用于醫(yī)療設備的音圈驅動技術

作者：JIM McNAMARA高級應用工程師BEI Kimco

與需要運動控制的絕大多數(shù)系統(tǒng)相比，醫(yī)療設備通常更小更輕，這僅僅是因為它們通常是手持或舉起的便攜式/移動系統(tǒng)。例如，醫(yī)生使用類似于牙科工具的小型手持設備進行皮膚磨損。因此，在可能的情況下，必須選擇醫(yī)療設備所需的內(nèi)部組件，以提供最小的整體設備占用空間。

音圈致動器 (VCA) 技術非常適合醫(yī)療設計；然而，盡管 VCA 具有理想的性能特征，但許多人并不熟悉這種運動控制解決方案，因此經(jīng)常被忽視。VCA 最初用于音頻揚聲器，作為一種快速移動隔膜以產(chǎn)生氣壓波或聲音的方法，此后，VCA 已被用于許多其他應用中，以提供精確的線性或旋轉運動，同時還提供其他理想屬性，例如低滯后、無齒槽或止動，加速度和力高，使用壽命長。

在設計需要線性或旋轉運動控制的小型、便攜/移動醫(yī)療設備時，基本上有三種選擇：VCA、螺線管和帶絲杠的電機。表 1 比較了工程師在為便攜式/移動醫(yī)療應用選擇執(zhí)行器時需要考慮的關鍵屬性。

音圈致動器是非?？煽?、可重復和可預測的，具有低滯后。VCA 的遲滯可低至 10 mN，而步進電機執(zhí)行器等其他設備的遲滯為 200 mN 或更高。與使用步進作為滯后測量的步進電機的執(zhí)行器相比，VCA 是單相直接驅動設備，因此不存在這個問題。這允許 VCA 與開環(huán)或閉環(huán)控制算法一起使用。與螺線管相比，VCA 在兩個方向上都是可控的，而不僅僅是通電或不通電。在接下來的部分中，我們將主要檢查與 VCA 相關的執(zhí)行器屬性。 ?

尺寸、重量和熱量今天，用于便攜式/移動醫(yī)療設備的大多數(shù)執(zhí)行器的直徑只有大約 1.5 英寸或更小，重量僅為 1 磅或更小。在許多情況下，VCA 可以做得比其他運動控制設備更小，以減輕重量并適合緊湊的組件。然而，較小的致動器尺寸通常會減少散熱，從而導致可能的過熱。這就是為什么在考慮尺寸與熱量之間的權衡時，重要的是要了解執(zhí)行器的熱特性和集成它的系統(tǒng)。底線權衡只是較小意味著更熱，而更大意味著更冷。

內(nèi)部熱溫度是需要考慮的重要因素，尤其是如果 VCA 將直接用于患者。致動器線圈的位置是產(chǎn)生多少熱量的關鍵區(qū)別。動磁式（相對于動圈式）VCA 憑借其固定線圈設計（圖 1）非常適合散熱。

圖 1：動磁式音圈致動器（左）保持線圈固定，與動圈式致動器（右）相比，線圈組件產(chǎn)生的熱量可以輕松管理。

動磁致動器允許磁體移動并保持線圈固定，從而更容易管理線圈組件產(chǎn)生的熱量；由于線圈位于動磁致動器的外部，因此產(chǎn)生的熱量也在外部。因此，該致動器提供了良好的熱路徑和更好的散熱。然而，另一個權衡是增加移動質量和降低加速度。 ?

安全性 在許多醫(yī)療應用中，磁性閂鎖和彈簧用于使 VCA 在未通電時保持在“原位”位置。換言之，即使沒有通電時產(chǎn)生的熱量，執(zhí)行器功能也能保持。此安全功能可以防止?jié)撛诘倪^熱導致其燒毀、太熱而無法保持或影響執(zhí)行器附近對溫度敏感的其他物體。

另一個重要的安全特性可以通過呼吸機閥門的例子來說明。在這里，如果電源關閉，閥門可以保持打開狀態(tài)，讓患者繼續(xù)自己呼吸。

不考慮安全問題，磁性閂鎖和彈簧還可以通過消除對外部彈簧或其他類型的控制/安全功能的需求來減小醫(yī)療設備的整體尺寸。

力/扭矩和沖程然而，要利用這一優(yōu)勢，首先必須確保 VCA 力的能力可以克服所使用的閂鎖或彈簧的力（見圖2）。必須設計控制方案，使其不會無意中超速驅動 VCA，因為 VCA 只會執(zhí)行被告知的操作。這意味著必須正確配置 VCA 以保護可能連接到的敏感硬件免受損壞。 ?

圖 2：當考慮在執(zhí)行器上使用磁性閂鎖和彈簧時，重要的是要確保執(zhí)行器能夠克服所使用的閂鎖或彈簧的力。上圖顯示了給定執(zhí)行器本身的能力與其具有內(nèi)置磁性閂鎖（上圖）或磁性彈簧（下圖）時的性能相比。

VCA 以相對于其尺寸具有較高的力/扭矩而聞名。音圈產(chǎn)生的力/扭矩可用于位置控制或產(chǎn)生加速度。這是確定所需執(zhí)行器尺寸的起點。

行程是 VCA 需要為給定應用程序移動多遠，是確定 VCA 大小的另一個關鍵因素。在醫(yī)療應用中，行程可能小至 0.25 至 0.5 英寸，而其他工業(yè)應用的行程范圍為 0.5 至 2 英寸。VCA 沒有最小行程限制；但是，它們的行程能力可能會受到內(nèi)置或外部位置傳感器的分辨率的限制。 ?

速度和位置精度VCA 可以實現(xiàn)非常高的速度，這種能力是它們勝過其他運動控制設備的地方。高速還有助于實現(xiàn)高加速度和振蕩頻率。VCA 的典型峰值速度為 3.3 m/s。

對于醫(yī)療設計師來說，了解執(zhí)行器在位置精度、速度和加速度方面的需求，以選擇正確的執(zhí)行器或進行定制非常重要。執(zhí)行器是一種模擬設備，因此它具有無限的精度能力。它的精度僅受命令它的傳感器（或控制器）的限制，無論它是單獨的還是實際內(nèi)置在執(zhí)行器本身中。 ?

生物相容性一些醫(yī)療應用要求致動器中的材料具有生物相容性，以防與患者接觸。在這些情況下，制造商必須向客戶披露所有執(zhí)行器材料，以獲得 FDA 批準。

可以專門構建 VCA 以滿足這些要求。雖然標準 VCA 通常與許多化學品、反應流體或低釋氣要求不兼容，但定制工程可以使 VCA 適應各種 IP 等級和/或具有低釋氣材料的結構。

有殼和無殼執(zhí)行器提供執(zhí)行器外殼并不是唯一的，但無殼執(zhí)行器有助于將其集成到組件中。無外殼執(zhí)行器也更便宜，最終可能更小，但它們確實需要設計工程師構建機械結構以保持所需的磁場和線圈同心度。對于設計工程師來說，封閉式執(zhí)行器更加方便和交鑰匙。

作為未封裝的設備，VCA 沒有摩擦或磨損。這意味著設計具有 VCA 的產(chǎn)品的工程師可以選擇或設計磁場和線圈支撐系統(tǒng)，以滿足他自己的摩擦和磨損要求。工程師通常會設計自己的支持系統(tǒng)，因為封裝的 VCA 不適用于其獨特的應用。?

功率確保有足夠的功率來滿足性能要求非常重要。VCA 的規(guī)格通常顯示力/扭矩、電流和功率的峰值和連續(xù)額定值，通常適用于 5 至 300 V 的直流電壓。在醫(yī)療用途中，相當?shù)湫偷?VCA峰值為 232 W ，連續(xù)功率約為 50 W（通常額定在 12 和 48 V 之間）。 ?

功能和限制VCA 可以設計為滿足醫(yī)療應用（例如手機、呼吸機和其他精密醫(yī)療器械）的尺寸和性能要求。（參見邊欄，“醫(yī)療 VCA 示例”。）力和行程要求是 VCA 是否適用于給定醫(yī)療應用的決定因素。在需要較長生命周期的應用中（如大多數(shù)醫(yī)療要求），選擇 VCA 是因為其他設備的機械齒輪不能持久。價格也可能是一個因素，因為 VCA 通常比其他解決方案更昂貴。然而，它們的長壽命、速度和其他優(yōu)勢往往超過價格因素。

審核編輯 黃昊宇