(57)【要約】      （修正有）【課題】静電容量型のトランスデューサにおいて電気エレメントの配置密度の低下を招かずに低ノイズ化を図ることのできる装置を提供する。【解決手段】静電容量型のトランスデューサでは、電気エレメント１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａ、１０５ｂのうちの一対以上のエレメントで、対をなす一方と他方のエレメントの電極間に、夫々、基準電位１０１を挟んで極性が互いに逆のバイアス電圧１０２，１０３を印加する。対をなす一方の電気エレメントの出力信号と、対をなす他方の電気エレメントの出力信号の差分をとって、音響波によるエレメントからの信号を得る。【選択図】図１
2014236841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極と、該第一の電極とキャビティを介して対向して設けられた第二の電極を含む振動膜を有するセルを１つ以上それぞれ有する複数の電気エレメントを備える静電容量型のトランスデューサであって、
前記複数の電気エレメントのうちの一対以上の電気エレメントにおいて、対をなす一方の電気エレメントの前記第一の電極と前記第二の電極の間に印加されるバイアス電圧の極性が、対をなす他方の電気エレメントの前記第一の電極と前記第二の電極の間に印加されるバイアス電圧の極性に対して、基準電位を挟んで逆であり、
前記対をなす一方の電気エレメントの出力信号と、前記対をなす他方の電気エレメントの出力信号の差分をとって、音響波による前記電気エレメントからの信号を得ることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２】
前記対をなす一方の電気エレメントと他方の電気エレメントの前記バイアス電位は、前記基準電位に対して対称の電位となっていることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記複数の電気エレメントは２次元に配置されていて、前記対をなす電気エレメントは、前記２次元配置において互いに隣接する電気エレメントであることを特徴とする請求項１または２に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記一対以上の電気エレメントのうち、少なくとも一対の電気エレメントのそれぞれに、前記基準電位が接続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項に記載のトランスデューサ。
【請求項５】
第一の電極と、該第一の電極とキャビティを介して対向して設けられた第二の電極を含む振動膜を有するセルを１つ以上それぞれ有する複数の電気エレメント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、
前記複数の電気エレメントのうちの一対以上の前記電気エレメントにおいて、対をなす一方の電気エレメントの前記第一の電極と前記第二の電極の間と、対をなす他方の電気エレメントの前記第一の電極と前記第二の電極の間に、それぞれ、基準電位を挟んで極性が互いに逆であるバイアス電圧を印加し、
前記対をなす一方の電気エレメントの出力信号と、前記対をなす他方の電気エレメントの出力信号の差分をとって、音響波による前記エレメントからの信号を得ることを特徴とする駆動方法。
【請求項６】
前記対をなす一方の電気エレメントと他方の電気エレメントの前記バイアス電位を、前記基準電位に対して対称の電位とすることを特徴とする請求項５に記載の駆動方法。
【請求項７】
請求項１から４の何れか１項に記載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、を有し、
前記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。
【請求項８】
請求項１から４の何れか１項に記載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、を有し、
前記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光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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置などに使用される超音波トランスデューサ等の静電容量型のトランスデューサ、その駆動方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置の１つに光音響振動を利用したものがある。光音響振動は、例えば体外から照射したパルスレーザが体内の組織で吸収される際に発生する超音波振動ないし音響波振動である。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。光音響振動は、体内の特定の組織において発生するため、この情報を利用した体内組織のイメージングが可能である。体内で発生した超音波振動の検出には、超音波プローブを使用する。超音波プローブ内には超音波トランスデューサが配置されていて、超音波振動を電気信号に変換する。
【０００３】
超音波トランスデューサには、従来、圧電効果を利用したものが利用されてきたが、近年、静電容量型の研究開発も盛んである。静電容量型の超音波トランスデューサは、例えば、キャビティと呼ばれる略真空に維持された空間と、その空間を挟むように設けられた２つの電極で構成される。２つの電極のうち一方の電極は、メンブレンに固定され振動可能に保持されている。超音波振動によってメンブレンが振動して、２つの電極間の距離が変化すると、静電容量の変化が生じる。２つの電極間に電圧を印加しておくと、静電容量の変化を電流信号として取り出すことができる（超音波受信動作）。また、２つの電極間に加える電圧は、２つの電極間に静電引力を生じさせる。加える電圧の大きさを時間で変化させることでメンブレンを振動させることができる（超音波送信動作）。
【０００４】
１つのキャビティと２つの電極からなる静電容量型のトランスデューサの構成単位は、セルと呼ばれる。複数のセルは、ある一定数毎に電気的に並列接続される。接続された複数のセルは、１つの変換素子として働く。この電気的な構成単位は、電気エレメントと呼ばれる。静電容量型の超音波トランスデューサのうち、半導体の微細加工技術を応用して作製されたものは、ＣＭＵＴ（ＣＭＵＴ:Ｃａｐａｓｉｔｉｖｅ−Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ−Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ−Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と呼ばれる。ＣＭＵＴは、複数のエレメントを高密度に配置することが可能である。この構造的特徴は、超音波診断装置のニーズであるイメージングの高画質化のための手段に適している。
【０００５】
超音波診断装置の高画質化のためには、超音波の検出信号が低ノイズであることも重要である。超音波を利用した体内組織のイメージングでは、例えば、超音波の検出信号の時間ごとの信号強度（振幅）を画像輝度に変換して画像を構成する。こうした場合、超音波検出信号に発生したノイズによって、生体情報とは無関係の像が形成されることがある。超音波診断装置の画像構成時に問題となるノイズの１つに、静電容量型のトランスデューサのチップ上で伝播するものがある。この種のノイズは、後段のアンプ回路にて増幅されるため、特に影響が大きい。このノイズを除去する従来技術としては、特許文献１があげられる。特許文献１では、音響センサ上にノイズを検出するための容量成分を設けること、音響センサの信号と容量成分からの信号との差分をとるという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７-２０８５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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を、静電容量型の超音波トランスデューサに適用した場合、ノイズ検出用の容量をトランスデューサ上に配置することになり、これによって、電気エレメントの配置密度が低下する恐れが出てくる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の静電容量型のトランスデューサは、第一の電極と、該第一の電極とキャビティを介して対向して設けられた第二の電極を含む振動膜を有するセルを１つ以上それぞれ有する複数の電気エレメントを備える。複数の電気エレメントのうちの一対以上の電気エレメントにおいて、対をなす一方の電気エレメントの第一の電極と第二の電極の間に印加されるバイアス電圧の極性が、対をなす他方の電気エレメントの第一の電極と第二の電極の間に印加されるバイアス電圧の極性に対して、基準電位を挟んで逆である。そして、前記対をなす一方の電気エレメントの出力信号と、前記対をなす他方の電気エレメントの出力信号の差分をとって、音響波による前記電気エレメントからの信号を得る。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、本発明の静電容量型のトランスデューサの駆動方法は、複数の電気エレメントのうちの一対以上の電気エレメントにおいて、対をなす一方の電気エレメントの第一の電極と第二の電極の間と、対をなす他方の電気エレメントの第一の電極と第二の電極の間に、それぞれ、基準電位を挟んで極性が互いに逆であるバイアス電圧を印加し、
前記対をなす一方の電気エレメントの出力信号と、前記対をなす他方の電気エレメントの出力信号の差分をとって、音響波による前記エレメントからの信号を得る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、静電容量型のトランスデューサは、バイアス電圧の極性によらずに超音波を検出できるという特徴を利用する。この特徴を利用して、ノイズ検出用の容量をセンサ面に設けることなく、ノイズを抑制でき、Ｓ/Ｎを向上させることができる。本発明において、対をなすエレメントの電極間バイアスは基準電位に対して逆極性であるため、超音波検出信号は逆極性となる。従って、それぞれの信号を差分処理することで、超音波検出信号を強めあうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１のトランスデューサ及びその駆動方法を説明する図である。
【図２】実施例１の駆動原理を説明する図である。
【図３】実施例１の効果を説明する図である。
【図４】実施例１の駆動方法が適用可能なデバイスを説明する上面図である。
【図５】実施例１の駆動方法が適用可能なデバイスを説明する断面図である。
【図６】実施例１の駆動方法が適用可能なデバイスを説明する断面図である。
【図７】実施例２のトランスデューサ及びその駆動方法を説明する図である。
【図８】実施例２の駆動方法が適用可能なデバイスを説明する上面図である。
【図９】実施例２の駆動方法が適用可能なデバイスを説明する断面図である。
【図１０】実施例２の駆動方法が適用可能なデバイスを説明する断面図である。
【図１１】本発明のトランスデューサを用いる情報取得装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明では、複数のエレメントのうちの一対以上のエレメントにおいて、対をなす一方のエレメントの電極間に印加されるバイアス電圧の極性を、対をなす他方のエレメントの電極間に印加されるバイアス電圧の極性に対して、基準電位を挟んで逆とする。こうすることで、超音波検出信号は逆極性となる。従って、それぞれの信号を差分処理することで、超音波検出信号を強めあうことができる。一方で、チップ上で伝播するノイズはノイズ源より電極に伝播するので、ノイズ信号の極性はバイアス電位の極性には依存しない。従って、前記信号の差分処理によって、ノイズ信号を弱めあうことができる。従って、検出信号のノイズを低減することができる。また、ノイズ検出用の容量をトランスデューサ上に配置する必要がないため、電気エレメントの配置密度の低下を抑制することができる。
【００１３】
以下、図と共に本発明の実施形態を説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の電気的結合構造を説明するものである。グランド電位１０１は電気動作の基準電位である。バイアス電源１０２、バイアス電源１０３はグランド電位１０１に対して電位差を発生するものである。電気エレメント１０４ａ、電気エレメント１０４ｂ、電気エレメント１０５ａ、電気エレメント１０５ｂは、静電容量型の超音波トランスデューサである。説明のために、エレメント１０４ａの一方の端子に点ｐ１、他方の端子にｐ２の記号を付す。同様に電気エレメント１０４ｂ、１０５ａ、１０５ｂに対して点ｐ３から点ｐ８の記号を付す。電気エレメント１０４ａの一方の端子ｐ１はバイアス電源１０２に接続され、正のバイアス電位Ｖｐが与えられる。また、他方の端子ｐ２はＩＶ（電流・電圧）変換器１０６ａに接続される。ＩＶ変換器１０６ａは、電気エレメント１０４ａで発生した電流信号を、電流の向きと大きさに応じた電圧信号に変換する（電流の大きさに比例した電圧を発生させ、電流の向きに応じて電圧の極性が変わる）と共に、端子ｐ２をグランド電位１０１に固定する。ＩＶ変換器１０６ａは、例えば、トランスインピーダンス回路（公知技術）を用いると容易に実現できる。
【００１４】
電気エレメント１０４ｂの一方の端子ｐ３はバイアス電源１０３に接続され、負のバイアス電位Ｖｍが与えられる。また、他方の端子ｐ４はＩＶ変換器１０６ｂに接続される。ＩＶ変換器１０６ｂは、ＩＶ変換器１０６ａと同様に、電気エレメント１０４ｂで発生した電流信号を電圧回路に変換すると共に端子ｐ４をグランド電位１０１に固定する。ＩＶ変換器１０６ａ、ＩＶ変換器１０６ｂにはそれぞれグランド電位１０１が接続される。ＩＶ変換器１０６ａ、ＩＶ変換器１０６ｂの出力電圧は、それぞれ差動増幅器１０８の正入力（＋）、負入力（−）に入力される。差動増幅器１０８の出力端子１１０には、ＩＶ変換器１０６ａの出力電圧とＩＶ変換器１０６ｂの出力電圧との差分電圧が出力される。
【００１５】
本実施例では、電気エレメント１０４ａと電気エレメント１０４ｂとが対をなして、１つの出力端子１１０に信号が生成される。図１の構成では、同様に、電気エレメント１０５ａと電気エレメント１０５ｂ、ＩＶ変換器１０７ａ、ＩＶ変換器１０７ｂ、差動増幅器１０９によって出力端子１１１に信号が生成される。電気エレメント１０４ａと電気エレメント１０５ａの端子ｐ１とｐ５とは、バイアス電源１０２に並列接続する。また、電気エレメント１０４ｂと電気エレメント１０５ｂの端子ｐ３とｐ７とは、バイアス電源１０３に並列接続する。以下同様の手法を用いれば、一組のバイアス電源１０２、バイアス電源１０３に対して、電気エレメントと出力端子とを任意に増やすことが可能である。
【００１６】
図２と図３を用いて、本実施例の動作原理を説明する。図２は、図１で説明した出力端子１１０に関連した要素を抜粋して示す図である。図２において、図１中の対応構成要素には、同一の番号を付すか、その旨を説明する。図２では、電気エレメント１０４ａ、電気エレメント１０４ｂを、静電容量型のトランスデューサの断面模式で図示する。電気エレメント１０４ａ中の各セルは、下電極（第一の電極と第二の電極のうちの一方）１１３、振動膜１１４、上電極（第一の電極と第二の電極のうちの他方）１１５、ギャップ１１６で構成される。下電極１１３は図１の端子ｐ１に対応する。下電極１１３は、バイアス電源１０２によって正のバイアス電位Ｖｐが加えられる。振動膜１１４は、超音波振動可能な薄膜である。振動膜１１４の上面には上電極１１５が設けられる。上電極１１５は図１の端子ｐ２に対応する。上電極１１５はＩＶ変換器１０６ａに接続され、グランド電位１０１に保持される。
【００１７】
電気エレメント１０４ｂ中の各セルは、下電極１１８、振動膜１１９、上電極１２０、ギャップ１２１で構成される。下電極１１８、上電極１２０は、図１の端子ｐ３、ｐ４に対応する。図２の構成において、外部からの超音波振動を受けて電気エレメント１０４ａの振動膜１１４が矢印の方向に力Ｆを受けたとする。振動膜１１４と下電極１１３との間にはギャップ１１６があるため、振動膜１１４は、矢印方向にたわみが増加する。たわみの増加によって下電極１１６と上電極１１５との距離が近づくため、エレメント１０４ａの静電容量は増加する。同様に、電気エレメント１０４ｂが力Ｆを受けた時も、エレメント１０４ｂの静電容量が増加する。
【００１８】
前述の通り、電気エレメント１０４ａの上電極１１５にはグランド電位が保持され、下電極１１３には正のバイアス電位Ｖｐが保持されている。従って、電気エレメント１０４ａの静電容量が増加した場合には、上電極１１５の負電荷が増えるため、ＩＶ変換器１０６ａにはｉ１の向きに電流が流れる。また、電気エレメント１０４ｂの上電極１２０にはグランド電位１０１が保持され、下電極１１８には負のバイアス電位Ｖｍが保持されている。従って、電気エレメント１０４ｂの静電容量が増加した場合にはＩＶ変換器１０６ｂにはｉ２の向きに電流が流れる。つまり、上電極１２０への正の電荷がｉ２の向きに流れるので、結果的に電流がｉ２の向きに流れる。力Ｆの向きが矢印とは逆向きに作用する場合は、振動膜１１４、振動膜１１９のたわみは、矢印とは逆の向きに増加するため、電気エレメント１０４ａ、電気エレメント１０４ｂの静電容量は減少する。このとき電流ｉ１、電流ｉ２の電流の向きは、図２で示した矢印とは逆の向きとなる。前述の通り、ＩＶ変換器１０６ａ、ＩＶ変換器１０６ｂの出力電圧の極性は、電流の向きで決まるため、超音波振動によるＩＶ変換器１０６ａ、ＩＶ変換器１０６ｂの出力電圧は互いに逆の極性となる。
【００１９】
次に、図２の構成において、超音波トランスデューサ上に外部からの電磁ノイズ１２３が作用した場合について説明する。電磁ノイズ１２３は、グランド電位１０１に対して電気インピーダンスの高い上電極１１５、上電極１２０に作用しやすい。すなわち、電磁ノイズによる電極電位の変動（影響度合い）は、バイアス電位に対するインピーダンスの大きさにより決まり、インピーダンスが小さい方が電極をバイアス電位に固定する能力が高いため、電磁ノイズによる電圧変動が小さくなる。下電極は導体を介してバイアス電位に接続されるのに対し、上電極はキャパシタを介してバイアス電位に接続されているため、上電極の方が下電極に比べてインピーダンスが高く、電磁ノイズが作用しやすい。電磁ノイズ１２３の作用を受けると、上電極１１５、上電極１２０の電位が変動する。
【００２０】
今、電磁ノイズ１２３によって、上電極１１５の電位が正の方向に変動したとする。上電極１１５と対向する下電極１１３は、バイアス極性が正であるため、下電極と上電極との間の電位差は減少する。このとき電気エレメント１０４ａに蓄積している負の電荷量は減少する。電荷量の減少によって、ＩＶ変換器１０６ａには矢印の向き（負の電荷の流れの向きと反対の方向）に電流ｉ３が流れる。同様に、電磁ノイズ１２３によって、上電極１２０の電位が正の方向に変動したとする。上電極１２０と対向する下電極１１８は、バイアス極性が負であるため、下電極と上電極との間の電位差は増加する。このとき電気エレメント１０４ｂに蓄積している正の電荷量は増加する。電荷量の増加によって、ＩＶ変換器１０６ｂには矢印の向き（正の電荷の流れの向き）に電流ｉ４が流れる。前述の通り、ＩＶ変換器１０６ａ、ＩＶ変換器１０６ｂの出力電圧の極性は、電流の向きで決まるため、電磁ノイズ１２３によるＩＶ変換器１０６ａの出力電圧とＩＶ変換器１０６ｂの出力電圧は互いに同じ極性となる。
【００２１】
図３は、電流ｉ１から電流ｉ４と出力端子１１０の出力電圧との関係を、差動増幅器１０８の動作と共に説明する図である。図３（ａ）は、ＩＶ変換器１０６ａの出力端子電圧の時間変化の一例である。時刻ｔ１から時刻ｔ２の間の電圧変化を、超音波振動による振動膜１１４の振動によるものとする。また時刻ｔ３から時刻ｔ４の間の電圧変化を、電磁ノイズによる上電極１１５の電位の変化によるものとする。図３（ｂ）は、ＩＶ変換器１０６ｂの出力端子電圧の時間変化の一例である。ＩＶ変換器１０６ｂの出力電圧は、ＩＶ変換器１０６ａの出力電圧と比べて、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は逆位相、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間は同位相となる。図３（ｃ）は出力端子１１０の電圧変化である。出力端子１１０の電圧は、差動増幅器１０８の出力である。差動増幅器１０８の出力は、ＩＶ変換器１０６ａの出力端子電圧からＩＶ変換器１０６ｂの出力端子電圧を減算したものである。従って、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間の超音波信号は互いに逆極性のため、加算されて振幅が増幅される。一方で、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間の電磁ノイズによる電圧変化は互いに同位相のため、減算により振幅が減少する。以上の原理から、本実施例では超音波の電磁ノイズを減少することができる。
【００２２】
図３の出力信号および電磁ノイズは、説明のために、時間的に分離している例を示しているが、これに限定されない。出力信号と電磁ノイズが時間的に分離されず、混在している場合においても、本実施例を含む本発明の駆動方法によれば同様の効果が得られる。なお、この効果は、逆位相の超音波信号を得て、同位相の電磁ノイズ信号を減算により取り除くことから得られるため、上電極と下電極の役割を反転させても同様に得ることができる。また基準電位はグランド電位でなくてもよい。また、バイアス電位Ｖｐとバイアス電位Ｖｍの電位は基準電位からの電位差（絶対値）が等しい（すなわち、基準電位に対して対称の電位となっている）必要はないが、等しくした場合は、図２の電流ｉ３の大きさとｉ４の大きさとが等しくなる。従って、互いに打ち消しあって、外部への電磁ノイズをより大きく減らす効果が得られる。
【００２３】
図４から図６は、実施例１に適した超音波トランスデューサの構造を説明する図である。図４は上面図（一部透視図で表現している）、図５は図４のＡ−Ａ’断面図、図６は図４のＢ−Ｂ’断面図である。図１、図２中の要素に対応する構成要素には、同一の番号を付すか、その旨を説明する。本実施例のトランスデューサは基板１３１上に形成されている。基板１３１は絶縁材料の中でも、特にガラスが好適である。ただし、導電材料である単結晶シリコンなどであっても良い。導電材料を使用する場合は、表面に絶縁材料を形成する必要がある。単結晶シリコンの場合は、絶縁層は酸化シリコンや窒化シリコンが特に好適である。図４から図６では、基板１３１が絶縁材料である場合を図示する。
【００２４】
図５に図示するように、基板１３１上には、下電極１３２、下電極１３３が形成される。下電極の材料は、導電性の材料であれば良いが、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉの単層、あるいは複数の材料からなる多層が特に好適である。下電極１３２、下電極１３３は、図２の下電極１１３、下電極１１８に対応する。下電極１３２、下電極１３３の上部には、キャビティ１３４が複数形成される。キャビティ１３４は、図２のギャップ１１６、ギャップ１２１に対応する。図５では、下電極１３２の上部にキャビティ１３４が形成される様子を図示する。下電極１３３の上部のキャビティ１３４も同様の構造である。キャビティ１３４の上には、振動膜１３５が形成される。振動膜１３５は、図２の振動膜１１４、振動膜１１９に対応する。振動膜１３５は、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長法）による酸化シリコンや窒化シリコンが特に好適である。振動膜１３５の上部には、上電極１３６、上電極１３７が形成される。上電極１３６、上電極１３７は、図２の上電極１１５、上電極１２０に対応する。上電極の材料は、導電性の材料であれば良いが、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉの単層、あるいは複数の材料からなる多層が特に好適である。
【００２５】
図４に示すように、基板１３１上には複数のキャビティ１３４が２次元に配置される。図４では、キャビティ１３４は円形であるが、三角形や四角形などもあり得る。それぞれキャビティ１３４を含む複数のセルのうち、下電極を共有しかつ上電極を共有するものが、１つの電気エレメントを構成する。例えば、図４のエレメント１０４ａは下電極１３２、上電極１３６を共有する。図４の電極構造と図１の回路とを比較すると、図４のエレメント１０４ａは図１のエレメント１０４ａに対応することが分かる。下電極１３２、上電極１３６は、図１の端子ｐ１、端子ｐ２に対応する。
【００２６】
図４のエレメント１０４ｂは、下電極１３３、上電極１３８を共有する。図４のエレメント１０４ｂは図１のエレメント１０４ｂに対応する。下電極１３３、上電極１３８は、図１の端子ｐ３、端子ｐ４に対応する。端子ｐ１、端子ｐ２、端子ｐ３、端子ｐ４は、図４のデバイス上の電気パッド１４４、電気パッド１４０、電気パッド１４５、電気パッド１４１に相当する。各電気パッドには、図１の回路に合わせて、バイアス電源やＩＶ変換回路が接続される。なお、開口部１４６は振動膜１３５の開口部である。図６にその断面図を示す。開口部１４６は、振動膜１３５の下に形成されるパッド１４４、パッド１４５を超音波トランスデューサの表面に引き出すために設けられる。
【００２７】
図４には、下電極１３２を共有しかつ上電極１３７を共有したエレメント１０５ａ、下電極１３３を共有しかつ上電極１３９を共有したエレメント１０５ｂも図示した。図４の電極構造と図１の回路とを比較すると、図４のエレメント１０５ａ、エレメント１０５ｂはそれぞれ図１のエレメント１０５ａ、エレメント１０５ｂに対応することが分かる。エレメント１０４ａ、エレメント１０４ｂと、エレメント１０５ａ、エレメント１０５ｂとは図４の左右方向に配置できると同時に、上下方向にも配置できる。エレメント１０５ａ’、エレメント１０５ｂ’にその例を示す。以上の手法を用いれば、超音波トランスデューサ上に電気エレメントを任意の数で２次元に配置できる。回路配線を簡素化する観点からは、対をなす電気エレメントは、２次元配置において互いに隣接する電気エレメントであることが好ましい。
【００２８】
（実施例２）
図７は、本発明の実施例２の電気的結合構造を説明するものである。実施例１と同様の技術説明は省略する。実施例２は、上電極と下電極のどちらか一方が電気的に分割できない静電容量型の超音波トランスデューサに対して、特に好適である。グランド電位２０１は電気動作の基準電位である。バイアス電源２０２、バイアス電源２０３はグランド電位２０１に対して電位差を発生するものである。本実施例では、一対以上の電気エレメントのうち、少なくとも一対の電気エレメントのそれぞれに、基準電位が接続されている。
【００２９】
電気エレメント２０４ａ、電気エレメント２０４ｂ、電気エレメント２０５ａ、電気エレメント２０５ｂは、静電容量型の超音波トランスデューサである。説明のために、エレメント２０４ａの一方の端子に点ｐ９、他方の端子にｐ１０の記号を付す。同様に電気エレメント２０４ｂ、２０５ａ、２０５ｂに対して点ｐ１１から点ｐ１６の記号を付す。電気エレメント２０４ａの一方の端子ｐ９は、グランド電位２０１に接続される。電気エレメント２０４ａの他方の端子ｐ１０は、カップリングコンデンサ２１２ａを介してＩＶ変換器２０６ａに接続されると共に、コイル２１４を介してバイアス電源２０２に接続される。ＩＶ変換器２０６ａは、電気エレメント２０４ａで発生した電流信号を、電流の向きと大きに応じた電圧信号に変換する。ＩＶ変換器２０６ａは、トランスインピーダンス回路などで容易に実現できる。
【００３０】
電気エレメント２０４ｂの一方の端子ｐ１１はグランド電位２０１に接続される。電気エレメント２０４ｂの他方の端子ｐ１２は、カップリングコンデンサ２１２ｂを介してＩＶ変換器２０６ｂに接続されると共に、コイル２１５を介してバイアス電源２０３に接続される。ＩＶ変換器２０６ｂは、ＩＶ変換器２０６ａと同様に、電気エレメント２０４ｂで発生した電流信号を電圧回路に変換する。ＩＶ変換器２０６ａ、ＩＶ変換器２０６ｂにはそれぞれグランド電位２０１が接続される。ＩＶ変換器２０６ａ、ＩＶ変換器２０６ｂの出力電圧は、それぞれ差動増幅器２０８の正入力（＋）、負入力（−）に入力される。差動増幅器２０８の出力端子２１０には、ＩＶ変換器２０６ａの出力電圧とＩＶ変換器２０６ｂの出力電圧との差分電圧が出力される。
【００３１】
本実施例では、電気エレメント２０４ａと電気エレメント２０４ｂとが対をなして、１つの出力端子２１０に信号が生成される。図７では同様に、電気エレメント２０５ａと電気エレメント２０５ｂ、ＩＶ変換器２０７ａ、ＩＶ変換器２０７ｂ、差動増幅器２０９によって出力端子２１１に信号が生成される。グランド電位２０１、バイアス電源２０２、コイル２１４、電気エレメント２０４ａの端子ｐ１０、カップリングコンデンサ２１２ａ、ＩＶ変換器２０６ａ等を用いて、図１の動作との差を説明する。
【００３２】
バイアス電源２０２は、グランド電位２０１を基準に電気エレメント２０４ａの端子ｐ１０に正のバイアス電位Ｖｐを与える。ただし、バイアス電源２０２と電気エレメント２０４ａの端子ｐ１０との間には、コイル２１４があるため、バイアス電源２０２の直流インピーダンスは低く、交流インピーダンスは高い。バイアス電源２０２は、電気エレメント２０４ａの端子ｐ１０の直流電位のみを決める。電気エレメント２０４ａの端子ｐ１０とＩＶ変換器２０６ａとの間にはカップリングコンデンサ２１２ａがあるため、電気エレメント２０４ａの端子ｐ１０とＩＶ変換器２０６ａとの間の直流インピーダンスは高く、交流インピーダンスは低い。バイアス電源２０２の正のバイアス電位Ｖｐは、ＩＶ変換器２０６ａには、電気エレメント２０４ａの超音波信号のみが伝達する。従って、電気エレメント２０４ａが超音波振動を受けたときに、ＩＶ変換器２０６ａに流れる電流は、実施例１の電流ｉ１に対応する。バイアス電源２０３に関しても、コイル２１５を介して電気エレメント２０４ｂの端子ｐ１２に接続することで、バイアス電源２０２と同様の効果が得られる。電気エレメント２０４ｂが超音波振動を受けたときに、ＩＶ変換器２０６ｂに流れる電流は、実施例１の電流ｉ２に対応する。
【００３３】
電気エレメント２０４ａの端子ｐ１０と電気エレメント２０５ａの端子ｐ１４とは、コイル２１４、コイル２１６を介してバイアス電源２０２に並列接続する。また、電気エレメント２０４ｂの端子ｐ１２と電気エレメント２０５ｂの端子ｐ１６とは、コイル２１５、コイル２１７を介してバイアス電源２０３に並列接続する。以下同様の手法を用いれば、電気エレメントと出力端子とを任意に増やすことが可能である。
【００３４】
以下、ＩＶ変換器２０６ａ、ＩＶ変換器２０６ｂ、差動増幅器２０８、出力端子２１０は、実施例１のＩＶ変換器１０６ａ、ＩＶ変換器１０６ｂ、差動増幅器１０８、出力端子１１０と同様の動作を行う。実施例１と同様の原理により、電磁ノイズを減少することができる。
【００３５】
図８から図１０は、実施例２に適した超音波トランスデューサの構造を説明する図である。図８は上面図（透視図として、部材の輪郭のみ表示している）、図９は図８のＣ−Ｃ’断面図、図１０は図８のＤ−Ｄ’断面図である。図７の要素に対応する構成要素には、同一の番号を付すか、その旨を説明する。本実施例のトランスデューサは基板２３１上に形成されている。基板２３１は単結晶シリコン基板が特に好適である。基板２３１は下電極としても機能するため、抵抗率の低い材料が望ましい。例えば、抵抗率０．０２Ω・ｃｍ以下のＰ型シリコン基板が良い。
【００３６】
図９に図示するように、基板２３１上には絶縁層２３２が形成される。絶縁層２３２の材料としては、酸化シリコンが適している。単結晶シリコンの表面を熱酸化することで、絶縁層を形成することができる。絶縁層２３２の上面の一部には、周辺に対して凹部が複数ある。このような構造は、単結晶シリコンの熱酸化膜の一部をエッチングで除去して凹部を形成した後に、追加で熱酸化することで得られる。絶縁層２３２の上には、振動膜２３５が形成される。絶縁層２３２上の凹部と振動膜２３５とによってキャビティ２３４が形成される。キャビティ２３４は、図５のキャビティ１３４に対応する。
【００３７】
振動膜２３５はシリコン単結晶の薄膜が好適である。例えば、ＳＯＩ基板のデバイス層の面と絶縁層２３２の面とを、直接接合により接合した後に、ＳＯＩ基板のハンドル層とボックス層を除去することで、シリコン単結晶薄膜の振動膜２３５を形成することができる。振動膜２３５の上部には、上電極２３６、上電極２３７、上電極２３８、上電極２３９、が形成される。それぞれの上電極の材料は、導電性の材料であれば良いが、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉの単層、あるいは複数の材料からなる多層が特に好適である。
【００３８】
図８に示すように、基板２３１上には複数のキャビティ２３４が２次元配置される。図８では、キャビティ２３４は円形であるが、三角形や四角形などもあり得る。複数あるキャビティ２３４のうち、上電極を共有するものが、１つの電気エレメントである。例えば、図８のエレメント２０４ａは上電極２３６を共有する。図８の電極構造と図７の回路とを比較すると、図８のエレメント２０４ａは図７のエレメント２０４ａに対応することが分かる。基板２３１、上電極２３６は、図７の端子ｐ９、端子ｐ１０に対応する。
【００３９】
図８のエレメント２０４ｂは、上電極２３８を共有する。図８のエレメント２０４ｂは図７のエレメント２０４ｂに対応する。基板２３１、上電極２３８は、図７の端子ｐ１１、端子ｐ１２に対応する。図７の端子ｐ９、端子ｐ１１に相当する端子は、図８の電気パッド２４４である。また、図７の端子ｐ１０、端子ｐ１２に相当する端子は、図８の電気パッド２４０、電気パッド２４１である。各電気パッドには、図７の回路に合わせて、バイアス電源やＩＶ変換回路が接続される。なお、開口部２４５は絶縁層２３２の開口部である。図１０にその断面図を示す。開口部２４５は、絶縁層２３２の下の基板２３１すなわち下電極を、超音波トランスデューサの表面に引き出すために設けられる。開口部２４５には電気パッド２４４が設けられる。
【００４０】
図８には、上電極２３７を共有したエレメント２０５ａ、上電極２３９を共有したエレメント２０５ｂも図示した。図８の電極構造と図７の回路とを比較すると、図８のエレメント２０５ａ、エレメント２０５ｂはそれぞれ図７のエレメント２０５ａ、エレメント２０５ｂに対応することが分かる。エレメント２０４ａ、エレメント２０４ｂと、エレメント２０５ａ、エレメント２０５ｂとは、図８の左右方向に配置できると同時に、上下方向にも配置できる。エレメント２０５ａ’、エレメント２０５ｂ’にその例を示す。以上の手法を用いれば、超音波トランスデューサ上に電気エレメントを任意の数で２次元に配置できる。
【００４１】
上記実施例のトランスデューサを有する超音波診断装置などの情報取得装置の適用例を説明する。被検体からの音響波を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などを取得することができる。より詳しくは、被検体情報取得装置の一実施形態は、被検体に光（可視光線や赤外線を含む電磁波）を照射する。このことにより被検体内の複数の位置（部位）で発生した光音響波を受信し、被検体内の複数の位置に夫々対応する特性情報の分布を示す特性分布を取得する。光音響波により取得される特性情報とは、光の吸収に関わる特性情報を示し、光照射によって生じた光音響波の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や、吸収係数、組織を構成する物質の濃度、等を反映した特性情報を含む。物質の濃度とは、例えば、酸素飽和度やトータルヘモグロビン濃度や、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビン濃度などである。また、被検体情報取得装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的とすることもできる。よって、被検体としては生体、具体的には人や動物の乳房、頸部、腹部などの診断対象が想定される。被検体内部にある光吸収体としては、被検体内部で相対的に吸収係数が高い組織を示す。例えば、人体の一部が被検体であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを多く含む血管、あるいは新生血管を多く含む腫瘍、頸動脈壁のプラークなどがある。さらには、金粒子やグラファイトなどを利用して、悪性腫瘍などと特異的に結合する分子プローブや、薬剤を伝達するカプセルなども光吸収体となる。
【００４２】
また、光音響波の受信だけでなく、トランスデューサを含むプローブから送信される超音波が被検体内で反射した超音波エコーによる反射波を受信することにより、被検体内の音響特性に関する分布を取得することもできる。この音響特性に関する分布は、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した分布を含む。ただし、超音波の送受信や音響特性に関する分布を取得することは必須ではない。
【００４３】
図１１（ａ）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から発振したパルス光は、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。プローブ（探触子）２０２２内の本発明の静電容量型トランスデューサ２０２０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特性情報）を画像データとして取得する。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。以上のように、本例の被検体の情報取得装置は、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、を有し、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。
【００４４】
図１１（ｂ）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ものである。プローブ（探触子）２１２２内の本発明の静電容量型トランスデューサ２１２０から被検体２１１４へ送信された音響波は、反射体２１１６により反射される。トランスデューサ２１２０は、反射された音響波（反射波）２１１８を受信して電気信号に変換し、信号処理部２１２４に出力する。信号処理部２１２４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２１２６へ出力する。データ処理部２１２６は、入力された信号を用いて被検体情報（音響インピーダンスの違いを反映した特性情報）を画像データとして取得する。ここでも、信号処理部２１２４とデータ処理部２１２６を含めて、処理部という。表示部２１２８は、データ処理部２１２６から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。以上のように、本例の被検体の情報取得装置は、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。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光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。
【００４５】
なお、プローブは、機械的に走査するものであっても、医師や技師等のユーザが被検体に対して移動させるもの（ハンドヘルド型）であってもよい。また、図１１（ｂ）のように反射波を用いる装置の場合、音響波を送信するプローブは受信するプローブと別に設けても良い。さらに、図１１（ａ）と図１１（ｂ）の装置の機能をどちらも兼ね備えた装置とし、被検体の光学特性値を反映した被検体情報と、音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報と、をどちらも取得するようにしてもよい。この場合、図１１（ａ）のトランスデューサ２０２０が光音響波の受信だけでなく、音響波の送信と反射波の受信を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０１・・グランド電位（基準電位）、１０２、１０３・・バイアス電源、１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａ、１０５ｂ・・電気エレメント、１０８、１０９・・差動増幅器、１１０、１１１・・出力端子、１０６ａ、１０６ｂ、１０７ａ、１０７ｂ・・ＩＶ変換器
【図１】
2014236841.tif 000003
【図２】
2014236841.tif 000004
【図３】
2014236841.tif 000005
【図４】
2014236841.tif 000006
【図５】
2014236841.tif 000007
【図６】
2014236841.tif 000008
【図７】
2014236841.tif 000009
【図８】
2014236841.tif 000010
【図９】
2014236841.tif 000011
【図１０】
2014236841.tif 000012
【図１１】
2014236841.tif 000013