JP2007167445A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子が破損しにくく、高い信頼性と良好な音響特性を有する超音波プローブを提供すること。
【解決手段】接地電極１３と信号電極１２を背面に持つ圧電振動子１０と、前記圧電振動子１０の前面側に配置される音響整合層３０と、前記圧電振動子１０の背面側に配置されるバッキング材４０と、前記圧電振動子１０と前記バッキング材４０の間に介在され、前記圧電振動子１０の背面全体を覆い、且つ接地配線層５１２と信号配線層５１４を持つフレキシブル基板５０とを具備し、前記接地配線層５１２と信号配線層５１４は、それぞれ前記フレキシブル基板５０の前記圧電振動子１０と対向する表面から露出していて、前記接地配線層５１２の露出面５１２ａと信号配線層５１４の露出面５１４ａとを通じて、前記接地電極１３と信号電極１２に電気的に接続されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、超音波診断装置に接続され、被検体に超音波を送受信する超音波プローブに関する。

超音波プローブは、対象物に向けて超音波を照射して、対象物内における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信することで、対象物の内部を画像化する装置である。このような超音波プローブは、人体の内部を検査するための超音波診断装置などに採用されている。

従来の超音波プローブは、圧電振動子と、圧電振動子の前面に配置される音響整合層と、圧電振動子の背面に配置されるバッキング材と、圧電振動子に接続されるフレキシブル基板とから構成されている。圧電振動子は、その前面と背面に、それぞれ接地電極と信号電極を備えていて、接地電極と信号電極から印加される電圧に基づいて、対象物を走査するための超音波を発生させる。

ところで、圧電振動子とフレキシブル基板の接続には、主に２つの手法が用いられる。

第１の手法は、接地電極を圧電振動子の背面に引き出して、当該接地電極の圧電振動子の背面に引き出された部分を通して、圧電振動子の背面側にて圧電振動子の接地配線とフレキシブル基板とを接続するものである（例えば、特許文献１を参照。）。

第２の手法は、音響整合層の表面全体にメッキ電極を形成して、当該メッキ電極を通して、圧電振動子の前面側にて圧電振動子の接地配線とフレキシブル基板とを接続するものである。導電性を有する音響整合層が用いられることもある。この場合、メッキ電極は不要である。

なお、第１、第２の手法ともに、圧電振動子の信号電極とフレキシブル基板との接続は、圧電振動子の背面側で行われる。
特開平１１−１５１２３９号

ところで、第１の手法において、圧電振動子の接地電極とフレキシブル基板の配線とは、はんだプロセスによって電気的に接続される。そのため、圧電振動子に用いられる圧電材料が熱の影響を受けて劣化することがある。

また、第１の手法において、バッキング材の側面には、フレキシブル基板を挿入するための切り欠きが形成されている。そのため、圧電振動子は、切り欠きの部分で宙に浮いた状態となっている。これにより、圧電振動子とバッキング材との接合にあたって、圧電振動子がバッキング材に加圧されると、圧電振動子に偏加圧がかかり、圧電振動子が割れることがある。

さらに、第１の手法において、圧電振動子の接地電極とフレキシブル基板とは、一箇所で接続されている。そのため、圧電振動子の接地電極とフレキシブル基板の電気的な接合信頼性が低い。

また、第２の手法においては、音響整合層の表面に形成されるメッキ電極として、音響インピーダンスの高い金属が使用されている。そのため、超音波の伝播経路にメッキ電極が存在することによって、音響整合の条件が乱れ、音響特性が低下することがある。

さらに、第２の手法において、導電性を有する音響整合層は、必ずしも所望の音響インピーダンスを有するとは限らないため、材料の制約によって十分な音響整合条件が得られないことがある。

本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、圧電振動子が破損しにくく、高い信頼性と良好な音響特性を有する超音波プローブを提供することである。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の超音波プローブは、次のように構成されている。

（１）超音波プローブにおいて、第１の電極と第２の電極を背面に持つ圧電振動子と、前記圧電振動子の前面側に配置される音響整合層と、前記圧電振動子の背面側に配置されるバッキング材と、前記圧電振動子と前記バッキング材の間に介在され、前記圧電振動子の背面全体を覆い、且つ第１の配線層と第２の配線層を持つフレキシブル基板とを具備し、前記第１の配線層と前記第２の配線層は、それぞれ前記フレキシブル基板の前記圧電振動子と対向する表面から露出していて、前記第１の配線層の露出面と前記第２の配線層の露出面とを通じて、前記第１の電極と前記第２の電極に電気的に接続されている。

（２）超音波プローブにおいて、超音波を送受信する圧電振動子と、前記圧電振動子の前面側に配置される音響整合層と、前記圧電振動子の背面側に配置されるバッキング材と、前記圧電振動子と前記バッキング材の間に介在され、前記圧電振動子の背面全体を覆い、且つ第１の配線層と第２の配線層を持つフレキシブル基板とを具備し、前記圧電振動子は、圧電効果を持つ圧電体と、前記圧電体の背面の一部に形成される第１の電極と、前記圧電体の前面に形成される第１の部分と、前記圧電体の背面に形成され、前記第１の電極を挟んで両側に位置する第２の部分とで構成される第２の電極とを備え、前記第１の配線層は、前記第１の電極と対向する部位で前記フレキシブル基板から露出し、前記第２の配線層は、前記第２の電極の第２の部分と対向する部位で前記フレキシブル基板から露出していて、前記第１の配線層と第２の配線層は、それぞれ前記第１の配線層の露出面と前記第２の配線層の露出面を通じて、前記第１の電極と前記第２の電極に電気的に接続されている。

（３）（１）または（２）に記載された超音波プローブにおいて、前記第１の配線層の露出面と前記第２の配線層の露出面は、ほぼ同一平面内に存在する。

（４）（３）に記載された超音波プローブにおいて、前記第１の電極と前記第１の配線層、及び前記第２の電極と前記第２の配線層は、それぞれ厚さが５μｍ以下の非導電性接着剤で接着されている。

（５）（３）に記載された超音波プローブにおいて、前記フレキシブル基板と前記バッキング材との間に介在され、前記フレキシブル基板の一部を隆起させて、前記第１の配線層と第２の配線層のうち、前記圧電振動子から遠い位置に配設された配線層の露出面を、前記圧電振動子に近い位置に配設された配線層の露出面と同一平面内に位置決めするスペーサをさらに具備している。

本発明によれば、圧電振動子が破損しにくく、信頼性が高まり、音響特性が良好になる。

以下、図１〜図４を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。
（超音波プローブの構成）
図１は本発明の一実施形態に係る超音波プローブの概略図である。

図１に示すように、本実施形態における超音波プローブは、プローブの軸心方向に対して超音波を送受信するものであって、主として、圧電振動子１０と、音響レンズ２０と、音響整合層３０と、バッキング材４０と、フレキシブル基板５０とを具備している。なお、以下の説明において、超音波を走査する方向をスキャン方向（紙面に直角方向）、超音波を収束する方向をレンズ方向（紙面の左右方向）とする。

［圧電振動子１０］
図２は同実施形態における圧電振動子１０の断面図である。

図２に示すように、圧電振動子１０は、圧電効果を有する圧電体１１と、圧電体１１に信号電圧をかける信号電極（第２の電極）１２と、圧電体１１に接地電圧をかける接地電極（第１の電極）１３とを具備している。

圧電体１１は、スキャン方向に対して複数の素子に分割されている。圧電体１１の厚さは、１００μｍ〜５００μｍ程度である。圧電体１１の素材としては、例えばＰＺＴなどの圧電セラミックスが使用される。

信号電極１２は、圧電体１１の背面に形成されている。信号電極１２の形成範囲は、レンズ方向に対して、圧電体１１の背面の外縁よりも内側に限定されている。即ち、圧電体１１の背面のレンズ方向に対する外縁付近には、信号電極１２が形成されていない領域が存在する。信号電極１２の素材としては、導電性が良好な金、銅などの金属が使用される。

接地電極１３は、圧電体１１の前面に形成される前面電極部（第１の部分）１３１と、圧電体１１のレンズ方向の両側面に形成される側面電極部１３２と、圧電体１１の背面に形成される背面電極部（第２の部分）１３３とで構成されている。前面電極部１３１、側面電極部１３２、及び背面電極部１３３は、互いに電気的に接続されている。接地電極１３の素材としては、導電性の良好な銅などの金属が使用される。

背面電極部１３３は、信号電極１２を挟み込むように、レンズ方向の両側に１つずつ形成されている。即ち、背面電極部１３３は、圧電体１１の背面における、信号電極１２が形成されない領域に形成されている。

［音響レンズ２０］
音響レンズ２０（図１を参照）は、送受信される超音波を収束してビーム状に整形するものであって、音響整合層３０の前面に配置されている。音響レンズ２０の素材としては、音響インピーダンスが生体に近いシリコーンなどが使用される。

［音響整合層３０］
音響整合層３０（図１を参照）は、圧電振動子１０と音響レンズ２０を音響整合させるものであって、圧電振動子１０と音響レンズ２０との間に介在されている。音響整合層３０は、第１の整合層３１と第２の整合層３２で構成されている。第１、第２の音響整合層３１、３２の素材としては、特に限定されるものではないが、圧電振動子１０から音響レンズ２０に向かって段階的に音響インピーダンスが変化するように材質の選定がなされている。

［バッキング材４０］
バッキング材４０は、圧電振動子１０の背面側に伝播する超音波を吸収するものであって、圧電振動子１０の背面側に配置されている。バッキング材４０の素材としては、特に限定されるものではないが、吸音性に優れたゴムなどが使用される。

［フレキシブル基板５０］
図３は同実施形態におけるフレキシブル基板５０の概略図、図４は同実施形態における圧電振動子１０とバッキング材４０とフレキシブル基板５０の分解図である。なお、図３におけるフレキシブル基板５０は、ヒートプレスされる前のものである。

フレキシブル基板５０は、圧電振動子１０への駆動信号や、圧電振動子１０からの受信信号を伝達するものであって、圧電振動子１０とバッキング材４０との間に介在されている。

図３と図４に示すように、このフレキシブル基板５０は、基板本体５１とスペーサ５２とで構成されている。基板本体５１は、圧電振動子１０からバッキング材４０に向かって順に積層された、第１の絶縁層５１１、接地配線層（第１の配線）５１２、第２の絶縁層５１３、信号配線層（第２の配線層）５１４、及び第３の絶縁層５１５で構成されている。

接地配線層５１２の厚さと信号配線層５１４の厚さはほぼ等しい。なお、それぞれの厚さは、後に（ｄ１）と（ｄ３）で表現される。接地配線層５１２と信号配線層５１４の素材としては、導電性の良好な銅などの金属が使用される。

第１の絶縁層５１１は、レンズ方向に対して、圧電振動子１０の背面に対応する部分よりも僅かに大きい領域が除去されている。即ち、第１の絶縁層５１１には、レンズ方向に対して、圧電振動子１０の背面よりも僅かに大きい開口Ｏ１が形成されている。

接地配線層５１２と第２の絶縁層５１３は、レンズ方向に対して、圧電振動子１０の背面に対応する部分よりも小さく且つ信号電極１２に対応する部分よりも大きい領域が除去されている。即ち、接地配線層５１２と第２の絶縁層５１３には、レンズ方向に対して、圧電振動子１０の背面よりも小さく且つ信号電極１２より大きい開口Ｏ２が形成されている。これにより、信号配線層５１４は、フレキシブル基板５０から、圧電振動子１０の背面に形成された信号電極１２に露出する。しかも、開口Ｏ２のサイズは、第１の絶縁層５１１に形成される開口Ｏ１のサイズよりも小さい。そのため、接地配線層５１２は、圧電振動子１０の背面に形成される２つの背面電極部１３３に対して露出する。

スペーサ５２は、バッキング材４０とフレキシブル基板５０との間に介在され、フレキシブル基板５０における、圧電振動子１０の信号電極１２に対応する部分を圧電振動子１０に向けて隆起させる。スペーサ５２の形成範囲は、圧電振動子１０の信号電極１２の形成範囲と殆んど対応している。ただし、スペーサ５２の形成範囲は、接地配線層５１２と第２の絶縁層５１３に形成された開口Ｏ２の内側に限定されていれば、信号電極１２より大きくても小さくても構わない。

図４に示すように、スペーサ５２の厚み（Ｄ）は、フレキシブル基板５０の接地配線層５１２の厚さ（ｄ１）と、第２の絶縁層５１３の厚さ（ｄ２）との和（ｄ１＋ｄ２）に設定されている。従って、バッキング材４０の前面から信号配線層５１４の露出面５１４ａまでの厚さは、信号配線層５１４の厚さ（ｄ３）と、第３の絶縁層５１５の厚さ（ｄ４）と、スペーサ５２の厚さ（ｄ１＋ｄ２）との和（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋ｄ４）となる。これは、バッキング材４０から接地配線層５１２の露出面５１２ａまでの厚さに等しい。即ち、スペーサ５２の厚み（Ｄ）が（ｄ１＋ｄ２）に設定されることで、接地配線層５１２の露出面５１２ａと信号配線層５１４の露出面５１４ａとは、同一平面内に含まれることになる。

なお、スペーサ５２の厚さ（Ｄ）は、スペーサ５２の素材に応じて微調整されることもある。即ち、スペーサ５２が軟らかい素材であれば、バッキング材４０と基板本体５１に挟まれることで僅かに圧縮する。従って、スペーサ５２の圧縮量（α）を考慮して、事前にスペーサ５２の厚さ（Ｄ）が（ｄ１＋ｄ２＋α）に設定されていてもよい。

接地電極１３の２つの背面電極部１３３は、それぞれ接地配線層５１２の２つの露出面５１２ａに対して電気的に接続される。また、信号電極１２は、信号配線層５１４の露出面５１４ａに対して電気的に接続される。

圧電振動子１０とフレキシブル基板５０との接合には、非導電性接着剤が使用される。非導電性接着材の素材としては、特に限定されるものではないが、本実施形態ではエポキシなどの樹脂が使用されている。非導電性接着剤の厚さは、５μｍ以下に設定されている。

（フレキシブル基板５０の製造工程）
先ず、第１の絶縁層５１１、接地配線層５１２、第２の絶縁層５１３、信号配線層５１４、及び第３の絶縁層５１５が積層される。そして、これらの積層体がヒートプレスなどによって加圧される。これにより、信号配線層５１４と第３の絶縁層５１５は、スペーサ５２からの押圧を受けて開口Ｏ２の内側に隆起し、接地配線層５１２の露出面５１２ａと信号配線層５１４の露出面５１４ａが同一平面内に設定される。以上で、フレキシブル基板５０の製造工程が完了する。

（圧電振動子１０とバッキング材４０とフレキシブル基板５０の接合工程）
先ず、バッキング材４０の前面に接着剤が塗布される。そして、バッキング材４０に対してフレキシブル基板５０が加圧され、バッキング材４０とフレキシブル基板５０とが接合される。

次に、圧電振動子１０の信号電極１２と接地電極１３の背面電極部１３３に非導電性接着剤が塗布される。このとき非導電性接着剤の厚さは、５μｍ以下に設定される。そして、フレキシブル基板５０に対して圧電振動子１０が加圧され、フレキシブル基板５０と圧電振動子１０とが接合される。これにより、信号配線層５１４の露出面５１４ａと信号電極１２、及び接地配線層５１２の露出面５１２ａと接地電極１３の背面電極部１３３は、それぞれ電気的に接続される。以上で、圧電振動子１０とバッキング材４０とフレキシブル基板５０の接合工程が完了する。

なお、本実施形態では、バッキング材４０とフレキシブル基板５０の接合にあたり、バッキング材４０の前面に接着剤が塗布されているが、これに限定されるものではなく、フレキシブル基板５０の背面に接着材が塗布されても良い。

また、圧電振動子１０とフレキシブル基板５０の接合にあたり、圧電振動子１０が持っている信号電極１２と背面電極部１３３に非導電性接着剤が塗布されているが、これに限定されるものではなく、フレキシブル基板５０の信号配線層５１４の露出面５１４ａと接地配線層５１２の露出面５１２ａに非導電性接着剤が塗布されても良い。

（本実施形態による作用）
本実施形態におけるフレキシブル基板５０は、信号配線層５１４の露出面５１４ａと、接地配線層５１２の露出面５１２ａとが同一平面内に設定されている。そのため、圧電振動子１０の背面にフレキシブル基板５０の前面が密着したときに、信号電極１２と信号配線層５１４との間、もしくは接地電極１３の背面電極部１３３と接地配線層５１２との間に殆んど隙間が生じないから、圧電振動子１０とフレキシブル基板５０との接着に非導電性樹脂の使用が可能となる。その結果、従来のようなはんだプロセスが不要となるから、圧電振動子１０の圧電体１１が加熱されることがなくなり、製造工程における圧電体１１の劣化が防止される。

本実施形態におけるフレキシブル基板５０は、圧電振動子１０とバッキング材４０とに挟み込まれていて、圧電振動子１０の背面全体を完全に覆っている。従って、バッキング材４０には、従来のようなフレキシブル基板５０の端部を収容するための切り欠きが形成されない。その結果、圧電振動子１０をバッキング材４０に加圧するときに、圧電振動子１０にかかる圧力に偏りがなくなり、圧電振動子１０の破損が発生しにくくなる。

本実施形態における圧電振動子１０は、圧電振動子１０の背面に２つの背面電極部１３３を備えている。即ち、本実施形態における接地電極１３は、圧電振動子１０の背面における、信号電極１２の両側の領域にまで延びている。そして、フレキシブル基板５０の接地配線層５１２は、接地電極１３の背面電極部１３３に対応する２つの位置でフレキシブル基板５０から露出している。そのため、圧電振動子１０の接地電極１３とフレキシブル基板５０の接地配線層５１２とは、２箇所で電気的な接続がなされることになるから、従来の１箇所での電気的な接続に比べて接合信頼性が大きく向上する。さらに、従来のように、音響整合層の表面に金属メッキを形成する必要がないから、設計時された音響整合の条件が乱れにくく、音響特性が低下することがない。

本実施形態における、圧電振動子１０とバッキング材４０とを接合するための非導電性接着材の厚さは、５μｍ以下に設定されている。そのため、圧電振動子１０から背面側に伝播する超音波が当該非導電性接着材で反射することがないから、超音波プローブから被検体に送信される超音波が高質に維持される。

なお、本実施形態では、圧電振動子１０の背面に信号電極１２が形成されているが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、圧電振動子が２Ｄアレイ型であれば、圧電振動子の前面と背面に印加される信号電圧と接地電圧が入れ替わることもある。本発明は、このような２Ｄアレイ型の圧電振動子を持つ超音波プローブにも適用可能である。

本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の一実施形態における超音波プローブの概略図。 同実施形態における圧電振動子の断面図。 同実施形態におけるフレキシブル基板の概略図。 同実施形態における圧電振動子とバッキング材とフレキシブル基板の分解図。

符号の説明

１０…圧電振動子、１１…圧電体、１２…信号電極（第２の電極）、１３…接地電極（第１の電極）、３０…音響整合層、４０…バッキング材、５０…フレキシブル基板、５２…スペーサ、１３１…前面電極部（第１の部分）、１３３…背面電極部（第２の部分）、５１２…接地配線層（第１の配線）、５１２ａ…接地配線層の露出面、５１４…信号配線層（第２の配線層）、５１４ａ…信号配線層の露出面。

Claims (5)

1. 第１の電極と第２の電極を背面に持つ圧電振動子と、
   前記圧電振動子の前面側に配置される音響整合層と、
   前記圧電振動子の背面側に配置されるバッキング材と、
   前記圧電振動子と前記バッキング材の間に介在され、前記圧電振動子の背面全体を覆い、且つ第１の配線層と第２の配線層を持つフレキシブル基板とを具備し、
   前記第１の配線層と前記第２の配線層は、それぞれ前記フレキシブル基板の前記圧電振動子と対向する表面から露出していて、前記第１の配線層の露出面と前記第２の配線層の露出面とを通じて、前記第１の電極と前記第２の電極に電気的に接続されていることを特徴とする超音波プローブ。
2. 超音波を送受信する圧電振動子と、
   前記圧電振動子の前面側に配置される音響整合層と、
   前記圧電振動子の背面側に配置されるバッキング材と、
   前記圧電振動子と前記バッキング材の間に介在され、前記圧電振動子の背面全体を覆い、且つ第１の配線層と第２の配線層を持つフレキシブル基板とを具備し、
   前記圧電振動子は、
   圧電効果を持つ圧電体と、
   前記圧電体の背面の一部に形成される第１の電極と、
   前記圧電体の前面に形成される第１の部分と、前記圧電体の背面に形成され、前記第１の電極を挟んで両側に位置する第２の部分とで構成される第２の電極とを備え、
   前記第１の配線層は、前記第１の電極と対向する部位で前記フレキシブル基板から露出し、前記第２の配線層は、前記第２の電極の第２の部分と対向する部位で前記フレキシブル基板から露出していて、
   前記第１の配線層と第２の配線層は、それぞれ前記第１の配線層の露出面と前記第２の配線層の露出面を通じて、前記第１の電極と前記第２の電極に電気的に接続されていることを特徴とする超音波プローブ。
3. 前記第１の配線層の露出面と前記第２の配線層の露出面は、ほぼ同一平面内に存在することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された超音波プローブ。
4. 前記第１の電極と前記第１の配線層、及び前記第２の電極と前記第２の配線層は、それぞれ厚さが５μｍ以下の非導電性接着剤で接着されていることを特徴とする請求項３に記載された超音波プローブ。
5. 前記フレキシブル基板と前記バッキング材との間に介在され、前記フレキシブル基板の一部を隆起させて、前記第１の配線層と前記第２の配線層のうち、前記圧電振動子から遠い位置に配設された配線層の露出面を、前記圧電振動子に近い位置に配設された配線層の露出面と同一平面内に位置決めするスペーサをさらに具備していることを特徴とする請求項３に記載された超音波プローブ。

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