特開 2024-47221 発振装置、及び生体刺激装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024047221

(43)【公開日】2024-04-05

(54)【発明の名称】発振装置、及び生体刺激装置

(51)【国際特許分類】

   B06B 1/06 20060101AFI20240329BHJP

【ＦＩ】

B06B1/06 A

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022152731

(22)【出願日】2022-09-26

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-02-06

(71)【出願人】

【識別番号】391009800

【氏名又は名称】株式会社テクノリンク

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 辰之

【テーマコード（参考）】

5D107

【Ｆターム（参考）】

5D107AA05

5D107AA14

5D107BB07

5D107BB08

5D107CC01

5D107CD03

(57)【要約】

【課題】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を提供する。
【解決手段】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
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発振装置、及び生体刺激装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－１２０１８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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。

【0007】

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。

【発明の効果】

【0008】

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。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】生体刺激装置１０の一例を示す図である。

【図2】発振回路２０の一例を示す図である。

【図3】圧電素子Ｘ１の特性の一例を示す図である。

【図4】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。

【図5】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。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

＝＝＝＝＝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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

＜＜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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

＝＝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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

＝＝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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

＝＝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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

＜＜＜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）。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

＝＝＝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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【符号の説明】

【0073】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】