(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と間隙を隔てて設けられた第２電極を含む振動膜が振動可能に支持された構造のセルを１以上含むエレメントを複数有し、前記複数のエレメントは第１のエレメントと第２のエレメントを含み、前記エレメントの前記第１電極または前記第２電極に交流電圧が印加される静電容量型トランスデューサの駆動方法であって、
前記第１のエレメントに印加する交流電圧の波形と前記第２のエレメントに印加する交流電圧の波形を同じとし、
前記第１のエレメントに印加する交流電圧と前記第２のエレメントに印加する交流電圧との位相差をほぼ９０度とし、
前記第１のエレメントを複数含む第１の群のエレメントにそれぞれ隣接する、前記第１のエレメントと同数の前記第２のエレメントを含む第２の群のエレメントに、前記第１の群のエレメントに印加する交流電圧と波形が同じであって音響波ビームを形成するための位相差と９０度の位相差とを与えた交流電圧を印加し、
前記音響波ビームを形成するための位相差と前記９０度の位相差との和はほぼ９０度を満たす範囲にあることを特徴とする静電容量型トランスデューサの駆動方法。
【請求項２】
第１電極と間隙を隔てて設けられた第２電極を含む振動膜が振動可能に支持された構造のセルを１以上含むエレメントを複数有し、前記複数のエレメントは第１のエレメントと第２のエレメントを含み、前記エレメントの前記第１電極または前記第２電極に交流電圧が印加される静電容量型トランスデューサの駆動方法であって、
前記第１のエレメントにおける、前記第１電極または前記第２電極には、第１の交流電圧を印加し、前記第２のエレメントにおける、前記第１電極または前記第２電極には、第２の交流電圧を印加する工程を含み、
前記第１の交流電圧の波形と、前記第２の交流電圧の波形とは同じであり、前記第１の交流電圧の位相と、前記第２の交流電圧の位相との位相差がほぼ９０度であり、
前記第１のエレメントを複数含む第１の群のエレメントにそれぞれ隣接する、前記第１のエレメントと同数の前記第２のエレメントを含む第２の群のエレメントに、前記第１の群のエレメントに印加する交流電圧と波形が同じであって音響波ビームを形成するための位相差と９０度の位相差とを与えた交流電圧を印加し、
前記音響波ビームを形成するための位相差と前記９０度の位相差との和はほぼ９０度を満たす範囲にあることを特徴とする静電容量型トランスデューサの駆動方法。
【請求項３】
前記第１のエレメントを複数含む第１の群のエレメントには、同じ波形と同じ位相の交流電圧を印加し、
前記第１のエレメントと同数の前記第２のエレメントを含む第２の群のエレメントには、前記第１の群のエレメントに印加する交流電圧と波形が同じであって位相差がほぼ９０度である交流電圧を印加することを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型トランスデューサの駆動方法。
【請求項４】
前記第１のエレメントを複数含む第１の群のエレメントには、それぞれ、同じ波形であって音響波ビームを形成するための位相差を与えた交流電圧を印加し、
前記第１のエレメントと同数の前記第２のエレメントを含む第２の群のエレメントには、それぞれ、前記第１の群のエレメントに印加する交流電圧と波形が同じであって位相差がほぼ９０度であり更に音響波ビームを形成するための位相差を与えた交流電圧を印加することを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型トランスデューサの駆動方法。
【請求項５】
前記位相差が９０±５度であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサの駆動方法。
【請求項６】
前記第１の群のエレメントと前記第２の群のエレメントが交互に並ぶように前記交流電圧を印加することを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサの駆動方法。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の駆動方法で駆動されるように構成された静電容量型トランスデューサと、
前記静電容量型トランスデューサに直流電圧を印加する電源と、
前記静電容量型トランスデューサに交流電圧を印加する波形生成装置と、
前記静電容量型トランスデューサに前記直流電圧を印加する受信モードと前記静電容量型トランスデューサに交流電圧を印加する送信モードとの間でモードを切り替えるスイッチと、
前記静電容量型トランスデューサで受信した信号を処理する信号処理部と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項８】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の駆動方法で駆動されるように構成された静電容量型トランスデューサを有し、
前記静電容量型トランスデューサが出力する音響波を被検体に送信し、該被検体からの音響波を受信し、受信した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。
【請求項９】
第１電極と間隙を隔てて設けられた第２電極を含む振動膜が振動可能に支持された構造のセルを１以上含むエレメントを複数有し、前記複数のエレメントは第１のエレメントと第２のエレメントを含み、前記エレメントの前記第１電極または前記第２電極に交流電圧を印加する波形生成装置を備える静電容量型トランスデューサであって、
前記波形生成装置は、前記第１のエレメントに印加する交流電圧の波形と前記第２のエレメントに印加する交流電圧の波形を同じとし、前記第１のエレメントに印加する交流電圧と前記第２のエレメントに印加する交流電圧との位相差をほぼ９０度とするように構成されており、
前記波形生成装置は、
前記第１のエレメントを複数含む第１の群のエレメントにそれぞれ隣接する、前記第１のエレメントと同数の前記第２のエレメントを含む第２の群のエレメントに、前記第１の群のエレメントに印加する交流電圧と波形が同じであって音響波ビームを形成するための位相差と９０度の位相差とを与えた交流電圧を印加し、
前記音響波ビームを形成するための位相差と前記９０度の位相差との和はほぼ９０度を満たす範囲にあることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
【請求項１０】
第１電極と間隙を隔てて設けられた第２電極を含む振動膜が振動可能に支持された構造のセルを１以上含むエレメントを複数有し、前記複数のエレメントは第１のエレメントと第２のエレメントを含み、前記エレメントの前記第１電極または前記第２電極に交流電圧を印加する波形生成装置を備える静電容量型トランスデューサであって、
前記波形生成装置は、前記第１のエレメントに第１の交流電圧を印加するための波形と、前記第２のエレメントに第２の交流電圧を印加するための波形を生成するものであり、前記第１の交流電圧の波形と、前記第２の交流電圧の波形とは同じであり、前記第１の交流電圧の位相と、前記第２の交流電圧の位相との位相差がほぼ９０度であり、
前記波形生成装置は、
前記第１のエレメントを複数含む第１の群のエレメントにそれぞれ隣接する、前記第１のエレメントと同数の前記第２のエレメントを含む第２の群のエレメントに、前記第１の群のエレメントに印加する交流電圧と波形が同じであって音響波ビームを形成するための位相差と９０度の位相差とを与えた交流電圧を印加し、
前記音響波ビームを形成するための位相差と前記９０度の位相差との和はほぼ９０度を満たす範囲にあることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
【請求項１１】
前記波形生成装置は、
前記第１のエレメントを少なくとも１つ以上含む第１の群には、同じ波形と同じ位相の交流電圧を印加し、
前記第１のエレメントと同数の前記第２のエレメントを含む第２の群には、前記第１の群のエレメントに印加する交流電圧と波形が同じであって位相差がほぼ９０度である交流電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の静電容量型トランスデューサ。
【請求項１２】
前記波形生成装置は、
前記第１のエレメントを少なくとも１つ以上含む第１の群のエレメントには、それぞれ、同じ波形であって音響波ビームを形成するための位相差を与えた交流電圧を印加し、
前記第１のエレメントの群と同数の前記第２のエレメントを含む第２の群のエレメントには、それぞれ、前記第１の群のエレメントに印加する交流電圧と波形が同じであって位相差がほぼ９０度であり更に音響波ビームを形成するための位相差を与えた交流電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の静電容量型トランスデューサ。
【請求項１３】
前記位相差が９０±５度であることを特徴とする請求項９乃至１２の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
【請求項１４】
前記波形生成装置は、
前記第１の群のエレメントと前記第２の群のエレメントが交互に並ぶように前記交流電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項９乃至１３の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
【請求項１５】
請求項９乃至１４の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサと、
前記静電容量型トランスデューサの受信モードと送信モードとを切り替える切替部と、前記静電容量型トランスデューサで受信した信号を処理する信号処理部と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１６】
請求項９乃至１４の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサを有し、前記静電容量型トランスデューサが出力する音響波を被検体に送信し、該被検体からの音響波を受信し、受信した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、静電容量型トランスデューサ、その駆動方法、静電容量型トランスデューサを用いた装置などに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシニング技術によって製造される微小機械部材はマイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。こうした技術を用いた静電容量型トランスデューサは、圧電素子を用いる超音波トランスデューサの代替品として研究されている。このような静電容量型トランスデューサによると、振動膜の振動を用いて超音波などの音響波を送信、受信することができ、特に液中において優れた広帯域特性を容易に得ることができる。音響波は音波、超音波、光音響波などを含むが、以下の説明では超音波で代表することもある。
【０００３】
静電容量型トランスデューサは入力電圧に対する出力音圧への変換効率が上下電極間距離のマイナス２乗に比例する。一方、大きな送信音圧を出す場合には、振動膜の振幅を大きくすることが必要であり、この際、上下電極間距離が時間的に変動することから、入力波形の高調波の超音波が生成される。
【０００４】
ところで、超音波を用いた可視化技術としてハーモニック映像法がある。ハーモニック映像法はトランスデューサの発する中心周波数ではなく、その高調波をとらえて画像化する手法である。高調波は、水や生体組織の密度変化と音圧変化の非線形性によって生じるものである。静電容量型トランスデューサを用いてハーモニック映像法による可視化を行う場合、上記上下電極間距離の時間的変動による高調波生成という理由により、トランスデューサ先端から高調波が混在することが予想される。従って、高調波を受信した際、送信音源由来のものか、測定対象の媒質由来のものかの切り分けが困難になる。よって、送信音圧に含まれる高調波は可能な限り低減させることが望まれる。特許文献１には、２倍高調波の波形生成器を設け、この２倍高調波を駆動波形に加算して、超音波として発生される２倍高調波を相殺する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６４６１２９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
どのような高調波が生成されるかは、デバイスの特性やデバイスの周辺の電気特性に依存する。よって、デバイスの製造ばらつきやデバイスの周りの電気部品の構成によって、入力波形を変更しなくてはならないことになる。このため、各トランスデューサの特性を予め測定して波形を調整することが必要であり時間とコストがかかった。また、エレメント間の特性分布には対応できなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の静電容量型トランスデューサの駆動方法は、第１電極と間隙を隔てて設けられた第２電極を含む振動膜が振動可能に支持された構造のセルを１以上含むエレメントを複数有し、前記複数のエレメントは第1のエレメントと第２のエレメントを含み、前記エレメントの前記第１電極または前記第２電極に交流電圧が印加される駆動方法であって、次の特徴を有する。即ち、前記第１のエレメントに印加する交流電圧の波形と前記第２のエレメントに印加する交流電圧の波形を同じとし、前記第１のエレメントに印加する交流電圧と前記第２のエレメントに印加する交流電圧との位相差をほぼ９０度とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、異なるエレメント間において、対応するセルについて、入力波形の位相差を入力波形の中心周波数に対して約９０度とすることで、中心周波数の２倍高調波についてはほぼ逆位相となるようにする。これにより、異なるエレメントからの２倍高調波に関して、トランスデューサの表面において位相の反転した成分が生成され、伝播するに従って相殺される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１−１】（ａ）は本発明の駆動方法の一例を説明する上面図、（ｂ）はＡ−Ａ'断面図。
【図１−２】入力電圧波形が正弦波の場合の位相差について説明する図。
【図２】本発明の実施例を説明するための駆動波形の一例を示す図。
【図３】本発明の実施例２を説明する図。
【図４】本発明の実施例３を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の静電容量型トランスデューサ及びその駆動方法では、エレメント間の対応セルについて、入力波形の位相差を入力波形の中心周波数に対して約９０度とすることで、中心周波数の２倍高調波についてはほぼ逆位相となるようにする。エレメント間の対応セルというのは、１つのエレメントの複数のセルが、他のエレメントの複数のセルと集団的に揃って対応する場合（後述の実施形態参照）もあるし、次の如き例もある。ビームフォーミングを行うとき、１つのエレメントの複数のセルについて、各セルへの入力波形が、基準のものに対して所定の位相差をつけられる。他のエレメントの複数のセルについても、同様に、各セルへの入力波形が、基準のものに対して前記所定の位相差をつけられる。こうした場合、エレメント間の対応セル（基準のものに対して同じ所定位相差をつけられているセル）間について、入力波形の位相差を入力波形の中心周波数に対して約９０度とする（後述の実施例２参照）。本発明によれば、例えば、近接するエレメントについては特性の差は殆どないため、予めエレメントの特性を調べる必要はなく、本発明は全てのトランスデューサに適用できる。従って、送信時に生成される高調波を抑制した高コントラストな静電容量型トランスデューサなどを提供できる。
【００１１】
以下に、本発明の一実施形態について図１を用いて説明する。図１−１（ａ）は、本発明における静電容量型トランスデューサの例の上面図である。また図１−１（ｂ）は、図１−１（ａ）のＡ−Ａ’ 断面図である。
【００１２】
駆動される静電容量型トランスデューサは、セル１を１以上含むエレメント３を複数有している。同じエレメント３内のセル１は配線２で電気的に接続されている。図１−１（ａ）では、エレメント３に含まれるセル１の数は９個であるが、幾つであっても構わない。セル１の並び方は等間隔の正方格子であるが、並び方は例えば三角格子でもよいし、不等間隔などでもよい。また、図１−１（ａ）の静電容量型トランスデューサでは、エレメント３の数は４つであるが２つ以上であれば構わない。その場合、複数のエレメント３の間において、第１の電極８と第２の電極１２のうちの少なくとも一方は電気的に分離されている。逆に、第１の電極８と第２の電極１２のうち、どちらか一方は複数のエレメント３で共通であってもよい。
【００１３】
図１−１（ｂ）に示すように、セル１では、第１の電極８と間隙（キャビティ）１０を挟んで設けられた第２の電極１２を含む振動膜が振動可能に支持されている。振動膜は間隙１０直上のメンブレン１１、第２の電極１２で構成されている。また第２の電極１２上に別の膜が形成されていてもかまわない。メンブレン１１が導体もしくは半導体で第２の電極１２と共通であってもよい。
【００１４】
第１の電極８（あるいは第２の電極１２）は、直流バイアス電圧を印加する電極、あるいは電気信号を加えるか電気信号を取り出すための電極として用いる。バイアス電圧を印加する電極はエレメント内で共通となっている。バイアス電圧はエレメント間で共通となる構成としても構わない一方、信号を送受信する電極はエレメント毎に電気的に分離されていなければならない。
【００１５】
本実施形態のセル１を構成する材料について説明する。基板７上に第１の電極８が形成されている。基板７はケイ素単結晶、ガラス、結晶化ガラス、石英、炭化ケイ素、サファイア、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、チッ化ガリウムなどである。第１の電極８は金属が望ましく、例えばタングステン、モリブデン、チタン、アルミニウム、ネオジウム、クロム、コバルト、これらの化合物や合金、ケイ素や銅との化合物や合金でよい。また、高濃度の不純物を含んだ半導体もしくは化合物半導体などでもよい。基板７が絶縁性でない場合、基板７と第１の電極８との間には、例えば酸化ケイ素や窒化ケイ素などの絶縁膜が施される。
【００１６】
本実施形態では、間隙１０は大気圧と比較して十分減圧された状態で封止されている。減圧されていることは静電容量型トランスデューサの感度を高めるほか、液体中での使用を可能にしている。第１の電極８と第２の電極１２は間隙１０を含めて絶縁体で絶縁されている。図１−１（ｂ）の場合は、絶縁膜９及びメンブレン１１が絶縁体である。絶縁体は、例えば酸化ケイ素や窒化ケイ素である。第２の電極１２は金属が望ましく、例えばタングステン、モリブデン、チタン、アルミニウム、ネオジウム、クロム、コバルト、これらの化合物や合金、ケイ素や銅との化合物や合金などでよい。なお、図１−１（ａ）において、１９は電極パッドである。
【００１７】
本実施形態の駆動方法で駆動される静電容量型トランスデューサの一般的な駆動原理を説明する。トランスデューサで超音波を送受信する場合、電圧印加手段１３で、第１の電極８と第２の電極１２との間に電位差を形成する。第１の電極８と第２の電極１２との間に直流電圧に加えて交流電圧を印加すると、電極間の静電気力の時間変化によって振動膜が振動する。振動膜の振動は数十ｋＨｚから数十ＭＨｚであり、超音波の周波数帯である。振動膜上の物質を直接振動させることで超音波が発生する原理である。このように、電気信号が超音波に変換されることで、超音波を送信することができる。
【００１８】
一方、超音波を受信すると、第２の電極１２を有する振動膜が振動するため、エレメント３の静電容量が変化する。この静電容量変化によって、信号取り出し電極に交流電流が流れる。このように超音波が電気信号に変換されることで超音波を受信することができる。静電容量型トランスデューサの場合は、超音波を受信すると静電容量変化による微小な交流電流となって出力される。この電流はトランスインピーダンス増幅器等の回路によって電圧信号となる。
【００１９】
本発明では、ハーモニック映像法によって得られた電圧信号から画像を形成する。ハーモニック映像法は、送信した超音波が被検体に到達するまでの媒質を伝播する過程で生じる高調波が被検体で反射して戻ってきた高調波を、例えばフィルタ処理などで、受信した電圧信号から分離する。そして、分離された高調波の電圧信号を例えば包絡線検波などの信号処理を行い、さらに輝度値に変換し、超音波を送受信した方向の走査線上の輝度情報を取得する。そして、被検体内の複数の方向や複数の位置に対して超音波の送受信を繰り返し、複数の走査線上の輝度情報を取得する。この複数の走査線上の輝度情報を並べることで被検体内の画像化をする。
【００２０】
本実施形態の特徴的な駆動方法を説明する。静電容量型トランスデューサに交流電圧を入力すると、トランスデューサの送信感度特性に応じて振動膜が振動し超音波を生成する。送信感度特性は、トランスデューサの電気機械変換効率に比例する。電気機械変換効率は１つのセルについては、直流バイアス電圧に比例し、振動膜の変位に対する静電容量変化量に比例する。入力する電圧の交流成分が十分小さい場合、電極間距離が時間的に一定とみなせるため、静電容量変化量は一定であり、生成する超音波の音圧は入力電圧に比例する。ここで、電極間距離とは、第１の電極８と第２の電極１２間の真空等価距離である。しかし、音圧を大きくしたい場合、入力する交流電圧の振幅を大きくする必要がある。この場合、振動膜の振動振幅が大きくなることから電極間距離が時間的に大きく変動する。これにより、入力した交流電圧の周波数特性とトランスデューサの送信感度特性の積のみならず、電極間距離の時間変化にともなう高調波が生成される。電気機械変換効率は、電極間距離の時間変化を考慮すると電極間距離のマイナス２乗に比例することから、入力した交流電圧の周波数特性の２倍高調波が主に生成される。
【００２１】
本実施形態を含む本発明は、この２倍高調波を低減するものである。ここで、図１−１（ａ）のように第１のエレメント群１４と第２のエレメント群１５に分けるとする。図１−１（ａ）では第１のエレメント群１４には第１のエレメント３が２個、第２のエレメント群１５には第２のエレメント３が２個存在している。ここでは複数のエレメント群にはそれぞれエレメントが複数含まれるが、第１のエレメント群１４には第１のエレメント３が１個以上、第２のエレメント群１５には第２のエレメントが１個以上あればよい。トランスデューサが含むエレメントの数は１００個以上あることも通常であるが、本実施形態を含む本発明の第１のエレメント群１４及び第２のエレメント群１５は、夫々、或る瞬間に同時的に音圧を発生させるエレメントの集まりとして定義する。エレメント群におけるエレメント３の形状や並び方は問わない。各エレメント３の特性はほぼ等しいとして、第１のエレメント群１４への入力電圧波形４と第２のエレメント群１５への入力電圧波形５との位相差６をほぼ９０度とする。
【００２２】
以上のように、入力電圧波形４の波形と入力電圧波形５の波形は同じで、位相差６のみがある。この位相差６について、図１−２で示すように、入力電圧波形４、５が正弦波の場合、その正弦波の周波数での位相差９０度は、２倍高調波６４、６５では１８０度に相当する。よって、第１のエレメント群１４と第２のエレメント群１５間では、２倍高調波は逆位相となり、トランスデューサ表面で生成する２倍高調波は、伝播するに従って相殺される。以降、入力電圧波形４、５の周波数を基本周波数と呼ぶ。
【００２３】
こうして、基本周波数における位相差６を９０度とすると２倍高調波の振幅は０になる。しかし、位相差６は厳密に９０度である必要はなく、「ほぼ９０度」であればよい。位相差６が厳密に９０度でなくても、２倍高調波を抑制する効果がある。例えば入力電圧波形４、５の位相差６が８０度であっても、２倍高調波を１７．４％まで低減できる。
【００２４】
望ましくは、位相差６が９０±５度がよい。位相差６は８５度以上９５度以下のとき、２倍高調波の振幅を位相差が０度の時に発生する２倍高調波の振幅に対して１０％以下まで低減できる。静電容量型トランスデューサから発生する２倍高調波の振幅は基本周波数の超音波振幅の１０％前後である。２倍高調波を１０％以下に抑制することができれば、基本周波数の超音波に対する２倍高調波の振幅比率が１００分の１程度となる。一般的な超音波イメージングのダイナミックレンジは４０デシベル程度であり、基本周波数の超音波に対する２倍高調波の振幅比率が１００分の１以下とすれば映像への影響が十分小さくなる。
【００２５】
入力電圧波形４、５を生成する際に、デジタル化等によって生じる数ｎｓの時間差によって位相差６が９０度から外れることがある。また、入力電圧波形４、５は入力する先のエレメント３の電気的な特性に依存して波形が歪むことがある。エレメント自体の構成や接続している配線などにより、エレメント間には僅かではあるが電気特性に差があり、それによって位相差６は厳密に９０度にはならない可能性がある。しかし、前述の通り、ほぼ９０度であれば２倍高調波を低減する効果が十分あるため、信号の離散化誤差やばらつきによる電気的な歪みの影響は許容される。
【００２６】
入力電圧波形４、５が正弦波ではない場合、例えば矩形波、バースト波、ランプ波、ノコギリ波、数波長分の正弦波であっても、同様の効果を有する。従って、入力電圧波形の形状については限定されない。この時の基本周波数は、入力電圧波形４、５を周波数領域で見たときの中心周波数である。中心周波数は、最大値に対する低周波数側及び高周波数側の低減率が等しい周波数の中点である。例えば、入力電圧波形の周波数スペクトルにおいて、最大値から６デシベル低減した周波数の値が低周波数側で３ＭＨｚ、高周波数側で９ＭＨｚの場合、中心周波数は（３＋９）／２＝６ＭＨｚとなる。６ＭＨｚを基本周波数としたとき、基本周波数の２倍高調波は１２ＭＨｚである。位相差６を基本周波数でほぼ９０度とすると、中心周波数の２倍高調波成分の超音波がトランスデューサ表面に生成されるが、第１のエレメント群１４と第２のエレメント群１５から発生する２倍高調波成分は逆位相であるため、伝播するに従って相殺される。
【００２７】
本実施形態は、静電容量型トランスデューサの駆動方法について、送信時に生じる電極間距離の時間変化に起因した２倍高調波を低減する技術を提案している。本実施形態では、単純に入力電圧波形の位相差をほぼ９０度とすることだけで２倍高調波の相殺を可能にする。従って、ハーモニック映像法などで、媒質や生体組織中で生じる２倍高調波成分の情報を鮮明に取得できるようになる。本実施形態によれば、静電容量型トランスデューサはピエゾ型トランスデューサと比較して本質的に広帯域であることと、上記の如く２倍高調波の生成を抑制することとを合わせて、超音波による情報を高コントラストで鮮明に可視化することができる。
【００２８】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
（実施例１）
図１−１を用いて本発明の実施例１を説明する。まず、セル１の断面構造を説明する。酸化ケイ素膜１００ｎｍを成膜したケイ素単結晶基板７を用い、厚さ１００ｎｍのタングステンを第１の電極８とし、厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素を絶縁層９とする。間隙１０の高さは２００ｎｍであり、２００Ｐａで減圧、封止されている。間隙１０の上のメンブレン１１は窒化ケイ素膜で、その厚さは５００ｎｍである。第２の電極１２は厚さ１００ｎｍのアルミニウムである。セル１の振動膜の直径は３０μｍで、第２の電極１２の直径は２６μｍであり、配線２の幅は５μｍである。
【００２９】
静電容量型トランスデューサの駆動条件は、セル１のプルイン電圧より決定する。プルインとは、第１の電極８と第２の電極１２との間に直流電圧を印加したとき、振動膜の剛性による復元力と静電気力のつり合いがとれなくなり、振動膜が間隙１０の底面に接触することであり、この電圧をプルイン電圧と呼ぶ。本実施例におけるセル１のプルイン電圧は１００Ｖである。直流電圧と入力電圧波形の和がプルイン電圧に達すると振動膜が所望の動作をしなくなることから、電源１３より直流電圧を６０Ｖ印加し、入力電圧波形の振幅を３０Ｖとする。
【００３０】
セル１の個数は、１つのエレメント３あたり７２６であり、セル１とセル１の中心間距離が３３μｍで、均等に正方格子状に配列されている。エレメント３のサイズは縦４ｍｍ、横０．２ｍｍであり、セルが縦方向に１２１個、横方向に６個並んでいる。複数の第１のエレメントを含む第１のエレメント群１４及び複数の第２のエレメントを含む第２のエレメント群１５のエレメント数は、それぞれ１６個とする。第１のエレメント群１４と第２のエレメント群１５のエレメント数を同数とすることにより２倍高調波を最も低減することができる。
【００３１】
入力電圧波形４にはＶ１＝３０ｓｉｎ(２πｆｔ)[Ｖ] が入力され、入力電圧波形５にはＶ２＝３０ｓｉｎ(２πｆｔ＋π／２)[Ｖ]が入力される。ｆは基本周波数で８ＭＨｚとする。この場合、位相差６は９０度であるから時間差にして３１.２５ｎｓとなる。この駆動条件では、２倍高調波である１６ＭＨｚの波が各エレメント３上から発生する。エレメント３の基本周波数での送信感度が１０ｋＰａ／Ｖとすると、３００ｋＰａの出力が期待できる。しかし、この駆動条件だと基本波の１０パーセント程度の２倍高調波が生じることが分かっている。つまり１６ＭＨｚの波も３０ｋＰａ程度生じる。本実施例では、第１のエレメント群１４の入力と第２のエレメント群１５の入力の位相差を９０度としていることで、２倍高調波はトランスデューサ近傍では発生するが、伝播するにつれ干渉して減衰する。
【００３２】
また、図２のような波形を入力電圧波形としても同様の効果がある。例えば、或る時刻４５に電圧４３まで上げて、時間４１の間電圧４３を保持し、その後電圧４４まで下げて、時間４２の間電圧４４を保持し、その後０Ｖとする波形を、入力電圧波形４とする。時間４１、４２を５０ｎｓとするとこの入力電圧波形の中心周波数は約７ＭＨｚである。入力電圧波形５は、入力電圧波形４から２５ｎｓ遅らせた波形とする。この入力電圧波形４、５で駆動する場合、エレメント３の送信感度特性との掛け合わせにより、広帯域な超音波を生成することができ、イメージングにとって有用である。また、位相差６をつけることで中心周波数の２倍高調波が低減される。
【００３３】
本実施例の静電容量型トランスデューサの駆動方法では、トランスデューサの個体特性にかかわらず、２倍高調波を低減することができる。これにより、ノイズやアーチファクトの要因となる不要な超音波を低減できる。特にハーモニック映像法においては、送信音源起因の高調波を低減できるため、本実施例の静電容量型トランスデューサの駆動方法によって媒質や生体組織の情報を鮮明に可視化できる。
【００３４】
（実施例２）
図３を用いて実施例２について説明する。静電容量型トランスデューサのエレメントの構成は実施例１とほぼ同様である。第１のエレメント群２１の中の１つのエレメント、例えばエレメント３１に入力電圧波形２７を入力する。同時に、第２のエレメント群２２の中の例えばエレメント３２に、入力電圧波形２７と同じ波形で位相差２３がほぼ９０度の入力電圧波形２８を入力する。他方、駆動するエレメント全体に位相差２４を与えることで超音波ビーム（音響波ビーム）２５を形成する。位相差２４を適切に施すことによって超音波ビーム２５が伝播する方向２６や強度分布を制御することができる。即ち、１次元のビームフォーミングを行うことができる。
【００３５】
以下に、具体的な駆動波形について述べる。入力電圧波形２７にはＶ１＝３０ｓｉｎ(２πｆｔ)[Ｖ]、入力電圧波形２８にはＶ２＝３０ｓｉｎ(２πｆｔ＋π／２)[Ｖ]が入力される。ｆは基本周波数で８ＭＨｚとする。位相差２３は９０度であるから時間差にして３１.２５ｎｓとなる。この駆動条件では、２倍高調波である１６ＭＨｚの波が各エレメント３１、３２上から発生する。本実施例では、エレメント２７とエレメント２８の入力の位相差を９０度つけていることで、２倍高調波は超音波が伝播し始めて間もなく打ち消し合い減衰する。同様に、入力電圧波形２９にはＶ３＝３０ｓｉｎ(２πｆｔ＋Φ１)[Ｖ]、入力電圧波形３０にはＶ４＝３０ｓｉｎ(２πｆｔ＋π／２＋Φ１)[Ｖ]が入力される。エレメント３３とエレメント３４の入力電圧波形２９、３０の間の位相差２３によって、２倍高調波は打ち消し合う。他方、別の位相差Φ１は図３の位相差３５にあたり、エレメント２７とエレメント２９との位相差であり、超音波の伝播方向を決定する。他のエレメントについても、位相差２３について第１のエレメント群２１と第２のエレメント群２２の対応するエレメントの間で２倍高調波を打ち消し、同エレメント群のエレメント間の位相差２４によって超音波２５の形成を制御する。
【００３６】
また、入力電圧波形２７はＶ１＝３０ｓｉｎ(２πｆｔ)[Ｖ]、入力電圧波形２８はＶ２＝３０ｓｉｎ(２πｆｔ＋π／２＋ψ１)[Ｖ]の様に、超音波の伝播方向を制御する為に、異なるエレメント群に属して隣接するエレメント間で位相差ψ１をつけてもよい。この場合、π／２＋ψ１が前述したほぼ９０度を満たす範囲であれば、２倍高調波を抑制する効果があるのと同時に、例えば、よりサイドロブの小さな超音波ビームを形成できる。
【００３７】
また、実施例１で示したように、図２に示す如き波形４６を入力電圧波形２７、２８、２９、３０として位相差２３、２４を付けてもよい。このとき、図２の波形の中心周波数に対する位相差がほぼ９０度となる位相差２３を決めることで２倍高調波を打ち消すことが可能になる。図２の波形４６のような、入力波形自体の周波数帯域が広い場合、実施例１と同様に広帯域な超音波を生成することができ、イメージングにとって有用である。
【００３８】
図３の構成では、第１のエレメント群２１と第２のエレメント群２２のそれぞれのエレメントが交互に配設されている。近接したエレメント同士は特性が極めて近いことから、同じ入力電圧波形に対して、ほぼ同じ出力音圧特性となる。また、生成される高調波もほぼ同じとなることから、異なるエレメント群の対応する隣接エレメント間でほぼ９０度の位相差２３を付けることによって超音波出力側の近傍領域で２倍高調波が好適に相殺される。
【００３９】
本実施例の静電容量型トランスデューサの駆動方法では、トランスデューサの個体特性にかかわらず、２倍高調波を低減することができることに加えて、超音波ビームの形成（１次元ビームフォーミング）が可能である。本実施例の静電容量型トランスデューサの駆動方法によって、超音波の周波数、測定体積、強度を制御することが可能になるため、所望の媒質や生体組織の情報を可視化できる。
【００４０】
（実施例３）
図４を用いて本発明の実施例３である超音波診断装置（被検体情報取得装置の一種）を説明する。この超音波診断装置は、静電容量型トランスデューサが出力する音響波を被検体に送信し、被検体からの音響波を受信し、受信した信号を用いて被検体の情報を取得する。本実施例で用いられる静電容量型トランスデューサ５１のエレメント５２の構成は実施例１、実施例２のものとほぼ同様である。静電容量型トランスデューサ５１には図１−１（ｂ）に示すように電源１３より直流電圧がかけられている。制御器５４が波形発生器（波形生成装置）５３と切り替えスイッチ５７に制御信号を与え、超音波（音響波）５８の送信波形を入力する。この送信モードのとき、スイッチ（切替部）５７では受信側のスイッチがＯＦＦとなる。波形発生器５３は任意の電圧波形を発生させることができる。
【００４１】
送信された超音波５８は、伝播した先で何らかの物質に反射して静電容量型トランスデューサ５１に戻ってくる。超音波５９を受信する受信モードの際は制御器５４からスイッチ５７に切り替え命令を出力し、受信側のスイッチがＯＮ、送信側のスイッチがＯＦＦとなるようにしてモードを切り替える。このとき、超音波５９がエレメント５２で検出され、検出信号が信号処理系（信号処理部）５５で処理され、信号処理部により変換されたデータを画像に表示する表示器（表示部）５６で画像が表示される。
【００４２】
制御器（制御手段）５３で、エレメント５２を駆動する入力電圧波形と位相差を制御することで、測定対象（被検体）にあてる超音波５８の強度、方向、範囲、周波数などを自在に変えることができる。本発明の静電容量型トランスデューサの駆動方法を実行する手段を本実施例の超音波診断装置に搭載することで、トランスデューサから生じる高調波を低減した、広帯域の超音波イメージを取得することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１・・セル、２・・配線、３・・エレメント、４、５・・入力電圧波形、６・・位相差、７・・基板、８・・第１の電極、９・・絶縁層、１０・・間隙、１１・・振動膜、１２・・第２の電極
【図１−１】
0006552177.tif 000002
【図１−２】
0006552177.tif 000003
【図２】
0006552177.tif 000004
【図３】
0006552177.tif 000005
【図４】
0006552177.tif 000006