JP2000116140A - 高周波電源装置及び超音波発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 周波数及び出力電圧が変更可能な高能率高周
波電源装置を提供する。 【解決手段】 腫瘍治療装置１は、アプリケータ３を患
者Ｐに接して、高周波電源装置９で駆動される圧電素子
群２１から発せられる超音波を患部Ｒに収束させ、患部
Ｒを加熱し腫瘍を治療する。高周波電源装置９は、ＡＣ
−ＤＣコンバータで交流を直流に変換し、この直流をス
イッチング回路３３でスイッチングした方形波をフィル
タ３５へ出力する。フィルタ３５は、方形波の成分から
基本波を通過させ、負荷整合回路３７でインピーダンス
マッチングし圧電素子群２１に高周波を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波電源装置及
び超音波発生装置に係り、特にスイッチング動作により
所望の高周波電力を得ることができる高周波電源装置及
びこの高周波電源装置を用いた超音波発生装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電源装置としては、直流出力を
取り出す直流電源と、パルスもしくは正弦波を取り出す
高周波電源がある。前者に関しては、電源技術の進歩に
より、商用交流電源を整流しコンデンサを用いて平滑す
る方式から、スイッチングインバータにより目的の出力
を得る方式に移行されつつある。スイッチング電源は、
電力効率が高く損失が少ないことから、従来のコンデン
サインプット型の直流電源方式に比べて、発熱が少なく
小型であるなどの優れたメリットがある。

【０００３】他方、高周波電源装置は、医療の分野でた
いへん重要な構成ユニットとなっている。例えば、ラジ
オ波（ＲＦ波）誘導等により癌細胞を加熱し壊死に導く
ハイパーサーミア（癌の温熱療法）装置や、強力超音波
を腫瘍細胞に集束して高温に加熱し熱変性壊死させる超
音波治療装置などに利用されている。

【０００４】これらの装置は、数十kHz 〜数MHz の周波
数の大きなエネルギの正弦波を必要とするため、大電力
高周波電源が必要である。

【０００５】しかも、負荷の種類によって周波数帯や出
力の仕様が様々であるため、大電力高周波電源の構成と
しては、発振器、増幅器及び直流電源の組み合わせとす
るのが一般的であった。すなわち、発振器により目的の
周波数の正弦波を発生させ、これを高周波増幅器により
増幅して所望の出力電力を得る方式である。

【０００６】ところが、高周波増幅器の電力効率は、良
く用いられる増幅方式のなかでも最も電力効率が高いＢ
級増幅器を用いても、７８．５％の効率以上にはなり得
ない。よって、大きな出力電力を要求するほど発熱量が
増加し、大容量の増幅素子を必要とするとともに、その
冷却機構が複雑になり、その結果、装置が複雑、大型化
してしまう。

【０００７】これに対し、入力信号を量子化し、各量子
化ビット毎にスイッチング方式のパルス増幅器を割り当
て、これらのパルス増幅器の出力を電力合成器により合
成して目的とするアナログ出力を得るＤ級増幅器が開発
された（例えば、特開平３−２１８７３３号公報な
ど）。Ｄ級方式であれば、理論的に１００％に近い効率
の増幅器を得ることができる。但し、量子化誤差を少な
くするためにはパルス増幅器を多数使用する必要がある
ため、装置構成が複雑かつ高価となる。

【０００８】他方、近年、デバイスの発達に伴い、オー
ディオの領域においてはパルス幅変調方式（ＰＷＭ方
式）のＤ級増幅器が用いられるようになってきた。これ
は、信号周波数の十倍程度のサンプリング周波数でパル
ス幅変調し、スイッチングにより増幅した後、ローパス
フィルタを通して信号周波数を得る方式である。本方式
においては、信号周波数の数倍以上のサンプリング周波
数を用いることが必要であるため、多分に高性能なデバ
イスが必要とされるため装置が複雑かつ高価となる。

【０００９】一方、モータ制御用、高周波誘導加熱用、
及びネオン管点灯用の高周波電源としては、出力が正弦
波である必要はなく矩形波形でも十分なため、スイッチ
素子を利用したパルス高周波電源が実用化されている。
モータ制御用高周波電源は、スイッチ素子のオンオフの
時間幅を制御することによりモータのスピードを調整す
るパルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）が主流となってい
る。これは、現在のスイッチング型直流電源の主たる方
式と同様の方式である（例えば、パワーエレクトロニク
ス入門、オーム社、１９８４年）。

【００１０】また、周波数を変更してモータのスピード
を調整する手法も提案されている。さらに、ネオン管点
灯用の高周波電源では、スイッチング方式の高効率を活
かし、かつ負荷の異常状態を検出可能とした装置も提案
されている（特願平８−４６８３２）。ところが、これ
らの高周波電源では、出力の安定化をＰＷＭ制御もしく
は周波数制御で行っているため、出力を任意の周波数に
変更することが困難であった。

【００１１】また従来の高周波電源装置は、医療用とし
て十分な安全対策が施されておらず、装置故障時に設定
値以上の高周波が出力されるおそれがあった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マルチ
ビットのＤ級増幅器を用いた高周波電源装置は、入力信
号をアナログ／デジタル変換する必要があり、かつ量子
化誤差を少なくするためにはパルス増幅器を多数使用す
る必要があるので、装置構成が複雑かつ高価になるとい
う問題点があった。

【００１３】また、ＰＷＭ方式のＤ級増幅器は、信号周
波数に対して数倍以上のサンプリング周波数が必要とな
るため、多分に高性能なデバイスが必要となり装置が複
雑かつ高価になるとの問題点があった。

【００１４】一方、モータ制御用、高周波誘導加熱用、
及びネオン管点灯用の大電力高周波電源では、出力とそ
の周波数を独立に設定できないという問題点があった。

【００１５】また、負荷に供給される波形が、高調波成
分を多く含む方形波であるため、この高調波成分が損
失、すなわちノイズや発熱など転換され、周囲に多大な
悪影響を与えるという問題点があった。

【００１６】以上の問題点に鑑み本発明の目的は、装置
構成が簡単で安価な高周波用電源装置を提供することで
ある。また本発明の目的は、医療用に適した信頼性およ
び安全性が高い高周波電源装置を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、出力電圧を任意に設定可能な交流を直流に
整流する整流手段と、出力周波数を任意に変更可能な周
波数制御手段と、該周波数制御手段の出力周波数で前記
整流手段の直流出力に対してスイッチングを行うスイッ
チング手段と、該スイッチング手段の出力から所望の周
波数範囲の高周波出力を抽出するフィルタ手段と、を備
えたことを要旨とする高周波電源装置である。

【００１８】また本発明は、出力電圧を任意に変更可能
な交流を直流に整流する整流手段と、出力周波数を任意
に変更可能な周波数制御手段と、該周波数制御手段の出
力周波数で前記整流手段の直流出力に対してスイッチン
グを行うスイッチング手段と、前記スイッチング手段の
出力を所望の値に保つように制御する出力振幅制御手段
と、前記周波数制御手段が出力する周波数をあらかじめ
定められた値と比較して異常と判断したときは、前記出
力振幅制御手段による制御にかかわらず前記高周波出力
を定められた振幅以下に抑制する出力抑制手段と、を備
えたことを要旨とする高周波電源装置である。

【００１９】また本発明は、パルスもしくは減衰振動波
形を発生する複数の波形発生手段と、該複数の波形発生
手段の出力を合成する合成手段とを備えた高周波電源装
置において、前記複数の波形発生手段のうち任意の一つ
の波形発生手段の動作サイクルが、残りの全ての波形発
生手段から出力された出力信号を合成した信号をある振
幅しきい値で特定した時間よりも長いことを要旨とす
る。

【００２０】また本発明は、上記のいずれか１項記載の
高周波電源装置により駆動されることを要旨とする超音
波発生装置である。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る高周波
電源装置の第１の実施形態を超音波発生装置の駆動に用
いた腫瘍治療装置の構成を示すブロック図である。この
腫瘍治療装置は、患部に超音波エネルギーを集束させて
加熱し、腫瘍細胞を死滅させるものである。

【００２２】同図において、腫瘍治療装置１は、患者Ｐ
の患部Ｒに超音波を照射する超音波発生装置としての治
療用超音波アプリケータ（以下、アプリケータと略す）
３、アプリケータ３の焦点を患部Ｒに合わせるための超
音波イメージング装置５、超音波イメージング装置５の
画像を表示する表示装置７、アプリケータ３に超音波発
生のための高周波電力を供給する高周波電源装置９、操
作パネル１１、出力レベル制御部１３、周波数制御部１
５を備えている。

【００２３】アプリケータ３は、発生超音波の波面が凹
面をなすように球面上に配置された圧電素子群２１と、
この圧電素子群２１の中心に挿入配置されたイメージン
グ用超音波プローブ２３と、可撓性の水袋２５によって
構成されている。この水袋２５内には超音波の伝播媒
質、例えばよく脱気された水２７が封入されている。

【００２４】ここで、イメージング用超音波プローブ２
３はメカニカルスキャン型でも電子スキャン型でも使用
可能である。アプリケータ３は上記水袋２５を介して患
者Ｐに当接され、治療対象である患部Ｒに向けて圧電素
子群２１から治療用超音波が照射される。イメージング
用超音波プローブ２３は超音波イメージング装置５に接
続され、患者Ｐ体内の超音波画像を描出する。

【００２５】圧電素子群２１は駆動用の高周波電源装置
９に接続され、超音波発生に必要な高周波電力が供給さ
れる。ここで、圧電素子群２１は、１つの超音波振動子
で形成しても良いし、複数に分割して形成しても良い。
例えば、複数に分割して形成した場合、各圧電素子片毎
に駆動用の高周波電源装置９を割り当てるような使用法
も可能である。

【００２６】次に、高周波電源装置９の構成の詳細につ
いて説明する。高周波電源装置９は、図１のブロック図
に示すがごとく、商用交流電源を直流に変換するＡＣ−
ＤＣコンバータ３１、直流をスイッチングして方形波を
出力するスイッチング回路３３、方形波から基本波成分
を抽出するフィルタ３５、負荷である圧電素子群２１と
のインピーダンスマッチングを行う負荷整合回路３７、
商用交流電源の変動に対してＡＣ−ＤＣコンバータ３１
の直流出力を安定化させる出力安定化制御部３９、スイ
ッチング回路３３を駆動するゲートドライブ回路４１、
故障検出部４３、ＡＣ−ＤＣコンバータ３１の出力レベ
ルを切り換えることにより高周波出力レベルを切り換え
る出力レベル切替部４５、および外部の周波数制御部１
５からの指示に従って周波数の変更可能な方形波発振器
４７を備えている。

【００２７】ＡＣ−ＤＣコンバータ３１は、コンデンサ
インプット型の直流電源や、これに電圧ドロップ型の安
定化手段を付加した安定化電源でも使用することができ
るが、ここでは、最も電力効率が高いスイッチング電源
を用いたとして説明する。

【００２８】通常、スイッチング電源では、出力の直流
電圧もしくは電流を参照し、基準値と比較してスイッチ
素子にＰＷＭ信号を入力して出力の安定化を達成してい
る。図２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ３１の構成を示すブ
ロック回路図である。ここでは、基準値を制御入力とし
て外部から入力し、それを基に基準電圧発生回路１１７
にて基準電圧を作成し、比較器１１５にて出力電圧と比
較してＰＷＭ制御をＰＷＭ制御回路１１３で行うことに
より、出力電圧可変の直流電源としている。また、出カ
トランス１０７から整流回路１０９で整流を行った後、
フィルタ１１１を用いて出カリプルを低減している。

【００２９】なお、ここでの直流出力電圧は、次段に続
く図１のスイッチング回路３３の入力となるが、フィル
タ３５で正弦波に波形整形されると、振幅が４／π倍と
なるため、最終的な正弦波振幅のπ／４倍の電圧の直流
出力となるようにデータデコーダ２７にて再設定されて
いる。

【００３０】すなわち、図１において、出カレベル切替
部４３は、操作パネル１１から入力された出力振幅から
π／４倍された直流出力がＡＣ−ＤＣコンバータ３１か
ら出力されるように、図２に示すデータデコーダ１１９
において入カデータの変換を行っている。

【００３１】尚、図２の基準電圧発生回路１１７として
は、ＤＡコンバータを用いた電圧発生器でも良いし、定
電圧電源から供給される電圧の分圧比を可変する可変抵
抗器でも良い。また、スイッチ素子１０５としては、Ｍ
ＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ等、一般的な素子が利用できる。

【００３２】さて、ここで、周波数の制御に関して、ス
イッチング回路３３及びその周辺の詳細ブロック図であ
る図３と図１とを用いて説明する。図３において、スイ
ッチング回路３３は、プッシュプル型で構成され、スイ
ッチング素子としてのＦＥＴ２０１、２０３、コンベン
ショナルな出力トランス２０５を備えている。

【００３３】図外の操作パネル１１から発振周波数デー
タを制御入力として周波数制御部１５へ入力する。周波
数制御部１５は、この周波数データをＤＡコンバータ１
５ａにより対応するアナログ電圧に変換した後、ＶＦコ
ンバータ４７ｂに入力して目的の周波数の方形波信号を
得る。なお方形波信号のデューティは、デッドタイム発
生回路４７ａにより決められる。これらは、一般的なリ
ニアＩＣを用いて構成可能である。

【００３４】次に、スイッチング回路３３において、こ
の方形波信号をＦＥＴ２０１、２０３のゲートに入力し
て直流をスイッチし、出力トランス２０５、フィルタ３
５及び負荷整合回路３７を介して正弦波出力を得る。こ
こで、フィルタ３５及び負荷整合回路３７は、図１内の
フィルタ３５及び負荷整合回路３７と同一のものである
ため、同じ符号を付与してある。

【００３５】なお、図３では、スイッチング回路として
プッシュプル型のものを用いているが、フルブリッジ
型、ハーフブリッジ型、チョッパ型など、他のタイプの
スイッチング回路でも利用することが可能である。ま
た、フィルタ３５及び負荷整合回路３７としては、出カ
トランスの２次側にコンデンサを直列または並列に付加
したパッシブフィルタが一般的であるが、出力容量が許
す限りアクティブフィルタも使用できる。もちろん、コ
ンデンサ及び抵抗で構成したフィルタを用いても良い。

【００３６】さらに、フィルタ３５としてオット（ＯＴ
Ｔ）フィルタを用いても良い（電子通信ハンドブック、
ｐｐ７２６．昭和５４年、電子通信学会編、オーム社発
行）。

【００３７】また、図３においては、目的の周波数の方
形波信号を発生させるために、ＤＡ及びＶＦコンバータ
を用いているが、ＬＣ発振回路、ＰＬＬ回路、ダイレク
トデジタルシンセサイザなども使用することができる。
また、ＶＦコンバータの入力電圧としてのこぎり波形状
のものを使用することにより、スウィープ波形を得るこ
とも可能である。また、あらかじめ波形データをＲＯＭ
やＲＡＭなどのメモリに順次記憶しておき、アドレスカ
ウンタの出力に従ってデータを順次読み出してＤＡ変換
することにより、時間的に任意な波形を得ることも可能
である。

【００３８】なお、振幅データも順次読み出して図２の
制御入力に入れてやれば、任意の形状の波形出力を得る
ことが可能となる。その際、フィルタの伝達関数を逆算
して振幅情報として与えておくことにより、より精密な
任意波形発生器を、従来のものに比べて簡単かつ安価に
構成することができる。

【００３９】さらに、電圧制御型コンデンサ、バリコ
ン、トリマなどを使用して電圧もしくは機械的回転数を
スイッチング周波数に連動して自動、もしくは半自動、
もしくは手動で変更可能にすることによりフィルタの透
過特性を自動、もしくは半自動、もしくは手動で制御可
能にしておけば、より高効率で精密な高周波電源装置と
することができる。

【００４０】ところで、本実施の形態では、出カトラン
ス２０５にコンベンショナルトランスを用いているが、
これを伝送線路トランスにすることも可能である。伝送
線路トランスを用いる場合には、整数をｎとするとき、
１：ｎ² またはｎ² ：１のインピーダンス変換を広い周
波数帯に亘って容易に行うことができる。また、出カト
ランスを抵抗に置き換えても良い。なお、本実施の形態
では、出力周波数が数MHz 以上の場合を想定して、イン
ピーダンス整合を負荷整合回路３７により行うようにし
てある。

【００４１】なお、本実施の形態では方形波出力を得て
これをフィルタで波形整形しているが、さらに低ノイズ
化を達成するためにソフトスイッチ化することもでき
る。その場合、ソフトスイッチングの周波数は、出力周
波数よりも若干高く選らんでおくことがポイントとな
る。もちろん、出力周波数の変更に伴い、ソフトスイッ
チングの周波数を変更可能にする構成にしてもよい。

【００４２】以上、第一の実施の形態では、出力の制御
及び安定化を前段のＡＣ−ＤＣコンパータで行い、後段
のスイッチング回路で目的の周波数の方形波を作り出
し、フィルタで波形整形するという構成である。尚、以
上説明した高周波電源装置は、超音波発生用に限らず如
何なる用途にも適用可能であることは言うまでもない。

【００４３】次に、第２の実施の形態について説明す
る。図４は、第２実施形態の高周波電源装置の要部回路
図である。図４に示した範囲以外は、図１ないし図３で
説明した第１実施形態と同様であるので、重複する説明
は省略する。

【００４４】本実施の形態では、出カトランス２０５の
２次側に補助巻線２１１を設け、出力トランス２０５の
高周波（方形波）出力電圧をＡＣ−ＤＣコンバータ３１
へフィードバックすることにより高周波出力電圧の安定
化を図るものである。

【００４５】すなわち、補助巻き線２１１から得た高周
波出力を整流器２１３で整流してフィルタ２１５で平滑
し、このフィルタ２１５で平滑された直流出力Ｖｍｏｎ
を出力安定化制御部３９へ入力し、この直流出力Ｖｍｏ
ｎと基準値Ｖｒｅｆとを出力安定化制御部３９で比較
し、その差に応じてＡＣ−ＤＣコンバータの直流出力電
圧を制御することにより、高周波出力の安定化を図るも
のである。図２と同様、ＰＷＭ制御により出力安定化を
行うが、ゼロクロス周波数が外部制御入力によって設定
されるため、デューティ比を変更することによる制御と
なっているのが特徴である。その他、基本的な動作は、
第１の実施形態と同様である。

【００４６】次に、図５の高周波電源装置の回路図を参
照して第３の実施形態を説明する。本実施形態では、特
開平４−２２９５９９号公報で開示されているように、
高周波電源ユニット３０１を複数個備え、出カトランス
３０５の２次側３０９を直列に多段接続した構成であ
り、動作ユニット数を変更することで出力の大きさを変
更できるようになっている。

【００４７】すなわち、本実施の形態の高周波電源装置
は、それぞれＡＣ−ＤＣコンバータ３１、出力安定化制
御部３９、スイッチング回路３０３、出力トランス３０
５、ゲートドライブ回路３１１を備える高周波電源ユニ
ット３０１を３式と、フィルタ３５、負荷整合回路３
７、動作ユニット数制御部３１３、出力レベル切替部４
５、方形波発振器４７、故障検出部４３を備えている。

【００４８】ＡＣ−ＤＣコンバータ３１、出力安定化制
御部３９、フィルタ３５、負荷整合回路３７、出力レベ
ル切替部４５、方形波発振器４７、故障検出部４３は第
１実施形態と同様の構成要素である。

【００４９】高周波電源ユニット３０１は、ＡＣ−ＤＣ
コンバータ３１で商用交流電源を直流に変換した後、ス
イッチング回路３０３でスイッチングし、方形波を出力
トランス３０５の２次側３０９へ出力する。ＡＣ−ＤＣ
コンバータ３１の出力電圧は、出力安定化制御部３９へ
戻され、直流電圧の安定化が行われるのは、第１の実施
形態と同様である。

【００５０】動作ユニット数制御部３１３は、出力レベ
ル切替部４５の指示により、稼働すべき高周波電源ユニ
ット数を判定し、稼働させる高周波電源ユニット３０１
に対してゲートドライブ回路３１１を有効にする有効信
号を送出する。この有効信号を受けたゲートドライブ回
路３１１は、方形波発振器４７の方形波に従ってスイッ
チング回路３０３に対してゲートドライブ信号を供給
し、スイッチングを行わしめる。

【００５１】各高周波電源ユニット３０１の出力トラン
ス３０５の２次側３０９は、直列接続されて、フィルタ
３５に入力されているので、稼働している高周波電源ユ
ニット３０１の高周波出力電圧の合成値（加算値）がフ
ィルタ３５で濾過され、負荷整合回路３７に供給され
る。本実施の形態においては、小電力から大電力に至る
までの各種の高周波電源装置を高周波電源ユニット数を
変えるだけで実現することができるので、設計工数を削
減することができる。その他の動作は、第１の実施形態
と同様である。

【００５２】次に、図６の高周波電源装置の回路図を参
照して第４の実施形態を説明する。本実施形態と第３の
実施形態との相違は、各高周波電源ユニット３５１が出
力トランス３５５の２次側に高周波出力検出用の補助巻
き線３５９を備え、この補助巻き線３５９の出力を整流
平滑回路３６３により整流平滑し、出力安定化制御部３
９に与えていることである。これにより出力安定化制御
部３９は、第２の実施形態と同様に、高周波出力をフィ
ードバックして出力安定化を行うことができる。その他
の動作は、第３の実施形態と同様である。

【００５３】次に、第５の実施の形態について図７に従
って説明する。本実施の形態では、減衰振動波形発生手
段（以下、パルサと呼ぶ）４０３を複数個、ここでは一
例として３個、使用している。パルサ４０３の方式とし
ては、コンデンサに電気エネルギをチャージしておき、
それをスイッチ素子でスイッチすることにより高電圧を
発生するのが一般的な方式である。

【００５４】さて、現状のスイッチ素子では、２MHz 以
上の高速スイッチングは困難であるため、連続的な波形
出力は困難である。そこで、本実施の形態では、パルサ
４０３を複数個用意し、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に
示すように交互に動作させ、これらの出力を合成するこ
とで、現状のスイッチ素子の能力限界を克服することを
目的としている。すなわち、一台あたりのパルサ４０３
の動作周波数はスイッチ素子の限界以内であるが、複数
個のパルサ４０３を用いることにより等価的に時間連続
波形を得る。

【００５５】ここで、一台あたりのパルサ４０３の動作
周波数は遅延回路４０７によって与えられている。フィ
ルタ３５として目的の周波数信号を取り出す共振回路を
採用することにより、図８（ｄ）のような減衰振動波形
の繰り返し波形を得ることができる。この波形は、厳密
には連続的な正弦波形とは異なるが、時間平均エネルギ
が重要な意味合いを持つ負荷、例えば高周波誘導加熱装
置や超音波振動子などの負荷の場合には実用的な波形で
ある。

【００５６】さて、以上述べた、第１実施形態乃至第５
実施形態において、腫瘍治療装置として、イメージング
モード（ａ）、チェックモード（ｂ）、治療モード
（ｃ）の３つのモードを設定し、操作者が操作パネル１
０により装置の動作モードを指定するようにしても良
い。例えば、個々の動作モードを独立に指定してもよい
し、モード（ｂ）からモード（ｃ）へ自動的に移行する
ように指定することも可能である。

【００５７】イメージングモード（ａ）は、超音波イメ
ージング装置５により患者Ｐ体内の超音波画像を描出す
るモードである。

【００５８】チェックモード（ｂ）は、圧電素子群２１
に微弱な駆動電力を与えてシステムの故障診断を行うモ
ードである。例えば、出力数ワット〜数十ワットの駆動
電力を用いれば、生体に影響を与えずにシステムの動作
チェックが可能である。その際、負荷整合回路３７の出
力から電流検出を行い、これを整流してあらかじめ記録
していた値と比較することにより、システムの詳細な故
障診断が可能となる。また、特願平８−７０２０６号に
記載されているごとく、駆動電力をパルス状の波形とし
生体内からの反射信号をイメージング用超音波プローブ
２３により受信することにより、圧電素子群２１から照
射された超音波が患者Ｐ体内に形成する超音波音場の様
子についての画像化することも可能になる。以上のチェ
ックモードを実行後異常がなければ、治療が開始され
る。この様に、治療前に生体内につくられた音場・焦点
位置をチェックすることにより、治療対象以外の領域に
誤照射する危険性が減少し、より安全な装置を構築でき
る。

【００５９】図９は、本発明に係る高周波電源装置の第
６の実施形態を超音波発生装置の駆動に用いた腫瘍治療
装置の構成を示すブロック図である。

【００６０】同図において、腫瘍治療装置１は、患者Ｐ
の患部Ｒに超音波を照射するアプリケータ３、アプリケ
ータ３の焦点を患部Ｒに合わせるための超音波イメージ
ング装置５、超音波イメージング装置５の画像を表示す
る表示装置７、アプリケータ３に超音波発生のための高
周波電力を供給する高周波電源装置９、操作パネル１
１、出力レベル制御部１３、周波数制御部１５、発振器
６１を備えている。

【００６１】アプリケータ３は、発生超音波の波面が凹
面をなすように球面上に配置された圧電素子群２１と、
この圧電素子群２１の中心に挿入配置されたイメージン
グ用超音波プローブ２３と、可撓性の水袋２５によって
構成されている。この水袋２５内には超音波の伝播媒
質、例えばよく脱気された水２７が封入されている。

【００６２】ここで、イメージング用超音波プローブ２
３はメカニカルスキャン型でも電子スキャン型でも使用
可能である。アプリケータ３は上記水袋２５を介して患
者Ｐに当接され、治療対象である患部Ｒに向けて圧電素
子群２１から治療用超音波が照射される。イメージング
用超音波プローブ２３は超音波イメージング装置５に接
続され、患者Ｐ体内の超音波画像を描出する。

【００６３】圧電素子群２１は駆動用の高周波電源装置
９に接続され、超音波発生に必要な高周波電力が供給さ
れる。ここで、圧電素子群２１は、１つの超音波振動子
で形成しても良いし、複数に分割して形成しても良い。
例えば、複数に分割して形成した場合、各圧電素子片毎
に駆動用の高周波電源装置９を割り当てるような使用法
も可能である。

【００６４】次に、高周波電源装置９の構成の詳細につ
いて説明する。高周波電源装置９は、図９のブロック図
に示すがごとく、商用交流電源を直流に変換するＡＣ−
ＤＣコンバータ３１、直流をスイッチングして方形波を
出力するスイッチング回路３３、方形波から基本波成分
を抽出するフィルタ３５、負荷である圧電素子群２１と
のインピーダンスマッチングを行う負荷整合回路３７、
商用交流電源の変動に対してＡＣ−ＤＣコンバータ３１
の直流出力を安定化させる出力安定化制御部３９、スイ
ッチング回路３３を駆動するゲートドライブ回路４１、
故障検出部４３、ＡＣ−ＤＣコンバータ３１の出力レベ
ルを切り換えることにより高周波出力レベルを切り換え
る出力レベル切替部４５、発振器６１が出力する繰り返
し周波数のうち正常を判定する周波数範囲のみを通過さ
せるバンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）５３、ＢＰＦ５３
の出力を整流する整流回路５１、整流回路５１の出力電
圧と所定の基準電圧とを比較する比較器５５を備えてい
る。

【００６５】ＡＣ−ＤＣコンバータ３１は、次段に続く
スイッチング回路３３の入力となるが、フィルタ３５で
正弦波に波形整形されると振幅が４／π倍となるため、
最終的な正弦波振幅のπ／４倍の電圧の直流出力となる
ように設定されている。

【００６６】すなわち、図９において、出力レベル切替
部４５は、操作パネル１１から入力された出力振幅から
π／４倍された直流出力がＡＣ−ＤＣコンバータ３１か
ら出力されるように入力データの変換を行っている。

【００６７】さて、フィルタ３５は方形波信号から余分
な高周波信号を除去し正弦波信号を得るためのものであ
るが、出力周波数が低周波数になればなるほどフィルタ
３５で十分に除去されない高周波成分が増えてくる。こ
の影響で、出力周波数を変化させると出力振幅にばらつ
きが生じてくる。

【００６８】逆に、出力信号周波数が高くなるほどスイ
ッチング回路３３における損失、例えば、スイッチング
素子の高周波特性に起因する損失や出力トランスによる
損失などが多くなっていく。その結果、出力振幅にばら
つきが生じてくる。以上の理由により、周波数対出力振
幅特性はフラットにならずうねりが生じてしまうので、
このうねりを抑えるために一般的にフィードバック制御
を採用する。

【００６９】本実施の形態においては、フィルタ３５の
出力からフィードバックを出力安定化制御部３９にかけ
ている。前述したようにフィードバック制御は出力安定
化のために一般的によく用いられる手法であるが、本回
路のように出力レベル及び出力周波数を独立に制御可能
な高周波電源の場合、一般的な手法をそのまま採用する
と問題が生じる可能性がある。

【００７０】それは、周波数制御部１５の出力が故障や
断線、その他の理由によりゼロまたは直流であったり、
出力周波数として指定された周波数が極めて低周波数で
ある場合、フィードバックループからの制御信号がほぼ
ゼロまたは直流になってしまい、その結果、出力安定化
制御部３９は出力振幅がゼロであると認識し出力を増加
させようとする。即ち、ＡＣ−ＤＣコンバータ３１の出
力直流電圧を最大値にまで増加させてしまう。そして、
次の瞬間に正常な周波数制御信号が入力されると、瞬間
的に最大出力を出してしまうことになる。

【００７１】この最大出力信号は、スイッチング回路３
３及びその電源部に接続されているコンデンサの電荷量
に依存する時間継続される。これは、設定出力値によら
ずに起こるので極めて危険である。

【００７２】そこで、本実施の形態では、周波数制御部
１５の出力がゼロまたは想定した周波数より極めて低い
場合、出力レベル切替部４５において出力レベルをゼロ
にするように動作される。

【００７３】この動作は、ＢＰＦ５３，整流回路５１，
比較器５５，及び出力レベル切替部４５にて達成され
る。即ち、周波数制御部１５にて出力周波数情報がつく
られ、これに基づいて発振器６１で制御信号が作成され
る。

【００７４】次に、制御信号は、本実施の形態の高周波
電源の周波数仕様に基づく通過周波数帯域特性を有する
ＢＰＦ５３を通過後ゲートドライブ回路４１に入力され
る。これと同時に、整流回路５１に入力される。整流回
路５１は入力信号を整流し、その結果を比較器５５に送
る。比較器５５では、あらかじめ定められた基準値と本
信号を比較し、本信号が基準値よりも大きい場合に周波
数制御信号が正常に入力されているとして出力を「真」
にする。

【００７５】ここで、もし、周波数制御入力がゼロ、直
流、またはＢＰＦ５３の通過帯域以外の周波数の信号で
あれば、整流回路５１の出力はゼロにまたはゼロに近く
なり、比較器５５の出力は「偽」になる。次に、出力レ
ベル切替部４５においては、比較器５５からの出力が
「偽」のときは、出力レベルをゼロに設定する。

【００７６】その結果、外部からの出力レベル制御信号
が有限の値であったとしても、周波数制御信号がゼロ、
直流、または想定周波数帯から外れる場合（ＢＰＦ５３
の通過帯域外）にはＡＣ−ＤＣコンバータ３１からスイ
ッチング回路３３への電力の供給はストップするので、
次の瞬間に最大出力が出ることを避けられる。

【００７７】さらに、スイッチング回路３３のドレイン
（またはアノード、コレクタなど、直流電圧が印加され
る部位）にコンデンサが接続されている場合には、電力
供給がストップするのに同期させて充電されている電荷
を放電する放電回路を付け加えてもよい。

【００７８】図１０は、上記の放電回路を備えたスイッ
チング回路の構成例を示す回路図である。図１０のスイ
ッチング回路は、シングルエンド・プッシュプル回路構
成としたもので、電源電圧としては、電源端子３０１に
＋ＶＤＤ、電源端子３０３に−ＶＳＳがそれぞれ図外の
ＡＣ−ＤＣコンバータ３１から供給されている。

【００７９】そして、ＦＥＴ３１３及び３１５が端子３
０１、３０３の間に直列に接続され、ＦＥＴ３１３のソ
ースとＦＥＴ３１５のドレインとの接続点から出力トラ
ンス３１７へ出力が引き出されている。ＦＥＴ３１３、
３１５のそれぞれのゲートは、入力端子３０５、３０７
にそれぞれ接続され、ゲートドライブ回路４１からドラ
イブ信号が与えられ、交互にスイッチングするようにな
っている。

【００８０】また、電源端子３０１、３０１には、それ
ぞれコンデンサ３１９、３２１の一方の端子が接続さ
れ、各コンデンサの他方の端子は接地されている。ＦＥ
Ｔ３１３、３１５の漏れ電流は極めて低いので、印加直
流電圧がゼロになったとしても＋ＶＤＤの電圧及び−Ｖ
ＳＳの電圧は、コンデンサ３１９及び３２１により維持
される。

【００８１】そこで、ＡＣ−ＤＣコンバータからの電圧
供給が停止するのに同期して、＋ＶＤＤ、−ＶＳＳをゼ
ロにするため、抵抗３２３とＦＥＴ３２７の直列回路、
及び抵抗３２５とＦＥＴ３２９の直列回路、がそれぞれ
コンデンサ３１９、３２１と並列に接続され、放電回路
を形成している。

【００８２】このＦＥＴ３２７及び３２９はスイッチと
して働き、図外の比較器５５の出力が「偽」である場合
にＯＮになり、コンデンサ３１９、３２１の電荷を放電
させ、＋ＶＤＤ及び−ＶＳＳを速やかに０Ｖに低下させ
ることができる。

【００８３】ここで、放電スイッチとしてＦＥＴを用い
ているが、ＳＣＲやＧＴＯなどのサイリスタや、トラン
ジスタ、リレーでも使用可能である。また、出力回路の
構成は図１０に示したシングルエンド・プッシュプル方
式以外のどのような方式でも良い。また、図９では、発
振器５５を高周波電源装置９の外部に設けたが、これを
高周波電源装置９の内部に設けてもよい。また、発振器
５５の出力は、正弦波もしくは矩形波である。

【００８４】また、フィードバック制御をフィルタ３５
の出力から得て出力安定化制御部３９に入力している
が、スイッチング回路３３の出力や負荷整合回路３７の
出力から取り出すようにしても良い。さらに、周波数制
御入力やその他動作の異常は、故障検出部４３により検
出され、出力の停止、表示装置７などを通じて操作者へ
の告知、図示しないシステムコントローラへの異常の通
知や自己診断など、必要な処理が取られるようになって
いる。このように本実施の形態によれば、何らかの理由
で入力信号が途切れ、次に復帰した瞬間に大出力が出て
しまうという不具合を解決することができる。

【００８５】図１１は、本発明に係る高周波電源装置の
第７の実施形態を超音波発生装置の駆動に用いた腫瘍治
療装置の構成を示すブロック図である。

【００８６】本実施形態では、ＡＣ−ＤＣコンバータ３
１の出力をゼロに落すことをせずに、最終段からのフィ
ードバックループを電気的に切断することにより、スイ
ッチング回路３３の出力増加を防ぐ例に関して述べる。
以下、図１１を用いて第７実施形態を説明する。

【００８７】図１１では、図９と同様な機能を有する構
成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略す
る。ＢＰＦ５３、整流回路５１、及び比較器５５の動作
は図９の場合と同様である。ここで、周波数制御入力が
正常範囲である場合、比較器５５からの出力は「真」で
あり、ループ制御部５７はフィルタ３５からのフィード
バック信号を通過させ、出力安定化制御部３９に導く。

【００８８】ここで、ループ制御部５７は一般的なアナ
ログスイッチなどから構成される。他方、周波数制御入
力がゼロ、直流、もしくはＢＰＦ５３の通過帯域外の周
波数信号であるなど、想定された正常状態から逸脱して
いる場合、比較器５５からの出力は「偽」となり、ルー
プ制御部５７はフィルタ３５からのフィードバック信号
を通過させずに遮断する。そして、出力安定化制御部３
９にはフィルタ３５からのフィードバック信号を無視す
るような形態の信号を送信する。

【００８９】例えば、図１１においては、出力レベル切
替部４５、ＡＣ−ＤＣコンバータ３１、及びループ制御
部５７からのぞれぞれの出力が出力安定化制御部３９に
入力されているが、比較器５５からの出力が「偽」の場
合、ループ制御部５７からの出力は他の２入力のどちら
かと同レベルになるか、または、出力安定化制御部３９
内で無視される。

【００９０】これにより、高周波出力はゼロとなってい
るが、ＡＣ−ＤＣコンバータ３１からは安定化された直
流出力が維持される。その結果、次に正常な周波数制御
信号が入力されても異常な出力を出すことはなしに正常
な振幅の出力を直ちに出力する。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、出
力の大きさと周波数とをそれぞれ独立に制御可能なスイ
ッチング回路により直流をスイッチングして方形波を得
て、この方形波からフィルタにより目的の周波数範囲を
抽出することにより、小型で高効率な高周波電源装置を
実現することができる。

【００９２】また本発明によれば、高周波電源装置の電
力効率を高くできるので、これを用いた超音波発生装置
の消費電力を削減することが可能となる。さらに本発明
によれば、周波数制御系統に異常が生じても、出力電圧
を安全な範囲に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高周波電源装置の第１の実施形態
を超音波加熱方式の腫瘍治療装置に適用した構成を示す
ブロック図である。

【図２】スイッチング方式のＡＣ−ＤＣコンパータの構
成を示すブロック図である。

【図３】スイッチング方式での周波数変更の詳細を説明
するブロック図である。

【図４】第２の実施形態における高周波電源装置の構成
を示すブロック図である。

【図５】第３の実施形態における高周波電源装置の構成
を示すブロック図である。

【図６】第４の実施形態における高周波電源装置の構成
を示すブロック図である。

【図７】第５の実施形態における高周波電源装置の構成
を示すブロック図である。

【図８】第５の実施形態のにおけるパルサ出力の合成を
説明する波形図である。

【図９】本発明に係る高周波電源装置の第６の実施形態
を超音波加熱方式の腫瘍治療装置に適用した構成を示す
ブロック図である。

【図１０】放電回路を備えたスイッチング回路の例を示
す回路図である。

【図１１】本発明に係る高周波電源装置の第７の実施形
態を超音波加熱方式の腫瘍治療装置に適用した構成を示
すブロック図である。

【符号の説明】

１…腫瘍治療装置、３…アプリケータ、５…超音波イメ
ージング装置、７…表示装置、９…高周波電源装置、１
１…操作パネル、１３…出力レベル制御部、１５…周波
数制御部、３１…ＡＣ−ＤＣコンバータ、３３…スイッ
チング回路、３５…フィルタ、３７…負荷整合回路、３
９…出力安定化制御部、４１…ゲートドライブ回路、４
３…故障検出部、４５…出カレベル切替部、４７…方形
波発振器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4C053 LL01 LL20 4C082 MA02 ME01 ME11 ME17 ME18 MG02 MG03 ML01 5H007 AA01 BB00 CA01 CA02 CB06 CB07 CC06 CC12 DA03 DA06 DB01 DC05 EA02 EA09

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力電圧を任意に変更可能な交流を直流
   に整流する整流手段と、 出力周波数を任意に変更可能な周波数制御手段と、 該周波数制御手段の出力周波数で前記整流手段の直流出
   力に対してスイッチングを行うスイッチング手段と、 該スイッチング手段の出力から所望の周波数範囲の高周
   波出力を抽出するフィルタ手段と、 を備えたことを特徴とする高周波電源装置。
2. 【請求項２】 前記フィルタ手段の透過周波数帯が、前
   記スイッチング手段が発生する方形波の繰り返し周波数
   の３倍高調波周波数よりも低い周波数に設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の高周波電源装置。
3. 【請求項３】 前記フィルタ手段の透過特性を変更する
   透過特性変更手段を更に備えたことを特徴とする請求項
   １または請求項２記載の高周波電源装置。
4. 【請求項４】 前記透過特性変更手段は、 前記スイッチング手段の繰り返し周波数に応じて前記フ
   ィルタ手段の透過特性を変更することを特徴とする請求
   項３記載の高周波電源装置。
5. 【請求項５】 前記高周波出力を所望の値に保つように
   制御する出力振幅制御手段を更に備えたことを特徴とす
   る請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の高周波
   電源装置。
6. 【請求項６】 前記出力振幅制御手段は、前記整流手段
   の出力電圧を制御することにより前記高周波出力を所望
   の値に保つことを特徴とする請求項５記載の高周波電源
   装置。
7. 【請求項７】 前記出力振幅制御手段は、前記周波数制
   御手段の周波数を保持したまま前記スイッチング手段の
   出力パルス幅を制御するパルス幅制御手段であることを
   特徴とする請求項５記載の高周波電源装置。
8. 【請求項８】 出力電圧を任意に変更可能な交流を直流
   に整流する整流手段と、 出力周波数を任意に変更可能な周波数制御手段と、 該周波数制御手段の出力周波数で前記整流手段の直流出
   力に対してスイッチングを行うスイッチング手段と、 前記スイッチング手段の出力を所望の値に保つように制
   御する出力振幅制御手段と、 前記周波数制御手段が出力する周波数をあらかじめ定め
   られた値と比較して異常と判断したときは、前記出力振
   幅制御手段による制御にかかわらず前記高周波出力を定
   められた振幅以下に抑制する出力抑制手段と、を備えた
   ことを特徴とする高周波電源装置。
9. 【請求項９】 前記出力振幅調整手段は前記高周波出力
   を安定化させるための高周波信号フィードバックループ
   を有し、前記出力抑制手段は該フィードバックループを
   切断もしくは無視することにより前記高周波出力を抑制
   することを特徴とする請求項８記載の高周波電源装置。
10. 【請求項１０】 前記出力抑制手段は、前記周波数制御
    手段の信号出力がゼロもしくはあらかじめ定められた周
    波数より低い周波数の信号であるときに、前記スイッチ
    ング手段に前記整流手段からの直流出力の供給を停止す
    ることを特徴とする請求項８記載の高周波電源装置。
11. 【請求項１１】 前記スイッチング手段に対する直流出
    力の供給停止に同期して、該直流出力により充電された
    電荷を放電する放電手段を設けたことを特徴とする請求
    項１０記載の高周波電源装置。
12. 【請求項１２】 前記放電手段は、放電される電荷を回
    生するように構成されていることを特徴とする請求項１
    １記載の高周波電源装置。
13. 【請求項１３】 パルスもしくは減衰振動波形を発生す
    る複数の波形発生手段と、該複数の波形発生手段の出力
    を合成する合成手段とを備えた高周波電源装置におい
    て、 前記複数の波形発生手段のうち任意の一つの波形発生手
    段の動作サイクルが、残りの全ての波形発生手段から出
    力された出力信号を合成した信号をある振幅しきい値で
    特定した時間よりも長いことを特徴とする高周波電源装
    置。
14. 【請求項１４】 請求項１ないし請求項１３のいずれか
    １項記載の高周波電源装置により駆動されることを特徴
    とする超音波発生装置。