(57)【要約】【課題】遠隔的に用いることができ、かつほとんど電力供給する必要のない小型の超音波プローブを含む超音波診断信号送信装置を提供する。【解決手段】超音波診断信号送信装置１は、超音波を送信し、受信する超音波トランスデューサ２と、超音波トランスデューサ２から電力供給を受けることによって充電される大容量キャパシタ３とを備える。超音波診断信号送信装置１は、大容量キャパシタ３から電力供給を受けて動作するパルサ４、制御回路５及びレシーバ６を有する制御部と、サテライト超音波イメージ構築センタ１１０との送受信を行うアンテナ８を有するワイヤレスインタフェース７とを備える。【選択図】図２
2014136002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信し、超音波を、被測定媒体の内部状況の超音波診断情報として受信して、電気信号である超音波診断信号に変換する超音波トランスデューサ手段と、
上記被測定媒体に向けて超音波を送信するために、上記超音波トランスデューサ手段を駆動制御する駆動制御手段と、
上記超音波トランスデューサ手段によって受信した超音波診断信号を、ワイヤレスで送信するワイヤレスインタフェース手段と、
上記超音波トランスデューサ手段、上記駆動制御手段、及び上記ワイヤレスインタフェース手段の動作のためにこれらに電力を供給する電力供給手段とを備え、
上記超音波診断信号を上記被測定媒体から取得し、該超音波診断信号を送信する超音波診断モードと、上記被測定媒体の外部にある超音波発信源から超音波を受信して、上記電力供給手段に電力を蓄積する充電モードとを有し、
上記充電モードでは、上記超音波トランスデューサ手段を用いて、上記受信した超音波を電力に変換して上記電力供給手段に蓄積することを特徴とする超音波診断信号送信装置。
【請求項２】
上記超音波トランスデューサ手段は、
半導体基板と、
上記半導体基板上にわたって絶縁層を介して形成された第１の電極と、
上記第１の電極上にわたって、キャビティ領域を介して形成されたメンブレン層と、
上記メンブレン層上にわたって積層された第２の電極とを有する静電容量型超音波トランスデューサを含むことを特徴とする請求項１記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項３】
上記静電容量型超音波トランスデューサは、一部が帯電していることを特徴とする請求項２記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項４】
上記超音波トランスデューサ手段、上記駆動制御手段、上記ワイヤレスインタフェース手段、及び上記電力供給手段のうちの少なくとも３つの各手段を一体として形成されたことを特徴とする請求項１記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項５】
生体適合性を有する材料からなる密閉容器を更に備え、
上記超音波トランスデューサ手段、上記駆動制御手段、上記ワイヤレスインタフェース手段、及び上記電力供給手段を集積化して、上記密閉容器に収納したことを特徴とする請求項１記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項６】
上記超音波トランスデューサ手段は、マイクロマシンプロセスで製造された静電容量型トランスデューサであることを特徴とする請求項４記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項７】
上記超音波トランスデューサ手段は、マイクロマシンプロセスで製造された静電容量型トランスデューサの複数のセルを含む超音波トランスデューサエレメントであることを特徴とする請求項６記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項８】
上記充電モードにおいて、上記超音波トランスデューサ手段によって、受信された超音波を電圧に変換し、所定の電圧に昇圧して、上記電力供給手段を充電する昇圧回路を更に備えることを特徴とする請求項１記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項９】
上記ワイヤレスインタフェース手段は、アナログ信号処理手段を含むことを特徴とする請求項１記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項１０】
上記ワイヤレスインタフェース手段は、デジタル信号処理手段を含むことを特徴とする請求項１記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項１１】
上記ワイヤレスインタフェース手段は、ブルートゥース、ブルートゥースローエナジー及びワイファイのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１０記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項１２】
上記密閉容器は、超音波透過性が良好な樹脂性のカプセル容器であることを特徴とする請求項５記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項１３】
上記密閉容器は、放射線の遮断性が良好な金属製のカプセル容器であることを特徴とする請求項５記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項１４】
上記電力供給手段は、グラフェンを電極に用いた薄膜状キャパシタと、該薄膜状キャパシタの充放電端子と上記超音波トランスデューサ手段間に接続され、上記充電モードの場合に閉じるスイッチ手段と、該超音波トランスデューサ手段によって変換された交流電力を直流電力に変換する整流手段とを有することを特徴とする請求項１記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項１５】
上記電力供給手段は、上記薄膜状キャパシタセルが複数配列されて並列接続された大容量キャパシタを含むことを特徴とする請求項１４記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項１６】
上記電力供給手段は、上記大容量キャパシタを積層して形成される大容量キャパシタスタックを含むことを特徴とする請求項１５記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項１７】
上記超音波トランスデューサ手段が受信する超音波診断情報は、ヒト又は動物の心拍信号、血流音、関節音、及び体腔共鳴音のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載の超音波診断信号送信装置。
【請求項１８】
超音波を送信し、超音波を、被測定媒体の内部状況の超音波診断情報として受信して、電気信号である超音波診断信号に変換する超音波トランスデューサ手段と、該被測定媒体に向けて超音波を送信するために、該超音波トランスデューサ手段を駆動制御する駆動制御手段と、該超音波トランスデューサ手段によって受信した超音波診断信号を、ワイヤレスで送信するワイヤレスインタフェース手段と、該超音波トランスデューサ手段、該駆動制御手段、及び該ワイヤレスインタフェース手段の動作のためにこれらに電力を供給する電力供給手段とを有する超音波診断信号送信装置と、
上記超音波診断信号送信装置から伝送される上記超音波診断信号を受信することによって超音波診断画像を生成する超音波診断信号受信装置とを備え、
上記超音波診断信号送信装置は、上記超音波診断情報をワイヤレスで通信する超音波診断モードと、上記被測定媒体の外部にある超音波送信源から超音波を受信して、上記電力供給手段に電力を蓄積する充電モードとを有しており、
上記充電モードでは、上記超音波トランスデューサ手段を用いて、上記受信した超音波を電力に変換して上記電力供給手段に蓄積することを特徴とする超音波診断システム。
【請求項１９】
ボディエリアネットワークを用いて上記ワイヤレスインタフェース手段からの送信信号を中継して上記超音波診断信号受信装置に送信する中継ポイントを更に備えることを特徴とする請求項１８記載の超音波診断システム。
【請求項２０】
請求項１８記載の超音波診断システムにおける充電方法であって、
上記超音波診断モードの場合には、
上記超音波トランスデューサ手段によって、超音波を送信し、超音波を、上記被測定媒体の内部状況の超音波診断情報として受信して、電気信号である超音波診断信号に変換し、
上記駆動制御手段によって、上記超音波トランスデューサ手段を駆動制御して超音波を上記被測定媒体に向けて送信し、
上記ワイヤレスインタフェース手段によって、上記超音波トランスデューサ手段で受信された超音波診断信号を、ワイヤレスで送信し、
上記充電モードの場合には、
上記超音波トランスデューサ手段によって、上記被測定媒体の外部の超音波発信源からの超音波を受信し、
上記超音波トランスデューサ手段によって、上記受信した超音波を電力に変換して上記超音波トランスデューサ手段、上記駆動制御手段、及び上記ワイヤレスインタフェース手段に電力を供給する電力供給手段に電力を蓄積することを特徴とする超音波診断システムにおける充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断信号送信装置、超音波診断システム、及び超音波診断における充電方法に関し、特に、ヒト、動物又は構造物等の被測定媒体の表面に貼付け、又は内部に埋め込んで用いる超音波診断信号送信装置、超音波診断システム、及び超音波診断システムにおける充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高齢化社会の拡大にともなって、ＱＯＬ（Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｏｆ  Ｌｉｆｅ）すなわち生活の質の維持、向上に資するための技術開発が重要視されている。また、人間の高齢化に限らず、我が国の高度成長期に建造された橋梁やトンネル等の構造物の経年劣化が顕在化し、これらを継続的に監視する技術も注目されている。さらには原子炉等の内部のように人間が立ち入ることができない施設の内部状況を把握する技術の重要性も増している。このような観点から、いつでもどこでもだれでも、意識せず、低コストで身体や構造物の内部状態を監視し、診断することができるシステムの実現が望まれている。
【０００３】
ヒトや動物等の身体内部の状態を観察する技術としては、従来から多く用いられているＭＲＩやＣＴ等が一般的であるが、装置の動作原理上、小型化が難しく、携帯性に難があり、低コスト化やリアルタイム性にも劣る。一方、超音波診断技術やこれを用いた診断装置は、プローブ技術の発達やデジタル信号処理技術の広範な導入により、小型・薄型化が進展し、医療現場においても一般的に用いられるようになった。超音波診断技術をさらに発展させる要素技術として、近年のＭＥＭＳ技術をベースとした超音波トランスデューサの開発によって、プローブのさらなる小型化、薄型化、軽量化が可能になり、また、制御回路との一体化や、シリコンＣＭＯＳ技術の採用により、大量生産が可能になり、安価な供給が可能となってきた。超音波トランスデューサの使用材料についても、従来から用いられているＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）のように、重金属の鉛を採用しておらず、将来的な使用規制を考慮せずに使い捨ても可能である。このことは、すなわち、超音波診断装置、機器のパーソナル・ユースにもつながり得るものであり、さらに進んで、ヒトや動物等の身体内部状態の測定以外にも広範な用途を拓く可能性をもたらすものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７４７０２３２号
【特許文献２】特開２０１０−１６６９７８号公報
【特許文献３】特開２０１０−２６９１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によるｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer、静電容量型マイクロマシンプロセスを用いて製造した超音波トランスデューサ）を、制御回路とともに形成し、形成したものをプローブとすることが記載されている。そして、このプローブを人体に貼付して超音波診断の用に供する技術が記載されている。しかしながら、この小型超音波プローブは、収集された超音波画像データがケーブルによって信号処理部に送られ、超音波画像を形成し、またケーブルを経由して小型超音波プローブへの電力供給するので、ケーブルのとり回しが煩雑である。
【０００６】
特許文献２及び特許文献３には、超音波プローブと、超音波画像形成のための信号処理部とを無線で接続して、離れた箇所でのデータ送受信を可能にした超音波診断装置が記載されている。しかしながら、この無線式超音波プローブでは、電源として２次電池（バッテリ）が用いられ、プローブホルダに設けられた専用の充電手段に装着することが必要となる。
【０００７】
そこで、遠隔的に用いることができ、専用の充電手段を準備して、その充電手段に装着する必要のない小型の超音波プローブを含む超音波診断信号送信装置及び充電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る超音波診断信号送信装置は、超音波を送信し、超音波を、被測定媒体の内部状況の超音波診断情報として受信して、電気信号である超音波診断信号に変換する超音波トランスデューサ手段と、被測定媒体に向けて超音波を送信するために、超音波トランスデューサ手段を駆動制御する駆動制御手段と、超音波トランスデューサ手段によって受信した超音波診断信号を、ワイヤレスで送信するワイヤレスインタフェース手段と、超音波トランスデューサ手段、駆動制御手段、及びワイヤレスインタフェース手段の動作のためにこれらに電力を供給する電力供給手段とを備える。そして、超音波診断信号送信装置は、超音波診断信号を被測定媒体から取得し、取得した超音波診断信号を送信する超音波診断モードと、被測定媒体の外部にある超音波発信源から超音波を受信して、電力供給手段に電力を蓄積する充電モードとを有している。また、超音波診断信号送信装置は、充電モードでは、超音波トランスデューサ手段を用いて、受信した超音波を電力に変換して電力供給手段に蓄積する。
【０００９】
本発明の超音波診断システムは、超音波を送信し、超音波を、被測定媒体の内部状況の超音波診断情報として受信して、電気信号である超音波診断信号に変換する超音波トランスデューサ手段と、被測定媒体に向けて超音波を送信するために、超音波トランスデューサ手段を駆動制御する駆動制御手段と、超音波トランスデューサ手段によって受信した超音波診断信号を、ワイヤレスで送信するワイヤレスインタフェース手段と、超音波トランスデューサ手段、駆動制御手段、及びワイヤレスインタフェース手段の動作のためにこれらに電力を供給する電力供給手段とを有する超音波診断信号送信装置と、超音波診断信号送信装置から伝送される超音波診断信号を受信することによって超音波診断画像を生成する超音波診断信号受信装置とを備える。そして、超音波診断システムは、超音波診断信号送信装置が、上記超音波診断情報をワイヤレスで通信する超音波診断モードと、被測定媒体の外部にある超音波送信源から超音波を受信して、電力供給手段に電力を蓄積する充電モードとを有している。超音波診断システムは、充電モードでは、超音波トランスデューサ手段を用いて、受信した超音波を電力に変換して電力供給手段に蓄積する。
【００１０】
本発明の超音波診断システムにおける充電方法は、超音波診断モードの場合には、超音波トランスデューサ手段によって、超音波を送信し、超音波を、被測定媒体の内部状況の超音波診断情報として受信して、電気信号である超音波診断信号に変換し、駆動制御手段によって、超音波トランスデューサ手段を駆動制御して超音波を被測定媒体に向けて送信し、ワイヤレスインタフェース手段によって、超音波トランスデューサ手段で受信された超音波診断信号を、ワイヤレスで送信する。充電モードの場合には、同じ超音波トランスデューサ手段によって、被測定媒体の外部の超音波発信源からの超音波を受信し、超音波トランスデューサ手段によって、受信した超音波を電力に変換して超音波トランスデューサ手段、駆動制御手段、及びワイヤレスインタフェース手段に電力を供給する電力供給手段に電力を蓄積する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超音波診断モードでは、超音波診断信号をワイヤレスで送信することができ、充電モードでは、超音波トランスデューサ手段を用いて、受信した超音波を電力に変換して電力供給手段に蓄積するので、特別な充電手段を要することなく、遠隔的に用いることができる小型の超音波プローブを含む超音波診断信号送信装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明が適用された超音波診断システムの構成例を示す概念図である。
【図２】本発明が適用された超音波診断信号送信装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明が適用された超音波診断信号送信装置の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明が適用された超音波診断信号送信装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】本発明が適用された超音波診断信号送信装置の構造例を示す断面図である。
【図６】本発明の超音波診断信号送信装置に用いるｃＭＵＴの構造を示す断面図である。（Ａ）図は、ｃＭＵＴモジュール全体を示す断面図、（Ｂ）図は、ｃＭＵＴモジュールの主要部であるｃＭＵＴエレメントの断面図、（Ｃ）図は、ｃＭＵＴエレメントの端部のｃＭＵＴセルのうち上部電極を引き出す構造を示す断面図、（Ｄ）図は、ｃＭＵＴエレメントの端部のｃＭＵＴセルのうち下部電極を引き出す構造を示す断面図である。
【図７】本発明の超音波診断信号送信装置に用いる大容量キャパシタの動作原理を説明するための概念図である。（Ａ）図は、充電状態の場合、（Ｂ）図は、放電状態の場合を示す。
【図８】本発明に用いる大容量キャパシタの電極にグラフェンとカーボンナノチューブとを複合化したナノマテリアルを用いた場合の構造例を示す概念図である。
【図９】本発明の超音波診断信号送信装置に用いる大容量キャパシタの構造を示す平面図である。
【図１０】（Ａ）図は、図９のＡ−Ａ’線における断面図である。（Ｂ）図は、図９のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図１１】（Ａ）図〜（Ｇ）図は、本発明の超音波診断信号送信装置に用いる大容量キャパシタの構造と製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】（Ａ）図〜（Ｂ）図は、本発明の超音波診断信号送信装置に用いる大容量キャパシタの構造と製造方法を説明するための断面図である。（Ｃ）図は、大容量キャパシタの等価回路である。
【図１３】本発明が適用された超音波診断信号送信装置の制御回路モジュールの構成例を他の要素とともに示すブロック図である。
【図１４】本発明の超音波診断信号送信装置に用いるワイヤレスインタフェースモジュールの構成例を示すブロック図である。
【図１５】本発明の超音波診断信号送信装置を複数個用いて、アコースティック・エミッションを観測することによって構造物の亀裂発生位置を特定することを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は、以下の順序にしたがって行う。
【００１４】
１．超音波診断システムの構成例
２．超音波診断信号送信装置の構成例
２−１．超音波診断信号送信装置の回路構成例
２−２．超音波診断信号送信装置の構造例
（１）ｃＭＵＴの構成例
（２）大容量キャパシタの構造例
（３）制御回路の構成例
（４）ワイヤレスインタフェースの構成例
３．他の使用例
【００１５】
１．超音波診断システムの構成例
本発明が適用された超音波診断システムは、図１に示すように、超音波を発生・送信し、超音波を受信して、無線信号に変換して送信する超音波診断信号送信装置１と、超音波診断信号送信装置１から送信される超音波画像データを含む無線信号を受信して超音波画像形成する超音波診断信号受信装置を有するサテライト超音波イメージ構築センタ１１０とを備える。
【００１６】
超音波診断信号送信装置１は、上述のようにサテライト超音波イメージ構築センタ１１０とはワイヤレスインタフェースによって接続される。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、超音波診断信号送信装置１は、病院の入院患者の体表に貼付されて、この入院患者の内臓の超音波診断画像データを取得し、無線信号データに変換してサテライト超音波イメージ構築センタ１１０に送信する。超音波診断画像データは、たとえば１日に１回定時に測定され、超音波画像データを送信するようにしてもよく、定期的に測定され、複数の超音波画像データをまとめて送信するようにしてもよい。また、超音波診断信号送信装置１は、サテライト超音波イメージ構築センタ１１０からの送信データを受信し、受信した送信データに含まれる診断要求信号に基づいて、超音波診断を行い、超音波診断結果をサテライト超音波イメージ構築センタ１１０に送信するようにしてもよい。ここで、サテライト超音波イメージ構築センタ１１０は、入院患者が入院する病院内に設置されるのが望ましいが、病院内の中継局を介して、他の病院のサテライト超音波イメージ構築センタに転送することもできる。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、病院の外部にいる被験者に超音波診断信号送信装置１を装着することもできる。病院内の入院患者に対して、近接するサテライト超音波イメージ構築センタ１１０がない場合には、超音波診断信号送信装置１の送信電力が微弱であるため、遠隔のサテライト超音波イメージ構築センタ１１０へ送信電力を増大させて送信する必要がある。そのような場合には、ＢＡＮ（Ｂｏｄｙ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）システム、すなわち身体を信号伝送媒体として利用し、ＢＡＮによる伝送信号を受信し、大きな送信電力を持つワイヤレス信号に変換する無線中継装置３１を介して、サテライト超音波イメージ構築センタ１１０に超音波画像データを送信してもよい。
【００１９】
本発明に係る超音波診断システムにおいては、被験者、患者の内臓の超音波診断画像データのみならず、心拍信号、血流音、関節音、体腔共鳴音等の生体信号を取得することもできる。図１（ｃ）に示すように、健康な人等の心拍信号を取得する場合には、移動する被験者の位置に対応して、複数のサテライト超音波イメージ構築センタ１１０が設置され、超音波診断信号送信装置１は、近接するサテライト超音波イメージ構築センタ１１０とワイヤレスで接続する。
【００２０】
本発明に係る超音波診断システムは、ヒトや動物等の生体に限らず、橋脚等の構造物に対して用いることもできる。図１（ｄ）に示すように、超音波診断信号送信装置１は、構造物の表面の１か所から数か所に貼付して、その構造物の内部の超音波診断データを取得し、サテライト超音波イメージ構築センタ１１０へ送信することができる。たとえば原子炉冷却容器の壁面に、本発明に係る超音波診断信号送信装置１を複数個貼り付け、それぞれの超音波診断信号送信装置１からのアコースティック・エミッション信号の発生時刻を比較し、それぞれの貼付位置の位置情報とから亀裂発生位置を高精度に推定できることもできる。
【００２１】
サテライト超音波イメージ構築センタ１１０では、超音波診断信号送信装置１から送信されてきた超音波信号データを受信して、所定の信号処理を行うことによって所望の超音波画像を構築し、ディスプレイ等により超音波画像を表示する。また、サテライト超音波イメージ構築センタ１１０では、医師等の操作、指示によって、超音波診断信号送信装置１に、超音波診断を実行し結果を送信させる超音波診断指令や、電源の残量測定を実行し、その結果を送信させ、少量残量の場合に、充電モードに切り替える充電モード設定指令等を含む超音波診断信号走査指令情報を送信するようにしてもよい。また、これらの操作を定期的に実行できるようプログラムしてもよい。
【００２２】
上述のいずれの場合についても、ワイヤレスインタフェースには、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）-ｌｏｗ  ｅｎｅｒｇｙ、ＷｉＦｉ（登録商標）等周知のものを用いることができる。また、超音波診断信号送信装置１は、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）等のワイヤレスインタフェースによってサテライト超音波イメージ構築センタ１１０と直接接続する場合に限らず、たとえば、超音波診断信号送信装置１とＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）によって一旦無線アクセスポイントに接続し、その無線アクセスポイントや携帯電話等の無線基地局を経由し、有線、無線に限らずインタネット等の通信ネットワークを介して、超音波診断画像データを病院内のサテライト超音波イメージ構築センタ１１０に送信するようにしてもよいのはもちろんである。この場合の通信ネットワークの種類は、コンピュータを接続して通信するのに適するネットワークであることが好ましく、たとえば、回線接続網やパケット通信網である。また、このような通信ネットワークは、多数の異なるネットワークを含んでもよく、たとえば、ローカルエリアネットワーク、インタネット等のワイドエリアネットワーク、専用電話回線を含む電話回線網、コネクションレス型通信ネットワーク及び無線ネットワークが含まれてもよい。また、複数の無線信号同士の相互干渉を避けるコグニティブ無線や無線アドホックネットワークを用いてもよい。
【００２３】
２．超音波診断信号送信装置の構成例
２−１．超音波診断信号送信装置の回路構成例
本発明に係る超音波診断信号送信装置１は、小型・薄型の超音波トランスデューサを備え、超音波トランスデューサの制御回路や電源回路等も一体化することによって、小型、薄型、軽量化し、所定のパッケージングを施すことによって、被験者／建造物の体表／表面に貼付したり、体内／内部に埋め込んだりすることができる。また、超音波トランスデューサを始め電気回路は、低消費電力化するとともに、大容量キャパシタを電源として搭載することによって長時間にわたって動作することが可能になる。
【００２４】
また、大容量キャパシタを電源として用いることによって、充電回路の構成が簡単になり、さらに超音波トランスデューサを発電素子とすることによって、超音波診断信号送信装置１を被験者等からいちいち取り外して特段の充電手段に接続することなく、超音波診断信号送信装置１の外部から超音波を照射することによって発電し、大容量キャパシタを充電することができる。
【００２５】
図２及び図３は、本発明に係る超音波診断信号送信装置１の一実施の形態の構成例の概要を示すブロック図である。ここで、図２には、図示していない外部の超音波発信源から超音波診断信号送信装置１の超音波トランスデューサ２に向けて超音波を照射して発電させ、大容量キャパシタ３を充電する場合（以下、「充電モード」という。）のブロック図を示す。また、図３には、充電された大容量キャパシタ３から電力供給して、各ブロックを動作させ、超音波診断信号送信装置１の超音波診断の機能を発揮させる場合（以下、「超音波診断モード」という。）のブロック図を示す。
【００２６】
図２及び図３に示すように、本発明に係る超音波診断信号送信装置１は、超音波を送信し、受信する超音波トランスデューサ２と、超音波トランスデューサ２から電力供給を受けることによって充電される大容量キャパシタ３とを備える。超音波診断信号送信装置１は、大容量キャパシタ３から電力供給を受けて動作するパルサ４、制御回路５及びレシーバ６を有する制御部と、サテライト超音波イメージ構築センタ１１０との送受信を行うアンテナ８を有するワイヤレスインタフェース７とを備える。大容量キャパシタ３は、スイッチ９により音響電気変換機能を有する超音波トランスデューサ２と接続され、制御部及びワイヤレスインタフェース７は、スイッチ１０により超音波トランスデューサ２に接続される。スイッチ９，１０は、後述するように、一方のスイッチがオンすると他方のスイッチがオフする連動式のスイッチである。
【００２７】
充電モードでは、図２に示すように、スイッチ９がオンし、スイッチ１０がオフする。したがって、超音波トランスデューサ２は、スイッチ９を介して大容量キャパシタ３に接続される。実際には、後述するように、超音波トランスデューサ２で生成される電気信号は、交流であるため、スイッチ９の前段又は後段に交流を直流に変換する整流回路が接続される。そして、整流回路の後段に、定電圧回路あるいは定電流回路等の充電回路を介して大容量キャパシタ３に接続されるのが好ましい。充電モードでは、スイッチ１０はオフにされるので、制御部及びワイヤレスインタフェース７は動作しない。
【００２８】
超音波診断モードでは、図３に示すように、スイッチ９はオフして、大容量キャパシタ３への接続は切断される。一方、スイッチ１０はオンされ、大容量キャパシタ３から制御部の各部及びワイヤレスインタフェース７に電源出力ポート１１から各部のための定電圧回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにより電力が供給される。なお、充電モードでは、省電力化のために電源出力ポート１１の出力を停止するようにしてもよい。
【００２９】
電力が供給された制御部各部及びワイヤレスインタフェース７は、動作を開始し、サテライト超音波イメージ構築センタ１１０から無線送信された電波をアンテナ８で受信し、ワイヤレスインタフェース７によって超音波診断信号走査指令情報を取得し、指令情報を判断し、適切な超音波信号生成命令を制御回路５に渡す。制御回路５は、選択された超音波信号を生成し、パルサ４に送り超音波トランスデューサ２を駆動できる振幅に増幅し、超音波トランスデューサ２を駆動する。超音波トランスデューサ２は、超音波を生体２０内に向けて送信し、異常部位２１で反射された超音波を受信する。受信された超音波は、超音波トランスデューサ２で電気信号に変換され、電気信号に変換された超音波信号は、レシーバ６で増幅等され、適切に信号処理された後、ワイヤレスインタフェース７を介して無線伝送される。
【００３０】
なお、上述のような実施の形態では、大容量キャパシタ３を１つだけ搭載しているので、超音波診断モードと充電モードとは、排他的使用、すなわち、一方のモードを実行している場合には、他方のモードを実行することができない。大容量キャパシタ３を複数搭載することによって、いずれか一方の大容量キャパシタ３を充電しながら、放電可能状態にある他方の大容量キャパシタ３を用いて超音波診断モードで超音波診断信号送信装置１を動作させることができる。
【００３１】
図４には、本発明が適用された超音波診断信号送信装置１の主要部をさらに詳細に示したブロック図を示す。
【００３２】
超音波診断信号送信装置１は、接地された振動電極２ａと、振動電極２ａに所定の距離だけ離間し対向して配置される固定電極２ｂとを有する超音波トランスデューサ２を備える。固定電極２ｂは、スイッチ（ＳＷ１）９，１０を介して、パルサ４と、レシーバ６と、ＳＷ信号制御回路１７とを有する制御部及びワイヤレスインタフェース７又は直列接続された大容量キャパシタ３ａ，３ｂに接続される。
【００３３】
超音波トランスデューサ２としては、超音波を送信する送信部と超音波を受信する受信部とを共通に用いることができるので、静電容量型超音波トランスデューサを用いることが好ましい。後述するように、ｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer、マイクロマシンプロセスを用いて製造した静電容量型超音波トランスデューサ）を用いることが、小型化、薄型化、軽量化、低消費電力化等の観点からより好ましい。
【００３４】
超音波トランスデューサ２は、超音波診断モードでは、パルサ４が発生する駆動信号により生体２０内に向けて超音波信号を送信し、異常部位２１等によって反射した超音波を受信して電気信号に変換する。超音波トランスデューサ２は、充電モードでは、外部の超音波発信源から送信される超音波信号を受信して電気信号に変換して大容量キャパシタ３ａ，３ｂを充電する。
【００３５】
スイッチ（ＳＷ１）９，１０は、連動して動作するスイッチであり、超音波診断モードのときにはＡ側に接続され、超音波トランスデューサ２は、パルサ４及びレシーバ６に接続される。また、充電モードのときにはＢ側に接続され、超音波トランスデューサ２は、大容量キャパシタ３ａ，３ｂに接続される。
【００３６】
より詳細には、超音波トランスデューサ２は、スイッチ（ＳＷ１）９，１０を介して、整流回路を構成するダイオード１８ａのカソード及びダイオード１８ｂのアノードに接続される。ダイオード１８ａのアノードは、大容量キャパシタ３ａの負極に接続され、大容量キャパシタ３ａの正極は、正電源出力端子２４ａに接続される。ダイオード１８ｂのカソードは、大容量キャパシタ３ａの正極に接続され、大容量キャパシタ３ｂの負極は、負電源出力端子２４ｂに接続される。スイッチ（ＳＷ２）１９は、２つの大容量キャパシタ３ａ，３ｂ間、すなわちダイオード１８ａのアノードとダイオード１８ｂのカソード間に接続される。スイッチ（ＳＷ３）２２は、２つの大容量キャパシタ３ａ，３ｂの間、すなわち正電源出力端子２４ａと負電源出力端子２４ｂ間に接続される。
【００３７】
充電モードでは、スイッチ（ＳＷ１）９，１０は、Ｂ側に接続され、スイッチ（ＳＷ２）１９はオフし、スイッチ（ＳＷ３）２２は、オン状態である。超音波トランスデューサ２で発生した交流電圧は、交流電圧が正のときには、ダイオード１８ｂを通して大容量キャパシタ３ｂを充電し、交流電圧が負のときには、ダイオード１８ａを通して大容量キャパシタ３ａを充電する。したがって、超音波トランスデューサ２で発生した交流電圧の正負のピーク値に近い電圧が２つの大容量キャパシタ３ａ，３ｂのそれぞれに印加され、大容量キャパシタ３ａ，３ｂは蓄電される。
【００３８】
スイッチ（ＳＷ１）９，１０とダイオード１８ａ，１８ｂの間に、超音波トランスデューサ２の交流の出力電圧を昇圧する昇圧回路を挿入することによって、より高い電圧を大容量キャパシタに蓄えることもできる。
【００３９】
超音波診断モードでは、スイッチ（ＳＷ１）のＢ側は切断され、スイッチ（ＳＷ２）１９はオンし、スイッチ（ＳＷ３）２２がオフとなる。したがって、２つの大容量キャパシタ３ａ，３ｂは、直列に接続されて、超音波トランスデューサ２から出力された電圧のほぼ２倍の電圧が正負の電源出力端子２４ａ，２４ｂに出力する。
【００４０】
パルサ４は、ワイヤレスインタフェース７に内蔵された制御回路５により設定されるパルス波形を生成するパルスジェネレータ１３と、パルスジェネレータ１３で生成されたパルス波形を、超音波トランスデューサ２を駆動できる電圧に増幅する高圧アンプ１４とを含む。パルサ４に電源出力端子２４ａ，２４ｂから所定の電圧に変換する電圧レギュレータ等を介して電源供給端子４ａに電源を供給する。
【００４１】
レシーバ６は、超音波トランスデューサ２で受信し電気信号に変換された超音波信号を増幅するローノイズアンプ１５と、ローノイズアンプ１５で増幅された超音波信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１６とを含む。レシーバ６には、電源出力端子２４ａ，２４ｂから供給される電源を所定の電圧に変換する電圧レギュレータ等を介して電源供給端子６ａに電源を供給される。
【００４２】
ワイヤレスインタフェース７は、サテライト超音波イメージ構築センタ１１０から送信される超音波診断信号操作指令情報を含む電波をアンテナ８で受信し、超音波診断信号操作指令情報を認識する。超音波診断信号操作指令情報には、超音波診断信号送信装置１を充電モードで動作させる充電モード指令、超音波診断信号送信装置１を超音波診断モードで動作させる超音波診断モード指令が含まれる。超音波診断信号送信装置１は、ワイヤレスインタフェース７を介して、充電モード指令か超音波診断モード指令かを判断し、ＳＷ信号制御回路１７に対して各スイッチ状態の設定を行う。また、超音波診断信号操作指令情報には、パルサ４によって生成する超音波駆動信号のパルス波形の種類（ＤＳＦ）、最大パルス電圧（ＭＰＶ）、パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）、パルス発生ディレイ時間（ＰＤＴ）に関する駆動信号波形パラメータが含まれる。ワイヤレスインタフェース７は、これらの超音波診断信号操作指令情報に含まれる駆動信号波形パラメータを、パルサ４に対して設定する。ワイヤレスインタフェース７には、電源出力端子２４ａ，２４ｂから出力される電源を所定の電圧に変換する電圧レギュレータ等を介して電源供給端子７ａによって電源が供給される。なお、この例のワイヤレスインタフェース７では、パルサ４に対する超音波診断信号操作指令情報を解析して設定する制御回路５の機能を内蔵することとしているが、図２及び図３の例のように、ワイヤレスインタフェース７とは別体にして制御部側に含ませるようにしてももちろんよい。
【００４３】
ＳＷ信号制御回路１７は、上述したように、超音波診断信号操作指令情報に基づいて、超音波診断信号送信装置１の動作モードを設定するためのスイッチの制御を行う。ＳＷ制御信号Ｓ１によって、スイッチ（ＳＷ１）９，１０を制御し、ＳＷ制御信号Ｓ２によって、スイッチ（ＳＷ２）１９を制御し、ＳＷ制御信号Ｓ３によって、スイッチ（ＳＷ３）２２を制御する。ＳＷ信号制御回路１７には、電源出力端子２４ａ，２４ｂから出力される電源を所定の電圧に変換する電圧レギュレータ等を介して電源供給端子１７ａに電源が供給される。
【００４４】
２−２．超音波診断信号送信装置の構造例
本発明に係る超音波診断信号送信装置１では、各部を適切な機能ごとに分割し、マルチチップ多層化技術を用いることによって、より一層の小型化、薄型化、軽量化を実現することができる。
【００４５】
図５に示すように、超音波診断信号送信装置１は、ＭＥＭＳ加工技術を用いてシリコン基板上に形成したｃＭＵＴモジュール４０と、シリコンＣＭＯＳ技術を用いて、パルサ４、レシーバ６、ＳＷ信号制御回路１７及びダイオード１８ａ，１８ｂからなる整流回路を含むように形成された制御回路モジュール４１と、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈチップを含むワイヤレスインタフェースモジュール４２と、大容量キャパシタ３を含む電源モジュール４３とを有する。そして、超音波診断信号送信装置１は、これら各モジュールをハンダバンプ４４を用いて積層実装したものを、カバーシート４５で密封することによって、構成される。カバーシート４５で密封された超音波診断信号送信装置１は、生体２０の体表に対向するようにｃＭＵＴモジュール４０を向けて体表に密着させ、貼付けシート４６を用いて体表に貼り付ける。カバーシート４５は、耐湿性、耐水性を維持できる樹脂製等のシートを用いることができる。また、カバーシートに代えて、たとえば紫外線硬化性の樹脂により、上述のモジュール全体をコーティングするようにして封止してもよい。さらに、カバーシートに代えて、あるいはカバーシートで密封した超音波診断信号送信装置１を、生体適合性を有する材料、たとえば生体親和性セラミクスや生体親和性金属からなるカプセル状の小型容器に収納することによって、生体２０の体表に貼付するのみならず、体内に埋め込んだり、経口で体内に取り込んで用いることもできる。本発明に係る超音波診断信号送信装置１では、超音波がセラミクスや金属製の外囲器、収納容器を透過できるので、ヒト、動物の体内や、構造物の内部に超音波診断信号送信装置１を埋め込んでも、外部の超音波発信源を用いて超音波を照射することによって容易に充電することができる。また、超音波は、金属によっても遮へいされないので、収納容器を放射線の遮断性が良好な金属、たとえばＰｂやＰｂ合金で形成することによって、原子炉内等の人間が入ることができない箇所でも用いることができる。
【００４６】
なお、モジュールの実装可能な機能について、製造プロセスによって変更されるのはもちろんであり、さらに機能モジュールを分割して実装したり、さらに集積化して実装することができるのはもちろんである。
【００４７】
（１）ｃＭＵＴの構成例
ｃＭＵＴは、ＭＥＭＳ技術を用いてシリコン基板上に形成することができるので、制御部との１チップ化等も考慮すると、小型化、薄型化に最も適していると言える。
【００４８】
ｃＭＵＴモジュール４０は、図６（Ａ）に示すように、シリコン基板上に形成されるｃＭＵＴエレメント５０と、ｃＭＵＴモジュール４０を他のモジュールと接続するためのハンダバンプとを有している。ｃＭＵＴモジュール４０のｃＭＵＴエレメント５０以外の領域には、たとえばレシーバ６を構成するローノイズアンプ１５がＣＭＯＳ技術によって形成されていてもよい。
【００４９】
図６（Ｂ）は、ｃＭＵＴモジュール４０のうち、ｃＭＵＴエレメント５０の部分を拡大して示す断面図である。ｃＭＵＴエレメント５０は、多数のｃＭＵＴセルの配列からなっている。端部のｃＭＵＴセル５１，５２は、上部電極及び下部電極を引き出して外部回路に接続するための構造を有している以外同一の構造を有している。なお、ｃＭＵＴセルの平面形状は、方形状、六角形状等さまざまな形状として、これらをアレイ状にしてｃＭＵＴエレメント５０を形成することができる。
【００５０】
図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）に示すように、ｃＭＵＴセル５１，５２では、シリコン基板５３上に絶縁膜５４を介して形成された下部電極５５と、下部電極５５上に、ＳｉＮ膜層５６の支持層５６ａによって形成されるキャビティ部５７と、キャビティ部５７の上部のＳｉＮ膜層５６ｂで形成される薄肉のメンブレン層を介して形成された上部電極５８とを備える。上部電極５８の上面には、ｃＭＵＴエレメント５０の保護のための保護層６３が形成される。下部電極５５は、固定電極であり、キャビティ部５７を介して形成される上部電極５８は、メンブレン層５６ｂによって支えられた振動電極となる。
【００５１】
ここで、ｃＭＵＴを含む静電容量型超音波トランスデューサでは、超音波を受信して電気信号に変換する場合に、振動電極と固定電極間に直流バイアスが印加されることが必要である。外部電源を用意することにより振動電極と固定電極間に直流バイアスを印加してもよいが、回路規模の縮小、低消費電力化のためにあらかじめ振動電極と固定電極間に直流バイアス源を内在させるようにするのが好ましい。たとえば、メンブレン層を形成する層をＳｉＮ／ＳｉＯの複合層や、ＳｉＮ／ＳｉＯ／ＳｉＮの複合層とし、コロナ放電等を用い、帯電電荷を複合層の境界層に固定することによって、散逸しにくく安定な固定電荷を実現することができる。
【００５２】
図６（Ｃ）に示すように、一方の端部のｃＭＵＴセル５１では、上部電極５８を引き出す貫通孔５９を介して、シリコン基板５３上部に形成された不純物拡散領域６０とオーミック接続される。上部電極５８は、シリコン基板５３を介して、オーミック接続のための拡散層６１にメタライズされた電極６２に接続される。これが接地側端子となる。なお、シリコン基板５３の下面は絶縁膜６４が形成される。電極６２には、ハンダバンプ４４が接続されて、外部回路との接続を可能にする。
【００５３】
図６（Ｄ）に示すように、他方の端部のｃＭＵＴセルでは、下部電極５５をシリコン基板５３の下面に引き出すために、シリコン基板５３に貫通孔６６を形成し、貫通孔６６の表面を絶縁膜５４で覆った後に貫通電極６５の金属材料が充填され、下部電極５５と電極６２及びハンダバンプ４４とが電気的に接続される。なお、接地側内部配線のための貫通孔５９や貫通配線のための貫通電極６５はエレメント端部である必要はなく、下層モジュールの回路端子位置に合わせて適宜設計されるものである。
【００５４】
（２）大容量キャパシタの構造例
本発明に係る超音波診断信号送信装置１の電源には、大容量キャパシタを用いるのが好ましい。大容量キャパシタは、電気２重層キャパシタであることがさらに好ましく、以下では、大容量キャパシタは、電気２重層キャパシタであるとして説明する。
【００５５】
大容量キャパシタの動作原理及び構造について、以下説明する。
【００５６】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、大容量キャパシタは、正電極７１ａと、正電極７１ａに対向して配置される負電極７１ｂと、正電極７１ａと負電極７１ｂ間に充填される誘電体層７６とを含んでおり、正電極７１ａ及び負電極７１ｂのそれぞれに電気的に接続される正極集電体７０ａ及び負極集電体７０ｂを有する。また、大容量キャパシタは、正電極７１ａと負電極７１ｂとを隔離し、かつ誘電体層７６を保持して正電極７１ａと負電極７１ｂとの間のイオン伝導性を確保するために正電極７１ａと負電極７１ｂ間にセパレータを有するのが好ましい。正極集電体７０ａ及び負極集電体７０ｂは、充電時又は放電時にそれぞれ正負の端子として機能する。すなわち、図７（Ａ）に示すように、充電時においては、正極集電体７０ａは、充電用直流電源７４の正出力端子に接続され、負極集電体７０ｂは、充電用直流電源７４の負出力端子に接続される。また、図７（Ｂ）に示すように、放電時においては、正極集電体７０ａ及び負極集電体７０ｂは、それぞれ負荷７５の正負端子に接続されて、負荷７５に電力を供給する。
【００５７】
大容量キャパシタについて、さらに詳しく充放電時の動作を説明すると、図７（Ａ）に示すように、正極集電体７０ａ及び負極集電体７０ｂに充電用直流電源が接続されると、正極側の正電荷は、電解質からなる誘電体層７６中の負電荷を引き寄せ、負極側の負電荷は、誘電体層７６中の正電荷を引き寄せる。正極側、負極側のそれぞれの付近に向きが異なる等量の電気２重層７３，７３が一対形成されるこの電気２重層７３，７３は、ナノスケールの距離を隔てて配置されたキャパシタが充電された状態に相当する。したがって、その静電容量Ｃは、誘電体層７６を構成する電解質の誘電率ε、電気２重層を形成する電荷が占める面積Ｓ、電気２重層の対向電荷間の距離ｄとすると、以下のように表わすことができる。
【００５８】
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ                                  （１）
【００５９】
対向電荷間の距離ｄは、上述したようにナノスケールのオーダであり、かつ表面積が大きな電極を用いることによって静電容量Ｃは、非常に大きくなる。
【００６０】
ここで、大容量キャパシタの静電容量Ｃｅｎｅｒｇｙ、正負電極間に印加される電圧Ｖｄｃ、とすると、大容量キャパシタに蓄積されるエネルギＥｓｔｒａｇｅは、
【００６１】
Ｅｓｔｒａｇｅ＝（１／２）・Ｃｅｎｅｒｇｙ・Ｖｄｃ２      （２）
【００６２】
と表わされるので、大きな静電容量Ｃｅｎｅｒｇｙを実現することによって、大きな静電エネルギを蓄積することができることとなる。
【００６３】
一方、図７（Ｂ）に示すように、大容量キャパシタの正負電極に負荷７５が接続された場合には、正電極７１ａ中及び負電極７１ｂ中に存在していた正電荷及び負電荷がそれぞれ放出され、電流となって負荷に流れる。同時に、正電極７１ａ及び負電極７１ｂに引き寄せられていた電荷が遊離する。
【００６４】
このように、大容量キャパシタの充放電の原理は、内部に形成される電気２重層における電荷の出し入れに基づくものであり、リチウムイオン２次電池のような化学反応をともなわないので、電解質や電極の劣化が少なく、安全性や信頼性にも優れる。
【００６５】
また、化学反応に基づく充放電現象をその原理としていないので、大容量キャパシタは、内部インピーダンスが低く、充放電の制御が容易であるとの特長も有している。ただし、大容量キャパシタの内部配線や外部回路への配線の引き回しを含む配線抵抗Ｒを考慮すると、時定数はＣｅｎｅｒｇｙ・Ｒなので、Ｃｅｎｅｒｇｙが１Ｆを超えるような場合には、時定数が大きくなるので留意する必要がある。本発明が適用された超音波診断信号送信装置１では、このような配線抵抗Ｒを非常に低くすることができる。すなわち、上述したように、大容量キャパシタを含む電源モジュールと他の機能モジュールとを積層実装することにより、大容量キャパシタから外部回路への配線を非常に短縮することができる。また、後述するように、大容量キャパシタでは、シリコン基板上に高密度に形成することができるので、大容量キャパシタの内部配線も短縮することができ、配線抵抗Ｒを非常に低くすることができる。よって、本発明が適用された超音波診断信号送信装置１では、高速な充放電が可能になる。
【００６６】
式（１）において、電気２重層を形成する電荷が占める面積Ｓを大きくすることにより、さらに静電容量を増大することができる。電極の材料を適切に選定することによって面積Ｓを増大することができる。正負の電極には、電極の面積Ｓをかせぐために金属酸化物系材料のナノ粒子や薄膜が適している。金属酸化物系材料としては、たとえば水和酸化ルテニウムＲｕＯ２・ｎＨ２Ｏ、マンガン酸化物ＭｎＯ２、あるいはニッケル酸化物ＮｉＯ等を用いることができる。また、構造的に巨大な比表面積を実現することができるカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという。）やカーボンナノファイバ（以下、ＣＮＦという。）等のナノ構造炭素構造体を用いることができる。グラフェンを多層にしたナノ構造炭素構造体や、図８（http://www.nims.go.jp/news/press/2011/09/p201109050.htmlより引用）に示すように、空隙部８３が多数形成されているアッパグラフェンシート８０ａとボトムグラフェンシート８０ｂ間にＣＮＴ８１を配することによって、ＣＮＴ８１がスペーサとなり、多量のイオン８２の吸着を可能とするナノ複合構造炭素構造体を用いてもよい。グラフェンシート８０ａ，８０ｂに多数の微小な空隙部８３が存在することによって、電極の比表面積の増大が可能になる。このような電極構造をとることによって、電気２重層を形成する電荷が占める面積Ｓを飛躍的に向上させることができ、大容量キャパシタの容量のさらなる増大が可能になる。
【００６７】
誘電体層７６には、電解質材料が用いられるが、固体電解質材料を用いることによってセパレータ７２が不要になり、セパレータ７２の厚さ分だけ、大容量キャパシタの薄型化が可能になる。固体電解質材料としては、高分子材料、電解質塩、及び可塑剤としての溶媒の組成からなるゲル系材料、たとえばジスルホン酸エステル系の高分子ゲルが好ましい。
【００６８】
正負極集電体７０ａ，７０ｂは、ＡｌやＡｕの薄膜によって形成することができる。同時にＡｌやＡｕの薄膜配線層を導電配線として用いることもできる。
【００６９】
図９及び図１０には、大容量キャパシタの構造例の１つを示す。図９が大容量キャパシタの平面図であり、図１０（Ａ）が図９のＡ−Ａ’線における断面図、図１０（Ｂ）が図９のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【００７０】
図９、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように、大容量キャパシタは、シリコン基板９０上に形成される。シリコン基板９０は、周囲に立設された衝立部９３を有する。大容量キャパシタは、衝立部９３で囲われた部分内で、シリコン基板９０上にわたって形成された絶縁膜９１と、絶縁膜９１上に形成された下部電極９２及び下部電極配線９２ａと、絶縁膜９１に下部電極が露出するまで開口された開口部に充填された誘電体層９５と、誘電体層９５上に形成された上部電極１０２と、上部電極１０２上にわたって積層されたＳｉＮ保護膜１０３と上部電極１０２及び下部電極配線に重なる位置に、これら電極が露出するように開口されて、電気的接続がとられた上部電極配線１０２ａ及び下部電極配線９２ｂとを有している。さらに、衝立部９３に囲われた内部にわたって充填された保護充填剤１０４と、上部電極配線１０２ａ及び下部電極配線９２ｂに重なる位置にこれらの配線が露出するように、開口された位置に接続されるハンダバンプ１０１とを有する。
【００７１】
衝立部９３は、たとえばＭＥＭＳ技術を用いて、キャパシタを形成する箇所のシリコンを削り出すことによって形成することができる。
【００７２】
誘電体層９５は、上述したように、ゲル状の固体電解質材料が好ましく、たとえばジスルホン酸エステル系高分子ゲルを用いるのが好ましい。固体電解質を用いた場合には、セパレータは不要である。
【００７３】
上述のように、大容量キャパシタは、シリコンを用いた半導体形成技術で実現することができる。なお、上部電極、下部電極に上述のＣＮＴやＣＮＦを用いる場合には、低抵抗のシリコン単結晶を用い、シリコン基板の接合面が（１００）の結晶方位面となるように留意する必要がある。
【００７４】
図１１及び図１２には、大容量キャパシタの他の構造例を示す。この構造例は、複数のキャパシタセルからなるアレイ状のキャパシタをシリコン基板上に形成することによって大容量化し、冗長構成を可能にするものである。図１１は、キャパシタセル部の製造工程を示す断面図、図１２は、キャパシタセルのアレイを含むキャパシタエレメントをさらに並列接続して大容量化する製造工程を示す断面図及び等価回路図である。
【００７５】
図１１及び図１２に示すように、大容量キャパシタは、キャパシタセルをアレイ状に配列し、これらを並列接続したキャパシタエレメントと、キャパシタエレメントをさらに並列に接続することによって大容量化が可能になる。
【００７６】
図１１に示すように、アレイ内のキャパシタセル（図１２の２点鎖線内）９６は、シリコン基板上に形成された同一の２つの１／２セルを貼り合わせることによって形成される。１／２セルは、シリコン基板９０上にわたって絶縁膜９１を形成し（図１１（Ａ））、絶縁膜９１の所定の範囲に下部電極９２を形成する（図１１（Ｂ））。下部電極９２の周囲にわたって絶縁膜９１上に立設する衝立部９３を形成し、衝立部９３の表面に絶縁膜９４を形成する（図１１（Ｃ））。シリコン基板９０上に立設された衝立部９３によって囲われた凹部に誘電体層９５として誘電体ゲルを充填する（図１１（Ｄ））。同様に製造された他方の１／２セルを上下反転し、それぞれ上面を重ねて貼り付けることによって、キャパシタセル９６を形成する。
【００７７】
次に、図１２（Ａ）に示すように、複数のキャパシタセル９６を含むキャパシタエレメントの上部の電極と下部の電極の配線を行い、上下の配線層１００を形成し、端部において上下の電極の配線を貼り合わせ基板を貫通する貫通孔９９を形成して配線を引き出し、上面及び下面それぞれに電極パッド９７ａ，９７ｂを形成する。電極パッド９７ａは、キャパシタエレメント３ａの下部電極９２に接続されている。電極パッド９７ｂは、キャパシタエレメント３aの上部の電極に接続されている。
【００７８】
キャパシタエレメント３ａと同一のキャパシタエレメント３ｂを用意し、上下反転させて電極パッド９８ａ同士、電極パッド９８ｂ同士を接続する（図１２（Ｂ））。最後に電極パッド９７ａ，９７ｂにハンダバンプを形成する。
【００７９】
図１２（Ｃ）は、上述の工程で形成した大容量キャパシタの等価回路図であり、２つの大容量キャパシタエレメント３ａ，３ｂが並列接続されることを示す。キャパシタエレメント３ａの配線層１００から引き出した電極パッド９７ｂは、貫通孔９９、電極パッド９８ｂを介して、他方のキャパシタエレメント３ｂの電極パッド９８ｂに接続される。キャパシタエレメント３ｂの電極パッド９８ｂは、貫通孔９９を介して、キャパシタエレメントの上部の配線層１００（上下を反転しているので、上部電極が図においては下部になっている）に接続される。すなわち、２つのキャパシタエレメント３ａ，３ｂの上部の配線層１００，１００同士が内部配線によって接続されることになる。同様に、２つのキャパシタエレメント３ａ，３ｂの下部電極（キャパシタエレメントは、上下を反転しているので、下部電極が図においては上部になっている）同士が内部配線で接続されることになる。
【００８０】
上述と同様にして、交互に反転したキャパシタエレメントを積層するように接続することによって、大容量キャパシタの並列数を増やして容量値を増大させることができる。また、１つのキャパシタエレメントには多数のキャパシタセルが並列接続するように形成されているため、多数のキャパシタセルのうちのいくつかが誘電体ゲルの消耗等による断線故障を起こしたとしても、他の並列セルによる冗長性のため電源遮断にならず信頼性の高い大容量の電源を実現することができる。
【００８１】
（３）制御回路の構成例
図１３に示すように、パルスジェネレータ１３と高圧アンプ１４を含むパルサ４と、ローノイズアンプ１５とＡ／Ｄコンバータ１６とを含むレシーバ６と、ＳＷ信号制御回路１７と、第１及び第２のダイオード１８ａ，１８ｂからなる整流回路と、第１〜第３のスイッチ９，１０，１９，２２とをシリコン基板上にＣＭＯＳ回路技術を用いて制御回路モジュール４１を構成することができる。図９に示した大容量キャパシタを電源モジュール４３として、制御回路モジュール４１と積層実装するようにしてもよい。大容量キャパシタのハンダバンプ１０１ａを接続端子（Ａ）３０ａに接続し、ハンダバンプ１０１ｂを接続端子（Ｂ）３０ｂに接続し、ハンダバンプ１０１ｃを接続端子（Ｃ）３０ｃに接続し、ハンダバンプ１０１ｄを接続端子（Ｄ）３０ｄに接続することによって、電源モジュール４３と制御回路モジュール４１とを接続することができる。また、接続端子４ｂ，６ｂ，１７ｂによって、ワイヤレスインタフェースモジュール４２と制御回路モジュール４１とを接続し、接続端子３２によって、ｃＭＵＴモジュール４０と制御回路モジュール４１とを接続することができる。
【００８２】
（４）ワイヤレスインタフェースの構成例
図１４に示すように、ワイヤレスインタフェースは、たとえばＢｌｕｅｔｏｏｔｈチップ３３と、電波の送受信のためのアンテナ８と、送受信の切換えスイッチ３４と、動作用水晶振動子３５ａと、スタンバイ用低周波振動子３５ｂと、動作シーケンスプログラム等を内蔵したＥＥＰＲＯＭ３６とを有する。送受信状態では動作用水晶振動子３５ａが生成するクロックに基づいて、通常動作を行い、スタンバイ時は低消費電力化のためスタンバイ用低周波振動子３５ｂに基づいて低周波クロックで動作する。
【００８３】
３．他の使用例
本発明の超音波診断信号送信装置１を複数個用いることによって、超音波を含む音の発生源の位置を特定することができる。すなわち、図１５（Ａ）に示すように、位置（ｘ，ｙ）は、構造物等の亀裂の発生にともなって放出されるアコースティック・エミッション（超音波）の音源位置であるとした場合に、２つの超音波診断信号送信装置１のそれぞれの位置を、（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）とすると次の関係が成り立つ。
【００８４】
（ｘ−ｘ１）２＋（ｙ−ｙ１）２＝ｒ１２                        （３）
（ｘ−ｘ２）２＋（ｙ−ｙ２）２＝ｒ２２                        （４）
【００８５】
上記式（３）、（４）より距離ｒ１，ｒ２を超音波診断信号送信装置１を用いて測定することによって、音源の位置（ｘ，ｙ）を特定できる。
【００８６】
音速をｖ、音源から位置（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）それぞれまでの伝播時間をそれぞれτ１，τ２とすると、ｒ１，ｒ２は、それぞれ以下のように表される。
【００８７】
ｒ１＝ｖ×τ１                                                （５）
ｒ２＝ｖ×τ２                                                （６）
【００８８】
ここで、伝播時間τ１，τ２は、未知の変数なので、さらにもう１つ超音波診断信号送信装置１を位置（ｘ３，ｙ３）に配置する。式（３）〜（５）より、以下の関係が成り立つ。
【００８９】
（ｘ−ｘ１）２＋（ｙ−ｙ１）２＝ｒ１２＝ａ２                  （７）
（ｘ−ｘ２）２＋（ｙ−ｙ２）２＝ｒ２２＝（ａ＋ｖ・τ１２）２  （８）
（ｘ−ｘ３）２＋（ｙ−ｙ３）２＝ｒ３２＝（ａ＋ｖ・τ１３）２  （９）
【００９０】
図１５（Ｂ）に示すように、位置（ｘ１，ｙ１）において受信信号ＡＥ１が観測されてから位置（ｘ２，ｙ２）において受信信号が観測されるまでの時間τ１２と、位置（ｘ３，ｙ３）において受信信号が観測されるまでの時間τ１３については、測定可能なので、未知の変数ｘ，ｙ，ａは、式（７）〜（９）を解くことによって、求めることができる。
【００９１】
したがって、３つの超音波診断信号送信装置１を用いることによって、音源の位置を特定することができる。
【００９２】
なお、上述では、２次元平面の場合、たとえば構造物の同一壁面上に亀裂が発生してアコースティックエミッションを発生した場合の音源位置特定のしくみであるが、構造物の内部で亀裂が発生した場合については、３次元の取り扱いとなるので、超音波診断信号送信装置１をさらに複数個追加して、上述と同様の考え方に基づいて、計測値τ１２、τ１３、τ１４、・・・と、音速とから音源、すなわち亀裂発生源の位置を特定することが可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１  超音波診断信号送信装置、２  超音波トランスデューサ、３  大容量キャパシタ、４  パルサ、４ａ  電源供給端子、５  制御回路、６  レシーバ、６ａ  電源供給端子、７  ワイヤレスインタフェース、７ａ  電源供給端子、８  アンテナ、９，１０  スイッチ、１１  電源出力ポート、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  定電圧回路、１３  パルスジェネレータ、１４  高圧アンプ、１５  ローノイズアンプ、１６  Ａ／Ｄコンバータ、１７  ＳＷ信号制御回路、１７ａ  電源供給端子、１８ａ，１８ｂ  ダイオード、１９，２２  スイッチ、２０  生体、２１  異常部位、２４ａ  正電源出力端子、２４ｂ  負電源出力端子、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ  接続端子、３２  超音波トランスデューサ接続端子、３３  Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈチップ、３４  送受信の切換えスイッチ、３５ａ  動作用水晶振動子、３５ｂ  スタンバイ用低周波振動子、３６  ＥＥＰＲＯＭ、４０  ｃＭＵＴモジュール、４１  制御回路モジュール、４２  ワイヤレスインタフェースモジュール、４３  電源モジュール、４４  ハンダバンプ、４５  カバーシート、４６  貼付けシート、５０  ｃＭＵＴエレメント、５１，５２  端部のｃＭＵＴセル、５３  シリコン基板、５４  絶縁膜、５５  下部電極、５６、５６ｂ  ＳｉＮ膜層、５６ａ  支持層、５７  キャビティ部、５８  上部電極、５９  貫通孔、６０  不純物拡散領域、６１  拡散層、６２  電極、６３  保護層、６４  絶縁膜、６５  貫通電極、６６  貫通孔、７０ａ  正極集電体、７０ｂ  負極集電体、７１ａ  正電極、７１ｂ  負電極、７２  セパレータ、７３  電気２重層、７４  充電用直流電源、７５  負荷、７６  誘電体層、８０ａ  アッパグラフェンシート、８０ｂ  ボトムグラフェンシート、８１  ＣＮＴ、８２  イオン、８３  空隙部、９０  シリコン基板、９１  絶縁膜、９２  下部電極、９２ａ  下部電極配線、９３  衝立部、９４  絶縁膜、９５  誘電体層、９６  キャパシタセル、９７ａ，９７ｂ，９８ａ，９８ｂ  電極パッド、９９  貫通孔、１００  配線層、１０１  ハンダバンプ、１１０  サテライト超音波イメージ構築センタ
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１】
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【図８】
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【図１２】
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【図１５】
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