WO2024070056A1 - 発振装置、及び生体刺激装置 - Google Patents

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WO2024070056A1
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piezoelectric element
capacitor
oscillator
power supply
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Inventor
辰之 小林
Original Assignee
株式会社テクノリンク
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods

Definitions

  • the present invention relates to an oscillator device and a biostimulation device.
  • Some oscillators oscillate piezoelectric elements to generate signals or vibrations (see, for example, Patent Document 1).
  • oscillators oscillate a piezoelectric element at a fundamental frequency, but depending on the application of the oscillator, the oscillator may oscillate the piezoelectric element at, for example, a harmonic frequency higher than the fundamental frequency. However, for example, if the operating conditions of the piezoelectric element change, it may be difficult for the oscillator to stably oscillate the piezoelectric element at the harmonic frequency.
  • the present invention was made in consideration of the above-mentioned problems with the conventional technology, and aims to provide an oscillator device and a biostimulation device that can stably oscillate a piezoelectric element at a frequency higher than the fundamental wave.
  • the first aspect of the present invention which is the main aspect of solving the above-mentioned problems, is an oscillator device comprising: a piezoelectric element capable of resonating at a first frequency and a second frequency higher than the first frequency; a transistor having a control electrode connected to the piezoelectric element, a power supply side electrode, and a ground side electrode; a first coil connected to the ground side electrode of the transistor; a first capacitor connected in parallel to the first coil; and a second capacitor connected between the first capacitor and the control electrode of the transistor, the resonant frequency of the resonant circuit formed by the first coil and the first capacitor being higher than the first frequency and lower than the second frequency.
  • the second aspect of the present invention which is the main aspect of solving the above-mentioned problems, is a biostimulation device that transmits vibrations to a living organism, and includes a piezoelectric element capable of resonating at a first frequency and a second frequency higher than the first frequency, a transistor having a control electrode connected to the piezoelectric element, a power supply side electrode, and a ground side electrode, a first coil connected to the ground side electrode of the transistor, a first capacitor connected in parallel to the first coil, and a second capacitor connected between the first capacitor and the control electrode of the transistor, and the resonant frequency of a resonant circuit formed by the first coil and the first capacitor is higher than the first frequency and lower than the second frequency.
  • the present invention provides an oscillator device and a biostimulation device that can stably oscillate a piezoelectric element at a frequency higher than the fundamental wave.
  • FIG. 1 illustrates an example of a biostimulation device 10.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an oscillator circuit 20.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the characteristics of a piezoelectric element X1.
  • 11A and 11B are diagrams for explaining changes in the characteristics of a piezoelectric element X1.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of processing executed by the biostimulation device 10.
  • connection refers to a state in which two components are electrically connected unless otherwise specified. Therefore, “connection” includes cases in which two components are connected not only through wiring, but also through, for example, a resistor.
  • biostimulation device 10>>> 1 is a diagram showing an example of the configuration of a biostimulation device 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the biostimulation device 10 is an oscillation device that transmits ultrasonic vibrations generated by oscillating a piezoelectric element X1 (described later) to, for example, a treatment site of a living body, and is configured to include a probe 11 and a main body 12.
  • the probe 11 is a part that transmits vibrations from the piezoelectric element X1 to the living body, for example by contacting the human skin, and is attached to the main body 12 via wiring such as a power line Li1 and a ground line Li2.
  • wiring is provided between the probe 11 and the main body 12 for transmitting a signal S1 and voltages Vd1 and Vd2, which will be described later.
  • the probe 11 is provided with an oscillator circuit 20, and the main body 12 is provided with a power supply circuit 21 and a control circuit 22.
  • the oscillator circuit 20 is provided in the probe 11, but for example, only the piezoelectric element X1 may be provided, and the configuration of the oscillator circuit 20 excluding the piezoelectric element X1 may be provided in the main body 12.
  • the oscillator circuit 20 is a circuit that, when power is supplied from the power supply circuit 21, causes the piezoelectric element X1 to oscillate at a frequency corresponding to the operation result.
  • the oscillator circuit 20 outputs to the control circuit 22 a voltage Vd1 corresponding to the current flowing through a transistor (described below) that operates the piezoelectric element X1, and a voltage Vd2 corresponding to the amplitude of the oscillation voltage Vosc (described below) of the piezoelectric element X1, as will be described in detail later.
  • the power supply circuit 21 is a circuit that supplies the oscillation circuit 20 with a power supply voltage that corresponds to the frequency at which the piezoelectric element X1 oscillates. Although details will be described later, the power supply circuit 21 of this embodiment supplies a power supply voltage Vcc of a first level V1 to the oscillation circuit 20 when the piezoelectric element X1 is caused to oscillate at the frequency of the fundamental wave. On the other hand, when the piezoelectric element X1 is caused to oscillate at a frequency that is a harmonic three times that of the fundamental wave (hereinafter referred to as the triple wave), the power supply circuit 21 supplies a power supply voltage Vcc of a second level V2, which is different from the first level V1, to the oscillation circuit 20.
  • the first level V1 and the second level V2 are set so that the oscillator circuit 20 operates as desired at the fundamental and triple harmonic frequencies. These levels change according to the characteristics of the elements that make up the oscillator circuit 20 (e.g., the piezoelectric element X1).
  • the "first level V1" is, for example, 12 V
  • the "second level V2" is a voltage of a different level from the first level V1 (e.g., 15 V).
  • the control circuit 22 controls the operation of the oscillator circuit 20 and the power supply circuit 21 based on the results of the user's operation, etc. As will be described in detail later, the control circuit 22 outputs signals S1 and S2 to the oscillator circuit 20 and the power supply circuit 21 according to the results of the operation. Furthermore, when the control circuit 22 determines that the operation of the piezoelectric element X1 is abnormal based on the voltages Vd1 and Vd2, it outputs a predetermined signal S2 and causes the power supply circuit 21 to stop generating the power supply voltage Vcc so that the oscillation of the piezoelectric element X1 stops.
  • ⁇ Configuration of Oscillator Circuit 20>> 2 is a diagram showing an example of an oscillation circuit 20 that causes a piezoelectric element X1 to oscillate at each of the fundamental and triplet frequencies.
  • the oscillation circuit 20 includes a power supply line Li1, a ground line Li2, a capacitor C0, an oscillation unit 40, a bias circuit 41, a switching circuit 42, and a detection circuit 43.
  • the power supply line Li1 is a line to which the power supply voltage Vcc, which is the positive voltage from the power supply circuit 21, is applied
  • the ground line Li2 is a line to which the ground voltage Vgnd (here, 0 V), which is the negative voltage from the power supply circuit 21, is applied.
  • a capacitor C0 is connected between the power supply line Li1 and the ground line Li2 to stabilize the power supply voltage Vcc applied to the power supply line Li1.
  • the oscillator 40 is a section that generates the piezoelectric element X1, and is configured to include the piezoelectric element X1, a transistor Q1, inductors L1 to L3, capacitors C1a, C2a, C3, and a resistor R1.
  • the piezoelectric element X1 is a ceramic vibrator that vibrates (resonates) when an AC voltage of a predetermined frequency is applied.
  • the voltage generated at the node to which the piezoelectric element X1 and the transistor Q1 are connected as a result of the piezoelectric element X1 oscillating is referred to as the oscillation voltage Vosc.
  • the piezoelectric element X1 corresponds to an element that can resonate at frequencies f1, f3, and f5.
  • Transistor Q1 together with inductors L3, L1, and L2, capacitors C1a and C2a, and piezoelectric element X1 (described later), constitutes a positive feedback circuit, and is an element that causes piezoelectric element X1 to operate in the inductive region.
  • the base electrode of transistor Q1 is connected to one end of piezoelectric element X1, the collector electrode is connected to the other end of piezoelectric element X1 via power supply line Li1, and the emitter electrode is connected to inductor L3.
  • the base electrode corresponds to the "control electrode”
  • the collector electrode corresponds to the "power supply side electrode”
  • the emitter electrode corresponds to the "ground side electrode”.
  • an NPN transistor is used as transistor Q1
  • other types of transistors such as an NMOS transistor, may also be used.
  • the gate electrode of the NMOS transistor corresponds to the "control electrode”
  • the drain electrode corresponds to the "power supply side electrode”
  • the source electrode corresponds to the "ground side electrode”.
  • Inductor L1 is connected to transistor Q1 via inductor L3.
  • capacitor C1a is connected in parallel to inductor L1, inductor L1 and capacitor C1a form a so-called resonant circuit.
  • Inductor L3 is an element that compensates for the waveform output from the emitter electrode of transistor Q1.
  • the piezoelectric element X1 oscillates in a region where the reactance of the piezoelectric element X1 is inductive.
  • the frequency of the AC voltage applied to the piezoelectric element X1 is lower than frequency f1 in FIG. 3, the piezoelectric element X1 oscillates at the frequency of the fundamental wave.
  • FIG. 3 is an image diagram showing an example of the characteristics of the piezoelectric element X1.
  • the actual piezoelectric element X1 contains many so-called spurious resonances in addition to frequencies f1 to f3, but these are omitted here for convenience.
  • the frequency of the AC voltage applied to the piezoelectric element X1 must be slightly lower than the frequency f3 at which the reactance of the piezoelectric element X1 becomes inductive.
  • the resonance point (resonance frequency fr) of the resonant circuit of the inductor L1 and capacitor C1a is set lower than the resonance point (oscillation frequency) of the piezoelectric element X1.
  • the resonance frequency fr of the resonant circuit of the inductor L1 and capacitor C1a is set higher than the fundamental wave frequency f1 and lower than the triple wave frequency f2.
  • the piezoelectric element X1 operates as part of a positive feedback circuit that includes other elements of the oscillator 40 (e.g., inductor L2 and capacitor C2a, described below).
  • the oscillation voltage Vosc of the piezoelectric element X1 can be set to a triple wave frequency.
  • Inductor L2 and capacitor C2a are elements for feeding back the signal from the resonant circuit to the base electrode of transistor Q1, and are connected between capacitor C1a and the base electrode of transistor Q1.
  • FIG. 4(a) is a diagram for explaining the state in which the head portion of probe 11 to which piezoelectric element X1 is attached is in contact with a living body.
  • Figure 4(b) is a diagram for explaining an overview of the Q value of piezoelectric element X1 before and after the head portion of probe 11 comes into contact with a living body.
  • the Q value is a numerical value that indicates the sharpness of resonance.
  • the dotted line is an example of the waveform of the Q value of the piezoelectric element X1 when the probe 11 is not in contact with the living body
  • the solid line is an example of the waveform of the Q value of the piezoelectric element X1 when the probe 11 is in contact with the living body.
  • the inductor L2 is connected between the capacitor C1a and the transistor Q1.
  • the piezoelectric element X1 after selecting the transistor Q1, the piezoelectric element X1, and the resonant circuit, for example, the inductance value of the inductor L2 and the capacitance value of the capacitor C2a are determined so that the piezoelectric element X1 oscillates stably at the triple wave frequency.
  • Resistor R1 is an element for detecting the current flowing through transistor Q1, and is connected between inductor L1 and ground.
  • Capacitor C3 is connected in parallel with resistor R1, and is an element for directing the high-frequency components of the current flowing through transistor Q1 to ground. Therefore, resistor R1 can detect the low-frequency components (mainly DC current) of the current flowing through transistor Q1.
  • the voltage at the node where inductor L1 and resistor R1 are connected is voltage Vd1. Therefore, the level of voltage Vd1 increases as the current flowing through transistor Q1 increases.
  • the inductor L1 corresponds to a “first coil”, and the inductor L2 corresponds to a “second coil”.
  • the capacitor C1a corresponds to a “first capacitor”, the capacitor C2a corresponds to a “second capacitor”, the capacitor C1b corresponds to a “third capacitor”, and the capacitor C2b corresponds to a “fourth capacitor”.
  • the resistor R2 and the inductor L4 apply the power supply voltage Vcc applied to the power supply line Li1 to the base electrode of the transistor Q1.
  • the inductor L4 is an element that prevents the oscillation voltage Vosc, which has a large amplitude and is generated when the piezoelectric element X1 oscillates, from being applied to the resistor R2.
  • capacitor C4 is an element that directs high-frequency components of current from the base electrode of transistor Q1 to ground. Therefore, capacitor C4, together with inductor L4, can prevent a large high-frequency voltage from being generated across resistor R2.
  • the switching circuit 42 is a circuit that switches between oscillating the piezoelectric element X1 at a fundamental frequency f1 and oscillating at a triple harmonic frequency f2.
  • the switching circuit 42 includes a resistor R3, solid state relays SSR1 and SSR2, and capacitors C1b and C2b.
  • Resistor R3 is an element that supplies current from power line Li1 to solid-state relays SSR1 and SSR2 when solid-state relays SSR1 and SSR2 are turned on.
  • the solid-state relay SSR1 includes a light-emitting diode PD1 and a switch SW1.
  • the light-emitting diode PD1 is turned on when the signal S1 from the control circuit 22 in FIG. 1 becomes low level (hereinafter, L level), and is turned off when the signal S1 becomes high level (hereinafter, H level).
  • the switch SW1 is an element connected in series to the capacitor C1b, and is turned on when the light-emitting diode PD1 is lit and turned off when the light-emitting diode PD1 is turned off.
  • the solid-state relay SSR2 includes a light-emitting diode PD2 and a switch SW2.
  • the light-emitting diode PD2 lights up when the signal S1 goes low, and turns off when the signal S1 goes high.
  • Switch SW2 is an element connected in series to capacitor C2b, and turns on when light-emitting diode PD2 is lit and turns off when light-emitting diode PD2 is turned off.
  • Capacitor C1b is an element used to oscillate piezoelectric element X1 at fundamental frequency f1.
  • One end of capacitor C1b is connected to one end of capacitor C1a, and the other end of capacitor C1b is connected to the other end of capacitor C1a via switch SW1. Therefore, when switch SW1 is turned on, capacitors C1a and C1b are connected in parallel.
  • Capacitor C2b is an element used to oscillate piezoelectric element X1 at fundamental frequency f1.
  • One end of capacitor C2b is connected to one end of capacitor C2a, and the other end of capacitor C2b is connected to the other end of capacitor C2a via switch SW2. Therefore, when switch SW2 is turned on, capacitors C2a and C2b are connected in parallel.
  • the capacitance values of the capacitors C1b and C2b are selected so that the frequency of the AC voltage applied to the piezoelectric element X1 is the fundamental frequency f1. Therefore, in this embodiment, when the switches SW1 and SW2 are on, the oscillator 40 causes the piezoelectric element X1 to oscillate at the fundamental frequency f1, and when the switches SW1 and SW2 are off, the oscillator 40 causes the piezoelectric element X1 to oscillate at the triple frequency f2.
  • switch SW1 corresponds to the "first switch” and switch SW2 corresponds to the "second switch.”
  • the frequency f1 of the fundamental wave corresponds to the "first frequency”
  • the frequency f2 of the triple wave corresponds to the "second frequency”.
  • the power supply voltage Vcc of the first level V1 corresponds to the "first level power supply voltage”
  • the power supply voltage Vcc of the second level V2 corresponds to the "second level power supply voltage”.
  • the L level signal S1 corresponds to the "first instruction”
  • the H level signal S1 corresponds to the "second instruction”.
  • the detection circuit 43 is a circuit that detects the amplitude of the oscillation voltage Vosc of the piezoelectric element X1 and outputs it as a voltage Vd.
  • the detection circuit 43 is configured to include capacitors C11 and C12, a diode D1, and a resistor R10.
  • Capacitor C11 is an element that passes the high-frequency components of the oscillation voltage Vosc at the node to which transistor Q1 and piezoelectric element X1 are connected.
  • Diode D1 is an element that rectifies the high-frequency components of the oscillation voltage Vosc that has passed through capacitor C11. Resistor R10 and capacitor C12 form an integration circuit that integrates the rectified voltage rectified by diode D1. As a result, the level of voltage Vd2 of capacitor C12 increases as the amplitude of the oscillation voltage Vosc increases.
  • the oscillator circuit 20 outputs a voltage Vd1 that corresponds to the current flowing through the transistor Q1, and a voltage Vd2 that corresponds to the amplitude of the oscillation voltage Vosc.
  • the voltages Vd1 and Vd2 vary within a predetermined range. However, for example, if the probe 11 is used in an unexpected state, the voltages Vd1 and Vd2 may exceed the predetermined range.
  • control circuit 22 of this embodiment is able to determine whether or not the probe 11 is operating in an expected state based on the voltages Vd1 and Vd2. If the control circuit 22 determines that the probe 11 is not operating in an expected state based on the voltages Vd1 and Vd2, it stops the operation of the power supply circuit 21.
  • the state in which the probe 11 is not operating in the expected manner may be referred to as the "abnormal state of the probe 11" or the “abnormal state of the piezoelectric element X1.”
  • An example of an “abnormal state” is when the piezoelectric element X1 is operated for a long period of time without the probe 11 touching the human skin, causing the piezoelectric element X1 to heat up.
  • ⁇ Operation of biostimulation device 10>>> 5 is a flowchart for explaining the operation of the biostimulation device 10.
  • a user operates the biostimulation device 10 to set the vibration frequency of the probe 11.
  • the control circuit 22 determines the vibration frequency of the probe 11 based on the operation result of the set frequency (S1).
  • the control circuit 22 When the fundamental wave is selected (S1: fundamental wave), the control circuit 22 outputs a predetermined signal S2 to the power supply circuit 21, causing the power supply circuit 21 to generate a power supply voltage Vcc of the first level V1 (S2).
  • the control circuit 22 also outputs an L-level signal S1 to the oscillation circuit 20, turning on the solid-state relays SSR1 and SSR2 (i.e., the switches SW1 and SW2 are on) (S3).
  • the piezoelectric element X1 of the oscillation circuit 20 oscillates at the fundamental wave frequency f1, and the probe 11 generates a signal of frequency f1.
  • the control circuit 22 when the third harmonic wave is selected (S1: third harmonic wave), the control circuit 22 outputs a predetermined signal S2 to the power supply circuit 21, causing the power supply circuit 21 to generate a power supply voltage Vcc of the second level V2 (S4).
  • the control circuit 22 also outputs an H-level signal S1 to the oscillation circuit 20, turning off the solid-state relays SSR1 and SSR2 (i.e., the switches SW1 and SW2 are off) (S5).
  • the piezoelectric element X1 of the oscillation circuit 20 oscillates at the frequency f2 of the third harmonic wave, and a signal of frequency f2 is generated in the probe 11.
  • the equivalent resistance of the piezoelectric element X1 when it oscillates at the triple frequency f2 is greater than the equivalent resistance of the piezoelectric element X1 when it oscillates at the fundamental frequency f1. Therefore, when oscillating at the triple frequency f2, the operating conditions of the piezoelectric element X1 can be made substantially equal by setting the power supply voltage Vcc higher than when oscillating at the fundamental frequency f1. As a result, the strength of the signal generated by the probe 11 is substantially equal regardless of which frequency the user selects.
  • the control circuit 22 also determines whether or not a frequency switch has occurred based on the operation result (S6). If a frequency switch has occurred (S6: Yes), the control circuit 22 executes process S1 and executes a process according to the switched frequency.
  • the control circuit 22 determines whether or not a stop condition is satisfied (S7).
  • the "stop condition" is, for example, when the user performs an operation to stop the operation of the biostimulation device 10, or when the piezoelectric element X1 becomes abnormal.
  • step S6 if the stop condition is not satisfied (S7: No), the control circuit 22 executes step S6. On the other hand, if the stop condition is satisfied (S7: Yes), the control circuit 22 controls the power supply circuit 21 to stop generating the power supply voltage Vcc. As a result, the operation of the biostimulation device 10 is stopped.
  • the resonance frequency fr of the resonance circuit of the inductor L1 and the capacitor C1a in Fig. 2 is set to be higher than the fundamental frequency f1 and lower than the third harmonic frequency f2.
  • the piezoelectric element X1 is more likely to operate at the third harmonic frequency f2 rather than the fundamental frequency f1. Therefore, in this embodiment, the oscillation voltage Vosc of the piezoelectric element X1 can be stably set to the third harmonic frequency.
  • the piezoelectric element X1 when the probe 11 is brought into contact with a living body, the vibration of the piezoelectric element X1 is absorbed by the human body, the equivalent resistance of the piezoelectric element X1 increases, and the Q value changes. Therefore, for example, when a typical Colpitts type oscillation circuit is used to operate the piezoelectric element X1 at the triple frequency f2, the oscillation of the piezoelectric element X1 may stop.
  • the signal of the resonant circuit is fed back to the transistor Q1 via the inductor L2. Therefore, in the oscillation circuit 20, the piezoelectric element X1 can oscillate stably even if the equivalent resistance of the piezoelectric element X1 increases.
  • capacitor C1b is connected in parallel to capacitor C1a
  • capacitor C2b is connected in parallel to capacitor C2a.
  • Each of capacitors C1b and C2b is selected so that piezoelectric element X1 oscillates at fundamental frequency f1. Therefore, in this embodiment, piezoelectric element X1 can be made to oscillate at fundamental frequency f1 and triple frequency f2.
  • the piezoelectric element X1 oscillates at the fundamental frequency f1
  • the power supply voltage Vcc is at the first level V1
  • the piezoelectric element X1 oscillates at the triple frequency f2
  • the power supply voltage Vcc is at the second level V2. Therefore, even if the equivalent resistance of the piezoelectric element X1 increases, it is possible to prevent a decrease in the vibration strength of the piezoelectric element X1.
  • the oscillator circuit 20 also includes a resistor R1 that detects the current of the transistor Q1. Therefore, for example, the control circuit 22 can detect an overcurrent in the transistor Q1 based on the voltage Vd1.
  • the oscillator circuit 20 is also provided with a detection circuit 43 that detects a voltage Vd2 that corresponds to the amplitude of the oscillation voltage Vosc. Therefore, for example, the control circuit 22 can determine the amplitude of the oscillation voltage Vosc based on the voltage Vd2.
  • the control circuit 22 also determines whether the piezoelectric element X1 is in an abnormal state based on, for example, the voltages Vd1 and Vd2 (for example, process S7 in FIG. 5). Therefore, in this embodiment, the user can safely use the biostimulation device 10.
  • the states of the solid-state relays SSR1 and SSR2 are switched by the signal S1 from the control circuit 22. Therefore, the operating frequency of the piezoelectric element X1 of the probe 11 can be switched at high speed compared to, for example, switching between probes corresponding to the fundamental wave and the triple wave.
  • the oscillator circuit 20 causes the piezoelectric element X1 to oscillate at the fundamental and third harmonic frequencies, but is not limited to this.
  • the oscillator circuit 20 may cause the piezoelectric element X1 to oscillate at the third or fifth harmonic frequencies.
  • Biostimulation device 11 Probe 12 Main body 20 Oscillator circuit 21 Power supply circuit 22 Control circuit 40 Oscillator section 41 Bias circuit 42 Switching circuit 43 Detection circuits C0, C1a, C1b, C2a, C2b, C3, C4, C11, C12 Capacitor Q1 Transistors R1 to R3, R10 Resistor D1 Diode X1 Piezoelectric element Li1 Power supply line Li2 Ground lines PD1, PD2 Light-emitting diodes SW1, SW2 Switches SSR1, SSR2 Solid-state relay

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Abstract

第１周波数と、前記第１周波数より高い第２周波数とで共振可能な圧電素子と、前記圧電素子に接続された制御電極と、電源側の電極と、接地側の電極と、を有するトランジスタと、前記トランジスタの前記接地側の電極に接続された第１コイルと、前記第１コイルに並列接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサと、前記トランジスタの前記制御電極との間に接続された第２コンデンサと、を備え、前記第１コイル及び前記第１コンデンサで構成される共振回路の共振周波数は、前記第１周波数より高く、前記第２周波数より低い、発振装置。

Description

発振装置、及び生体刺激装置
　本発明は、発振装置、及び生体刺激装置に関する。
　本願は、２０２２年９月２６日に日本に出願された特願２０２２－１５２７３１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　発振装置には、圧電素子を発振させ、信号や振動を発生させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１１－１２０１８９号公報
　ところで、一般的な発振装置は、圧電素子を基本波の周波数で発振させるが、発振装置の用途によっては、発振装置に、例えば基本波より高い高調波の周波数で圧電素子を発振させることがある。しかしながら、例えば、圧電素子の動作条件が変化すると、発振装置は圧電素子を安定に高調波の周波数で発振させることが難しいことがある。
　本発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたものであって、基本波より高い周波数で安定に圧電素子を発振させることができる発振装置、及び生体刺激装置を提供することを目的とする。
　前述した課題を解決する主たる本発明の第１の態様は、第１周波数と、前記第１周波数より高い第２周波数とで共振可能な圧電素子と、前記圧電素子に接続された制御電極と、電源側の電極と、接地側の電極と、を有するトランジスタと、前記トランジスタの前記接地側の電極に接続された第１コイルと、前記第１コイルに並列接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサと、前記トランジスタの前記制御電極との間に接続された第２コンデンサと、を備え、前記第１コイル及び前記第１コンデンサで構成される共振回路の共振周波数は、前記第１周波数より高く、前記第２周波数より低い、発振装置。
　前述した課題を解決する主たる本発明の第２の態様は、振動を生体に伝える生体刺激装置であって、第１周波数と、前記第１周波数より高い第２周波数とで共振可能な圧電素子と、前記圧電素子に接続された制御電極と、電源側の電極と、接地側の電極と、を有するトランジスタと、前記トランジスタの前記接地側の電極に接続された第１コイルと、前記第１コイルに並列接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサと、前記トランジスタの前記制御電極との間に接続された第２コンデンサと、を備え、前記第１コイル及び前記第１コンデンサで構成される共振回路の共振周波数は、前記第１周波数より高く、前記第２周波数より低い、生体刺激装置。
　本発明によれば、基本波より高い周波数で安定に圧電素子を発振させることができる発振装置、及び生体刺激装置を提供することができる。
生体刺激装置１０の一例を示す図である。 発振回路２０の一例を示す図である。 圧電素子Ｘ１の特性の一例を示す図である。 圧電素子Ｘ１の特性の変化について説明するための図である。 生体刺激装置１０で実行される処理の一例を説明するための図である。
　本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。また、ここでは、各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。
　本実施形態で、「接続」とは、特段の言及がない限り電気的に接続されている状態をいう。このため「接続」には、２つの部品が配線のみならず、例えば、抵抗を介して接続されている場合も含む。
＝＝＝＝＝本実施形態＝＝＝＝＝
＜＜＜生体刺激装置１０の構成＞＞＞
　図１は、本発明の一実施形態である生体刺激装置１０の構成の一例を示す図である。生体刺激装置１０は、圧電素子Ｘ１（後述）を発振させることより発生する超音波帯の振動を、例えば生体の治療部位に伝える発振装置であり、プローブ１１、及び本体１２を含んで構成される。
　プローブ１１は、例えば人の肌に接触することにより、圧電素子Ｘ１からの振動を生体に伝える部位であり、本体１２に、電源ラインＬｉ１，接地ラインＬｉ２等の配線を介して取り付けられている。なお、本実施形態では、電源ラインＬｉ１，接地ラインＬｉ２に加え、プローブ１１と、本体１２との間には、後述する信号Ｓ１、電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２のそれぞれをやりとりさせるための配線が設けられている。
　プローブ１１には、発振回路２０が設けられ、本体１２には、電源回路２１、及び制御回路２２が設けられている。なお、本実施形態では、発振回路２０がプローブ１１に設けられることとしたが、例えば、圧電素子Ｘ１のみが設けられ、圧電素子Ｘ１を除く発振回路２０の構成が本体１２に設けられていても良い。
　発振回路２０は、電源回路２１からの電源が供給されると、圧電素子Ｘ１を操作結果に応じた周波数で発振させる回路である。また、詳細について後述するが、発振回路２０は、圧電素子Ｘ１を動作させるトランジスタ（後述）に流れる電流に応じた電圧Ｖｄ１と、圧電素子Ｘ１の発振電圧Ｖｏｓｃ（後述）の振幅に応じた電圧Ｖｄ２と、を制御回路２２に出力する。
　電源回路２１は、圧電素子Ｘ１が発振する周波数に応じた電源電圧を発振回路２０に供給する回路である。詳細は後述するが、本実施形態の電源回路２１は、圧電素子Ｘ１を基本波の周波数で発振させる場合、第１レベルＶ１の電源電圧Ｖｃｃを発振回路２０に供給する。一方、電源回路２１は、圧電素子Ｘ１を基本波の３倍の高調波（以下、３倍波と称する。）の周波数で発振させる場合、第１レベルＶ１とは異なる、第２レベルＶ２の電源電圧Ｖｃｃを発振回路２０に供給する。
　なお、第１レベルＶ１，第２レベルＶ２は、発振回路２０が基本波、３倍波の周波数で所望の動作するよう、設定されている。これらのレベルは、発振回路２０を構成する素子（例えば、圧電素子Ｘ１）の特性に応じて変化する。本実施形態において、「第１レベルＶ１」は、例えば１２Ｖであり、「第２レベルＶ２」は、第１レベルＶ１とは異なるレベルの電圧（例えば１５Ｖ）である。
　制御回路２２は、利用者の操作結果等に基づいて、発振回路２０、及び電源回路２１の動作を制御する。詳細は後述するが、制御回路２２は、操作結果に応じた信号Ｓ１，Ｓ２のそれぞれを発振回路２０、及び電源回路２１に出力する。また、制御回路２２は、電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２に基づいて、圧電素子Ｘ１の動作が異常であることを判定すると、所定の信号Ｓ２を出力し、圧電素子Ｘ１の発振が停止するよう、電源回路２１に電源電圧Ｖｃｃの生成を停止させる。
＜＜発振回路２０の構成＞＞
　図２は、圧電素子Ｘ１を基本波、及び３倍波のそれぞれの周波数で発振させる発振回路２０の一例を示す図である。発振回路２０は、電源ラインＬｉ１、接地ラインＬｉ２、コンデンサＣ０、発振部４０、バイアス回路４１、切替回路４２、及び検出回路４３を含んで構成される。
　電源ラインＬｉ１は、電源回路２１からのプラス側の電圧である電源電圧Ｖｃｃが印加されるラインであり、接地ラインＬｉ２は、電源回路２１からのマイナス側の電圧である接地電圧Ｖｇｎｄ（ここでは、０Ｖ）が印加されるラインである。
　電源ラインＬｉ１と、接地ラインＬｉ２との間には、電源ラインＬｉ１に印加された電源電圧Ｖｃｃを安定化させるためのコンデンサＣ０が接続されている。
＝＝発振部４０＝＝
　発振部４０は、圧電素子Ｘ１を発生させる部位であり、圧電素子Ｘ１、トランジスタＱ１、インダクタＬ１～Ｌ３、コンデンサＣ１ａ，Ｃ２ａ，Ｃ３、及び抵抗Ｒ１を含んで構成される。
　圧電素子Ｘ１は、所定の周波数の交流電圧が印加されると、振動する（共振する）セラミック製の振動子である。本実施形態の圧電素子Ｘ１は、例えば、図２に示すリアクタンス特性を有する。具体的には、圧電素子Ｘ１は、発振の基本波が周波数ｆ１となり、３倍波が周波数ｆ２（＝３×ｆ１）となり、５倍波が周波数ｆ３（＝５×ｆ１）となる特性を有する。なお、本実施形態では、圧電素子Ｘ１が発振することにより、圧電素子Ｘ１及びトランジスタＱ１が接続されたノードに発生する電圧を、発振電圧Ｖｏｓｃとする。ここで、圧電素子Ｘ１は、周波数ｆ１，ｆ３，ｆ５で共振可能な素子に相当する。
　トランジスタＱ１は、後述するインダクタＬ３，Ｌ１，Ｌ２、コンデンサＣ１ａ，Ｃ２ａ、及び圧電素子Ｘ１とともに、正帰還回路を構成し、圧電素子Ｘ１を誘導性の領域で動作させる素子である。トランジスタＱ１のベース電極は、圧電素子Ｘ１の一端に接続され、コレクタ電極は、電源ラインＬｉ１を介して圧電素子Ｘ１の他端に接続され、エミッタ電極は、インダクタＬ３に接続されている。
　なお、ベース電極は、「制御電極」に相当し、コレクタ電極は、「電源側の電極」に相当し、エミッタ電極は、「接地側の電極」に相当する。また、本実施形態ではトランジスタＱ１として、ＮＰＮトランジスタを用いたが、例えばＮＭＯＳトランジスタ等、他の種類のトランジスタを用いても良い。そのような場合、例えばＮＭＯＳトランジスタのゲート電極が「制御電極」に相当し、ドレイン電極が「電源側の電極」に相当し、ソース電極が「接地側の電極」に相当する。
　インダクタＬ１は、インダクタＬ３を介してトランジスタＱ１に接続されている。また、インダクタＬ１には、コンデンサＣ１ａが並列接続されているため、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１ａは、いわゆる共振回路を構成する。なお、インダクタＬ３は、トランジスタＱ１のエミッタ電極から出力される波形を補償する素子である。
　ところで、本実施形態の圧電素子Ｘ１は、圧電素子Ｘ１のリアクタンスが誘導性となる領域で発振する。そして、圧電素子Ｘ１に印加される交流電圧の周波数が、図３の周波数ｆ１より低い場合、圧電素子Ｘ１は、基本波の周波数で発振することになる。なお、図３は、圧電素子Ｘ１の特性の一例を示すイメージ図である。実際の圧電素子Ｘ１は、周波数ｆ１～ｆ３以外にも、いわゆるスプリアス共振を多く含むが、ここでは、便宜上省略している。
　圧電素子Ｘ１を３倍波の周波数ｆ２で動作させるためには、圧電素子Ｘ１に印加される交流電圧の周波数を、圧電素子Ｘ１のリアクタンスが誘導性となる周波数ｆ３より若干低い周波数とする必要がある。本実施形態では、圧電素子Ｘ１の発振を持続させるべく、圧電素子Ｘ１の共振点（発振周波数）より、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１ａの共振回路の共振点（共振周波数ｆｒ）を低く設定している。具体的には、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１ａの共振回路の共振周波数ｆｒを、基本波の周波数ｆ１より高く、３倍波の周波数ｆ２より低く設定している。　
　このような範囲に共振周波数ｆｒを設定することにより、圧電素子Ｘ１が、発振部４０の他の素子（例えば、後述するインダクタＬ２やコンデンサＣ２ａ）を含む正帰還回路の一部として動作する。本実施形態では、上述の範囲に共振周波数ｆｒを設定しつつ、正帰還回路を構成する素子（例えば、インダクタＬ２やコンデンサＣ２ａ）の値を調整することにより、圧電素子Ｘ１の発振電圧Ｖｏｓｃを３倍波の周波数とすることができる。
　インダクタＬ２、及びコンデンサＣ２ａのそれぞれは、共振回路からの信号を、トランジスタＱ１のベース電極に帰還するための素子であり、コンデンサＣ１ａと、トランジスタＱ１のベース電極との間に接続されている。
　ここで、図４を参照しつつ、インダクタＬ２の役割について説明する。図４（ａ）は、圧電素子Ｘ１が取り付けられたプローブ１１のヘッド部分が生体に接触した状態を説明するための図である。図４（ｂ）は、プローブ１１のヘッド部分が生体に接触する前後の圧電素子Ｘ１のＱ値の概要を説明するための図である。なお、Ｑ値とは、共振の鋭さを示す数値である。
　図４（ｂ）において、点線は、プローブ１１が生体に接触しない状態の圧電素子Ｘ１のＱ値の波形の一例であり、実線は、プローブ１１が生体に接触した状態の圧電素子Ｘ１のＱ値の波形の一例である。図４（ｂ）の実線に示すように、プローブ１１が生体に接触した状態では、圧電素子Ｘ１の振動が人体に吸収されるため、機械的な振動損失が増加する。この結果、圧電素子Ｘ１の等価抵抗が増加し、圧電素子Ｘ１の振動が抑制される。したがって、、圧電素子Ｘ１の両端電圧の振幅は小さくなり、圧電素子Ｘ１の３倍波の周波数での発振が停止してしまうことがある。
　本実施形態では、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１ａで構成される共振回路から、トランジスタＱ１のベース電極へ帰還される信号の振幅を大きくすべく、インダクタＬ２を、コンデンサＣ１ａと、トランジスタＱ１との間に接続している。この結果、本実施形態では、圧電素子Ｘ１の等価抵抗が大きくなった場合であっても、圧電素子Ｘ１を３倍波の周波数で安定に発振させることができる。
　なお、本実施形態では、トランジスタＱ１、圧電素子Ｘ１、及び共振回路を選定した後に、圧電素子Ｘ１が３倍波の周波数で安定に発振するよう、例えば、インダクタＬ２のインダクタンス値と、コンデンサＣ２ａの容量値とを定めている。
　抵抗Ｒ１は、トランジスタＱ１に流れる電流を検出するための素子であり、インダクタＬ１と、接地との間に接続される。コンデンサＣ３は、抵抗Ｒ１に並列接続され、トランジスタＱ１に流れる電流のうち、高周波成分の電流を接地に流す素子である。このため、抵抗Ｒ１は、トランジスタＱ１に流れる電流のうち低周波成分（主に、直流電流）を検出することができる。
　本実施形態では、インダクタＬ１と、抵抗Ｒ１とが接続されたノードの電圧を電圧Ｖｄ１としている。したがって、電圧Ｖｄ１のレベルは、トランジスタＱ１に流れる電流が増加するほど高くなる。
　なお、インダクタＬ１は、「第１コイル」に相当し、インダクタＬ２は、「第２コイル」に相当する。また、コンデンサＣ１ａは、「第１コンデンサ」に相当し、コンデンサＣ２ａは、「第２コンデンサ」に相当し、コンデンサＣ１ｂは、「第３コンデンサ」に相当し、コンデンサＣ２ｂは、「第４コンデンサ」に相当する。
＝＝バイアス回路４１＝＝
　バイアス回路４１は、トランジスタＱ１のベース電極に印加するバイアス電圧を生成する回路であり、抵抗Ｒ２、インダクタＬ４、及びコンデンサＣ４を含んで構成される。抵抗Ｒ２及びインダクタＬ４は、電源ラインＬｉ１に印加された電源電圧Ｖｃｃを、トランジスタＱ１のベース電極に印加する。なお、インダクタＬ４は、圧電素子Ｘ１が発振した際に発生する振幅の大きい発振電圧Ｖｏｓｃが、抵抗Ｒ２に印加することを防ぐ素子である。
　また、コンデンサＣ４は、トランジスタＱ１のベース電極からの高周波成分の電流を接地に流す素子である。したがって、コンデンサＣ４は、インダクタＬ４とともに、抵抗Ｒ２に高周波の大きい電圧が発生することを防ぐことができる。
＝＝切替回路４２＝＝
　切替回路４２は、圧電素子Ｘ１を基本波の周波数ｆ１で発振させるか、３倍波の周波数ｆ２で発振させるか、を切り替える回路である。切替回路４２は、抵抗Ｒ３、ソリッドステートリレーＳＳＲ１，ＳＳＲ２、及びコンデンサＣ１ｂ，Ｃ２ｂを含んで構成される。
　抵抗Ｒ３は、ソリッドステートリレーＳＳＲ１，ＳＳＲ２をオンする際に、電源ラインＬｉ１からソリッドステートリレーＳＳＲ１，ＳＳＲ２に対して電流を供給するための素子である。
　ソリッドステートリレーＳＳＲ１は、発光ダイオードＰＤ１、及びスイッチＳＷ１を含んで構成される。発光ダイオードＰＤ１は、例えば、図１の制御回路２２からの信号Ｓ１がローレベル（以下、Ｌレベル）となると点灯し、信号Ｓ１がハイレベル（以下、Ｈレベル）となると、消灯する。
　スイッチＳＷ１は、コンデンサＣ１ｂに直列接続された素子であり、発光ダイオードＰＤ１が点灯するとオンし、発光ダイオードＰＤ１が消灯するとオフする。
　ソリッドステートリレーＳＳＲ２は、ソリッドステートリレーＳＳＲ１と同様に、発光ダイオードＰＤ２、及びスイッチＳＷ２を含んで構成される。発光ダイオードＰＤ２は、信号Ｓ１がＬレベルとなると点灯し、信号Ｓ１がＨレベルとなると消灯する。
　スイッチＳＷ２は、コンデンサＣ２ｂに直列接続された素子であり、発光ダイオードＰＤ２が点灯するとオンし、発光ダイオードＰＤ２が消灯するとオフする。
　コンデンサＣ１ｂは、圧電素子Ｘ１を基本波の周波数ｆ１で発振させる際に用いられる素子である。コンデンサＣ１ｂの一端は、コンデンサＣ１ａの一端に接続され、コンデンサＣ１ｂの他端は、スイッチＳＷ１を介してコンデンサＣ１ａの他端に接続されている。したがって、スイッチＳＷ１がオンとなると、コンデンサＣ１ａ及びコンデンサＣ１ｂは並列接続されることになる。
　コンデンサＣ２ｂは、圧電素子Ｘ１を基本波の周波数ｆ１で発振させる際に用いられる素子である。コンデンサＣ２ｂの一端は、コンデンサＣ２ａの一端に接続され、コンデンサＣ２ｂの他端は、スイッチＳＷ２を介してコンデンサＣ２ａの他端に接続されている。したがって、スイッチＳＷ２がオンとなると、コンデンサＣ２ａ及びコンデンサＣ２ｂは並列接続されることになる。
　なお、コンデンサＣ１ｂ，Ｃ２ｂのそれぞれの容量値は、圧電素子Ｘ１に印加される交流電圧の周波数が、基本波の周波数ｆ１となるよう選択されている。したがって、本実施形態では、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオンの場合、発振部４０は圧電素子Ｘ１を基本波の周波数ｆ１で発振させ、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオフの場合、発振部４０は圧電素子Ｘ１を３倍波の周波数ｆ２で発振させる。
　なお、スイッチＳＷ１は、「第１スイッチ」に相当し、スイッチＳＷ２は、「第２スイッチ」に相当する。
　また、基本波の周波数ｆ１は「第１周波数」に相当し、３倍波の周波数ｆ２は「第２周波数」に相当する。第１レベルＶ１の電源電圧Ｖｃｃは、「第１レベルの電源電圧」に相当し、第２レベルＶ２の電源電圧Ｖｃｃは、「第２レベルの電源電圧」に相当する。さらに、Ｌレベルの信号Ｓ１は、「第１指示」に相当し、Ｈレベルの信号Ｓ１は、「第２指示」に相当する。
＝＝検出回路４３＝＝
　検出回路４３は、圧電素子Ｘ１の発振電圧Ｖｏｓｃの振幅を検出し、電圧Ｖｄとして出力する回路である。検出回路４３は、コンデンサＣ１１，Ｃ１２、ダイオードＤ１、及び抵抗Ｒ１０を含んで構成される。
　コンデンサＣ１１は、トランジスタＱ１及び圧電素子Ｘ１が接続されたノードの発振電圧Ｖｏｓｃの高周波成分を通過させる素子である。
　ダイオードＤ１は、コンデンサＣ１１を通過した発振電圧Ｖｏｓｃの高周波成分を整流する素子である。抵抗Ｒ１０及びコンデンサＣ１２は、ダイオードＤ１で整流された整流電圧の積分する積分回路である。この結果、コンデンサＣ１２の電圧Ｖｄ２のレベルは、発振電圧Ｖｏｓｃの振幅が大きくなると高くなる。
　上述のように、発振回路２０からは、トランジスタＱ１に流れる電流に応じた電圧Ｖｄ１と、発振電圧Ｖｏｓｃの振幅に応じた電圧Ｖｄ２とが出力される。一般に、プローブ１１が想定された状態で、人の肌に使用されている場合、電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２は所定の範囲で変化する。しかしながら、例えば、プローブ１１が想定されていない状態で使用されると、電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２は所定の範囲を超えてしまうことがある。
　詳細は後述するが、本実施形態の制御回路２２は、電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２に基づいて、プローブ１１が想定された状態で動作しているか否かを把握することが可能となる。そして、制御回路２２は、電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２に基づいて、プローブ１１が想定された状態で動作していないと判定すると、電源回路２１の動作を停止させる。
　なお、以下、プローブ１１が想定された状態で動作していない状態を、適宜「プローブ１１が異常な状態」、または「圧電素子Ｘ１が異常な状態」と称することがある。なお、「異常な状態」としては、例えば、プローブ１１を人の肌に接触させない状態で長時間、圧電素子Ｘ１を動作させて、圧電素子Ｘ１が発熱した状態が挙げられる。
＜＜＜生体刺激装置１０の動作＞＞＞
　図５は、生体刺激装置１０の動作を説明するためのフローチャートである。まず、利用者が生体刺激装置１０を操作し、プローブ１１の振動の周波数を設定する。制御回路２２は、設定された周波数の操作結果に基づいて、プローブ１１の振動の周波数を判定する（Ｓ１）。
　基本波が選択された場合（Ｓ１：基本波）、制御回路２２は、所定の信号Ｓ２を電源回路２１に出力し、電源回路２１に、第１レベルＶ１の電源電圧Ｖｃｃを生成させる（Ｓ２）。また、制御回路２２は、Ｌレベルの信号Ｓ１を発振回路２０に出力するため、ソリッドステートリレーＳＳＲ１，ＳＳＲ２はオン（つまり、スイッチＳＷ１，ＳＷ２はオン）となる（Ｓ３）。この結果、発振回路２０の圧電素子Ｘ１は、基本波の周波数ｆ１で発振することになるため、プローブ１１では、周波数ｆ１の信号が生成される。
　一方、３倍波が選択された場合（Ｓ１：３倍波）、制御回路２２は、所定の信号Ｓ２を電源回路２１に出力し、電源回路２１に、第２レベルＶ２の電源電圧Ｖｃｃを生成させる（Ｓ４）。また、制御回路２２は、Ｈレベルの信号Ｓ１を発振回路２０に出力するため、ソリッドステートリレーＳＳＲ１，ＳＳＲ２はオフ（つまり、スイッチＳＷ１，ＳＷ２はオフ）となる（Ｓ５）。この結果、発振回路２０の圧電素子Ｘ１は、３倍波の周波数ｆ２で発振することになるため、プローブ１１では、周波数ｆ２の信号が生成される。
　なお、圧電素子Ｘ１が３倍波の周波数ｆ２で発振する際の圧電素子Ｘ１の等価抵抗は、圧電素子Ｘ１が基本波の周波数ｆ１で発振する際の圧電素子Ｘ１の等価抵抗より大きい。したがって、３倍波の周波数ｆ２で発振させる場合には、基本波の周波数ｆ１で発振させる場合より、電源電圧Ｖｃｃを高くすることで、圧電素子Ｘ１の動作条件をほぼ等しくすることができる。この結果、利用者がいずれの周波数を選択した場合であっても、プローブ１１で発生する信号の強度は略等しくなる。
　また、制御回路２２は、操作結果に基づいて、周波数の切り替えがあったか否かを判定する（Ｓ６）。周波数の切り替えがある場合（Ｓ６：Ｙｅｓ）、制御回路２２は、処理Ｓ１を実行し、切り替えられた周波数に応じた処理を実行する。
　一方、周波数の切り替えがない場合（Ｓ６：Ｎｏ）、制御回路２２は、停止条件が満たされたか否かを判定する（Ｓ７）。ここで、「停止条件」とは、例えば、利用者が生体刺激装置１０の動作が停止するよう操作を行った場合、または圧電素子Ｘ１が異常な状態となった場合の何れかである。
　そして、制御回路２２は、停止条件が満たされない場合（Ｓ７：Ｎｏ）、処理Ｓ６を実行する。一方、制御回路２２は、停止条件が満たされた場合（Ｓ７：Ｙｅｓ）、制御回路２２は、電源回路２１を制御し、電源電圧Ｖｃｃの生成を停止させる。この結果、生体刺激装置１０の動作は停止されることになる。
＝＝＝まとめ＝＝＝
　以上、本実施形態の生体刺激装置１０について説明した。生体刺激装置１０の発振回路２０において、図２のインダクタＬ１及びコンデンサＣ１ａの共振回路の共振周波数ｆｒを、基本波の周波数ｆ１より高く、３倍波の周波数ｆ２より低く設定している。このような範囲に共振周波数ｆｒを設定すると、圧電素子Ｘ１が基本波の周波数ｆ１でなく、３倍波の周波数ｆ２で動作し易くなる。したがって、本実施形態では、安定に圧電素子Ｘ１の発振電圧Ｖｏｓｃを３倍波の周波数とすることができる。
　また、例えば、図４（ｂ）に示すように、プローブ１１を生体に接触させると、圧電素子Ｘ１の振動が人体に吸収され、圧電素子Ｘ１の等価抵抗が大きくなりＱ値が変化する。したがって、例えば、一般的なコルピッツ型の発振回路を用いて圧電素子Ｘ１を３倍波の周波数ｆ２で動作させる際には、圧電素子Ｘ１の発振が停止してしまうことがある。しかしながら、本実施形態では、インダクタＬ２を介して共振回路の信号を、トランジスタＱ１に帰還している。したがって、発振回路２０では、圧電素子Ｘ１の等価抵抗が増加した場合であっても、安定に圧電素子Ｘ１を発振させることができる。
　また、発振回路２０は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオンすると、コンデンサＣ１ａに対し、コンデンサＣ１ｂが並列接続され、コンデンサＣ２ａに対し、コンデンサＣ２ｂが並列接続される。そして、コンデンサＣ１ｂ，Ｃ２ｂのそれぞれは、圧電素子Ｘ１が基本波の周波数ｆ１で発振するよう、選択されている。したがって、本実施形態では、基本波の周波数ｆ１と、３倍波の周波数ｆ２で圧電素子Ｘ１を発振させることができる。
　また、圧電素子Ｘ１が基本波の周波数ｆ１で発振する場合、電源電圧Ｖｃｃは第１レベルＶ１となり、圧電素子Ｘ１が３倍波の周波数ｆ２で発振する場合、電源電圧Ｖｃｃは第２レベルＶ２となる。したがって、圧電素子Ｘ１の等価抵抗が増加した場合であっても、圧電素子Ｘ１の振動の強度が減少することを防ぐことができる。
　また、発振回路２０には、トランジスタＱ１の電流を検出する抵抗Ｒ１が設けられている。したがって、例えば、制御回路２２は、電圧Ｖｄ１に基づいて、トランジスタＱ１の過電流を把握することができる。
　また、発振回路２０には、発振電圧Ｖｏｓｃの振幅に応じた電圧Ｖｄ２を検出する検出回路４３が設けられている。したがって、例えば、制御回路２２は、電圧Ｖｄ２に基づいて、発振電圧Ｖｏｓｃの振幅を把握することができる。
　また、制御回路２２は、例えば、電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２に基づいて、圧電素子Ｘ１が異常な状態であるか否かを判定する（例えば、図５の処理Ｓ７）。したがって、本実施形態では、利用者が、安全に生体刺激装置１０を用いることができる。
　また、ソリッドステートリレーＳＳＲ１，ＳＳＲ２の状態は、制御回路２２からの信号Ｓ１によって切り替えられる。したがって、例えば、基本波、３倍波のそれぞれに対応するプローブを付け替える場合と比べ、高速でプローブ１１の圧電素子Ｘ１の動作周波数を切り替えることができる。
　なお、本実施形態の発振回路２０は、圧電素子Ｘ１を基本波、３倍波のそれぞれの周波数で発振させることとしたが、これに限られず、たとえば、３倍波、５倍波の周波数で発振させることとしても良い。
　上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更や改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれるのはいうまでもない。
１０　生体刺激装置
１１　プローブ
１２　本体
２０　発振回路
２１　電源回路
２２　制御回路
４０　発振部
４１　バイアス回路
４２　切替回路
４３　検出回路
Ｃ０，Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ２ａ，Ｃ２ｂ，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ１１，Ｃ１２　コンデンサ
Ｑ１　トランジスタ
Ｒ１～Ｒ３，Ｒ１０　抵抗
Ｄ１　ダイオード
Ｘ１　圧電素子
Ｌｉ１　電源ライン
Ｌｉ２　接地ライン
ＰＤ１，ＰＤ２　発光ダイオード
ＳＷ１，ＳＷ２　スイッチ
ＳＳＲ１，ＳＳＲ２　ソリッドステートリレー

Claims (9)

  1. 　第１周波数と、前記第１周波数より高い第２周波数とで共振可能な圧電素子と、
    　前記圧電素子に接続された制御電極と、電源側の電極と、接地側の電極と、を有するトランジスタと、
    　前記トランジスタの前記接地側の電極に接続された第１コイルと、
    　前記第１コイルに並列接続された第１コンデンサと、
    　前記第１コンデンサと、前記トランジスタの前記制御電極との間に接続された第２コンデンサと、
    　を備え、
    　前記第１コイル及び前記第１コンデンサで構成される共振回路の共振周波数は、前記第１周波数より高く、前記第２周波数より低い、
    　発振装置。
  2. 　請求項１に記載の発振装置であって、
    　前記第１コンデンサと、前記第２コンデンサとの間に接続された第２コイルを備える、
    　発振装置。
  3. 　請求項２に記載の発振装置であって、
    　前記圧電素子を前記第１周波数で共振させる第１指示に基づいて、オンとなり、前記圧電素子を前記第２周波数で共振させる第２指示に基づいて、オフとなる第１スイッチと、
    　前記第１指示に基づいて、オンとなり、前記第２指示に基づいて、オフとなる第２スイッチと、
    　前記第１スイッチに直列接続された第３コンデンサと、
    　前記第２スイッチに直列接続された第４コンデンサと、
    　を備え、
    　前記第１スイッチ及び前記第３コンデンサは、前記第１コンデンサに並列接続され、
    　前記第２スイッチ及び前記第４コンデンサは、前記第２コンデンサに並列接続された、
    　発振装置。
  4. 　請求項３に記載の発振装置であって、
    　前記トランジスタを動作させるための電源電圧が印加される電源ラインと、
    　前記圧電素子を前記第１周波数で共振させる場合、第１レベルの前記電源電圧を前記電源ラインに印加し、前記圧電素子を前記第２周波数で共振させる場合、前記第１レベルと異なる第２レベルの前記電源電圧を前記電源ラインに印加する電源回路と、
    　を備える発振装置。
  5. 　請求項１～４の何れか一項に記載の発振装置であって、
    　前記トランジスタの電流を検出する抵抗を備える、
    　発振装置。
  6. 　請求項５に記載の発振装置であって、
    　前記圧電素子の発振電圧の振幅を検出する検出回路を備える、
    　発振装置。
  7. 　請求項６に記載の発振装置であって、
    　前記トランジスタの電流と、前記振幅と、に基づいて、前記圧電素子が異常な状態であるか否かを判定する制御回路を備える、
    　発振装置。
  8. 　請求項３に記載の発振装置であって、
    　前記第１及び第２指示に基づいて、前記第１及び第２スイッチを切り替える制御回路を備える、
    　発振装置。
  9. 　振動を生体に伝える生体刺激装置であって、
    　第１周波数と、前記第１周波数より高い第２周波数とで共振可能な圧電素子と、
    　前記圧電素子に接続された制御電極と、電源側の電極と、接地側の電極と、を有するトランジスタと、
    　前記トランジスタの前記接地側の電極に接続された第１コイルと、
    　前記第１コイルに並列接続された第１コンデンサと、
    　前記第１コンデンサと、前記トランジスタの前記制御電極との間に接続された第２コンデンサと、
    　を備え、
    　前記第１コイル及び前記第１コンデンサで構成される共振回路の共振周波数は、前記第１周波数より高く、前記第２周波数より低い、
    　生体刺激装置。
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