JP2017109072A

JP2017109072A - 超音波プローブ

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Publication number: JP2017109072A
Application number: JP2016141408A
Authority: JP
Inventors: 弘一芝本; Koichi Shibamoto; 裕久牧田; Hirohisa Makita
Original assignee: Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: JP6791671B2

Abstract

【課題】２次元的な素子配列を有する超音波プローブにおいて、素子の強度が高く高品質であって、かつ信頼性の高い超音波プローブを提供することである。【解決手段】実施形態の超音波プローブは、アジマス方向とエレベーション方向との両方向にそれぞれ複数の素子が配列された超音波プローブであって、圧電効果を有する圧電体と、前記圧電体の音響照射方向に積層された整合層と、を備え、前記圧電体と前記整合層の両方は、前記アジマス方向に複数に分割されると共に、前記エレベーション方向においては、前記整合層は分割されることなく、前記圧電体が複数に分割されて、前記複数の素子を形成する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波プローブに関する。

医用画像診断装置として、被検体の体内を超音波で走査して、その被検体の体内からの反射波から生成した受信信号を基にその被検体の内部の状態を画像化する超音波診断装置が知られている。超音波診断装置は、超音波プローブから被検体の体内に超音波を送信し、被検体の体内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て、受信信号を生成する。

また、超音波プローブは、圧電振動子を備えており、その圧電振動子が走査方向に複数個、アレイ上に配列されている。圧電振動子は、送信信号に基づいて振動して、超音波を発生させるとともに、反射波を受けて受信信号を生成する。

ここで、第１の素子配列方向（アジマス方向）と第１の素子方向に直交する第２の素子配列方向（エレベーション方向）との両方向に素子配列を有する超音波プローブが開発されている。例えば、１．５Ｄアレイの圧電素子を備える超音波プローブが知られており、この素子配列を有する超音波プローブは、アジマス方向の素子を電子的に走査することができるとともに、エレベーション方向の素子も電子的に走査することができるので、より理想的な超音波の送受信音場を形成することができる。

一般的な超音波プローブは、例えば、圧電体、圧電体表面に電圧を印加するための電極層、圧電体の音響放射方向から電極層を引き出すためのフレキシブルプリント基板（Flexible Printed Circuit）、および音響整合層から構成されている。

しかしながら、例えば、１．５Ｄアレイの圧電素子を備える超音波プローブの場合は、圧電素子の素子サイズが微細となることによって素子の強度が低下し、製造不良や信頼性の低下が懸念される。

特開２０１０−２７８７６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、２次元的な素子配列を有する超音波プローブにおいて、素子の強度が高く高品質であって、かつ信頼性の高い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、アジマス方向とエレベーション方向との両方向にそれぞれ複数の素子が配列された超音波プローブであって、圧電効果を有する圧電体と、前記圧電体の音響照射方向に積層された整合層と、を備え、前記圧電体と前記整合層の両方は、前記アジマス方向に複数に分割されると共に、前記エレベーション方向においては、前記整合層は分割されることなく、前記圧電体が複数に分割されて、前記複数の素子を形成する。

第１の実施形態の超音波プローブの概略の構成の一例を示した概略構成図。第１の実施形態の超音波プローブをアジマス方向に見た場合の説明図。第１の実施形態の超音波プローブのIII−III’断面をエレベーション方向に見た場合の説明図。従来の超音波プローブをアジマス方向に見た場合の説明図。従来の超音波プローブのＶ−Ｖ’断面をエレベーション方向に見た場合の説明図。第１の実施形態の超音波プローブで使用されるフレキシブルプリント基板を示した説明図。第２の実施形態の超音波プローブをアジマス方向に見た場合の説明図。第２の実施形態の超音波プローブのVIII−VIII’断面をエレベーション方向に見た場合の説明図。

以下、実施形態の超音波プローブについて、添付図面を参照しながら説明する。

（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１０の概略の構成の一例を示した概略構成図である。

図１に示すように、第１の実施形態の超音波プローブ１０は、フレキシブルプリント基板ＦＰＣ、複数の圧電体ＰＩ、回し電極ＥＰ、第１整合層ＭＬ１、第２整合層ＭＬ２および音響レンズＳＬを備えて構成されている。

フレキシブルプリント基板ＦＰＣは、複数の圧電体ＰＩのそれぞれの信号を取り出すとともに、圧電体ＰＩの表面に共通グランドを形成するようになっている。なお、共通グランドについては、後述する回し電極ＥＰと共に、形成されるようになっている。

複数の圧電体ＰＩは、それぞれ非常に細長い振動子によって構成されており、くしの歯のように沢山並んで振動子群を構成している。振動子は、例えば、圧電素子であり、電圧と音とを相互に変換することが可能な圧電効果を備えている。図１では、１．５Ｄアレイとして、エレベーション方向に圧電体ＰＩが３つ入った状態で、アジマス方向に１４個に分割されているが、あくまで構造を判り易く示すための示であり、これに限定されるものではない。実際には、アジマス方向には、多数の、例えば、１２８〜２５６個の圧電体ＰＩが配列される。

なお、本実施形態では、超音波プローブ１０において、複数の圧電体ＰＩが紙面に対して右方向に配列されている方向をアジマス方向といい、そのアジマス方向に直交する方向であって３つの圧電体ＰＩが配列されている長手方向をエレベーション方向という。また、複数の圧電体ＰＩから音響レンズＳＬが設けられている方向を音響放射方向という。

回し電極ＥＰは、複数の圧電体ＰＩそれぞれの音響照射方向面に共通するグランド電極であって、圧電体ＰＩの音響照射方向とは反対の面の端部まで、グランド電極が形成されている。換言すれば、第１整合層ＭＬ１と第２整合層ＭＬ２の音響放射方向から、圧電体ＰＩそれぞれのエレベーション方向に、圧電体ＰＩを取り囲むようにグランド電極を形成している。なお、この形状については、別途、説明する。

第１整合層ＭＬ１と第２整合層ＭＬ２は、音響整合層であり、複数の圧電体ＰＩである振動子と生体とのマッチングを行うようになっている。

音響レンズＳＬは、音響放射方向に超音波ビームを絞るために生体の音速よりも音速の遅い材質をレンズ状にして、それぞれの圧電体ＰＩである振動子の前面に貼り付けられている。音響レンズＳＬは、超音波ビームを絞ることにより、全体として細いビームを形成する。

また、本実施形態の超音波プローブ１０は、アジマス方向とエレベーション方向との両方向に、それぞれ複数の素子が配列された２次元的な素子配列を有する超音波プローブを対象とする。なお、第１の実施形態では、一例として、１．５Ｄアレイによって圧電素子が配列された超音波プローブ１０を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、２Ｄアレイによって圧電素子が配列された超音波プローブであってもよい。

以下、第１の実施形態の超音波プローブ１０について、より詳細に説明する。

図２は、第１の実施形態の超音波プローブ１０をアジマス方向に見た場合の説明図である。また、図３は、第１の実施形態の超音波プローブ１０のIII−III’断面をエレベーション方向に見た場合の説明図である。なお、図２および図３では、音響レンズＳＬは、省略している。

図２に示すように、第１の実施形態の超音波プローブ１０は、フレキシブルプリント基板ＦＰＣ、複数の圧電体ＰＩ、回し電極ＥＰ、第１整合層ＭＬ１および第２整合層ＭＬ２を備えて構成されている。複数の圧電体ＰＩは、フレキシブルプリント基板ＦＰＣ側に、それぞれ信号電極ＰＮを備えている。

複数の圧電体ＰＩのそれぞれは、送信時においては、それぞれ対応する信号電極ＰＮから電圧が加えられると、信号電極ＰＮと、グランド電極である回し電極ＥＰとの間の電圧の大きさに応じた圧電効果により、超音波信号を発生するようになっている。一方、受信時においては、受信した超音波信号が圧電体ＰＩに印加され、信号電極ＰＮと、グランド電極である回し電極ＥＰとの間に、受信した超音波信号の大きさに応じた電圧が発生する。

本実施形態において、圧電体は複数に分割されており、複数の圧電体ＰＩにより超音波プローブ１０が形成されている。なお、一例として、１．５Ｄアレイの圧電素子を備える超音波プローブ１０で説明することとし、エレベーション方向に３つの圧電体ＰＩが存在するものとする。

また、図２および図３に示すように、第１整合層ＭＬ１および第２整合層ＭＬ２は、複数の圧電体ＰＩの音響照射方向に積層されている。

本実施形態では、圧電体ＰＩと、第１整合層ＭＬ１および第２整合層ＭＬ２との両方は、アジマス方向に複数に分割されると共に、エレベーション方向においては、第１整合層ＭＬ１および第２整合層ＭＬ２は分割されることなく、圧電体ＰＩが複数に分割されて、複数の素子を形成する。

このような構成を採用したことにより、第１の実施形態では、それぞれの圧電体ＰＩの素子サイズが微細化しても、第１整合層ＭＬ１および第２整合層ＭＬ２がエレベーション方向には分割されていないため、素子の強化を維持することができ、超音波プローブ１０の品質を高い状態で保つことができる。また、品質を高い状態で保つことができることによって、超音波プローブ１０の信頼性を高く維持することができる。

なお、第１整合層ＭＬ１は、非導電材で形成された場合を想定し、第１整合層ＭＬ１の回し電極ＥＰ側にグランド電極ＧＥが設けられている。グランド電極ＧＥと回し電極ＥＰとが接続されることにより、第１整合層ＭＬ１と、複数の圧電体ＰＩのそれぞれを、基準電位で接地することができる。例えば、第１整合層ＭＬ１が、導電材で形成された場合は、グランド電極ＧＥを設ける必要はない。

ここで、従来の超音波プローブ１０Ａとの差異を明確にするため、従来の構成について説明する。

図４は、従来の超音波プローブ１０Ａをアジマス方向に見た場合の説明図である。図５は、従来の超音波プローブ１０ＡのＶ−Ｖ’断面をエレベーション方向に見た場合の説明図である。

図４に示すように、従来の超音波プローブ１０Ａは、図２に示す超音波プローブ１０と比較して、第１整合層ＭＬ１と第２整合層ＭＬ２がエレベーション方向に分割されている。隣接する第１整合層ＭＬ１と第２整合層ＭＬ２は、エレベーション方向に接着剤ＡＴで接着されているが、分割されることにより素子の強度が低下することが想定される。

これに対し、図２に示す第１の実施形態の超音波プローブ１０は、エレベーション方向の素子間において第１整合層ＭＬ１と第２整合層ＭＬ２とが分割されていないので、素子の強度の低下を招くことなく、素子の強度を高く保った高品質を維持することができる。また、第１整合層ＭＬ１と第２整合層ＭＬ２とを分割する作業が生じないため、作業工程においても、信頼性の高い超音波プローブを提供することができる。

図５は、従来の超音波プローブ１０ＡのＶ−Ｖ’断面をエレベーション方向に見た場合の説明図である。

図５では、従来の超音波プローブ１０ＡのＶ−Ｖ’断面をエレベーション方向に見た場合、図３に示した第１の実施形態の超音波プローブ１０のIII−III’断面をエレベーション方向に見た場合の説明図と同一の構成なっていることを示している。

すなわち、第１の実施形態の超音波プローブ１０は、従来の超音波プローブ１０Ａと対比して、従来の超音波プローブ１０Ａと製造工程があまり変わらないことを示している。つまり、第１の実施形態の超音波プローブ１０は、第１整合層ＭＬ１と第２整合層ＭＬ２とをエレベーション方向に分割する工程が無い点を除き、従来の超音波プローブ１０Ａの製造工程とほぼ同様の製造工程を適用することができる。

なお、エレベーション方向の素子サイズは、アジマス方向の素子サイズに対して大きいため、第１整合層ＭＬ１および第２整合層ＭＬ２が分割されていないことによる音響的なクロストークの影響は、十分無視することができる。

次に、フレキシブルプリント基板ＦＰＣおよび回し電極ＥＰについて説明する。

図２および図３に示すように、超音波プローブ１０には、分割された圧電体ＰＩそれぞれの信号を取り出すフレキシブルプリント基板ＦＰＣが備えられている。

圧電体ＰＩには、分割された圧電体ＰＩそれぞれの音響照射方向側に共通する電極から、圧電体ＰＩの音響照射方向とは反対の方向側の面の端部まで回り込んだ回し電極ＥＰと、分割された圧電体ＰＩのそれぞれに接続される信号電極ＰＮとが形成されている。

回し電極ＥＰは、圧電体ＰＩの音響照射方向側に共通する電極から、圧電体ＰＩの音響照射方向とは反対の方向側の面の端部まで、電極が共通グランド（ＧＮＤ）として形成されている。換言すれば、回し電極ＥＰは、圧電体ＰＩのエレベーション方向に圧電体ＰＩを取り囲むように、電極層を形成し、共通グランド（ＧＮＤ）を形成している。

なお、本実施形態では、回し電極ＥＰは、図１に示したように、アジマス方向に複数に配列されている。

一方、圧電体ＰＩそれぞれの音響照射方向の反対側には、フレキシブルプリント基板ＦＰＣが設けられている。

図６は、第１の実施形態の超音波プローブ１０で使用されるフレキシブルプリント基板ＦＰＣを示した説明図である。

図６（ａ）では、フレキシブルプリント基板ＦＰＣの表面、すなわち音響照射方向の面を示している。また、図６（ｂ）では、フレキシブルプリント基板ＦＰＣの裏面を示している。

図６（ａ）及び図６（ｂ）において、フレキシブルプリント基板ＦＰＣに空いている穴は、スルーホールＴＨを示している。図６（ａ）において、ハッチングされている箇所は、圧電体ＰＩを取り囲む回し電極ＥＰの端部が接続されるグランド導電体ＧＤのグランドパターンを示している。また、図６（ｂ）において、ハッチングされている箇所は信号の接続箇所を示しており、スルーホールＴＨを介して複数の圧電体ＰＩのそれぞれから信号が取り出され、フレキシブルプリント基板ＦＰＣの裏面において、信号線によって配線されていることを示している。

すなわち、フレキシブルプリント基板ＦＰＣは、圧電体ＰＩが設けられている面（表面）から、そのフレキシブルプリント基板ＦＰＣの反対側の面（裏面）に貫通するスルーホールＴＨを備え、共通グランドとしての回し電極ＥＰの両端部と、フレキシブルプリント基板ＦＰＣの表面のグランド導電体ＧＤのグランドパターンとが接続される。

さらに、フレキシブルプリント基板ＦＰＣは、フレキシブルプリント基板ＦＰＣを貫通するスルーホールＴＨを介し、分割された圧電体ＰＩそれぞれの信号電極ＰＮがフレキシブルプリント基板ＦＰＣの裏面で配線されている。このような構成を採用することにより、フレキシブルプリント基板ＦＰＣと各圧電体ＰＩとが一括接合されている。

これにより、フレキシブルプリント基板ＦＰＣは、回し電極ＥＰと接続するグランド導電体ＧＤと、信号電極ＰＮのそれぞれに接続される複数の信号導電体ＳＤとを同一面に形成して、圧電体ＰＩとフレキシブルプリント基板ＦＰＣとが一括接合されるように構成される一方、そのフレキシブルプリント基板ＦＰＣを貫通するスルーホールＴＨを介し、信号電極ＰＮそれぞれの信号がフレキシブルプリント基板ＦＰＣの裏面で配線されるように構成される。

したがって、第１の実施形態の超音波プローブ１０は、複数であってそれぞれのスルーホールＴＨを介して、複数の圧電体ＰＩのそれぞれの信号を取り出すことができると共に、圧電体ＰＩが設けられているフレキシブルプリント基板ＦＰＣの面と同一の面に、回し電極ＥＰの端部を、共通グランドの電極として形成することができる。

以上説明したように、第１の実施形態の超音波プローブ１０は、圧電体ＰＩの素子サイズが微細化しても、第１整合層ＭＬ１と第２整合層ＭＬ２とがエレベーション方向には、分割されていないため、素子の強化を維持することができ、超音波プローブ１０の品質を高い状態で保つことができる。また、品質を高い状態で保つことができることによって、超音波プローブ１０の信頼性を高く維持することができる。

また、第１の実施形態の超音波プローブ１０のフレキシブルプリント基板ＦＰＣは、回し電極ＥＰと接続するグランド導電体ＧＤと、信号電極ＰＮのそれぞれに接続される複数の信号導電体ＳＤとを同一面に形成し、圧電体ＰＩとフレキシブルプリント基板ＦＰＣとが一括接合されるように構成される一方、そのフレキシブルプリント基板ＦＰＣを貫通するスルーホールを介して、信号電極ＰＮそれぞれの信号がフレキシブルプリント基板ＦＰＣの裏面で配線されるように構成されている。

これにより、超音波プローブ１０は、フレキシブルプリント基板ＦＰＣの構造の複雑化を回避することができ、フレキシブルプリント基板ＦＰＣの裏面にて信号線の配線を施すことにより、配線の自由度を向上させることができる。

なお、第１の実施形態において、圧電体ＰＩと、回し電極ＥＰと、図６に示したフレキシブルプリント基板ＦＰＣとが一括接合する構成は、従来技術において開示されておらず、有利な効果を奏している。

このため、圧電体ＰＩと、回し電極ＥＰと、図６に示したフレキシブルプリント基板ＦＰＣとが一括接合する構成により、第１の実施形態の超音波プローブ１０を単独で構成するようにしてもよい。

すなわち、第１の実施形態の超音波プローブ１０は、圧電体ＰＩと、第１整合層ＭＬ１および第２整合層ＭＬ２とが、分割されていても、または分割されていなくても、圧電体ＰＩと、回し電極ＥＰと、図６に示したフレキシブルプリント基板ＦＰＣとが一括接合する構成を適用することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態に加え、バッキングと呼ばれる背面材を、さらに備えるようになっている。

図７は、第２の実施形態の超音波プローブ１０をアジマス方向に見た場合の説明図である。図８は、第２の実施形態の超音波プローブ１０のVIII−VIII’断面をエレベーション方向に見た場合の説明図である。

図７および図８に示すように、第２の実施形態の超音波プローブ１０では、圧電体ＰＩには、第１整合層ＭＬ１および第２整合層ＭＬ２が積層されている面の反対側の面に、背面材ＢＭが備えられている。

背面材ＢＭは、アジマス方向とエレベーション方向との両方向に、複数の圧電体ＰＩ、第１整合層ＭＬ１および第２整合層ＭＬ２と共に分割され、複数の圧電体ＰＩのそれぞれと、それぞれ素子を形成するようになっている。

背面材ＢＭは、例えば、導電性を有する材料で構成され、音響吸収効果を有するだけでなく、圧電体ＰＩの配列の補強を行うことができる。なお、エレベーション方向に沿って配列される背面材ＢＭは、相互に接着剤ＡＴで接着されていてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、１．５Ｄアレイや２Ｄアレイなどの２次元的な素子配列を有する超音波プローブにおいて、素子の強度が高く高品質であって、かつ信頼性の高い超音波プローブを提供することができる。

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。

１０…超音波プローブ
ＦＰＣ…フレキシブルプリント基板
ＥＰ…回し電極
ＰＩ…圧電体
ＭＬ１…第１整合層
ＭＬ２…第２整合層
ＳＬ…音響レンズ
ＴＨ…スルーホール
ＰＮ…信号電極
ＧＤ…グランド導電体
ＳＤ…信号導電体
ＧＥ…グランド電極

Claims

アジマス方向とエレベーション方向との両方向にそれぞれ複数の素子が配列された超音波プローブであって、
圧電効果を有する圧電体と、
前記圧電体の音響照射方向に積層された整合層と、を備え、
前記圧電体と前記整合層の両方は、前記アジマス方向に複数に分割されると共に、前記エレベーション方向においては、前記整合層は分割されることなく、前記圧電体が複数に分割されて、前記複数の素子を形成する
超音波プローブ。
分割された前記圧電体それぞれの信号を取り出す回路基板が備えられ、
前記圧電体には、分割された前記圧電体それぞれの前記音響照射方向側に共通する電極から、前記圧電体の前記音響照射方向とは反対の方向側の面の端部まで回り込んだ回し電極と、分割された前記圧電体のそれぞれに接続される信号電極とが形成され、
前記回路基板は、
前記回し電極と接続するグランド導電体と、前記信号電極のそれぞれに接続される複数の信号導電体とを同一面に形成して、前記圧電体と前記回路基板とが一括接合されるように構成される一方、当該回路基板を貫通するスルーホールを介し、前記信号電極それぞれの信号が前記回路基板の裏面で配線されるように構成される
請求項１に記載の超音波プローブ。
前記圧電体には、前記整合層が積層されている面の反対側に背面材が備えられ、
前記背面材は、前記アジマス方向と前記エレベーション方向との両方向に、前記圧電体と前記整合層と共に分割されて、前記複数の素子を形成する
請求項１または２に記載の超音波プローブ。
圧電効果を有する圧電体と、
前記圧電体の音響照射方向に積層された整合層と、
前記圧電体それぞれの信号を取り出す回路基板と、備え、
前記圧電体には、分割された前記圧電体それぞれの前記音響照射方向側に共通する電極から、前記圧電体の前記音響照射方向とは反対の方向側の面の端部まで回り込んだ回し電極と、分割された前記圧電体のそれぞれに接続される信号電極とが形成され、
前記回路基板は、
前記回し電極と接続するグランド導電体と、前記信号電極のそれぞれに接続される複数の信号導電体とを同一面に形成して、前記圧電体と前記回路基板とが一括接合されるように構成される一方、当該回路基板を貫通するスルーホールを介し、前記信号電極それぞれの信号が前記回路基板の裏面で配線されるように構成される
超音波プローブ。