JP2000115871A - 超音波探触子とその製造方法及びその超音波探触子を用いた超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動子を２次元分割する方式の超音波診断用
探触子において、直交する２方向の素子分割溝の一方の
短軸方向溝を完全に切り離さない構造とすることで、Ｓ
／Ｎ低下を生ずることなく画像の高画質化を図るととも
に、探触子を製造しやすくして歩留りの向上を図る。 【解決手段】 振動子２１の下部電極２２側に所定の幅
と深さの長方向溝２４を所定ピッチで所定本数加工して
形成した互いに独立した素子２５，２５’，２５”に対
し、２次元配列の各素子に対応した信号配線と接続部を
有するフレキシブル基板２６が接続され、さらに裏面に
は音響減衰層２７が固定されるとともに、上部電極２３
には、超音波を発生しない端部２８にグランド電極２９
が、超音波を発生する領域には音響整合層３０が固定さ
れ、最上面には音響レンズ３１が固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波診断用の探触
子とその製造方法及びその探触子を用いた超音波診断装
置に関し、特に被検体内部の断層像を浅部から深部まで
高分解能に観察するために、従来の振動子素子が短冊状
に整列した構造から直交する方向にも３列以上切断した
構造の探触子とそのシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波診断用探触子の構造を図１
３と図１４を用いて説明する。図１３で１は圧電材料か
らなる振動子で、その両面には電極２及び３が形成され
ており、さらに電子的に超音波を走査するように一方向
１１（長軸方向）に複数の素子に分割されている。なお
生体側の電極３はグランドに接続され、その上には１層
ないし複数層の音響整合層４が形成されるとともに反対
の電極２側には音響減衰層５が形成されている。各電極
２及び３には半田付け８などによりフレキシブル基板６
及び７のパターン９が接続され、コネクタ（図示せず）
を介して本体の超音波診断装置に接続される。音響整合
層４の上には、さらに音響レンズ１０が固定されてい
る。

【０００３】以上の構成において、電子的に超音波を走
査して断層像を得る場合、分割された振動子１の複数の
素子で収束超音波を形成し、そのビームで送受波を繰り
返しながら走査することにより断層像を得る。しかし、
素子が並ぶ方向１１では使用する素子数を適当に選ぶこ
とにより焦点位置Ｌを探触子の近くから遠くまで任意に
設定できるが、これと直交する方向１２では音響レンズ
１０による焦点位置Ｌが一定であり、焦点深度に相当す
るＬ１の範囲ではクリアな断層像を得ることができるも
ののこれ以外では不鮮明になるという欠点があった。

【０００４】図１４はこれを解決するため、振動子１を
一方向１１だけでなくこれと直交する方向１２（短軸方
向）にも分割したもので、各部の構成は図１３と同様で
ある。この場合には、音響レンズ１０を用いることなく
１２方向についても焦点位置Ｌを探触子の近くから遠く
まで任意に設定できるため、焦点深度をＬ２≫Ｌ１とす
ることが可能で、断層像全体について鮮明な像が得られ
ると予想される。このようなものが、１９９６ ＩＥＥ
Ｅ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ，ｐ
ｐ１５２３−１５２６（１９９６）に掲載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１４のよう
な構造では素子を２次元的に切断するために電極の取り
出しが大変に複雑になり、特に上部電極をグランドとす
る場合には振動子の電極３と音響整合層４との間に金属
箔を入れたり、音響整合層４を導電性の材料で作成して
その上面に同様に金属箔を接続するため、前者では振動
子からの超音波が金属箔で反射されたり吸収されたりし
て生体に十分なエネルギが供給されないだけでなく、生
体からの反射信号も同様に減衰してしまうために感度の
良い画像が得られないと言う問題が、また後者では導電
性を維持しながら音響整合層として適当な音響インピー
ダンスを有する材料の作成が難しくて同様にＳ／Ｎの良
い画像が得られにくいと言う問題がある。また、医療用
として用いられる探触子で２次元的に配列の各素子の大
きさは０．５ｍｍ程度で素子数も数１００から数１００
０と多くて、切断された各素子を３次元的に整列してか
ら電極を接続する方法は作成が難しいだけでなく歩留り
も低下する恐れがある。本発明の目的は、これらの問題
を解決する方法に関するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めには、振動子を２次元的に切断する溝のうち振動子を
短冊状に素子分離する溝と直交する長軸方向に素子分離
する溝を、振動子が完全に切断されない深さに加工する
ことが有効である。すなわち両面に電極を設けた振動子
に対して、信号電極側に上記の所定深さの溝を形成する
ことにより電極が切り離され、所定幅と数の列に分割さ
れる。そして探触子を構成する素子に対応した信号配線
と接続部を有するフレキシブル基板を振動子の分割した
電極に合わせて接続し、その裏面に音響減衰層を、振動
子のもう一方の電極にグランド電極及び音響整合層を固
定して、信号電極側に設けた溝に直交するように音響整
合層と振動子とフレキシブル基板と音響減衰層の一部を
全て、又は部分的に短冊状に切断して電気的に素子分離
し、溝にマイクロバルーン状の音響的クロストークが小
さい材料を混入した所定の樹脂を充填し、さらに前面に
所定の焦点距離を有する音響レンズを固定する。

【０００７】これにより、フレキシブル基板を接続しそ
の裏面に音響減衰層を固定した後の振動子の上部電極は
全面繋がっており、この上部電極にグランド電極及び音
響整合層を重ならないように積載することにより従来と
同様の構造で、さらに短冊状の素子分離以降のプロセス
を従来と同様に行うことにより振動子とマッチング層間
での超音波の減衰がなくＳ／Ｎの劣化が少ない２次元素
子配列の探触子を実現できる。

【０００８】また、前記の方法により探触子を作成する
ので、２次元配列の各素子を個々の状態ないいま組み立
てを必要とすることがないので整列が不要となり、探触
子を容易に作成することができる。さらにまた、振動子
の信号電極側に形成する所定幅と深さの溝が、広くて浅
い溝と狭くて深い溝の２段階で構成することにより、溝
部での割れに対する強度を向上することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１から
図１２を用いて説明する。図１は超音波探触子の一方向
の部分断面図を示しており、ＰＺＴなどの圧電材料から
なる振動子２１には下部電極２２及び上部電極２３がそ
れぞれ形成されている。

【００１０】そして振動子２１には、所定の幅と深さの
長軸方向溝２４が所定ピッチで所定本数加工されてお
り、これにより下部電極２２が分離されて互いに独立し
た素子２５，２５’，２５”が形成される（左半分は図
示せず）。下部電極２２の下には、２次元配列の各素子
に対応した信号配線と接続部を有するフレキシブル基板
２６が接続され、コネクタとケーブル（図示せず）を介
して本体に接続される。また、フレキシブル基板２６の
裏面には音響減衰層２７が固定されている。

【００１１】一方上部電極２３には、超音波を発生しな
い端部２８にフレキシブル基板２９’のグランド電極２
９が接続され、超音波を発生する領域に対応して１層な
いし複数層の音響整合層３０が固定されている。そして
最上面には、音響レンズ３１１が固定されている。

【００１２】図２は電極接続部の概略構成を示してお
り、接着剤（図示せず）で音響減衰層２７上に固定され
たフレキシブル基板２６は誘電体膜３５をベースに信号
配線パターン３６と接続部パターン３７をスルーホール
３８で繋ぐ構造となっており、さらに接続部パターン３
７上の半田パターン３９により、長軸方向溝２４で分離
された各素子２５の下部電極２２に固定されている。な
お本図では溝の形状が矩形断面となっているが、溝の底
の角部分がＲ形状になっていると機械強度上さらによ
い。

【００１３】図３は図１において音響レンズを取り外し
た時の平面図の一部で、振動子２１，裏側の長軸方向溝
２４，グランド電極２９，音響整合層３０，は図１と対
応しており、さらに短軸方向溝３１，３１’，３１”，
・・・を長軸方向溝２４に直交するように加工して音響
整合層３０と振動子２１とフレキシブル基板と音響減衰
層の一部を短冊状に切り離し、この溝３１，３１’，３
１”と溝２４とにより下部電極が電気的に独立した２次
元配列素子３２を形成するとともに各溝にマイクロバル
ーン状の音響的クロストークが小さい材料（図示せず）
を混入したポリウレタン樹脂などを充填して機械的強度
を確保する。

【００１４】以上の構成において、本体装置（図示せ
ず）からの信号によりフレキシブル基板２６を介して２
次元配列素子３２を駆動することで超音波を発生させ、
測定対象物から反射してきた超音波を同様に２次元配列
素子３２で受信してその信号を本体装置で処理すること
で画像表示を行うが、このように振動子を縦方向だけで
なく横方向についても焦点の範囲が広くなるように所定
の関係で制御しながら駆動することにより生体の近傍か
ら深部までクリアな断層画像を得ることができる。ま
た、同様に複数の振動子を２次元的に電子走査すること
により、任意方向の複数のＢモード走査や全視野及び部
分体積走査が可能で、リアルタイムの３次元画像化が可
能となる。

【００１５】なおフレキシブル基板の厚さについては、
極力薄く構成することが裏面からの反射を防止する観点
から重要であり、できれば使用する超音波の波長の１／
４以下が好ましい。

【００１６】図４は素子分離溝の閉口部に従来の長軸方
向溝２４より幅が広くて深さが浅い第２の溝２４’を追
加した場合である。これにより振動子の溝部での割れに
対する強度を劣化させることなく、フレキシブル基板を
下部電極に半田付けする際の半田拡がりによるショート
を防止できる。

【００１７】図５は図２におけるフレキシブル基板２６
の信号配線パターン３６の詳細を示すものである。信号
配線パターン４１，４２，４３は図２の信号配線パター
ン３６に相当するもので、振動子２１の長軸中心線５０
に対して対称的な位置にスルーホールを形成したもので
ある。すなわち、信号配線パターン４１は長軸中心線７
０に対して対称的な位置にスルーホール４１’，４１”
を設け、信号配線パターン４２および４３は、それぞ
れ、長軸中心線５０に対して対称的な位置にスルーホー
ル４２’，４２”および４３’，４３”を設けたもので
ある。これらスルーホール４１’，４１”，４２’，４
２”および４３’，４３”は図２のスルーホール３８に
相当するもので、それぞれ、独立の接続部パターン３７
に相当する接続部パターンに接続されている。このよう
に形成された信号配線パターン４１，４２，４３は、こ
れが一組になって必要な組数だけ長軸中心線７０と直角
方向に並んでフレキシブル基板２６に設けられる。な
お、４４は図３の短軸方向溝３１，３１’，３１”に相
当する溝であって、これにより信号配線パターン４１，
４２，４３は組ごとに分離される。このように各組の信
号配線パターン４１，４２，４３のそれぞれのスルーホ
ールを長軸中心線５０に対して対称的な位置に設けたの
で、例えば図１４に示すように使用素子を変えてビーム
形状をコントロールして焦点範囲を拡げる可変口径を実
現する場合には、最初に各組の信号配線パターン４１の
スルーホール４１’，４１”を選んで口径の小さなビー
ムとし、次にそれぞれ各組の信号配線パターン４２およ
び４３のスルーホール４２’，４２”および４３’，４
３”を作動して口径の大きなビームとすればよい。

【００１８】図６から図８は本発明の探触子の応用例で
図６は電気配線を、図７はシステム構成を、図８は可変
口径の説明をそれぞれ示す。図において左端は本発明の
超音波探触子４５で、７．５ＭＨｚを中心周波数とする
リニアアレイ探触子の場合には１１方向には従来通り
０．３６ｍｍピッチで１９２素子が、また直交する１２
方向には２ｍｍピッチで４列乃至６列の素子が並ぶ。な
お１１方向或いは１２方向のピッチや素子数は、これに
限られることがないのは言うまでもない。１２方向につ
いても可変口径制御を行うため、対称の２素子づつをフ
レキシブル基板でパターン５２，５３，５４のように共
通化して同軸ケーブル４６で探触子コネクタ４７まで接
続し、さらに探触子コネクタ内の電気回路４８，４９を
介して本体装置５０と接続する。

【００１９】以上の構成において、本体装置から同期信
号とともに送波信号５１が探触子コネクタ側に送られ、
電気回路４８，４９により送波信号は中央の２列に対応
するパターン５２のみに送られるように作用する。そし
て生体より反射して戻ってきた受波信号の近傍からの信
号、即ち時間的に早く戻ってきた信号は同様に中央の２
列のみで受信して信号５５を本体装置に送る。

【００２０】一方深部からの受波信号、即ち時間的に遅
く戻ってきた信号は電気回路４８，４９により所定時間
を経過した後に中央の２列を含む４列乃至６列で閉口を
広くして受信するようにして信号５５を本体装置に送
る。図８に口径を変えたときの深度とビーム形状の関係
を示している。５６は口径を小さくしたときのビームパ
ターンであり、深度０よりａまでの深度範囲においてビ
ーム径が小さく、深度ａ以上でビーム径が大きくなって
いる。５７は口径を大きくしたときのビームパターンで
あり、深度０からａまでの範囲および深度ｂ以上でビー
ム径が大きく、深度ａからｂの範囲でビーム径が小さく
なっている。従って、深度０からａまでの範囲ではビー
ムパターン５６を用い、深度ａからｂの範囲ではビーム
パターン５７を用いるように可変口径にして、結局、ビ
ームパターン５６，５７を合成したビームパターン５８
を用いるように可変口径にすることにより高画質の画像
を得るのに有効である。

【００２１】図９乃至図１１は図１から図３の探触子構
造を実現する製造方法の主な内容を示す。図９はフレキ
シブル基板２６の平面図で、５９は切断位置の位置合わ
せ用のパターン，３６は信号配線パターン，３９は接続
部パターンに対応した半田パターンである。図１１およ
び図１２のフレキシブル基板２６は図２のフレキシブル
基板２６に相当するものである。フレキシブル基板２６
の裏面には切断位置の位置合わせ用のパターン５９と信
号配線パターン３６，３６’，３６”とが形成されてい
る。この信号配線パターン３６，３６’，３６”は、そ
れぞれ、図５の信号配線パターン４２，４１，４３に対
応している。フレキシブル基板２６の上面（図２の誘電
体膜３５上）には図５のスルーホール４１’，４１”，
４２’，４２”，４３’，４３”に相当する位置に独立
の接続部パターンが形成されている。そしてこの接続部
パターンは前記スルーホールを介して信号配線パターン
３６，３６’，３６”に接続されている。フレキシブル
基板２６の上面の接続部パターン上には信号配線パター
ン３６，３６’，３６”と直交するように半田パターン
３９が複数本形成されている。また、図１０において、
３１は素子分離の短軸方向溝であり、図３の溝３１，３
１’，３１”および図５の溝４４に相当するものであ
る。図１１において、振動子２１の上面および下面に
は、それぞれ、上部電極および下部電極が形成されてい
る。このような振動子２１に対し、ダイシングソーによ
り長軸方向溝２４を加工する。次にフレキシブル基板２
６の半田パターン３９の面を振動子２１の長軸方向溝２
４の面に対接させる。この場合半田パターン３９と長軸
方向溝２４が平行になるように位置合わせ用パターン５
９を用いて位置合せする。そしてヒータバー１１０をフ
レキシブル基板２６に押し当てることによりこのフレキ
シブル基板２６を振動子２１に半田付けする。半田付け
の方法は、この他に加熱炉やレーザ、或いは超音波など
の熱源を用いても達成できるのは言うまでもない。そし
てフレキシブル基板２６の裏側に音響減衰層２７を接着
剤を用いて接着し、その上に補強板１１１を固定する。
次に振動子２１の上部電極（図１の２３）とフレキシブ
ル基板２９’のグランド電極（図１の２９）とをヒータ
バーにより半田付けする。振動子２１の上部電極側には
音響整合層３０を接着する。その後、位置合わせ用パタ
ーン５９でダイシング位置を確認して、図１０の短軸方
向溝３１に従って素子分離を行う。なおここでは、半田
パターンは連続していたものを溝で切り離すように説明
したが、予め２次元配列の素子に対応したパターンであ
ってもよい。また音響整合層は最後に振動子と一緒に切
り離すように説明したが、これについても必ずしも切り
離す必要はない。

【００２２】そして、溝３１にマイクロバルーン状の音
響的クロストークが小さい材料を混入したポリウレタン
樹脂などを充填して固めた後、音響レンズ３１１を載せ
て完成する。

【００２３】また図１２は本発明の超音波探触子を接続
したシステム構成を示したものである。探触子４５はケ
ーブル４６を介して本体のＵＳ部６３に接続され、制御
部６４からのコントロールで送波整相部６５により作成
されるビームパターンに従って超音波を送波し、さらに
生体からの反射信号を受信して受波整相部６６により整
相処理を行った後に信号処理部６７で画像化のための処
理を行い、表示部６８で信号処理した結果を表示する。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば２次
元的に配置する素子の一方の長軸方向溝を完全に切り離
さない構造としているので電極の取り出しが容易で、上
部電極の端部にグランド電極を半田付けして接続できる
ので、振動子の電極と音響整合層との間に金属箔を入れ
たり音響整合層を導電性の材料で作成してその上面に同
様に金属箔を接続するなどの必要がないために、振動子
からの超音波が金属箔で反射されたり吸収されたりして
生体に十分なエネルギが供給されないとか生体からの反
射信号が同様に減衰してしまうために感度の良い画像が
得られないと言う問題がなく、また導電性の音響整合層
を用いる必要もないことから音響インピーダンスを広範
囲で設定することが可能でＳ／Ｎの良い画像が得られに
くいと言う問題もない。また、各素子を切り離した状態
から３次元的に整列して組み立てる構造ではないので、
電極の接続が容易で歩留りの低下も大幅に改善すること
ができる。

【００２５】また探触子コネクタ内部に可変口径を実現
可能な電気回路を設けているので、従来の超音波診断装
置を改造することなくビームの焦点範囲を拡げることが
できるようになり、これにより近傍から深部までクリア
な画像を得ることが可能で、超音波診断の質を大幅に向
上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す超音波探触子の一方向の
部分断面図である。

【図２】電極接続部の概略構成を示す図１の部分拡大図
である。

【図３】図１において、音響レンズを取り外した時の一
部平面図である。

【図４】本発明の実施例の電極接続部の概略構成図であ
る。

【図５】本発明の実施例のフレキシブル基板の構成図で
ある。

【図６】本発明の実施例の電気配線図である。

【図７】システム構成図である。

【図８】可変口径の説明図である。

【図９】本発明の実施例の製造方法に関するフレキシブ
ル基板の平面図である。

【図１０】本発明の実施例の製造方法の説明図である。

【図１１】本発明の探触子の製造方法を説明するための
ブロック図である。

【図１２】システム構成図である。

【図１３】従来の探触子の概略構成図である。

【図１４】同じく従来の探触子の概略構成図である。

【符号の説明】

２１ 振動子 ２２ 下部電極 ２３ 上部電極 ２４ 長方向溝 ２５ 素子 ２６ フレキシブル基板 ２９ グランド電極 ３１ 短軸方向溝 ４７ 探触子コネクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 泉 美喜雄 東京都千代田区内神田一丁目１番14号 株 式会社日立メディコ内 Ｆターム(参考） 2G047 EA04 EA16 GB02 GB32 GB33 GB36 4C301 EE04 EE17 GB09 GB33 GB34 GB37 5D019 AA26 CC08 FF04 GG02 GG03 HH01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子と、該振動子の前面側を被覆する
   音響整合層及び裏面側の音響減衰層と、該振動子に接続
   するフレキシブル基板などの電源ケーブルから構成され
   る超音波探触子において、両面に電極を形成した前記振
   動子の信号電極側に所定幅と深さの溝が加工されて電極
   が所定幅と数の列に分離されるとともに、前記振動子の
   前記信号電極にはフレキシブル基板を介して信号配線が
   接続されるとともにその裏面には音響減衰層が固定さ
   れ、さらに前記振動子のもう一方の電極にはグランド電
   極が接続されるとともに音響整合層が固定されて、前記
   信号電極側に設けた前記溝に直交するように音響整合層
   と振動子とフレキシブル基板と音響減衰層の一部を切断
   した溝により電気的に分離された素子が並び、この溝に
   はマイクロバルーン状の音響的クロストークが小さい材
   料を混入した所定の樹脂が充填され、さらに前面には所
   定の焦点距離を有する音響レンズが固定されたことを特
   徴とする超音波探触子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超音波探触子におい
   て、前記振動子の端部に超音波を発生しない領域を設
   け、この領域にフレキシブル基板のグランド電極を取付
   けたことを特徴とする超音波探触子。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の超音波探触子におい
   て、振動子の信号電極側に形成する所定幅と深さの溝
   が、広くて浅い溝と狭くて深い溝の２段階で構成されて
   いることを特徴とする超音波探触子。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の超音波探触子におい
   て、振動子の複数の電極をフレキシブル基板を介して共
   通化するようにしたことを特徴とする超音波探触子。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の超音波探触子におい
   て、電極が分離された列の数が３以上で、中央の１列乃
   至電気的に共通の２列に相当する各素子に送波信号を印
   加して超音波を生体内に送波し、生体からの受波信号を
   同様の各素子で所定時間だけ受信した後に同様の各素子
   とその隣り合う電気的に共通のさらに２列に相当する各
   素子で所定時間だけ次々と受信できるように、タイムシ
   ェアリング機能を本体の超音波診断装置に接続する探触
   子コネクタに設けたことを特徴とする超音波探触子。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の超音波探触子におい
   て、両面に電極を形成した振動子の信号電極側に所定幅
   と深さの溝で電極を所定幅と数の列に分離し、探触子を
   構成する素子に対応した信号配線と接続パターンを有す
   るフレキシブル基板を振動子の分離した電極に合わせて
   接続し、その裏面に音響減衰層を、振動子のもう一方の
   電極にグランド電極及び音響整合層を固定して、信号電
   極側に設けた溝に直交するように音響整合層と振動子と
   フレキシブル基板と音響減衰層の一部を切断して電気的
   に分離された素子を構成し、溝にはマイクロバルーン状
   の音響的クロストークが小さい材料を混入した所定の樹
   脂を充填して、さらに前面に所定の焦点距離を有する音
   響レンズを固定することを特徴とする超音波探触子の製
   造方法。
7. 【請求項７】 請求項１から５に記載の超音波探触子
   と、該超音波探触子から所定のビーム波形の超音波を送
   波する送波整相部と受波信号から所定の受波波形を形成
   する受波整相部と受波信号を高Ｓ／Ｎに取り込む信号処
   理部からなる超音波本体部と、該超音波本体部の送波タ
   イミング及び受波信号からの表示タイミングを制御する
   制御部と表示部から構成されたことを特徴とする超音波
   診断装置。