JP6951253B2 - 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

Description

本発明は、包括的には、超音波駆動式の外科用ツールシステムに関する。より詳細には、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。

超音波式手術器具は、ある種の医学的手技及び外科的手技を行うのに有用な手術器具である。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。

超音波式先端部のヘッドは多くの場合に比較的小さい。幾つかのヘッドは１．０ｃｍ未満の直径である。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。

幾つかの超音波式先端部には貫通孔が設けられる。このタイプの先端部に駆動信号を印加するのと同時に、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。

ハンドピース又はツールとも呼ばれる場合がある超音波式手術器具の場合、効率的に機能するために、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。

超音波式ハンドピースが効率的に動作するのを確実にする１つの手段は、ハンドピース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。

更に別の超音波式ツールシステムは、ハンドピースの反共振周波数において駆動信号を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。

さらに、先端部振動の振幅は、駆動信号の電位すなわち電圧にも関連する。一般に、先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。

コンソール内には、駆動信号を生成する構成要素がある。一般に、コンソールと一体の構成要素は、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。

コントローラによって生成された制御信号は、コンソール構成要素の第４のサブアセン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。

本出願人のＳＯＮＯＰＥＴ（登録商標）超音波式アスピレータは、可変駆動信号を生成し、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。

多くの超音波式ツールシステムとともに提供される制御コンソールは、狭い周波数範囲にわたり、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。

このような制約の結果として、ある設備において、大きく異なる駆動信号が印加され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。

さらに、コンソールが、該コンソールが生成するように設計された駆動信号の意図した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。

さらに、幾つかの先端部は、作動するときに、２つの異なる運動の組み合わせである運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。

先端部が２モード又は多モード振動に関わるために、その振動モードのそれぞれにおい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。

本発明は、新規で有用な超音波式ツールシステムに関する。本発明のシステムは、ハン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。

本発明のシステムの更なる特徴は、内部のエネルギーロスが比較的小さくなるようにコ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。

本システムのコンソールは、通常、線形増幅器と電源と変圧器とからなる増幅器アセンブリを有する。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。

線形増幅器は、変圧器の一次巻線の端部に接続されるトランジスタを有する。増幅器は、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。

本発明の好ましいバージョンでは、線形増幅器は、負帰還ループ（ネガティブ・フィードバック・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。

本発明の好ましいバージョンでは、各トランジスタのゲート又はベースに少なくともあ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。

本発明の好ましいバージョンでは、電源がセンタータップに印加する信号の電圧は変化させることができる。

制御コンソールの一部でもあるプロセッサは、電源から出力される信号のＤＣ電圧レベルを設定し、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。

プロセッサは、線形増幅器及び電源から出力される信号を調節し、駆動信号の電圧が増加するときに、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。

本発明の１つの具体的な形態は超音波式手術用ツールシステムであるが、本発明のコン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。

本発明は特許請求の範囲に詳細に示される。本発明の上記の及び更なる特徴及び利点は、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。

本発明の機構を含む超音波式ツールシステムの基本構成要素を示す図である。 システムのツールすなわちハンドピースの機械的構成要素の説明図である。 本発明のシステムの制御コンソール及びハンドピースの両構成要素の電気的構成要素のブロック図である。 制御コンソール内にある線形増幅器及びＤＣ電源のブロック図である。 制御コンソールの電源のブーストコンバータと一体の構成要素のうちの幾つかの説明ブロック図である。 図６は、図６Ａ〜図６Ｄによる、本発明の制御コンソールの線形増幅器の説明図の構成を示す組立図である。図１５は、コンソールから出力される駆動信号の特性を調節するために制御コンソール内にあるプロセッサ上で実行されるソフトウェアモジュールを表すために図１５Ａ〜図１５Ｄがいかに組み立てられるかを示す組立図である。 本発明の制御コンソールの線形増幅器の説明図である。 本発明の制御コンソールの線形増幅器の説明図である。 本発明の制御コンソールの線形増幅器の説明図である。 本発明の制御コンソールの線形増幅器の説明図である。 図７は、線形増幅器の演算増幅器の出力に現れる波形を示す図である。図８Ａは、線形増幅器の整流器及びスプリッタの出力に現れる波形を示す図である。図８Ｂは、線形増幅器の整流器及びスプリッタの出力に現れる波形を示す図である。 図９Ａは、線形増幅器の電流源の第１電流源によって生成される電流の波形を示す図である。図９Ｂは、線形増幅器の電流源の第２電流源によって生成される電流の波形を示す図である。 図１０は、変圧器の一次巻線の各端部に現れる電圧を示す図である。図１１は、図１０の電圧が巻線の各端部に現れるときの変圧器の一次巻線の両端に現れる電圧を示す図である。 図１２は、最小電圧がヘッドルーム電圧にあるときの変圧器の一次巻線の両端に現れる電圧を示す図である。図１３は、電圧振幅の増加により、最小電圧がヘッドルーム電圧未満になるときの変圧器の一次巻線の両端に現れる電圧を示す図である。 ハンドピース内にあるメモリに記憶されるデータのタイプを示す図である。 コンソールから出力される駆動信号の特性を調節するために制御コンソール内にあるプロセッサ上で実行されるソフトウェアモジュールを表す図である。 コンソールによって出力される駆動信号の特性を調節するために制御コンソール内にあるプロセッサ上で実行されるソフトウェアモジュールを表す図である。 コンソールによって出力される駆動信号の特性を調節するために制御コンソール内にあるプロセッサ上で実行されるソフトウェアモジュールを表す図である。 コンソールによって出力される駆動信号の特性を調節するために制御コンソール内にあるプロセッサ上で実行されるソフトウェアモジュールを表す図である。 コンソールプロセッサ上で実行されるベース電圧リミッタモジュールによって実行されるプロセスステップのフローチャートである。 コンソールプロセッサ上で実行される電源電圧リミッタモジュールによって実行されるプロセスステップのフローチャートである。 線形増幅器の能動抵抗器を形成するトランジスタにかかる信号を生成するための本発明の代替的回路の説明図である。

図１及び図２を参照して、本発明の機構を有する超音波式ツールシステム４０を大まかに説明する。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。）。

１つ以上の振動式圧電ドライバ３４４（４つ示されている）が、シェル３４２内部に配置されている。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。

ポスト３３６は、ドライバ３４８及び絶縁ディスク３５０を貫通して長手方向に延びている。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３３６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。

最も近位に位置するドライバ３４８の近位側の面に近位端マス（proximal end mass）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。

ホーン３５６は、最も遠位に位置するドライバ３４４の遠位側の面から前方に延びている。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３５０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３３６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。

先端部３６０はホーン３５６の遠位端から前方に延びている。カラー３５８によって表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３３０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。

幾つかの先端部３６０は、硬組織すなわち骨に直接当てられるように設計された歯が設けられる。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。

図２においてリングとして表されるスリーブ３７０は通常、先端部心棒３６２を覆うように配置される。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。

図示していないが、ハンドピースのポスト３３６、ホーン３５６及び先端部３６０は多くの場合に、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３６４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。

吸引を行うことができるシステム４０のハンドピース３３０は、吸引器又は超音波式吸引器と呼ばれる場合がある。

また、ハンドピース３３０はメモリ３３８も有する。メモリ３３８は、ハンドピースの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３４８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。

制御コンソール５０も本発明のシステム４０の一部である。制御コンソール５０は、ハンドピース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４０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３３０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。

図３に大まかに示される、制御コンソール４０内にある構成要素には、電源８４が含まれる。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＿ＣＯＮＴＲＯＬ（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。

変圧器２５０の一次巻線に生じるＡＣ信号は、変圧器２５０の二次巻線２５８にＡＣ信号を誘発する。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。

変圧器２５０は再生コイル（tickler coil）２５６を有する。再生コイル２５６に生じる信号の電圧は、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Ｖ_Ｓ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ｉ_Ｓ、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。

ハンドピース３３０に印加される駆動信号の電圧及び電流を表す信号は、同じく制御コンソール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。

制御コンソール６４にオン・オフスイッチが接続される。図１及び図３において、オン・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。

制御コンソール５０は、スライドスイッチ５６を有するものとして示される。フットペダル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。

制御コンソール５０にディスプレイ８２が内蔵されている。ディスプレイ８２上の画像は、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。

プロセッサ８０は、制御コンソール４０からの駆動信号の出力を調節する。プロセッサ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。

図４は、電源８４及び増幅器１１５を構成するコンソール内のサブアセンブリのブロック図である。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（line 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Ｖ_ＣＣ電圧及び−Ｖ_ＥＥ電圧を生成する電圧源を含む。

電源８６から出力される安定したＤＣ電圧は、電源８４の一部でもある調整可能ブーストコンバータ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、２５ＶＤＣ〜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１１５は線形増幅器である。増幅器１１５のサブアセンブリのうちの１つが加算増幅器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。

フィードバック調整済みＢＡＳＥ信号は、整流器及びスプリッタ１３８に印加される。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-inverting 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。

電流源１５６及び１７４にはＤＣバイアスがかけられる。各電流源１５６及び１７４は、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。

ＭＯＳＦＥＴ１６２及び１８４のドレインに生じる信号は、線形増幅器１１５の一部でもある差動増幅器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。

ＭＯＳＦＥＴ１６２及び１８４のドレインに生じる信号は、ヘッドルームモニタ１９０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、ＭＯＳＦＥＴ１６２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。

図５に示すように、ブーストコンバータ８８は複数のブースト回路を含む。各ブースト回路はインダクタ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。ＦＥＴ１１２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 Technology Corporation（カリフォルニア州ミルピタス所在）から市販されるＬＴＣ３８６２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 MOSFET Driver）がゲートドライバ９２として利用される。

複数のダイオード１１１のカソードは単一のレール１１７に接続される。レール１１７と接地との間にキャパシタ１１３が接続される。

レール１１７上に存在する信号は、ブースト増幅器からの出力信号ＶＡＭＰであり、変圧器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。

一般に、各ＦＥＴ１１２は周期的にゲートオン及びゲートオフされることは理解されよう。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１１０、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。

インダクタ１１０、ダイオード１１１、ＦＥＴ１１２及び抵抗器１１４からなる複数の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。

図５において、ブーストコンバータ８８は、単一のＤＣ／ＤＣコントローラ９０及び２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。

図６Ａ〜図６Ｄを組み合わせると、増幅器１１５の構成要素が示されることになる。図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ＢＡＳＥ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、ＢＡＳＥ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１２２の非反転入力は接地される。

加算増幅器１２２は反転増幅器として構成される。本発明の多くのバージョンでは、この利得は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。

加算増幅器１２２からのフィードバック調整済みＢＡＳＥ信号は、キャパシタ１３２及び抵抗器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１４０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。

整流器及びスプリッタ１３８は、増幅器１４０からの利得が固定されるように構成される。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。

フィードバック調整済みＢＡＳＥ信号の負の成分は、抵抗器１５４を通して、増幅器１５８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、ＭＯＳＦＥＴ１６２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−Ｖ_ＥＥ電圧源に接続する。

フィードバック調整済みＢＡＳＥ信号の正の成分は、増幅器１７６の非反転入力に印加される。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、−Ｖ_ＥＥ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ＭＯＳＦＥＴ１８４の接続部を接地する。

増幅器１５８及び１７６は、固定された同一の利得を有する。通常、この利得は５未満である。多くの場合に、利得は１である。

ＭＯＳＦＥＴ１６２のドレインに存在する信号は、抵抗器２３７を通して、差動増幅器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２３８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。

インダクタ１８７は、ＭＯＳＦＥＴ１６２及び１８４のドレイン間に接続される。ＭＯＳＦＥＴ１６２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。

インダクタ１８７は、理想的には、インダクタがドライバにわたって並列に接続されたとした場合に、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。

図示していないが、本発明の幾つかのバージョンでは、各ＭＯＳＦＥＴ１６２及び１８４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。

次に、図７、図８Ａ及び図８Ｂを参照することによって、線形増幅器１１５の動作の理解が得られる。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ＢＡＳＥ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。

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に印加される。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−Ｖ_ＥＥ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−Ｖ_ＥＥ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９Ａ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。

フィードバック調整済みＢＡＳＥ信号の負の成分は、増幅器１５８に印加される。図９Ｂ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１５８にも−Ｖ_ＥＥ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。

そのため、ＭＯＳＦＥＴ１６２及び１８４のゲートに印加される信号は、交互配置の時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。

図１０の実線波形１８６は、ＭＯＳＦＥＴ１６２が接続される巻線２５２の端部に生じる電圧を表す。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、ＭＯＳＦＥＴ１６２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、ＭＯＳＦＥＴ１６２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。

ＭＯＳＦＥＴ１８４がターンオフすると、巻線２５２の下側の電圧は上昇して１００ボルト、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。

次の時間フレームにおいて、ＭＯＳＦＥＴ１６２がターンオンする一方、ＭＯＳＦＥＴ１８４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、１００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。

ＭＯＳＦＥＴ１６２がターンオンした後に、ＭＯＳＦＥＴ１６２はターンオフする一方で、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、ＭＯＳＦＥＴ１６２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。

これらのフレームは繰り返される。本発明の幾つかのバージョンでは、一次巻線２５２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。

実際には、変圧器の一次巻線２５２に最大電圧を生じさせる必要があるときのみ、ＭＯＳＦＥＴ１６２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。

先に述べたように、プロセッサ８０は、ＢＡＳＥ信号の特性を調節することに加えて、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１８４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、ＭＯＳＦＥＴ１６２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。

図１３に、センタータップにおける電圧が３０ボルトのままであるものの、駆動信号の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、ＭＯＳＦＥＴ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。

さらに、任意の増幅器と同様に、本発明の線形増幅器１１５が、出力信号、ここでは駆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。

コンソール５０は、巻線電圧が最も大きく振れる場合であっても、ＭＯＳＦＥＴ１６２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ＭＯＳＦＥＴ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。

プロセッサ８０がＶＡＭＰ信号及びＢＡＳＥ信号を調整できるようにするために、プロセッサは、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Ｖ_ＣＣ電圧源に接続される。ダイオード１９６のカソードはＭＯＳＦＥＴ１６２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。

増幅器２１２の出力信号は、抵抗器２１４を通して、増幅器２３０の非反転入力に印加される。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。

また、ヘッドルームモニタ１９０は、直列に接続される２つの抵抗器２２４及び２２６を有する。抵抗器２２４の空き端子はＶ_ＣＣ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Ｖ_ＤＳ電圧を表すＨＥＡＤＲＯＯＭ信号である。

ヘッドルームモニタ１９０は、Ｖ_ＤＳ電圧を直接監視するわけではない。その代わりに、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Ｖ_ＣＣ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２２８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。

抵抗器２２４及び２２６の抵抗を選択的に設定することにより、ＭＯＳＦＥＴ１６２及び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。

ブーストコンバータ８８からのＶＡＭＰ信号は、変圧器２５０の一次巻線２５２のセン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。

ＶＡＭＰ信号がブーストコンバータ８８から変圧器のセンタータップ２５２に印加され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。

図６Ｂにおいて、変圧器の二次巻線２５８の両端部は、ハンドピースドライバ３４４に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Ｖ_Ｓの電圧を表す信号である。ＨＰＶＭＯＮ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ｉ_Ｓ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ｉ_Ｓを表すものを生成する。

システム４０の動作を容易にするために、ハンドピース内部のメモリ３３８に対し、ハ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Ｃ_Ｏ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

に関するデータは、フィールド３７６に含まれる。電流

は多くの場合に１Ａｍｐピーク未満であり、そして、より多くの場合に０．５Ａｍｐピーク以下である。フィールド３７８は、電流

、すなわち、ハンドピースの機械的構成要素に印加される電流の最大等価成分（maximum equivalent）を示すデータを含む。電流

は通常、０．２５Ａｍｐピーク以下である。駆動信号の最大電位、すなわち電圧

はフィールド３８０に記憶される。電圧

は通常１５００ボルト以下のＡＣピークである。

同じくハンドピースメモリ３３８に記憶されるのは、ハンドピース３３０に印加される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〜４０ｋＨｚであり、最小周波数より大きい。

フィールド３８６は、プロセッサ８０から出力される信号をフィルタリングするための係数を含む。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、３８２、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。

ハンドピースメモリ３３８は、使用履歴フィールドとしてフィールド３９０も有する。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。

図１５Ａ〜図１５Ｄを組み合わせることで、コンソール５０からハンドピース３３０に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３４４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＿ＣＯＮＴＲＯＬ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。

プロセッサ８０がＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ信号を出力する。これは、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。

ＢＡＳＥ信号及びＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ信号を生成するために、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。

増幅器１１８及び１２２、整流器及びスプリッタ１３８、並びに電流源１５６及び１７４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２５２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。

第１の制御ループのモジュールのうちの１つが、周波数トラッキング計算部２９２である。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、ｉ_Ｍに対するｉ_Ｏ、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ｉ_Ｍ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３６０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。

ドライバ３４４を通って流れる電流ｉ_Ｏは、ドライバのキャパシタンスＣ_Ｏと、ドライバにかかる電圧と、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。

ドライバにかかる電圧Ｖ_Ｓは、駆動信号の電圧である。ハンドピース３３０の機械的構成要素を通って流れる電流等価成分ｉ_Ｍは、ハンドピース３３０に印加される電流ｉ_Ｓとの差である。すなわち、電流等価成分ｉ_Ｍは次式に従って求められる。

電流ｉ_Ｓ及びｉ_Ｏ、電流等価成分ｉ_Ｍ、並びに電圧Ｖ_Ｓは、各々が大きさ成分と位相成分とを有するベクトルであると理解されたい。

そのため、周波数トラッキング計算部２９２は、入力として、再生コイル２５６の両端において測定されるようなＶ_Ｓ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３３８のフィールド３７４内のキャパシタンスＣ_Ｏ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。

計算部２９２から出力された比は、ベース周波数コントローラ２９４に入力される。ベ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。

したがって、コントローラ２９４は以下の評価を実行する。

一般に、比がＦの±０．１以内、より多くの場合にはＦの±０．０５以内、理想的にはＦ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。

式（４）の評価の結果が不合格である場合には、コントローラ２９４は駆動信号のため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。

式（１）、（２）、（３）、（４）のための根拠の詳細な解析は、国際公開第２０１５／０２１２１６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。

駆動信号のための新たな周波数は、比例・積分・微分（proportional, integral and derivative）（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。

第２の制御ループは、電流等価成分計算部２９６を含む。電流等価成分計算部２９６は、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

として示す。上記から、電流等価成分は、周波数トラッキング計算部２９２により計算さ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

は、駆動信号の電位を設定する制御ループの次のモジュール、すなわちベース電圧コントローラ３０６に印加される。

ベース電圧コントローラ３０６への第２の入力は、目標機械電流等価成分を表す値

である。目標機械電流等価成分

は、計算部３０５、すなわち、プロセッサ８０上で実行される別のモジュールから得られる。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

の値を生成する。目標機械電流等価成分

を生成するために計算部３０５が利用する第２の入力が、駆動信号の周波数である。計算部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。

ベース電圧コントローラ３０６は、ＢＡＳＥ信号のための電圧の次の値を生成するモジュールである。ベース電圧コントローラ３０６は最初に、目標電流等価成分

と、現在の計算された電流等価成分

との差を求める。これら２つの値の差に基づいて、コントローラ３０６は、その後、必要に応じて、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。

理論的には、ベース電圧コントローラ３０６が、ＰＩＤ制御ループ等の従来の制御ループに基づいて、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。

ＢＡＳＥ信号の変化レートは更に、線形増幅器１１５が駆動信号を迅速にランプアップする能力、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。

実際には、他の要因が、ハンドピースドライバ３４４に印加される駆動信号の電圧レベ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３０６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。

電圧リミッタ３０４は、複数の入力変数に基づいて、ＢＡＳＥ信号の電圧の大きさ、及び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、ＢＡＳＥ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。

そのため、本発明の幾つかのバージョンでは、プロセッサ８０はフルスケール電圧計算部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。

計算部２９８は、入力変数として、以前に計算されたＢＡＳＥ信号の周波数を使用する第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Ｃ_Ｏ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２９８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。

また、電圧リミッタ３０４は、ＢＡＳＥ信号を生成するために使用されるそれまでの計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。

電圧リミッタ３０４に印加される別の変数は、ハンドピース３３０に印加することができる最大電圧である。この電圧は、ハンドピースメモリのフィールド３８０の電圧

である。

また、電圧リミッタ３０４は、入力変数として、ヘッドルームモニタ１９０から、測定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。

これらの変数と、リミッタ３０４が一連の評価を実行するのに要する時間とに基づいて、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

、すなわち、駆動信号の電圧限界と比較する。

ステップ４０２の評価は、変圧器の二次巻線２５８に生じる電圧が、ハンドピースドライバ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３０４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。

ステップ４０６において、電圧リミッタ３０４は、変圧器の一次巻線２５２に生じるこ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。

ステップ４０６において、駆動信号が変圧器の最大電圧付近にあると判断される場合がある。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４０６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。

ステップ４１０において、電圧リミッタ３０４は、ヘッドルーム電圧がＭＯＳＦＥＴ１６２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ＢＡＳＥ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。

図１６において、ステップ４０６は、ステップ４０４の後に実行されるように示される。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。

ステップ４０２の評価は、印加されることになる駆動信号が、ハンドピースドライバに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３０４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。

図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃにおいて、電圧コントローラ３０６からの命令は、ベース信号発生部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。

上記で言及されたように、本発明の制御コンソール５０は、変圧器の一次巻線２５２の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。

目標ヘッドルーム計算部３１２は、システム４０の動作状態に基づいて、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。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Ｃ_Ｏ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３３０のための目標機械電流である。

上記の入力変数に基づいて、目標ヘッドルーム計算部３１８は、システム４０の現在の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。

計算部３１２により生成された動作状態調整済み目標ヘッドルーム電圧は、電圧リミッタ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。

巻線のセンタータップ電圧を調整するためにプロセッサ８０上で実行される別のモジュールは、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。

計算部３１４により生成された値は、ヘッドルーム調整モジュール３１６に印加される。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、ＢＡＳＥ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。

調整済みヘッドルーム電圧は、電源コントローラ３２４に印加される。電源コントローラ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＿ＳＵＰＰＬＹ＿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。

コントローラ３２４により実行されるＰＩＤアルゴリズムは、調整済みの測定されたヘ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、ＰＯＷＥＲ＿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。

リミッタ３２０への入力は、電源コントローラ３２４によって以前に生成されたＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ信号である。ＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ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。

現在のセンタータップ電圧を表すこの信号に基づいて、図１７によって表されるように、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４２０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。

本発明の数多くのバージョンでは、センタータップ電圧のための変化の最大レベルは、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＿ＣＯＮＴＲＯＬ電圧が、コントローラ３２４から受信された以前のＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ電圧の値に加算される。ステップ４２２は、リミッタ３２０がＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ信号に関するこの上限を伴う命令をコントローラ３２４に送信することを表す。

ステップ４２４において、電源リミッタ３２０は、センタータップ電圧のための最小レベルを生成する。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３６０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３６０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ｉ_Ｍ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Ｖ_Ｓを下げる。

駆動信号電圧のこの低下は、電源８４が変圧器２５０のセンタータップに印加する電圧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。

しかし、手技中に、ハンドピース先端部３６０を２秒以下の時間にわたって組織に当てたままにし、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。

先端部振動がランプアップするのを施術者が待たなければならない発生率を低減するために、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＿ＣＯＮＴＲＯＬ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。

本発明の数多くのバージョンでは、ＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ信号レ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。

ステップ４２６において、電源リミッタ３０４は、コントローラが出力するのを許される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。

電源リミッタ３０４によって生成される電圧限界は、電源コントローラ３２０によって実行される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。

また、電源コントローラ３２４は、出力されるＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ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２５２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＿ＳＵＰＰＬＹ＿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＿ＳＵＰＰＬＹ＿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。

本発明のシステム４０は、ハンドピース３３０に先端部３６０を取り付けることによって、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。

施術者は、スライドスイッチ５６の位置を設定するか、又は別の方法でディスプレイ８２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。

施術者が、フットペダル５４又は同等の制御部材を押下することによってハンドピースを作動させる。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＿ＣＯＮＴＲＯＬ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ＢＡＳＥ信号を出力することを含む。

変圧器の一次巻線２５２にＡＣ信号が生じることに応じて、二次巻線２５８に信号がもたらされる。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。

ハンドピースの作動中、ＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ信号と、ＶＡＭＰ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＿ＳＵＰＰＬＹ＿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。

ハンドピース３３０が作動する間、変圧器の一次巻線２５２の両端部に生じる信号に比例する信号が、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。

増幅器２４０からの出力信号と、ＢＡＳＥ信号とが、加算増幅器１２２の反転入力に印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。

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１５６への入力信号である。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１５６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。

さらに、変圧器の一次巻線２５２に生じることが許される電位の制御が２つの入力に基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２５８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。

インダクタ１８７は、ＭＯＳＦＥＴ１６２及び１８４のそれぞれにかかる電圧及び流れ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ＭＯＳＦＥＴ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ＭＯＳＦＥＴ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。

周波数トラッキング計算部２９２及びベース周波数コントローラ２９４は、プロセッサ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。

ベース電圧コントローラ３０６は、必要に応じて、ＢＡＳＥ信号の電圧を調整する。この調整は、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３６４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。

ベース電圧リミッタ３０４は、ＢＡＳＥ信号の電圧が増加する結果として、ＭＯＳＦＥＴ１６２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。

プロセッサ８０上の他のモジュールは、変圧器の一次巻線２５２のセンタータップに印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３１６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。

システム４０は駆動信号の電圧が増加する状態にあるとき、この特徴により、駆動電圧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。

システム４０は駆動信号の電圧が減少する状態にあるとき、本発明のこの特徴は、セン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。

本発明の更なる特徴は、駆動信号の電圧が下がるときに、電源リミッタ３２０によって、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。

本発明のシステム４０が特定の動作状態にあるときに、目標ヘッドルーム電圧計算部３１２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。

さらに、本発明の線形増幅器１１５は、相対的に広い周波数にわたって、歪みをほとんど生じることなく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。

上記の説明は、本発明のシステム４０の具体的な実施形態に関するものである。

本発明の代替のバージョンも可能である。例えば、上記の特徴の各々が本発明のシステ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。

コンソールがヘッドルーム電圧を監視し、ヘッドルーム電圧に基づいて、センタータッ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。

同様に、コンソール５０の幾つかのバージョンは、プロセッサ８０によって一次巻線２５２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。

本発明の特徴の構造は同様に、説明されたものから変更することができる。ＭＯＳＦＥＴ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、ＭＯＳＦＥＴ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。

本発明の説明されたバージョンでは、ヘッドルームモニタ１９０は、ＭＯＳＦＥＴ１６２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。

次に、１つのそのようなヘッドルーム電圧監視回路について、図１８を参照して説明する。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Ｖ_ｒｅｆ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Ｖ_ｒｅｆは、１５ＶＤＣ〜３０ＶＤＣの定電圧である。電圧Ｖ_ｒｅｆ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、Ｖ_ｒｅｆ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４５４の両端に並列に接続される。

ダイオード４５８及び抵抗器４６０は、増幅器２１２の反転入力と該増幅器の出力との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。

また、図１８の回路は、入力として、ＭＯＳＦＥＴ１６２及び１８４のソースの電圧を受信する。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４６４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。

ＭＯＳＦＥＴ１８４のソースは、ＭＯＳＦＥＴ１６２のソースが印加される同じタイプの整流器に接続される。

ダイオード４７０のカソードに存在する信号はいずれも、増幅器４８０の非反転入力に印加される。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。

増幅器４８０の出力信号は、抵抗器４８２を通して、増幅器２３０の反転入力に印加される。したがって、増幅器２３０の非反転入力への入力は、ＭＯＳＦＥＴ１６２及び１８４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。

本発明の幾つかのバージョンでは、増幅器の個々のサブ回路の信号利得は、説明された利得より低い場合もあり、高い場合もある。

ヘッドルーム電圧を監視するための代替のアセンブリも可能である。説明されたシステムにおいて、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。

同様に、コンソールプロセッサ８０上で実行される制御プロセス、すなわち、制御モジュールは、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。

本発明は、式（１）〜（３）に基づく式を用いて駆動信号の電圧及び周波数を求める超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。

例えば、本発明の幾つかのバージョンでは、デフォルト目標ヘッドルーム電圧は、最も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、ＭＯＳＦＥＴ１６２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。

本発明の幾つかのバージョンでは、ヘッドルーム調整部は単に、測定されたヘッドルー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。

本発明の幾つかのバージョンでは、電源リミッタ３２０が、ＶＡＭＰ信号の現在の電圧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５０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。

本発明の幾つかのバージョンでは、電源コントローラ３２４は、ＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿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ＰＯＷＥＲ＿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ＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ信号が、ブーストコンバータ８８に出力されるＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬである。最初に計算されたＰＯＷＥＲ＿ＳＵＰＰＬＹ＿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＿ＳＵＰＰＬＹ＿ＣＯＮＴＲＯＬ信号として、最も近い電圧限界が出力される。

本発明の他のバージョンでは、電源コントローラ３２４は、ＰＩＤ制御アルゴリズムを再実行する。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。

したがって、プロセッサ８０上で実行される全ての開示されたソフトウェアモジュール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。

センタータップ電圧が一定である本発明のバージョンでは、これらの電圧を生成する電源は、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。

ここで、本発明の目的の場合、変圧器の一次巻線２５２のセンタータップに印加される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。

適切なヘッドルーム電圧を確保するためにセンタータップ電圧が調節される本発明の幾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。

本発明の幾つかのバージョンでは、変圧器の二次巻線に取り付けられる抵抗器にかかる電圧は、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。

また、本発明は、ブーストコンバータが可変ＤＣ電圧電源として機能する増幅器に限定されない。１つの代替の電源はバックコンバータ（buck converter）である。

上記のコンソール５０の全ての本発明の特徴を含むとは限らない代替の制御コンソール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。

増幅器が、電圧制御電圧源ではなく、電圧制御電流源であるような本発明の増幅器を提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。

同様に、本発明の制御コンソール５０を用いて、超音波式ドライバ以外のパワー発生部（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。

さらに、本発明の変圧器及び関連する線形増幅器は、医療又は手術に関連する作業以外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。

それゆえ、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨及び範囲に入る全てのそのような変更及び変形を包含することである。

Claims (17)

1. 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ＡＣ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における各端部の電圧を変えて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状態にする回路は、線形増幅器（１１５）であり、
   前記線形増幅器は、
   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（１６２、１８４）と、
   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、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差動増幅器（２４０）と、
   外部制御信号と前記フィードバック信号とに基づいて、前記一次巻線（２５２）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制御回路であって、前記外部制御信号は、前記変圧器の一次巻線にかかるＡＣ電圧を調節するための制御信号である、制御回路と
   を有する、制御コンソール。
2. 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１に記載の制御コンソール（５０）。
3. 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に記載の制御コンソール（５０）。
4. 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（２５２）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（１５６）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（２５２）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（１７４）と
   を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
5. 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４に記載の制御コンソール（５０）。
6. 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ＤＣ電源（８４）と、
   前記トランジスタ（１６２、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ＤＣ電源から供給されるＤＣ電圧を調節するために前記ＤＣ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ＤＣ電源から前記変圧器の一次巻線（２５２）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１〜５のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
7. 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６に記載の制御コンソール（５０）。
8. 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（８６）からＤＣ電圧の印加を受けるブーストコンバータ（８８）と
   を有し、
   前記ＤＣ電源（８４）は、前記電源コントローラ（３２４）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、請求項６又は７に記載の制御コンソール（５０）。
9. 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ＭＯＳＦＥＴ（１６２、１８４）である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
10. 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）へ前記ＡＣ駆動信号を出力するものである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
11. 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１〜１０のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
12. 前記電源コントローラは、複数の前記トランジスタにかかる電圧を表す信号に基づいて、複数の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、請求項６〜８のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
13. 前記ヘッドルームモニタ（１９０）は、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、複数の前記トランジスタにかかる電圧を表す信号を生成するものである、請求項６〜８及び１２のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
14. 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、複数の前記トランジスタにかかる電圧を表す信号を生成するものである、請求項６〜８、１２及び１３のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
15. 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６〜８、１２、１３及び１４のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
16. 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６〜８、１２、１３及び１４のいずれか一項に記載の制御コンソール（５０）。
17. インダクタ（１８７）をさらに備え、
    前記インダクタ（１８７）の一端が、複数の前記トランジスタのうちの第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、複数の前記トランジスタのうちの第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、
    請求項１０に記載の制御コンソール（５０）。

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