JP4909115B2 - 超音波用探触子 - Google Patents

Description

本発明は、被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波用探触子に関する。

医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な撮像技術が開発されている。特に、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、リアルタイムで画像観察を行うことができる上に、Ｘ線写真やＲＩ（radio isotope）シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い撮像技術として、産科領域における胎児診断の他、婦人科系、循環器系、消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。

超音波撮像とは、音響インピーダンスが異なる領域の境界（例えば、構造物の境界）において超音波が反射される性質を利用する画像生成技術である。通常、超音波撮像装置（又は、超音波診断装置、超音波観測装置とも呼ばれる）には、被検体に当接して用いられる超音波用探触子や、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波用探触子が備えられている。或いは、被検体内を光学的に観察する内視鏡と体腔内用の超音波用探触子とが組み合わせられた超音波内視鏡が備えられている場合もある。このような超音波用探触子や超音波内視鏡（以下において、超音波用探触子等という）から人体等の被検体内に向けて超音波ビームを送信し、超音波用探触子等を用いて被検体内において生じた超音波エコーを受信することにより、超音波画像情報を取得する。この超音波画像情報に基づいて、超音波エコーが生じた反射点や反射強度を求めることにより、被検体内に存在する構造物（例えば、内臓や病変組織等）の輪郭が抽出される。

一般的な超音波用探触子においては、超音波を送受信する超音波トランスデューサとして、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinylidene difluoride）に代表される高分子圧電素子等の圧電性を有する材料（圧電体）の両端に電極を形成した振動子（圧電振動子）によって構成される。そのような振動子の電極に、パルス状又は連続波の電気信号を送って電圧を印加すると、圧電体が伸縮する。この伸縮によって、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生し、これらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。これらの電気信号は、超音波の検出信号として出力される。このような超音波トランスデューサを複数配列し、それらを順次駆動することにより、それぞれの超音波トランスデューサから送信された超音波の合成によって超音波ビームが形成され、被検体が電子的に走査される。

ところで、超音波用探触子には、複数の超音波トランスデューサの配列に応じて、１次元アレイプローブ、２次元アレイプローブ、アニュラ（円環状）アレイプローブ等があり、また、走査方法に応じて、リニアスキャンタイプ、セクタスキャンタイプ、コンベックススキャンタイプ、ラジアルスキャンタイプ等の様々な種類がある。

その内でも特に、複数の超音波トランスデューサが２次元状に配置された２次元アレイプローブが注目されている。２次元アレイプローブを用いることにより、それ自体を移動させることなく、超音波ビームによって被検体を２次元的に走査することができ、被検体の深さ方向（超音波の進行方向）を含む３次元的な超音波画像情報を取得できるからである。それにより、被検体の所望の断面を表す画像を構成したり、被検体の立体画像（３次元画像）を構成すること（ボリュームイメージング）が可能になる。

超音波撮像により３次元画像を生成できれば、様々な医療分野において非常に有用な診断を行うことが可能になる。例えば、産科においては、胎児の発生や成長等をリアルタイムに動画で観察する胎児診断を行うことができる。具体的には、脳の体積変化や脊椎の成長を継続的に観察することにより、胎児の異常等を早期に発見して対応することが可能になる。或いは、３次元の超音波画像を参照しながら、体腔内において胎児の治療を行うことも試みられている。また、循環器科においては、３次元の超音波画像に基づいて心臓の体積変化等を観察することにより、心疾患を発見することが可能になる。このような需要は、特に欧米において多い。さらに、泌尿器科領域においても、３次元の超音波画像に対する関心は高い。

しかしながら、１次元アレイに比較して、２次元アレイを作製する際の技術的課題は非常に大きい。第１に、超音波トランスデューサの配列を２次元化することにより、超音波トランスデューサの数は劇的に増加する。そのため、各超音波トランスデューサから電気的に配線を引き出すことが困難になる。第２に、超音波トランスデューサの数と共に、シールド線の数が激増するので、超音波用探触子と超音波診断装置本体とを接続するケーブルが太くなる。それにより、超音波用探触子の取り扱いが困難になる。また、体腔内観察用の超音波用探触子においてケーブルの径が太いのは、致命的な欠点と言える。

関連する技術として、特許文献１には、２次元アレイプローブの電極取り出し構造が開示されている。即ち、特許文献１においては、信号線をバッキング材中に通し、その信号線の一端である信号電極を振動素子の配列面と平行に電極パターンとして２次元配列した２次元トランスデューサと、当該信号電極の電極パターンと同様の電極パターンを形成した中継基板と、当該中継基板と垂直に連結するＩＣ基板とを接続することにより、２次元アレイプローブを構成している。

しかしながら、このような配線の引き出し方法によれば、アドレス電極の接続が不確実になるおそれがある。そのため、例えば、１０００個〜４０００個にも及ぶ超音波トランスデューサの各々を電気配線に確実に接続することは、極めて困難である。

特許文献２には、２次元マトリックス状に配列された振動子を有する超音波探触子において、振動子の各素子に接続され、信号を送受信する電気回路を、振動子の素子に対応する間隔を持ってベースフィルム上に１次元状に配列された信号線によって構成すると共に、信号線の振動子素子への接続探触子のベースフィルム部分を音響吸音材によりサンドイッチ状に挟んで接着することにより２次元配列型超音波探触子を構成することが開示されている。即ち、特許文献２においては、各々に複数の信号線が形成されたベースフィルム（フレキシブル・パターン・サーキット）と音響吸音材（バッキング材）とを交互に接合することにより、複数の信号線の端部を、２次元マトリックス状の振動子の配列に合わせて２次元状に配置している。

しかしながら、特許文献２においても、各振動子と信号線との接続の不確実性は残る。また、特許文献２に開示された超音波探触子の作製方法によれば、超音波放射面が平面になるように超音波トランスデューサが配置されるので、例えば、胸部観察に用いられる平面型アレイ（セクタスキャンアレイ）を作製することはできる。しかしながら、全体的に凸面状の超音波放射面を有するコンベックスアレイ（例えば、胎児観察に用いられる）を作成することはできない。

特許文献３には、２次元アレイ超音波プローブにおいて、マトリックス状に配列した素子の各列間隔に各振動子から信号リード及びアースを引き出すためのプリント基板を配置した構造を有し、プリント基板上に１列相当の振動子アレイを実装した後、振動子を実装したプリント基板を行方向に配列して２次元アレイトランスデューサを構成することが開示されている。

また、特許文献４には、プリント基板と、プリント基板上に所定のピッチで形成される複数の配列ラインと、配列ラインの端部にそれぞれの第１側面が対応して接するように一列に配置される複数の積層圧電素子と、一列に配置される複数の積層圧電素子の、第１の側面とは反対側の第２の側面を共通接続する導電性薄板と、プリント基板上に配線ラインを覆うように形成されるバッキング材とを備えるユニットが、所定のピッチで並説されて形成され、積層型圧電素子の第１側面及び第２側面が導電性を有すると共に、積層圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極層とが交互に積層され、かつ複数の内部電極が交互に第１側面又は第２の側面の一方に接続されている。

特許文献３及び４においては、複数の配線ラインをフレキシブル・プリント基板に並べて形成し、複数の超音波トランスデューサを、その側面（超音波放射面と直交する面）においてそれらの配線ラインにそれぞれ接続することによりユニットを作製する。そして、そのようなユニットを複数個重ねることにより、２次元アレイを作製している。このような作製方法によれば、各超音波トランスデューサを信号線に確実に接続することができる。しかしながら、やはり、２次元アレイの超音波放射面を曲面にすることはできない。
特開２００１−２９２４９６号公報（第１頁） 特開２０００−２１４１４４号公報（第１頁） 特開２００１−３０９４９３号公報（第１頁） 特開２００５−２１０２４５号公報（第１頁）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、比較的簡単に製造が可能であって、所望の超音波放射面を有する超音波用探触子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波用探触子は、超音波放射面を有する超音波用探触子において、複数の支持体であって、超音波用探触子の複数の信号線が形成された１面を主面としたときに、主面の法線が互いに異なる方向を向くように配列された複数の支持体と、複数群の超音波トランスデューサであって、各群における複数の超音波トランスデューサが、側面に形成された複数の電極を有し、複数の電極が、それぞれ対応する支持体の主面に形成された複数の信号線にそれぞれ接合されて、形成される２次元の超音波放射面が全体として所望の形状になる、複数群の超音波トランスデューサとを具備する。

本発明によれば、複数の超音波トランスデューサが接合されている支持体を、法線が互いに異なる方向を向くように配列することにより、所望の超音波放射面を有する超音波用探触子を比較的簡単に製造することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の外観を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子は、複数の１次元アレイ１を含んでいる。各１次元アレイ１は、エレベーション方向に１次元状に並べられた複数（図１においては４つ）の超音波トランスデューサ１ａを含んでいる。このような１次元アレイ１をアジマス方向（走査方向）において放射状となるように配列する。それにより、複数の超音波トランスデューサ１ａの超音波放射面１００によって形成される２次元の超音波放射面２００が全体として所望の形状（図１においては、円柱の側面の一部に相当する曲面状）になる。

これらの１次元アレイ１は、音響減衰の大きい材料によって形成されたバッキング材（保持部材ともなる）２によって保持されている。バッキング材２の材料としては、例えば、エポキシ等の樹脂材料や天然ゴムに、フェライト、金属、ＰＺＴ、タングステンカーバイド等の粉末を混入して分散させたものが用いられる。なお、図１には、バッキング材２として、上面が凸となった柱状体が示されているが、バッキング材２の形状はそのような形状に限定されず、例えば、半円柱や、扇柱であっても良い。
また、各１次元アレイ１には、リード線３が接続されている。

図２は、図１に示す１次元アレイ１の構造を示す斜視図である。各１次元アレイ１は、配線１１が形成された基板１０と、側面（超音波放射面１００及びその反対側とは異なる面）において基板１０に接合された複数の超音波トランスデューサ１ａとを含んでいる。基板１０は、複数の超音波トランスデューサ１ａを支持する支持体として用いられる。

各超音波トランスデューサ１ａは、少なくとも、超音波を送受信する振動子（圧電振動子）１２及び音響整合層１３を含んでおり、音響レンズ１４及びバッキング層１５をさらに含んでも良い。また、隣接する２つの超音波トランスデューサ１ａの間に充填材１６を配置しても良い。

基板１０は、シリコン（Ｓｉ）や、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、ガラスエポキシや、ポリイミドや、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、ジルコニア等の硬質材料によって形成されており、例えば、５０μｍ〜１００μｍ程度の厚さを有している。基板１０の硬さとしては、基板１０の一部をバッキング材２に差し込んだ場合に、バッキング材２（図１）からはみ出た部分が不安定にならない程度、望ましくは、直立できる程度の剛性を有していれば良い。また、基板１０としてシリコンチップを用いる場合には、配線１１を半導体プロセスによって形成しても良い。この場合には、狭ピッチな配線を短いプロセスで形成できる。

配線１１は、後述する振動子１２に駆動信号を供給すると共に、振動子１２から出力される電気信号を伝送する伝送路である。これらの配線１１に、図１に示すリード線３が接続される。

振動子１２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電素子等の圧電体１２ａと、その両側に形成された電極１２ｂ及び１２ｃとを含んでいる。これらの電極１２ｂ及び１２ｃに、パルス状又は連続波の電気信号を送って電圧を印加すると、圧電体が伸縮し、この伸縮によって、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生する。

音響整合層１３は、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、振動子１２の超音波放射面１００側に配置されることにより、生体である被検体と超音波トランスデューサ１２との間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、超音波トランスデューサから送信された超音波が、効率良く被検体中に伝播する。なお、図２には、１層の音響整合層１３が示されているが、必要に応じて複数の音響整合層を配置しても良い。

音響レンズ１４は、例えば、シリコーンゴムによって形成されており、複数の超音波トランスデューサ１ａから送信され、音響整合層１３を伝播した超音波ビームを、被検体内の所定の深度において集束させる。
バッキング層１５は、例えば、フェライト粉や金属粉やＰＺＴ粉入りのエポキシ樹脂や、フェライト粉入りのゴムのように、音響減衰の大きい材料によって形成されており、振動子１２から発生した不要な超音波の減衰を早める。
また、充填材１６は、各超音波トランスデューサ１ａの位置を安定させると共に、複数の振動子１２の間における干渉を低減している。

このような超音波トランスデューサ１ａは、振動子１２の電極１２ｂ及び１２ｃを、導電性ペースト（図示せず）を用いて配線１１に接合することにより、基板１０に貼り付けられている。導電性ペーストは、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂基材に金属粉を混入させた接着剤である。導電性ペーストを用いることにより、配線１１と振動子１２との間の導電性が確保される。また導電性ペーストはある程度の弾性を有しているので、例えば、半田を用いる場合と比較して、振動子１２の伸縮に対する制動を少なくすることができる。

図３は、図１に示す超音波用探触子の側面を示している。図３に示すように、バッキング材２には、複数の溝２ａが形成されており、この溝２ａに図２に示す基板１０を、バッキング層１５の下端まで差し込むことにより、１次元アレイ１が保持されている。また、各１次元アレイ１に接続されているリード線３は、溝２ａの底部を通ってバッキング材２の側方に引き出される。

次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法について説明する。
まず、図４に示すように、シリコン（Ｓｉ）等の硬質材料を基板１０の形状に成形し、複数の振動子１２に接続される共通配線１１ａと、各振動子１２（図２）に対応する個別配線１１ｂとを形成する。配線の形成方法としては、リフトオフ加工のように、一般的に用いられる手法を利用しても良いし、基板としてシリコンチップを用いる場合には、半導体プロセスを利用しても良い。

一方、図５に示すように、板状の超音波トランスデューサ部材２０を作製する。即ち、まず、圧電体２１の両側に、蒸着法やスパッタ法のように一般的な方法を用いることにより、電極層２２ａ及び２２ｂを形成する。その際には、電極層２２ａ及び２２ｂを圧電体２１の側面に回り込ませておく（回り込み電極２６ａ及び２６ｂ）。そして、一方の電極層２２ａ側に音響整合層２３及び音響レンズ２４を配置し、他方の電極層２２ｂ側にバッキング層２５を配置する。これらの層（音響整合層２３、音響レンズ２４、及び、バッキング層２５）は、成形済みの各部材を、例えば、合成樹脂系の接着剤を用いて接合すれば良い。

次に、図６の（ａ）に示すように、基板１０に形成された共通配線１１ａ及び個別配線１１ｂの内で、超音波トランスデューサ部材２０の回り込み電極２６ａ及び２６ｂ（図５）に接合される部分に、導電性ペースト２７ａ及び２７ｂを配置する。そして、図６の（ｂ）に示すように、基板１０の導電性ペースト配置面と、超音波トランスデューサ部材２０の回り込み電極２６ａ及び２６ｂ形成面とを張り合わせる。それにより、図７に示すように、基板１０と超音波トランスデューサ部材２０とが一体化される。

ここで、導電性ペースト２７ａ及び２７ｂは、振動子１２（図２）の伸縮に対する制動を少なくするために、厚めに配置することが望ましい。例えば、導電性ペースト２７ａ及び２７ｂの厚さを１０μｍ〜２０μｍ程度とすれば、振動子１２を振動させることは可能であり、３０μｍ〜５０μｍ程度あれば十分である。

次に、図８の（ａ）に示すように、超音波トランスデューサ部材２０をダイシングすることにより、複数の超音波トランスデューサ１ａに分割する。その際には、図８の（ｂ）に示すように、配線１１ａを切断しないように、配線１１ａの手前（なるべく、導電性ペースト２７ａの途中まで）の深さでダイシングを止める。そして、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、ダイシングによって形成された溝２０ａに合成樹脂系の充填材１６を配置する。それにより、１次元アレイ１が完成する。
さらに、次に、図９の（ａ）に示すように、共通配線１１ａにアース引き出し線２８ａを半田により接続し、各個別配線１１ｂにアドレス引き出し線２８ｂを半田により接続する。

また、複数の１次元アレイ１を保持するためのバッキング材２を別途作製しておく。即ち、図１０に示すように、フェライト粉等を分散させた樹脂材料等の上面２ｂを、１つの方向（アジマス方向）において湾曲するように形成し、さらに、１次元アレイ１を差し込むための溝２ａを形成する。溝２ａの深さは、基板１０の差込部分（図２に示す基板１０の下端からバッキング層１５の下端までの長さ）よりも若干深くなるようにする。１次元アレイ１のアース引き出し線２８ａ及びアドレス引き出し線２８ｂを配置するスペースを確保するためである。

次に、図１１に示すように、バッキング材２の溝２ａに、１次元アレイ１を差し込む。その際には、溝２ａに接着剤を配置して、基板１０を固定することが望ましい。さらに、アース引き出し線２８ａ及びアドレス引き出し線２８ｂを、溝２ａの底部からバッキング材２の側方に引き出す。それにより、図１に示す超音波用探触子が完成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、所望の形状の超音波放射面を有する２次元超音波用探触子を、容易に製造することができる。
なお、本実施形態においては、図８に示すように、超音波トランスデューサ部材２０を基板１０に張り合わせた後で、超音波トランスデューサ１ａに分割した。しかしながら、所望の幅に予めカットされた複数の超音波トランスデューサ１ａを、基板１０に所望の間隔で配列しても良い。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態においては、図２に示す基板１０に集積回路が形成される点で第１の実施形態と異なっており、その他の点に関しては第１の実施形態と同様である。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子において用いられる基板を示す平面図である。本実施形態においては、基板１０として、シリコンチップ等の半導体基板が用いられる。基板１０の回路形成領域１０ａには、複数のＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、以下、単に「トランジスタ」という）を含む集積回路が形成されている。また、基板１０上には、共通配線１１ａと、個別配線１１ｂと、入出力端子１１ｃとが形成されている。

図１３は、図１２に示す一点鎖線XIII-XIIIにおける回路形成領域の一部の断面を示す断面図である。図１３に示すように、Ｐ型の基板１０内には、Ｎウエル１０１とＰウエル１０２とが形成されている。一方、基板１０上には、ゲート絶縁膜１０３を介して、ゲート電極１０４及び１０５が形成されている。ゲート電極１０４の両側のＮウエル１０１内には、ソース又はドレインとなるＰ型の不純物拡散領域１０６及び１０７が形成されており、これらによりＰチャネルトランジスタＱＰが構成される。また、ゲート電極１０５の両側のＰウエル１０２内には、ソース又はドレインとなるＮ型の不純物拡散領域１０８及び１０９が形成されており、これらによりＮチャネルトランジスタＱＮが構成される。さらに、基板１０上には、層間絶縁膜１１０が形成されており、層間絶縁膜１１０に設けられたスルーホールを介して、トランジスタＱＰ及びＱＮのソース又はドレインに、個別配線１１ｂが接続されている。なお、層間絶縁膜と配線層とを複数組形成することにより、多層配線を実現するようにしても良い。

図１４は、図１２に示す回路形成領域に形成される第１の回路例を示す回路図である。第１の回路例においては、４個の振動子１２１〜１２４にマルチプレクサ１３０が接続されることにより、これらの振動子１２１〜１２４の内の１つ又は複数が選択的に入出力端子１１ｃに接続される。

マルチプレクサ１３０は、ＰチャネルトランジスタＱＰ１及びＮチャネルトランジスタＱＮ１によって構成される第１のアナログスイッチと、ＰチャネルトランジスタＱＰ２及びＮチャネルトランジスタＱＮ２によって構成される第２のアナログスイッチと、ＰチャネルトランジスタＱＰ３及びＮチャネルトランジスタＱＮ３によって構成される第３のアナログスイッチと、ＰチャネルトランジスタＱＰ４及びＮチャネルトランジスタＱＮ４によって構成される第４のアナログスイッチと、それぞれのアナログスイッチに供給される制御信号を反転するインバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ４とを含んでいる。

また、マルチプレクサ１３０を制御するために、制御回路１４０が設けられている。制御回路１４０は、超音波用探触子の外部から無線又は有線によって供給されるタイミング信号に従って、それぞれのアナログスイッチを制御するための制御信号を生成する。

図１５は、図１２に示す回路形成領域に形成される第２の回路例を示す回路図である。第２の回路例においては、図１４に示す第１の回路例に対して、４個の振動子１２１〜１２４から出力される電気信号をそれぞれ増幅するプリアンプ１５１〜１５４と、プリアンプ１５１〜１５４の出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１６１〜１６４と、Ａ／Ｄ変換器１６１〜１６４から出力されるパラレルデータをシリアルデータに変換して入出力端子１１ｃに供給するパラレル／シリアル変換回路１７０とが追加されている。パラレル／シリアル変換回路１７０は、パラレル／シリアル変換回路１７０自らが発生するクロック信号、又は、超音波用探触子の外部から無線又は有線によって供給されるクロック信号に同期して動作する。

第２の回路例においては、超音波の受信時において、４個の振動子１２１〜１２４から出力される電気信号をシリアルデータとして入出力端子１１ｃに供給すると共に、超音波の送信時において、入出力端子１１ｃに供給される駆動信号を４個の振動子１２１〜１２４の内の１つ又は複数に印加することができる。

本実施形態によれば、微細な配線を低コスト且つ簡単なプロセスで形成することができる。それにより、複数の超音波トランスデューサ１ａを狭ピッチで配置することが可能になる。従って、１次元アレイ、又は、複数の１次元アレイが配列された２次元アレイを含む超音波用探触子を、低コストで小型化することが可能になる。

また、本実施形態によれば、超音波用探触子に接続されるシールド線の数を低減することができる。例えば、超音波トランスデューサが３２行×３２列に配列された２次元アレイを作製する際に、通常は、３２×３２＝１０２４本のシールド線が必要になる。しかしながら、各１次元アレイにマルチプレクサを設けることにより、シールド線の数が３２本となる。そのため、各１次元アレイに接続される６ビットの制御線を加えても、配線の数をトータルで２２４本（シールド線が３２本、制御線が６×３２＝１９２本）に抑えることができる。その結果、超音波用探触子と超音波診断装置本体とを接続するケーブルを細径化することが可能になる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子及びその製造方法について、図１６を参照しながら説明する。
ここで、先に説明した本発明の第１及び第２の実施形態においては、１つのバッキング材２に複数の１次元アレイ１（図１）を差し込むことによって２次元アレイを形成した。それに対して、本実施形態においては、各１次元アレイにバッキング材（保持部材ともなる）を接合し、複数のバッキング材を組み立てることにより、２次元アレイを保持することを特徴とする。

まず、第１の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法において、図４〜図９を参照しながら説明したのと同様にして１次元アレイ１を作製し、リード線３（図９のアース引き出し線２８ａ及びアドレス引き出し線２８ｂ）を接続する。一方、図１６の（ａ）に示すように、フェライト粉等を分散させた樹脂材料等を、扇形状の底面を有する柱状に成形し、さらに、その一部に切り欠きを設けることにより、バッキング材４を作製する。

そして、図１６の（ｂ）に示すように、１次元アレイ１の基板１０の部分をバッキング材４の切り欠き４ａに接着することにより、一体化させる。その際に、リード線３は、切り欠き４ａの底部から側方に引き出しておく。このように一体化されたピースを、アジマス方向（図１）に配置される１次元アレイ１の数だけ作製しておく。
さらに、図１６の（ｃ）に示すように、接着剤を用いてバッキング材４を接合することにより、複数のピースを組み立てる。それにより、曲面状の超音波放射面を有する２次元超音波用探触子が完成する。

次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子について、図１７及び図１８を参照しながら説明する。
本発明の第１〜第３の実施形態に係る超音波用探触子においては、１つの圧電体の両側に電極層が形成された単層の圧電振動子を用いているが、本実施形態においては、その替わりに、複数の圧電体層を有する積層型圧電振動子を用いることを特徴とする。

図１７は、積層型圧電振動子の構造を示す一部断面斜視図である。この積層型圧電振動子３０は、複数の圧電体層３１と、内部電極層３２ａ及び３２ｂと、絶縁膜３３ａ及び３３ｂと、側面電極３４ａおよび３４ｂと、下部電極３５と、上部電極３６とを含んでいる。圧電体層３１と内部電極層３２ａ及び３２ｂとは、交互に積層されている。

絶縁膜３３ａは、内部電極層３２ａの一方（図の左側）の端部に形成されており、それにより、内部電極層３２ａが、側面電極３４ａから絶縁されると共に、側面電極３４ｂに電気的に接続される。また、絶縁層３３ｂは、内部電極層３２ｂの他方（図の右方）の端部に形成されており、それにより、内部電極層３２ｂが、側面電極３４ｂから絶縁されると共に、側面電極３４ａに電気的に接続される。さらに、下部電極層３５は、側面電極３４ａに接続されており、上部電極層３６は、側面電極３４ｂに接続されている。

積層型圧電振動子の電極をこのように配置することにより、各々が１つの圧電体層３１とその両側に配置された電極（例えば、内部電極層３２ａ及び３２ｂ）とを含む複数のユニットが、並列に接続される。この積層型圧電振動子の下部電極３５及び上部電極３６に電圧を印加すると、複数の圧電体層３１に、反対向きの電界が交互に印加される。このような積層型圧電振動子は、単層の振動子と比較して、対向する電極の面積を実質的に増加させることが可能なので、電気的インピーダンスを下げることができる。従って、単層の振動子よりも、印加される電圧に対して効率良く動作する。

図１８に示すように、積層型圧電振動子３０を基板１０に貼り付ける際には、導電性ペースト３７を用いれば良い。ここで、積層型圧電振動子３０の側面は、絶縁膜３３ａ及び３３ｂの分だけ部分的に隆起しているが、導電性ペースト３７を厚めに配置することにより、そのような隆起にかかわらず側面電極３４ｂ（又は３４ａ）や下部電極３５（又は上部電極３６）を、基板１０の配線１１ａ及び１１ｂに安定して接続することができる。また、積層型圧電振動子３０の伸縮に対する制動を少なくするためにも、導電性ペースト３７を厚めに配置することが望ましい。

次に、本発明の第５の実施形態に係る超音波用探触子について、図１９を参照しながら説明する。
図１９の（ａ）に示すように、本実施形態においては、それぞれの超音波放射面１００の高さが互いにずれるように、複数の超音波トランスデューサ１ａを基板１０に配置することにより、１つの超音波トランスデューサアレイ５を作製する。そして、図１９の（ｂ）に示すように、このような超音波トランスデューサアレイ５を、上面がアジマス方向において湾曲するように形成されたバッキング材２に配列する。それにより、アジマス方向に加えて、エレベーション方向においても湾曲している超音波放射面２１０を形成することができる。このような曲面状の超音波放射面２１０を有する２次元超音波用探触子を用いることにより、被検体内のより広い領域に向けて超音波を送信することが可能になる。

ここで、図１９の（ａ）においては、複数の超音波放射面１００が凸状に並ぶように、複数の超音波トランスデューサ１ａを配置したが、複数の超音波放射面１００を凹状に並べても良い。この場合には、複数の超音波トランスデューサ１ａを同時に駆動することにより、焦点が絞られた超音波ビームを形成することが可能になる。

次に、本発明の第６の実施形態に係る超音波用探触子について、図２０を参照しながら説明する。
本実施形態においては、それぞれの超音波放射面１００が互いに異なる方向を向くように、複数の超音波トランスデューサ１ａを基板１０に放射状に配置する。そして、このような超音波トランスデューサアレイ６を、上面がアジマス方向において湾曲するように形成されたバッキング材２（図１９の（ｂ）参照）に配列する。それにより、アジマス方向に加えて、エレベーション方向においても湾曲している超音波放射面を形成することができる。この場合には、エレベーション方向における超音波の送信領域を、図１９に示すものよりも、さらに広げることができる。

また、本実施形態に係る超音波用探触子の変形例として、図２１に示すように、複数の超音波トランスデューサアレイ６（図２０）を、互いに平行となるように配列することにより２次元アレイを形成しても良い。この場合には、エレベーション方向のみにおいて湾曲している超音波放射面２２０を形成することができる。

次に、本発明の第１〜６の実施形態に係る超音波用探触子の変形例について、図２２及び図２３を参照しながら説明する。
先に説明した第１〜第６の実施形態に係る超音波用探触子において、１次元アレイ１や超音波トランスデューサアレイ５及び６を保持するバッキング材の形状を変更することにより、様々な種類の超音波トランスデューサアレイを作製することができる。

図２２に示すように、円筒状のバッキング材７を形成し、その側面全体を覆うように１次元アレイ１を配列することにより、３６０°の視野角を有するラジアル型超音波トランスデューサを作製できる。ラジアル型超音波トランスデューサは、例えば、被検体の体腔内を観察するために用いられる超音波用探触子や超音波内視鏡に適用される。この変形例は、特に、マルチプレクサを備える第２の実施形態に係る超音波用探触子に組み合わせることにより、体腔内走査用超音波用探触子等においてアレイの小型化及びケーブルの細径化を図ることができるので、効果的である。

また、図２３に示すように、バッキング材８の上面を凹面状となるように成形し、その面上に１次元アレイ１を配置することにより、送信方向がある程度絞られた超音波ビームを形成するコンケーブアレイを作製できる。

本発明は、被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波用探触子において利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の構造を示す斜視図である。 図１に示す１次元アレイの構造を示す斜視図である。 図１に示す超音波用探触子を示す側面図である。 配線が形成された基板を示す平面図である。 板状の超音波トランスデューサ部材を示す斜視図である。 基板と超音波トランスデューサ部材とを接合する工程を説明するための図である。 基板に接合された超音波トランスデューサ部材を示す模式図である。 超音波トランスデューサ部材をダイシングする工程を説明するための図である。 配線が形成された１次元アレイを示す平面図である。 バッキング材を用意する工程を説明するための図である。 バッキング材に１次元アレイを配置する工程を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子において用いられる基板を示す平面図である。 図１２に示す一点鎖線XIII-XIIIにおける回路形成領域の一部の断面を示す断面図である。 図１２に示す回路形成領域に形成される第１の回路例を示す回路図である。 図１２に示す回路形成領域に形成される第２の回路例を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子の製造方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子において用いられる積層型圧電振動子を示す一部断面斜視図である。 図１７に示す積層型圧電振動子を基板に接合する様子を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る超音波用探触子を説明するための図である。 本発明の第６の実施形態に係る超音波用探触子を説明するための図である。 本発明の第６の実施形態に係る超音波用探触子の変形例を示す斜視図である。 本発明の第１〜第６の実施形態に係る超音波用探触子の第１の変形例を示す図である。 本発明の第１〜第６の実施形態に係る超音波用探触子の第２の変形例を示す図である。

符号の説明

１ １次元アレイ
１ａ 超音波トランスデューサ
２、４、７、８ バッキング材
３ リード線
４ａ 切り欠き
５、６ 超音波トランスデューサアレイ
１０ 基板
１１ 配線
１１ａ 共通配線
１１ｂ 個別配線
１１ｃ 入出力端子
１２、１２１〜１２４ 振動子
１２ａ、２１ 圧電体
１２ｂ、１２ｃ 電極
１３、２２ 音響整合層
１４、２３ 音響レンズ
１５、２４ バッキング層
１６ 充填材
２０ 超音波トランスデューサ部材
２０ａ 溝
２２ａ、２２ｂ 電極層
２６ａ、２６ｂ 回り込み電極
２７ａ、２７ｂ、３７ 導電性ペースト
２８ａ アース引き出し線
２８ｂ アドレス引き出し線
３０ 積層型圧電振動子
３１ 圧電体層
３２ａ、３２ｂ 内部電極層
３３ａ、３３ｂ 絶縁膜
３４ａ、３４ｂ 側面電極
３５ 下部電極
３６ 上部電極
１００ 超音波放射面
１０１ Ｎウエル
１０２ Ｐウエル
１０３ ゲート絶縁膜
１０４、１０５ ゲート電極
１０６〜１０９ 不純物拡散領域
１１０ 層間絶縁膜
１３０ マルチプレクサ
１４０ 制御回路
１５１〜１５４ プリアンプ
１６１〜１６４ Ａ／Ｄ変換器
１７０ パラレル／シリアル変換回路
２００、２１０、２２０ 超音波放射面
ＱＰ１〜ＱＰ４ Ｐチャネルトランジスタ
ＱＮ１〜ＱＰ４ Ｎチャネルトランジスタ
ＩＮＶ１〜ＩＮＶ４ インバータ

Claims (11)

1. 超音波放射面を有する超音波用探触子において、
   複数の支持体であって、前記超音波用探触子の複数の信号線を１面に形成してこの面を主面としたときに、前記主面の法線が互いに異なる方向を向くように配列された前記複数の支持体と、
   複数群の超音波トランスデューサであって、各群における複数の超音波トランスデューサが、側面に形成された複数の電極を有し、前記複数の電極が、それぞれ対応する前記支持体の主面に形成された複数の信号線にそれぞれ接合されて、形成される２次元の超音波放射面が全体として所望の形状になる、前記複数群の超音波トランスデューサと、
   を具備する前記超音波用探触子。
2. 曲面状の超音波放射面を有する請求項１記載の超音波用探触子。
3. 前記複数の支持体の各々の主面において、前記複数の超音波トランスデューサが、それぞれの超音波放射面が略同一方向を向くように配列されている、請求項１又は２記載の超音波用探触子。
4. 前記複数の支持体の各々の主面において、前記複数の超音波トランスデューサが、それぞれの超音波放射面が互いに異なる方向を向くように配列されている、請求項１又は２記載の超音波用探触子。
5. 前記複数の超音波トランスデューサの各々が、複数の圧電体層と、前記複数の圧電体層に反対向きの電界を交互に印加する複数の電極層とを有する積層型圧電振動子である、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波用探触子。
6. 前記複数の支持体が、シリコンと、酸化シリコンと、炭化シリコンと、ガラスエポキシと、ポリイミドと、アルミナと、ジルコニアとの内の少なくとも１つを含む材料によって形成されている、請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波用探触子。
7. 前記複数の支持体の各々が、集積回路が形成されたシリコンチップを含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波用探触子。
8. 前記複数の支持体の各々に、前記複数の超音波トランスデューサを選択的に入出力端子に接続するためのマルチプレクサが形成されている、請求項７記載の超音波用探触子。
9. 前記複数の支持体の各々に、前記複数の超音波トランスデューサから出力される電気信号をそれぞれ増幅する複数の増幅回路と、前記複数の増幅回路の出力信号をディジタル信号にそれぞれ変換する複数のＡ／Ｄ変換器と、前記複数のＡ／Ｄ変換器から出力されるパラレルのディジタル信号をシリアルのディジタル信号に変換するパラレル／シリアル変換回路とがさらに形成されている、請求項８記載の超音波用探触子。
10. 前記複数の支持体を保持する保持部材をさらに具備する請求項１〜９のいずれか１項記載の超音波用探触子。
11. 前記複数の支持体にそれぞれ接合された複数の保持部材をさらに具備し、
    前記複数群の超音波トランスデューサアレイが、前記複数の保持部材を互いに接合することにより配列されている、請求項１〜９のいずれか１項記載の超音波用探触子。

Images