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技術 電圧供給回路および超音波診断装置

出願人 フクダ電子株式会社
発明者 岩崎太智
出願日 2017年10月19日 (4年3ヶ月経過) 出願番号 2017-202777
公開日 2019年5月16日 (2年9ヶ月経過) 公開番号 2019-072427
状態 特許登録済
技術分野 超音波診断装置
主要キーワード 小型半導体 バイポーラパルス 選択スイッチ回路 双極性パルス 筐体内面 論理ハイレベル プログラマブルプロセッサ 多段構成
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年5月16日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

複数レベルの負電圧を供給可能で、小型化およびスイッチ制御が容易な電圧供給回路を提供すること。

解決手段

ベルの異なる負電圧を出力可能な第1の電圧生成回路と、第1の電圧生成回路から出力する負電圧のレベルを選択するための複数の第1の選択スイッチと、を有する電圧供給回路である。第1の選択スイッチを、正電圧を用いてオンオフ制御可能な半導体スイッチで構成する。

概要

背景

超音波診断装置ではプローブに設けられた振動子を駆動して超音波を送信させるが、振動子の駆動には高電圧が必要である。また、振動子が発生する超音波を広帯域化するために双極性パルスバイポーラパルス)によって振動子を駆動することが知られている(特許文献1)。

バイポーラパルスの生成には、正電圧と負電圧とが必要である。また、超音波のパワー可変にするためにバイポーラパルスの振幅を可変にする場合には異なる複数レベルの正電圧および負電圧が必要である。

異なる複数レベルの電圧を省スペースで生成可能な回路として、スイッチとコンデンサとを多段接続して、出力段ごとに入力電圧整数倍の電圧を生成する回路が知られている(特許文献2)。

概要

複数レベルの負電圧を供給可能で、小型化およびスイッチ制御が容易な電圧供給回路を提供すること。レベルの異なる負電圧を出力可能な第1の電圧生成回路と、第1の電圧生成回路から出力する負電圧のレベルを選択するための複数の第1の選択スイッチと、を有する電圧供給回路である。第1の選択スイッチを、正電圧を用いてオンオフ制御可能な半導体スイッチで構成する。

目的

本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その主な目的は、複数レベルの負電圧を供給可能で、小型化およびスイッチ制御が容易な電圧供給回路を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ベルの異なる負電圧出力可能な第1の電圧生成回路と、前記第1の電圧生成回路から出力する負電圧のレベルを選択するための複数の第1の選択スイッチと、を有する電圧供給回路であって、前記第1の選択スイッチが、正電圧を用いてオンオフ制御可能な半導体スイッチであることを特徴とする電圧供給回路。

請求項2

前記第1の電圧生成回路が、互いに異なるレベルの負電圧を出力する複数の出力段を有する多段チャージポンプ回路であり、前記複数の第1の選択スイッチのそれぞれが、前記複数の出力段の1つの出力を選択することを特徴とする請求項1に記載の電圧供給回路。

請求項3

前記第1の選択スイッチのそれぞれが、NchMOS−FETとPchMOS−FETとの組み合わせによって構成され、複数の前記第1の選択スイッチのうち、前記PchMOS−FETのソースに入力する制御信号論理ハイレベルのスイッチに対応する負電圧が選択されることを特徴とする請求項1または2に記載の電圧供給回路。

請求項4

前記第1の選択スイッチのそれぞれが、NchMOS−FETとPchMOS−FETとの組み合わせによって構成され、前記PchMOS−FETは、ゲート接地され、スイッチの制御信号がソースに入力され、ドレインが前記NchMOS−FETに接続され、前記NchMOS−FETは、前記第1の電圧生成回路が出力可能な1レベルの負電圧がソースに入力され、該ソースとゲートが接続され、前記制御信号が論理ハイレベルの際に前記ソースに入力されている負電圧をドレインから出力する、ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電圧供給回路。

請求項5

レベルの異なる正電圧を出力可能な第2の電圧生成回路と、前記第2の電圧生成回路から出力する正電圧のレベルを選択するための複数の第2の選択スイッチと、前記第1の選択スイッチが選択する負電圧と、前記第2の選択スイッチが選択する正電圧とを切り替えて出力する切り替え手段と、をさらに有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の電圧供給回路。

請求項6

前記第2の選択スイッチのそれぞれが、NchMOS−FETとPchMOS−FETとの組み合わせによって構成され、複数の前記第2の選択スイッチのうち、前記NchMOS−FETのゲートに入力する制御信号が論理ハイレベルの第2の選択スイッチに対応する正電圧が選択されることを特徴とする請求項5に記載の電圧供給回路。

請求項7

請求項5または6に記載の電圧供給回路と、前記電圧供給回路の前記切り替え手段が出力する電圧で駆動される振動子と、前記振動子で検出した信号に基づいて画像を生成する生成手段と、を有することを特徴とする超音波診断装置

請求項8

請求項5または6に記載の電圧供給回路を有し、前記電圧供給回路の前記切り替え手段が出力する電圧を用いることを特徴とする電子機器

技術分野

0001

本発明は電圧供給回路に関し、特には異なるレベル振幅)の電圧を選択的に出力可能な電圧供給回路に関する。本発明はまた、電圧供給回路からの電圧を振動子の駆動に用いる超音波診断装置に関する。

背景技術

0002

超音波診断装置ではプローブに設けられた振動子を駆動して超音波を送信させるが、振動子の駆動には高電圧が必要である。また、振動子が発生する超音波を広帯域化するために双極性パルスバイポーラパルス)によって振動子を駆動することが知られている(特許文献1)。

0003

バイポーラパルスの生成には、正電圧と負電圧とが必要である。また、超音波のパワー可変にするためにバイポーラパルスの振幅を可変にする場合には異なる複数レベルの正電圧および負電圧が必要である。

0004

異なる複数レベルの電圧を省スペースで生成可能な回路として、スイッチとコンデンサとを多段接続して、出力段ごとに入力電圧整数倍の電圧を生成する回路が知られている(特許文献2)。

先行技術

0005

特開2011−50471号公報
特開2001−309641号公報

発明が解決しようとする課題

0006

特許文献2に記載されるような多段構成の回路を用いた場合、出力可能な複数レベルの電圧の1つを選択するためのスイッチが必要である。このようなスイッチとして一般に用いられるのはリレーである。しかし、リレーは部品の高さ寸法が大きいため、基板実装する際には、リレーが装置の筐体干渉しないようにスペーサー等で基板と筐体内面との距離を確保する必要がある。そのため、装置が小型である場合など、筐体内のスペース余裕がない場合にはリレーを使用できないことがある。

0007

また、正電圧を出力するためのスイッチには高さ寸法の小さな半導体スイッチを利用可能な場合があるが、負電圧を出力するための小型半導体スイッチは存在していなかった。

0008

本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その主な目的は、複数レベルの負電圧を供給可能で、小型化およびスイッチ制御が容易な電圧供給回路を提供することにある。

課題を解決するための手段

0009

上述の目的は、レベルの異なる負電圧を出力可能な第1の電圧生成回路と、第1の電圧生成回路から出力する負電圧のレベルを選択するための複数の第1の選択スイッチと、を有する電圧供給回路であって、第1の選択スイッチが、正電圧を用いてオンオフ制御可能な半導体スイッチであることを特徴とする電圧供給回路によって達成される。

発明の効果

0010

このような構成により、本発明によれば、複数レベルの負電圧を供給可能で、小型化およびスイッチ制御が容易な電圧供給回路を提供することができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の実施形態に係る電圧供給回路の模式的な回路図である。
実施形態における選択スイッチの模式的な回路図である。
本発明の実施形態に係る別の電圧供給回路の模式的な回路図である。
本発明の実施形態に係る電圧供給回路を用いた超音波診断装置の模式的な機能ブロック図である。

実施例

0012

以下、図面を参照して本発明をその例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る電圧供給回路100の模式的な回路図である。電圧供給回路100は電圧生成回路110と選択スイッチ回路120とを有する。電圧生成回路110はコンデンサをスイッチングして電源PWの電源電圧VIN(>0)の−1倍から−n倍(nは2以上の整数であり、ここではn=5)の複数レベルの電圧を生成する多段構成のチャージポンプ回路である。

0013

インバータINVに接地電位(0V)と電源電圧VINの2レベルを有するパルス信号を外部から入力することにより、電源電圧VINによるコンデンサの充電期間と、充電期間とコンデンサの極性反転する出力期間とが繰り返される。なお、チャージポンプ回路としてはインバータを用いたコンデンサのスイッチング(極性の反転)を用いる構成に限らず、スイッチを用いてコンデンサの接続経路切り替える構成など、公知な回路構成のいずれを用いてもよい。

0014

なお、電圧生成回路110は多段構成であり、生成可能な電圧レベルの種類は接続する単位回路段数増減することによって変更可能である。段数を増やすほど、レベル(振幅)が大きい電圧(絶対値の大きな電圧)が生成可能となる。

0015

点O1〜O5に直列に接続されている複数のダイオードは出力期間に電荷が逆流することを防止するために設けられている。出力期間において、電圧生成回路110の点O1〜O5からみると、充電期間に−VINに充電されたコンデンサがインバータINVとの間にそれぞれ異なる数だけ接続された状態になり、点O1〜O5の電位は−VIN〜−5VINとなる。

0016

したがって、点O1〜O5のうち1つを選択的に出力線と接続することにより、接続した点に応じたレベルの電圧を出力線から供給することができる。なお、本実施形態では−VINが得られる点O1については用いないため選択スイッチ回路120に接続されていないが、点O1を選択スイッチ回路120で選択できるように構成してもよい。

0017

選択スイッチ回路120は、電圧生成回路110の点O2〜O5の1つを選択的に出力線に接続するための回路であり、点O2〜O5と1対1の対応で設けられた4つの選択スイッチSW1〜SW4を有している。選択スイッチSW1〜SW4はそれぞれMOS−FETを用いた同一構成であり、制御信号の電圧によってオンおよびオフを制御することができる。

0018

本実施形態においては、出力する負電圧のレベルを選択する選択スイッチを、FETを用いた半導体スイッチとして実現した。そのため、選択スイッチのオンオフ電圧制御することができるほか、実装時の高さ寸法の点で有利である。さらに、オンオフ制御に用いる制御信号として、ロジックレベル(3.3〜5V)の正電圧を用いることができるように構成したため、装置に組み込んで用いる際に特別な電源や電圧変換回路などが不要である。

0019

具体的な図2(a)は、スイッチ回路120に含まれる選択スイッチSW1〜SW4の1つを抜き出して示したものである。選択スイッチはPchMOS−FET(以下、P−FETと呼ぶ)とNch MOS−FET(以下、N−FETと呼ぶ)を1つずつ用いて構成されている。

0020

P−FET121Pは、ゲート接地され、ソースに制御信号が入力される。また、N−FET121Nは、ソースに入力(点O2〜O5の1つ)が接続され、ドレインが出力線に接続されている。また、P−FET121PのドレインとN−FET121Nのゲートとが接続されている。抵抗122、123はN−FET121Nのソース−P−FET121Pのドレイン間の電位を分圧してN−FET121Nのゲート電位を生成する。

0021

P−FET121Pはソースに入力される、論理ローおよびハイレベルを取り得る制御信号がハイレベルのときにオンする。選択スイッチSW1〜SW4はそれぞれ、N−FET121Nのソースが接続される点O2〜O5の電位が異なるため、接続されているP−FET121Pのオンに応じてN−FET121Nがオンするように抵抗122、123の値がそれぞれ定められる。

0022

図3は、電圧供給回路100とともに好適に用いることのできる電圧供給回路200の模式的な回路図である。電圧供給回路200は電圧生成回路210と選択スイッチ回路220とを有する。電圧生成回路210はコンデンサをスイッチングして電源PWの電源電圧VIN(>0)の2倍からn倍(nは3以上の整数であり、ここではn=5)の電圧を生成する多段構成のチャージポンプ回路である。

0023

インバータINVに接地電位(0V)と電源電圧VINの2レベルを有するパルス信号を外部から入力することにより、電源電圧VINによるコンデンサの充電期間と、充電期間とコンデンサの極性を反転する出力期間とが繰り返される。なお、チャージポンプ回路としてはインバータを用いたコンデンサのスイッチング(極性の反転)を用いる構成に限らず、スイッチを用いてコンデンサの接続経路を切り替える構成など、公知な回路構成のいずれを用いてもよい。

0024

なお、電圧生成回路210は多段構成であり、生成可能な電圧レベルの種類は接続する単位回路の段数を増減することによって変更可能である。段数を増やすほど、レベル(振幅)の大きい電圧(絶対値の大きな電圧)が生成可能となる。

0025

点O2〜O5に直列に接続されている複数のダイオードは出力期間に電荷が逆流することを防止するために設けられている。出力期間において、電圧生成回路210の点O2〜O5からみると、充電期間にVINに充電されたコンデンサがインバータINVとの間にそれぞれ異なる数だけ接続された状態になり、点O2〜O5の電位は2VIN〜5VINとなる。

0026

したがって、点O2〜O5のうち1つを選択的に出力線と接続することにより、接続した点に応じたレベルの電圧を出力線から供給することができる。本実施形態ではVINをそのまま出力として用いないため、VINをそのまま出力するための選択スイッチを設けていないが、VINを選択スイッチ回路220で選択できるように構成してもよい。

0027

選択スイッチ回路220は、電圧生成回路210の点O2〜O5の1つを選択的に出力線に接続するための回路であり、点O2〜O5と1対1の対応で設けられた4つの選択スイッチSW1〜SW4を有している。選択スイッチSW1〜SW4はそれぞれMOS−FETを用いた同一構成であり、制御信号の電圧によってオンおよびオフを制御することができる。

0028

本実施形態においては、負電圧を供給する電圧供給回路100と同様、出力する正電圧のレベルを選択するための選択スイッチを、FETを用いた半導体スイッチとして実現した。そのため、選択スイッチのオンオフを電圧制御することができるほか、実装時の高さ寸法の点で有利である。さらに、電圧供給回路100と同様の制御信号を用いることができるため、正電圧と負電圧とが同じ絶対値を有するバイポーラパルスを生成する際に、電圧供給回路100および200で出力電位の絶対値が等しい1対の選択スイッチを同じ制御信号を用いてオンオフ制御することができる。

0029

図2(b)は、スイッチ回路220に含まれる選択スイッチSW1〜SW4の1つを抜き出して示したものである。選択スイッチはPchMOS−FET(以下、P−FETと呼ぶ)とNch MOS−FET(以下、N−FETと呼ぶ)を1つずつ用いて構成されている。

0030

N−FET221Nは、ソースが接地され、ゲートに制御信号が入力される。また、P−FET221Pは、ソースに入力(点O2〜O5の1つ)が接続され、ドレインが出力線に接続されている。また、N−FET221NのドレインとP−FET221Pのゲートとが接続されている。抵抗222、223はP−FET221Pのソース−N−FET221Nのドレイン間の電位を分圧し、P−FET221Pのゲート電位を生成する。

0031

N−FET221Nはゲートに入力される、論理ローおよびハイレベルを取り得る制御信号がハイレベルのときにオンする。選択スイッチSW1〜SW4はそれぞれ、P−FET221Pのソースが接続される点O2〜O5の電位が異なるため、接続されているN−FET221Nのオンに応じてP−FET221Pがオンするように抵抗222、223の値がそれぞれ定められる。

0032

このように、本実施形態によれば、負電圧に対する選択スイッチSW1〜SW4(図2(a))と正電圧に対する選択スイッチSW1〜SW4(図2(b))とを、P−FETとN−FETとを入れ替えた回路構成によって実現することができる。

0033

図4は、図1図3を用いて説明した電圧供給回路100、200を用いた超音波診断装置を模式的に示した機能ブロック図である。なお、図4における超音波診断装置は、プローブに含まれる振動子を駆動するバイポーラパルスの生成に電圧供給回路100、200を用いる構成に着目して記載したものであり、一般的な超音波診断装置が有する構成であっても記載を省略しているものがある。

0034

制御部300は例えばCPUのようなプログラマブルプロセッサと、ROMと、RAMとを有し、ROMに記憶されたプログラムをRAMに読み込んで実行することによって超音波診断装置の各部を制御し、装置の機能を実現する。制御部300は例えばコンソールのような操作部360を通じたユーザ指示に応じて、制御信号生成回路310および切換回路330の動作を制御し、バイポーラパルスの電圧レベルやパルス幅などを変更する。

0035

制御信号生成回路310は、制御部300の制御に従い、電圧供給回路100および200の選択スイッチ回路120および220のそれぞれにおいて選択スイッチSW1〜SW4のうち1つをオンにする制御信号を電圧供給回路100および200に供給する。

0036

クロック生成回路320は電源レベル接地レベルとが所定周期で繰り返されるクロックパルスを生成し、電圧供給回路100および200のインバータINVに供給する。
切換回路330は、電圧供給回路100が出力する負電圧と、電圧供給回路200が出力する正電圧とを、制御部300の制御に従ったタイミングで交互に選択して出力することによりバイポーラパルスを生成し、振動子400に供給する。

0037

振動子400は超音波パルスを送信し、受信したエコー電気信号に変換して信号処理回路340に出力する。なお、ここでは便宜上1つの振動子の駆動についてのみ記載しているが、当分野で周知であるように、複数の振動子を様々なタイミングで駆動することが可能である。

0038

信号処理回路340は受信した電気信号に対して測定モードに応じた処理を実行し、例えばLCDである表示部350に表示するための画像を生成する。そして、生成した画像を表示部350に表示する。

0039

このように、本実施形態に係る電圧供給回路100、200を用いることによって、レベル(振幅の大きさ)の異なる複数種類のバイポーラパルスが容易に生成でき、たとえば超音波診断装置における振動子の駆動に好適に利用できる。

0040

なお、本実施形態に係る電圧供給回路は、少なくとも負電圧について動的に異なるレベルの電圧を用いる任意の電子機器に適用することができる。医療機器であれば、2相波形バイフェージック)を用いる除細動器などを例示することができる。

0041

100、200…電圧供給回路、110、210…電圧生成回路、120、220…選択スイッチ回路

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