JP2001212514A - 超音波振動子駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】負荷が変動した場合でも、確実な共振点駆動を
可能にすると共に、負荷の異常を告知可能にする。 【解決手段】位相差検出回路１０は超音波振動子３の駆
動電圧及び電流の位相差に基づいて発振回路４の発振周
波数を制御する。｜Ｚ｜極小値検出回路１１は、超音波
振動子３のインピーダンスに基づいて発振回路４の発振
周波数を制御する。状態検出回路１２は、負荷の異常を
インピーダンスの大きさによって検出し、正常時には位
相差検出回路１０の制御を採用し、異常時には｜Ｚ｜極
小値検出回路１１の制御を採用する。これにより、負荷
の変動によって共振点追尾不能となった場合でも、イン
ピーダンス極小値追尾型制御を行うことで、確実な共振
点駆動を可能とする。また、アラーム発生回路１３によ
って負荷の異常を告知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ランジュバン型の
超音波振動子を用いた超音波外科手術装置等に好適な超
音波振動子駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波振動子を利用した外科用の
超音波メス、超音波洗浄機、超音波加工装置等の各種の
装置が開発されている。このような超音波装置に使用さ
れている超音波振動子は、効率を高めるために、その共
振周波数で駆動するようにした方がよい。

【０００３】例えば、特許２６９１０１１号（以下、文
献１という）においては、共振点駆動の基準となる基本
周波数で発振する発振回路と超音波振動子の駆動信号を
フィードバックする手段とを設け、発振起動時には基本
周波数信号で超音波振動子を駆動し、起動後にはフィー
ドバック信号によって超音波振動子を駆動することによ
って、発振の起動を容易にする技術が開示されている。

【０００４】また、特公平９−２６４７７１３号公報
（以下、文献２という）においては、ＰＬＬ（位相同期
ロープ）を用いることによって、超音波振動子を共振点
で確実に駆動するようにした駆動回路技術が開示されて
いる。

【０００５】また、特開平７−３１３９３７号公報（以
下、文献３という）においては、超音波振動子の駆動装
置において、発振周波数が所定の範囲にあるか否かを監
視して異常を検知し、使用者に告知する技術が開示され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記文献１及び文献２
は、超音波振動子を共振点で駆動させるために、ＰＬＬ
を用いて共振点を追尾している。ＰＬＬは、位相信号の
み又は振動検出信号のみを用いてフィードバック制御を
行っている。このため、このような単一のフィードバッ
ク信号での共振点追尾制御が不能になると、超音波振動
子の駆動を維持することができなくなってしまう。

【０００７】図１３及び図１４はこのような問題点を説
明するためのものである。

【０００８】図１３に示すように、超音波振動子１に
は、超音波振動子１の制動容量をキャンセルするため
に、マッチング用のコイル２を並列に接続する。

【０００９】図１４は横軸に周波数をとり縦軸にインピ
ーダンス又は電圧と電流の位相差をとって、図１３の回
路のインピーダンス特性を示すグラフであり、図１４
（ａ）は、超音波振動子１に対する機械的負荷が正常な
状態を示し、図Ａ（ｂ）は負荷が大きすぎる状態を示し
ている。

【００１０】図１４において、ｆｒは超音波振動子１の
共振周波数を示しており、超音波振動子１を周波数ｆｒ
で駆動することによって、高効率の駆動が可能である。
この共振周波数ｆｒでは、超音波振動子１に供給する電
圧位相と電流位相とは同位相となり、共振周波数ｆｒの
前後では位相差は０°を中心にして上下に変化する。

【００１１】文献１，２の提案では、ＰＬＬ回路によっ
てこの位相差を０となるようにして、共振点を追尾させ
ている。超音波振動子１の負荷が正常な状態において
は、図１４（ａ）に示すように、位相差△θの変化率が
大きいことから、ＰＬＬ回路による共振点追尾制御が容
易である。しかしながら、超音波振動子１の負荷が大き
すぎる場合には、図１４（ｂ）に示すように、位相差△
θの変化率が小さいので、共振点追尾制御が困難であ
る。即ち、文献１，２の提案では、負荷の変動によって
共振点追尾不能となってしまうことがあるという問題が
あった。

【００１２】また、文献３においては、発振周波数が所
定範囲内にあるか否かによって駆動回路や超音波振動子
の異常状態を監視している。しかしながら、超音波振動
子が故障した場合でも発振周波数が所定範囲内にあるこ
ともあり、インピーダンスの大きさが不安定な状態とな
っても異常を検出することができないことがある。ま
た、発振周波数が所定範囲外の値となっても、短時間で
所定範囲内の値に復帰する場合にも、異常を検出するこ
とができないことがある。

【００１３】ところで、超音波振動子を超音波手術装置
に適用する場合には、超音波振動子にはその振動を生体
組織に伝達するためのプローブを接続する。そして、超
音波振動子を術者が使用するハンドピース内に内蔵して
使用するようになっている。

【００１４】ところで、超音波振動に異常が発生した場
合でも、従来、超音波振動子の異常であるかプローブの
異常であるかを識別することができない。そこで、例え
ば、検査用のダミープローブを用意し、異常が発生した
場合には、プローブを検査用のダミープローブと交換し
てテストすることにより、異常を検出する方法も考えら
れている。しかしながら、この方法はプローブの交換作
業が必要であり、極めて煩雑である。

【００１５】また、超音波手術装置については、滅菌の
必要から、高温蒸気下でのオートクレーブ滅菌が行われ
る。この滅菌処理時に、ハンドピース内に水蒸気が侵入
することがある。ハンドピース内に水蒸気が侵入した状
態では、超音波振動子を駆動することができないことか
ら、使用前にハンドピース内に水蒸気が侵入したか否か
を確認する作業が必要となるという問題点もあった。

【００１６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、超音波振動子の負荷状態が大きく変化して
も確実に共振点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を目的とする。

【００１７】また、本発明は、煩雑な作業を必要とする
ことなく、超音波振動子の異常を確実に検出することが
できる超音波振動子駆動装置を提供することを目的とす
る。

【００１８】また、本発明は、超音波振動子を含むハン
ドピースの異常の部位を確実に特定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を目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
超音波振動子駆動装置は、超音波振動子を駆動する超音
波振動子駆動用発振器と、該発振器より超音波振動子に
供給される駆動信号の位相情報に基づき、前記発振器を
制御する第１の制御回路と、前記発振器より超音波振動
子に供給される駆動信号の駆動電圧と駆動電流に基づ
き、前記発振器を制御する第２の制御回路と、前記超音
波振動子のインピーダンスを検出する監視手段と、前記
インピーダンスの検出結果に基づき、第１の制御回路と
第２の制御回路との一方を切換え選択する選択手段とを
備えたものであり、本発明の請求項３に係る超音波振動
子駆動装置は、超音波振動子を駆動する超音波振動子駆
動用発振器と、該発振器より超音波振動子に供給される
駆動信号の位相情報に基づき、前記超音波振動子の共振
周波数に前記発振器を制御する制御回路と、前記超音波
振動子のインピーダンスを検出する監視手段と、前記イ
ンピーダンスの検出結果に基づき、前記制御回路の制御
に対応した情報を保持する保持手段とを備え、前記イン
ピーダンスの検出結果に基づき、前記制御回路と前記保
持手段との一方を切換え選択して、前記発振器を制御さ
せるものである。

【００２０】本発明の請求項１において、超音波振動子
は、超音波振動子駆動用発振器からの駆動信号によって
駆動される。第１の制御回路は駆動信号の位相情報に基
づいて発振器を制御する。また、第２の制御回路は駆動
信号の電圧及び電流に基づいて発振器を制御する。監視
手段は、超音波振動子のインピーダンスを監視してお
り、インピーダンスの検出結果に基づいて第１及び第２
の制御回路のいずれによって発振器を制御するかを選択
する。

【００２１】本発明の請求項３において、超音波振動子
は、超音波振動子駆動用発振器からの駆動信号によって
駆動される。制御回路は駆動信号の位相情報に基づいて
発振器の周波数を超音波振動子の共振周波数に制御す
る。保持手段は制御回路の制御に対応した情報を保持す
る。監視手段は、超音波振動子のインピーダンスを監視
しており、インピーダンスの検出結果に基づいて制御回
路と保持手段とのいずれによって発振器を制御するかを
選択する。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。図１及び図２は本発
明の第１の実施の形態に係り、図１は超音波振動子駆動
装置の構成を示すブロック図、図２はその動作を説明す
るためのフローチャートである。

【００２３】図１において、プローブが接続された超音
波振動子３は、駆動及び検出回路７によって駆動されて
超音波振動を発生するようになっている。発振回路４
は、後述する切換部１４からの信号に基づいて、超音波
振動子３を駆動するための周波数信号を発生して電圧制
御型増幅器（以下、ＶＣＡという）５に出力する。ＶＣ
Ａ５は、入力された周波数信号を差動増幅回路９からの
制御信号に基づく電圧に増幅して電力増幅回路（以下、
ＡＭＰという）６に出力する。ＡＭＰ６は、入力された
周波数信号を超音波振動子３を駆動可能な電力に増幅し
て駆動及び検出回路７に出力する。

【００２４】駆動及び検出回路７は、ＡＭＰ６の出力に
基づいて超音波振動子３を駆動すると共に、超音波振動
子３に印加される電圧と電流とを検出する。駆動及び検
出回路７は、超音波振動子３に印加する電圧及び電流の
位相θV ，θI を位相差検出回路１０に出力し、電圧及
び電流の絶対値｜Ｖ｜，｜Ｉ｜を｜Ｚ｜（インピーダン
ス）極小値検出回路１１に出力し、電圧及び電流値を状
態検出回路１２に出力する。また、駆動及び検出回路７
は、電流の絶対値｜Ｉ｜を差動増幅回路９に出力するよ
うになっている。

【００２５】設定信号発生部８は、超音波振動子３の振
幅の大きさを設定するための設定信号を発生して差動増
幅回路９に出力する。差動増幅回路９は、設定信号と駆
動及び検出回路７からの電流の絶対値とを比較し、差分
に基づく制御信号をＶＣＡ５に出力する。これらのＶＣ
Ａ５、ＡＭＰ６、駆動及び検出回路７並びに差動増幅回
路９によって、超音波振動子３の振幅を一定にコントロ
ールする定電流制御ループが構成される。

【００２６】位相差検出回路１０は、入力された位相θ
V ，θI 同士の位相差を検出して位相差信号を切換部１
４に出力する。また、｜Ｚ｜極小値検出回路１１は、入
力された絶対値｜Ｖ｜，｜Ｉ｜からインピーダンスの大
きさの極小値を検出し、検出結果に基づく極小値信号を
切換部１４に出力する。

【００２７】例えば、｜Ｚ｜極小値検出回路１１は、発
振回路４を制御して（図示省略）、超音波振動子３の共
振周波数ｆ0 で発振させ、その時のインピーダンスの大
きさを｜Ｚ｜0 として記憶する。次に、｜Ｚ｜極小値検
出回路１１は、発振周波数を若干上昇させて、その時の
インピーダンスの大きさを｜Ｚ｜＋として記憶し、更
に、発振周波数を若干共振周波数ｆ0 よりも下降させ
て、その時のインピーダンスの大きさを｜Ｚ｜−として
記憶する。｜Ｚ｜極小値検出回路１１は、これら３つの
インピーダンスの中で最も値が小さいインピーダンスを
与える周波数を共振周波数ｆ0 に設定して、発振回路４
の発振周波数を制御することができるようになってい
る。

【００２８】なお、｜Ｚ｜極小値検出回路１１の極小値
検出ための周波数の変更方法は種々考えられ、また、変
更回数も３回に限定されるものではない。｜Ｚ｜極小値
検出回路１１からの極小値信号を用いることによってイ
ンピーダンスの極小値に追尾した駆動が可能である。

【００２９】状態検出回路１２は、駆動及び検出回路７
からの電圧及び電流値によって、超音波振動子３のイン
ピーダンスの大きさを監視し、負荷の状態を検出する。
状態検出回路１２は、検出結果に基づいて切換部１４を
制御すると共に、負荷が所定値以上に増大した場合に
は、アラーム発生回路１３によってアラームを発生させ
るようになっている。アラーム発生回路１３は、状態検
出回路１２に制御されてアラームを発生する。

【００３０】切換部１４は、状態検出回路１２の検出結
果によって負荷の大きさが通常の範囲内であることが示
された場合には、位相差検出回路１０からの位相差信号
を発振回路４に与え、負荷の大きさが異常に大きくなっ
たことが示された場合には、｜Ｚ｜極小値検出回路１１
からの極小値信号を発振回路４に与えるようになってい
る。

【００３１】次に、このように構成された実施の形態の
動作について図２のフローチャートを参照して説明す
る。

【００３２】発振回路４からの周波数信号はＶＣＡ５及
びＡＭＰ６によって増幅された後、駆動及び検出回路７
に与えられる。駆動及び検出回路７は、入力された周波
数信号に基づいて超音波振動子３を駆動する。駆動及び
検出回路７は、超音波振動子３に供給する電流の絶対値
｜Ｉ｜を差動増幅回路９に与えており、差動増幅回路９
は、絶対値｜Ｉ｜と設定信号との差に基づく信号をＶＣ
Ａ５に供給して、ＶＣＡ５の増幅率を制御する。これに
より、定電流制御ループが構成され、超音波振動子３の
振幅が一定にコントロールされる。

【００３３】また、駆動及び検出回路７は、超音波振動
子３に供給する電圧及び電流の位相θV ，θI を位相差
検出回路１０に与えている。位相差検出回路１０は、電
圧，電流の位相差を検出し、位相差信号を切換部１４を
介して発振回路４に与える。超音波振動子３の負荷の大
きさが通常の範囲内であれば、切換部１４によって位相
差検出回路１０からの位相差信号が発振回路４に与えら
れており、発振回路４は、位相差が０となるように発振
周波数を変化させる。こうして、超音波振動子３の共振
周波数が追尾され、超音波振動子３は共振点駆動され
る。

【００３４】駆動及び検出回路７からの電圧及び電流値
は状態検出回路１２にも供給されている。状態検出回路
１２は、電圧及び電流値からインピーダンスの大きさを
監視し、負荷状態を検出する。いま、負荷のインピーダ
ンスが所定値よりも増大するものとする。そうすると、
状態検出回路１２は、負荷が異常に増大したことを検出
し、アラーム発生回路１３によってアラームを発生させ
ると共に、切換部１４に｜Ｚ｜極小値検出回路１１の出
力を選択させる。

【００３５】｜Ｚ｜極小値検出回路１１には、駆動及び
検出回路７から超音波振動子３に供給する電圧及び電流
の絶対値｜Ｖ｜，｜Ｉ｜が与えられている。｜Ｚ｜極小
値検出回路１１は、図２のステップＳ1 において、発振
回路４に周波数ｆ0 の発振出力を出力させ、そのときの
インピーダンス｜Ｚ｜0 を記憶する。次いで、｜Ｚ｜極
小値検出回路１１は、ステップＳ2 において、発振周波
数を上昇させてインピーダンス｜Ｚ｜＋を取得し、更
に、ステップＳ3 において、発振周波数を下降させてイ
ンピーダンス｜Ｚ｜−を取得する。｜Ｚ｜極小値検出回
路１１は、最も小さいインピーダンスを与える発振周波
数を共振周波数ｆ0 として再設定するための極小値信号
を出力する。

【００３６】負荷インピーダンスが異常に増大すると、
｜Ｚ｜極小値検出回路１１からの極小値信号は切換部１
４を介して発振回路４に供給される。これにより、発振
回路４は、インピーダンスの極小値に追尾して発振周波
数を決定する。共振点においてインピーダンスは極小値
となるので、負荷が増大した場合でも、超音波振動子３
は、共振点駆動されることになる。

【００３７】なお、インピーダンス極小値追尾型の制御
では、極小値検出のために複数回のスキャンを実行する
必要があり、追尾制御に長時間を要し、ＰＬＬ制御に比
べて安定性が悪い。そこで、インピーダンスの大きさが
正常範囲に戻った場合には、状態検出回路１２は、切換
部１４を制御して、位相検出信号を発振回路４に与え
て、ＰＬＬ制御に復帰させる。

【００３８】このように、本実施の形態においては、超
音波振動子３の負荷の増大にってインピーダンスが大き
くなり、電圧と電流の位相差の変化幅が少なくなってＰ
ＬＬ制御が不能となる場合には、インピーダンスの大き
さを監視することで負荷の増大を検出して、ＰＬＬ制御
からインピーダンス極小値追尾型制御に切り替えてお
り、負荷の変動に拘わらず、確実に超音波振動子３を共
振点駆動することができる。即ち、負荷の状態が著しく
変化しても共振点での安定した駆動を維持することがで
き、安全な手術装置等を提供することができる。

【００３９】図３は本発明の第２の実施の形態に係る超
音波振動子駆動装置の構成を示すブロック図である。

【００４０】本実施の形態は切換部１４及び｜Ｚ｜極小
値検出回路１１を省略すると共に、周波数保持回路５１
を付加した点が第１の実施の形態と異なる。周波数保持
回路５１は、発振回路４から発振周波数に関する情報を
逐次取得して保持すると共に、状態検出回路１２から負
荷の異常な増大を示す検出結果が与えられると正常時に
保持した周波数の情報を発振回路４に与えて、発振回路
４の発振周波数を固定するようになっている。

【００４１】次に、このように構成された実施の形態に
おいては、超音波振動子３の負荷が正常な場合に位相差
検出信号に基づいて発振周波数を制御することは第１の
実施の形態と同様である。

【００４２】本実施の形態においては、このような正常
動作時において、周波数保持回路５１は、発振回路４の
発振周波数に関する情報を逐次保持する。状態検出回路
１２がインピーダンスの増大によって負荷の異常を検出
すると、周波数保持回路５１は保持している正常時の発
振周波数の情報を発振回路４に与えて、この発振周波数
に発振回路４の発振周波数を固定する。

【００４３】これにより、超音波振動子３の共振点駆動
が維持される。また、正常なＰＬＬ制御が不能となっ
て、発振回路４の発振周波数が共振周波数とは大きく異
なる周波数に発散してしまうことも防止される。

【００４４】なお、負荷が正常値に復帰すると、状態検
出回路１２は、周波数保持回路５１による発振周波数の
固定制御を解除し、位相差信号に基づくＰＬＬ制御に復
帰させる。

【００４５】このように、本実施の形態においても、第
１の実施の形態と同様に、超音波振動子の負荷状態が大
きく変動しても一時的にＰＬＬによる制御を補って共振
点を略追尾しながら超音波振動子の共振点駆動を維持す
ることができる。

【００４６】なお、本実施の形態においては、発振周波
数に関する情報を保持するようにしたが、位相差検出回
路１０の出力制御値を保持し、負荷が異常に大きくなっ
た場合には、保持した制御値によって発振回路４を制御
するようにしてもよい。

【００４７】図４は本発明の第３の実施の形態に係る超
音波振動子駆動装置の構成を示すブロック図である。図
４において図１と同一の構成要素には同一符号を付して
説明を省略する。本実施の形態は、異常が発生した場合
に使用者に対する告知を可能にするようにしたものであ
る。

【００４８】追尾制御回路１５は、駆動及び検出回路７
から電圧及び電流値等のフィードバック信号が与えら
れ、このフィードバック信号に基づいて発振回路４の発
振周波数を制御するようになっている。追尾制御回路１
５は、例えば、第１の実施の形態における位相差検出回
路１０等によって構成されており、発振回路４の発振周
波数を共振周波数に設定するための共振点追尾制御を行
う。

【００４９】周波数変化検出回路１６は、発振回路４の
発振信号が与えられ、発振周波数の変化を検出するよう
になっている。また、駆動電圧変化検出回路１７は、差
動増幅回路９の出力が与えられて、超音波振動子３の駆
動電圧の変化を検出するようになっている。

【００５０】周波数変化検出回路１６及び駆動電圧変化
検出回路１９は、夫々、発振周波数の変化又は駆動電圧
の変化から装置の異常を検出し、装置に異常が発生した
ことを検出した場合には、アラーム発生回路１８にアラ
ームを発生させるようになっている。

【００５１】周波数変化検出回路１６及び駆動電圧変化
検出回路１９による異常の判定方法として種々の方法が
考えられる。例えば、周波数変化検出回路１６は、
（１）所定の発振周波数ｆｒに対して所定の周波数差以
上に周波数が変化した場合に異常と判断してもよく、
（２）周波数の変化の大きさを微分して、その結果が所
定の閾値を超えた場合に異常と判断してもよい。

【００５２】また、駆動電圧変化検出回路１７において
も、同様の手法によって異常を判定することができる。

【００５３】アラーム発生回路１８は、周波数変化検出
回路１６又は駆動電圧変化検出回路１７によって異常が
検出されると、アラームを発生すると共に、追尾制御回
路１５の動作を停止させるようになっている。

【００５４】次に、このように構成された実施の形態の
動作について説明する。

【００５５】超音波振動子３が正常に動作している場合
には、追尾制御回路１５は、フィードバック信号に基づ
いて発振回路４の発振周波数を制御して、共振点追尾制
御を行う。また、差動増幅回路９は、超音波振動子３の
電流の絶対値｜Ｉ｜と設定信号とに基づいてＶＣＡ５の
出力を制御して、定電流制御を行う。

【００５６】超音波振動子３の正常動作時には、共振点
追尾制御によって、超音波振動子３の駆動信号の周波数
は所定の範囲内の周波数で安定している。また、超音波
振動子３及び図示しないプローブによって構成されるハ
ンドピース（図示せず）に印加される負荷変動に応じて
超音波振動子３の駆動電流は略一定に制御されており、
超音波振動子３の駆動電圧は駆動電流を略一定にするよ
うに変化する。この場合の駆動電圧の変化の範囲は、所
定の範囲内で略安定している。

【００５７】ここで、超音波振動子３の故障又はプロー
ブにクラックが入る等の理由から異常が発生するものと
する。そうすると、追尾制御回路１５に入力されるフィ
ードバック信号が不安定となり、共振点追尾制御及び定
電流駆動制御が不安定な動作となる。即ち、追尾制御回
路１５の不安定な制御によって発振回路４の発振周波数
は、例えば所定の周波数幅よりも大きく変動する。ま
た、差動増幅回路９が発生する制御電圧も所定の電圧幅
よりも大きく変動する。

【００５８】周波数変化検出回路１６は、発振回路４の
発振周波数の異常を検出し、また、駆動電圧変化検出回
路１７は、差動増幅回路９の制御電圧の異常な変動を検
出する。周波数変化検出回路１６及び駆動電圧変化検出
回路１７は、異常を検出したことをアラーム発生回路１
８に通知する。これにより、アラーム発生回路１８は、
超音波振動子３又はプローブ等に異常が発生したことを
使用者に通知する。また、アラーム発生回路１８は、追
尾制御回路１５による追尾制御を停止させる。これによ
り、発振回路４の発振周波数の異常な発散が防止され
る。

【００５９】このように、本実施の形態においては、振
動系の異常状態を早期に検出して、使用者に告知すると
共に、異常状態を回避することができる。

【００６０】図５乃至図７は本発明の第４の実施の形態
に係り、図５は超音波手術装置の一般的な構成を示す説
明図、図６は共振周波数を説明するための説明図、図７
は動作を説明するためのフローチャートである。本実施
の形態の構成は第１の実施の形態と同様である。本実施
の形態は故障部分の判断を容易にしたものである。

【００６１】駆動装置２０は図４から超音波振動子３を
除いたものと同様の構成である。フットスイッチ（ＦＳ
Ｗという）２１は、超音波振動子３（図４参照）からの
超音波出力をオン，オフさせるためのものである。超音
波振動子３は、保持ケース２２内に収納されるようにな
っている。保持ケース２２先端には、処置部を含むプロ
ーブ２３がねじで締結されるようになっている。これら
の保持ケース２２及びプローブ２３によってハンドピー
スが構成される。

【００６２】ところで、プローブ及び超音波振動子３が
正常な状態である場合の共振周波数と、プロープ又は超
音波振動子３に故障が生じている場合の共振周波数とは
異なる。図６は横軸に周波数をとって、プローブが超音
波振動子に接続されて正常な状態における共振周波数の
範囲ｆｒ±Δｆを太線矢印にて示し、超音波振動子３に
プローブが接続されていない状態の共振周波数の範囲ｆ
ｎ±Δｆｎを太線にて示している。また、プローブ及び
超音波振動子３の少なくとも一方が故障した場合の共振
周波数は○印にて示している。図６に示すように、故障
時の共振周波数は、太線外の範囲、例えば周波数ｆ′，
ｆ″となる。

【００６３】本実施の形態における周波数変化検出回路
１６（図４参照）は、図６の特性を記憶しており、発振
回路４の発振周波数がこれらのいずれの周波数帯に存在
するかを検出し、検出結果をアラーム発生回路１８に出
力することができるようになっている。

【００６４】次に、このように構成された実施の形態の
動作について図７のフローチャートを参照して説明す
る。

【００６５】いま、超音波振動子３が内蔵された保持ケ
ース２２先端にプローブ２３を接続した状態で、手術等
の処置を行っているものとする。周波数変化検出回路１
６は、発振回路４の発振周波数を監視している。超音波
振動子３の共振点駆動が正常に行われている場合には、
周波数変化検出回路１６において検出される発振周波数
は、図６の周波数範囲ｆｒ±Δｆ内の値となる。

【００６６】ここで、超音波振動子３の駆動不可状態が
発生するものとする（ステップＳ11）。発振回路４の発
振周波数は変動し、周波数変化検出回路１６は、発振周
波数が例えば図６の周波数ｆ′，ｆ″等の値になったこ
とを検出してアラーム発生回路１８に知らせる。これに
より、アラーム発生回路１８は、使用者に超音波振動子
３の駆動不可状態が発生したことを通知する。

【００６７】使用者は、ステップＳ12において、超音波
振動子３からプローブを取り外す。次いで、使用者は、
フットスイッチ２１を操作して超音波振動子３の駆動を
再開する。もし、超音波振動子３を正常に駆動すること
ができない理由がプローブの異常であって超音波振動子
３は正常であった場合には、発振回路４の発振周波数は
図６の周波数範囲ｆｎ±Δｆｎ内の値をとる。周波数変
化検出回路１６は、発振回路４の発振周波数がこの範囲
内の周波数であることを検出すると（ステップＳ14）、
アラーム発生回路１８に検出結果を出力して、使用者に
プローブの故障によって超音波駆動が不能となったこと
を提示させると共に、プローブの交換のための提示を行
わせる。

【００６８】逆に、発振回路４の発振周波数が周波数範
囲ｆｎ±Δｆｎの範囲内になければ、周波数変化検出回
路１６は超音波振動子３に故障が発生しているものと判
断して、このことを示すアラームをアラーム発生回路１
８に発生させる。アラーム発生回路１８は、ステップＳ
16において超音波振動子の交換を促す。

【００６９】このように、本実施の形態においては、ハ
ンドピースのうち、故障している部分がプローブである
か又は超音波振動子であるかを容易に判別することがで
きる。これにより、テスト用プローブは不要であり、テ
スト用プローブを用いた作業を省略することができ、作
業性を著しく向上させることが可能となる。即ち、様々
な異常が発生した場合に、異常の種類や発生箇所を簡単
に特定することができ、早期に適切な対処が可能な手術
装置等を提供することができる。

【００７０】図８及び図９は本発明の第５の実施の形態
に係り、図８は第５の実施の形態に係る超音波振動子駆
動装置を示すブロック図、図９は超音波振動子に発生す
る漏れ抵抗を示す等価回路、図１０は動作を説明するた
めのグラフである。本実施の形態はオートクレーブ滅菌
によってハンドピース内に水分が残留する場合等に対応
したものである。

【００７１】図８において、ハンドピース３０は超音波
振動子を収納している。超音波振動子は駆動回路３２か
らの信号によって駆動される。周波数制御回路３３は、
駆動回路３２に周波数の指示信号を出力する。駆動回路
３２は、入力された指示信号に基づいて、超音波振動子
を共振点で駆動するようになっている。検出回路３１は
駆動回路３２によって超音波振動子に印可される駆動信
号を検出して判定回路３４に出力するようになってい
る。

【００７２】検出回路３１は検出結果に基づくフィード
バック信号を駆動回路３２に帰還させる。これにより、
駆動信号の振幅が一定に制御されると共に、周波数が共
振周波数に制御される。

【００７３】判定回路３４は、検出回路３１からの検出
結果に基づいてハンドピース３０の状態を判定し、判定
結果を制御回路３５に出力する。制御回路３５は、判定
結果に基づく表示データを表示パネル３６に出力して、
画面上に判定結果の表示を表示させるようになってい
る。また、制御回路３５は、周波数制御回路３３も制御
する。

【００７４】次に、このように構成された実施の形態の
動作について図１０のグラフを参照して説明する。図１
０（ａ）は横軸に周波数をとり縦軸にインピーダンスを
とって、正常な状態でのインピーダンスの周波数特性を
示し、図１０（ｂ）は横軸に周波数をとり縦軸にインピ
ーダンスをとって、ケース内部に漏れ抵抗が発生した場
合のインピーダンスの特性を示している。

【００７５】いま、ハンドピースを高温蒸気によるオー
トクレーブ滅菌したことによって、ケース内部に水分が
残留しているものとする。この場合には、図９の等価回
路で示すように、超音波振動子には並列に漏れ抵抗が発
生する。

【００７６】従って、この状態では、超音波振動子を正
常に駆動することはできない。そこで、判定回路３４に
よって、漏れ抵抗分によるインピーダンスの低下を検出
する。図１０（ａ）に示す正常時のインピーダンスに比
して、図１０（ｂ）の実線に示す異常時のインピーダン
スは、低下している。図１０（ｂ）の破線（正常時のイ
ンピーダンス）との比較から明らかなように、共振点近
傍においては、正常時と異常時とのインピーダンスの差
は小さく、反共振点（ｆ１，ｆ２）におけるインピーダ
ンスの差は大きい。

【００７７】従って、漏れ抵抗分の存在を確実に検出た
めには、正常時のインピーダンスが高い周波数、例え
ば、反共振点であるｆ１，ｆ２において判定することが
望ましい。あるいは、共振周波数近傍のインピーダンス
特性は固体差が大きく、また、ハンドピースに加わる負
荷によって変化する可能性があるので、共振周波数から
離れた周波数ｆtest、例えば、１ｋＨｚの周波数を印可
してインピーダンスを正常値と比較するようにすると精
度が一層向上する。

【００７８】オートクレーブ滅菌後においては、周波数
制御回路３３は、制御回路３５に制御されて、駆動回路
３２の発振周波数を図１０のｆ１，ｆ２又はｆtest等に
設定する。検出回路３１は、超音波振動子の駆動信号の
電圧及び電流値を判定回路３４に出力する。判定回路３
４は、発振周波数ｆ１，ｆ２又はｆtest等におけるイン
ピーダンスを求める。判定回路３４は、正常時における
インピーダンスと発振周波数ｆ１，ｆ２又はｆtest等に
おけるインピーダンスとを比較することで、漏れ抵抗の
有無を判定する。判定回路３４は判定結果を制御回路３
５に出力する。

【００７９】制御回路３５は、判定結果によって漏れ抵
抗が存在することが示された場合には、表示パネル３６
の画面上にハンドピース内に水分が残留して、使用不可
の状態であることを示す表示を表示させる。

【００８０】このように、本実施の形態においては、漏
れ抵抗によるインピーダンスの低下を検出することで、
ハンドピースのケース内に侵入した水分が残留している
ことを検出して、異常状態を使用者に告知することがで
きる。

【００８１】図１１及び図１２は本発明の第６の実施の
形態に係り、図１１は第６の実施の形態に係る超音波振
動子駆動装置を示すブロック図、図１２は図１１中の波
形メモリ４７に記憶される波形データを説明するための
波形図である。本実施の形態はデジタル化によって超音
波振動子の安定した駆動を可能にしたものである。

【００８２】図１１において、プローブが接続された超
音波振動子４０は、駆動及び検出回路４１によって駆動
されて超音波振動を発生するようになっている。駆動及
び検出回路４１、ＡＭＰ４２並びに位相比較回路４５の
構成は図１の駆動及び検出回路７、ＡＭＰ６並びに位相
差検出回路１０と同様である。

【００８３】本実施の形態においては、駆動信号は波形
メモリ４７から発生するようになっている。Ａ／Ｄ変換
器４３は、駆動及び検出回路４１から駆動電流の絶対値
｜Ｉ｜が与えられ、ディジタル信号に変換してデジタル
コンパレータ４４に出力する。制御回路４９は、超音波
振動子４０の振幅の大きさを設定するための出力設定デ
ータを発生してデジタルコンパレータ４４に出力する。
デジタルコンパレータ４４は、図１の差動増幅回路９に
相当し、出力設定データとＡ／Ｄ変換器４３からの電流
の絶対値とを比較し、差分に基づいて波形メモリ４７の
アドレス指定を行うようになっている。

【００８４】一方、位相比較回路４５は駆動信号の電圧
位相と電流位相とを比較し、比較結果をＤＤＳ（ダイレ
クトデジタルシンセサイザー）４６に出力する。ＤＤＳ
４６は位相比較回路４５の比較結果に基づいて周波数信
号を生成するデジタル型の発振回路であり、発振出力を
波形メモリ４７のアドレス指示として出力するようにな
っている。

【００８５】波形メモリ４７は、デジタルコンパレータ
４４からのアドレス指定及びＤＤＳ４６からのアドレス
指示が与えられ、記憶している波形データをＤ／Ａ変換
器４８に出力するようになっている。波形メモリ４７
は、振幅が複数種類の１周期分の波形データを記憶して
いる。

【００８６】図１２は波形メモリ４７に記憶されている
３種類の波形データを示している。これらの３種類の波
形データは相互に振幅が異なる。波形メモリ４７は、３
種類の波形データのうちデジタルコンパレータ４４から
のアドレス指定に基づく種類の波形データを出力する。
また、波形メモリ４７からの波形データは、ＤＤＳ４６
からのアドレス指示に基づく周波数で出力される。

【００８７】Ｄ／Ａ変換器４８は、入力された波形デー
タをアナログの正弦波信号に変換して駆動信号としてＡ
ＭＰ４２に出力する。なお、制御回路４９は、表示パネ
ル５０の画面上に各種設定情報等を表示させることがで
きるようになっている。

【００８８】次に、このように構成された実施の形態の
動作について説明する。

【００８９】波形メモリ４７からの波形データはＤ／Ａ
変換器４８によってアナログ信号に変換され、ＡＭＰ４
２で増幅された後、駆動及び検出回路４１から超音波振
動子４０に供給される。駆動及び検出回路４１は、超音
波振動子４０に供給した電圧及び電流の位相θV ，θI
を位相比較回路４５に与え、電流の絶対値｜Ｉ｜をＡ／
Ｄ変換器４３に与える。

【００９０】Ａ／Ｄ変換器４３は、入力された電流の絶
対値｜Ｉ｜をデジタル信号に変換してデジタルコンパレ
ータ４４に出力する。一方、制御回路４９は、超音波出
力の振幅を決定するための出力設定データを発生してデ
ジタルコンパレータ４４に出力しており、デジタルコン
パレータ４４は、２入力の差分に基づくデータをアドレ
ス指定として波形メモリ４７に出力する。波形メモリ４
７からはアドレス指定に基づく振幅の波形データが読み
出される。

【００９１】こうして、波形メモリ４７からの出力波形
データの振幅が制御されて、超音波出力の振幅を一定に
する定電流制御がデジタル処理によって達成される。

【００９２】一方、位相比較回路４５は、電圧と電流の
位相差に基づく信号をＤＤＳ４６に出力する。ＤＤＳ４
６は位相差に基づく周波数信号を発生して波形メモリ４
７のアドレス指示として出力する。波形メモリ４７は、
入力された周波数信号に基づく周波数で波形データの読
出しを行う。これにより、波形メモリ４７から出力され
る波形データの周波数は位相差を０にするように変化す
る。こうして、超音波振動子４０を共振周波数で駆動す
る共振点追尾制御が行われる。

【００９３】このように、本実施の形態においては、周
波数制御及び定電流制御の全てをデジタル化することが
できるので、調整が少なく、ばらつきがない安定した超
音波駆動が可能となる。

【００９４】［付記］ （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、該発振器より超音波振動子に供給される駆動信
号の位相情報に基づき、前記発振器を制御する第１の制
御回路と、前記発振器より超音波振動子に供給される駆
動信号の駆動電圧と駆動電流に基づき、前記発振器を制
御する第２の制御回路と、前記超音波振動子のインピー
ダンスを検出する監視手段と、前記インピーダンスの検
出結果に基づき、第１の制御回路と第２の制御回路との
一方を切換え選択する選択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。

【００９５】（２） 前記選択手段で選択された制御回
路を告知する告知手段を備えたことを特徴とする付記項
１記載の超音波振動子駆動装置。

【００９６】（３） 超音波振動子を駆動する超音波振
動子駆動用発振器と、該発振器より超音波振動子に供給
される駆動信号の位相情報に基づき、前記超音波振動子
の共振周波数に前記発振器を制御する制御回路と、前記
超音波振動子のインピーダンスを検出する監視手段と、
前記インピーダンスの検出結果に基づき、前記制御回路
の制御に対応した情報を保持する保持手段とを備え、前
記インピーダンスの検出結果に基づき、前記制御回路と
前記保持手段との一方を切換え選択して、前記発振器を
制御させることを特徴とする超音波振動子駆動装置。

【００９７】（４） 前記保持手段で前記発振器を制御
されたことを告知する告知手段を備えたことを特徴とす
る付記項３記載の超音波振動子駆動装置。

【００９８】（５） 前記第２の制御回路は、前記超音
波振動子のインピーダンスが極小となるように前記発振
器を制御する制御回路であることを特徴とする付記項１
記載の超音波振動子駆動装置。

【００９９】（６） 超音波振動子を駆動する超音波振
動子駆動用発振器と、前記発振器を前記超音波振動子の
共振周波数で駆動するように制御する制御回路と、前記
発振器の所定時間に対する周波数変動を検出する周波数
変化検出手段と、前記検出結果を告知する告知手段とを
備えたことを特徴とする超音波振動子駆動装置。

【０１００】（７） 超音波手術装置の振動子駆動装置
において、超音波振動子に供給される駆動信号に基づい
て、前記超音波振動子の駆動電流を一定に保つように駆
動電圧を制御する制御回路と、前記制御回路で制御され
た駆動電圧の所定時間に対する変動を検出する駆動電圧
変化検出手段と、前記検出結果を告知する告知手段とを
備えたことを特徴とする超音波振動子駆動装置。

【０１０１】（８） 超音波振動子に駆動信号を供給す
る超音波振動子駆動用発振器と、該発振器の発振周波数
を制御する周波数制御手段と、前記制御手段が予め定め
られた超音波振動子の共振周波数とは異なる所定の周波
数に制御した時に前記超音波振動子のインピーダンスを
検出する検出手段と、前記検出結果を所定値と比較する
判定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。

【０１０２】（９）前記検出結果を告知する告知手段を
更に備えたことを特徴とする付記項８記載の超音波振動
子駆動装置。

【０１０３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波振動子の負荷状態が大きく変化しても確実に共振点
駆動することができ、また、煩雑な作業を必要とするこ
となく、超音波振動子の異常を確実に検出することがで
き、更に、超音波振動子を含むハンドピースの異常の部
位を確実に特定することができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る超音波振動子
駆動装置の構成を示すブロック図。

【図２】第１の実施の形態の動作を説明するためのフロ
ーチャート。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る超音波振動子
駆動装置の構成を示すブロック図。

【図４】本発明の第３の実施の形態に係る超音波振動子
駆動装置の構成を示すブロック図。

【図５】本発明の第４の実施の形態が適用される超音波
手術装置の一般的な構成を示す説明図。

【図６】共振周波数を説明するための説明図。

【図７】第４の実施の形態の動作を説明するためのフロ
ーチャート。

【図８】本発明の第５の実施の形態に係る超音波振動子
駆動装置を示すブロック図。

【図９】図９は超音波振動子に発生する漏れ抵抗を示す
等価回路。

【図１０】第５の実施の形態の動作を説明するためのグ
ラフ。

【図１１】第６の実施の形態に係る超音波振動子駆動装
置を示すブロック図。

【図１２】図１１中の波形メモリ４７に記憶される波形
データを説明するための波形図。

【図１３】従来例の問題点を説明するための等価回路
図。

【図１４】従来例の問題点を説明するためのグラフ。

【符号の説明】

３…超音波振動子、４…発振回路、５…ＶＣＡ、６…Ａ
ＭＰ、７…駆動及び検出回路、９…差動増幅回路、１０
…位相差検出回路、１１…｜Ｚ｜極小値検出回路、１２
…状態検出回路、１３…アラーム発生回路、１４…切換
部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本田 吉隆 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 田中 一恵 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 小野 寛生 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4C060 EE17 EE19 FF02 FF31 JJ11 JJ22 JJ27 MM24 5D019 AA08 BB16 FF04 5D107 AA14 AA15 BB01 BB07 BB11 CC04 CD04 CD05 CD06 CD07 5J083 AA01 AC17 BB20 CB12 CC01 CC10

Claims (4)

【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、 該発振器より超音波振動子に供給される駆動信号の位相
   情報に基づき、前記発振器を制御する第１の制御回路
   と、 前記発振器より超音波振動子に供給される駆動信号の駆
   動電圧と駆動電流に基づき、前記発振器を制御する第２
   の制御回路と、 前記超音波振動子のインピーダンスを検出する監視手段
   と、 前記インピーダンスの検出結果に基づき、第１の制御回
   路と第２の制御回路との一方を切換え選択する選択手段
   とを備えたことを特徴とする超音波振動子駆動装置。
2. 【請求項２】 前記選択手段で選択された制御回路を告
   知する告知手段を備えたことを特徴とする請求項１記載
   の超音波振動子駆動装置。
3. 【請求項３】 超音波振動子を駆動する超音波振動子駆
   動用発振器と、 該発振器より超音波振動子に供給される駆動信号の位相
   情報に基づき、前記超音波振動子の共振周波数に前記発
   振器を制御する制御回路と、 前記超音波振動子のインピーダンスを検出する監視手段
   と、 前記インピーダンスの検出結果に基づき、前記制御回路
   の制御に対応した情報を保持する保持手段とを備え、 前記インピーダンスの検出結果に基づき、前記制御回路
   と前記保持手段との一方を切換え選択して、前記発振器
   を制御させることを特徴とする超音波振動子駆動装置。
4. 【請求項４】 前記保持手段で前記発振器を制御された
   ことを告知する告知手段を備えたことを特徴とする請求
   項３記載の超音波振動子駆動装置。