JP2014094111A - 複数のデバイス駆動回路を有する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エレメントなどのデバイスの配置の高密度化を行いつつ、デバイスに対する配線間のクロストークを低減することができる探触子などの装置、その駆動方法等を提供する。
【解決手段】２つの電極をそれぞれ持つ複数のデバイス６に対して駆動回路１〜４をそれぞれ有する探触子などの装置である。複数のデバイス６のうちの少なくとも一部のデバイスに対する駆動回路が、それぞれ、デバイスの一方の電極を基準電位５に選択的に接続又は非接続にするためのスイッチ４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波診断装置の超音波探触子に用いられる静電容量型トランスデューサなどの複数のデバイスの駆動回路を有する装置、その駆動方法等に関する。

近年、超音波を使った被検体診断原理の１つに光音響波を用いたものがある。光音響波は、生体内にパルスレーザを照射した際に、レーザ光を吸収した組織が瞬間的に熱膨張することで発生する超音波振動のことである。光音響振動を体表で受信して生体内の情報を得ることができる。超音波振動の受信には、超音波トランスデューサが使用される。超音波トランスデューサの一方式として、静電容量型超音波トランスデューサがある。静電容量型超音波トランスデューサは、キャビティと呼ばれる略真空に維持された空間と、キャビティを挟んで設けられた２つの電極で構成される。

近年の微細加工技術の発展に伴い、その技術を用いて作製された静電容量型超音波トランスデューサ（ＣＭＵT:Ｃａｐａｓｉｔｉｖｅ‐Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ‐Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ‐Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）の開発も盛んとなっている。ＣＭＵＴの一例では、電極のうちの一方はメンブレンと呼ばれる薄膜の上に設けられており、振動可能に支持されていて、他方の電極はトランスデューサの基板上に固定されている。本明細書では、振動可能に支持された電極を振動電極、基板上に固定された電極を固定電極と呼ぶ。静電容量型トランスデューサが超音波振動を受けると、メンブレンが振動し、２つの電極間の距離が変化する。電極間距離の変化によって静電容量が変化する。２つの電極間に電圧を印加しているとき、静電容量の変化が電流信号となる。１つのキャビティと２つの電極からなる静電容量型トランスデューサの構成単位をセルと呼び、複数のセルを電気的に接続した構成単位をエレメントと呼ぶ。

超音波診断装置に用いられる静電容量型トランスデューサでは、複数のエレメントを１Ｄ（１次元）アレイまたは、２Ｄ（２次元）アレイ状に配置するのが通常である。各エレメントには、駆動回路が設けられる。各駆動回路をチャンネルと呼ぶ。前述の静電容量型超音波トランスデューサの駆動技術に関して、特許文献１の提案がある。特許文献１には、送信専用エレメントと受信専用エレメントとの間に１つ以上の停止エレメントを設けること、及び停止エレメントにＧＮＤ（グランド）に接続可能なＳＷ（スイッチ）を設けることが、開示されている。

特開平９−２３８９３９号公報

背景技術で説明した超音波診断装置では、診断画像の高画質化の観点から、超音波トランスデューサからの出力信号が低ノイズであることが望まれる。ノイズの要因の１つに、チャンネル間のクロストークがある。クロストークは、トランスデューサ上で発生するものや、駆動回路の配線間で発生するものがある。超音波診断画像の高分解能化のために、超音波トランスデューサのエレメントサイズの小型化やエレメント配置の高密度が望まれるが、それに伴いエレメントの駆動回路の配線間隔も狭くなる。そのため、より一層クロストークの低減手段が必要となっている。

しかし、特許文献１に開示されているトランスデューサの駆動方法では、停止エレメントを設けることによって、実効的なエレメント密度が低下する可能性がある。こうした課題に鑑み、本発明は、エレメントなどのデバイスの配置の密度を低下させずにデバイスのクロストークを低減させるための駆動回路を備える装置、その駆動方法などを提供することを目的とする。

本発明の装置は、２つの電極をそれぞれ持つ複数のデバイスに対して駆動回路をそれぞれ有する装置である。複数のデバイスのうちの少なくとも一部のデバイスに対する駆動回路が、それぞれ、デバイスの一方の電極を基準電位に選択的に接続又は非接続にするためのスイッチを備える。また、本発明の前記装置の駆動方法は、駆動時において、各瞬間で、少なくとも何れか１つ以上の前記スイッチを基準電位への接続状態とすることを特徴とする。

本発明では、デバイスの一方の電極（例えばエレメントのメンブレン側電極）及びこれに対する駆動回路の配線を、低いインピーダンスで基準電位に接続できる。このとき、この電極及び駆動回路の配線は、他の駆動回路（チャンネル）に対して電磁シールドとして作用するため、他の駆動回路（チャンネル）間のクロストークを低減することができる。また、スイッチを非接続とすることで、このスイッチに対するデバイスは通常に機能するため、適切にスイッチの切り替えを制御すれば、実効的なデバイス密度の低下を抑制することができる。従って、デバイスサイズの小型化やデバイス配置の高密度化を行いつつ、クロストークの低減が可能となる。

本発明の装置の一例の超音波トランスデューサの駆動回路を説明する図。 本発明の装置の一例の超音波トランスデューサの駆動状態を説明する図。 本発明の装置の一例の超音波トランスデューサの構成を説明する図。 本発明の装置の一例の超音波トランスデューサの駆動状態を説明する図。 本発明の装置の一例を用いた超音波診断装置の構成を説明する図。 本発明の装置の一例を用いた超音波診断装置の駆動状態を説明する図。 本発明の装置の一例を用いた超音波診断装置の駆動状態を説明する図。 超音波トランスデューサの基板の構成例を示す斜視図。 容量型超音波トランスデューサの構成例の上面と断面を示す図。

本発明の装置は、複数のデバイスのうちの少なくとも一部のデバイスに対する駆動回路が、それぞれ、デバイスの一方の電極を基準電位に選択的に接続又は非接続にするためのスイッチを備えることを特徴とする。こうした装置における駆動方法は、駆動回路間のクロストークを低減するように、駆動時において、各瞬間で、少なくとも何れか１つ以上の前記スイッチを基準電位への接続状態として、該スイッチに係る駆動回路の配線を電磁シールドとして機能させる。典型的には、全てのデバイスにそれぞれ対する駆動回路の全てにスイッチを設ける。こうした構成において、他のデバイスの電気配線を介在させて隣接する電気配線をそれぞれ有する任意の２つのデバイスに注目したとき、次のような制御ができる。前記他のデバイスと前記２つのデバイスは、一方に対する駆動回路のスイッチが接続のときは他方に対する駆動回路のスイッチが非接続となり、一方に対する駆動回路のスイッチが非接続のときは他方に対する駆動回路のスイッチが接続となるようにする。こうすることで、デバイスサイズの小型化やデバイス配置の高密度化を行った構成においても、クロストークを有効に低減できる。多くのデバイスにそれぞれ対する駆動回路にスイッチを設けておけば、要求に応じて、複数のデバイスを適当な複数のグループに分類し、グループの単位で、種々の態様でスイッチを制御することができる。こうしたグループ分けやスイッチの制御は、制御部にインストールする制御プログラムを適宜変更することで変更可能である。デバイスの例としては、１つのキャビティと２つの電極からなる静電容量型トランスデューサであるセルを複数電気的に接続して構成されたエレメントがある。この場合、実効的にデバイス密度を低下させないで、エレメントによる受信信号間のクロストークを有効に低減でき、精度の良い受信が実現できる。駆動回路の配線同士があまり密に並んでいない配線を持つデバイス（例えばデバイス領域の縁部のデバイスなど）は、常に動作させてもよい場合があるので、こうしたデバイスに対する駆動回路はスイッチを備える必要がないこともある。こうした場合を含む意味で、本発明の装置は、少なくとも一部のデバイスに対する駆動回路（一部のみのデバイスに対する駆動回路の場合もある）が、それぞれ、スイッチを備える。

（実施例）
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の装置の一例である静電容量型超音波トランスデューサの駆動回路を説明する図である。図１において、デバイスであるエレメント６の駆動回路は、オペアンプ１、帰還抵抗２、帰還容量３、スイッチ４、グランド電位５、バイアス電源７を有する。これらは電気配線によって接続されるが、説明のためにそれぞれの電気配線に符号ｐ１〜ｐ４を付す。オペアンプ１の出力端子ｐ１は、駆動回路の出力端子でもある。出力端子ｐ１と負側入力端子ｐ２との間には、帰還抵抗２と帰還容量３とが並列に接続される。オペアンプ１の正側入力端子ｐ３はグランド電位（基準電位）５に接続される。以上により、エレメント６からの電流を電圧に変換する電流電圧変換回路を構成する。端子ｐ３に仮想ショートされた端子ｐ２を入力として、ｐ２に入力される電流Ｉｉｎの入力信号に対して、出力端子ｐ１に電圧Ｖｏを得る。入力電流Ｉｉｎと出力電圧Ｖｏとの関係は、帰還抵抗２の抵抗値Ｒｆを用いて次のように示される。
Ｖｏ＝−Ｒｆ×Ｉｉｎ…（１）
ここで、帰還容量３はオペアンプ１の帰還信号の位相を調整して、ループの安定を確保するために設けられる。

静電容量型超音波トランスデューサは超音波振動を受けて、静電容量が変化する。従ってエレメント６は、可変容量コンデンサと同等である。ここでは、エレメント６の一方の端子ｐ４は、静電容量型トランスデューサの固定電極の端子であり、バイアス電源７に接続される。エレメント６の他方の端子は振動電極であり、端子ｐ２に接続される。端子ｐ２はオペアンプ１によって、グランド電位５に仮想接続される。バイアス電源７は、グランド電位５に対してバイアス電圧Ｖｄｃを発生する。エレメント６の電極間には、バイアス電源７によってＶｄｃのバイアス電圧が印加される。オペアンプ１の負側入力端子ｐ２にはスイッチ４が接続される。スイッチ４を接続状態にすると、端子ｐ２はグランド電位５に接続される。一方、スイッチ４が解放（非接続）状態になると、端子ｐ２はグランド電位５から解放される。スイッチ４は、例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体スイッチ、電磁リレースイッチ等の機械的スイッチで構成できる。

図８は容量型超音波トランスデューサ等の電気機械変換装置の一例の半導体基板１０１を示している。ここでは、基板１０１上に、センサにあたる容量型超音波振動子等のセルを１つないし複数含んで構成されたエレメント２０２が２次元アレイ状に配列され、各エレメントからの配線２０３が基板１０１の縁部に配置された電極端子２０４に接続されている。配線２０３は、隣接する電気機械変換エレメント２０２の間を通っている。基板１０１の縁部に配置された電極端子２０４は、フレキシブル配線基板の配線に接続されて上記駆動回路に接続される。

容量型超音波トランスデューサのセルが複数集まって構成されたエレメントの構成例について説明する。ここでは、図９に示す様に、容量型超音波トランスデューサのエレメント２０２では、基板７０１上の第一電極（固定側の電極）７０２とメンブレン７０７上の第二電極（メンブレン側の電極）７０３とがキャビティ７０４を隔てて対向して設けられている。基板７０１はシリコンウェハを用いることができる。第一電極７０２、第二電極７０３はＴｉ膜を用いることができるが、他の電極材料であっても構わない。第一と第二の電極の間には絶縁膜７０６であるシリコン酸化膜が配置されている。第二電極７０３はメンブレン７０７の上に配置され、配線２０３を介して第二電極７０３の電極パッド（電極端子）７０９に接続される。第一電極７０２は第一電極の電極パッド７０８に接続される。容量型超音波トランスデューサの最小単位であるセルが、第二電極７０３により４個接続されていて、１つのエレメント７０５となっている。勿論、エレメント７０５の構成はこれに限らず、適宜構成することができる。メンブレン７０７としてはシリコン窒化膜などを用いることができる。

次に、スイッチ４の状態と回路動作との関係を説明する。図１と同一構成要素には、同一の番号を付す。図２（ａ）はスイッチ４が解放状態を示す図であり、図２（ｂ）は、スイッチ４が接続状態を示す図である。なお、図２（ｂ）では、説明のために一部の配線を太線で示すが、回路構成は同一である。

図２（ａ）では、エレメント６からの電流Ｖｉｎは帰還抵抗２を流れる。出力端子ｐ１には、上記式（１）に示される電圧Ｖｏが生じる。図２（ｂ）では、エレメント６からの電流Ｖｉｎはスイッチ４を通してグランド電位５に流れる。従って、出力端子ｐ１の電位はゼロになる。また図２（ｂ）内の太線で示した回路は、低いインピーダンスでグランドに接続される。以下では、図２（ａ）の状態を受信状態、図２（ｂ）の状態をグランド接続状態とも呼ぶ。

図３は、本発明を適用した超音波探触子の構成例を説明する図である。同一構成の箇所の説明は省略する。図３の超音波探触子はエレメント６１〜６ＮのＮ個のエレメントで構成される。ここでは、エレメント６１〜６Ｎの一方の端子ｐ４１〜ｐ４Ｎは固定電極であり、ｐ４１〜ｐ４Ｎは互いに接続され、バイアス電源７に接続される。電流電圧変換回路８１〜８Ｎは、図１で説明したトランスインピーダンス回路である。図１の端子ｐ１に対応してｐ１１〜ｐ１Ｎを付す。また、端子ｐ２に対応してｐ２１〜ｐ２Ｎを付す。スイッチ４１〜４Ｎは一端が端子ｐ２１〜ｐ２Ｎに接続され、他端がグランド電位５に接続される。スイッチ４１〜４Ｎは図１のスイッチ４と同等である。フレキシブル基板９は、エレメント６１〜６Ｎの振動電極と電流電圧変換器８１〜８Ｎとを接続する。

図４は、図３の超音波探触子の駆動方法の一例を説明する図である。
まず第１ステップとして、図４（ａ）に示すように、スイッチ４２、４４、…４Ｍ（Ｍは偶数、Ｍ＝Ｎ（Ｎが偶数の場合）、Ｍ＝Ｎ−１（Ｎが奇数の場合））を接続状態とする。このとき端子ｐ２２、ｐ２４、…、ｐ２Ｍとそれらに接続されるフレキシブル基板の配線はグランド電位に接続され、それらに接続されるエレメント６２〜６Ｍは、グランド接続状態となる。他方、スイッチ４１、４３、…４Ｌ（Ｌは奇数、Ｌ＝Ｎ（Ｎが奇数の場合）、Ｌ＝Ｎ−１（Ｎが偶数の場合））は解放状態とする。このとき、エレメント６１、６３、…、６Ｌは受信状態となる。受信状態のエレメント６１、６３、…、６Ｌに対応するフレキシブル基板上の配線は、隣接する配線がグランド電位に固定されるため、クロストークを低減することができる（図４はＮが偶数の場合を示す）。

次に第２ステップとして、図４（ｂ）に示すように、スイッチ４１、４３、…４Ｌ（Ｌは奇数、Ｌ＝Ｎ（Ｎが奇数の場合）、Ｌ＝Ｎ−１（Ｎが偶数の場合））を接続状態とする。同時に、４２、４４、…４Ｍ（Ｍは偶数、Ｍ＝Ｎ（Ｎが偶数の場合）、Ｍ＝Ｎ−１（Ｎが奇数の場合））を解放状態とする。このとき、エレメント６１、６２、…、６Ｎのグランド接続状態と受信状態とが、ステップ１の場合と入れ替わる。

ステップ１及びステップ２を交互に繰り返すことで、エレメント６１、６２、…、６Ｎの受信信号を得ることができる。これにより、実効的なデバイス密度が低下することがない。

（実施例２）
上記実施例１で説明した静電容量型超音波トランスデューサ及び駆動回路は、音響波を用いた被検体情報取得装置に適用することができる。被検体からの音響波を静電容量型超音波トランスデューサで受信し、出力される電気信号を用い、光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報や音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報を取得することができる。

図５は、光音響効果を利用した被検体情報取得装置を示したものである。光源２０１０から発生したパルス状に光は、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学部材２０１２を介して、被検体２０１４に照射される。被検体２０１４の内部にある光吸収体２０１６は、パルス光のエネルギーを吸収し、音響波である光音響波２０１８を発生する。静電容量型超音波トランスデューサ２０２０とそれを収納する筺体２０２２とを備えるプローブは、光音響波２０１８を受信して電気信号に変換し、信号処理部２０２４に出力する。信号処理部２０２４は、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部２０２６へ出力する。データ処理部２０２６は、入力された信号を用いて被検体情報（光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報）を画像データとして取得する。なお、ここでは、信号処理部２０２４とデータ処理部２０２６を含めて、処理部という。表示部２０２８は、データ処理部２０２６から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。勿論、光音響ではなく、被検体に向けて音響波を発信し、被検体からの音響波をエレメントで検出し、変換された信号を信号処理部で処理することで被検体内部の情報を取得することもできる。

次に、信号処理部２０２４に入力される電気信号と処理部の動作例について説明する。図６は超音波トランスデューサのエレメントと駆動回路のスイッチの構造と動作を説明する図である。筺体２０２２の電気回路には、実施例１と同様に、超音波トランスデューサの電極をグランド電位に接続するスイッチ４１〜４９が設けられている。

図６では、静電容量型超音波トランスデューサ２０２０のエレメントの配置を縦３つ横３つの合計９つの場合として説明する。それぞれのエレメントを６１〜６９とする。スイッチ４１〜４９を接続状態にすると、対応する電気回路の信号線がグランド電位に固定されシールドとして機能する。本実施例では、スイッチ４１〜４９を、グループ１及びグループ２の２つのグループに分類する。まずスイッチ４１をグループ１に分類する。次に、スイッチ４１に電気配線で隣接するスイッチ４２をグループ２に分類する。次に、スイッチ４２に電気配線で隣接するスイッチ４３をグループ１に分類する。以下同様に、スイッチ４５、スイッチ４７、スイッチ４９をグループ１に、スイッチ４４、スイッチ４６、スイッチ４８をグループ２に分類する。

図７は、スイッチ４１〜４９の動作を説明する図ある。図７の横軸は時刻であり、それぞれの時刻に対応したグループ１とグループ２のスイッチ４１〜４９の接続状態を示す。本実施例では、グループ１とグループ２に属するスイッチ４１〜４９を交互に接続状態とする。逆に言えば、グループ１とグループ２に属するスイッチ４１〜４９を交互に非接続状態とする。まず、測定ステップ１として、グループ１に属するスイッチ４１、４３、４５、４７、４９を接続状態として、グループ２に属するスイッチを非接続とする。この時、グループ１に属する電気配線をシールドとして、グループ２に属するエレメント６２、６４、６６、６８の超音波信号を測定する。次に、測定ステップ２として、グループ１とグループ２のスイッチ４１〜４９の状態を入れ替えて、エレメント６１、６３、６５、６７、６９の超音波信号を測定する。測定ステップ１と測定ステップ２とを繰り返して、エレメント６１〜６９の超音波信号を測定する。なお、本実施例では、超音波トランスデューサのエレメントの配置を縦３エレメント、横３エレメントの２次元の場合で説明したが、エレメントが多い場合も同様の技術が適用できる。また、エレメントが１次元に複数個配置された、超音波トランスデューサにも適用できる。また、グループも３つ以上に分類することができ、この時は、ステップを３つ以上に分割するとよい。何れにせよ、クロストークを低減しつつ実効的にデバイス密度を低下させない為には、電気配線の隣接するエレメント同士が出来るだけ同時に超音波信号の測定状態にならない様にエレメントをグループ分けし且つ適当な制御フローチャートを実行すればよい。この際、複数のグループの分類は、隣接する電気配線をそれぞれ有する任意の２つのデバイスが異なるグループに属するように分類することが好ましい。

１・・オペアンプ（駆動回路）、２・・帰還抵抗（駆動回路）、３・・帰還容量（駆動回路）、４・・スイッチ、５・・グランド電位（基準電位）、６・・エレメント（デバイス）、７・・バイアス電源（駆動回路）、８１、８２、…８Ｎ・・電流電圧変換器（駆動回路）

Claims (12)

1. ２つの電極をそれぞれ持つ複数のデバイスに対して駆動回路をそれぞれ有する装置であって、
   前記複数のデバイスのうちの少なくとも一部のデバイスに対する駆動回路が、それぞれ、デバイスの一方の電極を基準電位に選択的に接続又は非接続にするためのスイッチを備えることを特徴とする装置。
2. 前記デバイスは、静電容量型トランスデューサであるセルを複数含むエレメントであり、
   前記スイッチは、前記エレメントのメンブレン側または固定側の電極を基準電位に選択的に接続又は非接続にするためのスイッチであり、
   探触子として構成されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記スイッチは半導体スイッチまたは電磁リレーであることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記基準電位はグランド電位であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の装置。
5. 前記スイッチは、前記複数のデバイスの全てに対する駆動回路にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
6. 他のデバイスの電気配線を介在させて隣接する電気配線をそれぞれ有する任意の２つのデバイスに注目したとき、前記他のデバイスと前記２つのデバイスは、一方に対する駆動回路のスイッチが接続のときは他方に対する駆動回路のスイッチが非接続となり、一方に対する駆動回路のスイッチが非接続のときは他方に対する駆動回路のスイッチが接続となるように制御されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の装置の駆動方法であって、
   駆動時において、各瞬間で、少なくとも何れか１つ以上の前記スイッチを基準電位への接続状態とすることを特徴とする駆動方法。
8. 他のデバイスの電気配線を介在させて隣接する電気配線をそれぞれ有する任意の２つのデバイスに注目したとき、前記他のデバイスと前記２つのデバイスは、一方に対する駆動回路のスイッチが接続のときは他方に対する駆動回路のスイッチが非接続となり、一方に対する駆動回路のスイッチが非接続のときは他方に対する駆動回路のスイッチが接続となるように、制御されることを特徴とする請求項７に記載の駆動方法。
9. 前記複数のデバイスを複数のグループに分類し、前記スイッチは、前記グループの単位で、基準電位への接続状態または非接続状態に選択的にもたらされることを特徴とする請求項７または８に記載の駆動方法。
10. 前記複数のグループの分類は、隣接する電気配線をそれぞれ有する任意の２つのデバイスが異なるグループに属するように分類することを特徴とする請求項７から９の何れか１項に記載の駆動方法。
11. 請求項２から６の何れか１項に記載の探触子として構成された装置と、
    前記エレメントから出力される信号を処理する信号処理部と、
    を有し、
    被検体からの音響波を前記エレメントで検出し、変換された信号を前記信号処理部で処理することで被検体内部の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
12. 請求項２から６の何れか１項に記載の探触子として構成された装置と、
    パルス状に光を発生する光源と、
    前記エレメントから出力される信号を処理する信号処理部と、
    を有し、
    前記光源から発せられて被検体にあてられた光によって生じる光音響波を前記エレメントで検出し、変換された信号を前記信号処理部で処理することで被検体内部の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。

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