JP3949989B2

JP3949989B2 - 超音波プローブ及び超音波プローブ製造方法

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Publication number: JP3949989B2
Application number: JP2002089767A
Authority: JP
Inventors: 克敏湯浅
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003289597A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波プローブ及び超音波プローブ製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波プローブは、対象物の内部状態を画像化等を目的として、超音波を対象物に向けて照射し、その対象物における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信するための装置である。このような超音波プローブが採用された超音波画像装置として、例えば、人体内部を検査するための医用診断装置や金属溶接内部の探傷を目的とする検査装置等が存在する。特に、医用診断装置としての超音波診断装置においては、例えば人体の断層像（Ｂモード像）、超音波の血流によるドプラシフトを利用して血流の速度を２次元でカラー表示するカラーフローマッピング（ＣＦＭ）法、二次高調波を画像化したティッシュハーモニックイメージング（ＴＨＩ）法等、種々の撮影技術が開発されている。超音波プローブは、これら種々の撮影方法に応じた形態を有し、人体のあらゆる臓器器官に関する超音波の送受信を可能にしている。
【０００３】
典型的な超音波プローブは、圧電素子と、当該圧電素子に電圧を印加するための電極と、を有する超音波振動子をアレイ状に複数配列した超音波振動子群を有している。この超音波振動子の電極には、フレキシブル配線基板の電極が半田付けや導電性接着剤により接続されている。このフレキシブル配線基板は、超音波振動子と超音波診断装置本体との電気的な接続を行い、超音波振動子を駆動するための駆動信号及び超音波振動子で受波した受信信号を伝達する。各超音波振動子には、このフレキシブル配線基板の接続のため、電圧の印加によって圧電振動を行う振動領域と、電気配線を確保するための非振動領域とが存在する。
【０００４】
通常の超音波プローブの各超音波振動子間には、超音波振動子の支持のためにシリコン接着剤等の音響結合性の低い接着剤が充填されている。しかしながら、このような音響接合性の低い接着剤の充填では、超音波振動子の振動により、超音波振動子とフレキシブル配線基板の接続部で超音波振動子にひび割れ等の破損が生じることが多い。
【０００５】
又、エポキシ樹脂やウレタン接着剤等の音響結合性の高い樹脂等の音響結合性の高い樹脂等によって超音波振動子間を充填すると、電極結合部の強度は向上するが、音響特性が悪化してしまう。従って、被検体内等に照射する超音波ビームの集束性が悪くなり、収集された超音波画像の画質が低下するという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、圧電素子と電極との間で高い結合強度を有し、且つ、音響特性が良好で画質の良い超音波画像を提供することのできる超音波プローブ、及び当該超音波プローブの製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。
【０００８】
本発明の第１の視点は、少なくとも一方の端部に非振動領域を有する超音波振動子をアレイ状に複数配列した超音波振動子群と、前記超音波振動子の非振動領域同士を接着する第１の接着剤と、前記超音波振動子の前記非振動領域以外の領域である振動領域同士を接着し、前記第１の接着剤よりも低い音響結合特性を有する第２の接着剤と、を具備することを特徴とする超音波プローブである。
【０００９】
本発明の第２の視点は、圧電素子と前記圧電素子に電圧を印加するための電極とを有し、少なくとも一方の端部に非振動領域が形成される超音波振動子をアレイ状に複数配列する工程と、前記各超音波振動子の前記非振動領域以外の領域である振動領域をマスキングする工程と、隣り合う前記超音波振動子の非振動領域の間に、第１の接着剤を充填し硬化させる工程と、前記マスキングを除去し、隣り合う前記超音波振動子の前記振動領域間に、前記第１の接着剤よりも低い音響結合特性を有する第２の接着剤を充填し硬化させる工程と、を具備することを特徴とする超音波プローブ製造方法である。
【００１０】
本発明の第３の視点は、圧電素子と前記圧電素子に電圧を印加するための電極とを有し、少なくとも一方の端部に非振動領域が形成される超音波振動子をアレイ状に複数配列する工程と、前記各超音波振動子の前記非振動領域をマスキングする工程と、隣り合う前記超音波振動子の振動領域の間に、第１の接着剤を充填し硬化させる工程と、前記マスキングを除去し、隣り合う前記超音波振動子の前記非振動領域間に、前記第１の接着剤よりも高い音響結合特性を有する第２の接着剤を充填し硬化させる工程と、を具備することを特徴とする超音波プローブ製造方法である。
【００１１】
このような構成によれば、圧電素子と電極との間で高い結合強度を有し、且つ音響特性の高い超音波プローブ、及び当該超音波プローブの製造方法を実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１０の概略構成を示したブロック図である。まず、同図を基に超音波診断装置１０の構成と信号の流れを説明する。
【００１４】
超音波診断装置１０は、被験者との間で超音波信号の送受信を担う超音波プローブ１２と、この超音波プローブを駆動しかつ超音波プローブの受信信号を処理する装置本体１１と、この装置本体に接続されかつオペレータからの指示情報を装置本体に入力可能な入力部１３とを具備している。
【００１５】
超音波プローブ１２は、被験者との間で超音波信号の送受信を担う探触子である。この超音波プローブ１２の構成については、後で詳しく説明する。
【００１６】
入力部１３には、診断装置の制御や様々な画質条件設定を行うことが可能な、ボタン、キーボード、トラックボールなどが含まれる。
【００１７】
装置本体１１は、超音波送信ユニット２１、超音波受信ユニット２２、Ｂモード処理回路２３、ドプラ処理回路２４、画像処理回路２５、イメージメモリ回路２６、表示部２８、心拍検出ユニット２９、記憶媒体３０、ネットワーク回路３１、コントローラ３２、を具備している。
【００１８】
超音波送信ユニット２１は、図示しないが、トリガ発生器、遅延回路およびパルサ回路からなり、パルス状の超音波を生成してプローブ１２の振動素子に送ることで収束超音波パルスを生成する。被検体内の組織で散乱したエコー信号は再びプローブ１２で受信される。
【００１９】
プローブ１２から素子毎に出力されるエコー信号は、超音波受信ユニット２２に取り込まれる。ここでエコー信号は、図示しないが、チャンネル毎にプリアンプで増幅され、Ａ／Ｄ変換後に受信遅延回路により受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与えられ、加算器で加算される。この加算により受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調される。この送信指向性と受信指向性とにより送受信の総合的な超音波ビームが形成される。
【００２０】
超音波受信ユニット２２からの出力は、Ｂモード処理回路２３に送られる。ここでエコー信号対数増幅、包絡線検波処理などが施され、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータとなる。ドプラ処理回路２４は、エコー信号から速度情報を周波数解析し、解析結果を画像処理回路２５に送る。
【００２１】
画像処理回路２５は、超音波スキャンの走査線信号列を、テレビなどに代表される一般的なビデオフォーマットの走査線信号列に変換する。この変換後の信号は、必要に応じて種々の設定パラメータの文字情報や目盛、ガイダンス画像などと共に合成され、ビデオ信号として表示部２８に出力される。
【００２２】
表示部２８は、画像処理回路２５から入力した信号に基づいて、被検体組織形状を表す断層を表示する。
【００２３】
イメージメモリ回路２６は、画像データを格納する記憶メモリから成る。この情報は、例えば診断の後に操作者が呼び出すことが可能となっており、複数枚を使っての動画再生が可能となる。
【００２４】
記憶媒体３０は、後述の診断解析プログラム等に使用する種々のソフトウェアプログラム、音声・画像などのライブラリが保管されている。またイメージメモリ回路２６中の画像の保管などにも使用される。なお、記憶媒体３０のデータは、ネットワーク回路３１を経由して外部周辺装置ヘ有線あるいは無線ネットワーク転送することも可能となっている。
【００２５】
コントローラ３２は、情報処理装置（計算機）としての機能を持ち、本超音波診断装置本体の動作を制御する制御手段である。またコントローラ３２では、後述するが、本発明の主要部であるワークフローシステムが実行される。
【００２６】
（超音波プローブ）
次に、超音波プローブ１２の構成について、図２、図３を参照しながら詳しく説明する。
【００２７】
図２は、超音波プローブ１２の構成を説明するための図である。図２において、超音波プローブ１２は、圧電素子１２１、第１の電極１２２、第２の電極１２３、バッキング材１２４、音響マッチング層１２５、音響レンズ１２６、アース電極１２７、フレキシブル配線基板１２８を具備している。
【００２８】
圧電素子１２１は、矩形状に整形された２成分系或いは３成分系の圧電セラミックス等であり、アレイ状に並べられている。所定周期の送信パルス電圧を印加することにより、各圧電素子１２１は被検体を発生する。
【００２９】
図３は、図２に示した圧電素子１２１の拡大図である。
【００３０】
各圧電素子１２１は、図３に示すように、圧電振動を行う振動領域と、圧電振動を行わない非振動領域とを有している。非振動領域には、アース電極１２７、フレキシブル配線基板１２８が設けられ、圧電素子への電圧印加及び受信信号取り出しのための配線が確保される。すなわち、圧電素子１２１は、非振動領域に設けられたアース電極１２７、フレキシブル配線基板１２８信号を介して、ケーブルを経由し、超音波診断装置本体のパルサ又はレシーバと電気的なやり取りを行う。
【００３１】
また、各圧電素子１２１は、接着層（図２、図３には図示せず。図６参照）によって互いに接着され一体化されている。この接着層は、音響結合の比較的低い第１の接着領域と、音響結合の比較的高い第２の接着領域とを有している。第１の接着領域は、隣り合う圧電素子１２１の振動領域間を接着し、第２の接着領域は、隣り合う圧電素子１２１の非振動領域間を接着する。第１の接着領域は、音響結合の低い樹脂、例えばシリコン接着剤等からなり、第２の接着領域は、音響結合の高い樹脂、例えばエポキシ接着剤等からなる。この接着層の形成については、後述する超音波プローブ製造方法において詳しく説明する。
【００３２】
第１の電極１２２は、各圧電素子１２１の超音波照射側の面に設けられた電極である。また、第２の電極１２３は、第１の電極１２２と反対側の面に設けられた電極である。各電極１２２、１２３に電位差を生じさせることにより、圧電素子１２１を圧電振動させることで、超音波が照射される。
【００３３】
バッキング材１２４は、フレキシブル配線基板１２８の背面に設けられており、圧電素子１２１を機械的に支持する。また、バッキング材１２４は、超音波パルスを短くするために、圧電素子１２１を制動している。このバッキング材１２４の厚さは、トランスデューサの音響的特性を良好に保つため、使用する超音波周波数の波長に対して十分な厚さ（十分減衰される厚さ）に保たれている。
【００３４】
音響マッチング層１２５は、図示していない被検体と圧電素子１２１との間に位置するように設けられており、単層或いは多層から成っている。当該音響マッチング層１２５における音速、厚み、音響インピーダンス等のパラメータを調節することで、被検体と圧電素子１２１との音響インピーダンスの整合を図ることができる。
【００３５】
音響レンズ１２６は、音響インピーダンスが生体に近いシリコーンゴム等から成るレンズであり、音波の屈折を利用して超音波ビームを集束させ分解能を向上させる。
【００３６】
アース電極１２７は、第１の電極１２２の一端に設けられている共通電極板であり、圧電素子１２１に電力の印加等するための電極である。
【００３７】
フレキシブル配線基板１２８は、第２の電極１２３の一端に設けられており、各圧電素子１２１に電力を印加するための柔軟性を備えた電極基板である。
【００３８】
（超音波プローブ製造方法）
次に、超音波プローブ１２の製造方法について、図４、図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。
【００３９】
図４は、超音波プローブ１２を製造する手順を示したフローチャートである。図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）は、超音波プローブ１２の各製造プロセスを説明するための図である。
【００４０】
図４において、まず圧電結晶体を所定の形状、サイズにて切断し、圧電素子１２１を形成する（ステップＳ１）。すなわち、所定厚のブレードにより、圧電結晶体をダイシングソーで所定ピッチにて切り出すことで、圧電素子１２１を形成する。切断され形成された各圧電素子１２１は、図５（ａ）に示すように、所定間隔にてアレイ状に配列される。
【００４１】
次に、図５（ｂ）に示すように、各圧電素子１２１の振動領域に、テープ等にてマスキング処理を行う（ステップＳ２）。すなわち、図３に示したように、圧電素子１２１には、振動領域と非振動領域とが存在する。この各圧電素子１２１の振動領域を、図５（ｂ）に示すようにマスキングする。
【００４２】
次に、マスキングされていない非振動領域に対して、比較的音響結合の高い樹脂、例えばエポキシ接着剤を充填し、硬化させる（ステップＳ３）。このとき、充填するエポキシ接着剤は、圧電素子１２１の振動領域に流入しない程度の粘度を有するものが好ましい。
【００４３】
図６（ａ）は、マスキングされていない非振動領域に対して、エポキシ樹脂剤を充填した様子を示した図である。同図に示す様に、振動領域には、比較的音響結合の高いエポキシ樹脂は充填されない。また、粘度の高いエポキシ樹脂を使用することで、振動領域への流入を防止することができる。
【００４４】
次に、マスキングを除去し、圧電素子１２１の振動領域に対して、比較的音響結合の低い樹脂、例えばシリコン接着剤を充填し、硬化させる（ステップＳ４）。
【００４５】
図６（ｂ）は、マスキングが除去された振動領域に対して、比較的音響結合の低いシリコン接着剤を充填した様子を示した図である。同図に示す様に、接着層１２９は、音響結合の比較的低いシリコン接着剤が充填された第１の接着領域と、音響結合の比較的高いエポキシ樹脂が充填された第２の接着領域とを有している。すなわち、圧電素子１２１の振動領域は第１の接着領域により接着され、非振動領域は第２の接着領域により接着されるから、音響特性を悪化させずに、圧電素子１２１と各電極１２７、１２８とを高い強度にて接合することができる。
【００４６】
次に、第１の電極１２２にアース電極１２７を、第２の電極１２３にフレキシブル配線基板１２８を、導電ペーストを用いて接続し（ステップＳ５）、第１の電極１２２側に音響マッチング層１２５を形成し（ステップＳ６）、第２の電極１２３にバッキング材をエポキシ樹脂等で接着する（ステップＳ７）。
【００４７】
次に、音響マッチング層１２５上に音響レンズ１２６を接着する（ステップＳ８）。すなわち、ダイシングソーにより所定厚のブレードで、アレイ方向に所定ピッチで溝を形成する。その溝にシリコーン系の接着剤を充填し、音響レンズ１２６を音響マッチング層１２５に接着する。
【００４８】
最後に、所定の筐体に格納し、例えば静電容量１１０ｐＦ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配線基板１２８に接続することで、１次元アレイ型超音波プローブ１２を製造することができる（ステップＳ９）。
【００４９】
なお、図４のフローに示した手順では、最初に非振動領域に接着剤を充填し、次いで振動領域に接着剤を充填した。この逆の順序、すなわち、圧電素子１２１の非振動領域領域にマスキングをし、振動領域の間に接着剤を充填した後、非振動領域に接着剤を充填する構成であってもよい。この場合、最初に充填される接着剤、すなわち振動領域の間に充填される接着剤については、圧電素子１２１の非振動領域に流入しない程度の粘度を有するものを使用する。
【００５０】
また、図７に示すように、圧電素子１２１の両端に非振動領域が存在する場合であっても、本手法にて、例えば非振動領域に音響結合の強い樹脂を充填し、振動領域に音響結合の弱い樹脂を充填すればよい。
【００５１】
以上述べた構成によれば、圧電素子と電極の間で高い強度を有し、かつ良好な音響特性を有する超音波プローブを得ることができる。その結果、対象物内に集束性の高い超音波ビームを照射することができ、診断、観察に良好な超音波画像を取得することができる。
【００５２】
また、簡易な手法にて音響結合特性の異なる層をもつ超音波振動子接着層を形成することができる。従って、対象物内に集束性の高い超音波ビームを照射することができ、診断、観察に良好な超音波画像を取得可能な超音波プローブを、迅速かつ低コストにて製造することができる。
【００５３】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変形例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００５４】
また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００５５】
【発明の効果】
以上本発明によれば、圧電素子と電極との間で高い結合強度を有し、且つ音響特性の良い超音波プローブを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１０の概略構成を示したブロック図である。
【図２】図２は、超音波プローブ１２の構成を説明するための図である。
【図３】図３は、図２に示した圧電素子１２１の拡大図である。
【図４】図４は、超音波プローブ１２を製造する手順を示したフローチャートである。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、超音波プローブ１２の各製造プロセスを説明するための図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、超音波プローブ１２の各製造プロセスを説明するための図である。
【図７】図７は、医療用途の超音波プローブに使用される圧電素子の外観図である。
【符号の説明】
１０…超音波診断装置
１１…装置本体
１２…超音波プローブ
１３…入力部
２１…超音波送信ユニット
２２…超音波受信ユニット
２３…Ｂモード処理回路
２４…ドプラ処理回路
２５…画像処理回路
２６…イメージメモリ回路
２８…表示部
２９…心拍検出ユニット
３０…記憶媒体
３１…ネットワーク回路
３２…コントローラ
１２１…圧電素子
１２２…第１の電極
１２３…第２の電極
１２４…バッキング材
１２５…音響マッチング層
１２６…音響レンズ
１２７…アース電極
１２８…フレキシブル配線基板
１２９…接着層

Claims

少なくとも一方の端部に非振動領域を有する超音波振動子をアレイ状に複数配列した超音波振動子群と、
前記超音波振動子の非振動領域同士を接着する第１の接着剤と、
前記超音波振動子の前記非振動領域以外の領域である振動領域同士を接着し、前記第１の接着剤よりも低い音響結合特性を有する第２の接着剤と、
を具備することを特徴とする超音波プローブ。
前記第１の接着剤はエポキシ樹脂からなり、前記第２の接着剤はシリコン樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
圧電素子と前記圧電素子に電圧を印加するための電極とを有し、少なくとも一方の端部に非振動領域が形成される超音波振動子をアレイ状に複数配列する工程と、
前記各超音波振動子の前記非振動領域以外の領域である振動領域をマスキングする工程と、
隣り合う前記超音波振動子の非振動領域の間に、第１の接着剤を充填し硬化させる工程と、
前記マスキングを除去し、隣り合う前記超音波振動子の前記振動領域間に、前記第１の接着剤よりも低い音響結合特性を有する第２の接着剤を充填し硬化させる工程と、
を具備することを特徴とする超音波プローブ製造方法。
前記第１の接着剤はエポキシ接着剤であり、前記第２の接着剤はシリコン接着剤であることを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ製造方法。
圧電素子と前記圧電素子に電圧を印加するための電極とを有し、少なくとも一方の端部に非振動領域が形成される超音波振動子をアレイ状に複数配列する工程と、
前記各超音波振動子の前記非振動領域をマスキングする工程と、
隣り合う前記超音波振動子の振動領域の間に、第１の接着剤を充填し硬化させる工程と、
前記マスキングを除去し、隣り合う前記超音波振動子の前記非振動領域間に、前記第１の接着剤よりも高い音響結合特性を有する第２の接着剤を充填し硬化させる工程と、
を具備することを特徴とする超音波プローブ製造方法。
前記第１の接着剤はシリコン接着剤であり、前記第２の接着剤はエポキシ接着剤であることを特徴とする請求項５記載の超音波プローブ製造方法。