JPH04247268A - 超音波振動装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波溶解促進装置等
に用いられる超音波振動子を駆動する超音波振動装置に
関する。

【０００２】

【従来技術】従来、この種の超音波治療装置における超
音波振動子駆動回路では、小型で高効率なスイッチング
駆動方式がしばしば用いられる。例えば、ＵＳパテント
４７３６１９２号に開示されるような、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
るようにしたものがある。また、圧電素子のパラメータ
のばらつきによる、単一のインダクタンスによる共振周
波数への同様の難しさを克服すると同時に、高調波成分
の発生を抑えるために、特願平１−７４４２９号に提案
されているような、スイッチング手段の電源端子にイン
ダクタンスとコンデンサの並列回路を接続し、インダク
タンスと直列回路を形成して上記スイッチング手段に対
して並列に超音波振動子が接続された駆動回路がある。

【０００３】さらに、上記特願平１−７４４２９号や、
特公平２−４８２５５号に示されるように、２つのスイ
ッチング手段を交互にＯＮ／ＯＦＦさせて超音波振動子
を高効率駆動させるものがある。以下、図面を参照して
従来例を説明する。

【０００４】図５は、スイッチング方式の超音波振動子
駆動回路（超音波振動装置とも記す。）のブロック構成
を示すものである。この種の超音波振動子駆動回路は超
音波振動子１がスイッチング手段２に接続され、前記ス
イッチング手段２のスイッチ作用は該スイッチング手段
２に接続されるスイッチング手段駆動回路３から出力さ
れるスイッチング手段駆動信号にとって制御される。図
６はスイッチング方式の超音波振動子駆動回路の従来例
を示すものである。図中示されるように、圧電素子から
なる超音波振動子１はインダクタンス１ａ、容量１ｂ、
抵抗１ｃの直列共振回路に容量１ｄが並列に接続された
形の等価回路で表される。

【０００５】例えば、パワーＭＯＳ　　ＦＥＴ等による
、スイッチング手段４および５の電源端子には、コンデ
ンサ６とインダクタンス７の並列回路とコンデンサ８と
インダクタンス９の並列回路がそれぞれ接続されており
、前記スイッチング手段４および５は、それぞれインダ
クタンス１０および１１と直列回路を形成して、超音波
振動子１と並列に接続されている。なお、パワーＭＯＳ
　　ＦＥＴのゲートとソース間には抵抗Ｒが接続されて
いる。この駆動回路では、スイッチング手段４および５
のスイッチ作用によりインダクタンス７および９には電
源電圧よりも高い振幅を持つ高周波電圧が励起され、並
列に接続されたコンデンサ６および８によりスイッチン
グ周波数よりも高い周波数成分が除去される。

【０００６】この高周波励起電圧はインダクタンス１０
および１１により更に励起されると同時に、あらかじめ
カットオフ周波数が駆動周波数となるように設定された
、該インダクタンス１０，１１の和によるインダクタン
ス分と超音波振動子１の並列容量１ｄとで構成されるＬ
Ｃフィルタにより、不要な高調波の発生が抑えられる。 更に、前記スイッチング手段４および５は、前記スイッ
チング手段駆動回路３によりプッシュプルスイッチング
され、超音波振動子１には通常の単一スイッチングの２
倍の駆動電圧が印加される。そして、この超音波振動子
１が当接される患者などに超音波を出射する。

【０００７】図７は比較的低周波の共振周波数を有する
超音波振動子１をスイッチング駆動する回路を示すもの
である。この超音波振動子駆動回路は図６に示す駆動回
路において、スイッチング手段４および５の出力端子に
接続したコンデンサ６とインダクタンス７の並列回路と
コンデンサ８とインダクタンス９の並列回路を設けない
で、任意の変成比による絶縁・昇圧トランス１７が並列
接続されており、該絶縁・昇圧トランス１７のセンター
タップには直流電源１６が接続されている。直流電源の
電圧は、前記スイッチング手段４および５により先と同
様に超音波振動子１の共振周波数でプッシュプルスイッ
チングされ、上記絶縁・昇圧トランス１７の出力端には
、電源電圧の昇圧比倍の更に２倍の振幅の電圧が励起さ
れる。この励起電圧は更に先と同様に、インダクタンス
１０および１１によって昇圧されると同時に、該インダ
クタンス１０，１１と超音波振動子１の並列容量１ｄと
で構成されるＬＣフィルタによって、矩形波状の電圧波
形とスパイク状の電流波形が超音波振動子１の共振周波
数で正弦波化され、超音波振動子１に印加されるように
なっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記図６に示す従来例
では、スイッチング手段４，５の電源端子に、コンデン
サ６及びインダクタンス７と、コンデンサ８及びインダ
クタンス９の並列回路を設け、高調波成分を除去してい
るが、それでもリニアアンプ方式のものに比べて駆動出
力波形に高調波成分を多く含み、患者−大地間の漏れ電
流が大きく、医療機器としては電気安全性上に問題があ
る。

【０００９】この問題に対して、図７に示すように駆動
回路と超音波振動子１との間に絶縁トランス１７を挿入
して出力の絶縁を行うことが考えられるが、絶縁トラン
ス１７を挿入しただけでは、高電圧もしくは大電流駆動
される超音波振動子１からの患者漏れ電流を、一般に定
められる基準値以下に抑えることはできない。又、絶縁
トランス１７の２次回路出力端に、インダクタンス１０
，１１によって、駆動電圧がさらに励起されるので、患
者の安全性を十分に確保することが困難であった。

【００１０】本発明は上述した点に鑑みてなされたもの
で、簡単な構成により、超音波振動子を患者に対して電
気的に安全な状態で高電圧かつ大電流駆動することが可
能な超音波振動装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決する手段及び作用】本発明は、上記問題点
を解決するために、スイッチング手段のスイッチング動
作により超音波振動子を駆動する超音波振動装置におい
て、スイッチングを行う単数もしくは複数のスイッチン
グ手段と、これを駆動するスイッチング手段駆動回路と
、スイッチング出力を絶縁かつ昇圧する絶縁・昇圧トラ
ンスと、絶縁されたスイッチング出力によって駆動され
る超音波振動子と、前記絶縁・昇圧トランスと前記超音
波振動子との間に設けられたインダクタンスを具備し、
前記インダクタンスを前記超音波振動子の患者に接しな
い電極側に接続する構成とすることにより、患者には絶
縁トランスの一端に直接接続された超音波振動子の電極
が接触され、さらに励起させるインダクタンスを通した
電圧が印加される他方の電極を患者に接触しないように
して、患者と大地間の電位差を小さくでき、漏れ電流を
小さくできると共に、患者への安全性を確保できるよう
にしている。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を具体的に説明
する。図１ないし図３は本発明の第１実施例に係り、図
１は第１実施例の回路図を示し、図２及び図３は第１実
施例の使用例を示す。図１に示す第１実施例の超音波振
動装置２１では、スイッチング手段駆動回路３の第１及
び第２の出力端に、それぞれパワーＭＯＳＦＥＴ等によ
るスイッチング手段４，５のゲートがそれぞれ接続され
、各スイッチング手段４，５のソースはそれぞれ接地さ
れている。又、それぞれのドレインは、１次回路側と２
次回路側とを絶縁すると共に、昇圧する絶縁・昇圧トラ
ンス１７の１次回路の両端に接続されている。また、こ
の絶縁・昇圧トランス１７のセンタタップには、直流電
源１６から所定の電圧が印加されるようになっている。

【００１３】尚、ゲートとソース間には、それぞれ抵抗
Ｒが接続されている。上記絶縁・昇圧トランス１７の２
次回路の両端子の一方、つまり出力端の一方にはインダ
クタンス１０，１１が直列に接続されている。このイン
ダクタンス１０，１１は、超音波振動子１の並列容量１
ｄ（図６参照）と共に超音波振動子１の共振周波数すな
わちスイッチング周波数でカットオフとなるＬＣフィル
タを構成すると共に、絶縁・昇圧トランス１７の出力端
の電圧をさらに昇圧（励起）するように、単数あるいは
複数のコイルで形成される。そして、超音波振動子１の
患者に接しない電極３３ａが前記インダクタンス１０，
１１に接続され、超音波振動子１が電気的に患者に接し
、患者と同電位となる電極３３ｂが前記絶縁・昇圧トラ
ンス１７のもう一方の出力端に接続されるようになって
いる。

【００１４】以上のように構成された本発明の第１実施
例における超音波振動装置２１、つまり超音波振動子駆
動回路は、図６における説明と同様に、超音波振動子１
をその共振周波数に一致する駆動周波数で駆動する。図
６の駆動回路では、患者と同電位となる回路部分にイン
ダクタンス１１が挿入され、該インダクタンス１１でも
電圧が励起されていたが、本実施例では、ＬＣフィルタ
を構成するために必要なインダクタンス１０，１１は、
全て超音波振動子１の患者と絶縁された（接しない）電
極３３ａ側に設けてある。

【００１５】したがって、図１においてＰとして示され
る、超音波振動子１が生体内に超音波を放射・伝達する
ために患者と直接接するか、音響電圧媒体等を介して接
するなどして、患者と同電位となる部分では、駆動電圧
は大きくは励起されず、患者に接しない側の電極３３ａ
に比べてその電位は低く抑えられる。すなわち、患者と
同電位となる部分と大地との間の電位差が小さくなるた
め、この部分に接する患者から大地へと流れる患者漏れ
電流を小さく抑えることが可能となるようにしている。

【００１６】次に第１実施例が適用された装置を挙げて
具体的に説明する。図２は、胆石溶解のための超音波ア
プリケータ装置３１を示す。超音波振動子１は、２枚の
圧電素子３２，３２を共通電極３３ａを内側にして、他
方の電極３３ｂ，３３ｂが外側となるように貼り合わさ
れている。そして、内側の電極３３ａは、インダクタン
ス１１と接続され、外側の電極３３ｂ，３３ｂは、直接
絶縁・昇圧トランス１７の一方の端子に接続されている
。

【００１７】上記外側電極３３ｂ，３３ｂの一方の面に
はバッキング材３４が取付けられ、他方の電極面とは金
属性の弾性ブロック３５の背面が取付けられ、この弾性
ブロック３５の正面側は、金属性の振動板３６を介して
振動子保持枠３７に固定されている。この振動板３６は
、さらに水等の超音波伝達媒体３８を収納したヘッド膜
３９で覆われ、このヘッド膜３９の基端は振動子保持枠
３７に固定されている。そして、このヘッド膜３９は、
患者４０等の人体における胆石を溶解すべき部位に対向
する位置に当接され、超音波を照射することにより、胆
石溶解剤とか結石に振動を与えて、胆石溶解を促進でき
るようになっている。

【００１８】この装置３１の場合、患者４０は、大地と
接触した状態にあり、従って、患者４０に接する電極３
３ｂ側は、できるだけ低い駆動電圧であることが望まれ
る。この第１実施例では、ヘッド膜３９を絶縁材で形成
することにより、一応安全性を確保できるが、この膜３
９が破損した場合に対しても、安全性を確保できるよう
に、患者４０と弾性ブロック３５等を介して接触する電
極３３ｂを、直接、絶縁・昇圧トランス１７に接続して
、患者４０に接しない電極３３ａ側よりも、その電圧が
低く抑えられた状態で超音波振動子１を高電圧且つ大電
流で駆動できるようにしている。

【００１９】この場合、患者４０と同電位となる部分と
大地との間の電位差が小さくなるため、この部分に接す
る患者４０から大地へと流れる患者漏れ電流を小さく抑
えることが可能となるし、万一の場合にも、安全性を確
保できる。又、簡単な構成により、安全性の高い装置を
実現できるし、小型にすることもできる。

【００２０】図３は、第１実施例が適用された第２の装
置、例えば超音波プローブ装置４１を示す。尚、図２と
同一部材は、同符号で示す。弾性ブロック３５の表面に
は、ホーン固定部材４２を介してホーン４３が固着され
ている。このホーン４３は金属性であり、超音波振動子
１で励起された超音波を増幅する。このホーン４３の頂
部には、金属性のプローブ４４の基端が固着され、この
プローブ４４で伝達した超音波をその先端面に当接され
る患者４０等に照射できるようにしてあり、この先端面
からの超音波により、衝撃波による癌治療等を行うこと
ができる。上記第１実施例によれば、ただ単にトランス
を挿入するだけでは解決できなかった患者の電気安全性
上の問題を解決することができる。すなわち、超音波振
動子の高電圧かつ大電流駆動ができ、超音波振動子から
の患者漏れ電流を一般に定められる基準値以下に抑えら
れることが可能な、電気的に安全かつ小型で安価な高効
率の超音波振動子駆動回路を実現することができる。　
　図４は本発明の第２実施例を示すものであり、先の実
施例が、ランジュバン振動子やボルト締めランジュバン
振動子等の比較的低周波の振動子の駆動に好適な超音波
振動子駆動回路であったのに対し、本実施例は、ＰＺＴ
等の比較的高周波の共振周波数を有する超音波振動子を
駆動するのに好適な超音波振動装置４１を示すものであ
る。

【００２１】図４において、例えば、パワーＭＯＳ　　
ＦＥＴ等による、スイッチング手段４および５の電源端
子には、コンデンサ６及びインダクタンス７の並列回路
と、コンデンサ８及びインダクタンス９の並列回路がそ
れぞれ接続されており、前記スイッチング手段４および
５は、それぞれ絶縁・昇圧トランス１７の１次側の各端
に接続されている。また、前記絶縁・昇圧トランス１７
の２次側の出力端の一方は、先の実施例と同様に、イン
ダクタンス１０，１１が直列に接続されている。このイ
ンダクンス１０，１１は、超音波振動子１の並列容量１
ｄと共に超音波振動子１の共振周波数すなわちスイッチ
ング周波数でカットオフとなるＬＣフィルタを構成する
ように、単数あるいは複数のコイルで形成される。

【００２２】更に先の実施例と同様に、超音波振動子１
の患者に接しない電極３３ａが前記インダクタンス１０
，１１に接続され、超音波振動子１が電気的に患者に接
し、患者と同電位となる（可能性のある）電極３３ｂが
前記絶縁・昇圧トランス１７のもう一方の出力端に接続
される。本実施例においても、図中Ｐで示される患者と
同電位となる部分では、駆動電圧はあまり励起されない
ので、患者に接しない側の電極３３ａに比べてその電位
は低く抑えられ、患者と同電位となる部分と大地との間
の電位差が小さくなり、この部分に接する患者から大地
へと流れる患者漏れ電流を小さく抑えることが可能とな
る。

【００２３】したがって、本実施例によっても、先の実
施例と同様の効果が得られる。

【００２４】尚、上述の実施例において、絶縁・昇圧ト
ランス１７は、単に絶縁のみを行い、昇圧をインダクタ
ンス１０及び１１（一方のみでも良い。）で行うように
しても良い。

【００２５】尚、本発明は、胆石や血栓などの生体内凝
固物の超音波溶解促進装置、超音波吸引装置、衝撃波結
石破砕装置や衝撃波癌治療器等の超音波治療装置におけ
る、超音波もしくは衝撃波発生器の超音波振動子駆動回
路、更に詳しくは圧電素子とか磁歪素子等からなる超音
波振動子を超音波（衝撃波）発生源として有する、超音
波発生装置における任意の超音波振動子の駆動回路に広
く適用できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波振動子の高電圧・大電流駆動ができ、超音波振動子
からの患者漏れ電流を一般に定められる基準値以下に抑
えることが可能で、電気的に安全で高効率の超音波振動
子駆動回路を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のスイッチング方式の超音
波振動装置の構成を示す回路図。

【図２】第１実施例が適用された超音波アプリケータ装
置の主要部を示す構成図。

【図３】第１実施例が適用された超音波プローブ装置の
主要部を示す構成図。

【図４】本発明の第２実施例のスイッチング方式の超音
波振動装置の構成を示す回路図。

【図５】従来例におけるスイッチング方式の超音波振動
装置の構成を示すブロック図。

【図６】従来例におけるスイッチング方式の超音波振動
装置の構成を示す回路図。

【図７】従来例におけるスイッチング方式の超音波振動
装置の他の構成例を示す回路図。

【符号の説明】

１………超音波振動子 ３………スイッチング手段駆動回路 ４………スイッチング手段（パワーＭＯＳ　　ＦＥＴ）
５………スイッチング手段（パワーＭＯＳ　　ＦＥＴ）
６………コンデンサ ７………インダクタンス ８………コンデンサ ９………インダクタンス １０……インダクタンス １１……インダクタンス １６……直流電源 １７……絶縁・昇圧トランス ２１……超音波振動装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　生体等に接触される出力部を超音波振
   動させる超音波振動装置において、交流矩形電圧を発生
   するスイッチング手段と、この交流矩形電圧が１次側に
   入力され、該電圧を２次側に昇圧して出力する絶縁トラ
   ンスと、上記２次側の２つの出力端子に各々接続される
   ２つの電極面を有した超音波振動子と、上記振動子の一
   方の電極面に機械的に連結され、振動を上記出力部に伝
   達するための伝達手段と、上記伝達手段に接触しない他
   方の電極面とその電極面に接続される出力端子との間に
   のみ設けられ、上記振動子に供給される電圧を励起する
   とともに略正弦波とするためのインダクタンスと、を具
   備したことを特徴とする超音波振動装置。