(57)【要約】  従来のトランスデューサの制約を解消し、例えば、内視鏡内へのパッケージ化に適する寸法を有するフェイズドアレイトランスデューサを提供する。また、アレイ表面と略々垂直な角度で信号線をアレイ電極に電気的に接続し、この結果、従来のプリント回路板又はフレキシブル回路の曲げ半径の要件を排除することによって、総合的なパッケージサイズが小型化されたパッケージトランスデューサの製造の方法を提供する。【選択図】図３
2015524318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料及び複数の電極を含む超音波アレイにおいて、各電極がプリント回路板に埋め込まれている複数の信号線の対応する１つに電気的に接続され、前記超音波アレイに対する前記プリント回路板の角度は、約６０度より大きい超音波アレイ。
【請求項２】
請求項１記載の超音波アレイを備える内視鏡。
【請求項３】
圧電材料及び複数の電極を含む超音波アレイにおいて、各電極が複数の信号線の対応する１つに電気的に接続され、前記超音波アレイに対する前記信号線の角度は、約６０度より大きい超音波アレイ。
【請求項４】
前記角度は、７０度より大きい請求項１乃至３いずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記角度は、８０度より大きい請求項１乃至３いずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記角度は、約９０度である請求項１乃至３いずれか１項記載の装置。
【請求項７】
前記プリント回路板は、フレキシブル回路板である請求項１又は２記載の装置。
【請求項８】
請求項１、２及び４乃至７いずれか１項記載の超音波アレイ又は装置の製造方法において、前記プリント回路板にビアを形成するステップと、前記ビアを横断方向に切断して、前記プリント回路板の端部から導電材料を露出させるステップとを有する製造方法。
【請求項９】
前記アレイを前記導電材料にワイヤボンディングし、前記導電材料がワイヤボンディングパッドとして機能する請求項８記載の製造方法。
【請求項１０】
前記アレイは、前記導電材料に電気的に接続される請求項８記載の製造方法。
【請求項１１】
前記切断は、ダイシングソーによって行われる請求項８乃至１０いずれか１項記載の製造方法。
【請求項１２】
前記切断は、レーザによって行われる請求項８乃至１０いずれか１項記載の製造方法。
【請求項１３】
略々垂直なワイヤボンディングの製造方法において、導電材料が埋め込まれているフレキシブル回路内にビアを形成するステップと、前記ビアを横断方向に切断して、前記プリント回路板の端部から導電材料を露出させるステップとを有する製造方法。
【請求項１４】
超音波アレイと導電材料が埋め込まれているプリント回路板との間の電気的接続体の製造方法において、前記プリント回路板内にビアを形成するステップと、前記ビアを横断方向に切断して、前記プリント回路板の端部から前記導電材料を露出させるステップとを有する製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年８月９日に出願された米国仮出願第６１／６８１，３２０号及び２０１２年１０月６日に出願された米国仮出願第６１／７１０，６９６号の優先権を主張し、これらの文献は、引用によって本願に援用される。
【背景技術】
【０００２】
１〜１０ＭＨｚの周波数範囲で動作するアレイベースの超音波内視鏡システムは、腹腔鏡イメージングのために用いられることが多く、高いスキャン速度、動的フォーカシング及びビームステアリングを提供する。より高い解像度を必要とする内視鏡イメージング用途、例えば、血管内（intravascular）、心臓内（intracardiac）、経尿道（transurethral）、経鼻（trans-nasal）及び経鼓室（and transtympanic）イメージングでは、超音波アレイを必要な内腔に挿入するために、素子サイズを小さくし、素子ピッチを小さくし、完成した内視鏡を十分小さなパッケージにパッケージ化する必要があるため、超音波アレイの製造に多くの課題がある。したがって、これらの用途では、主に、単一素子超音波内視鏡（single element ultrasound endoscope）が使用されてきたが、このような内視鏡は、アレイ型の内視鏡に比べて、フレームレートが遅く、被写界深度と横方向分解能との間にトレードオフが存在し、内視鏡ヘッドに可動部品が必要であり、このために体積が大きくなり、不要な振動が生じる等の問題があった。
【０００３】
近年、全サンプリング前方視高周波線形アレイトランスデューサ（fully sampled forward looking high frequency linear array transducers）の開発に大きな進歩があった。フェイズドアレイ内視鏡は、殆どの用途において、単一素子内視鏡に比べて著しく優れた性能を提供すると考えられる。しかしながら、これまで、これらのアレイ内で素子を適応化しても、トランスデューサの総合的なパッケージを小さくすることはできなかった。このため、アレイの使用は、患者の体の外部からイメージングを行う一部の用途に制限されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
包括的に言えば、一側面では、超音波アレイは、圧電材料及び複数の電極を備える。各電極は、プリント回路板に埋め込まれている複数の信号線の対応する１つに電気的に接続され、超音波アレイに対するプリント回路板の角度は、約６０度より大きい。ある実施形態では、上述した超音波アレイは、内視鏡に含まれる。角度は、約７０度より大きくてもよい。角度は、８０度より大きくてもよい。角度は、約９０度であってもよい。プリント回路板は、フレキシブル回路板であってもよい。
【０００５】
また、一側面においては、上述した超音波アレイ又は装置のいずれかを製造する製造方法は、プリント回路板にビアを形成するステップと、ビアを横断方向に切断して、プリント回路板の端部から導電材料を露出させるステップとを有する。一実施形態においては、アレイを導電材料にワイヤボンディングし、導電材料がワイヤボンディングパッドとして機能する。他の実施形態として、金属薄膜、導電性エポキシ等によって、アレイを導電材料に電気的に接続してもよい。切断は、ダイシングソー又は同様の手法で行ってもよい。切断は、レーザによって行ってもよい。
【０００６】
一側面において、超音波アレイは、圧電材料及び複数の電極を備える。各電極は、複数の信号線の対応する１つに電気的に接続され、アレイに対する信号線の角度は、約６０度より大きい。角度は、約７０度より大きくてもよい。角度は、８０度より大きくてもよい。角度は、約９０度であってもよい。
【０００７】
一側面においては、略々垂直なワイヤボンディングの製造方法は、フレキシブル回路にビアを形成するステップと、ビアを横断方向に切断して、フレキシブル回路の端部から導電材料を露出させるステップとを有する。
【０００８】
一側面においては、超音波アレイとプリント回路板との間の電気的接続体の製造方法は、プリント回路板内にビアを形成するステップと、ビアを横断方向に切断して、プリント回路板の端部から導電材料を露出させるステップとを有する。
【０００９】
これらの及びこの他の特徴及び側面、並びにこれらの組合せは、方法、システム、コンポーネント、機能を実行する手段及びステップ、ビジネスモデル、プログラム製品として、並びに他の手法で表現することができる。
【００１０】
他の利点及び特徴は、以下の説明及び特許請求の範囲から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の内視鏡のプローブ端部の部分的斜視図である。
【図２】本発明の内視鏡の端部の断面図である。
【図３】本発明の内視鏡のプローブ端部の部分的斜視図である。
【図４】本発明の製造方法の工程を上から下に説明する図である。
【図５】具体例の内視鏡の１０ＭＨｚにおけるインピーダンス（Ω）対アレイ素子数を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
符号の説明
１００  フレキシブル回路、プリント回路板
１０２  トランスデューサスタック、基材
１０４  ワイヤボンディングパッド
１０６  アレイ素子への／からのワイヤ
１０８  圧電材料
１１０  電極
１１２  アレイ、超音波アレイ
１２０  カット
１２２  廃棄される回路板端部の片半分
１２４  回路板端部で露出する導電性材料
１２６  ビア
１２８  信号線
小型化された高周波超音波フェイズドアレイ内視鏡の設計及び製造方法を説明する。本発明では、電気的ハーネス（フレキシブル回路板、ＰＣＢ又は一連の導体等）を有するアレイを、スタックに対して、所定の角度に設定する。本発明によって、曲げ（bend）の必要性をなくすことができる。本発明によって、部品数を減らすことができると共に、占有体積を小さくすることができる。
【００１３】
本発明に基づく内視鏡及びこの内視鏡の製造方法の利点は、図１に示す従来の内視鏡設計との比較によって明らかにすることができる。プローブ端部において、圧電材料１０８の表面は、音響信号を送受信する個々の素子のアレイ１１２を画定するように複数の電極１１０によって系統的に電極化されている。圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（lead zirconate titanate：PZT）又はマグネシウムニオブ酸とチタン酸鉛の固溶体（ＰＭＮｘ−ＰＴ（１−ｘ））等が使用されることが多い。素子を更に分離するために、ソー、レーザ、反応性イオンエッチング又は他の手法を用いて、カーフ（圧電材料１０８への切込み）を形成する場合もある。アレイ１１２内の各素子は、（通常、ワイヤボンディングパッドを介して）対応するワイヤ１０６に電気的に接続され、ワイヤ１０６の他端は、プリント回路板１００の上のワイヤボンディングパッド１０４に電気的に接続されている。プリント回路板１００に埋め込まれた信号線（図示せず）は、各パッド１０４に電気的に接続され、各素子からプローブの末端（臨床医によって機械的に操作される端部）に各信号を送る。プリント回路板は、多くの場合、導電材料から形成された多くの信号線をフレキシブルポリマ層で挟み込むことによって、これらの信号線をパッケージ化したフレキシブル（フレックス）回路板である。また、プリント回路板１００は、可撓性を有さないこともあり、この場合、絶縁層は、ＦＲ−４グラスファイバーであってもよい。
【００１４】
なお、図１の従来の内視鏡設計では、フレキシブル回路１００は、アレイ１１２の表面に略々平行であり、プローブ端部から十分遠い距離で曲げられている。このような内視鏡の最小寸法は、プローブ端部に存在するフレキシブル回路の寸法によって制限される。通常、ボンディングパッド１０４は、フレキシブル回路１００及びアレイ１１２の両方の上で露出され、アレイパッド及びフレキシブル回路パッドを互いに接続するためにワイヤ１０６が使用される。フレキシブル回路１００へのダメージを防止するために、製造業者は、超音波アレイ信号を伝達するために使用されるような多層フレキシブル回路の最小曲げ半径を数ミリメートルの桁で指定する。この最小曲げ半径のために、フレキシブル回路を超音波アレイから数ミリメートル延長させて折り曲げる必要があり、このために、デバイスの断面積が大きくなっている。幾つかの例では、機械的支持のための他の構造を設けていない。幾つかの例では、他の構造によってワイヤを保持するアタッチメントを設け、このような構造が取り付けられると、ワイヤがアレイ表面の平面に揃うようにしてもよく、これによって、ワイヤの破損を回避するために必要な曲げ半径を最小化している。内視鏡が挿入される内腔の最小寸法は、内視鏡の断面積によって制限されるので、断面積は、可能な限り小さくすることが望ましい。
【００１５】
ここで、図２及び図３を参照して、本発明に基づく内視鏡の実施形態を説明する。ここでは、プリント回路板１００（フレキシブル回路等）をアレイ１１２の表面に略々平行にワイヤボンディングすることに代えて、フレキシブル回路をアレイ表面に略々垂直にワイヤボンディングする（又は他の手法で電気的に接続する）。このような構成では、フレキシブル回路は、曲げられず、プローブの断面積は、プローブ端部において、アレイ素子、ボンディングパッド及びフレキシブル回路の厚さを収容するに足る大きさであればよい。この構成は、内視鏡高周波フェイズドアレイ超音波システム、非内視鏡高周波超音波フェイズドアレイ、内視鏡及び非内視鏡の超音波フェイズドアレイ及び超音波線形アレイの両方を含む様々な応用例で使用することができる。幾つかの実施形態では、本発明に基づく内視鏡は、２．４７ｍｍ×２．４２ｍｍの寸法を有し、この内視鏡内にパッケージ化された４０ＭＨｚ、６４素子フェイズドアレイトランスデューサを備え、このアレイは、ＰＭＮ−３２％ＰＴを材料とし、素子間ピッチ３８μｍの前方視カーフレス設計（forward looking kerfless design）によって形成される。幾つかの実施形態では、アレイに対するフレキシブル回路の角度は、約９０度である。幾つかの実施形態では、アレイに対するフレキシブル回路の角度は、８０度から９０度である。幾つかの実施形態では、アレイに対するフレキシブル回路の角度は、７０度から９０度である。幾つかの実施形態では、アレイに対するフレキシブル回路の角度は、約６０度から９０度である。法平面に交差する幾つかの実施形態では、アレイに対するフレキシブル回路の角度は、９０度を超えていてもよい。
【００１６】
プリント回路板をアレイに略々垂直に取り付けるには、プリント回路板の端部でアレイとプリント回路板とをワイヤボンディングする必要があるが、これは、技術的に容易ではない。特に、フレキシブル回路は、複数の層を重ねて構成されているため、ボンディングパッドをフレキシブル回路の端部に取り付けることは容易ではない。更に、ワイヤボンディングは、通常、２つの平行な面の間で行われるため、プリント回路板がフレキシブルであるか否かにかかわらず、このような構成のプリント回路板の表面上のボンディングパッドへの接続を実現することは、困難である。本発明は、新たな製造方法を提供することによって、これらの課題を解決する。幾つかの実施形態では、この方法によって、アレイ素子に信号線をワイヤボンディングでき、また、電気的接続は、導電性エポキシ又は薄膜金属堆積を用いて実現することもできる。
【００１７】
ワイヤボンディングの実施形態では、製造方法は、以下のステップを含む（図４参照）。プリント回路板１００内に、導電材料が充填された一組の部分的ビア１２６を形成する（図４上）。これらのビアは、埋め込まれた信号線１２８の位置に対応しており、電気的接続に適する導電材料から形成されている。幾つかの実施形態では、この工程を二回繰り返し、プリント回路板１００の厚さ方向に２列のビア１２６を形成し、一方の列が２層のうちの上層にあり、他方の列が２層のうちの下層にあり、これらの列が交互になるようにしてもよい。そして、ダイシングソーによって、回路板の端部でビア１２６が半分に切断されるように回路板を幅方向に切断し（図４中央）、切断部分１２０において各信号線に対応する導電材料１２４を露出させる（図４下）。残りの部分１２２は、廃棄する。本発明の内視鏡の製造方法では、次に、アレイ１１２と、回路板の切断されたビア１２６とをワイヤボンディングし、これによって、プリント回路板を曲げることなく、接続を実現する。
【００１８】
本発明の製造方法に基づいて構成された本発明の内視鏡の実施例を以下に示す。
【００１９】
実施例
ＰＭＮ−３２％ＰＴを材料とする、２．４ｍｍ×２．４ｍｍ、厚さ４７μｍのアレイ基板を準備した。フォトリソグラフィによって、この基板の上面に、電極幅２７μｍ、素子間ピッチ３７μｍの６４電極のアレイを形成した。各電極は、アレイの両側にそれぞれ２列（合計４列）がボンディングパッドまで延び出すように形成した。アレイの裏面には、１．２μｍのアルミニウム層をスパッタリング蒸着させてグラウンド電極を形成し、厚い導電性エポキシ層をここに取り付け、音波吸収裏打ち層として機能させるようにした。ボンディングパッドが圧電的に有効になることを回避するため、このエポキシ層をダイシングソーによって除去した。アレイの両側部から素子に接続する２つの６層のフレキシブル回路板を設計した。各フレキシブル回路には、回路板の端部近傍において、それぞれ銅が充填されたビアにおいて終端された３２個のトレースを設けた。ダイシングソーを用いて、中実のビアの中央が切断されるようにフレキシブル回路を切断した。ダイシングされたビアがアレイから延びるボンディングパッドに揃うように、２つのフレキシブル回路板をトランスデューサスタックの両側にエポキシ樹脂で取り付けた。そして、ワイヤボンディングツールの正面でフレキシブル回路とトランスデューサのスタックを直立に保持するようにジグを構成した。厚さ１５μｍのアルミニウムワイヤボンディングを用いて、アレイの厚さ内で、アレイ上のボンディングパッドをダイシングされたビアに接続した。ワイヤボンドは、３０体積％のアルミニウム粉末及びＥｐｏｔｅｋ３０１（エポキシテクノロジ社：Epoxy Technology）の混合物からなる厚い絶縁性エポキシで包み込んだ。内視鏡の正面に、整合層／レンズの組合せをエポキシ樹脂によって取り付けた。プローブの端部において、フレキシブル回路に超小型同軸ケーブルを直接はんだ付けした。
【００２０】
フレキシブル回路の端部において測定された素子のインピーダンスの測定値（図５参照）は、この技術によって、フレキシブル回路とアレイとの間のワイヤボンディングにおけるインピーダンスを低く保ちながら、トランスデューサ素子への良好な電気的接続を実現できることを示している。
【図１】
2015524318.tif 000003
【図２】
2015524318.tif 000004
【図３】
2015524318.tif 000005
【図４】
2015524318.tif 000006
【図５】
2015524318.tif 000007
【国際調査報告】
2015524318.tif 000008
2015524318.tif 000009