(57)【要約】【課題】単一の超音波振動子を利用して、生体の浅部から深部に至る広い範囲を同時に治療する。【解決手段】発振出力回路３からの異なる周波数の出力信号をマッチング回路７を介して単独の超音波振動子１に供給し、この超音波振動子１から生体に超音波エネルギーを付与する。マッチング回路７は、前記異なる周波数の全域に渡り整合する広帯域マッチング回路からなる。これにより、発振出力回路３から供給する出力信号の周波数が高速で頻繁に変わっても、発振出力回路３と超音波振動子１との間のマッチングは最適なものとなる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振出力回路からの異なる周波数の出力信号をマッチング回路を介して単独の超音波振動子に供給し、この超音波振動子から生体に超音波エネルギーを付与する超音波発生装置において、前記マッチング回路は、前記異なる周波数の全域に渡り整合する広帯域マッチング回路であることを特徴とする超音波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導子間から発生する超音波エネルギーにより、生体組織に振動を与える超音波発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種の超音波発生装置は、美顔器，医療器または工業用などに使用される超音波振動子を内蔵し、この超音波振動子から発生する超音波エネルギーを導子間から生体に与えるようになっている。また超音波振動子は、基本波振動モードの他に、オーバートーン（高調波）振動モードを備え、例えば基本波が１ＭＨｚの振動子を、３ＭＨｚや５ＭＨｚの奇数倍の周波数などで振動させることが可能である。
【０００３】
一方、生体すなわち人体は、高い周波数に比べて低い周波数を与えたほうが、深部まで振動を伝えることができると共に、高い周波数は人体の浅部を集中的に振動させることができ、例えば１ＭＨｚ程度の低い周波数の超音波は、腹部の痩身（脂肪遊離燃焼）に利用され、３ＭＨｚ程度の高い周波数の超音波は、顔面の美容に利用される。そのため、超音波振動子を内蔵する超音波発生装置において、電子的に振動（周波数）モードを瞬時に切り替えることができれば、基本波振動モードによる低い周波数での深部までの振動と、オーバートーン振動モードによる高い周波数での浅部への集中的な振動とを組み合わせて、あたかも同時に異なる複数の周波数で振動を与えるような効果が得られる。また、こうした振動モードの瞬時切替えは、生体の浅部から深部に至る広い範囲を同時に治療するという効果だけでなく、単一の振動モードで刺激信号を与えた場合に避けられない一部分へのエネルギー集中による弊害を軽減することができる。
【０００４】
従来の超音波発生装置の内部構成は、超音波振動子を駆動回路のフィードバックループ内に入れ、いわゆる自励発振による電流で超音波振動子を振動させるタイプと、他励発振回路に電力増幅器を接続した発振出力回路を備え、フィルタ作用を有するマッチング回路を機械的に切り替えて、発振出力回路から複数の周波数で出力される出力信号を、マッチング回路から単独の超音波振動子に与えることで、この超音波振動子を基本波またはオーバートーン振動させるタイプの２つが知られている。特に後者の構成は上述の効果を達成するに好適な内部構成を有しているが、これに関連する技術として、例えば特許文献１には、発振回路の出力を次段の電力増幅器で高周波電力増幅し、マッチング回路を介して２つの出力端子に交互にアンプ出力を供給することにより、２箇所同時に治療できる超短波治療器が開示されている。
【０００５】
【特許文献】
特開２００２−１６５８９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１の構成において、マッチング回路の出力段に単独の超音波振動子を設けて、この超音波振動子から複数の周波数を振動させようとする場合は、それぞれの周波数に応じてフィルタ作用を有するマッチング回路の切替えが必要となる。その場合、高周波で低インピーダンスの非常に大きな電力（数Ｗ〜数十Ｗ）を扱うことになるため、従来はスイッチやリレー接点でマッチング回路の切替えを機械的に行なわざるを得なかった。そのため、機械的な部品を使用する分、頻繁な高速での切替えができず、生体の浅部から深部に至る広い範囲を同時に治療する効果が十分得られなかった。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、単一の超音波振動子を利用して、生体の浅部から深部に至る広い範囲を同時に治療することができる超音波発生装置を提供することをその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明における超音波発生装置は、発振出力回路からの異なる周波数の出力信号をマッチング回路を介して単独の超音波振動子に供給し、この超音波振動子から生体に超音波エネルギーを付与する超音波発生装置において、前記マッチング回路は、前記異なる周波数の全域に渡り整合する広帯域マッチング回路であることを特徴とする。
【０００９】
この場合、発振出力回路から供給する出力信号の周波数が高速で頻繁に変わっても、広帯域マッチング回路はあらゆる周波数の出力信号に対し、発振出力回路と超音波振動子との間のマッチングを最適なものとすることができる。したがって、従来のような機械的な部品を一切介在させずに、単一の超音波振動子を利用して、生体の浅部から深部に至る広い範囲を同時に治療することが可能になる。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下、本発明の好ましい実施形態における超音波発生装置について、添付図面を参照しながら説明する。図１は超音波発生装置の概略構成を示すもので、１は単独の超音波振動子、２はこの超音波振動子から発生する超音波エネルギーを生体（図示せず）に付与する一対の導子であり、導子２は生体の治療部位に着脱可能に装着される。一方、この超音波振動子１に異なる周波数の出力信号を供給する発振出力回路３として、本実施例では、発振回路に相当する広帯域ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）発振器４と、正弦波生成手段としての可変周波フィルタ５と、増幅回路に相当する広帯域電力増幅回路６がそれぞれ順に接続して設けられる。また、発振出力回路３と超音波振動子１との間にはマッチング回路７が設けられているが、本実施例のマッチング回路７は、特に発振出力回路３から供給される異なる周波数の出力信号の全域に渡り、発振出力回路３と超音波振動子１が整合するように回路設計されている。
【００１１】
ここで、図２のブロック図も参照して説明すると、広帯域ＰＬＬ発振器４は、後述する制御手段であるＣＰＵ１１からの分周比切替信号を受取ると、超音波振動子１の振動モード（基本振動モードの周波数をｆとする）に対応して、例えば１／２ｆ，１ｆ，３ｆのいずれか一つの周波数の発振信号を生成するものである。発振回路としては他に様々なものが考えられるが、ここでは広い周波数（例えば６倍以上）に可変し、かつ周波数ステップを細かくしたいために、それに適応する特殊な広帯域ＰＬＬ発振器４を使用している。
【００１２】
また、次段の可変周波フィルタ５は、超音波振動子１が不必要なモードで振動しないようにすると共に、無効な電流を流さないようにするために、広帯域ＰＬＬ発振器４から発生する矩形波の発振信号から高調波を取り除いて正弦波状にするもので、これは図２に示すように、広帯域ＰＬＬ発振器４からの異なる周波数の発振信号に対応して、複数の減衰器１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、複数のローパスフィルタ１６ａ，１６ｂ，１６ｃとを備えると共に、共通のバッファ１７を備えて構成される。各減衰器１５ａ，１５ｂ，１５ｃはいずれも、ＣＰＵ１１からの減衰量切替信号を受けて、特定の周波数成分における信号を減衰させる利得調整のために設けられているもので、本実施例では広帯域ＰＬＬ発振器４から１／２ｆ，１ｆ，３ｆの周波数の発振信号が選択的に出力されることを考慮して、これらの各周波数成分における信号を、それぞれ独立して減衰できる３個の減衰器１５ａ，１５ｂ，１５ｃで構成される。また、各減衰器１５ａ，１５ｂ，１５ｃの後段にそれぞれ直列接続されるローパスフィルタ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、特定の周波数成分における信号だけを濾波するもので、これも１／２ｆ，１ｆ，３ｆの各周波数以下の信号を濾波できるようになっている。そして、各減衰器１５ａ，１５ｂ，１５ｃが減衰する信号の周波数成分、および各ローパスフィルタ１６ａ，１６ｂ，１６ｃが濾波する信号の周波数成分は、いずれもＣＰＵ１１からのフィルタ周波数可変信号を受けて、個々の超音波振動子１に合わせて変更できるようになっている。さらにバッファ１７は、可変周波フィルタ５の出力側に接続する回路が、可変周波フィルタ５から広帯域ＰＬＬ発振器４の動作に影響を与えないようにするためのものである。
【００１３】
上記ローパスフィルタ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、矩形波の発振信号を正弦波に波形整形して、高調波を取り除くためにあるが、同様の機能を発揮するものとして、例えば単独のディジタルフィルタ（ＤＳＰ）を利用してもよい。但し、製造コストを下げ、小型化を図ると共に、消費電力を少なくするには、本実施例のような各周波数に対応したフィルタを使用するのが好ましい。そして、可変周波フィルタから出力される正弦波状の発振信号は、次段の広帯域電力増幅回路６にて所定の電力まで増幅された後、発振出力回路３の出力信号としてマッチング回路７から超音波振動子１へと導かれるようになっている。
【００１４】
ＣＰＵ１１は、広帯域ＰＬＬ発振器４から複数の周波数の発振信号を切り替えて出力させるために、広帯域ＰＬＬ発振器４に対し分周比切替信号を出力する周波数切替手段１２を備えると共に、超音波振動子１に流れる電流や、広帯域電力増幅器６からの電流の状態を常時監視するフィードバック監視手段１３を備えている。フィードバック監視手段１３は、各電流を監視した結果、装置が異常動作を行なっていると判断した場合は、装置の動作を強制的に停止させたり、あるいは発振信号の周波数が切り替わったときに、発振出力回路３やマッチング回路７の損失や利得誤差を、各電流の監視結果から算出して、可変周波フィルタ５を構成する各減衰器１５ａ，１５ｂ，１５ｃの減衰量を調整する機能を有する。
【００１５】
さらにＣＰＵ１１は、各々の出力周波数に対する超音波振動子１の固有共振周波数と、各々の出力周波数に対する発振出力回路３の総合利得を記憶する不揮発性記憶手段としてのＥＥＰＲＯＭ２１を備えている。こうした超音波振動子１や発振出力回路３の特性は、装置の製造後における検査工程において、各部の出力波形を計測しながら調整したものが、ＥＥＰＲＯＭ２１に記憶される。すなわち、超音波振動子１は個々に共振周波数や静電容量のばらつきが大きく（通常は１０％以上）、また例えば周波数３ｆのオーバートーン振動モードで使用した場合、正確に基本周波数１ｆの整数倍とはならないため、各々の共振周波数をＥＥＰＲＯＭ２１に記憶する必要がある。これによりＣＰＵ１１は、ＥＥＰＲＯＭ２１からの記憶内容を適宜読み出して、個々の超音波振動子１の製造誤差や発振出力回路３の利得偏差を無くすように、最適な分周比切替信号やフィルタ周波数可変信号を供給することができる。本実施例では、異なる周波数１／２ｆ，１ｆ，３ｆに応じた合計６個の情報をＥＥＰＲＯＭ２１に記憶している。
【００１６】
次に上記構成についてその作用を説明すると、装置の動作時においては、ＣＰＵ１１の周波数切替手段１２から、１秒間に１００回以上のタイミングで広帯域ＰＬＬ発振器４に分周比切替信号が出力され、これを受けて広帯域ＰＬＬ発振器４は、各分周比切替信号に対応する周波数成分の発振信号を可変周波フィルタ５に供給する。その際、一定時間内における各発振信号において、どの周波数成分をどの程度の比率で供給するのかは、ＣＰＵ１１に入力側に接続する例えば操作パネルのスイッチ（図示せず）で調整することができる。これにより、単独の周波数１／２ｆ，１ｆ，３ｆだけの発振信号群を広帯域ＰＬＬ発振器４から供給することもできるし、３つの周波数１／２ｆ，１ｆ，３ｆを適当な比率で混ぜ合わせた発振信号群を広帯域ＰＬＬ発振器４から供給することもできる。
【００１７】
広帯域ＰＬＬ発振器４から周波数１／２ｆの矩形波状発振信号が出力されると、この発振信号は対応する可変周波フィルタ５の第１減衰器１５ａにより最適な利得調整がなされ、次段の第１ローパスフィルタ１６ａにより高調波成分が取り除かれて正弦波状になる。同様に、広帯域ＰＬＬ発振器４から出力される周波数１ｆの矩形波状発振信号は、これに対応する第２減衰器１５ｂにより最適な利得調整がなされた後、第２ローパスフィルタ１６ｂにより正弦波状になると共に、周波数３ｆの矩形波状発振信号は、これに対応する第３減衰器１５ｃにより最適な利得調整がなされた後、第３ローパスフィルタ１６ｃにより正弦波状になる。こうして、各ローパスフィルタ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの出力信号は、高調波を含まない振動モードの波形だけとなって、共通のバッファ１７を通過する。
【００１８】
その後、各々の正弦波状の発振信号は、広帯域電力増幅器６により所定の電力に増幅され、マッチング回路７に導かれるが、本実施例のマッチング回路７は特に、各々の周波数１／２ｆ，１ｆ，３ｆの全帯域に渡って、低インピーダンスの超音波振動子１に広帯域電力増幅器６の出力インピーダンスを整合させることができ、これにより発振信号を概ね損失なく安定した状態で超音波振動子１に供給できる。そして、各々の発振信号に共振する超音波振動子１から超音波エネルギーが発生し、この超音波エネルギーが導子２間から生体に与えられる。
【００１９】
超音波振動子１の振動モードが高い周波数（例えば３ｆ）成分だけである場合は、生体の浅部を集中的に振動させることができ、この高い周波数の超音波エネルギーを例えば顔面の美容に利用することができる。逆に、超音波振動子１の振動モードが低い周波数（例えば１／２ｆ）成分だけである場合は、生体の深部を集中的に振動させることができ、この低い周波数の超音波エネルギーを例えば腹部の痩身に利用することができる。また本実施例では、超音波振動子１の振動モードが、低い周波数と、中間の周波数（例えば１ｆ）と、高い周波数で同じ割合になるように短時間で切り替えることもできる。この場合は、生体の浅部から深部にかけて均一に振動を与えることができ、局部的な超音波エネルギーの集中を回避できる。さらに、切替える周波数の時間比率をそれぞれ均一ではなく、スイッチなどの操作手段で可変可能にすることにより、使用部位の刺激深度のバランスを微妙に調整することもできる。
【００２０】
またこの一連の動作中、ＣＰＵ１１はフィードバック監視手段１３により、超音波振動子１に流れる電流や、広帯域電力増幅器６からの電流の状態を常時監視している。そして、発振信号の周波数が切り替わったときに、発振出力回路３やマッチング回路７に損失や利得誤差を生じると、これを修正すべく可変周波フィルタ回路５の減衰器１５ａ，１５ｂ，１５ｃに対し、各々独立して利得調整のための減衰量切替信号を送出する。これにより、各減衰器１５ａ，１５ｂ，１５ｃの減衰量がフィードバック制御され、マッチング回路７が広帯域なマッチング特性を有することと相俟って、超音波振動子１からより安定した超音波エネルギーを供給できる。
【００２１】
以上のように本実施例によれば、発振出力回路３からの異なる周波数の出力信号をマッチング回路７を介して単独の超音波振動子１に供給し、この超音波振動子１から生体に超音波エネルギーを付与する超音波発生装置において、マッチング回路７は、前記異なる周波数の全域に渡り整合する広帯域マッチング回路であることを特徴とする。
【００２２】
この場合、発振出力回路３から供給する出力信号の周波数が高速で頻繁に変わっても、広帯域マッチング回路であるマッチング回路７はあらゆる周波数の出力信号に対し、発振出力回路３と超音波振動子１との間のマッチングを最適なものとすることができる。したがって、従来のような機械的な部品を一切介在させずに、単一の超音波振動子１を利用して、生体の浅部から深部に至る広い範囲を同時に治療することが可能になる。
【００２３】
また、制御手段であるＣＰＵ１１から広帯域ＰＬＬ発振器４に分周比切替信号を供給して、発振出力回路３からの出力信号の周波数を頻繁に切り替えることにより、生体の一部分にエネルギーが集中する弊害も一掃することができる。
【００２４】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。実施例中における周波数の選び方はあくまでも一例に過ぎず、装置の設計仕様に合わせて適宜変更してよい。例えば、実施例中の周波数１／２ｆの信号は、超音波振動子１のスプリアスレスポンスを利用したもので、通常は偶数倍で振動しないが、超音波振動子１の設計如何によっては利用可能になる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の超音波発生装置は、発振出力回路からの異なる周波数の出力信号をマッチング回路を介して単独の超音波振動子に供給し、この超音波振動子から生体に超音波エネルギーを付与する超音波発生装置において、前記マッチング回路は、前記異なる周波数の全域に渡り整合する広帯域マッチング回路であることを特徴とするもので、これにより単一の超音波振動子を利用して、生体の浅部から深部に至る広い範囲を同時に治療することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における超音波発生装置の概略をあらわしたブロック図である。
【図２】同上、可変周波フィルタのより詳細な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  超音波振動子
３  発振出力回路
７  マッチング回路（広帯域マッチング回路）
【図１】
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【図２】
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