JP2011124997A - 超音波プローブ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波プローブ及びその製造方法に関する発明を開示する。
【解決手段】本発明で開示されたプローブは、第１の厚さを有する第１の圧電体と、第２の厚さを有し、第１の圧電体に積層される第２の圧電体とを備えている。本発明によれば、外部電極部と電極部との連結形態を異ならせるだけで、１種類のトランスデューサモジュールでそれぞれ異なる周波数帯域を有する超音波信号を発生する多種類の超音波プローブを製造することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波プローブに関し、より詳しくは、超音波を利用して対象体の内部の映像を生成するための超音波プローブ及びその製造方法に関する。

超音波診断装置は、対象体の体表から体内の所望の部位に向けて超音波信号を照射し、反射された超音波信号（超音波エコー信号）の情報を利用して、軟部組織の断層や血流に関するイメージを無侵襲で得る装置である。この装置は、Ｘ線診断装置、ＣＴスキャナ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｓｃａｎｎｅｒ）、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｅ）、核医学診断装置などの他の映像診断装置と比較して小型である、安価である、リアルタイムでの表示が可能であるという長所がある。また、Ｘ線などのように被曝がなくて安全性が高いという長所もある。このため、心臓、腹部臓器、泌尿器などの診断や、産婦人科領域における診断に幅広く利用されている。

特に、超音波診断装置は、対象体の超音波映像を得るために、超音波信号を対象体に送信し、対象体から反射してくる超音波信号を受信するためのプローブを備えている。

プローブは、 超音波信号を送信又は受信する圧電体を含むトランスデューサと、このトランスデューサを収容し、上端が開放したケースと、開放したケースの上端に接合され、対象体の表面と直接接触するカバーとを備えている。

ユーザは、所望の超音波映像を得るために、前記のように構成されたプローブを対象体の体表に沿って移動させたり、又は対象体の体表に接触させた状態でプローブを回転させながら超音波映像を得る。

前記のようなプローブから発生する超音波信号の周波数帯域は、トランスデューサ、特に圧電体の特性によって決定される。したがって、それぞれ異なる周波数帯域を有する超音波信号を発生させる多種類のプローブを製造するためには、それぞれ異なる特性を有するトランスデューサを製造しなければならない。したがって、この点を改善することが要望されている。

本発明は、前記のような問題点を改善するためになされたものであり、その目的は、１種類のトランスデューサで多種類のプローブの特性を有するように構造を改善した超音波プローブ及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一側面に係る超音波プローブは、第１の厚さを有する第１の圧電体と、第２の厚さを有し、前記第１の圧電体に積層される第２の圧電体とを含んで構成されている。

また、前記第１の圧電体及び前記第２の圧電体のうちの少なくとも一方には、電極部が形成されている。

そして、前記電極部は、前記第１の圧電体及び前記第２の圧電体の両側に、それぞれ形成されていることが望ましい。

また、前記第１の圧電体の厚さと前記第２の圧電体の厚さとは、互いに異なることが望ましい。

また、本発明の他の側面に係る超音波プローブの製造方法は、第１の圧電体及び第２の圧電体に電極部を形成し、吸音層に前記第１の圧電体を積層し、前記第１の圧電体に前記第２の圧電体を積層することを含む。

また、前記第１の圧電体及び第２の圧電体に電極部を形成するとき、前記第１の圧電体及び前記第２の圧電体の両側に、前記電極部を形成することが望ましい。

また、本発明は、前記第１の圧電体に形成された前記電極部及び前記第２の圧電体に形成された前記電極部のうちの２つの電極部を外部電極部と連結することをさらに含む。

また、本発明は、前記第１の圧電体に前記第２の圧電体を積層する前に、前記第１の圧電体に、電極部が形成された第３の圧電体を積層し、その後で、第２の圧電体を積層するようにすることをさらに含む。

また、本発明は、前記第１の圧電体に形成された前記電極部、前記第２の圧電体に形成された前記電極部、及び前記第３の圧電体に形成された前記電極部のうちの２つの電極部を外部電極部と連結することをさらに含む。

本発明に係る超音波プローブ及びその製造方法によれば、外部電極部と圧電体に形成された電極部との連結形態を異ならせるだけで、１種類のトランスデューサモジュールでそれぞれ異なる周波数帯域を有する多種類の超音波プローブを製造することができる。

また、本発明によれば、高い周波数帯域を有する超音波信号を発生する複数の圧電体を積層して圧電層を形成することによって、高周波特性が向上し、その結果、超音波イメージの質を向上させることができる。

本発明の一実施例に係る超音波プローブの構成を概略的に示す断面図である。 図１に示した圧電層の構成を概略的に示す断面図である。 図１に示した圧電層の構成を概略的に示す断面図である。 図１に示した圧電層の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施例に係る超音波プローブの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の他の実施例に係るトランスデューサの構成を概略的に示す断面図である。 図６に示した圧電層の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る超音波プローブの製造方法を示すフローチャートである。

以下、添付の図面を参照して、本発明に係る超音波プローブ及びその製造方法の実施例を説明する。図面に示されている線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性及び便宜上、誇張されて示される場合もある。また、本文中の用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であって、これらは、使用者及び運用者の意図又は慣例により変わることがある。従って、このような用語に対する定義は、本明細書の全般に渡った内容に基づいて下さなければならない。

図１は、本発明の一実施例に係る超音波プローブの構成を概略的に示す断面図、図２〜図４は、それぞれ図１に示した圧電層の構成を概略的に示す断面図である。

図１〜図４を参照すれば、本発明の一実施例に係る超音波プローブ１００は、トランスデューサ１１０を備えている。

トランスデューサ１１０は、ケース部１０５の内部に設けられている。本実施例において、ケース部１０５は、ケース１０２及びカバー１０４を備えている。ケース１０２は、超音波プローブ１００の外観をなしており、内部にトランスデューサ１１０を収容している。ケース１０２は、その上端が開放するように形成され、ケース１０２の開放した上端には、対象体の表面と直接接触するカバー１０４が接合されている。

前記のようなケース部１０５の内部に設けられているトランスデューサ１１０は、整合層１２０、吸音層１３０、レンズ層（図示せず）及び圧電層１４０を備えている。

整合層１２０は、圧電層１４０から発生した超音波信号が対象体に効率よく伝達されるように、圧電層１４０と対象体との間の音響インピーダンス差を減少させる。このような整合層１２０は、圧電層１４０の前方に配置され、ガラス材料又は樹脂材料で形成される。

吸音層１３０は、超音波信号が圧電層１４０の後方に伝播するのを遮断して、超音波映像に歪みが発生することを防止する。このような吸音層１３０は、圧電層１４０の後方に配置され、エポキシ樹脂又はタングステンパウダなどが添加されたゴム材料を含む材料で形成される。

レンズ層は、圧電層の前方に伝播される超音波信号を特定の位置に収束させる。このようなレンズ層は、整合層１２０の前方に配置されている。

本実施例によれば、圧電層１４０は、整合層１２０と吸音層１３０との間に配置され、圧電体１４２、１４４の振動を用いて、電気信号と音響信号とを相互に変換する。このような圧電層１４０は、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４を備えている。

第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４は、共振現象を用いて超音波を発生させるものであり、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のようなセラミックス材料、亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体の単結晶（ＰＺＮＴ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の単結晶（ＰＺＭＴ単結晶）などで形成される。

第１の圧電体１４２は、第１の厚さを有するように形成されている。また、第２の圧電体１４４は、第２の厚さを有するように形成されている。本実施例においては、第１の厚さと第２の厚さとは、互いに異なる厚さとなっており、これによって、第１の圧電体１４２と第２の圧電体１４４とは、互いに異なる厚さを有するように形成されている。このような第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４は、それぞれ所定の周波数帯域を有する超音波信号を発生する。

一般的に、物体が振動するときの周波数の高さは、その物体の厚さによって決まり、他の条件が同一であれば、振動する物体の厚さに反比例する。すなわち、周波数の高さは、振動する物体の厚さが厚いほど低く、振動する物体の厚さが薄いほど高くなる。

したがって、互いに異なる厚さで形成された第１の圧電体１４２と第２の圧電体１４４とは、互いに異なる周波数帯域を有する超音波信号を発生する。本実施例においては、第２の圧電体１４４は、第１の圧電体１４２より薄い厚さを有するように形成されており、これによって、第２の圧電体１４４から発生する超音波信号の周波数帯域は、第１の圧電体１４２から発生する超音波信号の周波数帯域より高くなっている。

前記のように形成された第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４には、電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂが形成されている。本実施例において、電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂは、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４の両側に、それぞれ形成されている。このような電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂは、金、銀又は銅などの高伝導性金属で形成される。

第１の圧電体１４２に形成された電極部１４２ａ、１４２ｂのうちの一方は、第１の圧電体１４２の信号電極部（又は正極）に相当し、他方は、第１の圧電体１４２の接地電極部（又は負極）に相当する。このような電極部１４２ａ、１４２ｂは、信号電極と接地電極とが互いに分離するように形成されている。本実施例のうち、図２に示す例においては、第１の圧電体１４２の前方に形成された電極部１４２ａが信号電極に相当し、第１の圧電体１４２の後方に形成された電極部１４２ｂが接地電極に相当する。

また、第２の圧電体１４４に形成された電極部１４４ａ、１４４ｂの一方は、第２の圧電体１４４の信号電極部（又は正極）に相当し、他方は、第２の圧電体１４４の接地電極部（又は負極）に相当する。このような電極部１４４ａ、１４４ｂは、信号電極と接地電極とが互いに分離されるように形成されている。本実施例のうち、図３に示す例においては、第２の圧電体１４４の前方に形成された電極部１４４ａが信号電極に相当し、第２の圧電体１４４の後方に形成された電極部１４４ｂが接地電極に相当する。

このような電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂが形成された第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４は、積層されて互いに連結されている。一例として、第２の圧電体１４４は、第１の圧電体１４２の前方に積層され、第１の圧電体１４２と連結されている。このとき、第１の圧電体１４２の前方に形成された電極部１４２ａは、第２の圧電体１４４の後方に形成された電極部１４４ｂと連結され、このような電極部１４２ａ、１４４ｂの連結によって、第１の圧電体１４２と第２の圧電体１４４とが電気的に連結されている。

前記のような電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂが形成された第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４のうちの少なくとも一方は、外部電極部１５０と連結される。本実施例において、外部電極部１５０は、ＰＣＢが備える配線電極として例示されている。

本実施例によれば、外部電極部１５０は、第１の圧電体１４２に形成された電極部１４２ａ、１４２ｂ及び第２の圧電体１４４に形成された電極部１４４ａ、１４４ｂのうちの２つと連結される。第１の例として、外部電極部１５０は、第１の圧電体１４２に形成された２つの電極部１４２ａ、１４２ｂと連結され（図２参照）、第２の例として、外部電極部１５０は、第２の圧電体１４４に形成された２つの電極部１４４ａ、１４４ｂと連結され（図３参照）、第３の例として、外部電極部１５０は、第２の圧電体１４４の前方に形成された電極部１４４ａ及び第１の圧電体１４２の後方に形成された電極部１４２ｂと連結されている（図４参照）。

この結果、圧電層１４０は、外部電極部１５０の連結位置によって振動部分の範囲が変化し、これによって、発生する超音波信号の周波数帯域が変化する。

図５は、本発明の一実施例に係る超音波プローブの製造方法を示すフローチャートである。

以下、図１〜図５を参照して、本実施例に係る超音波プローブの製造方法について説明する。

図１〜図５を参照すれば、本実施例に係る超音波プローブ１００を製造するためには、まず、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４に電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂを形成する（Ｓ１２）。電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂは、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４の両側にそれぞれ形成され、信号電極と接地電極とが互いに分離されるように形成される。

その後、吸音層１３０に第１の圧電体１４２を積層し（Ｓ１４）、続いて第１の圧電体１４２に第２の圧電体１４４を積層する（Ｓ１６）。このとき、第１の圧電体１４２と第２の圧電体１４４とは、電極部１４２ａ、１４４ｂを介して互いに電気的に連結される。

前記のように、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４が積層されると、第１の圧電体１４２に形成された電極部１４２ａ、１４２ｂ及び第２の圧電体１４４に形成された電極部１４４ａ、１４４ｂのうちの２つの電極部を外部電極部１５０と連結する（Ｓ１８）。電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂと外部電極部１５０との連結は、鉛などの半田付け材料や異方性伝導体などによって行われる。なお、このような連結方法は、当業者にとって自明なものであるので、これに関する詳細な説明は省略する。

前記のような電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂと外部電極部１５０との連結形態としては、外部電極部１５０が第１の圧電体１４２に形成された２つの電極部１４２ａ、１４２ｂと連結される形態、外部電極部１５０が第２の圧電体１４４に形成された２つの電極部１４４ａ、１４４ｂと連結される形態、外部電極部１５０が第２の圧電体１４４の前方に形成された電極部１４４ａ及び第１の圧電体１４２の後方に形成された電極部１４２ｂと連結される形態などがある。

本実施例によれば、圧電層１４０及びこれを備えるトランスデューサ１１０は、外部電極部１５０が連結される電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂとの形態によって発生する超音波信号の周波数帯域が異なる。

このようなトランスデューサ１１０を備える本実施例の超音波プローブ１００は、外部電極部１５０と電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂとの連結形態を変えるだけで、１種類のトランスデューサ１１０でそれぞれ異なる周波数帯域を有する超音波信号を発生させる多種類の超音波プローブ１００を製造することができる。

また、本実施例の超音波プローブ１００は、高い周波数帯域を有する超音波信号を発生する複数の圧電体１４２、１４４を積層して圧電層１４０を形成することによって、高周波特性を向上させ、その結果、超音波イメージの質を向上させることができる。

一方、本実施例においては、第１の圧電体１４２と第２の圧電体１４４とが互いに異なる厚さを有するように形成される場合について例示したが、本発明は、必ずしもこれに限定されることはない。本発明によれば、第１の圧電体１４２と第２の圧電体１４４とは、互いに同一の厚さを有するように形成することも可能であり、この場合も、トランスデューサ１１０は、外部電極部１５０が電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂと連結される形態によって発生させる超音波信号の周波数帯域が変化する。

図６は、本発明の他の実施例に係るトランスデューサの構成を概略的に示した断面図、図７は、図６に示した圧電層の構成を概略的に示す断面図である。図８は、本発明の他の実施例に係る超音波プローブの製造方法を示すフローチャートである。

説明の便宜上、前記実施例と構成及び機能が同一又は類似の場合には、同一の図面符号で引用し、これに関する詳細な説明は省略する。

まず、図６及び図７を参照すれば、本発明の他の実施例に係る超音波プローブ２００は、トランスデューサ２１０を備え、トランスデューサ２１０は、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４に、更に第３の圧電体２４６を追加してなる圧電層２４０を備えている。

第３の圧電体２４６は、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４と同様に、共振現象を用いて所定の周波数帯域を有する超音波を発生する。

第３の圧電体２４６は、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４のうちの一方と同一の厚さで形成されるか、または、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４の双方と異なる厚さで形成される。本実施例においては、第３の圧電体２４６は、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４の双方と異なる厚さで形成されている。このような第３の圧電体２４６には、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４と同様に電極部２４６ａ、２４６ｂが形成されている。

前記のような第３の圧電体２４６は、第１の圧電体１４２と第２の圧電体１４４との間に積層されている。このような第３の圧電体２４６は、電極部１４２ａ、２４６ｂを介して第１の圧電体１４２と電気的に連結され、また、電極部１４４ｂ、２４６ａを介して第２の圧電体１４４と電気的に連結されている。

本実施例によれば、外部電極部１５０は、第１の圧電体１４２に形成された電極部１４２ａ、１４２ｂ、第２の圧電体１４４に形成された電極部１４４ａ、１４４ｂ、及び第３の圧電体２４６に形成された電極部２４６ａ、２４６ｂのうちの２つと連結される。このような圧電体１４２、１４４、２４６を備える本実施例の圧電層２４０は、上述した実施例での圧電層１４０（図２参照）と同様に、外部電極部１５０の連結位置によって振動部分の範囲が変化し、これによって、発生する超音波信号の周波数帯域が変化する。

以下、図６〜図８を参照して、本実施例に係る超音波プローブの製造方法について説明する。

図６〜図８を参照すれば、本実施例に係る超音波プローブ２００を製造するためには、まず、第１の圧電体１４２及び第２の圧電体１４４に電極部１４２ａ、１４２ｂ、１４４ａ、１４４ｂを形成する一方（Ｓ１２）、第３の圧電体２４６に電極部２４６ａ、２４６ｂを形成する。

次に、吸音層１３０に第１の圧電体１４２を積層し（Ｓ１４）、その後、前記の第１の圧電体１４２に第３の圧電体２４６を積層する（Ｓ２５）。更に、前記の第３の圧電体２４６に第２の圧電体１４４を積層する（Ｓ２６）。このようにして積層された第１の圧電体１４２、第３の圧電体２４６及び第２の圧電体１４４は、電極部１４２ａ、２４６ｂ、２４６ａ、１４４ｂを介して互いに電気的に連結される。

前記のようにして、第１の圧電体１４２、第3の圧電体２４６及び第２の圧電体１４４が積層されれば、第１の圧電体１４２に形成された電極部１４２ａ、１４２ｂ、第３の圧電体２４６に形成された電極部２４６ａ、２４６ｂ及び第２の圧電体１４４に形成された電極部１４４ａ、１４４ｂのうちの２つの電極部を外部電極部１５０と連結する（Ｓ２８）。

このように製造される圧電層２４０及びこれを備えるトランスデューサ２１０は、上述した実施例における圧電層１４０（図２参照）及びトランスデューサ１１０（図１参照）と同様に、外部電極部１５０の連結位置によって振動部分の範囲が変化し、これによって、発生する超音波信号の周波数帯域が変化する。

本実施例では、第１の圧電体１４２と第２の圧電体１４４との間に、１つの第３の圧電体２４６が積層される場合について例示したが、本発明は、これに限定されることはない。本発明によれば、第１の圧電体１４２と第２の圧電体１４４との間には、互いに同一又は異なる厚さを有して形成された複数の第３の圧電体２４６を積層することも可能であり、多様な変形を実施することも可能である。

本発明を図面に示した実施例を参考にして説明したが、これは例示的なものにすぎず、当該技術が属する分野で通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解するだろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、下記の特許請求の範囲により定めなければならない。

１００、２００：超音波プローブ、１１０、２１０：トランスデューサ、１２０：整合層、１３０：吸音層、１４０、２４０：圧電層、１４２：第１の圧電体、１４４：第２の圧電体、１５０：外部電極部、２４６：第３の圧電体

Claims (9)

1. 第１の厚さを有する第１の圧電体と、
   第２の厚さを有し、前記第１の圧電体に積層される第２の圧電体と、
   を含むことを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記第１の圧電体及び前記第２の圧電体のうちの少なくとも一方には、電極部が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記電極部は、前記第１の圧電体及び前記第２の圧電体の両側に、それぞれ形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記第１の厚さと前記第２の厚さとは、互いに異なることを特徴とする、請求項１から３のうちいずれか１項に記載の超音波プローブ。
5. 第１の圧電体及び第２の圧電体に電極部を形成し、
   吸音層に前記第１の圧電体を積層し、
   前記第１の圧電体に前記第２の圧電体を積層することを特徴とする超音波プローブの製造方法。
6. 前記第１の圧電体及び第２の圧電体に電極部を形成するとき、
   前記第１の圧電体及び前記第２の圧電体の両側に、前記電極部を形成することを特徴とする、請求項５に記載の超音波プローブの製造方法。
7. 前記第１の圧電体に形成された前記電極部及び前記第２の圧電体に形成された前記電極部のうちの２つの電極部を外部電極部と連結することを特徴とする、請求項５又は６に記載の超音波プローブの製造方法。
8. 前記第１の圧電体を積層する工程と、前記第１の圧電体に前記第２の圧電体を積層する工程との間には、前記第１の圧電体に、電極部が形成された第３の圧電体を積層する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載の超音波プローブの製造方法。
9. 前記第１の圧電体に形成された前記電極部、前記第２の圧電体に形成された前記電極部、及び前記第３の圧電体に形成された前記電極部のうちの２つの電極部を外部電極部と連結することを特徴とする、請求項８に記載の超音波プローブの製造方法。

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