JP2017158630A - 超音波プローブ - Google Patents
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Abstract
【課題】インターポーザー内で発生する反響を抑制するとともに、その反響によって生じる音響ノイズを低減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。
【解決手段】実施形態の超音波プローブは、超音波を送受信する複数の圧電体と、前記複数の圧電体の背面側に設けられた背面構造物と、前記複数の圧電体と前記背面構造物とを接続する複数の接続部材と、を備え、前記接続部材の間隔は、隣り合う前記接続部材の間隔と異なる。
【選択図】 図1
【解決手段】実施形態の超音波プローブは、超音波を送受信する複数の圧電体と、前記複数の圧電体の背面側に設けられた背面構造物と、前記複数の圧電体と前記背面構造物とを接続する複数の接続部材と、を備え、前記接続部材の間隔は、隣り合う前記接続部材の間隔と異なる。
【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の素子配列方向に直交する第2の素子配列方向(エレベーション方向)の両方向に配列された2次元マトリックスプローブの場合、1次元で圧電振動子が配列された1次元プローブよりも取り扱うチャンネル数が多くなり、その取り扱うチャンネル数は膨大となる。そこで、取り扱う膨大なチャンネル数を処理するため、圧電振動子の直下にサブアレイASIC(Application Specific Integrated Circuit)を接続し、ケーブル数を低減することが検討されている。
例えば、ASICの電極上にバンプを形成し、その上に圧電振動子を配列することを想定すると、ASICとして形成される集積回路は、圧電振動子の配列のピッチサイズよりも接続端子の幅が小さくなるように設計する必要がある。また、圧電振動子とASICとの間にインターポーザーと呼ばれる中継基板を介在させることにより、ASICの設計や選択の自由度を向上させる構造も検討されている。
しかしながら、圧電振動子とASICとの間にインターポーザーを介在させる場合は、圧電振動子から背面方向へ放出された音波がインターポーザー内で反響してしまい、その反響により圧電振動子が振動してしまう、音響ノイズが問題となっていた。
本発明が解決しようとする課題は、インターポーザー内で発生する反響を抑制するとともに、その反響によって生じる音響ノイズを低減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、超音波を送受信する複数の圧電体と、前記複数の圧電体の背面側に設けられた背面構造物と、前記複数の圧電体と前記背面構造物とを接続する複数の接続部材と、を備え、前記接続部材の間隔は、隣り合う前記接続部材の間隔と異なる。
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および図2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は、第1の実施形態の超音波プローブ10の断面をアジマス方向に沿って表示した場合の断面図である。また、図2は、第1の実施形態の超音波プローブ10のII−II’断面をエレベーション方向に沿って表示した場合の断面図である。
図1および図2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は、第1の実施形態の超音波プローブ10の断面をアジマス方向に沿って表示した場合の断面図である。また、図2は、第1の実施形態の超音波プローブ10のII−II’断面をエレベーション方向に沿って表示した場合の断面図である。
図1および図2に示すように、第1の実施形態の超音波プローブ10は、複数の圧電体PI、第1整合層ML1、第2整合層ML2、背面材BM、フレキシブルプリント基板FPC、インターポーザーIPおよびASIC(Application Specific Integrated Circuit)−GA(Gate Array)などを備えている。
複数の圧電体PIは、それぞれ微細な振動子が、アジマス方向とエレベーション方向との両方向に多数配列されて構成されており、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。振動子は、規則正しい送信パルス電圧を超音波に変換して生体内に送信する一方、生体内で反射して返ってきた反射エコーを電気信号に変換して受信する。
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。
背面材BMは、複数の圧電体PIの背面側に設けられている。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と共に分割されており、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。なお、アジマス方向またはエレベーション方向に沿って配列される背面材BMは、相互に接着剤で接着されていてもよい。
フレキシブルプリント基板FPCは、複数の圧電体PIとASIC-GAとの間に設けられ、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ように構成されている。また、フレキシブルプリント基板FPCにおいて、スルーホールTHの終端は、圧電体PIそれぞれの電極を形成する。
スルーホールTHは、インターポーザーIP側の終端において圧電体PIの電極を形成し、バンプBP1を介して、電極パッドEPとの間において信号のパターン配線がなされ、信号ラインSLが配線されている。なお、この信号ラインSLについては、図3又は図4などを用いて後述する。
インターポーザーIPは、フレキシブルプリント基板FPCとASIC-GAとの間の電気的接続を中継する機能を有している。インターポーザーIPは、ASIC-GA上に設けられたASIC電極パッドAPの端子ピッチと、フレキシブルプリント基板FPCの端子ピッチが異なる場合に、ASIC-GAとフレキシブルプリント基板FPCとを接続する役割を担っている。
電極パッドEPは、フレキシブルプリント基板FPCが備えるスルーホールTHと、バンプBP1とを介して、複数の圧電体PIそれぞれの信号を取得する。また、電極パッドEPは、バンプBP1と対応する位置にそれぞれ設けられている。
バンプBP1は、インターポーザーIPの電極パッドEPとフレキシブルプリント基板FPCとをフリップチップ方式で接続する実装方式の1つである。バンプBP1は、例えば、金、銅、半田などが使用されており、特に半田が広く使用されている。なお、バンプBP1は、導電性を有しており、複数の圧電体PIとASIC-GAとを、電気的に接続するようになっている。
ASIC-GAは、集積回路であって、複数の圧電体PIの駆動か、複数の圧電体PIによる受信信号の処理のうち、少なくともいずれか一方を制御するようになっている。また、ASIC-GAは、ASIC-GAの電極を示すASIC電極パッドAPをASIC-GA上に備え、そのASIC電極パッドAP上にバンプにより形成されるASICバンプBP2を備えている。
ASICバンプBP2は、バンプBP1と同様に、ASIC−GAとインターポーザーIPとをフリップチップ方式で接続するようになっており、バンプBP1と同様に、金属、銅、半田などにより接続されている。
図1では、2次元アレイの一例として、複数の圧電体PIの一部、すなわち、アジマス方向に14個設けられているが、あくまで構造を判り易く示すための例示であり、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。図2でも同様に、エレベーション方向に10個の圧電体PIを備えているが、あくまで構造を判り易く示すための例示であり、これに限定されるものではない。
なお、本実施形態では、図1の超音波プローブ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、図2の超音波プローブ10において、図1のアジマス方向に直交する方向をエレベーション方向という。また、複数の圧電体PIから第1整合層ML1および第2整合層ML2が設けられている方向を音響放射方向とする。
また、実施形態のバンプBP1、複数の圧電体PI、フレキシブルプリント基板FPC、インターポーザーIPおよびASIC-GAは、特許請求の範囲に記載された接続部材、複数の圧電体、フレキシブルプリント基板、中継基板および集積回路それぞれの一例を示すものである。
図1および図2では、複数の圧電体PIがフレキシブルプリント基板FPC上で2次元に配列されているため、ほぼ同様の構成となっている。また、フレキシブルプリント基板FPCを背面側から見た図、すなわち、ASIC-GA側から複数の圧電体PI方向を見た図については、図4を用いて後述する。
第1の実施形態では、フレキシブルプリント基板FPCの端子ピッチとASIC-GAの端子ピッチが異なるため、インターポーザーIPを中継することにより、プリント配線の密集化を回避している。
以下、第1の実施形態の超音波プローブ10のインターポーザーIPの周辺について、説明する。
図3は、第1の実施形態の超音波プローブ10のインターポーザーIPの周辺を示した説明図である。具体的には、図3は、図2で示した第1の実施形態の超音波プローブ10のII−II’断面を、インターポーザーIPを中心として拡大した図である。
図3に示すように、第1の実施形態の超音波プローブ10は、圧電体PI、背面材BM、フレキシブルプリント基板FPC、インターポーザーIP、ASIC-GAなどを備えている。
圧電体PIのそれぞれの信号は、背面材BMと、フレキシブルプリント基板FPCのスルーホールTHを介して、フレキシブルプリント基板FPCの背面側に出力される。この場合、スルーホールTHの終端、すなわちインターポーザーIP側の終端では圧電体PIの電極を形成し、その終端とバンプBP1とがパターン配線されることにより信号ラインSLが形成される。
これにより、圧電体PIのそれぞれの信号は、スルーホールTHと、信号ラインSLと、バンプBP1とを介して、インターポーザーIP上の電極パッドEPに入力される。
また、空隙層EMは、フレキシブルプリント基板FPCとインターポーザーIPとの間に設けられ、バンプBP1とそのバンプBP1に対応する電極パッドEPは、空隙層EMに設けられている。空隙層EMは、隣り合うバンプBP1間に空隙を有することにより、空気による空隙層が形成されている。空隙は、例えば、樹脂により接着剤を充填した場合に比べ伝達特性が良いため望ましい。なお、本実施形態では、バンプBP1と電極パッドEPはそれぞれ対応して配置されているため、電極パッドEP同士でも空隙を有する構成となっている。
インターポーザーIPは、バンプBP1と電極パッドEPを介して、圧電体PIの信号を取得すると、インターポーザーIP内部の配線層を経由して、ASICバンプBP2に出力する。図3では、例えば、紙面に対して、横方向に複数の配線層が形成されており、電極パッドEP同士の端子ピッチと、ASICバンプBP2同士の端子ピッチが合わない場合であっても、配線層を経由することにより電極パッドEPからASICバンプBP2まで所定の配線を施すことができる。
ASIC-GAは、ASICバンプBP2に到達した信号を、ASIC電極パッドAPを介して取得することにより、例えば、複数の圧電体PIの駆動か、複数の圧電体PIによる受信信号の処理とのうち、少なくともいずれか一方を制御する。
次に、第1の実施形態の超音波プローブ10のバンプBP1について説明する。
図4は、第1の実施形態の超音波プローブ10において、フレキシブルプリント基板FPCの背面側から音響放射方向に、複数のバンプBP1を見た場合のイメージを示した概念図である。
図4に示すように、第1の実施形態では、フレキシブルプリント基板FPCの背面側に位置するバンプBP1の間隔は、隣り合うバンプBP1の間隔とそれぞれ異なっている。すなわち、複数のバンプBP1は、フレキシブルプリント基板FPCの背面側でそれぞれ不規則(ランダム)に配置されている。なお、バンプBP1は不規則(ランダム)に配置されていればよく、例えば、圧電体PIの直下に配置されていても差し支えない。また、バンプBP1の間隔は、隣り合うバンプBP1の間隔さえ異なっていればよく、離れた箇所において同一の間隔のバンプBP1が含まれていても差し支えない。
電極パッドEPは、複数のバンプBP1のそれぞれに対応する位置に配置される。
信号ラインSLは、例えば、図3に示した配線パターンを例示したものであり、スルーホールTHの終端と、バンプBP1とを接続するように配線されている。
このように、本実施形態では、フレキシブルプリント基板FPCの背面側に位置するバンプBP1の間隔が、隣り合うバンプBP1の間隔とはそれぞれ異なるようにしたことにより、インターポーザーIP内での反響を減少させ、その反響により圧電素子が振動する音響ノイズを低減することができる。
ここで、従来の構成について説明する。
図5は、従来の超音波プローブにおいて、フレキシブルプリント基板FPCの背面側から音響放射方向に、複数の旧バンプOBP1を見た場合のイメージを示した概念図である。
図5に示すように、従来の超音波プローブでは、旧バンプOBP1は、フレキシブルプリント基板FPCの背面側であって、複数の圧電体PIのそれぞれの直下に一定の間隔で設けられていた。すなわち、旧バンプOBP1は、隣り合う間隔が一定になるように配置されていた。
旧バンプOBP1の中心にある黒丸は、スルーホールTHの終端における電極の中心位置を示しており、電極の真下に旧バンプOBP1が設けられていたことを示している。
旧信号ラインOSLは、スルーホールTHの終端に旧バンプOBP1が設けられていたことにより、実質的に旧バンプOBP1が、旧信号ラインOSLに相当していた。
このような従来の構成に対し、実施形態では、フレキシブルプリント基板FPCの背面側に位置するバンプBP1の間隔は、隣り合うバンプBP1の間隔がそれぞれ異なるため、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よりも反響を抑制するとともに、その反響による音響ノイズを低減するようになっている。
図6は、第1の実施形態による超音波プローブ10のインターポーザーIPからの反響を、従来の超音波プローブと時間軸で比較したシミュレーション結果を示した説明図である。
図6では、例えば、超音波プローブが所定の送信電圧を音響放射方向に送信して、その場合におけるインターポーザーIPからの反響を示す音圧をシミュレーションした結果を示している。
図6(a)は、従来の超音波プローブが所定の送信電圧を音響放射方向に送信した後、音響ノイズ成分である音響ノイズ成分CS1と音響ノイズ成分CS2とが反響していることを示しており、具体的には、音響ノイズ成分CS1では、約26[kPa]の音圧が反響し、また音響ノイズ成分CS2では、約−30[kPa]の音圧が反響していることを示している。
一方、図6(b)は、第1の実施形態の超音波プローブ10が所定の送信電圧を音響放射方向に送信した後、インターポーザーIP側からの音響ノイズ成分CS1と音響ノイズ成分CS2とが解消されていることを示している。
すなわち、図6(b)では、隣り合うバンプBP1の間隔をそれぞれ異なるようにしたことにより、音響ノイズ成分CS1と音響ノイズ成分CS2の音圧の反響とが解消されたことを示している。
図7は、第1の実施形態による超音波プローブ10のインターポーザーIPからの反響を、従来の超音波プローブと周波数帯で比較したシミュレーション結果を示した説明図である。
図7では、例えば、超音波プローブが所定の送信電圧を音響放射方向に送信して、その場合におけるインターポーザーIPからの反響を示す音圧を周波数帯に変換した、シミュレーションした結果を示している。
図7(a)は、従来の超音波プローブが所定の送信電圧を送信した後、反響して戻ってきたパワーを示しており、4[MHz]から5[MHz]までの間での音響ノイズ成分CS3のピークは、5[MHz]周辺において、約111[dB]を示している。
一方、図7(b)は、第1の実施形態の超音波プローブ10が所定の送信電圧を送信した後、反響して戻ってきたパワーを示しており、4[MHz]から5[MHz]までの間での音響ノイズ成分CS4のピークは、5[MHz]周辺において、約105[dB]を示している。
図7(b)に示すように、超音波プローブ10において超音波画像の生成に有効な周波数帯域は、3[MHz]から5[MHz]までの周波数帯域であり、この周波数帯域において、約6[dB]の反響による音響ノイズを低減している。
6[dB]の低減は、音圧においては、基準値に対して1/2倍、すなわち0.5倍まで、反響による音響ノイズを低減したことを示している。
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、超音波を送受信する複数の圧電体PIと、複数の圧電体PIの背面側に設けられた背面構造物としてのASIC−GAと、複数の圧電体PIとASIC−GAとを接続する複数のバンプBP1とを備えている。また、バンプBP1の間隔は、隣り合うバンプBP1の間隔と異なっている。
これにより、第1の実施形態によれば、超音波プローブ10は、インターポーザーIP内で発生する反響を抑制するとともに、その反響によって生じる音響ノイズを低減することができる。
例えば、インターポーザーIP上にバンプBP1を規則的に配置した場合、超音波画像を生成する3[MHz]から5[MHz]までの周波数帯域において、反響による音響ノイズが発生するが、図6および図7から分かるように、隣り合うバンプBP1の間隔が異なることにより周波数の幅のあるノイズとなり、ホワイトノイズ化され、音響ノイズのピークレベルを下げることができる。
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、複数のバンプBP1の間隔は、隣り合うバンプBP1の間隔が、それぞれ異なっていた。しかしながら、本実施形態はこれに限定されるものではない。
第1の実施形態では、複数のバンプBP1の間隔は、隣り合うバンプBP1の間隔が、それぞれ異なっていた。しかしながら、本実施形態はこれに限定されるものではない。
第2の実施形態では、複数のバンプのそれぞれは、複数の圧電体PIの背面側であって、複数の圧電体PIそれぞれを隔てる隙間の領域に、隣り合うバンプの間隔がそれぞれ異なるように設けられている。以下、第2の実施形態について、図面を用いて説明する。
図8は、第2の実施形態の超音波プローブ10AのバンプBP2が、複数の圧電体PIそれぞれを隔てる隙間の領域において、隣り合うバンプBP2の間隔がそれぞれ異なるように設けられていることを示した説明図である。
図8の説明図が、図3に示した第1の実施形態の説明図と異なる点は、バンプBP3が設けられている位置である。図8に示すように、バンプBP3は、複数の圧電体PIそれぞれを隔てる隙間の領域に設けられている。なお、電極パッドEPは、インターポーザーIP上のバンプBP3の位置に対応する位置に設けられている。
図9は、第2の実施形態の超音波プローブ10Aにおいて、フレキシブルプリント基板FPCの背面側から音響放射方向に、複数のバンプBP3を見た場合のイメージを示した概念図である。
図9に示すように、第2の実施形態では、フレキシブルプリント基板FPCの背面側であって、かつ、複数の圧電体PIそれぞれを隔てる隙間の領域に、バンプBP3が設けられている。隣り合うバンプBP3の間隔は、第1の実施形態と同様に、それぞれ異なっている。すなわち、バンプBP3は、フレキシブルプリント基板FPCの背面側であって、複数の圧電体PIそれぞれの隙間の領域にそれぞれ不規則(ランダム)に配置されている。
第2の実施形態では、複数のバンプBP1のそれぞれは、複数の圧電体PIの背面側であって、複数の圧電体PIそれぞれを隔てる隙間の領域において、隣り合うバンプBP3の間隔がそれぞれ異なるように設けられていることにより、さらに反響による音響ノイズを低減することができる。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、インターポーザーIP内で発生する反響を抑制するとともに、その反響によって生じる音響ノイズを低減することができる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
PI…圧電体
ML1…第1整合層
ML2…第2整合層
TH…スルーホール
BP1、BP3…バンプ
EP…電極パッド
IP…インターポーザー
BP2…ASICバンプ
AP…ASIC電極パッド
ASIC−GA…集積回路
FPC…フレキシブルプリント基板
PI…圧電体
ML1…第1整合層
ML2…第2整合層
TH…スルーホール
BP1、BP3…バンプ
EP…電極パッド
IP…インターポーザー
BP2…ASICバンプ
AP…ASIC電極パッド
ASIC−GA…集積回路
Claims (6)
- 超音波を送受信する複数の圧電体と、
前記複数の圧電体の背面側に設けられた背面構造物と、
前記複数の圧電体と前記背面構造物とを電気的に接続する複数の接続部材と、を備え、
前記接続部材の間隔は、
隣り合う前記接続部材の間隔と異なる
超音波プローブ。 - 前記複数の圧電体と前記背面構造物との間にフレキシブルプリント基板を備え、
前記複数の圧電体は、
前記フレキシブルプリント基板と電気的に接続されている
請求項1に記載の超音波プローブ。 - 前記フレキシブルプリント基板と前記背面構造物との間に空隙層が設けられ、
前記複数の接続部材は、前記空隙層に設けられ、
前記空隙層は、
前記複数の接続部材の間に空隙を有する
請求項2に記載の超音波プローブ。 - 前記背面構造物は、集積回路であって、
前記集積回路は、
前記複数の圧電体の駆動か、前記複数の圧電体による受信信号の処理のうち、少なくともいずれか一方を制御する
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の超音波プローブ。 - 前記複数の圧電体の背面側にフレキシブルプリント基板を備え、
前記フレキシブルプリント基板の背面側に空隙層が設けられ、
前記複数の接続部材は、前記空隙層に設けられ、
前記背面構造物は、集積回路であって、
前記空隙層と前記集積回路に間に中継基板が設けられ、
前記中継基板は、
前記フレキシブルプリント基板と前記集積回路との間の電気的接続を中継する
請求項1に記載の超音波プローブ。 - 前記複数の圧電体と前記複数の接続部材は、
第1の方向と、前記第1の方向と直交方向である第2の方向との両方向に沿って配列され、
前記複数の接続部材のそれぞれは、
前記複数の圧電体の背面側であって、前記複数の圧電体それぞれを隔てる隙間の領域に、隣り合う前記接続部材の間隔がそれぞれ異なるように設けられる
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超音波プローブ。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2020184830A1 (ko) * | 2019-03-11 | 2020-09-17 | 삼성메디슨주식회사 | 초음파 프로브 및 그 제조 방법 |
JP2021114746A (ja) * | 2020-01-21 | 2021-08-05 | セイコーエプソン株式会社 | 超音波デバイス及び超音波センサー |
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