JP2001340809A - 超音波振動子駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インピーダンスＺが一瞬高くなったような状
況においても駆動信号を共振周波数に確実に追尾させる
と共に、超音波振動子の破損等による異常時には異常を
認識し装置の停止を行う。 【解決手段】 周波数変化設定回路２２はＤＳＰによっ
て構成され、位相比較器２１からの出力である位相差+/
-信号をイネーブルとして入力しクロックをカウントす
ることにより位相差の大きさを検知する位相差信号大き
さ検知部２２ａと、位相差信号大きさ検知部の結果過去
３回分を保管する第１〜第３データ保管部２２ｂ、２２
ｃ、２２ｄと、第１〜第３データ保管部２２ｂ、２２
ｃ、２２ｄの値を平均することにより起動周波数の変化
値の演算を行い演算結果に応じたパルス信号（ＵＰ／Ｄ
ＯＷＮカウント信号）を出力する変化値演算部２２ｅか
らなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波振動子駆動装
置、更に詳しくは超音波振動子の共振周波数への追従駆
動の制御部分に特徴のある超音波振動子駆動装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、外科手術用の超音波メスや超音
波加工装置等に使用されている超音波振動子は、その基
本共振周波数もしくはその近傍において駆動することが
望ましい。また、超音波振動子の共振周波数が、負荷条
件、温度、振動子の破損等により存在しなくなった場
合、超音波振動子の駆動を禁止し、術者に対する警告を
行う必要がある。

【０００３】そこで、例えば特開平７−３１３９３７号
公報に示されるように、超音波振動子の駆動装置で、振
動子の駆動周波数を共振周波数と一致させるように制御
するアナログ回路で構成されたＰＬＬ（位相制御ルー
プ）方式による振動子駆動と、駆動周波数が所定の範囲
にあるか否かを確認して、異常の場合には駆動を停止す
るとともに異常を告知する方法が開示されている。

【０００４】しかし、アナログ回路で構成されたＰＬＬ
方式は、複数の種類の共振周波数の振動子を駆動するた
めには、複数の発信源が必要であること、またアナログ
回路で構成されているため温度変化により特性が変化す
ること、さらに回路を可変抵抗等で調整する必要がある
こと等の問題があった。

【０００５】そのため、近年では、上記問題に対して、
ＤＤＳ（ダイレクト・デジタル・シンセサイザ）とＵＰ
／ＤＯＷＮカウンタを用い、デジタル回路で構成された
ＰＬＬ方式（以下、デジタル式ＰＬＬ）で共振周波数追
尾が行われている。

【０００６】図６は、従来の超音波凝固切開装置９１で
のデジタル式ＰＬＬ９２におけるフィードバック回路の
ブロック図であって、超音波出力信号を検出回路１０１
により、電圧、電流を検出して、その位相信号θv（電
圧位相信号）、θI（電流位相信号）を位相比較器１０
２へ入力している。

【０００７】位相比較器１０２では、電圧位相信号、電
流位相信号の位相差を検知して、出力周波数を上下させ
る制御信号（以下、位相差+/-信号）を出力し、ＵＰ／
ＤＯＷＮカウンタ１０３に、その制御信号を入力する。

【０００８】ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０３は、ＣＰＵ
１０４からの初期設定周波数信号、位相比較器１０２か
らの位相差+/-信号に基づき、実際に出力する周波数
（以下、駆動周波数設定信号）を出力する。

【０００９】ＤＤＳ１０５では、駆動周波数設定信号に
基づいて、実際に正弦波を出力する。この正弦波は、電
力増幅器１０６、検出回路１０１を介して、ハンドピー
ス１０８内の振動子１０９に伝達され、ハンドピース１
０８の先端が超音波振動を行い、組織の凝固切開を行
う。

【００１０】また、監視回路１１０は、駆動周波数設定
信号のモニタを行い、初期設定周波数信号との差が所定
の範囲にあるか否かを確認して、所定の範囲外にある場
合は、ＰＬＬ非ロック信号をＣＰＵ１０４へ送信し、超
音波凝固切開装置９１の駆動を停止する。

【００１１】図７は、一般的な振動子と超音波凝固切開
装置１の出力回路のインダクタＬbの等価回路を示して
いる。振動子の等価回路は、Ｃa、Ｌa、Ｒの直列回路と
Ｃbの並列回路で表される。また、通常、発振回路に
は、前記振動子の制動容量成分をキャンセルするための
マツチング用のコイルＬbがある。

【００１２】図８は、図７の等価回路の電気的特性を示
したものである。縦軸がインピーダンスＺと位相θ、横
軸が周波数である。

【００１３】図８のＦ1は第１の反共振周波数、Ｆrは共
振周波数、Ｆ2は第２の反共振周波数である。

【００１４】通常、振動子を超音波駆動させるときに
は、駆動周波数を共振周波数Ｆrに周波数追尾させるよ
うにＰＬＬ駆動を行う。

【００１５】また、振動子の異常により、共振周波数Ｆ
rが存在しなくなった場合、駆動周波数が所定の範囲
（ＰＬＬロック可能範囲）から外れる。従来、これを監
視し、超音波凝固切開装置９１の駆動停止を行ってい
た。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな超音波振動子の駆動においては、一瞬発生するイン
ピーダンスＺが高くなったような状況では、電流位相信
号が検知出来なくなり、一瞬のうちに駆動周波数が変化
し、所定の範囲外へ夥ってしまうため、ＣＰＵ１０４
は、異常と認識、装置が停止してしまうという問題点が
あった。

【００１７】つまり、ハンドピース１０８で組織を把持
すると、インピーダンスＺ、位相θ特性は、図９に示す
ように、インピーダンスが高く、その変化は鈍くなるこ
とが分かっている。

【００１８】従来、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０３で
は、位相比較器１０２からの出力に対して、１対１の割
合で駆動周波数設定信号を上下させていたため、このよ
うにインピーダンスＺが高く、変化が鈍い状態が一瞬で
も発生すると、上記のように電流位相信号が検知できな
くなるため、共振周波数を追尾出来ず、駆動周波数が所
定変位外へ変化し異常と認識、装置停止となるといった
問題がある。

【００１９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、インピーダンスＺが高くなることが一瞬でも発
生するような状況においても駆動信号を共振周波数に確
実に追尾させると共に、超音波振動子の破損等による異
常時には異常を認識し装置の停止を行うことのできる超
音波振動子駆動装置を提供することを目的としている。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の超音
波振動子駆動装置は、超音波デジタルデータを入力する
周波数入力部を有し超音波デジタルデータに基づき超音
波振動子を駆動する超音波駆動用発振手段と、前記超音
波駆動用発振手段より前記超音波振動子に供給される駆
動電圧と駆動電流との位相差を検出する位相検出手段
と、前記位相検出手段の検出出力を所定期間保持する保
持手段と、前記位相検出手段の検出出力と前記保持手段
の出力に基づき前記超音波駆動用発振手段の周波数制御
をするための周波数可変データを生成し前記周波数可変
データを前記周波数入力部に出力する周波数制御手段と
を備えて構成される。

【００２１】本発明の請求項２の超音波振動子駆動装置
は、超音波デジタルデータを入力する周波数入力部を有
し超音波デジタルデータに基づき超音波振動子を駆動す
る超音波駆動用発振手段と、前記超音波駆動用発振手段
より前記超音波振動子に供給される駆動電圧と駆動電流
との位相差を検出する位相検出手段と、前記位相検出手
段の検出出力より前記位相差の極性を抽出する極性抽出
手段と、前記極性抽出手段の抽出出力に基づき前記超音
波駆動用発振手段の周波数制御をするための周波数可変
データを生成し前記周波数可変データを前記周波数入力
部に出力する周波数制御手段とを備えて構成される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について述べる。

【００２３】図１ないし図３は本発明の第１の実施の形
態に係わり、図１は超音波手術装置の構成を示す構成
図、図２は図１の超音波凝固切開装置の構成を示すブロ
ック図、図３は図２の周波数変化設定回路の作用を説明
する説明図である。

【００２４】本実施の形態の超音波手術装置は、図１に
示すように、超音波出力を行う超音波凝固切開装置１
と、処置を行うハンドピース２と、超音波凝固切開装置
１の超音波出力を制御するフットスイッチ３とから構成
される。

【００２５】図２に示すように、ハンドピース２には振
動子４を設けており、振動子４は、超音波凝固切開装置
１のデジタル式ＰＬＬ１１の出力に基づいた駆動周波数
の、電力増幅器１２において増幅された駆動信号により
検知回路１３を介して駆動されるようになっている。

【００２６】また、検出回路１３は、振動子４に供給さ
れている電圧、電流を検出して、その位相信号θv（電
圧位相信号）、θI（電流位相信号）を生成している。

【００２７】デジタル式ＰＬＬ１１は、θｖとθＩの位
相差の方向（+/-）とその大きさを検出し位相差+/-信号
を生成するための、位相比較器２１、周波数変化設定回
路２２、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３、ＤＤＳ（ダイレ
クト・デジタル・シンセサイザ）２４で構成されてい
る。

【００２８】周波数変化設定回路２２はＤＳＰ（デジタ
ル・シグナル・プロセッサ）によって構成され、位相比
較器２１からの出力である位相差+/-信号をイネーブル
として入力しクロックをカウントすることにより位相差
の大きさを検知する位相差信号大きさ検知部２２ａと、
位相差信号大きさ検知部1１３ａの結果過去３回分を保
管する第１〜第３データ保管部２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ
と、上記第１〜第３データ保管部２２ｂ、２２ｃ、２２
ｄの値を平均することにより起動周波数の変化値の演算
を行い演算結果に応じたパルス信号（ＵＰ／ＤＯＷＮカ
ウント信号）を出力する変化値演算部２２ｅからなる。

【００２９】ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３は、ＣＰＵ２
５から送信された初期設定周波数信号を基とし、周波数
変化設定回路２２からの出力（ＵＰ／ＤＯＷＮカウント
信号）のエッジを検出し、ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号
１パルスに対して、駆動周波数を所定の周波数変化分変
化させることにより駆動周波数設定信号を生成する。

【００３０】また、ＤＤＳ２４は、駆動周波数設定信号
に応じた正弦波形を出力する。

【００３１】つまり、デジタル式ＰＬＬ１１は、位相比
較器２１の出力を基とし、周波数変化設定回路２２に於
いて、駆動周波数設定信号を変化させるＵＰ／ＤＯＷＮ
カウント信号を生成し、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３を
介してＤＤＳ２４から出力される駆動周波数が共振周波
数の追尾を行うように制御するようにしている。

【００３２】また、監視回路２６は、振動子４に加わっ
ている駆動周波数信号と、初期設定周波数信号の差が所
定の範囲内であるか否かを監視し、その差が所定の範囲
外となった場合、ＣＰＵ２５へＰＬＬ非ロック信号を送
信する。

【００３３】図３に、本実施実施の形態のデジタル式Ｐ
ＬＬ１１内の周波数変化設定回路２２における動作を示
す。

【００３４】周波数変化設定回路２２は、上述したよう
にＤＳＰで構成されており、クロック、ＣＰＵ２５から
の初期設定周波数信号、位相比較器２１からの位相差+/
-信号が入力されている。

【００３５】周波数変化設定回路２２内の位相差大きさ
検知部１３ａでは、図３（ｂ）に示した位相差−（＋）
信号をイネーブルとして入力し、図３（ａ）に示したク
ロックをカウントすることにより、位相差−信号の大き
さを検知する（カウント結果は、図３（ｂ）に示したC
n）。

【００３６】検知したデータCnは、第１データ保管部２
２ｂへ保管され、それまで第１及び第２データ保管部２
２ｂ、２２ｃに保管されていたデータ（Ｃn-1、Ｃn-2）
は、それぞれ第２及び第３データ保管部２２ｃ、２２ｄ
においてストックされる。

【００３７】変化値演算部２２ｅでは、当該回路内にお
いて、ストックされている３回分の位相差大きさ検知部
結果（Ｃn、Ｃn-1、Ｃn-2）の平均を行い、平均分のパ
ルス信号を生成することにより出力ＵＰ（ＤＯＷＮ）カ
ウント信号とする。

【００３８】ＵＰ（ＤＯＷＮ）カウント信号＝（Ｃn＋
Ｃn-1＋Ｃn-2）/３ Ｃn：位相差+/-信号が”Ｌ”の間のクロックカウント数 ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３では、ＣＰＵ２５から送信
された初期設定周波数信号を基とし、上述のＵＰ／ＤＯ
ＷＮカウント信号１パルスに対して駆動周波数設定信号
を所定変化分変化させる（図３（ｃ））。

【００３９】前述を基に、ＤＤＳ２４は、出力の正弦波
形の周波数を変化させ、周波数追尾を行っている。

【００４０】上記演算で、過去のデータとの平均をとる
ことにより、一瞬のインピーダンスの変化によって、非
ＰＬＬロックとなるような駆動周波数の大きな周波数の
変化が発生しない。

【００４１】また、振動子４の破損等により、インピー
ダンスの高い状態が常時起きていた場合には、非ＰＬＬ
ロック状態となる。

【００４２】つまり、超音波振動子使用時、共振周波数
付近で駆動しているときには、一瞬発生するするインピ
ーダンスＺが高くなった様な状況においても一瞬のうち
に周波数が変化せず、超音波振動子の破損等による異常
時には異常を認識し装置の停止ができるよう適切に構成
した超音波凝固切開装置が実現できる。

【００４３】図４は本発明の第２の実施の形態に係る超
音波凝固切開装置の構成を示すブロック図である。

【００４４】第２の実施の形態は、第１の実施の形態と
ほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の
構成には同じ符号をつけ説明は省略する。

【００４５】図４に示すように、第２の実施の形態で
は、周波数変化設定回路２２の入力に、監視回路２６の
出力であるＰＬＬロック／非ロック信号を加える。

【００４６】そして、共振周波数追尾時（ＰＬＬロック
時）と、非追尾時（非ＰＬＬロック時）において、変化
値演算部２２ｅにおける、平均値をとるデータ数を変化
させる。

【００４７】ＰＬＬロック時には、第１〜第３データ保
管部２２ｂ〜２２ｄの３データ（Cn、Cn-1、Cn-2）の平
均をとることにより、駆動周波数の変化値演算を行う。

【００４８】しかし、非ＰＬＬロック時には、第１デー
タ保管部２２ｂのデータCnを、そのまま、駆動周波数設
定信号の変化値とする。

【００４９】これにより、ＰＬＬロック時には、一瞬の
インピーダンスの高い状態が起きても、ＰＬＬロックは
安定している。一方、非ＰＬＬロック時には、より早い
周波数の変化を生じさせることができ、ＣＰＵ２５へ早
急に異常状態を検知させることができる。

【００５０】図５は本発明の第３の実施の形態に係る超
音波凝固切開装置の構成を示すブロック図である。

【００５１】第３の実施の形態は、第１の実施の形態と
ほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の
構成には同じ符号をつけ説明は省略する。

【００５２】第１及び第２の実施の形態では、位相差+/
-信号をイネーブルとし、クロックをカウントし、ＤＳ
Ｐを用いた演算を行い、演算結果の数のＵＰ／ＤＯＷＮ
カウント信号のパルスをＵＰ／ＤＯＷＮカウンタに出力
することにより周波数追尾制御を行っていたが、本実施
の形態では、図５に示すように、周波数変化設定回路２
２の代わりにカウンタ３１を用い、位相差+/-信号を分
周し、ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号を生成する。

【００５３】本実施の形態の場合、第１及び第２の実施
の形態のように、位相差+/-信号の大きさは、ＵＰ／Ｄ
ＯＷＮカウント信号に反映されない（位相差が大きくて
も小さくても結果に周波数追尾に影響しない）が、位相
差+/-信号を分周することにより、位相差+/-信号パルス
数に対するＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号のパルス数を少
なくできる。そのため、θv、θIにノイズが生じた場合
でも駆動周波数の変化への影響を小さくすることができ
る。

【００５４】また、ＰＬＬロック／非ロック時に応じて
分周比を４分周から２分周へ変化させることにより、Ｐ
ＬＬロック時には、位相差+/-信号４パルス数に対して
ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号を１パルス、ＰＬＬ非ロッ
ク時には、位相差+/-信号２パルス数に対してＵＰ／Ｄ
ＯＷＮカウント信号を１パルス出力する。

【００５５】そして、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３で
は、ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号１パルスに対して、駆
動周波数設定信号を１Ｈｚ変化させる。これにより、第
１及び第２の実施の形態と同等の効果を安価に得るにこ
とができる。

【００５６】また、超音波凝固切開装置１内部回路全体
の応答を遅らせ、当該回路全体の発振防止にも役立つ。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、イ
ンピーダンスＺが一瞬高くなったような状況においても
駆動信号を共振周波数に確実に追尾させると共に、超音
波振動子の破損等による異常時には異常を認識し装置の
停止を行うことができるという効果がある。

【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手術装
置の構成を示す構成図

【図２】図１の超音波凝固切開装置の構成を示すブロッ
ク図

【図３】図２の周波数変化設定回路の作用を説明する説
明図

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る超音波凝固切
開装置の構成を示すブロック図

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る超音波凝固切
開装置の構成を示すブロック図

【図６】従来の超音波凝固切開装置の構成を示す構成図

【図７】一般的な負荷（振動子）と出力回路の等価回路
を示す図

【図８】図７の等価回路の特性を示す第１の特性図

【図９】図７の等価回路の特性を示す第２の特性図

【符号の説明】

１…超音波凝固切開装置 ２…ハンドピース ３…フットスイッチ １１…デジタル式ＰＬＬ １２…電力増幅器 １３…検知回路 ２１…位相比較器 ２２…周波数変化設定回路 ２２ａ…位相差信号大きさ検知部 ２２ｂ…第１データ保管部 ２２ｃ…第２データ保管部 ２２ｄ…第３データ保管部 ２２ｅ…変化値演算部 ２３…ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ ２４…ＤＤＳ ２５…ＣＰＵ ２６…監視回路

フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼橋 裕之 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 (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 Ｆターム(参考） 4C060 EE03 EE17 EE19 JJ11 JJ17 JJ25 JJ27 MM24 MM26 5D107 AA07 AA09 AA15 BB07 CD04

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波デジタルデータを入力する周波数
   入力部を有し、超音波デジタルデータに基づき超音波振
   動子を駆動する超音波駆動用発振手段と、 前記超音波駆動用発振手段より前記超音波振動子に供給
   される駆動電圧と駆動電流との位相差を検出する位相検
   出手段と、 前記位相検出手段の検出出力を所定期間保持する保持手
   段と、 前記位相検出手段の検出出力と前記保持手段の出力に基
   づき、前記超音波駆動用発振手段の周波数制御をするた
   めの周波数可変データを生成し、前記周波数可変データ
   を前記周波数入力部に出力する周波数制御手段とを備え
   たことを特徴とする超音波振動子駆動装置。
2. 【請求項２】 超音波デジタルデータを入力する周波数
   入力部を有し、超音波デジタルデータに基づき超音波振
   動子を駆動する超音波駆動用発振手段と、 前記超音波駆動用発振手段より前記超音波振動子に供給
   される駆動電圧と駆動電流との位相差を検出する位相検
   出手段と、 前記位相検出手段の検出出力より前記位相差の極性を抽
   出する極性抽出手段と、 前記極性抽出手段の抽出出力に基づき、前記超音波駆動
   用発振手段の周波数制御をするための周波数可変データ
   を生成し、前記周波数可変データを前記周波数入力部に
   出力する周波数制御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。