УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЗОНД
ULTRASONIC PROBE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ультразвуковому зонду, используемому для передачи ультразвуковых волн к объекту, такому как живое тело, и приема их от него.
Уровень техники
Ультразвуковое диагностическое устройство излучает ультразвуковые волны внутрь объекта, в частности, живого тела, например, человека или животного, для детектирования сигнала эха, отраженного изнутри живого тела, а затем отображает томографические изображения тканей внутри живого тела, тем самым поставляя информацию, необходимую для диагностики объекта. В таком случае, ультразвуковое диагностическое устройство использует ультразвуковой зонд для передачи ультразвуковых волн внутрь объекта и для приема сигнала эха изнутри объекта.
Фиг.12 иллюстрирует пример такого ультразвукового зонда. На фиг.12 ультразвуковой зонд 20 выполнен с обеспечением возможности содержать множество пьезоэлектрических элементов 11, расположенных в заданном направлении, чтобы передавать ультразвуковые волны к объекту и принимать их от него (не показано), один или несколько (иллюстрируются три слоя) акустических согласующих слоев 12 (12a, 12b и 12c), создаваемых на фронтальной поверхности (верхняя поверхность на фиг.12), на стороне объекта, у пьезоэлектрических элементов 11, акустическую линзу 13, создаваемую на поверхности, на стороне объекта, у акустического согласующего слоя 12, и силовой элемент 14 в виде подложки, создаваемый на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 11, на стороне, противоположной акустическому согласующему слою 12.
Не иллюстрируемые электроды располагаются на фронтальной поверхности и на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 11, соответственно, так что электрические сигналы могут передаваться к пьезоэлектрическим элементам 11 и приниматься от них. Пьезоэлектрические элементы 11 формируются из пьезоэлектрических керамических материалов на основе PZT или монокристаллических пьезоэлектрических материалов, пьезоэлектрического композита, изготовленного из материалов и полимеров, или пьезоэлектрических полимеров, иллюстрируемых PVDF или чем-либо подобным. Пьезоэлектрические элементы 11 конфигурируются для преобразования напряжения в ультразвуковые волны, которые должны передаваться внутрь объекта, или для преобразования сигнала эха, отраженного изнутри объекта, в электрический сигнал, который должен приниматься от него. В иллюстрируемом примере множество пьезоэлектрических элементов 11 располагаются в направлении X. Такое расположение множества пьезоэлектрических элементов 11 делает возможным электронное сканирование ультразвуковых волн, которые должны отклоняться или сходиться, тем самым делая возможным так называемое электронное сканирование.
Акустический согласующий слой 12 предусматривается для эффективной передачи ультразвуковых волн внутрь объекта и приема их от него. Более конкретно, акустический согласующий слой 12 осуществляет функцию плавного согласования акустического импеданса пьезоэлектрических элементов 11 с акустическим импедансом объекта. В иллюстрируемом примере, хотя создаются три акустических согласующих слоя 12a, 12b и 12c, акустические согласующие слои могут содержать один, два или четыре, или более слоев. Кроме того, в иллюстрируемом примере, хотя акустический согласующий слой 12 формируется целиком на множестве пьезоэлектрических элементов 11, акустический согласующий слой 12 является разделенным с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам 11. Кроме того, имеется известная структура, которая может увеличить направленность ультразвуковых волн (смотри, например, Патентные документы 1 и 2).
Акустическая линза 13 осуществляет функцию собирания ультразвукового луча для увеличения разрешения диагностического изображения. В иллюстрируемом примере акустическая линза 13 простирается в направлении Y, показанном на чертеже (направление, ортогональное к направлению расположения X пьезоэлектрических элементов 11), с полукруглой формой, которая является выпуклой в направлении Z, и способна к собиранию ультразвуковых волн в направлении Y. Акустическая линза 13 представляет собой необязательный элемент и по этой причине будет предусматриваться по необходимости.
Силовой элемент 14 в виде подложки осуществляет функцию удерживания пьезоэлектрических элементов 11, которые связаны с ним, и ослабления ненужных ультразвуковых волн. На чертежах настоящего описания направление X будет упоминаться как "направление расположения (пьезоэлектрических элементов)", направление Y будет упоминаться как "направление по ширине (пьезоэлектрических элементов)" и направление Z будет упоминаться как "направление по толщине (пьезоэлектрических элементов)".
Патентный документ 1: публикация опубликованной заявки на патент Японии № 2003-125494
Патентный документ 2: публикация опубликованной заявки на патент Японии № 2005-198261
Раскрытие изобретения
В таком ультразвуковом диагностическом устройстве типа электронного сканирования, пьезоэлектрические элементы группируются произвольным образом, и индивидуальные пьезоэлектрические элементы приводятся в действие с определенным временем задержки, так что ультразвуковые волны передаются и принимаются между пьезоэлектрическими элементами и объектом. Имея такое время задержки, ультразвуковые волны сходятся или расходятся, и таким образом становится возможным создание ультразвукового изображения, имеющего большую ширину обзора или высокое разрешение.
Такая конфигурация уже известна как обобщенная система. Чтобы ультразвуковой зонд был способным обеспечивать такое ультразвуковое изображение с высоким разрешением, является важным увеличение направленности ультразвукового луча, излучаемого к объекту через акустический согласующий слой, и кроме того, акустические линзы, если это необходимо, от отдельных элементов из множества пьезоэлектрических элементов, расположенных в заданном направлении, осуществляя электронное сканирование.
Ультразвуковой зонд типа электронного сканирования конфигурируется для введения задержки в соответствующие времена передачи и приема пьезоэлектрических элементов (например, 64 элементов), принадлежащих к произвольной группе из множества групп, для осуществления фазового контроля, так что ультразвуковой луч фокусируется в желаемом положении и сужается для повышения разрешения изображения, или ультразвуковой луч отклоняется для сканирования в веерообразной форме.
В таком случае, когда количество пьезоэлектрических элементов, используемое в каждой группе, увеличивается (например, с 64 элементов до 96 элементов), апертура ультразвукового луча увеличивается соответствующим образом, и таким образом луч может сильно собираться, то есть, сужаться гораздо сильнее, с тем результатом, что является возможным обеспечение улучшенного разрешения.
Однако если направленность индивидуальных пьезоэлектрических элементов не является широкой, неважно, насколько увеличивается апертура (увеличивается количество элементов, к которым прикладываются с задержкой электрические сигналы), могут присутствовать пьезоэлектрические элементы, не вносящие вклада, с тем результатом, что апертура сужается, и таким образом становится невозможным сужение и собирание ультразвукового луча. В этом отношении, для увеличения апертуры, является желательным увеличение направленности пьезоэлектрических элементов.
В качестве одной из мер для увеличения направленности, Патентный документ 1 описывает конфигурацию, в которой все акустические согласующие слои разделяются таким образом, чтобы соответствовать множеству пьезоэлектрических элементов, расположенных в заданном направлении, и в которой акустическая связь между соседними пьезоэлектрическими элементами и между акустическими согласующими слоями подавляется настолько, насколько возможно.
Однако, в рассмотренной выше конфигурации, является необходимым разделение и размещение пьезоэлектрических элементов в каждом из акустических согласующих слоев, и когда количество акустических согласующих слоев увеличивается для увеличения ширины полосы частот ультразвуковых волн, технология разделения становится сложной, и таким образом является сложным создание ультразвукового зонда, имеющего стабильные характеристики.
В последние годы ширина полосы частот, используемой в ультразвуковом зонде, становится большой, и часто используется множество частот. В этой связи, для получения ультразвукового изображения с высоким разрешением, становится все более важным увеличение направленности ультразвукового зонда, в то же время, обеспечивая большую ширину полосы.
Настоящее изобретение сделано ввиду проблем, встречающихся в обычных примерах, и задачей настоящего изобретения является создание ультразвукового зонда, который является простым по технологии и способным к получению изображения с высоким разрешением.
В соответствии с настоящим изобретением, предусматривается ультразвуковой зонд, содержащий множество пьезоэлектрических элементов; и акустический согласующий слой, сформированный из эластичного каучукового материала, предусматриваемый на одной из поверхностей множества пьезоэлектрических элементов.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку акустический согласующий слой создается в неразделенном состоянии, без разрывов, являются необязательными обработка и разделение акустического согласующего слоя вместе с пьезоэлектрическими элементами, и таким образом является возможным устранение сложностей при обработке и создание стабильного ультразвукового зонда. Кроме того, поскольку акустические согласующие слой формируется из эластичного каучукового материала, является возможным создание характеристик направленности, таких же или более широких, чем для конфигурации, где акустический согласующий слой является разделенным. Соответственно, фазовый контроль может осуществляться свободно посредством использования большего количества пьезоэлектрических элементов, и таким образом ультразвуковой луч может собираться в узкий. Кроме того, поскольку ультразвуковой луч может отклоняться, является возможным создание ультразвукового зонда, способного обеспечивать ультразвуковое изображение с высоким разрешением.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что акустический импеданс эластичного каучукового материала меньше, чем акустический импеданс пьезоэлектрических элементов, и больше, чем акустический импеданс объекта.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку акустический импеданс эластичного каучукового материала меньше, чем акустический импеданс пьезоэлектрических элементов, и больше, чем акустический импеданс объекта, акустический импеданс пьезоэлектрика может постепенно достигать акустического импеданса объекта, и таким образом, ультразвуковые волны могут передаваться в объект и приниматься изнутри объекта эффективным способом.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что скорость звука для акустического согласующего слоя имеет значение, равное 1650 м/сек или меньше.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку скорость звука акустического согласующего слоя имеет значение, равное 1650 м/сек или меньше, даже когда акустический согласующий слой не является разделенным, является возможным обеспечение характеристик направленностей, таких же или более широких, чем для конфигурации, где акустический согласующий слой является разделенным.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется, чтобы он дополнительно содержал акустический согласующий слой, расположенный между акустическим согласующим слоем и множеством пьезоэлектрических элементов и расположенный индивидуально, с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку только акустический согласующий слой, расположенный вблизи пьезоэлектрических элементов, разделяется способом, сходным с пьезоэлектрическими элементами, даже когда пьезоэлектрические элементы разделяются на узкие интервалы (например, 0,1 мм), обработка может осуществляться стабильным образом, и таким образом, является возможным изготовление ультразвукового зонда единообразным и точным образом. Кроме того, поскольку разделенный акустический согласующий слой создается между плоским акустическим согласующим слоем и множеством пьезоэлектрических элементов, акустический импеданс пьезоэлектрика может постепенно достигать акустического импеданса объекта, и таким образом, ультразвуковые волны могут: передаваться внутрь объекта и приниматься от него эффективным образом.
В соответствии с настоящим изобретением, предусматривается ультразвуковой зонд, содержащий множество пьезоэлектрических элементов; третий акустический согласующий слой, предусматриваемый на одной из поверхностей множества пьезоэлектрических элементов и имеющий акустический импеданс в пределах от 1,8 до 2,2 Мрейл и скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше; и первый и второй акустические согласующие слои, предусматриваемые между третьим акустическим согласующим слоем и множеством пьезоэлектрических элементов.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку третий акустический согласующий слой имеет акустический импеданс в пределах от 1,8 до 2,2 Мрейл и скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, и создаются первый и второй акустические согласующие слои, акустический импеданс пьезоэлектрика может постепенно достигать акустического импеданса объекта, и таким образом, ультразвуковые волны могут передаваться внутрь объекта и приниматься от него эффективным образом.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что третий акустический согласующий слой создается на одной из поверхностей множества пьезоэлектрических элементов, и первый и второй акустические согласующие слои индивидуально располагаются с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку первый и второй акустические согласующие слои создаются между третьим акустическим согласующим слоем и множеством пьезоэлектрических элементов и индивидуально располагаются с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам, акустический импеданс пьезоэлектрика может постепенно достигать акустического импеданса объекта, и таким образом, ультразвуковые волны могут передаваться внутрь объекта и приниматься от него эффективным образом.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что третий акустический согласующий слой формируется из эластичного каучукового материала.
В соответствии с настоящим изобретением, предусматривается ультразвуковой зонд, содержащий множество пьезоэлектрических элементов; второй и третий акустические согласующие слои, предусматриваемые на одной из поверхностей множества пьезоэлектрических элементов и имеющие скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше; и первый акустический согласующий слой, предусматриваемый между вторым и третьим акустическими согласующими слоями и множеством пьезоэлектрических элементов.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку второй и третий акустические согласующие слои имеют скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, является возможным обеспечение характеристик направленности таких же или более широких, чем для конфигурации, где акустический согласующий слой является разделенным. Соответственно, фазовый контроль может осуществляться свободно посредством использования большего количества пьезоэлектрических элементов, и таким образом ультразвуковой луч может собираться в узкий. Более того, поскольку ультразвуковой луч может отклоняться, является возможным создание ультразвукового зонда, способного создавать ультразвуковое изображение с высоким разрешением.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что второй и третий акустические согласующие слои создаются на одной поверхности множества пьезоэлектрических элементов, и первый акустический согласующий слой индивидуально располагается с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку создаются второй и третий акустические согласующие слои, является возможным уменьшение количества слоев акустического согласующего слоя, который должен разделяться вместе с пьезоэлектрическими элементами, и таким образом могут быть устранены сложности при обработке и может быть получен стабильный ультразвуковой зонд.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что второй и третий акустические согласующие слои формируются из эластичного каучукового материала.
В соответствии с настоящим изобретением, предусматривается ультразвуковой зонд, содержащий множество пьезоэлектрических элементов; четвертый акустический согласующий слой, предусматриваемый на одной из поверхностей множества пьезоэлектрических элементов и имеющий скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше; и первый, второй и третий акустические согласующие слои, предусматриваемые между четвертым акустическим согласующим слоем и множеством пьезоэлектрических элементов.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку скорость звука четвертого акустического согласующего слоя имеет значение, равное 1650 м/сек или меньше, является возможным обеспечение характеристик направленности таких же или более широких, чем для конфигурации, где акустический согласующий слой является разделенным. Кроме того, поскольку первый, второй и третий акустические согласующие слои создаются между четвертым акустическим согласующим слоем и множеством пьезоэлектрических элементов, акустический импеданс пьезоэлектрика может постепенно достигать акустического импеданса объекта, и таким образом ультразвуковые волны могут передаваться внутрь объекта и приниматься от него эффективным образом.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что четвертый акустический согласующий слой создается на одной поверхности множества пьезоэлектрических элементов, и первый, второй и третий акустические согласующие слои индивидуально располагаются с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку создается четвертый акустический согласующий слой, является возможным уменьшение количества слоев акустического согласующего слоя, которые должны разделяться вместе с пьезоэлектрическими элементами, и таким образом, сложности при обработке могут быть устранены, и может быть получен стабильный ультразвуковой зонд.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что третий и четвертый акустические согласующие слои создаются на одной из поверхностей множества пьезоэлектрических элементов, и первый и второй акустические согласующие слои индивидуально располагаются с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку создаются третий и четвертый акустические согласующие слои, является возможным уменьшение количества слоев акустического согласующего слоя, которые должны разделяться вместе с пьезоэлектрическими элементами, и таким образом сложности при обработке могут быть устранены и может быть получен стабильный ультразвуковой зонд.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что третий акустический согласующий слой формируется из эластичного каучукового материала и имеет скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше. Более того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что четвертый акустический согласующий слой формируется из эластичного каучукового материала.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку акустический согласующий слой формируется из эластичного каучукового материала и имеет скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, является возможным обеспечение характеристик направленности таких же или более широких, чем для конфигурации, где акустический согласующий слой является разделенным.
В соответствии с настоящим изобретением, предусматривается ультразвуковой зонд, имеющий силовой элемент в виде подложки и множество пьезоэлектрических элементов, расположенных на верхней поверхности силового элемента в виде подложки, ультразвуковой зонд содержит: первую полимерную пленку, предусматриваемую между силовым элементом в виде подложки и множеством пьезоэлектрических элементов и снабженную электрическими выводами, индивидуально расположенными с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам; первый акустический согласующий слой, предусматриваемый на верхней поверхности множества пьезоэлектрических элементов и индивидуально расположенный с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам; вторую полимерную пленку, предусматриваемую на верхней поверхности первого акустического согласующего слоя и снабженную электрическими выводами, индивидуально расположенными с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам; второй акустический согласующий слой, предусматриваемый на верхней поверхности второй полимерной пленки и индивидуально расположенный с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам; и третий акустический согласующий слой, предусматриваемый на верхней поверхности второго акустического согласующего слоя и формируемый из эластичного каучукового материала.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку третий акустический согласующий слой формируется из эластичного каучукового материала, является возможным обеспечение большей ширины полосы частот и увеличение направленности. Кроме того, поскольку третий акустический согласующий слой создается в неразделенном состоянии, количество слоев акустического согласующего слоя, которые должны разделяться вместе с пьезоэлектрическими элементами, может быть уменьшено, и таким образом, является возможным устранение сложности при обработке. Более того, поскольку электрические выводы создаются в полимерной пленке, электрические выводы могут формироваться простым способом. Соответственно, фазовый контроль может осуществляться свободно посредством использования большего количества пьезоэлектрических элементов, и таким образом ультразвуковой луч может собираться в узкий. Более того, поскольку ультразвуковой луч может отклоняться, является возможным обеспечение ультразвукового зонда, способного обеспечивать ультразвуковое изображение с высоким разрешением.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что скорость звука третьего акустического согласующего слоя имеет значение, равное 1650 м/сек или меньше. Более того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется так, что акустический импеданс второй полимерной пленки меньше, чем акустический импеданс второго акустического согласующего слоя, и она имеет толщину 0,07 длины волны или меньше, на используемой частоте.
В соответствии с настоящим изобретением, создается ультразвуковой зонд, имеющий силовой элемент в виде подложки и множество пьезоэлектрических элементов, расположенных на верхней поверхности силового элемента в виде подложки, ультразвуковой зонд содержит: первую полимерную пленку, предусматриваемую между силовым элементом в виде подложки и множеством пьезоэлектрических элементов и снабженную электрическими выводами; первый акустический согласующий слой, предусматриваемый на верхней поверхности множества пьезоэлектрических элементов и индивидуально расположенный с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам; вторую полимерную пленку, предусматриваемую на верхней поверхности первого акустического согласующего слоя и снабженную электрическими выводами, индивидуально расположенными с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам; второй акустический согласующий слой, предусматриваемый на верхней поверхности второй полимерной пленки и сформированный из эластичного каучукового материала; и третий акустический согласующий слой, предусматриваемый на верхней поверхности второго акустического согласующего слоя и сформированный из эластичного каучукового материала.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку второй и третий акустические согласующие слои формируются из эластичного каучукового материала, является возможным обеспечение большей ширины полосы частот и увеличение направленности. Кроме того, поскольку второй и третий акустические согласующие слои создаются в состоянии без разрывов, количество слоев акустического согласующего слоя, которые должны разделяться вместе с пьезоэлектрическими элементами, может быть уменьшено, и таким образом является возможным устранение сложности при обработке. Более того, поскольку электрические выводы создаются в полимерной пленке, электрические выводы могут быть сформированы простым способом. Соответственно, фазовый контроль может осуществляться свободно посредством использования большего количества пьезоэлектрических элементов, и таким образом ультразвуковой луч может собираться в узкий. Более того, поскольку ультразвуковой луч может отклоняться, является возможным создание ультразвукового зонда, способного обеспечивать ультразвуковое изображение с высоким разрешением.
Кроме того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что эластичный каучуковый материал состоит в основном из синтетического каучука, силиконового каучука, уретанового каучука или эластомера. Более того, ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что синтетический каучук в основном состоит из каучука на основе сополимера этилена-пропилена, хлоропропенового каучука, бутадиенового каучука, изопренового каучука, каучука на основе сополимера стирола-бутадиена, или каучука на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена.
В соответствии с настоящим изобретением, поскольку акустический согласующий слой создается на одной из поверхностей пьезоэлектрических элементов и формируется из эластичного каучукового материала, не является обязательным разделение акустического согласующего слоя, и могут быть обеспечены характеристики направленности такие же или более широкие, чем для конфигурации, где акустический согласующий слой является разделенным. По этой причине, является возможным создание ультразвукового зонда, который является простым по технологии и способным к получению диагностического изображения с высоким разрешением.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематический общий вид ультразвукового зонда в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение между скоростью звука и углом направленности акустического согласующего слоя.
Фиг.3 представляет собой схематический общий вид ультразвукового зонда в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 представляет собой схематический общий вид ультразвукового зонда в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение между акустическим импедансом, продолжительностью импульса и относительной шириной полосы частот третьего акустического согласующего слоя.
Фиг.6 представляет собой схематический общий вид ультразвукового зонда в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 представляет собой схематический общий вид ультразвукового зонда в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 представляет собой схематический общий вид ультразвукового зонда в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9A представляет собой схематический общий вид ультразвукового зонда в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9B представляет собой схематический вид в разрезе ультразвукового зонда в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.10 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение между толщиной и относительной шириной полосы полимерной пленки.
Фиг.11 представляет собой схематический общий вид ультразвукового зонда в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.12 представляет собой схематический общий вид, иллюстрирующий конфигурацию ультразвукового зонда в соответствии с современным уровнем техники.
Описание ссылочных номеров
1: ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
2, 2a, 2b, 2c, 2d: АКУСТИЧЕСКИЙ СОГЛАСУЮЩИЙ СЛОЙ
3: СИЛОВОЙ ЭЛЕМЕНТ В ВИДЕ ПОДЛОЖКИ
4: АКУСТИЧЕСКАЯ ЛИНЗА
5: ЭЛЕКТРОД ЗАЗЕМЛЕНИЯ
6: СИГНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОД
7: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЫВОД
8, 9: ПЛЕНКА
10: УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЗОНД
11: ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
12: АКУСТИЧЕСКИЙ СОГЛАСУЮЩИЙ СЛОЙ
13: АКУСТИЧЕСКАЯ ЛИНЗА
14: СИЛОВОЙ ЭЛЕМЕНТ В ВИДЕ ПОДЛОЖКИ
20: УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЗОНД
Осуществление изобретения
Вариант осуществления 1
Далее, ультразвуковой зонд в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описываться со ссылками на чертежи. Фиг.1 представляет собой относительный схематический общий вид ультразвукового зонда 10 в соответствии с первым вариантом осуществления.
Ультразвуковой зонд 10 конфигурируется, чтобы он содержал множество пьезоэлектрических элементов 1, акустический согласующий слой 2 (первый акустический согласующий слой), предусматриваемый на фронтальной поверхности в направлении по толщине на стороне объекта (верхняя сторона на чертеже), с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам 1, силовой элемент 3 в виде подложки, предусматриваемый, если это необходимо, на задней поверхности (нижняя поверхность на чертеже) в направлении по толщине пьезоэлектрических элементов 1, на стороне, противоположной акустическому согласующему слою 2, и акустическую линзу 4, предусматриваемую, если это необходимо, на акустическом согласующем слое 2. Соответствующие функции рассмотренных выше компонентов являются такими же, как и для компонентов, описанных в литературе.
Электрод 5 заземления и сигнальный электрод 6 создаются на фронтальной поверхности и на задней поверхности в направлении по толщине Z пьезоэлектрических элементов 1, соответственно. Электроды 5 и 6 формируются на фронтальной поверхности и на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 1, соответственно, посредством осаждения или напыления золота и серебра или печатания серебра.
Электроды 5 и 6 электрически соединяются с не иллюстрируемым ультразвуковым диагностическим устройством через кабель посредством электрического вывода 7, таким образом, что регулярное импульсное напряжение, генерируемое ультразвуковым зондом, прикладывается к пьезоэлектрическим элементам 1, и приемный сигнал эха, преобразуемый в электрический сигнал посредством пьезоэлектрических элементов 1, передается в главную часть ультразвукового диагностического устройства.
В иллюстрируемом примере, пьезоэлектрические элементы 1 разделяются на индивидуальные элементы, и материалы, такие как силиконовый каучук или уретановый каучук, способные уменьшить акустическую связь, вводятся в части, соответствующие разделительным бороздкам.
Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий соотношение между углом направленности ультразвуковых волн в направлении расположения X множества пьезоэлектрических элементов 1, иллюстрируемых на фиг.1, и скоростью звука эластичного каучукового материала акустического согласующего слоя 2. В ультразвуковом зонде 10 так называемого типа электронного сканирования, имеющем множество пьезоэлектрических элементов 1, расположенных в нем, важным моментом при увеличении разрешения ультразвукового изображения является то, как можно увеличить направленность в направлении X пьезоэлектрических элементов 1.
В первом варианте осуществления, как иллюстрируется на фиг.1, пьезоэлектрические элементы 1, предусматриваемые на силовом элементе 3 в виде подложки, разделяются посредством отрезного станка или чего-либо подобного, силиконовый каучук или уретановый каучук вводят в разделительные бороздки, и после этого акустический согласующий слой 2 эластичного каучукового материала создается на поверхности разделенных пьезоэлектрических элементов 1.
Как известно, акустический согласующий слой 2 формируется с использованием материала, имеющего акустический импеданс, имеющий промежуточное значение между значениями для пьезоэлектрических элементов 1 и объекта (не показан), и имеющего толщину, в основном соответствующую 1/4 длины волны для используемой частоты. Кроме того, на поверхности акустического согласующего слоя 2 создается акустическая линза 4, формируемая из материалов, таких как силиконовый каучук, если это необходимо.
В литературе, для увеличения направленности, акустический согласующий слой 2 помещается на пьезоэлектрических элементах 1, а затем делится способом, сходным с пьезоэлектрическими элементами 1. Это делается для предотвращения ситуации, когда ультразвуковые волны распространяются в горизонтальном направлении внутри акустического согласующего слоя 2 и таким образом направленность сужается, поскольку, если акустический согласующий слой 2 не является разделенным, в отличие от пьезоэлектрических элементов 1, акустический согласующий слой 2 будет непрерывным образом соединять их друг с другом.
Однако, когда пьезоэлектрические элементы 1, акустический согласующий слой 2 и, кроме того, часть силового элемента 3 в виде подложки обрабатываются вместе, чтобы разделяться с помощью отрезного станка, и в частности, с разделительным зазором, достигающим 0,1 мм, имеется та проблема, что поскольку множество материалов обрабатывается вместе, является сложным осуществление обработки для разделения единообразным и стабильным образом.
Настоящий вариант осуществления отличается тем, что разделяются только пьезоэлектрические элементы 1 и акустический согласующий слой 2 из эластичного каучукового материала создается на поверхности разделенных пьезоэлектрических элементов 1 в однослойном состоянии, где акустический согласующий слой не является разделенным, но является сплошным, так что его легко обрабатывать, и обработка может осуществляться единообразным и стабильным образом, и что получаемая направленность является такой же или большей, чем та, которая может быть получена от конфигурации, где акустический согласующий слой 2 является разделенным.
Эластичный каучуковый материал в качестве материала акустического согласующего слоя 2 использует материал, имеющий акустический импеданс, имеющий промежуточное значение между значениями для пьезоэлектрических элементов 1 и объекта и имеющий толщину, в основном соответствующую 1/4 длины волны для используемой частоты. В результате исследований с экспериментами на различных материалах, когда эластичные каучуковые материалы, имеющие одинаковые значения твердости и акустического импеданса, используются в качестве акустического согласующего слоя 2, они показывают различные направленности.
Например, угол направленности, когда пьезоэлектрические элементы 1, имеющие частоту 3,5 МГц, разделяются на интервалы по 0,38 мм, соответствующие зазорам разделенных пьезоэлектрических элементов 1 (состояние, где две части разделенных на интервалы 0,19 мм являются электрически связанными), как определено, на уровне -6 дБ, соответствует углу направленности примерно 23 градуса для типа конфигурации, где акустический согласующий слой 2 разделяется вместе с пьезоэлектрическими элементами 1.
Таким образом, направление, в котором интенсивность ультразвукового луча, излучаемого в направлении Z, уменьшается на -6 дБ, соответствует углу примерно 23 градуса от направления Z. Кроме того, они конфигурируются таким образом, что силиконовые каучуковые материалы вводятся в разделительные бороздки пьезоэлектрических элементов 1 и акустического согласующего слоя 2.
В типе конфигурации, где пьезоэлектрические элементы 1 разделяются с такими же параметрами с помощью рассмотренного выше способа и акустический согласующий слой 2 не разделяется, как иллюстрируется на фиг.1, характеристики направленности ультразвуковых волн в направлении расположения пьезоэлектрических элементов 1 измеряются в состоянии, где получают множество акустических согласующих слоев 2, соответственно, сформированных из силиконового каучука (твердость: 76 твердость по Шору A, скорость звука: 915 м/сек, акустический импеданс: 2,1 Мрейл), хлоропропенового каучука (твердость: 70 твердость по Шору A, скорость звука: 1630 м/сек, акустический импеданс: 2,16 Мрейл), каучука на основе сополимера этилена-пропилена (твердость: 65 твердость по Шору A, скорость звука: 1480 м/сек, акустический импеданс: 1,94 Мрейл), каучука на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена (твердость: 60 твердость по Шору A, скорость звука: 1640 м/сек, акустический импеданс: 1,97 Мрейл) и уретанового каучука (твердость: 78 твердость по Шору A, скорость звука: 1850 м/сек, акустический импеданс: 1,98 Мрейл), и соответствующие акустические согласующие слои 2 размещаются на поверхности пьезоэлектрических элементов 1, и акустическая линза, сформированная из силиконового каучука, создается на верхней поверхности акустического согласующего слоя 2.
В результате измерений можно сделать вывод, что характеристики направленности изменяются в зависимости от материалов акустического согласующего слоя 2. Кроме того, в разделительные бороздки разделенных пьезоэлектрических элементов 1 силиконовые каучуковые материалы вводятся способом, сходным с конфигурацией, где разделение осуществляется до акустического согласующего слоя 2.
Кроме того, в качестве материала, иного, чем уретановый каучук, как рассмотрено выше, используется материал, в котором произвольное количество наполнителей, таких как окись алюминия, углерод или карбонат кальция вводится для регулировки акустического импеданса.
Различие в характеристиках направленности акустических согласующих слоев 2, сформированных из рассмотренных выше пяти видов материалов, не коррелирует или не подвергается влиянию твердости, акустического импеданса, и тому подобное, материалов. Однако характеристики скорости звука материалов акустических согласующих слоев 2 имеют влияние на характеристики направленности, то есть коррелируют с ними, и показывают хорошую корреляцию.
Соотношение между углом направленности, измеренным при уровне -6 дБ с использованием частоты 3,5 МГц и скорости звука материала, иллюстрируется на фиг.2. Как иллюстрируется на фиг.2, они показывают хорошую корреляцию со скоростью звука, и коэффициент корреляции равен 0,86. В этой связи, в конфигурации, где акустический согласующий слой 2 не является разделенным, можно сделать вывод, что нужно сосредоточиться на скорости звука для увеличения направленности. Углы направленности, когда соответствующие материалы используются для акустического согласующего слоя 2, являются следующими.
Соответствующие углы направленности составляют 25 градусов для силиконового каучука, 23,5 градуса для хлоропропенового каучука, 23,5 градуса для каучука на основе сополимера этилена-пропилена, 22,9 градуса для каучука на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена и 20 градусов для уретанового каучука. Кроме того, считается, что результат измерения имеет разброс примерно ±0,5 градуса.
Когда углы направленности сравниваются с углом направленности для конфигурации, известной из литературы, где акустический согласующий слой 2 разделяется вместе с пьезоэлектрическими элементами 1, для получения угла направленности, приблизительно равного углу направленности для конфигурации, известной из литературы, является необходимым формирование акустического согласующего слоя 2 с использованием материала, имеющего скорость звука около 1650 м/сек. Кроме того, для увеличения направленности, можно сделать вывод из результата, иллюстрируемого на фиг.2, что необходимо использовать материал, имеющий скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, например, такой материал, как силиконовый каучук.
Кроме того, в случае уретанового каучука, который показывает узкий угол направленности, поскольку среди уретановых каучуков, некоторые виды продуктов (например, уретановая смола среднего размера сорта UE-644, производимая SANYU REC Co., Ltd., имеет скорость звука 1580 м/сек и акустический импеданс 2,1 Мрейл) имеют скорость звука вблизи 1650 м/сек или меньше, то нельзя сказать, что уретановый каучук сужает угол направленности, и угол направленности определяется скоростью звука. По этой причине, когда выбираются материалы, имеющие скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, материалы в основном сводятся к эластичным каучуковым материалам.
Как описано выше, в конфигурации, где акустический согласующий слой 2 не является разделенным, в отличие от пьезоэлектрических элементов 1, но создается как один лист сплошной пленки, для обеспечения или увеличения направленности, можно сделать вывод, что необходимо сосредоточиться на скорости звука материала акустического согласующего слоя 2.
Например, материал, имеющий акустический импеданс примерно 2 Мрейл, в качестве одного из материалов, рассмотренных выше, не ограничивается эластичными каучуковыми материалами, но и пластмассы также могут использоваться. Например, материалы, в которых наполняющие материалы вводятся в полиэтиленовую смолу, полистирольную смолу или эпоксидную смолу, описанные в Патентном документе 2, могут использоваться, и такие материалы имеют скорость звука, равную примерно 1800 м/сек или более. Когда акустический согласующий слой 2 формируется из таких материалов и не является разделенным, подобно конфигурации настоящего варианта осуществления, направленность сужается, как можно понять из соотношения, показанного на фиг.2. По этой причине, когда используются такие материалы, необходимо создавать такую конфигурацию, чтобы акустический согласующий слой 2 был разделен способом, сходным с пьезоэлектрическими элементами 1, так чтобы направленность увеличивалась.
Кроме того, хотя это уже было описано для случая, где акустический согласующий слой 2 состоит в основном из синтетических каучуков, таких как хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена и каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена, такие же преимущества могут быть получены, когда акустический согласующий слой 2 состоит в основном из других синтетических каучуковых материалов, таких как бутадиеновый каучук, изопреновый каучук, каучук на основе сополимера стирола-бутадиена или акриловый каучук.
Более того, хотя это уже было описано для случая, где акустический согласующий слой 2 в основном состоит из эластичного каучукового материала, такого как синтетический каучук, силиконовый каучук или уретановый каучук, такие же преимущества могут быть получены, когда акустический согласующий слой 2 формируется из других эластомерных материалов, имеющих эластичный каучуковый материал.
В дополнение к этому, хотя первый вариант осуществления описывается для случая, где пьезоэлектрические элементы располагаются одномерным способом, такие же преимущества могут быть получены, когда пьезоэлектрические элементы располагаются двухмерным способом. Кроме того, хотя первый вариант осуществления описывается для случая, где располагаются множество пьезоэлектрических элементов, эластичный каучуковый материал может использоваться для акустического согласующего слоя, даже когда пьезоэлектрические элементы не располагаются по отдельности, но образуют единое тело.
Более того, хотя первый вариант осуществления описывается для так называемого линейного типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается приблизительно на прямой линии, такие же преимущества могут быть получены для выпуклого типа или вогнутого типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается в форме искривленной поверхности.
Вариант осуществления 2
Далее, ультразвуковой зонд в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описываться со ссылкой на чертежи. Фиг.3 представляет собой относительно схематичный общий вид ультразвукового зонда 10 в соответствии со вторым вариантом осуществления.
Ультразвуковой зонд 10 конфигурируется, чтобы он содержал множество пьезоэлектрических элементов 1, двухслойный акустический согласующий слой 2 (2a и 2b), предусматриваемый на фронтальной поверхности в направлении по толщине на стороне объекта (верхняя сторона на чертеже) с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам 1, силовой элемент 3 в виде подложки, предусматриваемый, если это необходимо, на задней поверхности (нижняя поверхность на чертеже) в направлении по толщине пьезоэлектрических элементов 1, на стороне, противоположной акустическому согласующему слою 2 (2a и 2b), и акустическую линзу 4, предусмотренную, если это необходимо, на акустическом согласующем слое 2 (2a и 2b). Соответствующие функции рассмотренных выше компонентов являются такими же, как и для компонентов, описанных в литературе.
Электрод 5 заземления и сигнальный электрод 6 создаются на фронтальной поверхности и на задней поверхности в направлении по толщине Z пьезоэлектрических элементов 1, соответственно. Электроды 5 и 6 формируются на фронтальной поверхности и на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 1, соответственно, посредством осаждения или напыления золота и серебра или печатания серебра.
Электроды 5 и 6 электрически соединяются с не иллюстрируемым ультразвуковым диагностическим устройством через кабель посредством электрического вывода 7, таким образом, что регулярное импульсное напряжение, генерируемое ультразвуковым зондом, прикладывается к пьезоэлектрическим элементам 1, и приемный сигнал эха, преобразуемый в электрический сигнал пьезоэлектрическими элементами 1, передается в главную часть ультразвукового диагностического устройства.
В иллюстрируемом примере пьезоэлектрические элементы 1 и первый акустический согласующий слой 2a, расположенные вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяются на индивидуальные элементы, и материалы, такие как силиконовый каучук или уретановый каучук, способные уменьшить акустическую связь, вводятся в части, соответствующие разделительным бороздкам. Кроме того, второй акустический согласующий слой 2b предусматривается как единый лист, не имеющей разрывов сплошной пленки на верхней поверхности акустического согласующего слоя 2a, расположенный вблизи пьезоэлектрических элементов 1. В дополнение к этому, создается акустическая линза, если это необходимо, с использованием материалов, таких как силиконовый каучук.
В ультразвуковом зонде 10 так называемого типа электронного сканирования, имеющем множество пьезоэлектрических элементов 1, расположенных в нем, подобно первому варианту осуществления, важным моментом при увеличении разрешения ультразвукового изображения является то, как может быть увеличена направленность в направлении X пьезоэлектрических элементов 1.
Хотя первый вариант осуществления описывается для случая, где акустический согласующий слой 2 имеет один слой, когда разница между соответствующим акустическим импедансом пьезоэлектрических элементов 1 и объектом является большой, например, когда пьезоэлектрические керамические материалы на основе PZT, имеющие акустический импеданс примерно 30 Мрейл, используются для пьезоэлектрических элементов, разница является большой, поскольку объект имеет акустический импеданс примерно 1,5 Мрейл; по этой причине, имеется предел при увеличении ширины полосы частот в таком однослойном акустическом согласующем слое. По этой причине, является необходимым конфигурировать акустический согласующий слой 2 для получения двух или более слоев, для увеличения ширины полосы.
Однако когда акустический согласующий слой конфигурируется для получения двух или более слоев, является сложным увеличение направленности, если только акустический согласующий слой 2 не разделяется способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1. Это происходит потому, что акустический согласующий слой 2 разделяется с помощью отрезного станка или чего-либо подобного, способом, сходным с пьезоэлектрическими элементами 1, толщина увеличивается, когда увеличивается количество слоев акустического согласующего слоя 2, и поскольку количество материалов слоев, которые должны разделяться, увеличивается, способ разделения становится сложным, и таким образом, трудно осуществлять обработку для разделения единообразным и стабильным образом. Настоящий вариант осуществления относится к конфигурации, которая решает такую проблему, чтобы тем самым увеличить направленность.
В настоящем варианте осуществления, акустический согласующий слой конфигурируется для получения двух или более слоев (в иллюстрируемом примере, двух слоев), и как иллюстрируется на фиг.3, пьезоэлектрические элементы 1 и акустический согласующий слой 2a, расположенный вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяются, и сплошной однослойный акустический согласующий слой 2b создается на верхней поверхности акустического согласующего слоя 2a.
В качестве материалов пьезоэлектрических элементов 1 используются пьезоэлектрические керамические материалы на основе PZT, монокристаллические пьезоэлектрические материалы на основе PZN-PT или на основе PMN-PT, или пьезоэлектрический композит, изготовленный из материалов и полимеров. В качестве материалов акустического согласующего слоя 2a используется графит или эпоксидная смола, в которую введены наполнители, такие как металл или оксиды.
Кроме того, в качестве материалов акустического согласующего слоя 2b используются материалы, состоящие в основном из такого же эластичного каучукового материала, как описывается в первом варианте осуществления, такого как силиконовый каучук, хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена, каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена и уретановый каучук.
Когда является желательным изготовление акустического согласующего слоя 2b, который имеет акустический импеданс, имеющий значение, отличающийся от значения первого варианта осуществления, акустический импеданс может регулироваться посредством введения наполнителей, таких как металл или оксиды, в материал главного компонента эластичного каучукового материала.
Здесь исходными условиями при получении акустического согласующего слоя 2b как единого листа не имеющей разрывов сплошной пленки является выбор эластичного каучукового материала, способного к обеспечению характеристик направленности таких же или лучших, чем для конфигурации, где акустический согласующий слой 2b является разделенным и имеет скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше. Это можно легко понять из результата, иллюстрируемого на фиг. 2 и описанного в первом варианте осуществления.
Таким образом, является возможным уменьшение количества слоев акустического согласующего слоя, которые должны разделяться способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1. По этой причине, даже когда они разделяются на узкие интервалы (например, 0,1 мм), обработка может осуществляться стабильным образом, и таким образом, является возможным изготовление ультразвукового зонда единообразным и точным образом без уменьшения направленности.
Как описано выше, в конфигурации, где акустический согласующий слой 2a двухслойного акустического согласующего слоя 2, расположенный вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяется способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1, и непрерывный однослойный акустический согласующий слой 2b создается на верхней поверхности акустического согласующего слоя 2a, необходимо сосредоточиться на скорости звука материала акустического согласующего слоя 2b для обеспечения или увеличения направленности.
Например, материалы акустического согласующего слоя 2b не являются ограниченными эластичными каучуковыми материалами, но также могут использоваться пластмассы. Например, могут использоваться материалы, в которых наполняющие материалы вводятся в полиэтиленовую смолу, полистирольную смолу, полиимидную смолу, эпоксидную смолу, или материал, в котором наполняющие материалы вводятся в эпоксидную смолу, описанную в Патентном документе 2, и такие материалы имеют скорость звука, равную примерно 1800 м/сек или более. Когда акустический согласующий слой 2 формируется из таких материалов и не является разделенным, подобно конфигурации настоящего варианта осуществления, угол направленности сужается, как легко понять по результату, показанному на фиг.2. По этой причине, когда используются такие материалы, необходимо разделение акустического согласующего слоя 2b способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1 и акустическому согласующему слою 2a.
Кроме того, хотя второй вариант осуществления описывается для случая, где акустический согласующий слой 2b формируется из синтетических каучуков, таких как хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена и каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена, такие же преимущества могут быть получены, когда акустический согласующий слой 2b в основном состоит из других синтетических каучуковых материалов, таких как бутадиеновый каучук, изопреновый каучук, каучук на основе сополимера стирола-бутадиена или акриловый каучук.
Более того, хотя второй вариант осуществления описывается для случая, где акустический согласующий слой 2b формируется из эластичного каучукового материала, такого как синтетический каучук, силиконовый каучук или уретановый каучук, такие же преимущества могут быть получены, когда акустический согласующий слой 2b формируется из других эластомерных материалов, имеющих эластичный каучуковый материал.
Более того, хотя второй вариант осуществления описывается для случая, где акустический согласующий слой 2 имеет два слоя, такие же преимущества могут быть получены, когда акустический согласующий слой имеет три или более слоев, и акустический согласующий слой, расположенный вблизи объекта, не является разделенным, но формируется как сплошное тело посредством использования эластичного каучукового материала.
В дополнение к этому, хотя второй вариант осуществления описывается для случая, где пьезоэлектрические элементы располагаются одномерным способом, такие же преимущества могут быть получены, когда пьезоэлектрические элементы располагаются двухмерным способом. Кроме того, хотя второй вариант осуществления описывается для случая, где множество пьезоэлектрических элементов располагаются по отдельности, эластичный каучуковый материал может использоваться для акустического согласующего слоя, даже когда пьезоэлектрические элементы не являются расположенными по отдельности, но образуют единое тело.
Более того, хотя второй вариант осуществления описывается для так называемого линейного типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается приблизительно на прямой линии, такие же преимущества могут быть получены для выпуклого типа или вогнутого типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается в форме искривленной поверхности.
Вариант осуществления 3
Далее, ультразвуковой зонд в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения будет описываться со ссылками на чертежи. Фиг.4 представляет собой относительно схематичный общий вид ультразвукового зонда 10 в соответствии с третьим вариантом осуществления.
Ультразвуковой зонд 10 конфигурируется, чтобы он содержал множество пьезоэлектрических элементов 1, трехслойный акустический согласующий слой 2 (2a, 2b и 2c), предусматриваемый на фронтальной поверхности в направлении по толщине на стороне объекта (верхняя сторона на чертеже) с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам 1, силовой элемент 3 в виде подложки, предусматриваемый, если это необходимо, на задней поверхности (нижняя поверхность на чертеже) в направлении по толщине пьезоэлектрических элементов 1 на стороне, противоположной акустическому согласующему слою 2 (2a, 2b и 2c), и акустическую линзу 4, предусматриваемую, если это необходимо, на акустическом согласующем слое 2 (2a, 2b и 2c). Соответствующие функции рассмотренных выше компонентов являются такими же, как и для компонентов, описанных в литературе.
Электрод 5 заземления и сигнальный электрод 6 создаются на фронтальной поверхности и на задней поверхности в направлении по толщине Z пьезоэлектрических элементов 1, соответственно. Электроды 5 и 6 формируются на фронтальной поверхности и на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 1, соответственно, посредством осаждения или напыления золота и серебра или печатания серебра.
Электроды 5 и 6 электрически соединяются с не иллюстрируемым ультразвуковым диагностическим устройством через кабель посредством электрического вывода 7, таким образом, что регулярное импульсное напряжение, генерируемое ультразвуковым зондом, прикладывается к пьезоэлектрическим элементам 1, и приемный сигнал эха, преобразуемый в электрический сигнал пьезоэлектрическими элементами 1, передается в главную часть ультразвукового диагностического устройства.
В иллюстрируемом примере имеются пьезоэлектрические элементы 1, первый акустический согласующий слой 2a и второй акустический согласующий слой 2b, каждый его слой располагается вблизи пьезоэлектрических элементов 1, которые разделяются на индивидуальные элементы, и материалы, такие как силиконовый каучук или уретановый каучук, способные к уменьшению акустической связи, вводятся в части, соответствующие разделительным бороздкам. Кроме того, третий акустический согласующий слой 2c предусматривается как единый лист не имеющей разрывов сплошной пленки на верхней поверхности акустического согласующего слоя 2b. В дополнение к этому, акустическая линза создается, если это необходимо, посредством использования материалов, таких как силиконовый каучук.
В ультразвуковом зонде 10 так называемого типа электронного сканирования, имеющем множество пьезоэлектрических элементов 1, расположенных в нем, подобно второму варианту осуществления, важным моментом при увеличении разрешения ультразвукового изображения является то, как может быть увеличена направленность в направлении X пьезоэлектрических элементов 1.
Хотя второй вариант осуществления описывается для случая, где акустический согласующий слой 2 имеет два слоя, но, поскольку акустический согласующий слой 2 конфигурируется, чтобы он имел три слоя, является возможным дополнительное увеличение ширины полосы. Однако когда акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех или более слоев, как описывается в Патентных документах 1 и 2, является сложным увеличение направленности, если только акустический согласующий слой 2 (2a, 2b и 2c) не разделяется способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1. Это происходит потому, что акустический согласующий слой 2 разделяется с помощью отрезного станка или чего-либо подобного, способом, сходным с пьезоэлектрическими элементами 1, толщина увеличивается, когда увеличивается количество слоев 2, и поскольку количество материалов слоев, которые должны разделяться, увеличивается, способ разделения становится сложным, и таким образом, трудно осуществлять обработку для разделения единообразным и стабильным образом. Настоящий вариант осуществления относится к конфигурации, которая решает такую проблему, чтобы тем самым обеспечить большую ширину полосы и увеличить направленность.
В настоящем варианте осуществления, акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех слоев, и как иллюстрируется на фиг.4, пьезоэлектрические элементы 1 и первый и второй акустические согласующие слои 2a и 2b, расположенные вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяются, и третий сплошной однослойный акустический согласующий слой 2c создается на верхней поверхности первого акустического согласующего слоя 2a и второго акустического согласующего слоя 2b.
В качестве материалов пьезоэлектрических элементов 1 используются пьезоэлектрические керамические материалы на основе PZT, монокристаллические пьезоэлектрические материалы на основе PZN-PT или на основе PMN-PT, или пьезоэлектрический композит, изготовленный из материалов и полимеров. В качестве материалов первого акустического согласующего слоя 2a используются материалы, такие как стекло, такие как монокристаллический кремний, кристаллический или плавленый кварц, механически обрабатываемая керамика или графит, имеющие значение акустического импеданса, находящееся в пределах от 8 до 20 Мрейл.
В качестве материалов второго акустического согласующего слоя 2b используются материалы, такие как графит или эпоксидная смола, в которые вводятся наполнители, такие как металл или оксиды, имеющие значение акустического импеданса, находящееся в пределах от 3 до 8 Мрейл.
Кроме того, в качестве материалов третьего акустического согласующего слоя 2c используются материалы, состоящие в основном из эластичного каучукового материала, такого как силиконовый каучук, хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена, каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена и уретановый каучук.
Соответствующие акустические импедансы акустического согласующего слоя 2 (2a, 2b и 2c) определяются с помощью соответствующих материалов или их частотных характеристик. Например, частотные характеристики вычисляются в конфигурации, где частота настраивается на центральную частоту 3,5 МГц, материал, имеющий акустический импеданс 7 Мрейл, используется для силового элемента 3 в виде подложки, пьезоэлектрический керамический материал на основе PZT, такого как PZT-5H, используется для пьезоэлектрических элементов 1, графит, имеющий акустический импеданс 9 Мрейл, используется для первого акустического согласующего слоя 2a, и эпоксидная смола, в которую вводятся оксиды, имеющие акустический импеданс 4 Мрейл, используются для второго акустического согласующего слоя 2b, таким образом, чтобы акустический импеданс третьего акустического согласующего слоя 2c изменялся в пределах от 1,5 до 2,5 Мрейл.
Соотношение между относительной шириной полосы частотной характеристики при -6 дБ и продолжительностью импульса, оцениваемой на уровнях -6 дБ, -20 дБ и -40 дБ, иллюстрируется на фиг.5. На фиг.5 горизонтальная ось представляет собой акустический импеданс третьего акустического согласующего слоя 2c, левая вертикальная ось представляет собой продолжительность импульса, и правая вертикальная ось представляет собой относительную ширину полосы частот (ширина полосы/центральная частота) при -6 дБ.
Как легко понять из Фиг.5, продолжительность импульса очень мало изменяется на уровне -6 дБ, когда изменяется акустический импеданс третьего акустического согласующего слоя 2c; однако, продолжительность импульса изменяется на уровнях -20 дБ и -40 дБ и имеет малое значение, когда акустический импеданс находится в пределах от 1,8 до 2,3 Мрейл. Поскольку разрешение преимущественно увеличивается, когда продолжительность импульса имеет меньшие значения, уменьшение ширины импульса является важным при увеличении разрешения.
С другой стороны, когда относительная ширина полосы увеличивается, разрешение и глубина диагностики повышается. Если смотреть на относительную ширину полосы частот, иллюстрируемую на фиг.5, можно узнать, что когда акустический импеданс третьего акустического согласующего слоя 2c увеличивается выше примерно 2,3 Мрейл, относительная ширина полосы становится равной 80 процентов или меньше, и таким образом является сложным обеспечение большей ширины полосы. По этой причине, из результатов характеристик продолжительности импульса и относительной ширины полосы, можно сделать вывод, что акустический импеданс третьего акустического согласующего слоя 2c предпочтительно находится в пределах от 1,8 до 2,2 Мрейл.
В качестве материалов третьего акустического согласующего слоя 2c, имеющего акустический импеданс в пределах от 1,8 до 2,2 Мрейл, может использоваться материал, который может обеспечить акустический импеданс в этом диапазоне исключительно сам по себе как главный компонент материала из эластичного каучукового материала; однако материал, имеющий значение акустического импеданса вне этого диапазона, может заполняться наполнителями или чем-либо подобным для регулировки акустического импеданса.
Здесь исходными условиями при получении третьего акустического согласующего слоя 2c как единого листа не имеющей разрывов сплошной пленки является выбор эластичного каучукового материала, способного к обеспечению характеристик направленности таких же или лучших, чем для конфигурации, где третий акустический согласующий слой 2c разделен и имеет скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше. Это можно легко понять из результата, иллюстрируемого на фиг.2 и описанного в первом варианте осуществления.
Таким образом, является возможным уменьшение количества слоев акустического согласующего слоя, который должен разделяться способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1. По этой причине, даже когда они разделяются на узкие интервалы (например, 0,1 мм), обработка может осуществляться стабильным образом, и таким образом, является возможным изготовление ультразвукового зонда единообразным и точным образом без уменьшения направленности.
Как описывается выше, в конфигурации, где первый и второй акустические согласующие слои 2a и 2b трехслойного акустического согласующего слоя 2, расположенного вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяются способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1, и третий сплошной однослойный акустический согласующий слой 2c создается на верхней поверхности второго акустического согласующего слоя 2b, необходимо сосредоточиться на скорости звука материала третьего акустического согласующего слоя 2c для обеспечения или увеличения направленности.
Например, материалы, пригодные для третьего акустического согласующего слоя 2c, не являются ограниченными эластичным каучуковым материалом, но могут также использоваться пластмассы. Например, могут использоваться материалы, в которых материалы наполнителей вводятся в полиэтиленовую смолу, полистирольную смолу, полиимидную смолу, эпоксидную смолу, или материал, в котором наполняющие материалы вводятся в эпоксидную смолу, описанную в Патентном документе 2, и такие материалы имеют скорость звука, равную примерно 1800 м/сек или более. Когда третий акустический согласующий слой 2c формируется из таких материалов и не разделяется подобно конфигурации настоящего варианта осуществления, угол направленности сужается, как легко понять по результату, показанному на фиг.2. По этой причине, когда используются такие материалы, необходимо разделять третий акустический согласующий слой 2c способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1 и первым и вторым акустическим согласующим слоям 2a и 2b.
Кроме того, хотя третий вариант осуществления описывается для случая, где третий акустический согласующий слой 2c формируется из синтетических каучуков, таких как хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена и каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена, такие же преимущества могут быть получены, когда третий акустический согласующий слой 2c в основном состоит из других синтетических каучуковых материалов, таких как бутадиеновый каучук, изопреновый каучук, каучук на основе сополимера стирола-бутадиена или акриловый каучук.
Более того, хотя третий вариант осуществления описывается для случая, где третий акустический согласующий слой 2c формируется из эластичного каучукового материала, такого как синтетический каучук, силиконовый каучук или уретановый каучук, такие же преимущества могут быть получены, когда третий акустический согласующий слой 2c формируется из других эластомерных материалов, имеющих эластичный каучуковый материал.
Более того, хотя третий вариант осуществления описывается для случая, где акустический согласующий слой 2 имеет три слоя, такие же преимущества могут быть получены, когда акустический согласующий слой имеет четыре или более слоев, и акустический согласующий слой, расположенный вблизи объекта, не является разделенным, но формируется как сплошное тело посредством использования эластичного каучукового материала.
В дополнение к этому, хотя третий вариант осуществления описывается для случая, где пьезоэлектрические элементы располагаются одномерным способом, такие же преимущества могут быть получены, когда пьезоэлектрические элементы располагаются двухмерным способом. Кроме того, хотя третий вариант осуществления описывается для случая, где множество пьезоэлектрических элементов располагаются по отдельности, такие же преимущества большей ширины полосы могут быть получены, когда акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех или более слоев, и эластичный каучуковый материал используется для акустического согласующего слоя, расположенного вблизи объекта, даже когда пьезоэлектрические элементы не располагаются по отдельности, но образуют единое тело.
Более того, хотя третий вариант осуществления описывается для так называемого линейного типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается приблизительно на прямой линии, такие же преимущества могут быть получены для выпуклого типа или вогнутого типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается в форме искривленной поверхности.
Вариант осуществления 4
Далее, ультразвуковой зонд в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описываться со ссылками на чертежи. Фиг.6 представляет собой относительно схематичный общий вид ультразвукового зонда 10 в соответствии с четвертым вариантом осуществления.
Ультразвуковой зонд 10 конфигурируется, чтобы он содержал множество пьезоэлектрических элементов 1, трехслойный акустический согласующий слой 2 (2a, 2b и 2c), создаваемый на фронтальной поверхности в направлении по толщине на стороне объекта (верхняя сторона на чертеже), с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам 1, силовой элемент 3 в виде подложки, предусматриваемый, если это необходимо, на задней поверхности (нижняя поверхность на чертеже) в направлении по толщине пьезоэлектрических элементов 1 на стороне, противоположной акустическому согласующему слою 2 (2a, 2b и 2c), и акустическую линзу 4, создаваемую, если это необходимо, на акустическом согласующем слое 2 (2a, 2b и 2c). Соответствующие функции рассмотренных выше компонентов являются такими же, как и для компонентов, описанных в литературе.
Электрод 5 заземления и сигнальный электрод 6 создаются на фронтальной поверхности и задней поверхности в направлении по толщине Z пьезоэлектрических элементов 1, соответственно. Электроды 5 и 6 формируются на фронтальной поверхности и на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 1, соответственно, посредством осаждения или напыления золота и серебра или печатания серебра.
Электроды 5 и 6 электрически соединяются с не иллюстрируемым ультразвуковым диагностическим устройством через кабель посредством электрического вывода 1, таким образом, что регулярное импульсное напряжение, генерируемое ультразвуковым зондом, прикладывается к пьезоэлектрическим элементам 1, и приемный сигнал эха, преобразуемый в электрический сигнал пьезоэлектрическими элементами 1, передается в главную часть ультразвукового диагностического устройства.
В иллюстрируемом примере, пьезоэлектрические элементы 1 и первый акустический согласующий слой 2a, расположенные вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяются на индивидуальные элементы, и материалы, такие как силиконовый каучук или уретановый каучук, способные уменьшить акустическую связь, вводятся в части, соответствующие разделительным бороздкам. Кроме того, второй акустический согласующий слой 2b и третий акустический согласующий слой 2c создаются как единый лист не имеющей разрывов сплошной пленки на верхней поверхности акустического согласующего слоя 2a, расположенный вблизи пьезоэлектрических элементов 1. В дополнение к этому, акустическая линза создается, если это необходимо, посредством использования материалов, таких как силиконовый каучук.
В ультразвуковом зонде 10 так называемого типа электронного сканирования, имеющего множество пьезоэлектрических элементов 1, расположенных в нем, подобно второму и третьему варианту осуществления, важным моментом при увеличении разрешения ультразвукового изображения является то, как может быть увеличена направленность в направлении X пьезоэлектрических элементов 1.
Хотя второй вариант осуществления описывается для случая, где акустический согласующий слой 2 имеет два слоя, но, поскольку акустический согласующий слой 2 конфигурируется для получения трех слоев, является возможным дополнительное увеличение ширины полосы. Однако когда акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех или более слоев, как описывается в Патентных документах 1 и 2, является сложным увеличение направленности, если только акустический согласующий слой 2 (2a, 2b и 2c) не разделяется способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1.
Это происходит потому, что акустический согласующий слой 2 разделяется с помощью отрезного станка или чего-либо подобного, способом, сходным с пьезоэлектрическими элементами 1, толщина увеличивается, когда увеличивается количество слоев акустического согласующего слоя 2, и поскольку количество материалов слоев, которые должны разделяться, увеличивается, способ разделения становится сложным, и таким образом, трудно осуществлять обработку для разделения единообразным и стабильным образом. Настоящий вариант осуществления относится к конфигурации, которая решает такую проблему, чтобы тем самым обеспечить большую ширину полосы и увеличить направленность.
В настоящем варианте осуществления, акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех слоев, и как иллюстрируется на фиг.6, пьезоэлектрические элементы 1 и первый акустический согласующий слой 2a, расположенный вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяются, и второй и третий сплошные акустические согласующие слои 2b и 2c создаются на верхней поверхности первого акустического согласующего слоя 2a.
В качестве материалов пьезоэлектрических элементов 1 используются пьезоэлектрические керамические материалы на основе PZT, монокристаллические пьезоэлектрические материалы на основе PZN-PT или на основе PMN-PT, или пьезоэлектрический композит, изготовленный из материалов и полимеров. В качестве материалов первого акустического согласующего слоя 2a используются материалы, такие как стекло, включая монокристаллический кремний, кристаллический или плавленый кварц, механически обрабатываемую керамику, или графит, имеющие значение акустического импеданса, находящееся в пределах от 8 до 20 Мрейл. В качестве материалов второго акустического согласующего слоя 2b используются материалы, такие как эластичный каучуковый материал, в который вводятся наполнители, такие как порошок металла или порошок оксида, имеющие значение акустического импеданса, находящееся в пределах от 3 до 8 Мрейл.
Кроме того, в качестве материалов третьего акустического согласующего слоя 2c используются материалы, состоящие в основном из эластичного каучукового материала, такого как силиконовый каучук, хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена, каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена и уретановый каучук. Настоящий вариант осуществления отличается тем, что ни второй акустический согласующий слой 2b, ни третий акустический согласующий слой 2c не являются разделенными.
Когда второй акустический согласующий слой 2b не является разделенным, в отличие от пьезоэлектрических элементов 1, направленность сужается, как описано выше, и таким образом это является нежелательным. Однако, даже когда второй акустический согласующий слой не является разделенным, он не вызывает никаких проблем, постольку поскольку направленность не сужается. Кроме того, как описывается во втором и третьем вариантах осуществления, чем меньше количество составляющих компонентов, тем проще может быть осуществление способа разделения.
Для использования конфигурации, где второй и третий акустические согласующие слои 2b и 2c не являются разделенными, как иллюстрируется на фиг.2 и описывается в третьем варианте осуществления, когда второй акустический согласующий слой 2b формируется из такого же эластичного каучукового материала, как и третий акустический согласующий слой 2c, и имеет значение скорости звука, равное 1650 м/сек или меньше, является возможным получение таких характеристик, что направленность не сужается, даже когда второй акустический согласующий слой 2b не является разделенным.
В качестве материалов второго акустического согласующего слоя 2b, имеющего акустический импеданс в пределах от 3 до 8 Мрейл и скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, используется материал, в котором наполнители из порошка металлов (средний размер зерен 1,2 мкм) вводятся в каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена при отношении 9:1 в терминах процентов массы, имеющий акустический импеданс 5,3 Мрейл и скорость звука 1070 м/сек, что обеспечивает желаемые значения характеристик, когда используется второй акустический согласующий слой 2b.
Таким образом, посредством введения наполнителей, имеющих большую плотность, таких как оксиды или порошок металла, такого как вольфрам, серебро, железо или никель, в материал, состоящий в основном из эластичных материалов на основе синтетического каучука, является возможным получение материала, имеющего акустический импеданс и скорость звука, необходимые для второго акустического согласующего слоя 2b.
Таким образом, является возможным уменьшение количества слоев акустического согласующего слоя, которые должны разделяться способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1. По этой причине, даже когда они разделяются на узкие интервалы (например, 0,1 мм), обработка может осуществляться стабильным образом, и таким образом, является возможным изготовление ультразвукового зонда единообразным и точным образом без уменьшения направленности.
Кроме того, хотя четвертый вариант осуществления описывается для случая, где материал, в котором наполнители из порошка меди вводятся в каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена, который представляет собой синтетический каучук, используется для второго акустического согласующего слоя 2b, такие же преимущества могут быть получены, когда используется материал, который состоит из другого наполнителя и синтетического материала, такого как хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена, бутадиеновый каучук, изопреновый каучук, каучук на основе сополимера стирола-бутадиена или акриловый каучук, силиконовый каучук, уретановый каучук или эластомерные материалы.
Более того, хотя четвертый вариант осуществления описывается для случая, где акустический согласующий слой 2 имеет три слоя, такие же преимущества могут быть получены, когда акустический согласующий слой имеет четыре или более слоев, и акустический согласующий слой, расположенный вблизи объекта, не является разделенным, но формируется как сплошное тело посредством использования эластичного каучукового материала.
В дополнение к этому, хотя четвертый вариант осуществления описывается для случая, где пьезоэлектрические элементы располагаются одномерным способом, такие же преимущества могут быть получены, когда пьезоэлектрические элементы располагаются двухмерным способом. Кроме того, хотя четвертый вариант осуществления описывается для случая, где множество пьезоэлектрических элементов являются расположенными по отдельности, такие же преимущества большей ширины полосы могут быть обеспечены, когда акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех или более слоев, и эластичный каучуковый материал используется для акустического согласующего слоя, расположенного вблизи объекта, даже когда пьезоэлектрические элементы не являются расположенными по отдельности, но образуют единое тело.
Более того, хотя четвертый вариант осуществления описывается для так называемого линейного типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается приблизительно на прямой линии, такие же преимущества могут быть получены для выпуклого типа или вогнутого типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается в форме искривленной поверхности.
Вариант осуществления 5
Далее, ультразвуковой зонд в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описываться со ссылками на чертежи. Фиг.7 представляет собой относительно схематичный общий вид ультразвукового зонда 10 в соответствии с пятым вариантом осуществления.
Ультразвуковой зонд 10 конфигурируется, чтобы он содержал множество пьезоэлектрических элементов 1, четырехслойный акустический согласующий слой 2 (2a, 2b, 2c и 2d), предусматриваемый на фронтальной поверхности в направлении по толщине на стороне объекта (верхняя сторона на чертеже) с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам 1, силовой элемент 3 в виде подложки, предусматриваемый, если это необходимо, на задней поверхности (нижняя поверхность на чертеже) в направлении по толщине пьезоэлектрических элементов 1 на стороне, противоположной акустическому согласующему слою 2 (2a, 2b, 2c и 2d), и акустическую линзу 4, предусматриваемую, если это необходимо, на акустическом согласующем слое 2 (2a, 2b, 2c и 2d). Соответствующие функции рассмотренных выше компонентов являются такими же, как и для компонентов, описанных в литературе.
Электрод 5 заземления и сигнальный электрод 6 создаются на фронтальной поверхности и на задней поверхности в направлении по толщине Z пьезоэлектрических элементов 1, соответственно. Электроды 5 и 6 формируются на фронтальной поверхности и на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 1, соответственно, посредством осаждения или напыления золота и серебра или печатания серебра.
Электроды 5 и 6 электрически соединяются с не иллюстрируемым ультразвуковым диагностическим устройством через кабель посредством электрического вывода 7, таким образом, что регулярное импульсное напряжение, генерируемое ультразвуковым зондом, прикладывается к пьезоэлектрическим элементам 1, и приемный сигнал эхо, преобразуемый в электрический сигнал посредством пьезоэлектрических элементов 1, передается в главную часть ультразвукового диагностического устройства.
В иллюстрируемом примере, пьезоэлектрические элементы 1 и акустические согласующие слои 2a, 2b и 2c, расположенные вблизи пьезоэлектрических элементов 1 разделяются на индивидуальные элементы, и материалы, такие как силиконовый каучук или уретановый каучук, способные уменьшить акустическую связь, вводятся в части, соответствующие разделительным бороздкам. Кроме того, другой акустический согласующий слой 2d создается как единый лист не имеющей разрывов сплошной пленки на верхней поверхности акустического согласующего слоя 2c. В дополнение к этому, акустическая линза создается, если это необходимо, посредством использования материалов, таких как силиконовый каучук.
В ультразвуковом зонде 10 так называемого типа электронного сканирования, имеющего множество пьезоэлектрических элементов 1, расположенных в нем, важным моментом при увеличении разрешения ультразвуковых изображений является то, как может быть увеличена направленность в расположении направления X пьезоэлектрических элементов 1.
Поскольку акустический согласующий слой 2, предусматриваемый на стороне объекта пьезоэлектрических элементов 1, конфигурируется для получения множества слоев, является возможным увеличение ширины полосы. Однако когда акустический согласующий слой конфигурируется для получения четырех или более слоев, как иллюстрируется на фиг.12 (смотри Патентные документы 1 и 2), является сложным увеличение направленности, если только трехслойный акустический согласующий слой 12 не разделяется способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 12.
Это происходит потому, что акустический согласующий слой 12 разделяется с помощью отрезного станка или чего-либо подобного, способом, сходным с пьезоэлектрическими элементами 11, толщина дополнительно увеличивается, когда увеличивается количество слоев акустического согласующего слоя 12, и поскольку количество материалов слоев, которые должны разделяться, увеличивается, способ разделения становится сложным, и таким образом, трудно осуществлять обработку для разделения единообразным и стабильным образом. Настоящий вариант осуществления относится к конфигурации, которая решает такую проблему, чтобы тем самым обеспечить большую ширину полосы и увеличить направленность.
В настоящем варианте осуществления, акустический согласующий слой конфигурируется для получения четырех слоев, и как иллюстрируется на фиг.7, пьезоэлектрические элементы 1 и первый, второй и третий акустические согласующие слои 2a, 2b и 2c, расположенные вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяются, и четвертый сплошной однослойный акустический согласующий слой 2d дополнительно создается на верхней поверхности третьего акустического согласующего слоя 2c.
В качестве материалов пьезоэлектрических элементов 1 используются пьезоэлектрические керамические материалы на основе PZT, монокристаллические пьезоэлектрические материалы на основе PZN-PT или на основе PMN-PT, или пьезоэлектрический композит, изготовленный из материалов и полимеров. В качестве материалов первого акустического согласующего слоя 2a используются материалы, такие как монокристаллический кремний, кристаллы, теллуритное стекло, механически обрабатываемая керамика, имеющие акустический импеданс, меньший, чем у пьезоэлектрических элементов 1. В качестве материалов второго акустического согласующего слоя 2b используются материалы, такие как материал на основе стекла, иллюстрируемый плавленым кварцем, графитом или эпоксидной смолой, в который вводятся наполнители, такие как металл или оксиды, имеющие акустический импеданс, меньший, чем у первого акустического согласующего слоя 2a. В качестве материалов третьего акустического согласующего слоя 2c используются материалы, такие как графит или эпоксидная смола, в которые вводятся наполнители, такие как металл или оксиды, имеющие акустический импеданс, меньший, чем у второго акустического согласующего слоя 2b.
Кроме того, в качестве материалов четвертого акустического согласующего слоя 2d используются материалы, состоящие в основном из эластичного каучукового материала, такого как силиконовый каучук, хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена, каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена и полиуретановый каучук, имеющие акустический импеданс, меньший, чем у третьего акустического согласующего слоя 2c. Как известно, соответствующие акустические согласующие слои 2 (2a, 2b, 2c и 2d) в основном имеют толщину, в основном соответствующую 1/4 длины волны для используемой частоты.
Настоящий вариант осуществления отличается тем, что пьезоэлектрические элементы 1 и первый, второй и третий акустические согласующие слои 2 (2a, 2b и 2c) разделяются, и четвертый акустический согласующий слой 2d из эластичных каучуковых материалов создается на верхней поверхности третьего акустического согласующего слоя 2c в однослойном состоянии, где акустический согласующий слой не является разделенным, но является объединенным, таким образом, что его легко обрабатывать, и обработка может осуществляться единообразным и стабильным образом. Настоящий вариант осуществления также отличается тем, что получаемая направленность является такой же или большей, чем та, которая может быть получена из конфигурации, где разделение осуществляется до четвертого акустического согласующего слоя 2d.
Для получения более широкой направленности с помощью конфигурации, где акустический согласующий слой не является разделенным, как иллюстрируется на фиг.2 и описывается в первом варианте осуществления, необходимо формирование акустического согласующего слоя с использованием эластичного каучукового материала, имеющего скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше. По этой причине, материалы, имеющие такие характеристики, используются для четвертого акустического согласующего слоя.
Кроме того, хотя это описывается для случая, где четвертый акустический согласующий слой 2d в основном состоит из синтетических каучуков, таких как хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена и каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена, такие же преимущества могут быть получены, когда четвертый акустический согласующий слой 2d в основном состоит из других синтетических каучуковых материалов, таких как бутадиеновый каучук, хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера стирола-бутадиена или акриловый каучук.
Более того, хотя это описывается для случая, где четвертый акустический согласующий слой 2d в основном состоит из эластичного каучукового материала, такого как синтетический каучук, силиконовый каучук или уретановый каучук, такие же преимущества могут быть получены, когда четвертый акустический согласующий слой 2d формируется из других эластомерных материалов, имеющих эластичный каучуковый материал.
В дополнение к этому, хотя пятый вариант осуществления описывается для случая, где пьезоэлектрические элементы располагаются одномерным способом, такие же преимущества могут быть получены, когда пьезоэлектрические элементы располагаются двухмерным способом. Кроме того, хотя пятый вариант осуществления описывается для случая, где множество пьезоэлектрических элементов являются расположенными по отдельности, такие же преимущества большей ширины полосы могут быть получены, когда акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех или более слоев, и эластичный каучуковый материал используется для акустического согласующего слоя, расположенного вблизи объекта, даже когда пьезоэлектрические элементы не являются расположенными по отдельности, но образуют единое тело.
Более того, хотя пятый вариант осуществления описывается для так называемого линейного типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается приблизительно на прямой линии, такие же преимущества могут быть получены для выпуклого типа или вогнутого типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается в форме искривленной поверхности.
В соответствии с конфигурацией, описанной выше, поскольку скорость звука определяется эластичным каучуковым материалом в качестве материала четвертого акустического согласующего слоя, расположенного на стороне объекта акустического согласующего слоя, и четвертый акустический согласующий слой не является разделенным, является возможным обеспечение большей ширины полосы частот и увеличение направленности. Кроме того, поскольку не является необходимой обработка и разделение четвертого акустического согласующего слоя вместе с пьезоэлектрическими элементами, является возможным устранение сложности при обработке и создание стабильного ультразвукового зонда. Соответственно, фазовый контроль может свободно осуществляться посредством использования большого количества пьезоэлектрических элементов, и таким образом ультразвуковой луч может собираться в узкий. Более того, поскольку ультразвуковой луч может отклоняться, является возможным создание ультразвукового зонда, способного обеспечивать ультразвуковое изображение с высоким разрешением.
Вариант осуществления 6
Далее, ультразвуковой зонд в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описываться со ссылками на чертежи. Фиг.8 представляет собой относительный схематический общий вид ультразвукового зонда 10 в соответствии с шестым вариантом осуществления.
Ультразвуковой зонд 10 конфигурируется, чтобы он содержал множество пьезоэлектрических элементов 1, четырехслойный акустический согласующий слой 2 (2a, 2b, 2c и 2d), предусматриваемый на фронтальной поверхности в направлении по толщине на стороне объекта (верхняя сторона на чертеже) с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам 1, силовой элемент 3 в виде подложки, предусматриваемый, если это необходимо, на задней поверхности (нижняя поверхность на чертеже) в направлении по толщине пьезоэлектрических элементов 1 на стороне, противоположной акустическому согласующему слою 2 (2a, 2b, 2c и 2d), и акустическую линзу 4, предусматриваемую, если это необходимо, на акустическом согласующем слое 2 (2a, 2b, 2c и 2d). Соответствующие функции рассмотренных выше компонентов являются такими же, как и для компонентов, описанных в литературе.
Электрод 5 заземления и сигнальный электрод 6 создаются на фронтальной поверхности и на задней поверхности в направлении по толщине Z пьезоэлектрических элементов 1, соответственно. Электроды 5 и 6 формируются на фронтальной поверхности и на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 1, соответственно, посредством осаждения или напыления золота и серебра или печатания серебра.
Электроды 5 и 6 электрически соединяются с не иллюстрируемым ультразвуковым диагностическим устройством через кабель посредством электрического вывода 7 таким образом, что регулярное импульсное напряжение, генерируемое ультразвуковым зондом, прикладывается к пьезоэлектрическим элементам 1, и приемный сигнал эхо, преобразуемый в электрический сигнал посредством пьезоэлектрических элементов 1, передается в главную часть ультразвукового диагностического устройства.
В иллюстрируемом примере, пьезоэлектрические элементы 1 и первый и второй акустические согласующие слои 2a и 2b, расположенные вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяются на индивидуальные элементы, и материалы, такие как силиконовый каучук или уретановый каучук, способные уменьшить акустическую связь, вводятся в части, соответствующие разделительным бороздкам. Кроме того, третий акустический согласующий слой 2c и четвертый акустический согласующий слой 2d создаются как единый лист не имеющей разрывов сплошной пленки на верхней поверхности акустического согласующего слоя 2b. В дополнение к этому, акустическая линза создается, если это необходимо, посредством использования материалов, таких как силиконовый каучук.
В ультразвуковом зонде 10 так называемого типа электронного сканирования, имеющем множество пьезоэлектрических элементов 1, расположенных в нем, подобно первому варианту осуществления, важным моментом при увеличении разрешения ультразвуковых изображений является то, как направленность в расположении направления X пьезоэлектрических элементов 1 может быть увеличена.
В настоящем варианте осуществления, акустический согласующий слой конфигурируется для получения четырех слоев, и как иллюстрируется на фиг.8, пьезоэлектрические элементы 1 и первый и второй акустические согласующие слои 2a и 2b, расположенные вблизи пьезоэлектрических элементов 1, являются разделенными, третий непрерывный акустический согласующий слой 2c создается на верхней поверхности второго акустического согласующего слоя 2b и четвертый сплошной акустический согласующий слой 2d создается на верхней поверхности третьего акустического согласующего слоя 2c.
В качестве материалов пьезоэлектрических элементов 1 используются пьезоэлектрические керамические материалы на основе PZT, монокристаллические пьезоэлектрические материалы на основе PZN-PT или на основе FMN-PT или пьезоэлектрический композит, изготовленный из материалов и полимеров. В качестве материалов первого акустического согласующего слоя 2a используются материалы, такие как монокристаллический кремний, кристалл, теллуритное стекло, механически обрабатываемая керамика, имеющие акустический импеданс, меньший, чем у пьезоэлектрических элементов 1. В качестве материалов второго акустического согласующего слоя 2b используются материалы, такие как материал на основе стекла, иллюстрируемый посредством плавленого кварца, графита или эпоксидной смолы, в который вводятся наполнители, такие как металл или оксиды, имеющие акустический импеданс, меньший, чем у первого акустического согласующего слоя 2a. В качестве материалов третьего акустического согласующего слоя 2c используются эластичные каучуковые материалы, имеющие акустический импеданс, меньший, чем у второго акустического согласующего слоя 2b, и скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше.
Кроме того, в качестве материалов четвертого акустического согласующего слоя 2d используются материалы, состоящие в основном из эластичного каучукового материала, такого как силиконовый каучук, хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена, каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена и уретановый каучук, имеющие акустический импеданс, меньший, чем у третьего акустического согласующего слоя 2c. Как известно, соответствующие акустические согласующие слои 2 (2a, 2b, 2c и 2d) в основном имеют толщину, в основном соответствующую 1/4 длины волны используемой частоты.
Настоящий вариант осуществления отличается тем, что пьезоэлектрические элементы 1 и первый и второй акустический согласующий слои 2 (2a и 2b) являются разделенными, и третий акустический согласующий слой 2c из эластичных каучуковых материалов создается на верхней поверхности второго акустического согласующего слоя 2b в однослойном состоянии, где акустический согласующий слой не является разделенным, но является объединенным, и кроме того, четвертый акустический согласующий слой 2d создается на верхней поверхности третьего акустического согласующего слоя в однослойном состоянии, где не является разделенным, но является объединенным способом, сходным с третьим акустическим согласующим слоем 2c, таким образом, что его легко обрабатывать и обработка может осуществляться единообразным и стабильным образом. Настоящий вариант осуществления также отличается тем, что полученная направленность является такой же или большей, чем получаемая с помощью конфигурации, где разделение осуществляется до третьего и четвертого акустических согласующих слоев 2c и 2d.
Когда третий акустический согласующий слой 2c не является разделенным, в отличие от пьезоэлектрических элементов 1, направленность сужается, как описывается выше, и это является, таким образом, нежелательным. Однако, даже когда второй акустический согласующий слой не является разделенным, он не вызывает каких-либо проблем постольку, поскольку направленность не сужается. Кроме того, как описывается в первом варианте осуществления, чем меньше количество составляющих компоненты, тем проще может осуществляться способ разделения.
Для использования конфигурации, где третий и четвертый акустические согласующие слои 2c и 2d не являются разделенными, как иллюстрируется на фиг.2 и описывается в первом варианте осуществления, когда третий акустический согласующий слой 2c формируется из таких же эластичных каучуковых материалов, как и четвертый акустический согласующий слой 2d, и имеет скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, является возможным получение характеристик, когда направленность не сужается, даже когда третий акустический согласующий слой 2c не является разделенным.
В качестве материалов третьего акустического согласующего слоя 2c, имеющего акустический импеданс, промежуточный между значениями для второго и четвертого акустических согласующих слоев 2b и 2d, и скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, используется материал, в который наполнитель из порошка металла (средний размер зерен 1,2 мкм) вводится в каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена при отношении 9:1 в терминах процентов массовых, он имеет акустический импеданс 5,3 Мрейл и скорость звука 1070 м/сек, который обеспечивает желаемые характеристики в качестве третьего акустического согласующего слоя 2c.
Таким образом, посредством введения наполнителей, имеющих большую плотность, таких как оксиды или порошок металла, такого как вольфрам, серебро, железо или никель, в материал, состоящий в основном из эластичных материалов на основе синтетического каучука, является возможным получение материала, имеющего акустический импеданс и скорость звука, необходимые для второго акустического согласующего слоя 2c.
Таким образом, является возможным уменьшение количества слоев акустического согласующего слоя, который должен разделяться способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1. По этой причине, даже когда они разделяются на узкие интервалы (например, 0,1 мм), обработка может осуществляться стабильным образом, и таким образом, является возможным изготовление ультразвукового зонда единообразным и точным образом без уменьшения направленности.
Кроме того, хотя шестой вариант осуществления описывается для случая, где материал, в котором наполнители из порошка меди вводятся в каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена, который представляет собой синтетический каучук, используют для третьего акустического согласующего слоя 2c, такие же преимущества могут быть получены, когда используют материал, состоящий из другого наполнителя и синтетического материала, такого как хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена, бутадиеновый каучук, изопреновый каучук, каучук на основе сополимера стирола-бутадиена или акриловый каучук, силиконовый каучук, уретановый каучук или эластомерные материалы.
Более того, хотя шестой вариант осуществления описывается для случая, где акустический согласующий слой 2 имеет четыре слоя, такие же преимущества могут быть получены, когда акустический согласующий слой имеет два слоя или пять или более слоев, и акустический согласующий слой, расположенный вблизи объекта, не является разделенным, но формируется как сплошное тело посредством использования эластичного каучукового материала.
В дополнение к этому, хотя шестой вариант осуществления описывается для случая, где пьезоэлектрические элементы располагаются одномерным способом, такие же преимущества могут быть получены, когда пьезоэлектрические элементы располагаются двухмерным способом. Кроме того, хотя шестой вариант осуществления описывается для случая, где множество пьезоэлектрических элементов являются расположенными по отдельности, такие же преимущества большей ширины полосы могут быть получены, когда акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех или более слоев, и эластичный каучуковый материал используется для акустического согласующего слоя, расположенного вблизи объекта, даже когда пьезоэлектрические элементы не являются расположенными по отдельности, но образуют единое тело.
Более того, хотя пятый вариант осуществления описывается для так называемого линейного типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается приблизительно на прямой линии, такие же преимущества могут быть получены для выпуклого типа или вогнутого типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается в форме искривленной поверхности.
Вариант осуществления 7
Далее, ультразвуковой зонд в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описываться со ссылками на чертежи. Фиг.9A представляет собой относительно схематичный общий вид ультразвукового зонда 10 в соответствии с седьмым вариантом осуществления, и фиг.9B представляет собой схематический вид в разрезе, если смотреть на них с X направления на фиг.9A.
Ультразвуковой зонд 10 конфигурируется, чтобы он содержал множество пьезоэлектрических элементов 1, трехслойный акустический согласующий слой 2 (2a, 2b и 2c), создаваемый на фронтальной поверхности в направлении по толщине на стороне объекта (верхняя сторона на чертеже) с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам 1, силовой элемент 3 в виде подложки, предусматриваемый, если это необходимо, на задней поверхности (нижняя поверхность на чертеже) в направлении по толщине пьезоэлектрических элементов 1, на стороне, противоположной акустическому согласующему слою 2 (2a, 2b и 2c), и акустическую линзу 4, предусматриваемую, если это необходимо, на акустическом согласующем слое 2 (2a, 2b и 2c). Соответствующие функции рассмотренных выше компонентов являются такими же, как и для компонентов, описанных в литературе.
Электрод 5 заземления и сигнальный электрод 6 создаются на фронтальной поверхности и на задней поверхности в направлении по толщине Z пьезоэлектрических элементов 1, соответственно. Электроды 5 и 6 формируются на фронтальной поверхности и на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 1, соответственно, посредством осаждения или напыления золота и серебра или печатания серебра.
Кроме того, подробное описание будет приведено ниже. Между сигнальным электродом 6, предусмотренным на пьезоэлектрических элементах 1, изготовленных из материалов, таких как пьезоэлектрические керамические материалы на основе PZT, на основе PZN-PT или на основе PMN-PT, монокристаллические пьезоэлектрические материалы или пьезоэлектрический композит, состоящий из материалов и полимеров, и силовой элемент 3 в виде подложки пленки 8 (первой полимерной пленки), в котором пленка металлической меди или что-либо подобное создается на полимерной пленке из полиимида или чего-либо подобного, электрический вывод 7 из пленки металла из пленки 8 находится в контакте с сигнальным электродом 6, и полимерная пленка находится в контакте с силовым элементом 3 в виде подложки.
В то же время, на стороне электрода 5 заземления, предусмотренной на поверхности пьезоэлектрических элементов 1, создается первый акустический согласующий слой 2a, который представляет собой проводник, такой как графит (если он представляет собой материал изолятора, этот изолятор покрывается металлом для формирования проводника). Кроме того, пленка 9 (вторая полимерная пленка), в которой металлическая пленка из меди (имеющая толщину 5 мкм или меньше, так что характеристики не подвергаются сильному влиянию) создается на полимерной пленке из полиимида или чего-либо подобного, создается на верхней поверхности первого акустического согласующего слоя 2a, и первый акустический согласующий слой 2a, который является проводником, и пленка 9 находятся в контакте друг с другом.
Кроме того, второй акустический согласующий слой 2b, формируемый из материалов, таких как графит или эпоксидная смола, в которые вводятся наполнители, такие как металл или оксиды, создается на верхней поверхности полимерной пленки у пленки 9. Кроме того, когда первый акустический согласующий слой 2a формируется из материала изолятора, поскольку проводник может формироваться посредством нанесения покрытия на весь окружающий изолятор, не всегда является необходимым формирование первого акустического согласующего слоя 2a с использованием проводника. Более того, не является важным, формируется ли второй акустический согласующий слой 2b из изолятора или проводника.
После формирования конфигурации, описанной выше, часть силового элемента 3 в виде подложки, пленки 8, пьезоэлектрических элементов 1, первого акустического согласующего слоя 2a, пленки 9 и второго акустического согласующего слоя 2b обрабатывается и разделяется посредством отрезного станка или чего-либо подобного. В части, соответствующие разделительным бороздкам, вводятся материалы, такие как силиконовый каучук или уретановый каучук, способные к уменьшению акустической связи, и третий акустический согласующий слой 2c создается на верхней поверхности второго акустического согласующего слой 2b и заполненных частей разделительных бороздок.
Третий акустический согласующий слой 2c предусматривается в состоянии, когда он не является разделенным, но является объединенным, как иллюстрируется на чертеже. Кроме того, в качестве материалов третьего акустического согласующего слоя 2c используются материалы, в основном состоящие из эластичного каучукового материала, такого как силиконовый каучук, хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена, каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена и уретановый каучук. Более того, акустическая линза 4, сформированная из материалов, таких как силиконовый каучук, создается, если это необходимо, на верхней поверхности третьего акустического согласующего слоя 2c.
Сигнальный электрод 6 электрически соединяется с не иллюстрируемым ультразвуковым диагностическим устройством через кабель посредством металлической пленки электрического вывода 7 пленки 8, и электрод 5 заземления электрически соединяется с ультразвуковым диагностическим устройством через кабель посредством первого акустического согласующего слоя 2a и проводника из металлической пленки, у пленки 9, так что регулярное импульсное напряжение, генерируемое ультразвуковым зондом, прикладывается к пьезоэлектрическим элементам 1, и приемный сигнал эхо, преобразуемый в электрический сигнал посредством пьезоэлектрических элементов 1, передается в главную часть ультразвукового диагностического устройства.
В ультразвуковом зонде 10 так называемого типа электронного сканирования, имеющем множество пьезоэлектрических элементов 1, расположенных в нем, важным моментом при увеличении разрешения ультразвуковых изображений является то, как может быть увеличена направленность в расположении в направлении пьезоэлектрических элементов 1.
В то же время, поскольку пьезоэлектрические элементы 1 имеют акустический импеданс примерно 30 Мрейл, и объект имеет акустический импеданс примерно 1,54 Мрейл, и таким образом, их разница велика, происходит акустическое рассогласование; по этой причине, ширина полосы частот уменьшается. Для устранения такого акустического рассогласования, когда материал, имеющий акустический импеданс, промежуточный между значениями для пьезоэлектрических элементов 1 и объекта, используется для акустического согласующего слоя, является возможным увеличение ширины полосы частот.
Когда количество стадий, где акустический импеданс акустического согласующего слоя постепенно достигает значения для объекта, от которого увеличиваются значения для пьезоэлектрических элементов, является возможным дополнительное увеличение ширины полосы частот. По этой причине, когда количество слоев акустического согласующего слоя увеличивается от одного до двух, или от двух до трех, и так далее, может быть обеспечена более широкая ширина полосы.
В дополнение к этому, посредством уменьшения количества слоев акустического согласующего слоя, которые должны разделяться способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1, даже когда они разделяются на узкие интервалы (например, 0,1 мм), обработка может осуществляться стабильным образом, и таким образом, является возможным изготовление ультразвукового зонда единообразным и точным образом без уменьшения направленности.
Например, угол направленности, когда пьезоэлектрические элементы 1, имеющие частоту 3,5 МГц, разделяются на интервалы 0,38 мм, соответствующие зазорам разделенных пьезоэлектрических элементов 1 (состояние, где две части, разделенные на интервалы 0,19 мм, являются электрически связанными), как определяется на уровне -6 дБ, соответствует углу направленности примерно 23 градуса, для типа конфигурации, где акустический согласующий слой 2 разделяется вместе с пьезоэлектрическими элементами 1. Более того, он конфигурируется таким образом, что материалы силиконовых каучуков вводятся в разделительные бороздки пьезоэлектрических элементов 1 и в первый и второй акустические согласующие слои 2a и 2b.
В типе конфигурации, где пьезоэлектрические элементы 1 разделяются с такими же параметрами, как у рассмотренного выше способа, и среди трехслойного акустического согласующего слоя, первый и второй акустические согласующие слои 2a и 2b, расположенные вблизи пьезоэлектрических элементов 1, разделяются способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1, в то же время, третий акустический согласующий слой не является разделенным, характеристики направленности ультразвуковых волн в направлении расположения пьезоэлектрических элементов 1 измеряются в состоянии, где приготавливается множество третьих акустических согласующих слоев 2, расположенных вблизи объекта, соответственно, сформированных из силиконового каучука (твердость: 76 твердость по Шору A, скорость звука: 915 м/сек, акустический импеданс: 2,1 Мрейл), хлоропропенового каучука (твердость: 70 твердость по Шору A, скорость звука: 1630 м/сек, акустический импеданс: 2,16 Мрейл), каучука на основе сополимера этилена-пропилена (твердость: 65 твердость по Шору A, скорость звука: 1480 м/сек, акустический импеданс: 1,94 Мрейл), каучука на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена (твердость: 60 твердость по Шору A, скорость звука: 1640 м/сек, акустический импеданс: 1,97 Мрейл) и уретанового каучука (твердость: 78 твердость по Шору A, скорость звука: 1850 м/сек, акустический импеданс: 1,98 Мрейл), и соответствующие акустические согласующие слои 2 размещаются на поверхности пьезоэлектрических элементов 1, и акустическая линза, сформированная из силиконового каучука, создается на верхней поверхности акустического согласующего слоя 2.
В результате измерения, можно сделать вывод, что характеристики направленности изменяются в зависимости от материалов третьего акустического согласующего слоя 2. Кроме того, в разделительные бороздки (на этот раз, разделительная бороздка имеет ширину примерно 0,03 мм) разделенных пьезоэлектрических элементов 1 и первого и второго акустических согласующих слоев вводятся силиконовые каучуковые материалы, способом, сходным с конфигурацией, где разделение осуществляется до второго акустического согласующего слоя 2.
Кроме того, в качестве материала иного, чем уретановая смола, как рассмотрено выше, используется материал, в котором произвольное количество наполнителя, такого как окись алюминия, углерод или карбонат кальция, вводится для регулировки акустического импеданса.
Различие в характеристиках направленности не коррелирует с твердостью, акустическим импедансом, и тому подобное, для материалов, и не подвергается их влиянию. Однако характеристики скорости звука материалов третьих акустических согласующих слоев 2 имеет влияние на характеристику направленности и коррелируют с ней, и показывают хорошую корреляцию.
Соотношение между углом направленности, измеренным на уровне -6 дБ, с использованием частоты 3,5 МГц и скорости звука материала, иллюстрируется на фиг.2 (описывается выше). Как иллюстрируется на фиг.2, она показывает хорошую корреляцию со скоростью звука, и коэффициент корреляции равен 0,86. В этой связи, в конфигурации, где акустический согласующий слой 2, расположенный вблизи объекта, не является разделенным, можно сделать вывод, что необходимо сосредоточиться на скорости звука для увеличения направленности. Углы направленности, когда соответствующие материалы используются для акустического согласующего слоя 2, являются следующими.
Соответствующие углы направленности равны 25 градусов для силиконового каучука, 23,5 градуса для хлоропропенового каучука, 23,5 градуса для каучука на основе сополимера этилена-пропилена, 22,9 градуса для каучука на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена и 20 градусов для уретанового каучука. Кроме того, считается, что результат измерения имеет разброс примерно ±0,5 градуса.
По этой причине, даже когда многослойные акустические согласующие слои не разделяются полностью, в отличие от пьезоэлектрических элементов 1, для получения характеристик направленности, таких же или лучших, чем для конфигурации, где акустические согласующие слои разделяются, можно сделать вывод, что необходимо регулировать скорость звука акустического согласующего слоя, и эластичные каучуковые материалы могут обеспечить скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше.
На основе результатов, в настоящем варианте осуществления, акустический согласующий слой 2 конфигурируется для получения трех слоев, и третий акустический согласующий слой 2c, расположенный вблизи объекта, формируется из эластичных каучуковых материалов, имеющих скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, и он не является разделенным, так что направленность может быть увеличена.
Кроме того, поскольку акустический согласующий слой 2 конфигурируется для получения трех слоев, является возможным обеспечение большей ширины полосы. Когда углы направленности сравнивают с углом направленности для конфигурации, известной из литературы, где акустический согласующий слой 2 разделяется вместе с пьезоэлектрическими элементами 1, для получения угла направленности, приблизительно равного углу направленности конфигурации, известной из литературы, необходимо формировать акустический согласующий слой 2 с использованием материала, имеющего скорость звука вблизи 1650 м/сек. Кроме того, для увеличения направленности, можно сделать вывод из результата, иллюстрируемого на фиг.2, что необходимо использовать материал, имеющий скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, например, такой материал как силиконовый каучук.
Кроме того, в случае уретанового каучука, который показывает узкий угол направленности, поскольку среди уретановых каучуков, некоторые виды продуктов (например, уретановая смола среднего размера сорта UE-644, производимая SANYU REC Co., Ltd., имеет скорость звука 1580 м/сек и акустический импеданс 2,1 Мрейл) имеют скорость звука вблизи 1650 м/сек или меньше, нельзя сказать, что уретановый каучук сужает угол направленности, и угол направленности определяется скоростью звука. По этой причине, когда выбираются материалы, имеющие скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, материалы в основном сводятся к эластичным каучуковым материалам.
Как описывается выше, в конфигурации, где акустический согласующий слой 2 не является разделенным, в отличие от пьезоэлектрических элементов 1, но создается как единый лист сплошной пленки, для обеспечения или увеличения направленности, можно сделать вывод, что необходимо сосредоточиться на скорости звука материала акустического согласующего слоя 2.
Например, материал третьего акустического согласующего слоя 2c, имеющий акустический импеданс вблизи 2 Мрейл, в качестве материалов, рассмотренных выше, не является ограниченным эластичными каучуковыми материалами, но могут использоваться также пластмассы. Например, могут использоваться материалы, в которых наполняющие материалы вводятся в полиэтиленовую смолу, полистирольную смолу или эпоксидную смолу, описанную в Патентном документе 2, и такие материалы имеют скорость звука, равную примерно 1800 м/сек или более. Когда третий акустический согласующий слой 2c формируется из таких материалов и не является разделенным, подобно конфигурации настоящего варианта осуществления, направленность сужается, как легко понять из соотношения, показанного на фиг.2. По этой причине, когда используются такие материалы, необходимо конфигурировать их так, чтобы акустический согласующий слой 2 разделялся способом, подобным пьезоэлектрическим элементам 1, так что направленность увеличивается.
В дополнение к этому, хотя металлическая пленка у пленки 9, предусматриваемая между первым и вторым акустическим согласующим слоями, сформируется из такого материала, как медь, поскольку медь имеет высокую скорость звука 4700 м/сек и может формироваться с толщиной 5 мкм или меньше, она не оказывает большого влияния на частотные характеристики и дополнительного рассмотрения не требуется. Однако полимерная пленка у пленки 9 формируется из такого материала, как полиимид.
Полимерная пленка имеет акустический импеданс примерно 3 Мрейл, меньше чем у первого и второго акустических согласующих слоев 2a и 2b, и имеет низкую скорость звука, равную 2200 м/сек; по этой причине, ее толщина оказывает влияние на частотные характеристики. В конфигурации, где создаются три акустических согласующих слоя, акустические импендансы соответствующих акустических согласующих слоев, как правило, устанавливаются так, что первый акустический согласующий слой 2a имеет акустический импеданс в пределах от 8 до 20 Мрейл, второй акустический согласующий слой 2b имеет акустический импеданс в пределах от 3 до 8 Мрейл и третий акустический согласующий слой 2c имеет акустический импеданс в пределах от 1,7 до 2,4 Мрейл.
В настоящем варианте осуществления, когда первый акустический согласующий слой формируется из материала, имеющего акустический импеданс 10 Мрейл, второй акустический согласующий слой формируется из материала, имеющего акустический импеданс 4 Мрейл, полимерная пленка у пленки 9 формируется из полиимида, так что акустический согласующий слой имеет три слоя, результат вычисления относительной ширины полосы частотной характеристики при -6 дБ с частотой 3,5 МГц иллюстрируется на фиг.10.
На фиг.10 горизонтальная ось представляет толщину полимерной пленки полиимида, как пленки 8, нормированную на длину волны, и вертикальная ось представляет относительную ширину полосы (ширина полосы/центральная частота) при -6 дБ.
Как легко понять из фиг.10, поскольку акустический согласующий слой имеет три слоя, возможно получение широкой характеристики ширины полосы, имеющей относительную ширину полосы 90 процентов или более, и относительная ширина полосы имеет тенденцию к уменьшению, когда увеличивается толщина пленки 9. Когда считается, что акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех слоев, для обеспечения большей ширины полосы, является необходимым обеспечение относительной ширины полосы, по меньшей мере, 90 процентов или более. Здесь, когда относительная ширина полосы устанавливается 90 процентов или более, толщина полимерной пленки у пленки 9 должна устанавливаться на 0,07 длины волны или меньше. В этом случае, поскольку частота равна 3,5 МГц и полиимид используется для полимерной пленки пленки 9, толщина 0,07 длины волны или меньше соответствует 44 мкм или меньше.
Как описывается выше, когда слой располагается между акустическими согласующими слоями и акустический импеданс слоя находится вне пределов акустического импеданса акустических согласующих слоев, необходимо подбирать толщину или что-либо подобное, таким образом, чтобы частотные характеристики не подвергались сильному влиянию; в этом случае, влияние четко устраняется посредством подбора толщины, равной 0,07 длины волны или меньшей.
Таким образом, поскольку эластичный каучуковый материал используется для третьего акустического согласующего слоя, расположенного вблизи стороны объекта акустических согласующих слоев, является возможным создание большей ширины полосы частот и увеличение направленности. Кроме того, поскольку не является необходимой обработка и разделение третьего акустического согласующего слоя вместе с пьезоэлектрическим элементами, является возможным устранение сложности при обработке. Кроме того, поскольку электрический вывод отводится от проводника, предусмотренного на пленке, является возможным получение стабильного и имеющего высокое качество ультразвукового зонда. Соответственно, фазовый контроль может свободно осуществляться посредством использования большего количества пьезоэлектрических элементов, и таким образом ультразвуковой луч может собираться в узкий. Более того, поскольку ультразвуковой луч может отклоняться, является возможным создание ультразвукового зонда, способного обеспечивать ультразвуковое изображение с высоким разрешением.
Кроме того, хотя седьмой вариант осуществления описывается для случая, где третий акустический согласующий слой 2c формируется из синтетических каучуков, таких как хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена и каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена, такие же преимущества могут быть получены, когда третий акустический согласующий слой 2c в основном состоит из других синтетических каучуковых материалов, таких как бутадиеновый каучук, изопреновый каучук, каучук на основе сополимера стирола-бутадиена или акриловый каучук.
Более того, хотя седьмой вариант осуществления описывается для случая, где третий акустический согласующий слой 2c формируется из эластичного каучукового материала, такого как синтетический каучук, силиконовый каучук или уретановый каучук, такие же преимущества могут быть получены, когда третий акустический согласующий слой 2c формируется из других эластомерных материалов, имеющих эластичный каучуковый материал.
Кроме того, хотя седьмой вариант осуществления описывается для случая, где множество пьезоэлектрических элементов являются расположенными по отдельности, такие же преимущества большей ширины полосы могут быть получены, когда акустический согласующий слой конфигурируется для получения трех или более слоев, и эластичный каучуковый материал используется для акустического согласующего слоя, расположенного вблизи объекта, даже когда пьезоэлектрические элементы не являются расположенными по отдельности, но образуют единое тело.
Более того, хотя пятый вариант осуществления описывается для так называемого линейного типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается приблизительно на прямой линии, такие же преимущества могут быть получены для выпуклого типа или вогнутого типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается в форме искривленной поверхности.
Вариант осуществления 8
Далее, ультразвуковой зонд в соответствии с восьмым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описываться со ссылками на чертежи. Фиг.11 представляет собой относительный схематический общий вид ультразвукового зонда 10 в соответствии с восьмым вариантом осуществления.
Ультразвуковой зонд 10 конфигурируется, чтобы он содержал множество пьезоэлектрических элементов 1, трехслойный акустический согласующий слой 2 (2a, 2b и 2c), предусматриваемый на фронтальной поверхности в направлении по толщине на стороне объекта (верхняя сторона на чертеже), с тем, чтобы соответствовать соответствующим пьезоэлектрическим элементам 1, силовой элемент 3 в виде подложки, предусматриваемый, если это необходимо, на задней поверхности (нижняя поверхность на чертеже) в направлении по толщине пьезоэлектрических элементов 1 на стороне, противоположной акустическому согласующему слою 2 (2a, 2b и 2c), и акустическую линзу 4, предусматриваемую, если это необходимо, на акустическом согласующем слое 2 (2a, 2b и 2c). Соответствующие функции рассмотренных выше компонентов являются такими же, как и для компонентов, описанных в литературе.
Электрод 5 заземления и сигнальный электрод 6 создаются на фронтальной поверхности и на задней поверхности в направлении по толщине Z пьезоэлектрических элементов 1, соответственно. Электроды 5 и 6 формируются на фронтальной поверхности и на задней поверхности пьезоэлектрических элементов 1, соответственно, посредством осаждения или напыления золота и серебра или печатания серебра.
Кроме того, подробное описание будет приведено ниже. Между сигнальным электродом 6, предусматриваемым на пьезоэлектрических элементах 1, изготовленных из материалов, таких как пьезоэлектрические керамические материалы на основе PZT, монокристаллические пьезоэлектрические материалы на основе PZN-PT или на основе PMN-PT или пьезоэлектрический композит, состоящий из материалов и полимеров, и силовым элементом 3 в виде подложки, создается пленка 8 (первая полимерная пленка), в которой металлическая пленка из меди или что-либо подобное создается на полимерной пленке из полиимида или чего-либо подобного, электрический вывод 7 из металлической пленки, пленки 8, находится в контакте с сигнальным электродом 6, и полимерная пленка находится в контакте с силовым элементом 3 в виде подложки.
В то же время, на стороне электрода 5 заземления, предусмотренного на поверхности пьезоэлектрических элементов 1, создается первый акустический согласующий слой 2a, который представляет собой проводник, такой как графит (если он является материалом изолятора, на изолятор наносится металл для формирования проводника). После формирования конфигурации, описанной выше, часть силового элемента 3 в виде подложки, пленки 8, пьезоэлектрических элементов 1 и первого акустического согласующего слоя 2a обрабатываются и разделяются посредством отрезного станка или чего-либо подобного.
В части, соответствующие разделительным бороздкам, вводятся материалы, такие как силиконовый каучук или уретановый каучук, способные уменьшить акустическую связь, и создается пленка 9 (вторая полимерная пленка), имеющая полимерную пленку, и создается проводник из пленки металла, имеющий функции электрического вывода, который отводится от электрода 5 заземления посредством первого акустического согласующего слоя, на верхней поверхности первого акустического согласующего слоя 2a и заполненных частей разделительных бороздок. Кроме того, второй акустический согласующий слой 2b создается на верхней поверхности пленки 9 и третий акустический согласующий слой 2c создается на верхней поверхности (на стороне объекта) второго акустического согласующего слоя 2b.
Пленка 9 и второй и третий акустические согласующие слои 2b и 2c создаются в состоянии, где они не являются разделенными, но является объединенными, как иллюстрируется на чертеже. Кроме того, в качестве материалов второго и третьего акустических согласующих слоев 2b и 2c используются материалы, состоящие в основном из эластичного каучукового материала, такого как силиконовый каучук, хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена, каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена и уретановый каучук. Более того, акустическая линза 4, сформированная из таких материалов, как силиконовый каучук, создается, если это необходимо, на верхней поверхности третьего акустического согласующего слоя 2c.
Настоящий вариант осуществления отличается тем, что ни второй акустический согласующий слой 2b, ни третий акустический согласующий слой 2c не являются разделенными. Когда второй акустический согласующий слой 2b не является разделенным, в отличие от пьезоэлектрических элементов 1, направленность сужается, как описывается выше, и это является, таким образом, нежелательным. Однако, даже когда второй акустический согласующий слой не является разделенным, это не вызывает каких-либо проблем постольку, поскольку направленность не сужается. Кроме того, как описывается в седьмом варианте осуществления, чем меньше количество составляющих компоненты, тем проще может осуществляться способ разделения.
Для использования конфигурации, где второй и третий акустические согласующие слои 2b и 2c не являются разделенными, таким образом, чтобы направленность не сужалась, как иллюстрируется на фиг.2 и описывается в седьмом варианте осуществления, является необходимым, чтобы второй акустический согласующий слой 2b формировался из такого же эластичного каучукового материала, как третий акустический согласующий слой 2c, и чтобы он имел скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше.
В качестве материалов второго акустического согласующего слоя 2b, имеющего акустический импеданс в пределах от 3 до 8 Мрейл и скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше, используется материал, в который наполнители из металлического порошка (средний размер зерен 1,2 мкм) вводятся в каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена при отношении 9:1 в терминах процентов массовых, имеющий акустический импеданс 5,3 Мрейл и скорость звука 1070 м/сек, который обеспечивает желаемые характеристики в качестве второго акустического согласующего слоя 2b.
Таким образом, посредством введения наполнителя, имеющего большую плотность, такого как оксиды или порошок металла, такого как вольфрам, серебро, железо или никель, в материал, состоящий в основном из эластичного материала на основе синтетического каучука, является возможным получение материала, имеющего акустический импеданс и скорость звука, необходимые для второго акустического согласующего слоя 2b.
В дополнение к этому, толщина полимерной пленки у пленки 9, предусматриваемой между первым акустическим согласующим слоем и вторым акустическим согласующим слоем 2b, устанавливается равной 0,07 длины волны или меньше, подобно первому варианту осуществления.
Кроме того, хотя восьмой вариант осуществления описывается для случая, где второй и третий акустические согласующие слои 2b и 2c формируются из синтетических каучуков, таких как хлоропропеновый каучук, каучук на основе сополимера этилена-пропилена и каучук на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена, такие же преимущества могут быть получены, когда второй и третий акустические согласующие слои 2b и 2c состоят в основном из других синтетических каучуковых материалов, таких как бутадиеновый каучук, изопреновый каучук, каучук на основе сополимера стирола-бутадиена или акриловый каучук.
Таким образом, поскольку для второго и третьего акустических согласующих слоев используется эластичный каучуковый материал, является возможным обеспечение большей ширины полосы частот и увеличение направленности. Кроме того, поскольку не является необходимым обрабатывать и разделять второй и третий акустические согласующие слои вместе с пьезоэлектрическими элементами, является возможным устранение сложности при обработке. Более того, поскольку электрический вывод отводится от проводника, предусмотренного на пленке, является возможным получение ультразвукового зонда стабильного и высокого качества. Соответственно, фазовый контроль может свободно осуществляться посредством использования большего количества пьезоэлектрических элементов, и таким образом ультразвуковой луч может собираться в узкий. Более того, поскольку ультразвуковой луч может отклоняться, является возможным создание ультразвукового зонда, способного обеспечить ультразвуковое изображение с высоким разрешением.
Более того, хотя восьмой вариант осуществления описывается для случая, где второй и третий акустические согласующие слои 2b и 2c формируются из эластичного каучукового материала, такого как синтетический каучук, силиконовый каучук или уретановый каучук, такие же преимущества могут быть получены, когда второй и третий акустические согласующие слои 2b и 2c формируются из других эластомерных материалов, имеющих эластичный каучуковый материал.
В дополнение к этому, хотя восьмой вариант осуществления описывается для случая, где первый акустический согласующий слой является разделенным вместе с пьезоэлектрическими элементами 1, такие же преимущества могут быть получены, когда первый акустический согласующий слой 2a и пленка 9 разделяются вместе с пьезоэлектрическими элементами 1, и на ней формируются второй и третий акустические согласующие слои 2b и 2c, которые имеют эластичный каучуковый материал, имеющий скорость звука, равную 1650 м/сек или меньше.
Более того, хотя восьмой вариант осуществления описывается для так называемого линейного типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается приблизительно на прямой линии, такие же преимущества могут быть получены для выпуклого типа или вогнутого типа, в котором множество пьезоэлектрических элементов располагается в форме искривленной поверхности.
Хотя настоящее изобретение описывается подробно со ссылками на конкретный вариант осуществления, специалисту в данной области будет понятно, что различные модификации и вариации могут быть осуществлены по отношению к описываемым выше вариантам осуществления настоящего изобретения без отклонения от сути или рамок настоящего изобретения.
Эта заявка основывается на ранее поданных заявках на патент Японии, №№ 2006-023169, поданной 31 января 2006 года, и 2006-023170, поданной 31 января 2006 года, полное содержание которых включается сюда в качестве ссылок, и заявляет их приоритет.
Промышленное применение
Ультразвуковой зонд в соответствии с настоящим изобретением может применяться в различных областях медицины, в которых осуществляют ультразвуковую диагностику таких объектов, как тело человека, и в области промышленности.