JPH02144048A - 超音波振動子の駆動回路 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波振動子の駆動回路、特に振動子により超
音波を被検体内に放射し、被検体内からの反射エコーを
受信するための超音波振動子の駆動回路構成の改良に関
する。

［従来の技術］ 超音波を生体などの被検体内に放射し、その反射エコー
を受信して断層像あるいは速度（ドプラ偏移）などの被
検体内情報を画像表示する超音波診断装置が周知である
。

第６図、第８図及び第１０図には、従来の超音波振動子
の駆動回路が示されており、第６図には一般的に多く用
いられている回路が、第７図には第６図における動作信
号が示されている。

第６図において、スイッチング素子として設けられてい
るトランジスタ（Ｔｒ）１０には、端子Ｃから抵抗Ｒ２
を介して高電圧ＨＶ、例えば２００ｖの電圧が直流高圧
電源から供給されており、トランジスター０がＯＦＦ状
態においては、矢示１　のように電流が流れてコンデン
サＣ２に２００Ｖの電圧が充電される。そして、このコ
ンデンサＣには並列抵抗Ｒ３，Ｒ４を介して振動子（Ｔ
Ｄ）１２が接続されており、トランジスタ１０のＯＦＦ
時ではダイオードＤＩにてコンデンサＣ２から振動子１
２へ電流が流れないようになっている。

ここで、端子Ａに第７図（Ａ）に示されるような矩形波
のトリガパルスを入力すると、トランジスタ１０がＯＮ
動作し第６図に示す電流１２が流れることになり、図示
Ｂ点には、第７図（Ｂ）にボされる信号が現れることに
なる。従って、振動子１２には２００■の電圧が印加さ
れ、これによって超音波が発生することになり、この超
音波は被検体内に放射される。

そして、被検体内から反射するエコー信号は振動子１２
にて受信されることになり、増幅器１４にて増幅された
後に、端子りから取り出されることになる。

［発明が解決しようとする課′ＸＪ］ しかしながら、前記第６図の回路では、振動子１２に必
要となる高電圧によって定まる直流高圧電源と、高電圧
の電荷を蓄積するだめのコンデンサＣ２が必要であり、
これらの部利は比較的高価であるから、コストの低減を
図れないという問題がある。なお、トランジスタ１０に
おいても、高耐圧、高電流、高速度にスイッチング作用
を行うものでなければならない。

また、前記トランジスタ１０はコンデンサＣ２の電圧を
振動子１２に速やかに与えるため、トリガパルスにより
トランジスタ１０のベースに十分なベース電流を加えて
トランジスタ１０を飽和領域で動作させることが必要で
ある。従って、トリガ信号によっては振動子１２に印加
されるパルス電圧を任意に制御することができない。

更に、前記トランジスタ１０は振動子１２を駆動した後
は、速やかにＯＦＦ　Ｌなければならないが、飽和領域
で動作させるトランジスター０の場合には、大電流スイ
ッチング動作による蓄積時間のだめ、入カトリガバルス
の立下がりより遅れて、第７図（Ｂ）の９点でＯＦＦ　
ｔ、、遅延時間Ｔ１のずれが生じることになる。

この遅延時間Ｔ１の発生は、複数の振動子１２を電子走
査のために位［Ｕ制御する場合に問題となり、特に個々
のトランジスター０によってその特性のバラツキがある
ので、回路設計する場合での障害ともなる。

ところで、従来においては、第８図に示される駆動回路
のように、直流高圧電源を用いずに低電圧電源により振
動子を駆動するものも存在する。

第８図では、低電圧電源＋Ｖｃｃから電流１１を流し、
インダクタンスし　　抵抗Ｒ２を介してコ２　ゝ ンデンサＣ２を充電しておく。そして、矩形波のトリガ
パルスをＡ端子からトランジスター０のベースに入力す
ると、矢示のように電流１２が流れてコンデンサＣの電
荷をインダクタンスＬｌに与えることになる。なお、前
記インダクタンスＬ　は、インダクタンスＬ１の両端に
発生する高電圧パルスが電源側に短絡することを防止す
るために設けられている。

このようにして、電流１２がインダクタンスＬｌ流れた
時に、所定の時間でトランジスタ１０を速やかにＯＦＦ
すると、インダクタンスＬ１の両端に高電圧が発生し、
この高電圧は次式で表される。

■ｏ−Ｌ１　（ｄｉ／ｄｔ）　　　　・・・　（１）第
８図のような回路では、前記（１）式から明らかなよう
に、インダクタンスＬ１の値が大きいほど、またトラン
ジスタ１０のＯＦＦ時間が短いほど発生する電圧は大き
くなる。

しかし、インダクタンスＬ１の値を大きくする場合には
インダクタンスＬ１に十分な電流を流すのに時間がかか
り、また出力インピーダンスの増加により振動子１２へ
十分な電圧を供給することができなくなるという問題が
あり、インダクタンスの値を大きくする方法には限界が
ある。

また、高電圧のパルスを得る場合にはトランジスタ１０
のＯＦＦ時間をできるだけ早くする方法があるが、前述
のようにトランジスタ１０は叶時に飽和領域まで励振さ
れているため、オフ時間を十分に早くすることかできな
い。そして、このオフ時間は個々のトランジスタの特性
により異なっており、ばらつきが大きいという問題があ
った。

更に、第８図の回路では、トリガパルスの立上り時と駆
動電圧発生後に不要な電圧パルスが発生する。

すなわち、第９図に示されるように、図（Ａ）の駆動パ
ルスがトランジスタ１０に入力されると、第８図の端子
Ｂでの出力波形は図ＣＢ）に示されるようになり、トリ
ガパルスの立上り時においては信号が急激に立上がるの
で、図示１００のように電圧波形が少し下がることにな
る。また、高電圧パルス出力後にはトランジスタの逆回
復時間により図示１００のような余分な電圧パルスが発
生することになる。このように、駆動パルス立上り時と
高電圧パルス出力後の余分な電圧パルスの発生により、
振動子１２から不必要な超音波が出力されることになり
、これは特に近距離において画像に疑似エコーとして現
れ、これによって画質を著しく低下するという問題があ
る。

特に、このような余分な電圧パルスはトランジスタ１０
を飽和状態で用いることにより発生し、これは個々のト
ランジスタによって異なる特性をもっており、これらを
制御することは不可能となる。

第１０図には、第５図の回路のトランジスタ１０をＳＣ
Ｒ素子２０に置き換えた回路が示されており、この場合
にも前記第８図と同様の問題が発生する。

発明の目的 本発明は前記従来の問題点を解決することを課題として
なされたものであり、その目的は、低コストにて回路を
構成でき、近距離画像の中に疑似エコー等が発生するこ
となく、振動子の駆動制御が容易となる超音波振動子の
駆動回路を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明に係る超音波振動子
の駆動回路は、のこぎり波のトリガ信号を発生するトリ
ガ発生回路と、前記トリガ信号により不飽和領域でスイ
ッチング動作を行うとともに低電圧電源を用いてトリガ
信号を線形増幅する不飽和型スイッチング回路と、この
不飽和型スイッチング回路からの変化する電流を入力し
て不飽和型スイッチング回路のオフ動作により高電圧を
振動子に印加するインダクタンス回路と、を有し、前記
トリガ信号波形により制御された高電圧信号により振動
子を駆動することを特徴とする請求項（２）の発明は、
前記インダクタンス回路内に設けられているインダクタ
ンスコイルと並列にダイオードを接続し、一方向性の駆
動信号を得ることを特徴とする。

また、請求項（３）の発明は、前記不飽和スイッチング
回路のコレクタ電圧を、減衰の小さい反射エコー信号の
みを振動子から受信するための所定の電圧に設定したこ
とを特徴とする。

〔作用」 以上の構成によれば、低電圧電源で動作することができ
、振動子とインダクタンス回路を構成するインダクタン
スコイルとを並列に接続し、この振動子及びインダクタ
ンスコイルに不飽和型トランジスタを有する不飽和型ス
イッチング回路を配設し、この不飽和型スイッチング回
路にのこぎり波のトリガ信号を供給する。従って、のこ
ぎり波のトリガ信号により不飽和型トランジスタが０Ｎ
−ＯＦＦすると、インダクタンスコイルに蓄積されたエ
ネルギが直接高電圧パルスに変換されて振動子に供給さ
れることになり、この高電圧パルスにより良好な超音波
が発生することになる。

この場合、不飽和トランジスタは不飽和領域において動
作することになるので、飽和領域において使用されるト
ランジスタにおいて発生する蓄積時間がなく、動作のＯ
ＦＦ時間を極めて早くすることができ、低電圧電源にお
いて振動子に供給される信号に不要な電圧波形を生じさ
せることもなく、良好な高電圧パルスにより振動子を励
振することが可能となる。

［実施例］ 以下、本発明に係る超音波振動子の駆動回路の実施例を
図面に基づいて説明する。

第１図には、第１実施例に係る駆動回路が示されており
、本発明において特徴的なことは、のこぎり波の駆動ト
リガ信号によりトランジスタを不飽和領域において動作
させ、かつトリガ信号波形により振動子に印加する７代
圧を制御可能としたことである。

このために、第１図においては、のこぎり波を発生する
トリガ発生回路１６を備えるとともに、帰還抵抗Ｒ２を
設は前記のこぎり波を線形増幅する不飽和型スイッチン
グ回路を備えている。すなわち、トリガ発生回路１６は
トリガ信号がコンデンサＣ１を介して不飽和型トランジ
スタ】８に入力するように接続され、一方帰還抵抗Ｒ２
は保護抵抗Ｒ１とともにエミッタ端子に並列接続されて
いる。

そして、不飽和型！・ランジスタ１８のコレクタ・エミ
ッタ間の電圧をＶＣＥ’ダイオードＤ１の順方向電圧効
果をＶｐとしインダクタンスコイルＬ　の直流分抵抗を
ｒ、とすると低電圧電源−ＶＥＥは次式で与えられるこ
とになる。

ＶＥＥ　Ｉ　３１　ｏ　　（Ｒ２＋ｒ　Ｌ　）　十Ｖｃ
ｐ　十Ｖｐ・・・　　（２） ここで、不飽和型トランジスタ１８のコレクタ・エミッ
タ間の飽和電圧をＶＣＥ　（ｓ　ａ　ｔ　）とすると、
上記（２）式によりｖ　ｃＥ＞　Ｖ　ＣＥ　（Ｓ　ａ　
ｔ　）となるように低電圧電源−ＶＥＥを設定すれば、
不飽和型トランジスタ１８はＯＮ時に常に活性領域で動
作し、不飽和型スイッチとして機能する。

また、振動子１２に対して並列にインダクタンス回路と
してインダクタンスコイルＬ１が挿入され、このインダ
クタンスコイルＬ１と不飽和型トランジスタ１８との間
には、振動子１２と直列にダイオードＤ２が接続されて
いる。このダイオードＤ２は、振動子１２への耐圧を半
減させるために設けられる。

このような不飽和型スイッチング回路によれば、不飽和
型トランジスタ１８のベース端子には、時間変化に対し
て電圧・電流の変化分を十分に小さく設定できるのこぎ
り波状のトリガ信号が加えられているので、従来のトリ
ガ信号立上り時における不要な波形の発生を抑えること
ができる。また、不飽和型トランジスタ１８は不飽和領
域において動作させるので、トランジスタを飽和会Ｉｊ
域で動作させる場合の蓄積時間が発生しないので、振動
子１２に与えられる信号に不要な電圧波形を発生させる
ことがない。

また、前記インダクタンスコイルＬｌに流れる電流の大
きさｉ３は、不飽和型トランジスタ１８が不飽和領域で
動作しているので、不飽和型トランジスタ１８の出力は
入ツノトリガ信号ののこぎり波の大きさに比例しており
、従って人力トリガ信号の大きさを変えることにより、
前記（１）式により発生する高電圧パルスを制御するこ
とが可能となる。

すなわち、第２図（Ａ）に示されるのこぎり波トリガ信
号によれば、のこぎり波の立上り時に不飽和型トランジ
スタ１８はＯＮシ、線形に変化する電流ｉ３が第１図の
矢示方向に流れ、インダクタンスコイルＬ１にはエネル
ギが蓄えられることになる。そして、のこぎり波の立下
がり時には、不飽和型トランジスタ１８は瞬時にＯＦＦ
　Ｌ、インダクタンスコイル■、■の両端には、前記（
１）式で得られる高電圧Ｖｏのパルスが発生する。

この高電圧パルスは、第２図（Ｂ）に示されるように、
のこぎり波（トリガ信号）の立下がり点から立−Ｆがる
正弦波状の波形となり、この高電圧パルスの発生位置も
トリガ信号の立下がり位置に一致しているので、この立
下がり時刻を変えることによって高電圧パルスの発生位
置を任意に変えることができる。

また、高電圧パルスのパルス幅は、インダクタンスコイ
ルＬｌの値を変えることによって適切な値に設定するこ
とができる。これは、第８図の従来例と同様に振動子１
２と並列な適当なコンデンサを挿入することによっても
実現できるものである。

なお、不飽和型トランジスタ１８のエミッタ端子に接続
される抵抗Ｒ２は電流制限用の保護抵抗であるが、同時
に帰還抵抗としても機能しており、帰還抵抗Ｒ２の値を
変えることにより線形増幅度を調整することができる。

従って、帰還抵抗Ｒ２を適当に変え、この帰還抵抗Ｒ２
によりエミッタにおける電流帰還作用を行わせることに
より、不飽和型トランジスタ１８の特性のばらつきを補
正して回路を良好に動作させることができる。

また、ダイオードＤ　及びコンデンサＣ１は直流再生機
能（クラ：／ブ回路）を果たし、これによりトリガ信号
として入力するのこぎり波形を一定レベルに固定するこ
とができる。

更に、ダイオードＤ２は不飽和型トランジスタ１８のコ
レクタに対する逆電圧阻止を行うために設けられており
、不飽和型トランジスタ１８の耐圧の増加を図る同時に
、受信時において不飽和型トランジスタ１Ｂと振動子１
２とを分離し、振動子１２から得られるエコー信号に対
してダイナミックレンジを確保する役目を行う。

そして、増幅器１４は従来と同様に振動子１２にて受信
されたエコー信号を入力し、所定の高周波増幅を行い、
端子りから画像表示のための信号処理回路に出力する。

第１実施例は以上の構成からなり、以下にその作用を説
明する。

まず、トリガ発生回路１６にて第２図（Ａ）に示される
ようなのこぎり波のトリガ信号を発生し、このトリガ信
号はコンデンサＣ１を介して不飽和型トランジスタ１８
に供給される。そうすると、不飽和型トランジスタ１８
は徐々に導通を開始し、帰還抵抗Ｒ２、ダイオードＤ１
を介して低７ｄｉ圧電源−■ＥＥよりインダクタンスコ
イルＬ、に矢示方向の電流Ｉ　が流れ出す。この電流Ｉ
３は、トリガ信号であるこぎり波が線形増幅された電流
であり、変化する電流がインダクタンスコイルＬｌに加
えられることになる。

この場合、第２図と前記第９図とを比較すれば明らかな
ように、トリガ信号の立上り時には不要な電圧波形１０
０が発生しない。なぜなら、本発明のトリガ信号がのこ
ぎり波であり、その立上りが緩やかとなっており、従来
の矩形波パルスのように急激な立」ユリにより生じる不
要な信号を生じさせないからである。また、高電圧パル
スが発生した後においても、第９図のような不要な電圧
波形１０１も生じることがない。なぜなら、本発明は不
飽和領域において不飽和型トランジスタを０Ｎ１０ＦＦ
動作しているので、不飽和型トランジスタを飽和領域で
動作させる場合の蓄積時間が発生しないからである。

そうして、不飽和型トランジスタ１８がＯＦＦ作動する
と、前記インダクタンスコイルＬ１に加えられたエネル
ギが出力され、前記（１）式による電圧のパルスが発生
し、これにより振動子１２が駆動される。

第３図には、本発明の第２実施例が示されており、第２
実施例は発生する高電圧パルスを一方向性のパルスとす
ることを特徴とする。

このために、第２実施例ではインダクタンスコイルＬ　
と並列にダイオードＤ３を挿入しており、■ これによって第４図（Ｂ）に示されるように、方向性の
出力を得ることができる。

第５図には、本発明の第３実施例が示されており、この
第３実施例はエコー信号の受信時のダイナミックレンジ
を広げたことを特徴とする。

すなわち、抵抗Ｒ３の接地側端子Ｆに低電圧電源十■　
を接続し、ダイオードＤ２のカソード側Ｃ の電圧を例えば＋１０ボルト程度に維持して動作電圧を
高く設定する。そうすると、被検体内を反射してくる際
に大きく減衰した信号は受信されず、減衰の少ない大き
な信号のみか受信されることになる。従って、近距離用
の振動子や大部分が水などの物質によって構成された被
検体内に適用する、例えば胎児観察用の振動子を駆動す
る回路として用い、良好な画質の診断像を得ることが可
能となる。

前記実施例では、スイッチング回路素子としてＮＰＮ不
飽和型トランジスタを例にとって説明したが、ＰＮＰ不
飽和型トランジスタ或いはＭＯＳ不飽和型トランジスタ
を用いても同様の回路を構成することができる。また、
トリガ発生回路１６で形成されるのこぎり波は非直線的
波形とすることも可能であり、上記直線的波形により上
記実施例と同様の動作を行わせることができる。

〔発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、のこぎり波状の
トリガ信号を用い、スイッチ素子を不飽和領域で動作さ
せ、これにより発生する高電圧パルスをインダクタンス
コイルを介して振動子に与えるようにしたので、不飽和
型トランジスタの入出力容量、蓄積時間などに影響され
ずに高電圧パルスを良好に発生させることができ、特に
この高電圧パルスは入力トリガ信号によって任意に制御
し、各振動子の駆動時刻並びに駆動電圧を変えて電子走
査を行うことができるので、アレイ形超音波探触子など
のビーム収束を良好に行え、サイドローブの減少を図る
ことも可能となる。

また、高価な高電圧電源を用いることなく、低電圧電源
にて駆動回路を動作させることができ、これにより安全
性の高い超音波診断装置を得ることが可能となり、更に
高電圧用のコンデンサも不要となるので、低コストで電
池使用の携帯型超音波診断装置用の駆動回路として極め
て有用となる。

そして、請求項（２）の発明によれば、一方向性の出力
が得られるこという効果も生じる。

また、請求項（３）の発明によれば、減衰の少ない大き
な信号のみが受信され、近距離用の振動子や胎児観察用
の振動子を駆動する回路として有用となる効果も生じる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波振動子の駆動回路の第一実
施例を示す回路図、 第２図は第１図における動作信号を示す波形図、第３図
は本発明の第２実施例を示す回路図、第４図は第２図に
おける動作信号を示す波形図、第５図は本発明の第３実
施例を示す回路図、第６図は高圧電源を用いた従来の駆
動回路を示す回路図、 第７図は第６図における動作信号を示す波形図、第８図
は低電圧電源により駆動する従来の駆動回路を示す回路
図、 第９図は第８図における動作信号を示す波形図、第１０
図は低電圧電源を用いた従来の他の例を示す回路図であ
る。 １０　・・・　トランジスタ １２　・・・　振動子 １４　・・・　増幅器 １６　・・・　トリガ発生回路 １８　・・・　不飽和型トランジスタ Ｒ２・・・　帰還抵抗 Ｄｔ　、Ｄ２　、Ｄ３　　・・・　ダイオードＬ、　　
・・・　インダクタンスコイル。 ＋　１　大七七ジ３夕Ｊっ馬巴ｌ乞９回１１ＺＩ第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）のこぎり波のトリガ信号を発生するトリガ発生回
   路と、前記トリガ信号により不飽和領域でスイッチング
   動作を行うとともに低電圧電源を用いてトリガ信号を線
   形増幅する不飽和型スイッチング回路と、この不飽和型
   スイッチング回路から変化する電流を入力して不飽和型
   スイッチング回路のオフ動作により高電圧を振動子に印
   加するインダクタンス回路と、を有し、前記トリガ信号
   波形により制御された高電圧信号により振動子を駆動す
   る超音波振動子の駆動回路。
2. （２）請求項（１）記載の装置において、前記インダク
   タンス回路内に設けられているインダクタンスコイルと
   並列にダイオードを接続し、一方向性の駆動信号を得る
   ことを特徴とする超音波振動子の駆動回路。
3. （３）請求項（１）記載の装置において、前記不飽和型
   スイッチング回路のコレクタ電圧を、減衰の小さい反射
   エコー信号のみを振動子から受信するための所定の電圧
   に設定したことを特徴とする超音波振動子の駆動回路。