JP5538831B2 - 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
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Description
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。
前記生成手段は、前記経過時間情報に基づいて求められる前記被検体内における光の減衰に対応して、前記直流電圧を変化させることを特徴とする。
前記直流電圧は、前記経過時間情報に基づいて求められる前記被検体内における光の減衰に対応して変化することを特徴とする。
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。
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。
φ=A×exp(−μeff×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。
P=B×φ=B’×exp(−μeff×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。
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。
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=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。
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。
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。
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 (16)
- 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1及び第2の電極間に電位差が与えられ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及び第2の電極間に電位差を与えるための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、前記直流電圧を変化させる制御信号を生成する生成手段と、
を有し、
前記生成手段は、前記経過時間情報に基づいて求められる前記被検体内における光の減衰に対応して、前記直流電圧を変化させることを特徴とする制御装置。 - 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1及び第2の電極間に電位差が与えられ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、前記変換手段が前記電流を電圧に変換する変換比率を変化させる制御信号を生成する生成手段と、
を有し、
前記生成手段は、前記経過時間情報に基づいて求められる前記被検体内における光の減衰に対応して、前記変換比率を変化させることを特徴とする制御装置。 - 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又は2に記載の制御装置。
- 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又は2に記載の制御装置。
- 前記光の減衰は、前記被検体上の光の照射面からの距離と、照射される光の光量と、に基づいて求められることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の制御装置。
- 前記生成手段は、前記光の減衰に対応して低下する前記電流の低下を低減するように前記直流電圧を変化させることを特徴とする請求項1に記載の制御装置。
- 前記生成手段は、前記光の減衰に対応して低下する前記電流の低下を低減するように前記変換比率を変化させることを特徴とする請求項1に記載の制御装置。
- 前記変換手段は、トランスインピーダンス回路を含み、
前記制御信号により前記トランスインピーダンス回路の可変抵抗と可変コンデンサの値を変化させることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の制御装置。 - 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1及び第2の電極間に電位差を与えるための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、前記直流電圧を変化させるステップと、
を有し、
前記直流電圧は、前記経過時間情報に基づいて、前記被検体内における光の減衰に対応して変化させることを特徴とする制御方法。 - 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、
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、前記電流を電圧に変換する変換比率を変化させるステップと、
を有し、
前記変換比率は、前記経過時間情報に基づいて求められる前記被検体内における光の減衰に対応して変化させることを特徴とする制御方法。 - 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9又は10に記載の制御方法。
- 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9又は10に記載の制御方法。
- 前記光の減衰は、前記被検体上の光の照射面からの距離と、照射される光の光量と、に基づいて求められることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか1項に記載の制御方法。
- 前記光の減衰に対応して低下する前記電流の低下を低減するように前記直流電圧を変化させることを特徴とする請求項9に記載の制御方法。
- 前記光の減衰に対応して低下する前記電流の低下を低減するように前記変換比率を変化させることを特徴とする請求項10に記載の制御方法。
- 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8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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