JPH02253890A - 超音波発生装置における超音波振動子駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超音波発生装置における超音波振動子駆動
回路、詳しくは圧電素子からなる超音波振動子を、超音
波発生源として有する超音波発生体における上記超音波
振動子の駆動回路に関するものである。

し従来の技術〕 近年、医療分野において非侵襲的治療法として、体外で
発生させた超音波を体内の結石に向けて集束するように
照射し、超音波エネルギにより結石を破壊するようにし
た治療法が、広く一般化された衝撃波治療法という形で
確立されつつある。また結石破壊だけではなく、腫瘍の
加熱治療等にも超音波が持つ種々の作用に石目した新た
な治療技術が研究されている。

そして、超音波の発生手段としては放電、微小発破、誘
導起電力を利用したものがあるが、寿命が長く音圧制御
が容品という点ではＰＺＴ　（チタン酸ジルコン酸鉛）
等の圧電素子を用いたものが有利である。

この圧電素子を使用した超音波治療装置としては、フラ
ンス国のＥＤＡＰ社が製作している衝撃波治療装置（Ｅ
ＳＷＬ）がよく知られている。このＥＤＡＰ社の装置は
、超音波を集束させるために超音波振動子取付体を球殻
形状に形成し、その内面に超音波振動子としての圧電素
子を約３００個、配置したものである。また、この圧電
素子は個々に、その駆動回路を持っており、従って、駆
動回路全体の大きさは２ｍ近い高さのラック３本分とい
う大型なものとなっている。

このように圧電素子方式においては、多数の圧電素子お
よびこれの駆動回路が個々に必要とされるため、小型で
高効率の駆動回路が望まれる。

そして、このような圧電素子の駆動回路の一例として、
従来、Ｕ　Ｓ　Ｐ　４．７３６，１９２号に開示されて
いる圧電素子の駆動回路がある。この駆動回路は、圧電
素子に直列に接続したインダクタンスと圧電素子の容量
分とによる共振回路の周波数を、圧電素子の共振周波数
に一致させるようにしたものである。

［発明が解決しようとする課題〕 ところが、このＵ　Ｓ　Ｐ　４，７３６．１９２号に開
示された圧電素子の駆動回路においては、圧電素子のパ
ラメータのばらつきを考えると、−個のインダクタンス
で完全に共振周波数にチューニングさせることは難しい
し、高調波を発生する恐れがあり、効率の低下につなが
るという不具合があり、更に不要輻射によるノイズ発生
の原因ともなり易いという欠点もある。

従って、本発明の目的は、上記従来の欠点を除去し、小
型で高調波の発生が少なく、高効率で圧電素子を駆動す
ることができる、超音波発生装置における超音波振動子
駆動回路を提供するにある。

［課題を解決するための手段および作用］本発明による
超音波振動子駆動回路は、一端が正の電源端子に接続さ
れた、インダクタンスＬとコンデンサＣの並列回路と、 この並列回路の他端と負の電源端子間に接続されたスイ
ッチ手段と、 インダクタンスと直列回路を形成して上記スイッチ手段
に対して並列に接続された上記超き波振動子と、 で構成したことを特徴とするものである。

［実　施　例］ 以下、図示の実施例によって本発明を説明する。

先ず、実施例を説明するに先立ち、本発明の超音波振動
子駆動回路の原理を、第１図および第２図によって説明
する。第１図に示すように、本発明による駆動回路は正
の電源端子１に一端が接続された、インダクタンスＬの
コイル５と容ＲＣのコンデンサ６の並列回路と、この並
列回路の他、端と負の電源端子２間に接続されたスイッ
チ手段７と、このスイッチ手段７に対して並列に接続さ
れた、インダクタンスＬ１のコイル８と圧電素子からな
る超音波振動子９の直列回路とで、その主要部が構成さ
れている。上記スイッチ手段７は制御入力端子３に入力
される制御信号により出力素子駆動回路４を介して、そ
のスイッチ作用が制御されるようになっている。

第２図は、上記圧電素子９の等価回路であって、圧７は
索子９は、電気的には、抵抗分Ｒ８，インダクタンス分
Ｌ　、容量分Ｃ９の直列回路に容量Ｃ１が並列に接続さ
れた形で表わされる。

また、上記コイル５のインダクタンスＬとコイル８のイ
ンダクタンスＬ１とは、圧電素子９の容態成分をＣ８′
とし、同圧電素子９の共振周波数をｆ。とすると、 で選定される。

このように構成された第１図の超音波振動子駆動回路に
おいては、制御入力端子３に印加される制御信号によっ
てスイッチ手段７が開閉し、これによってコイル５には
そのインダクタンスＬにより電源電圧子Ｂよりも高い電
圧の振幅をもつ１Ωｉ周波電圧が誘起される。このとき
、コンデンサ６の容１ｕＣを適当に設定することで、ス
イッチ手段７の開閉周波数よりも高い周波数を除去する
ことができる。

そして、上記コイル５で発生した高周波電圧は、コイル
８で更に昇圧された圧電素子９に高電圧として印加され
る。また、コイル８のインダクタンスＬ　と圧電素子９
の容量Ｃ１とで構成されるＬＣフィルターのカットオフ
周波数を、圧電素子９の駆動周波数に設定すれば、不要
な高、′Ｊ３波の発生を抑えることができる。

第３図は、本発明の第１実施例を示す超音波振動子駆動
回路である。上記スイッチ手段７は本実施例に示す如く
、具体的にはパワーＭＯＳ　　ＦＥＴ１８で形成され、
上記出力素子駆動回路４はインバーター５と直流カット
用コンデンサ１６とゲート抵抗１７で構成される。その
他の構成は上記第１図の原理回路と全く同様に構成され
る。また、この駆動回路の作用も上記第１図のものと同
様であるから省略する。

なお、第３図の駆動回路においては、コイル５およびコ
ンデンサ６の並列回路とパワーＭＯ３ＦＥＴ１８の直列
回路に並列に、パス用コンデンサ１４が接続されていて
、電源電圧に含まれている交流底′Ｉ）をパスさせるよ
うになっている。

第４図は、上記第１実施例の駆動回路の各部品に実際に
定数を当てはめて実験した回路例で、パワーＭＯ８ＦＥ
Ｔに２ＳＫ７８７を使用し、正の電源端子ｌには７ヒ源
７ｕ圧十Ｂ−８１Ｖを印加した場合である。第５図（Ａ
）（Ｂ）は、この実験回路における出力電流Ｉ。、出力
電圧Ｖ。およびドレイン電圧ＶＤをａｐｌ定したオシロ
スコープ上の波形をそれぞれ示したものである。ドレイ
ン電圧ＶＤのピーク値は電源インピーダンスとコイル５
のインダクタンスＬおよびコンデンサ６の容量Ｃの値に
よって決まる。この波形からも解るように、第４図の駆
動回路によれば出力電圧Ｖ。、出力電流Ｉｏともに５０
０ＫＨｚの正弦波に近い安定した波形が得られた。

第６図は本発明の第２実施例を示したものである。この
超音波振動子駆動回路は、超音波振動子である圧電索子
９をプッシュプル回路で駆動するようにしたものである
。即ち、圧電素子９の両端に、前記第３図の第１実施例
の駆動回路と全く同様の駆動回路をそれぞれ一対として
接続したものであって、一方のパワーＭＯ３ＦＥＴ１８
には２個のインバータ４ａ、４ｂを通じて制御入力端子
３から制御電圧が入力せられ一他方のパワーＭＯ９ＦＥ
７１８’　には１個のインバータ４′を通じて制［圧が
印加されるようになっている。

このように構成した第２実施例の駆動回路においては、
スイッチ手段としてのパワーＭＯＳ　　ＦＥＴ１８．１
８’の各ドレインに表われる電圧波形は逆位相となり、
パワーＭＯＳ　　ＦＥＴ１８゜１８′は互いに逆のタイ
ミングで開閉する。従って、この回路によれば、前記第
３図の第１実施例の駆動回路の２倍の高電圧を発生する
ことができる。

この第２実施例の駆動回路によれば、電源電圧よりも数
倍も高い電圧を発生させることができるのに加えて、圧
電素子９の電極間に直流電圧が印加されないため、より
安全な駆動回路を実現することができる。

次に、第７図は上記各実施例に示した超音波振動子駆動
回路の通用された超音波発生装置を有する超音波治療機
の一例を示したものである。

超音波発生装置２０は、一箇所に超音波を集束させるた
めに振動子取付用内面が球殻形状に形成された超音波振
動子取付体２１と、この取付体２１の内面に多数個、取
り付けられた超音波振動子であるＰＺＴ等の圧電索子２
９と、上記振動子取付用内面に対向して上記取付体２１
に水密的に固るされていて、患者２２の治療部位２３に
対応する人体表面に圧接される薄膜２４と、この薄膜２
４と上記振動子取付用内面との間に充填された、水等の
超音波伝播液２５と、上記取付体２１の外表面に適宜の
手段によって固定された金属ベース基板からなる回路基
板２６と、この回路基板２６に取り付けられた本発明に
よる超音波振動子駆動回路とで構成されている。

上記駆動回路は、回路基板２６の表面上にパワーＭＯ３
ＦＥＴ１８　（１８’　）が取り付けられ、裏面がわに
各部品が取り付けられていて、シールド板２７で覆われ
ている。そして、この駆動回路には直流？［［３０から
電源電圧子Ｂが印加されるようになっており、上記ＦＥ
Ｔ１８　（１８’　）の制御入力端子３（第１．　３．
６図参照）には、発振器３１で発生したパルス状制御電
圧がフォトカブラ３３ａで光信号に変換されて光ファイ
バー３２を通じて伝送され、更にフォトカブラ３３ｂで
制ｒａ電圧に復元されて印加されるようになっている。

このように光ファイバー３２を用いると、輻射ノイズの
影響を受けないので有利である。また、上記回路基板２
６には金属ベース基板が使用されているため、放熱５強
度、耐圧の点で有利であり、史に超音波発生器を形成す
る超音波振動子取付体２１と上記パワーＭＯＳ　　ＦＥ
Ｔ１８（１８’）のヒートシンクを共通にすると小型。

冷却化に有利である。

このように構成された超音波発生装置２０を有する超音
波治療機では、本発明による駆動回路によって圧電素子
１８　（１８’　）が駆動せられて効率の良い安定した
超音波が発生される。そして、この超音波は超音波伝播
液２５を通じて損失なく、人体内の治療部位２３に向け
て集束せられて超に波治療が施される。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、この種、従来の欠点
を除去し、高調波の発生が少ない小型で高効率の圧電素
子駆動を行なうことができる超音波振動子駆動回路を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本回路を示す超音波振動子の駆動
回路図、 第２図は、超音波振動子である圧電素子の等価回路図、 第３図は、本発明の第１実施例を示す超音波振動Ｔ駆動
回路図、 第４図は、上記第１実施例の駆動回路に更に具体的な定
数を与えて実験した駆動回路図、第５図（＾）（Ｂ）は
、上記第４図の駆動回路における出力電流、出力電圧お
よびドレイン電圧の波形図、 第６図は、本発明の第２実施例を示す超音波振動子駆動
回路図、 第７図は、本発明の超音波振動子駆動回路をＨする超音
波発生装置の概略構成図である。 １・・・・・・・・・・・・正の電源端子２・・・・・
・・・・・・・負の７ヒ源端子５．８・・・・・・イン
ダクタンス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子からなる超音波振動子を有する超音波発
   生体によって、体外で発生させた超音波を体内の結石や
   腫瘍等の治療部位に向けて照射して治療する超音波発生
   装置において、 上記超音波振動子の駆動回路を、 一端が正の電源端子に接続された、インダクタンスＬと
   コンデンサＣの並列回路と、 この並列回路の他端と負の電源端子間に接続されたスイ
   ッチ手段と、 インダクタンスと直列回路を形成して上記スイッチ手段
   に対して並列に接続された上記超音波振動子と、 で構成したことを特徴とする超音波振動子駆動回路。