JP6061068B2 - スイッチング回路及び医療機器 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング回路及び医療機器に関する。

ローターの周縁部の同心円上に設けられた複数のローラー、チューブ受部材との間に流体を流動するチューブを装着し、ローターを回転させることによって、ローラーが順次チューブを押圧して流体を流動させる流体輸送装置を利用した医療機器が知られている。また、複数のローラーに代えて、複数の押圧素子（例えば、圧電素子）を用いてチューブを押圧して流体を流動させる流体輸送装置を利用した医療機器や、圧電素子を用いた流体噴射装置を利用した医療機器が知られている。

例えば、複数の圧電素子を駆動するための回路として、Ｄ級増幅器などのスイッチング回路を用いる場合には、出力電圧のリンギングを抑制するために、電源電位と接地電位との間にバイパスコンデンサーを配置することが一般的に行われている（例えば、特許文献１）。例えば、流体輸送装置や流体噴射装置を利用した医療機器においては、リンギングの発生は、ＥＭＩノイズの発生につながるので、装置自身や周辺機器の動作の妨げとなる。また例えば、リンギングに伴うＥＭＩノイズの発生の結果、流体噴射装置を利用した医療機器においては、流体の噴射量のばらつきの原因となる。

特開２０１１−１８７８０９号公報

リンギングを抑制するためには、スイッチング回路を構成する２つのトランジスターとバイパスコンデンサーからなるループで生じる寄生インダクタンスを小さくすることが重要である。寄生インダクタンスを小さくするためには、スイッチング回路を構成する２つのトランジスターとバイパスコンデンサーからなるループの面積を小さくする必要がある。コンデンサーの容量が大きくなるほどコンデンサーの電極間距離が大きくなるので、特許文献１に記載のコンデンサーの配置の場合には、コンデンサーの容量が大きくなるほどループの面積が大きくなりがちであった。このため、リンギングの抑制、すなわち、安定した流体の輸送に限界があった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、リンギングの発生を抑制したスイッチング回路、及び、安定して流体を取り扱える医療機器等を提供することができる。

［適用例１］
適用例にかかるスイッチング回路は、第１配線層及び第２配線層を有する多層配線基板と、前記多層配線基板の前記第１配線層側に実装される第１トランジスター、第２トランジスター及びコンデンサーと、を含み、前記多層配線基板は、前記第１配線層に形成された第１配線、第２配線、第３配線及び第４配線と、前記第２配線層に形成された第５配線と、前記第３配線と前記第５配線とを電気的に接続する第１ビア導体と、前記第４配線と前記第５配線とを電気的に接続する第２ビア導体と、を有し、前記第１トランジスターのドレイン電極は、前記第１配線と電気的に接続され、前記第１トランジスターのソース電
極は、前記第２配線と電気的に接続され、前記第２トランジスターのドレイン電極は、前記第２配線と電気的に接続され、前記第２トランジスターのソース電極は、前記第３配線と電気的に接続され、前記コンデンサーの第１電極は、前記第１配線と電気的に接続され、前記コンデンサーの第２電極は、前記第４配線と電気的に接続されている、スイッチング回路である。

この適用例によれば、第１トランジスター、第２トランジスター及びコンデンサーはいずれも多層配線基板の第１配線層側に実装され、第２配線層に形成された第５配線を介して電気的にループを形成している。これによって、コンデンサーが多層配線基板の第２配線層側に実装されている場合に比べて、コンデンサーが大きくなっても第１トランジスター、第２トランジスター及びコンデンサーを含む電気的なループの面積が大きくなるのを抑制できる。また、全ての配線を同一の配線層で形成した場合に比べても第１トランジスター、第２トランジスター及びコンデンサーを含む電気的なループの面積が大きくなるのを抑制できる。すなわち、寄生インダクタンスが大きくなるのを抑制できる。これによって、スイッチング回路の出力電圧のリンギングを抑制できる。

また、第１トランジスター、第２トランジスター及びコンデンサーはいずれも多層配線基板の第１配線層側に実装されているので、容易に実装することができる。

また、多層配線基板の第２配線層側には素子を配置していないので、例えば、多層配線基板の第２配線層側にヒートシンクを設けるなど、第１トランジスター及び第２トランジスターの放熱対策が容易となる。

［適用例２］
上述の適用例にかかるスイッチング回路において、前記多層配線基板を平面視した場合に、前記第１トランジスターの少なくとも一部、前記第２トランジスターの少なくとも一部及び前記コンデンサーの少なくとも一部は、同一直線上に配置されていることが好ましい。

この適用例によれば、第１トランジスターの少なくとも一部、第２トランジスターの少なくとも一部及びコンデンサーの少なくとも一部が同一直線上に配置されているので、第１トランジスター、第２トランジスター及びコンデンサーを含む電気的なループの面積を小さくできる。これによって、寄生インダクタンスを小さくできるので、スイッチング回路の出力電圧のリンギングを抑制できる。

［適用例３］
上述の適用例にかかるスイッチング回路において、前記第２配線と前記第５配線は、前記多層配線基板を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されていることが好ましい。

第２配線と第５配線には、通常は逆向きの電流が流れる。この適用例によれば、第２配線と第５配線は、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されているので、相互インダクタンスの効果によって、寄生インダクタンスが小さくなる。これによって、スイッチング回路の出力電圧のリンギングを抑制できる。

［適用例４］
上述の適用例にかかるスイッチング回路において、前記多層配線基板は、前記第１配線層以外の配線層に形成された第６配線と、前記第１配線と前記第６配線とを電気的に接続する第３ビア導体と、をさらに有することが好ましい。

この適用例によれば、第１配線と電気的に接続された第６配線が、第１配線層以外の配線層（例えば、第２配線層）に形成されているので、第６配線が放熱板として機能する。したがって、第１トランジスターの放熱効率を向上させることができる。

［適用例５］
上述の適用例にかかるスイッチング回路において、前記多層配線基板は、前記第１配線層以外の配線層に形成された第７配線と、前記第２配線と前記第７配線とを電気的に接続する第４ビア導体と、をさらに有することが好ましい。

この適用例によれば、第２配線と電気的に接続された第７配線が、第１配線層以外の配線層（例えば、第２配線層）に形成されているので、第７配線が放熱板として機能する。したがって、第２トランジスターの放熱効率を向上させることができる。

［適用例６］
上述の適用例にかかるスイッチング回路において、前記多層配線基板は、前記第１配線層に形成された第８配線と、前記第２配線層に形成された第９配線と、前記第２配線と前記第９配線とを電気的に接続する第５ビア導体と、をさらに有し、前記第１トランジスターのゲート電極は、前記第８配線に電気的に接続され、前記第８配線と前記第９配線は、前記多層配線基板を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されていることが好ましい。

第８配線と第９配線には、通常は逆向きの電流が流れる。この適用例によれば、第８配線と第９配線は、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されているので、相互インダクタンスの効果によって、寄生インダクタンスが小さくなる。これによって、スイッチング回路の出力電圧のリンギングを抑制できる。

［適用例７］
上述の適用例にかかるスイッチング回路において、前記多層配線基板は、前記第１配線層に形成された第１０配線をさらに有し、前記第２トランジスターのゲート電極は、前記第１０配線に電気的に接続され、前記第５配線と前記第１０配線は、前記多層配線基板を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されていることが好ましい。

第５配線と第１０配線には、通常は逆向きの電流が流れる。この適用例によれば、第５配線と第１０配線は、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されているので、相互インダクタンスの効果によって、寄生インダクタンスが小さくなる。これによって、スイッチング回路の出力電圧のリンギングを抑制できる。

［適用例８］
適用例にかかる医療機器は、駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、前記駆動波形信号をパルス変調して変調信号を生成する変調回路と、前記変調信号を、前記第１トランジスターのゲート電極及び前記第２トランジスターのゲート電極で受け付け、前記変調信号を電力増幅した信号である電力増幅変調信号を生成する、上述のいずれかのスイッチング回路と、前記電力増幅変調信号を平滑化することによって駆動信号を生成する平滑フィルターと、を含む容量性負荷駆動回路を含む、医療機器である。

この適用例によれば、リンギングの発生を抑制したスイッチング回路を含んでいるので、安定して流体を取り扱える医療機器を実現できる。

本実施形態のスイッチング回路２３０を用いた容量性負荷駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。 本実施形態のスイッチング回路２３０を用いた容量性負荷駆動回路２００が駆動信号４０８を生成する動作の概要を示した説明図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、スイッチング回路２３０の配置例を示す平面図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）のＡ−Ａ線における断面図である。 寄生インダクタンスについて説明するための図である。 図６（Ａ）は、本実施形態のスイッチング回路２３０の出力電圧波形例を示すグラフ、図６（Ｂ）は、比較例のスイッチング回路の出力電圧波形例を示すグラフである。 第１変形例のスイッチング回路２３０を用いた容量性負荷駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、スイッチング回路２３０の配置例の第１変形例を示す平面図である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、スイッチング回路２３０の配置例の第２変形例を示す平面図である。 流体噴射装置１を例示した説明図である。 本実施形態にかかる脈流発生部２１を流体の噴射方向に沿って切断した切断面を示す断面図である。 本実施形態の流体輸送装置２０を含む流体輸送器１Ａの外観を示す斜視図である。 流体輸送装置２０の流体輸送の仕組みを説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。用いる図面は説明の便宜上のものである。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

以下では、次のような順序にしたがって本発明の実施形態を説明する。

１．スイッチング回路の構成例
２．スイッチング回路の配置例
３．スイッチング回路の配置例の第１変形例
４．スイッチング回路の配置例の第２変形例
５．医療機器

１．スイッチング回路の構成例
図１は、本実施形態のスイッチング回路２３０を用いた容量性負荷駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図示されているように、容量性負荷駆動回路２００は、駆動波形信号４０２を発生する駆動波形信号発生回路２１０と、駆動波形信号４０２をパルス変調して変調信号ＧＨ及び変調信号ＧＬを生成する変調回路２２０と、変調信号ＧＨ及び変調信号ＧＬを受け付け、変調信号ＧＨ及び変調信号ＧＬを電力増幅した信号である電力増幅変調信号４０６を生成するスイッチング回路２３０と、電力増幅変調信号４０６を平滑化することによって駆動信号４０８を生成する平滑フィルター２４０と、を含んで構成されている。

駆動波形信号発生回路２１０は、駆動信号４０８の基準となる駆動波形信号４０２を制御信号４００に基づいて生成する。

変調回路２２０は、駆動波形信号４０２をＰＷＭ変調（パルス幅変調）してＰＷＭ変調信号４０４を生成するＰＷＭ変調回路２２１と、ＰＷＭ変調信号４０４に基づいて変調信号ＧＨ及び変調信号ＧＬを生成するゲートドライバー回路２２２と、を含んで構成されている。

ゲートドライバー回路２２２は、ＰＷＭ変調信号４０４のレベルを調整するレベルシフター２２４と、レベルシフター２２４を経由したＰＷＭ変調信号４０４に基づいて第１トランジスターＭ１のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるハイサイドドライバー２２８Ｈと、レベルシフター２２４を経由したＰＷＭ変調信号４０４に基づいて第２トランジスターＭ２のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるローサイドドライバー２２８Ｌと、を含んで構成されている。

また、ハイサイドドライバー２２８Ｈから第１トランジスターＭ１のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるのに出力される信号を変調信号ＧＨとし、ローサイドドライバー２２８Ｌから第２トランジスターＭ２のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるのに出力される信号を変調信号ＧＬとする。

スイッチング回路２３０は、電力増幅変調信号４０６を生成する第１トランジスターＭ１及び第２トランジスターＭ２と、バイパスコンデンサーとして機能するコンデンサーＣ１を含むデジタル電力増幅回路（スイッチングアンプ回路）として構成されている。本実施形態における容量性負荷駆動回路２００では、第１トランジスターＭ１及び第２トランジスターＭ２はＮ型のＭＯＳＦＥＴであるが、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスター（Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT）といった他の種類の素子が用いられてもよい。なお、本発明が適用されるスイッチング回路としては、スイッチングアンプ回路、スイッチング電源回路及びインバーター回路を含む種々のスイッチング回路がある。

図１に示すように、第１トランジスターＭ１と第２トランジスターＭ２は、電源から供給される電位ＶＤＤ（以下、単にＶＤＤとする）と接地電位であるＧＮＤ（以下、単にＧＮＤとする）との間で接続されている。そして、第１トランジスターＭ１と第２トランジスターＭ２のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることによって、電力増幅変調信号４０６を生成する。なお、第１トランジスターＭ１と第２トランジスターＭ２とが接続されている接点（ノード）を第１ノードＮ１とする。第１ノードＮ１は電力増幅変調信号４０６が伝わる配線上にある。コンデンサーＣ１は、ＶＤＤとＧＮＤとの間に接続されている。

平滑フィルター２４０は、電力増幅変調信号４０６の高周波数成分を取り除いて駆動信号４０８を生成する。図１に示す例では、平滑フィルター２４０は、コイルＬＦとコンデンサーＣＦを含むローパスフィルターとして構成されている。

図２は、本実施形態のスイッチング回路２３０を用いた容量性負荷駆動回路２００が駆動信号４０８を生成する動作の概要を示した説明図である。駆動波形信号発生回路２１０は、制御信号４００に基づいて例えば図２に示すような駆動波形信号４０２を生成する。なお、駆動波形信号４０２は図２のようなアナログ信号に限られるものではなく、例えばＤＣレベルで出力される信号やマルチビットからなるデジタル信号であってもよい。

駆動波形信号発生回路２１０は、例えば演算器を備えており制御信号４００に基づいて演算によって駆動波形信号４０２を生成してもよい。また、例えば波形を記憶する波形メモリーを備えており、波形メモリーを参照して制御信号４００に対応する駆動波形信号４０２を生成してもよい。

変調回路２２０は、駆動波形信号発生回路２１０からの駆動波形信号４０２を受け取ると、所定の変調を行って変調信号ＧＨ及び変調信号ＧＬを生成する。所定の変調とは、本
実施形態ではパルス幅変調（Pulse-Width Modulation、PWM）であるが、例えばパルス密度変調（Pulse-Density Modulation、PDM）といった他の変調方式が用いられてもよい。

スイッチング回路２３０は、変調信号ＧＨ及び変調信号ＧＬを受け取って電力増幅を行う。図１に示したように、スイッチング回路２３０は、第１トランジスターＭ１及び第２トランジスターＭ２を用いて電力を増幅する。図２に示した例では、スイッチング回路２３０は、ＰＷＭ変調信号４０４の電圧をＶＤＤまで増幅した電力増幅変調信号４０６を生成する。

そして、平滑フィルター２４０は、電力増幅変調信号４０６を平滑化して、広いパルス幅に変調されている部分は電圧値が高く、狭いパルス幅に変調されている部分は電圧値が低いアナログの駆動信号４０８を生成する。図１に示したように、平滑フィルター２４０は、コイルＬＦとコンデンサーＣＦとを組み合わせることによって容易に実現することができる。

本実施形態の容量性負荷駆動回路２００では、スイッチング回路２３０で第１トランジスターＭ１及び第２トランジスターＭ２のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることで電力を増幅するため、余分な電力が消費されることがない。また、平滑フィルター２４０も、コイルＬＦやコンデンサーＣＦのように電力を消費しない部品で構成することができる。このため、所謂アナログ増幅回路のようにアナログの駆動波形信号４０２をアナログのまま電力増幅する場合に比べて電力損失を大幅に低減することができるので、駆動信号４０８を生成する際の電力損失を大幅に低減することが可能である。

このようなスイッチング回路２３０においては、出力電圧のリンギングが問題となる場合がある。流体輸送装置や流体噴射装置を利用した医療機器においては、流体輸送装置を駆動するスイッチング回路２３０にリンギングが発生すると、ＥＭＩノイズが発生するので、装置自身や周辺機器の動作の妨げとなる。また、リンギングを抑制するためにスイッチング波形の立ち上がり時間を長くした場合には、電力効率が低下したり、流体の制御の精度が低下したりする。また、リンギングが発生すると、第１トランジスターＭ１及び第２トランジスターＭ２に印加される電圧が大きくなるので、素子破壊や誤動作の原因となる。

リンギングが発生する要因としては、第１トランジスターＭ１、第２トランジスターＭ２及びコンデンサーＣ１を含む電気的なループの寄生インダクタンスと第１トランジスターＭ１又は第２トランジスターＭ２のドレイン／ソース間の寄生容量による共振現象、ハイサイドドライバー２２８Ｈ及び第１トランジスターＭ１を含む電気的なループの寄生インダクタンスと第１トランジスターＭ１のゲート容量による共振現象、及び、ローサイドドライバー２２８Ｌ及び第２トランジスターＭ２を含む電気的なループの寄生インダクタンスと第２トランジスターＭ２のゲート容量による共振現象などがある。

したがって、スイッチング回路２３０を構成する素子や配線を配置する場合には、特に、電気的なループの寄生インダクタンスを小さくすることが重要である。

２．スイッチング回路の配置例
本実施形態におけるスイッチング回路２３０は、第１配線層及び第２配線層を有する多層配線基板１０００と、多層配線基板１０００の第１配線層側に実装される第１トランジスターＭ１、第２トランジスターＭ２及びコンデンサーＣ１と、を含んで構成されている。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、スイッチング回路２３０の配置例を示す平面図である。
図３（Ａ）は、主として第１配線層の構成を示している。図３（Ｂ）は、主として第２配線層の構成を示している。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において、実線の多角形は第１配線層又は第２配線層に形成された配線を示し、実線の円は第１配線層の配線と第２配線層の配線とを電気的に接続するビア導体の位置を示す。また、図３（Ａ）において、一点鎖線は各トランジスター、コンデンサー及びコイルの実装位置を示し、点線は各トランジスター、コンデンサー及びコイルの電極の位置を示す。

図４は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）のＡ−Ａ線における断面図である。図４に示すように、多層配線基板１０００の第１配線層と第２配線層との間には絶縁層が設けられている。すなわち、第１配線層に形成された配線と第２配線層に形成された配線とは、ビア導体で接続されている場合を除き、互いに絶縁されている。絶縁層の厚さは、通常、配線幅よりも十分に小さい。多層配線基板１０００は、３層以上の配線層を有していて、３層以上の配線層から任意に選択した２つの配線層を第１配線層及び第２配線層としてもよい。第１配線層及び第２配線層は、互いに最も近い配線層であることが好ましい。多層配線基板１０００は、配線層を保護する保護層を有していてもよい。

本実施形態における多層配線基板１０００は、第１配線層に形成された第１配線１００１、第２配線１００２、第３配線１００３及び第４配線１００４と、第２配線層に形成された第５配線１００５と、第３配線１００３と第５配線１００５とを電気的に接続する第１ビア導体２００１と、第４配線１００４と第５配線１００５とを電気的に接続する第２ビア導体２００２と、を有して構成されている。

また、第１トランジスターＭ１のドレイン電極Ｄは、第１配線１００１と電気的に接続され、第１トランジスターＭ１のソース電極Ｓは、第２配線１００２と電気的に接続されている。第２トランジスターＭ２のドレイン電極Ｄは、第２配線１００２と電気的に接続され、第２トランジスターＭ２のソース電極Ｓは、第３配線１００３と電気的に接続されている。コンデンサーＣ１の第１電極＋Ｃ１は、第１配線１００１と電気的に接続され、コンデンサーＣ１の第２電極−Ｃ１は、第４配線１００４と電気的に接続されている。すなわち、第２トランジスターＭ２のソース電極ＳからコンデンサーＣ１の第２電極−Ｃ１までの配線経路の一部が第２配線層の第５配線１００５として形成されている。

本実施形態によれば、第１トランジスターＭ１、第２トランジスターＭ２及びコンデンサーＣ１はいずれも多層配線基板１０００の第１配線層側に実装され、第２配線層に形成された第５配線１００５を介して電気的にループを形成しているので、この電気的なループの面積は、第１配線層と第２配線層との層間距離、つまり絶縁層の厚みに大きく依存することとなる。これによって、コンデンサーＣ１が多層配線基板１０００の第２配線層側に実装されている場合に比べて、コンデンサーＣ１が大きくなっても第１トランジスターＭ１、第２トランジスターＭ２及びコンデンサーＣ１を含む電気的なループの面積が大きくなるのを抑制できる。また、絶縁層の厚さは配線幅よりも十分に小さいので、全ての配線を同一の配線層で形成した場合に比べても第１トランジスターＭ１、第２トランジスターＭ２及びコンデンサーＣ１を含む電気的なループの面積が大きくなるのを抑制できる。すなわち、寄生インダクタンスが大きくなるのを抑制できる。これによって、スイッチング回路２３０の出力電圧のリンギングを抑制できる。

また、第１トランジスターＭ１、第２トランジスターＭ２及びコンデンサーＣ１はいずれも多層配線基板１０００の第１配線層側に実装されているので、容易に実装することができる。

また、多層配線基板１０００の第２配線層側には素子を配置していないので、例えば、多層配線基板１０００の第２配線層側にヒートシンクを設けるなど、第１トランジスター
Ｍ１及び第２トランジスターＭ２の放熱対策が容易となる。

図３（Ａ）に示す例では、多層配線基板１０００を平面視した場合に、第１トランジスターＭ１の少なくとも一部、第２トランジスターＭ２の少なくとも一部及びコンデンサーＣ１の少なくとも一部は、同一直線上に配置されている。図３（Ａ）及び図４に示す例では、コンデンサーＣ１、第１トランジスターＭ１、第２トランジスターＭ２の順に同一直線上に配置されている。

本実施形態によれば、第１トランジスターＭ１の少なくとも一部、第２トランジスターＭ２の少なくとも一部及びコンデンサーＣ１の少なくとも一部が同一直線上に配置されているので、第１トランジスターＭ１、第２トランジスターＭ２及びコンデンサーＣ１を含む電気的なループの面積を小さくできる。これによって、寄生インダクタンスを小さくできるので、スイッチング回路２３０の出力電圧のリンギングを抑制できる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す例では、第２配線１００２と第５配線１００５は、多層配線基板１０００を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されている。

図５は、寄生インダクタンスについて説明するための図である。図５には、互いに隔てて設けられた２つの配線が描かれている。一方の配線に電流が流れると、電流が自ら作る磁界を打ち消す向きに逆起電力が発生する。２つの配線が近接して設けられている場合には、他方の配線にも一方の配線に流れる電流が作る磁界を打ち消す向きに逆起電力が発生する（相互インダクタンスの効果）。したがって、２つの配線に流れる電流が互いに逆向きの電流になるように配線することによって、配線の寄生インダクタンスを低減することができる。

第２配線１００２と第５配線１００５には、通常は逆向きの電流が流れる。本実施形態によれば、第２配線１００２と第５配線１００５は、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されているので、図５を用いて説明した相互インダクタンスの効果によって、寄生インダクタンスが小さくなる。これによって、スイッチング回路２３０の出力電圧のリンギングを抑制できる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す例では、多層配線基板１０００は、第１配線層以外の配線層である第２配線層に形成された第６配線１００６と、第１配線１００１と第６配線１００６とを電気的に接続する第３ビア導体２００３と、をさらに有している。

本実施形態によれば、第１配線１００１と電気的に接続された第６配線１００６が、第１配線層以外の配線層（例えば、第２配線層）に形成されているので、第６配線１００６が放熱板として機能する。したがって、第１トランジスターＭ１の放熱効率を向上させることができる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す例では、多層配線基板１０００は、第１配線層以外の配線層に形成された第７配線１００７と、第２配線１００２と第７配線１００７とを電気的に接続する第４ビア導体２００４と、をさらに有している。

本実施形態によれば、第２配線１００２と電気的に接続された第７配線１００７が、第１配線層以外の配線層（例えば、第２配線層）に形成されているので、第７配線１００７が放熱板として機能する。したがって、第２トランジスターＭ２の放熱効率を向上させることができる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す例では、多層配線基板１０００は、第１配線層に形成された第８配線１００８と、第２配線層に形成された第９配線１００９と、第２配線１００２と第９配線１００９とを電気的に接続する第５ビア導体２００５と、をさらに有し、第１トランジスターＭ１のゲート電極Ｇは、第８配線１００８と電気的に接続され、第８配線１００８と第９配線１００９は、多層配線基板１０００を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されている。

第８配線１００８と第９配線１００９には、通常は逆向きの電流が流れる。本実施形態によれば、第８配線１００８と第９配線１００９は、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されているので、図５を用いて説明した相互インダクタンスの効果によって、寄生インダクタンスが小さくなる。これによって、スイッチング回路２３０の出力電圧のリンギングを抑制できる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す例では、多層配線基板１０００は、第１配線層に形成された第１０配線１０１０をさらに有し、第２トランジスターＭ２のゲート電極Ｇは、第１０配線１０１０と電気的に接続され、第５配線１００５と第１０配線１０１０は、多層配線基板１０００を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されている。

第５配線１００５と第１０配線１０１０には、通常は逆向きの電流が流れる。本実施形態によれば、第５配線１００５と第１０配線１０１０は、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されているので、図５を用いて説明した相互インダクタンスの効果によって、寄生インダクタンスが小さくなる。これによって、スイッチング回路２３０の出力電圧のリンギングを抑制できる。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す例では、多層配線基板１０００は、コンデンサーＣＦの第１電極＋ＣＦ（正電位側の電極）と電気的に接続される第１１配線１０１１をさらに有し、第５配線１００５と第１１配線１０１１は、多層配線基板１０００を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されている。

容量性負荷駆動回路２００の出力信号にコモンモードノイズが乗る場合には、コモンモードノイズの成分は、第５配線１００５と第１１配線１０１１に同じ向きの電流成分として現れる。本実施形態によれば、第５配線１００５と第１１配線１０１１は、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されているので、図５を用いて説明した相互インダクタンスの効果によって、コモンモードノイズを打ち消す方向に作用する。したがって、コモンモードノイズを抑制できる。また、コモンモードノイズに起因するＥＭＩノイズを抑制できる。

図６（Ａ）は、本実施形態のスイッチング回路２３０の出力電圧波形例を示すグラフ、図６（Ｂ）は、比較例のスイッチング回路の出力電圧波形例を示すグラフである。比較例のスイッチング回路は、第１トランジスターＭ１、第２トランジスターＭ２及びコンデンサーＣ１を含む電気的なループを構成する配線を全て第１配線層に形成した回路であり、電気的な接続は図１に示す回路図と同一である。出力電圧波形は、第１ノードＮ１に相当するノードで測定した電圧波形である。

図６（Ｂ）に示す比較例の出力電圧波形例では、電圧波形の立ち上がり時及び立ち下り時に大きなリンギングが発生している。一方、図６（Ａ）に示す本実施形態の出力電圧波形例では、上述した種々の作用によって、リンギングの発生が低減されている。

３．スイッチング回路の配置例の第１変形例
上述した実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図７は、第１変形例のスイッチング回路２３０を用いた容量性負荷駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図１に示す例と比較すると、図７に示す例では、コンデンサーＣ１に並列してコンデンサーＣ２が加えられている点のみが相違し、他の構成は図１に示す容量性負荷駆動回路２００と同一である。図７に示す構成は、バイパスコンデンサーの容量を大きくすることができる点で、図１に示す構成よりも有利である。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、スイッチング回路２３０の配置例の第１変形例を示す平面図である。図８（Ａ）は、主として第１配線層の構成を示している。図８（Ｂ）は、主として第２配線層の構成を示している。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）において、実線の多角形は第１配線層又は第２配線層に形成された配線を示し、実線の円は第１配線層の配線と第２配線層の配線とを電気的に接続するビア導体の位置を示す。また、図８（Ａ）において、一点鎖線は各トランジスター、コンデンサー及びコイルの実装位置を示し、点線は各トランジスター、コンデンサー及びコイルの電極の位置を示す。

図８（Ａ）に示す例では、コンデンサーＣ２の第１電極＋Ｃ２は第１配線１００１と電気的に接続され、コンデンサーＣ２の第２電極−Ｃ２は第３配線１００３と電気的に接続されている。他の構成は図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す例と同様である。

このような構成においても、上述した実施形態と同様の理由によって同様の効果を奏する。

４．スイッチング回路の配置例の第２変形例
上述した実施形態及び第１変形例と同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、スイッチング回路２３０の配置例の第２変形例を示す平面図である。図９（Ａ）は、主として第１配線層の構成を示している。図９（Ｂ）は、主として第２配線層の構成を示している。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）において、実線の多角形は第１配線層又は第２配線層に形成された配線を示し、実線の円は第１配線層の配線と第２配線層の配線とを電気的に接続するビア導体の位置を示す。また、図９（Ａ）において、一点鎖線は各トランジスター、コンデンサー及びコイルの実装位置を示し、点線は各トランジスター、コンデンサー及びコイルの電極の位置を示す。なお、第２変形例における容量性負荷駆動回路２００の回路構成は、図７に示す回路と同一である。

第１変形例と第２変形例を比較すると、第１トランジスターＭ１及び第２トランジスターＭ２の各電極の配置が異なり、他の構成は同様である。

このような構成においても、上述した実施形態と同様の理由によって同様の効果を奏する。

５．医療機器
スイッチング回路２３０を用いた容量性負荷駆動回路２００は、様々な医療機器に搭載されて、医療機器の信頼性も高めることができる。

例えば、容量性負荷駆動回路２００は流体噴射装置１として適用され得る。図１０は、流体噴射装置１を例示した説明図である。流体噴射装置１は、細密な物体及び構造物の洗浄、手術用メス等様々に採用可能であるが、ここでは生体組織の手術や治療に好適な流体噴射装置１であるとして説明する。したがって、ここでの流体は、例えば水又は生理食塩
水等の液体である。

図１０において、流体噴射装置１は、流体を収容する流体供給容器２と、流体供給手段としてのポンプ１４と、ポンプ１４から供給される流体を脈流（以降、パルス流ともいう）に変換させる脈流発生部２１とポンプ１４と脈流発生部２１の駆動を制御する駆動制御部１５と、を備えている。ポンプ１４と脈流発生部２１とは流体供給チューブ４によって接続されている。

脈流発生部２１には、細いパイプ状の接続流路管９０が接続され、接続流路管９０の先端部には流路径が縮小された流体噴射開口部９６を有するノズル９５が挿着されている。なお、接続流路管９０は、流体噴射時において変形しない程度の剛性を有している。

また、脈流発生部２１には、噴射指令切替え手段２５を有し、本実施形態では噴射指令切替え手段２５としてパルス流噴射を選択するパルス流指令スイッチ２６と、連続流噴射を選択する連続流指令スイッチ２７と、流体噴射を停止するＯＦＦスイッチ２８とが備えられている。

このように構成される流体噴射装置１における流体の流動を簡単に説明する。流体供給容器２に収容された流体は、ポンプ１４によって吸引され、一定の圧力で流体供給チューブ４を介して脈流発生部２１に供給される。脈流発生部２１には、流体室８０（後述する図１１参照）と、この流体室８０の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子３０とダイアフラム４０と、が備えられており、圧電素子３０を駆動して流体室８０内において脈流を発生させ、接続流路管９０、ノズル９５を介して流体噴射開口部９６から流体を例えばパルス状に高速噴射する。

なお、脈流発生部２１が駆動を停止している場合には、ポンプ１４から供給された流体は流体室８０を通って、流体噴射開口部９６から連続流噴射される。

ここで脈流とは、流体の流れる方向が一定で、流体の流量又は流速が周期的又は不定期な変動を伴った流体の流動を意味する。脈流には、流体の流動と停止とを繰り返す間欠流も含むが、流体の流量又は流速が周期的又は不定期な変動をしていればよいため、必ずしも間欠流である必要はない。

同様に、流体をパルス状に噴射するとは、噴射する流体の流量又は移動速度が周期的又は不定期に変動した流体の噴射を意味する。パルス状の噴射の一例として、流体の噴射と非噴射とを繰り返す間欠噴射が挙げられるが、噴射する流体の流量又は移動速度が周期的又は不定期に変動していればよいため、必ずしも間欠噴射である必要はない。

図１１は、本実施形態にかかる脈流発生部２１を流体の噴射方向に沿って切断した切断面を示す断面図である。なお、図１１は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。脈流発生部２１は、ポンプ１４から流体供給チューブ４を介して流体室８０に流体を供給する入口流路８１と、流体室８０の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子３０及びダイアフラム４０と、流体室８０に連通する出口流路８２と、を有して構成されている。入口流路８１には流体供給チューブ４が接続されている。

ダイアフラム４０は、例えば円盤状の金属薄板からなり、ケース５２とケース７０によって密着されている。圧電素子３０は、本実施形態では積層型圧電素子を例示しており、両端部の一方がダイアフラム４０に、他方が底板６０に固着されている。

流体室８０は、ケース７０のダイアフラム４０に対向する面に形成される凹部とダイアフラム４０とによって形成される空間である。流体室８０の略中央部には出口流路８２が開口されている。

ケース７０とケース５２とは、それぞれ対向する面において接合一体化されている。ケース７０には、出口流路８２に連通する接続流路９１を有する接続流路管９０が嵌着され、接続流路管９０の先端部にはノズル９５が挿着されている。そして、ノズル９５には、流路径が縮小された流体噴射開口部９６が開口されている。

圧電素子３０は、図１の容量性負荷Ｚ１に対応し、容量性負荷駆動回路２００からの駆動信号４０８（図１０参照）によって変形量や変形タイミングが制御される。そして、図１１の矢印Ａのように流体室８０を押すことによって、先端のノズル９５から流体をパルス状に噴射できる。流体噴射装置１は例えば医療用の装置として用いられる。具体的には、体腔内に導入される流体供給チューブ４にポンプ１４から液体を高圧で供給し、先端のノズル９５から液体を噴射し流体圧によって体腔内組織の切除を行う手術装置として使用できる。

また、容量性負荷駆動回路２００は、安定した流量の液体を輸送する流体輸送装置２０として適用され得る。

図１２は、本実施形態の流体輸送装置２０を含む流体輸送器１Ａの外観を示す斜視図である。図１２において、流体輸送器１Ａは、流体を蠕動運動によって輸送する流体輸送装置２０と、流体を収容するパック状の流体収容容器９４と、から構成されている。そして、流体輸送装置２０と流体収容容器９４とは、チューブ４Ａによって連通されている。

流体収容容器９４は、可撓性を有する合成樹脂からなり、例えばシリコン系樹脂によって形成されている。流体収容容器９４の一方の端部にはチューブ保持部９２が設けられ、チューブ４Ａが圧着又は熱溶着又は接着等の手段で、流体が漏洩しないように密閉固定されている。

チューブ４Ａは、一方の端部が流体収容容器９４の内部に連通し、流体輸送装置２０内を通り、流体輸送装置２０の外部に延在され、流体収容容器９４内に収容されている流体を流体輸送装置２０によって外部に輸送される。

流体輸送装置２０は、下蓋８４、ポンプユニット枠３１、チューブ枠３２、上蓋８３を順次重ねて、それらを固定螺子９７（図は、上蓋固定螺子を示す）等によって一体化されている。この流体輸送装置２０の内部に流体を輸送するための押出機構が格納されている。

なお、下蓋８４、ポンプユニット枠３１、チューブ枠３２、上蓋８３及び流体収容容器９４は、流体輸送器１Ａを生体に装着する場合においては、生体整合性の優れた材料、例えば、ポリスルホン、ウレタン等の合成樹脂を採用することが好ましい。

図１３は、流体輸送装置２０の流体輸送の仕組みを説明するための図である。ピエゾ素子１０４に印加する電圧である駆動信号４０８は、押出制御回路５０Ａ（図１２では不図示）からの制御信号４００に基づいて容量性負荷駆動回路２００によって生成される。また、生成された駆動信号４０８は、ゲートユニット３００を介してピエゾ素子１０４に供給される。ゲートユニット３００は、複数のゲート素子３０２が並列に接続された回路ユニットであり、各ゲート素子３０２は、押出制御回路５０Ａからの制御の下で、個別に導通状態又は切断状態とすることが可能である。したがって、容量性負荷駆動回路２００か
ら出力された駆動信号４０８は、押出制御回路５０Ａによって順にゲート素子３０２を通過して、対応するピエゾ素子１０４に印加され、対応する押圧軸１０６を押し出す。押圧軸１０６は、チューブ４Ａの流体が流れる方向に対して略直角方向に配置されている。そして、チューブ４Ａは、複数の押圧軸１０６によって順に押圧される。そのため、流体輸送装置２０はチューブ４Ａ内の流体を蠕動運動によって輸送することができる。

なお、本発明で使用される流体としては、水や食塩水、薬液、油類、芳香液、インク等流動性がある液体の他、気体を用いることができる。例えば薬液を用いた場合、流体輸送装置２０は投薬ポンプとして使用可能である。

このように、本実施形態の医療機器によれば、リンギングの発生を抑制したスイッチング回路２３０を含んでいるので、安定して流体を取り扱える医療機器を実現できる。

なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、複数を適宜組み合わせることが可能である。

本発明は、上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…流体噴射装置、１Ａ…流体輸送器、４…流体供給チューブ、４Ａ…チューブ、１４…ポンプ、１５…駆動制御部、２０…流体輸送装置、２１…脈流発生部、２５…噴射指令切替え手段、２６…パルス流指令スイッチ、２７…連続流指令スイッチ、２８…ＯＦＦスイッチ、３０…圧電素子、３１…ポンプユニット枠、３２…チューブ枠、４０…ダイアフラム、５０Ａ…押出制御回路、５２…ケース、６０…底板、７０…ケース、８０…流体室、８１…入口流路、８２…出口流路、８３…上蓋、８４…下蓋、９０…接続流路管、９１…接続流路、９２…チューブ保持部、９４…流体収容容器、９５…ノズル、９６…流体噴射開口部、９７…固定螺子、１０４…ピエゾ素子、２００…容量性負荷駆動回路、２１０…駆動波形信号発生回路、２２０…変調回路、２２１…ＰＷＭ変調回路、２２２…ゲートドライバー回路、２２２…変調回路、２２４…レベルシフター、２２８Ｈ…ハイサイドドライバー、２２８Ｌ…ローサイドドライバー、２３０…スイッチング回路、２４０…平滑フィルター、３００…ゲートユニット、３０２…ゲート素子、４００…制御信号、４０２…駆動波形信号、４０４…ＰＷＭ変調信号、４０６…電力増幅変調信号、４０８…駆動信号、１０００…多層配線基板、１００１…第１配線、１００２…第２配線、１００３…第３配線、１００４…第４配線、１００５…第５配線、１００６…第６配線、１００７…第７配線、１００８…第８配線、１００９…第９配線、１０１０…第１０配線、１０１１…第１１配線、２００１…第１ビア導体、２００２…第２ビア導体、２００３…第３ビア導体、２００４…第４ビア導体、２００５…第５ビア導体、Ｃ１…コンデンサー、Ｃ２…コンデンサー、ＣＦ…コンデンサー、ＧＨ…変調信号、ＧＬ…変調信号、ＬＦ…コイル、Ｍ１…第１トランジスター、Ｍ２…第２トランジスター、Ｎ１…第１ノード、Ｚ１…容量性負荷

Claims (7)

1. 第１配線層及び第２配線層を有する多層配線基板と、
   前記多層配線基板の前記第１配線層側に実装される第１トランジスター、第２トランジスター及びコンデンサーと、
   を含み、
   前記多層配線基板は、
   前記第１配線層に形成された第１配線、第２配線、第３配線及び第４配線と、
   前記第２配線層に形成された第５配線と、
   前記第１配線層に形成された第８配線と、
   前記第２配線層に形成された第９配線と、
   前記第３配線と前記第５配線とを電気的に接続する第１ビア導体と、
   前記第４配線と前記第５配線とを電気的に接続する第２ビア導体と、
   前記第２配線と前記第９配線とを電気的に接続する第５ビア導体と、
   を有し、
   前記第１トランジスターのゲート電極は、前記第８配線に電気的に接続され、
   前記第１トランジスターのドレイン電極は、前記第１配線と電気的に接続され、
   前記第１トランジスターのソース電極は、前記第２配線と電気的に接続され、
   前記第２トランジスターのドレイン電極は、前記第２配線と電気的に接続され、
   前記第２トランジスターのソース電極は、前記第３配線と電気的に接続され、
   前記コンデンサーの第１電極は、前記第１配線と電気的に接続され、
   前記コンデンサーの第２電極は、前記第４配線と電気的に接続され、
   前記第８配線と前記第９配線は、前記多層配線基板を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されている、スイッチング回路。
2. 請求項１に記載のスイッチング回路において、
   前記多層配線基板を平面視した場合に、前記第１トランジスターの少なくとも一部、前記第２トランジスターの少なくとも一部及び前記コンデンサーの少なくとも一部は、同一直線上に配置されている、スイッチング回路。
3. 請求項１又は２に記載のスイッチング回路において、
   前記第２配線と前記第５配線は、前記多層配線基板を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されている、スイッチング回路。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスイッチング回路において、
   前記多層配線基板は、
   前記第１配線層以外の配線層に形成された第６配線と、
   前記第１配線と前記第６配線とを電気的に接続する第３ビア導体と、
   をさらに有する、スイッチング回路。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスイッチング回路において、
   前記多層配線基板は、
   前記第１配線層以外の配線層に形成された第７配線と、
   前記第２配線と前記第７配線とを電気的に接続する第４ビア導体と、
   をさらに有する、スイッチング回路。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のスイッチング回路において、
   前記多層配線基板は、前記第１配線層に形成された第１０配線をさらに有し、
   前記第２トランジスターのゲート電極は、前記第１０配線に電気的に接続され、
   前記第５配線と前記第１０配線は、前記多層配線基板を平面視した場合に、少なくとも一部が重なりあう位置に形成されている、スイッチング回路。
7. 駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
   前記駆動波形信号をパルス変調して変調信号を生成する変調回路と、
   前記変調信号を、前記第１トランジスターのゲート電極及び前記第２トランジスターのゲート電極で受け付け、前記変調信号を電力増幅した信号である電力増幅変調信号を生成する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のスイッチング回路と、
   前記電力増幅変調信号を平滑化することによって駆動信号を生成する平滑フィルターと、
   を含む容量性負荷駆動回路を含む、医療機器。

Images