JP4516451B2 - 超音波プローブ、および超音波プローブの作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体の所要部に超音波を照射し、生体からのエコー信号を受信する超音波トランスデューサを備えた超音波プローブ、およびその作製方法に関する。

近年、医療分野において、超音波画像を利用した医療診断が実用化されている。超音波画像は、超音波プローブから生体の所要部に超音波を照射し、超音波プローブとコネクタを介して接続された超音波観測器で、生体からのエコー信号を電気的に検出することによって得られる。超音波プローブの駆動方式としては、超音波を送受信する超音波トランスデューサを複数個配置し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式が知られている。

電子スキャン走査方式の超音波プローブには、プローブ先端に複数個（例えば９４〜１２８個）の超音波トランスデューサを扇状に配置したコンベックス電子走査方式がある。また、プローブ先端の外周に複数個（例えば３６０個）の超音波トランスデューサを配置したラジアル電子走査方式がある。さらに、これらの方式の中でも、超音波トランスデューサの配設の仕方によって、一次元アレイ型と二次元アレイ型とに分類される。

一次元アレイ型の超音波トランスデューサの作製方法としては、可撓性を有するバッキング材上にフレキシブル回路基板を挟んで圧電素子を接合する方法（特許文献１参照）や、可撓性を有するバッキング材上に圧電素子を接着し、その端部に形成された個別電極の端子にフレキシブル回路基板を接合する方法（特許文献２参照）などが種々提案されている。
特開平７−３２７２９９号公報 特開平８−８９５０５号公報

特許文献１に記載の技術で作製された超音波トランスデューサでは、圧電素子とフレキシブル回路基板の配線との間に干渉が起こり、配線を伝わる信号にノイズが乗るおそれがあった。また、特許文献２に記載の技術で作製された超音波トランスデューサでは、端部に端子を設けるためのスペースが必要であり、大型化が避けられないという問題があった。そのうえ、これら特許文献１および２に記載の技術は、二次元アレイ型の超音波トランスデューサの作製には不向きであるという欠点があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、コンパクト且つ高密度な曲面形状を有するアレイ型の超音波トランスデューサを容易に実装することができる超音波プローブ、および超音波プローブの作製方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明の超音波プローブは、先端に複数の超音波トランスデューサがアレイ状に配設された超音波プローブであって、前記超音波トランスデューサは、曲面形状となった可撓性シートに接合されており、前記可撓性シートには、前記超音波トランスデューサの個別電極と電気的に接続する導電性部材が埋め込まれた貫通穴が穿設されており、前記可撓性シートは、前記導電性部材と電気的に接続する端子が表面に設けられ、前記端子と超音波観測器に接続された配線ケーブルとを繋ぐ配線が内部に引き回された可撓性配線基板に貼り付けられていることを特徴とする。

なお、前記可撓性配線基板は、曲面形状を有する台座に貼り付けられていることが好ましく、前記台座は、蒲鉾状、凹状、または円筒状に形成されていることが好ましい。

前記導電性部材は、前記超音波トランスデューサを前記可撓性シートに接着する際に、前記可撓性シートに塗布される接着剤であることが好ましい。若しくは、前記導電性部材は、金属製のピンであることが好ましい。

本願発明の超音波プローブの作製方法は、先端に複数の超音波トランスデューサがアレイ状に配設された超音波プローブの作製方法であって、可撓性シートに貫通穴を穿設する工程と、前記超音波トランスデューサの個別電極と電気的に接続する導電性部材を前記貫通穴に埋め込む工程と、前記超音波トランスデューサのウエハーを前記可撓性シートに接合する工程と、前記ウエハーを前記アレイ状にダイシングする工程と、前記可撓性シートを曲面形状とする工程とを備え、前記可撓性シートを、前記導電性部材と電気的に接続する端子が表面に設けられ、前記端子と超音波観測器に接続された配線ケーブルとを繋ぐ配線が内部に引き回された可撓性配線基板に貼り付けたことを特徴とする。

なお、前記可撓性配線基板を、曲面形状を有する台座に貼り付けることが好ましく、前記台座を、蒲鉾状、凹状、または円筒状に形成することが好ましい。

前記導電性部材として、前記超音波トランスデューサを前記可撓性シートに接着する際に、前記可撓性シートに塗布される接着剤を用いることが好ましい。若しくは、前記導電性部材として、金属製のピンを用いることが好ましい。

本発明の超音波プローブ、および超音波プローブの作製方法によれば、超音波トランスデューサの個別電極と電気的に接続する導電性部材が埋め込まれる貫通穴が穿設された可撓性シートに超音波トランスデューサを接合し、可撓性シートを曲面形状としたので、コンパクト且つ高密度な曲面形状を有するアレイ型の超音波トランスデューサを容易に実装することができる。

図１および図２において、本発明を適用した超音波プローブ２の先端２ａには、超音波トランスデューサアレイ１０が配設されている。この超音波トランスデューサアレイ１０には、蒲鉾状に形成された台座１１上に、複数の超音波トランスデューサ１２が二次元アレイ状に配列されてなる、いわゆるコンベックス電子走査方式が採用されている。

先端２ａに接続されたシース１３の上部には、生体内の観察部位の像光を取り込むための対物光学系１４と、像光を撮像して撮像信号を出力するＣＣＤ１５とを備えた撮像装置１６が搭載され、中央部には、穿刺針１７が挿通される穿刺針用チャンネル１８が設けられている。また、シース１３の下部には、超音波観測器（図示せず）と、超音波トランスデューサアレイ１０および撮像装置１６とを電気的に接続するアレイ用配線ケーブル１９および撮像装置用配線ケーブル２０が、穿刺針用チャンネル１８を挟むように挿通されている。

台座１１は、先端２ａの基材２１上に載置されている。この台座１１は、硬質ゴムなどの剛性を有する材料からなり、超音波減衰材（フェライト、セラミックスなど）が必要に応じて添加されている。なお、台座１１は、凹状であってもよい。

台座１１の表面および裏面には、超音波トランスデューサ１２の個数分の素子側端子２２ａおよびケーブル側端子２２ｂが設けられている。また、台座１１の内部には、素子側端子２２ａとケーブル側端子２２ｂとを繋ぐ配線２３が引き回されている。素子側端子２２ａには、後述する導電ペースト２７が電気的に接続される。一方、ケーブル側端子２２ｂには、アレイ用配線ケーブル１９から基材２１の内部に引き回された配線２４が電気的に接続される。

超音波トランスデューサアレイ１０は、可撓性シート２５に接合されており、この可撓性シート２５を介して、台座１１に貼り付けられている。可撓性シート２５には、貫通穴２６が穿設されている。貫通穴２６には、超音波トランスデューサアレイ１０を可撓性シート２５に接合する際に、可撓性シート２５に塗布される導電ペースト２７が埋め込まれている。なお、煩雑を避けるために、台座１１および基材２１にはハッチングを施していない。また、図示はしていないが、超音波トランスデューサ１２同士の隙間には、エポキシ樹脂からなる充填材が充填されている。また、符号２８は、超音波トランスデューサ１２の共通電極３２ｂ（図３も参照）としての金属薄膜であり、符号２９は、生体との音響インピーダンス整合をとるための音響整合層である。

図３において、超音波トランスデューサ１２は、可撓性シート２５側から順に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜からなる圧電素子３０、およびエポキシ樹脂製の音響整合層３１からなり、圧電素子３０を個別電極３２ａ、共通電極３２ｂで挟み込んだ構成となっている。

個別電極３２ａは、前述の導電ペースト２７、素子側端子２２ａ、配線２３、ケーブル側端子２２ｂ、配線２４、およびアレイ用配線ケーブル１９を経由して、超音波観測器内の送受信切替回路３３に接続されている。一方、共通電極３２ｂは、配線３４を経由してアースに接続されている。なお、実際には、共通電極３２ｂは、前述の如く、超音波トランスデューサアレイ１０を構成する超音波トランスデューサ１２全面に亙って形成された金属薄膜２８からなる。

送受信切替回路３３は、超音波トランスデューサ１２による超音波の送受信切り替えを所定の時間間隔で行う。この送受信切替回路３３には、パルス発生回路３５および電圧測定回路３６が接続されている。パルス発生回路３５は、超音波トランスデューサ１２から超音波を発生させる際（超音波の送信時）に、パルス電圧を圧電素子３０に印加する。これにより、超音波トランスデューサ１２は、所定の周波数を有する超音波を発生する。

電圧測定回路３６は、生体からのエコー信号を超音波トランスデューサ１２で受信した際（超音波の受信時）に、圧電素子３０に発生する電圧を測定する。電圧測定回路３６は、この測定結果をコントローラ３７に送信する。コントローラ３７は、電圧測定回路３６から送信された測定結果を超音波画像に変換し、これをモニタ３８に表示させる。

生体内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブ２の挿入部が生体内に挿入され、内視鏡用モニタにより撮像装置１６で取得された光学画像が観測されながら、生体内の所要部が探索される。そして、生体内の所要部に先端２ａが到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、送受信切替回路３３により超音波トランスデューサ１２の超音波の送受信が切り替えられながら、パルス発生回路３５からのパルス電圧の印加により、超音波トランスデューサ１２から超音波が発せられ、生体に超音波が走査される。

生体からのエコー信号が超音波トランスデューサ１２で受信され、電圧測定回路３６により圧電素子３０に発生した電圧が測定される。電圧測定回路３６の測定結果はコントローラ３７に送信され、コントローラ３７で超音波画像に変換される。変換された超音波画像は、モニタ３８に表示される。また、光学画像または超音波画像が観測されながら、必要に応じて穿刺針１７が操作され、生体内の所要部が採取される。

次に、上記構成を有する超音波プローブ２の作製手順について、図４を参照して説明する。まず、（Ａ）に示すように、可撓性シート２５の所定位置に、レーザー、パンチング、ドリルなどで貫通穴２６を穿設する。次いで、（Ｂ）に示すように、導電ペースト２７を、スキージを用いて可撓性シート２５上にスクリーン印刷する。これにより、貫通穴２６に導電ペースト２７が埋め込まれる。

導電ペースト２７を可撓性シート２５上にスクリーン印刷した後、（Ｃ）に示すように、超音波トランスデューサのウエハー４０（図３に示す圧電素子３０、音響整合層３１、および個別電極３２ａ、共通電極３２ｂで構成される。）を、導電ペースト２７により可撓性シート２５に接合する。続いて、（Ｄ）に示すように、ウエハー４０を二次元アレイ状にダイシングし、超音波トランスデューサ１２毎に導電ペースト２７を分離して、超音波トランスデューサ１２同士を絶縁する。このようにして、可撓性シート２５上に超音波トランスデューサアレイ１０が形成される。

その後、可撓性シート２５を台座１１の曲面形状に合わせて湾曲させ、台座１１に貼り付ける。これにより、導電ペースト２７が、台座１１の表面に設けられた素子側端子２２ａに電気的に接続される。そして、超音波トランスデューサ１２同士の隙間に充填材を充填した後、各超音波トランスデューサ１２の表面に共通電極３２ｂとしての金属薄膜２８を貼り付ける。最後に、超音波トランスデューサアレイ１０上に音響整合層２９を取り付け、超音波プローブ２を完成させる。

以上詳細に説明したように、超音波トランスデューサ１２の個別電極３２ａと電気的に接続する導電ペースト２７が埋め込まれる貫通穴２６が穿設された可撓性シート２５に超音波トランスデューサ１２を接合し、可撓性シート１２を曲面形状としたので、コンパクト且つ高密度な曲面形状を有する二次元アレイ型の超音波トランスデューサ１２を容易に実装することができる。

また、台座１１の表面に、導電ペースト２７と電気的に接続する素子側端子２２ａを設け、台座１１の内部に、素子側端子２２ａとアレイ用配線ケーブル１９とを繋ぐ配線２３を引き回したので、配線２３を伝わる信号にノイズが乗るおそれがない。したがって、超音波の受信感度が良好となり、高画質な超音波画像を得ることができる。

なお、上記実施形態では、導電性部材として導電ペースト２７を用いた例を挙げたが、図５に示す超音波プローブ５０のように、導電ペースト２７の代わりに金属製のピン５１を用いてもよい。ここで、図５では、図１と同様に、台座１１および基材２１にはハッチングを施していない。

上記の場合、超音波プローブ２の作製手順は、図６に示すようになる。すなわち、まず、（Ａ）に示すように、上記実施形態と同様に可撓性シート２５の所定位置に貫通穴２６を穿設した後、（Ｂ）に示すように、貫通穴２６にピン５１を埋め込む。次いで、（Ｃ）に示すように、上記実施形態と同様に導電ペースト２７を可撓性シート２５上にスクリーン印刷し、（Ｄ）に示すように、超音波トランスデューサのウエハー４０を可撓性シート２５に接合する。続いて、（Ｅ）に示すように、ウエハー４０を二次元アレイ状にダイシングし、超音波トランスデューサ１２毎に導電ペースト２７を分離して、超音波トランスデューサ１２同士を絶縁する。なお、金属製のピンが予め埋め込まれた市販の異方性導電シートを用いる場合は、上記（Ａ）、（Ｂ）の工程は省略される。この場合、（Ｄ）で超音波トランスデューサのウエハー４０を可撓性シート２５に接合した後、これを台座１１に貼り付けてから、ウエハー４０を二次元アレイ状にダイシングする。その際、超音波トランスデューサ１２毎に異方性導電シートを完全に分断して、超音波トランスデューサ１２同士を絶縁する。

また、台座１１に素子側端子２２ａと配線２３を設ける代わりに、図７に示す可撓性配線基板６０を用いてもよい。可撓性配線基板６０には、導電ペースト２７（またはピン５１）と電気的に接続する端子６１が表面に設けられ、端子６１とアレイ用配線ケーブル１９とを繋ぐ配線６２が内部に引き回されている。この場合、超音波プローブを作製する際には、超音波トランスデューサアレイ１０が形成された可撓性シート２５を可撓性配線基板６０上に貼り付け、この可撓性配線基板６０を台座に貼り付ける。なお、可撓性配線基板を何層か重ねて積層型としてもよい。ここで、図７では、図１、図５の台座１１および基材２１と同様の理由で、可撓性配線基板６０にはハッチングを施していない。

上記実施形態では、コンベックス電子走査方式の超音波トランスデューサアレイ１０を例示して説明したが、図８に示すように、円筒状の台座７１に、可撓性シート２５を介して超音波トランスデューサ１２が貼り付けられた、いわゆるラジアル電子走査式の超音波プローブ７０についても、本発明を適用することが可能である。

また、本発明は、上記実施形態で挙げた超音波トランスデューサアレイ１０に加えて、カメラのフォーカスレンズやズームレンズを駆動させるためのアクチュエータや、角速度センサなどに用いられる振動式ジャイロなどの他の振動子アレイについても、適用することが可能である。

本発明を適用した超音波プローブの先端の構成を示す拡大断面図である。 超音波プローブの先端の構成を示す平面図である。 超音波トランスデューサの構成を示す拡大断面図である。 超音波プローブの作製手順を示す図であり、（Ａ）は、貫通穴を穿設する工程、（Ｂ）は、導電ペーストを塗布する工程、（Ｃ）は、超音波トランスデューサのウエハーを接合する工程、（Ｄ）は超音波トランスデューサのウエハーをダイシングする工程をそれぞれ示す。 導電性部材として金属製のピンを用いた超音波プローブの先端の構成を示す拡大断面図である。 導電性部材として金属製のピンを用いた超音波プローブの作製手順を示す図であり、（Ａ）は、貫通穴を穿設する工程、（Ｂ）は、貫通穴にピンを埋め込む工程、（Ｃ）は、導電ペーストを塗布する工程、（Ｄ）は、超音波トランスデューサのウエハーを接合する工程、（Ｅ）は超音波トランスデューサのウエハーをダイシングする工程をそれぞれ示す。 可撓性配線基板を用いた例を示す断面図である。 ラジアル電子走査方式の超音波プローブに適用した例を示す断面図である。

符号の説明

２、５０、７０ 超音波プローブ
１０ 超音波トランスデューサアレイ
１１、７１ 台座
１２ 超音波トランスデューサ
１９ アレイ用配線ケーブル
２２ａ、２２ｂ 素子側端子、ケーブル側端子
２３ 配線
２５ 可撓性シート
２６ 貫通穴
２７ 導電ペースト
３０ 圧電素子
３２ａ、３２ｂ 個別電極、共通電極
３７ コントローラ
４０ ウエハー
５１ ピン
６０ 可撓性配線基板
６１ 端子
６２ 配線

Claims (10)

1. 先端に複数の超音波トランスデューサがアレイ状に配設された超音波プローブにおいて、
   前記超音波トランスデューサは、曲面形状となった可撓性シートに接合されており、
   前記可撓性シートには、前記超音波トランスデューサの個別電極と電気的に接続する導電性部材が埋め込まれた貫通穴が穿設されており、
   前記可撓性シートは、前記導電性部材と電気的に接続する端子が表面に設けられ、前記端子と超音波観測器に接続された配線ケーブルとを繋ぐ配線が内部に引き回された可撓性配線基板に貼り付けられていることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記可撓性配線基板は、曲面形状を有する台座に貼り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記台座は、蒲鉾状、凹状、または円筒状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記導電性部材は、前記超音波トランスデューサを前記可撓性シートに接着する際に、前記可撓性シートに塗布される接着剤であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波プローブ。
5. 前記導電性部材は、金属製のピンであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波プローブ。
6. 先端に複数の超音波トランスデューサがアレイ状に配設された超音波プローブの作製方法において、
   可撓性シートに貫通穴を穿設する工程と、
   前記超音波トランスデューサの個別電極と電気的に接続する導電性部材を前記貫通穴に埋め込む工程と、
   前記超音波トランスデューサのウエハーを前記可撓性シートに接合する工程と、
   前記ウエハーを前記アレイ状にダイシングする工程と、
   前記可撓性シートを曲面形状とする工程とを備え、
   前記可撓性シートを、前記導電性部材と電気的に接続する端子が表面に設けられ、前記端子と超音波観測器に接続された配線ケーブルとを繋ぐ配線が内部に引き回された可撓性配線基板に貼り付けたことを特徴とする超音波プローブの作製方法。
7. 前記可撓性配線基板を、曲面形状を有する台座に貼り付けたことを特徴とする請求項６に記載の超音波プローブの作製方法。
8. 前記台座を、蒲鉾状、凹状、または円筒状に形成したことを特徴とする請求項７に記載の超音波プローブの作製方法。
9. 前記導電性部材として、前記超音波トランスデューサを前記可撓性シートに接着する際に、前記可撓性シートに塗布される接着剤を用いたことを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の超音波プローブの作製方法。
10. 前記導電性部材として、金属製のピンを用いたことを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の超音波プローブの作製方法。

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