JP7284206B2 - 安全動作電源を備えた医用装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電流源への接続のための電源部を備えた医用装置であって、電源部が、整流器と、電源部から出力される直流電圧を平滑化する少なくとも１つのフィルタコンデンサと、フィルタコンデンサを放電させる少なくとも１つの放電抵抗と、を有する医用装置に関する。本発明は、特に、電気外科器具が接続される出力側を有する電気外科ジェネレータに関しており、当該出力側を介して、接続された電気外科器具に高周波出力交流電圧が給電可能となる。

安全上の理由から、電気装置のコンデンサには、遮断後の所定の時間において、高い電圧を印加すべきでない。このことは、医用装置および電気外科ジェネレータの特に高電圧直流電源部にも該当する。このために、高容量のコンデンサに対して並列に配置されてこれを放電させる放電抵抗が設けられている。

本発明の基礎とする課題は、特に電気外科ジェネレータのような医用装置のための改善された電源部を提供し、安全性要件を充足することにある。

この課題は、本発明による、交流電流源への接続のための電源部を備えた医用装置であって、入力交流電圧が電源部に印加されていない場合にのみ少なくとも１つの放電抵抗を少なくとも１つのフィルタコンデンサに対して並列に接続する回路を有する、医用装置により、解決される。

電源部は、整流器と、電源部から出力される直流電圧を平滑化する少なくとも１つのフィルタコンデンサと、当該フィルタコンデンサを放電させる少なくとも１つの放電抵抗と、を有する。さらに、電源部は、放電抵抗およびフィルタコンデンサに電気的に接続された回路を有しており、当該回路は、入力交流電圧が電源部に印加される医用装置のスイッチオン状態を検出して、医用装置のスイッチオン状態が当該回路によって検出されなかった場合にのみ、放電抵抗をフィルタコンデンサに対して並列に接続するように形成されている。

入力交流電圧の検出は、医用装置の入力電圧領域の全体にわたって確実に行われなければならず、検出回路の給電に付加的に必要となるエネルギは最小化すべきである。

好適には、回路は、放電抵抗をフィルタコンデンサに対して並列に接続するスイッチを有する。スイッチは、好適には、電界効果トランジスタである。

したがって、提案するのは、医用装置が遮断されてはじめて１つもしくは複数の放電抵抗が電源部の対応する１つもしくは複数のコンデンサ（特にフィルタコンデンサ）に対して並列に接続される、電子回路を備えた電源部である。

本発明は、フィルタコンデンサの電圧値およびキャパシタンスに応じて、その放電抵抗を介し、スイッチオン状態において持続的な損失電力を生じさせる高電流が多少に関わらず流れ、このために例えば電気外科ジェネレータの電流消費量がスタンバイ動作モードにおいて著しく高まる、という知見を含んでいる。これにより、医用製品の内部温度が上昇し、医用装置の脱落間の平均動作持続時間が低下する。

好適には、整流器は、整流器ブリッジを有し、回路は、整流器ブリッジの入力側の端子と整流器ブリッジの出力側の端子との間の電圧を取り出して、整流器ブリッジの入力側の端子に印加される供給電源電圧を検出するように構成されている。

このために、回路は、好適には、整流器ブリッジの入力側と整流器ブリッジの負の出力側との間に接続された分圧器と、当該分圧器の抵抗に対して並列に接続された第１のコンデンサと、を有し、第１のコンデンサは、供給電源電圧の印加時に、電源側で場合により発生する障害インパルスをフィルタリングして、分圧器に必要な分圧比を生じさせる。

さらに、回路は、好適には、制御トランジスタを有し、当該制御トランジスタのベース‐エミッタ区間は、分圧器の抵抗に対して並列に接続されており、当該制御トランジスタは、供給電源電圧の印加時に、入力交流電圧のクロックで導通する。したがって、制御トランジスタは、好適には、エミッタ回路において駆動される。制御トランジスタは、好適にはバイポーラトランジスタであり、特にｎｐｎトランジスタである。また制御トランジスタはｐｎｐトランジスタであってもよく、相応に回路を相補的に形成することができる。代替的に、電界効果トランジスタを含む対応する回路も可能である。

好適には、スイッチとして用いられる電界効果トランジスタのゲート‐ドレイン区間に対して第２のコンデンサが並列に接続されている。当該第２のコンデンサは、その充電状態において電界効果トランジスタを導通させ、これにより、少なくとも１つの放電抵抗が少なくとも１つのフィルタコンデンサに対して並列に接続される。第２のコンデンサは、供給電源電圧が整流器またはその整流器ブリッジに印加されていない場合、フィルタコンデンサから充電され、スイッチとして用いられる電界効果トランジスタが導通し、これにより、少なくとも１つの放電抵抗が少なくとも１つのフィルタコンデンサに対して並列に接続される。このように、フィルタコンデンサは、整流器の入力側に供給電源電圧が印加されていない場合、放電抵抗を介して放電される。

第２のコンデンサは、好適には、制御トランジスタが導通した場合に第２のコンデンサが放電されるように、制御トランジスタのコレクタ‐エミッタ区間に対して並列に接続されている。第２のコンデンサが放電されると、スイッチとして用いられる電界効果トランジスタが阻止され、これにより、少なくとも１つの放電抵抗が少なくとも１つのフィルタコンデンサから分離される。制御トランジスタは、整流器の入力側に供給電源電圧が印加されると導通し、これにより、放電抵抗は、供給電源電圧の印加時にフィルタコンデンサから分離されることになる。

好適には、回路は、電圧制限のための１つもしくは複数のツェナーダイオードを有する。各ツェナーダイオードは、特に各トランジスタの保護のために設けられている。

好適には、回路は、相互に並列に接続された複数の放電抵抗を有しており、この手段により、フィルタコンデンサの放電時の大きな消散電力も可能となる。

少なくとも１つの放電抵抗は、好適には、４７ｋΩから１２０ｋΩの抵抗値を有する。一般に、放電抵抗の抵抗値は、好適には、最大入力交流電圧の遮断後の６０秒間、少なくとも１つのフィルタコンデンサでの直流電圧が６０Ｖ未満まで低下するように選定される。したがって、少なくとも１つの放電抵抗の好ましい抵抗値は、最大入力交流電圧と少なくとも１つのフィルタコンデンサのキャパシタンスとから得られる。

本発明を、以下に、実施例に則して図を参照しながら詳細に説明する。図中、次のことが示されている。

電気外科器具に高周波交流電圧を供給する電気外科ジェネレータの幾つかの部品を示す概略図である。 本発明による、電源供給交流電圧の分離後の、直流電圧電源部の少なくとも１つのフィルタコンデンサへの少なくとも１つの放電抵抗の並列接続を可能にする回路を示す図である。 図示の回路に類似した、ただし対称の出力電圧を送出する電源部のための回路を示す図である。

図１には、電気外科ジェネレータ１０の実施例に則した医用装置が示されている。図１から見て取れるように、電気外科ジェネレータ１０は、ここでは、例えば通常の共用電流供給源に接続可能であって、その出力側１４に高電圧直流電流を形成する、高電圧電源部１２（ＨＶＰＳ：High Voltage Power Supply）を有する。当該高電圧直流電流は、電気外科ジェネレータ１０の高周波部１６に供給される。電気外科ジェネレータ１０の高周波部１６は、インバータとして機能し、高周波部１６の出力トランス（図示せず）を介して電気外科ジェネレータ１０の出力側１８．１および１８．２に送出される高周波交流電圧を形成する。電気外科ジェネレータ１０の出力側１８．１および１８．２には、電気外科器具を接続することができる。電気外科ジェネレータ１０の出力としてのパワーは、制御ユニット２０と検出ユニット２２，２４と評価ユニット２６とにより、検出された値から導出される値、例えばインピーダンスなどの導出のために、開ループ制御可能または閉ループ制御可能である。

現在の高周波電気外科ジェネレータは、ＨＦ出力電圧を２段階で形成する。まず、電源入力電圧が可変の直流電圧へ返還される。当該可変の直流電圧は、高電圧電源部１２のインバータ回路の入力電圧として用いられ、当該インバータ回路の出力電圧は入力電圧に対して比例的に増大する。したがって、出力電圧（ひいては電流および電力）は、入力電圧によって閉ループ制御可能である。

高電圧電源部１２については、ＩＥＣ６０６０１－１の現行バージョンに準拠して、電子医用製品の遮断後の１分間、６０Ｖ未満の電圧をエネルギ蓄積器（大抵の場合コンデンサ）に印加する準備が必須であることが該当する。

図２には、本発明の高電圧電源部の一実施例が示されている。

高電圧電源部は、電子医用装置が遮断されてはじめて必要な放電抵抗を対応するコンデンサに対して並列に接続する電子回路を有する。このために、給電電圧（交流電圧）が検出され、制御量として使用される。前提となるのは、装置が１００Ｖ_ＡＣ～２４０Ｖ_ＡＣの給電電圧で駆動されることである。

入力交流電圧から出力直流電圧を形成する電源部は、典型的には、交流電流の整流のための、４つのダイオードから形成される整流器ブリッジと、出力電圧を平滑化する１つもしくは複数のフィルタコンデンサと、を有する。整流器ブリッジは、入力交流電圧の２つの入力側と、出力直流電圧の２つの出力側と、を有する。整流器ブリッジの一方の出力側は正の極性を有し、他方の出力側は負の極性を有する。

給電電圧（すなわち入力交流電流）の遮断後、まず、フィルタコンデンサがなおも充電されている。図２に示した実施例では、フィルタコンデンサＣ１は、２０００μＦのキャパシタンスを有する電解質コンデンサの形態で設けられている。唯一のフィルタコンデンサに代えて、相互に並列にまたは直列に接続された複数のフィルタコンデンサを設けることもできる。高電圧電源部の出力直流電圧が例えば３００Ｖである場合、フィルタコンデンサは対ごとに直列に接続可能であり、これにより、全てのフィルタコンデンサを介して１５０Ｖの最大電圧のみが降下する。フィルタコンデンサの並列接続により、フィルタキャパシタンスを増大させることができる。

図２の実施例によれば、相互に並列に接続された全部で６つの放電抵抗Ｒ４～Ｒ９が設けられており、これにより全体でより高い負荷耐性が得られる。各抵抗Ｒ４～Ｒ９は、６８ｋΩの抵抗値を有する。

給電電圧の遮断後にフィルタコンデンサＣ１を放電させるために、６つの放電抵抗Ｒ４～Ｒ９がフィルタコンデンサＣ１に対して並列に接続されている。放電抵抗の個数および寸法設計は、一般に、フィルタコンデンサのキャパシタンスおよび最大電圧に関して、好適には、コンデンサでの最大電圧が６０Ｖ未満まで降下するのに最長で６０秒間にわたって必要となる放電電力が放電抵抗によって許容されるように選定される。

６つの放電抵抗Ｒ４～Ｒ９が医用装置のスイッチオン時にも持続的に電力の放出を行わないようにするために、放電抵抗Ｒ４～Ｒ９は、医用装置のスイッチオン時にフィルタコンデンサＣ１から分離される。このために、スイッチとして用いられる電界効果トランジスタＴ２が用いられる。

電界効果トランジスタＴ２は、入力交流電圧の印加を検出して、入力交流電圧が医用装置の電源部に印加されていない場合にのみ電界効果トランジスタを導通させ、これにより６つの放電抵抗Ｒ４～Ｒ９をフィルタコンデンサＣ１に対して並列に接続させるように形成された、検出回路によって駆動制御される。

検出回路は、給電電圧の検出のために、さらには電界効果トランジスタＴ２の駆動のために、抵抗Ｒ１（１ＭΩ）およびＲ２（１００ｋΩ）とコンデンサＣ２（１０ｎＦ）とを有しており、これらは、整流器ブリッジの入力側と整流器ブリッジの負の出力側との間に相互に直列に接続されている。

抵抗Ｒ１（１ＭΩ）およびＲ２（１００ｋΩ）は、コンデンサＣ２（１０ｎＦ）とともに分圧器を形成している。抵抗Ｒ２にはコンデンサＣ３（１０ｎＦ）が並列に接続されている。コンデンサＣ２と抵抗Ｒ２との間で電圧が取り出され、ｎｐｎトランジスタＴ１のベースに供給される。したがって、トランジスタＴ１は、エミッタ回路において駆動されて、導通状態でコンデンサＣ４の放電を生じさせる制御トランジスタとして用いられる、バイポーラトランジスタである。フィルタコンデンサＣ１に対してコンデンサＣ４が並列に接続されており、トランジスタＴ１が導通していない場合、フィルタコンデンサＣ１により、コンデンサＣ４に対して直列に接続された抵抗Ｒ３を介して充電が行われる。

抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ２を介して整流前の交流電圧がデカップリングされ、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ３によってフィルタリングされて、トランジスタＴ１（ｎｐｎトランジスタ）で処理可能となるように低減される。交流電圧が印加されているかぎり、トランジスタＴ１は交流電圧のクロックで導通し、このため、コンデンサＣ４が抵抗Ｒ３を介して充電可能となることが防止される。これにより、トランジスタＴ２は阻止され、放電抵抗には電流が流れなくなる。

２つのツェナーダイオードＤ１（３．３Ｖ）およびＤ２（１０Ｖ）により、それぞれの電圧制限が行われる。ツェナーダイオードＤ１は、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ３およびトランジスタＴ１のベース‐エミッタ区間に対して並列に接続されている。ツェナーダイオードＤ２およびコンデンサＣ４（１μＦ）は、トランジスタＴ１のコレクタ‐エミッタ区間に対して並列に接続されている。トランジスタＴ１が導通しているかぎり、コンデンサＣ４を介して電圧は降下せず、このため、当該コンデンサＣ４は充電されない。トランジスタＴ１が阻止されると、当該コンデンサは抵抗Ｒ３を介して充電される。抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ４は、このために、整流器ブリッジの２つの出力側間でフィルタコンデンサＣ１に対して並列となるように、相互に直列に接続されている。抵抗Ｒ３は、コンデンサＣ４がどの程度の速度で充電されるかを判定し、つまり時間素子として用いられる。ツェナーダイオードＤ２は、コンデンサＣ４を介した電圧を最大で１０Ｖまでに制限する。よって、コンデンサＣ４は、最大で１０Ｖまで充電可能である。

コンデンサＣ４を介した電圧により、電界効果トランジスタＴ２のゲートが駆動される。

整流器ブリッジの入力側の交流電圧が遮断されると、トランジスタＴ１が阻止され、コンデンサＣ４（１μＦ）が抵抗Ｒ３を介して１０Ｖまで充電可能となる。これにより、電界効果トランジスタＴ２が導通し、放電抵抗Ｒ４～Ｒ９がフィルタコンデンサＣ１を放電させる。交流電圧が復帰すると、コンデンサＣ４はトランジスタＴ１を介して放電され、電界効果トランジスタＴ２が阻止される。これにより、再び、放電抵抗Ｒ４～Ｒ９には電流が流れなくなる。

図３には、対称の出力直流電圧を形成する電源部のための回路が示されている。当該回路は、実質的に、図２に示した回路を２重化したものである。付加的な２つの抵抗Ｒ１０，Ｒ２０は、フィルタコンデンサの直流電圧の対称化に用いられる。グラウンドＭＰ＿ＧＮＤに対する正の出力直流電圧＋ＵＤＣと負の出力直流電圧－ＵＤＣとの間の直流電圧が負荷されない場合、ＡＣ給電電圧が存在して放電抵抗がスイッチオンされなければ、コンデンサ内の種々の大きさのリーク電流によって、グラウンドＭＰ＿ＧＮＤに対する非対称の高い電圧が発生しうる。Ｒ１０，Ｒ２０は、好適には、コンデンサの約５倍のリーク電流を支持するように選定されている。

回路は、１００Ｖ_ＡＣ～２４０Ｖ_ＡＣの給電電圧（整流器ブリッジの入力側の交流電圧）用に設計されている。

Claims (11)

1. 交流電流源への接続のための電源部を備えた医用装置であって、前記電源部は、整流器と、前記電源部から出力される直流電圧を平滑化する少なくとも１つのフィルタコンデンサ（Ｃ１）と、前記フィルタコンデンサ（Ｃ１）を放電させる少なくとも１つの放電抵抗（Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９）と、を有する医用装置において、
   前記電源部は、前記放電抵抗（Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９）および前記フィルタコンデンサ（Ｃ１）に電気的に接続された回路を有しており、前記回路は、入力交流電圧が前記電源部に印加される前記医用装置のスイッチオン状態を入力電圧領域の全体にわたって検出して、前記医用装置のスイッチオン状態が前記回路によって検出されなかった場合にのみ、前記放電抵抗（Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９）を前記フィルタコンデンサ（Ｃ１）に対して並列に接続するように形成されており、
   前記回路は、前記放電抵抗（Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９）を前記フィルタコンデンサ（Ｃ１）に対して並列に接続する第１のトランジスタ（Ｔ２）を有しており、前記第１のトランジスタ（Ｔ２）は、自身のベースまたはゲートに接続された制御コンデンサ（Ｃ４）が十分に充電されると導通して前記フィルタコンデンサ（Ｃ１）の放電を生じさせるように配置および設計されており、
   前記制御コンデンサ（Ｃ４）は、制御トランジスタ（Ｔ１）に接続されており、前記制御トランジスタ（Ｔ１）は、前記電源部に電源電圧が供給されているかぎり、規則的に導通して前記制御コンデンサ（Ｃ４）を放電させるように配置および設計されている、
   医用装置。
2. 前記第１のトランジスタ（Ｔ２）は、電界効果トランジスタ（Ｔ２）である、
   請求項１記載の医用装置。
3. 前記整流器は、整流器ブリッジを有し、前記回路は、前記整流器ブリッジの入力側の端子と前記整流器ブリッジの出力側の端子との間の電圧を取り出して、前記整流器ブリッジの前記入力側の端子に印加される供給電源電圧を検出するように構成されている、
   請求項１または２のいずれか１項記載の医用装置。
4. 前記回路は、前記整流器ブリッジの入力側と前記整流器ブリッジの負の出力側との間に接続された分圧器と、前記分圧器の抵抗（Ｒ２）に対して並列に接続された第１のコンデンサ（Ｃ３）と、を有し、前記第１のコンデンサ（Ｃ３）は、供給電源電圧が印加された場合に前記分圧器によって定義される電圧まで充電される、
   請求項３記載の医用装置。
5. 前記制御トランジスタ（Ｔ１）のベース‐エミッタ区間は、前記分圧器の前記抵抗に対して並列に接続されており、前記制御トランジスタ（Ｔ１）は、５０Ｖ_ＡＣ超から２６４Ｖ_ＡＣまでの範囲の供給電源電圧が印加された場合に導通する、
   請求項４記載の医用装置。
6. 前記制御トランジスタ（Ｔ１）は、バイポーラトランジスタである、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の医用装置。
7. 前記電界効果トランジスタ（Ｔ２）のゲート‐ドレイン区間に対して前記制御コンデンサ（Ｃ４）が並列に接続されており、前記制御コンデンサ（Ｃ４）は、その充電状態において、前記少なくとも１つの放電抵抗（Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９）が前記少なくとも１つのフィルタコンデンサ（Ｃ１）に対して並列に接続されるように、前記電界効果トランジスタ（Ｔ２）を導通させる、
   請求項２記載の医用装置。
8. 前記制御コンデンサ（Ｃ４）は、前記制御トランジスタ（Ｔ１）が導通した場合に前記制御コンデンサ（Ｃ４）が放電されるように、前記制御トランジスタ（Ｔ１）のコレクタ‐エミッタ区間に対して並列に接続されており、これにより、前記整流器の入力側に供給電源電圧が印加されると、前記少なくとも１つの放電抵抗（Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９）が前記少なくとも１つのフィルタコンデンサ（Ｃ１）から分離される、
   請求項７記載の医用装置。
9. 前記回路は、電圧制限のための少なくとも１つのツェナーダイオード（Ｄ１；Ｄ２）を有する、
   請求項７または８記載の医用装置。
10. 前記回路は、相互に並列に接続された複数の放電抵抗（Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９）を有する、
    請求項７から９までのいずれか１項記載の医用装置。
11. 前記少なくとも１つの放電抵抗（Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９）は、４７ｋΩから１２０ｋΩの抵抗値を有する、
    請求項７から１０までのいずれか１項記載の医用装置。

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