(57)【要約】      （修正有）【課題】受信感度の最大値の低下や最小受信音圧の増加を抑制しつつ、低周波帯域から高周波帯域までの超音波を検出できる超音波トランスデューサを提供すること。【解決手段】光が照射された被検体から発せられた超音波を受信する超音波トランスデューサであって、前記超音波トランスデューサの受信感度の最大値から−６ｄＢ以上の受信感度となる周波数帯域が少なくとも１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であり、前記受信感度の最大値の最小受信音圧が１Ｐａ以下であり、０．５ＭＨｚの受信感度の信号対ノイズ比が、前記受信感度の最大値の信号対ノイズ比に対して−２０ｄＢ以上であることを特徴とする超音波トランスデューサ。【選択図】図４
2019080812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が照射された被検体から発せられた超音波を受信する超音波トランスデューサ
であって、
前記超音波トランスデューサの受信感度の最大値から−６ｄＢ以上の受信感度となる周波数帯域が少なくとも１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であり、
前記受信感度の最大値の最小受信音圧が１Ｐａ以下であり、
０．５ＭＨｚの受信感度の信号対ノイズ比が、前記受信感度の最大値の信号対ノイズ比に対して
−２０ｄＢ以上であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記超音波トランスデューサの受信感度の最大値から−６ｄＢ以上の受信感度となる周波数帯域が少なくとも２ＭＨｚ以上６ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記最小受信音圧が０．６Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記超音波トランスデューサは、間隔を隔てて形成された二つの電極のうちの
一方の電極を含む振動膜が振動可能に支持された静電容量型のトランスデューサを含み構成され、
前記二つの電極の間の容量変化で生じる電流を電圧に変換して検出する検出回路を有することを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記二つの電極の間の容量変化で生じる電流を電圧に変換する検出回路を有することを
特徴とする請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記検出回路のゲインはカットオフ周波数を有するローパス特性を有し、
前記カットオフ周波数が、２ＭＨｚ以上７ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項５に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記振動膜の共振周波数は、前記検出回路のカットオフ周波数よりも高いことを特徴とする請求項５または６に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記振動膜の厚さは１０００ｎｍ以上２８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記静電容量型のトランスデューサは、
前記二つの電極の間に電位差を生じさせるための電圧印加手段を有し、
前記電位差が１００Ｖ以下となるように前記電圧印加手段が制御されることを特徴とする請求項４乃至８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記二つの電極間の距離が２７３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
半球状の保持部と、前記保持部に設けられた複数の前記超音波トランスデューサとを含み構成され、
前記超音波トランスデューサ請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサであることを特徴とする超音波プローブ。
【請求項１２】
前記複数の超音波トランスデューサに互いに同じ大きさの駆動電圧が印加されるように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波プローブ。
【請求項１３】
被検体に照射する光を発生させる光源と、
光が照射された前記被検体から発生した音響波を受信する請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサと、
前記超音波トランスデューサで受信した信号から変換されて出力された電気信号に少なくとも基づいて、前記被検体に関する情報を取得する情報取得部と、
を有することを特徴とする光音響装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサ、超音波プローブ、及び光音響装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を検出する電気機械変換装置は主に圧電材を使用した圧電型のトランスデューサや、マイクロマシニング技術によって製造された静電容量型のトランスデューサが研究されている。以下、静電容量型のトランスデューサ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）をＣＭＵＴと略すことがある。光超音波マンモグラフィでは、がんの発生により形成される新生血管をイメージングするために、近赤外光を乳房に照射して、血管中の生体組織の熱膨張により放射される超音波を前述のトランスデューサで検出する。光超音波マンモグラフィをＰＡＭ（Ｐｈｏｔｏ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｍａｍｍｏｇｒａｐｈｙ）と呼ぶことがある。
【０００３】
従来の圧電素子を用いた超音波トランスデューサでは、素子自体の特性として、高周波帯域の超音波は検出しやすいが、低周波帯域の超音波の検出は困難な場合がある。
【０００４】
特許文献１では、高周波数帯域の超音波を検出する圧電素子と低周波数帯域の超音波を検出する圧電素子を組み合わせた構成により、広い周波数帯域に受信感度をもたせることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１５８４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、特許文献１の構成に課題を見出した。すなわち、特許文献１では、上記構成によって１ＭＨｚから４０ＭＨｚ程度までの信号を検出することを開示するが、１ＭＨｚ未満の信号を検出することは開示していない。本発明者らの検討によると、２ｍｍの太い血管を検出するためには、０．５ＭＨｚという低周波帯域の超音波を検出できる構成が必要であることがわかった。
【０００７】
さらに、特許文献１では、複数の圧電素子を組み合わせているため広帯域化を実現できても、受信感度の最大値が低下し、最小受信音圧が増加してしまう、という課題を見出した。
【０００８】
そこで、本発明では、細い血管だけでなく、２ｍｍの太い血管を検出することができ、かつ、受信感度の最大値の低下や最小受信音圧の増加を抑制した超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る超音波トランスデューサは、光が照射された被検体から発せられた超音波を受信する超音波トランスデューサであって、前記超音波トランスデューサの受信感度の最大値から−６ｄＢ以上の受信感度となる周波数帯域が少なくとも１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であり、前記受信感度の最大値の最小受信音圧が１Ｐａ以下であり、０．５ＭＨｚの受信感度の信号対ノイズ比が、前記受信感度の最大値の信号対ノイズ比に対して−２０ｄＢ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、受信感度の最大値の低下や、最小受信音圧の増加を抑制しつつ、低周波帯域から高周波帯域までの超音波を検出できる超音波トランスデューサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】検出感度と周波数特性及び検出感度と検出できる血管太さの関係の一例
【図２】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの受信感度の一例
【図３】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの回路ノイズの一例
【図４】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサのＳ／Ｎの一例
【図５】本発明の実施形態に係る静電容量型トランスデューサの上面図の一例
【図６】図５の拡大図
【図７】図５のＡ−Ｂ断面図
【図８】図５のＣ−Ｄ断面図
【図９】本発明の実施形態における検出回路の一例
【図１０】本発明の実施形態におけるＣＭＵＴの受信帯域の一例
【図１１】本発明の実施形態におけるＣＭＵＴの出力電流特性の一例
【図１２】本発明の実施形態における検出回路のゲイン特性の一例
【図１３】本発明の実施形態に係る光音響装置の一例
【図１４】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの一例
【図１５】本発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの断面図
【図１６】本発明の実施形態に係る静電容量型トランスデューサの製造方法の一例
【図１７】本発明の実施形態における検出回路のカットオフ周波数を変えた計算結果の一例
【図１８】本発明の実施形態における検出回路のカットオフ周波数と最小受信音圧の一例
【図１９】本発明の実施形態における検出回路のカットオフ周波数と受信感度のピークＳ／Ｎに対する０．５ＭＨｚの受信感度のＳ／Ｎの一例
【図２０】本発明の実施形態における振動膜の厚さと受信感度のピークから−６ｄＢとなる周波数の一例
【図２１】本発明の実施形態における電極間距離とバイアス電圧および受信感度の関係の一例
【図２２】本発明の実施形態における、振動膜の厚さと受信感度の関係の一例
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳しく説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。ただし、以下に記載されている詳細な計算式、計算手順などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
【００１３】
（受信感度）
図１を用いて、本実施形態における、光音響波イメージングと従来の超音波イメージングについて説明する。図１に、検出感度と周波数特性及び検出感度と検出できる血管太さの関係を示す。図１の横軸は周波数および検出できる血管太さ、縦軸は検出感度である。実線は本実施形態における光音響波イメージング用の超音波トランスデューサの検出感度の一例であり、破線は従来の超音波イメージング用のプローブの検出感度の一例である。横軸の血管太さは、被検体を球としたときに発生する光音響波の周波数スペクトルの、ピーク周波数を示している。つまり、血管太さ２ｍｍは球の直径２ｍｍに相当し、その時のピーク周波数は０．５ＭＨｚであり、血管太さ０．２ｍｍは球の直径０．２ｍｍに相当し、その時のピーク周波数は５ＭＨｚである。縦軸の検出感度は、実線は光音響波の受信感度を示し、破線は超音波の送受信感度を示す。
【００１４】
まず光音響波イメージングについて説明する。生体に光を照射して発生する光音響波は、血管の太さに依存した周波数帯域を有する。従来の超音波を送信し反射して戻ってきた超音波を受信する、超音波画像装置よりも広い周波数領域の信号を得ることができる。高分解能化や、がんなどの発生時に形成される細い新生血管をイメージングするために高い周波数帯域の受信感度を有する超音波トランスデューサが求められるが、周波数が高くなるほど生体中での超音波の減衰が大きい。一方、太い血管も同時にイメージングすることで血管の全体像が得られるため、低周波側の感度が高いことも求められている。
【００１５】
体表からの深度４０ｍｍ、血管太さ０．２ｍｍ〜２ｍｍ程度の血管を検出対象とする場合、波長８００ｎｍ程度のパルス光を被検体に照射すると、０．５ＭＨｚから１０ＭＨｚの周波数範囲を含む音響波が発生する。発生した音響波を超音波トランスデューサ２００で検出すると、血管像が得られる。そのため、図１に実線で示したように、超音波トランスデューサ２００の検出感度が０．５ＭＨｚから１０ＭＨｚの範囲にあることが好ましい。すなわち、０．５ＭＨｚから１０ＭＨｚの範囲において、−６ｄＢ以上の検出感度を得ることができる。
【００１６】
目的の０．２ｍｍ〜２ｍｍの血管像を鮮明に得るには、０．５ＭＨｚから６ＭＨｚの受信感度が、受信感度の最大値から−６ｄＢ以上だと、鮮明な血管像が得られて好ましい。２ｍｍの血管太さのピーク周波数は５ＭＨｚであるが、高周波数の光音響波は生体中での減衰が大きいため、ピーク周波数の２０％大きい６ＭＨｚまでの信号を用いて血管像を得ると鮮明な画像が得られて好ましい。なお、ピーク周波数とは信号出力が最大値となる周波数のことである。
【００１７】
図１に点線で−６ｄＢの値を示す。図１では、検出感度の最大値から−６ｄＢ以上となる周波数帯域が、１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の範囲であり、より鮮明な血管像が得られて好ましい。１ＭＨｚ以下の低周波数の光音響波は、太い血管で発生するため信号自体が大きく、生体中での減衰も小さい。そのため、１ＭＨｚ以下の受信感度は、２ＭＨｚ以上６ＭＨｚ以下の範囲の受信感度よりも低くてもよい。
【００１８】
次に超音波イメージングについて説明する。従来の超音波を送信し反射して戻ってきた超音波を受信する超音波画像装置は、送信した超音波の周波数帯域の信号しか反射して戻ってこないため、検出できる血管の太さが制限される。図１の破線で示したものが一般的な超音波イメージング用プローブの検出感度の一例である。一般的な超音波イメージング用プローブは、検出感度のピークから−６ｄＢとなる周波数が、２．１ＭＨｚと４．９ＭＨｚであり、検出できる血管の太さが、０．２ｍｍから０．５ｍｍの範囲である。プローブの性能を示す比帯域幅が８０％（＝１００×（（４．９−２．１）／（（４．９＋２．１）／２）））であり、より細い血管を検出するためには複数のプローブが必要になる。このことから、本実施形態における光音響波イメージングは従来の超音波イメージングよりも検出できる血管の太さが制限されず、広範囲で鮮明な血管像が得られて好ましい。
【００１９】
図２〜図４を用いて、本実施形態に係る超音波トランスデューサの受信感度の周波数特性について説明する。図２は本実施形態に係る超音波トランスデューサの受信感度の一例であり、横軸は受信信号の周波数、縦軸は受信感度である。図３は、本実施形態における超音波トランスデューサの回路ノイズの一例であり、横軸は周波数、縦軸は電圧である。図４は、本実施形態における超音波トランスデューサの信号対ノイズ比の一例であり、横軸は周波数、縦軸は信号対ノイズ比である。信号対ノイズ比を以下ではＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅの比）と記載することがある。なお、本実施形態においてＳ／ＮのＳは、受信感度（ｍＶ／ｋＰａ）であり、超音波の音圧を受信したときの出力の周波数特性を表す。また、Ｎは、回路ノイズ（ｕＶｒｍｓ）であり、回路ノイズの周波数特性を表す。従来、複数の検出回路を用いて、広帯域化を実現する技術があるが、回路が多い分、回路ノイズが大きくなり、最少受信音圧が増加していた。本実施形態では、検出回路を増やさず、に広帯域化を実現できるため、回路ノイズが多くならず、最少受信音圧の増加を抑制できる。
【００２０】
図２では、受信感度の最大値（３ＭＨｚ）から−６ｄＢ以上となる周波数帯域が、１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の範囲であり、より鮮明な血管像が得られて好ましい。なお、１ＭＨｚ以下の低周波数の光音響波は、太い血管で発生するため信号自体が大きく、生体中での減衰も小さい。そのため、１ＭＨｚ以下の受信感度は、２ＭＨｚから６ＭＨｚの範囲の受信感度より低くてもよい。
【００２１】
次に受信感度のＳ／Ｎについて説明する。図４は、図２の受信感度を図３の回路ノイズで周波数毎に除した後に、最大値でｄＢ表示した受信感度のＳ／Ｎの一例である。図４に破線で−２０ｄＢの値を示す。０．５ＭＨｚの受信感度のＳ／Ｎが、受信感度の最大値のＳ／Ｎの−２０ｄＢ以上とすると、鮮明な血管像が得られて好ましい。超音波トランスデューサで検出した信号を元に画像を形成する場合、ゲインを掛けて信号を増幅させるが、同時にノイズも増幅されてしまう。受信感度の最大値のＳ／Ｎに対して、０．５ＭＨｚの受信感度のＳ／Ｎが−２０ｄＢ以下になると、画像を形成する際のノイズによって虚像が発生して鮮明な血管像が得られない。そのため０．５ＭＨｚの受信感度のＳ／Ｎを−２０ｄＢ以上とするのが好ましい。図４に示した０．５ＭＨｚの受信感度のＳ／Ｎは、−１２ｄＢである。
【００２２】
（最小受信音圧）
図２と図３を用いて、最小受信音圧について説明する。超音波トランスデューサの受信性能の一つに最小受信音圧がある。最小受信音圧とは、超音波を受信したときのＳ／Ｎであり、最小受信音圧＝√２×ノイズの積算値／受信感度である。ノイズの積算値（積算ノイズ）は、超音波トランスデューサを検出回路に接続した時に生じる回路ノイズの積算値であり、図３で示した回路ノイズをある周波数範囲で積算した値である。ノイズの積算値は＝√（Σ（Δｆ×Ｖ２））である。ここで、Δｆは測定した周波数間隔、Ｖは各周波数でのノイズの測定値である。積算範囲は、検出する光音響波の周波数で適宜設定するのが好ましい。最小受信音圧が小さいほど、より小さい超音波が検出できるので、最小受信音圧を小さくする構成が好ましい。図３で、ノイズ積算範囲を２ＭＨｚから６ＭＨｚとした場合、最小受信音圧が１Ｐａ以下だと鮮明な血管像が得られ、０．６Ｐａ以下だとさらに鮮明な血管像が得られるため好ましい。図３では、２ＭＨｚから６ＭＨｚの範囲の積算ノイズは１３μＶｒｍｓである。図２の受信感度の最大値は、６６ｍＶ／ｋＰａなので、最小受信音圧は０．３Ｐａであり、鮮明な血管像が得られてより好ましい。
【００２３】
（ＣＭＵＴの構成）
図５〜図８を用いて、本実施形態に係る超音波トランスデューサの一例について説明する。本実施形態に係る超音波トランスデューサは、静電容量型のトランスデューサでも、圧電型のトランスデューサでもよい。圧電型のトランスデューサの例としては、ＰＺＴなどの圧電素子や圧電素子の薄膜、単結晶素子や単結晶薄膜などが挙げられる。一例として静電容量型トランスデューサについて説明する。図５は本実施形態における静電容量型トランスデューサの上面図であり、図６は図５の拡大図である。図７は図５のＡ−Ｂ断面図であり、図８は図５のＣ−Ｄ断面図である。
【００２４】
図中の番号は次の通りである。１は静電容量型トランスデューサ、２はセル、３は外形線、４は基板、５は第一の絶縁膜、６は第一の電極、７は第二の絶縁膜、８は間隙、９は第三の絶縁膜、１０は第二の電極、１１は封止膜、１２は振動膜、１３は振動膜支持部である。そして、１４は封止部、２１は検出回路、２２は電圧印加手段、４１は第一の電極パッド、４２は第二の電極パッドである。ＣＭＵＴでは、二つの電極の間の容量変化で生じる電流を電圧に変換して検出する。
【００２５】
図５に示す静電容量型トランスデューサ１は、多数のセル２が配置され、１つの素子（エレメントと呼ぶこともある）を構成している。図５では、１つの素子のみ示しているが、素子の数はいくつでも構わない。また、図５において、静電容量型トランスデューサ１は、セル２を１４２個含み構成されているが、個数はいくつであっても構わない。また、セルの配列は格子状の配置でも千鳥配置でもどのような配列でも構わない。さらに、複数のセル２が設けられる領域の大まかな外形は図５に示すような円形でもよく、正方形や長方形、六角形等の多角形でも構わない。
【００２６】
図７、図８に示すように、セル２は基板４、基板４上に形成される第一の絶縁膜５、第一の絶縁膜５上に形成される第一の電極６、第一の電極６上に形成される第二の絶縁膜７を有する。さらに、第三の絶縁膜９と第二の電極１０と封止膜１１で振動膜１２が形成され、振動膜１２を振動可能に支持する振動膜支持部１３、間隙８とを有している。間隙８は、後述するが、エッチングホール１６を介して犠牲層をエッチングすることで形成する。振動膜支持部１３は、配線引き出しの為に第二の電極１０を含んでいる場合（図７の１３）と含んでいない場合（図８の１３）が存在する。基板４がガラス基板などの絶縁性基板を含み構成される場合、第一の絶縁膜５はなくてもよい。また第二の絶縁膜７は、セルの耐圧向上や絶縁膜の帯電を防ぐために設けているため、不要であればなくてもよい。さらに封止膜１１は、振動膜１２の変形制御や間隙８を封止するために設けているため、不要であればなくてもよい。間隙８を上面から見た形状は円形であり、振動する部分の形状は円形であるが、正方形、長方形等の形状でも構わない。また図８に示すように、セル２の第一の電極６と第二の電極１０との間に電圧を印加する電圧印加手段２２と、第二の電極に流れる電流を電圧に変換して増幅する検出回路２１を有している。検出回路は、電流電圧変換回路や、増幅回路と呼ぶこともできる。
【００２７】
本実施形態における静電容量型のトランスデューサは、電圧印加手段２２から第一の電極６にバイアス電圧を印加する事ができる。第一の電極パッド４１を介して第一の電極６にバイアス電圧が印加されると、第一の電極６と第二の電極１０の間に電位差が生じる。この電位差により振動膜の復元力と静電引力が釣り合うところまで振動膜１２は変位する。この状態で音響波が振動膜１２に到達すると、振動膜１２が振動する事で第一の電極６と第二の電極１０の間の静電容量が変化して第二の電極１０に電流が流れる。この電流を第二の電極１０から引き出された第二の電極パッド４２を介して取り出す事で、超音波を電気信号として取り出す事ができる。電圧印加手段２２から第一の電極６にバイアス電圧を印加した状態で、第二の電極１０に送信駆動電圧を印加すると、超音波を送信する事も出来る。第一の電極６へ印加する電圧が増大すると、振動膜１２の復元力よりも静電引力の方が大きくなり、振動膜１２が間隙８の下面の第二の絶縁膜７に接触する。この電圧をプルイン電圧という。プルイン電圧に対するバイアス電圧の比が高いほど、受信した音響波を電気信号に変換する、あるいは電気信号を音響波に変換する変換効率が高い。送信駆動電圧は、所望の超音波を送信できる波形であればどのような波形でも良い。単極パルスや双極パルス、バースト波や連続波など、所望の波形を用いればよい。
【００２８】
（検出回路のカットオフ周波数）
図９を用いて、本実施形態に係る検出回路の一例について説明する。本実施形態における検出回路は、トランスインピーダンス型の電流電圧増幅回路である。また、本実施形態における検出回路はカットオフ周波数を有するローパス特性を有する。
【００２９】
図中の番号は、検出回路２０８、オペアンプ３２、帰還抵抗３３，３５、帰還容量３４，３６である。オペアンプ３２は正負電源（ＶＤＤ，ＶＳＳ）に接続されており、反転入力端子（−ＩＮ）は、静電容量型トランスデューサ１の第二の電極に接続されている。出力端子（ＯＵＴ）は、並列に接続された帰還抵抗３３と帰還容量３４に反転入力端子（−ＩＮ）接続され、出力信号がフィードバックされる構成になっている。非反転入力端子（＋ＩＮ）は、並列に接続された帰還抵抗３５と帰還容量３６により、グランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。グランド端子の電圧は、正電源ＶＤＤと負電源ＶＳＳの中間電位となっている。帰還抵抗３３，３５の抵抗値、帰還容量３４，３６の容量値はそれぞれ同じ値である。トランスインピーダンス回路のカットオフ周波数は、ＣＭＵＴ全体として広帯域な受信帯域を実現できるように設定されることが好ましい。測定対象や得たい受信帯域の性能によって、カットオフ周波数の割り当ては適宜変えることができる。
【００３０】
図１０〜図１２を用いて一般的なＣＭＵＴの受信帯域について説明する。図１０はＣＭＵＴの受信帯域、図１１はＣＭＵＴの出力電流特性、図１２は検出回路のゲイン特性である。ＣＭＵＴの受信帯域は、ＣＭＵＴの出力電流特性と検出回路のゲイン特性の積で決まる。検出回路はトランスインピーダンス型の電流電圧増幅回路が用いられる。ＣＭＵＴの出力電流は、静電容量の変化を平行平板近似したとき下記式１、２のように表せる。
Ｉ＝Ｐ／（（Ｚｍ＋Ｚｒ）／（εＳ＊Ｖｂ／ｄ＾２）＋ｊωＣ）    （式１）
Ｚｍ＝ｊ＊ｋｍ＊（（ω／ω０＾２）−１／ω）    （式２）
【００３１】
上記（式１）（式２）において、Ｐは音響波の圧力、εは真空の誘電率、Ｓは第二の電極面積、Ｖｂは二つの電極間に印加するバイアス電圧、ｄは電極間のギャップである。そして、Ｚｍは振動膜の機械インピーダンス、Ｚｒは媒質の音響インピーダンス、ωは音響波の各周波数、Ｃは全静電容量である。ｋｍは振動膜のバネ定数であり、ω０は共振周波数である。式１で全静電容量は相対的に小さいため、周波数の関数となっているのは振動膜の機械インピーダンスＺｍである。またＣＭＵＴの表面は通常、液体やゲルなどに接触して使用する場合が多い。液体の音響インピーダンスは振動膜の機械インピーダンスよりも大きいため、図１１の出力電流の周波数特性に大きな影響を与える。振動膜の機械インピーダンスが０になる周波数が振動膜の共振周波数であり、図１１の出力電流は最大値をとる。図１１の出力電流の共振周波数は６ＭＨｚである。
【００３２】
図１２に示した検出回路のゲイン特性は式３、カットオフ周波数は式４で示される。
Ｇ＝Ｒｆ／（１＋ｊωＲｆ＊Ｃｆ）    （式３）
ｆ≒１／（２πＲｆ＊Ｃｆ）    （式４）
【００３３】
上記（式３）（式４）において、Ｇは回路ゲイン、Ｒｆは帰還抵抗、Ｃｆは帰還容量、ωは入力電流の角周波数、ｆはカットオフ周波数である。また、図８の回路を安定して駆動するためには、式５を満たす必要がある。
Ｃｆ≧（（Ｃｉｎ）／（π＊ＧＢＷ＊Ｒｆ））＾０．５    （式５）
【００３４】
上記（式５）において、ＧＢＷはオペアンプの利得帯域幅、Ｃｉｎはオペアンプの反転入力端子（−ＩＮ）に寄生する容量である。Ｃｉｎが大きいと負帰還回路が不安定になり、回路自体が発振して電流電圧変換が行えなくなるため、Ｃｉｎの値に対して最適なＧＢＷ、Ｒｆ、Ｃｆを選択する必要がある。
【００３５】
例えば図１０のＣＭＵＴの周波数特性を低周波数側に変更するためには、図１１の出力電流の共振周波数を低周波側にずらすか、図１２の検出回路のゲイン特性を低周波数側にずらせばよい。図１１の出力電流のカットオフ周波数を低周波側にずらすには、セルの振動膜を柔らかくしてバネ定数を小さくすればよい。しかしセルの振動膜を柔らかくしすぎると、電極へ印加できる電圧が小さくなり、音響波を受信した時に得られる電圧信号が小さくなってしまう。また振動膜のたわみが大きくなり、高感度化のために電極間のギャップを狭くすることが困難になるため、振動膜はある程度の硬さが必要である（式１、２参照）。このことから、図１２の検出回路のゲイン特性のカットオフ周波数を低周波数側にずらす方が好ましい。一方、図１０の電圧信号のカットオフ周波数を高周波数側に変更するためには、図１１の出力電流のカットオフ周波数を高周波側にずらすか、図１２の受信回路のゲイン特性のカットオフ周波数を高周波数側にずらす方法がある。図１１の出力電流のカットオフ周波数を高周波側にずらすには、セルの振動膜を硬くしてバネ定数を大きくすればよい。しかしセルの振動膜を硬くしすぎると、バネ定数が大きい事で音響波を受信した時に得られる電圧信号が小さくなってしまう。また電極へ印加する電圧が大きくなり、ＣＭＵＴの絶縁耐圧の向上や装置構成の変更が必要となるため、振動膜の硬さには制限がある（式１、２参照）。図１２の検出回路のゲイン特性のカットオフ周波数を高くするには、トランスインピーダンス回路のオペアンプを安定に動作させるために、帰還抵抗Ｒｆを低くしてカットオフ周波数を高くする必要がある。帰還抵抗Ｒｆを低くするとゲインが低下するため、音響波を受信した時に得られる電圧信号が小さくなってしまう。このことから、それぞれの制約の中で出力電流と検出回路のゲイン特性の両方のカットオフ周波数をずらすのが好ましい。本発明では、図１２の検出回路のゲイン特性のカットオフ周波数を２ＭＨｚ〜７ＭＨｚの範囲としている。また図１２の出力電流のカットオフ周波数を検出回路のゲイン特性のカットオフ周波数よりも高くすることで広帯域な受信帯域を実現している。
【００３６】
なお、検出回路のカットオフ周波数は、信号の最大値から−３ｄＢ下がった値となる周波数である。デバイス（出力電流）のカットオフ周波数は、信号の最大値から−６ｄＢ下がった値となる周波数である。
【００３７】
（振動膜の厚さ）
振動膜１２の特性は、振動膜の膜厚、半径、残留応力の影響で変わる。大気中の振動膜１２の共振周波数は、式６で示される。
Ｆｒ  ∝  （ｋｍ／ｍ）＾０．５  ∝  ｔ×Ｅ＾０．５／（ｒ＾３×ρ＾０．５）    （式６）
【００３８】
Ｆｒは大気中での振動膜の共振周波数、ｋｍは振動膜のバネ定数、ｍは振動膜の質量、ｔは振動膜の厚さ、ｒは振動膜の半径、Ｅは残留応力、ρは振動膜の密度である。振動膜１２の半径は、大きいほど振動する部分の面積が大きくなり受信感度が高くなって好ましい。一方、質量が大きくなり、さらに液体の音響インピーダンスの影響が大きくなるため、周波数帯域が狭くなることがある。そのため、受信感度と周波数帯域のトレードオフを考慮する必要がある。振動膜１２の膜厚は、所望の周波数が得られる膜厚にするのが好ましい。このとき、受信感度と周波数帯域のトレードオフを考慮した直径や、電極間の絶縁耐圧を考慮した厚さにするのが好ましい。また、犠牲層エッチング後は第二の電極１０の残留応力が解放されるため、振動膜１２のたわみが大きくなる。たわみが大きいと振動膜１２が間隙８の底面に接触（スティッキング）して離れなくなるため、振動膜１２の厚さはたわみを考慮するのが好ましい。振動膜１２残留応力は、振動膜１２のたわみと周波数特性に影響を与える。製造方法で後述するが、低い引張り応力で制御するのが好ましい。
【００３９】
（電極間距離）
受信感度は、第一の電極６と第二の電極１０の間の電極間の距離で変わり、式７で示される。
受信感度  ∝  Ｖｂｉａｓ／ｄ＾２  ∝  ｄ＾１．５／ｄ＾２  ＝  １／ｄ＾０．５    （式７）
【００４０】
Ｖｂｉａｓはバイアス電圧、ｄは電極間の距離である。電極間の距離が小さくなると受信感度が大きくなって好ましいが、バイアス電圧が小さくなる。バイアス電圧が小さくなりすぎると、電源や外部からの電圧ノイズやデバイスの帯電による感度ばらつき、設計偏差が大きくなるため、受信感度と感度ばらつきを考慮して電極間の距離を適宜設定するのが好ましい。また、バイアス電圧が１００Ｖ以上となると、一般的な装置への負荷が大きくなるため、バイアス電圧が１００Ｖ以下となる構成にするのが好ましい。
【００４１】
（光音響装置）
図１３を用いて本実施形態に係る光音響装置の一例を示す。図１３は、光音響装置の構成図である。図中の番号は、取り付け部１００、保持部１１０、被検体１２０、音響マッチング材１３０、光学系１４０、光源１５０、情報取得部１６０、画像表示部１７０、超音波プローブ１８０、超音波トランスデューサ２００、配線３００である。
【００４２】
測定は保持部１１０に被検体１２０の乳房などを挿入して行う。光源１５０から発生したパルス光は、被検体に光を照射するための光照射部の一部をなす光学系１４０を介して超音波プローブ１８０の頂点近傍から保持部１１０の方向に導かれ、被検体１２０に照射される。被検体内部を伝播した光のエネルギーの一部が血液などの光吸収体に吸収されると、その被検体１２０の光吸収体の熱膨張により音響波が発生する。被検体１２０で発生した音響波はすべての方向に伝播し、音響マッチング材１３０を伝播して超音波プローブ１８０内に配置された超音波トランスデューサ２００の各々で受信され、情報取得部１６０において被検体情報が取得される。その結果、例えば、被検体１２０の特性情報を表す画像として画像表示部１７０に出力される。
【００４３】
超音波トランスデューサ２００は、半球状の形状をした超音波プローブ１８０に、図５に示したセンサ平面（ＸＹ平面）が被検体１２０側に向くように複数配置されている。具体的には、センサ平面（ＸＹ平面）が、半球状の形状をした超音波プローブ１８０の曲率中心を向くように配置されている。超音波トランスデューサ２００は、導線やケーブル等の配線３００で情報取得部１６０に接続されており、情報取得部１６０から同一のバイアス電圧を印加して駆動し、被検体１２０から発生した音響波を受信する。受信した音響波は電気信号に変換され、情報取得部１６０で解析される。
【００４４】
図１４、図１５、図５を用いて本実施形態における超音波トランスデューサ２００の一例を示す。図１４は図１３の超音波プローブ１８０に配置された超音波トランスデューサ２００をＸＺ方向から見た図であり、図１５は図１４の断面図である。図中の番号は、光反射層２０５、本体２０６、配線３００、第一のフレキ配線２０７、第二のフレキ配線２０９、検出回路２０８、超音波トランスデューサ素子２１０、支持部材２１１、配線基板２１２である。
【００４５】
超音波トランスデューサ２００は、光反射層２０５と本体２０６と配線３００から構成されている。本体２０６の中には、超音波トランスデューサ素子２１０と第一のフレキ配線２０７と第二のフレキ配線２０９、検出回路２０８が配置されている。超音波トランスデューサ素子２１０のセンサ平面（ＸＹ平面）は、図４に示したトランスデューサ素子１と同じ構成である。図４では、光反射層２０５と本体２０６を省略している。第一の電極パッド４１は、第一のフレキ配線２０７に繋がれ、第二の電極パッド４２は第二のフレキ配線に繋がれ、検出回路２０８と繋がれる。後述する製造方法で製造した超音波トランスデューサ素子１を図１４に示すように実装することで超音波トランスデューサ２００を製造することが出来る。
【００４６】
（ＣＭＵＴの製造方法の説明）
図１６を用いて本実施形態における静電容量型トランスデューサ１の製造方法の一例を示す。図１６は、図６のＡ−Ｂ断面図である。
【００４７】
図１６（ａ）に示すように、基板４上に第一の絶縁膜５を形成する。基板４はシリコン基板であり、第一の絶縁膜５は第一の電極６との絶縁を形成するためである。基板４がガラス基板のような絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜５は形成しなくともよい。また、基板４は、表面粗さの小さな基板が望ましい。表面粗さが大きい場合、本工程の後工程での成膜工程でも、表面粗さが転写されていくとともに、表面粗さによる第一の電極６と第二の電極１０間の距離が、各セル間でばらついてしまう。このばらつきは、変換効率のばらつきとなるため、感度、帯域ばらつきとなる。従って、基板４は、表面粗さの小さな基板が望ましい。さらに、第一の電極６を形成する。第一の電極６は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、タングステン、アルミ等である。基板４と同様に、第一の電極６の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極６と第二の電極１０間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい導電材料が望ましい。第一の電極６の厚さは、厚さが増すと表面粗さが増加するため、薄い方が好ましい。
【００４８】
次に、第二の絶縁膜７を形成する。第二の絶縁膜７は、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましく、第一の電極６と第二の電極１０との間に電圧が印加された場合に、第一の電極６と第二の電極１０間の電気的短絡あるいは絶縁破壊を防止するために形成する。また、本工程の後工程で実施する犠牲層除去時に第一の電極６がエッチングされることを防止するために形成する。基板４と同様に、第二の絶縁膜７の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極６と第二の電極１０間の距離が、各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい絶縁膜が望ましい。例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等である。また絶縁膜は、厚くなるほど表面粗さが増すため、絶縁性を保つのに最低限必要な厚さとする。
【００４９】
次に、図１６（ｂ）に示すように、犠牲層１５を形成する。犠牲層１５は表面粗さが小さい材料が望ましい。基板４と同様に、犠牲層１５の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極６と第二の電極１０間の距離が各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい犠牲層１５が望ましい。また、犠牲層１５を除去するエッチングのエッチング時間を短くするために、エッチング速度の速い材料が望ましい。さらに、犠牲層１５を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜７や、振動膜１２となる第三の絶縁膜９がほぼエッチングされないような犠牲層材料が求められる。犠牲層１５を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜７や、振動膜１２となる第三の絶縁膜９がエッチングされる場合、振動膜１２の厚さばらつき、第一の電極６と第二の電極１０との間の距離ばらつきが発生する。振動膜１２の厚さばらつき、第一の電極６と第二の電極１０との間の距離ばらつきは、各セル間の感度、帯域ばらつきとなる。第二の絶縁膜７や、振動膜１２が窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜の場合、表面粗さが小さく、第二の絶縁膜７や、振動膜１２がエッチングされにくいエッチング液あるいはエッチングガスを用いることができる犠牲層材料が望ましい。例えば、アモルファスシリコン、ポリイミド、クロム等である。特に、クロムのエッチング液は、窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜をほぼエッチングしないので、第二の絶縁膜７や、振動膜１２が窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜の場合、望ましい。
【００５０】
次に、図１６（ｃ）に示すように、第三の絶縁膜９を形成する。第三の絶縁膜９は、低い引張り応力が望ましい。例えば、５００ＭＰａ以下の引張り応力がよい。窒化シリコン膜は応力コントロールが可能であり、５００ＭＰａ以下の低い引張り応力にすることができる。振動膜１２が圧縮応力を有する場合、振動膜１２がスティッキングあるいは座屈を引き起こし、大きく変形する。また、大きな引張り応力の場合、第三の絶縁膜９が破壊されることがある。従って、第三の絶縁膜９は、低い引張り応力が望ましい。例えば、応力コントロールが可能で、低い引張り応力にできる窒化シリコン膜である。また、第三の絶縁膜９の厚さは、犠牲層１５の上に成膜を行うため、犠牲層１５のカバレッジを確実にできる厚さとすることが好ましい。
【００５１】
次に、図１６（ｄ）に示すように、第二の電極１０を形成する。第二の電極１０は、残留応力が小さい材料が望ましく、アルミニウムなどである。犠牲層除去工程あるいは封止工程を第二の電極１０の形成後に行う場合、第二の電極１０は、犠牲層エッチングに対するエッチング耐性、耐熱性を有する材料が望ましい。例えばアルミシリコン合金やチタンなどである。表面の段差のカバレッジを確実にできる厚さとすることが好ましい。
【００５２】
次に、図１６（ｅ）に示すように、第三の絶縁膜９にエッチングホール１６を形成する。エッチングホール１６は、犠牲層１５をエッチングして除去するためにエッチング液あるいはエッチングガスを導入するための孔である。その後、犠牲層１５を除去して間隙８を形成する。犠牲層除去方法は、ウエットエッチングやドライエッチングなどが好ましく、犠牲層材料としてクロムを用いた場合は、ウエットエッチングが好ましい。犠牲層材料としてクロムを用いた場合、犠牲層エッチングの際に第二の電極１０がエッチングされないようにするために、第二の電極１０をチタンとするのが好ましい。第二の電極１０としてアルミシリコン合金などを用いる場合には、第二の電極１０を形成した後に第二の電極１０上に第三の絶縁膜９と同じ材料で絶縁膜を形成し、その後エッチングホール１６を形成して犠牲層除去を行うのが好ましい。
【００５３】
次に、図１６（ｆ）に示すように、エッチングホール１６を封止する為に、封止膜１１を形成する。第三の絶縁膜９と第二の電極１０と封止膜１１で振動膜１２が形成される。封止膜１１は、間隙８に液体や外気が浸入しないことが求められる。間隙８が大気圧であると、温度変化によって間隙８内の気体が膨張したり収縮したりする。また間隙８には高い電界がかかる為、分子の電離などによる素子の信頼性低下の要因となる。そのため、封止は減圧した環境で行われることが求められる。間隙８内部を減圧する事で間隙８内部の空気抵抗を小さくすることができる。これにより振動膜１２が振動しやすくなり、静電容量型トランスデューサ１の感度を高くすることができる。また封止する事で静電容量型トランスデューサ１を液体中で使用する事ができる。封止材料として、第三の絶縁膜９と同じ材料であれば密着性が高い為好ましい。また、表面の段差のカバレッジを確実にできる厚さとすることが好ましい。第三の絶縁膜９が窒化シリコンの場合、封止膜１１も窒化シリコンが好ましい。振動膜支持部１３は、間隙８を囲い振動膜１２を支持している部分である。
【００５４】
図１６では、第二の電極１０が第三の絶縁膜９と封止膜１１で挟まれた構成を一例として示したが、第三の絶縁膜９を形成した後にエッチングホール１６を形成して犠牲層エッチングを行ってもよい。その後封止膜１１を形成した後に第二の電極１０を設けることもできる。しかし第二の電極１０が最表面に露出していると、異物などにより素子がショートする可能性が高くなるため、第二の電極１０は絶縁膜に設けることが好ましい。また、図１６（ｆ）で封止膜１１を形成した後に、封止膜１１の一部をエッチングして封止膜１１を薄くしてもよい。封止膜１１はエッチングホール１６を封止する必要があるため、間隙８の厚さに応じて厚さを変える必要がある。間隙８の厚さを大きくし、封止膜１１の厚さを薄くする場合には、エッチングホール１６を封止できる厚さを成膜した後に、振動膜１２となる部分を含んだ封止膜１１をエッチングするのが好ましい。
【００５５】
以上の工程を経る事で図１６（ｆ）となり、図４のような静電容量型トランスデューサ１を作製する事ができる。
【００５６】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【００５７】
（実施例１  検出回路のカットオフ周波数の選定）
本実施例では、受信感度のピークから−６ｄＢ以上となる周波数が、低周波数側で２ＭＨｚ以下、高周波数側で６ＭＨｚ以上となる、超音波トランスデューサについて説明する。
【００５８】
まず、超音波トランスデューサ素子１の構成を説明する。
【００５９】
超音波トランスデューサ素子１の外形線３は、図５に示すような直径２ｍｍの略円形である。セル２は円形の形状であり、間隙８の直径は３６μｍである。間隙８の上の第二の電極１０の直径は３２μｍである。間隙８の上の第二の電極１０の直径に接続している配線の幅は５μｍである。隣接したセル同士の間隔は３９μｍで配置されている。図５ではセル数は省略しているが、実際に外形線３の内部に配置した全セル数は２３７９個である。図８に示すようにセルは、基板４として３００ｕｍ厚さのシリコン基板、シリコン基板４上に形成される第一の絶縁膜５、第一の絶縁膜５上に形成される第一の電極６、第一の電極６上の第二の絶縁膜７を有する。さらに、第三の絶縁膜９と第二の電極１０と封止膜１１を含む振動膜１２と、間隙８とを有している。間隙８の高さは１４０ｎｍである。さらに、第一の電極６と第二の電極１０との間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段２２と検出回路２１を有している。
【００６０】
第一の絶縁膜５は、熱酸化により形成した厚さ１ｕｍのシリコン酸化膜である。第二の絶縁膜７は、Ｐｒａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）により形成した１００ｎｍのシリコン酸化膜である。第一の電極６は厚さが５０ｎｍのタングステンであり、第二の電極１０は厚さが１００ｎｍのアルミ合金である。第三の絶縁膜９と封止膜１１はＰＥ−ＣＶＤにより作製した窒化シリコン膜であり、４５０ＭＰａ以下の引張り応力で形成している。第三の絶縁膜９の厚みは３５０ｎｍであり、封止膜１１の厚さは８５０ｎｍである。このような構成の超音波トランスデューサ素子１を、前述した製造方法で製造した。製造した超音波トランスデューサ素子１の大気中の共振周波数は、１３．１ＭＨｚ、プルイン電圧は７５Ｖであった。
【００６１】
シリコン基板４上に製造した超音波トランスデューサ素子１をダイシングし、第一の電極パッド４１を第一のフレキ配線２０７へ、第二の電極パッド４２を第二のフレキ配線２０９へ接続し、本体２０６内部の支持部材２１１にシリコン系の接着剤で固定する。その後、光反射膜２０５をシリコン系の接着剤で超音波トランスデューサ素子１の表面に張り付けることで、超音波トランスデューサ２００を製造した。光反射膜２０５は、厚さ１２ｕｍのＰＥＴフィルムに数十ｕｍの金を蒸着させたものを用いた。シリコン系の接着剤の厚さは３０ｕｍとした。
【００６２】
次に、検出回路２０８の構成を説明する。
【００６３】
検出回路のカットオフ周波数を０．５ＭＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、４ＭＨｚ、帰還容量は順に４．３ｐＦ、５．６ｐＦ、８．２ｐＦ、１１ｐＦ、帰還抵抗は順に７５ｋΩ、２７ｋΩ、９．１ｋΩ、３．６ｋΩとする。検出回路のカットオフ周波数は式４で計算した値であり、帰還容量は式５を満たす値とする。製造した超音波トランスデューサ素子１の検出回路２０８のカットオフ周波数を変えた計算結果を図１７、図１８、図１９に示す。図１７の横軸は検出回路２０８のカットオフ周波数、縦軸は受信感度のピークから−６ｄＢとなる周波数である。図１７の丸いプロットは低周波数側の値であり、四角いプロットは高周波数側の値であり、各プロットの実線は近似曲線である。図１８の横軸は検出回路２０８のカットオフ周波数、縦軸は最小受信音圧である。プロットの実線は近似曲線である。図１９の横軸は検出回路２０８のカットオフ周波数、縦軸は受信感度のピークＳ／Ｎに対する０．５ＭＨｚの受信感度のＳ／Ｎである。プロットの実線は近似曲線である。
【００６４】
例えば図１７で、受信感度のピークから−６ｄＢ以上となる周波数を低周波数側で２ＭＨｚ以下、高周波数側で６ＭＨｚ以上とする場合について説明する。低周波数側で２ＭＨｚ以下となる検出回路のカットオフ周波数は、７ＭＨｚ以下である。一方、高周波数側で６ＭＨｚ以上となる検出回路のカットオフ周波数は、２ＭＨｚ以上である。このことから、受信感度のピークから−６ｄＢ以上となる周波数が低周波数側で２ＭＨｚ以下、高周波数側で６ＭＨｚ以上となる検出回路のカットオフ周波数は、２ＭＨｚ以上７ＭＨｚ以下である。そのため、検出回路のカットオフ周波数は２ＭＨｚ以上７ＭＨｚ以下が好ましい。また図１７に示したように、検出回路のカットオフ周波数が２ＭＨｚ以上７ＭＨｚ以下の範囲で、最小受信音圧は０．６Ｐａ以下である。この時のノイズ積算範囲は、２ＭＨｚから６ＭＨｚである。さらに、図１８に示したように、検出回路のカットオフ周波数が２ＭＨｚ以上７ＭＨｚ以下の範囲で、受信感度のピークＳ／Ｎに対する０．５ＭＨｚの受信感度のＳ／Ｎは、−２０ｄＢ以上である。
【００６５】
以上のことから、実施例１のような構成にすることで、受信感度が低下することなく、ＰＡＭの血管イメージングに求められる広帯域化された超音波トランスデューサ２００を提供できる。
【００６６】
（実施例２  振動膜の膜厚と性能の関係）
本実施例では、受信感度のピークから−６ｄＢ以上となる周波数が、低周波数側で２ＭＨｚ以下、高周波数側で６ＭＨｚ以上となる、振動膜の厚さについて説明する。
【００６７】
図２０に、検出回路２０８のカットオフ周波数が３ＭＨｚの場合で、振動膜の厚さを変えた時の受信感度のピークから−６ｄＢとなる周波数を示す。横軸は振動膜の厚さ、縦軸は受信感度のピークから−６ｄＢとなる周波数である。実線は低周波数側の周波数であり、破線は高周波数側の周波数である。
【００６８】
本実施例の超音波トランスデューサ２００の構成は、実施例１と同等であり、封止膜１１の厚さを変えて振動膜の厚さを変えている。図２２において、低周波数側で２ＭＨｚ以下となる振動膜厚さは２８００ｎｍ以下であり、高周波数側で６ＭＨｚ以上となる、振動膜の厚さは１０００ｎｍ以上である。このことから、好ましい振動膜１２の厚さは、１０００ｎｍ以上２８００ｎｍ以下の範囲である。
【００６９】
本実施例２では、間隙８の直径が３６μｍの一例を示している。間隙８の直径が異なる場合には、直径に適した振動膜厚さに適宜変更してもよい。
【００７０】
（実施例３  電極間距離とバイアス電圧の関係）
本実施例では、第一の電極６と第二の電極１０の電極間の距離とバイアス電圧の関係について説明する。
【００７１】
図２１に、電極間距離とバイアス電圧および受信感度の関係を示す。横軸は第一の電極６と第二の電極１０の電極間距離、左の縦軸はバイアス電圧、右の縦軸は受信感度である。電極間距離とは、第一の電極６と第二の電極１０の間に存在する、第二の絶縁膜７と第三の絶縁膜９を含めた真空等価ギャップ（＝第二の絶縁膜７の厚さ／第二の絶縁膜７の比誘電率＋間隙厚さ＋第三の絶縁膜９の厚さ／第三の絶縁膜９の比誘電率）のことである。本実施例の超音波トランスデューサ２００は、最終的に図１３に示した超音波プローブ１８０に実装され、光音響装置となる。光音響装置では、複数の超音波トランスデューサ２００に同一のバイアス電圧が印加される。そのため、本実施例のバイアス電圧は、超音波トランスデューサ２００の製造ばらつきを考慮して、プルイン電圧の９０％の電圧としている。真空等価ギャップが大きくなると、真空等価ギャップの１．５乗に比例してバイアス電圧が上昇する。
【００７２】
本実施例の超音波トランスデューサ２００の構成は、実施例１と同等であり、間隙８の厚さを変えて電極間距離を変えている。電極間距離が小さくなると受信感度が大きくなって好ましいが、プルイン電圧が小さくなるのに伴い、バイアス電圧を小さくする必要が生じうる。バイアス電圧が小さくなりすぎると、電源や外部からの電圧ノイズやデバイスの帯電による感度ばらつき、設計偏差が大きくなる。そのため受信感度と感度ばらつきを考慮して電極間距離を適宜設定するのが好ましい。また、バイアス電圧が１００Ｖ以上となると、一般的な装置への負荷が大きくなるため、バイアス電圧が１００Ｖ以下となる構成にするのが好ましい。本実施例において、バイアス電圧が１００Ｖ以下となる電極間距離は、２７３ｎｍ以下である。なお、電極間距離は１７４ｎｍ以下であることが好ましい。なぜなら、超音波トランスデューサ同士の感度ばらつきを抑えるために、デバイスの初期帯電±１Ｖがプルイン電圧の２％以下であるようにする必要がある。それを満たすためにプルイン電圧は５０Ｖ以上とする必要があり、そのときの電極間距離が１７４ｎｍだからである。
【００７３】
本実施例３では、間隙８の直径が３６μｍ、間隙８の上の第二の電極１０の直径は３２μｍ、振動膜１２の厚さは１２００ｎｍの一例を示している。これらの値が異なる場合には、電極間距離を適宜変更してもよい。
【００７４】
（実施例４）
本実施例では、より具体的な超音波トランスデューサ２００の構成について説明する。
【００７５】
本実施例の超音波トランスデューサ２００は、受信感度のピークから−６ｄＢ以上となる周波数が、低周波数側が２ＭＨｚ以下、高周波数側が６ＭＨｚ以上である。また最小受信音圧が１Ｐａ以下であり、０．５ＭＨｚの受信感度のＳ／Ｎが、受信感度のピークのＳ／Ｎに対して−２０ｄＢ以上である。
【００７６】
本実施例の超音波トランスデューサ２００の構成は実施例１と同じであり、振動膜１２の厚さは１２００ｎｍである。電極間距離は２１４ｎｍである。光反射膜２０５は、厚さ１２ｕｍのＰＥＴフィルムに数十ｕｍの金を蒸着させたものを用いており、シリコン系の接着剤の厚さは３０ｕｍである。検出回路２０８のカットオフ周波数は３ＭＨｚであり、帰還容量は１５ｐＦ、帰還抵抗は３４８０Ωである。バイアス電圧は７１Ｖである。
【００７７】
このような超音波トランスデューサ２００の受信感度の周波数特性を図２に、回路ノイズを図３に、受信感度のＳ／Ｎを図４に示す。図２に示す通り、受信感度のピークから−６ｄＢ以上となる周波数は、低周波数側が１ＭＨｚ以上、高周波数側が１０ＭＨｚ以下である。超音波トランスデューサ２００の周波数ばらつきが３０％生じても、受信感度のピークから−６ｄＢ以上となる周波数が、低周波数側が１．３ＭＨｚ以上、高周波数側が７ＭＨｚ以下の範囲であり、光音響波の検出に十分な性能を有する。また図３では、２ＭＨｚ〜６ＭＨｚの積算ノイズは１３μＶｒｍｓであり、図２の受信感度の最大値は、６６ｍＶ／ｋＰａなので、最小受信音圧は０．３Ｐａである。超音波トランスデューサ２００の受信感度及びノイズばらつきが５０％生じても、最小受信音圧は０．６Ｐａであり、光音響波の検出に十分な性能を有する。また図４に示した０．５ＭＨｚの受信感度のＳ／Ｎは、受信感度のピークのＳ／Ｎに対して−１２ｄＢである。超音波トランスデューサ２００の受信感度及びノイズばらつきが５０％生じても−１８ｄＢであり、光音響波の検出に十分な性能を有する。
【００７８】
以上のことから、本発明により受信感度が低下することなく、ＰＡＭの血管イメージングに求められる広帯域化された超音波トランスデューサを提供できる。
【符号の説明】
【００７９】
１  静電容量型トランスデューサ
２  セル
３  外形線
４  基板
５  第一の絶縁膜
６  第一の電極
７  第二の絶縁膜
８  間隙
９  第三の絶縁膜
１０  第二の電極
１１  封止膜
１２  振動膜
１３  振動膜支持部
１４  封止部
２１  検出回路
２２  電圧印加手段
３２  オペアンプ
３３、３５  帰還抵抗
３４、３６  帰還容量
４１  第一の電極パッド
４２  第二の電極パッド
１００  取り付け部
１１０  保持部
１２０  被検体
１３０  音響マッチング材
１４０  光学系
１５０  光源
１６０  情報取得部
１７０  画像表示部
１８０  超音波プローブ
２００  超音波トランスデューサ
３００  配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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