CN103516438A - 光接收电路、用于振动型致动器的驱动设备和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光接收电路、用于振动型致动器的驱动设备和系统。本发明的实施例的光接收电路包括被配置为接收光脉冲信号的光检测器和连接到光检测器的负载。一个电路包括光检测器和负载的电阻分量。此电路被配置为输出非脉冲信号。

Description

光接收电路、用于振动型致动器的驱动设备和系统

技术领域

本公开涉及光接收电路、使用光接收电路的用于振动型致动器的驱动设备和使用该驱动设备的系统。具体地，本公开涉及在光通信线路的接收侧的光接收电路、使用光接收电路的用于振动型致动器的驱动设备和使用驱动设备的系统。

背景技术

近年来，诸如机械手（manipulator）之类的医疗机器人设备已被积极地研究。一个典型示例是使用核磁共振成像（MRI）装置的医疗系统，并且该医疗系统使得用户能够控制机械手的机器人臂的位置并且在观看MR图像的同时执行准确的活体检查和治疗。MRI是用于为受体（样本）的要被测量的部位提供静磁场和由特定的射频磁场生成的电磁波、通过向受体内部施加由该提供引起的核磁共振现象来创建图像、并且获得关于样本的信息的医疗系统。

因为MRI使用高的磁场，所以不可以使用包括铁磁体作为机器人臂的电源的电磁电动机。因而，振动型致动器（典型代表是超声马达）适合于电源。由用于振动型致动器的控制器生成的射频噪声也对MR图像有影响，因而必须显著地抑制或阻止来自于控制器的噪声。

日本专利公开No.2000-184759描述根据振动型致动器的驱动波形的脉冲宽度生成的谐波量的变化并且还示出了由变换器将脉冲信号的电压升压的电路布置。像在这种情况下一样，振动型致动器通常由伪正弦波驱动，在伪正弦波中，通过利用电感器元件或其它元件使脉冲电压的波形成圆形。因为基于脉冲电压生成波形，所以伪正弦波的波形除了具有低阶基波之外，还叠加了具有基波频率的整倍数的频率的谐波。

新能源工业技术发展组织（NEDO）的“Basic ContractAccomplishment Report of Research and Development of MiniatureSurgical Robotic System Achieving Future Medical Treatment”公开了这样一种配置，其中用于振动型致动器的控制器和驱动电路被布置在磁屏蔽室之外并且利用双屏蔽电缆连接到磁屏蔽室内部的振动型致动器。此配置还包括在电缆经过墙壁的部分中的线路滤波器，并且可以防止噪声进入磁屏蔽室。为了减小由振动型致动器中流动的电流引起的电磁噪声，振动型致动器被放置在铝盒中以经受电磁屏蔽。

在日本专利公开No.2000-184759中所示的已知的驱动电路可以使用由变换器的次级侧上的电感器和振动型致动器的阻尼电容形成的滤波器特性在一定程度上平滑驱动波形。也就是说，可以在一定程度上抑制谐波分量。但是，因为最后一个输出级也由开关电路制成，所以紧接在从电路输出之后的波形原则上包含许多叠加的谐波分量。因而，当在放置MRI装置的磁屏蔽室中激活振动型致动器时，发生在MR图像中混入噪声的问题。此外，因为这样的驱动电路具有不平坦的频率响应特性，所以波形也通过由振动型致动器的振幅的变化引起的阻抗的变化而极大地改变。因此，噪声的频率特性可以根据驱动条件而变化。

在上述NEDO的报告中描述的配置中，到振动型致动器的电缆是双屏蔽的，并且线路滤波器被布置在到磁屏蔽室内部的连接端口中。但是，因为振动型致动器电连接到驱动电路和控制器，所以难以完全地阻止射频噪声。因而，当在MRI装置附近驱动振动型致动器时，在MR图像中可能混入噪声。当振动型致动器的布线长度长时，取决于布线的负载容量可能增大，并且功耗可能增大。抑制来自于被配置为生成用于振动型致动器的驱动波形信号的单元的电磁噪声的一种方法可以是将驱动波形信号转换成光脉冲信号并且发送它的方法。具体地，当布置MRI装置的磁屏蔽室内部的振动型致动器被驱动时，一个可能有效的方式可以是不使用开关电路而是在将光脉冲信号转换为电信号之后在驱动电路的输出级中使用线性放大器。但是，在这种情况下，如果振动型致动器的数目和电路通道的数目增大，则必须进一步包括具有足够用于发送驱动脉冲信号的宽范围的高速光电转换电路和用于将脉冲信号转换成非脉冲信号的数模转换器或滤波器电路。因此，出现驱动设备倾向于具有大尺寸并且昂贵的问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种被配置为接收光脉冲信号并且能够减小谐波分量的低成本的光接收电路。

本发明的实施例的光接收电路包括被配置为接收光脉冲信号的光检测器和连接到光检测器的负载。包括光检测器和负载的电阻分量的电路输出非脉冲信号。

本发明的进一步的特征通过参考附图对示范性实施例的以下描述将变得清楚。

附图说明

图1是示出了根据第一实施例的系统概要的图。

图2是示出了根据第一实施例的振动型致动器的配置的图。

图3是示出了根据第一实施例的驱动电路的概要的图。

图4A是示出了根据第一实施例的光接收电路的概要的图，图4B是示意地示出了光电转换元件的特性的图。

图5是示出了第一实施例中的每个部分的操作波形的概要的图。

图6是示出了根据第二实施例的系统概要的图。

具体实施方式

根据本发明的实施例的光接收电路可以具体地用在用于振动型致动器的驱动设备（驱动电路）中。光接收电路也可以不仅被用作用于振动型致动器的驱动设备，而且被用作用于照明装置和其它装置的驱动设备。包括根据本发明的实施例的光接收电路的驱动设备可被用在包括MRI装置和其它装置的系统中。MRI装置利用射频（RF）脉冲照射样本，并且使用高灵敏度接收线圈（RF线圈）接收样本响应于照射生成的电磁波。然后MRI装置基于来自于接收线圈的接收信号获得磁共振（MR）图像作为关于样本的信息。根据本发明的实施例的振动型致动器和用于其的驱动设备不局限于应用到上述医疗系统。二者也可应用到用于测量与电磁波和磁力有关的物理量（例如，磁通量密度“特斯拉[T]”、磁场强度“A/m”和电场强度“V/m”）的装置或系统。

下面参考附图描述本发明的实施例。在下面的实施例中，描述在MRI装置内部使用的用于振动型致动器的驱动设备包括本发明的光接收电路的示例。下面的实施例不限制与权利要求书的范围有关的本发明，并且不是在实施例中描述的特性的所有组合都是本发明的解决方案所必需的。

<第一实施例>

图1是示出了根据本发明的第一实施例的医疗系统的配置的图。此系统执行功能磁共振成像（fMRI）。fMRI是使用MRI装置使由大脑和脊柱活动引起的血流的变化可视化的技术。此系统通过使用振动型致动器移动机器人臂基于时序改变接触刺激并且测量大脑内部的对应的血流的变化。除了接触刺激以外，诸如视觉刺激和听觉刺激之类的各种类型的刺激作为用在该系统中的刺激被研究。具体地，当机器人臂或另一个工具被移动到MRI装置内部时，由驱动源产生的电磁噪声减小并且通过磁屏蔽使得构件消磁。

（MRI装置的基本配置）

首先，参考图1将包括MRI装置的系统的配置描述为根据本实施例的医疗系统。可应用本发明的实施例的系统至少包括布置在磁屏蔽室1内部的测量单元和布置在磁屏蔽室1外部的控制器8。

MRI装置具体地对称为拉莫（Larmor）频率的频率附近的电磁噪声敏感，该频率根据特定于装置的磁场强度来确定。拉莫频率是受体6的大脑内部的原子核的磁偶极矩的回旋频率。对于MRI装置一般临床使用的0.2T到3T的磁场强度，拉莫频率的范围为从8.5MHz到128MHz。因而，必须显著地减小在磁屏蔽室中操作的设备中的该范围的频率的电磁噪声的发生。但是，因为使用中央处理单元（CPU）或现场可编程门阵列（FPGA）的控制器8通常利用大约10MHz到50MHz的外部时钟进行操作，所以由该时钟信号产生的电磁噪声主要重叠在包括谐波时的拉莫频率的范围。由于此，被配置为测量出现在大脑内部的弱磁场的变化的测量单元被布置在阻止外部噪声的影响的磁屏蔽室1的内部。

MRI装置的测量单元至少包括用于产生静磁场的超导磁体2、用于产生梯度磁场以识别三维位置的梯度线圈3、用于利用电磁波照射受体6并且接收电磁波的RF线圈4、和用于受体6的工作台5。RF线圈4对应于接收部分。超导磁体2和梯度线圈3二者在实际中为圆柱形的，并且二者示出在图1中以使得它们的半部分被去除。RF线圈4专用于测量大脑内部的MR成像，并且被构造为管状形式，以便覆盖躺在工作台5上的受体6的头部。MRI装置的测量单元产生各种序列的梯度磁场并且根据来自于布置在磁屏蔽室1外部的控制部分（没有示出）的控制信号发射电磁波。外部控制部分（没有示出）使用来自于RF线圈4的接收信号获得关于大脑内部的各个种类的信息。用于控制电磁波的此控制部分可以包括在控制器8中。

机器人臂7被固定在测量单元中的工作台5上。机器人臂7可以在基体的两个关节和枢轴的三个自由度内移动，并且可以使得在臂的端部处的接触球通过任何按压力与受体6的任何位置按压接触并且可以为受体6提供时序的刺激。机器人臂7的关节和枢轴基体的每一个装备有图2所示的振动型致动器、转动传感器和力传感器（二者都没有示出）。转动传感器和力传感器的每一个的信号被转换为光脉冲信号，并且它通过光纤9被发送到布置在磁屏蔽室1外部的控制器8。机器人臂7的关节的每一个装备有振动型致动器，并且振动型致动器是用于直接驱动关节的机构。因而，整体刚性是高的，并且机器人臂7的操作可以为受体6提供宽的频率范围内的各种刺激。包括振动型致动器的机器人臂7的主结构由非磁性材料制成，并且它被设计为最小化与由超导磁体2产生的静磁场的干扰。

在实际测量中，首先，要求受体6用他的或她的手抓住机器人臂7的端部并且尽可能不移动他的或她的手臂。然后，在由机器人臂7产生力的同时基于时序改变力的大小、其方向模式和其它元素，并且测量受体6的大脑内部的血流的变化。对于这样的测量，因为必须连续地施加力，所以驱动机器人臂7持续。

控制器8根据用于为受体6提供刺激的时序信号与预设路线和预设按压力之间的比较结果以及来自于转动传感器和力传感器的信息，输出用于驱动振动型致动器的驱动信号（驱动波形）。驱动信号是其中作为波形数据的正弦波被脉宽调制的脉冲信号。此脉宽调制信号在控制器8内部被转换为光脉冲信号，并且光脉冲信号通过光纤10被发送到磁屏蔽室1中。光纤10对应于光发送单元。也就是说，在图1中，控制器8包括被配置为生成驱动波形的波形生成单元和被配置为将驱动波形转换成光脉冲信号的光发送电路。

光接收器11将从控制器8输出的光脉冲信号转换成电信号。光接收器11对应于光接收电路。从光接收器11输出的电信号是非脉冲信号。具体地，脉宽调制信号的谐波分量被去除，并且输出结果的正弦信号。

线性放大器12线性地放大从光接收器11输出的正弦信号并且将它施加到振动型致动器。线性放大器12对应于线性放大单元。因为使用线性放大器12，所以在本实施例中包含在驱动电压中的谐波分量小于在使用开关放大器时的谐波分量。因为线性放大器的输出阻抗低，所以即使振动型致动器的阻抗特性改变，施加于振动型致动器的驱动电压的波形的变化也小。在本实施例中，光接收器11和线性放大器12构成驱动电路。下面参考图3描述驱动电路的细节。

（振动型致动器的配置）

下面描述可应用于本发明的实施例的振动型致动器的配置。图2是示出了振动型致动器的示例配置的图。在本实施例中的振动型致动器包括振动器和从动构件。

振动器包括弹性构件14和压电构件15。压电构件15是压电元件（电能到机械能转换元件）。弹性构件14具有环状结构，该环状结构在一个表面上具有梳齿形状。压电构件15附接于弹性构件14的另一个表面。弹性构件14的梳齿形状的突出部的上表面附接于摩擦构件16。从动构件是转子17。转子17具有盘形结构，通过按压单元（没有示出）按压该盘形结构以便与弹性构件14接触，在转子17和弹性构件14之间布置摩擦构件16。

当交流电压（驱动电压）施加于振动型致动器中的压电构件15时，在弹性构件14中发生振动。具体地，在弹性构件14中出现沿着环的周边行进的行进振荡波。此振动在转子17和摩擦构件16之间产生摩擦力，并且摩擦力使得转子17相对于弹性构件14旋转。旋转轴18固定在转子17的中心上，并且连同转子17一起旋转。在本实施例中，振动型致动器被布置在由图1中的圆圈指示的两个关节的每一个上，并且工作台5和机器人臂7的基体之间的连接使能两个关节的每一个的旋转和整个部分的枢轴运动。

（用于振动型致动器的驱动电路的基本配置）

接下来参考图3详细地描述根据本实施例的作为用于驱动振动型致动器的设备的驱动电路。图3是示出了根据本实施例的驱动电路的图。在本实施例中用于振动型致动器的驱动电路包括光接收器11和线性放大器12a和12b。在下面的描述中，当不必要区分线性放大器12a和12b时，它们被表示为线性放大器12。线性放大器12包括A类或AB类放大器，并输出具有小的谐波失真的波形。

如上所述，在本实施例中，由上述光发送电路将脉冲信号Pa和Pb（参见图5）转换为光脉冲信号，在脉冲信号Pa和Pb的每一个中，正弦波被脉宽调制。光接收器11通过光纤10接收光脉冲信号，并且将光脉冲信号的每一个转换成电信号（非脉冲信号）。在典型的电路配置中，具有足够用于脉冲信号的宽范围特性的光接收器11的输出被输入到低通滤波器电路中，并且脉宽调制信号的载波被去除。相反，在本实施例中，光接收器11也具有滤波器特性。具体地，光接收器11通过其低通滤波器功能去除脉宽调制信号的载波，并输出具有不同相位的两个正弦信号Sa和Sb。

线性放大器12a和12b的每一个是具有电容器的带限的反相线性放大器。当光接收器11的滤波器阶数低并且上述载波分量留在正弦信号Sa和Sb中时，载波分量进一步通过线性放大器12a和12b的频率特性衰减，然后驱动电压被施加于压电构件15a和15b。如果光接收器11的滤波器特性预先充分地限于一频率范围，则线性放大器12a和12b可以不具有使用电容器限制频率范围的配置，这与本实施例不同。线性放大器12不局限于从光接收器11输出的非脉冲信号被直接输入到线性放大器12中的配置。另一个电路可以被布置在线性放大器12和光接收器11之间。也就是说，线性放大器12可以接收基于从光接收器11输出的非脉冲信号的信号。

（光接收电路的配置）

下面详细描述根据本实施例的作为光接收电路的光接收器11的配置。在典型的光接收电路的配置中，具有足够用于脉冲信号的宽范围特性的光接收器11的输出被输入到低通滤波器电路中，并且脉宽调制信号中的载波被去除。相反，在本实施例中的光接收器11也具有低通滤波器特性。图4A是示出了光接收器11中的内电路的仅仅一个通道的图。图4B是示意地示出了光电转换元件100的负载电阻-响应速度特性的图。

图4A所示的电路包括光电转换元件100和负载电阻101（电阻元件），负载电阻101作为连接到光电转换元件的负载。光电转换元件100对应于光检测器。当通过光纤10输入的信号进入包括光敏晶体管的光电转换元件100时，电流从集电极侧流到发射极侧。此电流通过负载电阻101转换为电压，并且电压作为输出信号Sa和Sb输出。负载电阻101对应于光电转换元件100的负载。这里，如作为双对数曲线图的图4B所示，通常光电转换元件100的响应速度随着负载电阻101的值的增大而减小（响应时间长度增大）。也就是说，光电转换元件100具有频带随着负载的电阻值的增大而减小的特性。

如上所述，在典型的光接收电路中，增大光电转换元件100的性能，以使得它的频带尽可能宽，并且选择负载电阻101的常数（电阻值）以使得它不与此性能干扰。相反，本发明的实施例将此特性转化为优势。也就是说，选择负载的电阻值以使得输出信号的频带受限。这使得包括光电转换元件100和负载电阻101的电阻分量的电路能够输出非脉冲信号。也就是说，此电路充当对于脉宽调制信号的低通滤波器。

具体地，在本实施例中，包括光电转换元件100和负载电阻101的电阻分量的电路被配置为使得作为脉冲信号Pa和Pb的每一个的调制信号的正弦波的至少基波分量作为非脉冲信号被输出。也就是说，此电路输出与由光电转换元件100接收到的光脉冲信号中的调制信号的至少基波分量对应的电信号。更具体地，包括光电转换元件100和负载电阻101的电阻分量的电路用作对于脉宽调制的载波频率的滤波器。

图5示意地示出了在图3所示的每个部分中的操作波形的失真。在从光接收器11输出的正弦波Sa和Sb中，除了正弦波的基波分量之外，还存在作为载波的分量并且不能通过光接收电路从脉冲信号Pa和Pb中去除的剩余信号。也就是说，调制信号中的至少基波分量从光接收器11输出。包含在正弦信号Sa和Sb的每一个中的载波分量通过线性放大器12的低通滤波器特性被进一步衰减，如交流电压Va和Vb所指示的。因此，施加于压电构件15的驱动电压基本上不包含载波分量。

在本实施例中，电阻元件被用作光接收电路中的负载。在本发明的实施例中的负载不局限于电阻元件。负载的示例可以包括被配置为将从光电转换元件100输出的电流转换为电压信号的电路，诸如使用晶体管的有源负载。

为了使得本实施例中的低噪声的电路的优势更有效，电池也可以被用作磁屏蔽室1内部的电路的电源。此情况可以在电路布置方面有用，因为理论上可以阻止通过电源线的共模噪声混合。

此外，可以是有用的是，如果驱动电路包括多个光接收电路，多个光接收电路当中的一个或多个光接收电路被封装为光接收模块。可以是有用的是多个光接收电路被放置在与光接收模块相同的封装中。将光接收电路封装为模块增大了在并行布置许多相同的电路时的可用性。

在本实施例中，从控制器8中的波形生成单元输出的脉冲信号具有其中正弦波被脉宽调制的波形。脉冲信号可以具有通过其它脉冲调制方案获得的波形。例如，甚至对于使用脉冲密度调制（PDM）（以ΔΣ调制为典型代表）或脉冲幅度调制（PAM）产生的波形，当使用光接收电路的滤波器特性去除诸如它的载波之类的它的谐波分量时，也可获得至少原始的正弦波。

如上所述，因为根据本实施例的光接收电路将光电转换元件100的负载电阻-响应频带特性转化为优势并且用作对于脉冲信号的低通滤波器电路，所以可以减小它的谐波分量。在振动型致动器的数目和电路通道的数目增大时出现的问题也可以被解决。具体地，不必要进一步包括具有足够用于脉冲信号的发送的宽范围的高速光电转换电路、用于将脉冲信号转换成非脉冲信号的数模转换电路和滤波器电路。因此，可以避免电路尺寸的增大。因而，可以使装置小型化并且还可以抑制成本的增加。

<第二实施例>

接下来参考图6描述本发明的第二实施例。除了被配置为生成驱动波形的波形生成单元的内在配置以外，本实施例中的部分基本上与第一实施例中的相同，并且省略其详细描述。

图6是示出了根据本实施例的系统配置的概要的图。在本实施例中的波形生成单元至少包括正弦波生成单元21、线性度补偿器23、数据存储单元22和脉宽调制器24。正弦波生成单元21根据来自于命令单元（没有示出）的频率命令生成正弦信号。数据存储单元22存储用于校正光接收器11的非线性度以确保线性度的线性度补偿数据，线性度补偿数据预先通过测量获得。

这里，描述使用线性度补偿数据的原因。光电转换元件100的特征变化，并且脉宽调制信号的脉冲宽度不同于它的理想状态，即线性度可能减小（也就是说，特征可以是非线性的）。具体地，非线性度指示，在将光脉冲信号转换成电信号时，光脉冲宽度和非脉冲电信号的振幅值不是成比例的（线性的）。此时，要被施加于压电构件15的正弦信号处于失真状态。为了使得正弦信号在接近于它的理想状态时施加于压电构件15，必须根据情况校正脉宽调制信号的脉冲宽度。为此，测量用于每一个光电转换元件100的线性度补偿数据并且将它存储到数据存储单元22中使得能够确保实际使用中令人满意的线性度。为了确保更令人满意的线性度，可以是有用的是对于每一个光电转换元件100单独地测量补偿数据。

线性度补偿器23基于从数据存储单元22读取的线性度补偿数据校正从正弦波生成单元21输入的正弦信号。使得校正后的正弦信号通过脉宽调制器24成为脉冲信号Pa、/Pa、Pb和/Pb。这些脉冲信号的每一个通过光发送电路25转换为光脉冲信号作为驱动波形。光学信号输出到光纤10。作为光接收电路的光接收器11和其后的部分具有与第一实施例基本上相同的配置，并且省略其描述。

如上所述，在本实施例中，包括被配置为使用预先准备的与每个光电转换元件对应的线性度补偿数据来校正正弦信号的线性度补偿器使得能够使用具有良好线性度的光接收电路利用正弦波驱动振动型致动器。

根据本发明，被配置为接收光学信号并且能够减小谐波分量的光接收电路可以通过将光检测器的负载电阻-响应频带特性转化为优势来提供。

虽然已经参考示范性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不局限于公开的示范性实施例。以下权利要求书的范围与最宽的解释一致以便涵盖所有这样的修改、等效结构和功能。

Claims (13)

1.一种光接收电路，包括：

光检测器，被配置为接收光脉冲信号；和

负载，连接到该光检测器，

其中包括该光检测器和该负载的电阻分量的电路输出非脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的光接收电路，其中所述包括光检测器和负载的电阻分量的电路用作低通滤波器。

3.根据权利要求1或2所述的光接收电路，其中所述包括光检测器和电阻分量的电路被配置为输出与该光脉冲信号中的调制信号的至少基波分量对应的电信号作为该非脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的光接收电路，其中该负载的电阻值是所述包括光检测器和电阻分量的电路能够输出非脉冲信号时的电阻值。

5.根据权利要求1所述的光接收电路，其中该负载是电阻元件。

6.一种光接收模块，包括多个根据权利要求1所述的光接收电路，其中所述多个光接收电路中的一个或多个被封装。

7.一种用于驱动布置在磁屏蔽室内部的振动型致动器的驱动设备，所述驱动设备包括：

根据权利要求1所述的光接收电路，其被配置为接收用于驱动振动型致动器的驱动波形作为光脉冲信号；和

线性放大器，其被配置为接收基于从光接收电路输出的非脉冲信号的信号并输出要被施加于振动型致动器的驱动电压。

8.根据权利要求7所述的驱动设备，其中所述驱动波形是其中正弦波被脉冲调制的脉冲信号。

9.根据权利要求7或8所述的驱动设备，其中该线性放大器具有滤波器特性。

10.根据权利要求8所述的驱动设备，其中该光接收电路和线性放大器被配置为输出至少包含该正弦波的基波分量的信号。

11.一种系统，包括：

振动型致动器和根据权利要求7所述的用于该振动型致动器的驱动设备；

波形生成单元，其被配置为生成其中波形数据被脉冲调制的脉冲信号作为该驱动波形；和

光发送电路，其被配置为将该驱动波形转换成光脉冲信号，

其中该波形生成单元包括补偿器，所述补偿器被配置为校正波形数据以用于补偿由该光接收电路执行的光电转换中的线性度。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括接收部分，其被配置为利用电磁波照射样本并且从该样本接收电磁波，

其中该振动型致动器、用于该振动型致动器的驱动设备和该接收部分被布置在磁屏蔽室内部，以及

该波形生成单元和光发送电路被布置在该磁屏蔽室外部。

13.根据权利要求12所述的系统，还包括磁共振成像（MRI）装置，其被配置为使用来自于接收部分的接收信号获得关于该样本的信息。

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