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調(diào)相加法運(yùn)算器以及超聲波探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠維持所取得的信號(hào)的SNR并有效地抑制電力消耗的調(diào)相加法運(yùn)算裝置以及超聲波探頭。具備：延遲電荷傳送部，根據(jù)分別具有生成與所輸入的超聲波的聲壓相應(yīng)的電荷的壓電體的多個(gè)壓電元件中分別產(chǎn)生的電荷，取得未被放大而得到的量的信號(hào)電荷，分別保持期望的時(shí)間；以及延遲加法運(yùn)算部，對(duì)在延遲電荷傳送部中分別被保持了期望的時(shí)間的信號(hào)電荷的量進(jìn)行調(diào)相加法運(yùn)算。
【專利說(shuō)明】調(diào)相加法運(yùn)算器以及超聲波探頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 該發(fā)明涉及調(diào)相加法運(yùn)算器以及超聲波探頭。

【背景技術(shù)】
[0002] 以往，存在對(duì)被檢體內(nèi)部照射超聲波，接收其反射波并分析，從而進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 檢查的超聲波診斷裝置。在超聲波診斷中，能夠非破壞、非侵入地對(duì)被檢體進(jìn)行調(diào)查，因此， 廣泛地用于醫(yī)療目的的檢查或建筑物內(nèi)部的檢查那樣的各種用途。
[0003] 在超聲波診斷裝置中，將接收到的超聲波變換為與其強(qiáng)度相應(yīng)的電信號(hào)而取得。 在該超聲波的接收中，使用壓電元件那樣的變換器（transducer)，基于超聲波的聲壓的壓 電元件的機(jī)械變形（伸縮）被變換為與其變形量相應(yīng)的電信號(hào)（電荷量）而被檢測(cè)。此 時(shí)，來(lái)自檢查對(duì)象點(diǎn)（point)的反射波通過(guò)多個(gè)壓電元件分別接收的定時(shí)偏離，因此各自 設(shè)定適合的延遲時(shí)間并進(jìn)行加法運(yùn)算，從而能夠取得與來(lái)自該檢查對(duì)象點(diǎn)的反射波有關(guān)的 數(shù)據(jù)。
[0004] 近年來(lái)，在超聲波診斷裝置中，由于伴隨圖像的高精度化的接收用壓電元件數(shù)的 增加和接收數(shù)據(jù)的采樣率（sampling rate)的增大，電力的消耗正在增大。因此，在專利文 獻(xiàn)1中，公開了以下技術(shù)：對(duì)于分別對(duì)各壓電元件并聯(lián)地設(shè)置的不同的傳輸柵（gate)數(shù)的 CCD(Charge Coupled Device,電荷f禹合器件）延遲元件中的任一個(gè)選擇性地輸出電信號(hào)， 將與多個(gè)壓電元件有關(guān)的電荷數(shù)據(jù)分別延遲適當(dāng)?shù)碾A數(shù)并進(jìn)行加法運(yùn)算的調(diào)相加法運(yùn)算 之后，在一個(gè)FGA (Floating Gate Amlifier,浮柵放大器）中變換為電壓數(shù)據(jù)，從而減少以往 對(duì)調(diào)相加法運(yùn)算前的各數(shù)據(jù)使用的FGA的數(shù)而實(shí)現(xiàn)消耗電力的降低。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006] 專利文獻(xiàn)
[0007] 專利文獻(xiàn)1 :(日本）專利第4557575號(hào)公報(bào)
[0008] 可是，根據(jù)這樣的在超聲波診斷時(shí)所接收的超聲波的強(qiáng)度，通過(guò)變換器得到的電 信號(hào)的強(qiáng)度非常小，因此，通常該電信號(hào)在變換器取得之后，立即被各自放大后，被傳輸并 處理。此時(shí)，在不提高噪聲電平而放大信號(hào)的低噪聲放大器（LNA)中，存在以下課題：由于 根據(jù)噪聲的削減量而供給電流增大，因此以往難以兼顧信號(hào)噪聲比（SNR)的提高和電力消 耗的抑制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于，提供能夠維持所取得的信號(hào)的SNR并有效地控制電力消耗的 調(diào)相加法運(yùn)算裝置以及超聲波探頭。
[0010] 用于解決課題的手段
[0011] 為了達(dá)成上述目的，技術(shù)方案1記載的發(fā)明是調(diào)相加法運(yùn)算器，該調(diào)相加法運(yùn)算 器的特征在于，具備：
[0012] 延遲電荷傳送部，根據(jù)分別具有生成與所輸入的超聲波的聲壓相應(yīng)的電荷的壓電 體的多個(gè)壓電元件中分別產(chǎn)生的電荷，取得未被放大而得到的量的信號(hào)電荷，分別保持期 望的時(shí)間；以及
[0013] 延遲加法運(yùn)算部，對(duì)在所述延遲電荷傳送部中分別被保持了所述期望的時(shí)間的所 述信號(hào)電荷的量進(jìn)行調(diào)相加法運(yùn)算。
[0014] 技術(shù)方案2記載的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案1記載的調(diào)相加法運(yùn)算器中，
[0015] 所述信號(hào)電荷的量與設(shè)置于在所述壓電元件中產(chǎn)生所述電荷的所述壓電體兩端 的電極中感應(yīng)的電荷量對(duì)應(yīng)。
[0016] 技術(shù)方案3記載的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案1記載的調(diào)相加法運(yùn)算器中，具 備：開關(guān)部，該開關(guān)部具有連接到規(guī)定的偏置電壓發(fā)生部的源區(qū)域和決定該源區(qū)域與所述 延遲電荷傳送部之間的導(dǎo)通狀態(tài)的柵電極，
[0017] 所述柵電極連接到設(shè)置于在所述壓電元件中產(chǎn)生所述電荷的所述壓電體兩端的 電極中的一方，
[0018] 所述延遲電荷傳送部基于根據(jù)在所述壓電體中產(chǎn)生的電荷而變化的所述柵電極 的電位，從所述源區(qū)域取得所述信號(hào)電荷。
[0019] 技術(shù)方案4記載的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案3記載的調(diào)相加法運(yùn)算器中，
[0020] 所述偏置電壓與在所述壓電體中產(chǎn)生的電荷量的變動(dòng)周期同步地施加。
[0021] 技術(shù)方案5記載的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案1?4的任一項(xiàng)記載的調(diào)相加法 運(yùn)算器中，
[0022] 在所述延遲電荷傳送部中，使用CXD。
[0023] 技術(shù)方案6記載的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案1?4的任一項(xiàng)記載的調(diào)相加法 運(yùn)算器中，
[0024] 所述延遲電荷傳送部經(jīng)由中介層與設(shè)置于在所述壓電元件中產(chǎn)生所述電荷的所 述壓電體兩端的電極連接。
[0025] 技術(shù)方案7記載的發(fā)明是超聲波探頭，其特征在于，具備：
[0026] 技術(shù)方案1?4的任一項(xiàng)記載的調(diào)相加法運(yùn)算器；
[0027] 所述壓電元件，分別連接到該調(diào)相加法運(yùn)算器；
[0028] 信號(hào)放大器，將進(jìn)行了所述調(diào)相加法運(yùn)算的電荷量作為電壓信號(hào)進(jìn)行放大；以及
[0029] 信號(hào)輸出部，輸出進(jìn)行了該放大的電壓信號(hào)。
[0030] 技術(shù)方案8記載的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案7記載的超聲波探頭中，
[0031] 所述信號(hào)輸出部具備：無(wú)線通信部，通過(guò)無(wú)線將所述信號(hào)輸出至外部設(shè)備。
[0032] 技術(shù)方案9記載的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案7記載的超聲波探頭中，具備：
[0033] 發(fā)送驅(qū)動(dòng)部，使所述壓電元件輸出規(guī)定的波長(zhǎng)的超聲波；以及
[0034] 發(fā)送接收切換驅(qū)動(dòng)部，根據(jù)控制信號(hào)，將所述發(fā)送驅(qū)動(dòng)部和所述延遲電荷傳送部 中的任一個(gè)與所述壓電元件擇一地連接。
[0035] 發(fā)明的效果
[0036] 根據(jù)本發(fā)明，存在以下效果：在調(diào)相加法運(yùn)算器以及超聲波探頭中，能夠維持所取 得的信號(hào)的SNR并有效地抑制電力消耗。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1是表示包含本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭的超聲波診斷裝置的整體結(jié)構(gòu) 的圖。
[0038] 圖2是表示超聲波探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方框圖。
[0039] 圖3是說(shuō)明基于超聲波探頭的超聲波的接收的截面圖。
[0040] 圖4(a)?（d)是說(shuō)明基于C⑶的電荷的運(yùn)送步驟的圖。
[0041] 圖5是說(shuō)明調(diào)相加法運(yùn)算器的圖。
[0042] 圖6(a)?（b)是說(shuō)明第二實(shí)施方式的超聲波探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、以及基于超聲波探 頭的超聲波的接收的圖。
[0043] 圖7(a)?（b)是說(shuō)明第三實(shí)施方式的超聲波探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、以及基于超聲波探 頭的超聲波的接收的圖。
[0044] 圖8a是表示將加法運(yùn)算部與延遲電荷傳送部一體地構(gòu)成的例子的示意圖。
[0045] 圖8b是示意性地表示在通過(guò)傳送電極按每個(gè)溝道傳送電荷的狀態(tài)下的動(dòng)作原理 的圖。
[0046] 圖8c是示意性地表示在通過(guò)加法運(yùn)算電極而鄰接溝道的電荷被傳送且進(jìn)行了加 法運(yùn)算的狀態(tài)下的動(dòng)作原理的圖。
[0047] 圖9是表示加法運(yùn)算部的其他的例子的具體的結(jié)構(gòu)的圖。
[0048] 標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0049] 1 超聲波診斷裝置主體
[0050] 2 超聲波探頭
[0051] 18 操作輸入部
[0052] 19 輸出顯示部
[0053] 21 振子排列
[0054] 21c 振子排列
[0055] 22 接收部
[0056] 23 發(fā)送部
[0057] 24 驅(qū)動(dòng)控制部
[0058] 25 通信部
[0059] 26 天線
[0060] 27 電源部
[0061] 28 發(fā)送接收切換部
[0062] 210 振子
[0063] 210c 振子
[0064] 211 壓電體
[0065] 212 電極
[0066] 212c 電極
[0067] 213 電極
[0068] 213c 電極
[0069] 214 導(dǎo)電部件
[0070] 215 中介層基板
[0071] 220 調(diào)相加法運(yùn)算器
[0072] 220b調(diào)相加法運(yùn)算器
[0073] 220c調(diào)相加法運(yùn)算器
[0074] 2201半導(dǎo)體基板
[0075] 2202 N 型區(qū)域
[0076] 2203 P 型區(qū)域
[0077] 2204 絕緣層
[0078] 221 CCD
[0079] 2216 IG 電極
[0080] 2217a ?2219a、2217b、2218b 傳送電極
[0081] 222 加法運(yùn)算部
[0082] 223 LNA
[0083] 224 ADC
[0084] S 超聲波診斷裝置

【具體實(shí)施方式】
[0085] 以下，基于【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0086] 圖1是表示包含本實(shí)施方式的超聲波探頭2的超聲波診斷裝置S的整體結(jié)構(gòu)的 圖。
[0087] 該超聲波診斷裝置S由超聲波診斷裝置主體1和超聲波探頭2構(gòu)成。超聲波診斷 裝置主體1具備：操作輸入部18、輸出顯示部19、省略圖示的控制部以及通信部。超聲波診 斷裝置主體1的控制部基于對(duì)于操作輸入部18的鍵盤或鼠標(biāo)等的來(lái)自外部的輸入操作，經(jīng) 由通信部將控制信號(hào)輸出給超聲波探頭2并使其輸出超聲波，此外，從超聲波探頭2接收超 聲波的輸入檢測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行各種處理，根據(jù)需要使輸出顯示部19的液晶畫面等顯示結(jié)果 等。
[0088] 超聲波探頭2對(duì)被檢體發(fā)送超聲波（在此為1?30MHz左右），并且接收在發(fā)送的 超聲波之中通過(guò)被檢體反射而返回來(lái)的反射波（echo,回波）。該超聲波探頭2通過(guò)無(wú)線通 信在與超聲波診斷裝置主體1之間進(jìn)行控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的交換。
[0089] 圖2是表示超聲波探頭2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方框圖。
[0090] 超聲波探頭2具備：振子排列21、接收部22、發(fā)送部23 (發(fā)送驅(qū)動(dòng)部）、驅(qū)動(dòng)控制 部24、通信部25 (信號(hào)輸出部、無(wú)線通信部）、天線26、電源部27、發(fā)送接收切換部28 (發(fā)送 接收切換驅(qū)動(dòng)部）等。
[0091] 振子排列21是具備壓電元件的多個(gè)振子210的排列，該壓電元件具有壓電體和設(shè) 置在由于其變形（伸縮）而出現(xiàn)電荷的兩端的電極，這些振子210例如在規(guī)定的方向上排 列為一維陣列狀。在振子210上施加電壓脈沖（脈沖信號(hào)），從而壓電體變形，以與該電壓 的大小相應(yīng)的振幅發(fā)送超聲波。此外，若規(guī)定的頻帶的超聲波傳到振子210,則通過(guò)其聲壓， 壓電元件的壓電體的厚度變動(dòng)（振動(dòng)），從而出現(xiàn)與該變動(dòng)量相應(yīng)的電荷，在壓電元件兩端 的電極中感應(yīng)與該電荷相應(yīng)的量的電荷。
[0092] 作為用于振子210的壓電體的壓電部件，舉出例如PZT (鋯鈦酸鉛）?；蛘?，也可 以使用其他的各種壓電部件，例如作為單晶體的LiNb03、LiTa03、KNbO3、水晶等，作為多晶 體的Pb (Mg1/3Nb2/3) 03、（Pb、Sm) TiO3等，作為弛豫強(qiáng)電介質(zhì)的PMN-PT (鉛鎂鈮酸-鈦酸鉛）、 PZN-PT (鋯鈦酸鉛-鈦酸鉛）等，或者作為有機(jī)部件的PVDF (聚偏氟乙烯）或者PVDF系共 聚物、聚偏二氰乙烯或者偏二氰乙烯系共聚物、尼龍9或者尼龍11那樣的奇數(shù)尼龍、芳香族 尼龍、脂環(huán)族尼龍、聚乳酸、PHB(聚羥基丁酸酯）那樣的聚羥基羧酸、纖維素衍生物、聚脲等 之中的任一個(gè)。此外，也可以使用兼用了無(wú)機(jī)壓電材料和有機(jī)壓電材料的混合材料。
[0093] 本實(shí)施方式的超聲波探頭2在振子排列21中，具有例如192個(gè)振子210?；蛘撸?各振子210也可以排列為二維陣列狀而取得三維超聲波圖像。此外，振子210的個(gè)數(shù)能夠 根據(jù)分辨率、消耗電力、以及數(shù)據(jù)傳輸可能速度等的各種條件而適當(dāng)?shù)卦O(shè)定。超聲波探頭2 也可以米用電子掃描方式和機(jī)械掃描方式中的任一個(gè)。此外，作為掃描方式，也可以米用線 性（Linear)掃描方式、扇形（Sector)掃描方式和凸面（Convex)掃描方式中的任一個(gè)。此 夕卜，能夠任意地設(shè)定超聲波探頭2中的帶寬。
[0094] 此外，該超聲波診斷裝置S可以設(shè)為能夠根據(jù)診斷對(duì)象將不同的多個(gè)超聲波探頭 2中的任一個(gè)與超聲波診斷裝置主體1進(jìn)行組合而利用的結(jié)構(gòu)。
[0095] 接收部22將在振子排列21的各振子210中伴隨超聲波的輸入而感應(yīng)到的電荷 變換為與其電荷量相應(yīng)的電壓信號(hào)，并在進(jìn)行了放大后，以規(guī)定的采樣頻率進(jìn)行數(shù)字變換 后的數(shù)據(jù)作為接收信號(hào)輸出。該接收部22具備：調(diào)相加法運(yùn)算部220、LNA(Low Noise Amplifier，低噪聲放大器）223 (信號(hào)放大部）、以及ADC (模擬/數(shù)字變換器）224等（參照 圖5)。關(guān)于該接收部22,在后面進(jìn)行敘述。
[0096] 發(fā)送部23將用于使從根據(jù)來(lái)自驅(qū)動(dòng)控制部24的控制信號(hào)而指定的振子210輸出 規(guī)定振幅以及頻率的超聲波的電壓脈沖信號(hào)輸出給該振子210。
[0097] 發(fā)送接收切換部28基于來(lái)自驅(qū)動(dòng)控制部24的控制信號(hào)，對(duì)振子排列21連接發(fā)送 部23和接收部22中的任一個(gè)，從發(fā)送部23發(fā)送與振子210的驅(qū)動(dòng)有關(guān)的電壓脈沖信號(hào)， 或者將與輸入到振子210的超聲波有關(guān)的電信號(hào)發(fā)送到接收部22。
[0098] 驅(qū)動(dòng)控制部24根據(jù)從通信部25輸入的控制信號(hào)將控制信號(hào)發(fā)送到發(fā)送接收切換 部28并將向振子排列21的連接切換設(shè)定到發(fā)送部23和接收部22中的任一個(gè)，并且使發(fā) 送部23動(dòng)作而從各振子210輸出超聲波，或者從振子排列21將與在該超聲波輸出的期間 內(nèi)輸入到各振子210的超聲波相應(yīng)的電荷信號(hào)輸出到接收部22,從接收部22取得接收信 號(hào)。此外，驅(qū)動(dòng)控制部24將該超聲波的接收信號(hào)從通信部25以及天線26發(fā)送到超聲波診 斷裝置主體1。
[0099] 通信部25是用于在與超聲波診斷裝置主體1之間進(jìn)行控制信號(hào)或取得數(shù)據(jù)的發(fā) 送接收的通信接口。作為該通信接口，使用用于進(jìn)行各種眾所周知的無(wú)線通信方法之中的 任一種的通信的接口。作為該無(wú)線通信方法，舉出與充分得到從超聲波探頭2向超聲波 診斷裝置主體1的數(shù)據(jù)傳送速度的通信規(guī)格有關(guān)的方法，例如基于無(wú)線LAN(IEEE802. Iln 等）、Bluetooth通信（注冊(cè)商標(biāo)：Bluetooth)、體域網(wǎng)（BAN ;ΙΕΕΕ802· 15. 6)的各頻帶中的 通信方式。
[0100] 天線26是通信部25在與超聲波診斷裝置主體1的通信部之間進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)， 用于發(fā)送接收通信電波的天線，使用與通信頻率和超聲波探頭2的大小相應(yīng)的尺寸和形狀 的天線。
[0101] 電源部27是用于對(duì)超聲波探頭2的各部分供給電力并使其動(dòng)作的電源。該電源 27沒(méi)有特別限定，包括通常的干電池。此外，該電源部27可以構(gòu)成為：具備升壓回路，根據(jù) 來(lái)自振子210的超聲波輸出使干電池的輸出電壓升壓至適合的電壓后供給至振子210。
[0102] 接著，說(shuō)明本實(shí)施方式的超聲波探頭2中的超聲波的接收。
[0103] 圖3是說(shuō)明本實(shí)施方式的超聲波探頭2的超聲波接收的截面圖。該截面是以包含 一個(gè)振子210和與其對(duì)應(yīng)的(XD221的面來(lái)切斷半導(dǎo)體基板2201的面。
[0104] 在本實(shí)施方式的超聲波探頭2中，振子210連接到設(shè)置在半導(dǎo)體基板2201上的電 路而配置。該半導(dǎo)體基板2201為P型基板。設(shè)置在振子210的壓電體211的一端的電極 212連接到設(shè)置在半導(dǎo)體基板2201的上面的N型區(qū)域2202。此外，設(shè)置在壓電體211的另 一端的電極213經(jīng)由導(dǎo)電部件214連接到半導(dǎo)體基板2201。該連接部分通過(guò)B (硼元素） 等的雜質(zhì)離子的摻雜而成為雜質(zhì)濃度升高的P型區(qū)域2203,在與金屬的導(dǎo)電部件214之間 形成歐姆接觸，使得在導(dǎo)電部件214和半導(dǎo)體基板2201之間電流流動(dòng)。
[0105] 電極212、213優(yōu)選電阻小的導(dǎo)體，例如使用鋁。在此，鋁的標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的凝固點(diǎn)約 為660°C。在本實(shí)施方式的超聲波探頭2中，在半導(dǎo)體基板2001或其上部按順序疊層形成 各區(qū)域、電極、振子210。因此，該疊層形成之后的工序中的熱平衡影響通過(guò)先前的工序所形 成的部分。即，在半導(dǎo)體基板2201上形成電路后，進(jìn)而，在疊層形成振子210的情況下，需要 壓電部件的壓電相（強(qiáng)電介質(zhì)的情況下為強(qiáng)介質(zhì)）在該凝固點(diǎn)以下的溫度（例如，650°C ) 生成。
[0106] 作為P型基板的半導(dǎo)體基板2201和N型區(qū)域2202進(jìn)行PN結(jié)合而成為二極管結(jié) 構(gòu)。N型區(qū)域2202是摻雜了例如P(磷）或As(砷）那樣的雜質(zhì)離子的導(dǎo)電區(qū)域。若振子 210通過(guò)超聲波變形而出現(xiàn)電荷，則在電極212、213中，分別感應(yīng)相反極性的電荷。
[0107] 在半導(dǎo)體基板2201的區(qū)域的上部中，設(shè)置絕緣層2204,在該絕緣層2204中，排列 多個(gè)電極。在這些電極中，包含設(shè)置在N型區(qū)域2202 -側(cè)的IG(輸入柵）電極2216、傳送 電極2217a?2219a、2217b、2218b。由這些電極和半導(dǎo)體基板2201中的該電極的下部區(qū) 域形成CCD(Charge Coupled Device,電荷稱合器件）221，按照對(duì)各電極按順序施加的電 壓，依次傳送根據(jù)在電極212、213中感應(yīng)的電荷而從N型區(qū)域2202被導(dǎo)入的信號(hào)電荷（電 子）。
[0108] 圖4是說(shuō)明基于(XD221的電子的運(yùn)送步驟的圖。相對(duì)于與各電極對(duì)應(yīng)的位置（橫 軸），縱軸向下示出了半導(dǎo)體基板2201的該電極下部中的電位。
[0109] 在N型區(qū)域2202中電子被蓄積（a0,斜線部分）的情況下，若以對(duì)傳送電極2217a、 2217b施加了正的電壓Vcpl的狀態(tài)，進(jìn)一步對(duì)IG電極2216施加正的電壓VIG，則電子通過(guò) 在IG電極2216的下部形成的溝道（channel)區(qū)域而從N型區(qū)域2202流入至半導(dǎo)體基板 2201中在傳送電極2217a的下部形成的電位的勢(shì)阱（al)(圖4(a))。
[0110] 接著,解除IG電極2216中施加的正電壓，從N型區(qū)域2202切離電位的勢(shì)阱（al) (圖4(b))。其后，若對(duì)傳送電極2218a、2218b施加正的電位V(p2,則電位的勢(shì)阱（al)擴(kuò)展 至傳送電極2217a、2218a的區(qū)域（cl)，電子大致均勻地分布在該電位的勢(shì)阱內(nèi)（圖4(c))。
[0111] 其后，進(jìn)而，若解除對(duì)傳送電極2217a、2217b所施加的正電壓，則電位的勢(shì)阱（cl) 被縮窄為僅傳送電極2218的下部的區(qū)域，由此，位于傳送電極2217a的下部的電子匯集到 在傳送電極2218a的下部形成的電位的勢(shì)阱（dl)內(nèi)。即，在該階段，圖4(b)中所示的電位 的勢(shì)阱（al)內(nèi)的電子移動(dòng)到右側(cè)一個(gè)的傳送電極下部。這樣，在CCD221中，通過(guò)對(duì)傳送電 極施加正的電壓的位置發(fā)生偏移（shift)，從而依次傳送電位的勢(shì)阱中所捕獲到的電子。
[0112] 各電位的勢(shì)阱中所捕獲到的電荷的量能夠選擇性地讀取。此時(shí)的讀取沒(méi)有特別的 限制，但是并不直接取出電位的勢(shì)阱中所捕獲的電荷，而是非破壞地通過(guò)鏡像（mirroring) 等而進(jìn)行。即，通過(guò)設(shè)為這樣的結(jié)構(gòu)，能夠從多個(gè)電位的勢(shì)阱以不同的延遲階數(shù)（延遲時(shí) 間）而多次讀取同一數(shù)據(jù)。被傳送到與CCD221中的最后的傳送電極有關(guān)的電位的勢(shì)阱的 電荷，根據(jù)向OG (輸出柵）電極的施加電壓VOG而基板接地并被釋放。
[0113] 圖5是說(shuō)明接收部22中的數(shù)據(jù)的流向的方框圖。
[0114] 調(diào)相加法運(yùn)算器220具備：分別傳送從各振子210取得的電荷的多個(gè)(XD221 (延 遲電荷傳送部）、將通過(guò)各CCD221而規(guī)定階段傳送的電荷量進(jìn)行累加（調(diào)相加法運(yùn)算）的 加法運(yùn)算部222 (延遲加法運(yùn)算部）。由調(diào)相加法運(yùn)算器220累加的電荷變換為電壓值（例 如，浮動(dòng)擴(kuò)散（floating diffusion))通過(guò)LNA223放大后，輸出至ADC224并以規(guī)定的采樣 頻率變換為數(shù)字值。
[0115] 如圖3以及圖4A?圖4D所示那樣，在本實(shí)施方式的調(diào)相加法運(yùn)算器220中，不放 大與根據(jù)各振子210的變形而在兩端的電極212、213中感應(yīng)的電荷對(duì)應(yīng)的量的電荷，直接 從N型區(qū)域2202取入至(XD221。取入的電荷在(XD221中形成的多個(gè)電位的勢(shì)阱之間被 傳送后，根據(jù)延遲時(shí)間選擇性地從其中一個(gè)電位的勢(shì)阱讀取。即，在該調(diào)相加法運(yùn)算器220 中，對(duì)每個(gè)CCD221設(shè)定要讀取電荷量的電位的勢(shì)阱的位置，從而獨(dú)自地設(shè)定與調(diào)相加法運(yùn) 算有關(guān)的延遲階數(shù)。另外，在(XD221中能夠形成的電位的勢(shì)阱的數(shù)、即延遲階數(shù)被適當(dāng)?shù)?設(shè)定，但是，由于隨著數(shù)變多而電荷的損失以及傳送電力增大，因此優(yōu)選為不要太大（例 如，10步以下）。
[0116] 從與一個(gè)加法運(yùn)算部222對(duì)應(yīng)的多個(gè)(XD221讀取到的電荷在加法運(yùn)算部222中 進(jìn)行累加。累加后的電荷量變換為電壓值后，匯總地通過(guò)LNA223進(jìn)行放大。即，從多個(gè)振 子210取得的數(shù)據(jù)，并不是分別獨(dú)自地放大，而是累加后僅放大一次。
[0117] 在圖8a?c以及圖9中表示加法運(yùn)算部222的具體的結(jié)構(gòu)的例子。圖8a是表示 將加法運(yùn)算部222與作為延遲電荷傳送部的(XD221 -體地構(gòu)成的例子的示意圖。在本實(shí) 施方式中，將通過(guò)多個(gè)CCD221傳送來(lái)的電荷，以與該CCD221中的電荷傳送相同的原理，通 過(guò)橫跨鄰接溝道的加法運(yùn)算電極2221來(lái)傳送，從而進(jìn)行加法運(yùn)算。圖8b以及圖8c是示意 性地表示本方式的動(dòng)作原理的圖，圖8b示出了通過(guò)傳送電極按圖8a的每個(gè)溝道傳送電荷 的狀態(tài)，圖8c示出了通過(guò)加法運(yùn)算電極2221而鄰接溝道的電荷被傳送且進(jìn)行了加法運(yùn)算 的狀態(tài)。
[0118] 此外，圖9是表示加法運(yùn)算部222的其他的實(shí)施方式的示意圖。在本實(shí)施方式中， 在通過(guò)(XD221的傳送電極按每個(gè)溝道對(duì)電荷進(jìn)行了傳送后，從NSD2222 (N+的注入?yún)^(qū)域） 將電荷提取作為電流，通過(guò)加法運(yùn)算放大器（LNA223)進(jìn)行加法運(yùn)算。LNA223也可以在與 (XD221共同的基板上作為一個(gè)半導(dǎo)體芯片而構(gòu)成，也可以設(shè)為與(XD221獨(dú)立的電路。
[0119] 這樣，本實(shí)施方式的調(diào)相加法運(yùn)算器220具備：(XD221，在具有與輸入的超聲波 的聲壓相應(yīng)的電荷出現(xiàn)的壓電體211的振子210的各自中，不放大與根據(jù)通過(guò)輸入的超聲 波而出現(xiàn)的電荷的量在電極212中感應(yīng)的電荷有關(guān)的電荷量，而是直接作為信號(hào)電荷而取 得，保持規(guī)定的時(shí)間；以及加法運(yùn)算部222,對(duì)與在各CCD221中分別被保持規(guī)定的時(shí)間而產(chǎn) 生了延遲時(shí)間的信號(hào)電荷有關(guān)的電荷量進(jìn)行調(diào)相加法運(yùn)算。即，在該調(diào)相加法運(yùn)算器220 中，不分別放大從各振子210取得的電荷信號(hào)，因此，能夠降低以往與對(duì)應(yīng)于多個(gè)振子210 而設(shè)置的低噪聲放大器的動(dòng)作有關(guān)的電力消耗。另一方面，由于直接將從各振子210取得 的電荷信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算，因此能夠降低熱噪聲對(duì)于電荷信號(hào)的電平的比例，提高SNR。因 此，能夠抑制電力消耗并且維持檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度。
[0120] 此外，尤其，作為信號(hào)電荷而根據(jù)設(shè)置在振子210中的電極212、213中感應(yīng)的電荷 量，從N型區(qū)域2202將電荷直接導(dǎo)入到(XD221，因此，通過(guò)簡(jiǎn)便并且損失少的結(jié)構(gòu)，能夠取 得與各振子210中檢測(cè)到的超聲波的聲壓相應(yīng)的信號(hào)。
[0121] 此外，設(shè)為以下結(jié)構(gòu)：通過(guò)使用（XD221(在此為三相（XD)，根據(jù)對(duì)傳送電極 2217a?2219a、2217b、2218b按順序施加的電壓模式（pattern)，將信號(hào)電荷導(dǎo)入到半導(dǎo)體 基板2201中的該傳送電極的下部區(qū)域中形成的電位的勢(shì)阱，在該電位的勢(shì)阱之間移動(dòng)規(guī) 定次數(shù)后讀取并將該電荷量發(fā)送到加法運(yùn)算部222。因此，能夠利用以往已知的結(jié)構(gòu)并且能 夠進(jìn)行低噪聲且低成本地簡(jiǎn)單地抑制電力消耗的超聲波檢測(cè)。
[0122] 此外，本實(shí)施方式的超聲波探頭2具備：調(diào)相加法運(yùn)算器220、分別連接到各調(diào) 相加法運(yùn)算器220的振子210、將進(jìn)行了調(diào)相加法運(yùn)算的電荷量作為電壓信號(hào)進(jìn)行放大的 LNA223、輸出與放大后的電壓信號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)信號(hào)的通信部25。即，一起提高信號(hào)電平和 S/N比的LNA223對(duì)進(jìn)行了調(diào)相加法運(yùn)算的數(shù)據(jù)各設(shè)置一個(gè)，因此，與對(duì)振子210獨(dú)自設(shè)置的 情況相比，能夠降低電力消耗并且高效地取得精度良好的超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)。此外，由此能夠 降低超聲波探頭2中的發(fā)熱量，因此，能夠防止超聲波探頭2在活體檢查中上升至不適當(dāng)?shù)?溫度。
[0123] 此外，由于將進(jìn)行了調(diào)相加法運(yùn)算后的數(shù)據(jù)發(fā)送至超聲波診斷裝置主體1，因此， 能夠不會(huì)降低取得圖像精度并且防止數(shù)據(jù)傳送量的不必要的增大。
[0124] 此外，由于通信部25是通過(guò)無(wú)線LAN或Bluetooth通信等的無(wú)線通信將數(shù)據(jù)信號(hào) 輸出到超聲波診斷裝置主體1的無(wú)線通信部，因此，在超聲波檢查時(shí)能夠不煩惱于電纜的 長(zhǎng)度或配置而簡(jiǎn)單地進(jìn)行檢查。
[0125] 此外，尤其省略在進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)傳輸量產(chǎn)生限制的無(wú)線通信的數(shù)據(jù)傳輸?shù)某暡ㄌ?頭2中的信號(hào)放大那樣的消耗電力大的處理，并且進(jìn)行超聲波診斷所需的適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處 理，從而能夠降低數(shù)據(jù)傳輸量。
[0126] 此外，具備：從振子210輸出規(guī)定的波長(zhǎng)的超聲波的發(fā)送部23、根據(jù)來(lái)自驅(qū)動(dòng)控制 部24的控制信號(hào)，將發(fā)送部23和接收部22的調(diào)相加法運(yùn)算器220中的任一個(gè)與振子210 擇一地連接的發(fā)送接收切換部28。因此，能夠在超聲波的發(fā)送接收中兼用地使用振子210， 因此能夠抑制超聲波探頭2的尺寸的增大。
[0127] [第二實(shí)施方式]
[0128] 接著，說(shuō)明第二實(shí)施方式的超聲波探頭。
[0129] 圖6是說(shuō)明第二實(shí)施方式的超聲波探頭2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方框圖（圖6 (a))，以及是 說(shuō)明與第二實(shí)施方式的超聲波探頭2的調(diào)相加法運(yùn)算器220b的超聲波的接收有關(guān)的結(jié)構(gòu) 的截面圖（圖6(b))。
[0130] 本實(shí)施方式的超聲波探頭2如圖6 (a)所示那樣，除了第一實(shí)施方式中的調(diào)相加法 運(yùn)算器220被置換為調(diào)相加法運(yùn)算器220b的點(diǎn)以外，與第一實(shí)施方式的超聲波探頭2相 同，賦予相同的標(biāo)號(hào)并省略說(shuō)明。
[0131] 本實(shí)施方式的調(diào)相加法運(yùn)算器220b如圖6(b)所示那樣，除了 IG電極2216(柵 電極）連接到設(shè)置在壓電體211的一端的電極212,此外，半導(dǎo)體基板2201的N型區(qū)域 2202 (源區(qū)域）連接到電源部27的電源Vdd (偏置電壓發(fā)生部）以外，與第一實(shí)施方式的調(diào) 相加法運(yùn)算器220相同，對(duì)相同部分賦予相同的標(biāo)號(hào)并省略說(shuō)明。在此，由IG電極2216和 N型區(qū)域2202構(gòu)成開關(guān)部。
[0132] 在本實(shí)施方式的調(diào)相加法運(yùn)算器220b中，超聲波輸入到振子210且通過(guò)其聲壓而 壓電體211變形，若出現(xiàn)電荷，則電極212以及IG電極2216的電位相對(duì)于接地的電極213 發(fā)生變化。由此，在IG電極2216下形成溝道，N型區(qū)域2202和與(XD221中的第一傳送電 極2217a有關(guān)的電位的勢(shì)阱之間導(dǎo)通。
[0133] 另一方面，從電源Vdd周期性地輸出電壓脈沖（在此為方波）。由此對(duì)N型區(qū)域 2202供給電子，供給的電子經(jīng)由IG電極2216下的溝道而傳送到傳送電極2217a下部的電 位的勢(shì)阱。該脈沖電壓的輸出周期與檢測(cè)對(duì)象的超聲波的頻率對(duì)應(yīng)地設(shè)定，即與形成溝道 而成為電荷能夠流出的定時(shí)對(duì)應(yīng)地設(shè)定。
[0134] 在此，在電極212、213中感應(yīng)的電荷量左右的電荷導(dǎo)入至調(diào)相加法運(yùn)算器220b即 可，即，在本實(shí)施方式的超聲波探頭2中，不放大向調(diào)相加法運(yùn)算器220輸入的電荷量，因此 不需要將電源Vdd相對(duì)于接地電壓設(shè)定為不必要地高的電壓。此外，通過(guò)設(shè)為這樣的電壓 設(shè)定，能夠抑制電力消耗的增大。
[0135] 如上那樣，第二實(shí)施方式的超聲波探頭2構(gòu)成為：具備調(diào)相加法運(yùn)算器220b，在 該調(diào)相加法運(yùn)算器220b中，設(shè)置IG電極2216、和與在電源部27中產(chǎn)生規(guī)定的偏置電壓的 電源Vdd連接的N型區(qū)域2202, IG電極2216與設(shè)置在振子210的一方的電極212連接， 基于根據(jù)壓電體211中出現(xiàn)的電荷而變化的IG電極2216的電位來(lái)決定N型區(qū)域2202和 CDD221的區(qū)域之間的導(dǎo)通狀態(tài)。因此，不放大與超聲波的輸入相應(yīng)的信號(hào)也能夠取得適當(dāng) 的模擬的電信號(hào)，與該電信號(hào)有關(guān)的電荷之和進(jìn)行調(diào)相加法運(yùn)算，從而進(jìn)行精度良好的超 聲波診斷。即，該調(diào)相加法運(yùn)算器220b以及超聲波探頭2能夠節(jié)省與LNA的放大有關(guān)的電 力消耗，有效地實(shí)現(xiàn)消耗電力的降低。
[0136] 此外，與根據(jù)輸入超聲波的頻率在壓電體211中出現(xiàn)的電荷量的變動(dòng)周期，即通 過(guò)IG電極2216形成溝道的周期同步地施加偏置電壓的電源Vdd，因此將能夠通過(guò)IG電極 2216流過(guò)的最大的電荷量決定為規(guī)定的值，能夠?qū)⒕攘己玫碾姾闪枯敵龅紺CD221。
[0137] [第三實(shí)施方式]
[0138] 接著，說(shuō)明第三實(shí)施方式的超聲波探頭。
[0139] 圖7是表示第三實(shí)施方式的超聲波探頭2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方框圖（圖7(a))，以及是 說(shuō)明通過(guò)第三實(shí)施方式的超聲波探頭2具備的調(diào)相加法運(yùn)算器220c接收超聲波時(shí)的關(guān)于 該接收的結(jié)構(gòu)的圖（圖7(b))。
[0140] 本實(shí)施方式的超聲波探頭2如圖7 (a)所示，除了第一實(shí)施方式的超聲波探頭2中 振子排列21以及調(diào)相加法運(yùn)算器220分別置換為振子排列21c以及調(diào)相加法運(yùn)算器220c 的點(diǎn)以外，與第一實(shí)施方式的超聲波探頭2相同，針對(duì)相同的結(jié)構(gòu)賦予相同的標(biāo)號(hào)而省略 說(shuō)明。
[0141] 本實(shí)施方式的超聲波探頭2中的振子排列21c具備振子210c。振子210c如圖 7(b)所示，壓電體211的兩端的電極212c、213c分別經(jīng)由中介層基板215連接到半導(dǎo)體基 板2201的N型區(qū)域2202以及P型區(qū)域2203。其他的結(jié)構(gòu)和與第一實(shí)施方式的超聲波探頭 2有關(guān)的結(jié)構(gòu)相同，賦予相同的記號(hào)而省略說(shuō)明。
[0142] 中介層基板215是眾所周知的，例如是Si中介層。振子210c的壓電體211的大 小根據(jù)要檢測(cè)的超聲波的頻率或敏感度而設(shè)定，與此相對(duì)，半導(dǎo)體基板2201上的電路能夠 以根據(jù)成本決定的尺寸來(lái)形成，因此通過(guò)夾著中介層基板215,從而能夠獨(dú)自地設(shè)計(jì)、形成 振子排列21c和半導(dǎo)體基板2201。在該中介層基板215形成的連接布線期望配置為：不將 傳送到N型區(qū)域2202的電信號(hào)衰減到需要以上，且盡量不產(chǎn)生在鄰接的布線之間的寄生電 容。即，通過(guò)從振子210c向半導(dǎo)體基板2201的電信號(hào)的傳遞率成為規(guī)定的比例（例如， 50% )以上那樣的長(zhǎng)度、材質(zhì)、以及布線來(lái)形成中介層基板215。
[0143] 以上那樣，第三實(shí)施方式的超聲波探頭2具備中介層基板215,與在半導(dǎo)體基板 2201設(shè)置的調(diào)相加法運(yùn)算器220c有關(guān)的電路經(jīng)由該中介層基板215與振子210c的電極 212c、213c連接。因此，能夠獨(dú)自地制造振子210c和調(diào)相加法運(yùn)算器220c，使用中介層基 板215組裝超聲波探頭2,因此能夠改善超聲波探頭2的成品率。
[0144] 此外，由于獨(dú)自地制造所要求的間距不同的振子排列21c和調(diào)相加法運(yùn)算器 220c，從而能夠更簡(jiǎn)單地進(jìn)行各自的設(shè)計(jì)以及制造，因此容易實(shí)現(xiàn)成本的削減。
[0145] 另外，本發(fā)明不限于上述的實(shí)施方式，能夠進(jìn)行各種變更。
[0146] 例如，上述實(shí)施方式中，設(shè)為利用CXD(電位的勢(shì)阱）作為電荷的延遲傳送路徑， 但是也可以利用與其他的延遲傳送有關(guān)的結(jié)構(gòu)，例如BBD(Bucket Brigade Device,斗鏈器 件）（電容器）。
[0147] 此外，在上述實(shí)施方式中，說(shuō)明了與超聲波診斷裝置主體1進(jìn)行無(wú)線通信的超聲 波探頭2,但是不限定于此。即使是進(jìn)行了有線連接的超聲波探頭2、或與從超聲波診斷裝 置主體1直接輸出超聲波，此外檢測(cè)超聲波的探針（probe)體型的超聲波診斷裝置中的超 聲波的接收有關(guān)的部分，通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明，也能夠降低消耗電力。
[0148] 此外，在上述實(shí)施方式中，構(gòu)成為使用相同的振子210進(jìn)行超聲波的發(fā)送和接收 的雙方，但是也可以構(gòu)成為獨(dú)自地設(shè)置用于超聲波發(fā)送的振子和用于接收的振子并分別使 其動(dòng)作。由此，能夠減少開關(guān)的控制，或者防止接收時(shí)伴隨與發(fā)送側(cè)電路有關(guān)的寄生電容的 發(fā)生的損失。
[0149] 此外，上述實(shí)施方式中，構(gòu)成為全都基于來(lái)自超聲波診斷裝置主體1的控制信號(hào) 而使超聲波探頭2的各部分驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，但是也可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制部24進(jìn)行一部分的控制。
[0150] 此外，包含與本發(fā)明有關(guān)的超聲波探頭2的超聲波診斷裝置S除了用于活體或結(jié) 構(gòu)物等的非破壞檢查之外，也可以用于超聲波CT檢查或光聲檢查那樣的各種用途。
[0151] 另外，上述實(shí)施方式所示的具體的結(jié)構(gòu)或配置等的細(xì)節(jié)在不脫離本發(fā)明的主旨的 范圍內(nèi)能夠進(jìn)行適當(dāng)變更。
【權(quán)利要求】
1. 一種調(diào)相加法運(yùn)算器，其特征在于，具備： 延遲電荷傳送部，根據(jù)分別具有生成與所輸入的超聲波的聲壓相應(yīng)的電荷的壓電體的 多個(gè)壓電元件中分別產(chǎn)生的電荷，取得未被放大而得到的量的信號(hào)電荷，分別保持期望的 時(shí)間；以及 延遲加法運(yùn)算部，對(duì)在所述延遲電荷傳送部中分別被保持了所述期望的時(shí)間的所述信 號(hào)電荷的量進(jìn)行調(diào)相加法運(yùn)算。
2. 如權(quán)利要求1所述的調(diào)相加法運(yùn)算器，其特征在于， 所述信號(hào)電荷的量與設(shè)置于在所述壓電元件中產(chǎn)生所述電荷的所述壓電體兩端的電 極中感應(yīng)的電荷量對(duì)應(yīng)。
3. 如權(quán)利要求1所述的調(diào)相加法運(yùn)算器，其特征在于，具備： 開關(guān)部，該開關(guān)部具有連接到規(guī)定的偏置電壓發(fā)生部的源區(qū)域和決定該源區(qū)域與所述 延遲電荷傳送部之間的導(dǎo)通狀態(tài)的柵電極， 所述柵電極連接到設(shè)置于在所述壓電元件中產(chǎn)生所述電荷的所述壓電體兩端的電極 中的一方， 所述延遲電荷傳送部基于根據(jù)在所述壓電體中產(chǎn)生的電荷而變化的所述柵電極的電 位，從所述源區(qū)域取得所述信號(hào)電荷。
4. 如權(quán)利要求3所述的調(diào)相加法運(yùn)算器，其特征在于， 所述偏置電壓與在所述壓電體中產(chǎn)生的電荷量的變動(dòng)周期同步地施加。
5. 如權(quán)利要求1?4的任一項(xiàng)所述的調(diào)相加法運(yùn)算器，其特征在于， 在所述延遲電荷傳送部中，使用（XD。
6. 如權(quán)利要求1?4的任一項(xiàng)所述的調(diào)相加法運(yùn)算器，其特征在于， 所述延遲電荷傳送部經(jīng)由中介層與設(shè)置于在所述壓電元件中產(chǎn)生所述電荷的所述壓 電體兩端的電極連接。
7. -種超聲波探頭，其特征在于，具備： 權(quán)利要求1?4的任一項(xiàng)所述的調(diào)相加法運(yùn)算器； 所述壓電元件，分別連接到該調(diào)相加法運(yùn)算器； 信號(hào)放大器，將進(jìn)行了所述調(diào)相加法運(yùn)算的電荷量作為電壓信號(hào)進(jìn)行放大；以及 信號(hào)輸出部，輸出進(jìn)行了該放大的電壓信號(hào)。
8. 如權(quán)利要求7所述的超聲波探頭，其特征在于， 所述信號(hào)輸出部具備：無(wú)線通信部，通過(guò)無(wú)線將所述信號(hào)輸出至外部設(shè)備。
9. 如權(quán)利要求7所述的超聲波探頭，其特征在于，具備： 發(fā)送驅(qū)動(dòng)部，使所述壓電元件輸出規(guī)定的波長(zhǎng)的超聲波；以及 發(fā)送接收切換驅(qū)動(dòng)部，根據(jù)控制信號(hào)，將所述發(fā)送驅(qū)動(dòng)部和所述延遲電荷傳送部中的 任一個(gè)與所述壓電元件擇一地連接。
【文檔編號(hào)】G01N29/36GK104274206SQ201410327914
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月10日
【發(fā)明者】中山雄太 申請(qǐng)人:柯尼卡美能達(dá)株式會(huì)社