(57)【要約】【課題】超音波信号による電力を伝送する従来の伝送手段は、振動子の構成部位に鉛化合物（Ｐｂ）を含み、生体対応の機器としては不適当である。【解決手段】電力伝送システムは、超音波発信部が電源部からの電力を超音波信号に変換して発信して伝送し、受信部がその超音波信号を受信する。受信部は、帯電し対向配置される第１と第２の電極とで構成される静電容量素子により、超音波発信部から発信された超音波信号の入射により、第１の電極の振動に伴う静電容量の変化に応じた出力信号を生成して電力を発生させる。この電力伝送システムは、カプセル内視鏡の電力伝送に用いられる。【選択図】図７
2011110385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を発生させる電源と、
前記電源部からの電力を超音波信号に変換して発信する超音波発信部と、
帯電し対向配置される第１と第２の電極を有し、前記超音波発信部から発信された超音波信号の入射により、前記第１の電極の振動に伴う静電容量の変化に応じた出力信号を生成する静電容量素子を備える受信部と、
を具備することを特徴とする電力伝送システム。
【請求項２】
前記静電容量素子は、
前記第１の電極上に配置される前記超音波信号を入射させるための超音波伝達媒体と、
前記第１の電極と前記第２の電極と間の距離を規定した空隙を形成し、前記第１の電極の振動を制動する複数の支持部材と、
前記第２の電極と電気的に接続して出力された前記出力信号が前記電力を生成する電力回路と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
【請求項３】
前記静電容量素子における前記第１の電極、前記第２の電極及び前記支持部材は、シリコン半導体基板を用いて、シリコンマイクロマシーニング技術により加工して作製されることを特徴とする請求項２に記載の電力伝送システム。
【請求項４】
カプセル容器に内包される、
観察対象を撮像する撮像部と、
前記撮像部に駆動源となる電力を供給し、且つ充電可能な蓄電機能を有する電源部と、
外部から受信した超音波信号を電気信号に変換する受信部と、
前記撮像部により撮像された画像を含む通信データを超音波信号に変換して送信する送信部と、
で構成され、
外部から受信した前記超音波信号を電気信号に変換して、前記電源部に入力して充電させることを特徴とする電力伝送システムを搭載するカプセル内視鏡装置。
【請求項５】
前記電源部は、充電による蓄電機能を有し、有機物により形成されたスーパーキャパシタの容量性素子であることを特徴とする請求項４に記載のカプセル内視鏡装置。
【請求項６】
さらに、前記カプセル内視鏡装置は、超音波観測装置を備え、
前記超音波観測装置は、
前記カプセル内視鏡装置の前記電源部に供給するための電力を出力する電源と、
前記電源から出力された電力を超音波信号に変換して、前記カプセル内視鏡装置に前記受信部に送出する第２の送信部と、
前記送信部から超音波信号により送信された前記通信データを受信して、画像データを再構築する第２の受信部と
前記画像データから画像信号を生成し、撮像画像をモニタに表示させる画像信号処理部と、
を具備することを特徴とする請求項４に記載のカプセル内視鏡装置。
【請求項７】
前記カプセル内視鏡装置の前記受信部及び前記送信部と、前記超音波観測装置の第２の送信部及び第２の受信部とは、互いに、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying） 変調方式により通信されることを特徴とする請求項４に記載のカプセル内視鏡装置。
【請求項８】
カプセル容器に内包される、
観察対象を撮像する撮像部と、
少なくとも撮像する画角内の観察対象範囲を照明する照明部と、
駆動源となる電力を供給し、且つ充電可能な蓄電機能を有する電源部と、
画像処理及び通信を含む装置全体を制御する制御部と、
通信制御を行う超音波信号制御部と、
外部から超音波信号を受信して電気信号に変換する受信部と、
前記撮像部により撮像された画像を含む通信データを超音波信号で送信する送信部と、で構成され、
外部から受信した前記超音波信号を電気信号に変換して、前記電源部に入力して充電させることを特徴とする電力伝送システムを搭載するカプセル内視鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて生体内へエネルギーを伝送する電力伝送システム及びそのシステムを搭載するカプセル内視鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気エネルギー等を伝達するエネルギー伝送は、有線を用いる他に無線や光などの手段が用いられている。その新たな試みとして、例えば、非特許文献１には、生体内の電子回路へのエネルギー伝送に超音波を用いて行うエネルギー伝送システムが提案されている。このエネルギー伝送システムは、超音波の振動子として、超音波の生体内減衰（１０ｄＢ／ｃｍ・ＭＨｚ）を考慮して、ＰＺＴ（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３系の振動子を用いている。図９に示すように、このシステムは、電力送信系と電力受信系とで構成される。電力送信系は、ファンクションジェネレータ３０１から入力した信号をパワーアンプ３０２にて増幅し、増幅された電気信号は、圧力信号へ変換する超音波振動子３０３へ入力する構成となっている。一方、電力受信系は、電力送信系より発信された圧力信号を電気エネルギーへ変換する超音波振動子３０３と、電源回路（平滑器３０４とレギュレータ３０５）とで構成される。
【０００３】
また、媒体３０６として、例えば、音響インピーダンスが水に近い寒天を用いている。この構成において、電力送信−受信効率の最大値は、図１０に示すように、負荷抵抗１．２［ｋΩ］時には、１４．５［％］となっている。但し、送信電力＝３３ｍＷ、受信電力＝４．８ｍＷとしている。この技術の注目すべき点は、太陽電池においては、光から電気へ変換する効率が１０％程度であることに比較すると、高い伝送効率が得られていることである。
【０００４】
また、非特許文献２として、超音波による体内医療機器への電力供給と双方向情報伝送を行う技術が提案されている。ここでは、４種類の共振周波数を有する振動子を用いて、電力伝送の他に、体内医療機器からのデータ通信も超音波を用いて行っている。この電力受送信システムは、非特許文献１とは構成が異なり、電源回路の他に、二次電池（NiCd二次電池）からなる電源を備えている。非特許文献２における伝送効率は、図１１に示すように、水を媒体として用いて、通信周波数１［ＭＨｚ］時に最大値２０％の伝送効率を得ることができる。
【０００５】
さらに、カプセル型内視鏡装置へのエネルギー伝送を行うものとして、例えば、特許文献１には、図１２に示すように、生体外に配置した送信デバイス２０１の超音波トランスデューサ２０４から超音波エネルギーとして発振し、生体内２１２の受信デバイス２１０に電力を供給する技術が開示されている。
【０００６】
この構成は、送信デバイス２０１の超音波トランスデューサ２０４から、電気エネルギーを超音波エネルギーに変換して、強力超音波２０５として発振し、生体２１２内の受信デバイス２１０の超音波センサ２０６が強力超音波２０５を受信する。この超音波エネルギーを整流回路２０７、整合回路２０８及び蓄積回路２０９により、電気エネルギーに変換して、アプリケーション機器２１１に電力を供給する。また、超音波で伝送する電力量を増大させる場合には、それぞれに複数個の超音波トランスデューサ２０４及び超音波センサ２０６を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３０１１６０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「超音波による生体内電子回路へのエネルギー伝送システムの開発」   電気通信学会論文誌A Vol.J84-A、 No.12 pp.1565−1571 (2001)  内山他（早稲田大学）
【非特許文献２】超音波による体内医療機器への電力供給と双方向情報伝送  超音波ＴＥＣＨＮＯ、2003.1-2、 pp.85-88(2003)  片根他（千葉大学，本多電子）
【非特許文献３】IEEE International Ultrasonics Symposium Preoceedings pp.2111-2114(2008) Wygant et al.（スタンフォード大学）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した非特許文献１及び２は、共に、伝送効率が１４．５［％］又は２０［％］程度と、他の伝送手段に比べて、高い伝送効率である。しかし、振動子の構成部位に鉛化合物（Ｐｂ）を用いているため、周知なように生体対応の機器としては不適当である。
【００１０】
また、特許文献１においては、内部に電源が設置されていない構成であるため、記載されている開放型や放滴型の超音波センサを用いた構成例が開示されている。しかし、記載内容が概念に留まって定量的に記載されていないため、開示内容からでは容易に実現することは難しい。
【００１１】
そこで本発明は、生体内に投入された電子機器に対して、超音波を用いて駆動電源等の電気エネルギーを効率良く供給する超音波電力伝送システム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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態は、電力を発生させる電源部と、前記電源部からの電力を超音波信号に変換して発信する超音波発信部と、帯電し対向配置される第１と第２の電極を有し、前記超音波発信部から発信された超音波信号の入射により、前記第１の電極の振動に伴う静電容量の変化に応じた出力信号を生成する静電容量素子を備える受信部と、を具備する電力伝送システムを提供する。
【００１３】
さらに、カプセル容器に内包される、観察対象を撮像する撮像部と、前記撮像部に駆動源となる電力を供給し、且つ充電可能な蓄電機能を有する電源部と、外部から受信した超音波信号を電気信号に変換する受信部と、前記撮像部により撮像された画像を含む通信データを超音波信号に変換して送信する送信部と、で構成され、外部から受信した前記超音波信号を電気信号に変換して、前記電源部に入力して充電させる電力伝送システム及び、そのシステムを搭載するカプセル内視鏡装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、生体内に投入された電子機器に対して、超音波を用いて駆動電源等の電気エネルギーを効率良く供給する超音波電力伝送システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の超音波電力伝送システムに用いる静電型超音波トランスデューサについて説明するための一例を示す図である。
【図２】図２は、静電型超音波トランスデューサの信号処理について説明するためのMATLAB/SIMULINKのブロック図である。
【図３】図３は、信号処理に用いるパラメータの一例を示す図である。
【図４】図４は、負荷抵抗と出力電力の関係を示す図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、ｃＭＵＴを搭載したカプセル型超音波内視鏡装置の断面構成を示す図である。
【図６】図６は、カプセル視鏡に実装された静電型超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）の断面構成を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態のカプセル内視鏡を用いた内視鏡システムの構成を示すブロック図である。
【図８】図８は、実施形態のカプセル超音波内視鏡の作用について説明するフローチャートである。
【図９】図９は、従来のエネルギー伝送システムの一構成例を示す図である。
【図１０】図１０は、図９に示したエネルギー伝送システムにおける負荷抵抗に対する出力電圧と変換効率の関係を示す図である。
【図１１】図１１は、従来のエネルギー伝送システムにおけるピエゾ発振器の共振周波数と最大出力との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、公知なカプセル型内視鏡装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。  
まず、本発明の超音波電力伝送システムにおいて、図１に示すようなモデル例を用いて、超音波により電気エネルギーを電子機器に伝送するための静電型超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ：Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer）、即ち、静電容量素子の概念的な構成及び作用について説明する。
【００１７】
図１は、減衰要素と出力インピーダンスを導入したモデル例である。  
このモデル例は、超音波（圧力又は振動）による機械エネルギー入力に対し、変位電流が流れる。その変位電流と抵抗により発生する電力を出力電力として得る例である。このモデル例において、上下移動する振動膜（比誘電率ε、厚さlt）１０１と、間隔をあけて固定された対向電極１０４によってキャパシタ（ギャップｄ0、面積Ｓ）１００が構成されている。また、キャパシタ１００内は真空であるものと仮定し、振動膜１０１は、ばね定数Ｋのばねと１０２、減衰係数Ｂのダンパ１０３により、支持されているものとする。また、キャパシタ１００の出力インピーダンスをＲｉ、負荷抵抗ＲＬとする。振動膜（質量ｍ）について示すと、以下の運動方程式（式１）になる。
【数１】
2011110385.tif 000003
【００１８】
ここで、Ｆeleは、キャパシタ１００に発生する静電力であり、以下の（式２）（静電エネルギーを変位ｘで微分する）により示される。
【数２】
2011110385.tif 000004
【００１９】
ここで、Ｖoは、キャパシタ両端に掛かる電圧、ltは振動膜の厚さ、εは振動膜の比誘電率である。この（式２）から、静電力は、変位ｘ(t)に対して、非線形の応答を示している。そのため、簡易に運動方程式である（式１）を解くことができない。よって、計算ソフトウエア(MATLAB)を用いて、（式１）及び（式２）より得られる運動方程式の解ｘ(t)を求める。この解ｘ(t)が定まることにより、以下に示す手法で系の電流値ｉ(t)、入力仕事率Ｐin(t)、及び出力電力Ｐout(t)が定まる。
【００２０】
（１）解ｘ(t)が定まることにより，ｃＭＵＴの容量Ｃが決定され、他のループから決定されたｃＭＵＴ両端の電圧Ｖo(t)との積より、ｃＭＵＴの電荷量Q(t)が定まる。その時間微分が系に流れる電流i(t)である。  
（２）解ｘ(t)を時間微分することにより、振動膜の変位速度Ｖ(t)が定まる。この変位速度Ｖ(t)と外力Ｆ(t)との積が入力仕事率Ｐin(t)である。  
（３）ｉ(t)とＲＬとの積がＶout(t)である。このＶout(t)とｉ(t)との積がＰout(t)である。  
（４）Ｐout(t)とＰin(t)との比が受電効率である。  
（５）電流ｉ(t)と（Ｒｉ＋ＲＬ）との積が電圧変化分である。ＶDCと電圧変化分との差が、Ｖo(t)である。
【００２１】
図２には、この手法を展開したMATLAB/SIMULINKのブロック図を示す。  
図２においては、バネ力１１１、外力１１２、静電気力１１３及び減衰素子１１４の入力を加算する加算ブロック１１５と、積分ブロック１１６，１１７と、演算ブロック１１８と、積算ブロック１１９と、直流電圧ブロックＶDC１２０と、抵抗成分（１／Ｒｉ＋ＲＬ）ブロック１２２と、積算ブロック１２３と、積分ブロック１２４と、出力演算ブロック１２５とで構成される。
【００２２】
尚、Ｋ及び、ｍの導出には、非特許文献３に記載されている式を引用した。生体内減衰の影響を考慮し、共振周波数f0＝１００[kHz]と設定すると、この周波数領域では本論文記載の式を適用することが可能である。これらの（式３）、（式４）を下記に示す。
【数３】
2011110385.tif 000005
【００２３】
また、系のクオリティーファクターをQ、系の共振角周波数をω０とすると、（式１）のＢの値は  次のように表現できる。
【数４】
2011110385.tif 000006
【００２４】
以上を踏まえて、図３に示す表のパラメータにて計算を行った結果を、図４のグラフとして示す。図４に示すように、出力電力の最大値が１つの静電容量素子当たり、４．０μＷ、受電効率３８％であった。１ｍｍ2のダイサイズでは、最大４つ並べることができる。つまり、１ｍｍ2当たり、最大１６μＷの発電電力があり、１ｃｍ2に至っては、１．６ｍＷが発電可能である。この発電力における発電量及び受電効率は、前述した非特許文献１で提案されている技術と同等レベルである。
【００２５】
従って、ｃＭＵＴを用いた超音波電力伝送は、モデル化して計算した結果、鉛系の圧電素子を用いたものと同程度の特性を有することと推測できる。また、ＶDCによる電界印加については、エレクトレット化することで実現することが可能である。  尚、ｃＭＵＴ は、送波状態と受波状態とに切り換えることができ、送信又は受信の何れに対しても用いることができる。
【００２６】
次に、一実施形態として、前述したｃＭＵＴを用いた超音波電力伝送システムをカプセル内視鏡へ適用した列について説明する。  
図５（ａ），（ｂ）は、ｃＭＵＴを搭載したカプセル型超音波内視鏡装置（以下、カプセル内視鏡と称する）の断面構成を示す図である。図６は、カプセル視鏡に実装された静電型超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）の断面構成を示す図である。図７は、本実施形態のカプセル内視鏡を用いた内視鏡システムの構成を示すブロック図である。尚、本実施形態では、伝送手段として、送信を行うｃＭＵＴを備える送信部と、受信を行うｃＭＵＴを備える受信部とを個々に備えている。勿論、前述したように、ｃＭＵＴを送波状態と受波状態とに切り換えて１つの送受信部による実施することも可能である。
【００２７】
このカプセル内視鏡１は、観察対象となる腔内面を撮像する撮像部２と、少なくとも撮像する画角内の体腔内面を照明する照明部３と、充電可能な電池からなる電源部５と、画像処理及び通信を含む装置全体を制御する制御部６と、通信制御を行う超音波信号制御部１０と、外部から超音波信号を受信して電気信号に変換する受信部１１と、後述する画像等を含む通信データを超音波信号で送信する送信部１２とで構成される。
【００２８】
これらの構成部位は、外装として円筒形状のカプセル容器４内に収容されて水密構造で密閉されている。このカプセル容器４は、樹脂等により形成され、少なくとも撮像部２による撮像視野（画角）に対応する部分は、透明部材が用いられている。
【００２９】
撮像部２は、ＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子等が用いられており、連続的にスチル撮影を行う。また、図示していないフォーカス機能と絞り機能を備える撮像光学系を有している。制御部６は、照明光の輝度に応じて撮像部２における露出調整を行い、撮像部２と照明部３に撮影タイミングを指示している。
【００３０】
照明部３は、例えば、複数個の高輝度ＬＥＤ素子等が環状に配置されて構成される。照明するタイミングは、制御部６の制御により、撮影開始時から常時点灯でもよいし、撮像部２のスチル撮影のタイミングで点灯するように点滅してもよい。尚、点滅式の方が、エネルギー消費の点と内視鏡の温度上昇の点からみるとより好ましい。また、ＬＥＤ素子の他にも低温で発光するＥＬ素子を照明に用いてもよい。
【００３１】
制御部６は、撮像部２により取得された画像信号をデジタル情報（画像データ）へ変換し、送信部１２へ送信する。送信部１２は、撮像された画像データ及び撮像に関する情報を超音波信号に変換して送信する。また、受信部１１は、超音波観測装置３１から駆動用電力を超音波信号により受信して電気信号に変換する。
【００３２】
受信部１１及び送信部１２は、図５（ａ）に示すように、前述した静電型超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）９を、それぞれに複数個備えており、外部の超音波観測装置から送信された電力用超音波を受信して変換し、電力を生成する。これらのｃＭＵＴ９は、シリコン半導体基板を、シリコンマイクロマシーニング技術を用いて加工して作製される。従って、完全にクリーンな環境下で、シリコンプロセスによる製造シーケンスに沿って高精度で高品位に製造されている。
【００３３】
本実施形態における受信部１１及び送信部１２の通信方式は、例えばＡＳＫ（Amplitude Shift Keying） 変調方式を採用している。  
また、超音波信号制御部１０は、通信に関わる全体的な制御を行い、受信部１１により変換された指令信号等は制御部６に送出し、駆動用電力は、電源部５に転送される。また、超音波信号制御部１０は、制御部６から入力されたデジタル画像データ及び撮像に関する情報から通信データを生成して送信部１２に出力する。本実施形態では、超音波信号制御部１０と受信部１１と送信部１２により１ユニット化された通信ユニット１３が構成される。
【００３４】
電源部５は、主として、撮像部２、照明部素子３、制御部６及び超音波信号制御部１０に駆動するための電力を供給する。その構成としては、超音波信号制御部１０から入力された駆動用電力を平滑化する回路と、受け取った電力を蓄電する素子とを有している。蓄電素子は、二次電池に限定されるものではなく、本実施形態では、瞬時充電による蓄電機能を有するキャパシタ例えば、有機物により形成されたスーパーキャパシタ等の容量性素子が好適する。
【００３５】
超音波観測装置３１は、ｃＭＵＴ９と同様な超音波素子（ｃＭＵＴ）を共に備える送信部３２及び受信部３３と、ＡＳＫ変調部３４と、画像処理部３５と、観察部３６と、電源３７とで構成される。
【００３６】
送信部３２及び受信部３３に搭載されるｃＭＵＴは、カプセル内視鏡１の受信部１１及び送信部１２のｃＭＵＴ９との間で超音波信号による通信を行う。送信部３２は、電源３７から供給するための電力を超音波信号に変換して送信する。受信部３３は、カプセル内視鏡１から発信された通信データによる超音波信号をｃＭＵＴ３２で受信し、画像データと画像の情報信号として生成する。送信部３２及び受信部３３は、共にＡＳＫ変調部３４による変調を用いている。
【００３７】
ＡＳＫ変調部３４は、受信部３３からの情報信号を増幅し、ＡＳＫ復調する。そして復調された信号は、画像処理部３５へ画像データ及び画像の情報として送出する。画像処理部３５は、画像データを映像信号に変換して、観察部３６へ出力する。観察部３６は、カプセル内視鏡１が撮像したスチル画像及びその画像に関する撮像情報をモニタに表示する。
【００３８】
図５（ａ）に示すカプセル内視鏡１の構成について説明する。  
このカプセル内視鏡１において、撮像部２は、カプセル容器４内で内視鏡本体の先頭側に配置されて腔内面を撮像する。照明部３は、撮像部２を中心として環形状を成し、撮像範囲を均一な照明度で照明する。
【００３９】
内視鏡本体の中央前半部には、制御部６と電源部５とが配置され、中央から後端部には、超音波信号制御部１０、受信部１１及び送信部１２による通信ユニット１３が配置される。
【００４０】
本実施形態では、例えば、図５（ａ）に示す通信ユニット１３の外周面の周囲に亘って、複数の短冊形状のｃＭＵＴ９が設けられている。この配置は、指向性の高い超音波入射に対して対応できる。ｃＭＵＴ９の形状は、一例であって、短冊状に限定されるものではない。例えば、チップ状に形成され、通信ユニット１３の外周面を展開した場合に、マトリックス状に配置されてもよい。尚、図５（ａ）において、ｃＭＵＴ９は、カプセル４の後端部（半円球部分）には配置していないが、勿論、この部分にｃＭＵＴ９を配置させてもよい。この後端部分に配置することにより、カプセル内視鏡１が小腸等の中で、腔内面の襞等に嵌りピッチングにより後端部が上側に向いた場合などに好適する。
【００４１】
また、受信部１１のｃＭＵＴ９が配置されている外周面とカプセル内後端部には、カプセル容器４内面との間に隙間が設けられており、この隙間には、バルーン１４が取り付けられている。そのバルーン１４には、超音波伝達媒体１５が充填される。超音波伝達媒体１５は、超音波を伝搬するための例えば、流動パラフィン、水、カルボキシメチルセルロース水溶液等が用いられている。
【００４２】
次に、本実施形態に用いられる静電型超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）９について説明する。図６は、ｃＭＵＴ９の断面構成を示す図である。  
ｃＭＵＴ９の表面は、耐水性、耐薬品性に優れたパリレン（ポリパラキシリレン）等で形成された保護膜で被覆されている。
【００４３】
このｃＭＵＴ９において、シリコン基板２２上には、集積回路で構成されたアクセス回路を設けたアクセス回路形成部２９が形成される。アクセス回路形成部２９上に層間絶縁膜２４と下部電極２５ｄ［第２の電極］が積層形成される。下部電極２５ｄは、層間絶縁膜２４のコンタクトホールに形成された配線３０を経て、アクセス回路形成部２９に電気的に接続される。アクセス回路形成部２９は、ｃ−ＭＯＳ集積回路で構成される。下部電極２５ｄは、信号入出力用電極である。
【００４４】
下部電極２５ｄ上には、電極間距離を規定する絶縁性支柱２３を水平方向に一定間隔をあけて形成し、さらに絶縁性支柱２３［電極間支持部］を覆うように、シリコン又はシリコン化合物からなるシリコンメンブレン２６が形成される。さらに、シリコンメンブレン２６上には、接地電位の上部電極２５ｕ［第１の電極］が形成される。これらの下部、上部電極により静電容量素子（又は、容量性素子）を形成する。さらに、上部電極２５ｕの上面には保護膜２７が被覆されている。
【００４５】
絶縁性支柱２３間の下部電極２５ｄと上部電極２５ｕの一定距離は、真空空隙部２８（以下、空隙部と称する）を形成し、シリコンメンブレン２６の制動層（制動バネ）として機能する。このシリコンメンブレン２６は、送受信時には帯電されている。
【００４６】
このような構成により、上部電極２５ｕに超音波信号が入力して、上部電極２５ｕに圧力を掛けた場合には、下部電極２５ｄとの間隔（電極間距離）が変化して、容量が変化する。このため、シリコンメンブレン２６が帯電されていた場合には、その容量変化を伴った出力（電気信号）が下部電極２５ｄからアクセス回路形成部２９に出力される。つまり、超音波信号による圧力（振動）が電気信号に変換されて出力される。また、絶縁性支柱２３により変動幅が制限され、且つ変動が収束されるように制動される。尚、アクセス回路形成部２９におけるアクセス回路とは、基本的に、受け取った電気信号若しくは機械信号から、それぞれ所望のエネルギーや信号に変換する回路を示唆する。具体的には、カプセル内視鏡側の場合に、外部からの信号をエネルギーやカメラ制御信号に変換する、例えば「超音波信号制御部１０」であり、外部側の場合には、カプセルからの超音波信号を画像信号に変換する例えば、「ＡＳＫ変調部３４」に相当する。勿論、これらは同様な機能をする部材であればよく、構成される部材名に限定されるものではない。
【００４７】
次に、図８に示すフローチャートを参照して、本実施形態のカプセル超音波内視鏡１の作用について説明する。  
まず、例えば食道及び小腸付近の超音波観察を行う場合には、被験者は、バルーン内に超音波伝達媒体が予め所定量注入され、超音波観測状態となっているカプセル内視鏡１を嚥下する（ステップＳ１）。
【００４８】
嚥下されたカプセル内視鏡１は、蠕動運動によって食道内を移動して行く。このとき、カプセル内の電源には、超音波通信を用いて位置を判明させるだけのエネルギーが予め蓄えられている。その電源を用いて、カプセル内視鏡１の現在位置を検出する（ステップＳ２）。食道に到着した後、超音波を用いてカプセル内視鏡１にエネルギー伝送を行い、撮影を開始する（ステップＳ３）。  撮像部２に撮影された画像信号は、制御部６より画像処理されてデジタル画像データとして生成され、その画像データに関する情報と共に情報信号として超音波信号制御部１０に送出される。超音波信号制御部１０は、制御部６から入力されたデジタル画像データ及び撮像に関する情報から通信データを生成して送信部１２に出力する。
【００４９】
送信部１２では、通信データを超音波変換してＡＳＫ信号を生成し、ｃＭＵＴ９から超音波として体外へ伝達される。体外に伝達されたＡＳＫ信号は、超音波観測装置３１の受信部３３のｃＭＵＴ３２で受信されて電気信号に変換され、さらに、ＡＳＫ変調部３４により画像データ及び画像データに関する情報に戻される。さらに画像データは、画像処理部３５により映像信号に変換されて、観察部３６に表示される。これらの画像伝送は、予め定めた画像データ量に達した毎に伝送を行ってもよいし、１画像ずつ随時、画像伝送を行ってもよい。
【００５０】
また本実施形態では、共に送信・受信が独立して行われる構成であるため、画像データの通信とは独立して、カプセル内視鏡１が食道に到着した後のエネルギー伝送が継続的に超音波信号による行われている。尚、カプセル内視鏡１において送信・受信部が一体であれば、画像データの送信とエネルギー伝送の受信は交互に行う。本実施形態では、電源５を搭載しているため、エネルギー伝送が断続的に行われたとしても、撮影動作は中断されることなく継続される。また、通信エラーによりエネルギー伝送が一時中断されたとしても、同様に、撮影動作は正常に継続される。
【００５１】
カプセル内視鏡１が撮像対象範囲を通過すると、撮像を終了して（ステップＳ４）、体外より排泄され、回収又は廃棄される（ステップＳ５）。この時、カプセル内視鏡１の電源部５が、内部に酸化銀等を含む電池以外の、例えば有機物で形成されたスーパーキャパシタであった場合には、排泄に伴い、電池としての回収は必ずしも必要ではなく、そのまま不燃ごみとして廃棄することができる。
【００５２】
本実施形態のカプセル内視鏡１は、静電容量変化式超音波振動子（ｃＭＵＴ）を用いているため、振動子の静電容量を変化させることにより、圧力（振動）即ち、機械エネルギーから電気エネルギーへ変換することができる。これらの振動子は、主としてシリコン等を用いて形成されているため、検査対象物が生体であった場合には、公知なＰＺＴに比べて、より安全な材料を用いていることとなり、生体用エネルギー伝送用デバイスより好適する。
【００５３】
また、カプセル内視鏡１は、内部に電源を搭載する構成であるため、伝送された電気エネルギーを一時的に蓄積することにより、エネルギー伝送が不安定で一時的に中断される状態であっても、安定した撮像動作、画像処理動作及び送受信動作を実現することができる。
【００５４】
また、電源を搭載することにより、超音波によるエネルギー供給を行う無くとも、撮影開始前に嚥下されたカプセル内視鏡１の現在位置が確認できるため、撮影開始のタイミングやエネルギー伝送のタイミングを正確に把握することができる。これによって、撮影開始タイミングの遅延を防止でき、所望する位置から画像データを得ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１…カプセル内視鏡、２…撮像部、３…照明部、４…カプセル容器、５…電源部、６…制御部、９…静電型超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）：静電容量素子、１０…超音波信号制御部、１１…受信部、１２，３２…送信部、１３…通信ユニット、１４…バルーン、１５…超音波伝達媒体、２２…シリコン基板、２３…絶縁性支柱、２４…層間絶縁膜、２５ｄ…下部電極、２５ｕ…上部電極、２６…シリコンメンブレン、２７…保護膜、２８…真空空隙部、２９…アクセス回路形成部、３０…配線、３１…超音波観測装置、３２…送信部、３３…受信部、３４…ＡＳＫ変調部、３５…画像処理部、３６…観察部、３７…電源。
【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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