JP2023017727A - 回生デバイス付き発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】電気器具の動作のための高周波電圧を提供する。【解決手段】電気外科用発電機（１０）は、共振周波数に近い周波数を有する励起回路によって励起される発振回路（１７）を備え、発振は、周期的に中断される。発振回路内に蓄積されたエネルギーを失うことなく、発電機の発振回路内の発振を可能な限り突然停止させるために、電圧増倍回路によって実現される回生回路（２５）が設けられる。昇圧変換結合インダクタと比較して、電圧増倍回路は、特に回生段階においてのみスイッチを介して発振回路（１７）と電気的に効果的に接続されるため、発振回路（１７）に提供される容量性負荷が低いという利点を有する。この概念は、効率的なエネルギー回生を可能にし、高周波電圧の正確な振幅変調、特に方形波変調（オン－オフ切り替え）を可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は、回生デバイスを有する電気外科用発電機に関する。

電気外科用発電機は、典型的には、電気器具の動作のための高周波電圧を提供する。そのような発電機は、電気外科用器具の供給のために高周波電圧および高周波電流を供給する発振回路を備えることが多い。多くの場合、特定の手術目的を達成するために、高周波電圧を変調しなければならない。

このような発電機は、高周波電圧が方形波によって振幅変調される、独国特許出願公開第１００４６５９２号明細書から知られている。発振回路の発振サイクルの終わりに、発振をできるだけ速く停止しなければならない。独国特許出願公開第１００４６５９２号明細書は、この目的のための減衰回路を提案している。減衰回路は、インダクタを備え、インダクタは、発電機の発振回路インダクタと変圧器型結合しており、発振回路から除去されたエネルギーを、エネルギーを熱に伝達する減衰抵抗器に供給する。このようにする際、発電機発振回路の発振の減衰が加速され、発振は迅速に停止される。

この方法によって、外科用電圧の良好な変調を実際に達成することができるが、高いエネルギー消費がそれと相関する。

解決策として、欧州特許第２４２４４５８号明細書は、発振回路に含まれるエネルギーを排除するために、抵抗器ではなく回生回路を設けることを提案しており、この回生回路は、ＲＦインパルスの終わりにエネルギーを蓄積コンデンサに送り返し、蓄積コンデンサに送り返すことができない残りのエネルギーのみをオーム抵抗器内の熱に変換する。そのようにする際、発振回路の発振を停止させるプロセスは、２段階で実施される。第１の段階では、発振回路のエネルギーが蓄積コンデンサ上に回生され、第２の段階では、発振回路に依然として含まれる残りのエネルギーが熱に変換される。この概念により、より高いエネルギー効率を達成することができる。しかし、依然としてエネルギー部分は排除されなければならない。加えて、発振回路のより効率的でより速い減衰が望まれている。

さらなる先行技術は、独国特許出願公開第４００９８１９号明細書、米国特許第４４２９６９４号明細書、特開平０８－２９９３５６号公報、国際公開第９８／０７３７８号、国際公開第０３／０９０６３５号、米国特許第４２８１３７３号明細書、国際公開第９８／２７８８０号、独国特許出願公開第１００４６５９２号明細書および米国特許第６２６１２８６号明細書である。

上述を起点として、本発明の目的は、改善された回生回路を有する発電機を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の発電機によって解決される。

本発明による発電機は、制御された方法で作動および停止することができる回生回路を備える。例えば、それぞれのスイッチング素子は、制御された作動および停止に役立つ。作動される場合、回生回路は、発振回路から供給回路に、特にそこに設けられたバッファコンデンサ上にエネルギーを送り返すために、電気外科用発電機の発振回路をバッファコンデンサに接続する。本発明によれば、回生回路は、電圧増倍回路、特にコンデンサ－ダイオード－組み合わせによって実現される電圧増倍回路を備える。作動されるとき、電圧増倍回路は、発振回路から電気エネルギーを除去し、それによって、発振回路から除去された電圧の倍数である、各発振で増加する電圧を築く。電圧増倍量は、電圧増倍回路の段数から得られる。電圧増倍によって、発振回路内に存在するエネルギーはバッファコンデンサ上に非常に迅速かつ効率的に回生され、それによって、発振回路内の電圧が供給電圧未満である場合、発振回路の減衰は依然として維持される。加えて、バッファコンデンサの電圧は、回生プロセスを妨げることなく回生中に増加することができる。

本発明による概念は、特に、発振回路内の電圧残留物を減衰させるための減衰抵抗器の必要性を排除する。そのようにする際、本発明による発電機は、発振回路の高周波電圧が、数１０ｋＨｚ、例えば２０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、８０ｋＨｚ以上の範囲の高い変調周波数を有して１００ｋＨｚから数ＭＨｚまでの範囲内にあることができる動作を可能にする。加えて、特に、ＲＦインパルスのスイッチオン持続時間がそれぞれ非常に短いモードのエネルギー効率が改善され、例えば、変調ＲＦ電圧のパルス休止比が特に低い切断モードにおいて改善される。

典型的には、発振回路は、少なくとも１つの発振回路インダクタと少なくとも１つの発振回路コンデンサとからなる並列発振回路である。発振回路には、その共振周波数で発振回路を励起するように構成された励起回路が割り当てられる。最も単純なケースでは、励起回路は、インパルスで並列発振回路にエネルギーを供給する１つの被制御スイッチを備える。しかし、励起回路はまた、例えばハーフブリッジ回路またはブリッジ回路内に複数の被制御スイッチを備えることができる。

供給回路は、好ましくは、その出力部に配置された蓄積コンデンサを備える直流電圧源である。直流電圧源は、ＰＦＣ（力率補正（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路）などの電圧変換回路とすることができる。フライバックコンバータが、この目的に役立つことができる。ＰＦＣ回路は、パルス化整流されたグリッド交流電圧から実質的に一定の直流電圧を供給する。他のコンバータ回路を使用することもできる。

供給回路の出力部に配置された蓄積コンデンサは、回生回路によって供給されたエネルギーを吸収するバッファを形成する。そのため、蓄積コンデンサは、再び発振回路の供給に利用可能である。

回生回路は、発振回路インダクタと直接接続することができる。あるいは、回生回路は、発振回路インダクタと変圧器型結合している回生インダクタと接続することができる。いずれの場合も、電圧増倍回路は、発振回路から得られる電圧の増加をもたらし、したがって効率的なエネルギー回生をもたらす。

好ましくは、電圧増倍回路は、いわゆるコンデンサカスケード、特に多段カスケードである。そのような回路は、それぞれが複数のコンデンサの２つの直列回路を備え、それによって、各直列回路のコンデンサの接続点は、ジグザグに配置されたダイオードチェーンを介してコンデンサのそれぞれの他の直列回路の接続点と接続される。電圧増倍回路の作動または停止のために、スイッチが設けられることが好ましい。スイッチは、回生インダクタまたは発振回路コンデンサと電圧増倍回路との間に配置されることが好ましい。この概念は、回生回路が非作動の場合に回生回路と発振回路との間の容量結合を最小限に抑え、したがって、回生段階外での発電機の妨害されない動作を可能にする。スイッチは、好ましくは、回生回路が回生段階中にのみ発振回路に接続されるように構成および制御される。

本発明による発電機は、好ましくは、一方では励起回路を、他方では回生回路を交互に作動させるように構成された制御回路を備える。これにより、発電機のＲＦ出力電圧のほぼ完全な方形波変調が可能になるように、発振回路の発振をオンおよびオフに切り替えることができる。他のタイプの変調、たとえば鋸歯型変調も可能である。本発明は、所望の変調が急峻なバックフランクを必要とする場合、すなわちＲＦ発振の迅速な停止を必要とする場合、常に利点を提供する。

有利な実施形態のさらなる詳細は、従属請求項ならびに明細書および関連する図面に従う。

接続された器具を有する本発明による発電機の概略図である。 図１による発電機の簡略化された回路図である。 図１による改変された発電機の回路図である。 図１による発電機の別の部分概略回路図である。 図１～図４による発電機の発振挙動を示す図である。

図１は、出力部１１に外科用電圧を供給するための発電機１０を示す。双極外科用器具、または図１に示すような単極外科用器具ならびに中性電極１３を発電機に接続することができる。器具１２ならびに中性電極１３は、それぞれのライン１４、１５を介して出力部１１に接続することができる。

器具１２は、患者の生体組織に影響を及ぼす少なくとも１つの電極１６を備える。対照的に、中性電極１３は、生理学的効果なしに患者と中性電極１３との間に電流が流れることを可能にするために広範囲に構成される。

図１には、器具１２が、概略的に示されている。器具は、切断器具、凝固器具、ならびに任意の他の単極または双極電気外科用器具とすることができる。双曲電気外科用器具の場合、この器具は、出力部１１とそれぞれのラインまたはケーブルを介していずれも接続された２つの電極を備える。

発電機１０は、パルス化された電気高周波電圧が供給されなければならない器具の供給に特に適している。パルス化された電気高周波電圧（ＲＦ電圧）は、特に、１００ｋＨｚから５ＭＨｚの間、好ましくは３００ｋＨｚから５００ｋＨｚの基本周波数を有し、方形波インパルスシーケンスによって振幅変調された電圧を意味する。これは、発電機１０によって生成されたＲＦ電圧の振幅が、第１の値と第２の値との間、例えば、数１００ボルトと０ボルトとの間、または数１００ボルトとわずか数１０ボルトとの間の値における方形波パルスシーケンスの周波数で交互することを意味する。したがって、ＲＦ電圧は、例えば、「オン／オフ切り替え」電圧である。しかし、本発明はまた、他の変調形状を有するＲＦ電圧、例えば鋸歯変調を有するＲＦ電圧、および他のすべての変調形状、特にＲＦ電圧インパルスの終わりのＲＦ発振が迅速に停止することが重要である変調形状を有するＲＦ電圧の生成にも適している。

発電機１０の構造は、図１の概観のようなもので示されている。所望の高周波交流電圧を生成するために、互いに並列に接続された少なくとも１つの発振回路コンデンサ１８および少なくとも１つの発振回路インダクタ１９を備える発振回路１７が役に立つ。

器具１２に電気高周波エネルギーを供給するために、発振回路１７は、デカップリング回路２０に接続され、デカップリング回路は、発振回路インダクタ１９と磁気的に（変圧器式に）結合された少なくとも１つのデカップリングインダクタ２１によって本実施形態で実現される。他のデカップリング回路も可能である。デカップリングインダクタ２１は、互いに直列に接続された複数のサブインダクタから構成することができる。したがって、好ましくは、発振回路インダクタ１９およびデカップリングインダクタ２１は、１より大きい伝達率を有する変圧器を形成する。伝達率は、発振回路インダクタ１９の巻線数に対するデカップリングインダクタ２１の巻線数の比である。

発振回路１７における発振の励起および持続のために、発振回路１７に励起エネルギーを供給する励起回路２２が設けられる。励起回路２２は、直流電圧電力を供給するための直流電圧源２３を備える。それぞれの直流電圧Ｖを供給するラインは、バッファコンデンサ２４に接続される。バッファコンデンサは、エネルギーの貯蔵に役立つとともに、発振回路１７のＲＦ発振を停止した場合に発振回路１７から回生されるエネルギーの吸収にも役立つ。

回生回路２５が、ＲＦ発振を停止する際に発振回路１７からのエネルギーを回生するために設けられる。回生回路は、発振回路１７の発振が可能な限りすばやく停止されるべきであるときはいつでも、エネルギーをバッファコンデンサ２４上に回生するために、発振回路１７をバッファコンデンサ２４に接続する。

図２は、発電機１０、特に回生回路２５の回路図をより詳細に示す。明らかなように、励起回路２２は、最も単純な場合には、電子被制御スイッチ２６およびそれに関連する制御回路２７によって実現することができる。スイッチ２６は、発振回路１７または回生インダクタ２９（図３）と回生回路２５の入力との間に配置される。導通している場合、回生回路２５はアクティブであり、減衰下にある発振回路１７からエネルギーをバッファコンデンサ２４に供給して戻す。遮断する場合、回生回路は、インアクティブであり、発振回路１７を減衰させない。

回生回路２５は、発振回路１７に直接接続することができる。これにより、その２つの入力ラインａ、ｂを回生回路の入力部に直接接続することができる。これにより、ラインａおよびｃは、回生回路２５の出力を形成する。

回生回路２５は、電圧増倍回路であることが好ましい。回生回路は、複数のコンデンサ、例えば２、３または４つ以上のコンデンサの直列接続をそれぞれ有する２つの分岐部を備える。１つの分岐部では、コンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３は、互いに直列に接続される。これに平行に延びる他方の分岐部では、同数設けられたコンデンサＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３が、互いに直列に接続される。２つの分岐部のそれぞれのコンデンサ間の接続点は、ダイオードによって互いに接続され、それにより、共通の電圧増倍回路が形成される。ダイオードＤ１からＤ７は、コンデンサＣ１１からＣ１３、Ｃ２１からＣ２３によって形成された分岐部間に千鳥状に配置される。ダイオードＤ１からＤ７は、同一極性で直列に接続されており、すなわち、各接続点において、一方のダイオードのアノードおよび他方のダイオードのカソードが、互いに接続される。

ラインｂ内に配置された作動スイッチ２８は、回生回路２５の一部である。ラインｂは、発振回路１７と回生回路２５との間の接続を形成する。作動スイッチは、ラインｂ内の電流経路を開閉するように構成される。

作動スイッチ２８および電子スイッチ２６は、協調して制御される。制御のために、スイッチ２６、２８を直接に、または制御回路２７などの制御回路の介在を介して制御する制御デバイスＢ２９を設けることができる。制御回路は、発振回路が励起される限り、発振回路１７の発振に同期してスイッチ２６を開閉する。発振が停止されるべきである場合、スイッチ２６は、非導通状態のままであり、スイッチ２８は、導通状態に移行される。発振回路が発振を再開する場合、スイッチ２８は非導通状態に移行し、スイッチ２６は、発振回路１７の共振周波数に応じたスイッチング周波数で再びオンおよびオフに切り替えられる。

発電機１０の改変された実施形態が、図３に示されている。基本的な説明に関して、既に導入された参照符号に基づいて、上記の説明が適宜適用される。

図２による実施形態では、回生回路２５のラインａおよびｂは、発振回路に直接接続されているが、図３による実施形態では、ラインａおよびｂは、発振回路インダクタ１９と変圧器型式に結合された回生インダクタ２９に接続されている。したがって、回生インダクタ２９および発振回路インダクタ１９は、好ましくは１から２の間の伝達率を有する変圧器を形成する。他の伝達率も可能である。伝達率は、回生インダクタ２９の巻数と発振回路インダクタ１９の巻数との間の比として定義される。

図４は、発電機１０のさらなる改変形態を示す。そこでは、励起回路は、発振回路１７を励起するためにブリッジ回路を形成する複数のスイッチ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを備える。図４は、４つのスイッチ２６ａ～２６ｄを有するフルブリッジ回路を示す。しかし、例えばスイッチ２６ａ、２６ｂなどの２つのスイッチがコンデンサに置き換えられたハーフブリッジ回路も、発振回路１７の励起に使用することができる。

これまで説明した図２による発電機１０は、以下のように動作する。

機能を説明するために、一例として、発振回路１７が２００ｋＨｚから１ＭＨｚの間、例えば３５０ｋＨｚ、５００ｋＨｚなどの共振周波数を含むと仮定する。したがって、制御デバイスＢ２９は、上記の周波数でスイッチ２６を開閉するために設けられ、それによって発振回路１７をその共振周波数で励起する。例えば、一般的な電力グリッド３０から供給される直流電圧源２３は、バッファコンデンサ２４に動作電圧（例えば３００Ｖ）が負荷されるように、グランドと動作電圧ラインＶとの間に例えば数１００ボルト、例えば３００Ｖの直流電圧を供給する。

ここで、図５に示すように、発振回路１７内に存在する発振が方形波関数Ｒでパルス化されると仮定すると、個々のパルスＰＵ間に発振休止ＰＡが作り出される必要がある。ＲＦ電圧Ｕ_ＨＦのパルスＰＵは、例えば数マイクロ秒、例えば５μｓの長さを有することができる。ＲＦ電圧の個々のインパルスＰＵ間の休止ＰＡの持続時間は、変調周波数およびいわゆるデューティサイクルに依存する。特に、ＲＦが非常に高く（約１０００Ｖ）なり得る切断モードでは、ＲＦ電圧のインパルスＰＵは非常に短いが（ＲＦ電圧のインパルスＰＵごとに１～数回のＲＦ発振）、パルス休止比は小さく、したがってＲＦ休止ＰＡの持続時間は、比較的長く（例えば１００μｓ）なることができる。

発電機１０では、各ＲＦ電圧インパルスＰＵの終わりのＲＦ発振がすばやくかつ効率的に停止され、それによって、発振回路１７のパルス後の発振がまったくまたはわずかしか発生しないことが重要である。図５は、回生回路２５による減衰なしに発電機内で発生することができる減衰曲線３１を破線で示す。しかし、ＲＦ電圧のインパルスＰＵの終わりの制御デバイスＢ２９は、スイッチ２８を閉じ、したがって回生回路２５を作動させるので、図５に実線で示す減衰プロセスは、大幅に短縮される。これにより、回生回路２５は、前回の回生動作によって負荷されるコンデンサＣ１１からＣ２３を備えると仮定する。したがって、発振回路１７内に含まれるエネルギーは、発振回路１７のわずかな発振でバッファコンデンサ２４上に伝達される。また、回生回路２５は電圧増倍回路として動作し、したがって、バッファコンデンサ２４の供給に十分な値まで再度増倍化することによってＲＦ発振の減衰中に減少する電圧を増加させるため、発振回路１７の減衰された発振振幅で、回生プロセスは継続される。

本発明による電気外科用発電機１０は、発振回路を備え、発振回路は、好ましくはその共振周波数に近い周波数で励起回路によって励起され、この発振は、周期的に中断されるものとする。これは、例えば、生成されなければならない高周波電圧Ｕ_ＨＦのパルス休止変調の状況で行うことができ、その基本周波数、例えば３５０ｋＨｚまたは５００ｋＨｚは、例えば５０ｋＨｚの変調周波数で変調することができる。他の変調周波数も可能である。典型的には、これらの変調周波数は、１００ｋＨｚ未満である。発振回路１７内に蓄積されたエネルギーを失うことなく、発電機の発振回路内の発振を可能な限り突然停止させるために、電圧増倍回路によって実現される回生回路２５が、設けられる。昇圧変換結合インダクタと比較して、電圧増倍回路は、特に回生段階においてのみスイッチ２８を介して発振回路１７と電気的に効果的に接続されるため、発振回路１７に提供される容量性負荷が低いという利点を有する。この概念は、効率的なエネルギー回生を可能にし、したがって高周波電圧Ｕ_ＨＦの正確な振幅変調、特に方形波変調（オン－オフ切り替え）を可能にする。

１０ ＲＦ発電機
１１ 出力部
１２ 器具
１３ 中性電極
１４，１５ ライン
１６ 電極
１７ 発振回路
１８ 発振回路コンデンサ
１９ 発振回路インダクタ
２０ デカップリング回路
２１ デカップリングインダクタ
２２ 供給回路／励起回路
２３ 直流電圧源
２４ バッファコンデンサ
２５ 回生回路
２６ 電子スイッチ
２７ 制御回路
ａ，ｂ，ｃ ライン
Ｃ１１～Ｃ１３ 第１の分岐部のコンデンサ
Ｃ２１～Ｃ２３ 第２の分岐部のコンデンサ
Ｄ１～Ｄ７ ダイオード
２８ 作動スイッチ
２９ インダクタ
Ｂ２９ 制御デバイス
３０ 電力グリッド
ＰＵ ＲＦ電圧インパルス
ＰＡ ＲＦ休止
３１ 減衰曲線
Ｕ_ＨＦ 高周波電圧

Claims (15)

1. 電気外科用発電機（１０）であって、
   少なくとも１つの発振回路インダクタ（１９）および少なくとも１つの発振回路コンデンサ（１８）を備える発振回路（１７）を有し、前記発振回路（１７）は、前記発振回路（１７）内に電気的発振を生成するように構成される励起回路（２２）に接続され、
   前記発振回路（１７）に供給電圧（Ｖ）を供給するように構成され、バッファコンデンサ（２４）に接続された直流電圧源（２３）を有し、
   一方では前記発振回路（１７）に接続され、他方では外科用器具（１２）用の接続デバイス（１１）に接続されたデカップリング回路（２０）を有し、
   前記発振回路（１７）内に蓄積されたエネルギーを前記バッファコンデンサ（２４）に伝達して戻すことができる回生回路（２５）を有し、
   前記回生回路（２５）が、電圧増倍回路（Ｃ１１～Ｃ２３、Ｄ１～Ｄ７）を備えることを特徴とする、電気外科用発電機。
2. 前記発振回路が、並列発振回路であることを特徴とする、請求項１に記載の発電機。
3. 前記供給回路（２２）が、少なくとも１つの被制御スイッチ（２６）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の発電機。
4. 前記供給回路（２２）が、その出力部に配置されたバッファコンデンサ（２４）を有する直流電圧源（２３）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の発電機。
5. 前記デカップリング回路（２０）が、前記発振回路インダクタ（１９）と変圧器型式に結合されたデカップリングインダクタ（２１）によって実現されることを特徴とする、請求項１に記載の発電機。
6. 前記回生回路（２５）が、前記発振回路インダクタ（１９）と変圧器型式に結合された回生インダクタ（２９）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の発電機。
7. 前記回生回路（２５）が、前記発振回路インダクタ（１９）に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の発電機。
8. 前記電圧増倍回路（Ｃ１１～Ｃ２３、Ｄ１～Ｄ７）が、コンデンサカスケードであることを特徴とする、請求項１に記載の発電機。
9. 前記コンデンサカスケードが、多段カスケードであることを特徴とする、請求項８に記載の発電機。
10. 前記コンデンサカスケードが、それぞれが複数のコンデンサ（Ｃ１１～Ｃ２３）の２つの直列接続（Ｃ１１～Ｃ１３；Ｃ２１～Ｃ２３）を備え、１つの直列接続（Ｃ１１～Ｃ１３）の２つのコンデンサ（Ｃ１１／Ｃ１２、Ｃ１２／Ｃ１３）間に存在する各接続点は、逆並列に配置された２つのダイオード（Ｄ３～Ｄ６）に接続され、前記２つのダイオード（Ｄ３～Ｄ６）は、それぞれ、他の直列接続（Ｃ２１～Ｃ２３）の異なる接続点（Ｃ２１／Ｃ２２、Ｃ２２／Ｃ２３）に接続されることを特徴とする、請求項８に記載の発電機。
11. スイッチ（２８）が、前記回生インダクタ（２９）と前記電圧増倍回路との間に配置されることを特徴とする、請求項６に記載の発電機。
12. 前記発振回路インダクタ（１９）の巻線数に対する前記回生インダクタ（２９）の巻線数の比が、２から１の間であることを特徴とする、請求項６または１１に記載の発電機。
13. 前記発電機（１０）が、前記励起回路（２２）および前記回生回路を交互に作動させるように構成された制御デバイス（Ｂ２９）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の発電機。
14. 前記スイッチ（２８）が、半導体スイッチであることを特徴とする、請求項１１に記載の発電機。
15. 前記回生インダクタ（２９）が、一端がグランドに接続され、他端が前記スイッチ（２８）に接続されることを特徴とする、請求項１４に記載の発電機。

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