JP5039167B2 - 二次元アレイ超音波プローブ及びプローブ診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次元アレイ状に配列した圧電体を使用して超音波を出力し、その反射した超音波を受信する二次元アレイ超音波プローブ及びこの二次元アレイ超音波プローブが組み込まれたプローブ診断装置に関する。

エコー画像診断に用いるためのプローブ診断装置では、二次元アレイ超音波プローブが用いられている。二次元アレイ超音波プローブは、ヘッドに二次元アレイ状に圧電体を配列し、この圧電体から超音波を出力し、その反射した超音波を受信する装置であり、検出された信号は、ケーブルを介して検査装置本体等に送られ、画像処理されて診断等に用いられる。

特開平５−１０３３９７号公報

上述した二次元アレイ超音波プローブでは、次のような問題があった。すなわち、近年、三次元動画像によるリアルタイム診断が可能で、かつ、鮮明な画像を得るために、ヘッドに搭載される圧電体のチャンネル数を増やす設計が行われている。これに伴い、検査装置本体への接続線の数が増え、これら接続線のケーブルは太くなる。ケーブルが太くなると、二次元アレイ超音波プローブのヘッドが動かしにくくなり、診断に支障が生じるという問題があった。

そこで本発明は、三次元動画像によるリアルタイム診断が可能で、かつ、鮮明な画像を得るために、多チャンネル化した場合であっても、ケーブルを太くすることなく、取り扱いが容易な二次元アレイ超音波プローブ、及び、この二次元アレイ超音波プローブが組み込まれたプローブ診断装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の二次元アレイ超音波プローブ及びプローブ診断装置は次のように構成されている。

（１）表面が凸曲面状に形成され、裏面が平坦面状に形成された基板本体と、前記表面に形成された表面電極と、前記裏面に形成された裏面電極と、前記表面電極から前記裏面電極にかけて貫通する貫通電極とを有する中継基板と、前記表面に沿って二次元アレイ状に、かつ、凸曲面状に配列された圧電体と、前記圧電体と前記中継基板との間に配置され、表面に前記圧電体が実装され、裏面に前記中継基板の電極が接続されているフレキシブル配線基板と、前記中継基板の裏面に沿って配置されると共に、裏面電極に実装され、前記圧電体から得られる信号情報を処理する処理ＩＣとを備えていることを特徴とする。

（２）表面が凸曲面状に形成され、裏面が平坦面状に形成された基板本体と、前記表面に形成された表面電極と、前記裏面に形成された裏面電極と、前記表面電極から前記裏面電極にかけて貫通する貫通電極とを有する中継基板と、前記表面に沿って二次元アレイ状に、かつ、凸曲面状に配列された圧電体と、前記圧電体と前記中継基板との間に配置され、表面に前記圧電体が実装され、裏面に前記中継基板の電極が接続されているフレキシブル配線基板と、前記中継基板の裏面に沿って配置されると共に、裏面電極に実装され、前記圧電体から得られる信号情報を処理する処理ＩＣと、を有する超音波プローブと、前記処理ＩＣから送られた信号を処理し、画像を形成する画像処理部と、この画像処理部で画像形
成された画像を表示する画像表示装置とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、三次元動画像によるリアルタイム診断が可能で、かつ、鮮明な画像を得るために、多チャンネル化した場合であっても、ケーブルを太くすることなく、取り扱いを容易にすることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る超音波プローブが組み込まれたプローブ診断装置を示す斜視図。 同超音波プローブを示す斜視図。 同超音波プローブに組み込まれた検出部を示す説明図。 同検出部に組み込まれたインタポーザ基板の要部を示す断面図。 同検出部に組み込まれたフレキシブル配線基板の要部を示す断面図。 同検出部に組み込まれたスイッチＩＣを示す平面図。 同超音波プローブの製造工程を示すフローチャート。 同製造工程を示す説明図。 同製造工程を示す説明図。 同製造工程を示す説明図。 同製造工程を示す説明図。 同製造工程を示す説明図。 同製造工程を示す説明図。 同製造工程を示す説明図。 同製造工程を示す説明図。 同製造工程を示す説明図。 同製造工程を示す縦断面図。 同製造工程を示す縦断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る超音波プローブに組み込まれた検出部を示す説明図。

図１は本発明の第１の実施の形態に係るプローブ診断装置１０を示す斜視図、図２はプローブ診断装置１０に組み込まれた超音波プローブ２０を示す斜視図、図３は超音波プローブ２０に組み込まれた検出部３０の構成を示す断面図である。なお、図中Ｒは超音波照射方向を示している。

図１に示すように、プローブ診断装置１０は、診断装置本体１１と、この診断装置本体１１に取り付けられた画像モニタ１２と、診断装置本体１１からケーブル２３を介して取り付けられた超音波プローブ（コンベックス型二次元アレイ超音波プローブ）２０を備えている。

診断装置本体１１内部には、超音波プローブ２０から送られた信号を処理し、画像を形成する画像処理部１００を備えている。また、画像モニタ１２は、画像処理部１００で画像形成された画像を表示する機能を有している。

図２に示すように、超音波プローブ２０は、作業者が掴む持ち手部２１と、検出部３０を収容するヘッド２２と、診断装置本体１１に信号を送受信するためのケーブル２３を備えている。なお、ヘッド２２は、超音波照射方向（図２中矢印Ｒ）が凸面を形成している。

図３に示すように、検出部３０は、凸状（コンベックス型）のインターポーザ基板（中継基板）４０と、このインターポーザ基板４０の凸側に裏面側を向けて配置されたフレキシブル配線基板５０と、フレキシブル配線基板５０の表面側に接着剤層６０を介して実装された二次元アレイ型の圧電体７０と、インターポーザ基板４０の平板側に接着剤層９０を介して実装されたスイッチＩＣ（処理ＩＣ）８０とを備えている。

インターポーザ基板４０の要部を示す断面図である。図４に示すように、インターポーザ基板４０は、樹脂材により形成されたべース材４１と、このベース材４１の表面４１ａ側に設けられた第１の電極４２と、裏面４１ｂ側に設けられた第２の電極４３と、ベース材４１を貫通し、第１の電極４２と第２の電極４３とを接続する貫通電極４４とを有している。べース材４１の表面４１ａは凸面状、裏面４１ｂは平坦面状に形成されている。

第１の電極４２は、フレキシブル配線基板５０の第２の電極５３と接続され、第２の電極５３を介して電気配線を取りだすためのものである。第２の電極４３は、第１の電極４２とは反対側の面に設けられ、スイッチＩＣ８０と電気的に接続される。

図５は、フレキシブル配線基板５０の要部を示す断面図である。フレキシブル配線基板５０は、柔軟性を有するポリイミド等の樹脂材により形成されたべース材５１と、このベース材５１の表面側に設けられた第１の電極５２と、裏面側に設けられた第２の電極５３と、ベース材５１を貫通し、第１の電極５２と第２の電極５３とを接続する貫通電極５４と、銅箔等の配線部５５とを有している。

第１の電極５２は、圧電体７０と接続され、圧電体７０の下側電極（不図示）から電気配線を取り出すものである。第２の電極５３は、インターポーザ基板４０の第１の電極４２と接続される。配線部５５は圧電体７０及びインターポーザ基板４０との接続領域の外側に引き出され、ケーブル２３を介して画像処理部１００に接続される。

第１の電極５２の配列ピッチは、例えば４００μｍであり、隣り合う第１の電極５２の間隔は８０μｍである。べース材は屈曲性を要する点から薄い方が好ましい。また、第１の電極５２には高さ約４０μｍのバンプ５２ａ（Ｃｕコア、表面処理：Ｎｉ／Ａｕメッキ）が形成されている。

接着剤層６０は、後述する圧電体７０のダイシング工程において、圧電体７０が剥がれ落ちないようにするだけでなく、ダイシングの深さを十分にする役割があり、ブレードにより厚さ方向について途中まで切断される（すなわち、完全に切断されない）。

二次元アレイ型の圧電体７０は、二次元アレイ状に、かつ、凸曲面状に配列され、圧電振動子７１、音響整合層７２、バッキング材７３を積層して形成されている（図８参照）。圧電体７０の寸法は例えば６０ｍｍ×１０ｍｍである。

圧電振動子７１は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）のような圧電セラミックス等に上側電極、下側電極（それぞれ図示せず）が設けられている。この圧電振動子７１は、パルサからの駆動信号に基づき超音波を発生し、被検体からの反射波を電気信号に変換する機能を有している。

音響整合層７２は、音速、厚み、音響インピーダンス等の物理的パラメータを調整することで、被検体と圧電振動子７１との音響インピーダンスの整合を図ることができる。

バッキング材７３は、圧電振動子７１を機械的に支持し、超音波パルスを短くするために圧電振動子７１を制動する機能を有している。このバッキング材７３の厚さは、音響特性を良好に維持するため、使用する超音波の波長に対して十分な厚さ（すなわち、背面方向の超音波が十分に減衰される厚さ）に設定される。

スイッチＩＣ８０は、図６に示すように、ＩＣ本体８１と、圧電体７０から受信した電気信号を入力するためのエリア電極８２と、信号処理した電気信号を出力するための外部電極８３とを備えている。スイッチＩＣ８０は、多数の圧電振動子７１から受信した電気信号がそれぞれ入力されるが、画像生成のための信号に変換した上で出力するため、出力信号の数を大幅に減らすことになる。

次に、このような超音波プローブ２０の製造工程について、図７に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、図８に示すように、圧電振動子７１に電圧印加のための上側電極及び下側電極を形成し、上側電極上に音響整合層１２を、下側電極上にバッキング材７３を形成する（ＳＴ１）。

次に、図９Ａに示すように、フレキシブル配線基板５０の表面５１ａ側に、接着剤層６０の基材となる異方性導電フィルムＦを貼りあわせる。そして、図９Ｂに示すように、所定の位置に圧電体７０を位置合わせし、熱圧着装置（不図示）を用いて接合する（ＳＴ２）。次に、図９Ｃに示すように、フレキシブル配線基板５０に接合した圧電体７０を力ッティングべースに仮固定し、４００μｍ間隔にて５０μｍブレードでダイシングする（ＳＴ３）。このとき、切り込みの深さは接着剤層６０を２０μｍ程度まで切り込み、確実に圧電体７０を切削するようにして実行される。その後、仮固定した（圧電体７０が接合された）フレキシブル配線基板５０をカッティングベースから取り外す。図１０はダイシング後の圧電体７０及び接着剤層６０を示す斜視図である。

一方、インターポーザ基板４０は、図１１Ａ及び図１１Ｂのようにして形成する。すなわち、図１１Ａに示すように、貫通電極に該当する配線パターンを形成した基材を３６枚貼り合わせた、３６層プリント配線基板を準備する。次に、外形を研削加工し、図１１Ｂに示すようなインターポーザ基板４０を形成する。その後、第１の電極４２及び第２の電極４３の表面処理として、全面メッキ（例えばＮｉ／Ａｕ）とパターニング（露光・現像またはカッティング）を施してもよい。

次に、図１２Ａに示すように、凸曲面を有する治具Ｊ１と凹曲面を有する冶具Ｊ２を用いて圧電体７０の配列が超音波照射面に対して凸形状になるように配置する。

次に、図１２Ｂに示すように、インターポーザ基板４０の第１の電極４２に予めはんだ４２ａを形成しておき、フレキシブル配線基板５０の第２の電極５３とインターポーザ基板４０の第１の電極４２とをはんだ接続する（ＳＴ４）。

次に、図１２Ｃ及び図１２Ｄに示すように、インターポーザ基板４０に異方性導電フィルムＦを貼り合わせ、予め電極にＡｕバンプを形成したスイッチＩＣ８０を位置合わせ、熱圧着装置を用いてインターポーザ基板４０とスイッチＩＣ８０とを接続する（ＳＴ５）。

その後、これを筺体に組み込み（ＳＴ６）、超音波プローブ２０が完成する。

上述したように、本実施の形態に係る超音波プローブ２０では、片面が凸曲面であり貫通電極を有するインターポーザ基板４０を用いることで、圧電体から得られる膨大な信号情報を処理するためのスイッチＩＣ８０を圧電体７０の近傍に接続することができる。このため、三次元動画像によるリアルタイム診断が可能で、かつ、鮮明な画像を得るために圧電体の数を増やした場合であっても、画像処理部１００への信号ケーブルの数を減らすことができる。したがって、ケーブル２３の太さを細くすることができ、ヘッド２２の取り扱いが容易となる。

図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る超音波プローブ２０Ａの構成を示す説明図である。なお、図１３において図３と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。超音波プローブ２０Ａは、検出部３０Ａを備えている。

検出部３０Ａは、平板状に配列された二次元アレイ型の圧電体７０Ａと、この圧電体７０Ａが表面側に接着剤層Ｅを介して実装されたフレキシブル配線基板５０Ａと、フレキシブル配線基板５０Ａの裏面側に接着剤層Ｅを介して接続されたスイッチＩＣ８０Ａとを備えている。

このように二次元アレイ型の圧電体７０Ａが平板状に配列された場合には、インターポーザ基板を省略して検出部３０Ａを構成することができる。このような検出部３０Ａにおいても、圧電体７０で得られた信号をスイッチＩＣ８０Ａを介して画像処理部１００に信号を送ることができるので、信号ケーブルの数を減らすことができ、ケーブル２３の太さを細くすることができる。

なお、上述した例では、接続材料として金バンプ及び異方性導電フィルムを用いたが、例えば導電性接着剤やはんだ等を用いても良く、また適宜、アンダーフィル材等を用いても良い。また、圧電体に形成された溝に例えばエポキシ樹脂等を充填しても良い。さらに、処理ＩＣとしてスイッチＩＣを例示したが、制御ＩＣ等の他の処理ＩＣでも良い。

なお、本発明は前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］二次元アレイ状に配列された圧電体と、前記圧電体から得られる信号情報を処理する処理ＩＣと、前記圧電体と前記処理ＩＣとの間に配置され、表面に前記圧電体が実装され、裏面に前記処理ＩＣが実装されるフレキシブル配線基板とを備えていることを特徴とする超音波プローブ。
［２］二次元アレイ状に、かつ、凸曲面状に配列された圧電体と、表面が前記圧電体に沿った凸曲面状に形成され、裏面が平坦面状に形成された基板本体と、前記表面に形成された表面電極と、前記裏面に形成された裏面電極と、前記表面電極から前記裏面電極にかけて貫通する貫通電極とを有する中継基板と、前記圧電体と前記中継基板との間に配置され、表面に前記圧電体が実装され、裏面に前記中継基板の電極が接続されているフレキシブル配線基板と、前記中継基板の裏面電極に実装され、前記圧電体から得られる信号情報を処理する処理ＩＣとを備えていることを特徴とする超音波プローブ。
［３］二次元アレイ状に配列された圧電体と、前記圧電体から得られる信号情報を処理する処理ＩＣと、前記圧電体と前記処理ＩＣとの間に配置され、表面に前記圧電体が実装され、裏面に前記処理ＩＣが実装されるフレキシブル配線基板とを有する超音波プローブと、前記処理ＩＣから送られた信号を処理し、画像を形成する画像処理部と、この画像処理部で画像形成された画像を表示する画像表示装置とを備えていることを特徴とするプローブ診断装置。

三次元動画像によるリアルタイム診断が可能で、かつ、鮮明な画像を得るために、多チャンネル化した場合であっても、ケーブルを太くすることなく、取り扱いが容易な二次元アレイ超音波プローブ及びプローブ診断装置を提供できる。

１０…プローブ診断装置、２０…超音波プローブ、２２…ヘッド、３０…検出部、４０…インターポーザ基板（中継基板）、５０…フレキシブル配線基板、６０，９０…接着剤層、７０…圧電体、８０…スイッチＩＣ（処理ＩＣ）、８０…スイッチＩＣ（処理ＩＣ）。

Claims (4)

1. 表面が凸曲面状に形成され、裏面が平坦面状に形成された基板本体と、前記表面に形成された表面電極と、前記裏面に形成された裏面電極と、前記表面電極から前記裏面電極にかけて貫通する貫通電極とを有する中継基板と、
   前記表面に沿って二次元アレイ状に、かつ、凸曲面状に配列された圧電体と、
   前記圧電体と前記中継基板との間に配置され、表面に前記圧電体が実装され、裏面に前記中継基板の電極が接続されているフレキシブル配線基板と、
   前記中継基板の裏面に沿って配置されると共に、裏面電極に実装され、前記圧電体から得られる信号情報を処理する処理ＩＣとを備えていることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記圧電体と、前記フレキシブル基板との間には、接着剤層が形成さ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. 表面が凸曲面状に形成され、裏面が平坦面状に形成された基板本体と、前記表面に形成された表面電極と、前記裏面に形成された裏面電極と、前記表面電極から前記裏面電極にかけて貫通する貫通電極とを有する中継基板と、
   前記表面に沿って二次元アレイ状に、かつ、凸曲面状に配列された圧電体と、
   前記圧電体と前記中継基板との間に配置され、表面に前記圧電体が実装され、裏面に前記中継基板の電極が接続されているフレキシブル配線基板と、
   前記中継基板の裏面に沿って配置されると共に、裏面電極に実装され、前記圧電体から得られる信号情報を処理する処理ＩＣと、
   を有する超音波プローブと、
   前記処理ＩＣから送られた信号を処理し、画像を形成する画像処理部と、
   この画像処理部で画像形成された画像を表示する画像表示装置とを備えていることを特徴とするプローブ診断装置。
4. 前記圧電体と、前記フレキシブル基板との間には、接着剤層が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のプローブ診断装置。

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