JP2003079621A

JP2003079621A - 超音波プローブおよび超音波診断装置

Info

Publication number: JP2003079621A
Application number: JP2001279857A
Authority: JP
Inventors: Takashi Togasaki; 隆栂嵜
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】トランスデューサと駆動回路基板に２次元ア
レイ状に設けられた対応する多数の接続電極が、安定し
て接続され、かつ、接続の際にトランスデューサへの悪
影響が発生しない超音波プローブとそれを用いた超音波
診断装置を提供すること。【解決手段】トランスデューサ３の接続電極２１と対
応する駆動回路基板２８の接続電極２９とを、中継基板
２２と導電ゴム２７を介して、中継基板２２と駆動回路
基板２８とを固定具３４、３５のねじ締めにより導電ゴ
ム２７を変形させて固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波プローブとそ
れを用いた超音波診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波の医学的な応用として、超音波パ
ルス反射法を用いて生体の軟部組織の断層像を表示する
超音波診断装置が用いられている。

【０００３】この超音波診断装置は、Ｘ線診断装置、Ｘ
線ＣＴ装置、ＭＲＩ装置及び核医学診断装置等の他の診
断装置に比ベ、リアルタイム表示が可能であること、装
置が小型で安価であること、Ｘ線等の被曝がなく安全性
が高く、さらに超音波ドップラ法により血流イメージン
グが可能である等の独自の特徴がある。そのため、心
臓、腹部、乳線、泌尿器、及び産婦人科等で広く用いら
れている。

【０００４】特に、超音波プローブを被検体の表面に当
てるだけの簡単な操作で、心臓の拍動や胎児の動きの様
子がりアルタイム表示で得られ、かつ、安全性が高いた
め繰り返して検査が行える他、ベッドサイドへ移動して
行っての検査も容易に行える等、装置の操作が簡便であ
る。

【０００５】また、データの収集では、従来の２次元的
な断層像に加え、１次元アレイ型の超音波プローブの断
層面をスライス面と直交方向に手動若しくは機械的に揺
動し、又はブローブを軸回転させることで、ボリューム
スキヤン（３次元スキャンともいう）を行い、そのボリ
ュームデータから任意断面の断層像を生成したり、血管
を３次元的に表示したり、胎児等の表面画像を立体的に
表示させるといった各種のデータ収集、表示方法が考案
されている。

【０００６】しかし、１次元アレイ型の超音波ブローブ
を機械的または手動で動かすことは、結果的にデータ収
集に長時間を要し、実時間での動画像を得ることは実際
的には困難である。

【０００７】そのため、近年、製造技術の進歩により、
超音波振動子を２次元的に配列した小型の２次元アレイ
型の超音波プローブが開発され、実用化に向け検討が進
められている。この２次元アレイを電子スキャンさせる
ことで、超音波ビームを任意の向きに３次元的に送受信
することができ、これにより原理的には、実時間でのボ
リュームデータの収集が可能となってきた。ただし、２
次元アレイでは素子数が大幅に増加する。２次元アレイ
の構成を、例えば、６４素子×６４素子で構成すると、
その素子数は４０９６になる。一般的な１素子で１チャ
ンネルを構成するものとすると、そのチャンネル数は、
４０９６チャンネルになり、その接続電極が多数必要に
なる。

【０００８】このように、超音波振動子を２次元配置し
た２次元アレイ型の超音波プローブでは超音波振動子と
駆動回路基板とを接続する接続電極が多数になり、従来
の構造では組立が困難になっている。また、反射ノイズ
抑制のための減衰層の耐熱温度が低いことからトランス
デューサと駆動回路基板との接続は低温接続が必要にな
っている。

【０００９】これに対して、図５に２次元アレイ型の超
音波プローブの構成断面図を示すように、２次元的に配
置された接続電極の接続が可能な接続構造として、トラ
ンスデューサ５１の接続電極５２と電子部品が実装され
た駆動回路基板５３の接続電極５４とを対向させて、シ
リコンゴムに金属柱を埋め込んだ導電ゴム５５を介し
て、固定具５６ａ、５６ｂでねじ５７により締結するこ
とにより、導電ゴム５５を加圧してトランスデューサ５
１と駆動回路基板５３とを締結するエリア接続構造が提
案されている。（ＡＤｅｍｏｕｎｔａｂｌｅＩｎｔ
ｅｒｃｏｎｎｅｃｔＳｙｓｔｅｍｆｏｒａ５０
×５０ＵｌｔｒｅｓｏｎｉｃＩｍａｇｉｎｇＴｒ
ａｎｓｄｕｃｅｒＡｒｒａｙ：ＩＥＥＥｔｒａｎ
ｓ．ＵＦＦＣｖｏｌ．４４，Ｎｏ．５，１９９
７）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
２次元アレイ型の超音波プローブの構造では、組立の際
に、固定具５６ａがトランスデューサ５１に加圧力を加
えて導電ゴム５５に押し当てて、トランスデューサ５１
の接続電極５２と駆動回路基板５３の接続電極５４との
電気的接続を得ている。そのため、接続電極の数が増加
すると、組立の際に必要な加圧力が増加して、トランス
デューサ５１が破損する恐れがある。したがって、接続
電極の増加に伴い多ピン化が困難になっている。

【００１１】本発明は、これらの事情に基づいてなされ
たもので、トランスデューサと駆動回路基板に２次元ア
レイ状に設けられた対応する多数の接続電極が、安定し
て接続され、かつ、接続の際にトランスデューサへの悪
影響が発生しない超音波プローブとそれを用いた超音波
診断装置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、２次元アレイ状に形成された超音波振動子
に対応して一側面に２次元アレイ状に第１の接続電極が
形成されているトランスデューサと、このトランスデュ
ーサの前記第１の接続電極に対応して配置されバンプに
よって接続された第２の接続電極を一側面に有し、他側
面に該第２の接続電極に導通して対応して配置された第
３の接続電極を有する中継基板と、この中継基板の前記
第３の接続電極に対応して配置された第４の接続電極を
一側面に有し、他側面に電子部品を実装した基板を接続
した駆動回路基板と、前記中継基板の前記第３の接続電
極と前記駆動回路基板の前記第４の接続基板との間に配
置された導電ゴムとを備え、前記中継基板と前記駆動回
路基板とが前記導電ゴムを変形させて固定具により加圧
状態で電気的に導通されかつ機械的に固定されているこ
とを特徴とする超音波プローブである。

【００１３】また請求項２の発明による手段によれば、
前記中継基板と前記駆動回路基板とを前記導電ゴムを変
形させて固定具により加圧状態での固定は、ねじ締めに
よりおこなっていることを特徴とする超音波プローブで
ある。

【００１４】また請求項３の発明による手段によれば、
前記トランスデューサと前記中継基板の間は封止樹脂に
より封止されていることを特徴とする超音波プローブで
ある。

【００１５】また請求項４の発明による手段によれば、
２次元アレイ状のトランスデューサを備えた超音波プロ
ーブにより被検体から検出した信号により超音波画像を
得る超音波診断装置において、前記超音波プローブは上
記の超音波プローブを用いていることを特徴とする超音
波診断装置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１７】図１は、本実施形態に係る２次元アレイ型
の超音波プローブの外観図である。この２次元アレイ型
の超音波プローブ１は、ケース２の内部の先端に、トラ
ンスデューサ３が収容されている。このトランスデュー
サ３は、超音波診断装置（不図示）の本体に対して、後
述する中継基板、駆動回路基板、電子部品を実装した子基
板およびケースで後端から延出するケーブル４を介して
電気的に接続されている。

【００１８】図２に超音波診断装置の信号処理系統を示
す模式図を示す。ケーブル４は、複数の送信専用ケーブ
ル線５と、複数の受信専用ケーブル線６と、送受信兼用
ケーブル線７とが束ねられている。送信専用ケーブル線
５は送信パルスを発生する送信回路８に接続され、受信
専用ケーブル線６は主にディジタルビームフォームによ
り受信信号を生成する受信回路９に接続され、送受信兼
用ケーブル線７は送受信切替スイッチ１１を介して送信
時と受信時とで２次元スキャン及び３次元スキャン用の
送信回路８と受信回路９とに選択的に接続される。Ｂモ
ード処理部１２は、受信信号の振幅に基づいて組織の形
態情報を表すＢモード画像データを生成する。（なお、
Ｂモードとは、超音波ビームを生体内で走査し、その反射
信号をブラウン管上で輝度変調しながら、走査に応じた
表示をブラウン管上で行い、生体の超音波診断像を表示
する方法）。カラーフローマッピングモード処理部（Ｃ
ＦＭ）１３は、受信信号に含まれるドップラ偏移量に基
づいて血流等の速度値、パワー値及び分散値の分布を表
すカラーフローマッピング画像データを生成する。画像
処理部１４は、Ｂモード画像データとカラーフローマッ
ピング画像データとに対して所定の処理をおこなう。

【００１９】モニタ１５は、画像処理部１４で処理され
た画像データに基づいてＢモード画像又はカラーフロー
マッピング画像を表示する。

【００２０】次に、超音波プローブ１の構造と内部の電
気的な接続関係について説明する。図３は、超音波プロ
ーブ１の構造と電気的な接続関係を示す断面図である。

【００２１】トランスデューサ３の一側面（第１面）３
ａの表面には超音波振動子１７がアレイ状に、０．２５
ｍｍのピッチで６４×６４の４０９６個が形成されてい
る。超音波振動子１７は圧電単結晶を用いており、圧電
単結晶は特に限定されず、Ｐｂ（（Ｚｎ_１／３Ｎｂ
_２／３）_０．９１Ｔｉ_０．０９）Ｏ_３に代表される亜鉛
ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶、マ
グネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる
単結晶、ニオブ酸リチウム単結晶等を適時用いることが
できる。なお、圧電単結晶はキュリー点が１８０℃程度
と低いため、はんだ付けやアレイ加工の熱で分極劣化を
生じやすい。このため、圧電単結晶はアレイ加工後に再
分極する処理が施されている。

【００２２】超音波振動子１７の下層には、厚みが１ｍ
ｍから２ｍｍの減衰層１８を形成するバッキング材が接
着剤（不図示）により接着されて形成されている。バッ
キング材としては、ネオプレンゴムにフェライト粉末を
混合したバッキング材や、クロロプレンゴムとエポキシ
樹脂とを混合したバッキング材などのようにゴム系バッ
キング材が用いられている。また、接着剤により形成さ
れた接着層は、チッピング防止層としての機能を兼ねて
いる。

【００２３】減衰層１８にはＣｕからなる貫通電極１９
が一方の端を各々の超音波振動子１７と接続して形成さ
れている。貫通電極１９の他方の端はトランスデューサ
３の第２面３ｂに露出して、０．０５ｍｍ×０．０５ｍ
ｍの第１の接続電極２１を６４×６４個をアレイ状に形
成している。

【００２４】また、図示していないが、超音波振動子１
７の上面にはアルミナ粉末をエポキシ樹脂に分散させた
複合材料から形成されている音響整合層が設けられ、超
音波振動子１７と同様にアレイ加工されている。音響整
合層の上面には音響レンズが形成され、この音響レンズ
を通して超音波の送受信が行われる。

【００２５】トランスデューサ３の第２面３ｂと電気的
に接続している中継基板２２はアルミナセラミックから
なり、トランスデューサ３の第１の接続電極２１に対応
する位置に、ニッケルと金を積層した第２の接続電極２
３が形成されている。第１の接続電極２１と第２の接続
電極２３は銀粒子を含む導電樹脂からなる突起電極２４
により電気的に接続されている。また、トランスデュー
サ３と中継基板２２との間隙はエポキシ系樹脂もしくは
シリコン樹脂からなる封止樹脂２５が充填されて、機械
的にも補強されている。中継基板２２のもう一方の面に
はニッケルと金を積層した第３の接続電極２６が０．５
ｍｍのピッチで、６４×６４個がアレイ状に形成されて
おり、第２の接続電極２３と第３の接続電極２６は多層
配線によって１対１の対応関係で電気的に接続されてい
る。なお、第２の接続電極２３と第３の接続電極２６と
は、それぞれに形成されている２次元アレイ状の電極間
のピッチは同じではなく、第３の接続電極２６のピッチ
の方が、第２の接続電極２３のピッチよりも長く形成さ
れている。これは、それぞれの接続電極２３、２６が接
続する相手側の接続電極２１、２９に適合させているた
めである。

【００２６】中継基板２２の第３の接続電極２６が形成
された面には、導電ゴム２７を介して電気的に接続され
ている駆動回路基板２８が設けられている。駆動回路基
板２８はアルミナセラミックを絶縁層として用いてい
る。中継基板２２の第３の接続電極２６に対応する位置
に、それぞれニッケルと金を積層した第４の接続電極２
９がアレイ状に形成されており、それぞれの対向する電
極同士が導電ゴム２７を介して電気的に接続されてい
る。駆動回路基板２８のもう一方の面には、半導体素子
と受動回路部品からなる電子部品３１を搭載した複数の
子基板３２が、駆動回路基板２８の面に直角方向に延出
するようにコネクタ３３に装着されて電気的に接続され
ている。なお、駆動回路基板２８に実装されている電子
部品３１は、高速演算処理をおこなうために、電子部品
３１からの発熱によるトランスデューサ３の温度上昇に
よる悪影響が問題となることがあるが、駆動回路基板２
８とトランスデューサ３との間に中継基板２２を介して
いるため、駆動回路基板２８からトランスデューサ３へ
の熱伝達による、動作時のトランスデューサ３の温度上
昇の抑制が構造的におこなわれている。

【００２７】中継基板２２と駆動回路基板２８との固定
は、中継基板２２のトランスデューサ３側の面に係合す
る固定具Ａ３４と、駆動回路基板２８の子基板３２が装
着されている側に係合する固定具Ｂ３５とをねじ３６に
より締結することにより、弾性体である導電ゴム２７が
圧縮されて機械的に固定されている。なお、導電ゴム２
７は、直径が１０μｍ〜３０μｍのタングステンもしく
は真鍮の金属柱または金属球をシリコンゴムに埋め込ん
だものを用いている。その他にも、銀もしくはパラジウ
ムなどの金属粉末もしくはカーボン粉末をシリコンゴム
中に分散させたものを用いることもできる。

【００２８】次に、超音波プローブ１の組立手順につい
て説明する。図４は超音波プローブ１のねじ締めによる
組立以前の分解図である。なお、符号は、図３と同一部
分には同一符合を用いて個々の説明を省略する。

【００２９】図５に示すように、ねじ締め以前の状態で、
トランスデューサ３と中継基板２２は、第１の接続電極
２１と第２の接続電極２３とが、突起電極２４を介して
バンプにより電気的に接続され、かつ、トランスデュー
サ３と中継基板２２との間は、エポキシ系樹脂もしくは
シリコン樹脂からなる封止樹脂２５が充填されて一体化
されている。

【００３０】一方、駆動回路基板２８には、一側面に半導
体素子と受動回路部品からなる電子部品３１を搭載した
複数の子基板３２がコネクタ３３に装着され電気的に接
続されている。

【００３１】中継基板２２の第３の接続電極２６と駆動
回路基板２８の第４の接続電極２９とを、間に導電性ゴ
ムを配置して対向させ、中継基板２２のトランスデュー
サ３側の面に固定具Ａ３４を係合させ、また、駆動回路
基板２８の子基板３２が装着されている側に固定具Ｂ３
５を係合させて、ねじ３６により締結する。締結の際の
加圧力は、１端子あたり０．０５Ｎ以上の加圧力が必要
であるため、全体では２００Ｎ以上の荷重が必要であ
る。

【００３２】その結果、図３に示したように、弾性体であ
る導電ゴム２７は圧縮して電気的に第３の接続電極２６
と第４の接続電極２９とを導通すると共に、機械的に中
継基板２２と駆動回路基板２８とが導電ゴム２７に密接
した固定状態を形成する。この場合、ねじ締めによる力
は、中継基板２２と駆動回路基板２８に作用し、トランス
デューサ３には作用しないので、トランスデューサ３が
負荷を受けることはなく破損することはない。また、中
継基板２２の第３の接続電極２６と駆動回路基板２８の
第４の接続電極２９は、導電ゴム２７を介して接続して
いるんで接続時にトランスデューサ３が高温に晒される
ことはなく、熱による悪影響は防止できる。

【００３３】以上に説明したように、本実施の形態の超
音波プローブ１は、構造的に中継基板２２と駆動回路基
板２８とが固定具３４、３５により機械的に固定される
ため、トランスデューサ３に荷重を加わらない。そのた
め、トランスデューサ３を破損することはない。つま
り、多ピン接続で良好な電気的接続を実現するには、１
端子あたり０．０５Ｎ以上の加圧力が必要であり、全体
では２００Ｎ以上の荷重が必要である。この荷重がトラ
ンスデューサ３には一切加わらないために、従来の構造
では発生していたトランスデューサ３の破損の問題を解
決することが可能になり、多ピン接続が実現できる。ま
た、この機械的な固定は、常温でおこなうことができる
ので、固定の際に熱によるトランスデューサ３への悪影
響は全く発生しない。

【００３４】また、中継基板２２と駆動回路基板２８の
固定が固定具３４、３５を用いて、導電ゴム２７を挟み
込みんだ構造であるために、両基板２２、２８の電気的
な接続後の動作検査で、不良が発見された場合に容易に
不良部品のリペアを行うことが出来る。

【００３５】また、駆動回路基板２８に実装されている
電子部品３１は、高速演算処理をおこなうために、電子
部品３１からの発熱によるプローブの温度上昇が問題と
なることがあるが、駆動回路基板２８とトランスデュー
サ３との間に中継基板２２を介しているため、駆動回路
基板２８からトランスデューサ３への熱伝達による、動
作時のプローブ温度上昇の抑制が可能である。

【００３６】また、上述の超音波プローブを用いた超音
波診断装置は、常に安定した超音波画像を得ることがで
きる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、トランスデューサと駆
動回路基板に設けられた対応する多数の接続電極が、安
定して接続され、かつ、接続の際にトランスデューサへ
の悪影響が発生しない超音波プローブが実現できる。

【００３８】また、その超音波プローブを用いた超音波
診断装置は、常に良好な超音波画像が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超音波プローブの外観図。

【図２】超音波プローブの接続図。

【図３】超音波プローブ構造と電気的な接続関係を示す
断面図。

【図４】超音波プローブの組立以前の分解図。

【図５】従来の超音波プローブの構成断面図。

【符号の説明】

１…超音波プローブ、３…トランスデューサ、１７…超
音波振動子、１８…減衰層、２１…第１の接続電極、２
２…中継基板、２３…第２の接続電極、２６…第３の接
続電極、２７…導電ゴム、２８…駆動回路基板、２９…
第４の接続電極、３４…固定具Ａ、３５…固定具Ｂ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元アレイ状に形成された超音波振動
子に対応して一側面に２次元アレイ状に第１の接続電極
が形成されているトランスデューサと、このトランスデ
ューサの前記第１の接続電極に対応して配置されバンプ
によって接続された第２の接続電極を一側面に有し、他
側面に該第２の接続電極に導通して対応して配置された
第３の接続電極を有する中継基板と、この中継基板の前
記第３の接続電極に対応して配置された第４の接続電極
を一側面に有し、他側面に電子部品を実装した基板を接
続した駆動回路基板と、前記中継基板の前記第３の接続
電極と前記駆動回路基板の前記第４の接続基板との間に
配置された導電ゴムとを備え、前記中継基板と前記駆動
回路基板とが前記導電ゴムを変形させて固定具により加
圧状態で電気的に導通されかつ機械的に固定されている
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】前記中継基板と前記駆動回路基板とを前
記導電ゴムを変形させて固定具により加圧状態での固定
は、ねじ締めによりおこなっていることを特徴とする請
求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】前記トランスデューサと前記中継基板の
間は封止樹脂により封止されていることを特徴とする請
求項１または請求項２記載の超音波プローブ。
【請求項４】２次元アレイ状のトランスデューサを備
えた超音波プローブにより被検体から検出した信号によ
り超音波画像を得る超音波診断装置において、前記超音
波プローブは請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記
載の超音波プローブを用いていることを特徴とする超音
波診断装置。