JP2018093449A - 超音波プローブ、超音波ユニット及び被検体情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単素子の超音波トランスデューサを備えた超音波プローブであって、半球状の支持部材に高密度に配置し得るものを提供する。
【解決手段】 超音波を少なくとも受信または送信するための振動部を備えた素子と、前記振動部を構成する振動面に対して垂直方向に延伸し前記素子を保持する筺体と、を有する超音波プローブであって、前記素子の前記振動面の面内方向における中心が前記筺体の中心からずれて配されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波などの音響波の送受信（本明細書で送受信と言う場合、送信と受信のうちの少なくとも一方を意味する）を行う超音波プローブ、超音波プローブを複数配置した超音波ユニット、及びそれを用いた被検体情報取得装置に関する。

近年、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響イメージング装置が研究・開発されている。光音響イメージング装置は、短時間発光するパルスレーザ光（レーザパルス）を生体内に照射し、パルスレーザ光のエネルギーを吸収した生体組織が発熱による体積膨張時に発生する超音波（光音響波）から、画像を生成する。光音響イメージング装置は、例えば、乳癌の早期発見のために人の乳房を観察する装置として研究開発されている。特許文献１には、図２２に示すように複数の超音波トランスデューサ１５３３を半球状の回転支持体１５５２（１５５８は回転軸）に配置して被検体からの音響波を得る胸部を対象とするスキャナ装置が開示されている。特許文献１においては超音波トランスデューサとしては、圧電体が用いられている。また、特許文献２には、静電容量型超音波トランスデューサであるＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を半球状の支持体に配置した光音響イメージング装置が開示されている。図２１を参照してこれを説明すると、１４１３は半球部１４２０を備えた支持部材であり、半球部に複数の静電容量型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）が配置されている。１４３４は光源からレーザ光を導く光ファイバである。ここで、静電容量型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）については、非特許文献１で説明されており、ＣＭＵＴは半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）プロセスを用いて作製される。図２０にＣＭＵＴ（送受信素子）の一例の断面の模式図を示す。ここで、振動膜１１０１と、間隔（キャビティ）１１０５を挟んで対向した第１の電極１１０２及び第２の電極１１０３とを、１組としてセルと呼ぶ。振動膜１１０１は、チップ（基板）１１００上に形成された支持部１１０４により支持されている。第２の電極１１０３には、直流電圧発生手段１２０２が接続されている。第２の電極１１０３は、第２の配線１３０２を介して、直流電圧発生手段１２０２により所定の直流電圧Ｖａが印加されている。もう一方の第１の電極１１０２は、第１の配線１３０１を介して、送受信回路１２０１に接続され、ＧＮＤ（グランド）電位付近の固定電位となっている。これにより、第１の電極１１０２と第２の電極１１０３との間にＶｂｉａｓ＝Ｖａ−０Ｖの電位差を発生させている。Ｖａの値を調整することで、Ｖｂｉａｓの値が、ＣＭＵＴのセルが持つ機械特性により決まる所望の電位差（数十Ｖから数百Ｖ程度）と一致するようになっている。送受信回路１２０１により、第１の電極１１０２に交流の駆動電圧を印加することで、第１及び第２の電極間に交流の静電引力が発生し、振動膜１１０１を或る周波数で振動させて超音波を送信できる。また、振動膜１１０１が超音波を受けて振動することにより、第１の電極１１０２に静電誘導により微小電流が発生し、送受信回路１２０１により、その電流値を測定することで、受信信号を取り出せる。

特表２００１−５０７９５２号公報 特開２０１５−１７７９０７号公報

Ａ．Ｓ． Ｅｒｇｕｎ， Ｙ． Ｈｕａｎｇ， Ｘ． Ｚｈｕａｎｇ， Ｏ． Ｏｒａｌｋａｎ， Ｇ．Ｇ． Ｙａｒａｈｏｇｌｕ，ａｎｄ Ｂ．Ｔ． Ｋｈｕｒｉ−Ｙａｋｕｂ， "Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ： ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，" Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ， Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ， ｖｏｌ． ５２， ｎｏ． １２， ｐｐ． ２２４２− ２２５８， Ｄｅｃ． ２００５．

静電容量型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を支持部材である半球の表面上に、分散させて複数配置し、超音波ユニット（超音波プローブユニット）を構成するには、組立の効率化や信頼性を確保するために、筺体内に単素子やこれに付随する回路を収めて超音波プローブとすることが有用である。そして、具体的な超音波ユニットは、超音波プローブの外形に対応した複数の穴を有する半球状の支持部材を用意し、穴に超音波プローブを挿入固定することで構成することができる。また、半球状の支持部材の内側の表面に、複数の超音波プローブの振動部を備えた素子の振動面が半球の中央方向を向くように並べて配置し、固定することでも構成することができる。

複数の超音波トランスデューサ（超音波プローブ）を配置するにあたり、超音波トランスデューサ素子の素子間隔が大きくなると、トランスデューサ素子で得られた信号に基づく光音響イメージング画像（または、超音波イメージング画像）を再構成する際のアーチファクト（偽信号）が発生し易くなる。そのため、分散して配置する超音波トランスデューサ（超音波プローブ）をできるだけ近接して、高密度に配置することが重要になる。しかし、高密度化を図る上で、超音波プローブの小型化が望ましいが、超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を配置したチップ（素子基板）から、回路への電気接続を行う領域が必要になるため、超音波プローブの小型化に障害となるという課題があった。

本発明は、単素子の超音波トランスデューサを備えた超音波プローブであって、半球状の支持部材に高密度に配置し得るものを提供することを目的とする。

本発明により提供される超音波プローブは、超音波を少なくとも受信または送信するための振動部を備えた素子と、前記振動部を構成する振動面に対して垂直方向に延伸し前記素子を保持する筺体と、を有する超音波プローブであって、前記素子の前記振動面の面内方向における中心が前記筺体の中心からずれて配されていることを特徴とする。

本発明によると、凹部を備えた半球状をはじめとする各種支持部材に高密度に配置し得る単素子の超音波トランスデューサを提供することができる。

本発明の超音波プローブを説明する模式図である。 本発明の超音波プローブを説明する模式図である。 本発明の超音波プローブを説明する模式図である。 本発明の超音波プローブを説明する模式図である。 本発明の超音波プローブを説明する模式図である。 本発明の超音波プローブを説明する模式図である。 本発明の超音波プローブを説明する模式図である。 第２の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第２の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第３の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第３の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第４の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第５の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第５の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第６の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第７の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第７の実施形態に係る超音波プローブを説明する図である。 第８の実施形態に係る被検体情報取得装置を説明する図である。 第９の実施形態に係る被検体情報取得装置を説明する図である。 静電容量型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を説明する図である。 従来の半球状の支持体に超音波トランスデューサ配して構成した光音響イメージング装置を説明する図である。 従来の半球状の支持体に超音波トランスデューサ配して構成した光音響イメージング装置を説明する図である。

上記課題を解決するにあたり、本発明者は、静電容量型超音波トランスデューサの振動面の面内方向における中心と、この振動面に対して垂直方向に延伸して超音波トランスデューサを保持する筺体との位置関係に着目した。そして、発明者は、超音波を少なくとも受信または送信するための振動部を備えた素子と、振動部を構成する振動面に対して垂直方向に延伸して、素子を保持する筺体と、を有する超音波プローブにおいて、素子の振動面の面内方向における中心を筺体の中心からずらして配置する（素子の中心が筺体の中心に対してオフセットを有している）ことで、上述の課題を解決し得ることに至った。本明細書において、音響波とは、光音響波、光超音波、音波、超音波と呼ばれる弾性波を含み、光照射により発生する音響波を、特に「光音響波」と呼ぶ。また、音響波のうち、プローブから送信される音響波を「超音波」と呼び、送信された超音波が被検体内で反射したものを特に「反射波」と呼ぶ場合もある。音響波を代表して超音波と記す場合もある。

以下の説明では、超音波を少なくとも受信または送信するための振動部を備えた素子として、一対の電極の一方に振動膜を配したセル構造を有する静電容量型超音波トランスデューサを中心に述べるが、振動部として圧電素子を用いた圧電型のトランスデューサを排除するものではない。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は、これらの
実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形、変更が可能である。

（第１の実施形態）
図１から図７を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の超音波プローブを説明する模式図である。図１において、９９は超音波プローブであり、１０１は超音波を少なくとも受信または送信するための振動部を備えた素子（エレメント）であり、具体例としては、静電容量型トランスデューサである。１００は素子の振動部を構成する振動面に対して垂直方向に延伸し素子１０１を保持する筐体である。１０２は素子１０１を載置する素子基板（チップ）であり、１０３は素子１０１に接続された電気接続部、１０４はケーブルである。

超音波プローブ９９は、素子１０１と、円筒状の筐体１００と、超音波プローブの外部と電気信号をやり取りするケーブル１０４を備えて構成される。筐体１００の片方の底面からは、ケーブル１０４が引き出されており、他方の面側には受信または送受信を可能な素子（エレメント）１０１を備えた素子基板（チップ）１０２が配置されている。図１において、他方の面側から見て、筐体１００の中心Ａ（筒状筐体の直径方向におけるの中心）に対して、素子（エレメント）１０１の中心Ｂは、ずらして配されて（オフセットを有して）おり、中心同士が一致していないことが本発明の大きな特徴である。この素子の中心Ｂは、素子の振動面の面内方向における中心のことであるが、これについては図２を用いた説明で後述する。

素子基板１０２上には、素子（エレメント）１０１の他に、素子１０１と回路とを電気的に接続するための電気接続部１０３を備えている。本発明の構成では、筐体１００の中心Ａに対して、素子（エレメント）１０１の中心Ｂがオフセットしていることで、素子基板１０２以外のデッドスペースを最小限として、筐体１００のサイズを小さくすることができる。これは超音波プローブを構成する上で、素子１０１以外に必須となる素子と回路とを接続する電気接続部１０３を素子１０１とを同一面上（基板１０２）に設けると共に、デッドスペースを有効利用したと捉えることもできる。そのため、同じ基板１０２サイズを用い、オフセットなしで素子１０１を配する場合と比して超音波プローブ９９の筐体１００サイズを小さくすることができる。つまり同じ表面積の素子基板（チップ）１０２を用いることを考えると、超音波プローブ９９をより多くの数配置することができる。言い換えると、素子（エレメント）１０１の間隔をより近接させて、高密度に配置することができる。

尚、静電容量型トランスデューサとしての素子（エレメント）１０１の大きさは、直径が、一般的には、０．３ｍｍから１ｃｍの範囲、より好ましくは、０．５ｍｍから８ｍｍの範囲、更には１ｍｍから７ｍｍの範囲の長さとされる。ここでは直径で示したが矩形の素子の場合には、上記の直径の範囲を１辺の長さと読み替えることができる。また、電気接続部１０３の大きさは、基板（チップ）１０２の長手（長辺）方向について、一般的には、３００μｍから１ｃｍの範囲、より好ましくは４００μｍから８ｍｍの範囲、更には５００μｍから５ｍｍの範囲とされる。基板（チップ）１０２の縦横のサイズはシリコン基板の場合、１ミリメータ強から５ミリメータ×１ミリメータ弱から数ミリメータ程度である。

図２を用いて、超音波プローブ９９の内部構造を説明する。図２は、柱状の超音波プローブ９９を柱の高さ方向に見た時の断面を示す模式図である。図２において、１１０は基板（チップ）１０２を支持する支持部材であり接着剤１１１を介して基板１０２を支持している。１２１は支持部材１１０に設けられた貫通孔、１２２は筐体１００に設けられた貫通孔である。２００は一対の電極を有して構成されるセル、２０２は振動膜２０１上に配された第１の電極、２０３は第２の電極である。２０４は振動膜２０１を支持する支持部、２０５は空隙（キャビティ）であり、２０６は絶縁膜である。３１０はフレキシブルプリント配線、４１０は回路基板（ＰＣＢ：ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）、４１１はフレキシブルコネクタ、４１２はケーブルコネクタである。

ここでセル２００は図２では３つの場合が例示されているが、セルの数は、一般的には、１００から５０００の範囲、より好ましくは３００から４０００の範囲、更には５００から２０００の範囲で得ようとする周波数特性等を考慮して適宜選択される。図２におけるＢは図１のＢに対応するもので、素子の中心を示している。ここでいう素子の中心Ｂは、複数設けられたセル２００を構成する振動膜２０１で規定される振動面の面内方向の中心を指している。素子の振動面の面内方向の中心Ｂは、図２では３つのセルの中心であるが、セルの数が増した場合であっても両端部に位置するセルの中心の位置として捉えることができる。図２におけるＡは、図１と同様に筐体１００の中心（筒状筐体の直径方向におけるの中心）を示している。

ここで、素子の中心は一般的には筺体の中心から３００μｍから５ｍｍの範囲でずれて配される。そしてより好ましくは、筺体の中心から５００μｍから４ｍｍの範囲でずれて配され、更には、筺体の中心から７００μｍから２ｍｍの範囲でずれて配されるのが好適である。

静電容量型トランスデューサとしての素子１０１を備えた素子基板１０２は、支持部材１１０上に接着剤１１１により固定されている。支持部材１１０は、筐体１００の底面に平行になるように、筐体１００に対して固定されている。受信回路４０２（または、送受信回路４０３）は、回路基板（ＰＣＢ）４１０上に、配置されている。受信回路４０２（または、送受信回路４０３）と基板１０２間は、フレキシブルプリント配線３１０により、電気的に接続されている。回路基板（ＰＣＢ）４１０とフレキシブルプリント配線３１０は、フレキコネクタ４１１を介して接続されている。一方、ＣＭＵＴユニット９９の外部と接続用のコネクタ１０５は、ケーブル１０４とケーブル用コネクタ４１２を介して、回路基板（ＰＣＢ）４１０と接続されている。

また、本形態において、回路基板４１０は細長い外形を有しており、素子基板１０２に対して垂直になるように素子基板１０２の素子が保持された面の裏側に配置されている。回路基板４１０に必要な表面積は、基板１０２の面積に比べると、大きくなる。本発明のように、細長い外形の回路基板４１０を用いて、素子基板１０２に対して垂直に配置することで、ＣＭＵＴユニット９９の外形を細くすることができる。

尚、回路基板４１０と基板１０２との位置関係は、垂直と説明したが、ＣＭＵＴユニット９９の外形の大きさに影響が無い範囲であれば、回路基板４１０と基板１０２は垂直から少し角度を有した略垂直であっても、構わない。

図２では、フレキシブルプリント配線３１０と回路基板（ＰＣＢ）４１０の接続や、ケーブル１０４と回路基板（ＰＣＢ）４１０の接続に、コネクタ４１１、４１２を用いたが、本発明はこれに限らない。回路基板（ＰＣＢ）４１０の電極に、フレキシブルプリント配線３１０の電極や、ケーブル１０４の芯線を直接接続する構成を取ることができる。この構成の方が、コネクタを用いる構成に比べて、回路基板（ＰＣＢ）４１０の幅を狭くすることができるので、超音波プローブ９９をより小径にすることができ、より高密度に配置することができるので望ましい。

また、筺体１００は柱状形状のものを採用することができる。一例として円筒状の筺体が挙げられる。円筒状筺体は、一般的には直径（外径）が５ｍｍから１５ｍｍの範囲内にあるものを用いることができる。また、より好ましくは、直径（外径）が６ｍｍから１２ｍｍの範囲内、更に好ましくは、直径（外径）が７ｍｍから１０ｍｍの範囲内にあるものを用いることができる。柱状形状として四角柱形状を用いた例については、第４の実施形態で述べる。

図３を用いて、基板（チップ）１０２とフレキシブルプリント配線３１０間の電気接続部１０３を説明する。図３は、図２の基板１０２付近の断面を拡大した模式図である。図３において、２１０は絶縁膜、２２０は電気接続部、２２１ははみ出した異方性絶縁性樹脂、２３０は接続用電極、３１０はフレキシブルプリント配線である。３１１は接続用電極、３１２は導電層、３１３は絶縁フィルム、３１４は絶縁フィルム（カバーレイフィルム）である。

フレキシブルプリント配線３１０は、薄い導電層３１２を、薄い絶縁層３１３と３１４で上下から挟む構成となっており、柔軟に曲げることができるようになっている。一般的に、導電層３１２の厚さは、十マイクロメータから数十マイクロメータであり、銅などの導電体で構成される。絶縁層１３１、３１４の厚さは、十マイクロメータから数十マイクロメータであり、ポリイミドなどの柔らかいフィルムから構成される。

基板（チップ）１０２側のフレキシブルプリント配線３１０の端部は、導電層３１２の片側のみに絶縁層３１３が配置され、接続用電極３１１として露出している。フレキシブルプリント配線３１０の端部は、基板１０２と対向するように配置されており、接続用電極３１１と向かい合った基板１０２上に、接続用電極２１０が配置されている。接続用電極３１１と接続用電極２１０間は、異方性導電樹脂２２０で電気的接続されている。異方性導電樹脂は、絶縁性の樹脂内に、複数の導電性粒子が分散されているものである。接続用電極３１１と接続用電極２１０間の電極距離は、異方性導電樹脂が有する導電性粒子の大きさより小さくなる状態になるまで加圧され、樹脂が硬化されている。そのため、上下に対向する電極間は電気的に接続されており、隣接する電極の間隔は、導電性粒子の大きさより十分広いため、隣接する電極間は絶縁性が確保されている。また、異方性導電性樹脂は、フレキシブルプリント配線３１０が無い領域にもはみ出し（２２１の領域に対応）ているが、導電性粒子は絶縁樹脂の中に分散して存在しているので、樹脂としては絶縁性の特性を有しており、他の領域とは電気的に絶縁されている。

基板１０２とフレキシブルプリント配線３１０間を、異方性導電性樹脂で電気接続しているので、被検体側への電気接続部の高さを、ほぼフレキシブルプリント配線３１０の高さにすることができるので、電気接続部から静電容量型トランスデューサ素子（エレメント）への影響を、極力小さくすることができる。

ここで、接続用電極２１０は、百マイクロメータから数百マイクロメータ×数百マイクロメータから数ミリメータの大きさである。また前述したように、異方性導電性樹脂は、フレキシブルプリント配線３１０が無い領域にも、数百マイクロメータからミリメータの範囲ではみ出ため、ＣＭＵＴ素子（エレメント）から同程度以上の距離を空けておく必要がある。一方、基板１０２の断面と、フレキシブルプリント配線３１０の導電層３１２（３１１）とが接触しての導通を防ぐために、フレキシブルプリント配線３１０の基板側の絶縁層３１４は、基板１０２と重なるように配置されている。そのため、基板１０２の外形は、絶縁層３１４が確実に基板と重なるように寸法の余裕をもって一回り大きく設定されている。一般的には、百マイクロメータから数百マイクロメータの寸法を確保する必要がある。

電気接続部１０３は、一般的には、基板１０２の長手（長辺）方向について、五百マイクロメータから五ミリメーターの長さが必要である。これは、前述したＣＭＵＴ素子（エレメント）１０１の大きさ０．５ミリメータから数ミリメータの大きさであるので、電気接続部１０３は、ＣＭＵＴ素子（エレメント）１０１の大きさと同等かより大きなサイズであり、本発明の構成の効果を十分得ることができるサイズ比である。

図４を用いて、基板（チップ）上の配置を説明する。図４は、基板１０２を上面から見た模式図である。図４において、Ｃはフレキシブルプリント配線３１０の折り曲げラインである。基板１０２の図面向かって下側には、静電容量型トランスデューサ素子（エレメント）１０１が配置されており、基板１０２の図面向かって上側には、回路４０２（４０３）との電気接続部１０３が配置されている。電気接続部１０３は、図３で説明したように、基板とフレキシブル配線３１０の端部を対向させて、異方性導電性樹脂で電気接続されている。図４では、一例として、基板１０２上の接続用電極２２０は、基板１０２の長手（長辺）方向（Ｘ方向）に長い形状で、３本が並べられている。それぞれ素子（エレメント）１０１の第１の電極、第２の電極、チップ１０２の電位固定用電極に接続されている。

図５を用いて、基板１０２と回路基板４０２との位置関係を説明する。図５は、基板１０２とフレキシブルプリント配線３１０、回路基板４１０のみを抜き出した模式図である。

基板１０２の配線から引き出したフレキシブルプリント配線３１０は、基板１０２に対してほぼ直角に引き出されており、回路基板４１０も、基板１０２に対してほぼ直角に引き出されている。超音波プローブ９９の底面方向から見たとき、基板１０２の長手（長辺）方向（Ｘ方向）が、回路基板（ＰＣＢ）４１０の幅方向（Ｌ方向）が、ほぼ直交する方向に配置されている。図５において、基板１０２と回路基板４１０の位置関係を投影図の模式図で示している。これにより、フレキシブルプリント配線３１０を素直に引き出しているので、配線３１０の長さを最小限の長さにすることができる。そのため、素子（エレメント）１０１と受信回路４０２（送受信回路４０３）間の配線での寄生容量を最小限に抑制することができる。この寄生容量による静電容量型トランスデューサの送信特性（または、受信特性）に与える提供を小さくすることができ、受信（送受信）特性の優れた静電容量型超音波プローブを提供することができる。

図６）を用いて、静電容量型トランスデューサ９９の複数を、凹部を備えた半球状（お椀形状）の支持部材１１０に配置して構成した超音波ユニットについて説明する。図６において、１１１は光源（光照射部）、１１２はケーブルを束ねた配線である。支持部材１１０には、超音波プローブ９９の外形及び外径に対応した貫通孔が複数あけられており、その貫通孔に超音波プローブを構成する素子が、半球の中央Ｅを向くように挿入され、固定されている。

ここで、本発明で対象とする被検体としては、生体の乳房、手足、や生体の他の部位や非生体材料等を想定できる。例えば、被検体として乳房を測定できる装置を想定すると、半球状筺体１０８の半球の半径は、１００ｍｍから１５０ｍｍの範囲内とすることができる。そして、より好ましくは半球の半径は、１１０ｍｍから１３０ｍｍの範囲内とするのが望ましい。

本実施形態では、静電容量型の受信素子（送受信素子）の中心を、筺体の中心に対してオフセットさせているが、このオフセットの大きさは、電気接続部の大きさの約半分が最も望ましい。これにより、超音波プローブ外形をチップ１０２と電気接続部１０３に対して、最も効率よく（小さく）配置することができる。そのため、オフセットの大きさとしては、具体的には数百マイクロメータから数ミリメータの大きさ程度になる構成が一般的な値である。

以上のように、本発明によると、静電容量型トランスデューサ素子の中心を、筺体の中心に対してオフセットさせることができ、単素子を備えた超音波プローブを凹部を備えた半球状の保持部材に複数、高密度に配置した超音波ユニットを提供できる。

尚、電気接続部１０３を、基板（チップ）とフレキシブル配線３１０の端部を対向させて、異方性導電性樹脂で電気接続を行う構成で説明したが、本発明はこの構成に限らない。基板とフレキシブル配線３１０の端部を対向させて、別の電気接続を行う構成や、チップとフレキシブル配線３１０の端部を並べて配置して、図７で示すように、ワイヤーボンダーを用いる構成などにも、同様に用いることができる。尚、図７において、２４０はワイヤー、２４１は封止材、２４２は接着剤である。

尚、図４では、基板１０２上の接続用電極２１０が３本ある構成で説明したが、本発明はこの構成に限らない。電極の本数が、第１の電極、第２の電極と接続された２本の構成を始めとして、それ以外の本数でも、接続用電極２１０の形状が異なる場合でも、同様に用いることができる。

尚、本実施形態では超音波プローブ９９を構成する筺体外形が円形であり、素子（エレメント）１０１の中心が、筺体の中心に対してずれている（オフセットしている）。これにより貫通孔が空いた支持部材に固定するときに、オフセットしている方向を考慮して、向きを調整して取り付けることで、素子（エレメント）１０１を所定の座標に配置することができる。また、筐体１００に位置調整用のピンや、突起などを設けることで、容易に位置調整をすることができる。

尚、本実施形態では、基板１０２と筺体１００の間には、何も充填されていない構成で説明したが、本発明はこの構成に限らない。シリコーン樹脂などを始めとして、絶縁性で且つＣＭＵＴ素子の特性に影響を与えにくい樹脂などを充填する構造にも用いることができる。それにより、ＣＭＵＴ素子の内部配線間の絶縁性や、外部被検体との絶縁性を高めたり、接触によるＣＭＵＴ素子の損傷防止などの効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、素子基板（チップ）１０２と回路基板４１０の位置関係が、第１の実施形態と異なる。それ以外は、同様である。図８、図９を用いて、第２の実施形態を説明する。図８は、素子基板１０２と回路基板４１０との位置関係を説明する模式的な斜視図である。図９は、素子基板１０２と回路基板４１０との位置関係を説明する模式的な投影図である。

第２の実施形態は、素子基板１０２から見た回路基板４１０の向きが約９０度回転していることが、第１の実施形態に比べて異なる点である。具体的には、素子基板１０２と電気接続部１０３で電気的に接続されたフレキシブルプリント配線３１０が、回路基板４１０までで、４分の１（９０度）回転分捩じられている構成となっている。これにより、図９で示すように、チップ１０２の長手（長辺）方向（Ｘ方向）と、回路基板４１０の幅方向（Ｌ方向）が一致している。回路基板４１０は、一般的に厚さ方向（Ｍ方向）が０．６ミリメータから数ミリメータ程度であり、典型的には１．６ミリメータの厚さとなっている。また、幅方向（Ｍ方向）は、受信（送受信）回路のパッケージサイズと、基板端までに必要な余長を考慮すると、最低数ミリメータ以上から１センチメータが必要となる。

そのため、本実施形態での素子基板１０２の長手（長辺）方向（Ｘ方向）と回路基板４１０の幅方向（４１０）を一致させる構成では、それぞれの長手（長辺）方向を一致させているので、超音波プローブ９９の外形を最小限の大きさに抑えることができる。

尚、本実施形態では、素子基板１０２から見た回路基板４１０の向きを９０度回転させている構成で説明したが、本実施形態はこの構成は限らず、それ以外の角度でも同様に用いることができる。例えば、回路基板４１０の向きを素子基板１０２の対角線とほぼ一致させた構成などにも、用いることができる。それにより、回路基板４１０の厚さ（Ｍ方向）を薄くした構成において、超音波プローブの外形をより小さくすることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、素子基板（チップ）１０２から引き出しているフレキシブルプリント配線３１０の辺が異なる。それ以外は、第１の実施形態と同様である。図１０、図１１を用いて、第３の実施形態を説明する。図１０は、素子基板１０２と回路基板４１０との位置関係を説明する模式的な斜視図である。図１１は、素子基板１０２と回路基板４１０との位置関係を説明する模式的な投影図である。

第１の実施形態では、フレキシブルプリント配線３１０を素子基板１０２の短辺方向の一辺（図１１における辺Ｉ）より引き出していた。第３の実施形態は、フレキシブルプリント配線３１０を素子基板の長辺方向の一辺（図１１における辺Ｋ）の一部より引き出していることが特徴である。

また、フレキシブルプリント配線３１０を折り曲げるスペースを、素子基板１０２の短辺側に設けているので、素子基板１０２の長手（長辺）方向（Ｘ方向）に電気接続部１０３をはみ出させることなく、配線を受信回路（送受信回路）まで引き出すことができる。そのため、素子基板１０２の長辺（Ｘ方向）側に領域を伸ばす必要がないため、超音波プローブ９９の外形を小さくすることができる。

別の側面から説明すると、本実施形態は、超音波プローブ９９の外形中心に対して、静電容量型トランスデューサ素子（エレメント）１０１の中心が、素子基板１０２の長手（長辺）方向（Ｘ方向）に加えて、素子基板１０２の短辺方向（Ｙ方向）にもオフセットを有していることが特徴である。これにより、単素子を備えた静電容量型トランスデューサを半球状の支持部材に複数、より高密度に配置した超音波ユニットを提供することができる。

更に、フレキシブルプリント配線３１０の素子基板１０２側の絶縁層（カバーレイフィルム）３１４と、素子基板１０２を重ねるスペース（図３の領域Ｗ）も不要になるので、素子基板１０２の長手（長辺）方向（Ｘ方向）自体を短くすることができる。

また本実施形態では、フレキシブルプリント配線３１０を捩じれさせなくても、素子基板１０２の長手（長辺）方向（Ｘ方向）と、回路基板４１０の幅方向（Ｌ方向）をほぼ一致させることができるので、超音波プローブ９９を小型化することができる。本実施形態では、第２の実施形態の様にフレキシブルプリント配線３１０を捩じる必要がないため、超音波プローブ９９の全長をより短くできる。

加えて、図１１で示すように、素子基板１０２上の接続用電極２１０が、チップの短辺方向（Ｙ方向）の向きに長く配置されている。素子基板１０２上の接続用電極２１０と、フレキシブルプリント配線３１０の接続を、異方性導電性樹脂で行う場合には、接続用電極の長手（長辺）方向に、異方性導電性樹脂が遠くまではみ出す傾向にある。第１や第２の実施形態の構成では、フレキシブルプリント配線３１０と素子基板１０２上に電気接続部から、素子１０１に向かって、異方性導電性樹脂が流れ出す方向になっているので、素子１０１との所定の間隔を取る必要がある。一方、第３の実施形態では、フレキシブルプリント配線３１０から異方性導電性樹脂がはみ出す方向を、素子（エレメント）１０２とは違う方向にすることができる。これにより、第１の実施形態の構成に比べて、フレキシブルプリント配線３１０と素子（エレメント）１０２間の距離を短くすることができ、電気接続部１０３自体の領域を小さくすることができる。

このように、本実施形態の構成では、フレキシブルプリント配線３１０を折り曲げるスペースなどに加えて、異方性導電性樹脂がはみ出すことによる電気接続部１０３の領域が大きくなることを低減することができるので、さらに高密度に配置した超音波プローブを提供することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、超音波プローブ９９の外形の形状が異なる。それ以外は、第１から第３の実施形態の何れかと同様である。図１２を用いて、第４の実施形態について説明を行う。図１２は、超音波プローブ９９を説明するための模式的な斜視図である。

第４の実施形態では、超音波プローブ９９の外形の形状が四角形であることが異なる。素子基板１０２の形状は、大きなシリコンウェハーからカットして切り出すので、製作上の効率から、四角形が一般的である。本実施形態では、筐体１００が、四角柱形状をなし、チップ１０２の外形と同様に外形が四角形であるので、筐体１００の内側での無駄なスペースが発生し難く、超音波プローブ９９の外形をより小さくすることができる。

本実施形態では、第３の実施形態と組み合わせると、特に高い効果を得ることができる。素子基板１０２や回路基板４１０のサイズにも寄るが、素子基板１０２の外形の一回り大きなサイズの超音波プローブ９９を構成することができるので、望ましい。

尚、本実施形態では、超音波プローブ９９の外形形状を四角形で説明を行ったが、本発明はこれに限らない。その他の多角形や、多角形の角が丸くなった形状、楕円や、任意形状の筐体を用いて超音波プローブを構成することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、超音波プローブを支持する支持部材に関する。それ以外は、第１から第４の何れかの実施形態と同様である。図１３、図１４を用いて、第５の実施形態を説明する。

図１３に示すように、超音波プローブを支持する支持部材１９０には、超音波プローブの外形と同じ大きさの貫通孔１９１が、複数開けられている。超音波プローブは、それぞれの貫通孔１９１に差し込まれて、機械的に固定されている。第５の実施形態では、この支持部材１９０に開けられた貫通孔１９１の間隔がほぼ均一になるように配置されていることが特徴である。本実施形態では、支持部材１９０が有する貫通孔１９１が均一に配置されている。言い換えると支持部１９０材の穴１９１間の残っている部材の厚さが均一になっており、支持部材１９０の強度が一部的に弱い部分が無く、全体的に均一で強度を高くすることができる。超音波プローブを高密度に配置すると、隣接する貫通孔１９１間の間隔が狭くなり強度の低下が発生しやすく、且つ支持すべきプローブの本数を増えるため、高い強度が必要とされる。本実施形態では、支持部材１９０の強度が高いため、静電容量型トランスデューサ素子の座標がずれることなく、正確な光音響信号（または、超音波信号）を受信することができるので、高画質な被検体情報、または画像を取得することができる。

また、本実施形態では、支持部材１９０が有する貫通孔１９１は均一に配置されており、貫通孔に挿入固定する超音波プローブ９９の外形中心から素子（エレメント）１０１の中心はオフセットを有しているため、図１４に示すように、すべての座標情報を記録している座標記録手段１２０を有している。各静電容量型トランスデューサ素子の受信信号４２０に加えて、座標記録手段１２０からの素子座標情報４２１が、被検体の画像生成手段に入力される。画像生成手段では、受信回路４０２（または、送受信回路４０３）により、検出された各素子の受信信号４２０に対して、素子位置の情報を補正して、画像の再構成をすることができるため、支持部材が均一に貫通孔を備えた構成で、正確に被検体の情報を取得することができる。

以上のように、本実施形態では、支持部材１９０の有する貫通孔１９１が均一に配置され、素子の各座標を記録した座標記録手段１２０を有しており、受信信号と共に素子座標情報４２１を補正情報として出力することができる。そのため、正確な被検体情報を取得できる超音波ユニットを提供することができる。

尚、本実施形態では、超音波プローブに１つの座標記録手段１２０を備えている構成について説明した。しかし、本発明では、各超音波プローブ９９が座標記録手段１２０を有する構成とすることができる。また、本発明はこの構成に限らず、超音波プローブを接続する被検体情報取得装置が、座標記録手段１２０を有している構成とすることもできる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、各静電容量型トランスデューサプローブを構成する筐体１００内に配された素子１０１のオフセット（ずれ）の向きに関する。それ以外は、第１から第５のいずれかの実施形態と同様である。図１５を用いて、第６の実施形態を説明する。図１５は、本実施形態での筐体１００と、ＣＭＵＴ素子１０１の位置関係を説明するために、超音波プローブの一部を拡大した模式的な図である。

第６の実施形態は、各筐体１００の中心に対して、ＣＭＵＴ素子１０１の中心がずれている（オフセットしている）方向が、プローブ毎に異なる方向となっていることが特徴である。ＣＭＵＴ素子１０１間隔が均一であると、ＣＭＵＴ素子１０１間隔に起因する偽信号（アーチファクト）が発生しやすくなる。本実施形態では、ＣＭＵＴ素子１０１間隔が素子間毎にバラバラであるので、発生する偽信号（アーチファクト）も素子毎に一定のものでは無く、全体としてはアーチファクト（偽信号）を低減させることができる。

本実施形態によると、単素子を備えたＣＭＵＴプローブを半球状の支持部材に高密度に配置し、アーチファクトの発生を低減した超音波ユニットを提供することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、各静電容量型トランスデューサプローブを構成する筐体１００内に配されたＣＭＵＴ素子１０１のオフセットの向きに関する。それ以外は、第１から第５のいずれかの実施形態と同様である。図１６、図１７を用いて、第７の実施形態を説明する。

図１６は、本実施形態の超音波プローブを被検体側から見た平面図である。図１６示すように、各トランスデューサプローブを構成する筐体１００内に配されたＣＭＵＴ素子１０１が、半球形状をなす支持部材１９０（お椀形状）に固定されるに際して、被検体と逆側の方向にずれた（オフセットを有した）配置となっていることが特徴である。半球状のお椀は、被検体と逆側の方向（言い換えると、お椀の深さ方向、図１６においては、紙面で円の中心方向、奥行き方向）に行くにしたがって、細る（言い換えると、素子間隔が狭くなる）構造となっている。そのため、同じ間隔でＣＭＵＴ素子（エレメント）１０１を配置しても、お椀の深さ方向に行くほど、同じ深さに１周分配置できるＣＭＵＴ素子数が少なくなる。よって、お椀の深さ方向が深くなる程、トランスデューサプローブをより小型にする必要がある。本実施形態では、各筐体１００の中心に対して、ＣＭＵＴ素子１０１の中心が、お椀の深さ方向にずれている（オフセットしている）ので、隣同士のＣＭＵＴ素子（エレメント）１０１の間隔を狭くすることができる。

また、本実施形態では、各筐体１００の外形の中心に対して、図１７の断面の模式図に示すように、ＣＭＵＴ素子１０１の中心が、お椀の被検体と逆側にオフセットされて配置されている。超音波プローブについては、素子基板の１０２の周りを筐体１００で囲んでおり、筐体１００が素子基板１０２に対して、被検体側に飛び出している構成となる場合がある。ここで、被検体からの光音響波４３０は、お椀形状支持部材の中央付近からＣＭＵＴ素子（エレメント）１０１に到達する。本実施形態の構成では、ＣＭＵＴ素子１０１の中心が、お椀の被検体と逆側にオフセットしているので、筐体１００が素子基板１０２に対して、被検体側に飛び出している構成であっても、光音響信号４３０が突起により散乱され、ＣＭＵＴ素子（エレメント）１０１に到達する光音響信号が影響をより受け難くなる。

（第８の実施形態）
第１から第７の何れかの実施形態に記載の超音波トランスデューサは、光音響効果を利用した光音響波（超音波）の受信に用いることができ、それを備えた被検体情報取得装置に適用することができる。

図１８は、本実施形態の被検体情報取得装置を説明する模式図である。図１８において、８００は被検体、８０１は媒質、９９はＣＭＵＴプローブ、８０３は画像情報生成装置（信号処理ユニット）である。８０４は画像表示器、８０５は光７０２を照射する光源ユニットであり、７０１は発光指示信号である。７０３は光７０２の照射により発生した音響波（超音波）、７０４は光音響波受信信号であり、７０５は光音響信号による再現画像情報である。

発光指示信号７０１に基づいて、光源８０５から光７０２（パルス光）を発生させることにより、被検体８００に光７０２を照射する。測定対象物８００では光７０２の照射により光音響波（超音波）７０３が発生し、この超音波７０３を複数のＣＭＵＴプローブ９９で受信する。被検体８００との間には、気泡による音響波（超音波）の減衰を避けるために、媒質８０１が充填されている。受信信号の大きさや形状、時間の情報が光音響波の受信信号７０４として、信号処理部である画像情報生成装置８０３に送られる。一方、光源８０５で発生させた光７０２の大きさや形状、時間の情報（発光情報）が、光音響信号の画像情報生成装置８０３に記憶される。光音響信号の画像情報生成装置８０３では、光音響波受信信号７０４と発光情報を基に被検体８００の画像信号を生成して、光音響信号による再現画像情報７０５として出力する。画像表示器８０４では、光音響信号による再現画像情報７０５を基に、被検体８００を画像として表示する。

本実施形態によると、本発明の超音波プローブはＣＭＵＴ素子を高密度に配置することができるので、アーチファクト（偽信号）の発生が少なく、高品質な被検体情報を生成できる被検体情報取得装置を提供することができる。

（第９の実施形態）
第１から第７の何れかの実施形態に記載の超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）は、第８の実施形態で述べた光音響イメージングに加え、超音波の送受信を利用した超音波イメージングに用いることができ、それを備えた被検体情報取得装置に適用することができる。その際、図１９で示すように、受信回路４０２の代わりに、受信機能に加えて、ＣＭＵＴに送信信号を与える機能も付加された送受信回路４０３を用いる必要がある。

図１９において、７０４は光音響波、及び超音波の受信信号、７０６は超音波送信情報、７０７は送信の超音波であり、７０８は反射した超音波、７０９は超音波イメージングの再現画像情報である。

ＣＭＵＴプローブ９９は、送受信素子であるＣＭＵＴのエレメントを複数のアレイ状に並べたもので構成されている。ＣＭＵＴプローブ９９から被検体８００に向かって出力された超音波７０７は、被検体８００の表面でその界面での固有音響インピーダンスの差により、反射する。反射した超音波７０８は、ＣＭＵＴプローブ９９で受信され、受信信号の大きさや形状、時間の情報が超音波受信信号７０６として画像情報生成装置８０３に送られる。一方、ＣＭＵＴプローブ９９に印加した、送信超音波の大きさや形状、時間の情報が、画像情報生成装置８０３に送られている。画像情報生成装置８０３では、超音波受信信号７０４と超音波送信情報７０４を基に、測定対象８００の画像信号を生成して再現画像情報７０９として送り、画像表示器８０４で表示される。

本実施形態によると、本発明の超音波プローブはＣＭＵＴ素子を高密度に配置することができるので、アーチファクト（偽信号）の発生が少なく、高品質な被検体情報を生成できる被検体情報取得装置を提供することができる。更に、本実施形態の超音波プローブを用いると、光音響イメージングと超音波イメージングという、異なる被検体情報を取得することができるため、より詳細に被検体の情報を得ることができ、情報量の多い被検体画像を生成することができる。更に、同じ超音波トランスデューサを用いて、光音響波の受信と、超音波の送受信を行うため、それぞれで取得した被検体情報が、ほとんど座標ずれのない情報として取得することができる。そのため、それぞれの被検体画像を重ね合わせた時にズレの少ない画像を表示することができる。尚、本明細書中の実施形態では、第１の電極１０２に直流電圧発生手段４０１を、第２の電極１０３を受信回路４０２に接続して説明しているが、本発明はこの形態に限らない。第１の電極１０２に受信回路４０２を、第２の電極１０３を直流電圧発生手段４０１に接続した構成にも同様に用いることができる。

９９ 超音波プローブ
１００ 筺体
１０１ 素子
１０２ 素子基板
１０３ 電気接続部

Claims (24)

1. 超音波を少なくとも受信または送信するための振動部を備えた素子と、前記振動部を構成する振動面に対して垂直方向に延伸し前記素子を保持する筺体と、を有する超音波プローブであって、前記素子の前記振動面の面内方向における中心が前記筺体の中心からずれて配されていることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記素子は、一対の電極の一方に振動膜を配したセル構造を有する静電容量型トランスデューサであることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記静電容量型トランスデューサは、複数の前記セルを有して構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記素子は、圧電素子を用いたトランスデューサであることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
5. 前記素子に接続された電気接続部と、前記素子とを、前記振動面と平行な方向に保持する素子基板を有することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波プローブ。
6. 前記電気接続部は、フレキシブルプリント配線との電気接続部であることを特徴とする請求項５に記載の超音波プローブ。
7. 前記フレキシブルプリント配線は、前記素子基板に対して略垂直に折り曲げられて配されていることを特徴とする請求項６に記載の超音波プローブ。
8. 前記電気接続部に接続された回路基板を、前記素子基板の素子が保持された面の裏側に有することを特徴とする請求項５から７の何れか１項に記載の超音波プローブ。
9. 前記回路基板は、前記素子基板に略垂直に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の超音波プローブ。
10. 前記素子の中心は、前記筺体の中心から３００μｍから５ｍｍの範囲でずれて配されていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の超音波プローブ。
11. 前記素子の中心は、前記筺体の中心から５００μｍから４ｍｍの範囲でずれて配されていることを特徴とする請求項１０に記載の超音波プローブ。
12. 前記素子の中心は、前記筺体の中心から７００μｍから２ｍｍの範囲でずれて配されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波プローブ。
13. 前記筺体が柱状をなすことを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載の超音波プローブ。
14. 前記筺体は円筒状をなし、該円筒状筺体の直径が５ｍｍから１５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１３に記載の超音波プローブ。
15. 前記円筒状筺体の直径が６ｍｍから１２ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１４に記載の超音波プローブ。
16. 前記円筒状筺体の直径が７ｍｍから１０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１５に記載の超音波プローブ。
17. 前記筺体は四角柱形状をなすことを特徴とする請求項１３に記載の超音波プローブ。
18. 前記請求項１から１７の何れか１項の超音波プローブの複数を配置して支持する支持部材を有する超音波ユニット。
19. 前記支持部材は、凹部を備えた半球状をなすことを特徴とする請求項１８に記載の超音波ユニット。
20. 前記半球の半径は、１００ｍｍから１５０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１９に記載の超音波ユニット。
21. 前記半球の半径は、１１０ｍｍから１３０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項２０に記載の超音波ユニット。
22. 前記支持部材に被検体に光を照射するための光照射部を有することを特徴とする請求項１８から２１の何れか１項に記載の超音波ユニット。
23. 請求項１８から２２の何れか１項に記載の超音波ユニットと、光源ユニットと、信号処理ユニットと、を有し、被検体からの音響波を受信して前記被検体の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
24. 請求項１８から２２の何れか１項に記載の超音波ユニットと、信号処理ユニットと、を有し、前記超音波プローブより送信された超音波を被検体に照射し、前記被検体からの音響波を受信して前記被検体の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。

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