Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к ультразвуковому датчику, который применяют для получения диагностической информации об объекте обследования посредством направления ультразвуковой волны к объекту обследования, например живому организму.
Обзор уровня техники
Ультразвуковое диагностическое устройство обеспечивает информацию, необходимую для диагностики объекта обследования, посредством излучения ультразвуковой волны в органический объект обследования, например человека или животное, приема эхо-сигнала, отраженного внутри объекта обследования, и отображения томограммы и т.п. ткани внутри живого организма. При этом ультразвуковое диагностическое устройство использует ультразвуковой датчик для передачи ультразвуковой волны в объект обследования и приема отраженного эхо-сигнала изнутри объекта обследования.
На фиг. 1 представлен пример ультразвукового датчика упомянутого типа. Как показано на фиг. 1, ультразвуковой датчик 10 состоит из множества пьезоэлектрических элементов 11, размещенных в виде однонаправленной решетки (в направлении X) для передачи и приема ультразвуковых волн в/из объекта обследования (не показанного), акустически согласующих слоев 12, содержащих, по меньшей мере, один слой (на фиг. 1, два слоя 12a и 12b), обеспеченный на передних поверхностях пьезоэлектрических элементов 11, со стороны объекта обследования (сверху на фиг. 1), передающей среды 13, обеспеченной на поверхности упомянутых акустически согласующих слоев 12, со стороны объекта обследования, и материала-подложки 14 задней поверхности, обеспеченного на задней поверхности, образующей противоположную сторону от акустически согласующих слоев 12 относительно пьезоэлектрических элементов 11. Электроды (не показанные) размещены в виде решетки на передних поверхностях и задних поверхностях пьезоэлектрических элементов 11. Электрические сигналы подаются в пьезоэлектрические элементы 11 по данным электродам и электрическим выводам 15. В пьезоэлектрических элементах 11 сформировано множество канавок со стороны акустически согласующего слоя 12, имеющего вогнутую форму в направлении (направлении Y), ортогональном направлению решетки (направлению X) (смотри, например, патентный документ 1).
Пьезоэлектрические элементы 11 сформированы из пьезоэлектрической керамики PZT (цирконата-титаната свинца) или керамики аналогичного типа, пьезоэлектрического монокристалла или чего-то подобного, преобразуют прилагаемое напряжение в ультразвуковую волну и передают ее в объект обследования, и принимают эхо-сигнал, отраженный изнутри объекта обследования, и преобразуют его в электрический сигнал. В примере, показанном на фиг. 1, множество пьезоэлектрических элементов 11 размещено в виде решетки в направлении X. Размещение в виде решетки множества пьезоэлектрических элементов 11 упомянутым способом позволяет электронными средствами сканировать и отклонять или сводить в одну точку ультразвуковые волны, что обеспечивает возможность, так называемого, электронного сканирования.
Акустически согласующие слои 12 обеспечены для эффективной передачи ультразвуковых волн внутрь объекта обследования и их приема. В частности, акустически согласующие слои 12 выполняют функцию создания многоступенчатого перехода от акустического импеданса пьезоэлектрических элементов 11 к акустическому импедансу объекта обследования.
В примере, показанном на фиг. 1, пьезоэлектрические элементы 11 и акустически согласующие слои 12 имеют вогнутую форму со стороны объекта обследования и поэтому выполняют функцию фокусировки ультразвукового волнового пучка, но поскольку адгезия к объекту обследования не соответствует требованиям из-за вогнутой формы, то конфигурация снабжена передающей средой 13, которая выполняет устранения упомянутого несоответствия. Передающая среда 13 является необязательным элементом, обеспечиваемым при необходимости.
Материал-подложка 14 задней поверхности скреплен с пьезоэлектрическими элементами 11 и служит опорой для них, а также выполняет функцию ослабления нежелательных ультразвуковых волн. В настоящем описании направление X, направление Y и направление Z на чертеже могут также именоваться соответственно «направлением решетки (пьезоэлектрического элемента)», «направлением по ширине (пьезоэлектрического элемента)» и «направлением по толщине (пьезоэлектрического элемента)».
Патентный документ 1: Национальная публикация международной заявки на патент № HEl 8-506227.
Сущность изобретения
Задачи изобретения
Ультразвуковое диагностическое устройство с электронным сканированием содержит множество составляющих решетку пьезоэлектрических элементов в произвольной группе и выполняет возбуждение с фиксированным временем запаздывания, обеспечиваемым для отдельных пьезоэлектрических элементов, и выполняет передачу и прием ультразвуковых волн внутрь/изнутри объекта обследования из/в пьезоэлектрических/кие элементов/ты. При обеспечении упомянутого времени запаздывания ультразвуковые волновые пучки сводятся в одну точку или диффундируют, и можно получить ультразвуковое изображение с широким полем обзора или высокой четкостью. Описанная конфигурация уже известна в качестве обычной системы. В последние годы применяли способ, по которому разрешающую способность в диагностическом изображении ультразвукового диагностического устройства повышали с использованием частотной компоненты второй или третьей гармоники от основной частоты, и поэтому очень важно обеспечить ультразвуковой датчик с высокой чувствительностью и широким частотным диапазоном. Один способ обеспечения широкого частотного диапазона заключается в применении композиционного пьезоэлектрического керамического блока, сочетающего пьезоэлектрическую керамику и высокомолекулярный полимер, в качестве пьезоэлектрического элемента, например, описанного в патентном документе 1. И один способ обеспечения высокой чувствительности состоит в уменьшении ослабления силиконового каучука или подобной акустической линзы, при этом данный способ заключается в придании пьезоэлектрическому элементу вогнутой формы и обеспечении полиуретанового полимера, обладающего низким ослаблением в вогнутой части, как показано в патентном документе 1.
Однако в традиционной конфигурации описанного типа электрические выводы 15, продолжающиеся от электродов, составляющих решетку пьезоэлектрических элементов 11, подсоединены только к части электродов пьезоэлектрических элементов 11, и поэтому, если пьезоэлектрические элементы 11 ломаются в результате механического удара, соединение с электрическими выводами 15 может разрываться, что создает проблему с надежностью (качеством). Кроме того, в вышеописанной традиционной конфигурации применяется конфигурация, в которой обеспечены композиционный пьезоэлектрический керамический блок из пьезоэлектрической керамики и высокомолекулярного полимера и два акустически согласующих слоя, и каждый из них имеет вогнутую форму, и поэтому применимые материалы ограничены гибкими материалами, что ограничивает реализуемость широкого частотного диапазона. Один возможный способ обеспечения более широкого диапазона при описанной конфигурации заключается в снижении акустического импеданса путем уменьшения содержания пьезоэлектрической керамики в композиционном пьезоэлектрическом керамическом блоке, но в данном случае проблема заключается в том, что снижается диэлектрическая проницаемость композиционного пьезоэлектрического керамического блока, в результате чего повышается электрический импеданс и, следовательно, снижается чувствительность.
Целью настоящего изобретения является создание высококачественного ультразвукового датчика, который дает возможность получить такие характеристики, как высокая чувствительность и широкий диапазон, и позволяет получить высокоразрешающее ультразвуковое изображение.
Средства решения проблем
Ультразвуковой датчик в соответствии с настоящим изобретением использует конфигурацию, содержащую: пьезоэлектрический элемент, множество которых размещено в виде решетки в предварительно заданном направлении, с электродами, обеспеченными на обеих поверхностях, которые передают и принимают ультразвуковую волну; по меньшей мере, два акустически согласующих слоя, обеспеченных на одной поверхности пьезоэлектрического элемента; множество первых канавок, которые обеспечены в пьезоэлектрическом элементе и, по меньшей мере, первом акустически согласующем слое на пьезоэлектрическом элементе из, по меньшей мере, двух акустически согласующих слоев и делят, по меньшей мере, пьезоэлектрический элемент в продольном направлении, ортогональном направлению решетки пьезоэлектрического элемента; сигнальный проводник, обеспеченный на поверхности с противоположной стороны от указанной одной поверхности пьезоэлектрического элемента; и множество вторых канавок, которые разделяют, по меньшей мере, первый акустически согласующий слой из, по меньшей мере, двух акустически согласующих слоев, пьезоэлектрического элемента и сигнального проводника в направлении решетки пьезоэлектрического элемента; при этом акустически согласующий слой, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник имеют криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента.
Ультразвуковой датчик в соответствии с настоящим изобретением использует конфигурацию, содержащую: пьезоэлектрический элемент, множество которых размещено в виде решетки в предварительно заданном направлении, с электродами, обеспеченными на обеих поверхностях, которые передают и принимают ультразвуковую волну; по меньшей мере, два акустически согласующих слоя, обеспеченных на одной поверхности пьезоэлектрического элемента; множество первых канавок, которые обеспечены в пьезоэлектрическом элементе и, по меньшей мере, первом акустически согласующем слое на пьезоэлектрическом элементе из, по меньшей мере, двух акустически согласующих слоев со стороны, противоположной стороне акустически согласующего слоя, и делят, по меньшей мере, пьезоэлектрический элемент в продольном направлении, ортогональном направлению решетки пьезоэлектрического элемента; сигнальный проводник, обеспеченный на поверхности с противоположной стороны от указанной одной поверхности пьезоэлектрического элемента; материал-подложку задней поверхности, который служит опорой для акустически согласующего слоя, пьезоэлектрического элемента и сигнального проводника; и множество вторых канавок, которые разделяют, по меньшей мере, первый акустически согласующий слой из, по меньшей мере, двух акустически согласующих слоев, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник в направлении решетки пьезоэлектрического элемента; при этом акустически согласующий слой, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник имеют криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента.
Ультразвуковой датчик в соответствии с настоящим изобретением использует конфигурацию, содержащую: пьезоэлектрический элемент, множество которых размещено в виде решетки в предварительно заданном направлении, с электродами, обеспеченными на обеих поверхностях, которые передают и принимают ультразвуковую волну; первый акустически согласующий слой, обеспеченный на одной поверхности пьезоэлектрического элемента; заземляющий проводник, обеспеченный на первом акустически согласующем слое; второй акустически согласующий слой, обеспеченный на заземляющем проводнике; множество первых канавок, которые обеспечены в пьезоэлектрическом элементе и, по меньшей мере, первом акустически согласующем слое и делят, по меньшей мере, пьезоэлектрический элемент в продольном направлении, ортогональном направлению решетки пьезоэлектрического элемента; сигнальный проводник, обеспеченный на поверхности с противоположной стороны от указанной одной поверхности пьезоэлектрического элемента; материал-подложку задней поверхности, который служит опорой для двух акустически согласующих слоев, заземляющего проводника, пьезоэлектрического элемента и сигнального проводника; и множество вторых канавок, которые разделяют, по меньшей мере, первый акустически согласующий слой из двух акустически согласующих слоев, заземляющий проводник, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник в направлении решетки пьезоэлектрического элемента; при этом два акустически согласующих слоя, заземляющий проводник, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник имеют криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента.
Ультразвуковой датчик в соответствии с настоящим изобретением использует конфигурацию, содержащую: пьезоэлектрический элемент, множество которых размещено в виде решетки в предварительно заданном направлении, с электродами, обеспеченными на обеих поверхностях, которые передают и принимают ультразвуковую волну; первый акустически согласующий слой, обеспеченный на одной поверхности пьезоэлектрического элемента; заземляющий проводник, обеспеченный на первом акустически согласующем слое; второй акустически согласующий слой, обеспеченный на заземляющем проводнике; третий акустически согласующий слой, обеспеченный на втором акустически согласующем слое; множество первых канавок, которые обеспечены в пьезоэлектрическом элементе и, по меньшей мере, первом акустически согласующем слое и делят, по меньшей мере, пьезоэлектрический элемент в продольном направлении, ортогональном направлению решетки пьезоэлектрического элемента; сигнальный проводник, обеспеченный на поверхности с противоположной стороны от указанной одной поверхности пьезоэлектрического элемента; материал-подложку задней поверхности, который служит опорой для трех акустически согласующих слоев, заземляющего проводника, пьезоэлектрического элемента и сигнального проводника; и множество вторых канавок, которые разделяют, по меньшей мере, первый акустически согласующий слой из трех акустически согласующих слоев, заземляющий проводник, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник в направлении решетки пьезоэлектрического элемента; при этом три акустически согласующих слоя, заземляющий проводник, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник имеют криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента.
Полезный эффект изобретения
Настоящее изобретение позволяет повысить качество, позволяет получить такие характеристики, как высокая чувствительность и широкий диапазон, и позволяет получить высокоразрешающее ультразвуковое изображение.
То есть в пьезоэлектрических элементах и первом акустически согласующем слое обеспечено множество канавок в продольном направлении (направлении Y), ортогональном направлению решетки пьезоэлектрических элементов (направлению X), и на задней поверхности по направлению толщины пьезоэлектрического элемента (направлению Z) обеспечен сигнальный проводник, и акустически согласующий слой, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник имеют криволинейную форму поверхности в направлении Y, что позволяет получить высокую надежность, высокую чувствительность, широкий диапазон и высокое разрешение.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематичный вид в перспективе, представляющий пример конфигурации традиционного ультразвукового датчика;
Фиг. 2A - схематичный местный вид в перспективе ультразвукового датчика в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2B - схематичное сечение ультразвукового датчика, показанного на фиг. 2A, при наблюдении с направления X;
Фиг. 3A - схематичный местный вид в перспективе ультразвукового датчика в соответствии с вариантом 2 осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3B - схематичное сечение ультразвукового датчика, показанного на фиг. 3A, при наблюдении с направления X;
Фиг. 4A - схематичный местный вид в перспективе ультразвукового датчика в соответствии с вариантом 3 осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4B - схематичное сечение ультразвукового датчика, показанного на фиг. 4A, при наблюдении с направления X;
Фиг. 5 - график, представляющий взаимосвязь между скоростью звука и углом направленности в материале третьего акустически согласующего слоя в соответствии с вариантом 3 осуществления;
Фиг. 6A - схематичный местный вид в перспективе ультразвукового датчика в соответствии с вариантом 4 осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 6B - схематичное сечение ультразвукового датчика, показанного на фиг. 6A, при наблюдении с направления X.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Ниже приведено подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
(Вариант 1 осуществления)
На фиг. 2A представлен схематичный местный вид в перспективе ультразвукового датчика в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения, и на фиг. 2B дано схематичное сечение ультразвукового датчика, показанного на фиг. 2A, при наблюдении с направления X.
Ультразвуковой датчик 100, показанный на фиг. 2A и фиг. 2B, состоит из множества пьезоэлектрических элементов 110, размещенных в виде решетки в одном направлении (направлении X), двух акустически согласующих слоев 120 (121, 122), обеспеченных на передней поверхности по направлению толщины (направлению Z) со стороны объекта обследования (сверху на фиг. 2A и фиг. 2B) каждого пьезоэлектрического элемента 110, материала-подложки 140 задней поверхности, обеспечиваемого, при необходимости, на задней поверхности по направлению толщины (направлению Z) (внизу на фиг. 2A и фиг. 2B), на стороне пьезоэлектрических элементов 110, противоположной от акустически согласующих слоев 120 (121, 122), и передающей среды 130, обеспечиваемой на акустически согласующих слоях 120 (121, 122), при необходимости. Функции упомянутых элементов конфигурации идентичны функциям элементов, описанных в связи с традиционной технологией, представленной на фиг. 1.
Заземляющий электрод (не показанный) обеспечен на передней поверхности по направлению толщины (направлению Z) пьезоэлектрического элемента, и сигнальный электрод (не показанный) обеспечен на задней поверхности. Два электрода сформированы на передней поверхности и задней поверхности соответственно пьезоэлектрических элементов 110 посредством осаждения из паровой фазы или распыления золота или серебра, электроосаждения серебра или чего-то подобного.
Ниже приведено подробное описание конфигурации ультразвукового датчика 100.
Пьезоэлектрические элементы 110 сформированы с использованием пьезоэлектрической PZT керамики (цирконата-титаната свинца) или керамики аналогичного типа, пьезоэлектрического монокристалла типа PZN-PT, PMN-PT или аналогичного типа, или чего-то подобного. Первый акустически согласующий слой 121 и второй акустически согласующий слой 122 обеспечены на стороне заземляющего электрода (не показанного), обеспечиваемого на каждом пьезоэлектрическом элементе 110 из упомянутого материала. Пьезоэлектрический элемент 110 и первый акустически согласующий слой 121 снабжены множеством канавок 160 в качестве первых канавок в соответствии с настоящим изобретением, проходящих в направлении X от поверхности пьезоэлектрического элемента 110 на стороне, противоположной стороне, на которой обеспечен первый акустически согласующий слой 121. Упомянутые канавки 160 обеспечивают, например, с использованием установки для резки полупроводниковых пластин или подобного устройства. Упомянутые канавки 160 пересекают обе стороны (переднюю и заднюю стороны) пьезоэлектрического элемента 110 в направлении Z и полностью делят пьезоэлектрический элемент 110, но пересекают только одну сторону из двух сторон по направлению Z первого акустического согласующего слоя 121. То есть, что касается первого акустического согласующего слоя 121, то канавки 160 обеспечивают так, чтобы оставлять часть участка, расположенного на стороне, противоположной стороне пьезоэлектрического элемента 110, от поверхности на стороне пьезоэлектрического элемента 110.
В данном случае часть первого акустического согласующего слоя 121 оставляют, чтобы продолжение электрического вывода (не показанного) от заземляющего электрода разделенного пьезоэлектрического элемента 110 выполнить только на конце по направлению Y. По данной причине необходимо, чтобы первый акустический согласующий слой 121 был электрическим проводником. Поэтому для первого акустического согласующего слоя 121 можно использовать, например, графит или материал, превращенный в проводник наполнением высокомолекулярного полимера металлическим порошком (например, электропроводящим связывающим веществом). Разумеется, необходимо, чтобы первый акустический согласующий слой 121 обладал величиной акустического импеданса между величинами акустических импедансов пьезоэлектрического элемента 110 и объекта обследования (живого организма).
Канавки 160, обеспеченные в пьезоэлектрическом элементе 110 и первом акустически согласующем слое 121, могут быть разнесены на равные или случайно изменяющиеся интервалы. Однако, что касается материала пьезоэлектрического элемента 110, например пьезоэлектрической керамики PZT, то, кроме используемого режима продольных колебаний по толщине, имеет место нежелательный режим поперечных колебаний, и данный режим поперечных колебаний оказывает вредное воздействие на частотную характеристику и т.д. Поэтому необходимо обеспечить, чтобы ширина пьезоэлектрической керамики была узкой, то есть, чтобы интервалы следования канавок 160 были сделаны узкими, и поэтому частота в режиме поперечных колебаний была бы за пределами используемого частотного диапазона.
Кроме того, посредством формирования пьезоэлектрического элемента 110 с использованием пьезоэлектрической керамики PZT, обеспечения канавок 160 в данном пьезоэлектрическом элементе 110 и заполнения упомянутых канавок 160 полимерным материалом, например эпоксидной смолой или полиуретановой смолой, пьезоэлектрическому элементу 110 сообщается функция композиционного пьезоэлектрического керамического блока, сочетающего пьезоэлектрическую керамику и высокомолекулярный полимер. То есть посредством заполнения части канавок 160 в пьезоэлектрическом элементе 110 полимерным материалом, обладающим небольшим акустическим импедансом, акустический импеданс пьезоэлектрического элемента 110 можно сделать меньше, чем акустический импеданс пьезоэлектрической керамики, и можно сделать приближающимся к акустическому импедансу объекта обследования. Тем самым создается возможность реализации широкого частотного диапазона. Величину акустического импеданса упомянутого композиционного пьезоэлектрического керамического блока можно изменять изменением отношений объемных долей пьезоэлектрической керамики и полимерного материала.
Кроме того, что касается диэлектрической проницаемости композиционного пьезоэлектрического керамического блока, поскольку диэлектрическая проницаемость полимерного материала намного меньше, чем диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрической керамики, то, если уменьшить объемную долю пьезоэлектрической керамики, диэлектрическая проницаемость композиционного пьезоэлектрического керамического блока снизится, и его электрический импеданс повысится. В результате создается рассогласование с подсоединенным ультразвуковым диагностическим устройством или кабелем, что ведет к снижению чувствительности. Поэтому объемная доля пьезоэлектрической керамики, используемой в композиционном пьезоэлектрическом керамическом блоке, обычно находится в пределах 50 - 75%.
Как в случае с пьезоэлектрическим элементом 110 первый акустически согласующий слой 121 также снабжен канавками 160, и упомянутые канавки 160 заполнены полимерным материалом, так что первый акустически согласующий слой 121 становится композиционным керамическим блоком, и его акустический импеданс изменяется (снижается). Поэтому такое снижение следует учитывать при подборе материала первого акустически согласующего слоя 121.
Когда канавки 160 в разделенном пьезоэлектрическом элементе 110 и первом акустически согласующем слое 121 заполнены полимерным материалом (например, эпоксидной смолой), сигнальный электрический вывод (далее в описании именуемый «сигнальным проводником») 150 прижимается к материалу-подложке 140 задней поверхности, имеющему криволинейную форму поверхности, и имеет криволинейную форму поверхности вместе с пьезоэлектрическим элементом 110, первым акустическим согласующим слоем 121 и вторым акустическим согласующим слоем 122.
В настоящем варианте осуществления, как показано на фиг. 2A и фиг. 2B, применяется конфигурация, в которой материал-подложка 140 задней поверхности, пьезоэлектрический элемент 110, первый акустический согласующий слой 121 и второй акустический согласующий слой 122 имеют вогнутую криволинейную форму поверхности на стороне объекта обследования, чтобы сводить в одну точку ультразвуковые волны, но криволинейная форма поверхности не ограничена упомянутой формой. Например, возможно использование выпуклой формы, которая рассеивает ультразвуковые волны.
Поскольку пьезоэлектрический элемент 110, выполненный из пьезоэлектрической керамики, и первый акустический согласующий слой 121, выполненный из графита или материала типа графита, наполненного металлическим порошком, по существу, не обладают гибкостью, допускающей искривление, то придание им криволинейной формы поверхности требует изготовления изделий, заранее обработанных до криволинейной формы поверхности, и точное формообразование затруднительно. Поэтому сутью настоящего варианта осуществления является тот факт, что конфигурацию, допускающую искривление, обеспечивают созданием канавок 160. Кроме того, для второго акустически согласующего слоя 122 можно также воспользоваться полимерной пленкой, обладающей гибкостью, допускающей искривление, например пленкой на основе эпоксидной смолы или полиимида.
Сигнальный проводник 150 можно также выполнить в форме покрывающего всю поверхность проводника, без структурирования зоны, на которой обеспечен пьезоэлектрический элемент 110, или можно выполнить так, чтобы структурированной была только часть, продолженная с обеих сторон ультразвукового датчика 100 в направлении Y. Для сигнального проводника 150 можно применить металлический материал, например медь, с толщиной около 10 микрометров (мкм). Если медный или подобный металлический токопроводящий элемент не обладает прочностью с точки зрения обращения, то можно применить конфигурацию, в которой обеспечена полиимидная пленка толщиной около 10 - 25 микрометров (мкм). Сигнальный проводник 150 данного типа является гибким и поэтому может обеспечить плотный контакт и электрическую проводимость с сигнальным электродом пьезоэлектрического элемента 110, разделенным путем обеспечения канавок 160, даже в искривленном состоянии. Применение сигнального проводника 150 данного типа означает также, что, даже если пьезоэлектрический элемент 110 дает трещину, сигнальный проводник 150 не разрывается благодаря его гибкости, и, следовательно, повышается надежность (качество). По сравнению с конфигурацией, в которой электрический вывод подсоединен только к части электрода пьезоэлектрического элемента, например, как в патентном документе 1, настоящая конфигурация дает возможность обеспечить решение таких проблем, как растрескивание и разрыв электрода при растрескивании пьезоэлектрического элемента из-за механического удара, нанесенного извне.
Кривизну формирования криволинейной поверхности можно изменять в зависимости от того, какое установлено фокусное расстояние для ультразвуковых волн. Сформированная криволинейная поверхность может также иметь единственный радиус кривизны или может иметь радиус кривизны, который постепенно изменяется в направлении Y на фиг. 2A и фиг. 2B.
Акустические согласующие слои 120 (первый акустически согласующий слой 121 и второй акустически согласующий слой 122), пьезоэлектрический элемент 110 и сигнальный проводник 150 разделены на последовательность из множества пьезоэлектрических элементов множеством разделительных канавок 180, являющихся вторыми канавками в соответствии с настоящим изобретением. То есть в настоящем варианте осуществления после того, как сигнальный проводник 150, пьезоэлектрический элемент 110, первый акустически согласующий слой 121 и второй акустически согласующий слой 122 прижаты к материалу-подложке 140 задней поверхности, имеющей криволинейную форму поверхности, и приведены к форме криволинейной поверхности, второй акустически согласующий слой 122, первый акустически согласующий слой 121, пьезоэлектрический элемент 110, сигнальный проводник 150 и часть материала-подложки 140 задней поверхности делят на последовательность из множества пьезоэлектрических элементов вышеупомянутым множеством разделительных канавок 180 согласованно со структурой сигнального проводника 150 в направлении X (направлении, ортогональном направлению Y). Данное направление является направлением электронного сканирования. Множество разделительных канавок 180 заполняют таким материалом, как силиконовый каучук с твердостью ниже, чем твердость эпоксидной смолы или подобного материала, заполняющего канавки 160.
Что касается материала, который заполняет канавки 160, поскольку множество пьезоэлектрических керамических блоков (отдельных частей пьезоэлектрического элемента 110, разделенного канавками 160), размещенных в виде решетки в направлении Y, выполнены для колебания как одно целое, то не существует проблемы, если колебания отдельных пьезоэлектрических керамических блоков по направлению Y просачиваются через наполнительный материал, например эпоксидную смолу, наполняющую канавки 160, и поэтому наполнительный материал канавок 160 может быть высокой степени твердости. Однако, что касается последовательности из множества пьезоэлектрических элементов 110, разделенных в направлении X, то, когда электрические сигналы подаются в пьезоэлектрические элементы 110 по сигнальным проводникам 150, применяются соответствующие задержки для осуществления фазовой подстройки электрических сигналов и отклонения или сведения ультразвуковых волн, и поэтому необходимо удерживать слабое просачивание ультразвуковых волновых колебаний между пьезоэлектрическими элементами 110. Поэтому необходимо, чтобы наполнительный материал разделительных канавок 180, разделяющих сигнальный проводник 150, пьезоэлектрический элемент 110, первый акустически согласующий слой 121 и второй акустически согласующий слой 122 в направлении X, был материалом меньшей твердости и менее склонным к передаче колебаний, чем наполнительный материал канавок 160, разделяющих пьезоэлектрический элемент 110 в направлении Y.
Пьезоэлектрические элементы 110 (или, для большей точности, отдельные пьезоэлектрические керамические блоки) имеют форму столбиков благодаря разделению в направлении X и направлении Y на фиг. 2A и фиг. 2B, и интервалы разделения в обоих указанных направлениях должны быть приблизительно одинаковыми. Как упоминалось выше, в пьезоэлектрической керамике пьезоэлектрических элементов 110 возникает нежелательный режим поперечных колебаний, и если ширину пьезоэлектрической керамики выполняют равной ширине, при которой возникает режим поперечных колебаний в используемом частотном диапазоне, то возникает вредный эффект (например, сужение частотного диапазона), сказывающийся на применяемой частотной характеристике, и поэтому необходимо обеспечить, чтобы режим поперечных колебаний находился за пределами применяемого частотного диапазона. То же самое относится также к направлению X. Поэтому последствия нежелательного режима поперечных колебаний можно ослабить путем обеспечения приблизительного равенства интервалов разделения пьезоэлектрического элемента 110 в направлении X аналогично тому, как в направлении Y.
Наконец, на втором акустически согласующем слое 122 при необходимости обеспечивают передающую среду 130. Для передающей среды 130 можно воспользоваться полиуретановой смолой, бутадиеновым каучуком, силиконовым каучуком или чем-то подобным с величиной акустического импеданса, близкой к величине акустического импеданса живого организма и с низким коэффициентом ослабления ультразвуковых волн. Кроме того, поскольку ультразвуковые волны отражаются на границе, если скорость звука в передающей среде 130 отличается от скорости звука в живом организме, то необходимо учитывать данное отражение, а также учитывать криволинейную форму поверхности второго акустически согласующего слоя 122 во время настройки фокусного расстояния ультразвуковых волн.
Таким образом, в соответствии с настоящим вариантом осуществления применяется конфигурация, в которой обеспечены канавки 160, и данные канавки служат для придания пьезоэлектрическому элементу 110 и первому акустически согласующему слою 121 криволинейной формы поверхности, что позволяет сводить ультразвуковые волны в одну точку без акустической линзы, и применяется конфигурация, в которой сигнальный проводник 150 обеспечен на поверхности сигнального электрода пьезоэлектрического элемента 110. Следовательно, можно реализовать конфигурацию, которая позволяет получить такие характеристики, как высокая чувствительность и широкий частотный диапазон, и обеспечить высокую надежность, что дает возможность создать высококачественный, стабильный ультразвуковой датчик. Кроме того, ультразвуковой волновой пучок можно узко фокусировать, и ультразвуковой волновой пучок можно отклонять, что позволяет реализовать ультразвуковой датчик, который обеспечивает высокоразрешающее ультразвуковое изображение с высокой чувствительностью.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором пьезоэлектрические элементы 110 расположены в виде линейной решетки (в планарной конфигурации) в направлении X, но форма решетки по направлению X этим не ограничена. Например, эффект такого же типа можно также получить, если пьезоэлектрические элементы расположены в виде решетки, имеющей выпуклую или вогнутую криволинейную форму поверхности в направлении X.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором для первого акустически согласующего слоя 121 применяется токопроводящий материал, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, эффект такого же типа можно также получить, если первый акустически согласующий слой является композиционным керамическим блоком, содержащим изолятор и проводник, первый акустически согласующий слой разделен первыми канавками (канавками 160) в направлении Y, и проводник обеспечен на части первого акустически согласующего слоя так, что разделенные части становятся электрически проводящими в направлении Z.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором пьезоэлектрический элемент 110 и акустически согласующие слои 120 имеют вогнутую криволинейную форму поверхности в направлении Y на стороне объекта обследования, но криволинейная форма поверхности этим не ограничена. Например, эффект такого же типа можно также получить, если пьезоэлектрический элемент и акустически согласующие слои выполнены выпуклыми в направлении Y на стороне объекта обследования, а также если, независимо от вогнутости или выпуклости, применяется криволинейная поверхность, обладающая единым радиусом кривизны, или криволинейная поверхность, обладающая множеством таких радиусов кривизны, и при этом имеет место постепенное изменение радиуса кривизны.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором пьезоэлектрический элемент 110 и акустически согласующие слои 120 имеют приблизительно равномерную толщину в направлении Y, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, эффект такого же типа можно также получить, если толщина пьезоэлектрического элемента и акустически согласующих слоев изменяется в направлении Y.
(Вариант 2 осуществления)
Вариант 2 осуществления является случаем, в котором на первом акустически согласующем слое обеспечен заземляющий проводник вместо заземляющего электрического вывода (не показанного), как в варианте 1 осуществления.
На фиг. 3A представлен схематичный местный вид в перспективе ультразвукового датчика в соответствии с вариантом 2 осуществления настоящего изобретения, и на фиг. 3B дано схематичное сечение ультразвукового датчика, показанного на фиг. 3A, при наблюдении с направления X. Ультразвуковой датчик имеет базовую конфигурацию, аналогичную ультразвуковому датчику в соответствии с вариантом 1 осуществления, показанным на фиг. 2A и фиг. 2B, и идентичным элементам конфигурации присвоены идентичные номера позиций.
Ультразвуковой датчик 200, показанный на фиг. 3A и фиг. 3B, состоит из множества пьезоэлектрических элементов 110, размещенных в виде решетки в одном направлении (направлении X), двух акустически согласующих слоев 120a (121a, 122), обеспеченных на передней поверхности по направлению толщины (направлению Z) со стороны объекта обследования (сверху на фиг. 3A и фиг. 3B) каждого пьезоэлектрического элемента 110, заземляющего проводника 210, обеспеченного между упомянутыми двумя акустически согласующими слоями 120a (121a, 122), материала-подложки 140 задней поверхности, обеспечиваемого при необходимости на задней поверхности по направлению толщины (направлению Z) (внизу на фиг. 3A и фиг. 3B), на стороне пьезоэлектрических элементов 110, противоположной от акустически согласующих слоев 120a (121a, 122), и передающей среды 130, обеспечиваемой на акустически согласующих слоях 120a (121a, 122), при необходимости. Функции упомянутых элементов конфигурации (кроме заземляющего проводника 210) идентичны функциям элементов, описанных в связи с традиционной технологией, представленной на фиг. 1.
Заземляющий электрод (не показанный) обеспечен на передней поверхности по направлению толщины (направлению Z) пьезоэлектрического элемента 110, и сигнальный электрод (не показанный) обеспечен на задней поверхности. Два электрода сформированы на передней поверхности и задней поверхности соответственно пьезоэлектрических элементов 110 посредством осаждения из паровой фазы или распыления золота или серебра, электроосаждения серебра или чего-то подобного.
Ниже приведено подробное описание конфигурации ультразвукового датчика 200.
Пьезоэлектрические элементы 110 сформированы с использованием пьезоэлектрической керамики PZT (цирконата-титаната свинца) или керамики аналогичного типа, пьезоэлектрического монокристалла типа PZN-PT, PMN-PT или аналогичного типа, или чего-то подобного. Первый акустически согласующий слой 121a, заземляющий проводник 210 и второй акустически согласующий слой 122 обеспечены на стороне заземляющего электрода (не показанного), обеспечиваемого на каждом пьезоэлектрическом элементе 110 из упомянутого материала. Пьезоэлектрический элемент 110 и первый акустически согласующий слой 121a снабжены множеством канавок 160 в качестве первых канавок в соответствии с настоящим изобретением, проходящих в направлении X. Канавки 160 обеспечивают, например, с использованием установки для резки полупроводниковых пластин или подобного устройства. В настоящем варианте осуществления упомянутые канавки 160 пересекают обе стороны пьезоэлектрического элемента 110 и первого акустического согласующего слоя 121a в направлении Z и полностью делят пьезоэлектрический элемент 110 и первый акустически согласующий слой 121a. Поэтому направление, в котором обеспечены канавки 160, может быть направлением либо от поверхности пьезоэлектрического элемента 110, противоположной стороне, на которой обеспечен первый акустически согласующий слой 121a, либо от поверхности первого акустического согласующего слоя 121a, противоположной стороне, на которой обеспечен пьезоэлектрический элемент 110. То есть настоящая конфигурация реализуется с равным успехом, если направление, в котором обеспечены канавки 160, проходит со стороны первого акустически согласующего слоя 121a, а не со стороны пьезоэлектрического элемента 110, и поэтому канавки 160 могут быть обеспечены с любой стороны.
В настоящем варианте осуществления канавки 160 полностью делят пьезоэлектрический элемент 110 и первый акустически согласующий слой 121a, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, канавки можно обеспечить в первом акустически согласующем слое 121a так, чтобы сохранить его часть таким же образом, как в варианте 1 осуществления. В таком случае канавки 160 обеспечивают со стороны пьезоэлектрического элемента 110.
В данной конфигурации продолжение электрического вывода от заземляющего электрода разделенного пьезоэлектрического элемента 110 выполнено с использованием заземляющего проводника 210. Следовательно, необходимо, чтобы первый акустически согласующий слой 121a был электрическим проводником. Поэтому для первого акустически согласующего слоя 121a можно применить, например, графит или материал, сделанный проводником посредством наполнения высокомолекулярного полимера металлическим порошком (например, электрически проводящим связующим веществом). Разумеется, необходимо, чтобы первый акустически согласующий слой 121a характеризовался величиной акустического импеданса между величинами акустических импедансов пьезоэлектрического элемента 110 и объекта обследования (живого организма).
Канавки 160, обеспеченные в пьезоэлектрическом элементе 110 и первом акустически согласующем слое 121a, могут быть разнесены на равные или случайно изменяющиеся интервалы. Однако, что касается материала пьезоэлектрического элемента 110, например пьезоэлектрической керамики PZT, то кроме используемого режима продольных колебаний по толщине имеет место нежелательный режим поперечных колебаний, и данный режим поперечных колебаний оказывает вредное воздействие на частотную характеристику и т.д. Поэтому необходимо обеспечить, чтобы ширина пьезоэлектрической керамики была узкой, то есть, чтобы интервалы следования канавок 160 были сделаны узкими, и поэтому частота в режиме поперечных колебаний была бы за пределами используемого частотного диапазона.
Кроме того, посредством формирования пьезоэлектрического элемента 110 с использованием пьезоэлектрической керамики PZT, обеспечения канавок 160 в данном пьезоэлектрическом элементе 110 и заполнения упомянутых канавок 160 полимерным материалом, например эпоксидной смолой или полиуретановой смолой, пьезоэлектрическому элементу 110 сообщается функция композиционного пьезоэлектрического керамического блока, сочетающего пьезоэлектрическую керамику и полимерный материал. То есть посредством заполнения части канавок 160 в пьезоэлектрическом элементе 110 полимерным материалом, обладающим небольшим акустическим импедансом, акустический импеданс пьезоэлектрического элемента 110 можно сделать меньше, чем акустический импеданс пьезоэлектрической керамики, и можно сделать приближающимся к акустическому импедансу объекта обследования. Тем самым создается возможность реализации широкого частотного диапазона. Величину акустического импеданса упомянутого композиционного пьезоэлектрического керамического блока можно изменять изменением отношений объемных долей пьезоэлектрической керамики и полимерного материала.
Кроме того, что касается диэлектрической проницаемости композиционного пьезоэлектрического керамического блока, поскольку диэлектрическая проницаемость полимерного материала намного меньше, чем диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрической керамики, то, если уменьшить объемную долю пьезоэлектрической керамики, диэлектрическая проницаемость композиционного пьезоэлектрического керамического блока снизится, и его электрический импеданс повысится. В результате создается рассогласование с подсоединенным ультразвуковым диагностическим устройством или кабелем, что ведет к снижению чувствительности. Поэтому объемная доля пьезоэлектрической керамики, используемой в композиционном пьезоэлектрическом керамическом блоке, обычно находится в пределах 50 - 75%.
Как в случае с пьезоэлектрическим элементом 110, первый акустически согласующий слой 121a также снабжен канавками 160, и упомянутые канавки 160 заполнены полимерным материалом, так что первый акустически согласующий слой 121a становится композиционным керамическим блоком, и его акустический импеданс изменяется (снижается). Поэтому такое снижение следует учитывать при подборе материала первого акустически согласующего слоя 121a.
Как изложено выше, в настоящем варианте осуществления применена конфигурация, в которой электрический вывод продолжен от заземляющего проводника 210 через заземляющий электрод пьезоэлектрического элемента 110 и проводящий первый акустически согласующий слой 121a, и поэтому первый акустически согласующий слой 121a можно полностью разделять таким же образом, как пьезоэлектрический элемент 110, или можно делить с оставляемой частью.
Заземляющий проводник 210 может быть выполнен в виде медного или подобного металлического пленочного элемента или может быть выполнен неотъемлемой частью, с обеспечением полиимидной или подобной пленки на металлической пленке для подкрепления, и пока конфигурация обладает гибкостью, проблем не возникает. В случае последней упомянутой конфигурации, разумеется, необходимо принять меры к тому, чтобы поверхность на стороне металлического проводника (металлической пленки) заземляющего проводника 210 приходила в контакт с первым акустически согласующим слоем 121a. Заземляющий проводник 210 электрически подсоединен к заземляющему электроду (не показанному) пьезоэлектрического элемента 110 и проводящему первому акустически согласующему слою 121a и выполняет функцию электрического вывода. В настоящем варианте осуществления заземляющий проводник 210 электрически подсоединен к заземляющим электродам (проводникам) всех пьезоэлектрических элементов 110.
Возможно также применение конфигурации, в которой полиимидная или подобная пленка, обеспеченная на металлической пленке для подкрепления, служит также в качестве второго акустически согласующего слоя 122.
Когда канавки 160 в разделенном пьезоэлектрическом элементе 110 и первом акустически согласующем слое 121a заполнены полимерным материалом (например, эпоксидной смолой), сигнальный проводник 150 прижимается к материалу-подложке 140 задней поверхности, имеющему криволинейную форму поверхности, и имеет криволинейную форму поверхности вместе с пьезоэлектрическим элементом 110, первым акустически согласующим слоем 121a, заземляющим проводником 210 и вторым акустически согласующим слоем 122.
В настоящем варианте осуществления, как показано на фиг. 3A и фиг. 3B, применяется конфигурация, в которой материал-подложка 140 задней поверхности, пьезоэлектрический элемент 110, первый акустический согласующий слой 121a, заземляющий проводник 210 и второй акустический согласующий слой 122 имеют вогнутую криволинейную форму поверхности на стороне объекта обследования, чтобы сводить в одну точку ультразвуковые волны, но криволинейная форма поверхности не ограничена упомянутой формой. Например, возможно использование выпуклой формы, которая рассеивает ультразвуковые волны.
Поскольку пьезоэлектрический элемент 110, выполненный из пьезоэлектрической керамики, и первый акустический согласующий слой 121a, выполненный из графита или материала типа графита, наполненного металлическим порошком, по существу, не обладают гибкостью, допускающей искривление, то придание им криволинейной формы поверхности требует изготовления изделий, заранее обработанных до криволинейной формы поверхности, и точное формообразование затруднительно. Поэтому в настоящем варианте осуществления конфигурацию, допускающую искривление, обеспечивают созданием канавок 160. Кроме того, для второго акустически согласующего слоя 122 можно также воспользоваться полимерной пленкой, обладающей гибкостью, допускающей искривление, например пленкой на основе эпоксидной смолы или полиимида.
Сигнальный проводник 150 сформирован таким же образом, как в варианте 1 осуществления. Для сигнального проводника 150 можно применить металлический материал, например медь, с толщиной около 10 микрометров (мкм). Если медный или подобный металлический токопроводящий элемент не обладает прочностью с точки зрения обращения, то можно применить конфигурацию, в которой обеспечена полиимидная пленка толщиной около 10 - 25 микрометров (мкм). Сигнальный проводник 150 данного типа является достаточно гибким и поэтому может обеспечить плотный контакт и электрическую проводимость с сигнальным электродом пьезоэлектрического элемента 110, разделенным путем обеспечения канавок 160, даже в искривленном состоянии. Применение сигнального проводника 150 данного типа и вышеупомянутого заземляющего проводника 210 означает также, что, даже если пьезоэлектрический элемент 110 дает трещину, сигнальный проводник 150 и заземляющий проводник не разрываются благодаря их гибкости, и, следовательно, повышается надежность (качество). По сравнению с конфигурацией, в которой электрический вывод подсоединен только к части электрода пьезоэлектрического элемента, например, как в патентном документе 1, настоящая конфигурация дает возможность обеспечить решение таких проблем, как растрескивание и разрыв электрода при растрескивании пьезоэлектрического элемента из-за механического удара, нанесенного извне.
Кривизну формирования криволинейной поверхности можно изменять в зависимости от того, какое установлено фокусное расстояние для ультразвуковых волн. Сформированная криволинейная поверхность может также иметь единственный радиус кривизны или может иметь множество радиусов кривизны с тем, чтобы радиус кривизны постепенно изменялся в направлении Y на фиг. 3A и фиг. 3B.
Акустические согласующие слои 120a (первый акустически согласующий слой 121a и второй акустически согласующий слой 122), заземляющий проводник 210, пьезоэлектрический элемент 110 и сигнальный проводник 150 разделены на последовательность из множества пьезоэлектрических элементов множеством разделительных канавок 180, являющихся вторыми канавками в соответствии с настоящим изобретением. То есть в настоящем варианте осуществления, после того, как сигнальный проводник 150, пьезоэлектрический элемент 110, первый акустически согласующий слой 121a, заземляющий проводник 210 и второй акустически согласующий слой 122 прижаты к материалу-подложке 140 задней поверхности, имеющей криволинейную форму поверхности, и приведены к форме криволинейной поверхности, второй акустически согласующий слой 122, заземляющий проводник 210, первый акустически согласующий слой 121a, пьезоэлектрический элемент 110, сигнальный проводник 150 и часть материала-подложки 140 задней поверхности делят на последовательность из множества пьезоэлектрических элементов вышеупомянутым множеством разделительных канавок 180 согласованно со структурой сигнального проводника 150 в направлении X (направлении, ортогональном направлению Y). Данное направление является направлением электронного сканирования. Множество разделительных канавок 180 заполняют таким материалом, как силиконовый каучук с твердостью ниже, чем твердость эпоксидной смолы или подобного материала, заполняющего канавки 160.
Что касается материала, который заполняет канавки 160, поскольку множество пьезоэлектрических керамических блоков (отдельных частей пьезоэлектрического элемента 110, разделенного канавками 160), размещенных в виде решетки в направлении Y, выполнены для колебания как одно целое, то не существует проблемы, если колебания отдельных пьезоэлектрических керамических блоков по направлению Y просачиваются через наполнительный материал, например эпоксидную смолу, наполняющую канавки 160, и поэтому наполнительный материал канавок 160 может быть высокой степени твердости. Однако, что касается последовательности из множества пьезоэлектрических элементов 110, разделенных в направлении X, то, когда электрические сигналы подаются в пьезоэлектрические элементы 110 по сигнальным проводникам 150 и заземляющему проводнику 210, применяются соответствующие задержки для осуществления фазовой подстройки электрических сигналов и отклонения или сведения ультразвуковых волн, и поэтому необходимо удерживать слабое просачивание ультразвуковых волновых колебаний между пьезоэлектрическими элементами 110. Поэтому необходимо, чтобы наполнительный материал разделительных канавок 180, разделяющих сигнальный проводник 150, пьезоэлектрический элемент 110, первый акустически согласующий слой 121a, заземляющий проводник 210 и второй акустически согласующий слой 122 в направлении X, был материалом меньшей твердости и менее склонным к передаче колебаний, чем наполнительный материал канавок 160, разделяющих пьезоэлектрический элемент 110 в направлении Y.
Пьезоэлектрические элементы 110 (или, для большей точности, отдельные пьезоэлектрические керамические блоки) имеют форму столбиков благодаря разделению в направлении X и направлении Y на фиг. 3A и фиг. 3B, и интервалы разделения в обоих указанных направлениях должны быть приблизительно одинаковыми. Как упоминалось выше, в пьезоэлектрической керамике пьезоэлектрических элементов 110 возникает нежелательный режим поперечных колебаний, и если ширину пьезоэлектрической керамики выполняют равной ширине, при которой возникает режим поперечных колебаний в используемом частотном диапазоне, то возникает вредный эффект (например, сужение частотного диапазона), сказывающийся на применяемой частотной характеристике, и поэтому необходимо обеспечить, чтобы режим поперечных колебаний находился за пределами применяемого частотного диапазона. То же самое относится также к направлению X. Поэтому последствия нежелательного режима поперечных колебаний можно ослабить путем обеспечения приблизительного равенства интервалов разделения пьезоэлектрического элемента 110 в направлении X аналогично тому, как в направлении Y.
Наконец, на втором акустически согласующем слое 122 при необходимости обеспечивают передающую среду 130. Для передающей среды 130 можно воспользоваться полиуретановой смолой, бутадиеновым каучуком, силиконовым каучуком или чем-то подобным с величиной акустического импеданса, близкой к величине акустического импеданса живого организма, и с низким коэффициентом ослабления ультразвуковых волн. Кроме того, поскольку ультразвуковые волны отражаются на границе, если скорость звука в передающей среде 130 отличается от скорости звука в живом организме, то необходимо учитывать данное отражение, а также учитывать криволинейную форму поверхности второго акустически согласующего слоя 122 во время настройки фокусного расстояния ультразвуковых волн.
Таким образом, в соответствии с настоящим вариантом осуществления применяется конфигурация, в которой обеспечены канавки 160, и данные канавки служат для придания пьезоэлектрическому элементу 110 и первому акустически согласующему слою 121a криволинейной формы поверхности, что позволяет сводить ультразвуковые волны в одну точку без акустической линзы, и применяется конфигурация, в которой сигнальный проводник 150 обеспечен на поверхности сигнального электрода пьезоэлектрического элемента 110, и заземляющий проводник 210 обеспечен на поверхности первого акустически согласующего слоя 121a со стороны, противоположной от пьезоэлектрического элемента 110. Следовательно, можно реализовать конфигурацию, которая позволяет получить такие характеристики, как высокая чувствительность и широкий частотный диапазон, и обеспечить высокую надежность, что дает возможность создать высококачественный, стабильный ультразвуковой датчик. Кроме того, ультразвуковой волновой пучок можно узко фокусировать, и ультразвуковой волновой пучок можно отклонять, что позволяет реализовать ультразвуковой датчик, который обеспечивает высокоразрешающее ультразвуковое изображение с высокой чувствительностью.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором пьезоэлектрические элементы 110 расположены в виде линейной решетки (в планарной конфигурации) в направлении X, но форма решетки по направлению X этим не ограничена. Например, эффект такого же типа можно также получить, если пьезоэлектрические элементы расположены в виде решетки, имеющей выпуклую или вогнутую криволинейную форму поверхности в направлении X.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором для первого акустически согласующего слоя 121a применяется токопроводящий материал, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, эффект такого же типа можно также получить, если первый акустически согласующий слой является композиционным керамическим блоком, содержащим изолятор и проводник, первый акустически согласующий слой разделен первыми канавками (канавками 160) в направлении Y, и проводник обеспечен на части первого акустически согласующего слоя так, что разделенные части становятся электрически проводящими в направлении Z.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором пьезоэлектрический элемент 110 и акустически согласующие слои 120a имеют вогнутую криволинейную форму поверхности в направлении Y на стороне объекта обследования, но криволинейная форма поверхности этим не ограничена. Например, эффект такого же типа можно также получить, если пьезоэлектрический элемент и акустически согласующие слои выполнены выпуклыми в направлении Y на стороне объекта обследования, а также если, независимо от вогнутости или выпуклости, применяется криволинейная поверхность, обладающая единственным радиусом кривизны, или криволинейная поверхность, обладающая множеством таких радиусов кривизны, что имеет место постепенное изменение радиуса кривизны.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором заземляющий проводник 210 обеспечен на токопроводящем первом акустически согласующем слое 121a, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, когда первый и второй акустически согласующие слои являются токопроводящими, эффект такого же типа можно также получить, если заземляющий проводник обеспечен на втором акустически согласующем слоем.
(Вариант 3 осуществления)
Вариант 3 осуществления является случаем, в котором обеспечены три акустически согласующих слоя вместо двух акустически согласующих слоев 120a в соответствии с вариантом 2 осуществления.
На фиг. 4A представлен схематичный местный вид в перспективе ультразвукового датчика в соответствии с вариантом 3 осуществления настоящего изобретения, и на фиг. 4B дано схематичное сечение ультразвукового датчика, показанного на фиг. 4A, при наблюдении с направления X. Настоящий ультразвуковой датчик имеет базовую конфигурацию, аналогичную ультразвуковому датчику в соответствии с вариантом 2 осуществления, показанным на фиг. 3A и фиг. 3B, и идентичным элементам конфигурации присвоены идентичные номера позиций.
Ультразвуковой датчик 300, показанный на фиг. 4A и фиг. 4B, состоит из множества пьезоэлектрических элементов 110, размещенных в виде решетки в одном направлении (направлении X), трех акустически согласующих слоев 310 (121a, 122, 311), обеспеченных на передней поверхности по направлению толщины (направлению Z) со стороны объекта обследования (сверху на фиг. 4A и фиг. 4B) каждого пьезоэлектрического элемента 110, заземляющего проводника 210, обеспеченного между упомянутыми тремя акустически согласующими слоями 310 (121a, 122, 311), материала-подложки 140 задней поверхности, обеспечиваемого, при необходимости, на задней поверхности по направлению толщины (направлению Z) (внизу на фиг. 4A и фиг. 4B), на стороне пьезоэлектрических элементов 110, противоположной от акустически согласующих слоев 310 (121a, 122, 310), и передающей среды 130, обеспечиваемой на акустически согласующих слоях 310 (121a, 122, 310), при необходимости. В рассматриваемом случае заземляющий проводник 210 обеспечен между первым акустически согласующим слоем 121a и вторым акустически согласующим слоем 122. Функции упомянутых элементов конфигурации (кроме заземляющего проводника 210) идентичны функциям элементов, описанных в связи с традиционной технологией, представленной на фиг. 1.
Заземляющий электрод (не показанный) обеспечен на передней поверхности по направлению толщины (направлению Z) пьезоэлектрического элемента 110, и сигнальный электрод (не показанный) обеспечен на задней поверхности. Два электрода сформированы на передней поверхности и задней поверхности соответственно пьезоэлектрических элементов 110 посредством осаждения из паровой фазы или распыления золота или серебра, электроосаждения серебра или чего-то подобного.
Ниже приведено подробное описание конфигурации ультразвукового датчика 300.
Пьезоэлектрические элементы 110 сформированы с использованием пьезоэлектрической керамики PZT (цирконата-титаната свинца) или керамики аналогичного типа, пьезоэлектрического монокристалла типа PZN-PT, PMN-PT или аналогичного типа, или чего-то подобного. Первый акустически согласующий слой 121a, заземляющий проводник 210, второй акустически согласующий слой 122 и третий акустически согласующий слой 310 обеспечены на стороне заземляющего электрода (не показанного), обеспечиваемого на каждом пьезоэлектрическом элементе 110 из упомянутого материала. Пьезоэлектрический элемент 110 и первый акустически согласующий слой 121a снабжены множеством канавок 160 в качестве первых канавок в соответствии с настоящим изобретением, проходящих в направлении X. Канавки 160 обеспечивают, например, с использованием установки для резки полупроводниковых пластин или подобного устройства. В настоящем варианте осуществления упомянутые канавки 160 пересекают обе стороны пьезоэлектрического элемента 110 и первого акустического согласующего слоя 121a в направлении Z и полностью делят пьезоэлектрический элемент 110 и первый акустически согласующий слой 121a. Поэтому направление, в котором обеспечены канавки 160, может быть направлением либо от поверхности пьезоэлектрического элемента 110, противоположной стороне, на которой обеспечен первый акустически согласующий слой 121a, либо от поверхности первого акустического согласующего слоя 121a, противоположной стороне, на которой обеспечен пьезоэлектрический элемент 110. То есть настоящая конфигурация реализуется с равным успехом, если направление, в котором обеспечены канавки 160, проходит со стороны первого акустически согласующего слоя 121a, а не со стороны пьезоэлектрического элемента 110, и поэтому канавки 160 могут быть обеспечены с любой стороны.
В настоящем варианте осуществления канавки 160 полностью делят пьезоэлектрический элемент 110 и первый акустически согласующий слой 121a, но настоящее изобретением этим не ограничено. Например, канавки можно обеспечить в первом акустически согласующем слое 121a так, чтобы сохранить его часть таким же образом, как в варианте 1 осуществления. В таком случае канавки 160 обеспечивают со стороны пьезоэлектрического элемента 110.
В данной конфигурации продолжение электрического вывода от заземляющего электрода разделенного пьезоэлектрического элемента 110 выполнено с использованием заземляющего проводника 210. Следовательно, необходимо, чтобы первый акустически согласующий слой 121a был электрическим проводником. Поэтому для первого акустически согласующего слоя 121a можно применить, например, графит или материал, сделанный проводником посредством наполнения высокомолекулярного полимера металлическим порошком (например, электрически проводящим связующим веществом). Разумеется, необходимо, чтобы первый акустически согласующий слой 121a характеризовался величиной акустического импеданса между величинами акустических импедансов пьезоэлектрического элемента 110 и объекта обследования (живого организма).
Канавки 160, обеспеченные в пьезоэлектрическом элементе 110 и первом акустически согласующем слое 121a, могут быть разнесены на равные или случайно изменяющиеся интервалы. Однако, что касается материала пьезоэлектрического элемента 110, например пьезоэлектрической керамики PZT, то кроме используемого режима продольных колебаний по толщине имеет место нежелательный режим поперечных колебаний, и данный режим поперечных колебаний оказывает вредное воздействие на частотную характеристику и т.д. Поэтому необходимо обеспечить, чтобы ширина пьезоэлектрической керамики была узкой, то есть, чтобы интервалы следования канавок 160 были сделаны узкими, и поэтому частота в режиме поперечных колебаний была бы за пределами используемого частотного диапазона.
Кроме того, посредством формирования пьезоэлектрического элемента 110 с использованием пьезоэлектрической керамики PZT, обеспечения канавок 160 в данном пьезоэлектрическом элементе 110 и заполнения упомянутых канавок 160 полимерным материалом, например эпоксидной смолой или полиуретановой смолой, пьезоэлектрическому элементу 110 сообщается функция композиционного пьезоэлектрического керамического блока, сочетающего пьезоэлектрическую керамику и полимерный материал. То есть посредством заполнения части канавок 160 в пьезоэлектрическом элементе 110 полимерным материалом, обладающим небольшим акустическим импедансом, акустический импеданс пьезоэлектрического элемента 110 можно сделать меньше, чем акустический импеданс пьезоэлектрической керамики, и можно сделать приближающимся к акустическому импедансу объекта обследования. Тем самым создается возможность реализации широкого частотного диапазона. Величину акустического импеданса упомянутого композиционного пьезоэлектрического керамического блока можно изменять изменением отношений объемных долей пьезоэлектрической керамики и полимерного материала.
Кроме того, что касается диэлектрической проницаемости композиционного пьезоэлектрического керамического блока, поскольку диэлектрическая проницаемость полимерного материала намного меньше, чем диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрической керамики, то, если уменьшить объемную долю пьезоэлектрической керамики, диэлектрическая проницаемость композиционного пьезоэлектрического керамического блока снизится, и его электрический импеданс повысится. В результате создается рассогласование с подсоединенным ультразвуковым диагностическим устройством или кабелем, что ведет к снижению чувствительности. Поэтому объемная доля пьезоэлектрической керамики, используемой в композиционном пьезоэлектрическом керамическом блоке, обычно находится в пределах 50-75%.
Как в случае с пьезоэлектрическим элементом 110, первый акустически согласующий слой 121a также снабжен канавками 160, и упомянутые канавки 160 заполнены полимерным материалом, так что первый акустически согласующий слой 121a становится композиционным керамическим блоком, и его акустический импеданс изменяется (снижается). Поэтому такое снижение следует учитывать при подборе материала первого акустически согласующего слоя 121a.
Как изложено выше, в настоящем варианте осуществления применена конфигурация, в которой электрический вывод продолжен от заземляющего проводника 210 через заземляющий электрод пьезоэлектрического элемента 110 и проводящий первый акустически согласующий слой 121a, и поэтому первый акустически согласующий слой 121a можно полностью разделять таким же образом, как пьезоэлектрический элемент 110, или можно делить с оставляемой частью.
Заземляющий проводник 210 может быть выполнен в виде медного или подобного металлического пленочного элемента или может быть выполнен неотъемлемой частью, с обеспечением полиимидной или подобной пленки на металлической пленке для подкрепления, и пока конфигурация обладает гибкостью, проблем не возникает. В случае последней упомянутой конфигурации, разумеется, необходимо принять меры к тому, чтобы поверхность на стороне металлического проводника (металлической пленки) заземляющего проводника 210 приходила в контакт с первым акустически согласующим слоем 121a. Заземляющий проводник 210 электрически подсоединен к заземляющему электроду (не показанному) пьезоэлектрического элемента 110 и проводящему первому акустически согласующему слою 121a и выполняет функцию электрического вывода. В настоящем варианте осуществления заземляющий проводник 210 электрически подсоединен к заземляющим электродам (проводникам) всех пьезоэлектрических элементов 110.
Возможно также применение конфигурации, в которой полиимидная или подобная пленка, обеспеченная на металлической пленке для подкрепления, служит также в качестве второго акустически согласующего слоя 122.
Когда канавки 160 в разделенном пьезоэлектрическом элементе 110 и первом акустически согласующем слое 121a заполнены полимерным материалом (например, эпоксидной смолой), сигнальный проводник 150 прижимается к материалу-подложке 140 задней поверхности, имеющему криволинейную форму поверхности, и имеет криволинейную форму поверхности вместе с пьезоэлектрическим элементом 110, первым акустически согласующим слоем 121a, заземляющим проводником 210, вторым акустически согласующим слоем 122 и третьим акустически согласующим слоем 311.
В настоящем варианте осуществления, как показано на фиг. 4A и фиг. 4B, применяется конфигурация, в которой материал-подложка 140 задней поверхности, пьезоэлектрический элемент 110, первый акустический согласующий слой 121a, заземляющий проводник 210, второй акустический согласующий слой 122 и третий акустический согласующий слой 311 имеют вогнутую криволинейную форму поверхности на стороне объекта обследования, чтобы сводить в одну точку ультразвуковые волны, но криволинейная форма поверхности не ограничена упомянутой формой. Например, возможно использование выпуклой формы, которая рассеивает ультразвуковые волны.
Поскольку пьезоэлектрический элемент 110, выполненный из пьезоэлектрической керамики, и первый акустический согласующий слой 121a, выполненный из графита или материала типа графита, наполненного металлическим порошком, по существу, не обладают гибкостью, допускающей искривление, то придание им криволинейной формы поверхности требует изготовления изделий, заранее обработанных до криволинейной формы поверхности, и точное формообразование затруднительно. Поэтому в настоящем варианте осуществления конфигурацию, допускающую искривление, обеспечивают созданием канавок 160. Кроме того, для второго акустически согласующего слоя 122 можно также воспользоваться полимерной пленкой, обладающей гибкостью, допускающей искривление, например пленкой на основе эпоксидной смолы, наполненной металлом, оксидом или подобным порошком.
Сигнальный проводник 150 сформирован таким же образом, как в варианте 1 осуществления. Для сигнального проводника 150 можно применить металлический материал, например медь, с толщиной около 10 микрометров (мкм). Если медный или подобный металлический токопроводящий элемент не обладает прочностью с точки зрения обращения, то можно применить конфигурацию, в которой обеспечена полиимидная пленка толщиной около 10 - 25 микрометров (мкм). Сигнальный проводник 150 данного типа является достаточно гибким и поэтому может обеспечить плотный контакт и электрическую проводимость с сигнальным электродом пьезоэлектрического элемента 110, разделенным путем обеспечения канавок 160, даже в искривленном состоянии. Применение сигнального проводника 150 данного типа и вышеупомянутого заземляющего проводника 210 означает также, что, даже если пьезоэлектрический элемент 110 дает трещину, сигнальный проводник 150 и заземляющий проводник не разрываются благодаря их гибкости, и, следовательно, повышается надежность (качество). По сравнению с конфигурацией, в которой электрический вывод подсоединен только к части электрода пьезоэлектрического элемента, например, как в патентном документе 1, настоящая конфигурация дает возможность обеспечить решение таких проблем, как растрескивание и разрыв электрода при растрескивании пьезоэлектрического элемента из-за механического удара, нанесенного извне.
Кривизну формирования криволинейной поверхности можно изменять в зависимости от того, какое установлено фокусное расстояние для ультразвуковых волн. Сформированная криволинейная поверхность может также иметь единый радиус кривизны или может иметь множество радиусов кривизны с тем, чтобы радиус кривизны постепенно изменялся в направлении Y на фиг. 4A и фиг. 4B.
Второй акустически согласующий слой 122, первый акустически согласующий слой 121a, заземляющий проводник 210, пьезоэлектрический элемент 110 и сигнальный проводник 150 разделены на последовательность из множества пьезоэлектрических элементов множеством разделительных канавок 180, являющихся вторыми канавками в соответствии с настоящим изобретением. То есть в настоящем варианте осуществления, после того, как сигнальный проводник 150, пьезоэлектрический элемент 110, первый акустически согласующий слой 121a, заземляющий проводник 210 и второй акустически согласующий слой 122 прижаты к материалу-подложке 140 задней поверхности, имеющей криволинейную форму поверхности, и приведены к форме криволинейной поверхности, второй акустически согласующий слой 122, заземляющий проводник 210, первый акустически согласующий слой 121a, пьезоэлектрический элемент 110, сигнальный проводник 150 и часть материала-подложки 140 задней поверхности делят на последовательность из множества пьезоэлектрических элементов вышеупомянутым множеством разделительных канавок 180 согласованно со структурой сигнального проводника 150 в направлении X (направлении, ортогональном направлению Y). Данное направление является направлением электронного сканирования. Множество разделительных канавок 180 заполняют таким материалом, как силиконовый каучук с твердостью ниже, чем твердость эпоксидной смолы или подобного материала, заполняющего канавки 160.
Что касается материала, который заполняет канавки 160, поскольку множество пьезоэлектрических керамических блоков (отдельных частей пьезоэлектрического элемента 110, разделенного канавками 160), размещенных в виде решетки в направлении Y, выполнены для колебания как одно целое, то не существует проблемы, если колебания отдельных пьезоэлектрических керамических блоков по направлению Y просачиваются через наполнительный материал, например эпоксидную смолу, наполняющую канавки 160, и поэтому наполнительный материал канавок 160 может быть высокой степени твердости. Однако, что касается последовательности из множества пьезоэлектрических элементов 110, разделенных в направлении X, то, когда электрические сигналы подаются в пьезоэлектрические элементы 110 по сигнальным проводникам 150 и заземляющему проводнику 210, применяются соответствующие задержки для осуществления фазовой подстройки электрических сигналов и отклонения или сведения ультразвуковых волн, и поэтому необходимо удерживать слабое просачивание ультразвуковых волновых колебаний между пьезоэлектрическими элементами 110. Поэтому необходимо, чтобы наполнительный материал разделительных канавок 180, разделяющих сигнальный проводник 150, пьезоэлектрический элемент 110, первый акустически согласующий слой 121a, заземляющий проводник 210 и второй акустически согласующий слой 122 в направлении X, был материалом меньшей твердости и менее склонным к передаче колебаний, чем наполнительный материал канавок 160, разделяющих пьезоэлектрический элемент 110 в направлении Y.
Пьезоэлектрические элементы 110 (или, для большей точности, отдельные пьезоэлектрические керамические блоки) имеют форму столбиков благодаря разделению в направлении X и направлении Y на фиг. 4A и фиг. 4B, и интервалы разделения в обоих указанных направлениях должны быть приблизительно одинаковыми. Как упоминалось выше, в пьезоэлектрической керамике пьезоэлектрического элемента 110 возникает нежелательный режим поперечных колебаний, и если ширину пьезоэлектрической керамики выполняют равной ширине, при которой возникает режим поперечных колебаний в используемом частотном диапазоне, то возникает вредный эффект (например, сужение частотного диапазона), сказывающийся на применяемой частотной характеристике, и поэтому необходимо обеспечить, чтобы режим поперечных колебаний находился за пределами применяемого частотного диапазона. То же самое относится также к направлению X. Поэтому последствия нежелательного режима поперечных колебаний можно ослабить путем обеспечения приблизительного равенства интервалов разделения пьезоэлектрического элемента 110 в направлении X аналогично тому, как в направлении Y.
В настоящем варианте осуществления, на втором акустически согласующем слое 122 обеспечен третий акустически согласующий слой 311. Как показано на фиг. 4A и фиг. 4B, третий акустически согласующий слой 311 обеспечен в виде одной поверхности, не разделенной ни по одному направлению, на втором акустически согласующем слое 122, разделенном по направлению X.
Однако для предотвращения просачивания ультразвуковых волновых колебаний в смежные пьезоэлектрические элементы 110 по причине раздельного колебания отдельных пьезоэлектрических элементов 110, в направлении X, было бы предпочтительно, чтобы третий акустически согласующий слой 311 также был разделен таким же образом, как первый акустически согласующий слой 121a и второй акустически согласующий слой 122. Способ оценки того, отдельно ли единичный пьезоэлектрический элемент 110 осуществляет ультразвуковые волновые колебания и излучает ультразвуковые волны на стороне объекта обследования, состоит в измерении степени направленности, с которой ультразвуковые волны излучаются на стороне объекта обследования из пьезоэлектрического элемента 110 через акустически согласующие слои 121a, 122 и 311 в направлении X. Чем шире направленность, тем меньше поперечное просачивание ультразвуковых волн, и пьезоэлектрические элементы 110 имеют тенденцию колебаться раздельно, что соответствует требованиям, тогда как, наоборот, узкая направленность является результатом, не особенно соответствующим требованиям.
Как правило, для повышения разрешающей способности в ультразвуковом изображении при ультразвуковом датчике с, так называемым, электронным сканированием, в котором множество пьезоэлектрических элементов 110 размещено в виде решетки в одном направлении (направлении X), важен вопрос, насколько широкую можно обеспечить направленность в направлении X для составляющих решетку пьезоэлектрических элементов 110. Кроме того, что касается пьезоэлектрических элементов 110, выдерживание небольшого числа разделенных акустически согласующих слоев позволяет стабильно выполнять обработку, даже если интервал разделения является узким (например, 0,1 мм) и дает возможность создать ультразвуковой датчик с равномерно высокой точностью. Кроме того, возможно также применение конфигурации, в которой не создается узкая направленность.
Например, когда угол направленности по направлению X в случае, когда пьезоэлектрический элемент 110 с 3,5-МГц центральной частотой разделен с интервалами 0,38 мм в направлении X пьезоэлектрического элемента 110 (два, разделенные с интервалами 0,19 мм, являются электрически связанными), определяют на уровне -6 дБ, то в случае конфигурации, в которой третий акустически согласующий слой 311 разделен таким же образом, как пьезоэлектрический элемент 110, угол расходимости пучка составляет около 23 градусов. Разделительные канавки 180, разделяющие пьезоэлектрический элемент 110, первый акустически согласующий слой 121a и второй акустически согласующий слой 122, наполнены материалом на основе силиконового каучука.
Между тем, характеристики направленности измеряли для ультразвуковых волн в направлении решетки (направлении X) пьезоэлектрических элементов 110 в случае конфигурации, в которой вышеупомянутый пьезоэлектрический элемент 110 разделен таким же образом, как описано выше, и из трех акустически согласующих слоев 310, первый и второй акустически согласующие слои 121a и 122 на стороне пьезоэлектрического элемента 110 разделены таким же образом, как пьезоэлектрический элемент 110, тогда как третий акустически согласующий слой 311, расположенный на стороне объекта обследования, совсем не разделен. При этом в качестве материала третьего акустически согласующего слоя 311, расположенного на стороне объекта обследования, применяли силиконовый каучук (с числом твердости 76 по Шору по шкале A, скоростью звука 915 м/сек и акустическим импедансом 2,1 Мегарейл), хлоропреновый каучук (с числом твердости 70 по Шору по шкале A, скоростью звука 1630 м/сек и акустическим импедансом 2,16 Мегарейл), этиленпропиленовый сополимерный каучук (с числом твердости 65 по Шору по шкале A, скоростью звука 1480 м/сек и акустическим импедансом 1,94 Мегарейл), акрилонитрилбутадиеновый сополимерный каучук (с числом твердости 60 по Шору по шкале A, скоростью звука 1640 м/сек и акустическим импедансом 1,97 Мегарейл) и полиуретановый каучук (с числом твердости 78 по Шору по шкале A, скоростью звука 1850 м/сек и акустическим импедансом 1,98 Мегарейл). Результаты показали различие характеристик направленности в зависимости от материала третьего акустически согласующего слоя 311. Разделительные канавки 180, разделяющие пьезоэлектрический элемент 110, первый акустически согласующий слой 121a и второй акустически согласующий слой 122 (при этом ширина разделительных канавок 180 приблизительно равна 0,03 мм), заполняли материалом на основе силиконового каучука таким же образом, как в конфигурации, разделение которой выполняется до второго акустически согласующего слоя 122. Материалы, отличающиеся от полиуретанового каучука среди вышеперечисленных материалов, содержали произвольное количество наполнителя, например оксида алюминия, углерода или карбоната кальция, добавленного для регулировки акустического импеданса.
Вышеупомянутые различия характеристик направленности не имели корреляции с твердостью, акустическим импедансом и т.п. материала, и данные параметры не оказывали большого влияния на характеристики направленности. Параметр, который влиял на характеристики направленности, то есть коррелировался с ними, представлял собой характеристику скорости звука в материале третьего акустически согласующего слоя 311, и данная характеристика показывала сильную корреляцию с характеристиками направленности. Данные о взаимосвязи между углом направленности, измеренным на уровне -6 дБ при частоте 3,5 МГц, и скоростью звука в материале третьего акустически согласующего слоя 311 показаны на фиг. 5. Как видно из фиг. 5, угол направленности показывает выраженную корреляцию со скоростью звука, с коэффициентом корреляции 0,86. Из вышеизложенного можно видеть, что в конфигурации, в которой третий акустически согласующий слой 311, находящийся на стороне объекта обследования, не разделяется, необходимо учитывать скорость звука в материале третьего акустически согласующего слоя 311.
Например, результаты по углу направленности для материалов третьего акустически согласующего слоя 311, используемых в вышеприведенном примере, были следующими: 25 градусов, когда применяли силиконовый каучук, 23,5 градуса, когда применяли хлоропреновый каучук, 23,5 градуса, когда применяли этиленпропиленовый сополимерный каучук, 22,9 градуса, когда применяли акрилонитрилбутадиеновый сополимерный каучук, и 20 градусов, когда применяли полиуретановый каучук. Среднее отклонение результатов данных измерений считается приблизительно равным ±0,5 градусов.
Вышеприведенные результаты подсказывают, что, чтобы в конфигурации, в которой не все наложенные акустически согласующие слои разделены таким же образом, как пьезоэлектрический элемент 110, получить характеристики направленности, эквивалентные или превосходящие характеристики в конфигурации, в которой все наложенные акустически согласующие слои разделены таким же образом, как пьезоэлектрический элемент 110, скорость звука в акустически согласующих слоях должна быть ограничена, и следует применять каучуковый упругий монолитный материал, в котором скорость звука имеет значение 1650 м/сек или ниже. Разумеется, поскольку третий акустически согласующий слой 311 является каучуковым упругим монолитным материалом и обладает достаточной гибкостью, то на криволинейной поверхности второго акустически согласующего слоя 122 можно сформировать третий акустически согласующий слой 311, повторяющий его криволинейную форму поверхности.
И, наконец, на третьем акустически согласующем слое 311 обеспечивают при необходимости передающую среду 130. Для передающей среды 130 можно применить полиуретановый полимер, бутадиеновый каучук, силиконовый каучук или подобный материал с величиной акустического импеданса, близкой к величине акустического импеданса живого организма, и низкий коэффициент ослабления ультразвуковых волн. Кроме того, поскольку ультразвуковые волны отражаются от границы, если скорость звука в передающей среде 130 отличается от скорости звука в живом организме, то необходимо учитывать данное отражение, а также учитывать криволинейную форму поверхности второго акустически согласующего слоя 122 во время настройки фокусного расстояния ультразвуковых волн.
Таким образом, в соответствии с настоящим вариантом осуществления применяется конфигурация, в которой обеспечены канавки 160, и данные канавки служат для придания пьезоэлектрическому элементу 110 и первому акустически согласующему слою 121a криволинейной формы поверхности, что позволяет сводить ультразвуковые волны в одну точку без акустической линзы, и применяется конфигурация, в которой сигнальный проводник 150 обеспечен на поверхности сигнального электрода пьезоэлектрического элемента 110, заземляющий проводник 210 обеспечен на поверхности первого акустически согласующего слоя 121a со стороны, противоположной пьезоэлектрическому элементу 110, и обеспечены три акустически согласующих слоя. Следовательно, можно реализовать конфигурацию, которая позволяет получить такие характеристики, как высокая чувствительность и широкий частотный диапазон, и обеспечить высокую надежность, что дает возможность создать высококачественный, стабильный ультразвуковой датчик. Кроме того, ультразвуковой волновой пучок можно узко фокусировать, и ультразвуковой волновой пучок можно отклонять, что позволяет реализовать ультразвуковой датчик, который обеспечивает высокоразрешающее ультразвуковое изображение с высокой чувствительностью.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором пьезоэлектрические элементы 110 расположены в виде линейной решетки (в планарной конфигурации) в направлении X, но форма решетки по направлению X этим не ограничена. Например, эффект такого же типа можно также получить, если пьезоэлектрические элементы расположены в виде решетки, имеющей выпуклую или вогнутую криволинейную форму поверхности в направлении X.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором для первого акустически согласующего слоя 121a применяется токопроводящий материал, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, эффект такого же типа можно также получить, если первый акустически согласующий слой является композиционным керамическим блоком, содержащим изолятор и проводник, первый акустически согласующий слой разделен первыми канавками (канавками 160) в направлении Y, и проводник обеспечен на части первого акустически согласующего слоя так, что разделенные части становятся электрически проводящими в направлении Z.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором пьезоэлектрический элемент 110 и акустически согласующие слои 310 имеют вогнутую криволинейную форму поверхности в направлении Y на стороне объекта обследования, но криволинейная форма поверхности этим не ограничена. Например, эффект такого же типа можно также получить, если пьезоэлектрический элемент и акустически согласующие слои выполнены выпуклыми в направлении Y на стороне объекта обследования, а также если, независимо от вогнутости или выпуклости, применяется криволинейная поверхность, обладающая единственным радиусом кривизны, или криволинейная поверхность, обладающая множеством таких радиусов кривизны, что имеет место постепенное изменение радиуса кривизны.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором заземляющий проводник 210 обеспечен на токопроводящем первом акустически согласующем слое 121a, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, когда первый и второй акустически согласующие слои являются токопроводящими, эффект такого же типа можно также получить, если заземляющий проводник обеспечен на втором акустически согласующем слоем, и третий акустически согласующий слой обеспечен на его верхней поверхности.
(Вариант 4 осуществления)
Вариант 4 осуществления является случаем, в котором изменяется толщина пьезоэлектрического элемента и первого акустически согласующего слоя в сравнении с вариантом 2 осуществления.
На фиг. 6A представлен схематичный местный вид в перспективе ультразвукового датчика в соответствии с вариантом 4 осуществления настоящего изобретения, и на фиг. 6B дано схематичное сечение ультразвукового датчика, показанного на фиг. 6A, при наблюдении с направления X. Настоящий ультразвуковой датчик имеет базовую конфигурацию, аналогичную ультразвуковому датчику в соответствии с вариантом 2 осуществления, показанным на фиг. 3A и фиг. 3B, и идентичным элементам конфигурации присвоены идентичные номера позиций.
Ультразвуковой датчик 400, показанный на фиг. 6A и фиг. 6B, состоит из множества пьезоэлектрических элементов 410, размещенных в виде решетки в одном направлении (направлении X), двух акустически согласующих слоев 420 (421, 422), обеспеченных на передней поверхности по направлению толщины (направлению Z) со стороны объекта обследования (сверху на фиг. 6A и фиг. 6B) каждого пьезоэлектрического элемента 410, заземляющего проводника 210, обеспеченного между упомянутыми двумя акустически согласующими слоями 420 (421, 422), материала-подложки 430 задней поверхности, обеспечиваемого при необходимости на задней поверхности по направлению толщины (направлению Z) (внизу на фиг. 6A и фиг. 6B), на стороне пьезоэлектрических элементов 410, противоположной от акустически согласующих слоев 420 (421, 422), и передающей среды 130, обеспечиваемой на акустически согласующих слоях 420 (421, 422), при необходимости. Функции упомянутых элементов конфигурации (кроме заземляющего проводника 210) идентичны функциям элементов, описанных в связи с традиционной технологией, представленной на фиг. 1.
Заземляющий электрод (не показанный) обеспечен на передней поверхности по направлению толщины (направлению Z) пьезоэлектрического элемента 410, и сигнальный электрод (не показанный) обеспечен на задней поверхности. Два электрода сформированы на передней поверхности и задней поверхности соответственно пьезоэлектрических элементов 410 посредством осаждения из паровой фазы или распыления золота или серебра, электроосаждения серебра или чего-то подобного.
Ниже приведено подробное описание конфигурации ультразвукового датчика 400.
В настоящем варианте осуществления пьезоэлектрические элементы 410 сформированы с изменением их толщины в направлении Y, с использованием пьезоэлектрической керамики для PZT (цирконата-титаната свинца) или керамики аналогичного типа, пьезоэлектрического монокристалла типа PZN-PT, PMN-PT или аналогичного типа, или чего-то подобного. Первый акустически согласующий слой 421, заземляющий проводник 210 и второй акустически согласующий слой 422 обеспечены на стороне заземляющего электрода (не показанного), обеспечиваемого на каждом пьезоэлектрическом элементе 410, с изменением его толщины в направлении Y, при использовании упомянутого материала. Толщина первого акустического согласующего слоя 421 и второго акустического согласующего слоя 422 изменяется в направлении Y таким же образом, как толщина пьезоэлектрического элемента 410.
Пьезоэлектрический элемент 410 и первый акустически согласующий слой 421 снабжены множеством канавок 160 в качестве первых канавок в соответствии с настоящим изобретением, проходящих в направлении X. Канавки 160 обеспечивают, например, с использованием установки для резки полупроводниковых пластин или подобного устройства. В настоящем варианте осуществления упомянутые канавки 160 пересекают обе стороны пьезоэлектрического элемента 410 и первого акустического согласующего слоя 421 в направлении Z и полностью делят пьезоэлектрический элемент 410 и первый акустически согласующий слой 421. Поэтому направление, в котором обеспечены канавки 160, может быть направлением либо от поверхности пьезоэлектрического элемента 410, противоположной стороне, на которой обеспечен первый акустически согласующий слой 421, либо от поверхности первого акустического согласующего слоя 421, противоположной стороне, на которой обеспечен пьезоэлектрический элемент 410. То есть настоящая конфигурация реализуется с равным успехом, если направление, в котором обеспечены канавки 160, проходит со стороны первого акустически согласующего слоя 421, а не со стороны пьезоэлектрического элемента 410, и поэтому канавки 160 могут быть обеспечены с любой стороны.
В настоящем варианте осуществления канавки 160 полностью делят пьезоэлектрический элемент 410 и первый акустически согласующий слой 421, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, канавки можно обеспечить в первом акустически согласующем слое 421 так, чтобы сохранить его часть таким же образом, как в варианте 1 осуществления. В таком случае канавки 160 обеспечивают со стороны пьезоэлектрического элемента 410.
В данной конфигурации продолжение электрического вывода от заземляющего электрода разделенного пьезоэлектрического элемента 410 выполнено с использованием заземляющего проводника 210. Следовательно, необходимо, чтобы первый акустически согласующий слой 421 был электрическим проводником. Поэтому для первого акустически согласующего слоя 421 можно применить, например, графит или материал, сделанный проводником посредством наполнения высокомолекулярного полимера металлическим порошком (например, электрически проводящим связующим веществом). Разумеется, необходимо, чтобы первый акустически согласующий слой 421 характеризовался величиной акустического импеданса между величинами акустических импедансов пьезоэлектрического элемента 410 и объекта обследования (живого организма).
Толщина пьезоэлектрического элемента 410 в одном направлении (направлении Y), ортогональном направлению решетки (направлению X) пьезоэлектрических элементов 410, является неравномерной, причем толщина уменьшается в центральной зоне и увеличивается к концам в направлении Y. В частности, как показано на фиг. 6A и фиг. 6B, пьезоэлектрический элемент 410 имеет планарную переднюю поверхность на стороне объекта обследования и криволинейную заднюю поверхность на стороне материала-подложки 430 задней поверхности. Путем исполнения пьезоэлектрического элемента 410 с неравномерной толщиной можно увеличить глубину фокусировки ультразвукового волнового пучка и можно получить широкополосную частотную характеристику, что обеспечивает повышение разрешения. Конфигурация, в которой толщина пьезоэлектрического элемента сделана неоднородной в направлении Y вышеописанным способом, уже известна и описана, например, в выложенной заявке на японский патент № HEI 7-107595. То есть, поскольку толщина уменьшается в центральной зоне пьезоэлектрического элемента 410 в направлении Y, данная зона передает и принимает высокочастотные составляющие ультразвуковых волн, и поскольку толщина увеличивается к концам, данные зоны передают и принимают низкочастотные составляющие ультразвуковых волн. Кроме того, толщина акустически согласующих слоев 420 (421, 422) также изменяется согласованно с изменением частоты, соответствующей толщине пьезоэлектрического элемента 410, при этом базовая толщина равна 1/4 длины волны. Поэтому, как показано на фиг. 6A и фиг. 6B, акустически согласующие слои 420 (421, 422) имеют вогнутую форму на стороне объекта обследования, поскольку толщина является минимальной в центральной зоне и возрастает к концам.
Тот факт, что акустически согласующие слои 420 (421, 422) имеют форму, вогнутую описанным способом, означает естественно, что ультразвуковые волны сходятся в сторону объекта обследования на некотором расстоянии, обусловленном радиусом кривизны вогнутой формы. Однако расстояние, на котором сходятся ультразвуковые волны, не обязательно является назначенным расстоянием, и потому имеет место проблема сведения в точку, расположенную ближе или дальше, чем заданное расстояние. Особенностью настоящего варианта осуществления является создание конфигурации, которая решает упомянутую проблему.
Канавки 160, обеспеченные в пьезоэлектрическом элементе 410 и первом акустически согласующем слое 421, могут быть разнесены на равные или случайно изменяющиеся интервалы. Однако, что касается материала пьезоэлектрического элемента 410, например пьезоэлектрической керамики PZT, то кроме используемого режима продольных колебаний по толщине имеет место нежелательный режим поперечных колебаний, и данный режим поперечных колебаний оказывает вредное воздействие на частотную характеристику и т.д. Поэтому необходимо обеспечить, чтобы ширина пьезоэлектрической керамики была узкой, то есть, чтобы интервалы следования канавок 160 были сделаны узкими, и поэтому частота в режиме поперечных колебаний была бы за пределами используемого частотного диапазона.
Кроме того, посредством формирования пьезоэлектрического элемента 410 с использованием пьезоэлектрической керамики PZT, обеспечения канавок 160 в данном пьезоэлектрическом элементе 410 и заполнения упомянутых канавок 160 полимерным материалом, например эпоксидной смолой или полиуретановой смолой, пьезоэлектрическому элементу 410 сообщается функция композиционного пьезоэлектрического керамического блока, сочетающего пьезоэлектрическую керамику и полимерный материал. То есть посредством заполнения части канавок 160 в пьезоэлектрическом элементе 410 полимерным материалом, обладающим небольшим акустическим импедансом, акустический импеданс пьезоэлектрического элемента 410 можно сделать меньше, чем акустический импеданс пьезоэлектрической керамики, и можно сделать приближающимся к акустическому импедансу объекта обследования. Тем самым создается возможность реализации широкого частотного диапазона. Величину акустического импеданса упомянутого композиционного пьезоэлектрического керамического блока можно изменять изменением отношений объемных долей пьезоэлектрической керамики и полимерного материала.
Кроме того, что касается диэлектрической проницаемости композиционного пьезоэлектрического керамического блока, поскольку диэлектрическая проницаемость полимерного материала намного меньше, чем диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрической керамики, то если уменьшить объемную долю пьезоэлектрической керамики, диэлектрическая проницаемость композиционного пьезоэлектрического керамического блока снизится, и его электрический импеданс повысится. В результате создается рассогласование с подсоединенным ультразвуковым диагностическим устройством или кабелем, что ведет к снижению чувствительности. Поэтому объемная доля пьезоэлектрической керамики, используемой в композиционном пьезоэлектрическом керамическом блоке, обычно находится в пределах 50-75%.
Как в случае с пьезоэлектрическим элементом 410, первый акустически согласующий слой 421 также снабжен канавками 160, и упомянутые канавки 160 заполнены полимерным материалом, так что первый акустически согласующий слой 421 становится композиционным керамическим блоком, и его акустический импеданс изменяется (снижается). Поэтому такое снижение следует учитывать при подборе материала первого акустически согласующего слоя 421.
Как изложено выше, в настоящем варианте осуществления применена конфигурация, в которой электрический вывод продолжен от заземляющего проводника 210 через заземляющий электрод пьезоэлектрического элемента 410 и проводящий первый акустически согласующий слой 421, и поэтому первый акустически согласующий слой 421 можно полностью разделять таким же образом, как пьезоэлектрический элемент 410, или можно делить с оставляемой частью.
Заземляющий проводник 210 может быть выполнен в виде медного или подобного металлического пленочного элемента или может быть выполнен неотъемлемой частью, с обеспечением полиимидной или подобной пленки на металлической пленке для подкрепления, и пока конфигурация обладает гибкостью, проблем не возникает. В случае последней упомянутой конфигурации, разумеется, необходимо принять меры к тому, чтобы поверхность на стороне металлического проводника (металлической пленки) заземляющего проводника 210 приходила в контакт с первым акустически согласующим слоем 421. Заземляющий проводник 210 электрически подсоединен к заземляющему электроду (не показанному) пьезоэлектрического элемента 410 и проводящему первому акустически согласующему слою 421 и выполняет функцию электрического вывода. В настоящем варианте осуществления заземляющий проводник 210 электрически подсоединен к заземляющим электродам (проводникам) всех пьезоэлектрических элементов 410.
Возможно также применение конфигурации, в которой полиимидная или подобная пленка, обеспеченная на металлической пленке для подкрепления, служит также в качестве второго акустически согласующего слоя 422.
Когда канавки 160 в разделенном пьезоэлектрическом элементе 410 и первом акустически согласующем слое 421 заполнены полимерным материалом (например, эпоксидной смолой), сигнальный проводник 150 прижимается к материалу-подложке 430 задней поверхности, имеющему криволинейную форму поверхности, и имеет криволинейную форму поверхности вместе с пьезоэлектрическим элементом 410, первым акустически согласующим слоем 421, заземляющим проводником 210 и вторым акустически согласующим слоем 422.
Поскольку пьезоэлектрический элемент 410, выполненный из пьезоэлектрической керамики, и первый акустический согласующий слой 421, выполненный из графита или материала типа графита, наполненного металлическим порошком, по существу, не обладают гибкостью, допускающей искривление, то придание им криволинейной формы поверхности требует изготовления изделий, заранее обработанных до криволинейной формы поверхности, и точное формообразование затруднительно. Поэтому конфигурацию, допускающую искривление, обеспечивают созданием канавок 160. Кроме того, для второго акустически согласующего слоя 422 можно также воспользоваться полимерной пленкой, обладающей гибкостью, допускающей искривление, например пленкой на основе эпоксидной смолы или полиимида.
Сигнальный проводник 150 сформирован таким же образом, как в варианте 1 осуществления. Для сигнального проводника 150 можно применить металлический материал, например медь, с толщиной около 10 микрометров (мкм). Если медный или подобный металлический токопроводящий элемент не обладает прочностью с точки зрения обращения, то можно применить конфигурацию, в которой обеспечена полиимидная пленка толщиной около 10 - 25 микрометров (мкм). Сигнальный проводник 150 данного типа является достаточно гибким и поэтому может обеспечить плотный контакт и электрическую проводимость с сигнальным электродом пьезоэлектрического элемента 410, разделенным путем обеспечения канавок 160, даже в искривленном состоянии. Применение сигнального проводника 150 данного типа и вышеупомянутого заземляющего проводника 210 означает также, что, даже если пьезоэлектрический элемент 410 дает трещину, сигнальный проводник 150 и заземляющий проводник не разрываются благодаря их гибкости, и, следовательно, повышается надежность (качество). По сравнению с конфигурацией, в которой электрический вывод подсоединен только к части электрода пьезоэлектрического элемента, например, как в патентном документе 1, настоящая конфигурация дает возможность обеспечить решение таких проблем, как растрескивание и разрыв электрода при растрескивании пьезоэлектрического элемента из-за механического удара, нанесенного извне.
Кривизну формирования криволинейной поверхности можно изменять в зависимости от того, какое установлено фокусное расстояние для ультразвуковых волн. Сформированная криволинейная поверхность может также иметь единый радиус кривизны или может иметь множество радиусов кривизны с тем, чтобы радиус кривизны постепенно изменялся в направлении Y на фиг. 6A и фиг. 6B.
Акустические согласующие слои 420 (первый акустически согласующий слой 421 и второй акустически согласующий слой 422), заземляющий проводник 210, пьезоэлектрический элемент 410 и сигнальный проводник 150 разделены на последовательность из множества пьезоэлектрических элементов множеством разделительных канавок 180, являющихся вторыми канавками в соответствии с настоящим изобретением. То есть в настоящем варианте осуществления после того, как сигнальный проводник 150, пьезоэлектрический элемент 410, первый акустически согласующий слой 421, заземляющий проводник 210 и второй акустически согласующий слой 422 прижаты к материалу-подложке 430 задней поверхности, имеющей криволинейную форму поверхности, и приведены к форме криволинейной поверхности, второй акустически согласующий слой 422, заземляющий проводник 210, первый акустически согласующий слой 421, пьезоэлектрический элемент 410, сигнальный проводник 150 и часть материала-подложки 430 задней поверхности делят на последовательность из множества пьезоэлектрических элементов вышеупомянутым множеством разделительных канавок 180 согласованно со структурой сигнального проводника 150 в направлении X (направлении, ортогональном направлению Y). Данное направление является направлением электронного сканирования. Множество разделительных канавок 180 заполняют таким материалом, как силиконовый каучук с твердостью ниже, чем твердость эпоксидной смолы или подобного материала, заполняющего канавки 160.
Что касается материала, который заполняет канавки 160, поскольку множество пьезоэлектрических керамических блоков (отдельных частей пьезоэлектрического элемента 410, разделенного канавками 160), размещенных в виде решетки в направлении Y, выполнены для колебания как одно целое, то не существует проблемы, если колебания отдельных пьезоэлектрических керамических блоков по направлению Y просачиваются через наполнительный материал, например эпоксидную смолу, наполняющую канавки 160, и поэтому наполнительный материал канавок 160 может быть высокой степени твердости. Однако, что касается последовательности из множества пьезоэлектрических элементов 410, разделенных в направлении X, то, когда электрические сигналы подаются в пьезоэлектрические элементы 410 по сигнальным проводникам 150 и заземляющему проводнику 210, применяются соответствующие задержки для осуществления фазовой подстройки электрических сигналов и отклонения или сведения ультразвуковых волн, и поэтому необходимо удерживать слабое просачивание ультразвуковых волновых колебаний между пьезоэлектрическими элементами 410. Поэтому необходимо, чтобы наполнительный материал разделительных канавок 180, разделяющих сигнальный проводник 150, пьезоэлектрический элемент 410, первый акустически согласующий слой 421, заземляющий проводник 210 и второй акустически согласующий слой 422 в направлении X, был материалом меньшей твердости и менее склонным к передаче колебаний, чем наполнительный материал канавок 160, разделяющих пьезоэлектрический элемент 410 в направлении Y.
Наконец, на втором акустически согласующем слое 422 при необходимости обеспечивают передающую среду 130. Для передающей среды 130 можно воспользоваться полиуретановой смолой, бутадиеновым каучуком, силиконовым каучуком или чем-то подобным с величиной акустического импеданса, близкой к величине акустического импеданса живого организма, и с низким коэффициентом ослабления ультразвуковых волн. Кроме того, поскольку ультразвуковые волны отражаются на границе, если скорость звука в передающей среде 130 отличается от скорости звука в живом организме, то необходимо учитывать данное отражение, а также учитывать криволинейную форму поверхности второго акустически согласующего слоя 422 во время настройки фокусного расстояния ультразвуковых волн.
Таким образом, в соответствии с настоящим вариантом осуществления применяется конфигурация, в которой обеспечены канавки 160, и данные канавки служат, чтобы пьезоэлектрическому элементу 410 и первому акустически согласующему слою 421 переменной толщины придать криволинейную форму поверхности, что позволяет сводить ультразвуковые волны в одну точку без акустической линзы, и применяется конфигурация, в которой сигнальный проводник 150 обеспечен на поверхности сигнального электрода пьезоэлектрического элемента 410, и заземляющий проводник 210 обеспечен на поверхности первого акустически согласующего слоя 421 со стороны, противоположной от пьезоэлектрического элемента 410. Следовательно, можно реализовать конфигурацию, которая позволяет получить такие характеристики, как высокая чувствительность и широкий частотный диапазон, и обеспечить высокую надежность, что дает возможность создать высококачественный, стабильный ультразвуковой датчик. Кроме того, ультразвуковой волновой пучок можно узко фокусировать, и ультразвуковой волновой пучок можно отклонять, что позволяет реализовать ультразвуковой датчик, который обеспечивает высокоразрешающее ультразвуковое изображение с высокой чувствительностью.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором пьезоэлектрические элементы 410 расположены в виде линейной решетки (в планарной конфигурации) в направлении X, но форма решетки по направлению X этим не ограничена. Например, эффект такого же типа можно также получить, если пьезоэлектрические элементы расположены в виде решетки, имеющей выпуклую или вогнутую криволинейную форму поверхности в направлении X.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором для первого акустически согласующего слоя 421 применяется токопроводящий материал, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, эффект такого же типа можно также получить, если первый акустически согласующий слой является композиционным керамическим блоком, содержащим изолятор и проводник, первый акустически согласующий слой разделен первыми канавками (канавками 160) в направлении Y, и проводник обеспечен на части первого акустически согласующего слоя так, что разделенные части становятся электрически проводящими в направлении Z.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором пьезоэлектрический элемент 410 и акустически согласующие слои 420 имеют вогнутую криволинейную форму поверхности в направлении Y на стороне объекта обследования, но криволинейная форма поверхности этим не ограничена. Например, эффект такого же типа можно также получить, если пьезоэлектрический элемент и акустически согласующие слои выполнены выпуклыми в направлении Y на стороне объекта обследования, а также если, независимо от вогнутости или выпуклости, применяется криволинейная поверхность, обладающая единственным радиусом кривизны, или криволинейная поверхность, обладающая множеством таких радиусов кривизны, что имеет место постепенное изменение радиуса кривизны.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором акустически согласующие слои содержат два слоя, но настоящее изобретение не ограничено таким решением. Например, эффект такого же типа можно получить, если акустически согласующие слои содержат, по меньшей мере, три слоя.
В настоящем варианте осуществления описан случай, в котором заземляющий проводник 210 обеспечен на токопроводящем первом акустически согласующем слое 421, но настоящее изобретение этим не ограничено. Например, когда первый и второй акустически согласующие слои являются токопроводящими, эффект такого же типа можно также получить, если заземляющий проводник обеспечен на втором акустически согласующем слоем.
Содержание заявки на японский патент № 2006-125536, поданной 28 апреля 2006 г., включая описание, чертежи и реферат, целиком включено в настоящую заявку путем ссылки.
Промышленная применимость
Ультразвуковой датчик в соответствии с настоящим изобретением можно применять в различных областях медицины, в которых осуществляется ультразвуковая диагностика тела человека или подобного объекта обследования, и в промышленности с целью контроля внутренних дефектов материалов или структур.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для получения диагностической информации посредством ультразвука. Ультразвуковой датчик содержит множество пьезоэлектрических элементов, размещенных в виде решетки в предварительно заданном направлении, с электродами, передающими и принимающими ультразвуковую волну на обеих поверхностях; по меньшей мере, два акустически согласующих слоя на одной поверхности пьезоэлектрического элемента; множество первых канавок в пьезоэлектрическом элементе и, по меньшей мере, первом акустически согласующем слое, которые делят пьезоэлектрический элемент в продольном направлении, ортогональном направлению решетки; сигнальный проводник на поверхности с противоположной стороны от указанной одной поверхности пьезоэлектрического элемента; и множество вторых канавок, которые разделяют первый акустически согласующий слой, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник в направлении решетки пьезоэлектрического элемента. Акустически согласующий слой, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник сформированы в криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента с использованием множества первых канавок. Второй вариант выполнения датчика дополнительно содержит материал-подложку задней поверхности, которая служит опорой для акустически согласующего слоя, пьезоэлектрического элемента и сигнального проводника. В третьем варианте дополнительно ко второму, на первом акустическом слое расположен заземляющий проводник, на котором, в свою очередь, выполнен второй акустический согласующий слой. В четвертом варианте дополнительно на втором акустическом слое имеется третий акустический согласующий слой, а три акустически согласующих слоя, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник сформированы в криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента с использованием множества первых канавок. Использование изобретения позволяет повысить чувствительность и широту диапазона для обеспечения высокоразрешающего ультразвукового изображения. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.
1. Ультразвуковой датчик, содержащий:
пьезоэлектрический элемент, множество которых размещено в виде решетки в предварительно заданном направлении, с электродами, обеспеченными на обеих поверхностях, которые передают и принимают ультразвуковую волну;
по меньшей мере, два акустически согласующих слоя, обеспеченных на одной поверхности пьезоэлектрического элемента;
множество первых канавок, которые обеспечены в пьезоэлектрическом элементе и, по меньшей мере, первом акустически согласующем слое на пьезоэлектрическом элементе из, по меньшей мере, двух акустически согласующих слоев и делят, по меньшей мере, пьезоэлектрический элемент в продольном направлении, ортогональном направлению решетки пьезоэлектрического элемента;
сигнальный проводник, обеспеченный на поверхности с противоположной стороны от указанной одной поверхности пьезоэлектрического элемента; и множество вторых канавок, которые разделяют, по меньшей мере, первый акустически согласующий слой из, по меньшей мере, двух акустически согласующих слоев, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник в направлении решетки пьезоэлектрического элемента, при этом акустически согласующий слой, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник сформированы в криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента с использованием множества первых канавок.
2. Ультразвуковой датчик, содержащий:
пьезоэлектрический элемент, множество которых размещено в виде решетки в предварительно заданном направлении, с электродами, обеспеченными на обеих поверхностях, которые передают и принимают ультразвуковую волну;
по меньшей мере, два акустически согласующих слоя, обеспеченных на одной поверхности пьезоэлектрического элемента;
множество первых канавок, которые обеспечены в пьезоэлектрическом элементе и, по меньшей мере, первом акустически согласующем слое на пьезоэлектрическом элементе из, по меньшей мере, двух акустически согласующих слоев со стороны, противоположной стороне акустически согласующего слоя, и делят, по меньшей мере, пьезоэлектрический элемент в продольном направлении, ортогональном направлению решетки пьезоэлектрического элемента;
сигнальный проводник, обеспеченный на поверхности с противоположной стороны от указанной одной поверхности пьезоэлектрического элемента;
материал-подложку задней поверхности, который служит опорой для акустически согласующего слоя, пьезоэлектрического элемента и сигнального проводника; и
множество вторых канавок, которые разделяют, по меньшей мере, первый акустически согласующий слой из, по меньшей мере, двух акустически согласующих слоев, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник в направлении решетки пьезоэлектрического элемента,
при этом акустически согласующий слой, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник сформированы в криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента с использованием множества первых канавок.
3. Ультразвуковой датчик, содержащий:
пьезоэлектрический элемент, множество которых размещено в виде решетки в предварительно заданном направлении, с электродами, обеспеченными на обеих поверхностях, которые передают и принимают ультразвуковую волну;
первый акустически согласующий слой, обеспеченный на одной поверхности пьезоэлектрического элемента;
заземляющий проводник, обеспеченный на первом акустически согласующем слое;
второй акустически согласующий слой, обеспеченный на заземляющем проводнике;
множество первых канавок, которые обеспечены в пьезоэлектрическом элементе и, по меньшей мере, первом акустически согласующем слое и делят, по меньшей мере, пьезоэлектрический элемент в продольном направлении, ортогональном направлению решетки пьезоэлектрического элемента;
сигнальный проводник, обеспеченный на поверхности с противоположной стороны от указанной одной поверхности пьезоэлектрического элемента;
материал-подложку задней поверхности, который служит опорой для двух акустически согласующих слоев, заземляющего проводника, пьезоэлектрического элемента и сигнального проводника; и
множество вторых канавок, которые разделяют, по меньшей мере, первый акустически согласующий слой из двух акустически согласующих слоев, заземляющий проводник, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник в направлении решетки пьезоэлектрического элемента,
при этом два акустически согласующих слоя, заземляющий проводник, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник сформированы в криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента с использованием множества первых канавок.
4. Ультразвуковой датчик, содержащий:
пьезоэлектрический элемент, множество которых размещено в виде решетки в предварительно заданном направлении, с электродами, обеспеченными на обеих поверхностях, которые передают и принимают ультразвуковую волну;
первый акустически согласующий слой, обеспеченный на одной поверхности пьезоэлектрического элемента;
заземляющий проводник, обеспеченный на первом акустически согласующем слое;
второй акустически согласующий слой, обеспеченный на заземляющем проводнике;
третий акустически согласующий слой, обеспеченный на втором акустически согласующем слое;
множество первых канавок, которые обеспечены в пьезоэлектрическом элементе и, по меньшей мере, первом акустически согласующем слое и делят, по меньшей мере, пьезоэлектрический элемент в продольном направлении, ортогональном направлению решетки пьезоэлектрического элемента;
сигнальный проводник, обеспеченный на поверхности с противоположной стороны от указанной одной поверхности пьезоэлектрического элемента;
материал-подложку задней поверхности, который служит опорой для трех акустически согласующих слоев, заземляющего проводника, пьезоэлектрического элемента и сигнального проводника; и множество вторых канавок, которые разделяют, по меньшей мере, первый акустически согласующий слой из трех акустически согласующих слоев, заземляющий проводник, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник в направлении решетки пьезоэлектрического элемента, при этом три акустически согласующих слоя, заземляющий проводник, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник сформированы в криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента с использованием множества первых канавок.
5. Ультразвуковой датчик по любому из пп.1-4, в котором первые канавки обеспечены в первом акустически согласующем слое таким образом, что пересекают только поверхность на стороне пьезоэлектрического элемента.
6. Ультразвуковой датчик по любому из пп.1-4, в котором первые канавки обеспечены в первом акустически согласующем слое таким образом, что пересекают как поверхность на стороне пьезоэлектрического элемента, так и поверхность со стороны, противоположной стороне пьезоэлектрического элемента.
7. Ультразвуковой датчик по любому из пп.1-4, дополнительно содержащий материал-подложку задней поверхности, который служит опорой для акустически согласующего слоя, пьезоэлектрического элемента и сигнального проводника,
при этом поверхность материала-подложки задней поверхности со стороны пьезоэлектрического элемента имеет криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента.
8. Ультразвуковой датчик по любому из пп.1-4, в котором пьезоэлектрический элемент и акустически согласующий слой, на которых обеспечены первые канавки, имеют переменную толщину в продольном направлении, ортогональном направлению решетки пьезоэлектрического элемента.
9. Ультразвуковой датчик по любому из пп.1-4, в котором расстояние между первыми канавками и расстояние между вторыми канавками равны между собой.
10. Ультразвуковой датчик по любому из пп.1-4, в котором первые канавки и вторые канавки наполнены разными материалами.
11. Ультразвуковой датчик по п.10, в котором материал, наполняющий первые канавки, является более твердым, чем материал, наполняющий вторые канавки.
12. Ультразвуковой датчик по п.10, в котором материал, наполняющий первые канавки является эпоксидной смолой или полиуретановой смолой.
13. Ультразвуковой датчик по п.10, в котором материал, наполняющий вторые канавки, является силиконовым каучуком.
14. Ультразвуковой датчик по любому из пп.1-4, в котором акустически согласующий слой, пьезоэлектрический элемент и сигнальный проводник имеют вогнутую криволинейную форму поверхности в продольном направлении пьезоэлектрического элемента.
15. Ультразвуковой датчик по любому из пп.1-4, в котором первый акустически согласующий слой является проводником или частично проводником.
16. Ультразвуковой датчик по п.1, в котором акустически согласующие слои, кроме первого акустически согласующего слоя, сформированы из материала, обладающего гибкостью, допускающей согласование с криволинейной формой поверхности.
17. Ультразвуковой датчик по любому из пп.1-4, в котором материал, по меньшей мере, акустически согласующего слоя, расположенного выше всех акустически согласующих слоев, является каучуковым упругим монолитным материалом, характеризуемым величиной скорости звука не более 1650 м/с.
18. Ультразвуковой датчик по п.4, в котором материал третьего акустически согласующего слоя является каучуковым упругим монолитным материалом, характеризуемым величиной скорости звука не более 1650 м/с.
| US 2001041837 A1, 15.11.2001 | |||
| US 5415175 A, 16.05.1995 | |||
| US 4672591 A, 09.06.1987 | |||
| RU 2070840 C1, 27.12.1996 | |||
| Лампа высокого давления с парами металлов | 1935 |
|
SU48824A1 |
