JP4541761B2 - 超音波プローブおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波プローブ（ｐｒｏｂｅ）およびその製造方法に関し、特に、分極方向において互いに対向する１対の電極を有する圧電部材と、それら電極に接続される回路パターン（ｐａｔｔｅｒｎ）を有するフレキシブルプリント（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔ）基板とを備えた超音波プローブ、および、そのような超音波プローブの製造方法に関する。

超音波プローブは超音波診断において超音波の送受信に用いられる。超音波プローブは超音波トランスデューサ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を有する。超音波トランスデューサは圧電部材の分極方向の前面と後面にそれぞれ電極を設けて構成される。両電極にはそれぞれ信号線が接続される。信号線としてはフレキシブルプリント基板上に形成された回路パターンが利用される。両電極への回路パターンの接続を超音波トランスデューサの後面側からできるようにするために、前面電極は後面側まで回り込むように構成される（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２７６４７９号公報（第４頁、図６）

上記のような超音波プローブでは、後面側への前面電極の回り込み分だけ、後面電極の面積が減少する。超音波の送受信に関わる有効開口は、前面電極と後面電極が互いに対向する正味の面積で決まるので、後面電極の面積が減少することにより開口率が低下する。

そこで、本発明の課題は、圧電部材における開口率が高い超音波プローブおよびその製造方法を実現することである。

（１）上記の課題を解決するためのひとつの観点での発明は、前面および後面を有する圧電部材と、前記前面および後面の全面にわたってそれぞれ設けられた前面電極および後面電極と、前記後面電極の表面の一部から前記圧電部材の側面にかけて設けられた絶縁体層と、前記前面電極に連続し前記絶縁体層の表面に沿って前記後面電極側まで回り込むように設けられた導電体層と、前記圧電部材の後面側において前記導電体層および前記後面電極にそれぞれ接続される回路パターンを有するフレキシブルプリント基板と、前記フレキシブルプリント基板を挟んで前記圧電部材の後面側に設けられたバッキング部材と、を具備することを特徴とする超音波プローブである。

（２）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、圧電部材の前面および後面の全面にわたってそれぞれ前面電極および後面電極を設ける工程と、前記後面電極の表面の一部から前記圧電部材の側面にかけて絶縁体層を設ける工程と、前記前面電極に連続し前記絶縁体層の表面に沿って前記後面電極側まで回り込むように導電体層を設ける工程と、前記圧電部材の後面側においてフレキシブルプリント基板の回路パターンを前記導電体層および前記後面電極にそれぞれ接続する工程と、前記フレキシブルプリント基板を挟んで前記圧電部材の後面側にバッキング部材を設ける工程と、を具備することを特徴とする超音波プローブの製造方法である。

前記圧電部材の形状が直方体であることが、互いに対向する平行な１対の側面を持つ点で好ましい。前記絶縁体層が設けられる前記圧電部材の側面が互いに対向する１対の側面であることが、絶縁体層配置およびその上の導電体層配置の対称性を良くする点で好ましい。

前記圧電部材が複数個集合してアレイを構成することが、フェイズドアレイとして使用する点で好ましい。前記アレイが１次元のアレイであることが、１次元のフェイズドアレイとして使用する点で好ましい。

前記前面電極がグラウンド電極であり前記後面電極がシグナル電極であることが、グラウンド電極によるシールド効果を得る点で好ましい。前記圧電部材の材料がＰＺＴであることが、感度の良い超音波送受信を行う点で好ましい。

（１）ひとつの観点での発明によれば、超音波プローブが、前面および後面を有する圧電部材と、前記前面および後面の全面にわたってそれぞれ設けられた前面電極および後面電極と、前記後面電極の表面の一部から前記圧電部材の側面にかけて設けられた絶縁体層と、前記前面電極に連続し前記絶縁体層の表面に沿って前記後面電極側まで回り込むように設けられた導電体層と、前記圧電部材の後面側において前記導電体層および前記後面電極にそれぞれ接続される回路パターンを有するフレキシブルプリント基板と、前記フレキシブルプリント基板を挟んで前記圧電部材の後面側に設けられたバッキング部材とを具備するので、圧電部材の開口率が高い超音波プローブを実現することができる。

（２）他の観点での発明によれば、超音波プローブの製造方法が、圧電部材の前面および後面の全面にわたってそれぞれ前面電極および後面電極を設ける工程と、前記後面電極の表面の一部から前記圧電部材の側面にかけて絶縁体層を設ける工程と、前記前面電極に連続し前記絶縁体層の表面に沿って前記後面電極側まで回り込むように導電体層を設ける工程と、前記圧電部材の後面側においてフレキシブルプリント基板の回路パターンを前記導電体層および前記後面電極にそれぞれ接続する工程と、前記フレキシブルプリント基板を挟んで前記圧電部材の後面側にバッキング部材を設ける工程とを具備するので、圧電部材の開口率が高い超音波プローブを製造する方法を実現することができる。

以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、本発明は、発明を実施するための最良の形態に限定されるものではない。図１に超音波診断装置のブロック（ｂｌｏｃｋ）図を示す。同図に示すように、本装置は、超音波プローブ１００を有する。超音波プローブ１００は発明を実施するための最良の形態の一例である。本器の構成によって、超音波プローブに関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。

超音波プローブ１００は、送受信部２０２に接続されている。送受信部２０２は、超音波プローブ１００に駆動信号を与えて超音波を送波させる。送受信部２０２は、また、超音波プローブ１００が受波したエコー信号を受信する。

送受信部２０２は診断情報生成部２０４に接続されている。診断情報生成部２０４は、送受信部２０２を通じてエコー受信信号を入力し、このエコー受信信号に基づいて診断情報を生成する。

診断情報としては、例えば、Ｂモード（ｍｏｄｅ）画像、カラードップラ（ｃｏｌｏｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ）画像、ドップラスペクトラム（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）画像等が生成される。Ｂモード画像は診断対象の断層像を表す。カラードップラ画像は、診断対象における血流等の速度分布像を表す。ドップラスペクトラム画像はドップラ信号のスペクトラムを表す。このような診断情報が、診断情報生成部２０４に接続された表示部２０６で表示される。

送受信部２０２、診断情報生成部２０４および表示部２０６は制御部２０８によって制御される。制御部２０８には操作部２１０が接続されている。操作部２１０は使用者によって操作され、制御部２０８に適宜の指令や情報を入力するようになっている。

図２に、超音波プローブ１００の主要部の外観を示す。同図の（ａ）および（ｂ）は互いに９０゜異なる２方向から見た側面図である。（ａ）は超音波プローブ１００の扁平面側を示し、（ｂ）は厚み側を示す。

同図に示すように、超音波プローブ１００は、本体１１０に柄１２０が付いたものとなっている。本体１１０は概ね半円板状の外形をなす。柄１２０は概ね棒状の外形をなす。本体１１０の円弧状に張り出した部分が超音波の送受波部１１２となっている。なお、送受波部１１２は張り出しのない平坦なものであってよい。送受波部１１２の内側には、超音波トランスデューサ３００が設けられている。

本体１１０および柄１２０の外面は、例えばプラスチック（ｐｌａｓｔｉｃｓ）材料等で一体的に構成されたエンクロージャ（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）となっている。ただし、送受波部１１２に相当する部分は、例えばシリコンゴム（ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｕｂｂｅｒ）等の超音波透過性の良い材料で構成される。

図３に、本体１１０の内部の主要な構成を示す。同図の（ａ）は超音波プローブ１００の扁平面側から見た図、（ｂ）は（ａ）についてのＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ｂ）において破線で囲んだ部分の拡大図である。

同図に示すように、超音波トランスデューサ３００はバッキング（ｂａｃｋｉｎｇ）部材４００の湾曲面に沿って形成される。超音波トランスデューサ３００は、コンベックスアレイ（ｃｏｎｖｅｘ ａｒｒａｙ）を形成するように１次元配列された例えば１２８個の超音波トランスデューサである。個々の超音波トランスデューサはフレキシブルプリント基板５００上の対応する回路パターンにそれぞれ接続されている。

なお、超音波トランスデューサ３００は、コンベックスアレイではなくリニアアレイ（ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ）となるように構成してもよい。その場合、バッキング部材としては張り出しのない平坦な端面を持つものが用いられる。以下、コンベックスアレイの例で説明するが、リニアアレイの場合も同様である。

フレキシブルプリント基板５００は（ｃ）に示すように、バッキング部材４００の先端において超音波トランスデューサ３００の裏面に接する湾曲面５０２を有し、また、湾曲面５０２の両端からコンベックスアレイ３００の張り出しの方向とは反対側にほぼ直角に折れ曲がった扇状のジャバラ面５０４を有する。

図４に、超音波トランスデューサ３００、バッキング部材４００およびフレキシブルプリント基板５００からなる部分のさらに詳細な構成を示す。同図は、図３（ｃ）に示した部分をさらに拡大したものに相当する。ただし上下を反転してある。

同図に示すように、超音波トランスデューサ３００は、圧電部材３１０の前面と後面に前面電極３２０と後面電極３３０をそれぞれ設けたものとなっている。圧電部材３１０の形状は例えば直方体である。なお、直方体に限らず、例えば円板等適宜の形状であってよい。

圧電部材３１０の材料としては、例えばＰＺＴ（チタン（Ｔｉ）酸ジルコン（Ｚｒ）酸鉛（Ｐｂ））が用いられる。ＰＺＴを用いることにより超音波送受信を高感度に行うことができる。

圧電部材３１０は本発明における圧電部材の一例である。前面電極３２０は本発明における前面電極の一例である。後面電極３３０は本発明における後面電極の一例である。
前面電極３２０は圧電部材３１０の前面に全面にわたって設けられる。後面電極３３０は圧電部材３１０の後面に全面にわたって設けられる。なお、前面および後面は圧電部材３１０の分極方向において互いに対向する１対の面である。

後面電極３３０の表面の一部から圧電部材３１０の側面にかけて絶縁体層３２２が設けられる。絶縁体層３２２は圧電部材３１０の両側面にかけて設けられる。これによって左右の対称性が得られる。なお、絶縁体層３２２はどちらか片側だけとしてもよい。絶縁体層３２２は本発明における絶縁体層の一例である。

絶縁体層３２２の表面には、前面電極３２０に連続する導電体層３２４が後面電極３３０側まで回り込むように設けられる。これによって、導電体層３２４は後面電極３３０側まで回り込む前面電極３２０の延長部を構成する。導電体層３３２も圧電部材３１０の両側面にかけて設けられるが、絶縁体層３２２が片側だけのときはそちら側だけに設けられる。導電体層３２４は本発明における導電体層の一例である。

導電体層３２４には、フレキシブルプリント基板５００の回路パターン５１２が接続される。後面電極３３０には、フレキシブルプリント基板５００の回路パターン５１４が接続される。回路パターン５１４は、フレキシブルプリント基板５００のベース（ｂａｓｅ）を５１６貫通して裏面の回路パターン５１４’に連続している。フレキシブルプリント基板５００は本発明におけるフレキシブルプリント基板の一例である。

フレキシブルプリント基板５００を挟んで、圧電部材３１０の後側にバッキング部材４００が設けられる。バッキング部材４００はフレキシブルプリント基板５００が接続された圧電部材３１０を支持するとともに、圧電部材３１０の後面から放射される超音波を吸収する。バッキング部材４００は本発明におけるバッキング部材の一例である。

このような構成において、フレキシブルプリント基板５００の回路パターン５１２，５１４を通じて前面電極３２０と後面電極３３０の間に電圧を印加すると、圧電部材３１０は電歪効果により超音波を発生する。印加する電圧は、前面電極３２０側がグラウンド電位、後面電極３３０側がシグナル（ｓｉｇｎａｌ）電位となるようにする。このようにすることにより、グラウンド電位となる前面電極３２０のシールド（ｓｈｉｅｌｄ）効果を利用することができる。なお、必要に応じてグラウンド電位とシグナル電位の印加を逆にしてもよい。

圧電部材３１０に外部から超音波が印加されると、圧電効果により前面電極３２０と後面電極３３０の間に電圧が生じる。この電圧がフレキシブルプリント基板５００の回路パターン５１２，５１４’を通じて信号受信部に供給される。このときも、前面電極３２０をグラウンド電極、後面電極３３０をシグナル電極とする。なお、必要に応じてグラウンド電極とシグナル電極の関係を逆にしてもよい。

このような超音波の送受信を行うとき、前面電極３２０と後面電極３３０がそれぞれ圧電部材３１０の前面および後面の全面積にわたって対向しているので、圧電部材３１０の前面の全面が送受信用の開口となる。このため、開口率１００％の送受信を行うことができる。

図５に、上記のような構造についての製造工程のフロー（ｆｌｏｗ）図を示す。本工程は、本発明の超音波プローブ製造方法を実施するための最良の形態の一例である。本工程によって、超音波プローブ製造方法に関する発明を実施するための最良の形態の一例が示される。

本工程における各工程は、それぞれ既存の適宜の製造設備を用いて遂行される。同図に示すように、工程１０１で、電極形成を行う。これによって、図６に示すように、圧電部材３１０の前面と後面にそれぞれ前面電極３２０と後面電極３３０が形成される。

次に、工程１０３で、例えば絶縁材料の塗布等により絶縁体層形成を行う。これによって、図７に示すように、後面電極３３０の一部から圧電部材３１０の側面にかけて絶縁体層３２２が形成される。

次に、工程１０５で、例えば導電材料のスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）等により導電体層形成を行う。これによって、図８に示すように、絶縁体層３２２の表面に、前面電極３２０と連続しかつ後面電極３３０側まで回り込む導電体層３２４が形成される。このとき、後面電極３３０の絶縁体層３２２に覆われない部分にも導電体層３３２を形成し、この層の高さを導電体層３２４の高さに合わせることが、フレキシブルプリント基板の回路パターンへの接続を容易にする点で好ましい。これによって、電極付きの圧電部材すなわち超音波トランスデューサ３００が構成される。

次に、工程１０７で、フレキシブルプリント基板接続を行う。図９に、フレキシブルプリント基板５００の回路パターンの一例を示す。同図の（ａ）は表側のパターン、（ｂ）は裏側のパターンである。なお、説明の便宜上、送受信チャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）は１０チャンネルであるとする。

同図の（ａ）に示すように、表側では、中央に後面電極３３０に対応する回路パターン５１４がチャンネル数だけ設けられ、その両側に前面電極３２０に対応する回路パターン５１２がチャンネル数だけ互い違いに設けられる。

裏側では、同図の（ｂ）に示すように、回路パターン５１４’がチャンネル数だけ互い違いに設けられる。回路パターン５１４’は、ベース５１６を貫通する導体によって、表側の回路パターン５１４にチャンネルごとに連続している。

なお、回路パターン５１２，５１４’の配列は互い違いではなく、チャンネル順次の配列としてもよい。ただし、互い違いした方が隣り合う回路パターン間の距離的余裕が大きい点で好ましい。前面電極３２０をグラウンド側とするときは、回路パターン５１２にグラウン電位が与えられ、回路パターン５１４’に信号電位が与えられる。後面電極３３０をグラウンド側とするときはその逆になる。

このようなフレキシブルプリント基板５００の表側に、上記のように加工された超音波トランスデューサ３００が接続される。すなわち、図１０に示すように、超音波トランスデューサ３００をフレキシブルプリント基板５００に回路パターン５１２，５１４の配置に合わせて搭載し、接着等により一体化する。

次に、工程１０９で、ダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）を行う。これによって、図１１に示すように、超音波トランスデューサ３００が複数の回路パターン５１２（５１４）に対応して切り離され、スリット３０２を隔てて隣り合う複数の超音波トランスデューサ３００が形成される。

複数の超音波トランスデューサ３００は１次元のアレイを構成する。超音波トランスデューサ３００の１次元アレイはフェイズドアレイ（ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ）方式による超音波送受信を行うのに好都合である。なお、アレイを構成しないときはダイシングは不要である。

次に、工程１１１で、バッキング部材取付を行う。これによって、図１２に示すように、超音波プローブの主要部が完成する。

超音波診断装置のブロック図である。 発明を実施するための最良の形態の一例の超音波プローブの構成を示す図である。 超音波プローブの主要部の構成を示す図である。 超音波プローブの主要部の詳細な構成を示す図である。 超音波プローブの主要部の製造工程のフロー図である。 製造工程の途中における部品の状態を示すである。 製造工程の途中における部品の状態を示すである。 製造工程の途中における部品の状態を示すである。 製造工程の途中における部品の状態を示すである。 製造工程の途中における部品の状態を示すである。 製造工程の途中における部品の状態を示すである。 超音波プローブの主要部の完成状態を示す図である。

符号の説明

１００ 超音波プローブ
３００ 超音波トランスデューサ
３１０ 圧電部材
３２０ 前面電極
３２２ 絶縁体層
３２４ 導電体層
３３０ 後面電極
４００ バッキング部材
５００ フレキシブルプリント基板
５１２，５１４ 回路パターン
５１６ ベース

Claims (8)

1. 前面および後面を有する圧電部材と、
   前記前面および後面の全面にわたってそれぞれ設けられた前面電極および後面電極と、
   前記後面電極の表面の一部から前記圧電部材の側面にかけて設けられた絶縁体層と、
   前記前面電極に連続し前記絶縁体層の表面に沿って前記後面電極側まで回り込むように設けられた導電体層と、
   前記圧電部材の後面側において前記導電体層および前記後面電極における前記絶縁体層で覆われない部分にそれぞれ接続される回路パターンを有する一枚のフレキシブルプリント基板と、
   前記フレキシブルプリント基板を挟んで前記圧電部材の後面側に設けられたバッキング部材と、を具備し、
   前記後面電極における前記絶縁体層で覆われない部分の高さを前記導電体層の高さに合わせた
   ことを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記圧電部材の形状が直方体である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記絶縁体層が設けられる前記圧電部材の側面が互いに対向する１対の側面である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記圧電部材が複数個集合してアレイを構成する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載の超音波プローブ。
5. 前記アレイが１次元のアレイである、
   ことを特徴とする請求項４に記載の超音波プローブ。
6. 前記前面電極がグラウンド電極であり前記後面電極がシグナル電極である、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５うちのいずれか１つに記載の超音波プローブ。
7. 前記圧電部材の後面側における前記導電体層と前記後面電極における前記絶縁体層で覆われない部分との間には空間が設けられている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６うちのいずれか１つに記載の超音波プローブ。
8. 圧電部材の前面および後面の全面にわたってそれぞれ前面電極および後面電極を設ける工程と、
   前記後面電極の表面の一部から前記圧電部材の側面にかけて絶縁体層を設ける工程と、 前記前面電極に連続し前記絶縁体層の表面に沿って前記後面電極側まで回り込むように導電体層を設け、さらに前記後面電極の前記絶縁体層に覆われない部分を、前記導電体層の高さに合わせる工程と、
   前記圧電部材の後面側において、一枚のフレキシブルプリント基板の回路パターンを前記導電体層および前記後面電極における前記絶縁体層で覆われない部分にそれぞれ接続する工程と、
   前記フレキシブルプリント基板を挟んで前記圧電部材の後面側にバッキング部材を設ける工程と、
   を具備することを特徴とする超音波プローブの製造方法。

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