JP6280351B2 - Ultrasonic motor control method and injection apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、低速で回転する超音波モーターの制御方法、及び超音波モーターを備えた薬液の注入装置に関する。 The present invention relates to a method for controlling an ultrasonic motor that rotates at a low speed, and a chemical liquid injection device including the ultrasonic motor.
従来、造影剤等の薬液を注入する注入装置には、超音波モーターと、該超音波モーターによって薬液を送り出すように駆動される駆動機構とを備えた注入装置があった。薬液の注入装置には、所望の時間、一定の薬液注入速度を維持することが求められる。そのため、例えば、短い注入時間で薬液を注入する場合には、超音波モーターを高速で回転させて高速で注入する。そして、長い注入時間で薬液を注入する場合には、超音波モーターを低速で回転させて低速で注入する。 Conventionally, an injection device that injects a chemical solution such as a contrast agent has an injection device that includes an ultrasonic motor and a drive mechanism that is driven by the ultrasonic motor to send out the chemical solution. A chemical injection device is required to maintain a constant chemical injection rate for a desired time. Therefore, for example, when injecting a chemical solution in a short injection time, the ultrasonic motor is rotated at a high speed and injected at a high speed. And when inject | pouring a chemical | medical solution with a long injection | pouring time, an ultrasonic motor is rotated at low speed and it injects at low speed.
超音波モーターを低速で回転させる方法としては、基本信号生成部とスイッチング部とを設け、基本信号生成部から入力される基本信号をスイッチング部を介して間欠的に出力する制御方法があった(特許文献1)。この制御方法においては、パルス信号生成部が設けられており、スイッチング部は、パルス信号生成部から出力されたパルス信号のオン時間のみ基本信号を出力する。これにより、スイッチング部を介して出力される基本信号は、間欠的に出力される。 As a method of rotating the ultrasonic motor at a low speed, there is a control method in which a basic signal generation unit and a switching unit are provided and a basic signal input from the basic signal generation unit is intermittently output via the switching unit ( Patent Document 1). In this control method, a pulse signal generation unit is provided, and the switching unit outputs a basic signal only during the ON time of the pulse signal output from the pulse signal generation unit. Thereby, the basic signal output via a switching part is output intermittently.
また、基本信号を間欠的に出力する方法としては、基本信号生成部とスイッチング部とを設け、スイッチング部が基本信号生成部を停止させる制御方法も考えられる。この制御方法においては、所定の時間の間、スイッチング部が基本信号生成部に基本信号の出力を停止させ、その後にスイッチング部が出力の停止を解除する。これにより、基本信号生成部から出力される基本信号は、間欠的に出力される。 Further, as a method of intermittently outputting the basic signal, a control method in which a basic signal generation unit and a switching unit are provided and the switching unit stops the basic signal generation unit is also conceivable. In this control method, the switching unit causes the basic signal generation unit to stop outputting the basic signal for a predetermined time, and then the switching unit cancels the output stop. Thereby, the basic signal output from the basic signal generation unit is output intermittently.
これらの制御方法においては、超音波モーターに駆動電圧が出力される期間と、超音波モーターに駆動電圧が出力されない期間とが存在する。これにより、超音波モーターの停止と回転とが繰り返される結果、両期間を合わせた期間の平均回転速度を低くすることができる。これらの制御方法は、超音波モーターによって駆動される被駆動部が、所定の平均速度を保って一定の距離を進む場合に用いることができる。 In these control methods, there are a period in which the drive voltage is output to the ultrasonic motor and a period in which the drive voltage is not output to the ultrasonic motor. As a result, the stop and rotation of the ultrasonic motor are repeated, and as a result, the average rotation speed of the period combining both periods can be lowered. These control methods can be used when a driven part driven by an ultrasonic motor travels a certain distance while maintaining a predetermined average speed.
一方、これらの制御方法を薬液の注入装置に適用する場合、駆動電圧が出力されない待機期間が長いと薬液の注入が一時的に停止してしまう恐れがある。しかし、注入装置においては、所望の時間の間、注入を停止せずに一定の注入速度を維持することが求められている。そのため、非常に短い待機期間を設ける必要があり、非常に短い待機期間を実現するためにはスイッチング部が高速でオンオフする必要がある。しかし、スイッチング速度はスイッチング部の性能に依存するため限界がある。そのため、非常に短い待機期間を設けることは困難であった。 On the other hand, when these control methods are applied to an apparatus for injecting a chemical solution, there is a possibility that the injection of the chemical solution may be temporarily stopped if the standby period in which the drive voltage is not output is long. However, in an injection device, it is required to maintain a constant injection rate without stopping injection for a desired time. Therefore, it is necessary to provide a very short standby period. In order to realize a very short standby period, the switching unit needs to be turned on and off at high speed. However, the switching speed is limited because it depends on the performance of the switching unit. For this reason, it has been difficult to provide a very short standby period.
さらに、非常に低い速度で超音波モーターを回転させる場合、すなわち、注入速度が非常に低い場合は、超音波モーターが停止しやすく回転し難い。そのため、超音波モーターに駆動電圧が入力されてから実際に回転が開始される迄の時間が長くなり、この時間も待機期間に付加されてしまう。その結果、待機期間が長いと超音波モーターの回転速度の変動が生じてしまい、一定の注入速度を維持することがさらに困難になってしまう。 Furthermore, when the ultrasonic motor is rotated at a very low speed, that is, when the injection speed is very low, the ultrasonic motor is likely to stop and is difficult to rotate. For this reason, the time from when the drive voltage is input to the ultrasonic motor to when the rotation is actually started becomes longer, and this time is also added to the standby period. As a result, if the waiting period is long, fluctuations in the rotational speed of the ultrasonic motor occur, making it more difficult to maintain a constant injection speed.
上記課題を解決するため、本発明の一例としての超音波モーターの制御方法は、制御ユニットから駆動信号生成ユニットへ入力される設定速度信号に基づいて、超音波モーターを駆動する駆動電圧を生成するための駆動信号を前記駆動信号生成ユニットによって生成し、前記駆動信号生成ユニットによって、前記駆動電圧を生成する駆動電圧生成ユニットへ前記駆動信号を出力し、前記駆動電圧を出力する出力期間に続く待機期間においては、前記設定速度信号に基づいて、前記駆動信号生成ユニットが前記駆動信号を生成せずに待機する、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, an ultrasonic motor control method as an example of the present invention generates a drive voltage for driving an ultrasonic motor based on a set speed signal input from the control unit to the drive signal generation unit. A drive signal for generating by the drive signal generating unit, outputting the drive signal to the drive voltage generating unit for generating the drive voltage by the drive signal generating unit, and waiting for an output period for outputting the drive voltage In the period, based on the set speed signal, the drive signal generation unit waits without generating the drive signal.
また、本発明の他の例としての注入装置は、薬液を注入するための注入装置であって、超音波モーターと、前記薬液を送り出すように、前記超音波モーターによって駆動される駆動機構と、前記超音波モーターを駆動する駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記超音波モーターへ出力する駆動電圧生成ユニットと、前記駆動電圧を生成するための駆動信号を生成し、前記駆動信号を前記駆動電圧生成ユニットへ出力する駆動信号生成ユニットと、前記駆動信号生成ユニットへ設定速度信号を出力し、前記駆動信号生成ユニットを制御する制御ユニットとを備え、前記設定速度信号に基づいて、前記駆動信号生成ユニットは、前記駆動電圧が出力される出力期間において前記駆動信号を生成すると共に、前記出力期間に続く待機期間においては前記駆動信号を生成せずに待機する、ことを特徴とする。 An injection device as another example of the present invention is an injection device for injecting a chemical solution, and an ultrasonic motor, and a drive mechanism driven by the ultrasonic motor so as to send out the chemical solution, Generating a drive voltage for driving the ultrasonic motor, outputting the drive voltage to the ultrasonic motor; generating a drive signal for generating the drive voltage; and driving the drive signal to the drive A drive signal generation unit that outputs to the voltage generation unit; and a control unit that outputs a set speed signal to the drive signal generation unit and controls the drive signal generation unit, and based on the set speed signal, the drive signal The generation unit generates the drive signal in an output period in which the drive voltage is output, and in a standby period following the output period. It waits without generating a serial drive signal, characterized in that.
これにより、入力される設定速度信号に基づいて、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく待機期間を短くすることができる。これにより、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。 Thus, the standby period can be shortened until the desired length is reached based on the input set speed signal. Therefore, the standby period can be shortened without depending on the performance of the switching unit. Thereby, even when the injection speed is very low, fluctuations in the rotational speed of the ultrasonic motor can be suppressed, so that a constant injection speed can be maintained.
本発明のさらなる特徴は、添付図面を参照して例示的に示した以下の実施形態の説明から明らかになる。 Further features of the present invention will become apparent from the following description of embodiments, given by way of example with reference to the accompanying drawings.
以下、本発明を実施するための例示的な実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態で説明する寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は任意であり、本発明が適用される装置の構成又は様々な条件に応じて変更できる。また、特別な記載がない限り、本発明の範囲は、以下に具体的に記載された実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, exemplary embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, dimensions, materials, shapes, relative positions of components, and the like described in the following embodiments are arbitrary and can be changed according to the configuration of the apparatus to which the present invention is applied or various conditions. In addition, unless otherwise specified, the scope of the present invention is not limited to the embodiments specifically described below.
[第1実施形態]
図1に示すように、薬液を注入するための注入装置1は、超音波モーター3と、超音波モーター3が正転するときに薬液を送り出すように、超音波モーター3によって駆動される駆動機構4と、超音波モーター3を制御する制御装置5とを備える。そして、駆動機構4及び超音波モーター3は、注入装置1の注入ヘッド2のフレーム21内に格納されている。このフレーム21は、2つのシリンジ91を保持するために2つのシリンジホルダー92を有する。さらに、注入装置1は、薬液の注入状況等が表示されるディスプレイを含むコンソール6を有している。このコンソール6は制御装置5に接続されており、制御装置5は注入ヘッド2に有線接続又は無線接続されている。なお、注入ヘッド2、制御装置5及びコンソール6のそれぞれは、互いに有線接続又は無線接続することができる。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, an injection device 1 for injecting a chemical liquid includes an
注入装置1の電源又はバッテリーは、注入ヘッド2、制御装置5、又はコンソール6のいずれかに設けることができ、またこれらとは別に設けることもできる。また、注入ヘッド2と制御装置5は、キャスタースタンド(不図示)と一体的に構成することができる。また、それぞれをばらばらに設け、キャスタースタンドに搭載することもできる。なお、ハンドスイッチ等の遠隔操作装置を用いて、注入ヘッド2を遠隔操作して薬液注入をスタート又はストップさせることもできる。
The power supply or battery of the injection device 1 can be provided in any one of the
コンソール6は、ディスプレイとしてのタッチパネルを備えると共に、ハンドスイッチに有線又は無線接続されている。そして、制御装置5には、動作パターン(注入プロトコル)のデータ、及び薬液のデータ等が予め記憶されている。患者に薬液を注入する場合、オペレーターは、タッチパネルを操作して、注入速度、注入量、注入時間、体重、身長、体表面積、心拍数、心拍出量などの患者の身体的データ、及び薬液の種類のデータ等を入力する。そして、制御装置5は、入力されたデータと予め記憶されているデータに応じて、最適な注入条件を算出する。その後、制御装置5は、算出された注入条件に基づいて、患者に注入する薬液の量及び注入プロトコルを決定する。
The
この注入装置1は、撮像装置(不図示)に有線又は無線接続されている。そして、薬液の注入時及び画像の撮影時には、撮像装置と注入装置1との間で各種データが送受信される。このような撮像装置としては、例えば、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置、CT(Computed Tomography)装置、アンギオ撮像装置、PET(Positron Emission Tomography)装置、SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)装置、CTアンギオ装置、MRアンギオ装置、超音波診断装置、血管撮像装置等の各種医療用撮像装置がある。 The injection device 1 is wired or wirelessly connected to an imaging device (not shown). Various types of data are transmitted and received between the imaging device and the injection device 1 when the chemical solution is injected and when an image is taken. Examples of such an imaging apparatus include an MRI (Magnetic Resonance Imaging) apparatus, a CT (Computed Tomography) apparatus, an angio imaging apparatus, a PET (Positron Emission Tomography) apparatus, a SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) apparatus, and a CT angio apparatus. There are various medical imaging devices such as MR angio devices, ultrasonic diagnostic devices, and blood vessel imaging devices.
制御装置5は、薬液の量及び注入プロトコルを決定すると、所定のデータ又はグラフなどをタッチパネルに表示させる。これにより、オペレーターは、表示されたデータ又はグラフなどを確認することができる。なお、動作パターン(注入プロトコル)のデータ及び薬液のデータ等は、外部の記憶媒体から入力することもできる。
When determining the amount of the chemical solution and the injection protocol, the
制御装置5は、超音波モーター3に接続されており、超音波モーター3にはエンコーダー39が接続されている。そして、エンコーダー39は、超音波モーター3の回転速度に対応する周波数のパルス信号を制御装置5に送信している。なお、フレーム21内においてシリンジホルダー92が位置する側を前側とした場合に、超音波モーター3は後側部分に配置されている。また、駆動機構4は、シリンジホルダー92と超音波モーター3との間に配置されている。そして、この駆動機構4は、超音波モーター3のシャフト35に接続された伝達機構41と、伝達機構41に接続されたボールネジ軸411と、ボールネジ軸411に取り付けられたボールネジナット412と、ボールネジナット412に接続されたアクチュエーター413とを備える。
The
ボールネジナット412は、ボールネジ軸411の中間部分に螺合されている。そして、伝達機構41は、超音波モーター3からの回転をボールネジ軸411に伝達する。また、伝達機構41は、シャフト35に接続されたピニオンギアと、ボールネジ軸411に接続されたスクリューギアとを有している。そのため、超音波モーター3のシャフト35の回転は、ピニオンギア及びスクリューギアを介してボールネジ軸411に伝達される。これにより、ボールネジ軸411は、伝達された回転に従って回転する。そして、ボールネジナット412は、ボールネジ軸411の回転に伴い前進方向(前側方向)又は後進方向(後側方向)に摺動する。その結果、ボールネジナット412の摺動に伴い、アクチュエーター413が前進又は後進する。すなわち、シャフト35が正転するとアクチュエーター413が前進し、シャフト35が逆転するとアクチュエーター413が後進する。
The
シリンジ91には、シリンジ91内において摺動可能であるピストン93が取り付けられている。そして、シリンジ91は、ピストン93のロッドがアクチュエーター413の先端に当接するように搭載される。これにより、シリンジ91が搭載された状態でボールネジナット412が前進方向に摺動すると、アクチュエーター413がピストン93を前進方向に押すことになる。そして、ピストン93が前進するとシリンジ91内の薬液が押し出され、シリンジ91の先端に接続される不図示のカテーテル等を介して患者の体内に注入される。また、ボールネジナット412が後進方向に摺動すると、アクチュエーター413がピストン93を後進方向に引くことになる。
A
なお、薬液が充填されたシリンジ91は、プレフィルシリンジであってもよい。また、薬液は、手動でシリンジ91に充填されてもよく、注入装置1や充填器でシリンジ91に充填されてもよい。さらに、シリンジ91には、RFIDやバーコードといったデーターキャリアを設けることができる。このデーターキャリアには、充填された薬液の情報等が記録されている。そして、注入装置1は、注入ヘッド2を介してデーターキャリアから記録された情報を読み取り、薬液の注入圧力等を制御することができる。例えば、制御装置5は、読み取った薬液の情報(ヨード量等)に基づいて、体重当たりの最適な注入量を計算してコンソール6のタッチパネルに表示させることができる。
The
薬液を注入する場合、オペレーターは注入装置1の電源をオンにし、シリンジ91をシリンジホルダー92に搭載する。その後、オペレーターは、コンソール6のタッチパネルに表示された注入ボタンを押す。また、注入ヘッド2に操作パネルが設けられている場合には、オペレーターは該操作パネルの注入ボタンを押すこともできる。さらに、オペレーターは、ハンドスイッチのボタンを押して注入を開始することもできる。なお、オペレーターは、シリンジ91をシリンジホルダー92に搭載した後に、注入装置1の電源をオンしてもよい。
When injecting a chemical solution, the operator turns on the power of the injection device 1 and mounts the
注入ボタンが押されると、制御装置5は超音波モーター3に駆動電圧として正転信号を送る。この正転信号に応じて超音波モーター3が駆動し、シャフト35が正転する。シャフト35が正転すると、エンコーダー39は回転を検出して制御装置5にパルス信号を送る。注入が終了しシリンジ91を外す場合、ピストン93を後進させるために、制御装置5は超音波モーター3に駆動電圧として逆転信号を送る。この逆転信号に応じて超音波モーター3が駆動し、シャフト35が逆転する。なお、超音波モーター3に送信される駆動電圧は交流であり、位相が異なる2種類の駆動電圧のうち一方が他方に対して遅れている場合を正転信号としたときに、他方が一方に対して遅れている場合が逆転信号となる。
When the injection button is pressed, the
制御装置5はメモリ部に予め注入プロトコルを記憶しており、薬液の注入は注入プロトコルに従って自動的に行われる。この注入プロトコルには、例えば、注入時間、注入速度、注入量及び注入圧力リミット値が設定されている。そして、注入プロトコルの内容はコンソール6に表示されるので、オペレーターは注入プロトコルの内容を確認することができる。また、制御装置5は、タイマーを利用して注入時間を制御すると共に、薬液の注入圧力等の注入状況を監視している。なお、制御装置5に注入プロトコルが記憶された記憶媒体を接続して、記憶媒体から読み込んだ注入プロトコルに従って薬液の注入行うこともできる。
The
注入ヘッド2及び制御装置5は、検査室内に配置できるように非磁性体材料を用いて構成されている。具体的には、ステンレス、アルミニウム、プラスチック、真鍮、銅、セラッミックス等を用いて構成されている。さらに、操作室に配置されるコンソール6も、非磁性体材料を用いて構成すれば検査室内に配置できる。また、超音波モーター3も非磁性体材料を用いて構成されている。具体的には、弾性体の材料はリン青銅であり、シャフト35、ネジ及びスペーサの材料は真鍮であり、ケース、ベース及びローターの材料はアルミニウムであり、ブッシュの材料はフッ素樹脂である。これにより、MRI装置等の磁気を利用する機器の近傍で注入装置1を使用することができる。ただし、MRI装置から十分に離して使用する場合、磁気シールド処理を施した場合、又は他の撮像装置の近傍で使用する場合には、磁性体材料を用いて注入ヘッド2及び制御装置5を構成することもできる。
The
図2に示すように、制御装置5は、超音波モーター3を制御する制御部50と、コンソール6及び超音波モーター3に電力を供給する電源55とを有する。制御部50のメインCPU(制御ユニット)51は、ワンチップマイコンからなり、予めメモリ部(不図示)に記憶されたプログラムに応じて所定の演算、制御、判別などの処理動作を実行する。なお、メモリ部は、メインCPU(Central Processing Unit)が動作するためのシステムワークメモリであるRAM(Random Access Memory)、プログラム又はシステムソフトウェア等を格納するROM(Read Only Memory)、又はハードディスクドライブ等を備える。
As shown in FIG. 2, the
制御装置5にはコンソール6が接続されている。そして、制御装置5のメインCPU51は、コンソール6と信号の送受信を行う。このコンソール6から注入ヘッド2に装着されたシリンジ91の識別データが入力されると、メインCPU51はメモリ部に識別データを記憶させる。また、メインCPU51は、メモリ部に記憶されたプログラムに基づいて、超音波モーター3を制御する。
A
メインCPU51は、FPGA(Field-Programmable Gate Array)56との間で信号の送受信を行う。このFPGA56は、速度判定位相制御ユニット501と、駆動信号生成ユニット504と、実速度検出ユニット505とを有する。そして、制御部50においては、速度判定位相制御ユニット501、積分回路502、VCO(Voltage Controlled Oscillator)503、駆動信号生成ユニット504、ドライブ回路(駆動電圧生成ユニット)52、が順番に接続されている。このドライブ回路52は、超音波モーター3に接続されている。そして、超音波モーター3のローターには、超音波モーター3の回転速度に対応するパルス信号を出力するエンコーダー39が接続されている。このエンコーダー39は、実速度検出ユニット505にパルス信号を出力する。
The
オペレーターがコンソール6を操作して薬液の注入条件を設定すると、注入を開始するための指令信号がコンソール6からメインCPU51に送信される。そして、指令信号を受信したメインCPU51は、駆動信号生成ユニット504へ設定速度信号を出力し、該駆動信号生成ユニット504を制御する。この設定速度信号に基づいて、駆動信号生成ユニット504は、駆動電圧を生成するための駆動信号としてのsin生成信号、-sin生成信号、cos生成信号及び-cos生成信号と、位相転移信号とを生成する。そして、駆動信号生成ユニット504は、該駆動信号及び位相転移信号をドライブ回路52へ出力する。さらに、駆動信号等を受信したドライブ回路52は、超音波モーター3を駆動する駆動電圧としてのAC(Alternating Current)電圧(sin波、-sin波、cos波、-cos波)を生成して、超音波モーター3へ出力する。
When the operator operates the
超音波モーター3に接続されたエンコーダー39は、超音波モーター3の回転を検出して実速度検出ユニット505にパルス信号を送る。実速度検出ユニット505は、実速度を判定し、検出速度信号を速度判定位相制御ユニット501に送信する。また、速度判定位相制御ユニット501は、圧力リミット信号、設定速度信号をメインCPU51から受信する。そして、速度判定位相制御ユニット501は、検出速度信号、圧力リミット信号及び設定速度信号に基づいて、実速度を設定速度に一致させるように電圧を発生させる。積分回路502は、速度判定位相制御ユニット501が発生させた電圧を積分する。そして、VCO503は、積分された駆動電圧を対応する周波数の信号に変換する。
The
駆動信号生成ユニット504は、VCO503から受信した信号を4相の駆動信号に変換し、駆動信号(sin生成信号、-sin生成信号、cos生成信号、-cos生成信号)を生成する。そして、ドライブ回路52は、駆動信号生成ユニット504から受信した駆動信号及び位相転移信号に基づき、駆動電圧を生成する。なお、VCO503からは、速度判定位相制御ユニット501にも信号が送信され、フィードバック制御に利用される。これにより、制御部50は、設定された速度で回転するように超音波モーター3を制御することができる。また、メインCPU51は、電源制御信号を電源55に送信し、供給される電力を制御する。そして、電源55からは、コンソール6と、制御部50(メインCPU51、FPGA56、ドライブ回路52)と、超音波モーター3とに電力が供給される。
The drive
[速度制御]
以下、図3を参照して、本実施形態の速度制御について説明する。図3においては、ドライブ回路52が出力する駆動電圧の変化を概略的に上段に示し、超音波モーター3の回転速度を下段に示しており、横軸は時間を表している。また、図面左から右に延在する矢印により駆動電圧の一波形周期の長さを表している。なお、本実施形態においては、一例として、高速、中速、低速、超低速の4段階の回転速度について説明する。
[Speed control]
Hereinafter, the speed control of the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the change of the drive voltage output from the
メインCPU51は、予めメモリ部に記憶されたデータテーブルを用いることにより回転速度を設定又は演算し、設定又は演算された回転速度に応じた設定速度信号を駆動信号生成ユニット504へ入力する。そして、入力された設定速度信号に基づいて、駆動信号生成ユニット504は、超音波モーター3を駆動する駆動電圧を生成するための駆動信号を生成する。その後、駆動信号生成ユニット504は、駆動電圧を生成するドライブ回路52へ駆動信号を出力する。さらに、ドライブ回路52は、駆動信号に応じた駆動電圧を生成及び出力する。これにより、超音波モーター3を所望の速度で回転させることができる。なお、メインCPU51は、オペレーターが入力した注入速度に応じた設定速度信号を駆動信号生成ユニット504に送信してもよい。
The
第1実施形態においては、高速モード、中速モード、低速モード、超低速モードの4つのモードを設けている。そして、薬液の注入速度は、高速モード、中速モード、低速モード、超低速モードの順に低くなる。そのために、メインCPU51は、高速モード、中速モード、低速モード、超低速モードの順に駆動電圧のパルス幅が段階的に広くなるように(周波数が低くなるように)、駆動信号生成ユニット504に駆動信号を生成させる。なお、例えば、20ml用のシリンジを使用する場合、高速モードは100.0rpm以上240.0rpm以下(4.2ml/sec以上10.0ml/sec以下)の範囲に対応し、中速モードは30.0rpm以上100.0rpm未満(1.3ml/sec以上4.1ml/sec以下)の範囲に対応し、低速モードは10.0rpm以上30.0rpm未満(0.4ml/sec以上1.2ml/sec以下)の範囲に対応し、超低速モードは10.0rpm未満(0.3ml/sec以下)の範囲に対応する。
In the first embodiment, four modes of a high speed mode, a medium speed mode, a low speed mode, and an ultra-low speed mode are provided. And the injection | pouring speed | velocity | rate of a chemical | medical solution becomes low in order of a high speed mode, a medium speed mode, a low speed mode, and a super-low speed mode. For this purpose, the
さらに、超低速モードの場合、メインCPU51は、ドライブ回路52が駆動電圧を出力する出力期間t1、t3の後に、駆動電圧を出力しない待機期間t2、t4が設けられるように、駆動信号生成ユニット504を制御する。すなわち、駆動電圧を出力する出力期間においては、駆動信号生成ユニット504が設定速度信号に基づいて駆動信号を生成する。そして、出力期間に続く待機期間においては、設定速度信号に基づいて、駆動信号生成ユニット504が駆動信号を生成せずに待機する。
Further, in the ultra-low speed mode, the
この結果、駆動信号生成ユニット504は、待機期間t2、t4においては、駆動信号を生成及び出力しない。これにより、待機期間t2、t4の間は、ドライブ回路52が駆動電圧を生成及び出力しない。そのため、超低速モードにおいては、低速モードよりも、回転速度が低くなる。なお、図3においては、説明の便宜のため、出力されない待機期間t2、t4の駆動電圧を点線で示している。
As a result, the drive
このように本実施形態の駆動信号生成ユニット504は、スイッチング部等から入力される停止信号に基づいて待機するのではなく、入力される設定速度信号に基づいて所定の時間の間待機する。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。これにより、超低速モードであっても、超音波モーター3の回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。
As described above, the drive
さらに、待機期間t2、t4は、駆動電圧の所定数の波形周期に相当することが好ましい。すなわち、待機期間t2、t4が駆動電圧の所定数の波形周期と一致するように、メインCPU51が駆動信号生成ユニット504に駆動信号を生成させることが好ましい。例えば、本実施形態においては、出力期間t1、t3及び待機期間t2、t4の長さは、いずれも一波形周期に一致する時間である。これにより、所望の周波数の駆動電圧を容易且つ確実に得ることができる。例えば、人間の可聴周波数(例えば20kHz)以上の周波数が望まれる場合、超音波モーター3の仕様上の駆動電圧が44kHzだとすると、出力する駆動電圧の周期の数を二分の一に設定する。これにより、駆動電圧の周波数は、44kHzの二分の一である22kHzとなり、可聴周波数よりも大きくなる。
Furthermore, it is preferable that the standby periods t2 and t4 correspond to a predetermined number of waveform periods of the drive voltage. That is, it is preferable that the
なお、超音波モーター3の駆動電圧の周波数は44kHzには限られず、例えば30〜50kHzの範囲の周波数であってもよい。また、待機期間t2、t4は、駆動電圧の一波形周期に相当することがより好ましい。すなわち、待機期間t2、t4が駆動電圧の一波形周期と一致するように、メインCPU51が駆動信号生成ユニット504に駆動信号を生成させることがより好ましい。これにより、待機時間を短くすることができるので、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できる。そのため、一定の注入速度を維持することができる。ただし、注入速度を一定に維持することができる場合には、待機期間を二以上の波形周期と一致させることもできる。
Note that the frequency of the drive voltage of the
さらに、出力期間t1、t3が駆動電圧の一波形周期に相当することがより好ましい。すなわち、一波形周期に相当する出力期間t1、t3と一波形周期に相当する待機期間t2、t4とが交互に繰り返されるように、メインCPU51が駆動信号生成ユニット504に駆動信号を生成させることがより好ましい。これにより、一波形周期分の出力期間t1、一波形周期分の待機期間t2、一波形周期分の出力期間t3及び一波形周期分の待機期間t4が繰り返される。そして、待機期間が連続することがなく、一定の周期で駆動電圧が超音波モーター3に印加される。そのため、超音波モーター3が停止しやすい超低速モードであっても、安定的に超音波モーターを回転させることができる。その結果、注入速度を一定に維持することができる。
Furthermore, it is more preferable that the output periods t1 and t3 correspond to one waveform period of the drive voltage. That is, the
ただし、注入速度を一定に維持することができる場合には、二以上の波形周期に相当する出力期間又は待機期間を連続させることもできる。例えば、二波形周期に一致する出力期間と二波形周期に一致する待機期間とを交互に繰り返すことができる。また、二波形周期に一致する出力期間と一波形周期に一致する待機期間とを交互に繰り返すことができる。さらに、一波形周期に一致する出力期間を二回続けた後に、一波形周期に一致する待機期間を一回又は二回続けることもできる。 However, when the injection rate can be maintained constant, an output period or a standby period corresponding to two or more waveform periods can be continued. For example, an output period that matches two waveform periods and a standby period that matches two waveform periods can be alternately repeated. Further, the output period that matches the two waveform periods and the standby period that matches the one waveform period can be alternately repeated. Furthermore, after the output period that matches one waveform cycle is continued twice, the standby period that matches one waveform cycle can be continued once or twice.
また、待機期間t2、t4の長さは、出力期間t1、t3の長さと等しいことがより好ましい。これにより、駆動電圧が超音波モーター3に印加される期間と、駆動電圧が印加されない期間とが同じ間隔で繰り返される。そのため、超音波モーター3が停止しやすい超低速モードであっても、安定的に超音波モーターを回転させることができる。その結果、注入速度を一定に維持することができる。
More preferably, the lengths of the standby periods t2 and t4 are equal to the lengths of the output periods t1 and t3. Thereby, the period during which the drive voltage is applied to the
第1実施形態の注入装置によれば、入力される設定速度信号に基づいて、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく待機期間を短くすることができる。これにより、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。 According to the injection device of the first embodiment, the standby period can be shortened until the desired length is reached based on the input set speed signal. Therefore, the standby period can be shortened without depending on the performance of the switching unit. Thereby, even when the injection speed is very low, fluctuations in the rotational speed of the ultrasonic motor can be suppressed, so that a constant injection speed can be maintained.
[第2実施形態]
図4を参照して、第2実施形態について説明する。図3と同様に、図4においては、ドライブ回路52が出力する駆動電圧の変化を概略的に上段に示し、超音波モーター3の回転速度を下段に示しており、横軸は時間を表している。また、図面左から右に延在する矢印により駆動電圧の一波形周期の長さを表している。なお、第2実施形態は、速度制御の方法が第1実施形態とは異なるので、以下ではこの相違について説明する。また、図4においても、説明の便宜のため、出力されない待機期間t2、t4の駆動電圧を点線で示している。
[Second Embodiment]
The second embodiment will be described with reference to FIG. Similar to FIG. 3, in FIG. 4, the change in the drive voltage output from the
第1実施形態の超低速モードにおいては、駆動電圧を出力する出力期間t1、t3における駆動電圧の波形が正弦波となるように駆動信号を生成していた。一方、第2実施形態の超低速モードにおいては、駆動電圧を出力しない待機期間t2、t4が設けられることに加えて、出力期間t1、t3における駆動電圧の波形の位相を正弦波の位相からずらしている。すなわち、駆動電圧が、第1の位相の駆動電圧としてのsin波及び-sin波と、第2の位相の駆動電圧としてのcos波及び-cos波とを含み、第1の位相と第2の位相との位相差が90度からずれるように駆動信号が生成される。 In the ultra-low speed mode of the first embodiment, the drive signal is generated so that the waveform of the drive voltage in the output periods t1 and t3 for outputting the drive voltage is a sine wave. On the other hand, in the ultra-low speed mode of the second embodiment, in addition to the provision of standby periods t2 and t4 during which no drive voltage is output, the phase of the drive voltage waveform in the output periods t1 and t3 is shifted from the phase of the sine wave. ing. That is, the drive voltage includes a sine wave and a −sin wave as the drive voltage of the first phase, and a cos wave and a −cos wave as the drive voltage of the second phase, and the first phase and the second phase The drive signal is generated so that the phase difference from the phase deviates from 90 degrees.
具体的には、メインCPU51は、第1実施形態と比較してsin波及び-sin波の出力のタイミングをずらして遅く又は早くなるように、駆動信号生成ユニット504に駆動信号を生成させる。そのため、駆動信号生成ユニット504は、メインCPUから受信した設定速度信号を用いて位相のズレ量を定める。そして、該ズレ量に応じた分だけ、sin波及び-sin波の位相と、cos波及び-cos波の位相との位相差が90度からずれるように、駆動信号生成ユニット504が駆動信号を生成する。これにより、位相差が90度ではなくなる結果、超音波モーター3の回転速度が低くなり、注入速度も低くなる。なお、sin波及び-sin波の出力のタイミングをずらすことに代えて、cos波及び-cos波の出力のタイミングをずらしてもよい。
Specifically, the
さらに、第2実施形態においては、出力期間t1、t3及び待機期間t2、t4が駆動電圧の一波形周期に相当すると共に、一波形周期の出力期間と一波形周期の待機期間とが交互に繰り返されることがより好ましい。これにより、駆動電圧の出力期間において一波形周期単位で位相差のズレ量を定めることができる。そのため、複数の波形周期に対してズレ量を定める場合と比較して、波形周期毎の定めたズレ量と実際のズレ量との相違が小さくなる。その結果、注入速度の細かい制御を容易且つ確実に行うことができる。 Furthermore, in the second embodiment, the output periods t1 and t3 and the standby periods t2 and t4 correspond to one waveform period of the drive voltage, and the output period of one waveform period and the standby period of one waveform period are alternately repeated. More preferably. As a result, the amount of phase difference deviation can be determined in units of one waveform period in the drive voltage output period. Therefore, the difference between the shift amount determined for each waveform cycle and the actual shift amount is smaller than when the shift amount is determined for a plurality of waveform cycles. As a result, fine control of the injection rate can be performed easily and reliably.
このような第2実施形態の注入装置によっても、入力される設定速度信号に基づいて、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく待機期間を短くすることができる。これにより、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。さらに、第2実施形態の注入装置によれば、第1実施形態と比較して、待機期間を設けて注入速度を低下させることに加えて、さらに駆動電圧の位相差を設定することにより注入速度をさらに細かく制御することができる。 Also by such an injection device of the second embodiment, the standby period can be shortened until a desired length is reached based on the input set speed signal. Therefore, the standby period can be shortened without depending on the performance of the switching unit. Thereby, even when the injection speed is very low, fluctuations in the rotational speed of the ultrasonic motor can be suppressed, so that a constant injection speed can be maintained. Furthermore, according to the injection device of the second embodiment, in addition to lowering the injection speed by providing a standby period as compared with the first embodiment, the injection speed is further set by setting the phase difference of the drive voltage. Can be controlled more finely.
[第3実施形態]
図5を参照して第3実施形態について説明する。図5は、薬液の注入装置の一例としての、携帯型の注入装置301の概略断面図である。第3実施形態の超音波モーター317は、第1又は第2実施形態で説明した制御方法に従って制御される。この注入装置301は、輸液又は抗癌剤等の薬液を長時間に渡って低い注入速度で注入する。
[Third Embodiment]
A third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a
なお、第3実施形態の説明においては、第1実施形態との相違点について説明し、第1実施形態で説明した構成要素については同じ参照番号を付し、その説明を省略する。特に説明した場合を除き、同じ参照符号を付した構成要素は略同一の動作及び機能を奏し、その作用効果も略同一である。 In the description of the third embodiment, differences from the first embodiment will be described, the same reference numerals will be given to the components described in the first embodiment, and description thereof will be omitted. Except where specifically described, the constituent elements having the same reference numerals perform substantially the same operations and functions, and the effects thereof are also substantially the same.
注入装置301は、シリンジ321のプランジャー322を進退させるために本体310内で摺動する摺動部316を備えている。また、本体310内部には、駆動部として超音波モーター317が設けられ、摺動部316を介してプランジャー322に接続されている。超音波モーター317にはプーリー及びベルトを備えたプーリー部371が接続されており、このプーリー及びベルトを介して超音波モーター317が摺動部316に回転力を加える。
The
摺動部316は、ボールネジ又はすべりネジと螺合するネジナットを含み、超音波モーター317からの回転力により本体310内を摺動する。すなわち、摺動部316は、超音波モーター317からの回転力により軸受に支持されたネジ軸が回転することにより摺動する。また、摺動部316は装着部311を介してプランジャー322に接続されている。そして、摺動部316が本体310内を摺動することに伴い、プランジャー322が前進又は後進する。
The sliding
摺動部316は、軸受に回転可能に支持されたボールネジ軸と、ボールネジ軸の中間部に螺合されたボールネジナットとを含む。そして、ボールネジナットが、本体310に摺動可能に取り付けられたプランジャーフック(装着部)311と係合する。超音波モーター317の回転軸の回転は、プーリーとベルト(プーリー部371)を介して、ボールネジ軸に伝達される。これにより、ボールネジ軸が伝達された回転力に従って回転し、ボールネジ軸の回転に伴いボールネジナットが摺動する。
The sliding
ボールネジナットが摺動すると、プランジャーフック311を介してプランジャー322が前進又は後進する。すなわち、シリンジ321に対してプランジャー322が出し入れされる。そして、プランジャー322が後進すると、不図示の薬液バッグからシリンジ321内に薬液が流入する。一方、プランジャー322が前進すると、シリンジ321内の薬液がチューブへと流出し、カテーテルを介して使用者に注入される。この前進と後進の動作を繰り返すことにより、薬液を長時間連続して使用者に注入することができる。
When the ball screw nut slides, the
注入装置301の本体310は、超音波モーター317を制御するために、上述した制御部50(不図示)を備えている。そして、超低速モードの場合、駆動信号生成ユニット504は、駆動電圧を出力する出力期間t1、t3に続く待機期間t2、t4においては、設定速度信号に基づいて、駆動信号を生成せずに待機する。なお、第3実施形態においても、待機期間は、一波形周期と一致していることがより好ましい。また、一波形周期に相当する出力期間と一波形周期に相当する待機期間とが交互に繰り返されることがより好ましい。
The
第3実施形態の注入装置によっても、入力される設定速度信号に基づいて、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく待機期間を短くすることができる。これにより、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。なお、第3実施形態においても、第2実施形態と同様に、駆動電圧の第1の位相と第2の位相との位相差が90度からずれるように、駆動信号を生成することができる。 Also with the injection device of the third embodiment, the standby period can be shortened until the desired length is reached based on the input set speed signal. Therefore, the standby period can be shortened without depending on the performance of the switching unit. Thereby, even when the injection speed is very low, fluctuations in the rotational speed of the ultrasonic motor can be suppressed, so that a constant injection speed can be maintained. In the third embodiment, similarly to the second embodiment, the drive signal can be generated so that the phase difference between the first phase and the second phase of the drive voltage is shifted from 90 degrees.
以上、各実施形態を参照して本発明について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明に反しない範囲で変更された発明、及び本発明と均等な発明も本発明に含まれる。また、上述の各実施形態及び各変形例は、本発明に反しない範囲で適宜組み合わせることができる。 The present invention has been described above with reference to each embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment. Inventions modified within the scope not departing from the present invention and inventions equivalent to the present invention are also included in the present invention. In addition, the above-described embodiments and modifications can be combined as appropriate without departing from the scope of the present invention.
なお、上記実施形態において超音波モーター3の回転速度のモードは4段階には限定されず、3段階以下又は5段階以上のモードを設けることもできる。また、各モードに対応する注入速度の範囲内において、所望の回転速度となるように、出力する駆動電圧の電圧値又は周波数を変化させるができる。これにより、各モードにおいて、所望の注入速度を達成するように超音波モーターの回転速度を制御することができる。
In the above embodiment, the rotational speed mode of the
また、上記実施形態においては、超音波モーターと制御部とが別に設けられていたが、本発明はこれに限定されない。注入装置が、超音波モーター3と制御部50とが一体的に設けられた駆動装置を備え、該駆動装置によって駆動機構4を駆動することもできる。さらに、駆動信号生成ユニット504とドライブ回路52とを一体的に設けることにより駆動電圧生成部を構成することもできる。
Moreover, in the said embodiment, although the ultrasonic motor and the control part were provided separately, this invention is not limited to this. The injection device may include a driving device in which the
1:注入装置、2:注入ヘッド、3:超音波モーター、4:駆動機構、5:制御装置、6:コンソール、21:フレーム、35:シャフト、39:エンコーダー、41:伝達機構、50:制御部、51:メインCPU、52:ドライブ回路、55:電源、56:FPGA、91:シリンジ、92:シリンジホルダー、93:ピストン、301:注入装置、310:本体、311:装着部、316:摺動部、317:超音波モーター、321:シリンジ、322:プランジャー、371:プーリー部、411:ボールネジ軸、412:ボールネジナット、413:アクチュエーター、501:速度判定位相制御ユニット、502:積分回路、503:VCO、504:駆動信号生成ユニット、505:実速度検出ユニット 1: injection device, 2: injection head, 3: ultrasonic motor, 4: drive mechanism, 5: control device, 6: console, 21: frame, 35: shaft, 39: encoder, 41: transmission mechanism, 50: control Part: 51: main CPU, 52: drive circuit, 55: power supply, 56: FPGA, 91: syringe, 92: syringe holder, 93: piston, 301: injection device, 310: main body, 311: mounting part, 316: slide Moving part, 317: Ultrasonic motor, 321: Syringe, 322: Plunger, 371: Pulley part, 411: Ball screw shaft, 412: Ball screw nut, 413: Actuator, 501: Speed determination phase control unit, 502: Integration circuit, 503: VCO, 504: drive signal generation unit, 505: actual speed detection unit
Claims (3)
前記駆動信号生成ユニットによって、前記駆動電圧を生成する駆動電圧生成ユニットへ前記駆動信号を出力し、
前記駆動電圧を出力する出力期間に続く待機期間においては、前記設定速度信号に基づいて、前記駆動信号生成ユニットが前記駆動信号を生成せずに待機し、
前記駆動信号生成ユニットは、前記待機期間が前記駆動電圧の一波形周期に相当するように待機し、且つ前記出力期間が前記駆動電圧の一波形周期に相当するように前記駆動信号を生成する、超音波モーターの制御方法。 Based on the set speed signal input from the control unit to the drive signal generation unit, the drive signal generation unit generates a drive signal for generating a drive voltage for driving the ultrasonic motor,
The drive signal generation unit outputs the drive signal to a drive voltage generation unit that generates the drive voltage,
In the waiting period following the output period for outputting the drive voltage, on the basis of the set speed signal, the drive signal generation unit waits without generating said drive signal,
The drive signal generation unit waits for the standby period to correspond to one waveform period of the drive voltage, and generates the drive signal so that the output period corresponds to one waveform period of the drive voltage. Control method of ultrasonic motor.
前記第1の位相と前記第2の位相との位相差が90度からずれるように、前記駆動信号を生成する、請求項1に記載の超音波モーターの制御方法。 The drive voltage includes a first phase and a second phase;
The first so that the phase difference between the phase and the second phase is shifted from 90 degrees, to generate the drive signal, the control method for an ultrasonic motor according to claim 1.
超音波モーターと、
前記薬液を送り出すように、前記超音波モーターによって駆動される駆動機構と、
前記超音波モーターを駆動する駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記超音波モーターへ出力する駆動電圧生成ユニットと、
前記駆動電圧を生成するための駆動信号を生成し、前記駆動信号を前記駆動電圧生成ユニットへ出力する駆動信号生成ユニットと、
前記駆動信号生成ユニットへ設定速度信号を出力し、前記駆動信号生成ユニットを制御する制御ユニットとを備え、
前記設定速度信号に基づいて、前記駆動信号生成ユニットは、前記駆動電圧が出力される出力期間において前記駆動信号を生成すると共に、前記出力期間に続く待機期間においては前記駆動信号を生成せずに待機し、
前記駆動信号生成ユニットは、前記待機期間が前記駆動電圧の一波形周期に相当するように待機し、且つ前記出力期間が前記駆動電圧の一波形周期に相当するように前記駆動信号を生成する、注入装置。 An injection device for injecting a chemical solution,
An ultrasonic motor,
A drive mechanism driven by the ultrasonic motor so as to deliver the chemical solution;
A driving voltage generating unit for generating a driving voltage for driving the ultrasonic motor and outputting the driving voltage to the ultrasonic motor;
A drive signal generation unit that generates a drive signal for generating the drive voltage and outputs the drive signal to the drive voltage generation unit;
A control unit that outputs a set speed signal to the drive signal generation unit and controls the drive signal generation unit;
Based on the set speed signal, the drive signal generation unit generates the drive signal in an output period in which the drive voltage is output, and does not generate the drive signal in a standby period following the output period. I waited,
The drive signal generation unit waits for the standby period to correspond to one waveform period of the drive voltage, and generates the drive signal so that the output period corresponds to one waveform period of the drive voltage. Injection device.
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