JPH04218765A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波診断装置や超
音波探傷装置などの超音波画像装置に用いられる超音波
ビームを送受する超音波プローブに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波により物体内部の構造を画像化す
る超音波画像装置は、医用の超音波診断装置および非破
壊検査機器である超音波探傷装置など広く使用されてい
る。これらの超音波画像装置には、超音波ビームを送受
する超音波振動子（超音波トランスデューサ）を主体と
して構成された超音波プローブが用いられる。

【０００３】超音波プローブは、シングルプローブとア
レイプローブに大別される。シングルプローブは単一の
超音波トランスデューサで構成され、機械的な走査によ
って画像化を行う。アレイプローブは独立した複数のト
ランスデューサを配列したもので、電気的に各トランス
デューサの駆動タイミングを制御することにより、超音
波ビームを平行移動または偏向させていわゆる電子走査
を行ったり、超音波ビームを電子的に集束することがで
きる。このような利点のため、超音波画像装置にはアレ
イプローブが主として用いられている。

【０００４】従来の超音波プローブでは、セラミック振
動子の背面に通常、樹脂材料からなるバッキング材が接
着され、前面（超音波放射面）に被検体との音響的な整
合を目的として音響マッチング層が配置される。

【０００５】図１７は、従来のリニアアレイプローブの
構造を示す。配列振動子１を構成する振動子１ａ，１ｂ
…は、その設計寸法に従って切断分離され、バッキング
材３に固定されている。配列振動子１の上面には、音響
マッチング層４と音響レンズ５が配置される。図では音
響マッチング層４は１層であるが、多層に構成されるこ
とも多い。また、図では音響マッチング層４は連続して
いるが、振動子と同時に切断・分離されることもある。

【０００６】振動子１ａ，１ｂ…の下側の電極２ａはフ
レキシブルプリント基板（ＦＰＣ）６の各導体層６ａ，
６ｂ…に接続され、上側の電極２ｂは共通リード板７に
よって共通に接続されている。ＦＰＣ６と共通リード板
７は、それぞれシールドケーブル８ａ，８ｂ…の信号線
９ａ，９ｂ…とシールド線１０ａ，１０ｂ…を介して超
音波画像装置本体と接続される。

【０００７】配列振動子１はＦＰＣ６と共通リード板７
をハンダ付けされた圧電セラミック板をバッキング材３
に接着固定し、ダイヤモンドカッタにより切断・分離し
て製作される。切断寸法条件は、プローブの用途により
種々決められるが、厚み縦振動のみ励起するため一つの
振動子の幅は厚さよりも小さく、通常、厚さの０．６倍
以下に設定される。例えば、５ＭＨｚのセラミック振動
子の厚さは材料により多少の差はあるが、３００〜４０
０μｍ程度となり、さらに高周波では比例して薄くなり
、切断幅はその０．６倍以下の寸法となる。

【０００８】リニアアレイプローブの個々の振動子の幅
が、上記の厚さと幅の条件よりも広く要求されるときは
、上記条件で切断された振動子をいくつかまとめて要求
の幅となるように設計すればよい。そのときはＦＰＣ６
の導体層６ａ，６ｂ…に必要数の振動子が接続されるよ
うにする。

【０００９】アレイプローブでは一個当たりの振動子の
面積が小さいため、その電気的インピーダンスが超音波
画像装置本体との接続のためのケーブル８ａ，８ｂ…を
含めた受信系のインピーダンスより大きくなって、受信
電圧を効率よく伝達しにくくなる。この対策として、振
動子の近くにインピーダンス変換器を設ける方法がとら
れる。

【００１０】また、特に多素子化されたアレイプローブ
では、ケーブルの本数が多くなるのを避けるため、振動
子の近くにリニア走査のための選択スイッチ回路を設け
ることが行われる。インピーダンス変換器や振動子選択
スイッチ回路は電子回路で構成され、これらはプローブ
に内蔵される。

【００１１】このような場合、従来ではアレイ振動子か
ら引出されたＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）上に
モールドされたＬＳＩを接続していた。このため、プロ
ーブ全体が大きくかつ重量も増大し、操作性が悪くなる
という問題があった。

【００１２】また、従来の超音波プローブは図１７に示
したように通常バッキング材３が用いられる。このバッ
キング材３は、一般に樹脂材料で形成され、振動子１が
圧電セラミック振動子の場合、振動子１を曲げ応力など
で破損しないように、その厚みは十分に大きく選ばれる
。このため、バッキング材３も超音波プローブの形状・
重量を増加させる要因となっていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の超音波プローブでは、インピーダンス変換器や選択ス
イッチを構成する電子回路を内蔵すると、バッキング材
の存在と相まってプローブが大きくかつ重くなり、また
操作性が低下するという問題があった。

【００１４】本発明はこのような問題点に鑑みなされた
ものであり、電子回路を内蔵しても小型・軽量化が可能
な超音波プローブを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、超音波振動子
の背面側に、該振動子の背面の一部と接して回路基板を
配置したことを骨子としている。この回路基板は、例え
ばＳｉ基板，ＣａＰ基板，ＧａＡｓ基板等の半導体基板
や、セラミック基板あるいは樹脂基板が用いられる。但
し、樹脂基板の場合はガラスエポキシ樹脂基板のような
比較的硬い材質が良い。回路基板は、超音波振動子との
対向面に空隙を有する。

【００１６】回路基板の超音波振動子との対向面の空隙
は、基板を振動子を周辺部でのみ支持し、中央部を大き
な空隙としてもよいし、また複数の溝を半導体基板の振
動子接合面に形成し、一群の空隙としてもよい。この際
、溝は例えばエッチングにより形成できる。溝の形状は
Ｖ字形、長方形、Ｕ字型、あるいは側面が曲面となって
いる形状であってもよい。回路基板と超音波振動子との
接触面積は小さいほど有利であり、接触領域の幅も波長
に対して制限されることが好ましい。また、図（ｃ）の
ように空間が微小領域で閉じられると振動による圧力の
影響なども考えられる。所望の超音波波長に応じて溝の
形状、接触領域の幅を適宜決定すればよい。

【００１７】本発明の好ましい実施態様を以下に列挙す
る。アレイプローブの場合、超音波振動子は連続する圧
電セラミック板の電極のみアレイ状に分割した配列振動
子として、回路基板との接合部は、配列振動子のそれぞ
れの振動子間の境界線上に位置するように構成する。ま
た、半導体基板は加工されたＶ型溝の周囲に振動子選択
スイッチ回路、インピーダンス変換器、プリアンプなど
の電子回路を形成したＬＳＩとし、その入出力端と振動
子の電極を接続する。

【００１８】他の実施態様として、超音波振動子は少な
くとも２方向の外周部は圧電セラミックの連続体で、そ
の内側に厚さ方向に貫通するスリットをほぼ等間隔に互
いに交差しないように多数設け、その配列ピッチは厚さ
よりも狭く、スリット間に挟まれたセラミックの幅より
も狭く形成し、プローブの設計寸法に従って、既にアレ
イ状に分割された振動子とし、この振動子の配列方向と
直交する方向にＶ字型溝を配列した半導体基板に接合し
てもよい。

【００１９】また、別の実施態様としては、回路基板は
表面が通常の平坦形状のものとし、振動子を長手方向両
端部のみで回路基板上に接触させて導電性接着剤等の接
続媒体て電気的に接続かつ機械的に結合させる構成とす
る。通常、振動子の表面は鏡面状態でなく、比較的粗い
表面状態を持っているため、このような構成としても振
動子と回路基板とが接してしない部分に空気層が形成さ
れ、エアバック構造がか実現される。回路基板に代えて
円柱体を用い、同様にエアバック構造としてもよい。

【００２０】また、バッキング材として回路基板と同様
の比較的硬質の材料を用い、上記と同様にしてエアバッ
ク構造としてもよい。

【００２１】

【作用】本発明では、回路基板上に超音波振動子を配置
しているので、超音波振動子の支持部材を兼ねる回路基
板上に電子回路を構成することができ、超音波プローブ
の小型軽量化が可能となる。

【００２２】回路基板上に直接圧電セラミック振動子の
ような超音波振動子を接合すると、基板の厚さにより圧
電体の振動姿態が変化し、かつ基板底面からの反射エコ
ーが発生するため超音波プローブとしての動作を著しく
阻害してしまう。この点、本発明では超音波振動子の背
面の一部と回路基板とが接触する構造であるため、超音
波振動子は背面に空気層が配置された、いわゆるエアバ
ック状態となり、振動子体の変化や基板底面からの反射
エコーの問題が解決される。

【００２３】また、実質的に振動子の背面にバッキング
材を設けないエアバック構造となっているため、音響パ
ワーがほとんど前方に放射されることにより、バッキン
グ材で固定された構造と比べると感度が向上する。

【００２４】さらに、従来の超音波プローブに用いられ
ている樹脂材料からなるバッキング材は、超音波振動子
に大きな曲げ応力が加わらないように、厚みを十分に大
きくする必要があったが、本発明のように回路基板上に
超音波振動子を配置する構成にすると、回路基板は比較
的硬い材質であるため、厚みが薄くとも超音波振動子を
曲げ応力から保護する作用がある。従って、バッキング
材を用いた場合に比較して全体が薄くなり、小型・軽量
化が可能となる。

【００２５】半導体基板の振動子接合面にＶ字型の溝を
構成すれば、振動子は多数の点あるいは線（あるいは幅
の狭い短冊）で支持され、強固に固定される。

【００２６】振動子をアレイ状に切断加工する場合、高
周波数になるほど振動子の幅は微細なものとなり、ダイ
シングソーなどによる従来の切断加工技術による製造法
では対応しきれなくなる。圧電材料、切断条件などにも
よるが、アレイ状に切断された振動子の個々の幅が微細
になるほど、切断面が受ける切断時の熱などによるスト
レスの影響を受ける割合いが大きくなり、振動子の特性
劣化が無視できなくなる。

【００２７】高分子圧電体を用いた振動子や圧電セラミ
ックと高分子材を混合した複合圧電材を用いた振動子の
場合は、電極のみを分割する方式も採られているが、圧
電セラミックと比べ特性が劣り、アレイプローブとして
実用化された例は少ない。セラミック振動子の場合は、
電極のみを分割する方式では隣接するアレイ振動子間の
クロストークの問題があり、従来、電気的、音響的に分
離性の高い切断方式が採られている。

【００２８】これに対し、本発明では電極のみアレイ分
割された振動子のそれぞれの振動子間の境界線上を半導
体基板で固定することができるため、各振動子間は切断
しなくとも分離性は改善され、実用レベルのアレイプロ
ーブが実現できる。さらに、切断加工しないため微細な
分割が可能となり、高周波プローブも実現できる。

【００２９】また、分離されたセラミック振動子が要求
される場合、圧電セラミックの焼成工程で予めスリット
が設けられた振動子を用いることにより、切断工程なし
に微細な配列振動子を得ることができ、さらに切断によ
る特性劣化を生じない高周波アレイプローブが実現でき
る。

【００３０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明の第１の実施例に係る超音波プロ
ーブの一部の模式的断面図である。図１において、超音
波振動子１は例えば圧電セラミック振動子であり、圧電
セラミック板の両面に電極２ａ，２ｂを有する。この振
動子１の背面には従来のバッキング材に代えて、表面が
異方性エッチングによって図２（ａ）に示すような鋸歯
状に凹凸加工されたＳｉ（シリコン）基板１１が接合さ
れている。

【００３１】図２（ａ）のような断面形状がＶ字型の溝
は、シリコン基板の｛１００｝表面上に、開口部が四角
形のマスクを開口部の壁面が＜１００＞方位に平行とな
るように設け、異方性エッチングを行うことで形成でき
る。このＶ字型溝を形成するための具体的なプロセスの
例を、図３および図４を用いて説明する。

【００３２】（１）まず、表面が｛１００｝面のシリコ
ン基板を｛０１１｝面に平行に切り出す（図３）。

【００３３】（２）異方性エッチング用のマスク材とし
て、熱酸化処理により厚さ数千オングストロームのＳｉ
Ｏ２　膜をシリコン基板の表面に形成する（図４（ａ）
）。

【００３４】（３）ＰＥＰ（ＰＥＰ：ホトエッチングプ
ロセス）によりスリットのマスクを形成する（図４（ｂ
））。

【００３５】（４）弗化アンモンでＳｉＯ２　膜をエッ
チング除去する。（図４（ｃ）） （５）溶剤でレジストを除去する。

【００３６】（６）ヒドラジンと水（５０：５０）のエ
ッチング液でエッチングする。これによりＶ字型溝が形
成される（図４（ｄ））圧電振動子との接合面となる凸
部の頂点は、厳密には平坦部が残る。しかし、この平坦
部の幅が振動子の使用周波数の波長より充分小さければ
、音響的な影響は軽減される。同様に、空隙部である溝
の幅は、波長より充分大きくすることが望ましい。上述
の溝形成プロセスによれば、接合面の凸部の幅をμｍ以
下に形成することは充分可能である。

【００３７】図２（ｂ）のような断面形状の溝は碁盤目
状のマスク、また図２（ｃ）のような形状の溝は角点の
配列されたマスクをそれぞれ用いて上記と同様のプロセ
スで形成できる。

【００３８】溝の形状はＶ字型に限られず、等方性エッ
チングによるＵ字型でもエアバックの効果は同じである
。また、周波数によっては機械加工でも形成が可能であ
り、使用周波数の波長に対して小さな幅で振動子を支持
し、支持ピッチが波長より大きくなるような溝を配列し
た基板材料で振動子を支持する構成であればよい。

【００３９】次に、振動子と溝の形成されたシリコン基
板との接合法の一例を示す。まず、少なくとも接合面を
鏡面研磨した振動子（圧電セラミックやリチウムナイオ
ベイト）にスパッタ電極を形成し、その上に低融点ガラ
ス（例えば岩城ガラス社製、商品名＃７５７０など）の
膜をスパッタにより形成する。図４（ｄ）のシリコン基
板の表面の酸化膜を除去して、シリコン基板表面上に振
動子のガラス膜面を密着させ、加重する。この状態でガ
ラス裏面の電極とＳｉの間に電界を加えると、シリコン
基板とガラス膜の界面が接合する。ガラスの種類によっ
て数百℃程度の加温を必要とするが、＃７５７０は常温
で接合可能である。この陽極接合法は比較的低温で接合
ができるため、接合材料間の熱膨脹差による剥離の問題
はほとんどない。この他、シリコン基板と振動子との接
合法は、接着剤を用いる方法、シリコン基板と振動子の
直接接合、金属との共晶結合法などを使うことができる
。図１のように、このシリコン基板１１を適当な支持部
材１２に接着してもプローブの特性に影響を与えること
はない。

【００４０】図５は、本発明の第２の実施例であり、ア
レイプローブに適用した例を示している。図５（ａ）は
シリコン基板１１の平面図であり、基板１１の中央部に
図２（ａ）のようなＶ字型の溝１４が形成されている。 この溝１４の加工に伴って形成された尖った先端部の間
隔および数は、配列振動子のピッチ、配列数に合わせて
設定する。この基板１１上に、上側の電極２ｂを分割し
た振動子１をそのピッチに合せて接合する。

【００４１】図５（ｂ）は振動子１を接合した一部分の
斜視図を示し、またＡ−Ａ′およびＢ−Ｂ′の断面図を
それぞれ図５（ｃ）および図５（ｄ）に示す。図５（ｃ
）のように、上側の電極２ｂの分割部で振動子１とシリ
コン基板１１の尖った先端部とを接合する。

【００４２】上記のように構成された超音波プローブで
は、矩形状の各振動子１は周辺部のみがシリコン基板１
１に固定され、振動部はエアバック状態であるため、隣
接する振動子間の音響的分離性が高く、クロストークの
軽減された配列振動子が得られる。

【００４３】さらに、振動子１は電極のみ分割され、圧
電セラミック自体は連続した板状になっている。そのた
め電極領域では厚みで決まる縦振動が励起されるが、横
の振動モードはセラミック板全体の幅寸法で決まるため
、縦振動周波数と比べて十分に低くなり、横振動の影響
を無視できる。

【００４４】また、この例では圧電セラミック振動子を
用いたが、振動子材料はこれに限られるものではなく、
単結晶圧電材、高分子圧電材、複合圧電材なのどいずれ
を用いてもよい。

【００４５】また、図５ではシリコン基板にＶ字型の溝
１４を囲うようにシリコンの平坦部１５を設け、この平
坦部１５にインピーダンス変換器や振動子選択スイッチ
回路などのＬＳＩを形成するようにしている。従来技術
の項で述べたように、インピーダンス変換器はケーブル
による受信信号の伝達効率の低下を改善し、振動子選択
スイッチ回路は振動子と装置本体の間を接続するケーブ
ルの本数を低減するものである。

【００４６】一般に、これらのＬＳＩは図１７に示すＦ
ＰＣ６などに接続されるが、本実施例ではバッキング材
に代えてシリコン基板１１を用いているため、この基板
１１上にＬＳＩも形成でき、小型・軽量化が図れる。振
動子１に接続されるＬＳＩのパッド１７は、振動子１の
電極２ｂにバンプなどで直接接合される。

【００４７】従来技術では微細化されたアレイ振動子か
らのリード引出しも困難であったが、本発明ではワイヤ
ボンディングやバンプ接続が行なえる。ＬＳＩの他方の
パッド１６は、超音波画像装置本体に接続されるケーブ
ル側の接続パッドである。シリコン基板１１のＶ字型溝
１４の加工や、振動子１の電極分割はフォトリソグラフ
ィ技術によって行われるため、微細パターン形成が容易
であり、高周波プローブで要求される微細化も十分に対
応できる。

【００４８】また、図５（ａ）のＶ字型溝１４の形状を
図２（ｃ）のようにすると、独立した振動子の配列を２
次元にすることができ、それによって２次元アレイプロ
ーブも実現できる。

【００４９】図６に、第３の実施例を示す。配列振動子
の独立した個々の振動子の幅が厚さよりも小さいことが
要求される場合、図５に示した第２の実施例のように電
極のみを分割したのでは、隣接する振動子１間のクロス
トークが無視できなくなる。そのような微細に分断され
た配列振動子を構成する場合は、図６に示すように予め
厚さ方向に貫通するスリット２１ａ，２１ｂ…を形成し
た配列振動子２０を用いることが望ましい。スリット２
１ａ，２１ｂ…は圧電セラミック板の端部までは達せず
、セラミック板にはスリットのない連続した外周部２３
が存在する。

【００５０】一方、図６の部分拡大図を示す図７（ａ）
のように、圧電セラミック板の全面に形成された電極（
斜線部）のうち、圧電セラミック板の外周部２３上の電
極をエッチング法でパターニングすることにより、切断
工程なしに独立した矩形状振動子２２ａ，２２ｂ…の並
んだ配列振動子１を構成できる。

【００５１】外周部２３上の電極は、ＬＳＩと電気的に
接続される。この場合、外周部２３は二辺あるため、図
７（ｂ）のように電極を上下交互に、つまり振動子２２
ａ，２２ｃ…の電極は下側に、また振動子２２ｂ，２２
ｄ…の電極は上側に引出すようにすると、接続ピッチは
振動子の配列ピッチの２倍となるから、接続面積が大き
くなり、接続を容易に行うことができる。この個別電極
の両側引出しは、第２の実施例と組み合わせて実施する
ことも可能である。

【００５２】なお、振動子の他方の電極は図１および図
５の電極２ａのように、全ての振動子に対して共通に接
続される電極であり、パターニングの必要はない。

【００５３】図８に、図６に示した配列振動子の製造プ
ロセスを示す。まず、図８（ａ）のようにドクターブレ
ード法により形成した圧電セラミックのグリーンシート
３０上に、少なくとも２方向の外側の一部を残してカー
ボンペースト３１を印刷したものを積層する。グリーン
シート３０の厚さは形成すべき配列振動子の幅に相当し
、またカーボンペースト３１の厚さがスリット２１ａ，
２１ｂ…の幅に、積層数が振動子の配列数にそれぞれ対
応する。このグリーンシート３０の積層後、図８（ｂ）
のように加熱圧着してグリーンシートのブロック３２を
得る。次に、ブロック３２を図８（ｃ）のようにスライ
スしてカーボンペースト３１の層を厚さ方向に垂直に有
する薄板３３を得る。この厚さによって、振動子の厚み
縦振動の共振周波数が決まる。この薄板を脱脂後、焼成
する。この焼成工程により、セラミックの焼成温度でカ
ーボンペーストは蒸発消滅し、スリットが形成される。

【００５４】このような手法により、図６に示す微細な
幅のスリット２１ａ，２１ｂ…を有するセラミック板が
形成できる。焼成されたセラミック板は収縮するため、
それを見込んでグリーンシートの積層ブロック３２を設
計することが必要である。この例では、セラミックの焼
成時に消滅してスリットを形成するものとしてカーボン
ペースト３１を用いたが、焼成時に消滅するものなら、
カーボンペースと以外のものでもよい。

【００５５】こうして得られたセラミック板の表裏両面
に、スリットに入らないように電極を形成した後、分極
処理すると、振動子として機能する。分極はスリットで
挟まれた領域のみ行った方が都合よく、そのためには図
９のように電極２ａ，２ｂを形成すればよい。

【００５６】また、上述したように圧電セラミックは切
断すると、その切断面は熱などによりストレスを受け、
ある深さまで特性が劣化する。通常のプローブでは問題
ないが、高周波プローブのように微細な切断が要求され
ると、この特性劣化は無視できなくなる。特に電気機械
結合係数が劣化すると、超音波の送受波感度の低下や周
波数帯域の低減による分解能の低下を招く、セラミック
を分割した状態で焼成できれば、この特性劣化はあり得
ない。

【００５７】この配列振動子をシリコン基板に接合して
アレイプローブとするには、図１０のようにする。図１
０（ａ）に示すシリコン基板１１上に、図５（ａ）の基
板と異なり、Ｖ字型溝１４を振動子の配列方向に沿って
形成する。すなわち、Ｖ字型溝１４の配列方向と振動子
の配列方向を直交させる。

【００５８】図１０（ｂ）が上述のスリット入り振動子
２０であり、予め要求寸法に従う微細な間隔で厚さ方向
に貫通するスリット２１が設けられた配列振動子の構成
となっている。振動子２０のスリット２１は途中で止ま
り、セラミック板の連続する外周部２３で配列振動子が
機械的に分離してしまわないように支持される。電極は
、外周部２３上でパターニングされ、図１０（ａ）の破
線の位置に重ねられ、第２の実施例と同様に結合されて
連続する。

【００５９】配列振動子はシリコン基板１１に設けられ
た複数の尖った先端部で支持されるため、機械的強度も
強く、本質的にエアバック状態となり、各振動子も本質
的に分離されているため、理想的なアレイプローブが実
現できる。

【００６０】また、この技術は高周波プローブに限らず
一般のプローブに利用でき、現状のプローブ製造工程の
アレイ切断工程を削減でき、歩留りを向上させる効果も
期待できる。

【００６１】スリット入り振動子は両面の電極を共通に
したまま、一つの振動子として使ってもよく、その場合
、超音波振動子として特性上好ましい次の特徴を有する
。第１に、振動子が横方向に分断されているため、全体
の形状による横振動モードは抑制される。第２に、スリ
ットがない場合には厚み縦振動は一般にＫｔと称される
振動モードが励起される。厚さに対して幅が０．６倍以
下になるようスリットが形成されるとその振動モードは
Ｋ３３′が励起され、それぞれの振動モードでの電気機
械結合係数は異なりＫ３３′の方がＫｔよりも大きい。 従って、高感度で広帯域の特性を有するプローブが得ら
れる。

【００６２】シリコン基板に接合した振動子をプローブ
とする場合、実用的には振動子上に音響マッチング層お
よび音響レンズを形成し、ケーブルを接続する必要があ
る。以下、音響マッチング層および音響レンズの形成と
ケーブルの接続方法について説明する。

【００６３】振動子１の上面に形成される音響マッチン
グ層は、図１１のような１層に限られず、多層構成とさ
れることも多い。音響マッチング層の材料は振動子と被
検体の音響特性により選択され、その厚さも最適値に設
定される。従来より最適厚さの音響マッチング層を貼合
せたり、接合後に削り出すなどの方法がとられているが
、本発明でも同様の方法を用いることができる。また、
従来では振動子の切断時にセラミックと一緒に音響マッ
チング層を分離することもある。本発明において音響マ
ッチング層を分離構造とするには、例えば音響マッチン
グ層に光硬化性樹脂を用い、分解された振動子の上にの
みホトリソグラフィ技術やレーザ３次元形成技術で形成
することができる。

【００６４】図１１においては、振動子を接合したシリ
コン基板１１をセラミック配線基板３５に固定し、セラ
ミック配線基板３５上の端子３６ａ，３６ｂ…にボンデ
ィングワイヤ３７ａ，３７ｂ…で接続し、接続部を樹脂
封止する。この樹脂封止に際して、図１２に示すように
振動子の上面部に樹脂からなる音響レンズ４０が形成さ
れるように封止樹脂３９の材料を選択し、かつ音響レン
ズ４０の部分を仕様の曲率に形成する。なお、図１１で
は音響マッチング層は省略した。封止樹脂３９のうち、
音響レンズ４０以外の部分はレンズ材料と異なる材料と
してもよい。また、この例ではセラミック配線基板３５
にピンタイプを用いたため、ケーブルはピン３８に対応
するコネクタに接続する。

【００６５】図１１のようにシリコン基板１１からワイ
ヤボンディングによりリード接続を行うと、平面的に広
がるため、振動子１の超音波放射面側を被検体に密着さ
せる使い方においては好ましくない場合がある。これを
避けるためには、例えばシリコン基板の裏面に異方性エ
ッチング等で穴を開け、リードを基板後方へ引き出す方
法をとればよい。その場合、シリコン基板の裏面からの
穴はシリコン基板を貫通して設け、この穴の壁面に絶縁
層を形成後、振動子の電極と接続するように導電層を形
成する。そして、リードピンをこの導電層にボンディン
グし、穴を樹脂などで埋めて固定する。

【００６６】以上述べたように、溝が形成されたシリコ
ン基板をバッキング材に代えて用いると、理想的なエア
バック構造が実現でき、超音波プローブの高感度化を達
成できる。

【００６７】また、シリコン基板の接合部と配列振動子
の境界を合せて接合することで、振動子がセラミックな
どの圧電材料の場合でも、電極のみの分割でセラミック
を切断することなく、隣接振動子間のクロストークを小
さくすることができ、切断加工では製作困難な高周波ア
レイプローブが実現できる。

【００６８】さらに、シリコン基板を用いているため、
基板上にインピーダンス変換器や選択スイッチ回路など
の電子回路をＬＳＩで形成でき、伝達効率の改善やケー
ブル本数の低減など、小形で高性能、高信頼性のアレイ
プローブが実現できる。

【００６９】また、配列振動子を構成する個々の振動子
の幅が厚さよりも小さいことが要求される場合、予め焼
成時にスリットが設けられた振動子を用いることによっ
て、より分離性の高い高周波アレイプローブを容易に製
造でき、特性を劣化させていた切断加工を行わないため
に特性が向上し、高感度・広帯域のプローブが実現でき
る。

【００７０】以上の実施例では回路基板としてシリコン
基板を用いたが、セラミック基板や樹脂基板を用いても
本発明を実施できる。以下、その実施例を説明する。

【００７１】図１３は、回路基板５０上に配列振動子５
１を設け、その上に音響レンズ５２を設けた超音波プロ
ーブの概略構成を示す図であり、図１４（ａ）（ｂ）は
その詳細な構成を示す断面図である。圧電セラミックか
らなる振動子５１の表裏面に一部が対向するように電極
５３，５４が形成され、両電極５３，５４が対向する部
分のみ振動子５１が振動する構造となっている。

【００７２】振動子５１の電極５３，５４は、これらが
互いに対向していない端部で、回路基板５０上の配線パ
ターン５５に接続媒体５６によって接続固定される。配
線パターン５５は、スルーホール５７を介して回路基板
５０の裏面に形成された配線パターン５８に接続される
。基板５０の裏面には、ケーブルやＩＣチップなどの接
続端子も形成される。また、振動子５１は図１４（ａ）
のＡ−Ａ′断面図を示す図１４（ｂ）に示されるように
、アレイ振動子となっている。このアレイ振動子上に音
響マッチング層６０が設けられ、更にその上に音響レン
ズ５２が配置されている。

【００７３】この実施例は、振動子５１が回路基板５０
に対して振動子５１の両端部のみで固定され、上下の電
極５３，５４の対向部の振動領域は回路基板５０に対し
て接触しているが、固定はされていない状態であること
が大きな特徴である。

【００７４】超音波の波長にもよるが、超音波プローブ
の周波数帯が数ＭＨｚの場合においては、振動子５１と
回路基板５０とは接合面が両方とも鏡面状態でない限り
、両者の界面には空気層５９が存在する。すなわち、一
般には振動子５１の表面状態はかなり粗いので、仮に回
路基板５０の表面が鏡面状態であったとしても、空気層
５９は存在する。この空気層５９の存在により、振動子
５１から発生した超音波の大部分は回路基板５０に入射
せず、振動子５１はエアバック状態となる。

【００７５】次に、図１４に示した超音波プローブの製
造プロセスを簡単に説明する。上述したように、回路基
板５０は表面にアレイ振動子５１の配列ピッチに対応し
た配線パターン５５が形成され、裏面にもケーブルとの
接続のためや、パルサ／レシーバ回路（送受信回路）な
どのＩＣチップの実装のための配線パターン５８が形成
され、これら表裏面の配線パターン５５，５８はスルー
ホール５７により接続されている。従って、この回路基
板５０はＩＣを実装する一般の回路基板と同等の構造で
ある。

【００７６】振動子５１は両面に電極５３，５４が形成
された平板状の圧電セラミック板を固定した後、ダイシ
ングソーにより切断することにより、図１３のようなア
レイ配列とされる。振動子５１の電極５３，５４は、図
１４のように互いに対向する部分は圧電セラミック板の
中央部のみとし、振動子５１の両端は圧電セラミック板
に電界が加わらないようにする。振動子５１の両端部下
面には、電極５３，５４が延在されており、この延在部
が接続媒体５６により回路基板５０上の配線パターン５
５と接続されている。接続媒体５６には半田、導電ペー
スト、異方性導電フィルムなどを用い、半田や樹脂など
が振動子５１の中央部に浸透しないように固定する。

【００７７】すなわち、振動子５１は長手方向の両端部
のみで固定され、電極５３，５４の対向している振動部
は基板５０に乗っている状態で接触はしているが、固定
されてはいない。なお、電極５４や配線パターン５５お
よび接続媒体５６は、回路基板５０や振動子５１の厚み
と比べると非常に薄いものである。

【００７８】振動子５１の上の音響マッチング層６０は
予め形成しても良いし、圧電セラミック板を基板に固定
した後に形成しても良い。この音響マッチング層６０の
形成後、ダイシングソーにより圧電セラミック板を音響
マッチング層６０とともに切断分離し、アレイ振動子５
１を形成する。この際、回路基板５０も多少切断し、振
動子５１は完全に分断するようにする。

【００７９】振動子５１の上面の電極５３は全て共通に
接続する必要があるが、この共通接続は図１４の点線Ｂ
に示すように、電極５３の回し込み電極５３ａの一部を
残して、切断を止めることで達成できる。勿論、完全に
分断後に、電極５３を再接続しても良いし、セラミック
基板５０の裏面の配線パターン５８を利用して電極５３
を共通接続しても良い。

【００８０】その後、例えばシリコンゴムからなる凸型
の音響レンズ５２を音響マッチング層６０上に形成する
ことによって、図１３および図１４の構成の超音波プロ
ーブが完成する。

【００８１】図１５は、図１４の実施例を改良した実施
例の超音波プローブである。近年、アレイ振動子の配列
ピッチは微小化される方向にある。この配列ピッチが回
路基板５０のスルーホール５７のピッチの限界を超える
場合は、例えば図１５のように構成することが好ましい
。

【００８２】すなわち、振動子５１の下面の電極５４は
圧電セラミック板の下面全面に形成され、上面の共通電
極５３は中央の駆動部のみに形成される。回路基板５０
上の配線パターン５５を両側に設け両側で接続固定し、
スルーホール５７を図１５（ｂ）に示すように両側で交
互に形成することで、スルーホール５７のピッチは２倍
にできる。共通電極５３はアレイ切断後表面で音響的に
影響がないように、例えば金属の蒸着膜で接続するなど
の方法で共通接続し、アレイ方向の両端部から基板５０
へ接続すれば良い。

【００８３】また、既に圧電セラミック板の焼成段階で
アレイ分割された振動子を用いる場合は、それぞれ分割
形成された電極を位置合わせして異方性導電フィルムで
接続固定するようにする。

【００８４】図１６は、本発明のさらに別の実施例であ
り、振動子の振動しない両端部を回路基板に固定するエ
アバック構成を例えば血管内に挿入されるカテーテルの
先端の円周上に配列される血管壁検査用または体腔内用
のアレイプローブに適用した例である。このようなアレ
イプローブは、円周上に配列された振動子６１で超音波
ビームを回転させていわゆるラジアル走査を行い、血管
の輪切りの断層像を得たり、複数の振動子群で集束ビー
ムを形成するかあるいは１つの振動子から広角のビーム
を送受して開口合成処理するなどの方法で高分解能画像
を得る電子走査型ラジアルスキャンプローブとして知ら
れている。

【００８５】この種のアレイプローブは、直径２ｍｍ程
度以下の細径の場合、従来のようにバッキング材上に振
動子を配置する構成ではバッキング材に放射された超音
波が充分に減衰されずに対向する振動子に伝わり、多重
反射やクロストークの影響で特性劣化を招くという問題
があった。この実施例によれば、このような問題が解決
される。

【００８６】図１６において、金属円柱６２は長手方向
の一部の周面に絶縁層６３を介して導体層６４を形成し
た構造であり、図１３〜図１５の回路基板５０に対応す
る。この円柱６２に円筒状に形成された圧電セラミック
が嵌め込まれ、その両端部で接続固定される。圧電セラ
ミックの円筒外周側の電極６５は共通電極であり、金属
円柱６２に接続され、円筒内周側の電極６６は個別電極
であり、対応する導体層６３にそれぞれ接続される。図
では音響マッチング層や音響レンズを省略しているが、
これらを形成した状態で所定ピッチに圧電セラミックを
切断することにより、円周配列のアレイ振動子が作成さ
れる。共通電極６５は金属円柱６２で共通に接続され、
個別電極６６は振動子６１と同じく切断分離された導体
層６３を通して、その後に設けられたＩＣのチップに接
続される。

【００８７】ここで、ＩＣは例えば順次振動子を切り換
えるスイッチ回路とすると、超音波プローブの外部接続
ケーブルの信号線は１本でよく、細径のカテーテル内を
通して引き出すのに都合が良い。この場合は、プローブ
で得られた信号を開口合成処理すれば、分解能の高い画
像を得ることができる。実際にはＩＣを駆動制御するケ
ーブルも必要になるが、各振動子からケーブルを引き出
すよりはケーブル数を削減できる。

【００８８】また、２次元的に画像情報を得たり、体腔
内プローブの断層像の方向を自在に可変するなどの要望
のために、図１７のようなアレイプローブを機械的に回
転させる要求がある。特に、食道から心臓を診断するＴ
ＥＥプローブで、この要望は大きい。この場合、多数の
信号ケーブルに電気的に接続された状態でアレイプロー
ブを回転することになり、回転可能な接続手段や回転駆
動手段を組み込むことが必要であり、そのための容積が
大きく必要となる。体腔内プローブのように太さに制限
があるようなものは、アレイプローブ部をなるべく薄く
することが望ましく、このような要求に対し、本発明の
エアバック構造は従来技術と比べ非常に有利であると言
える。

【００８９】

【発明の効果】本発明によれば、回路基板上にエアバッ
ク構造で振動子を配置したことによって、超音波プロー
ブに付随する電子回路を内蔵しながらも小型・軽量化が
可能な超音波プローブを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　第１の実施例に係る超音波プローブの要部
の断面図

【図２】　　同実施例における半導体基板の表面形状を
示す斜視図

【図３】　　同実施例における半導体基板の製造工程を
示す図

【図４】　　同実施例における半導体基板の製造工程を
示す図

【図５】　　第２の実施例に係るアレイ超音波プローブ
の構成を示す図

【図６】　　第３の実施例における振動子の斜視図

【図
７】　　同実施例の部分拡大図

【図８】　　同実施例における振動子の製造工程を示す
斜視図

【図９】　　第４の実施例におけるの振動子の電極構成
を示す断面図

【図１０】　　第５の実施例における半導体基板および
振動子の平面図

【図１１】　　同実施例に係る超音波プローブの配線基
板上に支持固定した状態を示す斜視図

【図１２】　　同実施例に係る超音波プローブの配線基
板上に支持固定した状態を示す断面図

【図１３】　　第６の実施例に係る超音波プローブの斜
視図

【図１４】　　同実施例に係る超音波プローブの断面図

【図１５】　　第７の実施例に係る超音波プローブの断
面図および平面図

【図１６】　　第８の実施例に係る超音波プローブの構
成を示す図

【図１７】　　従来のアレイ超音波プローブの斜視図。

【符号の説明】

１…配列振動子　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　１ａ〜１ｃ…振動子 ２ａ，２ｂ…電極　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１１…シリコン基板（回路基板） １２…支持部材　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　１４…Ｖ型溝１５…ＬＳＩ形成部　　　　　　
　　　　　　　　　　　　１６，１７…接続パッド ２０…スリット入り振動子　　　　　　　　　　　　２
１ａ〜２１ｃ…スリット ２２ａ〜２２ｃ…振動子　　　　　　　　　　　　　　
２３…外周部３０…グリーンシート　　　　　　　　　
　　　　　　　３１…カーボンペースト ３２…積層ブロック　　　　　　　　　　　　　　　　
　　３３…ペースト入り薄板 ３５…セラミック配線基板　　　　　　　　　　　　３
６ａ，３５ｂ…接続パッド ３７ａ，３７ｂ…ボンディングワイヤ　　３８…ピン３
９…封止樹脂　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　４０…音響レンズ ５０…回路基板　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　５１…振動子５２…音響レンズ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　５３，５４…電極 ５５，５８…導体パターン　　　　　　　　　　　　５
６…接続媒体５７…スルーホール　　　　　　　　　　
　　　　　　　　５９…空気層６０…音響マッチング層
　　　　　　　　　　　　　　６１…振動子６２…金属
円柱　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６
３…絶縁層６４…導体層　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　６５，６６…電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　超音波振動子と、この超音波振動子の
   背面側に、該振動子の背面の一部と接して配置された回
   路基板とを具備することを特徴とする超音波プローブ。
2. 【請求項２】　　前記超音波振動子と前記回路基板との
   間に空隙を有することを特徴とする請求項１記載の超音
   波プローブ。