WO2016136327A1 - 超音波振動子ユニット - Google Patents

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和也 元木
小林　和裕
渡辺　徹
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer unit used for an ultrasonic probe, and more particularly to its structure.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus is an apparatus that transmits / receives ultrasonic waves to / from a living body and forms an ultrasonic image based on a reception signal obtained thereby.
  • Ultrasonic wave transmission / reception with respect to a living body is performed by an ultrasonic probe.
  • the probe includes a vibrator including a piezoelectric element, and ultrasonic waves are transmitted and received by driving the piezoelectric element.
  • the vibrator includes a matching layer disposed on the living body side of the piezoelectric element.
  • the matching layer is a layer for acoustically matching the piezoelectric element and the living body by sequentially reducing the acoustic impedance from the piezoelectric element to the living body.
  • the vibrator may have a resonance layer disposed adjacent to the back surface of the piezoelectric element, that is, the surface opposite to the living body side.
  • the acoustic impedance of resonance is higher than that of the piezoelectric element, and is useful for efficiently transmitting ultrasonic waves toward the living body by resonating with the piezoelectric element.
  • a circuit board having an electronic circuit for driving the piezoelectric element is disposed on the back surface of the vibrator.
  • Patent Document 1 shows an example of an ultrasonic probe.
  • the ultrasonic wave transmitted from the vibrator propagates to the circuit board, it is reflected within the circuit board, a part returns to the vibrator, and is further transmitted into the living body.
  • the ultrasonic waves due to the reflection in the circuit board are transmitted with a delay from the directly transmitted ultrasonic waves. Due to this delay, the ultrasonic image may be deteriorated as noise.
  • An object of the present invention is to reduce ultrasonic waves propagating from a vibrator to a circuit board side.
  • An ultrasonic transducer unit is disposed between a piezoelectric element, a circuit board including an electronic circuit for driving the piezoelectric element, and the piezoelectric element and the circuit board, and has an acoustic impedance higher than that of the piezoelectric element.
  • the ultrasonic wave Due to the difference in acoustic impedance between the resonance layer and the acoustic separation layer, the ultrasonic wave is reflected at the interface between these layers, thereby suppressing the propagation of the ultrasonic wave to the circuit board side.
  • the acoustic separation layer can be made of a porous material, particularly porous carbon.
  • the acoustic impedance of the resonance layer can be set to 2.3 times or more of the acoustic impedance of the piezoelectric element, and the acoustic impedance of the acoustic separation layer can be set to 1/20 or less of the acoustic impedance of the circuit board. Further, the acoustic impedance of the acoustic separation layer can be set to 1/70 of the acoustic impedance of the resonance layer.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an ultrasonic transducer unit 10 of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer unit 10.
  • the ultrasonic transducer unit 10 is incorporated in a probe of an ultrasonic diagnostic apparatus, and transmits and receives ultrasonic waves to a living body with which the probe contacts.
  • the ultrasonic transmission direction in FIG. 1 is upward.
  • terms indicating the upper and lower relationships such as “upper” and “lower” indicate the upper and lower in the figure, and do not indicate the upper and lower relationships in the usage mode and the like.
  • the ultrasonic transducer unit 10 includes a two-dimensional array transducer 14 in which individual transducers 12 are arranged vertically and horizontally.
  • the array transducer 14 shown in the figure has the same number of transducers 12 arranged vertically and horizontally, and is configured in a substantially square shape as a whole. Further, in the figure, for the sake of explanation, the number of the individual vibrators 12 is 25 in a 5 ⁇ 5 arrangement, but the actual array vibrator 14 has a remarkably large number of, for example, several thousand individual vibrators. 12 is provided.
  • the ultrasonic beam can be scanned at an arbitrary angle.
  • a three-dimensional ultrasonic image representing the three-dimensional space can be formed from the data in the three-dimensional space captured by scanning at an arbitrary angle.
  • the array transducer may be a one-dimensional array in which the individual transducers 12 are linearly arranged in a line. Further, it may be a substantially rectangular array in which different numbers of individual vibrators 12 are arranged in the vertical direction and the horizontal direction.
  • the ultrasonic transducer unit 10 includes a circuit board 16 including an electronic circuit that drives the array transducer 14 and a protective layer 18 that covers and protects the array transducer 14.
  • the circuit board 16 includes an electronic circuit board 20 on which an electronic circuit is formed, and a relay board 22 having wiring or a circuit for connecting the electronic circuit and the individual vibrator 12.
  • the relay board 22 may have a function of switching the connection between the terminal on the electronic circuit and the individual vibrator 12.
  • the individual vibrator 12 includes a vibration element 26 including a piezoelectric element 24 and an acoustic matching layer 28.
  • the vibration element 26 includes a resonance layer 30 in addition to the piezoelectric element 24.
  • the resonance layer 30 is disposed on the back side of the piezoelectric element 24, that is, on the opposite side to the direction in which ultrasonic waves are transmitted and received.
  • the resonance layer 30 has an acoustic impedance higher than that of the piezoelectric element 24, forms a hard back layer, and the piezoelectric element 24 and the resonance layer 30 are integrated to transmit and receive ultrasonic waves. .
  • the acoustic impedances of the piezoelectric element 24 and the resonance layer 30 are, for example, about 30 MRayl and 70 to 100 MRayl, respectively, and the acoustic impedance of the resonance layer 30 is 2.3 times or more that of the piezoelectric element 24.
  • the material of the resonance layer 30 is a resin material containing a conductive filler of carbon or tungsten, a metal, an alloy, a sintered body of metal, a sintered body of metal and an inorganic material, or a composite thereof.
  • the resonant layer 30 resonates with the piezoelectric element 24 and serves to efficiently transmit ultrasonic waves toward the living body.
  • the acoustic impedance of the circuit board 16, particularly the relay board 22, is about 20 MRayl.
  • the acoustic matching layer 28 is a layer for reducing the acoustic impedance from the piezoelectric element 24 to the living body in a stepwise manner and acoustically matching the piezoelectric element 24 and the living body.
  • the acoustic matching layer 28 may be composed of only one layer, but may have a plurality of layers in order to reduce the acoustic impedance as smoothly as possible toward the living body.
  • the first acoustic matching layer 28A and the second acoustic matching layer 28B are composed of two layers.
  • a ground electrode 32 common to the individual vibrators 12 is bonded to the surface of the individual vibrators 12 facing the protective layer 18.
  • the acoustic matching layer 28 has conductivity, and electrically connects the ground electrode 32 and the vibration element 26.
  • the acoustic matching layer 28 may be made of glassy carbon, carbon, a graphite material, or a resin mixed with a conductive filler in order to have conductivity.
  • an epoxy resin can be used as this resin.
  • an acoustic separation layer 34 is disposed adjacent to the resonance layer 30.
  • the acoustic isolation layer 34 has an acoustic impedance lower than that of the piezoelectric element 24 and the circuit board 16.
  • the acoustic impedances of the relay board 22 and the electronic circuit board 20 included in the circuit board 16 are substantially equal. However, if there is a difference between them, the acoustic impedance of the acoustic separation layer 34 is that of the relay board 22 on the acoustic separation layer 34 side. Lower than acoustic impedance.
  • the acoustic impedance of the acoustic separation layer 34 is made lower than the acoustic impedance of the electronic circuit substrate 20. Since the resonance layer 30 having higher acoustic impedance than the piezoelectric element 24 and the acoustic separation layer 34 having lower acoustic impedance than the circuit board 16 are adjacent to each other, there is a large difference in acoustic impedance at the boundary between the resonance layer 30 and the acoustic separation layer 34. Arise. Thereby, the ultrasonic waves are reflected at the boundary surface between the resonance layer 30 and the acoustic separation layer 34, and the ultrasonic waves propagated to the circuit board 16 are reduced.
  • the difference in acoustic impedance between the resonance layer 30 and the acoustic separation layer 34 can be increased.
  • the individual vibrator 12 is connected to an electrode provided on the surface of the circuit board 16 through an acoustic separation layer 34.
  • the resonance layer 30 and the acoustic separation layer 34 are conductive, and the piezoelectric element 24 and the electrode of the circuit board 16 are electrically connected.
  • the relay board 22 has a function of connecting the individual vibrator 12 and the electrode provided on the upper surface of the electronic circuit board 20.
  • the connection between the individual vibrator 12 and the electrode is made by a through via provided in the relay board 22. It has been realized.
  • the arrangement of wirings in the relay substrate 22 and the difference in the arrangement and pitch of the electrodes on the electronic circuit board 20 and the individual vibrators 12 can be matched. Further, a circuit for switching the connection relationship between the electrodes on the electronic circuit board 20 and the individual vibrators 12 may be provided in the relay board 22.
  • the acoustic separation layer 34 is for reflecting ultrasonic waves at the boundary surface with the resonance layer 30 due to the difference in acoustic impedance with the resonance layer 30. It needs to be made of materials with a large difference. As described above, since the acoustic impedance of the resonance layer 30 is high, it is desirable that the acoustic separation layer 34 has a low acoustic impedance to provide a large acoustic impedance difference. Moreover, since the electric power supplied from the circuit board 16 flows through the acoustic separation layer 34, high conductivity is required. Furthermore, the acoustic separation layer 34 connects the individual vibrators 12 and the circuit board 16, and high structural strength is also required. Thus, the acoustic separation layer 34 is required to have low acoustic impedance, high conductivity, and high structural strength.
  • a material that satisfies the above-described characteristics required for the acoustic separation layer 34 is a porous material.
  • the porosity can be increased to 80% or more by mixing a binder or the like during the production of the sinterable conductive material, thereby making it possible to reduce the acoustic impedance to 1 MRayl or less.
  • More specific materials include porous metal and porous carbon. The characteristics of a certain porous carbon are such that the acoustic impedance is 0.7 to 1.0 MRayl, the specific resistance is about 2 to 20 ⁇ 10 ⁇ 2 ⁇ cm, and the flexural modulus is 2 to 15 GPa.
  • FIG. 3 is a diagram showing the effect of the acoustic separation layer 34 made of porous carbon having the above characteristics.
  • the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the amplitude of the ultrasonic wave.
  • a broken line is a graph when the acoustic separation layer 34 is not provided, and a solid line is a graph when the acoustic separation layer 34 is provided. It is shown that the pulse width of the ultrasonic wave at ⁇ 20 dB is about 50%. This indicates that the influence of multiple reflections in the layer behind the acoustic separation layer 34 is reduced. Also in the actual ultrasonic image, a reduction in acoustic noise caused by multiple reflection was confirmed.
  • the acoustic impedance of the porous carbon acoustic separation layer 34 is 1/20 with respect to the circuit board 16 and 1/100 to 1/70 with respect to the resonance layer 30. If the numerical value is less than this, it is suggested that the pulse width of the ultrasonic wave can be 50% or less, and the image quality improvement of the ultrasonic image is achieved.
  • the degree of freedom of material selection for the layer disposed on the back side of the acoustic separation layer 34 is increased.
  • noise is suppressed by attenuating the ultrasonic waves that have entered the layer behind the vibration element 26 such as the circuit board 16 within the layer. Therefore, it is necessary to select a material having a large attenuation as the material of the layer.
  • the ultrasonic wave propagating behind the acoustic separation layer 34 is reduced, so that a material with low attenuation can be selected.
  • ultrasonic transducer unit 10 ultrasonic transducer unit, 12 transducers, 16 circuit board, 20 electronic circuit board, 22 relay board, 24 piezoelectric element, 26 vibration element, 28 acoustic matching layer, 30 resonance layer, 34 acoustic separation layer.

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Abstract

　圧電素子(２４)と、圧電素子を駆動する電子回路を備えた回路基板(１６)の間に、共振層(３０)と音響分離層(３４)を互いに隣接させて配置する。共振層(３０)は、圧電素子(２４)より音響インピーダンスが高く、音響分離層(３４)は回路基板(１６)より音響インピーダンスが低い。音響インピーダンスの差が大きい共振層(３０)と音響分離層(３４)の境界面において、超音波が反射され、回路基板(１６)側に伝播する超音波が減少する。

Description

超音波振動子ユニット
　本発明は、超音波探触子に用いられる超音波振動子ユニットに関し、特にその構造に関する。
　医療の分野において超音波診断装置が活用されている。超音波診断装置は、生体に対して超音波を送受波し、これにより得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する装置である。生体に対する超音波の送受波は超音波探触子（プローブ）によって行われる。プローブは、圧電素子を含む振動子を備え、圧電素子を駆動することで超音波が送受される。
　振動子は、圧電素子の生体側に配置された整合層を含む。整合層は、圧電素子から生体への音響インピーダンスを順次減少させて、圧電素子と生体を音響的に整合させるための層である。また、振動子は、圧電素子の背面、つまり生体側とは反対側の面に隣接して配置された共振層を有していてもよい。共振の音響インピーダンスは圧電素子に対して高く、圧電素子と共振して生体に向けて効率よく超音波を発信するのに役立っている。振動子の背面には、圧電素子を駆動する電子回路を備えた回路基板が配置される。下記特許文献１に、超音波探触子の例が示されている。
特表２００５－５０７５８１号公報
　振動子から送波された超音波が回路基板に伝播すると回路基板内で反射し、一部が振動子に戻り、更に生体内に送波される。この回路基板内の反射による超音波は、直接送波された超音波に遅れて送波され、この遅れのためにノイズとなって超音波画像が劣化する場合がある。
　本発明は、振動子から回路基板側に伝播する超音波を低減することを目的とする。
　本発明に係る超音波振動子ユニットは、圧電素子と、圧電素子を駆動する電子回路を備えた回路基板と、圧電素子と回路基板の間に配置され、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスよりも高い共振層と、共振層に隣接して共振層の回路基板側に配置され、音響インピーダンスが回路基板の音響インピーダンスより低い音響分離層と、を有する。
　共振層と音響分離層の音響インピーダンスの差により、これらの層の境界面で超音波を反射することにより、回路基板側へ超音波の伝播を抑制することができる。
　また、音響分離層は多孔質材料、特に多孔質カーボンからなるものとすることができる。
　さらに、共振層の音響インピーダンスを圧電素子の音響インピーダンスの２．３倍以上とし、音響分離層の音響インピーダンスを回路基板の音響インピーダンスの１／２０以下とすることができる。また、音響分離層の音響インピーダンスを共振層の音響インピーダンスの１／７０とすることができる。
　音響分離層と共振層の境界面で超音波を反射し、回路基板への超音波の伝播を抑制することで、回路基板内で反射した超音波によるノイズを低減することができる。
本実施形態の超音波振動子ユニットの概略構成を示す斜視図である。 本実施形態の超音波振動子ユニットの概略構成を示す断面図である。 音響分離層の効果を示す図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の超音波振動子ユニット１０を示す斜視図である。また、図２は、超音波振動子ユニット１０の断面図である。超音波振動子ユニット１０は、超音波診断装置のプローブに内蔵され、プローブが接触する生体に対して超音波の送受を行う。図１における超音波の送信方向は上方である。なお、以下の説明において、「上」「下」などの上下の関係を示す語句は、図における上下を示すものであり、使用態様等における上下関係を示すものではない。
　超音波振動子ユニット１０は、個振動子１２が縦横に配置された二次元のアレイ振動子１４を含む。図示するアレイ振動子１４は、縦横に同数の個振動子１２が配列され、全体として略正方形に構成される。また、図においては、説明のために、個振動子１２の数を５×５配置の２５個としているが、実際のアレイ振動子１４は、格段に多くの、例えば数千個の個振動子１２を備えている。この構成においては、超音波ビームを任意の角度に走査することができる。任意の角度の走査によって取り込まれた三次元空間内のデータから、三次元空間を表す三次元超音波画像を形成することができる。このデータから任意の断面における超音波画像を形成することもできる。アレイ振動子は、個振動子１２が一列に直線状に配列された一次元アレイであってもよい。また、縦方向と横方向において異なる個数の個振動子１２を配列した、略長方形のアレイであってもよい。
　超音波振動子ユニット１０は、アレイ振動子１４を駆動する電子回路を備えた回路基板１６と、アレイ振動子１４を覆って保護する保護層１８を有する。この超音波振動子ユニット１０の場合、回路基板１６は、電子回路が形成された電子回路基板２０と、この電子回路と個振動子１２を接続するための配線または回路を有する中継基板２２を有する。中継基板２２は、電子回路上の端子と個振動子１２の接続を切り換える機能を有していてもよい。
　個振動子１２は、圧電素子２４を含む振動素子２６と音響整合層２８とを含む。振動素子２６は、圧電素子２４の他に共振層３０を含む。共振層３０は、圧電素子２４の背面側、つまり超音波を送受する向きの反対側に配置される。また、共振層３０は、圧電素子２４より音響インピーダンスが高くされており、ハード背面層を形成し、圧電素子２４と共振層３０が一体となって超音波の送波および受波を行っている。圧電素子２４と共振層３０の音響インピーダンスはそれぞれ、例えば３０ＭRayl程度、７０～１００ＭRaylであり、共振層３０の音響インピーダンスは圧電素子２４の２．３倍以上である。共振層３０の材料は、カーボンやタングステンの導電性のフィラーを含む樹脂材料、金属、合金、金属の焼結体、金属と無機材料の焼結体、またはそれらの複合体である。共振層３０は、圧電素子２４と共振して生体に向けて効率よく超音波を発信するのに役立つ。また、回路基板１６、特に中継基板２２の音響インピーダンスは、約２０ＭRaylである。
　音響整合層２８は、圧電素子２４から生体へ音響インピーダンスを段階的に減少させ、圧電素子２４と生体を音響的に整合させるための層である。音響整合層２８は、１層のみにより構成されてもよいが、音響インピーダンスを生体に向けてできるだけ滑らかに減少させるために複数の層を有してもよい。図示する例では、第１音響整合層２８Ａ、第２音響整合層２８Ｂの２層から構成されている。
　個振動子１２の保護層１８に対向する面には、各個振動子１２に共通のグランド電極３２が接合されている。音響整合層２８は、導電性を有しており、グランド電極３２と振動素子２６を電気的に接続している。音響整合層２８は、導電性を持たせるために、ガラス状カーボン、炭素、グラファイト材または導電性フィラーが混入された樹脂を用いることができる。この樹脂は、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。
　共振層３０の背面側、つまり回路基板１６側には、音響分離層３４が共振層３０に隣接して配置される。音響分離層３４は、その音響インピーダンスが圧電素子２４および回路基板１６より低い。回路基板１６が含む中継基板２２と電子回路基板２０の音響インピーダンスはほぼ等しいが、これらに相違がある場合には、音響分離層３４の音響インピーダンスは、音響分離層３４側にある中継基板２２の音響インピーダンスより低くされる。また、中継基板２２がない場合には、音響分離層３４の音響インピーダンスは、電子回路基板２０の音響インピーダンスより低くされる。圧電素子２４より高い音響インピーダンスの共振層３０と、回路基板１６より低い音響インピーダンスの音響分離層３４が隣接することで、共振層３０と音響分離層３４の境界には、音響インピーダンスの大きな差が生じる。これにより、共振層３０と音響分離層３４の境界面で超音波が反射し、回路基板１６に伝播する超音波が減少する。共振層３０の音響インピーダンスを圧電素子２４より高くし、音響分離層３４の音響インピーダンスを中継基板２２より低くすることで、共振層３０と音響分離層３４の音響インピーダンスの差を大きくすることができる。
　個振動子１２は、音響分離層３４を介して回路基板１６の表面に設けられた電極に接続されている。共振層３０および音響分離層３４は導電性とされ、圧電素子２４と回路基板１６の電極が電気的に接続される。中継基板２２は、個振動子１２と電子回路基板２０の上面に設けられた電極とを接続する機能を有し、例えば中継基板２２に設けられた貫通ビアによって個振動子１２と電極の接続が実現されている。中継基板２２内の配線の配置によって、電子回路基板２０上の電極および個振動子１２の配列やピッチの相違を整合させることができる。また、中継基板２２内に、電子回路基板２０上の電極と個振動子１２の接続関係を切り替えるための回路を備えるようにしてもよい。
　音響分離層３４は、前述のように、共振層３０との音響インピーダンスの差によって、共振層３０との境界面にて超音波を反射するためものであるから、共振層３０との音響インピーダンスの差が大きい材料から構成される必要がある。前述のように、共振層３０の音響インピーダンスは高いので、音響分離層３４は音響インピーダンスを低くして、大きな音響インピーダンスの差を設けることが望ましい。また、音響分離層３４には、回路基板１６から供給される電力が流れるので、高い導電性が要求される。さらに、音響分離層３４は、個振動子１２と回路基板１６を接続しており、高い構造強度も要求される。このように、音響分離層３４には、低い音響インピーダンス、高い導電性、および高い構造強度が要求される。
　音響分離層３４に要求される前記の特性を満足させる材料として、多孔質材料が挙げられる。例えば、焼結性導電材の生成時にバインダー等の混入により空孔率を８０パーセント以上にすることが可能であり、これによって音響インピーダンスを１ＭRayl以下とすることが可能となる。より具体的な材料としては、多孔質金属や、多孔質カーボンが挙げられる。ある多孔質カーボンの特性は、音響インピーダンスが０．７～１．０ＭRayl、固有抵抗が約２～２０×１０-2Ωcm、曲げ弾性率が２～１５ＧＰaであり、前述の要求特性を満たす。
　図３は、上記の特性を有する多孔質カーボン製の音響分離層３４の効果を示す図である。横軸が時間、縦軸が超音波の振幅を示している。破線が音響分離層３４を設けない場合、実線が音響分離層３４を設けた場合のグラフである。－２０ｄＢにおける超音波のパルス幅が約５０パーセントになったことが示されている。これは、音響分離層３４の背後の層内での多重反射による影響が減少したことを示している。実際の超音波画像においても、多重反射によって生じる音響的なノイズの減少が確認された。
　この多孔質カーボン製の音響分離層３４の音響インピーダンスは、回路基板１６に対して１／２０であり、共振層３０に対して１／１００～１／７０である。これ以下の数値であれば、超音波のパルス幅を５０パーセント以下とすることができることが示唆され、超音波画像の画質改善が達成される。
　共振層３０と音響分離層３４の境界面において超音波を反射するようにしたことにより、音響分離層３４の背面側に配置される層について材料選択の自由度が高まる。音響分離層３４のない従来の構成の場合、回路基板１６など振動素子２６の背後の層に進入した超音波を層内で減衰させることによりノイズの抑制を行っていた。このため、その層の材料は減衰の大きな材料を選択する必要があった。音響分離層３４を設けることにより、音響分離層３４の背後に伝播する超音波が減少するため、減衰が小さい材料を選択することが可能になる。
　１０ 超音波振動子ユニット、１２ 個振動子、１６ 回路基板、２０ 電子回路基板、２２ 中継基板、２４ 圧電素子、２６ 振動素子、２８ 音響整合層、３０ 共振層、３４ 音響分離層。

Claims (5)

  1. 　超音波振動子ユニットであって、
    　圧電素子と、
    　圧電素子を駆動する電子回路を備えた回路基板と、
    　圧電素子と回路基板の間に配置され、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスよりも高い共振層と、
    　共振層に隣接して共振層の回路基板側に配置され、音響インピーダンスが回路基板の音響インピーダンスより低い音響分離層と、
    を有する、超音波振動子ユニット。
  2. 　請求項１に記載の超音波振動子ユニットであって、音響分離層は多孔質材料からなる、超音波振動子ユニット。
  3. 　請求項１に記載の超音波振動子ユニットであって、音響分離層は多孔質カーボンからなる、超音波振動子ユニット。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波振動子ユニットであって、
    　共振層の音響インピーダンスは圧電素子の音響インピーダンスの２．３倍以上であり、音響分離層の音響インピーダンスは回路基板の音響インピーダンスの１／２０以下である、
    超音波振動子ユニット。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の超音波振動子ユニットであって、
    　音響分離層の音響インピーダンスが、共振層の音響インピーダンスの１／７０以下である、
    超音波振動子ユニット。
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