JP2011104106A - 電気機械変換装置の制御装置と制御方法、及び測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 光の減衰に伴って発生する音響波の大きさが低下してしまい、音響波を受信する電気機械変換装置から所望の大きさの出力が得られない場合がある。
【解決手段】 本発明の電気機械変換装置を制御する制御装置は、電気機械変換装置の第１の電極から出力される電流を電圧に変換する変換手段と、第1の電極と間隙を挟んで設けられた第２の電極に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、光が被検体に照射された時点からの経過時間情報に基づいて、前記直流電圧、又は、前記電流を電圧に変換する際の変換比率、のうち少なくとも一方を変化させる制御信号を生成する生成手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は電気機械変換装置の駆動を制御する制御装置と制御方法、及び測定システムに関する。特に、光音響効果により発生する音響波を受信する容量型の電気機械変換装置の制御装置と制御方法、及びその電気機械変換装置を有する測定システムに関する。

被検体に光を照射して、光音響効果により被検体中の測定対象から音響波（典型的には超音波）を発生させ、発生した音響波を電気機械変換装置を用いて受信する測定システムがある。また、電気機械変換装置の一形態に、音響波の受信帯域が広いという特長を持った、容量型の電気機械変換装置であるＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）がある。ＣＭＵＴは、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳプロセスを用いて作製される。
特許文献１には、光音響効果を用いた測定装置に用いる電気機械変換装置にＣＭＵＴを用いる方法が提案されている。

米国特許出願公開第２００７／０２８７９１２号明細書

光音響効果を用いた測定システムでは、光音響効果により被検体から音響波を発生させるために、光源を所定のパルス幅で周期的に発光させて、被検体に光を照射させる。しかし、生体などの被検体を測定する場合は、照射された光は、被検体内を進む距離に応じて指数関数的に減衰する。そのため、被検体内において測定対象（例えば腫瘍）が存在する深さにより、発生する音響波の大きさ（音圧）が変わってしまう。音圧が小さい場合には、電気機械変換装置に届く音圧が、電気機械変換装置が元々有している受信感度（受信可能な最小音圧）以下となってしまう場合がある。これを避けるために、常に高い受信感度を得られるように設定することも考えられるが、そうすると、音圧が大きい時の信号が飽和してしまい、検出した信号を取り出すことができなくなる。そこで本発明は、被検体内での光減衰の影響を考慮した容量型電気機械変換装置の制御装置及び、制御方法を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた第２の電極と、を有し、被検体に照射された光により発生する音響波を、前記第２の電極に直流電圧を印加している状態で受信することにより、前記第1の電極から電流を出力する素子を備えた電気機械変換装置を制御する制御装置であって、前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換する変換手段と、前記第２の電極に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、前記光が前記被検体に照射された時点からの経過時間情報に基づいて、前記直流電圧、又は、前記電流を電圧に変換する際の変換比率、のうち少なくとも一方を変化させる制御信号を生成する生成手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明の制御方法は、第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた第２の電極と、を有し、光が被検体に照射されることにより発生する音響波を受信する素子を備える電気機械変換装置を制御する制御方法であって、前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換するステップと、前記第２の電極に直流電圧を印加するステップと、を有し、前記光が前記被検体に照射された時点からの経過時間情報に基づいて、前記直流電圧、又は、前記電流を前記電圧に変換する際の変換比率のうち少なくとも一方を変化させるステップと、を有することを特徴とする。

被検体内での光の減衰の影響を考慮して容量型の電気機械変換装置を制御するため、前記電気機械変換装置の出力低下の影響を低減することができる。

第１の実施形態に係る測定システムを説明する模式図である。 光の発生と減衰に関して説明する模式図である。 本発明の適用できる電気機械変換装置を説明する模式図である。 変換係数の求め方を説明するための模式図である。 変換係数の求め方を説明するための模式図である。 基準信号発生体を設けた場合の測定システムの模式図である。 第２の実施形態に係る測定システムを説明する模式図である。

光の減衰による電気機械変換装置の出力の低下の影響に対処するために、本発明では、以下の２つの方法のうち、少なくとも一方を用いる。１つ目は、光の減衰に対応して必要とする音響波の受信感度を上げて電気機械変換装置からの出力自体を大きくする。第１の実施形態ではこの形態について説明する。２つ目は、電気機械変換装置からの出力自体は調整せず、光の減衰に対応して、電気機械変換装置から出力された電流を電圧に変換する際の変換比率を上げる。この形態については、第２の実施形態で説明する。このように、どちらの形態であっても、最終的に、画像データを生成するための外部装置に出力される信号が、光の減衰に対応して小さくなる影響を低減できる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。なお、本発明において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含み、被検体に近赤外線等の光（電磁波）を照射して被検体内部で発生する弾性波のことを示す。

（第１の実施形態）
本実施形態は、被検体に光を照射した時点からの経過時間に基づいて、容量型の電気機械変換装置に印加する駆動電圧（直流電圧）を変え、受信感度を変化させることを特徴とする。

図１に本実施形態に適用できる電気機械変換装置の制御装置を含んだ測定システムの模式図を示す。光音響効果を利用した本測定システムは、発光指示信号２０１に基づいて光源１１１から光２０２（パルス光）を発生させることにより、被検体１１２に光２０２を照射する。被検体１１２内では光２０２の照射により測定対象（音響波発生源）から音響波が発生し、この音響波を音響波受信器である電気機械変換装置１０１で受信する。電気機械変換装置１０１は受信した音響波による振動を電気信号（電流）２０４に変換し、電流電圧変換手段１０２に出力する。電流電圧変換手段１０２は入力された電流２０４を電圧２０５に変換し、画像データの生成等を行うための外部装置（不図示）の入力部（例えばＡＤ変換や整相加算処理）に出力する。電流電圧変換手段は、一例としてトランスインピーダンス回路を用いることができる。一方、経過時間情報生成手段１０３は、発光指示信号２０１が持つＯＮ信号（例えばパルスの幅中央の時間を基準）からの経過時間の情報を、経過時間情報２０６として生成し、制御信号生成手段１０４に出力する。制御信号生成手段１０４は、経過時間情報２０６を元にして制御信号２０７を生成し、電気機械変換装置１０１に駆動電圧（直流電圧）を印加する直流電圧印加手段１０５に出力する。本実施形態の電気機械変換装置１０１を制御する制御装置は、少なくとも制御信号生成手段１０４と、直流電圧印加手段１０５と電流電圧変換手段１０２とを有する。経過時間情報生成手段１０３は、制御装置に組み込まれていてもよく、制御装置とは別の装置（光源１１１の駆動制御装置等）に組み込まれていてもよい。ここで、電流電圧変換手段１０２、経過時間情報生成手段１０３、制御信号生成手段１０４、直流電圧印加手段１０５は、ＰＣや組込み用のＣＰＵ、ＦＰＧＡ、アナログ回路などを用いて構成することができる。これらは、専用の制御ＩＣチップに集積することにより、電気機械変換装置１０１に近接して配置することや、一体化して配置することが出来る。

次に、本発明で着目した光２０２の発生と減衰に関して図２を用いて説明する。図２において、図２（ａ）の横軸は時間、縦軸は光源１１１を駆動する駆動信号の大きさであり、図２（ｂ）の横軸は時間、縦軸は光源１１１から発生する光の強さである。また、図２（ｃ）の横軸は被検体内を光が進んだ距離ｘ１、縦軸は光の強さであり、図２（ｄ）の横軸は時間、縦軸は電気機械変換装置１０３からの距離ｘ２である。

発光指示信号２０１は、図２（ａ）に示すように周期的なパルス信号であり、発光指示信号２０１がＯＮの時に光源から光が発生する。光源１１１は、発光指示信号２０１を受け、周期的に発光を行う（図２（ｂ）参照）。光源１１１で発生した光２０２は、被検体１１２に照射される。ここで、図２（ｃ）に示すように、被検体１１２に照射された光は被検体内を進む距離に応じて指数関数的に光の強さが減衰してしまう。本発明では、光が被検体内を進んだ距離ｘ１と、光の強さとの関係を光の減衰関係と呼ぶ。ただし、光は極めて高速に進むため、光源での光の発生と同時に、被検体のどの位置にも光が到達しているとみなすことができる。

一方、光２０２により発生した音響波は被検体内を一定の速度で進むため、電気機械変換装置１０１から音響波発生源までの距離ｘ２に応じて、音響波が電気機械変換装置１０１に到達する時間は変わってくる（図２（ｄ）参照）。そのため、光源１１１が光を発生した時点（光が被検体に照射された時点と同じ時刻）からの経過時間ｔにより、電気機械変換装置１０１からどれだけ離れた位置で発生した音響波かを見分けることができる。つまり、光を照射した時刻からの経過時間ｔ、電気機械変換装置１０１の位置、光２０２の照射位置、被検体１１２の位置等の関係から被検体１１２内での音響波発生源の位置が把握できる。そして、この音響波発生源の位置と光の減衰関係から、経過時間ｔに到達する音響波が、どのくらいの大きさの光を受けて音響波を発生したのかという「光照射からの経過時間と光の減衰との関係」を導き出すことができる。これにより、経過時間ｔの時に、どのくらいの大きさの音響波（すなわち音圧）が電気機械変換装置１０１に到達するのか、つまり、どのくらいの大きさの音響波を受信することが必要なのか、を把握できる。本実施形態では、光の減衰に対応して必要とする電気機械変換装置１０１からの出力自体を大きくして音響波の受信感度を上げる。

ここで、本発明に適用できる電気機械変換装置１０１について図３を用いて説明する。図３は電気機械変換装置１０１の断面及び、直流電圧印加手段１０５及び電流電圧変換手段１０２の模式図である。容量型の電気機械変換装置１０１は、基板５０６上に下部電極５０５が形成され、下部電極５０５と間隙５０４（通常数１０ｎｍ〜９００ｎｍ）を挟んで上部電極５０２が配置されている。本実施形態では、振動膜５０１上に上部電極５０２が形成され、その振動膜５０１は、基板５０６上に形成された支持部５０３により支持されている。本発明においては、このように振動膜５０１と間隙５０４を挟んで対向した２つの電極を１組として、振動する最小単位をセルと呼ぶ。また、複数のセルが並列に電気的に接続された構成を素子と呼ぶ。図３では、２つのセルで１つの素子を形成しているが、本発明はこれに限られるものではなく、１つのセルで１つの素子を形成してもよく、複数のセルを２次元アレイ状に接続しても良い。また素子も任意の数だけ設ければよく、２次元アレイ状に配置しても良い。電気機械変換装置であるＣＭＵＴは、通常、１００〜３０００個程度のセルを１素子（１画素）として、２００〜４０００程度の素子が２次元配列しており、ＣＭＵＴ自体は１〜１０ｃｍ程度のサイズである。

本発明に用いられる上部電極としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉから選択される金属、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ、ＭｏＷ、ＡｌＣｒから選択される合金のうち少なくとも１種を選んで用いることができる。また、上部電極は振動膜の上面、裏面、内部のうち少なくとも一ヶ所に設けるか、もしくは振動膜を導電体又は半導体で形成する場合は振動膜自体が上部電極を兼ねる構造にすることも可能である。また、本発明に用いられる下部電極としては、上部電極と同様の金属を用いることができる。基板がシリコン等の半導体基板を用いている場合、基板が下部電極を兼ねてもよい。

図３では、上部電極５０２は電気機械変換装置１０１内で全て電気的に接続され、複数の上部電極５０２には、直流電圧印加手段１０５が接続されている。直流電圧印加手段１０５は、下部電極５０５との間に所望の電位差が発生するように、所定の直流電圧を上部電極５０２に一様に印加する。そして、振動膜５０１に音響波が入力されると、振動膜５０１が音響波の大きさに対応して、振動する。下部電極５０５には、振動膜５０１の振動により静電誘導が起こり、微小電流が発生する。下部電極５０５に素子毎に接続されている電流電圧変換手段１０２により、その電流値を電圧値に変換して取得することで、音響波の受信信号を電圧値として素子毎に取り出すことができる。本発明においては、電流電圧変換手段１０２が接続される電極を第１の電極とし、直流電圧印加手段１０５が接続される電極を第２の電極とする。つまり、図３では、下部電極５０５が第１の電極、上部電極５０２が第２の電極であるが、電流電圧変換手段１０２を上部電極５０２に繋いで第１の電極とし、直流電圧印加手段１０５を下部電極５０５に繋いで第２の電極としても良い。

次に、光の減衰に対応して必要とする音響波の受信感度を上げる原理を説明する。容量型の電気機械変換装置を駆動させる時には、第１と第２の電極間（上下電極間）には所定の電位差が印加され、電極間に発生する静電引力により、振動膜５０１は基板５０６側に撓んだ状態になる。音響波を受信する場合には、発生する微小電流の大きさは、電極間の距離に反比例し、電極間の電位差に比例する。そのため、電極間の電位差により、振動膜５０１が音響波を受信した時に発生する電流が変化する。具体的には、電極間の電位差を大きくすれば、静電引力が大きくなり、振動膜５０１の撓みが大きくなり、電極間の距離が狭くなる。同じ大きさの音響波を受信した際の同じ振動において、電極間の距離が狭くなるほど、発生する電流は大きくなり、加えて電極間の電位差も大きいので、発生する電流は更に大きくなる。逆に、電極間の電位差を小さくすれば、静電引力が小さくなり、振動膜５０１の撓みが小さくなり、電極間の距離が広くなる。電極間の距離が広くなるほど、同じ大きさの音響波を受信した際の同じ振動において、発生する電流は小さくなり、加えて電極間の電位差も小さいので、発生する電流は更に小さくなる。

本実施形態では、制御信号生成手段１０４が生成する制御信号２０７が直流電圧印加手段１０５に出力される構成となっている。直流電圧印加手段１０５では、入力された制御信号２０７に対応するように、上部電極５０２に印加する直流電圧を変化させる。これにより、上下電極間の電位差を変化させ、光の減衰（光の照射時点からの経過時間）に対応して必要とする音響波の受信感度を変化させることができる。これは、言い換えると、受信した音響波による機械的な振動を電流に変換する比（変換係数）を変化させることを意味する。つまり、制御信号生成手段１０４は、光の照射時点からの経過時間ｔに基づいてこの変換係数を求め、この変換係数に対応する制御信号２０７を生成し、直流電圧印加手段１０５に出力する。これにより、光減衰に伴って生じる電気機械変換装置１０１から出力電流の低下の影響が低減され、最終的に、画像データを生成するための外部装置に出力される信号（図１の電流電圧変換手段１０２から出力される電圧２０５）も、調整される。

（変換係数の求め方）
次に、受信した音響波による機械的な振動を電流に変換する比である変換係数について説明する。変換係数は、光２０２の照射方向と電気機械変換装置１０１との位置関係によって求め方が異なる。まずは、図４を用いて、光２０２の照射方向と電気機械変換装置１０１の受信面が対抗する場合について説明する。

図４において、光源１１１は、被検体１１２に向かって垂直に、光２０２を照射する。電気機械変換装置１０１は、被検体１１２を挟んで、光源１１１と対向する位置に配置されている。ここでは、被検体１１２の厚さＴは一定とし、電気機械変換装置１０１は被検体１１２と間隔がない状態で配置されているとして説明を行う。また、光源１１１から被検体１１２までの間では、光２０２の減衰はないものとする。

光源１１１から発生し、被検体に照射された光２０２は、被検体１１２の深さ方向に進むに従って、指数関数的に光の強さが減衰しながら進む。つまり、被検体１１２内では、光源１１１に近い方が強い光が当たり、遠い方に行くほど光が減衰して弱い光が当たることになる。被検体１１２の光の照射面から深さｄの位置に音響波発生源が存在する場合、音響波発生源に照射される光の強さφは、以下の式で表すことができる。
φ＝Ａ×ｅｘｐ（−μ_ｅｆｆ×ｄ） ・・・式（１）
式（１）において、Ａは光の強さで決まる係数、μｅｆｆは被検体１１２の特性により決まる係数である。ここで、光は非常に速いスピードで被検体１１２内を進むので、光源１１１が発光したのと同じタイミングで、被検体１１２内のどの位置にも光が到着しているとみなすことができる。音響波発生源の物質が同じ性質・大きさのものである場合、照射された光の強さに対応して、光音響効果により発生する音響波の大きさが決まる。つまり、被検体１１２内では、光源１１１に近い方から強い音響波が発生し、遠い方に行くほど弱い音響波が発生することになる。つまり、被検体１１２内の音響波発生源の存在する位置によって、必要な受信感度が大幅に異なる。

光の強さφをある構造の物質（音響波発生源）に照射した時に発生する音響波の大きさをＰとすると、以下の式で表すことができる。
Ｐ＝Ｂ×φ＝Ｂ’×ｅｘｐ（−μ_ｅｆｆ×ｄ） ・・・式（２）
ここで、Ｂとμｅｆｆは、音響波発生源により決まる係数である。一方、光音響効果により発生した音響波は、被検体１１２内部を電気機械変換装置１０１方向に伝播して、電気機械変換装置１０１で受信される。音響波が被検体１１２中を進む速度は光に比べて遅いため、電気機械変換装置１０１では、電気機械変換装置１０１に近い方（光源１１１から遠い方）が先に受信され、電気機械変換装置１０１から遠い方（光源１１１に近い方）が後に受信されることになる。

ここで、電気機械変換装置１０１から音響波発生源までの距離をｘ、音響波が被検体１１２中を進む速度をｖとすると、音響波が電気機械変換装置１０１に到達するまでの時間ｔは、以下の式で表すことができる。
ｔ＝ｘ／ｖ ・・・式（３）
これらのことから、図４の構成では、電気機械変換装置１０１の近くで、弱い光により発生した弱い音響波が先に受信され、電気機械変換装置１０１に対して遠い位置で、強い光により発生した強い音響波が後に受信されることが分かる。よって、このような形態では、光源１１１が発光した直後は、変換係数を大きくして（受信感度を上げて）おき、時間の経過に従って、変換係数を小さくする（受信感度を下げる）ことが特徴である。

また、被検体１１２上の光の照射面から音響波発生源までの深さｄは、電気機械変換装置からの距離ｘと、被検体１１２の厚さＴを用いて、以下の式で表すことができる。
ｄ＝Ｔ−ｘ ・・・式（４）
式（４）に、式（３）を代入すると、以下の式に変形することができる。
ｄ＝Ｔ−ｖ×ｔ ・・・式（５）
被検体１１２上の光の照射面から深さｄの距離にある音響波発生源で発生する音響波の大きさをＰ’とすると、Ｐ’はＰ（光が減衰していない時に発生する音響波の大きさ）を用いて、以下の式で表すことができる。
Ｐ’＝Ｃ×Ｐ／ｘ ・・・式（６）
Ｃは、被検体１１２により決まる係数である。式（６）に、式（２）と式（５）を代入すると、以下の式を得ることができる。

Ｄは、光源の光量と、被検体での光音響効果により決まる係数である。よって、変換係数をＫとすると、Ｋは経過時間ｔを用いて、以下の式で表すことができる。

よって、図４のように、光２０２の照射方向と電気機械変換装置１０１の受信面が対向する場合、式（８）に示される変換係数に基づいて制御信号２０７を生成する。

次に、図５に示すように、光２０２の照射方向と電気機械変換装置１０１の受信面が対向しておらず、被検体１１２上の光の照射面と音響波の受信面を被検体の同じ側面に配置した場合について説明する。

図５において、光２０２は、被検体１１２に対して所定の角度で照射するか、もしくは、電気機械変換装置中の光導波路を介して照射することにより、光を照射する面と音響波の受信面を被検体の同じ側面に配置する。このような構成では、電気機械変換装置１０１の近くで、強い光により発生した強い音響波が先に受信され、電気機械変換装置１０１に対して遠い位置で、弱い光により発生した弱い音響波が後に受信される。よって、本実施形態では、光源１１１が発光した直後は、変換係数を小さくして（受信感度を下げて）おき、時間の経過に従って、変換係数を大きくする（受信感度を上げる）ことが特徴である。

電気機械変換装置１０１と、光源１１１は、同じ側の面に配置されているので、被検体１１２の光照射面から音響波発生源までの深さｄと、音響波発生源から電気機械変換装置までの距離ｘは、同一の数値とすることができる。
ｄ＝ｘ ・・・式（９）
式（９）より、式（３）と式（６）は、以下の式に書き換えることができる。
ｔ＝ｄ／ｖ ・・・式（３’）
Ｐ’＝Ｃ×Ｐ／ｄ ・・・式（６’）
式（２）と式（３’）、式（６’）により、被検体１１２の光の照射面から深さｄの距離にある音響波発生源で発生する音響波の大きさＰ’は、以下の式で表すことができる。

つまり、本実施形態での変換係数Ｋは、経過時間ｔを用いて、以下の式で表すことができる。

よって、図５のように、光を照射する被検体上の面と音響波の受信面を被検体の同じ側面に配置した場合、式（１１）に示される変換係数Ｋに基づいて制御信号を生成することができる。

さらに、光２０２を被検体の両側から照射した場合（不図示）も変換係数Ｋを求めることができる。この場合、Ｋは以下の式（１２）で表すことができる。

Ｄ１、Ｄ２は、光源の光量と、被検体での光音響効果により決まる係数である。

以上、説明したように、光２０２を被検体１１２に照射する面及び電気機械変換装置１０１の配置位置を変えても、被検体１１２に光を照射した時点からの経過時間ｔに基づいて、制御信号生成手段１０４は変換係数（本実施形態においては、受信した音響波による機械的な振動を電流に変換する比）を求めることができる。そして、この変換係数に対応する制御信号２０７を生成し、直流電圧印加手段１０５に出力する。直流電圧印加手段１０５では、入力された制御信号２０７に対応するように、上部電極５０２に印加する直流電圧を変化させる。これにより、上下電極間の電位差を変化させ、光の減衰（光の照射時点からの経過時間）に対応して必要とする音響波の受信感度を変化させることができる。よって、最終的に、画像データを生成するための外部装置に出力される信号２０５（図１の電流電圧変換手段１０２から出力される電圧）が、光の減衰に伴って低下する影響を低減できる。

（経過時間情報の取得）
今までの説明においては、図１に示すように、経過時間情報生成手段１０３は、光源に光の発生を指示する信号である発光指示信号２０１が持つＯＮ信号（パルスの幅中央の時間を基準）から、経過時間情報２０６を取得していた。しかしながら、図６に示すように、電気機械変換装置１０１と被検体１１２との間に、光２０２により所望の音響波４０１を発生させる基準信号発生体３０１を設け、電気機械変換装置１０１でその音響波４０１を受信した時間から経過時間情報２０６を取得してもよい。つまり、基準信号発生体３０１で発生した音響波４０１から、経過時間情報２０６を生成するための基準信号４０２を生成する。

図６において、基準信号発生体３０１は、電気機械変換装置１０１と被検体１１２との間に配置されている。具体的には、被検体１１２の表面や、被検体の一部の形状を一定に保つためのプレート等、電気機械変換装置１０１が配置された面側の被検体１１２の表面近傍に設けると良い。よって、基準信号発生体３０１で発生した音響波４０１は、被検体１１２で発生する音響波２０３に先んじ、電気機械変換装置１０１に到達する。基準信号判定手段３０２では、基準信号発生体３０１で発生した音響波４０１が電気機械変換装置１０１に到達したことを判定し、経過時間情報生成手段１０３に基準信号４０２を出力する。経過時間情報生成手段１０３では、基準信号４０２に基づいて、経過時間情報２０６を生成する。

ここで、基準信号判定手段３０２での判定について説明する。まず、光源１１１の前回の発光から十分時間が経ち、被検体１１２で発生した音響波２０３がすべて電気機械変換装置１０１に到達した後の状態を考える。光源１１１に発光指示信号２０１が入力されると、光源１１１より少しの時間遅れ（遅延）があってから光２０２が出力される。これは、発光指示信号２０１に対して、光源１１１が光２０２を生成するのに、若干の時間が必要になることに由来する。光の速度は非常に速いため、出力された光２０２は、一瞬で基準信号発生体３０１や被検体１１２に照射されるとみなすことができる。

光２０２により発生した音響波は、電気機械変換装置１０１に近い位置で発生したものから受信される。直流電圧印加手段１０５は、音響波の受信状態と非受信状態を切り替えるスイッチを有しており、基準信号発生体３０１で発生した音響波４０１を受信した時には、スイッチが音響波受信状態に切り替わり、音響波４０１に応じた電流２０４を出力する。この後は、音響波発生源の位置に応じて、順次、受信した音響波に対応する電流２０４が出力される手順となる。ここで、基準信号判定手段３０２では、非受信状態から受信状態に切り替わったことで、基準信号発生体３０１で発生した音響波４０１が到達したことを判定し、基準信号４０２を出力する。これにより、光源１１１の発光などにより発生するノイズの影響で直流電圧印加手段１０５が異常動作をすることを防ぐことが出来る。

基準信号発生体３０１で発生した音響波４０１を、経過時間情報生成手段１０３の基準信号４０２に用いることにより、光源１１１の発光までの遅延や、光源１１１と被検体１１２、電気機械変換装置１０１との配置のズレによる音響波の到達時間のズレを補正することができる。

（第２の実施形態）
次に、図７を用いて、第２の実施形態を説明する。第１の実施形態では、光の減衰に対応して電気機械変換装置１０１に印加する駆動電圧（直流電圧）を上げることにより受信感度を上げ、電気機械変換装置１０１が出力する電流２０４自体を大きくする。つまり、第１の実施形態では、光が被検体に照射されてからの経過時間に基づいて電気機械変換装置１０１で受信した音響波による振動を電流に変換する変換係数を変化させる。しかしながら第２の実施形態では、電気機械変換装置自体の感度は変化させず、光の減衰に対応して電気機械変換装置１０１が出力する電流２０４が小さくなっても、電流電圧変換手段１０２で電流から電圧に変換する比率を上げる。つまり、本実施形態は、光照射からの経過時間に基づいて、電流電圧変換手段１０２で電流を電圧に変換する際の変換係数を変化させる。それ以外は、第１の実施形態と同じである。

図７（ａ）に本実施形態に適用できる電気機械変換装置１０１の制御装置を含んだ測定システムの模式図を示す。実施形態１と同様に、光源１１１は発光指示信号２０１に基づいて光２０２（パルス光）を発生させ、光２０２が被検体１１２に照射される。被検体１１２内では光２０２の照射により発生した音響波を電気機械変換装置１０１で受信する。電気機械変換装置１０１は受信した音響波による振動を電流２０４に変換し、電流電圧変換手段１０２に出力する。一方、経過時間情報生成手段１０３は、発光指示信号２０１が持つＯＮ信号（パルスの幅中央の時間を基準）からの経過時間の情報を、経過時間情報２０６として生成し、制御信号生成手段１０４に出力する。ここで、本実施形態では、制御信号生成手段１０４が経過時間情報２０６を元に生成した制御信号２０７を、電流電圧変換手段１０２に出力する。そして、電流電圧変換手段１０２は、電気機械変換装置１０１から入力された電流２０４を、制御信号２０７に基づく変換比率（変換係数）で電圧２０５に変換し、画像データの生成等を行うための外部装置（不図示）に出力する。変換係数は、第１の実施形態の（変換係数の求め方）の説明で示した変換係数Ｋと同様である。つまり、電気機械変換装置１０１と光の照射方向との関係から求めることができる。

図７（ｂ）に本実施形態の電流電圧変換手段１０２であるトランスインピーダンス回路の構成図を示す。７０１はオペアンプ、７０２は可変抵抗、７０３は可変コンデンサ、７０４は抵抗、７０５はコンデンサである。

図７（ｂ）では、オペアンプ７０１は正負電源ＶＤＤ、ＶＳＳに接続されている。まず、容量変化検出時（音響波受信時）の動作を説明する。オペアンプ７０１の反転入力端子（−ＩＮ）は、電気機械変換装置１０１の第１の電極（図３の場合は下部電極５０５）に接続されている。また、オペアンプ７０１の出力端子（ＯＵＴ）は、並列に接続された可変抵抗７０２と可変コンデンサ７０３が反転入力端子（−ＩＮ）に接続されて、出力信号がフィードバックされる構成になっている。オペアンプ７０１の非反転入力端子（＋ＩＮ）は、並列に接続された抵抗７０４とコンデンサ７０５により、グランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。グランド端子（ＧＮＤ）の電圧は、正電源ＶＤＤと負電源ＶＳＳ間の中間電位となっている。

本実施形態では、入力された制御信号２０７に基づいて、可変抵抗７０２と、可変コンデンサ７０３の値を変化させて、電流電圧変換手段１０２が電流を電圧に変換する際の変換比率を変化させることができる。よって、変換係数に基づいて生成された制御信号２０７を、光の減衰による音圧変化の速さに比べて、十分速く電気的に反映することができる。

光照射からの経過時間については、第１の実施形態同様に、発光指示信号２０１から取得してもよいが、基準信号発生体３０１を設け、基準信号発生体からの音響波を受信した時間から経過時間の情報を取得してもよい。

また、本実施形態とは異なり、電流電圧変換手段１０２で変換された電圧が出力される不図示の外部装置に設けられるＡＤ変換器の前のプリアンプ（可変ゲインアンプ：ＶＧＡ）で、ゲインの調整を行うことも考えられる。しかしながら、光音響効果により発生する音響波は周波数帯域が広く、出力される電圧の範囲が広い。そのため、プリアンプの有する最大ゲイン（増幅率）を超える範囲でのゲイン調整機能が必要となる可能性がある。よって、第１の実施形態のように電気機械変換装置１０１から出力される電流２０４を上げる形態や、第２の実施形態のように電流電圧変換手段１０２で電流から電圧に変換する際の変換比率を上げる形態のうち、少なくとも一方を行うことにより、ゲイン調整不要のプリアンプ、または調整する範囲が小さいプリアンプを用いることができる。

１０１ 電気機械変換装置
１０２ 電流電圧変換手段
１０３ 経過時間情報生成手段
１０４ 制御信号生成手段
１０５ 直流電圧印加手段
１１１ 光源
１１２ 被検体
２０１ 発光指示信号
２０２ 光
２０３ 音響波
２０４ 電流
２０５ 電圧
２０６ 経過時間情報
２０７ 制御信号
５０１ 振動膜
５０２ 上部電極
５０３ 支持部
５０４ 間隙
５０５ 下部電極
５０６ 基板

Claims (5)

1. 第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた第２の電極と、を有し、被検体に照射された光により発生する音響波を、前記第２の電極に直流電圧を印加している状態で受信することにより、前記第１の電極から電流を出力する素子を備えた電気機械変換装置を制御する制御装置であって、
   前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換する変換手段と、
   前記第２の電極に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、
   前記光が前記被検体に照射された時点からの経過時間情報に基づいて、前記直流電圧、又は、前記電流を電圧に変換する際の変換比率、のうち少なくとも一方を変化させる制御信号を生成する生成手段と、
   を有することを特徴とする制御装置。
2. 光源に前記光の発生を指示する発光指示信号から、前記経過時間情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記被検体と前記電気機械変換装置との間に設けられた基準信号発生体から発生する音響波を前記電気機械変換装置が受信した時間から、前記経過時間情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
4. 第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた第２の電極と、を有し、光が被検体に照射されることにより発生する音響波を受信する素子を備える電気機械変換装置を制御する制御方法であって、
   前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換するステップと、
   前記第２の電極に直流電圧を印加するステップと、を有し、
   前記光が前記被検体に照射された時点からの経過時間情報に基づいて、前記直流電圧、又は、前記電流を前記電圧に変換する際の変換比率のうち少なくとも一方を変化させるステップと、
   を有することを特徴とする制御方法。
5. 光源と、前記光源から発生する光を被検体に照射することにより発生する音響波を受信するための前記電気機械変換装置と、前記電気機械変換装置を制御するための請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置と、を含む測定システム。

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