JP6147532B2 - 超音波プローブ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波プローブに関する。

超音波診断装置等において用いられる超音波プローブには、複数の超音波振動子を配列して構成されるアレイ型超音波プローブが用いられる。近年では、特に複数の超音波振動子を二次元状に配列して構成される二次元アレイプローブが登場し、被検体の診断対象部位に対する三次元走査を可能としている。この様な二次元アレイプローブでは、素子数が膨大になるため、プローブ把持部内に送受信を行うための電子回路を内蔵することが一般的に行われる。一例としては、通常は診断装置本体で行う送受信の一部をプローブ内部の電子回路に機能として組み込むものである。

この様な二次元アレイプローブを用いる場合、超音波振動子の数（すなわちチャネル数）の数が膨大になることから、送受信に要する超音波プローブと超音波診断装置本体との間の配線数も大規模になりがちである。これを防止するため、例えば、送信パルスを発生する電子回路を超音波診断装置本体ではなく超音波プローブ内に設け、超音波プローブ内において受信信号を所定の信号数にした後、超音波診断装置本体に送り出す等の工夫がなされている。また、複数の超音波振動子を接続パターン可変なスイッチで共通接続し、複数の振動子を一括して診断装置本体の送受信回路に接続する技術、動作させる素子数を減らして接続線数や電子回路規模を減少させることで実現性を高めるスパース技術等も提案されている。（図１０参照）。

また、超音波プローブ内に設けられた電子回路と各超音波振動子とを接続する手法についても、従来からいくつか提案されている。典型的には、以下の３つの手法を上げることができる。

（１）超音波振動子（素子）背面にＦＰＣを設置し、ＦＰＣのパターンにより横方向に信号線を引き出して、ＦＰＣ上に直接電子回路（ＩＣ）を実装する、或いはＩＣを実装した基板に多接点の接続を行う。

（２）バッキング内に縦方向に信号線を通し、バッキングの裏面や側面に設置したＩＣに接続する。

（３）超音波振動子背面に、バンプ等により直接ＩＣを接続し、電子回路の裏面からＦＰＣやバッキング内の配線に接続する。

上記（１）の手法は、超音波プローブの構造としては単純で安価に実現でき、ＩＣの自由度も高い。このため、開発コストも低く抑えられる。その一方で、ＦＰＣのパターンピッチの限界により、特に、アレイ中央部の素子からの信号をアレイ端部の素子のスルーホール間に通すことができなくなる。図８に、隣接するスルーホール間に５本の配線パターンを通した場合を示す。

しかしながら、上記（１）の手法を用いた場合、例えば素子ピッチを０．４ｍｍ×０．４ｍｍ、スルーホールの最小パッド径を０．１ｍｍとすると、パッド間のギャップは０．３ｍｍとなる。ここに、例えば配線ピッチ４０μｍで配線する場合には７本のパターンしか通すことはできない。また、この例においてアレイの両方向にパターンを引き出すとすると、１６列の振動子しか配線を取り出せない。１６列の振動子では口径６．４ｍｍであり、充分な口径が得られない。

ＦＰＣの構造として、内層に配線層を設け、表面層と各層をスルーホールにより接続する積層ＦＰＣを採用することも可能である。しかしながら、積層ＦＰＣは製造プロセスが複雑でコストが高く、内層において微細なパターンを配線することは限界がある。また、ＦＰＣ自体の柔軟性が悪化することでプローブ把持部内の引き回しに困難が生じたり、電子回路基板との接続部が一面に限定されるので、振動子アレイと電子回路基板の接続面積の増大を招くという問題点がある。この問題を解決するため、図９のように、アレイ全体を複数のモジュールに分割し、モジュール毎にＦＰＣを設置、モジュール間にＦＰＣを挟み込むような構造をとることがある（上記の例では、例えば２モジュールでアレイを構成すると、３２列の振動子が形成される）。この場合、モジュール間の素子ピッチが本来のピッチに比べ増大し、サイドローブが発生する。また、モジュール相互の位置精度が悪いと、ディレイの精度が悪化し、画像に悪影響を与える。特に、音響放射面の面精度を良好に保つことは極めて困難である。また、モジュール分割により部品や工程が増え、コストアップとなる。

上記（２）の手法では、縦方向に狭ピッチかつ膨大な本数の信号線を貫通させたバッキング材の製造が困難で高価あること、また、そのような構造を持つバッキング材では、音響的な共振から、波形の収斂性が悪化し、画像に悪影響を与える。さらに、バッキング材のような柔軟な材質では研磨を行っても充分な平面度が得られず、ＩＣチップの電極との接続信頼性に劣るという問題がある。

上記（３）の手法では、電子回路の両面にパッドが必要で、通常の半導体プロセスでは実現困難である。このような構造は、シリコン貫通電極と称される半導体プロセスを用いて形成されるが、特殊なプロセスであるため高価になる。

（３）の手法においてシリコン貫通電極を用いず、片面電極露出として、ＩＣ端部からワイヤボンディング等により電極を取り出すことも考えられるが、ＩＣ、基板両方のボインディングパッドおよび配線スペースが必要で、音響的無効部分が増大し、プローブ外形の大型化は避けられない。さらに、ＩＣ（シリコン半導体）が音響的に悪影響を生じないためにはＩＣチップ自体を極めて薄く（約１００μｍ以下）研磨し、ベアチップ実装することが必要であるが、そのような場合にはＩＣのハンドリングが困難であると同時に、シリコン貫通電極の場合にはそのような極めて薄いチップを製造することも困難である。

また、素子配列に応じた回路規模を持つ専用ＩＣが必要になるため、ＩＣの単価が高価になると同時に、アレイ使用毎に専用ＩＣ(ＡＳＩＣ)を開発しなければならず、開発コストの増大も問題である。また、図１０に示すスパース技術では、素子が歯抜けになるために、音場や感度に悪影響を与える。

また、図１１、図１２に示す様な構成を有する超音波プローブも提案されている。しかしながら、ＦＰＣの段差を作成する工程と、厚さの異なる導電層を設ける必要があり、その製造法は複雑である。

特開２００４−５６５０４号公報 特開２００４−１１２３２６号公報 特開２０１１−２５０１１９号公報 米国出願公開ＵＳ２００７／０２４４３９２Ａ１

上述の通り、超音波プローブ内に設けられた電子回路と各超音波振動子とを接続する従来の手法は、製造コスト、製品の信頼性において十分でない場合がある。

上記事情を鑑みて、電子回路実装の自由度が高く、超音波振動子からの電気配線の引出しを既存の配線技術レベルで簡単且つ低コストに実現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している。

本実施形態に係る超音波プローブは、端面に電極が設けられた複数の超音波振動子を二次元状に配列して形成された超音波振動子アレイと、前記各電極から電気配線を引き出すための積層体と、前記積層体によって引き出された各電気配線に接続される電子回路と、を具備する超音波プローブであって、前記複数の超音波振動子は、少なくとも第１群と第２群とに分類され、前記積層体は、前記超音波振動子アレイを積層する第１のＦＰＣ層と、当該第１のＦＰＣ層を積層する第２のＦＰＣ層と、を少なくとも有し、前記第１のＦＰＣ層は、前記超音波振動子アレイを積層する上面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられ前記複数の電極と電気的に接続された複数の第１の上面接続手段と、前記上面と反対側の下面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられた複数の第１の下面接続手段と、前記上面から前記下面に亘って形成され少なくとも前記第２群に属する超音波振動子の前記電極に接続された前記複数の第１の上面接続手段と前記複数の第１の下面接続手段とを電気的に接続する複数の第１のスルーホールと、前記第１群に属する超音波振動子の前記電極に接続された前記第１の上面接続手段と前記電子回路とを電気的に接続する前記第１の信号配線と、を少なくとも有し、前記第２のＦＰＣ層は、前記第１のＦＰＣ層を積層する上面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられ前記複数の第１の下面接続手段と電気的に接続された複数の第２の上面接続手段と、前記上面と反対側の下面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられた複数の第２の下面接続手段と、前記第２群に属する超音波振動子の前記電極に接続された前記第２の上面接続手段と前記電子回路とを電気的に接続する第２の信号配線と、を少なくとも有すること、を特徴とするものである。

図１は、本実施形態に係る超音波プローブが設けられる超音波診断装置１のブロック構成図を示している。 図２は、本実施形態に係る超音波プローブ２を超音波照射面側から（図３の矢印Ａから）見た上面図である。 図３は、本実施形態に係る超音波プローブ２の側面図である。 図４は、４つのＦＰＣ層を有するＦＰＣ積層体２２を適用する超音波プローブ２を超音波照射面側から（図３の矢印Ａから）見た上面図である。 図５は、図４に示す超音波プローブ２の側面図であり、４つのＦＰＣ層を有するＦＰＣ積層体２２を例示している。 図６は、本実施形態に係る超音波プローブの効果を説明するための図である。 図７は、図３に示した第１群に属する第２の下面電極パッド２２２ｂをカバーレイ（樹脂層）に置き換えた例を示した図である。 図８は、従来の超音波プローブ内における電子回路と各超音波振動子とを接続する手法の一例を説明するための図である。 図９は、従来の超音波プローブ内における電子回路と各超音波振動子とを接続する手法の他の例を説明するための図である。 図１０は、従来の超音波プローブ内における電子回路と各超音波振動子とを接続する手法の他の例（スパース技術）を説明するための図である。 図１１は、従来の超音波プローブ内における電子回路と各超音波振動子とを接続する手法の他の例を説明するための図である。 図１２は、従来の超音波プローブ内における電子回路と各超音波振動子とを接続する手法の他の例を説明するための図である。

以下、本実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係る超音波プローブが設けられる超音波診断装置１のブロック構成図を示している。同図に示すように、本超音波診断装置１は、超音波プローブ２、入力装置１３、モニター１４、超音波受信ユニット３２、Ｂモード処理ユニット３３、血流検出ユニット３４、ＲＡＷデータメモリ３５、ボリュームデータ生成ユニット３６、画像処理ユニット３８、表示処理ユニット４０、制御プロセッサ３９、記憶ユニット４１、インターフェースユニット４２を具備している。

超音波プローブ２は、被検体に対して超音波を送信し、当該送信した超音波に基づく被検体からの反射波を受信するデバイス（探触子）であり、その先端に配列された複数の超音波振動子、整合層、背面材（バッキング材）、送信パルスを発生し各超音波振動子に所定のタイミングで供給する電子回路（ＩＣ）、各超音波振動子か発生する受信信号を所定の単位で加算することで超音波診断装置本体側に送り出す受信信号数を所定の数に低減する電子回路（ＩＣ）等を有し、超音波診断装置本体１１とケーブルで接続される。特に、本実施形態に係る超音波プローブ２は、上記各電子回路と各超音波振動子とを電気的に好適に接続するためのＦＰＣ積層体を有する。当該ＦＰＣ積層体の構造、及びこれを用いた電子回路と各超音波振動子とを電気的接続手法については、後で詳しく説明する。

なお、本実施形態に係る超音波プローブ２は、二次元アレイプローブ（複数の超音波振動子が二次元マトリックス状に配列されたプローブ）であるとする。しかしながら、当該例に拘泥されず、例えば１．５次元アレイプローブについても、後述するＦＰＣ積層を用いた電気的接続手法は適用可能である。

入力装置１３は、装置本体１１に接続され、オペレータからの各種指示、条件、関心領域（ＲＯＩ）の設定指示、種々の画質条件設定指示等を装置本体１１にとりこむ。モニター１４は、表示処理ユニット２７からのビデオ信号に基づいて、生体内の形態学的情報や、血流情報を画像として表示する。

超音波受信ユニット３２は、超音波プローブ２から受け取った所定数の受信信号に所定の処理を施すことにより、指向性を有する信号（エコー信号）を生成する。Ｂモード処理ユニット３３は、受信ユニット２２からエコー信号を受け取り、対数増幅、包絡線検波処理などを施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータを生成する。ドプラ処理ユニット３４は、受信ユニット２２から受け取ったエコー信号から血流データとして平均速度、分散、パワー等の血流情報を多点について求め、血流データを生成する。

ＲＡＷデータメモリ３５は、Ｂモード処理ユニット３３、ドプラ処理ユニット３４から受け取った複数のデータを用いてＲＡＷデータを生成する。ボリュームデータ生成ユニット３６は、ＲＡＷデータをボリューム単位へのデータ配置に変換することにより、ボリュームデータを生成する。画像処理ユニット３８は、ボリュームデータ生成ユニット３６から受け取ったデータを用いて、ボリュームレンダリング、多断面変換表示（ＭＰＲ：Multi Planar Reconstruction）、最大値投影表示（ＭＩＰ：Maximum Intensity Projection）等の所定の画像処理を行う。表示処理ユニット４０は、画像処理ユニット３８において生成・処理された各種画像データに対し、ダイナミックレンジ、輝度（ブライトネス）、コントラスト、γカーブ補正、ＲＧＢ変換等の各種を実行する。

制御プロセッサ３９は、情報処理装置（計算機）としての機能を持ち、本超音波診断装置本体の動作を制御する。記憶ユニット４１は、診断情報（患者ＩＤ、医師の所見等）、診断プロトコル、送受信条件、画像処理プログラム、その他のデータ群が保管されている。インターフェースユニット４２は、入力装置１３、ネットワーク、新たな外部記憶装置（図示せず）に関するインタフェースである。当該装置によって得られた超音波画像等のデータや解析結果等は、インターフェースユニット４２よって、ネットワークを介して他の装置に転送可能である。

（ＦＰＣ積層体を有する超音波プローブ）
図２は、本実施形態に係る超音波プローブ２を超音波照射面側から（図３の矢印Ａから）見た上面図であり、図３は、本実施形態に係る超音波プローブ２の側面図である。図２、図３に示す様に、超音波プローブ２は、複数の超音波振動子２０、ＧＮＤ電極として機能するＧＮＤ層２１、ＦＰＣ積層体２２、背面材２６、電子回路基板２８を具備する。なお、複数の超音波振動子２０は、二次元上に配列され振動子アレイを形成する。また、ＦＰＣ積層体２２を用いた各超音波振動子からの配線引出を具体的なものとするため、図２においては、超音波振動子を空間的な条件によって第１群と第２群とに分類している（当該構成を一般化したものについては、後述する）。超音波振動子の群への分け方は、典型的には、ＦＰＣ積層体２２を介して接続される回路基盤の向きに依存する。本実施形態では、回路基盤が図２に示す様に縦方向に並ぶとして、群分けしている。しかしながら、当該例に拘泥されず、超音波振動子の群への分け方は、回路基盤の向きに応じて適宜変更可能である。

超音波振動子２０は、圧電体２００、音響整合層２０２ａ、２０２ｂ、中間層２０４を有する。圧電体２００は、電子回路基板２８の電子回路からの駆動信号に基づきスキャン領域内の所望の方向に超音波を送信し、当該被検体からの反射波を電気信号に変換する。音響整合層２０２ａ、２０２ｂは、圧電体に設けられ、超音波エネルギーを効率良く伝播させる。中間層２０４は、圧電体２００の音響放射面と反対側に設けられ、ＦＰＣ積層体２２による超音波振動子の振動特性への影響をおさえるために、圧電体２００や電導層よりも十分に高い音響インピーダンスを有する。この中間層２０４により、導電層の音響的影響を最小限にし、アレイ全体の均一性を向上させることができる。

ＧＮＤ層２１は、ＦＰＣ積層体２２のＧＮＤ層（図示せず）を経由して電子回路基板２８のＧＮＤ電極（図示せず）に接続される。背面材２６は、各超音波振動子から微弱ながらも後方へ放射された超音波を減衰させる。電子回路基板２８は、送信及び受信に用いられる電子回路を実装し、例えば図３、図５に示す様に超音波振動子アレイの配列面(紙面)に対して垂直になるように配置される。

ＦＰＣ積層体２２は、第１のＦＰＣ層２２１、第２のＦＰＣ層２２２、第１のＦＰＣ層２２１と第２のＦＰＣ層２２２とを振動子アレイの幅に対応する領域において接着する接着層（ＡＣＦ）２２０を具備している。背面材２６とＦＰＣ積層体２２は、通常のエポキシ接着剤などで、接着されている。第１のＦＰＣ層２２１、第２のＦＰＣ層２２２は、振動子アレイの幅に対応する領域以外においては接着されていないため、柔軟性を維持しながら独立して自由な取り回しをすることができる。例えば、第１のＦＰＣ層２２１、第２のＦＰＣ層２２２は、背面材２６端部にて直角に曲げられ、端部で再び露出する基板接続用パッド（図示せず）によって電子回路基板２８に接続される。

第１のＦＰＣ層２２１は、複数の第１の上面電極パッド２２１ａ、第１の下面電極パッド２２１ｂ、複数の第１の信号線パターン２２１ｄ、複数の第１のスルーホール２２１ｃを有している。なお、以下においては、説明の便宜上、例えば第ｎ群に属する超音波振動子に空間的に対応する第１の上面電極パッド２２１ａを、単に「第ｎ群に属する第１の上面電極パッド２２１ａ」）と呼ぶ。下面電極パッド、信号線パターン、スルーホールについても同様である。

複数の第１の上面電極パッド２２１ａは、振動子アレイの積層面（上面）において、複数の超音波振動子（の電極）と空間的に対応する配列、ピッチにて形成され一対一の関係で電気的に接続される。なお、各超音波振動子の電極は、各第１の上面電極パッド２２１ａに加圧接着などの手段により接続される。しかしながら、当該手法に拘泥されず、例えば接着層（ＡＣＦ）、半田を用いたリフローによるもの、その他の同等な手段により実現することができる。

複数の第１の下面電極パッド２２１ｂは、振動子アレイの積層面と反対側の下面において複数の超音波振動子（の電極）と空間的に対応する配列、ピッチにて形成される。

複数の第１のスルーホール２２１ｃは、複数の超音波振動子（の電極）と空間的に対応する配列、ピッチにて上面から下面にかけて貫通し、第１の上面電極パッド２２１ａと第１の下面電極パッド２２１ｂとを、一対一の関係で電気的に接続する。

複数の第１の信号線パターン２２１ｄは、第１のスルーホール２２１ｃを経由して、複数の第１の上面電極パッド２２１ａのうち第１群に属する第１の上面電極パッド２２１ａから第１のＦＰＣ層２２１端部へ引出す配線であり、当該第１群に属する第１の上面電極パッド２２１ａを電子回路と電気的に接続する。

なお、第１群に属する第１の下面電極パッド２２１ｂは、第１の信号線パターン２２１ｄにも接続されず、従って、いずれの超音波振動子からも電気的に独立したものとなる。

第２のＦＰＣ層２２２は、複数の第２の上面電極パッド２２２ａ、複数の第２の下面電極パッド２２２ｂ、複数の第２のスルーホール２２２ｃ、複数の第２の信号線パターン２２２ｄを有している。

複数の第２の上面電極パッド２２２ａは、第１のＦＰＣ層２２１の積層面（上面）において、複数の超音波振動子（の電極）と空間的に対応する配列、ピッチにて形成される。また、各第２の上面電極パッド２２２ａは、（第１のＦＰＣ層２２１）の空間的に対応する第１の下面電極パッド２２１ｂと電気的導通が取られる。その結果、複数の第２の上面電極パッド２２２ａのうち、第２群に属する第２の上面電極パッド２２２ａは、当該第２群に属する超音波振動子と電気的に接続されることになる。

複数の第２の下面電極パッド２２２ｂは、第１のＦＰＣ層２２１を積層する上面と反対側の下面において複数の超音波振動子（の電極）と空間的に対応する配列、ピッチにて形成される。

複数の第２のスルーホール２２２ｃは、少なくとも第２群に属する超音波振動子（の電極）と空間的に対応する配列、ピッチにて上面から下面にかけて貫通し、少なくとも第２群に属する第２の上面電極パッド２２２ａと少なくとも第２群に属する第２の下面電極パッド２２２ｂとを、一対一の関係で電気的に接続する。

複数の第２の信号線パターン２２２ｄは、第２のスルーホール２２２ｃを経由して、第２群に属する第２の上面電極パッド２２２ａから第２のＦＰＣ層２２２端部への引出配線であり、当該第２群に属する第２の上面電極パッド２２２ａを電子回路と電気的に接続する。その結果、第２群に属する超音波振動子は、当該第２の信号線パターン２２２ｄによって電子回路と電気的に接続される。

なお、本第２のＦＰＣ層２２２の第１群に属する第２の下面電極パッド２２２ｂは、いずれのスルーホールや信号線パターンとも接続されない。従って、当該第１群に属する第２の下面電極パッド２２２ｂは、いずれの第２の上面電極パッド２２２ａ或いは超音波振動子からも電気的に独立したものとなる。

また、第１のＦＰＣ層２２１と第２のＦＰＣ層２２２とは、例えば接着層（ＡＣＦ）２２０を用いて、対面する電極同士が電極的に導通するように接着される。なお、第１のＦＰＣ層２２１と第２のＦＰＣ層２２２との接着は、接着層２２０を用いる例に拘泥されず、例えば加圧接着、半田接続、その他の同等な手段により実現することができる。

また、図２、図３で示した第１のＦＰＣ層２２１の例は、複数の第１の上面電極パッド２２１ａが形成された上面を有する上面層、複数の第１の下面電極パッド２２１ｂが形成された下面を有する下面層、上面層と下面層との間に形成され、複数の第１の信号線パターン２２１ｄを有する中間層を有するものとした。しかしながら、当該例に拘泥されず、例えば超音波振動子の数が多い場合には、複数の中間層を形成し、各中間層において第１の上面電極パッド２２１ａから段階的に配線を引き出すようにしてもよい。第２のＦＰＣ層２２１についても同様である。

本実施形態に係る超音波プローブ２が有するＦＰＣ積層体２２は、図２、図３に例示した２つのＦＰＣ層を有する例に拘泥されず、超音波振動子の数に応じて、さらに多くのＦＰＣ層を設けることも可能である。

図４は、４つのＦＰＣ層を有するＦＰＣ積層体２２を適用する超音波プローブ２を超音波照射面側から（図５の矢印Ａから）見た上面図である。同図では、回路基盤の向きを基準として振動子アレイを第１群〜第４群に分類している。図５は、図４に示す超音波プローブ２の側面図であり、４つのＦＰＣ層を有するＦＰＣ積層体２２を例示している。以下、図２、図３に示した例と異なる構成についてのみ説明する。

超音波振動子２０のＦＰＣ積層体２２は、第１のＦＰＣ層２２１、第２のＦＰＣ層２２２、第３のＦＰＣ層２２３、第４のＦＰＣ層２２４、各ＦＰＣ層間を振動子アレイの幅に対応する領域において接着する接着層（ＡＣＦ）２２０を具備している。

第１のＦＰＣ層２２１の第２群〜第４群に属する第１のスルーホール２２１ｃは、第２群〜第４群に属する第１の上面電極パッド２２１ａと第２群〜第４群に属する第１の下面電極パッド２２１ｂとを一対一の関係で電気的に接続する。

第２のＦＰＣ層２２２の第２群〜第４群に属する第２の上面電極パッド２２２ａは、各第２の上面電極パッド２２２ａと、（第１のＦＰＣ層２２１）の空間的に対応する第１の下面電極パッド２２１ｂとの電気的導通の結果、第２群〜第４群に属する超音波振動子と電気的に接続される。複数の第２のスルーホール２２２ｃは、第２群、第３群、第４群に属する超音波振動子（の電極）と空間的に対応する配列、ピッチにて上面から下面にかけて貫通し、第２群、第３群、第４群に属する第２の上面電極パッド２２２ａと第２群、第３群、第４群に属する第２の下面電極パッド２２２ｂとを、一対一の関係で電気的に接続する。複数の第２の信号線パターン２２２ｄは、第２のスルーホール２２２ｃを経由して、第２群に属する第２の上面電極パッド２２２ａから第２のＦＰＣ層２２２端部へ配線を引出し、第２群に属する第２の上面電極パッド２２２ａを電子回路と電気的に接続する。なお、第１群に属する第２の下面電極パッド２２２ｂは、いずれの第２の上面電極パッド２２２ａ或いは超音波振動子からも電気的に独立したものとなっている。

第３のＦＰＣ層２２３の上面においては複数の第３の上面電極パッド２２３ａが、下面においては複数の第３の下面電極パッド２２３ｂが、それぞれ複数の超音波振動子と空間的に対応する配列、ピッチにて形成されている。第２のＦＰＣ層２２２と第３のＦＰＣ層２２３との接着の結果、第３群、第４群に属する第３の上面電極パッド２２３ａは、第３群、第４群に属する超音波振動子と電気的に接続される。複数の第３のスルーホール２２３ｃは、第３群、第４群に属する超音波振動子と空間的に対応する配列、ピッチにて上面から下面にかけて貫通し、第３群、第４群に属する第３の上面電極パッド２２３ａと第３群、第４群に属する第３の電極パッド２２３ｂとを、一対一の関係で電気的に接続する。複数の第３の信号線パターン２２３ｄは、第３のスルーホール２２３ｃを経由して、第３群に属する第３の上面電極パッド２２３ａから第３のＦＰＣ層２２３端部へ配線を引出、第３群に属する第３の上面電極パッド２２３ａを電子回路と電気的に接続する。なお、第１群、第２群に属する第３の電極パッド２２３ｂは、いずれの第３の上面電極パッド２２３ａ或いは超音波振動子からも電気的に独立したものとなっている。

第４のＦＰＣ層２２４の上面においては複数の第４の上面電極パッド２２４ａが、下面においては複数の第４の下面電極パッド２２４ｂが、それぞれ複数の超音波振動子と空間的に対応する配列、ピッチにて形成されている。第３のＦＰＣ層２２３と第４のＦＰＣ層２２４との接着の結果、第４群に属する第４の上面電極パッド２２４ａは、第４群に属する超音波振動子と電気的に接続される。複数の第４のスルーホール２２４ｃは、第４群に属する超音波振動子と空間的に対応する配列、ピッチにて上面から下面にかけて貫通し、第４群に属する第４の上面電極パッド２２４ａと第４群に属する第４の下面パッド２２４ｂとを、一対一の関係で電気的に接続する。複数の信号線パターン２２４ｄは、スルーホール２２４ｃを経由して、第４群に属する第４の上面電極パッド２２４ａから第４のＦＰＣ層２２４端部へ配線を引出し、第４群に属する第４の上面電極パッド２２４ａを電子回路と電気的に接続する。なお、第１群、第２群、第３群に属する第４の下面極パッド２２４ｂは、いずれの第４の上面電極パッド２２４ａ或いは超音波振動子からも電気的に独立したものとなっている。

以上述べたように、４つのＦＰＣ層を有するＦＰＣ積層体２２を適用した超音波プローブ２を実現することも可能である。

なお、本実施形態に係る超音波プローブは、原理的には、ＦＰＣ層の数には制限がなく、超音波プローブの複数群の分類と共に、何層にでも拡張することができる。すなわち、複数の超音波振動子をｎ群に分類し、各群に属する超音波振動子からの配線を、ｎ層（ただし、ｎはｎ≧２を満たす自然数）を有するＦＰＣ積層体２２の対応するＦＰＣ層から引き出すものとして一般化できる。しかしながら、各ＦＰＣ層の端部が接着されてないとしても、積層するＦＰＣ層の数が多くなると、ＦＰＣ積層体２２の端部の剛性が高くなり、取扱いが困難になる。従って、ＦＰＣ積層体２２の端部の柔軟性を維持できる範囲で、ＦＰＣ層の数を調整することが好ましい。

以上述べた構成によれば、ＦＰＣ積層体２２が有する各ＦＰＣ層は、各超音波振動子に空間的に対応する位置において、均一のレベルを維持する上面接続パッド及び下面電極パッドを有している。従って、例えば図６に示す様な、各超音波振動子に空間的に対応する位置においてパッドの有無による凹凸を発生させることがなく、ＦＰＣ積層体２２の厚さ（高さ）を均一にすることができ、超音波振動子アレイとＦＰＣ積層体とを容易且つ高精度に接続することができる。当該構成は、加圧接着等により電気的接続を得ようとする場合等に、特に実益が大きい。

また、ＦＰＣ積層体２２を構成する複数のＦＰＣ層同士は、超音波振動子アレイの幅に対応する領域においてのみ一体構造とされており、一方、超音波振動子アレイの幅に対応する領域以外においては接着されておらず分離している。従って、個々のＦＰＣ層の柔軟性を維持した状態でそれぞれ独立して電子回路基板に接続したり、それぞれ異なる電子回路基板に接続したりすることができる。その結果、各電子回路基板の面積を小さくし、複数枚の電子回路基板を厚み方向に積み重ねる等の構成を実現でき、面積を抑えつつ、膨大な電子回路の実装が可能になる。また、ＩＣを直接振動子に実装しなくてよいため、異なる仕様毎に専用ＩＣ(ＡＳＩＣ）を開発する必要がない。さらに、一つのＩＣの規模（面積）を抑え、複数のＩＣを用いて全アレイの処理を行うことが可能であり、開発コストや製品コストを低減することができる。スパースにともなう不接続素子や、モジュール分割に伴うギャップも大幅に低減でき、高性能化が可能である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。具体的な変形例としては、例えば次のようなものがある。

（１）例えば図３に示した第１群に属する第２の下面電極パッド２２２ｂ、図５に示した第１群に属する第２の下面電極パッド２２２ｂ、第１群、第２群に属する第３の下面電極パッド２２３ｂ、第１群、第２群、第３群に属する第４の下面電極パッド２２４ｂは、電気的に独立したものであり、超音波振動子の制御に寄与しない。従って、これらの独立した電極パッドをカバーレイなどの樹脂に置き換えることも可能である。図７に、図３に示した第１群に属する第２の下面電極パッド２２２ｂをカバーレイ（半田レジストなどの樹脂層）２２１ｂ´に置き換えた例を示した。ただし、この樹脂層の厚さを同じ面に形成された電極層の厚さへそろえることが必要である。従って、図３、図５等に示したように、独立した第２の電極パッドを用いるほうが、製造性の観点からすれば有利であると言える。

（２）上記実施形態においては、超音波診断装置に用いる超音波プローブを例として説明した。しかしながら、当該例に拘泥されず、本願実施形態に係る構成は、建築等において利用される超音波センサの超音波プローブについても適用可能である。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…超音波診断装置、２…超音波プローブ、１３…入力装置、１４…モニター、２０…超音波振動子、２１…ＧＮＤ層、２２…ＦＰＣ積層体、２６…背面材、２８…電子回路基板、３２…超音波受信ユニット、３３…Ｂモード処理ユニット、３４…ドプラ処理ユニット、３５…ＲＡＷデータメモリ、３６…ボリュームデータ生成ユニット、３８…画像処理ユニット、３９…制御プロセッサ、４１…記憶ユニット、４２…インターフェースユニット、２００…圧電体、２０２ａ、２０２ｂ…音響整合層、２０４…中間層、２２０…接着層（ＡＣＦ）、２２１…第１のＦＰＣ層、２２２…第２のＦＰＣ層、２２３…第３のＦＰＣ層、２２４…第４のＦＰＣ層、２２１ａ…第１の上面電極パッド、２２２ａ…第２の上面電極パッド、２２３ａ…第３の上面電極パッド、２２４ａ……第４の上面電極パッド、２２１ｂ…第１の下面電極パッド、２２２ｂ…第２の下面電極パッド、２２３ｂ…第３の下面電極パッド、２２４ｂ…第４の下面電極パッド、２２１ｃ…第１のスルーホール、２２２ｃ…第２のスルーホール、２２３ｃ…第３のスルーホール、２２４ｃ…第４のスルーホール、２２１ｄ…第１の信号線パターン、２２２ｄ…第２の信号線パターン、２２３ｄ…第３の信号線パターン、２２４ｄ…第４の信号線パターン

Claims (11)

1. 端面に電極が設けられた複数の超音波振動子を二次元状に配列して形成された超音波振動子アレイと、前記各電極から電気配線を引き出すための積層体と、を具備する超音波プローブであって、
   前記複数の超音波振動子は、少なくとも第１群と第２群とに分類され、
   前記積層体は、前記超音波振動子アレイを積層する第１のＦＰＣ層と、当該第１のＦＰＣ層を積層する第２のＦＰＣ層と、を少なくとも有し、
   前記第１のＦＰＣ層は、前記超音波振動子アレイを積層する上面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられ前記複数の電極と電気的に接続された複数の第１の上面接続手段と、前記上面と反対側の下面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられた複数の第１の下面接続手段と、前記上面から前記下面に亘って形成され少なくとも前記第２群に属する超音波振動子の前記電極に接続された前記複数の第１の上面接続手段と前記複数の第１の下面接続手段とを電気的に接続する複数の第１のスルーホールと、前記第１群に属する超音波振動子の前記電極に接続された前記第１の上面接続手段と電子回路とを電気的に接続する第１の信号配線と、を少なくとも有し、
   前記第２のＦＰＣ層は、前記第１のＦＰＣ層を積層する上面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられ前記複数の第１の下面接続手段と電気的に接続された複数の第２の上面接続手段と、前記上面と反対側の下面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられた複数の第２の下面接続手段と、前記第２群に属する超音波振動子の前記電極に接続された前記第２の上面接続手段と前記電子回路とを電気的に接続する第２の信号配線と、を少なくとも有し、
   前記複数の第１の下面接続手段の少なくとも１つ、前記複数の第２の上面接続手段の少なくとも１つ、および前記複数の第２の下面接続手段の少なくとも１つは、電気信号の引き出しに寄与しないこと
   を特徴とする超音波プローブ。
2. 前記複数の超音波振動子は、少なくとも前記第１群及び前記第２群と第３群とに分類され、
   前記積層体は、前記第１のＦＰＣ層と、前記第２のＦＰＣ層と、当該第２のＦＰＣ層を積層する第３のＦＰＣ層と、を少なくとも有し、
   前記第２のＦＰＣ層は、前記上面から前記下面に亘って形成され少なくとも前記第３群に属する超音波振動子の前記電極に接続された前記第２の上面接続手段と前記第２の下面接続手段とを電気的に接続する複数の第２のスルーホールをさらに有し、
   前記第３のＦＰＣ層は、前記第２のＦＰＣ層を積層する上面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられ前記複数の第２の下面接続手段と電気的に接続された複数の第３の上面接続手段と、前記上面と反対側の下面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられた複数の第３の下面接続手段と、前記第３群に属する超音波振動子の前記電極に接続された前記第３の上面接続手段と前記電子回路とを電気的に接続する第３の信号配線と、を少なくとも有し、
   前記複数の第３の上面接続手段の少なくとも１つ、および前記複数の第３の下面接続手段の少なくとも１つは、電気信号の引き出しに寄与しないこと
   を特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
3. 前記複数の超音波振動子は、少なくとも前記第１群から第ｎ群（ただし、ｎはｎ≧４を満たす自然数）に分類され、
   前記積層体は、前記第１群から前記第ｎ群のそれぞれに対応する前記第１のＦＰＣ層から第ｎのＦＰＣ層を少なくとも有し、
   前記第ｎ−１のＦＰＣ層は、前記上面から前記下面に亘って形成され少なくとも前記第ｎ群に属する超音波振動子の前記電極に接続された複数の第ｎ−１の上面接続手段と複数の第ｎ−１の下面接続手段とを電気的に接続する複数の第ｎ−１のスルーホールをさらに有し、
   前記第ｎのＦＰＣ層は、前記第ｎ−１のＦＰＣ層を積層する上面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられ前記複数の第ｎ−１の下面接続手段と電気的に接続された複数の第ｎの上面接続手段と、前記上面と反対側の下面において前記複数の超音波振動子と空間的に対応するように設けられた複数の第ｎの下面接続手段と、前記第ｎ群に属する超音波振動子の前記電極に接続された前記第ｎの上面接続手段と前記電子回路とを電気的に接続する第ｎの信号配線と、を少なくとも有し、
   前記複数の第ｎ−１の下面接続手段の少なくとも１つ、前記複数の第ｎの上面接続手段の少なくとも１つ、および前記複数の第ｎの下面接続手段の少なくとも１つは、電気信号の引き出しに寄与しないこと
   を特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
4. 前記各ＦＰＣ層の前記複数の上面接続手段及び前記複数の下面接続手段は、それぞれ同一のレベルを維持し、前記各ＦＰＣ層は実質的に均一の厚さを有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の超音波プローブ。
5. 前記各ＦＰＣ層同士は、前記超音波振動子アレイの幅に対応する領域において接着されており、前記超音波振動子アレイの幅に対応する領域以外においては接着されていないこと、を特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の超音波プローブ。
6. 前記各ＦＰＣ層は、前記複数の上面接続手段が形成された上面層と、前記複数の下面接続手段が形成された下面層と、前記信号配線が形成された少なくとも一つの中間層と、を有す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超音波プローブ。
7. 前記各ＦＰＣ層において、前記複数の上面接続手段及び前記複数の下面接続手段は、同一の導電性素材で形成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超音波プローブ。
8. 前記各ＦＰＣ層において、前記信号配線と電気的に接続されていない前記複数の上面接続手段及び前記複数の下面接続手段は、樹脂によって形成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超音波プローブ。
9. 前記各ＦＰＣ層同士は、前記複数の上面接続手段と前記複数の下面接続手段との空間的な対応を維持しながら圧着されたものであることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の超音波プローブ。
10. 前記各ＦＰＣ層同士は、前記複数の上面接続手段と前記複数の下面接続手段との空間的な対応を維持しながらＡＣＦ接続されたものであることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の超音波プローブ。
11. 前記電子回路をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の超音波プローブ。

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