JP6200246B2 - 探触子 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置等に使用される光音響探触子などとして用いられる静電容量型トランスデューサ等を備える探触子、及びそれを用いた被検体情報取得装置に関する。

超音波診断装置の一つに光音響波を利用したものがある。光音響波は、例えば、体外から照射したパルスレーザ（電磁波）が、体内の組織で吸収される際に発生する超音波である。光音響波は体内の特定の組織において発生するため、光音響波の情報を利用した体内組織のイメージングが可能である。尚、音波、超音波、光音響波などは音響波と呼ばれるが、本明細書においては、超音波で代表する場合もある。

体内で発生した超音波の検出には、探触子を使用することができる。探触子内には超音波トランスデューサが配置されていて、超音波を電気信号に変換する。超音波トランスデューサは、従来、圧電効果を利用したものが利用されてきたが、近年、静電容量型の研究開発も盛んである。静電容量型トランスデューサは、例えば、キャビティと呼ばれる略真空に維持された空間を挟むように設けられた２つの電極で構成されるセルを含み、１つ以上のセルからなるエレメントを１つ以上備える。２つの電極のうち一方の電極はメンブレンに固定され、こうして構成された振動膜が振動可能に保持されている。超音波によって振動膜が振動して２つの電極間の距離が変化すると、静電容量の変化が生じる。２つの電極間に電圧を印加しておくと、静電容量の変化を電流信号として取り出すことができる。これが超音波受信動作の原理である。また、２つの電極間に加える電圧は、２つの電極間に静電引力を生じさせる。加える電圧の大きさを時間的に変化させることで振動膜を振動させることができる。これが超音波送信動作の原理である。静電容量型トランスデューサのうち、半導体微細加工技術を応用して作製したものを、ＣＭＵＴ（Ｃａｐａｓｉｔｉｖｅ−Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ−Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ−Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と呼ぶ。複数の静電容量型トランスデューサ（すなわち、上記セルないしエレメント）を高密度に配置した探触子は、超音波診断装置のニーズである高画質化を達成するのに適している。

上記の如き技術分野において、超音波トランスデューサの上に音響レンズが配置された探触子が提案されている（特許文献１参照）。また、音響レンズを有した探触子において、異方導電性の接着剤などと超音波トランスデューサとが電気的に接続された探触子が存在する（特許文献２参照）。

特開２００８−１１９３１８号公報 国際公開第２００８／１１４５８２号

探触子において、音響レンズは静電容量型トランスデューサ（すなわち、セルないしエレメント）と位置ずれなく固定されていることが好ましい。しかしながら、音響レンズは、例えばシリコンゴムのような柔らかい部材を用いることが多く、音響レンズの一部で位置決めをしても、他の部分では位置ずれを生じるということがあった。本発明は、上記課題に鑑み、音響レンズと静電容量型トランスデューサとの位置ずれが抑制された探触子などを提供することを目的とする。

本発明の探触子は、エレメントと該エレメントの取り出し電極とを備えるトランスデューサと、取り出し電極に電気的に接続された配線を備えるフレキシブル配線基板と、エレメント上に設けられた、段差部を有する音響レンズと、を有する。そして、音響レンズは、前記段差部においてフレキシブル配線基板の端部に突き当たって固定されている。

本発明の探触子では、音響レンズは段差部においてフレキシブル配線基板の端部に突き当たって固定されているので、音響レンズと静電容量型トランスデューサとの位置ずれが抑制される。

本発明の一実施形態を説明する断面図。 本発明の一実施形態を説明する上面図。 本発明の他の実施形態を説明する断面図。 静電容量型トランスデューサの例を示す図。 本発明の探触子を含む情報取得装置の例を示す全体ブロック図。

本発明の探触子では、静電容量型などのトランスデューサのエレメント上に設けられた音響レンズが、２面で画されたＬ字状部などを含む段差部を有し、該段差部においてフレキシブル配線基板の端部に突き当たって固定される。こうした考え方に基づいて、以下、本発明の実施形態及び実施例について説明するが、本発明はこれらの実施形態や実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

以下、図と共に本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の第一の実施形態を説明する断面図である。基板１００には、複数のセルを含むエレメント（素子）１０１が１次元もしくは２次元的に配列されている。本実施形態では、上面図である図２に示す様に、エレメント１０１が１次元（図２の上下方向）に配列されている。エレメント１０１の取り出し電極１０２は、支持基板１００上の縁部に配置されている。支持基板１００の周辺部には、取り出し電極１０２と電気的に接続された配線を含むフレキシブル配線基板１０３が配置されている。本実施形態では、フレキシブル配線基板１０３が、屈曲状態で支持基板１００の左右両側に配されている。取り出し電極１０２とフレキシブル配線基板１０３とを接続するためには、例えば異方性導電膜（ＡＣＦ）１０６が用いられるが、低抵抗に接続できるならば接続方法はこれに限定されない。異方性導電膜を用いる場合、段差部の段差を低くできる。

エレメント１０１上には、段差部を有する音響レンズ１０４が配置される。ここでは、段差部は、互いに直角に伸びる２面で画されたＬ字状部を有する。音響レンズ１０４はフレキシブル配線基板１０３の端部に突き当たっており、音響レンズは接着剤１０５などを用いて基板１００に固定される。より詳しくは、配線基板１０３の端部の側面が、段差部のＬ字状部の一面（図１で上下に伸びる面）に突き当たり、配線基板１０３の端部の上面が、段差部のＬ字状部の他面（図１で左右に伸びる面）に接している。こうした突き当て構造が、音響レンズ１０４の図の左右両側の少なくとも一方において確立されて、音響レンズが固定されている。

図２は上記構造を上から見た上面図である。ここでは、取り出し電極１０２を左右交互に配置した例を図示しているが、左右いずれか一方にだけ取り出し電極１０２を配置していても構わない。そのときは、上記突き当て構造は左右いずれか一方にだけ存在する。したがって、音響レンズ１０４の他方側の段差部は、例えば、ケースなどの端部により位置が規制されることになる。或いは、音響レンズ１０４の他方側には段差部がなく、単純な側面になっていて、この側面が、ケースなどの端部により位置が規制されていてもよい。

次に、本実施形態において、音響レンズと静電容量型トランスデューサとの位置ずれが抑制される理由を説明する。フレキシブル配線基板１０３を取り出し電極１０２と接続する際の位置決め精度は十分に小さくすることが可能で、アライメントマークを用いれば、例えば１００マイクロメートル以下の精度で固定できる。また、取り出し電極１０２とエレメント１０１とは、いずれも半導体プロセスによって作製される基板内のパターンであり、位置ずれは小さい。したがって、エレメント１０１に対して、フレキシブル配線基板１０３を高精度に固定することが可能であり、フレキシブル配線基板１０３に突き当てられた音響レンズ１０４も同様に、エレメント１０１に対して精度よく固定することが可能である。

本実施形態では、音響レンズ１０４の突き当てを、静電容量型トランスデューサの近傍で行うことで、位置決め精度の向上を可能にしている。例えば特許文献１の技術のように、基板の外側（側面）で音響レンズを嵌合させる場合と比較して、トランスデューサに近い位置で音響レンズの位置を決める方法は、レンズの変形による位置ずれ量を低減させられ、位置決め精度を向上させることが可能である。一方、探触子を小型化するには、音響レンズを固定するための部材は最小限にすることが好ましい。本発明のように、送信または受信に必要なフレキシブル配線基板を音響レンズの位置決めに用いることで、小型の探触子を提供することが可能になる。

なお、上述した様に、フレキシブル配線基板と突き当たる音響レンズの段差部は、１箇所であっても構わないし、複数あっても構わない。また、突き当てる方向は、左右、前後、上下、のいずれか１つ以上であれば、位置決め精度を向上させることが可能であり、いずれか１つの方向に限定されるものではない。また、音響レンズの段差部の全面がフレキシブル配線基板と突き当たる必要はなく、少なくとも２点以上の箇所で突き当たっていればよい。以上の如き本実施形態の探触子では、音響レンズは段差部においてフレキシブル配線基板の端部に突き当たって固定されているので、音響レンズとトランスデューサとの位置ずれが抑制される。

上記構成は、次の如き構造と捉えることができる。即ち、基板が矩形であり、基板の少なくも一組の対向する２辺側に配置されたフレキシブル配線基板の端部と基板とにより形成される凹部に嵌合するように音響レンズの突出部が配置され、突出部の底面が基板に接着されている探触子である。こうした構成は、音響レンズの位置決めや接着を容易かつ確実に行うことができて、好ましい。

次の様な構成にすることもできる。即ち、基板とフレキシブル配線基板とを接着する際に発生することがある異方性導電膜のはみ出しが、フレキシブル配線基板と音響レンズとの突き当てを妨げないように、異方性導電膜のはみ出し部を受け入れるための凹部（図３参照）を音響レンズに設ける。例えば、音響レンズの段差部を、図３のような鈍角のＬ字状部にする形態が考えられる。こうすれば、異方性導電膜のはみ出し部が、段差部とフレキシブル配線基板の端部とで形成される凹部に入り込んで、フレキシブル配線基板と音響レンズとの突き当てを妨げることを防止できて、音響レンズの位置決め精度の低下を抑えられる。こうした凹部は、音響レンズの端部に設けることが好ましいが、基板１００に、異方性導電膜のはみ出し部を受け入れる凹部である溝などを設けても構わない。勿論、凹部の位置や形状は、これらに限定されるものではない。以上の様に、本例では、基板とフレキシブル配線基板とを接着する際に発生する異方性導電膜のはみ出し部が、段差部とフレキシブル配線基板の端部とで形成される凹部、基板に形成された凹部などに来るように音響レンズが搭載される
。

また、上記装置は、例えば、次の如き工程を含む製造方法で作製することができる。まず、エレメントの取り出し電極を、夫々、異方性導電膜などを介してフレキシブル配線基板の対応する配線と電気的に接続させ、基板のトランスデューサ上に接着剤を塗布する。次に、フレキシブル配線基板の端部と基板とが形成する凹部に音響レンズの突出部（すなわち、段差部で画された部分）を嵌合することにより音響レンズの位置決めをして、前記接着剤に音響レンズを接触させる。そして、音響レンズと基板に圧力を印加して両者を押し付けたまま加熱することにより、音響レンズをトランスデューサ上に接着する。

次に、本発明で用いられるトランスデューサの一例である静電容量型のトランスデューサについて説明する。図４に、セルを複数含むエレメントを有した静電容量型のトランスデューサの例を示す。図４（ａ）は上面図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。本トランスデューサは、セル構造７を有するエレメント８（図２のエレメント１０１に相当）を複数個有している。図４では、４個のエレメント８がそれぞれ９個のセル７を有しているが、それぞれのエレメント８はセルを１つ以上含めば幾つであっても構わない。図２のエレメント１０１におけるセルの配列形態と図４のエレメント８におけるセル７の配列形態とは必ずしも一致しない。

本例のセル７は、図４（ｂ）に示す様に、基板１（図１の基板１００に相当）、第一の電極２、第一の電極２上の絶縁膜３、絶縁膜３と間隙５（空隙など）を介して振動可能に支持された振動膜４、振動膜４上の第二の電極６で構成されている。基板１は、Ｓｉで構成されているが、ガラスなどの絶縁性基板を用いても構わない。第一の電極２はチタンやアルミニウムなどの金属薄膜で形成される。基板１を低抵抗のシリコンで形成する場合には、それ自体を第一の電極２とすることも可能である。絶縁膜３は、酸化シリコンなどの薄膜を堆積することで形成できる。振動膜４やそれを支持する部分である振動膜支持部は、窒化シリコンなどの薄膜を堆積することで形成される。第二の電極６は、チタンやアルミニウムなどの金属薄膜で構成することができる。窒化シリコン膜や単結晶シリコン膜からなるメンブレン部分の振動膜と第二の電極部分を併せて振動膜と捉えることもできる。以上のように、本例では、エレメントは、間隙を挟んで設けられた２つの電極のうちの一方の電極を含む振動膜が振動可能に支持された構造のセルを少なくとも１つ含む。

本例のトランスデューサの駆動原理を説明する。セルは、間隙５を挟んで設けられた第一の電極２と振動膜とで形成されているので、音響波を受信するためには、第一の電極２もしくは第二の電極６に直流電圧を印加する。このバイアス電圧が電圧印加手段から印加されている。音響波を受信すると、音響波により振動膜が振動して間隙の距離（高さ）が変化するため、電極間の静電容量が変化する。この静電容量変化を第一の電極２もしくは第二の電極６から検出することで、音響波を検出することができる。こうした静電容量変化による受信信号はアンプ回路に送られる。また、エレメントは、第一の電極２もしくは第二の電極６に交流電圧を印加して振動膜を振動させることで、音響波を送信することもできる。こうした交流電圧の送信信号は、送受信回路からエレメント８に送信される。

本実施形態において、音響レンズ１０４の表面は蒲鉾形状を有していて、図１の紙面垂直方向に伸びている。従って、図１の左右方向に関しては、音響レンズ１０４の曲率のパワーにより音響波のビームが絞られる。図１の紙面垂直方向に関しては、音響レンズ１０４はパワーを有しないので、ビームフォーミング送受信の手法が取られる。この手法は、送受信可能なチャンネル総数の一部の限定された一定数のエレメントの組を、紙面垂直方向に順次遅延をかけて変化させ、１本のビームを形成・走査し、各時のビーム方向の被検体の超音波の情報を得るものである。エレメントの１Ｄあるいは２Ｄ配列の組において１本のビームを形成してビーム方向の被検体の超音波の情報を取得後、１エレメント分、行あるいは列方向にずらして更にビーム方向の被検体の超音波の情報を得る。この動作を順次行い、情報を合成することで、例えばＢ（Brightness）モード画と呼ばれる画像を作るものである。この動作をする超音波送受信のシステムにおいては、ビームフォーミングに使用されるチャンネルのエレメントと回路は信号の送受信を行うが、使用されないエレメントと回路では信号の送受信は行われない。勿論、要求される機能に応じて、音響レンズ１０４の表面は球面形状等の他の形状を有することができる。

（実施例１）
以下、より具体的な実施例１を示す。本実施例では、シリコンウエハ上に、複数の静電容量型トランスデューサと取り出し電極とを、半導体プロセスによって作製する。シリコンウエハから、基板を縦５０ｍｍ、横１０ｍｍに切り出す。エレメント１０１は縦方向に１次元的に配列されていて、取り出し電極１０２はそれぞれの静電容量型トランスデューサの左または右に配置されている。

図１で説明する。フレキシブル配線基板１０３は、厚さ１０μｍの銅配線であり、取り出し電極１０２と接続する場所以外は、上下の両側を５０μｍのポリイミドで絶縁されている。基板１００の周辺に配置された取り出し電極１０２上に異方性導電膜１０６を塗布し、その上にフレキシブル配線基板１０３をアライメントした後に、フレキシブル配線基板を上から押して固定する。その後に、異方性導電膜を８０℃で熱硬化させ、取り出し電極１０２とフレキシブル配線基板１０３の配線とを接着させる。フレキシブル配線基板は基板１００の左右両側に接着させる。接着後の、取り出し電極１０２とフレキシブル配線基板１０３の配線との各々の位置ずれを計測した結果、縦方向（配線の伸長方向）の位置ずれは最大で５０μｍであり、横方向（配線の伸長方向と面内において直角な方向）の位置ずれは最大で２０μｍであった。

音響レンズ１０４はシリコーンで作成されており、下部は凸である１００μｍの段差を有していて、上部は曲率半径１４ｍｍのレンズ形状を有している。静電容量型トランスデューサ上に、厚さ２０μｍの接着剤１０５を塗布した後に、音響レンズ１０４の凸である段差部を左右のフレキシブル配線基板１０３の間に挿入し、フレキシブル配線基板１０３の片側と音響レンズ１０４とを突き当てて固定させる。音響レンズ１０４の上から圧力を加えたまま、接着剤１０５を８０℃で熱硬化させて、音響レンズ１０４を基板１００に接着させる。

このように作製された探触子において、５箇所で断面を切り出して、音響レンズ１０４の中心軸（図１の紙面垂直方向に伸びる）と静電容量型トランスデューサの中心軸（図１の紙面垂直方向に伸びる）とのずれを測定した。その結果、音響レンズと静電容量型トランスデューサの位置ずれは、最大で２０μmであった。上記は、静電容量型トランスデューサのエレメント１０１を１次元的に配列した実施例であるが、静電容量型トランスデューサを２次元的に配列した場合であっても、同様に位置決め固定を行うことが可能である。

（他の実施形態）
上記静電容量型トランスデューサは、超音波診断装置などの被検体情報取得装置に適用することができる。被検体からの音響波をトランスデューサで受信し、出力される電気信号を用い、光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報や音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報を取得できる。

より詳しくは、情報取得装置の一例は、被検体に光（可視光線や赤外線を含む電磁波）を照射する。このことにより被検体内の複数の位置（部位）で発生した光音響波を受信し、被検体内の複数の位置に夫々対応する特性情報の分布を示す特性分布を取得する。光音響波により取得される特性情報とは、光の吸収に関わる特性情報を示し、光照射によって生じた光音響波の初期音圧、或いは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や、吸収係数、組織を構成する物質の濃度、等を反映した特性情報を含む。物質の濃度とは、例えば、酸素飽和度やトータルヘモグロビン濃度や、オキシヘモグロビン或いはデオキシヘモグロビン濃度などである。また、情報取得装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的とすることもできる。よって、被検体としては生体、具体的には人や動物の乳房、頸部、腹部などの診断対象が想定される。被検体内部にある光吸収体としては、被検体内部で相対的に吸収係数が高い組織を示す。例えば、人体の一部が被検体であれば、オキシヘモグロビン或いはデオキシヘモグロビンやそれらを多く含む血管、或いは新生血管を多く含む腫瘍、頸動脈壁のプラークなどがある。さらには、金粒子やグラファイトなどを利用して、悪性腫瘍などと特異的に結合する分子プローブや、薬剤を伝達するカプセルなども光吸収体となる。

また、光音響波の受信だけでなく、トランスデューサを含むプローブから送信される超音波が被検体内で反射した超音波エコーによる反射波を受信することにより、被検体内の音響特性に関する分布を取得することもできる。この音響特性に関する分布は、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した分布を含む。

図５（ａ）は、光音響効果を利用した情報取得装置を示したものである。光源２０１０が発振したパルス光は、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学部材２０１２を介して、被検体２０１４に照射される。被検体２０１４の内部にある光吸収体２０１６は、パルス光のエネルギーを吸収し、音響波である光音響波２０１８を発生する。探触子部２０２２内の本発明のトランスデューサ２０２０は、光音響波２０１８を受信して電気信号に変換し、探触子部のフロントエンド回路に出力する。フロントエンド回路ではプリアンプ等の信号処理を行い、接続部を介してこれを本体部の信号処理部２０２４に送る。信号処理部２０２４では、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、同じく本体部のデータ処理部２０２６へ出力する。データ処理部２０２６は、入力された信号を用いて被検体情報（光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した特性情報）を画像データとして取得する。ここでは、信号処理部２０２４とデータ処理部２０２６を含めて、処理部という。表示部２０２８は、データ処理部２０２６から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。探触子部２０２２と本体部を一体にした構成とすることもできる。

図５（ｂ）は、音響波の反射を利用した超音波エコー診断装置などの情報取得装置を示したものである。探触子部２１２２内の本発明のトランスデューサ２１２０から被検体２１１４へ送信された音響波は、反射体２１１６により反射される。トランスデューサ２１２０は、反射された音響波（反射波）２１１８を受信して電気信号に変換し、探触子部内のフロントエンド回路に出力する。フロントエンド回路ではプリアンプ等の信号処理を行い、接続部を介してこれを本体部の信号処理部２１２４に送る。信号処理部２１２４は、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、同じく本体部のデータ処理部２１２６へ出力する。データ処理部２１２６は、入力された信号を用いて被検体情報（音響インピーダンスの違いを反映した特性情報）を画像データとして取得する。ここでも、信号処理部２１２４とデータ処理部２１２６を含めて、処理部という。表示部２１２８は、データ処理部２１２６から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。ここでも、探触子部２１２２と本体部を一体にした構成とすることもできる。

探触子部は、機械的に走査するものであっても、医師や技師等のユーザが被検体に対して移動させるもの（ハンドヘルド型）であってもよい。また、図５（ｂ）のように反射波を用いる装置の場合、音響波を送信する探触子は受信する探触子と別に設けても良い。さらに、図５（ａ）と図５（ｂ）の装置の機能をどちらも兼ね備えた装置とし、被検体の光学特性値を反映した被検体情報と、音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報と、をどちらも取得するようにしてもよい。この場合、図５（ａ）のトランスデューサ２０２０が光音響波の受信だけでなく、音響波の送信と反射波の受信を行うようにしてもよい。

１００・・基板、１０１・・エレメント、１０２・・取り出し電極、１０３・・フレキシブル配線基板、１０４・・音響レンズ、１０５・・接着剤、１０６・・異方性導電膜

Claims (8)

1. エレメントと該エレメントの取り出し電極とを備えるトランスデューサと、
   前記取り出し電極に電気的に接続された配線を備えるフレキシブル配線基板と、
   前記エレメント上に設けられた、段差部を有する音響レンズと、を有し、
   前記音響レンズは、前記段差部において前記フレキシブル配線基板の端部に突き当たって固定されていることを特徴とする探触子。
2. 前記エレメントと前記取り出し電極とが配置された支持基板を有し、前記フレキシブル基板は、前記支持基板の端部に屈曲状態で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の探触子。
3. 前記フレキシブル配線基板の配線は、異方性導電膜によって前記取り出し電極に接着されていることを特徴とする請求項２に記載の探触子。
4. 前記支持基板と前記フレキシブル配線基板とを接着する際に発生する前記異方性導電膜のはみ出し部が、前記段差部と前記フレキシブル配線基板の端部とで形成される凹部に来るように前記音響レンズが搭載されたことを特徴とする請求項３に記載の探触子。
5. 前記エレメントは、第一の電極と、前記第一の電極と間隙を介して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を備えるセルを１つ以上含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の探触子。
6. 請求項２から４の何れか１項に記載の探触子の製造方法であって、
   前記取り出し電極を、異方性導電膜を介して前記フレキシブル配線基板の配線と電気的に接続させる工程と、
   前記トランスデューサ上に接着剤を塗布する工程と、
   前記フレキシブル配線基板の端部と前記支持基板とが形成する凹部に前記音響レンズの突出部を嵌合することにより前記音響レンズの位置決めをして、前記接着剤に前記音響レンズを接触させる工程と、
   前記音響レンズと前記基板に圧力を印加して両者を押し付けたまま、加熱することにより前記音響レンズを前記トランスデューサ上に接着する工程と、
   を含むことを特徴とする製造方法。
7. 請求項１から５の何れか１項に記載の探触子と、前記探触子が出力する電気信号を用いて被検体の情報を取得する処理部と、を有し、
   前記探触子は、被検体からの音響波を受信し、前記電気信号を出力することを特徴とする被検体情報取得装置。
8. 請求項１から５の何れか１項に記載の探触子と、光源と、処理部と、を有し、
   前記探触子は、前記光源から発振した光が被検体に照射されることにより発生する音響波を受信して電気信号に変換し、
   前記処理部は、前記電気信号を用いて被検体の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。

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