(57)【要約】  静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサが送信する超音波の波形を制御し、送信音圧を向上する。  送信超音波について、正負非対称波形を電圧値に応じて可変にする。
2009063964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、前記第１電極を覆う第１部材と、前記第１電極と対向して設置される第２電極と、前記第２電極を覆う第２部材と、前記第１部材と前記第２部材と接続する壁部材とを有するセルを複数備えるセルアレイと、
前記第１電極と前記第２電極との間に印加する電圧を制御する電圧制御部とを有し、
前記制御部は、前記第１電極と前記第２電極との間に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記第１電極と前記第２電極との間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧と前記直流電圧の電圧値とに基づいて前記交流電圧の振幅比を経時変動するように制御する波形制御部とを有することを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項２】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形の前記直流電圧の値より高い領域の振幅と低い領域の振幅とについて、比が経時変動するように制御することを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形の前記直流電圧の値より高い領域の振幅と低い領域の振幅とについて非対称にすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項４】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形を、複数の波数を有する波形とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項５】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形を、キャリア波形にエンベロープ関数を重畳した波形とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項６】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形について、前記直流電圧の値より高い領域と低い領域において、振幅比が可変に制御することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項７】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形を、時間方向にエンベロープ関数が重畳された波形とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項８】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形を、キャリア波形にエンベロープ関数及び正負の振幅重み関数を重畳した波形とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項９】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形の前記比を、ガウスエンベロープ関数に比例して変化させることを特徴とする請求項２に記載の超音波撮像装置。
【請求項１０】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形について、前記直流電圧と前記交流電圧の和が前記直流電圧の符号と逆になるときに前記交流電圧の振幅を低減させることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ及び超音波撮像装置に関し、特に静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサを用いた超音波探触子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波探触子において現用されている超音波トランスデューサの多くは、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛)などの圧電セラミック系の圧電効果及び逆圧電効果を利用して、超音波の送信及び受信を行うものである。これらの圧電型トランスデューサを代替し、より効率的かつ広帯域のトランスデューサアレイを実現するために、標準的なシリコンプロセシング技術によるシリコン表面やバルクの微細加工技術を用いて製造される静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer：ｃＭＵＴ。以下ｃＭＵＴと略す）が開発されている。【０００３】
ｃＭＵＴは、通常ミクロンオーダーの微細な領域において、支柱で周囲を固定した振動膜（ダイアフラム）をシリコン系などの半導体プロセスで用いられる材料で作成し、振動膜と下部基板内部あるいは表面に電極を設け、両電極に適切な電圧を印加することで、電気音響変換器として動作する。
【特許文献１】国際公開パンフレット第０１/０９７５６２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ｃＭＵＴは原理的に駆動電圧に対して非線形応答を示すため、所望の応答を得るための駆動電圧波形の制御が従来の探触子以上に困難である。【０００５】
トランスデューサの感度は、送信と受信の両方の感度の乗算であるから、より大きな送信パワー、より微弱な音圧を電気に変換できる高い受信感度となることが理想的である。ｃＭＵＴは上下電極間に空隙を設け、振動膜を振動させるため、より大きな送信パワーに変換するには空隙を大きく取り、より大きな振幅で振動膜を振動させればよい。しかし、空隙を大きく取れば、それだけ必要な電圧が上昇し、逆に受信感度は下がるというトレードオフが存在する。従って、限られた空隙において、より効率的に振動膜を振動させることが感度向上において重要となる。【０００６】
振動膜が限られた空隙内を最も大きく振動するには、振動膜が空隙間の両端（電圧が印加されないときの振動膜の位置から下部面までの間）を移動するのがよい。ところが、ｃＭＵＴはその動作原理上、非線形に応答するため、入力駆動電圧波形がそのまま振動膜の応答にはなりにくい。従って、ｃＭＵＴの非線形性を考慮した駆動電圧の制御が必要となる。【０００７】
ｃＭＵＴの非線形応答に対する制御方法としては、入力波形をあらかじめ歪めておく方法がある（例えば特許文献１）。しかし、送信パワーを向上させることを目的として、どのような入力を行うべきか、あるいは波数が多列になる場合など、波形の振幅が時間的に変化する場合において、いかにして所望の波形を実現しつつ空隙を効率よく振動させるかが課題である。そこで、本発明では、ｃＭＵＴにおいて駆動する電圧波形の制御により、振動膜を限られた空隙間で効率的に振動させ、波形の調整と送信パワーの向上を両立させる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】
ｃＭＵＴを駆動する電圧波形の振幅において、正負の振幅比を電圧又は時間に応じて変化させる。【０００９】
静電容量型トランスデューサの振動膜に加わる静電気力は、電極間に印加される電圧をＶ(ｔ)＝Ｖdc＋Ｖac(ｔ) （Ｖdc:直流バイアス電圧、Ｖac(ｔ):交流電圧、ｔ:時間）、電極間の空隙をｄ(ｔ)、とすると、(Ｖ(ｔ)/ｄ(ｔ))2に比例する。このとき、時間的に変動に関係する力は、Ｖdcが固定の場合、(Ｖ(ｔ)/ｄ(ｔ))2＝(Ｖdc2＋２ＶdcＶac(ｔ)＋Ｖac(ｔ)2)/ｄ(ｔ)2より、２項目以降の(２ＶdcＶac(ｔ)＋Ｖac(ｔ)2)/ｄ(ｔ)2である。Ｖdcに対してＶac(ｔ)がある程度小さいときはＶac(ｔ)に比例し、かつｄ(ｔ)2に反比例する。従って、Ｖac(ｔ)が増加しＶ(ｔ)が大きくなると、振動膜が移動し電極間距離ｄ(ｔ)が小さくなるため、電極間に加わる静電気力は単純にＶac(ｔ)に比例せず、ｄ(ｔ)2に反比例してより増大する。一方、Ｖac(ｔ)が減少し、Ｖ(ｔ)が小さくなるほどＶac(ｔ)に比例する量よりも小さくなる。従って、正負対称波形を入れると電極間距離が縮まる方向と広がる方向では膜に加わる力が変わるため、仮に下部電極面付近まで振動膜を変位させる電圧を印加できたとしても、逆方向に振動する場合は十分に移動させることができず、振動可能な空隙を残してしまう可能性がある。【００１０】
そこで、本発明では、電極間に印加される交流電圧を電極間の振動膜振動方向に非対称とし、かつ入力する電圧に応じて時間的にその非対称性を変化させることで、所望の波形を得つつ送信パワーの向上を図る。【００１１】
本発明は一例として、第１電極と、第１電極を覆う第１部材と、第１電極と対向して設置される第２電極と、第２電極を覆う第２部材と、第１部材と第２部材と接続する壁部材とを有するセルを複数備えるセルアレイと、第１電極と第２電極との間に印加する電圧を制御する電圧制御部とを有し、電圧制御部は、第１電極と第２電極との間に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、第１電極と第２電極との間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、交流電圧と直流電圧の電圧値とに基づいて交流電圧の振幅比を経時変動するように制御する波形制御部とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
波形調整を可能にしつつ送信音圧を効率的に放射し、静電容量型超音波トランスデューサの送信パワーを向上させ、探触子としての感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】超音波トランスデューサを示す垂直断面図。
【図２】超音波トランスデューサアレイの斜視図及び探触子を示す図。
【図３】超音波撮像装置のシステム構成例を示す図。
【図４】駆動波形（波数１）によるｃＭＵＴの応答を示す図。
【図５】多列かつ時間的に振幅が変動する駆動波形によるｃＭＵＴの応答を示す図。
【図６】送信感度帯域を示す図。
【図７】正負対称波形の入力電圧、ダイアフラムの変位、送信音圧波形を示す図。
【図８】正負非対称波形（正負振幅比ｂ／ａ＝２，３、可変）の入力電圧、ダイアフラムの変位、送信音圧波形を示す図。
【図９】対称波形入力と正負振幅比可変入力による送信音圧の周波数スペクトラムを示す図。
【図１０】駆動電圧に対する送信パワーを示す図。
【図１１】ガウスエンベロープが重畳された波形を示す図。
【図１２】ガウスエンベロープが重畳された波形のパワースペクトラム。
【符号の説明】
【００１４】
１  基板
２  固定電極
３  可動電極
４  絶縁膜
５  絶縁膜
６  ダイアフラム層
７  空隙層
８  支持壁
１３  結線
２０  直流電源
２１  Ｄ／Ａコンバータ
２２  Ａ／Ｄコンバータ
２３  電圧リミッター
３１  送受切り替えスイッチ
３２  電源
３３  送信アンプ
３４  受信アンプ
３５  送信ビームフォーマ
３６  受信ビームフォーマ
３７  制御部
３８  信号処理部
３９  スキャンコンバータ
４１  正負対称入力波形
４２  正負対称波形入力のときの送信波形
４３  正負非対称入力波形
４４  正負非対称入力のときの送信波形
５０  正側エンベロープ波形
５１  負側エンベロープ波形
５２  キャリア波形
５３  正側エンベロープ波形
５４  負側エンベロープ波形
５５  キャリア波形
６０  表示部
６１  送信ゲイン
７０  正負対称波形  駆動電圧
７１  正負対称波形入力時のダイアフラム変位
７２  正負対称波形入力時の送信波形
８０  正負非対称波形  駆動電圧  正負振幅比２固定
８１  正負非対称波形  駆動電圧  正負振幅比３固定
８２  正負非対称波形入力時のダイアフラム変位  正負振幅比２固定
８３  正負非対称波形入力時のダイアフラム変位  正負振幅比３固定
８４  正負非対称波形入力時の送信波形  正負振幅比２固定
８５  正負非対称波形入力時の送信波形  正負振幅比３固定
９０  正負非対称波形  駆動電圧  正負振幅比可変（最大２）
９１  正負非対称波形  駆動電圧  正負振幅比可変（最大３）
９２  正負非対称波形入力時のダイアフラム変位  正負振幅比可変（最大２）
９３  正負非対称波形入力時のダイアフラム変位  正負振幅比可変（最大３）
９４  正負非対称波形入力時の送信波形  正負振幅比可変（最大２）
９５  正負非対称波形入力時の送信波形  正負振幅比可変（最大３）
１００  超音波トランスデューサ
１１０  キャリア波形
１１１  ガウスエンベロープ
２１０  音響レンズ
２２０  音響整合層
２３０  バッキング材
２４０  導電性膜
１０００  超音波トランスデューサアレイ
２０００  超音波探触子
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。【００１６】
本発明の実施形態に関わるトランスデューサ及び装置構成等について説明する。図１は静電容量型超音波トランスデューサであるｃＭＵＴの素子一つを示す垂直断面図である。超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴセル）１００は、シリコン単結晶などの絶縁体又は半導体からなる平板状の基板１に、アルミニウムやタングステンあるいはチタンなどの導電体からなる薄膜状の固定電極２が形成され、固定電極２の上にダイアフラム層（振動膜）６が形成されている。ダイアフラム層６は周縁部が基板から立ち上がった支持壁８によって基板に固定され、ダイアフラム層６と基板１の間には、周囲が支持壁８によって密閉された空隙層７が形成されている。空隙層７の中には、絶縁膜５が被覆された可動電極３が配置され、可動電極３はダイアフラム層６の内部に存在する。可動電極３は、固定電極２と可動電極３の間に電圧を印加した際、静電気力により、基板側に変位する。この変位が過剰になり、可動電極３が固定電極２と接触し、導通することを防ぐために、固定電極２の上部に絶縁膜４を設けるか、もしくは可動電極３を絶縁膜５で被覆するのが好ましい。尚、仕様の要求から、設計によっては、可動電極３はダイアフラム層６の外側にはみ出している場合や、支持壁８にまで達している場合、あるいはダイアフラム層６の厚みが一定でないなど、素子形状には様々な場合が考えられる。【００１７】
ダイアフラム層６、支持壁８及び絶縁膜５で被覆された可動電極３は、半導体プロセス技術で加工可能な材料で作られる。例えば、米国特許第６，３５９，３６７号に記載された材料が使用可能である。例示すると、シリコン、サファイア、あらゆる形式のガラス材料、ポリマ（ポリイミドなど）、多結晶シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、金属薄膜（アルミニウム合金、銅合金、又はタングステンなど）、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）、埋め込み（implantable）ドープ材又は拡散ドープ材、ならびに酸化シリコン及び窒化シリコンなどから成る成長フィルムである。空隙層７の内部は真空でもよいし、空気又は何らかの気体を充填してもよい。定常時（非動作時）において、可動電極３と基板１との間隔（ｚ方向）は、主にダイアフラム層６、支持壁８及び可動電極３の剛性によって維持されている。【００１８】
超音波トランスデューサ１００は、空隙層７及び絶縁膜４を挟んで、固定電極２と可動電極３とを配置した可変容量コンデンサとして動作する。可動電極３に力が加わりｚ方向に変位すると、固定電極２と可動電極３の間隔が変わり、コンデンサの静電容量が変化する。可動電極３とダイアフラム層６は結合しているため、ダイアフラム層６に力が加わっても、可動電極３は変位する。このとき、固定電極２と可動電極３に電荷が蓄積されていると、固定電極２と可動電極３の間隔が変わり、両電極間の静電容量が変化するとともに、両電極間に電圧が発生する。このようにして、超音波などの何らかの力学的変位をもたらす力がダイアフラム層６に伝播すると、その変位が電気信号に変換される。また、固定電極２と可動電極３に電位差を与えると、各々異なる符合の電荷が蓄積し、静電気力により可動電極３がｚ方向に変位する。このとき、可動電極３とダイアフラム層６は結合しているため、ダイアフラム層６も同時に変位する。こうして、ダイアフラム層上部（ｚ方向）に、空気、水、プラスチック、ゴム、生体など音響伝播媒体が存在すれば、音が放射される。すなわち、この超音波トランスデューサ１００は、入力された電気信号を超音波信号に変換してダイアフラム層６に隣接した媒体へ放射し、媒体から入力された超音波信号を電気信号に変換して出力する機能を有する電気音響変換素子である。【００１９】
図２は、超音波トランスデューサアレイ１０００を示す斜視図である。この超音波トランスデューサアレイ１０００は、超音波探触子（プローブ）２０００の送受信面をなすものであって、基板１に、前記した微細な（例えば水平幅５０μｍ）超音波トランスデューサ１００を１つのセル（素子）として、多数のセルを形成し、所定個数ごとに結線１３によって電気的に接続したものである。図中のセルは六角形をしているが、セルの形は用途に応じて適宜変えればよい。また超音波トランスデューサ１００の個数は、図示したものに限られず、半導体製造技術によって更に多数の超音波トランスデューサ１００のセルをより大型の基板に集積してもよい。尚、図２に示した超音波トランスデューサ１００の配列は一例であって、蜂の巣（honeycomb）状のほか、碁盤目（grid）状など、他の配列形態でもよい。また配列面は、平面状又は曲面状のいずれでもよく、その面形状も、円形状又は多角形状などにすることができる。あるいは、超音波トランスデューサ１００を、直線状又は曲線状に並べてもよい。【００２０】
図３に示したように、個々の、又は所定個数毎にまとめられたセルは、送受切替スイッチ３１を介して、この超音波探触子２０００を具備した超音波撮像装置の送信ビームフォーマ３５及び受信ビームフォーマに３６接続されている。超音波探触子２０００は、電源３２によって駆動する直流電源２０、送信アンプ３３及び受信アンプ３４により超音波ビームを形成するアレイとして動作し、超音波の送受信のために利用される。送受信信号は制御部３７により、目的に応じて制御される。送信信号は制御部で波形制御され、個々のセルやセルを束ねたチャンネルの電極に、送信ビームフォーマ３５、Ｄ／Ａコンバータ２１、送信アンプ３３を介して任意の波形や振幅及び遅延時間が設定された状態で電圧が印加される。また、探触子に過大な電圧印加しないよう、あるいは送信波形制御の目的で、電圧リミッター２３を具備している。受信信号は受信アンプ３４、Ａ／Ｄコンバータ２２や受信ビームフォーマ３６を介した後、信号処理部３８にて、Ｂモード断層像処理あるいはドップラー処理を経てビデオ信号に変換され、スキャンコンバータ３９を介して表示部６０に表示される。また、図３に示した構成要素の一部が探触子２０００の内部に構成要素の一部として構成してもよい。以下、超音波信号の送受及び画像表示までの流れを概説する。【００２１】
一般的に超音波撮像装置は、生体内の構造を２次元平面あるいは３次元で表示する。このため、超音波の送信あるいは受信においては、アレイ型の超音波探触子を用いて、各チャンネルに電気的な遅延操作あるいは使用するチャンネル数を設定し、ビームフォーミングを行い、２次元あるいは３次元内において超音波の焦点を走査し撮像する。これらの操作は送信ビームフォーマ３５あるいは受信ビームフォーマ３６内部にて行われる。また、様々な撮像モードに合わせてビームフォーマの制御を制御部３７にて行う。送信ビームフォーマ３５で制御された探触子内の各チャンネルには送信アンプを介して電圧が印加され、各チャンネルから放射される超音波がある焦点で位相が重なるよう送信される。送信と受信は同じ探触子を用いて交互に行うため、送受切り替えスイッチ３１にて送信と受信の切り替えを行う必要がある。受信時は受信信号を受信アンプ３４で増幅し、受信ビームフォーマ３６を介して信号処理部３８にて信号を検出する。信号処理部３８では、各信号が整相加算され、フィルタ処理、対数圧縮、検波という過程を経て、走査変換前の音場走査に対応した２次元画像あるいは３次元画像データとなる。ドップラーを用いた血流の撮像のような場合は、また別のフィルタによる処理ののち、直交検波、レンジゲート処理などを経てデータとなる。これらのデータはスキャンコンバータ３９で走査変換され表示部６０へのビデオ信号として出力される。以上の制御及び表示部の調整はユーザーインターフェース２４を介して使用者が行うことが出来る。【００２２】
超音波探触子２０００は、例えば、複数の超音波トランスデューサ１００の群を短冊状に配列してアレイ型に形成したり、複数の超音波トランスデューサ１００を扇状に配列してコンベックス型に形成したりしたトランスデューサアレイ１０００を具備する。また、この超音波探触子２０００において、超音波トランスデューサ１００の媒体（被検体）側には、超音波ビームを収束させる音響レンズ２１０と、超音波トランスデューサ１００と媒体（被検体）との音響インピーダンスを整合する音響整合層２２０や導電性膜２４０を配置し、またその背面側（媒体側に対して逆）には、超音波の伝播を吸収するバッキング材２３０を設けて使用することができる。【００２３】
超音波トランスデューサが送信する波形は、Ｂモード断層像や血流計測を行うカラードップラーなど用途に応じて様々であるが、ここでは、カラードップラーなどの場合に用いる波形であって、波数が複数あり、かつ時間方向にエンベロープ関数が重畳された波形を図１１に示す。ここで、時間方向にエンベロープ関数を重畳するとは、あるキャリアとなる波形（図１１中の１１０）に時間依存性の重み関数（図１１中の１１１）を重畳することをいう。エンベロープ関数には、ガウス関数、ハニング関数、矩形関数やその組み合わせなど用途に応じて様々なものが存在する。【００２４】
図１１の例では、ガウス関数エンベロープを重畳している。図１２に、ガウス関数エンベロープの周波数空間のパワースペクトラムを示す。図１２からわかるように、周波数空間において、ガウス関数エンベロープではキャリア周波数ｆ0を中心にガウス型の分布をしている。図１１のようなガウス関数型エンベロープ波形は、ドップラー計測などある狭い周波数帯において多数の波数を送信しつつ、信号処理におけるＳＮＲ（信号雑音比）を向上させる場合に用いられる。同じ振幅の波を多数入れる場合、矩形エンベロープのように急激に波形が立ち上がるとキャリア周波数以外の成分が増加してしまう。一方、時間的に滑らかに立ち上がるエンベロープを重畳することにより、キャリア周波数以外の成分を抑制し、信号処理の過程でノイズになってしまうのを防ぐことができる。【００２５】
カラードップラー計測のような場合は、血流など移動する反射源の移動速度を求めるために、ドップラー効果を利用している。このとき、ある特定の周波数の周波数シフト（Δf）を波形の位相シフトから求め、最終的に速度に換算する。従って、基本周波数以外の他の周波数の成分は位相シフトを計測する上でノイズ源になりうる。このため、ドップラー計測においては、基本周波数のパワースペクトラムのみが大きいことが精度にとって重要な指標となる。従って、ガウス関数のようなエンベロープを重畳することでキャリア周波数成分以外の周波数を抑制し、より狭帯域とすることが行われる。また、ＳＮ（感度）を向上させるために、多数の波を入れることが特徴である。【００２６】
次に、本発明によって限られた空隙におけるｃＭＵＴの送信パワーが増加する原理について述べる。ｃＭＵＴ１００の固定電極２及びダイアフラム側電極３に電位差を加えると、図１に示したように、電極間に働く静電気力で、ダイアフラム層６が変位する。このとき、ダイアフラム層６の中心部は、ダイアフラム層を固定している周辺部に比べて構造的に剛性が小さいため、周辺部よりも大きく変位する。ダイアフラム層に働く静電気力Ｆeは、εを電極間の実効的な誘電率、Ｓを電極面積、ｄを電極間距離、Ｖdcを電極間に印加される直流電位差、Ｖacを電極間に印加される交流電圧とすると、時間ｔを変数として次式のように表される。【００２７】
Ｆe(ｔ)≒εＳ＊Ｖdc＊Ｖac(ｔ)／ｄ(ｔ)2       …(1)
この式(1)のように、静電気力は同じ印加電圧、同じ電極面積に対しては、電極間の距離ｄ(ｔ)が小さいほど大きくなるという交流電圧Ｖac(ｔ)に対して非線形性を持つ。従って、ｄ(ｔ)が小さくなるような状況、すなわちＶac(ｔ)が大きくなり、ダイアフラム層６がより基板に近づくような状況では、より大きな静電気力が働き、またその逆の状況では小さな静電気力しか働かない。このとき、図４（Ａ）のように交流電圧Ｖac(ｔ)を正負対称波形とすると、図４（Ｂ）のように正負非対称の波形が音圧として出力される。【００２８】
そこで、このようなｃＭＵＴの非線形性を低減させるために、正負非対称の駆動電圧を印加することが考えられる。例えば、図４（Ｃ）に示すように、Ｖac(ｔ)の正負における振幅の比を１ではないある一定の比（ｂ／ａ≠１）で正負非対称にすることで、図４（Ｄ）のような対称波形入力よりも大きな送信パワーが得られる。【００２９】
しかし、波数が１つであれば、ある最適な比（ｂ／ａ）が固定でよいが、上述のドップラー波形（図５（Ａ））のような複数波数（多列）でかつ振幅が時間的に変動（経時変動）する場合には、それぞれの振幅において非線形性の度合いが異なる。従って、より最適な非対称波形入力とするためには、図４（Ｃ）のようにｂ／ａを固定とせず、図５（Ｂ）に示すように時間的に変動する振幅に応じて変化させた方がよいことになる。つまり、探触子に入力する電圧波形は、最終的に音圧波形として送信しようとするキャリア波形にエンベロープ関数を重畳した波形に、さらにそのエンベロープに応じて正負の振幅比を変化させた関数を重畳した波形とする。【００３０】
ここでは、入力として入力波形の正負の振幅比を調整した正負非対称波形を用いて、限られた空隙をより効率的に使うことで送信パワーが増大することを示す。また、この正負の振幅比を時間的に変動する振幅に応じて連動させて変化させ、単に送信パワーが増大するのではなく、より狭帯域にパワーを集中することで、ドップラー計測等に最適な送信スペクトラムとなることを示す。【００３１】
以下に、より具体的な実施例を用いて本発明を説明する。【００３２】
第１実施形態では、超音波トランスデューサ１００（図１）の素子構造において、電極間に印加する駆動電圧波形を調整する。これにより、送信パワーを増加させることができる。また、上記のように正負の振幅比を時間的に変動させてもよい。以下、この構成による波形への影響を示す。本検討では計算機に詳細な設計値を与え、水中での送信特性について数値シミュレーションを行った。【００３３】
本実施例の超音波トランスデューサ１００の基板１の材質はシリコン（Ｓｉ）とし、ダイアフラム層６の材質は窒化シリコン（ＳｉＮ）とし、絶縁膜４，５の材質は酸化シリコン（ＳｉＯ）とし、固定電極２、可動電極３の材質はアルミニウムとした。また、空隙層７の内部は真空とした。【００３４】
水平方向の形状について述べる。本実施例の超音波トランスデューサ１００及び比較例の超音波トランスデューサ２００の各要素は、すべて円形とした。超音波トランスデューサ１００の空隙層７の最大直径は５０μｍとし、可動電極３の直径も同じく５０μｍとした。固定電極２の直径は空隙層７の直径と同じとした。【００３５】
垂直方向の構造について述べる。本実施例の超音波トランスデューサ１００の厚さは、ダイアフラム層６が１７００ｎｍ、絶縁層４，５の厚さが２００ｎｍ、空隙層７の厚さを１００ｎｍとした。電極層３の厚さは無視したが、設計におけるチューニングの範囲で、本発明の効果を検証することへの影響はない。【００３６】
また、バイアス直流電圧は、ダイアフラムが下部基板に接触する電圧、すなわちコラプス電圧、の９０％となるように設定した。尚、本構造におけるコラプス電圧は７５Ｖである。コラプス電圧とは、ｃＭＵＴのように２つの電極が、空隙を介してダイアフラムのような何らかの剛性を持つもので支えられているとき、両電極間に直流電圧を印加していくと、ある時点で両電極間に働く静電気力がダイアフラムの剛性を大きく上回り、ダイアフラムがその剛性で空隙を保てなくなる電圧を言う。従って、通常バイアス直流電圧はコラプス電圧以下に設定される。設計によっては、あえてコラプス電圧以上に設定する場合もあるが、ここでは標準的な使用方法を採用する。【００３７】
本構造及び本バイアス条件における送信感度帯域を図６に示す。一般的なトランスデューサの定義では、送信のみあるいは受信のみの感度の場合、感度最大感度周波数から−３ｄＢの区間が帯域となる。本構造においては２ＭＨｚから１６ＭＨｚが感度帯域である。従って中心周波数（感度帯域を）は（１６ＭＨｚ＋２ＭＨｚ）／２＝９ＭＨｚとなる。ただし、感度帯域内において最も感度が高い周波数は７ＭＨｚ付近である。【００３８】
図７、図８に、本構造に印加する全電圧（Ａ）、ダイアフラムの変位（Ｂ）、送信音圧波形（Ｃ）を示す。図７は入力電圧が正負対称波形で、キャリア周波数は感度帯域の最も感度が高い周波数付近である７．５ＭＨｚにガウスエンベロープ関数が重畳されており、波数は約１０波である。図８は、図７で重畳しているガウスエンベロープ関数にさらにそのガウスエンベロープ関数に比例した振幅比を重畳した波形である。以下に数式で上記の関係を示す。【００３９】
Ｖac(ｔ)＝sin(ωt)×Gauss(ｔ)×Ratio(Gauss(ｔ), polarity)    …(2)
ここで、sin(ωt)はキャリアとなる波形、Gauss(ｔ)はキャリアに重畳されるガウスエンベロープ関数、Ratio(gauss(ｔ), polarity)は正負の振幅重みで、ガウス関数と正負の関数になっている。つまり、図７に示した従来型の印加電圧は、式(2)のRatioが時間的に常に１であり（Ratio＝１）、図８の場合は、Ratioがガウス関数gauss(ｔ)に比例した重みを正負の極性に応じて乗ずることを示す。例えば、エンベロープの頂上の最も振幅が大きくなる点（図７で、エンベロープ関数の時間的に中心点、Time＝１ｕｓ）において、正負振幅比がｂ／ａ＝２（波形９０）又は３（波形９１）となり、それ以外の点では、エンベロープの関数に比例して小さくなる。また、正負非対称波形においては、電圧値によっては負側の振幅が直流バイアス電圧より大きくなる可能性がある。この場合、本来小さくすべき電位差が逆に大きくなり、静電気力が電極間に吸引方向の力を生む。これは負側に電圧を下げるときの目的とは逆方向である。そこで、このような場合、つまり直流バイアス電圧と交流電圧の和（Ｖdc＋Ｖac）が直流バイアス電圧の符号と逆になるときは、リミッターをかけて交流電圧の振幅を低減させ、この和が直流電圧の符号と逆とならないようにする。【００４０】
図７、図８の（Ｂ）の変位に注目する。Displacementが０のときが電圧印加していないとき、マイナス側が下部基板側に変位することを意味する。図７および図８において、Time＝０の時点では直流バイアス電圧のみが印加された状態で、ダイアフラムが下部基板側に約５０ｎｍ変位している。図７（Ｂ）から分かるとおり、交流電圧が正負対称波形では、ダイアフラムの変位はダイアフラムが接触付近、つまり初期空隙の−１００ｎｍ、まで達しているのに対して、逆側の変位が０［ｎｍ］付近まで達しておらず、振動可能な空隙を有効利用していない。一方、図８のような入力が非対称波形では、−１００から０ｎｍ付近まで、より大きく空隙間を振動している。図８（Ｂ）に示したダイアフラム変位９２は、図８（Ａ）の電圧波形９０に対応し、ダイアフラム変位９３は、図８（Ａ）の電圧波形９１に対応する。【００４１】
送信パワーの増加を定量的に示すため、図１０には、交流電圧Ｖacの変化に対する送信音圧パワーをプロットしている。送信パワーは、図７、図８の（Ｃ）をそれぞれ周波数スペクトラムに変換し、キャリア周波数である７．５ＭＨｚのパワーとしている。実用的な観点から、交流電圧の印加可能な最大値はダイアフラム層が下部基板に接触するまでとし、接触するＶac（Ｖac_critical）で規格化している。尚、図７、図８に示した条件は、図１０におけるＶac/Ｖac_critical＝１からコラプス電圧の約２．５％低い電圧、すなわちダイアフラムが下部基板側に接触する直前である。【００４２】
図１０の送信パワーで比較すると、対称波形入力に対して、正負振幅比が可変の場合で約３ｄＢの送信パワーが増加している。Ｖac_critical付近では最大振幅比ｂ／ａが２及び３では大きな差は見られない。本計算では、全く同じ構造とバイアス電圧であるため、受信感度は対称入力と非対称入力で同じである。従って、送信パワーの増加が、そのまま送受信感度の増加となる。送受感度が３から５ｄＢの増加は、超音波診断装置における感度として極めて効果が大きい。【００４３】
図９に、対称波形入力と正負振幅比可変入力による送信音圧の周波数スペクトラムを示す。図９より、正負振幅比可変入力の場合は、基本周波数のパワーが増大しているだけでなく、基本周波数周辺の帯域幅が対称波形の場合と比較して狭くなっており、キャリア波数にエネルギーが集中していることがわかる。これは、本発明が、正負の振幅比をＶac(ｔ)の振幅値に応じて変えることで、ｃＭＵＴのＶac(ｔ)に依存する非線形性を低減させ、送信波形をより正負対称に近づけていることによる。正負非対称波形の周波数スペクトラムでは、キャリア周波数以外へパワーが広がるが、本発明により送信波形が正負対称に近づくと、キャリア周波数以外へのパワーの分散が抑制される。ドップラー計測では、より狭帯域にパワーが集中することが速度計測精度及び感度の点で有利である。本発明はこの条件を満たしており、ドップラー計測のように、多列かつ時間的に振幅が変動する波形の入力において、精度及び感度の向上の両立を達成している。【００４４】
このように、多列波形入力においては、ｃＭＵＴの非線形性を考慮して正負の振幅比を制御することにより、空隙の利用効率が向上し、より狭帯域内で送信エネルギーを増加させることが可能となる。
【図１】
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【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年4月13日(2010.4.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、前記第１電極を覆う第１部材と、前記第１電極と対向して設置される第２電極と、前記第２電極を覆う第２部材と、前記第１部材と前記第２部材と接続する壁部材とを有するセルを複数備えるセルアレイと、
前記第１電極と前記第２電極との間に印加する電圧を制御する電圧制御部とを有し、
前記制御部は、前記第１電極と前記第２電極との間に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記第１電極と前記第２電極との間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記交流電圧と前記直流電圧の電圧値とに基づいて前記交流電圧の振幅比を経時変動するように制御する波形制御部とを有することを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項２】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形の前記直流電圧の値より高い領域の振幅と低い領域の振幅とについて、比が経時変動するように制御することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項３】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形の前記直流電圧の値より高い領域の振幅と低い領域の振幅とについて非対称にすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項４】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形を、複数の波数を有する波形とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項５】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形を、キャリア波形にエンベロープ関数を重畳した波形とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項６】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形について、前記直流電圧の値より高い領域と低い領域において、振幅比が可変に制御することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項７】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形を、時間方向にエンベロープ関数が重畳された波形とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項８】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形を、キャリア波形にエンベロープ関数及び正負の振幅重み関数を重畳した波形とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項９】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形の前記比を、ガウスエンベロープ関数に比例して変化させることを特徴とする請求項２に記載の超音波撮像装置。
【請求項１０】
前記波形制御部は、前記交流電圧の波形について、前記直流電圧と前記交流電圧の和が前記直流電圧の符号と逆になるときに前記交流電圧の振幅を低減させることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【国際調査報告】
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