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技術 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

出願人 キヤノン株式会社
発明者 香取篤史
出願日 2016年12月7日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2016-237688
公開日 2018年6月14日 (3年4ヶ月経過) 公開番号 2018-093449
状態 拒絶査定
技術分野 超音波診断装置 超音波変換器
主要キーワード 筒状筐体 素子座 画像情報生成装置 フレキコネクタ 固有音響インピーダンス 電極距離 筺体外 座標ずれ
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図面 (20)

課題

素子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

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。

概要

背景

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。

概要

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。 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。

目的

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

効果

実績

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請求項1

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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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

請求項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。

技術分野

0001

本発明は、超音波などの音響波送受信(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。

背景技術

0002

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。

0003

特表2001−507952号公報
特開2015−177907号公報

先行技術

0004

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.

発明が解決しようとする課題

0005

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。

0006

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。

0007

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。

課題を解決するための手段

0008

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。

発明の効果

0009

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。

図面の簡単な説明

0010

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。

実施例

0011

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。

0012

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トランスデューサを排除するものではない。

0013

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。

0014

(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。

0015

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。

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

本実施形態では、静電容量型受信素子(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。

0038

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。

0039

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。

0040

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。

0041

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。

0042

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。

0043

(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。

0044

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。

0045

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。

0046

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。

0047

(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。

0048

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。

0049

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。

0050

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。

0051

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。

0052

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。

0053

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。

0054

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。

0055

(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。

0056

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。

0057

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。

0058

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。

0059

(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。

0060

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、高画質被検体情報、または画像を取得することができる。

0061

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。

0062

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。

0063

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。

0064

(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。

0065

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。

0066

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。

0067

(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。

0068

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。

0069

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。

0070

(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。

0071

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。

0072

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。

0073

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。

0074

(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。

0075

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。

0076

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。

0077

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。

0078

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

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  • トモウェーブラボラトリーズ,インク.の「 定量的撮像システムおよびその使用」が 公開されました。( 2021/08/19)

    【課題・解決手段】本明細書において提供されるのは、定量的トモグラフィーのためのシステム、および組織領域、例えば被験体の乳房を画像化するためのレーザー光音響超音波撮像システム・アセンブリー(LOUISA... 詳細

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