JPH0774608A - スイッチ回路とそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高電圧の高周波信号の切換速度を高速化する
アナログスイッチのスイッチ回路を得る。 【構成】 電界効果トランジスタ７ａ、７ｂをオン状態
にする発光ダイオード８の電流を、初期一定時一定状態
に保ち、一定時後オン状態に維持するための各スイッチ
ング素子１５、１６と上記動作のためのアナログスイッ
チ駆動回路１４_1〜mを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波診断装置におけ
る、振動子素子と送波パルス発生器および受信器との接
続切換用のスイッチ回路と、これを用いた超音波診断装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の知用音波診断装置は、図３に示す
ように、それぞれ幅が狭い複数の振動子素子１₁、１₂、
……１_mを吸音材の上に隣接して配列し超音波を送受波
する探触子２と、該探触子２内の上記各振動子素子１₁
〜１_nに所定の遅延時間を与えて、超音波打ち出しの駆
動パルスを印加するｎ個の送波パルス発生器３₁、３₂、
……３_nと、縦形二重拡散電界効果トランジスタ（以
下、ＶＤＭＯＳ ＦＥＴと略称する）を逆直列接続して
なる高耐圧アナログスイッチ４₁、４₂、……４_n、……
４_mを用い、上記探触子２の振動子素子１₁〜１_mと送波
パルス発生器３₁、３_２、……３_ｎおよび受信器５₁、５
₂、……５_nとの接続切換えを行う。これら多数の高耐圧
アナログスイッチが切換スイッチ群６を形成している。

【０００３】ここで用いられている高耐圧アナログスイ
ッチは、図３の４として破線で囲んだ４₁に示すよう
に、２つの電界効果ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳＦＥ
Ｔ）７ａおよび７ｂのゲートとドレイン間の電位を、発
光ダイオード８と光起電ダイオードアレイ９とによる光
結合回路（ホトカプラ）１０により供給するようにした
ものである。上記縦形のＭＯＳＦＥＴ７ａ、７ｂは、そ
れぞれ寄生ダイオード１２ａ、１２ｂがあるので、交流
のスイッチとして用いるために、図示のように２つのダ
イオードが逆直列接続されている。このような構成のス
イッチ回路を用いることにより、制御信号が入力端子に
印加されると、発光ダイオード８が発光し、この光が光
起電ダイオードアレイ９に入射して光起電電流を発生
し、ＭＯＳＦＥＴ７ａおよび７ｂのゲート容量を充電す
る。この充電によりゲート電圧が上昇し、上記ＭＯＳＦ
ＥＴ７ａおよび７ｂをオンさせる。つぎに、上記入力端
子から制御信号が除かれると、発光ダイオード８からの
発光が止まり、上記ＭＯＳＦＥＴ７ａおよび７ｂのゲー
トとソースの抵抗１１を介して、ゲートの電荷を放電さ
せ、上記ＭＯＳＦＥＴ７ａおよび７ｂをオフさせる。

【０００４】上記のように構成されたスイッチ回路を図
３に示す超音波診断装置の切換スイッチ６の高耐圧アナ
ログスイッチに適用すると、制御信号回路と探触子２の
振動子素子１₁〜１_mの回路は電気的に完全に分離され、
制御信号回路の接地電位変動が雑音となって、振動子素
子１₁〜１_mの回路に混入することがないので有効であ
る。また、上記スイッチ回路を用いた場合には、振動子
素子１₁〜１_mの回路の電位の大きさがＭＯＳＦＥＴ７
ａ、７ｂをオン、オフさせるゲートとソース間に影響を
与えることがないため、上記ＭＯＳＦＥＴ７ａおよび７
ｂのオン抵抗がこの回路電位によって変ることがなく、
波形歪を発生しない特徴があり、超音波診断装置の性能
を向上させるために有効である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に示すよ
うな構成のアナログスイッチにおいては、これを閉じる
スイッチング時間が、光結合素子１０の光起電ダイオー
ドアレイ９の光起電電流によってＦＥＴのゲートを充電
し、ＦＥＴがオンする電位に達する時間で決まる。ここ
で上記ＦＥＴのゲート電位を急速に充電して立上げるた
めには、光結合素子１０の電流を大きくすればよい。図
４は使用された光結合素子ＴＬＰ１９０Ｂの発光ダイオ
ードにおける順電流Ｉ_Fと出力端の端子電圧との関係を
示したものである。ここで図３に示した抵抗１１に相当
する負荷抵抗Ｒ_SHが大きい程、端子電圧が大となってい
る。上記端子電圧値が大きいと、発光ダイオードの電流
をオフにしてＦＥＴを開く動作時に、ＦＥＴのゲートに
蓄積した電荷を放電するのが遅くなり、ＦＥＴがオフす
る速度は低下するので、余り大きな値がとれず適切な値
にしてある。

【０００６】高耐圧アナログスイッチを高速に閉じるた
め、上記光結合素子の駆動電流を大きくすることは効果
があるが、素子の消費電力が増加する。特に上記スイッ
チを多数用いる超音波診断装置では、特に問題になる。
このような問題に対して、図５に示した回路によって光
結合素子１０を駆動する方法が提案されている（エレク
トロニクス・エンジニアリング（Electronics Engineer
ing）１９８６年２月号８４頁）。上記回路は光結合素
子の発光ダイオードを信号電圧Ｅにより、抵抗値がＲ₁
およびＲ₂である抵抗１１′および１３′を介して駆動
している。上記抵抗１１′には並列にコンデンサ１２′
が接続してあるため、Ｉ_S＝Ｅ／（Ｒ₁＋Ｒ₂）の定常電
流が流れるが、矩形波電圧Ｅが印加された直後に、上記
コンデンサ１２′への急峻な充電電流により、瞬時にｉ
_p＝Ｒ／Ｒ₁の大電流が流れるようになっている。ここで
ダイオード１４′はコンデンサ１２′の放電電流のバイ
パス回路で、光結合素子の発光ダイオード端子間電圧の
極性が反転しない作用を行うものである。

【０００７】図６には上記図５に示した光結合素子１０
の発光ダイオードの駆動回路における典型的なダイオー
ド電流の波形を示す。光結合素子１０に電圧印加した直
後は、Ｅ／Ｒ₁の大電流が瞬時流れる。したがって、上
記駆動回路を用いた光ＭＯＳＦＥＴスイッチ回路では、
ＦＥＴのゲートが瞬時に光起電電流により充電され、そ
の後はゲートを一定に保つだけの保持電流が供給される
ことになり、スイッチを高速でオンすることができ、か
つ駆動電力の効率がよくなる。しかし上記駆動回路で
は、発光ダイオードを駆動した直後から、直ちに上記電
流が急激に低下するため、電流の波高値を大きくする割
にはその効果が小さい。抵抗１３′の値を小さくして波
高値を大きくすることは、発光ダイオードの電流耐量か
ら制御がある。また、上記電流を大きくすることは、接
地電位の上昇などにより、周辺の回路に雑音をおよぼす
ため望ましくない。上記のような問題点を解決するため
には、図７に示したような波形の電流が流れるように、
光結合素子の発光ダイオードを駆動する。

【０００８】すなわち、光ＭＯＳＦＥＴスイッチのＦＥ
Ｔゲートを充電して、上記ＦＥＴをオン状態にするのに
十分な電圧を得るために、必要な電荷Ｑ₀に達する時間
をｔ₀とすると、ＦＥＴのゲートの充電電流ｉと上記電
荷Ｑ₀との間には次式が成立する。

【０００９】

【数１】

【００１０】光結合素子の発光ダイオードの電流とＦＥ
Ｔのゲートの充電電流とが比例するものとすれば、上記
発光ダイオードの電流ピーク値ｉ_pを同じにすれば、図
６に示す波形の電流になるように発光ダイオードを駆動
して、ＦＥＴがオン状態になる時間ｔ₁と、図７に示す
波形の電流になるように発光ダイオードを駆動して、Ｆ
ＥＴがオン状態になる時間ｔ₂とを比較すると、上記式
における電荷Ｑ₀は図６および図７に示した面積Ｓ₁およ
びＳ₂に相当する。上記面積Ｓ₁とＳ₂とは当然Ｓ₁＝Ｓ₂
であるからｔ₂＜ｔ₁となり、図７に示すような波形の電
流とするように、発光ダイオードを駆動する方がより速
くＦＥＴをオン状態にすることができる。

【００１１】本発明は、振動子素子と送波パルスの発生
器と受信器の切換用光ＭＯＳスイッチの、切換速度を高
速化するスイッチ回路を得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、電界効果ト
ランジスタのゲート電圧を、発光ダイオードと光起電素
子とからなる光結合素子により与えて、アナログスイッ
チを動作させるスイッチ回路において、上記電界効果ト
ランジスタをオン状態にするための発光ダイオードの電
流を、初期の一定期間一定状態に保つスイッチング素子
と、上記一定期間後に上記電界効果トランシズタをオン
状態に維持するゲート電圧を与えるのに必要な、大きさ
の電流を流入させるスイッチング素子と、上記動作シー
ケンスを付与する機能素子とを有することにより達成さ
れる。

【００１３】すなわち、上記スイッチ回路は、ＦＥＴの
ゲートとドレイン間の電位を、発光ダイオードと光起電
ダイオードアレイによる光結合素子によって供給すると
ともに、上記発光ダイオードを切換スイッチで高速にオ
フ状態からオン状態にするために、上記発光ダイオード
の駆動電流を複数のスイッチによって初期に一定の大電
流で駆動し、切換スイッチのＦＥＴがオン状態になる
と、その状態を保持するのに必要な小さい電流で駆動す
るようにする。

【００１４】また、上記スイッチ回路を用いて、複数の
振動子素子が配列され超音波を送受波する探触子と、上
記探触子内の各振動子素子に所定の遅延時間を与えて超
音波打ち出しの駆動パルスを印加する送波パルス発生器
と、高耐圧アナログスイッチにより、上記探触子の振動
子素子と送波パルス発生器との切換えを行い、従来より
小さい電力で高速の切換操作が行える小型の超音波診断
装置を得る。

【００１５】

【作用】本発明によるスイッチ回路を用いた超音波診断
装置は、複数の振動子素子を配列し超音波を送受波する
探触子と、上記各振動子素子に所定遅延時間を与えて超
音波を打ち出すパルスを印加する送波パルス発生器と
を、高耐圧アナログスイッチで切換えるが、ＦＥＴから
なる上記アナログスイッチを光結合素子で制御する回路
では、上記アナログスイッチをオフ状態からオン状態に
するとき、光結合素子の発光ダイオードを初期に一定大
電流で駆動し、スイッチがオンになると一定の小電流で
駆動する回路を設け、小さい電力で高速に切換え可能な
動作を行う。

【００１６】上記発光ダイオードの駆動回路の原理を図
８に示す。発光ダイオード８と光起電ダイオードアレイ
９とからなる光結合素子１０において、上記発光ダイオ
ード８の一端には図示のように抵抗Ｒ₁、Ｒ₂とスイッチ
Ｓ₁、Ｓ₂とが接続され、発光ダイオード８の電流は電圧
がＥである電源から供給されるように構成されている。
ここでスイッチＳ₁およびＳ₂を閉じると、ｉ_p＝Ｅ／Ｒ₁
の大きさの電流が流れ、光結合素子１０に接続されたＦ
ＥＴを高速でオン状態にすることができる。その後、ス
イッチＳ₁だけを開くと発光ダイオード８はｉ_s＝Ｅ（Ｒ
₁＋Ｒ₂）の小電流を維持することができる。上記のよう
に複数のスイッチを設けた発光ダイオード８の駆動回路
によって上記のような効果を得ることができる。

【００１７】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明によるスイッチ回路を用いた超音波診
断装置要部の一実施例を示す回路図、図２は上記超音波
診断装置の全構成を示す図である。超音波診断装置は超
音波を利用して、被検体の診断部位の断層像を得るもの
であって、本発明によるスイッチ回路を用いた超音波診
断装置の要部は、図１に示すように、探触子２と送波パ
ルス発生器３₁、３₂、……３_nおよび受信器５₁、５₂、
……５_nと切換スイッチ部６とを有している。

【００１８】上記探触子２は被検体の診断部位に対して
超音波を送受波するものであって、例えば短冊状に形成
された複数の振動子素子１₁、１₂、……１_mが吸音材の
上に隣接して一列状に配置されている。送波パルス発生
器３₁〜３_nは、上記探触子２内の各振動子素子１₁〜１_m
から選択した振動子素子に所定の遅延時間に所定の遅延
時間を与えて、超音波打ち出しの駆動パルスを印加し、
受信器５₁〜５_nは被検体からのエコー信号を受信するも
ので、例えばそれぞれｎ個設けられている。切換スイッ
チ部６は、縦形のＭＯＳＦＥＴ１２_a、１２_bを逆直列接
続してなる高耐圧アナログスイッチ４₁、４₂、……４_m
を用い、上記探触子２の振動子素子１₁〜１_mと送波パル
ス発生器３₁〜３_nとの接続の切り換えを行い、例えば電
子リニア走査を行うように制御するものである。ここで
本発明においては、上記切換スイッチ部６として用いら
れる高耐圧アナログスイッチ４₁〜４_mは、符号４₁に対
して記した第１の高耐圧アナログスイッチの内部回路図
に示すように構成されている。また、本発明の特徴であ
る上記高耐圧アナログスイッチの駆動回路１４₁、１
４₂、……１４_mは、符号１４₁を付して示す上記内部回
路図４₁の駆動回路に示すような構成になっている。こ
こで用いている高耐圧アナログスイッチの内部構成は、
図３に示す従来回路と同じである。

【００１９】上記高耐圧アナログスイッチの駆動回路１
４₁、１４₂、……１４_mは、発光ダイオード８に接続し
た抵抗Ｒ₁、Ｒ₂と、これらの抵抗に流れる電流を制御す
るスイッチング素子としてのＦＥＴ１５、１６、および
モノスティブルマルチバイブレータ（以下ＭＭと略記す
る）１７によって構成される。ここで、電圧Ｅなる電源
にはコンデンサ１８を設けておくと、上記発光ダイオー
ド８に瞬時大電流が流れた時の電圧変動が抑制されて都
合がよい。上記駆動回路１４₁〜１４_mで閉じるべき回路
の信号入力の信号入力端子に信号が印加されると、上記
ＭＭ１７は信号の立上りでトリガされ、一定時間
（ｔ₃）パルス信号が出力されるようになっている。そ
のため、ＦＥＴ１５は導通し、抵抗Ｒ₁によって決まる
ｉ＝Ｅ／Ｒ₁なる大電流が時間ｔ₃まで流れ、その結果ア
ナログスイッチとなるＦＥＴ７ａおよび７ｂをオン状態
にする。ここで一定時間ｔ₃は上記ＦＥＴ７ａと７ｂが
オン状態に達するのに必要な時間に設計されている。一
方、図示のＩＮ端子に信号が印加されると、ＦＥＴ１５
も同時に導通するため、上記ＦＥＴ１５がオフ状態にな
ると発光ダイオード８の電流は、抵抗Ｒ₁とＲ₂とによっ
て定まる大きさの電流ｉ＝Ｅ／（Ｒ₁＋Ｒ₂）になる。こ
れはＦＥＴ７ａおよび７ｂをオン状態に維持するのに必
要な大きさであればよく、上記ＦＥＴをそれぞれオン状
態にしておくための電力を少なくするのに効果がある。

【００２０】本発明による高耐圧アナログスイッチを超
音波診断装置の切換スイッチとして用いた場合における
動作については、上記の通りであるが、本切換スイッチ
回路を使用した超音波診断装置全体の構成を図２に示
す。図２において、幅が狭い振動子素子１₁〜１_nを一列
状に配列した探触子２に対する、送波パルス発生器３か
らのパルスの送波と該送波パルスに基づくエコー信号の
受信は、本発明の高耐圧アナログスイッチからなる切換
スイッチ部６により選択切換えられる。上記切換スイッ
チにより選択切換えられたそれぞれの受信エコー信号
は、時間とともに利得が変化する増幅器１８を経たの
ち、各信号に対し超音波ビームの指向性が適切な特性に
なるように時間遅延を与える遅延回路１９を経て、加算
器２０により加算する機能を有する整相回路２１に導か
れる。上記整相回路２１の出力は検波器２２で検波さ
れ、表示装置２３に断層像などの診断情報として表示さ
れるが、上記した一連の動作は、図示の制御部２４によ
って制御される。

【００２１】

【発明の効果】上記のように本発明によるスイッチ回路
とそれを用いた超音波診断装置は、電界効果トランジス
タのゲート電圧を、発光ダイオードと光起電素子とから
なる光結合素子により与えて、アナログスイッチを動作
させるスイッチ回路において、上記電界効果トランジス
タをオン状態にするための発光ダイオードの電流を、初
期の一定期間一定状態に保つスイッチング素子と、上記
一定期間後に上記電界効果トランシズタをオン状態に維
持するゲート電圧を与えるのに必要な大きさの電流を流
入させるスイッチング素子と、上記動作シーケンスを付
与する機能素子とを有することにより、高耐圧アナログ
スイッチとして動作する電界効果トランジスタを光結合
回路で制御するとともに、上記光結合回路に用いられて
いる発光ダイオードを、複数のスイッチング素子とこれ
に接続された抵抗およびモノスティブルマルチバイブレ
ータを用いて、高耐圧アナログスイッチの制御信号印加
後の初期の一定時間一定の大電流を流し、その後、その
大きさを減じた一定の電流としてオン状態を維持するよ
うになっている。したがって、上記高耐圧アナログスイ
ッチ回路は、少ない消費電力で発光ダイオードをオフ状
態からオン状態に高速切換えすることができ、上記スイ
ッチを多数使用する超音波診断装置では、振動子素子と
送波パルス発生器およびエコー信号受信器との高速切換
が行えるにかかわらず、電力消費量が少なく、そのため
小型化され低コストで、高性能な超音波診断装置を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスイッチ回路を用いた超音波診断
装置要部の一実施例を示す回路図である。

【図２】上記超音波診断装置の全構成を示す図である。

【図３】従来の超音波診断装置の要部を示す図である。

【図４】切換スイッチ回路に用いられる光結合素子の特
性例を示す図である。

【図５】従来の切換スイッチの駆動回路を示す図であ
る。

【図６】従来の駆動回路の特性を説明する図である。

【図７】本発明の駆動回路の特性を説明する図である。

【図８】本発明によるスイッチ回路の原理を説明する図
である。

【符号の説明】

１₁、１₂、……１_m 振動子素子 ３₁、３₂、……３_n 送波パルス発生器 ４₁、４₂、……４_m アナログスイッチ ５₁、５₂、……５_n 受信器 ７ａ、７ｂ 電界効果トランジスタ ８ 発光ダイオード ９ 光起電素子 １０ 光結合素子 １４₁〜１４_m アナログスイッチの駆動回路 １５、１６ 発光ダイオードの電流を制御するスイッ
チング素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電界効果トランジスタのゲート電圧を、発
   光ダイオードと光起電素子とからなる光結合素子により
   与えて、アナログスイッチを動作させるスイッチ回路に
   おいて、上記電界効果トランジスタをオン状態にするた
   めの発光ダイオードの電流を、初期の一定期間一定状態
   に保つスイッチング素子と、上記一定期間後に上記電界
   効果トランシズタをオン状態に維持するゲート電圧を与
   えるのに必要な、大きさの電流を流入させるスイッチン
   グ素子と、上記動作シーケンスを付与する機能素子とを
   有することを特徴とするスイッチ回路。
2. 【請求項２】上記請求項１記載のスイッチ回路を用い
   て、振動子素子を送波パルス発生器または受信器に接続
   切換えする超音波診断装置。