超音波検出装置及び超音波診断装置
【課題】比較的低周波帯域の弾性波を検出する静電容量型超音波検出装置を提供する。
【解決手段】超音波検出装置は、静電容量型電気機械変換装置６と、電圧源１５と、電気回路１４とを含む。静電容量型電気機械変換装置は、第１電極１２と、この第１電極と対向し空隙９を隔てて配設された第２電極７とを備える。電圧源は、第１電極１２と第２電極７の間に電位差を生じさせる。電気回路は、第２電極７の振動による第１電極１２と第２電極７間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する。静電容量型電気機械変換装置の出力電流は、周波数に対して第１カットオフ周波数２を有するハイパス特性１を有し、前記電気回路の出力は、周波数に対して第２カットオフ周波数４を有するローパス特性３を有する。第１カットオフ周波数２よりも第２カットオフ周波数４が小さい。
【解決手段】超音波検出装置は、静電容量型電気機械変換装置６と、電圧源１５と、電気回路１４とを含む。静電容量型電気機械変換装置は、第１電極１２と、この第１電極と対向し空隙９を隔てて配設された第２電極７とを備える。電圧源は、第１電極１２と第２電極７の間に電位差を生じさせる。電気回路は、第２電極７の振動による第１電極１２と第２電極７間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する。静電容量型電気機械変換装置の出力電流は、周波数に対して第１カットオフ周波数２を有するハイパス特性１を有し、前記電気回路の出力は、周波数に対して第２カットオフ周波数４を有するローパス特性３を有する。第１カットオフ周波数２よりも第２カットオフ周波数４が小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波検出装置、超音波診断装置などに関し、特に、静電容量型超音波検出装置及びそれを用いる超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、間隔を隔てて配置された電極を有するセルを含む静電容量型超音波検出装置は、知られている（特許文献１参照）。特に近年、マイクロマシンニング技術を用いた静電容量型超音波変換装置（ＣＭＵＴ）が盛んに研究されている。このＣＭＵＴは、軽量の振動膜を用いて超音波を送信または受信し、液体中及び気体中でも優れた広帯域特性が容易に得られる。このＣＭＵＴを利用し、従来の医用診断モダリティより高精度な超音波診断が有望な技術として注目されつつある。ＣＭＵＴの超音波受信機能は、静電容量型電気機械変換装置と後段の電気回路で遂行される。前段の静電容量型電気機械変換装置の出力は、静電容量の時間変動によるものであるため、電流出力である。従って、後段に電流‐電圧変換増幅回路を用いるのが一般的である。
【０００３】
他方、これまで、実用的な超音波変換装置には主に圧電材（ピエゾ）が使用されてきた。この圧電材（ピエゾ）型の装置の解像度は周波数に比例する為、３ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚの範囲に中心感度のある超音波変換装置が普通であった。これと比較して、ＣＭＵＴは広い周波数帯域を有することが特徴であるが、圧電材型に代わるものとして、従来の一般的な超音波診断用のセンサーとして用いようとしている為、これの中心周波数も３ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚ程度が普通である。但し、広い周波数帯域を有効に利用するため、後段の電気回路にも広い帯域が要求される。ＣＭＵＴの超音波受信機能の周波数特性は、静電容量型電気機械変換装置のカットオフ周波数と増幅回路のカットオフ周波数との間のバンドパス型として構成されるのが通常である。よって、増幅回路は、カットオフ周波数が受信帯域よりも十分大きいものを用いることが多い。この点に関して、非特許文献１は、明示した帰還抵抗と、ＭＯＳトランジスタ回路に寄生的に存在する容量である帰還容量とを持つ増幅回路を示している。その結果、非特許文献１に記載されているＣＭＵＴの周波数帯域は２ＭＨｚ乃至７ＭＨｚとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，４３０，１０９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】IEEETransactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.55,No.2, Feb. 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した技術状況で、検体の検査においては形態画像だけでなく機能画像を表示する超音波変換装置の開発も近年進められている。この様な装置の１つに光音響分光分析法を利用した装置がある。こうした光音響分光分析法で用いられる光音響波の周波数帯域は、超音波エコーで用いられる超音波の周波数帯域と比較すると一般的に低い。例えば、光音響波の周波数帯域は２００ＫＨｚ乃至２ＭＨｚの範囲に分布しており、これは、超音波エコーで用いられる超音波の中心周波数３．５ＭＨｚよりも低い。そのため、比較的低い周波数帯を高感度で検出できる超音波変換装置が開発される必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の超音波検出装置は、静電容量型電気機械変換装置と、電圧源と、電気回路とを含み、以下の特徴を有する。前記静電容量型電気機械変換装置は、第１電極とこの第１電極と対向し空隙を隔てて配設された第２電極とを備えるセルを有する。前記電圧源は、第１電極と第２電極の間に電位差を生じさせるためのものである。前記電気回路は、第２電極の振動による第１電極と第２電極間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する。前記静電容量型電気機械変換装置の出力電流は、周波数に対して第１カットオフ周波数を有するハイパス特性を有し、前記電気回路の出力は、周波数に対して第２カットオフ周波数を有するローパス特性を有する。そして、前記第１カットオフ周波数よりも前記第２カットオフ周波数が小さくされている。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、本発明の超音波診断装置は、上記超音波検出装置と、光源と、超音波検出装置によって検出された信号を処理する信号処理系とを含む。そして、前記光源から発せられた光を検査対象にあて、検査対象にあてられた光による光音響効果によって生じる弾性波を前記超音波検出装置で検出し、この検出結果を前記信号処理系で処理することで検査対象の情報を取得する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、電流‐電圧変換増幅回路のカットオフ周波数が静電容量型電気機械変換装置のカットオフ周波数より大きくなる様に構成して、両者の周波数特性を合わせることで超音波検出装置の周波数特性を目標のものとしている。よって、従来の超音波プローブよりも低周波数域を帯域とする超音波検出装置が実現できる。また、この超音波検出装置と光源と信号処理系によって、光音響分光分析法などに適する超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の超音波検出装置の前段の静電容量型電気機械変換装置、後段の電気回路、及び装置全体の周波数特性の例を示して本発明の原理を説明するとともに、本発明の実施形態の超音波検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の他の実施形態の超音波検出装置の構成図である。
【図３】本発明の実施形態の超音波診断装置の構成図である。
【図４】従来例の周波数特性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の超音波検出装置及び超音波診断装置の実施形態を説明する。本発明の装置において重要なことは、静電容量型電気機械変換装置の出力電流のハイパス特性の周波数特性の第１カットオフ周波数よりも電気回路の出力のローパス特性の周波数特性の第２カットオフ周波数を小さくすることである。これらカットオフ周波数、ハイパス特性、ローパス特性の意味する所を説明する。後述する様に、静電容量型電気機械変換装置の出力の周波数特性は、振動膜の真空中の共振周波数で最大となる。そして、本発明の周波数特性とは、最大値の周波数より低い周波数側で３ｄＢ程度低下している周波数（第１カットオフ周波数）から、上記共振周波数を経て、振動膜の反共振周波数の間のバンドパス特性の周波数特性である。実際に作製されるデバイスにおいては、最大出力となっている周波数近傍の範囲で平均した値を用いることで、第１カットオフ周波数を定義できる。このときの静電容量型機械電気変換装置の周波数特性は第１カットオフ周波数を有するハイパス特性となる。つまり、本発明におけるハイパス特性とは、カットオフ周波数よりも低い周波数領域ではほぼ決まった傾きで周波数に対して利得が増加し、カットオフ周波数よりも高い周波数領域で平坦な分布となることである。他方、後段の電流‐電圧変換増幅回路は、帰還抵抗と帰還容量の値によって第２カットオフ周波数が決まるローパス特性の周波数特性を有する。本発明におけるローパス特性とは、カットオフ周波数よりも高い周波数領域では決まった傾きで周波数に対して利得が減少し、カットオフ周波数よりも低い周波数領域で平坦な分布となることである。ここでは、第２カットオフ周波数は、低域での利得よりも３ｄＢ程度低下した利得を示す周波数を指す。本発明において、上記「平坦な分布」とは一定の利得であることを意味する。具体的には、ローパス特性は、カットオフ周波数より低い領域で「平坦」となり、カットオフ周波数より高い領域で「決まった傾きで利得が減少」する。同様にハイパス特性は、カットオフ周波数より低い領域で「決まった傾きで利得が増加」し、カットオフ周波数より高い領域で「平坦」となる。そして本発明における「平坦な分布」とは、全く平坦な場合だけでなく、利得の周波数特性に対する傾きの関係が装置設計上無視できる程度に小さい傾きを有するものも含む。
【００１２】
上記考え方に基づき、本発明の超音波検出装置及び超音波診断装置の基本的な形態は、上述した様な構成を有する。この基本的な形態を基に、次に述べる様な実施形態が可能である。例えば、静電容量型電気機械変換装置は、基板に配設された第１電極と、第１電極と対向して設置された第２電極と、第１電極と第２電極の間に挟まれた絶縁体及び空隙と、第２電極を上下に振動可能に支持する振動膜を含む（後述の第１の実施形態参照）。また、超音波検出装置において、第１電極と第２電極で構成されるコンデンサが、複数の空隙と複数の第２電極または振動膜とを含んで構成される。そして、静電容量型電気機械変換装置の出力電流の特性は、複数の第２電極または振動膜の機械特性の平均とコンデンサの静電容量を含む因子で決定される（後述の第２の実施形態参照）。また、超音波検出装置において、前記コンデンサが２次元的に配列されており、第２電極または振動膜の振動情報を２次元で検出することが可能である（後述の第３の実施形態参照）。
【００１３】
本発明の原理を説明する。静電容量型電気機械変換装置は設計上、中心周波数帯域を１ＭＨｚ前後にすることが容易ではない。これは、中心周波数帯域を１ＭＨｚ前後にするにはメンブレンである第２電極または振動膜の硬さを柔らかくする（バネ定数を小さくする）必要があり、そうすると感度が低下するという弊害などもあり、設計の自由度が制限されるためである。つまり、メンブレンの撓みが大きくなり、高感度化のための狭ギャップ構造を作ることが困難になるとともに、電極への印加電圧も小さくせざるを得ず、感度が低下することになる。そこで、本発明では、静電容量型電気機械変換装置は１ＭＨｚ前後よりも高周波側に中心周波数がある様に設計した状態で、後段の電気回路のカットオフ周波数を調整することにより、トータルで中心周波数帯域が１ＭＨｚ前後になるシステムとする。こうした目標とする比較的低い周波数帯域では、増幅ゲインを或る程度高くしつつ電気回路のカットオフ周波数を調整するのは、他の特性にあまり悪影響を及ぼすことなく比較的容易である。これに対して、電気回路の増幅ゲインを上げたままカットオフ周波数を高くすることは、帰還抵抗を小さくするか帰還容量を小さくすることに等しく、こうすると、Ｓ／Ｎが悪化したり全体の感度が低下したりすることになる。或いは、回路の性能上、限度がある。
【００１４】
以上のことを、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて更に説明する。静電容量変化を平行平板近似した際、入力音圧（入力する弾性波の圧力）に対する静電容量型電気機械変換装置の出力電流Iの周波数特性１（図１（ａ）参照）は次の式（１）で定式化される。
I=P/[(Zm+Zr)/(εA*Vb/d2)+jωC] （１）
ここで、eは真空の誘電率、Aは電気機械変換装置の電極（後述する上部電極７参照）の面積、Vbは電極間に印加するバイアス電圧、dは電極間の真空等価距離、Pは入力音圧、Zmは振動膜（後述する振動膜８参照）の機械インピーダンス、Zrは電気機械変換装置の周りの媒体の音響インピーダンス、ωは入力音圧の角周波数、Cは全静電容量である。この式で、全静電容量は相対的に小さいため、周波数の関数となっているのは振動膜の機械インピーダンスZmであると言ってよい。
【００１５】
Zmは次の式（２）で表される。
Zm=j*km*{(ω/ω02)-1/ω} （２）
kmは振動膜のバネ定数であり、共振角周波数ω0（これは、第１のカットオフ周波数２の近くにある。図１（ａ）参照）よりも周波数が低い領域においては圧力Pに比例して振動膜が変位する。Zmは低周波数領域から共振周波数までは周波数に反比例して０に近づいていく。このことから、振動膜の共振周波数よりも小さい周波数領域において出力電流周波数特性１は周波数について一次特性となる。尚、図１（ａ）〜（ｃ）の周波数特性の曲線について、これらは原理説明のために簡略化して見易く描いている。実際は、例えば肩部近辺ではもう少し形が崩れてなだらかに変化していて、カットオフ周波数は必ずしも図示した様に肩部の角に位置するものではない。また、図１（ａ）の横軸は対数表示された周波数を表し、上記一次特性は、対数表示された周波数に関して一次的な特性であることを意味する。同様に、上記反比例も、対数表示された周波数に関して反比例することを意味する。
【００１６】
また、上記式（１）から分かる様に、出力電流周波数特性１は振動膜の機械インピーダンスZmのみならず、使用環境の一定の音響インピーダンスZrにも依存する。静電容量型電気機械変換装置は、通常、液体に漬けて使用する場合が多い。液体の音響インピーダンスは振動膜の機械インピーダンスよりも大きく、この場合、周波数特性１に対しては液体の音響インピーダンスが支配的となる。上述した様に、振動膜の機械インピーダンスZmが０になる周波数が振動膜の共振周波数であり、ここで出力電流周波数特性１は最大値をとる。振動膜の機械インピーダンスは、本来、振動膜の反共振周波数で無限大となるが、共振周波数よりも低い領域辺りで使用する際は、反共振周波数は無関係であるため、図１（ａ）の出力電流周波数特性１では反共振周波数近辺の領域は省いている。こうした点を総合的に考慮に入れて、上記式（１）で表される出力電流周波数特性１が図１（ａ）に示されている。
【００１７】
他方、電流‐電圧変換増幅回路の周波数特性３（図１（ｂ）参照）は次の式（３）で定式化され、第２のカットオフ周波数４は次の式（４）で表される。
G=Rf/(1+jωRf*Cf) （３）
f=1/(2πRf*Cf) （４）
Gは電気回路のゲイン、Rfは帰還抵抗、Cfは帰還容量、fとωは入力電流の周波数と角周波数である。本発明の構成で用いる電気回路は、式（３）の様に周波数に対して一次特性（上記周波数特性１と同様に、対数表示された周波数に関しての特性である）のものを用いることが望ましく、高次特性を持つ回路を使用することは好ましくない。
【００１８】
本発明では、静電容量型電気機械変換装置の出力電流の周波数特性１と電気回路の出力の周波数特性３を組み合わせて、従来の超音波プローブよりも低周波数域を帯域とする超音波検出装置を実現しようとする。この組み合わせに際し、目標とする特性５（図１（ｃ）参照）を持つ超音波検出装置を実現するために、静電容量型電気機械変換装置の出力電流の周波数特性１の第１カットオフ周波数２よりも電気回路の出力の周波数特性３の第２カットオフ周波数４を小さくする。その理由は上述した通りである。
【００１９】
こうして、静電容量型電気機械変換装置の出力電流周波数特性１と電流‐電圧変換増幅回路の周波数特性３が合わさって、超音波検出装置の出力周波数特性５となる。図１（ｃ）に示す様に、有効周波数帯域は低域側カットオフ周波数１０１から高域側カットオフ周波数１０２の間となる。このとき、低域側カットオフ周波数１０１及び高域側のカットオフ周波数１０２は、夫々、第２カットオフ周波数４及び第１カットオフ周波数３とは必ずしも一致しない。これは、第１カットオフ周波数３と第２カットオフ周波数４が近接している場合には、超音波検出装置の出力周波数特性５が、低域側カットオフ周波数１０１と高域側カットオフ周波数１０２の間においてほぼ平坦な分布となりにくいからである。周波数特性１と周波数特性３は、低域側カットオフ周波数１０１と高域側カットオフ周波数１０２の間で一定程度の大きさを保ちつつほぼ平坦な分布となる様に、設計するのが良い。それには、例えば、周波数特性１の傾斜部の傾きと周波数特性３の傾斜部の傾きは、符号が逆で絶対値が出来るだけ等しいのが良い。また、周波数特性３のゲインを大きくするのが良い。
【００２０】
以上のことから、広帯域・高感度な超音波検出装置において、例えば、カットオフ周波数２とカットオフ周波数４の相乗平均となる周波数が０.４ＭＨｚ乃至１.０ＭＨｚの範囲にあり図１（ｃ）に示す様な周波数特性５を持つのが好ましい。周波数特性５の平坦な周波数帯域をその中心値で割った値が１３０%のとき、カットオフ周波数２とカットオフ周波数４の相乗平均を０．４ＭＨｚに設定すれば、０．２ＭＨｚの超音波を検出できる。また、同様に、カットオフ周波数２とカットオフ周波数４の相乗平均を１.０ＭＨｚに設定すれば、２.０ＭＨｚの超音波を検出できる。
【００２１】
従来、通常の半導体やマイクロマシニング関連材料を使った場合、生体などからの超音波が透過しやすい液体中において、静電容量型電気機械変換装置の周波数特性は約３ＭＨｚ以上で飽和して安定である。しかしながら、上述した様に１ＭＨｚ付近に中心があり高感度なＣＭＵＴを得るのは困難であった。上記原理による本発明によれば、こうした困難も解消できる。比較のために、従来の静電容量型電気機械変換装置の周波数特性、電気回路の周波数特性、超音波検出装置の周波数特性を図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図４（ａ）の周波数特性は図１（ａ）の周波数特性とあまり変わらないが、図４（ｂ）の周波数特性は図１（ｂ）の周波数特性と比べてカットオフ周波数４が高周波側にあり全体的にゲインが低くなっている。その結果、図４（ｃ）の周波数特性は、低域側カットオフ周波数１０１と高域側カットオフ周波数１０２の範囲が高周波側にあり、例えば３ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚにある。
【００２２】
以下、上記原理に基づいて具体化した静電容量型電気機械変換装置と電流‐電圧変換増幅回路の構成を持つ実施形態を図に沿って説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態の超音波検出装置を説明する。本実施形態の静電容量型電気機械変換装置６（以下、セルとも言う）と電気回路１４の構成を図１（ｄ）に示す。１つのセルとして示す静電容量型電気機械変換装置６は、上部電極７、振動膜８、キャビティ９、絶縁層１０、振動膜８を支持する支持部１１、下部電極１２、これらを支持する基板１３で構成される。電気回路１４は、上部電極７及び下部電極１２と接続された抵抗Ｒ１、帰還抵抗Ｒｆと帰還容量Ｃｆを含む演算増幅器を有する。これらの変換装置６と電気回路１４は、上述した周波数特性を有する様に構成されている。
【００２３】
図１（ｄ）は構成の一例である。振動膜８が絶縁体であれば絶縁層１０はあってもなくてもよい。また、その場合、振動膜８と支持部１１は同一物質でもよい。絶縁層１０と支持部１１が同一物質でもよい。構成上、上部電極７と振動膜８は接着しており、一体で振動する。感度向上の観点から、キャビティ９は大気よりも低い圧力に維持されているのが望ましい。基板１３がシリコンなどの半導体基板等の導電性基板である場合、基板１３と下部電極１２は一体でもよい。出力電流周波数特性１は、振動膜８の機械インピーダンスと使用環境の音響インピーダンスに依存する。静電容量型電気機械変換装置は、通常、液体１８に漬けて使用する場合が多い。液体１８の音響インピーダンスは振動膜８の機械インピーダンスよりも大きく、液体は具体的には、水、超音波診断用グリス、ひまし油などの油等である。
【００２４】
一般的に、上部電極７、下部電極１２は金属であればよいが、低抵抗の半導体などでもよい。例えば、第２の電極である上部電極７は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ等から選択される導電体、Ｓｉ等の半導体、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ、ＭｏＷ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉＣｕ等から選択される合金のうちの少なくとも１つの材料で形成することができる。また、上部電極７は、振動膜８の上面、裏面、内部のうちの少なくとも一箇所に設けるか、若しくは振動膜８を導電体又は半導体で形成する場合は振動膜が上部電極７を兼ねる構造とすることもできる。第１の電極である下部電極１２も、上部電極７と同様の導電体や半導体等により形成することができる。また、下部電極１２と上部電極７の電極材料は異なっていてもよい。
【００２５】
本実施形態における各部の寸法を例示すると次の様になる。例えば、キャビティ９の高さは１００ｎｍ程度であるが、１０ｎｍから５００ｎｍの範囲にあってもよい。キャビティ９の一片の長さは、例えば、１０μｍから２００μｍの範囲にある。振動膜８は、例えば、ＳｉＮにより形成されるが、その他の絶縁材料でもよい。キャビティ９は大気圧に対して減圧状態に保たれており、振動膜８は多少凹形状となる。振動膜及び電極は、例えば、角形としたが、円形、多角形などであっても構わない。セルのキャビティ９の形状も、例えば、角形であるが、その他の形状でもよい。
【００２６】
受信動作時には、超音波検出装置のセル６の上部電極７と下部電極１２の間に電位差を生じさせるために電圧源１５により直流電圧Ｖをかける。超音波を受信する際には、振動膜８が振動し、振動に伴う容量変化分だけ電流が流れる。その電流を電流‐電圧変換増幅回路１４で増幅する。
【００２７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の超音波検出装置を説明する。本実施形態の構成を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図の破線部分は、セル６の透視部を除いて、構造の描画を省略したことを示す。本実施形態では、セル６が基板１３上に複数並んでいる。各セル６及び電気回路１４の構造は第１の実施形態で説明した通りである。複数のセル６の上部電極７と下部電極１２は、夫々、電極結合配線部１６、１７により電気的に接続され、複数のセル６間で夫々導通している。図２（ｂ）に示す様に、セル６は二次元的に等間隔で配列され、１つのエレメント２０を形成している。装置は、エレメント２０の上部電極７が、例えば、超音波の伝播の良好な液体１８に接した状態で使用される。検出感度、信号処理の容易さなどの観点から、複数のセル６間で、振動膜８の機械特性やキャビティ９の深さは均一であるのが望ましい。エレメント２０内において、セル６の配列は、図示例では正方格子状になっているが、千鳥状、六方最密状などでも構わない。エレメント２０内のセル６の配列形態や数は、場合に応じて適宜決めればよい。また、図示例では振動膜８の形状を円形に描いたが、多角形などでもよい。この様に、本実施形態では、下部電極１２（第１電極）と上部電極７（第２電極）で構成されるコンデンサが、複数の空隙９と複数の第２電極ないし振動膜８とを含んで構成される。そして、エレメント２０の出力電流の周波数特性は、複数の第２電極ないし振動膜８の機械特性の平均とコンデンサの静電容量を含む因子で決定される。
【００２８】
本実施形態においては、複数の上部電極７が導通している領域が超音波検出領域となり、１つのセルを含む第１の実施形態よりも感度が増加する。本実施形態では、複数のセルを含むエレメント２０で１つの静電容量型電気機械変換装置を構成するとも言える。このときの静電容量型電気機械変換装置の周波数特性１（図１（ａ）参照）は、上述した様に、複数の振動膜８の機械特性の平均値等で決定される。また、エレメント２０の電流出力の大きさは複数の振動膜８上の上部電極７の総面積にほぼ比例する。その他の点は第１の実施形態と同様である。
【００２９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の超音波検出装置を説明する。本実施形態の構成を図２（ｃ）、（ｄ）に示す。上面図である図２（ｄ）は超音波検出装置３２の全体構成を示す。図２（ｃ）、（ｄ）でも、破線部分は構造の描画を省略したことを示す。本実施形態の超音波検出デバイス３０は、第２の実施形態のエレメント２０が二次元的に配列されている構成である。配線部１６で繋がった上部電極７と配線部１７で繋がった下部電極１２のうち、どちらか一方はエレメント２０ごとに電気的に分離されている。本実施形態でも、上部電極１６は超音波の伝播の良好な液体１８に接している。エレメント２０ごとの出力を配線３１で電流‐電圧変換増幅回路１４に送って電圧変換することで、超音波信号を二次元の分布として検出することが可能である。ここでも、各エレメント２０の周波数特性１は、複数の振動膜８の機械特性の平均値等で決定される。また、各エレメント２０の電流出力の大きさは複数の上部電極７の総面積にほぼ比例する。本実施形態の超音波検出装置では、コンデンサは２次元的に配列されており、第２電極ないし振動膜８の振動情報を２次元で検出することが可能である。その他の点は第１の実施形態と同様である。
【００３０】
ところで、上記実施形態の構成は、音波を発生させる装置として用いることもできる。上部電極７（若しくは上部電極結合配線部１６）と下部電極１２（若しくは下部電極結合配線部１７）の間に電圧源１５で、ＤＣ電圧に微小な交流電圧を重畳した電圧を印加することで、振動膜８を強制振動させて音波を発生させる。このときの周波数特性は、主に、静電容量型電気機械変換装置の出力電流周波数特性１と同じ様な送信特性を有する。この音波発生装置は、上述した第２の実施形態や第３の実施形態の様に、二次元的に振動膜８を配列することで、より大きな音波を発生させられる。また、発生面積を大きくすることで、音波の指向性を大きくでき、回折を小さくできる。
【００３１】
（第４の実施形態）
第４の実施形態の超音波診断装置を説明する。本実施形態の構成を図３に示す。光源４０から発せられた光４１が伝播して生体組織４２にあたることによって、光音響波と呼ばれる超音波４３が発せられる。すなわち、生体組織内部に存在する光吸収係数が大きい箇所にて光が吸収され、当該箇所が加熱される。そして、加熱された部分が膨張し、膨張に伴い弾性波が発生する。この超音波４３の周波数は生体組織を構成する物質や個体によって異なるが、上述した様に、例えば、２００ｋＨｚ乃至２ＭＨｚ程度である。超音波（光音響波）４３は、その伝播の良好な液体１８を通って、超音波検出装置３２で検出される。電流電圧変換・増幅された信号は信号束線４４を介して信号処理系４５に送られる。検出結果の信号は信号処理系４５で信号処理され、生体情報を抽出する。超音波検出装置３２が上述した第３の実施形態の如き構成ならば、二次元的な超音波分布を検出することが可能であり、検出装置３２を走査することによって広範囲な分布を捉えることができる。超音波は音速であるため、到達波（時間波形）の時間差を解析して時間情報を得て奥行き方向の情報も取得可能であり、その場合、信号処理系４５に再構成機能を持たせてもよく、三次元の生体情報を抽出することができる。また、受信した信号をフーリエ変換して周波数特性を得ることで画像などを取得することもできる。
【００３２】
光音響効果を用いて試料（検査対象）の断層像、三次元像などを取得する技術は、光音響トモグラフィー（ＰｈｏｔｏＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）として一般に知られており、その頭文字をとってＰＡＴ技術と称されている。
【符号の説明】
【００３３】
６…静電容量型電気機械変換装置（セル）、７…上部電極（第２電極）、８…振動膜、９…キャビティ（空隙）、１２…下部電極（第１電極）、１４…電流‐電圧変換増幅回路、１５…電圧源、３２…超音波検出装置、４０…光源、４２…生体組織（検査対象）、４３…光音響波（超音波）、４５…信号処理系
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波検出装置、超音波診断装置などに関し、特に、静電容量型超音波検出装置及びそれを用いる超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、間隔を隔てて配置された電極を有するセルを含む静電容量型超音波検出装置は、知られている（特許文献１参照）。特に近年、マイクロマシンニング技術を用いた静電容量型超音波変換装置（ＣＭＵＴ）が盛んに研究されている。このＣＭＵＴは、軽量の振動膜を用いて超音波を送信または受信し、液体中及び気体中でも優れた広帯域特性が容易に得られる。このＣＭＵＴを利用し、従来の医用診断モダリティより高精度な超音波診断が有望な技術として注目されつつある。ＣＭＵＴの超音波受信機能は、静電容量型電気機械変換装置と後段の電気回路で遂行される。前段の静電容量型電気機械変換装置の出力は、静電容量の時間変動によるものであるため、電流出力である。従って、後段に電流‐電圧変換増幅回路を用いるのが一般的である。
【０００３】
他方、これまで、実用的な超音波変換装置には主に圧電材（ピエゾ）が使用されてきた。この圧電材（ピエゾ）型の装置の解像度は周波数に比例する為、３ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚの範囲に中心感度のある超音波変換装置が普通であった。これと比較して、ＣＭＵＴは広い周波数帯域を有することが特徴であるが、圧電材型に代わるものとして、従来の一般的な超音波診断用のセンサーとして用いようとしている為、これの中心周波数も３ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚ程度が普通である。但し、広い周波数帯域を有効に利用するため、後段の電気回路にも広い帯域が要求される。ＣＭＵＴの超音波受信機能の周波数特性は、静電容量型電気機械変換装置のカットオフ周波数と増幅回路のカットオフ周波数との間のバンドパス型として構成されるのが通常である。よって、増幅回路は、カットオフ周波数が受信帯域よりも十分大きいものを用いることが多い。この点に関して、非特許文献１は、明示した帰還抵抗と、ＭＯＳトランジスタ回路に寄生的に存在する容量である帰還容量とを持つ増幅回路を示している。その結果、非特許文献１に記載されているＣＭＵＴの周波数帯域は２ＭＨｚ乃至７ＭＨｚとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，４３０，１０９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】IEEETransactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.55,No.2, Feb. 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した技術状況で、検体の検査においては形態画像だけでなく機能画像を表示する超音波変換装置の開発も近年進められている。この様な装置の１つに光音響分光分析法を利用した装置がある。こうした光音響分光分析法で用いられる光音響波の周波数帯域は、超音波エコーで用いられる超音波の周波数帯域と比較すると一般的に低い。例えば、光音響波の周波数帯域は２００ＫＨｚ乃至２ＭＨｚの範囲に分布しており、これは、超音波エコーで用いられる超音波の中心周波数３．５ＭＨｚよりも低い。そのため、比較的低い周波数帯を高感度で検出できる超音波変換装置が開発される必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の超音波検出装置は、静電容量型電気機械変換装置と、電圧源と、電気回路とを含み、以下の特徴を有する。前記静電容量型電気機械変換装置は、第１電極とこの第１電極と対向し空隙を隔てて配設された第２電極とを備えるセルを有する。前記電圧源は、第１電極と第２電極の間に電位差を生じさせるためのものである。前記電気回路は、第２電極の振動による第１電極と第２電極間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する。前記静電容量型電気機械変換装置の出力電流は、周波数に対して第１カットオフ周波数を有するハイパス特性を有し、前記電気回路の出力は、周波数に対して第２カットオフ周波数を有するローパス特性を有する。そして、前記第１カットオフ周波数よりも前記第２カットオフ周波数が小さくされている。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、本発明の超音波診断装置は、上記超音波検出装置と、光源と、超音波検出装置によって検出された信号を処理する信号処理系とを含む。そして、前記光源から発せられた光を検査対象にあて、検査対象にあてられた光による光音響効果によって生じる弾性波を前記超音波検出装置で検出し、この検出結果を前記信号処理系で処理することで検査対象の情報を取得する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、電流‐電圧変換増幅回路のカットオフ周波数が静電容量型電気機械変換装置のカットオフ周波数より大きくなる様に構成して、両者の周波数特性を合わせることで超音波検出装置の周波数特性を目標のものとしている。よって、従来の超音波プローブよりも低周波数域を帯域とする超音波検出装置が実現できる。また、この超音波検出装置と光源と信号処理系によって、光音響分光分析法などに適する超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の超音波検出装置の前段の静電容量型電気機械変換装置、後段の電気回路、及び装置全体の周波数特性の例を示して本発明の原理を説明するとともに、本発明の実施形態の超音波検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の他の実施形態の超音波検出装置の構成図である。
【図３】本発明の実施形態の超音波診断装置の構成図である。
【図４】従来例の周波数特性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の超音波検出装置及び超音波診断装置の実施形態を説明する。本発明の装置において重要なことは、静電容量型電気機械変換装置の出力電流のハイパス特性の周波数特性の第１カットオフ周波数よりも電気回路の出力のローパス特性の周波数特性の第２カットオフ周波数を小さくすることである。これらカットオフ周波数、ハイパス特性、ローパス特性の意味する所を説明する。後述する様に、静電容量型電気機械変換装置の出力の周波数特性は、振動膜の真空中の共振周波数で最大となる。そして、本発明の周波数特性とは、最大値の周波数より低い周波数側で３ｄＢ程度低下している周波数（第１カットオフ周波数）から、上記共振周波数を経て、振動膜の反共振周波数の間のバンドパス特性の周波数特性である。実際に作製されるデバイスにおいては、最大出力となっている周波数近傍の範囲で平均した値を用いることで、第１カットオフ周波数を定義できる。このときの静電容量型機械電気変換装置の周波数特性は第１カットオフ周波数を有するハイパス特性となる。つまり、本発明におけるハイパス特性とは、カットオフ周波数よりも低い周波数領域ではほぼ決まった傾きで周波数に対して利得が増加し、カットオフ周波数よりも高い周波数領域で平坦な分布となることである。他方、後段の電流‐電圧変換増幅回路は、帰還抵抗と帰還容量の値によって第２カットオフ周波数が決まるローパス特性の周波数特性を有する。本発明におけるローパス特性とは、カットオフ周波数よりも高い周波数領域では決まった傾きで周波数に対して利得が減少し、カットオフ周波数よりも低い周波数領域で平坦な分布となることである。ここでは、第２カットオフ周波数は、低域での利得よりも３ｄＢ程度低下した利得を示す周波数を指す。本発明において、上記「平坦な分布」とは一定の利得であることを意味する。具体的には、ローパス特性は、カットオフ周波数より低い領域で「平坦」となり、カットオフ周波数より高い領域で「決まった傾きで利得が減少」する。同様にハイパス特性は、カットオフ周波数より低い領域で「決まった傾きで利得が増加」し、カットオフ周波数より高い領域で「平坦」となる。そして本発明における「平坦な分布」とは、全く平坦な場合だけでなく、利得の周波数特性に対する傾きの関係が装置設計上無視できる程度に小さい傾きを有するものも含む。
【００１２】
上記考え方に基づき、本発明の超音波検出装置及び超音波診断装置の基本的な形態は、上述した様な構成を有する。この基本的な形態を基に、次に述べる様な実施形態が可能である。例えば、静電容量型電気機械変換装置は、基板に配設された第１電極と、第１電極と対向して設置された第２電極と、第１電極と第２電極の間に挟まれた絶縁体及び空隙と、第２電極を上下に振動可能に支持する振動膜を含む（後述の第１の実施形態参照）。また、超音波検出装置において、第１電極と第２電極で構成されるコンデンサが、複数の空隙と複数の第２電極または振動膜とを含んで構成される。そして、静電容量型電気機械変換装置の出力電流の特性は、複数の第２電極または振動膜の機械特性の平均とコンデンサの静電容量を含む因子で決定される（後述の第２の実施形態参照）。また、超音波検出装置において、前記コンデンサが２次元的に配列されており、第２電極または振動膜の振動情報を２次元で検出することが可能である（後述の第３の実施形態参照）。
【００１３】
本発明の原理を説明する。静電容量型電気機械変換装置は設計上、中心周波数帯域を１ＭＨｚ前後にすることが容易ではない。これは、中心周波数帯域を１ＭＨｚ前後にするにはメンブレンである第２電極または振動膜の硬さを柔らかくする（バネ定数を小さくする）必要があり、そうすると感度が低下するという弊害などもあり、設計の自由度が制限されるためである。つまり、メンブレンの撓みが大きくなり、高感度化のための狭ギャップ構造を作ることが困難になるとともに、電極への印加電圧も小さくせざるを得ず、感度が低下することになる。そこで、本発明では、静電容量型電気機械変換装置は１ＭＨｚ前後よりも高周波側に中心周波数がある様に設計した状態で、後段の電気回路のカットオフ周波数を調整することにより、トータルで中心周波数帯域が１ＭＨｚ前後になるシステムとする。こうした目標とする比較的低い周波数帯域では、増幅ゲインを或る程度高くしつつ電気回路のカットオフ周波数を調整するのは、他の特性にあまり悪影響を及ぼすことなく比較的容易である。これに対して、電気回路の増幅ゲインを上げたままカットオフ周波数を高くすることは、帰還抵抗を小さくするか帰還容量を小さくすることに等しく、こうすると、Ｓ／Ｎが悪化したり全体の感度が低下したりすることになる。或いは、回路の性能上、限度がある。
【００１４】
以上のことを、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて更に説明する。静電容量変化を平行平板近似した際、入力音圧（入力する弾性波の圧力）に対する静電容量型電気機械変換装置の出力電流Iの周波数特性１（図１（ａ）参照）は次の式（１）で定式化される。
I=P/[(Zm+Zr)/(εA*Vb/d2)+jωC] （１）
ここで、eは真空の誘電率、Aは電気機械変換装置の電極（後述する上部電極７参照）の面積、Vbは電極間に印加するバイアス電圧、dは電極間の真空等価距離、Pは入力音圧、Zmは振動膜（後述する振動膜８参照）の機械インピーダンス、Zrは電気機械変換装置の周りの媒体の音響インピーダンス、ωは入力音圧の角周波数、Cは全静電容量である。この式で、全静電容量は相対的に小さいため、周波数の関数となっているのは振動膜の機械インピーダンスZmであると言ってよい。
【００１５】
Zmは次の式（２）で表される。
Zm=j*km*{(ω/ω02)-1/ω} （２）
kmは振動膜のバネ定数であり、共振角周波数ω0（これは、第１のカットオフ周波数２の近くにある。図１（ａ）参照）よりも周波数が低い領域においては圧力Pに比例して振動膜が変位する。Zmは低周波数領域から共振周波数までは周波数に反比例して０に近づいていく。このことから、振動膜の共振周波数よりも小さい周波数領域において出力電流周波数特性１は周波数について一次特性となる。尚、図１（ａ）〜（ｃ）の周波数特性の曲線について、これらは原理説明のために簡略化して見易く描いている。実際は、例えば肩部近辺ではもう少し形が崩れてなだらかに変化していて、カットオフ周波数は必ずしも図示した様に肩部の角に位置するものではない。また、図１（ａ）の横軸は対数表示された周波数を表し、上記一次特性は、対数表示された周波数に関して一次的な特性であることを意味する。同様に、上記反比例も、対数表示された周波数に関して反比例することを意味する。
【００１６】
また、上記式（１）から分かる様に、出力電流周波数特性１は振動膜の機械インピーダンスZmのみならず、使用環境の一定の音響インピーダンスZrにも依存する。静電容量型電気機械変換装置は、通常、液体に漬けて使用する場合が多い。液体の音響インピーダンスは振動膜の機械インピーダンスよりも大きく、この場合、周波数特性１に対しては液体の音響インピーダンスが支配的となる。上述した様に、振動膜の機械インピーダンスZmが０になる周波数が振動膜の共振周波数であり、ここで出力電流周波数特性１は最大値をとる。振動膜の機械インピーダンスは、本来、振動膜の反共振周波数で無限大となるが、共振周波数よりも低い領域辺りで使用する際は、反共振周波数は無関係であるため、図１（ａ）の出力電流周波数特性１では反共振周波数近辺の領域は省いている。こうした点を総合的に考慮に入れて、上記式（１）で表される出力電流周波数特性１が図１（ａ）に示されている。
【００１７】
他方、電流‐電圧変換増幅回路の周波数特性３（図１（ｂ）参照）は次の式（３）で定式化され、第２のカットオフ周波数４は次の式（４）で表される。
G=Rf/(1+jωRf*Cf) （３）
f=1/(2πRf*Cf) （４）
Gは電気回路のゲイン、Rfは帰還抵抗、Cfは帰還容量、fとωは入力電流の周波数と角周波数である。本発明の構成で用いる電気回路は、式（３）の様に周波数に対して一次特性（上記周波数特性１と同様に、対数表示された周波数に関しての特性である）のものを用いることが望ましく、高次特性を持つ回路を使用することは好ましくない。
【００１８】
本発明では、静電容量型電気機械変換装置の出力電流の周波数特性１と電気回路の出力の周波数特性３を組み合わせて、従来の超音波プローブよりも低周波数域を帯域とする超音波検出装置を実現しようとする。この組み合わせに際し、目標とする特性５（図１（ｃ）参照）を持つ超音波検出装置を実現するために、静電容量型電気機械変換装置の出力電流の周波数特性１の第１カットオフ周波数２よりも電気回路の出力の周波数特性３の第２カットオフ周波数４を小さくする。その理由は上述した通りである。
【００１９】
こうして、静電容量型電気機械変換装置の出力電流周波数特性１と電流‐電圧変換増幅回路の周波数特性３が合わさって、超音波検出装置の出力周波数特性５となる。図１（ｃ）に示す様に、有効周波数帯域は低域側カットオフ周波数１０１から高域側カットオフ周波数１０２の間となる。このとき、低域側カットオフ周波数１０１及び高域側のカットオフ周波数１０２は、夫々、第２カットオフ周波数４及び第１カットオフ周波数３とは必ずしも一致しない。これは、第１カットオフ周波数３と第２カットオフ周波数４が近接している場合には、超音波検出装置の出力周波数特性５が、低域側カットオフ周波数１０１と高域側カットオフ周波数１０２の間においてほぼ平坦な分布となりにくいからである。周波数特性１と周波数特性３は、低域側カットオフ周波数１０１と高域側カットオフ周波数１０２の間で一定程度の大きさを保ちつつほぼ平坦な分布となる様に、設計するのが良い。それには、例えば、周波数特性１の傾斜部の傾きと周波数特性３の傾斜部の傾きは、符号が逆で絶対値が出来るだけ等しいのが良い。また、周波数特性３のゲインを大きくするのが良い。
【００２０】
以上のことから、広帯域・高感度な超音波検出装置において、例えば、カットオフ周波数２とカットオフ周波数４の相乗平均となる周波数が０.４ＭＨｚ乃至１.０ＭＨｚの範囲にあり図１（ｃ）に示す様な周波数特性５を持つのが好ましい。周波数特性５の平坦な周波数帯域をその中心値で割った値が１３０%のとき、カットオフ周波数２とカットオフ周波数４の相乗平均を０．４ＭＨｚに設定すれば、０．２ＭＨｚの超音波を検出できる。また、同様に、カットオフ周波数２とカットオフ周波数４の相乗平均を１.０ＭＨｚに設定すれば、２.０ＭＨｚの超音波を検出できる。
【００２１】
従来、通常の半導体やマイクロマシニング関連材料を使った場合、生体などからの超音波が透過しやすい液体中において、静電容量型電気機械変換装置の周波数特性は約３ＭＨｚ以上で飽和して安定である。しかしながら、上述した様に１ＭＨｚ付近に中心があり高感度なＣＭＵＴを得るのは困難であった。上記原理による本発明によれば、こうした困難も解消できる。比較のために、従来の静電容量型電気機械変換装置の周波数特性、電気回路の周波数特性、超音波検出装置の周波数特性を図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図４（ａ）の周波数特性は図１（ａ）の周波数特性とあまり変わらないが、図４（ｂ）の周波数特性は図１（ｂ）の周波数特性と比べてカットオフ周波数４が高周波側にあり全体的にゲインが低くなっている。その結果、図４（ｃ）の周波数特性は、低域側カットオフ周波数１０１と高域側カットオフ周波数１０２の範囲が高周波側にあり、例えば３ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚにある。
【００２２】
以下、上記原理に基づいて具体化した静電容量型電気機械変換装置と電流‐電圧変換増幅回路の構成を持つ実施形態を図に沿って説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態の超音波検出装置を説明する。本実施形態の静電容量型電気機械変換装置６（以下、セルとも言う）と電気回路１４の構成を図１（ｄ）に示す。１つのセルとして示す静電容量型電気機械変換装置６は、上部電極７、振動膜８、キャビティ９、絶縁層１０、振動膜８を支持する支持部１１、下部電極１２、これらを支持する基板１３で構成される。電気回路１４は、上部電極７及び下部電極１２と接続された抵抗Ｒ１、帰還抵抗Ｒｆと帰還容量Ｃｆを含む演算増幅器を有する。これらの変換装置６と電気回路１４は、上述した周波数特性を有する様に構成されている。
【００２３】
図１（ｄ）は構成の一例である。振動膜８が絶縁体であれば絶縁層１０はあってもなくてもよい。また、その場合、振動膜８と支持部１１は同一物質でもよい。絶縁層１０と支持部１１が同一物質でもよい。構成上、上部電極７と振動膜８は接着しており、一体で振動する。感度向上の観点から、キャビティ９は大気よりも低い圧力に維持されているのが望ましい。基板１３がシリコンなどの半導体基板等の導電性基板である場合、基板１３と下部電極１２は一体でもよい。出力電流周波数特性１は、振動膜８の機械インピーダンスと使用環境の音響インピーダンスに依存する。静電容量型電気機械変換装置は、通常、液体１８に漬けて使用する場合が多い。液体１８の音響インピーダンスは振動膜８の機械インピーダンスよりも大きく、液体は具体的には、水、超音波診断用グリス、ひまし油などの油等である。
【００２４】
一般的に、上部電極７、下部電極１２は金属であればよいが、低抵抗の半導体などでもよい。例えば、第２の電極である上部電極７は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ等から選択される導電体、Ｓｉ等の半導体、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ、ＭｏＷ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉＣｕ等から選択される合金のうちの少なくとも１つの材料で形成することができる。また、上部電極７は、振動膜８の上面、裏面、内部のうちの少なくとも一箇所に設けるか、若しくは振動膜８を導電体又は半導体で形成する場合は振動膜が上部電極７を兼ねる構造とすることもできる。第１の電極である下部電極１２も、上部電極７と同様の導電体や半導体等により形成することができる。また、下部電極１２と上部電極７の電極材料は異なっていてもよい。
【００２５】
本実施形態における各部の寸法を例示すると次の様になる。例えば、キャビティ９の高さは１００ｎｍ程度であるが、１０ｎｍから５００ｎｍの範囲にあってもよい。キャビティ９の一片の長さは、例えば、１０μｍから２００μｍの範囲にある。振動膜８は、例えば、ＳｉＮにより形成されるが、その他の絶縁材料でもよい。キャビティ９は大気圧に対して減圧状態に保たれており、振動膜８は多少凹形状となる。振動膜及び電極は、例えば、角形としたが、円形、多角形などであっても構わない。セルのキャビティ９の形状も、例えば、角形であるが、その他の形状でもよい。
【００２６】
受信動作時には、超音波検出装置のセル６の上部電極７と下部電極１２の間に電位差を生じさせるために電圧源１５により直流電圧Ｖをかける。超音波を受信する際には、振動膜８が振動し、振動に伴う容量変化分だけ電流が流れる。その電流を電流‐電圧変換増幅回路１４で増幅する。
【００２７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の超音波検出装置を説明する。本実施形態の構成を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図の破線部分は、セル６の透視部を除いて、構造の描画を省略したことを示す。本実施形態では、セル６が基板１３上に複数並んでいる。各セル６及び電気回路１４の構造は第１の実施形態で説明した通りである。複数のセル６の上部電極７と下部電極１２は、夫々、電極結合配線部１６、１７により電気的に接続され、複数のセル６間で夫々導通している。図２（ｂ）に示す様に、セル６は二次元的に等間隔で配列され、１つのエレメント２０を形成している。装置は、エレメント２０の上部電極７が、例えば、超音波の伝播の良好な液体１８に接した状態で使用される。検出感度、信号処理の容易さなどの観点から、複数のセル６間で、振動膜８の機械特性やキャビティ９の深さは均一であるのが望ましい。エレメント２０内において、セル６の配列は、図示例では正方格子状になっているが、千鳥状、六方最密状などでも構わない。エレメント２０内のセル６の配列形態や数は、場合に応じて適宜決めればよい。また、図示例では振動膜８の形状を円形に描いたが、多角形などでもよい。この様に、本実施形態では、下部電極１２（第１電極）と上部電極７（第２電極）で構成されるコンデンサが、複数の空隙９と複数の第２電極ないし振動膜８とを含んで構成される。そして、エレメント２０の出力電流の周波数特性は、複数の第２電極ないし振動膜８の機械特性の平均とコンデンサの静電容量を含む因子で決定される。
【００２８】
本実施形態においては、複数の上部電極７が導通している領域が超音波検出領域となり、１つのセルを含む第１の実施形態よりも感度が増加する。本実施形態では、複数のセルを含むエレメント２０で１つの静電容量型電気機械変換装置を構成するとも言える。このときの静電容量型電気機械変換装置の周波数特性１（図１（ａ）参照）は、上述した様に、複数の振動膜８の機械特性の平均値等で決定される。また、エレメント２０の電流出力の大きさは複数の振動膜８上の上部電極７の総面積にほぼ比例する。その他の点は第１の実施形態と同様である。
【００２９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の超音波検出装置を説明する。本実施形態の構成を図２（ｃ）、（ｄ）に示す。上面図である図２（ｄ）は超音波検出装置３２の全体構成を示す。図２（ｃ）、（ｄ）でも、破線部分は構造の描画を省略したことを示す。本実施形態の超音波検出デバイス３０は、第２の実施形態のエレメント２０が二次元的に配列されている構成である。配線部１６で繋がった上部電極７と配線部１７で繋がった下部電極１２のうち、どちらか一方はエレメント２０ごとに電気的に分離されている。本実施形態でも、上部電極１６は超音波の伝播の良好な液体１８に接している。エレメント２０ごとの出力を配線３１で電流‐電圧変換増幅回路１４に送って電圧変換することで、超音波信号を二次元の分布として検出することが可能である。ここでも、各エレメント２０の周波数特性１は、複数の振動膜８の機械特性の平均値等で決定される。また、各エレメント２０の電流出力の大きさは複数の上部電極７の総面積にほぼ比例する。本実施形態の超音波検出装置では、コンデンサは２次元的に配列されており、第２電極ないし振動膜８の振動情報を２次元で検出することが可能である。その他の点は第１の実施形態と同様である。
【００３０】
ところで、上記実施形態の構成は、音波を発生させる装置として用いることもできる。上部電極７（若しくは上部電極結合配線部１６）と下部電極１２（若しくは下部電極結合配線部１７）の間に電圧源１５で、ＤＣ電圧に微小な交流電圧を重畳した電圧を印加することで、振動膜８を強制振動させて音波を発生させる。このときの周波数特性は、主に、静電容量型電気機械変換装置の出力電流周波数特性１と同じ様な送信特性を有する。この音波発生装置は、上述した第２の実施形態や第３の実施形態の様に、二次元的に振動膜８を配列することで、より大きな音波を発生させられる。また、発生面積を大きくすることで、音波の指向性を大きくでき、回折を小さくできる。
【００３１】
（第４の実施形態）
第４の実施形態の超音波診断装置を説明する。本実施形態の構成を図３に示す。光源４０から発せられた光４１が伝播して生体組織４２にあたることによって、光音響波と呼ばれる超音波４３が発せられる。すなわち、生体組織内部に存在する光吸収係数が大きい箇所にて光が吸収され、当該箇所が加熱される。そして、加熱された部分が膨張し、膨張に伴い弾性波が発生する。この超音波４３の周波数は生体組織を構成する物質や個体によって異なるが、上述した様に、例えば、２００ｋＨｚ乃至２ＭＨｚ程度である。超音波（光音響波）４３は、その伝播の良好な液体１８を通って、超音波検出装置３２で検出される。電流電圧変換・増幅された信号は信号束線４４を介して信号処理系４５に送られる。検出結果の信号は信号処理系４５で信号処理され、生体情報を抽出する。超音波検出装置３２が上述した第３の実施形態の如き構成ならば、二次元的な超音波分布を検出することが可能であり、検出装置３２を走査することによって広範囲な分布を捉えることができる。超音波は音速であるため、到達波（時間波形）の時間差を解析して時間情報を得て奥行き方向の情報も取得可能であり、その場合、信号処理系４５に再構成機能を持たせてもよく、三次元の生体情報を抽出することができる。また、受信した信号をフーリエ変換して周波数特性を得ることで画像などを取得することもできる。
【００３２】
光音響効果を用いて試料（検査対象）の断層像、三次元像などを取得する技術は、光音響トモグラフィー（ＰｈｏｔｏＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）として一般に知られており、その頭文字をとってＰＡＴ技術と称されている。
【符号の説明】
【００３３】
６…静電容量型電気機械変換装置（セル）、７…上部電極（第２電極）、８…振動膜、９…キャビティ（空隙）、１２…下部電極（第１電極）、１４…電流‐電圧変換増幅回路、１５…電圧源、３２…超音波検出装置、４０…光源、４２…生体組織（検査対象）、４３…光音響波（超音波）、４５…信号処理系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、前記第１電極と対向し空隙を隔てて配設された第２電極とを備えるセルを有する静電容量型電気機械変換装置と、
前記第１電極と前記第２電極の間に電位差を生じさせるための電圧源と、
前記第２電極の振動による前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する電気回路と、
を含む超音波検出装置であって、
前記静電容量型電気機械変換装置の出力電流は、周波数に対して第１カットオフ周波数を有するハイパス特性を有し、
前記電気回路の出力は、周波数に対して第２カットオフ周波数を有するローパス特性を有し、
前記第１カットオフ周波数よりも前記第２カットオフ周波数が小さいことを特徴とする超音波検出装置。
【請求項２】
前記静電容量型電気機械変換装置は、基板に配設された第１電極と、前記第１電極と対向して設置された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に挟まれた絶縁体及び空隙と、前記第２電極を上下に振動可能に支持する振動膜と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波検出装置。
【請求項３】
当該超音波検出装置の周波数特性において、
前記第１カットオフ周波数と前記第２カットオフ周波数の相乗平均が０.４ＭＨｚ乃至１.０ＭＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波検出装置。
【請求項４】
前記第１電極と前記第２電極で構成されるコンデンサが、複数の前記空隙と複数の前記第２電極または振動膜とを含んで構成され、
前記静電容量型電気機械変換装置の出力電流の特性が、前記複数の第２電極または振動膜の機械特性の平均と前記コンデンサの静電容量を含む因子で決定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の超音波検出装置。
【請求項５】
前記コンデンサが２次元的に配列されており、
前記第２電極または振動膜の振動情報を２次元で検出することが可能であることを特徴とする請求項４に記載の超音波検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の超音波検出装置と、
光源と、
前記超音波検出装置によって検出された信号を処理する信号処理系と、
を含む超音波診断装置であって、
前記光源から発せられた光を検査対象にあて、前記検査対象にあてられた光による光音響効果によって生じる弾性波を前記超音波検出装置で検出し、前記検出結果を前記信号処理系で処理することで前記検査対象の情報を取得することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１】
第１電極と、前記第１電極と対向し空隙を隔てて配設された第２電極とを備えるセルを有する静電容量型電気機械変換装置と、
前記第１電極と前記第２電極の間に電位差を生じさせるための電圧源と、
前記第２電極の振動による前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する電気回路と、
を含む超音波検出装置であって、
前記静電容量型電気機械変換装置の出力電流は、周波数に対して第１カットオフ周波数を有するハイパス特性を有し、
前記電気回路の出力は、周波数に対して第２カットオフ周波数を有するローパス特性を有し、
前記第１カットオフ周波数よりも前記第２カットオフ周波数が小さいことを特徴とする超音波検出装置。
【請求項２】
前記静電容量型電気機械変換装置は、基板に配設された第１電極と、前記第１電極と対向して設置された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に挟まれた絶縁体及び空隙と、前記第２電極を上下に振動可能に支持する振動膜と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波検出装置。
【請求項３】
当該超音波検出装置の周波数特性において、
前記第１カットオフ周波数と前記第２カットオフ周波数の相乗平均が０.４ＭＨｚ乃至１.０ＭＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波検出装置。
【請求項４】
前記第１電極と前記第２電極で構成されるコンデンサが、複数の前記空隙と複数の前記第２電極または振動膜とを含んで構成され、
前記静電容量型電気機械変換装置の出力電流の特性が、前記複数の第２電極または振動膜の機械特性の平均と前記コンデンサの静電容量を含む因子で決定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の超音波検出装置。
【請求項５】
前記コンデンサが２次元的に配列されており、
前記第２電極または振動膜の振動情報を２次元で検出することが可能であることを特徴とする請求項４に記載の超音波検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の超音波検出装置と、
光源と、
前記超音波検出装置によって検出された信号を処理する信号処理系と、
を含む超音波診断装置であって、
前記光源から発せられた光を検査対象にあて、前記検査対象にあてられた光による光音響効果によって生じる弾性波を前記超音波検出装置で検出し、前記検出結果を前記信号処理系で処理することで前記検査対象の情報を取得することを特徴とする超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−９８０７１（Ｐ２０１１−９８０７１Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５４７５２（Ｐ２００９−２５４７５２）
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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