KR101142678B1 - 초음파 트랜스듀서 어레이를 위한 층 스위칭 - Google Patents

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존 더글라스 마샬
지안-후아 모
쿠타이 에프. 유스터너
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지멘스 메디컬 솔루션즈 유에스에이, 인크.
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Abstract

다중층 트랜스듀서는 엘리먼트(12) 당 단지 하나의 시스템 채널(24)과 동작한다. 패시브 스위칭은 전송을 위하여 병렬로 그리고 수신을 위해 직렬로 두 개의 층들(14,16)을 접속하는 것과 같은 수신 동작과 다른 전송 동작을 위해 층들(14,16)을 다르게 접속한다. 전류 및 전압 제한 회로들(26,28,30) 같은 패시브 스위칭은 사용될 수 있다. 동조는 패시브적으로 스위칭될 수 있다. 상이한 동조 회로들(70,72,82,84)은 전송 및 수신 동작들 사이 전압 레벨의 함수로서 패시브적으로 스위칭된다.

Description

초음파 트랜스듀서 어레이를 위한 층 스위칭{LAYER SWITCHING FOR AN ULTRASOUND TRANSDUCER ARRAY}
본 발명은 초음파 트랜스듀서들에 관한 것이다. 특히, 트랜스듀서에서의 층들의 스위칭 사용이 제공된다.
이중층 트랜스듀서들은 통상적인 트랜스듀서들에서 이용할 수 없는 다양한 동작 모드들을 제공한다. 동위상(in phase)에서 엘리먼트의 두 개의 층들을 구동하고 그 다음 이위상(out of phase)에서 두 개의 층들의 수신된 신호들을 합산함으로써, 고조파(harmonic) 모드는 제공된다. 전송된 음향 필드는 낮은 제 2 고조파 내용(content)을 가지며, 수신된 에너지는 기본 주파수 억제를 가진 제 2 고조파에서의 정보를 포함한다.
미국 특허 5,957,851는 층형 음향 엘리먼트들을 사용하여 신호들을 전송 및 수신하기 위한 방법을 개시한다. 그러나, 상기 방법은 전송 및 수신 모두를 위해 음향 엘리먼트의 양쪽 층들을 이용하지 못한다. 보다 최적의 고조파 모드 성능은 트랜스듀서 엘리먼트의 양쪽 층들이 사용될 때 얻어질 수 있다.
이중층 엘리먼트들은 다양한 동작 모드들을 제공하기 때문에 증가된 유연성을 갖지만, 이러한 증가된 유연성을 제공하기 위해 채널들의 개수는 이중층 엘리먼트들에서 두 배가 된다. 각각의 엘리먼트는 두 층의 트랜스듀서 재료를 가지며, 각각의 층은 다른 시스템 채널들과 접속된다. 전송/수신 채널은 각각의 이중층 엘리먼트의 각각의 층에 전용으로 사용된다. 전송기 파형들 및 수신기 신호 처리는 이중층 트랜스듀서의 완전한 잠재력을 구현하기 위하여 각각의 층과 무관하게 최적화될 수 있다. 추가 채널 접속들은 호스트 시스템에 의해 다루어지지만, 이것은 엘리먼트 당 두 개의 채널들을 가진 호스트 시스템을 요구한다. 대안은 엘리먼트의 한 층 또는 양쪽 층들에 펄스들을 직접 전송하기 위하여 트랜스듀서에 신호 처리 전자장치들을 형성하는 것이다. 신호 처리 전자장치들은 층들로부터 수신된 신호들의 위상을 맞추고 결합한다. 트랜스듀서내 액티브 컴포넌트(active component)들은 제어를 위해 추가의 신호 라인들을 요구할 수 있고, 추가 전력을 요구할 수 있고, 그리고 바람직하지 않은 열을 생성할 수 있다.
호스트 초음파 시스템에서, 전송/수신(T/R) 스위치는 각각의 채널을 수신 및 전송 채널들로 분리한다. T/R 스위치는 U.S. 특허 6,269,052에 개시된 바와 같이 패시브 스위치이다. 고전압 CMOS 아날로그 스위치 같은 액티브 스위칭 엘리먼트들은 매우 빠르게 안정될 수 없다. 이것은 라인을 스캐닝하기 위한 전송 및 수신 이벤트들 사이와 같은 스캔 라인 동안 상기 액티브 스위칭 엘리먼트들을 스위칭하기 어렵게 한다. 액티브 스위칭 엘리먼트들을 동작시키는 것은 초음파 시스템으로부터의 주의깊은 타임 제어 신호들을 요구한다.
도입부에 따라, 하기된 바람직한 실시예들은 다중 층 트랜스듀서 엘리먼트들을 위한 방법들 및 시스템들을 포함한다. 다중층 트랜스듀서는 엘리먼트 당 단지 하나의 시스템 채널과 동작한다. 패시브 스위칭은 전송을 위하여 병렬로 층들을 접속하고 수신을 위하여 직렬로 층들을 접속하는 것과 같이 전송 동작에 대해 수신 동작과 상이하게 층들을 접속한다. 전류 및 전압 제한 회로들 같은 임의의 패시브 스위칭이 사용될 수 있다.
패시브 스위칭 층들에 대한 대안으로 또는 패시브 스위칭 층들에 부가하여, 동조(tuning)는 패시브적으로 스위칭될 수 있다. 상이한 동조는 전송 및 수신 동작들 사이의 전압 레벨에 따라 패시브적으로 스위칭된다.
제 1 측면에서, 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템이 제공된다. 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트는 트랜스듀서 재료의 적어도 제 1 층 및 제 2 층을 가진다. 전송 빔형성기(beamformer) 채널은 제 1 층 및 제 2 층 모두가 동일한 전송 파형에 응답하도록 엘리먼트와 접속한다. 수신 빔형성기 채널은 제 1 층 및 제 2 층 모두에 의해 생성된 신호들이 수신 빔형성기 채널에 제공되도록 엘리먼트와 접속한다.
제 2 측면에서, 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템이 제공된다. 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트는 트랜스듀서 재료의 적어도 제 1 층 및 제 2 층을 가진다. 패시브 전류 제한 회로는 적어도 하나의 제 1 층 및 제 2 층 및 시스템 채널 사이에 접속된다.
제 3 측면에서, 초음파 에너지와 전기 에너지 사이를 트랜스듀싱하기 위한 방법이 제공된다. 비교적 높은 전압 전송 파형은 하나의 엘리먼트에 인가된다. 비교적 낮은 전압 수신 파형은 상기 엘리먼트를 사용하여 생성된다. 엘리먼트내 트랜스듀서 재료의 제 1 층 및 제 2 층의 병렬 접속 및 직렬 접속은 전압 레벨에 따라 패시브적으로 스위칭된다.
제 4 측면에서, 초음파 엘리먼트를 동조하기 위한 방법이 제공된다. 전송 파형은 하나의 엘리먼트에 인가된다. 수신 파형은 상기 인가에 응답하여 상기 엘리먼트를 사용하여 생성된다. 동조는 상기 인가 및 생성에 따라 패시브적으로 스위칭된다.
본 발명은 다음 청구항들에 의해 정의되고, 이 섹션의 어느 것도 청구항들을 제한하지 않아야 한다. 본 발명의 추가 측면들 및 장점들은 바람직한 실시예들과 관련하여 하기에 논의되고 독립적으로 또는 결합하여 추후에 청구될 수 있다.
구성요소들 및 도면들은 반드시 크기가 조정된 것은 아니고, 대신 강조가 이루어져서 본 발명의 원리들을 도시한다. 게다가, 도면들에서, 유사한 참조 번호들은 다른 도면들을 통하여 대응 부분들을 나타낸다.
도 1은 다중층 엘리먼트 트랜스듀서 시스템의 제 1 실시예의 회로도이다.
도 2는 두 개의 실시예들에 따른 패시브 스위칭 엘리먼트들의 그래픽 및 회로도이다.
도 3은 하나의 동작 모드를 위하여 패시브적으로 스위칭된 도 1의 회로도이다.
도 4는 다른 동작 모드를 위하여 패시브적으로 스위칭된 도 1의 회로도이다.
도 5는 다중층 엘리먼트 트랜스듀서 시스템의 제 2 실시예의 회로도이다.
도 6은 다중층 엘리먼트 트랜스듀서 시스템의 제 3 실시예의 회로도이다.
도 7은 패시브적으로 스위칭되는 동조 회로들의 일 실시예의 회로도이다.
도 8은 패시브적으로 스위칭되는 동조 회로들의 다른 실시예의 회로도이다.
도 9는 다중층 엘리먼트 트랜스듀서 시스템의 제 4 실시예의 회로도이다.
이중층 또는 다중층 엘리먼트 당 단지 하나의 시스템 채널이 필요하지만, 하나 이상의 시스템 채널이 사용될 수도 있다. 패시브 스위칭은 외부 전력 소스 또는 외부 제어 신호들 없이 엘리먼트내 층들의 사용을 제어한다. 패시브 전류 및 전압 제한 회로들은 동조 및/또는 다중층 동작을 위하여 전송기 및 수신기 전류들을 조종한다. 패시브 스위칭은 고조파 이미징(imaging)(예를 들어, 기본 주파수에서 전송 및 기본 주파수의 고조파 주파수에서 수신)을 허용한다. 액티브 스위치들은 교번하는 기본 이미지 모드(예를 들어, 기본 주파수에서 전송 및 수신)를 가능하게 할 수 있다.
도 1은 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템(10)을 도시한다. 시스템(10)은 트랜스듀서 엘리먼트(12), 시스템 채널(24) 및 하나 또는 그 이상의 패시브 스위칭 회로들(26,28 및 30)을 포함한다. 부가적이거나, 다르거나 보다 적은 수의 구성요소들이 제공될 수 있다. 비록 도 1에는 패시브 스위칭 회로들(26,28,30)의 한 가지 가능한 배열이 도시되었지만, 다른 배열들이 임의의 방식으로 접속된 부가적인, 더 적은 수의 또는 상이한 패시브 스위칭 회로들(26,28,30)을 사용할 수도 있다.
트랜스듀서 엘리먼트(12)는 압전기 재료의 상부층(14) 및 바닥층(16)을 가진다. 층들(14,16)은 후면층 및 매칭 층 사이의 모든 층일 수 있다. 부가적인 층들(14,16)이 제공될 수도 있고, 3개 또는 그 이상의 층들을 가질 수도 있다. 층들(14,16)은 정렬 두께 또는 전파 방향을 따라 적층된다. 각각의 층(14,16)은 고도(elevation) 및 방위각(azimuth) 차원들을 따라 동일하거나 상이한 크기 및 형상을 가진다.
층들(14 및 16)은 압전기 단일 결정, 압전기 세라믹 또는 압전기 중합체 재료, 또는 에폭시 또는 다른 충전 재료들을 가진 복합물들 같은 동일하거나 다른 압전기 재료이다. 다른 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 층들(14,16)은 정전기 이동 막 장치(electostatic moving membrane device)들 같은 정전기 마이크로머신 가공 장치(electrostatic micromachined device)들이다. 다른 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 층들(14,16)은 PMN-PT 같은 전왜 재료이다. 각각의 층들(14,16)은 동일하거나 다른 기하구조 및/또는 재료를 가진다. 예를 들어, 1/2mm 두께 같은 동일한 두께는 각각의 층에 사용된다. 각각의 층에 다른 두께가 사용될 수도 있고, 변화된 길이 및 폭들이 사용될 수도 있다.
일 실시예에서, 상부 및 바닥층들(14,16)은 다른 트랜스듀서 재료들을 가진다. 예를 들어, 바닥층(16)은 고형 세라믹 또는 정전기 기판 같은 고형 압전 재료이다. 고형 압전 재료는 각각의 트랜스듀서 엘리먼트에 대해 에폭시 또는 커프(kerf)가 없다. 상부층(14)은 압전 세라믹 및 에폭시 또는 중합체의 결합물 같은 압전 복합 재료이다. 압전 복합 재료들은 1차원에서 에폭시 충전 커프들에 의해 분리되는 압전 재료 빔들을 포함하거나 2차원에서 에폭시 충전 커프들에 의해 분리되는 압전 재료 포스트들을 포함하지만, 다른 압전 복합물들이 사용될 수도 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 상부층(14)은 약 14-19 메가레일(Mrayl) 음향 임피던스를 가진 고형 압전 재료이다.
층들(14,16)의 트랜스듀서 재료는 극화된다. 일 실시예에서, 다른 층들은 실질적으로 반대 극 방향들을 가진다. 극화는 전파 방향을 따라 또는 상기 전파 방향과 실질적으로 평행하다. 다른 실시예들에서, 둘 또는 그 이상의 층들(14,16) 은 동일한 방향으로 극화된다.
전극들(18,20,22)은 금속이지만, 다른 전도체들이 사용될 수도 있다. 가요성 회로 재료(예를 들어, 폴리에스테르 필름)를 가지거나 가지지 않는 시트들은 전극들(18,20,22)을 형성한다. 선택적으로, 전극들(18,20,22)은 증착된 재료이다. 전극들(18,20,22)은 소결을 가진 것과 같이 적층부의 일부로서 형성되거나, 돌기 접촉(asperity contact)을 가진 독립된 층들이다. 일 실시예에서, 중앙 전극(20)은 소결 또는 돌기 접촉에 의해 적층부내에 형성되지만, 외부 전극들(18,22)은 돌기 접촉 및 본딩으로 적층부에 형성된다.
각각의 층(14,16)은 두 개의 전극들(18,20,22)과 연관된다. 상부층(14)은 대향 측면들상에 전극들(18,20)을 가진다. 바닥층(16)은 대향 측면들 상에 전극들(20,22)을 가진다. 중앙 전극(20)은 양쪽 층들(14,16)에 의해 공유된 단일 전극이다. 선택적으로, 중앙 전극(20)은 서로 접촉하는 두 개의 전극들로 형성된다.
전극들(18,20,22)은 전극들(18,20,22)에 또는 상기 전극들로부터 신호들을 라우팅하기 위한 와이어들, 트레이스들, 또는 다른 전도체들과 접속한다. 일 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 전극들(18,20,22)은 고정되거나 비스위칭된 접속을 가진다. 예를 들어, 상부 층(14)의 상부 또는 외측 전극(18)은 로컬 접지에 고정된 접속부를 가진다. 상부 전극(18)은 사용 동안 환자에 가장 밀접하게 배치된다. 선택적으로, 하나, 그 이상, 또는 모든 전극들(18,20,22)의 접속부들은 예를 들어, 패시브 및/또는 액티브 스위칭을 사용하여 스위칭된다. 접지에 대한 스위칭 접속부들은 사용될 수 있다.
시스템 채널(24)은 전도체, 동축 케이블, 트레이스, 빔형성기 채널, 전송 채널, 수신 채널, 단일 경로 또는 이들의 결합물이다. 일 실시예에서, 시스템 채널(24)은 단일 동축 케이블이다. 독립되거나 다중송신 시스템 채널들(24)은 각각의 엘리먼트(12)를 위하여 제공된다.
시스템 채널(24)의 시스템 단부는 전송/수신(T/R) 스위치와 접속하고 및/또는 전송 및 수신 빔형성기 채널들과 접속한다. T/R 스위치는 패시브 스위칭 회로, 액티브 스위칭 회로 또는 패시브 및 액티브 양쪽 모두의 스위칭 회로이다. 임의의 지금 공지되거나 추후 개발되는 T/R 스위치 회로는 미국특허 6,269,052에 개시된 바와 같이 사용될 수 있고, 이들의 개시물은 참조로써 여기에 통합된다. T/R 스위치 회로는 전송 빔형성기 및 수신 빔형성기와 시스템 채널(24)을 접속한다. T/R 스위치는 수신 빔형성기 채널을 보호 또는 개방 회로화하면서, 수신 빔형성기 채널에 저전압 신호들을 라우팅하고 전송 빔형성기 채널로부터 시스템 채널(24)로 보다 높은 전압 신호들을 라우팅한다.
시스템 채널(24)은 엘리먼트(12)와 전송 빔형성기 채널을 접속한다. 전송 빔형성기 채널은 아날로그 또는 디지털 전송 빔형성기 채널이다. 예를 들어, 미국특허 5,675,554, 5,608,690, 6,005,827, 또는 6,104,670에 개시된 빔형성기가 사용되고, 그 개시물은 참조로써 여기 통합된다. 파형들의 다른 소스들이 사용될 수도 있고, 상기 다른 소스들은 파형 생성기들, 펄서(pulser)들, 스위치들, 파형 메모리, 혼합기, 또는 디지털 대 아날로그 컨버터일 수 있다. 주어진 전송 빔형성기 채널을 위한 파형은 다른 전송 빔형성기 채널들과 관련하여 지연되고 증폭된다.
시스템 채널(24)은 엘리먼트(12)와 수신 빔형성기 채널을 접속한다. 수신 빔형성기 채널은 아날로그 또는 디지털 수신 빔형성기 채널이다. 예를 들어, 그 개시물이 여기 참조로써 통합된 미국특허 5,685,308에 개시된 수신 빔형성기가 사용된다. 수신 빔형성기 채널은 지연부, 위상 회전기, 합산기, 및/또는 다른 채널들로부터 신호들을 상대적으로 지연하고 애포다이징(apodizing)하고 그 다음 신호들을 합산하기 위한 필터를 포함한다.
선택적인 필터는 수신 빔형성기에 포함되거나 수신 빔형성기로부터 분리될 수 있다. 필터는 고역통과, 대역통과, 저역통과 또는 스펙트럼 백색화 응답을 제공한다. 필터는 기본 전송 주파수 대역, 기본 주파수 대역의 고조파 또는 임의의 다른 목표된 주파수 대역 같은 목표된 주파수 대역과 연관된 정보를 통과시킨다. 여기에 사용된 바와 같이, 고조파는 보다 높은 고조파들(예를 들어, 제 2, 제 3,...), 분수 고조파들(3/2, 5/3,...), 또는 서브고조파들(1/2,1/3,...)을 포함한다. 필터는 다른 목표된 주파수 대역들을 위한 상이한 필터들 또는 프로그램 가능한 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터는 신호들을 기저대역으로 복조한다. 복조 주파수는 기본 중심 주파수 또는 제 2 고조파 중심 주파수와 같은 다른 주파수에 응답하여 프로그램 가능하게 선택된다. 기저대역과 다른 주파수들과 연관된 신호들은 저역통과 필터링에 의해 제거된다. 다른 실시예로서, 필터는 대역통과 필터링을 제공한다.
부가적이거나 다른 옵션으로서, 메모리, 위상 회전기, 증폭기(예를 들어, 곱셈기) 및/또는 합산기는 제공된다. 상대적 페이징 및/또는 웨이팅과, 다른 전송 이벤트들에 응답하여 수신된 신호들을 결합함으로써, 목표된 주파수들과 같은 정보는 다른 주파수들과 관련하여 분리 또는 강화될 수 있다.
시스템 채널(24)은 전송 및 수신 빔형성기 채널들과 엘리먼트(12)의 상부 및 바닥 층들(14,16) 모두를 접속한다. 시스템 채널(24)의 엘리먼트(12) 단부 상에, 패시브 비선형 스위칭은 다중층 엘리먼트(12)가 고조파 이미지화 성능을 제공하면서, 엘리먼트(12) 당 단지 하나의 시스템 채널만을 사용하여 동작되게 한다. 패시브 스위칭은 신호의 진폭을 바탕으로 하나의 경로 또는 다른 경로를 통하여 전기 에너지를 지향시킨다. 비선형 회로 엘리먼트들은 전송 및 수신 신호들을 다른 경로들로 지향시킨다. 전류 및 전압 제한 비선형 패시브 스위칭 회로들(26,28 및 30)은 시스템 채널(24) 및/또는 접지를 다른 전극들(18,20,22)로 스위칭한다.
전류 제한 회로로서 패시브 스위칭 회로(26)는 도 2에 도시된 두 개의 트랜지스터들(42)을 포함한다. 트랜지스터들(42) 각각은 전류 감지 임피던스(예를 들어, 저항기)를 통하여 소스 단자들로 다시 공급된 게이트 단자들을 가진다. 트랜지스터들(42)은 n 채널 공핍 모드 MOSFET들이지만, 다른 트랜지스터들이 사용될 수도 있다. 미국특허 6,269,052에 개시된 바와 같은 다른 패시브 전류 제한 회로들은 사용될 수 있다. 다른 패시브 전류 제한 회로들은 다른, 동일한 또는 무 피드백과 접속된 보다 적거나 많은 트랜지스터들을 가질 수 있다.
도 2는 전류 제한회로의 전압 대 전류 관계를 도시한다. 전류 진폭은 충분한 범위의 전압 진폭에 대하여 영(zero) 값을 중심으로 대칭적으로 또는 비대칭적으로 양의 값 및 음의 값에 대해 제한된다. 이런 전류-전압 특성은 작은 전압들 동안 낮은 증가 저항을 나타낸다. 임계 전류에 도달될 때, 증가 저항은 빠르게 상승하고 전류는 제한된다. 상기된 MOSFET들을 사용하여, 패시브 전류 제한 회로(26)는 10 내지 20Ω 정도의 작은 신호 증가 저항을 가지며 전류를 약 ±10mA 내지 ±50mA로 제한한다. 다른 저항 및/또는 전류 제한들이 사용될 수도 있다.
도 1을 다시 참조하여, 패시브 스위치 회로(26)는 하나 또는 그 이상의 층들(14,16) 및 시스템 채널(24) 사이에 접속된 패시브 전류 제한 회로이다. 예를 들어, 패시브 전류 제한 회로는 시스템 채널(24)과 외부 전극(22) 또는 바닥 층(16)의 외부 단자 사이에 접속된다. 패시브 전류 제한 회로는 전송 동작 동안 전극(22)으로부터 시스템 채널(24)을 분리하기 위하여 동작하고 수신 동작 동안 전극(22)에 시스템 채널(24)을 접속하기 위하여 동작하는 패시브 스위치(26)이다. 전송 동작과 연관된 고전압들은 저전류로 제한되어, 실질적으로 시스템 채널(24) 및 전극(22) 사이에 개방 회로를 생성한다. 수신 동작과 연관된 저전압들은 전류 제한값들 내에 있어서, 통과 또는 단락 회로는 효과적으로 생성된다.
도 2를 참조하여, 패시브 스위치 회로들(28,30)은 역병렬(antiparallel) 다이오드들(40) 같은 패시브 전압 제한 회로들이다. 예를 들어, 이중 pn 접합 다이오드 쌍은 사용된다. 쇼트키 다이오드들과 같은 다른 다이오드들(40)이 사용될 수도 있다. 보다 적거나, 부가적이거나 다이오드들(40)을 갖지 않는 패시브 전압 제한 회로들이 사용될 수도 있다. 패시브 전압 제한 회로들(28,30)은 동일하거나 다른 구성, 회로 장치, 구성요소들 타입 또는 다른 특성들을 가질 수 있다.
도 2는 패시브 전압 제한 회로들에 대한 전압 대 전류 관계를 도시한다. 전 류 전압 특성은 작은 전압들에 대해 높은 증가 저항을 나타낸다. 임계 전압에 도달될 때, 증가 저항은 빠르게 하강하고 전압은 제한된다. 실리콘 다이오드들(40)로 인해, 패시브 전압 제한 회로(28,30)는 전압을 약 ±0.6V에서 진동하게 고정한다.
도 1을 다시 참조하여, 하나의 패시브 전압 제한 회로(패시브 스위치 회로 28)는 엘리먼트(12) 및 시스템 채널(24) 사이에 접속한다. 예를 들어, 패시브 전압 제한 회로는 시스템 채널(24)과 공유된 전극(20) 또는 중심 채널 사이에 접속한다. 다른 패시브 전압 제한 회로(패시브 스위치 회로 30)는 접지 및 바닥 층(16)의 외부 전극(22) 사이에 접속한다. 패시브 전압 제한 회로들은 패시브 스위칭 회로들(28,30)이다. 전송 동작과 연관된 고전압들은 전류들이 패시브 전압 제한 회로들에 의해 통과되거나 효과적으로 단락되게 한다. 수신 동작과 연관된 보다 낮은 전압들은 실질적으로 개방 회로 같이 통과가 방지된다. 즉, 패시브 스위칭 회로(28)가 개방 회로로서 동작함으로써, 중심 단자(20)는 수신 동작 동안 접지 접속되지 않는다.
패시브 스위치들(26,28,30)은 트랜스듀서 탐침 내에 있다. 예를 들어, 패시브 스위치들(26,28,30)은 엘리먼트들(12)에 인접하게 배치된 동일하거나 다른 반도체 기판 상에 집적된다. 하나 또는 그 이상의 패시브 스위치들(26,28,30)은 트랜스듀서 접속기 또는 초음파 이미지화 시스템내에 배치될 수 있다. 추가 전도체들 또는 동축 케이블들은 원격 패시브 스위칭을 위하여 제공된다. 트랜스듀서 탐침내에서 전력 낭비는 탐침으로부터 멀리 떨어지게 패시브 스위치들(26,28,30)을 배치함으로써 제한되거나 감소될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 패시브 스위칭 회로들(26,28,30)은 시스템 채널(24)을 엘리먼트(12)에 접속하여, 양쪽 상부 및 바닥층들(14,16)은 동일한 전송 파형에 응답한다. 중심 단자 또는 전극(20)은 시스템 채널(24) 및 연관된 전송 빔형성기 채널과 접속된다. 도 3은 개방 회로로서 작동하는 패시브 전류 제한 회로(패시브 스위치 26) 및 폐쇄 회로들로서 작동하는 패시브 전압 제한 회로들(패시브 스위치들 28,30)을 도시한다. 전송 빔형성기로부터의 고전압 신호는 도 3의 구성을 유발한다. 중심 단자(전극 20)가 상부 및 바닥 단자들(전극들 18,22) 모두와 접촉하는 공통 리턴 경로에 관련하여 구동되거나 감지될 때, 엘리먼트의 두 개의 층들(14,16)은 반대 극화로 인해 동위상으로 작동한다. 엘리먼트(12)는 기본 전송 주파수(fo) 또는 제 2 고조파 주파수(2fo) 또는 연관된 대역에서 억제된 응답을 가지는 연관된 대역에서 응답한다.
패시브 스위칭 회로들(26,28,30)은 엘리먼트(12)에 시스템 채널(24)을 접속하여 층들(14,16) 모두에 의해 생성된 신호들은 수신 빔형성기 채널에 제공된다. 수신 빔형성기 채널은 층들(14,16) 모두에 걸쳐 접속한다. 바닥 층(16)의 외부 전극(22)은 시스템 채널(24) 및 연관된 수신 빔형성기 채널과 접속한다. 도 4는 폐쇄 회로로서 작동하는 패시브 전류 제한 회로(패시브 스위치 26) 및 개방 회로들로서 작동하는 패시브 전압 제한 회로들(패시브 스위치들 28,30)을 도시한다. 전송된 음향 에너지에 응답하여 층들(14,16)에 의해 생성된 저전압 수신 신호는 도 4의 구성을 유발한다. 엘리먼트(12)가 전체 두께(즉, 양쪽 층들)에 걸쳐 구동되거나 직접 감지될 때, 두 개의 적층된 층들(14,16)의 반대 극화는 이위상의 신호들의 합산을 유발한다. 엘리먼트(12)는 기본 주파수의 제 2 고조파 주파수(2fo)에서 또는 대역 또는 기본 주파수(fo) 또는 대역에서 억제된 응답을 가진 대역에서 강하게 응답한다.
패시브 스위칭은 전송 및 수신 동작 동안 자동 스위칭을 제공한다. 고조파 동작을 위하여, 시스템(10)은 기본 fo 모드에서 엘리먼트(12)를 자동으로 구동하고 고조파 2fo 모드에서 응답하여 엘리먼트(12)를 감지한다. 보다 많은 층들 및/또는 다른 극성을 가진 다른 장치들이 가능하다. 전송 동작은 기본 주파수에서 이루어질 수 있고 수신 동작은 1/2 고조파들 같은 분수 고조파에서 이루어진다.
다른 전극들(18,20,22)에 접속하는 것, 하나 이상의 전극(18,20,22)에 접속하는 것, 병렬 및/또는 직렬로 접속하는 것, 또는 접지에 접속하는 것과 같은 패시브 스위칭 회로들(26,28,30)의 다른 배열들은 사용될 수 있다. 하나의 패시브 전류 제한 회로는 사용되지만, 전혀 사용되지 않거나 보다 많이 사용될 수 있다. 두 개의 패시브 전압 제한 회로들은 사용되지만, 전혀 사용되지 않거나, 보다 적게 사용되거나 보다 많이 사용될 수 있다.
도 5는 3개의 패시브 전압 제한 회로들(패시브 스위치들 28, 30 및 52)을 가진 다른 실시예를 도시한다. 트랜스포머(50)는 패시브 스위치(26) 및 전극(22) 사이에 접속한다. 트랜스포머(50)는 1:1 권선 비율을 가진다. 수신 경로의 유효 임피던스는 어느 하나의 방향으로 권선 비율을 1:1에서 벗어나게 가변함으로써 가변될 수 있다. 트랜스포머(50)의 이차 권선의 하나의 단부는 전극(22)과 접속하고 다른 단부는 전극(18)과 접속한다. 부가적인 패시브 전압 제한 회로(패시브 스위치 52)는 로컬 접지와 전극(18) 및 트랜스포머(50)를 접속한다.
도 1의 시스템(10)은 도 4에 도시된 고조파 동작 동안 엘리먼트(12)의 층들(14,16)에 대해 부분적 비대칭 접지를 제공한다. 패시브 전압 제한 회로(패시브 스위치 30)는 하부 층(16)이 상부 층(14)보다 대략 0.6V 낮은 전압으로 구동되게 한다. 도 5는 보다 밸런싱(balancing)된 배열을 제공한다. 양쪽 층들(14,16)은 패시브 전압 제한 회로들(패시브 스위치들 30,52)에 의해 유발된 접지로부터 오프셋된 동일한 전압에 영향을 받는다. 전송된 신호의 개선된 제 2 고조파 거절이 제공될 수 있다.
도 1 및 도 5의 실시예들은 액티브 스위칭이 없다. 다른 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 패시브 스위치들은 액티브 스위치들로 대체된다. 다른 실시예들에서, 액티브 스위치들은 제공된다.
도 6은 액티브 및 패시브 스위칭을 가진 실시예를 도시한다. 액티브 스위치들(60,62)은 FET 스위치들이지만, 다른 트랜지스터들이 사용될 수도 있다. 스위치(60)는 단일 극 단일 쓰로우(throw) 스위치이다. 스위치(62)는 두 개의 단일 극 단일 쓰로우 스위치들의 배열 같은 이중 극 스위치이다.
액티브 스위치들(60,62)은 신호 경로들을 재할당하고 고조파 및 기본파 이미지화 모드들 모두를 제공한다. 위치 A의 스위치들(60,62)로 인해, 엘리먼트(12)는 고조파 모드(예를 들어, fo에서 전송하고 2fo에서 수신함)에서 동작한다. 위치 B의 스위치들(60,62)로 인해, 엘리먼트(12)는 전송 및 수신 모두에 대해 기본 모드에서 동작한다. 스위치들(60,62)은 느리게 안정될 수 있다. 이미지화 모드가 설정된 후 스위치들(60,62)이 정지되기 때문에, 스위치 안정화는 엘리먼트(12)의 성능을 변경할 수 없다. 고조파 모드 이미지화가 인터리빙되는 기본 모드에서 도플러 이미지화 같은 다중 모드 상황들에서, 빠른 모드 변화들이 사용될 수 있다. 안정화 시간 및 전력 낭비는 성능을 변경할 수 있거나, 충분한 액티브 스위치들이 식별될 수 있다.
다른 실시예들에서, 두 개의 층들은 실질적으로 동일한 방향으로 극화된다. 패시브 스위칭은 전송 동안 두 개의 층들에 직렬 전기 접속을 형성하고 수신 동안 두 개의 층들에 병렬 전기 접속을 형성한다. 기본 및 고조파 모드 동작들을 구현할 때 극화 방향 대 전기 접속부들의 쌍대성(duality)이 존재한다.
도 9는 다중 층 엘리먼트와 함께 동작하기 위한 독립된 전송 및 수신 채널들을 사용하는 실시예를 도시한다. 초음파 시스템은 a) MN 독립 채널들(여기서 M은 층들의 수이고 N은 엘리먼트들의 수이고), b) 전송을 위한 MN/2 채널들 및 서로 독립적인 수신을 위한 MN/2 채널들(M은 짝수), 또는 c) MN 입력들의 1/2로부터 수신 및 전송 이벤트들 사이의 1/2로 빠르게 스위치할 수 있는 멀티플렉서를 가진다. 엘리먼트 당 2 이상의 층들을 가진 트랜스듀서들은 단지 2N 시스템 채널들을 가진 구성을 사용할 수 있다.
보다 적은 수의 패시브 스위칭 장치들이 보다 많은 수의 채널들을 가짐으로써 제공될 수 있다. 선택적인 액티브 스위치들은 고조파 모드 동작 동안 위치 A에 있거나 기본 모드 동작 동안 위치 B에 있다. 이중층 엘리먼트의 두 개의 층들에 대한 전송 및 수신 신호들의 위상들은 패시브 스위치들(Z1)을 바탕으로 자동으로 설정된다. 기본 모드에서, 상부 시스템 채널은 전송 및 수신 모두에 사용된다. 다른 실시예에서, 층들(14,16)은 동일한 방향으로 극화되고, 전송(TX) 채널은 상부 층(14) 상부 전극(18) 또는 바닥층(16) 바닥 전극(22)과 접속한다.
도 7은 패시브 스위칭을 사용하는 시스템(10')의 다른 실시예를 도시한다. 패시브 스위치들(26,28,30)은 도 1에 대해 상기된 바와 같이 기본파 및 고조파 응답을 제어하기 위하여 동작하지만, 또한 전송 및 수신 동작에 따라 엘리먼트(12)를 동조시킨다. 다른 실시예들에서, 패시브 스위칭은 기본 및 고조파 응답 변화들 없이 동조를 제공한다.
시스템(10')은 동조 회로들(70,72)을 가진다. 동조 회로들(70,72)은 저항기, 캐패시터, 인덕터, 또는 이들의 결합이다. 도시된 바와 같이, 동조 회로들(70,72)은 각각 단일 인덕터에 의해 제공된 다른 임피던스를 가진다. 하나 이상의 동조 구성요소의 타입은 제공되고, 상기 타입은 다중 인덕터들, 캐패시터들 및/또는 저항기들의 병렬 또는 직렬 접속을 포함한다. 임의의 현재 공지되었거나 추후 개발되는 동조 회로(70,72)는 사용될 수 있다. 동조는 임피던스 매칭을 제공한다.
하나 또는 그 이상의 패시브 스위치들(26,28,30)은 하나 또는 그 이상의 동조 회로들(70,72)과 접속한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 하나의 동조 회로(70)는 엘리먼트(12) 및 하나의 패시브 스위치(28) 사이에 접속한다. 패시브 스위치(28)는 전송 또는 수신 동작 모드를 바탕으로 동작하는 동안 동조 회로(70)를 부가 또는 제거한다. 패시브 스위치(26)의 전압 제한 회로는 사용된 경로 내 또는 외측에서 동조 회로(70)를 스위치한다. 다른 전압 제한 회로들 및 동조 회로(70)의 연관된 위치들은 사용될 수 있다. 선택적으로, 동조 회로(70)는 패시브 스위치(28)의 전류 제한 회로 또는 다른 타입의 패시브 스위칭의 결합들로 스위칭된다.
상이한 동조 회로(72)는 시스템 채널(24)과 접속하여, 전송 및 수신 동작 모두 동안 동조한다. 상이한 동조 회로(72)는 트랜스듀서 접속기 또는 이미지화 시스템 내에 있다. 선택적으로, 동조 회로(72)는 트랜스듀서 탐침 내에 있다.
엘리먼트(12)의 전송 및 수신 응답은 패시브 스위칭을 사용하여 독립적으로 최적화된다. 전송 및 수신 동작 동안 상이한 동조는 다른 엘리먼트(12) 임피던스 응답과 빔형성기 채널들을 매칭한다. 전송 및 수신 응답의 최적화는 상이한 동조 인덕터 값들을 사용한다. 도 7에 도시된 패시브 스위칭을 사용하여, 엘리먼트(12)는 전송 동작 동안 12μH 헤드 또는 트랜스듀서 동조를 나타내고 수신 동작 동안 0μH 헤드 또는 트랜스듀서 동조를 나타낸다.
도 8은 수신 동작과 다른 전송 동작을 위한 동조에 대한 패시브 스위칭의 다른 실시예를 도시한다. 고조파 모드 이미지화를 위한 패시브 스위칭이 도시되지만, 패시브 스위칭이 없거나 및/또는 트랜스듀서 재료의 단일 층을 가진 엘리먼트가 사용될 수도 있다. 패시브 전류 제한 회로 같은 패시브 스위치(80)는 동조 회로(84)(예를 들어, 인덕터)와 직렬로 접속한다. 상이한 동조 회로(82)(예를 들어, 다른 인덕터)는 직렬 동조 회로(84) 및 패시브 스위치(80)와 병렬로 접속한다.
동조 회로들(82,84)은 트랜스듀서 접속기 및/또는 이미지화 시스템 내에 배치된다. 선택적으로, 하나 또는 양쪽의 동조 회로들(82,84)은 트랜스듀서 탐침내에 있다.
패시브 스위치(80)는 전송 동작 동안 개방 회로를 오프하고 유효하게 한다. 전송 경로만이 동조 회로(82)(예를 들어 12μH 인덕터)를 가진다. 수신 동작 동안 작은 전류로 인해, 패시브 스위치(80)는 효과적으로 폐쇄되거나 온되어, 수신 경로는 병렬 동조 회로들(82,84)(예를 들어, 엘리먼트 12에 관련하여 5.6μH를 유발하는 병렬의 12μH 및 10.5μH)을 바탕으로 동조하는 것을 나타낸다. 다른 인덕터 값들, 패시브 스위치들, 패시브 스위치들의 네트워크들, 동조 회로들, 동조 회로들의 결합들, 직렬 접속들, 및/또는 병렬 접속들은 제공될 수 있다. 이런 동조 실시예 및 방법은 임의의 트랜스듀서? 이중층이 아님 ?가 사용될 수 있다.
초음파 및 전기 에너지 사이의 트랜스듀싱을 위한 방법은 패시브 스위칭을 사용한다. 도 1 또는 도 4- 도 8의 실시예들 중 하나, 또는 패시브 스위치들의 다른 시스템은 상기 방법을 실행한다. 패시브 전류 및/또는 전압 제한기 회로들 같은 패시브 스위치들은 신호들의 전압에 따라 다른 전송 및 수신 구성들을 제공한다. 다중층 엘리먼트의 트랜스듀서 층들에 대한 전기 액세스는 병렬 및 직렬 접속들 사이를 패시브적으로 스위칭한다. 트랜스듀서는 기본(fo) 모드에서 전송하고 전송 및 수신 사이의 액티브 스위치 제어없이 고조파(예를 들어, 2fo)에서 수신할 수 있다.
하나의 특정 실시예에서, 전송 파형은 엘리먼트에 인가된다. 전송 파형은 임의의 수의 사이클들을 가진 단극, 양극, 사인파, 사각파 또는 다른 파형이다. 상기 파형은 시스템 채널 또는 전송/수신 스위치를 통하여 파형을 출력하는 전송 빔형성기에 의해 인가된다. 시스템 채널은 트랜스듀서 재료의 두 개의 층들 사이에서 중심 엘리먼트에 파형을 도전시키는 것 같은 엘리먼트의 하나 또는 그 이상의 전극들에 전기 파형을 도전시킨다. 전송 파형은 모든 층들보다 적은 수의 층들에 인가되거나, 병렬인 층들에 인가되거나, 직렬인 층들에 인가될 수 있다.
전송 파형은 양 및/또는 음의 10 또는 그 이상의 볼트들(예를 들어, 100-200 볼트) 같은 비교적 고전압 진폭을 가진다. 보다 적거나 큰 전압들은 사용될 수 있다.
전송 파형은 목표된 주파수 또는 주파수 대역이다. 예를 들어, 2MHz의 중심 주파수는 1 또는 2 MHz 대역 같은 임의의 크기의 주파수 대역이 제공된다. 중심 주파수 및 대응 대역폭은 기본 전송 주파수 및 대역이다.
전송 파형에 응답하여, 트랜스듀서 재료는 음향 에너지를 생성한다. 트랜스듀서 재료의 다른 층들은 음향 에너지의 생성에 기여한다. 하나 또는 그 이상의 엘리먼트들은 주어진 전송 이벤트 동안 음향 에너지를 생성한다. 엘리먼트들 사이의 상대적 위상 및/또는 애포다이제이션(apodization)을 사용하여, 음향 에너지의 빔 또는 빔들은 형성된다.
조직 또는 유체들 같은 구조는 트랜스듀서 엘리먼트들에 다시 몇몇의 음향 에너지를 반사한다. 고조파 이미지화를 위하여, 비선형 전파 및/또는 반사는 고조파 정보를 생성한다. 고조파 정보는 하나의 조직 이미지화 또는 조영제 이미지화 중 하나에 사용된다. 조직 이미지화시, 부가적인 조영제는 이미지화 세션 동안 타켓에 부가되지 않는다. 초음파 이미지를 생성하기 위하여 혈액 또는 다른 유체들을 포함하는 조직의 특성들에만 의존한다. 의학 초음파 이미지화는 통상적으로 주어진 시간에 주어진 대상들에 대한 이산 이미지화 세션 시 수행된다. 예를 들어, 이미지화 세션은 비록 다른 기간들이 가능하지만 1과 1/4 시간에 걸쳐 관심있는 특정 조직의 초음파 환자 검사로 제한될 수 있다. 이 경우, 조영제는 이미지화 세션 동안 임의의 시간에 조직에 도입되지 않는다. 조직 고조파 이미지들은 고조파 주파수들에서 조직으로부터 생성된 에코에 따라 특히 높은 공간 해상도들을 제공할 수 있다. 특히, 근 필드에 보다 작은 클러스터가 있을 수 있다. 부가적으로, 전송 빔이 기본 주파수들을 사용하여 생성되기 때문에, 전송 빔 프로파일은 제 2 고조파에서 직접 전송되는 신호들을 사용하여 형성된 전송 빔인 것보다 특정 레벨의 조직 관련 위상 수차만큼 덜 왜곡될 수 있다.
이미지화는 조영제들의 도입에 의해 도움을 받을 수 있다. 조영제 고조파 이미지화에서, 중심체(microsphere)들 같은 다수의 잘 공지된 초음파 조영제들 중 임의의 하나는 조직 또는 유체의 비선형 응답을 강화하기 위하여 타켓 또는 환자에 부가된다. 조영제들은 기본 주파수들에서의 인소니파이(insonifying) 에너지의 고조파에서 초음파 에너지를 방사한다. 선택적으로, 기본 주파수들의 정보는 관심이 있다.
반사된 음향 에너지는 트랜스듀서 엘리먼트들에 의해 전기 에너지로 전환된다. 전송 파형을 인가하고 음향 전송 에너지를 생성한 것에 응답하여, 전기 수신 파형은 엘리먼트에 의해 생성된다. 트랜스듀서 재료 층들은 각각 수신 파형의 생성에 기여하거나 독립된 파형들은 전기적으로 결합된다. 예를 들어, 수신 파형은 직렬의 모든 또는 몇몇의 층들에 걸쳐 생성된다. 층의 외부 전극은 수신 파형을 도전시키기 위하여 시스템 채널과 접속한다. 층들의 반대 극화가 제공되면, 직렬 접속은 기본 주파수 대역의 고조파 대역에서 정보를 생성한다. 정보는 또한 또는 선택적으로 기본 대역에서 생성될 수 있다.
수신 파형은 전송 파형들과 비교하여 상대적으로 낮은 전압을 가진다. 예를 들어, 수신 파형은 양 및/또는 음의 10 또는 그 미만의 볼트들의 진폭을 가진다. 보다 크거나 작은 전압들은 사용될 수 있다.
보다 높은 전압 전송 파형 및 보다 낮은 전압 수신 파형은 동일한 채널을 따라 통과한다. 전송 및 수신 동작들은 동축 케이블을 공유하는 것과 같이 전도체를 공유한다. 엘리먼트의 층들은 전송 및 수신 동작들 동안 다르게 사용된다.
채널을 공유하는 동안 층들의 다른 사용을 제공하기 위하여, 패시브 스위칭은 사용된다. 패시브 스위치들은 엘리먼트에서 트랜스듀서 재료의 층들의 병렬 및 직렬 접속들 사이에서 변경한다. 스위칭은 전압 레벨에 따라 발생한다. 전압 제한 회로는 고전압들 동안 폐쇄 회로로서 패시브적으로 작동하지만, 보다 낮은 전압들 동안 개방 회로로서 작동한다. 전류 제한 회로는 고전압들 동안 개방 회로로서 패시브적으로 작동하지만, 보다 낮은 전압들 동안 폐쇄 회로로서 작동한다.
예를 들어, 보다 높은 전압 전송 파형들은 폐쇄된 스위치들을 통하여 층들 사이의 중심 전극 같은 하나 또는 그 이상의 전극들로 통과하고, 하나 또는 그 이상의 개방 스위치들을 통하여 하나 또는 그 이상의 다른 전극들로 통과되는 것이 방지된다. 보다 낮은 전압 수신 파형들은 하나의 층의 외부 전극 같은 하나 또는 그 이상의 다른 전극들로부터 다른 폐쇄 스위치들을 통하여 통과하고, 다른 전극들로부터 하나 또는 그 이상의 다른 스위치들을 통하여 통과하는 것이 방지된다. 전압 제한은 다이오드 또는 다른 회로로 수행되고, 전류 제한은 패시브 트랜지스터 또는 다른 회로로 수행된다. 전류 및/또는 전압 제한 회로들 같은 패시브 스위치들의 장치는 전송 파형들을 위한 층들의 병렬 접속 및 수신 파형들을 위한 층들의 직렬 접속 사이에서 스위치한다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 전압 제한은 채널로부터 층들 사이의 중심 전극으로 제공되고, 전류 제한은 채널로부터 층들 중 하나 상에 중심 전극에 대향하는 전극으로 제공되고, 전압 제한은 다른 층 상에 중심 전극에 대향하는 다른 전극으로부터 접지로 제공된다.
패시브 스위칭은 층들의 비대칭 또는 대칭(즉, 밸런싱) 접지를 제공할 수 있다. 도 5에서처럼 밸런싱 접지를 위하여, 트랜스포머는 전송 파형의 인가 동안 접지 작용을 분리한다. 접지에 대한 각각의 층의 동일하거나 유사한 패시브 스위칭은 제공된다.
액티브 스위칭은 또한 수행될 수 있다. 전압 레벨에 따른 패시브 스위칭은 영역의 스캐닝 동안 반복적으로 수행된다. 전송 및 수신 동작 사이의 각각의 전이는 패시브 스위칭을 유발한다. 액티브 스위칭은 인터리빙된 스캔들 사이 또는 이미지화의 다른 전체 모드들(예를 들어, B 모드, 조영제 모드, 조직 고조파 모드, 도플러 모드 또는 다른 이미지화 모드) 동안 같은 동일하거나 다른 주파수로 수행된다.
액티브 스위치들은 패시브 스위치들의 구성을 재배열하거나 바이패스한다. 액티브적 스위칭에 의해, 패시브 스위치들의 스위칭은 제어될 수 있다. 하나의 모드에서, 패시브 스위칭 또는 패시브 스위칭의 결여는 기본 주파수들에서 전송 및 수신을 위해 제공한다. 액티브 스위치들에 의해 설정된 다른 모드에서, 패시브 스위칭은 다른 주파수들에서 전송 및 수신을 위해 제공한다. 액티브 스위칭은 구성요소들의 다른 결합들 또는 층들의 직렬 대 병렬 접속들을 제공하는 것과 같은 다른 패시브 스위칭 배열들 사이를 선택할 수 있다.
패시브 스위칭은 초음파 엘리먼트를 동조하기 위한 방법을 선택적으로 또는 부가적으로 제공할 수 있다. 전송 파형들을 인가하고 수신 파형들을 생성함에 따라 패시브적으로 스위칭함으로써, 상이한 동조가 제공된다. 상이한 동조 회로들 또는 동조 회로들의 결합들이 제공된다. 일 실시예에서, 패시브 스위칭은 하나 또는 그 이상의 동조 회로들을 분리한다. 다른 실시예들에서, 패시브 스위칭은 하나 또는 그 이상의 동조 회로들을 접속한다. 하나 또는 그 이상의 동조 회로들은 전송 및 수신 동작들 모두를 위하여 접속될 수 있다. 상이한 동조는 동조 회로들의 임의의 상이한 결합에 의해 제공된다. 예를 들어, 상이한 동조 회로는 상이한 동조 회로들 없이 또는 상이한 동조 회로들을 가지고 접속되고 분리되게 스위칭된다. 다른 실시예로서, 상이한 동조 회로들 또는 회로들의 결합들은 상이한 모드들을 위해 제공된다. 상기 모드들은 패시브 스위칭이 신호 전압 레벨에 따르는 전송 및 수신 동작에 대응한다.
본 발명이 다양한 실시예들을 참조하여 상기되었지만, 많은 변화들 및 변형들이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러므로, 상기 상세한 설명이 제한보다 예시를 위한 것으로 간주되고, 본 발명의 사상 및 범위를 정의하기 위한 모든 등가물들을 포함하는 다음 청구항들이 존재하는 것이 의도된다.

Claims (30)

  1. 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템으로서,
    트랜스듀서 재료의 적어도 제 1 층 및 제 2 층, 및 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이의 중심 단자를 포함하는 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트;
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층 양쪽 모두가 동일한 전송 파형에 응답하도록 상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트와 접속된 전송 빔형성기 채널;
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층 양쪽 모두에 의해 생성된 신호들이 수신 빔형성기 채널에 제공되도록 상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트와 접속된 수신 빔형성기 채널 ? 상기 중심 단자는 상기 신호들의 생성 동안 접지 접속되지 않음 ?; 및
    상기 중심 단자와 접속된 패시브 스위칭 회로
    를 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층 양쪽 모두를 상기 전송 빔형성기 채널 및 상기 수신 빔형성기 채널에 접속하는 단일 동축 케이블을 더 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층 사이의 중심 단자를 상기 전송 빔형성기 채널과 접속하는 것과, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층 양쪽 양단에 상기 수신 빔형성기 채널을 접속하는 것 사이에서 스위칭하도록 동작가능한 패시브 스위칭 회로를 더 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 상기 제 2 층과 실질적으로 반대 방향으로 극화되는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 패시브 스위칭 회로는 전류 제한 패시브 스위치 및 상기 중심 단자로서 상기 제 1 층의 대향 측면 상에 있는 상기 제 1 층의 외부 단자와 접속된 제 1 전압 제한 패시브 스위치, 및 상기 중심 단자와 접속된 제 2 전압 제한 패시브 스위치를 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 상기 제 2 층과 실질적으로 동일한 방향으로 극화되는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템은 동조 회로(tuning circuit)를 더 포함하고,
    상기 패시브 스위칭 회로는 상기 동조 회로와 접속되고, 상기 패시브 스위칭 회로는 제 1 모드 동안 상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트와 상기 동조 회로를 접속하고 제 2 모드 동안 상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트로부터 상기 동조 회로를 분리하도록 동작가능한,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  8. 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템으로서,
    트랜스듀서 재료의 적어도 제 1 층 및 제 2 층을 포함하는 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트;
    시스템 채널; 및
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층 중 적어도 하나와 상기 시스템 채널 사이에 접속된 패시브 전류 제한 회로
    를 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 패시브 전류 제한 회로는 전송 동작 동안 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층 중 하나의 층의 전극으로부터 상기 시스템 채널을 분리하고 수신 동작 동안 상기 전극에 상기 시스템 채널을 접속하도록 동작가능한,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 패시브 전류 제한 회로는 각각 피드백 임피던스를 통하여 제 1 소스 단자 및 제 2 소스 단자에 각각 피드백되는 제 1 게이트 단자 및 제 2 게이트 단자를 가진 제 1 트랜지스터 및 제 2 트랜지스터를 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 시스템 채널은 동축 케이블을 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 및 상기 시스템 채널 사이에 접속된 패시브 전압 제한 회로를 더 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 패시브 전압 제한 회로는 반병렬(antiparallel) 다이오드 회로를 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템은 적어도 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극을 더 포함하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 상기 제 1 층의 대향 측면들 상에 있고, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극은 상기 제 2 층의 대향 측면들 상에 있고, 상기 제 2 전극은 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 있고,
    상기 패시브 전압 제한 회로는 상기 시스템 채널 및 상기 제 2 전극 사이에 접속하고,
    상기 패시브 전류 제한 회로는 상기 시스템 채널 및 상기 제 3 전극 사이에 접속하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 접지와 접속할 수 있고,
    상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템은 접지 및 상기 제 3 전극 사이에 접속된 다른 전압 제한 회로를 더 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 패시브 전류 제한 회로 및 상기 패시브 전압 제한 회로 중 적어도 하나는 상이한 동작 모드들에 대해 동조 회로를 접속 또는 분리하도록 스위치하도록 동작가능한,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
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  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송 빔형성기 채널 및 상기 수신 빔형성기 채널은 별도로 상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 접속되고,
    상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템은:
    상기 전송 빔형성기 채널, 상기 수신 빔형성기 채널, 또는 상기 전송 빔형성기 채널과 상기 수신 빔형성기 채널 양자 모두를 상기 상기 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 접속하도록 동작가능한 패시브 스위칭 회로
    를 더 포함하는,
    초음파 트랜스듀서 엘리먼트 시스템.
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