JP2019072427A - 電圧供給回路および超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【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】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。【選択図】図１

Description

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。

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、超音波のパワーを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の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）。

特開２０１１−５０４７１号公報 特開２００１−３０９６４１号公報

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、基板に実装する際には、リレーが装置の筐体と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、筐体内のスペースに余裕がない場合にはリレーを使用できないことがある。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）が大きい電圧（絶対値の大きな電圧）が生成可能となる。

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。

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。

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。

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、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。

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Ｐｃｈ ＭＯＳ−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。

Ｐ−ＦＥＴ１２１Ｐは、ゲートが接地され、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｐｃｈ ＭＯＳ−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

クロック生成回路３２０は電源レベルと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。

振動子４００は超音波パルスを送信し、受信したエコーを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。

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。

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。

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相性波形（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。

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

Claims (8)

1. 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、
   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。
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。
3. 前記第１の選択スイッチのそれぞれが、Ｎｃｈ ＭＯＳ−ＦＥＴとＰｃｈ ＭＯＳ−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Ｐｃｈ ＭＯＳ−ＦＥＴのソースに入力する制御信号が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。
4. 前記第１の選択スイッチのそれぞれが、Ｎｃｈ ＭＯＳ−ＦＥＴとＰｃｈ ＭＯＳ−ＦＥＴとの組み合わせによって構成され、
   前記Ｐｃｈ ＭＯＳ−ＦＥＴは、ゲートが接地され、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Ｎｃｈ ＭＯＳ−ＦＥＴに接続され、
   前記Ｎｃｈ ＭＯＳ−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。
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。
6. 前記第２の選択スイッチのそれぞれが、Ｎｃｈ ＭＯＳ−ＦＥＴとＰｃｈ ＭＯＳ−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Ｎｃｈ ＭＯＳ−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。
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。
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。

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