(57)【要約】気密封止されたトロカールの性能を制御するシステムおよび方法が開示されており、システムは、可変ＤＣ電圧をＤＣモータに送達するためのコントローラと、気密封止されたトロカールに操作可能に接続されたポンプを駆動するためのコントローラに操作可能に接続されたＤＣモータと、気密封止されたトロカールを通して加圧ガスを循環させるための、ＤＣモータによって駆動されるポンプと、コントローラがＤＣモータに送達される電圧を変化させ、腹腔鏡外科手技中にポンプの出力圧力および流量に影響を及ぼすよう、フィードバック制御信号をコントローラに提供するためにポンプと気密封止されたトロカールとの間で圧力および／または流量パラメータを感知するためのセンサと、を含む。
2021503338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密封止されたトロカールの性能範囲を制御するシステムであって、
ａ）ＤＣモータに可変ＤＣ電圧を送達するためのコントローラと、
ｂ）気密封止されたトロカールに操作可能に接続されたポンプを駆動するため、コントローラに操作可能に接続されたＤＣモータと、
ｃ）前記ＤＣモータによって駆動されて、前記気密封止されたトロカールを通して加圧ガスを循環させるポンプと、
ｄ）前記コントローラが、外科手技中に、前記ＤＣモータに送達される前記電圧を変化させ、前記ポンプの前記出力圧力および流量に影響を及ぼすよう、フィードバック制御信号を前記コントローラに提供するために前記ポンプと前記トロカールとの間で圧力および／または流量パラメータを感知するためのセンサと、を備える、システム。
【請求項２】
ＡＣ入力電圧源と、ＤＣ電圧を前記コントローラに供給するためのＡＣ−ＤＣコンバータと、をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記外科手技中に患者の体腔へ気密封止されたトロカールを提供するために、前記ポンプに接続された、気密封止されたトロカールをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
気密封止されたトロカールの性能範囲を制御するシステムであって、
ａ）  少なくとも一つのＤＣモータに可変ＤＣ電圧を送達するためのコントローラと、
ｂ）  気密封止されたトロカールに操作可能に接続された少なくとも一つのポンプを駆動するため、コントローラに操作可能に接続された少なくとも一つのＤＣモータと、
ｃ）  前記ＤＣモータによって駆動されて、前記気密封止されたトロカールを通して加圧ガスを循環させる少なくとも一つのポンプと、
ｄ）  前記コントローラが、外科手技中に、前記少なくとも一つのＤＣモータに送達される前記電圧を変化させ、前記少なくとも一つのポンプの前記出力圧力および流量に影響を及ぼすよう、少なくとも一つのフィードバック制御信号を前記コントローラに提供するために前記ポンプと前記気密封止されたトロカールとの間で圧力および／または流量パラメータを感知するための少なくとも一つのセンサと、を備える、システム。
【請求項５】
ＡＣ入力電圧源と、ＤＣ電圧を前記コントローラに供給するためのＡＣ−ＤＣコンバータと、をさらに備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記外科手技中に患者の体腔へ気密封止されたトロカールを提供するために、前記少なくとも一つのポンプに接続された、気密封止されたトロカールをさらに備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも一つのセンサが、第一のフィードバック制御信号を前記コントローラに提供するよう、前記少なくとも一つのポンプと前記気密封止されたトロカールの入口ポートとの間の正圧および／または流量パラメータを感知する第一のセンサと、第二のフィードバック制御信号を前記コントローラに提供するよう、前記少なくとも一つのポンプと前記気密封止されたトロカールの出口ポートとの間の負圧および／または流量パラメータを感知する第二のセンサとを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも一つのＤＣモータが、前記気密封止されたトロカールに接続された正圧ポンプを駆動させるための第一のＤＣモータと、前記気密封止されたトロカールに接続された負圧ポンプを駆動させるための第二のＤＣモータとを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも一つのセンサが、第一のフィードバック制御信号を前記コントローラに提供するよう、前記正圧ポンプと前記気密封止されたトロカールの入口ポートとの間の正圧および／または流量パラメータを感知する第一のセンサと、第二のフィードバック制御信号を前記コントローラに提供するよう、前記負圧ポンプと前記気密封止されたトロカールの前記出口ポートとの間の負圧および／または流量パラメータを感知する第二のセンサとを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも一つのポンプが、並列に配置された少なくとも第一および第二のポンプを含み、前記コントローラが、システム要件を満たすよう、前記同一または異なる出力レベルで前記第一および第二のポンプを制御するように適合され、構成された、請求項４に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも第一および第二のポンプが、それぞれ第一および第二のＤＣモータによって駆動される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
気密封止されたトロカールの性能範囲を制御する方法であって、
ａ）気密封止されたトロカールを通して加圧ガスを循環させるためのポンプを提供することと、
ｂ）ＤＣモータによって前記ポンプを駆動することと、
ｃ）前記ポンプと前記気密封止されたトロカールとの間に流れる、感知された気体のパラメータに基づいて、前記ＤＣモータに送達される前記電圧を制御して、外科手術中の前記ポンプの前記出力圧力および流量に影響を及ぼすことと、を含む、方法。
【請求項１３】
前記ポンプと前記気密封止されたトロカールとの間に流れる前記気体の圧力および／または流量パラメータを感知することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
気密封止されたトロカールの性能範囲を制御するシステムであって、
ａ）モータドライバに可変パルスを送達するためのコントローラと、
ｂ）少なくとも一つのステッパモータを駆動するための前記コントローラに操作可能に接続された少なくとも一つのモータドライバと、
ｃ）少なくとも一つのモータドライバによって駆動され、少なくとも一つの正圧ポンプに操作可能に接続された少なくとも一つのステッパモータと、
ｄ）前記気密封止されたトロカールを通して加圧ガスを循環させるための前記少なくとも一つのステッパモータによって駆動される少なくとも一つの正圧ポンプと、
ｅ）前記コントローラが、外科手技中に、前記少なくとも一つのモータドライバに送達される前記電圧を変化させ、前記少なくとも一つの正圧ポンプの前記出力圧力および流量に影響を及ぼすよう、フィードバック制御信号を前記コントローラに提供するために前記少なくとも一つの正圧ポンプと前記トロカールとの間で圧力および／または流量パラメータを感知するための少なくとも一つのセンサと、を備える、システム。
【請求項１５】
前記外科手技中に患者の体腔へ気密封止されたトロカールを提供するために、前記少なくとも一つの正圧ポンプに接続された、気密封止されたトロカールをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも一つのセンサが、第一のフィードバック制御信号を前記コントローラに提供するよう、前記少なくとも一つの正圧ポンプと前記気密封止されたトロカールの入口ポートとの間の正圧および／または流量パラメータを感知する第一のセンサと、第二のフィードバック制御信号を前記コントローラに提供するよう、前記負圧ポンプと前記気密封止されたトロカールの出口ポートとの間の前記少なくとも一つの正圧および／または流量パラメータを感知する第二のセンサとを含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも一つの正圧ポンプが、並列な関係で配置された少なくとも第一および第二の正圧ポンプを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記コントローラが、パルス発生器に接続され、第一の可変パルスを、前記第一の正圧ポンプに関連付けられた第一のモータドライバおよび第一のステッパモータに送達し、第二の可変パルスを、前記第二の正圧ポンプに関連付けられた第二のモータドライバおよび第二のステッパモータに送達するよう適合され、構成された、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記コントローラが、システム要件を満たすため、前記パルス発生器からの前記可変パルスを前記同一または異なる強度または持続期間で送達するよう適合され、構成された、請求項１７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年１１月２０日に出願された米国特許出願第１５／８１７，８９７号の優先権の利益を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、外科用アクセス装置と併用するためのガス送達システムに関し、より具体的には、内視鏡または腹腔鏡手技に使用する、気密封止されたトロカールの性能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】
関連技術の説明
例えば、同一出願人による米国特許第７，８５４，７２４号および米国特許第８，７９５，２２３号に開示されているような、気密封止されたトロカールは、電気機械制御システムを介して操作されうる。このような制御システムは、例えば、同一出願人による米国特許第８，７１５，２１９号、米国特許第８，９６１，４５１号、および米国特許第９，２９５，４９０号に開示されている。これらのシステムは、最小侵襲腹腔鏡または内視鏡外科手術のための規定の圧力勾配を生み出すトロカール内に、気密封止または気体封止を作出および維持するよう機能する。これらの外科手術の当業者（外科医または看護師など）は、解剖学的構造の視覚化と、送気のその他の利点をより良好に可能にするために、外科腔を特定の圧力まで加圧（送気）することを選択しうる。上記で参照した同一出願人による特許はそれぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００３】
電気機械制御システムを介して気密封止されたトロカールを操作する場合、その性能挙動および／または特性を変化させるためにトロカールに供給される空気圧を調節することが有利でありうる。設計および製造の違いにより、気密封止されたトロカールを封止するために必要な、空気動力の変動を可能にしうる。これは、設計、製造差異、必要な封止面積（すなわち、５ｍｍのトロカール対１２ｍｍのトロカール）、効率、抵抗、およびその他の要因の影響を受けうる。
【０００４】
また、気密封止されたトロカールを封止するために必要な空気圧は、気密封止によって維持される圧力勾配の大きさに依存する。例えば、外科手術チームが患者を１５ｍｍＨｇまで送気する選択をする場合があり、気密封止されたトロカール内の気密封止によって、勾配を１５ｍｍＨｇと周囲圧力（０ｍｍＨｇ）との間に維持することが必要となる。この封止（勾配）を維持するために必要な力は、例えば、１０ｍｍＨｇ〜０ｍｍＨｇとの間で勾配を維持するために必要な力よりも大きい。
【０００５】
さらに、気密封止されたトロカールが通常動作している間は、一定の外乱や摂動が発生しうる。これらには、送気された腔にもたらされる生理機能による変化（例えば、呼吸または筋肉の動きによるもの）、送気された腔に印加される外部の力（外科医または外科手術機器による腔の押下）、または、気密封止されたトロカールの封止部を通過する器具または検体の通過を含むが、これらに限らない。
【０００６】
そのため、気密封止されたトロカールを操作する電気機械制御システムは、そのトロカールに供給される力をリアルタイムで調節して、それらの外乱に対応し、指定通りに封止および圧力勾配を維持することができるべきである。米国特許第８，７１５，２１９号に開示された制御システムは、トロカールに供給される空気動力を調節する電気機械制御弁を含む。そのシステムでは、ポンプ（通常、ＡＣすなわち交流で駆動される）が空気回路に圧力および気体流を供給しすぎる。気密封止されたトロカールに供給される空気動力は、電気機械弁を調節する埋込み制御システムによって調節される。
【０００７】
システムまたは空気圧工学の当業者であれば、空気圧回路の設計、および、このバルブが「Ｈ」または「バイパス」バルブとして機能する役割を理解するであろう。そのシステムの実施形態におけるＡＣ駆動ポンプが一定の動力出力を供給し、電気機械弁の位置によって、気密封止されたトロカールに到達する動力の割合、および、ポンプの真空吸引に戻って再利用される割合を制御する。
【０００８】
当業者であれば、エネルギー効率の向上も含め、気密封止されたトロカールの空気制御にはＡＣベースではなくＤＣベースの制御を使用するほうが有利であることを容易に理解するだろう。そのため、ＡＣ駆動ポンプではなくＤＣ駆動ポンプを介して、気密封止されたトロカールに供給される空気動力をリアルタイムで調節するよう構成された制御システムを提供することが有益であろう。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、内視鏡または腹腔鏡外科手術中に、気密封止されたトロカールの性能範囲を制御するための新しい、有用なシステムに関する。本発明の実施形態では、システムは、可変ＤＣ電圧をＤＣモータに送達するためのコントローラと、気密封止されたトロカールに操作可能に接続されたポンプを駆動するためのコントローラに操作可能に接続されたＤＣモータと、気密封止されたトロカールを通して加圧ガスを循環させるための、ＤＣモータによって駆動されるポンプと、コントローラがＤＣモータに送達される電圧を変化させ、ポンプの出力圧力および流量に影響を及ぼすよう、フィードバック制御信号をコントローラに提供するためにポンプとトロカールとの間で圧力および／または流量パラメータを感知するためのセンサと、と含む。システムがさらに、ＡＣ入力電圧源と、ＤＣ電圧をコントローラに供給するためのＡＣ−ＤＣコンバータとを含むことが好ましい。
【００１０】
本発明の別の実施形態では、システムは、可変ＤＣ電圧を少なくとも一つのＤＣモータに送達するためのコントローラと、気密封止されたトロカールに操作可能に接続された少なくとも一つのポンプを駆動するためのコントローラに操作可能に接続された少なくとも一つのＤＣモータと、気密封止されたトロカールを通して加圧ガスを循環させるための、ＤＣモータによって駆動される少なくとも一つのポンプと、内視鏡または腹腔鏡外科手技中に、コントローラが少なくとも一つのＤＣモータに送達される電圧を変化させ、少なくとも一つのポンプの出力圧力および流量に影響を及ぼすよう、少なくとも一つのフィードバック制御信号をコントローラに提供するために少なくとも一つのポンプとトロカールとの間で圧力および／または流量パラメータを感知するための少なくとも一つのセンサと、を含む。
【００１１】
本発明の実施形態では、少なくとも一つのセンサは、第一のフィードバック制御信号をコントローラに提供するよう、少なくとも一つのポンプと気密封止されたトロカールの入口ポートとの間の正圧および流量パラメータを感知するための第一のセンサと、第二のフィードバック制御信号をコントローラに提供するよう、少なくとも一つのポンプと気密封止されたトロカールの出口ポートとの間の負圧および／または流量パラメータを感知するための第二のセンサと、を含む。
【００１２】
別の実施形態では、少なくとも一つのＤＣモータは、気密封止されたトロカールに接続された少なくとも一つの正圧ポンプを駆動するための少なくとも第一のＤＣモータと、  気密封止されたトロカールに接続された少なくとも一つの負圧ポンプを駆動するための少なくとも第二のＤＣモータと、を含む。この実施形態では、少なくとも一つのセンサは、第一のフィードバック制御信号をコントローラに提供するよう、正圧ポンプと気密封止されたトロカールの入口ポートとの間の正圧および／または流量パラメータを感知するための第一のセンサと、第二のフィードバック制御信号をコントローラに提供するよう、負圧ポンプと気密封止されたトロカールの出口ポートとの間の負圧および／または流量パラメータを感知するための第二のセンサと、を含む。
【００１３】
本発明の別の実施形態では、少なくとも一つのポンプは、並列に配置され、少なくとも一つのＤＣモータによって駆動される、少なくとも第一および第二のポンプを含む。コントローラは、様々なシステム要件を満たすよう、同一または異なる出力レベルで第一および第二のポンプを制御するよう適合され、構成されうることが想定される。
【００１４】
本発明のさらに別の実施形態では、少なくとも一つのＤＣモータおよびＡＣ−ＤＣコンバータは、少なくとも一つのブラシレスステッパモータ、少なくとも一つのモータドライバ、およびパルス発生器によって置き換えられ、これらは一種のＤＣコントローラとして共に機能するが、技術的には、供給されるＤＣ電圧を調節するだけでは性能出力は制御されない。この実施形態の構成要素の機械的および空気出力は、前述のＤＣモータ実施形態におけるように、電気信号調節によって正確に制御される。しかしながら、この場合、ＤＣ電圧を調節するのではなく、パルス発生器から制御される電気パルスが変化され、ブラシレスステッパモータを駆動するモータドライバに供給される。
【００１５】
より具体的には、変化する強度および長さの電気パルスを使用して、モータ内の磁石が発生させた磁場の動きによって、ステッパモータの正確な回転を制御しうる。これにより、モータの挙動を正確に制御するとともに、正確かつ繰り返し可能な開始／停止挙動が可能になるだろう。
【００１６】
本発明はまた、気密封止されたトロカールの性能範囲を制御するための新しい、独特の方法に関する。方法は、気密封止されたトロカールに加圧ガスを循環させるためのポンプを提供することと、ＤＣモータによってポンプを駆動することと、腹腔鏡外科手技中にポンプの出力圧力と流量に影響を及ぼすように、ポンプと気密封止されたトロカールとの間に流れる、感知された気体のパラメータに基づいて、ＤＣモータに送達される電圧を制御することと、を含む。方法はまた、ポンプと気密封止されたトロカールとの間に流れる気体の圧力および／または流量パラメータを感知することを含む。
【００１７】
本発明の制御システムおよび方法のこれらおよびその他の特徴およびそれが採用される方式は、下記に説明するいくつかの図面と併せて理解される本発明の好ましい実施形態の以下の可能とする記述から、当業者には容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
当業者は、必要以上の実験無しに、主題の発明の制御システムおよび方法を使用する方法を容易に理解するであろうゆえに、好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【００１９】
【図１】図１は、可変電圧制御ＤＣモータによって駆動される正圧ポンプを含む本発明の制御システムの好ましい実施形態を図示した概略的なフロー図である。
【図２】図２は、第一の可変電圧制御ＤＣモータによって駆動される正圧ポンプと、第二の可変電圧制御ＤＣモータによって駆動される負圧ポンプとを含む、本発明の制御システムの別の好ましい実施形態を図示した概略的なフロー図である。
【図３】図３は、空気圧によって平行に配管され、平行なＤＣモータを制御する二つの可変電圧によって駆動される、二つの正圧ポンプを含む本発明の制御システムの別の好ましい実施形態を図示した概略的なフロー図である。
【図４】図４は、パルス発生器からの可変電気パルスによって調節されるモータドライバによって制御されるステッパモータによって駆動される正圧ポンプを含む本発明の制御システムの別の好ましい実施形態を図示した概略的なフロー図である。
【図５】図５は、パルス発生器からの可変電気パルスによって調節される、それぞれのモータドライバによって制御されるそれぞれのステッパモータによって駆動される二つの正圧ポンプを含む本発明の制御システムのさらに別の好ましい実施形態を図示した概略的なフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面では、同一の参照番号が、本発明の実施形態の類似の特徴または態様を指しており、図面を参照すると、図１では、内視鏡または腹腔鏡外科手技中に、気密封止されたトロカールの性能範囲を制御するシステムが示されており、気密封止されたトロカールは、本発明の好ましい実施形態において構築され、通常は参照番号１００で指定されている。
【００２１】
図１を参照すると、システム１００は、可変ＤＣ電圧をＤＣモータ１１２に送達するためのコントローラ１１０を含む。ＤＣモータ１１２は、気密封止されたトロカール１１６に操作可能に接続された正圧ポンプ１１４を駆動するため、コントローラ１１０に操作可能に接続されている。ポンプ１１４は、ＤＣモータ１１２によって駆動されて、気密封止されたトロカール１１６を通して加圧ガスを循環させる。第一のフィードバック制御信号をコントローラ１１０に提供するよう、ポンプ１１４と気密封止されたトロカール１１６の入口ポートとの間の正圧および／または流量パラメータを感知する第一のセンサ１１８が提供される。
【００２２】
第二のフィードバック制御信号をコントローラ１１０に提供するよう、ポンプ１１４と気密封止されたトロカール１１６の出口ポートとの間の負圧および／または流量パラメータを感知する第二のセンサ１２０が提供される。第一および第二のフィードバック制御信号により、コントローラ１１０は、ＤＣモータ１１２に送達される電圧を変化させて、出力圧力および／またはポンプ１１４の流量に影響を及ぼすことができる。システム１００はさらに、ＡＣ入力電圧源１２２と、ＤＣ電圧をコントローラ１１０に供給するためのＡＣ−ＤＣコンバータ１２４とを含む。
【００２３】
図２を参照すると、本発明の制御システムの別の実施形態が図示されており、これは通常、参照番号２００で指定されている。システム２００は、気密封止されたトロカール２１６に接続された正圧ポンプ２１４を駆動させるための第一のＤＣモータ２１２と、気密封止されたトロカール２１６に接続された負圧ポンプ３１４を駆動させるための第二のＤＣモータ３１２とを含むという点で、システム１００とは異なる。システム２００はさらに、第一のフィードバック制御信号をコントローラ２１０に提供するよう、ポンプ２１４と気密封止されたトロカール２１６の入口ポートとの間の正圧および／または流量パラメータを感知する第一のセンサ２１８と、第二のフィードバック制御信号をコントローラ２１０に提供するよう、ポンプ３１４と気密封止されたトロカール２１６の出口ポートとの間の負圧および／または戻り流量パラメータを感知する第二のセンサ２２０とを含む。図１の前述の実施形態のように、システム２００はさらに、ＡＣ入力電圧源２２２と、ＤＣ電圧をコントローラ２１０に供給するためのＡＣ−ＤＣコンバータ２２４とを含む。
【００２４】
ここで図３を参照すると、図１に示す制御システム１００の変形バージョンが図示されている。ここでは、システム１００は二つの正圧ポンプ１１４ａおよび１１４ｂを含んでおり、それぞれＤＣモータ１１２ａおよび１１２ｂによって駆動される。これらのポンプおよびモータは、システム１００の空気動力能力を増加させるよう配置されるか、あるいは並列に積み重ねられ、システム効率を向上させるためのさらなる制御オプションを提供する。さらに、二つのＤＣ駆動ポンプを並列に配置することにより、二倍の空気出力が提供されうる。この場合、システム要求に応じて、コントローラまたはＣＰＵ１１０はポンプの一方または両方の性能出力を制御する。
【００２５】
例えば、二つのポンプ１１４ａ、１１４ｂそれぞれが、５０Ｌ／分の容量を有し、且つ、並列に組み合わされ、システム１００の動作範囲が常に５０Ｌ／分から１００Ｌ／分の間でなければならない場合、システム要件を達成するために、第一のポンプ１１４ａは常にその出力の１００％（すなわち、５０Ｌ／分）に制御され、第二のポンプ１１４ｂの出力が、０Ｌ／分〜５０Ｌ／分の間に可変的に制御されうる。
【００２６】
あるいは、ＤＣ駆動ポンプ１１４ａ、１１４ｂの両方が、同一の出力レベルに制御されてもよい。例えば、８０Ｌ／分の出力を達成するため、ポンプ１１４ａ、１１４ｂの両方ともが４０Ｌ／分の出力に制御されるだろう。または、８０Ｌ／分の出力を達成するため、二つのポンプ１１４ａ、１１４ｂが異なるレベルに制御されてもよい。例えば、ポンプ１１４ａは４５Ｌ／分に制御され、ポンプ１１４ｂは３５Ｌ／分に制御されてもよい。
【００２７】
複数のモータおよびポンプを備えたこれらの代替的実施形態のそれぞれでは、より大きなＤＣ電源が必要であり（例えば、二つの１２Ｖモータに供給するため、２４Ｖ）また指定されたように、二つのモータ１１２ａ、１１２ｂ間で供給される電圧を分割し、調節するのはＣＰＵ１１０が担うことになり、さらに、それぞれのポンプ１１４ａ、１１４ｂの出力を制御することになる。図３のこの実施形態では、二つのＤＣ駆動正圧ポンプが並列関係で一緒に積み重ねられて示されて、説明されているが、三つ以上のポンプまたは類似あるいは様々な容量がこの方法で配置されて、本明細書に開示された制御システムの動作能力をさらに増加させ、多様化することが予想される。
【００２８】
図４を参照すると、図１に示す制御システム１００の別のバージョンが図示されている。本発明のこの実施形態では、図１に示すＤＣモータ１１２およびＡＣ−ＤＣコンバータ１２４は、ブラシレスステッパモータ１３０、モータドライバ１３２、およびパルス発生器１３４によって置き換えられる。技術的には、供給されるＤＣ電圧を調節するだけでは性能出力は制御されないが、当業者であればこの実施形態をＤＣコントローラの一種として分類することができるだろう。それでもなお、当業者であれば、ＤＣ制御システムとの、本発明の実施形態の類似点を理解するであろう。
【００２９】
この実施形態の構成要素の機械的および空気出力は、前述のＤＣモータ実施形態におけるように、電気信号調節によって正確に制御される。しかしながら、この場合、ＤＣ電圧を調節するのではなく、パルス発生器１３４から制御される電気パルスが変えられ、ブラシレスステッパモータ１３０を駆動するモータドライバ１３２に供給される。より具体的には、変化する強度および長さの電気パルスを使用して、モータ内の磁石が発生させた磁場の正確な動きによって、ステッパモータ１３０の正確な回転を制御する。これにより、モータの挙動を正確に制御するとともに、正確かつ繰り返し可能な開始／停止挙動が可能になる。また、当業者であれば、ステッパモータのギア様幾何学的形状によって、ギアの「ステップ」数をその埋め込み式制御の一部として検証するのを可能にし、少なくとも一つの別個のセンサー（センサー１１８または１２０など）の必要性を軽減することによって、システムの空気性能を制御するフィードバックループの簡素な設計を可能にしうる。
【００３０】
図４の実施形態は、一つのモータドライバ１３２、一つのステッパモータ１３０、および一つの正圧ポンプ１１４を有するように示され、説明されているが、これらの三つの構成要素（１３２、１３０、１１４）のグループ化が、例えば図５に示したように並列の関係で配置されて、本明細書に開示される制御システム１００の動作能力をさらに増加し、多様化してもよい。より具体的には、図５に示すように、コントローラ１１０は、パルス発生器１３４によって供給される可変パルス信号を、モータドライバ１３２ａ、ステッパモータ１３０ａ、および正圧ポンプ１１４ａを含む構成要素の第一のグループ、および、モータドライバ１３２ｂ、ステッパモータ１３０ｂ、および正圧ポンプ１１４ｂを含む構成要素の第二のグループに送達するよう構成されてもよい。コントローラ１１０は、システム要件を満たすために、同一または異なる強度または持続時間が可変のパルスを、並列したセットの構成要素に送達するよう構成されることが想定される。
【００３１】
ここで、本明細書に記載した本発明の様々な実施形態について全体的に参照すると、組み込みシステム制御の当業者は、ポンプのようなＤＣ構成要素に供給される電圧を変化させることによって、構成要素またはシステムの挙動を供給する、調節する、および制御するいくつかの方法を知っているだろう。要求される構成要素は、電源コンバータまたは電池、電位差計（ＤＣ構成要素に供給される電圧を制御する回路抵抗を変化させる）、コンピュータ基板（例えば、アルドゥイーノ等）、永久磁石モータ、等を含みうるが、これらに限定されない。
【００３２】
電源コンバータまたは電池を使用して、交流電流（ＡＣ）を供給するのではなく直流（ＤＣ）でＤＣ構成要素に供給し、通常は電源出力および送電網によって供給される。ＤＣ構成要素に供給される電圧を制御することにより、その性能出力が変化する。例えば、１２ＶのＤＣモータは、６Ｖで供給されるときよりも、１０Ｖで供給されるときのほうが、より多くの電力を出力することになる。この制御はループコントローラを介して頻繁に達成されており、そのループコントローラでは、センサ測定性能出力（またはいくつかの関連する測定基準）が、応答でプログラムされるコンピュータ基板と通信する。センサからのデータがモータに供給される可変電力の変化を必要とする場合、コンピュータ基板がそのような変化を開始する。
【００３３】
本発明の方法および装置は、ＤＣ駆動ポンプの空気圧力の制御を介して、リアルタイムで気密封止されたトロカールに供給される空気動力を調節する。図１のシステム１００では、制御ループは、ＣＰＵ制御ボード１１０と、ポンプ１１４を駆動するモータ１１２と、センサ１１８との三つの主要構成要素の周りに設計される。この好ましい実施形態では、システム１００は、壁（出口供給）からのＡＣ電流をＤＣに変換する変圧器１２４から構成される。あるいは、ＡＣ電流から充電して、直接ＤＣ電力を提供する電池を有することもできる。利用する電源は、電気供給された構成要素の定格を満たすか、それを超えなければならない（例えば、１２Ｖモータに完全に電力供給するためには、ＤＣ電源は１２Ｖでなければならない）。変換された後、ＣＰＵはモータ１１２にどの程度の電圧が供給されるかを調節する。
【００３４】
モータ１１２への電圧の変化は、ポンプ１１４の圧力および流量出力に直接影響し、その変化はＣＰＵ１１０にループして戻るセンサ１１８によって記録され、ＣＰＵにシステム性能を知らせ、どのように応答するかを誘導して、必要とされるシステム１００の制御および調節を継続する。あるいは、ＣＰＵ１１０は、負圧センサ１２０からのデータを使用して、モータ１１２への電圧供給を調節して、真空圧力および気体流量を制御することができる。
【００３５】
ＣＰＵ１１０は、電位差計のような構成要素を制御して、モータ１１２に供給されるＤＣ電圧を調節できる。ところが、電位差計はさらなる構成要素を設計に追加し、効率損失から熱やエネルギーを無駄にしてしまう場合がある。好ましい実施形態は、パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用して、モータ１１２への電圧供給を制御することができる。この制御方法は、可変する期間にわたって同じ大きさの電圧のパルスを調節して、「有効な」レベルの電圧供給を生成する。例えば、１２Ｖの電源のＰＷＭ制御は、より長い持続時間のパルスを制御して、１０Ｖの「平均」供給を生み出すが、同じ１２Ｖの電源供給のＰＷＭ制御は、より短い持続時間のパルスを制御して、４Ｖの「平均」供給を生み出すだろう。これらのパルスは、ＣＰＵ１１０によって電源オンおよびオフにすることができるトランジスタの時間制御によって調節される。
【００３６】
この方法は、電位差計の使用よりもより正確かつ効率的でありうる。当業者であれば、ＰＷＳを使用することなく、正確な電力送達を制御および変化させる他の方法を知っているだろう。代替的な実施形態は、図２に示す通り、二つの独立したＤＣポンプを介して気密封止されたトロカールに供給される圧力および真空を別々に制御することができる。この実施形態は、正圧および流量を気密封止されたトロカール２１６に供給するための一つのポンプ２１４と、釣り合った負圧とトロカール２１６からの戻り流量を提供するための別のポンプ３１４とを制御することを含む。この実施形態は、詳細な性能制御の新たなパラダイムを可能にしうる、圧力流量および戻り／真空流量への、別々の、リアルタイムの、独立した制御を可能にするだろう。この実施形態では、両方のポンプが周囲に対して開かれ、その性能は、単一の、閉ループ空気回路による影響を受けず、制限もされない。
【００３７】
図１（および米国特許第８，７１５，２１９号に開示されているシステム）の前述の実施形態では、単一ポンプが空気回路の一方の側を加圧し、回路の他方の側に吸引力を適用させ、両側で釣り合った流量を生み出しており、図２に示すこの代替的実施形態では、システム２００が、圧力と戻り流量を様々な流量に制御するのを可能にするだろう。このシステムにより、電気機械制御は、気密封止されたトロカール２１６の性能に対してさらなる制御レバーを使用するのを可能にする。圧力流量対真空／戻り流量の均衡を変える小規模調整（おそらく０．１Ｌ／分ほどの）により、トロカール２１６の空気性能をより厳しく制御することが可能となることが仮定される。
【００３８】
例えば、ループコントローラに小さな、正の制御偏差（組み込み制御システムにおける測定性能と目標性能の差異）がある場合、ＣＰＵ２１０は、圧力ポンプ２１４を０．１Ｌ／分増加させるか、または、吸引ポンプ３１４に０．１Ｌ／分減少させて、均衡の取れた性能となるよう要求でき、一方で、前述のように、こうした二つの流量間に不均衡を作り出すことは不可能であった。この実施形態では、圧力ポンプ２１４がその吸引のために周囲に開かれなければならず、真空／吸引ポンプ３１４は、排気のために周囲に開かれなければならない。圧力ポンプ２１４に対して吸気を開き、真空ポンプ３１４からの排気のために開くことにより、好適な濾過装置または要素を介して濾過されることが想定される。
【００３９】
当業者であれば、気密封止されたトロカールの空気制御のため、ＡＣベースのシステムではなく、ＤＣベースの制御システムを使用する数多くの利点を容易に理解するだろう。ＤＣベースの制御システムは、ＡＣベースのシステムよりもエネルギー効率が高い。電気機械制御システムの動作範囲を完全に包含するために、ＡＣポンプを大きくする必要がある。ＡＣ構成要素の性質として、それらは常に「オン」であり、つまり、装置が実行されるときは常に全電力が必要となる。
【００４０】
ＤＣベースのシステムでは、ポンプは、必要となる具体的なレベルまで電源供給されればよい。例えば、システムの動作範囲は最大１００Ｌ／分であるが、使用シナリオでは２０Ｌ／分の出力のみが要求される場合、ＡＣベースの実施形態では、単一のＡＣポンプが１００Ｌ／分を出力しなければならない（８０Ｌ／分が流用される）が、ＤＣベースの実施形態では、ＤＣポンプを２０Ｌ／分出力するレベルまで電力供給すればよい。この配置は、エネルギー効率が良いだけでなく、機械構成要素を動かすことによって発生する熱や音を削減する。結果として、設計の絶縁構成要素を減らすか、または除去することが可能でありうる。
【００４１】
さらに、ＡＣポンプ出力からの流量を流用するバルブ／センサがもはや必要ではないため、構成要素の数を減らすことが可能となりうる。構成要素の数を減らすことにより、開発プロセスおよび認証テストがより簡素となり、商品、開発の両コストを削減することになるだろう。さらに、ＤＣベースの制御システムを使用することにより、ＡＣモータおよびポンプの電力周波数による影響を受けることがなくなり、これにより、世界中の様々な送電網が、様々な周波数で電力を供給する（通常は５０Ｈｚまたは６０  Ｈｚのいずれか）。ＡＣモータまたはポンプに電力供給すると、出力性能は周波数によってわずかに変化するが、ＤＣモータまたはポンプは周波数に関係なく同じ動作を生成できる。
【００４２】
最後に、ポンプのような典型的なＡＣ構成要素は電源に左右される（ポンプが、２３０Ｖ送電網に対して１００／１１５Ｖ送電網用の様々なモデルを有する場合がある）が、ＤＣポンプであれば、電力変換機が単に入力電圧を１２Ｖに変換してモータに電力供給するだけであるため、単一の、世界的な設計が可能となる。これは、製造時の在庫管理や経済の規模において有利にさせ、商品のコストを下げるだろう。また、様々な送電網に対する各装置の複数のバージョンの開発、認証、文書化が必要でなくなる。
【００４３】
対象開示が好ましい実施形態を参照して示され、記述されてきたが、当業者であれば、変更および／または修正が、対象開示の範囲から逸脱することなく作成され得ることを容易に理解するであろう。
【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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【国際調査報告】
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