JP4513951B2

JP4513951B2 - 超音波トランスデューサ用接続基板

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Publication number: JP4513951B2
Application number: JP2004102391A
Authority: JP
Inventors: 俊積田中
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005287525A

Description

本発明は、被験者の体内組織の状態等を検査するための超音波検査装置に関するものであり、特に多数の超音波振動子を配列した超音波トランスデューサを有する電子走査式超音波検査装置において、その超音波トランスデューサを構成する各超音波振動子を配線ケーブルに接続するための超音波トランスデューサ接続基板に関するものである。

被験者の体内組織の検査及び診断を行なうために超音波検査装置が用いられる。超音波検査装置は、超音波振動子から体内に向けて超音波パルスを送信して、その反射エコーを受信して、所定の信号処理を行なうことによって、体内組織の状態を超音波断層像として取得するものである。超音波断層像は所定の範囲にわたるものであり、このために超音波走査を行なうようにする。この超音波走査を行なう方式としては、機械走査式と電子走査式とが知られている。

電子走査式の超音波検査装置は、超音波トランスデューサとして、所定の方向（ライン状，円弧状，円筒面形状，平面マトリックス状等）に配列した多数の超音波振動子から構成され、これら各超音波振動子を順次駆動することによって、所定の範囲にわたって超音波走査が行なわれる。また、体内に向けて送信される超音波パルスに所定のビーム径を持たせ、また所定の位置に焦点を合わせるため等といった目的で、相隣接する超音波振動子から同時に若しくは所定の時間遅れを持たせて超音波パルスを送信するように駆動することができるようになっている。

ところで、前述したように、超音波トランスデューサを多数の超音波振動子で構成すると、その分だけ配線の数も多くなり、このために構成が複雑になるだけでなく、配線を束ねたケーブルが太径化することになる。しかも、超音波検査を体表皮から行なう場合はともかく、挿入部の先端に超音波トランスデューサを設けて、この挿入部を被験者の体腔内に挿入して超音波検査を行なうように構成した超音波検査装置にあっては、ケーブルが太径化することは、被験者の体内への挿入操作性が悪くなるだけでなく。検査を受ける被験者にとって極めて大きな苦痛が強いられることになる。

ところで、多数配列した超音波振動子のうち、同時に若しくは所定の時間遅れをもって駆動されるように関連付けられている超音波振動子（以下、同時作動の超音波振動子という）以外の超音波振動子を組として、これらの組に共通の配線を接続することによって、配線本数を少なくする構成としたものが特許文献１において提案されている。即ち、この特許文献１では、多数配列した超音波振動子に配線を接続するに当って、それぞれスイッチング素子を介して配線と接続すると共に、複数個おきの、具体的には８個おき、１６個おきの超音波振動子の信号ラインを短絡させるように構成している。
特開２００３−３１９９３８号公報

ところで、前述した従来技術では、超音波振動子からの配線を短絡させるまでの間はそれぞれ独立の配線となるので、先端部分においては多数の配線が複雑に入り混じることになる。特に、体腔内に挿入されるタイプの超音波検査装置にあっては、超音波トランスデューサが装着される先端部分には、膨大な数の配線を収容するために大きなスペースが必要となり、挿入部の先端部分が太径化することから、やはり被験者への挿入操作性が悪くなるという問題点を回避することはできない。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、超音波トランスデューサを構成する各超音波振動子に接続したケーブルの数を少なくして、これら各ケーブルと各超音波振動子との間を円滑に接続させる超音波トランスデューサ用接続基板を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明は、所定の方向に配列した多数の超音波振動子からなる超音波トランスデューサに、前記多数の超音波振動子を、それらに接続される共通電極に基づいて複数の超音波振動子群に分けて、それぞれ２個の超音波振動子の個別電極となる電極を短絡させて各々ケーブルに接続したものであって、フィルム基板に、前記超音波トランスデューサを構成する前記超音波振動子の数と同数の振動子側接点を形成し、かつ前記各ケーブルが接続される配線接続用接点を設けて、各振動子側接点からの配線パターンを表裏両面に形成して、それぞれ２つの配線パターンを短絡させて前記配線接続用接点に接続するようになし、前記超音波振動子群のうち、奇数番目側，偶数番目側の超音波振動子群同士または奇数番目側と偶数番目側との超音波振動子群を構成するそれぞれ同一順位の超音波振動子の前記電極に接続した配線パターンを前記配線接続用接点の位置または前記振動子側接点と前記配線接続用接点との間の位置で短絡させるようになし、前記短絡させる超音波振動子の一方側の超音波振動子が接続された振動子側接点からの配線パターンは前記フィルム基板の表面側または裏面側のいずれか一側面に形成し、他側面には前記短絡させる超音波振動子の他方側の超音波振動子が接続された振動子側接点からの配線パターンを形成する構成としたことをその特徴とするものである。

直線方向であれ、円周方向であれ、超音波トランスデューサを構成する複数の超音波振動子を複数の群に分けるには、並び順に所定数毎の超音波振動子で群を構成する。例えば、２群の超音波振動子群から構成した場合、接続基板を構成するフィルム基板には両群を構成する先頭の超音波振動子から順にそれぞれ２本の配線パターンを各配線接続用接点に接続するが、短絡される各々２個の超音波振動子のうち、いずれか一方側を構成する超音波振動子からの配線パターンをフィルムの一側面、例えば表面側に、また他方側を構成する超音波振動子からの配線パターンを他側面、例えば裏面側に形成し、表面側及び裏面側の配線パターンを配線接続用接点に接続する。従って、少なくとも配線接続用接点はフィルム基板を貫通して両面に露出させる。一方、超音波振動子の電極に接続される振動子側接点については、表面側の配線パターンに接続されるのは表面側に、裏面側の配線パターンに接続されるのは裏面側にのみ形成することもできるが、フィルム基板の表裏両面に露出させるようにする方が各超音波振動子の電極と接続する上で有利である。

本発明は、以上のように構成することによって、格別超音波トランスデューサを大型化したり、各超音波振動子へのケーブルの接続が複雑になったりすることなく、超音波トランスデューサを構成する超音波振動子に接続されるケーブルの数を著しく少なくすることができる。

本発明による超音波トランスデューサ用接続基板は、超音波内視鏡に適用することができる。そこで、まず図１に超音波内視鏡における挿入部の先端部分を示す。即ち、図１において、１は体腔内への挿入部であり、この挿入部１における先端部１ａには、先端側に超音波トランスデューサ２が装着され、またこの超音波トランスデューサ２の配設位置より基端側に形成して斜面部に照明窓３及び観察窓４からなる内視鏡観察機構が設置されている。さらに、超音波トランスデューサ２からなる超音波観測機構と内視鏡観察機構との間の位置には、穿刺処置具を含む各種の処置具を導出させるための処置具導出口５が開口している。

超音波トランスデューサ２は先端部１ａにおいて、基端側から先端側に向けて多数の超音波振動子Ｔを配列したものから構成される。そして、図示したものにあっては、この超音波トランスデューサ２は先端部１ａにおいて、凸湾曲形状に配列されており、従ってコンベックス超音波電子走査を行なうのに適した構造となっている。なお、超音波トランスデューサを構成する各超音波振動子の配列方向は、これだけでなく、例えば直線状、円筒状に形成することもでき、また平面若しくは曲面形状で、Ｘ，Ｙ方向にマトリックス状に超音波振動子を配列したものであっても良い。

前述したように、超音波トランスデューサ２は超音波振動子Ｔを多数配列したものから構成されているが、例えば図２に示したように、超音波振動子Ｔを３２個配列したものとする。なお、実際には、超音波内視鏡の超音波トランスデューサを１００以上の超音波振動子で構成するが、説明を簡略化するために、超音波振動子Ｔの数を３２個としたものであり、この数に限定されないことは言うまでもない。

一般に、超音波振動子Ｔには、その一面側に電極Ｓが、他面側には電極Ｄが設けられている。そして、電極Ｓに所定の電圧を印加すると共に、他方の電極Ｄをアース電位に保つことによって、超音波パルスが送信され、体内組織の断層部からの反射エコーが受信される。従って、多数並べた超音波振動子Ｔは、その電極Ｓには個別的に配線し、他方の電極Ｄは共通の電極として、１本の配線を接続すれば良い。そして、ある範囲を超音波検査して、モニタ画面に鮮明で解像度の高い超音波画像を取得するためには、超音波振動子Ｔの数をできるだけ多くする必要がある。

しかしながら、超音波振動子Ｔからの配線は挿入部１の内部を通って超音波観測装置にまで延在されるものであることから、また特に超音波内視鏡として構成した場合には、内視鏡観察機構として固体撮像素子が組み込まれ、この固体撮像素子からの配線も挿入部１の内部に位置させることから、微弱電波である超音波受信信号を伝送する際に、ノイズの影響を最小限に抑制するために、配線を完全にシールドしなければならない。従って、特に電極Ｓに接続した配線は、超音波振動子Ｔからの引き出し部の僅かな距離についてはともかく、挿入部１の内部を延在させる部位ではシールドケーブルを用いる必要がある。このために、各超音波振動子Ｔに多数のシールドケーブルを接続しなければならず、このために挿入部１の内部における超音波トランスデューサ２からのケーブルの空間占有率が高くなる。

以上の点から、挿入部１の細径化を図ると共に、超音波トランスデューサ２を構成する超音波振動子Ｔの数をできるだけ多くするように構成している。このために、図２に例示した超音波トランスデューサ２においては、３２個からなる超音波振動子ＴのそれぞれにＴ１〜Ｔ３２の符号が与えられ、また各超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３２に接続した個別電極ＳにもそれぞれＳ１〜Ｓ３２の符号が与えられている。これに対して、共通電極Ｄは、超音波振動子Ｔ１〜Ｔ８に接続した第１の分割共通電極Ｄ１とし、超音波振動子Ｔ９〜Ｔ１６までの共通電極を第２の分割共通電極Ｄ２とし、さらに超音波振動子Ｔ１７〜Ｔ２４は第３の分割共通電極Ｄ３、超音波振動子Ｔ２５〜Ｔ３２を第４の分割共通電極Ｄ４とする。

一方、超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３２における個別電極Ｓもグループ化されるが、この個別電極Ｓは２群に分けられる。つまり、個別電極Ｓ１〜Ｓ１６を構成する超音波振動子Ｔ１〜Ｔ１６を第１群の超音波振動子及び第１群の個別電極群となし、また個別電極Ｓ１７〜Ｓ３２を構成する超音波振動子Ｔ１７〜Ｔ３２を第２群の超音波振動子及び第２群の個別電極群とする。そして、各個別電極Ｓ１〜Ｓ３２から引き出された導電線７をそれぞれ２本ずつ短絡させて、シールドケーブル８に接続するようになし、もってシールドケーブル８は、導電線７の本数に対して半分の本数、つまり１６本となる。短絡される２本ずつの導電線７のペアリングは、個別電極Ｓ１とＳ１７，Ｓ２とＳ１８，Ｓ３とＳ１９の順に、つまり第１群の個別電極群を構成する個別電極Ｓ１〜Ｓ１６と、第２群の個別電極群を構成する個別電極Ｓ１７〜Ｓ３２とにおいて、それぞれ群の最初から数えて同じ順位の超音波振動子における個別電極を短絡させるようにしている。

図２に示されているように、超音波観測装置１０は送受信回路１１を備えており、この送受信回路１１には送信側と受信側とに切り換える切換器１２を備えており、また送信側には遅延回路１３が接続されている。この遅延回路１３に駆動パルスが供給されると、３個の超音波振動子が同時作動により駆動されるようになっており、これら３個の超音波振動子に供給される駆動パルスは、例えば図３に示したように、連続的に時間遅れを持たせることによって、超音波パルスの指向性を変えたり、またビームパターンを制御したりすることができるようになっている。なお、同時作動する３個の超音波振動子を同時に駆動しても、また中間の超音波振動子に対してその前後の超音波振動子の送信タイミングをずらせるように構成することもできる。

一方、４本のケーブル９については、それぞれスイッチング素子１４が接続されており、スイッチング素子１４がＯＮ状態であり、このときにシールドケーブル８を介して超音波振動子に駆動パルスが送信されたときに、当該超音波振動子から超音波が送信されるようになっており、超音波振動子に駆動パルスが送信されても、スイッチング素子１４がＯＦＦの状態であれば、その超音波振動子から超音波が送信されない。

以上のように構成される超音波トランスデューサ２を用いることによって、以下に示すような電子超音波走査を行なうことができるようになる。そして、超音波走査を行なうに当って、連続する３個の超音波振動子を同時に若しくは少なくとも１つの超音波振動子を遅延させるようにして作動させるようにする。

まず、３２個からなる超音波振動子のうち、最初に超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３を作動させる。このために、第１の分割共通電極Ｄ１と、第２の分割共通電極Ｄ２とのそれぞれに接続されているケーブル９に設けたスイッチング素子１４をＯＮの状態とし、第３，第４の分割共通電極Ｄ３及びＤ４に接続されているケーブル９はＯＦＦの状態とする。そして、個別電極Ｓ１〜Ｓ３から駆動信号を超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３に印加する。これによって、超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３から超音波が送信される。ただし、これら超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３の個別電極Ｓ１〜Ｓ３に接続したシールドケーブル８は、個別電極Ｓ１７〜Ｓ１９にも接続されているが、第３，第４の分割共通電極Ｄ３，Ｄ４はＯＦＦの状態となっているので、第２の単位ユニットを構成する超音波振動子Ｔ１７〜Ｔ１９から超音波が送信されることはない。

超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３の送受信が終了すると、超音波振動子Ｔ２〜Ｔ４、超音波振動子Ｔ３〜Ｔ５の順に送受信が行なわれる。そして、超音波振動子Ｔ１４〜Ｔ１６の送受信が終了すると、第１の分割共通電極Ｄ１からのケーブル９のスイッチング素子１４をＯＦＦの状態に、また第２の分割共通電極Ｄ２からのケーブル９のスイッチング素子１４をＯＮの状態に保ち、かつ第３の分割共通電極Ｄ３をＯＮの状態にする。さらに、第４の分割共通電極Ｄ４はＯＦＦの状態に保つ。この状態で、個別電極Ｓ１５〜Ｓ１７に駆動信号を伝送することにより、超音波振動子Ｔ１５〜Ｔ１７が駆動される。つまり、第１群の個別電極から第２の個別電極への移行時には、第２の分割共通電極Ｄ２と第３の分割共通電極Ｄ３とを作動状態とする。従って、個別電極Ｓ１５は個別電極Ｓ３１と、個別電極Ｓ１６は個別電極Ｓ３２と、また個別電極Ｔ１７は個別電極Ｔ１と短絡しているが、超音波振動子Ｔ１，Ｔ３１及びＴ３２における共通電極Ｄ１，Ｄ４はＯＦＦの状態になっているので、これらの超音波振動子からは超音波が送信されることはない。そして、超音波振動子Ｔ１４〜Ｔ１６を駆動する場合も同様である。その後、超音波振動子Ｔ１５〜Ｔ１７を駆動する際は、第２の分割共通電極Ｄ２をＯＦＦに、第３の分割共通電極Ｄ３はＯＮの状態を維持し、第４の分割共通電極Ｄ４をＯＮにする。

以上のように、超音波トランスデューサ２として、３２個の超音波振動子から構成されているにも拘わらず、挿入部１の内部に挿通されるシールドケーブル８の数をその半分の１６本で構成することができることから、挿入部１の細径化を図ることができる。そして、導電線７の部分を、図４に示したように、フィルム基板２０に印刷パターン等の手段で形成することによって、シールドケーブル８は直接超音波トランスデューサ２に接続できるようになる。

このために、フィルム基板２０には、各々の超音波振動子Ｔの個別電極Ｓに接続される振動子側接点Ｍと、シールドケーブル８が接続される配線接続用接点Ｎと、これら振動子側接点Ｍと配線接続用接点Ｎとの間の配線パターンＰが印刷等の手段により形成されている。ここで、振動子側接点Ｍの数は超音波振動子Ｔの個別電極Ｓの数と同数設けられて、振動子側接点Ｍ１〜Ｍ３２となし、また配線接続用接点Ｎの数はその半分、つまり配線接続用接点Ｎ１〜Ｎ１６となっている。さらに、配線パターンＰは振動子側接点Ｍと同数、つまり配線パターンＰ１〜Ｐ３２を有するものである。

図２から明らかなように、導電線７はシールドケーブル８に対して２本接続される関係から、少なくとも一部でクロスしている。フィルム基板２０において、配線パターンＰをクロスさせないようにするために、このフィルム基板２０の表裏両面を配線パターンＰの引き回し用として使用している。しかも、配線接続用接点Ｎをフィルム基板２０の幅方向の中間位置に配置し、振動子側接点Ｍをその左右の両辺部に分散させて配置している。従って、接点はフィルム基板２０の左右両辺とその中間部との３列に配列され、各列の接点数は同数、即ち１６個となっている。

ここで、図５に示したように、超音波トランスデューサ２は、３２個の超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３２の下部位置にバッキング材Ｂが接合され、また上部側に音響整合層Ａ及び音響レンズＬが積層されている。これらのうち、バッキング材Ｂ，音響整合層Ａ及び音響レンズＬは全ての超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３２に共通のものである。そして、フィルム基板２０は、その振動子側接点Ｍを設けた両辺部が折り曲げられて、超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３２とバッキング材Ｂとの間の位置に貼着されている。また、シールドケーブル８はフィルム基板２０の中間部に配列した各配線接続用接点Ｎに接続されている。

超音波振動子Ｔは短冊状のものであって、長さ方向にある程度の寸法を有することから、列設されている超音波振動子Ｔ１〜Ｔ３２のうち、例えば奇数番目の超音波振動子の個別電極は超音波振動子Ｔの左側の端部近傍に、また偶数番目の超音波振動子の個別電極は右側の端部近傍に、というように電極の配置を左右の位置に分けている。そして、超音波振動子Ｔ１〜Ｔ１６の個別電極Ｓ１〜Ｓ１６に接続した配線パターンＰ１〜Ｐ１６はフィルム基板２０の表面側に形成されており、超音波振動子Ｔ１７〜Ｔ３２の個別電極Ｓ１７〜Ｓ３２に接続した配線パターンＰ１７〜Ｐ３２はフィルム基板２０の裏面側に形成されている。これによって、全ての配線パターンＰがフィルム基板２０上でクロスすることはない。

このように、フィルム基板２０には表裏両面に配線パターンＰが形成されていることから、このフィルム基板２０に形成された振動子側接点Ｍ及び配線接続用接点Ｎは全て表裏両面に露出している。例えば、フィルム基板２０に透孔を形成して、これらの透孔に導電部材を充填することによって、表裏いずれの面に形成した配線パターンＰと電気的に接続できるようになっている。

以上のようにフィルム基板２０で超音波振動子Ｔの個別電極とシールドケーブル８とを接続し、かつ各々２個の個別電極をシールドケーブル８で短絡させるに当って、配線パターンＰがクロスすることがない。また、振動子側接点Ｍを左右両辺に交互に配置しているので、各々の振動子側接点Ｍの面積を比較的広くすることができるので、フィルム基板２０の超音波トランスデューサ２への組み込む際における位置合わせが容易になり、超音波トランスデューサ２と、そのシールドケーブル８への接続用基板とを高精度に組み付けることができる。

次に、超音波トランスデューサ３０として、例えば図６に示したように、多数の超音波振動子Ｔを円筒形状となるように配列したアニュラアレイとして構成することもできる。この場合には、フィルム基板３１も円筒形状とする。そして、このフィルム基板３１には、図７に示したように、振動子側接点Ｍと配線接続用接点Ｎとを表裏両面において配線パターンＰと接続可能なように形成する。

この場合、超音波振動子Ｔを２群に分けるようにする。即ち、超音波振動子Ｔ１〜Ｔ１６を第１群、超音波振動子Ｔ１７〜Ｔ３２を第２群とする。そして、フィルム基板３１には、図７に示したように、第１群の超音波振動子Ｔ１〜Ｔ１６の個別電極Ｓ１〜Ｓ１６に接続される振動子側接点Ｍ１〜Ｍ１６と、第２群の超音波振動子Ｔ１７〜Ｔ３２の個別電極Ｓ１７〜Ｓ３２に接続される振動子側接点Ｍ１７〜Ｍ３２を共に表面側に形成し、また配線接続用接点Ｎ１〜Ｎ１６を配線パターンＰ１〜Ｐ１６に接続する。そして、配線パターンＰ１〜Ｐ１６及びＰ１７〜Ｐ３２は、それぞれフィルム基板３１を貫通するように設けた導体部（図７にドットで示されている）を介して裏面側（図７に点線で示す）に延在させ、この裏面側において、配線パターンＰ１〜Ｐ１６とＰ１７〜Ｐ３２とをそれぞれ同順位のもの同士をそれぞれ短絡させる。これによって、超音波トランスデューサ３０を構成する超音波振動子の数に対して半分のシールドケーブル８とすることができる。そして、この超音波トランスデューサ３０の動作は前述したと同様になる。

なお、前述した実施の形態においては、超音波トランスデューサを３２個の超音波振動子で構成したものとして説明したが、これは説明を簡単にするためであり、実際においては、超音波トランスデューサを構成する超音波振動子の数はさらに多くなる。また、超音波トランスデューサに接続される共通電極に接続されるケーブルは、個別電極に接続されるケーブルとは別個のものとなる。

本発明の実施の形態としての超音波内視鏡における挿入部の先端に装着される超音波検査装置の構成説明図である。超音波トランスデューサのブロック構成図である。遅延回路による遅延の一例を示す送信タイミングの説明図である。フィルム基板の構成説明図である。個別電極とシールドケーブルの接続構造を示す説明図である。本発明における他の実施の形態を示す超音波トランスデューサとフィルム基板の構成説明図である。図６のフィルム基板を展開して示す説明図である。

符号の説明

１挿入部
２，３０超音波トランスデューサ
７導電線
８シールドケーブル
９ケーブル
２０，３１フィルム基板
Ｔ，Ｔ１〜Ｔ３２超音波振動子
Ｓ，Ｓ１〜Ｓ３２個別電極
Ｄ共通電極
Ｄ１第１の分割共通電極
Ｄ２第２の分割共通電極
Ｄ３第３の分割共通電極
Ｄ４第４の分割共通電極
Ｍ，Ｍ１〜Ｍ３２振動子側接点
Ｎ，Ｎ１〜Ｎ３２配線接続用接点
Ｐ，Ｐ１〜Ｐ３２配線パターン

Claims

所定の方向に配列した多数の超音波振動子からなる超音波トランスデューサに、前記多数の超音波振動子を、それらに接続される共通電極に基づいて複数の超音波振動子群に分けて、それぞれ２個の超音波振動子の個別電極となる電極を短絡させて各々ケーブルに接続したものであって、
フィルム基板に、前記超音波トランスデューサを構成する前記超音波振動子の数と同数の振動子側接点を形成し、かつ前記各ケーブルが接続される配線接続用接点を設けて、各振動子側接点からの配線パターンを表裏両面に形成して、それぞれ２つの配線パターンを短絡させて前記配線接続用接点に接続するようになし、
前記超音波振動子群のうち、奇数番目側，偶数番目側の超音波振動子群同士または奇数番目側と偶数番目側との超音波振動子群を構成するそれぞれ同一順位の超音波振動子の前記電極に接続した配線パターンを前記配線接続用接点の位置または前記振動子側接点と前記配線接続用接点との間の位置で短絡させるようになし、
前記短絡させる超音波振動子の一方側の超音波振動子が接続された振動子側接点からの配線パターンは前記フィルム基板の表面側または裏面側のいずれか一側面に形成し、他側面には前記短絡させる超音波振動子の他方側の超音波振動子が接続された振動子側接点からの配線パターンを形成する
構成としたことを特徴とする超音波トランスデューサ用接続基板。
前記フィルム基板には、前記振動子側接点と前記配線接続用接点とが表裏両面に露出するように、フィルムを貫通した導体部で形成したことを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ用接続基板。