JP2022017229A - 線形増幅器を用いて超音波式ハンドピースを駆動するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
、本発明は、広範な周波数及び広範な電圧にわたって駆動信号を出力することができるコ
ンソールを備えた超音波式ツールシステムに関する。
ある。一般に、超音波式手術用ツールは、少なくとも1つの圧電ドライバを有するハンド
ピースを備えている。ドライバに先端部が機械的に接続され、その先端部はドライバが配
置されているハウジング又はシェルから前方に延びる。先端部はヘッドを有する。ヘッド
には、特定の医学的又は外科的作業を行えるようなサイズの機構、多くの場合に歯又は溝
が設けられる。ハンドピースは、超音波式ツールシステムの一部である。このシステムは
制御コンソールも有する。制御コンソールは、ドライバにAC駆動信号を供給する。ドラ
イバに駆動信号が印加されると、ドライバは周期的に膨張及び収縮する。ドライバの膨張
・収縮は、先端部に、より具体的には先端部のヘッドに同様の運動を誘発する。先端部が
そのように動くときに、先端部は振動していると見なされる。先端部の振動しているヘッ
ドは、特定の外科的又は医学的作業を行うために、ある組織に当てられる。例えば、ある
種の先端部ヘッドは硬組織に当てられる。硬組織の1つの形態は骨である。このタイプの
先端部ヘッドが振動するとき、先端部ヘッドが前後に振動することによって、隣接する硬
組織を除去する、すなわち、鋸引きする。他の先端部ヘッドは、軟組織に当てられるよう
に設計される。この先端部ヘッドが振動すると、歯が多くの場合に切断動作によって組織
を除去する。他の超音波式先端部は、組織及び周囲の体液内にキャビテーションを誘発す
ることによって組織を除去する。先端部ヘッドが前後に動く結果として、キャビテーショ
ンが生じる。具体的には、これらの振動の結果として、組織にすぐ隣接して位置する体液
内に小さな空洞が形成される。これらの空洞は、極めて低圧の非常に小さな領域である。
組織を形成する細胞の含有物とこれらの空洞との間に圧力差が生じる。この圧力差が大き
いために、細胞壁が破裂する。これらの細胞壁の破裂によって、組織を形成する細胞が除
去すなわち切除される。
満の直径である。超音波式ツールは基本的に、ヘッドが当てられた場所に隣接する組織の
みを除去する。ヘッドの表面積が比較的小さいために、超音波式ハンドピースは、硬組織
及び軟組織の両方を正確に除去するのに有用なツールであることがわかっている。
加するのと同時に、孔を通して吸引が行われる。吸引は、組織除去プロセスによって生成
された組織片を引き離す。これが、幾つかの超音波式ツールが超音波式吸引器と呼ばれる
場合がある理由である。
能するために、適切な特性の駆動信号がツールに印加されるべきである。駆動信号が適切
な特性を有しない場合には、先端部のヘッドが、最適な振幅に満たない振動を受ける場合
がある。ハンドピースがこの状態にある場合には、組織を除去する所与の時点におけるハ
ンドピースの能力が相当程度低下する場合がある。
の共振周波数にある駆動信号をハンドピースに印加することである。駆動信号が所与の電
圧又は電流にあるとき、共振周波数の駆動信号を印加することにより、共振から外れた周
波数の同じ電圧を印加する場合に比べて、相対的に大きな振幅の先端部の振動が誘発され
る。
印加するように設計される。反共振周波数は、ハンドピースが最も高いインピーダンスを
有することになる周波数とすることができる。ハンドピースの共振周波数と反共振周波数
との間にある周波数の駆動信号を印加することが望ましい場合もある。
端部振動の振幅は駆動信号の電圧に比例する。しかし、通常、その電圧を超えても、結果
として先端部振動の振幅が増加しなくなる電圧がある。
構成要素は、4つの主要サブアセンブリに分割することができる。第1のサブアセンブリ
は検知構成要素を含む。これらの構成要素は、ハンドピースに供給される駆動信号の特性
を監視する。入出力アセンブリは、ハンドピースに印加されることになる駆動信号の特性
に関するコマンドを外科医が当該入出力アセンブリを通して入力し、システムの動作状態
に関する情報がその上に表示されるインターフェースとしての役割を果たす。第3のアセ
ンブリはコントローラである。コントローラは、ユーザが入力したコマンドと、検知構成
要素からの信号とに基づいて、制御信号を生成する。また、コントローラは、入出力アセ
ンブリ上に提示される情報も生成する。
ブリすなわち増幅器に印加される。これは、コントローラを形成する構成要素に制約があ
るため、制御信号が通常、10ボルト以下、多くの場合5ボルト以下の電位を有するため
である。駆動信号が、トランスデューサの所望の収縮及び膨張を誘発するために、信号は
通常、少なくとも500ボルト、多くの場合に1000ボルトの電位を有する必要がある
。多くのコンソールの増幅器は、制御信号を増幅して、増幅器によって生成される出力信
号が、ハンドピースに印加される駆動信号として機能することができる電位になるように
する。
し、取り付けられたハンドピースに印加するように設計された構成要素を備えたコンソー
ルを有する。コンソール内部には共振回路がある。コンソールの製造時に、この共振回路
のインダクタンス及びキャパシタンスは、コンソールとともに使用されることが意図され
る特定のハンドピースのインピーダンスに応じて設定される。コンソールから出力される
駆動信号の特性は、このインピーダンス回路にかかる電圧に応じて設定される。
にわたり、所望のハンドピースドライバの膨張及び収縮を助長する駆動信号を出力するこ
とができる増幅器を有する。例えば、ある種の制御コンソールは、25.2kHz~25
.6kHzの周波数を有する駆動信号を出力する。このタイプの制御コンソールは、この
周波数範囲内の周波数を有する駆動信号によって作動するように設計されたドライバを含
むハンドピースで良好に機能する。別の周波数範囲にある駆動信号を受信するように設計
されたドライバを備えたハンドピースがコンソールに取り付けられると、範囲外の駆動信
号に対するハンドピースの応答性は最適ではなくなる。
超音波式ハンドピースを使用することが望ましい場合には、複数の制御コンソールを設け
ることが必要な場合がある。具体的には、1つのコンソールを用いて、第1の組の特性を
有する駆動信号が印加されるハンドピースに駆動信号を与える。第2のコンソールを用い
て、第2の組の特性を有する駆動信号が印加されるハンドピースに駆動信号を与える。生
成する駆動信号の形態のみが異なるこれらの複数のコンソールを設けなければならないこ
とにより、この機器を使用する設備を運用する費用及び管理上の負担が増す。
周波数範囲内にある信号を生成しているときであっても、幾つかの動作状態にとって最適
な駆動信号を生成しない場合がある。これは、コンソールが生成することを意図した駆動
信号の電圧範囲の一端又は両端において、コンソール内にある増幅器が、駆動信号の電圧
を確立するために使用される入力信号に対する線形応答を与えない場合があるためである
。
動を伴って振動するように設計される。例えば、幾つかの先端部は、2つの成分の和であ
る振動運動をするように設計される。第1の成分は縦振動である。これは、先端部の縦軸
に沿った往復の振動である。第2の成分は、回転又はねじり振動である。この運動は、先
端部の縦軸周りの往復回転運動である。一般に、2つのモードで同時に振動することがで
きる先端部は、2モード振動に関わることができる先端部と呼ばれる。3つ以上のモード
で同時に振動するように設計された先端部は、多モード振動に関わることができる先端部
と呼ばれる。
て先端部を駆動するのに最も適した信号の合成である駆動信号を先端部に印加することが
望ましい。多くの場合、これらの信号は異なる周波数にある。狭い周波数範囲にわたる駆
動信号のみを生成することができるコンソールは多くの場合、1000Hz以上異なる場
合がある周波数を有する成分の合成である駆動信号の生成に適していない。
ドピースが取り付けられるコンソールを有する。コンソールは、ハンドピース内のドライ
バを作動させる駆動信号を供給する。本発明の更なる特徴は、コンソールが、広範な周波
数及び広範な電位の両方にわたる駆動信号を供給できる点である。したがって、本発明の
コンソールを用いて、様々な特性を有する駆動信号を必要とする様々なハンドピースに駆
動信号を提供することができる。
ンソールが設計されるという点である。より具体的には、本発明のコンソールは、内部の
エネルギーロスが比較的小さい一方、必要なときに、ハンドピースドライバに印加される
駆動信号の電位を急速にランプアップする(ramp up)(上げる)ことができる。これは
、手技を行うためにハンドピースの先端部が組織に当てられる時点と、先端部を使用する
施術者が望む間隔で先端部が振動する時点との時間差を最小にする。
ブリを有する。電源は、変圧器の一次巻線のセンタータップにDC信号を印加する。線形
増幅器は、変圧器の一次巻線の両端部を接地又は実質的な開回路状態に選択的に引き込む
。変圧器の一次巻線の端部を接地又は開回路に順序立てて接続することより、巻線にAC
信号が生じる。これにより、変圧器の二次巻線にAC信号が誘発される。変圧器の二次巻
線に生じるこの信号が、ハンドピースドライバに印加される駆動信号である。
、トランジスタへの信号の印加を制御する。それにより、トランジスタは、選択的に、一
次巻線の端部を接地に接続し、接地から切断する。したがって、トランジスタは能動抵抗
器として機能する。
ドバック・ループ)を有する。この負帰還ループは、トランジスタへの信号の印加を制御
する。
る程度の電圧が常にかかる。これは、トランジスタをターンオンさせる必要があるときに
、そのトランジスタの高速の応答を確実にする。また、本発明の幾つかの好ましいバージ
ョンでは、変圧器の一次巻線につなげられるトランジスタはMOSFETである。
させることができる。
ルを設定し、線形増幅器に入力信号を印加する。より具体的には、プロセッサは、トラン
ジスタにかかる最小電圧が理想的に少なくともヘッドルーム電圧となるように、電源から
出力される信号のDC電圧を設定する。これは、トランジスタが常に飽和していることを
確実にするためである。また、プロセッサは通常、トランジスタにかかる電圧を、通常、
ヘッドルーム電圧をそれほど超えないレベルに保持する。これは、トランジスタによる熱
損失を最小にするためである。また、ヘッドルーム電圧を保持することにより、増幅器は
、最初に増加した駆動信号がクリップされた信号として現れることなく、駆動信号の電位
を急速に高めることができる。
加するときに、一次巻線の電圧が急増してトランジスタが飽和から外れる可能性を実質的
に排除する。プロセッサは、電源から出力される信号を調節し、駆動信号の電圧が減少す
るときに、後にセンタータップの電圧を増加させる必要があるほどセンタータップ電圧を
降下させないようにし、駆動信号はこの電圧の増加をさほど遅らせない。
ソールは他にも適用できることを理解されたい。本ツールシステムのコンソールを用いて
、パワー発生部が一組の超音波ドライバ以外のアセンブリである手術用電動ハンドピース
に対し、AC駆動信号を印加することができる。
、以下の図面とともに取り上げられる以下の「発明を実施するための形態」から理解され
る。
に説明する。システム40はハンドピース330を有する。ハンドピース330は、ハン
ドピースの近位端を形成する本体又はシェル342を有する(「近位」は、ハンドピース
を握る施術者に近く、ハンドピースが当てられる部位から離れていることを意味するもの
と理解されたい。「遠位」は、施術者から離れ、ハンドピースが当てられる部位に近いこ
とを意味すると理解されたい。)。
置されている。図2において、ハンドピース330の内部構成要素を明らかにするために
、ハンドピースシェル342を示していない。各ドライバ344は、ドライバに電流が印
加されると瞬間的な膨張又は収縮を受ける材料から形成される。これらの膨張・収縮は、
ドライバ344の長手方向軸上で生じる。この軸はドライバの近位側の面と遠位側の面と
の間で延びている。一対のリード線346(図3)が各ドライバ344から延びている。
リード線346は、ドライバ344の対向する、近位側の面及び遠位側の面に取り付けら
れる。常にというわけではないが、多くのハンドピース330は、ディスク形の圧電ドラ
イバ348を有する。これらのドライバ348は、スタック内で端面同士が向かい合うよ
うに配置される。リード線346は、システム40の構成要素であり、電流が駆動信号の
形でドライバ348に印加される。絶縁ディスク350は、隣接するドライバ348に接
続される、隣接するリード線346を互いに切り離す。絶縁ディスク350のうちの1つ
が示されている。図2において、ドライバ348は互いに離間するように示されている。
これは、構成要素を図示するのを容易にするためである。実際には、絶縁ドライバ344
及びディスク350は隙間なく接している。
いる。ポスト336は、ドライバの同一直線上にある長手方向軸に沿ってドライバ344
を貫通して延びている。ドライバ348及び絶縁ディスク350の内部にあり、ポスト3
36が通って延びる貫通孔は図示されていない。ポスト336は、最も近位に位置するド
ライバ40及び最も遠位に位置するドライバの両方から外側に突出している。
334が取り付けられている。ポスト336の露出した近位端面がマス334に固着され
る。ポスト336にねじが切られている場合には、マス334はナットとすることができ
る。
る。図示していないが、遠位側のドライバ344とホーン356との間に絶縁ディスク3
50がある場合がある。ホーン356は、ドライバ344の直径に略等しい直径の基部を
有する。ドライバ348から遠位に向かって前方に進むにつれて、ホーン356の径は小
さくなる。ポスト336の露出した遠位端面は、ホーン356に固着される。ポスト33
6にねじが切られている場合には、ホーンの基部は、ポスト336を受け入れるために、
ねじを切られた閉端孔(不図示)が形成される場合がある。ドライバ344のスタックが
近位端マス334とホーン356との間で締め付けられるように、ハンドピース330が
構成される。
される結合アセンブリは通常、先端部360を、ホーン356それゆえハンドピース33
0の残りの部分に対して取外し可能に保持する。結合アセンブリの構造は、本発明の一部
ではない。先端部360は細長い心棒362を有する。心棒362は先端部の一部であり
、結合アセンブリを通して、ホーン356に取り付けられる。心棒362はハンドピース
シェル342の前方に延びている。先端部360は、心棒362の遠位端にヘッド364
を有するものとなるように構成されている。幾つかの先端部のヘッド364は平滑面を有
する。幾つかのヘッド364は歯366が形成されている。ヘッド364の形状は本発明
の一部ではない。先端部のヘッド364は、その手技が行われる患者の部位に当てられる
ハンドピース330の部分である。
けられる。このタイプの先端部が往復運動すると、従来の鋸歯が組織を切断するのと同じ
ようにして、歯が組織を切断する。
うに配置される。スリーブ370は通常、心棒がホーン356に取り付けられる付近の場
所から、ヘッド364に近い約0.5cmの場所まで延びている。ハンドピース330と
先端部360とスリーブ370とはともに、先端部の外面とスリーブの包囲する内面との
間に延びる流体流路(コンジット)をスリーブが形成するものとなるように構成される。
また、スリーブ370は、スリーブの近位端に隣接し、この流路まで延びる取付金具(不
図示)も有する。流路は、スリーブの遠位端において開いている。ハンドピース330の
使用中、かん流液(irrigating solution)がスリーブ取付金具からスリーブ下方に流れ
、先端部ヘッド364に隣接して出される。そのシステムの幾つかのバージョンでは、流
体は、先端部ヘッドの機械的振動がその中を通って組織に伝えられる媒質としての役割を
果たす。このかん流液は、ヘッドの振動の結果として先端部ヘッドにより生じる熱エネル
ギーに対するヒートシンクとしても機能する。
くの場合に、コンジットが形成される。これらのコンジットはともに、先端部ヘッド36
4からハンドピース330の近位端までの流体流路を形成する。ハンドピースが動作して
いるとき、これらのコンジットを通して吸引が生じる。吸引は、スリーブ370を通って
排出され、先端部が当てられた部位から離れていくかん流液を吸い込む。このかん流液に
伴うものが、先端部360の動作の結果として生成される組織片である。また、吸引によ
り、先端部ヘッドに向かって組織が吸い込まれる。先端部ヘッドと組織との間の距離を短
くすることによって、先端部ヘッドから組織までの機械的振動の伝達が向上する。
引器と呼ばれる場合がある。
特性を表すデータを含む。メモリ338は、EPROM、EEPROM又はRFIDタグ
の形をとることができる。メモリの構造は本発明の一部ではない。メモリ338は、ハン
ドピースを特定するデータを含む。また、メモリ338は、ハンドピースのドライバ34
8に印加することができる駆動信号の特性を表すデータも含む。本発明の大部分のハンド
ピース330はメモリを含み、このメモリは、読み出すことができるデータを含むことに
加えて、ハンドピースの製造後にメモリに書き込まれるデータを記憶することができる。
図示されていない補助構成要素が、メモリからのデータの読み出し及びメモリへのデータ
の書き込みを容易にするために、ハンドピースに取り付けられる。これらの構成要素は、
以下の構成要素、すなわち、導体、露出したコンタクト/コンタクトピン、コイル/アン
テナ又は分離回路(isolation circuit)のうちの1つ以上からなる。
ンドピース330に接続されるケーブル326を介して駆動信号を供給する。システム4
0の全てではないが、多くのバージョンにおいて、ケーブル326及びハンドピース33
0は単一のユニットとして組み立てられる。駆動信号はドライバ344に印加される。任
意の所与の時点で、同じ駆動信号が各ドライバ344に印加される。駆動信号を印加する
ことによって、ドライバは、同時に、かつ周期的に膨張及び収縮する。ドライバ344の
スタックは多くの場合に、長さが1cm~5cmである。ドライバの一度の膨張・収縮サ
イクルにわたる運動の距離、すなわち、振幅は、1ミクロン~10ミクロンとすることが
できる。ホーン356はこの運動を増幅する。結果として、完全に収縮した位置から完全
に膨張した位置まで動くときに、ホーン356の遠位端と、その延長で考えると先端部ヘ
ッド364とは通常、最大で1000ミクロン、そしてより多くの場合に500ミクロン
以下、動く。幾つかの先端部360は、先端部心棒362の長手方向の膨張・収縮がヘッ
ドに回転運動も誘発するように更に設計される。この回転運動は、ねじり運動と呼ばれる
場合もある。先端部の周期的運動を引き起こすようにハンドピース330が作動するとき
、ヘッド364は振動していると考えられる。
れる。電源84は、25VDC~250VDCの可変電圧を出力する。電源から出力され
た信号は、絶縁変圧器250の一次巻線のセンタータップ(center tap)に印加される。
電源84から出力される信号の電位は、電源に印加されるPOWER_SUPPLY_C
ONTROL(PS_CNTRL)信号に基づいて設定される。変圧器の一次巻線の両端
部は増幅器115に接続される。増幅器115は、電位及び周波数の両方が変動するAC
信号を変圧器の一次巻線の両端部に印加する。制御信号として増幅器115に印加される
BASE信号は、増幅器から出力される信号の周波数及び電位を調節する。
号を誘発する。変圧器250の二次巻線にかかるこの信号が、ケーブル326を介してハ
ンドピースドライバ348に印加される駆動信号である。
る信号の電圧は、電圧測定回路66に印加される。再生コイル256にかかる信号に基づ
いて、回路66は、ドライバ344にかかる駆動信号の電位の大きさ及び位相を表す信号
VSを生成する。再生コイル256の機能及び場所を考えて、この構成要素は、検知巻線
と呼ばれる場合もある。同じく制御コンソール50内に配置されるコイル262は、変圧
器の二次巻線258から延びている導体のうちの1つに極めて近接して位置する。コイル
262にかかる信号は、電流測定回路68に印加される。回路68は、電流iS、すなわ
ち、ハンドピースドライバ344に供給される駆動信号の電流の大きさ及び位相を表す信
号を生成する。
ンソール50内部にあるプロセッサ80に印加される。また、制御コンソール50はメモ
リリーダ78も有する。メモリリーダ78は、ハンドピースメモリ338内のデータを読
み出すことができる。メモリリーダ78の構造は、ハンドピースメモリ338を補完する
ものである。したがって、メモリリーダは、EPROM若しくはEEPROM内のデータ
を読み出すことができるアセンブリ、又はRFIDタグに問合せをし、RFIDタグから
データを読み出すことができるアセンブリとすることができる。メモリ338から読み出
されたデータが、駆動信号がハンドピース32に供給される導体を介して読み出される本
発明の幾つかのバージョンでは、メモリリーダ78は分離回路(isolation circuit)を
含むことができる。リーダ78によって読み出されたデータはプロセッサ80に印加され
る。
・オフスイッチはフットペダル54によって表される。ペダル54の状態は、プロセッサ
80によって監視される。オン・オフスイッチは、システム30のオン・オフ状態を制御
するユーザ作動式の制御部である。図1において、フットペダル54は、複数のペダルを
含むフットペダルアセンブリの一部として示される。追加のペダルを用いて、かん流ポン
プ、吸引ポンプ又はライト等のデバイスを制御することができる。これらの補助デバイス
は本発明の一部ではない。
ダル54と同様に、スイッチ56の状態は、プロセッサ80によって監視される。スイッ
チ56は、先端部ヘッド52の振動の振幅の大きさを制御するために施術者によって設定
される。フットペダル54及びスイッチ56は、システム40にオン・オフ及び振幅設定
コマンドを入力する手段を一般的に表すものであると理解されたい。システムの幾つかの
構成では、単一の制御部材が両方の機能を実行することができる。したがって、レバー又
はフットペダルが最初に押されたときに、システムによって先端部ヘッドが比較的小さな
振幅からなる振動サイクルを受けるように、システムを構成することができる。レバー又
はフットペダルを押し続ける結果として、先端部ヘッド364がより大きな大きさの振動
サイクルを受けるように、制御コンソールはハンドピースに印加される駆動信号を再設定
する。
は、プロセッサ80によって生成されるものとして示される。ディスプレイ82上に表さ
れる情報は、ハンドピース、そして場合によっては、先端部を特定する情報と、システム
の動作レートの特性を表す情報とを含む。ディスプレイ82はタッチスクリーンディスプ
レイとすることができる。本発明のこれらのバージョンでは、ディスプレイ82上に提示
されるボタンの画像を押下することによって、プロセッサ80にコマンドを入力すること
ができる。ディスプレイ82とプロセッサ80との間のインターフェース構成要素は図示
していない。これらのインターフェース構成要素は、ディスプレイ82上の画像の提示及
びプロセッサ80へのコマンドの入力を容易にする。
80が駆動信号を設定する基となる施術者の制御入力は、オン・オフペダル54の状態及
びスライドスイッチ56の状態である。ディスプレイ82を通して入力されるコマンドは
、駆動信号の設定を制御することもできる。また、駆動信号の特性は、ハンドピースメモ
リ338から読み出されたデータに基づいて設定される。また、駆動信号の特性は、駆動
信号の設定に更に寄与するフィードバック信号として、コンソールによって利用される。
これらの複数の入力に基づいて、プロセッサ80は、駆動信号を制御する信号を出力する
。これらの信号は、電源84に印加されるPOWER_SUPPLY_CONTROL信
号及び増幅器115に印加されるBASE信号である。
ク図である。電源84は定電圧電源86を有する。本発明の1つのバージョンでは、定電
圧電源86は、24VDC信号を出力する。電圧供給源86の一部として、線間電圧(li
ne voltage)を安定したDC電圧へと変換する変圧器、整流器、フィルタ及び電圧レギュ
レータは図示されていない。また、プロセッサ80及びディスプレイ82等のコンソール
内の構成要素を動作させるために必要とされる定電圧信号を生成するコンソール内の電圧
源も図示されていない。これらの電圧源は、以下に述べるVCC電圧及び-VEE電圧を
生成する電圧源を含む。
トコンバータ88に出力される。ブーストコンバータ88は、定電圧電源86からの信号
の電位を異なる電位に増幅し、その信号をVAMP信号として出力する。本発明の1つの
バージョンでは、ブーストコンバータ88は、定電圧電源から受信した電位を、25VD
C~500VDCのブーストされた信号に変換する。本発明の他のバージョンでは、ブー
ストコンバータ88は、25VDC~250VDCの可変出力信号を生成する。プロセッ
サ80によって出力されるPOWER_SUPPLY_CONTROL信号は、ブースト
コンバータ88に印加される。POWER_SUPPLY_CONTROL信号は、ブー
ストコンバータ88がVAMP信号の電位を設定する制御入力信号として機能する。
増幅器122である。加算増幅器122には2つの入力がある。これらの入力のうちの第
1の入力は、プロセッサ80からのBASE信号である。演算増幅器への第2の入力はフ
ィードバック信号であり、その供給について以下に述べる。入力信号に基づいて、加算増
幅器122は、フィードバック調整済みのBASE信号を生成する。
整流器及びスプリッタ138は、フィードバック調整済みBASE信号を、正の成分及び
負の成分に分ける。フィードバック調整済みBASE信号の負の成分は、反転電圧制御型
電流源(inverting voltage controlled current source)156に印加される。フィー
ドバック調整済みBASE信号の正の成分は、非反転電圧コントローラ電流源(non-inve
rting voltage controller current source)174に印加される。図6Dから、電流源
156からの出力信号はMOSFET162のゲートに印加されるのを見ることができる
。電流源174の出力は、MOSFET184のゲートに印加される。
、その電流源に印加されるフィードバック調整済みBASE信号の成分を受信しないとき
であってもオンである。MOSFET162及び184のドレインは、変圧器の一次巻線
252の両端部に接続される。
もある差動増幅器118の入力にも印加される。差動増幅器118の出力信号はフィード
バック信号であり、加算増幅器122に印加される。
にも印加される。ヘッドルームモニタ190は、これらの信号を監視し、MOSFET1
62及び184にかかる十分な電圧が生じることを確実にし、これらのMOSFETが常
に飽和していることを確実にする。プロセッサ80は、ヘッドルームモニタ190によっ
て行われた測定を用いて、ブーストコンバータ88によって生成されるVAMP信号の電
圧を調節する。
回路はインダクタ110を含む。インダクタ110の一端が定電圧バス91に接続される
。バス91は、電源86からの定電圧信号がそれを介してブーストコンバータ88に印加
される導体である。本発明の幾つかのバージョンでは、バス91上に24VDC信号が存
在する。インダクタ110の他端は、nチャネルFET112に結合される。FET11
2のソースは、ブースト回路の一部でもある抵抗器114を通して接地される。各ブース
ト回路はダイオード111を有し、そのアノードはインダクタ110とFET112との
接続点に接続される。各FET112のゲート制御は、DC/DCコントローラ90によ
って制御される。本発明の図示されるバージョンでは、コントローラ90は、図示される
2つのFET112にゲート信号を出力する。本発明の1つのバージョンでは、Linear T
echnology Corporation(カリフォルニア州ミルピタス所在)から市販されるLTC38
62マルチフェーズ電流モード昇圧DC/DCコントローラ(Multi-Phase Current Mode
Step-Up DC/DC Controller)が、DC/DCコントローラ90として機能することがで
きる。コントローラ90から出力される各ゲート信号はゲートドライバ92に印加される
。本発明の1つのバージョンでは、Microchip Company(アリゾナ州チャンドラ所在)か
ら市販されるTC4422 9Amp高速MOSFETドライバ(9 Amp High-Speed MOS
FET Driver)がゲートドライバ92として利用される。
と接地との間にキャパシタ113が接続される。
圧器250の一次巻線252のセンタータップに印加される。また、レール117に存在
する信号は、直列に接続される抵抗器96及び98を通して接地される。プロセッサ80
からのPOWER_SUPPLY_CONTROL信号は、抵抗器97を通して、抵抗器
96と98との接続部に印加される。抵抗器96、97及び98の接続部に存在する信号
は、DC/DCコントローラ90のフィードバック入力に印加される。ブランキング、デ
ューティサイクル、動作周波数及び位相等の変数を調節するためにコントローラ90の他
のピンに接続される抵抗器及びキャパシタは図示していない。
う。各FET112がゲートオンされると、関連するインダクタ110を通って電流が流
れる。FET112がゲートオフされると、インダクタ110の周りの磁場内に蓄積され
たエネルギーにより、隣接するダイオード111を通って電流が流れる。この電流の電荷
はキャパシタ113に蓄積される。FET112の次のターンオン時に、インダクタ11
0、ダイオード111及びFET112の接続部に存在する電圧は接地される。このプロ
セスの結果として、レール117に存在する信号の電位が、インダクタ110に印加され
る信号の電位を超えて増加する。
ブースト回路が設けられる。複数のブースト回路は、レール117上に存在する信号の電
圧を平滑化するために、異なる時点でゲートオン及びゲートオフされる。DC/DCコン
トローラ90は、ブースト回路のオン・オフのゲート制御をする。コントローラ90は、
レール117上に存在する電圧が所望の電位にあることを確実にするために、フィードバ
ック信号に基づいてこのゲート制御を調節する。
つのブースト回路を有するものとして示されている。これは、例示を容易にし、冗長性を
最小限にするためである。本発明の幾つかのバージョンでは、レール117上に存在する
DC信号のリップルを低減するために、ブーストコンバータ88は、3つ以上のブースト
回路を有する。本発明の幾つかのバージョンでは、ブーストコンバータは6つ以上のブー
スト回路を有することができる。多くの既知のDC/DCコントローラは、2つのブース
トコンバータしかゲーティングすることができないことがわかっている。それゆえ、本出
願の多くのブースト電源も、複数のDC/DCコントローラ90を有することになる。各
コントローラが該コントローラに取り付けられるブースト回路をゲーティングする時点を
調節するこれら複数のDC/DCコントローラ間の接続は図示されていない。より具体的
には、DC/DCコントローラは、複数のブースト回路が異なる時点においてゲートオン
及びゲートオフされるように構成される。複数のコンバータからの信号を与えることによ
り、レール117において存在する電圧は更に平滑化される。
6Cに示されるような増幅器122は、演算増幅器である。プロセッサ80からのBAS
E信号は、抵抗器120を通して増幅器122の反転入力に印加される。そのため、BA
SE信号は、増幅器115が、変圧器の一次巻線252の両端に生じる電圧を調節するた
めに受信する外部制御信号と見なすことができる。増幅器122の反転入力には、差動増
幅器240からの電圧フィードバック信号も印加される。増幅器240からのこの信号は
、抵抗器121を通して、増幅器122の反転入力に印加される。増幅器122の出力と
反転入力との間に抵抗器124が接続される。増幅器122の出力及び増幅器の反転入力
には、直列に接続された抵抗器126及びキャパシタ128も接続される。加算増幅器1
22の非反転入力は接地される。
の利得は4~10である。抵抗器126及びキャパシタ128からなる直列に接続される
フィードバック回路は、高い周波数、通常1MHzよりも高い周波数において増幅器の利
得を低減することによって、増幅器122の局所利得を制限する。これは、増幅器回路の
全体的な安定性を高める。加算増幅器122によって生成される信号は、フィードバック
調整済みBASE信号と呼ばれる。
び抵抗器134を通して、演算増幅器140の反転入力に印加される。演算増幅器140
は、整流器及びスプリッタ138の一部である。増幅器140の非反転入力は接地される
。増幅器140からの出力信号は、直列に接続される2つのダイオードであるショットキ
ーダイオード148及び150の接続部に印加される。抵抗器144は、増幅器140の
反転入力とダイオード148のアノードとの間に接続される。抵抗器146は、増幅器1
40の反転入力とダイオード150のカソードとの間に接続される。抵抗器144及びダ
イオード148の接続部に存在する信号は、フィードバック調整済みBASE信号の負の
成分である。抵抗器146及びダイオード150の接続部に存在する信号は、フィードバ
ック調整済みBASE信号の正の成分である。
る。通常、その利得は5未満である。多くの場合に利得は1である。
58の反転入力に印加される。増幅器158は、反転電圧制御型電流源156の一部であ
る。増幅器158の非反転入力は接地される。増幅器158の出力と反転入力との間にキ
ャパシタ160が接続される。また、増幅器158からの出力信号は、抵抗器161を通
して、MOSFET162のゲートに印加される。MOSFET162のソースは、抵抗
器168を通して接地される。抵抗器166は、増幅器158の反転入力を、MOSFE
T162と抵抗器168との間の接続部に接続する。抵抗器165は、抵抗器154と増
幅器158と抵抗器166との接続部を-VEE電圧源に接続する。
される。増幅器176は、非反転電圧制御型電流源174の一部である。増幅器176か
らの出力信号は、抵抗器183を通してMOSFET184のゲートに印加される。増幅
器176の出力に存在する信号は、キャパシタ178を通して、増幅器の反転入力に印加
される。増幅器176の反転入力は、抵抗器179を通して、-VEE電圧源に接続され
る。増幅器176、キャパシタ178及び抵抗器179の接続部は、抵抗器180を通し
て、MOSFET184のソースに接続される。抵抗器182は、抵抗器180及びMO
SFET184の接続部を接地する。
である。多くの場合に、利得は1である。
240の反転入力に印加される。MOSFET184のドレインに存在する信号は、抵抗
器238を通して、差動増幅器240の非反転入力に印加される。(抵抗器237及び2
38と、増幅器240への関連する入力との間に直列に存在する場合があるキャパシタは
図示していない。)差動増幅器240の非反転入力は、抵抗器239を通して、接地され
る。増幅器240へのフィードバックは、増幅器の出力と反転入力との間に接続される抵
抗器241を通して行われる。増幅器240の出力に存在する信号は、抵抗器121を通
して、加算増幅器122に印加される信号である。
SFET162及び184のドレインは、変圧器250の一次巻線252の両端部に接続
される。
とした場合に、ハンドピースの共振周波数に略等しい共振周波数を有する回路を構成する
であろうインダクタンスを有するものとなるように選択される。ハンドピース330の共
振周波数が変化することは理解されよう。インダクタ187のインダクタンスは固定され
る。そのため、インダクタのインダクタンスは、インダクタがドライバ344に並列に接
続されたとした場合に、この回路の共振周波数がハンドピース330の共振周波数の50
%以内になるように、より理想的には25%以内になるように選択される。繰り返すが、
ハンドピースの共振周波数は、所与の電圧又は電流において、その周波数で駆動信号を印
加すると、共振から外れた周波数で同じ電圧又は電流を印加するのに比べて、振幅が大き
い振動が先端部に誘発されるような駆動信号の周波数であると理解されたい。
4の接続は、電流検知変圧器を通して行われる。この電流検知変圧器は、片側に2つの一
次巻線を有し、反対側に単一の二次巻線を有する。各MOSFET162及び184は、
電流検知変圧器の別々の一次巻線の一端に接続される。MOSFET162が接続される
電流検知変圧器の一次巻線の他端は、変圧器の一次巻線252の第1の端部に接続される
。MOSFET184が接続される電流検知変圧器の一次巻線の他端は、変圧器の一次巻
線252の第2の端部に接続される。そのため、この電流検知変圧器の二次巻線の両端に
生じる信号は、増幅器から供給される電流を表す。電流検知変圧器の両端にかかる信号の
デジタル化された表現が、プロセッサ80に印加される。プロセッサ80は、この信号を
監視し、増幅器から過量の電力が供給されているかどうかを判断する。コンソールがその
ような状態にあるとプロセッサ80が判断した場合には、プロセッサは、増幅器からの電
力の供給を終了又は削減するステップを行う。プロセッサ80がこの監視を実行し、それ
により、コンソールの動作を調節するプロセスは、本発明の一部ではない。
解が得られる。図7は、加算増幅器122から出力されるフィードバック調整済みBAS
E信号の波形である。整流器及びスプリッタ138は、フィードバック調整済みBASE
信号を正の成分及び負の成分に分ける。図8Aは、ダイオード150のカソードに存在す
るフィードバック調整済みBASE信号の正の成分を示す。図8Bは、ダイオード148
のアノードに存在するフィードバック調整済みBASE信号の負の成分を示す。
印加される。図9Aにおいて見られる波形の半正弦波部分は、電流源174に印加される
入力信号が0ボルトより高いときに、その電流源からの出力信号が入力信号に追従するこ
とを表す。図8Aに戻ることによって、電流源174への入力信号が0付近にある時点が
存在することは理解されよう。増幅器176の反転入力に-VEE信号が印加されること
を思い起こされたい。増幅器176にこのように-VEE信号が印加される結果として、
入力信号が0ボルトであっても、増幅器176は一定の低電圧出力信号を生成する。図9
Aにおいて、これは、隣接する半正弦波部分間の波形の直線部分によって表される。信号
のこれらの直線部分は0ボルトより高い。
Bにおいて見られる波形の半正弦波部分は、フィードバック調整済みBASE信号のこれ
らの部分が増幅器158によって反転され、出力されることを表す。ここでも、増幅器1
58にも-VEE信号が印加されることは理解されよう。これが、フィードバック調整済
みBASE信号の負の成分が0であるときに、増幅器が低レベル信号を出力することにな
る理由である。図9Bにおいて、これは、0ボルトより大きい電圧にある半正弦波部分間
の波形の直線部分によって表される。
間フレームにおいてMOSFETに印加される。図10は、変圧器の一次巻線252の両
端部に対する、MOSFET162及び184のターンオン及びターンオフの影響を表す
。この図の波形は、電源84が巻線のセンタータップに100VDC信号を印加している
という条件に基づく。増幅器115の動作を理解するのを容易にするために、図10の波
形は、MOSFET162及び184の両端に十分なヘッドルーム電圧がかかるのを確実
にする必要性を考慮していない。
る電圧を表す。これは、図6Bの変圧器250の巻線252の上側端部である。破線波形
188は、MOSFET184が接続される巻線252の端部に生じる電圧を表す。これ
は、変圧器250の巻線の下側端部である。最初の時間フレームにおいて、MOSFET
162がターンオフするとする。MOSFET184をターンオンする結果として、一次
巻線の関連する端部に生じる電圧は接地され、それゆえ、ローに引き込まれる。これは、
100ボルトから0付近まで降下する破線波形によって表されている。巻線のこの端部に
おける電場は基本的に急落する。同時に、この時間フレームにおいて、MOSFET16
2は実効的にオフである。MOSFET184が接続される巻線252の端部の電場の急
落は、巻線の他端における電場の増加を誘発する。巻線252のこの端部が実効的に開回
路であることにより、巻線のこの端部における電圧は上昇する。この電圧上昇は、巻線の
反対端における電圧の降下に基本的に等しい。したがって、波形186の最初の正の移行
によって表されるように、巻線のこの端部における電圧は100Vから200Vまで上昇
する。一次巻線の反対側に位置する端部における電圧レベルのこれらの変化の結果として
、巻線252の上部に生じる電圧は、巻線の下部における電圧よりも+200ボルト高い
。これは、図11において、0ボルトから200ボルトへの波形189の初期上昇によっ
て表されている。
ルト、すなわち、センタータップの電圧に戻る。巻線252の上側の電圧は降下してセン
タータップ電圧に戻る。巻線252の両端にかかる電圧は基本的に0まで降下する。これ
は、図11において、200ボルトから0ボルトへの波形189の最初の降下によって表
されている。
184はオフのままである。MOSFET162のターンオフにより、巻線の関連する端
部が接地される。巻線252の上側の電圧は、100ボルトから接地付近まで低下する。
これは、図10において、100ボルトから略0ボルトまで低下する波形186の部分に
よって表される。この時点において、MOSFET184がオフであることによって、巻
線252の下部は実効的に開回路である。巻線252の上部付近の電場が急落する結果、
巻線の下部付近の電場が上昇する。この結果、巻線の下部の電位が増加する。これは、1
00ボルトから200ボルトまで上昇する波形188の部分により表されている。一次巻
線252の両端にかかる電圧がシフトする結果として、巻線の上部は、巻線の下部の電圧
に対して負である電圧を発生する。これは、図11において、0ボルトから-200ボル
トへの波形189の降下によって表されている。
で、MOSFET184はオフのままである。この結果として、巻線252の上部の電圧
が上昇して100ボルトに戻る。同時に、巻線252の下部の電圧は降下して100ボル
トに戻る。MOSFET162及び184がいずれも実効的にオフである時点において、
巻線の両端において実効的な電圧降下は生じない。これは、図11において、-200ボ
ルトから0ボルトに戻る波形189の上昇によって表されている。このように、MOSF
ET162及び184のターンオン及びターンオフにより、変圧器の一次巻線252の両
端にAC電圧が発生する。
に対する二次巻線258の巻数比は2~10である。より好ましいバージョンでは、その
範囲は2~5である。
SFET162及び184が完全にターンオンするか、又は完全にターンオフすることは
理解されよう。これらのMOSFET162及び184は能動抵抗器(active resistor
)として機能する。電流源156及び174によってMOSFETの抵抗を変化させると
、一次巻線に、センタータップに存在するDC電圧の2倍の電圧未満のピークツーピーク
電圧が生じる。
変圧器の巻線252のセンタータップに印加されるVAMP信号の電圧も調節する。これ
は、変圧器の巻線252の端部に存在する電圧に関わらず、MOSFET162及び18
4のドレインに存在するヘッドルーム電圧が十分であるが、過大ではないことを保証する
ためである。この監視が行われる理由は、最初に図12を参照することによって理解され
る。この図は、変圧器の巻線252の一端、必須ではないが上端に存在する電圧を表す。
より詳細には、図12は、センタータップ電圧が30ボルトであり、電圧が40ボルトピ
ークツーピークで振動するようにMOSFET162及び184が動作するときに生じる
電圧を表す。コンソール50がこの状態にあるとき、MOSFET184にかかる最小の
ドレイン・ソース間電圧は10ボルトである。本発明を理解するために、システムの特定
の動作状態のための最小ヘッドルーム電圧が10ボルトであるとする。これは、MOSF
ET162及び184に10ボルトが印加されると、それらのMOSFETが飽和してい
ることを確実にするだけの十分な電圧がMOSFETにかけられていることを意味する。
これは、各MOSFET162及び184のゲートに印加される電圧の任意の変化の結果
として、MOSFETを通って流れる電流に、所望の比例した変化が生じるのを確実にす
る。
電圧を増加させる必要があることから、変圧器の一次巻線の電圧が50ボルトピークツー
ピークで振動するようにMOSFET162及び184が動作するときの状態を示す。セ
ンタータップにおける電圧レベルが30ボルトのままであるとすると、最小のドレイン・
ソース間電圧は5ボルトまで降下する。MOSFET184にかかる電圧がこのレベルま
で低下すると、MOSFETはもはや飽和していない場合がある。MOSFET184が
飽和から離れていくと、ゲートに印加される信号の電圧が変化しても、結果として、MO
SFETを通って流れる電流に所望の比例した変化が生じない場合がある。この場合、結
果として、変圧器の一次巻線252の関連する端部に存在する電位が、二次巻線258の
両端に適切な電位の駆動信号が現れるのに必要とされる電位にはない。
動信号の出力が比例して変化するように、入力駆動信号の電位の変化に応答しない状態が
ある。これは、駆動信号電圧の変化が、駆動信号が印加される負荷の変化に基づくときに
特に当てはまる。変圧器のセンタータップにおけるこのヘッドルーム電圧の存在が、負荷
が突然変化しても増幅器の出力が迅速に変化することを可能にする。
及び184のドレインに生じる電圧が常に飽和レベルよりも高くなるだけの十分に高い電
圧が、あらゆる時点においてセンタータップに与えられるように構成することができる。
コンソールをそのように動作させる不都合な点は、MOSFET162及び184に高い
電圧を絶えず印加することによって、MOSFETに印加される電気エネルギーのかなり
の量が熱エネルギー、すなわち、望ましくない熱に変化することである。そのため、過大
な熱損失を防ぐために、プロセッサ80は、コンバータから出力されるVAMP信号が、
MOSFET162及び184に十分なヘッドルームを与えるが、結果としてMOSFE
Tの中で無駄な熱損失を生じるレベルにないのを確実にするために、ブーストコンバータ
88を絶えず調整する。
セッサは、ヘッドルーム電圧を表すHEADROOM(HDRM)信号を入力として受信
する。HEADROOM信号は、図6A及び図6Bを参照することによって次に説明する
ヘッドルームモニタ190から受信される。ヘッドルームモニタ190は、2つのダイオ
ード196及び198を有する。両ダイオード196及び198のアノードは、キャパシ
タ192を通してVCC電圧源に接続される。ダイオード196のカソードはMOSFE
T162のドレインに接続される。ダイオード198のカソードはMOSFET184の
ドレインに接続される。キャパシタ192の両端に抵抗器202が接続される。キャパシ
タ192、ダイオード196及び198並びに抵抗器202の接続部に生じる信号は、抵
抗器204を通して、増幅器212の非反転入力に印加される。増幅器212の非反転入
力と接地との間にキャパシタ206が接続される。増幅器212の出力信号は、増幅器の
反転入力に接続される。
される。抵抗器216及びキャパシタ218は、増幅器230の非反転入力と接地との間
で並列に接続される。
を有する。抵抗器224の空き端子はVCCレールに接続される。抵抗器226の空き端
子は接地される。抵抗器226の両端にキャパシタ228が接続される。抵抗器224及
び226並びにキャパシタ228の接続部に生じる信号は、抵抗器229を通して、増幅
器230の反転入力に印加される。並列に接続されるキャパシタ232及び抵抗器234
は、増幅器230の出力と該増幅器の反転入力との間にある。増幅器230の出力信号は
抵抗器231に印加される。増幅器228から離れた側の抵抗器234の端部は、キャパ
シタ236を通して接地される。抵抗器234及びキャパシタ236の接続部に生じる信
号は、MOSFET162及び184にかかるVDS電圧を表すHEADROOM信号で
ある。
、ヘッドルームモニタ190は、グラウンドに対する、MOSFET162及び184の
ドレインに生じる電圧を監視する。これは、MOSFET164の場合、該MOSFET
及び抵抗器168にかかる電圧である。MOSFET182の場合は、該MOSFET及
び抵抗器182にかかる電圧である。関連するMOSFET162又は184のドレイン
の電圧がVCC信号の電位未満に降下すると、ダイオード196又は198に電流が流れ
る。この状態が終わると、抵抗器204を通して増幅器212の非反転入力に印加される
信号の電位が低下する。増幅器212の出力信号も同様に低下する。この結果、増幅器2
28の出力信号に同様の低下が生じ、ひいてはHEADROOM信号の電圧に低下が生じ
る。
び184にかかる実際のヘッドルーム電圧に対するHEADROOM信号の電位を選択的
に設定することができる。本発明の1つのバージョンでは、抵抗器224及び226は、
HEADROOM信号の電位が0ボルトであるときに、MOSFETのドレインに生じる
電圧が8.5ボルト~10.5ボルトの範囲の特定の電圧であるように選択される。
タータップに印加される。VAMP信号が変圧器250に印加される際に通る導体間に接
続される単一のキャパシタ248も示されている。キャパシタ248は、信号のAC成分
を最小にするためのVAMP信号のフィルタリングを表す。
る際に通る導体と直列にすることができるリレーは、図示していない。このリレーは、シ
ステムを準備するプロセスの一部である診断チェックにより、障害が検出されなかったこ
とを示した後に、プロセッサによってオンに切り替えられる。これらの診断チェックを実
行するプロセスは、本発明の一部ではない。リレーがある場合、VAMP信号がそれを介
して変圧器のセンタータップに印加されるバス間に逆バイアスのダイオードも接続される
。このダイオードは、リレーが開けられたときに、コンソールを保護するものである。
印加される駆動信号の発生源である。再生コイル256の一端は接地される。再生コイル
256の他端に生じるHPVMON信号は、駆動信号VSの電圧を表す信号である。HP
VMON信号は電圧モニタ66に印加される。コンソール40において、変圧器の二次巻
線258から延びている導体のうちの1つがコイル262に極めて近接して示されている
。図6Bのコイル262にかかる信号すなわちHPISNS+信号及びHPISNS-信
号は、駆動信号電流iSを表す信号である。HPISNS+信号及びHPISNS-信号
は、電流モニタ68に印加される信号である。HPISNS+信号及びHPISNS-信
号に基づいて、電流モニタ68は電流iSを表すものを生成する。
ンドピースの組立時にデータがロードされる。図14のフィールド372によって表され
るこれらのデータは、ハンドピース330を特定するデータを含む。これらのデータは、
コンソール50がハンドピースに駆動信号を印加できることを検証するために有用である
。フィールド372内のデータは、コンソールディスプレイ82上に提示されるハンドピ
ースに関する情報のタイプも示すことができる。フィールド374は、ドライバ348の
スタックのキャパシタンスCOを示すデータを含む。ドライバのキャパシタンスは、ハン
ドピース330を組み立てるプロセスの際に解析によって求めることができる。多くの場
合、ドライバ348のキャパシタンスの和は500pF~5000pFである。ハンドピ
ースに印加される最大電流、すなわち電流
ク以下である。フィールド378は、電流
equivalent)を示すデータを含む。電流
駆動信号の最小周波数及び最大周波数を示すデータである。フィールド382に記憶され
る最小周波数は通常、制御コンソールから供給することができる駆動信号の最小周波数で
ある。フィールド384に記憶される駆動信号の最大周波数は通常、5kHz~40kH
zであり、最小周波数より大きい。
係数を含む。フィールド388は、ハンドピースに印加される駆動信号の電位の大きさを
増加させることに関連する任意のステップ限界(step limit)に関するデータを含む。フ
ィールド374内のデータと同様に、フィールド372、376、378、380、38
2、384、386及び388内のデータは、ハンドピースを組み立てるプロセスの一部
として、ハンドピースメモリ58内に記憶されることは理解されたい。
制御コンソール50は、ハンドピースの使用時に、ハンドピースの動作のログを与えるよ
うにフィールド388にデータを書き込む。
出力される駆動信号を調節するためにプロセッサ80上で実行されるプロセスの図が与え
られる。手短に、その目的は、コンソール50が、結果としてハンドピースドライバ34
4が所望されているように周期的に膨張及び収縮する周波数及び電圧の駆動信号を出力す
ることであることは理解されたい。BASE信号及びPOWER_SUPPLY_CON
TROL信号は制御信号であり、コンソール50内にある他の構成要素が目標駆動信号を
出力できるようにするためにプロセッサ80から出力される。プロセッサ80はBASE
信号を生成する。増幅器115は、BASE信号と、該増幅器によって生成される信号と
に応じたフィードバック調整済みBASE信号を生成する。このフィードバック調整済み
BASE信号は、結果として増幅器115が、変圧器の一次巻線252の両端に現れる信
号を生じさせる周波数及び電位にある。変圧器の一次巻線252の両端に現れるように増
幅器115が生じさせる具体的な信号は、二次巻線258の両端に目標駆動信号を誘発さ
せる信号である。
、電源84が変圧器の一次巻線252のセンタータップに印加する電位VAMPが、十分
であって過大ではない、MOSFET162及び184のドレインに生じるヘッドルーム
電圧をもたらすレベルにあることを保証する。
プロセッサ80は3つの制御ループを絶えず実行する。第1の制御ループはBASE信号
の周波数を設定するものである。第2の制御ループは、BASE信号の電圧を設定する。
これら2つの制御ループの出力を合成して、BASE信号を生成する。第3の制御ループ
は、POWER_SUPPLY_CONTROL信号を生成するものである。第2の制御
ループ、すなわち、BASE信号の電圧を設定するための制御ループの出力が、第3の制
御ループへの入力である。
4の利得は固定される。そのため、変圧器の一次巻線252の両端に印加される信号の電
圧は、BASE信号の電圧に比例する。BASE信号の周波数は、変圧器の一次巻線25
2の両端に生じる信号の周波数である。したがって、プロセッサ80上で実行されるモジ
ュールの以下の説明において、BASE信号の電圧及び周波数は、一次巻線252の両端
に生じる信号のこれらの特性を表す入力変数として使用される。BASE信号の周波数は
、変圧器の二次巻線258の両端に生じる駆動信号の周波数であることも理解されたい。
これが、プロセッサ上で実行されるモジュールが、駆動信号の周波数を表す入力変数とし
てBASE信号の周波数を使用することができる理由である。
る。周波数トラッキング計算部292は、ハンドピースドライバ348に現在、印加され
ている駆動信号の特性を求める。本発明の1つのバージョンでは、周波数トラッキング計
算部292は、iMに対するiO、すなわち、ハンドピースドライバ344を通って流れ
ている電流の比を求める。変数iMは、ハンドピース330の機械的構成要素に印加され
る数学的な電流等価成分である。ハンドピースの機械的構成要素は、駆動信号の印加に応
じて振動するハンドピース構成要素である。これらの構成要素は、近位端マス334と、
ポスト336と、ドライバ344と、接続アセンブリを含むホーン356と、先端部36
0とを含む。ドライバ344は、振動することから、本発明の振動機械的アセンブリの一
部であるため、これらの構成要素の一部に含まれる。スリーブ370は通常、これらの構
成要素のうちの1つと見なされない。これは、スリーブ370は振動するが、スリーブは
振動システムの一部でないためである。より具体的には、スリーブ370は、振動システ
ムに負荷をかける構成要素と見なすことができる。
バにかかる電圧と、駆動信号の角周波数ωとの関数である。より具体的には、以下の通り
である。
要素を通って流れる電流等価成分iMは、ハンドピース330に印加される電流iSとの
差である。すなわち、電流等価成分iMは次式に従って求められる。
分とを有するベクトルであると理解されたい。
において測定されるようなVSのデジタル表現と、コイル262の両端の電位に基づくi
Sのデジタル表現とを受信する。計算部292への第3の入力は、ハンドピースメモリ3
38のフィールド374内のキャパシタンスCOである。計算部292への第4の入力は
、駆動信号の現在の周波数である。これらの変数に基づいて、周波数トラッキング計算部
292は、以下の式に従って、ハンドピースの機械的構成要素を通って流れる電流等価成
分に対する、ドライバを通って流れる電流の比を求める。
ース周波数コントローラ294は、式(3)の比を固定値、必須ではないがFと比較する
。実際には、Fは-100~100とすることができる。この範囲は例示であって、これ
に限定されないことを理解されたい。本発明の幾つかの構成があり、Fは-1.0~1.
0である。システムが、ハンドピースの機械的共振に一致する駆動信号を印加することを
意図する場合には、Fは通常0である。値Fは通常、システム40の一度の使用を通して
一定である。
の±0.01以内である場合には、現在の駆動周波数は、目標駆動周波数に十分に近いと
見なされるので、コントローラはこの周波数を調整する必要はない。
の新たな周波数を生成する。この新たな周波数は、式(4)の次の評価時に、結果として
評価の結果が合格になるはずの周波数である。新たな周波数は、駆動信号の現在の周波数
に部分的に基づく。駆動信号の現在の周波数は、周波数計算プロセスの前回のサイクルに
おいてコントローラ294により以前に計算された駆動信号の周波数であると理解された
い。これが、図15Bにおいて、以前に計算された駆動周波数が、ベース周波数コントロ
ーラ294へのフィードバックであるように示される理由である。また、この以前に計算
された値の駆動周波数は、周波数トラッキング計算部292にフィードバックされるもの
として示される。計算部292は、この以前に計算された値のBASE信号周波数を、入
力変数ω、すなわち、駆動信号の角周波数として使用する。
/021216号、米国特許公開第________号に含まれており、その内容は引用
することにより明確に本明細書の一部をなすものとする。
erivative)(PID)制御ループを用いて生成される。図15Bには示していないが、
PIDループのための係数は、ハンドピースメモリのフィールド388からの係数に基づ
くことができる。ベース周波数コントローラ294により生成された駆動信号のための新
たな周波数は、ベース信号発生部310に印加される。駆動周波数の最小限度及び最大限
度は、ハンドピースメモリ338内のフィールド382及び386内のデータに基づく。
、ハンドピース330の機械的構成要素の電流等価成分を求める。これは、式(2)に従
って計算される電流等価成分である。以下に述べる目標電流等価成分と区別するために、
この計算された電流等価成分は変数
れることは理解されたい。したがって、本発明の幾つかのバージョンでは、計算部296
は存在しない。本発明のこれらのバージョンでは、周波数トラッキング比を求めた結果と
して周波数トラッキング計算部292によって計算された電流等価成分
ローラ306に印加される。
る。計算部305への入力は、ハンドピース330に関して施術者が希望する動作レート
を表す信号である。この動作レートは、等価フットペダルのスイッチ56の施術者による
設定に基づく。計算部305は、スイッチから供給される入力信号に基づいて、目標機械
電流等価成分
部305は、駆動信号周波数を表す変数として、ベース周波数コントローラ294により
以前に計算されたBASE信号の周波数を利用する。
ュールである。ベース電圧コントローラ306は最初に、目標電流等価成分
に応じて、BASE信号の電圧の値を再設定する。これは、BASE信号の電圧は、目標
電流等価成分を助長するために必要な電圧を有する駆動信号が、変圧器の二次巻線258
の両端に現れるようにする変数であるからである。コントローラ306は、PID制御ル
ープを動作させて、BASE信号の電圧の新たな値を求める。制御ループのための係数は
、ハンドピースメモリ338のフィールド386から得られる。
プに基づいて、BASE信号のための新たに調整された電位を示す信号を生成すべきであ
る。
する能力、ハンドピースドライバ344が駆動信号電圧の急激な変化に応答する能力等の
変数によって左右される場合があることは理解されたい。電圧コントローラ306は更に
、これらの変数に基づいて、BASE信号の電圧レベルの変化を制限すると理解されたい
。ハンドピース特有の電圧ステップ制限変数は、システム40が使用のために最初に設定
されるときに、ハンドピースメモリ338のフィールド388から読み出されるデータに
基づく。コンソール特有の電圧ステップ制限変数は、コンソール50の組み立て時にプロ
セッサ80にロードされる。
ルを増幅器が増加させる能力に影響を及ぼす。これらの要因には、MOSFET162及
び184上の電圧と、変圧器250から引き込むことができる最大電流と、ハンドピース
ドライバ344に印加されるべき駆動信号の最大電圧とが含まれる。電圧リミッタ304
、すなわち、プロセッサ80上で実行される別の制御モジュールが、電圧コントローラ3
06から出力されたBASE信号のための指示された電圧レベルの増加を制限するコマン
ドを選択的に生成する。
びBASE信号の電圧の変化レートを選択的に制限する。電圧リミッタ304が、BAS
E信号の電圧を制限する必要があるか否かを判断することができる1つの変数は、その変
数の結果として、設計された最大電圧を超える信号が変圧器の二次巻線258に現れるこ
とである。多くの場合に、この値は固定される。本発明の幾つかのバージョンでは、この
電圧は少なくとも1000ボルトピークであり、より好ましくは、少なくとも1250ボ
ルトピークである。本発明の更に別のバージョンでは、この電圧は変化させることができ
る。この電圧が変化することができる主な理由は、ハンドピース330の特性として、幾
つかの動作状態において、ハンドピースがコンソール50から過量の電流を引き込むこと
ができるためである。
部298を実行する。計算部298への入力は、ハンドピースドライバキャパシタンスC
O及び駆動信号の周波数である。ここでも、BASE信号の周波数が、駆動信号の周波数
の代用として使用されることは理解されたい。これらの値は、トータルで、ハンドピース
330に印加される駆動信号がある電位に達する場合には、ドライバのインピーダンスが
、コンソール50が与えることになる電流よりも多くの電流をドライバが引き込むことに
なるようなインピーダンスとなることを示すことができる。一般に、ドライバのキャパシ
タンスが比較的低く、駆動信号が比較的高い周波数にあるときに、ハンドピースは、ドラ
イバ344により過大な電流が引き込まれる可能性がある状態となる場合がある。
第2のモジュールである。計算部298に対する第2の変数はドライバキャパシタンスC
Oである。ここでも、ハンドピースのドライバのキャパシタンスCOは、システムの初期
化時にプロセッサ80にロードされると理解されたい。この監視の結果として、計算部2
98は、ハンドピースドライバ344が、駆動信号の電圧が増加する結果としてコンソー
ル50から過大な電流が引き込まれる状態に入りつつあると判断することができる。シス
テム30がこの状態にあると計算部298が判断した場合、計算部は、変圧器の二次巻線
258に生じることになる最大電圧、すなわち、コンソール50から出力されるべき最大
電圧が、デフォルトの最大電圧未満のレベルであることを示す、電圧リミッタ304への
命令を生成する。本発明の幾つかのバージョンでは、計算部298は実際には、変圧器の
一次巻線252の両端に発生することを許されるべきである最大電圧を判断する。
算サイクルにおいて求められたBASE信号の電圧レベルを示すデータを、電圧コントロ
ーラ306から受信する。この電圧は、一次巻線252に生じる現在の入力電圧を求める
ための入力変数として使用される。一次巻線に対する、二次巻線258に生じる電圧の比
が一定であるとすると、以前に計算されたBASE信号の電圧も、二次巻線258に生じ
る電圧を推論的に示す変数として使用される。
されたヘッドルーム電圧すなわちHDRM信号を受信する。リミッタ304にこの電圧の
デジタル表現を与える回路は図示されていない。電圧リミッタ304に印加される関連す
る変数は、目標ヘッドルーム電圧である。これは、ヘッドルーム電圧がそれ未満に降下す
べきでない電圧レベルである。目標ヘッドルーム電圧は、プロセッサ80上で実行される
別のモジュール、すなわち、目標ヘッドルーム計算部312から得られる。
、電圧リミッタは図16の評価を行う。第1のステップであるステップ402において、
リミッタ304は、変圧器の二次巻線258の電圧を、電圧
イバ344に印加することができる駆動信号の最大電圧に近づきつつあることを示す場合
がある。これが評価の結果である場合、ステップ404にて電圧リミッタ304は、次の
BASE信号について計算される電圧が所与の量を超えないように制御すべきであること
を示す信号を電圧コントローラ306にアサートする。ステップ402の評価の別の結果
は、ドライバ344に印加されている電圧が既に最大電圧にあるということである。これ
がステップ402の評価の結果である場合、ステップ404において、電圧リミッタ30
4は、コントローラが現在のレベルを超えてBASE信号の電圧を増加させることができ
ないことを示す、電圧コントローラ306へのコマンドを生成する。
とが許される電圧が、この巻線に生じることを許される信号の最大電圧に近づいているか
どうか、又は等しいかどうかを評価する。巻線最大電圧のレベルは、デフォルト最大電圧
、又はフルスケール電圧計算部298によって生成された最大電圧レベルのうちの低い方
であると理解されたい。
ある。これが評価の結果である場合には、ステップ408において、電圧リミッタ304
は、電圧コントローラに対し、該コントローラによりBASE信号の電圧の増加がステッ
プ量を超えることができないようにすべきであるというコマンドを出力する。ステップ4
06の評価の別の結果は、電圧リミッタ304が、変圧器の二次巻線258の電圧が既に
最大許容電圧にあると判断することである。これがステップ406の解析の結果である場
合には、ステップ408において、電圧リミッタ304は、電圧コントローラ306に対
し、該コントローラが現在のレベルを超えてBASE信号の電圧を増加させるコマンドを
出力できないようにするコマンドを出力する。
62及び184の飽和を確実にするのに十分であるような状態に増幅器があるかどうかを
評価する。ステップ410において、測定されたヘッドルーム電圧すなわちHDRM信号
に基づく電圧を、目標ヘッドルーム電圧と比較する。本発明の幾つかのバージョンでは、
目標ヘッドルーム電圧は2ボルト~20ボルトである。多くの場合に、最小目標ヘッドル
ーム電圧は4ボルト~15ボルトである。測定されたヘッドルーム電圧が目標ヘッドルー
ム電圧未満である場合には、電圧リミッタ304は、ステップ412を実行する。ステッ
プ412において、電圧リミッタ304は、コントローラがBASE信号のレベルの増加
の大きさを制限すべきであるという、電圧コントローラ306への命令を生成する。より
具体的には、電圧コントローラ306には、該コントローラが設定された最大量しかBA
SE信号の電圧レベルを増加させることができないことが指示される。
。ステップ410は、ステップ408の後に実行されるように示される。これは、必要に
応じて電圧リミッタ304が、電圧増加のレベルを制限する複数のコマンドを、3つの評
価の任意の組み合わせがそのような制限が必要であることを示す場合に、電圧コントロー
ラ306へ送信できることを表すためである。ステップ402、406又は410のいず
れか1つが実行される場合には、電圧コントローラ306は、受信された命令を基に動作
し、該コントローラによって生成される命令に含まれる駆動信号の電圧レベルを制限する
。
印加されるべき最大電圧を超えることを示す場合が多い。ステップ406の評価において
、コンソールの変圧器250に発生することになる電圧が、最大許容電圧未満であると判
断される場合が多い。同様に、ステップ410にて、測定されたヘッドルーム電圧が目標
ヘッドルーム電圧を超えると判断される場合が多い。ステップ414に示すように、ステ
ップ402、406及び410の評価結果がこのようなものである場合、電圧リミッタ3
04は、コントローラ306によって最初に計算されたBASE信号の電圧レベルを結果
として制限する命令を電圧コントローラ306へアサートしない。コントローラ306は
、BASE信号の電圧レベルが、該コントローラによって最初に実行されたPID計算に
て計算されたレベルからレベルを減衰させないことを示す命令を生成する。
ース信号発生部310に印加されるように示される。上記のように、周波数コントローラ
294からのコマンドも、ベース信号発生部310に印加される。これら2つの入力コマ
ンドに基づいて、ベース信号発生部は、適切なBASE信号を生成する。具体的には、こ
れは、二次巻線258に所望の駆動信号が誘発されるようにするために増幅器115に印
加されるBASE信号である。
センタータップに印加される電圧を絶えず調整する。この調整のレベルを決定する1つの
入力変数は、MOSFET162及び184のドレインに生じることになる目標ヘッドル
ーム電圧である。この目標ヘッドルーム電圧は、最小ヘッドルーム電圧と呼ばれる場合も
あり、一定の電圧とすることができる。必須ではないが、この電圧は10ボルトとするこ
とができる。このヘッドルーム電圧は、デフォルトヘッドルーム電圧と見なすことができ
る。ハンドピースドライバ344の特性及びドライバに印加される駆動信号の特性に起因
して、この電圧が、MOSFET162及び184が飽和するのを確実にするために生じ
る必要のある電圧をかなり上回る時点がある。したがって、本発明のシステム40がある
動作状態にあるときに、MOSFETが飽和するのを確実にするために必要とされる最小
ヘッドルーム電圧は5ボルト以下とすることができる。
ーム電圧がデフォルト目標ヘッドルーム電圧未満である可能性があるかどうかを判断する
。ヘッドルーム計算部318への1つの入力は、ハンドピースドライバのキャパシタンス
COである。BASE信号について以前に計算された電圧及び周波数を表すデータも、計
算部318に供給される。ヘッドルーム計算部318への更なる入力は、ハンドピース3
30のための目標機械電流である。
動作状態の場合の増幅器のための目標ヘッドルーム電圧がデフォルト目標ヘッドルーム電
圧未満である可能性があるかどうかを判断する。目標機械電流が比較的低い場合、計算部
318は、目標ヘッドルーム電圧のレベルを下げることができる。駆動信号の電圧が比較
的高い場合、計算部318は、同じく目標ヘッドルーム電圧を下げることができる。これ
は、所与の目標機械電流の場合に駆動信号が相対的に高い場合、ハンドピース全体のイン
ピーダンスも高いためである。このインピーダンスは、最大インピーダンス値に接近する
場合がある。この最大インピーダンス値は、主にドライバのキャパシタンスに基づく。こ
れは、任意の短い時間、例えば、0.5秒以下の時間中に、駆動信号電圧が大きく増加す
る結果として、変圧器の一次巻線252の両端部に生じる電圧がMOSFETを飽和させ
ておくために必要とされる値未満に降下する可能性が低いことを意味する。それゆえ、ヘ
ッドルーム電圧は下げることができる。ドライバのキャパシタンスは、目標ヘッドルーム
電圧のレベルに直接影響を及ぼさない。しかし、駆動信号周波数又はキャパシタンスが比
較的高い場合、計算部318は、駆動信号の電圧の変化が目標ヘッドルーム電圧の判断に
及ぼす影響を高める。
タ304に与えられる目標ヘッドルーム電圧である。ステップ410において、リミッタ
304は、測定されたヘッドルーム電圧をこの目標ヘッドルーム電圧と比較する。
ールは、ベース電圧ジャンプ計算部314である。ベース電圧ジャンプ計算部314への
1つの入力は、ベース電圧コントローラ306により生成されたBASE信号の計算され
たばかりの電圧レベルである。計算部314への第2の入力は、この電圧の以前の計算に
おいてコントローラ306によって生成されたBASE信号の電圧レベルである。これら
2つの電圧に基づいて、計算部314は、現在印加されている値(以前のサイクルの電圧
レベルに基づく電圧)から、巻線252に生じることになる電圧(電圧レベルの最新の計
算に基づく電圧)への、一次巻線252に生じる電圧の変化を求める。サイクル間の電圧
レベルが増加している場合には、計算部314によって生成される値は正である。隣接す
るサイクル間の電圧レベルが減少する場合には、計算部314によって生成される値は負
である。
。モジュール316への第2の入力は、測定されたヘッドルーム電圧すなわちHDRM信
号である。電圧ジャンプ計算部314からの電圧変化の大きさが、測定されたヘッドルー
ム電圧から減算される。モジュール316から出力される和は、調整済みの測定されたヘ
ッドルーム電圧である。2つの連続する計算サイクル間で、BASE信号の電圧レベルが
増加するとき、モジュール316は、実際の測定されたヘッドルーム電圧よりも小さい調
整済みの測定されたヘッドルーム電圧を出力する。2つの連続する計算サイクル間で、B
ASE信号の電圧レベルが減少するとき、モジュール316は、実際の測定されたヘッド
ルーム電圧よりも大きい調整済みの測定されたヘッドルーム電圧を出力する。
ラ324への第2の入力は、計算部312からの目標ヘッドルーム電圧である。電源コン
トローラ324は、フィードバックループコントローラである。コントローラ324は最
初に、調整済みの測定されたヘッドルーム電圧と目標ヘッドルーム電圧との差を求める。
この差及びPIDアルゴリズムに基づいて、コントローラ324は、POWER_SUP
PLY_CONTROL信号を生成する。より具体的には、コントローラ324は、変圧
器250のセンタータップに印加される電圧が、MOSFET162及び184が飽和す
ることになるのを確実にするのに十分高いが、結果としてMOSFETを過度に加熱する
レベルにならないように、POWER_SUPPLY_CONTROL信号を調整する。
ッドルーム電圧及び目標ヘッドルーム電圧以外の2つの付加的な変数に基づいて、POW
ER_SUPPLY_CONTROL信号を確立する。これらの変数は、VAMP信号の
現在の電圧に基づいて、VAMP信号のための下側境界電圧及び上側境界電圧を定めた制
限変数である。これらの制限変数は、プロセッサ80上で実行される別のモジュールであ
る電源リミッタ320によって生成される。
ER_SUPPLY_CONTROL信号である。POWER_SUPPLY_CONT
ROL信号のこの電圧レベルは、センタータップ電圧に比例することは理解されよう。そ
れゆえ、リミッタ320は、変圧器250に印加されるセンタータップ電圧に代わる比例
する値として、POWER_SUPPLY_CONTROL信号の大きさを使用する。
、リミッタは、コントローラ324への2つの命令を生成する。具体的には、ステップ4
20において、リミッタは、センタータップによって次に生成されるべきである電圧の最
大レベルを計算する。調整可能ブーストコンバータ88がセンタータップに印加される電
圧をランプアップすることができるレートに限界があるため、この最大電圧を生成する必
要がある。POWER_SUPPLY_CONTROL信号の増加レートを制限すること
によって、プロセッサ80は、ブーストコンバータ88をその設計仕様を超えて強制的に
動作させようと試みることになる信号を電源増幅器が受信する可能性を実質的に排除する
。
センタータップ電圧の範囲を通して一定のスカラー値である。本発明のこれらのバージョ
ンでは、ステップ420において、この電圧に等価なこのPOWER_SUPPLY_C
ONTROL電圧が、コントローラ324から受信された以前のPOWER_SUPPL
Y_CONTROL電圧の値に加算される。ステップ422は、リミッタ320がPOW
ER_SUPPLY_CONTROL信号に関するこの上限を伴う命令をコントローラ3
24に送信することを表す。
ベルを生成する。センタータップ電圧が降下するのを許されるレートを制限することが望
ましい理由は、本発明のハンドピースがいかに使用されるかを理解することによって認識
される。手技の過程において、先端部360が、手技が行われている組織に当てて動かさ
れ、離反して引き戻されるのを繰り返すように、ハンドピースが動かされる。先端部36
0が組織に当てられると、該先端部は、相対的に大きな機械的負荷を受ける。先端部36
0が組織から離反して引き戻されると、該先端部が受ける機械的負荷は急速に低下する。
この結果、ハンドピースの機械的構成要素を通って流れる電流等価成分iMも同様に低下
する。コントローラ80は、この電流等価成分を一定に保持するように構成される。した
がって、ハンドピースが組織から離反するように動かされると、コントローラはBASE
信号の電圧を下げ、駆動信号の電圧VSを下げる。
を大きく下げることができることを意味する。ここでも、MOSFET162及び184
を通して熱損失を最小化するために、この電圧をできる限り低くしておくことが望ましい
。
たままにし、2秒以下の時間にわたって組織から離反するように引き戻し、その後、再び
、組織に当て直すことができる。先端部が組織から離反するように引き戻される短い時間
中に、センタータップに印加される電圧を再び著しく下げるように、電源84に指示する
ことができる。この事象が生じる場合、先端部ヘッド364が再び組織に当てられるとき
に、システムは、センタータップ電圧がMOSFET162及び184に生じる両電圧を
目標ヘッドルーム電圧より高くしておくのに十分なレベルにない状態となる場合がある。
コンソールがこの状態になると、上記で論じられたように、ベース電圧リミッタ304及
びベース電圧コントローラ306が協働して、電圧すなわち駆動信号電圧の増加レートを
制限する。これは、先端部ヘッド364が組織に再び当てられるときに、施術者が望む先
端部振動をもたらすレベルへ駆動信号電圧がランプアップするまでの所要時間が比較的長
い可能性があることを意味する。
めに、電源リミッタ320は、電源コントローラ324がセンタータップ電圧を下げるこ
とができるレートを制限する。具体的には、電源リミッタは、ステップ424において、
コントローラ324が生成することができる次のPOWER_SUPPLY_CONTR
OL信号の下限を計算する。本発明の幾つかのバージョンでは、ステップ424は、コン
トローラがリミッタ320に送った以前のPOWER_SUPPLY_CONTROL信
号の値から一定値を減算することによって実行される。
ベルの最大許容減少のこの一定の値は、POWER_SUPPLY_CONTROL信号
レベルの最大許容増加の一定の値より小さい。これは、先端部にかかる負荷の増加への迅
速な応答が、MOSFET162及び184を通しての熱損失を制限することより有益で
あるためである。
るPOWER_SUPPLY_CONTROL信号の最小レベルを示す命令を電源コント
ローラ306へ送る。
実行されるPIDアルゴリズムの出力範囲制限変数として機能する。これは、ブースト回
路に後に印加される計算されたPOWER_SUPPLY_CONTROL信号の結果と
して、この信号の現在の状態を考えて、この信号のための電圧の範囲から外れるVAMP
信号が出力されないのを確実にする。
OL信号により、コンソール50の動作範囲から外れているVAMP信号が一次巻線25
2のセンタータップに現れないことも確実にする。具体的には、POWER_SUPPL
Y_CONTROL信号は、結果としてセンタータップ電圧が最小電圧レベル前に降下す
ることになるレベル未満に降下することが許されない。多くの場合に、この最小電圧レベ
ルは10ボルト~50ボルトである。同様に、コントローラ320は、必要に応じて、電
源が設計限界より高い電圧をセンタータップに印加するのを防ぐために、POWER_S
UPPLY_CONTROL信号を制限する。通常、この電圧は100ボルト~500ボ
ルトである。より多くの場合に、この電圧の限界は200ボルト~400ボルトである。
本発明の1つのバージョンでは、この電圧は250ボルトである。
て、使用のために構成される。ハンドピースケーブル326がコンソール50に取り付け
られる。コンソール50が最初に作動するとき、プロセッサ80は、メモリリーダ78を
通して、ハンドピースメモリ338内のデータを読み出す。ハンドピースメモリ338内
のデータをプロセッサ80の中に読み出すことによって、基本的には、使用するためにシ
ステム40を準備するプロセスが完了する。
2を通して適切なコマンドを入力することによって、先端部ヘッド364の振動の振幅を
設定する。
を作動させる。プロセッサ80がコマンドを受信し、そのようにハンドピース330を作
動させ、先端部360を振動させるのに応じて、コンソールは、電源84が変圧器の一次
巻線252のセンタータップに電圧を出力する命令を生成する。本発明を理解するために
、これらの命令は、ブーストコンバータ88に初期POWER_SUPPLY_CONT
ROL信号を出力することを含む。また、プロセッサ80は、変圧器の一次巻線252に
AC信号を生じさせる命令も出力する。本発明を理解するために、これらの命令はBAS
E信号を出力することを含む。
たらされる。二次巻線に生じる信号は駆動信号である。駆動信号は、コンソール50から
、ケーブル326を介して、ハンドピースドライバ338に出力される。ドライバ338
に駆動信号を印加すると、ドライバに振動が生じる。ドライバの振動は、ホーン356及
び先端ステム362を通してヘッド364に伝わり、結果としてヘッドが所望のように振
動する。
信号に比例する信号とがDC/DCコントローラ90に印加される。これらの信号の状態
に基づいて、DC/DCコントローラ90はMOSFET112を選択的にゲーティング
する。MOSFET112がゲーティングされ、コントローラ90は、POWER_SU
PPLY_CONTROL信号によって定められる電圧にあるVAMP信号を変圧器のセ
ンタータップに出力する。
例する信号が、差動増幅器118、より正確には増幅器240の両入力に供給される。こ
れらの信号は、互いに位相がずれていると理解されたい。そして、増幅器240及び関連
する構成要素は、信号間の差の減衰したバージョンを加算増幅器122に出力する。
加される前に合成される。理想的には、これら2つの信号は180度位相がずれている。
実際には、それらの信号は位相がずれていない。それゆえ、加算増幅器122は、2つの
入力信号間の差に基づいて、AC信号を生成する。本発明の数多くのバージョンでは、こ
の信号は、2つの信号間の差の増幅されたバージョンである。この信号は、フィードバッ
ク調整済みBASE信号である。整流器及びスプリッタ138が、フィードバック調整済
みBASE信号をその正の成分及び負の成分に分ける。
入力信号である。この信号の電圧に基づいて、電流源156は、MOSFET162を選
択的にターンオン及びターンオフする。フィードバック調整済みBASE信号の正の成分
は、非反転電圧制御型電流源174への入力信号である。この信号の電圧に基づいて、電
流源174はMOSFET184を選択的にターンオン及びターンオフする。電流源15
6及び174にバイアス電圧を印加することにより、MOSFET162及び184がそ
もそも完全にターンオフする時点は決して存在しない。これは、一次巻線の電圧が正の状
態と負の状態との間で移行するときに、この電位の変化レートに基本的に途切れ又は不連
続が存在しないことを意味する。ひいては、これは、変圧器の二次巻線258に誘発され
る駆動信号がいかなる異常な変曲も有しないことを確実にする。言い換えると、駆動信号
の形状は基本的に正弦波である。この正弦波の駆動信号をハンドピースドライバ344に
印加することは、ドライバが一定の規則的なレートで収縮及び膨張することを確実にする
。
づくものとなるように、コンソール50は構成される。第1の入力はBASE信号であり
、すなわち、巻線252に発生すべき電位の目標を設定する信号である。第2の入力はフ
ィードバック信号であり、巻線252にかかる実際の電位である。本発明のこの特徴は、
BASE信号の電圧が変化する結果、それに応じて、一次巻線252にかかる電圧が妥当
な精度で略線形に変化するのを確実にする。これによりさらに、結果として、二次巻線2
58に誘発され、相対的に理想的な特性を有するような駆動信号である、ハンドピースに
印加される信号が生成される。ここで、相対的に理想的な特性は、ドライバ344に印加
されると、その駆動信号が結果として、手技を実行するために外科医が望む先端部ヘッド
364の振動パターンを生成する特性である。
る電流の位相のずれの程度を低減する。各MOSFET162及び194に相対的に高い
電圧がかかるか、又は相対的に高い電流が流れる期間中に、該MOSFETは、該MOS
FETに低い電圧がかかるか、又は低い電流が流れるときに比べて、かなりの熱量を生じ
る。これらの電圧及び電流を調節することによって、MOSFET162及び184にか
かる電圧及び流れる電流がいずれも相対的に低い期間がある。これは、これらの期間中に
、MOSFET162又は184によって生成される熱量を減らす役割を果たす。このM
OSFETによって生成される熱を削減することは、本発明の制御コンソールによって生
成される全熱量を削減する。
80から出力されるBASE信号の周波数を監視し、必要に応じて、調整する。これは、
先端部360が受ける機械的負荷が変化するときに、先端ヘッド364の所望の振動を助
長するために、駆動信号の周波数が、ハンドピース共振周波数に対して適切な関係を保持
するのを確実にする。
の調整は、先端ヘッド364の負荷が変化するときに、手技を行うために、先端ヘッド3
64が施術者の望む振幅の振動をし続けるのを確実にするためにも実行される。
T162及び184を飽和状態から外れるように移行させる電圧が変圧器の一次巻線に現
れる可能性を実質的に排除する。この結果、駆動信号を急速に増加させる必要があるとき
に、MOSFETが飽和状態から外れることによる、駆動信号がクリップされる可能性も
実質的に排除される。駆動信号のクリッピングが生じるのを許しておくと、ドライバ及び
先端部が、規則的な膨張及び収縮を受ける状態から、周期性の低い運動へと移行する可能
性がある。また、このクリッピングは、先端部内に望ましくない振動モードを誘発する可
能性もある。
加される信号の電圧を調節する。電圧ジャンプ計算日314及びヘッドルーム調整部31
6は合わせて、この電圧のルックフォワード測定値(look forward measurement)である
ヘッドルーム電圧の調整済み値を与える。ルックフォワード測定値は、変圧器のセンター
タップに印加される電圧に変化がなく、一次巻線252の両端部の電圧差に変化がある場
合の、この測定値の値であると理解されたい。これは、電源コントローラ324に対し、
変圧器の巻線252にかかる電圧の変化を予想してセンタータップ電圧を調整する能力を
与える。
がそのように増加することが示されるときにセンタータップ電圧がランプアップし始める
。これは、駆動信号電圧の急増に起因して、ステップ390の評価結果が正となる可能性
を下げる。再び、ステップ390において、測定されたヘッドルーム電圧が目標ヘッドル
ーム電圧未満に降下するように見える場合、プロセッサは、駆動電圧がランプアップされ
るレートを遅くする。
タータップ電圧を下げることを助長する。これは、MOSFETを通しての熱損失が減る
ように、MOSFET162及び184の端子間の電圧降下を低減する。
、変圧器のセンタータップ電圧が相対的に遅いレートにおいてのみ減少できるようにする
ことである。ここで、電圧減少のこのレートは、電源電圧リミッタ304によって変圧器
のセンタータップ電圧が増加できるようにするのと比べて相対的に遅いものと理解された
い。本発明のシステム40のこの特徴は、手技中に、先端ヘッド260が、除去手技を受
ける組織に対して近接、離反するように前後に動かされるときに有用である。ハンドピー
ス330のこの使用段階において、先端部が組織に向かって動かされるときに、本発明の
この特徴は、センタータップ電圧がそれほど降下しないことにより、駆動信号の電圧を急
速にランプアップできるようにするのに十分なヘッドルーム電圧が存在することを確実に
する。駆動信号の電圧をこのように急上昇できるようにすることは、先端部364が最初
に組織に押し付けられるときに生じるエネルギーの損失を削減する。
12は、目標ヘッドルーム電圧を、この電圧のデフォルトレベルから下げる。これにより
、コンソールは、システム40がこれらの状態にあるときに、目標ヘッドルーム電圧がデ
フォルトレベルにあるときに保持されなければならない電圧にまでセンタータップ電圧を
下げる。本発明のこの特徴は更に、MOSFET162及び184で保持されなければな
らない電圧レベルを下げ、この電圧を高いレベルに保持する際の望ましくない影響を低減
する。
ど生じることなくBASE信号を増幅することができる。本発明の数多くのバージョンで
は、コンソールは、15kHz~45kHzの駆動信号を出力することができる。本発明
の更に好ましいバージョンでは、コンソールは、10kHz~100kHzの駆動信号を
、歪みを生じることなく、又は許容可能なレベルの歪みで出力することができる。したが
って、本発明のシステムは、複数の成分を有する駆動信号が印加される超音波式ハンドピ
ースを駆動するのに適している。より具体的には、本発明のコンソールを用いて、信号の
個々の成分が周波数に関して2000Hz以上だけ異なる駆動信号を生成することができ
る。
ムの各バージョンに含まれる必要はない。したがって、A級増幅器、B級増幅器、AB級
増幅器又はこれらの増幅器の変形と、変圧器の一次巻線のセンタータップに定電圧を与え
る電源とをコンソールに設けることは本発明の範囲内である。したがって、本発明のシス
テムは、1つ若しくは2つのA級増幅器、又は1つ若しくは2つのB級増幅器を含むこと
ができる。
プ電圧を調整する本発明のバージョンにおいて、開示されるシステムの全ての特徴が存在
するとは限らない場合がある。したがって、システムの代替のバージョンでは、監視され
るヘッドルーム電圧は、目標ヘッドルーム電圧と比較される前に巻線電圧のルックフォワ
ード変化に基づいて調整されない場合がある。本発明の幾つかのバージョンでは、目標ヘ
ッドルーム電圧は一定の値とすることができる。
52に現れるのを可能にする最大電圧を下げるフルスケール電圧計算部298のようなモ
ジュールを設ける必要がないように構成することができる。
Tのうちの1つ以上の代わりに、バイポーラトランジスタを使用することができる。しか
しながら、変圧器の一次巻線252の両端部に150ボルトピークを超える電圧が生じる
場合があるとすると、巻線を接地又は実効的に開回路へ選択的に接続するために、MOS
FETが能動抵抗器の好ましい形態であると考えられる。増幅器、整流器及びスプリッタ
、電流源、並びに変圧器のセンタータップにVAMP信号を供給する電源は、説明された
ものとは異なる構造を有することができる。
2及び184の各ドレインと接地との間に存在する電圧を監視するように構成される。本
発明の代替のバージョンでは、ヘッドルームモニタは、MOSFET162及び184に
かかるドレイン・ソース間電圧を監視するように構成することができる。バイポーラトラ
ンジスタが能動抵抗器として機能する本発明のバージョンでは、このタイプのヘッドルー
ムモニタは、トランジスタにかかるコレクタ・エミッタ間電圧を監視することになる。
る。この回路は、図6Aを参照しながら説明したヘッドルーム電圧を監視することができ
る回路の代用になる。図6Aの回路の構成要素のうちの幾つかは、図18の回路に含まれ
る。本明細書における冗長性を回避するために、上記で説明された構成要素は、ここでは
、最小限にしか再び説明しない。その入力。図18の回路において、図6Aの回路と同様
に、ダイオード196及び198のアノードが増幅器212の非反転入力に接続される。
ダイオード196及び198のアノードは、抵抗器204を通して増幅器212に接続さ
れる。基準電圧Vrefが、抵抗器452を通して、増幅器212の反転入力に印加され
る。本発明の幾つかのバージョンでは、電圧Vrefは、15VDC~30VDCの定電
圧である。電圧Vrefを生成するコンソール50内回路は図示されておらず、本発明の
一部ではない。キャパシタ454は、Vrefが存在するレールと、ダイオード196及
び198と抵抗器204との接続部との間に接続される。抵抗器456は、キャパシタ4
54の両端に並列に接続される。
間に並列に接続される。より具体的には、ダイオード458のアノードは増幅器212の
反転入力に接続され、カソードは増幅器と抵抗器214との接続部に接続される。
受信する。これらの電圧はそれぞれ、整流器として機能する単位利得増幅器回路に印加さ
れる。MOSFET162のソースに存在する信号が印加される増幅器回路は、増幅器4
64を含む。MOSFET162のソースに存在する信号は、増幅器464の非反転入力
に印加される。電圧が増幅器464の非反転入力に印加される際に通る抵抗器、又はこの
入力と接地との間に接続されるキャパシタは図示されていない。ダイオード466のアノ
ードは、増幅器464への反転入力に接続される。ダイオード466のカソードは増幅器
464の出力に接続される。増幅器464の出力信号は、抵抗器468を通してダイオー
ド470のアノードに印加される。
の整流器に接続される。
印加される。キャパシタ472は、ダイオード470の接続部と増幅器480の入力との
間に接続される。抵抗器474は、キャパシタ472の両端に並列に接続される。増幅器
480の出力信号は、増幅器の反転入力に戻るように印加される。増幅器480の出力信
号は、別の抵抗器462を通って、増幅器464の各々の反転入力に印加される。
れる。したがって、増幅器230の非反転入力への入力は、MOSFET162及び18
4のドレインに生じる2つの電圧の低い方である。増幅器230の反転入力への入力は、
MOSFET162及び184のソースに生じる2つのピーク電圧のうちの高い方である
。増幅器230の出力は、これらのドレイン電圧のうちの最小のドレイン電圧と、これら
のソース電圧のうちのより高い電圧との差である。これが、抵抗器231及びキャパシタ
236と、HEADROOM電圧との接続部において、図18の回路によって出力される
信号である。
利得より低い場合もあり、高い場合もある。
ムにおいて、アナログ回路がHDRM信号を生成する。本発明の他のバージョンでは、ア
ナログ回路は、キャパシタ192の両端に配置される抵抗器の代用になるFETを含むこ
とができる。各制御ループサイクルにおいて、キャパシタ192を放電するために、その
キャパシタは一度だけオンに切り替えられる。これは、トランジスタにおいて測定された
電圧の変化に対するヘッドルーム監視回路の応答レートを高めることになる。他の手段を
利用して、増幅器230の反転入力に印加される基準電圧を与えることができる。したが
って、電圧はデジタル・アナログコンバータから与えることができる。これは、基準電圧
の電位を変更することが望ましい場合がある本発明のバージョンにおいて有用である。本
発明の他のバージョンでは、スイッチングトランジスタのコレクタ、ドレインがデジタル
化され、プロセッサ80に印加される。プロセッサ上で実行されるモジュールは、これら
の電圧測定値を評価し、その評価に基づいてHDRM信号を生成する。
ュールは、説明されたものとは異なるやり方で動作することができる。
音波式ツールシステムに限定されるものではない。本発明の他のバージョンは、測定され
た電圧、駆動信号周波数、機械電流等価成分のいずれか1つに基づく比較に頼ることなく
、駆動信号の電圧及び周波数を求めることができる。
低い取り得る目標ヘッドルーム電圧とすることができる。本発明のこれらのバージョンで
は、システムの動作状態に基づいて、ヘッドルーム電圧計算部が、ヘッドルーム電圧をデ
フォルト値より高いレベルに選択的に増加させる。本発明のこの構成は、MOSFET1
62及び184の電圧降下が、トランジスタ162及び184を飽和状態にしておくため
に必要とされる値を超える程度を更に低減することができる。
ムに一定の値を加えるモジュールからなる。システムのこのバージョンの結果として、セ
ンタータップ電圧がMOSFET162及び184を保持するために必要とされる値を超
える場合があることが認められる。本発明のこのバージョンの利点は、調整済みの測定さ
れたヘッドルームの値を生成するために必要とされる時間を短縮することである。
に一定の係数を乗ずることによって、POWER_SUPPLY_CONTROL信号の
次の調整のための電圧限界を出力する。本発明の更に他のバージョンでは、電源リミッタ
320又は電源コントローラ324の一方又は両方が、駆動信号の電圧が下げられること
になった直後に、コントローラ324が変圧器のセンタータップに印加される電圧を下げ
るのを防ぐように構成される。例えば、本発明の幾つかのバージョンでは、コンソール5
0は、この信号の電圧が下げられることを、コンソールが駆動信号を下げ始めた時点から
1秒~5秒の時間が経過するまで防ぐように構成される。この構成の利点は、先端ヘッド
364が骨に再び当てられる手技の段階中に、センタータップ電圧が明らかに、プロセッ
サが駆動信号の電圧を迅速に増加させることができるようにする電圧になることである。
LY_CONTROL信号の次の値を計算するために、主要PID制御アルゴリズムにお
いて電源リミッタ320から出力される電圧限界を使用しない場合がある。代わりに、本
発明のこれらのバージョンでは、電源コントローラ324は、最初に計算されたPOWE
R_SUPPLY_CONTROL信号を電圧限界と比較する。この初期のPOWER_
SUPPLY_CONTROL信号が電圧限界内にある場合には、最初に計算されたPO
WER_SUPPLY_CONTROL信号が、ブーストコンバータ88に出力されるP
OWER_SUPPLY_CONTROLである。最初に計算されたPOWER_SUP
PLY_CONTROL信号が電圧限界から外れる場合には、2つの起こり得る事象のう
ちの1つが生じる場合がある。本発明の幾つかのバージョンでは、POWER_SUPP
LY_CONTROL信号として、最も近い電圧限界が出力される。
再実行する。PID制御アルゴリズムのこの実行において、電圧限界は目標ヘッドルーム
電圧として利用される。本発明のこのバージョンの利点は、PIDアルゴリズムの個々の
実行がそれぞれ、POWER_SUPPLY_CONTROL信号を制限するステップを
含まないことである。しかし、POWER_SUPPLY_CONTROL信号を電圧制
限する必要がある場合には、PIDアルゴリズムの2回の実行が行われることは理解され
たい。第1の実行は、初期POWER_SUPPLY_CONTROL信号、すなわち、
センタータップ電圧が電源電圧リミッタ320によって定められた限界から外れることを
示す信号を生成する。アルゴリズムの第2の実行は、結果としてブースト電圧が定められ
た電圧限界内にあるようにするPOWER_SUPPLY_CONTROL信号を生成す
る。
が存在するとは限らない場合があるか、又は異なる形で存在する場合があることは理解さ
れたい。例えば、本発明の開示されたバージョンにおいて、能動抵抗器として機能するト
ランジスタであるMOSFET162及び184を通しての熱損失が重大な懸念でないよ
うな、本発明の構成が存在する場合がある。本発明のこれらのバージョン、及び本発明の
他のバージョンにおいて、センタータップ電圧は一定に保つことができる。代替的には、
センタータップ電圧に印加される電圧が変更される場合があるが、その電圧は、相対的に
高い最小電圧レベル、25ボルトの最小電圧、又は場合によっては、50ボルト以上の最
小電圧を有するように設定することができる。本発明のこれらのバージョンでは、トラン
ジスタのドレイン又はコレクタに存在する電圧は常に飽和していることになる。これは、
増幅器がこの状態にあるのを確実にするために、電圧リミッタ304がBASE信号の電
圧レベルの増加を制限するのを不要にする。これは、上記の電源リミッタの存在を不要に
することを可能にする場合がある。
源は、可変電源でなくてもよい。これは、この電源によって生成される信号のDC電圧を
設定するためのソフトウェアを設けるのを不要にする。
DC電圧は、接地より高い電圧であることは理解されたい。説明中の発明に関連しない何
らかの設計検討事項に関して、電圧レベルが一定の周波数で変化する場合であっても、こ
の電圧は一定であると見なすことができる。
つかのバージョンでは、ヘッドルーム電圧の指標を生成する回路を含まないことが可能な
場合がある。本発明のこれらのバージョンでは、ヘッドルーム電圧の仮想値が、駆動信号
電圧及び/又は駆動信号電流に応じて計算される。
電圧は、駆動信号電圧及び駆動信号電流のうちの少なくとも一方の基礎となる信号を与え
る。
されない。1つの代替の電源はバックコンバータ(buck converter)である。
が存在する場合がある。したがって、本発明の幾つかのコンソールは、本発明の線形増幅
器を含む場合があり、上記のヘッドルーム電圧測定回路のいずれかを含まない場合がある
。同様に、上記の線形増幅器を用いることなく、本発明のヘッドルーム電圧測定回路のう
ちの1つを利用することが望ましい場合がある本発明のバージョンが存在する場合がある
。
供することができる。本発明のこれらのバージョンでは、通常、変圧器の一次巻線に印加
される信号の電圧を調節するためにフィードバックループを設ける必要はない。
(又はエネルギー発生部)(power generating unit)を有するハンドピース以外の手術
用ツールにAC駆動信号を与えることができることは理解されたい。例えば、制御コンソ
ールを用いてAC駆動信号を与えることができ、パワー発生部は、駆動信号の印加に応じ
て、超音波エネルギー以外の光(光子エネルギー)又は何らかの形の機械エネルギーを出
すサブアセンブリである。代替的には、パワー発生部は電極とすることができ、この電極
は、RFエネルギーの形態である駆動信号を該電極が当てられる組織に加える。このタイ
プの手技において、電気エネルギーは、電気エネルギーを熱に変えるように組織に加えら
れる。この熱を加えることによって、組織上に所望の治療効果が生じる。通常、この治療
効果は組織の切除である。
の作業を実行するために使用されるデバイスに電力を供給するために使用される駆動信号
を生成するための適用が可能である。
のような変更及び変形を包含することである。
Claims (27)
- 手術用電動ツール(330)のパワー発生部(344)にAC駆動信号を供給するコン
ソール(50)であって、
DC電圧が印加されるセンタータップと両端部とを有する一次巻線(252)と、前記
ツールのパワー発生部(344)に印加される駆動信号が誘発される二次巻線(258)
とを備えた変圧器(250)と、
前記一次巻線にかかるAC電圧を発生させるために、前記変圧器の一次巻線(252)
の両端部を接地状態ないし開状態にする回路(115)と
を有し、
前記変圧器の一次巻線(252)の両端部を接地ないし開回路にする回路は、前記一次
巻線の各端部と接地との間の能動抵抗器として機能する複数のトランジスタ(164、1
84)を備えた線形増幅器(115)であり、
前記線形変圧器は、外部制御信号と前記一次巻線の両端部の電圧とに基づいて、前記一
次巻線にかかる電圧を設定するために前記能動抵抗器の抵抗を設定するものである、コン
ソール。 - 前記線形増幅器(115)は、前記変圧器の一次巻線(252)の両端部における電圧
が印加される差動増幅器(240)を有し、
前記差動増幅器は、前記変圧器の一次巻線の両端部における電圧の差に基づく信号をフ
ィードバック信号として生成するものである、請求項1に記載の制御コンソール(50)
。 - 前記線形増幅器(115)は更に、前記差動増幅器(240)からの前記フィードバッ
ク信号を前記外部制御信号と組み合わせて、前記トランジスタ(162、184)の抵抗
を調節する信号を生成するものである、請求項2に記載の制御コンソール(50)。 - 前記線形増幅器(115)は更に、前記差動増幅器(240)からの前記フィードバッ
ク信号を前記外部制御信号と組み合わせるものであり、
前記線形増幅器は、組み合わせられた前記フィードバック信号及び前記外部制御信号が
印加される整流器及びスプリッタ(138)を有し、前記整流器及びスプリッタは、前記
組み合わせられた信号を正の成分と負の成分に分けるものであり、前記組み合わせられた
信号の負の成分は前記トランジスタのうちの第1のトランジスタ(162)の抵抗を設定
するために用いられ、前記組み合わせられた信号の正の成分は、前記トランジスタのうち
の第2のトランジスタ(184)の抵抗を設定するために用いられる、請求項2又は3に
記載の制御コンソール(50)。 - 前記線形増幅器(115)は、
前記フィードバック信号及び前記外部制御信号に基づいて、前記変圧器の一次巻線の第
1の端部に接続される前記トランジスタのうちの第1のトランジスタ(162)の抵抗を
設定する電流を生成する第1の電圧制御型電流源と、
前記フィードバック信号及び前記外部制御信号に基づいて、前記変圧器の一次巻線の第
2の端部に接続される前記トランジスタのうちの第2のトランジスタ(184)の抵抗を
設定する電流を生成する第2の電圧制御型電流源と
を有する、請求項1~5のいずれか一項に記載の制御コンソール(50)。 - 前記線形増幅器(115)はスプリッタ(138)を有し、前記スプリッタは、正の成
分及び負の成分を有するフィードバック調整済み外部制御信号を受信し、前記フィードバ
ック調整済み外部制御信号の負の成分を前記第1の電圧制御型電流源(156)への制御
信号として提供し、前記フィードバック調整済み外部制御信号の正の成分を前記第2の電
圧制御型電流源(174)への制御信号として提供するものである、請求項6に記載の制
御コンソール(50)。 - 前記変圧器の一次巻線(252)のセンタータップにDC可変電圧を供給する電源(8
4)と、
前記トランジスタ(164、184)にかかる電圧を監視し、前記トランジスタにかか
る電圧を表す信号を生成するヘッドルームモニタ(190)と、
前記ヘッドルームモニタから、前記トランジスタ(162、184)にかかる電圧を表
す信号を受信し、前記電源から供給されるDC電圧を調節するために前記電源に接続され
、前記トランジスタにかかる電圧に基づいて、前記電源から前記変圧器の一次巻線(25
2)に供給されるDC電圧のレベルを設定する電源コントローラ(324)と
を更に有する請求項1~6のいずれか一項に記載の制御コンソール(50)。 - 前記ヘッドルームモニタ(190)は、入力として、
前記トランジスタがFETである場合に、前記FETのドレイン及びソースにおける電
圧を受信し、
前記トランジスタがバイポーラトランジスタである場合に、前記バイポーラトランジス
タのコレクタ及びエミッタにおける電圧を受信するものである、請求項7に記載の制御コ
ンソール(50)。 - 前記DC電源(84)は、
DC定電圧供給源(86)と、
前記DC定電圧供給源からDC電圧の印加を受け、前記電源コントローラ(190)か
らの制御信号に応じて、前記変圧器の一次巻線(252)のセンタータップにDC可変電
圧を印加するブーストコンバータ(88)と
を有するものである、請求項7又は8に記載のコンソール(50)。 - 前記能動抵抗器として機能する前記線形増幅器(115)の前記トランジスタがMOS
FET(162、184)である、請求項1~9のいずれか一項に記載のコンソール(5
0)。 - 前記変圧器(250)は、超音波式手術用ツール(330)の少なくとも1つのドライ
バ(344)に印加される駆動信号を出力するものである、請求項1~10のいずれか一
項に記載の制御コンソール(50)。 - 前記線形増幅器(115)は、前記フィードバック信号及び前記外部制御信号とは無関
係に、前記トランジスタの各々(162、184)が絶えず飽和モードとなるように、前
記トランジスタの各々に信号を印加するものである、請求項1~11のいずれか一項に記
載の制御コンソール(50)。 - 手術用電動ツール(330)のパワー発生部(344)にAC駆動信号を供給する制御
コンソール(50)であって、
DC電圧が印加されるセンタータップと両端部とを有する一次巻線(252)と、前記
ツールのパワー発生部(344)に印加される駆動信号が誘発される二次巻線(258)
とを備えた変圧器(250)と、
前記変圧器の一次巻線と接地とに接続され、前記一次巻線にかかるAC電圧が生じるよ
う選択的にターンオン又はターンオフされるトランジスタ(162、184)と、
前記変圧器の一次巻線のセンタータップに印加されるDC電圧のレベルを調節するDC
可変電源アセンブリと
を備え、
前記トランジスタ(162、184)は能動抵抗器として動作し、
前記変圧器の一次巻線(252)の端部に接続される前記トランジスタ(162、18
4)の端部にヘッドルームモニタ(190)が接続され、前記ヘッドルームモニタは、前
記トランジスタの端部における電圧に基づいて、前記トランジスタのヘッドルーム電圧を
表すヘッドルーム信号を生成するものであり、
前記DC可変電源は、前記ヘッドルームモニタから前記ヘッドルーム信号の印加を受け
るプロセッサ(80)を有し、前記可変電源は、前記ヘッドルーム信号に基づいて、前記
トランジスタに飽和電圧が印加されるよう前記変圧器の一次巻線のセンタータップに印加
されるDC電圧のレベルを設定するものである、制御コンソール。 - 前記ヘッドルームモニタ(190)は更に、前記トランジスタの両端部における電圧を
入力として受信し、前記トランジスタの第1の端部における電圧と、前記トランジスタの
前記第1の端部とは反対の第2の端部における電圧との差に基づいて、ヘッドルーム電圧
を表す信号を生成するものである、請求項13に記載の制御コンソール(50)。 - 前記変圧器の一次巻線にかかる電圧のレベルを調節するために、前記トランジスタに印
加される電流を調節するコントローラ(80、115)を更に有し、
前記DC可変電源プロセッサ(80、312)は更に、前記変圧器の一次巻線(252
)にかかることになる電圧を表す信号を前記コントローラから受信し、変圧器の一次巻線
にかかることになる電圧の変化に基づいて、前記変圧器の一次巻線のセンタータップに印
加されるDC電圧のレベルを設定するものである、請求項13又は14に記載の制御コン
ソール。 - 前記DC可変電源プロセッサ(80、312)は更に、前記変圧器の一次巻線(252
)にかかることになる電圧が減少予定であることを前記コントローラ(80、115)か
らの信号が示すときに、前記変圧器の一次巻線(252)にかかる電圧が減少することに
なるレートよりも遅いレートで、前記変圧器の一次巻線のセンタータップに印加されるD
C電圧のレベルを下げるものである、請求項15に記載の制御コンソール。 - 前記トランジスタがFET(162、184)であり、
前記ヘッドルームモニタ(190)は、前記トランジスタの2つのドレイン電圧のうち
の低い方と、前記トランジスタのソースにおける2つのピーク電圧のうちの高い方との差
に基づいて、ヘッドルーム電圧を表す信号を生成するものである、請求項13~16のい
ずれか一項に記載の制御コンソール(50)。 - トランジスタ(162、184)と前記変圧器の一次巻線(252)との各接続部にお
ける電圧が逆バイアスのダイオード(196、198)に印加されるように前記ヘッドル
ームモニタが構成され、前記ダイオードのアノードが互いに接続され、前記アノード間の
接続部に定電圧が印加され、前記ダイオードのアノード間の接続部における電圧は、前記
トランジスタと前記変圧器の一次巻線との間における2つの電圧のうちの低い方であり、
該電圧が前記トランジスタの第1の端部における電圧として用いられる、請求項13~1
7のいずれか一項に記載の制御コンソール(50)。 - 前記トランジスタ(162、184)の、前記変圧器の一次巻線から見て遠位にある端
部における電圧が順バイアスの複数のダイオード(470)に印加されるように前記ヘッ
ドルームモニタが構成され、前記複数のダイオードのカソードが接続部にて接続され、前
記複数のダイオード(470)の該接続部における電圧は、前記トランジスタの第1の端
部における電圧として用いられる、請求項13~18のいずれか一項に記載の制御コンソ
ール(50)。 - 前記変圧器(250)は、超音波式手術用ツール(330)の少なくとも1つのドライ
バ(344)に印加される駆動信号を出力するものである、請求項13~19のいずれか
一項に記載の制御コンソール(50)。 - 超音波式手術用ハンドピースツール(330)のドライバ(344)にAC駆動信号を
供給するコンソール(50)であって、
DC電圧が印加されるセンタータップと両端部とを有する一次巻線(252)と、前記
ツールのパワー発生部(344)に印加される駆動信号が誘発される二次巻線(258)
とを備えた変圧器(250)と、
前記変圧器の一次巻線と接地とに接続され、前記一次巻線にかかるAC電圧が発生する
よう選択的にターンオン又はターンオフされるトランジスタ(162、184)と
を有し、
制御アセンブリ(80、115)は、前記トランジスタが能動抵抗器として機能するよ
うに、前記トランジスタ(162、184)のベース又はゲートに印加される信号を変え
、
インダクタ(187)の一端が、第1のトランジスタ(162)と前記変圧器の一次巻
線(252)の第1の端部との接続部に接続され、前記インダクタの他端が、第2のトラ
ンジスタ(184)と前記変圧器の一次巻線の第2の端部との接続部に接続され、
前記インダクタが前記ハンドピースのドライバ(344)と並列であるとした場合に、
回路が前記ハンドピースの共振周波数の50%以内の共振周波数を有することになるよう
なインダクタンスを前記インダクタが有する、コンソール。 - 手術用電動ツール(330)のパワー発生部(344)にAC駆動信号を供給するコン
ソール(50)であって、
DC電圧が印加されるセンタータップと両端部とを有する一次巻線(252)と、前記
ツールのパワー発生部(344)に印加される駆動信号が誘発される二次巻線(258)
とを備えた変圧器(250)と、
前記変圧器の一次巻線と接地とに接続され、前記一次巻線にかかるAC電圧が発生する
よう選択的にターンオン又はターンオフされるトランジスタ(162、184)と、
前記変圧器の一次巻線のセンタータップに印加されるDC電圧のレベルを調節する可変
DC電源アセンブリと
を備え、
前記変圧器の一次巻線(252)の端部に接続される前記トランジスタ(162、18
4)の端部にヘッドルームモニタ(190)が接続され、前記ヘッドルームモニタは、前
記トランジスタの端部における電圧に基づいて、前記トランジスタにおけるヘッドルーム
電圧を表す信号を生成するものであり、
制御回路(80、115)は、前記トランジスタが能動抵抗器として機能するように前
記トランジスタに可変電流を印加し、前記制御回路は、前記ヘッドルームモニタからヘッ
ドルーム信号を受信し、前記抵抗器に印加される電流を前記ヘッドルーム信号に基づいて
調節し、前記トランジスタに印加される電流を前記ヘッドルーム信号に基づいて調節し、
前記変圧器の一次巻線に生じる電圧を選択的に制限するものである、コンソール。 - 前記ヘッドルームモニタ(190)は更に、前記トランジスタの両端における電圧を入
力として受信し、前記トランジスタの第1の端部における電圧と、前記トランジスタの前
記第1の端部とは反対の第2の端部における電圧との差に基づいて、ヘッドルーム電圧を
表す信号を生成するものである、請求項22に記載の制御コンソール(50)。 - 前記トランジスタがFET(162、184)であり、
前記ヘッドルームモニタ(190)は、前記トランジスタの2つのドレイン電圧のうち
の低い方と、前記トランジスタのソースにおける2つのピーク電圧のうちの高い方との差
に基づいて、ヘッドルーム電圧を表す信号を生成するものである、請求項22又は23に
記載の制御コンソール(50)。 - トランジスタ(162、184)と前記変圧器の一次巻線(252)との各接続部にお
ける電圧が逆バイアスのダイオード(196、198)に印加されるように前記ヘッドル
ームモニタが構成され、前記ダイオードのアノードが互いに接続され、前記ダイオードの
アノード間の接続部における電圧が、前記トランジスタと前記変圧器の一次巻線との間に
おける2つの電圧のうちの低い方となるように、前記アノード間の接続部に定電圧が印加
され、この電圧は、前記トランジスタの第1の端部における電圧として用いられる、請求
項22~24のいずれか一項に記載の制御コンソール(50)。 - 前記トランジスタ(162、184)の、前記変圧器の一次巻線から見て遠位にある端
部における電圧が順バイアスの複数のダイオード(470)に印加されるように前記ヘッ
ドルームモニタが構成され、前記複数のダイオードのカソードが接続部にて接続され、前
記複数のダイオード(470)の該接続部における電圧は、前記トランジスタの第1の端
部における電圧として用いられる、請求項22~25のいずれか一項に記載の制御コンソ
ール(50)。 - 前記変圧器(250)は、超音波式手術用ツール(330)の少なくとも1つのドライ
バ(344)に印加される駆動信号を出力するものである、請求項22~26のいずれか
一項に記載の制御コンソール(50)。
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