JPH039260A

JPH039260A - 電子走査式超音波装置

Info

Publication number: JPH039260A
Application number: JP1143066A
Authority: JP
Inventors: Hisao Okada; 久雄岡田; Yoshinori Takesute; 義則武捨
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-06-07
Filing date: 1989-06-07
Publication date: 1991-01-17
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: JP2688440B2

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、多数の微小超音波振動子をアレイ状に並べた
超音波振動子群から超音波を発し反射してきた超音波を
該超音波振動群で受信し解析する電子走査式超音波装置
に係り、特に、発信及び受信用の超音波振動子を順次走
査するために設けられた切換器のマトリクス回路に関す
る。

〔従来の技術〕

第４図は、超音波装置で使用する電子走査回路の従来の
構成図である。

超音波によって人体内部を映像化する超音波診断装置や
、部材内部の傷等を映像化する超音波探傷装置等の超音
波装置では、探触子１９を使用して電気信号／音波間の
変換を行う。通常、探触子１９は、ｎ個の微小超音波振
動子をアレイ状に並べて構成され、そのうち連続するｍ
（＜ｎ）個の超音波振動子を同時選択して発信・受信を
行い、この同時選択するｍ個の超音波振動子を１個づつ
ずらすことで走査を行い、受信した超音波信号による映
像化を図る。

振動子を選択する場合、先ず最初に、振動子選択回路２
０で１〜ｍまでのｍ個の振動子を選択して超音波の送受
信を行い、次に、２〜ｍ＋１までのｍ個の振動子を選択
して送受信を行い、以下類に１振動子づつずらしてｍ個
の振動子を同時に選択し送受信を行うものである。この
ため、ｎ本の信号線１（ｉ）　（ｉ　：　１〜ｎ）から
ｍ本の出力信号線２（ｊ）　（ｊ　：　１〜ｍ）を取り
出す様になっている。

一方、超音波ビームを電子的に集束・偏向させるための
ビーム制御回路４０は、ｍ個の各振動子対応に設けられ
た遅延量の異なる遅延回路４１と各遅延回路４１の出力
を加算して図示しない増幅器に出力する加算回路４２と
を備えている。例えば選択したｍ個の振動子のうち、端
にある振動子と真ん中にある振動子とは、被検体の超音
波反射源までの距離が異なり、この距離の差に対応する
超音波遅延量に応じた遅延を与えるため、受信時には各
振動子の出力信号を距離の差に対応する遅延回路４１に
入力させる必要がある。ｎ個の振動子のうちｍ個の振動
子を順次走査していく関係上、各遅延回路４１に接続す
る振動子を順次変えていく必要があり、このため、前記
出力信号２（ｊ）とビーム制御回路４０との間にマトリ
クス回路１１を設けている。

最初に１〜ｍの振動子を選択した場合には、ｍ本の信号
線２（ｊ）はそのままの順番でビーム制御回路４０に入
力すればよい。このため、第９図のマトリクス回路１１
の○印の交点のスイッチを閉じ、信号線２（ｊ）の信号
を信号線３（ｊ）に伝達させる。

次に、２〜ｍ　＋　１の振動子を選択した場合、Δ印の
スイッチを閉じ１選択された各振動子に接続する遅延回
路も変える。以下、同様にして、選択する振動子を順次
走査する毎に、マトリクス回路１１における信号線２（
ｊ）と３（ｊ）を接続するスイッチもずらしていく。

この従来のクトリクス回路１１は、ｍ　Ｘ　ｍのクロス
ポイントスイッチであり、各信号線には、選択した振動
子の数ｍと同数のスイッチが接続されることになる。従
って、各信号線には、スイッチｍ個分の入力容量または
出力容量等の寄生容量がつながることになる。この寄生
容量は、回路の高周波帯域の目安である一３ｄＢ低下周
波数ｆＨと次式（１）の関係がある。

ｆＨ＝　１　／（２πＲＣ）　　　　　　　・・・・・
・（１）この第（１）式で、Ｒは信号線につながる回路
のインピーダンスであり、高周波では通常他の回路との
接続に同軸ケーブルを用いることを考えて通常は５０Ω
に設定される。Ｃは信号線につながるスイッチの寄生容
量の和である。この式（１）で示されるように、Ｃが大
きくなると回路の高周波での帯域を低下させるという影
響があり、特に同時選択振動子数ｍが多くなると、その
容量Ｃも大きくなり、帯域低下が大問題となってくる。

ところで、超音波診断装置等の分解能を向上させる場合
、超音波周波数の高周波化を行う必要がある。従って、
特にアナログ信号を扱う受信系の回路を広体域化しなけ
ればならない。しかし、マトリクス回路の前記寄生容量
Ｃが、この広帯域化の障害になる。

寄生容量Ｃを減らすにはスイッチの数を減らせばよい。

このため、特公昭６２−１８０１９号公報記載の従来技
術では、マトリクス回路を多段階にして。

スイッチの数を減らす工夫をしている。第１０図は、特
公昭６２−１８０１９号公報記載の従来技術に基づく改
良型のマトリクス回路であり、マトリクス回路を、第１
マトリクス回路１２（１）と第２マトリクス回路１２（
２）の２段階とすることで、スイッチの数を減らしてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕第１１図は、この上記技術における同時選択振動子数ｍ
とスイッチの数との関係を示したものである。

第１１図から明らかなように、特公昭６２−１８０１９
号公報に示された方法を用いれば、従来に比べてスイッ
チの数を減らすことができる。しかし、同時選択振動子
の数ｍを増やすと、これに伴ってスイッチの数が増えて
しまうことには変わりなく、寄生容量も大きくなってし
まう。従って、受信系の広帯域化を図る上で、この従来
技術は根本的な解決策を与えるものではない。

帯域低下を回避するためには、第（１）式における容量
Ｃが大きくなった分だけインピーダンスＲを小さくし、
ＲＣの積が大きくならないようにすればよい。しかし、
インピーダンスＲを小さくするために、例えば信号線に
つながる回路のインピーダンスを５０Ωから１０Ωと小
さくし、他の回路との接続にも同じ１０Ωのインピーダ
ンスの同軸ケーブルを用いると、同じ電圧振幅を得るた
めに多大な電流を流さなければならないという新たな問
題が生じてしまう。この例では、インピーダンスが５０
Ωの場合の５倍の電流を流す必要が生じ、信号線を駆動
する増幅器として出力電流の大きいものが必要となり、
消費電流の増大と発熱量の増大を招いてしまう。

本発明の目的は、寄生容量による悪影響を受けることの
ない高分解能を有する超音波装置を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、超音波装置で用いるマトリクス回路の信号
線にインダクタの機能を持たせ、このインダクタとスイ
ッチの容量とでＬＣ遅延線を構成させることで、達成さ
れる。

〔作　用〕

従来技術において、マトリクス回路の容量Ｃが大きくな
るのは、各スイッチの容量が加算されるのが原因である
。しかし１本発明では、各スイッチの容量はインダクタ
で分離されて加算されることがない。従って、スイッチ
数が増えても回路の寄生容量Ｃがそれに伴って増大して
しまうということはなく、回路特性が高周波領域で低下
することがない。このため、高分解能を達成するために
高周波超音波の使用が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第８図を参照して説
明する。

本発明の具体的実施例を説明する前に１本発明の原理と
その効果を説明する。

第４図（ａ）は、従来のマトリクス回路における一本の
信号線の等価回路であり、選択される振動子の数と同数
のｍ個のキャパシタＣｉ（交差する信号線間のスイッチ
の寄生容量に相当する。）が並列に接続され、全体とし
てＣ＝　Ｃｉ　Ｘ　ｍの容量となる。一方、第４図（ｂ
）は１本発明の一例に係るマトリクス回路の一本の信号
線の等価回路である。この例では、各スイッチ（容量Ｃ
ｄで表しである。）間を夫々微小なインダクタＬで接続
しである。つまり、インダクタＬと容量ＣでＬＣ遅延線
が構成されている。今、この第４図に示す従来例と本発
明実施例の周波数帯域を考えてみる。

第４図（ａ）の従来例における周波数帯域は、信号線駆
動回路６０（アンプ）の出力抵抗Ｒと、信号線につなが
る寄生容量Ｃとで構成されるＲＣ回路の、−３ｄＢ低下
高域周波数ｆ）ｌで評価される。そのｆＨは次式（２）
で計算される。

Ｒ：出力抵抗、Ｃｉ：スイッチの寄生容量前述した様に
、周波数ｆＨは同時選択振動子数ｍが多くなると、それ
に反比例して低くなってくる。

一方、第４図（ｂ）の本発明実施例では、周波数帯域は
ＬＣ遅延線の遮断周波数ｆｃで評価される。

そのｆｃは次式（３）で計算される。

ｆｃ＝１／（π４［でｄ）　　　　　　　−・・−（３
）Ｌ：インダクタＣｄ：スイッチ回路の容量ここで、Ｌ、Ｃｄの具体的な値としては、このＬＣ遅延
線のインピーダンス（■フヘ汀）が信号線駆動回路（ア
ンプ）の出力抵抗Ｒと整合するように組合せを決める。

インピーダンス整合を取るのは、ＬＣ遅延線の終端で信
号の反射を生じさせないためであり、高周波信号を扱う
場合通常的に取る措置である。なお、容量Ｃｄは、スイ
ッチ回路の寄生容量だけでなく、コンデンサが併用され
ることもある。この第（３）式から、遮断周波数ｆｃは
遅延線の長さに依存しないという事実が分かる。遮断周
波数ｆｃが遅延線の長さに依存しないということは、同
時選択振動子数ｍを増やしＬＣ遅延線を長くしても、高
周波での周波数帯域が低下しないことを意味する。

周波数特性の概略は、第５図に示すようになる。

従来例では、周波数が高くなってくると周波数ｆＨから
伝達率が徐々に低下していく特性となり、しかも同時選
択振動数ｍが大きくなるほど周波数ｆＨが低くなる。こ
れに対し、本発明実施例では。

遮断周波数ｆｃ付近まで伝達率が変わらず、遮断周波数
ｆｃに近づいたところで急激に低下する特性となる。し
かも、同時選択振動子数ｍと無関係である。従って、周
波数ｆｌ＋が周波数ｆｃ以下となるような構成の場合に
は１本発明の方が従来例より周波数帯域が広くなること
は明らかである。同時選択振動子数ｍが大きい場合のほ
とんどはｆＨ≦ｆｃとなり、本方式によるマトリクス回
路の方が広帯域となる。

次に、本発明の具体的実施例を第１図を用いて説明する
。第１図に示す電子走査回路で使われているマトリクス
回路１０では、各信号線２（１）〜２（ｍ）および信号
線３（１）〜３（ｍ）を、微小インダクタ１０１を直列
に接続し構成しである。そして、信号線２と信号線３の
交点（この交点は夫々の信号線においてインダクタ１０
１の中間点となっている。）において、両信号線は高入
出力インピーダンスを有するスイッチ回路１０２で接続
されている６つまり、信号線２にはスイッチ回路１０２
の入力端子が接続され、信号線３にはスイッチ回路１０
２の出力端子が接続される。このスイッチ回路１０２と
しては、各種のスイッチ回路及びこれと等価な動作をす
るものが使用可能である。例えば、スイッチ回路１０２
　（第２図（ａ））として第２図（ｂ）、　（Ｃ）。

（ｄ）に示す各種スイッチ回路が使用可能である。

第２図（ｂ）のスイッチ回路は、シングルゲートのバイ
アスＶＢを変えて利得を変化させるものである。同図（
ｃ）のスイッチ回路は、デュアルゲートＦＦＴの第２ゲ
ートのバイアスＶＢを変えて利得を変化させるものであ
る。また同図（ｄ）のスイッチ回路は、ダイオード８の
高周波抵抗をバイアスＶＢで変えられることを利用した
回路である。

なお、第２図に示す各種スイッチ回路の入力／出力には
、容量Ｃ１，Ｃ２が接続されているが、入力にいれた容
量用Ｃ１は、ＦＥＴの入力容量Ｃｉと共に、信号線２（
１）〜２　（＋＋＋）のインダクタと組み合わされてＬ
Ｃ遅延線を構成するために使われる。同様に、出力に入
れた容量Ｃ２は、ＦＥＴの出力容量ＣＯと共に、信号線
３（１）〜３（鵬）のインダクタと組み合わされてＬＣ
遅延線を構成するために使われる。

次に、第１図に示す実施例に係るマトリクス回路の周波
数帯域を従来例と比べてみる０本実施例マトリクス回路
１０の周波数帯域は、前述した様にＬＣ遅延線の遮断周
波数ｆｃで評価される。インダクタや容量の具体的な数
値として、本実施例では、インダクタ　　　　　　Ｌ＝０．０５μＨ。

コンデンサの容量　　Ｃ１＝０２＝１５ｐＦＦＥＴの寄
生容量　　Ｃ１−Ｇｏ＝５ｐＦとする。これに対し従来
例における最適な数値としてスイッチの寄生容量　Ｃ１＝Ｇｏ＝５ｐＦインピーダン
ス　　　Ｒ＝５０Ω とした場合を比較して見る。上記数値例における本実施
例の遮断周波数ｆｃと従来例の一３ｄＢ低下周波数ｆＨ
とを算出した結果が第３図である。尚、本実施例におけ
るマトリクス回路の遅延線のインピーダンスは、高周波
回路での一般的な値である５０Ωとしである。即ち、 ■＝７賃宵１賢「汀＝　５Ｏ −Ｅ７ひヌ璽賢：ｏ）　　＝　　５０第３図を見て分かる様に、遮断周波数ｆｃは、同時選択
振動子数ｍに無関係に３１８　Ｍ　Ｈｚとなるが、改良
型従来例（特公昭６２−１８０１９）の−３ｄＢ低下周
波数ｆＨは同時選択振動子数ｍがＩｔ　８　ＩＩの場合
でも２６５ＭＨｚであり、同時選択振動子数ｍがｉｔ　
３２　Ｑでは１５９ＭＨｚになってしまう、つまり１本
実施例のマトリクス回路１０は、スイッチ回路１０２の
入力や出力にコンデンサ容量を追加しているにもかかわ
らず、従来例より広帯域となっている。

以上に説明したように、本実施例のマトリクス回路を超
音波装置に用いることで、容量による周波数帯域の低下
が無くなり、超音波周波数を高周波化して高分解能化を
図ることができる。尚、本実施例のマトリクス回路１０
では、信号の経路によって各信号線における信号の伝播
遅延時間に差がでるが、これは、ビーム制御回路４０の
遅延回路４１で補正を行えば良いので問題はない。具体
的には、遅延回路４１を可変遅延回路とし、マトリクス
回路１０の切り換え状況に応じて生じる伝播遅延時間の
差を補正する。

上記実施例は、−本の信号線につながるスイッチ回路間
を全てインダクタで分離した構成である。

しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、第６
図に示す様に、幾つかのスイッチ回路でグル−プを作り
、グループ間をインダクタ１０１′で分離する構成でも
、上記実施例と同じ効果を得ることができる。この第６
図に示す実施例では、一つのスイッチ回路グループ１２
２をＩＣ化してしまうことによって、マトリクス回路１
０′を小型化できるという効果がある。また、このとき
、後述するバイアス回路も一緒にＩＣ化し、小型化と共
に高性能化を図ることも可能である。

次に、マトリクス回路の高入出力インピーダンススイッ
チ回路１０２のバイアスを微調整して、伝達率のばらつ
きを補償するスイッチ駆動回路の実施例を、第７図と第
８図を用いて説明する。マトリクス回路に伝達率のばら
つきがあると、超音波診断装置等で診断結果を映像化し
たとき映像むらが生じ、誤診断の原因となる。従って、
ばらつきの低減は重要課題である。第７図は、第２図（
ｂ）や同図（ｃ）に示したＦＥＴのゲートに加えるバイ
アス電圧ＶＢと伝達率（順方向コンダクダンス）との関
係を表した図である。バイアス電圧がｖｔｈ以下のＶｏ
ｆｆでは伝達率が１１０　ＩＴであり、スイッチｏｆｆ
の状態に対応する。バイアス電圧がｖｔｈ以上になると
伝達率が徐々に大きくなり、これはスイッチｏｎの状態
に対応する。このように、バイアス電圧を変えることで
伝達率を変えることができ。

スイッチと等価な動作をＦＥＴにさせることができる。

このバイアス電圧を変えるための回路としては、第８図
に示すような構成のバイアス回路３１が使える。このバ
イアス回路３１はスイッチ回路１０２対応に設けられ、
スイッチ制御回路３０の指令にしたがってスイッチ３２
をｏｎ−ｏｆｆＬ、バイアス電圧ＶＢスを変えて第１図
のマトリクス回路１０内の対応するスイッチ回路１０２
に印加する。このバイアス電圧ＶＢは、バイアス回路３
１の抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で電圧Ｖｃｃ−Ｖｏｆｆを分圧
して得られる。スイッチ３２がＯｎの場合は、であり、ＶＢ＞Ｖｔｈとなるように抵抗Ｒ１または抵抗
Ｒ２の値を決めることでスイッチ回路１０２をＯｎにで
きる。また、スイッチ３２がｏｆｆの場合は、ＶＢ＝Ｖ
ｏｆｆ＜Ｖｔｈ　　　　　　　・”””（５）であり、
スイッチ回路１０２を。ｆｆにできる。ここで、第８図
より明らかなように、ＶＢ＞Ｖｔｈではバイアス電圧を
変化させることによって伝達率を変えることができる。

また、第（４）式から、抵抗Ｒ１または抵抗Ｒ２の値を
変えることで、バイアス電圧ＶＢが変わることが分かる
。そこで、マトリクス回路１０のスイッチ回路１０２に
対応するバイアス回路の抵抗Ｒ１，Ｒ２の値を微調整（
前述した様にこのバイアス回路３１をＩＣ化した場合、
この抵抗Ｒ１，Ｒ２の調整は、例えばトリミングで行な
うことになる。）してやる構成とすることによって。

各スイッチ回路１０２毎の伝達率のばらつきを補償する
ことができる。これにより超音波診断装置等での映像に
むらがなくなり、誤診断の原因がなくなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、容量の悪影響を排除できるので、超音
波装置の高周波化つまり高分解能化を図ることが可能と
なり、また、マトリクス回路の伝達率のばらつきを補償
できるので、画像ムラの無い良好な受信画像を得ること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る超音波装置に用いる
電子走査回路の全体構成図、第２図（ａ）。（ｂ）、　（ｃ）、（ｄ）は第１図に示すマトリクス回
路に用いるスイッチ回路の各種構成図、第３図は第１図
に示す実施例と従来例との周波数帯域の比較説明図、第
４図（ａ）、　（ｂ）は夫々従来例と第１図に示す実施
例の信号線１本の等価回路図、第５図は第１図に示す実
施例と従来例との周波数特性比較図、第６図は本発明の
第２実施例に係る超音波装置に用いるマトリクス回路の
構成図、第７図はスイッチ回路に用いるＦＥＴの伝達率
とバイアス電圧との関係を示すグラフ、第８図はバイア
ス回路の−構成図、第９図は従来の電子走査回路の構成
図、第１０図は改良型従来例に係るマトリクス回路の構
成図、第１１図は従来例における同時選択振動子数とス
イッチ数の関係説明図である。１（ｉ）・・・振動子信号線、２（ｊ）・・・マトリク
ス入力信号線（振動子出力信号線）、３（ｊ）・・・マ
トリクス出力信号線、１０．１０’・・・マトリクス回
路、１９・・・探触子、２０・・・振動子選択回路、３
０・・・スイッチ制御回路、３】・・・バイアス回路、
４０・・・ビーム制御回路、４１・・遅延回路、４２・
・・加算回路、１０１．１０１’・・・インダクタ、１
０２・・・スイッチ回路、１０３・・・終端抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】１、アレイ状に配列したｎ（≧２）個の振動子と、これ
ら振動子の中から選択したｍ（＜ｎ）個の振動子の送受
信信号に遅延を与えるビーム制御回路と、前記ｍ個の振
動子と前記ビーム制御回路との間を接続する複数のクロ
スポイントスイッチとを備える電子走査式超音波装置に
おいて、前記クロスポイントスイッチを高入出力インピ
ーダンスを有するスイッチで構成すると共に、各スイッ
チ間をインダクタで接続する構成としたことを特徴とす
る電子走査式超音波装置。２、アレイ状に配列したｎ（≧２）個の振動子と、これ
ら振動子の中から選択したｍ（＜ｎ）個の振動子の送受
信信号に遅延を与えるビーム制御回路と、前記ｍ個の振
動子と前記ビーム制御回路との間を接続する複数のクロ
スポイントスイッチとを備える電子走査式超音波装置に
おいて、前記複数のクロスポイントスイッチを複数のグ
ループに分けると共に、各グループ間の接続線をインダ
クタとしたことを特徴とする電子走査式超音波装置。３、アレイ状に配列したｎ（≧２）個の振動子と、これ
ら振動子の中から選択したｍ（＜ｎ）個の振動子の送受
信信号に遅延を与えるビーム制御回路と、前記ｍ個の振
動子と前記ビーム制御回路との間に設けられこれらを接
続するマトリクス回路とを備える電子走査式超音波装置
おいて、前記マトリクス回路をＬＣ遅延線で構成したこ
とを特徴とする電子走査式超音波装置。４、請求項３において、マトリクス回路の、振動子に接
続される信号線とビーム制御回路に接続される信号線と
を接続するスイッチを、高入出力インピーダンススイッ
チとしたことを特徴とする電子走査式超音波装置。５、請求項４記載の電子走査式超音波装置であって、前
記高入出力インピーダンススイッチを、振動子に接続さ
れる信号線とビーム制御回路に接続される信号線との間
の信号伝達率を調節可能なスイッチとしたことを特徴と
する電子走査式超音波装置。６、請求項４記載の電子走査式超音波装置であって、高
入出力インピーダンススイッチを半導体スイッチ回路で
構成し、該半導体スイッチ回路のバイアス電圧を調節す
るバイアス回路を設けたことを特徴とする電子走査式超
音波装置。７、アレイ状に配列したｎ（≧２）個の振動子と、これ
ら振動子の中から選択したｍ（＜ｎ）個の振動子の送受
信信号に遅延を与えるビーム制御回路との間に設けられ
、前記ｍ個の振動子に接続される信号線と前記ビーム制
御回路に接続される信号線とを選択的に接続するクロス
ポイントスイッチを有するマトリクス回路において、各
クロスポイントスイッチ間をインダクタで接続する構成
としたことを特徴とするマトリクス回路。８、アレイ状に配列したｎ（≧２）個の振動子と、これ
ら振動子の中から選択したｍ（＜ｎ）個の振動子の送受
信信号に遅延を与えるビーム制御回路との間に設けられ
、前記ｍ個の振動子に接続される信号線と前記ビーム制
御回路に接続される信号線とを選択的に接続するクロス
ポイントスイッチを有するマトリクス回路において、各
クロスポイントスイッチを複数のグループに分けると共
に、各グループ間を接続する接続線をインダクタとした
ことを特徴とするマトリクス回路。９、請求項７または請求項８において、各クロスポイン
トスイッチを半導体スイッチ回路で構成すると共に、各
半導体スイッチ回路のバイアス電圧を調整するバイアス
回路を備えることを特徴とするマトリクス回路。１０、請求項８記載のマトリクス回路におけるグループ
化したクロスポイントスイッチを半導体集積回路化した
ことを特徴とする電子走査式超音波装置用の半導体チッ
プ。１１、請求項１０における半導体チップは、請求項９記
載のバイアス回路も同一チップ上に搭載したものである
ことを特徴とする半導体チップ。