(57)【要約】【課題】２次元アレイ構造を有する超音波プローブにおいて、歩留まり向上を実現する。【解決手段】超音波プローブは、２次元状に配列された複数の振動子群１０を有する。各振動子群１０は、２次元状に配列された複数の振動子５０を有する。複数の振動子群１０には、複数の第１基板３０がそれぞれ電気的に接続されている。複数の第１基板３０には、単一の第２基板４０が電気的に接続されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に配列された複数の振動子を有する複数の振動子群と、
前記複数の振動子群にそれぞれ電気的に接続された複数の第１基板と、
前記複数の第１基板に電気的に接続された単一の第２基板と、
を具備する超音波プローブ。
【請求項２】
前記複数の第１基板のそれぞれと前記第２基板とは、プリント配線基板である、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記複数の第１基板のそれぞれは、ＩＣ基板であり、
前記第２基板は、プリント配線基板である、
請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記複数の第１基板のそれぞれは、
前記第１基板の上面と下面とに達するように前記第１基板の内部を貫通する複数の貫通孔と、
前記上面と前記下面とを電気的に接続するために前記複数の貫通孔にそれぞれ設けられた複数の金属薄膜と、
を備える請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記振動子群と前記第１基板との接続面における信号リードの数に比して、前記第１基板と前記第２基板との接続面における信号リードの数は少ない、ことを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置や超音波探傷装置等に用いられる超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置や超音波探傷装置等に用いられる超音波プローブがある。超音波プローブの応用として、２次元アレイ構造を有する２次元アレイプローブがある。２次元アレイプローブは、２次元状に配列された複数の振動子を有する単一の振動子群を有する。２次元アレイ構造を実現するためには、複数の振動子のそれぞれから信号リードを引き出すことが重要である。特許文献１、特許文献２、及び特許文献３には、単一の振動子群とプリント配線基板とを電気的及び機械的に接続することによって、信号リードを引き出す構造が開示されている。更に特許文献４には、単一の振動子群にＩＣ（integrated circuit）基板を配置した構造が提案されている。
【０００３】
このような２次元アレイプローブは、例えば、以下のように製造されている。まず、図に示すように、２次元状に配列された複数の振動子を有する単一の振動子群を用意する。各振動子の背面には、信号リードが形成されている。更に、信号リードと同じ配列ピッチを有する信号リードパッドを表面に有するプリント配線基板（又はＩＣ基板）を用意する。振動子群の背面と信号リードパッドとが向かい合うように、振動子群とフレキシブル配線基板とを接続する。これにより、振動子に接続された信号リードがプリント配線基板上の信号リードパッドに接続される。信号リードパッドに接続された信号リードは、プリント配線基板上に形成された配線パターン、あるいはＩＣ基板に集積実装された電子回路に電気的に接続される。
【０００４】
他の製造方法としては、アレイ状に分割される前の振動子ブロックの背面とプリント配線基板とを接続した後、振動子をアレイ状に分割する方法もある。
【０００５】
いずれの方法にしても、振動子群の開口径（振動子の数）が大きくなるに従って、振動子群とフレキシブル配線基板との接続面の面積が大きくなる。その際、対向する両面が平坦でない場合、電気的な接続不良が発生し、歩留まりが劣化してしまう。また、プリント配線基板（又はＩＣ基板）の面積も大きくしなければならないため、プリント配線基板（又はＩＣ基板）自体の歩留まりも劣化してしまう。
【特許文献１】特開２００１―２７４５１号公報
【特許文献２】米国特許第５３１１０９５号明細書
【特許文献３】米国特許第５２６７２２１号明細書
【特許文献４】米国特許第６５５１２４８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
２次元アレイ構造を有する超音波プローブにおいて、歩留まり向上を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある局面に係る超音波プローブは、２次元状に配列された複数の振動子を有する複数の振動子群と、前記複数の振動子群にそれぞれ電気的に接続された複数の第１基板と、前記複数の第１基板に電気的に接続された単一の第２基板と、を具備する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、２次元アレイ構造を有する超音波プローブの歩留まり向上の実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係わる超音波プローブを説明する。本実施形態に係わる超音波プローブは、超音波診断装置や超音波探傷装置等に用いられる。
【００１０】
図１は、本実施形態に係わる超音波プローブの主要部の概略構成を示す斜視図である。図２は、超音波プローブの主要部の横断面図である。図１と図２とに示すように、本超音波プローブは、２次元アレイ構造を有する。すなわち本超音波プローブは、２次元状に配列された複数の振動子群１０を有する。複数の振動子群１０の上面には、音響整合材２０がそれぞれ取り付けられている。複数の振動子群１０の下面には、複数の第１基板３０が機械的及び電気的にそれぞれ接続されている。複数の第１基板３０の下面には、単一の第２基板４０が機械的及び電気的に接続されている。
【００１１】
各振動子群１０は、２次元状に配列された複数の振動子５０を有する。
【００１２】
具体的には、振動子５０は、角柱形状を有する圧電体５２と、圧電体５２の上面に形成されたアース電極５４と、圧電体５２の下面に形成された信号電極５６とを備える。圧電体５２は、例えばチタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、硫酸リチウム（ＬＨ）等の圧電セラミックによって形成される。アース電極５４は、アース接続されている。アース電極５４と信号電極５６とは、銅箔などの金属薄膜でそれぞれ形成されている。アース電極５４と信号電極５６とは、例えば、蒸着やスパッタ等によって形成される。信号電極５６には、この信号電極５６を電気的に外部に引き出すための信号リード（図示せず）が取り付けられている。圧電体５２は、本実施形態の如く単一の圧電材料からなる構成の他に、単一の圧電材料の積層構造もしくは複数の圧電材料の積層構造であってもよい。さらに、圧電材料と背面音響材料（バッキング材）との積層構造を採ることも可能である。圧電材料とバッキング材との積層構造の場合、本実施形態の如く圧電材料とバッキング材との積層構造体を完全に分離することが可能である一方、圧電材料のみを分離し、バッキング材が連結した層構造を成すことも可能である。
【００１３】
振動子５０は、その縦方向と横方向とに沿って配列される。振動子５０は、図示しない超音波診断装置本体から駆動信号の供給を受けて、厚さ方向に超音波を発生する。
【００１４】
第１基板３０としては、プリント配線基板やＩＣ（integrated circuit）基板が好適である。プリント配線基板は、柔軟性を有する絶縁性基板上に導電性の複数の配線パターンが形成され、これら複数の配線パターンを被覆する絶縁性の樹脂が形成されて成る。ＩＣ基板は、半導体基板上に電子回路が実装されている。なお、本実施形態に係わる第１基板３０は、プリント配線基板とＩＣ基板とのどちらでも実施可能であるが、以下の説明を具体的に行なうため、プリント配線基板であるとする。
【００１５】
第１基板３０は、柔軟性を有する絶縁体により形成される第１基板本体３１を有する。第１基板本体３１の上下面の形状と面積とは、接続される振動子群１０の下面の形状と面積とに略等しい。また、第１基板本体３１の上下面は、平坦に形成される。第１基板本体３１の上面には、信号入出力のための複数の信号リードパッド３２が機械的にそれぞれ取り付けられている。この信号リードパッド３２には、バンプ３３が取り付けられている。バンプ３３は、球形状を有する金属等の導体である。上面に設けられる信号リードパッド３２及びバンプ３３の配列ピッチは、信号電極５６に取り付けられた信号リードの配列ピッチと同一である。すなわち、信号リードパッド３２の数は、接続される振動子５２の数に等しい。そして、バンプ３３は、信号電極５６に取り付けられた信号リードに電気的に接続されている。また、第１基板本体３１には上面と下面とを電気的に接続するための貫通電極３４が設けられている。貫通電極３４は、第１基板本体３１を貫通して上面と下面とに達する貫通孔の内部に形成された金属薄膜からなる。貫通電極３４と信号リードパッド３２とは、第１基板本体３１の上面に形成された配線パターン（図示せず）を介して電気的に接続されている。
【００１６】
第１基板本体３２と振動子群１０とは、例えば、樹脂等の接着材６０により機械的に接着される。
【００１７】
第１基板本体３１下面にも、複数の信号リードパッド３５とバンプ３６とが取り付けられている。下面の信号リードパッド３５の数（バンプ３６の数）は、上面の信号リードパッド３２の数（バンプ３３の数）に比して少ない。信号リードパッド３５と貫通電極３４とは、第１基板本体３１下面に形成された配線パターン（図示せず）を介して電気的に接続されている。このような第１基板３０の構成により、信号電極５６の信号リードを第１基板３０の下面側に電気的に引き出すことが可能となる。
【００１８】
第２基板４０は、第２基板本体４１を有する。典型的には、第２基板本体４１は四角形状を有し、第２基板本体４１の少なくも上面は平坦に形成される。第２基板本体４１上面には、第１基板本体３１下面に配列された信号リードパッド３５の配列ピッチと同一の配列ピッチを有する信号リードパッド４２が形成されている。第２基板本体４１上面に形成される信号リードパッド４２の数は、複数の第１基板本体３１下面に形成される複数のバンプ３６の合計数（信号リードパッド３５の合計数）に等しい。そして、信号リードパッド４２は、第１基板本体３１下面のバンプ３６に接触している。
【００１９】
第２基板本体４１と第１基板本体３１とは、例えば、樹脂等の接着材により機械的に接着される。このように、第２基板４０の上面は、複数の第１基板３０の下面に機械的及び電気的に接続されている。そのため、第２基板４０の第２基板本体４１上面は、複数の第１基板３０下面の合計面積と同一かあるいはそれ以上の面積を有さなければならない。第２基板４０としては、プリント配線基板とＩＣ基板とが考えられる、しかし、ＩＣ基板は、製造工程上、複数の第１基板３０に接続可能な大面積を有することはできない。従って、第２基板４０としては、大面積に設計可能なプリント配線基板が好適である。
【００２０】
また、振動子群１０と第１基板３０との接続面における信号リードパッド３２の数に比して、第１基板３０と第２基板４０との接続面における信号リードパッド３５の数は、少ない。換言すれば、信号リードパッドに引き出された信号リードの数（チャンネル数）に比して、信号リードパッド３５に引き出された信号リードの数（チャンネル数）は、少ない。
【００２１】
第２基板本体４１上面と下面とは、図示しない貫通電極によって同通されている。このような第１基板３０と第２基板４０との構成により、信号電極５６の信号リードを第２基板４０下面に引き出すことが可能となる。第２基板４０下面に引き出された信号リードは、ケーブル状に被覆され、超音波診断装置本体へ接続される。
【００２２】
音響整合材２０は、被検体（図示せず）と振動子５２との音響インピーダンスの違いによる超音波の反射を抑える役目をする。音響整合材２０は、導電性材料又は絶縁性材料により形成される。音響整合材２０の上面には、典型的には、音響レンズ（図示せず）が取り付けられる。音響レンズは、体に近い音響インピーダンスを有するシリコーンゴム等を素材としたレンズである。音響レンズは、超音波ビームを集束させる。
【００２３】
以下、振動子群１０と音響整合材２０と第１基板３０との組み合わせを振動子ブロック７０と呼ぶことにする。次に、振動子ブロック７０の配列パターンについて説明する。
【００２４】
各振動子ブロック７０の形状及び大きさ、すなわち、各振動子ブロック７０に含まれる縦方向及び横方向の振動子５０の数は、同一であっても異なっていても良い。しかし、超音波プローブが発生する超音波ビームのサイドローブ低減のため、各振動子ブロック７０の形状及び大きさのパターンに規則性がない方が良い。従って、各振動子ブロック７０の形状及び大きさは、振動子ブロック７０ごとに異なるように設計される。そして、超音波プローブ全体として振動子ブロック７０の形状及び大きさに規則性がうまれないように、振動子ブロック７０が第２基板４０上に配列される。
【００２５】
なお、第２基板４０が四角形状を有しているので、振動子ブロック７０の１つ１つが異なる形状及び大きさを有していても、振動子ブロック７０全体としては、四角形状を有していなければならない。従って、各振動子ブロック７０は、その形状及び大きさに応じて適切に第２基板４０上に配置される。
【００２６】
振動子５０の配列ピッチは、全ての振動子ブロック７０において同一に設計される。隣合う２つの振動子５０の間隔と隣合う２つの振動子ブロック７０の間隔とは、同一に設計される。しかしながら本実施形態は、これに限定する必要はない。すなわち、振動子５０の配列ピッチは、全ての振動子ブロック７０において同一である必要はなく、例えば、振動子ブロック７０毎に異なる配列ピッチであってもよい。また、隣合う２つの振動子５０の間隔と隣合う２つの振動子ブロック７０の間隔とは、異なっていてもよい。
【００２７】
一般的に、超音波プローブに含まれる振動子の配列個数は、その超音波プローブの用途によって異なる。心臓用の超音波プローブに含まれる２次元アレイの振動子の配列個数は、例えば、縦５０個×横５０個程度である。また、腹部用の超音波プローブに含まれる２次元アレイの振動子の配列個数は、例えば、縦５００個×横５００個程度である。
【００２８】
本実施形態に係わる超音波プローブに含まれる振動子５０の配列個数も一般的なものと同様であって用途によって異なり、振動子５０の配列個数は従来と略同様である。すなわち、心臓用の超音波プローブに含まれる振動子５０の配列個数は、例えば、縦５０個×横５０個程度である。この場合、振動子ユニットは、例えば、４つの振動子群１０に分割されるとする。また、腹部用の超音波プローブに含まれる振動子５０の配列個数は、例えば、縦５００個×横５００個程度である。この場合、振動子ユニットは、例えば、１００つの振動子群１０に分割される。
【００２９】
上記構成のように超音波プローブ１０は、大開口径を有する振動子ユニットを、小開口径を有する複数の振動子群１０に分割している。
【００３０】
次に、超音波プローブ１０の製造方法について説明する。まず、互いに異なる形状及び大きさを有する複数の振動子群１０を形成する。また、各振動子群１０と略同一の形状及び大きさを有する複数の音響整合材２０を形成する。そして互いに略同一の形状及び大きさを有する振動子群１０と音響整合材２０とを樹脂等で接着する。また、各振動子群１０と略同一の形状及び大きさを有する複数の第１基板３０を形成する。そして、図３に示すように、振動子群１０の信号リードと第１基板５０上面のバンプ３３とが接合されるように、互いに略同一の形状及び大きさを有する振動子群１０と第１基板３０とを樹脂等により接着する。このように、振動子群１０と音響整合材２０と第１基板３０とが接着されることで振動子ブロック７０が形成される。同様にして複数の振動子ブロック７０が形成される。
【００３１】
次に単一の第２基板４０を形成する。図４に示すように、複数の第１基板３０下面のバンプ３６と第２基板４０上面の信号リードパッド４２とが接続されるように、第１基板３０と第２基板４０とを樹脂等によりそれぞれ接着する。このようにして、複数の振動子ブロック７０が第２基板４０に接着される。
【００３２】
その後は、従来と同様に製造工程を行なうことにより超音波プローブ１０が完成する。
【００３３】
次に上記構成を有する超音波プローブ１０の効果について説明する。以下、説明の簡単のため、複数の振動子群１０をまとめて振動子ユニットと呼ぶことにする。本実施形態においては、大開口径を有する振動子ユニットを大開口径を有する単一のフレキシブル配線基板（第２基板４０）に直接接続せず、この振動子ユニットを小開口径を有する複数の振動子群１０に分割し、これら複数の振動子群１０を複数の第１基板３０にそれぞれ接続してから、複数の第１基板３０を単一のフレキシブル配線基板（第２基板４０）に接続している。
【００３４】
このように、小開口径の振動子群１０ごとにフレキシブル配線基板（第２基板４０）に接続することで、一度に接続しなければならない電気的な接続箇所（バンプと信号リードパッドとの接続）の数を削減できる。具体的には、超音波プローブが２５個の振動子群１０を有し、各振動子群１０が２５個の振動子５０を有するとする。この場合、従来であれば、超音波プローブに含まれる６２５個（２５×２５）の振動子５０を一度に第２基板４０に接続するので、一回の接続あたり６２５個の接続箇所があることになる。しかし、本実施形態の場合、振動子ブロック７０ごとに第２基板４０に接続するので、一回の接続あたりの接続箇所は、２５個である。このように本実施形態によれば、振動子５０と基板（第２基板４０）との接続における電気的な接続箇所数を大幅に減少することができる。
【００３５】
さらに、第１基板の上面の信号リードの数に比して下面の信号リードの数を削減することで、さらに電気的な接続箇所を削減できる。
【００３６】
また、第１基板３０の面積が小さいため第１基板３０の製造歩留まりを良好に確保できる。そのため、第１基板３０の製造コストを低く抑えることが可能となる。また、複数の振動子群１０に分割された振動子ユニットの平坦度は、複数の振動子群１０に分割されていない振動子ユニットに比して平坦である。そのため、超音波プローブ１０の超音波特性は、従来構造の超音波プローブの超音波特性に比して良好である。
【００３７】
かくして本実施形態によれば、２次元アレイ構造を有する超音波プローブの歩留まり向上の実現が可能となる。
【００３８】
なお、本発明は上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。
【００３９】
例えば、上記構成においては、各振動子群１０に対して直接的に第１基板３０が接続されるとした。しかしながら本実施形態は、これに限定する必要はない。例えば、振動子群１０下面に音響制動材（バッキング材）を接続し、この接続された音響制動材の下面に第１基板の前面を接続してもよい。この場合、信号電極に接続された信号リードは、音響制動材の内部を貫通して第１基板３０上面の信号リードパッドに接続される。
【００４０】
また、上記構成においては、１の振動子群１０の上面に１つの音響整合材は設けられるとした。しかしながら本実施形態は、これに限定する必要はない。例えば、音響整合材を振動子と同様に分割してもよい。すなわち。１つの振動子５０の上面に１つの音響整合材が設けられるとしてもよい。
【００４１】
また、上記構成においては、複数の振動子群１０の上面には、一層の音響整合材が設けられるとした。しかしながら本実施形態は、これに限定する必要はない。例えば、複数の振動子群１０の上面には一層だけでなく、２層、３層、あるいはそれ以上の音響整合材が設けられてもよい。この場合、複数の振動子群１０から被検体（図示せず）への音響インピーダンスが段階的に変化するように、各層の音響整合材の材料が決定される。
【００４２】
また、上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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係わる超音波プローブの主要部の斜視図。
【図２】図１の横断面図。
【図３】図１の振動子と音響整合材と第１基板とを接続して振動子ブロックを形成する工程を示す図。
【図４】図１の複数の振動子ブロックを単一の第２基板に接続する工程を示す図。
【符号の説明】
【００４４】
１０…振動子群、２０…音響整合材、３０…第１基板、３１…第１基板本体、３２…信号リードパッド、３３…バンプ、３４…貫通電極、３５…信号リードパッド、３６…バンプ、４０…第２基板、４１…第２基板本体、４２…信号リードパッド、５０…振動子、５２…圧電体、５４…アース電極、５６…信号電極、６０…樹脂、７０…振動子ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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