スイッチ回路及びそれを用いた超音波診断装置
【目的】 対象回路の接続の切り換えを行うスイッチ回路において、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくすることにより回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくする。
【構成】 高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの二つの電界効果トランジスタ８ａ，８ｂの共通接続されたソースに接続したスイッチングダイオード１４を抵抗１３を介して駆動する電源として定電流回路１７を用い、上記二つの電界効果トランジスタ８ａ，８ｂがオフ動作時に上記定電流回路１７に接続された抵抗１３の一端が接地した状態となるようにしたものである。これにより、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくして回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができる。
【構成】 高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの二つの電界効果トランジスタ８ａ，８ｂの共通接続されたソースに接続したスイッチングダイオード１４を抵抗１３を介して駆動する電源として定電流回路１７を用い、上記二つの電界効果トランジスタ８ａ，８ｂがオフ動作時に上記定電流回路１７に接続された抵抗１３の一端が接地した状態となるようにしたものである。これにより、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくして回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくすることにより回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができるスイッチ回路、及びこのスイッチ回路を送波パルス発生器から印加される送波パルスと探触子から出力される受波信号との切り換えを行う切換スイッチとして用いた超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の超音波診断装置は、特開平2-136134号公報に記載され、図４に示すように、例えば短冊状に形成された複数の振動子素子１1，１2，…，１nが吸音材の上に隣接して配列され超音波を送受波する探触子２と、この探触子２内の各振動子素子１1〜１n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，…，３nと、縦形の二重拡散電界効果トランジスタ（以下「ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ」と略称する）を逆直列接続して成る高耐圧アナログスイッチ４1，４2，…，４nを用い上記探触子２の振動子素子１1〜１nと送波パルス発生器３1〜３nとの接続の切り換えを行う切換スイッチ５とを有して成っていた。
【０００３】ここで、上記切換スイッチ５として用いられる高耐圧アナログスイッチ４1〜４nは、符号４1を付して示す第一の高耐圧アナログスイッチの内部回路図に示すような構成とされている。すなわち、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ及び８ｂと、発光ダイオード９及び光起電ダイオードアレイ１０からなる光結合回路を有し入力端子Ａからの制御信号に応じて光起電電流を発生する入力部１１と、上記二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのオフ時に動作してゲートとソース間を短絡しそのオフ動作を早めるＦＥＴゲートの制御部１２と、高電圧源−Ｖから上記二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソースに共通接続された抵抗１３と、上記高電圧源−Ｖより電位の低いバイパスコンデンサＣを設けた低インピーダンス電圧源−Ｖ2に接続されたスイッチングダイオード１４と、前記探触子２と接続する信号線の対地インピーダンスを低くするために上記の抵抗１３より十分小さい抵抗又はインダクタ１５とから成っている。なお、符号１６ａ，１６ｂは、それぞれ各ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂの寄生ダイオードを示している。また、上記高電圧源−Ｖは、他の入力端子Ｂ側のＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃと抵抗１３′とこの抵抗１３′に接続された高電圧源−Ｖ1とから成る回路より供給される構成となっている。
【０００４】次に、上記のように構成された図４に示す高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作について説明する。まず、制御信号が入力端子に印加されると、第一の光結合回路の発光ダイオード９が光を発し、この光が光起電ダイオードアレイ１０に入射して光起電電流を発生し、ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲートとドレイン間の静電容量を充電する。そして、この充電によりゲート電圧が上昇してＶＤＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオンさせる。これにより、送波パルス発生器３1，３2，…と探触子２の振動子素子１1，１2，…とが接続され、上記送波パルス発生器３1，３2，…からの駆動パルスが該当するチャンネルの振動子素子１1，１2，…に印加され、その振動子素子１1，１2，…から超音波が送波される。このとき、上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソースの直流電圧は、他の入力端子Ｂに一の入力端子Ａの信号と同期して印加される制御電圧によりその入力端子Ｂ側のＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃがオンするため、ほぼ接地電位となる。すなわち、高電圧源−Ｖの電位はほぼ接地電位となるので、スイッチングダイオード１４はオフとなると共に、入出力信号端の直流電位はほぼ接地電位となる。
【０００５】次に、上記入力端子Ａから制御信号が除かれると、光結合回路の発光ダイオード９からの発光が止まり光起電ダイオードアレイ１０には光が入射しないので、上記光起電ダイオードアレイ１０は光起電電流を発生せず、ＦＥＴゲートの制御部１２がスイッチ動作してＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲートとソース間を短絡することにより、ゲートの電荷を放電させて上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオフさせる。これにより、送波パルス発生器３1，３2，…と探触子２の振動子素子１1，１2，…とが遮断され、該当するチャンネルの振動子素子１1，１2，…からの超音波の送波が停止される。このとき、上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂはオフとされているので、そのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソース電位は高電圧源−Ｖ1に近くなる。この状態では、スイッチングダイオード１４のアノードの電位は−Ｖ2であり、この電位は上記高電圧源−Ｖ1より低いので、上記スイッチングダイオード１４はオンとなる。このスイッチングダイオード１４には、Ｖ2，Ｖ1間の電位差と抵抗１３，１３′とにより決まる電流が流れ、このときの上記スイッチングダイオード１４の動作抵抗が十分小さくなるように設計すると、二つＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂからの信号の洩れは上記スイッチングダイオード１４に流れて、探触子２内の振動子素子１1，１2，…，１nへの洩れを少なくすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従来の超音波診断装置における切換スイッチ５として用いられる高耐圧アナログスイッチ４1〜４nは、探触子２内の振動子素子１1〜１nへの信号の洩れを少なくするため、スイッチングダイオード１４の動作抵抗が十分小さくなるように設計して、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂからの信号の洩れは上記スイッチングダイオード１４に流れるようにしていたので、該スイッチングダイオード１４に流れる電流が大きくなるものであった。この場合、入力端子Ｂ側も含めて三つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂ，８ｃがオン時に上記スイッチングダイオード１４に流れる電流は、上記入力端子Ｂ側に供給される高電圧源の電位差Ｖ1と抵抗１３′とで決まる。従って、上記スイッチングダイオード１４に流れる電流を小さくするには、上記抵抗１３′の値を大きくする必要がある。ところが、この抵抗１３′の値を大きくすると、上記スイッチングダイオード１４の動作電流が小さくなりすぎることがあるので、該抵抗１３′の値を大きくするには限界がある。一方、上記抵抗１３′の値を小さくすると、流れる電流が大きくなると共に消費電力が大きくなり、抵抗器も大形化して回路規模が大きくなり、オフセット電圧も高くなるものであった。このことから、切換スイッチ５が大形化して超音波診断装置の全体も大形化するものであった。
【０００７】そこで、本発明は、このような問題点に対処し、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくすることにより回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができるスイッチ回路、及びこのスイッチ回路を送波パルス発生器から印加される送波パルスと探触子から出力される受波信号との切り換えを行う切換スイッチとして用いた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明によるスイッチ回路は、二つの電界効果トランジスタを逆直列接続して成る高耐圧アナログスイッチを用い、上記二つの電界効果トランジスタのゲート信号を制御すると共に、これらの電界効果トランジスタの共通接続されたソースにオフ動作時に低インピーダンス電源で逆バイアスするため、上記高耐圧アナログスイッチの二つの電界効果トランジスタの共通接続されたソースにスイッチングダイオードを接続して成り、対象回路の接続の切り換えを行うスイッチ回路において、上記スイッチングダイオードを抵抗を介して駆動する電源として定電流回路を用いると共に、上記二つの電界効果トランジスタがオフ動作時に上記定電流回路に接続された抵抗の一端が接地した状態となるようにしたものである。
【０００９】また、関連発明としての超音波診断装置は、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、この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、この送波パルス発生器から上記探触子へ印加される送波パルスと該探触子からの受波信号とを切り換える切換スイッチと、この切換スイッチを介して出力される探触子からの受波信号を増幅する受信増幅器と、この受信増幅器からの受波信号に所定の遅延時間を与える遅延回路を有しこれらの遅延回路で位相が揃えられた受波信号を加算して出力する整相回路と、この整相回路で整相された信号を検波する検波器と、この検波器からの出力信号を画像として表示する表示装置とを備えて成る超音波診断装置において、上記切換スイッチとして、上記手段のスイッチ回路を用いたものである。
【００１０】
【作用】上記のように構成されたスイッチ回路は、高耐圧アナログスイッチの二つの電界効果トランジスタの共通接続されたソースに接続したスイッチングダイオードを抵抗を介して駆動する電源として定電流回路を用い、上記二つの電界効果トランジスタがオフ動作時に上記定電流回路に接続された抵抗の一端が接地した状態となるように動作する。これにより、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくして回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができる。
【００１１】また、上記のように構成された超音波診断装置は、送波パルス発生器から探触子へ印加される送波パルスと該探触子からの受波信号とを切り換える切換スイッチとして、前記のスイッチ回路を用いることにより、装置全体を小型化することができる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるスイッチ回路の実施例を示す回路図である。このスイッチ回路は、例えば超音波診断装置において送波パルス発生器３1〜３nから探触子２へ印加される送波パルスと該探触子２からの受波信号との切り換えを行う切換スイッチ５として用いるもので、縦形の二重拡散電界効果トランジスタ（ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ）８ａ，８ｂを逆直列接続して成る高耐圧アナログスイッチ４1，４2，…，４nを用い、上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲート信号を光結合回路で制御すると共に、これらのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂの共通接続されたソースにオフ動作時に低インピーダンス電源で逆バイアスして、対象回路の接続の切り換えを行うものである。
【００１３】ここで、本発明においては、上記切換スイッチ５として用いられる高耐圧アナログスイッチ４1〜４nは、符号４1を付して示す第一の高耐圧アナログスイッチの内部回路図に示すような構成とされている。すなわち、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ及び８ｂと、発光ダイオード９及び光起電ダイオードアレイ１０からなる光結合回路を有し入力端子Ａからの制御信号に応じて光起電電流を発生する入力部１１と、上記二つＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのオフ時に動作してゲートとソース間を短絡しそのオフ動作を早めるＦＥＴゲートの制御部１２と、高電圧源−Ｖから上記二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソースに共通接続された抵抗１３と、上記高電圧源−Ｖより電位の低いバイパスコンデンサＣを設けた低インピーダンス電圧源−Ｖ2に接続されたスイッチングダイオード１４と、前記探触子２と接続する信号線の対地インピーダンスを低くするために上記の抵抗１３より十分小さい抵抗又はインダクタ１５とから成っている。なお、符号１６ａ，１６ｂは、それぞれ各ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂの寄生ダイオードを示している。また、上記高電圧源−Ｖは、他の入力端子Ｂ側のＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃと定電流回路１７とこの定電流回路１７に接続された高電圧源−Ｖ1とから成る回路より供給される構成となっている。すなわち、上記スイッチングダイオード１４を抵抗１３を介して駆動する電源として定電流回路１７を用いたものである。
【００１４】上記定電流回路１７の具体的な回路構成としては、例えば図２に示すようになっている。すなわち、同図（ａ）に示すように、二つのトランジスタＱ1，Ｑ2と抵抗Ｒ1とを組み合わせて構成されたもの、あるいは同図（ｂ）に示すように、一つのトランジスタＱ3と三つの抵抗Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4とを組み合わせて構成されたものなどがある。
【００１５】次に、上記のように構成された図１に示す高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作について説明する。まず、制御信号が入力端子Ａに印加されると、光結合回路の発光ダイオード９が光を発し、この光が光起電ダイオードアレイ１０に入射して光起電電流を発生し、ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲート容量を充電する。そして、この充電によりゲート電圧が上昇してＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオンさせる。これにより、送波パルス発生器３1，３2，…と探触子２の振動子素子１1，１2，…とが接続され、上記送波パルス発生器３1，３2，…からの駆動パルスが該当するチャンネルの振動子素子１1，１2，…に印加され、その振動子素子１1，１2，…から超音波が送波される。ここで、図４に示す従来の高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作においては、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオンにした場合、前記スイッチングダイオード１４に流れる電流ｉは、他の入力端子Ｂ側の高電圧源−Ｖ1に接続された抵抗１３′の値をＲ′すると、ｉ＝Ｖ1／Ｒ′ …（１）
で与えられる。
【００１６】次に、前記入力端子Ａから制御信号が除かれると、光結合回路の発光ダイオード９からの発光が止まり光起電ダイオードアレイ１０には光が入射しないので、上記光起電ダイオードアレイ１０は光起電電流を発生せず、制御部１２がスイッチ動作してＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲートとソース間を短絡することにより、ゲートの電荷を放電させて上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオフさせる。これにより、送波パルス発生器３1，３2，…と探触子２の振動子素子１1，１2，…とが遮断され、該当するチャンネルの振動子素子１1，１2，…からの超音波の送波が停止される。ここで、図４R>４に示す従来の高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作においては、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオフにした場合、該ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソースは零電位となり、前記スイッチングダイオード１４に流れる電流ｉ′は、上記ソースに共通接続された抵抗１３の値をＲとすると、ｉ′＝（Ｖ2−Ｖ1）／（Ｒ＋Ｒ′） …（２）
となる。この場合、前記抵抗１３′で消費される電力Ｐは、Ｐ＝ｉ2・Ｒ′＝Ｖ1・ｉ …（３）
となる。
【００１７】一方、図１に示す本発明の高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作において、前記の抵抗１３′に代えて、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂがオフ時にスイッチングダイオード１４に流れる電流ｉ′に等しい電流を供給する定電流回路１７を用いると、この定電流回路１７で消費される電力Ｐ′は、Ｐ′＝Ｖ1・ｉ′ …（４）
となる。いま、具体例として、例えばＶ1＝150Ｖ，Ｖ2＝120Ｖ，Ｒ＝33ＫΩ，Ｒ′＝51ＫΩとすると、電流は前述の式（１）及び（２）からｉ＝３ｍＡ，ｉ′＝0.35ｍＡとなり、消費電力は式（３）及び（４）からＰ＝0.45Ｗ，Ｐ′＝0.053Ｗとなる。このことから、本発明によれば、従来回路の約１／９の消費電力Ｐ′に大幅減少できる。
【００１８】また、図１において、ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂ，８ｃがオンの時のオフセット電圧は、他の入力端子Ｂ側のＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃに流れる電流ｉ′と、該ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃのオン抵抗とによって決まる。この場合、上述のようにＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃに流れる電流ｉ′が従来回路より大幅に減少できることから、オフセット電圧も大幅に減少することができる。いま、具体例としてＶ1，Ｖ2，Ｒ，Ｒ′の各値を上述のような数値とし、上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃのオン抵抗を８Ωとすると、オフセット電圧は、図４に示す従来回路では24ｍＶになるが、図１に示す本発明では2.8ｍＶとなる。すなわち、本発明によれば、従来回路の約１／８のオフセット電圧に大幅減少できる。
【００１９】なお、図１においては、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオン、オフ動作させるため、発光ダイオード９及び光起電ダイオードアレイ１０からなる光結合回路を有する入力部１１により上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲートとソース間に電位を与えるようになっているが、本発明はこれに限らず、上記入力部１１及び制御部１２の代わりに高耐圧のＦＥＴを用い電位をシフトする回路を用いてもよい。
【００２０】図３は図１に示すスイッチ回路の関連発明としての超音波診断装置の実施例を示すブロック図である。この超音波診断装置は、超音波を利用して被検体の診断部位について断層像を得るもので、例えば電子リニア走査型とされており、短冊状に形成された複数の振動子素子１1〜１nが配列され超音波を送受波する探触子２と、この探触子２内の各振動子素子１1〜１n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３と、この送波パルス発生器３から上記探触子２へ印加される送波パルスと該探触子２からの受波信号とを切り換える切換スイッチ５と、この切換スイッチ５を介して出力される探触子２からの受波信号を時間と共に利得を変化させて増幅する受信増幅器６ａ〜６ｅと、この各受信増幅器６ａ〜６ｅからの出力信号に所定の遅延時間を与える複数の遅延回路７ａ〜７ｅを有しこれらの遅延回路７ａ〜７ｅで位相が揃えられた受波信号を加算する加算器１８を備えた整相回路１９と、この整相回路１９で整相された信号を検波する検波器２０と、この検波器２０からの出力信号を画像として表示する表示装置２１とを備えて成る。
【００２１】なお、図３においては、切換スイッチ５は例えば五つに分けられた振動子素子群を一端方から順次選択してそれぞれ次段の受信増幅器６ａ〜６ｅに接続するようになっており、上記五つの振動子素子群を順次切り換えて並進させるようになっている。従って、受信増幅器は５個（６ａ〜６ｅ）設けられている。また、上記各構成要素の動作は、制御部２２からの制御信号で制御されるようになっている。
【００２２】ここで、本発明においては、上記切換スイッチ５としては、図１に示す回路構成とされ、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を減少させ、回路規模の小型化を図ることができる高耐圧アナログスイッチ４1〜４nから成るスイッチ回路が用いられている。このような構成により、本発明の超音波診断装置においては、上記切換スイッチ５として図１に示すスイッチ回路（４1〜４n）を用いることにより、装置全体の小型化を図ることができる。
【００２３】
【発明の効果】本発明によるスイッチ回路（図１参照）は以上のように構成されたので、高耐圧アナログスイッチの二つの電界効果トランジスタの共通接続されたソースに接続したスイッチングダイオードを抵抗を介して駆動する電源として定電流回路を用い、上記二つの電界効果トランジスタがオフ動作時に上記定電流回路に接続された抵抗の一端が接地した状態となるようにできる。これにより、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくして回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができる。また、上記二つの電界効果トランジスタのソースの直流電位は接地電位に近くなり、本発明のスイッチ回路のオン、オフ動作に伴うオフセット電位の変動がほとんどなく、スイッチ切換時のノイズの発生も小さくすることができる。
【００２４】また、本発明による超音波診断装置（図３参照）は以上のように構成されたので、送波パルス発生器から探触子へ印加される送波パルスと該探触子からの受波信号とを切り換える切換スイッチとして、前記のスイッチ回路を用いることにより、装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスイッチ回路の実施例を示す回路図である。
【図２】上記スイッチ回路における定電流回路の具体的な回路構成を示す回路図である。
【図３】図１に示すスイッチ回路の関連発明としての超音波診断装置の実施例を示すブロック図である。
【図４】従来の超音波診断装置における切換スイッチを示す回路図である。
【符号の説明】
１1〜１n…振動子素子
２…探触子
３，３1〜３n…送波パルス発生器
４1〜４n…高耐圧アナログスイッチ
５…切換スイッチ
６ａ〜６ｎ…受信増幅器
８ａ，８ｂ，８ｃ…ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ
９…発光ダイオード
１０…光起電ダイオードアレイ
１１…入力部
１２…制御部
１３…抵抗
１４…スイッチングダイオード
１５…抵抗又はインダクタ
１７…定電流回路
１９…整相回路
２０…検波器
２１…表示装置
２２…制御部
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくすることにより回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができるスイッチ回路、及びこのスイッチ回路を送波パルス発生器から印加される送波パルスと探触子から出力される受波信号との切り換えを行う切換スイッチとして用いた超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の超音波診断装置は、特開平2-136134号公報に記載され、図４に示すように、例えば短冊状に形成された複数の振動子素子１1，１2，…，１nが吸音材の上に隣接して配列され超音波を送受波する探触子２と、この探触子２内の各振動子素子１1〜１n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，…，３nと、縦形の二重拡散電界効果トランジスタ（以下「ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ」と略称する）を逆直列接続して成る高耐圧アナログスイッチ４1，４2，…，４nを用い上記探触子２の振動子素子１1〜１nと送波パルス発生器３1〜３nとの接続の切り換えを行う切換スイッチ５とを有して成っていた。
【０００３】ここで、上記切換スイッチ５として用いられる高耐圧アナログスイッチ４1〜４nは、符号４1を付して示す第一の高耐圧アナログスイッチの内部回路図に示すような構成とされている。すなわち、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ及び８ｂと、発光ダイオード９及び光起電ダイオードアレイ１０からなる光結合回路を有し入力端子Ａからの制御信号に応じて光起電電流を発生する入力部１１と、上記二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのオフ時に動作してゲートとソース間を短絡しそのオフ動作を早めるＦＥＴゲートの制御部１２と、高電圧源−Ｖから上記二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソースに共通接続された抵抗１３と、上記高電圧源−Ｖより電位の低いバイパスコンデンサＣを設けた低インピーダンス電圧源−Ｖ2に接続されたスイッチングダイオード１４と、前記探触子２と接続する信号線の対地インピーダンスを低くするために上記の抵抗１３より十分小さい抵抗又はインダクタ１５とから成っている。なお、符号１６ａ，１６ｂは、それぞれ各ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂの寄生ダイオードを示している。また、上記高電圧源−Ｖは、他の入力端子Ｂ側のＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃと抵抗１３′とこの抵抗１３′に接続された高電圧源−Ｖ1とから成る回路より供給される構成となっている。
【０００４】次に、上記のように構成された図４に示す高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作について説明する。まず、制御信号が入力端子に印加されると、第一の光結合回路の発光ダイオード９が光を発し、この光が光起電ダイオードアレイ１０に入射して光起電電流を発生し、ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲートとドレイン間の静電容量を充電する。そして、この充電によりゲート電圧が上昇してＶＤＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオンさせる。これにより、送波パルス発生器３1，３2，…と探触子２の振動子素子１1，１2，…とが接続され、上記送波パルス発生器３1，３2，…からの駆動パルスが該当するチャンネルの振動子素子１1，１2，…に印加され、その振動子素子１1，１2，…から超音波が送波される。このとき、上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソースの直流電圧は、他の入力端子Ｂに一の入力端子Ａの信号と同期して印加される制御電圧によりその入力端子Ｂ側のＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃがオンするため、ほぼ接地電位となる。すなわち、高電圧源−Ｖの電位はほぼ接地電位となるので、スイッチングダイオード１４はオフとなると共に、入出力信号端の直流電位はほぼ接地電位となる。
【０００５】次に、上記入力端子Ａから制御信号が除かれると、光結合回路の発光ダイオード９からの発光が止まり光起電ダイオードアレイ１０には光が入射しないので、上記光起電ダイオードアレイ１０は光起電電流を発生せず、ＦＥＴゲートの制御部１２がスイッチ動作してＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲートとソース間を短絡することにより、ゲートの電荷を放電させて上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオフさせる。これにより、送波パルス発生器３1，３2，…と探触子２の振動子素子１1，１2，…とが遮断され、該当するチャンネルの振動子素子１1，１2，…からの超音波の送波が停止される。このとき、上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂはオフとされているので、そのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソース電位は高電圧源−Ｖ1に近くなる。この状態では、スイッチングダイオード１４のアノードの電位は−Ｖ2であり、この電位は上記高電圧源−Ｖ1より低いので、上記スイッチングダイオード１４はオンとなる。このスイッチングダイオード１４には、Ｖ2，Ｖ1間の電位差と抵抗１３，１３′とにより決まる電流が流れ、このときの上記スイッチングダイオード１４の動作抵抗が十分小さくなるように設計すると、二つＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂからの信号の洩れは上記スイッチングダイオード１４に流れて、探触子２内の振動子素子１1，１2，…，１nへの洩れを少なくすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従来の超音波診断装置における切換スイッチ５として用いられる高耐圧アナログスイッチ４1〜４nは、探触子２内の振動子素子１1〜１nへの信号の洩れを少なくするため、スイッチングダイオード１４の動作抵抗が十分小さくなるように設計して、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂからの信号の洩れは上記スイッチングダイオード１４に流れるようにしていたので、該スイッチングダイオード１４に流れる電流が大きくなるものであった。この場合、入力端子Ｂ側も含めて三つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂ，８ｃがオン時に上記スイッチングダイオード１４に流れる電流は、上記入力端子Ｂ側に供給される高電圧源の電位差Ｖ1と抵抗１３′とで決まる。従って、上記スイッチングダイオード１４に流れる電流を小さくするには、上記抵抗１３′の値を大きくする必要がある。ところが、この抵抗１３′の値を大きくすると、上記スイッチングダイオード１４の動作電流が小さくなりすぎることがあるので、該抵抗１３′の値を大きくするには限界がある。一方、上記抵抗１３′の値を小さくすると、流れる電流が大きくなると共に消費電力が大きくなり、抵抗器も大形化して回路規模が大きくなり、オフセット電圧も高くなるものであった。このことから、切換スイッチ５が大形化して超音波診断装置の全体も大形化するものであった。
【０００７】そこで、本発明は、このような問題点に対処し、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくすることにより回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができるスイッチ回路、及びこのスイッチ回路を送波パルス発生器から印加される送波パルスと探触子から出力される受波信号との切り換えを行う切換スイッチとして用いた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明によるスイッチ回路は、二つの電界効果トランジスタを逆直列接続して成る高耐圧アナログスイッチを用い、上記二つの電界効果トランジスタのゲート信号を制御すると共に、これらの電界効果トランジスタの共通接続されたソースにオフ動作時に低インピーダンス電源で逆バイアスするため、上記高耐圧アナログスイッチの二つの電界効果トランジスタの共通接続されたソースにスイッチングダイオードを接続して成り、対象回路の接続の切り換えを行うスイッチ回路において、上記スイッチングダイオードを抵抗を介して駆動する電源として定電流回路を用いると共に、上記二つの電界効果トランジスタがオフ動作時に上記定電流回路に接続された抵抗の一端が接地した状態となるようにしたものである。
【０００９】また、関連発明としての超音波診断装置は、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、この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、この送波パルス発生器から上記探触子へ印加される送波パルスと該探触子からの受波信号とを切り換える切換スイッチと、この切換スイッチを介して出力される探触子からの受波信号を増幅する受信増幅器と、この受信増幅器からの受波信号に所定の遅延時間を与える遅延回路を有しこれらの遅延回路で位相が揃えられた受波信号を加算して出力する整相回路と、この整相回路で整相された信号を検波する検波器と、この検波器からの出力信号を画像として表示する表示装置とを備えて成る超音波診断装置において、上記切換スイッチとして、上記手段のスイッチ回路を用いたものである。
【００１０】
【作用】上記のように構成されたスイッチ回路は、高耐圧アナログスイッチの二つの電界効果トランジスタの共通接続されたソースに接続したスイッチングダイオードを抵抗を介して駆動する電源として定電流回路を用い、上記二つの電界効果トランジスタがオフ動作時に上記定電流回路に接続された抵抗の一端が接地した状態となるように動作する。これにより、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくして回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができる。
【００１１】また、上記のように構成された超音波診断装置は、送波パルス発生器から探触子へ印加される送波パルスと該探触子からの受波信号とを切り換える切換スイッチとして、前記のスイッチ回路を用いることにより、装置全体を小型化することができる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるスイッチ回路の実施例を示す回路図である。このスイッチ回路は、例えば超音波診断装置において送波パルス発生器３1〜３nから探触子２へ印加される送波パルスと該探触子２からの受波信号との切り換えを行う切換スイッチ５として用いるもので、縦形の二重拡散電界効果トランジスタ（ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ）８ａ，８ｂを逆直列接続して成る高耐圧アナログスイッチ４1，４2，…，４nを用い、上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲート信号を光結合回路で制御すると共に、これらのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂの共通接続されたソースにオフ動作時に低インピーダンス電源で逆バイアスして、対象回路の接続の切り換えを行うものである。
【００１３】ここで、本発明においては、上記切換スイッチ５として用いられる高耐圧アナログスイッチ４1〜４nは、符号４1を付して示す第一の高耐圧アナログスイッチの内部回路図に示すような構成とされている。すなわち、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ及び８ｂと、発光ダイオード９及び光起電ダイオードアレイ１０からなる光結合回路を有し入力端子Ａからの制御信号に応じて光起電電流を発生する入力部１１と、上記二つＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのオフ時に動作してゲートとソース間を短絡しそのオフ動作を早めるＦＥＴゲートの制御部１２と、高電圧源−Ｖから上記二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソースに共通接続された抵抗１３と、上記高電圧源−Ｖより電位の低いバイパスコンデンサＣを設けた低インピーダンス電圧源−Ｖ2に接続されたスイッチングダイオード１４と、前記探触子２と接続する信号線の対地インピーダンスを低くするために上記の抵抗１３より十分小さい抵抗又はインダクタ１５とから成っている。なお、符号１６ａ，１６ｂは、それぞれ各ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂの寄生ダイオードを示している。また、上記高電圧源−Ｖは、他の入力端子Ｂ側のＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃと定電流回路１７とこの定電流回路１７に接続された高電圧源−Ｖ1とから成る回路より供給される構成となっている。すなわち、上記スイッチングダイオード１４を抵抗１３を介して駆動する電源として定電流回路１７を用いたものである。
【００１４】上記定電流回路１７の具体的な回路構成としては、例えば図２に示すようになっている。すなわち、同図（ａ）に示すように、二つのトランジスタＱ1，Ｑ2と抵抗Ｒ1とを組み合わせて構成されたもの、あるいは同図（ｂ）に示すように、一つのトランジスタＱ3と三つの抵抗Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4とを組み合わせて構成されたものなどがある。
【００１５】次に、上記のように構成された図１に示す高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作について説明する。まず、制御信号が入力端子Ａに印加されると、光結合回路の発光ダイオード９が光を発し、この光が光起電ダイオードアレイ１０に入射して光起電電流を発生し、ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲート容量を充電する。そして、この充電によりゲート電圧が上昇してＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオンさせる。これにより、送波パルス発生器３1，３2，…と探触子２の振動子素子１1，１2，…とが接続され、上記送波パルス発生器３1，３2，…からの駆動パルスが該当するチャンネルの振動子素子１1，１2，…に印加され、その振動子素子１1，１2，…から超音波が送波される。ここで、図４に示す従来の高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作においては、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオンにした場合、前記スイッチングダイオード１４に流れる電流ｉは、他の入力端子Ｂ側の高電圧源−Ｖ1に接続された抵抗１３′の値をＲ′すると、ｉ＝Ｖ1／Ｒ′ …（１）
で与えられる。
【００１６】次に、前記入力端子Ａから制御信号が除かれると、光結合回路の発光ダイオード９からの発光が止まり光起電ダイオードアレイ１０には光が入射しないので、上記光起電ダイオードアレイ１０は光起電電流を発生せず、制御部１２がスイッチ動作してＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲートとソース間を短絡することにより、ゲートの電荷を放電させて上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオフさせる。これにより、送波パルス発生器３1，３2，…と探触子２の振動子素子１1，１2，…とが遮断され、該当するチャンネルの振動子素子１1，１2，…からの超音波の送波が停止される。ここで、図４R>４に示す従来の高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作においては、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオフにした場合、該ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのソースは零電位となり、前記スイッチングダイオード１４に流れる電流ｉ′は、上記ソースに共通接続された抵抗１３の値をＲとすると、ｉ′＝（Ｖ2−Ｖ1）／（Ｒ＋Ｒ′） …（２）
となる。この場合、前記抵抗１３′で消費される電力Ｐは、Ｐ＝ｉ2・Ｒ′＝Ｖ1・ｉ …（３）
となる。
【００１７】一方、図１に示す本発明の高耐圧アナログスイッチ４1〜４nの動作において、前記の抵抗１３′に代えて、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂがオフ時にスイッチングダイオード１４に流れる電流ｉ′に等しい電流を供給する定電流回路１７を用いると、この定電流回路１７で消費される電力Ｐ′は、Ｐ′＝Ｖ1・ｉ′ …（４）
となる。いま、具体例として、例えばＶ1＝150Ｖ，Ｖ2＝120Ｖ，Ｒ＝33ＫΩ，Ｒ′＝51ＫΩとすると、電流は前述の式（１）及び（２）からｉ＝３ｍＡ，ｉ′＝0.35ｍＡとなり、消費電力は式（３）及び（４）からＰ＝0.45Ｗ，Ｐ′＝0.053Ｗとなる。このことから、本発明によれば、従来回路の約１／９の消費電力Ｐ′に大幅減少できる。
【００１８】また、図１において、ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂ，８ｃがオンの時のオフセット電圧は、他の入力端子Ｂ側のＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃに流れる電流ｉ′と、該ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃのオン抵抗とによって決まる。この場合、上述のようにＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃに流れる電流ｉ′が従来回路より大幅に減少できることから、オフセット電圧も大幅に減少することができる。いま、具体例としてＶ1，Ｖ2，Ｒ，Ｒ′の各値を上述のような数値とし、上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ｃのオン抵抗を８Ωとすると、オフセット電圧は、図４に示す従来回路では24ｍＶになるが、図１に示す本発明では2.8ｍＶとなる。すなわち、本発明によれば、従来回路の約１／８のオフセット電圧に大幅減少できる。
【００１９】なお、図１においては、二つのＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂをオン、オフ動作させるため、発光ダイオード９及び光起電ダイオードアレイ１０からなる光結合回路を有する入力部１１により上記ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ８ａ，８ｂのゲートとソース間に電位を与えるようになっているが、本発明はこれに限らず、上記入力部１１及び制御部１２の代わりに高耐圧のＦＥＴを用い電位をシフトする回路を用いてもよい。
【００２０】図３は図１に示すスイッチ回路の関連発明としての超音波診断装置の実施例を示すブロック図である。この超音波診断装置は、超音波を利用して被検体の診断部位について断層像を得るもので、例えば電子リニア走査型とされており、短冊状に形成された複数の振動子素子１1〜１nが配列され超音波を送受波する探触子２と、この探触子２内の各振動子素子１1〜１n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３と、この送波パルス発生器３から上記探触子２へ印加される送波パルスと該探触子２からの受波信号とを切り換える切換スイッチ５と、この切換スイッチ５を介して出力される探触子２からの受波信号を時間と共に利得を変化させて増幅する受信増幅器６ａ〜６ｅと、この各受信増幅器６ａ〜６ｅからの出力信号に所定の遅延時間を与える複数の遅延回路７ａ〜７ｅを有しこれらの遅延回路７ａ〜７ｅで位相が揃えられた受波信号を加算する加算器１８を備えた整相回路１９と、この整相回路１９で整相された信号を検波する検波器２０と、この検波器２０からの出力信号を画像として表示する表示装置２１とを備えて成る。
【００２１】なお、図３においては、切換スイッチ５は例えば五つに分けられた振動子素子群を一端方から順次選択してそれぞれ次段の受信増幅器６ａ〜６ｅに接続するようになっており、上記五つの振動子素子群を順次切り換えて並進させるようになっている。従って、受信増幅器は５個（６ａ〜６ｅ）設けられている。また、上記各構成要素の動作は、制御部２２からの制御信号で制御されるようになっている。
【００２２】ここで、本発明においては、上記切換スイッチ５としては、図１に示す回路構成とされ、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を減少させ、回路規模の小型化を図ることができる高耐圧アナログスイッチ４1〜４nから成るスイッチ回路が用いられている。このような構成により、本発明の超音波診断装置においては、上記切換スイッチ５として図１に示すスイッチ回路（４1〜４n）を用いることにより、装置全体の小型化を図ることができる。
【００２３】
【発明の効果】本発明によるスイッチ回路（図１参照）は以上のように構成されたので、高耐圧アナログスイッチの二つの電界効果トランジスタの共通接続されたソースに接続したスイッチングダイオードを抵抗を介して駆動する電源として定電流回路を用い、上記二つの電界効果トランジスタがオフ動作時に上記定電流回路に接続された抵抗の一端が接地した状態となるようにできる。これにより、信号の洩れを少なくすると共に、消費電力を小さくして回路規模を小形化し、且つオフセット電圧を小さくすることができる。また、上記二つの電界効果トランジスタのソースの直流電位は接地電位に近くなり、本発明のスイッチ回路のオン、オフ動作に伴うオフセット電位の変動がほとんどなく、スイッチ切換時のノイズの発生も小さくすることができる。
【００２４】また、本発明による超音波診断装置（図３参照）は以上のように構成されたので、送波パルス発生器から探触子へ印加される送波パルスと該探触子からの受波信号とを切り換える切換スイッチとして、前記のスイッチ回路を用いることにより、装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスイッチ回路の実施例を示す回路図である。
【図２】上記スイッチ回路における定電流回路の具体的な回路構成を示す回路図である。
【図３】図１に示すスイッチ回路の関連発明としての超音波診断装置の実施例を示すブロック図である。
【図４】従来の超音波診断装置における切換スイッチを示す回路図である。
【符号の説明】
１1〜１n…振動子素子
２…探触子
３，３1〜３n…送波パルス発生器
４1〜４n…高耐圧アナログスイッチ
５…切換スイッチ
６ａ〜６ｎ…受信増幅器
８ａ，８ｂ，８ｃ…ＶＤ ＭＯＳ ＦＥＴ
９…発光ダイオード
１０…光起電ダイオードアレイ
１１…入力部
１２…制御部
１３…抵抗
１４…スイッチングダイオード
１５…抵抗又はインダクタ
１７…定電流回路
１９…整相回路
２０…検波器
２１…表示装置
２２…制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】 二つの電界効果トランジスタを逆直列接続して成る高耐圧アナログスイッチを用い、上記二つの電界効果トランジスタのゲート信号を制御すると共に、これらの電界効果トランジスタの共通接続されたソースにオフ動作時に低インピーダンス電源で逆バイアスするため、上記高耐圧アナログスイッチの二つの電界効果トランジスタの共通接続されたソースにスイッチングダイオードを接続して成り、対象回路の接続の切り換えを行うスイッチ回路において、上記スイッチングダイオードを抵抗を介して駆動する電源として定電流回路を用いると共に、上記二つの電界効果トランジスタがオフ動作時に上記定電流回路に接続された抵抗の一端が接地した状態となるようにしたことを特徴とするスイッチ回路。
【請求項２】 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、この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、この送波パルス発生器から上記探触子へ印加される送波パルスと該探触子からの受波信号とを切り換える切換スイッチと、この切換スイッチを介して出力される探触子からの受波信号を増幅する受信増幅器と、この受信増幅器からの受波信号に所定の遅延時間を与える遅延回路を有しこれらの遅延回路で位相が揃えられた受波信号を加算して出力する整相回路と、この整相回路で整相された信号を検波する検波器と、この検波器からの出力信号を画像として表示する表示装置とを備えて成る超音波診断装置において、上記切換スイッチとして、請求項１記載のスイッチ回路を用いたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１】 二つの電界効果トランジスタを逆直列接続して成る高耐圧アナログスイッチを用い、上記二つの電界効果トランジスタのゲート信号を制御すると共に、これらの電界効果トランジスタの共通接続されたソースにオフ動作時に低インピーダンス電源で逆バイアスするため、上記高耐圧アナログスイッチの二つの電界効果トランジスタの共通接続されたソースにスイッチングダイオードを接続して成り、対象回路の接続の切り換えを行うスイッチ回路において、上記スイッチングダイオードを抵抗を介して駆動する電源として定電流回路を用いると共に、上記二つの電界効果トランジスタがオフ動作時に上記定電流回路に接続された抵抗の一端が接地した状態となるようにしたことを特徴とするスイッチ回路。
【請求項２】 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、この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、この送波パルス発生器から上記探触子へ印加される送波パルスと該探触子からの受波信号とを切り換える切換スイッチと、この切換スイッチを介して出力される探触子からの受波信号を増幅する受信増幅器と、この受信増幅器からの受波信号に所定の遅延時間を与える遅延回路を有しこれらの遅延回路で位相が揃えられた受波信号を加算して出力する整相回路と、この整相回路で整相された信号を検波する検波器と、この検波器からの出力信号を画像として表示する表示装置とを備えて成る超音波診断装置において、上記切換スイッチとして、請求項１記載のスイッチ回路を用いたことを特徴とする超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開平８−１６８４８８
【公開日】平成８年（１９９６）７月２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平６−３３３７９０
【出願日】平成６年（１９９４）１２月１９日
【出願人】（０００１５３４９８）株式会社日立メディコ (1,613)
【公開日】平成８年（１９９６）７月２日
【国際特許分類】
【出願日】平成６年（１９９４）１２月１９日
【出願人】（０００１５３４９８）株式会社日立メディコ (1,613)
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