JP2001309493A - ２次元アレイ超音波プローブ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造性が高く比較的容易に実現でき、高感度
且つ素子間クロストークの小さい２次元アレイ超音波プ
ローブ及び当該プローブの製造方を提供する。 【解決手段】 ２次元アレイ超音波プローブに於いて、
マトリックス状に配列した素子の各列間隔に各振動子か
ら信号リード及びアースを引き出すためのプリント基板
を配置した構造を有し、プリント基板上に１列相当の振
動子アレイを実装した後、振動子を実装したプリント基
板を行方向に配列して２次元アレイトランスデューサを
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波診断装置や
超音波探傷装置等に用いられる超音波探触子に関し、特
に圧電振動子をマトリックス状に配列した２次元アレイ
プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波診断装置に使用する超音波
プローブは、短冊状（細長い直方体状）の圧電素子をア
レイ状に配列した１次元のアレイプローブが使用されて
いる。これは、超音波の走査方式において、電子走査法
と呼ばれる方法が一般的に使用されているためである。
電子走査法とは、アレイ状の超音波振動子それぞれに遅
延時間を与え、送信パルスや受信信号のフォーカスをか
ける方法である。この方法は、送受信超音波ビームの高
速な走査や高速なフォーカス点変更を可能とし、現在超
音波走査方式の主流となっている。

【０００３】上述の電子走査方式により、１次元のアレ
イプローブでは、圧電素子の配列方向に超音波の電子フ
ォーカスを行ったり超音波ビームの走査を行ったりする
ことが可能である。しかしながら、配列方向と直交する
方向（すなわち前記超音波走査面と直交する方向）に
は、音響レンズによるフォーカスのみである。従って、
ダイナミックにフォーカス点を変更することは不可能で
ある、また、超音波ビームの走査に於いても、従来の超
音波プローブでは圧電振動子配列が１次元配列となって
いるため、超音波走査は２次元的（同一平面内）にしか
行うことが出来ない。

【０００４】近年において、振動子（超音波素子）をマ
トリックス状に配列し、超音波ビームのフォーカスを全
方位的にダイナミックフォーカスし、更に超音波ビーム
の走査も３次元的に行うことで、３次元で超音波画像収
集、表示を行うシステムの検討が進んできている。

【０００５】このようなシステムの実現には、２次元的
に振動子を配列した２次元アレイ超音波プローブが必要
となる。超音波の全方位的なフォーカシングと高速な３
次元走査を実現するためには、２次元アレイ超音波プロ
ーブは必須の構成要素となるからである。

【０００６】一般的に、２次元アレイプローブの素子配
列は、既に述べたようにｍ×ｎの行列（マトリックス）
状形態をとっている。上述した３次元的なダイナミック
フォーカスや３次元的なビーム走査を十分に行うために
は、ｍ，ｎそれぞれ約５０以上の素子数を０．５ｍｍ以
下の微細ピッチで配列する必要がある。この場合、２ｃ
ｍ角程度の面積から引き出す配線は、２０００ｃｈ以上
である。

【０００７】一方、２次元アレイプローブの実現手段、
構成は多数提案されている。例えば、特開昭５９−１５
２８００では、次のような２次元アレイプローブ製造方
法を開示している。

【０００８】まず、１次元アレイプローブと同様に圧電
素子の表、裏面にそれぞれアース板とフレキシブルプリ
ント基板（ＦＰＣ）を接続し、バッキング材や音響整合
層等を形成する。そして、アース板とＦＰＣをそれぞれ
折り曲げる。その後、ダイシングにより素子分割してア
レイ素子を形成し、振動子両側面から信号リードとアー
スを引き出した形状の１次元アレイトランスデューサを
作成する。この１次元アレイトランスデューサを複数張
り合わせることで、２次元アレイ超音波プローブを製造
するものである。

【０００９】その他、電極引き出し端子を２次元（マト
リックス）状に配列したリード引き出し、基板上に圧電
振動子板を接続し、引き出し端子上に各素子が形成され
るよう圧電振動子板をマトリックス状に分割して２次元
アレイ素子を形成した構造の２次元アレイ超音波プロー
ブも多数提案されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の方法では、多素子かつ微細ピッチの２次元アレ
イプローブを高い生産性や低コストで実現することは困
難である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記事情に鑑
みてなされたもので、製造性が高く比較的容易に実現で
き、高感度且つ素子間クロストークの小さい２次元アレ
イ超音波プローブ及び当該プローブの製造方を提供する
ことを目的としている。

【００１２】本発明の第１の視点は、複数の圧電振動子
を二次元的に配列した二次元超音波プローブであって、
前記圧電振動子の二次元的配列は、前記圧電振動子に設
けられた信号電極から電気配線を引き出す複数の信号ラ
インが一方の面に形成されたプリント基板であって、所
定数の圧電振動子が一端に沿って同ピッチで実装したプ
リント基板を所定のピッチで並設して形成されているこ
とを特徴とするものである。

【００１３】第１の視点によれば、二次元的に配列され
た圧電振動子の配列間ギャップ部に信号電極との電気配
線を引き出すためのプリント基板を配置し、振動子側面
の電極接続部とプリント基板上の電極接続部を接続して
各列毎に圧電振動子の信号電極からの信号ラインを取り
出す構造を有する二次元超音波プローブを提供できる。

【００１４】本発明の第２の視点は、第１の視点に係る
２次元アレイ超音波プローブにおいて、前記各圧電振動
子は、前記プリント基板と向かい合う面に第１の接続手
段を有し、前記信号電極と前記各信号ラインとは、当該
第１の接続手段を介して接続されることを特徴とするも
のである。

【００１５】本発明の第３の視点は、第１の視点に係る
２次元アレイ超音波プローブにおいて、前記各圧電振動
子は、前記プリント基板と向かい合う面に第１の接続手
段を有し、前記信号電極と前記各信号ラインとは、当該
第１の接続手段を介して接続されることを特徴とするも
のである。

【００１６】本発明の第４の視点は、第３の視点に係る
２次元アレイ超音波プローブにおいて、前記各アースラ
インは、前記各プリント基板の他方の面に形成されてい
ることを特徴とするものである。

【００１７】本発明の第５の視点は、第１の視点に係る
２次元アレイ超音波プローブにおいて、前記各プリント
基板は、バッキング材によって挟持されていることを特
徴とするものである。

【００１８】本発明の第６の視点は、第１の視点に係る
２次元アレイ超音波プローブにおいて、前記圧電振動子
は、内部電極電極を有する積層圧電体であって、当該積
層の方向を被検体への超音波照射方向に合わせて前記プ
リント基板に実装されていることを特徴とするものであ
る。

【００１９】本発明の第７の視点は、第１の視点に係る
２次元アレイ超音波プローブにおいて、前記圧電振動子
は、内部電極電極を有する積層圧電体であって、当該積
層の方向を前記超音波照射方向と略直行する方向に合わ
せて前記プリント基板に実装されていることを特徴とす
るものである。

【００２０】本発明は、二次元アレイ超音波プローブの
製造方法に関する技術的思想の創作でもある。その内容
は、第８、第９、第１０の視点による。

【００２１】本発明の第８の視点は、一方の面に所定ピ
ッチの各信号ラインが形成されたプリント基板上に、前
記信号ラインと圧電振動子が有する信号電極とを対応さ
せて当該基板の一端に沿って複数の圧電振動子を実装す
る工程と、バッキング材に形成された所定ピッチの溝に
圧電振動子が実装された前記プリント基板を配列するこ
とで、圧電振動子が二次元的に配列された超音波照射面
を形成する工程と、を具備することを特徴とする二次元
アレイ超音波プローブ製造方法である。

【００２２】本発明の第９の視点は、一方の面に所定ピ
ッチの各信号ラインが形成されたプリント基板上に、前
記信号ラインと圧電振動子が有する信号電極とを対応さ
せて当該基板の一端に沿って複数の圧電振動子を実装す
る工程と、圧電振動子が実装された前記プリント基板を
バッキング材を介して所定のピッチで並設し固定するこ
とで、圧電振動子が二次元的に配列された超音波照射面
を形成する工程と、を具備することを特徴とする二次元
アレイ超音波プローブ製造方法である。

【００２３】第８又は第９の視点によれば、二次元的に
配列された圧電振動子の配列間ギャップ部に信号電極と
の電気配線を引き出すためのプリント基板を配置し、振
動子側面の電極接続部とプリント基板上の電極接続部を
接続して各列毎に圧電振動子の信号電極からの信号ライ
ンを取り出す構造を有する二次元超音波プローブを提供
できる。

【００２４】本発明の第１０の視点は、第８又は第９に
係る二次元アレイ超音波プローブ製造方法において、前
記複数の圧電振動子をプリント基板上に実装する工程
は、板状圧電振動子を、前記信号ラインと当該板状圧電
振動子が有する信号電極とを対応させて当該基板の一端
に沿って実装する工程と、前記板状圧電素子を機械加工
によって所定のピッチで分割し、複数の圧電振動子を形
成する工程と、からなることを特徴とするものである。

【００２５】本発明に係る実施の形態には種々の段階の
発明が含まれており、開示される複数の構成用件におけ
る適宜な組み合わせにより種々の発明が摘出され得る。
例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの
構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、そ
の抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣
用技術で適宜補われるものである。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施形態〜第
３実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明
において、略同一の機能及び構成を有する構成要素につ
いては、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ
行う。

【００２７】（第１の実施形態）図１は、本発明に係る
二次元アレイ超音波プローブ１０の斜視図を示してい
る。

【００２８】図１に示すように、二次元アレイ超音波プ
ローブ１０は、アース電極１１０と信号電極１１１とを
有し、マトリックス状に配列された複数の圧電振動子１
１、一方の面に信号ライン１５１、アース接続パッド１
５２、信号接続パッド１５３が形成され（図２参照）、
圧電振動子１１配列の列間ギャップに並設されたプリン
ト基板１５、各プリント基板１５を挟持するバッキング
材１７を具備している。

【００２９】圧電振動子１１は、各プリント基板１５の
一端に沿って同ピッチ配列されている。各圧電振動子１
５のプリント基板１５と向かい合う面には、図２（ａ）
に示すように、プリント基板１１の信号ライン１５１と
電気的に接続される電極接続部１１２が形成されている
（図２参照）。また、圧電振動子１１は、通常より厚め
の信号電極１１１及びアース電極１１０を有している。

【００３０】信号引き出し用プリント基板１５には、２
次元配列した各振動子に対応する信号ライン１５１、信
号電極１１１と接続するための信号接続パッド１５３、
アース電極１１０と接続するためのアース接続パッド１
５２が設けられている。信号接続パッド１５３、アース
接続パッド１５２の表面には、半田層が設けられてい
る。なお、アース接続パッド１５２は振動子保持のため
のものである。アース接続のためのアース電極１１０の
引き出しについては後述する。

【００３１】バッキング材１９は、振動素子１６の背面
に設けられており、当該振動素子１６を機械的に支持す
る。また、バッキング材２０は、超音波パルスを短くす
るために、振動素子１６を制動している。なお、バッキ
ング材２０の厚さは、トランスデューサの音響的特性を
良好に保つため、使用する超音波周波数の波長に対して
十分な厚さ（十分減衰される厚さ）にとるものとする。

【００３２】次に、二次元アレイ超音波プローブ１０の
製造方法について説明する。

【００３３】図２、図３、図４を参照して、二次元アレ
イ超音波プローブ１０の製造方法を説明する。本製造方
法は、複数の圧電振動子１１をプリント基板１５に実装
する工程と、プリント基板１５を所定のピッチで並設し
てマトリックス状の振動子群を形成する工程と、アース
電極引き出し配線、音響整合層等を形成する工程とに分
けることができる。以下、各工程ごとに説明を行う。な
お、バッキング材１７は、二次元状の超音波照射面を形
成する工程において装備される。

【００３４】（１）圧電振動子１１のプリント基板１５
への実装 まず、図２（ａ）に示すように、予め１素子形状に加工
された圧電振動子１１を、プリント基板１５上に配列す
る。このとき、信号接続パッド１５３及びアース接続パ
ッド１５２には予め半田ペーストを塗布おく。そして、
各電極接続部１１２と、信号接続パッド１５３及びアー
ス接続パッド１５２とが対応するように合わせて配列す
る。なお、電極接続部１１２は、アース電極１１０及び
信号電極１１１のプリント基板１５側側面に設けられて
いる。しかし、十分な広さ・大きさがあれば、アース電
極１１０及び信号電極１１１のプリント基板１５側側面
をそのまま電極接続部１１２として使用してもよい。

【００３５】図２（ｂ）に示すように、続く圧電振動子
１１についても同様に配列する。その結果、図２（ｃ）
に示すように、圧電素振動子１１が一端に沿って同ピッ
チ配列されているプリント基板１５を得る。この図２
（ｃ）に示すプリント基板１５は、同様の方法により所
定数製造される。

【００３６】次に、プリント基板１５ごとに半田リフロ
ー炉に入れて各接続パッドの半田ペースト及び半田層を
溶融させ、アース電極１１０及び信号電極１１１と各接
続パッド１５２，１５３とを接続させる。

【００３７】本工程を有する製造方法によれば、以下の
効果を得ることができる。

【００３８】圧電振動子１１は、振動方向に長い微細な
棒状振動子となっている。従って、長手面をプリント基
板１５の表面に向けて載せることで、安定して実装する
ことが可能である。

【００３９】また、各電極接続部１１２と信号接続パッ
ド１５３及びアース接続パッド１５２とが対向するよう
に載せた後半田を溶融して接続している。従って、半田
の表面張力によるセルフアライメント効果により位置合
わせを行うことが可能であり、振動子は接続パッドの配
列ピッチと同ピッチで配列させることができる。

【００４０】さらに、圧電振動子１１のプリント基板１
５への実装は、０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．６ｍｍサ
イズの汎用電子部品をプリント基板状に実装する公知の
技術によって実現される。当該技術的によれば、上述し
たサイズに限らず、更に小さいサイズの圧電振動子であ
っても、配列して実装することが可能である。

【００４１】次に、圧電振動子１１をプリント基板１５
へ実装する他の方法について、図３（ａ）〜（ｃ）を参
照して説明する。

【００４２】図３（ａ）において、板状振動子１２は、
２次元アレイの１列分の幅（図１に示すＤ）を有する圧
電振動子であり、圧電振動子１１と同様にアース電極１
１０、信号電極１１１を有している。

【００４３】この板状振動子１２をプリント基板１５上
に配列する。このとき、振動子の電極接続部１１２がプ
リント基板１５側に向くように、先に述べた方法と同様
にアース電極１１０、信号電極１１１と各接続パッド１
５２，１５３とが対応するように配列する。

【００４４】次いで、プリント基板１５ごとに半田リフ
ロー炉に入れて各接続パッドの半田ペースト及び半田層
を溶融させ、アース電極１１０及び信号電極１１１と各
接続パッド１５２，１５３とを接続させる。

【００４５】接続した板状振動子１２は、図３（ｂ）に
示すように、ダイシングソー等の機械加工で１素子に分
割する（分割溝３２により素子分離する）。このとき、
プリント基板１５上の信号ライン１５１は、１素子毎に
対応したピッチで設けておけば、圧電振動子のみ分割す
るだけでよい。このように、板状振動子１２を１素子サ
イズに分割して各圧電振動子１１を形成することで、図
３（ｃ）に示すように、圧電振動子１１を所定ピッチで
実装したプリント基板１５を得ることができる。

【００４６】本工程を有する製造方法によれば、上述し
た効果に加えて、圧電振動子１１の実装作業を少なくす
ることが可能であり、また、圧電振動子１１の配列ピッ
チをより高精度にすることが出来る。プリント基板１５
上へ圧電振動子１１の実装を１列分の１枚の振動子板１
２で行い、その後切断により１素子毎に分割するからで
ある。

【００４７】（２）マトリックス状に配列された振動子
群の形成 次に、図４（ａ）、図４（ｂ）を参照して、マトリック
ス状の振動子群を形成する工程について説明する。

【００４８】図４（ａ）に示すように、バッキング材１
７には、各プリント基板１５を挿入するための溝１７１
が予め必要基板枚数分設けられている。このバッキング
材１７における各溝１７１に、上記１列分の振動子を実
装したプリント基板１５を挿入し、圧電振動子１１の底
面（すなわち、信号電極１１１側の底面）とバッキング
材１７を接着することで圧電振動子１１をマトリックス
状に配列してなる振動子群を得ることが出来る。

【００４９】一般に、バッキング材１７はゴム等をその
材料としており、加工性に優れている。従って、溝１７
１は、任意のピッチで（例えば、更に細かいピッチで）
形成することが可能である。すなわち、本工程を有する
製造方法によれば、更に小さいサイズの圧電振動子を配
列して実装したプリント基板１５であっても、並設して
マトリックス状の振動子群を形成することができる。

【００５０】次に、マトリックス状の振動子群を形成す
る他の方法について、図５（ａ）〜（ｃ）を参照して説
明する。

【００５１】図５（ａ）において、プリント基板１５に
は、１列分の圧電振動子１１が実装されている。このプ
リント基板１５に、図５（ｂ）に示すように、音響バッ
キング材１７を圧電振動子１１の信号電極１１１側に付
加し、接着剤などで固定する。バッキング材１７の厚さ
は、プリント基板１５の厚さとの合計が振動子配列ピッ
チとなる程度である。

【００５２】図５（ｂ）に示したプリント基板１５を、
図５（ｃ）に示すように２次元アレイトランスデューサ
の行分以上積み重ねて２次元アレイ化する。このとき圧
電振動子１１の超音波放射面が概同一面となるよう、ま
た圧電振動子１１の行、列がマトリックス状に配置する
よう位置合わせして積み重ね、接着により固定する。そ
の結果、圧電振動子１１をマトリックス状に配列してな
る振動子群を形成することが出来る。

【００５３】本工程を有する製造方法によれば、従来の
１次元アレイプローブ構造を積み重ねる場合に比較して
圧電振動子１１の位置合わせを容易にすることが出来
る。プリント基板１５上に圧電振動子１１、バッキング
材１５を実装した板状ユニットを積み重ねる構成だから
である。

【００５４】（３）アース電極引き出し配線、音響整合
層等の形成 次に、図６（ａ）〜（ｃ）を参照して、アース電極引き
出し配線、音響整合層等の形成について説明する。

【００５５】図６（ａ）に示すように、各圧電振動子１
１間の配列ギャップに素子間充填樹脂２１を充填する。

【００５６】その後、図６（ｂ）に示すように、研磨な
どにより各圧電振動子１１のアース電極１１０を露出さ
せ、蒸着や導電性ペースト等により共通電極２３の形成
を行う。さらに、共通電極２３に、信号ラインの引き出
しとは別個に引き出しリード２４を設ける。

【００５７】共通電極２３及び引き出しリード２４形成
後、図６（ｃ）に示すように、共通電極２３上に音響整
合層２６を形成する。また、必要に応じて音響整合層２
６の素子分割や、音響整合層２６上に音響レンズ、音響
カプリング材等を設ける。

【００５８】最後に、図示していないが、バッキング材
背面を研磨、切削しプリント基板１５の信号ライン１５
１の端面を露出させ、この端子から信号引き出しを行
う。

【００５９】以上、本製造方法によれば、２次元アレイ
プローブの素子数が増大し、個々の振動子サイズが小さ
くなった場合であっても、２次元アレイプローブの製造
を容易に行うことができる。プリント基板１５上に１つ
１つの圧電振動子１１を実装して信号引き出しを行い、
振動子１１を実装した当該プリント基板１５を並設して
２次元アレイ化するからである。その結果、生産性が高
く、低コストで、高感度且つ素子間クロストークの小さ
い２次元アレイ超音波プローブを提供することができ
る。

【００６０】なお、上記製造方法の説明において、工程
によっては複数の方法について言及した。当然ながら、
二次元アレイ超音波プローブ１０は、すべての組み合わ
せに対応した製造方法のうち、いずれの方法によっても
得ることができる。

【００６１】次に、二次元アレイ超音波プローブ１０の
変形例について説明する。

【００６２】図７は、二次元アレイ超音波プローブ１０
の変形例について説明するための図である。図７（ａ）
は、プリント基板１５とは異なる信号引き出し形態を実
現する第２のプリント基板１６に圧電振動子１１を実装
した斜視図を示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）の
Ｃ−Ｃに沿った断面図を示している。

【００６３】図７（ａ）、（ｂ）に示す様に、第２のプ
リント基板１６のＡ面には、一の圧電振動子１１に対応
した各信号ライン１６１、圧電振動子１１の信号電極１
１１と接続するための信号接続パッド１６３、圧電振動
子１１のアース電極１１０と接続するためのアース接続
パッド１６２が設けられている。また、信号接続パッド
１６３は、信号ライン１６１に接続されている。一方、
第２のプリント基板１６のＢ面には、一の圧電振動子１
１に対応したアースライン１６５が設けられている。こ
のアースライン１６５と、Ａ面のアース電極１１０と
は、スルーホール１６４を介して接続されている。な
お、それぞれの接続パッド１６２、１６３の表面には、
圧電振動子１１の実装のため、半田層１６６を設けてお
く。

【００６４】上記構成を有する第２のプリント基板１６
により、圧電振動子１１毎に、電気信号用配線は信号ラ
イン１６１によって、アース接続用配線はアースライン
１６５によって引き出すことができる。以下、この第２
のプリント基板１６への複数の圧電振動子１１の実装・
各配線の引き出しについて説明する。

【００６５】まず、図７（ａ）に示すように、予め１素
子の大きさに加工された各圧電振動子１１を各電極１１
０，１１１とプリント基板上の各接続パッドを接続して
振動子の実装を行い、１列の振動子アレイを構成する。
このとき、アース電極１１０及び信号電極１１１におい
て、第２のプリント基板１６側の側面（図７（ｂ）中各
電極１１０、１１１の引き出し線参照）を接続部として
使用する。

【００６６】各圧電振動子１１の各信号電極１１０、１
１１厚さは、上述した通り通常より厚めになっている。
しかし、各電極の１１０、１１１の第２のプリント基板
１６側の側面のみでは良好に接続できない場合、新たに
圧電振動子１１側面に電極接続部を設けてもよい。

【００６７】他の圧電振動子１１についても同様に配列
し、一列分の圧電素振動子１１が配列された第２のプリ
ント基板１６を得る。

【００６８】続いて実行される各工程は、共通電極２
３、引き出しリード２４の形成を不要とする以外は、上
述した内容と同様である。

【００６９】なお、第２のプリント基板１６を使用した
二次元アレイ超音波プローブは、上記（１）、（２）、
（３）で説明したいずれの製造方法によっても、製造す
ることが可能である。この場合、言うまでもないが、い
ずれの方法で製造したとしても、共通電極２３、引き出
しリード２４の形成工程は必要ではない。

【００７０】従って、第２のプリント基板１６を使用し
た二次元アレイ超音波プローブによれば、２次元アレイ
の各振動子１１から信号ライン１６１とアースライン１
６５を隣接させて引き出すことが可能となり、ｃｈ間ク
ロストークの低い構造を実現することが出来る。

【００７１】（第２の実施形態）第２の実施例では、マ
トリックス状に配列した圧電振動子全てを使用せず、一
部の振動子のみを使用するスパースアレイ型２次元アレ
イプローブの場合であって、送信と受信で使用振動子を
使い分ける例を示す。当該第２の実施例は、本発明の特
徴を更に明確に示すものである。

【００７２】第２の実施例では、圧電振動子にｋ３３型
の積層圧電振動子を使用する。ｋ３３は電気機械結合係
数であり、電圧の印可方向と振動方向とが等しく、且
つ、積層圧電振動子の長手方向の振動モードである場合
を意味する。

【００７３】図８には、被検体に対して超音波を送波す
る送波用積層圧電振動子３０、被検体からの反射波を受
波する受波用積層圧電振動子３２、超音波送受波には使
用しない未使用素子（ダミー素子）３４が示してある。
送波用積層圧電振動子３０及び受波用積層圧電振動子３
２は、主要振動方向（厚み振動方向）と圧電体の積層方
向とが等しいｋ３３の振動モードを利用した圧電体であ
る。なお、送波用積層圧電振動子３０の積層数は比較的
多層であり、より受波用積層圧電振動子３２の積層数は
比較的少層、或いは単層となっている。これは、送波用
振動子の場合、低電圧でより高い音圧の超音波を送波で
きるようにし、受波用振動子の場合では受波信号の伝達
効率向上のため、振動子のインピーダンスを受波回路系
に適したものとするためである。

【００７４】本第２の実施例において使用される積層圧
電振動子について、送波用積層圧電振動子３０を例に更
に詳しく説明する。

【００７５】図９は、送波用積層圧電振動子３０の斜視
図を示している。

【００７６】図９において、送波用積層圧電振動子３０
は、振動子の積層間に設けられた内部電極３００、内部
電極３００と接続され振動子側面に形成された電極連結
部３０１、３０２、信号電極３０４、アース電極３０３
を有している。また、送波用積層圧電振動子３０側面
（プリント基板側の側面）においては、信号電極３０
４、アース電極３０３それぞれの側面を信号ライン１６
１とアースライン１６５との接続部として使用する。

【００７７】次に、送波用積層圧電振動子３０、受波用
積層圧電振動子３２、未使用素子３４の第２のプリント
基板１６への実装について説明する。

【００７８】まず、図８に示すように、信号電極３０４
側面がプリント基板１６の信号接続パッド１６３と、ア
ース電極３０３側面がアース接続パッド１６２と、それ
ぞれ対向する形で各積層圧電振動子を配列する。図８で
は、三種の積層圧電振動子を非周期的に配列した例を示
している。

【００７９】次に、第２のプリント基板１６ごとに半田
リフロー炉に入れて各接続パッドの半田ペースト及び半
田層を溶融させ、アース電極３０３及び信号電極３０４
と各接続パッド１６２、１６３とを接続させる。その結
果、送波用積層圧電振動子３０、受波用積層圧電振動子
３２、ダミー素子３４を実装した第２のプリント基板１
６が得られる。

【００８０】各振動子を実装した第２のプリント基板１
６を得た後、続いて実行される各工程は、第１の実施例
で述べた通りであるから、その説明は省略する。

【００８１】また、未使用素子３４としてダミー素子を
実装したが、使用しない送受波積層圧電振動子を実装し
ても問題ない。

【００８２】以上述べた２次元アレイトランスデューサ
は、振動子に積層圧電体を使用し、且つ送波用圧電振動
子と受波用圧電振動子とで異なる積層数の積層圧電体を
使用する構成としている。そして、第２のプリント基板
１６に各振動子を実装する形体で振動子からのリード引
き出しを行っているため、振動子が積層圧電体のような
複雑且つ微細な構造であっても単層の振動子と同様にリ
ード引き出しを行うことが出来る。更に、個々の素子毎
に実装する製造法により、送信素子と受信素子を異なる
特性の素子で構成することも可能となり、送信素子には
送信効率の高くなるよう積層数が多い振動子を用い、受
信素子には受信系の電気回路に合わせた比較的積層数の
少ない（含む単層）振動子を用いることで超音波の送受
信効率を高めたトランスデューサ構成が可能となる。

【００８３】（第３の実施形態）第３の実施例では、圧
電振動子にｋ３１型の積層圧電振動子を使用する。ｋ３
１は、圧電振動子の長手方向の振動モードで、且つ振動
方向と電圧の印可方向とが直交する振動モードを意味す
る。

【００８４】図１０は、ｋ３１型の積層圧電振動子３２
を示している。このｋ３１型の積層圧電振動子３２で
は、超音波の照射面と圧電素子積層方向とが直交してい
る。従って、振動子３２において、信号電極３２１はプ
リント基板１５と向き合う側面に、アース電極３２２は
その反対の側面に設置されている。また、振動子３２に
おいて、超音波照射側の側面には、アース電極３２２と
プリント基板１６上のパッドとを連結するための連結電
極３２３が、その反対側の側面には信号電極３２１とプ
リント基板１６上のパッドとを連結するための連結電極
３２４が形成されている。連結電極３２３のプリント基
板側端部には接続部３２６を設けている。

【００８５】このｋ３１型の積層圧電振動子３２のプリ
ント基板１５への実装は、信号電極３２１とプリント基
板の信号接続パッド１５３、接続部３２６とアース接続
パッド１５１とをそれぞれ対向させて実装する。実装方
法やその後の製造法、構成等は、第１の実施例と同様で
ある。

【００８６】以上述べた構成によっても、第１の実施形
態と同様の効果が可能である。また、ｋ３１タイプの積
層圧電振動子の積層数を変更することで、第２の実施形
態と同様の効果を得ることも可能である。なお、更にｋ
３１タイプの積層圧電体を用いた場合、ｋ３３タイプよ
りも製造が容易であり、２次元アレイトランスデューサ
の製造歩留りを向上させることが可能である。

【００８７】最後に、従来の二次元アレイ超音波プロー
ブとの比較の観点から、第１〜第３の実施形態に係る二
次元アレイ超音波プローブの効果について述べる。

【００８８】まず、従来の方法によって二次元アレイ超
音波プローブを製造する場合、ｍ×ｎ個の電極引き出し
部を有する基板上に板状圧電振動子を機械的かつ電気的
に接続した後、この圧電振動子板をｍ×ｎ個に分割して
２次元アレイを作る方法が考えられる。例えば、ｍ，ｎ
の値が５０以上といった多数かつ配列ピッチが０．５ｍ
ｍ以下といった微細なピッチの場合、２ｃｍ角程度の面
積から２千ｃｈ以上の配線を引き出す必要が生じる。こ
れは配線基板の多層化や微細パターン化を要求する事と
なり基板コスト、即ち製造コストを高くする要因となっ
てしまう。また、圧電振動子板を２千素子以上に分割す
る場合、微細なパターンであればあるほど分割は困難と
なり、素子の飛散による欠落や特性不良等の素子不良発
生頻度が増大する結果となる。

【００８９】これに対し、第１〜第３の実施形態に係る
二次元アレイ超音波プローブは、一列分の圧電振動子が
実装されたをプリント基板を並設して形成される。そし
て、各圧電振動子からの信号配線の引き出しは、一のプ
リント基板に形成された信号ラインによってなされる。
従って、配線の引き出しは、従来と比して格段に容易で
ある。その結果、素子不良がなく、高感度且つ素子間ス
トロークの小さい二次元アレイ超音波プローブを、高い
生産性、低コストで実現できる。

【００９０】次に、従来の二次元アレイ超音波プローブ
によって素子の微細化を行った場合には、素子インピー
ダンスが増大してしまう問題が発生する。すなわち、超
音波振動子は圧電材料で構成されており、素子サイズ
（面積）を小さくすることで、コンデンサと同様に素子
のインピーダンスを増大させてしまう。このインピーダ
ンス増大は、受信超音波により振動子に発生した起電圧
を後段の電気回路に伝達する場合に伝達損失が大きくな
る要因となり、感度劣化の原因となる。この問題に対し
て、圧電振動子を積層化し低インピーダンス化する提案
がなされている。しかし、従来の２次元アレイ超音波プ
ローブ構造では、マトリックス状に分割する以前に１枚
の圧電板内に１素子毎の積層圧電体構造を組み込む必要
があり、微細な電極パターンやスルーホール構造等を高
精度且つ高密度に形成する技術等を必要とするため、実
現は困難である。

【００９１】これに対し、第２，第３の実施形態に係る
二次元アレイ超音波プローブは、予め素子形状に加工さ
れた積層圧電体を、信号配線を引き出す信号ラインが形
成されたプリント基板に一列分所定ピッチで配列し、当
該該圧電振動子が実装されたをプリント基板を並設して
形成される。そして、各圧電振動子からの信号配線の引
き出しは、一のプリント基板に形成された信号ラインに
よってなされる。従って、配線の引き出しは、従来と比
して格段に容易である。その結果、圧電振動子に積層圧
電体を使用した場合であっても、高感度の小さい二次元
アレイ超音波プローブを、高い生産性、低コストで実現
できる。

【００９２】従来のｍ×ｎ個の電極引き出し部を有する
基板上に板状圧電振動子を機械的かつ電気的に接続した
後、この圧電振動子板をｍ×ｎ個に分割して２次元アレ
イを製造する場合と比較する。この製造方法では、個々
の圧電素子から信号を個々に引き出すことは可能とな
る。しかし、圧電素子の対向する電極である共通電極
（アース側）を個々に引き出すことは困難となってしま
う。さらに、この製造方法によれば、共通電極側は各素
子に分割後再度共通接続して別個のラインで引き出す構
造となる。これは各素子の信号ラインからアースライン
を遠ざけてしまうこととなり、信号ライン間のクロスト
ークを増大させる原因となる。

【００９３】これに対し、第１〜第３の実施形態に係る
二次元アレイ超音波プローブでは、圧電振動子を実装す
るプリント基板に形成されたアースラインによって、各
圧電振動子からてアース配線を引き出している。従っ
て、アース配線の引き出しは、従来と比して格段に容易
であり、信号ライン間のクロストークも少ない。

【００９４】次に、従来の方法により１列のアレイプロ
ーブ構造を作り、それをマトリックス配列となるよう張
り合わせて２次元アレイプローブ構造を実現する場合と
比較する。この場合、前述したような高度なプリント基
板は必要とせず、個々の素子ごとのアース引き出しや積
層圧電体の導入も比較的容易であるという特徴がある。
しかしながら、素子サイズの微細化が難しいという問題
がある。即ち、従来の１次元アレイ超音波プローブと同
様な構造では、前記１次元アレイを積み重ねた配列方向
では素子と素子の間にアース電極板とフレキシブルプリ
ント基板がそれぞれ配置されることになる。従って、こ
れらのアース板、ＦＰＣは振動子端から折り曲げた構造
をとるため素子間を十分に小さくすることが困難となっ
てしまう。また、１列に形成されたアレイ素子を張り合
わせてマトリックス状にする場合、各行、列を揃え且つ
表面の高さ位置も含めて高精度に配列させる必要があ
り、折り曲げたアース板やＦＰＣ等が存在する構造で
は、実現困難な要因になっている。

【００９５】これに対し、第１〜第３の実施形態に係る
二次元アレイ超音波プローブは、予め素子形状に加工さ
れた積層圧電体を、信号配線を引き出す信号ラインが形
成されたプリント基板に一列分所定ピッチで配列し、当
該該圧電振動子が実装されたをプリント基板を並設して
形成される。そして、各圧電振動子からの信号配線の引
き出しは、一のプリント基板に形成された信号ラインに
よってなされる。従って、アース配線の為のアース板と
信号配線の為のＦＰＣとを個別に設ける必要はない。さ
らに、ＦＰＣ等の折り曲げも必要としていない。その結
果、高感度且つ素子間ストロークの小さい二次元アレイ
超音波プローブを、容易に実現できる。

【００９６】なお、本発明の思想の範疇において、当業
者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るもの
であり、それら変形例及び修正例についても本発明の範
囲に属するものと了解される。

【００９７】

【発明の効果】以上本発明によれば、製造性が高く比較
的容易に実現でき、高感度且つ素子間クロストークの小
さい２次元アレイ超音波プローブ及び当該プローブの製
造方を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る二次元アレイ超音波プロ
ーブの斜視図を示している。

【図２】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、圧電振動子の
プリント基板１５への実装工程を説明するための図であ
る。

【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、圧電振動子の
プリント基板１５への実装工程を説明するための図であ
る。

【図４】図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、マトリックス
状の振動子群を形成する工程を説明するための図であ
る。

【図５】図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、マトリックス
状の振動子群を形成する工程を説明するための図であ
る。

【図６】図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、アース電極引
き出し配線、音響整合層等を形成する工程を説明するた
めの図である。

【図７】図７は、圧電振動子のプリント基板１６への実
装工程を説明するための図である。

【図８】図８は、送波用積層圧電振動子、受波用積層圧
電振動子、未使用素子をプリント基板に実装する方法を
説明するための図である。

【図９】図９は、送波用積層圧電振動子３０の斜視図を
示している。

【図１０】図１０は、ｋ３１型積層圧電振動子３２の斜
視図を示している。

【図１１】図１１は、ｋ３１型積層圧電振動子をプリン
ト基板に実装する方法を説明するための図である。

【符号の説明】

１０…二次元アレイ超音波プローブ１０ １１…圧電振動子 １２…板状振動子 １５…プリント基板 １６…第２のプリント基板 １７…バッキング材 ２１…素子間充填樹脂 ２３…共通電極 ２４…引き出しリード ２６…音響整合層 ３０…受信用積層圧電振動子 ３２…送信用積層圧電振動子 ３４…未使用素子 １１０、３０３、３２２…アース電極 １１１、３０４、３２１…信号電極 １１２…電極接続部 １５１、１６１…信号ライン １５２、１６２…アース接続パッド １５３、１６３…信号接続パッド １６４…スルーホール １６５…アースライン １６６…半田層 １７１…溝 ３０１、３０６…電極連結部 ３００、３２０…内部電極 ３２４…連結電極 ３２６…接続部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 洋八 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 逸見 和弘 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 小林 剛史 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 斉藤 史郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 2G047 CA01 EA04 EA05 GB02 GB21 GB23 GB32 4C301 EE17 GB09 GB19 GB33 5D019 AA06 AA21 AA26 BB19 BB28 BB29 EE02 FF04 GG06 GG11 HH03

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の圧電振動子を二次元的に配列した二
   次元超音波プローブであって、 前記圧電振動子の二次元的配列は、前記圧電振動子に設
   けられた信号電極から電気配線を引き出す複数の信号ラ
   インが一方の面に形成されたプリント基板であって、所
   定数の圧電振動子が一端に沿って同ピッチで実装したプ
   リント基板を所定のピッチで並設して形成されているこ
   とを特徴とする２次元アレイ超音波プローブ。
2. 【請求項２】前記各圧電振動子は、前記プリント基板と
   向かい合う面に第１の接続手段を有し、 前記信号電極と前記各信号ラインとは、当該第１の接続
   手段を介して接続されることを特徴とする請求項１記載
   の２次元アレイ超音波プローブ。
3. 【請求項３】前記各圧電振動子は、前記プリント基板と
   向かい合う面に第２の接続手段を有し、 前記各プリント基板は、前記各圧電振動子が有する各ア
   ース電極から電気配線を引き出す複数のアースラインを
   有し、 前記各アース電極と前記各アースラインとは、当該第２
   の接続手段を介して接続されることを特徴とする請求項
   １記載の２次元アレイ超音波プローブ。
4. 【請求項４】前記各アースラインは、前記各プリント基
   板の他方の面に形成されていることを特徴とする請求項
   ３記載の２次元アレイ超音波プローブ。
5. 【請求項５】前記各プリント基板は、バッキング材によ
   って挟持されていることを特徴とする請求項１記載の２
   次元アレイ超音波プローブ。
6. 【請求項６】前記圧電振動子は、内部電極電極を有する
   積層圧電体であって、当該積層の方向を被検体への超音
   波照射方向に合わせて前記プリント基板に実装されてい
   ること、 を特徴とする請求項１記載の２次元アレイ超音波プロー
   ブ。
7. 【請求項７】前記圧電振動子は、内部電極電極を有する
   積層圧電体であって、当該積層の方向を前記超音波照射
   方向と略直行する方向に合わせて前記プリント基板に実
   装されていること、 を特徴とする請求項１記載の２次元アレイ超音波プロー
   ブ。
8. 【請求項８】一方の面に所定ピッチの各信号ラインが形
   成されたプリント基板上に、前記信号ラインと圧電振動
   子が有する信号電極とを対応させて当該基板の一端に沿
   って複数の圧電振動子を実装する工程と、 バッキング材に形成された所定ピッチの溝に圧電振動子
   が実装された前記プリント基板を配列することで、圧電
   振動子が二次元的に配列された超音波照射面を形成する
   工程と、 を具備することを特徴とする二次元アレイ超音波プロー
   ブ製造方法。
9. 【請求項９】一方の面に所定ピッチの各信号ラインが形
   成されたプリント基板上に、前記信号ラインと圧電振動
   子が有する信号電極とを対応させて当該基板の一端に沿
   って複数の圧電振動子を実装する工程と、 圧電振動子が実装された前記プリント基板をバッキング
   材を介して所定のピッチで並設し固定することで、圧電
   振動子が二次元的に配列された超音波照射面を形成する
   工程と、 を具備することを特徴とする二次元アレイ超音波プロー
   ブ製造方法。
10. 【請求項１０】前記複数の圧電振動子をプリント基板上
    に実装する工程は、 板状圧電振動子を、前記信号ラインと当該板状圧電振動
    子が有する信号電極とを対応させて当該基板の一端に沿
    って実装する工程と、 前記板状圧電素子を機械加工によって所定のピッチで分
    割し、複数の圧電振動子を形成する工程と、 からなることを特徴とする請求項８又は９記載の二次元
    アレイ超音波プローブ製造方法。