WO2022044224A1 - 超音波駆動装置の作動方法、超音波駆動装置、及び超音波処置システム - Google Patents

超音波駆動装置の作動方法、超音波駆動装置、及び超音波処置システム Download PDF

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言 加藤
俊介 松井
興 川島
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an operating method of an ultrasonic drive device, an ultrasonic drive device, and an ultrasonic treatment system.
  • an ultrasonic treatment system that treats a living tissue by vibrating an ultrasonic vibrator according to the output of an ultrasonic drive device.
  • a large amplitude can be obtained by vibrating the ultrasonic vibrator at a resonance frequency by the ultrasonic driving device.
  • the ultrasonic drive device sweeps the frequency at which the ultrasonic vibrator vibrates from a predetermined frequency toward the resonance frequency (see, for example, Patent Document 1). Then, the ultrasonic drive device locks the frequency at which the ultrasonic vibrator vibrates to the searched resonance frequency by PLL (Phase Locked Loop) control.
  • PLL Phase Locked Loop
  • the present invention has been made in view of the above, and provides an operating method of an ultrasonic driving device capable of stably resonantly driving an ultrasonic vibrator, an ultrasonic driving device, and an ultrasonic treatment system.
  • the purpose is.
  • the frequency control unit sets the frequency at which the ultrasonic vibrator vibrates from a predetermined frequency to a resonance frequency.
  • the predictor predicts whether or not ringing will occur based on the first parameter representing the driving state of the ultrasonic vibrator, the control unit predicts the ringing, and the predictor predicts whether or not the ringing occurs.
  • the ultrasonic vibrator is resonantly driven at the resonance frequency by PLL control.
  • the control unit controls the drive of the ultrasonic vibrator when the prediction unit predicts that ringing will occur.
  • the ringing is prevented from occurring, and when the second parameter satisfies a predetermined condition, the ultrasonic vibrator is resonantly driven at the resonance frequency by PLL control.
  • the control unit adjusts a third parameter for controlling the drive of the ultrasonic vibrator immediately after starting the PLL control.
  • the ultrasonic vibrator is resonantly driven at a resonance frequency.
  • the third parameter is a current output to the ultrasonic vibrator, a voltage output to the ultrasonic vibrator, and the ultrasonic vibrator.
  • the third parameter is a current output to the ultrasonic vibrator, and the control unit outputs the current to the ultrasonic vibrator.
  • the control unit outputs the current to the ultrasonic vibrator.
  • the first parameter and the second parameter are a current output to the ultrasonic vibrator and a voltage output to the ultrasonic vibrator.
  • the first parameter is a current output to the ultrasonic vibrator
  • the prediction unit outputs the current to the ultrasonic vibrator. Whether or not the ringing occurs is predicted based on the rate of increase of the current.
  • the second parameter is a current output to the ultrasonic vibrator
  • the control unit outputs the current to the ultrasonic vibrator.
  • the frequency control unit responds to the phase difference between the current output to the ultrasonic vibrator and the voltage output to the ultrasonic vibrator.
  • the frequency at which the ultrasonic vibrator vibrates is selected from a frequency higher than the resonance frequency and a frequency smaller than the resonance frequency.
  • the ultrasonic drive device represents a frequency control unit that sweeps the frequency at which the ultrasonic vibrator vibrates from a predetermined frequency toward a resonance frequency, and a drive state of the ultrasonic vibrator.
  • a prediction unit that predicts whether or not ringing will occur based on the first parameter, and a second unit that predicts that the ringing will not occur and represents a frequency driven by the ultrasonic transducer.
  • the control unit is provided to resonately drive the ultrasonic vibrator at the resonance frequency by PLL control.
  • the ultrasonic treatment system includes an ultrasonic driving device and an ultrasonic vibrator that vibrates according to the output of the ultrasonic driving device.
  • an operation method of an ultrasonic drive device, an ultrasonic drive device, and an ultrasonic treatment system capable of stably resonantly driving an ultrasonic vibrator.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the ultrasonic wave driving device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the treatment section and the jaw shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the oscillator unit shown in FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the control unit shown in FIG.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an outline of processing in the control unit.
  • FIG. 6 is a diagram showing a time change of the current output to the ultrasonic transducer.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a time change of the current when ringing does not occur.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a time change of the current when ringing occurs.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the ultrasonic wave driving device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the treatment section and the jaw shown in FIG.
  • FIG. 3
  • FIG. 9 is a diagram showing a time change of the current output to the ultrasonic transducer.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between frequency and impedance.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between frequency and impedance.
  • FIG. 12 is a flowchart showing an outline of processing in the control unit.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the time after the resonance drive of the ultrasonic vibrator is completed and the current output to the ultrasonic vibrator.
  • the method of operating the ultrasonic wave driving device, the ultrasonic wave driving device, and the embodiment of the ultrasonic wave treatment system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the present invention is not limited to these embodiments.
  • an operating method of an ultrasonic drive device for treating a living tissue, an ultrasonic drive device, and an ultrasonic treatment system will be described by way of example, but the present invention resonates an ultrasonic transducer. It can be generally applied to the method of operating the ultrasonic drive device to be driven, the ultrasonic drive device, and the ultrasonic treatment system.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the ultrasonic wave driving device according to the first embodiment.
  • the ultrasonic treatment system 1 includes an ultrasonic treatment tool (handpiece) 2, a control unit (ultrasonic drive device) 3, and a vibrator unit 5.
  • the ultrasonic treatment tool 2 has a longitudinal axis C.
  • One of the directions along the longitudinal axis C is the tip direction (direction of arrow C1 in FIG. 1), and the direction opposite to the tip direction is the proximal direction (direction of arrow C2 in FIG. 1).
  • the ultrasonic treatment tool 2 includes a handle unit 6.
  • the handle unit 6 is rotated with respect to the cylindrical case portion 11 extending along the longitudinal axis C, the fixed handle 12 integrally formed with the tubular case portion 11, and the tubular case portion 11. It includes a movable handle 13 that is movably attached.
  • the fixed handle 12 extends in a direction away from the tubular case portion 11 with respect to the longitudinal axis C. By rotating the movable handle 13 around the attachment position to the cylindrical case portion 11, the movable handle 13 opens or closes the fixed handle 12.
  • the handle unit 6 includes a rotation operation knob 15 attached to the tip end direction side of the tubular case portion 11.
  • the rotation operation knob 15 is rotatable about the longitudinal axis C with respect to the cylindrical case portion 11.
  • the fixed handle 12 is provided with an operation input button 16 that receives an input of an operation for starting the driving of the ultrasonic vibrator.
  • the ultrasonic treatment tool 2 includes a sheath 8 extending along the longitudinal axis C.
  • the sheath 8 is attached to the handle unit 6 by inserting the sheath 8 into the inside of the rotation operation knob 15 and the inside of the tubular case portion 11 from the tip direction side.
  • the ultrasonic treatment tool 2 includes an ultrasonic probe 9.
  • the ultrasonic probe 9 extends from the inside of the tubular case portion 11 through the inside of the sheath 8 along the longitudinal axis C.
  • the ultrasonic probe 9 is inserted through the sheath 8.
  • the tip of the ultrasonic probe 9 is provided with a treatment portion 17 that protrudes from the tip of the sheath 8 toward the tip.
  • a jaw 18 is rotatably attached to the tip of the sheath 8.
  • the movable handle 13 is connected to a movable tubular portion disposed inside the tubular case portion 11 at a portion on the inner peripheral direction side of the sheath 8.
  • the tip of the movable cylindrical portion is connected to the jaw 18.
  • the movable tubular portion moves along the longitudinal axis C.
  • the jaw 18 rotates about the attachment position to the sheath 8.
  • the jaw 18 opens or closes the treatment portion 17.
  • the sheath 8, the ultrasonic probe 9, and the jaw 18 can rotate around the longitudinal axis C with respect to the cylindrical case portion 11 integrally with the rotation operation knob 15.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the treatment unit and the jaw shown in FIG.
  • the jaw 18 includes a pad 19 attached to the inside. With the jaw 18 closed, the pad 19 comes into contact with the treatment section 17.
  • the jaw 18 is formed of, for example, a conductive metal.
  • the pad 19 is formed of, for example, PTFE (polytetrafluoroethylene) having electrical insulation.
  • the oscillator unit 5 is detachably connected to the base end direction side of the handle unit 6.
  • One end of the cable 7 is connected to the base end portion of the oscillator unit 5.
  • the other end of the cable 7 is connected to the control unit 3.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the oscillator unit shown in FIG.
  • the vibrator unit 5 includes a vibrator case 21, an ultrasonic vibrator 22 provided inside the vibrator case 21, and a horn member 23 attached to the ultrasonic vibrator 22. And.
  • the oscillator unit 5 is attached to the handle unit 6 (ultrasonic treatment tool 2) by inserting the oscillator case 21 into the tubular case portion 11 from the proximal end direction side. Inside the tubular case portion 11, the oscillator case 21 is connected to the sheath 8. The oscillator case 21 can rotate around the longitudinal axis C with respect to the cylindrical case portion 11 integrally with the rotation operation knob 15.
  • the ultrasonic vibrator 22 is connected to the electrical wiring units 25A and 25B to which the electric power from the control unit 3 is input.
  • the horn member 23 is provided with a vibrator mounting portion 27 to which the ultrasonic vibrator 22 is mounted.
  • the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator 22 is transmitted to the horn member 23.
  • the horn member 23 is provided with a cross-sectional area changing portion 28 on the distal end direction side of the vibrator mounting portion 27. In the cross-sectional area changing portion 28, the cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis C decreases toward the tip direction. The amplitude of the ultrasonic vibration is expanded by the cross-sectional area changing portion 28.
  • a female screw portion 29A is provided at the tip of the horn member 23.
  • a male screw portion 29B is provided at the base end portion of the ultrasonic probe 9.
  • the ultrasonic probe 9 By screwing the male screw portion 29B to the female screw portion 29A, the ultrasonic probe 9 is connected to the tip direction side of the horn member 23.
  • the ultrasonic probe 9 is connected to the horn member 23 inside the tubular case portion 11.
  • the ultrasonic probe 9 is connected to the ultrasonic transducer 22 via the horn member 23.
  • the ultrasonic vibration transmitted to the horn member 23 is transmitted along the longitudinal axis C from the proximal end direction to the distal end direction in the horn member 23 and the ultrasonic probe 9. Then, the ultrasonic vibration is transmitted to the treatment portion 17 toward the tip end.
  • the treatment unit 17 treats a treatment target such as a living tissue by using the transmitted ultrasonic vibration.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the control unit shown in FIG. As shown in FIG. 4, the control unit 3 includes an output waveform generation unit 30, a frequency control unit 31, a detection unit 32, a prediction unit 33, a control unit 34, and a storage unit 35.
  • the output waveform generation unit 30 generates and outputs an output waveform signal under the control of the control unit 34 and the frequency control unit 31.
  • the output waveform signal output by the output waveform generation unit 30 is amplified by the amplifier circuit 301 and output to the vibrator unit 5 by the output transformer 302.
  • the frequency control unit 31 outputs a frequency control value to the output waveform generation unit 30 under the control of the control unit 34, and resonantly drives the ultrasonic vibrator 22 at the resonance frequency by PLL control. Further, the frequency control unit 31 sweeps the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates from a predetermined frequency toward the resonance frequency.
  • the detection unit 32 detects the first parameter representing the driving state of the ultrasonic vibrator 22.
  • the first parameter is, for example, the current output to the ultrasonic vibrator 22, the voltage output to the ultrasonic vibrator 22, the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates, and the current output to the ultrasonic vibrator 22. It may be one of the phase difference between the voltage and the voltage output to the ultrasonic vibrator 22, the time since the start of driving the ultrasonic vibrator 22, or the load measured by outputting the high frequency signal. , These may be a combination.
  • the signal output from the transducer unit 5 is detected by the current FB (fedback) detection circuit 321 that feedback-detects the current and the voltage FB (fedback) detection circuit that feedback-detects the voltage, and is digitally converted from the analog signal by the AD conversion 323, respectively. It is converted into a signal and input to the detection unit 32 as a current FB (feedback) value and a voltage FB (feedback) value.
  • the detection unit 32 transmits the current FB value and the voltage FB value to the frequency control unit 31, the prediction unit 33, and the control unit 34.
  • the prediction unit 33 predicts whether or not ringing will occur based on the first parameter. Specifically, the prediction unit 33 predicts whether or not ringing will occur based on, for example, the rate of increase of the current output to the ultrasonic vibrator 22.
  • the control unit 34 outputs a control value such as an electric current to the output waveform generation unit 30, and controls a signal output to the oscillator unit 5. Further, when the second parameter representing the frequency driven by the ultrasonic vibrator 22 satisfies a predetermined condition, the control unit 34 controls the frequency control unit 31 to control the ultrasonic vibrator 22 with the resonance frequency by PLL control. Resonant drive at.
  • PLL control for example, PID (Proportional-Integral-Differential) control can be used, but is not particularly limited.
  • the second parameter is, for example, the current output to the ultrasonic vibrator 22, the voltage output to the ultrasonic vibrator 22, the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates, and the current output to the ultrasonic vibrator 22. It may be one of the phase difference between the voltage and the voltage output to the ultrasonic vibrator 22, the time since the start of driving the ultrasonic vibrator 22, or the load measured by outputting the high frequency signal. , These may be a combination.
  • the control unit 34 controls the frequency control unit 31 to control the PLL when the prediction unit 33 predicts that ringing will not occur and the current output to the ultrasonic transducer 22 is equal to or greater than the threshold value.
  • the ultrasonic vibrator 22 is resonantly driven at the resonance frequency.
  • the control unit 34 adjusts a third parameter that controls the drive of the ultrasonic vibrator 22 to prevent ringing from occurring. After that, when the current output to the ultrasonic vibrator 22 is equal to or greater than the threshold value, the control unit 34 controls the frequency control unit 31 to resonantly drive the ultrasonic vibrator 22 at the resonance frequency by PLL control.
  • the third parameter is, for example, the current output to the ultrasonic vibrator 22, the voltage output to the ultrasonic vibrator 22, the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates, and the current output to the ultrasonic vibrator 22.
  • the phase difference between the voltage and the voltage output to the ultrasonic vibrator 22, the time since the start of driving the ultrasonic vibrator 22, the proportional gain, the integrated gain, or the differential gain in the PID control, or the ultrasonic vibrator 22 It may be any one of the speeds for sweeping the vibrating frequency, or a combination thereof.
  • the control block including the output waveform generation unit 30, the frequency control unit 31, the detection unit 32, the prediction unit 33, and the control unit 34 is composed of, for example, a logic circuit such as an FPGA (Field Programmable Gate Array), but is a CPU. It may be configured by a processor including (Central Processing Unit), ASIC (application specific integrated circuit) and the like. Further, at least a part of the output waveform generation unit 30, the frequency control unit 31, the detection unit 32, the prediction unit 33, and the control unit 34 may be configured by an independent logic circuit such as FPGA or a processor equipped with a CPU, ASIC, or the like. good.
  • a logic circuit such as an FPGA (Field Programmable Gate Array)
  • ASIC application specific integrated circuit
  • the storage unit 35 records various data related to the control unit 3. Further, the storage unit 35 stores various programs executed by the control unit 3.
  • the storage unit 35 is realized by using a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), or the like.
  • control unit 3 When treating a treatment target such as a living tissue using the ultrasonic treatment system 1, the treatment is performed by closing the movable handle 13 with respect to the fixed handle 12 before driving the ultrasonic transducer 22. The treatment target is gripped between the portion 17 and the jaw 18 and the pad 19. After that, the control unit 3 drives the ultrasonic vibrator 22.
  • a treatment target such as a living tissue using the ultrasonic treatment system 1
  • the treatment is performed by closing the movable handle 13 with respect to the fixed handle 12 before driving the ultrasonic transducer 22.
  • the treatment target is gripped between the portion 17 and the jaw 18 and the pad 19.
  • the control unit 3 drives the ultrasonic vibrator 22.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an outline of processing in the control unit. As shown in FIG. 5, the control unit 34 detects whether or not a predetermined signal has been input by operating the operation input button 16, and whether or not to start transmitting a drive signal for driving the ultrasonic vibrator 22. Is determined (step S1).
  • step S1: No the standby state is set so that the process of step S1 is repeated.
  • step S1 when the control unit 34 determines that the transmission of the drive signal for driving the ultrasonic vibrator 22 is started (step S1: Yes), the frequency control unit 31 determines the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates. Sweep from the frequency toward the resonance frequency (step S2: search phase). Specifically, the frequency control unit 31 sweeps the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates from a predetermined frequency that is larger or smaller by a predetermined value from the resonance frequency toward the resonance frequency, and searches for the resonance frequency. Further, in the search phase, the control unit 34 gradually increases the current output to the ultrasonic vibrator 22.
  • FIG. 6 is a diagram showing the time change of the current output to the ultrasonic transducer.
  • the horizontal axis of FIG. 6 is time, and the vertical axis is the current output to the ultrasonic vibrator 22, and the time change of the ideal current when the control unit 3 prevents ringing from occurring is shown.
  • the control unit 34 gradually increases the current output to the ultrasonic vibrator 22.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a time change of the current when ringing does not occur.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a time change of the current when ringing occurs.
  • the horizontal axis of FIGS. 7 and 8 is the time [ms], and the vertical axis is the current output by the control unit 3 to the ultrasonic transducer 22.
  • the time of the current when ringing is not prevented from occurring.
  • An example of measuring the change is illustrated.
  • the time width W shown in FIG. 7 corresponds to the time width of FIG.
  • FIGS. 7 and 8 are values standardized by the maximum value when ringing does not occur as shown in FIG. 7. As shown in FIGS. 7 and 8, immediately before the lock-in, the current decreases with time, and then the current rapidly increases. Then, after the current starts to increase, when the ascending speed of the current is small as in the region A1 shown by the broken line in FIG. 7, the prediction unit 33 predicts that ringing does not occur. On the other hand, after the current starts to increase, when the ascending speed of the current is large as shown in the region A2 shown by the broken line in FIG. 8, the prediction unit 33 predicts that ringing will occur.
  • step S3: No when the prediction unit 33 predicts that ringing will not occur (step S3: No), the control unit 34 determines whether or not the current output to the ultrasonic transducer 22 is equal to or greater than the threshold value (step S3: No). Step S4).
  • Step S4 determines that the current output to the ultrasonic vibrator 22 is equal to or higher than the threshold value
  • step S5 Resonance drive phase
  • the control unit 34 gradually increases the current output to the ultrasonic vibrator 22 in the search phase, and when the current is equal to or higher than the threshold value I1 (see FIG. 6), the control unit 34 controls the ultrasonic vibrator 22 by PLL control. Is resonantly driven at the resonant frequency.
  • the search phase shifts to the direct resonance drive phase.
  • the control unit 34 for example, continues the resonance drive for a predetermined period, and then ends a series of processes.
  • step S4 determines that the current output to the ultrasonic vibrator 22 is smaller than the threshold value (step S4: No). the process returns to step S2 and the search phase is continued.
  • control unit 34 determines whether or not the current output to the ultrasonic vibrator 22 is equal to or greater than the threshold value (step S7).
  • Step S7 the control unit 34 determines that the current output to the ultrasonic vibrator 22 is equal to or higher than the threshold value (step S7: Yes)
  • the control unit 34 resonates and drives the ultrasonic vibrator 22 at the resonance frequency by PLL control.
  • Step S5 Resonance drive phase
  • the control unit 34 gradually increases the current output to the ultrasonic vibrator 22 in the stabilization phase, and when the current is equal to or higher than the threshold value I1 (see FIG. 6), the control unit 34 controls the ultrasonic vibrator by PLL control. 22 is resonantly driven at the resonant frequency. That is, when the prediction unit 33 predicts that ringing will occur, the search phase shifts to the stabilization phase, and the stabilization phase shifts to the resonance drive phase. After that, the control unit 34, for example, continues the resonance drive for a predetermined period, and then ends a series of processes.
  • step S7 determines that the current output to the ultrasonic vibrator 22 is smaller than the threshold value (step S7: No). the process returns to step S6 and the stabilization phase is continued.
  • the ultrasonic oscillator 22 when the prediction unit 33 predicts that ringing does not occur, the ultrasonic oscillator 22 is stabilized because the search phase shifts to the resonance drive phase when the current reaches the threshold value. It can be driven by resonance. Further, when the prediction unit 33 predicts that ringing will occur, the control unit 34 adjusts the third parameter to prevent the ringing from occurring, so that the ultrasonic transducer 22 is stabilized. Can be resonantly driven.
  • the prediction unit 33 shifts to the stabilization phase when it predicts that ringing will occur has been described, but it is also stabilized when the prediction unit 33 predicts that ringing will not occur.
  • a phase may be provided. Specifically, the control unit 34 changes from the search phase to the stabilization phase when the second parameter satisfies a predetermined condition (for example, the current output to the ultrasonic vibrator 22 is equal to or greater than the threshold value I1). The rate of increase of the current output to the ultrasonic transducer 22 may be slowed down.
  • the prediction unit 33 has described an example in which the third parameter is adjusted immediately after predicting that ringing will occur to prevent ringing from occurring, but the present invention is not limited to this.
  • the control unit 34 may prevent the frequency at which the ultrasonic vibrator vibrates from deviating from the resonance frequency by adjusting the third parameter while ringing is occurring.
  • FIG. 9 is a diagram showing the time change of the current output to the ultrasonic vibrator.
  • the horizontal axis of FIG. 9 is time, and the vertical axis is the current output to the ultrasonic vibrator 22, which is ideal when the control unit 3 prevents the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates deviates from the resonance frequency.
  • the time change of the current is illustrated.
  • the frequency control unit 31 sweeps the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates from a frequency larger than the resonance frequency toward the resonance frequency, or from a frequency smaller than the resonance frequency toward the resonance frequency. It is not limited to do, but you may choose either one.
  • the configuration of the ultrasonic treatment system 1 shown in FIGS. 1 to 3 may be the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.
  • the detection unit 32 detects the phase difference between the current output to the ultrasonic vibrator 22 and the voltage output to the ultrasonic vibrator 22.
  • the frequency control unit 31 sweeps the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates from a frequency larger than the resonance frequency toward the resonance frequency, or from a frequency smaller than the resonance frequency toward the resonance frequency, depending on the phase difference. Select whether to do it.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams showing the relationship between frequency and impedance.
  • the horizontal axis of FIGS. 10 and 11 represents frequency [kHz], and the vertical axis represents impedance [ ⁇ ].
  • FIG. 10 shows a case where the parasitic capacitance or the parasitic inductance is low, and in this case, the anti-resonance frequency far is smaller than the resonance frequency fr. Further, the phase difference ⁇ between the current output to the ultrasonic vibrator 22 and the voltage output to the ultrasonic vibrator 22 is larger than zero between the resonance frequency fr and the anti-resonance frequency far, and is larger than the resonance frequency fr. And less than zero at frequencies less than the anti-resonance frequency far.
  • FIG. 10 shows a case where the parasitic capacitance or the parasitic inductance is low, and in this case, the anti-resonance frequency far is smaller than the resonance frequency fr. Further, the phase difference ⁇ between the current output to the ultrasonic vibrator 22 and the voltage output to the ultrasonic vibrator 22 is
  • the antiresonance frequency far is larger than the resonance frequency fr.
  • the phase difference ⁇ between the current output to the ultrasonic vibrator 22 and the voltage output to the ultrasonic vibrator 22 is larger than zero at a frequency larger than the resonance frequency fr and a frequency smaller than the anti-resonance frequency far, and the resonance frequency fr. Is less than zero between and the anti-resonance frequency far.
  • the detection unit 32 detects whether the phase difference ⁇ is larger than zero or smaller than zero when the frequency is larger than the resonance frequency fr by a predetermined value or smaller by a predetermined value.
  • the frequency control unit 31 sweeps the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates from the high frequency side toward the resonance frequency. As a result, when the frequency is swept, it does not pass between the resonance point and the antiresonance point, so that it is possible to suppress the phase difference ⁇ from being out of the control range of the PLL control.
  • the frequency control unit 31 sweeps the frequency at which the ultrasonic vibrator 22 vibrates from the low frequency side toward the resonance frequency. As a result, when the frequency is swept, it does not pass between the resonance point and the antiresonance point, so that it is possible to suppress the phase difference ⁇ from being out of the control range of the PLL control.
  • the ultrasonic treatment system 1 of the third embodiment can output a high frequency current to the treatment target gripped between the treatment unit 17 and the jaw 18 and the pad 19.
  • the configuration of the ultrasonic treatment system 1 shown in FIGS. 1 to 3 may be the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.
  • FIG. 12 is a flowchart showing an outline of processing in the control unit. As shown in FIG. 12, when it is determined in step S1 that the control unit 34 starts transmitting the drive signal for driving the ultrasonic vibrator 22 (step S1: Yes), the control unit 34 and the treatment unit 17 A high-frequency current is output from the pad 19 (step S11).
  • the detection unit 32 detects the load due to the treatment target gripped between the treatment unit 17 and the pad 19, and the control unit 34 determines whether or not the load detected by the detection unit 32 is equal to or greater than the threshold value. (Step S12).
  • step S12 determines that the load detected by the detection unit 32 is equal to or greater than the threshold value (step S12: Yes). the process proceeds to step S12.
  • step S12 determines that the load detected by the detection unit 32 is smaller than the threshold value (step S12: No)
  • the frequency control unit 31 slows down the speed of sweeping the frequency in the search phase (step S31). .. Further, the control unit 34 slows down the speed of increasing the current output to the ultrasonic vibrator 22 in the search phase.
  • the speed of sweeping the frequency and the speed of increasing the current are slowed down to prevent ringing from occurring.
  • the speed of sweeping the frequency and the speed of increasing the current may be slowed not only in the search phase but also in the stabilization phase.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the time after the resonance drive of the ultrasonic vibrator is completed and the current output to the ultrasonic vibrator.
  • the horizontal axis of FIG. 13 is time, and the vertical axis is the current output to the ultrasonic vibrator 22.
  • ultrasonic waves are output between the treatment unit 17 and the pad 19 after the treatment for the treatment target is completed, and it is possible to prevent the pad 19 from being damaged.

Abstract

超音波駆動装置は、周波数制御部が、超音波振動子が振動する周波数を所定の周波数から共振周波数に向かって掃引し、予測部が、前記超音波振動子の駆動状態を表す第１のパラメータに基づいてリンギングが発生するか否かを予測し、制御部が、前記予測部が、前記リンギングが発生しないと予測し、かつ前記超音波振動子が駆動する周波数を表す第２のパラメータが所定の条件を満たした場合、ＰＬＬ制御により前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する。これにより、超音波振動子を安定的に共振駆動することができる超音波駆動装置を提供する。

Description

超音波駆動装置の作動方法、超音波駆動装置、及び超音波処置システム
　本発明は、超音波駆動装置の作動方法、超音波駆動装置、及び超音波処置システムに関する。
　従来、超音波駆動装置の出力に応じて超音波振動子が振動することにより生体組織に対して処置を施す超音波処置システムが知られている。超音波処置システムでは、超音波駆動装置が超音波振動子を共振周波数にて振動させることにより、大振幅を得ることができる。
　共振周波数を探索するため、超音波駆動装置は、超音波振動子が振動する周波数を所定の周波数から共振周波数に向かって掃引する（例えば、特許文献１参照）。そして、超音波駆動装置は、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）制御により、超音波振動子が振動する周波数を探索した共振周波数にロックする。
特開平６－３３９４８４号公報
　しかしながら、超音波振動子が振動する周波数を共振周波数にロックする際に、超音波振動子の製造ばらつき等に起因して、電流のリンギングが発生する場合がある。電流のリンギングが発生すると、電流がＰＬＬ制御の制御範囲から外れ、共振駆動を行うことができない場合があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、超音波振動子を安定的に共振駆動することができる超音波駆動装置の作動方法、超音波駆動装置、及び超音波処置システムを提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る超音波駆動装置の作動方法は、周波数制御部が、超音波振動子が振動する周波数を所定の周波数から共振周波数に向かって掃引し、予測部が、前記超音波振動子の駆動状態を表す第１のパラメータに基づいてリンギングが発生するか否かを予測し、制御部が、前記予測部が、前記リンギングが発生しないと予測し、かつ前記超音波振動子が駆動する周波数を表す第２のパラメータが所定の条件を満たした場合、ＰＬＬ制御により前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する。
　また、本発明の一態様に係る超音波駆動装置の作動方法は、前記制御部は、前記予測部が、前記リンギングが発生すると予測した場合、前記超音波振動子の駆動を制御する第３のパラメータを調整することにより、前記リンギングが発生することを防止し、前記第２のパラメータが所定の条件を満たした場合、ＰＬＬ制御により前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する。
　また、本発明の一態様に係る超音波駆動装置の作動方法は、前記制御部は、前記ＰＬＬ制御を開始した直後から前記超音波振動子の駆動を制御する第３のパラメータを調整することにより、前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する。
　また、本発明の一態様に係る超音波駆動装置の作動方法は、前記第３のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流、前記超音波振動子に出力する電圧、前記超音波振動子が振動する周波数、前記超音波振動子に出力する電流と前記超音波振動子に出力する電圧との位相差、前記超音波振動子の駆動を開始してからの時間、ＰＩＤ制御における比例ゲイン、積分ゲイン、若しくは微分ゲイン、又は前記超音波振動子が振動する周波数を掃引する速度のいずれかを含む。
　また、本発明の一態様に係る超音波駆動装置の作動方法は、前記第３のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流であり、前記制御部は、前記超音波振動子に出力する電流の上昇速度を低減させることにより、前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する。
　また、本発明の一態様に係る超音波駆動装置の作動方法は、前記第１のパラメータ及び前記第２のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流、前記超音波振動子に出力する電圧、前記超音波振動子が振動する周波数、前記超音波振動子に出力する電流と前記超音波振動子に出力する電圧との位相差、前記超音波振動子の駆動を開始してからの時間、又は高周波信号を出力して計測した負荷のいずれかを含む。
　また、本発明の一態様に係る超音波駆動装置の作動方法は、前記第１のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流であり、前記予測部は、前記超音波振動子に出力する電流の上昇速度に基づいて前記リンギングが発生するか否かを予測する。
　また、本発明の一態様に係る超音波駆動装置の作動方法は、前記第２のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流であり、前記制御部は、前記超音波振動子に出力する電流が閾値以上である場合、ＰＬＬ制御により前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する。
　また、本発明の一態様に係る超音波駆動装置の作動方法は、前記周波数制御部は、前記超音波振動子に出力する電流と前記超音波振動子に出力する電圧との位相差に応じて、前記超音波振動子が振動する周波数を、共振周波数より大きい周波数から掃引するか、共振周波数より小さい周波数から掃引するか選択する。
　また、本発明の一態様に係る超音波駆動装置は、超音波振動子が振動する周波数を所定の周波数から共振周波数に向かって掃引する周波数制御部と、前記超音波振動子の駆動状態を表す第１のパラメータに基づいてリンギングが発生するか否かを予測する予測部と、前記予測部が、前記リンギングが発生しないと予測し、かつ前記超音波振動子が駆動する周波数を表す第２のパラメータが所定の条件を満たした場合、ＰＬＬ制御により前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する制御部と、を備える。
　また、本発明の一態様に係る超音波処置システムは、超音波駆動装置と、前記超音波駆動装置の出力に応じて振動する超音波振動子と、を備える。
　本発明によれば、超音波振動子を安定的に共振駆動することができる超音波駆動装置の作動方法、超音波駆動装置、及び超音波処置システムを実現することができる。
図１は、実施の形態１に係る超音波駆動装置の構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す処置部及びジョーの構成を示す図である。 図３は、図１に示す振動子ユニットの構成を概略的に示す断面図である。 図４は、図１に示す制御ユニットの構成を示すブロック図である。 図５は、制御ユニットにおける処理の概要を示すフローチャートである。 図６は、超音波振動子に出力する電流の時間変化を示す図である。 図７は、リンギングが発生しない場合の電流の時間変化の一例を示す図である。 図８は、リンギングが発生する場合の電流の時間変化の一例を示す図である。 図９は、超音波振動子に出力する電流の時間変化を示す図である。 図１０は、周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。 図１１は、周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。 図１２は、制御ユニットにおける処理の概要を示すフローチャートである。 図１３は、超音波振動子の共振駆動を終了した後の時間と超音波振動子に出力する電流との関係を示す図である。
　以下に、図面を参照して本発明に係る超音波駆動装置の作動方法、超音波駆動装置、及び超音波処置システムの実施の形態を説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。以下の実施の形態においては、生体組織に処置を施す超音波駆動装置の作動方法、超音波駆動装置、及び超音波処置システムを例示して説明するが、本発明は、超音波振動子を共振駆動させる超音波駆動装置の作動方法、超音波駆動装置、及び超音波処置システム一般に適用することができる。
　また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（実施の形態１）
〔超音波処置システムの構成〕
　本発明の実施の形態１について、図１～図４を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係る超音波駆動装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、超音波処置システム１は、超音波処置具（ハンドピース）２と、制御ユニット（超音波駆動装置）３と、振動子ユニット５と、を備える。
　超音波処置具２は、長手軸Ｃを有する。長手軸Ｃに沿った方向の一方が先端方向（図１の矢印Ｃ１の方向）であり、先端方向とは反対方向が基端方向（図１の矢印Ｃ２の方向）である。超音波処置具２は、ハンドルユニット６を備える。
　ハンドルユニット６は、長手軸Ｃに沿って延設されている筒状ケース部１１と、筒状ケース部１１と一体的に形成されている固定ハンドル１２と、筒状ケース部１１に対して回動可能に取付けられている可動ハンドル１３と、を備える。固定ハンドル１２は、筒状ケース部１１から長手軸Ｃに対して離れる方向に延設されている。筒状ケース部１１への取付け位置を中心として可動ハンドル１３が回動することにより、可動ハンドル１３が固定ハンドル１２に対して開動作又は閉動作を行う。また、ハンドルユニット６は、筒状ケース部１１の先端方向側に取付けられる回転操作ノブ１５を備える。回転操作ノブ１５は、筒状ケース部１１に対して長手軸Ｃを中心として回転可能である。また、固定ハンドル１２には、超音波振動子の駆動を開始する操作の入力を受け付ける操作入力ボタン１６が設けられている。
　また、超音波処置具２は、長手軸Ｃに沿って延設されているシース８を備える。シース８が先端方向側から回転操作ノブ１５の内部及び筒状ケース部１１の内部に挿入されることにより、シース８がハンドルユニット６に取付けられている。
　また、超音波処置具２は、超音波プローブ９を備える。超音波プローブ９は、筒状ケース部１１の内部からシース８の内部を通って、長手軸Ｃに沿って延設されている。超音波プローブ９は、シース８に挿通されている。また、超音波プローブ９の先端部には、シース８の先端から先端方向に向かって突出する処置部１７が、設けられている。
　シース８の先端部には、ジョー１８が回動可能に取付けられている。可動ハンドル１３は、筒状ケース部１１の内部でシース８の内周方向側の部位に配設される可動筒状部に接続されている。可動筒状部の先端は、ジョー１８に接続されている。固定ハンドル１２に対して可動ハンドル１３を開動作又は閉動作することにより、可動筒状部が長手軸Ｃに沿って移動する。これにより、ジョー１８が、シース８への取付け位置を中心として回動する。ジョー１８がシース８に対して回動することにより、ジョー１８が処置部１７に対して開動作又は閉動作を行う。シース８、超音波プローブ９及びジョー１８は、回転操作ノブ１５と一体に、筒状ケース部１１に対して長手軸Ｃを中心として、回転可能である。
　図２は、図１に示す処置部及びジョーの構成を示す図である。図２に示すように、ジョー１８は、内側に取り付けられているパッド１９を備える。ジョー１８が閉じた状態において、パッド１９は、処置部１７に当接する。ジョー１８は、例えば導電性を有する金属から形成されている。パッド１９は、例えば電気絶縁性を有するＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）から形成されている。
　図１に戻り、振動子ユニット５は、ハンドルユニット６の基端方向側に着脱可能に連結される。振動子ユニット５の基端部には、ケーブル７の一端が接続されている。ケーブル７の他端は、制御ユニット３に接続されている。
　図３は、図１に示す振動子ユニットの構成を概略的に示す断面図である。図３に示すように、振動子ユニット５は、振動子ケース２１と、振動子ケース２１の内部に設けられている超音波振動子２２と、超音波振動子２２に取付けられているホーン部材２３と、を備える。
　振動子ユニット５は、振動子ケース２１が基端方向側から筒状ケース部１１の内部に挿入されることにより、ハンドルユニット６（超音波処置具２）に取付けられる。筒状ケース部１１の内部では、振動子ケース２１は、シース８に連結されている。振動子ケース２１は、回転操作ノブ１５と一体に、筒状ケース部１１に対して長手軸Ｃを中心として、回転可能である。
　超音波振動子２２には、制御ユニット３からの電力が入力される電気配線部２５Ａ、２５Ｂが接続されている。
　ホーン部材２３には、超音波振動子２２が装着される振動子装着部２７が、設けられている。超音波振動子２２で発生した超音波振動は、ホーン部材２３に伝達される。また、ホーン部材２３には、振動子装着部２７より先端方向側に断面積変化部２８が設けられている。断面積変化部２８では、先端方向に向かうにつれて長手軸Ｃに垂直な断面積が減少する。断面積変化部２８によって、超音波振動の振幅が拡大される。ホーン部材２３の先端部には、雌ネジ部２９Ａが設けられている。また、超音波プローブ９の基端部には、雄ネジ部２９Ｂが設けられている。雄ネジ部２９Ｂが雌ネジ部２９Ａに螺合することにより、ホーン部材２３の先端方向側に超音波プローブ９が接続される。超音波プローブ９は、筒状ケース部１１の内部で、ホーン部材２３に接続される。これにより、超音波プローブ９は、ホーン部材２３を介して超音波振動子２２に連結される。
　ホーン部材２３に伝達された超音波振動は、ホーン部材２３及び超音波プローブ９において、基端方向から先端方向へ長手軸Ｃに沿って伝達される。そして、超音波振動は、処置部１７まで、先端方向へ向かって伝達される。処置部１７は、伝達された超音波振動を用いて、生体組織等の処置対象を処置する。
〔制御ユニットの構成〕
　図４は、図１に示す制御ユニットの構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御ユニット３は、出力波形生成部３０と、周波数制御部３１と、検出部３２と、予測部３３と、制御部３４と、記憶部３５と、を備える。
　出力波形生成部３０は、制御部３４及び周波数制御部３１による制御のもと、出力波形信号を生成して出力する。出力波形生成部３０が出力した出力波形信号は、アンプ回路３０１により増幅され、出力トランス３０２により振動子ユニット５に出力される。
　周波数制御部３１は、制御部３４による制御のもと、出力波形生成部３０に周波数制御値を出力し、ＰＬＬ制御により超音波振動子２２を共振周波数にて共振駆動する。また、周波数制御部３１は、超音波振動子２２が振動する周波数を所定の周波数から共振周波数に向かって掃引する。
　検出部３２は、超音波振動子２２の駆動状態を表す第１のパラメータを検出する。第１のパラメータは、例えば、超音波振動子２２に出力する電流であるが、超音波振動子２２に出力する電圧、超音波振動子２２が振動する周波数、超音波振動子２２に出力する電流と超音波振動子２２に出力する電圧との位相差、超音波振動子２２の駆動を開始してからの時間、又は高周波信号を出力して計測した負荷のいずれか１つであってもよく、これらの組み合わせであってもよい。振動子ユニット５から出力された信号は、電流をフィードバック検出する電流ＦＢ（ｆｅｅｄｂａｃｋ）検出回路３２１及び電圧をフィードバック検出する電圧ＦＢ（ｆｅｅｄｂａｃｋ）検出回路により検出され、ＡＤ変換３２３によりそれぞれアナログ信号からデジタル信号に変換され、電流ＦＢ（ｆｅｅｄｂａｃｋ）値及び電圧ＦＢ（ｆｅｅｄｂａｃｋ）値として検出部３２に入力される。検出部３２は、この電流ＦＢ値及び電圧ＦＢ値を周波数制御部３１、予測部３３、制御部３４に送信する。
　予測部３３は、第１のパラメータに基づいてリンギングが発生するか否かを予測する。具体的には、予測部３３は、例えば超音波振動子２２に出力する電流の上昇速度に基づいてリンギングが発生するか否かを予測する。
　制御部３４は、電流等の制御値を出力波形生成部３０に出力し、振動子ユニット５に出力する信号を制御する。また、制御部３４は、超音波振動子２２が駆動する周波数を表す第２のパラメータが所定の条件を満たした場合、周波数制御部３１を制御してＰＬＬ制御により超音波振動子２２を共振周波数にて共振駆動する。ＰＬＬ制御として、例えばＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御を用いることができるが特に限定されない。第２のパラメータは、例えば、超音波振動子２２に出力する電流であるが、超音波振動子２２に出力する電圧、超音波振動子２２が振動する周波数、超音波振動子２２に出力する電流と超音波振動子２２に出力する電圧との位相差、超音波振動子２２の駆動を開始してからの時間、又は高周波信号を出力して計測した負荷のいずれか１つであってもよく、これらの組み合わせであってもよい。具体的には、制御部３４は、予測部３３が、リンギングが発生しないと予測し、かつ超音波振動子２２に出力する電流が閾値以上である場合、周波数制御部３１を制御してＰＬＬ制御により超音波振動子２２を共振周波数にて共振駆動する。
　また、制御部３４は、予測部３３が、リンギングが発生すると予測した場合、超音波振動子２２の駆動を制御する第３のパラメータを調整することにより、リンギングが発生することを防止する。その後、制御部３４は、超音波振動子２２に出力する電流が閾値以上である場合、周波数制御部３１を制御してＰＬＬ制御により超音波振動子２２を共振周波数にて共振駆動する。
　第３のパラメータは、例えば、超音波振動子２２に出力する電流であるが、超音波振動子２２に出力する電圧、超音波振動子２２が振動する周波数、超音波振動子２２に出力する電流と超音波振動子２２に出力する電圧との位相差、超音波振動子２２の駆動を開始してからの時間、ＰＩＤ制御における比例ゲイン、積分ゲイン、若しくは微分ゲイン、又は超音波振動子２２が振動する周波数を掃引する速度のいずれか１つであってもよく、これらの組み合わせであってもよい。
　出力波形生成部３０、周波数制御部３１、検出部３２、予測部３３、及び制御部３４を含む制御ブロックは、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）等の論理回路により構成されているが、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ）等を備えるプロセッサにより構成されていてもよい。また、出力波形生成部３０、周波数制御部３１、検出部３２、予測部３３、及び制御部３４の少なくとも一部を独立したＦＰＧＡ等の論理回路又はＣＰＵ、ＡＳＩＣ等を備えるプロセッサにより構成してもよい。
　記憶部３５は、制御ユニット３に関する各種のデータを記録する。また、記憶部３５は、制御ユニット３が実行する各種のプログラムを記憶する。記憶部３５は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）及びＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等を用いて実現される。
〔制御ユニットの動作〕
　次に、制御ユニット３の動作について説明する。まず、超音波処置システム１を用いて生体組織等の処置対象に処置を施す際には、超音波振動子２２を駆動する前に、可動ハンドル１３を固定ハンドル１２に対して閉じることにより、処置部１７とジョー１８及びパッド１９との間に処置対象を把持する。その後、制御ユニット３が超音波振動子２２を駆動する。
　図５は、制御ユニットにおける処理の概要を示すフローチャートである。図５に示すように、制御部３４は、操作入力ボタン１６の操作によって所定の信号が入力されたか否かを検出し、超音波振動子２２を駆動させる駆動信号の送信を開始するか否かを判定する（ステップＳ１）。
　制御部３４が、超音波振動子２２を駆動させる駆動信号の送信を開始しないと判定した場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、ステップＳ１の処理を繰り返す待機状態となる。
　一方、制御部３４が、超音波振動子２２を駆動させる駆動信号の送信を開始すると判定した場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、周波数制御部３１は、超音波振動子２２が振動する周波数を所定の周波数から共振周波数に向かって掃引する（ステップＳ２：探索フェーズ）。具体的には、周波数制御部３１は、超音波振動子２２が振動する周波数を共振周波数から所定値だけ大きい又は小さい所定の周波数から共振周波数に向かって周波数を掃引し、共振周波数を探索する。また、探索フェーズにおいて、制御部３４は、超音波振動子２２に出力する電流を徐々に大きくする。
　図６は、超音波振動子に出力する電流の時間変化を示す図である。図６の横軸は時間、縦軸は超音波振動子２２に出力する電流であり、制御ユニット３が、リンギングが発生することを防止した場合の理想的な電流の時間変化を図示した。図６に示すように、時間ｔ＝０～ｔ１１までの探索フェーズにおいて、制御部３４は、超音波振動子２２に出力する電流を徐々に大きくする。
　探索フェーズにおいて、予測部３３は、超音波振動子２２に出力する電流の上昇速度に基づいてリンギングが発生するか否かを予測する（ステップＳ３）。図７は、リンギングが発生しない場合の電流の時間変化の一例を示す図である。図８は、リンギングが発生する場合の電流の時間変化の一例を示す図である。図７、図８の横軸は時間［ｍｓ］であり、縦軸は制御ユニット３が超音波振動子２２に出力する電流であり、リンギングが発生することを防止していない場合の電流の時間変化の測定例を図示した。図７に示す時間幅Ｗが図６の時間幅に対応する。なお、図７、図８の電流は、図７に示すリンギングが発生しない場合の最大値で規格化した値である。図７、図８に示すように、ロックイン直前においては、時間とともに電流が減少し、その後、電流が急激に増大する。そして、電流が増加に転じた後、図７に破線で示す領域Ａ１のように、電流の上昇速度が小さい場合、予測部３３は、リンギングが発生しないと予測する。一方、電流が増加に転じた後、図８に破線で示す領域Ａ２のように、電流の上昇速度が大きい場合、予測部３３は、リンギングが発生すると予測する。
　探索フェーズにおいて、予測部３３が、リンギングが発生しないと予測する場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御部３４は、超音波振動子２２に出力する電流が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
　制御部３４が、超音波振動子２２に出力する電流が閾値以上であると判定した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、制御部３４は、ＰＬＬ制御により超音波振動子２２を共振周波数にて共振駆動する（ステップＳ５：共振駆動フェーズ）。具体的には、制御部３４は、探索フェーズにおいて超音波振動子２２に出力する電流を徐々に大きくし、電流が閾値Ｉ１（図６参照）以上である場合、ＰＬＬ制御により超音波振動子２２を共振周波数にて共振駆動する。すなわち、予測部３３が、リンギングが発生しないと予測し、かつ超音波振動子２２に出力する電流が閾値Ｉ１以上である場合、探索フェーズから直接共振駆動フェーズに移行する。その後、制御部３４は、例えば所定の期間共振駆動を継続後、一連の処理を終了する。
　制御部３４が、超音波振動子２２に出力する電流が閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、ステップＳ２に戻り、探索フェーズが継続される。
　一方、予測部３３が、リンギングが発生すると予想した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御部３４は、超音波振動子２２に出力する電流の上昇速度を低減させることにより、リンギングが発生することを防止する（ステップＳ６：安定化フェーズ）。具体的には、制御部３４は、図６に示すように、時間ｔ＝ｔ１１～ｔ２１までの安定化フェーズにおいて、超音波振動子２２に出力する電流の上昇速度を探索フェーズより遅くする。
　その後、制御部３４は、超音波振動子２２に出力する電流が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。
　制御部３４が、超音波振動子２２に出力する電流が閾値以上であると判定した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、制御部３４は、ＰＬＬ制御により超音波振動子２２を共振周波数にて共振駆動する（ステップＳ５：共振駆動フェーズ）。具体的には、制御部３４は、安定化フェーズにおいて超音波振動子２２に出力する電流を徐々に大きくし、電流が閾値Ｉ１（図６参照）以上である場合、ＰＬＬ制御により超音波振動子２２を共振周波数にて共振駆動する。すなわち、予測部３３が、リンギングが発生すると予測した場合には、探索フェーズから安定化フェーズに移行し、安定化フェーズから共振駆動フェーズに移行する。その後、制御部３４は、例えば所定の期間共振駆動を継続後、一連の処理を終了する。
　制御部３４が、超音波振動子２２に出力する電流が閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、ステップＳ６に戻り、安定化フェーズが継続される。
　以上説明した実施の形態１によれば、予測部３３が、リンギングが発生しないと予測した場合には、電流が閾値になると探索フェーズから共振駆動フェーズに移行するため、超音波振動子２２を安定的に共振駆動することができる。また、予測部３３が、リンギングが発生すると予測した場合には、制御部３４が、第３のパラメータを調整することにより、リンギングが発生することを防止するため、超音波振動子２２を安定的に共振駆動することができる。
　なお、実施の形態１では、予測部３３が、リンギングが発生すると予測した場合に安定化フェーズに移行する例を説明したが、予測部３３が、リンギングが発生しないと予測した場合にも安定化フェーズを設けてもよい。具体的には、制御部３４は、第２のパラメータが所定の条件を満たす（例えば超音波振動子２２に出力する電流が閾値Ｉ１より小さい閾値以上である）場合に、探索フェーズから安定化フェーズに移行し、超音波振動子２２に出力する電流の上昇速度を遅くしてもよい。
（変形例）
　実施の形態１では、予測部３３が、リンギングが発生すると予測した直後から第３のパラメータを調整して、リンギングが発生することを防止する例を説明したが、これに限られない。制御部３４は、リンギングが発生している間に、第３のパラメータを調整することにより、超音波振動子が振動する周波数が共振周波数から外れることを防止してもよい。
　図９は、超音波振動子に出力する電流の時間変化を示す図である。図９の横軸は時間、縦軸は超音波振動子２２に出力する電流であり、制御ユニット３が、超音波振動子２２が振動する周波数が共振周波数から外れることを防止した場合の理想的な電流の時間変化を図示した。図９に示すように、制御部３４は、ＰＬＬ制御を開始した直後（時間ｔ＝ｔ２１）から第３のパラメータを調整することにより、超音波振動子２２が振動する周波数が共振周波数から外れることを防止する（安定化フェーズ）。そして、制御部３４は、検出部３２が検出した電流の変動量が閾値以下になる（時間ｔ＝ｔ２２）と、第３のパラメータの調整を終了し、安定化フェーズから共振駆動フェーズに移行する。
（実施の形態２）
　実施の形態１では、周波数制御部３１が、超音波振動子２２が振動する周波数を、共振周波数より大きい周波数から共振周波数に向かって掃引するか、共振周波数より小さい周波数から共振周波数に向かって掃引するかは限定していないが、どちらかを選択してもよい。実施の形態２において、図１～図３に示す超音波処置システム１の構成は、実施の形態１と同様であってよいので、説明を省略する。
　検出部３２は、超音波振動子２２に出力する電流と超音波振動子２２に出力する電圧との位相差を検出する。
　周波数制御部３１は、位相差に応じて、超音波振動子２２が振動する周波数を、共振周波数より大きい周波数から共振周波数に向かって掃引するか、共振周波数より小さい周波数から共振周波数に向かって掃引するか選択する。
　図１０、図１１は、周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。図１０、図１１の横軸は、周波数［ｋＨｚ］を表し、縦軸はインピーダンス［Ω］を表す。図１０は、寄生容量又は寄生インダクタンスが低い場合を表し、この場合、共振周波数ｆｒより反共振周波数ｆａｒのほうが小さい。また、超音波振動子２２に出力する電流と超音波振動子２２に出力する電圧との位相差θは、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａｒとの間においてゼロより大きく、共振周波数ｆｒより大きい周波数と反共振周波数ｆａｒより小さい周波数においてゼロより小さい。一方、図１１は、寄生容量又は寄生インダクタンスが高い場合を表し、この場合、共振周波数ｆｒより反共振周波数ｆａｒのほうが大きい。また、超音波振動子２２に出力する電流と超音波振動子２２に出力する電圧との位相差θは、共振周波数ｆｒより大きい周波数と反共振周波数ｆａｒより小さい周波数においてゼロより大きく、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａｒとの間においてゼロより小さい。
　ここで、周波数制御部３１が周波数を掃引する際に、共振点と反共振点との間の周波数では、インピーダンスが急激に変化するため、ＰＬＬ制御の制御範囲から外れやすい状態となる。そこで、検出部３２は、周波数が共振周波数ｆｒより所定値だけ大きい、又は所定値だけ小さい場合に、位相差θがゼロより大きいか、ゼロより小さいかを検出する。
　位相差θがゼロより小さい図１０に示す状態である場合、周波数制御部３１は、高周波数側から共振周波数に向かって超音波振動子２２が振動する周波数を掃引する。その結果、周波数を掃引する際に、共振点と反共振点との間を通過しないため、位相差θがＰＬＬ制御の制御範囲から外れることを抑制することができる。
　位相差θがゼロより大きい図１１に示す状態である場合、周波数制御部３１は、低周波数側から共振周波数に向かって超音波振動子２２が振動する周波数を掃引する。その結果、周波数を掃引する際に、共振点と反共振点との間を通過しないため、位相差θがＰＬＬ制御の制御範囲から外れることを抑制することができる。
（実施の形態３）
　実施の形態３の超音波処置システム１は、超音波出力に加えて、処置部１７とジョー１８及びパッド１９との間に把持した処置対象に高周波電流を出力することができる。実施の形態３において、図１～図３に示す超音波処置システム１の構成は、実施の形態１と同様であってよいので、説明を省略する。
　図１２は、制御ユニットにおける処理の概要を示すフローチャートである。図１２に示すように、ステップＳ１において、制御部３４が、超音波振動子２２を駆動させる駆動信号の送信を開始すると判定した場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、制御部３４は、処置部１７とパッド１９との間に高周波電流を出力する（ステップＳ１１）。
　続いて、検出部３２は、処置部１７とパッド１９との間に把持した処置対象による負荷を検出し、制御部３４は、検出部３２が検出した負荷が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。
　制御部３４が、検出部３２が検出した負荷が閾値以上であると判定した場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に進む。
　一方、制御部３４が、検出部３２が検出した負荷が閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、周波数制御部３１は、探索フェーズにおいて周波数を掃引する速度を遅くする（ステップＳ３１）。また、制御部３４は、探索フェーズにおいて、超音波振動子２２に出力する電流を大きくする速度を遅くする。ここで、処置部１７とパッド１９との間に把持した処置対象が薄く、負荷が小さい場合には、電流が流れやすいことにより電流が急激に変化しやすい。そのため、負荷が小さい場合には、周波数を掃引する速度や電流を上昇させる速度を遅くし、リンギングが発生することを防止する。なお、負荷が小さい場合、探索フェーズのみならず、安定化フェーズにおいて、周波数を掃引する速度や電流を上昇させる速度を遅くしてもよい。
（その他の実施例）
　図１３は、超音波振動子の共振駆動を終了した後の時間と超音波振動子に出力する電流との関係を示す図である。図１３の横軸は時間、縦軸は超音波振動子２２に出力する電流である。図１３に示すように、制御ユニット３が超音波振動子２２を共振駆動してから所定の時間が経過した時間ｔ＝ｔ３１において、制御ユニット３は、超音波振動子２２に出力する電流を小さくする。具体的には、制御ユニット３は、時間ｔ＝ｔ３１～ｔ３２の間において、超音波振動子２２に出力する電流をＩ１１からＩ１２まで低減させる。その結果、処置対象に対する処置が終了した後に処置部１７とパッド１９との間に超音波が出力され、パッド１９が損傷することを防止することができる。
　さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表し、かつ記述した特定の詳細及び代表的な実施の形態に限定されるものではない。従って、添付のクレーム及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
　１　超音波処置システム
　２　超音波処置具
　３　制御ユニット
　５　振動子ユニット
　６　ハンドルユニット
　７　ケーブル
　８　シース
　９　超音波プローブ
　１１　筒状ケース部
　１２　固定ハンドル
　１３　可動ハンドル
　１５　回転操作ノブ
　１６　操作入力ボタン
　１７　処置部１７
　１８　ジョー
　１９　パッド
　２１　振動子ケース
　２２　超音波振動子
　２３　ホーン部材
　２５Ａ、２５Ｂ　電気配線部
　２７　振動子装着部
　２８　断面積変化部
　２９Ａ　雌ネジ部
　２９Ｂ　雄ネジ部
　３０　出力波形生成部
　３１　周波数制御部
　３２　検出部
　３３　予測部
　３４　制御部
　３５　記憶部
　３０１　アンプ回路
　３０２　出力トランス
　３２１　電流ＦＢ検出回路
　３２２　電圧ＦＢ検出回路
　３２３　ＡＤ変換


 

Claims (11)

  1. 　周波数制御部が、超音波振動子が振動する周波数を所定の周波数から共振周波数に向かって掃引し、
    　予測部が、前記超音波振動子の駆動状態を表す第１のパラメータに基づいてリンギングが発生するか否かを予測し、
    　制御部が、前記予測部が、前記リンギングが発生しないと予測し、かつ前記超音波振動子が駆動する周波数を表す第２のパラメータが所定の条件を満たした場合、ＰＬＬ制御により前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する超音波駆動装置の作動方法。
  2. 　前記制御部は、
    　前記予測部が、前記リンギングが発生すると予測した場合、前記超音波振動子の駆動を制御する第３のパラメータを調整することにより、前記リンギングが発生することを防止し、
    　前記第２のパラメータが所定の条件を満たした場合、ＰＬＬ制御により前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する請求項１に記載の超音波駆動装置の作動方法。
  3. 　前記制御部は、前記ＰＬＬ制御を開始した直後から前記超音波振動子の駆動を制御する第３のパラメータを調整することにより、前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する請求項１に記載の超音波駆動装置の作動方法。
  4. 　前記第３のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流、前記超音波振動子に出力する電圧、前記超音波振動子が振動する周波数、前記超音波振動子に出力する電流と前記超音波振動子に出力する電圧との位相差、前記超音波振動子の駆動を開始してからの時間、ＰＩＤ制御における比例ゲイン、積分ゲイン、若しくは微分ゲイン、又は前記超音波振動子が振動する周波数を掃引する速度のいずれかを含む請求項２又は３に記載の超音波駆動装置の作動方法。
  5. 　前記第３のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流であり、
    　前記制御部は、前記超音波振動子に出力する電流の上昇速度を低減させることにより、前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する請求項２～４のいずれか１つに記載の超音波駆動装置の作動方法。
  6. 　前記第１のパラメータ及び前記第２のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流、前記超音波振動子に出力する電圧、前記超音波振動子が振動する周波数、前記超音波振動子に出力する電流と前記超音波振動子に出力する電圧との位相差、前記超音波振動子の駆動を開始してからの時間、又は高周波信号を出力して計測した負荷のいずれかを含む請求項１～５のいずれか１つに記載の超音波駆動装置の作動方法。
  7. 　前記第１のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流であり、
    　前記予測部は、前記超音波振動子に出力する電流の上昇速度に基づいて前記リンギングが発生するか否かを予測する請求項１～５のいずれか１つに記載の超音波駆動装置の作動方法。
  8. 　前記第２のパラメータは、前記超音波振動子に出力する電流であり、
    　前記制御部は、前記超音波振動子に出力する電流が閾値以上である場合、ＰＬＬ制御により前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する請求項１～７のいずれか１つに記載の超音波駆動装置の作動方法。
  9. 　前記周波数制御部は、前記超音波振動子に出力する電流と前記超音波振動子に出力する電圧との位相差に応じて、前記超音波振動子が振動する周波数を、共振周波数より大きい周波数から掃引するか、共振周波数より小さい周波数から掃引するか選択する請求項１～８のいずれか１つに記載の超音波駆動装置の作動方法。
  10. 　超音波振動子が振動する周波数を所定の周波数から共振周波数に向かって掃引する周波数制御部と、
    　前記超音波振動子の駆動状態を表す第１のパラメータに基づいてリンギングが発生するか否かを予測する予測部と、
    　前記予測部が、前記リンギングが発生しないと予測し、かつ前記超音波振動子が駆動する周波数を表す第２のパラメータが所定の条件を満たした場合、ＰＬＬ制御により前記超音波振動子を共振周波数にて共振駆動する制御部と、
    　を備える超音波駆動装置。
  11. 　請求項１０に記載の超音波駆動装置と、
    　前記超音波駆動装置の出力に応じて振動する超音波振動子と、
    　を備える超音波処置システム。
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