JP6229431B2 - 超音波デバイス、超音波プローブヘッド、超音波プローブ、電子機器および超音波画像装置 - Google Patents

超音波デバイス、超音波プローブヘッド、超音波プローブ、電子機器および超音波画像装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波デバイス、超音波プローブヘッド、超音波プローブ、電子機器および超音波画像装置に関するものである。
超音波を受発信する超音波素子を用いた超音波デバイスが様々な用途に用いられている。超音波素子を備えた超音波内視鏡が特許文献1に開示されている。それによると、超音波内視鏡は超音波を受発信する静電容量型超音波素子と、超音波を収束させる音響レンズと、を備えていた。
超音波素子は下側電極が設置された基板と上側電極が設置されたメンブレムとに交流の電圧を印加する。これにより、基板とメンブレムとに静電力が作用し、メンブレムが振動して超音波を発信する。超音波は音響レンズを通過することにより所定の場所に収束するように射出される。音響レンズはシリコーン樹脂により形成されており、超音波が被検体に伝達し易く、応力が加わると変形し易い材質であった。
特開2011−35916号公報
音響レンズは被検体に接触した方が超音波を伝播し易い。そして、音響レンズの位置は操作者が制御するので、音響レンズは被検体に押圧されることがある。特許文献1では音響レンズの周囲がメタルパッケージに支持されている。従って、被検体から音響レンズに応力が加わるとき、音響レンズは外周で保持されているので中央が変形し易くなっている。音響レンズが変形するとき超音波が収束する場所が移動し、収束する予定であった場所の超音波の音圧が低下する。そこで、音響レンズの変形を抑制して効率良く超音波を受発信することができる超音波デバイスが望まれていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
本適用例にかかる超音波デバイスであって、超音波の発信及び受信の少なくとも一方を行う複数の超音波素子を有する超音波素子アレイ基板と、前記超音波を収束させる音響レンズと、前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間に配置され樹脂で形成された音響整合部と、前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間に配置され前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとに接触する複数の柱状の間隔維持部と、を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、超音波素子アレイ基板には複数の超音波素子が設置されている。超音波素子は超音波の発信または受信を行う。もしくは、超音波素子は超音波の発信及び受信を行う。超音波素子が発信する超音波は音響整合部及び音響レンズを通過して被検体に射出される。音響整合部は超音波素子と音響レンズとの間の音響インピーダンスを調整する。これにより、超音波素子と音響整合部との間の界面で超音波が反射し難くなり、音響整合部と音響レンズとの間の界面で超音波が反射し難くなる。従って、超音波は効率良く被検体に射出される。
音響レンズは被検体と接触させて使用される。このとき、音響レンズは被検体から押圧され、音響レンズの内部には応力が発生する。音響整合部の樹脂は変形し易いので音響レンズの応力により変形する。一方、柱状の間隔維持部は音響レンズと超音波素子アレイ基板と接触し、音響レンズの応力を超音波素子アレイ基板に伝える。そして、音響整合部の厚みが一定に維持される為、音響レンズの変形を抑制し超音波を精度良く収束させることができる。さらに、被検体にて反射した超音波も音響レンズの変形が抑制されている為精度良く超音波素子に収束させることができる。その結果、超音波デバイスは効率良く超音波を受発信することができる。
[適用例2]
上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記超音波素子アレイ基板の厚み方向からみた平面視において前記間隔維持部は前記超音波素子と重ならない場所に設置されていることを特徴とする。
本適用例によれば、間隔維持部は超音波素子と重ならない場所に設置されている。超音波素子には樹脂で形成された音響整合部が重ねられている。従って、超音波デバイスは音響整合部により音響インピーダンスが調整された超音波を射出することができる。さらに、超音波デバイスでは音響整合部は、入射した超音波の音響インピーダンスを調整して超音波素子に射出することができる。
[適用例3]
上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記間隔維持部は前記超音波素子の間で壁状に延在して配置され前記超音波素子アレイ基板面内方向の超音波を通過し難くすることを特徴とする。
本適用例によれば、間隔維持部は超音波素子の間で壁状に延在して配置されている。間隔維持部は超音波素子アレイ基板面内方向の超音波を通過し難くして、超音波が伝播する方向を規制する。尚、超音波素子アレイ基板面内方向は超音波素子アレイ基板の表面と平行な方向である。従って、間隔維持部を挟んで位置する超音波素子が超音波を受発信するときに相互に影響しあうことを抑制することができる。
[適用例4]
上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記間隔維持部は前記音響整合部より透水性が低く超音波素子に電気信号を伝える配線を覆って配置されることを特徴とする。
本適用例によれば、間隔維持部は配線を覆って配置されている。間隔維持部は透水性が低く水分を通過し難い部位である。従って、間隔維持部は配線に水分が付着することを抑制する為、配線が電界腐食することを防止することができる。
[適用例5]
上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、2つの前記間隔維持部の間は音響整合部の材料が流動する流路であることを特徴とする。
本適用例によれば、間隔維持部は壁状に延在している。そして、音響整合部を形成するとき2つの間隔維持部の間は音響整合部の材料が流動する流路となっている。そして、音響整合部の材料は間隔維持部に沿って移動する為、間隔維持部の間を隙間なく音響整合部の材料で充填させることができる。
[適用例6]
上記適用例にかかる超音波デバイスにおいて、前記平面視において前記間隔維持部の形状は円または楕円であることを特徴とする。
本適用例によれば、間隔維持部の形状は円または楕円である。円または楕円には角がなく外周に沿って流体が小さな抵抗で流れることができる。従って、間隔維持部のある場所に音響整合部の材料を流動させるとき、音響整合部の材料は間隔維持部に沿って移動する。このとき音響整合部の材料は音響整合部の空間に位置する空気を押し出す為、間隔維持部の間を隙間なく音響整合部の材料で充填させることができる。
[適用例7]
本適用例にかかる超音波プローブヘッドであって、上記のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスを支持する筐体と、を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、超音波プローブヘッドは上記に記載の超音波デバイスと、この超音波デバイスを支持する筐体と、を備えている。本適用例の超音波プローブヘッドは、音響整合部の厚みを適正に維持し効率良く超音波の受発信を行う超音波デバイスを備えている。従って、効率良く超音波の受発信を行う超音波プローブヘッドを提供できる。
[適用例8]
本適用例にかかる超音波プローブであって、上記のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスを駆動する駆動回路と、を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、超音波プローブは上記に記載の超音波デバイスと、この超音波デバイスを駆動する駆動回路を備えている。本適用例の超音波プローブは、音響整合部の厚みを適正に維持し効率良く超音波の受発信を行う超音波デバイスを備えている。従って、効率良く超音波の受発信を行う超音波プローブを提供できる。
[適用例9]
本適用例にかかる電子機器であって、上記のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスに接続され、前記超音波デバイスの出力を用いて画像を生成する処理部と、を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、電子機器は上記に記載の超音波デバイス及び処理部を備えている。処理部は超音波デバイスの出力を用いて画像データの生成を行う。本適用例の電子機器は、音響整合部の厚みを適正に維持し効率良く超音波の受発信を行う超音波デバイスを備えている。従って、効率良く超音波の受発信を行う電子機器を提供できる。
[適用例10]
本適用例にかかる超音波画像装置であって、上記のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスに接続され、前記超音波デバイスの出力を用いて画像を生成する処理を行う処理部と、前記画像を表示する表示部と、を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、超音波画像装置は上記の超音波デバイスと、処理部及び表示部を備えている。処理部は超音波デバイスの出力を用いて画像データの生成を行う。表示部は、処理部が生成した画像を表示する。本適用例の超音波画像装置は、音響整合部の厚みを適正に維持し効率良く超音波の受発信を行う超音波デバイスを備えている。従って、効率良く超音波の受発信を行う超音波画像装置を提供できる。
超音波画像装置の構成を示す概略斜視図。 超音波プローブの構造を示す部分模式側断面図。 超音波プローブの構造を示す要部模式断面図。 超音波画像装置の制御ブロック図。 音波デバイスの構造を示す模式平面図。 (a)及び(c)は、超音波デバイスの構造を示す模式側断面図、(b)及び(d)は、超音波デバイスの構造を示す模式側面図。 (a)は、超音波素子の構成を示す模式平面図、(b)は、超音波素子の構成を示す模式側断面図。 超音波素子アレイ基板の構成を示す模式平面図。 超音波デバイスの製造方法のフローチャート。 超音波デバイスの製造方法を説明するための模式図。 超音波デバイスの製造方法を説明するための模式図。 (a)は超音波素子の構成を示す要部模式平面図、(b)は超音波素子アレイ基板の構成を示す模式平面図。 (a)及び(b)は、超音波プローブの構成を示す模式側面図。 超音波画像装置の構成を示す概略斜視図。
本実施形態では、超音波デバイスとこの超音波デバイスが設置された超音波プローブ及び超音波画像装置の特徴的な例について図面に従って説明する。尚、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。
(第1の実施形態)
本実施形態では電子機器の一例として、例えば人体の内部を検査する超音波画像装置について図1〜図11に従って説明する。図1は、超音波画像装置の構成を示す概略斜視図である。図2は、超音波プローブの構造を示す部分模式側断面図であり、図3は、超音波プローブの構造を示す要部模式断面図である。
図1に示すように、電子機器としての超音波画像装置1は装置本体2と超音波プローブ3とを備えている。装置本体2と超音波プローブ3とはケーブル4で接続され、装置本体2と超音波プローブ3とはケーブル4を通じて電気信号のやり取りをすることができる。そして、装置本体2にはディスプレイパネル等の表示部5が組み込まれている。表示部5はタッチパネル型のディスプレイであり、操作者が装置本体2に情報を入力するユーザーインターフェイス部を兼ねている。以下、ユーザーインターフェイス部をUI部と称す。
装置本体2では、超音波プローブ3で検出された超音波に基づき画像が生成され、画像化された検出結果が表示部5の画面に表示される。超音波プローブ3は、直方体状の筐体6を備え、筐体6の長手方向の一端にケーブル4が接続されている。そして、その反対側に超音波の受発信を行うヘッド部7を有している。尚、超音波画像装置1は装置本体2と超音波プローブ3とをケーブル4で接続する形態である。ケーブル4を用いずに無線により装置本体2と超音波プローブ3との間で信号のやり取りを行う形態であっても良い。
図2に示すように、超音波プローブ3は、支持部材8に固定された超音波デバイス9が筐体6内に収容されている。超音波デバイス9は筐体6のヘッド部7から露出し、超音波デバイス9から対象物に対して超音波を出力する。さらに、対象物からの超音波の反射波を超音波デバイス9が受信する。反射波をエコー波とも称す。筐体6は筒状の形態をしており操作者が握り易い形状となっている。筐体6の一端に超音波デバイス9が設置され、他端にケーブル4が設置されている。超音波デバイス9からケーブル4に向かう方向をZ方向とする。Z方向と直交する2方向をX方向及びY方向とする。超音波デバイス9は略板状の形状をしており、X方向及びY方向に延在する。超音波デバイス9はY方向に比べてX方向に長い形状となっている。
図3に示すように、超音波デバイス9と筐体6のヘッド部7との間には隙間があり、その隙間にはシリコーン系のシール材が充填されたシール部10が設けられている。このシール部10は、超音波プローブ3の筐体6の超音波デバイス9に水分等が侵入するのを防止する。支持部材8は超音波デバイス9のZ方向側に位置し、支持部材8とヘッド部7との間にはシール構造物が設置されている。このシール構造物は接着部材11及び接着部材12を備えている。接着部材11は支持部材8の外周部に貼り付けられ、弾性を有する両面テープ等の部材である。接着部材12は筐体6に貼り付けられ、弾性を有する両面テープ等の部材である。
接着部材11と接着部材12との間には超音波デバイス9と処理回路とを接続するFPC13(Flexible Printed Circuits)が介在する。FPC13は接着部材11と接着部材12とで挟まれて固定されている。FPC13はフレキシブル印刷配線基板とも称される。接着部材11及び接着部材12としては、例えば、ポリエチレンまたはウレタン等の単泡体にアクリル系の接着材が塗布された両面テープを用いることができる。このように、超音波プローブ3には2重のシール構造が採用され、シール部10、接着部材11及び接着部材12は筐体6内に水分や埃等が侵入するのを防止する。
超音波デバイス9は、超音波素子アレイ基板14、音響整合部15、音響レンズ16、FPC13及び固定枠としての枠体17を備えている。超音波素子アレイ基板14は、素子基板18とバックプレート21とを有している。素子基板18は−Z方向側の面に複数の超音波素子がアレイ状に配置された基板であり、Z方向から見た平面視でX方向に長い長方形の形状をしている。この素子基板18はシリコン基板を用いて形成され、厚みがおよそ150μm〜200μmである。そして、−Z方向を向く素子基板18の素子形成面とは反対の面に、素子基板18と同じ平板状のバックプレート21が接着されている。バックプレート21は素子基板18の余分な振動を抑え、超音波を吸収する役目を果たす。バックプレート21には厚みが500μm〜600μmのシリコン基板が用いられている。バックプレート21はシリコン基板の他に金属板を用いてもよい。尚、素子基板18からZ方向に進行する超音波の影響が小さいときにはバックプレート21を用いずに超音波デバイス9を構成してもよい。
素子基板18の超音波素子が形成されている面には、平面視でX方向に延びる長辺に沿って複数の超音波素子に接続された複数の端子が設置されている。この端子とFPC13の端子とが接続され電気的にも接続されている。
素子基板18において超音波素子が形成されている面の上には音響レンズ16が配置されている。−Z方向から見た音響レンズ16の平面形状は超音波素子アレイ基板14と同じ形状である。音響レンズ16には−Z方向を向く面が所定の曲率で厚み方向に突出するレンズ部22が設けられている。そして、Z方向を向く面には音響レンズ16の外縁部に形成された厚み方向に突出する壁部23が設けられている。音響レンズ16はシリコーン樹脂等の樹脂で形成されている。このシリコーン樹脂にシリカ等を添加して比重を変えることでシリコーン樹脂の音響インピーダンスを調整することができる。
超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16の間には音響整合部15が形成されている。音響整合部15はシリコーン系の接着材が用いられ、接着材が硬化することで超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16とを固着(接着)させ、硬化した接着材(樹脂)が音響整合部15として機能する。音響整合部15と並列に円柱状の間隔維持部24が複数設置され、間隔維持部24は音響整合部15の厚みを一定に維持している。そして、音響レンズ16が対象物に押圧されるとき、間隔維持部24は音響レンズ16に加わる力を超音波素子アレイ基板14に伝達する。そして、超音波素子アレイ基板14から受ける反力により音響レンズ16が変形することを抑制する。
音響レンズ16は素子基板18の超音波素子から発信される超音波を収束させて効率よく対象物に導く。また、音響レンズ16は対象物から反射して戻ってくるエコー波を効率よく超音波素子に導く役割を果たす。音響整合部15は超音波素子と音響レンズ16の間の音響インピーダンスの不整合を緩和する役割を果たす。超音波デバイス9はバックプレート21において支持部材8と接着材25によって固定されている。
図4は、超音波画像装置の制御ブロック図である。図4に示すように、超音波画像装置は、装置本体2と超音波プローブ3とを備える。超音波プローブ3は超音波デバイス9と駆動回路としての処理回路26とを備えている。処理回路26は選択回路27、送信回路28、受信回路29、制御部30を有する。処理回路26は、超音波デバイス9の送信処理及び受信処理を行う。
送信回路28は、送信期間において、選択回路27を介して超音波デバイス9に対して送信信号VTを出力する。具体的には、送信回路28は、制御部30の制御に基づいて送信信号VTを生成し、選択回路27に出力する。そして選択回路27は、制御部30の制御に基づいて、送信回路28からの送信信号VTを出力する。送信信号VTの周波数及び振幅電圧は、制御部30により設定される。
受信回路29は超音波デバイス9から受信信号VRを受信する受信処理を行う。具体的には、受信回路29は、受信期間において選択回路27を介して超音波デバイス9からの受信信号VRを受け取る。そして、受信回路29は受信信号の増幅、ゲイン設定、周波数設定、A/D変換(アナログ/デジタル変換)等の受信処理を行う。受信回路29は受信処理を行った結果を検出データ(検出情報)として装置本体2に出力する。受信回路29は、例えば低雑音増幅器、電圧制御アッテネーター、プログラマブルゲインアンプ、ローパスフィルター、A/Dコンバーター等で構成することができる。
制御部30は、送信回路28及び受信回路29を制御する。具体的には、制御部30は送信回路28に対して送信信号VTの生成及び出力処理の制御を行い、受信回路29に対して受信信号VRの周波数設定やゲイン等の制御を行う。選択回路27は、制御部30の制御に基づいて選択された送信信号VTを超音波デバイス9に出力する。
装置本体2は、表示部5、主制御部31、処理部32、UI部33(ユーザーインターフェイス部)、を備えている。主制御部31は、超音波プローブ3に対して超音波の送受信制御を行い、処理部32に対して検出データの画像処理等の制御を行う。処理部32は、受信回路29からの検出データを受けて、ノイズを除去する画像処理や表示用画像データの生成等を行う。UI部33はユーザーが指示入力する機能を備え、ユーザーの行う操作(例えばタッチパネル操作等)に基づいてUI部33は主制御部31に必要な命令(コマンド)を出力する。表示部5は、例えば、液晶ディスプレイ等であって処理部32から表示用画像データを入力して表示する。尚、主制御部31が行う制御の一部を処理回路26の制御部30が行ってもよく、制御部30が行う制御の一部を主制御部31が行ってもよい。
図5は超音波デバイスの構造を示す模式平面図であり、図3において超音波プローブ3の矢印H方向から見た図である。図6(a)は、超音波デバイスの構造を示す模式側断面図であり、図5のA−A断線に沿う断面図である。図6(b)は、超音波デバイスの構造を示す模式側面図であり、Y方向から見た図である。図6(c)は、超音波デバイスの構造を示す模式側断面図であり、図5のB−B断線に沿う断面図である。図6(d)は、超音波デバイスの構造を示す模式側面図であり、−X方向から見た図である。
図5及び図6に示すように、超音波デバイス9はX方向に長い直方体の形状となっている。−Z方向から超音波デバイス9をみたとき枠体17には中央に長方形の第1孔部17aが形成され、第1孔部17aからレンズ部22が露出している。Z方向から超音波デバイス9をみたとき枠体17は中央に長方形の第2孔部17bが形成され、第2孔部17bからバックプレート21が露出している。
枠体17は内側に位置する内枠34と外側に位置する外枠35により構成されている。内枠34は音響レンズ16を−Z方向から押さえている。外枠35は超音波素子アレイ基板14をZ方向側から押さえている。そして、内枠34と外枠35とは接着され固着されている。従って、枠体17は超音波素子アレイ基板14、音響整合部15及び音響レンズ16をZ方向にて挟んで固定している。
音響整合部15と並列に間隔維持部24が設置されている。そして、枠体17に挟まれた超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16との間には間隔維持部24が配置されている。枠体17は間隔維持部24を挟んで超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16とを挟んで確実に固定する。従って、間隔維持部24は音響整合部15の厚みを一定に保持することができる。
壁部23のX方向には第1凹部23cが形成され、及び−X方向には第3凹部23eが形成されている。そして、第1凹部23c及び第3凹部23eはレンズ部22と対向する場所の音響整合部15と繋がっている。そして、音響整合部15は第1凹部23c、第3凹部23eの中にも位置している。
壁部23のY方向には第2凹部23dが形成され、及び−Y方向には第4凹部23fが形成されている。そして、第2凹部23d及び第4凹部23fはレンズ部22と対向する場所の音響整合部15と繋がっている。そして、音響整合部15は第2凹部23d及び第4凹部23fの中にも位置している。
間隔維持部24は第1凹部23c及び第3凹部23eに位置する。−Z方向から見た平面視で枠体17に挟まれた場所の超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16との間には間隔維持部24が配置される。枠体17は超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16との間に間隔維持部24を挟む為、間隔維持部24は確実に音響整合部15の厚みを一定に保持することができる。
音響レンズ16のY方向及び−Y方向側ではFPC13が超音波素子アレイ基板14と壁部23とに挟まれている。そして、枠体17が超音波素子アレイ基板14と壁部23とを挟んで抑えこむことにより、超音波素子アレイ基板14とFPC13とが接続する場所でFPC13が浮きあがることを防止することができる。そして、FPC13は確実に固定される。
利用する超音波の波長λとするとき音響整合部15の厚みは1/4λの奇数倍に設定されている。そして、Z方向において間隔維持部24の厚みは音響整合部15の厚みと同じ長さとなっている。
図7(a)は、超音波素子の構成を示す模式平面図であり、音響レンズ16及び音響整合部15が除かれて間隔維持部24が設置された図となっている。図7(b)は、超音波素子の構成を示す模式側断面図であり、音響レンズ16及び音響整合部15が設置された図となっている。図7に示すように、素子基板18には超音波素子36が複数設置されている。超音波素子36は基板としてのベース基板37、ベース基板37に形成された振動膜38(メンブレン)及び振動膜38上に設けられた圧電体部41を有する。そして圧電体部41は下側電極としての第1電極42、圧電体層43及び上側電極としての第2電極44を有する。
シリコン基板等からなるベース基板37には開口部37aが形成され、超音波素子36は開口部37aを覆って閉塞する振動膜38を備えている。振動膜38は、例えば、SiO2層とZrO2層との2層構造により構成される。ベース基板37がシリコン基板である場合にはSiO2層は基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、ZrO2層はSiO2層上に例えばスパッタリング等の手法により成膜される。ここで、ZrO2層は、圧電体層43として例えばPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)を用いる場合に、PZTを構成するPbがSiO2層に拡散することを防止するための層である。また、ZrO2層は、圧電体層の歪みに対する撓み効率を向上させる等の効果もある。
振動膜38の上には第1電極42が形成され、第1電極42の上に圧電体層43が形成されている。さらに、圧電体層43の上には第2電極44が形成されている。つまり、圧電体部41は第1電極42と第2電極44との間に圧電体層43が挟まれている構造となっている。
第1電極42は金属薄膜で形成されY方向に延在し一部が超音波素子36のところでX方向に突出する。第1電極42は複数の圧電体部41に渡って配置されており配線の機能も兼ねている。第1電極42のうち配線として機能する部分を第1配線42aとする。圧電体層43は、例えばPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)薄膜により形成され、第1電極42の一部を覆うように設けられる。尚、圧電体層43の材料は、PZTに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛(PbTiO3)、ジルコン酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛ランタン((Pb、La)TiO3)等を用いてもよい。第2電極44は、金属薄膜で形成され、圧電体層43を覆うように設けられる。この第2電極44はY方向に延在し一部が超音波素子36のところで−X方向に突出する。第2電極44は複数の圧電体部41に渡って配置されており配線の機能も兼ねている。第2電極44のうち配線として機能する部分を第2配線44aとする。
−Z方向から素子基板18を見たとき超音波素子36では第1電極42と第2電極44とが重なっている。そして、第1配線42a及び第2配線44aでは第1電極42は第2電極44と重ならない部分となっている。第1配線42a及び第2配線44aが設置された場所には間隔維持部24が配置される。そして、間隔維持部24は超音波素子36と重ならない場所に設置されている。超音波素子36には音響整合部15が重ねて設置されている。尚、超音波素子36と重ならない場所の総てに間隔維持部24が配置される必要はなく、一部の場所に間隔維持部24が配置されれば良い。間隔維持部24は音響整合部15の厚みが一定に維持可能な程度に配置されていればよい。
外部からの透湿を防止し音響整合部15と第1電極42及び第2電極44との間を絶縁する絶縁膜45が超音波素子36を覆って備えられている。この絶縁膜45はアルミナ等の材料で形成され、超音波素子36の全面あるいは一部に設けられている。さらに、絶縁膜45は第1電極42及び第2電極44を覆って配置される。
圧電体層43は、第1電極42と第2電極44との間に電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。従って、圧電体層43に電圧を印加すると、開口部37a側に凸となる撓みが生じ、振動膜38を撓ませる。圧電体層43に交流電圧を印加することで、振動膜38が膜厚方向に対して振動し、この振動膜38の振動により超音波が開口部37aから放射される。圧電体層43に印加される電圧(駆動電圧)は、例えばピークからピークで10〜30Vであり、周波数は例えば1〜10MHzである。
超音波素子36は、射出された超音波が対象物で反射されて戻ってくる超音波エコーを受信する受信素子としても動作する。超音波エコーにより振動膜38が振動し、この振動によって圧電体層43に応力が加わり、第1電極42と第2電極44との間に電圧が発生する。この電圧を受信信号として取り出すことができる。
図8は、超音波素子アレイ基板の構成を示す模式平面図である。図8に示すように、超音波素子アレイ基板14にはマトリックス状に配置された複数の超音波素子36、第1電極42、第2電極44が設置されている。図を見やすくするために超音波素子36は17行8列に配置されているが、行数及び列数は特に限定されない。
超音波を射出する送信期間では処理回路26が出力する送信信号VTが第2電極44を介して各超音波素子36に供給される。また、超音波エコー信号を受信する受信期間には、超音波素子36からの受信信号VRが第2電極44を介して処理回路26に出力される。第1電極42には、コモン電圧VCOMが供給される。このコモン電圧は一定の電圧であればよく、0V即ちグランド電位(接地電位)でなくてもよい。送信期間では、送信信号電圧とコモン電圧との差の電圧が各超音波素子36に印加され、所定の周波数の超音波が放射される。
素子基板18のX方向側において辺に沿って音響レンズ16の第1凹部23cが位置する場所には間隔維持部24が設置されている。同様に、素子基板18の−X方向側において辺に沿って音響レンズ16の第3凹部23eが位置する場所にも間隔維持部24が設置されている。枠体17が音響レンズ16と超音波素子アレイ基板14とを挟むとき、枠体17に近い場所で間隔維持部24が荷重を受ける為、音響整合部15は厚みが一定に維持することが可能になっている。
次に上述した超音波デバイス9の製造方法について図9〜図11にて説明する。図9は、超音波デバイスの製造方法のフローチャートであり、図10及び図11は超音波デバイスの製造方法を説明するための模式図である。図9のフローチャートにおいて、ステップS1は基板接合工程に相当する。この工程は、素子基板18とバックプレート21とを接合して超音波素子アレイ基板14を形成する工程である。次にステップS2に移行する。ステップS2は、間隔維持部形成工程に相当する。この工程は、超音波素子アレイ基板14上に間隔維持部24を設置する工程である。次にステップS3に移行する。ステップS3は、配線設置工程に相当する。この工程は、超音波素子アレイ基板14にFPC13を接合する工程である。次にステップS4に移行する。ステップS4は、音響整合部材塗布工程に相当する。この工程は、超音波素子アレイ基板14に音響整合部の材料を塗布して設置する工程である。次にステップS5に移行する。
ステップS5は、レンズ設置工程に相当する。この工程は、超音波素子アレイ基板14に重ねて音響レンズ16を設置する工程である。次にステップS6に移行する。ステップS6は、音響整合部材固化工程に相当する。この工程は、音響整合部材を固化する工程である。次にステップS7に移行する。ステップS7は、枠体設置工程に相当する。この工程は、超音波素子アレイ基板14及び音響レンズ16を挟んで枠体17を設置する工程である。以上の工程により超音波デバイス9が完成する。
次に、図10〜図11を用いて、図9に示したステップと対応させて、製造方法を詳細に説明する。図10(a)はステップS1の基板接合工程に対応する図である。図10(a)に示すように、ステップS1では素子基板18及びバックプレート21を用意する。素子基板18には圧電体部41が形成されている。圧電体部41の製造方法は公知であり説明を省略する。素子基板18またはバックプレート21に接着材を塗布して素子基板18とバックプレート21とを重ね合わせる。次に、加熱乾燥することにより接着材を固化して超音波素子アレイ基板14が完成する。
図10(b)及び図10(c)はステップS2の間隔維持部形成工程に対応する図である。図10(b)に示すように、ステップS2において、素子基板18上に間隔維持部用膜24aを設置する。間隔維持部用膜24aには感光性の樹脂フィルムを用いることができる。そして、超音波素子アレイ基板14に接着材を塗布して超音波素子アレイ基板14に間隔維持部用膜24aを接着させる。次に、間隔維持部用膜24aを所定のパターンでマスクして露光する。続いて、間隔維持部用膜24aをエッチングする。その結果、図10(c)に示すように、超音波素子アレイ基板14上に間隔維持部24が設置される。尚、間隔維持部用膜24aを超音波素子アレイ基板14上に接着する方法とは別の方法を用いても良い。例えば、間隔維持部用膜24aの材料をスピンコートやディッピング等の方法を用いて塗布し乾燥させても良い。間隔維持部用膜24aの材料にはエポキシ樹脂を用いることができる。
図10(d)はステップS3の配線設置工程に対応する図である。図10(d)に示すように、ステップS3においてFPC13を用意する。FPC13は配線の端に半田めっきが施されている。そして、素子基板18にはY方向側と−Y方向側の端まで第1電極42及び第2電極44が延在している。第1電極42及び第2電極44の端がFPC13と接合する端子となっている。FPC13の配線と素子基板18の端子とを合わせて加熱することにより、FPC13が超音波素子アレイ基板14に実装される。他にも異方性導電膜を介在させてFPC13を超音波素子アレイ基板14に実装しても良く、樹脂コアバンプを介して実装しても良い。
図10(e)及び図11(a)はステップS4の音響整合部材塗布工程に対応する図である。図10(e)に示すように、素子基板18の−Z方向側の面に音響整合部材46を塗布する。図11(a)に示すように音響整合部材46は超音波素子アレイ基板14の平面視で中央に塗布する。塗布する形状はX方向に長い形状とする。
図11(b)及び図11(c)はステップS5のレンズ設置工程に対応する図である。図11(b)に示すように、ステップS5において、超音波素子アレイ基板14に重ねて音響レンズ16を設置する。これにより、間隔維持部24の下部は超音波素子アレイ基板14に接着され、上部は音響レンズ16に接触している。換言すれば、間隔維持部24は超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16とに接触して設置されている。超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16とはZ方向からみたときの外形形状が同じ形状となっている。従って、外形を合わせることにより超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16との位置合わせをすることができる。
図11(c)は音響レンズ16を除いた図となっている。図11(c)に示すように、超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16にて音響整合部材46を挟むとき音響整合部材46は外周に向かって流動する。図中破線に囲まれた場所は音響整合部材46が塗布された場所である。矢印は音響整合部材46が流動する向きをしめしている。間隔維持部24は間隔を空けて設置されている。そして、間隔維持部24は音響整合部材46が流動する流路を構成している。従って、音響整合部材46は超音波素子アレイ基板14の中央から外周に向かって流動することができる。
−Z方向からみた平面視において間隔維持部24の形状は円または楕円となっている。円または楕円には角がなく外周に沿って流体が小さな抵抗で流れることができる。従って、間隔維持部24のある場所に音響整合部材46を流動させるとき、音響整合部材46は間隔維持部24に沿って移動する。このとき音響整合部材46は超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16との間の空間に位置する空気を押し出す為、間隔維持部24の間を隙間なく音響整合部材46で充填させることができる。
超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16との間からはみ出た音響整合部材46はヘラ等を用いて除去しても良い。超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16との間から音響整合部材46がはみ出ないように音響整合部材46の塗布量を調整しても良い。
図11(d)はステップS6の音響整合部材固化工程及びステップS7の枠体設置工程に対応する図である。図11(d)に示すように、ステップS6において、音響整合部材46を加熱乾燥して音響整合部15とする。音響整合部材46には光に反応して固化する材料にしても良く、水分に反応して固化する材料にしても良い。
ステップS7において、内枠34の外側の側面に接着材を塗布する。次に、超音波素子アレイ基板14及び音響レンズ16に−Z方向側から内枠34を挿入する。次に、Z方向側から内枠34に外枠35を挿入する。次に、内枠34と外枠35との間の接着材を固化して内枠34と外枠35とを接着する。このとき、内枠34と外枠35とで超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16とを挟むように負荷を加えるのが好ましい。これにより、超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16との間隔を精度良く固定することができる。以上の工程により超音波デバイス9が完成する。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、音響レンズ16は被検体と接触させて使用される。このとき、音響レンズ16は被検体から押圧される。音響レンズ16の内部には応力が発生する。音響整合部15は樹脂であり変形し易いので音響レンズ16の応力により変形する。一方、柱状の間隔維持部24は音響レンズ16と超音波素子アレイ基板14と接触し、音響レンズ16の応力を超音波素子アレイ基板14に伝える。そして、音響整合部15の厚みが一定に維持される為、音響レンズ16の変形を抑制し超音波を精度良く収束させることができる。さらに、被検体にて反射した超音波も音響レンズ16の変形が抑制されている為精度良く超音波素子36に収束させることができる。その結果、超音波デバイス9は効率良く超音波を受発信することができる。
(2)本実施形態によれば、間隔維持部24は超音波素子36と重ならない場所に設置されている。従って、超音波素子36には樹脂で形成された音響整合部15が重ねられている。従って、超音波デバイス9は音響整合部15により音響インピーダンスが調整された超音波を射出することができる。さらに、超音波デバイス9では音響整合部15は入射した超音波の音響インピーダンスを調整して超音波素子36に射出することができる。
(3)本実施形態によれば、間隔維持部24の形状は円または楕円である。円または楕円には角がなく外周に沿って流体が小さな抵抗で流れることができる。従って、間隔維持部24のある場所に音響整合部材46を流動させるとき、音響整合部材46は間隔維持部24の配列に沿って移動する。このとき音響整合部材46は超音波素子アレイ基板14と音響レンズ16との間の空間に位置する空気を押し出す為、間隔維持部24の間を隙間なく音響整合部材46で充填させることができる。
(第2の実施形態)
次に、超音波デバイスの一実施形態について図12を用いて説明する。図12(a)は超音波素子の構成を示す要部模式平面図であり、音響レンズ16が除かれて間隔維持部が設置された図となっている。図12(b)は超音波素子アレイ基板14の構成を示す模式平面図であり、間隔維持部及び音響整合部材が設置された図となっている。尚、図中FPC13は省略されている。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、図7に示した間隔維持部24の形状が異なる点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図12に示すように、超音波デバイス49は素子基板50を備えている。素子基板50は振動膜38が設置されたベース基板37を備えている。振動膜38上には第1電極42及び第2電極44が設置されている。第1配線42a及び第2配線44aの上側には第1配線42a及び第2配線44aを覆って間隔維持部51が設置されている。間隔維持部51は第1の実施形態と同様の機能を備え、間隔維持部51が音響整合部15の厚みを一定に維持する。
間隔維持部51は超音波を通過し難くX方向に隣り合う超音波素子の間で壁状に延在して配置されている。超音波は間隔維持部51を通過し難く、間隔維持部51は超音波が伝播する方向を規制する。従って、間隔維持部51を挟んでX方向に位置する超音波素子36が超音波を介して相互に影響しあうことを抑制することができる。
間隔維持部51は透水性が低く水分を通過し難い材料により形成されている。例えば、間隔維持部51の材料にはエポキシ樹脂を用いることができる。そして、第1配線42a及び第2配線44aを覆って配置されている。従って、間隔維持部51は第1配線42a及び第2配線44aに水分が付着することを抑制する為、第1配線42a及び第2配線44aが電界腐食することを防止することができる。
図12(b)に示すように、素子基板50にはステップS2の間隔維持部形成工程で間隔維持部51が設置される。そして、ステップS4の音響整合部材塗布工程では音響整合部材46が塗布される。ステップS5のレンズ設置工程において音響整合部材46が素子基板50と音響レンズ16とに挟まれる。このとき、音響整合部材46は素子基板50と音響レンズ16とに押されて外周側に流動する。
間隔維持部51は音響整合部材46が流動する流路を構成する。そして、音響整合部材46は間隔維持部51に沿って移動する為、気泡を押し出して間隔維持部51の間を隙間なく音響整合部材46で充填させることができる。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、間隔維持部51は超音波素子36の間で壁状に延在して配置されている。超音波は間隔維持部51を通過し難く、間隔維持部51は超音波が伝播する方向を規制する。従って、間隔維持部51を挟んで位置する超音波素子36が超音波を介して相互に影響しあうことを抑制することができる。
(2)本実施形態によれば、間隔維持部51は第1配線42a及び第2配線44aを覆って配置されている。間隔維持部51は水分を通過し難い構造である。従って、間隔維持部51は第1配線42a及び第2配線44aに水分が付着することを抑制する為、第1配線42a及び第2配線44aが電界腐食することを防止することができる。
(3)本実施形態によれば、間隔維持部51は音響整合部材46が流動する流路となっている。そして、音響整合部材46は間隔維持部51に沿って移動する為、間隔維持部51の間の空気が音響整合部材46により押し出される。その結果、間隔維持部51の間を隙間なく音響整合部材46で充填させることができる。
(第3の実施形態)
次に、超音波プローブの一実施形態について図13(a)及び図13(b)の超音波プローブの構成を示す模式側面図を用いて説明する。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、超音波プローブが本体部と超音波プローブヘッドとに分離可能である点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。
図13(a)に示すように、超音波プローブ54はプローブ本体55及びプローブヘッド56を備えている。プローブ本体55は本体用筐体57を備え、本体用筐体57の内部には処理回路26が設置されている。処理回路26はケーブル4を介して装置本体2と接続されている。本体用筐体57には第1コネクター58が設置され、第1コネクター58は処理回路26と接続されている。
プローブヘッド56は筐体としてのヘッド用筐体59を備え、ヘッド用筐体59には超音波デバイス9が内蔵されている。超音波デバイス9の音響レンズ16はヘッド用筐体59から露出している。ヘッド用筐体59には第1コネクター58と接続する第2コネクター60が設置され、処理回路26と超音波デバイス9とは第1コネクター58及び第2コネクター60を介して電気的に接続されている。
図13(b)に示すように、プローブ本体55とプローブヘッド56とは分離可能になっている。第1コネクター58と第2コネクター60とは分離と接続とが行える。超音波デバイス9が送受信する超音波の周波数の異なるプローブヘッド56が複数用意されている。そして、被検体の特性や、被検体の検査する場所の深さに合わせて適切なプローブヘッド56をプローブ本体55に接続することが可能になっている。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、プローブヘッド56は超音波デバイス9と、この超音波デバイス9を支持するヘッド用筐体59と、を備えている。超音波プローブ54は、音響整合部15の厚みを適正に維持し効率良く超音波の受発信を行う超音波デバイス9を備えている。従って、効率良く超音波の受発信を行う超音波プローブ54を提供できる。
(2)本実施形態によれば、超音波プローブ54はプローブヘッド56を交換することができる。従って、被検体の音響インピーダンスや検査する場所に合わせて適切な超音波デバイス9と交換することができる。
(第4の実施形態)
次に、超音波画像装置の一実施形態について図14の超音波画像装置の構成を示す概略斜視図を用いて説明する。本実施形態の超音波画像装置には第1の実施形態の超音波プローブが設置されている。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。
図14に示すように、超音波画像装置63は移動型の超音波画像装置である。超音波画像装置63は、装置本体64(電子機器本体)、表示用画像データを表示する表示部65、UI部66(ユーザーインターフェイス部)、超音波プローブ67、ケーブル68を有している。超音波画像装置63は、生体の脂肪厚み、筋肉厚み、血流、骨密度等の測定に利用することができる。超音波画像装置63が備える超音波デバイス9は、音響整合部15の厚みを適正に維持し効率良く超音波を受発信する。従って、超音波画像装置63は効率良く超音波を受発信する超音波デバイス9を備えた装置であるといえる。
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施の際の具体的な構造及び手順は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更することができる。そして、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有するものにより可能である。変形例を以下に述べる。
(変形例1)
前記第1の実施形態では、間隔維持部24は円や楕円の柱状であったが、間隔維持部24の形状はこれに限らない。円錐、楕円錘、立方体、直方体、三角柱、多角柱等の各種の形状にすることができる。間隔維持部24の形状は製造し易い形状にすることができる。
(変形例2)
前記第1の実施形態では、超音波素子36は超音波の発信と受信との両方を行った。超音波の発信を行う素子と、超音波の受信を行う素子と、を別の素子にしても良い。さらに、超音波の発信を行う素子と、超音波の受信を行う素子と、超音波の発信と受信とを行う素子とを配置しても良い。超音波の受発信を行う精度の要求に応じて組み合わせても良い。
前記第1の実施形態では、圧電体層43はフォトリソ法を用いて形成された薄膜であった。圧電体層43は厚みのあるバルクタイプでも良い。このときにも間隔維持部24が音響整合部15の厚みを一定に維持するので、音響レンズ16が押圧されても音響レンズ16を変形し難くすることができる。
(変形例3)
前記第2の実施形態では、間隔維持部51は第1配線42a及び第2配線44aを覆ってY方向に延在する連続した直方体の形状をしていた。間隔維持部51はY方向において複数に分離されていても良い。音響整合部材46がX方向にも流動可能にしても良い。音響整合部材46が間隔維持部51の間を充填するように音響整合部材46を流動させることができる。
1…電子機器としての超音波画像装置、5…表示部、9…超音波デバイス、14…超音波素子アレイ基板、15…音響整合部、16…音響レンズ、24,51…間隔維持部、26…駆動回路としての処理回路、32…処理部、36…超音波素子。

Claims (11)

  1. 超音波の発信及び受信の少なくとも一方を行う複数の超音波素子を有する超音波素子アレイ基板と、
    前記超音波を収束させる音響レンズと、
    前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間に配置された音響整合部と、
    前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間に配置され前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとに接触する複数の柱状の間隔維持部と、を備え
    前記間隔維持部と前記超音波素子とが接触しない位置に設けられていることを特徴とする超音波デバイス。
  2. 請求項1に記載の超音波デバイスであって、
    前記超音波素子アレイ基板の厚み方向からみた平面視において、前記間隔維持部の形状は円または楕円であることを特徴とする超音波デバイス。
  3. 超音波の発信及び受信の少なくとも一方を行う複数の超音波素子を有する超音波素子アレイ基板と、
    前記超音波を収束させる音響レンズと、
    前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間に配置された音響整合部と、
    前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間に配置され前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとに接触する複数の柱状の間隔維持部と、を備え、
    前記超音波素子アレイ基板の厚み方向からみた平面視において、前記間隔維持部の形状は円または楕円であることを特徴とする超音波デバイス。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載の超音波デバイスであって、
    記平面視において前記間隔維持部は前記超音波素子と重ならない場所に設けられていることを特徴とする超音波デバイス。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載の超音波デバイスであって、
    前記平面視において、前記間隔維持部は、隣り合う前記超音波素子の間で延在して設けられることを特徴とする超音波デバイス。
  6. 請求項に記載の超音波デバイスであって、
    前記間隔維持部は、前記音響整合部より透水性が低く、超音波素子に電気信号を伝える配線を覆って配置されることを特徴とする超音波デバイス。
  7. 請求項またはに記載の超音波デバイスであって、
    2つの前記間隔維持部の間は音響整合部の材料が流動する流路であることを特徴とする超音波デバイス。
  8. 請求項1〜のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、
    前記超音波デバイスを支持する筐体と、を備えることを特徴とする超音波プローブヘッド。
  9. 請求項1〜のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、
    前記超音波デバイスを駆動する駆動回路と、を備えることを特徴とする超音波プローブ。
  10. 請求項1〜のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、
    前記超音波デバイスに接続され、前記超音波デバイスの出力を用いて画像を生成する処理部と、を備えることを特徴とする電子機器。
  11. 請求項1〜のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、
    前記超音波デバイスに接続され、前記超音波デバイスの出力を用いて画像を生成する処理を行う処理部と、
    前記画像を表示する表示部と、を備えることを特徴とする超音波画像装置。
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