(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元状に配列された超音波振動子と、
前記超音波振動子に設けられ、当該超音波振動子からの電気信号を受信する信号電極と、
前記超音波振動子を制動する負荷材と、
前記信号電極から前記負荷材を通して所定のピッチで引き出される複数の信号線と、
複数の第１の電極が前記信号線の所定のピッチと同ピッチで設けられた第１の面と、前記第１の電極と電気的に接続された複数の第２の電極が前記所定のピッチより広いピッチで設けられた第２の面と、を有し、前記信号線と前記第１の電極とを対応して接続することで、前記第１の面から前記第２の面にかけて前記信号線間のピッチを広げる第１の基板と、
前記第２の電極に接続され前記電気信号に関する処理を行う信号処理手段を実装し、前記第１の基板と略垂直に設けられた第２の基板と、
を具備することを特徴とする二次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項２】
前記複数の信号線は、前記振動子の二次元状の配列面に対して略垂直に引き出されていることを特徴とする請求項１記載の二次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項３】
前記第１の基板は、前記第２の面に於いて前記第２の電極を有する複数の孔を有し、
前記第２の基板は、前記孔と同一ピッチで形成され、所定の接続パターンによって前記制御手段と電気的に接続されている複数の接続ピンを有し、
前記制御手段は、前記孔に差し込まれた前記接続ピンを介して前記第２の電極と電気的に接続されること、
を特徴とする請求項１又は２記載の二次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項４】
前記第２の基板は、前記所定の接続パターンを変更する変更手段を有することを特徴とする請求項３記載の二次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項５】
前記変更手段は、所定の接続パターンを有した前記第２の基板に脱着可能なプレートであること、を特徴とする請求項４記載の二次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項６】
前記複数の第１の電極のうちの一部は、アース接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の二次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項７】
前記第２の電極の数は、前記第１の電極の数よりも少ない構成であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の二次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項８】
前記第１の基板は多層基板であり、前記第１の電極の前記所定ピッチを広げるための複数の配線パターンが形成された少なくとも一つの配線パターン層と、
前記複数の第１の電極の一つと、前記複数の配線パターンのうちの一つと、前記複数の第２の電極の一つとを電気的に接続する複数の接続手段と、
を有し、
前記信号線間のピッチは、前記配線パターン層の配線パターンによって拡大されていること、
を特徴とする請求項１記載の二次元アレイ型超音波プローブ。
【請求項９】
前記複数の第１の電極は、超音波送信用電極と、超音波受信用電極と、アース電極とから成り、
前記第２の電極は、複数の配線パターンによって前記超音波送信用電極に対応する電極毎、及び前記超音波受信用電極に対応する電極毎に整列されていること、
を特徴とする請求項８記載の二次元アレイ型超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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探触子に関し、特に、圧電振動子をマトリックス状に配列した２次元アレイ型超音波プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波診断装置に使用する超音波プローブの一つに、図１８（ａ）に示すように、短冊状（細長い直方体状）の圧電素子をアレイ状に配列した１次元のアレイプローブがある。一般に、この１次元のアレイプローブは、電子走査法と呼ばれる超音波走査方式によって被検体に超音波を走査し、診断する場合に使用されている。ここで、電子走査法とは、アレイ状の超音波振動子それぞれに遅延時間を与え、送信パルスや受信信号のフォーカスをかける方法である。この電子走査法によれば、送受信超音波ビームのフォーカス点を高速に変更することが可能であり、現在の超音波走査方式の主流となっている。
【０００３】
しかし、一次元アレイプローブによる電子走査では、圧電素子の配列方向の面内における電子フォーカスや超音波ビームの走査は可能であるが、配列方向と直交する方向（すなわち前記超音波走査面の法線方向）には、音響レンズのみによるフォーカスしか行うことができず、フォーカス点の変更は狭い範囲に限られてしまい、ダイナミックなフォーカスは不可能である。また、アレイ素子の配列が１次元配列となっているため、超音波ビームを２次元的にしか走査することが出来ない。
【０００４】
一方、近年に於いて、超音波ビームのフォーカスを全方位的にダイナミックフォーカスしたり、超音波ビームの三次元的走査が可能なアレイ超音波プローブ、及びこのアレイ超音波プローブにより収集された被検体からの超音波に基いて三次元超音波画像を生成し表示するシステムの検討が進んできている。超音波ビームの三次元走査は、上述の一次元アレイプローブとメカニカルな走査機構を組み合わせることで実現することができる。しかし、超音波の全方位的なフォーカシング、高速な三次元走査の実現は、一次元アレイプローブでは困難である。
【０００５】
この超音波の全方位的なフォーカシングや高速な三次元走査を実現する超音波プローブとして、図１８（ｂ）に示すように、一次元アレイプローブと比較して更に多数の超音波素子をマトリックス状等に配列した２次元アレイ超音波プローブがある。
【０００６】
この２次元アレイ超音波プローブを実現する手段は、以前から多数の提案が検討されている。例えば、ＵＳＰ５２６７２２１に於いては、バッキング材に穴構造を設け、信号リードを引き出す構造が提案されており、特開昭６２−２７９９に於いては、振動子配列に対応する基板を積層して信号引き出し部を構成する構造が提案されている。これらに開示されている２次元アレイ超音波プローブの構造は、１素子の音響特性を良好に保つことを可能としている。また、ＵＳＰ５３１１０９５に於いては、信号取りだしのための積層基板８０を振動子直下に配した構造等を提案しており、素子ピッチを小さくしても比較的容易に信号引き出し可能な構造が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２次元アレイ超音波プローブに於いては、一振動素子が小さく配列ピッチが小さいため、各素子から信号線の引き出し、超音波素子の音響特性の維持、ＩＣ等の実装等が困難になる。既に提案されている２次元アレイ超音波プローブでは、さらに素子ピッチを小さくした場合、電気回路やケーブルに、取り出したリード線を接続したり、或いは基板にＩＣ等を実装することが困難になる。また、素子ピッチを小さくしても比較的容易に信号引き出し可能なＵＳＰ５３１１０９５に示されたような引き出し基板を用いた場合でも、基板による素子への音響的な影響（素子特性の劣化）が生じてしまう。
【０００８】
これらの点についてさらに詳しく検討すると、以下のようである。
【０００９】
例えば、２次元アレイ状の各超音波振動子から信号電極を取り出すために信号取り出しのための回路基板を振動子直下に設ける方法では、回路基板が音響的に悪影響を与えないようにしなくてはならない。しかし、振動子の背面に設ける音響負荷材（バッキング材）と振動子の間に回路基板を設けることになり、音響的な特性劣化は避けられないため、現実的には困難である。
【００１０】
また、２次元状のアレイ素子から信号線を素子配列面と概垂直に引き出す場合、このように引き出すことでバッキング材を従来と同様に設けることは可能となり、信号線の影響も小さくすることが可能であるが、２次元アレイプローブの素子配列が多数になり素子ピッチが小さくなるにつれ、信号線に付加する回路基板の接続が困難になるという問題が生じる。すなわち、例えば振動子の配列ピッチが０．５ｍｍとなれば、それから引き出される信号線の配列ピッチも当然０．５ｍｍ程度となり信号線に付加する回路基板も０．５ｍｍピッチで配列する必要が生じる。当然それ以下のピッチでも同様である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、電気回路を付加した２次元アレイプローブに於いて、２次元状に配列された各超音波振動素子の音響特性を維持しつつ、２次元アレイプローブの素子ピッチがマトリックスの各配列方向に従来１次元プローブの素子配列ピッチ程度に小さくなっても信号線の引き出しが可能で、かつ信号線に電気回路を設けた回路基板を容易に接続す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。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を具備するものである。
【００１３】
請求項１記載の発明は、二次元状に配列された超音波振動子と、前記超音波振動子に設けられ、当該超音波振動子からの電気信号を受信する信号電極と、前記超音波振動子を制動する負荷材と、前記信号電極から前記負荷材を通して所定のピッチで引き出される複数の信号線と、複数の第１の電極が前記信号線の所定のピッチと同ピッチで設けられた第１の面と、前記第１の電極と電気的に接続された複数の第２の電極が前記所定のピッチより広いピッチで設けられた第２の面と、を有し、前記信号線と前記第１の電極とを対応して接続することで、前記第１の面から前記第２の面にかけて前記信号線間のピッチを広げる第１の基板と、前記第２の電極に接続され前記電気信号に関する処理を行う信号処理手段を実装し、前記第１の基板と略垂直に設けられた第２の基板とを具備することを特徴とする二次元アレイ型超音波プローブである。
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、制御手段を付加した２次元アレイプローブに於いて、超音波振動子のピッチが小さくなった場合であっても、２次元状に配列された各超音波振動素子の音響特性を維持しつつ、信号線の引き出しが可能で、かつ信号線に制御手段を設けた基板を容易に接続することができる超音波プローブを実現することができる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の二次元アレイ型超音波プローブにおいて、前記複数の信号線は、前記振動子の二次元状の配列面に対して略垂直に引き出されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の二次元アレイ型超音波プローブにおいて、前記第１の基板は、前記第２の面に於いて前記第２の電極を有する複数の孔を有し、前記第２の基板は、前記孔と同一ピッチで形成され、所定の接続パターンによって前記制御手段と電気的に接続されている複数の接続ピンを有し、前記制御手段は、前記孔に差し込まれた前記接続ピンをを介して前記第２の電極と電気的に接続されることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の二次元アレイ型超音波プローブにおいて、前記第２の基板は、前記所定の接続パターンを変更する変更手段を有することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の二次元アレイ型超音波プローブにおいて、前記変更手段は、所定の接続パターンを有した前記第２の基板に脱着可能なプレートであることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の二次元アレイ型超音波プローブにおいて、前記複数の第１の電極のうちの一部は、アース接続されていることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の二次元アレイ型超音波プローブにおいて、前記第２の電極の数は、前記第１の電極の数よりも少ない構成であることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項２〜請求項７記載のうちいずれか一項記載の発明によっても、制御手段を付加した２次元アレイプローブに於いて、超音波振動子のピッチが小さくなった場合であっても、２次元状に配列された各超音波振動素子の音響特性を維持しつつ、信号線の引き出しが可能で、かつ信号線に制御手段を設けた基板を容易に接続することができる超音波プローブを実現することができる。
【００２２】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の二次元アレイ型超音波プローブであって、前記第１の基板は多層基板であり、前記第１の電極の前記所定ピッチを広げるための複数の配線パターンが形成された少なくとも一つの配線パターン層と、前記複数の第１の電極の一つと、前記複数の配線パターンのうちの一つと、前記複数の第２の電極の一つとを電気的に接続する複数の接続手段と、を有し、前記信号線間のピッチは、前記配線パターン層の配線パターンによって拡大されていることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項８記載の発明によれば、第１の基板は少なくとも一つの配線パターン層を有しており、各第１の電極から引き出された信号線のピッチ幅は、配線パターン層に形成されたパターン配線によって拡大され、第２の電極に接続される。従って、超音波振動子が小さく配列ピッチが小さい二次元アレイ型超音波プローブであっても、各素子から信号線の引き出し、超音波素子の音響特性の維持、ＩＣ等の制御手段の実装等を容易に実現することができる。
【００２４】
請求項９記載の発明は、請求項１記載の二次元アレイ型超音波プローブであって、前記複数の第１の電極は、超音波送信用電極と、超音波受信用電極と、アース電極とから成り、前記第２の電極は、複数の配線パターンによって前記超音波送信用電極に対応する電極毎、及び前記超音波受信用電極に対応する電極毎に整列されていることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項９記載の発明によれば、各第１の電極配列が送信用電極と受信用電極とを無作為に混在させた状態であっても、各第２の電極が送信用電極或いは受信用電極であるのか容易に把握することができる。また、前記第２の基板の電気回路を単純化することができ、第２の基板の種類を少なくすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態を図面に従って説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る二次元アレイ超音波プローブが有する二次元アレイ超音波トランスデューサ１０の概略図である。図１（ａ）は、２次元アレイ超音波トランスデューサ１の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に於いて矢印方向から見たＡ−Ａ断面図である。
【００２８】
図１（ａ）に於いて、２次元アレイ超音波トランスデューサ１０は、音響整合層１２、アース電極１４、振動素子（圧電体）１６、信号電極１８、バッキング材２０（負荷材相）、信号線２２、を具備する構成となっている。
【００２９】
音響整合層１２は、図示していない被検体と振動素子１２との間に位置するように設けられており、被検体と振動素子１２との音響インピーダンスの整合をとるものである。
【００３０】
アース電極１４は、各振動素子１６の一端に設けられている。アース電極１４は、圧電効果を得るために各振動素子１６に電力を印加するための電極であり、アース接続されている。
【００３１】
振動素子（圧電体）１６は、２成分系或いは３成分系の圧電セラミックス等から成る圧電素子であり、２次元マトリックス状に配列されている。この振動素子１６の２次元的配列により、超音波の全方位的なフォーカシングと高速な三次元走査が可能である。
【００３２】
信号電極１８は、各振動素子１６の他端（すなわち、アース電極１４とは異なる一端）に設けられており、圧電効果のための電力印加や被検体から受波した超音波に基く電気信号を入力する電極である。
【００３３】
バッキング材２０は、振動素子１６の背面に設けられており、当該振動素子１６を機械的に支持する。また、バッキング材２０は、超音波パルスを短くするために、振動素子１６を制動している。このバッキング材２０は、後述する信号線端部２２１が振動素子１６と同じ配列ピッチとなるように、信号電極１８から振動素子１６の配列面と垂直な方向に信号線２２を引き出し可能な経路が形成されている。このようなバッキング材２０は、板状のバッキング材と信号線パターンを張り合わせ、その板厚みが配列ピッチと同じになるような薄いバッキングを積み重ねなる等により作成することが可能である。また、このバッキング材２０の厚さは、トランスデューサの音響的特性を良好に保つため、使用する超音波周波数の波長に対して十分な厚さ（十分減衰される厚さ）にとるものとする。
【００３４】
信号線２２は、その一端に於いて信号線端部２２１を有している。また、他端に於いては各振動素子１２の信号電極１８と接続されており、振動素子１６の配列面と垂直な方向に、信号電極１８から伸延して、バッキング材２０中の経路を通し信号線端部２２１が引き出されている。従って、信号線端部２２１は、振動子と反対側のバッキング材２０の面に於いて、２次元アレイ状に並んだ構成となっている。
【００３５】
なお、本実施形態に係る信号線端部２２１の配列は、振動素子１６と同じ配列ピッチのまま、すなわち電極配列と同様に並んだ例を示しているが、信号線端部２２１の配線ピッチを素子ピッチより大きくとることも可能である。例えば、上述した板状バッキングと信号線パターンとを張り合わせて信号線の２次元配列を作る場合等では、張り合わせる信号線パターンを信号線端部２２１方向に進むに従って広がるようなパターンにすることで実現できる。
【００３６】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る二次元アレイ超音波プローブが有する、上述したトランスデューサ１０と接続される中継基板３０と、中継基板３０に略垂直に設けられる第１のＩＣ基板４０と、を示した概略図である。図２（ａ）は、中継基板３０と第１のＩＣ基板４０とをバッキング材２０接続側から見た斜視図である。また、図２（ｂ）は、バッキング材２０接続側に対し反対側から見た中継基板３０の斜視図であり、中継基板３０と第１のＩＣ基板４０との接続を説明するための図である。
【００３７】
中継基板３０は、図２（ａ）に示すように、一方の面に於いて信号線端部２２１と接続される信号取り出し電極３０１を有し、図２（ｂ）に示すように、他方の面に於いて後述する第１のＩＣ基板４０の接続ピン４０１を支持する穴（孔）３０３を有しており（以下、信号取り出し電極３０１を有する面を第１の面３１０、穴３０３を有する面を第２の面３１２と呼ぶことにする）、トランスデューサ１０とＩＣ基板４０との電気的接続の中継を担っている。第１の面３１０の信号取り出し電極３０１は、信号線端部２２１の配列ピッチに合わせて二次元アレイ状に形成されており、対応する信号線端部２２１に接続される。第２の面３１２の穴３０３は、その底部に於いて、後述する接続ピン４０１に接続される電極３０５を有している。また、穴３０３の配列ピッチは、信号取り出し電極３０１の配列ピッチと比較して大きなものとなっている。これは、中継基板３０を多層基板で構成し、中間層にピッチを拡大していくようなパターンを設けることで実現できる。
【００３８】
第１のＩＣ基板４０は、送受信信号を処理する（増幅、切り替え等）ＩＣ４５を実装しているリジッド基板である。この第１のＩＣ基板４０は、第１のＩＣ基板４０の一端の両面に、前記穴３０３の形状、配列ピッチに合わせた接続ピン４０１を有している。第１のＩＣ基板４０は、当該両面の接続ピン４０１を穴３０３内に差し込む形で中継基板３０に接続される。このとき、接続穴３０３の底面に半田層を設け接続時に半田を溶融することで、電気的接続（接続ピン４０１と電極３０５との接続）、及び機械的接続（穴３０３による接続ピン４０１の支持）をとることが可能である。
【００３９】
一般に、トランスデューサ１０の振動素子数が増加すると、実装するＩＣ４５の数も多数となる。本発明に係る二次元アレイ超音波プローブは二次元トランスデューサ１０を有するため、多くのＩＣを実装する必要がある。従って、ＩＣ実装面積を広く確保しなければならない。本発明に係る二次元アレイ超音波プローブでは、以下に述べるように、中継基板と垂直に複数枚のＩＣ基板を所定のピッチで接続し、広いＩＣ実装面積を確保する構成となっている。
【００４０】
図３、４は、第１のＩＣ基板４０と中継基板３０との接続を説明するための図である。図３は、各ＩＣ基板４５が同一の向きとなる接続方法であり、図４は、各ＩＣ４５が向き合うような接続方法を示している。
【００４１】
上述したように、接続ピン４０１を第１のＩＣ基板４０の両面に設け、例えば図３、図４に示すように、第１のＩＣ基板４０の厚さを穴３０３の列ピッチと同程度とすることで、第１のＩＣ基板４０の配列ピッチが穴３０３の２列分（すなわち、ＩＣ基板の配列ピッチは電極配列ピッチの２倍）となるように、複数枚の第１のＩＣ基板４０を中継基板３０に接続することができる。また、接続ピン４０１を３列分あるいは４列分設けることにより、第１のＩＣ基板４０の配列ピッチをさらに大きくとることも可能である。
【００４２】
また、第１のＩＣ基板４０のＩＣ４５実装形態は、図３に示した一般的な形態以外に、図４に示すように隣接するＩＣ基板４０間でＩＣ４５の実装位置を変えた両面実装や、更なる高密度実装にすることも可能である。
【００４３】
この様な構成によれば、中継基板３０による信号電極３０５のピッチ拡大、第１のＩＣ基板４０で接続に使用する接続ピン４０１の複数列形成により、トランスデューサ１０の素子配列ピッチに対して十分大きなピッチで複数の第１のＩＣ基板４０を配列することができる。その結果、ＩＣ基板厚みがある程度厚くでき（例えば、素子ピッチは０．２〜０．５ｍｍ程度であるのに対し、ＩＣ基板配列ピッチはその２倍から４倍以上とすることも可能である）作成を容易にするばかりでなく、ＩＣの実装や第１のＩＣ基板４０へのケーブル接続等を容易にすることが可能となる。
【００４４】
次に、二次元トランスデューサ１０と、複数枚の第１のＩＣ基板４０が設けられた中継基板３０との接続について説明する。
【００４５】
図５は、図１に示した二次元トランスデューサ１０と、図２に示した第１のＩＣ基板４０が設けられた中継基板３０との接続を説明するための図である。
【００４６】
上述したように、バッキング材２０の一面に形成された信号線端部２２１と中継基板３０の信号取り出し電極３０１とは、同じ配列ピッチで二次元アレイ状に配列されているから、二次元トランスデューサ１０と中継基板３０とは、各信号電極７と各信号取り出し電極３０１とを対応させ、一括して異方性導電フィルムやバンプ接続等の方法で接続することができる。
【００４７】
従って、本発明に係る二次元アレイ超音波プローブは、バッキング材２０を貫いて信号電極１８からの信号線１９を引き出している。バッキング材２０背面（下層）には、バッキング材相を通過した信号線と接続する中継基板３０と送受信信号に対して増幅や切り替え等を行うＩＣを実装するための第１のＩＣ基板４０とが設けられている。中継基板３０とＩＣ基板４０とは、垂直に連結した構造となっている。
【００４８】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る二次元アレイ超音波プローブと超音波診断装置本体とを接続するケーブル６０と、上述した第１のＩＣ基板４０とを接続する機構を説明するための図である。
【００４９】
図６に於いて、ケーブル６０は、超音波診断装置本体と第１のＩＣ基板４０等との電気的接続を取るケーブルである。このケーブル６０は、ケーブルアセンブリ用ＦＰＣ６０１（フレキシブルプリント基板）と、当該ケーブルアセンブリ用ＦＰＣ６０１を覆うカバー６０３とによって構成されており、柔軟性を備えている。
【００５０】
ケーブル接続基板５０は、上述した第１のＩＣ基板４０とケーブル６０とを接続するための基板である。当該ケーブル接続基板５０は、柔軟性を備えたＦＰＣで出来ており、その一端は、第１のＩＣ基板４０における接続ピン４０１が設けられた一端とは反対側の一端に電気的に接続されている。
【００５１】
コネクタ６２は、ケーブル接続基板５０の他端及びケーブルアセンブリ用ＦＰＣ６０１の一端にそれぞれ設けられている。このコネクタ６２によって、ケーブル接続基板５０とケーブルアセンブリ用ＦＰＣ６０１とは電気的に接続される。
【００５２】
次に、上記のように構成した二次元アレイ超音波プローブの作用を説明する。
【００５３】
本実施形態に示した構造では、バッキング材２０の厚みは、使用する超音波周波数の波長に対して十分な厚さ（十分減衰される厚さ）にとる構成となっているから、超音波トランスデューサの振動素子の音響特性を劣化させることなく信号線を引き出すことができる。従って、２次元アレイ素子の素子数が増大した場合、また、素子ピッチが従来プローブ並に小さくなった場合であっても、２次元アレイ状に配列した電極同士を、ＡＣＦ等の微細パターン接続法を用いて面接続可能である。
【００５４】
信号線の引き出しを行う中継基板３０は、２次元アレイ素子の配列面と概平行な面内に信号取り出し電極を配列する構成になっている。その結果、従来のアレイ素子ピッチと同程度の素子ピッチを有する２次元アレイ素子であっても信号の取り出しが容易となる。
【００５５】
また、中継基板３０によって、第２の面３１２に形成された穴３０３の配列ピッチ（すなわち、電極３０５の配列ピッチ）は、第１の面３１０に形成された信号取り出し電極３０１の配列ピッチよりも大きくする構成であるから、送受信信号のためのＩＣを実装する第１のＩＣ基板４０と中継基板３０との接続を容易に行うことができる。この構成は、振動素子が小さい場合に特に実益がある。
【００５６】
第１のＩＣ基板４０には、中継基板３０との接続のための接続ピン４０１を複数列設け、第１のＩＣ基板４０の数を電極３０５の列数または行数よりも少なくした構成となっている。従って、第１のＩＣ基板４０の配列ピッチを大きくすることができ、ＩＣの実装やケーブル接続等を容易に行うことができる。さらに、製造コストも低くすることが可能となる。
【００５７】
バッキング材相を通過した信号線２２と接続する中継基板３０と、送受信信号に対して増幅や切り替え等を行うＩＣを実装するための第１のＩＣ基板４０とを個別に設け、略垂直に連結した構成となっている。従って、従来の二次元アレイ超音波プローブと比してＩＣ実装面積を十分広く確保することができ、複数のＩＣ基板の効率的な接続が可能である。また、送受信信号に対して増幅や切り替えを行うＩＣの設置は、超音波振動素子配列面とは概垂直な面内で行うことが出来るから、当該配置を障害なく容易に行うことが出来る。
【００５８】
また、第１のＩＣ基板４０に接続するケーブル接続基板５０とケーブルアセンブリ用ＦＰＣ６０１とをコネクタ６２で接続する構成となっている。また、ＩＣ基板はＩＣの実装を高密度に行えるようにリジット基板を利用することで強固な構造体を形成している。従って、ケーブル６０と第１のＩＣ基板４０との接続、組立の作業性を良くし、ケーブル接続部の柔軟性により破損しにくい構造となっている。
【００５９】
以上述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。
【００６０】
電気回路を付加した２次元アレイ型超音波プローブに於いて、二次元上配列の各配列方向に素子ピッチが小さくなった場合であっても、各超音波振動素子１６の音響特性を劣化させず、信号線２２を引き出すことが可能であり、当該引き出した信号線２２にＩＣ４５を設けたＩＣ基板４０を容易に接続することができる。
【００６１】
以上、本発明を第１実施形態に基いて説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下に示すように、その要旨を変更しない範囲で種々変形可能である。
【００６２】
上述した中継基板３０は、第１の面に於いて、信号線端部２２１と接続される所定ピッチの信号取り出し電極３０１を有し、第２の面に於いて、信号取り出し電極３０１のピッチより大きなピッチで形成された、接続ピン４０１を支持する穴３０３及び当該穴３０３にある電極３０５を有している。この信号取り出し電極３０１と電極３０５との対応は、必要に応じて変形可能な構成であってもよい。
【００６３】
すなわち、すべての第１面の信号取り出し電極３０１からの電気信号を、第２面の電極３０５から取り出す必要はなく、例えば、信号線端部２２１のいくつかからアース接続をとる形態、或いは信号取り出し電極３０１からの電気信号を間引いて電極３０５から取り出す形態とし、信号取り出し電極３０１と電極３０５との数を対応させない構成であってもよい。また、第１の面３１０の信号取り出し電極３０１と第２の面３１２の電極３０５との電気的接続の対応のさせ方は、任意であってかまわない。
【００６４】
（第２の実施形態）
第１の実施形態で述べたように、２次元アレイ超音波プローブは、超音波素子を２次元アレイ状に配列することで、超音波ビームの走査を三次元的に行うことを１つの目的としている。従って、従来の１次元アレイプローブと同程度の分解能を得るためには、一方向の素子配列数や素子配列ピッチを１次元アレイプローブと同程度であることが好ましい。例えば、現状のセクタプローブ（１次元アレイプローブ）は、１００素子前後の素子数を利用している。従って、二次元の各方向についてこのセクタプローブと同程度の分解能を得るためには、１００×１００＝１００００素子もの素子数を確保することが必要である。しかし、現在では、１００００素子もの素子を使用するシステムを実現することは、プローブの製造性等の観点から困難となっている。
【００６５】
この問題の解決策の一つとして、２次元アレイ超音波プローブの利用に於いて、スパースアレイという利用方法がある。これは、多数ある２次元アレイプローブ素子配列の中から、振動素子をランダムに抽出選択し、使用する振動素子数を減少させることにより、構造上の課題を解決する方法である。この方法の長所の一つは、ランダムな素子を選択することで、素子配列により生じるグレーティングローブやサイドローブといった虚像の発生原因を抑制することができることである。
【００６６】
しかし、このスパースアレイを可能とする二次元超音波プローブに於いては、上述した第１のＩＣ基板４０上に形成される信号線の数やパターンは、各第１のＩＣ基板４０ごとに変わる可能性が高い。すなわち回路パターンの異なる多数のＩＣ基板を必要とすることに他なり、プローブのコストを高くする要因となってしまう。
【００６７】
第２の実施形態は、本発明に係る二次元アレイ型超音波プローブをスパスーアレイに適用し、プローブのコストを低くできる例について説明する。この例は、第１のＩＣ基板４０上に実装された各ＩＣと接続ピン４０１との電気的接続パターンは、第１のＩＣ基板４０毎に特定のパターンとなる第１の実施形態に対し、各ＩＣ基板上の各ＩＣと接続ピン４０１との電気接続パターンを必要に応じて変更可能としたものである。
【００６８】
すなわち、第２の実施形態に係る二次元アレイ型超音波プローブが具備するＩＣ基板は、基板内にパターン変更部７１を有しており、利用する素子のパターンが異なる場合であっても同一のＩＣ基板が使用できるようになっている。以下、パターン変更部の具体的な実現方法を示す。
【００６９】
図７（ａ）は、ＩＣと接続ピン４０１との接続パターンを変更可能な第２のＩＣ基板７０を示している。
【００７０】
図７（ａ）に於いて、第２のＩＣ基板７０は、信号線の途中にジャンパー線７４を接続するためのジャンパー端子７２、７３を設け、ジャンパー端子１２、１３間を所望の接続パターンに変更可能としたパターン変更部７１を具備している。ある接続パターンを別の接続パターンに変更したければ、新たなジャンパー線の接続設定を行えばよい。また、不必要な端子をアースに落とすことも可能である。
【００７１】
図７（ｂ）は、ＩＣと接続ピン４０１との接続パターンを変更可能な第３のＩＣ基板８０を示している。
【００７２】
図７（ｂ）に於いて、第３のＩＣ基板８０は、ソケット形状の端子８２、８３、予め接続パターンが作成されたソケット８１を具備している。そして、ソケット８１を端子８２、８３に差し込むことで、パターン変更を可能な構成となっている。また、必要に応じて、他の接続パターンを有するソケット８１にすることで、所望の接続パターンに変更することが可能である。さらに、ソケット８１の接続パターン変更により、不必要な端子をアースに落とすことも可能である。
【００７３】
従って、この様な構成によれば、ＩＣ基板内に信号ラインの引き回しパターンを変更可能なパターン変更部７１或いはソケット８１を設け、ＩＣ基板内で処理する信号線の数や接続パターンが各ＩＣ基板で異なる場合であっても、同一のＩＣ基板を使用することができる。その結果、例えば、マトリックス状に多数の素子が配列された２次元アレイ型超音波プローブに於いて、選択的に素子を使用するスパースアレイ型の利用形態をとった場合でも、ＩＣ基板の種類を少なく抑制することが可能となり、コスト上昇を抑制することが出来る。また、信号線の数や接続パターンの変更も容易となり、作業性の向上も期待することができる。
【００７４】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第２の実施形態で述べたスパースアレイ型の２次元アレイ超音波プローブに於いて、ランダムな素子配列ごとにＩＣ実装基板を多数作らず、プローブ構造を簡素化した２次元アレイプローブを実現する例を示す。
【００７５】
第２の実施形態で説明したように、スパースアレイ型２次元アレイ超音波プローブは、マトリックス状に２次元配列された超音波素子の全てを使用するものではない。従って、使用する素子のみを接続する場合、非スパースアレイ型２次元アレイ超音波プローブと比較して、必要な信号線数を当然少なくすることが出来る。すなわち、第２の実施形態では、２次元アレイの各素子を有効な素子とするか無効な素子とするかの選択をＩＣ基板上のパターン変更部７１で行っている。これに対し、第３の実施形態は、この選択を中継基板（図８参照）内で行ってしまうものである。
【００７６】
図８に、第３の実施形態に係るスパースアレイ型の２次元アレイ超音波プローブの概念構成図を示す。図８は側方断面図であるためアレイ配列を１次元に示しているが、実際には２次元配列に適用するものである。
【００７７】
図８に於いて、２次元アレイ超音波プローブは、二次元アレイ型超音波トランスデューサ１０と中継基板５００と、図示していない第１のＩＣ基板４０等を具備している。
【００７８】
二次元アレイ型超音波トランスデューサ１０は、図１同様な振動素子１６と音響整合層１２、バッキング材２０等から成る。また、振動子電極として共通電極１４と信号電極１８とが設けられており、信号電極１８にはバッキング材内を通る信号線２２が接続され信号線端部２２１に引き出され、２次元アレイ状に配列された構成となっている。
【００７９】
中継基板５００は、信号線端部２２１に対応した信号線取り出し電極５０１を有しており、２次元配列された信号線端部２２１と接続される。中継基板５００は、多層プリント配線基板となっており、信号取り出し電極５０１は有効な素子部では図示していないＩＣ基板と接続する側の面５１２面に引き回されＩＣ基板と接続する電極５０５に至っている。なお、ＩＣ基板は、スパースアレイとして使用される素子を制御するもののみ実装される。
【００８０】
また、無効な素子部の信号引き出し電極５０１は、アースライン５１３に落とされ共通接続されている。電極５０５に接続するＩＣ基板等は前述と同様であるが、本実施形態では信号線取り出し電極５０１よりもＩＣ基板接続電極５０５の数が少ない構成となっている。
【００８１】
この様な構成によれば、スパースアレイとして使用する素子のみから信号線を取り出し、当該取り出された信号線と使用する素子分のＩＣ基板とを接続する構成となる。従って、ＩＣ基板を接続する接続電極５０５及び接続穴５０３の数を信号取り出し電極５０１よりも少なくでき、穴５０３の配列ピッチを広くすることが可能となる。その結果、ＩＣの実装がより容易となり、またケーブル接続など容易にすることが可能となる。
【００８２】
さらに、ＩＣ基板に接続する電極５０５の配置は、中継基板内で信号引き出し電極５０１から複数層のプリントパターンで引き回すことで自在に配置することが可能であり、スパースアレイの素子配置によらず任意の配置が可能となる。すなわち、スパースアレイで有効素子配置が各列毎に異なっていても、ＩＣ基板の配線パターンを全て異なるものにする必要はなく、少ない種類のＩＣ基板で対応可能となる。極論すればＩＣ基板を１種類にすることも可能である。
【００８３】
従って、本実施形態によれば、何種類ものＩＣ基板を作ることなく１種類のＩＣ基板を効率的に使用でき、またＩＣ基板接続部のピッチも大きくすることが可能となる。その結果、製造し易く、安価な２次元アレイ超音波プローブを実現することができる。
【００８４】
なお、本実施形態で説明した２次元アレイ超音波プローブは、中継基板５００と第２の実施形態で示した第２のＩＣ基板７０とを組み合わせた配線パターン形成も可能である。
【００８５】
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、中継基板を多層の基板によって構成することで、特に良好な信号取り出しを実現する二次元超音波アレイプローブを、図面に基づいて説明する。
【００８６】
図９は、本実施形態に係る二次元超音波アレイプローブが有する中継基板３０のトランスデューサ接続面（すなわち、バッキング材接続側２０）を示している。
【００８７】
図１０は、本実施形態に係る二次元超音波アレイプローブが有する中継基板３０のＩＣ基板接続面（すなわち、バッキング材接続側２０に対して反対側の面）を示している。同図においては、穴３０３及び当該穴３０３中に存する電極３０５（図示せず）が、図９に示した電極３０１よりも大きなピッチによって配列されている。
【００８８】
図１１は、図９或いは図１０の直線Ａ−Ａに沿った中継基板３０の概略断面図であり、複数のパターン層基板（本図では、ｎ枚）から構成されていることを示している。
【００８９】
本実施形態に係る二次元超音波アレイプローブの重要な点の一つは、中継基板が複数のパターン層基板によって構成された多層基板となっていることである。この複数のパターン層基板のそれぞれに形成された複数のパターン配線によって、図９に示したトランスデューサ接続面の電極３０１から取り出される信号配線は、図１０に示すような大きなピッチで整列して取り出される。なお、パターン層基板の数ｎは、使用する或いは備え付けられる振動素子１６の数に依存する。以下、ｎ＝２の場合を例として、多層基板から成る中継基板３０の具体例を説明する。
【００９０】
（実施例）
図１２は、２枚のパターン層基板（すなわち、ｎ＝２）を有する、図９或いは図１０の直線Ａ−Ａに沿った中継基板３０の断面図である。
【００９１】
また図１３は、第１のパターン層基板７０のトランスデューサ側上面図を示しており、図１４は、第２のパターン層基板７２のトランスデューサ側上面図を示している。
【００９２】
図１２に示すように、中継基板３０のトランスデューサ側接続面に設けられた各電極３０１から取り出された電気配線の一部は、ビアホール７００によって第１のパターン層７０に引き出される。引き出された各電気配線は、第１のパターン層基板７０において図１３に示すパターン配線７０１によってより大きなピッチ幅に拡大され、ビアホール７００によって中継基板３０のＩＣ基板接続面へと引き出される。
【００９３】
また、トランスデューサ側接続面に設けられた各電極３０１から取り出された残余の電気配線は、図１２に示すようにビアホール７０２によって第２のパターン層７２に引き出される。引き出された各電気配線は、第２のパターン層基板７２において図１４に示すパターン配線７２０によってより大きなピッチ幅に拡大され、ビアホール７０２によって中継基板３０のＩＣ基板接続面へと引き出される。
【００９４】
本実施例は、ｎ＝２の場合を示しているが、例えば多くの振動素子を有する二次元超音波アレイプローブであっても、さらに多くのパターン層基板を設けることで対応することが可能である。
【００９５】
なお、当然ではあるが、各パターン層基板の電気配線パターンは任意である。すなわち、トランスデューサ側接続面に設けられた電極３０１とＩＣ基板接続面に設けられた電極３０５とを一対一に対応させるためのものであり（但し、アース配線はこの限りではない。）、且つ中継基板３０のトランスデューサ側接続面からＩＣ基板接続面にかけて電気配線のピッチを広げるものであれば、どのようなものであっても構わない。また、一の信号配線を、複数のパターン層基板に渡って段階的に電気配線のピッチを広げる構成であっても、同様の目的を達成することができる。
【００９６】
次に、中継基板３０の受信電極と送信電極との割り当て例について、図面を参照しながら説明する。
【００９７】
図１５は、中継基板３０のトランスデューサ側接続面に存在する電極アレイ３０２を構成する電極３０１の割り当て例を模式的に示した図である。同図において、斜線に塗られた矩形は送信電極、黒く塗りつぶされた矩形は受信電極、白色の矩形はアース電極にそれぞれ割り当てられた電極３０１を示している。
【００９８】
図１５からわかるように、送信電極は電極アレイ３０２の中心部（すなわち、二次元超音波アレイプローブの超音波照射面中心部）付近に集められている。これは、反射波情報を増やす観点から照射ビーム口径を小さくするためである。一方、受信電極は電極アレイ３０２全体に散りばめられている。これは、受信口径を大きくすることでよりシャープな反射波を受信するためである。従って、この様な電極割り当てを行えば、より精度の高い超音波送受信が可能である。
【００９９】
図１６は、図２０の中継基板３０のＩＣ接続面に存在する電極アレイ３０６を構成する電極３０５の割り当て例を模式的に示した図である。斜線矩形が送信電極、黒色矩形が受信電極、白色矩形がアース電極にそれぞれ対応するのは、図１５と同様である。
【０１００】
図１６からわかるように、複数のパターン層基板によって引き出された電気配線は、送信電極及び受信電極ごとに整列されている。また、アース電極は４個の送受信電極毎に配列されている。従って、本中継基板３０に接続されるＩＣ基板４０の接続ピン４０１（例えば、図３又は図４参照）は、一方の面に配列されたものは送信信号の為のピンとなり、他方の面に接続されたものは受信のためのピンとなる。例えばこの様な電極割り当てを行うことよによって、ＩＣ基板７０等の接続ピン４０１と送信用電極或いは受信用電極との対応、すなわちＩＣ４５の接続ピン４０１と送信用電極或いは受信用電極との対応形態を容易に把握することができる。この形態は、例えばＩＣ基板７０等やＩＣ４５の交換等において実益がある。また、ＩＣ基板７０等の電気回路を単純化することができる。さらに、ＩＣ基板７０等の形態を統一的に扱うことが可能であり、従ってＩＣ基板７０等の種類は少なくて済む。
【０１０１】
なお、上記例では、送信電極と受信電極とを異なる電極３０１、３０５に割り当てたが、同一の電極３０１、３０５が超音波の送受信を担う構成であってもよい。また、一部の電極３０１、３０５が超音波の送受信を担い、残余の電極３０１、３０５には送信電極と受信電極とを別々に割り当てる構成であってもよい。
【０１０２】
以上述べた様に、中継基板３０が多層化されており、トランスデューサから引き出された信号配線は、そのピッチ幅が中継基板３０の各層に形成されたパターン配線によって拡大され、ＩＣ基板接続側に整列して引き出される。従って、一振動素子が小さく配列ピッチが小さい二次元超音波アレイプローブであっても、各素子から信号線の引き出し、超音波素子の音響特性の維持、ＩＣ等の実装等を容易に実現することができる。
【０１０３】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変形例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば以下（１）、（２）に示すように、その要旨を変更しない範囲で種々変形可能である。
【０１０４】
（１）上記各実施形態で示した二次元超音波アレイプローブは、それぞれ別体であるトランスデューサ１０、中継基板３０、ＩＣ４５を備えたＩＣ基板７０等を組合わせて構成される。設計によっては、トランスデューサ１０の中継基板３０接続面サイズよりも中継基板３０のトランスデューサ１０接続面サイズが大きくなる場合がある。この場合において、トランスデューサ１０と中継基板３０とを接続すれば、例えば図１７に示すように、中継基板３０の周縁部がトランスデューサ１０の輪郭より大きな形態となる。
【０１０５】
一般に、二次元超音波アレイプローブは、検査対象物、例えば人体の一部に当接して使用される。従って、トランスデューサ１０の輪郭からはみ出る中継基板３０の周縁部があまりに大きいと、作業性に影響を及ぼすことがある。
【０１０６】
本発明者らの研究によれば、トランスデューサ１０の超音波照射方向の長さｘは、トランスデューサ１０の輪郭からはみ出る中継基板３０の周縁部の長さｙよりも長ければ（すなわち、ｘ＞ｙであれば）、二次元超音波アレイプローブの使用は良好である。なお、長さｘの調整は、例えばバッキング材の長さの調整によって容易に実現することができる。
【０１０７】
（２）第４の実施形態においては、別途形成されたパターン配線基板を積層して形成された中継基板を示した。これに対し、各層を順次積み重ねて多層化した中継基板であっても、同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
以上述べた本願発明は各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【０１０９】
【発明の効果】
以上本発明によれば、電気回路を付加した２次元アレイプローブに於いて、素子ピッチが小さくなった場合であっても、２次元状に配列された各超音波振動素子の音響特性を維持しつつ、信号線の引き出しが可能で、かつ信号線に電気回路を設けた回路基板を容易に接続することができる超音波プローブを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る二次元アレイ超音波プローブが有する二次元アレイ超音波トランスデューサ１０の概略図。
【図２】図２は、トランスデューサ１０と接続される中継基板３０と中継基板３０に略垂直に設けられる第１のＩＣ基板４０とを示した概略図。
【図３】図３は、中継基板とＩＣ基板との接続方法を示す図。
【図４】図４は、中継基板とＩＣ基板との接続方法の他の例を示す図。
【図５】図５は、二次元トランスデューサ１０と、第１のＩＣ基板４０が設けられた中継基板３０との接続を説明するための図。
【図６】図６は、本発明に係る二次元アレイ超音波プローブが有するケーブル６０と、第１のＩＣ基板４０とを接続する機構を説明するための図。
【図７】図７は、ＩＣと接続ピンとの接続パターンを変更可能なＩＣ基板を示す図。
【図８】図８は、第３の実施形態に係るスパースアレイ型の２次元アレイ超音波プローブの概念構成を示す図。
【図９】図９は、第４の実施形態に係る二次元超音波アレイプローブが有する中継基板３０のトランスデューサ接続面を示している。
【図１０】図１０は、第４の実施形態に係る二次元超音波アレイプローブが有する中継基板３０のＩＣ基板接続面を示している。
【図１１】図１１は、図９或いは図１０の直線Ａ−Ａに沿った中継基板３０の断面図である。
【図１２】図１２は、２枚のパターン層基板を有する、図９或いは図１０の直線Ａ−Ａに沿った中継基板３０の断面図である。
【図１３】図１３は、第１のパターン層基板７０のトランスデューサ側上面図を示している。
【図１４】図１４は、第２のパターン層基板７２のトランスデューサ側上面図を示している。
【図１５】図１５は、中継基板３０のトランスデューサ側接続面に存在する電極アレイ３０２を構成する電極３０１の割り当て例を模式的に示した図である。
【図１６】図１６は、中継基板３０のＩＣ接続面に存在する電極アレイ３０６を構成する電極３０５の割り当て例を模式的に示した図である。
【図１７】図１７は、トランスデューサと中継基板との好ましいサイズ比を説明するための図である。
【図１８】従来の二次元アレイ超音波プローブが有する二次元トランスデューサの概略構成図。
【符号の説明】
１０…トランスデューサ
１２…音響整合層
１４…アース電極
１６…振動素子
１８…信号電極
１９…信号線
２２…信号線
３０…中継基板
４０…ＩＣ基板
５０…ケーブル接続基板
６０…ケーブル
６２…コネクタ
７０…ＩＣ基板
７１…パターン変更部
７２．７３…ジャンパー端子
７４…ジャンパー線
８０…ＩＣ基板
８１…ソケット
８２．８３…端子
２２１…信号線端部
３０１…電極
３０３…穴
３０５…電極
３１０…第１の面
３１２…第２の面
４０１…接続ピン
５００…中継基板
５０１…電極
５０３…接続穴
５０５…接続電極
５１２…面
５１３…アースライン
６０３…カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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