JP3325368B2 - 超音波プローブ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の圧電振動子を配
列してなる超音波プローブ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断装置は超音波によって被検体
内を走査し、その反射波を検出して断層像を得るもので
あり、リアルタイム性と無侵襲に診断できるという特徴
から急速に普及している。走査方式としては、圧電振動
子を機械的に移動させることにより行う機械走査方式
と、直線的に配列された複数の圧電振動子に各駆動タイ
ミングを電気的に制御することで超音波ビームの収束お
よび移動を行う電子走査方式に大別されるが、現在では
高速性等の点で優位な電子走査方式が主流を占めてい
る。

【０００３】電子走査方式において走査方向（方位方
向）の高分解能を図る技術としては複数の深さで超音波
ビームを集束させる受信ダイナミックフォーカス法など
がある。しかし乍、圧電振動子の前面に設けられた音響
レンズによって、走査面に直交する方向、すなわちスラ
イス方向の収束は一点に固定されているので、この収束
点以外の部分では、厚い超音波ビームが画質、特にコン
トラスト分解能を劣化させてしまう。

【０００４】複数の圧電振動子を２次元的に配列してな
り、走査方向と同様の電気制御でスライス方向にもダイ
ナミックフォーカス手法を適用することが可能な２次元
アレイ型超音波プローブは、上述した欠点を改善するも
のと期待されている。

【０００５】しかし、従来の２次元アレイ型超音波プロ
ーブでは、走査方向と同じ微小ピッチでスライス方向に
圧電振動子を配列することが不可能とされ、このため十
分な、つまり走査方向と同等の分解能をスライス方向に
も獲得することはできなかった。

【０００６】走査方向と同じ微小ピッチでスライス方向
に圧電振動子を配列することが不可能とされる最大の理
由は、２次元的に配列された複数の圧電振動子に駆動電
圧を印加するための電極リード線を各圧電振動子から引
き出すことが微細加工技術を駆使しても困難であること
である。

【０００７】この電極リード線を引き出す従来の方法と
しては、圧電振動子の配列ピッチで圧電振動子と同数の
導体パッドを配置したプリント板の表面を、圧電振動子
の背面（超音波放射面の反対面）に対向配置し、各圧電
振動子の駆動電極をそれと対向の導体パッドに電気接続
する方法がある。

【０００８】また、駆動電極と導体パッドとの電気接続
の方法としては、（１）導電性接着剤で両者を接着する
方法、（２）異方導電性フィルムを挟んで両者を加圧加
熱により接続する方法、（３）駆動電極と導体パッドの
両方に金属バンプを形成し両者を圧着により接続する方
法等が用いられている。

【０００９】しかし乍、（１）の方法は隣接する圧電振
動子の駆動電極間における完全なる電気的絶縁分離が、
圧電振動子の配列ピッチの微小化を制限する。また
（２）および（３）の方法は、接続時に圧電振動子やプ
リント板に甚大な圧力および熱が加えられるため圧電振
動子の破損、加熱による圧電振動子の分極はずれ、加熱
によるプリント板の熱変形、圧電振動子およびプリント
板の多少の湾曲が接続不良を引き起こす等の問題を抱え
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、隣り
合う圧電振動子間の電気絶縁性を確保すると共に、圧電
振動子を微小ピッチで配列することを実現する超音波プ
ローブ及びその製造方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、「駆動電極を
有する圧電振動子と、所定の配列ピッチで離散的に配列
された複数の導電性バンプを有するプリント板と、前記
駆動電極と前記導電性バンプの電気的接触を保つように
前記圧電振動子と前記プリント板を接着する電気絶縁性
樹脂接着剤を備え、前記駆動電極と前記導電性バンプの
電気的接触は、圧着又は加圧加熱による接続の場合に比
べて低い圧力及び低温で形成されるものであることを特
徴とする超音波プローブ。」を提供する。本発明は、
「所定の配列ピッチに従ってプリント板の表面上に離散
的に形成された複数の導電性バンプと圧電板の表面に形
成された駆動電極を接触させる工程と、前記導電性バン
プと前記駆動電極の接触が保たれるように前記圧電板と
前記プリント板の間で電気絶縁性樹脂接着剤を硬化させ
る工程と、前記電気絶縁性樹脂接着剤を硬化させた後、
前記圧電板を前記駆動電極層と共に前記所定の配列ピッ
チで分割する工程を備え、前記駆動電極と前記導電性バ
ンプの電気的接触を形成する工程は、圧着又は加圧加熱
による接続の場合に比べて低い圧力及び低温で行うこと
を特徴とする超音波プローブの製造方法。」を提供す
る。

【００１２】

【００１３】

【作用】本発明によると、駆動電極に導電性バンプを低
い圧力及び低温下で接触させ、その状態で電気絶縁性樹
脂接着剤を硬化させることにより保持されるようにした
ので、圧電振動子とプリント板の電気的な接続のために
高温及び高圧を加える必要が無く、これにより生じる振
動子又はプリント板の破損や変形を防ぐことができる。

【００１４】

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の一実施例
を説明する。図１はフレキシブルプリント板の１つのバ
ンプ周辺の断面図である。導体部１は、配線パターンに
相当する部分であり、弾性があり且つ屈曲自在なフレキ
シブル性を持つベース板２の表面上に非導電性の接着剤
３で接着される。導体部１の表面には、カバーレイフィ
ルムやポリイミドフィルム等の絶縁層４が接着剤５で接
着される。

【００１６】この絶縁層４には、複数の貫通孔が、完成
時の圧電振動子の配列ピッチにしたがって、２次元的に
且つ離散的に設けられている。各貫通孔には、導体部１
に電気的に接続され、かつ絶縁層４上まで突出した導電
性のバンプ６が形成される。したがって、複数のバンプ
６が完成時の圧電振動子の配列ピッチにしたがって、２
次元的に且つ離散的にフレキシブルプリント板に配列さ
れることになる。バンプ６は圧電振動子背面の駆動電極
と接続されるべき接続端子である。このバンプ６は、金
属、好ましくは半田である。

【００１７】なお、バンプ６は金属、好ましくは半田の
単一素材により形成されることに限定されず、絶縁層４
から突出した部分と貫通孔内の部分とで異種金属の２層
構造であっても、バンプ６の表面を異種金属で被膜した
構造であってもよい。またこのフレキシブルプリント板
は、一部分のみに弾性および屈曲性を持たせたフレック
スリジッドプリント板であってもよいし、弾性および屈
曲性を持たないプリント板であってもよい。

【００１８】図２（ａ）〜（ｃ）、図４（ａ）〜
（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）は、本実施例による２次元
アレイ型超音波プローブの製造工程を順番に示した斜視
図であり、図６は完成した２次元アレイ型超音波プロー
ブの斜視図である。

【００１９】まず図２（ａ）に示すように、焼き付け銀
電極等の駆動電極が背面に行方向に沿って分割された状
態で形成され、且つ共通電極（図３の符号１４）が表面
（超音波出力面）の全面に敷設された圧電板としての圧
電セラミックス１０は、その背面に図１に断面構造を示
した完成時の圧電振動子の配列ピッチにしたがって２次
元的に且つ離散的に複数のバンプ６が設けられているフ
レキシブルプリント板１１の表面（バンプ６が突出して
いる面）が、図３（ａ）に示すようにバンプ６が圧電セ
ラミックス背面の駆動電極１２に接触する状態で、接着
剤としての熱硬化形エポキシ樹脂等の電気絶縁性樹脂１
３によって電気的及び機械的に接着される。

【００２０】より具体的には、圧電セラミックス１０の
背面とフレキシブルプリント板１１の表面の少なくとも
一方に、接着剤としての電気絶縁性樹脂１３を塗布し、
両者に圧力を印加して押し付けながら電気絶縁性樹脂１
３を硬化させる。必要な印加圧力は、バンプ６と駆動電
極１２が接触し電気接続する程度で良い。

【００２１】なお、フレキシブルプリント板１１はこれ
と圧電セラミックス１０との少なくとも一方の非平面性
をその弾性や屈曲性により補償して、バンプ６と駆動電
極１２との接触を低い圧力で押圧することにより可能と
なるため、圧電セラミックス１０の破損がなく良好な接
続性が得られる。このような非平面性に起因する破損
は、フレキシブルプリント板１１と圧電セラミックス１
０の背面の少なくとも一方に、圧力吸収層としてのゴム
などのダンパーを敷設した上での圧力印加することによ
って回避される。また電気絶縁性樹脂１３として低温硬
化可能な接着剤を使用して接着施工時に温度を低温に止
めることは、圧電セラミックス１０の脱分極を生じさせ
ることなく、施工時のフレキシブルプリント板１１の熱
変形を軽減することができる。

【００２２】なお、圧電セラミックス１０及びフレキシ
ブルプリント板１１を接着後、圧電セラミックス１０と
フレキシブルプリント板１１との少なくとも一方を所定
間隔で切断する際、この切断は背面駆動電極１２まで切
断分離するので、図３（ａ）では駆動電極１２が個々の
配列圧電振動子毎に分離されていない。さらに、圧電セ
ラミックス１０とフレキシブルプリント板１１を接着
後、圧電セラミックス１０とフレキシブルプリント板１
１の少なくとも一方を所定間隔で切断するときに駆動電
極１２も切断分離しても、圧電セラミックス１０の背面
の駆動電極１２とバンプ６とは接触により電気接続が確
保され、且つバンプ間は絶縁が確保されるので、フレキ
シブルプリント板１１の配線パターンを介して個々の圧
電振動子の駆動電極１２のリード線を引き出すことが可
能となる。

【００２３】ここで、圧電振動子分割を完全に切断する
のではなく、圧電セラミックス１０に溝加工に止まる場
合、つまり圧電セラミックス１０とフレキシブルプリン
ト板１１の接続後に駆動電極１２を分離できないような
工程が採用されている場合、図３（ｂ）に示す如く圧電
セラミックス１０の分割位置に応じて駆動電極１２を分
離工程を、圧電セラミックス１０の背面とフレキシブル
プリント板１１との接続工程の前に実行する。この場
合、駆動電極１２の分離は、圧電セラミックス１０の背
面の全面に駆動電極層を形成後、溝加工技術やエッチン
グ加工技術によって行う方法が考えられる。

【００２４】

【００２５】また、図３（ａ）〜（ｄ）では、フレキシ
ブルプリント板１１と接着される圧電セラミックス１０
の表面（超音波出力面）には音響整合層が装着されてい
ないが、音響整合層を装着後、圧電セラミックス１０と
フレキシブルプリント板１１とを接着するようにしても
よい。

【００２６】さらに、図３（ａ）〜（ｄ）では、圧電セ
ラミックスの表面に予め共通電極１４が設けられている
が、圧電セラミックス１０とフレキシブルプリント板１
１とを接着後に形成するようにしてもよい。

【００２７】次に図２（ｂ），（ｃ）に示すように、フ
レキシブルプリント板１１の背面にバッキング材１５を
装着する。このバッキング材１５としては従来のものと
同様の材料でもよい。なお、フレキシブルプリント板１
１とほぼ等しい音響インピーダンスを有する材料をバッ
キング材１５に採用することは、フレキシブルプリント
板１１での音響的反射を軽減する効果がある。また、応
圧や蓄熱による寸法変化の小さな材料をバッキング材１
５に採用することは、後工程での製造性を高める効果が
ある。また、バッキング材１５を音響インピーダンスや
機械的特性がその厚み方向に適当に変化するように複数
種の材料が積層された積層構造を採用することは、バッ
キング材としての機能を向上する。バッキング材１５と
して電気的絶縁性材料を採用する場合、導体１が露出し
た構造、つまりベース絶縁層２がない構造のフレキシブ
ルプリント板１１の採用を許容する。

【００２８】次に、図４（ａ）に示すように、溝加工に
より圧電セラミックス１０を列方向の圧電振動子数にし
たがって行方向に沿って分割する。１６は溝加工によ
り、圧電セラミックス１０の厚みの１／２以上の深さ、
且つで圧電セラミックス１０に形成された溝である。な
お、フレキシブルプリント板１１の導体１を分断しない
限りにおいて、圧電セラミックス１０を完全に分断、且
つフレキシブルプリント板１１の途中まで溝加工しても
よい。

【００２９】次に、図４（ｂ）に示すように、溝１６内
に充填材１７を充填する。これにより、圧電セラミック
ス１０が補強されると共に、隣り合う圧電セラミックス
１０間の音響的結合が軽減される。このため充填材１７
としては機械的強度が大きく且つ音響伝導性の悪い例え
ば熱硬化形エポキシ樹脂が採用される。

【００３０】次に、図４（ｃ）に示すように、圧電セラ
ミックス１０の表面（超音波出力面）に、共通アース用
の共通電極１８として、スパッタ加工技術によるＡｕ薄
膜を形成する。なお共通電極１８としては、Ａｕに限定
されず他の金属薄膜であってもよいし、スパッタ加工技
術に限定されず、導電性ペーストを塗布するようにして
もよい。

【００３１】次に、図５（ａ）に示すように、共通電極
１８の上に単層または多層構造の音響整合層１９を形成
する。音響整合層１９として所望の厚みの板状部材とし
て予め形成しておいたものを共通電極１８の上に接着す
るようにしてもよいし、音響整合材料を適当な厚さで共
通電極１８の上に塗布後、所望の厚みにまで研磨するよ
うにしてもよい。

【００３２】次に、図５（ｂ）に示すように、圧電セラ
ミックス１０を音響整合層１９と共に行方向に沿って行
方向の圧電振動子数にしたがって分断する。この分断に
より形成される溝２０は、フレキシブルプリント板１１
を貫通してバッキング材１５まで達する深さまで形成し
て、隣り合う圧電振動子間の音響的結合を防止すること
が望ましく、これはフレキシブルプリント板１１の導体
１を行方向と平行、且つ溝２０の間に位置するように、
つまり導体１を分断されない位置に配置しておくことに
より実現できる。勿論、従来のように、溝２０の深さ
を、圧電セラミックス１０を完全に分断しないまでもそ
の厚みの１／２以上の深さに設定して、フレキシブルプ
リント板１１を切断しないようにしてもよい。

【００３３】次に、図５（ｃ）に示すように、音響整合
層１９が装着されていない共通電極１８の上にアース電
極を引き出すためのプリント板２１を接続する。最後
に、図６に示すように、溝２０を充填材２２で充填し、
本実施例による２次元アレイ型超音波画像プロセッサ９
が完成する。

【００３４】このように本実施例によれば、圧電セラミ
ックスとフレキシブルプリント板とを接着剤により接着
するので、圧電セラミックスの破損、脱分極、接続不
良、フレキシブルプリント板の熱変形がなくなる。

【００３５】また、予め圧電振動子配列にしたがって離
散的にフレキシブルプリント板に突出形状のバンプが形
成されているので、フレキシブルプリント板と圧電セラ
ミックスとを位置整合しながら両者を接着するだけで、
圧電セラミックスの駆動電極からのリード線の引き出し
を容易に実現することができる。このリード線引き出し
の容易さは、圧電振動子を微細間隔で２次元配列するこ
とを可能にさせる。

【００３６】また、分割された振動子片の寸法（厚さ×
巾×長さ）によっては所望の振動モード以外にも不要な
振動モードが近接して出現する場合がある。この場合に
は、図４に示す工程において図示した振動子片分割溝以
外にも列方向及び（又は）行方向に、その厚みの１／２
以上の深さの分割溝を形成し、同時に駆動されるべき振
動子片を複数の振動子片群（ここでは４つ）で構成する
ことも可能である。この場合、図５に示す工程におい
て、振動子片分割溝位置の列方向及び（又は）行方向に
共通アース電極１８を分断しない深さの溝を音響整合層
に形成する。この場合、図４に示す各工程は図７の各工
程に、図５に示す各工程は図８の各工程に、図６に示す
工程は図９の工程に置換される。これによって不要振動
モードの出現を軽減することができる。

【００３７】本発明は上述した実施例に限定されること
なくその要旨を逸脱しない限りにおいて、種々変形して
実施可能である。上述の説明では、音響整合層は行方向
に沿ってのみ切断されているが、列方向に沿っても切削
または切断することにより、行方向の音響的結合を減少
させることができる。このような切削または切断は、音
響整合層を共通電極上に装着後に、圧電セラミックスを
音響整合層と共に行列方向に切断することによってもよ
いし、図６の工程後に音響整合層を分割する工程を付加
するようにしてもよい。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、圧電振動子とプリント
板の電気的な接続のために高温及び高圧を加える必要が
無く、これにより生じる振動子又はプリント板の破損や
変形を防ぐことができる。

【００３９】

【図面の簡単な説明】

【図１】フレキシブルプリント板の１つのバンプを含む
断面図。

【図２】本実施例による超音波プローブの製造の初期工
程を示す斜視図。

【図３】圧電セラミックスにフレキシブルプリント板を
接着した状態の断面図。

【図４】図２に続く工程を示す斜視図。

【図５】図４に続く工程を示す斜視図。

【図６】図５に続く最後の工程を示す斜視図。

【図７】図４の工程に置換されるべき工程を示す図。

【図８】図５の工程に置換されるべき工程を示す図。

【図９】図６の工程に置換されるべき工程を示す図。

【符号の説明】

１…導体、２…ベース層、３…接着剤、４…絶縁層、５
…接着剤、６…バンプ、１０…圧電セラミックス、１１
…フレキシブルプリント板、１２…駆動電極、１３…電
気絶縁性樹脂、１４…共通電極、１５…バックング材、
１６…溝、１７…充填剤、１８…共通電極、１９…音響
整合層、２０…溝、２１…プリント板、２２…充填剤。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動電極を有する圧電振動子と、 所定の配列ピッチで離散的に配列された複数の導電性バ
   ンプを有するプリント板と、 前記駆動電極と前記導電性バンプの電気的接触を保つよ
   うに前記圧電振動子と前記プリント板を接着する電気絶
   縁性樹脂接着剤を備え、 前記駆動電極と前記導電性バンプの電気的接触は、圧着
   又は加圧加熱による接続の場合に比べて低い圧力及び低
   温で形成されるものであることを特徴とする超音波プロ
   ーブ。
2. 【請求項２】 前記圧電振動子及び前記導電性バンプが
   ２次元配列されたことを特徴とする請求項１記載の超音
   波プローブ。
3. 【請求項３】 所定の配列ピッチに従ってプリント板の
   表面上に離散的に形成された複数の導電性バンプと圧電
   板の表面に形成された駆動電極を接触させる工程と、 前記導電性バンプと前記駆動電極の接触が保たれるよう
   に前記圧電板と前記プリント板の間で電気絶縁性樹脂接
   着剤を硬化させる工程と、 前記電気絶縁性樹脂接着剤を硬化させた後、前記圧電板
   を前記駆動電極層と共に前記所定の配列ピッチで分割す
   る工程を備え、 前記駆動電極と前記導電性バンプの電気的接触を形成す
   る工程は、圧着又は加圧加熱による接続の場合に比べて
   低い圧力及び低温で行うことを特徴とする超音波プロー
   ブの製造方法。
4. 【請求項４】 前記圧電振動子及び前記導電性バンプが
   ２次元配列されたことを特徴とする請求項３記載の超音
   波プローブの製造方法。