JP2017063383A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる超音波プローブを提供する。
【解決手段】超音波プローブは、超音波振動子２０と、フレキシブル基板とを備える。超音波振動子は、超音波が放射される第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面とを有する。フレキシブル基板は、第２の面側に設けられ、空洞３０が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、超音波プローブに関する。

超音波診断装置は、被検体内を超音波で走査することにより被検体内からの反射波を受信し、受信した反射波に基づいて、被検体の内部状態を画像化した超音波画像を生成する。例えば、超音波診断装置は、超音波プローブから被検体内に超音波を送信し、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超音波プローブで受信し、超音波プローブが受信した反射波に基づいて、超音波画像を生成する。

超音波診断装置等において用いられる超音波プローブとしては、例えば、複数の超音波振動子を配列して構成されるアレイ型超音波プローブが用いられる。近年では、特に、複数の超音波振動子を二次元状に配列して構成される二次元アレイプローブが登場し、この二次元アレイプローブによって、被検体の診断対象部位に対する三次元走査が可能となっている。

二次元アレイプローブは、チャンネル数が多い。このため、二次元アレイプローブでは、複数のチャンネルを１つのサブアレイとし、サブアレイごとに信号をまとめてケーブルの数を少なくするためのＩＣ（Integrated Circuit）が組み込まれている。ＩＣは、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）であり、整相加算によりサブアレイごとの信号をまとめる(サブ整相加算処理)。

このＩＣと超音波振動子とを接続する方法として、ＩＣの直上に超音波振動子を直接形成する方法、ＩＣのピッチ（間隔）と、超音波振動子のピッチとの違いを吸収するための基板（インターポーザー基板；以下、ＩＰ基板と略記する）を、ＩＣと超音波振動子との間に挿入する方法、フレキシブル基板（ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits））によりＩＣと超音波振動子とを接続する方法などがある。

特開平５−１２３３１７号公報 特開２０１４−１８３８５８号公報 特開２０１４−２２６４３１号公報 特開２０１４−０００１２２号公報

本発明が解決しようとする課題は、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる超音波プローブを提供することである。

実施形態の超音波プローブは、超音波振動子と、フレキシブル基板とを備える。超音波振動子は、超音波が放射される第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面とを有する。フレキシブル基板は、第２の面側に設けられ、空洞が形成されている。

図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成を説明するための図である。 図２は、第１の実施形態に係る超音波プローブが有する超音波探触子の断面図の一部である。 図３は、超音波振動子の面積、及び、空洞の面積の一例について説明するための図である。 図４は、超音波探触子のモデルの一例を示す図である。 図５Ａは、シミュレーション結果の一例を示す図である。 図５Ｂは、シミュレーション結果の一例を示す図である。 図５Ｃは、シミュレーション結果の一例を示す図である。 図５Ｄは、シミュレーション結果の一例を示す図である。 図６Ａは、第１の実施形態に係るフレキシブル基板の製造方法の一例について説明するための図である。 図６Ｂは、第１の実施形態に係るフレキシブル基板の製造方法の一例について説明するための図である。 図７は、第２の実施形態に係る超音波プローブが有する超音波探触子の断面図の一部である。 図８は、銅、及び、銅に接続された銅を音響放射面側から見た場合の形状を示す図である。 図９は、第２の実施形態に係るフレキシブル基板の平面図である。 図１０Ａは、第２の実施形態に係る超音波探触子の外観の模式図である。 図１０Ｂは、第２の実施形態に係る超音波探触子の断面図である。 図１１Ａは、１つ目のバリエーションを説明するための図である。 図１１Ｂは、２つ目のバリエーションを説明するための図である。 図１１Ｃは、３つ目のバリエーションを説明するための図である。 図１１Ｄは、４つ目のバリエーションを説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、超音波プローブの各実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る超音波プローブが適用された超音波診断装置の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置１００の構成を説明するための図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る超音波診断装置１００は、超音波プローブ１と、モニタ２と、入力装置３と、装置本体１０とを有する。

超音波プローブ１は、超音波を送信するとともに反射波を受信する超音波探触子（超音波トランスデューサー）を有する。超音波探触子は、複数の超音波振動子を有する。複数の超音波振動子は、後述する装置本体１０が有する送受信回路１１から供給される駆動信号に基づき超音波を発生する。そして、複数の超音波振動子は、被検体Ｐからの反射波を受信して、受信した反射波を電気信号に変換する。超音波プローブ１は、装置本体１０と着脱自在に接続される。

超音波プローブ１から被検体Ｐに超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波として超音波プローブ１が有する複数の超音波振動子にて受信される。反射波は、当該反射波を受信した超音波振動子で電気信号である反射波信号に変換される。反射波信号の振幅は、超音波が反射される不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。なお、送信された超音波パルスが、移動している血流や心臓壁等の表面で反射された場合の反射波信号は、ドプラ効果により、移動体の超音波送信方向に対する速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。

第１の実施形態では、超音波プローブ１が、２次元状に超音波振動子が配列されたリニア型の超音波プローブである場合について説明する。

モニタ２は、超音波診断装置１００の操作者が入力装置３を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、装置本体１０において生成された超音波画像等を表示したりする。

入力装置３は、トラックボール、スイッチ、ダイヤル、タッチコマンドスクリーン等を有する。入力装置３は、超音波診断装置１００の操作者からの各種設定要求を受け付け、装置本体１０に対して、受け付けた各種設定要求を転送する。例えば、入力装置３は、超音波プローブ１を制御するための各種設定要求を受け付けて、制御回路１７に転送する。

装置本体１０は、超音波プローブ１による超音波の送受信を制御して、超音波プローブ１が受信した反射波に基づいて超音波画像を生成する装置である。装置本体１０は、図１に示すように、送受信回路１１と、Ｂモード処理回路１２と、ドプラ処理回路１３と、画像生成回路１４と、画像記憶回路１５と、内部記憶回路１６と、制御回路１７とを有する。

送受信回路１１は、トリガ発生回路、遅延回路およびパルサ回路等を有し、超音波プローブ１に駆動信号を供給する。パルサ回路は、所定のレート周波数で、送信超音波を形成するためのレートパルスを繰り返し発生する。また、遅延回路は、超音波プローブ１から発生される超音波をビーム状に集束して送信指向性を決定するために必要な超音波振動子ごとの遅延時間を、パルサ回路が発生する各レートパルスに対し与える。また、トリガ発生回路は、レートパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ１に駆動信号（駆動パルス）を印加する。すなわち、遅延回路は、各レートパルスに対し与える遅延時間を変化させることで、超音波振動子面からの送信方向を任意に調整する。

また、送受信回路１１は、後述する制御回路１７の指示に基づいて、所定のスキャンシーケンスを実行するために、送信周波数、送信駆動電圧等を瞬時に変更可能な機能を有している。特に、送信駆動電圧の変更は、瞬間にその値を切り替え可能なリニアアンプ型の発信回路、または、複数の電源ユニットを電気的に切り替える機構によって実現される。

また、送受信回路１１は、アンプ回路、Ａ／Ｄ変換器、加算器等を有し、超音波プローブ１において発生した反射波信号に対して各種処理を行なって反射波データを生成する。アンプ回路は、反射波信号をチャンネルごとに増幅してゲイン補正処理を行なう。Ａ／Ｄ変換器は、ゲイン補正された反射波信号をＡ／Ｄ変換し、デジタルデータに受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与える。加算器は、Ａ／Ｄ変換器によって処理された反射波信号の加算処理を行なって反射波データを生成する。加算器の加算処理により、反射波信号の受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調される。このように、送受信回路１１は、超音波の送受信における送信指向性と受信指向性とを制御する。

Ｂモード処理回路１２は、送受信回路１１から反射波データを受信し、対数増幅、包絡線検波処理等を行なって、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成するプロセッサである。

ドプラ処理回路１３は、送受信回路１１から受信した反射波データから速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、平均速度、分散、パワー等の移動体情報を多点について抽出したデータ（ドプラデータ）を生成するプロセッサである。

画像生成回路１４は、Ｂモード処理回路１２及びドプラ処理回路１３が生成したデータから超音波画像を生成するプロセッサである。すなわち、画像生成回路１４は、Ｂモード処理回路１２が生成したＢモードデータから反射波の強度を輝度にて表したＢモード画像を生成する。また、画像生成回路１４は、ドプラ処理回路１３が生成したドプラデータから移動体情報を表す平均速度画像、分散画像、パワー画像、又は、これらの組み合わせ画像としてのカラードプラ画像を生成する。

画像記憶回路１５は、画像生成回路１４が生成した超音波画像を記憶するメモリである。また、画像記憶回路１５は、Ｂモード処理回路１２やドプラ処理回路１３が生成したデータを記憶することも可能である。画像記憶回路１５は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等により実現される。

内部記憶回路１６は、超音波送受信、画像処理及び表示処理を行なうためのプログラムや、診断情報（例えば、患者ＩＤ、医師の所見等）や、診断プロトコルや各種ボディーマーク等の各種データを記憶する。また、内部記憶回路１６は、必要に応じて、画像記憶回路１５が記憶する画像の保管等にも使用される。内部記憶回路１６は、例えば、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等により実現される。

制御回路１７は、情報処理装置（計算機）としての機能を実現する制御プロセッサであり、超音波診断装置１００の処理全体を制御する。具体的には、制御回路１７は、入力装置３を介して操作者から入力された各種設定要求や、内部記憶回路１６から読込んだ各種制御プログラム及び各種データに基づき、送受信回路１１、Ｂモード処理回路１２、ドプラ処理回路１３及び画像生成回路１４の処理を制御する。また、制御回路１７は、画像記憶回路１５が記憶する超音波画像や、内部記憶回路１６が記憶する各種画像、又は、画像生成回路１４による処理を行なうためのＧＵＩ、画像生成回路１４の処理結果等をモニタ２にて表示するように制御する。

上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（central preprocess unit）、ＧＰＵ(Graphics Processing Unit)、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。なお、内部記憶回路１６にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むように構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。

以上、第１の実施形態に係る超音波診断装置１００の全体構成について説明した。かかる構成のもと、第１の実施形態に係る超音波診断装置１００に適用された超音波プローブ１は、詳細を以下に説明するように、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

次に、図２を参照して、第１の実施形態に係る超音波プローブ１が有する超音波探触子の構成の一例について説明する。図２は、第１の実施形態に係る超音波プローブ１が有する超音波探触子の断面図の一部である。

図２に示すように、超音波探触子は、複数の超音波振動子２０と、フレキシブル基板（ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits））４２と、ＩＰ基板４３とを有する。

複数の超音波振動子２０は、２次元状に配列されている。超音波振動子２０は、音響整合層２１と、圧電体２２と、中間層２３とを有する。

音響整合層２１は、少なくとも１層以上の音響整合層を含む。音響整合層２１は、圧電体２２から放射される超音波が効率よく被検体Ｐ内に入射されるように、圧電体２２と被検体Ｐとの間の音響インピーダンスの不整合を緩和する。音響整合層２１は、圧電体２２の音響放射面（圧電体２２の超音波を放射する面）側に設けられている。

圧電体２２は、圧電性を有する。例えば、圧電体２２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛／Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛／Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）等の圧電素子である。

圧電体２２は、後述のＩＰ基板４３に接続された駆動回路からの駆動信号によって駆動されて、音響放射面から超音波を放射する。また、圧電体２２は、反射波を受信すると、受信した反射波を反射波信号（電圧信号）に変換し、変換した反射波信号を中間層２３を介して電極パッド２５に出力する。圧電体２２の音響放射面とは反対側には、中間層２３が設けられている。

中間層２３は、圧電体２２よりも十分に高い音響インピーダンスをもつように選定する。そのため、フレキシブル基板４２の超音波振動子２０の振動特性への影響をおさえることができる。

中間層２３は、超音波振動子２０の底部であり、超音波振動子２０が配列される土台となるフレキシブル基板４２上に形成された電極パッド２５に、電気的及び音響的に接続されている。

電極パッド２５は、超音波振動子２０の超音波が放射される面とは反対側の面と、フレキシブル基板４２とを接続する電極である。電極パッド２５から延びる信号線は、スルーホールなどのフレキシブル基板４２内配線によって、電極パッド２５の直下から引き出される。

中間層２３とフレキシブル基板４２とは接着樹脂２４により接着される。本実施形態に係るフレキシブル基板４２は、いわゆるフレキシブル基板が積層化された基板である。フレキシブル基板４２には、フレキシブル基板３６と、フレキシブル基板３３と、フレキシブル基板２９と、フレキシブル基板２６とが、この順で積層されている。

フレキシブル基板２６は、絶縁基材として、例えば、ポリイミドが用いられた基板である。図２に示すように、フレキシブル基板２６の厚みＬ１は、超音波振動子２０の音響放射面から放射される超音波の中心周波数から算定する波長をλとすると、例えば、λ／６０以上λ／１０以下程度である。例えば、超音波振動子２０の音響放射面から放射される超音波がフレキシブル基板２６内を伝わるときの音速が２２００ｍ／ｓであり、中心周波数が４ＭＨｚである場合には、厚みＬ１は、１０μｍ〜５０μｍ程度である。厚みＬ１が大きすぎると、そもそも後述する空洞３０による効果が薄れてしまうからである。図２の例に示すように、フレキシブル基板２６には、超音波振動子２０のピッチで、スルーホールにより電極パッド２５が形成されている。

フレキシブル基板２６と、フレキシブル基板２９とは、接着樹脂２８により接着される。フレキシブル基板２９は、所定の厚みを有する片面フレキシブル基板である。フレキシブル基板２９は、例えば、片面に銅が形成されたフレキシブル基板である。このフレキシブル基板２９は、絶縁基材として、例えば、ポリイミドが用いられている。超音波振動子２０の直下の部分には、銅メッキにより内面がメッキされた空洞３０が存在し、そのメッキ銅２７は、メッキ工程において電極パッド２５に接続される。なお、ここでいうメッキ銅とは、銅メッキにより形成された銅の薄膜を指す。以下の説明では、メッキ銅２７を単に銅２７と表記する。

そして、超音波振動子２０ごとに、銅２７と、銅２７に接着されたフレキシブル基板３３とによって空洞３０が、超音波振動子２０の直下に形成される。すなわち、複数の超音波振動子２０のそれぞれに対応する空洞３０が形成される。符号３１は、フレキシブル基板２９とフレキシブル基板３３を接着するために使用される接着剤を指す。空洞３０は、超音波振動子２０から背面側に放射される超音波を遮断する機能を有する。また、空洞３０は、この超音波を散乱させる機能も有する。なお、ここでいう背面とは、超音波振動子２０の音響放射面とは反対側の面を指す。

ここで、超音波振動子から背面側に放射される超音波が、フレキシブル基板を介して、ＩＰ基板やＩＰ基板に接続された、駆動回路としての機能を有するＡＳＩＣなどが形成されたシリコン単結晶基板である駆動回路基板に放射された場合について説明する。この場合には、ＩＰ基板や駆動回路基板は、音響的な特性（音響減衰特性）については考慮されずに製造されているため、ＩＰ基板や駆動回路基板に放射された超音波によるＩＰ基板や駆動回路基板の振動は、長時間にわたり継続される。そして、ＩＰ基板や駆動回路基板の振動は、長時間にわたりフレキシブル基板を介して超音波振動子に伝搬する。振動により超音波振動子の音響ノイズが増加し、Ｓ／Ｎ比が低くなる。すなわち、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。

一方、本実施形態に係る超音波プローブ１によれば、上述したように、ＩＰ基板４３やＩＰ基板４３に接続された駆動回路基板へ向かう超音波を空洞３０により遮断したり、散乱したりする。したがって、超音波によるＩＰ基板４３や駆動回路基板の振動の発生が抑制される。ＩＰ基板４３や駆動回路基板の振動の発生が抑制されると、超音波振動子２０に伝搬される振動の発生も抑制される。超音波振動子２０に伝搬される振動の発生が抑制されると、振動による超音波振動子２０の音響ノイズの増加が抑制される。すなわち、本実施形態に係る超音波プローブ１によれば、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

ここで、空洞３０の厚みＴＨは、ある程度大きいほうがよい。空洞３０の厚みＴＨが極端に薄いと、かえって不要な振動の発生の要因となり得る。例えば、空洞の厚みＴＨは、λ／６０以上である。例えば、超音波振動子２０の音響放射面から放射される超音波がフレキシブル基板４２内を伝わるときの音速が２２００ｍ／ｓであり、中心周波数が４ＭＨｚである場合には、厚みＴＨは、１０μｍ以上である。このように、空洞３０の大きさは、λに応じた大きさとなる。

フレキシブル基板２９と、フレキシブル基板３３とは、接着樹脂３１により接着される。フレキシブル基板３３は、フレキシブル基板２９と同様の片面フレキシブル基板である。このフレキシブル基板３３は、絶縁基材として、例えば、ポリイミドが用いられている。空洞３０の脇の、銅２７の直下には、銅メッキにより、銅３４が形成されている。銅３４は、銅２７に接続されている。

フレキシブル基板３３と、フレキシブル基板３６とは、接着樹脂３５により接着される。フレキシブル基板３６は、フレキシブル基板２９やフレキシブル基板３３と同様の片面フレキシブル基板である。このフレキシブル基板３６は、絶縁基材として、例えば、ポリイミドが用いられている。フレキシブル基板３６の超音波振動子２０の直下の部分には、銅メッキにより、銅３７が形成されている。銅３７は、銅３４に接続されている。銅３７は、後述する金バンプ３９を介して、ＩＰ基板４３の後述する表面電極４０と接続される。このように、銅３７は、背面側の電極としての機能を有するため、背面電極とも称される。そこで、以下、銅３７を背面電極３７と表記する。

ＩＰ基板４３は、基板４１を有する。フレキシブル基板４２の背面電極３７に対向する基板４１の位置には、表面電極４０が形成されている。背面電極３７と表面電極４０とは、金バンプ３９によって電気的に接続される。なお、背面電極３７と表面電極４０との接続方法は、金バンプ３９に限られない。背面電極３７と表面電極４０とは、導電性接着剤などにより接続されてもよい。

ＩＰ基板４３の表面電極４０に接続された信号線は、上述したＡＳＩＣにより実現される駆動回路と接続される。駆動回路は、超音波振動子２０と各種の信号の送受信を行う。例えば、駆動回路は、装置本体１０から送信された駆動信号を受信すると、受信した駆動信号を、ＩＰ基板４３の信号線及び表面電極４０、金バンプ３９、並びに、フレキシブル基板４２の背面電極３７、銅３４、銅２７及び電極パッド２５を介して、駆動対象の超音波振動子２０に対して送信する。すなわち、駆動回路は、超音波送信用の駆動信号を超音波振動子２０に供給する。これにより、超音波振動子２０が駆動されて超音波が放射される。ここで、背面電極３７、銅３４及び銅２７は、電極パッド２５に接続された信号線を構成する。

また、駆動回路は、複数の超音波振動子２０から出力された反射波信号を、電極パッド２５、電極パッド２５に接続された信号線（背面電極３７、銅３４及び銅２７により構成される信号線）、金バンプ３９、表面電極４０、及び、表面電極４０に接続された信号線を介して受信すると、受信した反射波信号に対して公知の整相加算処理を施して、整相加算処理が施された反射波信号を装置本体１０の送受信回路１１に送信する。

ここで、空洞３０の背面側の面からフレキシブル基板４２の背面までの厚さＬ３と、空洞３０の超音波振動子２０側の面からフレキシブル基板４２の超音波振動子２０側の面までの厚さＬ２との関係について説明する。例えば、厚さＬ３は、λ／１０以上である。例えば、超音波振動子２０の音響放射面から放射される超音波がフレキシブル基板４２内を伝わるときの音速が２２００ｍ／ｓであり、中心周波数が４ＭＨｚである場合には、厚さＬ３は、５０μｍ以上である。また、厚さＬ３は、厚さＬ２よりも大きい。すなわち、空洞３０は、フレキシブル基板４２の厚み方向の中心よりも超音波振動子２０側に形成される。これにより、フレキシブル基板４２が、ある程度以上の機械的強度を有することとなる。

次に、本実施形態に係る超音波プローブ１の超音波振動子２０の面積に対する空洞３０の面積の割合の一例について説明する。図３は、超音波振動子２０の面積、及び、空洞３０の面積の一例について説明するための図である。図４は、超音波探触子のモデルの一例を示す図である。ここで、超音波振動子２０の面積とは、図３の例に示すように、音響放射面側から見たときの超音波振動子２０の外形によって定まる面積を指し、また、空洞３０の面積とは、同様に、音響放射面側から見たときの空洞３０の外形によって定まる面積を指す。

まず、図４の例に示す超音波探触子のモデルについて説明すると、このモデルは、超音波振動子のモデル５１と、フレキシブル基板のモデル５２と、ＩＰ基板のモデル５３とを有する。超音波振動子のモデル５１の音響放射面側には、ＧＮＤ引き出し電極層および音響レンズ等のモデル５０が設けられている。また、フレキシブル基板のモデル５２と、ＩＰ基板のモデル５３とは、背面電極のモデル３７ａ、金バンプのモデル３９ａ及び４０ａを介して接続されている。なお、図４の例に示すモデルでは、ＩＰ基板の表面電極のモデルは省略している。

超音波振動子のモデル５１は、音響整合層のモデル２１ａと、圧電体のモデル２２ａと、中間層のモデル２３ａとを有する。また、フレキシブル基板のモデル５２は、空洞３０ａが形成されたモデルである。

図４の例に示す超音波探触子のモデルを用いて、超音波振動子のモデル５１の面積に対する空洞のモデル３０ａの面積の割合を様々に変えながら、ＩＰ基板のモデル５３に伝搬する振動のエネルギーを計算するシミュレーションを行ったところ、超音波振動子のモデル５１の面積に対する空洞のモデル３０ａの面積の割合が０．１（１０％）未満では、ＩＰ基板のモデル５３に伝搬する振動のエネルギーは、超音波振動子のモデル５１の面積に対する空洞のモデル３０ａの面積の割合が０（０％）の場合とほぼ変わらなかった。

一方で、超音波振動子のモデル５１の面積に対する空洞のモデル３０ａの面積の割合が０．１（１０％）以上になると、超音波振動子のモデル５１の面積に対する空洞のモデル３０ａの面積の割合が０（０％）の場合よりも、ＩＰ基板のモデル５３に伝搬する振動のエネルギーの減少が有意に見え始め、超音波振動子のモデル５１の面積に対する空洞のモデル３０ａの面積の割合が０．４（４０％）以上になると、さらに減少する結果であった。したがって、このシミュレーションからは、超音波振動子２０の面積に対する空洞３０の面積の割合は、０．１（１０％）以上が好ましく、さらに、０．４（４０％）以上が特に好ましいことが分かる。

図５Ａ〜図５Ｄは、このシミュレーション結果の一例である。

図５Ａは、超音波振動子のモデル５１の１素子における方位方向の幅が１６０μｍであり、１つの空洞のモデル３０ａの方位方向の幅が０、すなわち、空洞がない場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。図５Ａの例において、横軸は時間（１０［マイクロ秒］）を表し、縦軸は、音圧（１０^４［Ｐａ］）を表す。図５Ａの例に示すように、音圧は、最大４．００×１０^４［Ｐａ］となる。

図５Ｂは、超音波振動子のモデル５１の１素子における方位方向の幅が１６０μｍであり、１つの空洞モデル３０ａの方位方向の幅が５０μｍである場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。図５Ｂの例において、横軸は時間（１０［マイクロ秒］）を表し、縦軸は、音圧（１０^４［Ｐａ］）を表す。図５Ｂの例に示すように、音圧は、最大１．５×１０^４［Ｐａ］となる。よって、図５Ｂに示すシミュレーション結果から、空洞３０の方位方向の幅が、超音波振動子２０の方位方向の幅の３分の１程度になると、音圧が半分程度になる。なお、音響エネルギーとしては、この２乗のオーダーで低減する。

図５Ｃは、超音波振動子のモデル５１の１素子における方位方向の幅が１６０μｍであり、１つの空洞モデル３０ａの方位方向の幅が１００μｍである場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。図５Ｃの例において、横軸は時間（１０［マイクロ秒］）を表し、縦軸は、音圧（１０^４［Ｐａ］）を表す。図５Ｃの例に示すように、音圧は、最大１．０×１０^４［Ｐａ］となる。よって、図５Ｃに示すシミュレーション結果から、空洞３０の方位方向の幅が、超音波振動子２０の方位方向の幅の８分の５程度になると、音圧が４分の１程度になる。

図５Ｄは、超音波振動子のモデル５１の１素子における方位方向の幅が１６０μｍであり、１つの空洞モデル３０ａの方位方向の幅が１６０μｍである場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。図５Ｄの例において、横軸は時間（１０［マイクロ秒］）を表し、縦軸は、図５Ａ〜図５Ｃとは異なり、音圧（１０^３［Ｐａ］）を表す。図５Ｄの例に示すように、音圧は、最大４．０×１０^３［Ｐａ］となる。よって、図５Ｄに示すシミュレーション結果から、空洞３０の方位方向の幅が、超音波振動子２０の方位方向と同程度になると、音圧が１０分の１程度になる。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、第１の実施形態に係る超音波プローブ１のフレキシブル基板４２の製造方法の一例について説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、第１の実施形態に係るフレキシブル基板４２の製造方法の一例について説明するための図である。

図６Ａの例に示すように、工程１では、フレキシブル基板２６に、超音波振動子２０のピッチで、スルーホールにより電極パッド２５を形成する。ここで、電極パッド２５の背面側の部分は、銅２７と接続されるランドとなる。そして、工程２では、電極パッド２５が形成されたフレキシブル基板２６と、フレキシブル基板２９とを、接着樹脂２８により接着する。なお、フレキシブル基板２６は、片面に銅２９ａが形成された片面フレキシブル基板である。

そして、工程３では、電極バッド２５の直下の銅２９ａの部分を除去する。そして、工程４では、レーザーなどで、上述した電極パッド２５のランドまで穴をあけて、仮に、銅メッキにより銅が形成された場合に、形成された銅が、確実に電極パッド２５と導通するように、レーザーなどで領域を確保する。

そして、工程５では、ポリイミドエッチングを行い、空洞が形成される領域のポリイミドを排除する。そして、工程６では、銅メッキを行って、電極パッド２５と接続し、かつ、銅２９ａを覆うように、銅２７を形成する。

そして、工程７では、片面に銅３３ａが形成されたフレキシブル基板３３の銅３３ａが形成された面とは逆側の面に、接着樹脂３１を設ける。そして、工程８では、フレキシブル基板２９と、フレキシブル基板３３とを、接着樹脂３１により接着する。この結果、銅２７とフレキシブル基板３３とによって空洞３０が、超音波振動子２０の直下に形成される。

そして、図６Ｂの例に示すように、工程９では、空洞３０の脇の銅２７の直下の銅３３ａの部分などをエッチングし、スルーホール領域を作成する。そして、工程１０では、空洞３０の脇に形成した銅２７のランドまで、レーザーなどで穴をあける。

そして、工程１１では、銅メッキを行って、銅２７と接続し、かつ、銅３３ａを覆うように銅３４を形成する。そして、工程１２では、フレキシブル基板３３と、片面に銅３６ａが形成されたフレキシブル基板３６の銅３６ａが形成された面とは逆側の面とを接着樹脂３５により接着する。

そして、工程１３では、電極パッド２５の直下の銅３６ａの部分などをエッチングし、スルーホール領域を作成する。そして、工程１４では、レーザーなどでポリイミドを除去し、銅３４のランドまでの穴をあける。そして、工程１５では、銅メッキを行って、銅３４と接続し、かつ、銅３６ａを覆うように背面電極３７を形成する。

ここで、例えば、超音波探触子において、フレキシブル基板に空洞を形成するのではなく、各超音波振動子を基板から浮かせるように、超音波振動子間に設けられた高分子材料が超音波振動子を保持するようなことが考えられる。これにより、超音波振動子と基板との間に空隙ができる。しかしながら、この場合には、高分子材料が、超音波振動子間のクロスロークの発生の原因となり得る。そのため、超音波ビームの指向性が劣化する。

また、このような超音波探触子の製造方法について考えられる一例を説明する。例えば、振動子板に形成した電極層に対して樹脂板を張り付け、振動子板と電極層を貫いて樹脂板に到達する深さまでマトリクス状に切り込んで、溝を形成する。この結果、超音波振動子と電極層が完全に切断され、２次元に配列された超音波振動子と電極層とが形成される。そして、溝に、高分子材料を充填する。そして、超音波振動子、電極層及び高分子材料から構成されるアセンブリから樹脂板を剥離し、樹脂板が剥離されたアセンブリにおける高分子材料を基板に接続する。これにより、超音波振動子が基板から浮くように、高分子材料が超音波振動子を保持する。しかしながら、このような製造方法では、上述のアセンブリから樹脂板を剥離するなどの実現が困難な工程が存在するため、簡易に超音波探触子を製造することができない。

一方、本実施形態に係る超音波プローブ１によれば、超音波振動子２０を支えるフレキシブル基板４２内に空洞３０を形成するので、超音波振動子２０間には、高分子材料が充填されることなく、隙間が形成される。そのため、超音波振動子２０間のクロストークの発生が抑制される。よって、本実施形態に係る超音波プローブ１によれば、超音波ビームの指向性の劣化を抑制しつつ、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、空洞３０が形成されたフレキシブル基板４２上に、電極層が形成された振動子板を張り付け、振動子板及び電極層をマトリクス状に切り込むだけで、樹脂板を剥離するなどの実現が困難な工程を行うことなく、超音波探触子を製造することができる。

以上、第１の実施形態に係る超音波プローブ１について説明した。第１の実施形態に係る超音波プローブ１によれば、上述したように、空洞３０により、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

（第２の実施形態）
ここで、第１の実施形態では、超音波プローブ１が、２次元状に超音波振動子が配列されたリニア型の超音波プローブである場合について説明した。しかしながら、超音波プローブは、これに限られない。例えば、超音波プローブは、２次元状に超音波振動子が配列されたコンベックス型の超音波プローブであってもよい。そこで、超音波プローブが、２次元状に超音波振動子が配列されたコンベックス型の超音波プローブである実施形態を、第２の実施形態として説明する。以下、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

図７を参照して、第２の実施形態に係る超音波プローブが有する超音波探触子の構成の一例について説明する。図７は、第２の実施形態に係る超音波プローブが有する超音波探触子の断面図の一部である。フレキシブル基板７０は、フレキシブル基板２６と、フレキシブル基板２９と、フレキシブル基板３３と、フレキシブル基板３６とを有する。

図７の例において、超音波振動子２０、音響整合層２１、圧電体２２、中間層２３、接着樹脂２４、電極パッド２５、フレキシブル基板２６、銅２７、接着樹脂２８、フレキシブル基板２９、空洞３０、接着樹脂３１、フレキシブル基板３３、銅３３ａ、フレキシブル基板３６、及び、銅３６ａについては、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図７の例に示す３つの銅２７のうち、中央の銅２７に接続し、かつ、銅３３ａを覆うように銅３４ａが形成されている。銅３４ａは、信号線として、フレキシブル基板７０の端部に引き出されるように延びている。この銅３４ａは、後述する電極パッド２６（図９）に接続されている。

図７の例に示す３つの銅２７のうち、右側の銅２７に接続し、かつ、銅３６ａを覆うように銅３４ｂが形成されている。銅３４ｂは、信号線として、フレキシブル基板７０の端部に引き出されるように延びている。この銅３４ｂは、後述する電極パッド２６（図９）に接続されている。

図８は、銅２８、及び、銅２７に接続された銅３４ａを音響放射面側から見た場合の形状を示す図である。図８の例に示すように、銅２７は、円形の形状を成しており、その結果、内部に形成される空洞３０の形状も円形となっている。また、銅３４ａの端部側の部分は、後述する電極パッド２６（図９）との電気的な接続が確実なものとなるように、他の部分と比べて面積が大きくなっているとともに厚みが大きくなっている。

図９は、第２の実施形態に係るフレキシブル基板７０の平面図である。フレキシブル基板７０は、複数の超音波振動子２０が配列される配列面８０と、駆動回路に接続される接続面８１とを有する。

配列面８０には、超音波振動子２０と接続する電極パッド２５が形成されている。電極パッド２５には、信号線７１の一端が接続されている。

接続面８１には、上述した駆動回路と接続する電極パッド２６が形成されている。電極パッド２６には、信号線７１の他端が接続されている。

図１０Ａは、第２の実施形態に係る超音波探触子の外観の模式図である。第２の実施形態では、コンベックス形状のベース部材９０の上面に、フレキシブル基板７０の配列面８０が張り付けられる。この面８０の複数の電極パッド２５のそれぞれには、複数の超音波振動子２０のそれぞれが接続される。すなわち、ベース部材９０の湾曲面上には、複数の超音波振動子２０が２次元状に配列される。そして、図９の例に示す破線で配列面８０に対して接続面８１を折り曲げて、接続面８１に形成された電極パッド２６を駆動回路９１に接続する。これにより、駆動回路９１と超音波振動子２０とが電気的に接続される。

ここで、例えば、超音波プローブがコンベックス型である場合に、超音波振動子の直下に駆動回路を配置するときには、超音波振動子が湾曲面上に配列されていることを考慮すると、駆動回路の形状を変形させることが考えられる。しかしながら、ＡＳＩＣなどで実現される駆動回路の形状を変形させることは、困難である。

しかしながら、本実施形態に係る超音波プローブによれば、信号線がフレキシブル基板７０の端部に引き出されているので、駆動回路の形状を変形させることなく、駆動回路と超音波振動子２０とを接続することができる。

また、ベース部材９０をアルミとすることで、超音波振動子２０が発する熱を拡散することもできる。

図１０Ｂは、第２の実施形態に係る超音波探触子の断面図である。図１０Ｂの例に示すように、ベース部材９０の上面は、湾曲面であり、この上面に２次元状に超音波振動子２０が配列されている。また、各超音波振動子２０の直下には、空洞３０が形成されているため、熱拡散のために金属ベース部材を採用しても、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

また、本実施形態に係る超音波プローブによれば、空洞３０が形成されたフレキシブル基板７０の配列面８０をベース部材９０の上面に張り付けて、配列面８０の電極パッド２５に超音波振動子２０を接続し、図９の例に示す破線で配列面８０に対して接続面８１を折り曲げて、接続面８１に形成された電極パッド２６を駆動回路９１に接続するという簡易な方法で、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制しつつ、駆動回路と超音波振動子２０とが接続された超音波探触子を製造することができる。これは、空洞３０が、形状を変形することができるフレキシブル基板７０内に設けられているからである。

以上、第２の実施形態に係る超音波プローブについて説明した。第２の実施形態に係る超音波プローブによれば、上述したように、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態及び第２の実施形態では、超音波振動子２０のそれぞれに対応する空洞３０が形成されている場合について説明したが、空洞３０の大きさや超音波振動子２０に対する空洞３０の位置や数には、様々なバリエーションがある。そこで、図１１Ａ〜図１１Ｄを参照して、バリエーションについて説明する。

図１１Ａは、１つ目のバリエーションを説明するための図である。図１１Ａの例には、超音波振動子２０の音響放射面側から見た超音波振動子２０と、空洞３０との位置関係の一例が示されている。図１１Ａの例では、超音波振動子２０の直下に１つの空洞３０が形成されている場合が示されている。図１１Ａの例の場合には、各超音波振動子２０に対して大きさが同じ１つの空洞３０を形成するだけなので、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制できる超音波探触子を簡易に製造することができる。

図１１Ｂは、２つ目のバリエーションを説明するための図である。図１１Ｂの例には、超音波振動子２０の音響放射面側から見た超音波振動子２０と、空洞３０との位置関係の一例が示されている。図１１Ｂの例では、超音波振動子２０の直下に４つの空洞３０が形成されている場合が示されている。４つの空洞３０のうち、２つの空洞３０は、その外形の一部が、超音波振動子２０の外形からはみ出している。図１１Ｂの例の場合は、図１１Ａに示すほどの大きな空洞３０を形成することができない場合に、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制できる超音波探触子を製造することができる。

図１１Ｃは、３つ目のバリエーションを説明するための図である。図１１Ｃの例には、超音波振動子２０の音響放射面側から見た超音波振動子２０と、空洞３０との位置関係の一例が示されている。図１１Ｃの例では、４つの超音波振動子２０の直下にまたがって１つの空洞３０が形成されている場合が示されている。すなわち、図１１Ｃの例では、１つの空洞３０が、４つの超音波振動子２０に対応して形成されている。図１１Ｃの場合には、超音波振動子２０ごとに空洞３０を形成しなくてすむので、ＦＰＣの製造精度を緩めたり、工程を簡略化(歩留まり向上)することができる。なお、１つの空洞３０が、直下にまたがる超音波振動子２０の数は、４つに限られず、４つ以外の複数であってもよい。

図１１Ｄは、４つ目のバリエーションを説明するための図である。図１１Ｄの例には、超音波振動子２０の音響放射面側から見た超音波振動子２０と、空洞３０との位置関係の一例が示されている。図１１Ｄの例では、均等な間隔で配置された超音波振動子２０に対して、ランダムに空洞３０が形成される。そのため、超音波振動子２０を配置する際に、配置に関する制約が少ないため、簡易に超音波振動子２０を配置することができる。その結果、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制できる超音波探触子を簡易に製造することができる。なお、図１１Ｄの例においても、図１１Ｃの例と同様に、１つの空洞３０ｂが、複数（図１１Ｄの例では２つ）の超音波振動子２０に対応して形成されている。

以上、第３の実施形態に係る超音波プローブについて説明した。第３の実施形態に係る超音波プローブによれば、上述したように、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

なお、第１の実施形態〜第３の実施形態では、超音波振動子２０が２次元状に配列されている場合を例に挙げて説明したが、超音波振動子２０は、１次元状に配列されてもよい。

また、第１の実施形態〜第３の実施形態では、超音波振動子２０の直下に空洞３０が形成されている場合を例に挙げて説明したが、空洞３０は、空洞３０が形成されていない場合に比べて、少しでもＩＰ基板４３や駆動回路基板に伝わる振動が少なくなるのであれば、超音波振動子２０の直下に形成されていなくてもよい。

また、第１の実施形態〜第３の実施形態では、全ての超音波振動子２０の直下に空洞３０が形成されている場合を例に挙げて説明したが、少なくとも１つの超音波振動子２０の直下に空洞３０が形成されていればよい。

以上述べた少なくとも１つの実施形態の超音波プローブによれば、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 超音波プローブ
２０ 超音波振動子
３０ 空洞

Claims (9)

1. 超音波が放射される第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有する超音波振動子と、
   前記第２の面側に設けられ、空洞が形成されたフレキシブル基板と、
   を備える、超音波プローブ。
2. 前記空洞は、前記フレキシブル基板の厚み方向の中心よりも前記超音波振動子側に形成されている、請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記空洞の大きさは、前記第１の面から放射される超音波の波長に応じた大きさである、請求項１又は２に記載の超音波プローブ。
4. 前記超音波振動子が複数配列され、
   前記フレキシブル基板は、複数の前記超音波振動子のそれぞれに対応する前記空洞が少なくとも１つは形成されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
5. １つの前記空洞が、複数の前記超音波振動子に対応して形成されている、請求項４に記載の超音波プローブ。
6. 前記超音波振動子の前記第２の面と前記フレキシブル基板とを接続する電極に接続された信号線が、前記フレキシブル基板の前記超音波振動子側の面とは反対側の面に引き出されて、当該信号線に、前記超音波振動子を駆動させて当該超音波振動子から超音波を放射させる回路が接続される、請求項４又は５に記載の超音波プローブ。
7. 前記超音波振動子の前記第２の面と前記フレキシブル基板とを接続する電極に接続された信号線が、前記フレキシブル基板の端部に引き出されて、当該信号線に、前記超音波振動子を駆動させて当該超音波振動子から超音波を放射させる回路が接続される、請求項４又は５に記載の超音波プローブ。
8. 前記複数の超音波振動子が、湾曲面上に配列されている、請求項７に記載の超音波プローブ。
9. 前記複数の超音波振動子が、二次元状に配列されている、請求項４〜８のいずれか１つに記載の超音波プローブ。

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