(57)【要約】超音波トランスデューサを制御するためのシステムであって、トランスデューサの電圧とトランスデューサを通過する電流との相対位相の指示を利用して、相対位相を、超音波トランスデューサを含む電気機械システムの共振に対応して事前に設定された値に制御する。１つの例示的適用例の場合、システムは発振信号を生成する波形生成器を含み、発振信号の周波数は制御プロセッサの制御下で調整可能である。制御プロセッサは、少なくとも一部の時間は比例制御の原理に従い、そして少なくとも一部の時間は比例積分制御の原理に従い発振信号の周波数を調整する。制御プロセッサにはさらに、超音波トランスデューサの発振の振幅の制御も含まれる場合がある。
2013532581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサを制御するためのシステムであって、
制御プロセッサと、
発振信号を生成する波形生成器であって、前記発振信号の周波数が前記制御プロセッサの制御下で調整可能である、前記波形生成器と、
前記発振信号を受信し、前記超音波トランスデューサを駆動して、前記発振信号の周波数で振動させる電力回路と、
前記超音波トランスデューサを通過する電流を感知する電流感知回路と、
前記超音波トランスデューサの電圧を感知する電圧感知回路と、
前記電流感知回路および前記電圧感知回路からの信号を受信し、電圧と電流の相対位相の指示を生成して、前記指示を前記制御プロセッサに提供する位相検出回路と
を備え、
前記制御プロセッサは、電圧と電流の相対位相の指示を繰り返し読み出し、発振信号の周波数を調整して、電圧と電流の相対位相の指示を、前記超音波トランスデューサを含む電気機械システムの共振に対応するよう事前選択されている値に制御するように構成され、
前記制御プロセッサは、比例積分制御の原理に従って、発振信号の周波数を調整する、システム。
【請求項２】
さらに前記電力回路が、
前記発振信号を受信し、増幅された発振信号を生成する電力増幅器と、
１次巻線と２次巻線を含む高周波変成器であって、前記１次巻線は、前記増幅された発振信号を受信し、前記２次巻線は、前記超音波トランスデューサに連結されている、前記高周波変成器と
を含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項３】
前記制御プロセッサが、さらに、
制御の最初は、発振信号の周波数を比例制御の原理に従って調整し、
電圧と電流の相対位相が初めて、事前選択された値に到達したことを検出し、
その後、比例積分制御の原理に従って、前記発振信号の周波数を調整する
ように構成されている、請求項１に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項４】
前記電圧と電流の相対位相の指示が、電流波形と電圧波形の間の時間遅延の測定値である、請求項１に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項５】
前記発振信号の振幅が、前記制御プロセッサの制御下で調整可能である、請求項１に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項６】
前記制御プロセッサは、前記電流感知回路からの信号を受信し、
前記制御プロセッサはさらに、
超音波トランスデューサの所望の振動振幅の仕様を受信し、
前記超音波トランスデューサの所望の振動振幅から所望の電流の大きさを導出し、
前記電流感知回路から受信された信号を繰り返し読み出し、前記発振信号の振幅を調整して、前記超音波トランスデューサを通過する電流を所望の電流の大きさに制御する
ように構成されている、請求項５に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項７】
前記超音波トランスデューサを通過する電流の制御が、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って行われる、請求項６に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項８】
前記制御プロセッサがさらに、
制御の最初は、前記超音波トランスデューサを通過する電流を比例制御の原理に従って制御し、
前記超音波トランスデューサを通過する電流が初めて、前記所望の電流の大きさに到達したことを検出し、
その後、前記超音波トランスデューサを通過する電流を比例積分制御の原理に従って制御する
ように構成されている、請求項７に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項９】
前記制御プロセッサがさらに、
前記超音波トランスデューサの電圧の大きさを事前選択されたトランスデューサの最大電圧と比較し、
前記超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過する場合は、前記発振信号の振幅を調整して、前記超音波トランスデューサの電圧を事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御する
ように構成されている、請求項６に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１０】
前記超音波トランスデューサの電圧の制御が、比例制御の原理に従って行われる、請求項９に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１１】
前記制御プロセッサは、前記電圧感知回路からの信号を受信し、
前記制御プロセッサはさらに、
超音波トランスデューサの所望の振動振幅の仕様を受信し、
超音波トランスデューサの所望の振動振幅から所望の電圧の大きさを導出し、
前記電圧感知回路から受信された信号を繰り返し読み出し、発振信号の振幅を調整して、前記超音波トランスデューサの電圧を所望の電圧の大きさに制御する
ように構成されている、請求項５に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１２】
前記超音波トランスデューサの電圧の制御が、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って行われる、請求項１１に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１３】
前記制御プロセッサがさらに、
制御の最初に、前記超音波トランスデューサの電圧を比例制御の原理に従って制御し、
前記超音波トランスデューサの電圧が初めて、所望の電圧の大きさに到達したことを検出し、
その後、前記超音波トランスデューサの電圧を比例積分制御の原理に従って制御する
ように構成されている、請求項１２に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１４】
前記制御プロセッサがさらに、
前記超音波トランスデューサを通過する電流の大きさを事前選択されたトランスデューサの最大電流と比較し、
前記超音波トランスデューサを通過する電流の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電流を超過する場合は、発振信号の振幅を調整して、前記超音波トランスデューサを通過する電流を事前選択されたトランスデューサの最大電流に制御する
ように構成されている、請求項１１に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１５】
前記超音波トランスデューサを通過する電流の制御が比例制御の原理に従って行われる、請求項１４に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１６】
前記制御プロセッサは、前記電流感知回路および前記電圧感知回路からの信号を受信し、
前記制御プロセッサはさらに、
超音波トランスデューサの所望の振動振幅の仕様を受信し、
超音波トランスデューサの所望の振動振幅から所望の電力レベルを導出し、
前記電圧感知回路から受信される信号および前記電流感知回路から受信される信号を繰り返し読み出し、前記トランスデューサに供給されている電力レベルを計算し、発振信号の振幅を調整して、前記超音波トランスデューサに供給されている電力を所望の電力レベルに制御する
ように構成されている、請求項５に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１７】
前記超音波トランスデューサに供給されている電力の制御が、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って行われる、請求項１６に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１８】
前記制御プロセッサがさらに、
制御の最初に、前記超音波トランスデューサに供給されている電力を比例制御の原理に従って制御し、
前記超音波トランスデューサに供給されている電力が初めて、所望の電力レベルに到達したことを検出し、
その後、前記超音波トランスデューサに供給されている電力を比例積分制御の原理に従って制御する
ように構成されている、請求項１７に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項１９】
前記制御プロセッサがさらに、
前記超音波トランスデューサの電圧の大きさを事前選択されたトランスデューサの最大電圧と比較し、
前記超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過する場合は、発振信号の振幅を調整して、前記超音波トランスデューサの電圧を事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御する
ように構成されている、請求項１６に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項２０】
前記超音波トランスデューサの電圧の制御が比例制御の原理に従って行われる、請求項１９に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項２１】
前記制御プロセッサがさらに、
制御の最初に、発振信号の振幅を事前選択されたレベルに調整し、振幅を調整することなく発振信号の周波数を制御し、
前記電気機械システムの共振周波数が初めて到達されたことを検出し、
その後、発振信号の周波数と振幅の両方を繰り返し調整する
ように構成されている、請求項５に記載の超音波トランスデューサを制御するためのシステム。
【請求項２２】
超音波トランスデューサを制御するための方法であって、繰り返し、
前記超音波トランスデューサを通過する電流を感知すること、
前記超音波トランスデューサの電圧を感知すること、
前記電圧および前記電流の相対位相の指示を導出すること、
コマンドを波形生成器に送信して前記超音波トランスデューサが駆動される周波数を調整し、前記電圧および電流の相対位相の指示を、前記超音波トランスデューサを含む電気機械システムの共振に対応する事前選択された値に制御すること
を含み、前記周波数が比例積分制御の原理に従って調整される、方法。
【請求項２３】
前記周波数が、位相の指示の事前選択された値に初めて到達するまで、比例制御の原理に従って調整され、その後、前記周波数は比例積分制御の原理に従って調整される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
電流波形と電圧波形との間の時間遅延を測定すること、測定された時間遅延を前記電圧および電流の相対位相の指示として使用することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記超音波トランスデューサの発振の振幅を制御することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記超音波トランスデューサの発振の振幅を制御することがさらに、前記超音波トランスデューサを通過する電流を、前記超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応する大きさに制御することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記電流が、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って制御される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
制御の最初に、前記超音波トランスデューサを通過する電流を比例制御の原理に従って制御すること、
前記超音波トランスデューサを通過する電流が初めて、所望の振幅に対応する大きさに到達したことを検出すること、
その後、前記超音波トランスデューサを通過する電流を比例積分制御の原理に従って制御すること
をさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過しない場合に、前記超音波トランスデューサを通過する電流を超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応した大きさに制御すること、
前記超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過する場合に、前記超音波トランスデューサの電圧を事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御すること
をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記超音波トランスデューサの電圧の制御が、比例制御の原理に従って行われる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記超音波トランスデューサの発振の振幅を制御することがさらに、前記超音波トランスデューサの電圧を超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応する大きさに制御することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
前記電圧が、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って制御される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
制御の最初に、前記超音波トランスデューサの電圧を比例制御の原理に従って制御すること、
前記超音波トランスデューサの電圧が初めて、所望の振幅に対応する大きさに到達したことを検出すること、
その後、前記超音波トランスデューサの電圧を比例積分制御の原理に従って制御すること
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記超音波トランスデューサを通過する電流の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電流を超過しない場合に、前記超音波トランスデューサの電圧を超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応した大きさに制御すること、
前記超音波トランスデューサを通過する電流の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電流を超過する場合に、前記超音波トランスデューサを通過する電流を事前選択されたトランスデューサの最大電流に制御すること
をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３５】
前記超音波トランスデューサを通過する電流の制御が、比例制御の原理に従って行われる、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記超音波トランスデューサの発振の振幅を制御することがさらに、前記超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさを超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応する値に制御することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３７】
前記電力が、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って制御される、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
制御の最初に、前記超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさを比例制御の原理に従って制御すること、
前記超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさが初めて、所望の振幅に対応する値に到達したことを検出すること、
その後、前記超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさを比例積分制御の原理に従って制御すること
をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過しない場合に、前記超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさを超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応した値に制御すること、
前記超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過する場合に、前記超音波トランスデューサの電圧を事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御すること
をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項４０】
前記超音波トランスデューサの電圧の制御が、比例制御の原理に従って行われる、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
制御の最初に、前記超音波トランスデューサの発振の振幅を事前選択されたレベルに設定し、振幅を調整することなく前記超音波トランスデューサの発振の周波数を制御すること、
前記電気機械システムの共振周波数に対応する電圧と電流の相対位相の指示の事前選択された値が初めて到達されたことを検出すること、
その後、前記超音波トランスデューサの発振の周波数と振幅の両方を制御すること
をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、超音波トランスデューサを制御するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサは、振動素子の高周波振動を生成するために、様々な用途で使用されている。そして、振動素子は、液体の霧化、宝石などの繊細な物体の洗浄、外科手術の際の組織の切除および凝固、微生物学研究室のサンプル準備のプロセスにおける組織の分裂、または別の作業を行う目的で使用される場合がある。本開示の目的の場合、超音波トランスデューサは、電圧など、周期的振動電気信号を供給する装置であり、振動素子の超音波の機械的発振を引き起こすものである。機械的振動は通常、基本的に、印加される発振電気信号の周波数と同じ周波数で発生する。例えば、超音波トランスデューサには、印加される電圧の変化に応じて、その幾何学的配置を変化させる圧電素子を含めることができる。一部の適用例では、機械的に振動する素子をエンドエフェクタと呼ぶ場合があり、さらに、プローブ、ブレード、または他の装置である場合もある。適用例に応じて、エンドエフェクタは、空気中または液体内で自由に振動することができ、組織や他の物体と接触できるようにすることができる。トランスデューサとエンドエフェクタは、エンドエフェクタの振動の振幅が最大化される共振周波数を有することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の実施形態は、超音波トランスデューサを制御するためのシステムおよび方法に関する。一部の実施形態の場合、トランスデューサは共振周波数で発振するよう能動的に制御される。振動の振幅の制御も設けることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
実施形態によると、超音波トランスデューサを制御するためにシステムは、制御プロセッサ、発振信号を生成し、その周波数が制御プロセッサの制御下で調整可能な波形生成器、発振信号を受信し、超音波トランスデューサを駆動して発振信号の周波数で振動させる電力回路、超音波トランスデューサを通過する電流を感知する電流感知回路、超音波トランスデューサの電圧を感知する電圧感知回路、ならびに電流感知回路および電圧感知回路からの信号を受信し、電圧と電流の相対位相の指示（ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）を生成し、指示を制御プロセッサに提供する位相検出回路を備えている。制御プロセッサは、電圧と電流の相対位相の指示を繰り返し読み出し、電圧と電流の相対位相の指示を、超音波トランスデューサを含む電気機械システムの共振に対応するよう事前選択されている値に制御するため、発振信号の周波数を調整するように構成される。制御プロセッサは、比例積分制御の原理に従って、発振信号の周波数を調整する。一部の実施形態の場合、電力回路にはさらに、発振信号を受信し、増幅した発振信号を生成する電力増幅器、および１次巻線と２次巻線を含む高周波変成器を備え、１次巻線は増幅された発振信号を受信し、２次巻線は超音波トランスデューサに連結されている。
【０００５】
一部の実施形態の場合、制御プロセッサはさらに、制御の最初は、比例制御の原理に従い、発振信号の周波数を調整し、電圧と電流の相対位相が初めて事前選択された値に到達したことを検出し、それから、比例積分制御の原理に従って発振信号の周波数を調整するように構成される。電圧と電流の相対位相の指示は、電流波形と電圧波形の間の時間遅延の測定値とすることができる。発振信号の振幅は、制御プロセッサの制御下で調整可能にすることができる。
【０００６】
一部の実施形態の場合、制御プロセッサは、電流感知回路からの信号を受信し、制御プロセッサはさらに、超音波トランスデューサの所望の振動振幅の仕様を受信し、超音波トランスデューサの所望の振動振幅から所望の電流の大きさを導出し、電流感知回路から受信される信号を繰り返し読み出し、超音波トランスデューサを通過する電流を所望の電流の大きさに制御するため、発振信号の振幅を調整するように構成される。超音波トランスデューサを通過する電流の制御は、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って行うことができる。例えば、制御プロセッサは、制御の最初は、比例制御の原理に従って超音波トランスデューサを通過する電流を制御し、超音波トランスデューサを通過する電流が初めて、所望の電流の大きさに到達したことを検出し、それから比例積分制御の原理に従って、超音波トランスデューサを通過する電流を制御するように構成することができる。一部の実施形態の場合、制御プロセッサはさらに、超音波トランスデューサの電圧の大きさと事前選択されたトランスデューサの最大電圧を比較し、超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過している場合には、超音波トランスデューサの電圧を事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御するため、発振信号の振幅を調整するように構成される。超音波トランスデューサの電圧の制御は、比例制御の原理に従い行うことができる。
【０００７】
一部の実施形態の場合、制御プロセッサは、電圧感知回路からの信号を受信することができ、さらに、超音波トランスデューサの所望の振動振幅の仕様を受信し、超音波トランスデューサの所望の振動振幅から所望の電圧の大きさを導き出し、電圧感知回路から受信される信号を繰り返し読み出し、超音波トランスデューサの電圧を所望の電圧の大きさに制御するため、発振信号の振幅を調整するように構成することができる。超音波トランスデューサの電圧の制御は、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って行うことができる。例えば、制御プロセッサは、制御の最初に、比例制御の原理に従って超音波トランスデューサの電圧を制御し、超音波トランスデューサの電圧が初めて所望の電圧の大きさに到達したことを検出し、それから比例積分制御の原理に従って、超音波トランスデューサの電圧を制御するように構成することができる。制御プロセッサはさらに、超音波トランスデューサを通過する電流の大きさと事前選択されたトランスデューサの最大電流を比較し、超音波トランスデューサを通過する電流の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電流を超過している場合には、超音波トランスデューサを通過する電流を事前選択されたトランスデューサの最大電流に制御するため、発振信号の振幅を調整するように構成することができる。超音波トランスデューサを通過する電流の制御は、比例制御の原理に従い行うことができる。
【０００８】
一部の実施形態の場合、制御プロセッサは、電流感知回路および電圧感知回路からの信号を受信し、その制御プロセッサはさらに、超音波トランスデューサの所望の振動振幅の仕様を受信し、超音波トランスデューサの所望の振動振幅から所望の電力レベルを導き出し、電圧感知回路から受信される信号および電流感知回路から受信される信号を繰り返し読み出し、トランスデューサに供給される電力レベルを計算し、超音波トランスデューサに供給されている電力を所望の電力レベルに制御するために発振信号の振幅を調整するように構成される。超音波トランスデューサに供給されている電力の制御は、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って行うことができる。一部の実施形態の場合、制御プロセッサは、制御の最初は、比例制御の原理に従って超音波トランスデューサに供給されている電力を制御し、超音波トランスデューサに供給されている電力が初めて所望の電力レベルに到達したことを検出し、それから比例積分制御の原理に従って、超音波トランスデューサに供給されている電力を制御するように構成される。制御プロセッサはさらに、超音波トランスデューサの電圧の大きさと事前選択されたトランスデューサの最大電圧を比較し、超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過している場合には、超音波トランスデューサの電圧を事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御するために、発振信号の振幅を調整するよう構成することができる。超音波トランスデューサの電圧の制御は、比例制御の原理に従い行うことができる。
【０００９】
一部の実施形態の場合、制御プロセッサはさらに、制御の最初は、発振信号の振幅は事前選択されたレベルに調整し、発振信号の周波数は、その振幅を調整することなく制御し、電気機械システムの共振周波数に初めて到達したことを検出し、それから発振信号の周波数と振幅の両方を繰り返し調整するよう構成される。
【００１０】
他の実施形態によると、超音波トランスデューサを制御する方法には、電圧および電流の相対位相の指示を、超音波トランスデューサを含む電気機械システムの共振に対応するよう事前選択された値に制御するために、繰り返し、超音波トランスデューサを通過する電流を感知し、超音波トランスデューサの電圧を感知し、電圧と電圧の相対位相の指示を導き出し、超音波トランスデューサが駆動される周波数を調整するために、コマンドを波形生成器に送信することが含まれる。周波数は、比例積分制御の原理に従って調整される。一部の実施形態の場合、周波数は、位相の指示が事前選択された値に初めて到達するまで、比例制御の原理に従って調整され、それから、周波数は比例積分制御の原理に従って調整される。一部の実施形態の場合、方法はさらに、電流波形と電圧波形との間の時間遅延を測定し、測定された時間遅延を電圧と電流の相対位相の指示として使用することを含んでいる。方法にはさらに、超音波トランスデューサの発振の振幅の制御が含まれる場合がある。
【００１１】
一部の実施形態の場合、超音波トランスデューサの発振の振幅の制御にはさらに、超音波トランスデューサを通過する電流を超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応する大きさに制御することを含まれる場合がある。電流は、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って制御することができる。一部の実施形態の場合、方法はさらに、制御の最初は、比例制御の原理に従って超音波トランスデューサを通過する電流を制御し、超音波トランスデューサを通過する電流が初めて、所望の振幅に対応する大きさに到達したことを検出し、それから比例積分制御の原理に従って、超音波トランスデューサを通過する電流を制御することを含んでいる。方法はさらに、超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過しない場合に、超音波トランスデューサを通過する電流を超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応した電流の大きさに制御し、超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過する場合に、超音波トランスデューサの電圧を事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御することを含んでいる。超音波トランスデューサの電圧の制御は、比例制御の原理に従い行うことができる。
【００１２】
一部の実施形態の場合、超音波トランスデューサの発振の振幅の制御にはさらに、超音波トランスデューサの電圧を超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応する大きさに制御することを含まれる場合がある。電圧は、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って制御することができる。一部の実施形態の場合、方法はさらに、制御の最初は、比例制御の原理に従って超音波トランスデューサの電圧を制御し、超音波トランスデューサの電圧が初めて、所望の振幅に対応する大きさに到達したことを検出し、それから比例積分制御の原理に従って、超音波トランスデューサの電圧を制御することを含んでいる。方法はさらに、超音波トランスデューサを通過する電流の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電流を超過しない場合に、超音波トランスデューサの電圧を超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応した電圧の大きさに制御し、超音波トランスデューサを通過する電流の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電流を超過する場合には、超音波トランスデューサを通過する電流を事前選択されたトランスデューサの最大電流に制御することを含んでいる。超音波トランスデューサを通過する電流の制御は、比例制御の原理に従い行うことができる。
【００１３】
一部の実施形態の場合、超音波トランスデューサの発振の振幅の制御にはさらに、超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさを超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応する値に制御することが含まれる場合がある。電力は、少なくとも一部の時間は、比例積分制御の原理に従って制御することができる。一部の実施形態の場合、方法はさらに、制御の最初で、比例制御の原理に従って超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさを制御し、超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさが初めて、所望の振幅に対応する値に到達したことを検出し、それから比例積分制御の原理に従って、超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさを制御することを含んでいる。方法はさらに、超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過しない場合に、超音波トランスデューサに供給されている電力の大きさを超音波トランスデューサの発振の所望の振幅に対応した値に制御し、超音波トランスデューサの電圧の大きさが事前選択されたトランスデューサの最大電圧を超過する場合に、超音波トランスデューサの電圧を事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御することを含んでもよい。超音波トランスデューサの電圧の制御は、比例制御の原理に従い行うことができる。
【００１４】
一部の実施形態の場合、方法はさらに、制御の最初は、超音波トランスデューサの発振の振幅を事前選択されたレベルに設定し、振幅を調整することなく超音波トランスデューサの発振の周波数を制御し、電気機械システムの共振周波数に対応する電圧と電流の相対位相の指示の事前選択された値に最初に到達したことを検出し、それから、超音波トランスデューサの振動の周波数と振幅の両方を制御することを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】微生物研究室における組織の分裂に使用しうる、また本発明の実施形態が有用でありうるシステムを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による、超音波トランスデューサを制御するためのシステムの概略ブロック図である。
【図３】本発明の実施形態による、周波数制御の方法を示すフローチャートである。
【図４】電流ベースの振幅制御の実施形態を示す概略フローチャートである。
【図５】電力ベースの振幅制御の実施形態を示す概略フローチャートである。
【図６】周波数と振幅の同時制御の実施形態を示す概略フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
トランスデューサやエンドエフェクタなどの電気機械システムには、特定の入力電気信号の振幅についてエンドエフェクタの振動の振幅が最大化される共振周波数がある場合がある。例えば、図１は微生物研究室における組織の分裂に使用しうる、また本発明の実施形態が有用でありうるシステムを示している。組織の分裂は、さらに分析するために、核酸を収集する最初のステップとなる場合がある。
【００１７】
図１のシステムの場合、カートリッジ１０１には、例えば、サンプル用ウェル１０２および混合用ウェル１０３などの様々なウェルが含まれる。組織のサンプルは、サンプル用ウェル１０２に配置し、エンドエフェクタ１０４からの超音波振動にかけることができ、そのエンドエフェクタ１０４は振動を、フレキシブルウィンドウ１０５を介して伝達する。エンドエフェクタ１０４は、超音波トランスデューサ１０６により駆動され、超音波周波数で長手方向に発振する。一部の実施形態では、周波数を例えば、名目上およそ３０ＫＨｚにすることができる。後の処理ステップでは、分裂された組織を、カートリッジ１０１の通路を介して混合用ウェル１０３に移送し、超音波トランスデューサ１０６とエンドエフェクタ１０４を接触ウィンドウ１０７に移動し、混合用ウェル１０３の中身を超音波振動にさらにかけることができる。さらに、移動および処理ステップを行うことができる。図１のシステムは非常に簡略化されたもので、ある構成要素は、説明を簡単にするために省かれている。より詳細な超音波振動のこの使用については、２０１０年５月２７日に出願された同時係属の「Ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ  ｆｏｒ  Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ（核酸抽出のための超音波処理カートリッジ）」と題する米国特許出願第１２／７８８７７７号明細書に見出すことができ、その開示全体はこれにより、参照によって本明細書に引用したものとする。
【００１８】
本発明の実施形態は、例えば、洗浄システム、外科用システムなど、超音波トランスデューサを利用する他の多くの種類のシステムで有用でありうる。図１のシステムの場合、超音波トランスデューサ１０６はコントローラ１０８によって制御される。効率的な運用のために、超音波トランスデューサ１０６は、超音波トランスデューサ１０６を含む電気機械システムの共振周波数で、駆動されることが望ましい。しかし、共振周波数は、周囲温度、使用中の超音波トランスデューサ１０６の加熱、エンドエフェクタ１０４や他の構成要素の消耗、エンドエフェクタに加えられる外部負荷の変動、および他の要因で変化する場合がある。したがって、本発明の実施形態は、超音波トランスデューサ１０６などの超音波トランスデューサが駆動される周波数の閉ループフィードバック制御を提供している。
【００１９】
さらに、振動の振幅は超音波装置のユーザによって調整可能であることが望ましい。したがって、本発明の実施形態では、発振の振幅の閉ループフィードバック制御も提供している。一部の用途の場合、超音波トランスデューサ１０６などの超音波トランスデューサはパルスモードで動作することができ、そのために、何らかの振幅制御が、特定の振幅における変化に迅速に反応することが望ましい。
【００２０】
図２では、本発明の実施形態による、超音波トランスデューサを制御するためのシステム２００の概略ブロック図を示している。例示的システム２００には、制御プロセッサ２０１が含まれる。制御プロセッサ２０１は、例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、プログラム可能なゲートアレイ、または超音波トランスデューサ１０６の閉ループ制御を行うのに適した他の電気回路から構成することができる。制御プロセッサ２０１はモノリシックブロックとして示されているが、それは複数の電子的構成要素を含めることができる。例えば、制御プロセッサ２０１による実行時に、制御プロセッサ２０１が以下で説明する制御機能を実行できるようにする命令を保持するために、外部メモリを備えることができる。制御プロセッサ２０１は、ユーザインタフェース２０２を介して、設定、命令、またはその他の情報を受信することができ、またユーザインタフェース２０２を介して、動作についての情報を表示することができる。
【００２１】
例示的システム２００にはさらに、発振電圧信号を生成する波形生成器２０３が含まれる。発振電圧信号は、正弦波、正弦波に近い波形、または方形波、三角波、のこぎり波などの別の波形、あるいは他の波形とすることができる。生成された信号の周波数は、制御プロセッサ２０１の制御下で調整可能である。例えば、波形生成器２０３としては、米国、マサチューセッツ州ノーウッドのアナログ・デバイセズ社から市販されているモデルＡＤ９８３３低消費電力プログラマブル波形ジェネレータを利用することができる。ＡＤ９８３３波形生成器を使用する場合、制御プロセッサ２０１は、信号ｆで表示されている、デジタルコマンドを波形生成器２０３に提供し、波形生成器２０３で生成される発振電圧信号の周波数を指定することができる。他の実施形態の場合、波形生成器２０３は電流生成器を含めることができ、波形生成器２０３により生成される発振信号は、電圧信号ではなく、電流信号とすることができる。この開示の目的のため、信号の「周波数」に言及する場合には、信号の基本的周波数を指すものとする。
【００２２】
波形生成器２０３はさらに、スケーリング回路２０４を含めることができ、それは、制御プロセッサ２０１の制御下で、発振信号の振幅を調整する。スケーリング回路２０４は、例えば、制御プロセッサ２０１から、信号ＵＡで表されるデジタルコマンドに対応してその利得を調整するプログラム可能な利得増幅器を備えることができるか、またはデジタル抵抗を利用するポテンショメータを備えることができる。デジタル抵抗とは、デジタルコマンドに対応して見掛け抵抗を調整する装置である。それから、電力回路は、波形生成器２０３から発振信号を受信し、超音波トランスデューサ１０６を駆動するために十分な駆動能力を提供してもよい。例えば、電力回路には、波形生成器２０３により生成される発振信号を受信し、増幅された発振信号を生成する電力増幅器２０５を含めることができる。電力回路にはさらに、変成器２０６を含めることができる。例えば、変成器２０６には、電力増幅器２０５からの増幅された発振信号を受信する１次巻線と、超音波トランスデューサ１０６に連結された２次巻線を含めることができる。
【００２３】
したがって、例示的システム２００には、制御プロセッサ２０１が超音波トランスデューサ１０６を駆動する信号の周波数と振幅の両方を指定できるようにする構成要素が含まれる。
【００２４】
超音波トランスデューサ１０６の動作についてのフィードバックが、電圧感知回路２０７、電流感知回路２０８、および位相検出回路２０９から制御プロセッサ２０１に提供される。これらの感知回路は概念的に、３つの別個の機能ブロックとして示されているが、図を明確するために、図２から省かれている他の構成要素を含めることもできる。例えば、感知回路の１つまたは複数には、各種フィルタリングや他の信号処理、ゼロ交差検出器、カウンタ、または他の種類の構成要素を含めることができる。位相検出回路は、別個の装置にすることができ、また制御プロセッサ２０１内のファームウェアまたはロジックに実装してもよい。他の多くの構成や変形形態が添付の請求項の範囲内で可能である。
【００２５】
例示的システム２００のでは、電圧感知回路２０７が超音波トランスデューサの電圧を感知し、電流感知回路２０８が超音波トランスデューサを通過する電流を感知する。例えば、電圧感知回路２０７は、超音波トランスデューサ１０６の電圧の調整済み波形表示を位相検出回路２０９に提供することができ、そこから、位相検出回路２０９は調整済み波形のゼロ交差を検出することができる。電圧感知回路２０７は制御プロセッサ２０１に、超音波トランスデューサ１０６の電圧の大きさの指示（ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）を提供することができる。電圧の大きさの指示は、最近の電圧発振のピーク電圧、ＲＭＳ電圧値、または別の測定値の指示とすることができる。電流感知回路２０８は、超音波トランスデューサ１０６を通過する電流の調整済み波形表示を位相検出回路２０９に提供することができ、それから、位相検出回路２０９は波形のゼロ交差を検出することができる。電流感知回路２０８は制御プロセッサ２０１に、超音波トランスデューサ１０６を流れる電流の大きさの指示、例えば、電流のピークまたはＲＭＳ測定値を提供することができる。この開示の目的の場合、電圧または電流の制御とは、電圧の大きさまたは電流の大きさを制御することを意味する。
【００２６】
本発明の実施形態の場合、制御プロセッサ２０１は、１つまたは複数の電圧感知回路２０７、電流感知回路２０８、および位相検出回路２０９からの情報を繰り返し読み出し、波形生成器２０３により生成される発振信号の周波数、振幅またはその両方を調整し、超音波トランスデューサ１０６の動作の閉ループフィードバック制御を成し遂げる。制御プロセッサ２０１のデジタル特性によって、多種多様な制御方策が可能であり、必要な状況の場合には、制御方策間で切り替えを行うことができる。例えば、制御プロセッサ２０１は、温度、エンドエフェクタ１０４の消耗の変化、組織または別の物体との接触のための外部負荷の変化、製造公差、または他の条件のための様々なトランスデューサおよびエンドエフェクタの機械特性の変動に対応するように構成することができる。デジタル制御の柔軟性によってさらに、動作中またはシステムの製造プロセス中のシステム故障の診断も可能である。
【００２７】
例示的制御方策のいくつかの実施形態を以下で説明する。
周波数制御
超音波トランスデューサの電圧と超音波トランスデューサを通過する電流との間の相対位相の関係は、トランスデューサが共振して動作しているかどうかを示すものとなることが観察されている特定のシステムの場合、電圧と電流間のほぼ固定の位相関係で共振が発生する。したがって、特定の超音波トランスデューサが共振して動作しているかどうかは、電圧と電流間の位相関係を測定し、測定された関係と共振周波数に対応する、公知の関係を比較することによって決定することができる。共振周波数および対応する電圧／電流位相関係は、システムの設計および開発の際に決定することができる。動作中、共振位相関係からずれている場合には、システムが共振周波数で動作していないことを示すものである。ずれの方向でさらに、動作周波数が共振周波数より下か上かも示される。実際のところ、共振は、超音波トランスデューサ１０６の電圧と超音波トランスデューサ１０６を通過する電流が、同相にある、つまり相対位相がゼロの場合に発生する。しかし、位相検出回路２０９または他の構成要素では、位相検出回路２０９により生成される位相の指示が共振でゼロ以外の値になるように、測定遅延を導入することができる。
【００２８】
本発明の実施形態によると、制御プロセッサ２０１は、位相検出回路２０９からの電圧と電流の相対位相の指示を繰り返し読み出し、電圧と電流の相対位相を、超音波トランスデューサ１０６を含む電気機械システムの共振に対応するよう事前に選択されている値に制御するため、波形生成器２０３により生成される発振信号の周波数を調整するように構成される。制御プロセッサ２０１は、デジタルコマンドｆを波形生成器２０３に送信することによって周波数の調整を成し遂げることができる。温度変化、負荷の変動、消耗、または他の要因で共振周波数が変動すると、制御プロセッサ２０１は電圧／電流位相の関係が共振に対応する関係から逸脱するときを認識し、位相関係を共振値に制御するために波形生成器１０３により生成された発振信号の周波数を調整し、結果的に、動作周波数を新しい共振周波数に制御する。
【００２９】
周波数制御が進行する間、制御プロセッサ２０１は、次の比例積分制御の原理を実行することができる。
【００３０】
【数１】
2013532581.tif 000003
ここで、△ｆは各制御期間の発振周波数の増分で、ｋＰＦおよびｋＩＦは周波数制御ループの比例および積分利得で、δおよびδｄは電流信号と電圧信号間の測定された位相の差と所望の位相の差である。一部の実施形態の場合、δｄは、特定のシステムの開発の際に確認され、必要に応じて制御プロセッサにより使用ために保存されることが好適である。実際の位相の差δの確認は位相検出回路２０９で行われ、位相検出回路２０９は、電圧と電流間の相対位相の指示を制御プロセッサ２０１に提供する。一部の実施形態の場合、δおよびδｄは、例えば、ラジアンで測定された実際の位相の測定値とすることができる。他の実施形態の場合、位相関係は、例えば、電圧と電流の波形のゼロ交差間の時間遅延など、電圧と電流の波形との間の時間遅延の測定値によって推測することができる。共振が発生する周波数の範囲は狭いので、時間遅延は実際の位相の差の十分正確な代用物とすることができ、システムはさらに、電気機械システムの共振周波数に非常に近い値に、動作の周波数を制御することができる。実際の位相の測定値が制御で使用される場合でも、位相は、電流と電圧の波形間の時間遅延を測定すること、それから、位相遅延を確定するために、知られている動作周波数に従って遅延値を計数することによって測定しうる。
【００３１】
この開示の目的の場合、制御原理とは、フィードバック信号に基づき制御信号を決定するための公式、ルール、または他の手法である。例えば、上記の制御原理の場合、制御信号は△ｆ、発振周波数の増分であり、フィードバック信号は（δｄ−δ）、電流と電圧の信号間の所望の位相の差と実際の位相の差（または遅延）間のエラーである。多くの種類の制御原理が使用可能である。比例制御原理では、制御信号を、フィードバックの指示によって乗じられる利得として計算する。比例積分制御原理では、制御信号は、２つの項、つまり、フィードバック信号によって乗ぜられる利得である比例項と、開始時間からフィードバック信号の時間積分によって乗ぜられる利得（通常、異なる）積分項との合計として計算される。
【００３２】
上記の制御原理は比例積分制御原理であり、比例項はｋＰＦ（δｄ−δ）で、積分項は
【００３３】
【数２】
2013532581.tif 000004
である。制御信号△ｆが位相（時間遅延）エラーによって乗ぜられる利得として計算される、純粋の比例制御は周波数の定常状態エラーとなりうる。積分項を追加することによって、定常状態エラーを除去することができる。しかし、積分項はまた、一部では、より大きなオーバーシュートをもたらす結果にもなることがある。それは、システムが最初の値から共振に対応する値に向け動作周波数を調整する間、大きな積分エラーが蓄積される場合があるからである。オーバーシュートを引き起こす積分項の傾向を低減するには、システムが特定の制御サイクルで初めて、所望の共振周波数に達した場合にのみ、制御原理の積分部分を導入することができる。つまり、最初の制御は、積分利得ｋＩＦをゼロに設定し（比例制御原理に結果する）、初めて所望の位相または遅延が達成されると、ｋＩＦを設計値（比例積分制御原理に結果する）に設定しうる。
【００３４】
開始周波数値は、特定の設計のために製品開発中に決定した、最小または最大の予測共振周波数、または別の適した周波数に設定することができる。制御中に、周波数が予測周波数の範囲外の値になった場合には、不良状態がレポートされるようにすることができる。特定の超音波トランスデューサ１０６は、同じ設計の他のユニットと同様に動作する必要がある。製造中、周波数掃引を特定のユニットで実行し、予測範囲内で共振が発生することを確認することができ、発生しない場合には、不適切な製造または組立ではないかと考えることができる。
【００３５】
図３は、本発明の実施形態による、周波数制御の方法を示すフローチャート３００である。制御の最初３０１において、ステップ３０２で開始周波数が設定される。上述のとおり、開始周波数は最低または最高の予測共振周波数か、または別の周波数とすることができる。ステップ３０３で、電圧と電流の位相（または時間遅延）の差が測定され、ステップ３０４で、周波数は比例制御原理を使用して、測定されたエラーに基づき更新される。ステップ３０５で、共振に対応する所望の位相（または時間遅延）が達成されたかどうかを確認するためのチェックが行われる。達成されていない場合、制御はステップ３０６に進み、制御周波数が予測された周波数の範囲外の値に達しているかどうかを確認するためにチェックが行われる。達していた場合には、ステップ３０７で不良状態がレポートされる。所望の位相（または遅延）でもなく、予測される範囲外に周波数が達してもいない場合には、制御はステップ３０３に戻される。
【００３６】
いったん、所望の位相（または時間遅延）に達したならば、制御はステップ３０８に進み、位相（または遅延）が測定され、それからステップ３０９で、比例積分制御の原理を使用し、測定されたエラーに基づき周波数が更新される。ステップ３１０で、再び、予測される範囲外に周波数が達しているかどうかを確認するためのチェックが行われる。達していない場合、制御はステップ３０８に戻される。達している場合には、ステップ３０７で不良状態がレポートされる。
振幅制御
一部の実施形態によると、制御プロセッサ２０１はさらに、超音波トランスデューサ１０６の発振の振幅も制御する。例えば、ユーザは、ユーザインタフェース２０２を使用して、特定振幅が望ましいことを指定することができる。制御プロセッサ２０１では、所望の振幅に対応する制御変数の値を確定して、その値に対する変数を所望の振幅に対応した値に制御することができる。異なる実施形態の場合、制御変数は超音波トランスデューサ１０６を通過する電流、超音波トランスデューサ１０６の電圧、または超音波トランスデューサ１０６に供給されている電力とすることができる。それぞれの場合で、制御プロセッサ２０１は、波形生成器２０３により生成された信号の振幅を調整することによって、制御変数の制御を実行することができる。また、制御プロセッサ２０１では、超音波トランスデューサ１０６が酷使されていないことを確認するためのチェックが行われてもよい。例えば、制限変数をモニターすることができ、制限変数が事前選択された最大値を超過するのを許すのではなく、事前選択された最大値に制御するようにできる。
【００３７】
所望の振幅は、例えば、ユーザの入力ノブや他の制御に対応して、比較的ゆっくりと変化する場合がある。他の場合、所望の振幅は、例えば、超音波トランスデューサ１０６が、発振がデューティサイクルによりオンおよびオフが切り替わるパルスモードで動作している場合など、非常に急激に変化する場合がある。パルスモードの場合、所望の振幅は、低い値（デューティサイクルの「オフ」部分で通常ゼロ）から、デューティサイクルの「オン」部分の間の高い方の値に、ほとんど瞬時に変化する場合がある。
電流ベースの振幅制御
一部の実施形態によると、振幅を制御するための制御変数は、超音波トランスデューサ１０６に供給されている電流であり、制限変数は超音波トランスデューサ１０６の電圧であり、制御は次の制御原理を使用して行われる。
【００３８】
【数３】
2013532581.tif 000005
ここで、△ＵＡは各制御期間の振幅制御変数の増分で、ｋＰＡおよびｋＩＡは振幅制御ループの比例利得および積分利得で、ＩｄおよびＩはトランスデューサを通る所望の電流レベルおよび実際の電流レベルで、Ｖｍａｘは電流が制御されるまでのトランスデューサ上の最大電圧で、Ｖは制御中に測定されたトランスデューサ上の実際の電圧で、ｋＰＶは電圧の比例利得である。トランスデューサの電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘより大きくなった場合、電圧が最大値より低くなるまで、最大電圧付近では、電流制御が電圧制御に取って代わられる。電圧制限が電力増幅器を過負荷から保護するために導入される。最大電圧Ｖｍａｘは、製品開発中に決定することができる。所望の電流Ｉｄは、所望の発振振幅のユーザ仕様から決定される。最初の値から初めて所望の電流になる瞬間までの電流の最初の移行の間の大きな積分エラーの蓄積（より大きなオーバーシュートをもたらす場合がある）を除去するために、制御の積分部分は、所望の電流に初めて到達した後にのみ導入することができる。
【００３９】
図４は、電流ベースの振幅制御の実施形態を示す概略フローチャート４００である。ステップ４０１で、所望の振幅仕様が、例えば、ユーザインタフェース２０２を介して受信される。ステップ４０２で、所望の発振振幅に対応した所望の電流の大きさが導き出される。制御プロセッサ２０１は、製品開発中に実行されるシステムの特性評価に基づいて、所望の電流の大きさを導き出すことができる。ステップ４０３で、超音波トランスデューサ１０６の電圧の大きさおよび超音波トランスデューサ１０６を通過する電流の大きさが測定される。電流と電圧の両方の場合で、「大きさ」はおそらく、ピーク値、ＲＭＳ値、または電圧または電流の数量を示す別の値である。ステップ４０４で、トランスデューサの電圧が事前選択された最大電圧と比較される。電圧が最大値を超過していない場合、制御はステップ４０５に進み、超音波トランスデューサ１０６を通過する電流が調整され、超音波トランスデューサを通過する電流が所望の電流の大きさに制御される。電圧が最大値を超過している場合、制御はステップ４０６に進み、トランスデューサの電圧が調整され、超音波トランスデューサの電圧が事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御される。波形生成器２０３によって生成される発振信号の振幅を調整することによって、いずれかの調整が行われる。
【００４０】
ステップ４０５および４０６は説明を容易にするために簡略化されている。ステップ４０５で行われる電流の調整は、比例積分制御の原理に従って行うことができ、積分項は、所望の電流に初めて到達した後にのみ導入される。ステップ４０６で行われる電圧の調整は、比例制御の原理に従って行うことができる。電圧制御が開始される場合、電圧制御中の大きな積分エラーの蓄積を回避するため、電圧制御中は、制御の原理の積分項はゼロの値に維持することが好適である。
電圧ベースの振幅制御
他の実施形態によると、振幅を制御するための制御変数は、超音波トランスデューサ１０６に供給されている電圧であり、制限変数は超音波トランスデューサ１０６を通過する電流であり、制御は次の制御原理を使用して行われる。
【００４１】
【数４】
2013532581.tif 000006
ここで、△ＵＡは各制御期間の振幅制御変数の増分で、ｋＰＡおよびｋＩＡは振幅制御ループの比例利得および積分利得で、ＶｄおよびＶはトランスデューサ上の所望の電圧レベルおよび実際の電圧レベルで、Ｉｍａｘは電圧が制御されるまでのトランスデューサ上の最大電流で、Ｉは制御中に測定されたトランスデューサ上の実際の電流で、ｋＰＩは電流の比例利得である。トランスデューサの電流Ｉが許容最大電流Ｉｍａｘより大きくなる場合、電流が最大値より低くなるまで、最大電流付近では、電圧制御が電流制御に取って代わられる。電流制限が電力増幅器を過負荷から保護するために導入される。最大電流Ｉｍａｘは、製品開発中に決定することができる。所望の電圧Ｖｄは、所望の発振振幅のユーザ仕様から決定される。最初の値から初めて所望の電圧になる瞬間までの電圧の最初の移行の間の大きな積分エラーの蓄積（より大きなオーバーシュートをもたらす場合がある）を除去するために、制御の積分部分は、所望の電圧に初めて到達した後にのみ導入することができる。
【００４２】
電圧ベースの振幅制御のフローチャートは、電圧と電流を入れ替えると、図４のフローチャートと非常に類似している。
電力ベースの振幅制御
他の実施形態によると、振幅を制御するための制御変数は、超音波トランスデューサ１０６に供給されている電力で、制限変数は超音波トランスデューサ１０６の電圧で、制御は次の制御原理を使用して行われる。
【００４３】
【数５】
2013532581.tif 000007
ここで、△ＵＡは各制御期間の振幅制御変数の増分で、ｋＰＡおよびｋＩＡは振幅制御ループの位置利得および積分利得で、ＰｄおよびＰはトランスデューサの所望の電力消費レベルおよび実際の電力消費レベルで、Ｖｍａｘは電力が制御されるまでのトランスデューサ上の最大電圧で、Ｖは制御中に測定されたトランスデューサ上の実際の電圧で、ｋＰＶは電圧の位置利得である。トランスデューサの電圧Ｖが許容最大電圧Ｖｍａｘ以上になった場合、電圧が最大値より低くなるまで、最大電圧付近では、電力制御が電圧制御に取って代わられる。電圧制限が電力増幅器を過負荷から保護するために導入される。最大電圧Ｖｍａｘは、製品開発中に決定することができる。所望の電力Ｐｄは、所望の発振振幅のユーザ仕様から決定される。最初の値から初めて所望の電力になる瞬間までの電力の最初の移行の間の大きな積分エラーの蓄積（より大きなオーバーシュートをもたらす場合がある）を除去するために、制御の積分部分は、所望の電力に初めて到達した後にのみ導入することができる。
【００４４】
図５は、電力ベースの振幅制御の実施形態を示す概略フローチャート５００である。ステップ５０１で、所望の振幅仕様が、例えば、ユーザインタフェース２０２を介して受信される。ステップ５０２で、所望の発振振幅に対応した所望の電力レベルが導き出される。制御プロセッサ２０１は、製品開発中に実行されるシステムの特性評価に基づいて、所望の電力レベルを導き出すことができる。ステップ５０３で、超音波トランスデューサ１０６の電圧および超音波トランスデューサ１０６を通過する電流が測定される。ステップ５０４で、超音波トランスデューサ１０６に供給されている電力の大きさが電圧と電流から計算される。他の実施形態の場合、電力メータによって、超音波トランスデューサ１０６に供給されている電力の指示を制御プロセッサ２０１に提供することができる。ステップ５０５で、トランスデューサの電圧が事前選択された最大電圧と比較される。電圧が最大値を超過していない場合、制御はステップ５０６に進み、超音波トランスデューサ１０６に供給されている電力が調整され、超音波トランスデューサに供給されている電力が所望の電力レベルに制御される。電圧が最大値を超過している場合、制御はステップ５０７に進み、そこでは、トランスデューサの電圧が調整され、超音波トランスデューサの電圧が事前選択されたトランスデューサの最大電圧に制御される。波形生成器２０３によって生成される発振信号の振幅を調整することによって、いずれかの調整を行われる。
【００４５】
ステップ５０６および５０７は説明を容易にするために簡略化されている。ステップ５０６で行われる電力の調整は、比例積分制御の原理に従って行うことができ、積分項は、所望の電力レベルに初めて到達した後にのみ導入される。ステップ５０７で行われる電圧の調整は、比例制御の原理に従って行うことができる。電圧制御が開始される場合、電圧制御中の大きな積分エラーの蓄積を回避するため、電圧制御中は、制御の原理の積分項はゼロの値に維持することが好適である。
周波数と振幅の同時制御
上述のように周波数制御と振幅制御の両方を同時に行うことができることが好適であり、それによって、周波数と振幅の両方が閉ループフィードバック制御下になる。
【００４６】
図６は、周波数と振幅の同時制御の実施形態を示す概略フローチャート６００である。制御の最初６０１において、ステップ６０２で開始周波数が設定される。上述のとおり、開始周波数は最低または最高の予測共振周波数か、または別の周波数とすることができる。ステップ６０３で、最初の振幅レベルも設定することができる。ステップ６０４で、トランスデューサの電圧とトランスデューサを通過する電流の相対位相が測定される。上述のとおり、これらの２つの信号間の相対時間遅延を位相の代わりとすることができる。さらに、振幅制御に必要なすべての制御変数を測定または決定してもよい。例えば、電圧と電流は測定してもよく、電力は必要に応じて計算してもよい。ステップ６０５で、周波数は、所望の位相または時間遅延からの測定された位相または時間遅延のエラーに基づいて更新される。周波数の更新は、比例積分制御の原理、比例制御の原理、これらの組み合わせ、または別の種類の制御原理とすることのできる制御原理に従って行うことができる。
【００４７】
ステップ６０６で、所望の位相（または時間遅延）が初めて達成されているかどうかを確認するためのチェックが行われる。達成されていない場合、ステップ６０７で、周波数が予測された周波数範囲外である値に達しているかどうかを確認するためのチェックが行われる。周波数が予測される周波数範囲外である場合、ステップ６０８で不良状態がレポートされ、制御が停止するが、周波数が予測される周波数範囲内の場合には、制御はステップ６０４に戻される。
【００４８】
所望の位相または遅延に初めて到達した場合、制御はステップ６０９に進み、発振振幅が調整される。振幅の更新は、上述の例に挙げた制御原理のいずれか、または別の制御原理に従って行うことができる。
【００４９】
ステップ６１０で、電力増幅器について不良がレポートされているかどうかを確認するためのチェックが行われる。不良がレポートされていない場合、制御はステップ６０４に進み、閉ループ制御が継続する。電力増幅器に不良がある場合、ステップ６１１で２度目の不良かどうかを確認するためのチェックが行われる。２度目の不良である場合、制御はステップ６１２に進み、不良状態がレポートされ、制御は停止する。電力増幅器が２度目の不良ではない場合、制御はステップ６１３に進み、所望の振幅を数パーセントだけ低減されうる。それからステップ６０２で、制御が再開される。
【００５０】
ここに添付した請求項の場合、用語「備える」、「含む」およびその変化形は、ステップまたは要素の記述に先行する場合、さらなるステップまたは要素の追加が任意であり、それらを排除するものでなはないことを意味することを意図している。ここまで、明確にし、理解する目的で本発明を詳細に説明してきた。しかし、当業者ならば、特定の変更や修正が添付請求項の範囲内で実施可能であることを理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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