JP2017104203A - Ultrasonic probe - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被検体(生体)に対して、超音波送受信部である圧電振動子から超音波の送受信を行い、圧電振動子をリニア方向に走査して被検体の超音波診断のための2次元データの取り込みを行うリニア走査型の超音波探触子に係り、とくに、圧電振動子から発生する熱を超音波探触子の外部に効率よく逃がして放熱するようにした超音波探触子に関する。 The present invention performs ultrasonic transmission / reception with respect to a subject (living body) from a piezoelectric vibrator, which is an ultrasonic transmission / reception unit, and scans the piezoelectric vibrator in a linear direction for ultrasonic diagnosis of the subject. This invention relates to a linear scanning ultrasonic probe that takes in dimensional data, and in particular, an ultrasonic probe that efficiently releases heat generated by a piezoelectric transducer to the outside of the ultrasonic probe. About.
従来の超音波探触子では、超音波探触子の使用時に、圧電振動子等から発生する熱を効率良く冷却するために、熱発生源の周囲に外壁を、また、外壁と熱発生源との間に内壁を設け、外壁と内壁とにより囲まれる流動空間に、熱発生源から発生される熱を伝導して放熱するための熱伝導媒体が収容されているものがあった(特許文献1参照)。 In the conventional ultrasonic probe, when the ultrasonic probe is used, in order to efficiently cool the heat generated from the piezoelectric vibrator, an outer wall is formed around the heat generation source, and the outer wall and the heat generation source are also used. The inner wall is provided between the inner wall and the flow space surrounded by the outer wall and the inner wall contains a heat conducting medium for conducting and radiating heat generated from the heat generation source (Patent Document). 1).
また、プローブヘッド内に、2Dアレイ振動子と共に電子回路を有する超音波プローブにおいて、電子回路で生じた熱を効果的に放熱するために、2Dアレイ振動子と電子回路との間に中継基板として機能するインターポーザを設け、このインターポーザがシグナル接続用のビアアレイと水平方向に広がる熱拡散層とを有し、各ビアから熱拡散層への熱伝導により放熱を行うものがあった(特許文献2参照)。 Further, in an ultrasonic probe having an electronic circuit together with a 2D array transducer in the probe head, as a relay substrate between the 2D array transducer and the electronic circuit in order to effectively dissipate heat generated in the electronic circuit. A functioning interposer is provided, and this interposer has a via array for signal connection and a heat diffusion layer extending in the horizontal direction, and radiates heat by heat conduction from each via to the heat diffusion layer (see Patent Document 2). ).
さらに、図3に示すように、超音波探触子の駆動時に発生する熱を伝搬、放熱させるために、超音波探触子を、両主面に共通電極22aとフレキシブルプリント基板23に導出される信号電極22bが形成された超音波発生用の圧電振動子21と、この圧電振動子21の一方の主面側に形成された音響整合層24と、圧電振動子21の他方の主面側に取り付けられたバッキング材25と、このバッキング材25を保持する金属製放熱用基台26と、この放熱用基台26と圧電振動子21の一方の主面側の電極とを接続する導電性薄膜27と、圧電振動子21を収納するケース29と、からなる探触子本体20から構成し、放熱用基台26にケース29と固定台28を介して熱伝導部材30を接続し、この熱伝導部材30を介して探触子本体20が収納されるケース29から、電熱線31と導電ケーブル32とを経て、探触子本体20の外部へ放熱するようなっていた(特許文献3参照)。 Further, as shown in FIG. 3, in order to propagate and dissipate heat generated when the ultrasonic probe is driven, the ultrasonic probe is led to the common electrode 22a and the flexible printed circuit board 23 on both main surfaces. A piezoelectric vibrator 21 for generating ultrasonic waves on which a signal electrode 22b is formed, an acoustic matching layer 24 formed on one main surface side of the piezoelectric vibrator 21, and the other main surface side of the piezoelectric vibrator 21 A backing material 25 attached to the metal base, a metal heat radiation base 26 for holding the backing material 25, and a conductive material for connecting the heat radiation base 26 and an electrode on one main surface side of the piezoelectric vibrator 21. The probe main body 20 is composed of a thin film 27 and a case 29 that houses the piezoelectric vibrator 21, and a heat conducting member 30 is connected to the heat radiating base 26 via the case 29 and the fixing base 28. The probe body 2 through the heat conducting member 30 There from the case 29 to be stored, via the heating wire 31 and the conductive cable 32, was supposed to be radiated to the outside of the probe body 20 (see Patent Document 3).
しかしながら、前述したような従来の超音波探触子の放熱構造では、圧電振動子の背面部から放熱を行う構成になっているものの、圧電振動子に放熱部材を接続して、直接放熱を行う構成になっておらず、間接的に金属製の放熱用基台を介して熱伝導部材に接続され、伝熱線と導電ケーブルにより超音波探触子の外部へ放熱されるようになっていた。そのため、圧電振動子から放熱が間接的に行われていたので、充分な放熱が行われず、圧電振動子の表面温度の上昇の要因となっていた。 However, although the conventional ultrasonic probe heat dissipation structure as described above is configured to radiate heat from the back surface of the piezoelectric vibrator, a heat radiating member is connected to the piezoelectric vibrator to directly radiate heat. It is not configured, but is indirectly connected to the heat conducting member via a metal heat radiating base, and is radiated to the outside of the ultrasonic probe by a heat transfer wire and a conductive cable. For this reason, since heat is indirectly radiated from the piezoelectric vibrator, sufficient heat is not radiated, which causes an increase in the surface temperature of the piezoelectric vibrator.
本発明の超音波探触子は、このような従来の超音波探触子が有する問題点を解決するためになされたもので、探触子本体の内部に設けられたバッキング材、バッキング台及び高熱伝導率を有する材料からなる基台の外側側面部に高熱伝導率を有する材料からなる第1のテープを接続し、さらに、該第1のテープを前記内部に設けた高熱伝導率を有する材料からなる基台に接続し、さらに該基台に立設したフレキシブルプリント基板の外側側面部に形成されたエポキシ樹脂層の外側側面部に高熱伝導率を有する材料からなる第2のテープを貼着して、前記探触子本体の外部に延出して、前記探触子本体の内部と外部とでフレームグランドとして機能するように前記第1のテープ、前記基台及び第2のテープを順次接続して前記圧電振動子からの熱を前記探触子本体の外部に放熱して超音波探触子の表面温度を低減させることを特徴とする。 The ultrasonic probe of the present invention was made in order to solve the problems of such a conventional ultrasonic probe, and is provided with a backing material, a backing table, and a base provided inside the probe body. A material having a high thermal conductivity in which a first tape made of a material having a high thermal conductivity is connected to an outer side surface portion of a base made of a material having a high thermal conductivity, and the first tape is provided inside the base. A second tape made of a material having high thermal conductivity is attached to the outer side surface portion of the epoxy resin layer formed on the outer side surface portion of the flexible printed board standing on the base. Then, the first tape, the base and the second tape are sequentially connected so as to extend to the outside of the probe body and function as a frame ground between the inside and outside of the probe body. From the piezoelectric vibrator The then radiated to the outside of the probe body, characterized in that to reduce the surface temperature of the ultrasonic probe.
また、本発明の超音波探触子では、前記高熱伝導率を有する材料からなる第1及び第2のテープが、それぞれ銅テープであることを特徴とする。 In the ultrasonic probe of the present invention, the first and second tapes made of the material having high thermal conductivity are copper tapes, respectively.
さらに、本発明の超音波探触子では、前記基台が、アルミニウム材からなることを特徴とする。 Furthermore, the ultrasonic probe of the present invention is characterized in that the base is made of an aluminum material.
またさらに、本発明の超音波探触子では、前記基台の外側側面部に前記第1のテープを貼着したことを特徴とする。これにより、超音波探触子での電気的導通及び放熱経路が確保される。 Furthermore, in the ultrasonic probe of the present invention, the first tape is attached to the outer side surface of the base. Thereby, electrical conduction and a heat dissipation path in the ultrasonic probe are ensured.
さらに、本発明の超音波探触子では、前記エポキシ樹脂層の外側側面部に前記第1のテープを貼着したことを特徴とする。これにより、超音波探触子での電気的導通及び放熱経路が確保される。 Furthermore, the ultrasonic probe of the present invention is characterized in that the first tape is attached to an outer side surface portion of the epoxy resin layer. Thereby, electrical conduction and a heat dissipation path in the ultrasonic probe are ensured.
また、本発明の超音波探触子では、前記エポキシ樹脂層の前記外側側面部に1枚目の前記第2のテープを貼着し、さらに、該1枚目の前記第2の銅テープの表面に2枚目の前記第2のテープを探触子ケースの側面部方向に重ねて貼着したことを特徴とする。 In the ultrasonic probe of the present invention, the second tape of the first sheet is attached to the outer side surface portion of the epoxy resin layer, and the second copper tape of the first sheet is further bonded. The second tape is affixed to the surface in the direction of the side surface of the probe case.
さらに、本発明の超音波探触子では、前記エポキシ樹脂層の外側側面に貼着された前記第2のテープの上部先端が、超音波探触子の上端部に設けられた導電ケーブルに集束して接続されていることを特徴とする。 Furthermore, in the ultrasonic probe of the present invention, the upper end of the second tape attached to the outer side surface of the epoxy resin layer is focused on a conductive cable provided at the upper end of the ultrasonic probe. It is characterized by being connected.
本発明の超音波探触子では、前記圧電振動子の信号電極が、信号箔と銀線により前記フレキシブルプリント基板の表面に、また、前記圧電振動子のグランド電極が、該グランド電極を銀線によって、電気的導通を確保して、前記フレキシブルプリント基板の裏面に半田付して接続されることを特徴とする。 In the ultrasonic probe of the present invention, the signal electrode of the piezoelectric vibrator is formed on the surface of the flexible printed circuit board by a signal foil and a silver wire, and the ground electrode of the piezoelectric vibrator is connected to the silver wire by the silver wire. Thus, electrical conduction is ensured and soldered to the back surface of the flexible printed circuit board.
超音波探触子の探触子本体の内部に設けられた圧電振動子からの熱を超音波探触子の外部に放熱することにより、超音波探触子の表面温度を効率良く、かつ、大幅に低減できる。 By radiating the heat from the piezoelectric vibrator provided inside the probe body of the ultrasonic probe to the outside of the ultrasonic probe, the surface temperature of the ultrasonic probe is efficiently improved, and It can be greatly reduced.
以下、超音波診断装置のプローブとして使用される本発明の超音波探触子の実施例を添付した図面に基づいて説明する。 Hereinafter, an embodiment of an ultrasonic probe of the present invention used as a probe of an ultrasonic diagnostic apparatus will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に示すように、本発明の超音波探触子1は、仮想線で示す探触子ケース3内に探触子本体2を収納して構成される。 As shown in FIG. 1, the ultrasonic probe 1 of the present invention is configured by housing a probe main body 2 in a probe case 3 indicated by a virtual line.
図2(a)に示すように、超音波探触子1の探触子本体2は、圧電セラミックス、例えば、ジルコン酸鉛(PZT)からなり、その主面にグランド電極とシグナル電極とが形成された超音波を発生する圧電振動子4と、その一方の主面に、生体内に超音波を生体内に効果的に伝播させる、例えば、エポキシ樹脂からなる、音響整合層5と、他方の主面に、圧電振動子4側から発生する振動をより効果的に制御するゴム材からなるバッキング材7を、また、バッキング材7の背面にゴム材からなるバッキング台8を、さらにバッキング台8の背面に金属材料、例えば、アルミニュウム、からなる基台9を順次接合して形成されている(図2(b)の拡大図を参照のこと)。さらに、音響整合層5の先端に超音波ビームをスライス方向に集束させる、例えば、シリコーンゴムからなる、音響レンズ6が設けられている。 As shown in FIG. 2 (a), the probe body 2 of the ultrasonic probe 1 is made of piezoelectric ceramic, for example, lead zirconate (PZT), and a ground electrode and a signal electrode are formed on the main surface thereof. An acoustic matching layer 5 made of, for example, an epoxy resin, which effectively propagates the ultrasonic wave into the living body in the living body, and the other piezoelectric piezoelectric element 4 that generates the generated ultrasonic wave; A backing material 7 made of a rubber material that more effectively controls the vibration generated from the piezoelectric vibrator 4 side is provided on the main surface, a backing table 8 made of a rubber material on the back surface of the backing material 7, and a backing table 8 A base 9 made of a metal material, for example, aluminum, is sequentially joined to the back surface of the substrate (see the enlarged view of FIG. 2B). Further, an acoustic lens 6 made of, for example, silicone rubber is provided at the tip of the acoustic matching layer 5 to focus the ultrasonic beam in the slice direction.
また、バッキング材7、バッキング台8及び基台9の両側面には、導電路が形成された一対のフレキシブルプリント基板(FPC)12が設けられ、圧電振動子4の一端側からフレキシブルプリント基板12によりシグナル電極が、また、圧電振動子4の他端側から他のフレキシブルプリント基板12によりグランド電極が、それぞれ、導出されている。 A pair of flexible printed circuit boards (FPC) 12 having conductive paths are provided on both side surfaces of the backing material 7, the backing table 8 and the base 9, and the flexible printed circuit board 12 is formed from one end side of the piezoelectric vibrator 4. The signal electrode is led out, and the ground electrode is led out from the other end side of the piezoelectric vibrator 4 by the other flexible printed circuit board 12.
ここで、圧電振動子4からのシグナル電極とグランド電極との導出にフレキシブルプリント基板12を用いることにより、フレキシブルプリント基板12の有する柔軟性、繰り返し変形可能性とにより、フレキシブルプリント基板12が変形した場合でも、その電気的特性を充分維持することができるようになる。 Here, by using the flexible printed circuit board 12 for derivation of the signal electrode and the ground electrode from the piezoelectric vibrator 4, the flexible printed circuit board 12 is deformed due to the flexibility of the flexible printed circuit board 12 and the possibility of repeated deformation. Even in this case, the electrical characteristics can be sufficiently maintained.
さらに、バッキング材7の背面には、同じくゴム材からなるバッキング台8が装着されて形成され、バッキング台8の背面には、アルミニュウム材からなる基台9が装着されている。 Further, a backing table 8 made of a rubber material is mounted on the back surface of the backing material 7, and a base plate 9 made of an aluminum material is mounted on the back surface of the backing table 8.
とくに、本発明の超音波探触子1では、図2(b)の拡大図に示すように、ゴム材からなるバッキング材7とバッキング台8の両側面部とケース3の側面部3aの内側面との間に、エポキシ樹脂層10が充填・固化されて、これらの部品が一体化されるようになっている。 In particular, in the ultrasonic probe 1 of the present invention, as shown in the enlarged view of FIG. 2B, a backing material 7 made of a rubber material, both side surfaces of the backing table 8, and an inner surface of the side surface portion 3a of the case 3. In between, the epoxy resin layer 10 is filled and solidified to integrate these components.
また、フレキシブルプリント基板12の裏面と、バッキング材7、バッキング台8及び基台9の側面部との間に、熱伝導率の高い材料からなる部材、例えば、肉厚が薄い第1のテープ、例えば、銅テープ11を、挿入して、熱源である圧電振動子4に近い位置に銅テープ11を、接続する。 Further, between the back surface of the flexible printed circuit board 12 and the side portions of the backing material 7, the backing table 8, and the base 9, a member made of a material having high thermal conductivity, for example, a first thin tape, For example, the copper tape 11 is inserted, and the copper tape 11 is connected to a position close to the piezoelectric vibrator 4 that is a heat source.
ここで、ケース2aを省いて見た図2(c)のさらなる拡大図に示すように、圧電振動子4の信号電極は、信号箔16と銀線17によりフレキシブルプリント基板12の表面に、また、圧電振動子4のグランド電極は、複数のグランド電極を銀線18で共通化して、フレキシブルプリント基板12の裏面に半田付して、それぞれ接続される。 Here, as shown in a further enlarged view of FIG. 2C when the case 2 a is omitted, the signal electrode of the piezoelectric vibrator 4 is formed on the surface of the flexible printed circuit board 12 by the signal foil 16 and the silver wire 17. The ground electrodes of the piezoelectric vibrator 4 are connected to each other by sharing a plurality of ground electrodes with silver wires 18 and soldering them to the back surface of the flexible printed circuit board 12.
さらに、探触子本体2のエポキシ樹脂層10の両側面部とケース3の側面部3aの内側側面部との間であって、基台9とエポキシ樹脂層10の外周に、1枚目の第2のテープ13a、例えば、銅テープ、を挿入してアルミニュウム材からなる基台9に伝熱的に接続して、超音波探触子1の内外部で、フレームグランドとして機能させるようにする。 Further, the first sheet is placed between the both side surface portions of the epoxy resin layer 10 of the probe body 2 and the inner side surface portion of the side surface portion 3a of the case 3 on the outer periphery of the base 9 and the epoxy resin layer 10. Two tapes 13a, for example, copper tapes, are inserted and thermally connected to the base 9 made of an aluminum material so as to function as a frame ground inside and outside the ultrasonic probe 1.
また、1枚目の第2のテープ13aの外側の図1のC矢視の2点鎖線で囲った枠内に示す位置に、2枚目の第2のテープ13bをケース3の側面部方向に重ねて半田付して接続する。 Further, the second second tape 13b is placed in the direction of the side surface of the case 3 at a position shown in a frame surrounded by a two-dot chain line in FIG. 1C on the outside of the first second tape 13a. Solder and connect to the top.
さらに、図1のD矢視の2点鎖線で囲った枠内に示す位置で、1枚目の第2のテープ13aは基台9に貼着される。 Furthermore, the 1st 2nd tape 13a is affixed on the base 9 in the position shown in the frame enclosed with the dashed-two dotted line of D arrow of FIG.
そして、上方に延出した第2のテープ13a。13bは、探触子ケース3の上端部に形成された導電ケーブル15の偏組シールド14に、リード線14aを介して、伝熱的に接続されている。 And the 2nd tape 13a extended upwards. 13b is thermally connected to the offset shield 14 of the conductive cable 15 formed at the upper end of the probe case 3 via the lead wire 14a.
また、前記した鉛直方向に延出して設けられた一対のフレキシブルプリント基板12の上端部は、同軸線14bを介して導電ケーブル15の偏組シールド14に、伝熱的に接続されている。 The upper ends of the pair of flexible printed circuit boards 12 provided so as to extend in the vertical direction are thermally connected to the offset shield 14 of the conductive cable 15 via the coaxial line 14b.
このように、圧電振動子4は、伝熱的に、第1のテープ(銅テープ)11、アルミニュウム製の基台9、さらには、エポキシ樹脂層10の両側面部に設けた1枚目の第2のテープ13aと2枚目の第2のテープ13bとにより、偏組シールド14に直接放熱的に接続されているから、圧電振動子4で発生した熱は、効率良く、第1のテープ11、アルミニュウム材からなる基台9、さらには、一対のフレキシブルプリント基板12の表面に設けられた1枚目の第2のテー13aと2枚目の第2のテープにより、偏組シールド14に伝熱され、超音波探触子1の外部へ放熱がなされ、超音波探触子の表面温度の大幅な低減が達成される。 In this way, the piezoelectric vibrator 4 is thermally transferred to the first tape (copper tape) 11, the aluminum base 9, and the first first sheet provided on both side portions of the epoxy resin layer 10. Since the second tape 13a and the second second tape 13b are directly connected to the offset shield 14 in a heat dissipating manner, the heat generated in the piezoelectric vibrator 4 can be efficiently and efficiently applied to the first tape 11. The base 9 made of an aluminum material, and the first second tape 13a and the second second tape provided on the surface of the pair of flexible printed circuit boards 12, are transmitted to the offset shield 14. Heated to dissipate heat to the outside of the ultrasound probe 1, and a significant reduction in the surface temperature of the ultrasound probe is achieved.
その結果、超音波探触子の表面温度に起因する超音波探触子の操作時の不都合及び超音波探触子からのノイズ発生が抑制されるようになる。 As a result, inconvenience when operating the ultrasonic probe due to the surface temperature of the ultrasonic probe and generation of noise from the ultrasonic probe are suppressed.
1 超音波探触子
2 探触子本体
3 探触子ケース
3a ケースの側面部
3b ケースの端面部
4 圧電振動子
5 音響整合層
6 音響レンズ
7 バッキング材
8 バッキング台
9 基台
10 エポキシ樹脂層
11 第1のテープ
12 フレキシブルプリント基板(FPC)
13 第2のテープ
13a 1枚目の第2のテープ
13b 2枚目の第2のテープ
14 偏組シールド
15 導電ケーブル
16 信号箔
17 銀線
18 銀線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic probe 2 Probe main body 3 Probe case 3a Case side surface 3b Case end surface 4 Piezoelectric vibrator 5 Acoustic matching layer 6 Acoustic lens 7 Backing material 8 Backing base 9 Base 10 Epoxy resin layer 11 First Tape 12 Flexible Printed Circuit Board (FPC)
13 Second tape 13a First second tape 13b Second second tape 14 Offset shield 15 Conductive cable 16 Signal foil 17 Silver wire 18 Silver wire
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