JP2014146883A - 超音波デバイス、超音波プローブ、電子機器および超音波画像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電体を備え、超音波の発信および受信を行う複数の超音波素子を有する超音波素子アレイ基板20と、超音波素子アレイ基板20の一方の面に固着された支持部材30と、超音波素子アレイ基板20の他方の面に固着され超音波を収束させるレンズ部51を有する音響レンズ50と、超音波素子アレイ基板20と音響レンズ50との間に設けられた音響整合層40と、を備え、支持部材30は超音波素子アレイ基板20の厚み方向の平面視において超音波素子アレイ基板20より面積が広く、かつ曲げ剛性が大きく形成され、音響レンズ50は超音波素子アレイ基板20より曲げ剛性が小さく形成されている。
【選択図】図3
Description
特に、落下などでの外部から衝撃力が音響レンズに加わると、このような構造では超音波素子または超音波素子基板が破損しやすいという問題がある。
このように、超音波素子アレイ基板は超音波素子アレイ基板より曲げ剛性の大きい支持部材に固着した構造を有するため、超音波素子アレイ基板が補強されて反りにくくなる。
さらに、超音波素子アレイ基板と音響レンズとの間には音響整合層が設けられているため、曲げ剛性の小さい音響レンズと、この音響整合層とで外部からの力を吸収し超音波素子アレイ基板に加わる外力を緩和し、超音波素子アレイ基板の破損を抑制することができる。
このため、超音波素子アレイ基板と音響レンズとを接着するとともに、硬化した接着剤(樹脂)が音響整合層としての機能を果たすことができる。
このため、第1凸部の長さを設定することで超音波素子アレイ基板の表面とレンズ部との距離を簡単に設定することができ、超音波素子アレイ基板とレンズ部との間に配置される音響整合層の厚みを規定することができる。
このようにすれば、音響レンズを超音波素子アレイ基板上に安定して載置することができ、超音波素子アレイ基板の表面とレンズ部との距離を精度よく設定することができる。
フレキシブル印刷配線基板に引っ張り力が加わった際に、フレキシブル印刷配線基板の一部は支持部材に固着されているため、その力は超音波素子アレイ基板との接続部には及ばず、接続部のはがれおよび超音波素子アレイ基板の破損を防止することができる。
このため、フレキシブル印刷配線基板の配線の断線を防止でき、信頼性の高い超音波デバイスを提供できる。
このような構成の超音波デバイスの超音波素子アレイ基板は小型化が可能であり、超音波デバイスの小型化を図ることができる。
本適用例の超音波プローブは、筐体に超音波素子アレイ基板の破損を防止する超音波デバイスを備えており、信頼性の高い超音波プローブを提供できる。
本適用例の電子機器は、超音波素子アレイ基板の破損を防止する超音波デバイスを備えており、信頼性の高い電子機器を提供できる。
本適用例の超音波画像装置は、超音波素子アレイ基板の破損を防止する超音波デバイスを備えており、信頼性の高い超音波画像装置を提供できる。
(第1実施形態)
(1)超音波画像装置の全体構成
図1は本実施形態の超音波画像装置の概略外観図である。図2は超音波プローブの部分断面図であり、図3は超音波プローブのヘッド部の拡大断面図である。
そして、装置本体110には表示部112としてディスプレイパネルなどが組み込まれている。本実施形態では表示部112はタッチパネル型のディスプレイであり、ユーザーインターフェイス部(UI部)を兼ねている。
装置本体110では、超音波プローブ130で検出された超音波に基づき画像が生成され、画像化された検出結果が表示部112の画面に表示される。
超音波プローブ130は、直方体状の筐体132を備え、筐体132の長手方向の一端にケーブル120が接続されている。そして、その反対側に超音波の受発信を行うヘッド部134を有している。
なお、本実施形態の超音波画像装置100は、装置本体110と超音波プローブ130とをケーブル120で接続する形態であるが、ケーブル120を用いず、無線により装置本体110と超音波プローブ130との間で信号のやり取りを行う形態であっても良い。
さらに、後述する超音波デバイス1の支持部材30との間でシールするシール構造を有している。ここでのシール構造は、超音波デバイス1の支持部材30の外周部に貼り付けられた弾性を有する両面テープなどの接着部材35と、筐体132に貼り付けられた弾性を有する両面テープなどの接着部材135とを押し付ける状態で保持する構造である。
なお、接着部材35,135としては、ポリエチレンまたはウレタンなどの単泡体にアクリル系の接着剤が塗布された両面テープが用いられている。
このように、本実施形態の超音波プローブ130では2重のシール構造が採用され、筐体132内に水分などが侵入するのを防止している。
超音波画像装置100は、前述したように装置本体110と超音波プローブ130とを備える。
超音波プローブ130は、超音波デバイス1と処理回路150とを備えている。
処理回路150は、選択回路152、送信回路153、受信回路154、制御部155を有する。この処理回路150は、超音波デバイス1の送信処理及び受信処理を行う。
送信回路153は、送信期間において、選択回路152を介して超音波デバイス1に対して送信信号VTを出力する。具体的には、送信回路153は、制御部155の制御に基づいて送信信号VTを生成し、選択回路152に出力する。そして選択回路152は、制御部155の制御に基づいて、送信回路153からの送信信号VTを出力する。送信信号VTの周波数及び振幅電圧は、制御部155により設定することができる。
制御部155は、送信回路153及び受信回路154を制御する。具体的には、制御部155は、送信回路153に対して送信信号VTの生成及び出力処理の制御を行い、受信回路154に対して受信信号VRの周波数設定やゲインなどの制御を行う。
選択回路152は、制御部155の制御に基づいて、選択された送信信号VTを出力する。
主制御部115は、超音波プローブ130に対して超音波の送受信制御を行い、処理部116に対して検出データの画像処理等の制御を行う。
処理部116は、受信回路154からの検出データを受けて、必要な画像処理や表示用画像データの生成などを行う。
UI部117は、ユーザーの行う操作(例えばタッチパネル操作など)に基づいて主制御部115に必要な命令(コマンド)を出力する。
表示部112は、例えば液晶ディスプレイ等であって、処理部116からの表示用画像データを表示する。
なお、主制御部115が行う制御の一部を処理回路150の制御部155が行ってもよいし、制御部155が行う制御の一部を主制御部115が行ってもよい。
次に、超音波プローブに組み込まれる超音波デバイスの構成について説明する。
図5は超音波デバイスの構成を示す平面図であり、図3における超音波プローブの矢印H方向から見た図に相当する。図6は図5のA−A断線に沿う断面図であり、図7は図5のB−B断線に沿う断面図である。
図5,6,7に示すように、超音波デバイス1は、超音波素子アレイ基板20、支持部材30、音響整合層40、音響レンズ50、フレキシブル印刷配線基板(FPC)60を備えている。
素子基板21は複数の超音波素子がアレイ状に配置された基板であり、平面視で長方形の形状をしている。この素子基板21はシリコン基板を用いて形成され、厚みがおよそ150μm〜200μmである。そして、素子基板21の素子形成面とは反対の面に、素子基板21と同じ平面形状に形成されたバックプレート22が接着されている。バックプレート22は素子基板21の余分な振動を抑える役目を果たし、およそ厚みが500μm〜600μmのシリコン基板が用いられている。このバックプレート22はシリコン基板の他に金属板を用いてもよい。
なお、場合によりバックプレート22を用いずに超音波デバイス1を構成してもよい。
超音波素子アレイ基板20の詳細については後述する。
このように、支持部材30は超音波素子アレイ基板20の厚み方向の平面視において超音波素子アレイ基板20より面積が広く形成され、超音波素子アレイ基板20と他部品との当接を回避している。
さらに、支持部材30の平面部36を支える厚さを十分に確保して、超音波素子アレイ基板20よりも支持部材30の曲げ剛性が大きく形成されている。
なお、取付け部32a,32bの形状、配置は筐体132の形状により適宜設計することができる。
FPC60は、支持部材30の斜面部31に接着剤、両面テープなどの接着部材35により接着され、固着されている。
このように、FPC60の一部は支持部材30に固着されているため、FPC60に引っ張り力が加わった際には超音波素子アレイ基板20の接続部には及ばず、接続部のはがれおよび超音波素子アレイ基板20の破損を防止することができる。
また、支持部材30の外縁部に斜面部31が設けられ、FPC60は斜面部31に固着されていることから、FPC60が折り曲げられることなく斜面部31に沿って延出する。このため、FPC60が折れ曲がることなく配線の断線を防止できる。
そして、音響レンズ50は超音波素子アレイ基板20よりも曲げ剛性が小さく形成されている。
音響整合層40は超音波素子と音響レンズ50の間の音響インピーダンスの不整合を緩和する役割を果たす。つまり、音響整合層40は、音響インピーダンスが超音波素子アレイ基板20と音響レンズ50との中間となるように調整されている。
図8(b)に示すように、音響レンズ50の裏面に形成された凸部52は音響レンズ50の短辺の外周部に設けられた第1凸部52aと、長辺の外周部に設けられた第2凸部52bを備えている。
図8(c)に示すように、第1凸部52aと第2凸部52bとは同じ厚みの基材から立ち上がり、凸部の長さが異なるように構成されている。ここでは、第1凸部52aの方が第2凸部52bよりも凸部の長さが長い。そして、この凸部の長さの差であるJ寸法は、FPC60の厚みと同じ寸法となっている。
また図8(d)に示すように、第1凸部52aの基材からの長さであるK寸法は、音響整合層40の厚みと同じ寸法に設定されている。
なお、音響整合層40の厚みは利用する超音波の波長λに対応し、例えば1/4λに設定されている。
このように、FPC60を第2凸部52bで押さえ、超音波素子アレイ基板20とFPC60と接続部におけるFPC60の浮きを防止できる。
また、第1凸部52aの長さ寸法を設定することで超音波素子アレイ基板20の表面とレンズ部51との距離を簡単に設定することができ、その間に形成される音響整合層40の厚みを正確に設定することが可能である。
さらに、音響レンズ50の外周部に第1凸部52a、第2凸部52bが設けられ、FPC60の超音波素子アレイ基板20との接続位置は、音響レンズ50の外周より内側に配置されている。このため、音響レンズ50を超音波素子アレイ基板20上に安定して載置することができ、また、音響整合層40を形成する余分な接着剤は第1凸部52a、第2凸部52bの間の隙間から流出し、音響整合層40内に気泡が残存することを防止できる。
さらに、FPC60の超音波素子アレイ基板20との接続位置は、音響レンズ50の外周より内側に配置されているため、接続部が露出せず、音響整合層40でこの接続部を保護することができる。
このように、超音波素子アレイ基板20は超音波素子アレイ基板20より曲げ剛性の大きい支持部材30と固着した構造を有するため、超音波素子アレイ基板20が補強されて外部の力による破損を防止することができる。
さらに、超音波素子アレイ基板20と音響レンズ50との間には音響整合層40が設けられているため、曲げ剛性の小さい音響レンズ50とこの音響整合層とで外部からの力を吸収し超音波素子アレイ基板20に加わる外力を緩和する効果を有する。
また、超音波デバイス1は、超音波素子アレイ基板20、支持部材30、音響レンズ50、音響整合層40が一体となっており、超音波素子アレイ基板20の交換が必要な際に超音波デバイス1を交換すればよく、交換が容易である。
次に、本実施形態の超音波素子および超音波素子アレイ基板(素子基板)について説明する。
図9は、本実施形態の超音波素子の概略平面図である。図10は、図9のE−E断線に沿った断面を示す概略断面図である。図11は本実施形態の超音波素子アレイ基板20の概略構成を示す説明図である。
開口部12は、ベース基板11の裏面(素子が形成されない面)側から反応性イオンエッチング(RIE)等によりエッチングすることで形成される。
振動膜13は、例えばSiO2層とZrO2層との2層構造により構成される。ここで、SiO2層は、ベース基板11がSi基板である場合、基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、ZrO2層は、SiO2層上に例えばスパッタリングなどの手法により成膜される。ここで、ZrO2層は、後述する圧電体層15として例えばPZTを用いる場合に、PZTを構成するPbがSiO2層に拡散することを防止するための層である。また、ZrO2層は、圧電体層の歪みに対する撓み効率を向上させるなどの効果もある。
つまり、第1電極14と第2電極16との間に圧電体層15が挟まれている構造となり、圧電体部18を構成している。
圧電体層15は、例えばPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)薄膜により形成され、第1電極14の少なくとも一部を覆うように設けられる。なお、圧電体層15の材料は、PZTに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛(PbTiO3)、ジルコン酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛ランタン((Pb、La)TiO3)などを用いてもよい。
第2電極16は、金属薄膜で形成され、圧電体層15の少なくとも一部を覆うように設けられる。この第2電極16は、複数の超音波素子を備える場合、図9のように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波素子に接続される配線であってもよい。
図11に、本実施形態の超音波素子アレイ基板の構成を示す。
超音波素子アレイ基板20は、アレイ状に配置された複数の超音波素子10、駆動電極線DL、コモン電極線CLを含む。
複数の超音波素子10は、m行n列のマトリックス状に配置される。本実施形態では第1の方向D1に沿って8行、そして第1の方向D1に交差する第2の方向D2に沿って12列に配置される。
駆動電極線DL1〜DL12は、第1の方向D1に沿って配線される。
コモン電極線CL1〜CL8は、第2の方向D2に沿って配線される。
コモン電極線CL1〜CL8には、コモン電圧VCOMが供給される。このコモン電圧は一定の直流電圧であればよく、0V即ちグランド電位(接地電位)でなくてもよい。
送信期間では、送信信号電圧とコモン電圧との差の電圧が各超音波素子10に印加され、所定の周波数の超音波が放射される。
超音波画像装置101は据置型の超音波画像装置であり、超音波プローブ130を備えている。
超音波画像装置101は、装置本体(電子機器本体)111、表示用画像データを表示する表示部113、ユーザーインターフェイス部(UI部)117、超音波プローブ130、ケーブル120を有している。
このような据置型の超音波画像装置であっても、本発明の効果を奏することができる。
また、本実施形態の超音波画像装置は、生体の脂肪厚み、筋肉厚み、血流、骨密度などの測定に利用することができる。
Claims (12)
- 圧電体を備え、超音波の発信および受信の少なくとも一方を行う複数の超音波素子を有する超音波素子アレイ基板と、
前記超音波素子アレイ基板の前記超音波素子が形成された面に音響整合層を介して固着され超音波を収束させるレンズ部を有する音響レンズと、
前記超音波素子アレイ基板の前記超音波素子が形成された面とは反対の面に固着された支持部材と、を備え、
前記支持部材は前記超音波素子アレイ基板の厚み方向の平面視において前記超音波素子アレイ基板より面積が広く、かつ曲げ剛性が大きく形成され、
前記音響レンズは前記超音波素子アレイ基板より曲げ剛性が小さく形成されている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1に記載の超音波デバイスにおいて、
前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとの間に充填された音響整合層を備え、
前記音響整合層は前記超音波素子アレイ基板と前記音響レンズとに固着している樹脂で形成されている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1または2に記載の超音波デバイスにおいて、
前記音響レンズは前記超音波素子アレイ基板に接触している複数の第1凸部を有する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項3に記載の超音波デバイスにおいて、
前記第1凸部は前記平面視において前記音響レンズの外周部に設けられている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記超音波素子アレイ基板の前記他方の面にて接続するフレキシブル印刷配線基板を備え、
前記フレキシブル印刷配線基板は前記超音波素子アレイ基板に電気的に接続し、前記フレキシブル印刷配線基板の一部は前記支持部材に固着されている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項5に記載の超音波デバイスにおいて、
前記支持部材の外縁部の一部に斜面部が設けられ、前記フレキシブル印刷配線基板は前記斜面部に固着されている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項5に記載の超音波デバイスにおいて、
前記音響レンズは前記フレキシブル印刷配線基板と接触し、前記超音波素子アレイ基板との間で前記フレキシブル印刷配線基板を押える複数の第2凸部を有する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項7に記載の超音波デバイスにおいて、
前記フレキシブル印刷配線基板の前記超音波素子アレイ基板との電気的接続位置は、前記超音波素子アレイ基板の厚み方向の平面視において前記音響レンズの前記第2凸部と前記超音波素子との間に配置されている
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記超音波素子アレイ基板は、
複数の開口部がアレイ状に配置されたベース基板と、
前記開口部を覆って形成され膜厚方向に変位可能な振動膜と、
前記振動膜に設けられた圧電体部と、を有し、
前記圧電体部は、
前記振動膜の上に設けられる第1電極と、
前記第1電極の少なくとも一部を覆って設けられる圧電体層と、
前記圧電体層の少なくとも一部を覆って設けられる第2電極と、を有する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、
前記超音波デバイスを支持する筐体と、を備えることを特徴とする超音波プローブ。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、
前記超音波デバイスに接続され、前記超音波デバイスの出力を処理する処理回路と、
を備えることを特徴とする電子機器。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、
前記超音波デバイスに接続され、前記超音波デバイスの出力を処理し画像を生成する処理回路と、
前記画像を表示する表示部と、
を備えることを特徴とする超音波画像装置。
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