JP4829565B2

JP4829565B2 - 超音波振動子駆動回路及び該回路を用いた眼科用超音波治療器

Info

Publication number: JP4829565B2
Application number: JP2005239260A
Authority: JP
Inventors: 彰滝沢
Original assignee: 株式会社地球人クラブ
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-08-22
Also published as: JP2007054085A

Description

本発明は、磁歪型の超音波振動子を駆動するための超音波振動子駆動回路と、該駆動回路を用いた眼科用の超音波治療器に関する。

眼精疲労を緩和するために、従来より、超音波を利用した目の治療器が知られている（例えば特許文献１など参照）。この種の治療器は、使用者の瞼の上に超音波振動部を軽く押し当て、その超音波振動部から発生させた超音波を使用者の瞼を介して眼球に作用させることで、眼球を取り囲む各種筋を振動させてマッサージ効果により眼精疲労を軽減するものである。なお、ここで言う「超音波」とは狭義の超音波（人間の可聴帯域外の超音波）ではなく、広義の超音波（人間が直接聞くことを目的としない音）のことである。

こうした装置において超音波振動子としては、一般に磁歪型（電磁型という場合もある）の振動子が利用される。磁歪型超音波振動子は、コイルに交流電流を流すことで生起させた磁界中に配置した振動子の磁歪現象を利用して、超音波を発生させるものである。

図５は上述した目の超音波治療器において、従来一般に用いられている超音波振動子の駆動回路の回路構成図である。この回路では、ＰＮＰトランジスタＴＲ１のエミッタ端子は抵抗Ｒ２を介して直流電圧源Ｂｖに接続され、ＰＮＰトランジスタＴＲ１のコレクタ端子は超音波振動子６の一次コイルＬ１を介してグラウンドに接続されている。超音波振動子６の一次コイルＬ１と磁気的に結合している二次コイルＬ２の一端はグラウンドに接続され、他端はコンデンサＣ１を介してＰＮＰトランジスタＴＲ１のベース端子に接続されている。また、ＰＮＰトランジスタＴＲ１のベース端子は抵抗Ｒ１を介してグラウンドに接続されている。

この構成では、ＰＮＰトランジスタＴＲ１は一次コイルＬ１→二次コイルＬ２→コンデンサＣ１により正帰還がかかっており、そのループ中の二次コイルＬ２のインダクタンスとコンデンサＣ１の容量とによって決まる周波数で発振する。図６はグラウンドを基準としたときのＰＮＰトランジスタＴＲ１のコレクタ端子の電圧波形である。例えば、次のような条件で実験的に電圧波形を測定すると、電圧波形のＶｐは６０〜８０Ｖとなる。
・抵抗Ｒ１：１ｋΩ、１／８Ｗ
・抵抗Ｒ２：２Ω、１Ｗ
・コンデンサＣ１：２．２μＦ、１６Ｖ
・ＰＮＰトランジスタ：型名２ＳＢ５４６Ａ
・コイルＬ１、Ｌ２: ０．１ｍｍφエナメル線を内径８ｍｍで巻回、直流抵抗１２．５ｋΩ
・電源電圧：５〜５．５Ｖ

上記条件をみれば分かるように、抵抗Ｒ２としては定格電力が大きなものが利用されているが、これは抵抗Ｒ２での熱の発生、つまりは電力損失が大きいことを意味している。即ち、上記回路構成では、バッテリより供給される直流電力の一部が抵抗Ｒ２で無駄に消費されており、超音波振動子６で振動エネルギーに変換される効率が必ずしも高くない。

特開平１１−２０６８３６号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、磁歪型の超音波振動子を効率良く駆動して、例えば同一の電力エネルギーに対しより大きな振動エネルギーを取り出すことができる超音波振動子駆動回路、及びこうした回路を利用した眼科用の超音波治療器を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、一次コイルと、該一次コイルと電磁的に結合した二次コイルと、該一次コイル及び二次コイルにより発生する磁界中で力を受けて振動する振動子とを含む超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路であって、
エミッタ端子が高電圧側電源線に接続されたＰＮＰトランジスタのコレクタ端子を前記一次コイルの一端に接続し、
該ＰＮＰトランジスタとコンプリメンタリであって、エミッタ端子が低電圧側電源線に接続されたＮＰＮトランジスタのコレクタ端子を前記一次コイルの他端に接続し、
その両トランジスタのベース端子間に該両トランジスタのベース端子のバイアス電圧を決める抵抗を接続し、
前記二次コイルの一端と前記ＰＮＰトランジスタのベース端子とを第１のコンデンサを介して接続するとともに、前記二次コイルの他端と前記ＮＰＮトランジスタのベース端子とを第２のコンデンサを介して接続し、
前記ＰＮＰトランジスタ、前記第１のコンデンサ、前記一次コイル、前記二次コイルを含む正帰還ループと、前記ＮＰＮトランジスタ、前記第２のコンデンサ、前記一次コイル、前記二次コイルを含む正帰還ループとで同時に発振動作を行わせることにより振動子を駆動することを特徴としている。

本発明に係る超音波振動子駆動回路において、例えば高電圧側電源線とはバッテリ等から正の直流電圧が供給される電源線であり、低電圧側電源線とはグラウンドである。また、高電圧側電源線をグラウンドとし、低電圧側電源線を負の直流電圧が供給される電源線としてもよい。

本発明に係る超音波振動子駆動回路では、ＰＮＰトランジスタを含む正帰還ループと、コンプリメンタリであるＮＰＮトランジスタを含む帰還ループとが超音波振動子の一次コイル及び二次コイルを挟んで高電位側と低電位側との両方で発振動作を行う。これにより、従来のようにＰＮＰトランジスタを含む正帰還ループしか持たない場合に比べて、発振信号の振幅が拡大する。この振幅を拡大するためのエネルギーは従来の回路で熱として消費されていたものであり、本発明に係る超音波振動子駆動回路では、この熱として廃棄されていた電力エネルギーの利用効率を上げて、大きな超音波振動を生起させることができる。

また、超音波振動子の一次コイル及び二次コイルを挟んで高電位側と低電位側とで発振波形をほぼ対称にすることで最大の信号振幅を得るようにするためには、二次コイルの一端とＰＮＰトランジスタのベース端子との間に介挿された第１のコンデンサと、二次コイルの他端とＮＰＮトランジスタのベース端子との間に介挿された第２のコンデンサの容量を同一にするとよい。

なお、本発明に係る超音波振動子駆動回路は、数ｋＨｚ程度から２０ｋＨｚ程度、場合によっては数十ｋＨｚ程度までの音波（超音波）を発生させたり、機械的振動を生じさせたりするために利用することができ、その応用は、例えば小形のマッサージ機、振動板など各種のものが考えられるが、特に眼科用超音波治療器に有用である。

即ち、本発明に係る眼科用超音波治療器は、上記発明による超音波振動子駆動回路と、これにより駆動される超音波振動子と、該超音波振動子による振動を外部に取り出す導子と、を備え、該導子を被験者の瞼の上に接触させることで超音波振動を被験者の目に作用させるようにしたものである。これによれば、効率良く導子を振動させることで、治療に効果的な超音波振動を発生させることができる。

以下、本発明に係る波振動子駆動回路の一実施例について詳細に説明する。図１は本発明に係る超音波振動子駆動回路を用いた眼科用超音波治療器の一例の概略ブロック構成図である。

この超音波治療器では、バッテリ３により電力が供給される制御部１には電源スイッチ２、表示器４、ブザー８が接続され、電源スイッチ２が押される毎にこれを検出した制御部１はこの装置をオン／オフする。表示器４は電源ランプとバッテリ消耗警告ランプとを含み、ユーザーによる電源スイッチ２の操作により電源がオンされると、制御部１は電源ランプを点灯させるとともにバッテリ３による駆動電力を振動子駆動回路５に供給することにより振動子駆動回路５の動作を開始させる。振動子駆動回路５は所定周波数の発振回路を含み、バッテリ３により電力が供給されると磁歪型の超音波振動子６を駆動して所定周波数で振動させる。通常、この周波数は６〜１２ｋＨｚ程度である。この振動はユーザーの瞼の上に接触される導子７を介してユーザーの眼球の周囲に伝播される。制御部１に含まれるタイマ９は電源スイッチ２がオン操作されてからの時間を計時し、所定時間（例えば５分、１０分など）が経過するとブザー８を鳴動させて、ユーザーの注意を喚起する。

次に本発明の特徴である超音波振動子駆動回路について図２〜図４を参照して説明する。図２は振動子駆動回路の回路構成図、図３は図２の駆動回路により駆動される超音波振動子の概略図、図４は図２の駆動回路の動作を説明するための波形図である。

図２に示す振動子駆動回路５では、エミッタ端子が直流電源Ｂｖに接続されたＰＮＰトランジスタＴＲ１のコレクタ端子と、エミッタ端子がグラウンド（０Ｖ）に接続されたＮＰＮトランジスタＴＲ２のコレクタ端子との間に、超音波振動子６の一次コイルＬ１が接続され、ＰＮＰトランジスタＴＲ１のベース端子とＮＰＮトランジスタＴＲ２のベース端子との間に抵抗Ｒ１が接続されている。さらに、超音波振動子６の二次コイルＬ２の一端はコンデンサＣ１を介してＰＮＰトランジスタＴＲ１のベース端子に接続され、二次コイルＬ２の他端はコンデンサＣ２を介してＮＰＮトランジスタＴＲ２のベース端子に接続されている。ここで、ＰＮＰトランジスタＴＲ１とＮＰＮトランジスタＴＲ２とはコンプリメンタリであるものが選定され、コンデンサＣ１とＣ２とは同容量である。したがって、超音波振動子６のコイルＬ１、Ｌ２を挟んで高電位（電源）側と低電位（グラウンド）側とで対称の構成となっている。

超音波振動子６では、図３に示すように磁心６ａに巻回された一次コイルＬ１、二次コイルＬ２に交流電流が流れ、その交流電流による磁界の変化に応じて磁歪型の振動子６ｂが振動する。なお、一次コイルＬ１、二次コイルＬ２はちょうどトランスの一次巻線と二次巻線との関係を有しており、一次コイルＬ１に電流が流れると電磁的結合により二次コイルＬ２にも電流が流れる。

図２の構成の回路では、例えばＰＮＰトランジスタＴＲ１のコレクタ端子から一次コイルＬ１に交流電流が流れると、上記のように二次コイルＬ２にも交流電流が誘起される。この交流電流は第１コンデンサＣ１を介してＰＮＰトランジスタＴＲ１のベース端子に正帰還される。即ち、ＰＮＰトランジスタＴＲ１を中心にした一次コイルＬ１→二次コイルＬ２→第１コンデンサＣ１となるループは正帰還ループであるから、二次コイルＬ２のインダクタンスと第１コンデンサＣ１の容量とで決まる周波数で発振するＬＣ共振回路を構成する。一方、超音波振動子６のコイルＬ１、Ｌ２の低電位側においても、ＮＰＮトランジスタＴＲ２を中心にした、一次コイルＬ１→二次コイルＬ２→第２コンデンサＣ２となるループは正帰還ループであるから、二次コイルＬ１のインダクタンスと第２コンデンサＣ２の容量とで決まる周波数で発振するＬＣ共振回路を構成する。なお、抵抗Ｒ１は両トランジスタＴＲ１、ＴＲ２のベース端子のバイアス電圧を決めるための抵抗である。

即ち、図２の回路では、従来の図４の回路と異なり、ＰＮＰトランジスタＴＲ１のエミッタ端子と電源との間に介挿されていた抵抗が不要になり、この抵抗で熱として消費していたエネルギーがＮＰＮトランジスタを含む回路により倍振幅振動エネルギーに変換される。そのため、電力エネルギーの使用効率が上がり、より大きなパワーで振動子６ｂを駆動することができる。図４においてａはグラウンドを基準としたＰＮＰトランジスタＴＲ１のコレクタ端子の電圧波形、ｂはグラウンドを基準としたＮＰＮトランジスタＴＲ２のコレクタ端子の電圧波形である。この両電圧が超音波振動子６の一次コイルＬ１の両端に印加され、その電圧差に応じて振動子６ｂは振動する。

一例として、次のような条件で実験的に電圧波形を測定した。
・抵抗Ｒ１：１ｋΩ、１／８Ｗ
・コンデンサＣ１、Ｃ２：２．２μＦ、２５Ｖ
・ＰＮＰトランジスタ：型名２ＳＢ５４６Ａ
・ＮＰＮトランジスタ：型名２ＳＤ４０１Ａ
・コイルＬ１、Ｌ２: ０．１ｍｍφエナメル線を内径８ｍｍで巻回、直流抵抗１２．５ｋΩ
・電源電圧：５〜５．５Ｖ
このとき、図４に示す電圧波形のＶｐは９０〜１３０Ｖとなり、従来の回路構成よりも１．５〜１．６倍程度の効率で超音波振動を起こすことが可能であることがわかる。

なお、上記実施例では、両コンデンサＣ１、Ｃ２の容量を同一にしており、これが最も効率が良好になる条件ではあるものの、必ずしもＣ１、Ｃ２の容量は同一でなくてもよい。また、これらコンデンサＣ１、Ｃ２は有極性電解コンデンサであるが、無極性電解コンデンサや電解コンデンサ以外の種類のコンデンサであってもよい。

また、上記実施例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明に係る超音波振動子駆動回路を用いた装置の一例である超音波治療器の概略ブロック構成図。本発明の一実施例である超音波振動子駆動回路の回路構成図。図２の駆動回路により駆動される超音波振動子の概略図。図２の駆動回路の動作を説明するための波形図。従来の超音波振動子駆動回路の回路構成図。図５の駆動回路の動作を説明するための波形図。

符号の説明

１…制御部
２…電源スイッチ
３…バッテリ
４…表示器
５…振動子駆動回路
ＴＲ１…ＰＮＰトランジスタ
ＴＲ２…ＮＰＮトランジスタ
Ｃ１…第１コンデンサ
Ｃ２…第２コンデンサ
Ｒ１…抵抗
６…超音波振動子
Ｌ１…一次コイル
Ｌ２…二次コイル
６ａ…磁心
６ｂ…振動子
７…導子
８…ブザー
９…タイマ

Claims

一次コイルと、該一次コイルと電磁的に結合した二次コイルと、該一次コイル及び二次コイルにより発生する磁界中で力を受けて振動する振動子とを含む超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路であって、
エミッタ端子が高電圧側電源線に接続されたＰＮＰトランジスタのコレクタ端子を前記一次コイルの一端に接続し、
該ＰＮＰトランジスタとコンプリメンタリであって、エミッタ端子が低電圧側電源線に接続されたＮＰＮトランジスタのコレクタ端子を前記一次コイルの他端に接続し、
その両トランジスタのベース端子間に該両トランジスタのベース端子のバイアス電圧を決める抵抗を接続し、
前記二次コイルの一端と前記ＰＮＰトランジスタのベース端子とを第１のコンデンサを介して接続するとともに、前記二次コイルの他端と前記ＮＰＮトランジスタのベース端子とを第２のコンデンサを介して接続し、
前記ＰＮＰトランジスタ、前記第１のコンデンサ、前記一次コイル、前記二次コイルを含む正帰還ループと、前記ＮＰＮトランジスタ、前記第２のコンデンサ、前記一次コイル、前記二次コイルを含む正帰還ループとで同時に発振動作を行わせることにより振動子を駆動することを特徴とする超音波振動子駆動回路。
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの容量を同一にしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子駆動回路。
請求項１又は２に記載の超音波振動子駆動回路と、これにより駆動される超音波振動子と、該超音波振動子による振動を外部に取り出す導子と、を備え、該導子を被験者の瞼の上に接触させることで超音波振動を被験者の目に作用させるようにしたことを特徴とする眼科用超音波治療器。