JP2013243449A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ方向の超音波ビームの均一性を向上しサイドローブを低減させた超音波プローブを簡単にかつ高い信頼性で提供すること。
【解決手段】本実施形態に係る超音波プローブ１は、第１方向に配列された複数の圧電体１６１と、前記複数の圧電体１６１各々の背面側に設けられた第１電極１６５と、前記第１電極１６５に対向して電気的に接続されるフレキシブルプリント基板１８上の第２電極１８１とを具備し、前記第１方向に直交する第２方向において、前記第２電極１８１の中央部分１９０の面積は、前記第２電極１８１の端部分１９２の面積より小さいこと、を特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置に使用される超音波プローブに関する。

被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号に基づいて、被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。このような超音波診断装置は、超音波プローブを介して被検体内に超音波を送信する。超音波診断装置は、超音波プローブを介して、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を受信する。超音波診断装置は、反射波の受信に基づいて、受信信号を生成する。

超音波プローブは、送信信号（駆動信号）に基づいた圧電体の振動により、超音波を発生する。超音波プローブは、圧電体を介した反射波の受信により、受信信号を発生する。超音波プローブには、超音波の発生および受信信号の発生に関する複数の圧電体が、走査方向（アレイ方向、アジマス方向ともいう）に配列される。圧電体が１方向に配列された超音波プローブを１次元アレイプローブと呼ぶ。

また、各々直交する２方向（アレイ方向とレンズ方向（エレベーション方向ともいう））に、複数の圧電体が配列された超音波プローブを、２次元アレイプローブと呼ぶ。なお、１次元アレイプローブにおいて、エレベーション方向に圧電体が少し分割された場合（例えば３分割）の超音波プローブを１．５次元アレイプローブと呼ぶ。

１次元アレイプローブにおいて、複数の圧電体各々（以下、圧電素子と呼ぶ）に矩形波形の駆動信号が印加された場合、レンズ方向の音場に関して、サイドローブの発生および音場の不均一が問題となることがある。サイドローブの低減、および音場の均一化に関する技術として、圧電素子から送信される超音波（以下、送信超音波と呼ぶ）の強度に重み付けをすることが知られている。

送信超音波の強度の重み付けに関する技術は、例えば、レンズ方向に沿って圧電体に溝加工し、圧電体密度を変更することである。この技術により、レンズ方向の中央部から端部に向かって実効的な圧電体密度を徐々に疎にすることができる。これにより、レンズ方向端部の音圧を徐々に低くすることができる。このことから、超音波ビームのサイドローブを低減することができる。

しかしながら、上記技術には、以下のような問題がある。製造の困難性による歩留まりの悪化、および製造工程の増加などによる製造コストの上昇がある。加えて、圧電体に対して溝加工を実施するため、圧電体の品質、すなわち圧電体の信頼性の低下がある。さらに、圧電体の振動に寄与する面積（実効面積）が減少することにより圧電体の静電容量が低下し、圧電体の音響インピーダンスが増大する。音響インピーダンスの増大は、出力信号の低下を招き、感度が低下する。すなわち、上記技術には、製造コストの増大、圧電体への信頼性の低下、感度の低下などの課題が多い。

特開２００３−９２８８号公報 特開平０５−３８３３５号公報

目的は、レンズ方向の超音波ビームの均一性を向上しサイドローブを低減させた超音波プローブを簡単にかつ高い信頼性で提供することにある。

本実施形態に係る超音波プローブは、第１方向に配列された複数の圧電体と、前記複数の圧電体各々の背面側に設けられた第１電極と、前記第１電極に対向して電気的に接続されるフレキシブルプリント基板上の第２電極とを具備し、前記第１方向に直交する第２方向において、前記第２電極の中央部分の面積は、前記第２電極の端部分の面積より小さいこと、を特徴とする。

図１は、第１の実施形態に係る超音波プローブにおいて、レンズ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。 図２は、第１の実施形態に係る超音波プローブにおいて、アレイ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。 図３は、第１の実施形態に係り、超音波放射面側から見た圧電体背面の電極（圧電体背面電極）とＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）電極とを、図１の断面図における振動子とＦＰＣとともに示す図である。 図４は、第１の実施形態の第１の変形例に係り、超音波放射面側から見たＦＰＣ電極の一例を、圧電体背面電極ともに示す図である。 図５は、第１の実施形態の第２の変形例に係り、超音波放射面側から見たＦＰＣ電極の一例を示す図である。 図６は、第１の実施形態の第２の変形例に係り、レンズ方向に対する音圧分布に関する計算結果の一例を示す図である。 図７は、第１の実施形態の第２の変形例に係り、レンズ方向と深さ方向とにおける音場の強度分布に関する計算結果を等音圧線で示したビームプロファイルの一例を示す図である。 図８は、第１の実施形態の第３の変形例に係り、超音波放射面側から見たＦＰＣ電極の一例を示す図である。 図９は、第２の実施形態に係り、超音波放射面側から見た圧電体背面電極とＦＰＣ電極とを、エレベーション方向に沿った断面とともに示す図である。 図１０は、第２の実施形態の変形例に係り、超音波放射面側から見たＦＰＣ電極の構造の一例を示す図である。 図１１は、第２の実施形態の変形例に係り、送信超音波の周波数に対する送信超音波の音圧強度に関する計算結果の一例を示す図である。 図１２は、第３の実施形態に係り、超音波放射面側から見た圧電体背面電極とＦＰＣ電極の分布のパターンとを示す図である。 図１３は、第３の実施形態に係り、サブアレイ化された２次元アレイプローブにおいて、超音波放射面側から見た圧電体背面電極とＦＰＣ電極の分布のパターンとを示す図である。 図１４は、第３の実施形態に係り、超音波放射面側から見た圧電体背面電極とＦＰＣ電極の分布のパターンとを示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる超音波プローブを説明する。なお、以下の説明において、略同一の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。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の超音波プローブ１に係り、レンズ方向（エレベーション方向ともいう）に沿った断面の一例を示す断面図である。第１の実施形態に係る超音波プローブ１は、１次元アレイプローブである。レンズ方向とは、超音波プローブ１が１次元アレイプローブである場合、振動子１６の長軸方向である。レンズ方向に直交し、かつ振動子１６が配列される方向は、アレイ方向（アジマス方向ともいう）と呼ぶ。

図２は、第１の実施形態に係る超音波プローブ１において、アレイ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。超音波プローブ１は、音響レンズ１０、第１の音響整合層１２、第２の音響整合層１４、振動子１６、フレキシブルプリント基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：以下、ＦＰＣと呼ぶ）１８、バッキング材（ｂａｃｋｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）２０を有する。

音響レンズ１０は、後述する圧電体１６１で発生された超音波を、レンズ方向に対して収束させる機能を有する。なお、音響レンズ１０は、後述する圧電体１６１で発生された超音波をアレイ方向に収束させる機能を有していてもよい。

第１の音響整合層１２および第２の音響整合層１４は、音響レンズ１０の背面側に設けられる。第１の音響整合層１２及び第２の音響整合層１４における音速、厚さ、音響インピーダンス等の物理的パラメータを調整することで、被検体と圧電体１６１との音響インピーダンスの整合を図ることができる。

具体的には、第１の音響整合層１２および第２の音響整合層１４は、被検体に関する物質の音響インピーダンスと圧電体１６１の音響インピーダンスとの違いに起因する超音波の反射を抑制する。第１の音響整合層１２は、音響レンズ１０の背面側に設けられる。第２の音響整合層１４は、第１の音響整合層１２の背面側に設けられる。なお、音響整合層は、１層であってもよい。また、音響整合層は、３層以上であってもよい。

振動子１６は、圧電体１６１と、圧電体１６１の超音波放射面側（前面側）に設けられた接地（Ｇｒｏｕｎｄ）用電極（以下、圧電体前面電極と呼ぶ）１６３と、超音波放射面側の反対側（以下、背面側と呼ぶ）に設けられた信号用電極（以下、圧電体背面電極）１６５とを有する。圧電体１６１の前面側には、圧電体前面電極１６３が接合される。圧電体前面電極１６３は、電気的配線を介して、後述するＦＰＣベース１８３における接地用信号線に接続される。圧電体前面電極１６３は、複数の振動子１６１の前面全域に亘って設けられる。

なお、圧電体前面電極１６３は、音響レンズ１０と第１の音響整合層１２の間に設けられてもよい。この時、第１の音響整合層１２及び第２の音響整合層１４は、導電性を有する。また、圧電体前面電極１６３は、第１の音響整合層１２と第２の音響整合層１４との間に設けられてもよい。この時、第２の音響整合層１４は、導電性を有する。

圧電体１６１の背面側には、圧電体背面電極１６５が接合される。圧電体背面電極１６５は、圧電体１６１の背面全域に亘って設けられる。圧電体背面電極１６５は、後述するＦＰＣベース１８３に設けられたＦＰＣ電極１８１に電気的に接続される。

圧電体１６１は、レンズ方向を長軸、アレイ方向を短軸として、矩形上に成形された特定の圧電セラミックスからなる。圧電体１６１は、図示していない超音波診断装置から複数の電子回路基板を介して供給された駆動信号（駆動パルス信号）により、超音波を発生する。圧電体１６１は、被検体に関する物質により反射された超音波を受けて、エコー信号（電気信号）を発生する。発生されたエコー信号は、図示していない複数の電子回路基板を介して超音波診断装置に供給される。

ＦＰＣ１８は、前面側に圧電体背面電極１６５に電気的に接続されるＦＰＣ電極１８１と、ＦＰＣ１８の基盤となる絶縁体のベース層（以下、ＦＰＣベースと呼ぶ）１８３と、超音波の受信により圧電体１６１で発生された電気信号を超音波プローブ１から取り出すための信号線（以下、ＦＰＣ信号線と呼ぶ）１８５と、圧電体前面電極１６３を接地させるための接地用信号線とを有する。ＦＰＣ電極１８１については、後程詳述する。ＦＰＣ信号線１８５は、ＦＰＣベース１８３の背面側にスルーホールを介して電気的に接続されて設けられてもよい。この時、接地用信号線は、ＦＰＣベース１８３の前面側に設けられる。

バッキング材（背面材）２０は、ＦＰＣ１８の背面に設けられる。バッキング材２０は、ＦＰＣ１８、振動子１６、第２の音響整合層１４、第１の音響整合層１２、音響レンズ１０を支持する。バッキング材２０は、放射される超音波パルスを短くするために振動子１６を制動する。バッキング材２０の厚さは、音響特性を良好に維持するため、使用する超音波の波長に対して十分な厚さ、すなわち背面方向の超音波が十分に減衰される厚さに設定される。

図３は、前面側から見た圧電体背面電極１６５とＦＰＣ電極１８１とを、図１の断面図における振動子１６とＦＰＣ１８とともに示す図である。図３に示すように圧電体背面電極１６５は、アレイ方向において、アレイ方向における圧電体１６１の幅と同一な幅を有する。圧電体背面電極１６５は、レンズ方向において、レンズ方向における圧電体１６１の幅と同一な幅を有する。すなわち、圧電体背面電極１６５は、圧電体１６１の背面の面積と同一な面積を有する。

ＦＰＣ電極１８１は、レンズ方向の中央部分１９０から端部分１９２に亘って、アレイ方向の幅が連続的に増大する構造を有する。この構造は、１次元アレイプローブ１における複数の振動子にそれぞれ対応する複数のＦＰＣ電極各々について適用される。図３に示すように、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０の面積は、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２の面積より小さい。また、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０におけるアレイ方向の幅（例えばｃ）は、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２のアレイ方向の幅（例えばｄ）よりも短い（ｃ＜ｄ）。レンズ方向に依存したＦＰＣ電極１８１の形状は、例えば、フォトマスク、エッチングプロセスなどにより形成される。

なお、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０から端部分１９２にかけてのアレイ方向の幅の増大は、図３のように直線的に増大することのかわりに、特定の関数の形状に従って増大させる構造であってもよい。

ＦＰＣベース１８３と圧電体背面電極１６５との間のうち、ＦＰＣ電極１８１が存在しない領域には、ＦＰＣベース１８３と圧電体背面電極１６５とを接着するための接着剤１９５が設けられる。

（第１の変形例）
第１の実施形態との相違は、ＦＰＣ電極１８１がレンズ方向に分割されていることにある。
図４は、第１の変形例に係り、前面側から見たＦＰＣ電極１８１の構造の一例を、圧電体背面電極１６５ともに示す図である。図４におけるａおよびｂは、図３におけるａおよびｂにそれぞれ対応する。第１の変形例において、ＦＰＣ信号線は、ＦＰＣベース１８３の背面側に設けられるため、図４には記載されていない。ＦＰＣ電極１８１は、図示していないスルーホールを介して、ＦＰＣベース１８３の背面側のＦＰＣ信号線に電気的に接続される。

図４におけるＦＰＣ電極１８１において、中央部分１９０におけるレンズ方向の幅（例えばｃ）は、端部分１９２におけるレンズ方向の幅（例えばｄ）よりも短い（ｃ＜ｄ）。すなわち、分割された複数のＦＰＣ電極各々のレンズ方向の幅は、中央部分１９０から端部分１９２に掛けて長くなる。ＦＰＣ電極１８１に関する上記構造は、１次元アレイプローブ１における複数の振動子にそれぞれ対応する複数のＦＰＣ電極各々について適用される。

（第２の変形例）
第１の実施形態との相違は、ＦＰＣ電極１８１がレンズ方向の中央部分１９０から端部分１９２に亘って、アレイ方向の幅が断続的に増大する構造を有する。具体的には、ＦＰＣ電極１８１のアレイ方向の幅は、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０から端部分１９２に亘って階段状に増大する。この構造は、１次元アレイプローブ１における複数の振動子にそれぞれ対応する複数のＦＰＣ電極各々について適用される。

図５は、第２の変形例に係り、超音波放射面側から見たＦＰＣ電極１８１の構造の一例を示す図である。図５におけるａおよびｂは、図３におけるａおよびｂにそれぞれ対応する。図５に示すように、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０の面積は、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２の面積より小さい。また、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０におけるアレイ方向の幅（例えばｃ）は、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２のアレイ方向の幅（例えばｄ）よりも短い（ｃ＜ｄ）。

ＦＰＣベース１８３と圧電体背面電極１６５との間のうち、ＦＰＣ電極１８１が存在しない領域には、ＦＰＣベース１８３と圧電体背面電極１６５とを接着するための接着剤１９５が設けられる。

図６は、第２の変形例に係り、図５におけるＦＰＣ電極１８１が用いられた場合において、超音波放射面から深さ２ｍｍにおけるレンズ方向に対する音圧強度（デシベルｄＢ）の分布についての計算結果の一例を示す図である。図６の縦軸は、音圧強度（デシベルｄＢ）を示している。図６の横軸は、１次元アレイプローブ１のレンズ方向の中心を原点（０ｍｍ）とし、レンズ方向からの距離（ｍｍ単位）を示している。図６における破線は、参照として、ＦＰＣ電極１８１が圧電体背面電極１６５と同じ形状（面積）を有する場合（以下、参照例と呼ぶ）の計算結果である。図６における実線は、第２の変形例に係り、図５におけるＦＰＣ電極１８１の構造を有する場合の計算結果である。図６における素子口径は、圧電体１６１のレンズ方向の幅（２．５ｍｍ）に対応する。

音圧分布の計算において、１次元アレイプローブ１における中心周波数は１２ＭＨｚである。レンズ方向の音圧分布の計算において、複数の振動子各々のアレイ方向の幅は、０．７μｍであって、レンズ方向の長さは、２．５ｍｍである。また、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２におけるアレイ方向の幅（ｄの幅）は、２５０μｍである。ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０におけるアレイ方向の幅（ｃの幅）は、１５μｍである。

図６に示すように、ＦＰＣ電極１８１におけるレンズ方向の中央部分１９０において、第２の変形例における音圧強度は、参照例における音圧強度に比べて、約２ｄＢほど大きくなる。

図７は、参照例と第２の変形例とに係り、レンズ方向と深さ方向とにおける音場の強度分布に関する計算結果を等音圧線で示した超音波ビームのプロファイルの一例を示す図である。図７の縦軸は、１次元アレイプローブ１のレンズ方向の中心を原点（０ｍｍ）とし、レンズ方向からの距離（ｍｍ単位）を示している。図７の横軸は、超音波放射面に垂直な方向であって、超音波の放射距離（深さ：ｍｍ）を示している。図７における濃淡の実線は、等音圧線（いわゆる等高線）を示している。隣り合う２つの実線の間隔は、音圧強度で１ｄＢの差に対応する。

図７における参照例は、圧電体背面電極１６５に対してＦＰＣ電極１８１が一様で均一な構造を有しているため、レンズ方向に対して音圧の重み付けがなされていない。参照例において、音響レンズ１０による超音波の収束のため、深さ１５ｍｍより浅い地点で超音波ビームは最も収束している。参照例において、収束点より深い地点では、超音波は拡散する。この超音波の拡散は、レンズ方向の分解能の低減に寄与する。分解能の低減は、超音波診断装置で発生される超音波画像の画質の劣化につながる。

図７における第２の変形例では、近距離部分（深さ：０〜２０ｍｍ）でビーム中央部（レンズ方向の０ｍｍ近傍）の音圧強度が、参照例に比べて高くなっていることが示されている。さらに、近距離部分において、超音波ビームのビーム幅が、参照例に比べて広くなっていること、すなわち音場の均一性が向上していることが示されている。加えて、例えば深さ４０ｍｍ近傍（図７における丸印）において、第２の変形例におけるサイドローブが、参照例に比べて低減されていることが示されている。

（第３の変形例）
第１の実施形態との相違は、ＦＰＣ電極１８１が網目（メッシュ）構造を有することにある。
具体的には、レンズ方向におけるＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０において、網目構造のうち網目の空隙部分の数は、レンズ方向の端部分１９２より多い。すなわち、レンズ方向において、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０における空隙部分の面積は、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２の空隙部分の面積より大きい。圧電体背面電極１６５にＦＰＣ電極１８１が接合されるとき、網目構造の空隙部分には非導体の接着剤１９５が充填される。

図８は、第３の変形例に係り、超音波放射面側から見たＦＰＣ電極１８１の構造の一例を示す図である。図８におけるａおよびｂは、図３におけるａおよびｂにそれぞれ対応する。図８に示すように、中央部分１９０における網目構造における目の数は、端部分の目の数より多い。すなわち、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０における目の数の密度は、端部分１９２における目の数の密度より大きい。なお、中央部分１９０における網目構造の目開きの広さｄは、端部分１９２における網目構造の目開きの広さｄよりに広くてもよい。具体的には、図８に示すように、第３の変形例に係るＦＰＣ電極１８１の構造は、網目構造における目の数が、レンズ方向に沿って端部分１９２から中央部分１９０に掛けて増大する網目構造を有する。

以上に述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態の超音波プローブ１によれば、ＦＰＣ電極１８１は、レンズ方向において、圧電体背面電極１６５に電気的に接続されるＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０の面積を、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２の面積より小さくすることができる構造を有する。

具体的には、本実施形態のＦＰＣ電極１８１は、中央部分１９０から端部分１９２にかけてＦＰＣ電極１８１のアレイ方向の幅が圧電体背面電極１６５におけるアレイ方向の幅まで連続して増大する構造を有する。本実施形態の第１の変形例のＦＰＣ電極１８１は、ＦＰＣ電極１８１をレンズ方向に分割することにより、レンズ方向において、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０の面積を端部分１９２の面積に比べて小さくした構造を有する。本実施形態の第２の変形例のＦＰＣ電極１８１は、レンズ方向において、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０から端部分１９２に亘って、アレイ方向の幅を断続的に増大する構造を有する。本実施形態の第３の変形例のＦＰＣ電極１８１は、網目構造のうち空隙部分である目の数がレンズ方向に沿って端部分１９２から中央部分１９０に掛けて増大する網目構造を有する。

これらのようなＦＰＣ電極１８１の構造により、振動子１６における圧電体背面電極１６５の面積を減少させずに、送信超音波の音圧強度に重み付けを付与することができる。圧電体背面電極１６５の面積を減少させないことは、振動子１６の静電容量を減少させないことに対応する。振動子１６の静電容量を減少させないことは、振動子１６の音響インピーダンスを低く維持できることに対応し、超音波プローブ１の感度低下を防ぐことができる。従って、本超音波プローブ１によれば、超音波プローブ１の感度を低下させずに、送信超音波の音圧強度に重み付けを付与することができる。

さらに、本超音波プローブ１によれば、近距離音場（浅い深度の音場）において、送信超音波の音圧強度を均一化させることができる。加えて、本超音波プローブ１によれば、送信超音波の音場において、サイドローブを低減させることができる。これにより、本超音波プローブ１によれば、レンズ方向の分解能が改善する。また、本超音波プローブ１は、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０におけるアレイ方向の幅を端部分１９２におけるアレイ方向の幅より狭くするためのＦＰＣの製造工程の変更により、実現することができる。

以上のことから、本超音波プローブ１によれば、製造コストおよび製造工数などを増大させることなく、かつ部材の信頼性を低下させることなく、送信超音波の音圧強度に重み付した音場を発生させることができる。加えて、本超音波プローブ１によれば、サイドローブが低減され、近距離音場の音圧強度の均一性が向上する。

なお、本実施形態は、他のレンズ方向における音場の改善技術と組み合わせることも可能である。例えば、レンズ方向における送信超音波の音圧強度に重み付けをするために形成された振動子に、本実施形態の構造を組み合わせることで、レンズ方向の送信超音波の音圧に重み付けを、より効率的に実施することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態との相違は、アレイ方向に配列された複数の振動子の数より少ない数で、複数の振動子をエレベーション方向（レンズ方向）について分割した１．５次元アレイプローブに関するものである。以下説明を簡単にするために、エレベーション方向における振動子の分割は、３分割であるものとする。

１．５次元アレイプローブは、エレベーション方向においても多数の振動子が配列されているため、用途に応じて口径を設定して超音波送信が可能となる。例えば、１．５次元アレイプローブを用いて近距離（浅い深度）を走査する場合、超音波診断装置は、１．５次元アレイプローブにおける超音波送信口径を小さくすることにより送信超音波ビームを細く絞って、高分解能な超音波画像を発生することができる。加えて、例えば、１．５次元アレイプローブを用いて遠距離（深い深度）を走査する場合、超音波診断装置は、１．５次元アレイプローブにおける超音波送信口径を大きくすることにより有効振動子面積を広げ、高感度でエコー信号を受信することができる。

図９は、第２の実施形態に係り、超音波放射面側から見た圧電体背面電極１６５とＦＰＣ電極１８１とを、エレベーション方向に沿った断面とともに示す図である。図９に示すように圧電体背面電極１６５は、アレイ方向における圧電体１６の幅と同一な幅を有する。圧電体背面電極１６５は、エレベーション方向における圧電体１６の幅と同一な幅を有する。すなわち、圧電体背面電極１６５は、圧電体１６の背面の面積と同一な面積を有し、複数の圧電体各々に設けられる。

ＦＰＣ電極１８１は、エレベーション方向に配列された複数の圧電体各々の背面側に設けられた圧電体背面電極１６５に対向して電気的に接続される。ＦＰＣ電極１８１のうち中央部分１９０のＦＰＣ電極１８１の面積は、端部分１９２のＦＰＣ電極１８１の面積より小さい。図９に示すように、ＦＰＣベース１８３と圧電体背面電極１６５との間のうち、ＦＰＣ電極１８１が存在しない領域には、ＦＰＣベース１８３と圧電体背面電極１６５とを接着するための接着剤１９５が設けられる。

図９に示すように、ａおよびｂ、ｅおよびｆで挟まれる端部分１９２と、ｃおよびｄで挟まれる領域における中央部分とは、振動子Ａ、Ｂ、Ｃからの電気信号をそれぞれ独立して取り出すために、電気的に絶縁される。ＦＰＣ電極部分Ｄ、Ｅ、Ｆそれぞれの背面には、図示していないスルーホールが設けられる。スルーホールには、ＦＰＣ信号線１８５が電気的に接続される。ＦＰＣ信号線１８５は、ＦＰＣベース１８３の背面に設けられる。ＦＰＣベース１８３の前面には、図示していないが、複数の圧電体各々における圧電体前面電極１６３を接地させるための接地用信号線が設けられる。

（変形例）
第２の実施形態との相違は、図９におけるＦＰＣ電極部分Ｅにおいて、アレイ方向における導体部分の幅が圧電体１６の幅より短くかつ、エレベーション方向に対して一定であることにある。

図１０は、第２の実施形態の変形例に係り、超音波放射面側から見たＦＰＣ電極１８１の構造の一例を示す図である。図１０に示すように、ＦＰＣ電極部分Ｅにおけるアレイ方向の幅は、１５μｍであり、エレベーション方向において一定である。ＦＰＣ電極部分Ｄ、Ｆともにアレイ方向の幅は、７０μｍであって、圧電体１６のアレイ方向の幅と同一である。すなわち、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０の面積は、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２の面積より小さい。なお、ＦＰＣ電極部分Ｄ、Ｆの面積は、エレベーション方向に沿って、ＦＰＣ電極１８１の中央よりの端（ｂまたはｅ）から端部分１９２の端（ａまたはｆ）に向かって、増大する構造としてもよい。

図１１は、第２の実施形態の変形例に係り、図１０におけるＦＰＣ電極１８１が用いられた場合において、送信超音波の周波数に対する音圧強度（デシベルｄＢ）についての計算結果の一例（周波数スペクトラム）を示す図である。図１１の横軸は、１．５次元アレイプローブから送信される超音波（送信超音波）の周波数（ＭＨｚ単位）を示している。図１１における縦軸は、送信超音波の周波数ごとの音圧強度を示している。

図１１における破線は、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２で発生された送信超音波の周波数スペクトラムの計算結果を示している。図１１における実線は、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０で発生された送信超音波の周波数スペクトラムの計算結果を示している。図１１に関して、超音波プローブの口径は、圧電体１６１のレンズ方向の幅（２．５ｍｍ）に対応する。

ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０と端部分１９２とにおける送信超音波の周波数スペクトラムの計算において、１．５次元アレイプローブにおける中心周波数は１２ＭＨｚである。周波数スペクトラムの計算において、複数の振動子各々のアレイ方向の幅は、０．７μｍであって、エレベーション方向の長さは、２．５ｍｍである。また、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２におけるアレイ方向の幅は、２５０μｍである。ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０におけるアレイ方向の幅は、１５μｍである。

図１１に示すように、ＦＰＣ電極１８１におけるエレベーション方向の中央部分１９０の音圧強度は、高周波数帯域において、端部分１９２における音圧強度に比べて大きい。すなわち、中央部分１９０において発生される送信超音波の周波数成分は、端部分１９２において発生される送信超音波の周波数成分より多いことに対応する。従って、図１１は、本実施形態により周波数特性が変化したことを示している。

図１１によれば、例えば、本実施形態における１．５次元アレイプローブを用いた超音波診断装置において、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０に対応する振動子を駆動させて超音波を送信する場合、駆動電圧が同じでもより高い周波数の超音波を送信できることから、近距離部分（浅い深度）において、より高分解能な超音波画像を発生することができる。

以上に述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態の超音波プローブ（１．５次元アレイプローブ）によれば、ＦＰＣ電極１８１は、レンズ方向において、圧電体背面電極１６５に電気的に接続されるＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０の面積を、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９２の面積より小さくすることができる構造を有する。

具体的には、本実施形態のＦＰＣ電極１８１は、中央部分１９０から端部分１９２にかけてＦＰＣ電極１８１のアレイ方向の幅が圧電体背面電極１６５におけるアレイ方向の幅まで連続して増大する構造を有する。また、本実施形態の変形例によれば、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０のアレイ方向の幅を、ＦＰＣ電極１８１の端部分１９０の幅に比べて狭くすることができる。

このようなＦＰＣ電極１８１の構造により、振動子１６における圧電体背面電極１６５の面積を減少させずに、送信超音波の音圧強度に重み付けを付与することができる。さらに、本超音波プローブによれば、近距離音場（浅い深度の音場）において、送信超音波の音圧強度を均一化させることができる。加えて、本超音波プローブによれば、送信超音波の音場において、サイドローブを低減させることができる。また、本超音波プローブによれば、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０に関する周波数スペクトラムの音圧強度を、端部分１９２の音圧強度より大きい周波数特性に変更することができる。これらにより、本超音波プローブによれば、レンズ方向の分解能が改善する。また、本超音波プローブは、ＦＰＣ電極１８１の中央部分１９０におけるアレイ方向の幅を端部分１９２におけるアレイ方向の幅より狭くするためのＦＰＣ１８の製造工程の変更により、実現することができる。

以上のことから、本超音波プローブによれば、製造コストおよび製造工数などを増大させることなく、かつ部材の信頼性を低下させることなく、送信超音波の音圧強度に重み付した音場を発生させることができる。加えて、本超音波プローブによれば、サイドローブの低減と、中央部分１９０の超音波送信周波数の強度の向上とにより、近距離音場の音圧強度の均一性とエレベーション方向の分解能とが向上する。

（第３の実施形態）
第１、第２の実施形態との相違は、超音波プローブにおいて、アジマス方向とエレベーション方向とに２次元状に配列された複数の振動子を有する２次元アレイプローブに関するものである。

２次元アレイプローブは、エレベーション方向においても多数の振動子が配列されているため、用途に応じて送信口径を制御した超音波送信が可能となる。２次元アレイプローブにおける複数の振動子各々において、超音波の送受信に関する制御（例えば、送信、受信遅延加算などの位相制御）が可能である。このため、音響レンズ１０は省略することが可能である。また、２次元アレイプローブを有する超音波診断装置は、アジマス方向およびエレベーション方向に限らず任意の方向に超音波ビームを偏向、走査することが可能となる。

２次元アレイプローブにおける複数の圧電体各々の背面には圧電体背面電極１６５が接合される。また、２次元アレイプローブにおける複数の圧電体１６１の前面には、接地用の共通電極が設けられる。

図１２は、第３の実施形態に係り、超音波放射面側から見た圧電体背面電極１６５とＦＰＣ電極１８１の分布のパターンとの一例を示す図である。複数の圧電体背面電極１６５にそれぞれ対応する複数の圧電体１６１により発生された電気信号を取り出すために、ＦＰＣ電極１８１は、複数の圧電体背面電極１６５ごとに絶縁される。なお、図を簡便にするために、図１２において、複数の圧電体背面電極１６５ごとのＦＰＣ電極１８１の絶縁については図示していない。

具体的には、ＦＰＣ電極１８１の面積は、複数の圧電体背面電極１６５各々について、２次元アレイプローブの音響開口の中心からの距離に応じて増大する。すなわち、音響開口の中央部分１９７における圧電体背面電極１６５に接続されるＦＰＣ電極１８１の面積は、音響開口の端部分１９９における圧電体背面電極１６５に接続されるＦＰＣ電極１８１の面積より小さい。図１２におけるＦＰＣ電極１８１の面積の大きさの分布は、音響開口の中心から放射状に３または４段階に亘って、広くなる構造を有する。

換言すれば、音響開口の中央部分１９７における接着剤１９５の面積は、音響開口の端部分１９９における接着剤１９５の面積より広い。なお、図１２においては、接着剤１９５の分布は同心円状としているが、接着剤１９５の分布は矩形であってもよい。

なお、第３の実施形態において、２次元アレイプローブにおける複数の振動子は、サブアレイ化されていてもよい。図１３は、図１２の２次元アレイプローブをサブアレイ化した場合において、超音波放射面側から見た圧電体背面電極１６５とＦＰＣ電極１８１の分布のパターンとを示す図である。図１３において、サブアレイ化は、４つの振動子に対して、一つのＦＰＣ信号線が接続される。

また、第３の実施形態の２次元アレイプローブにおいて、複数の振動子を有する音響開口の部分領域を用いてスキャンが実行されてもよい。この時、部分領域におけるＦＰＣ電極１８１の中央部分の面積は、端部分の面積に比べて小さくなる。

図１４は、２次元アレイプローブにおいて、部分領域におけるＦＰＣ電極１８１の中央部分の面積は、端部分の面積に比べて小さくなるＦＰＣ電極の分布パターンの一例を示す図である。図１４において、部分領域には９つの振動子が配列される。部分領域におけるＦＰＣ電極１８１の中央部分の面積は、端部分の面積に比べて小さくなる。なお、２次元アレイプローブ全域においても、音響開口の中央部分における部分領域２００のＦＰＣ電極の面積は、音響開口の端部分における部分領域２０１のＦＰＣ電極の面積より小さい。

以上に述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態の超音波プローブ（２次元アレイプローブ）によれば、ＦＰＣ電極１８１は、アジマス方向およびエレベーション方向において、音響開口に対応するＦＰＣ電極１８１の中央部分の面積を、ＦＰＣ電極１８１の端部分の面積より小さくすることができる構造を有する。

具体的には、ＦＰＣ電極１８１は、複数の圧電体背面電極各々について、２次元アレイプローブの音響開口の中心からの距離に応じて（例えば放射状に）増大することができる。また、本実施形態に係る２次元アレイプローブは、サブアレイ化されていてもよい。

このようなＦＰＣ電極１８１の構造により、振動子１６における圧電体背面電極１６５の面積を減少させずに、送信超音波の音圧強度に重み付けを付与することができる。さらに、本超音波プローブによれば、近距離音場（浅い深度の音場）において、送信超音波の音圧強度を均一化させることができる。加えて、本超音波プローブによれば、送信超音波の音場において、サイドローブを低減させることができる。また、本超音波プローブによれば、音響開口の中央部分に関する周波数スペクトラムの音圧強度を、端部分の音圧強度より大きい周波数特性に変更することができる。これらにより、本超音波プローブによれば、アジマス方向およびエレベーション方向の分解能が改善する。また、本超音波プローブは、ＦＰＣ１８の製造工程の変更により、実現することができる。

以上のことから、本超音波プローブによれば、製造コストおよび製造工数などを増大させることなく、かつ部材の信頼性を低下させることなく、送信超音波の音圧強度に重み付した音場を発生させることができる。加えて、本超音波プローブによれば、サイドローブの低減と、中央部分の超音波送信周波数の強度の向上とにより、近距離音場の音圧強度の均一性と、アジマス方向およびエレベーション方向の分解能とが向上する。

（第４の実施形態）
第１乃至第３の実施形態との相違は、圧電体背面電極１６５とＦＰＣ電極１８１との間に導体を設けることにある。第４の実施形態における圧電体背面電極１６５とＦＰＣ電極１８１とは、超音波放射面からみて、同一形状を有する。導体は、例えば、銅、銀、金などの導電性を有する金属材料により構成される。本実施形態に係る超音波プローブが１次元アレイプローブである場合、例えば、図３、図４、図５、図８に記載のＦＰＣ電極１８１の形状のうちいずれか一つの形状が、超音波放射面から見た導体の形状として用いられる。

なお、本実施形態に係る超音波プローブが１．５次元アレイプローブである場合、例えば、図９、図１０に記載のＦＰＣ電極１８１の形状のうちいずれか一つの形状が、超音波放射面から見た導体の形状として用いられる。また、本実施形態に係る超音波プローブが２次元アレイプローブである場合、例えば、図１２、図１３、図１４に記載のＦＰＣ電極１８１の形状のうちいずれか一つの形状が、超音波放射面から見た導体の形状として用いられる。

以上に述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態の超音波プローブ（１次元アレイプローブ、１．５次元アレイプローブ、２次元アレイプローブ）によれば、圧電体背面電極１６５とＦＰＣ電極１８１との間に、第１乃至第３の実施形態に係るＦＰＣ電極１８１と同じ形状を有する導体を挟むことができる。このような導体を圧電体背面電極１６５とＦＰＣ電極１８１との間に挟むことにより、振動子１６における圧電体背面電極１６５の面積を減少させずに、送信超音波の音圧強度に重み付けを付与することができる。さらに、本超音波プローブによれば、近距離音場（浅い深度の音場）において、送信超音波の音圧強度を均一化させることができる。加えて、本超音波プローブによれば、送信超音波の音場において、サイドローブを低減させることができる。また、本超音波プローブによれば、音響開口またはＦＰＣ電極１８１の中央部分に関する周波数スペクトラムの音圧強度を、端部分の音圧強度より大きい周波数特性に変更することができる。これらにより、本超音波プローブによれば、レンズ方向またはアジマス、エレベーション方向の分解能が改善する。また、本超音波プローブは、ＦＰＣ１８の製造工程の変更により、実現することができる。

以上のことから、本超音波プローブによれば、製造コストおよび製造工数などを増大させることなく、かつ部材の信頼性を低下させることなく、送信超音波の音圧強度に重み付した音場を発生させることができる。加えて、本超音波プローブによれば、サイドローブの低減と、中央部分の超音波送信周波数の強度の向上とにより、近距離音場の音圧強度の均一性と、アジマス方向およびエレベーション方向の分解能とが向上する。

なお、本発明は上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、上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わせにより、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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…超音波プローブ、１０…音響レンズ、１２…第１の音響整合層、１４…第２の音響整合層、１６…振動子、１８…ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ：フレキシブルプリント基板）、２０…バッキング材、１６１…圧電体、１６３…圧電体前面電極、１６５…圧電体背面電極、１８１…ＦＰＣ電極、１８３…ＦＰＣベース、１８５…ＦＰＣ信号線、１９０…中央部分、１９２…端部分、１９５…接着剤、１９７…音響開口の中央部分、１９９…音響開口の端部分、２００…、音響開口の中央部分における部分領域、２０１…音響開口の端部分における部分領域

Claims (11)

1. 第１方向に配列された複数の圧電体と、
   前記複数の圧電体各々の背面側に設けられた第１電極と、
   前記第１電極に対向して電気的に接続されるフレキシブルプリント基板上の第２電極とを具備し、
   前記第１方向に直交する第２方向において、前記第２電極の中央部分の面積は、前記第２電極の端部分の面積より小さいこと、
   を特徴とする超音波プローブ。
2. 前記中央部分における前記第１方向の幅は、前記端部分における前記端部分の幅よりも狭いこと、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記第２電極の前記第１方向の幅は、前記中央部分から前記端部分にかけて連続的に広くなること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
4. 前記第２電極の前記第１方向の幅は、前記中央部分から前記端部分にかけて断続的に広くなること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
5. 前記第２電極は、前記第２方向に沿って複数の部分に分割され、
   前記複数の部分のうち前記中央部分における前記第２方向の幅は、前記端部分における前記第２方向の幅よりも狭いこと、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
6. 前記第２電極は網目構造を有し、
   前記中央部分において、前記網目構造のうち空隙部分の数は、前記端部分より多いこと、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
7. 前記第２電極は網目構造を有し、
   前記中央部分において、前記網目構造の目開きの広さは、前記端部分より広いこと、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
8. 第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とに配列された複数の圧電体と、
   前記複数の圧電体各々の背面側に設けられた第１電極と、
   前記第１電極に対向して電気的に接続されるフレキシブルプリント基板上の第２電極とを具備し、
   前記第２方向に配列された複数の圧電体のうち中央部分に関する前記第２電極の面積は、端部分に関する前記第２電極の面積より小さいこと、
   を特徴とする超音波プローブ。
9. 前記中央部分に関する前記第２電極の前記第１方向の幅は、前記端部分に関する前記第２電極の前記第１方向の幅よりも狭いこと、
   を特徴とする請求項８に記載の超音波プローブ。
10. 前記中央部分に関する前記２電極の前記第１方向の幅は、前記第２方向に沿って前記第２電極の中央部分から端部部分にかけて連続的に広くなること、
    を特徴とする請求項８に記載の超音波プローブ。
11. 第１方向に配列された複数の圧電体と、
    前記複数の圧電体各々の背面側に設けられた電極と、
    前記第１電極に対向して前記第１電極とフレキシブルプリント基板上の電極と電気的に接続する導体とを具備し、
    前記第１方向に直交する第２方向において、前記導体の中央部分の面積は、前記導体の端部分の面積より小さいこと、
    を特徴とする超音波プローブ。

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