(57)【要約】      （修正有）【課題】より感度を向上させることができる超音波プローブを提供する。【解決手段】超音波プローブは、複数の圧電素子２０１、基板２０２、中間層２０３およびバッキング材２０４を含む。複数の圧電素子２０１は、所定のピッチで配列される。基板２０２は、複数の圧電素子２０１の背面に配置され、複数の圧電素子２０１との信号伝送のための信号線路と信号を外部に引き出す配線パターンとを含む。中間層２０３は、基板２０２の背面に配置され、所定のピッチで複数の圧電素子２０１の配列方向に複数個の層材が配列される。バッキング材２０４は、中間層２０３の背面に配置される。【選択図】図２
2018085718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のピッチで配列される複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子の背面に配置され、前記複数の圧電素子との信号伝送のための信号線路と信号を外部に引き出す配線パターンとを含む基板と、
前記基板の背面に配置され、前記所定のピッチで前記複数の圧電素子の配列方向に複数個の層材が配列される中間層と、
前記中間層の背面に配置されるバッキング材と、を具備する超音波プローブ。
【請求項２】
前記層材は、前記バッキング材と同一材料である請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記層材は、前記基板と同一材料である請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記基板は、
前記複数の圧電素子の背面に接合され、各圧電素子の電極として前記所定のピッチで分割される第１層と、
前記第１層の背面に配置され、前記電極に電気的に接続される前記信号線路に関する配線パターンが形成される第２層と、を含む請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記第２層のうちの前記配線パターンがアレイ方向に延在しない領域は、前記基板の厚み方向に分割可能である請求項４に記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記基板は、少なくとも前記信号線路が切断されないように、該基板の厚み方向に前記所定のピッチで途中まで切り込まれる領域を含む請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記配線パターンは、前記基板の厚み方向から見た場合、前記配列方向に複数の圧電素子を跨ぐように複数方向に引き出される請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項８】
プローブは、体腔内プローブである請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、対象物（患者）に対し超音波信号を送信し、その対象物内からの反射信号（エコー信号）を受信して対象物内を画像化するものであり、超音波信号の送受信機能を有する電子操作式のアレイ式超音波プローブが主に用いられる。
【０００３】
一般的な超音波プローブは、アレイ状に配列された複数の圧電体と、圧電体から電極を引き出すためのフレキシブルプリント基板（以下、ＦＰＣという）と、バッキング材とから構成される。一般的には、圧電体を音響放射方向からダイシングし複数の素子に分割することにより、アレイ状に配列された複数の圧電素子は形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４７４５２号公報
【特許文献２】特開２０１５−０４３８１０号公報
【特許文献３】特開２００９−８２５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、脳外科用として使用される八角形形状のバーホールプローブや、いわゆる１．５次元アレイプローブなど圧電素子間のピッチが狭い超音波プローブにおいては、ＦＰＣにおける信号線路の配線密度が要求される。そのため、ＦＰＣの構造例として、圧電体と接合される第１層と、配線パターンを外部へ引き出すための第２層との２層構造とすることがある。
このような２層構造では、配線パターンを切断しないために少なくとも第２層はアレイ方向につながっている、すなわち第２層は切断されないことが望ましい。
しかし、第２層が切断されない結果、バッキング材にはダイシングに伴う切り込み（溝または空隙）が形成されないため、超音波の送受信の感度が低下するという問題がある。
【０００６】
本実施形態の目的は、従来に比して感度を向上させることができる超音波プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態に係る超音波プローブは、複数の圧電素子、基板、中間層およびバッキング材を含む。複数の圧電素子は、所定のピッチで配列される。基板は、前記複数の圧電素子の背面に配置され、前記複数の圧電素子との信号伝送のための信号線路と信号を外部に引き出す配線パターンとを含む。中間層は、前記基板の背面に配置され、前記所定のピッチで前記複数の圧電素子の配列方向に複数個の層材が配列される。バッキング材は、前記中間層の背面に配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る超音波プローブの外観の一例を示す図。
【図２】本実施形態に係る超音波プローブの内部構造を示す図。
【図３Ａ】ＦＰＣの第１層の配線パターンの一例を示す図。
【図３Ｂ】ＦＰＣの第２層の配線パターンの一例を示す図。
【図４】有限要素法によるシミュレーションのための超音波プローブの内部構造に関する計算モデルを示す図。
【図５】図４の計算モデルに基づくシミュレーション結果を示す図。
【図６】第１の変形例に係る超音波プローブの内部構造を示す図。
【図７】第２の変形例に係る超音波プローブの内部構造を示す図。
【図８】１．５次元アレイ超音波プローブにおけるＦＰＣの配線パターンの一例を示す図。
【図９】従来例となる超音波プローブの内部構造を示す図。
【図１０】従来例となる超音波プローブの内部構造を示す図。
【図１１】第３の変形例に係る超音波プローブの内部構造を示す図。
【図１２】第４の変形例に係る超音波プローブの内部構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る超音波プローブについて説明する。以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。
【００１０】
本実施形態に係る超音波プローブ１００の外観の一例は図１に示すものである。本実施形態では、八角形形状をしたバーホールプローブを想定する。
超音波プローブと超音波診断装置本体（図示せず）とがケーブル１５０を介して接続される。なお、便宜上、超音波プローブ１００のうち被検体との間で超音波が送受信される側を先端側と呼び、ケーブル１５０が接続される側を後端側と呼ぶ。
【００１１】
また、超音波プローブ１００の筐体１０１は、一般的な超音波プローブの筐体の材質、例えば樹脂で形成される。また、洗浄などに対する耐水性を得るために、筐体１０１は密閉構造となるように形成される。
【００１２】
ケーブル１５０は、一端が超音波プローブ１００の後端側と、他端が超音波診断装置本体とそれぞれ電気的に接続される。ケーブル１５０を介して信号が超音波診断装置本体に送信される一方、ケーブル１５０を介して超音波診断装置本体からの制御信号が超音波プローブ１００に送信される。
【００１３】
次に、本実施形態に係る超音波プローブ１００の内部構造について図２を参照して説明する。
図２は、超音波プローブ１００における圧電素子の配列方向（アレイ方向）に沿って切断したときの超音波プローブの一部の断面図である。
【００１４】
図２に示す超音波プローブ１００は、複数の圧電素子２０１、フレキシブルプリント基板２０２、中間層２０３およびバッキング材２０４を含む。なお、音響放射方向（図２の＋ｚ方向）には、複数の圧電素子２０１に音響整合層、音響レンズなど一般的な超音波プローブで用いられる構成が追加されるが、ここでの説明は省略する。
また、以下では、フレキシブルプリント基板２０２は、単に基板、またはＦＰＣ（flexible printed circuits）２０２ともいう。
【００１５】
複数の圧電素子２０１は、圧電セラミックス等の音響／電気可逆的変換素子である。複数の圧電素子２０１は、所定のピッチで配列される。
【００１６】
ＦＰＣ２０２は、音響放射側の面とは反対側の面である、複数の圧電素子２０１の背面に配置される。ＦＰＣ２０２は、複数の圧電素子２０１のそれぞれとの信号伝送のための信号線路を含む。信号線路は、配線パターンとして、各圧電素子２０１の信号を筐体１０１の後端側に引き出すようにＦＰＣ２０２の面上またはＦＰＣ２０２内部に形成される。ＦＰＣ２０２は、少なくとも信号線路が切断されないように、ＦＰＣ２０２の厚み方向に所定のピッチで途中まで切り込まれる領域（図２中、例えば破線で囲まれる領域であり、一部が分割されていない領域）を含む。なお、本実施形態に係るＦＰＣ２０２は、図２の例では、複数の圧電素子２０１のそれぞれの電極とするため、金属層が複数の圧電素子２０１と同一のピッチで分割された第１層２０２−１と、第１層２０２−１の背面に配置され、電極から信号を筐体１０１の後端側に引き出すために設けられる第２層２０２−２との２層構造を具備する。
【００１７】
中間層２０３は、ＦＰＣ２０２（より具体的には、第２層２０２−２）の背面に配置される層であり、複数の圧電素子２０１と同様に、所定のピッチでアレイ方向に沿って、層を形成する材料である複数個の層材２０３−１が配列されることにより形成される。結果、中間層２０３には、隣り合う層材２０３−１の間に空隙２０３−２が形成される。具体的に中間層２０３においては、アレイ方向について、複数の圧電素子２０１と同一の位置に対応するように複数の層材２０３−１が配置され、その結果、隣り合う圧電素子２０１の間の空間と同一の位置に対応するように空隙２０３−２が形成される。なお、空隙２０３−２は、空気で満たされていてもよいし、樹脂が充填されていてもよい。また、層材２０３−１は、ＦＰＣ２０２と同一材料であってもよいし、バッキング材２０４と同一材料であってもよい。
【００１８】
バッキング材２０４は、中間層２０３の背面に配置され、筐体１０１の後端側への超音波を吸収して不要な振動を抑制する。
【００１９】
次に、ＦＰＣ２０２の配線パターンの詳細な一例について図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、ＦＰＣ２０２の第１層２０２−１を示し、図３Ｂは、ＦＰＣ２０２の第２層２０２−２を示す。
図３Ａに示すように、金属層を含む第１層２０２−１は、所定のピッチ、すなわち複数の圧電素子２０１が配列されるピッチと同じピッチ（図３Ａでは、実線の太さ）で分割されている。これによって、複数の圧電素子２０１の電極３０１が形成される。
【００２０】
図３Ｂに示すように、第２層２０２−２は、第１層２０２−１の各電極３０１からの信号を後端側（層の外部）に取り出すために、各信号線路３０２が引き出し領域３０３に引き出されるように配線パターンが形成される。つまり、配線パターンは、ＦＰＣ２０２の厚み方向から見た場合、圧電素子２０１の配列方向に複数の圧電素子２０１を跨ぐように複数方向に引き出される。第２層２０２−２に形成されるスルーホールにより、第１層２０２−１の各電極３０１と各信号線路３０２とがそれぞれ電気的に接続され、各電極３０１が接合した圧電素子２０１から独立したチャンネルとして、信号線路３０２が引き出し領域３０３に引き出される。
図３Ｂの例では引き出し領域３０３が３ヶ所であるため、第２層２０２−２の中心領域３０４に存在する信号線路３０２以外の信号線路３０２は、ｚ軸方向から見た場合、アレイ方向に複数の圧電素子を跨ぐように延在して引き出されることになる。本実施形態に係る超音波プローブ１００によれば、図２に示したように、ＦＰＣ２０２は、少なくとも信号線路が切断されないように、ＦＰＣ２０２の厚み方向に所定のピッチで途中まで切り込まれる領域を含む。従って、第１層２０２−１では、隣り合う電極３０１間で空間を形成しつつも、第２層２０２−２では、信号線路３０２は切断（分割）されていない。
【００２１】
なお、中心領域３０４に存在する信号線路３０２は、ｚ軸方向から見た場合、アレイ方向に沿って複数の圧電素子を跨ぐことなく引き出し領域３０３へ引き出される。よって、配線パターンがアレイ方向に延在しない第２層２０２−２の中心領域３０４において、第２層２０２−２は、信号線路３０２を切断しないように所定のピッチで第２層２０２−２の厚み方向に完全に分割可能である。これによって、ＦＰＣの第２層２０２−２の樹脂層のみが分割され、配線パターンが切断されなくて済む。
【００２２】
次に、図２に示す本実施形態に係る超音波プローブ１００の内部構造の製造方法の一例について説明する。
【００２３】
ステップ１では、ＦＰＣと中間層２０３とを接着剤などで接合する。ここでは、中間層２０３として、薄厚のバッキング材を想定する。
ステップ２では、薄厚のバッキング材の背面側からＦＰＣに切り込みが入らないようにダイシングする。このダイシングにより、複数個の層材（ここではバッキング材）の配列が形成されることになる。
【００２４】
ステップ３では、ＦＰＣの音響放射側（薄厚のバッキング材が接合された面と対向する面）にＦＰＣと略同サイズの圧電体を接合する。
ステップ４では、ステップ２で薄厚のバッキング材をダイシングしたピッチと同じピッチで、音響放射側からＦＰＣを途中まで、つまり完全に分割しない位置まで圧電体をダイシングする。これにより、複数の圧電素子２０１が形成され、ＦＰＣのうちの分割された部分が第１層２０２−１、すなわち電極３０１として形成される。なお、ＦＰＣ２０２として予め第１層２０２−１と第２層２０２−２とを接合したものを用いる場合は、第１層２０２−１のみを分割し、第２層２０２−２は分割しないようにする。
【００２５】
ステップ５では、薄厚のバッキング材の背面側に厚いバッキング材２０４をエポキシなどの接着剤などで接合する。こうすることで、ＦＰＣを音響放射方向（ｚ軸方向）に分割せずに、圧電素子２０１とバッキング材とに同じピッチの切り込みを入れた構成とすることができる。なお、接着厚みの精度を確保するために、シート状接着剤を用いてもよい。以上で超音波プローブ１００の内部構造の製造ステップを終了する。
【００２６】
次に、本実施形態に係る超音波プローブのシミュレーション結果について図４および図５を参照して説明する。
【００２７】
図４は、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）によるシミュレーションのための本実施形態に係る超音波プローブの内部構造に関する計算モデルである。計算モデルでは、圧電素子２０１の音響放射側に音響整合層４０１が積層され、音響整合層４０１の音響放射側に音響レンズ４０２が積層される。なお、シミュレーションにおいて音響レンズ４０２は水４０３に接すると設定することで、水４０３の層を送信音圧観測位置として想定する。
【００２８】
図５は、図４の計算モデルに基づくシミュレーション結果である。縦軸は送信音圧スペクトラムの送信感度［ｄＢ］を示し、横軸は中間層２０３における空隙２０３−２の深さ［μｍ］（音響放射側とは反対側への深さ）を示す。なお、シミュレーションにおける超音波プローブの中心周波数は約５ＭＨｚである。
【００２９】
図５に示すように、空隙２０３−２の深さが略８０μｍの計算モデルでは、中間層２０３がない計算モデルの場合、すなわち空隙２０３−２がないバッキング材が配置される計算モデルの場合に比べて、送信感度が約５ｄＢ向上することがわかる。
【００３０】
（第１の変形例）
本実施形態に係る超音波プローブ１００の第１の変形例について、図６を参照して説明する。  
図６は、第１の変形例に係る超音波プローブ６００の内部構造を示す。超音波プローブ７００は、複数の圧電素子２０１、ＦＰＣ２０２およびバッキング材６０１を含む。
【００３１】
バッキング材６０１は、アレイ方向に圧電素子２０１のピッチと同じ位置に溝（空隙）が形成される。バッキング材６０１は、ＦＰＣ２０２の背面に、接着剤などで接合されることにより配置される。図６に示すように、中間層２０３の背面にバッキング材２０４を接合して配置する構成の代わりに、バッキング材に直接溝を形成してもよい。このようにすることによって、中間層２０３とバッキング材２０４とを一体成形することができる。
【００３２】
（第２の変形例）
本実施形態に係る超音波プローブ１００の第２の変形例について、図７を参照して説明する。
図７は、第２の変形例に係る超音波プローブ７００の内部構造を示す。超音波プローブ７００は、複数の圧電素子２０１、ＦＰＣの第１層２０２−１、ＦＰＣの第２層２０２−２、ＦＰＣの第３層７０１およびバッキング材２０４を含む。
【００３３】
すなわち、第２の変形例に係る超音波プローブ７００は、中間層２０３の層材が、ＦＰＣと同一材料で形成された場合である。
なお、バッキング材２０４の代わりに、第１の変形例に係るバッキング材６０１がＦＰＣの第３層７０１の背面に配置されてもよい。
【００３４】
なお、上述した超音波プローブは、いわゆるバーホールプローブなどの体腔内プローブを想定しているが、いわゆる１．５次元アレイ超音波プローブでも同様に適用できる。
１．５次元アレイ超音波プローブにおけるＦＰＣの配線パターンの一例について図８を参照して説明する。
【００３５】
１．５次元アレイ超音波プローブは、１次元のアレイとして配列された圧電素子がスライス方向にも複数配列されるので、２次元圧電素子の配列の観点からは、圧電素子がマトリクス状に配列される２次元アレイ超音波プローブに近い構造である。一方、２次元の断層像データを収集するために超音波ビームを方位方向に移動させるいわゆる２次元スキャンが適用されるので、３次元のボリュームデータを収集可能な２次元アレイ超音波プローブと比較すると、１次元アレイ超音波プローブに近い構造である。よって、１次元アレイ超音波プローブと２次元アレイ超音波プローブとの中間的な位置付けとなるため、１．５次元アレイ超音波プローブと呼ぶ。
【００３６】
図８は、１．５次元アレイ超音波プローブを音響放射側から見た透視図である。１．５次元アレイ超音波プローブは、複数の圧電素子８０１、圧電素子８０１の背面に配置されるＦＰＣ８０２、および、ＦＰＣ８０２に配置される圧電素子８０１との間の信号伝送のための信号線路の配線パターン８０３を含む。
【００３７】
複数の圧電素子８０１は、アレイ方向に所定のピッチで配列される。配線パターン８０３は、信号を引き出し領域８０４まで引き出すためにアレイ方向に複数の圧電素子８０１の配列を跨いで配線されることになる。よって、上述の場合と同様に、少なくとも信号線路が切断されないように、ｚ軸方向から見て配線パターンがアレイ方向に複数の圧電素子８０１の配列を跨ぐ領域については、ＦＰＣ８０２がＦＰＣ８０２の厚み方向に所定のピッチで途中まで切り込まれればよい。
【００３８】
（第３の変形例）
上述した実施形態では、ＦＰＣ２０２を、ＦＰＣのうちの分割された部分が電極３０１となる第１層２０２−１と、配線パターンが形成される第２層２０２−２とに明示的に分けて説明しているが、ＦＰＣ２０２を第１層２０２−１と第２層２０２−２とに分けない構成であってもよい。
【００３９】
本実施形態に係る超音波プローブ１００の第３の変形例について図１１に示す。
図１１に示すように、ＦＰＣ２０２の面のうち、複数の圧電素子２０１が接続される面には、電極３０１が形成される。ＦＰＣ２０２の内部には、信号線路である配線パターン１１０１が形成され、電極３０１とスルーホールにより電気的に接続される。
ＦＰＣ２０２は、領域１１０２に示すように、所定のピッチで配線パターン１１０１が切断されない位置まで切り込むことが可能である。
つまり、圧電体を所定のピッチでダイシングすることにより複数の圧電素子２０１を形成する場合、領域１１０２に示すような位置までＦＰＣ２０２を切り込むことが許容される。
【００４０】
（第４の変形例）
本実施形態に係る超音波プローブ１００の第４の変形例について図１２に示す。
第４の変形例では、ＦＰＣ２０２が切り込まれない場合を示す。複数の圧電素子２０１用の電極３０１がＦＰＣ２０２上に予め所定のピッチで形成されていれば、ＦＰＣ２０２を切り込まなくてもよい。
【００４１】
上述した実施形態では、ＦＰＣ２０２が２層構造の例を説明したが、これに限らず、物理的に一体である単一層の構造でもよいし、３層以上の構造でもよい。例えば、３層以上の構造であれば、ＦＰＣ２０２の第１層が圧電素子の電極となり、第２層以降の信号線路を切断しないようにすればよい。
【００４２】
以上に示した本実施形態および本実施形態の変形例によれば、信号伝送のために配線密度が要求される配線パターンを用いる場合でも、中間層によってＦＰＣとバッキング材との間に空隙を形成することで、配線パターンを切断せずにＦＰＣの背面側に空隙を設けることができ、超音波プローブにおける超音波の送受信感度を向上させることができる。
【００４３】
以下、従来の超音波プローブの構成について図９および図１０を参照して説明する。
従来の超音波プローブは、圧電体９０１と、ＦＰＣ９０２と、バッキング材９０３とからなる。一般的に圧電体９０１の分割は、ダイシングにより実施されるため、圧電体が音響放射側からＦＰＣ９０２およびバッキング材９０３まで切り込まれる。
しかし、ＦＰＣの配線密度が要求される場合、ＦＰＣのうちの配線パターンは切断せずに、アレイ方向に配線が繋がっている必要がある。よって、図９に示すようなダイシングを行うことができない。
一方、図１０は、配線パターンが切断しないように、ＦＰＣの途中までダイシングし、分割されているＦＰＣ１００１と分割されていないＦＰＣ１００２とを有する状態を示す。図１０に示すように、バッキング材９０３までダイシングされないため、バッキング材９０３には空隙が形成されず、超音波の送受信感度が低下するという問題がある。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１００，６００，７００・・・超音波プローブ、１０１・・・筐体、１５０・・・ケーブル、２０１，８０１・・・圧電素子、２０２，８０２，９０２・・・フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）、２０２−１・・・第１層、２０２−２・・・第２層、２０３・・・中間層、２０３−１・・・層材、２０３−２・・・空隙、２０４，６０１，９０３・・・バッキング材、３０１・・・電極、３０２・・・信号線路、３０３，８０４・・・引き出し領域、３０４・・・中心領域、４０１・・・音響整合層、４０２・・・音響レンズ、４０３・・・水、６００・・・超音波プローブ、７０１・・・第３層、８０３・・・配線パターン、９０１・・・圧電体、１００１・・・分割されているＦＰＣ、１００２・・・分割されていないＦＰＣ。
【図１】
2018085718.tif 000003
【図２】
2018085718.tif 000004
【図３Ａ】
2018085718.tif 000005
【図３Ｂ】
2018085718.tif 000006
【図４】
2018085718.tif 000007
【図５】
2018085718.tif 000008
【図６】
2018085718.tif 000009
【図７】
2018085718.tif 000010
【図８】
2018085718.tif 000011
【図９】
2018085718.tif 000012
【図１０】
2018085718.tif 000013
【図１１】
2018085718.tif 000014
【図１２】
2018085718.tif 000015