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【発明の名称】 超音波探触子
【発明者】 【氏名】今橋 拓也
【要約】 【課題】導電性接着剤を用いず、かつ過熱による消極がなく、容易に製造する。

【解決手段】初期状態のＦＰＣ６にまず、メタルマスクを開口制限として、ＣＶＤやスパッタリング装置を使用して、アルミナターゲットより露出部１３上に、両端に加熱用銅箔露出部を残した絶縁部１９を形成する。次に、絶縁部１９及び加熱用銅箔露出部にテフロンテープ等を貼り付け、露出部に半田メッキ２１を行う。半田メッキ２１が完了した後、テフロンテープをはがし、メタルマスクを絶縁部１９上に配し、真空蒸着装置等によりよりなる加熱部２２と加熱部狭部２３を形成する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 両面に電極を有する複数個の圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に設けられた音響的整合をとるマッチング層と、マッチング層を介した超音波を収束させる音響レンズと、前記圧電振動子の下面に設けられた超音波を吸収するダンピング層と、前記圧電振動子が超音波を送信するための駆動信号を伝達させると共に前記圧電振動子が受信した超音波により発生する受信信号を伝達するフレキシブル基板とを備えて構成される超音波探触子において、前記フレキシブル基板は、導電部の一部が露出した導電露出部と、前記導電露出部の一部に形成された絶縁層と前記絶縁層上に形成された高抵抗材料よりなる加熱部と、前記導電露出部上に形成された半田メッキとからなる前記圧電振動子を接合する接合手段を備えたことを特徴とする超音波探触子。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超音波探触子、更に詳しくは圧電振動子の接合部分に特徴のある超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】医療分野において、超音波振動子から生体組織内に超音波パルスを繰り返し送信し、生体組織から反射される超音波パルスのエコーを、同一あるいは別体に設けた超音波振動子で受信して、この超音波パルスを送受信する方向を徐々にずらすことによって、生体内の複数の方向から収集した情報を可視像の超音波断層画像として表示する超音波診断装置が、従来より種々提案されている。
【０００３】超音波診断装置は、超音波パルスの送受信を行う複数の超音波振動子を備えた超音波探触子を装置本体に接続して、超音波エコーより超音波断層画像を生成し観察するが、超音波探触子における超音波振動子は、近年の微細構造化に伴い、これら超音波振動子の電極への配線が問題となっていた。
【０００４】そこで、簡単かつ確実に超音波振動子への配線を可能にするために、例えば特開昭５６−６６９９２号公報では、各電極面と信号電極リードを導電性接着剤で接続したものが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特開昭５６−６６９９２号公報では、導電性接着剤が溶媒と導電性フィラーで構成されるため、薄く、面積を小さくした場合、接着時に加圧しないと導電性フィラーを密着させることができず高抵抗となるといった問題がある。
【０００６】また、導電性接着剤は接着強度を考えると半田付けに劣る場合が多いが、半田付けを行なう場合、半田ごての熱により素子の分極状態がなくなることがあり、作業に熟練を要するといった問題もある。
【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、導電性接着剤を用いず、かつ過熱による消極がなく、容易に製造することのできる超音波探触子を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の超音波探触子は、両面に電極を有する複数個の圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に設けられた音響的整合をとるマッチング層と、マッチング層を介した超音波を収束させる音響レンズと、前記圧電振動子の下面に設けられた超音波を吸収するダンピング層と、前記圧電振動子が超音波を送信するための駆動信号を伝達させると共に前記圧電振動子が受信した超音波により発生する受信信号を伝達するフレキシブル基板とを備えて構成される超音波探触子において、前記フレキシブル基板が、導電部の一部が露出した導電露出部と、前記導電露出部の一部に形成された絶縁層と前記絶縁層上に形成された高抵抗材料よりなる加熱部と、前記導電露出部上に形成された半田メッキとからなる前記圧電振動子を接合する接合手段を備えて構成される。
【０００９】本発明の超音波探触子では、前記フレキシブル基板において、前記導電露出部と、絶縁層と、加熱部及び前記半田メッキとからなる前記接合手段により前記圧電振動子を接合することで、導電性接着剤を用いず、かつ過熱による消極がなく、容易に製造することを可能とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
【００１１】第１の実施の形態：図１ないし図５は本発明の第１の実施の形態に係わり、図１は超音波探触子の構成を示す構成図、図２は図１のＦＰＣの構成を示す構成図、図３は図２のＦＰＣの作製方法を説明する説明図、図４は図２のＦＰＣへの圧電振動子の接合を説明する説明図、図５は図２のＦＰＣの変形例を示す図である。
【００１２】（構成）図１に示すように、本実施の形態の超音波探触子１は、複数の圧電振動子２を一列に並んで配設させ、これらの圧電振動子２の裏面部には超音波を吸収するダンピング層３が接着等により取り付けられ構成される。
【００１３】ダンピング層３の後端面には、ガラスエポキシ等からなる補強板４が接着されている。圧電振動子２の両面には、それぞれ電極が蒸着等により設けられており、表面電極には各圧電振動子２をつなぐようにグランド線５がハンダ付けにより接続されている。圧電振動子２の裏面電極には、それぞれフレキシブルプリント基板（以下、ＦＰＣと略記する）６の信号パターンが接合されており、ダンピング層３の側面部にＦＰＣ６が接着されている。このＦＰＣ６には後述するようにパターニングされた複数の信号配線部が並列に設けられて形成されており、信号配線部の端部はＦＰＣ６の略中央部に設けられたコネクタ７に接続されている。
【００１４】また、圧電振動子２の表面部には、例えば被検者の体表面等に塗付された生体との音響的結合をはかる超音波伝搬媒体（図示せず）との境界での超音波の反射を低減するため音響整合をとるマッチング層８が接着され、さらにマッチング層８には圧電振動子２からの超音波を収束させる音響レンズ９が接着されている。
【００１５】次に、ＦＰＣ６の作製方法について説明する。図２は以下の工程に基いて作製したＦＰＣ６の形状を示しているが、初期状態では、ＦＰＣ６は、ベースフィルム１１上に図示しない接着剤を介して接合された銅箔１２と、銅箔１２上に銅箔１２の一部を露出させて露出部１３（図３参照）を形成させたカバーフィルム１４とで構成され、図３を用いて説明する以下の工程により、図２の最終形状となる。
【００１６】図３（ａ）に示すように、銅箔１２は、複数本からなる信号配線部１５及び加熱溶用配線部１６に分けてパターニングされ、加熱用配線部１６は信号配線部１５の外側にパターニングしてあり、露出部１３の反対側では、信号配線部１５はコネクタ７に接続され、加熱用配線部１６はランド部１７に接続されている。
【００１７】そして、この初期状態のＦＰＣ６にまず、メタルマスク（図示せず）を開口制限として、ＣＶＤやスパッタリング装置を使用して、アルミナターゲットより露出部１３上に、両端に加熱用銅箔露出部１８を残した絶縁部１９を図３（ｂ）に示す形状に形成する。次に、絶縁部１９及び加熱用銅箔露出部１８にテフロンテープ２０等を貼り付け、露出部１３に半田メッキ２１を行う（図３（ｃ））。
【００１８】半田メッキ２１が完了した後、テフロンテープ２０をはがし、メタルマスク（図示せず）を絶縁部１９上に配し、真空蒸着装置等によりニッケルとクロムの合金（ニクロム）よりなる加熱部２２と加熱部狭部２３を図３（ｄ）に示す形状に形成する。したがって、加熱用配線部１６は、加熱用銅箔露出部１８及び加熱部狭部２３を介して加熱部２２と電気的に接続している。
【００１９】なお、加熱部狭部２３は加熱部２２よりもその断面積が小さく、例えば図２に示すように幅が狭くなっている。
【００２０】次に、このように作成されたＦＰＣ６（図２及び図３参照）を用いて圧電振動子２との接合について、図４を用いて説明する。
【００２１】圧電振動子２は両面に銀を主成分とする電極が予め形成され、分極済みであって、図４（ａ）のように圧電振動子２の長辺をＦＰＣ６の絶縁部１９に並行に位置を合わせて、図４（ｂ）のように半田メッキ２１と圧電振動子２の電極面を接触させ、その後、直流電流源３１をＦＰＣ６に設けられたランド部１７に接続して直流電圧を印加するようになっている。
【００２２】（作用）本実施の形態の超音波探触子１においては、直流電流源３１からの直流電流が加熱部２２と加熱部狭部２３に印加され、電流値と印加時間に応じて加熱部２２と加熱部狭部２３が発熱する。この発熱による加熱部２２の温度上昇が半田メッキ２１の融点を越えると半田メッキ２１が融解し、圧電振動子２と露出部１３が接合する。
【００２３】また、加熱部２２の発熱と同時に加熱部狭部２３も発熱し、加熱部２２よりも断面積を小さくしてあるため、温度上昇で急峻であり、発熱温度も高くなる。そのため、特定の断面積にしておくことにより、発熱温度が加熱部狭部２３の融解温度を越えるため、加熱部狭部２３に断線が発生し、加熱が終了する。
【００２４】以下、実際にＦＰＣ６に形成する部材の構造について詳しく述べる。なお、本構造において伝導や放射により逃げる熱は十分小さいため、無視できる。
【００２５】加熱部２２の熱容量Ｑh1 ［Ｊ］は次式で与えられる。
【００２６】
【数１】
Ｑh1＝ρh1×ｗh1×ｈhl×Ｌh1×Ｃh1×ＴSO …（１）
一方、半田メッキ２１の熱容量ＱSO［Ｊ］は次式で与えられる。
【００２７】
【数２】
ＱSO＝ρSO×ｗSO×ｈSO×ＬSO×ＣSO×ＴSO …（２）
また、半田メッキ２１の融解熱による熱容量ＱSOm［Ｊ］は次式で与えられる。
【００２８】
【数３】
ＱSOm＝ρSO×ｗSO×ｈSO×ＬSO×ＣｌSO …（３）
ここで、ρは密度、ｗは線幅、ｈは線の厚さ、Ｌは線の長さ、Ｃは比熱、Ｔは温度上昇Ｃｌは融解熱を指し、添字の”h1”は加熱部２２のことを指し、”SO”は半田メッキ２１のことを指す。また、両方とも温度をＴSOとしたのは、近接しているため同一温度ととなるからである。
【００２９】加熱部２２が発熱し、且つ半田メッキ２１も加熱するためには両方の熱容量を満たす発熱量が必要となる。そこで、総熱容量Ｑt［Ｊ］は以下のようになる。
【００３０】
【数４】Ｑt＝Ｑh1＋ＱSO＋ＱSOm …（４）
また、印加する電流Ｉc［Ａ］により加熱部２２で発熱する熱量ＱEh1は以下のように与えられる。
【００３１】
【数５】ＱEh1＝Ｉc2×Ｒh1×ｔc …（５）
ここで、ｔcは印加時間［ｓ］を指し、Ｒh1は加熱部２２の抵抗値［Ω］を指す。
【００３２】また、Ｒh1は材料の比抵抗をρEhとすると次式で与えられる。
【００３３】
【数６】

そして、ＱtとＱEh1が等しくなったとき半田メッキ２１は融解始め、半田付けが可能となる。ここで、印加時間ｔcが予め設定されているとすると、印加する電流値Ｉcを求める式は以下のようになる。
【００３４】
【数７】

また、電流Ｉcを印加すると加熱部２２だけでなく加熱部狭部２３でも発熱し、その時の発熱量ＱEh2［Ｊ］は以下のようになる。
【００３５】
【数８】

ここで、加熱部狭部２３の熱容量Ｑh2［Ｊ］は以下のように求められる。
【００３６】
【数９】
Ｑh2＝ρh×ｗh2×ｈh2×Ｌh2×Ｃh×Ｔh …（９）
ここで、Ｔhは加熱部２２と加熱部狭部２３の材料の融解温度である。
【００３７】もし、印加電流Ｉcをｔc時間印加した場合、加熱部狭部２３で発生する熱量ＱEh2がＱh2を越えると加熱部狭部２３の材料が融解し、断線することになる。つまり、【数１０】

ここで、半田メッキ２１の形状及び物理特性と加熱部２２に使用するニクロムの形状及び物理特性を以下のように与え、上記式に基づいて計算を行い、加熱部狭部２３の形状を求めると以下の表１になる。なお、加熱部狭部２３の形状は加熱部２２の厚みと同じとした。
【００３８】
【表１】

また、半田メッキ２１の幅をもう少し大きくしたときの値を以下の表２に示す。
【００３９】
【表２】

つまり、接合強度を上げるために半田メッキ２１が多少大きくなっても、加熱部狭部２３の形状が大きく変化することがなく、本構成にていくつかの形状への対応が可能であるといえる。また、さらに半田メッキの幅をさらに広くする場合は加熱部の厚みをさらに厚くし、加熱部２２の熱容量を大きくしていくことにより、半田メッキ２１のサイズ変化に対応することが可能である。
【００４０】なお、露出部１３上に形成する絶縁部１９は、その絶縁破壊の電圧としては１０〜１６ｋＶ／ｍｍと求められている。そして、上記電流値が得られる電圧は約０．５Ｖであり、絶縁層として必要な厚みは約１μｍで十分であり、上記計算においては無視できる値であるため、除いてある。
【００４１】また、絶縁部１９は、信号配線部１５上部と半田メッキ２１が加熱部２２と加熱部狭部２３に接触しないように形成されており、加熱部２２と加熱部狭部２３に印加された電流が抵抗の低い方へ漏れるのを防いでいる。また、加熱部２２と加熱部狭部２３の表に示す形状における抵抗値は加熱用配線部１６（銅）の抵抗値よりも十分低い値となっている。
【００４２】（効果）このように本実施の形態では、ＦＰＣ６において表１、２に示した形状で銅箔１２にパターニングを行なうことにより、直流電流を印加するだけで半田付けが可能となり、簡単かつ確実に、分極状態を維持して、圧電振動子２をＦＰＣ６に接合することができる。さらに、加熱部狭部２３の形状を最適に選択することにより、電流の印加時間を機械的に設定することが可能となる。
【００４３】なお、図５に示すように、加熱部狭部２３を設けることなく、ＯＮ／ＯＦＦのタイマ制御回路を直流電源３１に内蔵することにより、電流を印加する時間の制御を直流電源３１のＯＮ／ＯＦＦ制御により行うようにしてもよく、この場合、加熱部狭部２３のような細い配線部がなくなるため、狭歪な箇所への加熱部の形成が容易になり、小型の探触子製造に有利である。
【００４４】第２の実施の形態：次に、第１の実施の形態で説明した超音波探触子により超音波を送受し、超音波診断を行う超音波診断装置について説明する。
【００４５】図６ないし図８は本発明の第２の実施の形態に係わり、図６は超音波診断装置の構成を示すブロック図、図７は図６の超音波探触子の圧電振動子の配列を説明する説明図、図８は図６の制御回路による圧電振動子の駆動での超音波の指向性を示す図である。
【００４６】（構成）図６に示すように、本実施の形態の超音波診断装置５０は、複数個の圧電振動子２からなる第１の実施の形態で説明した超音波探触子１と、超音波探触子１から超音波を放射させるための発信器５１と、超音波探触子１で受信して電気信号に変更された受信エコーを検出する受信器５２と、発信器５１からの信号の超音波探触子１への出力と超音波探触子１からの信号の受信器５２への出力とを独立して切り替えることが可能なチャンネル切替部５３と、受信器５２からの信号を処理しモニタ５４に超音波画像を表示させる信号処理回路５５と、これら回路を制御する制御回路５６から構成される。
【００４７】なお、図７に示すように、超音波探触子１は、幅ｗの圧電振動子２がＮ本、ピッチＰで配列している。
【００４８】また、前記チャンネル切替部５３は、各圧電振動子２毎に対応したスイッチの集合体であり、制御回路５６はこれらのスイッチを制御回路５６に予め格納されているデータに基いてＯＮ／ＯＦＦするようになっている。ここで、前記格納されているデータは隣接する圧電振動子２を駆動しないようにチャンネル切替部５３を制御する制御データである。
【００４９】（作用）前記制御回路５６によりチャンネル切替部５３を制御することにより、一回の超音波の送信に不等間隔に音源が存在するようになる。
【００５０】そして、この不等間隔に音源が存在する場合の指向性を、図７を用いて簡略的に説明する。
【００５１】図７に示す圧電振動子２から放射される超音波の指向性は次式のように表現できる。
【００５２】
【数１１】Ｒt＝Ｒe×Ｒa …（１１）
ここで、Ｒe、Ｒaは素子幅をｗ、素子のピッチをＰとすると以下のように表せる。
【００５３】
【数１２】

駆動パルスの電圧を高くすることなく超音波の深達度を上げるためには、複数個の圧電振動子２を同時に駆動することが考えられる。
【００５４】図８において、例えば、隣接した２個の圧電振動子２を同時に駆動して深達度を上げた場合、圧電振動子２の幅ｗが０．３２ｍｍ、ピッチＰが０．４ｍｍ、周波数を７．５ＭＨｚとしたときの指向性を実線にて示す。制御回路５６で制御してチャンネル切替部５３のうち、となりあわない２つの圧電振動子２に接続するスイッチを接続して間隔を１つ空けて駆動した場合の指向性を破線にて示す。
【００５５】つまり、図８に示すように、圧電振動子２の駆動を間隔をあけることに行うことで指向性が広くなっていることがわかる。
【００５６】さらに、同時駆動した場合はグレーディングローブが発生し、その発生角度は下式より与えられる。
【００５７】
【数１３】

グレーディングローブは、同位相の波面が特定方向にそろうため発生する現象であり、位相がそろわないようにすることにより、そのレベルを落とすことが可能となる。上式より、グレーディングローブを落とすためにはピッチをランダムにすればよいことは明白である。そこで、チャンネル切替部５３により、圧電振動子２を所望のものだけ同時に駆動することで、その選択する素子の間隔を不等間隔することが可能となる。
【００５８】（効果）従来、例えば特開昭５８−１６５８３１号公報は、２つ以上の素子の同時駆動と交互送信を行いグレーティングローブレベルを抑えることを目的としているが、送受信で駆動する素子をずらすための制御回路が必要であるといった問題や、同時駆動により指向性が狭くなるため画像化のための有効開口長が短くなるといった問題点を有していた開口合成法において、開口が広いほど分解能の優れた画像が得られるといわれており、指向性が広い超音波探触子を使用することにより開口が広くなる。また、不等間隔に並んだ音源からのグレーディングローブのレベルは低くなる。
【００５９】つまり、本実施の形態の超音波診断装置５０での超音波探触子１の駆動方法によれば、深達度を上げながら、指向性を広くし、グレーディングローブレベルを下げることが可能となるため、画像の高画質化が可能となる。
【００６０】［付記］
（付記項１） 両面に電極を有する複数個の圧電振動子と、前記圧電振動子の上面に設けられた音響的整合をとるマッチング層と、マッチング層を介した超音波を収束させる音響レンズと、前記圧電振動子の下面に設けられた超音波を吸収するダンピング層と、前記圧電振動子が超音波を送信するための駆動信号を伝達させると共に前記圧電振動子が受信した超音波により発生する受信信号を伝達するフレキシブル基板とを備えて構成される超音波探触子において、前記フレキシブル基板は、導電部の一部が露出した導電露出部と、前記導電露出部の一部に形成された絶縁層と前記絶縁層上に形成された高抵抗材料よりなる加熱部と、前記導電露出部上に形成された半田メッキとからなる前記圧電振動子を接合する接合手段を備えたことを特徴とする超音波探触子。
【００６１】（付記項２） 前記フレキシブル基板は、前記加熱部に電流を印加するための、前記加熱部と電気的に接続している配線部と、前記配線部の両端のうち前記圧電振動子を接続しない側に設けた電極パッドとを備えたことを特徴とする付記項１に記載の超音波探触子。
【００６２】（付記項３） 前記加熱部の長さ方向の一部の断面積がその他の断面積よりも小さいことを特徴とする付記項１または２に記載の超音波探触子。
【００６３】（付記項４） 前記絶縁層は、アルミナにより構成されることを特徴とする付記項１、２または３のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【００６４】（付記項５） 前記加熱部は、ニクロム線材により構成されることを特徴とする付記項１、２または３のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【００６５】（付記項６） 前記接合手段に直流電圧を印加して前記加熱部を加熱して前記半田メッキを融解して、前記圧電振動子と前記フレキシブル基板とを接続することを特徴とする付記項１、２、３、４または５のいずれか１つに記載の超音波探触子。
【００６６】（付記項７） 付記項１に記載の前記超音波探触子と、前記超音波探触子を独立に選択するチャンネル切替部と、前記超音波探触子に印加する駆動信号発生手段と、前記超音波探触子より得られた受信信号を超音波画像とする信号処理回路とを具備し、一回の超音波の送信に不等間隔に音源が存在するように、前記超音波探触子の圧電振動子を同時に駆動するための駆動制御と共に同じ前記圧電振動子を用いて受信するための受信制御を行い、開口合成法による超音波画像の生成を制御する制御手段を備えたことを超音波診断装置。
【００６７】
【発明の効果】以上説明したように本発明の超音波探触子によれば、フレキシブル基板において、導電部の一部が露出した導電露出部と、導電露出部の一部に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成された高抵抗材料よりなる加熱部と、導電露出部上に形成された半田メッキとからなる接合手段により前記圧電振動子を接合するので、導電性接着剤を用いず、かつ過熱による消極がなく、容易に製造することができるという効果がある。
【出願人】 【識別番号】００００００３７６
【氏名又は名称】オリンパス光学工業株式会社
【出願日】 平成１０年（１９９８）３月２４日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 進
【公開番号】 特開平１１−２６７１２２
【公開日】 平成１１年（１９９９）１０月５日
【出願番号】 特願平１０−７５９８１