静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法
【課題】光音響効果を用いた測定において、測定したいもの以外から発生する音響波による影響を本来の受信特性が受け難くすることが可能な静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び方法を提供する。
【解決手段】間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する静電容量型電気機械変換装置１０３の駆動装置は、検知手段と駆動制御手段を含む。検知手段は、測定対象１０２に照射する電磁波１１２を出力する電磁波源１０１の電磁波出力のタイミングを検知する。駆動制御手段は、検知手段で検知された電磁波源１０１の電磁波出力のタイミングに同期して、電磁波１１２で照射された測定対象１０２の内部で発生した音響波を受信する期間のみ電気機械変換装置１０３を受信状態にする。
【解決手段】間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する静電容量型電気機械変換装置１０３の駆動装置は、検知手段と駆動制御手段を含む。検知手段は、測定対象１０２に照射する電磁波１１２を出力する電磁波源１０１の電磁波出力のタイミングを検知する。駆動制御手段は、検知手段で検知された電磁波源１０１の電磁波出力のタイミングに同期して、電磁波１１２で照射された測定対象１０２の内部で発生した音響波を受信する期間のみ電気機械変換装置１０３を受信状態にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響効果による音響波を受信することが可能な静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法に関する。本明細書において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含み、測定対象に近赤外線等の光（電磁波）などを照射して測定対象内部で発生する（すなわち光音響効果で発生する）弾性波を指す。
【背景技術】
【０００２】
超音波の送受信を行う電気機械変換装置として、静電容量型超音波トランスデューサであるＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic
Transducer）が知られている。ＣＭＵＴは、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを用いて作製することができる。こうしたＣＭＵＴを、超音波トランスデューサ（電気機械変換装置）として、光音響効果を利用した測定装置に用いる提案がある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２８７９１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光音響効果により測定対象から音響波を発生させるためには、例えば、光源を所定のパルス幅で周期的に発光させ、測定対象に向けて強い光を照射する。しかし、測定対象が生体である場合、生体の表面の皮膚などでも光音響効果による音響波が発生する。また、光が当たった測定対象の周辺にある構成部材からも、光音響効果により音響波が発生してしまう。こうして発生した音響波は、音響波の受信部にも伝播し、測定対象の情報を含まない音響波のノイズ成分を受信してしまうことなる。光源からの光による音響波のノイズ成分は、測定対象内の検出対象（例えば生体内に存在する腫瘍等の光吸収体）から発せられる音響波に比べて大きい。その為、本来の測定対象の音響波の大きさに合わせて調整された電気機械変換装置であるＣＭＵＴにこのノイズ成分が入力した場合、ＣＭＵＴの音響波受信動作に大きな影響を与える。この様に、ノイズ成分は、目的とする測定対象の測定時に、測定精度を低下させる原因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑みて、間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する本発明の静電容量型電気機械変換装置の駆動装置は、検知手段と駆動制御手段を有することを特徴とする。検知手段は、測定対象に照射する電磁波を出力する電磁波源の電磁波出力のタイミングを検知する。駆動制御手段は、前記検知手段で検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、電磁波で照射された測定対象の内部で発生した音響波を受信する期間のみ静電容量型電気機械変換装置を受信状態にする。
【０００６】
また、上記課題に鑑みて、間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する本発明の静電容量型電気機械変換装置の駆動方法は、検知ステップと駆動制御ステップを含むことを特徴とする。検知ステップでは、測定対象に照射する電磁波を出力する電磁波源の電磁波出力のタイミングを検知する。駆動制御ステップでは、前記検知ステップで検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、電磁波で照射された測定対象の内部で発生した音響波を受信する期間のみ静電容量型電気機械変換装置を受信状態にする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、静電容量型電気機械変換装置の駆動を上記の如く制御するので、光音響効果を用いた測定において、本来の受信時における受信特性が、測定したいもの以外から発生する音響波による影響を受け難くなる。それにより、高精度な測定を行うことができ、正確な測定対象の情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態における音響波測定システムを説明する図。
【図２】第１及び第４の実施形態における駆動制御を説明するグラフ。
【図３】第１の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する図。
【図４】第２の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する図。
【図５】第３の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する図。
【図６】第４の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、ＰＡＴ（光音響トモグラフィー）などに用いられる音響波受信用のＣＭＵＴなどの静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法に関する。例えば、光を測定対象に照射した場合、測定対象表面で大きな音響波（表面音響波）が発生することがある。こうした表面音響波などは、その後の音響波受信に影響を及ぼすため、本発明では、表面音響波などによる音響波を受信せず、表面音響波通過後に音響波を受信する様に静電容量型電気機械変換装置の駆動を制御する。その為に、本発明の静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法では、電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、測定対象の内部（測定対象内部に存在する検出対象である光吸収体）で発生した光音響効果による音響波を受信する期間のみ電気機械変換装置を受信状態にする。この考え方に基づき、本発明の電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法の基本的な形態は、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。
【００１０】
典型的には、電磁波源は、間隔をおいて(例えば、周期的に)パルス状の電磁波を出力する。そして、前記駆動制御手段は、パルス状の電磁波で照射される測定対象の内部で発生する測定目的の音響波のみを受信できる様に、電磁波出力のタイミングに同期して、電気機械変換装置の状態を所定の間隔で受信状態と非受信状態との間で切り替える。ここで、「同期して」とは、例えば、電磁波出力時から所定の時間遅れた時点から始めて、という意味である。パルス状の電磁波とすることで、測定対象表面からの音響波とその内部からの音響波とがあまり混じらないで電気機械変換装置に到達する様にでき、測定対象の内部で発生した音響波のみをよりクリアに分別して検出することができる。
【００１１】
以下、図を用いて本発明による静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び方法の実施形態を説明する。以下の実施形態では、バイアス電圧が印加される第２の電極を上部電極、誘導電流を出力する第１の電極を下部電極として、説明を行うが、上部電極と下部電極の役割が逆であってもよい。また、以下の実施形態のいくつかでは、前記検知手段は、直流電位印加手段、電流検出手段などに内蔵されていて、電磁波源の駆動信号を受けて電磁波出力のタイミングを検知している。しかし、直流電位印加手段、電流検出手段などの外部に設けることもできるし、電磁波源からの電磁波の一部を受けて電磁波出力のタイミングを検知する様にしてもよい。また、以下の実施形態のいくつかでは、前記駆動制御手段も、直流電位印加手段、電流検出手段などに内蔵されていて、前記検知手段の検知結果に応じて、測定対象内部で発生した音響波を受信する期間のみ電気機械変換装置を受信状態にする。しかし、これも、直流電位印加手段、電流検出手段などの外部に設けて、直流電位印加手段、電流検出手段などを制御する様に構成してもよい。
【００１２】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する。本実施形態では、光音響効果を発生させる周期的な電磁波の発光（パルス発光）に同期して、測定対象内部で発生した音響波を受信する期間のみ、電気機械変換装置を音響波の受信状態とする。そして、その他の期間では、完全に受信しない、或いは受信感度を低減して実質的に受信しない非受信状態とする。
【００１３】
本実施形態に係る音響波測定システムの構成を示す図１において、１０１は電磁波源である光源、１０２は測定対象、１０３は電気機械変換装置である超音波トランスデューサである。また、１１１は、光源１０１の駆動信号、１１２は、光源１０１からの電磁波である出力光（パルス光）、１１３は、超音波トランスデューサ１０３による検出信号である。本実施形態の音響波測定システムにおける種々のタイミングを説明する図２（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ、本実施形態の駆動制御の原理を説明する。図２において、横軸は全て時間軸である。縦軸はそれぞれ、（ａ）では駆動信号１１１の大きさ、（ｂ）では光源１０１から出力される光１１２の強さ、（ｃ）では超音波トランスデューサ１０３での音響波の検出信号１１３の大きさを示す。また、図２（ｄ）の縦軸は、超音波トランスデューサ１０３が受信状態（ＯＮ）であるか、非受信状態（ＯＦＦ）であるかを示す。
【００１４】
光源１０１は、測定対象１０２を挟んで超音波トランスデューサ１０３と対向する様に配置される。ここでは、測定対象１０２の光源１０１側の表面を表面Ａ、超音波トランスデューサ１０３側の表面を表面Ｂとする。また、測定対象１０２内で測定を行う範囲をＣとする。測定対象１０２は均一な厚さを有するとして説明を行う。また、測定対象１０２としては、生体を想定している。本実施形態に係る測定システムは、測定対象１０２内に存在する特定の物質の情報（位置、形状、種類など）を、光音響効果を利用して取得する。光源１０１は、適当な間隔を置いてパルス光を発する。ここでは、光源１０１に入力される周期的な駆動信号１１１（図２（ａ）参照）により、周期的な発光を行う（図２（ｂ）参照）。ここで、周期的な発光は、繰返し測定を行い微小な音響波信号を積算平均化することで検出精度を上げるためなどの理由で実施している。発光した光は、測定対象１０２の表面に照射され、測定対象１０２の内部に伝播していく。測定対象１０２内に存在する特定の物質に、伝播した光が到達すると、光音響効果により音響波が発生する。発生する音響波の大きさは、伝播した光の強さや、物質の特性、形状などで決まる。発生した音響波は、超音波トランスデューサ１０３で受信され、受信した音響波の大きさの情報を含んだ検出信号１１３として出力される。
【００１５】
上述した様に、測定対象１０２に照射された光は、測定対象１０２の表面Ａ、Ｂで大きな音響波を発生する。これは、測定対象１０２の表面にある皮膚などにより、大きな音響波信号が発生するためである。また、表面Ａでは、照射される光が測定対象１０２内での減衰を経ておらず、強度が大きいため、より大きな音響波を発生させる。測定対象１０２内の各部分で発生した音響波は、測定対象１０２中を減衰しながら、測定対象１０２中での音響波の速度で、或る時間をかけて超音波トランスデューサ１０３に到達する。到達する順番は、超音波トランスデューサ１０３に近い場所で発生した音響波ほど早くなる。従って、超音波トランスデューサ１０３に到達する時間により、測定対象１０２のどの位置で発生した音響波かを識別できる。本測定システムでは、この到達時間の差を利用して、求めたい測定対象１０２の情報を得て、画像などの情報の形成に用いる。
【００１６】
超音波トランスデューサ１０３に到達する順番は、まず測定対象１０２の表面Ｂで発生した音響波、次に測定対象１０２中で測定を行う範囲Ｃで発生した音響波、最後に測定対象１０２の表面Ａで発生した音響波となる。つまり、実際に測定を行いたい測定対象１０２内部で発生した音響波は、測定に用いない不要な信号である表面Ａ、Ｂで発生した音響波で挟まれた信号として検出される（図２（ｃ）参照）。この測定対象１０２の表面Ａ、Ｂで発生した音響波は、不要なだけでなく、それが到達する時に電気機械変換装置が受信状態である場合は、その受信動作状態に影響を及ぼす。表面Ｂで発生した音響波が到達した後に、本来測定したい測定対象１０２内部で発生した音響波が到達し始めるので、この受信動作状態への影響は、そのまま、測定したい音響波の受信特性の劣化の原因となる。劣化原因を除く為に、本実施形態では、測定対象１０２内部の測定したい領域で発生した音響波が超音波トランスデューサ１０３に到達する期間以外は、超音波トランスデューサ１０３を受信状態にしないことにする。具体的には、光源１０１の発光周期に同期して、或る時間Ｄ経過後、一定期間Ｐ以外は受信状態にしない（図２（ｄ）参照）。
【００１７】
ここで、経過時間Ｄは、表面Ｂで発生する音響波が超音波トランスデューサ１０３に到達するまでの時間より長い時間である。一定期間Ｐは、表面Ｂで発生した音響波が超音波トランスデューサ１０３に到達してから、表面Ａで発生した音響波が超音波トランスデューサ１０３に到達するまでの時間間隔より短い時間である。これにより、測定対象１０２の表面で発生する音響波が到達する期間は、超音波トランスデューサ１０３は受信状態でないため、大きな音響波を受信したとしても、本来測定したい音響波の受信特性への影響は抑制ないし解消できる。その後、測定したい音響波を測定する際に、初めて受信状態になるため、上記の如く本来の受信特性への影響は抑制でき、高精度に、測定したい音響波を受信できる。この様に、超音波トランスデューサ１０３を駆動制御するステップでは、電磁波出力のタイミングから第１の所定期間Ｄは非受信状態とし、次の第２の所定期間Ｐは受信状態とし、更に次の第３の所定期間は非受信状態とする。
【００１８】
この際、経過時間Ｄや一定期間Ｐは、予め測定対象の厚さ、その中での音響波の速度が分かっていてそれらから計算できるので、それらの値を装置に予め設定しておけばよい。或いは、次の様にすることもできる。最初は装置を全時間において受信状態にし、発光時から図２（ｃ）に図示の如き信号を得る時間までの期間を装置が測定できる様にしておく。そして、その後、測定結果に基づいて装置が自動的に経過時間Ｄや一定期間Ｐを設定して、実際の測定動作に入る。
【００１９】
本実施形態において、ＣＭＵＴを超音波トランスデューサ１０３として用いる場合を説明する。図３に、このＣＭＵＴの構成を示す。図３において、２０１はＣＭＵＴのセルの振動膜、２０２は上部電極、２０３は振動膜２０１の支持部、２０４は間隙（空隙）、２０５は下部電極、２０６は基板、３０１は直流電位印加手段、３０２は電流検出手段である。このＣＭＵＴでは、振動膜２０１上に上部電極２０２が形成され、その振動膜２０１は、基板２０６上に形成された支持部２０３により支持されている。基板２０６上には、振動膜２０１上の上部電極２０２に対して間隙２０４（通常１０ｎｍ〜９００ｎｍ）を挟んで対向した下部電極２０５が配置されている。これら振動膜２０１と間隙２０４を挟んで対向した２つの電極２０２、２０５とを１組としてセルと呼ぶ。トランスデューサアレイであるＣＭＵＴは、複数（通常１００〜３０００個程度）のセルを１エレメント（画素）として、２００〜４０００程度のエレメントから構成されており、ＣＭＵＴ自体は１０ｍｍ〜１０ｃｍ程度のサイズが一般的である。
【００２０】
上部電極２０２はＣＭＵＴ面内で全て接続されており、上部電極２０２には、直流電位印加手段３０１が接続されている。直流電位印加手段２０１により、上部電極２０２と下部電極１０５との間に所望の電位差が発生する様に、所定の直流電位が一様に印加される。この状態で、振動膜２０１に音響波が入力すると、振動膜２０１が音響波の大きさに応じて振動する。こうして、支持部２０３で支持された振動膜２０１により音響波が振動に変換される。振動膜２０１の振動により、下部電極２０５に静電誘導が起こり、微小電流が発生する。下部電極２０５に接続された電流検出手段３０２が、その電流値を測定することで、音響波の受信信号が取り出せる。この様に、ＣＭＵＴでは、振動膜２０１上の上部電極２０２と下部電極２０５により振動が電流に変換され、電流検出手段２０２が電流を検出信号に変換する。
【００２１】
ここで、上述した様に、大きな音響波がＣＭＵＴに入力された場合は、ＣＭＵＴ内部で、非常に大きな振動や非常に大きな電流を伝達することになる。このとき、ＣＭＵＴは、微小な音響波の変化を受信・検出するために最適な設定となっている。その為、大きな振動や電流が入力された場合、設定しているＣＭＵＴの動作点が変わってしまい、情報（電流など）を変換する比が大きく変わったり、或る部分が飽和してしまったりし、通常の受信状態に戻るまでに一定の時間が必要となることがある。こうしたことが発生すると、ＣＭＵＴの音響波受信特性が劣化してしまう。
【００２２】
本実施形態では、光源１０１の駆動信号１１１が、直流電位印加手段３０１または電流検出手段３０２に入力される構成になっている。すなわち、直流電位印加手段３０１または電流検出手段３０２は、駆動信号１１１を受け取る前記検知手段を内蔵している。そして、直流電位印加手段３０１または電流検出手段３０２では、光源１０１の駆動信号１１１の入力（光源１０１の発光）に同期させて、受信状態と非受信状態との間の切替を行う。すなわち、直流電位印加手段３０１または電流検出手段３０２に内蔵された前記駆動制御手段が、前記検知手段の検知結果に基づき、光源１０１の発光に同期させて受信状態と非受信状態との間の切替を行う。より具体的には、「振動膜２０１の振動を電流に変換する比」、または「電流を電流検出手段３０２に伝達する比」、または「電流を検出信号に変換する比」を変化させて切替を行う。
【００２３】
「振動膜２０１の振動を電流に変換する比」を変化させる場合は、光源１０１の駆動信号１１１を直流電位印加手段３０１に入力する構成となる（図３（ａ）の構成）。一方、「電流を電流検出手段３０２に伝達する比」、または「電流を検出信号に変換する比」を変化させる場合は、光源１０１の駆動信号１１１を電流検出手段３０２に入力する構成となる（図３（ｂ）の構成）。これにより、ＣＭＵＴ内部で、情報の伝達に用いる振動や電流の値が大き過ぎることによるＣＭＵＴの受信状態への悪影響が抑制される。
【００２４】
以上の様にした静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び方法により、光音響効果を用いた測定において、測定対象以外から発生する音響波による本来の受信特性への影響が抑制される。尚、不要な信号として、測定対象１０２の表面から発生する音響波を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。本実施形態の駆動装置及び方法は、例えば、測定対象１０２外部の別の構成部材から発生する音響波などの不要な信号に対しても、同様に有効である。
【００２５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、図４を用いて説明する。第２の実施形態は、受信動作状態のオン・オフ（受信状態と非受信状態との間での切替）を行う駆動装置及び方法をより具体的にした構成例に係る。それ以外は、第１の実施形態と同じである。第２の実施形態では、電流を検出信号に変換する比を変化させることにより、受信動作状態のオン・オフを行う。
【００２６】
本実施形態では、微小電流の変化を電圧の変化に変換する電流-電圧変換回路であるトランスインピーダンス回路を用いる。本実施形態の電流検出手段３０２であるトランスインピーダンス回路の構成を示す図４において、４０１はオペアンプ、４０２と４０４は抵抗、４０３と４０５はコンデンサ、４０６は、駆動制御手段をなす配線短絡手段である。図４では、オペアンプ４０１は正負電源ＶＤＤ、ＶＳＳに接続されている。まず、容量変化検出時の動作を説明する。オペアンプ４０１の反転入力端子（−ＩＮ）は、ＣＭＵＴの下部電極２０５に接続されている。また、オペアンプ４０１の出力端子（ＯＵＴ）は、並列に接続された抵抗４０２とコンデンサ４０３が配線短絡手段４０６を介して反転入力端子（−ＩＮ）に接続されて、出力信号がフィードバックされる構成になっている。オペアンプ４０１の非反転入力端子（＋ＩＮ）は、並列に接続された抵抗４０４とコンデンサ４０５により、グランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。グランド端子（ＧＮＤ）の電圧は、正電源ＶＤＤと負電源ＶＳＳとの間の中間電位となっている。抵抗４０２と４０４の値、コンデンサ４０３と４０５の値は、それぞれ同じ値であり、ＣＭＵＴの電流検出時（本来の受信状態）の仕様に合ったパラメータとなっている。
【００２７】
まず、超音波トランスデューサ１０３が非受信状態（オフ状態）である時は、前記検知手段による検知結果に基づいて制御される配線短絡手段４０６では両端の配線間が接続されず（開放されて）、図４（ａ）の様に配線されている。この状態では、振動膜２０１の振動で下部電極２０５に発生した電流は、電流検出手段３０２のオペアンプ４０１のフィードバック部分には流れ込まない。このとき、電流検出手段３０２であるトランスインピーダンス回路は、入力された電流によらず、一様に検出信号を出力しない。この為、大きな振幅の不要な音響波が入力されても、電流検出手段３０２に大きな電流が流れ込み、電流検出手段３０２が飽和してしまい、一定期間、検出信号が取り出せなくなるという事態が発生しない。また、大きな電流が電流検出手段３０２に入力することで、他のエレメントの検出信号に影響を与えることも抑制される。
【００２８】
一方、超音波トランスデューサ１０３が受信状態（オン状態）である時は、配線短絡手段４０６では両端の配線間が接続されて（短絡されて）、図４（ｂ）の様に配線されている。この状態では、振動膜２０１の振動により下部電極２０５に発生した電流は、電流検出手段３０２の入力端子から、配線短絡手段４０６を通り、並列に接続された抵抗４０２とコンデンサ４０３のフィードバック部分に流れ込む。このとき、電流検出手段３０２であるトランスインピーダンス回路は、入力された電流に対応した検出信号を出力し、音響波を受信することができる。この様に、駆動制御手段（配線短絡手段４０６）は、前記検知手段で検知された電磁波出力に同期して、第１の電極の誘導電流を検出する検出手段３０２を制御して、受信状態時には誘導電流の検出を行わせ、非受信状態時には誘導電流の検出を行わせない。
【００２９】
本実施形態によれば、電流検出手段３０２に配線短絡手段を挿入するという簡単な構成で、光音響効果を用いた測定において、測定したいもの以外から発生する音響波で本体の受信期間での受信特性が影響を受け難い駆動装置及び方法を実現できる。
【００３０】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を、図５を用いて説明する。第３の実施形態も、受信動作状態のオン・オフ（受信状態と非受信状態との間での切替）を行う駆動装置及び方法をより具体的にした構成例に係る。それ以外は、第１の実施形態と同じである。第３の実施形態では、振動により下部電極２０５に発生した電流の電流検出手段３０２への入力の有無（すなわち電流を電流検出手段３０２に伝達する比の変化）によって、受信動作状態のオン・オフを行う。
【００３１】
本実施形態に係るＣＭＵＴの構成を示す図５において、３０３は、駆動制御手段をなす配線切替手段である。本実施形態では、下部電極２０５と電流検出手段３０２の配線の間に、配線切替手段３０３が挿入されている。配線切替手段３０３は、下部電極２０５からの配線を、電流検出手段３０２の入力端子とグランド端子（ＧＮＤ）との間で切り替えることができる。ここで、グランド端子（ＧＮＤ）は、電流検出手段３０２が持つ所定の電位に設定されている。まず、ＣＭＵＴが非受信状態（オフ状態）である時は、前記検知手段による検知結果に基づいて制御される配線切替手段３０３は図５（ａ）の様に配線されており、振動膜２０１の振動により下部電極２０５に発生した電流はグランド端子に流れ込む。この為、大きな振幅の不要な音響波が入力されても、電流検出手段３０２に大きな電流が流れ込み、電流検出手段３０２が飽和してしまい、一定期間、検出信号が取り出せなくなるという事態が発生しない。また、大きな電流が電流検出手段３０２に入力されることで、他のエレメントの検出信号に影響を与えることも少なくなる。
【００３２】
一方、超音波トランスデューサ１０３が受信状態（オン状態）である時は、配線切替手段３０３は図５（ｂ）の様に配線されており、振動膜２０１の振動で下部電極２０５に発生した電流は電流検出手段３０２の入力端子に流れ込む。その為、電流検出手段３０２は、受信した音響波の大きさに対応した電流信号を検出して検出信号として出力することができる。この様に、前記検知手段により検知された電磁波出力タイミングに同期して、スイッチ手段である駆動制御手段（配線切替手段３０３）が制御される。すなわち、駆動制御手段は、受信状態時には、第１の電極とこれに誘導される誘導電流を検出する検出手段３０２の間を短絡し、非受信状態時には、第１の電極とこれに誘導される誘導電流を検出する検出手段３０２の間を開放にする。
【００３３】
この様に本実施形態によると、配線切替手段３０３を挿入するという簡単な構成で、光音響効果を用いた測定において、測定したいもの以外から発生する音響波によって本来の受信特性が影響を受け難くできる。
【００３４】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を、図６を用いて説明する。第４の実施形態は、受信動作状態のオン・オフ（受信状態と非受信状態との間での切替）を行う駆動装置及び方法をより具体的にした構成例に係る。それ以外は、第１の実施形態と同じである。第４の実施形態では、振動膜２０１の振動を電流に変換する比を変化させることにより、受信動作状態のオン・オフを行う。
【００３５】
図６は、本実施形態における振動膜２０１の位置を示す図である。図２（ｅ）、（ｆ）に、本実施形態に係る音響波測定システムでのタイミングを示す。横軸は全て時間軸であり、縦軸は、それぞれ、図２（ｅ）では電極２０２、２０５間の電位差、図２（ｆ）では振動膜２０１の撓みの大きさである。本実施形態では、前記検知手段による検知結果に基づいて制御される直流電位印加手段３０１中の駆動制御手段により、上下電極２０２、２０５間に印加される電位差を変化させることにより、振動膜２０１の振動が電流に変換される比を変える。具体的には、電位差をほぼ０とした時は、振動膜２０１は殆ど撓んでいない図６（ａ）で表す状態となり、超音波トランスデューサ１０３であるＣＭＵＴは非受信状態（オフ状態）である。一方、ほぼ所定の電位差Ｖｄとした時は、振動膜２０１は下部電極２０５側に大きく撓んで図６（ｂ）で表す状態となり、ＣＭＵＴは受信状態（オン状態）である。以下、それぞれの状態について説明する。
【００３６】
まず、ＣＭＵＴが非受信状態（オフ状態）である時は、上下電極２０２、２０５間の電位差がほぼ０とみなすことができる状態となっており、振動膜２０１は基板２０６側に若干撓んでいる。これは、セルの空隙２０４内部は大気圧より減圧されており、大気圧と空隙２０４の内部圧力との差により発生する力で、振動膜２０１が基板２０６側に若干撓むためである。この振動膜２０１の撓み量は、振動膜の大きさ、形、厚さ、膜質などのパラメータで決まるメカニカルな特性によって決定される。音響波を受信する場合には、検出される微小電流の大きさは、電極２０２、２０５間の距離に反比例し、電極間の電位差に比例する。その為、このとき、振動膜２０１が若干しか撓んでおらず、電極間距離が遠く、更にはそもそも電位差がほぼ０なので、音響波を受けた振動膜２０１の振動による電流は殆ど発生しない。つまり、振動膜２０１の振動を電流に変換する比率がほぼ０であり、音響波を受信した検出信号を出力しない状態となり、ＣＭＵＴが非受信状態であると言える。
【００３７】
一方、ＣＭＵＴが受信状態（オン状態）である時は、上下電極２０２、２０５間の電位差は所定の電位差Ｖｄとなっており、振動膜２０１は基板２０６側に更に撓んでいる。これは、上下電極２０２、２０５間には所定の電位差Ｖｄが印加されていて、電極間に発生する静電引力により、振動膜２０１は基板２０６側方向に大きく引き付けられるためである。ただし、この撓み量は、上部電極２０２と下部電極２０５との間の元々の間隔の３分の１以下程度となっている。その理由は、電位差を大きくし過ぎて、撓み量が電極間の間隔の約３分の１を超えると、静電引力により振動膜２０１が大きく変形し、振動膜２０１が下部電極２０５に接触した状態になるためである。振動膜２０１が下部電極２０５に接触したコラプス状態では、振動膜２０１の振動特性や容量変化特性が大きく変わってしまうため、ＣＭＵＴの音響波受信特性が大幅に変化し、これは好ましくない。
【００３８】
この様に、上下電極２０２、２０５間に生じさせる電位差を大きくすることにより、電極間に発生する静電引力が大きくなって振動膜２０１の撓みが大きくなり、電極間の距離が狭くなる。電極間の距離が狭くなるほど、振動膜２０１の同じ振動で下部電極２０５に発生する電流は大きくなり、加えて電極間の電位差も大きいので、発生する電流は更に大きくなる。つまり、振動膜２０１の振動を電流に変換する比率が高くなり、音響波を受信するのに適した状態となって、ＣＭＵＴが受信状態であると言える。この様に、直流電位印加手段３０１中の駆動制御手段は、前記検知手段により検知された電磁波出力に同期して、電極間の電位差を調整する。そして、受信状態時の電位差より非受信状態時の電位差を小さくして、非受信状態時に上部電極２０２の振動で下部電極２０５に誘導される誘導電流を受信状態時の誘導電流より小さくする。
【００３９】
本実施形態では、直流電位印加手段３０１中の駆動制御手段により上下電極２０２、２０５間の電位差を、光源１０１の発光に同期させて、０とＶｄとの間で適切な間隔で（ここでは光源１０１の発光が周期的であるので周期的に）切り替える（図２（ｅ）参照）。この切替に掛かる時間（立ち上り時間、立下り時間）における信号変化が持つ周波数は、振動膜２０１が応答する周波数特性の範囲を避けたものであることが望ましい。これにより、電位差の変化により振動膜２０１が振動してしまうのを防ぐことができる。０とＶｄとの間での電位差の変化に伴って、振動膜２０１の撓みの大きさは、図２（ｅ）で示す様に、周期的に変化する。これにより、振動膜２０１の振動を電流に変換する比を周期的に変化させることができ、不要な音響波の受信を抑制することができる。
【００４０】
以上の様に、本実施形態の構成では、直流電位印加手段３０１中の駆動制御手段でＣＭＵＴの上部電極２０２に印加する電位を変えるだけで、簡単にＣＭＵＴを受信状態と非受信状態との間で切り替えることができる。非受信状態になっている時は、振動膜２０１の撓みが小さいため、大きな振幅の不要な音響波が入力されても、振動膜２０１がコラプス状態になって振動膜２０１の状態が大きく変わってしまう様なことがない。また、大きな振幅の不要な音響波が入力されて、振動膜２０１が大きく振動したとしても、下部電極２０５の電流に殆ど変換されない。その為、大きな電流が入力されて電流検出手段３０２が飽和してしまい、一定期間、検出信号が取り出せなくなるという事態が発生せず、また、大きな電流が電流検出手段３０２に入力されることで、他のエレメントの検出信号に影響を与えることも少なくなる。
【００４１】
本実施形態によると、電極に印加する電位を変化させるだけで、構成要件の追加なく、光音響効果を用いた測定において、測定したいもの以外から発生する音響波で本来の受信特性が影響を受け難くなる。こうして、測定したい音響波を正確に受信できることになる。
【符号の説明】
【００４２】
１０１…光源（電磁波源）、１０２…測定対象、１０３…超音波トランスデューサ（電気機械変換装置）、１１２…光源の出力光（電磁波）、２０２…上部電極（第１の電極）、２０４…空隙（間隙）、２０５…下部電極（第２の電極）、３０１…直流電位印加手段、３０２…電流検出手段、３０３、４０６…配線切替（短絡）手段（駆動制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響効果による音響波を受信することが可能な静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法に関する。本明細書において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含み、測定対象に近赤外線等の光（電磁波）などを照射して測定対象内部で発生する（すなわち光音響効果で発生する）弾性波を指す。
【背景技術】
【０００２】
超音波の送受信を行う電気機械変換装置として、静電容量型超音波トランスデューサであるＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic
Transducer）が知られている。ＣＭＵＴは、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを用いて作製することができる。こうしたＣＭＵＴを、超音波トランスデューサ（電気機械変換装置）として、光音響効果を利用した測定装置に用いる提案がある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２８７９１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光音響効果により測定対象から音響波を発生させるためには、例えば、光源を所定のパルス幅で周期的に発光させ、測定対象に向けて強い光を照射する。しかし、測定対象が生体である場合、生体の表面の皮膚などでも光音響効果による音響波が発生する。また、光が当たった測定対象の周辺にある構成部材からも、光音響効果により音響波が発生してしまう。こうして発生した音響波は、音響波の受信部にも伝播し、測定対象の情報を含まない音響波のノイズ成分を受信してしまうことなる。光源からの光による音響波のノイズ成分は、測定対象内の検出対象（例えば生体内に存在する腫瘍等の光吸収体）から発せられる音響波に比べて大きい。その為、本来の測定対象の音響波の大きさに合わせて調整された電気機械変換装置であるＣＭＵＴにこのノイズ成分が入力した場合、ＣＭＵＴの音響波受信動作に大きな影響を与える。この様に、ノイズ成分は、目的とする測定対象の測定時に、測定精度を低下させる原因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑みて、間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する本発明の静電容量型電気機械変換装置の駆動装置は、検知手段と駆動制御手段を有することを特徴とする。検知手段は、測定対象に照射する電磁波を出力する電磁波源の電磁波出力のタイミングを検知する。駆動制御手段は、前記検知手段で検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、電磁波で照射された測定対象の内部で発生した音響波を受信する期間のみ静電容量型電気機械変換装置を受信状態にする。
【０００６】
また、上記課題に鑑みて、間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する本発明の静電容量型電気機械変換装置の駆動方法は、検知ステップと駆動制御ステップを含むことを特徴とする。検知ステップでは、測定対象に照射する電磁波を出力する電磁波源の電磁波出力のタイミングを検知する。駆動制御ステップでは、前記検知ステップで検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、電磁波で照射された測定対象の内部で発生した音響波を受信する期間のみ静電容量型電気機械変換装置を受信状態にする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、静電容量型電気機械変換装置の駆動を上記の如く制御するので、光音響効果を用いた測定において、本来の受信時における受信特性が、測定したいもの以外から発生する音響波による影響を受け難くなる。それにより、高精度な測定を行うことができ、正確な測定対象の情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態における音響波測定システムを説明する図。
【図２】第１及び第４の実施形態における駆動制御を説明するグラフ。
【図３】第１の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する図。
【図４】第２の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する図。
【図５】第３の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する図。
【図６】第４の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、ＰＡＴ（光音響トモグラフィー）などに用いられる音響波受信用のＣＭＵＴなどの静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法に関する。例えば、光を測定対象に照射した場合、測定対象表面で大きな音響波（表面音響波）が発生することがある。こうした表面音響波などは、その後の音響波受信に影響を及ぼすため、本発明では、表面音響波などによる音響波を受信せず、表面音響波通過後に音響波を受信する様に静電容量型電気機械変換装置の駆動を制御する。その為に、本発明の静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法では、電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、測定対象の内部（測定対象内部に存在する検出対象である光吸収体）で発生した光音響効果による音響波を受信する期間のみ電気機械変換装置を受信状態にする。この考え方に基づき、本発明の電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法の基本的な形態は、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。
【００１０】
典型的には、電磁波源は、間隔をおいて(例えば、周期的に)パルス状の電磁波を出力する。そして、前記駆動制御手段は、パルス状の電磁波で照射される測定対象の内部で発生する測定目的の音響波のみを受信できる様に、電磁波出力のタイミングに同期して、電気機械変換装置の状態を所定の間隔で受信状態と非受信状態との間で切り替える。ここで、「同期して」とは、例えば、電磁波出力時から所定の時間遅れた時点から始めて、という意味である。パルス状の電磁波とすることで、測定対象表面からの音響波とその内部からの音響波とがあまり混じらないで電気機械変換装置に到達する様にでき、測定対象の内部で発生した音響波のみをよりクリアに分別して検出することができる。
【００１１】
以下、図を用いて本発明による静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び方法の実施形態を説明する。以下の実施形態では、バイアス電圧が印加される第２の電極を上部電極、誘導電流を出力する第１の電極を下部電極として、説明を行うが、上部電極と下部電極の役割が逆であってもよい。また、以下の実施形態のいくつかでは、前記検知手段は、直流電位印加手段、電流検出手段などに内蔵されていて、電磁波源の駆動信号を受けて電磁波出力のタイミングを検知している。しかし、直流電位印加手段、電流検出手段などの外部に設けることもできるし、電磁波源からの電磁波の一部を受けて電磁波出力のタイミングを検知する様にしてもよい。また、以下の実施形態のいくつかでは、前記駆動制御手段も、直流電位印加手段、電流検出手段などに内蔵されていて、前記検知手段の検知結果に応じて、測定対象内部で発生した音響波を受信する期間のみ電気機械変換装置を受信状態にする。しかし、これも、直流電位印加手段、電流検出手段などの外部に設けて、直流電位印加手段、電流検出手段などを制御する様に構成してもよい。
【００１２】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の電気機械変換装置の駆動装置及び方法を説明する。本実施形態では、光音響効果を発生させる周期的な電磁波の発光（パルス発光）に同期して、測定対象内部で発生した音響波を受信する期間のみ、電気機械変換装置を音響波の受信状態とする。そして、その他の期間では、完全に受信しない、或いは受信感度を低減して実質的に受信しない非受信状態とする。
【００１３】
本実施形態に係る音響波測定システムの構成を示す図１において、１０１は電磁波源である光源、１０２は測定対象、１０３は電気機械変換装置である超音波トランスデューサである。また、１１１は、光源１０１の駆動信号、１１２は、光源１０１からの電磁波である出力光（パルス光）、１１３は、超音波トランスデューサ１０３による検出信号である。本実施形態の音響波測定システムにおける種々のタイミングを説明する図２（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ、本実施形態の駆動制御の原理を説明する。図２において、横軸は全て時間軸である。縦軸はそれぞれ、（ａ）では駆動信号１１１の大きさ、（ｂ）では光源１０１から出力される光１１２の強さ、（ｃ）では超音波トランスデューサ１０３での音響波の検出信号１１３の大きさを示す。また、図２（ｄ）の縦軸は、超音波トランスデューサ１０３が受信状態（ＯＮ）であるか、非受信状態（ＯＦＦ）であるかを示す。
【００１４】
光源１０１は、測定対象１０２を挟んで超音波トランスデューサ１０３と対向する様に配置される。ここでは、測定対象１０２の光源１０１側の表面を表面Ａ、超音波トランスデューサ１０３側の表面を表面Ｂとする。また、測定対象１０２内で測定を行う範囲をＣとする。測定対象１０２は均一な厚さを有するとして説明を行う。また、測定対象１０２としては、生体を想定している。本実施形態に係る測定システムは、測定対象１０２内に存在する特定の物質の情報（位置、形状、種類など）を、光音響効果を利用して取得する。光源１０１は、適当な間隔を置いてパルス光を発する。ここでは、光源１０１に入力される周期的な駆動信号１１１（図２（ａ）参照）により、周期的な発光を行う（図２（ｂ）参照）。ここで、周期的な発光は、繰返し測定を行い微小な音響波信号を積算平均化することで検出精度を上げるためなどの理由で実施している。発光した光は、測定対象１０２の表面に照射され、測定対象１０２の内部に伝播していく。測定対象１０２内に存在する特定の物質に、伝播した光が到達すると、光音響効果により音響波が発生する。発生する音響波の大きさは、伝播した光の強さや、物質の特性、形状などで決まる。発生した音響波は、超音波トランスデューサ１０３で受信され、受信した音響波の大きさの情報を含んだ検出信号１１３として出力される。
【００１５】
上述した様に、測定対象１０２に照射された光は、測定対象１０２の表面Ａ、Ｂで大きな音響波を発生する。これは、測定対象１０２の表面にある皮膚などにより、大きな音響波信号が発生するためである。また、表面Ａでは、照射される光が測定対象１０２内での減衰を経ておらず、強度が大きいため、より大きな音響波を発生させる。測定対象１０２内の各部分で発生した音響波は、測定対象１０２中を減衰しながら、測定対象１０２中での音響波の速度で、或る時間をかけて超音波トランスデューサ１０３に到達する。到達する順番は、超音波トランスデューサ１０３に近い場所で発生した音響波ほど早くなる。従って、超音波トランスデューサ１０３に到達する時間により、測定対象１０２のどの位置で発生した音響波かを識別できる。本測定システムでは、この到達時間の差を利用して、求めたい測定対象１０２の情報を得て、画像などの情報の形成に用いる。
【００１６】
超音波トランスデューサ１０３に到達する順番は、まず測定対象１０２の表面Ｂで発生した音響波、次に測定対象１０２中で測定を行う範囲Ｃで発生した音響波、最後に測定対象１０２の表面Ａで発生した音響波となる。つまり、実際に測定を行いたい測定対象１０２内部で発生した音響波は、測定に用いない不要な信号である表面Ａ、Ｂで発生した音響波で挟まれた信号として検出される（図２（ｃ）参照）。この測定対象１０２の表面Ａ、Ｂで発生した音響波は、不要なだけでなく、それが到達する時に電気機械変換装置が受信状態である場合は、その受信動作状態に影響を及ぼす。表面Ｂで発生した音響波が到達した後に、本来測定したい測定対象１０２内部で発生した音響波が到達し始めるので、この受信動作状態への影響は、そのまま、測定したい音響波の受信特性の劣化の原因となる。劣化原因を除く為に、本実施形態では、測定対象１０２内部の測定したい領域で発生した音響波が超音波トランスデューサ１０３に到達する期間以外は、超音波トランスデューサ１０３を受信状態にしないことにする。具体的には、光源１０１の発光周期に同期して、或る時間Ｄ経過後、一定期間Ｐ以外は受信状態にしない（図２（ｄ）参照）。
【００１７】
ここで、経過時間Ｄは、表面Ｂで発生する音響波が超音波トランスデューサ１０３に到達するまでの時間より長い時間である。一定期間Ｐは、表面Ｂで発生した音響波が超音波トランスデューサ１０３に到達してから、表面Ａで発生した音響波が超音波トランスデューサ１０３に到達するまでの時間間隔より短い時間である。これにより、測定対象１０２の表面で発生する音響波が到達する期間は、超音波トランスデューサ１０３は受信状態でないため、大きな音響波を受信したとしても、本来測定したい音響波の受信特性への影響は抑制ないし解消できる。その後、測定したい音響波を測定する際に、初めて受信状態になるため、上記の如く本来の受信特性への影響は抑制でき、高精度に、測定したい音響波を受信できる。この様に、超音波トランスデューサ１０３を駆動制御するステップでは、電磁波出力のタイミングから第１の所定期間Ｄは非受信状態とし、次の第２の所定期間Ｐは受信状態とし、更に次の第３の所定期間は非受信状態とする。
【００１８】
この際、経過時間Ｄや一定期間Ｐは、予め測定対象の厚さ、その中での音響波の速度が分かっていてそれらから計算できるので、それらの値を装置に予め設定しておけばよい。或いは、次の様にすることもできる。最初は装置を全時間において受信状態にし、発光時から図２（ｃ）に図示の如き信号を得る時間までの期間を装置が測定できる様にしておく。そして、その後、測定結果に基づいて装置が自動的に経過時間Ｄや一定期間Ｐを設定して、実際の測定動作に入る。
【００１９】
本実施形態において、ＣＭＵＴを超音波トランスデューサ１０３として用いる場合を説明する。図３に、このＣＭＵＴの構成を示す。図３において、２０１はＣＭＵＴのセルの振動膜、２０２は上部電極、２０３は振動膜２０１の支持部、２０４は間隙（空隙）、２０５は下部電極、２０６は基板、３０１は直流電位印加手段、３０２は電流検出手段である。このＣＭＵＴでは、振動膜２０１上に上部電極２０２が形成され、その振動膜２０１は、基板２０６上に形成された支持部２０３により支持されている。基板２０６上には、振動膜２０１上の上部電極２０２に対して間隙２０４（通常１０ｎｍ〜９００ｎｍ）を挟んで対向した下部電極２０５が配置されている。これら振動膜２０１と間隙２０４を挟んで対向した２つの電極２０２、２０５とを１組としてセルと呼ぶ。トランスデューサアレイであるＣＭＵＴは、複数（通常１００〜３０００個程度）のセルを１エレメント（画素）として、２００〜４０００程度のエレメントから構成されており、ＣＭＵＴ自体は１０ｍｍ〜１０ｃｍ程度のサイズが一般的である。
【００２０】
上部電極２０２はＣＭＵＴ面内で全て接続されており、上部電極２０２には、直流電位印加手段３０１が接続されている。直流電位印加手段２０１により、上部電極２０２と下部電極１０５との間に所望の電位差が発生する様に、所定の直流電位が一様に印加される。この状態で、振動膜２０１に音響波が入力すると、振動膜２０１が音響波の大きさに応じて振動する。こうして、支持部２０３で支持された振動膜２０１により音響波が振動に変換される。振動膜２０１の振動により、下部電極２０５に静電誘導が起こり、微小電流が発生する。下部電極２０５に接続された電流検出手段３０２が、その電流値を測定することで、音響波の受信信号が取り出せる。この様に、ＣＭＵＴでは、振動膜２０１上の上部電極２０２と下部電極２０５により振動が電流に変換され、電流検出手段２０２が電流を検出信号に変換する。
【００２１】
ここで、上述した様に、大きな音響波がＣＭＵＴに入力された場合は、ＣＭＵＴ内部で、非常に大きな振動や非常に大きな電流を伝達することになる。このとき、ＣＭＵＴは、微小な音響波の変化を受信・検出するために最適な設定となっている。その為、大きな振動や電流が入力された場合、設定しているＣＭＵＴの動作点が変わってしまい、情報（電流など）を変換する比が大きく変わったり、或る部分が飽和してしまったりし、通常の受信状態に戻るまでに一定の時間が必要となることがある。こうしたことが発生すると、ＣＭＵＴの音響波受信特性が劣化してしまう。
【００２２】
本実施形態では、光源１０１の駆動信号１１１が、直流電位印加手段３０１または電流検出手段３０２に入力される構成になっている。すなわち、直流電位印加手段３０１または電流検出手段３０２は、駆動信号１１１を受け取る前記検知手段を内蔵している。そして、直流電位印加手段３０１または電流検出手段３０２では、光源１０１の駆動信号１１１の入力（光源１０１の発光）に同期させて、受信状態と非受信状態との間の切替を行う。すなわち、直流電位印加手段３０１または電流検出手段３０２に内蔵された前記駆動制御手段が、前記検知手段の検知結果に基づき、光源１０１の発光に同期させて受信状態と非受信状態との間の切替を行う。より具体的には、「振動膜２０１の振動を電流に変換する比」、または「電流を電流検出手段３０２に伝達する比」、または「電流を検出信号に変換する比」を変化させて切替を行う。
【００２３】
「振動膜２０１の振動を電流に変換する比」を変化させる場合は、光源１０１の駆動信号１１１を直流電位印加手段３０１に入力する構成となる（図３（ａ）の構成）。一方、「電流を電流検出手段３０２に伝達する比」、または「電流を検出信号に変換する比」を変化させる場合は、光源１０１の駆動信号１１１を電流検出手段３０２に入力する構成となる（図３（ｂ）の構成）。これにより、ＣＭＵＴ内部で、情報の伝達に用いる振動や電流の値が大き過ぎることによるＣＭＵＴの受信状態への悪影響が抑制される。
【００２４】
以上の様にした静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び方法により、光音響効果を用いた測定において、測定対象以外から発生する音響波による本来の受信特性への影響が抑制される。尚、不要な信号として、測定対象１０２の表面から発生する音響波を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。本実施形態の駆動装置及び方法は、例えば、測定対象１０２外部の別の構成部材から発生する音響波などの不要な信号に対しても、同様に有効である。
【００２５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、図４を用いて説明する。第２の実施形態は、受信動作状態のオン・オフ（受信状態と非受信状態との間での切替）を行う駆動装置及び方法をより具体的にした構成例に係る。それ以外は、第１の実施形態と同じである。第２の実施形態では、電流を検出信号に変換する比を変化させることにより、受信動作状態のオン・オフを行う。
【００２６】
本実施形態では、微小電流の変化を電圧の変化に変換する電流-電圧変換回路であるトランスインピーダンス回路を用いる。本実施形態の電流検出手段３０２であるトランスインピーダンス回路の構成を示す図４において、４０１はオペアンプ、４０２と４０４は抵抗、４０３と４０５はコンデンサ、４０６は、駆動制御手段をなす配線短絡手段である。図４では、オペアンプ４０１は正負電源ＶＤＤ、ＶＳＳに接続されている。まず、容量変化検出時の動作を説明する。オペアンプ４０１の反転入力端子（−ＩＮ）は、ＣＭＵＴの下部電極２０５に接続されている。また、オペアンプ４０１の出力端子（ＯＵＴ）は、並列に接続された抵抗４０２とコンデンサ４０３が配線短絡手段４０６を介して反転入力端子（−ＩＮ）に接続されて、出力信号がフィードバックされる構成になっている。オペアンプ４０１の非反転入力端子（＋ＩＮ）は、並列に接続された抵抗４０４とコンデンサ４０５により、グランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。グランド端子（ＧＮＤ）の電圧は、正電源ＶＤＤと負電源ＶＳＳとの間の中間電位となっている。抵抗４０２と４０４の値、コンデンサ４０３と４０５の値は、それぞれ同じ値であり、ＣＭＵＴの電流検出時（本来の受信状態）の仕様に合ったパラメータとなっている。
【００２７】
まず、超音波トランスデューサ１０３が非受信状態（オフ状態）である時は、前記検知手段による検知結果に基づいて制御される配線短絡手段４０６では両端の配線間が接続されず（開放されて）、図４（ａ）の様に配線されている。この状態では、振動膜２０１の振動で下部電極２０５に発生した電流は、電流検出手段３０２のオペアンプ４０１のフィードバック部分には流れ込まない。このとき、電流検出手段３０２であるトランスインピーダンス回路は、入力された電流によらず、一様に検出信号を出力しない。この為、大きな振幅の不要な音響波が入力されても、電流検出手段３０２に大きな電流が流れ込み、電流検出手段３０２が飽和してしまい、一定期間、検出信号が取り出せなくなるという事態が発生しない。また、大きな電流が電流検出手段３０２に入力することで、他のエレメントの検出信号に影響を与えることも抑制される。
【００２８】
一方、超音波トランスデューサ１０３が受信状態（オン状態）である時は、配線短絡手段４０６では両端の配線間が接続されて（短絡されて）、図４（ｂ）の様に配線されている。この状態では、振動膜２０１の振動により下部電極２０５に発生した電流は、電流検出手段３０２の入力端子から、配線短絡手段４０６を通り、並列に接続された抵抗４０２とコンデンサ４０３のフィードバック部分に流れ込む。このとき、電流検出手段３０２であるトランスインピーダンス回路は、入力された電流に対応した検出信号を出力し、音響波を受信することができる。この様に、駆動制御手段（配線短絡手段４０６）は、前記検知手段で検知された電磁波出力に同期して、第１の電極の誘導電流を検出する検出手段３０２を制御して、受信状態時には誘導電流の検出を行わせ、非受信状態時には誘導電流の検出を行わせない。
【００２９】
本実施形態によれば、電流検出手段３０２に配線短絡手段を挿入するという簡単な構成で、光音響効果を用いた測定において、測定したいもの以外から発生する音響波で本体の受信期間での受信特性が影響を受け難い駆動装置及び方法を実現できる。
【００３０】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を、図５を用いて説明する。第３の実施形態も、受信動作状態のオン・オフ（受信状態と非受信状態との間での切替）を行う駆動装置及び方法をより具体的にした構成例に係る。それ以外は、第１の実施形態と同じである。第３の実施形態では、振動により下部電極２０５に発生した電流の電流検出手段３０２への入力の有無（すなわち電流を電流検出手段３０２に伝達する比の変化）によって、受信動作状態のオン・オフを行う。
【００３１】
本実施形態に係るＣＭＵＴの構成を示す図５において、３０３は、駆動制御手段をなす配線切替手段である。本実施形態では、下部電極２０５と電流検出手段３０２の配線の間に、配線切替手段３０３が挿入されている。配線切替手段３０３は、下部電極２０５からの配線を、電流検出手段３０２の入力端子とグランド端子（ＧＮＤ）との間で切り替えることができる。ここで、グランド端子（ＧＮＤ）は、電流検出手段３０２が持つ所定の電位に設定されている。まず、ＣＭＵＴが非受信状態（オフ状態）である時は、前記検知手段による検知結果に基づいて制御される配線切替手段３０３は図５（ａ）の様に配線されており、振動膜２０１の振動により下部電極２０５に発生した電流はグランド端子に流れ込む。この為、大きな振幅の不要な音響波が入力されても、電流検出手段３０２に大きな電流が流れ込み、電流検出手段３０２が飽和してしまい、一定期間、検出信号が取り出せなくなるという事態が発生しない。また、大きな電流が電流検出手段３０２に入力されることで、他のエレメントの検出信号に影響を与えることも少なくなる。
【００３２】
一方、超音波トランスデューサ１０３が受信状態（オン状態）である時は、配線切替手段３０３は図５（ｂ）の様に配線されており、振動膜２０１の振動で下部電極２０５に発生した電流は電流検出手段３０２の入力端子に流れ込む。その為、電流検出手段３０２は、受信した音響波の大きさに対応した電流信号を検出して検出信号として出力することができる。この様に、前記検知手段により検知された電磁波出力タイミングに同期して、スイッチ手段である駆動制御手段（配線切替手段３０３）が制御される。すなわち、駆動制御手段は、受信状態時には、第１の電極とこれに誘導される誘導電流を検出する検出手段３０２の間を短絡し、非受信状態時には、第１の電極とこれに誘導される誘導電流を検出する検出手段３０２の間を開放にする。
【００３３】
この様に本実施形態によると、配線切替手段３０３を挿入するという簡単な構成で、光音響効果を用いた測定において、測定したいもの以外から発生する音響波によって本来の受信特性が影響を受け難くできる。
【００３４】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を、図６を用いて説明する。第４の実施形態は、受信動作状態のオン・オフ（受信状態と非受信状態との間での切替）を行う駆動装置及び方法をより具体的にした構成例に係る。それ以外は、第１の実施形態と同じである。第４の実施形態では、振動膜２０１の振動を電流に変換する比を変化させることにより、受信動作状態のオン・オフを行う。
【００３５】
図６は、本実施形態における振動膜２０１の位置を示す図である。図２（ｅ）、（ｆ）に、本実施形態に係る音響波測定システムでのタイミングを示す。横軸は全て時間軸であり、縦軸は、それぞれ、図２（ｅ）では電極２０２、２０５間の電位差、図２（ｆ）では振動膜２０１の撓みの大きさである。本実施形態では、前記検知手段による検知結果に基づいて制御される直流電位印加手段３０１中の駆動制御手段により、上下電極２０２、２０５間に印加される電位差を変化させることにより、振動膜２０１の振動が電流に変換される比を変える。具体的には、電位差をほぼ０とした時は、振動膜２０１は殆ど撓んでいない図６（ａ）で表す状態となり、超音波トランスデューサ１０３であるＣＭＵＴは非受信状態（オフ状態）である。一方、ほぼ所定の電位差Ｖｄとした時は、振動膜２０１は下部電極２０５側に大きく撓んで図６（ｂ）で表す状態となり、ＣＭＵＴは受信状態（オン状態）である。以下、それぞれの状態について説明する。
【００３６】
まず、ＣＭＵＴが非受信状態（オフ状態）である時は、上下電極２０２、２０５間の電位差がほぼ０とみなすことができる状態となっており、振動膜２０１は基板２０６側に若干撓んでいる。これは、セルの空隙２０４内部は大気圧より減圧されており、大気圧と空隙２０４の内部圧力との差により発生する力で、振動膜２０１が基板２０６側に若干撓むためである。この振動膜２０１の撓み量は、振動膜の大きさ、形、厚さ、膜質などのパラメータで決まるメカニカルな特性によって決定される。音響波を受信する場合には、検出される微小電流の大きさは、電極２０２、２０５間の距離に反比例し、電極間の電位差に比例する。その為、このとき、振動膜２０１が若干しか撓んでおらず、電極間距離が遠く、更にはそもそも電位差がほぼ０なので、音響波を受けた振動膜２０１の振動による電流は殆ど発生しない。つまり、振動膜２０１の振動を電流に変換する比率がほぼ０であり、音響波を受信した検出信号を出力しない状態となり、ＣＭＵＴが非受信状態であると言える。
【００３７】
一方、ＣＭＵＴが受信状態（オン状態）である時は、上下電極２０２、２０５間の電位差は所定の電位差Ｖｄとなっており、振動膜２０１は基板２０６側に更に撓んでいる。これは、上下電極２０２、２０５間には所定の電位差Ｖｄが印加されていて、電極間に発生する静電引力により、振動膜２０１は基板２０６側方向に大きく引き付けられるためである。ただし、この撓み量は、上部電極２０２と下部電極２０５との間の元々の間隔の３分の１以下程度となっている。その理由は、電位差を大きくし過ぎて、撓み量が電極間の間隔の約３分の１を超えると、静電引力により振動膜２０１が大きく変形し、振動膜２０１が下部電極２０５に接触した状態になるためである。振動膜２０１が下部電極２０５に接触したコラプス状態では、振動膜２０１の振動特性や容量変化特性が大きく変わってしまうため、ＣＭＵＴの音響波受信特性が大幅に変化し、これは好ましくない。
【００３８】
この様に、上下電極２０２、２０５間に生じさせる電位差を大きくすることにより、電極間に発生する静電引力が大きくなって振動膜２０１の撓みが大きくなり、電極間の距離が狭くなる。電極間の距離が狭くなるほど、振動膜２０１の同じ振動で下部電極２０５に発生する電流は大きくなり、加えて電極間の電位差も大きいので、発生する電流は更に大きくなる。つまり、振動膜２０１の振動を電流に変換する比率が高くなり、音響波を受信するのに適した状態となって、ＣＭＵＴが受信状態であると言える。この様に、直流電位印加手段３０１中の駆動制御手段は、前記検知手段により検知された電磁波出力に同期して、電極間の電位差を調整する。そして、受信状態時の電位差より非受信状態時の電位差を小さくして、非受信状態時に上部電極２０２の振動で下部電極２０５に誘導される誘導電流を受信状態時の誘導電流より小さくする。
【００３９】
本実施形態では、直流電位印加手段３０１中の駆動制御手段により上下電極２０２、２０５間の電位差を、光源１０１の発光に同期させて、０とＶｄとの間で適切な間隔で（ここでは光源１０１の発光が周期的であるので周期的に）切り替える（図２（ｅ）参照）。この切替に掛かる時間（立ち上り時間、立下り時間）における信号変化が持つ周波数は、振動膜２０１が応答する周波数特性の範囲を避けたものであることが望ましい。これにより、電位差の変化により振動膜２０１が振動してしまうのを防ぐことができる。０とＶｄとの間での電位差の変化に伴って、振動膜２０１の撓みの大きさは、図２（ｅ）で示す様に、周期的に変化する。これにより、振動膜２０１の振動を電流に変換する比を周期的に変化させることができ、不要な音響波の受信を抑制することができる。
【００４０】
以上の様に、本実施形態の構成では、直流電位印加手段３０１中の駆動制御手段でＣＭＵＴの上部電極２０２に印加する電位を変えるだけで、簡単にＣＭＵＴを受信状態と非受信状態との間で切り替えることができる。非受信状態になっている時は、振動膜２０１の撓みが小さいため、大きな振幅の不要な音響波が入力されても、振動膜２０１がコラプス状態になって振動膜２０１の状態が大きく変わってしまう様なことがない。また、大きな振幅の不要な音響波が入力されて、振動膜２０１が大きく振動したとしても、下部電極２０５の電流に殆ど変換されない。その為、大きな電流が入力されて電流検出手段３０２が飽和してしまい、一定期間、検出信号が取り出せなくなるという事態が発生せず、また、大きな電流が電流検出手段３０２に入力されることで、他のエレメントの検出信号に影響を与えることも少なくなる。
【００４１】
本実施形態によると、電極に印加する電位を変化させるだけで、構成要件の追加なく、光音響効果を用いた測定において、測定したいもの以外から発生する音響波で本来の受信特性が影響を受け難くなる。こうして、測定したい音響波を正確に受信できることになる。
【符号の説明】
【００４２】
１０１…光源（電磁波源）、１０２…測定対象、１０３…超音波トランスデューサ（電気機械変換装置）、１１２…光源の出力光（電磁波）、２０２…上部電極（第１の電極）、２０４…空隙（間隙）、２０５…下部電極（第２の電極）、３０１…直流電位印加手段、３０２…電流検出手段、３０３、４０６…配線切替（短絡）手段（駆動制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する静電容量型電気機械変換装置の駆動装置であって、
測定対象に照射する電磁波を出力する電磁波源の電磁波出力のタイミングを検知する検知手段と、
前記検知手段で検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、前記電磁波で照射された測定対象の内部で発生した音響波を受信する期間のみ前記静電容量型電気機械変換装置を受信状態にする駆動制御手段と、
を有することを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記駆動制御手段は、
電磁波源から周期的に出力される電磁波で照射される測定対象の内部で発生する音響波のみを受信できる様に、前記検知手段で検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、前記静電容量型電気機械変換装置の状態を所定の間隔で受信状態と非受信状態との間で切り替えることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記駆動制御手段は、
前記検知手段により検知された前記タイミングに同期して配線切替手段を制御して、前記受信状態時には、前記第１の電極と前記第１の電極に誘導される誘導電流を検出するための検出手段の間を短絡し、前記非受信状態時には、前記第１の電極と前記検出手段の間を開放にすることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記駆動制御手段は、
前記検知手段により検知された前記タイミングに同期して、前記第１の電極に誘導される誘導電流を検出するための検出手段を制御して、前記受信状態時には、誘導電流の検出を行わせ、非受信状態時には、誘導電流の検出を行わせないことを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記駆動制御手段は、
前記検知手段により検知された前記タイミングに同期して、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電位差を調整するための電位印加手段を制御して、前記受信状態時の電位差より前記非受信状態時の電位差を小さくして、前記非受信状態時に前記第２の電極の振動により前記第１の電極に誘導される誘導電流を前記受信状態時の前記誘導電流より小さくすることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項６】
間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する静電容量型電気機械変換装置の駆動方法であって、
測定対象に照射する電磁波を出力する電磁波源の電磁波出力のタイミングを検知する検知ステップと、
前記検知ステップで検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、前記電磁波で照射された測定対象の内部で発生した音響波を受信する期間のみ前記静電容量型電気機械変換装置を受信状態にする駆動制御ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。
【請求項７】
前記駆動制御ステップでは、電磁波源から周期的に出力される電磁波で照射される測定対象の内部で発生する音響波のみを受信できる様に、前記検知ステップで検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、前記静電容量型電気機械変換装置の状態を所定の間隔でもって受信状態と非受信状態との間で切り替えることを特徴とする請求項６に記載の駆動方法。
【請求項８】
前記検知ステップでは、電磁波源の駆動信号または電磁波源からの電磁波を検知して前記電磁波出力のタイミングを検知することを特徴とする請求項６または７に記載の駆動方法。
【請求項９】
前記駆動制御ステップでは、前記電磁波出力のタイミングから第１の所定期間は非受信状態とし、次の第２の所定期間は受信状態とし、更に次の第３の所定期間は非受信状態とすることを特徴とする請求項６または７に記載の駆動方法。
【請求項１】
間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する静電容量型電気機械変換装置の駆動装置であって、
測定対象に照射する電磁波を出力する電磁波源の電磁波出力のタイミングを検知する検知手段と、
前記検知手段で検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、前記電磁波で照射された測定対象の内部で発生した音響波を受信する期間のみ前記静電容量型電気機械変換装置を受信状態にする駆動制御手段と、
を有することを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記駆動制御手段は、
電磁波源から周期的に出力される電磁波で照射される測定対象の内部で発生する音響波のみを受信できる様に、前記検知手段で検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、前記静電容量型電気機械変換装置の状態を所定の間隔で受信状態と非受信状態との間で切り替えることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記駆動制御手段は、
前記検知手段により検知された前記タイミングに同期して配線切替手段を制御して、前記受信状態時には、前記第１の電極と前記第１の電極に誘導される誘導電流を検出するための検出手段の間を短絡し、前記非受信状態時には、前記第１の電極と前記検出手段の間を開放にすることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記駆動制御手段は、
前記検知手段により検知された前記タイミングに同期して、前記第１の電極に誘導される誘導電流を検出するための検出手段を制御して、前記受信状態時には、誘導電流の検出を行わせ、非受信状態時には、誘導電流の検出を行わせないことを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記駆動制御手段は、
前記検知手段により検知された前記タイミングに同期して、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電位差を調整するための電位印加手段を制御して、前記受信状態時の電位差より前記非受信状態時の電位差を小さくして、前記非受信状態時に前記第２の電極の振動により前記第１の電極に誘導される誘導電流を前記受信状態時の前記誘導電流より小さくすることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項６】
間隙を介して対向して設けられた第１の電極と第２の電極とを含むセルを有する静電容量型電気機械変換装置の駆動方法であって、
測定対象に照射する電磁波を出力する電磁波源の電磁波出力のタイミングを検知する検知ステップと、
前記検知ステップで検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、前記電磁波で照射された測定対象の内部で発生した音響波を受信する期間のみ前記静電容量型電気機械変換装置を受信状態にする駆動制御ステップと、
を含むことを特徴とする駆動方法。
【請求項７】
前記駆動制御ステップでは、電磁波源から周期的に出力される電磁波で照射される測定対象の内部で発生する音響波のみを受信できる様に、前記検知ステップで検知された電磁波源の電磁波出力のタイミングに同期して、前記静電容量型電気機械変換装置の状態を所定の間隔でもって受信状態と非受信状態との間で切り替えることを特徴とする請求項６に記載の駆動方法。
【請求項８】
前記検知ステップでは、電磁波源の駆動信号または電磁波源からの電磁波を検知して前記電磁波出力のタイミングを検知することを特徴とする請求項６または７に記載の駆動方法。
【請求項９】
前記駆動制御ステップでは、前記電磁波出力のタイミングから第１の所定期間は非受信状態とし、次の第２の所定期間は受信状態とし、更に次の第３の所定期間は非受信状態とすることを特徴とする請求項６または７に記載の駆動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１９３９７８（Ｐ２０１１−１９３９７８Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６２６０２（Ｐ２０１０−６２６０２）
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【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１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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