專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲波探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波探頭，其用于通過(guò)接觸生物體等的被檢測(cè)體并發(fā)送超 聲波來(lái)得到被檢測(cè)體的診斷信息。
背景技術(shù)：
超聲波診斷裝置對(duì)人或動(dòng)物等生物體的被檢測(cè)體內(nèi)照射超聲波，檢測(cè)在
被檢測(cè)體內(nèi)反射的回聲(echo),并將生物體內(nèi)組織的斷層圖像 (cross-sectional image)等顯示在顯示屏，由此提供被檢測(cè)體的診斷所需的 信息。此時(shí)，超聲波診斷裝置利用超聲波探頭向被檢測(cè)體內(nèi)發(fā)送超聲波、以 及接收來(lái)自被檢測(cè)體內(nèi)的反射回聲。
圖1表示一例這樣的超聲波探頭。在圖1中，超聲波探頭10包括多 個(gè)壓電元件11，其被排列在一個(gè)方向(X方向)，以便在與被檢測(cè)體(未圖 示)之間發(fā)送接收超聲波；聲匹配層12 ( 12a和12b)，其由設(shè)置在壓電元件 11的被檢測(cè)體一側(cè)的前面(同圖的上方)的一層以上(同圖為兩層)構(gòu)成； 傳播介質(zhì)13，其設(shè)置在該聲匹配層12的被檢測(cè)體一側(cè)表面；以及背面承載 部件14，設(shè)置在相對(duì)于壓電元件11與聲匹配層12相反一側(cè)即背面。壓電元 件11的前面與背面分別配置有未圖示的電極。電信號(hào)通過(guò)該電極以及電氣 端子15提供給壓電元件11。壓電元件11從聲匹配層12—側(cè)形成多個(gè)槽， 并相對(duì)于與排列方向(X方向)正交的一個(gè)方向(Y方向)形成為凹面形狀 (例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)l)。 '
壓電元件11由PZT (Piezoelectric Transducer,壓電換能器)系等的壓 電陶覺(jué)或壓電單晶體等形成，壓電元件11將所印加的電壓變換為超聲波而 發(fā)送到被檢測(cè)體內(nèi)，接收在被檢測(cè)體內(nèi)反射了的回聲，并將其變換為電信號(hào)。 在圖示的例子中，多個(gè)壓電元件11被排列在X方向。通過(guò)這樣多個(gè)地排列 壓電元件11,能夠?qū)Τ暡ㄒ噪娮臃绞竭M(jìn)行掃描并使超聲波偏轉(zhuǎn)或者匯聚 (focusing),可進(jìn)行所謂電子掃描。
聲匹配層12用于高效地對(duì)被檢測(cè)體內(nèi)發(fā)送接收超聲波而被設(shè)置。更具體而言，聲匹配層12用于將壓電元件11的聲阻抗呈階梯狀地接近祐j企測(cè)體 的聲阻抗。
在圖示的例子中，因?yàn)閷弘娫?1以及聲匹配層12相對(duì)于被4企測(cè)體 一側(cè)形成為凹面形狀，所以具有匯聚超聲波束的功能，但是形狀呈凹面則與 被檢測(cè)體之間不能充分地貼緊，因此采用設(shè)置了傳播介質(zhì)13的結(jié)構(gòu)，該傳
播介質(zhì)13也包含解決該問(wèn)題的功效。傳播介質(zhì)13為選項(xiàng)構(gòu)件，根據(jù)需要而設(shè)置。
背面承載部件14與壓電元件11結(jié)合，并保持其，進(jìn)而用于衰減無(wú)用的
超聲波。另外，在本說(shuō)明書(shū)中，還將圖的x方向稱(chēng)為"(壓電元件的)排列
方向"，將Y方向稱(chēng)為"(壓電元件的)寬度方向"，將Z方向稱(chēng)為"(壓電 元件的)厚度方向"。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)乇砥?-506227號(hào)公報(bào)
電子掃描型的超聲波診斷裝置使多個(gè)排列的壓電元件成為任意的群體， 對(duì)每個(gè)壓電元件給予一定的延遲時(shí)間而驅(qū)動(dòng)它們，并進(jìn)行從壓電元件到被檢 測(cè)體內(nèi)的超聲波的發(fā)送和接收。通過(guò)給予這樣的延遲時(shí)間，超聲波束被匯聚 或者擴(kuò)散，從而能夠得到廣視野寬度或者高分辨率的超聲波圖像。該結(jié)構(gòu)作 為通常的系統(tǒng)已為人所知。近年來(lái)，采取利用相對(duì)于基本頻率的2次或者3 次的高次諧波頻率分量來(lái)提高超聲波診斷裝置的診斷圖像的分辨率的方式， 因此超聲波探頭的高靈敏度和擴(kuò)展頻寬至關(guān)重要。作為擴(kuò)展頻寬的一個(gè)方 法，專(zhuān)利文獻(xiàn)1所示的壓電元件的方法是使用將壓電陶瓷與高分子進(jìn)行復(fù)合 的復(fù)合壓電體。另外，作為提高靈敏度的一個(gè)方法，具有降低硅橡膠等聲透 鏡的衰減的方法，作為該方法，如專(zhuān)利文獻(xiàn)l所示那樣，使壓電元件呈凹面 的形狀，并在該凹面部設(shè)置衰減較小的聚氨酯高分子(polyurethane polymer ) 等。
但是，在這樣的以往的結(jié)構(gòu)中，從所排列的壓電元件11的電極引出的 電氣端子15只與壓電元件11的電極的一部分連接，因此如果壓電元件11 因機(jī)械式?jīng)_擊而裂損，則與電氣端子15之間的連接有時(shí)會(huì)斷線(xiàn)，從而在可 靠性(質(zhì)量)上存在問(wèn)題。而且，在上述以往的結(jié)構(gòu)中，采用設(shè)置壓電陶瓷 與高分子的復(fù)合壓電體以及兩層的聲匹配層并使它們分別呈凹面形狀，因此 可使用的材料限定為柔軟的材料，并且頻寬的擴(kuò)展受到限制。另外，要在該 結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步擴(kuò)展頻寬時(shí)，也可考慮在復(fù)合壓電體中減少壓電陶瓷所占的比例而降低聲阻抗的方法，但是在該情況下，復(fù)合壓電體的電容率變小，作為 結(jié)果電阻抗會(huì)變大，從而出現(xiàn)靈敏度降低的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高質(zhì)量、能夠得到高靈敏度且寬頻帶的特 性、并能夠得到高分辨率的超聲波圖像的超聲波探頭。
本發(fā)明的超聲波探頭，采用的結(jié)構(gòu)包括壓電元件，其在規(guī)定的方向被 排列多個(gè)，在用于發(fā)送接收超聲波的兩面設(shè)置有電極；至少兩層以上的聲匹 配層，其設(shè)置在所述壓電元件的一個(gè)面上；其多個(gè)第一槽，設(shè)置在所述壓電
件；信號(hào)用導(dǎo)體，其設(shè)置在與所述壓電元件的所述一個(gè)面相反一側(cè)的面上； 以及多個(gè)第二槽，其在所述壓電元件的排列方向分離所述兩層以上的聲匹配 層中的至少所述第一聲匹配層、所迷壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體，其中， 所述聲匹配層、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體在所述壓電元件的長(zhǎng)度方 向形成為曲面形狀。
本發(fā)明的超聲波探頭，采用的結(jié)構(gòu)包括壓電元件，其在規(guī)定的方向被 排列多個(gè)，在用于發(fā)送接收超聲波的兩面設(shè)置有電極；至少兩層以上的聲匹 配層，其設(shè)置在所述壓電元件的一個(gè)面上；多個(gè)第一槽，其從與所述聲匹配 層的一側(cè)相反的一側(cè)，設(shè)置在所述壓電元件以及所述兩層以上的聲匹配層中 的至少所述壓電元件上的第一聲匹配層，并在與所述壓電元件的排列方向正 交的長(zhǎng)度方向至少分割所述壓電元件；其信號(hào)用導(dǎo)體，設(shè)置在與所述壓電元 件的所述一個(gè)面相反一側(cè)的面上；背面承載部件，其用于支承所述聲匹配層、 所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體；以及多個(gè)第二槽，其在所述壓電元件的 排列方向分離所述兩層以上的聲匹配層中的至少所述第一聲匹配層、所述壓 電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體，其中，所述聲匹配層、所述壓電元件以及所述 信號(hào)用導(dǎo)體在所述壓電元件的長(zhǎng)度方向形成為曲面形狀。
本發(fā)明的超聲波探頭，采用的結(jié)構(gòu)包括壓電元件，其在規(guī)定的方向被 排列多個(gè)，在用于發(fā)送接收超聲波的兩面設(shè)置有電極；第一聲匹配層，其設(shè) 置在所述壓電元件的一個(gè)面上；其接地用導(dǎo)體，設(shè)置在所述第一聲匹配層上； 第二聲匹配層，其設(shè)置在所述接地用導(dǎo)體上；多個(gè)第一槽，其設(shè)置在所述壓電元件以及至少所述第一聲匹配層，并在與所述壓電元件的排列方向正交的 長(zhǎng)度方向至少分割所述壓電元件；信號(hào)用導(dǎo)體，其"&置在與所述壓電元件的 所述一個(gè)面相反一側(cè)的面上；背面承載部件，其用于支承所述兩層的聲匹配
層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體；以及多個(gè)第二槽， 其在所述壓電元件的排列方向分離所述兩層的聲匹配層中的至少所述第一 聲匹配層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體，其中，所 述兩層的聲匹配層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體在 所述壓電元件的長(zhǎng)度方向形成為曲面形狀。
本發(fā)明的超聲波探頭，采用的結(jié)構(gòu)包括壓電元件，其在規(guī)定的方向被 排列多個(gè)，在用于發(fā)送接收超聲波的兩面設(shè)置有電極；第一聲匹配層，其設(shè) 置在所述壓電元件的一個(gè)面上；接地用導(dǎo)體，其設(shè)置在所述第一聲匹配層上； 第二聲匹配層，其設(shè)置在所述接地用導(dǎo)體上；第三聲匹配層，其設(shè)置在所述 第二聲匹配層上；多個(gè)第一槽，其設(shè)置在所述壓電元件以及至少所述第一聲
元件；信號(hào)用導(dǎo)體，其設(shè)置在與所述壓電元件的所述一個(gè)面相反一側(cè)的面上； 背面承載部件，其用于支承所述三層的聲匹配層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓 電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體；以及，多個(gè)第二槽，其在所迷壓電元件的排列 方向分離所述三層的聲匹配層中的至少所述第一聲匹配層、所述接地用導(dǎo) 體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體，其中，所述三層的聲匹配層、所述 接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體在所述壓電元件的長(zhǎng)度方向 形成為曲面形狀。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提高質(zhì)量，能夠得到高靈敏度且寬頻帶的特性，并能 夠得到高分辨率的超聲波圖像。
也就是i兌，相對(duì)壓電元件以及第一聲匹配層，在與壓電元件的排列方向 (X方向)正交的長(zhǎng)度方向(Y方向)設(shè)置多個(gè)槽，并且在壓電元件的厚度 方向(Z方向)背面設(shè)置信號(hào)用導(dǎo)體，在Y方向?qū)⒙暺ヅ鋵?、壓電元件以?信號(hào)用導(dǎo)體形成為曲面形狀，從而能夠得到高可靠性、高靈敏度、頻寬的擴(kuò) 展以及高分辨率。


圖1是表示一例以往的超聲波探頭的結(jié)構(gòu)的概況的立體圖。圖2A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的超聲波探頭的部分概況的立體圖。-
圖2B是表示從X方向觀察圖2A所示的超聲波探頭的概況的剖面圖。 圖3A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的超聲波探頭的部分概況的立體圖。 圖3B是從X方向觀察圖3A所示的超聲波探頭的概況的剖面圖。 圖4A是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的超聲波探頭的部分概況的立體圖。 圖4B是從X方向觀察圖4A所示的超聲波探頭的概況的剖面圖。 圖5是表示實(shí)施方式3中的第三聲匹配層材料的聲速與方向性角度之間 的關(guān)系的圖。
圖6A為表示本發(fā)明的實(shí)施方式4的超聲波探頭的部分概況的立體圖。 圖6B為從X方向觀察圖6A所示的超聲波探頭的概況的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖詳細(xì)i兌明本發(fā)明的實(shí)施方式。 (實(shí)施方式1 )
圖2A為表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的超聲波探頭的部分概況的立體圖。 圖2B為從X方向觀察圖2A所示的超聲波探頭的概況的剖面圖。
圖2A以及圖2B所示的超聲波探頭100包括排列在一個(gè)方向(X方 向)的多個(gè)壓電元件110;相對(duì)于各個(gè)壓電元件110配置在被檢測(cè)體一側(cè)(同 圖的上方)的厚度方向(Z方向)前面的兩層聲匹配層120 ( 121和122); 根據(jù)需要相對(duì)于壓電元件110配置在與聲匹配層120 ( 121和122) —側(cè)相反 的一側(cè)的厚度方向(Z方向)背面(同圖的下方)的背面承載部件140;以 及根據(jù)需要配置在聲匹配層120 ( 121和122)上的傳播介質(zhì)130。這些各個(gè) 結(jié)構(gòu)元件的各自的功能與在圖1所示的以往技術(shù)中所說(shuō)明的同樣。
壓電元件110的厚度方向(Z方向)的前面設(shè)置有接地電極(未圖示)， 背面設(shè)置有信號(hào)用電極(未圖示)。通過(guò)蒸鍍或者陰極濺鍍(sputtering)金 或者銀、或者焊接銀等分別在壓電元件110的前面以及背面形成兩個(gè)電極。
以下，進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明超聲波探頭100的結(jié)構(gòu)。
使用像PZT系那樣的壓電陶瓷、PZN-PT、 PMN-PT系那樣的壓電單晶 體等材料形成壓電元件110。第一聲匹配層121以及第二聲匹配層122設(shè)置 在接地電極(未圖示)一側(cè)，所述接地電極設(shè)置在這樣的材料的壓電元件U0。 作為本發(fā)明的第一槽的多個(gè)槽160,從壓電元件110的、與設(shè)置了第一聲匹配層121 —側(cè)相反的一側(cè)的面、沿著X方向設(shè)置在壓電元件110以及第一聲
匹配層121。該槽160利用例如切割機(jī)(dicing machine)等裝置來(lái)設(shè)置。該槽 160貫穿壓電元件110的Z方向的兩面(前面和背面)，將壓電元件110完全 分割，但是對(duì)于第一聲匹配層121只貫穿Z方向的兩面中的一個(gè)面。也就是 說(shuō)，對(duì)于第一聲匹配層121，槽160從壓電元件110—側(cè)的面以保留與壓電 元件110 —側(cè)相反的一側(cè)的部分的一部分的方式而^皮設(shè)置。
這里，保留第一聲匹配層121的一部分的理由是為了只在Y方向的一端 進(jìn)行來(lái)自所分割的壓電元件110的接地電極的電氣端子(未圖示)的取出。 根據(jù)該理由，第一聲匹配層121需要為電導(dǎo)體。因此，第一聲匹配層121使 用例如石墨(graphite )、或者將金屬的粉體填充到高分子而制成的導(dǎo)體(例 如導(dǎo)電性粘結(jié)劑等)的材料較好。當(dāng)然，對(duì)于第一聲匹配層121而言，聲阻 抗的值需要具有壓電元件110與被檢測(cè)體(生物體)之間的值。
另外，設(shè)置在壓電元件110以及第一聲匹配層121的槽160的間隔既可 以為等間隔也可以為隨機(jī)的間隔。但是，壓電元件110的材料例如PZT系的 壓電陶資除了所使用的厚度縱向振動(dòng)模式(axial vibration mode )以夕卜，還產(chǎn) 生不必要的4黃向振動(dòng)才莫式(amplitude vibration mode ),而該4黃向振動(dòng)4莫式對(duì) 頻率特性等產(chǎn)生不良影響。因此，需要預(yù)先使壓電陶瓷的寬度變窄，也就是 使槽160的間隔變窄，以使橫向振動(dòng)模式的頻率落于所使用的頻域之外。
另外，使用PZT系的壓電陶瓷形成壓電元件110，在該壓電元件110設(shè) 置槽160,并在該槽160中填充環(huán)氧(epoxide)樹(shù)脂或者尿烷(urethane ) 樹(shù)脂等的高分子材料，由此壓電元件110具有復(fù)合了壓電陶瓷與高分子材料 的復(fù)合壓電體的功能。也就是說(shuō)，對(duì)于壓電元件110而言，通過(guò)將聲阻抗較 小的高分子材料填充到槽160的部分，能夠使聲阻抗小于壓電陶瓷，從而能 夠接近被檢測(cè)體的聲阻抗。由此，能夠擴(kuò)展頻寬。對(duì)于該復(fù)合壓電體而言， 能夠通過(guò)改變壓電陶瓷與高分子材料的體積比例來(lái)改變聲阻抗的值。
另一方面，對(duì)于復(fù)合壓電體的電容率而言，與壓電陶瓷的電容率相比高
分子材料的電容率極小，因此若減小壓電陶瓷的體積比例，則作為復(fù)合壓電
體的電容率變小而電阻抗變大。其結(jié)果，與所連接的超聲波診斷裝置主機(jī)或
者電纜(cable)發(fā)生不匹配，并影響靈敏度使其下降。因此，復(fù)合壓電體的
壓電陶乾的體積比例通常使用50 ~ 75%的范圍。
另外，第一聲匹配層121也與壓電元件110同樣地設(shè)置槽160，并將高分子材料填充到該槽160中，所以其成為復(fù)合體，聲阻抗發(fā)生變化(降低)。
因此，需要考慮該降低的部分而選擇第一聲匹配層121的材料。
在將高分子材料(例如環(huán)氧樹(shù)脂)填充到所分割的壓電元件110以及第 一聲匹配層121的槽160時(shí)，將用于信號(hào)的電氣端子(以下稱(chēng)為"信號(hào)用導(dǎo) 體")150按壓在形成為曲面形狀的背面承載部件140，同時(shí)包含壓電元件 110、第一聲匹配層121以及第二聲匹配層122也形成為曲面形狀。
另外，雖然在本實(shí)施方式中，如圖2A以及圖2B所示那樣，將背面承 載部件140、壓電元件110、第一聲匹配層121以及第二聲匹配層122相對(duì) 于被檢測(cè)體一側(cè)，形成為凹面的曲面形狀而使超聲波匯聚，但是曲面形狀并 不只限于此。例如，也可以呈使超聲波擴(kuò)散的凸面形狀。
這里，壓電陶瓷的壓電元件110、以及使用石墨或者將金屬的粉體填充 到石墨等的材料的第一聲匹配層121原本不具有可形成為曲面的柔軟性，為 了形成曲面，需要預(yù)先準(zhǔn)備事先加工成曲面形狀的壓電元件110以及第一聲 匹配層121，但它們很難高精度地形成。因此，通過(guò)設(shè)置槽160可形成曲面 為本實(shí)施方式的一個(gè)要點(diǎn)(point)。另外，在第二聲匹配層122使用環(huán)氧樹(shù) 脂或聚酰亞胺等可形成曲面的、具有柔軟性的高分子薄膜(film)較好。
另外，對(duì)于信號(hào)用導(dǎo)體150而言，以不對(duì)設(shè)置壓電元件110的區(qū)域進(jìn)行 印刻(patterning)的整面導(dǎo)體構(gòu)成，只對(duì)在壓電元件IIO的Y方向的兩側(cè)引 出部分進(jìn)行印刻而構(gòu)成較好。另外，信號(hào)用導(dǎo)體150使用像銅那樣的金屬材 料，厚度為10微米(jam)左右較好。另外，在單獨(dú)使用銅等金屬導(dǎo)體則 強(qiáng)度較弱的情況下，也可以采用設(shè)置了 10~25微米(ym)左右的厚度的 聚酰亞胺薄膜的結(jié)構(gòu)。像這樣的信號(hào)用導(dǎo)體150因?yàn)榫哂腥彳浶?，所以即?設(shè)置槽160而分割了的壓電元件110的信號(hào)用電極呈曲面形狀也能夠與其良 好地貼緊而取得電導(dǎo)通。另外，通過(guò)利用這樣的信號(hào)用導(dǎo)體150，即使壓電 元件110裂損，信號(hào)用導(dǎo)體150也因?yàn)榫哂腥彳浶远粫?huì)斷線(xiàn)，可靠性(質(zhì) 量)4是高。其與專(zhuān)利文獻(xiàn)1所示那樣將電氣端子只與壓電元件的電極的一部 分連接的結(jié)構(gòu)相比，能夠解決由于來(lái)自外部的機(jī)械式?jīng)_擊壓電元件裂損而電 極破裂發(fā)生斷線(xiàn)等問(wèn)題。
用于形成曲面的曲率可根據(jù)將超聲波的焦點(diǎn)距離設(shè)定于何處而改變。另 外，要形成的曲面既可以為具有單一的曲率半徑的曲面，也可以為對(duì)于圖2A 以及圖2B的Y方向逐漸改變曲率半徑的曲面。聲匹配層120 (第一聲匹配層121和第二聲匹配層122)、壓電元件110 以及信號(hào)用導(dǎo)體150由作為本發(fā)明的第二槽的多個(gè)分割槽180分割為多個(gè)壓 電元件列。也就是說(shuō)，在本實(shí)施方式中，將信號(hào)用導(dǎo)體150、壓電元件IIO、 第一聲匹配層121以及第二聲匹配層122按壓在形成為曲面形狀的背面承載 部件140，并將它們形成為曲面形狀后，在X方向(與Y方向正交的方向)， 沿著信號(hào)用導(dǎo)體150的圖案(pattern),通過(guò)上述多個(gè)分割槽180將第二聲匹 配層122、第一聲匹配層121、壓電元件110、信號(hào)用導(dǎo)體150以及背面承載 部件140的一部分分割為多個(gè)壓電元件列。該方向?yàn)殡娮訏呙璧姆较颉Ｔ诙?個(gè)分割槽180中填充硬度比填充到槽160的環(huán)氧樹(shù)脂那樣的材料低的硅橡膠 那樣的材料。
對(duì)于填充到槽160的材料而言，因?yàn)槭古帕性赮方向的多個(gè)壓電體(由 槽160分割的壓電元件IIO的各個(gè)部分)整體地以相同相位振動(dòng)，所以即使 振動(dòng)通過(guò)填充到槽160的環(huán)氧樹(shù)脂等填充材料漏出，Y方向的各個(gè)壓電體也 沒(méi)有問(wèn)題，因此槽160的填充材料也可以在硬度上較高。但是，對(duì)于在X方 向分割的多個(gè)壓電元件IIO列而言，通過(guò)信號(hào)用導(dǎo)體150將電信號(hào)提供給各 個(gè)壓電元件110時(shí)，為了分別施加延遲而對(duì)電信號(hào)進(jìn)行相位控制以使超聲波 偏轉(zhuǎn)或者匯聚，需要減少在壓電元件IIO之間的超聲波振動(dòng)的漏出。因此， 對(duì)于用于在X方向分割信號(hào)用導(dǎo)體150、壓電元件110、第一聲匹配層121 以及第二聲匹配層122的分割槽180的填充材料而言，需要使其為硬度比用 于在Y方向分割壓電元件110的槽160的填充材料低、振動(dòng)不易傳遞的材料。
另夕卜，壓電元件110 (更嚴(yán)密而言為每個(gè)壓電體)在圖2A以及圖2B的 X方向與Y方向被分別分割而呈柱狀，但是這兩個(gè)方向的分割間隔大致一致 較好。如上述那樣，壓電元件110的壓電陶瓷發(fā)生無(wú)用的橫向振動(dòng)模式，若 使壓電陶競(jìng)的寬度為在使用頻帶發(fā)生橫向振動(dòng)模式的寬度，則對(duì)所使用的頻 率特性產(chǎn)生不良影響(例如頻帶變窄)，因此需要使橫向振動(dòng)模式的頻率落 于使用頻帶外。這在X方向也相同。因此，通過(guò)^吏壓電元件110在X方向 的分割間隔與Y方向大致相同，能夠減低無(wú)用的橫向振動(dòng)模式的影響。
最后，傳播介質(zhì)130根據(jù)需要設(shè)置在第二聲匹配層122上。作為傳播介 質(zhì)130，使用聲阻抗具有接近生物體的值，并且超聲波衰減系數(shù)小的尿烷樹(shù) 脂或聚丁橡膠(butadiene rubber )、硅橡膠等較好。另外，在傳播介質(zhì)130 的聲速與生物體的聲速不同的情況下，超聲波在界面發(fā)生折射，因此需要同時(shí)考慮該折射，考慮第二聲匹配層122的曲面形狀而設(shè)定超聲波的焦點(diǎn)距離。
這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，采用以下的結(jié)構(gòu)設(shè)置槽160,并利用該槽將 壓電元件110以及第一聲匹配層121形成為曲面形狀，無(wú)需聲透鏡即可匯聚 超聲波，并且將信號(hào)用導(dǎo)體150設(shè)置在壓電元件110的信號(hào)用電極面上。因 此，能夠制作可得到高靈敏度且寬頻帶的頻率特性、并且可靠性高的結(jié)構(gòu)， 從而能夠得到質(zhì)量高且穩(wěn)定的超聲波探頭。另外，能夠匯聚超聲波束，還能 夠使超聲波束偏轉(zhuǎn)，因此能夠得到提供高靈敏度且分辨率較高的超聲波圖像 的超聲波探頭。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了將壓電元件110在X方向線(xiàn)性 (linear )地(平面地)排列的情形，但是X方向的排列的形狀并不只限于 此。例如，即使將壓電元件在X方向排列為凸面或者凹面的曲面形狀時(shí)，也 可以得到同樣的效果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了第一聲匹配層121使用導(dǎo)體的材料的 情形，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，即使以絕緣體與導(dǎo)體的復(fù)合體構(gòu)成 第一聲匹配層，并通過(guò)第一槽(槽160)在Y方向分割第一聲匹配層，將導(dǎo) 體設(shè)置在第一聲匹配層的一部分以使被分割的各個(gè)部分在Z方向可電導(dǎo)通 時(shí)，也能夠得到同樣的效果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了將壓電元件110以及聲匹配層120在 Y方向相對(duì)于被檢測(cè)體 一 側(cè)形成為凹面的曲面形狀的情形，但是曲面形狀并 不只限于此。例如，即使將壓電元件以及聲匹配層在Y方向相對(duì)于被檢測(cè)體 一側(cè)形成為凸面形狀時(shí)，或者不論是凹面還是凸面，使其成為具有單一的曲 率半徑的曲面或者使其成為具有逐漸改變曲率半徑的多個(gè)曲率半徑的曲面 時(shí)，也能夠得到同樣的效果。
另夕卜，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了壓電元件110以及聲匹配層120在Y 方向具有大致均一的厚度的情形，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，即使在 Y方向變化壓電元件以及聲匹配層的厚度的情況下，也能夠得到同樣的效 果。
(實(shí)施方式2)
實(shí)施方式2為將接地用導(dǎo)體設(shè)置在第一聲匹配層上來(lái)代替實(shí)施方式1中 的電氣端子(未圖示)的情形。
圖3A為表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的超聲波探頭的部分概況的立體圖。圖3B為從X方向觀察圖3A所示的超聲波探頭的概況的剖面圖。另外，該 超聲波探頭具有與圖2A以及圖2B所示的實(shí)施方式1所對(duì)應(yīng)的超聲波探頭 同樣的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)元件標(biāo)注相同的標(biāo)號(hào)。
圖3A以及圖3B所示的超聲波探頭200包括排列在一個(gè)方向(X方 向)的多個(gè)壓電元件110;相對(duì)于各個(gè)壓電元件110配置在被檢測(cè)體一側(cè)(同 圖的上方)的厚度方向(Z方向)前面的兩層聲匹配層120a ( 121a和122); 配置在該兩層聲匹配層120a ( 121a和122)之間的接地導(dǎo)體210;根據(jù)需要 相對(duì)于壓電元件110配置在與聲匹配層120a(121a和122)—側(cè)相反的一側(cè) 的厚度方向(Z方向)背面(同圖的下方)的背面承載部件140;以及，根 據(jù)需要配置在聲匹配層120a ( 121a和122)上的傳播介質(zhì)130。這些各個(gè)結(jié) 構(gòu)元件(除了接地導(dǎo)體210)的各自的功能與在圖l所示的以往技術(shù)中所說(shuō) 明的同樣。
壓電元件110的厚度方向(Z方向)的前面設(shè)置有接地電極(未圖示)， 背面設(shè)置有信號(hào)用電極(未圖示)。通過(guò)蒸鍍或者陰極濺鍍金或者銀、或者 焊接銀等分別在壓電元件110的前面以及背面形成兩個(gè)電極。
以下，進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明超聲波探頭200的結(jié)構(gòu)。
使用像PZT系那樣的壓電陶瓷、PZN-PT、 PMN-PT系那樣的壓電單晶 等材料形成壓電元件110。第一聲匹配層121、接地導(dǎo)體210以及第二聲匹 配層122設(shè)置在接地電極(未圖示) 一側(cè)，所述接地電極設(shè)置在這樣的材料 的壓電元件110。作為本發(fā)明的第一槽的多個(gè)槽160，沿著X方向設(shè)置在壓 電元件110以及第一聲匹配層121a。槽160利用例如切割機(jī)等裝置來(lái)設(shè)置。 在本實(shí)施方式中，該槽160貫穿壓電元件110以及第一聲匹配層121a的Z 方向的兩面，將壓電元件110以及第一聲匹配層121a分別完全分割。因此， 設(shè)置槽160的方向，無(wú)論從與壓電元件110的、設(shè)置了第一聲匹配層121a 的一側(cè)相反的一側(cè)的面，還是從與第一聲匹配層121a的、設(shè)置了壓電元件 110的一側(cè)相反的一側(cè)的面，從哪個(gè)面的一側(cè)設(shè)置都可以。也就是說(shuō)，設(shè)置 槽160的方向，因?yàn)榧词共粡膲弘娫?10—側(cè)而從第一聲匹配層121a — 側(cè)也可以使本結(jié)構(gòu)成立，因此從哪一側(cè)設(shè)置都可以。
另外，雖然在本實(shí)施方式中，槽160將壓電元件IIO以及第一聲匹配層-121a完全分割，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，也可以與實(shí)施方式l同樣 地，在第一聲匹配層121a保留一部分地設(shè)置槽。在該情況下，槽160從壓電元件110—側(cè):沒(méi)置。
另外，在本結(jié)構(gòu)中，利用接地導(dǎo)體210進(jìn)行來(lái)自所分割的壓電元件110 的接地電極的電氣端子的取出。因此，第一聲匹配層121a需要為電導(dǎo)體。 因此，第一聲匹配層121a使用例如石墨、或者將金屬的粉體填充到高分子 而制成的導(dǎo)體(例如導(dǎo)電性粘結(jié)劑等)的材料較好。當(dāng)然，對(duì)于第一聲匹配 層121a而言，聲阻抗的值需要具有壓電元件110與被4企測(cè)體(生物體)之 間的值。
另外，設(shè)置在壓電元件110以及第一聲匹配層121a的槽160的間隔既 可以為等間隔也可以為隨機(jī)的間隔。但是，壓電元件110的材料例如PZT 系的壓電陶瓷除了所使用的厚度縱向振動(dòng)模式以外，還產(chǎn)生不必要的橫向振 動(dòng)模式，而該橫向振動(dòng)模式對(duì)頻率特性等產(chǎn)生不良影響。因此，需要預(yù)先使 壓電陶瓷的寬度變窄，也就是槽160的間隔變窄，以使橫向振動(dòng)模式的頻率 落于所使用的頻域之外。
另夕卜，使用PZT系的壓電陶瓷形成壓電元件110,在該壓電元件110設(shè) 置槽160，并在該槽160填充環(huán)氧樹(shù)脂或者尿烷樹(shù)脂等的高分子材料，由此 壓電元件IIO具有復(fù)合了壓電陶瓷與高分子材料的復(fù)合壓電體的功能。也就 是說(shuō)，對(duì)于壓電元件110而言，通過(guò)將聲阻抗較小的高分子材料填充到槽160 的部分，能夠使聲阻抗小于壓電陶f(shuō):,從而能夠接近被檢測(cè)體的聲阻抗。由 此，能夠擴(kuò)展頻寬。對(duì)于該復(fù)合壓電體而言，能夠通過(guò)改變壓電陶瓷與高分 子材料的體積比例來(lái)改變聲阻抗的值。
另一方面，對(duì)于復(fù)合壓電體的電容率而言，與壓電陶瓷的電容率相比高 分子材料的電容率極小，因此若減小壓電陶瓷的體積比例，則作為復(fù)合壓電 體的電容率變小而電阻抗變大。其結(jié)果，與所連接的超聲波診斷裝置主機(jī)或 者電纜發(fā)生不匹配，并影響靈敏度使其下降。因此，復(fù)合壓電體的壓電陶瓷 的體積比例通常使用50 ~ 75%的范圍。
另夕卜，第一聲匹配層121a也與壓電元件110同樣地設(shè)置槽160,并將高 分子材料填充到該槽160,因此其成為復(fù)合體，聲阻抗發(fā)生變化(降低)。因 此，需要考慮該降低的部分而選擇第一聲匹配層121a的材料。
如上所述，在本實(shí)施方式中，采用通過(guò)壓電元件110的接地電極以及作 為導(dǎo)體的第一聲匹配層121a從接地導(dǎo)體210取出電氣端子的結(jié)構(gòu)，因此第 一聲匹配層121a既可以與壓電元件110同樣地完全分割，也可以保留一部分地分割。
接地導(dǎo)體210既可以只使用銅等金屬的薄膜構(gòu)成，也可以將聚酰亞胺等
薄膜設(shè)置在金屬薄膜而整體構(gòu)成以便增強(qiáng)強(qiáng)度，只要是具有柔軟性的結(jié)構(gòu)就
沒(méi)有問(wèn)題。在后者的結(jié)構(gòu)的情況下，不言而喻的是接地導(dǎo)體210的金屬的 導(dǎo)體(金屬薄膜) 一側(cè)的面需要與第一聲匹配層121a連接。接地導(dǎo)體210 與壓電元件110的接地電極(未圖示)以及作為導(dǎo)體的第一聲匹配層121a 電連接，具有作為電氣端子的功能。另外，在本實(shí)施方式中，接地導(dǎo)體210 與所有的壓電元件IIO的接地電極(導(dǎo)體)電連接。
另外，為了增強(qiáng)強(qiáng)度而設(shè)置在金屬薄膜的聚酰亞胺等薄膜也可以為兼作 第二聲匹配層122的結(jié)構(gòu)。
在將高分子材料(例如環(huán)氧樹(shù)脂)填充到所分割的壓電元件110以及第 一聲匹配層121a的槽160時(shí)，將信號(hào)用導(dǎo)體150按壓在形成為曲面形狀的 背面承載部件140,同時(shí)包含壓電元件IIO、第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體 210以及第二聲匹配層122也形成為曲面形狀。
另外，雖然在本實(shí)施方式中，如圖3A以及圖3B所示那樣，將背面承 載部件140、壓電元件110、第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體210以及第二聲 匹配層122相對(duì)于被檢測(cè)體一側(cè)，形成為凹面的曲面形狀而使超聲波匯聚， 但是曲面形狀并不只限于此。例如，也可以呈使超聲波擴(kuò)散的凸面形狀。
這里，壓電陶資的壓電元件110、以及使用石墨或者將金屬的粉體填充 到石墨等的材料的第一聲匹配層121a原本不具有可形成曲面的柔軟性，為 了形成曲面，需要預(yù)先準(zhǔn)備事先加工成曲面形狀的壓電元件110以及第一聲 匹配層121a,但它們很難高精度地形成。因此，在本實(shí)施方式中，通過(guò)設(shè)置 槽160采取可形成曲面的結(jié)構(gòu)。另外，在第二聲匹配層122使用環(huán)氧樹(shù)脂或 聚酰亞胺等可形成曲面的、具有柔軟性的高分子薄膜較好。
另外，信號(hào)用導(dǎo)體150與實(shí)施方式1同樣地形成。信號(hào)用導(dǎo)體150使用 像銅那樣的金屬材料，厚度為10微米(ym)左右較好。另外，在單獨(dú)使 用銅等金屬導(dǎo)體則強(qiáng)度較弱的情況下，也可以采用設(shè)置了 10~25微米(y m )左右的厚度的聚酰亞胺薄膜的結(jié)構(gòu)。像這樣的信號(hào)用導(dǎo)體150因?yàn)榫哂?充分的柔軟性，所以即使設(shè)置槽160而分割了的壓電元件110的信號(hào)用電極 呈曲面形狀也能夠與其良好地貼緊而取得電導(dǎo)通。另外，通過(guò)利用這樣的信 號(hào)用導(dǎo)體150以及上述的接地導(dǎo)體210,即使壓電元件110裂損，信號(hào)用導(dǎo)體1 50以及接地導(dǎo)體210也因?yàn)榫哂腥彳浶远粫?huì)斷線(xiàn)，可靠性(質(zhì)量)提 高。其與專(zhuān)利文獻(xiàn)1所示那樣將電氣端子只與壓電元件的電極的一部分連接 的結(jié)構(gòu)相比，能夠解決由于來(lái)自外部的機(jī)械式?jīng)_擊壓電元件裂損而電極破裂 發(fā)生斷線(xiàn)等問(wèn)題。
用于形成曲面的曲率可根據(jù)將超聲波的焦點(diǎn)距離設(shè)定于何處而改變。另
外，要形成的曲面既可以為具有單一的曲率半徑的曲面，也可以為對(duì)于圖3A 以及圖3B的Y方向逐漸改變曲率半徑的、具有多個(gè)曲率的曲面。
聲匹配層120a(第一聲匹配層121a和第二聲匹配層122 )、接地導(dǎo)體210、 壓電元件110以及信號(hào)用導(dǎo)體150由作為本發(fā)明的第二槽的多個(gè)分割槽180 分割為多個(gè)壓電元件列。也就是說(shuō)，在本實(shí)施方式中，將信號(hào)用導(dǎo)體150、 壓電元件110、第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體210以及第二聲匹配層122按 壓在形成為曲面形狀的背面承載部件140,并將它們形成為曲面形狀后，在 X方向(與Y方向正交的方向)，沿著信號(hào)用導(dǎo)體150的圖案，通過(guò)上述多 個(gè)分割槽180將第二聲匹配層122、接地導(dǎo)體210、第一聲匹配層121a、壓 電元件110、信號(hào)用導(dǎo)體150以及背面承載部件140的一部分分割為多個(gè)壓 電元件列。該方向?yàn)殡娮訏呙璧姆较?。?duì)于多個(gè)分割槽180,填充硬度比填 充到槽160的環(huán)氧樹(shù)脂那樣的材料低的硅橡膠那樣的材料。
對(duì)于填充到槽160的材料而言，因?yàn)槭古帕性赮方向的多個(gè)壓電體(由 槽160分割的壓電元件110的各個(gè)部分)整體地以相同相位振動(dòng)，所以即使 振動(dòng)通過(guò)填充到槽160的環(huán)氧樹(shù)脂等填充材料漏出，Y方向的各個(gè)壓電體也 沒(méi)有問(wèn)題，因此槽160的填充材料在硬度上較高也沒(méi)有問(wèn)題。但是，對(duì)于在 X方向分割的多個(gè)壓電元件110列而言，通過(guò)信號(hào)用導(dǎo)體150以及接地導(dǎo)體 210將電信號(hào)提供給各個(gè)壓電元件110時(shí)，為了分別施加延遲而對(duì)電信號(hào)進(jìn) 行相位控制以使超聲波偏轉(zhuǎn)或者匯聚，需要減少在壓電元件110之間的超聲 波振動(dòng)的漏出。因此，對(duì)于用于在X方向分割信號(hào)用導(dǎo)體150、壓電元件110、 第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體210以及第二聲匹配層122的分割槽180的填 充材料而言，需要選擇硬度比用于在Y方向分割壓電元件110以及第一聲匹 配層121a的槽160的填充材料低、振動(dòng)不易傳遞的材料。
另外，壓電元件110 (更嚴(yán)密而言為每個(gè)壓電體)在圖3A以及圖3B的 X方向與Y方向被分別分割而呈柱狀，但是這兩個(gè)方向的分割間隔大致相同' 較好。如上述那樣，壓電元件110的壓電陶瓷產(chǎn)生無(wú)用的橫向振動(dòng)模式，若使壓電陶瓷的寬度為在使用頻帶產(chǎn)生橫向振動(dòng)模式生的寬度，則對(duì)所使用的 頻率特性產(chǎn)生不良影響(例如頻帶變窄)，因此需要使橫向振動(dòng)模式的頻率 落于使用頻帶外。這在X方向也相同。因此，通過(guò)使壓電元件110在X方 向的分割間隔與Y方向大致相同，能夠減低無(wú)用的橫向振動(dòng)模式的影響。
最后，傳播介質(zhì)130根據(jù)需要設(shè)置在第二聲匹配層122上。作為傳4番介 質(zhì)130,使用聲阻抗具有接近生物體的值、并且超聲波衰減系數(shù)小的尿烷樹(shù) 脂或聚丁橡膠、硅橡膠等較好。另外，在傳播介質(zhì)130的聲速與生物體的聲 速不同的情況下，超聲波在界面發(fā)生折射，因此需要同時(shí)考慮該折射，考慮 第二聲匹配層122的曲面形狀而設(shè)定超聲波的焦點(diǎn)距離。
這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，采用以下的結(jié)構(gòu)設(shè)置槽160，并利用該槽將 壓電元件110以及第一聲匹配層121a形成為曲面形狀，無(wú)需聲透4竟即可匯 聚超聲波，并且采取將信號(hào)用導(dǎo)體150設(shè)置在壓電元件IIO的信號(hào)用電極面， 并將接地導(dǎo)體210設(shè)置在與第一聲匹配層121a的壓電元件110 —側(cè)相反的 一側(cè)的面上。因此，能夠制作可得到高靈敏度且寬頻帶的頻率特性、并且可 靠性高的結(jié)構(gòu)，從而能夠得到質(zhì)量高且穩(wěn)定的超聲波探頭。另外，能夠匯聚 超聲波束，還能夠使超聲波束偏轉(zhuǎn)，因此能夠得到提供高靈敏度且分辨率較 高的超聲波圖像的超聲波探頭。
面地)排列的情形，但是X方向的排列形狀并不只限于此。例如，即使將壓 電元件在X方向排列為凸面或者凹面的曲面形狀時(shí)，也可以得到同樣的效 果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了第一聲匹配層121a使用導(dǎo)體的材料 的情形，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，即使以絕緣體與導(dǎo)體的復(fù)合體構(gòu) 成第一聲匹配層，并通過(guò)第一槽(槽160)在Y方向分割第一聲匹配層，將 導(dǎo)體設(shè)置在第一聲匹配層的一部分以使被分割的各個(gè)部分在Z方向可電導(dǎo) 通時(shí)，也能夠得到同樣的效果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了將壓電元件110以及聲匹配層120a 在Y方向相對(duì)于被檢測(cè)體一側(cè)形成為凹面的曲面形狀的情形，但是曲面形狀 并不只限于此。例如，即使將壓電元件以及聲匹配層在Y方向相對(duì)于被檢測(cè) 體一側(cè)形成為凸面形狀時(shí)，或者不論是凹面還是凸面，使其成為具有單一的面時(shí)，也能夠得到同樣的效果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了將接地導(dǎo)體210設(shè)置在作為導(dǎo)體的第
一聲匹配層121a上的情形，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，第一以及第 二聲匹配層為導(dǎo)體時(shí)，即使將接地導(dǎo)體設(shè)置在第二聲匹配層上，也可以得到 同樣的效果。
(實(shí)施方式3 )
120a的情形。
圖4A為表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的超聲波探頭的部分概況的立體圖。 圖4B為從X方向觀察圖4A所示的超聲波探頭的概況的剖面圖。另外，該 超聲波探頭具有與圖3A以及圖3B所示的實(shí)施方式2所對(duì)應(yīng)的超聲波-探頭 同樣的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)元件標(biāo)注相同的標(biāo)號(hào)。
圖4A以及圖4B所示的超聲波探頭300包括排列在一個(gè)方向(X方 向)的多個(gè)壓電元件110;相對(duì)于各個(gè)壓電元件110配置在被4全測(cè)體一側(cè)(同 圖的上方)的厚度方向(Z方向)前面的三層聲匹配層310 ( 121a、 122以 及311);配置在該三兩層聲匹配層310 ( 12la、 122以及311 )之間的接地 導(dǎo)體210;根據(jù)需要相對(duì)于壓電元件110配置在與聲匹配層310 ( 121a、 122 以及311) —側(cè)相反的一側(cè)的厚度方向(Z方向)背面(同圖的下方)的背 面承載部件140;以及根據(jù)需要配置在聲匹配層310 ( 121a、 122以及311) 上的傳播介質(zhì)130。這里，接地導(dǎo)體210設(shè)置在第一聲匹配層121a與第二聲 匹配層122之間。這些各個(gè)結(jié)構(gòu)元件(除了接地導(dǎo)體210)的各自的功能與 在圖1所示的以往技術(shù)中所說(shuō)明的同樣。
壓電元件110的厚度方向(Z方向)的前面設(shè)置有接地電極(未圖示)， 背面設(shè)置有信號(hào)用電極(未圖示)。通過(guò)蒸鍍或者陰極濺鍍金或者銀、或者 焊接銀等分別在壓電元件110的前面以及背面形成兩個(gè)電極。
以下，進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明超聲波探頭300的結(jié)構(gòu)。
壓電元件300使用像PZT系那樣的壓電陶瓷、PZN-PT、 PMN-PT系那 樣的壓電單晶體等材料形成。第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體210、第二聲匹 配層122以及第三聲匹配層311設(shè)置在接地電極(未圖示) 一側(cè)，所述接地 電極設(shè)置在這樣的材料的壓電元件110。作為本發(fā)明的第一槽的多個(gè)槽160, 沿著X方向設(shè)置在壓電元件110以及第一聲匹配層121a。槽160利用例如切割機(jī)等裝置來(lái)設(shè)置。在本實(shí)施方式中，該槽160貫穿壓電元件110以及第
一聲匹配層121a的Z方向的兩面，將壓電元件110以及第一聲匹配層121a 分別完全分割。因此，設(shè)置槽160的方向，無(wú)論從與壓電元件110的、設(shè)置 了第一聲匹配層121a的一側(cè)相反的一側(cè)的面，還是從與第一聲匹配層121a 的、設(shè)置了壓電元件110的一側(cè)相反的一側(cè)的面，從哪個(gè)面的一側(cè)設(shè)置都可 以。也就是說(shuō)，設(shè)置槽160的方向，因?yàn)榧词共粡膲弘娫蘒IO—側(cè)而從第 一聲匹配層121a —側(cè)也可以使本結(jié)構(gòu)成立，因此從哪一側(cè)設(shè)置都可以。
另外，雖然在本實(shí)施方式中，槽160將壓電元件IIO以及第一聲匹配層 121a完全分割，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，也可以與實(shí)施方式l同樣 地，在第一聲匹配層121a保留一部分地設(shè)置槽。在該情況下，槽160從壓 電元件110 —側(cè)設(shè)置。
另外，在本結(jié)構(gòu)中，利用接地導(dǎo)體210進(jìn)行來(lái)自所分割的壓電元件110 的接地電極的電氣端子的取出。因此，第一聲匹配層121a需要為電導(dǎo)體。 因此，第一聲匹配層121a使用例如石墨，或者將金屬的粉體填充到高分子 而制成的導(dǎo)體(例如導(dǎo)電性粘結(jié)劑等)的材料較好。當(dāng)然，對(duì)于第一聲匹配 層121a而言，聲阻抗的值需要具有壓電元件110與被才企測(cè)體(生物體)之 間的值。
另外，設(shè)置在壓電元件110以及第一聲匹配層121a的槽160的間隔既 可以為等間隔也可以為隨機(jī)的間隔。但是，壓電元件110的材料例如PZT 系的壓電陶究除了所使用的厚度縱向振動(dòng)模式以外，還產(chǎn)生不必要的橫向振 動(dòng)模式，而該橫向振動(dòng)模式對(duì)頻率特性等產(chǎn)生不良影響。因此，需要預(yù)先使 壓電陶瓷的寬度變窄，也就是槽160的間隔變窄，以使橫向振動(dòng)模式的頻率 落于所使用的頻域之外。
另外，使用PZT系的壓電陶瓷形成壓電元件110,在該壓電元件110設(shè) 置槽160,并在該槽160填充環(huán)氧樹(shù)脂或者尿烷樹(shù)脂等的高分子材料，由此 壓電元件IIO具有復(fù)合了壓電陶瓷與高分子材料的復(fù)合壓電體的功能。也就 是說(shuō)，對(duì)于壓電元件110而言，通過(guò)將聲阻抗較小的高分子材料填充到槽160 的部分，能夠使聲阻抗小于壓電陶瓷，從而能夠接近被檢測(cè)體的聲阻抗。由 此，能夠擴(kuò)展頻寬。對(duì)于該復(fù)合壓電體而言，能夠通過(guò)改變壓電陶資與高分 子材料的體積比例來(lái)改變聲阻抗的值。
另一方面，對(duì)于復(fù)合壓電體的電容率而言，與壓電陶瓷的電容率相比高分子材料的電容率極小，因此若減小壓電陶瓷的體積比例，則作為復(fù)合壓電 體的電容率變小而電阻抗變大。其結(jié)果，與所連接的超聲波診斷裝置主機(jī)或 者電纜發(fā)生不匹配，并影響靈敏度使其下降。因此，復(fù)合壓電體的壓電陶資
的體積比例通常使用50~75%的范圍。
另外，第一聲匹配層121a也與壓電元件110同樣地設(shè)置槽160，并將高 分子材料填充到該槽160,因此其成為復(fù)合體，聲阻抗發(fā)生變化(降低)。因 此，需要考慮該降低的部分而選擇第一聲匹配層121a的材料。
如上所述，在本實(shí)施方式中，采用通過(guò)壓電元件110的接地電極以及作 為導(dǎo)體的第一聲匹配層121a從接地導(dǎo)體210取出電氣端子的結(jié)構(gòu)，因此第 一聲匹配層121a既可以與壓電元件110同樣地完全分割，也可以保留一部 分地分割。
接地導(dǎo)體210既可以只使用銅等金屬的薄膜構(gòu)成，也可以將聚酰亞胺等 薄膜設(shè)置在金屬薄膜而整體構(gòu)成以便增強(qiáng)強(qiáng)度，只要是具有柔軟性的結(jié)構(gòu)就 沒(méi)有問(wèn)題。在后者的結(jié)構(gòu)的情況下，不言而喻的是接地導(dǎo)體210的金屬的 導(dǎo)體(金屬薄膜) 一側(cè)的面需要與第一聲匹配層121a連接。與實(shí)施方式2 同樣地，接地導(dǎo)體210與壓電元件IIO的接地電極(未圖示)以及作為導(dǎo)體 的第一聲匹配層121a電連接，具有作為電氣端子的功能。另外，在本實(shí)施 方式中，接地導(dǎo)體210也與所有的壓電元件110的接地電極(導(dǎo)體)電連接。 另外，為了增強(qiáng)強(qiáng)度而設(shè)置在金屬薄膜的聚酰亞胺等薄膜也可以為兼作 第二聲匹配層122的結(jié)構(gòu)。
在將高分子材料(例如環(huán)氧樹(shù)脂)填充到所分割的壓電元件110以及第 一聲匹配層121a的槽160時(shí)，將信號(hào)用導(dǎo)體150按壓在形成為曲面形狀的 背面承載部件140，同時(shí)包含壓電元件IIO、第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體 210、第二聲匹配層122以及第三聲匹配層311也形成為曲面形狀。
另外，雖然在本實(shí)施方式中，如圖4A以及圖4B所示那樣，將背面承 載部件140、壓電元件110、第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體210、第二聲匹 配層122以及第三聲匹配層311相對(duì)于纟皮;險(xiǎn)測(cè)體一側(cè)，形成為凹面的曲面形 狀而使超聲波匯聚，但是曲面形狀并不只限于此。例如，也可以呈使超聲波 擴(kuò)散的凸面形狀。
這里，壓電陶乾的壓電元件110、以及使用石墨或者將金屬的粉體填充 到石墨等的材料的第一聲匹配層121a原本不具有可形成曲面的柔軟性，為了形成曲面，需要預(yù)先準(zhǔn)備事先加工成曲面形狀的壓電元件110以及第一聲
匹配層121a,但它們很難高精度地形成。因此，在本實(shí)施方式中，也通過(guò)設(shè) 置槽160采取可形成曲面的結(jié)構(gòu)。另外，在第二聲匹配層122使用填充了金 屬或氧化物等粉體的環(huán)氧樹(shù)脂等可形成曲面的、具有柔軟性的高分子薄膜較好。
另外，信號(hào)用導(dǎo)體150與實(shí)施方式1同樣地形成。信號(hào)用導(dǎo)體150使用 像銅那樣的金屬材料，厚度為10微米(Mm)左右較好。另外，在單獨(dú)使 用銅等金屬導(dǎo)體則強(qiáng)度較弱的情況下，也可以采用設(shè)置了 10~25微米(m m )左右的厚度的聚酰亞胺薄膜的結(jié)構(gòu)。像這樣的信號(hào)用導(dǎo)體150因?yàn)榫哂?充分的柔軟性，所以即使設(shè)置槽160而分割了的壓電元件110的信號(hào)用電極 呈曲面形狀也能夠與其良好地貼緊而取得電導(dǎo)通。另外，通過(guò)利用這樣的信 號(hào)用導(dǎo)體150以及上述的接地導(dǎo)體210,即使壓電元件110裂損，信號(hào)用導(dǎo) 體150以及接地導(dǎo)體210也因?yàn)榫哂腥彳浶远粫?huì)斷線(xiàn)，可靠性(質(zhì)量)提 高。其與專(zhuān)利文獻(xiàn)1所示那樣將電氣端子只與壓電元件的電極的一部分連接 的結(jié)構(gòu)相比，能夠解決由于來(lái)自外部的機(jī)械式?jīng)_擊壓電元件裂損而電極破裂 發(fā)生斷線(xiàn)等問(wèn)題。
用于形成曲面的曲率可根據(jù)將超聲波的焦點(diǎn)距離設(shè)定于何處而改變。另 外，要形成的曲面既可以為具有單一的曲率半徑的曲面，也可以為對(duì)于圖4A 以及圖4B的Y方向逐漸改變曲率半徑的、具有多個(gè)曲率的曲面。
第二聲匹配層122、第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體210、壓電元件110 以及信號(hào)用導(dǎo)體150由作為本發(fā)明的第二槽的多個(gè)分割槽180分割為多個(gè)壓 電元件列。也就是說(shuō)，在本實(shí)施方式中，將信號(hào)用導(dǎo)體150、壓電元件IIO、 第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體210以及第二聲匹配層122按壓在形成為曲面 形狀的背面承載部件140，并將它們形成為曲面形狀后，在X方向(與Y方 向正交的方向)，沿著信號(hào)用導(dǎo)體150的圖案，通過(guò)上述多個(gè)分割槽180將 第二聲匹配層122、接地導(dǎo)體210、第一聲匹配層121a、壓電元件110、信 號(hào)用導(dǎo)體150以及背面承載部件140的 一部分分割為多個(gè)壓電元件列。該方 向?yàn)殡娮訏呙璧姆较?。?duì)于多個(gè)分割槽180，填充硬度比填充到槽160的環(huán) 氧樹(shù)脂那樣的材料低的硅橡膠那樣的材料。
對(duì)于填充到槽160的材料而言，因?yàn)槭古帕性赮方向的多個(gè)壓電體(由 槽160分割的壓電元件110的各個(gè)部分)整體地以相同相位振動(dòng)，所以即使振動(dòng)通過(guò)填充到槽160的環(huán)氧樹(shù)脂等填充材料漏出，Y方向的各個(gè)壓電體也 沒(méi)有問(wèn)題，因此槽160的填充材料在硬度上較高也沒(méi)有問(wèn)題。但是，對(duì)于在 X方向分割的多個(gè)壓電元件IIO列而言，通過(guò)信號(hào)用導(dǎo)體150以及接地導(dǎo)體 170將電信號(hào)提供給各個(gè)壓電元件110時(shí)，為了分別施加延遲而對(duì)電信號(hào)進(jìn) 行相位控制以使超聲波偏轉(zhuǎn)或者匯聚，需要減少在壓電元件IIO之間的超聲 波振動(dòng)的漏出。因此，對(duì)于用于在X方向分割信號(hào)用導(dǎo)體150、壓電元件110、 第一聲匹配層121a、接地導(dǎo)體170以及第二聲匹配層122的分割槽180的填 充材料而言，需要選擇硬度比用于在Y方向分割壓電元件110以及第一聲匹 配層121a的槽160的填充材料低、振動(dòng)不易傳遞的材料。
另外，壓電元件110 (更嚴(yán)密而言為每個(gè)壓電體)在圖4A以及圖4B的 X方向與Y方向被分別分割而呈柱狀，但是這兩個(gè)方向的分割間隔大致相同 較好。如上述那樣，壓電元件110的壓電陶瓷產(chǎn)生無(wú)用的橫向振動(dòng)模式，若 使壓電陶瓷的寬度為在使用頻帶產(chǎn)生橫向振動(dòng)模式的寬度，則對(duì)所使用的頻 率特性產(chǎn)生不良影響(例如頻帶變窄)，因此需要將橫向振動(dòng)模式的頻率落 于使用頻帶外。這在X方向也相同。因此，通過(guò)使壓電元件IIO在X方向 的分割間隔與Y方向大致相同，能夠減低無(wú)用的橫向振動(dòng)模式的影響。
進(jìn)而，在本實(shí)施方式中，第三聲匹配層311設(shè)置在第二聲匹配層122上。 第三聲匹配層311如圖4A以及圖4B所示那樣，在哪個(gè)方向都不分割地、 整面設(shè)置在被在X方向分割的第二聲匹配層122上。
但是，為了使X方向的各個(gè)壓電元件IIO單獨(dú)地振動(dòng)而不使超聲波振動(dòng) 漏出到相鄰的壓電元件110,最好也與第一以及第二聲匹配層121a、 122同 樣地分割第三聲匹配層311。作為評(píng)價(jià)一個(gè)壓電元件IIO是否單獨(dú)地進(jìn)行超 聲波振動(dòng)而向被檢測(cè)體放射超聲波的方法，有測(cè)量超聲波在X方向從壓電元 件IIO通過(guò)各個(gè)聲匹配層121a、 122以及311放射到被檢測(cè)體一側(cè)的方向性 的程度的方法。方向性越寬，則表明超聲波的漏出在橫向上較少，壓電元件 IIO單獨(dú)地振動(dòng)，結(jié)果良好，而與其相反，方向性較窄則表明結(jié)果不好。
一^fe來(lái)講，使用在一個(gè)方向(X方向)排列了多個(gè)壓電元件110的、所 謂電子掃描型的超聲波探頭，如何擴(kuò)大排列了的壓電元件110的X方向的方 向性是提高超聲波圖像的分辨率的關(guān)鍵所在。另外，與壓電元件UO相同， 通過(guò)減少要分割的聲匹配層的數(shù)目，即使比如以較窄的間隔(例如O.lmm ) 分割，也能夠進(jìn)行穩(wěn)定的加工，從而能夠制作均一的、高精度的超聲波探頭。而且，能夠釆用不會(huì)縮小方向性的結(jié)構(gòu)。
例如，將中心頻率為3.5MHz的壓電元件110以壓電元件110的X方向 的間隔為0.38mm (將以0.19mm的間隔分割了的兩個(gè)壓電元件110電匯聚 的狀態(tài))地分割，若將此時(shí)的X方向的方向性的角度以-6dB的水平(level) 定義，則在將第三聲匹配層311與壓電元件110同樣地分割了的結(jié)構(gòu)的情況 下，成為大約23度的方向角。另外，將硅橡膠材料填充到分割了壓電元件 110、第一聲匹配層121a以及第二聲匹配層122的分割槽180。
另一方面，將上述的壓電元件110以與上述同樣的形態(tài)分割，并且在三 層聲匹配層310中，與壓電元件110同樣地分割壓電元件110—側(cè)的第一以 及第二聲匹配層121a和122，而對(duì)位于被檢測(cè)體一側(cè)的第三聲匹配層311則 采用不經(jīng)任何分割的結(jié)構(gòu)，在這樣的情況下，測(cè)量了壓電元件110的排列方 向(X方向)的超聲波的方向特性。此時(shí)，作為位于纟皮^:測(cè)體一側(cè)的第三聲 匹配層311的材料分別使用硅橡膠(硬度為肖氏(Shore)A硬度76、聲速 915m/sec、聲阻抗2.1兆雷耳(Mrayls))、氯丁橡膠(chloroprene rubber)(硬 度為肖氏A硬度70、聲速1630m/sec、聲阻抗2.16兆雷耳)、乙丙橡膠(ethylene' propylene rubber )(硬度為肖氏A硬度65、聲速1480m/sec、聲阻抗1.94兆 雷耳)、丁腈橡月交(Acrylonitrile butadiene rubber)(硬度為肖氏A硬度60、 聲速1640m/sec、聲阻抗1.97兆雷耳)、以及聚氨酯橡膠(硬度為肖氏A硬 度78、聲速1850m/sec、聲阻抗1.98兆雷耳)。其結(jié)果，可知方向特性才艮據(jù) 第三聲匹配層311的材料而存在不同。另外，與到第二聲匹配層122為止分 割了的結(jié)構(gòu)同樣地，將硅橡膠的材料填充到分割了壓電元件110、第一聲匹 配層121a以及第二聲匹配層122的分割槽180(此時(shí)的分割槽180的寬度約 為0.03mm)。另外，作為除了上述例舉的材料中的聚氨酯橡膠以外的材料， 為了調(diào)整聲阻抗使用了填充了任意量的氧化鋁(alumina)、碳(carbon)、以 及碳酉臾4丐(calcium carbonate )等^真津+ (filler)的才才泮+。
項(xiàng)目基本上不影響方向特性。影響方向特性的、也就是與方向特性存在相關(guān) 的項(xiàng)目為第三聲匹配層311的材料的聲速特性，在其與方向特性之間可看出 良好的相關(guān)。圖5表示在3.5MHz的頻率以-6dB的水平測(cè)定了的方向性角度 與第三聲匹配層311的材料的聲速之間的關(guān)系的結(jié)果。如圖5所示，在方向 性角度可看出與聲速的良好的相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.86。由此可知，在不分割位于被檢測(cè)體一側(cè)的第三聲匹配層311的結(jié)構(gòu)中，為了擴(kuò)大方向性，需要注 目第三聲匹配層311的材料的聲速。
例如，在上述的例子中使用了的第三聲匹配層311的各個(gè)材料的方向性 角度如下。也就是說(shuō)，使用了硅橡膠時(shí)為25度，使用了氯丁橡膠時(shí)為23.5 度，使用了乙丙橡膠時(shí)為23.5度，使用了 丁腈橡膠時(shí)為22.9度，使用了聚 氨酯橡膠時(shí)為20度。另外，該測(cè)量結(jié)果的偏差可考慮為土0.5度左右。
由此可以說(shuō)明，在不與壓電元件110同樣地將多層化的聲匹配層的所有 層分割的結(jié)構(gòu)中，為了得到與壓電元件110同樣地將多層化的聲匹配層的所 有層分割的結(jié)構(gòu)同等或者其上的方向特性，只需限定聲匹配層的聲速，只要 使用具有聲速為1650m/sec或者其以下的值的橡膠彈性體材料即可。當(dāng)然， 因?yàn)榈谌暺ヅ鋵?11為橡膠彈性體，具有充分的柔軟性，所以能夠在第二 聲匹配層122的曲面上沿著其曲面形狀而形成。
最后，傳播介質(zhì)130根據(jù)需要設(shè)置在第三聲匹配層311上。作為傳播介 質(zhì)130,使用聲阻抗具有接近生物體的值，并且超聲波衰減系數(shù)小的尿烷樹(shù) 脂或聚丁橡膠、硅橡膠等較好。另外，在傳播介質(zhì)130的聲速與生物體的聲 速不同的情況下，超聲波在界面發(fā)生折射，因此需要同時(shí)考慮該折射，考慮 第二聲匹配層122的曲面形狀而設(shè)定超聲波的焦點(diǎn)距離。
這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，采用以下的結(jié)構(gòu)設(shè)置槽160，并利用該槽將 壓電元件110以及第一聲匹配層121a形成為曲面形狀，無(wú)需聲透鏡即可匯 聚超聲波，并且采取將信號(hào)用導(dǎo)體150設(shè)置在壓電元件IIO的信號(hào)用電極面， 并將接地導(dǎo)體210設(shè)置在與第一聲匹配層121a的壓電元件IIO—側(cè)相反的 一側(cè)的面上，進(jìn)而將聲匹配層310設(shè)置為3層。因此，能夠制作可得到高靈 敏度且寬頻帶的頻率特性、并且可靠性高的結(jié)構(gòu)，從而能夠得到質(zhì)量高且穩(wěn) 定的超聲波探頭。另外，能夠匯聚超聲波束，還能夠使超聲波束偏轉(zhuǎn)，因此 能夠得到提供高靈敏度且分辨率較高的超聲波圖像的超聲波探頭。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了將壓電元件IIO在X方向線(xiàn)性地(平 面地)排列的情形，但是X方向的排列形狀并不只限于此。例如，即使將壓 電元件在X方向排列為凸面或者凹面的曲面形狀時(shí)，也可以得到同樣的效 果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了第一聲匹配層121a使用導(dǎo)體的材料 的情形，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，即使以絕緣體與導(dǎo)體的復(fù)合體構(gòu)成第一聲匹配層，并通過(guò)第一槽(槽160)在Y方向分割第一聲匹配層，將 導(dǎo)體設(shè)置在第一聲匹配層的一部分以使被分割的各個(gè)部分在Z方向可電導(dǎo) 通時(shí)，也能夠得到同樣的效果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了將壓電元件110以及聲匹配層310在 Y方向相對(duì)于被一企測(cè)體一側(cè)形成為凹面的曲面形狀的情形，但是曲面形狀并 不只限于此。例如，即使將壓電元件以及聲匹配層在Y方向相對(duì)于被檢測(cè)體 一側(cè)形成為凸面形狀時(shí)，或者不論是凹面還是凸面，使其成為具有單一的曲
時(shí)，也能夠得到同樣的效果。
另夕卜，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了將接地導(dǎo)體210設(shè)置在作為導(dǎo)體的第 一聲匹配層121a上的情形，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，第一以及第 二聲匹配層為導(dǎo)體時(shí)，即使在將接地導(dǎo)體設(shè)置在第二聲匹配層上，進(jìn)而在其 上面配置第三聲匹配層的情況下，也可以得到同樣的效果。 (實(shí)施方式4)
實(shí)施方式4為在實(shí)施方式2中壓電元件以及第一聲匹配層的厚度的變化情形。
圖6A為表示本發(fā)明的實(shí)施方式4的超聲波探頭的部分概況的立體圖。 圖6B為從X方向觀察圖6A所示的超聲波探頭的概況的剖面圖。另外，該 超聲波探頭具有與圖3A以及圖3B所示的實(shí)施方式2所對(duì)應(yīng)的超聲波探頭 同樣的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)元件標(biāo)注相同的標(biāo)號(hào)。
圖6A以及圖6B所示的超聲波探頭400包括排列在一個(gè)方向(X方 向)的多個(gè)壓電元件410;相對(duì)于各個(gè)壓電元件410配置在被;險(xiǎn)測(cè)體一側(cè)(同 圖的上方)的厚度方向(Z方向)前面的兩層聲匹配層420 (421和422); 配置在該兩層聲匹配層420 (421和422)之間的接地導(dǎo)體210;根據(jù)需要相 對(duì)于壓電元件410配置在與聲匹配層420(421和422)—側(cè)相反的一側(cè)的厚 度方向(Z方向)背面(同圖的下方)的背面承載部件430;以及根據(jù)需要 配置在聲匹配層420(421和422)上的傳播介質(zhì)130。這些各個(gè)結(jié)構(gòu)元件(除 了接地導(dǎo)體210)的各自的功能與在圖1所示的以往技術(shù)中所說(shuō)明的同樣。
壓電元件410的厚度方向(Z方向)的前面設(shè)置有"l秦地電極(未圖示)， 背面設(shè)置有信號(hào)用電極(未圖示)。通過(guò)蒸鍍或者陰極濺鍍金或者銀、或者 焊接銀等分別在壓電元件410的前面以及背面形成兩個(gè)電極。以下，進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明超聲波探頭400的結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施方式中，使用像PZT系那樣的壓電陶瓷、PZN-PT、 PMN-PT 系那樣的壓電單晶體等材料，在Y方向厚度變化地形成壓電元件410。第一 聲匹配層421、接地導(dǎo)體210以及第二聲匹配層422設(shè)置在接地電極(未圖 示)一側(cè)，所述接地電極設(shè)置在使用這樣的材料、在Y方向厚度變化的壓電 元件410。第一聲匹配層421以及第二聲匹配層422分別與壓電元件410同 樣地在Y方向厚度變化。
作為本發(fā)明的第一槽的多個(gè)槽160,沿著X方向設(shè)置在壓電元件410以 及第一聲匹配層421。槽160利用例如切割機(jī)等裝置來(lái)設(shè)置。在本實(shí)施方式 中，該槽160貫穿壓電元件410以及第一聲匹配層421的Z方向的兩面，將 壓電元件410以及第一聲匹配層421分別完全分割。因此，設(shè)置槽160的方 向，無(wú)論從與壓電元件410的、設(shè)置了第一聲匹配層421的一側(cè)相反的一側(cè) 的面，還是從與第一聲匹配層421的、設(shè)置了壓電元件410的一側(cè)相反的一 側(cè)的面，從哪個(gè)面的一側(cè)設(shè)置都可以。也就是說(shuō)，設(shè)置槽160的方向，因?yàn)?即使不從壓電元件410 —側(cè)而從第一聲匹配層421 —側(cè)也可以使本結(jié)構(gòu)成 立，因此從哪一側(cè)設(shè)置都可以。
另外，雖然在本實(shí)施方式中，槽160將壓電元件410以及第一聲匹配層 421完全分割，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，也可以與實(shí)施方式l同樣 地，在第一聲匹配層421保留一部分地設(shè)置槽。在該情況下，槽160從壓電 元件410—側(cè)設(shè)置。
另外，在本結(jié)構(gòu)中，利用接地導(dǎo)體210進(jìn)行來(lái)自所分割的壓電元件410 的接地電極的電氣端子的取出。因此，第一聲匹配層421需要為電導(dǎo)體。因 此，第一聲匹配層421使用例如石墨，或者將金屬的粉體填充到高分子而制 成的導(dǎo)體(例如導(dǎo)電性粘結(jié)劑等)的材料較好。當(dāng)然，對(duì)于第一聲匹配層421 而言，聲阻抗的值需要具有壓電元件410與凈皮;險(xiǎn)測(cè)體(生物體)之間的值。
這里，與壓電元件410的排列方向(X方向)正交的一個(gè)方向(Y方向) 的壓電元件410的厚度在Y方向上在中心附近較薄而越向端部就越厚，是不 均勻的。具體而言，壓電元件410如圖6A以及圖6B所示那樣，^皮才全測(cè)體 一側(cè)的前面呈平面形狀，背面承載部件430 —側(cè)的背面呈曲面形狀。通過(guò)使 壓電元件410的厚度不均勻，能夠延長(zhǎng)超聲波束的焦點(diǎn)深度，并且能夠得到 寬頻帶的頻率特性及提高分辨率。這樣使壓電元件的厚度在Y方向不均 一的結(jié)構(gòu)，比如已經(jīng)通過(guò)日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)平7-107595號(hào)公報(bào)等成為公知技術(shù)。 也就是說(shuō)，因?yàn)閴弘娫?10的Y方向的中心附近厚度較薄，所以可以發(fā)送 接收高頻分量的超聲波，而因?yàn)橄騼啥酥饾u變厚，所以可以發(fā)送接收低頻分 量的超聲波。另一方面，即使時(shí)聲匹配層420 (421和422),也相對(duì)于對(duì)應(yīng) 于壓電元件410的厚度的頻率的變化而變化厚度，將基本的厚度設(shè)為四分之 一波長(zhǎng)。因此，如圖6A以及圖6B所示那樣，對(duì)于聲匹配層420(421和422 ) 而言，其中心部分的厚度最薄，向端部逐漸變厚，所以相對(duì)于被檢測(cè)體一側(cè) 呈凹面的曲面形狀。
像這樣聲匹配層420 ( 421和422 )呈凹面形狀，當(dāng)然意味著超聲波基于 凹面形狀的曲率半徑匯聚在向被檢測(cè)體一側(cè)的某個(gè)距離。但是，要匯聚的距 離不一定就是目標(biāo)距離，會(huì)發(fā)生匯聚在比目標(biāo)距離近的地方或者遠(yuǎn)的地方的 問(wèn)題。本實(shí)施方式以具有能夠解決該問(wèn)題的結(jié)構(gòu)為特征。
另夕卜，設(shè)置在壓電元件410以及第一聲匹配層421的槽160的間隔既可 以為等間隔也可以為隨機(jī)的間隔。但是，壓電元件410的材料例如PZT系的 壓電陶資所使用的厚度除了縱向振動(dòng)模式以外，還產(chǎn)生不必要的橫向振動(dòng)模 式，而該橫向振動(dòng)模式對(duì)頻率特性等產(chǎn)生不良影響。因此，需要預(yù)先使壓電 陶瓷的寬度變窄，也就是槽160的間隔變窄，以使橫向振動(dòng)模式的頻率落于 所使用的頻域之外。
另外，使用PZT系的壓電陶瓷形成壓電元件410，在該壓電元件410設(shè) 置槽160,并在該槽160填充環(huán)氧樹(shù)脂或者尿烷樹(shù)脂等的高分子材料，由此 壓電元件410具有復(fù)合了壓電陶瓷與高分子材料的復(fù)合壓電體的功能。也就 是說(shuō)，對(duì)于壓電元件410而言，通過(guò)將聲阻抗較小的高分子材料填充到槽160 的部分，能夠使聲阻抗小于壓電陶瓷，從而能夠接近被;險(xiǎn)測(cè)體的聲阻抗。由 此，能夠進(jìn)一步擴(kuò)展頻寬。對(duì)于該復(fù)合壓電體而言，能夠通過(guò)改變壓電陶瓷 與高分子材料的體積比例來(lái)改變聲阻抗的值。
另一方面，對(duì)于復(fù)合壓電體的電容率而言，與壓電陶瓷的電容率相比高 分子材料的電容率極小，因此若減小壓電陶瓷的體積比例，則作為復(fù)合壓電 體的電容率變小而電阻抗變大。其結(jié)果，與所連接的超聲波診斷裝置主機(jī)或 者電纜發(fā)生不匹配，并影響靈敏度使其下降。因此，復(fù)合壓電體的壓電陶瓷 的體積比例通常使用50 ~ 75%的范圍。
另外，第一聲匹配層421也與壓電元件410同樣地設(shè)置槽160，并將高分子材料填充到該槽160，因此其成為復(fù)合體，聲阻抗發(fā)生變化(降低)。因
此，需要考慮該降低的部分而選擇第一聲匹配層421的材料。
如上所述，在本實(shí)施方式中，采用通過(guò)壓電元件410的接地電極以及作 為導(dǎo)體的第一聲匹配層421從接地導(dǎo)體210取出電氣端子的結(jié)構(gòu)，因此第一 聲匹配層421既可以與壓電元件410同樣地完全分割，也可以保留一部分地 分割。
接地導(dǎo)體210既可以只使用銅等金屬的薄膜構(gòu)成，也可以將聚酰亞胺等 薄膜設(shè)置在金屬薄膜而整體構(gòu)成，只要是具有柔軟性的結(jié)構(gòu)就沒(méi)有問(wèn)題。在 后者的結(jié)構(gòu)的情況下，不言而喻的是接地導(dǎo)體210的金屬的導(dǎo)體(金屬薄 膜) 一側(cè)的面需要與第一聲匹配層421連接。接地導(dǎo)體210與壓電元件410 的接地電極(未圖示)以及作為導(dǎo)體的第一聲匹配層421電連接，具有作為 電氣端子的功能。另外，在本實(shí)施方式中，接地導(dǎo)體210與所有的壓電元件 410的接地電極(導(dǎo)體)電連接。
另外，為了增強(qiáng)強(qiáng)度而設(shè)置在金屬薄膜的聚酰亞胺等薄膜也可以為兼作 第二聲匹配層422的結(jié)構(gòu)。
在將高分子材料(例如環(huán)氧樹(shù)脂)填充到所分割的壓電元件410以及第 一聲匹配層421的槽160時(shí)，將信號(hào)用導(dǎo)體150按壓在形成為曲面形狀的背 面承載部件140,同時(shí)包含壓電元件410、第一聲匹配層421、接地導(dǎo)體210 以及第二聲匹配層422也形成為曲面形狀。
這里，壓電陶瓷的壓電元件410、以及使用石墨或者將金屬的粉體填充 到石墨等的材料的第一聲匹配層421原本不具有可形成曲面的柔軟性，為了 形成曲面，需要預(yù)先準(zhǔn)備事先加工成曲面形狀的壓電元件410以及第一聲匹 配層421，但它們很難高精度地形成。因此，通過(guò)設(shè)置槽160采取可形成曲 面的結(jié)構(gòu)。另外，在第二聲匹配層422使用環(huán)氧樹(shù)脂或聚酰亞胺等可形成曲 面的、具有柔軟性的高分子薄膜較好。
另外，信號(hào)用導(dǎo)體150與實(shí)施方式1同樣地形成。信號(hào)用導(dǎo)體150使用 像銅那樣的金屬材料，厚度為10微米(Mm)左右較好。另外，在單獨(dú)使 用銅等金屬導(dǎo)體則強(qiáng)度較弱的情況下，也可以采用設(shè)置了 10~25微米(m m )左右的厚度的聚酰亞胺薄膜的結(jié)構(gòu)。像這樣的信號(hào)用導(dǎo)體150因?yàn)榫哂?充分的柔軟性，所以即使設(shè)置槽160而分割了的壓電元件410的信號(hào)用電極 呈曲面形狀也能夠與其良好地貼緊而取得電導(dǎo)通。另外，通過(guò)利用這樣的信號(hào)用導(dǎo)體150以及上述的接地導(dǎo)體210,即使壓電元件410裂損，信號(hào)用導(dǎo) 體150以及接地導(dǎo)體210也因?yàn)榫哂腥彳浶远粫?huì)斷線(xiàn)，可靠性(質(zhì)量)提 高。其與專(zhuān)利文獻(xiàn)1所示那樣將電氣端子只與壓電元件的電極的一部分連接 的結(jié)構(gòu)相比，能夠解決壓電元件由于來(lái)自外部的機(jī)械式?jīng)_擊裂損而電極破裂 發(fā)生斷線(xiàn)等問(wèn)題。
用于形成曲面的曲率可根據(jù)將超聲波的焦點(diǎn)距離設(shè)定于何處而改變。另 外，要形成的曲面既可以為具有單一的曲率半徑的曲面，也可以為對(duì)于圖6A 以及圖6B的Y方向逐漸改變曲率半徑的、具有多個(gè)曲率的曲面。
聲匹配層420(第一聲匹配層421和第二聲匹配層422)、接地導(dǎo)體210、 壓電元件410以及信號(hào)用導(dǎo)體150由作為本發(fā)明的第二槽的多個(gè)分割槽180 分割為多個(gè)壓電元件列。也就是說(shuō)，將信號(hào)用導(dǎo)體150、壓電元件410、第 一聲匹配層421、接地導(dǎo)體210以及第二聲匹配層422 4安壓在形成為曲面形 狀的背面承載部件430,并將它們形成為曲面形狀后，在X方向(與Y方向 正交的方向)，沿著信號(hào)用導(dǎo)體150的圖案，通過(guò)上述多個(gè)分割槽180將第 二聲匹配層422、 《接地導(dǎo)體210、第一聲匹配層421、壓電元件410、信號(hào)用 導(dǎo)體150以及背面承載部件430的一部分分割為多個(gè)壓電元件列。該方向?yàn)?電子掃描的方向。對(duì)于多個(gè)分割槽180,填充硬度比填充到槽160的環(huán)氧樹(shù) 脂那樣的材料低的硅橡膠那樣的材料。
對(duì)于填充到槽160的材料而言，因?yàn)槭古帕性赮方向的多個(gè)壓電體(由 槽160分割的壓電元件410的各個(gè)部分)整體地以相同相位振動(dòng)，所以即使 振動(dòng)通過(guò)填充到槽160的環(huán)氧樹(shù)脂等填充材料漏出，Y方向的各個(gè)壓電體也 沒(méi)有問(wèn)題，因此槽160的填充材料在硬度上較高也沒(méi)有問(wèn)題。但是，對(duì)于在 X方向分割的多個(gè)壓電元件410列而言，通過(guò)信號(hào)用導(dǎo)體150以及接地導(dǎo)體 210將電信號(hào)提供給各個(gè)壓電元件410時(shí)，為了分別施加延遲而對(duì)電信號(hào)進(jìn) 行相位控制以使超聲波偏轉(zhuǎn)或者匯聚，需要減少在壓電元件410之間的超聲 波振動(dòng)的漏出。因此，對(duì)于用于在X方向分割信號(hào)用導(dǎo)體150、壓電元件410、 第一聲匹配層421、接地導(dǎo)體210以及第二聲匹配層422的分割槽180的填 充材料而言，需要選擇硬度比用于在Y方向分割壓電元件410以及第一聲匹 配層421的槽160的填充材料低、振動(dòng)不易傳遞的材料。
最后，傳播介質(zhì)130根據(jù)需要設(shè)置在第二聲匹配層422上。作為傳播介 質(zhì)130，使用聲阻抗具有接近生物體的值，并且超聲波衰減系數(shù)小的尿烷樹(shù)脂或聚丁橡膠、硅橡膠等較好。另外，在傳播介質(zhì)130的聲速與生物體的聲 速不同的情況下，超聲波在界面發(fā)生折射，因此需要同時(shí)考慮該折射，考慮
第二聲匹配層422的曲面形狀而設(shè)定超聲波的焦點(diǎn)距離。
這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，采取以下的結(jié)構(gòu)設(shè)置槽160，并利用該槽將 變化了厚度的壓電元件410以及第一聲匹配層421形成為曲面形狀，無(wú)需聲 透鏡即可匯聚超聲波，并且采取將信號(hào)用導(dǎo)體150設(shè)置在壓電元件410的信 號(hào)用電極面，并將接地導(dǎo)體210設(shè)置在與第一聲匹配層421的壓電元件410 一側(cè)相反的一側(cè)的面上。因此，能夠制作可得到高靈敏度且寬頻帶的頻率特 性、并且可靠性高的結(jié)構(gòu)，從而能夠得到質(zhì)量高且穩(wěn)定的超聲波探頭。另夕卜， 能夠匯聚超聲波束，還能夠使超聲波束偏轉(zhuǎn)，因此能夠得到提供高靈敏度且 分辨率較高的超聲波圖像的超聲波探頭。
另夕卜，雖然在本實(shí)施方式中iJL明了將壓電元件410在X方向線(xiàn)性地(平 面地)排列的情形，但是X方向的排列形狀并不只限于此。例如，即使將壓 電元件在X方向排列為凸面或者凹面的曲面形狀時(shí)，也可以得到同樣的效果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了第一聲匹配層421使用導(dǎo)體的材料的 結(jié)構(gòu)的情形，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，即使以絕緣體與導(dǎo)體的復(fù)合 體構(gòu)成第一聲匹配層，并通過(guò)第一槽(槽160)在Y方向分割第一聲匹配層， 將導(dǎo)體設(shè)置在第一聲匹配層的一部分以使被分割的各個(gè)部分在Z方向可電 導(dǎo)通時(shí)，也能夠得到同樣的效果。
另夕卜，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了將壓電元件410以及聲匹配層420在 Y方向相對(duì)于被;險(xiǎn)測(cè)體 一 側(cè)形成為凹面的曲面形狀的情形，但是曲面形狀不 只限于此。例如，即使將壓電元件以及聲匹配層在Y方向相對(duì)于被檢測(cè)體一 側(cè)形成為凸面形狀時(shí)，或者不論是凹面還是凸面，使其成為具有單一的曲率 半徑的曲面或者使其成為具有逐漸改變曲率半徑的多個(gè)曲率半徑的曲面時(shí)， 也能夠得到同樣的效果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了以?xún)蓪觼?lái)構(gòu)成聲匹配層的情形，但是 本發(fā)明并不只限于此。即使以三層以上來(lái)構(gòu)成聲匹配層，也能夠得到同樣的 效果。
另外，雖然在本實(shí)施方式中說(shuō)明了將接地導(dǎo)體210設(shè)置在作為導(dǎo)體的第 一聲匹配層421上的情形，但是本發(fā)明并不只限于此。例如，第一以及第二聲匹配層為導(dǎo)體時(shí)，即使將接地導(dǎo)體設(shè)置在第二聲匹配層上，也可以得到同 樣的效果。
2006年4月28日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)2006-125536所包含的說(shuō)明書(shū)、 附圖以及說(shuō)明書(shū)摘要的公開(kāi)內(nèi)容被全部引用在本發(fā)明。 工業(yè)實(shí)用性
本發(fā)明的超聲波探頭能夠利用于進(jìn)行人體等被檢測(cè)體的超聲波診斷的 各種醫(yī)療領(lǐng)域，進(jìn)而能夠利用于以材料或構(gòu)造物的內(nèi)部探傷為目的的工業(yè)領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1. 一種超聲波探頭，包括壓電元件，其在規(guī)定的方向被排列多個(gè)，在用于發(fā)送接收超聲波的兩面設(shè)置有電極；至少兩層以上的聲匹配層，其設(shè)置在所述壓電元件的一個(gè)面上；多個(gè)第一槽，其設(shè)置在所述壓電元件以及所述兩層以上的聲匹配層中的至少所述壓電元件上的第一聲匹配層，并在與所述壓電元件的排列方向正交的長(zhǎng)度方向至少分割所述壓電元件；信號(hào)用導(dǎo)體，其設(shè)置在與所述壓電元件的所述一個(gè)面相反一側(cè)的面上；以及多個(gè)第二槽，其在所述壓電元件的排列方向分離所述兩層以上的聲匹配層中的至少所述第一聲匹配層、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體，其中，所述聲匹配層、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體在所述壓電元件的長(zhǎng)度方向形成為曲面形狀。
2. —種超聲波探頭，包括壓電元件，其在規(guī)定的方向被排列多個(gè)，在用于發(fā)送接收超聲波的兩面 設(shè)置有電極；至少兩層以上的聲匹配層，其設(shè)置在所述壓電元件的一個(gè)面上； 多個(gè)第一槽，其從與所述聲匹配層的一側(cè)相反的一側(cè)，設(shè)置在所述壓電 元件以及所述兩層以上的聲匹配層中的至少所述壓電元件上的第一聲匹配件；信號(hào)用導(dǎo)體，其設(shè)置在與所述壓電元件的所述一個(gè)面相反一側(cè)的面上； 背面承載部件，其用于支承所述聲匹配層、所述壓電元件以及所述信號(hào) 用導(dǎo)體；以及多個(gè)第二槽，其在所述壓電元件的排列方向分離所述兩層以上的聲匹配 層中的至少所述第一聲匹配層、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體，其中，所述聲匹配層、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體在所述壓電元 件的長(zhǎng)度方向形成為曲面形狀。
3. —種超聲波探頭，包括壓電元件，其在規(guī)定的方向被排列多個(gè)，在用于發(fā)送接收超聲波的兩面設(shè)置有電極；第一聲匹配層，其設(shè)置在所述壓電元件的一個(gè)面上； 接地用導(dǎo)體，其設(shè)置在所述第一聲匹配層上； 第二聲匹配層，其設(shè)置在所述接地用導(dǎo)體上；多個(gè)第一槽，其設(shè)置在所述壓電元件以及至少所述第一聲匹配層，并在信號(hào)用導(dǎo)體，其設(shè)置在與所述壓電元件的所述一個(gè)面相反一側(cè)的面上； 背面承載部件，其用于支承所述兩層的聲匹配層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體；以及多個(gè)第二槽，其在所述壓電元件的排列方向分離所述兩層的聲匹配層中的至少所述第一聲匹配層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體，其中，所述兩層的聲匹配層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體在所述壓電元件的長(zhǎng)度方向形成為曲面形狀。 4. 一種超聲波探頭，包括壓電元件，其在規(guī)定的方向被排列多個(gè)，在用于發(fā)送接收超聲波的兩面 設(shè)置有電極；第一聲匹配層，其設(shè)置在所述壓電元件的一個(gè)面上； 接地用導(dǎo)體，其設(shè)置在所述第一聲匹配層上； 第二聲匹配層，其設(shè)置在所述接地用導(dǎo)體上； 第三聲匹配層，其設(shè)置在所述第二聲匹配層上；多個(gè)第一槽，其設(shè)置在所述壓電元件以及至少所述第一聲匹配層，并在信號(hào)用導(dǎo)體，其設(shè)置在與所述壓電元件的所述一個(gè)面相反一側(cè)的面上； 背面承載部件，其用于支承所述三層的聲匹配層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體；以及多個(gè)第二槽，其在所述壓電元件的排列方向分離所述三層的聲匹配層中的至少所述第一聲匹配層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體，其中，所述三層的聲匹配層、所述接地用導(dǎo)體、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體在所述壓電元件的長(zhǎng)度方向形成為曲面形狀。
4.<image>image see original document page 4</image>
5. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，所述第一槽相對(duì)所述第一 聲匹配層以只貫穿所述壓電元件一側(cè)的面的方式而祐 沒(méi)置。
6. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，所述第一槽相對(duì)所述第一聲匹配層以既貫穿所述壓電元件一側(cè)的面又貫穿與所述壓電元件一側(cè)相反 的 一 側(cè)的面的方式而被設(shè)置。
7. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，還包括用于支承所述聲匹 配層、所述壓電元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體的背面承載部件，所述背面承載部 件的所述壓電元件一側(cè)的表面在所述壓電元件的長(zhǎng)度方向形成為曲面形狀。
8. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，設(shè)置了所述第一槽的所述 壓電元件以及所述聲匹配層的厚度在與所述壓電元件的排列方向正交的長(zhǎng) 度方向發(fā)生變化。
9. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，所述第一槽的間隔與所述 第二槽的間隔相同。
10. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，在所述第一槽與所述第二 槽中填充有不同的材料。
11. 如權(quán)利要求IO所述的超聲波探頭，其中，填充到所述第一槽中的 材料的硬度比填充到所述第二槽中的材料硬度高。
12. 如權(quán)利要求IO所述的超聲波探頭，其中，填充到所述第一槽中的 材料為環(huán)氧樹(shù)脂或者尿烷樹(shù)脂。
13. 如權(quán)利要求IO所述的超聲波探頭，其中，填充到所述第二槽中的 材料為硅橡膠。
14. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，所迷聲匹配層、所述壓電 元件以及所述信號(hào)用導(dǎo)體在所述壓電元件的長(zhǎng)度方向形成為凹面形狀。
15. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，所述第一聲匹配層為導(dǎo)體， 或者所述第一聲匹配層的一部分為導(dǎo)體。
16. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，除了所述第一聲匹配層以 外的所述聲匹配層由具有能夠?qū)?yīng)于曲面形狀的柔軟性的材料形成。
17. 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中，所述聲匹配層中至少層疊 在最上面的聲匹配層的材料為橡膠彈性體且為具有聲速為1650m/sec以下的 值的材料。
18.如權(quán)利要求4所述的超聲波探頭，其中，所述第三聲匹配層的材料為橡膠彈性體且為具有聲速為1650m/sec以下的值的材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超聲波探頭，其能夠提高質(zhì)量，能夠得到高靈敏度且寬頻帶的特性，并能夠得到高分辨率的超聲波圖像。在該超聲波探頭中，采用以下的結(jié)構(gòu)設(shè)置槽(160)，并利用該槽將壓電元件(110)以及第一聲匹配層(121)形成為曲面形狀，無(wú)需聲透鏡即可匯聚超聲波，并且將信號(hào)用導(dǎo)體(150)設(shè)置在壓電元件(110)的信號(hào)用電極面上。
文檔編號(hào)A61B8/00GK101431941SQ20078001538
公開(kāi)日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者齊藤孝悅 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社