JPH04325149A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波発生装置におけ
る超音波振動子駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、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
装置及び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を
有する超音波発生装置内の前記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
いられてきた。たとえば、米国特許　　第４７３６１９
２号において開示されているような、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、前記圧電素子の共振周波数に一致さ
せるようにして、小型、かつ高効率なスイッチング駆動
方式を採用した超音波振動子駆動回路がある。

【０００３】しかしながら、前記スイッチング駆動方式
においては、前記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調が
難しく、また、高周波成分が発生しやすいという問題点
があった。

【０００４】そこで、本出願人は、上記問題点を解決す
るため、つまり、前記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
調の難しさを克服すると同時に、高周波成分の発生を抑
えるために、特願平１−７４４２９号において示されて
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、前記スイッチング手段に対して
、超音波振動子を並列に接続するような超音波振動子駆
動回路を提案している。

【０００５】さらに、上述した超音波治療装置において
は、超音波発生器内の超音波振動子に対して音響伝達媒
体としての水や生体等が負荷として加わるため、前記超
音波振動子を大振幅駆動させるためにより高い電圧での
駆動が必要であることから、本出願人は、上記特願平１
−７４４２９号や、特願平２−４８２５５号において示
されているような、２つのスイッチング手段を交互にＯ
Ｎ／ＯＦＦさせるプッシュプルスイッチング方式により
、超音波振動子を非常に高い電圧で高効率駆動させ、大
振幅の超音波放射もしくは超音波振動を得ようとする超
音波振動子駆動回路を提案している。

【０００６】さて、前記プッシュプルスイッチング方式
の超音波振動子駆動回路を採用するためには、そのスイ
ッチング駆動のための駆動信号として、相補的な２つの
矩形波信号が必要となる。ところで、単一の駆動信号か
ら２つの相補的な矩形波信号を生成する手段としては、
たとえば、フリップフロップ等を用いた回路が知られて
いる。

【０００７】しかしながら、前記フリップフロップ等を
用いた駆動信号生成回路は、回路構成が複雑となるため
、前記フリップフロップ等を使用することなく、より小
型で安価かつ簡単な回路構成で駆動信号生成回路を形成
することが嘱望されている。

【０００８】ところが、単に、単一の源駆動信号をその
まま出力させた信号と、前記源駆動信号を反転させた信
号とを、前記プッシュプルスイッチング信号として出力
する回路で形成された駆動信号生成回路では、前記源駆
動信号が入力されていない場合においても、スイッチン
グ手段をＯＮさせてしまう虞があり、正常なスイッチン
グ駆動を得ることが難しいという問題点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来、あ
るいは関連技術としての超音波振動子駆動回路において
は、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調が難しく、高周
波成分が発生しやすいという問題点や、あるいは、超音
波振動子を非常に高い電圧で高効率駆動させ、大振幅の
超音波放射、もしくは超音波振動を得ようとするため、
また、超音波振動子を確実に動作させるために、回路構
成が複雑あるいは大型となり、コストも高くなるといっ
た問題点があった。

【００１０】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、超音波振動子を高効率に高電圧かつ大電流
駆動することが可能であり、小型で安価かつ簡単な構成
の超音波振動子駆動回路を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに本発明による超音波振動子駆動回路は、２つの電極
面を有した超音波振動子と、前記２つの電極面にそれぞ
れ位相の反転した交流信号を供給する絶縁トランス装置
と、この絶縁トランス装置の１次側入力信号として交流
矩形波信号を供給するプッシュプルスイッチング手段と
、交流矩形波の源駆動信号を入力し、この源駆動信号に
応じた第１駆動信号を生成するとともに、前記源駆動信
号を微分する微分回路と、この微分回路により得られる
微分信号を所定の閾値で反転させる反転回路とを有し、
前記第１駆動信号に対して位相の遅れた前記第１駆動信
号と相補的な第２駆動信号を生成し、前記プッシュプル
スイッチング手段に出力する駆動信号生成回路とを具備
したものである。

【００１２】

【作用】本発明においては、駆動信号生成回路にて、１
つの源駆動信号をもとに互いに相補的な２つのスイッチ
ング手段駆動信号を生成し、これにより２つのスイッチ
ング手段がそれぞれ相補的なスイッチング動作を行い、
このスイッチング動作により超音波振動子が駆動するも
のである。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照にしながら本発明の実施例
について述べる。

【００１４】図１ないし図３は本発明の１実施例に係り
、図１は本発明の実施例における超音波振動子駆動回路
の概略を示す回路図、図２は本発明の実施例における超
音波振動子駆動回路の詳細を示す回路図、図３は本発明
の実施例における超音波振動子駆動回路においての、２
つのスイッチング回路駆動信号が生成される過程を示す
説明図。

【００１５】図１において、駆動信号生成回路３は、入
力端１０から１つのパルス状源駆動信号（図３（ａ）に
示すような信号）を入力し、この１つのパルス状源駆動
信号から互いに相補的なパルス状信号（図３（ｃ）及び
（ｄ）に示すような信号）を生成した後、出力する回路
であり、前記互いに相補的なパルス状信号を出力する２
つの出力端を有し、この出力端は、スイッチング回路４
のゲートとスイッチング回路５のゲートとにそれぞれ接
続されている。

【００１６】スイッチング回路４及びスイッチング回路
５は、前記駆動信号生成回路３のパルス状出力信号によ
りスイッチング動作をするスイッチング回路で、例えば
、パワーＭＯＳ−ＦＥＴ等の素子で構成されている。 前記スイッチング回路４及びスイッチング回路５におい
て、それぞれのゲートには上述したように前記駆動信号
生成回路３の２つの出力端が別々に接続されており、そ
れぞれのドレインは絶縁・昇圧トランス６の両端に接続
されている。また、それぞれのソースは共に接地されて
いる。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。

【００１７】絶縁・昇圧トランス６は、１次側にセンタ
ータップを有し、このセンタータップには直流電源７の
正側が接続されており、この直流電源７を介して接地さ
れている。前記絶縁・昇圧トランス６の１次側の両端に
は、上述したように前記スイッチング回路４及びスイッ
チング回路５のドレインが接続されている。また、前記
絶縁・昇圧トランス６の２次側出力端の一方は、インダ
クタンス８を介して超音波振動子１の患者に接しない電
極５１に接続しており、もう一方の出力端は、前記超音
波振動子１が電気的に患者に接し、この患者と同電位と
なる電極５２に接続している。尚、前記患者と同電位と
なる部分を図１の波線で表す領域９として示す。

【００１８】インダクタンス８は、単数あるいは複数の
コイルで構成され、前記超音波振動子１内部にある内部
並列容量と共に、前記超音波振動子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
ターを構成するようになっている。

【００１９】超音波振動子１は、圧電素子からなる超音
波振動素子であり、２つの電極を有している。前記電極
の１つは患者に接しない電極であって符号５１で示し、
もう１つの電極は電気的に患者に接し、この患者と同電
位となる電極であって符号５２で示す。また、前記超音
波振動子１の内部には図示しない内部容量成分が存在し
ており、上述のように前記内部容量成分と前記インダク
タンス８とがスイッチング周波数でカットオフとなるＬ
Ｃフィルターを構成するようになっている。

【００２０】次に、前記駆動信号生成回路３と、前記ス
イッチング回路４及び前記スイッチング回路５の構成を
図２を参照にして説明する。

【００２１】図２において、波線３で示す回路は、駆動
信号生成回路３の１実施例を示しており、また、波線４
及び波線５に示す回路は、それぞれスイッチング回路４
及びスイッチング回路５の１実施例を示したものである
。

【００２２】駆動信号生成回路３において、入力端１０
は、スイッチング回路４及びスイッチング回路５の１例
であるパワーＭＯＳ−ＦＥＴ２４ないし２９の駆動を制
御する源駆動信号が入力する端子であり、抵抗Ｒ３１を
介してインバータ１１の入力端に接続している。このイ
ンバータ１１は入力信号を反転させて出力する素子であ
り、その出力端はインバータ１２の入力端とインバータ
１４の入力端とに接続しており、出力信号を前記インバ
ータ１２とインバータ１４とに供給するようになってい
る。

【００２３】前記インバータ１２の出力端は、抵抗Ｒ３
２を介してインバータ１３の入力端に接続しており、こ
のインバータ１３の出力端は、抵抗Ｒ３３とコンデンサ
Ｃ３４とで構成される並列回路を介してバッファ１７の
入力端に接続している。前記バッファ１７以下後述する
バッファ素子は、インバート出力すなわち入力信号を反
転させて出力するインバート出力バッファである。前記
バッファ１７の出力端は、カプリングコンデンサＣ３５
を介してバッファ１８の入力端に接続している。尚、前
記バッファ１８の入力端において、入力信号はプルアッ
プ抵抗Ｒ３６を介して電源に対してプルアップされた後
、前記バッファ１８に入力される。前記バッファ１８の
出力端は、カプリングコンデンサ３７を介して片側の（
プッシュ側）スイッチング回路であるパワーＭＯＳ−Ｆ
ＥＴ２４ないし２６のゲートに接続しており、出力信号
をスイッチング回路駆動信号の一方として前記パワーＭ
ＯＳ−ＦＥＴ２４ないし２６に供給するようになってい
る。

【００２４】前記インバータ１４の出力端は、コンデン
サＣ２１と固定抵抗Ｒ２２及び可変抵抗Ｒ２３によって
構成される微分回路を経てインバータ１５の入力端に接
続している。以下、上述した構成と同様に前記インバー
タ１５の出力端は、抵抗Ｒ３８を介してインバータ１６
の入力端に接続しており、このインバータ１６の出力端
は、抵抗Ｒ３９とコンデンサＣ４０とで構成される並列
回路を介してバッファ１９の入力端に接続している。前
記バッファ１９の出力端は、カプリングコンデンサＣ４
１を介してバッファ２０の入力端に接続している。尚、
前記バッファ２０の入力端において、入力信号はプルア
ップ抵抗Ｒ４２を介して電源に対してプルアップされた
後、前記バッファ２０に入力される。前記バッファ２０
の出力端は、カプリングコンデンサ４３を介して片側の
（プル側）スイッチング回路であるパワーＭＯＳ−ＦＥ
Ｔ２７ないし２９のゲートに接続しており、出力信号を
スイッチング回路駆動信号のもう一方として前記パワー
ＭＯＳ−ＦＥＴ２７ないし２９に供給するようになって
いる。

【００２５】以上のように構成された本発明の実施例に
おける超音波振動子駆動回路は、まず、駆動信号生成回
路３にて、１つの源駆動信号をもとに互いに相補的な２
つのスイッチング回路駆動信号を生成し、この２つのス
イッチング回路駆動信号により、スイッチング回路４お
よび５がスイッチング動作を行い、このスイッチング動
作により超音波振動子１が駆動するものである。以下こ
れらの作用を図２及び図３を参照にして説明する。

【００２６】まず、駆動信号生成回路３において、入力
端１０より図３（ａ）に示されるような源駆動信号を入
力すると、前記源駆動信号は、インバータ１１により反
転されて反転源駆動信号となり、前記インバータ１１の
出力端で分岐された後インバータ１２とインバータ１４
とに入力される。

【００２７】前記反転源駆動信号の１つは、前記インバ
ータ１２に入力され反転された後、インバータ１３によ
り再度反転される。前記インバータ１３の出力信号は、
抵抗Ｒ３３とコンデンサＣ３４で形成される並列回路に
よりパルス動作を安定化された後、バッファ１７に入力
され反転される。前記バッファ１７の出力信号は、カプ
リングコンデンサ３５により交流結合された後、プルア
ップ抵抗Ｒ３６を介して電源に対してプルアップされ、
バッファ１８に入力される。このバッファ１８の出力信
号は、カプリングコンデンサＣ３７により交流結合され
た後、図３（ｄ）に示されるようなプッシュ側のスイッ
チング回路駆動信号として、片側の（プッシュ側）スイ
ッチング回路であるパワーＭＯＳ−ＦＥＴ２４ないし２
６のゲート入力される。

【００２８】一方、前記反転源駆動信号のもう１つは、
前記インバータ１４に入力されて反転された後、コンデ
ンサＣ２１と固定抵抗Ｒ２２及び可変抵抗Ｒ２３とによ
り構成される微分回路で微分され、微分信号に変換され
る。この後、前記微分信号はインバータ１５に入力され
る。このとき、前記微分信号は、図３（ｂ）に示される
ような波形となっている。

【００２９】さて、図３（ｂ）に示されるような波形を
もつ前記微分信号が前記インバータ１５に入力する際、
このインバータ１５は自身の持っている入力スレッショ
ルドレベルにより、入力する前記微分信号を図３（ｃ）
に示されるような信号として認識する。よって、前記イ
ンバータ１５の出力端には、図３（ｅ）に示されるよう
な波形、すなわち、図３（ａ）に示されるような源駆動
信号のパルス列が１パルス程ずれたような波形が出力さ
れる。

【００３０】このとき、前記インバータ１５に入力する
図３（ｃ）に示されるような信号のパルス列の最終パル
スのパルス幅は、前記微分回路の時定数と前記インバー
タ１５の入力スレッショルドレベルに依存することにな
る。ゆえに、前記インバータ１５における出力パルス列
において、最終パルスのパルス幅を前記最終パルス以前
のパルスのパルス幅と同一にするには、前記微分回路に
おいて概略設定された時定数を可変抵抗Ｒ２３で調整す
ればよい。これにより、前記インバータ１５の入力スレ
ッショルドレベルのばらつきに対処して前記インバータ
１５の出力パルス幅が一定となる。

【００３１】このようにパルス幅が調整された信号は、
上述したインバータ１３以下カプリングコンデンサ３７
までの回路と同様にして、インバータ１６以下カプリン
グコンデンサ４３までの回路を経て、図３（ｃ）に示さ
れるようなプル側のスイッチング回路駆動信号に変換さ
れる。

【００３２】以上説明したように、駆動信号生成回路３
で生成した互いに相補的なスイッチング回路駆動信号は
、それぞれ抵抗ＲでバイアスされたパワーＭＯＳ−ＦＥ
Ｔ２４ないし２９に入力される。これにより、前記パワ
ーＭＯＳ−ＦＥＴ２４ないし２９は、前記スイッチング
回路駆動信号に応じてプッシュプルスイッチング動作を
行い、それぞれのドレインに生じる出力が絶縁・昇圧ト
ランス６の１次側の両端に印加される。尚、本実施例に
おいては、スイッチング回路として、３ペアのパワーＭ
ＯＳ−ＦＥＴ２４ないし２９をパラレルに接続した回路
を採用しているが、たとえば、高速のスイッチングトラ
ンジスタを用いたスイッチング回路を採用しても良い。

【００３３】さて、任意の昇圧比を有する前記絶縁・昇
圧トランス６のセンタータップには直流電源７が接続さ
れており、この直流電源７の電圧は、前記スイッチング
回路４及び前記スイッチング回路５により超音波振動子
１の共振周波数でプッシュプルスイッチングされ、前記
絶縁・昇圧トランス６の出力端には電源電圧の昇圧比倍
のさらに２倍の振幅の電圧が励起される。この励起電圧
はさらに、インダクタンス８によって昇圧されると同時
に、前記インダクタンス８と前記超音波振動子１の並列
容量とで構成されるＬＣフィルターにより、矩形波状の
電圧波形とスパイク状の電流波形が前記超音波振動子１
の共振周波数で正弦波化され前記超音波振動子１に印加
される。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、反
転回路と微分回路とによる簡単な構成の駆動信号生成回
路を採用することにより、１つの源駆動信号から互いに
相補的な２つのスイッチング回路駆動信号を生成するこ
とができるため、超音波振動子を高電圧かつ大電流駆動
することが可能であり、かつ小型で安価な高効率の超音
波振動子駆動回路を提供することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における超音波振動子駆動回路
の概略を示す回路図。

【図２】本発明の実施例における超音波振動子駆動回路
の詳細を示す回路図。

【図３】本発明の実施例における超音波振動子駆動回路
においての、２つのスイッチング回路駆動信号が生成さ
れる過程を示す説明図。

【符号の説明】

１…超音波振動子 ３…駆動信号生成回路 ４…スイッチング回路 ５…スイッチング回路 ６…絶縁・昇圧トランス ７…直流電源 ８…インダクタンス １０…入力端 ５１…電極 ５２…電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２つの電極面を有する超音波振動子と、前
   記２つの電極面にそれぞれ位相の反転した交流信号を供
   給する絶縁トランス装置と、交流矩形波信号を前記絶縁
   トランス装置の１次側入力信号として供給するプッシュ
   プルスイッチング手段と、交流矩形波の源駆動信号を入
   力し、この源駆動信号に応じた第１駆動信号を生成する
   とともに、前記源駆動信号を微分する微分回路と、この
   微分回路により得られる微分信号を所定の閾値で反転さ
   せる反転回路とを有し、前記第１駆動信号に対して位相
   の遅れた、前記第１駆動信号と相補的な第２駆動信号を
   生成し、前記プッシュプルスイッチング手段に出力する
   駆動信号生成回路とを具備したことを特徴とする超音波
   振動子駆動回路。