JP7461247B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、第１探触子群としてのリニアアレイ探触子とその近傍に配置された第２探触子群と、音響レンズとを備える超音波探触子であって、音響レンズに特徴を持つ超音波探触子に関する。

超音波探触子が、種々の分野で必要とされており、特に医療分野では、人体の内部疾患の診断に必須のものとなっている。超音波探触子の移動速度や移動量等の情報を超音波診断装置の表示画面等に表示できれば、超音波探触子の使い易さが向上するので、好ましい。
例えば特許文献１には、第１の超音波トランスデューサアレイ、及び、生体に接触する接触面との間に間隔を置いた内部に配置された、該接触面に対し超音波を斜めに送受信する１つ以上の第２の超音波トランスデューサ、並びに、送受信手段、断層像生成手段、表示手段、ドプラ偏移検出手段、移動算出手段を備えた超音波診断装置が、開示されている（特許請求の範囲）。

特許文献１に開示された超音波診断装置によれば、第２トランスデューサの送受信信号を利用して、超音波探触子の生体に対する相対的な移動速度あるいは移動量を求めている（特許請求の範囲）。しかも、第１の超音波トランスデューサアレイと第２のトランスデューサとが、一体となっているため、被診断物が動いてしまった場合の影響を受けにくいため、上記移動速度や移動量を正確に求めることができるという（例えば段落８等）。
さらに、第２の超音波トランスデューサを複数の位置に備えると、各ペアにおける相対移動を検出することができ、超音波探触子の平行移動のみでなく、回転移動も知り得るという（段落１０）。

特許４０９０５７６号公報

ところで、第２探触子群を複数個の探触子で構成してそれらをペアで用いる場合、第２探触子群の個別の探触子の監視位置を共通化するための焦点調整、また、第１探触子群の焦点調整が必要になる。しかし、それに関する記載も示唆も、特許文献１にはされていない。
この発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、従って、本出願の目的は、リニアアレイ探触子とその近傍に配置された第２探触子群とを備える超音波探触子であって、各探触子群の焦点調整に関する新規な構造を有した超音波探触子を提供することにある。

この目的の達成を図るため、この発明は、第１探触子群としてのリニアアレイ探触子と、互いは離れて配置された２個以上の探触子から成る少なくとも１組の第２探触子群と、前記第１探触子群及び前記第２探触子群の焦点調整のための音響レンズと、を備える超音波探触子であって、
前記音響レンズが、前記第１探触子群及び前記第２探触子群と対向する第１面側に、前記第１探触子群の各探触子の焦点を調整する第１焦点調整部と、前記第２探触子群の２個以上の探触子が共通の監視位置を持つよう焦点を調整する第２焦点調整部と、を有したものであることを特徴とする。

この出願の超音波探触子によれば、第１探触子群及び第２探触子群各々の超音波の焦点調整は、第１焦点調整部と及び第２焦点調整部を有した所定の音響レンズによって行う。このような音響レンズは、切削加工や成形によって製造できる。従って、リニアアレイ探触子とその近傍に配置された第２探触子群とを備える超音波探触子であって、核探触子群の焦点調整に関する新規な構造を有した超音波探触子を実現できる

図１（Ａ）～（Ｃ）は、第１の実施形態の超音波探触子１０を説明する図である。 図２（Ａ）～（Ｄ）は、第１の実施形態の超音波探触子１０の特に音響レンズ３０を説明する図である。 図３は、本発明を適用した超音波探触子の実製品の一例を示した斜視図である。 図４（Ａ）～（Ｄ）は、他の実施形態の超音波探触子を説明する図であって、特に第２探触子群の配置の他の例を説明する図である。 図５（Ａ）、（Ｂ）は、実施形態の超音波探触子１０の製造方法の一例を説明する要部工程図である。

以下、図面を参照してこの出願の各発明の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

１． 超音波探触子の第１の実施形態
図１は第１の実施形態の超音波探触子１０を説明する図であり、特に図１（Ａ）は、探触子部分２０と音響レンズ３０とを分離して示した斜視図、図１（Ｂ）は探触子部分２０の特に超音波探触子の要部２１の概略構造を示した斜視図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）中のＩ－Ｉ線に沿った探触子部分２０の断面図である。
なお、探触子部分２０は、超音波探触子の要部２１と、いわゆるバッキング層２３と、音響整合層２５と、を含むものである。ただし、音響整合層２５は、単層でも、２層等複数層でも、設計に応じた構成とできる。以下、具体的に説明する。

超音波探触子の要部２１は、第１探触子群としてのリニアアレイ探触子２１ａと、２組の第２探触子群２１ｂ、２１ｃと、を備えている。
なお、説明の都合上、２組の第２探触子群の一方を、１組目の第２探触子群２１ｂと称し、他方を２組目の第２探触子群２１ｂと称する。また、図１等では、リニアアレイ探触子２１ａの各探触子２１ａａが並ぶ方向すなわち長軸方向を、Ｘ方向と示し、これに直交する方向すなわち短軸方向を、Ｙ方向と示してある。

第１探触子群２１ａは、多数の探触子２１ａａ（図１（Ｂ）参照）を所定のピッチＰで直線状に配置したものである。
一方、１組目の第２探触子群２１ｂは、互いは離れて配置された２個以上の探触子、ここでは２個の探触子２１ｂａ、２１ｂｂで構成してある。２組目の第２探触子群２１ｃは、互いは離れて配置された２個以上の探触子、ここでは２個の探触子２１ｃａ、２１ｃｂで構成してある。

１組目の第２探触子群２１ｂは、リニアアレイ探触子２１ａの長軸方向であるＸ方向の両端の一方端に設けてあり、かつ、２個の探触子２１ｂａ、２１ｂｂは、Ｙ方向に沿って、然も、間隔ΔＹだけ離して設けてある。
第２番目の第２探触子群２１ｃは、リニアアレイ探触子２１ａの長軸方向であるＸ方向の両端の他方端に設けてあり、かつ、２個の探触子２１ｃａ、２１ｃｂは、Ｙ方向に沿って、然も、間隔ΔＹ離して設けてある。
従って、第２探触子群２１ｂ、２１ｃを構成している４個の探触子２１ｂａ，２１ｂｂ、２１ｃａ、２１ｃｂは、リニアアレイ探触子２１ａの周囲の４つの角部に近接した位置に配置されている。
なお、上記の間隔ΔＹは、リニアアレイ２１ａのＹ軸方向の寸法と同じ寸法とすることが好ましい。詳細は後述するが、超音波探触子１０の製造が容易になる等の利点が得られるからである。

また、リニアアレイ探触子２１ａの各探触子の送受信面と、第２探触子群の４つの探触子２１ｂａ，２１ｂｂ，２１ｃａ、２１ｃｂ各々の送受信面とは、面一となっている。すなわち、リニアアレイ探触子２１ａの各探触子の送受信面と、第２探触子群の４つの探触子２１ｂａ，２１ｂｂ，２１ｃａ、２１ｃｂの送受信面とは、Ｘ－Ｙ面に面一となるように配置してある。
なお、リニアアレイ探触子２１ａの各探触子と、第２探触子群２１ｂ、２１ｃの各探触子は、いずれも、図１（Ｃ）に示したように、圧電体２１ｄとしての例えばＰＺＴと、この圧電体２１ｄの上下面に設けた電極２１ｅとで構成してある。

次に、音響レンズ３０について説明する。この説明を、図１、図２を参照して行う。ここで、図２（Ａ）は、探触子部分２０を音響レンズ３０に実装した状態を示した斜視図、図２（Ｂ）～（Ｄ）は、それぞれ、図２（Ａ）中のＩ－Ｉ線、ＩＩ－ＩＩ線、ＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った音響レンズ３０及び探触子部分２０の断面図である。
この実施形態の音響レンズ３０は、図１（Ａ）に示したように、超音波探触子の要部２１（すなわち、第１探触子群２１ａ及び第２探触子群２１ｂ、２１ｃ）と対向する第１面３１側に、超音波探触子の要部２０を内包できる凹部３０ａを有している。そして、第１面３１側、具体的には、凹部３０ａの底面及び側面を利用して、詳細は後述するが、第１焦点調整部３３と第２焦点調整部３５とを備えている。以下、各構成成分について具体的に説明する。

図２（Ａ）に示したように、音響レンズ３０の凹部３０ａ内に、探触子部分２０を、空間を残して組み込んであり、かつ、この空間に接着剤３０ｂを充填して、探触子部分２０と音響レンズ３０とを接続してある。なお、接着剤３０ｂとして、第１焦点調整部３３、第２焦点調整部３５の構成材料より音速の遅い物性を持つ接着剤を用いる。
また、音響レンズ３０の第１面３１とは反対面である第２面３７は、平坦面としてある。ここで平坦面とは、まさに平坦面はもちろん、当該超音波探触子１０で診断する人体等の診断面に当該超音波探触子１０を接触させる際に問題となる凹凸が生じていない実質的な平坦面も含む趣旨である。

第１焦点調整部３３は、第１探触子群２１ａであるリニアアレイ２１ａの各探触子２１ａａの焦点を調整するものである。具体的には、第１の焦点調整部３３は、リニアアレイ探触子２１ａの下方のＸ方向に沿う略直線上の領域Ｆ（図２（Ａ）参照）に沿って、各探触子２１ａａの焦点を結ぶためのものである。そのため、この実施形態の場合、第１の焦点調整部３３は、音響レンズ３０の底部に形成した、Ｘ方向に沿って長尺で、かつ、Ｙ方向において中央付近が第２面３７側に円弧状に湾曲した凹状部で、構成してある。

一方、第２焦点調整部３５は、第２探触子群の２個以上の探触子が共通の監視位置を持つよう焦点を調整するものである。具体的には、１組目の第２超音波探触子群２１ｂについては、探触子２１ｂａと探触子２１ｂｂとが、共通の監視位置（図２（Ａ）、（Ｃ）中のＦ２）を持つように、２個の探触子２１ｂａ、２１ｂｂの焦点を調整するものである。２組目の第２超音波探触子群２１ｃについては、探触子２１ｃａと探触子２１ｃｂとが、共通の監視位置（図２（Ａ）、（Ｃ）中のＦ３）を持つように、２個の探触子２１ｃａ、２１ｃｂの焦点を調整するものである。以下、１組目の第２探触子群２１ｂ用の焦点調整部を焦点調整部３５ａと称し、２組目の第２探触子群２１ｃ用の焦点調整部を焦点調整部３５ｂと称することもある。
この実施形態では、２個の焦点調整部３５ａ、３５ｂ各々は、音響レンズ３０の凹部３０ａの、Ｘ方向の両端にそれぞれ設けた、Ｙ方向で互いに向かい合い、かつ、第２面３７側に向かうに従い近接している傾斜部３５ｃによって、構成してある。すなわち、凹部３０ａのＸ方向に沿う２つの側壁のＸ方向の両端に当たる領域に上記の傾斜部３５ｃを設けた構造としてある。

この音響レンズ３０は、音速が人体のそれより速い材料で構成するが、さらに樹脂製レンズで構成することが好ましい。音響レンズ３０を樹脂製レンズで構成すると、凹部３０ａ、第１焦点調整部３３及び２個の第２焦点調整部３５ａ、３５ｂを、成形や切削によって比較的容易に形成できるという効果が得られる。また、音響レンズ３０をシリコン製レンズで構成した場合、第２探触子群用の焦点調整部に相当する部分が被診断面側に凸になり、被診断面側を平坦にできないが、音響レンズ３０を樹脂製レンズで構成すると、当該超音波探触子１０の被診断面側を平坦にできるという効果も得られる。用いる樹脂は、任意好適なもので良いが、例えばポリメチルペンテンが好ましい。これについては、本出願の出願人に係る特開２０１９－６２４９６号に記載されているので、説明は省略する。

この発明の超音波探触子１０によれば、第１探触子群であるリニアアレイ探触子２１ａと、第２探触子群２１ｂ、２１ｃ各々の送受信面が面一としてあり、これら探触子群の探触子の焦点を所定の音響レンズ３０によって所定通りに結ばせることができる。従って、実施形態の超音波探触子１０によれば、特許文献１に記載されているドプラ偏移に基づく原理（特許文献１の段落１６～２２に記載された原理）により、探触子の生体に対する相対的な移動速度あるいは移動量を求めることができる。その上、リニアアレイ探触子２１ａと、第２探触子群２１ｂ、２１ｃ各々の送受信面が面一であるということに起因する、構造が簡易で製造が容易な超音波探触子が実現できる、という効果が得られる。

この発明に係る超音波探触子１０は、実際は、例えば図３に示すような形態で使用される。すなわち、超音波探触子１０は、フレキシブルプリント配線基板４０の所定位置に実装される。フレキシブルプリント配線基板４０の他の箇所にコネクタ４０ａが設けられている。超音波探触子１０の第１探触子群、第２探触子群の各探触子の第１電極及び第２電極それぞれは、フレキシブルプリント配線基板４０に設けられた配線パターン４０ｂにそれぞれ接続してあり、従って、最終的にコネクタ４０ｂに接続されている。
超音波探触子１０を実装したフレキシブルプリント配線基板４０は、超音波探触子用の筐体５０内に、適切な形状に曲げられて、実装されている。

２． 超音波探触子の他の実施形態
上記した第１の実施形態の超音波探触子１０の場合、第２探触子群を２組の第２探触子群２１ｂ、２１ｃで構成し、かつ、各探触子２１ｂａ、２１ｂｂ、２１ｃａ、２１ｃｂを第１探触子群の周囲の４角に設けていたが、第２探触子群の数や配置は他のものでも良い。以下、図４（Ａ）～（Ｄ）を参照していくつかの他の例を説明する。なお、図４（Ａ）～（Ｄ）は、いずれも１組の第２探触子群２１ｂの配置例であって、１組の第２探触子群２１ｂに着目した概略図である。ただし、図４（Ａ）～（Ｃ）では、第２探触子群２１ｂ付近を上から見た図も示してある。

図４（Ａ）に示した例は、１組の第２探触子群２１ｂを、リニアアレイ探触子２１ａの長軸方向であるＸ方向の両端の一方端のみに設けた例である。
図４（Ｂ）に示した例は、１組の第２探触子群２１ｂを、リニアアレイ探触子２１ａの長軸方向であるＸ方向の両端の一方端付近に設けた例であるが、１組の第２探触子群２１ｂを構成する２つの探触子を、Ｙ方向に対し斜めの方向に配置した例である。
図４（Ｃ）に示した例は、１組の第２探触子群２１ｂを、リニアアレイ探触子２１ａの長軸方向であるＸ方向の両端の一方端付近に設けた例であるが、１組の第２探触子群２１ｂを３つの探触子で構成すると共に、３つの探触子が平面的に見て三角形の頂点の位置になるように、配置した例である。
図４（Ｄ）に示した例は、１組の第２探触子群２１ｂを、リニアアレイ探触子２１ａの短軸方向であるＹ方向の両端の一方端に設けた例である。すなわち、２つの探触子をＸ軸方向に沿ってΔＸ離れて配置した例である。図４（Ｄ）の例では、ΔＸの寸法は、第１探触子群であるリニアアレイ探触子２１ａのＸ方向の寸法としてあるが、ΔＸは設計に応じて変更でき、リニアアレイ探触子２１ａのＸ方向の寸法弟より狭い寸法であってももちろん良い。

ここで、図（Ａ）～（Ｄ）に示した第２探触子群の配置例に対応する第２焦点調整部であるが、音響レンズ３０の凹部３０ａ（図１（Ａ）等参照）の底面や側面である第１面３１を、図４（Ａ）～（Ｄ）に示した第２探触子群のそれぞれの配置例に応じた超音波進路が形成されるように加工することによって実現でききる。
なお、上記においては、第２探触子群の組数として、１組又は２組の例を挙げたが、第２探触子群の組数は必要に応じ３組以上でも良い。また、第２探触子群を構成する探触子の数も４以上の場合があっても良い。
図４（Ａ）～（Ｄ）に例示したものを含め、第２探触子群の各探触子の配置を種々に変えることによって、第２探触子群を用いた超音波探触子自体の移動速度や移動量の検出処理の効率や精度の向上が期待できる。

３． 超音波探触子の製造例
次に、本発明の超音波探触子の理解を深めるために、実施形態の超音波探触子１０の製造例について図５を参照して説明する。
先ず、基台６１を用意する。基台６１は、例えばバッキング層用の基板や、後に行う分割工程を考慮したダイシング用の下地板、又はフレキシブル配線基板等、任意好適なものである。
また、超音波探触子用の第１電極形成用の第１金属層６３、圧電体層６５及び第２電極形成用の第２金属層６７を有する構造体６９を用意する。この構造体６９は、圧電体６５の上下面に所定形状の第１金属層６３及び第２金属層６７を予め形成したものであり、具体的には、圧電体６５に第１金属層６３及び第２金属層６７用のメッキを施したもの、または、圧電体６５に第１金属層６３及び第２金属層６７用の金属ペーストを印刷して焼結させたもの、または、圧電体６５に第１金属層６３及び第２金属層６７用の金属膜をスパッタや蒸着等の成膜法で形成したもの等である。
次に、基台６１上に、構造体６９を置く、具体的には、基台６１に構造体を接合させる（図５（Ａ））。

次に、構造体６９を、上記した第１探触子群の各探触子および第２探触子群の各探触子に区分けする分割工程を実施する（図５（Ｂ））。これは、典型的には、ダイシングソー（図示せず）によって、第１探触子群の探触子の短軸であるＹ方向に沿って切断することを、Ｘ方向に沿ってピッチＰで繰り返し行うことで、実施する。なお、第１金属層６３は、各探触子の共通電極となるもののため、典型的には、分割を行わない。ただし、設計によっては、第１金属層６３も分割しても良い。
なお、この分割工程においては、第２探触子群の各探触子の領域も、すなわち図５中で例えば２１ｂａを付した領域も、第１探触子群の探触子のピッチＰで区分けされるが、この探触子２１ｂａの領域の切断分割された各部分は、後に配線処理によって互いに接続するか、あるいは、切断予定の部分の端同士を予め接続によって接続しておいて分割することによって、これら切断部分を第２探触子群の１つの探触子として再構成すれば良いので、問題ではない。
また、第２探触子群の各探触子の領域を、すなわち図５中で例えば２１ｂａを付した領域等を、第１探触子群の探触子のピッチＰで区分けすると、第２探触子群の各探触子の振動モードを、第１探触子群の各探触子と振動モードと同じにできるため、第１探触子群及び第２探触子群に対し音響整合層３０ｂ等を共通化できるという効果も得られる。

また、上記の各工程とは別に、上記したような所定の音響レンズ３０を用意する。すなわち、図１、図２に示したような凹部３０ａ、第１焦点調整部３３、第２焦点調整部３５ａ、３５ｂを有した音響レンズ３０を用意する。これは、例えば、樹脂の無垢材を切削加工するとか、樹脂を成形するなどによって行える。

そして、上記の分割工程で得られた構造体に、上記の用意した音響レンズの第１面を対向させて両者を組み立てることで、超音波探触子１０を得ることができる。ただし、この組み立て工程の前に、探触子の電極の処理工程や、マッチング層の形成工程等、種々の工程が実施される。

１０：第１の実施形態の超音波探触子 ２０：探触子部分２０
２１：超音波探触子の要部
２１ａ：第１探触子群 ２１ｂ：１組目の第２探触子群
２１ｃ：２組目の第２探触子群 ２１ｄ：圧電体
２１ｅ：電極
２１ａａ、２１ｂａ、２１ｂｂ、２１ｃａ、２１ｃｂ：探触子（個別の探触子）
２３：バッキング層 １５：音響整合層
３０：音響レンズ ３０ａ：凹部
３０ｂ：音響整合層 ３１：音響レンズの第１面
３３：第１焦点調整部 ３５，３５ａ、３５ｂ：第２焦点調整部
３７：音響レンズの第２面 ６１：基台
６３：第１金属層 ６５：圧電体層
６７：第２金属層 ６９：構造体

Claims (5)

1. 第１探触子群としてのリニアアレイ探触子と、互いは離れて配置された２個以上の個別探触子から成る少なくとも１組の第２探触子群と、前記第１探触子群の各探触子の焦点を調整する第１焦点調整部、及び、前記２個以上の個別探触子が共通の監視位置を持つよう焦点を調整する第２焦点調整部を有した音響レンズと、を備える超音波探触子において、
   前記音響レンズは、前記第１探触子群及び前記第２探触子群と対向する第１面側に、前記第１探触子群及び第２探触子群を内包する凹部を有し、
   該凹部の底面の前記第１探触子群と対向する領域に、前記各探触子が並ぶ方向に沿って長尺でかつ前記並ぶ方向と直交する方向において中央付近が前記第１面とは反対側である第２面側に円弧状に湾曲している凹状部を有し、かつ、
   前記凹部の前記第２探触子群と対向する領域に、前記凹部の側面から前記第２面に向かって下っている傾斜面を有し、
   前記円弧状に湾曲している凹状部によって前記第１焦点調整部を構成してあり、前記傾斜面によって前記第２焦点調整部を構成してあること
   を特徴とする超音波探触子。
2. 前記第２探触子群は、前記リニアアレイの各探触子の並ぶ方向の両端の少なくとも一端に、前記並ぶ方向と直交する方向に沿って配置した２個の個別探触子で、構成してあることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記第２探触子群は、前記リニアアレイの各探触子の並ぶ方向の両端各々に、前記並ぶ方向と直交する方向に沿って配置した２個ずつ合計４個の個別探触子で、構成してあり、かつ、前記両端の一方の端の２個の探触子で１組目の第２探触子群を構成し、前記両端の他方の端の２個の探触子で２組目の第２探触子群を構成してあることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
4. 前記第２探触子群の個別探触子は、前記リニアアレイに対し、前記リニアアレイの各探触子の並ぶ方向両側に配置してあり、
   前記第２焦点調整部の前記傾斜面は、前記並ぶ方向両側に配置した各探触子に対向する領域に設けられ、かつ、前記第２面に向かうに従い近接していることを特徴とする請求項１項に記載の超音波探触子。
5. 前記音響レンズが、樹脂製レンズであることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の超音波探触子。

Images