JP5473579B2 - 静電容量型電気機械変換装置の制御装置、及び静電容量型電気機械変換装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波などの弾性波の送受信（本明細書で送受信と言う場合、送信と受信のうちの少なくとも一方を意味する）を行う超音波プローブなどの電気機械変換装置の制御装置、及び電気機械変換装置の制御方法に関する。

超音波の送受信を行うトランスデューサとして、静電容量型超音波トランスデューサであるＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic
Transducer）が提案されている。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されたものである。また、超音波トランスデューサを用いて、測定対象に超音波を送信し、測定対象で反射した超音波を受信することで、測定対象の情報を得る測定方法がある。この測定方法に用いる送受信トランスデューサに、送受信する超音波の周波数範囲が比較的広い（広帯域）という特徴を持つＣＭＵＴを用いる方法が提案されている。

一方、ＣＭＵＴは、超音波を受けて振動する振動膜の状態がそれぞれ異なるコンベンショナルモードとコラプスモードと呼ばれる２つのモードを有することが知られている（特許文献１参照）。コンベンショナルモードでは、送受信の動作中においてたとえ振動膜は凹んだとしても下部電極等に接触しない状態にある。逆にコラプスモードでは、送受信の動作中に振動膜は凹んで下部電極等に接触した状態にある。特許文献１には、コンベンショナルモードとコラプスモード間で振動膜を振動させて振幅の大きな超音波を発信できることが記載されている。

米国特許７，２７４，６２３号

超音波を送受信して測定する方法では、測定対象によって必要な周波数の範囲が異なることがある。例えば、代表的な仕様として、５ＭＨｚ前後（例えば、１ＭＨｚ〜５ＭＨｚ程度）を中心とする仕様、１０ＭＨｚ前後（例えば、７ＭＨｚ〜１２ＭＨｚ程度）を中心とする仕様などを挙げることができる。前者の仕様例としては、光を照射して測定対象で発生した超音波を受信する方法（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー））がある。後者の仕様例としては、超音波を送信して測定対象で反射して帰ってきた超音波を受信する方法がある。この様に、測定対象の大きさ、測定の深さ、測定方法などによって、静電容量型トランスデューサに必要な周波数の範囲が異なることがある。

こうした要求に応じるために、たとえ広帯域が特徴のＣＭＵＴを用いても、５ＭＨｚと１０ＭＨｚについて単一のＣＭＵＴで送受信を行うことは困難である。また、複数の周波数の超音波を送受信するために、異なる周波数特性を持つ複数のＣＭＵＴでトランスデューサを構成すると、ＣＭＵＴ１つあたりにおいて送受信に用いるための面積が狭くなってしまい、トランスデューサの超音波の送受信効率が悪くなる。更に、特許文献１にも、こうした要求に答える方途は示されていない。

上記課題に鑑みて、本発明の静電容量型電気機械変換装置の制御装置は、次の特徴を有する。すなわち、空隙を挟んで対向して設けられた第１及び第２の電極を含むセルを有する静電容量型電気機械変換装置の制御装置であって、駆動・検出手段と外部応力印加手段を備える。駆動・検出手段は、第１及び第２の電極間に交流の静電引力を発生させて第２の電極を振動させ弾性波を送信する駆動動作と、弾性波を受信して第２の電極が振動することによる第１及び第２の電極間の容量変化を検出する検出動作との少なくとも一方を行う。外部応力印加手段は、第２の電極に印加される外部応力を変化させる。更に、駆動・検出手段は、外部応力の変化に対応して、送受信動作において利用される周波数領域を規定するパラメータを変えて周波数特性を調整する様に構成されている。

また、上記課題に鑑みて、本発明の静電容量型電気機械変換装置の制御方法は、次の特徴を有する。すなわち、空隙を挟んで対向して設けられた第１及び第２の電極を含むセルを有する静電容量型電気機械変換装置の制御方法であって、第１から第３のステップを含む。第１のステップでは、第１及び第２の電極間に交流の静電引力を発生させて第２の電極を振動させ弾性波を送信する駆動動作と、弾性波を受信して第２の電極が振動することによる第１及び第２の電極間の容量変化を検出する検出動作との少なくとも一方を行う。第２のステップでは、第２の電極に印加される外部応力を変化させることで、第２の電極の応答する周波数特性を変化させる。第３のステップでは、外部応力の変化に対応して、送受信動作において利用される周波数領域を規定するパラメータを変えて周波数特性を調整する。こうして静電容量型電気機械変換装置の弾性波の送受信時の周波数特性すなわち送受信帯域を変化させる。

本発明の電気機械変換装置の制御装置及び制御方法によれば、第２の電極の応答する周波数特性の変化に対応して送受信動作において利用される周波数領域を規定するパラメータを変えて周波数特性を調整する。従って、１つの電気機械変換装置において、例えば、利用可能な低域側と高域側のカットオフ間の周波数の範囲が異なる複数の送受信特性すなわち入力−出力関係の周波数特性を持つことができる。

第１の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置の制御装置及び制御方法を説明する図である。 第２及び第３の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置の制御装置及び制御方法を説明する図である。 第４の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置の制御装置及び制御方法における電流検出手段を説明する図である。 第５の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置の制御装置及び制御方法における電流検出手段を説明する図である。 第６及び第７の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置の制御装置及び制御方法を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明で重要な点は、第２の電極ないし振動膜の応答する周波数特性の変化に対応して送受信動作において利用される周波数領域を規定するパラメータを変えて周波数特性を調整することである。ここで、第２の電極ないし振動膜に印加される外部応力すなわち外力を変化させて周波数特性が調整される。また、第２の電極ないし振動膜の応答する周波数特性とは、典型的には、単位入力圧あたりの第２の電極ないし振動膜の変位量の周波数分布を意味する。送受信動作において利用される周波数領域を規定するパラメータに係る周波数特性とは、送信動作（駆動動作）の場合、典型的には、駆動信号に含まれる主の成分の周波数分布であるパラメータに係る特性を意味する。また、受信動作（検出動作）の場合、典型的には、入力電流に対する出力の変換ゲインの周波数分布であるパラメータに係る特性を意味する。更に、「対応して」とは、典型的には、それぞれの周波数分布における低域側と高域側のカットオフ間の周波数領域がほぼ一致或いは充分に重なる様にすることを意味する。

この考え方に基づき、本発明の静電容量型電気機械変換装置の制御装置及び制御方法の基本的な形態は、課題を解決するための手段のところで述べた様な構成を有する。この基本的な形態を基に、以下に述べる様な実施形態が可能である。例えば、空隙を挟んで対向した２つの電極を含む組から成るセルは、第２の電極が形成された振動膜と、振動膜を支持する支持部と、空隙を介して第２の電極と対向する位置に配置された第１の電極を有する構成にできる（後述する第１の実施形態等を参照）。第２の電極は後述の上部電極であり、第１の電極は後述の下部電極である。また、外部応力印加手段は、外部応力を変化させて、第２の電極又は振動膜が第１の電極に接触していない非接触状態と、第２の電極又は振動膜が第１の電極に接触している接触状態との間で状態を切り替える構成にできる（後述する第１の実施形態等を参照）。また、駆動・検出手段は、外部応力印加手段が接触状態を実現する様に外部応力を変化させるとき、周波数特性を第１の態様にし、外部応力印加手段が非接触状態を実現する様に外部応力を変化させるとき、周波数特性を第２の態様にする構成にできる。ここで、第１の態様では、第２の態様より、利用される周波数領域が全体的に高周波側にある（後述する第１の実施形態等を参照）。

また、駆動・検出手段の持つ第１の態様の周波数特性の低域側と高域側のカットオフ周波数の間のほぼ中心の周波数である中心周波数は、第２の態様の周波数特性の中心周波数の約２倍である様にできる。また、外部応力印加手段は、第１の電極と第２の電極間の電位差により発生する静電引力を変化させて外部応力を変化させる構成にできる（後述する第２の実施形態を参照）。

また、駆動・検出手段は、検出動作を行うトランスインピーダンス回路を含む電流検出手段を有し、トランスインピーダンス回路のフィードバック部分のパラメータを変化させて検出動作の周波数特性を調整する構成にできる（後述する第４の実施形態を参照）。また駆動・検出手段は、周波数特性の異なる複数の駆動・検出部を有し、外部応力印加手段による外部応力の変化に対応して、複数の駆動・検出部間で、動作する駆動・検出部を切り替える構成にもできる（後述する第５の実施形態を参照）。

また、外部応力印加手段が接触状態と非接触状態との間で状態を切り替えるのに対応して、１つの駆動・検出手段に接続する第１の電極の数（すなわちセルの数）を変化させる配線切り替え手段を有する構成にできる。この場合、非接触状態の時の数より、接触状態の時の数の方が少なくなる様に、駆動・検出手段と第２の電極を接続する形態にできる（後述する第６の実施形態を参照）。また、駆動・検出手段を複数備え、配線切り替え手段は、第１の電極（セル）が接続される駆動・検出手段の数を静電容量型電気機械変換装置が有する入出力信号数と同じに維持する形態にできる（後述する第７の実施形態を参照）。こうした配線切り替えを行うことで、素子のピッチを変えることができ、利用したい周波数帯域に対応した配線形態にできる。例えば、周波数が高くなって狭い素子ピッチが必要になる場合、配線形態をそれに対応させることができる。

以下、図面を用いて、本発明による電気機械変換装置の制御装置及び制御方法の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態を示す断面図である図１において、１０１は振動膜、１０２は第２の電極である上部電極、１０３は支持部、１０４は空隙、１０５は第１の電極である下部電極、１０６は基板、２００は外部応力印加手段、２０２は駆動・検出手段である。上部電極１０２が形成された振動膜１０１は、基板１０６上に形成された支持部１０３により支持されており、上部電極１０２と共に振動する様になっている。振動膜１０１上の上部電極１０２に対して空隙１０４を介して対向する位置に、下部電極１０５が基板１０６上に形成されている。本実施形態では、振動膜１０１と支持部１０３は、電気的に絶縁性を持つ材料で構成されている。装置が超音波等の弾性波の送受信動作をするために、上部電極１０２と下部電極１０５は駆動・検出手段２０２に接続されている。外部応力印加手段２００と駆動・検出手段２０２は、基板１０６上に形成された電気機械変換装置（以下、ＣＭＵＴとして説明する）の素子部分１０１〜１０５を駆動したり素子部分１０１〜１０５からの信号を検出したりする制御部を成す。

本実施形態において、セルは、空隙１０４を挟んで対向する上部電極１０２と下部電極１０５とからなる構成を備えている。通常、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素子として、２００〜４０００程度の素子から構成されており、装置自体は数ｍｍ〜数ｃｍ程度のサイズである。ここでは、超音波を送受信する際に駆動（送信）や検出（受信）を行う最小単位の領域として、１素子と呼んでいる。各素子は、１以上のセルが並列に電気的に接続された構成を有する。各素子におけるセルの数、セルの配列形態、空隙の形態などは、電気機械変換機能を達成できる限り、自由である。素子の配置の仕方や数なども、場合に応じて設計すればよい。また、上部電極が振動膜を兼ねる構成とすることもできる。ただし、この場合、上部電極と下部電極の間には、電気的に絶縁性を持つ材料からなる層が設けられる必要がある。例えば、下部電極上に絶縁層を形成する必要がある。

本実施形態のＣＭＵＴは、振動膜１０１の基準の位置（送信又は受信の動作において作用を受けていない状態）を変化させることで、送受信の周波数帯域を変化させる。具体的には、図１（ａ）で示す様に振動膜１０１の下部と下部電極１０５が接触していない非接触状態と、図１（ｂ）で示す様に振動膜１０１の下部と下部電極１０５が接触している接触状態とのどちらかに変化させる。図１（ａ）の非接触状態は、上述したコンベンショナルモードである。また、図１（ｂ）の接触状態は、上述したコラプスモードである。ここで、振動膜１０１の応答する周波数領域は、振動膜１０１の共振周波数と大きく相関を持っている。典型的には、コンベンショナルモードでの振動膜１０１の共振周波数は、コラプスモードでのそれに対して、倍程度となる。例えば、コンベンショナルモードでの振動膜１０１の共振周波数が５ＭＨｚ程度であるとすると、コラプスモードでの振動膜１０１の共振周波数は１０ＭＨｚ程度となる。そのため、同じ構造の状態をコンベンショナルモードとコラプスモード間で切り替えることで、異なる周波数領域に対して振動膜１０１を応答させることができる。つまり、周波数特性を変化させることができる。

コンベンショナルモードとコラプスモードの切り替えは、下部電極１０５側の方向にかかる振動膜１０１の外部応力を変化させて実施することができる。具体的には、外部応力印加手段２００により、振動膜１０１に対して下部電極１０５側の方向に外部応力を印加する。静電引力、電磁力、圧力、圧電効果などを用いることで、外部応力印加手段２００を構成することができる。静電引力を用いる場合は後述する。電磁力を用いる場合は、例えば、振動膜１０１上に磁性体を配置し、固定部（支持部１０３、基板１０６上など）の適当な箇所に配置したコイルで振動膜１０１に対して外部応力を印加する。圧力を用いる場合は、例えば、振動膜１０１の下側の空隙１０３の内圧を圧力調整手段で変化させて、振動膜１０１の表面にかかる大気圧との差で、振動膜１０１に加わる外部応力を変化させる。圧電効果を用いる場合は、例えば、振動膜１０１又は支持部１０３の辺りに圧電素子を配置し、これに印加する電圧を変えることで、振動膜１０１に加わる外部応力を変化させる。

振動膜１０１にかかる外部応力が、振動膜１０１が持つバネ成分により振動膜１０１が下部電極１０５側の方向と逆方向に戻ろうとする力を超えると、振動膜１０１が変形し下部電極１０５に接触する。逆に、この外部応力を小さくすることにより、振動膜１０１が下部電極１０５から離れた状態となる。これを利用して、振動膜１０１がコンベンショナルモードとコラプスモードのどちらで動作するかを切り替えることができる。こうした切り替えを可能とするために、例えば、振動膜１０１は硬すぎない様にする必要がある。例えば、振動膜１０１を後述する静電引力を用いてコラプスさせるために印加する電圧は、素子の持つ絶縁耐圧より低くなっている必要がある。

本実施形態では、振動膜１０１に印加される下部電極１０５側の方向への力をＦ１かＦ２に変化させることにより、コンベンショナルモードとコラプスモード間で状態を切り替え、振動膜１０１の応答する周波数特性（共振周波数）を変化させる。加えて、駆動・検出手段２０２は、振動膜の応答する周波数領域に対応して、超音波を送信する時のＣＭＵＴへの駆動信号の成分の周波数分布と、受信する時のＣＭＵＴの容量変化の検出における周波数特性を変更できる構成となっている。外部応力Ｆ１とＦ２の大きさはＦ１＜Ｆ２の関係にあり、周波数特性の中心周波数ｆ１とｆ２はｆ１＜ｆ２の関係にある。また、コンベンショナルモードとコラプスモードの特性に合わせて、駆動・検出手段２０２の駆動信号の大きさや、検出回路のゲインを調整しても良い。

この様に、ＣＭＵＴの振動膜１０１の応答する周波数特性（共振周波数）を変化させ、その変化した周波数特性に対応して、ＣＭＵＴの送受信に必要な駆動信号や容量変化の検出における周波数特性を変更する。そのため、単一構造のＣＭＵＴで、周波数の範囲が異なる送受信特性を実現することができる。単一構造のＣＭＵＴで構成することができるため、複数の構造で構成する必要がなく、複数の構造で構成する場合と同じトランスデューサ面積で比較すれば、効率良く素子を配置できる。従って、限られたトランスデューサ面積において、送受信の効率を落とすことなく、高出力な送信や高感度な受信を実現することができる。

また、本実施形態に係るＣＭＵＴの制御装置及び方法を用いることで、異なる測定対象を１つのトランスデューサで高感度に測定することができる。また、１つのＣＭＵＴを異なる測定方法に用いることができる。例えば、同じ測定対象について、異なる周波数を用いてより詳細に測定することができる。また、同じＣＭＵＴで２つの周波数において測定できるため、測定対象に対する位置関係がずれることなく２つの測定結果を正確に得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、図２（ａ）、（ｂ）を用いて第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、下部電極１０５側への方向の力を振動膜１０１に印加する手段の具体例に関する。それ以外は、第１の実施形態とほぼ同じである。本実施形態では、外部応力印加手段が振動膜１０１に印加する下部電極１０５側への方向の力として、上下電極１０２、１０５間の電位差により発生する静電引力を用いる。本実施形態を示す図２（ａ）、（ｂ）において、２０１は、外部応力印加手段である直流電位印加手段、２０３は、駆動手段である交流電位発生手段、２０４は保護スイッチ、２０５は、検出手段である電流検出手段である。駆動・検出手段２０２が、交流電位発生手段２０２、保護スイッチ２０４、電流検出手段２０５を含む。

ＣＭＵＴ内の上部電極１０２は、全て電気的に接続されており、直流電位印加手段２０１に接続されている。直流電位印加手段２０１は、上部電極１０２に所望の電位を印加して、下部電極１０５の持つ電位との電位差を上下電極間に発生させ、上部電極１０２と下部電極１０５間に静電引力を発生させる。この静電引力は、上下電極１０２、１０５の間隔と電位差により決まり、振動膜１０１に加わる力の大きさを正確に制御することができる。

また、下部電極１０５には、駆動・検出手段２０２が接続されている。駆動・検出手段２０２は、超音波を送受信するために、ＣＭＵＴを駆動する駆動手段とＣＭＵＴの容量変化を検出する検出手段とから構成される。下部電極１０５は、超音波の送信時以外は、駆動・検出手段２０２によって或る一定の電位に固定されている。

本実施形態では、コンベンショナルモードとコラプスモードの切り替えは、上下電極１０２、１０５間の電位差を変化させて実施する。上下電極間の電位差で発生する静電引力の制御により、振動膜１０１を引く力が或る一定値を超えると、振動膜１０１が下部電極１０５側に一気に引き寄せられる。この現象は、プルインと呼ばれる。これは、振動膜１０１が下部電極１０５側に引き寄せられる力（静電引力、空隙１０４の内圧と大気圧の差圧による力などを合わせた力）と、振動膜１０１が持つバネ成分で振動膜１０１が下部電極１０５側と逆の方向に戻ろうとする力との大小関係に依存する。

本実施形態では、上下電極１０２、１０５間に異なる電位差Ｖ１とＶ２を印加することにより、コンベンショナルモード（図２（ａ）の状態）とコラプスモード（図２（ｂ）の状態）を切り替え、振動膜１０１の応答する周波数特性を変化させる。こうして、振動膜１０１に印加される力Ｆ１とＦ２を簡易な手段で発生させられ、また上部電極１０２への印加電位を変化させるだけで、振動膜１０１に印加される力の大きさを正確に切り替えられる。そのため、振動膜１０１の動作モードをより確実に切り替えることができる。

（第３の実施形態）
次に、図２（ｃ）、（ｄ）を用いて第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、ＣＭＵＴの駆動・検出手段２０２の具体的な構成に関する。それ以外は、第２の実施形態と同じである。本実施形態の駆動・検出手段２０２では、振動膜１０１の動作モードに応じて、超音波を送信する時のＣＭＵＴへの駆動信号の成分の周波数分布の中心周波数と、受信する時のＣＭＵＴの容量変化の検出における周波数特性の中心周波数を、２倍程度変化させる。ここでは、駆動信号の中心周波数は、駆動信号に含まれる周波数成分のうちで一番振幅の大きい周波数成分の周波数である。検出における周波数特性の中心周波数は、検出周波数特性の低域側と高域側のカットオフ周波数の間のほぼ中心の周波数である。

超音波送信時と受信時の駆動・検出手段２０２の動作について、順に説明する。超音波の送信時は、下部電極１０５に接続された交流電位発生手段２０３により、下部電極１０５に交流の電位が印加される。これにより、上部電極１０２と下部電極１０５間に交流的な電位差が発生し、振動膜１０１に交流的な静電引力が発生する。この時は、下部電極１０５に接続された保護スイッチ２０４がＯＦＦとなることにより、交流電位発生手段２０３が発生する電位から電流検出手段２０５の入力部を保護する。こうして発生した静電引力により振動膜１０１が振動し、ＣＭＵＴは超音波の送信を行う。

交流電位発生手段２０３は、振動膜１０１のコンベンショナルモードとコラプスモードの切り替えに対応して、異なる周波数成分を持つ駆動信号を生成することができる。生成できる駆動信号の中心周波数は、振動膜１０１のコンベンショナル動作時とコラプス動作時の応答周波数に対応して、２倍程度変化させられる様になっている。例えば、コラプス動作時の駆動信号の中心周波数が、コンベンショナル動作時の駆動信号の中心周波数の２倍になる。交流電位発生手段２０３は、電圧制御発振器などを用いて構成することができる。この駆動信号は、数周期分の正弦波や矩形波（連続波形でなく、波形の１周期分が幾つか繰り返されたもの）、単パルス波などにより構成される。

一方、超音波の受信時は、交流電位発生手段２０３は、ハイ・インピーダンス状態になり、下部電極１０５の電位に影響を与えない（図２（ｄ）の状態）。最も簡単には、端子をオープン状態にすることでハイ・インピーダンス状態を実現できる。また、実用上は、端子に繋がっているスイッチを全てオフにしてハイ・インピーダンス状態を作り出す。他方、保護スイッチ２０４はＯＮされて、下部電極１０５と電流検出手段２０５の入力部が接続された状態になる。この時、外部より印加された超音波により振動膜１０１が振動すると、上下電極１０２、１０５間の静電容量の変化が起こる。上部電極１０２は、或る電位（コンベンショナルモードかコラプスモードかによって異なる）に固定されているので、下部電極１０５に発生する誘導電荷により、下部電極１０５の配線に微小な電流が流れる。電流検出手段２０５でこの微小な電流の変化を検出することで、容量変化を起こした超音波の大きさを検出できる。この時、下部電極１０５の電位は、駆動・検出手段２０２により、或る電位に固定されている。

電流検出手段２０５は、振動膜１０１のコンベンショナルモードとコラプスモードの切り替えに対応して、電流検出を行う周波数特性を変化させることができる。コラプス動作時の電流検出手段２０５の周波数特性は、コンベンショナル動作時の周波数特性に比べ、中心の周波数が高い（倍程度）特性となる様に設定されている。つまり、コンベンショナルモードとコラプスモードが切り替わり、振動膜１０１が超音波を受けて応答する周波数に関して倍程度変化しても、その周波数に対応して電流検出手段２０５で電流検出を行える構成になっている。

本実施形態によると、コンベンショナルモードとコラプスモード間において、振動膜１０１の中心周波数の変化態様と、駆動・検出手段２０２が有する送受信時の周波数特性の中心周波数の変化態様をほぼ一致させることができる。そのため、時間軸上で切り替えられるコンベンショナルモードとコラプスモードの両モードにおいて、ＣＭＵＴ全体で最適な周波数特性を得ることができる。

（第４の実施形態）
次に、図３を用いて第４の実施形態を説明する。第４の実施形態は、電流検出手段２０５の具体的な構成に関する。それ以外は、第１から第３の実施形態の何れかと同じである。本実施形態では、周波数特性を変化させることができる電流検出手段２０５は、微小電流の変化を電圧に変化する電流-電圧変換回路であるトランスインピーダンス回路で構成される。

本実施形態の電流検出手段２０５であるトランスインピーダンス回路を示す図３において、３０１はオペアンプ、３０２、３０４、３０６は抵抗、３０３、３０５、３０７はコンデンサ、３０８は回路素子切り替え手段である。また、３０９は可変抵抗、３１０は可変コンデンサ、３１１は高速スイッチである。図３では、オペアンプ３０１は正負電源ＶＤＤ、ＶＳＳに接続されている。

まず、振動膜１０１が図３（ａ）のコンベンショナルモードで動作している場合を説明する。図３（ａ）において、オペアンプ３０１の反転入力端子（−ＩＮ）は、保護スイッチ２０４を介してＣＭＵＴの下部電極１０５に接続されている。また、オペアンプ３０１の出力端子（ＯＵＴ）については、並列に接続された抵抗３０２とコンデンサ３０３が回路素子切り替え手段３０８により反転入力端子（−ＩＮ）に接続され、その出力信号がフィードバックされる。オペアンプ３０１の非反転入力端子（＋ＩＮ）は、並列に接続された抵抗３０４とコンデンサ３０５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間の中間電位となっている。抵抗３０２と抵抗３０４の値、コンデンサ３０３とコンデンサ３０５の値は、それぞれ同じ値であり、コンベンショナル動作の振動膜１０１の周波数特性に合ったパラメータとなっている。

次に、振動膜１０１が図３（ｂ）のコラプスモードで動作する時は、回路素子切り替え手段３０８が切り替わり、並列に接続された抵抗３０６とコンデンサ３０７によりオペアンプ３０１のフィードバックが行われる構成に変化する。この抵抗３０６とコンデンサ３０７は、コラプス動作の振動膜１０１の周波数特性に合ったパラメータとなっている。以上の様に、回路素子切り替え手段３０８を用いることで、トランスインピーダンス回路の電流-電圧変換の周波数特性を切り替えることができる。

周波数特性を変えることができる電流検出手段２０５の別の回路構成を、図３（ｃ）を用いて説明する。図３（ｃ）では、図３（ａ）、（ｂ）での回路素子切り替え手段３０８がなく、抵抗３０２の代わりに可変抵抗３０９、コンデンサ３０３の代わりに可変コンデンサ３１０が接続されている。これら可変抵抗３０９と可変コンデンサ３１０の値を変更することで、モード切り替えに対応して、図３（ｃ）のトランスインピーダンス回路の電流-電圧変換の周波数特性を任意の特性に変化させられる。

更に別の回路構成を図３（ｄ）を用いて説明する。図３（ｄ）では、図３（ｃ）での可変抵抗３０９と可変コンデンサ３１０がなく、その代わりに高速スイッチ３１１とコンデンサ３０３が挿入されている。高速スイッチ３１１は、高速にＯＮ・ＯＦＦすることができ、スイッチがＯＮ・ＯＦＦするデューティー比によって、オペアンプ３０１のフィードバック部のパラメータを変えることができる。この様に、高速スイッチ３１１のデューティー比を変えることで、モード切り替えに対応して、図３（ｄ）のトランスインピーダンス回路の電流-電圧変換の周波数特性を容易に変化させることができる。

本実施形態では、モード切り替えに対応して電流検出手段２０５の周波数特性を、簡易な回路構成で変化させることができる。尚、図３に示す各例では、オペアンプ３０１のフィードバック部分の回路素子のみを変更する構成とした。しかし、オペアンプ３０１のフィードバック部分の回路素子を変更すると同時に、オペアンプ３０１の非反転入力（＋ＩＮ）とグランド端子間も同様の素子構成にして、振動膜１０１のモードに対応して素子定数を切り替える様にしてもよい。

（第５の実施形態）
次に、図４を用いて第５の実施形態を説明する。第５の実施形態は、駆動・検出手段２０２の電流検出手段の具体例に関する。それ以外は、第１から第３の実施形態の何れかと同じである。本実施形態は、異なる周波数特性を有した複数の電流検出部を有していることを特徴とする。

本実施形態の電流検出手段の構成を示す図４において、４０１は第１の電流検出部、４０２は第２の電流検出部、４０３と４０４は配線切り替え手段であり、これらにより電流検出手段が構成される。この電流検出手段では、配線切り替え手段４０３により、第１の電流検出部４０１又は第２の電流検出部４０２の入力端子に配線が切り替えられる様になっている。また、配線切り替え手段４０４により、第１の電流検出部４０１と第２の電流検出部４０２の出力のどちらかが、電流検出手段の出力端子に配線が切り替えられる様になっている。配線切り替え手段４０３が第１の電流検出部４０１の入力側に配線されている場合は、配線切り替え手段４０４は第１の電流検出部４０１の出力側に配線される様になっている（図４（ａ）の状態）。逆に、第２の電流検出部４０２に入出力端子のどちらかが接続されている場合は、残りの入出力端子も必ず第２の電流検出部４０２に配線される構成になっている（図４（ｂ）の状態）。

第１の電流検出部４０１は第１の周波数特性を有しており、第２の電流検出部４０２は第２の周波数特性を有している。第１の周波数特性は、コンベンショナルモードで動作する時に振動膜１０１が感度を有する周波数領域に対応して設定されている。第２の周波数特性は、コラプスモードで動作する時に振動膜１０１が感度を有する周波数領域に対応して設定されている。また、第１の周波数特性の中心周波数は、第２の周波数特性の中心周波数より低くなっている。従って、振動膜１０１がコンベンショナルモードで動作する際には、配線切り替え手段４０３、４０４は、図４（ａ）の状態に配線される。これにより、コンベンショナルモード動作時に感度を有する周波数に対応して設定された第１の電流検出部４０１により、電流変化を検出し、検出結果が電流検出手段から出力される。一方、振動膜１０１がコラプスモードで動作する際には、配線切り替え手段４０３、４０４は、図４（ｂ）の状態に配線される。これにより、コラプスモード動作時に感度を有する周波数に対応して設定された第２の電流検出部４０２により、電流変化を検出し、検出結果が電流検出手段から出力される。

本実施形態では、複数の電流検出部を有することで、それぞれの動作モードに適した回路等のパラメータを独立して設定でき、それぞれのモードにより合った（適した）電流検出を行うことができる。そのため、より特性の良い電流検出を行うことができ、より優れた受信特性が得られる。尚、本実施形態では、複数の電流検出部を有する電流検出手段の具体的構成を説明したが、こうした動作モードに応じて周波数特性の異なる部分間で切り替える構成は交流電位発生手段２０３に適用することもできる。すなわち、交流電位発生手段２０３に、上記と同原理の配線切り替え手段を用いることもできる。

（第６の実施形態）
次に、図５（ａ）、（ｂ）を用いて第６の実施形態を説明する。第６の実施形態は、１素子のサイズを切り替える具体例に関する。それ以外は、第１から第５の実施形態の何れかと同じである。本実施形態は、コラプスモードとコンベンショナルモードの動作に合わせて、１素子のサイズを切り替えることを特徴とする。

本実施形態のＣＭＵＴを説明する図５（ａ）、（ｂ）において、５０１は素子、５０２は素子配線切り替え手段である。ここで、１素子は、複数のセルにより構成されており、同じ素子内のセルの下部電極１０５は全て電気的に接続されている。素子配線切り替え手段５０２は、ＣＭＵＴの動作モードによって、素子５０１と検出・駆動手段２０２間の配線を切り替える手段である。コラプスモードの動作時では、各素子５０１内の下部電極１０５は、対応する各駆動・検出手段２０２に接続される（図５（ａ）の状態）。そのため、素子５０１の１つのサイズが、コラプスモードでの１素子のサイズとなる。

一方、コンベンショナルモードの動作時は、複数（ここでは４個）の素子５０１の下部電極１０５は、１つの駆動・検出手段２０２に接続される（図５（ｂ）の状態）。そのため、複数（４個）の素子５０１を合わせたサイズが、コンベンショナルモードでの１素子のサイズとなる。ここでは、利用したい周波数帯域が比較的高いコラプスモードにおいてより細かい素子ピッチとしたが、勿論、コラプスモードとコンベンショナルモード間で、この１素子のサイズの関係を逆にすることも可能である。

発明が解決しようとする課題のところで説明した様に、測定対象や測定方法によって、必要な周波数は異なる。同様に、必要とされる１素子のサイズも異なる場合がある。本実施形態を用いることで、同一構造の１つのＣＭＵＴで、異なる周波数及び異なる素子サイズを用いて測定を行うことができることになる。それにより、更に測定対象に適した測定を行うことができるため、より詳細な測定対象の情報を得ることができる。

（第７の実施形態）
次に、図５（ｃ）、（ｄ）を用いて第７の実施形態を説明する。第７の実施形態は、入出力信号の数に係る例に関する。それ以外は、第６の実施形態と同じである。本実施形態では、コラプスモードで動作している時は、トランスデューサの入出力信号数と同数の素子についてのみ、駆動・検出手段２０２に接続することを特徴とする。

図５（ｃ）、（ｄ）において、ＣＭＵＴ内の素子数をＸとし、ＣＭＵＴのコラプスモード動作時の素子数をＺとし（Ｘ＞Ｚ）、ＣＭＵＴからの入出力信号数も同数のＺ本であるとする。ここでは、Ｘ＝１６、Ｚ＝４であるとして説明する。図５（ｃ）のコラプスモードでの動作時は、素子配線切り替え手段５０２により、ＣＭＵＴ中央部のＺ個の素子５０１内の下部電極１０５は、それぞれＺ個の駆動・検出手段２０２に接続される。こうして、Ｚ本の信号としてＣＭＵＴから入出力される（図５（ｃ）の状態）。一方、（Ｘ-Ｚ）個の素子５０１内の下部電極１０５は、駆動・検出手段２０２には接続されず、超音波の送受信には使用されない。

次に、コンベンショナルモードでの動作時は、素子配線切り替え手段５０２により、複数（ここでは４個）の素子５０１の下部電極１０５毎に、１つの駆動・検出手段２０２に接続される。駆動・検出手段２０２はＺ個あり、Ｚ本の信号として入出力される（図５（ｄ）の状態）。この時は、ＣＭＵＴ内の素子５０１は全て超音波の送受信に使われている。この様に、コラプスモード時では、一部の素子を送受信に用いないことで、同一の出力線数で、コンベンショナルモードとコラプスモードに対応した信号を処理することができる。ここでも、コラプスモードとコンベンショナルモード間で、上記関係を逆にすることも可能である。また、コラプスモードではそれぞれの配線を隣接する素子に配線を接続したが、コンベンショナルモードでの素子間隔と同じ間隔離れた素子に接続してもよい。これにより、信号を受信する素子の間隔を変えることなく、送受信時の周波数特性だけを変更することができる。

本実施形態によると、コンベンショナルモードとコラプスモードを切り替えて、異なる素子サイズで駆動・検出を行った場合でも、線数が同一な入出力信号を用いることができる。そのため、信号線数が増大しすぎて配線や信号処理部に負荷をかける様なことがなく、必要な情報のみを効率良く取り出すことができる。

１０１…振動膜、１０２…上部電極（第１の電極）、１０４…空隙、１０５…下部電極（第２の電極）、２００…外部応力印加手段、２０１…直流電位印加手段（外部応力印加手段）、２０２…駆動・検出手段、２０３…交流電位発生手段（駆動手段）、２０５…電流検出手段（検出手段）、５０２…配線切り替え手段

Claims (13)

1. 空隙を挟んで対向して設けられた第１及び第２の電極を含むセルを有する静電容量型トランスデューサの制御装置であって、
   前記第２の電極を振動させ弾性波を送信するための駆動信号を前記セルに入力する駆動手段を備え、
   前記駆動手段は、前記セルをコラプスモードで駆動する場合の前記駆動信号が有する周波数成分の中心周波数を、前記セルをコンベンショナルモードで駆動する場合の前記駆動信号が有する周波数成分の中心周波数よりも、高くすることを特徴とする静電容量型トランスデューサの制御装置。
2. 空隙を挟んで対向して設けられた第１及び第２の電極を含むセルを有する静電容量型トランスデューサの制御装置であって、
   コンベンショナルモード又はコラプスモードの状態で、前記第２の電極が振動することにより流れる電流を検出する検出手段を備え、
   前記検出手段は、前記コラプスモードの場合の電流検出の周波数特性における中心周波数が、前記コンベンショナルモードの場合の電流検出の周波数特性における中心周波数よりも、高いことを特徴とする静電容量型トランスデューサの制御装置。
3. 空隙を挟んで対向して設けられた第１及び第２の電極を含むセルを有する静電容量型トランスデューサの制御装置であって、
   前記第２の電極を振動させ弾性波を送信するための駆動信号を前記セルに入力する駆動手段と、
   前記第２の電極が振動することにより流れる電流を検出する検出手段と、
   を備え、
   コラプスモードの場合の、前記駆動信号が有する周波数成分の中心周波数又は前記検出手段の電流検出の周波数特性における中心周波数は、コンベンショナルモードの場合の、前記駆動信号が有する周波数成分の中心周波数又は前記検出手段の電流検出の周波数特性における中心周波数よりも、高いことを特徴とする静電容量型トランスデューサの制御装置。
4. 前記セルは、前記第２の電極が設けられた振動膜と、前記振動膜を支持する支持部と、をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサの制御装置。
5. 前記第１及び第２の電極間に電圧を印加する印加手段が、前記第１及び第２の電極間に第１の電圧を印加することにより、前記第２の電極又は前記第２の電極が形成された振動膜が前記第１の電極側に接触していない非接触状態であるコンベンショナルモードとなり、
   前記印加手段が、前記第１及び第２の電極間に第２の電圧を印加することにより、前記第２の電極又は前記振動膜が前記第１の電極側に接触している接触状態であるコラプスモードとなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサの制御装置。
6. 前記印加手段は、前記第１及び第２の電極間に直流電圧を印加することにより前記コンベンショナルモードおよび前記コラプスモードを実現して、前記第２の電極の振動の応答周波数特性を変化させることを特徴とする請求項５に記載の静電容量型トランスデューサの制御装置。
7. 前記検出手段は、前記電流を電圧に変換する変換回路を備え、
   前記電流検出の周波数特性は、前記変換回路の電流−電圧変換の周波数特性であることを特徴とする請求項２又は３に記載の静電容量型トランスデューサの制御装置。
8. 前記変換回路は、
   トランスインピーダンス回路を含み、
   前記トランスインピーダンス回路のフィードバック部分のパラメータが変わることにより前記電流−電圧変換の周波数特性が変わることを特徴とする請求項７に記載の静電容量型トランスデューサの制御装置。
9. 前記変換回路は、
   周波数特性の異なる複数の電流検出部を有し、
   前記複数の電流検出部間で、動作する電流検出部を切り替えることにより前記電流検出の周波数特性が変わることを特徴とする請求項７に記載の静電容量型トランスデューサの制御装置。
10. 前記駆動信号は、正弦波、矩形波、単パルス波のうちいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１又は３に記載の静電容量型トランスデューサの制御装置。
11. 空隙を挟んで対向して設けられた第１及び第２の電極を含むセルを有する静電容量型トランスデューサの制御方法であって、
    前記第２の電極を振動させ弾性波を送信するための駆動信号を前記セルに入力するステップを有し、
    前記セルをコラプスモードで駆動する場合の前記駆動信号が有する周波数成分の中心周波数は、前記セルをコンベンショナルモードで駆動する場合の前記駆動信号が有する周波数成分の中心周波数よりも、高いことを特徴とする静電容量型トランスデューサの制御方法。
12. 空隙を挟んで対向して設けられた第１及び第２の電極を含むセルを有する静電容量型トランスデューサの制御方法であって、
    コンベンショナルモード又はコラプスモードの状態で、前記第２の電極が振動することにより流れる電流を検出するステップを有し、
    前記コラプスモードの場合の電流検出の周波数特性における中心周波数は、前記コンベンショナルモードの場合の電流検出の周波数特性における中心周波数よりも、高いことを特徴とする静電容量型トランスデューサの制御方法。
13. 空隙を挟んで対向して設けられた第１及び第２の電極を含むセルを有する静電容量型トランスデューサの制御方法であって、
    前記第２の電極を振動させ弾性波を送信するための駆動信号を前記セルに入力するステップと、
    前記第２の電極が振動することにより流れる電流を検出するステップと、
    を有し、
    コラプスモードの場合の、前記駆動信号が有する周波数成分の中心周波数又は前記検出手段の電流検出の周波数特性における中心周波数は、コンベンショナルモードの場合の、前記駆動信号が有する周波数成分の中心周波数又は前記検出手段の電流検出の周波数特性における中心周波数よりも、高いことを特徴とする静電容量型トランスデューサの制御方法。

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