JP2001514946A - 高効率の出力発生回路を備えた植込形刺激装置 - Google Patents
高効率の出力発生回路を備えた植込形刺激装置Info
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Abstract
(57)【要約】
ここに提供する出力パルス発生回路は、バッテリ電源から出力負荷へ電力を移転する際の効率が重要視される、例えば心臓ペースメーカ等の植込形医用刺激装置に特に適した回路である。複数の小容量の出力キャパシタをスイッチング回路と組合せて使用している。スイッチング回路は、夫々のキャパシタに、充電と負荷への放電とを交互に行わせ、しかもその際に、常に少なくとも１個のキャパシタが出力電圧を送出しているようにすることで、略々一定の出力電圧が送出されるようにし、また一方で、少なくとも１個の別のキャパシタが再充電されているようにする。このスイッチングによって確立される回路接続状態を様々に異ならせることによって、出力パルスの電圧設定値を変更することができる。例えば０．１Ｆ〜０．５Ｆの範囲内の比較的小容量のキャパシタを使用すると共に、例えば３２ｋＨｚという、比較的高い周波数の駆動信号を使用することによって、刺激パルスの送出中にだけバッテリからキャパシタへ実質的に連続して電力を移転させることができ、また、そのパルス持続時間中、刺激パルスの電圧を略々一定に保つことができると共に高効率で刺激パルスを発生させることができる。また、駆動信号の周波数を変化させることよって、発生させる刺激パルスを出力負荷の大きさに適合させることができる。
Description
【０００１】 発明の分野 本発明は、電圧調節可能な出力を発生する出力発生回路の技術分野に属するも
のであり、より詳しくは、植込形刺激装置に用いられる、バッテリ電源から負荷
へ高効率で電力を移転することのできる出力発生回路の技術分野に属するもので
ある。
のであり、より詳しくは、植込形刺激装置に用いられる、バッテリ電源から負荷
へ高効率で電力を移転することのできる出力発生回路の技術分野に属するもので
ある。
【０００２】 発明の背景 植込形デバイスで発生させた電圧パルスを、患者の然るべき身体部位へ送出す
るという用途において、その電圧パルスを高効率で発生させることが強く望まれ
ており、また、その電圧パルスの電圧設定値を可変にすることも強く望まれてい
る。この種の用途の具体例としては、例えば、植込形ペースメーカで発生させた
ペーシング・パルスを、患者の心臓へ供給するという用途などがある。このよう
な刺激パルスの発生技法を主題とした研究開発は、現在盛んに行われており、そ
れが盛んに行われている主たる理由は、パルスを発生させる際の効率が、電力消
費量の主要決定要因であり、ひいては、デバイス寿命の主要決定要因であること
にある。新たな優れたバッテリも次々と開発されてはいるものの、一方では、植
込形デバイスに要求される新たな機能も増加しており、例えばテレメトリ機能、
診断データの処理及び保存機能、それに様々な論理演算機能などが続々と付加さ
れてきている。このように、より多くの機能が要求されるようになり、またいう
までもなく、更に長寿命とすることも要求されているため、刺激パルスを周期的
に発生させる際の、その発生効率を更に改善するということは、今もなお重要な
目標とされており、特に植込形医用デバイスにおいては、このことが殊更に重要
視されている。
るという用途において、その電圧パルスを高効率で発生させることが強く望まれ
ており、また、その電圧パルスの電圧設定値を可変にすることも強く望まれてい
る。この種の用途の具体例としては、例えば、植込形ペースメーカで発生させた
ペーシング・パルスを、患者の心臓へ供給するという用途などがある。このよう
な刺激パルスの発生技法を主題とした研究開発は、現在盛んに行われており、そ
れが盛んに行われている主たる理由は、パルスを発生させる際の効率が、電力消
費量の主要決定要因であり、ひいては、デバイス寿命の主要決定要因であること
にある。新たな優れたバッテリも次々と開発されてはいるものの、一方では、植
込形デバイスに要求される新たな機能も増加しており、例えばテレメトリ機能、
診断データの処理及び保存機能、それに様々な論理演算機能などが続々と付加さ
れてきている。このように、より多くの機能が要求されるようになり、またいう
までもなく、更に長寿命とすることも要求されているため、刺激パルスを周期的
に発生させる際の、その発生効率を更に改善するということは、今もなお重要な
目標とされており、特に植込形医用デバイスにおいては、このことが殊更に重要
視されている。
【０００３】 植込形デバイスとしては、例えばペースメーカ、デフィブリレータ、神経刺激
装置、及びその他の種々のデバイスがある。これら様々な植込形デバイスに従来
一般的に使用されていたパルス発生回路としては、１個または複数の大容量の蓄
積用キャパシタを備え、その蓄積用キャパシタから結合用キャパシタを介して負
荷へ放電を行うことによって刺激パルスを発生させるようにした回路があった。
このような回路では、１個の刺激パルスを送出してから次の刺激パルスを送出す
るまでの間に、その蓄積用キャパシタの充電を行っていた。例えばペースメーカ
に用いる回路では、蓄積用キャパシタの一般的な容量値は、１０Ｆ〜２２Ｆの範
囲内にあった。しかしながらこれほど大容量のキャパシタには、その体積が非常
に大きいという短所がある上に、高価であるということもあり、更には、再充電
効率が低いという問題もあった。また、比較的古くから用いられている、出力パ
ルスの電圧設定値を変更可能にした回路としては、複数の小容量キャパシタを使
用して１個の大容量キャパシタをポンピング充電する方式を用いることで、その
大容量キャパシタの充電電圧を変更できるようにしたものがあった。しかしなが
らこの構成には、出力電圧の設定値の変更が迅速容易には行えないという短所が
あった。また、その後に開発されたシステムのうちには、複数の大容量キャパシ
タを使用し、それら大容量キャパシタの各々を、バッテリ電圧とバッテリ電圧の
２分の１の電圧とのいずれにも充電できるようにすると共に、出力パルスの送出
時にそれらキャパシタを直列に接続することによって、出力パルスの電圧設定値
を変更可能にしたものがあった。しかしながらこの構成では、出力パルスの電圧
設定値に応じて出力パルスの送出時の実効キャパシタンスが変化するために、出
力インピーダンスが変化してしまうという短所があった。更に、複数のキャパシ
タを直列に接続するために、実効キャパシタンスが小さくなってしまうという問
題もあった。そして、そのために、負荷に電流を流す際に発生する電圧降下が大
きく、パルス幅の大きなロング・パルスを送出する場合に、そのパルス電圧が減
衰しないように維持することが困難であった。またもう１つ重要なこととして、
この構成では、再充電の際の充電量が大きいために、再充電効率が低いというこ
とがあった。
装置、及びその他の種々のデバイスがある。これら様々な植込形デバイスに従来
一般的に使用されていたパルス発生回路としては、１個または複数の大容量の蓄
積用キャパシタを備え、その蓄積用キャパシタから結合用キャパシタを介して負
荷へ放電を行うことによって刺激パルスを発生させるようにした回路があった。
このような回路では、１個の刺激パルスを送出してから次の刺激パルスを送出す
るまでの間に、その蓄積用キャパシタの充電を行っていた。例えばペースメーカ
に用いる回路では、蓄積用キャパシタの一般的な容量値は、１０Ｆ〜２２Ｆの範
囲内にあった。しかしながらこれほど大容量のキャパシタには、その体積が非常
に大きいという短所がある上に、高価であるということもあり、更には、再充電
効率が低いという問題もあった。また、比較的古くから用いられている、出力パ
ルスの電圧設定値を変更可能にした回路としては、複数の小容量キャパシタを使
用して１個の大容量キャパシタをポンピング充電する方式を用いることで、その
大容量キャパシタの充電電圧を変更できるようにしたものがあった。しかしなが
らこの構成には、出力電圧の設定値の変更が迅速容易には行えないという短所が
あった。また、その後に開発されたシステムのうちには、複数の大容量キャパシ
タを使用し、それら大容量キャパシタの各々を、バッテリ電圧とバッテリ電圧の
２分の１の電圧とのいずれにも充電できるようにすると共に、出力パルスの送出
時にそれらキャパシタを直列に接続することによって、出力パルスの電圧設定値
を変更可能にしたものがあった。しかしながらこの構成では、出力パルスの電圧
設定値に応じて出力パルスの送出時の実効キャパシタンスが変化するために、出
力インピーダンスが変化してしまうという短所があった。更に、複数のキャパシ
タを直列に接続するために、実効キャパシタンスが小さくなってしまうという問
題もあった。そして、そのために、負荷に電流を流す際に発生する電圧降下が大
きく、パルス幅の大きなロング・パルスを送出する場合に、そのパルス電圧が減
衰しないように維持することが困難であった。またもう１つ重要なこととして、
この構成では、再充電の際の充電量が大きいために、再充電効率が低いというこ
とがあった。
【０００４】 従って、植込形デバイスの分野において、所与の身体部位へ電力を送出する際
の効率を更に高めると共に、最近のデバイスに対する様々な要求にも応えること
ができるように改良した出力発生回路が、強く求められている。例えば、そのよ
うな高い電力効率を有する改良した出力発生回路は、刺激パルスを送出する際の
出力電圧を異なった電圧に設定することも可能なものでなければならない。また
更に、バッテリ駆動式のデバイスに用いる電圧パルス発生回路であって、パルス
の電圧を略々一定に維持することができ、例えば、パルス持続時間の間中の電圧
変動を１０％以内に抑えることができる、高効率の電圧パルス発生回路を提供す
ることも、本発明の目的の１つである。
の効率を更に高めると共に、最近のデバイスに対する様々な要求にも応えること
ができるように改良した出力発生回路が、強く求められている。例えば、そのよ
うな高い電力効率を有する改良した出力発生回路は、刺激パルスを送出する際の
出力電圧を異なった電圧に設定することも可能なものでなければならない。また
更に、バッテリ駆動式のデバイスに用いる電圧パルス発生回路であって、パルス
の電圧を略々一定に維持することができ、例えば、パルス持続時間の間中の電圧
変動を１０％以内に抑えることができる、高効率の電圧パルス発生回路を提供す
ることも、本発明の目的の１つである。
【０００５】 発明の概要 ここに提供する出力発生回路は、心臓ペースメーカや神経刺激装置等をはじめ
とする様々な植込形デバイスに用いることのできる、電圧設定値が可変の刺激パ
ルスを発生させる出力発生回路である。この出力発生回路は、上述した、高効率
で電圧パルスを発生させると共にその電圧パルスの電圧設定値を可変にするとい
う目的を満たすものであることに加えて、大容量キャパシタから成るキャパシタ
群を使用せずに済むという利点をも有するものである。
とする様々な植込形デバイスに用いることのできる、電圧設定値が可変の刺激パ
ルスを発生させる出力発生回路である。この出力発生回路は、上述した、高効率
で電圧パルスを発生させると共にその電圧パルスの電圧設定値を可変にするとい
う目的を満たすものであることに加えて、大容量キャパシタから成るキャパシタ
群を使用せずに済むという利点をも有するものである。
【０００６】 以上の目的に鑑み、ここに提供する電圧パルス発生回路は、ペースメーカ等の
植込形デバイスに用いられ、また、更にその他の様々なバッテリ電源式のデバイ
スにも用いられる回路である。この電圧パルス発生回路は、スイッチング回路と
組合せた一対または複数対の小容量キャパシタ・ペアを備えており、各々の小容
量キャパシタの容量は、例えば１０Ｆ以下とすることができる。また、そのスイ
ッチング回路は、刺激パルスのパルス持続時間中、動作状態におかれて、小容量
キャパシタのスイッチングを行うようにしたものであり、このスイッチングは、
小容量キャパシタの接続状態を、バッテリ電源から電力を受取る接続状態と、負
荷（ペースメーカに用いる場合であれば、この負荷は心臓である）へ電力を送出
する接続状態との間で、交互に切換えるものである。また、あるキャパシタをこ
れら２つの接続状態の間でスイッチングすると同時に、別のキャパシタをこれら
２つの接続状態の間で逆方向にスイッチングするようにしている。そのため、パ
ルス持続時間中は、常にいずれかのキャパシタがバッテリ電源から電力を受取っ
ている一方で、常に他のいずれかのキャパシタが負荷へ電力を送出している状態
にある。このスイッチング回路の駆動は、高い繰返し周波数で行われ、その周波
数は、例えば３２ｋＨｚである。従って、パルス持続時間中に、小容量キャパシ
タは反復して放電するが、１回の放電における放電量は小さく、また、バッテリ
電源から小容量キャパシタへの電力の移転は略々一定のレートで行われる。この
スイッチング回路は更に、充電を完了したばかりのキャパシタを負荷に接続した
上で、それまで電力を送出していたキャパシタの接続切換えを行うようにしてい
るため、出力端子に接続した状態が複数のキャパシタの間でオーバーラップする
ようになっており、これによって電圧パルスの電圧を略々一定に維持できるよう
にしている。
植込形デバイスに用いられ、また、更にその他の様々なバッテリ電源式のデバイ
スにも用いられる回路である。この電圧パルス発生回路は、スイッチング回路と
組合せた一対または複数対の小容量キャパシタ・ペアを備えており、各々の小容
量キャパシタの容量は、例えば１０Ｆ以下とすることができる。また、そのスイ
ッチング回路は、刺激パルスのパルス持続時間中、動作状態におかれて、小容量
キャパシタのスイッチングを行うようにしたものであり、このスイッチングは、
小容量キャパシタの接続状態を、バッテリ電源から電力を受取る接続状態と、負
荷（ペースメーカに用いる場合であれば、この負荷は心臓である）へ電力を送出
する接続状態との間で、交互に切換えるものである。また、あるキャパシタをこ
れら２つの接続状態の間でスイッチングすると同時に、別のキャパシタをこれら
２つの接続状態の間で逆方向にスイッチングするようにしている。そのため、パ
ルス持続時間中は、常にいずれかのキャパシタがバッテリ電源から電力を受取っ
ている一方で、常に他のいずれかのキャパシタが負荷へ電力を送出している状態
にある。このスイッチング回路の駆動は、高い繰返し周波数で行われ、その周波
数は、例えば３２ｋＨｚである。従って、パルス持続時間中に、小容量キャパシ
タは反復して放電するが、１回の放電における放電量は小さく、また、バッテリ
電源から小容量キャパシタへの電力の移転は略々一定のレートで行われる。この
スイッチング回路は更に、充電を完了したばかりのキャパシタを負荷に接続した
上で、それまで電力を送出していたキャパシタの接続切換えを行うようにしてい
るため、出力端子に接続した状態が複数のキャパシタの間でオーバーラップする
ようになっており、これによって電圧パルスの電圧を略々一定に維持できるよう
にしている。
【０００７】 特に構成が簡明な第１実施例では、使用しているキャパシタの個数は僅か２個
である。またスイッチング回路は、送出するパルスの持続時間と比べて相対的に
高い周波数の駆動信号で駆動されている。１回のパルス持続時間中に、このスイ
ッチング回路が反復してスイッチングを行い、そのスイッチングによって、第１
キャパシタがバッテリ電源から充電されていて第２キャパシタが負荷へ電力を送
出している接続状態と、逆に、第１キャパシタが負荷へ電力を送出していて第２
キャパシタがバッテリ電源から充電されている接続状態とが、交互に確立される
ようにしている。また、それら２個のキャパシタの間で、出力端子に接続してい
る状態がオーバーラップするようにして、出力端子には常に少なくとも１個のキ
ャパシタが接続されているようにするための回路が装備されている。
である。またスイッチング回路は、送出するパルスの持続時間と比べて相対的に
高い周波数の駆動信号で駆動されている。１回のパルス持続時間中に、このスイ
ッチング回路が反復してスイッチングを行い、そのスイッチングによって、第１
キャパシタがバッテリ電源から充電されていて第２キャパシタが負荷へ電力を送
出している接続状態と、逆に、第１キャパシタが負荷へ電力を送出していて第２
キャパシタがバッテリ電源から充電されている接続状態とが、交互に確立される
ようにしている。また、それら２個のキャパシタの間で、出力端子に接続してい
る状態がオーバーラップするようにして、出力端子には常に少なくとも１個のキ
ャパシタが接続されているようにするための回路が装備されている。
【０００８】 第１実施例と比べてより構成が複雑な別実施例では、第１実施例のものと同様
の小容量のキャパシタを使用しているが、ただし複数対のキャパシタ・ペアを使
用して、出力パルスの電圧設定値を変更可能にしている。例えば２対のキャパシ
タ・ペアを使用した出力発生回路では、第１キャパシタ・ペアが事実上の第１キ
ャパシタンスとして機能し、第２キャパシタ・ペアが事実上の第２キャパシタン
スとして機能するように接続すればよい。これに加えて、スイッチング回路が、
それらキャパシタ・ペアの各対を構成している２個のキャパシタの接続状態をス
イッチングして、その２個のキャパシタを直列接続と並列接続との間で切換える
ようにしており、それによって出力パルスの電圧設定値を可変にしている。従っ
て、例えば、各々のキャパシタ・ペアを構成している２個のキャパシタを、充電
の際には並列にしてバッテリに接続し、放電の際には直列にして負荷に接続する
ようにするならば、出力パルスの電圧はバッテリ電圧の２倍になる。一方、これ
とは逆に、各々のキャパシタ・ペアを構成している２個のキャパシタを、充電の
際には直列にしてバッテリに接続し、放電の際には並列にして負荷に接続するよ
うにするならば、出力パルスの電圧はバッテリ電圧の２分の１になる。複数のキ
ャパシタを様々に組合せることで、電圧設定値を更に別の値にすることも可能で
あり、無数の組合せ方が存在する。プログラマブル・ペースメーカ（パラメータ
を様々に設定可能なペースメーカ）等のデバイスでは、スイッチングによって切
換えるキャパシタの組合せ方を制御するデータを、体外装置から送り込むことに
よって、その電圧を設定することができる。
の小容量のキャパシタを使用しているが、ただし複数対のキャパシタ・ペアを使
用して、出力パルスの電圧設定値を変更可能にしている。例えば２対のキャパシ
タ・ペアを使用した出力発生回路では、第１キャパシタ・ペアが事実上の第１キ
ャパシタンスとして機能し、第２キャパシタ・ペアが事実上の第２キャパシタン
スとして機能するように接続すればよい。これに加えて、スイッチング回路が、
それらキャパシタ・ペアの各対を構成している２個のキャパシタの接続状態をス
イッチングして、その２個のキャパシタを直列接続と並列接続との間で切換える
ようにしており、それによって出力パルスの電圧設定値を可変にしている。従っ
て、例えば、各々のキャパシタ・ペアを構成している２個のキャパシタを、充電
の際には並列にしてバッテリに接続し、放電の際には直列にして負荷に接続する
ようにするならば、出力パルスの電圧はバッテリ電圧の２倍になる。一方、これ
とは逆に、各々のキャパシタ・ペアを構成している２個のキャパシタを、充電の
際には直列にしてバッテリに接続し、放電の際には並列にして負荷に接続するよ
うにするならば、出力パルスの電圧はバッテリ電圧の２分の１になる。複数のキ
ャパシタを様々に組合せることで、電圧設定値を更に別の値にすることも可能で
あり、無数の組合せ方が存在する。プログラマブル・ペースメーカ（パラメータ
を様々に設定可能なペースメーカ）等のデバイスでは、スイッチングによって切
換えるキャパシタの組合せ方を制御するデータを、体外装置から送り込むことに
よって、その電圧を設定することができる。
【０００９】 好適実施例の説明 図１Ａ〜図１Ｄは、特に構成が簡単な２キャパシタ形の（即ち、キャパシタを
２個使用した）本発明にかかる出力発生回路を示した図であり、この出力発生回
路は、バッテリ電圧に等しい電圧の刺激パルスを出力パルスとして送出する回路
である。図示の如く、この回路は、バッテリ３０と、２個のキャパシタＣ１及び
Ｃ２と、キャパシタＣ１の回路接続を切換えるための２個のスイッチング素子Ｓ
１Ａ及びＳ１Ｂと、キャパシタＣ２の回路接続を切換えるための２個のスイッチ
ング素子Ｓ２Ａ及びＳ２Ｂとを含んでいる。この回路に好適に使用することので
きるスイッチング素子は、例えば、低インピーダンスで低損失のＦＥＴスイッチ
ング素子等であり、この種のスイッチング素子は市場にて入手可能である。図１
Ａでは、２個のキャパシタＣ１及びＣ２のいずれもが、バッテリ３０の両端子に
直接に接続された状態にスイッチングされており、従ってそれらキャパシタは充
電状態にある。刺激パルスを送出していないときには、この接続状態にスイッチ
ングしておくのがよく、この場合、刺激パルスを送出していないときにはキャパ
シタへ電力が移転されることはない。後に言及するように、バッテリとしては様
々な種類のものが使用可能であり、またこのバッテリは、電源として広範な機能
を果たすものである。
２個使用した）本発明にかかる出力発生回路を示した図であり、この出力発生回
路は、バッテリ電圧に等しい電圧の刺激パルスを出力パルスとして送出する回路
である。図示の如く、この回路は、バッテリ３０と、２個のキャパシタＣ１及び
Ｃ２と、キャパシタＣ１の回路接続を切換えるための２個のスイッチング素子Ｓ
１Ａ及びＳ１Ｂと、キャパシタＣ２の回路接続を切換えるための２個のスイッチ
ング素子Ｓ２Ａ及びＳ２Ｂとを含んでいる。この回路に好適に使用することので
きるスイッチング素子は、例えば、低インピーダンスで低損失のＦＥＴスイッチ
ング素子等であり、この種のスイッチング素子は市場にて入手可能である。図１
Ａでは、２個のキャパシタＣ１及びＣ２のいずれもが、バッテリ３０の両端子に
直接に接続された状態にスイッチングされており、従ってそれらキャパシタは充
電状態にある。刺激パルスを送出していないときには、この接続状態にスイッチ
ングしておくのがよく、この場合、刺激パルスを送出していないときにはキャパ
シタへ電力が移転されることはない。後に言及するように、バッテリとしては様
々な種類のものが使用可能であり、またこのバッテリは、電源として広範な機能
を果たすものである。
【００１０】 図１Ｂは、図１Ｄに示した駆動信号に応答してスイッチングが行われるように
なったときの状態を示した図であり、キャパシタＣ２は、図１Ａの状態と同様に
バッテリ３０の両端子に接続された状態にあるが、キャパシタＣ１は、スイッチ
ングが行われることによって接続状態が切換えらて、その両端子が、図中に参照
番号３２及び３２Ｇで示した一対の出力端子に接続された状態になっている。
なったときの状態を示した図であり、キャパシタＣ２は、図１Ａの状態と同様に
バッテリ３０の両端子に接続された状態にあるが、キャパシタＣ１は、スイッチ
ングが行われることによって接続状態が切換えらて、その両端子が、図中に参照
番号３２及び３２Ｇで示した一対の出力端子に接続された状態になっている。
【００１１】 図１Ｃは、スイッチングが行われることによって、図１Ｂの接続状態と交互に
確立される、他方の接続状態を示した図であり、この図では、スイッチング回路
によって、キャパシタＣ１がバッテリ３０の両端子に接続された状態とされ、キ
ャパシタＣ２が一対の出力端子に接続された状態とされている。従って、図１Ａ
の接続状態や図１Ｂの接続状態と見比べれば分かるように、２個のキャパシタの
各々が、バッテリ３０から電力を受取る接続状態と、出力端子へ電力を送出する
接続状態との間で交互にスイッチングされ、また、一方のキャパシタは、他方の
キャパシタと異なる接続状態とされる。従って、一方のキャパシタが充電されて
いるときに、他方のキャパシタは負荷へ放電しており、これが交互に行われる。
本発明の出力発生回路に用いるのに適したバッテリとしては、例えば、ＬｉＭｎ
Ｏ2やＬｉＶｎＯ5等の、最新の化学電池がある。
確立される、他方の接続状態を示した図であり、この図では、スイッチング回路
によって、キャパシタＣ１がバッテリ３０の両端子に接続された状態とされ、キ
ャパシタＣ２が一対の出力端子に接続された状態とされている。従って、図１Ａ
の接続状態や図１Ｂの接続状態と見比べれば分かるように、２個のキャパシタの
各々が、バッテリ３０から電力を受取る接続状態と、出力端子へ電力を送出する
接続状態との間で交互にスイッチングされ、また、一方のキャパシタは、他方の
キャパシタと異なる接続状態とされる。従って、一方のキャパシタが充電されて
いるときに、他方のキャパシタは負荷へ放電しており、これが交互に行われる。
本発明の出力発生回路に用いるのに適したバッテリとしては、例えば、ＬｉＭｎ
Ｏ2やＬｉＶｎＯ5等の、最新の化学電池がある。
【００１２】 図１Ｄについて説明すると、図中最上段のタイミング図９１は、高い周波数の
駆動信号を示したタイミング図である。ここでいう「高い周波数」とは、この駆
動信号の周期が、図１Ｄの最下段のタイミング図９３に示した出力パルスのパル
ス持続時間Ｄと比べて相対的に短いという意味である。具体的な数値を示すなら
ば、最下段のタイミング図９３に出力パルスとして示した刺激パルスの持続時間
Ｄを、例えば約１ミリ秒とするのであれば、駆動信号の適当な周波数は、例えば
３２ｋＨｚである。これらの数値は、出力パルスの持続時間Ｄ、並びに駆動信号
の周波数の典型的な値であり、これら数値を採用した場合には、１回のパルス持
続時間Ｄにおける駆動信号の繰返し回数は３２回になり、従って駆動信号の１周
期は、パルス持続時間Ｄの３％より僅かに長い程度のものとなる。従って、各々
のキャパシタが接続されている時間は、約１．５％Ｄにすぎず、２個のキャパシ
タが交代する間隔は約３％Ｄになる。このスイッチング周波数を制御して、スイ
ッチングの繰返し周波数をできるだけ低くすることにより、スイッチング損失を
低減することができるが、この場合の繰返し周波数の最低限度は、必要とされる
負荷電流の関数になる。即ち、出力パルスの送出中に流れる負荷電流が大きけれ
ば大きいほど、１回の放電におけるキャパシタの放電量を所定量にとどめるため
に繰返し周波数を高くしなければならず、逆に、その負荷電流が小さければ小さ
いほど、スイッチングの繰返し周波数を低い値に設定することが可能になる。
駆動信号を示したタイミング図である。ここでいう「高い周波数」とは、この駆
動信号の周期が、図１Ｄの最下段のタイミング図９３に示した出力パルスのパル
ス持続時間Ｄと比べて相対的に短いという意味である。具体的な数値を示すなら
ば、最下段のタイミング図９３に出力パルスとして示した刺激パルスの持続時間
Ｄを、例えば約１ミリ秒とするのであれば、駆動信号の適当な周波数は、例えば
３２ｋＨｚである。これらの数値は、出力パルスの持続時間Ｄ、並びに駆動信号
の周波数の典型的な値であり、これら数値を採用した場合には、１回のパルス持
続時間Ｄにおける駆動信号の繰返し回数は３２回になり、従って駆動信号の１周
期は、パルス持続時間Ｄの３％より僅かに長い程度のものとなる。従って、各々
のキャパシタが接続されている時間は、約１．５％Ｄにすぎず、２個のキャパシ
タが交代する間隔は約３％Ｄになる。このスイッチング周波数を制御して、スイ
ッチングの繰返し周波数をできるだけ低くすることにより、スイッチング損失を
低減することができるが、この場合の繰返し周波数の最低限度は、必要とされる
負荷電流の関数になる。即ち、出力パルスの送出中に流れる負荷電流が大きけれ
ば大きいほど、１回の放電におけるキャパシタの放電量を所定量にとどめるため
に繰返し周波数を高くしなければならず、逆に、その負荷電流が小さければ小さ
いほど、スイッチングの繰返し周波数を低い値に設定することが可能になる。
【００１３】 図１Ｄの中段のタイミング図９２に示したように、基本タイミング信号に処理
を施して、２系列の駆動信号を発生させている。図示したそれら２系列の駆動信
号のうち、一方は、キャパシタＣ１に接続している２個のスイッチング素子を駆
動するための駆動信号であり、他方は、キャパシタＣ２に接続している２個のス
イッチング素子を駆動するための駆動信号である。これら２系列の駆動信号によ
って、キャパシタＣ１に接続しているスイッチング素子とキャパシタＣ２に接続
しているスイッチング素子とが、上述したように交互に駆動される。またこれに
よって、刺激パルスの送出中に略々全ての電力が無駄なく負荷へ供給される。即
ち、刺激パルスの送出中に、バッテリから夫々のキャパシタＣ１、Ｃ２へ電力が
移転され、その際に略々一定のレートで電力が移転される。より詳しくは、駆動
信号の１周期の間に、そのパルス１個分の電力のうちの僅かな部分に相当する電
力が、先ずキャパシタＣ１へ移転され、次にキャパシタＣ２へ移転される。そし
てこのような電力の移転が、１個のパルスの送出が完了するまでの間に、何度も
反復される。１個のパルスの送出が完了したならば、両方のキャパシタがバッテ
リに接続した状態とされ、それらキャパシタの充電が完了したならば、それ以後
は電力の移転はもはや行われない。この方式によれば、個々のキャパシタに蓄積
しなければならない電力は、パルス１個分の電力のうちの僅かな部分に相当する
電力にすぎないため、小容量キャパシタを用いることができる。そのような小容
量キャパシタの適当な容量は１０Ｆ以下であり、例えば約１Ｆ、ないしはそれ以
下とすることも可能であり、０．５Ｆ以下の容量とすることが好ましい。
を施して、２系列の駆動信号を発生させている。図示したそれら２系列の駆動信
号のうち、一方は、キャパシタＣ１に接続している２個のスイッチング素子を駆
動するための駆動信号であり、他方は、キャパシタＣ２に接続している２個のス
イッチング素子を駆動するための駆動信号である。これら２系列の駆動信号によ
って、キャパシタＣ１に接続しているスイッチング素子とキャパシタＣ２に接続
しているスイッチング素子とが、上述したように交互に駆動される。またこれに
よって、刺激パルスの送出中に略々全ての電力が無駄なく負荷へ供給される。即
ち、刺激パルスの送出中に、バッテリから夫々のキャパシタＣ１、Ｃ２へ電力が
移転され、その際に略々一定のレートで電力が移転される。より詳しくは、駆動
信号の１周期の間に、そのパルス１個分の電力のうちの僅かな部分に相当する電
力が、先ずキャパシタＣ１へ移転され、次にキャパシタＣ２へ移転される。そし
てこのような電力の移転が、１個のパルスの送出が完了するまでの間に、何度も
反復される。１個のパルスの送出が完了したならば、両方のキャパシタがバッテ
リに接続した状態とされ、それらキャパシタの充電が完了したならば、それ以後
は電力の移転はもはや行われない。この方式によれば、個々のキャパシタに蓄積
しなければならない電力は、パルス１個分の電力のうちの僅かな部分に相当する
電力にすぎないため、小容量キャパシタを用いることができる。そのような小容
量キャパシタの適当な容量は１０Ｆ以下であり、例えば約１Ｆ、ないしはそれ以
下とすることも可能であり、０．５Ｆ以下の容量とすることが好ましい。
【００１４】 一般的に、キャパシタの放電及び再充電を行う場合には、効率の低下が発生す
る。ごく大まかに述べるならば、キャパシタの再充電効率の低下分は、充電完了
時の電圧に対する再充電開始直前の電圧低下分の割合の５０％になる。例えば、
放電によってキャパシタ電圧が充電完了時の電圧の９０％にまで低下した後に再
充電が行われると、その再充電効率は約９５％になる。このことから分かるよう
に、小容量のキャパシタを使用して高効率の出力発生回路を構成するには、スイ
ッチング周波数を十分に高い周波数に設定して、キャパシタの放電量が過大とな
らないようにする必要がある。例えば、負荷電流が１０ｍＡ、キャパシタ容量が
０．５Ｆ、放電時間及び充電時間が１５ミリ秒（これは、スイッチング周波数が
３３．３３ｋＨｚのときの値である）である場合には、放電によるキャパシタ電
圧の低下分は３００ｍＶになり、従って、例えば充電完了時の電圧が３Ｖである
ならば、放電停止時のキャパシタ電圧は２．７Ｖになる。そして再充電によって
そのキャパシタ電圧を２．７Ｖから３Ｖへ戻す際の効率は９５％になる。キャパ
シタの容量を更に小さくすることも、またスイッチング周波数を更に低い周波数
に設定することも可能であるが、ただしその場合には更に効率が低下する。これ
に関して、本発明にかかる出力発生回路の好適な構成の一例は、出力パルスの電
圧がそのパルス持続時間中に最大電圧の約８５％〜９５％を下回って変動するこ
とがないようにし、それによって再充電効率が９０％以上になるようにしたもの
である。
る。ごく大まかに述べるならば、キャパシタの再充電効率の低下分は、充電完了
時の電圧に対する再充電開始直前の電圧低下分の割合の５０％になる。例えば、
放電によってキャパシタ電圧が充電完了時の電圧の９０％にまで低下した後に再
充電が行われると、その再充電効率は約９５％になる。このことから分かるよう
に、小容量のキャパシタを使用して高効率の出力発生回路を構成するには、スイ
ッチング周波数を十分に高い周波数に設定して、キャパシタの放電量が過大とな
らないようにする必要がある。例えば、負荷電流が１０ｍＡ、キャパシタ容量が
０．５Ｆ、放電時間及び充電時間が１５ミリ秒（これは、スイッチング周波数が
３３．３３ｋＨｚのときの値である）である場合には、放電によるキャパシタ電
圧の低下分は３００ｍＶになり、従って、例えば充電完了時の電圧が３Ｖである
ならば、放電停止時のキャパシタ電圧は２．７Ｖになる。そして再充電によって
そのキャパシタ電圧を２．７Ｖから３Ｖへ戻す際の効率は９５％になる。キャパ
シタの容量を更に小さくすることも、またスイッチング周波数を更に低い周波数
に設定することも可能であるが、ただしその場合には更に効率が低下する。これ
に関して、本発明にかかる出力発生回路の好適な構成の一例は、出力パルスの電
圧がそのパルス持続時間中に最大電圧の約８５％〜９５％を下回って変動するこ
とがないようにし、それによって再充電効率が９０％以上になるようにしたもの
である。
【００１５】 本発明のもう１つの特徴的局面として、駆動信号でスイッチング素子を駆動す
る際に、出力端子に常に、少なくとも１個のキャパシタが接続されているように
しているということがあり、これは、換言するならば、出力端子に接続された状
態が複数のキャパシタの間でオーバーラップするようにしているということであ
る。図３に示した駆動回路４０では、フィードバックによってこれを達成してい
る。その具体的な構成例を述べるならば、スイッチング素子としてＦＥＴを使用
し、各々のＦＥＴのゲート電圧を検出して、そのゲート電圧の状態を表す信号を
制御用の論理回路へ入力することによって、寄生容量に影響されず、電源電圧の
変動の影響を受けることもなく、本質的にクロス・カレントが発生するおそれが
皆無の動作を容易に実現することができる。この場合、制御用の論理回路は、互
いに対応したＦＥＴのうちの一方がオンになっている場合にのみ、他方をオフに
するように機能するものであり、これがフィードバックによって保証されるので
ある。
る際に、出力端子に常に、少なくとも１個のキャパシタが接続されているように
しているということがあり、これは、換言するならば、出力端子に接続された状
態が複数のキャパシタの間でオーバーラップするようにしているということであ
る。図３に示した駆動回路４０では、フィードバックによってこれを達成してい
る。その具体的な構成例を述べるならば、スイッチング素子としてＦＥＴを使用
し、各々のＦＥＴのゲート電圧を検出して、そのゲート電圧の状態を表す信号を
制御用の論理回路へ入力することによって、寄生容量に影響されず、電源電圧の
変動の影響を受けることもなく、本質的にクロス・カレントが発生するおそれが
皆無の動作を容易に実現することができる。この場合、制御用の論理回路は、互
いに対応したＦＥＴのうちの一方がオンになっている場合にのみ、他方をオフに
するように機能するものであり、これがフィードバックによって保証されるので
ある。
【００１６】 次に、図２Ａ及び図２Ｂについて説明する。これらの図に示したのは、スイッ
チングによる接続状態の切換えによって、出力パルスの電圧がバッテリ電圧ＶB の２倍になるようにした回路であり、図２Ａは、１回の駆動信号周期の中の第１
半周期における接続状態を示しており、図２Ｂは、同じく第２半周期における接
続状態を示している。図示のスイッチング回路は、４対のスイッチング素子ペア
（Ｓ１Ａ、Ｓ１Ｂ）、（Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂ）、（Ｓ３Ａ、Ｓ３Ｂ）、（Ｓ４Ａ、Ｓ
４Ｂ）を含んでいる。図２Ａに示した接続状態では、キャパシタＣ１とＣ３とが
並列に接続されて充電されており、また、キャパシタＣ２とＣ４とが直列に接続
されて一対の出力端子に接続されている。これに対して、図２Ｂに示した駆動信
号周期の第２半周期における接続状態では、図２Ａの接続状態とは逆に、キャパ
シタＣ２とＣ４とが並列に接続されてバッテリ３０の両端子間に直接的に接続さ
れており、キャパシタＣ１とＣ３とが直列に接続されて一対の出力端子に接続さ
れている。スイッチングによって接続状態がこのように切換えられるため、駆動
信号周期の第１半周期では、一方のキャパシタ・ペアがバッテリ電圧ＶBにまで 充電され、他方のキャパシタ・ペアが直列に接続されて負荷に２ＶBの電圧を供 給することになる。また、駆動信号周期の第２半周期では、充電を完了したキャ
パシタ・ペアの２個のキャパシタの接続がスイッチングによって直列接続に切換
えられると共に、電力を送出していたキャパシタ・ペアの２個のキャパシタがバ
ッテリの両端子間に接続されて再充電されるようになる。このように、スイッチ
ングによって新たに負荷に接続するキャパシタ・ペアの２個のキャパシタを直列
接続に切換えるようにしており、しかもそれらキャパシタの各々が電圧ＶBに充 電されているため、出力電圧が電圧ＶBの２倍になるのである。
チングによる接続状態の切換えによって、出力パルスの電圧がバッテリ電圧ＶB の２倍になるようにした回路であり、図２Ａは、１回の駆動信号周期の中の第１
半周期における接続状態を示しており、図２Ｂは、同じく第２半周期における接
続状態を示している。図示のスイッチング回路は、４対のスイッチング素子ペア
（Ｓ１Ａ、Ｓ１Ｂ）、（Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂ）、（Ｓ３Ａ、Ｓ３Ｂ）、（Ｓ４Ａ、Ｓ
４Ｂ）を含んでいる。図２Ａに示した接続状態では、キャパシタＣ１とＣ３とが
並列に接続されて充電されており、また、キャパシタＣ２とＣ４とが直列に接続
されて一対の出力端子に接続されている。これに対して、図２Ｂに示した駆動信
号周期の第２半周期における接続状態では、図２Ａの接続状態とは逆に、キャパ
シタＣ２とＣ４とが並列に接続されてバッテリ３０の両端子間に直接的に接続さ
れており、キャパシタＣ１とＣ３とが直列に接続されて一対の出力端子に接続さ
れている。スイッチングによって接続状態がこのように切換えられるため、駆動
信号周期の第１半周期では、一方のキャパシタ・ペアがバッテリ電圧ＶBにまで 充電され、他方のキャパシタ・ペアが直列に接続されて負荷に２ＶBの電圧を供 給することになる。また、駆動信号周期の第２半周期では、充電を完了したキャ
パシタ・ペアの２個のキャパシタの接続がスイッチングによって直列接続に切換
えられると共に、電力を送出していたキャパシタ・ペアの２個のキャパシタがバ
ッテリの両端子間に接続されて再充電されるようになる。このように、スイッチ
ングによって新たに負荷に接続するキャパシタ・ペアの２個のキャパシタを直列
接続に切換えるようにしており、しかもそれらキャパシタの各々が電圧ＶBに充 電されているため、出力電圧が電圧ＶBの２倍になるのである。
【００１７】 次に、図２Ｃ及び図２Ｄについて説明する。これらの図に示したのは、スイッ
チングによる接続状態の切換えによって、出力パルスの電圧がバッテリ電圧ＶB の２分の１になるようにした回路であり、図２Ｃは、１回の駆動信号周期の中の
第１半周期における接続状態を示しており、図２Ｄは、同じく第２半周期におけ
る接続状態を示している。この回路において、図２Ｃに示した接続状態では、キ
ャパシタＣ１とＣ２とが直列に接続されて充電されており、また、キャパシタＣ
３とＣ４とが並列に接続されて負荷の両端に接続されている。一方、図２Ｄに示
した第２半周期では、キャパシタＣ１とＣ２とが並列に接続されて負荷の両端に
接続されており、キャパシタＣ３とＣ４とが直列に接続されて充電されている。
チングによる接続状態の切換えによって、出力パルスの電圧がバッテリ電圧ＶB の２分の１になるようにした回路であり、図２Ｃは、１回の駆動信号周期の中の
第１半周期における接続状態を示しており、図２Ｄは、同じく第２半周期におけ
る接続状態を示している。この回路において、図２Ｃに示した接続状態では、キ
ャパシタＣ１とＣ２とが直列に接続されて充電されており、また、キャパシタＣ
３とＣ４とが並列に接続されて負荷の両端に接続されている。一方、図２Ｄに示
した第２半周期では、キャパシタＣ１とＣ２とが並列に接続されて負荷の両端に
接続されており、キャパシタＣ３とＣ４とが直列に接続されて充電されている。
【００１８】 スイッチングによる接続状態の切換えは、以上に説明した方式に限られず、更
に別の切換え方式とすることもでき、より複雑な切換え方式を採用することも可
能である。それら方式はいずれも、以上の説明に基づいて本発明の範囲内で実施
し得るものである。またその場合に、キャパシタ・ペアとスイッチング回路の組
合せ方次第で、様々な電圧を作り出すことができる。更に、出力パルスの１回の
パルス持続期間Ｄの中でキャパシタの接続状態を次々と切換えるようなスイッチ
ングを行うことも可能であり、例えば、パルス持続時間Ｄを３つ以上の区間に分
割し、第１区間では出力パルスの電圧をＶBの２分の１とし、第２区間ではそれ をＶBとし、第３区間ではそれをＶBの２倍とする等の方式を採用することも考え
られる。
に別の切換え方式とすることもでき、より複雑な切換え方式を採用することも可
能である。それら方式はいずれも、以上の説明に基づいて本発明の範囲内で実施
し得るものである。またその場合に、キャパシタ・ペアとスイッチング回路の組
合せ方次第で、様々な電圧を作り出すことができる。更に、出力パルスの１回の
パルス持続期間Ｄの中でキャパシタの接続状態を次々と切換えるようなスイッチ
ングを行うことも可能であり、例えば、パルス持続時間Ｄを３つ以上の区間に分
割し、第１区間では出力パルスの電圧をＶBの２分の１とし、第２区間ではそれ をＶBとし、第３区間ではそれをＶBの２倍とする等の方式を採用することも考え
られる。
【００１９】 次に、図３について説明する。同図に示したのは、本発明の電圧出力発生回路
を使用した、具体例としてのペースメーカ・デバイスのブロック回路図である。
このペースメーカ・デバイスの全体構成は一般的なものであり、公知構造の密閉
容器９９の中に様々な構成要素が収容されている。ブロック３５は、キャパシタ
とスイッチング回路とを組合せた回路を表したブロックであり、少なくとも２個
のキャパシタが含まれている。このブロック３５は、バッテリ３０に接続され、
図示したように、ブロック３５とバッテリ３０との間に電圧調節回路３４を介挿
すれば、この電圧調節回路３４を制御してキャパシタへの供給電圧を変化させる
ことで、出力パルスの電圧を更に細かく調節することができる。また、別構成例
として、公知の方式に従って、負荷に直列に電圧調節回路を介挿した構成として
もよい。図示の如く、出力端子３２、３２Ｇは、一般的なペースメーカ用リード
３６を介して心臓に接続されている。このペースメーカが心臓から受取る信号は
センス回路３７へ入力され、このセンス回路３７において、心臓の活動を表すセ
ンス信号が発生される。発生されたセンス信号は、ディジタル回路である論理演
算／タイミング回路３８へ供給され、この回路３８は、一般的なペースメーカに
通常組込まれている、論理演算機能及びタイミング制御回路を提供している。そ
れら機能のうち、本発明にとって特に重要であるのは、出力パルスである刺激パ
ルスの送出タイミングを制御する機能である。即ち、刺激パルスの送出が必要な
状況になったならば、この論理演算／タイミング回路３８が、駆動回路４０へ信
号を送出して、駆動回路４０に駆動信号を発生させる。こうして発生された駆動
信号によって、図１Ａ〜図１Ｃ及び図２Ａ〜図２Ｄに示したスイッチング素子が
スイッチングされる。論理演算／タイミング回路３８は、ソフトウェアに基づい
て制御を実行するマイクロプロセッサ及び適当なメモリに接続されており、それ
らマイクロプロセッサ及びメモリをブロック４２で示した。ブロック４２は更に
送受信回路４４にも接続されており、この送受信回路４４は、体外プログラミン
グ装置から、プログラミング・データ及び命令を受信することができ、これらは
全て、ペースメーカの技術分野では公知の方式で行われる。これによって、刺激
パルスのパルス持続時間Ｄの変更命令や、刺激パルスの電圧目標値が、送受信回
路４４を介してブロック４２のメモリ部分へダウンロードされる。更に、駆動回
路４０において、ダウンロードされた命令や電圧目標値に応じて駆動信号が生成
され、生成された駆動信号によってこの電圧出力発生回路のスイッチングが行わ
れる。また、同様にして、駆動信号の周波数の設定値も変更することができるた
め、刺激パルスを印加している負荷の実効インピーダンス値に応じて、その周波
数を変化させることができる。
を使用した、具体例としてのペースメーカ・デバイスのブロック回路図である。
このペースメーカ・デバイスの全体構成は一般的なものであり、公知構造の密閉
容器９９の中に様々な構成要素が収容されている。ブロック３５は、キャパシタ
とスイッチング回路とを組合せた回路を表したブロックであり、少なくとも２個
のキャパシタが含まれている。このブロック３５は、バッテリ３０に接続され、
図示したように、ブロック３５とバッテリ３０との間に電圧調節回路３４を介挿
すれば、この電圧調節回路３４を制御してキャパシタへの供給電圧を変化させる
ことで、出力パルスの電圧を更に細かく調節することができる。また、別構成例
として、公知の方式に従って、負荷に直列に電圧調節回路を介挿した構成として
もよい。図示の如く、出力端子３２、３２Ｇは、一般的なペースメーカ用リード
３６を介して心臓に接続されている。このペースメーカが心臓から受取る信号は
センス回路３７へ入力され、このセンス回路３７において、心臓の活動を表すセ
ンス信号が発生される。発生されたセンス信号は、ディジタル回路である論理演
算／タイミング回路３８へ供給され、この回路３８は、一般的なペースメーカに
通常組込まれている、論理演算機能及びタイミング制御回路を提供している。そ
れら機能のうち、本発明にとって特に重要であるのは、出力パルスである刺激パ
ルスの送出タイミングを制御する機能である。即ち、刺激パルスの送出が必要な
状況になったならば、この論理演算／タイミング回路３８が、駆動回路４０へ信
号を送出して、駆動回路４０に駆動信号を発生させる。こうして発生された駆動
信号によって、図１Ａ〜図１Ｃ及び図２Ａ〜図２Ｄに示したスイッチング素子が
スイッチングされる。論理演算／タイミング回路３８は、ソフトウェアに基づい
て制御を実行するマイクロプロセッサ及び適当なメモリに接続されており、それ
らマイクロプロセッサ及びメモリをブロック４２で示した。ブロック４２は更に
送受信回路４４にも接続されており、この送受信回路４４は、体外プログラミン
グ装置から、プログラミング・データ及び命令を受信することができ、これらは
全て、ペースメーカの技術分野では公知の方式で行われる。これによって、刺激
パルスのパルス持続時間Ｄの変更命令や、刺激パルスの電圧目標値が、送受信回
路４４を介してブロック４２のメモリ部分へダウンロードされる。更に、駆動回
路４０において、ダウンロードされた命令や電圧目標値に応じて駆動信号が生成
され、生成された駆動信号によってこの電圧出力発生回路のスイッチングが行わ
れる。また、同様にして、駆動信号の周波数の設定値も変更することができるた
め、刺激パルスを印加している負荷の実効インピーダンス値に応じて、その周波
数を変化させることができる。
【００２０】 以上説明したように、ここに提供するバッテリ駆動式の出力パルス発生回路は
非常に高効率であり、また、出力パルスの電圧設定値を様々な値に設定し得るも
のである。本発明の出力発生回路の好適実施例は、植込形ペースメーカをはじめ
とする、様々な種類の植込形刺激パルス発生装置に用いる回路であるが、ただし
それらに限られず、高効率であることが求められる用途や、出力キャパシタを小
容量キャパシタとすることが重要視される用途において、一般的に好適に用い得
るものである。更に、以上の説明では、バッテリ駆動式のデバイスに即して具体
的に説明したが、本発明の用途はバッテリ駆動式のデバイスだけに限られるもの
ではなく、低消費電力であることが重要視される種々の用途において一般的に有
用性を発揮し得るものである。本発明は、これまで複数の大容量キャパシタを使
用していた回路に取って代わることのできる、複数の小容量キャパシタを高い繰
返し周波数でポンピング充電するようにした回路を提供するものである。それら
複数の小容量キャパシタを並設した場合には、４個ないし８個の小容量キャパシ
タが占める容積が、２２Ｆのキャパシタ１個の体積と同程度になる。本発明の回
路から送出される出力パルスは、ポンピング充電の繰返し周波数（即ち、駆動信
号の周波数）のリップル成分を含んでいるが、従来方式のキャパシタ放電によっ
て発生させたパルスと比べて、出力パルスの包絡線の振幅の平坦度が高くなって
いる。
非常に高効率であり、また、出力パルスの電圧設定値を様々な値に設定し得るも
のである。本発明の出力発生回路の好適実施例は、植込形ペースメーカをはじめ
とする、様々な種類の植込形刺激パルス発生装置に用いる回路であるが、ただし
それらに限られず、高効率であることが求められる用途や、出力キャパシタを小
容量キャパシタとすることが重要視される用途において、一般的に好適に用い得
るものである。更に、以上の説明では、バッテリ駆動式のデバイスに即して具体
的に説明したが、本発明の用途はバッテリ駆動式のデバイスだけに限られるもの
ではなく、低消費電力であることが重要視される種々の用途において一般的に有
用性を発揮し得るものである。本発明は、これまで複数の大容量キャパシタを使
用していた回路に取って代わることのできる、複数の小容量キャパシタを高い繰
返し周波数でポンピング充電するようにした回路を提供するものである。それら
複数の小容量キャパシタを並設した場合には、４個ないし８個の小容量キャパシ
タが占める容積が、２２Ｆのキャパシタ１個の体積と同程度になる。本発明の回
路から送出される出力パルスは、ポンピング充電の繰返し周波数（即ち、駆動信
号の周波数）のリップル成分を含んでいるが、従来方式のキャパシタ放電によっ
て発生させたパルスと比べて、出力パルスの包絡線の振幅の平坦度が高くなって
いる。
【００２１】 以上に本発明を１つの好適実施例及び幾つかの別実施例に即して説明したが、
それら実施例は、請求項に記載した発明の範囲内において様々な変更ないし改変
を加え得るものである。そのような改変のうちには、例えば、以上に説明した方
式と実質的に同様の方式によって、以上に説明した作用と実質的に同様の作用を
発揮し、それによって以上に説明した効果と実質的に同様の効果をもたらす構成
要素を代用したものが含まれる。
それら実施例は、請求項に記載した発明の範囲内において様々な変更ないし改変
を加え得るものである。そのような改変のうちには、例えば、以上に説明した方
式と実質的に同様の方式によって、以上に説明した作用と実質的に同様の作用を
発揮し、それによって以上に説明した効果と実質的に同様の効果をもたらす構成
要素を代用したものが含まれる。
【図１】 図１Ａは、キャパシタを２個使用した実施例の簡単な回路図であり、出力パル
スを送出していないときに２個のキャパシタが共にバッテリに接続されている状
態を示した図、図１Ｂは、図１Ａと同じ回路であって、第１キャパシタが回路の
出力端子に接続され第２キャパシタがバッテリに接続された状態を示した図、図
１Ｃは、これも同じ回路であって、第２キャパシタが回路の出力端子に接続され
第１キャパシタがバッテリに接続された状態を示した図、図１Ｄは、２個のキャ
パシタの各々を駆動する駆動信号とパルス持続時間Ｄの複合出力パルスとを示し
た一連のタイミング図である。
スを送出していないときに２個のキャパシタが共にバッテリに接続されている状
態を示した図、図１Ｂは、図１Ａと同じ回路であって、第１キャパシタが回路の
出力端子に接続され第２キャパシタがバッテリに接続された状態を示した図、図
１Ｃは、これも同じ回路であって、第２キャパシタが回路の出力端子に接続され
第１キャパシタがバッテリに接続された状態を示した図、図１Ｄは、２個のキャ
パシタの各々を駆動する駆動信号とパルス持続時間Ｄの複合出力パルスとを示し
た一連のタイミング図である。
【図２】 図２Ａ及び図２Ｂは、キャパシタを４個使用してバッテリ電圧の２倍の電圧の
出力パルスを発生するようにした本発明にかかる出力発生回路の回路図であり、
図２Ｃ及び図２Ｄは、バッテリ電圧の２分の１の電圧の出力パルスを発生するス
イッチング回路を備えた別構成例の出力発生回路の回路図である。
出力パルスを発生するようにした本発明にかかる出力発生回路の回路図であり、
図２Ｃ及び図２Ｄは、バッテリ電圧の２分の１の電圧の出力パルスを発生するス
イッチング回路を備えた別構成例の出力発生回路の回路図である。
【図３】 図３は、本発明にかかる電圧出力発生回路を備えたペースメーカのブロック回
路図である。
路図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１１月２０日（２０００．１１．２０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 きると共に高効率で刺激パルスを発生させることができ る。また、駆動信号の周波数を変化させることよって、 発生させる刺激パルスを出力負荷の大きさに適合させる ことができる。
Claims (30)
- 【請求項１】 電源から電力を受取り負荷へ出力パルスを送出するための、
植込形デバイスに用いる出力発生回路において、 密閉容器と、 前記密閉容器に収容した、前記電源から電力を供給するための電源回路と、 前記密閉容器に収容した、少なくとも２個の小容量の出力キャパシタと、 前記密閉容器に収容した、前記負荷に接続される出力回路と、 前記密閉容器に収容した、所定のパルス持続時間を有するパルス信号を発生す
るパルス手段と、 前記密閉容器に収容した、前記パルス持続時間中は前記パルス信号によってイ
ネーブルされているようにしたスイッチング手段であって、前記キャパシタの各
々を、前記出力回路を含む回路中と、前記電源回路を含む回路中とに、交互に組
込むようにスイッチングを行うと共に、前記パルス持続時間中は前記キャパシタ
のうちの少なくとも１個のキャパシタが実質的に常に前記負荷へ電力を供給して
いるようにスイッチングを行うようにした前記スイッチング手段と、 を備えたことを特徴とする出力発生回路。 - 【請求項２】 前記スイッチング手段が、前記キャパシタのスイッチングを
前記パルス持続時間と比べて相対的に高い周波数で行うための高周波駆動手段を
含んでおり、相対的に高い周波数でのスイッチングが行われることで、前記キャ
パシタの各々が１回の前記パルス持続時間中に複数回に亘って前記電源から電力
の供給を受け、且つ、１回の前記パルス持続時間中に複数回に亘って前記負荷へ
電力を送出するようにスイッチングが行われるようにしたことを特徴とする請求
項１記載の回路。 - 【請求項３】 前記少なくとも２個のキャパシタが第１キャパシタと第２キ
ャパシタとを含んでおり、前記スイッチング手段が、前記第１キャパシタを前記
電源回路に接続して前記電源から電力の供給を受けさせる一方で前記第２キャパ
シタを前記出力回路に接続して前記負荷へ電力を送出させる接続状態と、前記第
１キャパシタを前記出力回路に接続する一方で前記第２キャパシタを前記電源回
路に接続する接続状態とを、交互に、周期的に発生させるようにしたことを特徴
とする請求項２記載の回路。 - 【請求項４】 前記少なくとも２個のキャパシタが複数対のキャパシタ・ペ
アを含んでおり、前記スイッチング手段が、それら複数対のキャパシタ・ペアの
各々を前記電源回路と前記出力回路とに交互に接続すると共に前記パルス持続時
間中はそれら複数対のキャパシタ・ペアのうちの少なくとも１対のキャパシタ・
ペアが実質的に常に前記負荷へ電力を供給しているようにスイッチングを行う手
段を備えていることを特徴とする請求項２記載の回路。 - 【請求項５】 前記スイッチング手段を制御することによって所定レベルの
出力パルスを発生させるようにするレベル制御手段を備えたことを特徴とする請
求項４記載の回路。 - 【請求項６】 前記駆動手段が、最低でも３２ｋＨｚに至るまでの周波数の
駆動信号を発生する駆動発振回路を含んでいることを特徴とする請求項２記載の
回路。 - 【請求項７】 前記駆動発振回路が周波数制御可能であり、前記駆動信号の
周波数を制御するための駆動周波数制御手段を備えたことを特徴とする請求項６
記載の回路。 - 【請求項８】 前記スイッチング手段が前記複数のキャパシタの各々に少な
くとも１個ずつが接続されたスイッチング素子を含んでおり、更にフィードバッ
ク制御手段を備え、該フィードバック制御手段は、前記複数のキャパシタがオー
バーラップして前記出力回路に接続されるようにすることで、前記出力回路に常
時、前記複数のキャパシタのうちの少なくとも１個が接続しているようにする手
段であることを特徴とする請求項１記載の回路。 - 【請求項９】 前記複数のキャパシタの各々の容量が約０．５Ｆ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の回路。 - 【請求項１０】 負荷へ刺激パルスを送出するための、電源と組合せた出力
回路を備えた植込形刺激装置において、前記出力回路が更に、 前記負荷へ移転させる電力を蓄積させる容量性蓄積手段と、 所定のパルス持続時間を有するパルス・タイミング信号を発生するパルス・タ
イミング手段と、 実質的に前記パルス持続時間中にのみ、略々一定のレートで前記電源から前記
容量性蓄積手段へ電力を移転させる第１移転手段と、 前記パルス持続時間中に前記容量性蓄積手段から前記負荷へ電力を移転させ、
それによって１回の前記パルス持続時間に１個の刺激パルスが送出されるように
する第２移転手段とを備え、 １個の刺激パルスが送出されている間に前記負荷へ移転される電力の略々全て
が、当該刺激パルスの送出中に前記電源から移転されるようにした、 ことを特徴とする植込形刺激装置。 - 【請求項１１】 前記容量性蓄積手段が複数の小容量のキャパシタを含んで
いることを特徴とする請求項１０記載の植込形刺激装置。 - 【請求項１２】 前記容量性蓄積手段が第１キャパシタと第２キャパシタと
を含んでおり、前記第１移転手段が第１スイッチング手段を含んでおり、該第１
スイッチング手段が、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとを交互に前記
電源に接続するようにスイッチングを行うことを特徴とする請求項１１記載の植
込形刺激装置。 - 【請求項１３】 前記第２移転手段が第２スイッチング手段を含んでおり、
該第２スイッチング手段が、前記第１キャパシタがスイッチングによって前記電
源に接続されているときに前記第２キャパシタを前記負荷に接続するようにスイ
ッチングを行い、且つ、前記第２キャパシタがスイッチングによって前記電源に
接続されているときに前記第１キャパシタを前記負荷に接続するようにスイッチ
ングを行うことを特徴とする請求項１２記載の植込形刺激装置。 - 【請求項１４】 前記第１移転手段及び前記第２移転手段のスイッチング周
波数が前記パルス持続時間と比べて相対的に高いスイッチング周波数となるよう
に前記第１移転手段及び前記第２移転手段を駆動する、高周波駆動回路を備えた
ことを特徴とする請求項１３記載の植込形刺激装置。 - 【請求項１５】 前記容量性蓄積手段が複数対のキャパシタ・ペアを含んで
おり、更に、それら複数対のキャパシタ・ペアの各対の２個のキャパシタの接続
によって、送出される各パルスの出力電圧を制御する、電圧制御手段を備えたこ
とを特徴とする請求項１１記載の植込形刺激装置。 - 【請求項１６】 前記第２移転手段が、前記パルス持続時間中は前記複数の
キャパシタのうちの少なくとも１個のキャパシタから電力が移転されているよう
にすることで継続的な電力移転が行われるようにし、それによって１個の連続し
たパルスが前記負荷へ送出されるようにする手段を含んでいることを特徴とする
請求項１１記載の植込形刺激装置。 - 【請求項１７】 ペーシング・パルスを発生する植込形ペースメーカにおい
て、電源と、ペーシング・パルスの送出タイミングに対応した所定のパルス持続
時間を有するペーシング・パルス制御信号を発生する制御手段と、前記制御信号
の制御の下にペーシング・パルスを発生する出力手段とを備え、更に、前記出力
手段が、 少なくとも２個のキャパシタと、 出力端子と、 前記パルス持続時間より短い周期の駆動信号を発生する駆動信号発生回路と、 前記パルス持続時間中はイネーブルされていてスイッチングを行っているスイ
ッチング回路手段であって、そのスイッチングは、前記駆動信号の周期のうちの
第１部分では前記キャパシタのうちの第１キャパシタが前記電源と共に回路を構
成し且つ前記キャパシタのうちの第２キャパシタが前記出力端子と共に回路を構
成する接続状態とし、前記駆動信号の周期のうちの第２部分では前記第２キャパ
シタが前記電源と共に回路を構成し且つ前記第１キャパシタが前記出力端子と共
に回路を構成する接続状態とすることで、それら接続状態が交互に確立するよう
にするものであり、それによって、１回の前記パルス持続時間中に前記第１キャ
パシタと前記第２キャパシタとが交互に前記出力端子に出力を供給することで１
個の出力パルスが送出されるようにした前記スイッチング回路手段と、 を備えたことを特徴とする植込形ペースメーカ。 - 【請求項１８】 前記スイッチング回路手段がオーバーラップ手段を含んで
おり、該オーバーラップ手段は、前記複数のキャパシタのうちの少なくとも１個
のキャパシタが常に前記出力端子に接続した状態にあるように前記複数のキャパ
シタのスイッチングを行う手段であることを特徴とする請求項１７記載の植込形
ペースメーカ。 - 【請求項１９】 前記駆動信号発生回路が発振回路を含んでおり、該発振回
路は、前記パルス持続時間と比べて相対的に短い周期で前記駆動信号を発生する
ものであることを特徴とする請求項１７記載のペースメーカ。 - 【請求項２０】 密閉容器を備えた植込形刺激装置のための出力回路におい
て、 電源と、 高周波スイッチング信号を発生する駆動回路と、 第１キャパシタ群及び第２キャパシタ群と、 出力端子と、 前記第１キャパシタ群及び前記第２キャパシタ群の交互スイッチングを行うス
イッチング手段であって、前記第１キャパシタ群が前記電源によって充電されて
いるときに前記第２キャパシタ群が前記出力端子と共に回路を構成する接続状態
にあるようにし、且つ、前記第２キャパシタ群が前記電源によって充電されてい
るときに前記第１キャパシタ群が前記出力端子と共に回路を構成する接続状態に
あるようにする前記スイッチング手段と、 を備えたことを特徴とする出力回路。 - 【請求項２１】 前記スイッチング手段が、前記第１キャパシタ群及び前記
第２キャパシタ群のスイッチングを制御するオーバーラップ手段を含んでおり、
該オーバーラップ手段は、前記スイッチング信号の１回の周期内で前記第１キャ
パシタ群と前記第２キャパシタ群とを前記電源と前記出力端子とに交代して接続
する際に、それら２つのキャパシタ群が同時に前記出力端子に接続したオーバー
ラップ状態が発生するようにし、それによって前記出力端子に実質的に一定した
出力電圧が供給されるようにする手段であることを特徴とする請求項２０記載の
出力回路。 - 【請求項２２】 更にフィードバック手段を備え、該フィードバック手段は
前記第１キャパシタ群及び前記第２キャパシタ群のうちの一方が前記出力端子を
含む回路を組込まれた状態にスイッチングされているときにのみ、前記第１キャ
パシタ群及び前記第２キャパシタ群のうちの他方を前記電源を含む回路に組込ま
れた状態にスイッチングする手段であることを特徴とする請求項２１記載の出力
回路。 - 【請求項２３】 前記第１キャパシタ群及び前記第２キャパシタ群の各々が
１個ずつのキャパシタで構成されていることを特徴とする請求項２０記載の出力
回路。 - 【請求項２４】 前記第１キャパシタ群及び前記第２キャパシタ群の各々が
２個ずつのキャパシタで構成されていることを特徴とする請求項２０記載の出力
回路。 - 【請求項２５】 前記キャパシタ群の各々を構成する２個のキャパシタの間
の接続状態を切換えるキャパシタ群スイッチング手段と、所定の出力電圧が得ら
れるようにその接続状態を設定する設定手段とを更に備えたことを特徴とする請
求項２４記載の出力回路。 - 【請求項２６】 更にパルス制御手段を備え、該パルス制御手段は、前記ス
イッチング手段が所定の周波数及び所定のパルス持続時間をもって動作するよう
に該スイッチング手段を制御し、それによって、前記出力端子から出力パルスが
その周波数及びそのパルス持続時間をもって送出されるようにする手段であるこ
とを特徴とする請求項２０記載の出力回路。 - 【請求項２７】 負荷へ送出するための、実質的に電圧が一定の出力パルス
を発生するデバイスにおいて、 電源と、 複数の小容量のキャパシタと、 発生するパルスのパルス持続時間を規定するパルス手段と、 前記パルス持続時間中は動作状態とされる電力移転手段であって、前記キャパ
シタから前記負荷への放電と、前記電源から前記キャパシタへの再充電とを、所
定の繰返し周波数をもって周期的に行わせ、その放電の際に前記キャパシタの電
圧が放電前の電圧の約８５％〜９５％を下回ることがないようにし、更に接続手
段を含んでおり、該接続手段は、前記パルス持続期間中は前記複数のキャパシタ
のうちの少なくとも１個のキャパシタが常に前記負荷へ電力を放電する回路に組
込まれているようにする接続手段であり、それによって、発生する出力パルスの
電圧が前記パルス持続時間中に最大電圧の約８５％〜９５％を下回って変動する
ことがないようにしている前記電力移転手段と、 を備えたことを特徴とするデバイス。 - 【請求項２８】 前記電力移転手段が、前記パルス持続時間と比べて十分に
短い周期を有する周期的駆動信号を発生する駆動信号手段を含んでおり、それに
よって、前記パルス持続時間中に前記複数のキャパシタの再充電効率が９０％以
上になるような繰返し周波数でそれら複数のキャパシタの放電及び再充電が行わ
れるようにしたことを特徴とする請求項２７記載のデバイス。 - 【請求項２９】 オーバーラップ・フィードバック手段を備え、該オーバー
ラップ・フィードバック手段は、前記複数のキャパシタのうちの少なくとも１個
が前記負荷へ電力を放電する接続状態にあるときにのみ、前記複数のキャパシタ
のうちの別の１個を前記負荷へ電力を放電する接続状態から外すようにする手段
であることを特徴とする請求項２７記載のデバイス。 - 【請求項３０】 前記複数のキャパシタの各々を、前記負荷に接続した状態
と前記電源に接続した状態とに、交互に、可変繰返し周波数をもってスイッチン
グする駆動手段と、前記繰返し周波数を前記負荷の大きさの関数として制御する
繰返し周波数制御手段とを備えたことを特徴とする請求項２７記載のデバイス。
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