JP3026833B2 - 超音波変換器の駆動装置及び共振周波数を自動的に決定する装置 - Google Patents
超音波変換器の駆動装置及び共振周波数を自動的に決定する装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、一般に、眼手術のために使用される水晶体
乳化器具において見出される超音波変換器を較正及び駆
動するための回路と方法に関し、そして詳細には、その
ような超音波変換器の共振周波数を決定しそしてそのよ
うな変換器を検査するために使用される較正方法と、そ
のような超音波変換器に電力を供給するための電子制御
システムに関する。
乳化器具において見出される超音波変換器を較正及び駆
動するための回路と方法に関し、そして詳細には、その
ような超音波変換器の共振周波数を決定しそしてそのよ
うな変換器を検査するために使用される較正方法と、そ
のような超音波変換器に電力を供給するための電子制御
システムに関する。
本発明を要約すれば、眼手術のために使用される水晶
体乳化消息子における超音波変換器の共振周波数を決定
しそしてそれを駆動するための電子制御システムであ
る。制御システムは、電圧制御発振器、電力増幅器、電
力モニター、及びマイクロプロセッサー・ベース制御コ
ンソールから受け取ったコマンド信号の命令下で動作す
る自動利得制御回路を含む。制御システムは一定皮相電
力の直接駆動モードにおいて動作し、閉ループ帰還が、
RLC変圧器の一次側における電力をコンソールからのコ
マンド信号によって要求された一定レベルに維持する。
駆動信号の周波数は、制御システムによって駆動される
超音波変換器の主共振周波数に保持される。この共振周
波数は、消息子が制御システムに最初に取り付けられる
時行われる較正手順を経て決定される。この手順中、一
定電圧駆動信号が周波数範囲に亘って掃引され、そして
変換器によって消費された電力が100ヘルツ増分の如く
選択された間隔において測定且つ記憶される。共振周波
数はまた、最大電力が消息子によって消費されるところ
の周波数を探索することにより、部分的に決定される。
記憶データはまた他の試験を受け、ピークが事実共振周
波数であるか、そして消息子がこの共振周波数の回りで
選択出力電力特性を有するかを検査し、こうして消息子
が制御システムによって駆動される時、充分に動作する
ことができることを保証するために使用される。
体乳化消息子における超音波変換器の共振周波数を決定
しそしてそれを駆動するための電子制御システムであ
る。制御システムは、電圧制御発振器、電力増幅器、電
力モニター、及びマイクロプロセッサー・ベース制御コ
ンソールから受け取ったコマンド信号の命令下で動作す
る自動利得制御回路を含む。制御システムは一定皮相電
力の直接駆動モードにおいて動作し、閉ループ帰還が、
RLC変圧器の一次側における電力をコンソールからのコ
マンド信号によって要求された一定レベルに維持する。
駆動信号の周波数は、制御システムによって駆動される
超音波変換器の主共振周波数に保持される。この共振周
波数は、消息子が制御システムに最初に取り付けられる
時行われる較正手順を経て決定される。この手順中、一
定電圧駆動信号が周波数範囲に亘って掃引され、そして
変換器によって消費された電力が100ヘルツ増分の如く
選択された間隔において測定且つ記憶される。共振周波
数はまた、最大電力が消息子によって消費されるところ
の周波数を探索することにより、部分的に決定される。
記憶データはまた他の試験を受け、ピークが事実共振周
波数であるか、そして消息子がこの共振周波数の回りで
選択出力電力特性を有するかを検査し、こうして消息子
が制御システムによって駆動される時、充分に動作する
ことができることを保証するために使用される。
関連技術の説明 水晶体乳化は、可聴範囲を超える周波数において動作
する振動する消息子を使用する、人又は動物の眼のレン
ズの超音波分解のプロセスに関連する。それは、白内障
を分解するための非常に公知の広く使用されている眼手
術手順である。白内障を破壊するために、消息子は超音
波周波数において振動おする中空針を含む。破壊された
残骸は針の中空部分により回収される。針は、時々水晶
体乳化ハンドピース、水晶体ハンドピース又は水晶体消
息子と呼ばれる器具に取り付けられる。そのようなハン
ドピース又は消息子のための多数の設計が公知であり、
最も一般的なものは、超音波周波数で針を振動させるた
めに圧電性変換器を使用する。
する振動する消息子を使用する、人又は動物の眼のレン
ズの超音波分解のプロセスに関連する。それは、白内障
を分解するための非常に公知の広く使用されている眼手
術手順である。白内障を破壊するために、消息子は超音
波周波数において振動おする中空針を含む。破壊された
残骸は針の中空部分により回収される。針は、時々水晶
体乳化ハンドピース、水晶体ハンドピース又は水晶体消
息子と呼ばれる器具に取り付けられる。そのようなハン
ドピース又は消息子のための多数の設計が公知であり、
最も一般的なものは、超音波周波数で針を振動させるた
めに圧電性変換器を使用する。
第1A図と第1B図は、先行技術の水晶体消息子の構造を
示す。消息子20は、反射器24と共振器26との間に位置す
る超音波変換器22を含む。変換器22は、非硬化＃01炭素
鋼から構成された電極30と、２つの圧電性結晶32及び34
とを含む。結晶32及び34は、リングに形成された改良鉛
ジルコネート・チタネート・セラミック材料から構成さ
れ、導電率のために銀被覆される。この形式の材料は、
North American Phillips Corporationの電子部品及び
材料部門により商品名PXEの下で販売されている。電極3
0に取り付けられた電気ラグ36は電源への連結を可能に
する。絶縁管40は変換器30のボア内に嵌合する。反射器
24は、それぞれ反射器と共振器におけるねじ付き領域44
と46に嵌合する中空ねじ付き管42によって、共振器26に
取り付けられている。
示す。消息子20は、反射器24と共振器26との間に位置す
る超音波変換器22を含む。変換器22は、非硬化＃01炭素
鋼から構成された電極30と、２つの圧電性結晶32及び34
とを含む。結晶32及び34は、リングに形成された改良鉛
ジルコネート・チタネート・セラミック材料から構成さ
れ、導電率のために銀被覆される。この形式の材料は、
North American Phillips Corporationの電子部品及び
材料部門により商品名PXEの下で販売されている。電極3
0に取り付けられた電気ラグ36は電源への連結を可能に
する。絶縁管40は変換器30のボア内に嵌合する。反射器
24は、それぞれ反射器と共振器におけるねじ付き領域44
と46に嵌合する中空ねじ付き管42によって、共振器26に
取り付けられている。
中空管42と共振器26の両方は、好ましくは、6AL−4V
チタンから構成される。反射器24は＃17タングステンか
ら構成される。絶縁スリーブ40はテフロンから作製され
る。第1B図に示された構成要素を第1A図に示された完成
アセンブリ20に組み立てるために、ねじ付き管42が、最
初に、端部52が共振器26の肩56に対して所定位置を占め
るまで、共振器26にねじ込められる。それから、反射器
24は、変換器が所望の量圧縮されるまで、管42にねじ込
められる。
チタンから構成される。反射器24は＃17タングステンか
ら構成される。絶縁スリーブ40はテフロンから作製され
る。第1B図に示された構成要素を第1A図に示された完成
アセンブリ20に組み立てるために、ねじ付き管42が、最
初に、端部52が共振器26の肩56に対して所定位置を占め
るまで、共振器26にねじ込められる。それから、反射器
24は、変換器が所望の量圧縮されるまで、管42にねじ込
められる。
第１図に示された水晶体消息子20は、次の如く使用さ
れる。Storz社から利用可能なモデルNo.IA−145の如
く、技術分野において公知な水晶体乳化針28は、共振器
26のねじ付き端部58にねじ込められる。使用の際、針28
は、第1A図において実線によって示された引き込み位置
まで圧縮しそて仮線60によって示された延ばされた位置
まで拡張することを交互に行うことにより、縦モードに
おいて振動する。大きさ62によって示された振動変位
は、変換器に適用された電気駆動信号の強度と周波数に
依存するが、約0.001〜約0.005インチの範囲にある。針
の振動は、名目上、共振器26を介して針28に結合された
圧電性結晶32及び34の発振周波数にて発生する。共振器
26の湾曲領域66は、結晶を針28とインピーダンス整合さ
せるために、ホーンとして作用する。共振器26は、全体
として、針28が負荷として作用する（結晶の周波数にお
ける）1/4波長伝送線として機能する。
れる。Storz社から利用可能なモデルNo.IA−145の如
く、技術分野において公知な水晶体乳化針28は、共振器
26のねじ付き端部58にねじ込められる。使用の際、針28
は、第1A図において実線によって示された引き込み位置
まで圧縮しそて仮線60によって示された延ばされた位置
まで拡張することを交互に行うことにより、縦モードに
おいて振動する。大きさ62によって示された振動変位
は、変換器に適用された電気駆動信号の強度と周波数に
依存するが、約0.001〜約0.005インチの範囲にある。針
の振動は、名目上、共振器26を介して針28に結合された
圧電性結晶32及び34の発振周波数にて発生する。共振器
26の湾曲領域66は、結晶を針28とインピーダンス整合さ
せるために、ホーンとして作用する。共振器26は、全体
として、針28が負荷として作用する（結晶の周波数にお
ける）1/4波長伝送線として機能する。
第１図における結晶32及び34は、電極30と反射器24に
適用された信号によって駆動される。結晶32及び34への
交流信号の適用により、結晶は、周期的に第1B図におい
て誇張された形式にて仮線70によって示された延ばされ
た位置まで拡大し、そして第1B図に示された実線位置ま
で収縮する。この周期的拡大と収縮により、機械的パル
スが信号周波数において共振器26に適用される。振動す
る針28は、白内障の近くに置かれるとき、白内障を破壊
させる。破壊された残骸は、線78によって示された従来
のプラスチック管によってコネクタ76に取り付けられた
真空源74により生成された真空の影響下で、消息子20の
導管72を通して回収される。
適用された信号によって駆動される。結晶32及び34への
交流信号の適用により、結晶は、周期的に第1B図におい
て誇張された形式にて仮線70によって示された延ばされ
た位置まで拡大し、そして第1B図に示された実線位置ま
で収縮する。この周期的拡大と収縮により、機械的パル
スが信号周波数において共振器26に適用される。振動す
る針28は、白内障の近くに置かれるとき、白内障を破壊
させる。破壊された残骸は、線78によって示された従来
のプラスチック管によってコネクタ76に取り付けられた
真空源74により生成された真空の影響下で、消息子20の
導管72を通して回収される。
本技術分野において公知な如く、多様な材料の圧電性
結晶を構成することが可能であり、各々は特性共振周波
数を有する。第１図に示された形式のStorz社水晶体乳
化消息子で使用される結晶変換器22は、第１図に示され
たStorz社水晶体消息子で通常使用される変換器に対し
ては、26.0〜32.0KHzの範囲の駆動信号周波数が電極30
と反射器24に適用されることを必要とする。本出願は、
こうして、26〜32KHzの共振周波数範囲に関連するが、
本技術分野における当業者は、種々の周波数において動
作する医療器具消息子のための超音波変換器への本開示
の適用可能性を認識するであろう。
結晶を構成することが可能であり、各々は特性共振周波
数を有する。第１図に示された形式のStorz社水晶体乳
化消息子で使用される結晶変換器22は、第１図に示され
たStorz社水晶体消息子で通常使用される変換器に対し
ては、26.0〜32.0KHzの範囲の駆動信号周波数が電極30
と反射器24に適用されることを必要とする。本出願は、
こうして、26〜32KHzの共振周波数範囲に関連するが、
本技術分野における当業者は、種々の周波数において動
作する医療器具消息子のための超音波変換器への本開示
の適用可能性を認識するであろう。
そのような駆動信号を結晶32及び34に適用するための
１つのシステムは、商品名“DAISY"の下で販売されてい
るStorz社からの眼手術コンソール・システムで商業的
に使用されている。
１つのシステムは、商品名“DAISY"の下で販売されてい
るStorz社からの眼手術コンソール・システムで商業的
に使用されている。
第２図は、DAISYコンソールに使用される駆動回路80
のブロック図を示す。公知な如く、圧電性変換器22は、
負荷下で変換器の共振周波数の近くで動作するとき、コ
ンデンサと並列なRLC直列共振網としてモデル化され
る。（変換器のこのモデルは第２図に示されない。）閉
ループ・システムのために、駆動回路80は、本質的に、
発振のためのBarkhausen基準を満たす発振器であり、即
ちゼロ位相シフトと単一ループを利得を有する。発振器
の設計周波数は、28.5KHzの周りに公称共振周波数を有
する変換器に対して28.5KHzプラス又はマイナス0.5KHz
にて設定される。閉ループの帰還部分84は、注入発振器
88、帯域能動フィルター90、低域能動フィルター92、及
び可変利得増幅器94を含む。注入発振器88は、変換器共
振周波数の近くの周波数において初期電圧信号を、注入
制御回路96に与える。初期信号は、一旦駆動回路80が変
換器発振を維持するために十分な強度の信号を与えたな
らば、回路96によって帰還部分84のループから解放され
る。帯域及び低域フィルター90及び92は、変換器位相特
性が標準動作範囲内で変化する間、変換器帰還信号の強
度を維持するために適切な周波数選択性と位相シフト特
性を与える。変換器22からの線98上の帰還信号は、付加
的な周波数選択性と位相シフト安定性を与える補償網10
0に導出される。可変利得増幅器94は、フィルター回路9
0及び92の初期較正中、ループ利得を確立するために使
用され、そしてその後、較正が完了した後一定にとどま
る。
のブロック図を示す。公知な如く、圧電性変換器22は、
負荷下で変換器の共振周波数の近くで動作するとき、コ
ンデンサと並列なRLC直列共振網としてモデル化され
る。（変換器のこのモデルは第２図に示されない。）閉
ループ・システムのために、駆動回路80は、本質的に、
発振のためのBarkhausen基準を満たす発振器であり、即
ちゼロ位相シフトと単一ループを利得を有する。発振器
の設計周波数は、28.5KHzの周りに公称共振周波数を有
する変換器に対して28.5KHzプラス又はマイナス0.5KHz
にて設定される。閉ループの帰還部分84は、注入発振器
88、帯域能動フィルター90、低域能動フィルター92、及
び可変利得増幅器94を含む。注入発振器88は、変換器共
振周波数の近くの周波数において初期電圧信号を、注入
制御回路96に与える。初期信号は、一旦駆動回路80が変
換器発振を維持するために十分な強度の信号を与えたな
らば、回路96によって帰還部分84のループから解放され
る。帯域及び低域フィルター90及び92は、変換器位相特
性が標準動作範囲内で変化する間、変換器帰還信号の強
度を維持するために適切な周波数選択性と位相シフト特
性を与える。変換器22からの線98上の帰還信号は、付加
的な周波数選択性と位相シフト安定性を与える補償網10
0に導出される。可変利得増幅器94は、フィルター回路9
0及び92の初期較正中、ループ利得を確立するために使
用され、そしてその後、較正が完了した後一定にとどま
る。
電力増幅器と変換器セクション104は、約10mA RMSの
最大電流と共に約380ボルトRMSの最大駆動電圧を与え
る。利得制御網106は、線110における駆動電圧を、使用
する眼科医が望む電力レベルにより制御コンソールから
導出されたコマンド信号によって与えられた線112にお
けるコマンド電圧基準レベルと水晶体消息子20を比較
し、そしてセクション104の電力増幅器の利得を調整す
ることにより差を補償することによって、安定した電圧
信号出力を与える。
最大電流と共に約380ボルトRMSの最大駆動電圧を与え
る。利得制御網106は、線110における駆動電圧を、使用
する眼科医が望む電力レベルにより制御コンソールから
導出されたコマンド信号によって与えられた線112にお
けるコマンド電圧基準レベルと水晶体消息子20を比較
し、そしてセクション104の電力増幅器の利得を調整す
ることにより差を補償することによって、安定した電圧
信号出力を与える。
動作において、駆動回路80の閉ループ部分84は、変換
器及び／又は水晶体消息子の共振周波数における変化を
補償することを試行する。この変化する共振は、超音波
変換器22及び／又は消息子20に著しく影響を及ぼす多様
な局所的因子による。消息子20が使用される間変化し得
る可能性のある因子は、（１）変化する熱又は機械的条
件のための変換器22の圧縮度、（２）消息子20の導管72
により真空によって吸引された流体及び／又は残骸の密
度又は他の特性における変動、（３）針28の先端に対し
て保持するために加えられた機械的圧力、（４）共振器
26と針28の間の結合の質、及び（５）時間に亘って発生
する小さな空気ギャップ又は機械的変形により、結晶32
及び34と共振器26の間の超音波エネルギーの伝達効率に
おける変化、を含む。第２図の駆動回路80の１つの利点
は、閉ループ・セクション84が、消息子20に適用された
入力信号の周波数を、使用中に変換器22と消息子20の組
み合わせの変化する共振周波数に一致させることを連続
的に試行することである。共振器26自身のＱは1,000〜
2,000程度で非常に鋭く、そしてその帯域幅は15〜30Hz
の程度で非常に狭いが、消息子／変換器の組み合わせの
全体のＱは40〜100程度でずっと小さく、300〜750Hz程
度のずっと広い帯域幅を生ずる。こうして、閉ループ・
システムでさえも、セクション104への入力信号の周波
数と、変換器／消息子の組み合わせの実際の瞬時の共振
周波数との間に所望の整合を一貫して達成することは、
実条件下で困難であることが立証された。
器及び／又は水晶体消息子の共振周波数における変化を
補償することを試行する。この変化する共振は、超音波
変換器22及び／又は消息子20に著しく影響を及ぼす多様
な局所的因子による。消息子20が使用される間変化し得
る可能性のある因子は、（１）変化する熱又は機械的条
件のための変換器22の圧縮度、（２）消息子20の導管72
により真空によって吸引された流体及び／又は残骸の密
度又は他の特性における変動、（３）針28の先端に対し
て保持するために加えられた機械的圧力、（４）共振器
26と針28の間の結合の質、及び（５）時間に亘って発生
する小さな空気ギャップ又は機械的変形により、結晶32
及び34と共振器26の間の超音波エネルギーの伝達効率に
おける変化、を含む。第２図の駆動回路80の１つの利点
は、閉ループ・セクション84が、消息子20に適用された
入力信号の周波数を、使用中に変換器22と消息子20の組
み合わせの変化する共振周波数に一致させることを連続
的に試行することである。共振器26自身のＱは1,000〜
2,000程度で非常に鋭く、そしてその帯域幅は15〜30Hz
の程度で非常に狭いが、消息子／変換器の組み合わせの
全体のＱは40〜100程度でずっと小さく、300〜750Hz程
度のずっと広い帯域幅を生ずる。こうして、閉ループ・
システムでさえも、セクション104への入力信号の周波
数と、変換器／消息子の組み合わせの実際の瞬時の共振
周波数との間に所望の整合を一貫して達成することは、
実条件下で困難であることが立証された。
非常に公知な如く、公称共振周波数において超音波変
換器に駆動信号を与えることは動作効率において有益で
ある。また、入力信号の周波数と変換器／消息子の組み
合わせの固有共振周波数との間に僅かな不一致があると
き、針のストローク長さは、コンソールから線112に供
給されたコマンド電圧が一定であるときでも変化するこ
とが認められた。時々、周波数のこの不一致は、眼内の
白内障を破壊するという機能を果すために振動する針28
の能力に顕著な変化を生じさせる。性能のこの変化に気
付いた操作中の眼科医は、必要に応じてコマンド信号の
強度を増大又は減少させることにより、そのような変動
を補償する傾向がある。しかし、変換器／消息子の組み
合わせの共振周波数が前述の５つの因子の１つ又は複数
のために変化する時さえも、ストローク長さを実質的に
一定に維持することができる水晶体消息子駆動回路を有
することが、極めて都合が良く、その結果、眼科医はそ
のような変化を手動で補償する必要がなくなる。
換器に駆動信号を与えることは動作効率において有益で
ある。また、入力信号の周波数と変換器／消息子の組み
合わせの固有共振周波数との間に僅かな不一致があると
き、針のストローク長さは、コンソールから線112に供
給されたコマンド電圧が一定であるときでも変化するこ
とが認められた。時々、周波数のこの不一致は、眼内の
白内障を破壊するという機能を果すために振動する針28
の能力に顕著な変化を生じさせる。性能のこの変化に気
付いた操作中の眼科医は、必要に応じてコマンド信号の
強度を増大又は減少させることにより、そのような変動
を補償する傾向がある。しかし、変換器／消息子の組み
合わせの共振周波数が前述の５つの因子の１つ又は複数
のために変化する時さえも、ストローク長さを実質的に
一定に維持することができる水晶体消息子駆動回路を有
することが、極めて都合が良く、その結果、眼科医はそ
のような変化を手動で補償する必要がなくなる。
前述の観察により、超音波変換器の共振周波数を自動
的に決定するためのシステムと方法を提供することが、
本発明の第１の目的である。本発明の関連した目的は、
超音波器具が適切な動作条件にあるか否かを自動的に検
査する方法を提供することにある。
的に決定するためのシステムと方法を提供することが、
本発明の第１の目的である。本発明の関連した目的は、
超音波器具が適切な動作条件にあるか否かを自動的に検
査する方法を提供することにある。
本発明の第２の重要な目的は、使用者からの一定入力
コマンドに対して、針のストローク長さを一定に自動的
に維持する超音波変換器／水晶体消息子の組み合わせの
ための駆動システムを提供することである。本発明の別
の関連した目的は、閉ループ帰還制御の使用により、所
望レベルの電力消費に対して、変換器によって消費され
る電力を実質的に一定に保持することにより、眼手術器
具の超音波変換器を駆動する方法を提供することであ
る。
コマンドに対して、針のストローク長さを一定に自動的
に維持する超音波変換器／水晶体消息子の組み合わせの
ための駆動システムを提供することである。本発明の別
の関連した目的は、閉ループ帰還制御の使用により、所
望レベルの電力消費に対して、変換器によって消費され
る電力を実質的に一定に保持することにより、眼手術器
具の超音波変換器を駆動する方法を提供することであ
る。
発明の要約 前述の目的に照らして、本発明の第１の見地により、
超音波変換器によって電力を供給される外科器具の共振
周波数を自動的に決定する方法が提供される。この方法
は、 （ａ）所与の周波数範囲内の多数の周波数の内の任意の
所望の１つの周波数において超音波変換器を駆動するた
めに、実質的に一定電圧レベルの間交流電気駆動信号を
与え、 （ｂ）周波数範囲内の種々の周波数において消息子によ
って消費される電力を監視し、 （ｃ）監視された周波数の中のどの周波数が消息子によ
って消費された駆動信号からの最大電力を有するかを決
定することにより、周波数範囲内の見掛け共振周波数を
選択し、 （ｄ）見掛け共振周波数よりも小さな第１の周波数及び
見掛け共振周波数よりも大きな第２の周波数において消
息子によって消費された電力の量と、見掛け共振周波数
において消費された電力の量とを比較し、 （ｅ）段階（ｄ）で行われた比較の結果に少なくとも部
分的に基づいて、見掛け共振周波数が消息子の主共振周
波数であるかを決定する、 各段階から成る。
超音波変換器によって電力を供給される外科器具の共振
周波数を自動的に決定する方法が提供される。この方法
は、 （ａ）所与の周波数範囲内の多数の周波数の内の任意の
所望の１つの周波数において超音波変換器を駆動するた
めに、実質的に一定電圧レベルの間交流電気駆動信号を
与え、 （ｂ）周波数範囲内の種々の周波数において消息子によ
って消費される電力を監視し、 （ｃ）監視された周波数の中のどの周波数が消息子によ
って消費された駆動信号からの最大電力を有するかを決
定することにより、周波数範囲内の見掛け共振周波数を
選択し、 （ｄ）見掛け共振周波数よりも小さな第１の周波数及び
見掛け共振周波数よりも大きな第２の周波数において消
息子によって消費された電力の量と、見掛け共振周波数
において消費された電力の量とを比較し、 （ｅ）段階（ｄ）で行われた比較の結果に少なくとも部
分的に基づいて、見掛け共振周波数が消息子の主共振周
波数であるかを決定する、 各段階から成る。
本発明の第２の見地により、外科器具における超音波
変換器が適切な動作条件にあるか否かを検査する方法が
提供される。この方法は、 （ａ）所与の周波数範囲内の多数の周波数の内の任意の
所望の１つ周波数で変換器を駆動するために、交流電気
駆動信号を変換器に与え、 （ｂ）駆動信号が周波数範囲に亙る複数の種々の周波数
において動作するように、駆動信号の周波数を変化さ
せ、 （ｃ）周波数範囲内の種々の周波数において消息子によ
って消費された電力を監視し、 （ｄ）駆動信号からの最大電力が消息子によって消費さ
れる少なくとも１つの周波数を突き止めることにより、
周波数範囲内の見掛け共振周波数を検出し、 （ｅ）見掛け共振周波数よりも高く且つ周波数範囲内の
第１の周波数帯域に対して、消息子によって消費された
電力量が周波数の増大と共に単調に減少するかを決定
し、 （ｆ）見掛け共振周波数よりも低く旦つ周波数範囲内の
第２の周波数帯域に対して、消息子によって消費された
電力量が周波数の減少と共に単調に減少するかを決定
し、 （ｇ）消息子によって消費された電力が見掛け共振周波
数から第１及び第２の周波数帯域内で単調に減少するこ
とを示すことを段階（ｅ）及び（ｆ）が各々少なくとも
部分的に必要とすることにより、消息子が適切な動作条
件にあるかを決定する、各段階から成り、 段階（ｃ）〜（ｇ）が電子制御手段によって少なくと
も実質的に自動的に行われる。
変換器が適切な動作条件にあるか否かを検査する方法が
提供される。この方法は、 （ａ）所与の周波数範囲内の多数の周波数の内の任意の
所望の１つ周波数で変換器を駆動するために、交流電気
駆動信号を変換器に与え、 （ｂ）駆動信号が周波数範囲に亙る複数の種々の周波数
において動作するように、駆動信号の周波数を変化さ
せ、 （ｃ）周波数範囲内の種々の周波数において消息子によ
って消費された電力を監視し、 （ｄ）駆動信号からの最大電力が消息子によって消費さ
れる少なくとも１つの周波数を突き止めることにより、
周波数範囲内の見掛け共振周波数を検出し、 （ｅ）見掛け共振周波数よりも高く且つ周波数範囲内の
第１の周波数帯域に対して、消息子によって消費された
電力量が周波数の増大と共に単調に減少するかを決定
し、 （ｆ）見掛け共振周波数よりも低く旦つ周波数範囲内の
第２の周波数帯域に対して、消息子によって消費された
電力量が周波数の減少と共に単調に減少するかを決定
し、 （ｇ）消息子によって消費された電力が見掛け共振周波
数から第１及び第２の周波数帯域内で単調に減少するこ
とを示すことを段階（ｅ）及び（ｆ）が各々少なくとも
部分的に必要とすることにより、消息子が適切な動作条
件にあるかを決定する、各段階から成り、 段階（ｃ）〜（ｇ）が電子制御手段によって少なくと
も実質的に自動的に行われる。
本発明の第３の見地により、閉ループ帰還制御の使用
により、変換器によって消費される電力を所望レベルの
電力消費に実質的に一定に保持することにより、眼手術
器具の超音波変換器を駆動するための方法が提供され
る。この方法は、 （ａ）所望の超音波変換器において振動する電気信号を
生成させ、 （ｂ）振動する電気信号を増幅し、 （ｃ）増幅された電気信号を超音波変換器に適用し、 （ｄ）増幅された電気信号のどれだけの電力が超音波変
換器によって消費されたかを監視し、 （ｅ）増幅された電気信号のどれだけの電力が所望のレ
ベルの電力消費に対して消費されたかを比較し、 （ｆ）消費された電力を所望の電力レベルに実質的に等
しく維持するために、増幅された信号の電力レベルを自
動的に調整する、 各段階から成る。
により、変換器によって消費される電力を所望レベルの
電力消費に実質的に一定に保持することにより、眼手術
器具の超音波変換器を駆動するための方法が提供され
る。この方法は、 （ａ）所望の超音波変換器において振動する電気信号を
生成させ、 （ｂ）振動する電気信号を増幅し、 （ｃ）増幅された電気信号を超音波変換器に適用し、 （ｄ）増幅された電気信号のどれだけの電力が超音波変
換器によって消費されたかを監視し、 （ｅ）増幅された電気信号のどれだけの電力が所望のレ
ベルの電力消費に対して消費されたかを比較し、 （ｆ）消費された電力を所望の電力レベルに実質的に等
しく維持するために、増幅された信号の電力レベルを自
動的に調整する、 各段階から成る。
本発明の第４の見地により、超音波変換器を含む眼手
術器具の共振周波数を決定し、そしてその後、主共振周
波数において変換器を駆動する電子制御システムが提供
される。この制御システムは、 （ａ）超音波変換器に電力を供給するために、可変周波
数の交流（“AC"）電気信号を生成する手段と、 （ｂ）所与の周波数範囲内の任意の対象周波数におい
て、AC電気信号から変換器によって消費された電力を監
視する手段と、 （ｃ）検査条件下の主共振周波数が周波数範囲内のどの
周波数であるかを決定する手段と、 （ｄ）決定された主共振周波数において、及び所望の電
力コマンド信号によって指定された所望レベルの電力に
おいて、AC電気信号を生成するために、手段（ａ）に自
動的に指令する手段と、 （ｅ）所望レベルの電力が一定にとどまるとき、消息子
が受ける変化する条件とは実質的に独立して、実質的に
一定レベルの電力が超音波変換器によって消費されるよ
うに、手段（ａ）によって生成されたAC電気信号の電力
を調整するために、監視手段に応答する自動閉ループ帰
還制御手段、とを具備する。
術器具の共振周波数を決定し、そしてその後、主共振周
波数において変換器を駆動する電子制御システムが提供
される。この制御システムは、 （ａ）超音波変換器に電力を供給するために、可変周波
数の交流（“AC"）電気信号を生成する手段と、 （ｂ）所与の周波数範囲内の任意の対象周波数におい
て、AC電気信号から変換器によって消費された電力を監
視する手段と、 （ｃ）検査条件下の主共振周波数が周波数範囲内のどの
周波数であるかを決定する手段と、 （ｄ）決定された主共振周波数において、及び所望の電
力コマンド信号によって指定された所望レベルの電力に
おいて、AC電気信号を生成するために、手段（ａ）に自
動的に指令する手段と、 （ｅ）所望レベルの電力が一定にとどまるとき、消息子
が受ける変化する条件とは実質的に独立して、実質的に
一定レベルの電力が超音波変換器によって消費されるよ
うに、手段（ａ）によって生成されたAC電気信号の電力
を調整するために、監視手段に応答する自動閉ループ帰
還制御手段、とを具備する。
本発明の第５の見地により、上記の本発明の第１の見
地の概説に沿って、超音波変換器の共振周波数を自動的
に決定する装置が提供される。
地の概説に沿って、超音波変換器の共振周波数を自動的
に決定する装置が提供される。
本発明の第６の見地により、眼手術器具に与えられる
入力電力を調整することにより、眼手術器具の超音波変
換器を駆動する装置が提供される。この装置は、 （ａ）所望の電力レベルに比例する第１の特性を有する
第１の低電力電気信号を生成する手段と、 （ｂ）選択された超音波変換器において振動する高電力
電気信号を生成するために、少なくとも１つの帰還誤差
信号の制御の下、調整可能な第１の低電力電気信号を増
幅する手段と、 （ｃ）所望の電力レベルが一定にとどまるとき、実質的
に一定レベルの電力が消費されるように、増幅手段の増
幅レベルを調整するために、少なくとも１つの帰還誤差
信号を生成するための自動閉ループ帰還制御手段、 とを具備する。
入力電力を調整することにより、眼手術器具の超音波変
換器を駆動する装置が提供される。この装置は、 （ａ）所望の電力レベルに比例する第１の特性を有する
第１の低電力電気信号を生成する手段と、 （ｂ）選択された超音波変換器において振動する高電力
電気信号を生成するために、少なくとも１つの帰還誤差
信号の制御の下、調整可能な第１の低電力電気信号を増
幅する手段と、 （ｃ）所望の電力レベルが一定にとどまるとき、実質的
に一定レベルの電力が消費されるように、増幅手段の増
幅レベルを調整するために、少なくとも１つの帰還誤差
信号を生成するための自動閉ループ帰還制御手段、 とを具備する。
本発明の概念的基礎は、基本振動モードにおいて動作
する音響共振変換器の電力消費が、変換器の振動振幅に
直接に相関するという考えである。実際的な観点から、
所与の個体数の音響変換器は、種々の共振周波数及びイ
ンピーダンスを有する。このめ、本発明の方法と制御シ
ステムの１つの目標は、振動振幅によって測定された変
換器装置の性能を均一レベルにすることである。例えば
第１図に示された形式の音響共振器は、中空の水晶体針
を機械的に駆動するように使用されるために、針先端の
偏位、すなわち周期的なストロークの長さは、全水晶体
消息子の性能を測定するために使用され得る。
する音響共振変換器の電力消費が、変換器の振動振幅に
直接に相関するという考えである。実際的な観点から、
所与の個体数の音響変換器は、種々の共振周波数及びイ
ンピーダンスを有する。このめ、本発明の方法と制御シ
ステムの１つの目標は、振動振幅によって測定された変
換器装置の性能を均一レベルにすることである。例えば
第１図に示された形式の音響共振器は、中空の水晶体針
を機械的に駆動するように使用されるために、針先端の
偏位、すなわち周期的なストロークの長さは、全水晶体
消息子の性能を測定するために使用され得る。
従来の水晶体乳化消息子駆動システムは、多様な一定
電圧又は一定電流回路機構を使用している。例えば、上
記の第２図の水晶体駆動回路は一定電圧発振器構造を使
用し、この場合駆動信号の利用可能性は、消息子のイン
ピーダンス特性と、増幅器出力回路及び帰還網の双方と
消息子の電気相互作用との間の適合性に直接に依存す
る。従って、駆動される消息子の特性を、増幅器出力回
路と帰還網の特性に極めて密接に一致させることが必要
である。
電圧又は一定電流回路機構を使用している。例えば、上
記の第２図の水晶体駆動回路は一定電圧発振器構造を使
用し、この場合駆動信号の利用可能性は、消息子のイン
ピーダンス特性と、増幅器出力回路及び帰還網の双方と
消息子の電気相互作用との間の適合性に直接に依存す
る。従って、駆動される消息子の特性を、増幅器出力回
路と帰還網の特性に極めて密接に一致させることが必要
である。
対照的に、本発明の水晶体駆動システムは、一定電
力、直接駆動モードで動作する。常に駆動信号が利用可
能である。更に、この駆動信号の周波数は、較正ルーチ
ンを成功的に完了させる結果に基づいて固定される。こ
のルーチン又は方法は、水晶体消息子の基本共振周波数
を見出し、そして消息子電力スペクトル特性と本発明の
駆動回路の間の適合性を保証するように設計されてい
る。
力、直接駆動モードで動作する。常に駆動信号が利用可
能である。更に、この駆動信号の周波数は、較正ルーチ
ンを成功的に完了させる結果に基づいて固定される。こ
のルーチン又は方法は、水晶体消息子の基本共振周波数
を見出し、そして消息子電力スペクトル特性と本発明の
駆動回路の間の適合性を保証するように設計されてい
る。
本発明の方法及び駆動システムのこれら並びに他の目
的、利点及び見地は、詳細な説明、添付の図面及び付随
する特許請求の範囲を参照することにより、更に理解さ
れるであろう。
的、利点及び見地は、詳細な説明、添付の図面及び付随
する特許請求の範囲を参照することにより、更に理解さ
れるであろう。
図面は、好ましい実施態様の説明の一体的な部分を形
成し、且つ関連して理解されるべきである。同様な参照
番号は、種々の図面において同一又は類似の構成要素又
は機構を指定する。
成し、且つ関連して理解されるべきである。同様な参照
番号は、種々の図面において同一又は類似の構成要素又
は機構を指定する。
好ましい実施態様の詳細な説明 第３図は、水晶体ハンドピースの主共振周波数を決定
し、そしてそれを駆動するための電子制御システム120
の簡略化されたブロック図を示す。制御システム120
は、 プロセッサー124を有するマイクロコンピュータ122
と、 揮発性（RAM）メモリ125と、 不揮発性（ROM）メモリ126と、 入力ポート130、出力ポート132及びマイクロコンピュ
ータ122の他の部分と従来の方式で通信する制御／アド
レス／データ・バス128と、 電圧制御発振器（“VCO"）セクション134と、 電力増幅器サクション136と、 電力監視セクション138と、 自動利得制御（“AGC"）セクション140とを含む。制
御システム120はまた、電力増幅器136から水晶体ハンド
ピース20に送出された電力駆動信号の電圧を逓増するた
めの変換器セクション142を含む。マイクロコンピュー
タ122は、信号パス148において第１の所望電力コマンド
信号（CP1）と、VCOセクション134へのパス150における
周波数コマンド信号（CF）とを与え、そして信号パス15
2において実周波数信号（FA）を随意的に受信する。
し、そしてそれを駆動するための電子制御システム120
の簡略化されたブロック図を示す。制御システム120
は、 プロセッサー124を有するマイクロコンピュータ122
と、 揮発性（RAM）メモリ125と、 不揮発性（ROM）メモリ126と、 入力ポート130、出力ポート132及びマイクロコンピュ
ータ122の他の部分と従来の方式で通信する制御／アド
レス／データ・バス128と、 電圧制御発振器（“VCO"）セクション134と、 電力増幅器サクション136と、 電力監視セクション138と、 自動利得制御（“AGC"）セクション140とを含む。制
御システム120はまた、電力増幅器136から水晶体ハンド
ピース20に送出された電力駆動信号の電圧を逓増するた
めの変換器セクション142を含む。マイクロコンピュー
タ122は、信号パス148において第１の所望電力コマンド
信号（CP1）と、VCOセクション134へのパス150における
周波数コマンド信号（CF）とを与え、そして信号パス15
2において実周波数信号（FA）を随意的に受信する。
VCOセクション134は、その振幅が信号CP1によって指
定された所望の電力レベルに比例する所望の周波数にお
いて、増幅されていない正弦波信号（VU）を信号パス15
4に与える。この信号は、電力増幅器セクション136によ
って増幅され、そして線156において増幅された正弦波
電力信号（VA）を生成し、変換器セクション142及び電
力監視セクション138に供給される。電力増幅セクショ
ン136はまた、AGCセクション140から線160上の誤差補正
信号（EC）を受信する。AGCセクション140は、マイクロ
コンピュータ122から、パス162上の第２の所望電力レベ
ル・コマンド信号（CP2）とパス163上の制御信号を受信
し、そして電力監視セクション138から線168上の監視電
力レベル信号（MP）を受信する。電力監視セクション
は、それぞれ、信号パス170及び172を介して線156上に
供給された増幅電力信号の電圧及び電流を監視する。監
視された電力レベル信号はまた、アナログ対デジタル・
コンバータ（“ADC"）175を経て、信号パス174によりマ
イクロコンピュータ122に与えられる。
定された所望の電力レベルに比例する所望の周波数にお
いて、増幅されていない正弦波信号（VU）を信号パス15
4に与える。この信号は、電力増幅器セクション136によ
って増幅され、そして線156において増幅された正弦波
電力信号（VA）を生成し、変換器セクション142及び電
力監視セクション138に供給される。電力増幅セクショ
ン136はまた、AGCセクション140から線160上の誤差補正
信号（EC）を受信する。AGCセクション140は、マイクロ
コンピュータ122から、パス162上の第２の所望電力レベ
ル・コマンド信号（CP2）とパス163上の制御信号を受信
し、そして電力監視セクション138から線168上の監視電
力レベル信号（MP）を受信する。電力監視セクション
は、それぞれ、信号パス170及び172を介して線156上に
供給された増幅電力信号の電圧及び電流を監視する。監
視された電力レベル信号はまた、アナログ対デジタル・
コンバータ（“ADC"）175を経て、信号パス174によりマ
イクロコンピュータ122に与えられる。
制御システム120の前述の装置のすべては、所望なら
ば、破線176によって示された１つの制御コンソールに
位置する。制御コンソール176はまた、所望ならば、CRT
又は他の情報表示パネル182、キーパッド184及び／又は
ブロック186によって表現された他の操作者作動スイッ
チを含むことができる。本発明を実施するために、本技
術分野における当業者によって認識されるように、結線
電子制御システムが本発明の利点を実現するために使用
されるために、マイクロコンピュータを使用することは
本質的ではない。
ば、破線176によって示された１つの制御コンソールに
位置する。制御コンソール176はまた、所望ならば、CRT
又は他の情報表示パネル182、キーパッド184及び／又は
ブロック186によって表現された他の操作者作動スイッ
チを含むことができる。本発明を実施するために、本技
術分野における当業者によって認識されるように、結線
電子制御システムが本発明の利点を実現するために使用
されるために、マイクロコンピュータを使用することは
本質的ではない。
灌注と吸引の制御と同様に、水晶体消息子22のための
所望レベルの電力の選択は、通常、信号パス192を経て
適切な制御信号によってマイクロコンピュータ122に連
結された足踏スイッチ・アセンブリ190により達成され
る。足踏スイッチ・アセンブリ190のバネ偏向足踏ペダ
ル194を踏むことにより、眼科医は、所望のレベルの水
晶体電力をマイクロコンピュータ122に指示する。しか
し、所望ならば、眼科医はまた、制御ブロック186にお
ける電位差計196の使用により、あるいはキーパット184
において所望値を選択することにより、所望レベルの電
力を選択することができる。いづれの場合にも、選択レ
ベルの水晶体電力を情報ディスプレイ182に表示するこ
とができる。また、所望ならば、足踏ペダル194を１つ
の位置において安定して保持することにより、あるいは
キーパッド184又は電位差計196により設定値を選択する
ことにより、一定レベルの電力を眼科医が使用すること
ができる。水晶体ハンドピースの使用にかかわる眼手術
手順において所望の電力レベルを選択するためのこれら
の技術はすべて非常に公知である。
所望レベルの電力の選択は、通常、信号パス192を経て
適切な制御信号によってマイクロコンピュータ122に連
結された足踏スイッチ・アセンブリ190により達成され
る。足踏スイッチ・アセンブリ190のバネ偏向足踏ペダ
ル194を踏むことにより、眼科医は、所望のレベルの水
晶体電力をマイクロコンピュータ122に指示する。しか
し、所望ならば、眼科医はまた、制御ブロック186にお
ける電位差計196の使用により、あるいはキーパット184
において所望値を選択することにより、所望レベルの電
力を選択することができる。いづれの場合にも、選択レ
ベルの水晶体電力を情報ディスプレイ182に表示するこ
とができる。また、所望ならば、足踏ペダル194を１つ
の位置において安定して保持することにより、あるいは
キーパッド184又は電位差計196により設定値を選択する
ことにより、一定レベルの電力を眼科医が使用すること
ができる。水晶体ハンドピースの使用にかかわる眼手術
手順において所望の電力レベルを選択するためのこれら
の技術はすべて非常に公知である。
第３図の制御システム120のブロック図は、２つの異
なる制御ループを示す。外側のループはマイクロコンピ
ュータ122で開始及び終了し、そしてセクション136、13
8及び142を含む。このループは、水晶体較正手順中のみ
アクティブであり、後に詳細に記載するが、以下次の如
く簡単に述べる。
なる制御ループを示す。外側のループはマイクロコンピ
ュータ122で開始及び終了し、そしてセクション136、13
8及び142を含む。このループは、水晶体較正手順中のみ
アクティブであり、後に詳細に記載するが、以下次の如
く簡単に述べる。
プロセッサー124は、種々の周波数コマンドを表す一
連の信号VCOセクション134に送信し、この場合コマンド
は、各々、所望の周波数を表す電圧レベルに変換され
る。正弦波信号VUは、線154においてVCOセクション134
によって出力され、そして増幅器セクション136によっ
て増幅され、線156を経て変換器セクション142に提出さ
れ、変換器セクション142はそれを水晶体ハンドピース2
0に適用する。電力増幅器セクション136に適用された線
160上の誤差補正コマンド信号は、プロセッサー124によ
るAGCセクション140へのパス163上の制御信号のため
に、一定値である。電力モニター138は、線170により変
換器／消息子に適用される電圧をサンプリングし、そし
てまた、線172を経て変換器セクション142から戻る電流
をサンプリングする。これらのサンプリングから、電力
監視セクション138において電力が計算され、そして監
視された電力レベルに対応する振幅を有するアナログ電
圧信号（MP）が生成されそして線168においてセクショ
ン138によって出力される。
連の信号VCOセクション134に送信し、この場合コマンド
は、各々、所望の周波数を表す電圧レベルに変換され
る。正弦波信号VUは、線154においてVCOセクション134
によって出力され、そして増幅器セクション136によっ
て増幅され、線156を経て変換器セクション142に提出さ
れ、変換器セクション142はそれを水晶体ハンドピース2
0に適用する。電力増幅器セクション136に適用された線
160上の誤差補正コマンド信号は、プロセッサー124によ
るAGCセクション140へのパス163上の制御信号のため
に、一定値である。電力モニター138は、線170により変
換器／消息子に適用される電圧をサンプリングし、そし
てまた、線172を経て変換器セクション142から戻る電流
をサンプリングする。これらのサンプリングから、電力
監視セクション138において電力が計算され、そして監
視された電力レベルに対応する振幅を有するアナログ電
圧信号（MP）が生成されそして線168においてセクショ
ン138によって出力される。
アナログ電圧MPの値はまた、12ビット・デジタル・デ
ータに変換され、そして“負荷電力”値、即ち消息子20
によって消費された電力として、プロセッサー122に送
信するADC175を介して、マイクロコンピュータ122に送
出される。プロセッサー124は、メモリ125におけるテー
ブルを、信号周波数及び負荷電力の情報から成る順序付
きの対で満たす。幾つかの検査が、後述するように、こ
のデータにおいて行われ、理想的な超音波変換器／消息
子の組み合わせのための標準曲線に対して取得データを
表す曲線の最小の追従を保証する。標準曲線からの幾ら
かの変動は、回路の切断又は短絡、針の欠落又は緩み、
過度に減衰した変換器のような、水晶体ハンドピース20
に存在する特定形式の故障条件を示す。これらの検査は
また、誤った形式の変換器が変換器セクション142に連
結されるならば、失敗するであろう。
ータに変換され、そして“負荷電力”値、即ち消息子20
によって消費された電力として、プロセッサー122に送
信するADC175を介して、マイクロコンピュータ122に送
出される。プロセッサー124は、メモリ125におけるテー
ブルを、信号周波数及び負荷電力の情報から成る順序付
きの対で満たす。幾つかの検査が、後述するように、こ
のデータにおいて行われ、理想的な超音波変換器／消息
子の組み合わせのための標準曲線に対して取得データを
表す曲線の最小の追従を保証する。標準曲線からの幾ら
かの変動は、回路の切断又は短絡、針の欠落又は緩み、
過度に減衰した変換器のような、水晶体ハンドピース20
に存在する特定形式の故障条件を示す。これらの検査は
また、誤った形式の変換器が変換器セクション142に連
結されるならば、失敗するであろう。
初期較正手順が成功するならば、プロセッサー124は
負荷電力が最大である周波数を記憶する。その単一周波
数は、次の水晶体較正シーケンスが行われるような時間
まで、水晶体ハンドピース20を駆動するとき使用され
る。較正の後、上記の外側の制御ループが開となり、そ
して内側の制御ループが係合される。
負荷電力が最大である周波数を記憶する。その単一周波
数は、次の水晶体較正シーケンスが行われるような時間
まで、水晶体ハンドピース20を駆動するとき使用され
る。較正の後、上記の外側の制御ループが開となり、そ
して内側の制御ループが係合される。
内側の制御ループは、セクション136、138及び142の
他の自動利得制御セクション140を使用する。内側の制
御ループが係合されるとき、適切な制御信号がパス163
を与えられ、線160において、自動的に決定された誤差
補正信号を電力増幅器セクション136に与えることを可
能にする。
他の自動利得制御セクション140を使用する。内側の制
御ループが係合されるとき、適切な制御信号がパス163
を与えられ、線160において、自動的に決定された誤差
補正信号を電力増幅器セクション136に与えることを可
能にする。
自動利得制御セクション140の動作は、次のように要
約される。プロセッサー124が、パス162において信号C
P2を介して特定パーセントの電力レベルを指令すると
き、アナログ基準電圧がACGセクション140に内部的に生
成される。線168における負荷電力を表す電圧が基準電
圧と比較され、そして差が、AGCセクション140のハード
ウェアにおいて積分される。内部積分回路の出力は、線
160において誤差補正信号ECとして与えられ、そして電
力増幅器セクション136に位置する電界効果トランジス
ター（“FET"）のゲートを駆動する。FETのチャネル抵
抗は、線154に与えられた所望電力レベル・コマンド信
号VUのために、接地への分路パスを与える。FETのチャ
ネル抵抗が大きくなればなるほど、消息子20を駆動する
ために与えられる電力信号はより強力になる。閉ループ
の動作の結果は、線156における電力信号の振幅が消息
子20の変化するインピーダンス特性と一致するように絶
えず変化していることである。
約される。プロセッサー124が、パス162において信号C
P2を介して特定パーセントの電力レベルを指令すると
き、アナログ基準電圧がACGセクション140に内部的に生
成される。線168における負荷電力を表す電圧が基準電
圧と比較され、そして差が、AGCセクション140のハード
ウェアにおいて積分される。内部積分回路の出力は、線
160において誤差補正信号ECとして与えられ、そして電
力増幅器セクション136に位置する電界効果トランジス
ター（“FET"）のゲートを駆動する。FETのチャネル抵
抗は、線154に与えられた所望電力レベル・コマンド信
号VUのために、接地への分路パスを与える。FETのチャ
ネル抵抗が大きくなればなるほど、消息子20を駆動する
ために与えられる電力信号はより強力になる。閉ループ
の動作の結果は、線156における電力信号の振幅が消息
子20の変化するインピーダンス特性と一致するように絶
えず変化していることである。
第４図は、マイクロコンピュータ・システム122を除
いて、第３図に示された制御システム120の詳細なブロ
ック図を示す。特に、第４図は、制御システム120の駆
動回路の一部分を構成する機能ハードウェア構成要素の
すべてを示す。第３図に示された主要なブロックは、第
３図と第４図の間の比較を容易にするために、第４図に
おいて破線で示されている。多様なブロック内の構成要
素が以下に議論され、多様なセクションの相互作用の説
明が続く。
いて、第３図に示された制御システム120の詳細なブロ
ック図を示す。特に、第４図は、制御システム120の駆
動回路の一部分を構成する機能ハードウェア構成要素の
すべてを示す。第３図に示された主要なブロックは、第
３図と第４図の間の比較を容易にするために、第４図に
おいて破線で示されている。多様なブロック内の構成要
素が以下に議論され、多様なセクションの相互作用の説
明が続く。
VCOセクション134は、デジタル対アナログ・コンバー
タ（“DAC"）210と、電圧制御発振器212と、前置増幅器
214と、デジタル・カウンター・セクション218及び制御
インターフェース220を含む周波数カウンター216と、第
２のDAC222とを含む。第１のDAC210は、デジタル形式で
パス152上の周波数コマンド信号を受信し、そして線226
上で対応するアナログ電圧にそれを変換し、発振器212
に入力する。VCO212は、印加された入力電圧に対応する
周波数を有する正弦波出力信号を生成する。電圧制御発
振器212の設計は従来通りであり、そして選択された周
波数範囲で出力信号を生成するように設計される。好ま
しい実施態様において、VCO212は、最小入力電圧におい
て35キロヘルツ、最大入力電圧VCCにおいて21キロヘル
ツを生成する。DAC210及びDAC222は、好ましくは、4,09
6の異なる可能な出力値に対して12ビットの分解能を有
する。前置増幅器214は、線228における正弦波信号を強
化し、且つ平滑し、線230上に一定振幅電圧信号（VF）
を生成する。信号VFは、周波数カウンター216の入力及
びDAC222の電圧基準端子に送られる。周波数カウンター
216は、信号パス152によりDAC210へ入力された既知の値
に応答して、VCO212の出力周波数を検査するために使用
される。マイクロコンピュータ122から制御インターフ
ェース220へパス232に送出された制御信号は、信号VFの
サイクルのカウントを開始及び停止するとき、及びマイ
クロコンピュータ122に累積カウントを移送するときを
カウンター216に通知する。このようにして、DAC210及
びVCO212の性能は、両方が適切に動作していることを保
証するために、マイクロコンピュータ122によって検査
される。
タ（“DAC"）210と、電圧制御発振器212と、前置増幅器
214と、デジタル・カウンター・セクション218及び制御
インターフェース220を含む周波数カウンター216と、第
２のDAC222とを含む。第１のDAC210は、デジタル形式で
パス152上の周波数コマンド信号を受信し、そして線226
上で対応するアナログ電圧にそれを変換し、発振器212
に入力する。VCO212は、印加された入力電圧に対応する
周波数を有する正弦波出力信号を生成する。電圧制御発
振器212の設計は従来通りであり、そして選択された周
波数範囲で出力信号を生成するように設計される。好ま
しい実施態様において、VCO212は、最小入力電圧におい
て35キロヘルツ、最大入力電圧VCCにおいて21キロヘル
ツを生成する。DAC210及びDAC222は、好ましくは、4,09
6の異なる可能な出力値に対して12ビットの分解能を有
する。前置増幅器214は、線228における正弦波信号を強
化し、且つ平滑し、線230上に一定振幅電圧信号（VF）
を生成する。信号VFは、周波数カウンター216の入力及
びDAC222の電圧基準端子に送られる。周波数カウンター
216は、信号パス152によりDAC210へ入力された既知の値
に応答して、VCO212の出力周波数を検査するために使用
される。マイクロコンピュータ122から制御インターフ
ェース220へパス232に送出された制御信号は、信号VFの
サイクルのカウントを開始及び停止するとき、及びマイ
クロコンピュータ122に累積カウントを移送するときを
カウンター216に通知する。このようにして、DAC210及
びVCO212の性能は、両方が適切に動作していることを保
証するために、マイクロコンピュータ122によって検査
される。
信号VFは、入力信号としてパス148における第１の所
望電力レベル・コマンドCP1を受信する第２のDAC222の
ための基準電圧として役立つ。従って、DAC222によって
線154に出力された信号VUは、DAC222によって受信され
た入力信号の値によって変調された正弦波信号VFであ
る。こうして、信号VUの振幅は、パス148におけるデジ
タル信号CP1の値に正比例する。
望電力レベル・コマンドCP1を受信する第２のDAC222の
ための基準電圧として役立つ。従って、DAC222によって
線154に出力された信号VUは、DAC222によって受信され
た入力信号の値によって変調された正弦波信号VFであ
る。こうして、信号VUの振幅は、パス148におけるデジ
タル信号CP1の値に正比例する。
電力増幅器セクション136は、３つの段階を含む。即
ち、FET減衰器236、9.27の一定利得を有する前置増幅器
238、及び3.3の一定利得を有する電力増幅器240であ
る。FET減衰器236は、線248に信号VEを出力するFET242
と抵抗器244及び246を含む。FET減衰器は標準設計であ
り、そして電圧制御抵抗器として動作し、線160に供給
された信号ECは制御電圧である。電圧ECが高であると
き、FET242のチャネル抵抗は非常に高く、そしてこのた
め、信号VUの最大電力が線248に伝達され、振幅におけ
る低下は抵抗244及び246によって形成された電圧分割器
網によって決定される。前置増幅器238のインピーダン
スは抵抗器244及び246の値に比較して高く、従って無視
される。信号ECの振幅が減少するとき、FET242は相応し
てオンになることを開始し、こうして線248において信
号VEの振幅を減少させる。FET242及び抵抗器244は、FET
が完全にオンであるとき、VE＝0.2VUであり、そしてFET
242が完全にオフであるとき、VE＝約0.9VUであるように
選ばれる。電力増幅器セクション136は、こうして、線1
56上の出力として、線154上に送出された入力信号VUの
レベルにより、ゼロ・ボルト乃至約27.5ボルトの変化す
る信号VAを生成する。
ち、FET減衰器236、9.27の一定利得を有する前置増幅器
238、及び3.3の一定利得を有する電力増幅器240であ
る。FET減衰器236は、線248に信号VEを出力するFET242
と抵抗器244及び246を含む。FET減衰器は標準設計であ
り、そして電圧制御抵抗器として動作し、線160に供給
された信号ECは制御電圧である。電圧ECが高であると
き、FET242のチャネル抵抗は非常に高く、そしてこのた
め、信号VUの最大電力が線248に伝達され、振幅におけ
る低下は抵抗244及び246によって形成された電圧分割器
網によって決定される。前置増幅器238のインピーダン
スは抵抗器244及び246の値に比較して高く、従って無視
される。信号ECの振幅が減少するとき、FET242は相応し
てオンになることを開始し、こうして線248において信
号VEの振幅を減少させる。FET242及び抵抗器244は、FET
が完全にオンであるとき、VE＝0.2VUであり、そしてFET
242が完全にオフであるとき、VE＝約0.9VUであるように
選ばれる。電力増幅器セクション136は、こうして、線1
56上の出力として、線154上に送出された入力信号VUの
レベルにより、ゼロ・ボルト乃至約27.5ボルトの変化す
る信号VAを生成する。
変換器セクション142は、約30倍だけ信号VAの電圧を
逓増する。セクション142は、インダクタ264とによって
記号的に表現された寄生インダクタンスLSを有し、更に
寄生インダクタンスLSの効果を打ち消すために30KHzの
公称周波数において大きさを決められた固定コンデンサ
266を有する従来の電力逓増変換器262を含む。こうし
て、セクション142の一次回路270は、超音波変換器を駆
動するために使用される公知のRLC直列共振回路を含
む。消息子20へのセクション142の二次側272の接続は従
来通りであり、従ってここで議論する必要はないであろ
う。
逓増する。セクション142は、インダクタ264とによって
記号的に表現された寄生インダクタンスLSを有し、更に
寄生インダクタンスLSの効果を打ち消すために30KHzの
公称周波数において大きさを決められた固定コンデンサ
266を有する従来の電力逓増変換器262を含む。こうし
て、セクション142の一次回路270は、超音波変換器を駆
動するために使用される公知のRLC直列共振回路を含
む。消息子20へのセクション142の二次側272の接続は従
来通りであり、従ってここで議論する必要はないであろ
う。
電力監視セクション138は、第１及び第２ACRMS対DC電
圧コンバータ288及び290と、抵抗器294及び296から形成
された電圧分割器網292とを含み、分割された電圧は、
線298にて取り出され、そしてコンバータ288に入力とし
て供給される。定数“k"は、電圧分割器網292によって
与えられる減衰を表現し、この場合ｋ＝R296／（R292＋
R296）である。こうして、コンバータ288は、線300にお
いて、出力信号VMV＝最大1.414kVAを発生させる。
圧コンバータ288及び290と、抵抗器294及び296から形成
された電圧分割器網292とを含み、分割された電圧は、
線298にて取り出され、そしてコンバータ288に入力とし
て供給される。定数“k"は、電圧分割器網292によって
与えられる減衰を表現し、この場合ｋ＝R296／（R292＋
R296）である。こうして、コンバータ288は、線300にお
いて、出力信号VMV＝最大1.414kVAを発生させる。
セクション138は、線172上で、変換器262の一次側270
で使用される実負荷電流ILを受信する。センス抵抗器30
2は、電流ILの大きさに正比例するセンス電圧VSを発生
し、入力としてコンバータ290に送出される。こうし
て、線306におけるコンバータ290の出力は電圧信号VM1
であり、この場合VM1＝1.414ILRSである。線306におけ
る信号は増幅器310を通して伝達され、それを値“k"だ
け掛算し、そしてそれを差動増幅器312の負側の入力
と、利得Ｇを有する固定利得増幅器314に伝達し、この
場合Ｇ＝1/RSである。
で使用される実負荷電流ILを受信する。センス抵抗器30
2は、電流ILの大きさに正比例するセンス電圧VSを発生
し、入力としてコンバータ290に送出される。こうし
て、線306におけるコンバータ290の出力は電圧信号VM1
であり、この場合VM1＝1.414ILRSである。線306におけ
る信号は増幅器310を通して伝達され、それを値“k"だ
け掛算し、そしてそれを差動増幅器312の負側の入力
と、利得Ｇを有する固定利得増幅器314に伝達し、この
場合Ｇ＝1/RSである。
信号VMVは差動増幅器312の正側の入力に適用される。
増幅器312及び314の出力は掛算器318に入力として送出
され、その振幅が掛算器320に供給された入力信号316と
318の積に比例する電圧信号である監視された電力信号M
Pを生成する。差動増幅器312は、信号VMVからセンス抵
抗器302の電圧降下の効果を差し引くために使用され
る。計算により、抵抗器302で損失された電力の量は、
最も低い電力条件下でさえも、消息子20によって消費さ
れた全電力の10％よりも十分に低いことが示される。こ
うして、増幅器310と312は省略することができ、そして
線300は、所望に応じて、掛算器320のVX入力に直接に配
線される。しかし、より正確な性能のために、好ましい
実施態様は、図示のように増幅器310と312を含む。線16
8における信号MPはまた、12ビット分解能ADC175に供給
され、前述のようにマイクロコンピュータ122に信号MP
のデジタル値を出力する。
増幅器312及び314の出力は掛算器318に入力として送出
され、その振幅が掛算器320に供給された入力信号316と
318の積に比例する電圧信号である監視された電力信号M
Pを生成する。差動増幅器312は、信号VMVからセンス抵
抗器302の電圧降下の効果を差し引くために使用され
る。計算により、抵抗器302で損失された電力の量は、
最も低い電力条件下でさえも、消息子20によって消費さ
れた全電力の10％よりも十分に低いことが示される。こ
うして、増幅器310と312は省略することができ、そして
線300は、所望に応じて、掛算器320のVX入力に直接に配
線される。しかし、より正確な性能のために、好ましい
実施態様は、図示のように増幅器310と312を含む。線16
8における信号MPはまた、12ビット分解能ADC175に供給
され、前述のようにマイクロコンピュータ122に信号MP
のデジタル値を出力する。
AGCセクション140は、信号インターフェース330、12
ビット分解能DAC332、一定利得Ｇを有する電圧増幅器33
4、掛算器336、積分する差動増幅器338及びアナログ・
スイッチ340を含み、すべては図示されたように接続さ
れる。信号インターフェース330は、デジタル制御信号3
42を生成するために、マイクロコンピュータ122から線1
63における制御信号を条件付ける。１つの状態におい
て、線342における信号はアナログ・スイッチ340を非導
通にさせ、こうして線344における出力信号が線160に伝
達することを阻止する。他の状態において、線342にお
ける制御信号はアナログ・スイッチ340を十分に導通に
させ、こうして線344の出力信号を線160に自由に伝達さ
せる。本技術分野における当業者は、アナログ・スイッ
チ340が線342における信号によって非導通にされると
き、AGCセクション140は、第３図に関して上記の較正手
順の説明で記載したように、制御システムから有効に除
去されることが判るであろう。
ビット分解能DAC332、一定利得Ｇを有する電圧増幅器33
4、掛算器336、積分する差動増幅器338及びアナログ・
スイッチ340を含み、すべては図示されたように接続さ
れる。信号インターフェース330は、デジタル制御信号3
42を生成するために、マイクロコンピュータ122から線1
63における制御信号を条件付ける。１つの状態におい
て、線342における信号はアナログ・スイッチ340を非導
通にさせ、こうして線344における出力信号が線160に伝
達することを阻止する。他の状態において、線342にお
ける制御信号はアナログ・スイッチ340を十分に導通に
させ、こうして線344の出力信号を線160に自由に伝達さ
せる。本技術分野における当業者は、アナログ・スイッ
チ340が線342における信号によって非導通にされると
き、AGCセクション140は、第３図に関して上記の較正手
順の説明で記載したように、制御システムから有効に除
去されることが判るであろう。
DAC332は、パス163におけるデジタルCP2を線352にお
けるアナログ値VC2に変換する。信号VC2は増幅器334に
おいてＧで掛算され、かつ掛算器336の両入力に伝達さ
れる。掛算器336の線356における結果としての出力信号
は、こうして、線354において提示された入力信号の平
方根に比例する。AGCセクション140において掛算器336
を使用するための動機は、AGCセクション140の動的範囲
を有効に増大させることであり、精度の点においてあま
り犠牲を生じない。好ましい実施態様において、デジタ
ル値CP2は、所望の電力レベル信号CP1の平方根に比例
し、CP1の値は、マイクロコンピュータ122に眼科医によ
って通信された所望のレベルの電力に比例する。掛算器
336が使用されないならば、信号CP2は所望のレベルの電
力に正比例し、そしてスケール増幅器334の出力は積分
する差動増幅器338の正側の入力に直接に送られる。パ
ス162におけるデジタル値CP2として所望の電力信号の平
方根を与えることにより、AGCセクションは低値の所望
電力において大きな感度を与えられ、使用者の観点から
都合が良い。
けるアナログ値VC2に変換する。信号VC2は増幅器334に
おいてＧで掛算され、かつ掛算器336の両入力に伝達さ
れる。掛算器336の線356における結果としての出力信号
は、こうして、線354において提示された入力信号の平
方根に比例する。AGCセクション140において掛算器336
を使用するための動機は、AGCセクション140の動的範囲
を有効に増大させることであり、精度の点においてあま
り犠牲を生じない。好ましい実施態様において、デジタ
ル値CP2は、所望の電力レベル信号CP1の平方根に比例
し、CP1の値は、マイクロコンピュータ122に眼科医によ
って通信された所望のレベルの電力に比例する。掛算器
336が使用されないならば、信号CP2は所望のレベルの電
力に正比例し、そしてスケール増幅器334の出力は積分
する差動増幅器338の正側の入力に直接に送られる。パ
ス162におけるデジタル値CP2として所望の電力信号の平
方根を与えることにより、AGCセクションは低値の所望
電力において大きな感度を与えられ、使用者の観点から
都合が良い。
差動増幅器338は帰還コンデンサ358を含み、その結果
AGC回路は、帰還制御を与えながら、比例と積分の両方
を使用する。公知のように、積分帰還制御は、閉ループ
帰還システムにおける絶対誤差をゼロに駆動するため
に、定常状態ループ条件下で有益な傾向を有する。好ま
しい実施態様において、コンデンサ358は、約35〜100ミ
リ秒のRC時定数を有する大きさであり、約50〜65ミリ秒
が好ましく、そして増幅器338は、好ましくは約１の利
得を有する。
AGC回路は、帰還制御を与えながら、比例と積分の両方
を使用する。公知のように、積分帰還制御は、閉ループ
帰還システムにおける絶対誤差をゼロに駆動するため
に、定常状態ループ条件下で有益な傾向を有する。好ま
しい実施態様において、コンデンサ358は、約35〜100ミ
リ秒のRC時定数を有する大きさであり、約50〜65ミリ秒
が好ましく、そして増幅器338は、好ましくは約１の利
得を有する。
内側ループが係合されるとき、第４図に示された制御
システム120は、所望電力レベル信号CP1とCP2が非ゼロ
であるとき常に線156に駆動信号VAを連続的に与える。
更に、消息子20が使用されるとき、駆動信号の周波数
は、詳しく以下に説明する較正手順によって決定される
ように、変換器／消息子の組み合わせの主共振周波数に
常に設定される。消息子20と超音波変換器22の組み合わ
せの実瞬時共振周波数の変化の効果は、必要の応じて電
力増幅器セクション136の有効利得を自動的に調整するA
GCセクション140により生じた誤差信号ECによって補償
される。電力監視セクション136とAGCセクション140の
前述の議論から見られるように、消息子／変換器の組み
合わせによって消費された実電力は、補正信号を獲得す
るために所望に電力レベルに対して比較される。安定性
のために、且つ閉ループ・システムにおける長期オフセ
ット誤差を除去するために、差動増幅器338は出力344に
おいて誤差信号を積分する。
システム120は、所望電力レベル信号CP1とCP2が非ゼロ
であるとき常に線156に駆動信号VAを連続的に与える。
更に、消息子20が使用されるとき、駆動信号の周波数
は、詳しく以下に説明する較正手順によって決定される
ように、変換器／消息子の組み合わせの主共振周波数に
常に設定される。消息子20と超音波変換器22の組み合わ
せの実瞬時共振周波数の変化の効果は、必要の応じて電
力増幅器セクション136の有効利得を自動的に調整するA
GCセクション140により生じた誤差信号ECによって補償
される。電力監視セクション136とAGCセクション140の
前述の議論から見られるように、消息子／変換器の組み
合わせによって消費された実電力は、補正信号を獲得す
るために所望に電力レベルに対して比較される。安定性
のために、且つ閉ループ・システムにおける長期オフセ
ット誤差を除去するために、差動増幅器338は出力344に
おいて誤差信号を積分する。
本技術分野における当業者は、第４図に示されたハー
ドウェアが、電圧信号VAと電流信号ILの位相の間に存在
する相対的位相差を監視せず、あるいはそうでなければ
考慮しないことを認識するであろう。こうして、第４図
の実施態様は、消費された真（又は実）電力よりも、消
息子／変換器の組み合わせによって消費された皮相電力
を実際に監視する。しかし、集合体において、位相差
は、通常、無意味であるほど十分に小さく、従って、安
全に無視され、あるいは所与の消息子に対する変化する
共振周波数の範囲で比較的一定であり、そしてこのた
め、制御システム120の使用者に透明である。こうし
て、本発明の好ましい実施態様においては、この位相差
を監視しない。しかし、本技術分野における当業者は、
所望ならば、消息子／変換器の組み合わせによって消費
された真の電力が、皮相電力と信号VAとILの間の位相シ
フトから生じる実電力との間の差を考慮に入れるため
に、付加的回路を設けることにより監視されることを認
識するであろう。
ドウェアが、電圧信号VAと電流信号ILの位相の間に存在
する相対的位相差を監視せず、あるいはそうでなければ
考慮しないことを認識するであろう。こうして、第４図
の実施態様は、消費された真（又は実）電力よりも、消
息子／変換器の組み合わせによって消費された皮相電力
を実際に監視する。しかし、集合体において、位相差
は、通常、無意味であるほど十分に小さく、従って、安
全に無視され、あるいは所与の消息子に対する変化する
共振周波数の範囲で比較的一定であり、そしてこのた
め、制御システム120の使用者に透明である。こうし
て、本発明の好ましい実施態様においては、この位相差
を監視しない。しかし、本技術分野における当業者は、
所望ならば、消息子／変換器の組み合わせによって消費
された真の電力が、皮相電力と信号VAとILの間の位相シ
フトから生じる実電力との間の差を考慮に入れるため
に、付加的回路を設けることにより監視されることを認
識するであろう。
第４図はまた、コイル362と、通常閉接点364と、通常
開接点366とを有する電力リレー360を示す。リレー・コ
イルは、信号インターフェース回路368がマイクロコン
ピュータ122から制御信号370を受信しリレーがオンとな
ることを指示するとき、付勢される。コイル362が除勢
されるとき、通常閉接点364は閉じ、こうして線156にお
ける信号を線156aに伝達させそして変換器セクション14
2に伝達させる。コイル362が付勢されるとき、通常閉接
点364は開き、通常開接点366は閉じ、線156における信
号からの増幅器240の電力を、接地に連結された60ワッ
ト負荷抵抗器バンク374に向ける。リレー360とダミー負
荷抵抗374の使用により、マイクロコンピュータ122は、
第４図における回路が適切に動作していることを検証で
きる。特に、制御システム120の手術での使用の前に、
マイクロコンピュータ122は、リレー362を付勢しそして
既知の電力コマンド信号を制御システム120に適用し、
そして（受容可能な許容値内で）期待性能を検査するこ
とにより、制御システムの適正な動作を検証する。本発
明の好ましい実施態様において、ダミー負荷374は、810
0オームのインピーダンスを有する超音波変換器をシミ
ュレートする。
開接点366とを有する電力リレー360を示す。リレー・コ
イルは、信号インターフェース回路368がマイクロコン
ピュータ122から制御信号370を受信しリレーがオンとな
ることを指示するとき、付勢される。コイル362が除勢
されるとき、通常閉接点364は閉じ、こうして線156にお
ける信号を線156aに伝達させそして変換器セクション14
2に伝達させる。コイル362が付勢されるとき、通常閉接
点364は開き、通常開接点366は閉じ、線156における信
号からの増幅器240の電力を、接地に連結された60ワッ
ト負荷抵抗器バンク374に向ける。リレー360とダミー負
荷抵抗374の使用により、マイクロコンピュータ122は、
第４図における回路が適切に動作していることを検証で
きる。特に、制御システム120の手術での使用の前に、
マイクロコンピュータ122は、リレー362を付勢しそして
既知の電力コマンド信号を制御システム120に適用し、
そして（受容可能な許容値内で）期待性能を検査するこ
とにより、制御システムの適正な動作を検証する。本発
明の好ましい実施態様において、ダミー負荷374は、810
0オームのインピーダンスを有する超音波変換器をシミ
ュレートする。
水晶体駆動回路に対して少なくとも２つの動作モー
ド、即ち、“固定水晶体”モードと“線状水晶体”モー
ドを設けることは本技術分野において公知である。Stor
z社のDAISYコンソールにおいて、これらのモードは次の
ように動作する。固定水晶体モードにおいて、水晶体乳
化と吸引はコンソール制御（即ち、キーボード184及び
／又は電位差計196）によって決定され、そして足踏ス
イッチ・アセンブリ190が、灌注、吸及び水晶体乳化の
適用を制御する。線状水晶体モードにおいて、水晶体乳
化は足踏スイッチによって制御され、そして吸引はコン
ソール制御によって決定される。水晶体動作のいづれも
モードも、本発明の電子制御システムによって容易にサ
ポートされる。
ド、即ち、“固定水晶体”モードと“線状水晶体”モー
ドを設けることは本技術分野において公知である。Stor
z社のDAISYコンソールにおいて、これらのモードは次の
ように動作する。固定水晶体モードにおいて、水晶体乳
化と吸引はコンソール制御（即ち、キーボード184及び
／又は電位差計196）によって決定され、そして足踏ス
イッチ・アセンブリ190が、灌注、吸及び水晶体乳化の
適用を制御する。線状水晶体モードにおいて、水晶体乳
化は足踏スイッチによって制御され、そして吸引はコン
ソール制御によって決定される。水晶体動作のいづれも
モードも、本発明の電子制御システムによって容易にサ
ポートされる。
固定水晶体モードにおいて、Storz社のDAISYコンソー
ルにおける電力制御の所望レベルは、５％のような一定
増分において、約50％から100％まで調整される。マイ
クロコンピュータ122はまた、所望ならば、連続モード
よりも、脈動モードにおいて水晶体消息子を駆動するよ
うに容易にプログラムすることができる。脈動モードに
おいて、パルス率制御値は、例えば、１パルス／秒の増
分において０〜20パルス／秒に調整される。パルス率制
御を動作させるとき、所望の電力レベルとパルス率制御
は一緒に作用し、患者の眼に消息子20を経て適用された
集合体の水晶体乳化パワーを決定する。Storz社のDAISY
コンソールにおいて、パルス率制御は、所望の水晶体乳
化パワーレベルを調整するために使用されない。代わり
に、パルス率制御は、所与の時間の間発生する水晶体乳
化パワーのサイクル数を調整する。脈動モードの目的
は、水晶体乳化を使用する眼手術手順中、灌注／吸引機
能により眼から物質を周期的に取り除くことである。こ
れは、眼における分解された白内障断片をより効率的に
除去することにより、同断片が眼科医の視野を妨害する
ことを抑止するために役立つと考えられる。DAISYコン
ソールにおいて、水晶体動作の固定、線状、連続及び脈
動モードに関連したこれらのパラメータのすべてはキー
ボード184又は制御ノブのセット186を介して選択可能で
あり、そして選択された設定はCRT182に表示される。本
発明の電子制御システム120はまた、同一形式の機能を
サポートするために容易に使用することができる。これ
らの機能の一層の説明は非常に公知であり、且つ本発明
の一部を構成しないために、ここでは述べない。
ルにおける電力制御の所望レベルは、５％のような一定
増分において、約50％から100％まで調整される。マイ
クロコンピュータ122はまた、所望ならば、連続モード
よりも、脈動モードにおいて水晶体消息子を駆動するよ
うに容易にプログラムすることができる。脈動モードに
おいて、パルス率制御値は、例えば、１パルス／秒の増
分において０〜20パルス／秒に調整される。パルス率制
御を動作させるとき、所望の電力レベルとパルス率制御
は一緒に作用し、患者の眼に消息子20を経て適用された
集合体の水晶体乳化パワーを決定する。Storz社のDAISY
コンソールにおいて、パルス率制御は、所望の水晶体乳
化パワーレベルを調整するために使用されない。代わり
に、パルス率制御は、所与の時間の間発生する水晶体乳
化パワーのサイクル数を調整する。脈動モードの目的
は、水晶体乳化を使用する眼手術手順中、灌注／吸引機
能により眼から物質を周期的に取り除くことである。こ
れは、眼における分解された白内障断片をより効率的に
除去することにより、同断片が眼科医の視野を妨害する
ことを抑止するために役立つと考えられる。DAISYコン
ソールにおいて、水晶体動作の固定、線状、連続及び脈
動モードに関連したこれらのパラメータのすべてはキー
ボード184又は制御ノブのセット186を介して選択可能で
あり、そして選択された設定はCRT182に表示される。本
発明の電子制御システム120はまた、同一形式の機能を
サポートするために容易に使用することができる。これ
らの機能の一層の説明は非常に公知であり、且つ本発明
の一部を構成しないために、ここでは述べない。
第５図は、４オームの出力インピーダンスを有するよ
うに設計された、電力増幅器セクション136のような電
子増幅器又は回路の典型的な電力移送特性を示す。第５
図には、＋／−30ボルト（ピーク）AC電源と＋／−27ボ
ルト（ピーク）の最大信号電圧を使用するとき、種々の
抵抗負荷によって消費された電力のグラフを示す。期待
されたように、曲線380は、負荷インピーダンスが１オ
ームから４オームへと増大するとき上昇する部分382
と、負荷インピーダンスが４オームから10オムへと変化
するとき減少する部分384とを有する。約２オームから
約10オームの比較的広いインピーダンス範囲で電力増幅
器セクション136を有効に動作させるために、35ワット
の電力制限が、設計により増幅器セクション136の性能
に課せられる。しかし、制限されないならば、それは、
4.0オームにおいて90ワットの最大電力を送出する。35
ワットのような一定の上限上方電力に電力増幅器を制限
することは、オーデイオ電力増幅器に対する非常に公知
な設計技術であり、そしてここで更に記載する必要はな
いであろうが、そのような技術は本発明の電力増幅器セ
クション136において使用されることを注意すべきであ
る。
うに設計された、電力増幅器セクション136のような電
子増幅器又は回路の典型的な電力移送特性を示す。第５
図には、＋／−30ボルト（ピーク）AC電源と＋／−27ボ
ルト（ピーク）の最大信号電圧を使用するとき、種々の
抵抗負荷によって消費された電力のグラフを示す。期待
されたように、曲線380は、負荷インピーダンスが１オ
ームから４オームへと増大するとき上昇する部分382
と、負荷インピーダンスが４オームから10オムへと変化
するとき減少する部分384とを有する。約２オームから
約10オームの比較的広いインピーダンス範囲で電力増幅
器セクション136を有効に動作させるために、35ワット
の電力制限が、設計により増幅器セクション136の性能
に課せられる。しかし、制限されないならば、それは、
4.0オームにおいて90ワットの最大電力を送出する。35
ワットのような一定の上限上方電力に電力増幅器を制限
することは、オーデイオ電力増幅器に対する非常に公知
な設計技術であり、そしてここで更に記載する必要はな
いであろうが、そのような技術は本発明の電力増幅器セ
クション136において使用されることを注意すべきであ
る。
第５図において、水平軸の下の数の第２及び第３びセ
ットはZPR1及びZSECとラベル付けされ、そして30:1昇圧
変圧器262の一次及び二次インピーダンスを表現する。
ットはZPR1及びZSECとラベル付けされ、そして30:1昇圧
変圧器262の一次及び二次インピーダンスを表現する。
第６図と第７図は、本発明の設計概念の妥当性をグラ
フ的に示すために役立つ。第６図は、超音波変換器の２
つの異なるグループの間の電力消費における変動を示
し、グループは非常に異なった共振周波数を有する。曲
線400、402及び404は、50％、70％及び100％（この場合
100％＝35ワット）の電力レベルにおいて、或る商業的
供給者（ミズーリ州、セントルイスのSouthtown Machin
e Co.）からの１つのグループにおける４つの変換器に
よって消費された平均電力を表す。変換器のこの第１の
グループは、8.4キロオームの公称インピーダンス及び
約28.2KHzの共振周波数を有する。曲線410、412及び414
は、50％、70％及び100％の電力設定において、別の商
業的供給者（イリノイ州、エルムハーストのLavezzi Pr
ecision,Inc.）からの８つの変換器によって消費された
平均電力を表す。変換器のこの第２のグループは、4.2
キロオームの公称インピーダンス定格、及び29.1〜29.2
5KHzの範囲における共振周波数を有する。こうして、第
６図は、超音波変換器の２つの異なる個体数の間に、共
振周波数と電力消費において大きな変動があることを示
す。
フ的に示すために役立つ。第６図は、超音波変換器の２
つの異なるグループの間の電力消費における変動を示
し、グループは非常に異なった共振周波数を有する。曲
線400、402及び404は、50％、70％及び100％（この場合
100％＝35ワット）の電力レベルにおいて、或る商業的
供給者（ミズーリ州、セントルイスのSouthtown Machin
e Co.）からの１つのグループにおける４つの変換器に
よって消費された平均電力を表す。変換器のこの第１の
グループは、8.4キロオームの公称インピーダンス及び
約28.2KHzの共振周波数を有する。曲線410、412及び414
は、50％、70％及び100％の電力設定において、別の商
業的供給者（イリノイ州、エルムハーストのLavezzi Pr
ecision,Inc.）からの８つの変換器によって消費された
平均電力を表す。変換器のこの第２のグループは、4.2
キロオームの公称インピーダンス定格、及び29.1〜29.2
5KHzの範囲における共振周波数を有する。こうして、第
６図は、超音波変換器の２つの異なる個体数の間に、共
振周波数と電力消費において大きな変動があることを示
す。
いづれかのグループから変換器を成功裡に使用し、且
つ消息子性能のあまり大きな変動なしに水晶体消息子を
動作させる単一の水晶体消息子駆動システムを有するこ
とが非常に望ましい。本発明の消息子駆動回路はこれを
行う。変換器の２つの個体数のピーク電力消費と共振周
波数との間の差は主要な関心ではない。変換器の両方の
グループを本発明の電子制御システムによって成功裡に
駆動させるために、制御システムの種々のセクションの
電力増幅器選択及び周波数帯域幅を、所望範囲の周波数
で動作するように選択及び設計する必要がある。第５図
から見られるように、電力増幅器セクション136は、増
幅器セクション136によって生成された最大電力を、第
５図に示された約35パーセントのようなピーク電力の適
切な分数に単に制限することにより、2.2オームから10.
4オームの主要インピーダンス範囲で動作するように容
易に作製される。
つ消息子性能のあまり大きな変動なしに水晶体消息子を
動作させる単一の水晶体消息子駆動システムを有するこ
とが非常に望ましい。本発明の消息子駆動回路はこれを
行う。変換器の２つの個体数のピーク電力消費と共振周
波数との間の差は主要な関心ではない。変換器の両方の
グループを本発明の電子制御システムによって成功裡に
駆動させるために、制御システムの種々のセクションの
電力増幅器選択及び周波数帯域幅を、所望範囲の周波数
で動作するように選択及び設計する必要がある。第５図
から見られるように、電力増幅器セクション136は、増
幅器セクション136によって生成された最大電力を、第
５図に示された約35パーセントのようなピーク電力の適
切な分数に単に制限することにより、2.2オームから10.
4オームの主要インピーダンス範囲で動作するように容
易に作製される。
水晶体消息子のための先行技術の駆動システムにおい
て、変換器個体数の間のピーク電力消費における差は、
特に一定電圧戦略を使用する駆動システムにおいて、主
要な関心である。事実、第６図のグラフはほぼ一定電圧
駆動源から生成された。RLC変換器セクションを駆動す
る電力増幅器への入力電圧は一定であったが、出力電圧
を一定に維持するために補償回路はなかった。負荷イン
ピーダンスが変化するとき、負荷インピーダンスとソー
ス（出力）インピーダンスとの間の電圧分割器の関係の
ために、電力増幅器の出力電圧も変化する。この関係は
第６図に示された電力移送特性に非常に重要である。
て、変換器個体数の間のピーク電力消費における差は、
特に一定電圧戦略を使用する駆動システムにおいて、主
要な関心である。事実、第６図のグラフはほぼ一定電圧
駆動源から生成された。RLC変換器セクションを駆動す
る電力増幅器への入力電圧は一定であったが、出力電圧
を一定に維持するために補償回路はなかった。負荷イン
ピーダンスが変化するとき、負荷インピーダンスとソー
ス（出力）インピーダンスとの間の電圧分割器の関係の
ために、電力増幅器の出力電圧も変化する。この関係は
第６図に示された電力移送特性に非常に重要である。
第７図は、第４図に示された本発明の水晶体駆動シス
テムによって駆動されたとき、第６図に示された変換器
の２つの個体数の変換器性能の間の類似性を示す。２つ
の変換器個体数の有効インピーダンス、即ち、4.2キロ
オームと8.4キロオームが、電力増幅器セクション136と
昇圧変圧器セクションの一定電力駆動範囲内（この範囲
は約２キロオームから約9.3キロオームである）にある
ために、変圧器の二次側出力において一定電力を維持す
ることに関して問題はない。こうして、第７図に示され
たように、いづれかのグループからの変換器22を使用す
る消息子20の性能は著しく類似する。
テムによって駆動されたとき、第６図に示された変換器
の２つの個体数の変換器性能の間の類似性を示す。２つ
の変換器個体数の有効インピーダンス、即ち、4.2キロ
オームと8.4キロオームが、電力増幅器セクション136と
昇圧変圧器セクションの一定電力駆動範囲内（この範囲
は約２キロオームから約9.3キロオームである）にある
ために、変圧器の二次側出力において一定電力を維持す
ることに関して問題はない。こうして、第７図に示され
たように、いづれかのグループからの変換器22を使用す
る消息子20の性能は著しく類似する。
本発明の別の利点は、変換器／消息子のインピーダン
ス特性が一定電力増幅器範囲の外側にドリフトしその結
果一定電力が厳しく維持されないとしても、本発明の駆
動システムは、適切な量の電力を変換器に送出しようと
することである。これは、そのような条件下の水晶体駆
動システムで経験される全電力損失よりもずっと優れ
る。
ス特性が一定電力増幅器範囲の外側にドリフトしその結
果一定電力が厳しく維持されないとしても、本発明の駆
動システムは、適切な量の電力を変換器に送出しようと
することである。これは、そのような条件下の水晶体駆
動システムで経験される全電力損失よりもずっと優れ
る。
第７図のグラフは、第６図に示された変換器の２つの
異なるグループを駆動するとき、本発明の電子制御シス
テム120によって達成された結果の間の密接な相関性を
示す。破線420は、8.4キロオームの公称インピーダンス
を有する変換器に対して、パーセント電力コマンドの関
数として、実ストローク長さ（ミル）を表す。実線曲線
422は、本発明の制御システムによって駆動されたと
き、4.2キロオームの公称インピーダンスを有する変換
器の性能を表す。第７図がグラフ的に示すように、いづ
れかの形式の変換器を使用する水晶体消息子の結果とし
て得られた性能はほぼ同一である。性能はまた、10％〜
100％の電力の範囲で極めて直線である。曲線420と422
におけるわずかな非直線性は、電力制限による超音波変
換器における飽和効果によると考えられる。しかし、実
際問題として、眼科医は主に堅実性、反復性及び合理的
（完全でない）直線性に関心があり、それらの特性はす
べて本発明の駆動システムによって達成されるので、こ
れらの非直線性は眼科医に重要ではない。
異なるグループを駆動するとき、本発明の電子制御シス
テム120によって達成された結果の間の密接な相関性を
示す。破線420は、8.4キロオームの公称インピーダンス
を有する変換器に対して、パーセント電力コマンドの関
数として、実ストローク長さ（ミル）を表す。実線曲線
422は、本発明の制御システムによって駆動されたと
き、4.2キロオームの公称インピーダンスを有する変換
器の性能を表す。第７図がグラフ的に示すように、いづ
れかの形式の変換器を使用する水晶体消息子の結果とし
て得られた性能はほぼ同一である。性能はまた、10％〜
100％の電力の範囲で極めて直線である。曲線420と422
におけるわずかな非直線性は、電力制限による超音波変
換器における飽和効果によると考えられる。しかし、実
際問題として、眼科医は主に堅実性、反復性及び合理的
（完全でない）直線性に関心があり、それらの特性はす
べて本発明の駆動システムによって達成されるので、こ
れらの非直線性は眼科医に重要ではない。
第８図は、約30キロヘルツの真又は主共振周波数を有
する超音波変換器の消費電力対駆動周波数のプロトタイ
プ又は標準曲線を示す。曲線の形状はまた、種々の周波
数で動作する水晶体消息子において使用される他の超音
波変換器に対する消費電力曲線を表す。言い換えれば、
超音波変換器／消息子の組み合わせに対する電力消費曲
線が（組み立てられたとき）公知の検査条件下の或る制
限内でこの曲線に類似するならば、かかる結果は、検査
された変換器／消息子の組み合わせが適切な動作条件に
あり且つ眼科医によって満足して使用される準備にある
という良好な立証を示す。所与の超音波変換器／消息子
の組み合わせの共振周波数の決定、及びそのような組み
合わせの適切な動作の検証は、本発明の２つの重要且つ
異なる見地を構成する。本発明のこれらの見地を、以下
に更に十分に説明する。
する超音波変換器の消費電力対駆動周波数のプロトタイ
プ又は標準曲線を示す。曲線の形状はまた、種々の周波
数で動作する水晶体消息子において使用される他の超音
波変換器に対する消費電力曲線を表す。言い換えれば、
超音波変換器／消息子の組み合わせに対する電力消費曲
線が（組み立てられたとき）公知の検査条件下の或る制
限内でこの曲線に類似するならば、かかる結果は、検査
された変換器／消息子の組み合わせが適切な動作条件に
あり且つ眼科医によって満足して使用される準備にある
という良好な立証を示す。所与の超音波変換器／消息子
の組み合わせの共振周波数の決定、及びそのような組み
合わせの適切な動作の検証は、本発明の２つの重要且つ
異なる見地を構成する。本発明のこれらの見地を、以下
に更に十分に説明する。
以下説明を簡単にするために、本発明の電子駆動シス
テムによって動作される変換器の標準周波数の範囲は、
第６図に示された曲線のグループに従うことを仮定す
る。更に、電力増幅器セクション特性は第５図に示され
たとおりであると仮定する。
テムによって動作される変換器の標準周波数の範囲は、
第６図に示された曲線のグループに従うことを仮定す
る。更に、電力増幅器セクション特性は第５図に示され
たとおりであると仮定する。
検査される変換器／消息子の組み合わせによって消費
された電力は、RLC変圧器セクション142（第３図）の一
次側270に印加された電圧及びそれを通過する電流を監
視することにより決定される。ピーク電力が消費される
周波数は、検査中の変換器／消息子に対する主共振周波
数FDRであると考えられる。半分の電力（即ち、約17.5
ワット）において電力増幅器を動作させ、それを行う
間、100Hz増分において26.5キロヘルツから32.5キロヘ
ルツのコマンド周波数CFを掃引しそして獲得された監視
電力信号PMを記録することによって、較正手順は変換器
／消息子を検査する。それから、記憶データは、結果と
して得られた曲線が、変換器／消息子の性能を満足すべ
きものであると格付けするために、最小“パス”条件と
して設定された或る基準に従うかを調べるために分析さ
れる。所望ならば４つ又は５つの基準が使用され、そし
て使用された各々が満たされなければならない。最初
に、見掛け共振周波数FARにおいて消息子によって消費
された最大電力は、12ワットのような所定電力レベル以
上でなければならない。第２に、周波数FARは27キロヘ
ルトと31.5キロヘルツとの間になければならない。第３
に、変換器／消息子のための電力半値帯域は1,000Hz以
下でなければならない。言い換えれば、周波数FARより
も0.5KHz上及び0.5KHz下において、変換器／消息子によ
って消費された電力は、周波数FARにおいて消費された
最大電力（Fpmax）の半分以下でなければならない。満
足されなければならない第４の基準は、周波数FARより
も低く且つ最も接近した選択数の読み値の各々における
消費電力と、周波数FARより高い選択数の読み値の各々
が、FARから離れるに従って単調に減少しなければなら
ないことである。選択数の読み値は、好ましくは５であ
る。第５の基準がまた、好ましくは使用される。この基
準は、周波数FARから500Hz以上離れたすべての読み値
は、Pmaxの50％よりも小さいといった、Pmaxの所定分数
値以下であることを必要とする。
された電力は、RLC変圧器セクション142（第３図）の一
次側270に印加された電圧及びそれを通過する電流を監
視することにより決定される。ピーク電力が消費される
周波数は、検査中の変換器／消息子に対する主共振周波
数FDRであると考えられる。半分の電力（即ち、約17.5
ワット）において電力増幅器を動作させ、それを行う
間、100Hz増分において26.5キロヘルツから32.5キロヘ
ルツのコマンド周波数CFを掃引しそして獲得された監視
電力信号PMを記録することによって、較正手順は変換器
／消息子を検査する。それから、記憶データは、結果と
して得られた曲線が、変換器／消息子の性能を満足すべ
きものであると格付けするために、最小“パス”条件と
して設定された或る基準に従うかを調べるために分析さ
れる。所望ならば４つ又は５つの基準が使用され、そし
て使用された各々が満たされなければならない。最初
に、見掛け共振周波数FARにおいて消息子によって消費
された最大電力は、12ワットのような所定電力レベル以
上でなければならない。第２に、周波数FARは27キロヘ
ルトと31.5キロヘルツとの間になければならない。第３
に、変換器／消息子のための電力半値帯域は1,000Hz以
下でなければならない。言い換えれば、周波数FARより
も0.5KHz上及び0.5KHz下において、変換器／消息子によ
って消費された電力は、周波数FARにおいて消費された
最大電力（Fpmax）の半分以下でなければならない。満
足されなければならない第４の基準は、周波数FARより
も低く且つ最も接近した選択数の読み値の各々における
消費電力と、周波数FARより高い選択数の読み値の各々
が、FARから離れるに従って単調に減少しなければなら
ないことである。選択数の読み値は、好ましくは５であ
る。第５の基準がまた、好ましくは使用される。この基
準は、周波数FARから500Hz以上離れたすべての読み値
は、Pmaxの50％よりも小さいといった、Pmaxの所定分数
値以下であることを必要とする。
上記の較正手順を実現するマイクロコンピュータ122
において使用されるソフトウェアは、次の方法で制御シ
ステム120を動作させる（第３図と第４図参照）。マイ
クロコンピュータ122の初期化中、VCOセクション134
は、動作可能であるかを検証し且つ周波数応答を決定す
るために、最小及び最大条件下での応答を決定するため
に問い合わされる。VCOに適用された信号は、単に、０
〜５ボルトで変化するDC電圧信号であり、DAC210によっ
て生成される。周波数カウンター216は、VCO212によっ
て生成される出力信号の周波数を決定するために使用さ
れる。周波数カウンター216は、第４図に関して前述し
たとおり、次の方法でマイクロプロセッサー124によっ
てデジタル的に問い合わされる。
において使用されるソフトウェアは、次の方法で制御シ
ステム120を動作させる（第３図と第４図参照）。マイ
クロコンピュータ122の初期化中、VCOセクション134
は、動作可能であるかを検証し且つ周波数応答を決定す
るために、最小及び最大条件下での応答を決定するため
に問い合わされる。VCOに適用された信号は、単に、０
〜５ボルトで変化するDC電圧信号であり、DAC210によっ
て生成される。周波数カウンター216は、VCO212によっ
て生成される出力信号の周波数を決定するために使用さ
れる。周波数カウンター216は、第４図に関して前述し
たとおり、次の方法でマイクロプロセッサー124によっ
てデジタル的に問い合わされる。
線226における最小条件又はゼロ・ボルト信号は、DAC
210に送信された12ビット・ワードCFにおいてすべてゼ
ロで表現され、そして次にVCO212によって生成された周
波数出力が決定される。通常、それは約35KHzである。
それから、最大条件、即ち、12ビット・ワードCFのすべ
て１がDAC210に送信され、そしてそれに対する応答にお
けるVCO212の出力周波数がカウントされ、そして周波数
カウンター216によって報告される。（VCO212は検査さ
れる２つの値の間で直線的応答を有すると仮定してい
る。） 変換器／消息子の組み合わせの主共振周波数FDRを決
定するために使用される較正手順は、“粗”フェーズと
“微”フェーズの２つのフェーズを有する。電力増幅器
セクション136の出力は、粗フェーズと微フェーズのす
べての段階に対して50％レベルにおいて実行される。粗
フェーズ中、次の段階が行われる。消息子の所望周波数
は27.0KHzから31.5KHzの間にあると仮定される。適切な
読み値が取られることを保証するために、VCOの周波数
は26.5KHzから32.0KHzまで掃引される。粗フェーズ中、
周波数は100Hzずつ増分され、各連続電力読み値が取ら
れる。26.5KHzから32KHzの各100Hz増分において、消息
子によって消費された（皮相）電力は、電力監視セクシ
ョン138によって読み出され、そしてマイクロコンピュ
ータ122のRAM125に記憶される。粗掃引の最後におい
て、これらの読み値の１つが最も高くなり、そしてPmax
であると指定され、そしてそれに関連する周波数は見掛
け共振周波数FARであると推定される。
210に送信された12ビット・ワードCFにおいてすべてゼ
ロで表現され、そして次にVCO212によって生成された周
波数出力が決定される。通常、それは約35KHzである。
それから、最大条件、即ち、12ビット・ワードCFのすべ
て１がDAC210に送信され、そしてそれに対する応答にお
けるVCO212の出力周波数がカウントされ、そして周波数
カウンター216によって報告される。（VCO212は検査さ
れる２つの値の間で直線的応答を有すると仮定してい
る。） 変換器／消息子の組み合わせの主共振周波数FDRを決
定するために使用される較正手順は、“粗”フェーズと
“微”フェーズの２つのフェーズを有する。電力増幅器
セクション136の出力は、粗フェーズと微フェーズのす
べての段階に対して50％レベルにおいて実行される。粗
フェーズ中、次の段階が行われる。消息子の所望周波数
は27.0KHzから31.5KHzの間にあると仮定される。適切な
読み値が取られることを保証するために、VCOの周波数
は26.5KHzから32.0KHzまで掃引される。粗フェーズ中、
周波数は100Hzずつ増分され、各連続電力読み値が取ら
れる。26.5KHzから32KHzの各100Hz増分において、消息
子によって消費された（皮相）電力は、電力監視セクシ
ョン138によって読み出され、そしてマイクロコンピュ
ータ122のRAM125に記憶される。粗掃引の最後におい
て、これらの読み値の１つが最も高くなり、そしてPmax
であると指定され、そしてそれに関連する周波数は見掛
け共振周波数FARであると推定される。
次に、周波数FARが幾つかの方法において検査され、
それが真又は主共振周波数であるか及び消息子内の超音
波変換器が適切に作動しているように見えるかを決定す
る。第１に、周波数ピークが、27.0KHzから31.5KHzの範
囲内にあることを確かめるために検査される。第２に、
ピーク振幅Pmaxは、12ワットのような所定の最小値より
も上になければならない。（この最小値は、粗掃引中消
息子に適用された電力レベルの関数であり、そして通
常、掃引電力レベルの65又は75パーセントのような或る
値である。）第３に、周波数FARに最も近く且つ周波数F
ARより小さな５つの読み値と、周波数FARに最も近く且
つ周波数FARより大きな５つの読み値に対して、各消費
電力レベルは、周波数FARから離れるに従ってPmaxから
単調に減少しなければならない。第４に、下方及び上方
の電力半帯域は、（FAR−500）Hzと（FAR＋500）Hz内に
それぞれ発生しなければならない。即ち、（FAR−500）
Hzと（FAR＋500）Hzにおいて消費された電力は、周波数
FARにおいて記録された電力レベルPmaxの半分以下でな
ければならない。第５に、（FAR＋500）Hzよりも上と、
（FAR−500）Hzよりも下で取られたすべての電力消費読
み値は、Pmaxの50％のような所定値以下でなければなら
ない。前述の条件のすべてが満足されるならば、ソフト
ウェアは、検査された変換器／消息子の組み合わせが較
正手順の粗フェーズを通過したことを知らせる。
それが真又は主共振周波数であるか及び消息子内の超音
波変換器が適切に作動しているように見えるかを決定す
る。第１に、周波数ピークが、27.0KHzから31.5KHzの範
囲内にあることを確かめるために検査される。第２に、
ピーク振幅Pmaxは、12ワットのような所定の最小値より
も上になければならない。（この最小値は、粗掃引中消
息子に適用された電力レベルの関数であり、そして通
常、掃引電力レベルの65又は75パーセントのような或る
値である。）第３に、周波数FARに最も近く且つ周波数F
ARより小さな５つの読み値と、周波数FARに最も近く且
つ周波数FARより大きな５つの読み値に対して、各消費
電力レベルは、周波数FARから離れるに従ってPmaxから
単調に減少しなければならない。第４に、下方及び上方
の電力半帯域は、（FAR−500）Hzと（FAR＋500）Hz内に
それぞれ発生しなければならない。即ち、（FAR−500）
Hzと（FAR＋500）Hzにおいて消費された電力は、周波数
FARにおいて記録された電力レベルPmaxの半分以下でな
ければならない。第５に、（FAR＋500）Hzよりも上と、
（FAR−500）Hzよりも下で取られたすべての電力消費読
み値は、Pmaxの50％のような所定値以下でなければなら
ない。前述の条件のすべてが満足されるならば、ソフト
ウェアは、検査された変換器／消息子の組み合わせが較
正手順の粗フェーズを通過したことを知らせる。
較正手順の微フェーズが次に行われる。このフェーズ
中、消息子は再び掃引され、今度は、5Hzずつの増分に
（FAR−200）Hzから（FAR＋200Hz）まで行われる。これ
は、最高電力消費読み値が微掃引中発生する周波数であ
ると仮定されるFDRを、より正確に決定するために行わ
れる。その後、変換器／消息子の組み合わせは、眼手術
手順で使用する準備ができたと考えられ、そして“水晶
体較正が必要”のように制御コンソールのモニター182
に以前に表示されたメッセージはモニターから消去され
る。制御システム120は、較正手順中に決定された最後
のFDRにおいて、変換器／消息子の組み合わせを常に駆
動する。
中、消息子は再び掃引され、今度は、5Hzずつの増分に
（FAR−200）Hzから（FAR＋200Hz）まで行われる。これ
は、最高電力消費読み値が微掃引中発生する周波数であ
ると仮定されるFDRを、より正確に決定するために行わ
れる。その後、変換器／消息子の組み合わせは、眼手術
手順で使用する準備ができたと考えられ、そして“水晶
体較正が必要”のように制御コンソールのモニター182
に以前に表示されたメッセージはモニターから消去され
る。制御システム120は、較正手順中に決定された最後
のFDRにおいて、変換器／消息子の組み合わせを常に駆
動する。
VCO212は、閉ループ方式で動作させることが必要でな
いために、好ましくは、開ループ方式で動作される。言
い換えれば、プロセッサー124がVCOセクション134に、
例えば28.3KHzの特定周波数で動作することを指令する
とき、それは、読み値が実際に達成されることを決定す
るために周波数カウンターを検査しない。代わりに、DA
C210コンバータ及びVCO212は、超音波変換器／消息子が
使用されている短い時間中ドリフトしないことを仮定し
ている。VCOによって出力された周波数が数ヘルツだけ
オフするとしても、これは重要ではない。というのは、
重要なことは、FDRの値が大きな精度で知られることで
はなく、消息子が最大電力を消費するところの周波数
が、標準動作条件下で水晶体消息子を駆動するために使
用されることであるためである。また、閉ループ帰還制
御システムは、ストローク長さ対適用電力コマンドの関
数として、消息子の性能の堅実性を大きく安定化させ、
これは、事実、眼科医が真に関心を有するものである。
いために、好ましくは、開ループ方式で動作される。言
い換えれば、プロセッサー124がVCOセクション134に、
例えば28.3KHzの特定周波数で動作することを指令する
とき、それは、読み値が実際に達成されることを決定す
るために周波数カウンターを検査しない。代わりに、DA
C210コンバータ及びVCO212は、超音波変換器／消息子が
使用されている短い時間中ドリフトしないことを仮定し
ている。VCOによって出力された周波数が数ヘルツだけ
オフするとしても、これは重要ではない。というのは、
重要なことは、FDRの値が大きな精度で知られることで
はなく、消息子が最大電力を消費するところの周波数
が、標準動作条件下で水晶体消息子を駆動するために使
用されることであるためである。また、閉ループ帰還制
御システムは、ストローク長さ対適用電力コマンドの関
数として、消息子の性能の堅実性を大きく安定化させ、
これは、事実、眼科医が真に関心を有するものである。
前述の詳細な説明は、本発明の好ましい実施態様が上
記の目的を達成するために十分に適切であることを示
す。本技術分野における当業者は、本発明の精神と適切
な範囲を逸脱することなしに、本発明を示すために選ば
れた好ましい実施態様に対して多様な修正又は付加を行
うことが認識されよう。例えば、極めて低い又は高い共
振周波数を有する変換器を使用することができ、そして
制御システムは、大きなソフトウェア制御を与えること
により、アナログ信号の使用を最小にする結線電子回路
又はデジタル回路においてより完全に実現され得る。従
って、ここで求められかつ与えられる保護は、すべての
等価物を含む特許請求の範囲によって記載された主題に
拡張されると考えられることが理解されよう。
記の目的を達成するために十分に適切であることを示
す。本技術分野における当業者は、本発明の精神と適切
な範囲を逸脱することなしに、本発明を示すために選ば
れた好ましい実施態様に対して多様な修正又は付加を行
うことが認識されよう。例えば、極めて低い又は高い共
振周波数を有する変換器を使用することができ、そして
制御システムは、大きなソフトウェア制御を与えること
により、アナログ信号の使用を最小にする結線電子回路
又はデジタル回路においてより完全に実現され得る。従
って、ここで求められかつ与えられる保護は、すべての
等価物を含む特許請求の範囲によって記載された主題に
拡張されると考えられることが理解されよう。
本発明の主な特徴及び実施態様は以下のとおりであ
る。
る。
1.閉ループ帰還制御の使用により、変換器によって消費
される電力を所望レベルの電力消費量に実質的に一定に
保持することによって、主共振周波数において眼手術器
具の超音波変換器の駆動装置であって、 （ａ）所望の超音波周波数で振動する電気信号を生成さ
せる電圧制御された発振器と、 （ｂ）振動する電気信号を増幅する、該電圧制御された
発振器に接続された増幅器と、 （ｃ）増幅された振動する電気信号受けとる、該増幅器
に接続された超音波変換器と、 （ｄ）増幅された振動する電気信号のどれだけの電力が
超音波変換器によって消費されるかを監視する電力モニ
ターと、 （ｅ）増幅された電気信号のどれだけの電力が所望レベ
ルの電力消費量に対して消費されたかを比較する手段
と、 （ｆ）消費される電力を所望の電力レベルに実質的に等
しく維持するために、増幅された信号の電力レベルを自
動的に調整する手段と を具備することを特徴とする装置。
される電力を所望レベルの電力消費量に実質的に一定に
保持することによって、主共振周波数において眼手術器
具の超音波変換器の駆動装置であって、 （ａ）所望の超音波周波数で振動する電気信号を生成さ
せる電圧制御された発振器と、 （ｂ）振動する電気信号を増幅する、該電圧制御された
発振器に接続された増幅器と、 （ｃ）増幅された振動する電気信号受けとる、該増幅器
に接続された超音波変換器と、 （ｄ）増幅された振動する電気信号のどれだけの電力が
超音波変換器によって消費されるかを監視する電力モニ
ターと、 （ｅ）増幅された電気信号のどれだけの電力が所望レベ
ルの電力消費量に対して消費されたかを比較する手段
と、 （ｆ）消費される電力を所望の電力レベルに実質的に等
しく維持するために、増幅された信号の電力レベルを自
動的に調整する手段と を具備することを特徴とする装置。
2.（ｇ）電圧を逓増し、超音波変換器に接続された入力
側と出力側を有する変換器手段を具備し、 （ｈ）該増幅器が、増幅された振動する電気信号を変換
器手段の入力側に適用する上記１の装置。
側と出力側を有する変換器手段を具備し、 （ｈ）該増幅器が、増幅された振動する電気信号を変換
器手段の入力側に適用する上記１の装置。
3.該電圧制御された発振器が、電圧制御発振器に適用さ
れた周波数コマンド信号に応答して、振動制御振動を生
成し、周波数コマンド信号によって表された周波数が、
予め定められた検査条件下における眼手術器具内の超音
波変換器の主共振周波数と実質的に等しい上記１の装
置。
れた周波数コマンド信号に応答して、振動制御振動を生
成し、周波数コマンド信号によって表された周波数が、
予め定められた検査条件下における眼手術器具内の超音
波変換器の主共振周波数と実質的に等しい上記１の装
置。
4.該比較する手段が、変換器による所望レベルの電力消
費量と該電圧モニターによって決定された該変換機の実
レベルの電力消費量との間の差を表す誤差信号を生成す
る手段を含み、該増幅された信号の電力レベルを自動調
整するための該手段が、該比較する手段により生成され
た誤差信号に従って該増幅器による振動の増幅の前に、
該電圧制御されたにより生成された電気信号の振幅特性
を変更する上記１の装置。
費量と該電圧モニターによって決定された該変換機の実
レベルの電力消費量との間の差を表す誤差信号を生成す
る手段を含み、該増幅された信号の電力レベルを自動調
整するための該手段が、該比較する手段により生成され
た誤差信号に従って該増幅器による振動の増幅の前に、
該電圧制御されたにより生成された電気信号の振幅特性
を変更する上記１の装置。
５。振幅特性の変更は、該電圧制御された発振器により
生成された電気信号の振幅を減衰させることによって達
成される上記４の装置。
生成された電気信号の振幅を減衰させることによって達
成される上記４の装置。
6.超音波変換器によって電力を供給される手術器具の共
振周波数を自動的に決定する装置であって、 （ａ）所与の周波数範囲内の複数の周波数の内の所望の
１つの周波数において超音波変換器を駆動するために、
実質的に一定電圧レベルを有する交流電気駆動信号を与
える、該手術器具に連結された電圧制御発振器と、 （ｂ）周波数範囲内の種々の周波数において、該手術器
具によって消費された電力を監視する、該手術器具に連
結された電力モニターと、 （ｃ）ランダムアクセメモリーRAMを有し、該電力モニ
ターに接続され、該RAMが、異なった周波数の各々のに
おいて消費された電力に関する情報を記憶するマイクロ
コンピュータとを具備し、 （ｄ）該マイクロコンピュータが、消息子によって消費
された駆動信号からの最も大きな電力量を有する、監視
された周波数の中の周波数がどれであるかを決定するこ
とによって、周波数範囲内の見かけの共振周波数を選択
し、 （ｅ）該マイクロコンピュータが、見かけの共振周波数
において消費された電力と、見かけの共振周波数より下
の第１の周波数及び見かけの共振周波数より上の第２の
周波数における消息子により消費された電力とを比較
し、 （ｄ）該マイクロコンピュータが、比較の結果に少なく
とも部分的に基づいて、見掛け共振周波数が手術器具の
主共振周波数であるかを決定する ことを特徴とする装置。
振周波数を自動的に決定する装置であって、 （ａ）所与の周波数範囲内の複数の周波数の内の所望の
１つの周波数において超音波変換器を駆動するために、
実質的に一定電圧レベルを有する交流電気駆動信号を与
える、該手術器具に連結された電圧制御発振器と、 （ｂ）周波数範囲内の種々の周波数において、該手術器
具によって消費された電力を監視する、該手術器具に連
結された電力モニターと、 （ｃ）ランダムアクセメモリーRAMを有し、該電力モニ
ターに接続され、該RAMが、異なった周波数の各々のに
おいて消費された電力に関する情報を記憶するマイクロ
コンピュータとを具備し、 （ｄ）該マイクロコンピュータが、消息子によって消費
された駆動信号からの最も大きな電力量を有する、監視
された周波数の中の周波数がどれであるかを決定するこ
とによって、周波数範囲内の見かけの共振周波数を選択
し、 （ｅ）該マイクロコンピュータが、見かけの共振周波数
において消費された電力と、見かけの共振周波数より下
の第１の周波数及び見かけの共振周波数より上の第２の
周波数における消息子により消費された電力とを比較
し、 （ｄ）該マイクロコンピュータが、比較の結果に少なく
とも部分的に基づいて、見掛け共振周波数が手術器具の
主共振周波数であるかを決定する ことを特徴とする装置。
7.該電圧制御された発振器が、少なくとも所与の周波数
範囲に亙って駆動信号を掃引する上記６の装置。
範囲に亙って駆動信号を掃引する上記６の装置。
8.該マイクロコンピュータが、見掛け共振周波数よりも
小さい第３及び第４の周波数と、見掛け共振周波数より
も大きな第５及び第６の周波数において消息子によって
消費された電力量と、見掛け共振周波数において消費さ
れた電力量を比較し、見掛け共振周波数が主共振周波数
であることを決定するために、第１の周波数乃至第６の
周波数の各々において消費された電力が見掛け共振周波
数において消費された電力より下の少なくとも予め定め
られた小さい量であることを必要とする上記６の装置。
小さい第３及び第４の周波数と、見掛け共振周波数より
も大きな第５及び第６の周波数において消息子によって
消費された電力量と、見掛け共振周波数において消費さ
れた電力量を比較し、見掛け共振周波数が主共振周波数
であることを決定するために、第１の周波数乃至第６の
周波数の各々において消費された電力が見掛け共振周波
数において消費された電力より下の少なくとも予め定め
られた小さい量であることを必要とする上記６の装置。
9.該マイクロコンピュータが、見掛け共振周波数の周り
に中心があるヘルツ単位の予め定められた大きさの帯域
より下の複数の周波数と該帯域より上の複数の周波数に
おいて、消息子によって消費された電力に対して、見掛
け共振周波数において消息子によって消費された電力を
比較し、見掛け共振周波数が主共振周波数であることを
決定するために、前記帯域の上下の複数の周波数の各々
において消費された電力が、見掛け共振周波数において
消費された電力より下の少なくとも予め定められた小さ
い量であることを必要とする上記６の方法。
に中心があるヘルツ単位の予め定められた大きさの帯域
より下の複数の周波数と該帯域より上の複数の周波数に
おいて、消息子によって消費された電力に対して、見掛
け共振周波数において消息子によって消費された電力を
比較し、見掛け共振周波数が主共振周波数であることを
決定するために、前記帯域の上下の複数の周波数の各々
において消費された電力が、見掛け共振周波数において
消費された電力より下の少なくとも予め定められた小さ
い量であることを必要とする上記６の方法。
10.所与の周波数範囲は約26KHzから約32KHzまで周波数
帯域内にあり、 第１及び第２の周波数は、見掛け共振周波数から少な
くとも約100Hz離れている上記６の装置。
帯域内にあり、 第１及び第２の周波数は、見掛け共振周波数から少な
くとも約100Hz離れている上記６の装置。
第1A図及び第1B図は、眼手術手順において使用される超
音波変換器を含む先行技術の水晶体乳化消息子のそれぞ
れ縦断面図と分解斜視図。 第２図は、眼手術手順において使用される超音波変換器
を駆動するための先行技術の電子制御システムのブロッ
ク図。 第３図は、第１図に示された一般形式の水晶体ハンドピ
ースにおいて使用される超音波変換器を較正及び駆動す
るための本発明の電子制御システムの簡略化されたブロ
ック図。 第４図は、電子ハードウェアの多様な機能成分を示す第
３図の制御システムの詳細なブロック図。 第５図は、第３図の制御システムの電力増幅器セクショ
ンの電力移送特性を示し、それらが広範囲の入力インピ
ーダンスを有する水晶体消息子に一定の電力制限を適用
するために使用される方法を示すグラフの図。 第６図は、６キロオーム負荷を駆動するために設定され
た35ワット電力増幅器により50、70及び100パーセント
の電力レベルにおいて駆動された、２つの異なる形式の
水晶体消息子から獲得された出力電力対入力周波数の応
答特性又は曲線を示す２組のグラフの図。 第７図は、そのような消息子が本発明の電子制御システ
ムによって駆動されるとき、第６図のグラフを生成する
ために使用される水晶体消息子の出力ストローク対パー
セント電力コマンド特性を示す図。 第８図は、水晶体消息子の品質を決めそして共振周波数
を決定するために使用される本発明の較正方法を示すた
めに役立つ水晶体消息子のためのプロトタイプ出力電力
対入力周波数曲線を示す注付きグラフの図。
音波変換器を含む先行技術の水晶体乳化消息子のそれぞ
れ縦断面図と分解斜視図。 第２図は、眼手術手順において使用される超音波変換器
を駆動するための先行技術の電子制御システムのブロッ
ク図。 第３図は、第１図に示された一般形式の水晶体ハンドピ
ースにおいて使用される超音波変換器を較正及び駆動す
るための本発明の電子制御システムの簡略化されたブロ
ック図。 第４図は、電子ハードウェアの多様な機能成分を示す第
３図の制御システムの詳細なブロック図。 第５図は、第３図の制御システムの電力増幅器セクショ
ンの電力移送特性を示し、それらが広範囲の入力インピ
ーダンスを有する水晶体消息子に一定の電力制限を適用
するために使用される方法を示すグラフの図。 第６図は、６キロオーム負荷を駆動するために設定され
た35ワット電力増幅器により50、70及び100パーセント
の電力レベルにおいて駆動された、２つの異なる形式の
水晶体消息子から獲得された出力電力対入力周波数の応
答特性又は曲線を示す２組のグラフの図。 第７図は、そのような消息子が本発明の電子制御システ
ムによって駆動されるとき、第６図のグラフを生成する
ために使用される水晶体消息子の出力ストローク対パー
セント電力コマンド特性を示す図。 第８図は、水晶体消息子の品質を決めそして共振周波数
を決定するために使用される本発明の較正方法を示すた
めに役立つ水晶体消息子のためのプロトタイプ出力電力
対入力周波数曲線を示す注付きグラフの図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジヨン・エイ・ペインター アメリカ合衆国ミズーリ州63303セント チヤールズ・メイプルポイントドライブ 219
Claims (2)
- 【請求項１】閉ループ帰還制御の使用により、変換器に
よって消費される電力を所望レベルの電力消費量に実質
的に一定に保持することによって、主共振周波数におい
て眼手術器具の超音波変換器の駆動装置であって、 （ａ）所望の超音波周波数で振動する電気信号を生成さ
せる電圧制御された発振器と、 （ｂ）振動する電気信号を増幅する、該電圧制御された
発振器に接続された増幅器と、 （ｃ）増幅された振動する電気信号受けとる、該増幅器
に接続された超音波変換器と、 （ｄ）増幅された振動する電気信号のどれだけの電力が
超音波変換器によって消費されるかを監視する電力モニ
ターと、 （ｅ）増幅された電気信号のどれだけの電力が所望レベ
ルの電力消費量に対して消費されたかを比較する手段
と、 （ｆ）消費される電力を所望の電力レベルに実質的に等
しく維持するために、増幅された信号の電力レベルを自
動的に調整する手段と を具備することを特徴とする装置。 - 【請求項２】超音波変換器によって電力を供給される手
術器具の共振周波数を自動的に決定する装置であって、 （ａ）所与の周波数範囲内の複数の周波数の内の所望の
１つの周波数において超音波変換器を駆動するために、
実質的に一定電圧レベルを有する交流電気駆動信号を与
える、該手術器具に連結された電圧制御発振器と、 （ｂ）周波数範囲内の種々の周波数において、該手術器
具によって消費された電力を監視する、該手術器具に連
結された電力モニターと、 （ｃ）ランダムアクセメモリーRAMを有し、該電力モニ
ターに接続され、該RAMが、異なった周波数の各々のに
おいて消費された電力に関する情報を記憶するマイクロ
コンピュータとを具備し、 （ｄ）該マイクロコンピュータが、消息子によって消費
された駆動信号からの最も大きな電力量を有する、監視
された周波数の中の周波数がどれであるかを決定するこ
とによって、周波数範囲内の見かけの共振周波数を選択
し、 （ｅ）該マイクロコンピュータが、見かけの共振周波数
において消費された電力と、見かけの共振周波数より下
の第１の周波数及び見かけの共振周波数より上の第２の
周波数における消息子により消費された電力とを比較
し、 （ｄ）該マイクロコンピュータが、比較の結果に少なく
とも部分的に基づいて、見掛け共振周波数が手術器具の
主共振周波数であるかを決定する ことを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US42835489A | 1989-10-27 | 1989-10-27 | |
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