JP5570311B2 - 電気機械変換装置、検体診断装置 - Google Patents

Description

本発明は電気機械変換装置（代表的には静電容量型電気機械変換装置）及び検体診断装置に関する。

超音波変換装置として用いる電気機械変換装置（超音波変換器ともいう）は、超音波を送信、受信することにより、例えば人体内の腫瘍などの診断装置に用いられている。

近年、マイクロマシンニング技術を用いた静電容量型電気機械変換装置（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ＭｉｃｒｏＭａｃｈｉｎｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が盛んに研究されている。このＣＭＵＴは、振動膜を用いて超音波を送信、受信する。また送信又は受信可能な超音波の周波数帯域が広い（広帯域特性に優れる）という特徴を有している。このＣＭＵＴを利用し、従来の医用診断モダリティより高精度な超音波診断が有望な技術と注目されつつある。

一般に、エックス線、超音波、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）を用いたイメージング装置が医療分野で多く使われている。一方、レーザーなどの光源から照射した光を生体などの被検体内に伝播させ、その伝播光等を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング装置の研究も医療分野で積極的に進められている。このような光イメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）が提案されている。

ＰＡＴとは、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波（代表的には超音波）を複数の個所で検出し、それらの信号を解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化する技術である。これにより、被検体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布に関する情報を得ることができる。

米国特許公報第６８３１３９４号 米国特許公報第７３２１１８１号

基板上に形成した電気機械変換素子によって構成される電気機械変換装置（超音波変換装置ともいう）は、入射する超音波の一部が基板の裏面（基板の電気機械変換素子を形成した面とは反対側の面）で反射する反射波と干渉し、雑音（ノイズ）となる場合がある。

このノイズの問題は従来からある程度認識されている。従来の技術でも数ＭＨｚ以上（例えば２〜３ＭＨｚ以上）の高周波数領域で使用する電気機械変換素子であれば、ノイズの元になる周波数が高く減衰しやすいために、基板裏面に音響減衰材を設けることである程度対処できる。また、特許文献１のように、基板内で共鳴する周波数においては、音響減衰材の音響インピーダンスを基板の音響インピーダンスに整合することである程度雑音を低減させることができる。しかし、ＣＭＵＴの場合には周波数帯域が広く、周波数が２ＭＨｚよりも低い周波数の超音波が含まれ得る。周波数が２ＭＨｚよりも低い周波数の超音波は減衰しにくく、基板を容易に通過するため、従来のような対処方法ではその効果に限界がある。

従来例の構成として図５に示す。従来の構成（特許文献１）では基板１２の裏面に音響減衰材１４を施しており、電気信号は電気配線１３を介し、基板１２の端部から取り出している。

先に説明した超音波診断に用いるような超音波変換装置は基板表面に二次元的に配列（平面状に配列）されている変換素子で構成されている。そして、より密度の高い配列を形成するためには基板の表面と裏面を電気的に接続し、基板裏面側から電気配線を引き出す構造を有する。二次元的に配列されている電気機械変換素子の信号を取り出す為には、基板の裏面に電気配線基板を設け、基板と電気的に接合する必要がある。このような構成をとると、基板の裏面で音響減衰させることは基板と電気配線基板との距離が小さいため、基板の裏面や電気配線基板からの反射波が電気機械変換素子に影響し、Ｓ／Ｎ比を劣化させる。特に１ＭＨｚ以下の周波数帯域では波長が長く減衰も小さい為、その影響は顕著である。そしてノイズ・クロストークを低減するために、基板裏面に電気配線基板もしくは集積回路を配し、基板裏面と電気的に接続する方法がある。このとき、基板裏面と電気配線基板との距離は数百マイクロメートルと短い。そのため、基板裏面に従来の音響減衰材を施したとしても、低周波の超音波は電気配線基板まで容易に到達し、反射波はノイズとなる場合がある。

特許文献２では電気配線基板の裏面に凹凸をつけて反射波を抑制している。しかし、波長が所定の値よりも長い超音波（周波数が２ＭＨｚよりも低い周波数の超音波）を減衰させるためには大きな凹凸が必要である。一方で、電気配線基板の厚さはその作製工程やはんだ実装工程により制限される。

本発明は低周波数帯域の反射波ノイズを低減することで、従来よりも広帯域・高Ｓ／Ｎ比である超音波変換装置の構成を提案するものである。

本発明は上記課題に鑑み、本発明者らが鋭意検討した結果発明の完成に至ったものであり、その骨子とするところは、
第１の基板と、
前記第１の基板の表面に二次元的に配設された超音波と電気信号との変換をする電気機械変換素子と、
前記第１の基板の裏面と電気的に接続された第２の基板である電気配線基板とを有する電気機械変換装置装置であって、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に第１の音響整合層を有し、
かつ、
前記第２の基板の裏面に音響減衰材を配し、
前記第２の基板と前記音響減衰材との間に第２の音響整合層を有すること
を特徴とするものである。

上記課題に鑑み、本発明の検体診断装置は、
先述の超音波変換装置と、パルス状に光を発生する光源と、
超音波変換装置によって検出された信号を処理する信号処理系と、
で構成され、前記光源から発せられた光を検体に照射し、
前記検体に照射された前記光による光音響効果によって生じる超音波を前記超音波変換装置で検出し、
前記信号処理系で処理することで検体内部の物理情報を取得することを特徴とするものである。

本発明は、基板の裏面に音響整合層および音響減衰材を施すことで数ＭＨｚ以下の超音波を使用した際に、基板裏面からの反射により、基板表面に配した電気機械変換素子への雑音を低減することができる。

（Ａ）本発明の第１、第２、第３の実施形態における超音波変換装置の構成図である。（Ｂ）本発明の第１の実施形態との比較図である。 本発明の第１の実施形態における基板表面の音響インピーダンス密度の逆数の周波数特性のグラフである。 本発明の第４の実施形態における超音波変換装置の構成図である。 本発明の第５の実施形態における超音波診断装置の構成図である。 従来例の構成図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の超音波変換装置を説明する。

本実施形態の超音波変換装置１０を図１（Ａ）に示す。基板１（第１の基板）上に形成された超音波と電気信号とを変換する電気機械変換素子２と基板１の裏面に電気的に接続した電気配線基板３（第２の基板）がある。電気配線基板３は樹脂に金属配線が施された一般的なものである。電気機械変換素子２は基板１の表面に二次元的に複数配設されている。電気機械変換素子２は圧電素子でも良いし、特許文献２のようなメンブレンとキャビティおよび第１の電極と第２の電極とが対向電極を構成する静電容量型の電気機械変換素子でもよい。

基板１の材料としてはシリコン（Ｓｉ）を用いることが、機械特性、電気特性及び加工性、経済性等の観点から好ましいが、シリコンである必要はなく、ガラス、石英、ＧａＡｓ、サファイヤ等でもよい。電気機械変換素子２は少なくとも２つの電気端子を有し、そのうち少なくとも１つの端子は複数の電気機械変換素子２間で電気的に分離されている。基板１は、電気機械変換素子２の素子間で電気的に分離された端子と基板１の裏面側の端子とを電気的に結合しており、例えば、貫通配線のような手段を複数有している。また、基板自体を絶縁体やトレンチで電気的に分離して、基板厚み方向にのみ導通している構成の基板でもよい。

電気配線基板３と基板１を電気的に接続する導体４は、はんだ、金などの金属等の低抵抗体であればよい。

本発明は基板１（第１の基板）と電気配線基板３（第２の基板）との間の第１の音響整合層５を配し、さらに電気配線基板３の裏側に音響減衰材７を配したことに特徴がある。第１の音響整合層５は基板２側から入射する超音波１１を電気配線基板３に透過させ、反射を抑制する機能を有する。音響減衰材７は透過した超音波１１を吸収減衰する機能を有する。音響減衰材７と電気配線基板３との間で反射を抑制するための構造として第２の音響整合層６を設ける。

本発明の構成では、より広い周波数帯域において、界面での反射の低減化と音響減衰材の効果により電気機械変換素子２へのノイズを低減できる。

以下に、第１の音響整合層５、第２の音響整合層６、音響減衰材７について詳細を述べる。

第１の音響整合層５は導体４の周囲を埋める形で存在する。通常、導体４と第１の音響整合層５の音響インピーダンスが一致することはない。そのため、電気機械変換素子２の真下が第１の音響整合層５か導体４かによって音響特性に差異が生じる。好ましくは、導体４の占有面積を小さくして、電気機械変換素子２の音響特性を一様にする。

ただし、導体４の音響インピーダンスが基板１の音響インピーダンスよりも大きい場合、電気配線基板３へ透過する超音波も小さくなるが、電気配線基板３で反射した超音波の基板１側への透過も小さくなる。基板１をシリコン、導体４を一般的な鉛フリーはんだ、としたときにはこの関係が当てはまる。導体４上の電気機械変換素子２への反射波の影響は小さいといえる。

基板１の裏面においては二次元的に配設された電気機械変換素子２を電気的に分離するため、導体４は基板１裏面においては少なくとも電気機械変換素子２の数だけ存在している。したがって、基板１と電気配線基板３との間において、導体４のない部分を第１の音響整合層５で埋める構成となる。

第１の音響整合層５の音響インピーダンスは、基板１および電気配線基板３それぞれの音響インピーダンスの間の値となるように設計する。

第１の音響整合層５の材料は、アンダーフィル（封止剤）として用いられるエポキシ樹脂が好ましいが、音響インピーダンスを調整する際には、密度の高い微粒子を混合させることで行うことができる。この微粒子としては金属の単体や化合物が考えられる。例えば、タングステン、アルミナ、銅もしくはその化合物、白金、鉄もしくはその化合物、などである。

電気配線基板３の裏側には第２の音響整合層６があり、その下に音響減衰材７がある。第２の音響整合層６は電気配線基板３の裏面での音響反射を低減させ、音響減衰材７に透過させる役割を有する。

第２の音響整合層６の材料は、電気配線基板３の材料であるエポキシ樹脂など用いることができる。ただし、電気配線基板３は金属配線の密度によって音響インピーダンスが変化する為、第２の音響整合層６は音響インピーダンスの調整が必要な場合がある。その際は、密度の高い微粒子を混ぜて音響インピーダンスを調整する。この微粒子としては金属の単体や化合物が考えられる。例えば、タングステン、アルミナ、銅もしくはその化合物、白金、鉄もしくはその化合物、などである。

音響減衰材７は超音波を吸収減衰する作用を有する。そのために、音響減衰材７は粘弾性体であり、材料としては、例えば、エポキシ樹脂やウレタン樹脂などが挙げられる。

音響減衰材７のさらに裏側に自由度を持たせるためには、超音波のほとんどをここで減衰させる。そのためには音響減衰材７の厚さは数ｍｍ程度以上必要であるが、厚ければ厚いほど望ましい。また、粘性が高い材料ほどよい。

基板１の表面における、音波の入射方向の音響インピーダンス密度の逆数の周波数特性を図２に示す。この音響インピーダンス密度は基板１表面からみた入力インピーダンスにあたる。例えば基板１を厚さ３００ミクロンのシリコン、電気配線基板３を厚さ１．６ミリメートルのガラスエポキシとしたとき、グラフは（１）基板１と電気配線基板３との間、および電気配線基板３の裏側に音響インピーダンスが１．５ＭＲａｙｌｓ程度の液体、例えば水があるとき（図１（Ｂ））、（２）電気配線基板３の裏側に音響インピーダンスが電気配線基板３と同じものを無限の厚さで設置したとき、（３）基板１と電気配線基板３との間に５ＭＲａｙｌｓの第１の音響整合層を施したときの、それぞれの音響インピーダンス密度の逆数である。基板１から電気配線基板３は一部が導体４でつながっており、この間の距離は制限されている。図２のグラフでは０．２ミリメートルとした。

音響インピーダンス密度の逆数が大きいということは、反射波が大きいことを意味する。１０ＭＨｚ以上の大きなピークは基板１による共鳴反射である。図１（Ｂ）には図２の（１）における構成を示す。電気機械変換素子２を通過した超音波１１は基板１裏面と液体２０との界面、液体２０と電気配線基板３との界面および電気配線基板３下面での反射により共鳴を起こして、電気機械変換素子２のある基板１の表面へ伝播する。これにより、１ＭＨｚ近傍での音響インピーダンス密度が低下し、大きな反射ノイズの要因となる。図２から、電気配線基板３の裏面で音響インピーダンスを整合させることで１ＭＨｚ付近の反射波が小さくなることがわかる。しかし、依然として反射波の大きい周波数帯域が１ＭＨｚ付近に存在する（図２内（２））。第１の音響整合層５を加えた（３）をみると、１ＭＨｚ付近のピークがさがり、低周波数領域における反射波が第１の音響整合層５と、音響減衰材７により低減されたことがわかる。これは図１（Ａ）の超音波１１の伝播の様子のとおり、各層を通過した超音波１１が音響減衰材７で吸収減衰されることを表している。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の超音波変換装置を説明する。本実施形態の構成は図１（Ａ）と同じである。電気機械変換素子２から発せられる超音波の中心周波数に対して、第１の音響整合層５の厚さを、音響整合層５内部を通過する超音波の波長の１／４とし、第１の音響整合層５の音響インピーダンスを、基板１と電気配線基板３のそれぞれの音響インピーダンスの相乗平均としたとき、超音波の透過率が最大となる。

同様に、最も反射させたくない（減衰させたい）周波数の超音波があるときには、第１の音響整合層５の厚さを、その超音波の波長の１／４とすればよい。特に、受信する超音波の周波数帯域が広帯域にわたっている場合、反射が大きくなる周波数は、基板１で共鳴反射する周波数である。これを示したものが図２のグラフの（４）であり、共鳴周波数である１５ＭＨｚのピークがさらに小さくなっていることがわかる。

基板１の音響インピーダンスをＺｓ、第１の音響整合層５の音響インピーダンスをＺｍ、電気配線基板３の音響インピーダンスをＺｅとする。第１の音響整合層の厚さをＬ、超音波の波数をｋとすると、基板１、第１の音響整合層５、電気配線基板３の３層構造での超音波の反射率Ｒは、

で表される。ｋＬがp／２のとき、つまりＬが波長の１／４のときＲは最小となる。また、

のとき、Ｒは０となり、すべて透過する。

反射率を１０％以下とするとき、第１の音響整合層の音響インピーダンスをＺ０のおよそ５％以内の誤差で許容するとき、厚さＬは波長の１／４の厚さに対して誤差がおよそ６％以内である。反射率Ｒと電気機械変換素子２へのノイズとの関係は構造に影響するため簡単ではないが本発明においては、反射率Ｒが１０％以下の範囲とする。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の超音波変換装置を説明する。本実施形態の構成は図１（Ａ）と同様である。図１の第１の音響整合層５の音響インピーダンスが厚み方向に勾配をもっていて、基板１および電気配線基板３との界面でそれぞれ音響インピーダンス整合している。これにより、音響整合層５の厚さに関わらず、反射波を低減できる。

ここで、本発明において音響インピーダンス整合しているとは、界面での反射率が１０％以下のときであり、界面において、界面を構成する２つの物質の音響インピーダンスが一致しているとき反射率が０となる。反射率が１０％以下となるときとは、界面における２つの物質の音響インピーダンスの差が約１８％以下のときである。

本実施形態における第１の音響整合層５の材料は樹脂に高密度の粒子をまぜて作製される。

厚さ方向に粒子密度分布を変化させることで音響インピーダンスが厚み方向に勾配を有する構造となる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態の超音波変換装置を説明する。本実施形態の構成を図３に示す。本実施形態は第１もしくは第３の実施形態における、第２の音響整合層６と音響減衰材７を一体のもの（第２の音響整合層６が音響減衰材７の機能を兼ねる構造）とし、音響整合減衰材９としたものである。このとき、音響整合減衰材９は電気配線基板３と音響インピーダンス整合がとれていることが望ましい。

ここで、音響インピーダンス整合しているとは、反射率が１０％以下のときをいい、界面において、界面を構成する２つの物質の音響インピーダンスが一致しているとき反射率が０となる。反射率が１０％以下となるときとは、界面における２つの物質の音響インピーダンスの差が約１８％以下のときである。

音響整合減衰材９の材料としてはウレタン樹脂などの粘弾性体に、音響インピーダンス調整のための高密度微粒子を含有させたものが挙げられる。この微粒子としては金属の単体や化合物が考えられる。例えば、タングステン、アルミナ、銅もしくはその化合物、白金、鉄もしくはその化合物、などである。

（第５の実施形態）
第５の実施形態の検体診断装置を説明する。

本実施形態の構成を図４に示す。

光源４０から発せられた光４１が検体４２内部の光吸収体４６にあたることによって、光音響波とよばれる超音波４３が発せられる。この超音波４３の周波数は光吸収体４６を構成する物質や個体の大きさによって異なるが、これらの一定の変動幅を考慮して３００ｋＨｚ乃至１０ＭＨｚ程度である。超音波４３はその伝ぱの良好な液体４７を通り、超音波変換装置１０で検出される。電流電圧増幅された信号は信号線４４を介して信号処理系４５に送られる。検出された信号は信号処理系４５で信号処理され、検体情報を抽出する。

１ 基板
２ 電気機械変換素子
３ 電気配線基板
４ 導体
５ 第１の音響整合層
６ 第２の音響整合層
７ 音響減衰材
９ 音響整合減衰材
１０ 超音波変換装置
１１ 超音波

Claims (8)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板の表面に二次元的に配設された超音波と電気信号との変換をする電気機械変換素子と、
   前記第１の基板の裏面と電気的に接続された第２の基板である電気配線基板とを有する電気機械変換装置であって、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に第１の音響整合層を有し、
   かつ、
   前記第２の基板の裏面に音響減衰材を配し、
   前記第２の基板と前記音響減衰材との間に第２の音響整合層を有すること
   を特徴とする電気機械変換装置。
2. 前記電気機械変換素子が
   振動膜と、前記振動膜に配された第１の電極と、前記第１の電極と間隙を介して対向する位置に配された第２の電極とで構成される静電容量型電気機械変換素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換装置。
3. 前記第１の音響整合層の音響インピーダンスが、
   前記第１の基板の音響インピーダンスよりも小さく、前記第２の基板の音響インピーダンスよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換装置。
4. 前記電気機械変換素子から発せられる超音波の中心周波数の波長に対して、
   前記第１の音響整合層の厚さが前記超音波の前記第１の音響整合層内での波長の四分の一かつ、
   前記第１の音響整合層の音響インピーダンスが前記第１の基板の音響インピーダンスと前記第２の基板の音響インピーダンスの相乗平均であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の電気機械変換装置。
5. 前記第１の基板の厚さ方向に共鳴する超音波の共鳴周波数の波長に対して、
   前記第１の音響整合層の厚さが前記超音波の前記第１の音響整合層内での波長の四分の一かつ、
   前記第１の音響整合層の音響インピーダンスが前記第１の基板の音響インピーダンスと前記第２の基板の音響インピーダンスの相乗平均であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の電気機械変換装置。
6. 前記第１の音響整合層と前記第２の音響整合層のうち、少なくとも一方の音響インピーダンスが厚さ方向に勾配を有しており、
   前記第１の基板と前記第２の基板と前記第１の音響整合層と前記第２の音響整合層とで構成される各々の界面で
   音響インピーダンスが一致していることを特徴とする請求項１乃至３に記載の電気機械変換装置。
7. 前記音響減衰材の音響インピーダンスは前記第２の基板の音響インピーダンスと一致しており、前記音響減衰材が前記第２の音響整合層と一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５に記載の電気機械変換装置。
8. 請求項１乃至７に記載されている超音波変換装置と、
   パルス状に光を発生する光源と、
   前記超音波変換装置によって検出された信号を処理する信号処理系と、
   で構成され、
   前記光源から発せられた光を検体に照射し、
   前記検体に照射された前記光による光音響効果によって生じる超音波を前記超音波変換装置で検出し、
   前記信号処理系で処理することで検体内部の物理情報を取得することを特徴とする検体診断装置。

Images