JPH06105842A

JPH06105842A - 超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JPH06105842A
Application number: JP13084692A
Authority: JP
Inventors: Tomio Ono; 富男小野; Shinichi Hashimoto; 新一橋本; Mamoru Izumi; 守泉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1994-04-19

Abstract

(57)【要約】【目的】体腔内において機械的な回転を行うことにより
任意面の断層像の観察を行う超音波プローブに適用する
場合、口径を大きくとることができ、フレキシブルプリ
ント基板の信頼性を低下することなく、トランスデュー
サの回転を円滑に行えるようにする。【構成】円形バッキング材２６上に平行な多数の振動子
２３を全体としてバッキング材２６と同心円状の輪殻と
なる配置で固定する。各振動子２３のバッキング材２６
との接合面およびこれと反対側の面とに電極２１ａ，２
１ｂを形成する。各振動子２３の円形輪殻側の端面に電
極２１ｂの一部を露出させる。露出した電極２１ｂ部に
導体パターン２４をそれぞれ接合してフレキシブルプリ
ント基板２５を振動子周側面に巻装する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に体腔内で超音波診
断を行う際に用いられる超音波トランスデューサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】医療診断を行う場合、被検体の所定の部
位における断層像を例えばディスプレイ装置に表示し、
これを観察することが有効であるが、この断層像を得る
ために超音波診断装置が用いられる。

【０００３】この超音波診断装置では、超音波の送受信
源として図１１に示す超音波トランスデューサが用いら
れる。同図に示す超音波トランスデューサＡは、両面に
電極１₁，１₂を形成した多数の矩形状の圧電板２で振
動子３を構成している。そして、所望の振動子ピッチに
合わせて分割された導体パターン４が形成された薄板状
のフレキシブルプリント基板（以下、ＦＰＣという）５
の導体部を、ハンダ等により振動子３の電極１₂に接合
するとともに、音響的なダンピング効果を有する固定部
材（バッキング材）６上に固定した構成とされている。
なお、振動子３は、予め１枚の板状とした素材を、ＦＰ
Ｃ５との接合後に、そのＦＰＣ５の導体ピッチに合わせ
て切断することで作製される。

【０００４】このように構成された複数の振動子３に電
気的遅延をかけ、電気パルスを印加することによって超
音波ビームを発生させ、各種の走査によって断層像を得
るようになっている。

【０００５】ところで最近では、経食道あるいは経直腸
的に超音波診断を行う超音波プローブにおいて、より適
確な診断を行うため、ある断面の断層像だけでなく、任
意断面の断層像観察を行うことが望まれるようになって
いる。これを実現するために、例えば図１２に示すよう
に、プローブＢを構成する前記の超音波トランスデュー
サＡを、超音波放射軸Ｃの周りで機械的に回転させ、観
察断面Ｄを拡大することが考えられる。

【０００６】しかし、図１２に示すように、トランスデ
ューサＡを直径Ｄ（Ｄは体腔内に挿入することを考慮す
ると１０ｍｍ程度）の円内に収める必要から、上述した
通常の矩形トランスデューサＡ（例えば正方形）の場合
には、

【外１】Ｄ＝１０ｍｍとすると約７ｍｍと小さくなり、分解能が
低下するという問題点が生じる。

【０００７】この問題点を解決するためには、トランス
デューサＡを円形として口径を大きくすることが考えら
れる（図１２の場合、例えば直径Ｄの円形とすれば、口
径はＤとなる）が、振動子３の裏側の電極１₂にＦＰＣ
導体部を直接ハンダ等で接合する従来の構成は採用でき
ない。つまり、この場合には、振動子３の平面形状とと
もに、バッキング材も円形となる。このような円弧部間
に薄板状のＦＰＣ５を折り込んだ後、曲げることは困難
であり、しかもトランスデューサＡをプローブＢ内の所
望のスペース内に収めることも困難となるという問題が
新たに生じることになる。また、ハンダ接合には１〜２
ｍｍ程度のスペースを要するため、電圧の印加される有
効部分が減少し、これにより分解能が低下するという問
題もある。

【０００８】なお、図１３は矩形状のトランスデューサ
ＡをプローブＢの筐体７に収納した場合の平面図であ
る。この場合、ＦＰＣ５のトランスデューサ接合部付近
は、機械的な強度を上げるためにトランスデューサＡに
接着されている。トランスデューサＡは±９０゜程度回
転する必要があるため、ＦＰＣ５にはたるみを設ける必
要がある。

【０００９】ところが、トランスデューサＡが矩形であ
ると、＋９０゜方向（図１３の反時計方向）へ回転する
のに伴い、ＦＰＣ５は矩形の隅角部で直角に折り曲げら
れることになり、ＦＰＣ５の信頼性が低下する。また−
９０゜から＋９０゜の方向（図１３の時計方向）へ回転
させる時にはＦＰＣ５が滑らかに変形せず、トランスデ
ューサＡの回転を阻害する可能性もある。

【００１０】ところで、実際の超音波トランスデューサ
には超音波を収束させるために音響レンズが設けられ
る。

【００１１】図１４は振動子３の表側にマッチング層８
を介して円筒形音響レンズ９を設けた構成を示してい
る。なお、マッチング層８は振動子３と被検体との良好
な超音波の伝達を行う役目をし、またバッキング材６は
振動子３の裏面側に発振した超音波を吸収する役目をす
る。そして、複数の振動子３に前記の如くＦＰＣ５の導
電パターン４を介して電気的遅延をかけ、電気パルスを
印加することによって、超音波ビームを偏向、収束し断
層像を得るようになっている。

【００１２】そして、超音波トランスデューサＡを機械
的に回転する場合、図１５に示すプローブＢのように、
被検体との接触を確保するために、凸形で超音波の吸収
および反射の少ない窓材１０内に液体等の音響媒体１１
を満たし、その内部にトランスデューサＡを設置して回
転させることが望ましい。これは安全確保のため、被検
体とプローブＢ内部とを完全に遮断するためである。ト
ランスデューサＡは保持部材１２上に置かれ、ベアリン
グ１３を介して、筐体７内で回転することができるよう
になっている。なお、図１５では、配線および駆動機構
については説明簡単化のため省略してある。

【００１３】この図１５の構成において、超音波トラン
スデューサＡが軸Ｃの周りに回転するので、円筒形音響
レンズ９が窓材１０と接触しないようにするためには、
音響レンズ９を窓材１０の完全に下方に設置する必要が
ある。しかし、このために超音波プローブは窓材１０の
分だけ厚くなってしまい、体腔内に挿入するためできる
だけ小さくする必要のある超音波プローブでは問題が生
じる。また、トランスデューサＡと窓材１０との距離が
大きいため、この間で超音波が何度も反射する多重反射
が生じ、擬似エコーが生じやすいという問題も生じる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、分解
能の低下を避けるため、トランスデューサを円形にして
口径を大きくしようとしても、従来の構成ではＦＰＣを
折り曲げることができないため、口径を大きくすること
ができないという問題があった。また、ハンダ接合に１
〜２ｍｍ程度のスペースを要するため有効部分が減少
し、これにより分解能が低下するという問題があった。
さらにトランスデューサの回転によりＦＰＣが折り曲げ
られるため、ＦＰＣの信頼性が低下すること、およびＦ
ＰＣがトランスデューサの回転を阻害するなどの問題点
もあった。

【００１５】また、円筒形レンズを用いた従来のトラン
スデューサでは、窓材とトランスデューサとの間の距離
が大きくなり、超音波プローブが大きくなってしまうと
いう問題があった。また多重反射が生じやすいという問
題もあった。

【００１６】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、第１の目的は、主に体腔内において機械的な回転を
行うことにより任意面の断層像の観察を行う超音波プロ
ーブに適用する場合において、口径を大きくとることが
でき、ＦＰＣの信頼性を低下することなく、回転を円滑
に行える超音波トランスデューサを提供することにあ
る。

【００１７】また、第２の目的は、主に体腔内において
機械的な回転を行うことにより任意面の断層像の観察を
行う超音波プローブを小型化することができ、多重反射
の影響を低減できる超音波トランスデューサを提供する
ことにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、円形
バッキング材上に平行な多数の振動子を全体として前記
バッキング材と同心円状の輪殻となる配置で固定し、こ
の各振動子のバッキング材との接合面およびこれと反対
側の面とに電極を形成し、かつ前記各振動子の円形輪殻
側の端面に前記電極の一部を露出させるとともに、その
露出した電極部に導体パターンをそれぞれ接合してフレ
キシブルプリント基板を前記振動子周側面に巻装したこ
とを特徴とする。

【００１９】請求項２の発明は、円形バッキング材上に
平行な多数の振動子を全体として前記バッキング材と同
心円状の輪殻となる配置で固定し、この各振動子のバッ
キング材との接合面およびこれと反対側の面とに電極を
形成し、かつ前記各振動子の円形輪殻側の端面に前記電
極の一部を露出させるとともに、その露出した電極部に
導体パターンをそれぞれ接合してフレキシブルプリント
基板を前記振動子周側面に巻装し、さらに前記振動子上
に球形の音響レンズを設けたことを特徴とする。

【００２０】

【作用】請求項１の発明によれば、円弧状をなす振動子
の端面に電極を露出させ、この電極にてＦＰＣの導体パ
ターンを電気的に接続するようにしたので、その接続を
容易に行うことができる。また圧電板の側端面を利用し
て接続を行っているため、圧電板の電圧が印加される有
効部分を大きくでき、振動子の効率向上が図れるように
なる。また、トランスデューサが円形であるため、その
回転によりＦＰＣが変形しても折れ曲り等がなく、信頼
性が低下したり、ＦＰＣによるトランスデューサの回転
の妨げなどが生じない。

【００２１】また、請求項２の発明によれば、球形レン
ズを使用することにより、窓材とトランスデューサとの
距離を小さくすることができ、プローブの小型化が図れ
るとともに、多重反射の影響低減も図れるようになる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２３】図１〜図４は第１実施例を示している。

【００２４】本実施例では、図１および図２に示すよう
に、電極２１ａ，２１ｂを表裏面に有する圧電素子２２
からなる多数の振動子２３が、平面円形状に配列されて
バッキング材２６上に固定されている。

【００２５】振動子２３の裏面側電極２１ｂは図２に示
すように、振動子２３の側端面に立上って露出し、この
露出した電極２１ｂの外表面にＦＰＣ２５の導電パター
ン２４がスポット溶接または融着等によって接着されて
いる。

【００２６】このように構成された超音波トランスデュ
ーサＡ₁の製造方法を示すと、以下のとおりである。

【００２７】まず、円形圧電板素材に図１に示すように
電極２１ａ，２１ｂを形成する。次にこの圧電板素材を
円形のバッキング材２６に接着し、圧電板素材を所定の
ピッチで切断することにより、複数の振動子２３を作製
し、これら振動子２３が円周でなすピッチと同じピッチ
の導体パターン２４を有するＦＰＣ２５を側面で接合す
る。

【００２８】この接合は図３に示す抵抗加熱を利用した
方法によって行われる。即ち、図３でＥ₁，Ｅ₂はそれ
ぞれ導体である。これらと電極２１ａ，２１ｂおよびＦ
ＰＣ２５上に形成された導体パターン２４を図のように
位置決めし、導体Ｅ₁，Ｅ₂間に図中矢印で示すように
電流ｉを流すと、抵抗分のジュール熱により、電極２１
ｂと導体パターン２４とが融着等により接合される。

【００２９】また、図４は円形のトランスデューサＡ₁
とＦＰＣ２５とを筐体２７に収納した場合の平面図であ
る。ＦＰＣ２５のトランスデューサ接合部付近は機械的
な強度を上げるため、トランスデューサＡ₁に巻装され
ている。２８はＦＰＣ２５のガイドピンである。図４の
実線はトランスデューサＡ₁が＋９０゜（図の反時計方
向）に回転した場合、破線は−９０゜（図の時計方向）
に回転した場合の位置関係を示している。この場合、ト
ランスデューサＡ₁が円形であるため、トランスデュー
サＡ₁の回転に伴い、ＦＰＣ２５は緩やかに巻き付き、
または巻き外れ、曲げによるＦＰＣ２５の信頼性の低下
を回避することができる。また−９０゜側から＋９０゜
側へ回転する場合でも、筐体２７がガイドとなるためＦ
ＰＣ２５は滑らかに変形し、トランスデューサＡ₁の回
転を阻害することはない。

【００３０】このように本実施例によれば、トランスデ
ューサＡ₁を円形にしても、容易に電気的接続を行うこ
とができ、また圧電板２３の側面を利用して接続を行っ
ているため、圧電板２３の電圧が印加される有効部分を
大きく設定でき、しかもトランスデューサＡ₁の回転に
よりＦＰＣ２５が変形しても折れ曲り等を生じないので
信頼性が低下することはなく、さらにＦＰＣ２５がトラ
ンスデューサＡ₁の回転を妨げるようなこともない等の
効果が奏される。

【００３１】図５および図６は本発明の第２実施例を示
している。

【００３２】本実施例が前記第１実施例と異なる点は、
振動子の電極とＦＰＣの導電パターンとがボンディング
ワイヤで接合された点である。以下、製法とともに構成
を説明する。図５および図６に示すように、まず絶縁物
で作製された薄肉円筒３１にＦＰＣ２５を接着する。次
に、この薄肉円筒３１に円形圧電板素材を接着し、この
圧電板素材をＦＰＣ２５上の導体パターン２４に合わせ
て切断し、複数の振動子２３を作成する。この時、導体
パターン２４は所定の振動子ピッチが得られるよう作成
しておく。次にボンディングワイヤ３２により、振動子
２３の側面に形成された電極２１ｂとＦＰＣ２５上の導
体パターン２４とを接続し、接続終了後、薄肉円筒３１
にバッキング材２６を流し込み、トランスデューサＡ₂
を作製する。なお、薄肉円筒３１を用いてワイヤボンデ
ィング加工を行うのは、バッキング材２６上に直接ＦＰ
Ｃ２５を接着しようとすると、柔か過ぎてワイヤボンデ
ィングが行えない場合があるためである。

【００３３】このように構成した第２実施例の場合も、
第１実施例と同様の効果を奏することができる。

【００３４】なお、ＦＰＣ２５の幅には制限があり、ト
ランスデューサＡ₁，Ａ₂の振動子２３の数が多くなる
と、１つのＦＰＣ２５では導体接続が困難となる場合が
ある。この場合には、両面にパターンを有するＦＰＣを
用いたり、ＦＰＣを複数に分割した構成とし、これを重
ねて配置すればよい。

【００３５】また、回転部を例えば音響媒体等からシー
ルする必要がある場合には、ＦＰＣ２５の段差上部の位
置にトランスデューサＡ₁の全周にわたり、金属などの
剛体を設け、Ｏリングでシールすれば良い。

【００３６】図７は発明の第３実施例を示している。本
実施例では従来の円筒レンズに代り、球形レンズ４１が
用いられている。振動子２３の形状は前記実施例と同様
に円形とし、これにより、口径を大きく取り、分解能を
高くしている。

【００３７】球形レンズ４１の曲率半径は、窓材４２の
曲率半径より小さくしてある。したがって、図７に示す
ように、窓材４２とトランスデューサＡ₃とを音響媒体
４３を介して回転可能に密着あるいは接近して配置する
ことにより、超音波プローブＡ₃を小型化でき、かつ多
重反射の影響を低減できる。なお、トランスジューサＡ
₃は保持部材４４上に置かれ、ベアリング４５を介して
筐体４６内で回転可能としている。

【００３８】図８は第４実施例を示している。本実施例
では、球形レンズ４１が窓材４２に固定されている。こ
の場合のレンズ４１とトランスデューサＡ₄とは音響媒
体４３で回転可能に分離され、密着状態が望ましいが、
音響媒体４３は音響整合層の役割を果たすように構成し
ても良い。このような第４実施例の構成でも、第３実施
例と同様の効果が奏される。

【００３９】図９は第５実施例を示している。本実施例
では、音響媒体４３の音速が被検体の音速よりも遅くな
っており、音響媒体４３がレンズとしての機能を有して
いる。

【００４０】このような構成のトランスジューサＡ₅を
有する、第５実施例においても、第３実施例と同様の効
果が奏される。

【００４１】なお、球形レンズを使用した場合には電気
的遅延により、超音波の偏向、収束を行っている方向に
対しても、レンズが超音波ビームに影響を与えるので、
これを補正する必要が生じる。以下、この補正方法につ
いて説明する。

【００４２】図１０は円筒形レンズと球形レンズとの差
を説明するためのものである。今、振動子２２上の任意
の点Ｐの位置を（ｘ，ｙ，０）とする。また、円筒形レ
ンズの焦点位置を図中Ａ−Ａ′で示されるｙ＝０，ｚ＝
Ｆの直線とする。この時、トランスデューサＡの口径を
Ｄ、媒質の音速をＣとして、円筒形レンズの効果は次式
で与えられるｔ_cにより、表現することができる。

【００４３】

【数１】

【００４４】一方、ｘ＝０，ｙ＝０，ｚ＝Ｆの点Ｏ′を
焦点とする球形レンズの効果は同様に次式で与えられる
ｔ_sにより、表現することができる。

【００４５】

【数２】ここでｔ_cとｔ_sの差をΔｔとすれば、ｘ，ｙ，Ｄ＜＜
Ｆとして

【数３】 Δｔ＝ｔ_c−ｔ_s＝ｘ²／（２ＦＣ） …（３）となる。

【００４６】ここでΔｔは円筒形レンズと球形レンズを
遅延時間で表現した場合の差を示しており、逆にこのΔ
ｔだけ補正を行うことにより、球形レンズで円筒形レン
ズと同等の効果を得ることができる。ところで、このΔ
ｔは（３）式よりｘのみの関数であり、このことは電気
的遅延により、この補正を実行することを示している。
実際には、振動子の幅が有限であることなどから誤差が
生ずるが、これは大きなものではない。

【００４７】このような補正を行うことにより、球形レ
ンズを用いても円筒形レンズと同じ効果を得ることがで
き、プローブの小型化、多重反射の低減が可能となる。

【００４８】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、ＦＰＣを折曲
することがなく、これとトランスデューサとの電気的接
続を容易に行うことができる。また圧電板の側端面を利
用して接続を行っているため、圧電板の電圧が印加され
る有効部分を大きくでき、振動子の効率向上が図れるよ
うになる。また、トランスデューサが円形であるため、
その回転によりＦＰＣが変形しても折れ曲り等がなく、
信頼性が低下したり、ＦＰＣによるトランスデューサの
回転の妨げなどが生じない。

【００４９】また、請求項２の発明によれば、球形レン
ズを使用することにより、窓材とトランスデューサとの
距離を小さくすることができ、プローブの小型化が図れ
るとともに、多重反射の影響低減も図れるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すもので、振動子の電
気的接続構成を説明するための斜視図。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】同実施例における抵抗加熱を利用した接続方法
を説明するための図。

【図４】同実施例におけるトランスデューサとＦＰＣと
をプローブ内に収納した状態を示す平面図。

【図５】本発明の第２実施例を示すもので、図１に対応
する斜視図。

【図６】図５のＢ−Ｂ線断面図。

【図７】本発明の第３実施例を示すもので、球形音響レ
ンズを使用した場合の断面図。

【図８】本発明の第４実施例を示すもので、図７に対応
する断面図。

【図９】本発明の第５実施例を示すもので、図７に対応
する断面図。

【図１０】円筒形音響レンズと球形音響レンズとの差を
示す作用説明図。

【図１１】従来例を示すもので、振動子の電気的接続構
成を示す斜視図。

【図１２】トランスデューサ寸法とプローブ寸法との関
係を説明するための図。

【図１３】従来例におけるトランスデューサとＦＰＣと
をプローブ内に収納した状態を示す平面図。

【図１４】円筒形音響レンズを用いた従来の超音波トラ
ンスデューサを示す斜視図。

【図１５】図１４に示すトランスジューサを用いたプロ
ーブを示す断面図。

【符号の説明】

２１ａ，２１ｂ電極２２圧電素子２３振動子２４導電パターン２５ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）２６バッキング材４１球形レンズＡ，Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄ トランスデューサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円形バッキング材上に平行な多数の振動
子を全体として前記バッキング材と同心円状の輪殻とな
る配置で固定し、この各振動子のバッキング材との接合
面およびこれと反対側の面とに電極を形成し、かつ前記
各振動子の円形輪殻側の端面に前記電極の一部を露出さ
せるとともに、その露出した電極部に導体パターンをそ
れぞれ接合してフレキシブルプリント基板を前記振動子
周側面に巻装したことを特徴とする超音波トランスデュ
ーサ。
【請求項２】円形バッキング材上に平行な多数の振動
子を全体として前記バッキング材と同心円状の輪殻とな
る配置で固定し、この各振動子のバッキング材との接合
面およびこれと反対側の面とに電極を形成し、かつ前記
各振動子の円形輪殻側の端面に前記電極の一部を露出さ
せるとともに、その露出した電極部に導体パターンをそ
れぞれ接合してフレキシブルプリント基板を前記振動子
周側面に巻装し、さらに前記振動子上に球形の音響レン
ズを設けたことを特徴とする超音波トランスデューサ。