JP5033575B2

JP5033575B2 - アニュラーアレイ振動子

Info

Publication number: JP5033575B2
Application number: JP2007276815A
Authority: JP
Inventors: 和俊土田; 秀夫田中; 修一獨古
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-10-24
Also published as: JP2009105762A

Description

本発明はアニュラーアレイ振動子に関し、特に、アニュラーアレイ振動子の構造に関する。

医療の分野においては超音波診断装置が用いられている。超音波診断装置においては、超音波振動子によって超音波が送受波され、それにより得られた受信信号に基づいて超音波画像が形成されている。超音波振動子としては各種のものが実用化されている。その中で、アニュラーアレイ振動子は、複数の振動素子を同心円状に配列してなるものである。実際には、単一円盤状の振動層上に、シグナル電極層として、同心円状の電極要素パターンを形成することにより、互いに独立して動作する複数の振動素子が構成される。アニュラーアレイ振動子は、乳腺などを超音波診断する際に用いられるメカニカルセクタ走査型超音波探触子等に実装されるものである。勿論、アニュラーアレイ振動子が他の用途で利用される場合もある。

特許文献１に記載されたアニュラーアレイ振動子においては、同心円状に複数の電極要素が形成されている。各電極要素に個別的にシグナルを供給するために、各電極要素にはランドと称される肥大したコンタクト面が形成されている。各コンタクト面に対しては半田付けによって信号線が接続される。

特開平６−３８２９８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、コンタクト面に対する半田付けの結果として、その部分が盛り上がってしまい、それが積層体を形成するにあたって障害となる。そもそも、そのようなコンタクト面に対して個別的に半田付けを行うのは作業者にとって大きな負担である。

なお、従来において、アニュラーアレイ振動子を構成する場合、振動層からなる（あるいは振動層を有する）圧電性フィルムが利用されていたが、圧電性フィルムの電気的インピーダンスは比較的高く、それを７．５ＭＨｚ等の高周波の超音波を送受信する用途に使用する場合には、ケーブルや受信回路とのインピーダンス整合があまり良好ではなく、電気―機械変換効率を向上できないという問題が指摘されている。

本発明の目的は、アニュラーアレイ振動子への信号線群の接続を行う際の負担を軽減することにある。

本発明の他の目的は、アニュラーアレイ振動子の配線を確実に行え、しかもその配線が構造的に悪影響を与えないようにすることにある。

本発明の他の目的は、アニュラーアレイ振動子の電気的特性を良好にすることにある。

本発明に係るアニュラーアレイ振動子は、超音波振動を生じる圧電性フィルムと、前記圧電性フィルムと積層関係にあるシグナル電極層と、を含み、前記シグナル電極層は、同心円状に配列された複数の電極要素で構成され、それ全体として実質的に円形の形態を有する電極部と、前記複数の電極要素における引出端列から前記電極部の外側へ密集しつつ引き出されたリード要素列で構成された配線部と、を含み、前記配線部は、前記電極部に入り込んだ第１部分と、前記第１部分に連なり前記電極部の外側に突出形成された第２部分と、前記第２部分に連なる接続用の第３部分と、で構成され、前記圧電性フィルムは、前記電極部及び前記第１部分を形成するための背面基板として機能するフィルム本体部と、前記フィルム本体部から外側に引き出された部分であって、前記第２部分及び前記第３部分を形成するための背面基板として機能するフィルム延伸部と、を含む。

上記構成によれば、シグナル電極層（シグナル電極部材）が電極部と配線部とで構成される。電極部は、複数の電極要素で構成され、それらはそれぞれ引出端を有し、それらによって引出端列が構成される。配線部は複数のリード要素で構成され、それらはリード要素列をなす。引出端列から、電極部の外側へリード要素列が引き出されているので（望ましくはパターニングにより各電極要素と各リード要素とが物理的に連続したものとして構成されているので）、電極部において個々の電極要素に対して半田付け等を行う必要はない。つまり、個々の電極要素に対し、そこから引き出されたリード要素を介して、電極部の外側において、信号線を個別的に接続できるので、接続作業の負担を大幅に軽減できる。例えば、コネクタを利用して複数の信号線を複数のリード要素に接続することも可能である。電極部に半田等の盛り上がり部分は生じないので、電極部の厚みを均一化でき、アニュラーアレイ振動子の音響特性及び電気的特性を良好にできる。

望ましくは、前記第３部分は前記第２部分よりも幅広に形成される。この構成によればコネクタ接続等が容易となる。望ましくは、前記引出端列は、前記円形の電極部における半径方向に対して斜め方向に整列した複数の引出端によって構成される。この構成によれば、同心円状に配列された複数の電極要素から無理なく複数のリード要素を引き出すことができる。

望ましくは、前記電極部及び前記シグナル電極層を有する積層体が凹面形態を有する。凹面形態であれば超音波の集束性を良好にできる。振動層とシグナル電極層、そしてグランド電極層を含む柔軟な積層体シートを凹面形状をもったバッキング上面に配設し、これによって凹面型のアニュラーアレイ振動子を構成するようにしてもよい。

望ましくは、前記振動層は、前記配線部の下地層として機能する部分を含む。この構成によれば、振動層の主要部以外の部分を配線部の下地層あるいは背面基板として用いることができる。当該部分に、グランド電極層が設けられてもよいが、電界印加は不要であるので、その部分からグランド電極層を除外してもよい。

また、発明に係るアニュラーアレイ振動子は、超音波振動を生じる複数の圧電性フィルムと、前記複数の圧電性フィルムと積層関係にあり、少なくとも１つのシグナル電極層を有する複数の電極層と、を含み、前記シグナル電極層は、同心円状に配列された複数の電極要素で構成され、実質的に円形の形態を有する電極部と、前記複数の電極要素における引出端列から前記電極部の外側へ密集しつつ引き出されたリード要素列で構成された配線部と、を含み、前記配線部は、前記電極部に入り込んだ第１部分と、前記第１部分に連なり前記電極部の外側に突出形成された第２部分と、前記第２部分に連なる接続用の第３部分と、で構成され、前記複数の圧電性フィルムの内で少なくとも１つの圧電性フィルムは、前記電極部及び前記第１部分を形成するための背面基板として機能するフィルム本体部と、前記フィルム本体部から外側に引き出された部分であって、前記第２部分及び前記第３部分を形成するための背面基板として機能するフィルム延伸部と、を含む。

上記構成によれば積層構造を採用することによって電気的なインピーダンスを下げることができ、しかも配線作業を容易に行える。各振動層は圧電性フィルムとして構成されるのが望ましく、それは例えばＰＶＤＦフィルム（ポリフッ化ビニリデンフィルム）によって構成される。シグナル電極層は、音響的な影響を回避するために、かなり薄く形成するのが望ましい。

望ましくは、前記複数の圧電性フィルムは上下に積層された第１圧電性フィルム及び第２圧電性フィルムで構成され、前記複数の電極部は、前記第１圧電性フィルム及び前記第２圧電性フィルムの間に設けられた前記シグナル電極層と、前記第１圧電性フィルムの上側及び前記第２圧電性フィルムの下側に設けられた第１及び第２のグランド電極層と、で構成され、前記第１圧電性フィルムが前記フィルム延伸部を有する。

以上説明したように、本発明によれば、アニュラーアレイ振動子への信号線群の接続を行う際の負担を軽減できる。本発明によれば、アニュラーアレイ振動子の配線を確実に行え、しかもその配線が構造的に悪影響を与えないようにできる。あるいは、本発明によれば、アニュラーアレイ振動子の電気的特性を良好にできる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波探触子の好適な実施形態が示されており、図１は超音波探触子１０の断面図である。この超音波探触子１０は、図示されていない超音波診断装置本体に対してケーブル２６を介して接続されるものである。この超音波探触子１０は、特に乳房の超音波診断を行う場合に用いられるものであるが、勿論、他の部位に対する超音波診断において用いることも可能である。

超音波探触子１０はケース１２を有し、ケース１２は大別して第１ケース部分１２Ａと第２ケース部分１２Ｂとで構成される。ケース１２の内部には隔壁を構成するフレーム１４が設けられている。第２ケース部分１２Ｂの内部は媒体室１６であり、その媒体室１６には音響伝搬媒体としてのオイルあるいは水等が充填されている。第２ケース部分１２Ｂの先端面は送受波面１２Ｃであり、必要に応じて、生体の音響インピーダンスと等価な音響インピーダンスを有する部材により、この送受波面１２Ｃが構成される。

第１ケース部分１２Ａの内部にはモータ１８が配置されている。具体的には、フレーム１４によってモータ１８が保持されている。モータ１８において生じた回転力はギア機構２０を介してアニュラーアレイ振動子２４へ伝達され、アニュラーアレイ振動子２４は回転軸２２を中心として揺動運動をする。

アニュラーアレイ振動子２４は、後に詳述するように、複数の振動素子を同心円上に配列してなるものであり、そのような構成により超音波ビームを電気的に収束させることができる。

図２には、アニュラーアレイ振動子２４を構成する主要な部材が示されている。アニュラーアレイ振動子２４は、大別して積層体（積層シート）２６とバッキング２８とにより構成されている。積層体２６は、本実施形態において複数の圧電性フィルム３０，３２を有し、圧電性フィルム３０の上面側にはグランド電極層３４が設けられており、圧電性フィルム３２の下面側にもグランド電極層３６が設けられている。２つの圧電性フィルム３０，３２の間には、中間電極層としてのシグナル電極層３８が設けられている。このように、積層体２６は積層構造を有しており、このような構造により電気的なインピーダンスを非積層型の従来のアニュラーアレイ振動子に比べて大幅に低減することが可能である。つまり、２層化されているため、電気的なインピーダンスを２分の１にでき、しかも各圧電性フィルムの厚みを従来のものよりも２分の１にすることができるので、アニュラーアレイ振動子全体として電気的なインピーダンスを従来のものに比べて４分の１にすることが可能である。圧電性フィルム３０，３２は振動層として機能し、望ましくはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）フィルムとして構成される。

積層体２６の製作にあたっては、まず圧電性フィルム３２の上面側に蒸着法等によってシグナル電極パターンを形成し、これによってシグナル電極層３８を設けた上で、圧電性フィルム３２の下面側に蒸着法等を利用してグランド電極層３６を形成する。一方、圧電性フィルム３０の上面側に蒸着法等を利用してグランド電極層３４を形成する。そのように構成された２つのシート部材を貼り合わせることにより積層体２６を構成することが可能である。勿論、積層体２６の製作にあたっては、公知の各種の手法を利用することが可能である。図２に示す例では、圧電性フィルム３２が一部分延伸しており、それが符号４０によって表されている。延伸した部分には後に説明するシグナル電極層３８の一部としての配線部が形成される。すなわち、そのような配線部を介して信号線群がシグナル電極層３８の主要部としての電極部に接続されることになる。従来のように、電極部を構成する個々の電極要素に対して個別的な半田付け等は不要である。

バッキング２８の上面２８Ａは図示されるように凹球面形状を有しており、その上面２８Ａに対して、製作された積層体２６が貼り付けられる。これにより、アニュラーアレイ振動子２４が構成される。勿論、本発明はそのような凹面型のアニュラーアレイ振動子２４以外の各種のアニュラーアレイ振動子に対して適用することが可能である。上記の手法によれば、バッキング２８の上面２８Ａを所望の形状にしておくことにより、フレキシブルな積層体２６の変形を利用して所望の形態をもったアニュラーアレイ振動子２４を構成できるという利点がある。

図３には、シグナル電極層（シグナル電極パターン）３８の具体例が示されている。上述したように、シグナル電極層３８はその背面基板として圧電性フィルム３２上に設けられるものである。まず、圧電性フィルム３２について説明すると、圧電性フィルム３２には大別して、フィルム本体部４１とフィルム延伸部４４とで構成され、フィルム延伸部４４は幅の狭い連絡部４４Ａと幅が広がった幅広部４４Ｂとで構成される。フィルム本体部４１は図示されるように円形を有しており、フィルム延伸部４４はその一部分から外側に引き出された形態を有している。

一方、シグナル電極層３８は、大別して、電極部４２と配線部４８とで構成される。電極部４２は、同心円状に配列された複数の電極要素４２Ａ〜４２Ｌにより構成されており、すなわち１２個の電極要素からなるものである。ここで、電極要素４２Ａは円形を有し、電極４２Ｂ〜４２Ｌはそれぞれリング状の形態を有している。内側から外側にかけて各電極要素４２Ｂ〜４２Ｌの幅が序々に狭くされている。ただし、それぞれの電極要素４２Ａ〜４２Ｌの面積は本実施形態において実質的に同一とされており、これによって、それぞれの電極要素４２Ａ〜４２Ｌで生じる音圧が均一化されている。

配線部４８は密集した複数のリード要素によって構成される。図３においてIVで示される部分の拡大図が図４に示されている。配線部４８は、並列の１２個のリード要素４８Ａ〜４８Ｌによって構成されている。

図３に戻って、配線部４８は大別して第１部分５０、第２部分５２及び第３部分５４によって構成され、第１部分５０は、電極部４２の内部まで入り込んだ形態を有している。そこから電極部４２の外側へ引き出された部分が第２部分５２であり、その端部が第３部分５４を構成している。第３部分５４は幅広部４４Ｂ上に形成された幅広の部分であり、その端部には端子列１０２が構成されている。すなわち、第３部分５４においては複数のリード要素のピッチが広げられており、また各リード要素の幅も広げられており、第３部分５４においてコネクタを利用した電気的な接続が可能とされている。なお、図３にはコネクタは図示されていない。

複数の電極要素４２Ａ〜４２Ｌは、それぞれ引出端を有している。図３においてはそれらのうちで一部の引出端について符号４２ａ，４２ｂ，４２ｌが付されている。それらの１２個の引出端は引出端列１００を構成する。引出端列１００に対してリード要素列が物理的に連結されている。引出端列１００は図示されるように半径方向に対して斜めに並んだ複数の引出端からなるものである。このような形態により各電極要素から自然にリードを引出すことが可能である。

シグナル電極層３８は、上述したように圧電性フィルム３２上に蒸着法等によって電極パターンを形成することにより、製作されたものであり、各電極要素と各リード要素は物理的に一体化されており、それらの接続部分において半田付け等の作業を行う必要がない。したがって、電極部４２において部分的な盛り上がりを生じることを防止でき、すなわち、従来のような半田の盛り上がりによる問題を解消でき、また作業上の問題も解消できるという利点がある。

ちなみに、本実施形態に係るアニュラーアレイ振動子が有する周波数帯域の中心は例えば７．５ＭＨｚであり、上述したシグナル電極層の厚みは例えば数μｍ〜数十μｍの範囲内に設定される。勿論、用途や条件に応じて各種の形態を採用し得る。上述した実施形態においては、図３に示したように配線部４８の裏側にフィルム延伸部４４が設けられ、すなわち、そこにおいては、超音波振動は期待されないものの、圧電性フィルムが基板として機能している。したがって上述したパターニングを行うだけで配線部４８を容易に製作できるという利点がある。この場合において、フィルム延伸部４４の反対側にはグランド電極層を設ける必要はない。

図３に示した構成例によれば、引出端列１００が上述したように斜めに整列しており、これによって複数の電極要素４２Ｂ〜４２Ｌをリング上の形態にできるだけ近づけることができ、すなわち超音波の特性を円周方向に沿って均一化させることができるという利点がある。上述した実施形態においては積層型のアニュラーアレイ振動子が示されていたが、図３に示したようなシグナル電極層のパターンは非積層型のアニュラーアレイ振動子に対して適用することも可能である。ちなみに、図２に示した２つのグランド電極層においてはそれをベタ電極として構成してもよいし、各グランド電極層に対して上述したようなリング上のパターンを形成するようにしてもよい。また中間電極をグランド電極層とし、上面及び下面の両側に２つのシグナル電極層を設けることも可能である。

本発明に係る超音波探触子の好適な実施形態を示す断面図である。本発明に係るアニュラーアレイ振動子の構造を説明するための断面図である。図２に示したアニュラーアレイ振動子におけるシグナル電極層（シグナル電極パターン）を説明するための平面図である。図３におけるIVで示される部分の拡大図である。

符号の説明

１０超音波探触子、２４アニュラーアレイ振動子、２６積層体、２８バッキング、３０，３２圧電性フィルム、３４，３６グランド電極層、３８シグナル電極層、４１フィルム本体部、４４フィルム延伸部、４２電極部、４８配線部、４２Ａ〜４２Ｌ電極要素、４８Ａ〜４８Ｌリード要素、１００引出端列、１０２端子列。

Claims

超音波振動を生じる圧電性フィルムと、
前記圧電性フィルムと積層関係にあるシグナル電極層と、
を含み、
前記シグナル電極層は、
同心円状に配列された複数の電極要素で構成され、それ全体として実質的に円形の形態を有する電極部と、
前記複数の電極要素における引出端列から前記電極部の外側へ密集しつつ引き出されたリード要素列で構成された配線部と、
を含み、
前記配線部は、前記電極部に入り込んだ第１部分と、前記第１部分に連なり前記電極部の外側に突出形成された第２部分と、前記第２部分に連なる接続用の第３部分と、で構成され、
前記圧電性フィルムは、
前記電極部及び前記第１部分を形成するための背面基板として機能するフィルム本体部と、
前記フィルム本体部から外側に引き出された部分であって、前記第２部分及び前記第３部分を形成するための背面基板として機能するフィルム延伸部と、
を含む、
ことを特徴とするアニュラーアレイ振動子。
請求項１記載の振動子において、
前記第３部分は前記第２部分よりも幅広に形成された、ことを特徴とするアニュラーアレイ振動子。
請求項１記載の振動子において、
前記引出端列は、前記円形の電極部における半径方向に対して斜め方向に整列した複数の引出端によって構成された、ことを特徴とするアニュラーアレイ振動子。
請求項１記載の振動子において、
前記電極部及び前記シグナル電極層を有する積層体が凹面形態を有する、ことを特徴とするアニュラーアレイ振動子。
請求項１記載の振動子において、
当該振動子は、超音波探触子ケース内で回転軸を中心として揺動運動するものである、
ことを特徴とするアニュラーアレイ振動子。
超音波振動を生じる複数の圧電性フィルムと、
前記複数の圧電性フィルムと積層関係にあり、少なくとも１つのシグナル電極層を有する複数の電極層と、
を含み、
前記シグナル電極層は、
同心円状に配列された複数の電極要素で構成され、実質的に円形の形態を有する電極部と、
前記複数の電極要素における引出端列から前記電極部の外側へ密集しつつ引き出されたリード要素列で構成された配線部と、
を含み、
前記配線部は、前記電極部に入り込んだ第１部分と、前記第１部分に連なり前記電極部の外側に突出形成された第２部分と、前記第２部分に連なる接続用の第３部分と、で構成され、
前記複数の圧電性フィルムの内で少なくとも１つの圧電性フィルムは、
前記電極部及び前記第１部分を形成するための背面基板として機能するフィルム本体部と、
前記フィルム本体部から外側に引き出された部分であって、前記第２部分及び前記第３部分を形成するための背面基板として機能するフィルム延伸部と、
を含む、
ことを特徴とするアニュラーアレイ振動子。
請求項６記載の振動子において、
前記複数の圧電性フィルムは上下に積層された第１圧電性フィルム及び第２圧電性フィルムで構成され、
前記複数の電極部は、前記第１圧電性フィルム及び前記第２圧電性フィルムの間に設けられた前記シグナル電極層と、前記第１圧電性フィルムの上側及び前記第２圧電性フィルムの下側に設けられた第１及び第２のグランド電極層と、で構成され、
前記第１圧電性フィルムが前記フィルム延伸部を有する、ことを特徴とするアニュラーアレイ振動子。