んだものとな
るため、同様に生じることになる。

【００１０】このように、従来のスイッチング方式の振
動子駆動回路は、小型化および低コスト化は図れても、
共振点駆動を行うことができず、また振動子の定電流駆
動も実現されていないため、振動子を定電流で共振駆動
する駆動回路においては実用の域に達していなかった。

【００１１】この発明は、このような従来の問題点に着
目してなされたもので、小型化および低コスト化を図る
ことができると共に、振動子を定電流で共振駆動できる
よう適切に構成した超音波振動子駆動回路を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、超音波振動子を駆動する超音波振動子
駆動回路であって、前記超音波振動子に並列に接続した
整合用インダクタンスと、これら並列接続した超音波振
動子および整合用インダクタンスに接続したローパスフ
ィルタとを有し、前記ローパスフィルタのカットオフ周
波数を前記超音波振動子の共振駆動周波数と一致または
ほぼ一致させる。

【００１３】

【作用】かかる構成において、超音波振動子の制動容量
は、これと並列に接続した整合用インダクタンスにより
キャンセルされ、超音波振動子のインピーダンスは、共
振点で実抵抗成分のみとなる。また、この超音波振動子
と整合用インダクタンスとの並列回路に、カットオフ周
波数を超音波振動子の共振駆動周波数と一致またはほぼ
一致させたローパスフィルタを経て駆動電圧を印加する
と、ローパスフィルタの入力側の駆動電圧波形が矩形波
状であっても、その駆動電圧波形はローパスフィルタに
より正弦波状に波形整形される。したがって、超音波振
動子の駆動電圧波形および駆動電流波形は、それぞれ正
弦波状になるので、それらの位相比較によるＰＬＬ制御
により、超音波振動子をその共振駆動周波数で駆動する
ことが可能となる。また、共振駆動時は、超音波振動子
のインピーダンスが実抵抗成分だけとなるので、振動子
負荷の変動に伴う実抵抗成分の変化にかかわらず、超音
波振動子を定電流駆動することが可能となる。

【００１４】

【実施例】図１は、この発明の第１実施例の要部の構成
を示すものである。この実施例では、振動子１をスイッ
チング方式により駆動する。このため、例えばｎ型のパ
ワーＭＯＳ電界効果型トランジスタ等の２個のスイッチ
ング手段３１，３２を用い、振動子１の駆動信号をバッ
ファ３３を介して一方のスイッチング手段３１のゲート
に印加すると共に、反転増幅器３４を介して他方のスイ
ッチング手段３２のゲートに印加するようにする。スイ
ッチング手段３１，３２のソースは、共通接続して図示
しない直流駆動電源の基準電位端子に接続し、それらの
ドレインはセンタータップを有する昇圧比１：ｎの絶縁
分離用の昇圧トランス３５の一次側に接続する。この昇
圧トランス３５の一次側センタータップは、上記直流駆
動電源の高電位出力端子に接続する。

【００１５】また、昇圧トランス３５の二次側には、コ
イル３６およびコンデンサ３７を有するローパスフィル
タ３８を介して振動子１を接続すると共に、この振動子
１の制動容量をキャンセルするための整合用コイル３９
を、振動子１と並列に接続する。ここで、ローパスフィ
ルタ３８のカットオフ周波数は、振動子１の共振駆動周
波数と一致またはほぼ一致するように、コイル３６およ
びコンデンサ３７の値を設定する。また、昇圧トランス
３５の二次側から見たインピーダンスは、極力０〔Ω〕
に近くなるように、昇圧トランス３５のインピーダンス
や、スイッチング手段３１，３２のオン抵抗を小さくし
て構成する。

【００１６】以下、この実施例の動作を説明する。図１
において、振動子１の共振駆動周波数の駆動信号を、バ
ッファ３３を介してスイッチング手段３１のゲートに印
加すると共に、反転増幅器３４を介してスイッチング手
段３２のゲートに印加すると、これらスイッチング手段
３１，３２は、相補的にスイッチング動作し、これによ
り図示しない直流駆動電源の出力電圧がスイッチングさ
れて、昇圧トランス３５の二次側に、電源電圧の２ｎ倍
のプッシュプルスイッチング出力が現れる。この昇圧ト
ランス３５の二次側の出力電圧は、ローパスフィルタ３
８を経て整合用コイル３９および振動子１に印加され、
これにより振動子１が共振駆動周波数で駆動される。

【００１７】ここで、ローパスフィルタ３８のカットオ
フ周波数は、振動子１の共振駆動周波数と一致またはほ
ぼ一致しているので、矩形波状のスイッチング出力電圧
波形およびその微分波形状の駆動電流波形は、ローパス
フィルタ３８を通ることによって共振駆動周波数の正弦
波となる。したがって、振動子１は、その制動容量が整
合用コイル３９によりキャンセルされて、インピーダン
スが実抵抗成分のみとなり、振動子駆動電圧と電流との
位相差がなくなる。

【００１８】この実施例によれば、振動子１をスイッチ
ング方式で駆動しても、スイッチング出力がローパスフ
ィルタ３８により正弦波に波形整形されて振動子１に印
加されるので、スイッチング手段３１，３２に印加する
駆動信号を、図５で説明したような共振点追尾回路によ
り生成して、振動子１を共振駆動することが可能とな
る。

【００１９】また、ローパスフィルタ３８のカットオフ
周波数と、振動子１の共振周波数とが一致またはほぼ一
致していれば、共振駆動時の振動子１のインピーダンス
は実抵抗成分のみとなるので、振動子１に流れる電流は
振動子負荷の変動に伴う振動子１の実抵抗成分の変化に
かかわらず、常に一定となり、したがってローパスフィ
ルタ３８の入力電圧と、ローパスフィルタ３８を構成す
るコイル３６およびコンデンサ３７の値で一義的に定め
られる電流値によって、振動子１を定電流駆動すること
が可能となる。

【００２０】図２は、図１においてローパスフィルタ３
８のカットオフ周波数と、振動子１の共振周波数との比
によって、振動子実抵抗成分が変化したときの振動子駆
動電流特性を示すものである。図２から明らかなよう
に、ローパスフィルタ３８のカットオフ周波数と、振動
子１の共振周波数とが完全に一致していないほぼ一致状
態の場合でも、ある程度の振動子実抵抗成分変動範囲内
では、定電流特性を示すことがわかる。したがって、実
際の振動子１の使用状態に基づく振動子負荷変動、すな
わち振動子実抵抗変化範囲を考慮すれば、ローパスフィ
ルタ３８のカットオフ周波数は、振動子１の共振周波数
に完全に一致させなくてもよいことが理解される。例え
ば、振動子１の実抵抗成分が１〔ｋΩ〕程度まで変動す
るとした場合には、ローパスフィルタ３８のカットオフ
周波数を、共振周波数に対して±２％程度の範囲内で一
致させればよいことになる。

【００２１】一方、図１において、振動子１の実抵抗成
分が増加すると、その増加に従ってローパスフィルタ３
８の入力インピーダンスが低下する。このため、昇圧ト
ランス３５の出力インピーダンスが大きいと、振動子１
の抵抗増加に従って昇圧トランス３５の二次側出力電圧
が降下し、その結果、振動子１に流れる電流が低下して
定電流特性を示さなくなる。

【００２２】図３は、この様子を示すもので、昇圧トラ
ンス３５の二次側出力インピーダンスｒの違いによる振
動子電流の定電流特性劣化の様子を表している。この定
電流の特性劣化を防止するためには、上述したように、
ローパスフィルタ３８に接続される回路の出力インピー
ダンス（内部抵抗）を極力０、すなわち理想状態に近づ
ける。これは、例えば、昇圧トランス３５のインピーダ
ンスや、スイッチング手段３１，３２のオン抵抗を小さ
くしたり、駆動電源電圧を大きくして昇圧トランス３５
の昇圧比を小さくする等によりある程度達成することが
でき、これにより定電流特性の劣化を最小限に抑えるこ
とができる。

【００２３】以上のように、この実施例によれば、スイ
ッチング駆動によって振動子１を共振駆動することと、
定電流駆動することとが同時に可能となり、スイッチン
グアンプによる高効率駆動が行えるばかりでなく、定電
流駆動のための制御も必要とせず、受動部品だけで定電
流駆動を達成することができる。したがって、従来のリ
ニアアンプを用いた駆動回路や、定電流制御回路を有す
る駆動回路に比べ、飛躍的に簡便な構成で振動子１を定
電流共振駆動でき、振動子駆動回路の部品点数の削減、
低コスト化と、回路並びに装置の小型化が可能になる。

【００２４】図４は、この発明の第２実施例を示すもの
である。この実施例は、図１に示す実施例において、Ｐ
ＬＬ制御および定電流制御を行うようにしたもので、図
１と同様の作用を行う素子には、同一の符号を付してそ
の説明を省略する。ＰＬＬ制御を行うため、昇圧トラン
ス３５の二次側には、駆動電圧を検出するトランス４１
を並列に接続すると共に、駆動電流を検出するトランス
４２を直列に接続する。これらトランス４１および４２
でそれぞれ検出される駆動電圧信号および駆動電流信号
は、それぞれ増幅回路４３および４４で増幅した後、２
値化回路４５および４６で２値化し、それらの出力を位
相比較回路４７に供給して電圧と電流との位相を比較す
る。位相比較回路４７の比較出力は、必要に応じてロー
パスフィルタ（ＬＰＦ）４８で低域濾波した後、電圧制
御発振回路（ＶＣＯ）４９に供給し、ここで位相差に応
じた発振信号を出力させて、その発振信号出力をバッフ
ァ３３および反転増幅器３４に供給する。

【００２５】一方、定電流制御を行うため、振動子１の
駆動電源として出力電圧可変の可変電源回路５０を用
い、その基準電位出力端をスイッチング手段３１，３２
のソースに、高電位出力端を昇圧トランス３５の一次側
センタータップにそれぞれ接続する。また、振動子１の
駆動電流を設定するため、電流値設定回路５１を設け、
その設定値を差動増幅回路５２の一方の入力端子に供給
する。この差動増幅回路５２の他方の入力端子には、増
幅回路４４から出力される実際の駆動電流を整流回路５
３で整流して供給し、この差動増幅回路５２の出力をロ
ーパスフィルタ（ＬＰＦ）５４を経て可変電源回路５０
の制御端子に供給して、その出力電圧を制御するように
する。

【００２６】この実施例において、ローパスフィルタ３
８は、第１実施例と同様にそのカットオフ周波数が、振
動子１の共振駆動周波数に一致またはほぼ一致するよう
に構成されている。したがって、第１実施例におけると
同様に、スイッチング駆動による矩形駆動波形は、ロー
パスフィルタ３８で正弦波に波形整形されるので、振動
子１は、その駆動電圧および駆動電流の位相差が０とな
るように、ＰＬＬによる駆動周波数が制御されて共振駆
動される。

【００２７】また、ローパスフィルタ３８のカットオフ
周波数が、振動子１の共振駆動周波数に一致またはほぼ
一致していることから、振動子駆動電流は、第１実施例
と同様に、振動子負荷によらず定電流となる。ここで、
第１実施例の場合には、上述したように、昇圧トランス
３５の出力インピーダンス、すなわち昇圧トランス３５
を含むスイッチング回路の出力インピーダンスが大きい
と、振動子負荷の増大に伴って駆動電流が低下して、振
動子１を定電流駆動することができなくなるが、この実
施例では、差動増幅回路５２において、電流値設定回路
５１での設定値をもとに、トランス４２で検出される実
際の駆動電流の変化分を補正する制御信号を生成し、こ
の制御信号に基づいて可変電源回路５０の出力電圧を制
御するようにしているので、振動子１は常に設定した電
流値で駆動されることになる。

【００２８】したがって、この実施例によれば、スイッ
チング方式により振動子１を共振駆動できるだけでな
く、ローパスフィルタ３８に接続される回路の出力イン
ピーダンス（内部抵抗）が無視できない程度に大きい場
合でも、その影響を受けることなく、振動子１を定電流
駆動することができる。

【００２９】なお、この発明は、上述した実施例にのみ
限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能
である。例えば、上述した実施例では、プッシュプルス
イッチング方式により駆動電源をスイッチングし、その
スイッチング出力を昇圧トランスを経て振動子に印加す
るようにしたが、例えばシングルエンドスイッチング方
式で駆動電源をスイッチングする場合や、昇圧トランス
を用いない場合にも、この発明を有効に適用することが
できる。また、この発明は、スイッチング方式による駆
動に限らず、リニアアンプを用いる場合にも有効に適用
することができる。この場合には、共振駆動時におい
て、振動子は、ローパスフィルタの入力電圧と、ローパ
スフィルタを構成するコイルおよびコンデンサの値で一
義的に定められる電流値で定電流駆動されるので、定電
流制御回路が不要となり、その分、部品点数の削減、低
コスト化および小型化を図ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、スイ
ッチング駆動によっても、超音波振動子を共振駆動でき
ると同時に定電流駆動することができるので、超音波振
動子をスイッチングアンプによって効率良く駆動するこ
とが可能になると共に、受動部品だけで定電流駆動を行
うことができる。したがって、従来のリニアアンプおよ
び定電流駆動回路を用いる駆動回路に比べ、簡便な構成
で、超音波振動子を定電流共振駆動でき、部品点数の削
減、低コスト化および回路並びに装置の小型化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の要部の構成を示す図で
ある。

【図２】図１に示す構成において、ローパスフィルタの
カットオフ周波数と振動子の共振駆動周波数との比をパ
ラメータとする振動子駆動電流特性を示す図である。

【図３】図１に示す構成において、昇圧トランスの二次
側出力インピーダンスの違いによる振動子電流の定電流
特性劣化の様子を示す図である。

【図４】この発明の第２実施例を示す図である。

【図５】従来のリニアアンプを用いる超音波振動子駆動
回路を示す図である。

【図６】従来のスイッチング方式による超音波振動子駆
動回路の要部の二つの例を示す図である。

【図７】同じく、従来のスイッチング方式による超音波
振動子駆動回路の要部の他の例を示す図である。

【符号の説明】

１超音波振動子３１，３２スイッチング手段３３バッファ３４反転増幅器３５昇圧トランス３６コイル３７コンデンサ３８ローパスフィルタ３９整合用コイル４１，４２トランス４３，４４増幅回路４５，４６２値化回路４７位相比較回路４８ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４９電圧制御発振回路（ＶＣＯ）５０可変電源回路５１電流値設定回路５２差動増幅回路５３整流回路５４ローパスフィルタ（ＬＰＦ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波振動子を駆動する超音波振動子駆
動回路であって、前記超音波振動子に並列に接続した整
合用インダクタンスと、これら並列接続した超音波振動
子および整合用インダクタンスに接続したローパスフィ
ルタとを有し、前記ローパスフィルタのカットオフ周波
数を前記超音波振動子の共振駆動周波数と一致またはほ
ぼ一致させたことを特徴とする超音波振動子駆動回路。