JP2012039495A

JP2012039495A - 超音波探触子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2012039495A
Application number: JP2010179361A
Authority: JP
Inventors: Toru Watanabe; 徹渡辺
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: JP5657950B2

Abstract

【課題】複数の振動素子を含む超音波探触子において、複数の振動素子の相互間干渉を抑制した超音波探触およびその製造方法を提供する。
【解決手段】２次元配列された複数の振動素子１８と、複数の振動素子１８によって形成される振動層１０の側面の全体または一部に設けられる導体箔２０と、振動層１０の上面に設けられる整合部と、振動層１０の下面に設けられ、振動層１０に至る信号経路を含むバッキング層１６とを備え、整合部は、複数の振動素子１８に対応するよう相互間が分離溝２６で隔てられ、振動層１０の上面に２次元配列された複数の導電性整合素子２４と、導電性整合素子２４によって形成される第１導電性整合層１２の上面に設けられ、分離溝を有さない第２導電性整合層１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次元配列された複数の振動素子を含む超音波探触子、およびその製造方法に関する。

医療の分野において超音波診断装置が広く用いられている。超音波診断装置は、超音波を生体内に送信し、生体内で反射した超音波を受信する。そして、受信した超音波に基づいて生体内の組織を示す画像データを生成し、ディスプレイに表示する。

超音波診断装置の画像表示モードには、２次元画像（断層画像）を表示するモード、３次元画像を表示するモード等がある。前者の断層画像は超音波ビームの１次元走査によって取得されたフレームデータ（２次元超音波データ）に基づいて形成され、後者の３次元画像は超音波ビームの２次元走査によって取得されたボリュームデータに基づいて形成される。

超音波診断装置は、与えられた電気信号に応じた超音波を送信し、受信した超音波に応じた電気信号を出力する超音波探触子を備える。超音波探触子には、超音波ビームの電気的な走査を可能としたアレイ型超音波探触子がある。アレイ型超音波探触子には複数の振動素子が配列される。超音波の送信方向は、各振動素子に印加する信号の遅延時間を調整することで特定の方向に向けられる。また、受信した超音波に応じて各振動素子から出力された信号を、各信号に対する遅延時間を調整しつつ合成することで、特定の方向から到来した超音波に対する受信信号が得られる。したがって、超音波ビームの走査は、各振動素子に対する信号遅延時間を変化させることで行うことができる。

１次元走査を行う１Ｄアレイ型超音波探触子の場合、振動素子が一列に配置され、振動素子の配列方向で規定される走査面内で、超音波ビームを走査することができる。また、２次元走査を行う２Ｄアレイ型超音波探触子の場合、振動素子が縦方向および横方向に配置され、縦方向および横方向の他、斜め方向にも超音波ビームを走査することができる。

さらに、１．５Ｄアレイ型超音波探触子の場合、２Ｄアレイ型超音波探触子と同様、振動素子が縦方向および横方向に配置される。そして、縦方向に配置された振動素子の各組について、縦方向に配置された各振動素子に対して予め定められた信号遅延時間を割り当て、それによって規定される走査面内で、超音波ビームを走査することができる。

図５に従来の超音波探触子の構成例を示す。図５（ａ）はその斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣＤ線断面図である。この超音波探触子では、板状の圧電部材２２の両面に電極３４が設けられ、下側の電極３４から始まり上側の電極３４にまで至らない分離溝３８が設けられている。この分離溝３８によって分割された各区画が振動素子１８をなす。圧電部材２２の上側の電極３４は各振動素子１８の接地導体として用いられ、分割された下側の電極３４は各振動素子１８の信号電極として用いられる。

圧電部材２２の上側の電極３４の上には、非導電性の音響整合層３６が設けられる。音響整合層３６は、生体観測時には振動素子１８と生体との間に介在し、生体と振動素子１８との間の音響インピーダンスを整合する。音響整合層３６が設けられることで、超音波探触子と生体との境界面で反射する超音波が低減される。

なお、以下の特許文献１および２には、複数の振動素子が配列され、振動素子が配列された層に音響整合層が重ねられた超音波探触子について記載されている。

特開２００１−３０９４９７号公報特開２００３−２３０１９４号公報

図５に示す超音波探触子では、分離溝３８を上側の電極３４まで至らしめて上側の電極３４を分割すると、各振動素子１８に接地導線を接続する構造が複雑となる。そのため、分離溝３８が上側の電極３４にまで至らない構造とし、上側の電極３４を各振動素子１８に共通の接地導体として用いる。しかし、このような構造では、複数の振動素子１８が相互に振動状態に影響を及ぼし合うことがあり、超音波ビームの指向特性に影響を与えることがある。

本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、複数の振動素子を含む超音波探触子において、複数の振動素子の相互間干渉を抑制した超音波探触子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、２次元配列された複数の振動素子と、前記複数の振動素子によって形成される振動層の側面の全体または一部に設けられる導体面と、前記振動層の上面に設けられる整合部と、前記振動層の下面に設けられ、前記振動層に至る信号経路を含むバッキング層と、を備え、前記整合部は、前記複数の振動素子に対応するよう相互間が分離溝で隔てられ、前記振動層の上面に２次元配列された複数の導電性整合素子と、前記導電性整合素子によって形成される整合素子層の上面に設けられ、分離溝を有さない非分離導電層と、を備え、前記バッキング層は、前記複数の振動素子のうち、前記振動層の側面をなし、その側面に導体面が設けられたダミー振動素子に接続される接地線と、前記複数の振動素子のうち、前記振動層の側面をなす振動素子に囲まれる有効振動素子に接続される信号線と、を備え、前記有効振動素子の接地導体が、それに対応する前記導電性整合素子、前記非分離導電層、および前記ダミー振動素子に設けられた導体面を介して、前記接地線に接続される、ことを特徴とする。

また、本発明は、超音波探触子の製造方法において、板状振動部材の側面の全体または側面の一部から上下面に亘って導体面を付着させる導体面付着ステップと、前記導体面付着ステップによって形成された導体面付き振動層の上面に第１導電層を固定する第１導電層固定ステップと、前記導体面付き振動層に至る信号経路を含むバッキング層を、前記導体面付き振動層の下面に固定するバッキング層固定ステップと、前記第１導電層の上面から前記導体面付き振動層の下面に至る分離溝を設け、前記第１導電層および前記導体面付き振動層が形成するユニットを、２次元配列された複数の振動素子ブロックへと分割する分割ステップと、前記第１導電層の上面に第２導電層を固定するステップと、を含み、前記バッキング層固定ステップは、前記導体面付き振動層の下面の領域のうち、前記導体面付き振動層の側面をなし、その側面に導体面が設けられるダミー振動素子ブロックが形成される領域に、接地線を接続するステップと、前記導体面付き振動層の下面の領域のうち、前記導体面付き振動層の側面をなす振動素子ブロックに囲まれる有効振動素子ブロックが形成される領域に、信号線を接続するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、複数の振動素子を含む超音波探触子において、複数の振動素子の相互間干渉を抑制した超音波探触子およびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る超音波探触子の構成を示す図である。本発明の実施形態に係る超音波探触子の分解斜視図である。超音波探触子の製造工程を示す図である。超音波探触子の製造工程を示す図である。従来の超音波探触子の構成を示す図である。

図１および図２に本発明の実施形態に係る超音波探触子の構成を示す。この超音波探触子は、１．５Ｄアレイ超音波探触子または２Ｄアレイ超音波探触子として用いてもよい。図１（ａ）は、超音波探触子の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡＢ線断面図である。また、図２は超音波探触子の分解斜視図である。

超音波探触子は、振動層１０、振動層１０の上側に設けられた第１導電性整合層１２、第１導電性整合層１２の上側に設けられた第２導電性整合層１４、および振動層１０の下側に設けられたバッキング層１６を備えて構成される。

振動層１０は、２次元配列、すなわち、縦方向および横方向に配列された振動素子１８によって構成される。振動素子１８は、ＰＺＴ、水晶、酸化亜鉛等の直方体形状を有する圧電部材２２の上下面に導体箔２０が設けられた構成を有する。隣接する振動素子１８は分離溝２６によって隔てられ、音響的に分離されている。振動素子１８のうち、振動層１０の外周に配置されたダミー振動素子１８Ｄについては、圧電部材２２の上面および下面の他、振動層１０の側面をなす面にも導体箔２０が設けられている。図２において、ハッチングが施された振動素子１８は、ダミー振動素子１８Ｄであることを示す。他方、ダミー振動素子１８Ｄに囲まれた有効振動素子１８Ｅについては、圧電部材２２の側面に導体箔が設けられていない。

有効振動素子１８Ｅは、上面および下面の導体箔２０が電極として用いられる。すなわち、上下面の導体箔電極に信号を印加することで、圧電部材２２を振動させて超音波を発生すると共に、圧電部材２２の超音波振動に基づく信号を上下面の導体箔電極から出力することができる。他方、ダミー振動素子１８Ｄは、超音波の発生および超音波振動に基づく信号の発生には用いられず、後述のように、接地経路の一部として用いられる。

第１導電性整合層１２は、各振動素子１８に対応するよう縦方向および横方向に配列された直方体形状の導電性整合素子２４によって構成される。隣接する導電性整合素子２４は分離溝２６によって隔てられ、電気的に絶縁されている。各導電性整合素子２４の上下面は、直下の振動素子１８の上面形状と同一形状を有する。各導電性整合素子２４は、直下の振動素子１８の上面の導体箔２０に導電接続されるよう、直下の振動素子１８の上に固定されている。

第２導電性整合層１４は、第１導電性整合層１２の上面と合致する形状の導電性の層により構成される。第２導電性整合層１４は、各導電性整合素子２４に導電接続されるよう、第１導電性整合層１２の上に固定されている。

なお、第１導電性整合層１２および第２導電性整合層１４の厚さ、材質等は、有効振動素子１８Ｅと生体との間で音響インピーダンスが整合されるよう決定される。

バッキング層１６は、絶縁性部材２８、絶縁性部材２８内に設けられた信号線３０および接地導体３２を備えて構成される。絶縁性部材２８は、振動層１０の下面と合致する形状を有する接続面１６Ｓを有し、本実施形態では直方体形状に形成されている。

信号線３０は、有効振動素子１８Ｅに対応して設けられる。各信号線３０は、絶縁性部材２８中において上下方向に延伸し、一端が接続面１６Ｓに現れるよう絶縁性部材２８中に配置される。接続面１６Ｓに現れる信号線３０の一端は、対応する有効振動素子１８Ｅの下面の導体箔２０に導電接続される。

接地導体３２は４枚の導体板によって形成されている。４枚の導体板は、それぞれの上辺が接続面１６Ｓに現れると共に、信号線３０を囲む筒が形成されるよう、絶縁性部材２８中に配置される。各導体板の上辺は、ダミー振動素子１８Ｄの下面の導体箔２０に導電接続される。

なお、接地導体３２は、ダミー振動素子１８Ｄの下面の導体箔２０に導電接続される接地導体パターンおよび接地導線によって構成してもよい。この場合、接地導体パターンの形状は、例えば図２でハッチングを施して示されているように、各導体板の上辺が描く形状と同一の形状とする。また、接地導線は、その一端が接地導体パターンに接続され、上下方向に延伸するよう絶縁性部材２８中に配置すればよい。

このような構成によれば、有効振動素子１８Ｅの上面の導体箔２０は、有効振動素子１８Ｅの直上の導電性整合素子２４、第２導電性整合層１４、ダミー振動素子１８Ｄの直上の導電性整合素子２４、ダミー振動素子１８Ｄの上面の導体箔２０、ダミー振動素子１８Ｄの側面の導体箔２０、および、ダミー振動素子１８Ｄの下面の導体箔２０を経て、バッキング層１６の接地導体３２に導電接続される。他方、有効振動素子１８Ｅの下面の導体箔２０は、バッキング層１６の信号線３０に導電接続される。

これによって、バッキング層１６に設けられた各信号線３０と接地導体３２との間に信号を印加することで、各有効振動素子１８Ｅから超音波を発生させることができる。また、各有効振動素子１８Ｅで受信された超音波に応じた信号を、バッキング層１６に設けられた各信号線３０と接地導体３２との間から出力することができる。

本実施形態に係る超音波探触子では、隣接する有効振動素子１８Ｅは、音響的に相互に隔てられている。これによって、複数の有効振動素子１８Ｅの相互間干渉が抑制され、相互間干渉が超音波ビームの指向特性に与える影響を抑制することができる。また、有効振動素子１８Ｅの上面の導体箔２０を、上述の経路により簡単な構成で接地することができる。さらに、次に説明するように、超音波探触子の製造を容易にすることができる。

本実施形態に係る超音波探触子の製造方法について説明する。図３（ａ）に示すように、分割されていない圧電部材２２の全表面に導体を付着させ、圧電部材２２の全表面に導体箔２０を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、導体箔２０で覆われた圧電部材２２、すなわち、分割されていない振動層１０の上側に分割されていない第１導電性整合層１２を接合し、図３（ｃ）に示すように、振動層１０の下側に、バッキング層１６を接合する。この際、バッキング層１６の接続面１６Ｓに現れる信号線３０の一端は、その信号線３０に対応する有効振動素子１８Ｅの下面の導体箔２０が形成される位置に導電接続される。また、バッキング層１６の接続面１６Ｓに現れる接地導体３２の上辺は、ダミー振動素子１８Ｄの下面の導体箔２０が形成される位置に導電接続される。

第１導電性整合層１２、振動層１０、および、バッキング層１６が接合された後、図４（ａ）に示すように、第１導電性整合層１２の上面から振動層１０の下面へと至る分離溝２６を設ける。これによって、第１導電性整合層１２には導電性整合素子２４が形成され、振動層１０には、有効振動素子１８Ｅおよびダミー振動素子１８Ｄが形成される。次に、図４（ｂ）に示すように、第１導電性整合層１２の上面に第２導電性整合層１４を接合する。

このような製造工程によれば、図５に示す従来構成のように、導体箔２０が切断されないよう分離溝を設ける必要がなく、工程が簡単となる。さらに、有効振動素子１８Ｅの接地経路を簡単に構成することができる。

なお、上記では、振動層１０を形成する圧電部材２２の側面全面に導体箔２０を付着させた構成とした。しかしながら、導体箔２０は、振動層１０の側面全面に付着させなくてもよい。例えば、図２においては、上面および下面に導体箔２０を付着させ、振動層１０の外周をなす４つの側面のうち少なくとも１つの全面または一部に、振動層１０の上面および下面に及ぶ導体箔２０を付着させればよい。この場合、振動層１０の外周に配置された振動素子１８のうち、側面に導体箔２０のあるものがダミー振動素子１８Ｄとして用いられる。

１０振動層、１２第１導電性整合層、１４第２導電性整合層、１６バッキング層、１６Ｓ接続面、１８振動素子、１８Ｄダミー振動素子、１８Ｅ有効振動素子、２０導体箔、２２圧電部材、２４導電性整合素子、２６，３８分離溝、２８絶縁性部材、３０信号線、３２接地導体、３４電極、３６音響整合層。

Claims

２次元配列された複数の振動素子と、
前記複数の振動素子によって形成される振動層の側面の全体または一部に設けられる導体面と、
前記振動層の上面に設けられる整合部と、
前記振動層の下面に設けられ、前記振動層に至る信号経路を含むバッキング層と、
を備え、
前記整合部は、
前記複数の振動素子に対応するよう相互間が分離溝で隔てられ、前記振動層の上面に２次元配列された複数の導電性整合素子と、
前記導電性整合素子によって形成される整合素子層の上面に設けられ、分離溝を有さない非分離導電層と、
を備え、
前記バッキング層は、
前記複数の振動素子のうち、前記振動層の側面をなし、その側面に導体面が設けられたダミー振動素子に接続される接地線と、
前記複数の振動素子のうち、前記振動層の側面をなす振動素子に囲まれる有効振動素子に接続される信号線と、
を備え、
前記有効振動素子の接地導体が、それに対応する前記導電性整合素子、前記非分離導電層、および前記ダミー振動素子に設けられた導体面を介して、前記接地線に接続される、
ことを特徴とする超音波探触子。
超音波探触子の製造方法において、
板状振動部材の側面の全体または側面の一部から上下面に亘って導体面を付着させる導体面付着ステップと、
前記導体面付着ステップによって形成された導体面付き振動層の上面に第１導電層を固定する第１導電層固定ステップと、
前記導体面付き振動層に至る信号経路を含むバッキング層を、前記導体面付き振動層の下面に固定するバッキング層固定ステップと、
前記第１導電層の上面から前記導体面付き振動層の下面に至る分離溝を設け、前記第１導電層および前記導体面付き振動層が形成するユニットを、２次元配列された複数の振動素子ブロックへと分割する分割ステップと、
前記第１導電層の上面に第２導電層を固定するステップと、
を含み、
前記バッキング層固定ステップは、
前記導体面付き振動層の下面の領域のうち、前記導体面付き振動層の側面をなし、その側面に導体面が設けられるダミー振動素子ブロックが形成される領域に、接地線を接続するステップと、
前記導体面付き振動層の下面の領域のうち、前記導体面付き振動層の側面をなす振動素子ブロックに囲まれる有効振動素子ブロックが形成される領域に、信号線を接続するステップと、
を含むことを特徴とする製造方法。