JP5947511B2 - 電気機械変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波などの弾性波の送受信（本明細書で送受信と言う場合、送信と受信のうちの少なくとも一方を意味する）を行う静電容量型電気機械変換装置などの電気機械変換装置に関する。

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。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１０は、非特許文献１のアレイCMUTの断面模式図である。図１０において、１０１は振動膜、１０２は第１の電極（上部電極）、１０３は支持部、１０４は間隙、１０５は第２の電極（下部電極）、１０６は基板、１０７は絶縁膜である。振動膜１０１上に第１の電極１０２が形成され、振動膜１０１は、基板１０６上に形成された支持部１０３により支持されて基板上に配置されている。基板１０６上には第２の電極１０５が、振動膜１０１上の第１の電極１０２と間隙１０４（通常数十nm〜数百nmの厚さ）を挟んで対向する位置に配置されている。この振動膜１０１と間隙１０４を挟んで対向した第１及び第２の電極を含む構造を１組としてセル２００と呼ぶ。第１及び第２の電極のどちらかは、電気的に接続されて共通の電位を有している。この共通電位を有する電極を共通電極と呼び、ここでは第２の電極１０５が共通電極である構成で説明する。配線１０８により第２の電極（共通電極）１０５は、所望の電位を印加できる電位差設定手段１２１に接続され、対向する第１の電極１０２との間に所定の直流電位差が設定されている。第１及び第２の電極のうち共通電極でない方の電極は、或るセルグループ毎に電気的に接続されて等電位となっている。このセルグループは、弾性波の送受信を行う素子の単位としてエレメント２０１と呼ぶ。以後の説明では、そのセルグループ（エレメント）毎に等電位となっている電極を信号用電極と呼び、ここでは、第１の電極１０２が信号用電極である構成で説明する。各エレメントの第１の電極（信号用電極）１０２は、配線１０９により駆動検出手段１２２に接続されている。基板１０６上には絶縁膜１０７が備えられ、基板１０６と配線が絶縁されているため、異なるエレメントの信号用電極
の配線同士や、共通電極の配線は電気的に絶縁されている。

駆動検出手段１２２を動作させることで、送信動作と受信動作の少なくとも一方を行うことができる。送信動作とは、駆動検出手段１２２が交流電圧を発生させ、第１の電極（信号用電極）に印加して、第１及び第２の電極１０２、１０５間に交流の静電引力を発生させて第１の電極１０２と一体の振動膜１０１を振動させ、外部に弾性波を送信する動作である。一方、受信動作とは、弾性波を受信して振動膜１０１と一体の第１の電極１０２が振動することで、受け取った弾性波の大きさを検出する（受信する）動作である。つまり、振動膜１０１の振動で第１及び第２の電極１０２、１０５間の容量が変化し、第１の電極（信号用電極）に誘導される電荷が変化することで発生する電流の大きさを、駆動検出手段１２２が検出して弾性波の大きさを検出する。

Knight J, McLean J, andDegertekin F L, 2004 "Low temperature fabrication of capacitive micromachinedultrasonic immersion wave transducers on silicon and dielectric substrates"(IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. 51 10 1324-1333)

上記構成において、弾性波の送受信を行う素子単位としてのエレメントは、上記信号用電極が電気的に接続されている領域により決まるため、エレメントの形状は変更できない。一方、弾性波の送受信を行う場合、使用する用途（例えば、異なる対象物の弾性波測定など）によって、エレメントの最適な形状が異なる。そのため、形状が固定されたエレメントを有する電気機械変換装置では、異なる用途に用いるのが容易とは言い難い。

上記課題に鑑みて、本発明の電気機械変換装置は、次の特徴を有する。この装置は、第１の電極と間隙を介して対向して設けられた第２の電極を含む振動膜を夫々有する複数のセルと、駆動検出手段と、電位差設定手段と、切替手段と、を有する。駆動検出手段は、第１及び第２の電極間に交流電位を発生させて振動膜を振動させる送信機能、及び第１及び第２の電極間の容量変化により振動膜の変位を検出する受信機能の少なくとも一方を実行するための第１及び第２の駆動検出手段を含む。複数のセルのうちの複数のセルの第１の電極同士が電気的に接続されて共通の第１の駆動検出手段に接続されてなるセルを１グループとする第１のエレメントが構成されている。また、複数のセルのうちの複数のセルの第２の電極同士が電気的に接続されて共通の第２の駆動検出手段に接続されてなるセルを１グループとする第２のエレメントが構成され、第１及び第２のエレメントの少なくとも一方が複数設けられている。さらに、各セルは、何れかの前記第１のエレメントと何れかの前記第２のエレメントに含まれ、１つの前記第１のエレメントと１つの前記第２のエレメントとの組を如何に選んでも、前記組を成す前記第１のエレメントと前記第２のエレメントとのうちの何れか一方のエレメントにしか含まれないセルがある。そして、電位差設定手段は、第１及び第２の駆動検出手段における夫々の機能実行のための基準電位間に所定の電位差を設定し、切替手段は、送受信動作時に、機能を実行する駆動検出手段を、第１及び第２の駆動検出手段間で切り替える。

本発明の電気機械変換装置によれば、送受信動作を行う際に、駆動検出信号をやり取りする電極を、第１のセルグループ（第１のエレメント）のものと第２のセルグループ（第２のエレメント）のものとの間で切り替えて動作させる手段を有している。そのため、異なる形状のエレメントで選択的に送受信動作を行うことができる。

第１の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第２の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第３の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第４及び第５の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第６及び第７の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第８の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第９の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第１０の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 第１１の実施形態に係る電気機械変換装置を説明する図である。 従来の静電容量型電気機械変換装置を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明で重要な点は、送受信動作を行う際に、駆動検出手段と駆動検出信号をやり取りする電極とを、第１のセルグループ（第１のエレメント）に係るものと第２のセルグループ（第２のエレメント）に係るものとの間で切り替えて装置を動作させることである。この考え方に基づき、本発明の電気機械変換装置は、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、本発明による電気機械変換装置の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のアレイCMUTの断面模式図である。図１において、上述の図１０中の番号と同じ番号は、同じ機能要素を示す。３０１は第１の駆動検出手段、３０２は第２の駆動検出手段である。また、３０３は、第１及び第２の駆動検出手段が夫々機能実行のために有する基準電位間に電位差を設定する電位差設定手段、３０４は、送受信動作時に、動作する駆動検出手段を、第１の駆動検出手段と第２の駆動検出手段との間で切り替える切替手段である。第１の電極同士は、第１のグループ毎に電気的に接続されて等電位となっている。以後、このグループのことを、第１のエレメント２１２と呼ぶ。また、第２の電極同士は、第２のグループ毎に電気的に接続されて等電位となっている。以後、このグループのことを、第２のエレメント２１１と呼ぶ。本実施形態では、第１のエレメント２１２を形成する領域Xにあるセル２００と、第２のエレメント２１１を形成する領域Yにあるセル２００において、片方のエレメントにしか含まれないセルがあることが特徴である。言い換えると、第１のエレメント２１２を配置している領域Xと、第２のエレメント２１１を配置している領域Yにおいて、重ならない部分がある。

第１の電極１０２は、エレメント２１２毎に第１の電極の配線１０９により、基板１０６の外側に引き出され、第１の駆動検出手段３０１に接続されている。第２の電極１０５は、エレメント２１１毎に第２の電極の配線１０８により、基板１０６の外側に引き出され、第２の駆動検出手段３０２に接続されている。そのため、本実施形態の電気機械変換装置は、第１のエレメント２１２と同じ数（図１では３）だけ、第１の駆動手段３０１を備え、第２のエレメント２１１と同じ数（図１では２）だけ、第２の駆動手段３０２を備えている。駆動検出手段３０１、３０２は、夫々、駆動検出信号をやり取りするために接続された各エレメントの電極を、所定の電位を基準として動作させる基準電位V1、V2を有している。複数ある第１の駆動検出手段３０１では、駆動信号を発生させる時や検出信号を出力する時に用いる基準電位V1が、全て同一の電位となっている。そのため、第１の電極１０２の電位は、通常は基準電位V1に固定されている。同様に、複数ある第２の駆動検出手段３０２が有する基準電位V2は、全て同一の電位となっている。そのため、第２の電極１０５の電位は、通常は基準電位V2に固定されている。

第１の駆動検出手段３０１が有する基準電位V1と第２の駆動検出手段３０２が有する基準電位V2は、電位差設定手段３０３により、所定の電位差VBを有するように設定されている。そのため通常時は、第１の電極１０２の電位V1と第２の電極１０５の電位V2は、電位差VBを有している。ＣＭＵＴを動作させる時には、弾性波の送受信の効率を高めるために、２つの電極間には所定の電位差VBが印加され、電極間に発生する静電引力により、振動膜１０１は基板１０６側に撓んだ状態となる。弾性波を送信する場合には、静電引力は距離の二乗に反比例するため、電極間の距離を近づけた方が高効率となる。一方、弾性波を受信する場合には、振動膜の変位による検出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ので、やはり電極間の距離を近づけ、且つ電位差VBを大きくした方が高効率となる。電位差設定手段３０３により、第１及び第２の電極１０２、１０５間に、所定の電位差VBを設定することができ、異なる形状のエレメントで送受信動作をした際にも、送受信効率の良い動作をさせることができる。

第１及び第２の駆動検出手段３０１、３０２は、一方が送受信の駆動検出動作を行っている時は、片方は、これに接続された電極の電位を、駆動検出手段が持つ基準電位に固定する動作を行う。切替手段３０４は、第１及び第２の駆動検出手段３０１、３０２のうちのどちらが送受信動作を行うか決定して、決定した方に切り替えて、送受信動作を行う駆動検出手段は駆動用信号の伝達及び検出信号の取り込みを行う。第１の駆動検出手段３０１が送受信動作を行うように選択された場合は、第１のエレメント毎に、第１の電極１０２について駆動信号の印加或いは誘導電流の検出が行われる。第２の駆動検出手段３０２は駆動検出動作をしておらず（静止）、第１の電極１０２と対向する第２の電極１０５は、全て基準電位V2となっている。こうして、第２の電極１０５は、一様の直流電位を有する共通電極として機能する。そのため、第１のエレメントを１つの単位として、送受信動作を行うことができ、第１のエレメントの形状が、送受信を行う素子の単位となる。

一方、第２の駆動検出手段３０２が駆動検出動作を行うように選択された場合は、第２のエレメント毎に、第２の電極１０５について駆動信号の印加或いは誘導電流の検出が行われる。第２の電極１０５と対向する第１の電極１０２については、第１の駆動検出手段３０１が駆動検出動作をしておらず（静止）、全て基準電位V1となっていて、一様の直流電位を有する共通電極として機能する。そのため、第２のエレメントを１つの単位として、送受信動作を行うことができ、第２のエレメントの形状が、送受信を行う素子の単位となる。

本実施形態では、第１のエレメントと第２のエレメントは、重ならない部分があるように、異なる形状で配置されている。そのため、第１のエレメントを送受信の素子単位とした時と、第２のエレメントを送受信の素子単位とした時との間では、送受信するエレメント形状を変化させられる。このように、切替手段３０４で、第１の駆動検出手段３０１と第２の駆動検出手段３０２との間で、駆動検出動作を行う駆動検出手段を切り替えることで、電極の電気接続を固定したままで、異なる形状のエレメント単位で送受信動作を行うことができる。即ち、本実施形態では、駆動検出信号をやり取りする電極を、第１の電極のグループと第２の電極のグループとの間で切り替える（選択する）だけで、エレメント形状を変えることができる。そのため、駆動検出手段と電極の間の複数の配線をスイッチにより切り替える構成などに比べて、エレメントと配線間の特性変化が少なく、良好な送受信特性を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、図２を用いて第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、第１の駆動検出手段３０１と第２の駆動検出手段３０２の構成に関する。それ以外は、第１の実施形態と同じである。 本実施形態中では、第１の駆動検出手段３０１と第２の駆動検出手段３０２は、駆動検出手段４０１として説明し、この駆動検出手段４０１が持つ基準電位をV3として説明する。また、動作している駆動検出手段に接続されている電極を信号用電極
４０２として、もう一方の電極を共通電極４０３として説明する。

図２(a)は、本実施形態の駆動検出手段４０１を説明する模式図である。駆動検出手段４０１は、弾性波を送受信するために、ＣＭＵＴを駆動する交流電位発生手段４０４と、ＣＭＵＴの容量（誘導電流）変化を検出する電流検出手段４０５と、保護スイッチ４０６とから構成される。弾性波の送信時は、信号用電極４０２に接続された交流電位発生手段４０４により、信号用電極４０２に基準電位V3を基準とした交流の電位が印加される。これにより、信号用電極 ４０２と共通電極４０３との間に交流的な電位差が発生し、振動膜１０１に交流的な静電引力が発生する。この時は、信号用電極 ４０２に接続された保護スイッチ４０６がOFFとなることにより、交流電位発生手段４０４が発生する電位から電流検出手段４０５の入力部を保護する。こうして発生した静電引力により振動膜１０１が振動し、ＣＭＵＴは弾性波の送信を行う。

図２(b)は、交流電位発生手段４０４の一具体例を説明する模式図である。最も簡単には、出力端子（信号用電極 402に繋がった端子）と基準電位V3間と、出力端子と所定の交流電圧電位VP間に、夫々スイッチ４１１、４１２を配置した構成で、交流電位発生手段４０４を実現できる。ここで、交流電圧電位VPは、基準電位V3を基に生成されている。送信時、最初は出力端子と基準電位V3間のスイッチ４１２のみONされており、出力端子が基準電位V3となっている。交流電位を印加する間だけ、出力端子と基準電位V3間のスイッチ４１２をOFFにして、出力端子と所定の交流電圧電位VP間のスイッチ４１１をONにする。所定の時間が経過した後、出力端子と交流電圧電位VP間のスイッチ４１１をOFFにして、出力端子と基準電位V3間のスイッチ４１２をONにして、出力端子を基準電位V3とする。これにより、出力端子に一定の間だけ、交流電圧電位VPを印加することができる。

一方、弾性波の受信時は、交流電位発生手段４０４の出力端子は、ハイ・インピーダンス状態（電位が固定されない状態）になり、信号用電極 ４０２の電位に影響を与えない。ハイ・インピーダンス状態は、出力端子に繋がっているスイッチ４１１、４１２を全てオフ（オープン状態）にすることで容易に作り出せる。他方、保護スイッチ４０６はONされて、信号用電極 ４０２と電流検出手段４０５の入力部が接続された状態になる。この時、外部より印加された弾性波により振動膜１０１が振動すると、信号用電極４０２と共通電極４０３との間で静電容量の変化が起こる。共通電極４０３は或る電位に固定され、電極間には電位差VBが生じているので、信号用電極４０２に発生する誘導電荷により、信号用電極４０２の配線に微小な電流が流れる。電流検出手段４０５でこの微小な電流の変化を検出することで、容量変化を起こした弾性波の大きさを検出できる。この時、信号用電極４０２の電位は、電流検出手段４０５により、ほぼ基準電位V3に固定され、電流のみ取り出す動作を行っている。ここで、信号用電極４０２の電位は、厳密には電流検出動作時に若干変動（最大数十ｍV程度）することはあるが、電極間の電位差VB（数十Ｖから数百Ｖ程度）に比べると非常に小さい値なので、静電引力の変化に対する影響は無視することができる。

図２(c)は、電流検出手段４０５の一具体例を説明する模式図である。オペアンプを用いたトランスインピーダンス回路により、電流検出手段４０５を構成することができる。オペアンプ４２１の出力端子（OUT）については、並列に接続された抵抗４２２とコンデンサ４２３が反転入力端子（−IN）に接続され、その出力信号がフィードバックされる。オペアンプ４２１の非反転入力端子（＋IN）は、並列に接続された抵抗４２４とコンデンサ４２５により、基準電位V3端子に接続されている。オペアンプ４２１に電力を供給する正電源VDD（不図示）と負電源VSS（不図示）は、基準電位端子を基準電位V3に設定している。この構成により、信号用電極４０２に接続された端子の電位を殆ど変化させること無く、入力された電流を出力電圧として取り出すことができる。送受信の駆動検出動作を行っていない（静止している）時は、交流電位発生手段４０４により、信号用電極４０２に基準電位V3が直流電位としてそのまま印加される（スイッチ４１１がOFF、スイッチ４１２がONの状態）。この時、信号用電極４０２に接続された保護スイッチ４０６はOFFとなり、電流検出手段４０５の入力部と信号用電極４０２は接続されていない。

本実施形態の駆動検出手段を用いることで、簡単な構成で送受信の駆動検出動作をさせたり、静止させたりできるので、動作させるエレメントの切替を切替手段により容易に行うことができる。尚、駆動検出動作を行っていない（静止している）時の動作について、交流電位発生手段４０４により直流電位を印加する構成で説明したが、この構成に限らない。交流電位発生手段４０４をハイ・インピーダンス状態とし、保護スイッチ４０６をONとして、電流検出手段４０５により基準電位V3に固定する構成などを取ることもできる。つまり、この構成では、送受信動作時に切替手段により第１の駆動検出手段に切り替えられた場合は、第２の駆動検出手段により、第２の電極を第２の駆動検出手段の基準電位に固定する。更にこれと共に、第１の駆動検出手段により、第１の電極を第１のエレメント毎に、第１の駆動検出手段の送信機能を実行する駆動回路又は受信機能を実行する検出回路に接続する。他方、送受信動作時に切替手段により第２の駆動検出手段に切り替えられた場合は、第１の駆動検出手段により、第１の電極を第１の駆動検出手段の基準電位に固定する。更にこれと共に、第２の駆動検出手段により、第２の電極を第２のエレメント毎に、第２の駆動検出手段の送信機能を実行する駆動回路又は受信機能を実行する検出回路に接続する。

（第３の実施形態）
次に、図３を用いて第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、電位差設定手段３０３に関する。それ以外は、上記実施形態の何れかと同じである。本実施形態の電位差設定手段３０３は、直流電源４３１、駆動制御信号のレベル変換手段４３２、検出信号のレベル変換手段４３３を有していることが特徴である。本発明では、第１の駆動検出手段３０１と第２の駆動検出手段３０２の少なくとも一方は複数あるが、説明を簡略化するため、図３では第１の駆動検出手段３０１と第２の駆動検出手段３０２を１個ずつ示し、これに基づき説明する。

電位差設定手段３０３は、第１の駆動検出手段３０１が有する基準電位V1と第２の駆動検出手段３０２が有する基準電位V2との間に所定の電位差VBを発生させるように動作する必要がある。このために、直流電源４３１の２端子を、第１の駆動検出手段３０１の基準電位端子４４１（基準電位V1）と第２の駆動検出手段３０２の基準電位端子４４２（基準電位 V2）に夫々接続する。これにより、直流電源４３１で発生させる電位差を制御することで容易に電位差VBの設定を実現できる。第１の駆動検出手段３０１は基準電位V1を基に動作し、第２の駆動検出手段３０２は基準電位V2を基に動作するので、それらの端子間（４４１、４４２）に直流の電位を印加するだけで、２つの電極１０２、１０５間に電位差VBを発生させられる。

ここで、説明のため、切替手段３０４が有する基準電位V0がV2である場合を考える。切替手段３０４は、駆動検出手段３０１、３０２へ夫々の駆動信号４５１、４５２を出力し、駆動検出手段３０１、３０２から夫々の検出信号４６１、４６２を取り込む。駆動信号４５１は、駆動制御信号のレベル変換手段４３２により、基準電位をVBだけ高くして、駆動信号４５３に変換（レベルシフト）される。レベルシフトされた駆動信号４５３は、第１の駆動検出手段３０１に、駆動をコントロールする信号として入力される。また、第１の駆動検出手段３０１から出力される検出信号４６１は、検出信号のレベル変換手段４３３により、基準電位をVBだけ低くして、検出信号４６３に変換（レベルシフト）される。

電位差設定手段３０３により、第１及び第２の駆動検出手段３０１、３０２の基準電位を異なるように設定しているため、駆動検出手段がやり取りする信号のレベルが電位差VB分ずれてしまう。この電位差VBは、 数十Ｖから数百Ｖ程度と、通常のデジタルの制御信号やアナログ信号に比べて非常に大きな値である。そのため、どちらかの基準電位V1またはV2（この説明では、V0でもある）を基準電位として切替手段３０４と制御信号や検出信号のやり取りを行う場合、信号のレベルズレが大きくなってやり取りがうまくいかない。本実施形態では、駆動制御信号のレベル変換手段４３２、検出信号のレベル変換手段４３３を有している。そのため、切替手段３０４の基準電位を基にして、駆動制御信号４５３、４５２や検出信号４６３、４６２のやり取りを容易に行うことができる。本実施形態によれば、直流電源と複数のレベルシフト手段を用いることで、異なる基準電位を容易に生成し、入出力信号の外部とのやり取りを円滑に行えるので、動作させるエレメントの切替を切替手段３０４により確実に行うことができる。

（第４の実施形態）
次に、図４(a)を用いて第４の実施形態を説明する。第４の実施形態は、切替手段３０４に関する。それ以外は、第１から第３の実施形態の何れかと同じである。図４(a)は切替手段３０４を説明する模式図である。４７１は第１の信号生成手段、４７２は第２の信号生成手段、４７３は第１の検出信号取得手段、４７４は第２の検出信号取得手段、４８１は駆動制御切替手段、４８２は信号選択手段、４９１は選択信号、４９２は選択検出信号である。切替手段３０４は、外部から入力される選択信号４９１を基に、送受信動作を行う際に駆動検出信号をやり取りする電極を、第１の電極のグループ（第１のエレメントのもの）と第２の電極のグループ（第２のエレメントのもの）との間で切り替える。

まず、第１のエレメントで送受信動作を行う場合を説明する。図４(a)において、第１のエレメントによる動作を選択した選択信号４９１が、切替手段３０４に入力されると、駆動制御切替手段４８１から指令信号４９３、４９４が出される。第１の信号生成手段４７１への指令信号４９３は、 第１の駆動検出手段３０１が送受信動作をするように指示し、第１の信号生成手段４７１において駆動制御信号４５１（４５３、図３参照）を生成する。一方、第２の信号生成手段４７２への指令信号４９４は、 第２の駆動検出手段３０２が静止状態を保つように指示し、第２の信号生成手段４７２において駆動制御信号４５２を生成する。また、第１のエレメントの動作を選択した選択信号４９１を受け取った信号選択手段４８２は、第１の駆動検出手段３０１から出力される検出信号４６３（４６１、図３参照）を選択して、外部に選択検出信号４９２として出力する。一方、第２の駆動検出手段３０２から出力される検出信号４６２は、信号選択手段４８２に入力されるが、外部には出力されない。

同様に、第２のエレメントで送受信動作を行う場合を説明する。第２のエレメントの動作を選択した選択信号４９１が、切替手段３０４に入力されると、駆動制御切替手段４８１から、指令信号４９３、４９４が出される。第１の信号生成手段４７１への指令信号４９３は、第１の駆動検出手段３０１が静止状態を保つように指示し、第１の信号生成手段４５１において駆動制御信号４５１（４５３）を生成する。一方、第２の信号生成手段４７２への指令信号４９４は、
第２の駆動検出手段３０２が送受信動作をするように指示し、第２の信号生成手段４７２において駆動制御信号４５２を生成する。また、第２のエレメントの動作を選択した選択信号４９１を受け取った信号選択手段４８２は、第２の駆動検出手段３０２から出力される検出信号４６２を選択して、外部に選択検出信号４９２として出力する。一方、第１の駆動検出手段３０１から出力される検出信号４６３（４６１）は、信号選択手段４８２に入力されるが、外部には出力されない。

以上のように、本実施形態の切替手段３０４を用いて、駆動検出信号の切替動作を行うことで、送受信動作を行うエレメントを、第１のエレメントと第２のエレメントとの間で切り替えて送受信動作をすることができる。

（第５の実施形態）
次に、図４(b)を用いて第５の実施形態を説明する。第５の実施形態は、切替手段３０４での検出信号の処理に関する。それ以外は、第４の実施形態と同じである。本実施形態は、切替手段３０４が、検出信号の極性反転手段４７５を有していることが特徴である。極性反転手段４７５は、基準電位V2を中心として、検出信号４６３（４６１）の極性を反転させて、極性反転検出信号４６４として出力する。極性反転検出信号４６４は、 第１の駆動検出手段３０１から出力される検出信号４６３（４６１）の代わりに、信号選択手段４８２に入力される。

弾性波で振動膜１０１が同じ振動を行った場合でも、極性反転手段４７５により、第１のエレメントからの検出信号４６３（４６１）と第２のエレメントからの検出信号４６２を、同じ極性に揃えることができる。本発明では、第１のエレメントと第２のエレメントの基準電位間は、所定の電位差VBを有している。ここで、第１のエレメントの電位V1が第２のエレメントの電位V2よりVBだけ高いとする。すると、第２のエレメントを基準として見た時の第１のエレメントの電位は+VB、 第１のエレメントを基準として見た時の第２のエレメントの電位は−VBとなり、極性が逆となる。弾性波を受信する場合は、検出される微小電流は電極間の電位差VBに比例するので、電位差の極性が異なると、極性が反転された検出信号が出力される。本実施形態では、切替手段３０４が極性反転手段４７５を有しているので、第１のエレメントからの出力信号４６１と第２のエレメントからの出力信号４６２の極性を揃えることができる。

尚、本実施形態では、極性反転手段４７５は、切替手段３０４が有しているとして説明したが、これに限らない。極性反転手段４７５は、第１の駆動検出手段３０１または第２の駆動検出手段３０２が有する構成とすることもできる。また、電位差設定手段３０３や、その中の検出信号のレベル変換手段４３３（図３参照）が有する構造とすることもできる。更には、電気機械変換装置と選択信号４９１や選択検出信号４９２をやり取りする手段自体が有する構成としてもよい。

（第６の実施形態）
次に、図５(a)を用いて第６の実施形態を説明する。第６の実施形態は、エレメント形状に関する。それ以外は、第１から第５の実施形態の何れかと同じである。図５(a)は、基板１０６の上面方向から見て第１のエレメントの領域Xと第２のエレメントの領域Y（斜線の領域）を模式的に表した図である。図５(a)では、図面を見やすくするため、Xの領域とYの領域の端を少しずらして示しているが、実際は一致している。

第１のエレメント領域Xは長方形状で１次元に配置されており、第２のエレメントの領域Yは、大きめの長方形状で１次元に配置されている。各エレメントは、例えば、２次元的に配置された複数のセル（夫々間隙を挟んで設けられた第１及び第２の電極を有する）で構成されている。ここで、第１のエレメントの短辺の幅は、第２のエレメントの短辺の幅より狭くなっている。この第１のエレメントと第２のエレメントの間で送受信動作を切り替えることで、異なる幅のエレメントの１次元アレイにより送受信動作を行うことができる。つまり、送受信する弾性波の周波数領域によって、１次元アレイの最適な幅が変わり、本実施形態では、使用する周波数に合わせて、エレメントの幅を切り替えることができる。この様に、本実施形態により、送受信する弾性波の周波数に合わせて、送受信動作する１次元アレイのエレメントの幅を切り替えられる静電容量型電気機械変換装置を提供できる。

（第７の実施形態）
次に、図５(b)を用いて第７の実施形態を説明する。第７の実施形態も、エレメント形状に関する。それ以外は、第１から第５の実施形態の何れかと同じである。図５(b)も、基板１０６の上面方向から見て第１のエレメント領域Xと第２のエレメント領域Y（斜線の領域）を模式的に表した図である。図５(b)でも、図面を見やすくするため、Xの領域とYの領域の端を少しずらして示しているが、実際は一致している。

本実施形態では、複数設けられた第１のエレメント領域Xは長方形状で１次元に配置されており、同じく複数設けられた第２のエレメント領域Yは長方形状で、その長辺方向が領域Xの長辺方向に直交するように１次元に配置されている。この直交している第１のエレメントと第２のエレメントの間で、送受信動作するエレメントを切り替えることで、弾性波を送受信する方向を切り替えて１次元アレイの送受信動作を行うことができる。この様に、本実施形態により、送受信動作する１次元アレイのエレメントのアレイ方向を切り替えることができる静電容量型電気機械変換装置を提供できる。

（第８の実施形態）
次に、図６を用いて第８の実施形態を説明する。第８の実施形態も、エレメント形状に関する。それ以外は、第１から第５の実施形態の何れかと同じである。図６も、基板１０６の上面方向から見て第１のエレメント領域Xと第２のエレメント領域Y（斜線の領域）を模式的に表した図である。図６でも、図面を見やすくするため、Xの領域とYの領域の端を少しずらして示しているが、実際は一致している。

第１のエレメント領域Xは正方形状で２次元に配置されており、第２のエレメント領域Yは長方形状で１次元に配置されている。この第１のエレメントと第２のエレメントの間で、送受信動作するエレメントを切り替えることで、同じ静電容量型電気機械変換装置において、２次元アレイのエレメントと１次元アレイのエレメントとの間で送受信動作を切り替えて行うことができる。この様に、本実施形態により、２次元アレイと１次元アレイとによる送受信動作を切り替えることができる静電容量型電気機械変換装置を提供できる。

（第９の実施形態）
次に、図７を用いて第９の実施形態を説明する。第９の実施形態は、駆動検出手段に関する。それ以外は、第１から第８の実施形態の何れかと同じである。本実施形態の駆動検出手段では、第１の駆動検出手段３０１は受信動作のみを行うことができ、第２の駆動検出手段３０２は送受信動作を行うことができる。

第１のエレメントが動作するように選択された場合は、外部から入力される弾性波を第１のエレメントにより受信する。この際、第１の駆動検出手段３０１は受信動作のみを行うので、その構成要素を減らすことができる。具体的には、第２の実施形態に記載の交流電位発生手段４０４を備える必要が無く、場合によっては保護スイッチ４０６が無い構成を用いることもできる。一方、第２のエレメントで送受信動作を行う際の動作、構成は、他の実施形態と同様である。

また、送受信を行うエレメントの駆動検出手段３０２が有する基準電位を、切替手段３０４の有する基準電位V0と一致させるのが望ましい。そのため、本実施形態では、切替手段３０４の有する基準電位V0を、第２の駆動検出手段３０２の有する基準電位V2と一致させている。これにより、上記電位差設定手段３０３が備えていた駆動制御信号のレベル変換手段４３２の構成を、より簡単な構成にしたり、省いたりすることができる。本実施形態により、片方のエレメントを受信動作のみを行う構成にしたので、より簡単な構成で、より高速な駆動検出信号のやり取りや切替動作を行うことのできる静電容量型電気機械変換装置を提供できる。

（第１０の実施形態）
次に、図８(a)を用いて第１０の実施形態を説明する。第１０の実施形態は、第１から第９の実施形態の何れかに記載の電気機械変換装置を用いた超音波測定装置に関する。図８(a)において、５００は超音波測定装置、５０２は測定対象物、５０３は静電容量型電気機械変換装置、５０４は画像情報生成装置、５０５は画像表示器である。また、５１１、５１２は超音波、５１３は超音波送信情報、５１４は超音波受信信号、５１５は再現画像情報である。

電気機械変換装置５０３から測定対象物５０２に向かって出力された送信信号による超音波５１１は、測定対象物５０２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、反射する。反射した超音波５１２は、電気機械変換装置５０３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５１４として画像情報生成装置５０４に送られる。一方、電気機械変換装置５０３から、送信超音波（すなわち上記送信信号）の大きさや形状、時間の情報が超音波送信情報５１３として、画像情報生成装置５０４に送られている。画像情報生成装置５０４では、超音波受信信号５１４と超音波送信情報５１３を基に測定対象物５０２の画像信号を生成して再現画像情報５１５として送り、画像表示器５０５で表示される。

本実施形態の静電容量型電気機械変換装置５０３には、上記実施形態の何れかに記載したＣＭＵＴが用いられている。これにより、異なる形状のエレメント間で切り替えて送受信動作ができるため、測定対象物５０２に合わせた最適なエレメント形状での送受信動作を行うことができる。よって、測定対象物５０２で反射した超音波５１２のより正確な情報が得られ、測定対象物５０２の画像をより正確に再現できる。尚、本実施形態は、上記の構成に限ったものではなく、図８(b)で示すように、別の超音波送信器（弾性波送信器）５０１と本発明の電気機械変換装置（弾性波受信器）５０３とを組み合わせた構成としてもよい。

（第１１の実施形態）
次に、図９を用いて第１１の実施形態を説明する。第１１の実施形態は、第８及び第９の実施形態に記載の静電容量型電気機械変換装置を用い光音響効果を利用した超音波測定装置に関する。図９において、６００は超音波測定装置、６０２は測定対象物、６０３は静電容量型電気機械変換装置、６０４は光音響信号による第１の画像情報生成装置、６０５は超音波送受信による第２の画像情報生成装置、６０６は画像表示器である。また、６１１は光源、６２１は発光指示信号、６２２は光、６２３は光音響信号による超音波、６２４は光音響信号の超音波受信信号、６２５は光音響信号による再現画像情報である。また、６３１は送信される超音波、６３２は受信される超音波、６３３は超音波送信情報、６３４は超音波送受信による超音波受信信号、６３５は超音波送受信による再現画像情報である。

本実施形態の超音波測定装置６００は、光音響効果を利用した超音波測定と、送信した超音波を用いた超音波測定を同じ電気機械変換装置６０３を用いて行うことが特徴である。第８及び第９の実施形態に記載の電気機械変換装置を用いることで、光音響効果を利用した超音波測定と、送信した超音波を用いた超音波測定と、を切り替えて行うことができる。本実施形態の電気機械変換装置６０３は、第１のエレメントが正方形状で２次元に配置されており、第１の駆動検出手段３０１は受信動作のみを行うことができる、また、第２のエレメントは長方形状で１次元に配置されており、第２の駆動検出手段３０２は送受信動作を行うことができる（図６と図７参照）。

まず、光音響効果を利用した超音波測定について説明する。切替手段３０４により、２次元アレイとして配置された第１のエレメントが検出動作を行うように選択される。発光指示信号６２１に基づいて、光源６１１から光６２２（パルス光）を発生させることにより、測定対象物６０２に光６２２を照射する。測定対象物６０２では光６２２の照射により音響波（超音波）６２３が発生し、この超音波６２３を２次元アレイのエレメントを持つ電気機械変換装置６０３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６２４として画像情報生成装置６０４に送られる。一方、光源６１１で発生させた光６２２の大きさや形状、時間の情報を有する発光指示信号６２１
が、光音響信号の画像情報生成装置６０４に入力される。光音響信号の画像情報生成装置６０４では、超音波受信信号６２４と発光指示信号６２１を基に測定対象物５０２の画像信号を生成して、光音響信号による再現画像情報６２５として出力する。

次に、送信した超音波を用いた超音波測定について説明する。切替手段３０４により、１次元アレイとして配置された第２のエレメントが送受信動作を行うように選択される。電気機械変換装置６０３から、測定対象物６０２に向かって超音波６３１が出力（送信）される。測定対象物６０２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６３２は、電気機械変換装置６０３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６３４として画像情報生成装置６０５に送られる。一方、電気機械変換装置６０３から、送信超音波の大きさや形状、時間の情報が超音波送信情報６３３として、超音波送受信による画像情報生成装置６０５に送られている。画像情報生成装置６０５では、超音波受信信号６３４と超音波送信情報６３３を基に測定対象物６０２の画像信号を生成して、超音波送受信による再現画像情報６３５として出力する。画像表示器６０５では、上記入力された光音響信号による再現画像情報６２５と、超音波送受信による再現画像情報６３５を基に、測定対象物６０２を画像として表示する。

本実施形態の超音波測定装置６０３は、異なる形状のエレメントの間で切り替えて送受信動作を行うことができる電気機械変換装置６０３を用いている。そのため、光音響効果を利用した超音波測定と、送信した超音波を用いた超音波測定と、を同じ電気機械変換装置６０３を用いて行うことができる。よって、測定対象物６０２に対する超音波測定を、複数の方法で、共通に用いる電気機械変換装置６０３と測定対象物６０２との位置関係を変えずに行うことができる。そのため、測定対象物６０２について、より詳細な情報を得ることができ、画像をより正確に再現できる。

１０１・・振動膜、１０２・・第１の電極（上部電極）、１０４・・間隙、１０５・・第２の電極（下部電極）、３０１・・第１の駆動検出手段、３０２・・第２の駆動検出手段、３０３・・電位差設定手段、３０４・・切替手段

Claims (7)

1. 第１の電極と間隙を介して対向して設けられた第２の電極を含む振動膜を夫々有する複数のセルと、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に交流電位を発生させて前記振動膜を振動させる送信機能、及び前記第１の電極と前記第２の電極との間の容量変化により前記振動膜の変位を検出する受信機能の少なくとも一方を実行するための、第１及び第２の駆動検出手段を含む駆動検出手段と、
   電位差設定手段と、
   切替手段と、
   を備えた電気機械変換装置であって、
   前記複数のセルのうちの複数のセルの前記第１の電極同士が電気的に接続されて共通の前記第１の駆動検出手段に接続されてなるセルを１グループとする第１のエレメント、及び前記複数のセルのうちの複数のセルの前記第２の電極同士が電気的に接続されて共通の前記第２の駆動検出手段に接続されてなるセルを１グループとする第２のエレメントが夫々構成され、前記第１及び第２のエレメントの少なくとも一方が複数設けられ、
   各セルは、何れかの前記第１のエレメントと何れかの前記第２のエレメントに含まれ、
   １つの前記第１のエレメントと１つの前記第２のエレメントとの組を如何に選んでも、前記組を成す前記第１のエレメントと前記第２のエレメントとのうちの何れか一方のエレメントにしか含まれないセルがあり、
   前記電位差設定手段は、前記第１の駆動検出手段における機能実行のための基準電位と前記第２の駆動検出手段における機能実行のための基準電位との間に所定の電位差を設定し、
   前記切替手段は、送受信動作時に、機能を実行する駆動検出手段を、前記第１の駆動検出手段と前記第２の駆動検出手段との間で切り替えることを特徴とする電気機械変換装置。
2. 送受信動作時に前記切替手段により前記第１の駆動検出手段に切り替えられた場合は、前記第２の駆動検出手段により、前記第２の電極を前記第２の駆動検出手段の基準電位に固定すると共に、前記第１の駆動検出手段により、前記第１の電極を第１のエレメント毎に、前記第１の駆動検出手段の送信機能を実行する駆動回路又は受信機能を実行する検出回路に接続し、
   送受信動作時に前記切替手段により前記第２の駆動検出手段に切り替えられた場合は、前記第１の駆動検出手段により、前記第１の電極を前記第１の駆動検出手段の基準電位に固定すると共に、前記第２の駆動検出手段により、前記第２の電極を第２のエレメント毎に、前記第２の駆動検出手段の送信機能を実行する駆動回路又は受信機能を実行する検出回路に接続することを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換装置。
3. 前記第１及び第２のエレメントは、夫々、長方形状の領域を有し、
   前記第１のエレメントの領域の短辺の長さと前記第２のエレメントの領域の短辺の長さが、異なっていることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械変換装置。
4. 前記第１及び第２のエレメントは、夫々、長方形状の領域を有し、
   前記第１のエレメントの領域の長辺方向と前記第２のエレメントの領域の長辺方向が、互いに直交するように配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気機械変換装置。
5. 送信信号による測定対象物への弾性波の送信と測定対象物からの弾性波の信号の受信の少なくとも一方を行う請求項１から４の何れか１項に記載の電気機械変換装置と、
   前記電気機械変換装置からの送信信号と受信信号の少なくとも一方を用いて測定対象物の画像情報を生成する画像情報生成装置と、
   を有することを特徴とする測定装置。
6. 送信信号による測定対象物への弾性波の送信と測定対象物からの弾性波の信号の受信の少なくとも一方を行う請求項１から４の何れか１項に記載の電気機械変換装置と、
   測定対象物に照射された光により発生する音響波を前記電気機械変換装置により受信して得た受信信号を用いて測定対象物の画像情報を生成する第１の画像情報生成装置と、
   前記電気機械変換装置により弾性波を当てられた測定対象物からの弾性波を前記電気機械変換装置により受信して得た受信信号を用いて測定対象物の画像情報を生成する第２の画像情報生成装置と、
   を有することを特徴とする測定装置。
7. 前記第１の画像情報生成装置は、前記切替手段により、機能を実行する駆動検出手段が、前記第１の駆動検出手段と前記第２の駆動検出手段の一方に切り替えられた前記電気機械変換装置により受信して得た受信信号を用いて測定対象物の画像情報を生成し、
   前記第２の画像情報生成装置は、前記切替手段により、機能を実行する駆動検出手段が、前記第１の駆動検出手段と前記第２の駆動検出手段の他方に切り替えられた前記電気機械変換装置により受信して得た受信信号を用いて測定対象物の画像情報を生成することを特徴とする請求項６に記載の測定装置。

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