(57)【要約】【課題】変換器における信号配線間のクロストーク等を低減する。【解決手段】音波を電気信号に変換する変換器であって、検出面で検出した音波を電気信号にそれぞれ変換する複数の圧電素子を有する圧電部と、圧電部が固定される多層基板とを備え、多層基板は、複数の圧電素子に対応して設けられ、それぞれ対応する圧電素子が出力する電気信号を伝送する複数の信号配線と、複数の信号配線の少なくとも一部を電磁的にシールドするシールド部とを有し、圧電部は、複数の圧電素子が固定される多層基板の面と、複数の圧電素子の検出面とが、傾きを有するように多層基板に固定される変換器を提供する。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を電気信号に変換する変換器であって、
検出面で検出した前記音波を前記電気信号にそれぞれ変換する複数の圧電素子を有する圧電部と、
前記圧電部が固定される多層基板と
を備え、
前記多層基板は、
前記複数の圧電素子に対応して設けられ、それぞれ対応する圧電素子が出力する前記電気信号を伝送する複数の信号配線と、
前記複数の信号配線の少なくとも一部を電磁的にシールドするシールド部と
を有し、
前記圧電部は、前記複数の圧電素子が固定される前記多層基板の面と、前記複数の圧電素子の前記検出面とが、傾きを有するように前記多層基板に固定される変換器。
【請求項２】
前記圧電部は、前記多層基板と対向する面に、それぞれの前記圧電素子と電気的に接続された圧電側接続部を有し、
前記多層基板は、前記圧電部と対向する面に、それぞれの信号配線と電気的に接続され、前記圧電側接続部と接続する基板側接続部を有する
請求項１に記載の変換器。
【請求項３】
前記圧電部は、
それぞれの前記圧電素子における前記検出面の背面に設けられ、前記圧電素子の前記背面から放射される音波を吸収する背面部と
を有し、
前記圧電側接続部は、前記背面部において、前記多層基板と対向する面に設けられる
請求項２に記載の変換器。
【請求項４】
前記圧電側接続部は、前記背面部の中央よりも、前記圧電素子側に設けられる
請求項３に記載の変換器。
【請求項５】
前記多層基板において、前記複数の信号配線の少なくともいずれかの信号配線に対応して設けられ、対応する前記信号配線を伝送する前記電気信号を、異なる信号に変換して伝送する信号変換部を更に備える
請求項１から４のいずれかに記載の変換器。
【請求項６】
前記多層基板において、前記複数の信号配線の少なくともいずれかの信号配線に対応して設けられ、対応する前記信号配線を伝送する前記電気信号の振幅を増幅して伝送する振幅増幅部を更に備える
請求項１から５のいずれかに記載の変換器。
【請求項７】
前記複数の圧電素子の少なくとも一部は、直線状に順次隣接して設けられ、互いに隣接する前記圧電素子に対応する信号配線が、前記多層基板の異なる層に設けられる
請求項１から６のいずれか一項に記載の変換器。
【請求項８】
前記複数の圧電素子の少なくとも一部は、直線状に順次隣接して設けられ、
前記多層基板は、前記圧電素子が隣接して配列される配列方向における幅が、隣接して配列される複数の前記圧電素子の全体の幅よりも大きい領域を有し、
当該領域において、それぞれの前記信号配線が設けられる前記配列方向のピッチが、前記圧電側接続部における対応する端子のピッチよりも大きい
請求項２から４のいずれか一項に記載の変換器。
【請求項９】
前記複数の圧電素子は、２次元マトリクス構造に設けられ、
前記多層基板が、前記マトリクス構造の少なくとも２辺に設けられる
請求項１から８のいずれか一項に記載の変換器。
【請求項１０】
前記圧電部は、前記複数の圧電素子の前記検出面と略垂直な、前記多層基板の面に固定される
請求項１から９のいずれか一項に記載の変換器。
【請求項１１】
測定対象を測定する測定装置であって、
前記測定対象に、予め定められた周期で強度を変調させた光を照射する光源と、
光の照射に応じて前記測定対象から出力される前記音波を、前記電気信号に変換する請求項１から１０のいずれか一項に記載の変換器と、
前記変換器が変換した前記電気信号に応じた画像を生成する画像生成部と
を備える測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変換器および測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体等の測定対象に超音波を照射して、測定対象から反射された超音波を検出することで、測定対象の内部構造等を示す画像を生成する超音波検査が知られている。超音波検査においては、検出した超音波を複数の圧電素子で電気信号に変換する変換器を有する（例えば、特許文献１から３参照）。
特許文献１  特開２００２−１０１４９６号公報
特許文献２  特開２００４−１１２３２６号公報
特許文献３  特開２００２−１４２２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
他に、測定対象からの超音波により測定対象を測定する手法として、測定対象に所定周波数の光を照射する光音響法が知られている。光音響法では、光の照射により測定対象に周期的な温度変化を生じさせて、測定対象の歪により生じる超音波を検出する。光音響法においても、検出した超音波を電気信号に変換する変換器を用いる。
【０００４】
しかし、光音響法で測定対象から出力される超音波の強度は、超音波検査で測定対象が反射する超音波の強度よりもはるかに小さい。例えば、光音響法で検出される超音波の強度は、超音波検査で検出される超音波の強度の１００分の１程度である。このため、光音響法における変換器では、電気信号間のクロストーク、電気信号のロス、外部からのノイズ等を低減しなければならない。
【０００５】
従来の変換器として、圧電素子からの電気信号を、フィルム配線でケーブルに伝送するものがある。また、従来の変換器として、圧電素子からの電気信号を、圧電素子のバッキング部材に設けたビア配線で伝送するものがある。しかし、フィルム配線およびバッキング部材におけるビア配線では、伝送路のシールドおよびインピーダンス制御を行うことが困難であり、フィルム配線部分で信号のクロストーク等が生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、音波を電気信号に変換する変換器であって、検出面で検出した音波を電気信号にそれぞれ変換する複数の圧電素子を有する圧電部と、圧電部が固定される多層基板とを備え、多層基板は、複数の圧電素子に対応して設けられ、それぞれ対応する圧電素子が出力する電気信号を伝送する複数の信号配線と、複数の信号配線の少なくとも一部を電磁的にシールドするシールド部とを有し、圧電部は、複数の圧電素子が固定される多層基板の面と、複数の圧電素子の検出面とが、傾きを有するように多層基板に固定される変換器を提供する。
【０００７】
本発明の第２の態様においては、測定対象を測定する測定装置であって、測定対象に、予め定められた周期で強度を変調させた光を照射する光源と、光の照射に応じて測定対象から出力される音波を、電気信号に変換する第１の態様の変換器と、変換器が変換した電気信号に応じた画像を生成する画像生成部とを備える測定装置を提供する。
【０００８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】測定対象２００を測定する測定装置１００の構成例を示す。
【図２】変換器１０の外観例を示す。
【図３Ａ】圧電部２０が、多層基板４０に固定された状態を示す。
【図３Ｂ】圧電部２０が、多層基板４０から分離した状態を示す。
【図４】多層基板４０の断面の一例を示す。
【図５】配線層５０の一例を示す。
【図６】多層基板４０の構造例を示す。
【図７】圧電部２０の他の構成例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１１】
図１は、測定対象２００を測定する測定装置１００の構成例を示す。測定対象２００は、例えば生体物質である。測定装置１００は、光音響法により、測定対象２００の内部構造等を測定する。測定装置１００は、測定対象２００に光を照射したときに、測定対象２００から出力される超音波等の音波を検出することで、測定対象２００の内部構造等を測定する。
【００１２】
より具体的には、測定装置１００は、測定対象２００に所定の周波数の光を照射する。このとき、被測定物２０２が、当該光を選択的に吸収して、周期的に断熱膨張することで、超音波が発生する。超音波は、照射光に応じた周期を有する。被測定物２０２が生成した音波の位相、および、振幅等は、測定対象２００における被測定物２０２の深さ、および、熱拡散率等の物性値に対応する。このため、光を複数の位置に照射して、照射位置ごとの音波を検出することで、被測定物の測定対象２００の内部における位置および物性値を測定することができる。
【００１３】
測定装置１００は、変換器１０、光源１０２、画像生成部１０６、制御部１０４、および、画像表示部１０８を備える。光源１０２は、測定対象２００に、予め定められた周期でパルスを有するパルス光を測定対象２００に照射する。
【００１４】
変換器１０は、光源１０２からの光の照射に応じて測定対象２００から出力される音波を検出する。変換器１０は、複数の圧電素子を有してよい。それぞれの圧電素子は、測定対象２００の表面の異なる位置から出力される音波を電気信号に変換して、画像生成部１０６に出力する。
【００１５】
画像生成部１０６は、変換器１０から入力される電気信号を用いて、測定対象２００の内部構造を示す画像を生成する。画像生成部１０６は、測定対象２００のそれぞれの位置に対応する電気信号の位相、振幅等に基づいて、測定対象２００の内部における物性値の分布を示す画像を生成してよい。
【００１６】
制御部１０４は、光源１０２が照射する光の強度、周期および位相を制御する。制御部１０４は、光源１０２が照射した光の強度、周期および位相を、画像生成部１０６に通知してよい。画像生成部１０６は、制御部１０４から通知されるこれらの情報と、変換器１０から入力される電気信号とに基づいて、画像を生成してよい。画像表示部１０８は、画像生成部１０６が生成した画像を表示する。
【００１７】
図２は、変換器１０の外観例を示す。図２の上図は、変換器１０の正面図を示し、下図は変換器１０の上面図を示す。変換器１０は、測定対象２００に対向して配置される正面部１４を有する。正面部１４には、圧電部２０の音波検出面が露出する。圧電部２０は、複数の圧電素子２２を有する。
【００１８】
また、変換器１０は、把持部１２を有する。把持部１２は、使用者等により把持されてよい。なお、正面部１４の幅は、複数の圧電部２０の全幅と同等程度であってよい。把持部１２の幅は、正面部１４よりも大きくてよい。複数の圧電部２０の全幅は小さいので、把持部１２の幅を大きくすることで、使用者等が把持しやすくなる。
【００１９】
変換器１０は、圧電部２０が出力する電気信号を、ケーブル４４を介して画像生成部１０６に伝送する。変換器１０の内部には、圧電部２０が出力する電気信号を、ケーブル４４に伝送する多層基板が設けられる。
【００２０】
図３Ａおよび図３Ｂは、変換器１０の内部に設けられる圧電部２０および多層基板４０の構成例を示す。図３Ａは、圧電部２０が、多層基板４０に固定された状態を示す。図３Ｂは、圧電部２０が、多層基板４０から分離した状態を示す。
【００２１】
圧電部２０は、複数の圧電素子２２、背面部３２、および、圧電側接続部３４を有する。それぞれの圧電素子２２は、それぞれの検出面２４で検出した音波を電気信号に変換する。複数の圧電素子２２は、所定の配列方向に沿って、直線状に順次隣接して設けられる。なお、隣接とは、２つの圧電素子２２の間に、振動分離用の隔壁等が設けられる状態を含む。また、複数の圧電素子２２は、それぞれの検出面２４が同一平面内となるように、検出面２４の高さがそろっていることが好ましい。圧電素子２２が配列されるピッチは、例えば１ｍｍ以下である。
【００２２】
背面部３２は、それぞれの圧電素子２２における検出面２４の背面２６側に設けられ、圧電素子２２の背面２６から放射される音波を吸収する。背面部３２は、複数の圧電素子２２に対して共通に設けられてよく、また、圧電素子２２毎に独立して設けられてもよい。
【００２３】
圧電側接続部３４は、圧電部２０において、多層基板４０と対向する面に設けられる。本例の圧電側接続部３４は、背面部３２において、多層基板４０と対向する面に設けられる。圧電側接続部３４は、それぞれの圧電素子２２と電気的に接続され、それぞれの圧電素子２２が出力する電気信号を受け取る。
【００２４】
圧電側接続部３４は、圧電素子２２の近傍に設けられることが好ましい。圧電側接続部３４は、背面部３２の中央よりも、圧電素子２２寄りに設けられてよい。また、圧電側接続部３４は、圧電素子２２の振動部分または電極部分に接して設けられてもよい。
【００２５】
圧電素子２２の電極部分と、圧電側接続部３４とを接続する配線は、背面部３２の外面に沿って形成されてよく、また、背面部３２の内部に形成されてもよい。圧電素子２２および圧電側接続部３４を接続する配線の長さは、背面２６と垂直方向における背面部３２の厚みよりも小さい。このような構成により、圧電素子２２から圧電側接続部３４までの伝送経路を短くすることができる。
【００２６】
多層基板４０は、圧電部２０と対向する面に、圧電側接続部３４と接続する基板側接続部４２を有する。多層基板４０は、圧電素子２２が出力する電気信号を、基板側接続部４２を介して受け取り、ケーブル４４に伝送する。
【００２７】
圧電部２０は、複数の圧電素子２２が固定される多層基板４０の面と、複数の圧電素子２２の検出面２４とが、傾きを有するように多層基板４０に固定される。つまり、検出面２４と、多層基板４０の固定面とは平行でない。圧電部２０は、検出面２４と、多層基板４０の固定面とが略垂直となるように固定されてよい。
【００２８】
圧電側接続部３４および基板側接続部４２は、電極パッドであってよい。この場合、圧電側接続部３４および基板側接続部４２は、半田付けされてよい。また、圧電側接続部３４および基板側接続部４２は、コネクタであってもよい。この場合、圧電側接続部３４および基板側接続部４２が嵌合することで、圧電素子２２の検出面２４と略垂直な多層基板４０の面に、圧電部２０が固定される。これにより、圧電素子２２の近傍に、多層基板４０を配置することができる。
【００２９】
また、圧電素子２２の検出面２４と平行な多層基板の面に、複数の圧電素子２２を固定することも考えられるが、この場合、圧電素子２２の検出面２４と垂直な方向の振動が多層基板に伝わりやすく、複数の圧電素子２２の間で振動が伝播してしまう。また、圧電素子２２の電極を当該多層基板上の配線に接続しようとすると、背面部３２を省略するか、または、背面部３２を貫通する配線を設けなければならない。これに対し、本例の変換器１０では、圧電素子２２の検出面２４は、多層基板４０と傾きを有して配置されるので、検出面２４の振動が多層基板４０に伝播しにくい。また、背面部３２を設けて、背面２６からの音波を吸収することができる。
【００３０】
図４は、多層基板４０の断面の一例を示す。多層基板４０は、信号配線が形成される配線層５０と、接地パターンが形成される接地層４８とを交互に有してよい。基板側接続部４２の各端子は、ビア配線５４を介して、いずれかの配線層５０に設けられた信号配線に接続される。当該信号配線は、複数の圧電素子２２に対応して設けられ、それぞれ対応する圧電素子２２が出力する電気信号を、ケーブル４４に伝送する。
【００３１】
なお、互いに隣接する圧電素子２２に対応する信号配線は、多層基板４０の異なる層に設けられてよい。つまり、互いに隣接する圧電素子２２に対応するビア配線５４は、多層基板４０の異なる層に接続されてよい。
【００３２】
接地層４８に設けられた接地パターンは、複数の信号配線の少なくとも一部を電磁的にシールドするシールド部として機能する。接地パターンは、接地層４８の略全面に形成されてよく、隣接する配線層５０に形成される信号配線と同様のパターンで形成されてもよい。接地パターンは、導電材料で形成される。接地パターンには、接地電位が与えられてよい。
【００３３】
このような構成により、多層基板４０における信号配線をシールドすることができる。また、圧電素子２２を、多層基板４０の近傍に配置できるので、シールドされていない伝送経路は短い。このため、圧電素子２２が出力する電気信号のロス、クロストーク、外部ノイズ等を低減することができる。なお、一つの配線層５０に、複数のビア配線５４が接続されてよい。つまり、一つの配線層５０に、複数の信号配線が形成されてよい。
【００３４】
図５は、配線層５０の一例を示す。本例の配線層５０には、複数の信号配線５２が形成される。それぞれの信号配線５２は、ビア配線５４、基板側接続部４２、および、圧電側接続部３４を介して、対応する圧電素子２２の電極部分に接続される。それぞれの信号配線５２は、対応する圧電素子２２が出力する電気信号を、ケーブル４４に伝送する。
【００３５】
配線層５０には、それぞれの信号配線５２に平行して、接地配線５５が形成される。接地配線５５は、信号配線５２の両側に設けられてよい。接地配線５５は、複数の信号配線５２の少なくとも一部を電磁的にシールドするシールド部として機能する。接地配線５５には、接地電位が与えられてよい。
【００３６】
図６は、多層基板４０の構造例を示す。本例の多層基板４０は、圧電素子２２の配列方向における幅Ｗ２が、隣接して配列される複数の圧電素子の全体の幅Ｗ１（図３Ｂ参照）よりも大きい領域５６を有する。図２に示したように、変換器１０は、幅の大きい把持部１２を有するので、幅の大きい多層基板４０の領域５６を、把持部１２の内部に設けることができる。
【００３７】
領域５６において、それぞれの信号配線５２が設けられる配列方向のピッチＰ２は、圧電側接続部３４において対応する端子のピッチＰ１よりも大きい。つまり、信号配線５２のピッチは、圧電側接続部３４の近傍におけるピッチＰ１よりも、ケーブル４４の近傍におけるピッチＰ２のほうが大きくなる。このような構成により、信号配線５２間のクロストークを低減することができる。
【００３８】
また、領域５６において、各信号配線５２の間に、接地配線５５を更に設けてもよい。なお、多層基板４０は、四角形状であってよい。つまり、圧電側接続部３４の近傍においても、多層基板４０は、領域５６と同一の幅Ｗ２を有してよい。この場合、変換器１０の正面部１４は、把持部１２と同一の幅を有してよい。
【００３９】
また、多層基板４０には、信号処理部５８が設けられてよい。信号処理部５８は、信号配線５２毎に設けられてよい。信号処理部５８は、対応する信号配線５２を伝送する電気信号を、異なる信号に変換して伝送する信号変換部として機能してよい。信号処理部５８は、当該電気信号を、デジタル信号または差動信号に変換してよい。
【００４０】
このような構成により、圧電素子２２が出力した電気信号を、圧電素子２２の近傍においてデジタル信号または差動信号に変換できる。つまり、ノイズの影響を受けやすい電気信号が伝送する区間を、圧電素子２２から信号処理部５８までの短い区間とすることができる。信号処理部５８の後段において生じたノイズに対しては、電気信号をデジタル信号または差動信号に変換することで、受信側において信号成分を精度よく抽出することができる。
【００４１】
また、信号処理部５８は、対応する信号配線５２を伝送する電気信号の振幅を増幅して伝送する振幅増幅部として機能してもよい。これにより、信号処理部５８より後段の伝送経路で生じたノイズに対する、電気信号の信号成分の比が高くなり、精度よく信号を伝送することができる。また、信号処理部５８が、圧電素子２２の近傍に設けられるので、ノイズに弱い伝送区間を短くすることができる。
【００４２】
このように、信号処理部５８を、多層基板４０に設けることで、ケーブル４４における信号伝送精度を向上させることができる。それぞれの信号処理部５８は、領域５６に設けられてよい。領域５６では、信号配線５２間のピッチが大きいので、容易に信号処理部５８を設けることができる。特に、光音響法で検出される音波の振幅は小さく、圧電素子２２から、画像生成部１０６までの信号伝送経路におけるノイズ、減衰等の影響を受けやすいが、本例の変換器１０を用いることで、信号伝送の精度、効率を向上させることができる。
【００４３】
また、図６の例では、複数の圧電素子２２を有する変換器１０を例として説明したが、圧電素子２２が一つであっても、変換器１０は同様の構成を有してよい。この場合においても、多層基板４０に信号処理部５８を設けることで、信号伝送の精度を向上させることができる。また、信号処理部５８の機能は、上述したような機能に限定されない。信号処理部５８は、所定の周波数成分を通過させるフィルタ機能等を有してもよい。
【００４４】
図７は、圧電部２０の他の構成例を示す。本例の圧電部２０において、複数の圧電素子２２は、検出面２４が２次元マトリクス構造となるように設けられる。２次元マトリクス構造とは、少なくとも２つの配列軸のそれぞれに沿って、圧電素子２２が周期的に配列された構造を指す。本例の圧電素子２２は、直交する２つの配列軸のそれぞれに沿って配列される。
【００４５】
多層基板４０は、２次元マトリクス構造の少なくとも２辺に設けられる。本例において、第１の多層基板４０−１および第２の多層基板４０−２は、２次元マトリクス構造の対向する２辺に設けられる。それぞれの圧電素子２２は、複数の多層基板４０のうち、最も近い多層基板４０に電気的に接続されてよい。このような構成により、２次元マトリクス構造に設けられた圧電素子２２と、多層基板４０との間で電気信号が伝送する距離を小さくすることができる。
【００４６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００４７】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００４８】
１０・・・変換器、１２・・・把持部、１４・・・正面部、２０・・・圧電部、２２・・・圧電素子、２４・・・検出面、２６・・・背面、３２・・・背面部、３４・・・圧電側接続部、４０・・・多層基板、４２・・・基板側接続部、４４・・・ケーブル、４８・・・接地層、５０・・・配線層、５２・・・信号配線、５４・・・ビア配線、５５・・・接地配線、５６・・・領域、５８・・・信号処理部、１００・・・測定装置、１０２・・・光源、１０４・・・制御部、１０６・・・画像生成部、１０８・・・画像表示部、２００・・・測定対象、２０２・・・被測定物
【図１】
2012075555.tif 000003
【図２】
2012075555.tif 000004
【図３Ａ】
2012075555.tif 000005
【図３Ｂ】
2012075555.tif 000006
【図４】
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【図５】
2012075555.tif 000008
【図６】
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【図７】
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