(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波トランスデューサ素子を有する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を複数支持し、所定の位置に配置される被検体に向かって凹部を有するように形成されている探触子筐体と、を有する超音波トランスデューサユニットであって、複数の前記超音波トランスデューサ素子は、同一の平面上に配置され、前記平面は、前記探触子筐体の曲率中心を向くように配置されており、
複数の前記超音波トランスデューサ素子は、前記探触子筐体の曲率中心と前記超音波トランスデューサの平面を結ぶ垂線の周りに、軸対称に配置されており、
前記平面の中心から離れた位置に配置された前記超音波トランスデューサ素子の感度が、前記平面の中心側に配置された前記超音波トランスデューサ素子の感度よりも高いことを特徴とする超音波トランスデューサユニット。
【請求項２】
複数の超音波トランスデューサと、前記複数の超音波トランスデューサを支持する略半球形状の探触子筐体と、を有する超音波トランスデューサユニットであって、
前記超音波トランスデューサは複数の超音波トランスデューサ素子を有し、
前記探触子筐体の内面において、前記複数の超音波トランスデューサの各々が、互いに異なる複数の平面の上に設けられ、前記複数の平面は、前記探触子筐体の曲率中心を向くように配置されており、
前記複数の平面のうちの第一の平面の上に設けられている前記超音波トランスデューサにおいて、前記探触子筐体の曲率中心と前記第一の平面を結ぶ垂線の周りに、前記複数の超音波トランスデューサ素子が軸対称に配置されており、
前記平面の中心から離れた位置に配置された前記超音波トランスデューサ素子の感度が、前記平面の中心側に配置された前記超音波トランスデューサ素子の感度よりも高いことを特徴とする超音波トランスデューサユニット。
【請求項３】
複数の前記超音波トランスデューサ素子は、前記垂線の周りに、３６０度を除く角度前記平面を回転したとき、配置が元の配置と重なって変化しないように設けられてい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ユニット。
【請求項４】
複数の前記超音波トランスデューサ素子は、前記垂線の周りに、等角度間隔で前記平面を回転したとき、全ての回転において配置が元の配置と重なって変化しないように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の超音波トランスデューサユニット。
【請求項５】
前記超音波トランスデューサ素子は、前記平面において前記垂線が立つ位置に設けられていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波トランスデューサユニット。
【請求項６】
複数の前記超音波トランスデューサ素子は、前記垂線が立つ位置に設けられた中心素子の周りに１周以上の同心的な環状配置で設けられてい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ユニット。
【請求項７】
前記超音波トランスデューサ素子は、前記平面において前記垂線が立つ位置には設けられていないことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波トランスデューサユニット。
【請求項８】
複数の前記超音波トランスデューサ素子は、前記探触子筐体の曲率中心を向くように配置された素子と前記探触子筐体の曲率中心を向かないように配置された素子とを含むことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の超音波トランスデューサユニット。
【請求項９】
前記平面の中心から離れた位置に配置された前記超音波トランスデューサ素子の大きさが、前記平面の中心側に配置された超音波トランスデューサ素子の大きさより小さいことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の超音波トランスデューサユニット。
【請求項１０】
複数の前記超音波トランスデューサは、前記探触子筐体の凹部の上端から底部中心に向かった母線に沿って略等間隔で並んだ配置が、底部中心の周りに等角度間隔で繰り返された配置で設けられていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の超音波トランスデューサユニット。
【請求項１１】
前記超音波トランスデューサ素子は、間隙を隔てて形成された一対の電極のうちの一方の電極を含む振動膜が振動可能にそれぞれ支持された複数のセルを有する静電容量型トランスデューサ素子であることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の超音波トランスデューサユニット。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサユニットと、処理部と、を有し、
前記超音波トランスデューサユニットは、被検体からの音響波を検出して検出信号を出力し、
前記処理部は、前記検出信号を処理することで前記被検体の情報を取得することを特徴とする情報取得装置。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサユニットと、光を出射する光源と、処理部と、を有し、
前記超音波トランスデューサユニットは、前記光源から出射されて被検体に照射された前記光によって生じる光音響波を検出して検出信号を出力し、
前記処理部は、前記検出信号を処理することで前記被検体の情報を取得することを特徴とする情報取得装置。
【請求項１４】
前記処理部は、前記検出信号を処理することで前記被検体の画像情報を取得し、
前記画像情報に基づいて、前記被検体の画像を表示する表示部を有することを特徴とする請求項１２または１３に記載の情報取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型トランスデューサなどの超音波トランスデューサを有する超音波トランスデューサユニット、それを備える光音響装置などの情報取得装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシニング技術によって製造される微小機械部材はマイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。このような技術を用いた静電容量型トランスデューサ（Capacitive micromachined ultrasonic transducers（以下ＣＭＵＴと略すことがある））は、圧電素子の代替品として研究されている。このような静電容量型トランスデューサによると、振動膜の振動を用いて超音波等を送信、受信することができ、特に液中において優れた広帯域特性を得ることができる。
【０００３】
こうした技術に関して、複数の超音波トランスデューサを半球状に配列した半球状の音響波センサと被検体の被検部位を入れるカップ状の容器とを有する装置が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開２０１３０６８６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半球状の曲面への高密度な実装は困難であるため、超音波トランスデューサ素子を同一平面上に複数配置した集合体ないし群（超音波トランスデューサ）を用意し、集合体を実装する方法がある。このとき全ての超音波トランスデューサ素子を半球状の音響波センサの曲率中心を向くように配置すると、曲率中心以外から発生した信号の検出能力が低下することがある。検査対象領域が曲率中心とその周辺の場合、検査対象領域の画像解像度に分布が生じ、画質が劣化することがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に鑑み、本発明の一側面の超音波トランスデューサユニットは、複数の超音波トランスデューサ素子を有する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を複数支持し、所定の位置に配置される被検体に向かって凹部を有するように形成されている探触子筺体と、を有する。複数の前記超音波トランスデューサ素子は、同一の平面上に配置され、前記平面は、前記探触子筐体の曲率中心を向くように配置されている。さらに、複数の前記超音波トランスデューサ素子は、前記探触子筐体の曲率中心と前記超音波トランスデューサの平面を結ぶ垂線の周りに、軸対称に配置されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、探触子筐体の曲率中心を略向くトランスデューサ素子とこの曲率中心を向かないトランスデューサ素子があることで、検査対象（被検体）領域内の解像度の分布を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の光音響診断装置の一例、その中の超音波ユニットの一例を示す図。
【図２】超音波トランスデューサの例を示す図。
【図３】超音波トランスデューサの一例、素子の指向性による感度低下比を示す図。
【図４】超音波トランスデューサの一例、素子の指向性による感度低下比を示す図。
【図５】実施例１の超音波トランスデューサの一例を示す図。
【図６】実施例１の超音波トランスデューサ、素子、セルを示す図。
【図７】実施例１の静電容量型トランスデューサ素子の製造方法の一例を示す図。
【図８】実施例１の筐体、トランスデューサ、セルの例を示す図。
【図９】素子の後段に接続される受信プリアンプを示す図。
【図１０】総合的な受信感度、出力電流、受信プリアンプの電流電圧変換ゲインを示す図。
【図１１】実施例１、２の素子群の総合的な受信感度を示す図。
【図１２】実施例３の素子群の総合的な受信感度を示す図。
【図１３】実施例４の素子群の総合的な受信感度を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一側面は、次の点を特徴とする。即ち、半球状等の音響波センサの解像度を向上すべく、凹状の探触子筐体の曲率中心を向くように配置された複数の超音波トランスデューサの同一平面上で、複数の超音波トランスデューサ素子が、曲率中心と平面を結ぶ垂線の周りに、軸対称に配置されている。ここで、複数の超音波トランスデューサ素子は同一平面上で同じ方向を指向して、すなわち各素子に立てた垂線が略平行になるように配置されている。従って、中心素子ないし中心の垂線が前記曲率中心と正対するように超音波トランスデューサを配置するとき、その周りの他の素子に立てた垂線は前記曲率中心から外れた点と正対することになる。このことを利用して、被検体領域内の解像度の分布を向上させることができる。被検体の広がりなどの状態に応じて、複数の素子の総合的な受信感度特性（素子の出力特性に加えて、素子の後段に接続される増幅器などのゲイン特性を考慮した特性）をそれぞれ調整すれば、より解像度の分布を向上させることができる。
【００１０】
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施形態ないし実施例を詳しく説明する。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、再度の説明は省略ないし簡略化する。ただし、以下に記載されている詳細な計算式、計算手順、材料、寸法、形状などは、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、本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。
【００１１】
＜システム構成＞
図１を参照しながら、本発明に係る超音波トランスデューサユニット（以下、超音波ユニットとも記す）ないし光音響診断装置（情報取得装置）の構成例を説明する。図１（ａ）は本実施形態の全体構成を示す図である。本実施形態に係る光音響診断装置は、取り付け部１００、被検体１２０を保持する形状保持部１１０、音響マッチング材１３０、光学系１４０、光源１５０、処理部１６０、画像表示部１７０、超音波ユニット１８０を含む。測定は、形状保持部１１０に被検者（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を介して凹状の超音波ユニット１８０の頂点近傍から形状保持部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全ての方向に伝播し、音響マッチング材１３０を伝播して超音波ユニット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、処理部１６０において解析される。解析結果は、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。
【００１２】
＜光源＞
光源１５０はパルス光を出射する装置である。光源はレーザー光源であることが望ましいが、発光ダイオードやフラッシュランプ等を用いることもできる。パルス光の照射のタイミング、波形、強度等は不図示の光源制御部により制御される。光音響波を効果的に発生させるためには、被検体１２０の熱特性に応じて、十分短い時間に光を照射しなければならない。被検体１２０が生体である場合、光源から発生するパルス光のパルス幅は略５０ナノ秒程度が好適である。パルス光の波長は、被検体内部まで光が伝播する波長であることが望ましい。具体的には、６００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下程度であることが望ましい。この領域の光は比較的生体深部まで到達することができ、深部の情報を得ることができる。さらに、パルス光の波長は、観測対象に対して吸収係数が高いことが望ましい。
【００１３】
＜光学系＞
光学系１４０は、光源１５０で発生したパルス光を被検体１２０へ導く手段である。具体的には、所望のビーム形状、光強度分布が得られるように光ファイバ、レンズ、ミラー、拡散板などで構成された光学部材である。また、光を導く際に、これらの光学機器を用いて、所望の光分布となるように形状や光密度を変更することもある。光学機器はここに挙げたものだけに限定されず、このような機能を満たすものであれば、どの様なものであってもよい。
【００１４】
＜形状保持部＞
形状保持部１１０は、被検体１２０の形状を一定に保つための部材である。形状保持部１１０は、取り付け部１００に取り付けられている。形状保持部１１０を介して被検体１２０に光を照射する場合、形状保持部１１０は照射光に対して透明であることが好ましい。例えば、形状保持部１１０の材料としては、ポリメチルペンテンやポリエチレンテレフタラートなどを用いることができる。被検体１２０が乳房である場合、乳房形状の変形を少なくして形状を一定に保持するために、形状保持部１１０の形状は球を或る断面で切った形状（部分球形状）等であることが好ましい。形状保持部１１０の形状は、被検体１２０の体積や保持後の所望の形状に応じて、適宜設計することができる。形状保持部１１０が被検体１２０の外形にフィットし、被検体１２０の形状が形状保持部１１０の形状とほぼ同様になるように構成されていることが好ましい。また、光音響診断装置は、形状保持部１１０を用いることなく、測定を行ってもよい。
【００１５】
＜被検体＞
被検体１２０は測定の対象となるものである。具体例としては、乳房等の生体などがある。当該装置の調整などにおいては、生体の音響特性と光学特性を模擬したファントムが挙げられる。
【００１６】
＜音響マッチング材＞
音響マッチング材１３０は、被検体１２０と超音波ユニット１８０との間の空間を満たし、被検体１２０と超音波ユニット１８０との間を音響的に結合させるためのものである。本実施形態では、超音波ユニット１８０と形状保持部１１０との間に音響マッチング材１３０を配置することができる。また、形状保持部１１０と被検体１２０との間にも音響マッチング材を配置している。超音波ユニット１８０と形状保持部１１０との間及び形状保持部１１０と被検体１２０との間に、それぞれ異なる材料の音響マッチング材を配置してもよい。
【００１７】
音響マッチング材１３０は、その内部で光音響波が減衰し難い材料であることが好ましい。また、音響マッチング材１３０は、光源１５０で発生するパルス光を透過する材料であることが好ましい。さらに、音響マッチング材１３０は液体であることが好ましい。具体的には、音響マッチング材１３０として、水、ひまし油、ジェルなどを用いることができる。
【００１８】
＜超音波トランスデューサユニット＞
超音波トランスデューサユニット１８０は、被検体１２０の内部で発生した音響波をアナログの電気的な検出信号に変換する手段である。超音波ユニット１８０の形状は、測定位置に置かれた被検体に向かって凹状である凹部を有しており、本実施形態では略半球ないし部分球のお椀形状をしている。凹部の被検体側の半径は、例えば数ｍｍから数十ｃｍであり、被検体の大きさに応じて変更すればよい。また凹部の厚さ、つまり凹部の被検体側の面（内面）の半径と凹部の被検体側ではない面（外面）の半径との差は、例えば、数ｍｍから数ｃｍであり、装置全体の大きさに応じて変更すればよい。超音波ユニット１８０は、位置調整可能に取り付け部１００に対して取り付けられる。
【００１９】
図１（ｂ）に超音波ユニット１８０の斜視図を示す。超音波ユニット１８０には、複数の超音波トランスデューサ２００が配置されている。超音波トランスデューサ２００は、複数の超音波トランスデューサ素子２０１（後述の素子群２１０）を含む。超音波トランスデューサ素子２０１は、少なくとも超音波の受信が行えるものであれば良い。受信と送信の両方を行えるものであっても良い。例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック材料や、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電膜材料などを用いることができる。また、圧電素子以外の素子を用いても良い。例えば、ＣＭＵＴなどの静電容量型の素子、ファブリペロー干渉計を用いた音響波受信素子、などを用いることができる。超音波トランスデューサ２００と後述の筺体１８４との間には、この間に音響マッチング材が侵入することを防止するためのシール部材１８５（図１（ｃ）を参照）が設けられるのが好ましい。
【００２０】
＜超音波トランスデューサ＞
超音波ユニット１８０の構成と超音波トランスデューサ２００の構成を説明する。図１（ｂ）は光音響診断装置の超音波ユニットの一例の図であり、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ-Ｂ断面図である。図２は、複数例の超音波トランスデューサ２００の上面図である。
【００２１】
探触子筐体１８４に複数支持された超音波トランスデューサ２００は、そのセンサ平面１８１が被検体１２０側に向くように配置されている。より具体的には、図１（ｃ）に示した凹状の探触子筐体１８４の曲率中心１８２を略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で処理部１６０に接続されている。超音波ユニット１８０の筐体１８４の材料は、金属、セラミック、樹脂など、略半球面状などの凹状に加工して形成できる物であればよい。図１（ｃ）では、筐体１８４の曲率中心１８２と超音波トランスデューサ２００のセンサ平面１８１の所定の点（例えば中心）を結ぶ垂線１８３が７本存在する。超音波トランスデューサ２００において、複数の超音波トランスデューサ素子２０１が、筐体１８４の曲率中心１８２と超音波トランスデューサのセンサ平面１８１を結ぶ垂線１８３に対して、軸対称に配置されている。この軸対称配置は、垂線の周りに３６０度を除く角度前記平面を回転したとき、複数の超音波トランスデューサ素子が元の配置と重なって配置が変化しない配置である。以下に示す例では、等角度間隔（例えば、６０度、９０度）で回転したとき、全ての回転ごとに配置が重なって変化しない配置となっている。さらに、垂線の周りに略等密度で複数の超音波トランスデューサ素子が配置されている。
【００２２】
図２（ａ）は、超音波トランスデューサ２００の一例の上面図である。この例では、１つの超音波トランスデューサ２００の中に、超音波トランスデューサ素子２０１が７個配置されている。トランスデューサ２００が筐体１８４に配置されたとき、７個の超音波トランスデューサ素子２０１のうち、中心素子２０３は筐体１８４の曲率中心１８２と略正対する。周りの６個は、筐体の曲率中心１８２とセンサ平面１８１を結ぶ垂線１８３の周りに、等角度間隔で配置されている。素子２０１の個数は７個に限らず、所望の個数を設ければよい。次の如き配置も可能である。すなわち、超音波トランスデューサ素子２０１の配置は、図２（ｂ）のように、素子２０１の中心が筐体の曲率中心１８２と正対する位置に無くてもよい。また図２（ｃ）のように、筐体の曲率中心１８２と正対している素子２０３を中心に、１９個の超音波トランスデューサ素子を１周以上、軸対称に同心的に環状配置してもよい。超音波トランスデューサ２００の外形２０２は、略円形や多角形などであり、所望の大きさで形成すればよい。
【００２３】
超音波トランスデューサ素子２０１の種々の配置例について、それらの特性を説明する。例えば被検体１２０が筐体の曲率中心１８２よりも広範囲に広がっている場合、図２（ａ）の超音波トランスデューサ２００を構成する８個のトランスデューサ素子２０１の感度特性は同じにすることが好ましい。中心の素子２０３は、筐体の曲率中心１８２から発生した音響波を高い感度で検出することができる。これに比して、周囲の超音波トランスデューサ素子２０1は、その垂線が筐体の曲率中心１８２から外れているため、曲率中心１８２の周辺から発生した音響波を高い感度で検出することができる。これにより、検査対象領域内の解像度の分布を向上でき、画質を向上することができる。検査対象領域の大きさに応じて、素子２０１の配置を所望の配置にすればよい。例えば中心の素子２０３の中心と周囲の素子２０１の中心の距離を２．１ｍｍとした場合、筐体の曲率中心１８２から半径２．１ｍｍの領域からの信号を高い感度で検出することができる。筺体１８４に配置する超音波トランスデューサ２００は、全て図２（ａ）のようなものでもよいし、図２（ａ）や図２（ｂ）や図２（ｃ）などのように素子２０１の配置が異なるものを配置してもよい。上記配置と比較して、８個全ての素子２０１の垂線が筐体１８４の曲率中心１８２を向いている場合、曲率中心１８２の周辺から発生した音響波を高い感度で検出することができず、検査対象領域内の解像度に分布が生じて画質が劣化することになり易い。
【００２４】
また、被検体１２０が筐体の曲率中心１８２に局所的に存在する場合、図２（ａ）の超音波トランスデューサ２００を構成する７個の超音波トランスデューサ素子２０１は、中心の素子２０３とその周囲の素子とで感度特性が異なっていてもよい。周囲の素子の感度特性を中心の素子２０３の感度特性よりも高くすることが好ましい。中心の素子２０３と同じ素子を周囲に配置すると、周囲の素子は筐体の曲率中心１８２と正対していないため、素子の指向性によって検出感度が低下するからである。
【００２５】
筐体の曲率中心１８２と正対している超音波トランスデューサ素子２０１からＬｍｍ離れた位置に、図２（ｃ）のように超音波トランスデューサ素子２０１を配置したときの、素子の指向性による検出感度の低下について図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。素子の指向性は、円形平板振動子の場合と矩形振動子の場合、それぞれ次の式のように表される。
Ｒ（θ）ｃｉｒｃｌｅ＝｜２Ｊ１（ｋ・ａ・ｓｉｎθ）／（ｋ・ａ・ｓｉｎθ）｜
Ｒ（θ）ｓｑｕａｒｅ＝｜ｓｉｎ（ｋ・ａ・ｓｉｎθ）／（ｋ・ａ・ｓｉｎθ）｜
Ｊ１は第一次のベッセル関数であり、ｋは円周率πと超音波の波長λから算出される波数（k=2×π/λ）である。円形平板振動子の場合、ａは振動子の直径であり、矩形振動子の場合、aは一辺の長さである。θは、中心の素子と筐体の曲率中心１８２を結ぶ垂線に対して、各素子の中心と筐体の曲率中心１８２を結ぶ線が成す角度である。
【００２６】
超音波トランスデューサ素子２０１の直径aを２ｍｍ、素子と素子の間隔ｐを２．１ｍｍとする。図３（ａ）のように筐体の曲率中心１８２に点音源２０４を置き、中心の素子２０３と点音源２０４の距離が１００ｍｍのときの中心の素子２０３の検出感度を１とした場合に、周囲の素子の指向性は図３（ｂ）のようになる。図３（ｂ）に示したように素子の指向性により、中心の素子２０３に対して１つ隣の周囲の素子は、１０ＭＨｚでは１０％程度検出感度が低下する。また、２つ隣の周囲の素子は、１０ＭＨｚでは２４％程度検出感度が低下する。このように低周波数側よりも高周波数側で指向性による検出感度の低下が大きい。そのため、周囲の素子の感度特性を、中心の素子の感度特性よりも、特に高周波数側において感度を高くすることで、音響波センサの感度や解像度を向上することが出来て好ましい。また、周囲の素子の数に応じて、中心の素子から離れるに従い周囲の素子の高周波数側の感度を高くして、高周波数側の検出感度を高くすることも好ましい。ここでいう高周波数側の感度とは、中心の素子のピーク感度の周波数よりも高い周波数を意味する。
【００２７】
素子の指向性は、素子の大きさに比例して大きくなる。そのため、素子の大きさを小さくすると素子の指向性は小さくなる。図４（ａ）に示すように、周囲の素子の直径を中心の素子２０３より小さくする（直径ｂ＝１．５ｍｍ、直径ｃ＝１．２ｍｍ）ことで、図４（ｂ）に示すように、２つ隣の周囲の素子の指向性を１０ＭＨｚで１０％程度に小さくすることが出来る。ここで、ｐ１＝２．１ｍｍ、ｐ２＝４.２ｍｍである。このように、周囲の素子の大きさを中心の素子の大きさよりも小さくして、検出感度を高くすることで、音響波センサの感度や解像度を向上することが出来て好ましい。また、周囲の素子の数に応じて、中心の素子から離れるに従い素子の大きさを小さくして、検出感度を高くすることも好ましい。
【００２８】
探触子筐体１８０の凹面における超音波トランスデューサ２００の配置は、例えば、図１（ｂ）に示す様なものである。ここでは、筐体凹面の上端から筐体底部中心に向かって伸びた母線に沿って略等間隔でトランスデューサ２００を並べ、この配置を筐体中心の周りに略等角度間隔で繰り返している。これにより、筐体の曲率中心１８２に略向けて比較的高い密度でトランスデューサ素子２０１を配置することができる。
【００２９】
＜処理部＞
図１に戻り、処理部１６０と画像表示部１７０について説明する。光音響波は、超音波ユニット１８０に配置された超音波トランスデューサないしセンサ２００により検出される。被検体で発生した光音響波は、略３６０度×１８０度の方向に亘って検出される。画像再構成に関しては、例えば、トモグラフィー技術で通常に用いられるタイムドメインあるいはフーリエドメインでの逆投影などが用いられる。高解像度の３次元画像を取得するために、フーリエドメイン法がよく用いられるが、これに限られるわけではない。ここで、被検体１２０の部位から放射された光音響波の強度は、処理部１６０で算出される。画像形成処理を高速化するために、処理部１６０は、超音波トランスデューサ２００の位置と被検体１２０の部位の位置と受信時刻とで定まる値を、超音波ユニット１８０の球の半径の関数として算出して、その係数をメモリーに記憶させている。各超音波トランスデューサ２００の受信信号に前記係数を乗算し、この乗算結果を各部位について累積する事で画像データを形成する。このように球面上での画像データを算出し、この画像情報をフーリエドメイン法により画像処理することにより、被検体の高い分解能の３次元画像を画像表示部１７０に表示することができる。
【００３０】
以上の実施形態によれば、曲率中心を略向くトランスデューサ素子と曲率中心を向かないトランスデューサ素子を含む様々な素子が探触子筐体の凹部に配置されているので、被検体領域内の解像度の分布を向上でき、画質を向上できる。なお、トランスデューサ素子を、上記探触子筐体に１つずつ実装する場合、実装工程の増加によるコスト増加や、超音波トランスデューサユニットの重量増加やサイズの増加を生じうる。一方、本実施形態に係る超音波トランスデューサユニットは、複数のトランスデューサ素子が設けられた基板を、半球の内面に実装するため、低コスト化、軽量化、小型化が可能となる。なぜなら、半導体プロセスを用いれば、複数のトランスデューサ素子を基板上に一括で設けることができ、低コスト化できるからである。また、個々の素子を探触子筐体に設ける場合、個々に検出回路や信号増幅回路等の電気回路等を設ける必要が生じるため、重量増加やサイズ増加することがあるが、複数の素子が設けられた基板毎に上記電気回路を設ければ、重量増加、サイズ増加を抑制できる。
【００３１】
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。
（実施例１）
上記実施形態で記載した超音波ユニットないし光音響診断装置についての具体的な例を説明する。本実施例では、光源としては、近赤外ナノパルスレーザーを用いる。ここでは、チタンサファイアレーザーを用い、励起源としてはＮｄ：ＹＡＧレーザーを使用する。８００ｎｍ付近の波長を照射することで、被検体１２０で光音響波信号が発生する。被検体１２０としては乳房用ファントムを用いる。形状保持部１１０はポリメチルペンテンのフィルムを使用する。音響マッチング材１３０は形状保持部１１０と超音波ユニット１８０との間に水を充填する。超音波ユニット１８０は、略半球面の内側の半径を約１２０ｍｍとし、超音波トランスデューサ２００の超音波受信面が半球面の曲率中心を略向くように１５０個配置されている。超音波トランスデューサ２００は、図５（ａ）に示すように１９個の超音波トランスデューサ素子２０１を含む。超音波トランスデューサ素子２０１は、静電容量型トランスデューサであり、超音波ユニット１８０の筐体１８４はアルミニウムである。
【００３２】
図５（ｂ）、図５（ｃ）、図６を用いて超音波トランスデューサ２００を説明する。図５（ｂ）は超音波トランスデューサの一例であり、図５（ｃ）は図５（ｂ）のＸ−Ｚ軸スライス図である。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を有し、本体２０６の一部に突起を有している。本体２０６の中には、静電容量型トランスデューサ素子２０１の群２１０と第二のフレキ配線２０７と第一のフレキ配線２０９、配線基板２１２により支持された受信プリアンプ２０８が配置されている。このように、超音波トランスデューサ２００は、センサ平面に、音響波の受信信号への変換と送信信号の音響波への変換のうち少なくとも一方を行う素子群２１０を有し、素子群２１０は支持部材２１１により支持されている。
【００３３】
図６（ａ）は、超音波トランスデューサ２００のセンサ平面の模式図である。センサ平面の最表面には光反射層２０５が形成されている。超音波トランスデューサ２００の外形２０２は四角形であり、その中にシリコン基板上に作製された素子群２１０が配置されている。素子群２１０は１９個の素子２０１から構成されている。素子２０１は、一方の電極２１４（後述の第二の電極７）がシリコン基板の端までそれぞれ個別に引き出されて第二のフレキ配線２０７と接続され、本体２０６内部の受信プリアンプ２０８にそれぞれ個別に接続される。素子２０１のもう一方の電極２１５（後述の第一の電極３）は、共通電極として第一のフレキ配線２０９と接続される。
【００３４】
図６（ｂ）、図６（ｃ）を用いて素子２０１について更に説明する。図６（ｂ）は、素子２０１のセンサ平面側の拡大模式図である。また図６（ｃ）は、図６（ｂ）のＥ−Ｆ断面図である。超音波トランスデューサ素子２０１は、セル２１６の集合体である。セル２１６は、シリコン基板１、第一の絶縁膜２、第一の電極３、電極３上の第二の絶縁膜４、空隙（キャビティ）５を隔てて形成された第三の絶縁膜６と絶縁膜６上の第二の電極７と電極７上の第四の絶縁膜８とを含む振動膜９、を備える。振動膜９上には、接着剤１０を介して、光反射層１２が成膜された支持層１１が接着され保護層２０５を形成している。これらで構成されるセル２１６が複数個集まって素子２０１を構成している。図６（ｂ）では５９個のセルで一つの素子２０１を構成しているが、セルは一つでも多数でも構わない。また、セルの配列は格子状でも千鳥状でもハニカム状（少し間隙を開けた六方最密充填構造の配置）などでも構わないし、セルの形状は円形に限らず長方形、正方形、多角形などでも構わない。また素子２０１の外形は略円形２１７であるが、円形に限らず多角形でも構わない。図６（ａ）では、第一の電極３と第二の電極７をフレキ配線で受信面側から引き出しているが、シリコン基板１に貫通孔を設けて、シリコン基板１の裏側に直接電極を形成して回路基板と接続してもよい。
【００３５】
素子２０１の表面には、光反射層１２を含む保護層２０５が形成されている。光反射層１２は、光源１５０からのパルス光の散乱や形状保持部１１０からの反射光が素子に照射される事で発生する光音響波を低減するためのものである。光反射層１２はＡｕの蒸着膜であり、Ａｕを蒸着する支持層１１は１２μｍの厚さのＰＥＴフィルムを用いる。接着層１０はシリコン系の接着剤を用いて保護層２０５を作製する。光反射層１２、支持層１１、接着層１０の種類や厚さは、これらに限らない。
【００３６】
素子２０１は、電圧印加手段で第一の電極３にバイアス電圧を印加することが出来る。第一の電極３にバイアス電圧が印加されると、第一の電極３と第二の電極７と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９は変位する。この状態で超音波が振動膜９に到達すると、振動膜９が振動する事で第一の電極３と第二の電極７との間の静電容量が変化して第二の電極７に電流が流れる。この電流を超音波の電気信号として取り出す事ができる。受信の際には、不図示のシステム制御部から指示された受信のバイアス電圧に従い、バイアス電圧制御部からバイアス電圧を印加する。被検体で発生した光音響波などの超音波を超音波センサで受信することで得た受信信号は受信プリアンプ２０８で増幅され、処理部１６０に送られる。
【００３７】
図７を用いて静電容量型トランスデューサ素子２０１の製造方法の一例を説明する。図７（ａ）に示すように、基板１上に第一の絶縁膜２を形成する。基板１はシリコン基板であり、第一の絶縁膜２は、第一の電極３との絶縁を形成するためのものである。次に第一の電極３を形成する。第一の電極３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。第一の電極３の表面粗さが大きい場合、第一の電極と第二の電極間の距離が、表面粗さにより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。次に、第二の絶縁膜４を形成する。第二の絶縁膜４も、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましく、これは、第一の電極と第二の電極との間に電圧が印加された場合の第一の電極と第二の電極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のときに第一の電極３がエッチングされることを防止するために形成する。第二の絶縁膜４は、例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等である。
【００３８】
次に、図７（ｂ）に示すように、犠牲層５５を形成する。犠牲層５５は、後に空隙５となる。犠牲層５５は表面粗さの小さい材料が望ましい。犠牲層の表面粗さが大きい場合、第一の電極と第二の電極間の距離が、表面粗さにより素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい犠牲層が望ましい。また、犠牲層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。犠牲層材料としては、例えば、アモルファスシリコン、ポリイミド、クロム等が挙げられる。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、絶縁膜、振動膜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。
【００３９】
次に、図７（ｃ）に示すように、第三の絶縁膜６を形成する。第三の絶縁膜６は、低い引張り応力のものが望ましい。例えば、５００ＭＰａ以下の引張り応力のものがよい。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。振動膜が圧縮応力を有する場合、振動膜がスティッキングあるいは座屈を引き起こし、大きく変形することになり易い。他方、大きな引張り応力の場合、第三の絶縁膜６が破壊されることがある。従って、第三の絶縁膜６は、低い引張り応力のものが望ましい。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。次に、第二の電極７を形成する。第二の電極７は、残留応力が小さい材料が望ましく、アルミニウム、アルミ・シリコン合金、チタンなどの金属が挙げられるが、これに限らない。
【００４０】
次に、図７（ｄ）に示すように、第三の絶縁膜６にエッチングホール５６を形成する。エッチングホール５６は、犠牲層５５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５５を除去して空隙５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。
【００４１】
次に図７（ｅ）に示すように、エッチングホール５６を封止する為に、第四の絶縁膜８を形成する。第三の絶縁膜６と第二の電極７と第四の絶縁膜８で振動膜９が形成される。封止材料として、第三の絶縁膜６と同じ材料であれば密着性が高い為、好ましい。第三の絶縁膜６が窒化シリコンの場合、第四の絶縁膜８も窒化シリコンが好ましい。
【００４２】
図６（ｃ）や図７では、第二の電極７が第三の絶縁膜６と第四の絶縁膜８とで挟まれた構成を一例として示した。しかしながら、第三の絶縁膜６を形成した後にエッチングホール５６を形成して犠牲層エッチングを行い、その後、第四の絶縁膜８を形成した後に第二の電極を設けることもできる。ただし、第二の電極７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７は絶縁膜の間に設けることが好ましい。本実施例では、素子群２１０にするために、図６（ａ）に示したように素子２０１を配置し、シリコン基板を素子群２１０の大きさにダイシングしている。以上の工程を経る事で、図６（ｂ）や図６（ｃ）のような素子２０１ないしセル２１６や図６（ａ）のような素子群２１０を作製する事ができる。
【００４３】
このような素子群２１０を、図５（ｃ）に示した支持部材２１１にエポキシなどの樹脂接着剤を用いて固定し、第一の電極２１５に第一のフレキ配線２０９を、第二の電極２１４に第二のフレキ配線２０７を接続する。フレキ配線は、受信アンプ２０８が配置されている配線基板２１２に接続される。素子群２１０、フレキ配線、配線基板２１２が一体となった物は、本体２０６に格納される。本体２０６は樹脂などにより構成することができる。本体２０６内に格納した後、本体２０６内部に音響マッチング材などが流入しないように本体２０６は接着剤で密閉される。本体２０６に格納された素子群２１０の表面には、光反射層１２を有する保護層２０５を形成する。光反射層１２はＡｕを用いる。支持層１１としては１２μｍの厚さのＰＥＴフィルムを用いる。まず支持層１１にＡｕを蒸着し、Ａｕを蒸着した支持層１１をシリコン系の接着剤を用いて素子群２１０の表面に接着する。接着後に余分な支持層１１をカットすることで、素子群２１０の保護層２０５が作製できる。
【００４４】
以上の工程を経て図５（ｂ）や図５（ｃ）のような超音波トランスデューサ２００を作製できる。ここにおいて、素子２０１のそれぞれの第一の電極２１５は共通のフレキ配線２０９に繋がれ、配線３００を介してバイアス電圧を印加する為の電源に接続される。第二の電極２１４はフレキ配線２０７を介して受信アンプ２０８に接続され、配線３００を介して処理部１６０に繋がれる。
【００４５】
このような超音波トランスデューサ２００を、図８（ａ）のような穴２７０をあけた筐体１８４に設置する。図８（ｂ）のように穴２７０の壁面の凹凸と図５（ｂ）に示した超音波トランスデューサ２００の凹凸で位置合わせを行い、超音波トランスデューサ２００の配線３００側から、固定ジグ１８６でねじ止めを行う。超音波ユニット１８０内部には測定時に媒質が満たされるため、筐体１８４と超音波トランスデューサ２００の隙間にはシリコンゴムなどのオーリングを設置したり、接着剤を充填したりすることが好ましい。これにより図１に示すような超音波ユニット１８０を作製することが出来る。
【００４６】
上記のような素子群２１０において、素子２０１が全て同じ特性の場合について、具体的な構成と特性について説明する。素子２０１の直径は、図６（ｂ）のように略円形２１７の２ｍｍである。素子群２１０は、図６（ａ）に示すように１９個の素子２０１から構成される。素子２０１の間隔ｐ１は２．１ｍｍ、ｐ２は４．２ｍｍである。セル２１６は円形の形状であり、キャビティ５の直径は３６μｍである。隣接したセル同士の間隔は３９μｍである。図６（ｂ）ではセル数を省略しているが、実際に素子２０１に配置した全セルの数は２４００個である。
【００４７】
図８（ｃ）に示すようにセルは、３００μｍ厚さのシリコン基板１、シリコン基板１上に形成される１００ｎｍ厚さの第一の絶縁膜２、第一の絶縁膜２上に形成される１００ｎｍ厚さの第一の電極３、第一の電極３上の３５０ｎｍ厚さの第二の絶縁膜４を有する。さらに、１００ｎｍ厚さの第二の電極７と４００ｎｍ厚さのメンブレン６と４５０ｎｍ厚さの封止膜８を含む振動可能に支持された振動膜９と、キャビティ５とを有している。キャビティ５の高さは１４０ｎｍである。第一の電極３は、共通電極として第一のフレキ配線２０９に繋がれ、配線３００を介して、一対の電極３、７の間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段に繋がる。第二の電極７は、第二のフレキ配線２０７に繋がれて受信プリアンプ２０８に接続される。このような素子２０１を用いて、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図６（ａ）のような超音波トランスデューサ２００を作製する。この超音波トランスデューサ２００を図８(ａ)、図８（ｂ）のように組み立てる事で、超音波ユニット１８０を作製することが出来る。
【００４８】
次に本実施例の素子２０１の特性を説明する。素子２０１で超音波を受信する場合、電圧印加手段１３で、第一の電極３と第二の電極７との間に電位差が生じるように、第一の電極３に直流電圧を印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極７を有する振動膜９が撓むため、第二の電極７と第一の電極３との間隔（キャビティ５の深さ方向の距離）が変わり静電容量が変化する。この静電容量変化によって、第二の電極７に電流が流れる。セル２１６から生じた出力電流は、受信プリアンプ２０８で増幅して電圧に変換され、超音波を電気信号として取り出す。
【００４９】
図９に、本実施例の受信プリアンプ２０８の構成を示す。本実施例の受信プリアンプ２０８は、トランスインピーダンス回路である。トランスインピーダンス回路は、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、素子２０１の第二の電極７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を介して反転入力端子（-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。
【００５０】
図１０（ａ）に、本実施例の素子２０１の受信感度の周波数特性を示す。超音波を受信して生じた出力電流を受信プリアンプ２０８で増幅して変換した後の電圧信号の周波数特性である。縦軸は受信感度のピーク値で規格化している。図１０（ｂ）は素子２０１の出力電流特性、図１０（ｃ）は受信プリアンプのゲイン特性である。図１０（ａ）の素子２０１の受信帯域は、素子２０１の出力電流特性と受信プリアンプのゲイン特性の積で決まる。
【００５１】
ＣＭＵＴの出力電流Iは、静電容量変化を平行平板近似したとき式１と式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）
ここで、Pは音響波の圧力、εは真空の誘電率、Sは第二の電極の面積、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、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である。また、ωは音響波の角周波数、Cは全静電容量、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C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Zrは振動膜の機械インピーダンスZmよりも大きいため、図１０（ｂ）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Zmが０になる周波数が振動膜の共振周波数であり、このとき図１０（ｂ）の出力電流は最大値をとる。図１０（ｂ）の出力電流のピーク周波数は６ＭＨｚである。
【００５２】
図１０（ｃ）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)
ここで、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。
【００５３】
また、図９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)
ここで、GBWはオペアンプの利得帯域幅積（アンプゲイン0ｄＢ（=1）×周波数）、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。一般的にCinが大きいとオペアンプの動作が追いつかず、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。
【００５４】
本実施例では、受信プリアンプ２０８の帰還抵抗を３４８０Ω、帰還容量を１５ｐＦとしている。素子２０１の容量は１２５ｐＦである。素子群２１０を構成する１９個の素子２０１は、それぞれ別の受信プリアンプ２０８に接続される。受信プリアンプの帰還容量と帰還抵抗は同じ値である。この素子群２１０の受信感度の周波数特性を図１１（ａ）に示す。図１１（ａ）は、超音波トランスデューサ２００が超音波を受信して生じた出力電流を受信プリアンプ２０８で増幅して変換した後の電圧信号の周波数特性である。このとき、超音波トランスデューサ２００の中心と点音源２０４の距離は１００ｍｍであり、点音源２０４から球面波を発生させている。縦軸は中心に配置した超音波トランスデューサ素子２０１の受信感度のピーク値で規格化している。
【００５５】
今、被検体１２０の大きさが曲率中心１８２を中心に半径４．２ｍｍとすると、曲率中心１８２から発生した音響波は、図１１（ａ）に表記した系列で、中心の感度特性になる。また、曲率中心１８２から２．１ｍｍ離れた個所から発生した音響波と、４．２ｍｍ離れた個所から発生した音響波の感度特性も中心の感度特性と同じになる。この理由は、周囲の超音波トランスデューサ素子２０1は、その垂線が筐体の曲率中心１８２から外れているため、曲率中心１８２の周辺から発生した音響波を高い感度で検出できるからである。このことから、被検体１２０全体の信号を高い感度で検出することができる。被検体１２０の大きさに応じて、超音波トランスデューサ素子を配置することで、曲率中心１８２の周辺から発生した音響波を高い感度で検出することができる。
【００５６】
（実施例２）
実施例２を説明する。本実施例では、回路定数の変更で感度を高くする。被検体１２０の大きさが曲率中心１８２とほぼ同等である場合について説明する。曲率中心１８２から発生した音響波を、図６（ａ）のような素子群である超音波トランスデューサ２００で受信すると、図１１（ａ）に示すような受信感度特性になる。図１１（ａ）に表記した系列において、中心は中心に配置した超音波トランスデューサ素子２０１の特性で、１周目は、中心に配置した超音波トランスデューサ素子２０１を囲むように配置した超音波トランスデューサ素子２０１の特性である。２周目は、１周目に配置した超音波トランスデューサ素子２０１を囲むように配置した超音波トランスデューサ素子２０１の特性である。超音波トランスデューサ２００を構成する超音波トランスデューサ素子２０１は、出力電流特性も電流電圧変換ゲインも全て同じである。そのため、超音波トランスデューサ素子２０１の指向性により、１周目と２周目に配置した超音波トランスデューサ素子２０１の受信感度が低下している。１０ＭＨｚの受信感度を比較すると、１周目は中心よりも約１０％受信感度が低下し、２周目は中心よりも約２４％受信感度が低下している。このような場合には、受信プリアンプ２０８の帰還抵抗と帰還容量を変えて、曲率中心１８２から発生した音響波の検出感度を高めるのが好ましい。
【００５７】
超音波トランスデューサ素子２０１に接続する受信プリアンプ２０８の帰還抵抗と帰還容量の組み合わせを３種類用意する。１つ目は、帰還容量３４８０Ω、帰還容量１５ｐＦである。二つ目の帰還抵抗は３２４０Ω、帰還容量は１３ｐＦである。三つ目の帰還抵抗は２９４０Ω、帰還容量は１０ｐＦである。受信プリアンプ２０８以外のパラメータや構成は、全て実施例１と同じであり、実施例１と同様の方法で超音波トランスデューサ２００および超音波ユニット１８０を作製することが出来る。図１１（ｂ）に、素子２０１に、３種類の受信プリアンプ２０８をそれぞれ接続した時の、受信感度の周波数特性を示す。素子２０１の出力電流特性は同じである。また、素子２０１の中心と点音源２０４の距離は１００ｍｍであり、点音源２０４から球面波を発生させている。超音波を受信して生じた出力電流をそれぞれの受信プリアンプ２０８で増幅して変換した後の電圧信号の周波数特性である。縦軸は、１つ目の受信プリアンプを接続した素子２０１の受信感度のピーク値で規格化している。
【００５８】
図１１（ｂ）に表記した系列において、中心は実施例１と同じ受信プリアンプを繋いだ時の受信感度特性であり、１つ目は２つ目の受信プリアンプを繋いだ時の受信感度特性である。２つ目は３つ目の受信プリアンプを繋いだ時の受信感度特性である。受信プリアンプの電流電圧変換ゲインを変えることで、中心よりも１つ目、１つ目よりも２つ目の高周波数側の受信感度を高くしている。このような受信感度特性を持つ素子２０１を、図６（ａ）の中心には１つ目の受信プリアンプを繋いだ物を配置し、１周目には２つ目の受信プリアンプを繋いだ物を配置し、２周目には３つ目の受信プリアンプを繋いだ物を配置する。このような配置の素子群２１０の受信感度特性を図１１（ｃ）に示す。特性を示す図では、上記のような配置における中心の１つの素子、１周目の６つの素子の平均、２周目の１２コの素子の平均、の特性を示している。
【００５９】
図１１（ｃ）は、素子群２１０が超音波を受信して生じた出力電流をそれぞれの受信プリアンプ２０８で増幅して変換した後の電圧信号の周波数特性である。このとき、素子群２１０の中心と点音源２０４の距離は１００ｍｍであり、点音源２０４から球面波を発生させている。縦軸は中心に配置した素子群２１０の受信感度のピーク値で規格化している。
【００６０】
図１１（ｃ）に表記した系列において、中心は中心に配置した素子２０１の特性で、１周目は、中心に配置した超音波トランスデューサ素子２０１を囲むように配置した素子２０１の特性である。２周目は、１周目に配置した素子２０１を囲むように配置した素子２０１の特性である。素子群２１０を構成する素子２０１は、配置した場所により電流電圧変換ゲインが異なるため、指向性によって感度が低下しても、実施例１よりも受信感度を高くすることが出来る。特に中心の素子のピーク感度の周波数より高い周波数で受信感度を高くすることが出来る。１０ＭＨｚの受信感度を比較すると、１周目は中心よりも約２％受信感度が向上し、２周目は中心よりも約１０％受信感度が低下している。１周目、２周目共に実施例１よりも高周波数側の受信感度が向上している。センサ平面の中心から離れた位置に配置した素子の感度特性を、センサ平面の中心に配置した素子の感度特性よりも、感度を高くする事で超音波トランスデューサとしての感度を向上することが出来る。また、センサ平面の中心から離れた位置に配置した素子の感度特性を、センサ平面の中心から離れるに従い、中心側のものより高くする事で、超音波トランスデューサとしての感度を向上することが出来る。
【００６１】
つまり、半球状の音響波センサの曲率中心を向かない超音波トランスデューサの指向性による解像度の悪化を防ぎ、画像視野内の解像度の分布による画質の悪化を防ぎながら高密度実装が可能になる。
【００６２】
（実施例３）
実施例３を説明する。本実施例では、回路定数とデバイスのバネ定数の変更で感度を高くする。実施例２と同様に曲率中心１８２から発生した音響波の検出感度を高めることを目的として、受信プリアンプ２０８の帰還抵抗と帰還容量および、素子のバネ定数を変えた場合について説明する。超音波トランスデューサ素子２０１に接続する受信プリアンプ２０８の帰還抵抗と帰還容量の組み合わせを３種類用意する。１つ目は、帰還容量３４８０Ω、帰還容量１５ｐＦである。二つ目の帰還抵抗は４３２０Ω、帰還容量は１５ｐＦである。三つ目の帰還抵抗は６０４０Ω、帰還容量は１２ｐＦである。また、封止膜８の厚さを３種類用意する。１つ目は４５０ｎｍである。２つ目は６５０ｎｍ、３つ目は８５０ｎｍである。その他のパラメータや構成は、全て実施例１と同じであり、実施例１と同様の方法で超音波トランスデューサ２００および超音波ユニット１８０を作製することが出来る。
【００６３】
図１２(ａ)に、３つの素子２０１に、３種類の受信プリアンプ２０８をそれぞれ接続した時の、受信感度の周波数特性を示す。素子２０１の中心と点音源２０４の距離は１００ｍｍであり、点音源２０４から球面波を発生させている。それぞれの素子２０１で超音波を受信して生じた出力電流をそれぞれの受信プリアンプ２０８で増幅して変換した後の電圧信号の周波数特性である。素子２０１の出力電流特性は、バネ定数が異なるため３種類とも異なる。１つ目の封止膜厚さ４５０ｎｍには１つ目の受信プリアンプを接続し、２つ目の封止膜厚さ６５０ｎｍには２つ目の受信プリアンプを接続し、３つ目の封止膜厚さ８５０ｎｍには３つ目の受信プリアンプを接続している。縦軸は、１つ目の受信プリアンプを接続した素子２０１の受信感度のピーク値で規格化している。
【００６４】
図１２（ａ）に表記した系列において、中心は１つ目の受信プリアンプを繋いだ物の受信感度特性であり、１つ目は２つ目の受信プリアンプを繋いだ物の受信感度特性である。２つ目は３つ目の受信プリアンプを繋いだ物の受信感度特性である。素子２０１のバネ定数を変え、さらに受信プリアンプの電流電圧変換ゲインを変えることで、中心よりも１つ目、１つ目よりも２つ目の高周波数側の受信感度を高くしている。このような受信感度特性を持つ素子２０１を、図６（ａ）の中心には１つ目の受信プリアンプを繋いだ物を配置し、１周目には２つ目の受信プリアンプを繋いだ物を配置し２周目には３つ目の受信プリアンプを繋いだ物を配置する。このような配置の素子群２１０の受信感度特性を図１２（ｂ）に示す。
【００６５】
図１２（ｂ）は、それぞれの素子群２１０が超音波を受信して生じた出力電流をそれぞれの受信プリアンプ２０８で増幅して変換した後の電圧信号の周波数特性である。このとき、素子群２１０の中心と点音源２０４の距離は１００ｍｍであり、点音源２０４から球面波を発生させている。縦軸は中心に配置した素子群２１０の受信感度のピーク値で規格化している。
【００６６】
図１２（ｂ）に表記した系列において、中心は中心に配置した素子２０１の特性で、１周目は、中心に配置した素子２０１を囲むように配置した素子２０１の特性である。２周目は、１周目に配置した素子２０１を囲むように配置した素子２０１の特性である。素子群２１０を構成する素子２０１は、配置した場所によりバネ定数と電流電圧変換ゲインが異なるため、指向性によって感度が低下しても、実施例１よりも受信感度を高くすることが出来る。１０ＭＨｚの受信感度を比較すると、１周目は中心よりも約４％受信感度が向上し、２周目は中心よりも約７％受信感度が低下している。１周目、２周目共に実施例１よりも受信感度が向上している。センサ平面の中心から離れた位置に配置した素子の感度特性を、センサ平面の中心に配置した素子の感度特性よりも、感度を高くする事で、超音波トランスデューサとしての感度を向上することが出来る。また、センサ平面の中心から離れた位置に配置した素子の感度特性を、センサ平面の中心から離れるに従い、感度を高くする事で、超音波トランスデューサとしての感度を向上することが出来る。
【００６７】
つまり、半球状の音響波センサの曲率中心を向かない超音波トランスデューサの指向性による解像度の悪化を防ぎ、画像視野内の解像度の分布による画質の悪化を防ぎながら高密度実装が可能になる。
【００６８】
（実施例４）
実施例４を説明する。本実施例では、外周の素子の大きさを小さくする。実施例２、３と同様に、曲率中心１８２から発生した音響波の検出感度を高めることを目的として、素子の大きさを変え、素子に接続する受信プリアンプ２０８の帰還抵抗と帰還容量の組み合わせを変えた場合について説明する。素子の大きさは３種類用意する。１つ目は素子の直径が２ｍｍであり、２つ目は直径１．５ｍｍ、３つ目は１．２ｍｍである。素子を構成するセル数は、１つ目は２４００個、２つ目は１３４０個、３つ目は８５０個である。それぞれの容量は、１つ目は１２５ｐＦ、２つ目は７５ｐＦ、３つ目は５４ｐＦである。また受信プリアンプも３種類用意する。１つ目は、帰還抵抗３４８０Ω、帰還容量１５ｐＦである。二つ目の帰還抵抗は６０４０Ω、帰還容量は８ｐＦである。三つ目の帰還抵抗は９７６０Ω、帰還容量は４ｐＦである。
【００６９】
図６(ａ)に示すように、中心と１周目の素子の間隔ｐ１は２ｍｍである。また中心と２周目の素子の間隔ｐ２は３．４５ｍｍである。図６(ａ)のような静電容量型トランスデューサ素子群２１０を２００個用意する。その他のパラメータや構成は、全て実施例１と同じであり、実施例１と同様の方法で、素子群２１０を含む超音波トランスデューサ２００および超音波ユニット１８０を作製することが出来る。
【００７０】
図１３（ａ）に、３つの素子２０１に、３種類の受信プリアンプ２０８をそれぞれ接続したときの、受信感度の周波数特性を示す。素子２０１の中心と点音源２０４の距離は１００ｍｍであり、点音源２０４から球面波を発生させている。図１３（ａ）に示すものは、それぞれの素子２０１で超音波を受信して生じた出力電流をそれぞれの受信プリアンプ２０８で増幅して変換した後の電圧信号の周波数特性である。素子２０１の出力電流特性は、素子２０１の大きさが異なるため３種類とも異なる。１つ目の直径２ｍｍには１つ目の受信プリアンプを接続し、２つ目の直径１．５ｍｍには２つ目の受信プリアンプを接続し、３つ目の直径１．２ｍｍには３つ目の受信プリアンプを接続している。図１３（ａ）の縦軸は、１つ目の受信プリアンプを接続した素子２０１の受信感度のピーク値で規格化している。
【００７１】
図１３（ａ）に表記した系列において、中心は１つ目の受信プリアンプを繋いだ物の受信感度特性であり、１つ目は２つ目の受信プリアンプを繋いだ物の受信感度特性である。２つ目は３つ目の受信プリアンプを繋いだ物の受信感度特性である。素子２０１の大きさを変え、さらに受信プリアンプの電流電圧変換ゲインを変えることで、中心よりも１つ目、１つ目よりも２つ目の受信感度を高くしている。このような受信感度特性を持つ素子２０１を、図６（ａ）の中心には１つ目の受信プリアンプを繋いだ物を配置し、１周目には２つ目の受信プリアンプを繋いだ物を配置し、２周目には３つ目の受信プリアンプを繋いだ物を配置する。このような配置の素子群２１０の受信感度特性を図１３（ｂ）に示す。
【００７２】
図１３（ｂ）は、それぞれの素子群２１０が超音波を受信して生じた出力電流をそれぞれの受信プリアンプ２０８で増幅して変換した後の電圧信号の周波数特性である。このとき、素子群２１０の中心と点音源２０４の距離は１００ｍｍであり、点音源２０４から球面波を発生させている。縦軸は中心に配置した素子群２１０の受信感度のピーク値で規格化している。
【００７３】
図１３（ｂ）に表記した系列において、中心は中心に配置した素子２０１の特性で、１周目は、中心に配置した素子２０１を囲むように配置した素子２０１の特性である。２周目は、１周目に配置した素子２０１を囲むように配置した素子２０１の特性である。素子群２１０を構成する素子２０１は、配置した場所により大きさと電流電圧変換ゲインが異なるため、指向性によって感度が低下しても、実施例１よりも受信感度を高くすることが出来る。１０ＭＨｚの受信感度を比較すると、１周目は中心よりも約４％受信感度が低下し、２周目は中心よりも約１８％受信感度が低下している。１周目、２周目共に受信感度が向上している。センサ平面の中心から離れた位置に配置した素子の感度特性を、センサ平面の中心に配置した素子の感度特性よりも、感度を高くする事で、超音波トランスデューサとしての感度を向上することが出来る。また、センサ平面の中心から離れた位置に配置した素子の感度特性を、センサ平面の中心から離れるに従い、感度を高くする事で、超音波トランスデューサとしての感度を向上することが出来る。
【００７４】
つまり、半球状の音響波センサの曲率中心を向かない超音波トランスデューサの指向性による解像度の悪化を防ぎ、画像視野内の解像度の分布による画質の悪化を防ぎながら高密度実装が可能になる。
【符号の説明】
【００７５】
１８０：超音波トランスデューサユニット、１８２：筐体の曲率中心、１８３：垂線、１８４：探触子筺体、２００：超音波トランスデューサ、２０１：超音波トランスデューサ素子
【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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