JP6388821B2 - 圧電素子、音波プローブ、光音響装置 - 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。
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。
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。
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）。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
［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。
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。
・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。
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。
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。
・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。
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。
・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。
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。
・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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
［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。
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。
［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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
以下に保護フィルムの詳細を示す。
・ＦＩＬＭ−１：試作多層フィルム＝ＰＶＤＦ層４μｍ、ＰＭＭＡ層４６μｍ（フィラー４重量％＝酸化チタン＋ＣＢ）
・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
・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
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
・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
（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。
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。
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。
図５（ａ）に時間方向マスクなしの場合の、参考例１（No Cover）に対する各実施例の焦電信号強度の比を示す。図５（ｂ）に時間方向マスクありの場合の、参考例１（No Cover）に対する各実施例の焦電信号強度の比、すなわち本願の光透過性を示す。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
以下に音響信号強度の計測結果を示す。
図１８に参考例１（No Cover）に対する各実施例の信号減衰率（信号振幅透過率）、すなわち本願の音響透過性を示す。
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。
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。
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。
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。
（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
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
・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。
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。
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
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
Claims (12)
- 音波を受波し、受波した音波を電圧に変換する圧電体と；
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。 - 前記遮光透音材の光透過性に対する音響透過性の比が、０．５以上である、
請求項１に記載の圧電素子。 - 前記音響透過性が前記光透過性よりも大きい、
請求項２に記載の圧電素子。 - 前記圧電体が、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、
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。 - 前記遮光透音材が、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た、
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。 - 前記遮光透音材が、前記少なくとも１種の樹脂から形成され、
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。 - 前記フィラーが、白色である、
請求項６に記載の圧電素子。 - 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の圧電素子と；
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。 - 前記光を放射する光源と；
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。 - 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。 - 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、
遮光透音材。 - 前記フィラーが、白色である、
請求項１１に記載の遮光透音材。
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