(57)【要約】【課題】コネクタハウジング内の回路による熱の発生を低減することができる超音波探触子ユニットおよび超音波診断装置を提供する。【解決手段】駆動回路１２１は、可変出力スイッチング電源３１３，３１４、および可変出力スイッチング電源３１３，３１４の出力電圧が入力され、出力電圧に基づいて駆動電圧を２相ステッピングモーター２００に出力するリニアアンプ３１１，３１２を備え、制御回路１２２は、所定の電圧指令値ＶＣと、電圧指令値ＶＣに基づいて決定したデューティ比とを用いて可変出力スイッチング電源３１３，３１４に対するスイッチング制御を行う。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響素子アレイ、および前記音響素子アレイを走査方向に交差する方向に移動させるアクチュエーターを含む揺動機構を備えた超音波探触子と、
前記アクチュエーターを駆動する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御回路と、
を備え、
前記駆動回路は、可変出力スイッチング電源、および前記可変出力スイッチング電源の出力電圧が入力され、前記出力電圧に基づいて駆動電圧を前記アクチュエーターに出力するリニアアンプを有し、
前記制御回路は、所定の電圧指令値と、前記電圧指令値に基づいて決定したデューティ比とを用いて前記可変出力スイッチング電源に対するスイッチング制御を行う、
超音波探触子ユニット。
【請求項２】
前記制御回路は、前記音響素子アレイの移動量に基づいて前記アクチュエーターに付与する電圧指令値を生成する、
請求項１に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項３】
前記制御回路は、前記アクチュエーターへの入力電流が所定の電流指令値となるように定電流制御する、
請求項１または２に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項４】
前記制御回路は、スイッチング周波数が徐々に低くなるように、前記可変出力スイッチング電源をスイッチング制御する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項５】
前記制御回路は、スイッチング周波数が徐々に高くなるように、前記可変出力スイッチング電源をスイッチング制御する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項６】
前記制御回路は、スイッチング周波数が前記音響素子アレイの周波数帯域と重ならないように、前記可変出力スイッチング電源をスイッチング制御する、
請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項７】
前記制御回路は、前記可変出力スイッチング電源をスイッチング制御する際に、スイッチング周波数を変化させる方向を、前記アクチュエーターの動作波形の周期毎に変化させる、
請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項８】
前記制御回路は、スイッチング周波数が前記音響素子アレイの送信周期と同期するように、前記可変出力スイッチング電源をスイッチング制御する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項９】
前記制御回路は、前記電圧指令値の変化速度が所定のしきい値より大きい場合に、前記変化速度に基づいて決定した係数を前記デューティ比に乗算した補正デューティ比を用いて前記可変出力スイッチング電源に対するスイッチング制御を行う、
請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項１０】
前記リニアアンプは、前記アクチュエーターにプラス電流を供給するプラス側リニアアンプと、マイナス電流を供給するマイナス側リニアアンプと、を有し、
前記可変出力スイッチング電源は、前記プラス側リニアアンプのハイサイドと、マイナス側リニアアンプのハイサイドと、に電源を供給するプラス側電源と、前記プラス側リニアアンプのローサイドと、マイナス側リニアアンプのローサイドと、に電源を供給するマイナス側電源と、を有する、
請求項１から９のいずれか一項に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項１１】
前記超音波探触子とケーブルで接続され超音波診断装置本体と接続されるコネクタハウジングを更に有し、
前記駆動回路及び前記制御回路は、前記コネクタハウジング内に設けられている
請求項１から１０のいずれか一項に記載の超音波探触子ユニット。
【請求項１２】
請求項１１に記載の超音波探触子ユニットと、前記超音波診断装置本体と、を有し、
前記超音波診断装置本体は、前記超音波探触子から被検体に対して超音波送信信号を送信させ、前記被検体からの反射波を受信した前記超音波探触子が生成した超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する、
超音波診断装置。
【請求項１３】
超音波探触子ユニットと、前記超音波探触子ユニットから被検体に対して超音波送信信号を送信させ、前記被検体からの反射波を受信した前記超音波探触子ユニットが生成した超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置本体と、を有する超音波診断装置であって、
前記超音波探触子ユニットは、音響素子アレイと、前記音響素子アレイを走査方向に垂直に揺動させるアクチュエーターを含む揺動機構と、を有する超音波探触子と、前記超音波探触子とケーブルで接続され、前記超音波診断装置本体に接続されるコネクタハウジングと、を有し、
前記超音波診断装置本体は、前記アクチュエーターを駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御回路と、を有し、
前記駆動回路は、可変出力スイッチング電源と、前記可変出力スイッチング電源の出力電圧が入力され、前記出力電圧に基づいて駆動電圧を前記アクチュエーターに出力するリニアアンプと、を有し、
前記制御回路は、所定の電圧指令値と、前記電圧指令値に基づいて決定したデューティ比とを用いて前記可変出力スイッチング電源に対するスイッチング制御を行う、
超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用した超音波診断装置の超音波探触子ユニットおよび超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を被検体内部に照射し、その反射波を受信して解析することにより被検体内部の検査を行う超音波診断装置が普及している。超音波診断装置は、被検体を非破壊、非侵襲で調べることができるので、医療目的の検査や建築構造物内部の検査、種々の用途に広く用いられている。
【０００３】
超音波診断装置では、電圧信号と超音波振動との間で変換を行う音響素子（変換器）が複数個、所定の方向（走査方向）に配列されており、これらの音響素子が、駆動電圧の印加により超音波を出射する。そして、超音波診断装置は、超音波の反射波の入射による電圧変化を検出する音響素子を時間的に変化させる（走査する）ことにより、２次元的なデータをほぼリアルタイムで取得することができる。
【０００４】
さらに、超音波の出入射面内で、これらの音響素子の配列を走査方向に垂直に往復移動（揺動）させることで、３次元的な画像をほぼリアルタイムで取得する技術が存在する。このような技術を用いて３次元画像を取得することで、２次元画像では分かりづらかった検査対象の立体形状や位置関係を、操作者がより容易に知得できる。
【０００５】
このように音響素子の配列を走査方向に垂直に揺動させる超音波探触子（プローブ）の一例として、例えば特許文献１に記載されたものがある。図１は、特許文献１に記載されているような、従来の超音波探触子ユニット８００の構成例を示す図である。図１に示すように、超音波探触子ユニット８００は、超音波探触子８１０と、超音波探触子８１０を超音波診断装置（図示せず）に接続するコネクタであるコネクタハウジング８２０と、を有する。
【０００６】
図１に示すように、３次元走査可能な超音波探触子８１０は、複数の音響素子からなる音響素子アレイ８１１と、音響素子アレイを機械的に揺動して走査する揺動機構８１２とを有する。また、図１に示すように、コネクタハウジング８２０は、揺動機構８１２が有するステッピングモーターを駆動する駆動回路８２１と、駆動回路８２１を制御する制御回路８２２と、を有する。
【０００７】
このような構成を有する従来の超音波探触子ユニット８００では、超音波診断装置からの揺動指令信号に基づく制御回路８２２の制御により、コネクタハウジング８２０に設置された駆動回路８２１が超音波探触子８１０の揺動機構８１２を制御して、３次元走査を行なっていた。このような構成では、コネクタハウジング８２０に駆動回路８２１を設けているため、音響素子アレイ８１１の揺動制御を超音波診断装置本体側ではなく、超音波探触子ユニット８００側で行うことができる。これにより、例えば超音波探触子ユニット８００を種々の超音波診断装置本体に付け替えて使用する場合でも、問題なく音響素子アレイ８１１の揺動制御を行うことができるようになる。
【０００８】
ここで、一般的には、換言すれば超音波診断装置以外では、ステッピングモーター、３相ＤＣモーターやＡＣモーター等、各種モーターの駆動回路において、高効率なスイッチングアンプ（Ｄ級アンプ）がよく用いられる。スイッチングアンプとは、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式のパルス等を使用したスイッチング動作により増幅を行うデジタルアンプである。
【０００９】
しかしながら、超音波診断装置のステッピングモーターの駆動回路にＤ級アンプを用いると、ＰＷＭパルス信号により高調波が発生することがある。上記したように、駆動回路８２１は超音波診断装置本体との接続部分であるコネクタハウジング８２０内に設けられているため、超音波探触子８１０が生成した超音波受信信号にＤ級アンプが発した高調波が重畳されてしまう事態が生じうる。このような事態が生じると、高調波が重畳された超音波受信信号に基づいて超音波診断装置本体側で画像処理を行って超音波画像を生成した場合に、高調波成分がノイズとなって画像に現れ、正確な診断を行うことが困難となる。このような事態を回避するために、超音波診断装置における揺動機構（ステッピングモーター）の駆動回路としては、リニアアンプ（例えばＡＢ級アンプ）が使用されることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１６７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、超音波診断装置として、据え置き型等の比較的本体サイズが大きいものの他、ラップトップタイプやポータブルタイプ等のハンドキャリー機が普及している。このようなハンドキャリー機では、可搬性を確保するため、本体サイズが比較的小さくなっており、これに合わせてコネクタハウジングの小型化が要望されている。
【００１２】
一般に、リニアアンプはスイッチングアンプと比較して発熱が大きい。アンプを含む駆動回路が発する熱は、コネクタハウジングの筐体から周囲に放熱されるが、コネクタハウジングを小型化した場合、駆動回路の発する熱が放熱される面積（コネクタハウジングの筐体表面積）が小さくなるため、コネクタハウジングが大きい場合と比較して、筐体温度が高くなってしまう事態が生じうる。このような事情から、安全のため、コネクタハウジングの筐体温度上昇を防止することが要望されている。
【００１３】
本発明は、コネクタハウジング内の回路による熱の発生を低減することができる超音波探触子ユニットおよび超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の超音波探触子ユニットは、音響素子アレイ、および前記音響素子アレイを走査方向に交差する方向に移動させるアクチュエーターを含む揺動機構を備えた超音波探触子と、前記アクチュエーターを駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御回路と、を備え、前記駆動回路は、可変出力スイッチング電源、および前記可変出力スイッチング電源の出力電圧が入力され、前記出力電圧に基づいて駆動電圧を前記アクチュエーターに出力するリニアアンプを有し、前記制御回路は、所定の電圧指令値と、前記電圧指令値に基づいて決定したデューティ比とを用いて前記可変出力スイッチング電源に対するスイッチング制御を行う。
【００１５】
本発明の超音波診断装置は、上記の超音波探触子ユニットと、超音波診断装置本体と、を有し、前記超音波診断装置本体は、前記超音波探触子から被検体に対して超音波送信信号を送信させ、前記被検体からの反射波を受信した前記超音波探触子が生成した超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する。
【００１６】
本発明の超音波診断装置は、超音波探触子ユニットと、前記超音波探触子ユニットから被検体に対して超音波送信信号を送信させ、前記被検体からの反射波を受信した前記超音波探触子ユニットが生成した超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置本体と、を有する超音波診断装置であって、前記超音波探触子ユニットは、音響素子アレイと、前記音響素子アレイを走査方向に垂直に揺動させるアクチュエーターを含む揺動機構と、を有する超音波探触子と、前記超音波探触子とケーブルで接続され、前記超音波診断装置本体に接続されるコネクタハウジングと、を有し、前記超音波診断装置本体は、前記アクチュエーターを駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御回路と、を有し、前記駆動回路は、可変出力スイッチング電源と、前記可変出力スイッチング電源の出力電圧が入力され、前記出力電圧に基づいて駆動電圧を前記アクチュエーターに出力するリニアアンプと、を有し、前記制御回路は、所定の電圧指令値と、前記電圧指令値に基づいて決定したデューティ比とを用いて前記可変出力スイッチング電源に対するスイッチング制御を行う。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、コネクタハウジング内の回路による熱の発生を低減することができる超音波探触子ユニットおよび超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の超音波探触子ユニットの構成例を示す図
【図２】本発明の実施の形態に係る超音波診断装置の構成を例示した図
【図３】本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニットの構成を例示した図
【図４】揺動機構が有するステッピングモーターの構造の一例を示した図
【図５】駆動回路および制御回路の構成の一例を示す図
【図６】可変出力スイッチング電源の回路構成を例示した図
【図７】電圧指令値に対してデューティ比を一意に決定するために使用されるテーブルの一例を示す図
【図８Ａ】電圧指令値と、決定したデューティ比を用いてスイッチング制御された可変出力スイッチング電源の出力電圧と、の関係を示す図
【図８Ｂ】リニアアンプへの入力電圧を制御しない場合の、リニアアンプの入力電圧と出力電圧との関係を示す図
【図９】ステッピングモーターの回転数と制御回路のスイッチング制御による可変出力スイッチング電源の出力電力との関係を示す図
【図１０】時間あたりの電圧指令値の変化量に対してデューティ比に乗算する係数を一意に決定するために使用されるテーブルの一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニットについて、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示した例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２０】
図２は、本発明の実施の形態に係る超音波診断装置の構成を例示した図である。図２に示すように、超音波診断装置１は、超音波探触子ユニット１００と、超音波診断装置本体１１と、操作部１２と、表示部１３と、を有する。また、超音波探触子ユニット１００は、超音波探触子１１０と、コネクタハウジング１２０と、ケーブル１３０と、を有する。
【００２１】
超音波探触子１１０は、図示しない生体等の被検体内に対して超音波（送信超音波）を送信するとともに、この被検体内で反射した超音波の反射波（反射超音波：エコー）を受信する。
【００２２】
超音波診断装置本体１１は、超音波探触子１１０とケーブル１３０およびコネクタハウジング１２０を介して接続され、超音波探触子１１０に電気信号の駆動信号を送信することによって超音波探触子１１０に被検体に対して超音波送信信号を送信させる。そして、被検体内からの反射波を受信した超音波探触子１１０が生成した超音波受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。操作部１２は例えばスイッチ、ボタン、キーボード、マウス、タッチパネル等の操作デバイスであり、超音波診断装置１のユーザである医師や検査技師等の操作を受け付ける。表示部１３は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）や有機ＥＬディスプレイ等の表示デバイスであり、超音波診断装置本体１１が生成した超音波画像を表示したり、超音波診断装置１の状態に応じた種々の表示画面を表示したりする。
【００２３】
＜超音波探触子ユニット１００の構成＞
図３は、本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニット１００の構成を例示した図である。図３に示すように、超音波探触子ユニット１００は、超音波探触子１１０と、コネクタハウジング１２０と、ケーブル１３０と、を有する。超音波探触子ユニット１００は、コネクタハウジング１２０によって超音波診断装置本体１１（図２参照）に接続される。
【００２４】
超音波探触子１１０は、超音波診断の際に被検体に当接されて超音波信号を送信し、反射波信号を受信して受信信号を生成する。超音波信号の生成は、コネクタハウジング１２０およびケーブル１３０を介して超音波診断装置本体１１から送信された制御信号に基づいて行われる。また、超音波探触子１１０において受信された受信信号は、ケーブル１３０およびコネクタハウジング１２０を介して超音波診断装置本体１１に送信される。これにより、超音波診断装置本体１１において超音波画像が生成され、表示部１３に表示される。
【００２５】
図３に示すように、超音波探触子１１０は、音響素子アレイ１１１と、揺動機構１１２と、を有する。音響素子アレイ１１１は、電気信号と超音波を相互に変換して超音波を生成する音響素子を例えば走査方向に沿って直線状に配列させたものである。揺動機構１１２は、音響素子アレイ１１１を揺動させて超音波形成面を移動させ、３次元走査を実現するための機構である。揺動機構１１２は、例えば後述する２相ステッピングモーター２００と、プーリやベルト等の伝達部材（図示せず）と、によって構成され、伝達部材を介したステッピングモーターの駆動力により、音響素子アレイ１１１が設けられた土台部（図示せず）を、走査方向に対して垂直に揺動させる。なお、２相ステッピングモーター２００は本発明のアクチュエーターの一例である。
【００２６】
なお、図３では図示を省略するが、超音波探触子１１０は、音響素子アレイ１１１を内包して超音波を透過する音響ウィンドウや、音響素子アレイ１１１を揺動可能に保持するフレーム等を有していてもよい。
【００２７】
図４は、揺動機構１１２が有する２相ステッピングモーター２００の構造の一例を示した図である。図４に示すように、２相ステッピングモーター２００は、２つのコイル２０１，２０２とロータ２０３とを有している。２つのコイル２０１，２０２は、電気角が互いに９０°ずれるように配置される。このため、２つのコイル２０１，２０２のロータ２０３に対する磁界の方向も、ロータ２０３の中心角について電気角が互いに９０°ずれている。図４では、コイル２０１をＡ相側、コイル２０２をＢ相側として図示する。
【００２８】
ロータ２０３は、例えば永久磁石等の磁石を有し、Ａ相コイル２０１およびＢ相コイル２０２からの磁界に応じた位置で安定するように構成される。従って、互いに９０°位相の異なる交流電流をＡ相コイル２０１およびＢ相コイル２０２に供給することで、その電流位相によりロータ２０３が回転する。また、特定の電流位相のタイミングで電流位相の変化を停止することで、その時の電流位相に応じた位置にロータ２０３を停止することができる。このような構成により、２相ステッピングモーター２００の回転が制御される。
【００２９】
＜コネクタハウジング１２０の構成＞
図３に示すように、コネクタハウジング１２０は、駆動回路１２１、制御回路１２２、コネクタ１２３を有する。駆動回路１２１は、揺動機構１１２が有する２相ステッピングモーター２００の駆動制御を行う。制御回路１２２は、例えば超音波診断装置本体１１からの指示信号に基づいて駆動回路１２１を制御する。
【００３０】
図５は、駆動回路１２１および制御回路１２２の構成の一例を示す図である。図５に示すように、駆動回路１２１は、Ａ相駆動回路３１０Ａと、Ｂ相駆動回路３１０Ｂと、を有する。
【００３１】
制御回路１２２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の電子回路、またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路である。制御回路１２２は、例えば超音波診断装置本体１１からの指示信号に基づいて駆動回路１２１（Ａ相駆動回路３１０ＡとＢ相駆動回路３１０Ｂ）の可変出力スイッチング電源３１３，３１４をスイッチング制御するための電圧指令値ＶＣとデューティ比とを決定し、これらに基づいて可変出力スイッチング電源３１３，３１４をスイッチング制御する。制御回路１２２の動作の詳細については後述する。
【００３２】
図５に示すように、Ａ相駆動回路３１０Ａは、リニアアンプ３１１，３１２、可変出力スイッチング電源３１３，３１４、電流検知部３１５、および電流／電圧変換アンプ３１６を有する。なお、Ｂ相駆動回路３１０ＢもＡ相駆動回路３１０Ａとほぼ同様の構成を有するため、図示および説明を省略する。
【００３３】
リニアアンプ３１１，３１２は、例えばＡＢ級のリニアアンプである。本発明において、リニアアンプとは、入力と出力との関係が一次式で表される増幅器を意味している。
【００３４】
リニアアンプ３１１は、差動アンプ３１１１と電力増幅アンプ３１１２とを有する。差動アンプ３１１１は、後述する制御回路１２２から入力される電流指令値ＩＣと、後述する電流検知部３１５が検知した、２相ステッピングモーター２００のＡ相コイル２０１を流れる電流値である電流検知値Ｉｄと、の差分を検出する。電力増幅アンプ３１１２は、入力された電流を増幅するアナログアンプである。
【００３５】
リニアアンプ３１２は、反転回路３１２１と電力増幅アンプ３１２２とを有する。反転回路３１２１は例えばオペアンプ等の反転回路である。電力増幅アンプ３１２２は、入力された電流を増幅するアナログアンプである。
【００３６】
リニアアンプ３１１の出力端子は２相ステッピングモーター２００のＡ相コイル２０１の＋側端子に接続される。すなわち、リニアアンプ３１１は２相ステッピングモーター２００の＋側のアンプである。一方、リニアアンプ３１２の出力端子はＡ相コイル２０１の−側端子に接続される。すなわち、リニアアンプ３１２は２相ステッピングモーター２００の−側のアンプである。従って、２相ステッピングモーター２００は、リニアアンプ３１１，３１２の出力電圧を駆動電圧として動作する。リニアアンプ３１１の電力増幅アンプ３１１２は、可変出力スイッチング電源３１３の出力電圧に基づいて動作する。また、リニアアンプ３１２の電力増幅アンプ３１２２は、可変出力スイッチング電源３１４の出力電圧に基づいて動作する。
【００３７】
可変出力スイッチング電源３１３，３１４は、２相ステッピングモーター２００を駆動するための駆動電圧を、リニアアンプ３１１，３１２を介して２相ステッピングモーター２００に供給する。可変出力スイッチング電源３１３は２相ステッピングモーター２００のＡ相コイル２０１の＋側にリニアアンプ３１１を介して接続される。また、可変出力スイッチング電源３１４はＡ相コイル２０１の−側にリニアアンプ３１２を介して接続される。可変出力スイッチング電源３１３は、リニアアンプ３１１（電力増幅アンプ３１１２），リニアアンプ３１２（電力増幅アンプ３１２２）のハイサイド（＋側）に接続され、可変出力スイッチング電源３１４は、リニアアンプ３１１（電力増幅アンプ３１１２），リニアアンプ３１２（電力増幅アンプ３１２２）のローサイド（−側）に接続される。
【００３８】
このように、リニアアンプ３１１，３１２のハイサイド電源は可変出力スイッチング電源３１３に、ローサイド電源は可変出力スイッチング電源３１４に、それぞれ共通化されている。このような構成により、２相ステッピングモーター２００の駆動電圧が正である場合の電源制御を可変出力スイッチング電源３１３が、駆動電圧が負である場合の電源制御を可変出力スイッチング電源３１４が、それぞれ共通して行うことができる。なお、以下の説明において、可変出力スイッチング電源３１３の出力電圧をＶｏｕｔ＋、可変出力スイッチング電源３１４の出力電圧をＶｏｕｔ−と記載する。
【００３９】
なお、本発明の実施の形態において、「正の駆動電圧」とは、必ずしも駆動電圧の電圧値が正である場合に限定されず、「負の駆動電圧」とは、必ずしも駆動電圧の電圧値が負である場合に限定されない。本発明の実施の形態においては、例えば、所定の基準電圧と駆動電圧とを比較したとき、基準電圧より大きい駆動電圧を「正の駆動電圧」、基準電圧より小さい駆動電圧を「負の駆動電圧」と称する。所定の基準電圧とは、例えば超音波診断装置１の設計者が任意に設定した電圧である。駆動電圧だけではなく、可変出力スイッチング電源３１３，３１４の出力電圧についても同様である。
【００４０】
電流検知部３１５は、２相ステッピングモーター２００のＡ相コイル２０１を流れる電流値を検知する。電流検知部３１５で検知された電流値は、電流／電圧変換アンプ３１６によって適宜増幅され電流検知値Ｉｄとしてリニアアンプ３１１に入力される。電流／電圧変換アンプ３１６は、入力された電流値を電圧値に変換する。
【００４１】
＜可変出力スイッチング電源３１３，３１４の構成＞
次に、可変出力スイッチング電源３１３，３１４の構成について説明する。図６は、可変出力スイッチング電源３１３の回路構成を例示した図である。図６に示すように、可変出力スイッチング電源３１３は、制御回路４０１、スイッチング素子４０２を有する。なお、可変出力スイッチング電源３１４の回路構成も図６に示す可変出力スイッチング電源３１３と同様であるため、図示と説明を省略する。
【００４２】
制御回路４０１は、制御回路１２２によるスイッチング制御に基づいて、出力電圧の絶対値｜Ｖｏｕｔ＋｜が電圧指令値の絶対値｜ＶＣ｜を下回らないようにスイッチング素子４０２を制御する。制御回路１２２によるスイッチング制御の詳細については、後述する。ここで、出力電圧の絶対値とは、ハイサイド側とローサイド側との中間電位Ｖｍ（後述の図８Ａを参照）を０Ｖとした場合の絶対値である。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態に係る超音波診断装置１では、超音波探触子ユニット１００が超音波診断装置本体１１に接続された状態で、２相ステッピングモーター２００による音響素子アレイ１１１の揺動動作を行うことができる。２相ステッピングモーター２００の揺動動作は、駆動回路１２１が出力する２相ステッピングモーター２００の駆動電圧が制御回路１２２によって制御されることで行われる。以下では、制御回路１２２による駆動回路１２１の出力電圧制御について詳細に説明する。
【００４４】
＜制御回路１２２による駆動回路１２１の出力電圧制御＞
以下では、図５を参照しながら、制御回路１２２による、Ａ相駆動回路３１０Ａのスイッチング制御について説明する。なお、Ｂ相駆動回路３１０Ｂの制御については、Ａ相駆動回路３１０Ａの制御とほぼ同様であるため説明を省略する。
【００４５】
例えば超音波診断装置本体１１（図２参照）からコネクタ１２３を介して音響素子アレイ１１１の揺動が制御回路１２２に対して指示されると、制御回路１２２は、この指示に基づいて以下のような制御を行う。すなわち、制御回路１２２は、指示に対応する２相ステッピングモーター２００の回転角（電気角）に基づいて、Ａ相駆動回路３１０Ａに対するＡ相位相データ（正弦波データ）と、Ａ相位相データに対して９０度の位相差を有するＢ相位相データ（正弦波データ）とを生成する。また、制御回路１２２は、生成したＡ相位相データおよびＢ相位相データに基づいてＡ相駆動回路３１０ＡとＢ相駆動回路３１０Ｂのそれぞれに対する電流指令値ＩＣを生成する。制御回路１２２は、生成した電流指令値ＩＣを、リニアアンプ３１１の差動アンプ３１１１に入力する。
【００４６】
ここで、制御回路１２２は、２相ステッピングモーター２００のＡ相コイル２０１を流れる電流が常に電流指令値ＩＣとなるような定電流制御を行う。具体的には、制御回路１２２は、リニアアンプ３１１の差動アンプ３１１１において検出される、電流指令値ＩＣと２相ステッピングモーター２００のＡ相コイル２０１を流れる電流値Ｉｄとの差分が０になるように、Ａ相駆動回路３１０Ａに入力する電流指令値ＩＣを調整する。これにより、Ａ相駆動回路３１０ＡにおいてＡ相コイル２０１を流れる電流を用いたフィードバック制御が行われ、２相ステッピングモーター２００の安定した制御が可能となる。
【００４７】
また、制御回路１２２は、音響素子アレイ１１１の揺動指示に対応する２相ステッピングモーター２００の回転角に基づいて、２相ステッピングモーター２００を駆動制御するための電圧指令値ＶＣを生成する。そして、制御回路１２２は、可変出力スイッチング電源３１３，３１４の出力電圧の絶対値｜Ｖｏｕｔ＋｜，｜Ｖｏｕｔ−｜が、電圧指令値の絶対値｜ＶＣ｜を下回らないようにスイッチング制御を行う。
【００４８】
このようなスイッチング制御の実現方法として、例えば、予め電圧指令値ＶＣとデューティ比とが対応付けられたテーブル等を参照して、生成した電圧指令値ＶＣに対応するデューティ比を決定し、決定したデューティ比を用いてスイッチング制御を行う方法がある。
【００４９】
図７は、電圧指令値ＶＣに対してデューティ比を一意に決定するために使用されるテーブルの一例を示す図である。図７では、電圧指令値ＶＣが大きくなるほどデューティ比が大きくなるようなテーブルが例示されている。制御回路１２２は、例えば図７に示すようなテーブルを用いて、電圧指令値ＶＣに基づきデューティ比を決定すればよい。
【００５０】
また、図８Ａは、電圧指令値ＶＣと、決定したデューティ比を用いてスイッチング制御された可変出力スイッチング電源３１３，３１４の出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−と、の関係を示す図である。図８Ａに示すように、制御回路１２２のスイッチング制御によって、可変出力スイッチング電源３１３の出力電圧Ｖｏｕｔ＋は、電圧指令値ＶＣ（ＶＣ＞０）を下回らないように制御される。また、図８Ａに示すように、可変出力スイッチング電源３１４の出力電圧Ｖｏｕｔ−は、電圧指令値ＶＣ（ＶＣ＜０）を上回らないように制御される。ここで、電圧指令値ＶＣの正負は、ハイサイドとローサイドの中間電位Ｖｍ（図８Ａを参照）を０Ｖとした場合の正負である。
【００５１】
上記したように、可変出力スイッチング電源３１３，３１４の出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−は、リニアアンプ３１１，３１２への入力電圧であり、２相ステッピングモーター２００の駆動電圧は、リニアアンプ３１１，３１２の出力電圧である。一般に、リニアアンプ３１１，３１２の発熱は、リニアアンプ３１１，３１２への入力電力と出力電力との差が大きいほど大きくなる。なお、図８Ａにおいて、リニアアンプ３１１，３１２への入力電力と出力電力との差は、出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−と電圧指令値ＶＣとに囲まれた部位の面積に相当する。本発明の実施の形態に係る超音波診断装置１においては、制御回路１２２が図８Ａに示すような電圧制御を行うことにより、リニアアンプ３１１，３１２への入力電力と出力電力との差が比較的小さくなり、リニア増幅アンプ３１１，３１２からの発熱を抑えることができるようになる。
【００５２】
比較例として、リニアアンプへの入力電圧を制御しない場合の、リニアアンプの入力電圧と出力電圧との関係を図８Ｂに示す。図８Ｂに示すように、例えば入力電圧を制御しない従来のリニアアンプでは、同じ駆動電圧の場合でも、入力電力と出力電力との差（図８Ｂの斜線部分）が本発明の実施の形態に係る超音波診断装置１と比較して非常に大きい。このため、本発明の実施の形態に係る超音波診断装置１では、従来と比較して、リニアアンプ３１１，３１２からの発熱を大きく低減させることができる。
【００５３】
なお、制御回路１２２による可変出力スイッチング電源３１３，３１４のスイッチング制御としては、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御とＰＦＭ（パルス周波数変調）制御のどちらを用いてもよい。ＰＷＭ制御とは周期一定でオン／オフ時間比が変動する制御であり、ＰＦＭ制御とはオン／オフ時間比が一定でスイッチング周波数が変動する制御である。ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御のどちらを用いるかについては、要求される負荷や効率等に基づいて決定されることが望ましい。
【００５４】
制御回路１２２による可変出力スイッチング電源３１３，３１４のスイッチング制御にＰＷＭ制御を用いる場合、可変出力スイッチング電源３１３，３１４のスイッチング周波数を音響素子アレイ１１１の送信周期と同期してもよい。これにより、可変出力スイッチング電源３１３，３１４のスイッチング制御がカラーモードやドップラーモードにおける受信周波数と干渉しないようにすることができる。
【００５５】
制御回路１２２による可変出力スイッチング電源３１３，３１４のスイッチング制御にＰＦＭ制御を用いる場合、スイッチング周波数を徐々に低くなるように変化させてもよいし、スイッチング周波数を徐々に高くなるように変化させてもよい。また、例えば２相ステッピングモーター２００の駆動波形の周期毎に、スイッチング周波数を変化させる方向を変更するようにしてもよい。
【００５６】
なお、ＰＦＭ制御の場合、制御回路１２２は、超音波探触子１１０の周波数帯域と重ならないようにスイッチング周波数を変化させることが望ましい。具体的には、制御回路１２２は、例えば超音波探触子１１０の周波数帯域が１ＭＨｚであった場合に、スイッチング周波数を例えば１００ＫＨｚ以上１ＭＨｚ未満で変化させるようにすればよい。
【００５７】
ＰＦＭ制御を採用した場合、スイッチング周波数を変化させる制御により、スイッチング周波数が分散されるので、可変出力スイッチング電源３１３（および可変出力スイッチング電源３１４）から発生するスイッチングノイズのピークをより低減することができる。
【００５８】
また、制御回路１２２は、２相ステッピングモーター２００の回転数に応じて、可変出力スイッチング電源３１３，３１４のスイッチング制御のデューティ比を調節するようにしてもよい。
【００５９】
一般に、２相ステッピングモーター２００が比較的低速で回転させる場合は、制御回路１２２は、上記説明したような制御方法で可変出力スイッチング電源３１３を好適にスイッチング制御することができる。図９は、２相ステッピングモーター２００の回転数と制御回路１２２のスイッチング制御による可変出力スイッチング電源３１３，３１４の出力電力Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−との関係を示す図である。図９Ａは、低速回転時を示している。
【００６０】
しかしながら、２相ステッピングモーター２００を高速で回転させる場合、電圧指令値ＶＣの変化速度が大きくなるため、制御回路１２２による可変出力スイッチング電源３１３，３１４のスイッチング制御が間に合わなくなり、出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−が電圧指令値ＶＣに追従しきれなくなる場合がある。図９Ｂは、高速回転時を示している。なお、本実施の形態において、高速回転時とは、例えば２相ステッピングモーター２００の最大回転速度が６００ｒｐｍである場合に、回転数が４００ｒｐｍを超える場合を想定している。
【００６１】
可変出力スイッチング電源３１３，３１４の出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−が電圧指令値ＶＣに追従しきれなくなると、２相ステッピングモーター２００の回転制御が好適には行われないが、本発明では以下のような方法によってこれを回避することができる。
【００６２】
すなわち、制御回路１２２は、２相ステッピングモーター２００の回転数が所定の回転数（例えば上記した４００ｒｐｍ）を超える場合には、上記したようにテーブルによって決定したデューティ比に、所定の係数を乗算した補正デューティ比を用いて可変出力スイッチング電源３１３，３１４のスイッチング制御を行う。なお、制御回路１２２は、２相ステッピングモーター２００の回転数が所定の回転数を超えたか否かを、例えば電圧指令値ＶＣの変化速度が所定速度を超えたか否かによって判定すればよい。
【００６３】
ここで、デューティ比に乗算する所定の係数は、時間あたりの電圧指令値ＶＣの変化量（変化速度）に対して一意に決定されればよい。図１０は、時間あたりの電圧指令値ＶＣの変化量に対してデューティ比に乗算する係数を一意に決定するために使用されるテーブルの一例を示す図である。
【００６４】
このような制御により、電圧指令値ＶＣの変化速度が大きい場合には、デューティ比を大きくすることができるので、可変出力スイッチング電源３１３，３１４の出力電圧Ｖｏｕｔ＋，Ｖｏｕｔ−が電圧指令値ＶＣに追従しきれなくなる事態を回避することができる。
【００６５】
また、制御回路１２２は、電圧指令値ＶＣの立ち上がり時と立ち下がり時とでデューティ比を変化させるようにしてもよい。具体的には、例えば電圧指令値ＶＣの立ち下がり時に応答時間の関係で立ち上がり時と比較して電圧指令値ＶＣに対する追従性が悪くなるような場合、立ち下がり時には、より電圧指令値ＶＣに追従するように、立ち上がり時と立ち下がり時とで異なる値となるように予め作成されたテーブルを用いてデューティ比を決定してもよい。このようにすることで、コネクタハウジング１２０の発熱をより低減することができる。
【００６６】
＜作用・効果＞
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニット１００は、音響素子アレイ１１１、および音響素子アレイ１１１を走査方向に交差する方向に移動させる２相ステッピングモーター２００（アクチュエーター）を含む揺動機構１１２を備えた超音波探触子１１０と、２相ステッピングモーター２００を駆動する駆動回路１２１と、駆動回路１２１を制御する制御回路１２２と、を有し、駆動回路１２１は、可変出力スイッチング電源３１３，３１４、および可変出力スイッチング電源３１３，３１４の出力電圧が入力され、出力電圧に基づいて駆動電圧を２相ステッピングモーター２００に出力するリニアアンプ３１１，３１２を備え、制御回路１２２は、所定の電圧指令値ＶＣと、電圧指令値ＶＣに基づいて決定したデューティ比とを用いて可変出力スイッチング電源３１３，３１４に対するスイッチング制御を行う。
【００６７】
このような構成により、本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニット１００は、２相ステッピングモーター２００の制御電流を増幅するリニアアンプ３１１，３１２への入力電力と出力電力との差を小さくすることができるので、リニアアンプ３１１，３１２から発生する熱を抑えることができるようになる。このため、駆動回路１２１および制御回路１２２を有するコネクタハウジング１２０の筐体温度上昇を防止することができる。
【００６８】
また、本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニット１００では、制御回路１２２が可変出力スイッチング電源３１３，３１４に対して可変周波数でスイッチング制御を行う。この場合、スイッチング周波数が分散されるので、スイッチングノイズを低減することができる。また、制御回路１２２は、スイッチング周波数を音響素子アレイの周波数帯域と重ならないように制御する。この場合、超音波探触子１１０からコネクタハウジング１２０を通って超音波診断装置本体へ送信される超音波受信信号に重畳されるスイッチングノイズの影響を低減することができる。
【００６９】
また、本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニット１００において、制御回路１２２は、２相ステッピングモーター２００の回転数が比較的高速である場合、すなわち、電圧指令値ＶＣの時間あたりの変化量が所定のしきい値より大きい場合には、変化量に基づいて決定した係数をデューティ比に乗算した補正デューティ比を用いて可変出力スイッチング電源３１３，３１４に対するスイッチング制御を行う。このため、２相ステッピングモーター２００が低速回転から高速回転に移行する場合等の過渡応答時等に、電圧指令値ＶＣの変化にスイッチング制御が追従できない事態の発生を回避することができる。
【００７０】
また、本発明の実施の形態に係る超音波探触子ユニット１００において、可変出力スイッチング電源３１３は、２相ステッピングモーター２００のＡ相コイル２０１のプラス側端子に接続され、また、プラス側アンプであるリニアアンプ３１１のハイサイド電源と、マイナス側アンプであるリニアアンプ３１２のハイサイド電源と、が可変出力スイッチング電源３１３に共通化されている。そして、可変出力スイッチング電源３１４は、２相ステッピングモーター２００のＡ相コイル２０１のマイナス側端子に接続され、また、プラス側アンプであるリニアアンプ３１１のローサイド電源と、マイナス側アンプであるリニアアンプ３１２のローサイド電源とが、可変出力スイッチング電源３１４に共通化されている。
【００７１】
このような構成により、２相ステッピングモーター２００の駆動電圧が正である場合の電源制御を可変出力スイッチング電源３１３が、駆動電圧が負である場合の電源制御を可変出力スイッチング電源３１４が、それぞれ共通化して行うことができる。このため、それぞれ別々に電源を用意する場合と比較して、電源の数を少なくすることができるので、駆動回路１２１の回路規模を縮小することができる。このため、コネクタハウジング１２０を小型化することができ、駆動回路１２１の消費電力を低減することができる。
【００７２】
＜変形例＞
以上、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。特許請求の範囲の記載範囲内において、当業者が想到できる各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に含まれる。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【００７３】
上記した実施の形態では、揺動機構１１２が有する２相ステッピングモーター２００として、２相のステッピングモーターを例示したが、本発明はこれには限定されない。揺動機構１１２は、例えば３相や５相等、他の相数のステッピングモーターを有していてもよい。揺動機構１１２が他の相数のステッピングモーターを有している場合、駆動回路１２１はステッピングモーターの相数に合わせた数の駆動回路を有するように構成されればよい。
【００７４】
また、上述した実施の形態では、２相ステッピングモーター２００を制御する駆動回路１２１と制御回路１２２とが超音波探触子ユニット１００のコネクタハウジング１２０内に設けられている場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、モーターを制御する駆動回路および制御回路が、超音波探触子内に設けられていてもよい。この場合も、上述した実施の形態と同様に、駆動回路（リニアアンプ）の発熱の低減や、超音波探触子から超音波診断装置本体へ送信される超音波受信信号へのスイッチングノイズの低減、駆動回路の消費電力の低減等の効果を得ることができる。
【００７５】
さらに、本発明では、例えば駆動回路および制御回路が、超音波診断装置本体内に設けられていてもよい。この場合、超音波診断装置本体の筐体がコネクタハウジングより大きいため、駆動回路の発熱は問題となりにくく、また、超音波探触子と超音波診断装置本体とを接続するケーブルと駆動回路および制御回路との距離とが大きくなるように駆動回路および制御回路を配置すれば、超音波受信信号にスイッチングノイズが重畳される事態を回避することができる。また、駆動回路の消費電力を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、超音波を利用した超音波診断装置の超音波探触子ユニットおよび超音波診断装置に好適である。
【符号の説明】
【００７７】
１  超音波診断装置
１００  超音波探触子ユニット
１１０  超音波探触子
１１１  音響素子アレイ
１１２  揺動機構
１２０  コネクタハウジング
１２１  駆動回路
１２２  制御回路
１２３  コネクタ
１３０  ケーブル
２００  ステッピングモーター
２０１  Ａ相コイル
２０２  Ｂ相コイル
２０３  ロータ
３１０Ａ  Ａ相駆動回路
３１０Ｂ  Ｂ相駆動回路
３１１，３１２  リニアアンプ
３１１１  差動アンプ
３１２１  反転回路
３１１２，３１２２  電力増幅アンプ
３１３，３１４  可変出力スイッチング電源
３１５  電流検知部
３１６  電流／電圧変換アンプ
４０１  制御回路
４０２  スイッチング素子
８００  超音波探触子ユニット
８１０  超音波探触子
８１１  音響素子アレイ
８１２  揺動機構
８２０  コネクタハウジング
８２１  駆動回路
８２２  制御回路
【図１】
2019122450.tif 000003
【図２】
2019122450.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2019122450.tif 000007
【図６】
2019122450.tif 000008
【図７】
2019122450.tif 000009
【図８Ａ】
2019122450.tif 000010
【図８Ｂ】
2019122450.tif 000011
【図９】
2019122450.tif 000012
【図１０】
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