(57)【要約】【課題】受信時に受信系回路と送信系回路とを切り離す技術として、双方向のダイオードに替わる改良技術を提供する。【解決手段】通過制御用のダイオード２０は、順方向の電流が流れる順方向期間に送信信号のマイナス電圧側の信号を通過させ、逆方向の電流が流れる逆方向期間に送信信号のプラス電圧側の信号を通過させる。電流調整用のダイオード３０は、通過制御用のダイオード２０に流れる順方向の電流よりも逆方向の電流が小さくなるように電流を調整する。これにより、通過制御用のダイオード２０を通過する送信信号のプラス電圧の波形とマイナス電圧の波形がほぼ対称となるように調整される。【選択図】図１
2010187754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受波する振動素子と、
振動素子へ送信信号を出力する送信回路と、
振動素子から受信信号を得る受信回路と、
送信回路から振動素子へ向かう送信信号を通過させ、振動素子から送信回路へ向かう受信信号の通過を阻止する通過制御用ダイオードと、
通過制御用ダイオードに流れる電流を調整する電流調整回路と、
を有し、
前記通過制御用ダイオードは、順方向の電流が流れる順方向期間に送信信号の一方の極性を通過させ、逆方向の電流が流れる逆方向期間に送信信号の他方の極性を通過させ、
前記電流調整回路は、前記通過制御用ダイオードに流れる順方向の電流よりも逆方向の電流が小さくなるように電流を調整し、
これにより、前記通過制御用ダイオードを通過する送信信号の一方の極性の波形と他方の極性の波形についての対称性が調整される、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記順方向期間と前記逆方向期間が互いに略等しい期間長に調整される、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記電流調整回路は、前記通過制御用ダイオードよりも短い逆回復時間の電流調整用ダイオードを備え、
前記電流調整用ダイオードは、前記逆方向期間において前記通過制御用ダイオードよりも先に逆回復してオフ状態となり、前記通過制御用ダイオードに流れる逆方向の電流を小さくする、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波診断装置において、
前記通過制御用ダイオードのカソード端子は前記送信回路側に接続され、
前記通過制御用ダイオードのアノード端子は前記振動素子側に接続され、
前記電流調整用ダイオードのカソード端子は前記通過制御用ダイオードのアノード端子側に接続され、
前記電流調整用ダイオードのアノード端子は負荷調整抵抗に接続される、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に超音波診断装置の送受信系の回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、一般に、振動素子へ送信信号を出力する送信回路と振動素子から受信信号を得る受信回路を備えている。送信回路と受信回路を互いに常に接続していると、送信回路の出力インピーダンスが低いため、送信回路が受信時における大きな電気的な負荷となり、受信感度の低下を招く恐れがある。そこで、受信時においては、受信系回路と送信系回路を電気的に切り離すことが望ましい。例えば、振動素子と送信回路の間に双方向のダイオードを挿入することにより、送信回路から振動素子へ向かう送信信号を通過させ、振動素子から送信回路へ向かう受信信号の通過を阻止する対策などが望ましい。
【０００３】
ちなみに、特許文献１には、送信信号から受信回路を保護するための送受分離保護回路に関する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、受信時に受信系回路から送信回路を切り離す手段として、例えば図４に示す回路が多用されてきた。図４において、送信回路１２は、振動素子１０へ送信信号を出力し、受信回路１４は、振動素子１０から受信信号を得る。図４の回路では、受信時において受信系回路と送信系回路を電気的に切り離すために、２つのダイオードＤ１，Ｄ２による双方向のダイオードが設けられている。また、図５は、図４の回路の動作の特徴を示す時間軸波形を模式的に描いたものである。図５に示す信号波形Ｔｓは、図４の送信回路１２の出力波形であり、図５に示す信号波形Ｔｅは、図４の振動素子１０に実際に加わる電気信号である。
【０００６】
ここで、信号波形Ｔｅのゼロボルト付近に着目すると、ちょうどゼロボルトをよぎるところで波形が大きく歪んでいる。これは、送信回路系を切り離すためのダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧降下により、信号波形Ｔｓ側と信号波形Ｔｅ側の間に電圧を伝達できない不感帯が生じるためである。つまり、順方向電圧降下をＶｆとすると、信号波形Ｔｓと信号波形Ｔｅの間の電圧差がＶｆ以内になったとき、両信号波形が切り離されてしまう。この切り離しにより、受信時に送信回路１２が受信回路系から切り離される利点があるものの、送信時に送信電圧が正確に伝達できなくなるという弊害があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、受信時に受信系回路と送信系回路とを切り離す技術として、双方向のダイオードに替わる改良技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の超音波診断装置は、超音波を送受波する振動素子と、振動素子へ送信信号を出力する送信回路と、振動素子から受信信号を得る受信回路と、送信回路から振動素子へ向かう送信信号を通過させ、振動素子から送信回路へ向かう受信信号の通過を阻止する通過制御用ダイオードと、通過制御用ダイオードに流れる電流を調整する電流調整回路と、を有し、前記通過制御用ダイオードは、順方向の電流が流れる順方向期間に送信信号の一方の極性を通過させ、逆方向の電流が流れる逆方向期間に送信信号の他方の極性を通過させ、前記電流調整回路は、前記通過制御用ダイオードに流れる順方向の電流よりも逆方向の電流が小さくなるように電流を調整し、これにより、前記通過制御用ダイオードを通過する送信信号の一方の極性の波形と他方の極性の波形についての対称性が調整される、ことを特徴とする。
【０００９】
望ましい態様において、前記順方向期間と前記逆方向期間が互いに略等しい期間長に調整される、ことを特徴とする。
【００１０】
望ましい態様において、前記電流調整回路は、前記通過制御用ダイオードよりも短い逆回復時間の電流調整用ダイオードを備え、前記電流調整用ダイオードは、前記逆方向期間において前記通過制御用ダイオードよりも先に逆回復してオフ状態となり、前記通過制御用ダイオードに流れる逆方向の電流を小さくする、ことを特徴とする。
【００１１】
望ましい態様において、前記通過制御用ダイオードのカソード端子は前記送信回路側に接続され、前記通過制御用ダイオードのアノード端子は前記振動素子側に接続され、前記電流調整用ダイオードのカソード端子は前記通過制御用ダイオードのアノード端子側に接続され、前記電流調整用ダイオードのアノード端子は負荷調整抵抗に接続される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、受信時に受信系回路と送信系回路とを切り離す技術として、双方向のダイオードに替わる改良技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の送受信系の回路を示す図である。
【図２】ダイオードの逆回復時間を説明するための図である。
【図３】振動素子に供給される送信信号を説明するための図である。
【図４】送受信系の回路の比較例を示す図である。
【図５】比較例において振動素子に供給される送信信号を説明するための図である。
【図６】送受信系の回路の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を説明するための図であり、図１には、その超音波診断装置の送受信系の回路が示されている。
【００１５】
振動素子１０は、超音波を送受波する素子である。超音波診断装置は、複数の振動素子１０を備えて超音波ビームを形成してもよい。複数の振動素子１０を備える場合には、例えば、各振動素子１０ごとに図１の送受信系の回路が設けられる。
【００１６】
送信回路１２は、振動素子１０へ送信信号を出力し、受信回路１４は、振動素子１０から受信信号を得る。送信回路１２の出力インピーダンスは非常に低いため、受信時においては、受信系回路と送信系回路を電気的に切り離すことが望ましい。そのため、本実施形態においては、通過制御用のダイオード２０が設けられている。
【００１７】
通過制御用のダイオード２０は、送信回路１２から振動素子１０へ向かう送信信号を通過させる。つまり、送信回路１２からコンデンサＣを介して出力された送信信号がダイオード２０を通過して振動素子１０へ供給される。一方、通過制御用のダイオード２０は、振動素子１０から送信回路１２へ向かう受信信号の通過を阻止する。つまり、振動素子１０から得られる微弱な受信信号がダイオード２０の順方向の電圧降下のためにダイオード２０を通過せず、受信時において送信回路１２が受信系回路から電気的に切り離される。
【００１８】
さらに、本実施形態においては、通過制御用のダイオード２０に流れる電流を調整するために、電流調整用のダイオード３０と負荷調整用の抵抗Ｒｃが設けられている。ダイオード３０と抵抗Ｒｃは、通過制御用のダイオード２０の逆回復時間を長くする（延長する）役割を担っている。
【００１９】
図２は、ダイオードの逆回復時間を説明するための図である。ダイオードＤと抵抗Ｒとによって構成された図２（Ａ）の回路の入力端子Ｔｉに対して、図２（Ｂ）に示す単位ステップ状の電圧を加えると、図２（Ａ）の回路の出力端子Ｔｏから、図２（Ｃ）に示す電圧が出力される。
【００２０】
半導体のＰＮ接合部を備えたダイオードＤに対して順方向の電圧を掛けると、つまり、図２（Ａ）の回路の入力端子Ｔｉに＋Ｖの電圧を加えると、ダイオードＤ内において電子はプラス電極側に引き寄せられてホールはマイナス電極側に引き寄せられ、順方向に電流が流れる。順方向の電圧を掛けた状態から、次に逆方向の電圧を掛けると、つまり、図２（Ａ）の回路の入力端子Ｔｉに−Ｖの電圧を加えると、ダイオードＤ内において電子とホールが順方向とは反対の逆方向に動き出す。このように、順方向から急に逆方向に電圧が加えられると、電子とホールはその場で止まるのでなく、電極に引き寄せられて逆方向に移動してから停止する。この逆方向に移動する間に逆方向電流が流れる。
【００２１】
この現象を回路とタイムチャートで示したものが図２である。つまり、入力端子Ｔｉに対して＋Ｖの電圧が加えられている期間においては、ダイオードＤ内に順方向の電流が流れ、出力端子Ｔｏから＋Ｖの電圧が出力される。なお、ダイオードＤの順方向の電圧降下が無視できるほど＋Ｖが大きいと仮定する。
【００２２】
次に、入力端子Ｔｉに対して−Ｖの電圧が加えられると、上述した現象によりダイオードＤ内に一時的に逆方向電流が流れる。そのため、出力端子Ｔｏから−Ｖの電圧が一時的に出力される。そして、入力端子Ｔｉに対して−Ｖの電圧が継続的に加えられると、電子とホールが電極に引き寄せられてから停止するため、次第に逆方向電流が減少して出力端子Ｔｏの電圧が０Ｖ（ゼロボルト）に近づいてダイオードＤがオフ状態となる。
【００２３】
図２（Ｃ）において、出力端子Ｔｏの電圧が０Ｖをよぎった時刻（＋Ｖから−Ｖへ変化した時刻）から、マイナス電圧（−Ｖ）の９０パーセントだけ０Ｖに近づいた時刻までの時間が「逆回復時間」あるいは「リカバリータイム」と呼ばれる。逆回復時間が比較的短く高速なスイッチング回路などに利用されるダイオードは「ファーストリカバリーダイオード」と呼ばれ、逆回復時間が比較的長いダイオードは「ソフトリカバリーダイオード」と呼ばれる。
【００２４】
図１に戻り、本実施形態においては、通過制御用のダイオード２０としてソフトリカバリーダイオードを利用し、電流調整用のダイオード３０としてファーストリカバリーダイオードを利用する。
【００２５】
送信回路１２からコンデンサＣを介して送信信号のマイナス電圧が出力されると、通過制御用のダイオード２０には順方向の電圧が加えられ、振動素子１０と共に、負荷調整用の抵抗Ｒｃと受信回路１４の入力インピーダンスＲ０が負荷となった電流が流れる。つまり、ダイオード２０が順方向の場合には、順方向電流として、図１に示す電流Ｉ１と電流Ｉ２と電流Ｉ３が振動素子１０側から送信回路１２側へ向かって流れる。
【００２６】
一方、送信回路１２からコンデンサＣを介して送信信号のプラス電圧が出力されると、通過制御用のダイオード２０には逆方向の電圧が加えられ、また、電流調整用のダイオード３０にも逆方向の電圧が加えられる。そのため、ダイオード２０とダイオード３０内を一時的に逆方向電流が流れる。通過制御用のダイオード２０はソフトリカバリーダイオードであり、電流調整用のダイオード３０はファーストリカバリーダイオードである。従って、ダイオード３０は、ダイオード２０よりも先に逆回復してオフ状態となり、ダイオード２０からダイオード３０に向かって流れる電流が遮断される。つまり、送信回路１２から送信信号のプラス電圧が出力され、通過制御用のダイオード２０に逆方向の電圧が加えられると、ダイオード２０内の逆方向電流として、図１に示す電流Ｉ１と電流Ｉ２のみが送信回路１２側から振動素子１０側へ向かって流れる。
【００２７】
このように、電流調整用のダイオード３０と負荷調整用の抵抗Ｒｃとにより、通過制御用のダイオード２０を流れる電流が調整され、ダイオード２０が順方向の場合には、順方向電流として電流Ｉ１と電流Ｉ２と電流Ｉ３が流れ、ダイオード２０が逆方向の場合には、逆方向電流として電流Ｉ１と電流Ｉ２のみが流れる。
【００２８】
従って、通過制御用のダイオード２０が順方向時に比較的大きな電流によって蓄積された電子とホールは、通過制御用のダイオード２０が逆方向時に比較的小さな電流として逆方向に流れる。そのため、順方向時と同じ大きさの電流を逆方向時に流す場合に比べて、ダイオード２０の逆回復時間（図２（Ｃ）参照）を長くすることが可能になる。本実施形態においては、通過制御用のダイオード２０の逆回復時間を長くすることにより、振動素子１０に供給される送信信号のプラス電圧の波形とマイナス電圧の波形がほぼ対称となるように調整される。
【００２９】
図３は、本実施形態において振動素子に供給される送信信号を説明するための図である。図３に示す信号波形Ｔｓは、図１の送信回路１２から出力された直後の位置Ｔｓにおける送信信号の波形であり、図３に示す信号波形Ｔｅは、図１の振動素子１０に到達する直前の位置Ｔｅにおける送信信号の波形である。なお、既に図１に示した部分（構成）については、以下の説明において図１の符号を利用する。
【００３０】
送信回路１２は、順方向期間において、図３に示すとおりの送信信号のマイナス電圧側の信号を出力する。この順方向期間においては、通過制御用のダイオード２０が順方向であるため、信号波形Ｔｓとほぼ同形の信号波形Ｔｅが得られる。なお、信号波形Ｔｓと信号波形Ｔｅの電位差は、ダイオード２０の順方向電圧降下に対応している。
【００３１】
一方、送信回路１２は、逆方向期間において、図３に示すとおりの送信信号のプラス電圧側の信号を出力する。この逆方向期間においては、通過制御用のダイオード２０が逆方向であるため、先に説明したように一時的な逆方向電流が流れる。本実施形態では、通過制御用のダイオード２０の逆方向電流が流れる期間を長くしている。この逆方向電流が流れる期間を図３の逆方向期間と同程度または逆方向期間よりも長くすることにより、図３の逆方向期間内においてダイオード２０に逆方向電流が流れ、信号波形Ｔｓとほぼ同形の信号波形Ｔｅが得られる。
【００３２】
仮に電流調整用のダイオード３０と負荷調整用の抵抗Ｒｃが無いとすれば、通過制御用のダイオード２０には、順方向時および逆方向時ともに同じ大きさの電流（Ｉ１＋Ｉ２）が流れるため、本実施形態の場合と比較して、ダイオード２０の逆回復時間は短くなり、送信信号のプラス電圧の期間も短くなる。
【００３３】
こうして、本実施形態においては、順方向期間と逆方向期間が互いに略等しい期間長に調整され、振動素子１０に供給される送信信号のプラス電圧の波形とマイナス電圧の波形がほぼ対称となる。なお、対称性をより良好にするためには、逆回復時間内の最大電流期間（図２（Ｃ）における電圧が−Ｖの一定の期間）が、図３の逆方向期間と同程度または逆方向期間よりも長いことが望ましい。
【００３４】
また、本実施形態においては、送信信号出力後の受信信号を得る時刻には、通過制御用のダイオード２０の電子とホールの移動が終了している。つまり、通過制御用のダイオード２０の逆回復時間後に、ダイオード２０がオフ状態となった後に、振動素子１０から受信信号が得られる。電流調整用のダイオード３０は、ダイオード２０よりも先にオフ状態となっている。従って、振動素子１０から得られる受信信号は、受信回路１４へのみ出力され、振動素子１０から見た場合の電気的な負荷が受信回路１４内の受信用プリアンプの入力インピーダンスＲ０のみとなる。
【００３５】
図４は、本実施形態との比較例を説明するための図であり、図４には、図１の回路と比較される超音波診断装置の送受信系の回路が示されている。
【００３６】
図４において、送信回路１２は、振動素子１０へ送信信号を出力し、受信回路１４は、振動素子１０から受信信号を得る。図４の回路では、受信時において受信系回路と送信系回路を電気的に切り離すために、２つのダイオードＤ１，Ｄ２による双方向のダイオードが設けられている。
【００３７】
図５は、比較例において振動素子に供給される送信信号を説明するための図である。図５に示す信号波形Ｔｓは、図４の送信回路１２から出力された直後の位置Ｔｓにおける送信信号の波形であり、図５に示す信号波形Ｔｅは、図４の振動素子１０に到達する直前の位置Ｔｅにおける送信信号の波形である。なお、図４に示した部分（構成）については、以下の説明において図４の符号を利用する。
【００３８】
送信回路１２は、図５に示す信号波形Ｔｓの送信信号を出力する。送信信号がプラス電圧側の場合には、ダイオードＤ２が順方向となり、信号波形Ｔｓに対応した信号波形Ｔｅが得られる。また、送信信号がマイナス電圧側の場合には、ダイオードＤ１が順方向となり、信号波形Ｔｓに対応した信号波形Ｔｅが得られる。
【００３９】
但し、図４の比較例においては、２つのダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧降下のために、ダイオードＤ１，Ｄ２が共にオフ状態となる期間が存在する。そのため、図５に示す信号波形Ｔｅのように、０Ｖ（ゼロボルト）をよぎる際に０Ｖの近傍において波形が歪んでしまう。
【００４０】
これに対し、本実施形態においては、図３に示したように、歪みの小さい（望ましくは歪みの無い）信号波形Ｔｅを振動素子１０へ供給することができる。特に、超音波のＣＷモード（連続波モード）の場合には、ＰＷモード（パルス波モード）の場合に比べて、振幅の小さい送信信号を利用するため、本実施形態のような歪みの小さい回路が望ましい。
【００４１】
図６は、本実施形態の変形例を説明するための図であり、図６（Ａ）（Ｂ）には、振動素子が、受信専用振動１０Ｒと送信専用振動素子１０Ｔの送受信素子対を形成している場合における送受信系の回路が示されている。
【００４２】
図６（Ａ）の回路構成において、送信回路１２から出力される送信信号は、同軸ケーブル５０を通り、通過制御用のダイオード２０を経由して、送信用振動素子１０Ｔを励振する。図６（Ａ）の回路においても、通過制御用のダイオード２０の逆回復時間を長くするための電流調整用のダイオード３０と負荷調整用の抵抗Ｒｃが設けられており、図１から図３を利用して説明した動作原理により送信信号が転送される。また、図６（Ａ）の回路において、送信信号が出力されている期間は、ＳＷがＯＦＦとなっており受信用振動素子１０Ｒに送信信号は印加されない。
【００４３】
生体内からの反射波は、送信用振動素子１０Ｔと受信用振動素子１０Ｒの両方によって受波されるが、送信用振動素子１０Ｔには、通過制御用のダイオード２０が接続されているため、送信用振動素子１０Ｔからの受信信号は、ダイオード２０の順方向電圧降下によって阻止されて同軸ケーブル５０には伝送されない。受信信号が得られる期間においてはＳＷがＯＮとなっており、受信用振動素子１０Ｒにおいて得られた受信信号は、同軸ケーブル５０を介して、受信回路１４まで伝送される。
【００４４】
図６（Ｂ）の回路構成においても、送信信号は送信用振動素子１０Ｔのみへ出力され、受信用振動素子１０Ｒにおいて得られた受信信号のみが受信回路１４へ伝送される。
【００４５】
受信用振動素子１０Ｒにおいて得られた受信信号は、エミッタ接地されたトランジスタＴＲ１のベース端子に入力される。そして、トランジスタＴＲ１において受信信号が電流信号に変換されて同軸ケーブル５０を介して受信回路１４まで伝送される。
【００４６】
トランジスタＴＲ１は、エミッタ−コレクタ間の耐圧が例えば１００Ｖ以上のスペックを持つ素子を利用する。また、トランジスタＴＲ１のコレクタ端子に接続されるダイオードＤ１も例えば１００Ｖ以上の耐圧を持つ素子を利用する。トランジスタＴＲ１は、定常時は定電流回路として動作しているので、例えば＋１００Ｖまでの送信信号が到来してもコレクタ電流が増加することは無い。一方、−１００Ｖまでの送信信号が到来した場合にはダイオードＤ１によって遮断される。従って、トランジスタＴＲ１とダイオードＤ１とにより、送信信号が受信用振動素子１０Ｒを励振することを阻止している。ちなみに、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２は、トランジスタＴＲ１を動作させるためのバイアス電流を供給するための抵抗であると共に、（Ｒ２＋Ｚ０）／（Ｚ０・Ｒ２・Ｒ１）の比率で受信信号を増幅する機能も担っている。Ｚ０は、受信側の入力インピーダンスである。
【００４７】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態やその変形例等は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
【符号の説明】
【００４８】
１０  振動素子、１２  送信回路、１４  受信回路、２０  通過制御用のダイオード、３０  電流調整用のダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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