(57)【要約】  ｃＭＵＴおよびｃＭＵＴの動作方法は、異なる周波数特性を伴う２つの構成要素を有する入力信号を使用する。第１の構成要素は、主として、ｃＭＵＴの周波数応答帯域の範囲内にある音響周波数を有し、一方で、第２の構成要素は、主として、周波数応答帯域の範囲外にある周波数を有する。バイアス信号、および入力信号の第２の構成要素は、ともに動作電圧をｃＭＵＴに印加する。動作電圧は、伝送および受信モード等の動作モード間で可変である。ｃＭＵＴは、ＡＣ構成要素を１つしか必要とせずに、可変動作電圧を可能にする。これは、複数のｃＭＵＴ要素によってバイアス信号を共通に共有できるようにし、かつ製造を簡略化する。ｃＭＵＴおよび動作方法の実装形態は、特に、受信モードがより高い高調波周波数を受信する、超音波高調波撮像に好適である。
2011523234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）システムであって、
バイアス信号ポートと、
入力信号ポートと、
前記バイアス信号ポートおよび前記入力信号ポートに接続される、少なくとも１つの第１のｃＭＵＴ要素と、
バイアス信号を前記第１のｃＭＵＴ要素に印加するように、前記バイアス信号ポートと接続される、バイアス信号源と、
前記入力信号ポートと接続される、入力信号源と、
を備え、前記入力信号源は、入力信号を前記第１のｃＭＵＴ要素に印加するように動作し、前記入力信号は、第１の入力信号構成要素および第２の入力信号構成要素を含み、前記第１の入力信号構成要素は、主として、前記第１のｃＭＵＴ要素の周波数応答帯域の範囲内の音響周波数を有し、前記第２の入力信号構成要素は、主として、実質的に前記第１のｃＭＵＴ要素の周波数応答帯域の範囲外にある周波数を有し、前記第２の入力信号構成要素および前記バイアス信号は、ともに前記第１のｃＭＵＴ要素に印加される動作電圧を画定し、前記動作電圧は、第１の動作モードと、第２の動作モードとで異なる、
システム。
【請求項２】
前記バイアス信号は、ＤＣ信号である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の動作モードは、伝送（ＴＸ）モードであり、前記第２の動作モードは、受信（ＲＸ）モードである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の動作モードは、第１の周波数範囲で動作し、前記第２の動作モードは、実質的に前記第１の周波数範囲とは異なる、第２の周波数範囲で動作する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１のｃＭＵＴ要素は、高調波撮像を行うように動作し、前記第１の動作モードは、前記システムの基本周波数で動作し、前記第２の動作モードは、前記システムの高調波周波数で動作する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記動作電圧は、前記第１の動作モードにおいてほぼゼロである、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の動作モードは、伝送（ＴＸ）モードである、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の動作モードは、二次周波数動作を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の動作モードにおける前記第１の入力信号構成要素は、基本周波数ω／２の波形を有し、前記波形は、前記第１のｃＭＵＴ要素を通して、出力信号周波数ωの支配的二次周波数構成要素を有する、出力信号を発生する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記基本周波数ω／２は、前記出力信号周波数ωが、所望の動作周波数ω０に近くなるように、前記第１のｃＭＵＴ要素の前記所望の動作周波数ω０の約半分である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の動作モードは、伝送（ＴＸ）モードであり、前記動作電圧は、前記第１の動作モードにおいてほぼゼロである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記システムは、第１のタイプの撮像と第２のタイプの撮像との間で切り替えるように動作し、前記動作電圧は、前記第１のタイプの撮像では、前記第１の動作モードと、第２の動作モードとで異なり、前記動作電圧は、前記第２のタイプの撮像では、前記第１の動作モードと、前記第２の動作モードとで同じである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１のタイプの撮像は、前記システムから遠距離にある第１の試料領域を撮像するステップを含み、前記第２のタイプの撮像は、前記システムの近くにある第２の試料領域を撮像するステップを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
伝送および受信によって変化しない第２の動作電圧を有する、第２のｃＭＵＴ要素をさらに備え、前記システムは、第１のタイプの撮像および第２のタイプの撮像で動作するために適合され、前記第１のタイプの撮像は、前記第１のｃＭＵＴ要素を使用し、前記第２のタイプの撮像は、前記第２のｃＭＵＴ要素を使用する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１のｃＭＵＴ要素および第２のｃＭＵＴ要素が、前記バイアス信号ポートおよび前記バイアス信号を共有するように、前記バイアス信号ポートに接続される、前記第２のｃＭＵＴ要素をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
第２のｃＭＵＴ要素をさらに備え、第２の入力信号は、前記第２のｃＭＵＴ要素に印加され、前記第２の入力信号は、前記第１のｃＭＵＴ要素に印加される前記第１の入力信号とは異なる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）を動作させるための方法であって、
バイアス信号ポートと、入力信号ポートと、前記バイアス信号ポートおよび前記入力信号ポートに接続される、少なくとも１つのｃＭＵＴ要素と、バイアス信号を前記ｃＭＵＴ要素に印加するように、前記バイアス信号ポートと接続される、バイアス信号源と、入力信号ポートと接続される入力信号源であって、入力信号を前記第１のｃＭＵＴ要素に印加するように動作する、入力信号源と、を含む、容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）を提供するステップと、
前記入力信号が、第１の入力信号構成要素および第２の入力信号構成要素を含み、前記第１の入力信号構成要素が、主として、前記ｃＭＵＴ要素の周波数応答帯域の範囲内の音響周波数を有し、前記第２の入力信号構成要素が、主として、実質的に前記ｃＭＵＴ要素の前記周波数応答帯域の範囲外にある周波数を有し、前記第２の入力信号構成要素および前記バイアス信号が、ともに前記ｃＭＵＴ要素に印加される動作電圧を画定し、前記動作電圧が、第１の動作モードと、第２の動作モードとで異なるように、前記ｃＭＵＴを構成するステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
前記第１の動作モードは、伝送（ＴＸ）モードであり、前記第２の動作モードは、受信（ＲＸ）モードである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の動作モードは、前記システムの基本周波数で動作し、前記第２の動作モードは、前記システムの高調波周波数で動作する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記ｃＭＵＴを構成するステップは、前記第１の動作モードにおいて、前記動作電圧をほぼゼロに設定するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の動作モードは、二次周波数動作を含む伝送（ＴＸ）モードである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ｃＭＵＴを構成するステップは、第１のタイプの撮像および第２のタイプの撮像で動作させるために前記ｃＭＵＴを適合するステップを含み、前記動作電圧は、前記第１のタイプの撮像では、前記第１の動作モードと、前記第２の動作モードとで異なるように設定され、かつ前記第２のタイプの撮像では、前記第１の動作モードと、前記第２の動作モードとで同じであるように設定される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のタイプの撮像は、前記システムから遠距離にある第１の試料領域を撮像するステップを含み、前記第２のタイプの撮像は、前記システムの近くにある試料領域を撮像するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の入力信号構成要素および前記第２の入力信号構成要素は、前記第２の入力信号構成要素の少なくとも１つの遷移領域を、前記第１の入力信号構成要素の一部として扱うことができるように、前記第１の動作モードにおいて、同じ開始時間および／または同じ終了時間を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）を動作させるための方法であって、
バイアス信号ポートと、入力信号ポートと、前記バイアス信号ポートおよび前記入力信号ポートに接続される、少なくとも１つのｃＭＵＴ要素と、バイアス信号を前記ｃＭＵＴ要素に印加するように、前記バイアス信号ポートと接続される、バイアス信号源と、入力信号ポートと接続される入力信号源であって、入力信号を前記ｃＭＵＴ要素に印加するように動作する、入力信号源と、を含む、容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）を提供するステップと、
前記動作電圧が、動作に際して前記ｃＭＵＴ要素に印加され、前記動作電圧が、前記バイアス電圧および／または前記入力信号によって少なくとも部分的に寄与され、前記動作電圧が、伝送モードではほぼゼロであり、受信モードでは非ゼロであるように、前記ｃＭＵＴを構成するステップと、
を含む、方法。
【請求項２６】
前記入力信号は、第１の入力信号構成要素および第２の入力信号構成要素を含み、前記第１の入力信号構成要素は、主として、前記ｃＭＵＴ要素の周波数応答帯域の範囲内の音響周波数を有し、前記第２の入力信号構成要素は、主として、実質的に前記ｃＭＵＴ要素の前記周波数応答帯域の範囲外にある周波数を有し、前記動作電圧は、前記第２の入力信号構成要素によって少なくとも部分的に寄与される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記伝送モードは、二次周波数動作を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）を動作させるための方法であって、
バイアス信号ポートと、入力信号ポートと、前記バイアス信号ポートおよび前記入力信号ポートに接続される、少なくとも１つのｃＭＵＴ要素と、バイアス信号を前記ｃＭＵＴ要素に印加するように、前記バイアス信号ポートと接続される、バイアス信号源と、入力信号ポートと接続される入力信号源であって、前記バイアス電圧によって少なくとも部分的に寄与される動作電圧および／または入力信号が、動作に際して前記ｃＭＵＴ要素に印加されるように、入力信号を前記ｃＭＵＴ要素に印加するように動作する、入力信号源と、を含む、容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）を提供するステップと、
前記動作電圧が、第１のタイプの撮像では、伝送と受信とで異なるが、第２のタイプの撮像では、伝送と受信とで同じであるように、前記第１のタイプの撮像および前記第２のタイプの撮像で、切替可能に動作させるために前記ｃＭＵＴを適合するステップと、
を含む方法。
【請求項２９】
前記第１のタイプの撮像は、前記ｃＭＵＴから遠距離にある第１の試料領域を撮像するステップを含み、前記第２のタイプ撮像は、前記ｃＭＵＴの近くにある第２の試料領域を撮像するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記入力信号は、第１の入力信号構成要素および第２の入力信号構成要素を含み、前記第１の入力信号構成要素は、主として、前記ｃＭＵＴ要素の周波数応答帯域の範囲内の音響周波数を有し、前記第２の入力信号構成要素は、主として、実質的に前記ｃＭＵＴ要素の周波数応答帯域の範囲外にある周波数を有し、前記動作電圧は、第２の入力信号構成要素によって少なくとも部分的に寄与される、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本出願は、２００７年１２月３日に出願された米国仮特許出願第６０／９９２，０４６号、名称「ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ  ＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮ  ＦＯＲ  ＭＩＣＲＯＭＡＣＨＩＮＥＤ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ」の優先権を主張し、その出願はその全体を参照することによって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）は、静電アクチュエータ／変換器であり、様々な用途において広く使用されている。超音波変換器は、液体、固体、および気体を含む多様な媒体で動作し得る。超音波変換器は、一般に、診断および治療のための医療撮像、生化学的撮像、材料の非破壊評価、ソナー、コミュニケーション、近接センサ、ガスフロー測定、ｉｎ−ｓｉｔｕプロセスモニタリング、超音波顕微鏡法、水中感知および撮像、および多数の他の実際の用途に使用される。ｃＭＵＴの典型的な構造は、ｃＭＵＴは、堅い底面電極および可撓性膜上または内に常駐する可動上部電極を有する平行板キャパシタであり、隣接する媒体において音響波を伝送／正確化（ＴＸ）または受信／検出（ＲＸ）するために使用される。通常、感度および帯域幅を最大化することを目標として、直流電流（ＤＣ）バイアス電圧を電極間に印加し、ｃＭＵＴ動作に最適な位置に膜を偏向させ得る。伝送中に、交流電流（ＡＣ）を変換器に印加する。上部電極と底部電極との間の交番静電力は、ｃＭＵＴを取り囲む媒体に音響エネルギーを送達するために、膜を作動させる。受信中に、衝突する音響波は、膜を振動させるため、２つの電極間のキャパシタンスを変える。
【０００３】
ｃＭＵＴの重要な特性の１つは、その動作電圧であるが、これは、音響エネルギーを発生させるために印加されるＡＣ信号に加えて、ｃＭＵＴに印加される電圧信号である。既存のｃＭＵＴの動作方法では、ｃＭＵＴをバイアスするために直流電圧が用いられる。ＴＸ入力信号は、音響出力を発生させるように、ｃＭＵＴに印加される。これらの方法では、ｃＭＵＴの動作電圧は、ＤＣバイアス電圧信号だけによって判定される。伝送および受信動作のどちらにも同じ動作電圧レベルが使用される。しかしながら、最適な動作条件は、ｃＭＵＴが伝送および受信動作で機能する場合に異なり得る。したがって、一定の動作電圧レベルの使用は、最適な全体性能を得るために適切な動作レベルを選択する際に、トレードオフを必要とする。このトレードオフは、ｃＭＵＴの性能改善の障害となる。
【０００４】
この問題を克服するために、伝送および受信モードにおける可変動作電圧が提案されてきた。これは、２つの動作モードに対して異なるバイアス電圧レベルを用いることによって達成される。具体的には、ＤＣバイアス信号を置き換えるために、ＴＸおよびＲＸ動作に対して異なるバイアスレベルを伴うＡＣバイアス信号を用いる。この方法は、動作に際し、２つの高電圧ＡＣ信号を必要とし、それらは、他の従来の方法で使用されるものと同じであって、音響出力だけを発生させるＴＸ入力信号、および２つの動作モード間で動作電圧レベルを変化させるＡＣバイアス信号である。これらの２つの高電圧ＡＣ信号は、同期させる必要がある。ｃＭＵＴアレイ内のｃＭＵＴ要素は、ビーム形成に対して同じＡＣバイアス信号を共有することができない。その結果、各ｃＭＵＴ要素は、動作させるために２つの別個のワイヤを必要とする。これは、ｃＭＵＴシステムで使用されるワイヤの数を２倍にし、かつシステムの複雑さおよび費用を大幅に増加させる。この問題は、多数の要素を伴うＣＭＵＲアレイが使用される時には、特に深刻である。
【０００５】
ＲＸおよびＴＸ両方の性能を最適化し、かつシステムの複雑さを簡略化するために、より良好なｃＭＵＴの動作方法を開発することが必要である。
【発明の概要】
【０００６】
ｃＭＵＴおよびｃＭＵＴの動作方法は、異なる周波数特性を伴う２つの構成要素を有する入力信号を使用する。第１の構成要素の一次周波数は、ｃＭＵＴの周波数応答帯域の範囲内にあり、一方で、第２の構成要素の一次周波数は、ｃＭＵＴの周波数応答帯域の範囲外にある。入力信号の第１の構成要素は、ＣＭＵＴ伝送（ＴＸ）動作のための所望の音響出力を発生させるために使用される。バイアス信号、および入力信号の第２の構成要素は、ともにｃＭＵＴに印加される動作電圧を画定する。動作電圧は、ＣＭＵＴの動作条件（または動作点）を設定するために使用され、ＣＭＵＴの周波数帯域の大幅な音響出力を発生させない。
【０００７】
動作電圧は、伝送および受信モード等の動作モード間で可変である。ｃＭＵＴは、ＡＣ構成要素を１つしか必要とせずに、ｃＭＵＴが可変動作電圧で動作できるようにする。これは、複数のｃＭＵＴ要素によってバイアス信号を共通に共有できるようにし、したがって、特に多数の要素を伴うＣＭＵＴアレイについて、ＣＭＵＴシステムにおいて実施するのが容易である。ｃＭＵＴおよび動作方法の実施は、受信モードがより高い高調波周波数を受信する、超音波高調波撮像に特に好適である。
【０００８】
本開示の一態様は、少なくとも１つのｃＭＵＴ要素を有する、ｃＭＵＴシステムである。入力信号源は、異なる周波数特性を伴う２つの構成要素を含む入力信号を印加するように動作する。バイアス信号、および帯域外周波数（例えば、低周波数）を有する入力信号構成要素は、ともに動作電圧をｃＭＵＴ要素に印加する。動作電圧は、第１の動作モード（例えば、伝送モード）と、第２の動作モード（例えば、受信モード）とで異なる。バイアス信号は、ＤＣ信号であり得る。
【０００９】
一実施形態では、ｃＭＵＴシステムは、２つの異なるタイプの撮像において切替可能に動作するために適合される。動作電圧は、第１のタイプの撮像では伝送と受信とで異なるが、第２のタイプの撮像では伝送および受信のどちらも同じである。第１のタイプの撮像は、システムから遠距離にある試料領域を撮像し、第２のタイプの撮像は、システムの近くにある試料領域を撮像する。
【００１０】
本開示の別の態様は、ｃＭＵＴを動作させるための方法である。当該方法は、少なくとも１つのｃＭＵＴ要素を含む、ｃＭＵＴを提供する。当該方法は、入力信号源が、異なる周波数特性を伴う２つの構成要素を有する入力信号を印加するように動作し、かつバイアス信号、および帯域外周波数を伴う入力信号構成要素（例えば、低周波数）が、ともに動作電圧をｃＭＵＴ要素に印加するように、ｃＭＵＴを構成する。動作電圧は、伝送モードおよび受信モード等の異なる動作モードで異なる。
【００１１】
別の態様は、ｃＭＵＴを提供し、当該ｃＭＵＴを、バイアス電圧および／または入力信号によって少なくとも部分的に寄与される動作電圧が、動作に際してｃＭＵＴ要素に印加されるように構成することによって、ｃＭＵＴを動作させるための方法である。動作電圧は、伝送モードではほぼゼロになるように、また、受信モードでは非ゼロになるように構成される。伝送モードは、二次周波数動作を行うように構成され得る。一実施形態では、動作信号は、入力信号の帯域外周波数（例えば、低周波数）構成要素によって、少なくとも部分的に寄与される。
【００１２】
本発明の概要は、発明を実施するための形態において以下でさらに説明される簡略化形態で一連の概念を導入するために提供される。本発明の概要は、特許請求される主題の主要な特徴または基礎的な特徴を特定することを意図せず、特許請求される主題の範囲を決定する補助として使用されることも意図しない。
発明を実施するための形態を、添付の図面を参照して説明する。図面において、参照番号の左端の桁（１つまたは複数）は、参照番号が最初に現れる図を特定する。異なる図における同一の参照番号の使用は、同様または同一の項目を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】可変動作電圧を使用する、第１の例示的なｃＭＵＴシステムを示す図である。
【図１Ａ】可変動作電圧を使用する、第１の例示的なｃＭＵＴシステムの別の態様を示す図である。
【図２】可変動作電圧を使用する、第２の例示的なｃＭＵＴシステムを示す図である。
【図３Ａ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第１の実施例を示す図である。
【図３Ｂ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第１の実施例を示す図である。
【図３Ｃ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第１の実施例を示す図である。
【図３Ｄ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第１の実施例を示す図である。
【図３Ｅ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第１の実施例を示す図である。
【図４Ａ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第２の実施例を示す図である。
【図４Ｂ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第２の実施例を示す図である。
【図５】ＴＸ動作入力信号の第３の実施例を示す図である。
【図６Ａ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第４の実施例を示す図である。
【図６Ｂ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第４の実施例を示す図である。
【図６Ｃ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第４の実施例を示す図である。
【図６Ｄ】バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第４の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
開示されるｃＭＵＴ動作方法の実施形態は、ｃＭＵＴの動作モードが変化する時に時々変化する、可変動作電圧を使用する。動作電圧は、ＣＭＵＴの動作条件（または動作点）を設定するために使用され、ＣＭＵＴの周波数帯域の範囲内のいかなる有意な音響出力も発生させない。本開示の１つの特徴は、少なくとも部分的にＴＸ入力信号のＡＣ構成要素から、動作電圧を形成することである。ＴＸ入力信号のＡＣ構成要素は、異なる動作電圧が、伝送（ＴＸ）および受信（ＲＸ）モード等の、異なる動作モードに使用されるように、バイアス信号とともに、可変動作電圧を設定できるようにする。当該方法は、伝送および受信動作の両方で、ｃＭＵＴの性能を最適化することができる。当該方法の例示的な実施を以下に開示する。
【００１５】
図１は、可変動作電圧を使用する、第１の例示的なｃＭＵＴシステムを示している。ｃＭＵＴシステム１００は、ｃＭＵＴ１０１を有する。ｃＭＵＴの詳細は、それらが本開示に必須ではないので、示されない。基本的には、可撓性膜ｃＭＵＴおよび埋め込まれたバネｃＭＵＴ（ＥＳｃＭＵＴ）の両方を含む、あらゆるｃＭＵＴが使用され得る。ｃＭＵＴは、キャパシタンスが電極間に存在するように、電極ギャップによって互いに分離される、第１の電極と、第２の電極とを有する。バネ部材（例えば、可撓性膜またはバネ層）は、２つの電極が、互いの方へ、または互いから離れて移動するのを可能にするために、電極のうちの１つを支持する。可撓性膜ｃＭＵＴでは、バネ部材は、電極のうちの１つを直接的に支持する可撓性膜である。ＥＳｃＭＵＴでは、バネ部材は、バネ層からバネプレート接合具によって懸架されるプレート上で電極を支持するバネ層である。
【００１６】
ｃＭＵＴ１０１は、バイアス信号ポート１０２および入力信号ポート１０３に接続される。バイアス信号源１０４は、バイアス信号１０５を第１の電極１０６上のｃＭＵＴ１０１に印加するように、バイアス信号ポート１０２と接続される。入力信号源１１０は、入力信号ポート１０３と接続される。入力信号源１１０は、入力信号１１１を、第２の電極１０７上のｃＭＵＴ１０１に印加するように動作する。
【００１７】
入力信号１１１は、第１の入力信号構成要素１１２と、第２の入力信号構成要素１１３とを含む。第１の入力信号構成要素１１２の一次周波数は、ｃＭＵＴ１０１の周波数応答帯域の範囲内である。第１の入力信号構成要素１１２は、本開示では、ＴＸ音響入力信号と称される。このＴＸ音響入力信号１１２は、ｃＭＵＴ１０１を通して、音響エネルギー（音響出力）を発生させる。第２の入力信号構成要素１１３は、主として、帯域外周波数（例えば、実質的にｃＭＵＴ１０１の周波数応答帯域を下回る、低周波数）を有する動作入力信号である。この動作入力信号１１３は、好ましくは、ｃＭＵＴ１０１の音響エネルギーまたは音響出力の発生に大幅に寄与せず、かつ、ｃＭＵＴ１０１に印加される動作電圧の少なくとも一部として使用される。一実施形態では、動作入力信号１１３は、ｃＭＵＴ１０１のいかなる有意な音響出力も発生させない。第２の入力信号構成要素１１３は、本開示では、ＴＸ動作入力信号と称される。
【００１８】
第２の入力信号構成要素１１３およびバイアス信号１０５は、ともにｃＭＵＴ１０１に動作電圧を印加する。以下に述べるように、動作電圧は、ＴＸおよびＲＸモード等の異なる動作モードで、異ならせることができる。
【００１９】
動作に際し、ｃＭＵＴシステム１００は、電子スイッチまたは機械スイッチ等のあらゆる好適なスイッチとすることができる、スイッチ１０８を使用して、ＴＸモードとＲＸモードとの間で切り替えられる。スイッチ１０８は、スイッチのように機能する回路（例えば、ＴＸ動作中の、ＲＸ検出回路のための保護回路）と置き換えてもよい。ｃＭＵＴシステム１００は、ビーム形成デバイス、コントローラ、信号プロセッサ、および他の電子部品を含む、他の構成要素を有し得る。これらの構成要素は、示されない。
【００２０】
既存の方法におけるＴＸ入力とは異なり、開示される方法におけるＴＸ入力信号１１１は、超音波出力を発生させるために用いられるだけでなく、バイアス信号とともに動作電圧レベルを設定するためにも用いられる。換言すれば、ＴＸ入力信号１１１は、２つの信号構成要素を含み、１つは、所望の音響出力信号を発生させるために用いられる、ＴＸ音響入力信号１１２であり、もう１つは、動作電圧レベルを変えるために用いられる、ＴＸ動作入力信号１１３である。ＴＸ音響入力信号１１２は、音響出力を発生させるのに好適である、従来のｃＭＵＴの動作方法に使用されるもの等の、あらゆる入力信号であってもよい。
【００２１】
周波数ドメインでは、ＴＸ音響入力信号１１２のスペクトルは、好ましくは、ｃＭＵＴ１０１の周波数応答の帯域幅の範囲内である。ＴＸ動作入力信号１１３のスペクトルは、好ましくは、ｃＭＵＴ１０１の音響出力の帯域幅の範囲外である。したがって、ＴＸ動作入力信号１１３の周波数は、好ましくは、ＴＸ音響入力信号１１２の周波数よりも非常に高いか、または非常に低い。好適な一実施形態では、ＴＸ動作入力信号１１３は、主として、実質的にｃＭＵＴ１０１の音響出力の帯域幅を下回る周波数を有する。
【００２２】
一実施形態では、バイアス信号１０５は、ｃＭＵＴ１０１のＴＸおよびＲＸ動作の両方について同じ電圧レベルを有する、ＤＣ電圧信号である。よって、ｃＭＵＴ１０１のＴＸ動作とＲＸ動作との間の動作電圧レベルの差は、ＴＸ入力信号１１１だけによって決定される。
【００２３】
別の実施形態では、バイアス信号１０５は、ｃＭＵＴの動作周波数よりも大幅に高い（例えば、ｃＭＵＴ１０１の周波数応答の帯域幅を超える）周波数を伴う、連続変調信号である。よって、バイアス信号１０５は、ｃＭＵＴ１０１のＴＸおよびＲＸ動作の両方について同じ電圧レベルを有する。したがって、ｃＭＵＴ１０１のＴＸ動作とＲＸ動作との間の動作電圧レベルの差は、本実施形態でも、ＴＸ入力信号１１１だけによって画定される。
【００２４】
ＴＸおよびＲＸ動作の両方について同じ動作電圧を有する、既存のｃＭＵＴの動作方法と比較して、開示される方法は、妥協を伴って設定する代わりに、ＴＸおよびＲＸ動作の両方の動作電圧レベルを同時に最適化する機会を提供するので、ｃＭＵＴの性能を潜在的に向上させる。
【００２５】
さらに、開示されるｃＭＵＴの動作方法は、１つのＡＣ信号、すなわちＴＸ入力信号１１１だけしか必要としない。バイアス信号１０５は、ＤＣ電圧または高周波数変調信号のいずれかとなり得る。バイアス信号１０５とＴＸ入力信号１１１とを同期させる必要が無い。したがって、開示される方法は、ｃＭＵＴ要素ごとに同期させ、かつ２つのケーブルによって搬送することが必要である、２つのＡＣ信号（ＡＣ出力信号に加えて、ＡＣバイアス信号）を使用する方法よりも、潜在的に実施が非常に容易である。
【００２６】
ＡＣバイアス信号がＡＣ  ＴＸ入力信号との同期で使用される場合、ｃＭＵＴアレイの要素は、同じＡＣバイアス信号を共有することができず、その結果、各ｃＭＵＴ要素は、２つのＡＣ信号にアクセスするために２つの専用ケーブルを必要とする。これは、特に多数の要素を伴うｃＭＵＴアレイが使用される時に、高いシステム費用をもたらし得る。しかしながら、開示される方法は、ｃＭＵＴアレイ内の一部または全ての要素によって共有することができる、ＤＣバイアス信号または高周波数変調バイアス信号のいずれかを使用することができる。したがって、この好適な実施形態では、各ｃＭＵＴ要素は、個々に信号を送る、またはアドレスするために、１つの専用ケーブルだけしか必要としない。
【００２７】
図１Ａは、可変動作電圧を使用する、第１の例示的なｃＭＵＴシステムの別の態様を示している。ｃＭＵＴシステム１００Ａは、図１を参照して説明されるｃＭＵＴシステム１００で使用されるものと同じ原理に基づいているが、それぞれが図１のｃＭＵＴ１０１と同じ様態で構成される、２つのｃＭＵＴ１０１および１０１Ａを示している。
【００２８】
ｃＭＵＴ１０１と同様に、ｃＭＵＴ１０１Ａは、共通のバイアス信号ポート１０２および入力信号ポート１０３Ａに接続される。共通のバイアス信号源１０４は、同じバイアス信号をｃＭＵＴ１０１Ａに印加するように、共通のバイアス信号ポート１０２と接続される。入力信号源１１０Ａは、入力信号ポート１０３Ａと接続され、かつ入力信号をｃＭＵＴ１０１Ａに印加するように動作する。入力信号源１１０および１１０Ａは、複数の別個の入力信号を別個のｃＭＵＴに送達することができる、別個の信号源または同じ信号源であってもよい。
【００２９】
図１に示されているように、２つのｃＭＵＴ１０１および１０１Ａは、共通のバイアス信号を共有し、したがって、個々の配線を必要としない。その代わりに、ｃＭＵＴ１０１の側部および１０１Ａの側部の両方を、個々の配線を伴わずに、共通の導体と接触させてもよい。一方で、入力信号は、各ｃＭＵＴ１０１および１０１Ａに個々にアドレスされ、したがって、個々の配線を必要とする。具体的には、異なる入力信号が、異なるｃＭＵＴ要素に印加され得る。入力信号の差は、ＴＸ音響入力信号１１２におけるもの、またはＴＸ動作入力信号１１３におけるもののいずれか、あるいはその両方におけるものとなり得る。ＴＸ動作入力信号１１３が、異なるｃＭＵＴ要素（１０１および１０１Ａ）において異なっている時に、ｃＭＵＴ要素は、異なる動作電圧を有し、かつ異なる状態の下で動作され得る。
【００３０】
２つのｃＭＵＴ１０１および１０１Ａは、例示的なものに過ぎない。これらのｃＭＵＴは、それぞれが、個々にアドレスされたｃＭＵＴ要素、複数のｃＭＵＴ要素を有するｃＭＵＴセルまたはｃＭＵＴユニット、または同じｃＭＵＴ要素のサブ要素を表す。ｃＭＵＴ１０１および１０１Ａに類似する任意の数のｃＭＵＴ要素が、同じｃＭＵＴアレイ内に接続されて使用され得ることを認識されたい。
【００３１】
各ｃＭＵＴ１０１および１０１Ａに印加される入力信号は、図１のｃＭＵＴ１０１の入力信号１１１に類似する、ＴＸ音響入力信号およびＴＸ動作入力信号を含み得る。しかしながら、ｃＭＵＴ１０１および１０１Ａに対する入力信号は、個別化され、かつそれらの信号レベル、タイミング、位相、および周波数が異なる。
【００３２】
動作に際し、各ｃＭＵＴ１０１または１０１Ａは、そのそれぞれのスイッチ（１０８または１０８Ａ）を使用して、ＴＸモードとＲＸモードとの間で切り替えられる。ｃＭＵＴシステム１００は、ビーム形成デバイス、コントローラ、信号プロセッサ、および他の電子部品を含む、他の構成要素を有し得る。
【００３３】
図２は、可変動作電圧を使用する、第２の例示的なｃＭＵＴシステムを示している。ｃＭＵＴ２０１の詳細は、示されない。基本的には、可撓性膜ｃＭＵＴおよび埋め込まれたバネｃＭＵＴ（ＥＳｃＭＵＴ）の両方を含む、あらゆるｃＭＵＴが使用され得る。ｃＭＵＴシステム２００は、異なる動作モード（例えば、ＴＸおよびＲＸ）に対する可変動作電圧を形成するように、図１を参照して説明されるｃＭＵＴシステム１００で使用されるものと同じ原理に基づいている。例えば、ＴＸ入力信号２１１は、第１の構成要素であるＴＸ音響入力信号２１２と、第２の構成要素であるＴＸ動作入力信号２１３とを有する。ＴＸ入力信号２１１は、信号源２１０によって供給され、かつＴＸポート２０３およびスイッチ２０８を通して、ｃＭＵＴ２０１において印加される。
【００３４】
しかしながら、ｃＭＵＴシステム２００は、複数の態様でｃＭＵＴシステム１００とは異なる。バイアス信号２０５およびＴＸ入力信号２１１は、ｃＭＵＴ２０１の同じ電極２０７に印加され、一方で、バイアス信号１０５およびＴＸ入力信号１１１は、図１のｃＭＵＴ１０１の反対側の電極１０６および１０７に印加される。ＣＭＵＴ２０１の他の電極２０６は、ＧＮＤに接続される。ＴＸ入力信号２１１は、ＴＸポート２０３を通して、信号源２１０によって提供される。バイアス信号２０５は、バイアスポート２０２を通して、信号源２０４によって提供される。その結果、ｃＭＵＴ２０１に印加される動作電圧レベルは、この実施では、ＴＸ動作入力信号２１３およびバイアス信号２０５の合計である。相対的に、ｃＭＵＴ１０１に印加される動作電圧レベルは、図１の実施では、ＴＸ動作入力信号１１３およびバイアス信号１０５の減算である。気付かれるように、図２のバイアス信号２０５は負であり、一方で、図１のバイアス信号１０５は正であり、よって、ｃＭＵＴ１００およびｃＭＵＴ２００の結果として生じる可変電圧レベルは、どちらも同じである。さらに、ｃＭＵＴ２００は、設計をｃＭＵＴシステム２００に適応させるように、デカップリングキャパシタＣ２１５と、バイアス抵抗器Ｒ２１６とを含む、バイアス回路を有する。
【００３５】
図３Ａ〜３Ｅは、図１のｃＭＵＴシステムの第１の例示的実施形態による、バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第１の実施例を示している。図３Ａは、バイアス信号３０５およびＴＸ入力信号３１１を示している。信号は、それぞれ、電圧／時間グラフによって表される。遷移期間を含むことで、信号は、ＴＸ持続時間、ＲＸ持続時間、ＲＸからＴＸへの遷移、およびＴＸからＲＸへの遷移の４つの期間または持続時間を含み得る。これらの持続時間は、図３Ａおよびその後の図では、それぞれ、「Ｔ」「Ｒ」「ＲＴ」、および「ＴＲ」として示される。時折、１つまたは２つの遷移領域が、ＲＸまたはＴＸ持続時間のいずれかを併合し得る。
【００３６】
バイアス信号３０５は、ＤＣバイアス信号（ＶＢ）である。ＴＸ入力信号３１１は、ＴＸ音響入力信号３１２と、ＴＸ動作入力信号３１３との２つの信号構成要素を含む。ＴＸ入力信号３１１は、２つの別々に発生される信号であるＴＸ音響入力信号３１２およびＴＸ動作入力信号３１３から組み合わせることによって形成することができる。しかしながら、ＴＸ入力信号３１１は、適切な信号発生器を使用して、直接的に発生させることもできる。
【００３７】
ＴＸ入力信号３１１内のＴＸ動作入力信号３１３は、通常、少なくともＴＸ持続時間（Ｔ）およびＲＸ持続時間（Ｒ）内に存在すべきである。ｃＭＵＴは、ＴＸ持続時間中には超音波伝送器として機能し、ＲＸ持続時間中には超音波受信器として機能する。ＲＸおよびＴＸ持続時間内の動作電圧レベルは、個別に設定され得る。ＴＸ入力信号３１１内のＴＸ動作入力信号３１３は、好ましくは、ＲＸ持続時間においてゼロに設定される。一方、ＴＸ入力信号３１１内のＴＸ音響入力信号３１２は、通常ＴＸ持続時間の範囲内に存在すべきであるが、好ましくは、いかなる領域にも存在しない。
【００３８】
ＴＸ入力信号３１１内のＴＸ動作入力信号３１３は、ＲＸからＴＸへの遷移（ＲＴ）時に、および同様にＴＸからＲＸへの遷移（ＴＲ）時に存在し得る。時折、１つまたは２つの遷移領域が、ＲＸまたはＴＸ持続時間のいずれかを併合し得る。
【００３９】
図３Ｂは、図３ＡのＴＸ入力信号３１１内のＴＸ音響入力信号３１２およびＴＸ動作入力信号３１３を示している。これらの２つの入力信号は、図３ＡのＴＸ入力信号３１１の２つの構成要素である。ＴＸ入力信号３１１は、その持続時間内で複数の電圧レベルを有し得る。例示的なＴＸ入力信号３１１は、それぞれ、伝送および受信動作のための、２つの異なる電圧レベルＶＯＦＦおよびＶＯを有する。ＶＯは、通常、ゼロに設定される。ＴＸ音響入力信号３１２は、主として、ＴＸ持続時間（Ｔ）内に存在する。
【００４０】
図３Ｃは、ｃＭＵＴに印加される全電圧を示しているが、これは、ｃＭＵＴシステムに用いられる信号極性および方法の実施に応じた、ＴＸ入力信号３１１およびバイアス信号３０５の減算または合計のいずれかである。示されている実施例では、ｃＭＵＴに印加される全電圧３１５は、ＴＸ入力信号３１１およびバイアス信号３０５の減算である。全電圧３１５は、２つの有意な動作電圧レベルを有する。第１のレベルＶＢは、より高い絶対電圧を有し、かつ受信（ＲＸ）動作のためのものであり、また、第２のレベルＶＢ−ＶＯＦＦは、より低い絶対電圧を伴い、かつ伝送（ＴＸ）動作のためのものである。伝送動作では、ＴＸ音響入力信号３１２は、音響エネルギーを発生させるために存在する。全電圧３１５の他の部分は、ｃＭＵＴの適切な動作条件を確立するためのものである。バイアス信号３０５およびＴＸ入力信号３１１の電圧は、ｃＭＵＴの所望の性能を達成するように、意図的に選択することができる。
【００４１】
図３Ｄは、ＴＸ入力信号３１１内のＴＸ音響入力信号３１２を示さない、バイアス信号３０５およびＴＸ動作入力信号３１３を示している。
【００４２】
図３Ｅは、ＴＸ入力信号３１１内のＴＸ音響入力信号３１２を示さない、ｃＭＵＴに印加される全動作電圧３１６を示している。図３Ｄおよび３Ｅは、ＴＸ動作入力信号３１３が、動作電圧レベル３１６を変化させるように、バイアス信号３０５とともにどのように使用されるのかを、より明確に示すために用いられる。
【００４３】
図４Ａおよび４Ｂは、バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第２の実施例を示している。第２の実施例の信号は、異なる電圧レベルの設定を除いて、図３Ａ〜３Ｅに示される第１の実施例の信号に類似する。同様に、バイアス信号３０５は、ＤＣバイアス信号（ＶＢ）である。ＴＸ入力信号４１１は、ＴＸ音響入力信号４１２と、ＴＸ動作入力信号４１３との２つの信号構成要素を備える。本実施形態では、バイアス信号４０５のバイアス電圧（ＶＢ）は、ＴＸ入力信号４１１内のＴＸ動作入力信号４１３の電圧レベルＶＯＦＦと同じになるように設定され、よって、伝送中にこれらの２つに電圧を相殺する。その結果、伝送時にｃＭＵＴに印加される全電圧４１５における動作電圧レベルは、ゼロまたはほぼゼロである。
【００４４】
この第２の例示的実施形態は、米国特許出願第１１／９６５９１９号、名称「ＳＩＧＮＡＬ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＩＮ  ＭＩＣＲＯＭＡＣＨＩＮＥＤ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ」に開示される、二次周波数法と呼ばれる、特別なｃＭＵＴの動作手法に適しており、その開示は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。二次周波数動作では、音響出力信号は、ＴＸ音響入力信号４１２の二乗に比例し、かつ高調波構成要素を伴わずに所望の音響出力を発生させるのに適している。これは、ｃＭＵＴが高調波撮像を行うために重要になり得る。
【００４５】
１つの例示的な二次周波数法は、ω／２の基本周波数を有するｃＭＵＴの、例えば
【００４６】
【数１】
2011523234.tif 000003
【００４７】
である、特別なＴＸ音響信号を設定し、そして、いかなる高周波数高調波も伴わない、ωの出力信号周波数で支配的二次周波数構成要素を有する、音響出力を発生させる。基本周波数ω／２は、出力信号周波数２ωが、所望の動作周波数ω０に近くなるように、ｃＭＵＴの所望の動作周波数ω０の約半分になるように選択され得る。動作周波数ω０は、通常、ｃＭＵＴの周波数応答の周波数帯域内にあり、好ましくは、帯域の中心周波数に近くすることができる。さらなる実施例は、組み込まれる米国特許出願第１１／９６５９１９号に開示されている。
【００４８】
二次周波数法は、本明細書では、２つの動作モードの間で切り替える、ｃＭＵＴシステムに使用される。具体的には、一実施形態では、ｃＭＵＴシステムは、伝送の場合に二次周波数動作法に切り替えるが、受信の場合は別の動作法に戻る。したがって、ｃＭＵＴに印加される動作電圧レベルは、動作モードが変化する時に変動する。二次周波数動作モードには、ゼロまたはほぼゼロの動作電圧が特に適している。
【００４９】
ｃＭＵＴに可変動作電圧を提供するのに適しているあらゆる方法が、二次周波数手法の上述の実施に使用され得ることに留意されたい。
【００５０】
ＴＸ音響入力信号（例えば、３１２または４１２）は、所望の音響出力を発生させるために用いられる。あらゆる好適なＡＣ信号または波形が使用され得る。この信号は、例えば、単一正弦パルス、多重正弦パルス、ガウス形状パルス、半余弦パルス、および二乗パルスといった、所望の音響出力を発生させる、あらゆる電気信号であってもよい。ＴＸ音響信号は、撮像システムの要件によって画定される。
【００５１】
図５は、ＴＸ動作入力信号の第３の実施例を示している。ＴＸ動作入力信号５１３は、図３〜４に示される信号に類似し、かつ、ＴＸ動作入力信号５１３が、ｃＭＵＴの動作中に多量の超音波出力を寄与しないように、ｃＭＵＴの動作周波数領域（帯域幅）内のＴＸ動作入力信号５１３の周波数構成要素をさらに最小化するように設計される。これは、ＴＸ動作入力信号５１５の角に丸みをつけることによって行われる。
【００５２】
ＴＸ動作入力信号５１３におけるより高い周波数構成要素は、信号電圧レベルが変化する遷移領域から生じる。したがって、遷移領域（５１３ａおよび５１３ｂ）内のＴＸ動作入力信号５１３（３１３、４１３）の形状および幅は、好ましくは、信号が、ＲＸからＴＸへの（ＲＴ）遷移領域およびＴＸからＲＸへの（ＴＲ）遷移領域等の、これらの遷移領域にある間に、ＴＸ音響入力信号に干渉する出力音響信号を発生させ得ないように設計される。通常、これは、ＴＸ動作入力信号５１３（３１３、４１３）が、ｃＭＵＴによって最小の超音波出力を発生するようにｃＭＵＴの帯域幅の範囲外にそれらを保つために、ＴＸ動作入力信号５１３（３１３、４１３）の周波数構成要素を制御することによって行われ得る。図に示されているように、ＴＸ動作入力信号５１３（３１３、４１３）の尖った角には、丸みがつけられる。図５の遷移持続時間における信号５１３ａおよび５１３ｂは、単なる実施例である。関心のｃＭＵＴの周波数帯域における超音波の発生を最小化するように設計される、他のあらゆる信号形状が使用され得る。
【００５３】
ＴＸ動作入力信号５１３、またはｃＭＵＴの動作周波数範囲内のその周波数構成要素を最小化することを目的とする他のあらゆるＴＸ動作入力信号は、発生させた後に、ｃＭＵＴの動作周波数領域よりも低い、高カットオフ周波数を伴う低域または帯域フィルタを使用してフィルタ処理され、次いで、ＴＸ音響入力信号（例えば、３１２、４１２）と組み合わせられて、総ＴＸ入力信号（例えば、３１１、４１１）を作製する。
【００５４】
図６Ａ〜６Ｄは、バイアス信号およびＴＸ入力信号、ならびに対応する動作電圧の第４の実施例を示している。本実施形態では、ＴＸ入力信号６１１のＴＸ持続時間（Ｔ）は、ＴＸ音響入力信号６１２と同じ長さ（時間）になるように設計される。ＴＸ音響入力信号６１２およびＴＸ動作入力信号６１３のＴＸ持続時間（Ｔ）は、同じ開始時間および／または同じ終了時間を有するように同期される。本実施形態では、ＴＸ動作入力信号６１３の遷移領域（ＲＴおよびＴＲ）のうちの１つまたは両方は、ＴＸ音響入力信号６１２の一部として扱われ得る。これらの遷移領域は、ＴＸ動作入力信号６１３の上昇または下降傾斜に対応する。これは、元のＴＸ音響入力信号６１２およびＴＸ動作入力信号６１３の遷移領域部分の両方を含む、統合ＴＸ音響入力信号をもたらす。これは、ＴＸ動作入力信号６１３が発生させる不要な音響信号によって生じる、撮像時のアーチファクトを最小化し得る。
【００５５】
図６Ａは、バイアス信号６０５およびＴＸ入力信号６１１を示している。図６Ｂは、遷移時に互いに一致するように調節される、ＴＸ音響入力信号６１２およびＴＸ動作入力信号６１３を示している。図６Ｃは、ＴＸ音響入力信号６１２を示す、ｃＭＵＴに印加される結果として生じる全電圧６１５を示している。図６Ｄは、ＴＸ音響入力信号６１２を示さない、全電圧６１５内の動作電圧６１６を示している。これは、異なる動作モード（ＴＸおよびＲＸ）において電圧レベルがどのように変動するのかを示している。
【００５６】
本開示のＴＸ入力信号（例えば、１１１）は、あらゆる好適な信号源、例えば任意の信号発生器によって提供され得る。それは、最初に低電圧レベルで発生され、次いで、所望の電圧レベルに増幅される。ＴＸ入力信号はまた、別々に発生されるＴＸ音響信号およびＴＸ動作信号を組み合わせることによって（例えば、重畳することによって）合成され得る。この場合、ＴＸ動作信号を、重畳前に、低域または帯域フィルタを使用して、フィルタ処理することができる。重畳したＴＸ入力信号は、次いで、バイアス信号を伴ってＣＭＵＴに印加される前に、必要に応じて、所望のレベルまで増幅され得る。
【００５７】
開示されるｃＭＵＴの動作方法はまた、ｃＭＵＴアレイのためのアポダイゼーションの利益を享受し得る。既存の方法では、アポダイゼーションは、所望のバイアス信号を各ｃＭＵＴ要素に印加することによって行われる。どの種類のバイアス信号が使用されるかに関わらず、個別化または分化した動作電圧レベルを有するために、アレイ内の各ｃＭＵＴ要素は、分離したバイアス信号回線を必要とする。その結果、各要素は、２本の分離した信号回線、すなわち、バイアス線および信号回線を必要とする。これは、変換器の相互接続をさらに複雑にする。開示される方法を用いることで、各要素の音響出力および動作電圧レベルは、どちらも、要素だけに印加されるＴＸ入力信号によって決定され得る。したがって、任意の信号の個別化（例えば、アドレッシング）および分化（例えば、アポダイゼーション）は、ＴＸ入力信号を使用して達成され得る。これは、アレイ内の一部または全ての要素が、同じバイアス線を共有するのを可能にする。さらに、本開示の方法は、１つの高電圧／高出力の信号だけしか必要とせず、かつ異なるＡＣ源からの複数のＡＣ信号の同期化を必要としない。これはまた、アポダイゼーション等の特定の動作手法の実施を、既存の方法よりも簡単にする。
【００５８】
開示される方法は、ＴＸおよびＲＸ動作の両方を最適化することによって、ｃＭＵＴの性能を向上させることを目的とする。ｃＭＵＴの性能最適化の最も重要な目標のうちの１つは、媒体内により深く貫通して撮像領域を増加させるように、デバイスの閉ループ感度を増加させることである。しかしながら、感度を増加させることは、ｃＭＵＴの周波数帯域における音響出力に対するＴＸ動作入力信号の寄与を最小化するために、ＴＸ電圧レベルとＲＸ電圧レベルとの間で切り替える速度を遅くする必要がある場合に、システムの不感帯を増加させるという代償を伴う。不感帯は、システムが、ＴＸ音響信号の終了後に検出できる状態になるまでの遅延時間によって決定される。
【００５９】
この問題を克服するために、本開示は、二重撮像ｃＭＵＴ方法およびシステムを提案する。当該方法は、ｃＭＵＴを提供し、かつ、動作電圧が、第１のタイプの撮像では、伝送と受信とで異なるが、第２のタイプの撮像では、伝送と受信とで同じであるように、第１のタイプの撮像および第２のタイプの撮像で動作させるためにｃＭＵＴを適合する。一実施形態では、第１のタイプの撮像は、ｃＭＵＴから遠距離にある試料領域を撮像し、第２のタイプの撮像は、ｃＭＵＴの近くにある試料領域を撮像する。遠距離撮像の場合、感度を増加するために、可変動作電圧を提供する動作方法（本明細書で開示される方法等）が用いられ得る。近接撮像の場合、ｃＭＵＴを動作させるために、従来の方法（または不感帯を最小化する他の任意の方法）が用いられ得る。このようにしても、閉ループ感度の要件が、ｃＭＵＴに近い撮像領域では非常に低いので、撮像品質には影響を及ぼさない。動作に際し、ｃＭＵＴシステムは、撮像の必要性に応じて、２つの撮像モードの間で切り替える。各撮像モードは、伝送および受信の両方のモードを含み得ることに留意されたい。
【００６０】
代替として、２つの別個のｃＭＵＴ（別個のｃＭＵＴ要素または別個のｃＭＵＴアレイ）が、上記手順についてｃＭＵＴシステムで使用され得る。第１のｃＭＵＴは可変動作電圧法を使用する動作のために適合され、第２のｃＭＵＴは、従来の動作電圧方法（または不感帯を最小化する他の任意の方法）を使用する動作のために適合される。
【００６１】
本明細書で開示される可変動作電圧のための方法に加えて、可変動作電圧をｃＭＵＴに提供するのに適するあらゆる方法が、二重撮像または多重撮像手法の上述の実施に使用され得ることに留意されたい。
【００６２】
開示されるｃＭＵＴおよび動作方法の例示的な応用例の１つは、一般的な超音波高調波撮像である。超音波高調波撮像では、通常、変換器は、所望の音響出力を発生し、そして、ＴＸ動作時には媒体内へそれを放出し、ＲＸ動作時には媒体からエコー信号を受信する。受信信号の一部は、ＴＸ出力の中心周波数（システムの基本周波数と称する）に集中し、受信信号の別の一部は、ＴＸ出力の高調波周波数領域（システムの高調波周波数と称する）に集中する。通常、システムの基本周波数および高調波周波数は、どちらもＣＭＵＴの周波数帯域の範囲内にある。通常のｃＭＵＴ動作では、基本周波数は、通常、低周波数側で半帯域を占有し、一方で、高調波周波数は、通常、高周波数側で他の半帯域を占有する。高調波撮像方法は、通常、撮像分解能を向上させるために、受信信号の高調波部分を使用する。これは、高調波信号が、音響波長が短い高周波数であり、より良好な軸方向分解能を可能にするためである。
【００６３】
既存の高調波撮像手法は、ＴＸおよびＲＸ動作の両方に対して単一の動作条件を有する、同じ変換器または変換器アレイを使用していた。これらの手法では、ＴＸおよびＲＸ動作における変換器の周波数応答は、ほぼ同一である。本明細書で説明される方法を使用することで、異なる音響特性を有する２つの異なる動作条件の間でｃＭＵＴを切り替えるために、可変動作電圧を用いることができる。好適な二重動作条件ｃＭＵＴまたは二重モードｃＭＵＴ、および対応する切り替え方法の実施例は、本出願と同日付に出願された、国際特許出願第＿＿＿＿号（代理人整理番号ＫＯ１−００１０ＰＣＴ）、名称「ＤＵＡＬ−ＭＯＤＥ  ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ  ＭＩＣＲＯＭＡＣＨＩＮＥＤ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ」に開示されている。参照されるＰＣＴ特許出願は、参照することにより本明細書にその全体が組み込まれる。
【００６４】
当該方法は、マイクロマシン加工超音波変換器、特にキャパシタンスマイクロマシン加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）を使用して示されているが、本明細書に開示される動作方法は、伝送および受信モード等の複数の動作モードで動作電圧によって動作する、あらゆる静電変換器に適用できることに留意されたい。
【００６５】
本明細書で論じられる可能な利益および利点は、添付の請求項の範囲に対する制限または限定と見なされないことを理解されたい。
【００６６】
主題は、構造的特徴および／または方法論的行為に特異的な言語で説明されているが、添付の請求項において定義される主題は、説明される特定の機能または行為に必ずしも限定されないことを理解されたい。むしろ、特定の機能および行為は、請求項を実現する典型的な形態として開示される。
【図１】
2011523234.tif 000004
【図１Ａ】
2011523234.tif 000005
【図２】
2011523234.tif 000006
【図３Ａ】
2011523234.tif 000007
【図３Ｂ】
2011523234.tif 000008
【図３Ｃ】
2011523234.tif 000009
【図３Ｄ】
2011523234.tif 000010
【図３Ｅ】
2011523234.tif 000011
【図４Ａ】
2011523234.tif 000012
【図４Ｂ】
2011523234.tif 000013
【図５】
2011523234.tif 000014
【図６Ａ】
2011523234.tif 000015
【図６Ｂ】
2011523234.tif 000016
【図６Ｃ】
2011523234.tif 000017
【図６Ｄ】
2011523234.tif 000018
【国際調査報告】
2011523234.tif 000019