JP2016099137A - Piezoelectric element, acoustic probe, and photoacoustic device - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子、その圧電素子を備えた音波プローブ、その音波プローブを備えた光音響装置に関し、特に測定精度を向上させた圧電素子、音波プローブ、および光音響装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element, a sound probe including the piezoelectric element, and a photoacoustic apparatus including the sound probe, and particularly relates to a piezoelectric element, a sound probe, and a photoacoustic apparatus with improved measurement accuracy.
圧電素子とは、圧電体の圧電効果を利用した受動素子であって、圧電体に加えられた力を電圧に変換する、または電圧を力に変換するものをいう。 A piezoelectric element is a passive element that utilizes the piezoelectric effect of a piezoelectric body, and converts a force applied to the piezoelectric body into a voltage or converts a voltage into a force.
圧電素子の用途には、外部から与えられた振動を圧電効果により電圧に変換し、振動を電気的に検出する振動センサや、電極に信号電圧を加えることにより圧電体が歪み、その振動を音(空気の振動)として聞く圧電スピーカを挙げることができる。その他にも、発電回路、駆動装置、ジャイロセンサ、圧力センサ、インクジェットプリンタ等に広く用いられている。 For piezoelectric element applications, vibration applied from the outside is converted into voltage by the piezoelectric effect, and a piezoelectric sensor is distorted by applying a signal voltage to a vibration sensor or an electrode that electrically detects the vibration. A piezoelectric speaker heard as (air vibration) can be mentioned. In addition, it is widely used in power generation circuits, driving devices, gyro sensors, pressure sensors, ink jet printers, and the like.
振動を電気的に検出する装置の一例として、光音響装置がある。「光音響装置」とは、光音響効果を利用した装置である。「光音響効果」とは、光エネルギーを吸収した分子が熱を放出し、その熱による体積膨張により音響波(疎密波)を発生する現象であり、発生した音響波は、圧電素子などにより検出される。
従来の光音響装置には、試料に光を照射することによって試料が発する光音響信号に基づいて画像処理を行う光音響映像装置に、超音波の送受波によって試料についての画像を得る超音波映像装置を備えた装置がある(例えば、特許文献1参照。)。特に図2には、従来の光音響映像装置が記載されており、圧電素子としてZnO圧電素子が記載されている(4段、19行)。
An example of a device that electrically detects vibration is a photoacoustic device. A “photoacoustic apparatus” is an apparatus that uses a photoacoustic effect. The “photoacoustic effect” is a phenomenon in which molecules that absorb light energy release heat and generate acoustic waves (dense / dense waves) due to volume expansion due to the heat. The generated acoustic waves are detected by a piezoelectric element or the like. Is done.
Conventional photoacoustic devices include a photoacoustic image device that performs image processing based on a photoacoustic signal emitted from a sample by irradiating the sample with light, and an ultrasonic image that obtains an image of the sample by transmitting and receiving ultrasonic waves. There exists an apparatus provided with the apparatus (for example, refer patent document 1). In particular, FIG. 2 describes a conventional photoacoustic image device, and describes a ZnO piezoelectric element as a piezoelectric element (four steps, 19 lines).
上記のような振動を電気的に検出しその検出量を解析する装置に用いられる圧電素子は、より検出精度が高いことが求められる。そこで本発明は、従来よりも検出精度を高めた圧電素子、その圧電素子を備えた音波プローブ、およびその音波プローブを備えた光音響装置を提供することを目的とする。 Piezoelectric elements used in apparatuses that electrically detect vibrations as described above and analyze their detection amounts are required to have higher detection accuracy. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric element with higher detection accuracy than the prior art, a sound probe including the piezoelectric element, and a photoacoustic apparatus including the sound probe.
上記課題を解決するための本発明の第1の態様に係る圧電素子10は、例えば図1に示すように、音波を受波し、受波した音波を電圧に変換する圧電体11と;圧電体11を挟む正負電極12と;圧電体11を覆う遮光透音材13であって、前記音波により圧電体11に生ずる圧電効果が測定可能な程度に前記音波を透過させ、光の照射により圧電体11に生ずる焦電効果を前記光を減衰することにより抑制する遮光透音材13とを備える。
なお、「圧電効果が測定可能な程度」とは、圧電効果により生じた電圧の電気信号の解析が可能な程度をいい、電気信号を増幅させて解析する場合をも含む。「減衰」とは、光を反射、散乱、屈折または吸収することをいう。
このように構成すると、試料に光を照射する光音響装置において、圧電体が光の照射により熱エネルギーを吸収し焦電効果が生じるのを抑制することができる。すなわち、圧電素子は圧電効果によりセンサとして機能する一方で、遮光透音材により圧電体への光の照射が抑制され圧電体に焦電効果が生じるのを抑制する。これにより、圧電効果による測定値が焦電効果の影響を受けることを抑制することができる。その結果、圧電素子の測定精度を向上させることができる。
The
Note that “the degree to which the piezoelectric effect can be measured” refers to the degree to which the electrical signal of the voltage generated by the piezoelectric effect can be analyzed, and includes the case where the electrical signal is amplified and analyzed. “Attenuation” refers to reflecting, scattering, refraction or absorption of light.
If comprised in this way, in the photoacoustic apparatus which irradiates light to a sample, it can suppress that a piezoelectric material absorbs a thermal energy by irradiation of light, and a pyroelectric effect arises. That is, the piezoelectric element functions as a sensor due to the piezoelectric effect, while the light shielding sound-transmitting material suppresses the irradiation of light to the piezoelectric body and suppresses the generation of the pyroelectric effect on the piezoelectric body. Thereby, it can suppress that the measured value by a piezoelectric effect receives to the influence of a pyroelectric effect. As a result, the measurement accuracy of the piezoelectric element can be improved.
本発明の第2の態様に係る圧電素子は、上記本発明の第1の態様に係る圧電素子10において、遮光透音材13の光透過性に対する音響透過性の比が、0.5以上である。
なお、「音響透過性」とは、遮光透音材を有しない場合に受波した音波エネルギーに対する、遮光透音材を有する場合に受波した音波エネルギーの比をいう。「光透過性」とは、遮光透音材を有しない場合に受波した光エネルギーに対する、遮光透音材を有する場合に受波した光エネルギーの比をいう。
このように構成すると、光透過性が音響透過性に対して十分に小さくなる。すなわち、音波エネルギーも若干損失するが、光エネルギーの損失も生ずる。その結果、光が照射されることにより生ずる焦電効果を効果的に抑制しながら、音波により生ずる圧電効果の測定行うことができる。
In the piezoelectric element according to the second aspect of the present invention, in the
“Sound transmissivity” refers to the ratio of the sound wave energy received when the light-shielding sound-transmitting material is provided to the sound wave energy received when the light-blocking sound-transmitting material is not provided. “Light transmissivity” refers to the ratio of the light energy received when the light-shielding sound-transmitting material is provided to the light energy received when the light-shielding sound-transmitting material is not provided.
If comprised in this way, light transmittance will become small enough with respect to sound transmittance. That is, the sound wave energy is also slightly lost, but the light energy is also lost. As a result, the piezoelectric effect caused by the sound wave can be measured while effectively suppressing the pyroelectric effect caused by the light irradiation.
本発明の第3の態様に係る圧電素子は、上記本発明の第2の態様に係る圧電素子10において、前記音響透過性が前記光透過性よりも大きい。
このように構成すると、音波が遮光透音材を透過する割合は、光が遮光透音材を透過する割合よりも大きいため、遮光透音材による音波エネルギーの損失はあるとしても光エネルギーの損失よりも少ない。その結果、光の照射により生ずる焦電効果を特に効果的に抑制しながら、音波により生ずる圧電効果の測定を行うことができる。
In the piezoelectric element according to the third aspect of the present invention, in the
With this configuration, since the rate at which sound waves pass through the light-blocking sound-transmitting material is greater than the rate at which light passes through the light-blocking sound-transmitting material, even if there is a loss of sound wave energy due to the light-blocking sound-transmitting material, the loss of light energy Less than. As a result, it is possible to measure the piezoelectric effect caused by sound waves while suppressing the pyroelectric effect caused by light irradiation particularly effectively.
本発明の第4の態様に係る圧電素子は、上記本発明の第1乃至第3の態様のいずれか1の態様に係る圧電素子10において、圧電体11が、照射された光を吸収した光吸収体により生ずる前記音波を受波し、遮光透音材13が、前記音波により圧電体11に生ずる圧電効果が測定可能な程度に、前記光により圧電体11に生ずる焦電効果を抑制する。
このように構成すると、光を照射された光吸収体が発する音波を圧電体が受波すると共に、光吸収体に照射された光が、直接または反射等により圧電体に照射される場合であっても、圧電体が遮光透音材により覆われているため光を遮断(または減衰)することができる。さらに、遮光透音材が圧電効果を測定可能な程度に光を遮断等するため、遮光透音材を備える圧電素子は、圧電効果の測定精度を向上させることができる。
The piezoelectric element according to the fourth aspect of the present invention is the light in which the
With this configuration, the piezoelectric body receives a sound wave emitted from the light absorber irradiated with light, and the light irradiated to the light absorber is irradiated to the piezoelectric body directly or by reflection. However, since the piezoelectric body is covered with the light-blocking sound-transmitting material, light can be blocked (or attenuated). Furthermore, since the light-blocking sound-transmitting material blocks light to such an extent that the piezoelectric effect can be measured, the piezoelectric element including the light-blocking sound-transmitting material can improve the measurement accuracy of the piezoelectric effect.
本発明の第5の態様に係る圧電素子は、上記本発明の第1乃至第4の態様のいずれか1の態様に係る圧電素子10において、遮光透音材13が、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、シリコン系樹脂、エポキシ樹脂からなる群から選択された少なくとも1種の樹脂、またはアルミニウムから形成される。
このように構成すると、遮光透音材を適切な材料で製造することができる。
The piezoelectric element according to a fifth aspect of the present invention is the piezoelectric element according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, wherein the light-shielding sound-transmitting
If comprised in this way, a light-shielding sound-transmitting material can be manufactured with a suitable material.
本発明の第6の態様に係る圧電素子は、上記本発明の第5の態様に係る圧電素子10において、遮光透音材13が、前記少なくとも1種の樹脂から形成され、遮光透音材13が、光の反射、散乱、屈折または吸収を向上させるフィラーを含有し、前記フィラーが、粒状または粉末状のタルク、マイカ、シリカ、アルミナ、カオリン、フェライト、チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ニッケル、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、ガラス粉、石英粉末、黒鉛、無機顔料、有機金属塩、他の酸化金属、繊維状の炭素繊維、ガラス繊維、アスベスト繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維、チタン酸カリ繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種である。
このように構成すると、光を反射、散乱、屈折または吸収するフィラーとして適切なフィラーを選択することができる。
The piezoelectric element according to the sixth aspect of the present invention is the same as the
With this configuration, an appropriate filler can be selected as a filler that reflects, scatters, refracts, or absorbs light.
本発明の第7の態様に係る圧電素子は、上記本発明の第6の態様に係る圧電素子10において、前記フィラーが白色である。
このように構成すると、より光を減衰させる遮光透音材を備えた圧電素子を形成することができる。
In the piezoelectric element according to the seventh aspect of the present invention, in the
If comprised in this way, the piezoelectric element provided with the light-shielding sound-transmitting material which attenuates light more can be formed.
本発明の第8の態様に係る音波プローブ20は、例えば図2に示すように、上記本発明の第1乃至第7の態様のいずれか1の態様に係る圧電素子10と;圧電素子10を支持する支持ケース21とを備える。
このように構成すると、圧電素子に光が照射されるような環境で音波プローブを使用した場合であっても、光の照射による焦電効果を抑制し、受波した音波による圧電効果に基づく電圧をより正確に測定することができる。
The
With this configuration, even when a sound wave probe is used in an environment where light is irradiated to the piezoelectric element, the pyroelectric effect due to light irradiation is suppressed, and the voltage based on the piezoelectric effect due to the received sound wave Can be measured more accurately.
本発明の第9の態様に係る光音響装置50は、例えば図2、3に示すように、前記光を放射する光源31と;光源31から放射された光を、被検体に照射する光照射部と;上記本発明の第6の態様に係る音波プローブ20と;これらの機器を制御し、信号の発信・受信および記録・解析等を行う信号処理装置40とを備える。
なお、「光照射部」とは、光源装置において光源から放射された光を被検体まで届ける部分をいう。
このように構成すると、圧電素子は、音波に比べて光を遮断する効果の高い材料により製造された遮光透音材を備える。そのため、被検体に照射される光が直接または反射等により圧電素子に照射された場合であっても、光の照射により生じる焦電効果を効果的に抑制することができる。そのため、光音響装置の測定精度を向上させることができる。
The
Note that the “light irradiator” refers to a portion that delivers light emitted from a light source to a subject in the light source device.
If comprised in this way, a piezoelectric element is equipped with the light-shielding sound-transmitting material manufactured with the material with the high effect of interrupting | blocking light compared with a sound wave. Therefore, even when the light applied to the subject is applied to the piezoelectric element directly or by reflection, the pyroelectric effect caused by the light irradiation can be effectively suppressed. Therefore, the measurement accuracy of the photoacoustic apparatus can be improved.
本発明の第10の態様に係る光音響装置は、上記本発明の第9の態様に係る光音響装置において、前記圧電素子が振動して音波を発生するように、前記圧電素子に電圧を加えるパルス電圧発生器を備え;前記圧電素子が、前記圧電素子から発生した音波の反射波を受波する。
このように構成すると、圧電素子は音波(特に超音波)の送受が可能となり、画像(特に超音波画像)が取得できるため好ましい。
A photoacoustic apparatus according to a tenth aspect of the present invention is the photoacoustic apparatus according to the ninth aspect of the present invention, wherein a voltage is applied to the piezoelectric element so that the piezoelectric element vibrates and generates a sound wave. A pulse voltage generator; and the piezoelectric element receives a reflected wave of a sound wave generated from the piezoelectric element.
Such a configuration is preferable because the piezoelectric element can transmit and receive sound waves (particularly ultrasonic waves) and can acquire images (particularly ultrasonic images).
本発明の第11の態様に係る遮光透音材は、ポリフッ化ビニリデン系樹脂と;粒状または粉末状のタルク、マイカ、シリカ、アルミナ、カオリン、フェライト、チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ニッケル、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、ガラス粉、石英粉末、黒鉛、無機顔料、有機金属塩、他の酸化金属、繊維状の炭素繊維、ガラス繊維、アスベスト繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維、チタン酸カリウム繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種のフィラーとを含有し;音響透過性が光透過性よりも大きい。
このように構成すると、音波が遮光透音材を透過する割合は、光が遮光透音材を透過する割合よりも高いため、遮光透音材による音波エネルギーの損失はあるとしても光エネルギーをより損失させる遮光透音材を得ることができる。
The light-shielding sound-transmitting material according to the eleventh aspect of the present invention includes a polyvinylidene fluoride resin; granular or powdered talc, mica, silica, alumina, kaolin, ferrite, potassium titanate, titanium oxide, zinc oxide, and oxide. Iron, magnesium hydroxide, calcium carbonate, nickel carbonate, calcium sulfate, barium sulfate, aluminum hydroxide, glass powder, quartz powder, graphite, inorganic pigments, organic metal salts, other metal oxides, fibrous carbon fibers, glass fibers , Containing at least one filler selected from the group consisting of asbestos fiber, silica fiber, alumina fiber, zirconia fiber, boron nitride fiber, silicon nitride fiber, boron fiber, and potassium titanate fiber; Greater than sex.
With this configuration, the rate at which sound waves pass through the light-blocking sound-transmitting material is higher than the rate at which light passes through the light-blocking sound-transmitting material. A light-shielding sound-transmitting material to be lost can be obtained.
本発明の第12の態様に係る遮光透音材は、上記本発明の第11の態様に係る遮光透音材において、前記フィラーが白色である。
このように構成すると、より光を減衰させる遮光透音材を形成することができる。
The light-blocking sound-transmitting material according to the twelfth aspect of the present invention is the light-blocking sound-transmitting material according to the eleventh aspect of the present invention, wherein the filler is white.
If comprised in this way, the light-shielding sound-transmitting material which attenuates light more can be formed.
本発明によれば、振動を電気的に検出する装置に用いられる圧電素子において、圧電体に同時に生じ得る焦電効果を抑制する。そのため、従来よりも素子の検出精度を向上させることができる。また、その圧電素子を備えた音波プローブおよび光音響装置は、圧電素子に生ずる焦電効果を抑制しているため、プローブおよび装置の測定精度を向上させることができる。 According to the present invention, in a piezoelectric element used in a device that electrically detects vibration, the pyroelectric effect that can occur simultaneously in the piezoelectric body is suppressed. Therefore, the detection accuracy of the element can be improved as compared with the conventional case. In addition, since the acoustic probe and the photoacoustic apparatus provided with the piezoelectric element suppress the pyroelectric effect generated in the piezoelectric element, the measurement accuracy of the probe and the apparatus can be improved.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一または相当する部分には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。また、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the present invention is not limited to the following embodiment.
圧電体は、応力を加えることにより分極(および電圧)が生じる誘電体であり、逆に電圧を印加することで応力および変形が生じる。圧電体のうち、外から電界を与えなくても自発的な分極を有しているものを特に焦電体という。焦電体は、微小な温度変化に応じて誘電分極(およびそれによる起電力)が生じる性質を有する。
圧電体を用いた圧電素子の用途の中で、外部から与えられた振動を圧電効果により電圧に変換し、振動を電気的に検出し、検出された信号に基づいて精密な測定や解析が行われる装置は多様に存在する。本発明者等は、このような圧電素子を用いた測定において、圧電効果と同時に焦電効果が圧電体に生じ、検出される信号が焦電効果の影響を受け、測定が正確にできない場合があることを見出した。その上で、圧電体に生ずる焦電効果を抑制できるように圧電素子を構成すると、その素子を用いた装置の測定精度を格段に向上させることを見出し、本発明を完成させた。
A piezoelectric body is a dielectric that generates polarization (and voltage) when stress is applied. Conversely, stress and deformation occur when voltage is applied. Among piezoelectric bodies, those that spontaneously polarize without applying an electric field from the outside are called pyroelectric bodies. The pyroelectric material has a property that dielectric polarization (and electromotive force caused by it) occurs in response to a minute temperature change.
Among the applications of piezoelectric elements using piezoelectric materials, vibrations applied from the outside are converted into voltages by the piezoelectric effect, and vibrations are electrically detected, and precise measurement and analysis are performed based on the detected signals. There are a variety of devices. In the measurement using such a piezoelectric element, the present inventors may have a pyroelectric effect on the piezoelectric body simultaneously with the piezoelectric effect, and the detected signal may be affected by the pyroelectric effect, and the measurement may not be accurate. I found out. In addition, it has been found that if the piezoelectric element is configured so as to suppress the pyroelectric effect generated in the piezoelectric body, the measurement accuracy of the apparatus using the element can be greatly improved, and the present invention has been completed.
[圧電素子]
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る圧電素子について説明する。図1は、圧電素子10の厚さに対する垂直方向の断面を示す縦断面図である。図1に示すように、圧電素子10は、圧電体11と、圧電体11を上下から挟む集電のための電極12(正負電極)と、遮光透音材としての保護フィルム13、および引出ケーブル14を含んで構成される。なお、図1に示す各層の厚さは誇張されており、実際の厚さを示すものではない。保護フィルム13は、電極12の片側表面を覆い保護するフィルムとしても機能する。
なお、保護フィルム13は、圧電体11が音波等の振動を受動する面側(例えば片面または両面)に設けられることが好ましい。すなわち、保護フィルム13は、光が直接または反射等により圧電体11に照射するのを遮るように配置することが好ましい。したがって、保護フィルム13を、電極12を介して圧電体11に積層してもよく、圧電体と離間して配置してもよい。
[Piezoelectric element]
A piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a section in a direction perpendicular to the thickness of the
In addition, it is preferable that the
・圧電体
圧電体11には、圧電性高分子のフィルムを用いることができる。圧電性高分子フィルムは、重合体の溶融体または溶液からフィルムを作成し分極処理することにより得ることができる。具体的には、フッ化ビニリデン系高分子、シアン化ビニリデン系共重合体等、特に限定されず、周知の圧電性高分子を用いることができる。圧電性高分子は、柔軟性に富み加工し易く、軽量であり、薄く成形することができる。中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)一軸延伸フィルムおよびフッ化ビニリデン−3フッ化エチレン共重合体(P(VDF‐TrFE))フィルムが好ましい。ポリフッ化ビニリデン一軸延伸フィルムは、ポリフッ化ビニリデンを一軸延伸後に分極処理を施すことにより得ることができる。また、フッ化ビニリデン−3フッ化エチレン共重合体フィルムは、フッ化ビニリデンを主成分とし(すなわち50重量%以上含有する)、フッ化ビニリデン−3フッ化エチレン共重合体を延伸することなく分極処理することにより得ることができる。両フィルムとも任意の面積に加工し易く、薄く成形でき、工業的生産に適している。また、フッ化ビニリデン−3フッ化エチレン共重合体フィルムは、一軸延伸等の延伸工程を経ることなく製造できるため、延伸により生ずる収縮を抑制することができる。
Piezoelectric body The
圧電体11は、圧電性セラミックスであってもよい。圧電性セラミックスは、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸鉛(PbTiO3)等の高純度の粉体を高温で焼き固めた多結晶体セラミックスであり、これを分極処理することにより得られる。また、圧電体11は、主な材料に酸化亜鉛(ZnO)や、単結晶の水晶、ニオブ酸リチウムを用いた圧電体であってもよい。
The
・電極
電極12には、白金(Pt)や金(Au)などの金属電極や、カーボン電極を用いることができる。
-Electrode The
・遮光透音材に用いる樹脂または金属
遮光透音材としての保護フィルム13は、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、シリコン系樹脂、エポキシ樹脂からなる群から選択された少なくとも1種の樹脂、またはアルミニウムから形成される。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンのホモポリマー(すなわち、ポリフッ化ビニリデン;PVDF)、およびフッ化ビニリデンを主構成単位とする、フッ化ビニリデンと他の共重合可能なモノマーとの共重合体を挙げることができる。フッ化ビニリデンとの共重合体としては、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体が好適なものとして挙げられる。これらのポリフッ化ビニリデン系樹脂は、それぞれ単独で、あるいは2種類以上を組み合わせて使用することができる。ポリフッ化ビニリデン系樹脂の中でも、耐汚染性、耐オゾン性、耐溶剤性の観点からは、フッ化ビニリデンのホモポリマーであるPVDFが好ましい。柔軟性や引き裂き強度の観点からは、フッ化ビニリデンを主構成単位とするフッ化ビニリデン共重合体を単独で、あるいはPVDFとブレンドして使用することが好ましい。接着性を向上させるには、官能基を導入したフッ化ビニリデン共重合体が好適に使用される。なお、遮光透音材と圧電体をPVDFで形成するように、遮光透音材と圧電体の材料を同一にするとインピーダンスを揃えることができるため好ましい。
シリコン系樹脂としては、代表的にはジメチルポリシロキサンを挙げることができ、またシリコーンゴムも用いることが可能である。
エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂を代表として挙げることができる。
アルミニウムとしては、アルミ箔であってもアルミ蒸着フィルムであってもよい。アルミ蒸着フィルムは、アルミニウムの厚みを容易に変更でき、均一に蒸着できるため好ましい。
Resin or metal used for light-blocking sound-transmitting material The
Polyvinylidene fluoride resins include homopolymers of vinylidene fluoride (that is, polyvinylidene fluoride; PVDF), and copolymerization of vinylidene fluoride and other copolymerizable monomers having vinylidene fluoride as the main structural unit. Coalescence can be mentioned. As the copolymer with vinylidene fluoride, a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, a vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, or a vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer is suitable. It is mentioned as a thing. These polyvinylidene fluoride resins can be used alone or in combination of two or more. Among the polyvinylidene fluoride resins, PVDF which is a homopolymer of vinylidene fluoride is preferable from the viewpoint of contamination resistance, ozone resistance, and solvent resistance. From the viewpoint of flexibility and tear strength, it is preferable to use a vinylidene fluoride copolymer having vinylidene fluoride as a main structural unit alone or blended with PVDF. In order to improve adhesiveness, a vinylidene fluoride copolymer into which a functional group is introduced is preferably used. Note that it is preferable to use the same material for the light-shielding sound-transmitting material and the piezoelectric material so that the light-shielding sound-transmitting material and the piezoelectric material are made of PVDF because impedances can be made uniform.
A typical example of the silicon-based resin is dimethylpolysiloxane, and silicone rubber can also be used.
A representative example of the epoxy resin is a bisphenol A type epoxy resin.
Aluminum may be an aluminum foil or an aluminum vapor deposition film. An aluminum vapor deposition film is preferable because the thickness of aluminum can be easily changed and vapor deposition can be performed uniformly.
・遮光透音材に用いるフィラー
遮光透音材としての保護フィルム13は、光の反射、散乱、屈折または吸収を向上させるフィラーを含んでいてもよい。
フィラーとしては、粒状または粉末状のタルク、マイカ、シリカ、アルミナ、カオリン、フェライト、チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ニッケル、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、ガラス粉、石英粉末、黒鉛、無機顔料、有機金属塩、他の酸化金属、カーボン、繊維状の炭素繊維、ガラス繊維、アスベスト繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維、チタン酸カリウム繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種のフィラーを挙げることができる。
特に光の反射、散乱、屈折または吸収を向上させる白色のフィラーが好ましい。
-Filler used for light-blocking sound-transmitting material The
As filler, granular or powdered talc, mica, silica, alumina, kaolin, ferrite, potassium titanate, titanium oxide, zinc oxide, iron oxide, magnesium hydroxide, calcium carbonate, nickel carbonate, calcium sulfate, barium sulfate, Aluminum hydroxide, glass powder, quartz powder, graphite, inorganic pigment, organic metal salt, other metal oxides, carbon, fibrous carbon fiber, glass fiber, asbestos fiber, silica fiber, alumina fiber, zirconia fiber, boron nitride fiber And at least one filler selected from the group consisting of silicon nitride fiber, boron fiber, and potassium titanate fiber.
In particular, a white filler that improves reflection, scattering, refraction, or absorption of light is preferable.
フィラーは、遮光透音材としての保護フィルム13を形成する樹脂100重量部に対して、1〜55重量部含有することが好ましく、より好ましくは2〜50重量部、さらに好ましくは3〜45重量部含有される。1重量部以上であると光の反射、散乱、屈折または吸収の効果を十分に得ることができ、55重量部以下であると樹脂とフィラーを容易に混練することができる。
フィラーの平均粒径は、0.1〜10μmの範囲であり、好ましくは0.2〜6μmの範囲である。またフィラーの平均粒径は得られる保護フィルム13の機械的強度を考慮して、フィルム厚に対して1.5倍以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.8倍以下である。0.1μm以上であると光の反射、散乱、屈折または吸収の効果を十分に得ることができ、10μm以下であるとフィルムの厚さを十分に薄くできる。
なお「平均粒子径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径を意味する。
The filler is preferably contained in an amount of 1 to 55 parts by weight, more preferably 2 to 50 parts by weight, and still more preferably 3 to 45 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin forming the
The average particle size of the filler is in the range of 0.1 to 10 μm, preferably in the range of 0.2 to 6 μm. The average particle size of the filler is preferably 1.5 times or less, more preferably 0.8 times or less with respect to the film thickness in consideration of the mechanical strength of the
The “average particle size” means the particle size at an integrated value of 50% in the particle size distribution obtained by the laser diffraction / scattering method.
遮光透音材としての保護フィルム13は、樹脂とフィラーから公知の方法により製造することができる。すなわち、樹脂とフィラーからロール、ブラベンダー、混練押出機等により組成物を得た後、プレス、Tダイやインフレーション法による溶融押出製膜等によりフィルム状に成形すればよい。
The
保護フィルム13は、遮光透音材として機能する。すなわち、保護フィルム13で、圧電体11を照射する光を遮るように覆うことにより、音波の透過に比べ光の透過をより遮断する。その結果、圧電体11には圧電効果が生じるが、一方で光の照射による熱エネルギーを吸収した圧電体11に焦電効果が生じるのを抑制することができる。このように、受動したい振動は音波であるが、圧電素子を光の照射の影響を受けるような環境で使用する場合に、遮光透音材として機能する保護フィルム13で圧電体11を覆うことにより、焦電効果を抑制し圧電効果による測定精度を高めることができる。
The
遮光透音材で圧電体を覆った場合、受波する音波も若干減衰する。しかし、本願で用いる遮光透音材は、圧電体に生ずる圧電効果が測定可能な程度に音波を透過させる。一方で、光の透過をより遮断し焦電効果を抑制する。遮光透音材の有する光透過性に対する音響透過性の比は、0.5以上であることが好ましく、より好ましくは0.8以上、さらに好ましくは1.0以上、特に好ましくは1.4以上である。
なお、「音響透過性」とは、遮光透音材を有しない場合に受波した音波エネルギーに対する、遮光透音材を有する場合に受波した音波エネルギーの比をいう。「光透過性」とは、遮光透音材を有しない場合に受波した光エネルギーに対する、遮光透音材を有する場合に受波した光エネルギーの比をいう。「光透過性に対する音響透過性の比」とは、「音響透過性」を「光透過性」で除した値をいう。
音響透過性=受波した音波(遮光透音材有)/受波した音波(遮光透音材無)
光透過性=受波した光(遮光透音材有)/受波した光(遮光透音材無)
例えば、遮光透音材により音波が50%減衰し、光が50%減衰した場合は、どちらも50%透過したと考えられるため、「光透過性に対する音響透過性の比」は0.5/0.5=1となる。本願の遮光透音材は、「光透過性に対する音響透過性の比」が0.5以上であると、焦電効果を抑制し圧電効果による測定精度を十分に向上させることができる。
When the piezoelectric material is covered with the light-shielding sound-transmitting material, the received sound wave is slightly attenuated. However, the light-shielding sound-transmitting material used in the present application transmits sound waves to such an extent that the piezoelectric effect generated in the piezoelectric body can be measured. On the other hand, the transmission of light is further blocked to suppress the pyroelectric effect. The ratio of sound transmittance to light transmittance of the light-shielding sound-transmitting material is preferably 0.5 or more, more preferably 0.8 or more, still more preferably 1.0 or more, and particularly preferably 1.4 or more. It is.
“Sound transmissivity” refers to the ratio of the sound wave energy received when the light-shielding sound-transmitting material is provided to the sound wave energy received when the light-blocking sound-transmitting material is not provided. “Light transmissivity” refers to the ratio of the light energy received when the light-shielding sound-transmitting material is provided to the light energy received when the light-shielding sound-transmitting material is not provided. The “ratio of sound transmission to light transmission” refers to a value obtained by dividing “acoustic transmission” by “light transmission”.
Sound permeability = received sound wave (with light-blocking sound-transmitting material) / received sound wave (without light-blocking sound-transmitting material)
Light transmission = received light (with light shielding sound transmitting material) / received light (without light shielding sound transmitting material)
For example, when the sound wave is attenuated by 50% and the light is attenuated by 50% by the light-shielding sound-transmitting material, it is considered that both transmit 50%. Therefore, the “ratio of sound transmittance to light transmittance” is 0.5 / 0.5 = 1. When the “ratio of sound transmittance to light transmittance” is 0.5 or more, the light-shielding sound-transmitting material of the present application can suppress the pyroelectric effect and sufficiently improve the measurement accuracy due to the piezoelectric effect.
圧電素子10を構成する圧電体11にポリフッ化ビニリデン(PVDF)一軸延伸フィルムまたはフッ化ビニリデン−3フッ化エチレン共重合体(P(VDF‐TrFE))フィルムを用いた場合、その厚さは例えば20〜55μm程度である。集電のための電極12にカーボン電極を用いた場合、高分子フィルムの両面に蒸着するカーボン電極の厚さは、それぞれ1μm程度である。カーボン電極の片側表面に貼付した保護フィルム13の厚さは数十μm程度である。したがって、保護フィルム13を含めた圧電素子10の総厚は約100μm以下であり、薄く軽量である。なお、圧電体11、カーボン電極12、保護フィルム13の厚さは適宜変更してもよく、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)一軸延伸フィルムまたはフッ化ビニリデン−3フッ化エチレン共重合体(P(VDF‐TrFE))フィルムの厚さをさらに薄くすることも可能である。例えば、遮光透音材としての保護フィルム13の厚さは、フィルムの材質や、フィラーを含有する場合はその平均粒径により適宜変更する。例えば、1〜1000μm、好ましくは10〜500μmである。アルミ箔では、焦電効果をより抑制するためには15〜30μmが好ましく、より好ましくは20〜25μmである。
When a polyvinylidene fluoride (PVDF) uniaxially stretched film or a vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer (P (VDF-TrFE)) film is used for the
本発明の第1の実施の形態に係る圧電素子10では、圧電体11に生じる焦電効果を抑制するために、圧電体11に照射する光を遮断する構成とした。しかし、圧電体に焦電効果を生じさせる要因は光に限られない。したがって、圧電素子を使用する環境に応じて、熱エネルギー等の焦電効果を生じさせる要因を保護フィルム(例えば断熱材等)を用いて減少させることにより、圧電効果により生ずる電圧の検知をより正確に行うことができ、このような圧電素子を用いた装置の精度をより高めることができる。
The
[音波プローブ]
図2を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る音波プローブ20について説明する。音波プローブ20は、第1の実施の形態に係る圧電素子10を備える。圧電体11により受波した音波は、電圧に変換され、電気信号として電極12から引き出しケーブル14を経由して、コネクタ22まで送られる。さらには、光音響装置50が備える信号処理装置40に送られ解析・処理される。圧電素子を支持する支持ケース21の形状は限られない。測定の際に把持しやすい形状であってもよい。なお、「音波プローブ」には、ハイドロフォンも含まれる。
[Sound probe]
With reference to FIG. 2, the
[光音響装置]
図2、3を参照して、本発明の第3の実施の形態に係る光音響装置50について説明する。光音響装置50は、被検体(例えば生体)内の光学特性を解析・診断するものである。光音響装置50は、音波プローブ20、光源装置30、信号処理装置40を備える。光源装置30は、光を放射する光源31と、光源31から放射された光を被検体に照射する光照射部とを備える。光照射部は光を被検体に照射できる構成であればよく、例えば、光を所定周波数で断続光にチョッピングする光チョッパ、集光レンズ、光を伝播する光ファイバーを備えてもよく、反射光を用いる場合はミラーを備えてもよい。さらには、光を単一波長に設定するための分光器や波長可変駆動装置を備えてもよい。信号処理装置40は、音波プローブ20から送られた電気信号を解析・診断できる装置であればよく、例えば図31に示すような信号処理機41、パーソナルコンピュータ42、パルス発生器43等から構成された機器群であってもよい。
被検体内に入射した光は、被検体内に存在する光吸収体により吸収される。光の吸収により光吸収体は超音波(音響波)を発する。音波プローブ20は、光吸収体が発する音響波を受波する。受波した音響波は、超音波プローブが有する圧電素子により電圧に変換され電気信号として信号処理装置40に送られ、記録、解析、診断、画像処理等が行われる。画像処理信号は、画像表示装置(不図示)に送られ画像として表示される。なお、信号処理装置40は、増幅器(アンプ)を備えてもよく、圧電素子から得られた電気信号が小さい場合は、この増幅器を用いて電気信号の強度を増幅させることが好ましい。
また、図3のセンサ20a(音波プローブ20の一実施例)は1台であるが、センサを複数台備え被検体を複数の箇所から測定してもよい。
光音響装置50は、音波プローブ20、光源装置30、信号処理装置40をそれぞれ個別に構成してもよく、一体として構成してもよい。また、光源装置30のみを個別に構成し他を一体として構成してもよい。このように、装置の構成は適宜変更してもよい。
なお、音波プローブ20と被検体の間には、音波の反射を抑えるための音響インピーダンスマッチング材を使用することが好ましい。例えば、空気の音響インピーダンスは被検体としての生体組織と比べてはるかに小さいため、音波プローブ20と被検体との間に空気が介在すると音波は内部に入り込めず、被検体表面で反射されてしまう。そこで、生体の音響インピーダンスに近い物質(音響インピーダンスマッチング材)を介在させて空気を排除し、音波を入りこみやすくする。音響インピーダンスマッチング材により、音波の反射の影響をうけない、かつ、周波数特性評価に影響を与えない条件でデータ取得ができる。
[Photoacoustic device]
A
The light that has entered the subject is absorbed by the light absorber present in the subject. The light absorber emits ultrasonic waves (acoustic waves) by absorbing light. The
Further, although there is one
In the
In addition, it is preferable to use an acoustic impedance matching material for suppressing reflection of sound waves between the
信号処理装置40は、得られた電気信号を解析する。これにより、被検体の光学特性値の分布情報を得ることができる。例えば、電気信号に基づいて、光吸収体の位置や大きさを知ることができる。または、光吸収係数あるいは光エネルギー堆積量分布などの光学特性値の分布を計算してもよい。
信号処理装置40は、時間の経過に合わせて得られた電気信号の強度(すなわち超音波の強度)変化を記憶し、それを信号処理装置40の有する演算手段により、光学特性値分布のデータに変換できるものであってもよい。例えば、オシロスコープとデータ解析可能なコンピュータとを組み合わせてもよい。
The
The
光源31にはレーザー光が好ましい。レーザー光としては、固体レーザー、液体(色素)レーザー、ガスレーザー、半導体レーザー、非線形素子による波長変換レーザーなどを挙げることができる。または、光源31は、光パラメトリック発振、レーザーダイオード(LD)励起、発光ダイオード(LED)であってもよい。または、ハロゲンランプ、グローバー、白熱炭素棒、キセノンランプ、水銀ランプ、水銀キセノンランプ、閃光ランプ等の連続スペクトル光源であってもよい。または、通常の光のうち非干渉性を有するものであってもよい。光源から放射される光の波長は、特に制限されず、可視光領域、紫外光領域、赤外光領域などであってもよい。なお、連続光は、光チョッパを備えることより断続光とすることが好ましい。
レーザー光を用いると、測定対象部分に光を集中させることができるという利点がある。発光ダイオード(LED)を用いると、消費電力が低く省エネ効果が高い。
The
When laser light is used, there is an advantage that light can be concentrated on the measurement target portion. When a light emitting diode (LED) is used, the power consumption is low and the energy saving effect is high.
光源31からの光は、光ファイバーを通じて被検体まで伝搬され、被検体に照射される。被検体内で光は、透過、散乱および反射等しながら進む。光ファイバーを使用すると、光の散乱を抑制でき効率的な照射が可能である。また、光ファイバーはフレキシブルなので、光源の設置位置に関わらず、光を移動させて被検体の検査箇所に自由に当てることができる。光ファイバーは、光ファイバー1本で形成してもよく複数の光ファイバーを束にして形成してもよい。なお、光ファイバーに変えて、光を空中伝播させてもよい。
The light from the
光音響装置50は、さらにパルス電圧発生器(不図示)を備えてもよい。パルス電圧発生器により発生させたパルス信号を音波プローブ20の備える圧電体11に送ることにより、圧電体11が振動し超音波が発生する。圧電体11はさらに、その超音波の反射波を受信して、記録、解析、診断、画像処理等を行う。画像処理信号は、画像表示装置(不図示)に送られ画像として表示される。
このように構成すると、同一被検体の、音響波に基づく画像と超音波の送受波に基づく画像とを画像表示装置に同時に並べて表示させたり、重畳して表示させることができるため好ましい。
The
Such a configuration is preferable because an image based on an acoustic wave and an image based on a transmission / reception wave of an ultrasonic wave of the same subject can be displayed side by side on the image display device or displayed in a superimposed manner.
本願の光音響装置は、圧電素子10の受波面に対向する位置から被検体に対して光を照射してもよい。照射された光が被検体を透過して直接音波プローブの圧電素子に入射した場合であっても、遮光透音材を備えているため、光の照射により圧電体に生じる焦電効果をより抑えることができる。よって、光音響装置はより精度の高い測定が可能となる。また、このような構成とすると、光は被検体を挟んで圧電素子の受波面に対向する位置から照射されるので、被検体が小さく光源装置と音波プローブとを並べて配置できないような場合でも測定が可能である。
また、光の照射は、圧電素子10の受波面と並ぶような位置から被検体に行ってもよい。照射された光が被検体内部で反射し音波プローブの圧電素子に入射した場合であっても、遮光透音材を備えているため、光の照射による圧電体に生じる焦電効果をより抑えることができる。よって、光音響装置はより精度の高い測定が可能となる。また、このような構成とすると、光は圧電素子の受波面と並ぶような位置から照射されるので、光が直接音波プローブに入射することがなく、光音響装置の測定精度の向上効果が高い。
The photoacoustic apparatus of the present application may irradiate the subject with light from a position facing the wave receiving surface of the
Further, the light irradiation may be performed on the subject from a position that is aligned with the wave receiving surface of the
検出精度を向上させた本願の光音響装置は、例えば、半導体製造プロセスにおける欠陥の検出、不透明物質の吸収スペクトルの測定、固体内部のイメージング像の検出等に有効である。また、医学分野において、光音響効果を使って生体内部の画像情報を得ることも有効である。 The photoacoustic apparatus of the present application with improved detection accuracy is effective, for example, for detecting defects in semiconductor manufacturing processes, measuring absorption spectra of opaque substances, and detecting imaging images inside solids. In the medical field, it is also effective to obtain image information inside the living body using the photoacoustic effect.
以下に、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。しかし本発明は、以下の実施例に記載された内容に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the contents described in the following examples.
下記実施例では、遮光透音材としての保護フィルムに関し、
(1)保護フィルム(遮光透音材)を貼り付けたことによる焦電信号の変化
(2)保護フィルム(遮光透音材)を貼り付けたことによる音響信号の変化
(3)動物実験での測定波形、を示す。
保護フィルムは、焦電性を抑制するか、および音響波を透過するかを評価した。なお、音響波評価実験では音響信号を正確に把握できる、焦電信号が出ないセットアップを使用しているため、焦電性を考慮する必要はないと考える。
In the following examples, regarding a protective film as a light shielding sound-transmitting material,
(1) Changes in pyroelectric signal due to application of protective film (shading sound transmission material) (2) Changes in acoustic signal due to application of protection film (light transmission sound transmission material) (3) In animal experiments A measurement waveform is shown.
The protective film evaluated whether to suppress pyroelectricity and to transmit acoustic waves. In the acoustic wave evaluation experiment, it is considered that there is no need to consider pyroelectricity because a setup that can accurately grasp the acoustic signal and does not produce a pyroelectric signal is used.
以下に保護フィルムの詳細を示す。
・FILM−2:試作多層フィルム=PVDF層4μm、PMMA層46μm(フィラー7重量%=酸化チタン)
・FT−50Y:(株)クレハ製、KFCフィルム=PVDF層4μm、PMMA層46μm
・FILM−3:試作単層フィルム=(PVDF+PMMA+フィラー)ブレンド系フィルム、厚み20μm、フィラー30重量%=酸化チタン(粒径0.2μm)
・Al−FILM:アルミ蒸着P(VDF−TrFE)フィルム40μm
・Al 20μm
・Black Epoxy
・White Silicone
Details of the protective film are shown below.
FILM-2: prototype multilayer film =
FT-50Y: Kureha Co., Ltd., KFC film =
FILM-3: prototype monolayer film = (PVDF + PMMA + filler) blend film,
・ Al-FILM: Aluminum vapor deposition P (VDF-TrFE)
・ Al 20μm
・ Black Epoxy
・ White Silicone
図4および図17に示すセンサとして下記特性を有するプローブ:C(音波プローブ)を使用した。
・透明ラバーコート(参考例1:No Coverの場合に使用)
・外筒径:5.5mm(有効素子径実測で4mm程度)
・センサ面積:19.62mm2
・センサ膜厚:55μm
・ケース長:10cm
・信号線径:2.6mm
・信号線長:4cm
・アンプに接続するための長さ50cmの同軸ケーブル
As the sensor shown in FIG. 4 and FIG. 17, a probe: C (acoustic probe) having the following characteristics was used.
・ Clear rubber coat (Reference Example 1: Used for No Cover)
・ Outer cylinder diameter: 5.5 mm (effective element diameter measurement is about 4 mm)
Sensor area: 19.62 mm 2
・ Sensor thickness: 55μm
・ Case length: 10cm
・ Signal wire diameter: 2.6 mm
・ Signal line length: 4cm
-Coaxial cable with a length of 50cm to connect to the amplifier
(1)保護フィルムを貼り付けたことによる焦電信号の変化
図4に遮光性(光透過性)を検証するための、焦電信号の変化の測定に用いた測定装置の概略図を示す。
光源として第2高調波Q−スイッチNd:YAGレーザーを用いた。
・波長:532nm
・ビーム径:3.25mm
・エネルギー:100μJ/pulse
(フラットトップに近似すると、フルエンス1.10mJ/cm2)
・スライドグラス(FF−004、松浪硝子工業(株)製)
・光ファイバ:400μm、NA0.48(M40L02、Thorlabs製)
・コリメータ:f=11mm、NA0.25(47221、Edmond Optics製)
擬似被検体として脱気水の入った水槽を用いた。水槽の大きさは、23×17×7.5cmである。
35mmディッシュの底面にドリルでφ10mm程度の穴をあけ、その穴の周囲に両面テープを貼り付け、保護フィルムを貼り付けた(保護フィルムとプローブの間に両面テープは介在しない)。レンズホルダでディッシュを固定し、プローブをzステージで上下して、保護フィルムに押し当てる形で固定した。
(1) Change in pyroelectric signal due to application of protective film FIG. 4 shows a schematic diagram of a measuring apparatus used for measuring the change in pyroelectric signal in order to verify the light shielding property (light transmittance).
A second harmonic Q-switched Nd: YAG laser was used as the light source.
・ Wavelength: 532nm
-Beam diameter: 3.25mm
・ Energy: 100μJ / pulse
(Approximate to flat top, fluence 1.10 mJ / cm 2 )
・ Slide glass (FF-004, manufactured by Matsunami Glass Industry Co., Ltd.)
Optical fiber: 400 μm, NA 0.48 (M40L02, manufactured by Thorlabs)
Collimator: f = 11 mm, NA 0.25 (47221, manufactured by Edmund Optics)
A water tank containing deaerated water was used as a simulated subject. The size of the water tank is 23 × 17 × 7.5 cm.
A hole of about φ10 mm was drilled on the bottom of a 35 mm dish, a double-sided tape was attached around the hole, and a protective film was attached (no double-sided tape interposed between the protective film and the probe). The dish was fixed with the lens holder, and the probe was moved up and down on the z stage and fixed to the protective film.
以下に焦電信号強度の計測結果を示す。
時間マスクなし:レーザー照射直後に検知された、保護フィルムに光が吸収されて発生した焦電信号の最大値。
時間マスクあり:被検体由来の焦電信号の最大値。本実施例において電磁ノイズを排除するために、レーザー照射後2〜30μsの間の最大値のみを抽出するように時間マスクを掛けた値。
No time mask: The maximum value of the pyroelectric signal detected immediately after laser irradiation and generated by light absorption by the protective film.
With time mask: Maximum value of pyroelectric signal from the subject. In this embodiment, a value obtained by applying a time mask so as to extract only the maximum value between 2 to 30 μs after laser irradiation in order to eliminate electromagnetic noise.
図6(a)に焦電信号半値幅(μs)を示す。図6(b)に焦電信号半値幅変化率、すなわち参考例1(No Cover)に対する各実施例の焦電信号半値幅の比を示す。
なお、アルミ(実施例5、6)、黒フィルム(実施例7)は、焦電信号の強度が小さいため半値幅計測は不可であった。白シリコーン(実施例8)は、参考例1(No Cover)と比較して5%程度半値幅が小さくなっている。
FIG. 6A shows the pyroelectric signal half-value width (μs). FIG. 6B shows the change rate of the pyroelectric signal half-value width, that is, the ratio of the pyroelectric signal half-value width of each example to Reference Example 1 (No Cover).
It should be noted that aluminum (Examples 5 and 6) and black film (Example 7) could not be measured at half-width because the intensity of the pyroelectric signal was small. White silicone (Example 8) has a half width of about 5% smaller than that of Reference Example 1 (No Cover).
次に図7を参照して信号波形解析方法を示す。図7は参考例1(No Cover)の波形である。
本願の光透過性として、以下のとおり焦電信号抑制比を求めた。
[1]出力信号オフセット(数mV)の影響を除去するために、光照射前に観測されている信号の平均電圧を算出し、生波形から差分をとる。
[2]レーザーパルスエネルギーの変動の影響を除去するために、信号計測時に同時にモニタしているエネルギー値で生波形を除算する。
[3]信号波形から最大となる電圧を算出する。
[4]カバーフィルムなしの条件で計測した[3]に対する比を焦電信号抑制比(光透過性)とする。
なお、加算平均:16回、サンプリング周波数:100MHz、データ取り込み時間:2msであった。また、カバーフィルムなしの状態で飽和するぎりぎり(最大値3V程度)を設定した。
図8〜図16に、参考例1、実施例1〜実施例8の信号波形を示す。なお、図8(a)は長い時間スケールで表示した信号波形である。図8(b)は短い時間スケールで表示した信号波形である。図9〜図16も同様である。
Next, a signal waveform analysis method will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the waveform of Reference Example 1 (No Cover).
As the light transmittance of the present application, the pyroelectric signal suppression ratio was determined as follows.
[1] In order to remove the influence of the output signal offset (several mV), the average voltage of the signal observed before light irradiation is calculated, and the difference is taken from the raw waveform.
[2] Divide the raw waveform by the energy value monitored simultaneously at the time of signal measurement in order to eliminate the influence of fluctuations in laser pulse energy.
[3] The maximum voltage is calculated from the signal waveform.
[4] A ratio to [3] measured under the condition without a cover film is defined as a pyroelectric signal suppression ratio (light transmittance).
Note that the addition average was 16 times, the sampling frequency was 100 MHz, and the data capture time was 2 ms. Moreover, the limit (maximum value about 3V) which is saturated in the state without a cover film was set.
8 to 16 show signal waveforms of Reference Example 1 and Examples 1 to 8. FIG. FIG. 8A shows a signal waveform displayed on a long time scale. FIG. 8B shows a signal waveform displayed on a short time scale. The same applies to FIGS.
(2)保護フィルムを貼り付けたことによる音響信号の変化
図17に、透音性(音響透過性)を検証するための、音響信号の変化の測定に用いた測定装置の概略図を示す。
光源として第2高調波Q−スイッチNd:YAGレーザーを用いた。
・エネルギー:40μJ/pulse
(f=250mmの凸レンズで集光し、シリコーンラバー表面に焦点が来るように位置を合わせた。レンズ:KPX109、Newport Corp.製、ミラー:TFM−25C05−532、シグマ光機(株)製)
・水面への入射角:16.9°
擬似被検体として脱気水の入った1Lのビーカーを用いた。1Lのビーカーは、内径10.5cm、深さ14.5cmである。
擬似被検体内に存在し、光を吸収して音波を発生する光吸収体として、シリコーンラバー(high μa)を用いた。シリコーンラバーは、シリコーン二液型RTVゴム(KE−1283−A/B、信越化学工業(株)製)の主剤と硬化剤とを重量比1:1の割合で混合した溶液80mlを、径90mm、高さ15mmのペトリディッシュ(3020−100、IWAKI)に注入し、室温環境下に48時間静置して硬化させて作成した。
(2) Change in acoustic signal due to application of protective film FIG. 17 shows a schematic diagram of a measuring apparatus used for measuring change in acoustic signal for verifying sound permeability (acoustic permeability).
A second harmonic Q-switched Nd: YAG laser was used as the light source.
・ Energy: 40μJ / pulse
(Condensed by a convex lens of f = 250 mm and aligned so that the silicone rubber surface is focused. Lens: KPX109, manufactured by Newport Corp., mirror: TFM-25C05-532, manufactured by Sigma Kogyo Co., Ltd.)
・ An incident angle to the water surface: 16.9 °
A 1 L beaker containing deaerated water was used as a simulated subject. A 1 L beaker has an inner diameter of 10.5 cm and a depth of 14.5 cm.
Silicone rubber (high μa) was used as a light absorber that exists in the pseudo specimen and absorbs light to generate sound waves. Silicone rubber was prepared by mixing 80 ml of a solution in which the main component of silicone two-component RTV rubber (KE-1283-A / B, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) and a curing agent at a weight ratio of 1: 1 was 90 mm in diameter. It was poured into a 15 mm high Petri dish (3020-100, IWAKI) and allowed to stand for 48 hours in a room temperature environment and cured.
以下に音響信号強度の計測結果を示す。
図19に信号の到達時間を示す。
シリコーン(実施例8)は水よりも音速が遅いため、信号の到達時間が遅れる。
エポキシ(実施例7)は水よりも音速が早いため、信号の到達時間が早まる。
他の素材に関しては厚みが10μmと薄いため、伝播時間変化はほぼ無視できる。
FIG. 19 shows the arrival time of the signal.
Since silicone (Example 8) has a slower sound speed than water, the signal arrival time is delayed.
Epoxy (Example 7) has a faster sound speed than water, so the signal arrival time is faster.
Regarding other materials, since the thickness is as thin as 10 μm, the propagation time change is almost negligible.
次に図20を参照して信号波形解析方法を示す。図20(a)は参考例1(No Cover)の時間波形であり、図20(b)は参考例1の周波数スペクトルである。
本願の音響透過性として、以下のとおり音響波減衰特性を求めた。
[1]レーザーパルスエネルギーの変動の影響を除去するために、信号計測時に同時にモニタしているエネルギー値で生波形を除算する。
[2]受信信号波形から99〜103μsの時間範囲のデータを抽出してFFTを施しスペクトルを算出する。
[3]カバーフィルムなしの条件で計測した[2]に対する比を音響波減衰特性(音響透過性)とする。
なお、加算平均:16回、サンプリング周波数:2GHz、データ取り込み時間:200μsであった。
図21〜図28に、実施例1〜実施例8の信号波形を示す。なお、図21(a)は時間波形ある。図21(b)は周波数スペクトルである。図22〜図28も同様である。
Next, a signal waveform analysis method will be described with reference to FIG. 20A is a time waveform of Reference Example 1 (No Cover), and FIG. 20B is a frequency spectrum of Reference Example 1.
As the sound transmission of the present application, the acoustic wave attenuation characteristics were determined as follows.
[1] In order to remove the influence of fluctuations in laser pulse energy, the raw waveform is divided by the energy value monitored simultaneously during signal measurement.
[2] Data in a time range of 99 to 103 μs is extracted from the received signal waveform and subjected to FFT to calculate a spectrum.
[3] A ratio to [2] measured under the condition without a cover film is defined as acoustic wave attenuation characteristics (acoustic permeability).
Note that the addition average was 16 times, the sampling frequency was 2 GHz, and the data capture time was 200 μs.
21 to 28 show signal waveforms of the first to eighth embodiments. FIG. 21A shows a time waveform. FIG. 21B shows a frequency spectrum. The same applies to FIGS.
(3)動物実験での測定波形
パルスオキシメータの原理でウサギの動脈血の血液酸素飽和度を計測したが、計測結果は安定しなかった。
一方で、超音波エコーで血管位置を確認した。体表から深さ6〜7mmの血管を検出できた。血管が見えたときのプローブの位置をマークし、自由度の高いアームを用いて光音響プローブをマークした位置に合わせて、血管由来の信号を図31に示す構成の装置で計測した。
照射したレーザー光は以下のとおりである。照射には光ファイバーを用いた。
・光波長:756,770,798nm
・エネルギー:4〜5mJ/pulse
・パルス幅:8ns
(3) Measurement waveform in animal experiment The blood oxygen saturation of rabbit arterial blood was measured by the principle of pulse oximeter, but the measurement result was not stable.
On the other hand, the blood vessel position was confirmed by ultrasonic echo. A blood vessel having a depth of 6 to 7 mm could be detected from the body surface. The position of the probe when the blood vessel was visible was marked, and the blood vessel-derived signal was measured with an apparatus having the configuration shown in FIG. 31 in accordance with the position where the photoacoustic probe was marked using an arm with a high degree of freedom.
The irradiated laser light is as follows. An optical fiber was used for irradiation.
・ Light wavelength: 756,770,798nm
・ Energy: 4-5mJ / pulse
・ Pulse width: 8ns
・保護フィルム:FILM−3(実施例4)
図29に、FILM−3を用いた場合の、ウサギの血管由来の信号波形を示す。光音響信号が焦電電圧に隠れてしまうことなく、10〜12μsの間に血管由来の光音響信号を明瞭に検出することができた。
図7に示すように、焦電電圧を示す波形は急激な立ち上がりの後に徐々に下降する。すなわち、経過時間がより早い段階で光音響信号は最も焦電電圧の影響を受ける。したがって、本願の遮光透音材により特に浅い領域での測定をより正確に行うことができる。
・保護フィルム:White Silicone(実施例8)
図30に、同様の方法によるWhite Siliconeを用いた場合の、ウサギの血管由来の信号波形(波長:756nm、エネルギー:4mJ)を示す。光音響信号が焦電電圧に隠れてしまうことなく、8〜10μsの間に血管由来の光音響信号を明瞭に検出することができた。なお、図30と図29では、センサの特性により正負の極性が反転している。
なお図29、30内のソナゲル層とは、プローブと体表との間に配置したソナゲル(商品名:ソナゲル、タキロン(株)製、寸法:200×100×10mm)に由来する信号である。光が広がるようにプローブと体表との間の距離を稼ぐ目的でソナゲルを使用している。超音波ゲルを厚く塗ると、ゲルの中に気泡が入り気泡による超音波の散乱や反射がアーティファクトの原因となるが、ソナゲルは固形であり気泡が入らないため好ましい。
Protective film: FILM-3 (Example 4)
FIG. 29 shows a signal waveform derived from a rabbit blood vessel when FILM-3 is used. The photoacoustic signal derived from blood vessels could be clearly detected within 10 to 12 μs without the photoacoustic signal being hidden by the pyroelectric voltage.
As shown in FIG. 7, the waveform indicating the pyroelectric voltage gradually decreases after a rapid rise. That is, the photoacoustic signal is most affected by the pyroelectric voltage at an earlier stage of elapsed time. Therefore, measurement in a particularly shallow region can be performed more accurately by the light-shielding sound-transmitting material of the present application.
Protective film: White Silicone (Example 8)
FIG. 30 shows a signal waveform (wavelength: 756 nm, energy: 4 mJ) derived from a rabbit blood vessel when White Silicone according to the same method is used. The photoacoustic signal derived from the blood vessel could be clearly detected in 8 to 10 μs without the photoacoustic signal being hidden by the pyroelectric voltage. 30 and 29, the positive and negative polarities are reversed depending on the sensor characteristics.
The sonagel layer in FIGS. 29 and 30 is a signal derived from a sonagel (trade name: Sonagel, manufactured by Takiron Co., Ltd., dimensions: 200 × 100 × 10 mm) disposed between the probe and the body surface. Sonagel is used for the purpose of increasing the distance between the probe and the body surface so that the light spreads. When the ultrasonic gel is applied thickly, bubbles enter into the gel and the scattering and reflection of ultrasonic waves by the bubbles cause artifacts, but sona gel is preferable because it is solid and does not contain bubbles.
10 圧電素子
11 圧電体
12 電極、カーボン電極
13 遮光透音材、保護フィルム
14 引出ケーブル
20 音波プローブ
20a センサ
21 支持ケース
22 コネクタ
30 光源装置
31 光源、レーザー光源
32a レンズ
32b レンズ
33 ミラー
40 信号処理装置
41 信号処理機
42 パーソナルコンピュータ(PC)
43 パルス発生器
50 光音響装置
101 シリコーンラバー
102 水槽
103 ビーカー
104 脱気水
105 光ファイバ
106 コリメータ
107 スライドグラス
DESCRIPTION OF
43
Claims (12)
前記圧電体を挟む正負電極と;
前記圧電体を覆う遮光透音材であって、前記音波により前記圧電体に生ずる圧電効果を測定可能な程度に前記音波を透過させ、光の照射により前記圧電体に生ずる焦電効果を前記光を減衰することにより抑制する遮光透音材とを備える;
圧電素子。 A piezoelectric body that receives sound waves and converts the received sound waves into voltage;
Positive and negative electrodes sandwiching the piezoelectric body;
A light-blocking sound-transmitting material covering the piezoelectric body, wherein the sound wave is transmitted to such an extent that the piezoelectric effect generated in the piezoelectric body can be measured by the sound wave, and the pyroelectric effect generated in the piezoelectric body by light irradiation is transmitted to the light A light-shielding sound-transmitting material that is suppressed by attenuating
Piezoelectric element.
請求項1に記載の圧電素子。 The ratio of sound transmittance to light transmittance of the light-shielding sound-transmitting material is 0.5 or more.
The piezoelectric element according to claim 1.
請求項2に記載の圧電素子。 The sound transmission is greater than the light transmission;
The piezoelectric element according to claim 2.
前記遮光透音材が、前記音波により前記圧電体に生ずる圧電効果が測定可能な程度に、前記光により前記圧電体に生ずる焦電効果を抑制する、
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric body receives the sound wave generated by the light absorber that has absorbed the irradiated light,
The light-shielding sound-transmitting material suppresses the pyroelectric effect generated in the piezoelectric body by the light to such an extent that the piezoelectric effect generated in the piezoelectric body by the sound wave can be measured.
The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の圧電素子。 The light-shielding sound-transmitting material is formed of at least one resin selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride resin, silicon resin, and epoxy resin, or aluminum.
The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4.
前記遮光透音材が、光の反射、散乱、屈折または吸収を向上させるフィラーを含有し、
前記フィラーが、粒状または粉末状のタルク、マイカ、シリカ、アルミナ、カオリン、フェライト、チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ニッケル、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、ガラス粉、石英粉末、黒鉛、無機顔料、有機金属塩、他の酸化金属、繊維状の炭素繊維、ガラス繊維、アスベスト繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維、チタン酸カリ繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種である、
請求項5に記載の圧電素子。 The light-shielding sound-transmitting material is formed of the at least one resin;
The light-shielding sound-transmitting material contains a filler that improves reflection, scattering, refraction, or absorption of light,
The filler is granular or powdery talc, mica, silica, alumina, kaolin, ferrite, potassium titanate, titanium oxide, zinc oxide, iron oxide, magnesium hydroxide, calcium carbonate, nickel carbonate, calcium sulfate, barium sulfate, Aluminum hydroxide, glass powder, quartz powder, graphite, inorganic pigment, organic metal salt, other metal oxides, fibrous carbon fiber, glass fiber, asbestos fiber, silica fiber, alumina fiber, zirconia fiber, boron nitride fiber, nitriding It is at least one selected from the group consisting of silicon fiber, boron fiber, potassium titanate fiber,
The piezoelectric element according to claim 5.
請求項6に記載の圧電素子。 The filler is white;
The piezoelectric element according to claim 6.
前記圧電素子を支持する支持ケースとを備える;
音波プローブ。 A piezoelectric element according to any one of claims 1 to 7;
A support case for supporting the piezoelectric element;
Acoustic probe.
前記光源から放射された光を被検体に照射する光照射部と;
請求項8に記載の音波プローブと;
前記圧電素子からの電圧信号を処理する信号処理装置とを備える;
光音響装置。 A light source that emits the light;
A light irradiation unit that irradiates the subject with light emitted from the light source;
An acoustic probe according to claim 8;
A signal processing device for processing a voltage signal from the piezoelectric element;
Photoacoustic device.
前記圧電素子が、前記圧電素子からから発生した音波の反射波を受波する、
請求項9に記載の光音響装置。 A pulse voltage generator for applying a voltage to the piezoelectric element so that the piezoelectric element vibrates and generates a sound wave;
The piezoelectric element receives a reflected wave of a sound wave generated from the piezoelectric element;
The photoacoustic apparatus according to claim 9.
粒状または粉末状のタルク、マイカ、シリカ、アルミナ、カオリン、フェライト、チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ニッケル、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、ガラス粉、石英粉末、黒鉛、無機顔料、有機金属塩、他の酸化金属、繊維状の炭素繊維、ガラス繊維、アスベスト繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維、チタン酸カリウム繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種のフィラーとを含有し;
音響透過性が光透過性よりも大きい、
遮光透音材。 A polyvinylidene fluoride resin;
Granular or powdery talc, mica, silica, alumina, kaolin, ferrite, potassium titanate, titanium oxide, zinc oxide, iron oxide, magnesium hydroxide, calcium carbonate, nickel carbonate, calcium sulfate, barium sulfate, aluminum hydroxide, Glass powder, quartz powder, graphite, inorganic pigment, organic metal salt, other metal oxides, fibrous carbon fiber, glass fiber, asbestos fiber, silica fiber, alumina fiber, zirconia fiber, boron nitride fiber, silicon nitride fiber, boron Containing at least one filler selected from the group consisting of fibers and potassium titanate fibers;
Sound transmission is greater than light transmission,
Shading sound-transmitting material.
請求項11に記載の遮光透音材。 The filler is white;
The light-shielding sound-transmitting material according to claim 11.
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