JP2014087556A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】二次元アレイ振動子及びチャンネルリダクション用電子回路を有する体腔内挿入型プローブにおいて、アレイ振動子の背面側において効果的なバッキングを行うと共に効果的な排熱を行う。
【解決手段】振動子ユニット２０の背面側には中継基板２２を介して電子回路基板２４が設けられている。電子回路基板２４の背面における中央領域にはバッキング部材２６が接合されている。背面における周辺領域には配線シートが接合されている。配線シートが有する後ウイング３０及び前ウイング３２はバッキングケース３３を取り囲んでおり、排熱シートが有する右ウイング及び左ウイングが放熱シェル１６に形成された２つのスリット１６Ａを介して外側に突出しており放熱シェル１６の外表面上において固定される。電子回路基板２４で生じた熱が排熱シートやバッキングケース３３を介して放熱シェル１６に伝達され、放熱シェル１６それ全体として放熱が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波探触子に関し、特に、二次元アレイ振動子を有する体腔内挿入型超音波探触子に関する。

医療の分野において超音波診断装置が活用されている。超音波診断装置は、生体に対して超音波を送受波し、これにより得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する装置である。超音波の送受波は超音波探触子（プローブ）によって実行される。様々なプローブが実用化されており、その中には体腔内挿入型プローブが含まれる。体腔内挿入型プローブは、食道、直腸、膣等に挿入され、体内において超音波の送受波を行うものである。その内で、経食プローブは食道へ挿入されるプローブであり、より詳しくは、食道内において心臓に対して超音波を送受波するためのプローブである。

近時、三次元超音波診断が普及しつつある。この技術は、生体内の三次元空間に対して超音波を送受波することによりボリュームデータを取得し、そのボリュームデータに基づいて三次元空間を表す三次元画像や三次元空間の任意断面を表す二次元断層画像等を形成するものである。三次元空間に対して超音波を送受波するために、プローブヘッド内には、一般に、二次元アレイ振動子が設けられる。二次元アレイ振動子は、二次元配列された複数の振動素子（例えば数千個の振動素子）によって構成される。

特許文献１には、三次元超音波診断のための経食プローブが開示されている。その経食プローブのヘッド内に振動子ユニットが配置されており、その振動子ユニットは、生体組織側から順に配設された、二次元アレイ振動子、インターフェイス層、電子回路（集積回路）、バッキング層、ヒートシンク等を有するものである。電子回路は、チャンネルリダクションを行う回路であり、すなわち、信号線の本数を削減するための回路である。ヒートシンクは電子回路で生じる熱を奪う回路である。

特表2005-507581号公報

プローブヘッド内にチャンネルリダクション用の電子回路を設ける場合、電子回路においてかなりの熱が生じるので、電子回路からの排熱が問題となる。すなわち、電子回路で生じた熱が二次元アレイ振動子に伝わると、二次元アレイ振動子が高温になってしまい、その劣化という問題が生じ、また、送受波面の温度上昇という問題が生じる。そこで、電子回路で生じた熱が二次元アレイ振動子に対してできるだけ伝わらないようにするために、電子回路から他の部材へ熱を逃がすことが必要となる。

しかしながら、特許文献１に記載された経食プローブにおいては、電子回路の背面側にバッキング層を介してヒートシンクが設けられているので、電子回路からヒートシンクへの熱伝導効率を高めることが難しいという問題を指摘できる。これに対して、バッキング層を取り外して、電子回路に対してヒートシンクを直接接合させることが考えられる。ところが、そのような構成では、二次元アレイ振動子からその背面側に出た超音波を十分に減衰させることができず、多重反射等の問題が生じてしまう。なお、体腔内挿入型プローブにおいては、プローブヘッドを小型化すべき強い要請があり、その内部に複雑あるいは大型の冷却機構を設けることは困難である。

本発明の目的は、アレイ振動子及びそれに電気的に接続された電子回路を有する超音波探触子において、電子回路で生じる熱を効果的に逃がしてアレイ振動子が高温になることを防止することにある。あるいは、本発明の目的は、アレイ振動子の背面側において不要超音波に対する効果的なバッキングを行うと共に電子回路で生じる熱を効果的に逃がすことにある。あるいは、本発明の目的は、体腔内挿入型プローブにおいて、電子回路で生じた熱をプローブヘッド全体に逃がすことが可能なプローブヘッド構造を実現することにある。

本発明に係る超音波探触子は、二次元配列された複数の振動素子からなるアレイ振動子と、前記アレイ振動子の背面側に設けられ、前記複数の振動素子に対して電気的に接続される電子回路を有する電子回路基板と、前記電子回路基板の背面における熱伝導領域に接合された熱伝導部材であって、前記電子回路基板の背面側から熱を放熱構造体へ逃がす排熱部材と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、電子回路基板の背面に設定された熱伝導領域に対して排熱部材が直接的に接合されており、電子回路基板の背面側から排熱部材を経由して放熱構造体へ熱が移動する。これにより、電子回路基板で生じた熱を効果的に逃がすことが可能であるから、電子回路基板からアレイ振動子への熱伝導を抑制して、アレイ振動子における過度の温度上昇を防止できる。これは生体安全性の向上をもたらすものである。

上記の電子回路は送信信号処理回路及び受信信号処理回路の少なくとも一方を構成するものであり、望ましくは両方を構成するものである。電子回路はチャンネルリダクション回路であるのが望ましい。チャンネルリダクション回路は、送信時において、アレイ振動子全体で又は所定単位で１つの送信トリガ信号から複数の送信駆動信号を生成し、受信時において、所定単位で複数の受信信号から１つのグループ受信信号を生成するものである。望ましくは、電子回路基板は、電子回路が表面上に形成された厚いパッケージを有していない半導体基板である。そのような電子回路基板がアレイ振動子の背面側に直接的に接合されてもよいが、望ましくは、電子回路基板が中継基板を介してアレイ振動子に接続される。中継基板として配線変換機能等を備えるものが利用されてもよい。排熱部材の熱伝導率が中継基板の熱伝導率よりも高い場合、電子回路で生じた熱をより積極的に排熱部材へ移動させることが可能である。アレイ振動子は、一般に、圧電性を有する材料により構成されるが、いわゆるＭＵＴ（Micro-Machined Ultrasonic Transuducer）が利用されてもよい。望ましくは、放熱構造体は、探触子ヘッドの骨格体であると同時に放熱体であり、特に望ましくは、探触子ヘッドケースである。大きな表面積を有し良好な熱伝導率を有する部材で構成された放熱構造体を用いれば、放熱構造体それ全体から周囲へ放熱を行って局所的な温度上昇を生じさせることなく電子回路基板の温度上昇を抑制できる。上記超音波探触子は望ましくは体腔内挿入型プローブであり、特に望ましくは経食プローブである。

望ましくは、前記電子回路基板の背面には前記熱伝導領域と超音波伝搬領域とが設定され、前記超音波伝達領域に接合されたバッキング部材を含む。この構成によれば電子回路基板の背面側において排熱作用と超音波減衰作用とを発揮させることができる。すなわち、電子回路基板の温度上昇の抑制と多重反射の防止の両者を同時に実現できる。望ましくは、前記超音波伝搬領域は中央領域であり、前記熱伝導領域は前記中央領域を取り囲む周辺領域の全部又は一部である。この構成によれば、超音波が伝搬し易い中央領域に対してバッキング作用を集中させて超音波を効果的に吸収できる。一方、排熱面では周辺領域に対して排熱部材が接合される。そのような構成であっても、電子回路基板の熱伝導率が低くない限り、つまり看過できないような温度分布が生じていない限り、十分な排熱作用を得ることができる。周辺領域の全部に対して排熱部材を接合させるのが望ましいが、その一部に対して排熱部材を接合させることが可能である。その場合、周辺領域の内で発熱がより大きな部分に排熱部材が接合されるように構成するのが望ましい。

望ましくは、前記排熱部材は前記超音波伝搬領域に対応する開口を有するシート状の部材であり、前記バッキング部材は前記開口を介して前記超音波伝搬領域に接合された凸部を有するブロック状の部材であり、前記電子回路基板と前記バッキング部材との間に前記排熱部材が挟み込まれる。この構成によれば排熱部材の開口を通じてバッキング部材の凸部が電子回路基板の背面における中央領域に直接的に接合される。一方、電子回路基板の背面における周辺領域に対してシート状の排熱部材が面接合される。シート状であるから排熱部材の変形が容易であり、それによって排熱部材のより多くの部分を熱伝導構造体へ連結させることが容易となる。望ましくは、前記排熱部材は前記熱伝導領域から引き出された柔軟性を有する複数のウイングを有し、前記複数のウイングの内で少なくとも１つのウイングが前記放熱構造体に接合される。この構成によれば、複数のウイング（面状に広がった部分）の内で少なくとも１つのウイングが熱伝導構造体に接合され、それによって電子回路基板から熱が逃がされる。複数のウイングの全部が直接的に又は間接的に熱伝導構造体に接合されるのが望ましい。

望ましくは、前記放熱構造体には少なくとも１つのスリットが形成され、前記少なくとも１つのスリットに対して前記少なくとも１つのウイングが差し込まれ、その差込部分が折り曲げられて前記放熱構造体の外面に接合される。この構成によればスリットとウイングとを強固に連結させることが可能であり、良好な熱伝導状態を形成でき、また、放熱構造体へ排熱部材を固定することが可能となる。後者によれば排熱部材を内部アセンブリの固定部材として機能させることができるから、固定のために特別な部材を用意する必要がなくなり、部品点数を削減できる。

望ましくは、前記バッキング部材を収容する熱伝導部材で構成されたバッキングケースを含み、前記複数のウイングの内で少なくとも１つのウイングが折り曲げられて前記バッキングケースに接合され、前記バッキングケースが前記放熱構造体に接合される。この構成によれば、電子回路基板から放熱構造体への熱伝導を良好にでき、また、放熱構造体によりバッキングケースを介して内部アセンブリを保持、固定することが可能となる。

望ましくは、前記排熱部材は前記超音波伝搬領域に対応する開口を有するブロック状の部材であり、前記バッキング部材は前記開口の中に収容される。この構成によれば、一定のバッキング作用を確保しつつ、ブロック状の排熱部材をして高い熱吸収作用を発揮させることが可能である。

望ましくは、前記放熱構造体は前記アレイ振動子及び前記電子回路基板を含む内部アセンブリを収容する熱伝導容器で構成される。望ましくは、前記熱伝導容器は探触子ヘッドの外形を定めるヘッドケースである。望ましくは、前記電子回路基板は表面上に前記電子回路が形成された半導体基板である。例えば、半導体基板はパッケージを有しておらず、薄い保護膜によってコーティングされた基板である。

本発明によれば、アレイ振動子及びそれに電気的に接続された電子回路を有する超音波探触子において、電子回路で生じる熱を効果的に逃がしてアレイ振動子が高温になることを防止できる。あるいは、アレイ振動子の背面側において不要超音波に対する効果的なバッキングを行うと共に電子回路で生じる熱を効果的に逃がすことが可能である。あるいは、体腔内挿入型プローブにおいて、電子回路で生じた熱をプローブヘッド全体に逃がすことが可能なプローブヘッド構造を実現できる。

本発明に係る体腔内挿入型プローブの好適な実施形態を示すＸＺ断面図である。 図１に示したプローブのＹＺ断面図である。 プローブヘッドケースを構成する放熱シェルを示す斜視図である。 振動子ユニットの一例を示す図である。 送受信回路の構成例を示す図である。 本発明に係るプローブ製造方法の一例を示すフローチャートである。 主積層体への排熱シートの接着を説明するための図である。 バッキング及びケースの接着を説明するための図である。 バッキングに設けられた凸部を示す図である。 前後ウイングの折り曲げ及び接着を説明するための図である。 前側フレキシブル基板の折り曲げを説明するための図である。 他の実施形態に係るバッキング及び排熱部材を示す図である。 送受信領域とバッキング部材接合領域との関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波探触子の好適な実施形態が示されており、図１はその断面図（ＸＺ断面図）である。この超音波探触子は体腔内挿入型プローブであり、特に、経食プローブである。

図１において、プローブ１０はプローブヘッド１２、挿入管１３、操作部、プローブケーブル等を有する。プローブヘッド１２は、本実施形態において、生体における食道内に挿入され、食道内において超音波の送受波を行う部分である。超音波送受波領域としての三次元空間内に心臓における被検部位が取り込まれるように、プローブヘッド１２が位置決められる。

プローブヘッド１２の内部は空洞であり、そこには内部アセンブリ１４が配置されている。その内部に樹脂等の充填材を充填するようにしてもよい。内部アセンブリ１４は、Ｚ方向すなわち図１において下方に対して超音波の送受波を行うものである。ちなみに、Ｘ方向がプローブヘッド１２の中心軸方向であり、Ｚ方向が送受波方向であり、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向としてＹ方向が定義される。内部アセンブリ１４は、具体的には、放熱シェル１６の内部に配置されている。放熱シェル１６は銅等の熱伝導部材で構成された中空の硬質容器であり、それはプローブヘッドケースを構成するものである。換言すれば、放熱シェル１６はプローブヘッド１２における外骨格あるいは構造体を構成するものである。放熱シェル１６の外側には比較的柔らかい外皮１８が設けられており、外皮１８は絶縁性をもった樹脂等により構成される。放熱シェル１６の生体組織側には開口１６Ｄが形成されており、その開口１６Ｄを通じて内部アセンブリ１４の一部分が放熱シェル１６の外側へ突出している。内部アセンブリ１４は、以下に説明するように、振動子ユニット２０、中継基板２２、電子回路基板２４、バッキング部材２６、複数のウイングを有する排熱シート、バッキングケース３３等を有するものである。以下に、それらの部材について詳述する。

後に図４を用いて説明するように、アレイ振動子はＸ方向及びＹ方向に配列された複数の振動素子からなるものであり、具体的には数千個の振動素子により構成されている。そのようなアレイ振動子によって超音波ビームが形成され、その超音波ビームが電子的に走査される。電子走査方式としては電子セクタ走査方式等が知られている。本実施形態においては、超音波ビームを二次元方向に走査することが可能であり、そのような走査によって三次元空間が構成される。三次元空間内から取り込まれたボリュームデータを処理することにより三次元空間を表す三次元超音波画像等を形成することが可能である。図１に示されるように、外皮１８における生体側には開口１８Ａが形成されており、振動子ユニット２０の生体側の一部分が開口１８Ａから生体側へ膨らみ出ている。超音波診断の実行にあたっては、振動子ユニット２０における生体側の面すなわち送受波面が生体組織面としての食道内面に密着した状態が形成される。

振動ユニット２０の背面側すなわち図１において上方には中継基板２２が設けられている。中継基板２２は、アレイ振動子と電子回路基板２４上に形成された電子回路とを電気的に接続する機能を有している。本実施形態において、中継基板２２は多層基板により構成され、リードアレイ４０を有している。リードアレイ４０は、複数の振動素子と電子回路上における複数の端子とを電気的に接続するものである。中継基板２２が配列変換作用を有するインターポーザであってもよい。すなわちアレイ振動子側の電極配列と電子回路側の電極配列とを異ならせることも可能である。本実施形態においては、中継基板２２が後に説明するフレキシブル基板３６，３８と電子回路とを接続する機能も有しており、このために中継基板２２内には接続ライン群４２，４４が設けられている。図１に示されるように、中継基板２２は、放熱シェル１６に形成された開口１６Ｄ内に設置されている。中継基板２２の母材は例えば絶縁性を有するセラミックである。

中継基板２２の背面側すなわち図１において上方には電子回路基板２４が設けられている。電子回路基板２４はチャンネルリダクション用の電子回路を備えている。すなわち、その電子回路は、送信時において、アレイ振動子全体で又は所定の単位で装置本体側から送られた送信トリガ信号に基づいて複数の送信駆動信号を生成し、それらをアレイ振動子に供給するものであり、また、受信時において、素子グループ単位で複数の受信信号に対する整相加算処理を実行してグループ受信信号を生成する回路である。このようなチャンネルリダクション回路を設けることにより、プローブヘッドに接続する信号線の本数を大幅に削減することが可能である。例えば数千個の振動素子に対して１００本程度の信号線を接続するだけで全ての振動素子の信号を処理することが可能となる。本実施形態において、電子回路基板２４は、表面上に電子回路が形成された実質的に裸の半導体基板によって構成されている。すなわち、外装としてのパッケージは設けられておらず、半導体基板の全体が薄い保護層により保護されている。電子回路基板２４の生体側の面２４Ａ上には複数の振動素子に対応した複数の電極が形成されている。それらに対して上述したリードアレイ４０が接続される。電子回路基板２４のＺ方向の厚みは例えば０．６ｍｍ程度である。ちなみに上述した中継基板２２のＺ方向の厚みは例えば１ｍｍ程度である。

電子回路基板２４の背面２４Ｂには、中央領域としての超音波伝搬領域と、周辺領域としての排熱領域と、が設定されている。超音波伝搬領域に対してバッキング部材２６が接合されている。具体的には、バッキング部材２６はブロック状の本体４８とその生体側に設けられた凸部４６とにより構成され、その凸部４６の生体側の面が超音波伝搬領域に接合されている。周辺領域に対しては後に詳述するように排熱シートが接合されている。より具体的には、排熱シートは開口を有し、その開口を通じて凸部４６が電子回路基板２４の背面側中央部に接合され、これによってバッキング部材２６の本体４８と電子回路基板２４の周辺領域としての排熱領域との間で排熱シートが挟み込まれている。排熱シートは図１に示される後ウイング３０及び前ウイング３２を有している。この他、右ウイング及び左ウイングを有しているが、図１においてそれらは図示されていない。バッキング部材２６は背面側に放射された不要な超音波を散乱、減衰させるものである。例えば、バッキング部材２６における音響減衰特性は６〜１５ｄＢ／ｃｍＭＨｚ程度である。

バッキング部材は、例えば、樹脂に対してタングステン、タングステン化合物等を混入したものとして構成される。この場合、樹脂としては、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の熱可塑性樹脂を挙げることができ、また、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂等の熱硬化性樹脂を挙げることができ、更に各種ゴムを挙げることができる。その製作にあたっては、所望の音響インピーダンス及び所望の音響減衰特性を実現するために、適量のタングステン、タングステン化合物等の粉末が樹脂に混入される。もちろんそれ以外の材料を混入するようにしてもよい。

上述した排熱シートは、例えば、カーボンシート、グラファイトシート、銅等の金属からなるシート等によって構成されるものであり、いずれにしても熱伝導率の良好な材料によって構成される。バッキング部材２６のＺ方向における厚みは例えば３ｍｍ程度である。

バッキング部材２６はその生体側端部を除いてバッキングケース３３によって包み込まれている。すなわち、バッキングケース３３内にバッキング部材２６における本体４８が収容されている。バッキングケース３３は熱伝導部材及び治具として機能するものである。本実施形態においては、排熱シートにおける後ウイング３０及び前ウイング３２がバッキングケース３３の外表面に沿うように折り曲げられ、バッキングケース３３の外表面上に接着されている。よって、電子回路基板２４の背面側から後ウイング３０及び前ウイング３２を介してバッキングケース３３へ熱が移動することになる。バッキングケース３３は以下の図２に示すように放熱シェル１６に対して接合固定されており、バッキングケース３３から放熱シェル１６に対して熱伝導が生じる。それと共に、放熱シェル１６によってバッキングケース３３がプローブヘッド１２内において固定保持されている。上記の他、後に詳述するように排熱シートが有する右ウイング及び左ウイングを介して電子回路基板２４の背面側から放熱シェル１６へ熱が伝達される。

中継基板２２の背面側すなわち非生体側の両端部にはフレキシブル基板３６，３８が接続されている。フレキシブル基板３６，３８はそれぞれＦＰＣで構成されており、それらは配線パターンを有している。フレキシブル基板３６，３８の装置本体側の端部に対しては複数の信号線が接続される。ただし、図１においてそれらの信号線は図示省略されている。コネクタを利用して複数の信号線が各フレキシブル基板３６，３８に接続されるようにしてもよい。図２に示されるように、放熱シェル１６にはＹ方向の両端の側面にそれぞれスリット１６Ａが形成されている。２つのスリット１６Ａに対して後に説明する右ウイング及び左ウイングが差し込まれている。本実施形態において、フレキシブル基板３６の他にフレキシブル基板３８が設けられているのは、多数の信号線に対する接続を確実に行うためである。フレキシブル基板３８は、図１に示されるように、中継基板２２における先端縁から上方へ回り込んで内部アセンブリ１４の背面側すなわち図１において上方を通過した上で、装置本体側へ引き出されている。もちろん、複数の信号線の接続を確実に行える限りにおいて、フレキシブル基板３８を省略することも可能である。

図２には、図１においてIIで示す方向の断面すなわちＹＺ断面が示されている。既に説明したように、プローブヘッド１２は放熱シェル１６を有している。放熱シェル１６は熱伝導体すなわち放熱体として機能するとともに、プローブヘッドケースとしても機能する。放熱シェル１６は外皮１８により覆われている。プローブヘッド１２の内部には内部アセンブリ１４が設けられており、内部アセンブリ１４は、生体側から順番に設けられた振動子ユニット２０、中継基板２２、電子回路基板２４、バッキング部材２６、バッキングケース３３を有している。電子回路基板２４とバッキング部材２６との間には排熱シートが挟み込まれており、その排熱シートは上述した後ウイング及び前ウイングの他に、図２に示される右ウイング５０及び左ウイング５２を有している。右ウイング５０及び左ウイング５２は放熱シェル１６の左右側壁に形成された一対のスリット１６Ａに差し込まれている。各スリット１６ＡはＸ方向に伸長した貫通溝である。右ウイング５０及び左ウイング５２はそれぞれ電子回路基板２４の周辺領域に接合された第１部分５０ａ，５２ａと、それに連なりスリット１６ａを通過する第２部分５０ｂ，５２ｂと、それに連なり垂直に立ち上がった引出部分としての第３部分５０ｃ，５２ｃと、で構成される。第３部分５０ｃ，５２ｃが折り曲げられて放熱シェル１６の外表面上に接着されている。具体的には、放熱シェル１６における外壁表面上には一対の凹部１６Ｂが形成されており、それらの内部に一対の第３部分５０ｃ，５２ｃが収容固定されている。よって、電子回路基板２４で生じた熱が右ウイング５０及び左ウイング５２を介して放熱シェル１６へ伝達されることになる。なお、各凹部１６Ｂの深さは各ウイング５０，５２の厚みと同程度である。よって、それらの凹部１６Ｂに第３部分５０ｃ，５２ｃを収容した状態においては面一状態が構成される。

放熱シェル１６の内面にはＹ方向両側にそれぞれ一対の窪み１６Ｃが形成されており、その窪み１６Ｃの中にバッキングケース３３の両端部が差し込まれている。すなわち、放熱シェル１６によりバッキングケース３３が保持固定されている。放熱シェル１６によってバッキングケース３３が固定されており、また放熱シェル１６に対して右ウイング５０及び左ウイング５２が固定されているため、内部アセンブリ１４が放熱シェル１６に対して確実に固定されている。上述したように排熱シートは後ウイング３０及び前ウイング３２を有し、それらがバッキングケース３３に接合固定されているため、それも内部アセンブリ１４の固定作用を発揮している。

図３には、上述した放熱シェル１６の斜視図が示されている。放熱シェル１６は左右方向に２分割されており、すなわち右側部分１６−１と左側部分１６−２とにより構成されている。放熱シェル１６の右側側面及び左側側面には上述したようにスリット１６Ａが形成されており、それぞれのスリット１６Ａは右ウイング及び左ウイングが差し込まれ、それらが折り曲げられた状態で固定される。図３においては、左ウイングにおける第３部分５２ｃが示されている。図３に示されるように、放熱シェル１６は外骨格としての構造体を構成しており、すなわちそれは非常に大きな表面積を有している。したがって、それに対して電子回路で生じた熱を伝えるならば、放熱シェル１６の全体をして外界へ熱を効果的に放出することが可能である。その場合における外界には、外皮を介したプローブヘッド周囲が含まれ、また挿入管やその内部を挿通している多数の信号線等が含まれる。このような構成により、局所的な温度上昇を回避しつつ、生じた熱を大きな部材で吸収してまた大きな面積をもって放出することにより、電子回路基板の温度上昇を効果的に抑制することができ、ひいてはアレイ振動子や送受波面の温度上昇を効果的に抑制することが可能である。特に、本実施形態においては放熱シェル１６が内部アセンブリ１４の固定部材として機能しており、すなわち固定のための連結構造を排熱構造として利用することができるので部品点数の面からも利点を得られる。

図４には、図１に示した振動子ユニット２０の具体例が示されている。図４においては紙面上方が生体側である。アレイ振動子５４は、Ｘ方向及びＹ方向に配列された複数の振動素子５４ａにより構成されるものである。アレイ振動子５４は例えば、ＰＺＴ、水晶、酸化亜鉛等、の材料により構成され、あるいはそのような圧電材料を含む複合材料として構成される。アレイ振動子がＭＵＴによって構成されてもよい。個々の振動素子５４ａのＺ方向の厚さは超音波の中心周波数の１／４λ付近に設定される。

アレイ振動子５４の背面側には導電共振層６２が設けられている。導電共振層６２はＸ方向及びＹ方向に配列された複数の導電共振素子６２ａにより構成されるものである。導電共振層６２はアレイ振動子５４での超音波の送受波を補助するものである。それは導電性を有する材料により構成され、例えば、コバルト、ジルコニア、タングステン化合物等を含む複合体として構成される。もちろん本願明細書に挙げられるいずれの材料は一例に過ぎないものである。アレイ振動子５４における音響インピーダンスは例えば３０MRayls程度であり、これに対し、導電共振層６２の音響インピーダンスは例えば７０〜１００MRaylsである。すなわち、本実施形態においては導電共振層６２がハード背面層を構成しており、アレイ振動子５４と導電共振層６２とが両者一体となって超音波の送波及び受波を行っている。導電共振層６２は、アレイ振動子５４と中継基板との間での電気的接続作用も発揮する。ちなみに、各振動素子５４ａの上面及び下面には電極を構成する薄い金属箔が設けられており、それは例えば金や銀等により構成される。

参考までに、アレイ振動子５４の背面側における各部材の音響インピーダンスを説明しておくと、図１等に示した中継基板の音響インピーダンスは例えば１９MRayls程度であり、電子回路基板の音響インピーダンスは例えば１７MRayls程度である。すなわち、中継基板と電子回路基板はほぼ同じ音響インピーダンスを有しており、両者の境界面における超音波の反射が極力防止されている。バッキング部材の音響インピーダンスは例えば１５〜２５MRaylsであり、そのような設定により、電子回路基板とバッキング部材との間の境界面での超音波の反射が極力防止されている。これにより、アレイ振動子及び導電共振層の背面側から出た超音波は中継基板及び電子回路基板を介してバッキング部材へ自然に到達することになり、そのバッキング部材において背面側に出た不要な超音波が効果的に減衰、吸収される。バッキング部材２６の背面において反射が生じたとしても、その反射波もバッキング部材内で効果的に減衰、吸収される。したがって、例えば超音波探触子を空中に放置したような場合において送受波面とバッキング部材の背面との間で生じる多重反射の問題を効果的に防止することが可能である。もちろん、通常の超音波診断時においても背面側に出た不要な超音波を効果的に吸収して画質の向上を図ることが可能である。

図４に戻って、アレイ振動子５４の生体側には第１整合層５６及び第２整合層５８が設けられている。第１整合層５６は二次元配列された複数の整合素子５６ａからなるものであり、第２整合層５８は二次元配列された複数の整合素子５８ａからなるものである。第２整合層５８の生体側には保護層６０が設けられている。その生体側の面が送受波面を構成する。符号６４は隣接素子間に形成される分離溝を示しており、分離溝６４が空気層であってもよいが、本実施形態においては分離溝６４内に音響的な絶縁性を発揮するシリコーンゴム等が充填されている。

図５には、電子回路基板が有する電子回路２５の構成例が示されている。アレイ振動子５４は上述したように二次元配列された複数の振動素子５４ａにより構成されるものである。本実施形態においては、アレイ振動子５４に対して複数のグループ６６が設定されており、各グループ６６は所定形状をもって集合する複数の振動素子により構成されるものである。電子回路２５は送信信号処理回路７０と受信信号処理回路６８とにより構成されている。送信信号処理回路７０は、装置本体側からの送信制御信号（送信トリガ信号を含む）に基づいて、複数の振動素子に供給する複数の送信駆動信号を生成するものである。アレイ振動子５４の全体に対して１つの送信信号処理回路７０が設けられてもよいし、各グループ６６毎に送信信号処理回路７０が設けられてもよい。いずれにしても、送信信号処理回路７０は１つの送信制御信号から複数の送信駆動信号を生成するものであり、送信時におけるチャンネルリダクションに相当する処理を実現するものである。

受信信号処理回路６８は、本実施形態において、複数のグループ６６に対応した複数のサブビームフォーマ（ＳＢＦ）７２により構成されている。各ＳＢＦ７２は、対応するグループ６６から出力される複数の受信信号に対して整相加算処理（サブ整相加算処理）を実行し、これにより整相加算後のグループ受信信号を生成するものである。このような処理により複数のグループ受信信号が生成され、それらに対してメインビームフォーマー（ＭＢＦ）７４においてメイン整相加算処理が実行され、これによって受信ビームに相当する整相加算後のビームデータが生成される。ここでＭＢＦ７４は装置本体内に設けられるものである。各ＳＢＦ７２は受信時におけるチャンネルリダクションを実行するものである。本実施形態においては、例えば１６個の受信信号に対して整相加算処理を実行して１つのグループ受信信号が生成されている。

以上のような送受信信号処理を実行する過程において発熱が生じるため、排熱処理を効果的に行わない限り、電子回路基板の温度が上昇し、それに伴いアレイ振動子や送受波面の温度が上昇してしまう。これに対し、本実施形態においては上述した排熱処理により、すなわち電子回路基板からの熱を排熱シート（及びバッキングケース）を介して放熱シェルへ伝えることにより、そして放熱シェルの全体をもって放熱を行うことにより、電子回路基板で生じた熱を効果的に外部へ逃がすことが可能となる。

次に、図１等に示したプローブの動作例について説明する。図１に示したプローブヘッド１２が被検者における口から食道内に挿入され、プローブヘッド１２が食道における所定位置に位置決められる。これにより、プローブヘッド１２の送受波面が食道の内壁面に密着される。その状態で超音波の送受波を実行することにより、具体的には超音波ビームの二次元スキャンを実行することにより、心臓における計測部位を含む三次元領域が形成され、その三次元領域に対応するボリュームデータを得ることが可能である。そのようなボリュームデータに基づいて三次元空間を表す超音波三次元画像が形成され、あるいは、三次元空間における任意断面を表す任意断層画像あるいは所定の複数の断面を表すトリプレーン画像が作成されることになる。

より詳しく説明すると、送信時においては、装置本体側からケーブルを介して送信信号がプローブヘッド１２へ供給される。その送信信号はフレキシブル基板３６又はフレキシブル基板３８を経由し、また中継基板２２を経由して電子回路へ送られる。すると、電子回路における送信信号処理回路によって単一の送信信号に基づいて複数の送信駆動信号が生成され、それらが対応する複数の振動素子に対して供給される。その場合において、複数の送信駆動信号は上述した中継基板に形成されたリードアレイを経由してアレイ振動子へ送られる。そのような複数の送信駆動信号の供給によりアレイ振動子において送信ビームが形成されることになる。その際、アレイ振動子の背面側に不要超音波が放出された場合、そのような不要超音波はバッキング部材２６において効果的に吸収、低減される。

一方、受信時において、生体内からの反射波がアレイ振動子で受波されると、アレイ振動子から複数の受信信号が中継基板２２におけるリードアレイ４０を介して電子回路へ送られることになる。電子回路における受信信号処理部においては、各グループ単位で複数の受信信号に対してサブ整相加算処理を実行し、これによってグループ受信信号を生成する。そのように生成された複数のグループ受信信号がフレキシブル基板３６及びフレキシブル基板３８を経由して複数の信号線に伝達され、更に装置本体へ伝達されることになる。装置本体においては複数のグループ受信信号に基づいてメイン整相加算処理が実行され、これにより受信ビームに相当するビームデータが生成される。ちなみに、受信時において反射波がアレイ振動子の背面側に現れたとしても、そのような不要超音波はバッキング部材２６において効果的に低減される。

次に熱的な作用について説明する。送受信信号処理等によって電子回路で生じた熱が電子回路基板２４の背面側に接合された配線シートを介して放熱シェル１６へ伝達される。具体的には、配線シートにおける後ウイング３０及び前ウイング３２に伝達された熱はバッキングケース３３を経由して放熱シェル１６へ伝達されることになる。一方、配線シートの右ウイング及び左ウイングに伝達された熱は放熱シェル１６へ直接的に伝達されることになる。このように、４つのウイングを経由して放熱シェル１６に対して効果的に熱を伝えることが可能であるので、そして放熱シェル１６が非常に大きな熱容量をもった部材として構成され、その表面積も非常に大きいため、伝達された熱を外界に対して効果的に放出することが可能であり、局所的な発熱を防止することが可能である。

本実施形態においては、中継基板２２の熱伝導率よりも電子回路基板２４及び排熱シートの熱伝導率の方が高くなっており、電子回路基板で生じた熱の内で多くのものが排熱シートへ伝達されることになる。逆に言えば、中継基板が一種の熱的な隔絶作用を発揮しており、リードアレイ４０による熱伝導があるとしても、中継基板２２を介したアレイ振動子への熱伝導が抑制されている。

本実施形態においては、上述したように、電子回路基板２４の背面における中央部にバッキング部材２６が接合されており、背面における周辺領域に排熱シートが接合されている。これにより、より超音波の伝搬が生じ易い部分に対してバッキング部材によるバッキング作用を適用して不要超音波を効果的に吸収することが可能である。その一方において、周辺領域においては中央領域と同様の熱伝導が生じており、そのような周辺領域から排熱シートを介して熱を効果的に奪うことが可能である。すなわち、電子回路基板の背面側において不要超音波の吸収と発熱抑制のための排熱とを両立させることが可能である。特に、上記実施形態においては、バッキング部材２６がバッキングケース３３によって収容されており、そのバッキングケース３３が後ウイング３０及び前ウイング３２によって包み込まれているので、一般的に柔らかいバッキング部材２６の周囲に外骨格を構築することができ、そのバッキング部材２６を保持することにより内部アセンブリ１４の全体を固定することが可能となっている。この結果、内部アセンブリ１４における生体側での強固な保持が不要となる。もちろん内部アセンブリ１４の保持にあたっては必要に応じて他の固定方法を採用するようにしてもよい。

次に、図６〜図１１を用いて、図１に示したプローブの製造方法を説明する。

図６におけるＳ１０では、図７に示す主積層体７５が製作される。すなわち、振動子ユニット２０、中継基板２２及び電子回路基板２４からなる主積層体７５が構成される。中継基板２２にはフレキシブル基板３６及び３８が取付けられる。

図６のＳ１２においては、図７に示すように、主積層体７５に対して排熱シート７６が接着される。排熱シート７６は、その中央部に開口部７８を有しており、また排熱シート７６は、Ｘ方向に並ぶ後ウイング３０及び前ウイング３２を有しており、Ｙ方向に並ぶ右ウイング５０及び左ウイング５２を有している。もちろん、排熱シート７６の形態は図７に示すものに限られる訳ではない。

図６におけるＳ１４においては、配線シート接着後の主積層体に対してバッキング部材及びバッキングケースが接着される。具体的には、図８に示すように、排熱シート７６上に結合体８０が接合される。結合体８０はバッキング部材２６とそれを収容するバッキングケース３３とからなるものである。図９には、結合体８０をひっくり返した状態が示されており、バッキング部材２６の生体側中央部には凸部４６が形成されている。その凸部４６が図７に示した開口部７８に嵌まり込むように結合体が排熱シート上に接着される。

図６に示すＳ１６においては、図１０に示されるように、バッキングケース３３の背面側すなわち図において上方側に後ウイング３０及び前ウイング３２が折り曲げられて接着固定される。これによりバッキングケース３３と排熱シート７６とが一体化される。

図６のＳ２０においては、図１１に示されるように、前側フレキシブル基板３８が折り曲げられる。具体的にはバッキングケース３３の非生体側を通過するように前側フレキシブル基板３８が折り曲げられる。

図６のＳ２２においては、図１１に示した組立体が放熱シェル内に配置される。具体的には、分割された二つの部品によってバッキングケースが挟まれるように、同時に右ウイング及び左ウイングが一対のスリットから外部に出るように放熱シェルが組み立てられ、同時にその内部に内部アセンブリが配置される。そして、図６のＳ２４において、右ウイング及び左ウイングにおけるスリットから突出した部分が折り曲げられその部分が放熱シェルに対して接着固定される。図６のＳ２６においては配線処理や放熱シェルの外側への外皮の形成等が実施され、これによって図１に示したプローブが構成される。

以上の説明から明らかなように、排熱シートにおける後ウイング及び前ウイングがバッキングケースひいてはバッキングの固定作用を発揮しており、また、排熱シートにおける右ウイング及び左ウイングがバッキングケースを挟み込んだ放熱シェルを更に外側から包み込む作用を発揮しており、このような多重的な包み込み作用の結果として、内部アセンブリが放熱シェルに対して強固に固定されることになり、同時に、内部アセンブリから放熱シェルへの確実な熱伝導ルートが構築されることになる。

図１２には他の実施形態が示されている。図１２に示す例において排熱部材８２はブロック状の部材として構成されており、その中央部には開口部８４が形成されている。その開口部８４内にはバッキング部材８６が挿入された状態で固定される。そのような複合体が電子回路基板の背面側に接合されることになる。

このような実施形態においても、電子回路基板の背面側における中央部すなわち超音波伝搬がもっとも生じ易い部分に対してバッキング部材８６を接合させることができ、またその周辺部において排熱部材８２が接合されているためにその排熱部材８２によって十分な熱吸収を行うことが可能である。すなわちこの構成によれば超音波の吸収作用と排熱作用を両立させることが可能である。

図１３にはアレイ振動子に相当する二次元領域８８が示されている。符号９０は実際に送受信で使う有効領域を示しており、それは円形領域である。バッキング部材を接合する領域の設定にあたっては、望ましくは、アレイ振動子の全領域における５０パーセント以上の領域、具体的には中央部の領域とするのが望ましい。特に、図１３に示されるように、実際に送受波で使われる有効領域９０において内接するあるいはそれに等しい領域９２としてバッキング領域を設定するのが望ましい。このような構成によればアレイ振動子の全体にわたってほぼ均一にバッキング作用を得ることが可能となる。

上述した実施形態におけるプローブは経食プローブであったが、上記構成を他の体腔内挿入型プローブに適用することも可能であり、また更に体腔内挿入型以外のプローブに対して適用することも可能である。

１０ プローブ、１２ プローブヘッド、１４ 内部アセンブリ、１６ 放熱シェル、１８ 外皮、２０ 振動子ユニット、２２ 中継基板、２４ 電子回路基板、２６ バッキング部材、３０ 後ウイング、３２ 前ウイング、３３ バッキングケース、５０ 右ウイング、５２ 左ウイング。

Claims (11)

1. 二次元配列された複数の振動素子からなるアレイ振動子と、
   前記アレイ振動子の背面側に設けられ、前記複数の振動素子に対して電気的に接続される電子回路を有する電子回路基板と、
   前記電子回路基板の背面における熱伝導領域に接合された熱伝導部材であって、前記電子回路基板の背面側から熱を放熱構造体へ逃がす排熱部材と、
   を含むことを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１記載の超音波探触子において、
   前記電子回路基板の背面には前記熱伝導領域と超音波伝搬領域とが設定され、
   前記超音波伝達領域に接合されたバッキング部材を含む、
   ことを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項２記載の超音波探触子において、
   前記超音波伝搬領域は中央領域であり、
   前記熱伝導領域は前記中央領域を取り囲む周辺領域の全部又は一部である、
   ことを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項３記載の超音波探触子において、
   前記排熱部材は前記超音波伝搬領域に対応する開口を有するシート状の部材であり、
   前記バッキング部材は前記開口を介して前記超音波伝搬領域に接合された凸部を有するブロック状の部材であり、
   前記電子回路基板と前記バッキング部材との間に前記排熱部材が挟み込まれた、
   ことを特徴とする超音波探触子。
5. 請求項４記載の超音波探触子において、
   前記排熱部材は前記熱伝導領域から引き出された柔軟性を有する複数のウイングを有し、
   前記複数のウイングの内で少なくとも１つのウイングが前記放熱構造体に接合された、
   ことを特徴とする超音波探触子。
6. 請求項５記載の超音波探触子において、
   前記放熱構造体には少なくとも１つのスリットが形成され、
   前記少なくとも１つのスリットに対して前記少なくとも１つのウイングが差し込まれ、その差込部分が折り曲げられて前記放熱構造体の外面に接合された、
   ことを特徴とする超音波探触子。
7. 請求項５記載の超音波探触子において、
   前記バッキング部材を収容する熱伝導部材で構成されたバッキングケースを含み、
   前記複数のウイングの内で少なくとも１つのウイングが折り曲げられて前記バッキングケースに接合され、
   前記バッキングケースが前記放熱構造体に接合された、
   ことを特徴とする超音波探触子。
8. 請求項３記載の超音波探触子において、
   前記排熱部材は前記超音波伝搬領域に対応する開口を有するブロック状の部材であり、
   前記バッキング部材は前記開口の中に収容された、
   ことを特徴とする超音波探触子。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超音波探触子において、
   前記放熱構造体は前記アレイ振動子及び前記電子回路基板を含む内部アセンブリを収容する熱伝導容器である、
   ことを特徴とする超音波探触子。
10. 請求項９記載の超音波探触子において、
    前記熱伝導容器は探触子ヘッドの外形を定めるプローブヘッドケースである、
    ことを特徴とする超音波探触子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の超音波探触子において、
    前記電子回路基板は表面上に前記電子回路が形成された半導体基板である、
    ことを特徴とする超音波探触子。

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