JP4562555B2 - 超音波プローブ、および超音波プローブの作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体の所要部に超音波を照射し、生体からのエコー信号を受信する超音波トランスデューサを備えた超音波プローブ、およびその作製方法に関する。

近年、医療分野において、超音波画像を利用した医療診断が実用化されている。超音波画像は、超音波プローブから生体の所要部に超音波を照射し、超音波プローブとコネクタを介して接続された超音波観測器で、生体からのエコー信号を電気的に検出することによって得られる。超音波プローブの駆動方式としては、超音波を送受信する超音波トランスデューサを複数個配置し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式が知られている。

電子スキャン走査方式の超音波プローブには、プローブ先端に複数個（例えば９４〜１２８個）の超音波トランスデューサを扇状に配置したコンベックス電子走査方式がある。また、プローブ先端の外周に複数個（例えば３６０個）の超音波トランスデューサを配置したラジアル電子走査方式がある。さらに、これらの方式の中でも、超音波トランスデューサの配設の仕方によって、一次元アレイ型と二次元アレイ型とに分類される。

一次元アレイ型の超音波トランスデューサの作製方法としては、例えば特許文献１の図１７に開示されているように、電極の端部に可撓性配線部材（ＦＰＣ；Flexible Printed Circuit）が接続された超音波トランスデューサのウエハーを、可撓性を有するバッキング材に接合し、ウエハーを所定のサイズにダイシングした後、バッキング材を湾曲させて蒲鉾状の台座に貼り付ける方法（特許文献１参照）が提案されている。
特開平８−８９５０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、バッキング材を台座に貼り付ける際に、ＦＰＣの伸縮によって超音波トランスデューサの配列ピッチにズレが生じ、これが原因で超音波画像の画質が劣化してしまうという問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、超音波画像の画質の劣化を防止することができる超音波プローブ、および超音波プローブの作製方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の超音波トランスデューサが配列されてなり、前記超音波トランスデューサの電極に可撓性配線部材が接続された超音波トランスデューサアレイと、超音波トランスデューサアレイが接合された可撓性シートと、曲面形状を有し、前記可撓性シートが貼り付けられた台座とが先端に配設された超音波プローブにおいて、前記可撓性シートおよび前記台座に、前記可撓性シートを前記台座に貼り付ける際に、前記可撓性シートと前記台座との位置決めを行うための位置決め部を設けたことを特徴とする。

なお、前記位置決め部は、前記可撓性シートまたは前記台座のうちの一方に設けられた凸部と、他方に設けられ、前記凸部が嵌め込まれる凹部とから構成されることが好ましく、前記凸部は、前記可撓性シートを前記台座に貼り付けた後、前記可撓性シートまたは前記台座から取り除くことが可能なように設けられていることが好ましい。

また、本発明は、複数の超音波トランスデューサが配列されてなり、前記超音波トランスデューサの電極に可撓性配線部材が接続された超音波トランスデューサアレイと、超音波トランスデューサアレイが接合された可撓性シートと、曲面形状を有し、前記可撓性シートが貼り付けられた台座とが先端に配設された超音波プローブの作製方法において、前記可撓性シートを前記台座に貼り付ける際に、前記可撓性シートおよび前記台座に設けられた位置決め部により、前記可撓性シートと前記台座との位置決めを行うことを特徴とする。

なお、前記位置決め部を、前記可撓性シートまたは前記台座のうちの一方に設けられた凸部と、他方に設けられ、前記凸部が嵌め込まれる凹部とから構成することが好ましく、前記可撓性シートを前記台座に貼り付けた後、前記凸部を、前記可撓性シートまたは前記台座から取り除くことが好ましい。

本発明の超音波プローブ、および超音波プローブの作製方法によれば、可撓性シートおよび台座に位置決め部を設け、可撓性シートを台座に貼り付ける際に、この位置決め部により、可撓性シートと台座との位置決めを行うようにしたので、超音波トランスデューサの位置ズレが生じるおそれがない。したがって、超音波画像の画質の劣化を防止することができる。

図１および図２において、本発明を適用した超音波プローブ２の先端２ａには、超音波トランスデューサアレイ１０が配設されている。この超音波トランスデューサアレイ１０には、蒲鉾状に形成された台座１１上に、複数の超音波トランスデューサ１２が一次元アレイ状に配列されてなる、いわゆるコンベックス電子走査方式が採用されている。

先端２ａに接続されたシース１３の上部には、生体内の観察部位の像光を取り込むための対物光学系１４と、像光を撮像して撮像信号を出力するＣＣＤ１５とを備えた撮像装置１６が搭載され、中央部には、穿刺針１７が挿通される穿刺針用チャンネル１８が設けられている。また、シース１３の下部には、超音波観測器（図示せず）と、超音波トランスデューサアレイ１０および撮像装置１６とを電気的に接続するアレイ用配線ケーブル１９および撮像装置用配線ケーブル２０が、穿刺針用チャンネル１８を挟むように挿通されている。

台座１１は、先端２ａの基材２１上に載置されている。この台座１１は、硬質ゴムなどの剛性を有する材料からなり、超音波減衰材（フェライト、セラミックスなど）が必要に応じて添加されている。なお、図示はしていないが、基材２１には、後述するＦＰＣ３０が接続され、アレイ用配線ケーブル１９から配線が引き回されたコネクタが配されている。

超音波トランスデューサアレイ１０は、可撓性シート２２に接合されており、この可撓性シート２２を介して、台座１１に貼り付けられている。なお、煩雑を避けるために図示はしていないが、超音波トランスデューサ１２同士の隙間には、エポキシ樹脂からなる充填材が充填されている。また、超音波トランスデューサアレイ１０上には、シリコン樹脂などからなり、超音波トランスデューサアレイ１０から発せられる超音波を生体内の観察部位に向けて収束させる音響レンズが取り付けられている。

図３において、可撓性シート２２の両端部には、シート状の可撓性配線部材（ＦＰＣ）３０が下方に引き出されている。ＦＰＣ３０は、所定ピッチに配列された導電パターンをもつ導電線が、可撓性を有する樹脂基板上にエッチング処理によって予め一体形成されたものである。このＦＰＣ３０は、超音波トランスデューサ１２の個別電極４２ａおよび共通電極４２ｂ（図４参照）に半田付けなどで電気的に接続されている。

台座１１の表面両端部には、位置決めピン３１が設けられている。位置決めピン３１は、超音波トランスデューサ１２の個数分有り、等間隔に配置されている。一方、位置決めピン３１の位置に対応する可撓性シート２２の両端部には、位置決め穴３２が設けられている。可撓性シート２２を台座１１に貼り付ける際には、位置決めピン３１を位置決め穴３２に嵌め込む。これにより、可撓性シート２２と台座１１との位置決めがなされる。

図４において、超音波トランスデューサ１２は、可撓性シート２２側から順に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜からなる圧電素子４０、およびエポキシ樹脂製の音響整合層４１からなり、圧電素子４０を個別電極４２ａ、共通電極４２ｂで挟み込んだ構成となっている。

個別電極４２ａは、前述のＦＰＣ３０、コネクタ、およびアレイ用配線ケーブル１９を経由して、超音波観測器内の送受信切替回路４３に接続されている。一方、共通電極４２ｂは、ＦＰＣ３０、コネクタを経由してアースに接続されている。

送受信切替回路４３は、超音波トランスデューサ１２による超音波の送受信切り替えを所定の時間間隔で行う。この送受信切替回路４３には、パルス発生回路４４および電圧測定回路４５が接続されている。パルス発生回路４４は、超音波トランスデューサ１２から超音波を発生させる際（超音波の送信時）に、パルス電圧を圧電素子４０に印加する。これにより、超音波トランスデューサ１２は、所定の周波数を有する超音波を発生する。

電圧測定回路４５は、生体からのエコー信号を超音波トランスデューサ１２で受信した際（超音波の受信時）に、圧電素子４０に発生する電圧を測定する。電圧測定回路４５は、この測定結果をコントローラ４６に送信する。コントローラ４６は、電圧測定回路４５から送信された測定結果を超音波画像に変換し、これをモニタ４７に表示させる。

生体内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブ２の挿入部が生体内に挿入され、内視鏡用モニタにより撮像装置１６で取得された光学画像が観測されながら、生体内の所要部が探索される。そして、生体内の所要部に先端２ａが到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、送受信切替回路４３により超音波トランスデューサ１２の超音波の送受信が切り替えられながら、パルス発生回路４４からのパルス電圧の印加により、超音波トランスデューサ１２から超音波が発せられ、生体に超音波が走査される。

生体からのエコー信号が超音波トランスデューサ１２で受信され、電圧測定回路４５により圧電素子４０に発生した電圧が測定される。電圧測定回路４５の測定結果はコントローラ４６に送信され、コントローラ４６で超音波画像に変換される。変換された超音波画像は、モニタ４７に表示される。また、光学画像または超音波画像が観測されながら、必要に応じて穿刺針１７が操作され、生体内の所要部が採取される。

次に、上記構成を有する超音波プローブ２の作製手順について説明する。まず、超音波トランスデューサ１２のウエハーの個別電極４２ａおよび共通電極４２ｂに、半田付けなどによりＦＰＣ３０を接続する。次いで、このウエハーを可撓性シート２２上に接合する。

可撓性シート２２上に超音波トランスデューサ１２のウエハーを接合した後、ウエハーを一次元アレイ状にダイシングする。そして、超音波トランスデューサ１２同士の隙間に充填材を充填する。このようにして、可撓性シート２２上に超音波トランスデューサアレイ１０が形成される。

その後、可撓性シート２２を台座１１の曲面形状に合わせて湾曲させ、位置決めピン３１を位置決め穴３２に嵌め込んで、可撓性シート２２と台座１１との位置決めを行いつつ、可撓性シート２２を台座１１に貼り付ける。最後に、超音波トランスデューサアレイ１０上に音響レンズを取り付け、台座１１を基材２１上に接着し、ＦＰＣ３０をコネクタに差し込んで、超音波プローブ２を完成させる。

以上詳細に説明したように、台座１１に位置決めピン３１を、可撓性シート２２に位置決め穴３２を設け、可撓性シート２２を台座１１に貼り付ける際に、位置決めピン３１を位置決め穴３２に嵌め込むことにより、可撓性シート２２と台座１１との位置決めを行うようにしたので、超音波トランスデューサ１２の位置ズレが生じるおそれがない。したがって、超音波画像の画質の劣化を防止することができる。

なお、上記実施形態では、位置決めピン３１および位置決め穴３２が、台座１１および可撓性シート２２に一体的に設けられた例を示したが、図５に示すように、可撓性シート５０を台座５１に貼り付けた後に、位置決めピン５２および位置決め穴５３が設けられた部分を取り除くことが可能な構成としてもよい。

図５に示す台座５１は、位置決めピン５２が設けられた両端部が外側に張り出されており、この張り出された部分の内側にＦＰＣ３０が挿入される溝５４が形成されている。一方、可撓性シート５０の両端部も、台座５１と同様に外側に張り出されており、この張り出された部分に位置決めピン５２と対応する位置決め穴５３が設けられている。可撓性シート５０および台座５１の外側に張り出された部分は、可撓性シート５０を台座５１に貼り付けた後、カッターなどによって台座５０および可撓性シート５１から切り離される。このような構成であると、製品レベルでは不要となる位置決めピンおよび位置決め穴を簡単に取り除くことができるので、製品の見栄えがよくなり、省スペース化も実現することができる。

また、図５に示す可撓性シート５０と併用して、図６に示す治具６０を用いてもよい。治具６０には、台座６１が載置される切欠き６２が形成され、両端部に位置決めピン６３が設けられている。この場合、台座に位置決めピンを設けなくともよくなり、部品加工に掛かる時間およびコストを削減することができる。但し、治具６０と台座６１との位置決めを精度よく行う必要があることは言う迄もない。

上記実施形態では、台座に位置決めピンを、可撓性シートに位置決め穴をそれぞれ設けているが、これとは逆に、台座に位置決め穴を、可撓性シートに位置決めピンを設けてもよい。また、位置決めピンおよび位置決め穴の個数は、超音波トランスデューサの個数と同一でなくともよく、例えば超音波トランスデューサ４〜５個毎に対して１個配置してもよい。また、位置決めピンおよび位置決め穴を設ける位置は、上記実施形態の両端部でなくともよい。さらに、位置決めピンと位置決め穴の代わりに、突起と溝を設けてもよい。

本発明は、上記実施形態で挙げた超音波トランスデューサアレイ１０に加えて、カメラのフォーカスレンズやズームレンズを駆動させるためのアクチュエータや、角速度センサなどに用いられる振動式ジャイロなどの他の振動子アレイについても、適用することが可能である。

本発明を適用した超音波プローブの先端の構成を示す拡大断面図である。 超音波プローブの先端の構成を示す平面図である。 台座に可撓性シートを貼り付ける際の状態を示す斜視図である。 超音波トランスデューサの構成を示す拡大断面図である。 本発明の別の実施形態を示す斜視図である。 本発明のさらに別の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

２ 超音波プローブ
１０ 超音波トランスデューサアレイ
１１、５１、６１ 台座
１２ 超音波トランスデューサ
２２、５０ 可撓性シート
３０ 可撓性配線部材（ＦＰＣ）
３１、５２、６３ 位置決めピン
３２、５３ 位置決め穴
４０ 圧電素子
４２ａ、４２ｂ 個別電極、共通電極
４６ コントローラ
６０ 治具

Claims (4)

1. 複数の超音波トランスデューサが配列されてなり、前記超音波トランスデューサの電極に可撓性配線部材が接続された超音波トランスデューサアレイと、超音波トランスデューサアレイが接合された可撓性シートと、曲面形状を有し、前記可撓性シートが貼り付けられた台座とが先端に配設された超音波プローブにおいて、
   前記可撓性シートおよび前記台座に、前記可撓性シートを前記台座に貼り付ける際に、前記可撓性シートと前記台座との位置決めを行うための位置決め部を設け、
   前記位置決め部は、前記可撓性シートまたは前記台座のうちの一方に設けられた凸部と、
   他方に設けられ、前記凸部が嵌め込まれる凹部とから構成されたことを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記凸部は、前記可撓性シートを前記台座に貼り付けた後、前記可撓性シートまたは前記台座から取り除くことが可能なように設けられてい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. 複数の超音波トランスデューサが配列されてなり、前記超音波トランスデューサの電極に可撓性配線部材が接続された超音波トランスデューサアレイと、超音波トランスデューサアレイが接合された可撓性シートと、曲面形状を有し、前記可撓性シートが貼り付けられた台座とが先端に配設された超音波プローブの作製方法において、
   前記可撓性シートを前記台座に貼り付ける際に、前記可撓性シートおよび前記台座に設けられた位置決め部により、前記可撓性シートと前記台座との位置決めを行い、
   前記位置決め部を、前記可撓性シートまたは前記台座のうちの一方に設けられた凸部と、
   他方に設けられ、前記凸部が嵌め込まれる凹部とから構成したことを特徴とする超音波プローブの作製方法。
4. 前記可撓性シートを前記台座に貼り付けた後、前記凸部を、前記可撓性シートまたは前記台座から取り除くことを特徴とする請求項３に記載の超音波プローブの作製方法。

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