JP5349141B2 - Ultrasonic probe - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波診断装置や超音波探傷装置等に用いられる超音波プローブに関する。 The present invention relates to an ultrasonic probe used in an ultrasonic diagnostic apparatus, an ultrasonic flaw detection apparatus, or the like.
超音波診断装置や超音波探傷装置等に用いられる超音波プローブがある。超音波プローブの応用として、2次元アレイ構造を有する2次元アレイプローブがある。2次元アレイプローブは、2次元状に配列された複数の振動子を有する単一の振動子群を有する。2次元アレイ構造を実現するためには、複数の振動子のそれぞれから信号リードを引き出すことが重要である。特許文献1、特許文献2、及び特許文献3には、単一の振動子群とプリント配線基板とを電気的及び機械的に接続することによって、信号リードを引き出す構造が開示されている。更に特許文献4には、単一の振動子群にIC(integrated circuit)基板を配置した構造が提案されている。
There are ultrasonic probes used in ultrasonic diagnostic apparatuses, ultrasonic flaw detection apparatuses, and the like. As an application of the ultrasonic probe, there is a two-dimensional array probe having a two-dimensional array structure. The two-dimensional array probe has a single transducer group having a plurality of transducers arranged two-dimensionally. In order to realize a two-dimensional array structure, it is important to extract signal leads from each of a plurality of vibrators.
このような2次元アレイプローブは、例えば、以下のように製造されている。まず、図に示すように、2次元状に配列された複数の振動子を有する単一の振動子群を用意する。各振動子の背面には、信号リードが形成されている。更に、信号リードと同じ配列ピッチを有する信号リードパッドを表面に有するプリント配線基板(又はIC基板)を用意する。振動子群の背面と信号リードパッドとが向かい合うように、振動子群とフレキシブル配線基板とを接続する。これにより、振動子に接続された信号リードがプリント配線基板上の信号リードパッドに接続される。信号リードパッドに接続された信号リードは、プリント配線基板上に形成された配線パターン、あるいはIC基板に集積実装された電子回路に電気的に接続される。 Such a two-dimensional array probe is manufactured as follows, for example. First, as shown in the figure, a single transducer group having a plurality of transducers arranged in a two-dimensional manner is prepared. A signal lead is formed on the back surface of each vibrator. Further, a printed wiring board (or IC board) having signal lead pads having the same arrangement pitch as the signal leads on the surface is prepared. The vibrator group and the flexible wiring board are connected so that the back surface of the vibrator group and the signal lead pad face each other. Thereby, the signal lead connected to the vibrator is connected to the signal lead pad on the printed wiring board. The signal lead connected to the signal lead pad is electrically connected to a wiring pattern formed on the printed wiring board or an electronic circuit integrated and mounted on the IC board.
他の製造方法としては、アレイ状に分割される前の振動子ブロックの背面とプリント配線基板とを接続した後、振動子をアレイ状に分割する方法もある。 As another manufacturing method, there is a method of dividing the transducer into an array after connecting the back surface of the transducer block before being divided into an array and a printed wiring board.
いずれの方法にしても、振動子群の開口径(振動子の数)が大きくなるに従って、振動子群とフレキシブル配線基板との接続面の面積が大きくなる。その際、対向する両面が平坦でない場合、電気的な接続不良が発生し、歩留まりが劣化してしまう。また、プリント配線基板(又はIC基板)の面積も大きくしなければならないため、プリント配線基板(又はIC基板)自体の歩留まりも劣化してしまう。
2次元アレイ構造を有する超音波プローブにおいて、歩留まり向上を実現することにある。 In an ultrasonic probe having a two-dimensional array structure, an improvement in yield is achieved.
本発明のある局面に係る超音波プローブは、2次元状に配列された複数の振動子を有する複数の振動子群と、前記複数の振動子群にそれぞれ電気的に接続された複数の第1基板と、前記複数の第1基板に電気的に接続された単一の第2基板と、を具備する。 An ultrasonic probe according to an aspect of the present invention includes a plurality of transducer groups having a plurality of transducers arranged two-dimensionally, and a plurality of first transducers that are electrically connected to the plurality of transducer groups, respectively. A substrate, and a single second substrate electrically connected to the plurality of first substrates.
本発明によれば、2次元アレイ構造を有する超音波プローブの歩留まり向上の実現が可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the yield of an ultrasonic probe having a two-dimensional array structure.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係わる超音波プローブを説明する。本実施形態に係わる超音波プローブは、超音波診断装置や超音波探傷装置等に用いられる。 Hereinafter, an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The ultrasonic probe according to this embodiment is used in an ultrasonic diagnostic apparatus, an ultrasonic flaw detection apparatus, and the like.
図1は、本実施形態に係わる超音波プローブの主要部の概略構成を示す斜視図である。図2は、超音波プローブの主要部の横断面図である。図1と図2とに示すように、本超音波プローブは、2次元アレイ構造を有する。すなわち本超音波プローブは、2次元状に配列された複数の振動子群10を有する。複数の振動子群10の上面には、音響整合材20がそれぞれ取り付けられている。複数の振動子群10の下面には、複数の第1基板30が機械的及び電気的にそれぞれ接続されている。複数の第1基板30の下面には、単一の第2基板40が機械的及び電気的に接続されている。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a main part of the ultrasonic probe according to the present embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of the ultrasonic probe. As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic probe has a two-dimensional array structure. That is, this ultrasonic probe has a plurality of
各振動子群10は、2次元状に配列された複数の振動子50を有する。
Each
具体的には、振動子50は、角柱形状を有する圧電体52と、圧電体52の上面に形成されたアース電極54と、圧電体52の下面に形成された信号電極56とを備える。圧電体52は、例えばチタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)、硫酸リチウム(LH)等の圧電セラミックによって形成される。アース電極54は、アース接続されている。アース電極54と信号電極56とは、銅箔などの金属薄膜でそれぞれ形成されている。アース電極54と信号電極56とは、例えば、蒸着やスパッタ等によって形成される。信号電極56には、この信号電極56を電気的に外部に引き出すための信号リード(図示せず)が取り付けられている。圧電体52は、本実施形態の如く単一の圧電材料からなる構成の他に、単一の圧電材料の積層構造もしくは複数の圧電材料の積層構造であってもよい。さらに、圧電材料と背面音響材料(バッキング材)との積層構造を採ることも可能である。圧電材料とバッキング材との積層構造の場合、本実施形態の如く圧電材料とバッキング材との積層構造体を完全に分離することが可能である一方、圧電材料のみを分離し、バッキング材が連結した層構造を成すことも可能である。
Specifically, the
振動子50は、その縦方向と横方向とに沿って配列される。振動子50は、図示しない超音波診断装置本体から駆動信号の供給を受けて、厚さ方向に超音波を発生する。
The
第1基板30としては、プリント配線基板やIC(integrated circuit)基板が好適である。プリント配線基板は、柔軟性を有する絶縁性基板上に導電性の複数の配線パターンが形成され、これら複数の配線パターンを被覆する絶縁性の樹脂が形成されて成る。IC基板は、半導体基板上に電子回路が実装されている。なお、本実施形態に係わる第1基板30は、プリント配線基板とIC基板とのどちらでも実施可能であるが、以下の説明を具体的に行なうため、プリント配線基板であるとする。
The
第1基板30は、柔軟性を有する絶縁体により形成される第1基板本体31を有する。第1基板本体31の上下面の形状と面積とは、接続される振動子群10の下面の形状と面積とに略等しい。また、第1基板本体31の上下面は、平坦に形成される。第1基板本体31の上面には、信号入出力のための複数の信号リードパッド32が機械的にそれぞれ取り付けられている。この信号リードパッド32には、バンプ33が取り付けられている。バンプ33は、球形状を有する金属等の導体である。上面に設けられる信号リードパッド32及びバンプ33の配列ピッチは、信号電極56に取り付けられた信号リードの配列ピッチと同一である。すなわち、信号リードパッド32の数は、接続される振動子52の数に等しい。そして、バンプ33は、信号電極56に取り付けられた信号リードに電気的に接続されている。また、第1基板本体31には上面と下面とを電気的に接続するための貫通電極34が設けられている。貫通電極34は、第1基板本体31を貫通して上面と下面とに達する貫通孔の内部に形成された金属薄膜からなる。貫通電極34と信号リードパッド32とは、第1基板本体31の上面に形成された配線パターン(図示せず)を介して電気的に接続されている。
The
第1基板本体32と振動子群10とは、例えば、樹脂等の接着材60により機械的に接着される。
The first substrate body 32 and the
第1基板本体31下面にも、複数の信号リードパッド35とバンプ36とが取り付けられている。下面の信号リードパッド35の数(バンプ36の数)は、上面の信号リードパッド32の数(バンプ33の数)に比して少ない。信号リードパッド35と貫通電極34とは、第1基板本体31下面に形成された配線パターン(図示せず)を介して電気的に接続されている。このような第1基板30の構成により、信号電極56の信号リードを第1基板30の下面側に電気的に引き出すことが可能となる。
A plurality of signal lead pads 35 and bumps 36 are also attached to the lower surface of the first substrate body 31. The number of signal lead pads 35 on the lower surface (number of bumps 36) is smaller than the number of signal lead pads 32 on the upper surface (number of bumps 33). The signal lead pad 35 and the through
第2基板40は、第2基板本体41を有する。典型的には、第2基板本体41は四角形状を有し、第2基板本体41の少なくも上面は平坦に形成される。第2基板本体41上面には、第1基板本体31下面に配列された信号リードパッド35の配列ピッチと同一の配列ピッチを有する信号リードパッド42が形成されている。第2基板本体41上面に形成される信号リードパッド42の数は、複数の第1基板本体31下面に形成される複数のバンプ36の合計数(信号リードパッド35の合計数)に等しい。そして、信号リードパッド42は、第1基板本体31下面のバンプ36に接触している。
The
第2基板本体41と第1基板本体31とは、例えば、樹脂等の接着材により機械的に接着される。このように、第2基板40の上面は、複数の第1基板30の下面に機械的及び電気的に接続されている。そのため、第2基板40の第2基板本体41上面は、複数の第1基板30下面の合計面積と同一かあるいはそれ以上の面積を有さなければならない。第2基板40としては、プリント配線基板とIC基板とが考えられる、しかし、IC基板は、製造工程上、複数の第1基板30に接続可能な大面積を有することはできない。従って、第2基板40としては、大面積に設計可能なプリント配線基板が好適である。
The
また、振動子群10と第1基板30との接続面における信号リードパッド32の数に比して、第1基板30と第2基板40との接続面における信号リードパッド35の数は、少ない。換言すれば、信号リードパッドに引き出された信号リードの数(チャンネル数)に比して、信号リードパッド35に引き出された信号リードの数(チャンネル数)は、少ない。
Further, the number of signal lead pads 35 on the connection surface between the
第2基板本体41上面と下面とは、図示しない貫通電極によって同通されている。このような第1基板30と第2基板40との構成により、信号電極56の信号リードを第2基板40下面に引き出すことが可能となる。第2基板40下面に引き出された信号リードは、ケーブル状に被覆され、超音波診断装置本体へ接続される。
The upper surface and the lower surface of the
音響整合材20は、被検体(図示せず)と振動子52との音響インピーダンスの違いによる超音波の反射を抑える役目をする。音響整合材20は、導電性材料又は絶縁性材料により形成される。音響整合材20の上面には、典型的には、音響レンズ(図示せず)が取り付けられる。音響レンズは、体に近い音響インピーダンスを有するシリコーンゴム等を素材としたレンズである。音響レンズは、超音波ビームを集束させる。
The
以下、振動子群10と音響整合材20と第1基板30との組み合わせを振動子ブロック70と呼ぶことにする。次に、振動子ブロック70の配列パターンについて説明する。
Hereinafter, a combination of the
各振動子ブロック70の形状及び大きさ、すなわち、各振動子ブロック70に含まれる縦方向及び横方向の振動子50の数は、同一であっても異なっていても良い。しかし、超音波プローブが発生する超音波ビームのサイドローブ低減のため、各振動子ブロック70の形状及び大きさのパターンに規則性がない方が良い。従って、各振動子ブロック70の形状及び大きさは、振動子ブロック70ごとに異なるように設計される。そして、超音波プローブ全体として振動子ブロック70の形状及び大きさに規則性がうまれないように、振動子ブロック70が第2基板40上に配列される。
The shape and size of each
なお、第2基板40が四角形状を有しているので、振動子ブロック70の1つ1つが異なる形状及び大きさを有していても、振動子ブロック70全体としては、四角形状を有していなければならない。従って、各振動子ブロック70は、その形状及び大きさに応じて適切に第2基板40上に配置される。
Since the
振動子50の配列ピッチは、全ての振動子ブロック70において同一に設計される。隣合う2つの振動子50の間隔と隣合う2つの振動子ブロック70の間隔とは、同一に設計される。しかしながら本実施形態は、これに限定する必要はない。すなわち、振動子50の配列ピッチは、全ての振動子ブロック70において同一である必要はなく、例えば、振動子ブロック70毎に異なる配列ピッチであってもよい。また、隣合う2つの振動子50の間隔と隣合う2つの振動子ブロック70の間隔とは、異なっていてもよい。
The arrangement pitch of the
一般的に、超音波プローブに含まれる振動子の配列個数は、その超音波プローブの用途によって異なる。心臓用の超音波プローブに含まれる2次元アレイの振動子の配列個数は、例えば、縦50個×横50個程度である。また、腹部用の超音波プローブに含まれる2次元アレイの振動子の配列個数は、例えば、縦500個×横500個程度である。 Generally, the number of transducers included in an ultrasonic probe varies depending on the application of the ultrasonic probe. The number of the two-dimensional array of transducers included in the heart ultrasonic probe is, for example, about 50 vertical × 50 horizontal. Further, the number of transducers of the two-dimensional array included in the abdominal ultrasound probe is, for example, about 500 vertical x 500 horizontal.
本実施形態に係わる超音波プローブに含まれる振動子50の配列個数も一般的なものと同様であって用途によって異なり、振動子50の配列個数は従来と略同様である。すなわち、心臓用の超音波プローブに含まれる振動子50の配列個数は、例えば、縦50個×横50個程度である。この場合、振動子ユニットは、例えば、4つの振動子群10に分割されるとする。また、腹部用の超音波プローブに含まれる振動子50の配列個数は、例えば、縦500個×横500個程度である。この場合、振動子ユニットは、例えば、100つの振動子群10に分割される。
The number of
上記構成のように超音波プローブ10は、大開口径を有する振動子ユニットを、小開口径を有する複数の振動子群10に分割している。
As described above, the
次に、超音波プローブ10の製造方法について説明する。まず、互いに異なる形状及び大きさを有する複数の振動子群10を形成する。また、各振動子群10と略同一の形状及び大きさを有する複数の音響整合材20を形成する。そして互いに略同一の形状及び大きさを有する振動子群10と音響整合材20とを樹脂等で接着する。また、各振動子群10と略同一の形状及び大きさを有する複数の第1基板30を形成する。そして、図3に示すように、振動子群10の信号リードと第1基板50上面のバンプ33とが接合されるように、互いに略同一の形状及び大きさを有する振動子群10と第1基板30とを樹脂等により接着する。このように、振動子群10と音響整合材20と第1基板30とが接着されることで振動子ブロック70が形成される。同様にして複数の振動子ブロック70が形成される。
Next, a method for manufacturing the
次に単一の第2基板40を形成する。図4に示すように、複数の第1基板30下面のバンプ36と第2基板40上面の信号リードパッド42とが接続されるように、第1基板30と第2基板40とを樹脂等によりそれぞれ接着する。このようにして、複数の振動子ブロック70が第2基板40に接着される。
Next, a single
その後は、従来と同様に製造工程を行なうことにより超音波プローブ10が完成する。
Thereafter, the
次に上記構成を有する超音波プローブ10の効果について説明する。以下、説明の簡単のため、複数の振動子群10をまとめて振動子ユニットと呼ぶことにする。本実施形態においては、大開口径を有する振動子ユニットを大開口径を有する単一のフレキシブル配線基板(第2基板40)に直接接続せず、この振動子ユニットを小開口径を有する複数の振動子群10に分割し、これら複数の振動子群10を複数の第1基板30にそれぞれ接続してから、複数の第1基板30を単一のフレキシブル配線基板(第2基板40)に接続している。
Next, the effect of the
このように、小開口径の振動子群10ごとにフレキシブル配線基板(第2基板40)に接続することで、一度に接続しなければならない電気的な接続箇所(バンプと信号リードパッドとの接続)の数を削減できる。具体的には、超音波プローブが25個の振動子群10を有し、各振動子群10が25個の振動子50を有するとする。この場合、従来であれば、超音波プローブに含まれる625個(25×25)の振動子50を一度に第2基板40に接続するので、一回の接続あたり625個の接続箇所があることになる。しかし、本実施形態の場合、振動子ブロック70ごとに第2基板40に接続するので、一回の接続あたりの接続箇所は、25個である。このように本実施形態によれば、振動子50と基板(第2基板40)との接続における電気的な接続箇所数を大幅に減少することができる。
Thus, by connecting to the flexible wiring board (second board 40) for each
さらに、第1基板の上面の信号リードの数に比して下面の信号リードの数を削減することで、さらに電気的な接続箇所を削減できる。 Furthermore, by reducing the number of signal leads on the lower surface as compared with the number of signal leads on the upper surface of the first substrate, it is possible to further reduce electrical connection locations.
また、第1基板30の面積が小さいため第1基板30の製造歩留まりを良好に確保できる。そのため、第1基板30の製造コストを低く抑えることが可能となる。また、複数の振動子群10に分割された振動子ユニットの平坦度は、複数の振動子群10に分割されていない振動子ユニットに比して平坦である。そのため、超音波プローブ10の超音波特性は、従来構造の超音波プローブの超音波特性に比して良好である。
In addition, since the area of the
かくして本実施形態によれば、2次元アレイ構造を有する超音波プローブの歩留まり向上の実現が可能となる。 Thus, according to the present embodiment, it is possible to improve the yield of an ultrasonic probe having a two-dimensional array structure.
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
例えば、上記構成においては、各振動子群10に対して直接的に第1基板30が接続されるとした。しかしながら本実施形態は、これに限定する必要はない。例えば、振動子群10下面に音響制動材(バッキング材)を接続し、この接続された音響制動材の下面に第1基板の前面を接続してもよい。この場合、信号電極に接続された信号リードは、音響制動材の内部を貫通して第1基板30上面の信号リードパッドに接続される。
For example, in the above configuration, the
また、上記構成においては、1の振動子群10の上面に1つの音響整合材は設けられるとした。しかしながら本実施形態は、これに限定する必要はない。例えば、音響整合材を振動子と同様に分割してもよい。すなわち。1つの振動子50の上面に1つの音響整合材が設けられるとしてもよい。
In the above configuration, one acoustic matching material is provided on the upper surface of one
また、上記構成においては、複数の振動子群10の上面には、一層の音響整合材が設けられるとした。しかしながら本実施形態は、これに限定する必要はない。例えば、複数の振動子群10の上面には一層だけでなく、2層、3層、あるいはそれ以上の音響整合材が設けられてもよい。この場合、複数の振動子群10から被検体(図示せず)への音響インピーダンスが段階的に変化するように、各層の音響整合材の材料が決定される。
In the above configuration, a single acoustic matching material is provided on the upper surfaces of the plurality of
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
10…振動子群、20…音響整合材、30…第1基板、31…第1基板本体、32…信号リードパッド、33…バンプ、34…貫通電極、35…信号リードパッド、36…バンプ、40…第2基板、41…第2基板本体、42…信号リードパッド、50…振動子、52…圧電体、54…アース電極、56…信号電極、60…樹脂、70…振動子ブロック
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記複数の振動子群にそれぞれ電気的に接続された複数の第1基板と、
前記複数の第1基板に電気的に接続された単一の第2基板と、
を具備する超音波プローブ。 A plurality of transducer groups having a plurality of transducers arranged two-dimensionally;
A plurality of first substrates respectively electrically connected to the plurality of transducer groups;
A single second substrate electrically connected to the plurality of first substrates;
An ultrasonic probe comprising:
前記第2基板は、プリント配線基板である、
請求項1記載の超音波プローブ。 Each of the plurality of first substrates is an IC substrate,
The second substrate is a printed wiring board;
The ultrasonic probe according to claim 1.
前記第1基板の上面と下面とに達するように前記第1基板の内部を貫通する複数の貫通孔と、
前記上面と前記下面とを電気的に接続するために前記複数の貫通孔にそれぞれ設けられた複数の金属薄膜と、
を備える請求項1記載の超音波プローブ。 Each of the plurality of first substrates is
A plurality of through holes penetrating the inside of the first substrate so as to reach an upper surface and a lower surface of the first substrate;
A plurality of metal thin films respectively provided in the plurality of through holes to electrically connect the upper surface and the lower surface;
The ultrasonic probe according to claim 1.
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