JP6234073B2 - 静電容量型トランスデューサの駆動装置、及び被検体情報取得装置 - Google Patents

Description

本発明は、音響波の送受信（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）を行う静電容量型のトランスデューサの駆動装置、それを用いた超音波画像形成装置などの被検体の情報取得装置等に関する。尚、本明細書において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含む。例えば、被検体内部に可視光線や赤外線等の光（電磁波）を照射して被検体内部で発生する光音響波を含む。以下では、多くの場合、音響波を超音波で代表する。

超音波の送受信を行う目的で、静電容量型の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１２にＣＭＵＴ（送受信素子）の断面の模式図を示す。ここで、間隙１０５を挟んで対向した第１の電極１０２と第２の電極１０３と振動膜１０１を、１組としてセルと呼ぶ。振動膜１０１は、基板１１０上の支持部１０４により支持されている。第１の電極１０２には、直流電圧印加手段２０１が接続され、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１０３は、送受信回路２０２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の電極と第２の電極１０３間との間にVbias（=Va-0V）の電位差を発生させている。Vaの値の調整で、Vbiasの値が、セルの機械特性で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。この構成では、送受信回路２０２で第２の電極１０３に交流の駆動電圧を印加することで、第１と第２の電極間に交流の静電引力が発生し、振動膜１０１の或る周波数の振動により超音波を送信することができる。また、超音波を受けて振動膜１０１が振動することで、静電誘導により第２の電極１０３に微小電流が発生する。その電流値を送受信回路によって測定することで、受信信号を取り出すことができる。

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

ＣＭＵＴの送受信特性は、第１の電極と第２の電極間の電位差から大きな影響を受ける。ＣＭＵＴを構成する電極や振動膜、間隙の寸法、物性値により機械特性はセル毎に微妙に異なるため、電極間の電位差の所望の値（最適値）は、接続するセルにより異なる。しかし、第１の電極に印加する直流電圧を調整して第２の電極との電位差を調整するには、複雑で実装面積の大きな回路が必要になる。具体的には、直流電圧印加手段が発生する高電圧を可変にするために、電圧可変のDC-DCコンバータ、または一定の高電圧から降下電圧を調整する回路などを、高耐圧の大きな部品を用いて実現する必要がある。本発明は、簡単な構成でセルの電極間の電位差を調整することができる静電容量型のトランスデューサの駆動装置等を提供することを目的とする。

本発明の静電容量型のトランスデューサの駆動装置は、次の特徴を有する。
振動膜に含まれる第１の電極、及び該第１の電極と間隙を介して対向して設けられた第２の電極を有するセルを備える静電容量型のトランスデューサの駆動装置であって、
前記セルの前記第１の電極と前記第２の電極の一方の電極と電気的に接続される第１の直流電圧印加手段と、前記セルの前記第１の電極と前記第２の電極の他方の電極と電気的に接続される第２の直流電圧印加手段とを備え、
前記第２の直流電圧印加手段は、前記第１の直流電圧印加手段が前記一方の電極に印加する直流電圧より小さく、音響波の受信及び送信の動作で共通して用いられる直流電圧を前記他方の電極に印加し、
前記第２の直流電圧印加手段が印加する前記直流電圧は変化させることができる。

本発明によれば、簡単な構成で、セルの電極間に印加される電位差を調整することができる静電容量型のトランスデューサの駆動装置などを提供できる。

第１の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第２の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第２の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第３の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第３と第４の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第４の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第５の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第６の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第７の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第８の実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの駆動装置を説明する図。 第９の実施形態に係る被検体の情報取得装置を説明する図。 従来の静電容量型のトランスデューサを説明する図。

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、セル内の第１の電極と第２の電極の一方に高電圧Vhを印加し、第１の電極と第２の電極の他方側にVhより低い電圧Vlを印加する構成とし、他方側に印加する低い電圧Vlを変化させることで電極間の電位差を調整することである。

以下、図面を用いて、本発明による静電容量型のトランスデューサ、その駆動方法、及び超音波画像形成装置などの情報取得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、本発明の静電容量型のトランスデューサの駆動装置に係る第１の実施形態を説明する図である。図１において、２０１は第１の直流電圧印加手段（以下、第１印加手段）、２０３は第２の直流電圧印加手段（以下、第２印加手段）である。第１印加手段２０１は、高い電圧Vh（数十Vから数百V程度）を印加することができる。第１印加手段２０１は、第１の電極１０２に接続されており、第１の電極に高い電圧Vhを印加することができる。第１の電極１０２は振動膜１０１上、又は内、又は下に設けられたり、振動膜自体が電極の役割をしたりする。つまり、第１の電極１０２は振動膜１０１に含まれて、共に振動する。第２印加手段２０３は、Vhより低い電圧Vl（数Vから数十V）を印加でき、このVlの値を変化させることができる。第２印加手段２０３は、第１の電極１０２と間隙１０５を介して対向して設けられた第２の電極１０３に接続されており、可変電圧Vlを第２の電極に印加することができる。こうした構成では、ＣＭＵＴの電極間に、第１の電極への印加電圧Vhと第２の電極への可変印加電圧Vlの電位差（Vh-Vl）が印加される。第２印加手段２０３は、この電位差が所望の値になるように、印加する低電圧Vlの値を変化させる。これにより、可変の低電圧印加手段により、電極間の電位差を変化させられる。

本発明では、固定値の高電圧印加を第１印加手段が行い、電極間の電位の調整は、第２印加手段が低い電圧を可変にして行い、最終的に、電極間の高い電位差を調整することが主旨である。低い電圧の可変電圧印加手段は、高電圧の可変電圧印加手段に比べて、簡単な構成で、且つ小型に実現することができる。具体的には、第２印加手段２０３は、低電圧の電源からの所定電圧を降圧させる一般的な回路構成で、容易に実現することができる。例として、ドロッパー回路（抵抗または非飽和動作させたトランジスタなどの電圧降下を利用する回路）やチョッパー回路（スイッチング回路とインダクタやコンデンサによる平滑回路を組み合わせて降圧を行う回路））などを利用できる。本発明によると、一方の電極に印加する高電圧を変化させることなく、電極間の電位差を調節することができる。そのため、簡単な構成で静電容量型のトランスデューサを提供することができる。このトランスデューサは、送信電圧信号により振動膜を振動させることによる音響波の送信機能、及び音響波を受けて第１の電極が振動することで得られる受信電流信号による音響波の受信機能の少なくとも一方を実行することができる。

尚、図面では、空隙ないし間隙１０５の上側にある第１の電極１０２に高い電圧を印加し、間隙１０５の下側に配置された第２の電極１０３に低い電圧を印加しているが、本発明はこの形態に限らない。間隙１０５の上側の第１の電極１０２に低い電圧を印加し、間隙１０５の下側に配置した第２の電極１０３に高い電圧を印加する構成でも、同様に用いることができる。また、トランスデューサを備えるプローブ２００は、図１（ｂ）のようにトランスデューサのみを含む形態にしてもよいし、図１（ｃ）のようにトランスデューサ以外に他と要素（第２印加手段２０３など）を含む形態などにしてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第２の電極１０３と第２印加手段２０３間の接続方法が異なる。それ以外は、第１の実施形態と同じである。本実施形態は、第２印加手段２０３が送受信回路を介して第２の電極１０３に接続されていることが特徴である。以下、詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの模式図である。図２において、２０２は送受信回路である。

送受信回路２０２は、第２印加手段２０３と第２の電極１０３とに接続されている。送受信回路２０２は、第２印加手段２０３から低い電圧V1を入力され、同じ電圧V1を第２の電極１０３に印加する。送受信回路２０２は、直流の電圧V1を印加したまま第２の電極１０３に交流の駆動電圧を印加することができる機能や、第２の電極１０３に発生した微小電流を測定して受信信号を取り出すことができる機能を有している。これにより、送受信回路２０２により送受信動作を行いながら、他方の電極に印加する高電圧を変化させることなく、対向電極間の電位差を調節できる。

第２電極１０３は、異なる組において、それぞれ、複数のセル１００（対向した第１の電極１０２と第２の電極１０３を１組とした単位）同士で電気的に接続することができる。図３に示すように、この第２電極１０３が電気的に接続された複数のセル１００の集合体を１つの単位として、エレメント１１１、１１２と呼ぶ。送受信回路２０２は、エレメント毎に備えられており、エレメント１１１、１１２内の第２の電極１０３は、エレメント毎に異なる送受信回路２０２に接続されている。そのため、静電容量型のトランスデューサは、エレメント毎に独立して異なる送受信動作を行うことができ、エレメントは送受信動作の単位となっている。

図３は、エレメント１１１、１１２に接続された送受信回路２０２と第２印加手段２０３の接続を説明する模式図である。図３（ａ）で示すように、第２印加手段２０３が送受信回路２０２と同数設けられ、送受信回路毎に異なる第２印加手段２０３に接続されている構成を取ることができる。これにより、エレメント毎に、対向電極間の電位差を最適な大きさに調整できる。そのため、高性能な静電容量型トランスデューサを提供することができる。また、図３（ｂ）で示すように、複数のエレメント１１１、１１２が有する送受信回路２０２を同じ第２印加手段２０３に接続する構成を取ることもできる。これにより、送受信回路毎に第２印加手段２０３を備える構成に比べて、第２印加手段２０３の数を減らすことができ、より簡単な構成にできる。そのため、より小型な静電容量型トランスデューサを提供することができる。本実施形態の静電容量型のトランスデューサでは、送受信回路２０２に第２印加手段２０３を接続するだけで、第２の電極１０３と送受信回路２０２間の接続形態を変える必要がない。そのため、ＣＭＵＴ内の配線形態や、ＣＭＵＴと送受信回路間の接続形態を変更する必要が無く、容易に実現できる。

これまでは、第２印加手段２０３が送受信回路２０２と別体である構成を説明したが、本発明では、その形態に限らず、別の形態を用いることができる。図２（ｂ）、（ｃ）で示すように、送受信回路２０２が第２印加手段２０３を内部に備えた構成も同様に用いることができる。これにより、送受信回路２０２と第２印加手段２０３間を接続する配線が不要になり、より簡単な構成にできる。図２（ｂ）で示す構成では、例えば、送受信回路２０２の内部に設定値を記録する手段（例えば、可変抵抗、フラッシュメモリなど）を設け、その値を元に第２印加手段２０３が印加する低電圧の大きさを設定する。これにより、第２印加手段２０３毎に異なる（最適な）低電圧を設定することができる。また、図２（ｃ）で示すように、第２印加手段２０３が印加する低電圧の大きさは、設定する値を外部より信号２２１として入力する構成を取ることができる。これにより、送受信動作を行いながら、随時、対向電極間の電位差の調整を行うことができ、より高機能な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３の実施形態）
第３の実施形態は、送受信回路が異なる。それ以外は、第２の実施形態と同じである。本実施形態では、第２印加手段２０３からの電圧を第２の電極１０３に印加すると同時に送受信動作をするための送受信回路２０２の構成について説明する。図４は、本実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの模式図である。図４で、２１１は送信電圧の発生手段、２１２は受信電流の検出手段、２１３、２１４はＡＣ結合手段である。第２印加手段２０３は、送受信回路内の配線２１０を介して、第２の電極１０３に直接されている。

図５は、送受信回路２０２での電圧を説明する模式図である。図５において、横軸は時間であり、縦軸は電圧値である。送信電圧の発生手段２１１は、交流の駆動電圧を発生することができる（図５（ｃ）参照）。送信電圧の発生手段２１１は、ＡＣ結合手段２１３を介して、第２の電極１０３に接続されている。ＡＣ結合手段２１３は、交流の駆動信号を第２の電極１０３に印加することができる。一方、第２印加手段２０３からの直流電圧は、ＡＣ結合手段２１３によって、送信電圧の発生手段２１１へは伝わらないようになっている。そのため、第２印加手段２０３からの印加電圧が、送信電圧の発生手段２１１の発生電圧や送信時の信号に影響は与えない。

受信電流の検出手段２１２は、第２の電極１０３に発生した電流値を検出して、検出信号として出力することができる。受信電流の検出手段２１２は、ＡＣ結合手段２１４を介して、第２の電極１０３に接続されている。ＡＣ結合手段２１４は、第２の電極１０３に静電誘導された電流を検出手段２１２に伝えることができる。一方、第２印加手段２０３からの直流電圧は、ＡＣ結合手段２１４によって、受信電流の検出手段２１２へは伝わらないようになっている。そのため、第２印加手段２０３からの印加電圧が、検出手段２１２の検出電圧や検出動作へ影響は与えない。

また、送信電圧の発生手段２１１が発生した交流電圧は、ＡＣ結合手段２１３を介することで、受信電流の検出手段２１２の入力端子ではその大きさが、検出手段２１２の絶縁耐圧値より小さくなる様に設定されている（図５（ｄ）参照）。そのため、送信の交流電圧によって、受信電流の検出手段２１２が破損しないようになっている。ここで、第２印加手段２０３が有する出力インピーダンスＺｇは、超音波が受信される周波数領域において、受信電流の検出手段２１２の入力インピーダンスＺｄより十分高い値になっている（Ｚｇ＞Ｚｄ）。一方、ＣＭＵＴのエレメントが有するインピーダンスＺｃに対しては、十分低い値になっている（Ｚｇ＜Ｚｃ）。これにより、第２の電極１０３で発生した電流を、受信電流の検出手段２１２において精度良く検出でき、高精度な受信動作を行うことができる。

また、上記のＡＣ結合手段２１３、２１４は、汎用のコンデンサを用いて構成することができる。ＡＣ結合の周波数は、コンデンサの容量を選択することで所望の値に容易に設定することができる。ＡＣ結合手段２１４は、受信電流の検出手段２１２における発生手段２１１の交流電圧が十分小さくなるように設定される。具体的には、送信の周波数領域において、ＡＣ結合２１４の持つインピーダンスＺａ1を、ＡＣ結合２１３の持つインピーダンスにＺａ2比べて、高くする（Ｚａ1＞Ｚａ2）。また、ＡＣ結合手段２１４は、一定電圧Ｖｐより大きな電圧は、受信電流の検出手段２１２側への端子には伝わらないような機能を有した高耐圧スイッチによる保護素子を備えた構成を用いることもできる。

本実施形態の静電容量型のトランスデューサでは、簡単な構成を追加するだけで、送受信動作を行いながら、第２印加手段２０３から第２の電極１０３に電圧を印加することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、第２印加手段２０３が異なる。それ以外は、第２の実施形態と同じである。本実施形態では、送受信回路の交流の駆動電圧を発生する手段を用いて、可変低電圧を印加することが特徴である。以下、詳細に説明する。図６は、本実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの模式図である。送信電圧の発生手段２１１は、第２印加手段２０３の機能も備えており、第２の電極１０３に直接されている。送信電圧の発生手段２１１は、直流での低い電圧値を変化させることができ、その電圧に交流の駆動電圧を重畳して発生させることができる（図５（ａ）参照）。

対向する電極間に印加する電圧を調整するために、直流の電圧値Vlを変化させる（図５（ｂ）参照）。また、超音波を送信するために、交流の波形Ｄ（図５（ｃ）参照）を、直流の電圧に重畳させて発生させることにより、図５（ａ）で表す電圧が発生する。この電圧を、第２の電極１０３に印加することで、電極間の電位差を所定の値に調整し、同時に超音波の送信動作を行うことができる。送信電圧の発生手段２１１は、ＤＡコンバータとアンプを組み合わせた、従来の超音波送信用回路を使用でき、容易に実現することができる。

受信電流の検出手段２１２は、第２の電極１０３に発生した電流値を検出して、検出信号として出力することができる。受信電流の検出手段２１２は、ＡＣ結合手段２１４を介して、第２の電極に接続されている。ＡＣ結合手段２１４は、第２の電極１０３に静電誘導された電流を受信電流の検出手段２１２に伝えることができる。一方、送信電圧の発生手段２１１からの直流電圧は、ＡＣ結合手段２１４を介して受信電流の検出手段２１２へは伝わらないようになっている。

また、送信電圧の発生手段２１１が発生した交流電圧は、ＡＣ結合手段２１４を介することで、受信電流の検出手段２１２の入力端子ではその大きさが検出手段２１２の絶縁耐圧より小さくなる様に、設定されている（図５（ｄ）参照）。そのため、送信の交流電圧によって、受信電流の検出手段２１２が破損しないようになっている。そのため、送信電圧の発生手段２１１からの直流印加電圧が、受信電流の検出手段２１２の検出電圧や検出動作へ影響は与えず、受信電流の検出手段２１２が破損することもない。ここで、送信電圧の発生手段２１１が受信動作中に有する出力インピーダンスＺｇは、超音波が受信される周波数領域において、受信電流の検出手段２１２の入力インピーダンスＺｄより十分高い値になっている（Ｚｇ＞Ｚｄ）。一方、ＣＭＵＴのエレメントが有するインピーダンスＺｃに対しては、十分低い値になっている（Ｚｇ＜Ｚｃ）。これにより、第２の電極１０３で発生した電流を、受信電流の検出手段２１２において精度良く検出することができ、高精度な受信動作を行うことができる。

また、上記のＡＣ結合手段２１４は、汎用のコンデンサを用いて構成することができる。ＡＣ結合の周波数は、コンデンサの容量を選択することで所望の値に容易に設定することができる。また、ＡＣ結合手段２１４は、受信電流の検出手段２１２での交流電圧が十分小さくなるように設定される。具体的には、送信の周波数領域において、ＡＣ結合手段２１４の持つインピーダンスＺａ1を、送信電圧の発生手段２１１から第２の電極１０３間の配線の持つインピーダンスＺｗに比べて、高くする（Ｚａ1＞Ｚｗ）ことで実現できる。また、ＡＣ結合手段２１４は、一定電圧Ｖｐより大きな電圧は、受信電流の検出手段２１２側への端子には伝わらないような機能を有した高耐圧スイッチによる保護素子を備えた構成を用いることもできる。本実施形態の静電容量型のトランスデューサでは、第２印加手段を送信電圧の発生手段で代用することができるので、構成要素が殆ど増加することなく電位差の調節を行うことができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、超音波の受信動作のみを行う構成で、第２印加手段が異なる。それ以外は、第２の実施形態と同じである。本実施形態では、送受信回路の微小電流を測定して受信信号を取り出す手段を用いて、可変低電圧を発生することが特徴である。以下、詳細に説明する。図７（ａ）は、本実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの模式図である。図７（ａ）において、２１２は受信電流の検出手段、２１５は基準電位発生手段である。

受信電流の検出手段２１２は、第２の電極１０３に接続されている。受信電流の検出手段２１２は、検出時の基準電位を有しており、入力端子は基準電位とほぼ同じ電位に保たれている。こうして、本実施形態は、受信電流の検出手段２１２の入力端子の電位が基準電位と同じ電位になっていることを利用している。本実施形態の受信電流の検出手段２１２は、基準電位を変化させることができる基準電位発生源２１５を備えている。この基準電圧発生源２１５が発生する直流電圧を変化させることで、受信電流の検出手段２１２の基準電位を変化させる。それに合わせて、受信電流の検出手段２１２の入力端子の電位が変化し、接続されている第２の電極１０３に関する直流電圧を調整することができる。ここで、基準電圧発生源２１５が発生する電圧は、受信電流の検出手段２１２が検出動作する電圧範囲内の値となっている。

また、受信電流の検出手段２１２は、第２の電極１０３に静電誘導により発生した電流値を検出して、検出信号として出力することができる。ここで、受信電流の検出手段２１２の入力インピーダンスＺｄは、超音波が受信される周波数領域において、ＣＭＵＴのエレメントが有するインピーダンスＺｃより十分低い値になっている（Ｚｃ＞Ｚｄ）。これにより、第２の電極１０３で発生した電流を、受信電流の検出手段２１２において精度良く検出でき、高精度な受信動作を行うことができる。このように、本実施形態の受信電流の検出手段２１２を用いることで、受信動作をしながら、同時に対向電極間の電位差を調整することができる。

図７（ｂ）は、受信電流の検出手段２１２と基準電圧発生源３０２（図７（ａ）の基準電圧発生源２１５）を説明する模式図である。図７（ｂ）で、受信電流の検出手段２１２は、オペアンプを用いたトランスインピーダンス回路である。オペアンプ３０１の出力端子（ＯＵＴ）３１３については、並列に接続された抵抗３０３とコンデンサ３０４が反転入力端子（−ＩＮ）３１１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３０１の非反転入力端子（＋ＩＮ）３１２は、基準電位端子として基準電圧発生源３０２に接続されている。反転入力端子（−ＩＮ）３１１と非反転入力端子（＋ＩＮ）３１２間は、電位差が０になるようにオペアンプ３０１が動作する。この機能により、反転入力端子（−ＩＮ）３１１から入力された電流を、出力電圧として取り出すことができる。また、非反転入力端子（＋ＩＮ）３１２に接続された基準電圧発生源３０２（２１５）が発生させた電圧Vrが、第２の電極（V1＝Vr）に印加される。つまり、基準電位発生源３０２（２１５）の発生電圧Vrを変化させることで、セルの対向電極間の電位差を変化させることができる。

本実施形態の静電容量型のトランスデューサでは、受信回路に基準電圧発生源２１５を追加するだけで、電極間の電位差を調整することができる。また、この基準電圧発生源は、低い可変電圧を発生させるだけでよいため、回路の集積化が容易であり、より小型な静電容量型の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、セルの対向電極間の電位差の調整方法に関する。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。本実施形態では、エレメント毎の送受信特性が均一になるように、電極間の電位差を調整することが特徴である。以下、詳細に説明する。

図８は、本実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの模式図である。本実施形態では、エレメント毎に第２印加手段２０３を有している。この電圧Vｌ1、Vｌ2、Vｌ3は、それぞれの第２印加手段２０３により、エレメント１１１、１１２、１１３の有する送受信特性に合わせて調整される。具体的には、送信効率または受信感度が他より低い場合、発生させる電圧Vｌを低くして、電極間の電位差を大きくし、動作時の送信効率または受信感度を高くなるようにする。一方、送信効率または受信感度が他より高い場合、発生させる電圧Vｌを高くして、電極間の電位差を小さくし、動作時の送信効率または受信感度を低くなるようにする。これにより、本来持っている送信効率または受信感度が異なる複数のエレメントを同時に使用する場合でも、ほぼ同じ送信効率または受信感度で送受信動作を行うことができる。

本実施形態の静電容量型のトランスデューサでは、エレメント毎の送受信特性にばらつきがあっても、均一な送受信特性で送受信動作する静電容量型のトランスデューサを提供することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、電極間の電位差の調整方法に関する。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。本実施形態では、エレメントの有するセル形状の種類に合わせて、エレメント毎に異なる電極間電位差を印加することが特徴である。以下、詳細に説明する。

図９は、本実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの模式図である。ここでは、直径のみが異なるセルをそれぞれ有するエレメントについて説明するが、セル構造の他のファクター（振動膜厚さ、振動膜材質、間隙高さ、電極厚さ、電極材質）が異なる場合でも、同様に用いることができる。同じ層構成のＣＭＵＴでは、エレメントの有するセル径が小さいと、動作時に必要な電位差は大きくなる。一方、エレメントの有するセル径が大きいと、動作時に必要な電位差は小さくなる。セル径が小さいエレメント１１１では、高い電位差になるように、第２印加手段２０３が印加する電圧Vｌ1を小さくする。セル径が大きいエレメント１１２では、低い電位差になるように、第２印加手段２０３が印加する電圧Vｌ2を大きくする。

以上のように、異なるセル径のエレメントを有した静電容量型のトランスデューサでも、それぞれのセル径に合わせて最適な電位差を印加することができる。すなわち、複数のエレメントを備え、セルの形状が同一な異なるエレメント毎に、第２印加手段が、異なる直流電圧を印加することができる。そのため、異なるセル形状を持ったエレメントについて、それぞれのセル形状毎に所望の送受信特性を得ることができる。本実施形態の静電容量型のトランスデューサでは、異なるセル形状のエレメント毎に適した送受信特性で送受信動作する静電容量型のトランスデューサを提供することができる。

（第８の実施形態）
第８の実施形態は、電極間の電位差の調整方法に関する。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。本実施形態では、送受信動作をしている周辺部のエレメントへの印加電圧が、他の中心部のエレメントへの印加電圧と異なることが特徴である。以下、詳細に説明する。

図１０は、本実施形態に係る静電容量型のトランスデューサの模式図である。図１０において、エレメントは、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５の順に並んでいる。ここでは、エレメント１１１、１１２、１１３、１１４、１１５をほぼ同時に送信動作させる形態を説明する。ここで、エレメント１１１、１１２、１１３、１１４、１１５は、少しの時間差を持って、図５（ｃ）で示す送信電圧がそれぞれに印加される。この時間差は、それぞれのエレメントから送信した超音波が或る距離離れた位置で同じ時刻に到達するように設定される。これにより、複数のエレメントから送信された超音波がビームフォーミングされる。本明細書では、このような時間差を有して交流電圧が印加される複数のエレメントの送信動作に関して、ほぼ同時に送信動作をすると定義する。

送受信動作をしている端のエレメント１１１、１１５への印加電圧Vl2を、他のエレメント１１２、１１３、１１４の印加電圧Vl1より高くする。それにより、端のエレメント１１１、１１５の送信効率または受信感度を、他のエレメント１１２、１１３、１１４の送信効率または受信感度より低くすることができる。これにより、複数のエレメントを用いての超音波送受信時、発生する超音波のサイドローブを低減することができる。

本実施形態の静電容量型のトランスデューサでは、複数のエレメントで送受信動作を行った場合のサイドローブの低減を容易に行うことができる。そのため、理想に近い超音波ビームの送受信を行うことができる静電容量型のトランスデューサを提供できる。

（第９の実施形態）
第９の実施形態は、第１から第８の実施形態の何れかに記載の静電容量型のトランスデューサを用いた超音波画像形成装置などの被検体の情報取得装置である。図１１（ａ）において、４０２は被検体（測定対象物）、４０３は静電容量型のトランスデューサ、４０４は画像情報生成装置である画像再現装置、４０５は画像表示部である。また、５０１は送信超音波、５０２は受信超音波、５０３は超音波送信情報、５０４は超音波受信信号、５０５は再現画像情報、４００は超音波画像形成装置である。

静電容量型のトランスデューサ４０３から測定対象物４０２に向かって出力された超音波５０１は、測定対象物４０２の表面で、対象物４０２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５０２を、静電容量型のトランスデューサ４０３で受信して、受信信号の大きさや形状、時間の情報を超音波受信信号５０４として、画像再現装置４０４に送る。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５０３として、画像再現装置４０４に送られている。画像再現装置４０４では、超音波受信信号５０４と超音波送信情報５０３を元に、測定対象物４０２の画像を再現して、再現画像情報５０５として送り、画像表示部４０５で表示する。

本実施形態の静電容量型のトランスデューサ４０３は、第１の実施形態から第５の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、エレメントが所望の送受信特性に調整されており、超音波の送受信をより正確に行うことができる。そのため、測定対象物４０２で反射した超音波のより正確な情報を得ることができるため、測定対象物４０２をより正確に再現することができる。

また、本実施形態の別の構成として、図１１（ｂ）で示すように、別の送信音源４０１を用いて発生させた超音波を、静電容量型のトランスデューサ４０３により高精度に検出することもできる。また、光源により測定対象物に光を照射して、光音響効果により発生する超音波（光音響波）を、静電容量型のトランスデューサ４０３により受信する構成も用いることができる。本発明は、このように送信音源の種類によらず、静電容量型のトランスデューサ４０３を受信素子として用いることができる。

本実施形態によると、高精度に画像情報を再現することができる超音波画像形成装置などの被検体情報取得装置を提供することができる。上述したように、本実施形態の画像形成装置は、被検体への音響波の送信及び被検体からの音響波の受信の少なくとも一方を行う本発明の静電容量型のトランスデューサを有する。そして、画像情報生成装置により、トランスデューサからの送信信号及び受信信号の少なくとも一方を用いて被検体の画像情報を生成する。また、上述した様な情報取得装置は、本発明の静電容量型のトランスデューサと、該トランスデューサが出力する電気信号を用いて被検体の情報を取得する処理部と、を有する。そして、トランスデューサは、被検体からの音響波を受信し、電気信号を出力するようにも構成できる。さらに、上述した様な情報取得装置は、本発明の静電容量型のトランスデューサと、光源と、データ処理装置と、を有するようにも構成できる。そして、トランスデューサは、光源から発振した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して電気信号に変換し、データ処理装置は、電気信号を用いて被検体の情報を取得する。

１００・・セル、１０１・・振動膜、１０２・・第１の電極、１０３・・第２の電極、１０５・・間隙、１１１〜１１５・・エレメント、２００・・超音波プローブ、２０１・・第１の直流電圧印加手段（第１印加手段）、２０２・・送受信回路、２０１・・第２の直流電圧印加手段（第２印加手段）、２１１・・送信電圧の発生手段、２１２・・受信電流の検出手段、４００・・超音波画像形成装置（情報取得装置）

Claims (16)

1. 振動膜に含まれる第１の電極、及び該第１の電極と間隙を介して対向して設けられた第２の電極を有するセルを備える静電容量型のトランスデューサの駆動装置であって、
   前記セルの前記第１の電極と前記第２の電極の一方の電極と電気的に接続される第１の直流電圧印加手段と、前記セルの前記第１の電極と前記第２の電極の他方の電極と電気的に接続される第２の直流電圧印加手段とを備え、
   前記第２の直流電圧印加手段は、前記第１の直流電圧印加手段が前記一方の電極に印加する直流電圧より小さく、音響波の受信及び送信の動作で共通して用いられる直流電圧を前記他方の電極に印加し、
   前記第２の直流電圧印加手段が印加する前記直流電圧は変化させることができることを特徴とする静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
2. 送信電圧信号により前記振動膜を振動させることによる音響波の送信機能、及び音響波を受けて前記第１の電極が振動することで得られる受信電流信号による音響波の受信機能の少なくとも一方を実行することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
3. 送信電圧の発生手段と受信電流の検出手段の少なくとも一方を持つ送受信回路を備え、
   １つ以上のセルの前記第２の電極が電気的に接続された前記セルの集合体であるエレメント毎に、前記送受信回路が接続され、
   前記第２の直流電圧印加手段が、前記送受信回路を介して、前記第２の電極に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
4. 前記第２の直流電圧印加手段が、前記送受信回路内の配線により、前記第２の電極に接続され、
   前記送信電圧の発生手段がＡＣ結合手段を介して前記配線に接続され、前記受信電流の検出手段がＡＣ結合手段を介して前記配線に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
5. 前記送信電圧の発生手段が、前記第２の直流電圧印加手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
6. 前記受信電流の検出手段が、オペアンプを用いたトランスインピーダンス回路であり、
   前記オペアンプの非反転入力端子の電位を調整することで、前記第２の直流電圧印加手段が印加する直流電圧を調整する構成であることを特徴とする請求項３に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
7. 前記第２の直流電圧印加手段が、前記送受信回路の内部に設けられ、
   前記送受信回路の内部に、設定値を記録する手段が設けられ、
   前記設定値を元に前記第２の直流電圧印加手段が印加する直流電圧の大きさが設定されることを特徴とする請求項３から６の何れか１項に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
8. 前記エレメントが持つ送信効率及び受信感度の少なくとも何れか一方と特性が近くなるように、前記第２の直流電圧印加手段が印加する前記直流電圧を変化させて、前記第１の電極と前記第２の電極間の電位差を調整することができることを特徴とする請求項３から７の何れか１項に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
9. 前記静電容量型のトランスデューサは複数の前記エレメントを備え、
   前記セルの形状が同一な、異なるエレメント毎に、前記第２の直流電圧印加手段が、異なる前記直流電圧を印加することができることを特徴とする請求項３から８の何れか１項に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
10. 前記複数のエレメントは、送信特性と受信特性の少なくとも一方が異なる第１エレメントと第２エレメントを有し、前記第２の直流電圧印加手段が印加する直流電圧は、前記第１エレメントの送信特性と前記第２エレメントの送信特性を近づけること、前記第１エレメントの受信特性と前記第２エレメントの受信特性を近づけること、のうち少なくとも一方が行われるように調整されることを特徴とする請求項８または９に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
11. 前記複数のエレメントは、第１エレメント及び第２エレメントを有し、
    前記第１エレメントのセルの径が、前記第２エレメントのセルの径より大きく、
    前記第２の直流電圧印加手段が前記第１エレメントに印加する直流電圧は、前記第２の直流電圧印加手段が前記第２のエレメントに印加する直流電圧より高くされることを特徴とする請求項３から８の何れか１項に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
12. ほぼ同時に送信動作を行う複数の前記エレメントにおいて、前記第２の直流電圧印加手段によりそれぞれのエレメントへ印加される前記直流電圧を、前記複数のエレメントの周辺部のエレメントと、中心部のエレメントとで異なる値にすることができることを特徴とする請求項３から９の何れか１項に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
13. 前記第２の直流電圧印加手段によりそれぞれのエレメントへ印加される前記直流電圧を、前記複数のエレメントの端のエレメントに対しては、他のエレメントより高くすることを特徴とする請求項１２に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置。
14. 請求項１から１３の何れか１項に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置と、該静電容量型のトランスデューサが出力する電気信号を用いて被検体の情報を取得する処理部と、を有し、
    前記静電容量型のトランスデューサは、被検体からの音響波を受信し、前記電気信号を出力することを特徴とする被検体情報取得装置。
15. 請求項１から１３の何れか１項に記載の静電容量型のトランスデューサの駆動装置と、光源と、データ処理装置と、を有し、
    前記静電容量型のトランスデューサは、前記光源から発振した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して電気信号に変換し、
    前記データ処理装置は、前記電気信号を用いて被検体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。
16. 振動膜に含まれる第１の電極、及び該第１の電極と間隙を介して対向して設けられた第２の電極を有するセルを備える静電容量型のトランスデューサの駆動方法であって、
    前記セルの前記第１の電極と前記第２の電極の一方の電極に印加する電圧よりも、前記セルの前記第１の電極と前記第２の電極の他方の電極に印加する、音響波の受信及び送信の動作で共通に用いられる直流電圧が小さく、
    前記他方の電極に印加する前記直流電圧を変化させることを特徴とする駆動方法。

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