JP5408145B2 - 超音波探触子、および超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探触子、および超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は超音波パルス反射法により、体表から生体内の軟組織の断層像を低侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線などの被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等の特長を有している。そのため、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿科系（腎臓、膀胱）、及び産婦人科系などで広く利用されている。

このような医療用超音波診断装置に使用される超音波探触子は、高感度、高解像度の超音波の送受信を行うために、ＰＺＴと呼ばれる無機圧電素子が一般的に使用される。この場合、送信用圧電素子の振動モードとしては、単一型探触子であるシングル型または複数の探触子を２次元配置したアレイ型探触子がよく使用される。アレイ型は精細な画像を得ることができるので、診断検査のための医療用画像として広く普及している。

一方、高調波信号を用いたハーモニックイメージング診断は、従来のＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから標準的な診断方法となりつつある。

ハーモニックイメージングは、基本波に比較して下記のような多くの利点を有している。

１．サイドローブレベルが小さいことにより、Ｓ／Ｎ比が良くコントラスト分解能が良くなること。

２．周波数が高くなることによって、ビーム幅が細くなり横方向分解能が良くなること。

３．近距離では音圧が小さく、音圧の変動が少ないため、多重反射が起こらないこと。

４．焦点以遠の減衰は基本波並みであり、高調波の周波数を基本波とする超音波に比べ深速度を大きく取れること。

などである。

ハーモニックイメージングに用いるアレイ型超音波探触子の具体的な構造として、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子とを別体とし、超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子が提案されている。

このようなアレイ型超音波探触子に用いられる受信用圧電振動子は、高調波信号を高感度で受信できることが望ましい。しかしながら、無機圧電素子の送受信周波数は無機圧電素子の厚さに依存するため、受信する周波数が高周波になるほど無機圧電素子を小型に加工する必要があり、製造が困難であった。

このような問題を解決するため、本発明者らは、シート状の圧電セラミックを単層または積層した構造の送信用圧電素子と受信用のシート状の圧電素子を単層または積層させ、送信と受信を別々の圧電素子に分離するとともに、受信用に高感度有機圧電素子材料を使用することにより高感度な超音波探触子を得る方法を提案している（特許文献１、２、３参照）。

一方、超音波探触子に用いる圧電素子の電極と配線部材との接続方法は重要であり、接続方法によっては超音波探触子から送受信する信号品質が劣化したり、接続の信頼性が悪くなったり、超音波診断装置の性能や信頼性にも影響する。

そのため、圧電素子に側面電極を形成し、リード線とはんだ付けする方法（例えば、特許文献４、５参照）や、信号用フレキシブルプリント基板を圧電素子の電極とハンダ付け、導電性接着剤による接着等により接続する方法（例えば、特許文献６、７参照）が提案されている。

また、超音波探触子を小型化するため、圧電素子の両面に積層された電極に、圧電素子の積層部分より延出する電極取り出し部を形成する方法も開示されている（特許文献８参照）。

特開２００８−１８８４１５号公報 国際公開第２００７／１４５０７３号 国際公開第２００８／０１０５０９号 特許第３３１３１７１号公報 特開平７−１９４５１７号公報 特許第３２８０６７７号公報 特開平１１−２７６４７９号公報 特許第３３０４５６０号公報

しかしながら、より高い周波数の高調波を送受信するためには、圧電素子に形成する電極をできるだけ薄くする必要があるため、圧電素子の電極と配線部材とを、少ないスペースで信頼性高く接続することが困難になってきた。

特許文献４、５のようにリード線による接続は、ハーモニックイメージングに用いるアレイ型超音波探触子ではリード線と接続するスペースが限られるため歩留まりが悪く、用いることができない。

また、特許文献６、７のようにフレキシブルプリント基板と圧電素子の面に形成された電極とを直接接合する方法では、接合することによって圧電素子の固有振動周波数が変化し、音響特性が劣化するので、より高い高調波の超音波を送受信するためには適さない。

特許文献８に開示されている方法では、圧電素子の音響特性に影響を及ぼさないよう非常に薄い金属薄膜から成る電極を用いると、電極の延出している部分が振動によりひび割れることがある。特に、電極の延出している部分を折り曲げて実装すると、ひび割れが発生しやすい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、圧電素子の電極と配線部材とを信頼性高く接続することができる超音波探触子、および信頼性の高い超音波探触子を具備する超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有するものである。

１．少なくとも一層の超音波を送信する送信素子層と、厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された超音波を受信する少なくとも一層の受信素子層と、音響インピーダンスの整合を図る少なくとも一層の整合層と、が前記超音波を送信する方向に向けてこの順に積層された超音波探触子であって、
前記受信素子層の両面に形成された前記電極をそれぞれ挟む上層および下層は、
それぞれエレベーション方向に前記受信素子層より突出した突出部を備え、
前記受信素子層の両面に形成された前記電極は、前記突出部の前記上層及び前記下層と対向する面にそれぞれ延長して形成されており、
基板材の両面に導電部が形成された回路基板を有し、
前記回路基板は、
前記上層の突出部の面に形成された前記電極と、前記受信素子層の端面と、前記下層の突出部の面に形成された前記電極と、に囲まれた凹部に少なくとも一部が挿入され、前記基板材の両面に形成された前記導電部のうち一方の導電部は前記上層の前記突出部に形成された前記電極に接続され、他方の導電部は前記下層の前記突出部に形成された前記電極に接続されていることを特徴とする超音波探触子。

２．少なくとも一層の超音波を送信する送信素子層と、厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された超音波を受信する少なくとも一層の受信素子層と、音響インピーダンスの整合を図る少なくとも一層の整合層と、が前記超音波を送信する方向に向けてこの順に積層された超音波探触子であって、
前記受信素子層の両面に形成された前記電極をそれぞれ挟む上層および下層は、
それぞれエレベーション方向に前記受信素子層より突出した突出部を備え、
前記受信素子層に形成された前記電極のうち少なくとも一方は、前記突出部の前記上層または前記下層と対向する面に延長して形成されており、
基板材の厚さ方向に対向する面に導電部が形成された回路基板を有し、
前記回路基板は、
前記上層の突出部の面または前記上層の突出部の面に形成された前記電極と、前記受信素子層の端面と、前記下層の突出部の面または前記下層の突出部の面に形成された前記電極と、に囲まれた凹部に少なくとも一部が挿入され、前記基板材の面に形成された前記導電部は、前記上層または前記下層の前記突出部に形成された前記電極の少なくとも一方に接続されており、
前記凹部に挿入される前記回路基板の先端部は、
前記基板材の厚さ方向に対向する両面が前記導電部に覆われていないことを特徴とする超音波探触子。

３．前記上層の前記突出部のエレベーション方向の長さは、前記上層のエレベーション方向の長さの２％以上、且つ、前記下層の前記突出部のエレベーション方向の長さは、前記下層のエレベーション方向の長さの２％以上であり、
前記受信素子層の長さは、
前記上層および前記下層のエレベーション方向の長さのそれぞれ８０％以上であることを特徴とする前記１または２に記載の超音波探触子。

４．前記回路基板の前記凹部に挿入される前記導電部を含む部分の厚みは、
前記受信素子層の厚みの８０％以上、１００％未満であることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の超音波探触子。

５．前記１から４の何れか１項に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。

本発明によれば、受信素子層の両面に形成された電極をそれぞれ挟む上層および下層は、それぞれエレベーション方向に前記受信素子層より突出した突出部を備え、両面に形成された電極のうち少なくとも一方は、上層または下層の突出部まで延長して形成され、上層または下層の対向する面に接合されている。このようにすると、圧電素子の電極と配線部材とを信頼性高く接続することができる超音波探触子、および信頼性の高い超音波探触子を具備する超音波診断装置を提供することができる。

実施形態における超音波診断装置１００の外観構成を示す図である。 実施形態における超音波診断装置１００の電気的な構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図である。 第１の実施形態の凹部１７と回路基板２５との接続を示す断面図である。 凹部１７に挿入された回路基板２５の部分の拡大断面図である。 第２の実施形態の受信素子層３とフレキシブル基板との接続を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（超音波診断装置および超音波探触子の各構成および動作）
図１は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。

超音波診断装置１００は、図略の生体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、受信した被検体で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）から被検体内の内部状態を超音波画像として画像化し、表示部４５に表示する。

超音波探触子１は、被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、被検体で反射した超音波の反射波を受信する。超音波探触子１は、図２に示すように、ケーブル３３を介して超音波診断装置本体３１と接続されており、送信回路４２、受信回路４３と電気的に接続されている。

送信回路４２は、制御部４６の指令により、超音波探触子１へケーブル３３を介して電気信号を送信し、超音波探触子１から被検体に対して超音波を送信させる。

受信回路４３は、制御部４６の指令により、超音波探触子１からケーブル３３を介して、被検体内からの超音波の反射波に応じた電気信号を受信する。

画像処理部４４は、制御部４６の指令により、受信回路４３が受信した電気信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。

表示部４５は、液晶パネルなどから成り、制御部４６の指令により、画像処理部４４が画像化した超音波画像を表示する。

操作入力部４１は、スイッチやキーボードなどから構成され、ユーザが診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するために設けられている。

制御部４６は、ＣＰＵ、メモリなどから構成され、操作入力部４１の入力に基づいてプログラムされた手順により超音波診断装置１００各部の制御を行う。

図３は、第１の実施形態の超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図である。

以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向はエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。また、Ｚ軸方向は積層方向である。以降、積層順に各部を説明する。

図３に示す超音波探触子１は、バッキング材５の上に第４電極１５、送信素子層２、第３電極１４、中間層１３、第２電極１０、受信素子層３、第１電極９、整合層６、音響レンズ７の順に積層されている。

送信素子層２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの無機圧電材料から成る圧電素子であり、互いに厚み方向に対向する両面にそれぞれ第３電極１４、第４電極１５を備えている。送信素子層２の厚みは３２０μｍ程度である。

第３電極１４、第４電極１５は、図示せぬコネクタによりケーブル３３と接続され、ケーブル３３を介して送信回路４２と接続する。第３電極１４、第４電極１５に電気信号を入力すると圧電素子が振動し、送信素子層２からＺ軸正方向に超音波を送信するように構成されている。

第３電極１４、第４電極１５の厚みは、１〜２μｍ程度である。第３電極１４、第４電極１５の厚みは、音響特性上はできるだけ薄い方が良いが、薄すぎると電極にひび割れ等が発生し、信頼性を損なうので０．１〜１０μｍの範囲、好ましくは０．１〜５μｍにすることが望ましい。特に超音波を送信する側の、第４電極１５は音響特性上できるだけ薄くすることが望ましい。

第３電極１４、第４電極１５は、金、銀、アルミなどの金属材料を用いて、送信素子層２の両面に蒸着法やフォトリソグラフィー法を用いて成膜する。

中間層１３は、樹脂材料により形成されている。中間層１３は、第２電極１０と第３電極１４とを結合するとともに、受信素子層３が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動した際に、送信素子層２が共振して振動しないように受信素子層３の振動を吸収するために設けられている。

中間層１３に用いる樹脂材料としては、例えばポリビニルブチラール、ポリオレフィン、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリスルホン、エポキシ、オキセタン、などを用いることができる。さらにこれらの樹脂には、特性を調整するための微粒子などを添加してもよい。

中間層１３の厚みは、求める感度や周波数特性により選択されるが、例えば１８０〜１９０μｍ程度である。また、求める感度や周波数特性によっては中間層１３を省略することもできる。

受信素子層３は、有機圧電材料から成る複数の圧電素子から構成されている。

受信素子層３に用いる有機圧電材料として、例えば、フッ化ビニリデンの重合体を用いることができる。また例えば、有機圧電材料は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体（コポリマ）であり、他の単量体としては、３フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）、テトラフルオロエチレ（ＴｅＦＥ）、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。

一般に、無機圧電材料の圧電素子は、基本波の周波数に対する２倍程度の周波数帯域の超音波しか受信することができないが、有機圧電材料の圧電素子は、基本波の周波数に対する例えば４〜５倍程度の周波数帯域の超音波を受信することができ、受信周波数帯域の広帯域化に適している。このような超音波を広い周波数に亘って受信可能な特性を持つ有機圧電素子２１によって超音波信号が受信されるので、本実施形態における超音波探触子１および超音波診断装置１００は、比較的簡単な構造で周波数帯域を広帯域にすることができる。

受信素子層３の厚さは、受信すべき超音波の周波数や有機圧電材料の種類等によって適宜に設定されるが、例えば、中心周波数１５ＭＨｚの超音波を受信する場合、受信素子層３の厚さは、約３５〜４０μｍである。

このような受信素子層３は、有機圧電材料の溶液から流延して所定の厚さの膜を作製し、加熱して結晶化を行った後、所定の大きさのシート状に成形して作製する。

受信素子層３の厚み方向（Ｚ軸方向）に互いに対向する両面には、それぞれ第１電極９、第２電極１０が形成されている。

第１電極９、第２電極１０の厚みは、１〜２μｍ程度である。受信素子層３の電極は、音響特性上できるだけ薄い方が良いが、薄すぎると電極にひび割れ等が発生し、信頼性を損なうので０．１〜１０μｍの範囲、好ましくは０．１〜５μｍにすることが望ましい。受信素子層３は、周波数の高い高調波を受信するため、特に第１電極９、第２電極１０ともに音響特性上できるだけ薄くすることが望ましい。

第１電極９、第２電極１０は、金、銀、アルミなどの金属材料を用いて、蒸着法やフォトリソグラフィー法により成膜する。受信素子層３に用いる電極、特に第１電極９は、高調波を感度良く受信するため極めて薄く形成する必要がある。そのため、金属材料として導電性の良い金を用いることが望ましい。

第１電極９、第２電極１０は、ケーブル３３を介して受信回路４３と接続する。

受信素子層３が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動すると、反射波に応じて圧電素子に第１電極９、第２電極１０の間に電気信号が発生する。第１電極９、第２電極１０の間に発生した電気信号は、ケーブル３３を介して受信回路４３で受信され、画像処理部４４で画像化される。

整合層６は、各層の各々の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、音響インピーダンスの整合を図る。本実施形態では、整合層６が単層の例を図示しているが、多層の場合でも良い。単層の場合、整合層６の厚みは例えば１４０μｍ程度である。

音響レンズ７は、シリコーンや樹脂から成り、発信または受信した超音波を所定の距離に収束させる。

バッキング材５の上に、第３電極１４と第４電極１５とが形成された送信素子層２、中間層１３、第１電極９と第２電極１０とが形成された受信素子層３、整合層６の順に、接着剤により接着して図３のように積層する。積層後、整合層１８から超音波放射方向と反対の方向に向かってＸ軸方向にダイシングを行い、バッキング材と第４電極の接着層からさらにＺ軸負方向にダイシングを行う。ダイシングによりできた溝部に、シリコーン樹脂などから成る充填剤を充填した後、最上層に音響レンズ７を接着する。

本実施形態では、受信素子層３に形成された第１電極９と第２電極１０を挟む上層は整合層６であり、下層は中間層１３である。整合層６と中間層１３とは、図３に示すように受信素子層３より突出した突出部１８ａ、１８ｂと突出部１９ａ、１９ｂを備えている。

また、第１電極９は、突出部１８ａ、１８ｂの中間層１３と対向する面まで延長して形成され、第２電極１０は、突出部１９ａ、１９ｂの整合層６と対向する面まで延長して形成されている。

このように、第１電極９を突出部１８ａ、１８ｂの中間層１３と対向する面まで延長して形成する方法について先に説明する。

整合層６の第１電極９と対向する面の少なくとも突出部１８ａ、１８ｂの部分に、予め蒸着法やフォトリソグラフィー法により金、銀、アルミなどの金属材料を用いて電極となる金属薄膜を成膜する。

後に行う積層工程で、受信素子層３に形成された第１電極９と、整合層６に形成された金属薄膜と、を導電性接着剤等により接合し、第１電極９を突出部１８ａ、１８ｂまで延長する。

第２電極１０を突出部１９ａ、１９ｂの整合層６と対向する面まで延長して形成することも同様の方法で実現できる。

中間層１３の第２電極１０と対向する面の少なくとも突出部１９ａ、１９ｂの部分に、予め蒸着法やフォトリソグラフィー法により金、銀、アルミなどの金属材料を用いて電極となる金属薄膜を成膜する。後に行う積層工程で、受信素子層３に形成された第２電極１０と、整合層６に形成された金属薄膜と、を導電性接着剤等により接合し、第２電極１０を突出部１９ａ、１９ｂまで延長する。

なお、本実施形態では、突出部１８ａ、１８ｂと突出部１９ａ、１９ｂが受信素子層３の両側に設けられている例を説明するが、特に限定されるものではなくどちらか一方でも良い。また、以降の説明で突出部１８ａ、１８ｂや突出部１９ａ、１９ｂに共通する点についてはａ、ｂによる区別を行わず突出部１８、突出部１９と表記する。

整合層６のエレベーション方向（Ｘ軸方向）の長さはＬ１、中間層１３のエレベーション方向の長さはＬ３、であり受信素子層３の端面から突出している突出部１８のエレベーション方向の長さはＬ２、突出部１９のエレベーション方向の長さはＬ４である。本実施形態では、Ｌ１＝Ｌ３、Ｌ２＝Ｌ４として以下説明する。

凹部１７は、突出部１８の面に形成された第１電極９と、前記受信素子層の端面と、突出部１９の面に形成された第２電極１０と、に囲まれた凹部であり、次に説明するよう凹部１７に回路基板を挿入して第１電極９、第２電極１０と接続する。

突出部１７、１８の両面に形成されている第１電極９、第２電極１０を回路基板２５と接続する例を図４、図５用いて説明する。

図４は、第１の実施形態の凹部１７と回路基板２５との接続を示す断面図、図５は、凹部１７に挿入された回路基板２５の部分の拡大断面図である。

回路基板２５は、ポリイミドなどから成る基板材２０の両面に銅箔などから成る導電部２１、２２を形成した両面基板である。図４、５に示すように回路基板２５は、凹部１７に一部が挿入され、基板材２０の両面に形成された導電部２１と導電部２２とは、導電性接着剤などの接合部材２６により第１電極９と第２電極１０とにそれぞれ接続されている。

このように、本実施形態では、第１電極９が突出部１８に、第２電極１０が突出部１９の面に形成されているので、フレキシブル基板２５を凹部１７に挿入することにより容易に接続できるとともに、接続後に振動などにより第１電極９、第２電極１０がひび割れることがない。また、このことにより超音波診断装置１００の信頼性を高めることができる。

ダイシング後の第１電極９と第２電極１０のＹ軸方向の間隔Ｐは非常に狭いので、回路基板２５ａ、２５ｂの第１電極９、第２電極１０と接続する部分の配線パターンを等間隔にすると実装が困難である。本実施形態では、図示せぬ回路基板２５ａ、２５ｂの第１電極９、第２電極１０と接続する部分のパターン間隔を２倍の２Ｐにし、回路基板２５ａと回路基板２５ｂのＹ軸方向のパターンが交互に受信素子層３の両側に設けられた電極と接続するようにパターニングしている。

本実施形態では、このように両面フレキシブル基板を用いて、凹部１７に形成された第１電極９と導電部２１、第２電極１０と導電部２２とをそれぞれ接続させることにより、高密度実装を行っている。

なお、第１電極９、第２電極１０との接続は、両面フレキシブル基板に限らず片面フレキシブル基板やそのほかの配線材を用いても良い。また、突出部１８ａ、１８ｂの何れか一方の面に第１電極９を形成し、突出部１９ａ、１９ｂの何れか一方の面に第２電極１０を形成しても良い。

図５に示すように、回路基板２５の先端部２４の厚さ方向に対向する両面は、導電部２１と導電部２２に覆われていない。このようにすると、先端部２４を受信素子層３の端面３ａに突き当たるまで挿入しても、導電部２１または導電部２２が端面３ａと導通することがないので実装作業が容易になる。

受信素子層３の端面から突出している突出部１８ａ、１８ｂのエレベーション方向（Ｘ軸方向）の長さＬ２は、上層である整合層６のエレベーション方向の長さＬ１の２％以上にするとともに、受信素子層３の端面から突出している突出部１９ａ、１９ｂのエレベーション方向の長さＬ４も、下層である中間層１３のエレベーション方向の長さＬ３の２％以上にすることが好ましい。

Ｌ２、Ｌ４がＬ１、Ｌ３の２％未満では、導電部２１、導電部２２がそれぞれ第１電極９、第２電極１と接合する面積が少なく、振動などにより外れたり導通が不良になるため後に説明するように不良率が急に高くなる。

突出部１８ａ、１８ｂのエレベーション方向の長さＬ２、突出部１９ａ、１９ｂのエレベーション方向の長さＬ４をあまり長くすると、超音波探触子の外形に比べて受信素子層３のエレベーション方向の長さが短くなり効率が悪くなる。そのため、受信素子層３の長さは、整合層６および中間層１３のエレベーション方向の長さの８０％以上になるよう、突出部１８、突出部１９の長さを決定することが好ましい。

図５に示すｔ１は、受信素子層３の厚み、ｔ２は、導電部２１、導電部２２を含む回路基板２５の厚みである。ｔ２は、ｔ１の８０％以上、１００％未満にすることが好ましい。ｔ２がｔ１の８０％未満では、注入する接合部材２６の量が多くなり組立が難しい。また、ｔ２がｔ１の１００％以上では回路基板２５の挿入ができなくなったり、接合部材２６を入れることができなくなる。

本実施形態では、受信素子層３の上層および下層に突出部１８、突出部１９を設け、凹部１７に回路基板２５を挿入して接続する例を説明したが、同様の方法で送信素子層２の第３電極１４、第４電極１５も回路基板と接続することができる。すなわち、送信素子層２の上層である中間層１３と、下層であるバッキング材５に突出部を設け、第３電極１４、第４電極１５をそれぞれの突出部の対向する面に形成し、凹部に回路基板を挿入すれば良い。このようにすると、第３電極１４、第４電極１５と回路基板との接続を容易に行うことができる。

第２の実施形態は、図６のように中間層１３の無い超音波探触子１に本発明を適用した例である。図６は、第２の実施形態の受信素子層３とフレキシブル基板との接続を示す断面図である。

図６に示す超音波探触子１は、バッキング材５の上に第４電極１５、送信素子層２、第２電極１０、受信素子層３、第１電極９、整合層６、音響レンズ７の順に積層されている。

第３電極１４と中間層１３は省かれ、第２電極１０が送信素子層２と受信素子層３との共通電極になっている。

本実施形態では、受信素子層３に形成された第１電極９と第２電極１０を挟む上層は整合層６であり、下層は送信素子層２である。整合層６と送信素子層２とは、受信素子層３より突出した突出部１８と突出部１９を備えている。

第１電極９と第２電極１０は、突出部１８と突出部１９までそれぞれ延長して形成され、それぞれ突出部１８と突出部１９の整合層６と送信素子層２とが対向する面にそれぞれ接合されている。

なお、本実施形態でも、突出部１８と突出部１９が受信素子層３の両側に設けられている例を説明するが、特に限定されるものではなくどちらか一方でも良い。

図６は、第１の実施形態と同様に、突出部１８の面に形成された第１電極９と、前記受信素子層の端面と、突出部１９の面に形成された第２電極１０と、に囲まれた凹部に回路基板２５を挿入して第１電極９、第２電極１０と接続した状態である。

このように、本発明は、中間層１３の無い超音波探触子１にも適用することができる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
図３に示す構成の超音波探触子１を受信素子層３のエレベーション方向（Ｘ方向）の長さを変えてそれぞれ１００個試作し、図４のように回路基板２５を接続して信頼性試験を行った。

試作した超音波探触子１は、次のように作製した。

送信素子層２は、ＰＺＴを材料として、Ｘ方向の長さ（Ｌ３）１０ｍｍ、Ｙ方向の長さ５５ｍｍ、Ｚ方向の長さ（厚み）３２０μｍのシート状にラップ仕上げで作製した。

次に、送信素子層２の両面に、金を真空蒸着して０．３μｍ厚の第３電極１４と第４電極１５とを作製した。

中間層１３は、ポリビニルブチラールを材料としてＸ方向の長さ（Ｌ４）１０ｍｍ、Ｙ方向の長さ５５ｍｍ、Ｚ方向の長さ（厚み）を１８５μｍに成形した。その後、中間層１３と受信素子層３が接する中間層１３の表面に、表面抵抗が２０Ω以下になるように金、またはアルミニウムを蒸着塗布して０．３μｍ厚の第２電極１０を作製した。

受信素子層３は、フッ化ビニリデン（以下ＶＤＦ）とトリフルオロエチレン（以下３ＦＥ）のモル比率が７５：２５であるポリフッ化ビニリデン共重合体粉末（重量平均分子量２９万）を５０℃に加熱したエチルメチルケトン（以下ＭＥＫ）、ジメチルホルムアミド（以下ＤＭＦ）の９：１混合溶媒に溶解した液をガラス板上に流延した。その後、５０℃にて溶媒を乾燥させ、厚さ約１４０μｍ、融点１５５℃のフィルム（有機圧電材料）を得た。

このフィルムをチャックにかかる荷重が測定できるロードセル付きの一軸延伸機によって、室温で４倍に延伸した。４倍延伸終了時点での延伸軸方向の張力は、単位幅（ｍｍ）あたり２．２Ｎであった。延伸した長さを保ったまま延伸機を加熱し、１３５℃で１時間熱処理を行った。その後、張力が０にならないように、チャック間距離を制御しながら（弛緩処理）、室温まで冷却した。得られた熱処理後のフィルムの膜厚は４０μｍであった。

その後、Ｙ方向の長さ５５ｍｍは一定で、Ｘ方向の長さを９．７、９．６２、９．６、９．０、８．０、７．８、７．０ｍｍの７種類に変え、シート状に成形した。ここで得られたフィルムの両面に、表面抵抗が２０Ω以下になるように金、またはアルミニウムを蒸着塗布して両面に０．３μｍ厚の表面電極（第１電極９と第２電極９）付の試料を得た。

続いて、この電極に室温にて、０．１Ｈｚの交流電圧を印加しながら分極処理を行った。分極処理は低電圧から行い、最終的に電極間電場が１００ＭＶ／ｍになるまで徐々に電圧をかけて行った。最終的な分極量は、圧電材料をコンデンサと見たてた際の残留分極量、すなわち膜厚、電極面積、印加電場に対する電荷蓄積量から求め、前記の各大きさの有機圧電材料を得た。

整合層１８の受信素子層と接する整合層１８の表面に、表面抵抗が２０Ω以下になるように金、またはアルミニウムを蒸着塗布して０．３μｍ厚の第１電極９を作製した。

バッキング材５の上に、第３電極１４と第４電極１５とが形成された送信素子層２、中間層１３、第１電極９と第２電極１０とが形成された受信素子層３、整合層１８の順に、接着剤により接着して図３のようにＬ２＝Ｌ４になるよう積層する。積層後、整合層１８から超音波放射方向と反対の方向に向かってダイシングを行い、バッキング材と第４電極の接着層からさらにＺ軸負方向に１００μｍの深さまでダイシングを行った。

最後に最上層に、シリコーンから成形した音響レンズ７を接着し、受信素子層３のＸ方向の長さが７種類の超音波探触子１のヘッド部を作製した。

回路基板２５は、ポリイミドから成る基板材２０の厚みが２０μｍ、銅箔から成る導電部２１、２２の厚みがそれぞれ９μｍの両面フレキシブル基板を用いた。したがって、導電部２１、２２を含む回路基板２５の厚みｔ２は、３８μｍである。

回路基板２５を凹部１７に挿入し、接合部材２６として導電性接着剤を用いて第１電極９と第２電極１０とにそれぞれ接着した。

このようにして作製した回路基板２５と接合した８種類の超音波探触子１の信頼性試験を行って信頼性を確認した。本実施例ではＬ２／Ｌ１＝Ｌ４／Ｌ３であり、８種類の超音波探触子１は、Ｌ２／Ｌ１がそれぞれ１．５％、１．９％、２．０％、５％、１０％、１１％、１５％になっている。また、受信素子層３のエレベーション方向の長さは、Ｌ１またはＬ４に対し、９７％、９６．２％、９６％、９０％、８０％、７８％、７０％である。

［比較例１］
比較例では、受信素子層３を実施例と同じ方法で成膜した後、Ｘ方向の長さ１０ｍｍ、Ｙ方向の長さ５０ｍｍに切断したものを用いた。また、第１電極９と第２電極１０とはＸ方向の長さを２０ｍｍに成膜した。そのほかの構成要素は実施例と同じものであり、同様の手順で積層して接着して作製した。

積層後、第１電極９と第２電極１０の受信素子層３から突出した部分は、回路基板２５の導電部２１、２２と導電性接着剤を用いて接着し、１００個の超音波探触子１を作製した。比較例では、Ｌ２／Ｌ１は０％である。

［実験方法］
試作した実施例の超音波探触子１と比較例の超音波探触子１とを加振台の上に載せ、振動試験を行った。試験後、超音波発信器から１５ＭＨｚの超音波を、実施例と比較例の超音波探触子１に向けて送信し、回路基板２５の端子から受信素子層３の受信した信号のレベルを測定した。信号のレベルが規定電圧の２０％以下の超音波探触子１を不良と判定し、実施例、比較例それぞれの条件で不良率を算出した。

［実験結果］
実験結果を表１に示す。

比較例では不良率が３５％も発生するのに対し、実施例では５％以下であり信頼性が向上している。また、Ｌ２／Ｌ１が２％以上の実施例では不良率は０％であり、非常に信頼性が高い。

また、受信素子層３のエレベーション方向の長さが、Ｌ１またはＬ４に対し、８０％以上の場合は、所定の受信信号レベルが得られることが確認できた。

以上このように、本発明によれば、圧電素子の電極と配線部材とを信頼性高く接続することができる超音波探触子、および信頼性の高い超音波探触子を具備する超音波診断装置を提供することができる。

１ 超音波探触子
２ 送信素子
３ 受信素子
５ バッキング材
６ 整合層
９ 第１電極
１０ 第２電極
１３ 中間層
１４ 第３電極
１５ 第４電極
１７ 凹部
１８、１９ 突出部
２０ 基板材
２１、２２ 導電部
２３ カバーレイ
２４ 先端部
２５ 回路基板
２６ 接合部材
３１ 超音波診断装置本体
３３ ケーブル
４１ 操作入力部
４２ 送信回路
４３ 受信回路
４４ 画像処理部
４５ 表示部
４６ 制御部
１００ 超音波診断装置

Claims (5)

1. 少なくとも一層の超音波を送信する送信素子層と、厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された超音波を受信する少なくとも一層の受信素子層と、音響インピーダンスの整合を図る少なくとも一層の整合層と、が前記超音波を送信する方向に向けてこの順に積層された超音波探触子であって、
   前記受信素子層の両面に形成された前記電極をそれぞれ挟む上層および下層は、
   それぞれエレベーション方向に前記受信素子層より突出した突出部を備え、
   前記受信素子層の両面に形成された前記電極は、前記突出部の前記上層及び前記下層と対向する面にそれぞれ延長して形成されており、
   基板材の両面に導電部が形成された回路基板を有し、
   前記回路基板は、
   前記上層の突出部の面に形成された前記電極と、前記受信素子層の端面と、前記下層の突出部の面に形成された前記電極と、に囲まれた凹部に少なくとも一部が挿入され、前記基板材の両面に形成された前記導電部のうち一方の導電部は前記上層の前記突出部に形成された前記電極に接続され、他方の導電部は前記下層の前記突出部に形成された前記電極に接続されていることを特徴とする超音波探触子。
2. 少なくとも一層の超音波を送信する送信素子層と、厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された超音波を受信する少なくとも一層の受信素子層と、音響インピーダンスの整合を図る少なくとも一層の整合層と、が前記超音波を送信する方向に向けてこの順に積層された超音波探触子であって、
   前記受信素子層の両面に形成された前記電極をそれぞれ挟む上層および下層は、
   それぞれエレベーション方向に前記受信素子層より突出した突出部を備え、
   前記受信素子層に形成された前記電極のうち少なくとも一方は、前記突出部の前記上層または前記下層と対向する面に延長して形成されており、
   基板材の厚さ方向に対向する面に導電部が形成された回路基板を有し、
   前記回路基板は、
   前記上層の突出部の面または前記上層の突出部の面に形成された前記電極と、前記受信素子層の端面と、前記下層の突出部の面または前記下層の突出部の面に形成された前記電極と、に囲まれた凹部に少なくとも一部が挿入され、前記基板材の面に形成された前記導電部は、前記上層または前記下層の前記突出部に形成された前記電極の少なくとも一方に接続されており、
   前記凹部に挿入される前記回路基板の先端部は、
   前記基板材の厚さ方向に対向する両面が前記導電部に覆われていないことを特徴とする超音波探触子。
3. 前記上層の前記突出部のエレベーション方向の長さは、前記上層のエレベーション方向の長さの２％以上、且つ、前記下層の前記突出部のエレベーション方向の長さは、前記下層のエレベーション方向の長さの２％以上であり、
   前記受信素子層の長さは、
   前記上層および前記下層のエレベーション方向の長さのそれぞれ８０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探触子。
4. 前記回路基板の前記凹部に挿入される前記導電部を含む部分の厚みは、
   前記受信素子層の厚みの８０％以上、１００％未満であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超音波探触子。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。