JP5475793B2 - 超音波トランスデューサを駆動するシステム及び方法 - Google Patents
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Description
上述したように、周波数コントローラ206は2つの機能、すなわち周波数走査及び周波数追跡を実行する。
図7は、図3の電流コントローラ202の実施形態を示す。電流コントローラ600は、トランスデューサを通る電流を、一定のユーザ指令レベル614で維持する。ユーザ指令レベル614は、トランスデューサを含むデバイスの所望の動作レベルに対応することができる。たとえば、ユーザ指令レベルは、圧電トランスデューサを含む外科的切開装置の所望のエネルギーレベルに対応することができる。
図3において、周波数コントローラ206が、周波数制御パラメータ222の変化をもたらす駆動周波数を設定すると、トランスデューサ電流もまた変化するため、電流コントローラ202はこの変化に反対するように試みる。周波数コントローラ及び電流コントローラが同時に動作することができる場合、周波数コントローラ及び電流コントローラの動作は対立する可能性がある。周波数コントローラ206の影響の方が強い場合、周波数追跡が一定の出力電流に対して優位となり、出力電流が指令値からゆらぐ可能性がある。逆に、電流コントローラ206の影響の方が強い場合、一定の出力電流が周波数追跡に対して優位となり、駆動周波数がトランスデューサ共振周波数からゆらぐ可能性がある。
上述したコードを実行しているプロセッサの出力は、振幅を除き超音波トランスデューサを駆動するのに必要な特性のすべてを有する小さい信号である。図8に示すように、駆動回路208、408、506を2つの部分に分解することができる。図8では、駆動部分71は、D級又はE級の増幅器と出力フィルタとを有している。
Claims (34)
- 超音波トランスデューサを駆動するシステムであって、
ある電圧及びある周波数を提供するように構成されたコントローラであり、前記超音波トランスデューサを通る駆動電流から及び電流指令から導出される電流誤差信号に基づいて前記電圧を変更するように構成され、且つ前記超音波トランスデューサが共振状態又は略共振状態であるか否かを示す少なくとも1つのパラメータに基づいて前記周波数を変更するように構成されたコントローラと、
前記コントローラから前記電圧及び前記周波数を受け取るように構成され、且つ前記コントローラから受け取られる前記電圧及び前記周波数に基づいて、駆動電圧を駆動周波数で前記超音波トランスデューサに提供するように構成された駆動回路であり、前記駆動電圧が、前記駆動電流を実質的に前記電流指令で維持するレベルとなっており、前記駆動周波数が実質的に前記超音波トランスデューサの共振周波数である、駆動回路と
を備え、
前記少なくとも1つのパラメータが、前記駆動電流と前記駆動電圧と間の位相角を含み、
前記コントローラが、前記電流誤差信号に基づいて前記電圧を変更するように構成された電流コントローラと、前記少なくとも1つのパラメータに基づいて前記周波数を変更するように構成された周波数コントローラと、前記電流コントローラ及び前記周波数コントローラの動作を交互にするように構成されたコントローラスケジューラとを有する、システム。 - 前記少なくとも1つのパラメータが、前記超音波トランスデューサのアドミタンスをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 基準たる前記駆動電流と、前記超音波トランスデューサの、基準たるアドミタンスと、前記少なくとも1つのパラメータとを生成するように構成された検知回路をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 基準たる前記駆動電流を提供するように構成され、且つ前記超音波トランスデューサの、基準たるアドミタンス及び前記少なくとも1つのパラメータを生成し前記周波数コントローラに提供するように構成された検知回路をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記周波数コントローラが、前記超音波トランスデューサの前記共振周波数又はその近くの周波数を見つける周波数走査を実行するように構成され、且つ前記駆動周波数を前記見つけられた周波数に設定するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記周波数走査が、広い掃引と、前記広い掃引に続く中間の掃引と、前記中間の掃引に続く狭い掃引とを含み、
前記広い掃引が、事前定義された周波数を中心とする第1の周波数範囲であり、そこでは、基準たるアドミタンスが、第1のステップサイズにより互いに分離される第1の複数の周波数の各々において取得され、
前記中間の掃引が、前記第1の複数の周波数からの最大の基準たるアドミタンスを有する周波数を中心とする、前記第1の周波数範囲より狭い第2の周波数範囲であり、そこでは、基準たるアドミタンスが、前記第1のステップサイズより小さい第2のステップサイズによって互いに分離される第2の複数の周波数の各々において取得され、
前記狭い掃引が、前記第2の複数周波数からの最大の基準たるアドミタンスを有する周波数を中心とする、前記第2の周波数範囲より狭い第3の周波数範囲であり、そこでは、基準たるアドミタンスが、前記第2のステップサイズより小さい第3のステップサイズによって互いに分離される第3の複数の周波数の各々において取得され、
前記駆動周波数が、前記第3の複数の周波数からの最大の基準たるアドミタンスを有する周波数に設定される、請求項5に記載のシステム。 - 前記周波数走査が、第1の掃引と前記第1の掃引に続く第2の掃引とを含み、
前記第1の掃引が、事前定義された周波数を中心とする第1の周波数範囲であり、そこでは、基準たるアドミタンスが、第1のステップサイズにより互いに分離される第1の複数の周波数の各々において取得され、
前記第2の掃引が、前記第1の複数の周波数からの最大の基準たるアドミタンスを有する周波数を中心とする、前記第1の周波数範囲より狭い第2の周波数範囲であり、そこでは、位相角の測度が、前記第1のステップサイズより小さい第2のステップサイズによって互いに分離される第2の複数の周波数の各々において取得され、
前記駆動周波数が、前記第2の複数の周波数からの所望の位相角に最も近い位相角の測度を有する周波数に設定される、請求項5に記載のシステム。 - 前記周波数コントローラが、前記駆動周波数を前記共振周波数の変動を補償するように調整する周波数追跡機能を実行するように構成された周波数トラッカを有する、請求項1に記載のシステム。
- 周波数発生器をさらに具備し、前記周波数トラッカが、ピーク検出器と、第1の周波数ステップを確定するように前記ピーク検出器によって指令される周波数ステッパとを有し、前記第1の周波数ステップが、所定周波数範囲の間のランダムステップサイズを有し、上方又は下方のいずれかであるランダムステップ方向を有し、前記周波数ステッパが、前記周波数発生器に前記周波数ステップを提供するように構成され、前記周波数発生器が前記周波数ステップに基づいて新たな周波数を生成し、前記周波数発生器が、前記駆動回路に前記新たな周波数を提供するように構成され、
前記超音波トランスデューサのアドミタンスが、前記新たな周波数の結果として所定量を上回る量増大した場合、前記周波数ステッパが、前記第1の周波数ステップと同じステップ方向を有し、且つ前記アドミタンスの増大の量に基づくステップサイズを有する、次の周波数ステップを確定し、
前記超音波トランスデューサのアドミタンスが、前記新たな周波数の結果として前記所定量を上回る量低減した場合、前記周波数ステッパが、前記第1の周波数ステップとは反対のステップ方向を有し、且つ前記アドミタンスの低減の量に基づくステップサイズを有する、次の周波数ステップを確定する、請求項8に記載のシステム。 - 周波数発生器をさらに備え、
前記周波数トラッカが、入力として位相角誤差項を受け取るように構成されたフィードバックコントローラであって、前記位相角誤差項をゼロに向かって駆動する大きさ及び方向を有する周波数ステップを出力するように構成されたフィードバックコントローラを有し、前記位相角誤差が、指令位相項と前記位相角との差であり、
前記周波数発生器が、前記周波数ステップに基づいて新たな周波数を生成し、且つ前記駆動回路に前記新たな周波数を提供するように構成された、請求項8に記載のシステム。 - 前記フィードバックコントローラが比例・微分コントローラである、請求項10に記載のシステム。
- 前記コントローラが、入力として電流誤差信号を受け取るように構成されたフィードバックコントローラであって、前記電流誤差信号をゼロに駆動する電圧を出力するように構成されたフィードバックコントローラを有し、前記電流誤差信号が、前記電流指令と前記駆動電流との差であり、
前記駆動回路が、前記出力電圧を増幅することにより前記駆動電圧を生成するように構成された、請求項1に記載のシステム。 - 前記フィードバックコントローラが比例・積分・微分コントローラである、請求項12に記載のシステム。
- 前記駆動回路がスイッチング増幅器を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記駆動回路が線形増幅器を有していない、請求項14に記載のシステム。
- 前記スイッチングがD級又はE級である、請求項14に記載のシステム。
- 前記スイッチング増幅器が出力フィルタを有し、前記出力フィルタが一対の同相磁気結合インダクタを含む、請求項14に記載のシステム。
- 前記スイッチング増幅器が、2つの差動出力を提供するように構成された2チャネル増幅器であり、そこでは、第1のチャネルの出力及び第2のチャネルの出力が、互いに180度位相シフトしている、請求項17に記載のシステム。
- 前記同相磁気結合インダクタが、前記周波数を2倍にし、且つ前記同相磁気結合インダクタの各々における電流リップルの振幅を低減するように構成された、請求項18に記載のシステム。
- 前記2チャネル増幅器が、第1のPWM信号を生成するように構成された第1のPWM変調器と、前記第1のPWM信号から180度位相シフトした第2のPWM信号を生成するように構成された第2のPWM変調器とを有する、請求項18に記載のシステム。
- 前記2チャネル増幅器がPWM変調器を含み、前記PWM変調器は、第1のPWM信号と、前記PWM変調器のスイッチング周期の半分、前記第1のPWM信号から遅延する第2のPWM信号とを生成するように構成されている、請求項18に記載のシステム。
- 前記同相磁気結合インダクタが、漏れインダクタンスを有する変圧器を形成するように、2つの巻線を有する共通構造に含まれている、請求項17に記載のシステム。
- 前記コントローラ及び前記駆動回路が、前記超音波トランスデューサを含む装置に接続され、前記装置が、外科装置、切削工具、破砕工具、アブレーション工具及び超音波撮像装置からなる群から選択される、請求項1に記載のシステム。
- 超音波トランスデューサを駆動する方法であって、
前記超音波トランスデューサに駆動電圧を駆動周波数にて提供するステップであって、前記駆動電圧が前記超音波トランスデューサを通る駆動電流をもたらす、ステップと、
前記駆動電流を検知するステップと、
前記検知された駆動電流から且つ電流指令から電流誤差を確定するステップと、
前記電流誤差に基づいて前記駆動電圧を調整するステップと、
前記検知された駆動電流から、且つ前記電圧レベルから少なくとも1つのパラメータを確定するステップであって、前記少なくとも1つのパラメータが、前記超音波トランスデューサが共振状態又は略共振状態であるか否かを示し、前記少なくとも1つのパラメータが、前記駆動電流と前記駆動電圧との間の位相角を含む、ステップと、
前記少なくとも1つのパラメータに基づいて前記駆動周波数を調整するステップであって、前記駆動周波数を、前記超音波トランスデューサの共振周波数又は実質的に共振周波数で維持するサブステップを含む、ステップと、
を含み、
前記電流誤差に基づいて前記駆動電圧を調整するステップと、前記少なくとも1つのパラメータに基づいて前記駆動周波数を調整するステップと、が交互に行われる、方法。 - 前記駆動周波数を調整する前記ステップが、比例・微分コントローラに位相誤差項を与えるサブステップを含み、前記位相誤差項が、指令位相項と、前記駆動電流と前記駆動電圧との間の前記位相角との差である、請求項24に記載の方法。
- 前記駆動周波数を調整する前記ステップが、
第1のステップサイズにより互いから分離され且つ事前定義された周波数を中心とする第1の周波数範囲に含まれる第1の複数の周波数の各々で、前記超音波トランスデューサの、基準たるアドミタンスを取得するサブステップと、
第2のステップサイズにより互いから分離され、且つ前記第1の複数の周波数から最大のアドミタンスの測度を有する周波数を中心とする第2の周波数範囲に含まれる第2の複数の周波数の各々で、前記超音波トランスデューサの、基準たるアドミタンスを取得するサブステップであって、前記第2の周波数範囲が前記第1の周波数範囲より狭く、前記第2のステップサイズが前記第1のステップサイズより小さい、サブステップと、
前記第2の複数の周波数範囲から最大の基準たるアドミタンスを有する周波数に、前記駆動周波数を設定するサブステップと、
を含む、請求項24に記載の方法。 - 前記駆動周波数の前記調整ステップが、
第1のステップサイズにより互いから分離され且つ事前定義された周波数を中心とする第1の周波数範囲に含まれる第1の複数の周波数の各々で、前記超音波トランスデューサの、基準たるアドミタンスを取得するサブステップと、
第2のステップサイズにより互いから分離され、且つ前記第1の複数の周波数から最大の基準たるアドミタンスを有する周波数を中心とする第2の周波数範囲に含まれる第2の複数の周波数の各々で、前記位相角の測度を取得するサブステップであって、前記第2の周波数範囲が前記第1の周波数範囲より狭く、前記第2のステップサイズが前記第1のステップサイズより小さい、サブステップと、
前記第2の複数の周波数から所望の位相角に最も近い位相角の測度を有する周波数に、前記駆動周波数を設定するサブステップと、
を含む、請求項24に記載の方法。 - 前記駆動電圧を調整する前記ステップが、前記電流誤差を比例・積分・微分コントローラに付与するサブステップを含む、請求項24に記載の方法。
- 前記超音波トランスデューサに前記駆動電圧を前記駆動周波数にて提供する前記ステップが、2チャネルスイッチング増幅器の差動出力をフィルタリングするサブステップを含み、前記フィルタリングが、少なくとも部分的に、一対の同相磁気結合インダクタを使用することによって実行される、請求項24に記載の方法。
- 前記フィルタリングする前記サブステップが、前記スイッチング増幅器の第2のチャネルの出力から、前記スイッチング増幅器の第1のチャネルの出力を180度位相シフトさせることを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記フィルタリングする前記サブステップが、前記周波数を同時に2倍にすることと、前記同相磁気結合インダクタの各々における電流リップルの振幅を低減することとをさらに含む、請求項30に記載の方法。
- 前記第1のチャネルの前記出力が、第1のPWM変調器からの第1のPWM信号であり、前記第2のチャネルの前記出力が、第2のPWM変調器からの第2のPWM信号である、請求項30に記載の方法。
- 前記第1のチャネルの前記出力がPWM変調器からの第1のPWM信号であり、前記第2のチャネルの前記出力が、前記PWM変調器の周期の半分、前記第1のPWM信号を遅延させることによって得られる第2のPWM信号である、請求項30に記載の方法。
- 前記超音波トランスデューサが、外科装置、切削工具、破砕工具、アブレーション工具及び超音波撮像装置からなる群から選択される装置に含まれる、請求項24に記載の方法。
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