JP2007097760A - 静電容量型超音波振動子装置 - Google Patents

静電容量型超音波振動子装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、マイクロマシンプロセスを用いて製造される超音波振動子と同一のシリコン基板上または内部に、直流高電圧発生手段を備えて、静電容量型超音波振動子装置の小型化を実現する。
【解決手段】 半導体基板に形成されている静電容量型超音波振動子と、前記半導体基板に設けられ、前記静電容量型超音波振動子への駆動信号に重畳する直流高電圧信号を発生させるための直流高電圧発生手段と、を備えることを特徴とする静電容量型超音波振動子装置により、上記課題の解決を図る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波スコープ、超音波ミニチュアプローブ、超音波カプセル内視鏡に実装し、マイクロマシンプロセスを用いて製造される超音波振動子とそれを用いた装置に関する技術に関する。
体腔内壁に向けて超音波を照射し、そのエコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。この超音波診断法に用いられる機材の１つに超音波内視鏡スコープがある。
超音波内視鏡スコープは、体腔内へ挿入する挿入部の先端に超音波プローブが取り付けてあり、この超音波プローブは電気信号を超音波に変換し体腔内へ照射したり、また体腔内で反射した超音波を受信して電気信号に変換したりするものである。
従来、超音波プローブでは、電気信号を超音波に変換させる圧電素子としてセラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）が使用されてきたが、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波トランスデューサ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（以下、ｃＭＵＴと称する））が注目を集めている。これは、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ 、超小型電気的・機械的複合体）と総称される素子の１つである。
一方、最近ハーモニックイメージングという診断モダリティが、従来に無い高精度超音波診断が可能というから脚光を浴びる様になってきた、そのため、体腔内挿入型超音波診断装置において、この診断モダリティの標準装備が不可欠となってきている。したがって、超音波振動子の更なる広帯域化が望まれていた。
上述の通り、近年マイクロマシンプロセスを用いた静電容量型超音波振動子（ｃＭＵＴ）が注目されつつある。このｃＭＵＴは、単に鉛等の重金属を含まないだけでなく、広帯域特性が容易に得ることができる。そのため、上述したハーモニックイメージングに適している。
図１５は、従来におけるｃＭＵＴの一例を示す。同図は、特許文献１に開示されたｃＭＵＴである。この超音波振動子は、複数の容量性マイクロマシン超音波振動子（ｃＭＵＴ）によって形成される。ｃＭＵＴを構成する各セルは、荷電振動板２０６を有している。この荷電振動板２０６は、逆に荷電された基板２０５に容量性をもって対向する。
この振動板２０６は、バイアス荷電によって基板２０５方向へ屈曲する。また、この基板２０５には、振動板２０６の振動の中心においてセルの荷電が最大密度となるように、振動板２０６の中心へ対して隆起した中心部を有している。高調波による動作のために、セルに供与される駆動パルス波形は、予め歪められている。これは、無歪み信号駆動によって送信超音波に混入する高調波成分を低減するために、装置の非線形動作に鑑みてなされたものである。
ｃＭＵＴセルは、従来通りの半導体プロセスによって加工されるため、バイアス荷電レギュレータ２０１などの補助振動子回路と一体化され得る。ｃＭＵＴセルは、更に、マイクロステレオリソグラフィによっても加工することができる。そのため、セルは多様なポリマー及び他の物質を用いて形成される。
この前記超音波観測装置は、高電圧により動作させるために前記超音波プローブ内に高耐圧スイッチを設けている。前記超音波観測装置内には、パルス発生手段と、制御手段とを設けている。パルス発生手段は、任意の波形で任意の電圧値を持つパルスを出力できる。制御手段は、前記高耐圧スイッチと前記パルス発生手段の出力を前記超音波振動子の走査タイミングに基づいて制御する。
それに対し本発明の出願人は、ＤＣ電圧印加のタイミングをｒｆ信号印加のタイミングに合わせた時間だけ印加する方法を提案している（特許文献２）。
図１６は、従来における超音波振動子駆動方法の一例（その１）を示す。同図は、特許文献３に開示された試験用プローブである。この試験用プローブは、既知の回路に加えて、試験用プローブと超音波信号評価装置との間の比較的に長い接続用ケーブルに起因して発生する電気的干渉の効果を最小にするために、他の作動回路を含んでいる。なお、特許文献３では、試験用プローブは上述した回路を含んでいるが、その回路が過剰に大きすぎることにならないようにしている。また、超音波試験を遂行するとき操作が困難にならないようにしている。
その試験用プローブのプローブハウジング内には、送信回路２１０が組み込まれている。送信回路２１０は、昇圧コイル２１１、ＶＭＯＳ電界効果型トランジスタ２１３、制御回路２１４、コンデンサ２１５を含んでいる。ＶＭＯＳ電界効果型トランジスタ２１３は、制御信号２１２によってＯＮ／ＯＦＦ動作を行う。
送信回路２１０は、次のように動作する。高密度電荷が、昇圧コイル２１１を経てコンデンサ２１５に充電されている。そのコンデンサ２１５の電荷量が最大なると、制御回路２１４から制御信号がＶＭＯＳ電界効果型トランジスタ２１３のスイッチ駆動端子に出力される。そうすると、ＶＭＯＳ電界効果型トランジスタ２１３は、ＯＮ状態になる。そして、このＯＮ抵抗と抵抗器２１６とコンデンサ２１５による閉回路で放電が発生する。その放電電流によって抵抗器２１６に発生する電圧を圧電振動子に印加する。
しかしながら、この方法で誘起される電圧を高くしようとすると、昇圧コイル２１１のインダクタンスを大きくしなければならない。そのため、コンデンサ２１５とコイル２１１とによる共振が起こり、リンギングを含んだ駆動パルスとなる。このリンギング信号は、そのまま圧電振動子に印加され、空間分解能の低下やＳ／Ｎの低下につながる。
図１７は、従来における圧電式超音波振動子駆動方法の一例（その２）を示す。図１７（ａ）は、特許文献４に開示された超音波診断装置である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）を簡略化して表示したものである。特許文献４は、必ずしも上記のリンギング対策を意図したものでは無いが、長い接続用ケーブルに起因する電気的干渉の効果を最小にすることが開示されている。
図１７では、超音波プローブ２２０と超音波観測装置２２１とが記載されている。超音波プローブに設けた超音波振動子２２２から超音波信号を送受信して被検体を超音波走査する。超音波診断装置２２１では、受信した超音波信号に基づいて超音波断層画像を得ることができる。
前記超音波プローブ２２０内には、高耐圧スイッチ２２３が設けられている。前記超音波観測装置内には、パルス発生手段２２７と、制御手段２２８とが設けられている。パルス発生手段２２７は、任意の波形で任意の電圧値を持つパルスを出力できる。制御手段２２８は、高耐圧スイッチ２２３とパルス発生手段２２７の出力を、前記超音波振動子の走査タイミングに基づいて制御する。
このような構成にすることにより、超音波プローブ内部の電気回路を小さくしている。また、プローブ内で超音波振動子駆動用の高電圧パルス信号を効率良く発生させることができる。かつ、ケーブルでの干渉の影響を受けない良好な超音波画像を得ることができるとともに、外部に放射する雑音を小さく押さえることが可能である。また回路内に、共振する要素が存在しないので、リンギングを起こすことはない。
上述の通り、マイクロ圧電トランスやマイクロ電磁トランスをディスクリートに製造し、ｃＭＵＴやｐＭＵＴ（マイクロマシン製造プロセスを用いて製造される圧電振動子）の近傍に実装することが提案されていた。
特表２００４−５０３３１３号公報 特開２００４−１７６０３９号公報 特公昭６３−０２６３４１号公報 特許第３０６２３１３号公報
しかしながら、マイクロ圧電トランスやマイクロ電磁トランスをディスクリートに製造し、ｃＭＵＴやｐＭＵＴの近傍に実装するという方法では、小型化に限界があり、配線接続を含む実装の難度が高く、品質的な問題を起こす恐れがあった。
一方、マイクロマシンプロセスを用いて製造される超音波振動子と同一のシリコン基板上または内部に、高電圧発生手段を形成することは提案されていなかった。
上記の課題に鑑み、マイクロマシンプロセスを用いて製造される超音波振動子と同一のシリコン基板上または内部に、マイクロマシンプロセスまたは半導体集積化プロセスを用いて直流高電圧発生手段を形成し、静電容量型超音波振動子装置の小型化を実現する。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、半導体基板に形成されている静電容量型超音波振動子と、前記半導体基板に設けられ、前記静電容量型超音波振動子への駆動信号に重畳する直流高電圧信号を発生させるための直流高電圧発生手段と、を備えることを特徴とする静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明によれば、前記静電容量型超音波振動子装置は、さらに、前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号を発生させる駆動信号発生手段と、前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号と前記直流高電圧信号とを重畳させる重畳手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項３に記載の発明によれば、前記重畳手段は、前記直流高電圧発生手段から出力された前記直流高電圧信号を分岐させ、該分岐させた一方の直流高電圧信号を前記駆動信号発生手段を介して、分岐させた他方の直流高電圧信号に重畳させることを特徴とする請求項２に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、前記直流高電圧発生手段は、低電圧の交流信号が入力される低電圧交流信号入力端子と、前記入力端子より入力される前記低電圧交流信号に基づいてＯＮ・ＯＦＦ動作を行うＣＭＯＳインバータ回路と、前記ＣＭＯＳインバータ回路によるＯＮ・ＯＦＦ動作に基づいて充電される薄膜コンデンサと、ダイオードと、前記薄膜コンデンサにより得られた直流高電圧信号が出力される直流高電圧信号出力端子と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項５に記載の発明によれば、前記薄膜コンデンサは、高誘電率誘電体を用いた薄膜コンデンサであることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項６に記載の発明によれば、前記高誘電率誘電体は、強誘電体薄膜からなることを特徴とする請求項５に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項７に記載の発明によれば、前記強誘電体薄膜は、ＢａＴｉＯ3及びＳｒＴｉＯ3のうちの少なくともいずれ１つを材料とする固溶体薄膜からなることを特徴とする請求項６に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項８に記載の発明によれば、前記高誘電率誘電体は、重金属を含まない誘電体薄膜からなることを特徴とする請求項５に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項９に記載の発明によれば、前記直流高電圧発生手段は、前記低電圧交流信号入力端子、前記ＣＭＯＳインバータ回路、前記薄膜コンデンサ、前記ダイオード、及び前記直流高電圧信号出力端子を1組とする場合、該1組を複数多段に接続することを特徴とする請求項４に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１０に記載の発明によれば、前記ＣＭＯＳインバータ回路は、２重拡散型ＭＯＳＦＥＴ（ＤＭＯＳＦＥＴ）により構成されることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１１に記載の発明によれば、前記ＣＭＯＳインバータ回路は、縦型Ｖ溝ＭＯＳＦＥＴ（ＶＭＯＳＦＥＴ）により構成されることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１２に記載の発明によれば、前記静電容量型超音波振動子装置は、さらに、前記半導体基板に設けられたチャージアンプと、前記チャージアンプと前記静電容量型超音波振動子との導通をオン・オフする、前記半導体基板に設けられた半導体スイッチと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１３に記載の発明によれば、前記駆動信号発生手段は、第１の半導体スイッチにより形成され、該第１の半導体スイッチは前記直流高電圧信号が入力される入力端子と、該直流高電圧信号が出力される出力端子と、該入力端子と該出力端子との導通状態を切り替える信号が入力されるゲートとを有することを特徴とする請求項２に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１４に記載の発明によれば、前記静電容量型超音波振動子装置は、さらに、前記静電容量型超音波振動子により超音波が発生する場合オン状態になる、前記半導体基板に設けられた、前記第１の半導体スイッチと直列に接続されている、第２の半導体スイッチを備えることを特徴とする請求項１３に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１５に記載の発明によれば、前記静電容量型超音波振動子は、さらに、前記直流高電圧発生手段より出力される前記直流高電圧信号の出力レベルを切り替える第１の切り替え手段と、前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号を発生させる駆動信号発生手段と、前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号と前記直流高電圧信号とを重畳させる重畳手段と、前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号または前記直流高電圧信号が前記重畳手段に入力するのを制御する第２の切り替え手段と、前記半導体基板に設けられ、前記静電容量型超音波振動子により超音波受信信号が電気信号に変換され、該変換された該電気信号を外部への出力を制御する第３の切り替え手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１６に記載の発明によれば、前記静電容量型超音波振動子は、さらに、前記第１の切り替え手段、前記駆動信号発生手段、前記第２の切り替え手段、及び前記第３の切り替え手段の動作を制御する切り替え制御手段を備えることを特徴とする請求項１５に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１７に記載の発明によれば、前記静電容量型超音波振動子は、該半導体基板の表面または内部に構成されることを特徴とする請求項１〜１６のうちいずれか１項に記載の静電容量型超音波振動子装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１８に記載の発明によれば、請求項２に記載の静電容量型超音波振動子は、静電容量型振動子エレメントであり、前記静電容量型振動子エレメントと、前記直流高電圧発生手段と、チャージアンプと、前記駆動信号発生手段と、前記静電容量型超音波振動子により超音波が発生する時に、オン状態になる第１の半導体スイッチと、前記静電容量型超音波振動子により超音波を受信する時、オン状態になる第２の半導体スイッチと、を１組とする場合、該1組が前記半導体基板に複数設けられていることを特徴とする静電容量型超音波振動子アレイ装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１９に記載の発明によれば、請求項１７に記載の静電容量型超音波振動子アレイ装置を搭載した超音波内視鏡スコープを提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項２０に記載の発明によれば、請求項１７に記載の静電容量型超音波振動子アレイ装置を搭載した体腔内挿入型超音波診断装置を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項２１に記載の発明によれば、請求項１７に記載の静電容量型超音波振動子アレイ装置を搭載した超音波カテーテルを提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項２２に記載の発明によれば、請求項１７に記載の静電容量型超音波振動子アレイ装置を搭載した超音波カプセル内視鏡を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項２３に記載の発明によれば、半導体基板に形成されている静電容量型超音波振動子と、前記半導体基板に設けられ、前記静電容量型超音波振動子を駆動させる駆動信号に重畳させるための直流高電圧信号を発生させる直流高電圧発生手段と、前記直流高電圧発生手段より出力される前記直流高電圧信号の出力レベルを切り替える第１の切り替え手段と、前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号を発生させる駆動信号発生手段と、前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号と前記直流高電圧信号とを重畳させる重畳手段と、前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号または前記直流高電圧信号が前記重畳手段に入力するのを制御する第２の切り替え手段と、前記半導体基板に設けられ、前記静電容量型超音波振動子により超音波受信信号が電気信号に変換され、該変換された電気信号を外部への出力を制御する第３の切り替え手段と、を備える静電容量型超音波振動子装置の制御方法であって、前記静電容量型超音波振動子装置より超音波を送信させる場合、前記第１の切り替え手段を駆動させて前記直流高電圧信号の前記出力レベルを設定し、前記駆動信号発生手段を駆動させて前記駆動信号を発生させ、前記重畳手段に前記駆動信号及び前記直流高電圧信号が入力されるように前記第２の切り替え手段を駆動させ、前記第３の切り替え手段をオフ状態にすることを特徴とする静電容量型超音波振動子装置の制御方法を提供することによって達成できる。
本発明を用いることにより、直流高電圧発生手段を備えつつも、静電容量型超音波振動子装置の小型化を図ることができる。
本発明にかかる静電容量型超音波振動子は、半導体基板上の静電容量型超音波振動子の近傍に、直流高電圧発生手段、さらには、半導体スイッチ、チャージアンプ等のデバイスを一体的に配置することにより、静電容量型超音波振動子装置の小型化を実現する。
図１は、本実施形態における体腔内挿入型超音波診断装置の構成を示す。体腔内挿入型超音波診断装置１は、少なくとも、超音波観測装置２と、挿入部（挿入部は、主に、湾曲部及び可撓管部３と超音波プローブ４とから構成される）とから構成される。
超音波観測装置２は、制御部２ａを備えている。制御部２ａは、スイッチ制御信号発生器７の動作を制御したり、湾曲部及び可撓管部３を介して超音波プローブ４より伝送された超音波受信信号を信号処理して画像信号に変換したりする。
挿入部は、体腔内に挿入されるために細長の管状形状をしている。超音波プローブ４には超音波振動子としてｃＭＵＴ９が設けられており、このｃＭＵＴ９により超音波信号の送受信を行う。湾曲部は、超音波プローブ４の後端に位置する湾曲自在な部分である。可撓管部は、その湾曲部の後端に位置して細径かつ長尺で可撓性を有する。挿入部内部にはｃＭＵＴ９を構成する振動子エレメントのそれぞれを駆動させるための同軸ケーブルの束が内包されている。
超音波プローブ４には、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４、加算器５、昇圧回路６、スイッチ制御信号発生器７、チャージアンプ８、ｃＭＵＴ９が内蔵されている。昇圧回路６は、マイクロマシンプロセスを用いて半導体基板上に形成された静電容量型昇圧素子である。この静電容量型昇圧素子と同一の半導体基板上に、さらに、マイクロマシンプロセスやその他の半導体集積化プロセスを用いて、加算器５、スイッチ制御信号発生器７、チャージアンプ８、ｃＭＵＴ９を形成することも可能である。このようにすることにより、超音波プローブ４を小型化することができる。
静電容量型超音波振動子アレイ（ｃＭＵＴ９）は、駆動制御信号を入出力する最小単位である超音波振動子エレメント（または、単に「エレメント」という）が複数配列されたものから構成される。このエレメントは、振動子セル（または、単に「セル」という）と呼ばれる単位の振動子より構成される。セルは、後述するように、１つのキャビティ（空隙部）を構成する要素をいう。
スイッチ制御信号発生器７は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をＯＮ／ＯＦＦする制御信号を発生させる。すなわち、スイッチ制御信号発生器７は、各スイッチをＯＮ／ＯＦＦするタイミング及びＯＮ／ＯＦしている時間を決める信号を発生させる。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、ＤＭＯＳ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ ＭＯＳ、２重拡散型ＭＯＳＦＥＴ）またはＶＭＯＳ（Ｖ−ｇｒｏｏｖｅ ＭＯＳ、縦型Ｖ溝ＭＯＳＦＥＴ）により作成されている。
加算器５は、昇圧回路６により昇圧された直流電圧に、スイッチＳＷ２で発生させられたｃＭＵＴ９を駆動させるための駆動パルスを重畳させるためのものである。
チャージアンプ８では、インピーダンス変換を行う機能（高インピーダンス→低インピーダンスへ変換する）、ｃＭＵＴ９の電極表面の電荷の検出を行う機能、及びアンプとしての機能を備えている。電荷の検出を行う機能とは、ｃＭＵＴ９はエコー信号を受信すると、エコー信号の強度に応じてメンブレンが振動し、その振動に応じた上部電極上の電荷の変動が起こるので、その電荷を検出する機能をいう。
次に、体腔内挿入型超音波診断装置１の動作について説明する。まず、超音波ビーム送信時について説明する。
まず、超音波ビーム送信時には、スイッチ制御信号発生器７はスイッチＳＷ３をＯＮ、スイッチＳＷ４をＯＦＦにするように制御する。
次に、昇圧回路６に電圧Ｖinと電圧Ｖccを入力する。ここで、電圧Ｖin，Ｖccについて説明すると、例えば、挿入部内部の同軸ケーブル内を交流電圧Ｖinで伝送させ、Ｖinから昇圧回路６の内部に整流回路を持たせ、それでＶccを作り出す方法と、同軸ケーブル内に直流電圧Ｖccを伝送し、昇圧回路６の内部に発振回路を持たせ、それでＶinを作り出す方法がある。いずれにせよ同軸ケーブルに伝送する電圧は、ｃＭＵＴ駆動電圧に比べはるかに小さな電圧である。
昇圧回路６は、電圧Ｖin，Ｖccを基に昇圧された直流電圧Ｖdcを発生させ、この直流電圧ＶdcをスイッチＳＷ１に出力する。本実施形態では、一例として昇圧の程度の異なる３段階の直流電圧Ｖdc（Ｖdc1＜Ｖdc2＜Ｖdc3）が昇圧回路６から出力される。
スイッチＳＷ１は、本実施形態では一例として３チャンネルの切り替えができるものである。スイッチＳＷ１は、スイッチ制御信号発生器７の制御信号によりそれらのチャンネルを切り替え、昇圧回路６から出力される直流電圧Ｖdc（Ｖdc1，Ｖdc2，Ｖdc3）のうちいずれかの直流電圧Ｖdcを出力する。
また、スイッチ制御信号発生器７は、超音波観測装置２の制御回路２ａからのケーブル伝送信号に基づいて、ｃＭＵＴ９を駆動させるためのパルスを発生させる。それから、スイッチ制御信号発生器７はそのパルスをスイッチＳＷ２に出力する。スイッチＳＷ２は、そのパルスに基づいて、ＯＮ／ＯＦＦ動作を行い、スイッチＳＷ３および加算器５を介して直流電圧Ｖdcにその駆動パルスを重畳する。
その重畳された駆動信号は、ｃＭＵＴ９へ出力される。ｃＭＵＴ９では、上部電極と下部電極の一対の電極に高電圧が印加されることで電極間が引っ張りあい、電圧を０にすると元に戻る。この振動動作によってメンブレンが振動した結果、超音波が発生し、上部電極の上方向に超音波が放射される。
次に、超音波ビーム受信時について説明する。なお、超音波ビーム受信時には、スイッチ制御信号発生器７はスイッチＳＷ３をＯＦＦ、スイッチＳＷ４をＯＮにするように制御する。
ｃＭＵＴ９より放射された超音波は、体腔内で反射され、その反射波はｃＭＵＴ９で受信される。ｃＭＵＴ９では、その受信した反射波を電気信号に変換し、その受信信号は、チャージアンプ８を介して、超音波観測装置２に送信される。超音波観測装置２では、その受信信号に基づいて超音波診断画像を構築する。
次に、昇圧回路６を図２及び図３を用いて説明する。
図２は、本実施形態における昇圧回路６の原理を示す図である。図２の回路は、シュミットトリガーインバータ１１、コンデンサＣ1，Ｃout、ダイオードＤ1，Ｄ2、端子１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０から構成される。シュミットトリガーインバータ１１はＣＭＯＳＦＥＴ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２１（Ｑ1），ＣＭＯＳＦＥＴ２２（Ｑ2）を有している。
次に、図２の回路の動作原理について説明する。プッシュプル動作をするＱ1，Ｑ2の共通ゲート接続端子１６に、例えば７．５ＭＨｚで１０Ｖopの矩形波Ｖinを印加する（Ｖccも１０Ｖ）。
共通ゲート接続端子１６に１０Ｖが印加されているタイミングでは、Ｑ1がＯＮ、Ｑ2がＯＦＦとなる。このとき、ダイオードＤ1は順方向バイアスであり、コンデンサＣ1（図2で、ＣをＣ1に修正）にはＶc1＝Ｖcc−ＶD（ＶDはダイオードＤ1の順方向電圧降下であり、ＶD＝〜０．７Ｖである。）の電圧がかかる。
それまでの間、コンデンサＣoutが充電され、コンデンサＣoutにはＶout＝Ｖcc−２ＶDの電圧が形成される。なお、ダイオードＤ2もまた順方向バイアスである（ダイオードＤ2の順方向電圧降下も例えばＶDであり、ＶD＝〜０．７Ｖである。）。
次に、Ｖin＝０とした場合、Ｑ1がＯＦＦ、Ｑ2がＯＮとなり、ダイオードＤ1は逆バイアスとなるため、コンデンサＣ1の負端子に電圧が供給される。そうすると、Ｃoutは順バイアスのダイオードＤ2経由で充電される。すなわち、コンデンサＣ1の正端子が昇圧された結果、供給電圧Ｖccよりも高い電圧を得ることができる。
コンデンサＣoutの静電容量がコンデンサＣ1の静電容量より小さい場合、Ｖout＝Ｖout1＋Ｖc1＝２（Ｖin−ＶD）となる（Ｖout1は、Ｑ1の順方向電圧降下である）。Ｖcc＞＞ＶDの場合、Ｖout≒２Ｖinとなり、図２の回路は倍電圧昇圧回路として動作する。
上述の通り、コンデンサＣ1の静電容量はコンデンサＣoutの静電容量より大きくするのが好ましい。そのため、コンデンサＣ1として、高誘電率誘電体コンデンサを用いることにする。この高誘電率誘電体は強誘電体薄膜からなる。強誘電体とは、外部から電界を加えなくても電気分極を持っている物質のうち、この分極（自発分極）の向きを外部から加える電界で反転できるものをいう。
強誘電性を有する物質の典型的な例としてはペロブスカイト構造を有する結晶がある。強誘電体に交流電圧を加えると、分極はヒステリシス曲線を描く。強誘電体材料としては、ＳｒＢｉ2（Ｎｂ1-xＴａx）2Ｏ9がある。このＳｒＢｉ2（Ｎｂ1-xＴａx）2Ｏ9は、高耐久性強誘電体であり、ビスマス層状構造を有する。
また、強誘電体は、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3のいずれか、またはそれらからなる固溶体薄膜から構成してもよい。また、高誘電率誘電体が重金属を含まない誘電体薄膜から形成されてもよく、その誘電体薄膜はＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｔａ2Ｏ5等の誘電率が高い材料から形成することができる。これらの誘電体は重金属を含まず環境的にも好ましい材料と言える。
図３は、本実施形態における昇圧回路６の構成概念図である。昇圧回路６は、Ｎ（Ｎ：正の整数）個の図２の回路１０を従続接続したものである。Ｎ個の回路１０を従続接続した場合、Ｎ番目の回路から出力される電圧Ｖoutは、
Ｖout＝（Ｎ＋１）（Ｖcc−ＶD）
Ｖcc＞＞ＶDの場合、
Ｖout≒（Ｎ＋１）Ｖcc
と表すことができる。よって、従続接続する回路１０の個数を変えることにより、電圧の昇圧の程度を制御することができる。
図３において、スイッチＳＷ１には３つのチャンネル（ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ，ＳＷ１ｃ）が設けられている。ＳＷ１ａ＝ＯＮ，ＳＷ１ｂ＝ＯＦＦ，ＳＷ１ｃ＝ＯＦＦの場合、６個の回路１０を従続接続した状態になるので、Ｖout＝７（Ｖcc−ＶD） （Ｖcc＞＞ＶDの場合、Ｖout≒７Ｖcc）となる。ＳＷ１ａ＝ＯＦＦ，ＳＷ１ｂ＝ＯＮ，ＳＷ１ｃ＝ＯＦＦの場合、１２個の回路１０を従続接続した状態になるので、Ｖout＝１３（Ｖcc−ＶD） （Ｖcc＞＞ＶDの場合、Ｖout≒１３Ｖcc）となる。ＳＷ１ａ＝ＯＦＦ，ＳＷ１ｂ＝ＯＦＦ，ＳＷ１ｃ＝ＯＮの場合、１８個の回路１０を従続接続した状態になるので、Ｖout＝１９（Ｖcc−ＶD） （Ｖcc＞＞ＶDの場合、Ｖout≒１９Ｖcc）となる。
このように、昇圧回路を用いれば、入力電圧Ｖccを約（Ｎ＋１）倍に昇圧することができ、低電圧から直流高電圧を発生させることができる。
超音波ビーム送信時、スイッチＳＷ３＝ＯＮ、スイッチＳＷ４＝ＯＦＦであり、スイッチＳＷ２により、この昇圧された直流高電圧にＲＦ高電圧駆動信号が重畳されて、ｃＭＵＴの下部電極にその重畳信号が印加される。ここで、ＲＦ高電圧駆動信号は、直流高電圧信号を分岐させ、この分岐信号に対してＳＷ２を高速でＯＮ／ＯＦＦさせることによって得られる。そして、このＲＦ高電圧駆動信号と前記直流高電圧とを加算器５によって加算重畳させ、ｃＭＵＴ９に印加する重畳信号が得られる。なお、ｃＭＵＴから送信される超音波の周波数はＳＷ２によるＯＮ／ＯＦＦ周波数によって決まる。（図３のＳＷ２〜４の配置は図１と同じにして下さい。）
高電圧重畳信号が印加されたｃＭＵＴ９は、上部電極が設けられているメンブレン表面より超音波を放射する。放射された超音波は、生体組織により反射され、その反射波はｃＭＵＴ９で受信される。
超音波ビーム受信時には、スイッチＳＷ３＝ＯＦＦ、スイッチＳＷ４＝ＯＮになる。ｃＭＵＴ９は、その反射波を電気信号に変換する。その電気信号に変換された受信信号は、チャージアンプ８を介して、超音波観測装置２に送信される。超音波観測装置２では、その受信信号に基づいて超音波診断画像を構築する。
このように昇圧回路６を用いることで、ケーブルには低電圧信号のみを伝送し、プローブ内で超音波振動子駆動用のＤＣバイアス電圧が重畳した高電圧パルスを効率良く発生させることができる。また、ケーブルに起因するノイズの影響を防止することができる。
図４は、本実施形態におけるスイッチ（ＳＷ）動作及び超音波送信駆動電圧信号のタイミングチャートを示す。図１を参照しながら、図４について説明する。図４のタイミングには、超音波送信期間３０、エコー信号受信期間３１がある。超音波送信期間３０とエコー信号受信期間３１の合計からなる期間３２が繰り返される。Ｔ＝１〜４は超音波送信期間を示す。
タイミングＴ＝１のとき、ＳＷ３がＯＮ状態になる。このとき、ＳＷ４はＯＦＦ状態である。そして、ＳＷ１がＯＮになる（厳密に言えば、ＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ，ＳＷ１ｃのうちいずれかがＯＮになる）。そうすると、昇圧回路６にＶin，Ｖccが入力され、昇圧回路６から高電圧の直流電圧Ｖdcが出力される。
タイミングＴ＝２のとき、ＳＷ２がＯＮになる。そうすると、直流電圧Ｖdcに更にＳＷ２のＯＮ電圧Ｖdcが加算重畳されて２ＶdcがｃＭＵＴ９に印加される。
タイミングＴ＝３のとき、ＳＷ２がＯＦＦになる。このとき、ＳＷ２のＯＮ電圧Ｖdcは遮断されるので、ｃＭＵＴ９に印加される電圧はＶdcとなる。
Ｔ＝４、Ｔ＝５はＴ＝1，Ｔ＝２の繰り返しである。
このようにして、２ＶdcとＶdcの間を高速で変動する、即ち、振幅がＶdc、ＤＣバイアス電圧が１．５Ｖdcの高電圧重畳駆動信号電圧Ｖdrvが生成され、これがｃＭＵＴ９に印加されることにより、ｃＭＵＴ９より超音波が放射される。
Ｔ＝５〜１６はエコー信号受信期間である。３４はエコー受信信号の波形を示しているが、その周期はＳＷ２をＯＮ／ＯＦＦする周期にほぼ等しい信号となっている。エコー信号受信期間中、ＳＷ３はＯＦＦ状態、ＳＷ４はＯＮ状態であり、ｃＭＵＴ９は生体組織で反射した超音波を受信する。ｃＭＵＴ９により受信された超音波は電気信号に変換され、ＳＷ４及びチャージアンプ８を介して超音波観測装置２に出力される。尚、以上はｃＭＵＴ１エレメント分についての記載であったが、これらのエレメントを１次元または２次元に配列したアレイ型振動子の場合もそのエレメントの数に対応した数の上記に記載の制御チャンネルを構成すれば良い。またそれぞれの制御チャンネルに配置されたＳＷを駆動するタイミングを制御チャンネルごとに位相差を設けることによって送信ビームフォーミングが可能になり、複数のチャージアンプ８の出力を受信ビームフォーミング処理することにより、高精度のリニア走査やセクター走査が可能になる。
次に、本実施形態におけるｃＭＵＴの構造について説明する。
図５は、本実施形態におけるｃＭＵＴ９の平面図の一例を示す。同図において、ｃＭＵＴチップ４０には、複数のｃＭＵＴエレメント４１が並列接続されて配設されている。ｃＭＵＴエレメント４１には、複数のｃＭＵＴ下部電極４２が形成されている。ｃＭＵＴ下部電極４２で示される部分はｃＭＵＴセルに相当する部分であり、各ｃＭＵＴセルのメンブレンが振動することで超音波が発生する。各ｃＭＵＴ下部電極４２は、ｃＭＵＴ下部電極接続配線４３で相互に接続されている。ｃＭＵＴチップ４０の端部（同図の上方）には、ＤＣバイアス電圧供給配線４４が配設され、各ｃＭＵＴエレメント４１の端部にあるｃＭＵＴ下部電極４２と接続されている。
同図において、ＤＣバイアス電圧供給配線４４とｃＭＵＴエレメント４１との間の領域には、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）スイッチ４５（４５ａ，４５ｂ，４５ｃ）、チャージアンプ５１が設けられている。
ＭＯＳＦＥＴスイッチ４５ａのドレイン領域とＤＣバイアス電圧供給配線４４とが配線５２により接続されている。ＭＯＳＦＥＴスイッチ４５ａのソース領域とＭＯＳＦＥＴスイッチ４５ｂのドレイン領域とが配線５３により接続されている。ＭＯＳＦＥＴスイッチ４５ｂのソース領域とｃＭＵＴ下部電極４２とが配線５４により接続されている。ＭＯＳＦＥＴスイッチ４５ｃのドレイン領域と、ＤＣバイアス電圧供給配線４４及びｃＭＵＴ下部電極４２とが配線５５により接続されている。ＭＯＳＦＥＴスイッチ４５ｃのソース領域とチャージアンプ５１とが配線５６により接続されている。また、各ＭＯＳＦＥＴスイッチ４５（４５ａ，４５ｂ，４５ｃ）にはそれぞれ、ゲート信号入力電極パッド５０（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）が設けられている。
なお、ＭＯＳＦＥＴスイッチ４５ａ，４５ｂ，４５ｃはそれぞれ、図１のスイッチＳ２，ＳＷ３，ＳＷ４に対応する。図５では図１の加算器５は不図示である。
図５の左側に形成された領域は、図１の昇圧回路６に相当する部分（昇圧回路領域６０）である。昇圧回路領域６０には、コンデンサ領域６１（図２のコンデンサＣoutに相当する）、出力電圧切り替えスイッチ領域６２（図１のスイッチＳＷ１に相当する）、高静電容量コンデンサ上部電極６３（図２のコンデンサＣ1に相当する）、高誘電率誘電体薄膜６４（図２のコンデンサＣ1に用いられるに相当する）、入力信号用電極パッド６５（図２のＶinが入力される電極パッドに相当する）、シュミットトリガーインバータ回路＋ダイオード領域６６（シュミットトリガーインバータ１１及びダイオードＤ1，Ｄ2に相当する）から構成される。
図６は、本実施形態における昇圧回路領域の断面図の一例を示す。図６は、図５の昇圧回路領域６０の断面図に相当するものである。しかしながら、図６は説明の都合上、図５とは一部配置が変更されているが、同等の機能を備えるものである。
図６において、昇圧回路領域は、シリコン基板７１、表面酸化膜７２、下部電極７３，７４、高誘電率誘電体７５，７６、上部電極７７，７８、ＣＭＯＳインバータ回路部（ＣＭＯＳＦＥＴ＋ダイオード）７９、接地配線８０、オーミックコンタクト用拡散領域８１，８８、ＭＯＳＦＥＴソース領域８２、ＭＯＳＦＥＴドレイン領域８３、ＭＯＳＦＥＴチャンネル領域８４、ＭＯＳＦＥＴゲート配線８５、ダイオードＰ拡散領域８６、Ｎ拡散領域８７、ダイオード領域８９から構成される。この構成について詳述する。
同図において、高誘電率誘電体又は強誘電体を用いた大容量薄膜コンデンサ７５（図２のコンデンサＣ1に相当する），７６（図２のコンデンサＣoutに相当する）と、表面酸化膜７２を形成したシリコン基板７１、その上に形成した下部電極７３，７４及び上部電極７７，７８が形成されている。
シリコン基板７１には倍電圧昇圧回路を構成するためのシュミットトリガーインバータ領域７９（図２のシュミットトリガーインバータ１１に相当する）とダイオード領域８９（図２のダイオードＤ1，Ｄ2に相当する）が形成されている。
シュミットトリガーインバータ領域７９は、ソース領域８２、ドレイン領域８３、及びチャンネル領域８４からなるＭＯＳＦＥＴ(図２のＣＭＯＳＦＥＴ２１（Ｑ1），ＣＭＯＳＦＥＴ２２（Ｑ2）に相当する)が相補的に図２の通りに接続されている（図６では片方ＣＭＯＳＦＥＴ２１（Ｑ1）を省略している）。
ＣＭＯＳＦＥＴ２２（Ｑ2）に相当するＭＯＳＦＥＴチャンネル領域８４は、ソース側が基板７１のオーミックコンタクト拡散層８１を経て同電位となる様に接続してある。一方のコンデンサの上部電極７８はオーミックコンタクト拡散層８８を経てシリコン基板７１に同電位接続されている。
シリコン基板７１が接地されると、接地配線８０、上部電極７８も接地されることになる。ＭＯＳＦＥＴゲート配線８５には図２に示したＶinが入力される。更に、上部電極７８が最終段の倍電圧昇圧部でない場合、上部電極７８は基板７１と同電位にするのではなく、図３に示した様に、次段のシュミットトリガーインバータの出力部に接続される。
図７は、本実施形態における昇圧回路領域の平面図の一例を示す。同図は、図５の破線で囲まれた領域６７の拡大図である。シリコン基板１０１には複数の強誘電体薄膜コンデンサ（ＦＥＣ）１０２が形成されている。また、シリコン基板１０１には、ｐ＋拡散領域１３４が形成され、そこにさらに複数のｎ拡散領域１３０が形成されている。各ｎ拡散領域１３０にはＣＭＯＳインバータ１１０とｐｎ接合ダイオード１２４が形成されている。以下では、図８〜図１０を用いて、強誘電体薄膜コンデンサ１０２、ＣＭＯＳインバータ１１０、ｐｎ接合ダイオード１２４を説明する。
図８は、強誘電体薄膜コンデンサ（ＦＥＣ）１０２の断面図（Ａａ−Ａｂ面）である。この強誘電体薄膜コンデンサ（ＦＥＣ）１０２は、シリコン基板１０１の上面に絶縁膜（表面酸化膜）１０３を形成し、その絶縁膜の上面に下部電極１０５、強誘電体薄膜１０６、上部電極１０４を形成することにより構成される。下部電極１０５はバッファー層となるＴｉやＣｒを介したＰｔやＡｕ薄膜が用いられる。
図９は、ＣＭＯＳインバータ１１０の断面図（Ｂａ−Ｂｂ面）である。ＣＭＯＳインバータ１１０は、次のように構成されている。シリコン基板１０１に、ｐ＋拡散領域１３４が形成され、さらにｎ拡散領域１３０が形成されている。ｎ拡散領域１３０にはｐウェル拡散領域（ｐ型井戸拡散領域）１１１が形成され、ｐウェル拡散領域１１１にはｎ＋拡散領域１１３（１１３ａ，１１３ｂ）が形成されている。また、ｎ拡散領域１３０にはｐ＋拡散領域１１５（１１５ａ，１１５ｂ）が形成されている。
ｃＭＯＳインバータ１１０は、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ（ｐ−ＭＯＳ）（図２のＱ1に相当する）とｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ（ｎ−ＭＯＳ）（図２のＱ2に相当する）とで構成される。ｎ−ＭＯＳをｎ形基板内に形成するので、ｎ形基板にｐ形領域（ｐウェル）を形成し、ｎ−ＭＯＳ（Ｑ2）が形成されている。この場合、寄生ＭＯＳＦＥＴが生じない様にするため、ｎ−ＭＯＳのソース電極１４０の下方部１４８ａや出力電極となるブリッジ電極の下方部１４８ｂにｐ＋領域を設けている。同様に、ｐ−ＭＯＳ（Ｑ1）に於いても、寄生ＭＯＳＦＥＴが生じない様にするため、ソース電極１２０の下方部１４８ｄと出力電極となるブリッジ電極の下方部１４８ｃ、ｎ＋領域を設ける。
ｎ拡散領域１３０の上面には絶縁膜１４２が形成されているが、ｎ＋拡散領域１１３（１１３ａ，１１３ｂ）及びｐ＋拡散領域１１５（１１５ａ，１１５ｂ）の上面は絶縁膜１４２から露出している。
その露出したｎ＋拡散領域１１３ａの上面に電極１４０が形成されている。その露出したｎ＋拡散領域１１３ｂの上面とｐ＋拡散領域１１５ａの上面とはブリッジ電極１１４で導通している。その露出したｐ＋拡散領域１１５ｂの上面に電極１４３が形成されている。また、ゲート電極１１２，１１６が絶縁膜１４２の上面に形成されている。
電極１４０にはＣＭＯＳインバータの直流電圧供給端子１４４が設けられている。ゲート電極１１２，１１６にはＣＭＯＳインバータの入力端子１４５が設けられている。ブリッジ電極１１４にはＣＭＯＳインバータの出力端子１４６が設けられている。電極１４３にはＣＭＯＳインバータの接地端子１４７が設けられている。
ここで、出力端子１４６は図２の端子１６に相当するものである。直流電圧供給端子１４４は、図２の端子１２に相当するものである。接地端子１４７は、図２の端子１３に相当するものである。
図１０は、ｐｎ接合ダイオード１２４の断面図（Ｃａ−Ｃｂ面）である。ｐｎ接合ダイオード１２４は、次のように構成されている。シリコン基板１０１に、ｐ＋拡散領域１３４が形成され、さらにｎ拡散領域１３０が形成されている。ｎ拡散領域１３０にはｐ拡散領域１２０，１２２、ｎ＋拡散領域１２１，１２３が形成されている。また、ｎ拡散領域１３０と、ｐ＋拡散領域１３４の一部とに、ｐ＋アイソレーション領域１５４，１５６が形成されている。ｎ拡散領域１３０の上面には絶縁膜１５０が形成されているが、ｐ拡散領域１２０，１２２、ｎ＋拡散領域１２１，１２３の上面は絶縁膜１５０から露出している。
その露出したｐ拡散領域１２０の上面に電極１５１が形成されている。その露出したｎ＋拡散領域１２１の上面とｐ＋拡散領域１２２の上面とはブリッジ電極１５２で導通している。その露出したｎ＋拡散領域１２３の上面に電極１５３が形成されている。
電極１５１には入力端子１５７が設けられている。ブリッジ電極１５２には共通端子１５８が設けられている。電極１５３には出力端子１５９が設けられている。
ここで、入力端子１５７は図２の端子１７に相当するものである。共通端子１５８は、図２の端子１９に相当するものである。出力端子１５９は、図２の端子１８に相当するものである。
図７に戻って説明する。強誘電体薄膜コンデンサ１０２の上部電極１０４とｐｎ接合ダイオード１２４のゲート電極１５２はＦＥＣ上部電極配線１２５により導通している。ｐｎ接合ダイオード１２４のｎ＋拡散領域１２３は、次段のｐｎ接合ダイオード１２４のｐ拡散領域１２０と接続配線１３２により導通している。
ＣＭＯＳインバータ１１０のブリッジ電極１１４、ゲート電極１１２，１１６は下部電極１０５と接続配線１１８，１３３により導通している。ＣＭＯＳインバータ１１０の直流電圧供給端子１４４と直流電圧接続配線１３５とが接続されている。ＣＭＯＳインバータ１１０の接地端子１４７と接地配線１３１とが接続されている。
以下では、複数のｃＭＵＴエレメントの集積させたｃＭＵＴユニット群を円筒状に配置した場合について図１１〜図１４を用いて説明する。なお、図１１〜図１４の配置の形態は一例であり、これらに限定されない。
図１１は、円筒状に配設したｃＭＵＴユニット群の上面図である。図１２は、図１１の円筒状に配設したｃＭＵＴユニット群の側面図である。ｃＭＵＴ振動子ユニット１６１は、複数（例えば４８個）のｃＭＵＴエレメントからなり、その各エレメントは複数のｃＭＵＴセルからなる。
ｃＭＵＴ振動子ユニット１６１は、スルーホールフレキシブルプリント基板（スルーホールＦＰＣ）上に設けられており、その反対の面側には各ｃＭＵＴ振動子ユニット１６１に対応する制御回路ユニットが設けられている。スルーホールＦＰＣは各エレメントの電極が制御回路ユニットの信号入出力用ターミナルパッドに接続される様、スルーホールが形成されている。先ずそれぞれ平面構造のｃＭＵＴアレイユニットをＭＥＭＳ技術を用いて形成、制御回路ユニット集積回路を接合し、ｃＭＵＴアレイユニットと制御回路ユニット集積回路をそれぞれダイシングし、ユニット分割した後、まるめて円筒状にする。
図１３は、ｃＭＵＴユニット１６１の拡大図である。ｃＭＵＴ振動子ユニット１６１は、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１７２に設けられた複数のｃＭＵＴエレメント１７１より構成される。
図１４は、ｃＭＵＴエレメント１７１の拡大図である。ｃＭＵＴエレメント１７１は複数の振動子セル１８０から構成され、各振動子セル１８０には電極１８１が設けられている。電極１８１は昇圧回路に接続されている。
以上より、本実施時形態におけるｃＭＵＴは、同一半導体基板に、低電圧の交流信号入力端子、ＣＭＯＳインバータ回路、薄膜コンデンサ、ダイオード、直流高電圧信号出力端子等から構成される直流高電圧手段を形成することができるので、超音波振動子の小型化を実現することができる。さらに、この半導体に、加算器、チャージアンプ、半導体スイッチ、半導体スイッチ制御手段等も形成することもできるので、より小型化を図ることができる。
また、本実施形態では、体腔内挿入型超音波診断装置に搭載されるｃＭＵＴに高電圧発生手段を形成した場合について説明したが、これに限定されず、超音波カテーテル、超音波カプセル内視鏡等の装置に組み込むことも可能である。
本実施形態における体腔内挿入型超音波診断装置の構成を示す。 本実施形態における昇圧回路６の原理を示す図である。 本実施形態における昇圧回路６の構成概念図である。 本実施形態におけるスイッチ（ＳＷ）動作及び超音波送信駆動電圧信号のタイミングチャートを示す。 本実施形態におけるｃＭＵＴ９の平面図の一例を示す。 本実施形態における昇圧回路領域の断面図の一例を示す。 本実施形態における昇圧回路領域の平面図の一例を示す。 強誘電体薄膜コンデンサ（ＦＥＣ）１０２の断面図（Ａａ−Ａｂ面）である。 ＣＭＯＳインバータ１１０の断面図（Ｂａ−Ｂｂ面）である。 ｐｎ接合ダイオード１２４の断面図（Ｃａ−Ｃｂ面）である。 円筒状に配設したｃＭＵＴユニット群の上面図である。 図１１の円筒状に配設したｃＭＵＴユニット群の側面図である。 ｃＭＵＴユニット１６１の拡大図である。 ｃＭＵＴエレメント１７１の拡大図である。 従来におけるｃＭＵＴの一例を示す。 従来における超音波振動子駆動方法の一例（その１）を示す。 従来における超音波振動子駆動方法の一例（その２）を示す。
符号の説明
１ 体腔内挿入型超音波診断装置
２ 超音波観測装置
２ａ 制御部
３ 湾曲部及び可撓管部
４ 超音波プローブ
５ 加算器
６ 昇圧回路
７ スイッチ制御信号発生器
８ チャージアンプ
９ ｃＭＵＴ
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４ スイッチ
１１ シュミットトリガーインバータ
１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０ 端子
２１（Ｑ1） ＣＭＯＳＦＥＴ
２２（Ｑ2） ＣＭＯＳＦＥＴ２２
Ｃ1，Ｃout コンデンサ
Ｄ1，Ｄ2 ダイオード

Claims (23)

  1. 半導体基板に形成されている静電容量型超音波振動子と、
    前記半導体基板に設けられ、前記静電容量型超音波振動子への駆動信号に重畳する直流高電圧信号を発生させるための直流高電圧発生手段と、
    を備えることを特徴とする静電容量型超音波振動子装置。
  2. 前記静電容量型超音波振動子装置は、さらに、
    前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号を発生させる駆動信号発生手段と、
    前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号と前記直流高電圧信号とを重畳させる重畳手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  3. 前記重畳手段は、前記直流高電圧発生手段から出力された前記直流高電圧信号を分岐させ、該分岐させた一方の直流高電圧信号を前記駆動信号発生手段を介して、分岐させた他方の直流高電圧信号に重畳させる
    ことを特徴とする請求項２に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  4. 前記直流高電圧発生手段は、
    低電圧の交流信号が入力される低電圧交流信号入力端子と、
    前記入力端子より入力される前記低電圧交流信号に基づいてＯＮ・ＯＦＦ動作を行うＣＭＯＳインバータ回路と、
    前記ＣＭＯＳインバータ回路によるＯＮ・ＯＦＦ動作に基づいて充電される薄膜コンデンサと、
    ダイオードと、
    前記薄膜コンデンサにより得られた直流高電圧信号が出力される直流高電圧信号出力端子と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  5. 前記薄膜コンデンサは、高誘電率誘電体を用いた薄膜コンデンサである
    ことを特徴とする請求項４に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  6. 前記高誘電率誘電体は、強誘電体薄膜からなる
    ことを特徴とする請求項５に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  7. 前記強誘電体薄膜は、ＢａＴｉＯ3及びＳｒＴｉＯ3のうちの少なくともいずれ１つを材料とする固溶体薄膜からなる
    ことを特徴とする請求項６に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  8. 前記高誘電率誘電体は、重金属を含まない誘電体薄膜からなる
    ことを特徴とする請求項５に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  9. 前記直流高電圧発生手段は、前記低電圧交流信号入力端子、前記ＣＭＯＳインバータ回路、前記薄膜コンデンサ、前記ダイオード、及び前記直流高電圧信号出力端子を1組とする場合、該1組を複数多段に接続する
    ことを特徴とする請求項４に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  10. 前記ＣＭＯＳインバータ回路は、２重拡散型ＭＯＳＦＥＴ（ＤＭＯＳＦＥＴ）により構成される
    ことを特徴とする請求項４に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  11. 前記ＣＭＯＳインバータ回路は、縦型Ｖ溝ＭＯＳＦＥＴ（ＶＭＯＳＦＥＴ）により構成される
    ことを特徴とする請求項４に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  12. 前記静電容量型超音波振動子装置は、さらに、
    前記半導体基板に設けられたチャージアンプと、
    前記チャージアンプと前記静電容量型超音波振動子との導通をオン・オフする、前記半導体基板に設けられた半導体スイッチと、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  13. 前記駆動信号発生手段は、第１の半導体スイッチにより形成され、該第１の半導体スイッチは前記直流高電圧信号が入力される入力端子と、該直流高電圧信号が出力される出力端子と、該入力端子と該出力端子との導通状態を切り替える信号が入力されるゲートとを有する
    ことを特徴とする請求項２に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  14. 前記静電容量型超音波振動子装置は、さらに、
    前記静電容量型超音波振動子により超音波が発生する場合オン状態になる、前記半導体基板に設けられた、前記第１の半導体スイッチと直列に接続されている、第２の半導体スイッチ
    を備えることを特徴とする請求項１３に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  15. 前記静電容量型超音波振動子は、さらに、
    前記直流高電圧発生手段より出力される前記直流高電圧信号の出力レベルを切り替える第１の切り替え手段と、
    前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号を発生させる駆動信号発生手段と、
    前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号と前記直流高電圧信号とを重畳させる重畳手段と、
    前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号または前記直流高電圧信号が前記重畳手段に入力するのを制御する第２の切り替え手段と、
    前記半導体基板に設けられ、前記静電容量型超音波振動子により超音波受信信号が電気信号に変換され、該変換された該電気信号を外部への出力を制御する第３の切り替え手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  16. 前記静電容量型超音波振動子は、さらに、
    前記第１の切り替え手段、前記駆動信号発生手段、前記第２の切り替え手段、及び前記第３の切り替え手段の動作を制御する切り替え制御手段
    を備えることを特徴とする請求項１５に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  17. 前記静電容量型超音波振動子は、該半導体基板の表面または内部に構成される
    ことを特徴とする請求項１〜１６のうちいずれか１項に記載の静電容量型超音波振動子装置。
  18. 請求項２に記載の静電容量型超音波振動子は、静電容量型振動子エレメントであり、
    前記静電容量型振動子エレメントと、
    前記直流高電圧発生手段と、
    チャージアンプと、
    前記駆動信号発生手段と、
    前記静電容量型超音波振動子により超音波が発生する時に、オン状態になる第１の半導体スイッチと、
    前記静電容量型超音波振動子により超音波を受信する時、オン状態になる第２の半導体スイッチと、
    を１組とする場合、該1組が前記半導体基板に複数設けられている
    ことを特徴とする静電容量型超音波振動子アレイ装置。
  19. 請求項１７に記載の静電容量型超音波振動子アレイ装置を搭載した超音波内視鏡スコープ。
  20. 請求項１７に記載の静電容量型超音波振動子アレイ装置を搭載した体腔内挿入型超音波診断装置。
  21. 請求項１７に記載の静電容量型超音波振動子アレイ装置を搭載した超音波カテーテル。
  22. 請求項１７に記載の静電容量型超音波振動子アレイ装置を搭載した超音波カプセル内視鏡。
  23. 半導体基板に形成されている静電容量型超音波振動子と、
    前記半導体基板に設けられ、前記静電容量型超音波振動子を駆動させる駆動信号に重畳させるための直流高電圧信号を発生させる直流高電圧発生手段と、
    前記直流高電圧発生手段より出力される前記直流高電圧信号の出力レベルを切り替える第１の切り替え手段と、
    前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号を発生させる駆動信号発生手段と、
    前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号と前記直流高電圧信号とを重畳させる重畳手段と、
    前記半導体基板に設けられ、前記駆動信号または前記直流高電圧信号が前記重畳手段に入力するのを制御する第２の切り替え手段と、
    前記半導体基板に設けられ、前記静電容量型超音波振動子により超音波受信信号が電気信号に変換され、該変換された電気信号を外部への出力を制御する第３の切り替え手段と、
    を備える静電容量型超音波振動子装置の制御方法であって、
    前記静電容量型超音波振動子装置より超音波を送信させる場合、前記第１の切り替え手段を駆動させて前記直流高電圧信号の前記出力レベルを設定し、
    前記駆動信号発生手段を駆動させて前記駆動信号を発生させ、
    前記重畳手段に前記駆動信号及び前記直流高電圧信号が入力されるように前記第２の切り替え手段を駆動させ、
    前記第３の切り替え手段をオフ状態にする
    ことを特徴とする静電容量型超音波振動子装置の制御方法。


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