JP2005511115A - リボンケーブル取付けシステムを用いた超音波プローブ - Google Patents
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Abstract
超音波トランスデューサプローブは、トランスデューサ素子をプローブ配線に取り付けるために1又はそれよりも多くのリボンケーブルを用いる。第1のリボンケーブル内の電気導体は集積回路の端にある対応するランドに取り付けられ、更なるリボンケーブル内の電気導体は回路基板上の対応するランドに取り付けられる。回路基板は、取り付けられたリボンケーブルからの電気信号を集積回路の他端上の更なるランドへ分配する。
Description
本発明は概して超音波トランスデューサに関連し、特に電気配線をトランスデューサ素子へ取り付けるためにリボンケーブルを用いた超音波プローブに関連する。
超音波トランスデューサは、かなり以前から利用されており、特に非侵襲的な医療診断イメージングに有用である。超音波トランスデューサは、一般的には圧電素子又はミクロ機械加工された超音波トランスデューサ(MUT)素子のいずれかから形成される。圧電素子は、一般的には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)といった圧電セラミックから形成され、複数の素子はトランスデューサを形成するように配置される。MUTは、本質的には、シリコン基板上にメンブレンの縁の周辺で支持される柔軟なメンブレンを含む容量性超音波トランスデューサセルを与える公知の半導体製造技術を用いて形成される。電極の形の接触材料を、メンブレンに又はメンブレンの一部に与え、またシリコン基板の空洞の底に与え、次に電極に適当な電圧信号を印加することにより、MUTは適当な超音波が生ずるよう加圧されうる。同様に、電気的にバイアスされたとき、MUTのメンブレンは、反射された超音波エネルギーを捕捉し、そのエネルギーを電気的にバイアスされたメンブレンの動きへ変換することにより、メンブレンの動きは次に受信信号を発生するため、超音波信号を受信するために使用されうる。
超音波トランスデューサ素子は、1次元又は多次元のアレイとして配置され、トランスデューサ組立体を形成する制御回路と組み合わされてもよく、これは電子回路基板の形でありその組み合わせが超音波プローブを形成する更なる制御電子機器をおそらくは含む筐体の中へ更に組み付けられる。多数の超音波素子は、一般的にはアレイを構成し、従って各素子は別々の電気リード及び接地面に接続されねばならないため多数の電気接続を必要とする。
撮像されている体の中の組織、器官又は他の構造の種類及び位置に依存して様々な超音波プローブが利用可能である。より特殊化された超音波プローブの1つに、細長い本体上に形成される経食道プローブ(TEEプローブ)がある。この形態は、プローブの機械的及び電気的設計に厳しい制限を与え、かなりの配線の問題を与える。特に、TEEプローブは、プローブを設計するときに考慮されねばならないかなりの空間的な制約を有する。これは、アレイ中の各素子を適切な配線系へ接続するのに利用可能なアレイの寸法及び空間の体積のいずれにも影響を与える。公知の1次元アレイは、一般的には細かい水平方向のピッチ(ピッチはアレイ中の素子間の中心から中心までの距離である)と粗い垂直方向のピッチを有し、多くの提案される2次元アレイはいずれの次元にも細かいピッチとされており、100乃至160μm(ミクロン)のオーダの水平方向及び垂直方向のピッチ寸法を有する。
TEEプローブは侵襲的なプローブであり、従って、プローブ本体の内部の電気接続を行うための空間は非常に限られている。過去においては、プローブの設計によって可能とされる空間内にかなりの数の電気リードを有するTEEプローブを設計することは困難であり、多数のトランスデューサアレイ素子を夫々の個々の導体に接続することは困難であった。
従って、超音波トランスデューサプローブ中で利用可能な限られた空間中で多数のトランスデューサ素子を夫々の導体に接続することが可能であることが望まれる。
超音波トランスデューサプローブは、トランスデューサ素子をプローブ配線に取り付けるために1又はそれ以上のリボンケーブルを用いる。第1のリボンケーブル内の電気導体は集積回路の端にある対応するランドに取り付けられ、更なるリボンケーブル内の電気導体は回路基板上の対応するランドに取り付けられる。回路基板は、取り付けられたリボンケーブルからの電気信号を集積回路の他端にある更なるランドに分配する。
本発明の他のシステム、方法、特徴、及び利点については、添付の図面及び詳細な説明をよく見ることにより当業者に明らかとなろう。全てのかかる更なるシステム、方法、特徴、及び利点は、本発明の範囲内であり特許請求の範囲によって保護される本願の記載に含まれることが意図される。
本発明は、特許請求の範囲に定義されるように、添付の図面を参照することでよりよく理解されうる。図中の構成要素は必ずしも互いに対して正しい縮尺ではなく、本発明の原理を明瞭に示すときは強調されている。
本発明を、以下、多数の導体を集積回路に接続することが望ましい任意の配線装置に適用可能であり、特に導体がリボンタイプのケーブルと適合する場合に有用であるものとして説明する。
図1は、経食道(TEE)イメージングプローブ300を含む超音波システム10を示す図である。超音波イメージングシステム10は、ケーブル16、ひずみ逃がし部17、及びコネクタ18によって超音波制御ユニット20に接続されるプローブハンドル14を含むTEEプローブ12を含む。超音波制御ユニット20は、一般的には、特に、論理インタフェース26を介して接続されたプロセッサ28、キーボード22、ビーム形成器38、及びディスプレイ24を含む。ビーム形成器38は、一般的には送信ビーム形成器及び受信ビーム形成器を含むが、簡単化のために単一の要素として示す。プロセッサ28は、他の処理タスクのうちでも特に画像生成を行う。キーボード22は超音波制御ユニット20へ命令を入力するのに有用であり、ディスプレイ24はTEEプローブ12及び制御ユニット20によって生ずる超音波画像を見るために用いられる。
TEEプローブ12は、細長いセミフレキシブルな本体36に接続される遠位部30を有する。セミフレキシブルな本体36の近端は、プローブハンドル14の遠端30に接続される。遠端30は、硬い領域32と、セミフレキシブルな本体36の遠端30に接続される柔軟な領域34とを含む。プローブハンドル14は、柔軟な領域34を関節式とし、従って硬い領域32を撮像されている組織に対して方向付ける位置決め制御部15を含む。細長いセミフレキシブルな本体36は、食道への挿入のために構築され配置される。
図2Aは、図1のTEEプローブ12内で内部的に接続されるリボンケーブル100を示す平面図である。リボンケーブル100は、第1の端102と第2の端104とを含む。リボンケーブル100は、複数の個々の導体106−1乃至106−nを含み、これらは個々に導体106と称される。導体106は、同軸導体であってもよく、その場合、各導体106は外側の絶縁体の中に囲まれた中心導体、誘電体、及び遮蔽を含む。或いは、導体106は、リボンケーブル内に製造される個々に信号導体及び戻り(接地)導体であってもよい。かかるリボンケーブルの例としては、米国アリゾナ州フェニックスのダブリュ・エル・ゴア・アンド・アソシエーツ(W.L.Gore&Associates)社から市販されているFLAT OUT!(登録商標)フラットリボンケーブルである。複数の個々の導体106は、当業者によって知られている技術を用いてリボンケーブルを形成するよう一緒に接着される。
図2Bは、同軸導体107を用いて実施される場合の図2Aの導体106を示す詳細な図である。図2Bに示すような導体107−1乃至107―nは、外被112、金属のアンダーラップを含みうる編み込まれた又は他の方法で織り交ぜられた遮蔽114、誘電体材料118、及び中心導体122を含む。図2Bに示すように、中心導体122は、例えば超音波ワイヤボンディング(サーモソニックワイヤボンディングとしても知られる)、タブボンディング、半田付け、又は他の取り付け方法、しかしこれらに限られるものではない方法を用いて、回路のランド120に結合される。同様に、接地遮蔽114は半田ランド116に電気的に結合される。各同軸ケーブル107の各中心導体122が個々の回路のランド120に結合される一方で、接地遮蔽114は共通のランド116に接続されうる。換言すれば、共通のランド116は、各同軸導体107−1乃至107−nの全ての接地遮蔽導体を接続する。
図2Cは、図2Aのリボンケーブル100の他の実施を示す図である。リボンケーブル100は、信号導体、例えば108−1の次に戻り導体108−2が続く等を含むよう交互のパターンで配置される複数の導体108−1乃至108−nを含む。各導体108−1及び108−2は、図2Cに示すように対応する半田ランド120及び116に夫々電気的に結合される。交互に配置される場合、信号導体108−1及び戻り導体108−2は、半田ランド116が例えば連続的な接地バスでありうるようこの交互のパターン中に連続する。或いは、リボンケーブル100は、信号導体又は戻り導体のみを含んでもよく、信号の分離を改善するよう、複数のリボンケーブルは垂直方向に積み重ねられてもよい(図3を参照して説明する)。このような配置では、非信号リボンケーブル中の全ての導体は一方の端又は両端で一緒にバス接続されうる。リボンケーブル100は、例えば、米国アリゾナ州フェニックスのダブリュ・エル・ゴア・アンド・アソシエーツ(W.L.Gore&Associates)社から市販されているFLAT OUT!(登録商標)リボンケーブルでありうる。
図3は、本発明により構築されたTEEプローブ300を示す断面図である。TEEプローブ300は、TEEプローブ300内に電気接続を与えるよう1又はそれ以上のリボンケーブルを用い、そのうちの4本が参照番号100−1乃至100−4を用いて示されている。TEEプローブ300は、それを通じて超音波イメージングが行われる音響窓304を含む筐体302を含む。筐体302は、音響窓304の後方に配置されるトランスデューサ組立体306を含む。トランスデューサ組立体306は、トランスデューサ素子312のマトリックスを含む。従来の経食道イメージングプローブのように、TEEプローブ300は細長いセミフレキシブルな本体(図1に示す)に接続される。細長いセミフレキシブルな本体は、次に、プローブハンドルに接続される(図1)。
トランスデューサ組立体306は、複数の回路基板を含み、それらのうちの典型的なものを参照番号308a,308b,及び308cを用いて示す。本発明は、3つの回路基板を用いて示されているが、より少ない又はより多い回路基板を含むトランスデューサ組立体306にも適用可能である。各回路基板308a,308b,及び308cは、第1のランドの組及び第2のランドの組を含み、これらのランドの組に対して電気接触がなされうる。回路基板上のランドは、一般的には電気接続に適した領域である。回路基板308aは、集積回路(IC)310に固定される。IC310はまた、第1のランドの組及び第2のランドの組を含む。IC310は、リボンケーブル100−1乃至100−4によって搬送される信号をトランスデューサ素子312のマトリックスへ分配する。IC310への接続のピッチ及び必要とされる接続の数によって決められる空間的な制限により、ランドはIC310の2つの縁に亘って広がる。本発明によれば、回路基板308a,308b,及び308cは、パススルー接続として動作し、従ってリボンケーブル100−1乃至100−4の導体の一部をIC310上のランドとインタフェース接続する。リボンケーブル100−1の第1の端102は、例えば、超音波ワイヤボンディング(サーモソニックワイヤボンディングとしても知られる)、tabボンディング等、しかしこれらに限られるものではない方法を用いて、IC310の第1の縁にあるIC310上の第1のランドの組に接続される。更に、第2のリボンケーブル100−2の第1の端102は、例えば超音波ワイヤボンディングを用いて回路基板308aの第1の端上の第1のランドの組に接続される。第3のリボンケーブル100−3及び第4のリボンケーブル100−4と第2の回路基板308b及び第3の回路基板308cとの間の夫々の接続は、同様に行われる。
回路基板308a,308b,及び308cは、各回路基板の各縁にある第1のランドの組を各回路基板の第2の縁にある第2のランドの組へ接続する一組のトレース(図示せず)を与える。各回路基板308a,308b,及び308c上の第2のランドの組は、IC310の第2の縁にある第2のランドの組に接続される。IC310は、望ましくは、各回路基板が薄いエポキシボンドを用いて一緒に接着されて、各回路基板308a,308b,及び308cに対して音響的に一致される。回路基板308a,308b,及び308cを用いることにより、単に各リボンケーブル100をIC310の第2のランドの組へ向けて延ばす場合よりも、トランスデューサ組立体に改善された熱伝導性及びより良い音響性質が与えられる。
図3に示すように、各連続する回路基板308a,308b,及び308cは、IC310を越えて延び、図3に示すように、IC310の少なくとも1つの縁の各前の回路基板はIC310の少なくとも2つの縁を越えて延びる。このような配置は、垂直方向及び横方向の両方に分離された2つの異なる入力面を与える。望ましくは、回路基板308a,308b,及び308c、並びに、IC310は、ケーブル100へのアクセスを2組のランドに与えるよう互いに関連付けられる。第1のランドの組はIC310の第1の縁にあり、第2のランドの組は各回路基板308の第1の縁にある。望ましくは、各回路基板308a,308b,及び308cは、IC310よりも大きい横領域(横とは、プローブ300の広がりに沿った方向である)を有する。しかしながら、当業者は、かならずしもそうである必要はないことを理解するであろう。例えば、IC310及び各回路基板308は(千鳥状の関係を含む)同じ横領域を有してもよく、又はIC310はより大きい横領域を有してもよい。
上述のように、IC310は、望ましくはその少なくとも2つの縁に、更に望ましくはその両端に、少なくとも2組のランドを具備する。第1のランドの組は、各リボンケーブル100の導体106−1乃至106−nのピッチに等しいピッチを有し、リボンケーブル100−1とIC310の間の接続を容易とするようプローブ300内に位置決めされる。同様に、各回路基板308は、望ましくはその少なくとも2つの縁に、更に望ましくはその両端に、少なくとも2組のランドを具備する。各回路基板308上の第1のランドの組は、各連続するリボンケーブル100−2乃至100−4の導体106−1乃至106−nのピッチに等しいピッチを有する。IC310上の第2のランドの組及び各回路基板308上の第2のランドの組のピッチは、接続を形成するのに用いられる技術によって決まる。例えば、IC310及び各回路基板308は、IC310上の第2のランドの組と各回路基板308a,308b,及び308c上の第2のランドの組との間に延びる複数のワイヤ314によって電気的に接続されうる。望ましくは、ワイヤ314をIC310上のランド及び各回路基板308上のランドに接続するために超音波ワイヤボンディングも使用されうる。
回路基板308a,308b,及び308c、並びにIC310は、積層体であると考えられうるトランスデューサ組立体306の一部である。望ましくは熱放散材料から形成される第1のブロック316はIC310の上に配置されてもよく、一方、やはり望ましくは熱放散材料から形成される第2のブロック318は、本例では308cである一番下の回路基板の下に配置されてもよい。ブロック316及び318を形成する材料もまた、当業者によって知られているように所望の音響性質に基づいて選択される。例えば、振動を吸収することが望ましく、これにより当業者にブロック316及び318を音響的に吸収性のある材料から形成させる。
IC310とトランスデューサ素子312の間の接続は、本発明の範囲を越えるものである。しかしながら、このような接続の詳細は、「SYSTEM FOR ATTACHING AN ACOUSTIC ELEMENT TO AN INTEGRATED CIRCUIT」なる名称の出願番号第XXXの継続中の共通に譲渡された米国特許出願に見つけることができる(代理人側整理番号第10004001号)。かかる接続の他の方法は、米国特許第5,267,221号明細書中に見つけることができる。従って、ここでは簡単な説明のみを行う。
支持システム320は、トランスデューサ素子のマトリックス312に対する支持及び幾らかの防音を与え、従って一般的に少なくとも下地材料の層を含む。接続322は、IC310からトランスデューサ素子312のマトリックスへの電気接続性を与える。接続322の物理的構造、特に接続322とトランスデューサ素子のマトリックス312の間のインタフェースの構造は、ICをトランスデューサ素子のマトリックスに接続するための種々の公知の構造のうちの任意のものでありうる。上述の共通に譲渡された継続中の「SYSTEM FOR ATTACHING AN ACOUSTIC ELEMENT TO AN INTEGRATED CIRCUIT」なる名称の米国特許出願第XXX号(代理人側整理番号第10004001号)は、IC310上の接点のピッチをトランスデューサ素子のマトリックス312のピッチに一致させる再配線層を用いることを含む、かかる接続を形成するための幾つかの方法及び装置を記載する。
図3に示す構造は、実際上、IC310上の第1のランドの組に近い更なるランドの組を与えるよう回路基板308a,308b,及び308cを用いることによって、比較的制限された領域中でトランスデューサ素子のマトリックス312に多数のリードを接続することを可能とする。図3に示す形態の更なる利点は、TEEプローブ300のより効率的な組立体を与えるモジュール化である。図示の形態はまた、望ましくない音響反響なしに効率的な熱放散と音の吸収を促進しうる(即ちインピーダンス・マッチング)。
図4は、図3のTEEプローブ300を示す平面図である。図4に示すように、最も上のリボンケーブル100−1は、IC310上の第1のランドの組に接続される。回路基板308a、308b及び308cは、IC310の下に配置される。各回路基板308は、ワイヤ314を介してIC310上の第2のランドの組に接続される第2のランドの組を含む。
図5は、図3及び図4のTEEプローブ300を示す端断面図である。図5に示すように、4本のリボンケーブル100−1乃至100−4はプローブの筐体302内に垂直に積み重ねられる。
図6は、リボンケーブル100と図3のトランスデューサ組立体306の部分との間の接続を示す断面図である。回路基板308a、308b及び308cは、ブロック318によって支持され、例えば薄いエポキシボンド420を用いて一緒に接続される。回路基板308aはまた、同様の薄いエポキシボンド420を用いてIC310に接続される。IC310は、第1のランドの組402及び第2のランドの組410を含む。図6に示すように、第1のランドの組402は第2のランドの組410からIC310の反対側に配置される。各回路基板308a、308b及び308cは、夫々、第1のランドの組404、406、408と、第2のランドの組412、416、418を含む。各リボンケーブル100は、IC310又は夫々の回路基板308に結合される。例えば、リボンケーブル100−1の導体106は、IC310上の夫々の第1のランド402に超音波でワイヤボンディングされる。同様に、リボンケーブル100−2、100−3、100−4の導体106は、各回路基板308a、308b及び308c上の第1のランドの組404、406、及び408に夫々ボンディングされる。リボンケーブル100が接地面を含む場合、接地面は、更なるワイヤを使用すること又はリボンケーブル100内の一本のワイヤを接地面に専用とすることを含むがこれらに限られない様々な技術を用いてIC310に接続される。
本発明によれば、各回路基板308a、308b及び308cに夫々関連付けられる第2のランドの組412、416及び418は、図示のように千鳥状とされ、リボンケーブル100−2、100−3、100−4からIC310上の対応する第2のランドの組へ信号を転送するために使用される。これは、複数のワイヤ314a,314b及び314cを用いて達成される。ワイヤ314a,314b及び314cは、例えば超音波ワイヤボンディング、サーモソニックボンディング、又はボールボンディングを用いて、しかしこれらに限られずに、ランド410、412、416及び418にボンディングされうる。このようにして、TEEプローブ300の形状によって決まる空間制約は、図6に示すような信号分配系を用いることによって軽減されうる。
当業者によれば、本発明の原理から実質的に逸脱することなく、上述の本発明の典型的な実施例に対して多くの変更及び変形がなされうることが明らかとなろう。例えば、本発明は、圧電セラミック及びMUTトランスデューサ素子と共に使用されうる。更に、本発明は様々な種類の配線用途及び様々な種類のトランスデューサプローブに適用可能である。全てのかかる変更及び変形は本願に含まれることが意図される。
Claims (10)
- 第1のランドの組及び第2のランドの組を含む集積回路(IC)に電気的に結合されるトランスデューサ素子のマトリックスを含むトランスデューサ組立体と、
前記ICに関連付けられ、第1のランドの組及び第2のランドの組を含む回路基板と、
前記IC上の前記第1のランドの組に結合される第1のリボンケーブルと、
前記回路基板上の前記第1のランドの組に結合される第2のリボンケーブルと、
前記IC上の前記第2のランドの組を前記回路基板上の前記第2のランドの組に結合する手段とを含む、超音波トランスデューサプローブ。 - 前記回路基板は前記ICの表面にボンディングされる、請求項1記載のトランスデューサプローブ。
- 前記回路基板は少なくとも1つの次元で前記ICを越えて延びる、請求項1記載のトランスデューサプローブ。
- 前記第1のリボンケーブル及び前記第2のリボンケーブルは垂直方向に積み重ねられる、請求項1記載のトランスデューサプローブ。
- 前記第1のリボンケーブル及び前記第2のリボンケーブルは同軸導体を含む、請求項1記載のトランスデューサプローブ。
- 前記第1のリボンケーブル及び前記第2のリボンケーブルは個々の信号及び接地導体を含む、請求項1記載のトランスデューサプローブ。
- 前記結合手段は、前記IC上の前記第2のランドの組及び前記回路基板上の前記第2のランドの組にボンディングされる複数のワイヤである、請求項1記載のトランスデューサプローブ。
- 第1のリボンケーブルを集積回路(IC)上の第1のランドへ電気的に結合し、
第2のリボンケーブルを回路基板上の第1のランドへ電気的に結合し、
前記回路基板上の第2のランドを前記集積回路上の第2のランドへ電気的に結合する、
超音波トランスデューサを配線する方法。 - 更に前記ICをトランスデューサ素子のマトリックスに結合する、請求項8記載の方法。
- 請求項1乃至7のうちいずれか一項記載の超音波トランスデューサプローブを含む、イメージング超音波システム。
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