JP2016123064A - 静電容量型トランスデューサ、プローブ、及び被検体情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスデューサ内で均一ないしばらつきの少ない送受信特性が得られる静電容量型トランスデューサなどを提供する。【解決手段】静電容量型トランスデューサは、電極２０３と、間隙２０５を隔てた電極２０２を含む振動膜２０１と、を備えたセルを有する複数のエレメントを備える。電極２０２は、配線３０１を介して直流電圧印加手段４０１が接続され、直流電圧印加手段４０１により所定の直流電圧が印加されている。電極２０３は、配線３０２を介して駆動検出回路４０２に接続される。同一の駆動検出回路４０２に接続されたセルで構成された送受信用エレメント１０１と、インピーダンス整合手段１１０に配線３２１、３２２を介して接続されたインピーダンス整合用エレメント１０２が、同一基板１００上に設けられ、送受信用エレメント１０１が無い領域での放射インピーダンスが、送受信用エレメント１０１の送受信特性への影響を低減する。【選択図】図１−１

Description

本発明は、静電容量型トランスデューサ、プローブ、及び被検体情報取得装置に関する。特に、音響波の送受信（本明細書では、送信及び受信のうち少なくとも一方を意味する）を行う技術に係る静電容量型トランスデューサ、それを備えたプローブ及び被検体情報取得装置に関する。以下、音響波は音波、超音波、光音響波などを含む用語として用いるが、超音波で代表することもある。

超音波の送受信を行う目的で、静電容量型超音波トランスデューサであるＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が提案されている（非特許文献１参照）。ＣＭＵＴは、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）プロセスを用いて作製されたものである。図１６にＣＭＵＴ（送受信素子）の断面の模式図を示す。ここで、振動膜２０１と間隙（キャビティ）２０５を挟んで対向した第１の電極２０２と第２の電極２０３を、１組としてセル２００と呼ぶ。振動膜２０１は、チップ（基板）１００上に形成された支持部２０４により支持されている。第１の電極２０２には、第１の配線３０１を介して直流電圧発生手段４０１が接続され、直流電圧発生手段４０１により所定の直流電圧Ｖａが印加されている。もう一方の第２の電極２０３は、第２の配線３０２を介して駆動検出回路（送受信回路）４０２に接続され、ＧＮＤ電位付近の固定電位となっている。これにより、第１の電極２０２と第２の電極２０３間との間にＶｂｉａｓ（＝Ｖａ−０［Ｖ］）の電位差を発生させている。Ｖａの値を調整することで、Ｖｂｉａｓの値が、ＣＭＵＴのセルが持つ機械特性により決まる、所望の電位差（数十［Ｖ］から数百［Ｖ］程度）と一致するようになっている。

駆動検出回路４０２により、第２の電極２０３に、交流の駆動電圧を印加することで、第１及び第２の電極間に交流の静電引力が発生し、振動膜２０１を或る周波数で振動させて超音波を送信することができる。また、振動膜２０１が超音波を受け振動することで、第２の電極２０３に静電誘導により微小電流が発生し、駆動検出回路４０２により、その電流値を測定することで、受信信号を取り出すことができる。以上のように、ＣＭＵＴから超音波を送信し、測定対象から戻ってきた超音波を同じＣＭＵＴで受信する（パルスエコー）ことにより、画像を形成する超音波画像形成装置が実現される。

尚、上記説明では、第１の電極２０２を直流電圧発生手段４０１に接続し、第２の電極２０３を駆動検出回路４０２に接続しているが、第１の電極１０２に駆動検出回路４０２を、第２の電極２０３に直流電圧発生手段４０１を接続した構成も同様に用いられる。

A.S. Ergun, Y. Huang, X. Zhuang, O. Oralkan, G.G. Yarahoglu, and B.T. Khuri-Yakub, "Capacitive micromachined ultrasonic transducers: fabrication technology," Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, IEEE Transactions on, vol. 52, no. 12, pp. 2242- 2258, Dec. 2005.

静電容量型トランスデューサの送受信特性は、セルが配置されていない領域の放射インピーダンスの影響を受けて変化することがある。そのため、複数のセルを備える静電容量型トランスデューサの中央部と外周部では、送受信特性が異なり、静電容量型トランスデューサ内での送受信特性が不均一になってしまうことがある。これは、静電容量型トランスデューサ自体の送受信特性を劣化させる原因となる。本発明では、複数のセルを有するトランスデューサ内でばらつきが抑制された送受信特性が得られる静電容量型トランスデューサなどを提供することを目的とする。

本発明の静電容量型トランスデューサは、一方の電極と、前記一方の電極と間隙を隔てて形成された他方の電極を含む振動膜と、を備えたセルを夫々有する複数のエレメントを備え、複数のエレメントは、同一の送受信回路に接続されたセルで構成された第１エレメントと、インピーダンス整合手段に接続されたセルで構成された第２エレメントと、を含むことを特徴とする。

本発明によると、インピーダンス整合用エレメントを備えるので、トランスデューサ内でばらつきの少ない送受信特性が得られる静電容量型トランスデューサなどを実現することができる。

第１の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第１の実施形態に係る静電容量型トランスデューサの回路を説明する図。 第２の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第２の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第３の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第３の実施形態に係る静電容量型トランスデューサの回路を説明する図。 第３の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第３の実施形態に係る静電容量型トランスデューサの回路を説明する図。 第４の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第４の実施形態に係る静電容量型トランスデューサの回路を説明する図。 第５の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第６の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第７の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第７の実施形態に係る静電容量型トランスデューサの回路を説明する図。 第８の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第８の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第９の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第９の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第１０の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第１０の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 貫通配線を有する静電容量型トランスデューサを説明する模式図。 第１１の実施形態に係る超音波プローブを説明する模式図。 第１１の実施形態に係る超音波プローブの回路を説明する図。 第１２の実施形態に係る被検体情報取得装置を説明する模式図。 第１３の実施形態に係る被検体情報取得装置を説明する模式図。 第１４の実施形態に係る被検体情報取得装置を説明する模式図。 静電容量型トランスデューサを説明する模式図。

以下、図を用いて、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態において重要な点は、送受信に用いる第１エレメントの他に、インピーダンス整合手段に接続された第２エレメントを、有していることである。典型的には、同一のチップ上に、更には同一のチップ上の同一面に、有している。この様な構成により、機械的振動と音響波との間の変換効率に係るエレメントの放射インピーダンスの同等化を達成することができる。典型的には、各エレメント内の複数のセルの放射インピーダンスの同等化を通して、複数のエレメントの放射インピーダンスの同等化を達成することができる。つまり、エレメント内の各セルについて、周りの構造を同等にしてその構造パラメータが周りの流体の音響インピーダンスに及ぼす影響が同等になるようにし、更に各セルの構造を同等にして、該音響インピーダンスを折り込んだ放射インピーダンスを同等にする。本発明において、「同等」とは完全に同じの場合だけでなく、無視できる程度の誤差を含んでいる場合も含む。

図１６を用いて、ＣＭＵＴの送受信動作を行うときの特性として説明すると次の様になる。この特性は、セル２００が有する振動膜２０１の放射インピーダンスと、セル２００やエレメントと接する媒質の音響インピーダンスにより決まる。ここで、セルが有する振動膜の放射インピーダンスは、振動膜２０１や第１の電極２０２の持つ機械特性と第１及び第２の電極２０２、２０３間の電界分布特性などに加えて、周囲の流体を介して、当該セルの周辺の振動膜の配置により変化する。つまり、振動膜を含むセルがエレメント内に配置されている場合と、セルがエレメント内に配置されず周りの基板１００の表面（またはその上の絶縁膜、配線等）が媒質に接している場合では、セルの放射インピーダンスが異なる。アレイＣＭＵＴでは複数のエレメントが間隔をもって配置されているため、エレメント内でも中心部と周辺部のセルの振動膜の放射インピーダンスが異なり、エレメント内のセルの場所により、セルの振動膜と媒質間の放射インピーダンス特性が不均一になる。このことは、セルの構造が同じであっても起こり得る。放射インピーダンス特性の不均一性は、エレメント全体の送受信特性が不均一になる原因となり、送受信特性を劣化させる。こうした問題点を解消する本発明の静電容量型トランスデューサは、上記趣旨の考え方に基づき、課題を解決するための手段のところで述べた様な基本的な構成を有する。

以下、図面を用いて、本発明による静電容量型トランスデューサなどの実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明の静電容量型トランスデューサは、以下の実施形態の具体的形態、寸法、材料、要素間の相対位置関係などに限られるものではなく、本発明の上記趣旨の範囲内で種々に変更、変形が可能である。また、構造的に可能であれば、以下の実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する図である。図１−１において、１０１は送受信用エレメント、１０２はインピーダンス整合用エレメント、１１０はインピーダンス整合手段である。本実施形態では、セルを備えたチップ１００上に、送受信を行うための送受信用エレメント１０１と、送受信に寄与しないインピーダンス整合用エレメント１０２の２種類のエレメントを備えていることを特徴とする。送受信用エレメント１０１とインピーダンス整合用エレメント１０２は、同じ構造で同じ寸法のセルにより構成されている。

送受信用エレメント１０１は、直流電圧印加手段４０１と駆動検出回路４０２に接続されており、エレメント毎に超音波の送受信を行うことができる。図１−２は、駆動検出回路４０２の構成を示す。図１−２において、４０２は駆動検出回路、４１１はオペアンプ、４１２は帰還抵抗、４１３は帰還容量、４１４、４１５は高耐圧スイッチ、４１６、４１７はダイオード、４１８は高耐圧ダイオードである。オペアンプ４１１の負帰還部に、帰還抵抗４１２と帰還容量４１３が並列に配置されており、電流電圧変換を行う機能を有している。オペアンプの入力端子と出力端子には、高耐圧スイッチ４１４、４１５と、ダイオード４１６、４１７がそれぞれ接続されている。高耐圧ダイオード４１８は、端子間が所定の電圧（１ボルト弱）以下の場合は、端子間の配線接続が切断される。また、高耐圧スイッチ４１４、４１５は、所定の電圧（数ボルト程度）より高い電圧が印加されると、スイッチの入出力端子間の配線が切断される。

送信のための高電圧パルスが印加されていない時、高耐圧ダイオード４１８の端子間には殆ど電位差がないため、高耐圧ダイオード４１８では、入出力端子間での配線が切断されている状態になっている。一方、高耐圧スイッチ４１４、４１５は、外部から高い電圧が印加されていないので、スイッチの配線が接続されている。そのため、トランスデューサからの微小電流をオペアンプ４１１で電流電圧変換して、外部に接続した装置（不図示）に検出信号３１０を出力することができる。

一方、送信のための高電圧パルス３１０が装置（不図示）側から印加されると、高耐圧ダイオード４１８内部の配線は接続される。これと同時に、高耐圧スイッチ４１４、４１５には、所定の電圧（数ボルト程度）より高い電圧が印加される。そのため、高耐圧スイッチ４１４、４１５は、スイッチ内部の配線を切断する。よって、オペアンプ４１１へ高電圧が印加されてオペアンプが破損することを防ぐことができる。また、オペアンプからの信号出力は、高耐圧スイッチ４１５でカットされるため、送信のために印加した高電圧パルスに影響を与えることがない。従って、第２の配線３０２を介して、トランスデューサの第２の電極２０３に、超音波を送信するための高電圧パルスを印加することができる。

本実施形態に係る音響波プローブによると、光音響波の受信と、超音波の送受信を１つのプローブで行うことができる。そのため、検出したデータを基に光音響イメージング像と超音波イメージング像を形成することができる。また、超音波の送信と、超音波や光音響波の受信に用いる静電容量型トランスデューサとして、１種類のトランスデューサで行うことができるため、チップのサイズを小さくできる。よって、素子間をより近接して配置することができ、素子の数を増やすことができる。あるいは、同じ素子数であれば、より小さな径の半球状多面体構造などのプローブを実現することができる。また、１種類の静電容量型トランスデューサを兼用しているので、光音響イメージング像と超音波イメージング像の位置ズレがより少ない画像を得ることができる。

一方、インピーダンス整合用エレメント１０２は、配線３２１、３２２を介してインピーダンス整合手段１１０に接続されており、超音波の送信と受信は行わない構成となっている。インピーダンス整合手段１１０は、接続したインピーダンス整合用エレメント１０２の放射インピーダンスが、送受信用エレメント１０１の放射インピーダンスと同等になるようにする機能を有している。

本実施形態の構成では、送受信を行う送受信用エレメント１０１が配置されていない領域にも、送受信用エレメント１０１が有する放射インピーダンスと同等の放射インピーダンスを持つインピーダンス整合用エレメント１０２が配置されている。そのため、送受信用エレメント１０１が無い領域での放射インピーダンスが、送受信用エレメント１０１の送受信特性に影響することを低減できる。こうして、本実施形態に係る静電容量型トランスデューサでは、トランスデューサ内で小さいばらつきの送受信特性を得ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、インピーダンス整合手段１１０に関する。それ以外は、第１の実施形態と同じである。図２は、第２の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する図である。図２において、１１１は直流電圧印加手段である。

本実施形態では、インピーダンス整合手段１１０が、間隙２０５を挟んで設けられた第１の電極２０２と第２の電極２０３間に直流電圧を印加していることを特徴とする。具体的には、インピーダンス整合用エレメント１０２において、第２の電極（一方の電極）２０３が基準電位（ＧＮＤ）に接続されており、第１の電極（他方の電極）２０２が直流電圧印加手段１１１に接続されている。インピーダンス整合手段１１０内の直流電圧印加手段１１１は、直流電圧印加手段４０１が発生する直流電圧と同じ電圧を発生させている。

エレメントが持つ放射インピーダンスを決める要素の１つは、セルが有する振動膜２０１の振動特性と振動−容量変換特性である。送受信を行う送受信用エレメント１０１では、第１の電極２０２と第２の電極２０３間に電位差を持ち、電極間に静電引力が働いている。電極間に発生した引力は、振動膜２０１に対してはチップ１００方向に印加されており、振動膜２０１が少しチップ１００側に撓んでいる。その撓み量と電位差により、振動膜２０１の振動特性と振動−容量変換特性が、電極間に電位差が無い時に比べて、変化している。

本実施形態では、送受信用エレメント１０１の電極間に印加されている電位差と同じ電位差がインピーダンス整合用エレメント１０２の電極間に印加されている。従って、インピーダンス整合用エレメント１０２の有する振動膜２０１の振動特性と振動−容量変換特性を、送受信用エレメント１０１のそれらとほぼ一致させることができる。そのため、送受信用エレメント１０１が持つ放射インピーダンスと、インピーダンス整合用エレメント１０２が持つ放射インピーダンスをより近づけることができる。本実施形態によると、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきがより少ない静電容量型トランスデューサを提供することができる。

本実施形態では、送受信用エレメント１０１に接続した直流電圧発生手段４０１と、インピーダンス整合手段１１０の直流電圧発生手段１１１は、別体としたが、これに限らない。図２−２に示すように、送受信用エレメント１０１に接続した直流電圧発生手段４０１により、インピーダンス整合手段１１０の直流電圧発生手段にも同じ直流電圧を印加する構成でも、同様に用いることができる。これにより、より簡易な構成でも、同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、インピーダンス整合手段１１０に関する。それ以外は、第１の実施形態などと同じである。図３は、第３の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する図である。図３−１において、１１２は駆動検出回路（送受信回路）である。本実施形態では、送受信用エレメント１０１とインピーダンス整合用エレメント１０２の面積が、ほぼ同じであるとして説明を行う。

エレメントが持つ放射インピーダンスを決める要素の１つは、電極に接続された駆動検出回路４０２の入力インピーダンスである。特に、駆動検出回路が、高耐圧スイッチを有する場合はスイッチのオン抵抗や、電流電圧変換を行う検出回路の入力インピーダンスなどにより、駆動検出回路の入力インピーダンスが決まる。本実施形態では、図３−１と図３−２で示すように、インピーダンス整合手段１１０が、送受信用エレメント１０１に接続された駆動検出回路４０２と同じ構成の駆動検出回路１１２であることが特徴である。同じ回路構成の駆動検出回路を用いているので、送受信用エレメント１０１が持つ放射インピーダンスと、インピーダンス整合用エレメント１０２が持つ放射インピーダンスを更に近づけることができる。本実施形態によると、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきが更に少ない静電容量型トランスデューサを提供することができる。

本実施形態では、インピーダンス整合用エレメント１０２には駆動検出回路１１２を接続しているが、これに限らない。図３−３と図３−４で示すように、インピーダンス整合用エレメント１０２に検出回路１１３のみを接続する構成を取ることができる。駆動検出回路の入力インピーダンスについて、検出回路での入力インピーダンスが支配的な場合では、同様な効果を得ることができる。このように、より簡易な検出回路１１３を接続する構成でも、同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、インピーダンス整合手段１１０に関する。それ以外は、第１の実施形態などと同じである。図４は、第４の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する図である。図４−１において、１１４はインピーダンス回路である。本実施形態では、送受信用エレメント１０１とインピーダンス整合用エレメント１０２の面積が、ほぼ同じであるとして説明を行う。

本実施形態では、インピーダンス整合手段１１０が、第１の電極２０２と第２の電極２０３間に、インピーダンス回路１１４を備えていることを特徴としている。このインピーダンス回路１１４が有するインピーダンスは、送受信用エレメント１０１と接続された駆動検出回路４０２の入力インピーダンスとほぼ同じインピーダンスとなるように設定されている。具体的には、図４−２で示すように、抵抗４２１やコンデンサ４２２、コイル４２３などの回路部品を組み合わせることで、容易に構成することができる。また、インピーダンスが、超音波の送受信を行う周波数の領域内でほぼ同じになっていれば、本実施形態に用いることができる。

エレメントが持つ放射インピーダンスを決める要素の１つは、電極に接続された駆動検出回路４０２の入力インピーダンスである。特に、駆動検出回路が、高耐圧スイッチを有する場合はスイッチのオン抵抗や、電流電圧変換を行う検出回路の入力インピーダンスなどにより、駆動検出回路４０２の入力インピーダンスが決まる。本実施形態では、インピーダンス回路１１４があるため、インピーダンス整合用エレメント１０２のセル側から見たインピーダンスは、送受信用エレメント１０１のセル側から見たインピーダンスとほぼ一致している。そのため、送受信用エレメント１０１が持つ放射インピーダンスとインピーダンス整合用エレメント１０２が持つ放射インピーダンスをより近づけることができる。

本実施形態によると、簡易な構成で、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきが更に少なくされた静電容量型トランスデューサを提供することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、インピーダンス整合用エレメント１０２の配置に関する。それ以外は、第１の実施形態などと同じである。図５は、第５の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する模式図である。

図５に示す本実施形態では、送受信用エレメント１０１が、インピーダンス整合用エレメント１０２により囲まれていることが特徴である。送受信用エレメント１０１の有する送受信特性は、周囲の放射インピーダンスの違いの影響を受ける。特に、送受信用エレメント１０１の縁に隣接する付近での放射インピーダンスの違いが最も大きく影響する。本実施形態では、送受信用エレメント１０１の周囲は、送受信用エレメント１０１と同じ放射インピーダンスのインピーダンス整合用エレメント１０２で囲まれている。よって、送受信用エレメント１０１の周囲にセルがない構成の場合より、送受信用エレメント１０１の有する送受信特性が劣化する度合いを大幅に低減することができる。

本実施形態によると、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきがより少ない静電容量型トランスデューサを提供することができる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、インピーダンス整合手段１１０に関する。それ以外は、第１の実施形態などと同じである。図６は、第６の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する模式図である。

本実施形態では、１つの駆動検出回路４０２に接続された送受信用エレメント１０１の面積と、１つのインピーダンス整合手段１１０に接続されたインピーダンス整合用エレメント１０２の面積との比に基づき、整合手段１１０のパラメータを設定する。具体的には、送受信用エレメント１０１と整合用エレメント１０２の面積比（Ａｅ：Ａｄ）を次のようにする。即ち、面積比が、駆動検出回路４０２の入力インピーダンスに対する駆動検出回路１１２（検出回路１１３）やインピーダンス回路１１４の入力インピーダンスの比（Ｚｅ：Ｚｄ）と略一致する様に、インピーダンス整合手段１１０のパラメータを設定する。これにより、送受信用エレメント１０１と整合用エレメント１０２の面積が異なっていても、送受信用エレメント１０１と整合用エレメント１０２が有する単位面積当たりの放射インピーダンスを近くすることができる。そのため、両者の面積が異なっていても、送受信用エレメント１０１が持つ放射インピーダンスとインピーダンス整合用エレメント１０２が持つ放射インピーダンスとをより近づけることができる。

本実施形態によると、インピーダンス整合用エレメント１０２への制約が少ない構成で、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきが小さい静電容量型トランスデューサを実現することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、インピーダンス整合用エレメント１０２の配置に関する。それ以外は、第１の実施形態などと同じである。図７は、第７の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する図である。図７−１において、１０３が第１のインピーダンス整合用エレメント、１０４が第２のインピーダンス整合用エレメントである。

本実施形態では、第１のインピーダンス整合用エレメント１０３と第２のインピーダンス整合用エレメント１０４の２種類の整合用エレメントを有していることが特徴である。図７−１で示すように、第１のインピーダンス整合用エレメント１０３と第２のインピーダンス整合用エレメント１０４は、送受信用エレメント１０１の中央部に対して点対称の位置に配置されている。つまり、第１の整合用エレメント１０３と第２の整合用エレメント１０４が、送受信用エレメント１０１の周りに、交互に配置されている。

また、インピーダンス整合手段１１０として、送受信用エレメント１０１に接続された駆動検出回路４０２を用いていることが、もう１つの特徴である。図７−２に示すように、送受信用エレメント１０１に接続された駆動検出回路４０２内には、検出回路４０３を備えている。本実施形態では、第１のインピーダンス整合用エレメント１０３と第２のインピーダンス整合用エレメント１０４は、インピーダンス整合手段１１０としての検出回路４０３に接続されている。具体的には、検出回路４０３には、図７−２で示すように、次の電極が接続されている。即ち、送受信用エレメント１０１に加えて、第１のインピーダンス整合用エレメント１０３の第２の電極２０３と、第２のインピーダンス整合用エレメント１０４の第１の電極２０２（第２の電極２０３とは逆の第１の電極２０２）が接続されている。ここにおいて、同じ検出回路４０３に接続された送受信用エレメント１０１の面積と、第１のインピーダンス整合用エレメント１０３の面積と、第２のインピーダンス整合用エレメント１０４の面積は、ほぼ等しくなるように設定されている。これにより、送受信用エレメント１０１の放射インピーダンスと、第１のインピーダンス整合用エレメント１０３と第２のインピーダンス整合用エレメント１０４がそれぞれ有する放射インピーダンスを、ほぼ一致させることができる。

また、静電容量型トランスデューサは、超音波の受信時に電流を出力するので、接続された電極からの電流を合算して、電流電圧変換し、検出電圧として出力する。そのため、検出回路４０３では、送受信用エレメント１０１と第１のインピーダンス整合用エレメント１０３と第２のインピーダンス整合用エレメント１０４からの電流が合算されて、電流電圧変換される。

本実施形態では、第１のインピーダンス整合用エレメント１０３と第２のインピーダンス整合用エレメント１０４は、図７−１で示したように、点対称の位置に配置されており、図７−２で示したように、互いに逆の電極が検出回路４０３に接続されている。そのため、第１の整合用エレメント１０３と第２の整合用エレメント１０４でそれぞれ受信した超音波による検出信号は打ち消され、検出回路４０３からは受信信号は、送受信用エレメント１０１からの受信信号３１０のみが出力される。また、駆動検出回路４０２は、送受信用エレメント１０１以外には接続されておらず、超音波を送信する時は、送受信用エレメント１０１のみに駆動信号３１０が印加され、送受信用エレメント１０１から選択的に超音波を出力することができる。

本実施形態によると、送受信用エレメント１０１に接続された駆動検出回路４０２をインピーダンス整合手段１１０として用いることができる。よって、インピーダンス整合手段１１０を新規に追加することなく、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきが少ない静電容量型トランスデューサを提供することができる。

尚、本実施形態では、検出回路４０３に接続される電極は、第１のインピーダンス整合用エレメント１０３では第２の電極２０３であり、第２のインピーダンス整合用エレメント１０４では第１の電極２０２であるとして説明したが、これに限らない。検出回路４０３に接続される電極を、第１のインピーダンス整合用エレメント１０３の第１の電極２０２と第２のインピーダンス整合用エレメント１０４の第２の電極２０３とすることもできる。これでも、同様に用いることができ、同様の効果を得ることができる。

（第８の実施形態）
第８の実施形態は、送受信用エレメント１０１の構成に関する。それ以外は、第１の実施形態などと同じである。図８は、第８の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する図である。図８において、２１０は貫通配線である。

本実施形態では、チップ１００上に、単一の駆動検出回路４０２に接続された送受信用エレメント１０１を１つ備えている構成に、本発明を適用している。即ち、インピーダンス整合用エレメント１０２で送受信用エレメント１０１を囲っている。本構成では、送受信用エレメント１０１は、孤立して配置しているため、チップ上の送受信用エレメント１０１を配置している領域と、配置していない領域とで、放射インピーダンスが大きく異なる。そのため、そのままでは、エレメント内で送受信特性のばらつきが非常に大きくなる。本実施形態によると、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきがより少ない静電容量型トランスデューサを提供できるので、チップ１００上に単一の静電容量型トランスデューサを有した構成では、特に高い効果を得ることができる。

本実施形態の別の形態を、図８−２を用いて説明する。別の形態では、図８−２及び図１１で示すように、チップが貫通配線２１０を有しており、静電容量トランスデューサの電極からの配線を、貫通配線２１０を用いてチップ１００の裏面（パッド２１１の部分）に引き出していることが特徴である。別の形態では、貫通配線を有しているので、送受信用エレメント１０１からの配線が、インピーダンス整合用エレメント１０２（１０３、１０４）と交差する必要がない。そのため、送受信用エレメント１０１の周辺に、インピーダンス整合用エレメント１０２（１０３、１０４）を近接して、均一に配置することができる。よって、送受信用エレメント１０１が持つ放射インピーダンスと、インピーダンス整合用エレメント１０２が持つ放射インピーダンスをより近づけることができる。

本実施形態の別の形態によると、チップ上に単一のエレメントを備えたトランスデューサ内で送受信特性のばらつきが極めて少ない静電容量型トランスデューサを提供することができる。

（第９の実施形態）
第９の実施形態は、送受信用エレメント１０１の構成に関する。それ以外は、第１の実施形態などと同じである。図９は、第９の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する模式図である。

本実施形態では、チップ１００上に、駆動検出回路４０２に接続された送受信用エレメント１０１を複数備え、２次元アレイ状に規則正しく配置している構成に、本発明を適用している。図９−１に示すように、複数の送受信用エレメント１０１は、或る間隔をあけて配置されている。本構成では、エレメントの大きさより、複数のエレメント間のピッチが大きくなっている。そのため、送受信用エレメント１０１を配置している領域と、配置していない領域が、或る周期で繰り返し、配置されている。よって、本実施形態を用いることで、エレメントの大きさより、複数の複数のエレメント間のピッチが大きい構成でも、エレメント内で送受信特性のばらつきを小さくできる。本実施形態によると、エレメントの大きさより、複数の複数のエレメント間のピッチが大きい２次元アレイ状に配置した静電容量型トランスデューサについて、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきをより小さくすることができる。

本実施形態の別の形態を、図９−２を用いて説明する。別の形態では、図９−１及び図１１で示すように、チップが貫通配線２１０を有しており、静電容量トランスデューサの電極からの配線を、貫通配線を用いてチップの裏面に引き出している。本形態では、貫通配線２１０を有しているので、複数の送受信用エレメント１０１からの複数の配線が、インピーダンス整合用エレメント１０２（１０３、１０４）を跨ぐ必要がない。そのため、送受信用エレメント１０１の周辺に、インピーダンス整合用エレメント１０２（１０３、１０４）を近接して、均一に配置することができる。よって、送受信用エレメント１０１が持つ放射インピーダンスと、インピーダンス整合用エレメント１０２が持つ放射インピーダンスをより近づけることができる。こうした構成において、図９−２で示すように、２次元に配置した複数の静電容量トランスデューサ間に、インピーダンス整合用エレメント１０２を敷き詰めて配置することが、より望ましい。

本実施形態の別の形態によると、２次元状に配置したトランスデューサ内で送受信特性のばらつきが極めて少ない静電容量型トランスデューサを提供することができる。

（第１０の実施形態）
第１０の実施形態は、送受信用エレメント１０１の構成に関する。それ以外は、第１の実施形態などと同じである。図１０は、第１０の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する模式図である。

本実施形態では、チップ１００上に、駆動検出回路４０２に接続された短冊状の送受信用エレメント１０１を複数備え、１次元アレイ状に近接させて規則正しく配置している構成に、本発明を適用している。即ち、図１０−１で示すように、インピーダンス整合用エレメント１０２で送受信用エレメント１０１を囲っている。複数の送受信用エレメント１０１は、周りの放射インピーダンスの違いの影響を受けて、中央のエレメントと端のエレメントでは、送受信特性が大きく異なる。また、短冊状の長辺方向の中央と端では、周辺の放射インピーダンスが異なり、同様に、送受信特性が大きく異なる。この構成に、本発明を適用することで、複数のエレメントの、場所による送受信特性のばらつきや、エレメントの長辺方向の送受信特性のばらつきを小さくすることができる。本実施形態によると、１次元状に配置した短冊状の静電容量型トランスデューサについて、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきをより小さくすることができる。

本実施形態の別の形態を、図１０−２を用いて説明する。別の形態では、図１０−２及び図１１で示すように、チップが貫通配線２１０を有しており、静電容量トランスデューサの電極からの配線を、貫通配線を用いてチップの裏面に引き出している。別の形態では、貫通配線２１０を有しているので、送受信用エレメント１０１からの配線が、インピーダンス整合用エレメント１０２（１０３、１０４）を跨ぐ必要がない。そのため、送受信用エレメント１０１の周辺に、インピーダンス整合用エレメント１０２（１０３、１０４）を近接して、均一に配置することができる。よって、送受信用エレメント１０１が持つ放射インピーダンスと、インピーダンス整合用エレメント１０２が持つ放射インピーダンスをより近づけることができる。

本実施形態の別の形態によると、１次元アレイ状に配置したトランスデューサ内で送受信特性のばらつきが極めて少ない静電容量型トランスデューサを提供することができる。

（第１１の実施形態）
第１１の実施形態では、送受信用エレメント１０１に接続した回路に関する。それ以外は、第１の実施形態などと同じである。本発明は、超音波の受信のみを行う静電容量型トランスデューサにも、同様に用いることができる。本実施形態では、送受信用エレメント１０１が超音波の受信のみを行う。図１２は、第１１の実施形態に係る超音波トランスデューサを説明する図である。図１２−１と図１２−２で、３１１は受信信号、４０３は検出回路である。本実施形態では、送受信用エレメント１０１には、駆動検出回路４０２の代わりに、検出回路４０３が接続されている。

本実施形態によると、超音波の受信のみを行う場合でも、同様にエレメント内で送受信特性のばらつきが少ない静電容量型トランスデューサを提供することができる。

（第１２の実施形態）
第１から第１０の実施形態で説明した静電容量型トランスデューサは、超音波を送受信する超音波プローブに用いることができる。

図１３は、本実施形態に係る超音波プローブを説明するための模式図である。図１３で、５００は超音波プローブ、５０１は筺体、５０２はケーブル、５０３はコネクタである。本実施形態の超音波プローブ５００は、筺体５０１内に、静電容量型トランスデューサを備えたチップ１００と、静電容量型トランスデューサと接続された駆動検出回路４０２（検出回路４０３）を備えている。ケーブル５０２は、駆動検出回路４０２と接続された配線を備えており、プローブの外部に備えた直流電圧発生手段４０１と電極間を接続する配線を備えている。超音波プローブ５００を接続した側と逆のケーブル５０２の端には、外部の装置（不図示）と接続するためのコネクタ５０３を備えている。筺体５０１内の静電容量型トランスデューサとしては、第１から第１０の実施形態で説明した、インピーダンス整合用エレメント１０２とインピーダンス整合手段１１０を有する静電容量型トランスデューサを用いている。そのため、送受信用エレメント１０１内の送受信特性のばらつきが少ない。

本実施形態の超音波プローブによると、トランスデューサ内で送受信特性のばらつきが少ない静電容量型トランスデューサを用いているので、送受信特性が優れた音響波プローブを提供することができる。

（第１３の実施形態）
第１２の実施形態で説明した超音波プローブは、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。

図１４は、光音響効果を利用した被検体情報取得装置を示した模式図である。図１４において、８００は超音波測定装置、８０１は光源、８０２は測定対象物、８０３は静電容量型トランスデューサ、８０４は画像情報生成装置、８０５は画像表示器である。また、９０３は発光指示信号、９０１は光、９０２は光音響信号による超音波、９０４は光音響信号の超音波受信信号、９０５は再現画像情報である。

本実施形態の超音波測定装置の動作を説明する。まず、発光指示信号９０３に基づいて、光源８０１から光９０１（パルス光）を発生させることにより、測定対象物８０２に光９０１を照射する。測定対象物８０２では光照射により音響波（超音波）９０２が励起され、この超音波９０２を静電容量型トランスデューサ８０３で受信する。受信信号の大きさや形状、時間の情報が超音波受信信号９０４として画像情報生成装置８０４に送られる。一方、光源８０１で発生させた光９０１の大きさや形状、時間の情報（発光情報）が、光音響信号の画像情報生成装置８０４に記憶される。光音響信号の画像情報生成装置８０４では、超音波受信信号９０４と発光情報を基に測定対象物８０２の画像信号を生成して、光音響信号による再現画像情報９０５として出力する。

本実施形態の超音波測定装置８００は、光音響効果を利用した超音波測定を、本発明の静電容量型トランスデューサ８０３により行うことを特徴とする。本発明を用いることで、エレメント内での受信特性のばらつきが小さく、受信特性が均一な静電容量型トランスデューサ８０３を用いることができる。そのため、光音響効果を利用した超音波測定の際、受信特性が優れた信号を取得することができので、良質な画像形成を行うことができる超音波測定装置を提供することができる。

（第１４の実施形態）
第１２の実施形態で説明した超音波プローブは、超音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。図１５は、音響波の反射を利用した超音波エコー診断装置等の被検体情報取得装置を示した模式図である。

本実施形態の超音波測定装置は、光音響効果を利用した超音波測定に加えて、超音波を送受信することでの超音波測定を行うことを特徴とする。本実施形態の静電容量型トランスデューサ８０３は、超音波の送信を行うことが特徴である。それ以外は、第１３の実施形態と同じである。

以下、送信した超音波を用いた超音波測定について説明する。静電容量型トランスデューサ８０３から、測定対象物８０２に向かって超音波９０６が出力（送信）される。測定対象物８０２の表面で、その界面での固有音響インピーダンスの差により、超音波が反射する。反射した超音波９０７は、トランスデューサ８０３で受信され、受信信号の大きさや形状、時間の情報が超音波受信信号９０４として画像情報生成装置８０４に送られる。一方、送信超音波の大きさや形状、時間の情報は超音波送信情報として、画像情報生成装置８０４で記憶される。画像情報生成装置８０４では、超音波受信信号９０４と超音波送信情報を基に測定対象物８０２の画像信号を生成して、再現画像情報９０５として出力する。画像表示器８０５では、超音波送受信による再現画像情報と、光音響信号による再現画像情報の２つの情報を基に、測定対象物８０２を画像として表示する。本超音波測定装置は、複数の受信情報を基にして画像を形成できるため、情報量の多い画像を表示することができる。ここでも、本発明を用いることで、エレメント内での送受信特性のばらつきが小さく、送受信特性が均一な静電容量型トランスデューサ８０３を提供することができる。

以上のように、本発明の静電容量型トランスデューサを用いることで、光音響効果を利用した超音波測定において受信特性が優れ、且つ超音波の送受信特性に優れた特徴を持つ、良質な画像形成を行うことができる超音波測定装置を提供することができる。

上記実施形態において、トランスデューサは、少なくとも被検体からの超音波の受信を行い、信号処理部は、トランスデューサからの超音波受信信号を用いて被検体の情報を取得するようにもできる。ここでは、静電容量型トランスデューサは、被検体に向けて超音波の送信も行ってもよいが、超音波の送信は他のトランスデューサが行うようにしてもよい。また、光音響波の受信を行わないで超音波受信のみを行う形態にもできる。以上のように、音響波プローブは、被検体からの光音響波及び／または超音波を検出し、信号処理部は、音響波プローブで取得された光音響波及び／または超音波の信号から被検体の生体組織像などを構成することができる。

本明細書中では、第２の電極２０３が共通の電位を有している共通電極として説明しているが、この構成に限ったものではなく、第１の電極２０２を共通電極とした構成にも本発明は同様に適用することができる。

１００・・チップ（基板）、１０１・・送受信用エレメント（第１エレメント）、１０２・・インピーダンス整合用エレメント（第２エレメント）、１１０・・インピーダンス整合手段、２０１・・振動膜、２０２・・第１の電極（他方の電極）、２０３・・第２の電極（一方の電極）、２０５・・間隙、４０２・・送受信回路（駆動検出回路）

Claims (20)

1. 一方の電極と、前記一方の電極と間隙を隔てて形成された他方の電極を含む振動膜と、を備えたセルを夫々有する複数のエレメントを備え、複数のエレメントは、同一の送受信回路に接続されたセルで構成された第１エレメントと、インピーダンス整合手段に接続されたセルで構成された第２エレメントと、を含むことを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
2. 前記第１エレメントと前記第２エレメントは、同一のチップ上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
3. 前記第１エレメントと前記第２エレメントは、同一のチップ上の同一面に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型トランスデューサ。
4. 前記インピーダンス整合手段は、直流電圧印加手段であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
5. 前記インピーダンス整合手段は、前記送受信回路が有する検出回路と同じ構造を有することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
6. 前記第１エレメントと前記第２エレメントは、前記送受信回路が有する同一の検出回路に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の静電容量型トランスデューサ。
7. 前記インピーダンス整合手段は、抵抗と容量とコイルの何れか１つ以上を含むインピーダンス回路であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
8. 前記第１エレメントは、前記第２エレメントにより、周囲を囲まれていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
9. 前記インピーダンス整合手段が有するインピーダンスは、前記第１エレメントの１つの面積と前記第２エレメントの１つの面積との比を基に設定されていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
10. 複数の前記第２エレメントが、前記第１エレメントの中心部に対して、点対称になる位置に配置されていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
11. 前記セルを備えたチップ上に、単一の前記第１エレメントを備えていることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
12. 前記セルを備えたチップ上に、複数の前記第１エレメントを２次元アレイ状に配置していることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
13. 前記セルを備えたチップ上に、短冊状の複数の前記第１エレメントを備えていることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
14. 前記セルを備えたチップが、貫通配線を有し、
    前記第１エレメントと前記送受信回路を接続する配線が、前記貫通配線を含み、前記チップ上で前記第２エレメントと交差していないことを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
15. 請求項１から１４の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサを備えていることを特徴とする音響波プローブ。
16. 請求項１５に記載の音響波プローブと、前記音響波プローブで検出された信号を被検体の情報を表す信号に変換するための信号処理部と、を有することを特徴とする被検体情報取得装置。
17. 被検体に光を照射する光源を有し、
    前記音響波プローブは、前記光照射により励起された被検体からの光音響波を検出することを特徴とする請求項１６に記載の被検体情報取得装置。
18. 前記音響波プローブは、被検体からの音響波の受信を行うことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の被検体情報取得装置。
19. 前記音響波プローブは、被検体に向けて音響波の送信を行うことを特徴とする請求項１６から１８の何れか１項に記載の被検体情報取得装置。
20. 前記信号処理部は、前記音響波プローブで検出された信号を被検体の画像信号に変換することを特徴とする請求項１６から１９の何れか１項に記載の被検体情報取得装置。

Images