(57)【要約】 【課題】電源電圧を安定化させる技術とそれを用いた光検出器を提供する。【解決手段】直流電源回路１１は、直流電圧を生成し負荷回路１２に供給する。ダイオードＤ１は、直流電源回路１１の出力端に一端が接続され、コンデンサＣ１は、ダイオードの他端に接続されている。トランジスタＱ１は、電流通路の一端が直流電源回路１１の出力端に接続され、ゲート電極と電流通路の他端がダイオードＤ１とコンデンサＣ１の接続ノードに接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を生成し、出力端から負荷回路に供給する直流電源回路の前記出力端に一端が接続されたダイオードと、
前記ダイオードの他端に接続されたコンデンサと、
電流通路の一端が前記直流電源回路の前記出力端に接続され、ゲート電極と電流通路の他端が前記ダイオードと前記コンデンサの接続ノードに接続されたトランジスタと、
を具備することを特徴とする電源安定化回路。
【請求項２】
直流電圧を生成し、出力端から負荷回路に供給する直流電源回路の前記出力端に一端が接続されたダイオードと、
前記ダイオードの他端に接続されたコンデンサと、
を具備することを特徴とする電源安定化回路。
【請求項３】
前記直流電源回路は、直流／直流コンバータであることを特徴とする請求項１又は２記載の電源安定化回路。
【請求項４】
前記ダイオードは、ショットキーダイオードであることを特徴とする請求項１又は２記載の電源安定化回路。
【請求項５】
前記負荷回路は、少なくとも１つのSiフォトダイオードが配置されたSiフォトダイオードアレイであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源安定化回路。
【請求項６】
少なくとも１つのSiフォトダイオードが配置されたSiフォトダイオードアレイと、
直流電圧を生成し、前記Siフォトダイオードアレイに供給する直流電源回路の出力端に一端が接続されたダイオードと、
前記ダイオードの他端に接続されたコンデンサと、
を具備することを特徴とする光検出器。
【請求項７】
電流通路の一端が前記直流電源回路の前記出力端に接続され、ゲート電極と電流通路の他端が前記ダイオードと前記コンデンサの接続ノードに接続されたトランジスタをさらに具備することを特徴とする請求項６記載の光検出器。
【請求項８】
前記直流電源回路は、直流／直流コンバータであることを特徴とする請求項６又は７記載の光検出器。
【請求項９】
前記ダイオードは、ショットキーダイオードであることを特徴とする請求項６記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電源安定化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＸ線ＣＴ装置のセンサとしてSiフォトダイオードの一種であるアバランシュ・フォトダイオード（以下、APDと言う）を複数使用し、Siフォトダイオードアレイを構成したSi-PM(silicon photomultiplier)が開発されている。このSi-PMは、Ｘ線のエネルギーをシンチレータにより可視光又は紫外線に変換し、複数のAPDにより検出する。Si-PMは、APDの降伏電圧を超えた逆電圧でAPDを動作させる所謂ガイガーモードで、照射光量を検出する。このため、電源電圧が変動した場合、照射光量の検出信号に変動が生じ、検出精度が低下する。したがって、電源電圧の安定化が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１０６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本実施形態は、電源電圧を安定化させる技術とそれを用いた光検出器を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態に係る電源安定化回路は、直流電圧を生成し、出力端から負荷回路に供給する直流電源回路の前記出力端に一端が接続されたダイオードと、前記ダイオードの他端に接続されたコンデンサと、電流通路の一端が前記直流電源回路の前記出力端に接続され、ゲート電極と電流通路の他端が前記ダイオードと前記コンデンサの接続ノードに接続されたトランジスタとを具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】Siフォトダイオード単体の電圧-電流特性を説明するために示す図。
【図２】第１の実施形態に係る電源安定化回路とそれを用いたSi-PMを示す回路図。
【図３】図２の動作を示す波形図。
【図４】一般的なＤＣＤＣコンバータの安定化動作を示す波形図。
【図５】第２の実施形態に係る電源安定化回路とそれを用いたSi-PMを示す回路図。
【図６】図５の動作を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【０００８】
Si-PMはアレイ状に配置された複数のSiフォトダイオードにより構成されている。Si-PMを構成する各Siフォトダイオードは、シンチレータからの光子を高速に光電変換する。Si-PMは複数のSiフォトダイオードを使用するため、照射光量に応じて出力電流が大きく変化する素子であり、Si-PMが接続された電源回路から見た場合、負荷変動が大きい素子である。
【０００９】
図１は、Siフォトダイオードに印加される電圧と電流、光の照射量との関係を示している。Siフォトダイオードに供給される電源電圧がＶｓで示すように安定である場合、Siフォトダイオードは、電源電圧の変動の影響を受けることなく、照射光量に従った電流Ｉｓを出力する。
【００１０】
Siフォトダイオードに供給される電源電圧がアンダーシュートやオーバーシュートを含み、図１にＶｓ１からＶｓ２の範囲で示すように変動する場合、Siフォトダイオードの出力電流は、照射光量による電流変化と、電源電圧の変動による電流変化を含むこととなる。すなわち、電圧がＶｓ１からＶｓ２の範囲で変化する場合において、照射光量が小さい場合、Siフォトダイオードの出力電流はＩｓ１で示すように小さく変動し、照射光量の変動であるか、電圧の変動であるかを判別することが困難である。また、電圧がＶｓ１からＶｓ２の範囲で変化する場合において、照射光量が大きい場合、Siフォトダイオードの出力電流はＩｓ２で示すように変動範囲が大きい。このため、この場合も、照射光量の変動であるか、電圧の変動であるかを判別することが困難である。したがって、電源電圧の変動が大きい場合、照射光量の検出精度が低下する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に係るSiフォトダイオードアレイの電源安定化回路を用いたＸ線検出器の例を示している。
【００１２】
ＤＣＤＣコンバータ１１は、直流電源Ｖｉｎから例えば５０Ｖの直流電圧Ｖｏｕｔ１を生成し、出力端から出力する。ＤＣＤＣコンバータ１１の出力端は、Siフォトダイオードアレイ１２の電源端子１２ａに接続されている。Siフォトダイオードアレイ１２は、複数のSiフォトダイオード１２ｃと複数の抵抗１２ｄを含み、Siフォトダイオード１２ｃと抵抗１２ｄの直列回路がアレイ状に配置されている。Siフォトダイオード１２ｃは、ガイガーモードにより動作され、この状態において、シンチレータ１３から照射された光子を検出する。Siフォトダイオードアレイ１２の検出信号は出力端子１２ｂから出力される。
【００１３】
ＤＣＤＣコンバータ１１の出力端には、電源安定化回路１４が設けられている。この電源安定化回路１４は、例えばショットキー・バリア・ダイオード（以下、ショットキーダイオードと称す）Ｄ１、コンデンサＣ１、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ（以下、ＰＭＯＳトランジスタと称す）Ｑ１、抵抗Ｒ１により構成されている。
【００１４】
ＤＣＤＣコンバータ１１の出力端と接地間にはショットキーダイオードＤ１とコンデンサＣ１が直列接続されている。すなわち、ショットキーダイオードＤ１のカソードはＤＣＤＣコンバータ１１の出力端に接続され、アノードは、コンデンサＣ１の一方の電極に接続され、コンデンサＣ１の他方の電極は接地されている。
【００１５】
ショットキーダイオードＤ１とコンデンサＣ１の接続ノードＮ１は、ＰＭＯＳトランジスタＱ１のゲート電極に接続されている。このＰＭＯＳトランジスタＱ１のソースはＤＣＤＣコンバータ１１の出力端に接続され、ドレインは抵抗Ｒ１を介してショットキーダイオードＤ１とコンデンサＣ１の接続ノードＮ１に接続されている。
【００１６】
（動作説明）
図３を参照して、図２に示す電源安定化回路１４の動作について説明する。
【００１７】
図３に示すように、ＤＣＤＣコンバータ１１は、例えば起動された状態にあり、ＤＣＤＣコンバータ１１の出力端から電圧Ｖｏｕｔ１が出力されている。この電圧Ｖｏｕｔ１は、電圧Ｖｏｕｔ２としてSiフォトダイオードアレイ１２の電源端子１２ａに供給される。Siフォトダイオードアレイ１２に光子が照射されていない定常状態において、ＤＣＤＣコンバータ１１の出力端から電源端子１２ａに電流Iｏｕｔ２は流れていない。ここで、電圧Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２は、定常状態において、等しい電圧であり、Siフォトダイオードアレイ１２の負荷が変化した場合、先ず、電圧Ｖｏｕｔ２が変化し、この後、電圧Ｖｏｕｔ１が変化する。このため、電圧Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２は、時間差を有する電圧である。
【００１８】
また、定常状態において、コンデンサＣ１は、充電された状態にあり、ショットキーダイオードＤ１とコンデンサＣ１の接続ノードＮ１の電圧はＶ１となっている。この電圧Ｖ１は、Ｖ１＝Ｖｏｕｔ１−Ｖｆ（Ｖｆは、順方向電圧降下）である。ショットキーダイオードＤ１のＶｆは、ＰＮ接合ダイオードに比べて小さな電圧であるため、電圧Ｖ１は、ほぼＶｏｕｔ１（Ｖｏｕｔ２）と等しい。定常状態において、ショットキーダイオードＤ１は、非導通状態であり、電流Ｉｏｕｔ１、Ｉｉｎ１は流れていない。
【００１９】
さらに、接続ノードＮ１の電圧Ｖ１は、ＰＭＯＳトランジスタＱ１の閾値電圧Ｖｑｔより高いため、ＰＭＯＳトランジスタＱ１はオフ状態である。このため、抵抗Ｒ１に電流Ｉｉｎ２は流れていない。
【００２０】
上記状態において、時刻Ｔ１において、Siフォトダイオードアレイ１２に光が照射され、負荷が増大すると、Siフォトダイオードアレイ１２の電源端子１２ａの電圧Ｖｏｕｔ２、及び出力電流Ｉｏｕｔ２が減少しようとする。この状態において、本実施形態に係る電源安定化回路１４を持たない回路を想定した場合、ＤＣＤＣコンバータは、出力電圧Ｖｏｕｔ２（Ｖｏｕｔ１）の低下に伴い出力電流、出力電圧を増加させるように安定化動作を実行する。
【００２１】
これに対して、本実施形態の場合、Siフォトダイオードアレイ１２の負荷が増大すると、ＤＣＤＣコンバータ１１が安定化動作を実行するより先に、ショットキーダイオードＤ１が導通する。すなわち、Ｖｏｕｔ２がＶｏｕｔ１−Ｖｆより低下すると、ショットキーダイオードＤ１が導通し、コンデンサＣ１の電荷がショットキーダイオードＤ１を介して電流Ｉｏｕｔ１としてＤＣＤＣコンバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔ２に供給される。ショットキーダイオードＤ１は、上述したように、順方向電圧降下ＶｆがＰＮ接合ダイオードに比べて小さく、スイッチング速度が速い。このため、ショットキーダイオードＤ１は、電圧Ｖｏｕｔ２の低下に伴い瞬時に導通し、電流Ｉｏｕｔ１を流すことができる。したがって、ＤＣＤＣコンバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔ２は、図３に示すように、瞬時に増加し、電圧Ｖｏｕｔ２は殆ど変動することなく、安定に保持される。
【００２２】
このように、Siフォトダイオードアレイ１２の負荷が増大し、Siフォトダイオードアレイ１２の電源端子１２ａの電圧Ｖｏｕｔ２、及び出力電流Ｉｏｕｔ２が減少しようとした場合、ショットキーダイオードＤ１により高速に電流Ｉｏｕｔ１がＤＣＤＣコンバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔ２に補填される。このため、図３に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔ２は殆ど変化しない。
【００２３】
上記のように、コンデンサＣ１からショットキーダイオードＤ１を介して電流Ｉｏｕｔ１が流れ、接続ノードＮ１の電圧Ｖ１がＰＭＯＳトランジスタＱ１の閾値電圧Ｖｑｔより低下すると、ＰＭＯＳトランジスタＱ１がオン状態となる。このため、ＰＭＯＳトランジスタＱ１、抵抗Ｒ１を介して電流Ｉｉｎ２が流れ、コンデンサＣ１が充電される。このとき、ショットキーダイオードＤ１のアノードの電圧（電圧Ｖ１）がカソードの電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｖｏｕｔ２））より低下しているため、ショットキーダイオードＤ１を介してＤＣＤＣコンバータ１１から逆リーク電流Ｉｉｎ１が流れ、コンデンサＣ１が充電される。すなわち、コンデンサＣ１は、電流Ｉｉｎ１及びＩｉｎ２により高速に充電される。
【００２４】
この後、時刻Ｔ２で示すように、接続ノードＮ１の電圧Ｖ１がＰＭＯＳトランジスタＱ１の閾値電圧Ｖｑｔより高くなると、ＰＭＯＳトランジスタＱ１がオフ状態となる。このため、ＰＭＯＳトランジスタＱ１及び抵抗Ｒ１を流れる電流Ｉｉｎ２が遮断され、コンデンサＣ１は、ショットキーダイオードＤ１からの逆リーク電流Ｉｉｎ１により緩やかに充電される。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔ２のオーバーシュートを防止することが可能である。
【００２５】
時刻Ｔ３で示すように、接続ノードＮ１の電圧Ｖ１が、Ｖｏｕｔ１−Ｖｆ、すなわち、電圧Ｖ１が出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｖｏｕｔ２）とほぼ等しくなると、ショットキーダイオードＤ１の逆リーク電流Ｉｉｎ１が遮断され、逆リーク電流Ｉｉｎ１によるコンデンサＣ１の充電が停止される。
【００２６】
尚、ＤＣＤＣコンバータ１１の起動時も上記とほぼ同様の動作が実行される。ＤＣＤＣコンバータ１１が起動され、ＤＣＤＣコンバータ１１の出力端から電圧Ｖｏｕｔ１（Ｖｏｕｔ２）が出力された初期状態において、コンデンサＣ１は、充電されていない。このため、ショットキーダイオードＤ１とコンデンサＣ１の接続ノードＮ１の電圧Ｖ１は、ローレベルとなっている。したがって、ＰＭＯＳトランジスタＱ１は、オン状態であり、ＰＭＯＳトランジスタＱ１、抵抗Ｒ１を介して流れる電流Ｉｉｎ２によりコンデンサＣ１が充電される。このとき、ショットキーダイオードＤ１の逆リーク電流Ｉｉｎ１によっても、コンデンサＣ１が充電される。このため、コンデンサＣ１は、電流Ｉｉｎ１及びＩｉｎ２により高速に充電される。この後、接続ノードＮ１の電圧Ｖ１がＰＭＯＳトランジスタＱ１の閾値電圧Ｖｑｔより高くなると、ＰＭＯＳトランジスタＱ１がオフ状態となる。このため、電流Ｉｉｎ２が遮断され、コンデンサＣ１は、ショットキーダイオードＤ１の逆リーク電流Ｉｉｎ１により緩やかに充電される。接続ノードＮ１の電圧Ｖ１が出力電圧Ｖｏｕｔ１−Ｖｆとなると、ショットキーダイオードＤ１の逆リーク電流Ｉｉｎ１が遮断され、コンデンサＣ１の充電が停止される。
【００２７】
上記第１の実施形態によれば、Siフォトダイオードアレイ１２の負荷が大きくなった場合、ＤＣＤＣコンバータ１１の安定化動作より先に、ショットキーダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１から電流Ｉｏｕｔ１をＤＣＤＣコンバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔ２に高速に供給している。このため、Siフォトダイオードアレイ１２の電源端子１２ａの電圧Ｖｏｕｔ２の変動を抑制することが可能であり、電圧Ｖｏｕｔ２にオーバーシュート及びアンダーシュートが生じることを防止できる。したがって、Siフォトダイオードアレイ１２の検出精度を向上させることが可能である。
【００２８】
すなわち、Siフォトダイオードアレイ１２は、１０ｎｓ以下のオーダーで非常に高速に動作する。しかも、電源電圧は例えば５０Ｖの高い電圧である。このため、高速な負荷変動に対して、一般的なＤＣＤＣコンバータによって、フィードバック制御により５０Ｖの電源電圧を安定化することは困難である。しかし、第１の実施形態の電源安定化回路１４によれば、Siフォトダイオードアレイ１２の動作に高速に追従して電源電圧を安定化することが可能である。したがって、Siフォトダイオードアレイ１２の検出精度を向上させることが可能である。
【００２９】
図４は、第１の実施形態の電源安定化回路１４を持たない一般的なＤＣＤＣコンバータの動作の一例を示している。ＤＣＤＣコンバータは、負荷変動に伴い出力電圧が変動した場合、出力電圧が一定となるように動作する。図４にＡで示すように、例えば負荷が増加し、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧が低下した場合、ＤＣＤＣコンバータは、出力電圧の低下に伴い出力電流を増加させるように動作する。一般に、ＤＣＤＣコンバータは、出力電圧の変動に比べて出力電流の方が高速であるため、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧は、出力電流に従って増加する。しかし、出力電流の減少に追随できず、図４にＢで示すように、オーバーシュートする。これを抑制するため、ＤＣＤＣコンバータは、出力電流を低減するように動作する。このように、一般的なＤＣＤＣコンバータは、出力電圧の安定化動作に伴い、出力電圧にオーバーシュートやアンダーシュートが発生する。
【００３０】
しかし、上述したように、第１の実施形態の場合、電源安定化回路１４がＤＣＤＣコンバータ１１の安定化動作より先に、出力電圧Ｖｏｕｔ２を安定化しているため、出力電圧Ｖｏｕｔ２にオーバーシュート、アンダーシュートが発生することを防止できる。
【００３１】
また、第１の実施形態によれば、コンデンサＣ１の充電電荷が減少した場合、ＰＭＯＳトランジスタＱ１、抵抗Ｒ１を介して流れる電流Ｉｉｎ２とショットキーダイオードＤ１の逆リーク電流Ｉｉｎ１とにより、コンデンサＣ１を高速に充電することが可能である。しかも、コンデンサＣ１の充電が進み、接続ノードＮ１の電圧Ｖ１がＰＭＯＳトランジスタＱ１の閾値電圧Ｖｑｔを越えると、ショットキーダイオードＤ１の逆リーク電流Ｉｉｎ１のみにより、コンデンサＣ１を緩やかに充電している。このため、出力電圧Ｖｏｕｔ２のオーバーシュートを確実に防止することが可能である。
【００３２】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る電源安定化回路とそれを用いたSiPMを示している。第２の実施形態において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付している。
【００３３】
第１の実施形態は、ＤＣＤＣコンバータ１１の負荷としてのSiフォトダイオードアレイ１２の負荷変動が高速である場合を想定し、電源安定化回路１４は、コンデンサＣ１を高速に充電するため、ＰＭＯＳトランジスタＱ１、及び抵抗Ｒ１などを含んでいた。
【００３４】
これに対して、第２の実施形態は、Siフォトダイオードアレイ１２の負荷変動が第１の実施形態に比べて緩やかな場合を想定している。この場合、コンデンサＣ１の充電時間は、余裕を持つことが可能である。したがって、電源安定化回路１４は、ショットキーダイオードＤ１とコンデンサＣ１により構成され、コンデンサＣ１はショットキーダイオードＤ１の逆リーク電流により緩やか充電される。
【００３５】
図６は、ＤＣＤＣコンバータ１１の起動時におけるコンデンサＣ１の充電動作の例を示している。ＤＣＤＣコンバータ１１が起動される以前において、ショットキーダイオードＤ１とコンデンサＣ１の接続ノードＮ１の電圧Ｖ１は、コンデンサＣ１が充電されていないため、０Ｖである。
【００３６】
時刻Ｔ１１において、ＤＣＤＣコンバータ１１が起動されると、ＤＣＤＣコンバータ１１の出力端から出力信号Ｖｏｕｔ１が出力される。このとき、ショットキーダイオードＤ１は逆バイアス状態であるため、ショットキーダイオードＤ１に逆リーク電流Ｉｉｎ１が流れ、コンデンサＣ１が充電される。コンデンサＣ１の充電に伴い接続ノードＮ１の電圧Ｖ１が上昇し、時刻Ｔ１２において、電圧Ｖ１がＶｏｕ１−Ｖｆ、すなわち、電圧Ｖ１が出力電圧Ｖｏｕｔ１とほぼ等しくなると、ショットキーダイオードＤ１の逆リーク電流Ｉｉｎ１が遮断され、コンデンサＣ１の充電が完了される。
【００３７】
上記状態において、Siフォトダイオードアレイ１２の負荷が増大した場合におけるショットキーダイオードＤ１による電流Ｉｏｕｔ１の供給動作は、第１の実施形態と同様である。
【００３８】
ＤＣＤＣコンバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔ２にショットキーダイオードＤ１による電流Ｉｏｕｔ１を供給した場合、ショットキーダイオードＤ１とコンデンサＣ１との接続ノードＮ１の電圧Ｖ１は、Ｖｏｕｔ１−Ｖｆより低下する。このため、ショットキーダイオードＤ１に逆リーク電流Ｉｉｎ１が流れ、コンデンサＣ１は、この逆リーク電流Ｉｉｎ１により緩やかに充電される。
【００３９】
上記第２の実施形態によれば、Siフォトダイオードアレイ１２の負荷変動が第１の実施形態に比べて緩やかな場合、第１の実施形態と同様に、Siフォトダイオードアレイ１２の電源端子１２ａの電圧を安定化することができる。したがって、Siフォトダイオードアレイ１２の検出精度を向上することが可能である。
【００４０】
しかも、第２の実施形態の場合、電源安定化回路１４をショットキーダイオードＤ１とコンデンサＣ１により構成することができるため、構成を簡略化することが可能である。
【００４１】
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２…Siフォトダイオードアレイ、１２ｃ…Siフォトダイオード、１３…シンチレータ、１４…電源安定化回路、Ｄ１…ショットキー・バリア・ダイオード、Ｃ１…コンデンサ、Ｑ１…ＰチャネルＭＯＳトランジスタ、Ｒ１…抵抗
【図１】
2016046945.tif 000003
【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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