JP7816794B2 - 可撓性超音波プローブヘッド、超音波プローブ、及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

本開示は、可撓性超音波プローブヘッド、超音波プローブ、及び超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波を用いて体内や構造体内を調べる検査装置である。この検査装置の超音波プローブを用いて体表から体内、循環器や臓器の内表面から体内、そして構造体表面から構造体内に超音波を発信し、その反射波を処理して画像化し、病変や欠陥の有無等を判読し、診断を行う。映し出される画像は、リアルタイムで動いて見えるため、病変の位置を確認しながら行う治療、血流動態の観察等も行うことができ、かつ非侵襲的な手法であるために、医療分野で広く利用されている。

超音波プローブは、リニア型、セクタ型、及びコンベックス型があり、観察目的及び観察部位に応じてこれらの型を選択する。例えば、リニア型は、体表から浅い部位に位置する組織の検査に用いられ、コンベックス型は、体表から深い部位に位置する組織の検査に用いられる。

特許文献１は、コンベックス型超音波プローブの従来技術の例を示している。このような超音波プローブの超音波素子は、電極でサンドイッチされた圧電セラミックが短冊状に切断されて形成される。

また、近年、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ：Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers）を超音波素子として用いた超音波プローブが開発されている。特許文献２及び３は、このような超音波プローブを開示している。また、これを製造するためのＭＥＭＳの詳細については、例えば、特許文献４を参照することができる。

特開平８－７９８９５号公報 特開２０１４－１４６８８３号公報 特開２０１６－０１８８３５号公報 特表２００６－５１６３６８号公報

特許文献２及び３に記載のように、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを超音波素子として用いた超音波プローブは、その超音波素子を形成する基板が、シリコン基板等の平板状基板であるため、通常はリニア型の超音波プローブである。

本開示は、リニア型とコンベックス型の両方の型式のプローブとして用いることができる、新規な超音波プローブヘッドを提供する。

本発明者らは、以下の態様を有する本開示により、上記課題を解決できることを見出した。
《態様１》
超音波素子アレイ基材、及び前記超音波素子アレイ基材を支持する板状弾性体を少なくとも具備する可撓性超音波プローブヘッドであって、
前記超音波素子アレイ基材が、可撓性を有しており、かつ圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを基板上に複数含み、
前記板状弾性体をアレイ配列方向の軸に沿って厚さ方向に曲げた時に生じる応力中立面に沿って、前記超音波素子アレイ基材が支持されている、
可撓性超音波プローブヘッド。
《態様２》
前記超音波素子アレイ基材が、複数の溝部を有するシリコン基板、及び前記複数の溝部上の前記圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを含む、態様１に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
《態様３》
前記シリコン基板の本体部分の平均厚さが、８０μｍ以下である、態様２に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
《態様４》
前記板状弾性体の平均厚さが、０．５ｍｍ～５ｍｍであり、かつ前記板状弾性体が金属体である、態様１～３のいずれか一項に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
《態様５》
超音波素子アレイ基材の曲げ剛性に対する板状弾性体の曲げ剛性の比（板状弾性体／超音波素子アレイ基材）が、１０以上である、態様１～４のいずれか一項に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
《態様６》
前記板状弾性体が、上部板状弾性体及び下部板状弾性体からなり、前記上部板状弾性体及び下部板状弾性体が、前記超音波素子アレイ基材を挟持している、態様１～５のいずれか一項に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
《態様７》
前記圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサが、上部電極、圧電薄膜、下部電極、及び振動膜をこの順に少なくとも含む、態様１～６のいずれか一項に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
《態様８》
前記応力中立面が、前記圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサの前記上部電極の上端から前記振動膜の下端の範囲内にある、態様７に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
《態様９》
前記応力中立面が、前記圧電薄膜と下部電極との界面よりも下側に位置する、態様７又は８に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
《態様１０》
複数の溝部を有するシリコン基板、前記複数の溝部上の圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを含む、超音波素子アレイ基材であって、
前記シリコン基板の本体部分の平均厚さが、８０μｍ以下である、
超音波素子アレイ基材。
《態様１１》
態様１０に記載の超音波素子アレイ基材、及び前記超音波素子アレイ基材を支持する板状弾性体を具備する、可撓性超音波プローブヘッド。
《態様１２》
態様１～９及び１１のいずれか一項に記載の可撓性超音波プローブヘッド、前記板状弾性体を湾曲化するための湾曲形成部材、及び筐体を具備する、超音波プローブ。
《態様１３》
前記板状弾性体に歪みセンサを具備する、態様１２に記載の超音波プローブ。
《態様１４》
態様１２又は１３に記載の超音波プローブ、前記超音波プローブからの信号を処理する処理部、及び前記処理部からの信号を画像データに変換して表示する表示装置を少なくとも具備する、超音波診断装置。

図１は、本開示の可撓性超音波プローブヘッドの一例のＺ－Ｙ方向の断面図を示している。 図２は、本開示の可撓性超音波プローブヘッドの一例のＸ－Ｙ方向の平面図を示している。 図３は、超音波素子アレイ基材の圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサの一例のＺ－Ｘ方向の断面図を例示している。 図４は、図２の本開示の可撓性超音波プローブヘッドの圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを拡大して示した図である。 図５は、本開示の可撓性超音波プローブヘッドの製造方法の各工程を例示している。 図６は、本開示の超音波プローブヘッドをリニア型とコンベックス型とで切り替えている例を示している。 図７は、本開示の超音波プローブの先端部分における断面図を例示している。 図８は、本開示の超音波診断装置を例示している。

《可撓性超音波プローブヘッド》
本開示の可撓性超音波プローブヘッドは、超音波素子アレイ基材、及び前記超音波素子アレイ基材を支持する板状弾性体を少なくとも具備する可撓性超音波プローブヘッドであって、前記超音波素子アレイ基材が、可撓性を有しており、かつ圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを複数含み、前記板状弾性体をアレイ配列方向の軸に沿って厚さ方向に曲げた時に生じる応力中立面に沿って、前記超音波素子アレイ基材が支持されている。

本発明者らは、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを用いた場合であっても、超音波素子アレイ基材を板状弾性体の応力中立面に沿って、超音波素子アレイ基材を支持することによって、コンベックス型のプローブとして十分な曲率を有するまでプローブヘッド全体を曲げても、超音波素子アレイ基材、特に圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサの圧電薄膜に割れ等を生じさせることなく、問題なく使用できることを見出した。これによって、本開示のプローブヘッドは、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサのアレイ基材を使っていても、超音波プローブをコンベックス型とリニア型とで切り替えが可能になった。本開示のプローブヘッドを用いたプローブは、プローブの型式を変更する必要がないため、使用時の手間を省くことができる。また、携帯型の超音波診断装置に本開示のプローブヘッドを用いたプローブを採用した場合、２つのプローブを携帯する必要がないため、その超音波診断装置は、院外での使用時、救急用での使用時等に極めて有利である。

本明細書において、「板状弾性体をアレイ配列方向の軸に沿って厚さ方向に曲げた時に生じる応力中立面に沿って、超音波素子アレイ基材が支持されている」とは、板状弾性体の厚さ方向及びアレイ横断方向の断面内の、厚さ方向の曲げに対する応力中立面から、板状弾性体の厚さの上下１０％以内、５％以内、３％以内、又は１％以内の範囲の位置の平面上で、超音波素子アレイ基材が支持されていることを意味する。例えば、図１及び図２において、「板状弾性体をアレイ配列方向の軸に沿って厚さ方向に曲げた時」とは、板状弾性体をＸ軸に沿ってＺ方向に曲げた場合をいう。そして、その曲げによって発生する応力中立面のＺ方向の位置に合わせて、超音波素子アレイ基材が板状弾性体に支持されている。

本明細書において、「応力中立面」とは、ある部材の略中心部に対し曲げの力を加えた時に、力を加えた方向に垂直に引張応力及び圧縮応力の分布が生じるが、それらの引張応力及び圧縮応力が釣り合って応力が生じない面をいう。応力中立面は、部材を単純化したモデルを用いて有限要素法による解析によって計算することができる。例えば、板状弾性体の応力中立面は、フレキシブル印刷基板を引き出すためのスリット等があったとしても、単なる板として計算することができる。アレイ横断方向及びアレイ配列方向に延びる板状弾性体に対して、アレイ横断方向の略中心部においてアレイ配列方向の軸に沿って厚さ方向に力を加えると、板状弾性体の厚さ方向の特定の位置に、アレイ配列方向及びアレイ横断方向に平行な応力中立面が生じる。本開示の可撓性超音波プローブヘッドでは、その応力中立面に沿って、超音波素子アレイ基材が板状弾性体によって支持される。

図１に、本開示の可撓性超音波プローブヘッド１００の一例のＺ－Ｙ方向の断面図を示す。また、図２に、本開示の可撓性超音波プローブヘッド１００の一例のＸ－Ｙ方向の平面図を示す。以下、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を、それぞれアレイ配列方向、アレイ横断方向及び厚さ方向ともいう。なお、本明細書において、「アレイ配列方向」及び「アレイ横断方向」とは、図１～図８を参照して説明するための便宜上のものであり、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサの向き及び配列の仕方については、限定されるものではなく、例えばその配列は正方形状であってもよい。

図１では、可撓性超音波プローブヘッド１００は、超音波素子アレイ基材１０、及び超音波素子アレイ基材１０のアレイ横断方向両端部を支持する板状弾性体２０を少なくとも具備しており、さらに音響レンズ３０及びフレキシブル印刷基板４０を具備している。超音波素子アレイ基材１０は、複数の圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を基板２上に含んでおり、図１に示すように、複数の圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１は、基板２の複数の溝部２ａ上に含むことができる。

〈超音波素子アレイ基材１０〉
超音波素子アレイ基材１０は、アレイ配列方向及び横断方向の平面に延び、厚さ方向が小さいことによって、アレイ配列方向に沿って厚さ方向に力を加えた時に撓むことができる可撓性を有している。また、超音波素子アレイ基材１０は、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を基板２上に複数含む。

図１に示されているように、超音波素子アレイ基材１０を、アレイ横断方向両端部で板状弾性体２０によって支持することができる。図２に示されているように、超音波素子アレイ基材１０は、アレイ横断方向の両端部においてのみ、板状弾性体２０に支持されており、アレイ配列方向の両端部においては、板状弾性体２０に支持されずに開放されていてもよい。ただし、超音波素子アレイ基材１０は、アレイ配列方向でも板状弾性体２０によって支持されていてもよい。

ただし、本開示の可撓性超音波プローブヘッド１００の有利な効果が得られる範囲であれば、超音波素子アレイ基材１０は、図１に示されるような、その両端部で板状弾性体２０によって支持される実施形態に限定されない。可撓性超音波プローブヘッド１００を曲げた時に、超音波素子アレイ基材１０、特に圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１の圧電薄膜１ｄに応力がかかりにくくなるように支持されていれば、超音波素子アレイ基材１０は板状弾性体によってどのように支持されていてもよい。例えば、超音波素子アレイ基材１０がその一端のみで板状弾性体２０によって支持される実施形態、及び超音波素子アレイ基材１０がその中央部のみで板状弾性体２０によって支持される実施形態がありうる。ただし、これらの実施形態では、アレイ配列方向とアレイ横断方向との長さの一方が他方に対して非常に短く（例えば、１：５以上）、かつ超音波素子アレイ基材１０の曲げ剛性に対する板状弾性体２０の曲げ剛性の比が大きい場合（例えば、５０以上）には好適ではあるものの、図１に記載したような、超音波素子アレイ基材１０がその両端部で板状弾性体２０によって支持される実施形態が通常は好適である。

超音波素子アレイ基材１０は、板状弾性体２０の応力中立面Ａに沿って、板状弾性体２０に支持されている。例えば、板状弾性体２０の応力中立面Ａから、板状弾性体２０の厚さの上下２０％以内の範囲の位置のアレイ配列方向及びアレイ横断方向の平面上で、超音波素子アレイ基材１０のアレイ横断方向の両端部が少なくとも支持されている。例えば、板状弾性体２０が３ｍｍの厚さを有しており、板状弾性体２０の厚さの半分の位置に応力中立面Ａがある場合には、板状弾性体２０の厚さ方向の中心から上下０．３ｍｍの範囲の位置で、超音波素子アレイ基材１０が支持される。この場合において、その上下０．３ｍｍの範囲の位置に、超音波素子アレイ基材１０の厚さの全体にわたって包含されている必要はなく、超音波素子アレイ基材１０の厚さの少なくとも一部がその範囲の位置に含まれていればよい。この場合において、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１が、その範囲の位置に含まれていることが特に好ましい。この場合には、破壊されやすい圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１の圧電薄膜に応力がかかりにくくなる。

特に、超音波素子アレイ基材１０は、板状弾性体２０の応力中立面Ａが、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１の上部電極１ａの上端から振動膜１ｄの下端の範囲内にあるように支持されることができる。このような場合には、超音波素子アレイ基材１０に曲げの力が加わっても、超音波素子アレイ基材１０（特に、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１）は破壊されにくい。

超音波素子アレイ基材１０が板状弾性体２０に支持される位置及び／又は板状弾性体２０の応力中立面Ａの位置は、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１の圧電薄膜の位置よりも（特に、圧電薄膜と下部電極との界面の位置よりも）、厚さ方向で下側とすることができる。超音波素子アレイ基材１０が支持される位置及び／又は応力中立面Ａの位置が、圧電薄膜よりも下側にあることによって、超音波トランスデューサ１に曲げの力が加わった時に、圧電薄膜全体の位置で引張応力がかかる。すなわち、そのような位置関係にすることによって、圧電薄膜の一部では引張応力がかかり、その他の部分では圧縮応力がかかるということがなく、圧電薄膜の全体に引張応力をかけることができる。圧電薄膜にかかる応力が圧電薄膜の場所によって大きく変わると、その場所に応じて振動子の周波数特性が変わってしまうが、上記の実施形態であれば、超音波振動を設計どおりに効果的に行わせることができる。

超音波素子アレイ基材１０の平均厚さは、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、８０μｍ以下、又は５０μｍ以下であってもよく、２０μｍ以上、３０μｍ以上、４０μｍ以上、又は５０μｍ以上であってもよい。超音波素子アレイ基材１０の平均厚さは、例えば、２０μｍ以上３００μｍ以下、又は３０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。

超音波素子アレイ基材１０は、厚さ方向に力を加えた時に撓むことができる可撓性を有しており、超音波素子アレイ基材１０の曲率Ｒは、１００ｍｍ以下、８０ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、又は４０ｍｍ以下で、また１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以上、３０ｍｍ以上、又は４０ｍｍ以上で曲げられても、強度上等で問題なく使用することができることが好ましい。例えば、超音波素子アレイ基材１０は、曲率Ｒが１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、又は２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲であっても、強度上等で問題なく使用することができる。また、この範囲であれば、コンベックス型の超音波プローブとして十分な曲率となる。

超音波素子アレイ基材１０は、板状弾性体２０よりも可撓性が高く、例えば、超音波素子アレイ基材１０の曲げ剛性に対する板状弾性体２０の曲げ剛性の比（板状弾性体２０／アレイ基材１０）は、３以上、５以上、１０以上、３０以上、５０以上、又は１００以上であり、１００００以下、５０００以下、３０００以下、１０００以下、５００以下、３００以下、１００以下、又は５０以下であってもよい。この比は、例えば、３以上１００００以下、又は１０以上５００以下であってもよい。ここで、曲げ剛性は、片持ちの測定値に基づいて計算することができる。すなわち、一端を壁に固定した、長さ（Ｌ）の部材に先端集中荷重（Ｐ）を与えた場合に、発生するたわみ（δ）を測定し、その測定値から、曲げ剛性（Ｅ・Ｉ）は、Ｐ・Ｌ^３／（３・δ）で計算することができる。なお、曲げ剛性は、その部材のヤング率（Ｅ）と断面二次モーメント（Ｉ）の積で表される。

以下の表１に、特定の大きさの超音波素子アレイ基材１０と、特定の大きさの２種類の板状弾性体２０の曲げ剛性の値を例示する。

図１に示されているように、超音波素子アレイ基材１０は、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を基板２の溝部２ａ上に含むことができる。基板２には、ＭＥＭＳによって複数の溝部２ａを形成することができ、溝部２ａが存在しない本体部分２ｂを含む。基板２は、例えばシリコン基板であり、シリコン本体部分２ｂを含み、及びシリコン基板を酸化処理して形成された酸化シリコン部分は、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１の一部を構成することができる。

〈超音波素子アレイ基材１０－圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１〉
圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１は、例えば特許文献３及び４に記載のような本分野で周知のＭＥＭＳによって、基板上に形成した圧電超音波素子である。

図３に、超音波素子アレイ基材１０の圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１の一例のＺ－Ｘ方向の断面図を拡大して示す。図３に示されているように、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１は、上部電極１ａ、圧電薄膜１ｂ、下部電極１ｃ、及び振動膜１ｄを含むことができる。圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１は、さらに耐水性保護膜を上部電極１ａ上に含むこともできる。

上部電極１ａ及び下部電極１ｃは、本分野で周知の電極を用いることができ、例えば金属薄膜から形成されていてもよい。上部電極１ａ及び下部電極１ｃが、圧電薄膜１ｂにパルス電圧または交流電圧を与えることによって、圧電薄膜１ｂを伸縮／伸長させて圧電薄膜１ｂと振動膜１ｄとを振動させる。

なお、超音波トランスデューサ１は、出射された超音波が測定対象物から反射されて戻ってくる超音波エコーを受信する受信素子としても動作することができる。超音波エコーにより振動膜１ｄが振動し、この振動によって圧電薄膜１ｂに応力が加わり、上部電極１ａと下部電極１ｃとの間に電圧が発生するため、これを受信信号として取り出すことができる。

図４は、図２に示した実施形態の圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を拡大して示した図である。上部電極１ａは、アレイ配列方向（Ｘ方向）に隣接する超音波トランスデューサ１を電気的に接続し、その下側に圧電薄膜１ｂが位置しており、下部電極１ｃは、圧電薄膜１ｂの下側に位置しており、アレイ横断方向（Ｙ方向）に隣接する超音波トランスデューサ１を電気的に接続している。この実施形態においては、圧電薄膜１ｂよりも広い範囲に基板２の溝部２ａが形成されている。

図２に示されているように、上部電極１ａは、アレイ配列方向（Ｘ方向）の両端部において、アレイ横断方向（Ｙ方向）に伸びる上部電極用引出し配線１ａ’を通じて、フレキシブル印刷基板４０に電気的に接続することができる。下部電極１ｃは、アレイ横断方向（Ｙ方向）の端部において、下部電極用引出し配線を通じて、フレキシブル印刷基板４０に電気的に接続することができる。これらの配線とフレキシブル印刷基板４０とは、例えばワイヤーボンディングや異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Anisotropic Conductive Film）など周知の接続方法によって接続することができる。

上部電極１ａ及び下部電極１ｃの構成は、図２の構成とは、互いに反対になっていてもよい。すなわち、下部電極１ｃが、各圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１をアレイ配列方向（Ｘ方向）で電気的に接続することができる。また、下部電極１ｃは、アレイ配列方向（Ｘ方向）の両端部において、アレイ横断方向（Ｙ方向）に伸びる下部電極用引出し配線を通じて、フレキシブル印刷基板４０に電気的に接続することができる。この実施形態において、上部電極１ａは、アレイ横断方向（Ｙ方向）の端部において、フレキシブル印刷基板４０に電気的に接続することができる。

また、上部電極１ａ及び下部電極１ｃの構成は、これらの構成に限定されることはなく、これらの電極は、圧電薄膜１ｂにパルス電圧または交流電圧を与えることによって圧電薄膜１ｂを伸縮／伸長させて圧電薄膜１ｂと振動膜１ｄを振動させることができればよい。

圧電薄膜１ｂは、本分野で周知の圧電体の薄膜により形成される。圧電薄膜１ｂは、上部電極１ａによってその少なくとも一部が覆われ、かつ下部電極１ｃの少なくとも一部を覆うように形成される。圧電薄膜１ｂの圧電体としては、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ_３）等を挙げることができる。

圧電薄膜１ｂの平均厚みは、５０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下、又は３μｍ以下であってもよく、０．１μｍ以上、０．３μｍ以上、０．５μｍ以上、１μｍ以上、又は３μｍ以上であってもよい。圧電薄膜１ｂの平均厚さは、例えば、０．１μｍ以上５０μｍ以下、又は０．５μｍ以上２０μｍ以下であってもよい。

振動膜１ｄは、圧電薄膜１ｂとともに、モノモルフ構造又はバイモルフ構造を構成して、超音波振動子として機能することができる。振動膜１ｄとしては、シリカ、アルミナ、ジルコニア等の薄膜を用いることができ、例えばシリカ薄膜とジルコニア薄膜との２層構造により構成されていてもよい。ここで、シリカ薄膜は、基板２がシリコン基板である場合、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。この場合、シリカ薄膜は、シリコン基板２に溝部２ａを設ける際に形成されたものであってもよい。また、ジルコニア薄膜は、シリカ薄膜上に例えばスパッタリングなどの手法により成膜することができる。

振動膜１ｄの平均厚みは、１０μｍ以下、５μｍ以下、３μｍ以下、１μｍ以下、０．８μｍ以下、又は０．５μｍ以下であってもよく、０．０５μｍ以上、０．１μｍ以上、０．２μｍ以上、０．３μｍ以上、又は０．５μｍ以上であってもよい。振動膜１ｄの平均厚さは、例えば、０．０５μｍ以上１０μｍ以下、又は０．３μｍ以上３μｍ以下であってもよい。

〈超音波素子アレイ基材１０－基板２〉
基板２は、超音波トランスデューサ１をＭＥＭＳで形成する際の基板であり、例えばシリコン基板である。基板２には、溝部２ａが形成されていることが好ましく、これにより圧電薄膜１ｂ及び振動膜１ｄが振動しやすくなっている。

基板２の溝部２ａの幅は、アレイ配列方向及び横断方向のいずれも、５００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、５０μｍ以下、又は３０μｍ以下であってもよく、１０μｍ以上、３０μｍ以上、５０μｍ以上、又は１００μｍ以上であってもよい。溝部２ａの幅は、アレイ配列方向及び横断方向のいずれも、例えば、１０μｍ以上５００μｍ以下、又は３０μｍ以上２００μｍ以下であってもよい。

基板２の溝部２ａ以外の本体部分２ｂにおける平均厚さは、２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、８０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、又は３０μｍ以下であってもよく、１０μｍ以上、２０μｍ以上、２５μｍ以上、又は３０μｍ以上であってもよい。基板２の本体部分２ｂの平均厚さは、例えば、１０μｍ以上２００μｍ以下、又は２０μｍ以上６０μｍ以下であってもよい。

特に、シリコン基板を用いる場合の本体部分における平均厚さは、８０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、又は３０μｍ以下であってもよく、１０μｍ以上、２０μｍ以上、２５μｍ以上、又は３０μｍ以上であってもよい。シリコン基板の本体部分の平均厚さは、例えば、１０μｍ以上８０μｍ以下、又は２０μｍ以上６０μｍ以下であってもよい。

本分野において用いられるシリコン基板は、通常は厚さが５００μｍ～１ｍｍの範囲であり、このようなシリコン基板を用いた超音波素子アレイ基材１０は、可撓性を有さない。本発明者らは、厚さが上記のような範囲のシリコン基板を用いることによって、コンベックス型の超音波プローブとして十分な曲率を与える程度の可撓性と実用上十分な強度とを、超音波素子アレイ基材１０に与えられることを見出した。なお、そのような超音波素子アレイ基材１０を得るために、薄い厚さのシリコン基板上に、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を形成してもよく、又は厚さのあるシリコン基板上に、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を形成してから、シリコン基板を背面から研磨すること等によって、シリコン基板を薄化してもよい。

〈超音波素子アレイ基材１０－他の実施形態〉
本開示の１つの超音波素子アレイ基材１０は、複数の溝部２ａを有するシリコン基板２、及び複数の溝部２ａ上の圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を含み、シリコン基板２の溝部２ａ以外の本体部分２ｂの平均厚さが、８０μｍ以下である。

本発明者らは、このような超音波素子アレイ基材１０であれば、十分な可撓性と実用上十分な強度とを、超音波素子アレイ基材１０に与えられることを見出した。このような超音波素子アレイ基材１０を用いることによって、様々な方法で超音波素子アレイ基材１０を支持して、リニア型とコンベックス型とを切替可能な超音波プローブヘッド１００として有利に用いることができる。

この開示の超音波素子アレイ基材１０についての他の構成は、上記の超音波素子アレイ基材１０についての構成を参照することができる。

〈板状弾性体２０〉
板状弾性体２０は、アレイ配列方向及びアレイ横断方向の平面に延び、厚さ方向が他の方向よりも小さいことによって、板状となっている。したがって、板状弾性体２０は、超音波素子アレイ基材１０のアレイ配列方向及びアレイ横断方向に延びる平面に略平行となる。

図１に示されているように、板状弾性体２０は、上部板状弾性体２１及び下部板状弾性体２２から構成することができ、超音波素子アレイ基材１０のアレイ横断方向（Ｙ方向）の両端部を、上部板状弾性体２１及び下部板状弾性体２２によって挟持させることができる。

図２に示されているように、板状弾性体２０は、超音波素子アレイ基材１０の平面のアレイ配列方向及び横断方向の両端側の外周に延在することができ、そのアレイ配列方向及び／又はアレイ横断方向の両端部で超音波素子アレイ基材を支持することができる。

板状弾性体２０による超音波素子アレイ基材１０の固定の方法は、特に限定されないが、接着、溶接、嵌め合い等を挙げることができる。

板状弾性体２０の材料は、超音波素子アレイ基材１０を適切に曲げて、プローブヘッドを可撓性にすることができれば特に限定されないが、金属材料、セラミック材料、樹脂材料等から構成することができる。

板状弾性体２０の平均厚さは、板状弾性体の厚みにも依存するが、１０ｍｍ以下、８ｍｍ以下、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、又は１ｍｍ以下であってもよく、０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、又は２ｍｍ以上であってもよい。板状弾性体２０の平均厚さは、例えば、０．３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、又は０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。

〈音響レンズ３０〉
音響レンズ３０は、プローブから出力された超音波を集束させ、分解能を向上させるための部材であり、超音波のレンズとして機能させることができる。

音響レンズ３０は、本分野において周知のものを採用することができ、例えばシリコーンゴム製の音響レンズであってもよい。

図１に示すように、音響レンズ３０は、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を覆うように、超音波素子アレイ基材１０上に配置することができる。

音響レンズ３０と超音波素子アレイ基材１０とは、図１には図示されていない接着層によって接着することができ、接着層は、音響整合層を兼ねることができる。それにより、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１と被験者との音響インピーダンスの差を小さくして、超音波の反射を低減させて、効率よく被験者に超音波を入射させることができる。

〈フレキシブル印刷基板４０〉
フレキシブル印刷基板４０は、超音波素子アレイ基材１０と接合し、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１に電気的な信号を与える。

フレキシブル印刷基板４０は、本分野において周知のものを採用することができ、例えばポリイミド系のフィルムに金属配線を形成した基板を用いることができる。

フレキシブル印刷基板４０は、超音波素子アレイ基材１０と接合できれば、特にその配置等について限定はされないが、例えば、図１では、フレキシブル印刷基板引き出しスリット４１を、上部板状弾性体２１及び下部板状弾性体２２の間に形成し、そこからフレキシブル印刷基板４０と超音波素子アレイ基材１０とを接合しているが、このような実施形態に限定されるものではない。板状弾性体２０のいずれかの場所にフレキシブル印刷基板引き出しスリット４１を設けて、その間を通じて、フレキシブル印刷基板４０と超音波素子アレイ基材１０とを接合することができる。

図２を参照すると、フレキシブル印刷基板４０は、超音波素子アレイ基材１０のアレイ横断方向の片側からのみで接続されているが、特許文献２及び３に記載のように、アレイ横断方向の両側で接続されていてもよい。

《可撓性超音波プローブヘッドの製造方法》
図５は、可撓性超音波プローブヘッドの製造方法の各工程を例示している。可撓性超音波プローブヘッド１００は、例えば、（ａ）厚さ１００μｍ以上の基板２上に圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を複数含む、超音波素子アレイ基材１０を得ること；（ｂ）超音波素子アレイ基材１０とフレキシブル印刷基板４０とを接続すること；（ｃ）超音波素子アレイ基材１０と上部板状弾性体２１とを接合すること；（ｄ）超音波素子アレイ基材１０の基板２の厚さを８０μｍ以下にするまで薄化すること；（ｅ）超音波素子アレイ基材１０と下部板状弾性体２２とを接合すること；及び（ｆ）音響レンズ３０を接着すること、を含むことができる。

これらの工程（ａ）～（ｆ）のうちで、本開示の方法で本質的な工程は、工程（ｄ）であり、工程（ｄ）以外の工程については、従来技術と同様の方法で行うことができる。

工程（ａ）では、基板２にまず振動膜１ｄを形成する。この場合において、基板２がシリコン基板である場合、熱酸化処理、ＣＶＤ等によってシリコン基板の上部側に振動膜１ｄの１つの層として酸化ケイ素層を形成する。次に、振動膜１ｄのもう１つの層としてジルコニア膜等をスパッタ、蒸着等によって形成する。

その後、スパッタ、蒸着等によって金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ等によって、振動膜１ｄ上に下部電極１ｃをパターン状に形成する。次に、圧電薄膜１ｂを、前駆体溶液のゾルをスピンコート等することによって形成し、さらにその膜をフォトリソグラフィ等によってパターン状に形成する。そして、上部電極１ａを、下部電極１ｃと同様にして形成する。このようにして、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１を基板２上に形成する。

そして、基板２の、圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１が形成されていない側において、異方性エッチング等によって、基板２に溝部２ａを形成する。

工程（ｂ）において、超音波素子アレイ基材１０の電極と及びフレキシブル印刷基板４０とを接続する。この工程は、これらを電気的に接続させることができれば、特にその方法は限定されず、周知の方法で行うことができる。工程（ｃ）及び工程（ｅ）については、超音波素子アレイ基材１０と板状弾性体２０とを接合させることができれば、特にその方法は限定されず、例えば接着剤によって接合してもよい。

この工程（ｄ）は、厚さ１００μｍ以上の基板２を、化学機械研磨等によって薄化する工程である。これによって、基板２の本体部分２ｂの厚さを８０μｍ以下にして、超音波プローブヘッド１００に可撓性を与えることができる。この工程（ｄ）は、工程（ｂ）及び（ｃ）の後に行うことが好ましい。基板２を薄化した後は、超音波素子アレイ基材１０が可撓性となり、単体でのハンドリングが難しくなるのに対して、薄化前であれば、フレキシブル印刷基板４０への接続が比較的容易であるためである。また、超音波素子アレイ基材１０を上部板状弾性体２１に固定しておくことで、薄化後のハンドリングも容易となる。

《超音波プローブ》
本開示の超音波プローブは、上記のような可撓性超音波プローブヘッド、板状弾性体を湾曲化するための湾曲形成部材、及び筐体を具備する。湾曲形成部材は、可撓性超音波プローブヘッドの板状弾性体を湾曲化させることができれば特に限定されず、また筐体についても、超音波プローブの筐体として利用できれば特に限定されない。

図６は、本開示の超音波プローブヘッドをリニア型とコンベックス型とで切り替えている例を示している。図６に示すように、湾曲形成部材１１０は、可撓性超音波プローブヘッド１００の中心部及び両端部の３点を支持し、その支持部材の位置関係を変更することによって、可撓性超音波プローブヘッド１００に湾曲を形成する部材であることができる。図６に記載の実施形態では、可撓性超音波プローブヘッド１００を中心部で支持する中心部支持部材１１１及び可撓性超音波プローブヘッド１００の端部で支持する端部支持部材１１２をワイヤ１１３でつないで、中心部支持部材１１１にあるスプール１１１ａでワイヤ１１３を巻き上げることで、支持部材の位置関係を変更し、可撓性超音波プローブヘッド１００に湾曲を形成している。なお、中心部支持部材１１１は、可撓性超音波プローブヘッド１００のアレイ配列方向（Ｘ方向）の両端側にある板状弾性体を支持することができ、端部支持部材１１２も、中心部支持部材１１１とアレイ配列方向（Ｘ方向）で同じ位置に支持できるように、アレイ配列方向（Ｘ方向）の両端側で支持することができる。

湾曲形成部材１１０は、ラックアンドピニオン機構を利用して、支持部材（１１１，１１２）間の距離を変えて、可撓性超音波プローブヘッド１００を湾曲化する構成であってもよい。または、可撓性超音波プローブヘッド１００の下部に、バルーン状の袋体を配置し、バルーンを膨張／収縮させることによって、可撓性超音波プローブヘッド１００を湾曲化させてもよい。

超音波ブローブには、可撓性超音波プローブヘッド１００の板状弾性体２０に歪みセンサ１３０が具備されていてもよい。歪みセンサ１３０によって、歪みの大きさを制御することによって、プローブヘッド１００が曲がりすぎて破壊することを防止することができる。または、プローブヘッド１００が曲がりすぎて破壊することを防止するために、湾曲形成部材１１０の湾曲の程度を機械的又は電子的に制御する手段が湾曲形成部材１１０にあってもよい。

図７は、超音波プローブの先端部分における断面図を例示している。超音波プローブ２００の筐体１２０と可撓性超音波プローブヘッド１００との間には、封止部材１４０が存在していてもよい。封止部材１４０は、筐体１２０内に水分等が侵入するのを防止できれば特に限定されないが、例えばシリコーンゴムであってもよい。

《超音波診断装置》
本開示の超音波診断装置は、上記の超音波プローブ、超音波プローブからの信号を処理する処理部、及び処理部からの信号を画像データに変換して表示する表示装置を少なくとも具備する。信号の送受信及び処理並びに超音波プローブの制御については、例えば特許文献２及び３に記載のような本分野で周知の方法によって行うことができる。

図８は、本開示の超音波診断装置を例示している。本開示の超音波診断装置１０００は、超音波プローブ２００及び表示装置３００を具備しており、超音波プローブ２００と表示装置３００とは、ケーブル４００で接続されている。この実施形態では、超音波診断装置１０００は、持ち運び可能な装置であるが、据置型の装置であってもよい。また、この実施形態では、超音波プローブ２００と表示装置３００とはケーブルで接続されているが、無線で接続することもできる。超音波プローブ２００からの信号を処理する処理部は、図示されていないが、超音波プローブ２００内に存在していてもよく、又は表示装置３００に存在していてもよい。

１ 圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ
１ａ 上部電極
１ａ’ 上部電極用引出し配線
１ｂ 圧電薄膜
１ｃ 下部電極
１ｄ 振動膜
２ 基板
２ａ 溝部
２ｂ 本体部分
１０ 超音波素子アレイ基材
２０ 板状弾性体
２１ 上部板状弾性体
２２ 下部板状弾性体
３０ 音響レンズ
４０ フレキシブル印刷基板
１００ 可撓性超音波プローブヘッド
１１０ 湾曲形成部材
１１１ 中心部支持部材
１１１ａ スプール
１１２ 端部支持部材
１１３ ワイヤ
１２０ 筐体
１３０ 歪みセンサ
１４０ 封止部材
２００ 超音波プローブ
３００ 表示装置
４００ ケーブル
１０００ 超音波診断装置

Claims (12)

1. 超音波素子アレイ基材、及び前記超音波素子アレイ基材のアレイ横断方向の両端部を支持する板状弾性体を少なくとも具備する可撓性超音波プローブヘッドであって、
   前記超音波素子アレイ基材が、厚さ方向に力を加えた時にコンベックス型の超音波プローブとして機能する曲率に撓むことができる可撓性を有しており、かつアレイ配列方向及びアレイ横断方向に圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを基板上に複数含み、
   前記板状弾性体をアレイ配列方向の軸に沿って厚さ方向に曲げた時に生じる応力中立面に沿って、前記超音波素子アレイ基材が支持されており、
   前記超音波素子アレイ基材が、複数の溝部及び本体部分を有するシリコン基板、及び前記複数の溝部の位置上の前記圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを含む、
   コンベックス型とリニア型とで切り替え可能な、可撓性超音波プローブヘッド。
2. 前記シリコン基板の本体部分の平均厚さが、８０μｍ以下である、請求項１に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
3. 前記板状弾性体の平均厚さが、０．５ｍｍ～５ｍｍであり、かつ前記板状弾性体が金属体である、請求項１又は２に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
4. 前記超音波素子アレイ基材の曲げ剛性に対する前記板状弾性体の曲げ剛性の比（前記板状弾性体／前記超音波素子アレイ基材）が、１０以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
5. 前記板状弾性体が、上部板状弾性体及び下部板状弾性体からなり、前記上部板状弾性体及び下部板状弾性体が、前記超音波素子アレイ基材を挟持している、請求項１～４のいずれか一項に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
6. 前記圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサが、上部電極、圧電薄膜、下部電極、及び振動膜をこの順に少なくとも含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
7. 前記応力中立面が、前記圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサの前記上部電極の上端から前記振動膜の下端の範囲内にある、請求項６に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
8. 前記応力中立面が、前記圧電薄膜と下部電極との界面よりも下側に位置する、請求項６又は７に記載の可撓性超音波プローブヘッド。
9. 超音波素子アレイ基材、及び前記超音波素子アレイ基材のアレイ横断方向の両端部を支持する板状弾性体を少なくとも具備する可撓性超音波プローブヘッドであって、
   前記超音波素子アレイ基材が、厚さ方向に力を加えた時にコンベックス型の超音波プローブとして機能する曲率に撓むことができる可撓性を有しており、かつアレイ配列方向及びアレイ横断方向に圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを基板上に複数含み、
   前記超音波素子アレイ基材が、複数の溝部及び本体部分を有するシリコン基板、及び前記複数の溝部の位置上の前記圧電ＭＥＭＳ超音波トランスデューサを含み、
   前記シリコン基板の本体部分の平均厚さが、８０μｍ以下である、
   コンベックス型とリニア型とで切り替え可能な、可撓性超音波プローブヘッド。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の可撓性超音波プローブヘッド、前記板状弾性体を湾曲化するための湾曲形成部材、及び筐体を具備する、超音波プローブ。
11. 前記板状弾性体に歪みセンサを具備する、請求項１０に記載の超音波プローブ。
12. 請求項１０又は１１に記載の超音波プローブ、前記超音波プローブからの信号を処理する処理部、及び前記処理部からの信号を画像データに変換して表示する表示装置を少なくとも具備する、超音波診断装置。