JPH02156937A - 超音波駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、超音波プローブに対して共振駆動による共振
波形を印加する超音波駆動装置に関する。

（従来の技術） 従来、超音波振動子を駆動する回路は第７図（ａ）に示
すような構成が一般に用いられている。

すなわち駆動回路はスイッチングトランジスタＴＲ，抵
抗Ｒおよび電源ＶＨで構成されている。

超音波プローブ２２は浮遊容量が存在する接続用ケーブ
ルと振動子２１で構成され、前記駆動回路により、ケー
ブルを介して超音波振動子２１が駆動される。ここで容
量ＣＩは振動子２１の並列容量分、ケーブル、駆動回路
の並列容量の合成容量である。振動子２１はある周波数
帯域（例えば５　Ｍ　Ｈｚ±２ＭＨｚ）で電気−音響変
換を効率良く行なうように設計されている。

第７図（ａ）でベースＢに正極性パルスを入力すると、
振動子２１には第７図（ｂ）に示すようにインパルス電
圧が印加される。入力パルスが終了すると、ＶＨから抵
抗Ｒを介して容ｆｆ１ｃｌに充電する時定数に従って電
圧が上昇する。このインパルスは広帯域であるので、振
動子２１の周波数特性に応じた超音波が発生する。この
超音波を被検体内に送波し、反射エコーを同一振動子で
受波し、再び電気信号に変換して受信回路で受信する。

然し乍ら、前記方法では振動子２１の中心周波数付近で
のパワースペクトルがそれ以外の周波数成分と同程度で
あり、必要なパワーが相対的に小さい。また振動子２１
の直列抵抗分と並列容量成分ＣＩにより受信信号が減衰
してしまう。すなわち送信、受信の両駆動効率が悪く、
このため高い電圧で駆動しなければならないという問題
があった。

そこで駆動効率を改善するために並列共振駆動を行なう
ことが広く用いられている。この共振駆動は第８図（ａ
）に示すように、駆動出力と振動子２１とに並列にコイ
ルＬを装荷する方法である。

コイルＬを装荷する部位として超音波プローブにこのコ
イルＬを挿入したものを共振プローブと称する。コイル
Ｌの値は、振動子２１の中心周波数付近で並列容量ＣＩ
と共振するように選択する。共振プローブ２３を前記駆
動回路で駆動すると、第８図（ｂ）に示すように駆動電
圧ＶＨの２倍程度の電圧振幅が得られる。受信時にはコ
イルＬと容量Ｃ１の共振により中心周波数付近での並列
インピーダンスが上昇し、減衰が低減するので、受信効
率が改善できる。

しかし、この共振駆動によれば、そのスペクトルは狭帯
域となり、反射エコーの振動が長時間繰返す（波連長が
長くなる）ので、Ｂモード像の距離分解能が悪化する。

そこで、前記インパルス駆動を改善してものとして非共
振駆動方式を採用するようになってきた。

これは電子部品が技術的に進歩し、Ｎチャンネルおよび
Ｐチャンネル素子の高耐圧高速のパワー−ＭＯＳ−ＦＥ
Ｔが製作できるようになってきたことも寄与している。

第９図（ａ）は非共振プローブ２２を矩形駆動する矩形
駆動装置を示す図、第９図（ｂ）はＱｌ。

Ｑ２の動作を制御するゲート電圧ＶＧＩ、　　ＶＯ２お
よび振動子２１に印加される駆動電圧のタイミング図で
ある。この駆動装置は、ＱｌとＱ２とを電源Ｖｌｌに対
して直列に接続する２つのＱｌ、Ｑ２の間の中点に振動
子２１が接続され、並列容ｆｆ１ｃｌが存在する。第９
図（ｃ）は第９図（ｂ）に示す期間Ａの動作を示す図、
第９図（ｄ）は期間Ｂの動作を示す図である。第９図（
ｃ）（ｄ）に示すようにＱｌ、Ｑ２は相補的に動作する
ものとなっている。すなわち第９図（ｃ）に示すように
Ｑ２は、ゲート電圧ＶＣ２が電圧ＶｔｈのときにのみＯ
Ｎ動作するものとなっている。

このような構成によれば、（ｄ）に示すようにＱｌのゲ
ート電圧ＶＧｌが期間ＢにおいてＶＨがらｖａｔ−ｖｔ
ｈに変化し、かつゲート電圧ＶＧ２が零電圧に変化する
と、ＱｌのみがＯＮ動作する。そうすると、電源Ｖ　Ｈ
により振動子２１に電流が流れ、駆動電圧ＰＯが迅速に
Ｖｌｌに上昇する。駆動電圧ＰＯは、期間ＢだけＶＨな
る電圧を持続する。

次に期間Ａにおいてゲート電圧ＶＧ２がｖｔｈになると
、第９図（Ｃ）に示すようにＱ２がＯＮ動作する。そう
すると、駆動電圧ＰＯはＱ２を介して接地されるので、
急速にＶ　Ｈから零電圧に減少する。したがって、駆動
電圧ＰＯは（ｂ）に示すように矩形波形となり、振動子
２１への矩形駆動が可能となる。この矩形駆動は前記イ
ンパルス駆動と比較すると、同じパルス幅で駆動した場
合、矩形駆動の方が６ｄＢ程度パワーが高い。したがっ
て、矩形駆動は効率が良く、低電圧により同様な特性が
得られる。さらに駆動駆動はバースト駆動が容易であり
、同一電圧のまま送信パワーを増加できる。

以上の理由から従来のインパルス駆動に対して最近では
駆動効率改善、バースト駆動可能のため矩形駆動を採用
している。

（発明が解決しようとする課題） 然し乍ら、ドツプラ信号を受信するなどＢモードの距離
分解能を犠牲にしても更に受信感度の効率を向上させた
い場合がある。すなわちコイルＬを振動子に対して並列
に装荷した共振プローブを使用して、矩形パルスによる
矩形共振駆動を行なうこともある。

第１０図は前記共振プローブに対する矩形駆動を示す図
である。共振プローブ２３は前記振動子２１にコイルＬ
を並列に接続したものである。共振プローブ２３を駆動
する駆動回路１０が動作し、駆動電圧ＶＨが共振プロー
ブ２３に印加されると、共振プローブ２３は自然共振駆
動する。

第１１図（ａ）は前記共振プローブ２３を駆動する共振
波形を示す図、第１１図（ｂ）は前記非共振プローブ２
２を駆動する矩形波形を示す図である。

第１１図（ｂ）に示す如く矩形電圧Ｖａは前記駆動回路
１０のＦＥＴ耐圧ｖｂの範囲内に設定され、非共振プロ
ーブを駆動している。また第１１図（ａ）に示す如く共
振プローブ２３を駆動した時には、駆動電圧ＶＨに対し
て例えば２ｖ１１なる共振負電圧が発生するので、電圧
Ｖｅ−１／２Ｖａなる電圧範囲内で共振プローブ２３を
駆動するようにしている。

然し乍ら、誤操作により共振プローブ２３が電圧Ｖｃ以
上の電圧で駆動されたとき、例えば電圧Ｖａなる駆動電
圧で共振プローブ２３が駆動されると、共振時の電圧２
Ｖａは、駆動回路１ｏの耐圧ｖｂを越えることになり、
駆動回路１０を構成するＦＥＴを破壊させてしまうとい
う問題があった。

そこで本発明の目的は、誤操作により共振プローブに対
し駆動回路の耐圧を越える電圧で共振駆動した場合であ
っても、前記駆動回路の破壊を防止する超音波駆動装置
を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決する為の手段） 本発明は上記の問題を解決し目的を達成する為に次のよ
うな手段を講じた。本発明は、超音波プローブに対し共
振駆動による共振波形を印加するものであって、電源と
接地との間に接続されたスイッチ素子とこのスイッチ素
子をスイッチ動作させることにより前記電源を前記スイ
ッチ素子を介して前記超音波プローブに印加させる制御
手段とからなる超音波駆動装置において、前記共振駆動
により逆バイアス電圧が印加されるとこの逆バイアス電
圧により前記スイッチ素子の耐圧範囲内で降伏する第１
のダイオードと、この第１のダイオードに対して逆極性
に直列接続され順バイアス電圧が印加されるとオン動作
する第２のダイオードとからなる回路を前記スイッチ素
子の出力と接地との間に接続した。

また前記第２のダイオードには、外部電源により抵抗を
介して逆バイアス電圧が印加されるものものである。

（作用） このような手段を講じたことにより次のような作用を呈
する。共振負電圧が第１のダイオードの降伏電圧を越え
ると、第１のダイオードは降伏し、ま、た第２のダイオ
ードは順バイアス電圧によりオン動作する。したがって
、共振負電圧は、スイッチ素子の耐圧範囲内の電圧でク
リップされるので、誤操作により共振プローブに対しス
イッチ素子の耐圧を越える電圧で共振駆動した場合であ
っでも、前記スイッチ素子を破壊することがなくなる。

また共振駆動電圧が第１のダイオードの降伏電圧以上で
あるとき、第１のダイオードは逆バイアス電圧により比
較的大きい容量を有し、第２のダイオードは逆バイアス
電圧により比較的小さい容量を有するので、両ダイオー
ドの合成容量は、はぼ第２のダイオードの容量になる。

したがって、比較的小さい容量が超音波プローブに付加
されるのみであるので、受信感度の劣化を防止できる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例としてフェイズアレイ方式に
より電子セクタ走査するセクタプローブからなる超音波
駆動装置を示す図であり、第２図は本発明の一実施例と
して電子リニア走査するリニアプローブからなる超音波
駆動装置を示す図である。第１図における駆動装置は、
基本的には駆動回路であるそれぞれパルスを発生するパ
ルサー群１　　（ｌａｌ・・・ｆａｎ　）と受信回路群
４　　（４ａｌ・・・４ａｎ　）と、このパルサー群１
および受信回路群４に対応する複数の振動子２ａｌ・・
・２ａｎからなるセクタブローブ２ａと、このセクタプ
ローブ２ａを駆動すべく切換えるプローブ切換スイッチ
３ａ（３ａｌ・・・３ａｎ　）と、で構成されている。

また複数の振動子２ｂｌ・・・２ｂｎからなるセクタプ
ローブ２ａと、このセクタプローブ２ｂを駆動すべく選
択的に切換えるプローブ切換スイッチ３ｂ（３ｂｌ・・
・３ｂｎ　）と、が前記パルサー群ｌに対して並列に接
続され、さらにはその他の複数のセクタプローブ２Ｃ・
・・も並列に接続されている。一方、第２図における駆
動装置は、パルサー群１と、このパルサー群１に対応す
る複数の振動子６ａｌ・・・Ｂａｎ　、　Ｂａｎ＋１・
・・８ｍｌからなるリニアプローブ６と、このリニアプ
ローブ６を駆動すべく選択的に切換えるプローブ切換ス
イッチ５（５ａｌ−５ａｎ　、　５ａｎ＋１１−５ａ　
）と、で構成されている。

第３図（ａ）は本発明の第１の実施例を示す図、第３図
（ｂ）はツェナーダイオードによりクリップされた共振
波形を示す図である。同図において、共振プローブ２４
は、コイルＬ、振動子２１．ツェナーダイオードＺＤ、
　　このツェナーダイオードＺＤに直列接続されたダイ
オードＤ１が前記パルサー群ｌに対し並列接続される如
く構成されている。

なおツェナーダイオードＺＤのカソードとダイオードＤ
１のカソードとが接続され、ツェナーダイオードＺＤの
アノードはパルサー群１に、ダイオードＤ１のアノード
は接地に接続されている。ツェナーダイオードＺＤは前
記共振駆動により逆バイアス電圧（アノードの電圧に対
してカソードに高い電圧が印加された状態）が印加され
ると非常に大きな容量を有し、逆バイアス電圧により前
記ＦＥＴの耐圧ｖｂで降伏するものである。したがって
、このツェナーダイオードＺＤのみて振動子２１に付加
されると、受信感度の大幅な劣化になる。

一方、ダイオードＤＩは、逆耐圧がＦＥＴの耐圧ｖｂ以
上の小電力用ダイオードであり、共振駆動電圧により逆
バイアス電圧が印加されると小さい容量を有し、順バイ
アス電圧でオン動作するものとなっている。したがって
、これらが直列に接続されることにより、両ダイオード
ＺＤ、Ｄｉのそれぞれの容量をＣ１，Ｃ２とすると、合
成容量は、ＣＩ　・Ｃ２／　（Ｃ１＋Ｃ２）となる。そ
の結果、例えばＣ１−１００ｐＦ、Ｃ２・・・１０ｐＦ
とすれば、ＣＴは約９９Ｆ程度となり、はぼダイオード
Ｄ１の有する容量Ｃ２に近い容量となる。したがって、
振動子に付加される並列容量が低減されるので、受信感
度の低下・を防止できる。

またこのような構成によれば、ＦＥＴの耐圧ｖｂよりも
大きな共振負電圧が発生しても、ツェナダイオードＺＤ
が降伏動作し、かつダイオードＤＩは順バイアス電圧に
よりオン動作するので、共振電圧は、−ｖｂにクリップ
される。

したがって、駆動電圧は、電圧−ｖｂに抑制されるので
、駆動回路を構成するＦＥＴを破壊することがなくなる
。その結果、誤って共振プローブ２４を駆動電圧ｖｂ以
上の共振電圧に取付けても、ＦＥＴを破壊することなく
、保護できる。

第４図は本発明の第２の実施例を示す図である。

第５図は共振駆動および非共振駆動の作用を説明するた
めのタイミング図である。第４図において、ＦＥＴから
なるＱｌ、Ｑ２は、ダイオードＤ２゜Ｄ３を介して電源
ＶＨに対して直列に接続されている。ダイオードＤ２．
Ｄ３の中点と接地との間に容量Ｃ１，振動子２１．コイ
ルＬが接続されている。またダイオードＤ２のカソード
とＱｌのソースとの間にはツェナーダイオードＺＤとダ
イオードＤＩとが逆極性に直列接続されている。Ｑｌ。

Ｑ２のゲートにはＱｌ、Ｑ２の動作を制御するパルスが
入力されるものとなっている。

このように構成された第２の実施例の作用を第５図を参
照して説明する。まず、ＱｌがゲートパルスによりＯＮ
動作すると、第５図（ｂ）に示すように共振プローブ２
５にＱｌ、Ｑ２の耐圧ｖｂに対して共振電圧Ｖｄが小さ
い電圧で印加され、共振プローブ２５は自然共振駆動さ
れる。

次に第５図（Ｃ）に示すように共振プローブ２５にＱｌ
、Ｑ２の耐圧ｖｂを越える異常な大きい電圧Ｖｅが印加
された時には、ツェナーダイオードＺＤが降伏し、且つ
ダイオードＤＩに順電流が流れ、第５図（ｄ）に示す如
くツェナー電圧Ｖｚで共振電圧は、クリップされる。し
たがって、前述した第１の実施例と同様な効果が得られ
る。また共振プローブ２５に付加されるダイオードＤＩ
およびツェナーダイオードＺＤによる合成容量負荷は、
小さいものであるから、受信感度は、劣化することがな
い。

一方、コイルＬを取り外し、非共振駆動した場合には、
第５図（ａ）に示すように矩形駆動を行なうことができ
る。なお共振プローブ２５の本体取付は部に本駆動回路
を装荷することにより、装置本体側に特別の保護を行な
わない装置に取付けても駆動回路の破壊を防止でき、装
置を選択せず使用できる。

第６図は本発明の第３の実施例を示す図である。

ツェナーダイオードＺＤとダイオードＤＩが接続される
中点に抵抗ＲＢと外部電源ＶＢとが直列接続され１、前
記中点に可変電圧が印加されるものとなっている。また
ダイオードＤ４は零バイアス状態で比較的大きな容量例
えば１００ｐＦの容量を有し、また逆バイアス電圧が電
源ＶＢにより印加されると、比較的小さい容量例えば１
ＯｐＦを有するものである。なおその他の構成は、第１
の実施例に同様である。

このように構成によれば、電源ＶＢによりダイオードＤ
４に逆バイアス電圧が印加されるので、ダイオードＤ４
の容量は、比較的小さい容量となり、前述した第１実施
例と同様にツェナーダイオードＺＤとダイオードＤ４と
の合成容量が小さくなるので、共振プローブ２４の負荷
容量は小さくなり、受信感度の劣化を防止できる。

なお本発明は、上述した実施例に限定されるものではな
い。上述した実施例においては、共振プローブの正極性
駆動について説明したが、例えば負極性駆動については
、ダイオードの極性を逆にすることにより駆動回路を保
護できる。また電子スキャン方式について説明したが、
メカスキャナ方式におけるシングルバルサ装置では１回
路のみであり、簡単になる。このほか本発明を逸脱しな
い範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

［発明の効果］ 本発明によれば、共振負電圧が第１のダイオードの降伏
電圧を越えると、第１のダイオードは降伏し、また第２
のダイオードは順バイアス電圧によりオン動作する。し
たがって、共振負電圧は、スイッチ素子の耐圧範囲内の
電圧でクリップされるので、誤操作により共振プローブ
に対しスイッチ素子の耐圧を越える電圧で共振駆動した
場合であっても、前記スイッチ素子を破壊することがな
くなる。また共振駆動電圧が第１のダイオードの降伏電
圧以上であるとき、第１のダイオードは逆バイアス電圧
により比較的大きい容量を有し、第２のダイオードは逆
バイアス電圧により比較的小さい容量を有するので、両
ダイオードの合成容量は、はぼ第２のダイオードの容量
になる。したがって、比較的小さい容量が超音波プロー
ブに付加されるのみであるので、受信感度の劣化を防止
できる超音波駆動装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としてフェイズアレイ方式に
より電子セクタ走査するセクタプローブからなる超音波
駆動装置を示す図、第２図は本発明の一実施例として電
子リニア走査するリニアプローブからなる超音波駆動装
置を示す図、第３図は本発明の第１の実施例を示す図、
第４図は本発明の第２の実施例を示す図、第５図は共振
駆動および非共振駆動の作用を説明するタイミング図、
第６図は本発明の第３の実施例を示す図、第７図は非共
振プローブのインパルス駆動を示す図、第８図は共振駆
動を示す図、第９図は非共振プローブの矩形駆動を示す
図、第１０図は共振プローブの矩形駆動を示す図、第１
１図は共振波形および非共振波形を示す図である。 ■・・・バルサ−群、２・・・電子セクタプローブ。 ３．５・・・プローブ切換スイッチ、４・・・受信回路
群、６・・・電子リニアプローブ、２１・・・振動子、
２２・・・非共振プローブ、２３〜２６・・・共振プロ
ーブ、ＴＲ・・・トランジスタ、ＺＤ・・・ツェナーダ
イオード、Ｄ１〜Ｄ４・・・ダイオード、Ｑｌ・・・Ｐ
チャンネルＭＯＳ−Ｆ　Ｅ　Ｔ、　Ｑ２−Ｎｆ’ｒ　ン
ネルＭｏ５−ＦＥＴ、Ｌ・・・コイル、ｃｌ・・・並列
容量。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第３図 ＶＨ 第４図 第５図 第６ 図 第 図 １１図 第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波プローブに対し共振駆動による共振波形を
   印加するものであって、電源と接地との間に接続された
   スイッチ素子とこのスイッチ素子をスイッチ動作させる
   ことにより前記電源を前記スイッチ素子を介して前記超
   音波プローブに印加させる制御手段とからなる超音波駆
   動装置において、前記共振駆動により逆バイアス電圧が
   印加されるとこの逆バイアス電圧により前記スイッチ素
   子の耐圧範囲内で降伏する第１のダイオードと、この第
   １のダイオードに対して逆極性に直列接続され順バイア
   ス電圧が印加されるとオン動作する第２のダイオードと
   からなる回路を前記スイッチ素子の出力と接地との間に
   接続したことを特徴とする超音波駆動装置。
2. （２）第２のダイオードは、外部電源により抵抗を介し
   て逆バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項
   第１項記載の超音波駆動装置。