DE112007002645T5

DE112007002645T5 - Ultraschallsonde

Info

Publication number: DE112007002645T5
Application number: DE112007002645T
Authority: DE
Inventors: Koetsu Toon-shi Saito
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-10-08
Also published as: JP5331483B2; CN101536545B; WO2008056611A1; KR20090085579A; KR101121369B1; CN101536545A; JPWO2008056611A1; US20100066207A1; US8319399B2

Abstract

Ultraschallsonde mit:
einem piezoelektrischen Element, bei dem eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung ausgebildet ist, und
einer akustischen Anpassungsschicht, die auf eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminiert ist, wobei
die akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich mindestens eines leitenden Elements, konfiguriert ist, und
das leitende Element Abschnitte aufweist, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements eindringen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde, die zum Erhalten diagnostischer Informationen über ein in Kontakt damit gebrachtes Untersuchungsobjekt und zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen verwendet wird.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine Ultraschalldiagnosevorrichtung bestrahlt ein biologisches Untersuchungsobjekt in der Art eines Menschen oder Tiers mit Ultraschallwellen. Die Ultraschalldiagnosevorrichtung erfasst innerhalb des Untersuchungsobjekts reflektierte Echosignale und stellt ein Tomogramm von Invivo-Gewebe dar, wodurch sie Informationen bereitstellt, die für die Diagnose des Untersuchungsobjekts benötigt werden. In der Ultraschalldiagnosevorrichtung wird eine Ultraschallsonde verwendet, um die Ultraschallwellen in das Objekt auszusenden und die Echosignale aus dem Objekt zu empfangen.
9 ist eine Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer herkömmlichen Ultraschallsonde dieses Typs. In 9 umfasst eine Ultraschallsonde 30 zum Aussenden von Ultraschallwellen zu einem Untersuchungsobjekt (nicht dargestellt) und zum Empfang von diesen eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 11, eine akustische Anpassungs schicht 12 (12a und 12b), wobei es sich um eine oder mehrere Schichten handelt (zwei Schichten in 9), eine akustische Linse 13, einen elektrischen Anschluss 15 für Signale, ein Trägermaterial 14 und einen elektrischen Anschluss 16 für die Erdung. Die piezoelektrischen Elemente 11 sind in einer Richtung angeordnet (einer Richtung senkrecht zur Papieroberfläche in 9). Die akustische Anpassungsschicht 12 ist auf einer Fläche der piezoelektrischen Elemente 11 auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite (Oberseite in 9) bereitgestellt (eine Fläche auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite wird nachstehend als vordere Fläche bezeichnet). Die akustische Linse 13 ist auf der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 12 bereitgestellt. Der elektrische Anschluss 15 für Signale ist auf einer Fläche der piezoelektrischen Elemente 11 auf einer Seite, die der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite entgegengesetzt ist (Unterseite in 9) bereitgestellt (eine Fläche auf der Seite, die der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite entgegengesetzt ist, wird nachstehend als hintere Fläche bezeichnet). Das Trägermaterial 14 ist auf der hinteren Fläche des elektrischen Anschlusses 15 für Signale bereitgestellt. Der elektrische Anschluss 16 für die Erdung ist zwischen einer ersten akustischen Anpassungsschicht 12a und einer zweiten akustischen Anpassungsschicht 12b angebracht.
Ein piezoelektrisches Element 11 besteht aus einer piezoelektrischen Keramik, wie Bleizirconattitanat (PZT), einem Einkristall oder einem piezoelektrischen Verbundmaterial, das eine Kombination der piezoelektrischen Keramik, des Einkristalls und eines hochpolymeren Materials ist. Alternativ besteht das piezoelektrische Element 11 aus einem piezoelektrischen Material aus einem hochpolymeren Material, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) und dergleichen. Eine Elektrode ist auf der vorderen Fläche und auf der hinteren Fläche der piezoelektrischen Elemente 11 gebildet. Elektrische Signale werden zwischen den Elektroden und den piezoelektrischen Elementen 11 ausgesendet und empfangen. Mit anderen Worten wandeln die piezoelektrischen Elemente 11 eine Spannung in Ultraschallwellen um und übertragen die Ultraschallwellen in das Untersuchungsobjekt. Das piezoelektrische Element 11 empfängt auch innerhalb des Untersuchungsobjekts reflektierte Echos und wandelt die Echos in elektrische Signale um.
Die akustische Anpassungsschicht 12 ist bereitgestellt, um die Ultraschallwellen wirksam zum Untersuchungsobjekt auszusenden und von dem Untersuchungsobjekt zu empfangen. Insbesondere dient die akustische Anpassungsschicht 12 dazu, die akustische Impedanz des piezoelektrischen Elements 11 der akustischen Impedanz des Untersuchungsobjekts in Stufen näher zu bringen. Bei dem in 9 dargestellten Beispiel sind die erste akustische Anpassungsschicht 12a und die zweite akustische Anpassungsschicht 12b laminiert und bilden die akustische Anpassungsschicht 12. Graphit, der ein leitendes Element ist, wird für die erste akustische Anpassungsschicht 12a verwendet. Der elektrische Anschluss 16 ist aus der vorderen Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 12a herausgeführt und ist ein Isolierfilm, auf den ein Metallfilm aufgebracht ist. Überdies ist die zweite akustische Anpassungsschicht 12b auf der vorderen Fläche des elektrischen Anschlusses 16 bereitgestellt. Bei dieser Konfiguration bricht der Isolierfilm nicht leicht, selbst wenn die piezoelektrischen Elemente 11 infolge eines mechanischen Stoßes von einer äußeren Quelle oder dergleichen brechen sollten. Daher kann die elektrische Leitfähigkeit gewährleistet werden, und die Zuverlässigkeit ist daher hoch (siehe beispielsweise das nachstehende Patentdokument 1).
Andererseits ist auch eine Konfiguration bekannt, die ein breiteres Frequenzband erreicht, indem ein Material, das eine höhere akustische Impedanz als Graphit aufweist, als die erste akustische Anpassungsschicht 12a verwendet wird (siehe beispielsweise das nachstehende Patentdokument 2).
Überdies ist eine Konfiguration der ersten akustischen Anpassungsschicht 12a bekannt, bei der ein Durchgangsloch an einem Abschnitt eines isolierenden Elements bereitgestellt ist. Ein leitendes Element ist in das Durchgangsloch eingepasst, wodurch der auf der vorderen Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 12a bereitgestellte elektrische Anschluss und die auf der hinteren Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 12a bereitgestellten piezoelektrischen Elemente 11 verbunden sind (siehe beispielsweise das nachstehende Patentdokument 3).
Die akustische Linse 13 dient der Fokussierung eines Ultraschallstrahls, um die Auflösung eines diagnostischen Bilds zu erhöhen. Die akustische Linse 13 ist ein optionales Element, das bei Bedarf bereitgestellt wird. Das Trägermaterial 14 ist verbunden, um die piezoelektrischen Elemente 11 zu halten, und es dient ferner dazu, unnötige Ultraschallwellen abzuschwächen.

Patentdokument 1: japanische Patentanmeldung H07-123497
Patentdokument 2: japanische Patentanmeldung 2003-125494
Patentdokument 3: japanische Gebrauchsmusteranmeldung H07-37107

Bei einer elektronisch abtastenden Ultraschalldiagnosevorrichtung bilden die piezoelektrischen Elemente eine Mehrzahl von Gruppen. Die Ultraschalldiagnosevorrichtung steuert jede Gruppe piezoelektrischer Elemente mit einem bestimmten Verzögerungszeitbetrag zwischen ihnen an. Die Ultraschalldiagnosevorrichtung sendet die Ultraschallwellen dann von jeder Gruppe piezoelektrischer Elemente in das Untersuchungsobjekt aus und empfängt Echosignale aus dem Untersuchungsobjekt. Infolge der auf diese Weise bereitgestellten Verzögerungszeit wird der Ultraschallstrahl fokussiert oder dispergiert, wodurch ermöglicht wird, dass ein Ultraschallbild mit einem breiten Gesichtsfeld oder einer hohen Auflösung erhalten wird.
Ein System, bei dem eine Mehrzahl von Gruppen piezoelektrischer Elemente mit einem konstanten Verzögerungszeitbetrag versehen ist und ein Ultraschallbild erhalten wird, ist als ein gewöhnliches System bekannt. Ein breiteres Frequenzband ist in der Ultraschallsonde erforderlich, um ein hochauflösendes Ultraschallbild in der Art des vorstehend beschriebenen zu erhalten. Wenngleich eine hohe Auflösung erwünscht ist, muss die Ultraschallsonde auch eine schlanke Form haben, um die Betriebseigenschaften zu verbessern, weil die Ultraschallsonde von einem Arzt oder einem Labortechniker betrieben wird und das diagnostische Bild durch die in direkten oder indirekten Kontakt mit dem Untersuchungsobjekt gelangende Ultraschallsonde erhalten wird. Während des Betriebs und in anderen Fällen kann die Ultraschallsonde brechen, weil sie versehentlich fallengelassen wird oder versehentlich gegen sie geschlagen wird. Daher ist auch eine hohe Zuverlässigkeit gegen ein Brechen erforderlich.
Zum Erreichen eines breiteren Frequenzbands der Ultraschallsonde wird eine Konfiguration verwendet, bei der die auf der vorderen Fläche der piezoelektrischen Elemente bereitgestellte akustische Anpassungsschicht drei oder mehr Lagen aufweist, wie im Patentdokument 2 beschrieben ist. Bei dieser Konfiguration wird jedoch Silicium, das ein Halbleiter ist, in einer ersten akustischen Anpassungsschicht auf der Seite der piezoelektrischen Elemente verwendet. Daher kann der aus der Elektrode der piezoelektrischen Elemente auf der Seite der ersten akustischen Anpassungsschicht herausgeführte elektrische Anschluss nur aus einem Endabschnitt der auf den piezoelektrischen Elementen gebildeten Elektrode herausgeführt werden. Daher geschieht bei dieser Konfiguration eine Unterbrechung, und die Funktionen werden beeinträchtigt, wenn die piezoelektrischen Elemente und die Elektrode durch einen mechanischen Stoß brechen.
Andererseits wird bei der im Patentdokument 1 beschriebenen Konfiguration Graphit, der leitend ist, für die erste akustische Anpassungsschicht verwendet. Der elektrische Anschluss ist auf der vorderen Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht bereitgestellt, und er ist ein Isolierfilm, bei dem auf eine seiner Hauptflächen ein Metallfilm aufgebracht ist. Daher ist die Zuverlässigkeit hoch. Das in der ersten akustischen Anpassungsschicht verwendete leitende Material hat jedoch eine niedrige akustische Impedanz. Überdies kann die akustische Anpassungsschicht nur so laminiert werden, dass sie zwei Lagen aufweist. Daher lässt sich ein breiteres Frequenzband nur schwer erreichen. Ultraschallsonden der letzten Jahre neigen dazu, breitere Bänder zu haben. Die Diagnose wird häufig ausgeführt, indem ein hochauflösendes Ultraschallbild durch die Verwendung der zweiten oder dritten Harmonischen einer Grundfrequenz oder durch die Verwendung einer Mehrzahl von Frequenzen erhalten wird. Daher wird das Erreichen eines breiteren Frequenzbands zunehmend wichtig.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend beschriebenen Probleme gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ultraschallsonde bereitzustellen, die ein hochauflösendes diagnostisches Bild erhalten kann und sehr zuverlässig ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ultraschallsonde bereitzustellen, die ausgezeichnete Betriebseigenschaften hat.
Bei einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein piezoelektrisches Element, bei dem eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung ausgebildet ist, und eine akustische Anpassungsschicht, die auf eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminiert ist, aufweist, ist die akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich mindestens eines leitenden Elements, konfiguriert. Das leitende Element weist Abschnitte auf, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements eindringen.
Durch die Konfiguration kann die akustische Impedanz der auf die eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminierten akustischen Anpassungsschicht auf einen gewünschten Wert gelegt werden. Daher kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ermöglicht wird, dass ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten wird. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements durch die akustische Anpassungsschicht verbunden werden. Daher wird eine sehr zuverlässige Ultraschallsonde bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, oder ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements, und einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich des leitenden Elements, konfiguriert. Zusätzlich weist das leitende Element Abschnitte auf, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements eindringen.
Durch die Konfiguration kann die akustische Impedanz der auf die eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminierten akustischen Anpassungsschicht auf einen gewünschten Wert gelegt werden. Daher kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ermöglicht wird, dass ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten wird. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements durch die akustische Anpassungsschicht verbunden werden. Daher wird eine sehr zuverlässige Ultraschallsonde bereitgestellt.
Bei einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Erfindung, einschließlich einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen mit einer vorbestimmten Dicke, bei denen eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung gebildet ist und die senkrecht zur Dickenrichtung angeordnet sind, und einer Mehrzahl von akustischen Anpassungsschichten, die auf eine Elektrodenbildungsfläche der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen laminiert sind, weist die akustische Anpassungsschicht eine erste akustische Anpassungsschicht und eine zweite akustische Anpassungsschicht auf, die nacheinander auf die piezoelektrischen Elemente laminiert sind. Die erste akustische Anpassungsschicht ist durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, konfiguriert. Das leitende Element weist Abschnitte auf, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements eindringen.
Durch die Konfiguration kann die akustische Impedanz leicht auf einen gewünschten Wert gelegt werden, weil die akustische Anpassungsschicht mehrere Lagen aufweist. Daher kann ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten werden. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements durch die erste akustische Anpassungsschicht verbunden werden. Daher wird eine sehr zuverlässige Ultraschallsonde bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind in dem die akustische Anpassungsschicht, angrenzend an das piezoelektrische Element, bildenden Verbundmaterial das isolierende Element oder halbleitende Element und das leitende Element in vorbestimmten Bereichen angeordnet.
Durch die Konfiguration können die Volumenanteile des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und des leitenden Elements beliebig festgelegt werden. Die akustische Impedanz kann leicht festgelegt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein elektrischer Anschluss aufgenommen, der auf einen Außenflächenabschnitt der akustischen Anpassungsschicht, angrenzend an das piezoelektrische Element, laminiert ist. In dem elektrischen Anschluss ist ein leitender Film auf eine Hauptfläche eines Isolierfilms aufgebracht. Der elektrische Anschluss ist so laminiert, dass die eine Hauptfläche des Isolierfilms der akustischen Anpassungsschicht gegenübersteht. Der leitende Film ist über das die akustische Anpassungsschicht bildende leitende Element elektrisch mit einer auf dem piezoelektrischen Element gebildeten Elektrode verbunden.
Durch die Konfiguration bricht der Isolierfilm selbst dann nicht leicht, wenn das piezoelektrische Element und die eine Elektrode durch einen mechanischen Stoß und dergleichen brechen. Daher werden durch eine Trennung hervorgerufene Fehlfunktionen selten. Es wird eine Ultraschallsonde mit ausgezeichneten Betriebseigenschaften bereitgestellt.
Bei einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Erfindung, einschließlich einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen mit einer vorbestimmten Dicke, bei denen eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung gebildet ist und die senkrecht zur Dickenrichtung angeordnet sind, und einer Mehrzahl von akustischen Anpassungsschichten, die auf eine Elektrodenbildungsfläche der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen laminiert sind, wobei n eine ganze Zahl von drei oder mehr ist, weist die akustische Anpassungsschicht eine erste bis n-te akustische Anpassungsschicht auf, die nacheinander auf die piezoelektrischen Elemente laminiert sind. Ein elektrischer Anschluss ist zwischen der ersten akustischen Anpassungsschicht und einer zweiten akustischen Anpassungsschicht eingefügt. Zumindest die erste akustische Anpassungsschicht ist durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, konfiguriert. Das leitende Element weist Abschnitte auf, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche der piezoelektrischen Elemente eindringen. In dem elektrischen Anschluss ist ein leitender Film auf einen Isolierfilm aufgebracht. Der elektrische Anschluss ist so laminiert, dass eine Hauptfläche des Isolierfilms der akustischen Anpassungsschicht gegenübersteht. Der leitende Film ist über das die erste akustische Anpassungsschicht bildende leitende Element elektrisch mit einer auf dem piezoelektrischen Element gebildeten Elektrode verbunden.
Durch die Konfiguration hat die akustische Anpassungsschicht mehrere Lagen, und die akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht kann auf einen gewünschten Wert gelegt werden. Daher kann ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten werden. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements durch die erste akustische Anpassungsschicht verbunden werden. Daher kann die Zuverlässigkeit verbessert werden. Weil überdies der Isolierfilm nicht leicht bricht, werden durch eine Abtrennung hervorgerufene Fehlfunktionen selten. Es wird eine Ultraschallsonde mit ausgezeichneten Betriebseigenschaften bereitgestellt.
Bei einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Erfindung, einschließlich einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen mit einer vorbestimmten Dicke, bei denen eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung gebildet ist und die senkrecht zur Dickenrichtung angeordnet sind, und einer Mehrzahl von akustischen Anpassungsschichten, die auf eine Elektrodenbildungsfläche der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen laminiert sind, wobei n eine ganze Zahl von drei oder mehr ist, weist die akustische Anpassungsschicht eine erste bis n-te akustische Anpassungsschicht auf, die nacheinander auf die piezoelektrischen Elemente laminiert sind. Ein elektrischer Anschluss ist zwischen der zweiten akustischen Anpassungsschicht und einer dritten akustischen Anpassungsschicht eingefügt. Zumindest die erste akustische Anpassungsschicht und die zweite akustische Anpassungsschicht sind durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, konfiguriert. Das leitende Element weist Abschnitte auf, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche der piezoelektrischen Elemente eindringen. In dem elektrischen Anschluss ist ein leitender Film auf einen Isolierfilm aufgebracht. Der elektrische Anschluss ist so laminiert, dass eine Hauptfläche des Isolierfilms der akustischen Anpassungsschicht gegenübersteht. Der leitende Film ist über das die erste akustische Anpassungsschicht bildende leitende Element und das die zweite akustische Anpassungsschicht bildende leitende Element elektrisch mit einer auf dem piezoelektrischen Element gebildeten Elektrode verbunden.
Durch die Konfiguration hat die akustische Anpassungsschicht mehrere Lagen, und die akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht kann auf einen gewünschten Wert gelegt werden. Daher kann ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten werden. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements durch die erste und die zweite akustische Anpassungsschicht verbunden werden. Daher kann die Zuverlässigkeit verbessert werden. Weil überdies ein Isolierfilm verwendet wird, der selbst bei einem mechanischen Stoß und dergleichen nicht leicht bricht, wird eine Ultraschallsonde mit ausgezeichneten Betriebseigenschaften bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind in dem die erste akustische Anpassungsschicht bildenden Verbundmaterial das isolierende Element oder halbleitende Element und das leitende Element in vorbestimmten Bereichen angeordnet.
Durch die Konfiguration können die Volumenanteile des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und des leitenden Elements in dem die erste akustische Anpassungsschicht bildenden Verbundmaterial beliebig festgelegt werden. Die akustische Impedanz kann leicht festgelegt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind in dem die zweite akustische Anpassungsschicht bildenden Verbundmaterial das isolierende Element oder halbleitende Element und das leitende Element in vorbestimmten Bereichen angeordnet.
Durch die Konfiguration können die Volumenanteile des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und des leitenden Elements in dem die zweite akustische Anpassungsschicht bildenden Verbundmaterial beliebig festgelegt werden. Die akustische Impedanz kann leicht festgelegt werden.
Wenn die Dickenrichtung des piezoelektrischen Elements die Z-Richtung ist, die Richtung senkrecht zur Z-Richtung die X-Richtung ist und die Richtung senkrecht zur Z-Richtung und zur X-Richtung die Y-Richtung ist, hat gemäß der vorliegenden Erfindung das die akustische Anpassungsschicht bildende Verbundmaterial eine gekoppelte Struktur aus einer gekoppelten Struktur, bei der das leitende Element nur in Z-Richtung eine Verbindung hat und in X- und Y-Richtung keine Verbindung hat und das isolierende Element oder halbleitende Element eine Verbindung in drei Richtungen X, Y und Z hat, einer gekoppelten Struktur, bei der das leitende Element eine Verbindung in zwei Richtungen Y und Z hat und das isolierende Element oder halbleitende Element eine Verbindung in zwei Richtungen Y und Z hat, und einer gekoppelten Struktur, bei der das leitende Element eine Verbindung in drei Richtungen X, Y und Z hat und das isolierende Element oder halbleitende Element eine Verbindung nur in Z-Richtung und keine Verbindung in X- und Y-Richtung hat.
Durch die Konfiguration können die Volumenanteile des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und des leitenden Elements in dem die akustische Anpassungsschicht bildenden Verbundmaterial leicht festgelegt werden. Die Abschnitte, in denen das leitende Element in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche der piezoelektrischen Elemente eindringt, können leicht gebildet werden.
Bei einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Erfindung, einschließlich eines piezoelektrischen Elements mit einer vorbestimmten Dicke, bei dem eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung gebildet ist, und einer auf eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminierten akustischen Anpassungsschicht, ist die akustische Anpassungsschicht aus einem Verbundmaterial gebildet, das aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich mindestens eines leitenden Elements, besteht. Das leitende Element weist Abschnitte auf, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements eindringen. Das leitende Element ist so konfiguriert, dass der Volumenanteil in Dickenrichtung ein kontinuierlicher Gradient ist oder sich der Volumenanteil in Stufen ändert.
Durch die Konfiguration kann die akustische Impedanz der auf die eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminierten akustischen Anpassungsschicht auf einen gewünschten Wert gelegt werden. Daher kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ermöglicht wird, dass ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten wird. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements durch die akustische Anpassungsschicht verbunden werden. Daher wird eine sehr zuverlässige Ultraschallsonde bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das aus der Mehrzahl von Materialien der akustischen Anpassungsschicht gebildete Verbundmaterial ein Material, das ein isolierendes Element oder halbleitendes Element und ein leitendes Element aufweist.
Durch die Konfiguration kann die akustische Impedanz der auf die eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminierten akustischen Anpassungsschicht auf einen gewünschten Wert gelegt werden. Zusätzlich kann die akustische Anpassungsschicht mehrere Lagen aufweisen. Daher kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ermöglicht wird, dass ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten wird. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements durch die akustische Anpassungsschicht verbunden werden. Daher wird eine sehr zuverlässige Ultraschallsonde bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das leitende Element in dem Verbundmaterial mindestens eines von Metall, einem Verbund von Metall und einem hochpolymeren Material und Carbid von Graphit auf.
Durch die Konfiguration kann das Material auch unter Berücksichtigung der akustischen Impedanz ausgewählt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das isolierende Element oder halbleitende Element in dem Verbundmaterial mindestens eines von Glas, Keramik, Quarzkristall, einem Verbund eines organischen Polymers und Metall und einkristallinem oder polykristallinem Silicium.
Durch die Konfiguration kann die akustische Impedanz leicht festgelegt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die auf die eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminierte akustische Anpassungsschicht durch das Verbundmaterial aus der Mehrzahl von Materialien, einschließlich des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und des leitenden Elements, konfiguriert. Daher kann die akustische Impedanz auf einen gewünschten Wert gelegt werden. Dadurch kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ermöglicht wird, dass ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten wird. Das leitende Element hat Abschnitte, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements eindringen. Dadurch kann der elektrische Anschluss an einer Mehrzahl von Bereichen auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements durch die akustische Anpassungsschicht verbunden werden. Daher wird eine sehr zuverlässige Ultraschallsonde bereitgestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A ist eine Schnittansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1B ist eine Schnittansicht eines Konfigurations beispiels einer akustischen Anpassungsschicht, die zu der in 1A dargestellten Ultraschallsonde gehört.
2A ist eine Schnittansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2B ist eine perspektivische Ansicht eines Konfigurationsbeispiels einer ersten akustischen Anpassungsschicht, die zu der in 2A dargestellten Ultraschallsonde gehört.
2C ist ein Diagramm bzw. ein Graph, die eine Beziehung zwischen Volumenanteilen eines isolierenden Elements oder eines leitenden Elements in der in 2B dargestellten ersten akustischen Anpassungsschicht und der akustischen Impedanz zeigt.
2D ist eine perspektivische Ansicht eines Konfigurationsbeispiels der ersten akustischen Anpassungsschicht, die zu der in 2A dargestellten Ultraschallsonde gehört.
2E ist eine perspektivische Ansicht eines Konfigurationsbeispiels der ersten akustischen Anpassungsschicht, die zu der in 2A dargestellten Ultraschallsonde gehört.
3A ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Abschnitt davon eine Schnittansicht ist.
3B ist eine Schnittansicht der in 3A dargestellten Ultraschallsonde.
3C ist eine perspektivische Ansicht eines detaillierten Konfigurationsbeispiels von Elementen, die zu der in den 3A und 3B dargestellten Ultraschallsonde gehören.
3D ist eine perspektivische Ansicht eines detaillierten Konfigurationsbeispiels von Elementen, die zu der in den 3A und 3B dargestellten Ultraschallsonde gehören.
4A ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Abschnitt davon eine Schnittansicht ist.
4B ist eine Schnittansicht der in 4A dargestellten Ultraschallsonde.
5A ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Abschnitt davon eine Schnittansicht ist.
5B ist eine Schnittansicht einer in 5A dargestellten Ultraschallsonde.
6A ist eine Schnittansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Abschnitt davon eine Schnittansicht ist.
6B ist eine Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer akustischen Anpassungsschicht, die zu einer in 6A dargestellten Ultraschallsonde gehört.
7A ist eine Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer akustischen Anpassungsschicht, die zu einer Ultraschallsonde gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehört.
7B ist eine Schnittansicht eines anderen Konfigurationsbeispiels einer akustischen Anpassungsschicht, die zu der Ultraschallsonde gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehört.
8 ist eine Schnittansicht einer Konfiguration einer akustischen Anpassungsschicht, die zu einer Ultraschallsonde gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehört, und
9 ist eine Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer herkömmlichen Ultraschallsonde.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden detailliert mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.
<Erste Ausführungsform>
1A ist eine Schnittansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1B ist eine Schnittansicht eines Konfigurationsbeispiels einer akustischen Anpassungsschicht, die zu der in 1A dargestellten Ultraschallsonde gehört.
In 1A umfasst eine Ultraschallsonde 10A ein plattenförmiges piezoelektrisches Element 1, eine akustische Anpassungsschicht 2, die auf eine vordere Fläche (Oberseite in 1A) des piezoelektrischen Elements 1 laminiert ist, ein Trägermaterial 3, das bei Bedarf an einer hinteren Fläche (Unterseite in 1A) des piezoelektrischen Elements 1 angebracht ist, und eine akustische Linse 4, die auch bei Bedarf an der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 angebracht ist. Jeweilige Funktionen dieser Bestandteile ähneln den Funktionen der Elemente, die zu einer herkömmlichen Ultraschallsonde gehören.
Von den Bestandteilen der Ultraschallsonde 10A besteht das piezoelektrische Element 1 aus einer piezoelektrischen Keramik in der Art eines Bleizirconattitanat-(PZT)-Systems, einem piezoelektrischen Einkristall in der Art eines Bleizinkniobat-Bleititanat-(PZN-PT)-Systems oder eines Bleimagnesiumniobat-Bleititanat-(PMN-PT)-Systems oder einem piezoelektrischen Verbundmaterial, das eine Kombination der piezoelektrischen Keramik, des piezoelektrischen Einkristalls und eines hochpolymeren Materials ist. Alternativ besteht das piezoelektrische Element 1 aus einem piezoelektrischen Material, einem durch PVDF dargestellten hochpolymeren Material und dergleichen. Eine Erdungselektrode 5 ist auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ausgebildet. Eine Signalelektrode 6 ist auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ausgebildet. Die Erdungselektrode 5 und die Signalelektrode 6 werden jeweils durch Abscheiden von Gold oder Silber, Sputtern oder Einbrennen von Silber gebildet.
Ein elektrischer Anschluss 7 für Signale ist zwischen der auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildeten Signalelektrode 6 und dem Trägermaterial 3 eingefügt. Bei dem elektrischen Anschluss 7 für Signale ist ein leitender Film 7b, beispielsweise aus Kupfer, auf eine Hauptfläche eines Isolierfilms 7a aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, aufgebracht. In diesem Fall steht die eine Hauptfläche des Isolierfilms 7a der Seite des piezoelektrischen Elements 1 gegenüber, so dass der leitende Film 7b des elektrischen Anschlusses 7 für Signale in Kontakt mit der auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildeten Signalelektrode 6 steht und der Isolierfilm 7a des elektrischen Anschlusses 7 für Signale in Kontakt mit dem Trägermaterial 3 steht. Andererseits sind auf der vorderen Fläche der auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildeten Erdungselektrode 5 die akustische Anpassungsschicht 2 aus einem Verbundmaterial, einschließlich mindestens eines leitenden Elements, und ein elektrischer Anschluss 9 für die Erdung nacheinander laminiert. Der elektrische Anschluss 9 ist ein Dünnfilm aus Metall, wie Kupfer, und er ist leitend. In diesem Fall steht der elektrische Anschluss 9 für die Erdung in Kontakt mit dem leitenden Element in dem Verbundmaterial, das die akustische Anpassungsschicht 2 bildet. Die akustische Linse 4, für die ein Material wie Silikongummi verwendet wird, ist bei Bedarf an der vorderen Fläche des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung angebracht. Jedes beliebige Material, das elektrisch leitend ist, kann für den leitenden Film 7b und den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung verwendet werden. Das Material ist nicht auf Metall beschränkt. In dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung kann, ähnlich wie bei der Konfiguration des elektrischen Anschlusses 7 für Signale, der leitende Film auf eine Hauptfläche eines aus einem hochpolymeren Material gebildeten Isolierfilms abgeschieden sein. Der leitende Film kann beispielsweise auf die Seite der akustischen Anpassungsschicht 2 laminiert sein.
Operationen der wie vorstehend beschrieben konfigurierten Ultraschallsonde 10A werden nachstehend beschrieben.
Die auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildete Signalelektrode 6 wird über die elektrischen Anschlüsse 7 für Signale elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Die Erdungselektrode 5 auf dem piezoelektrischen Element 1 wird auch über das leitende Element in dem Verbundmaterial der akustischen Anpassungsschicht 2 und den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Das andere Ende jedes Kabels wird mit einem Hauptkörperabschnitt einer Ultraschalldiagnosevorrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Daher wird die vom Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung erzeugte reguläre Impulsspannung an das piezoelektrische Element 1 angelegt, und es wird eine Ultraschallwelle ausgesendet. Zusätzlich wird ein empfangenes Echo einer Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umgewandelt und zum Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung übertragen.
Für die akustische Anpassungsschicht 2, die durch das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements, gebildet ist, wird ein Material derart ausgewählt, dass die akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht 2 zwischen den jeweiligen akustischen Impedanzen des piezoelektrischen Elements 1 und des auf der Seite der akustischen Linse 4 positionierten Untersuchungsobjekts (nicht dargestellt) liegt. Ein Konfigurationsbeispiel des Verbundmaterials der akustischen Anpassungsschicht 2, einschließlich des leitenden Elements, ist in 13 dargestellt. In 1B ist die Richtung, in der die Ultraschallwellen zu dem Untersuchungsobjekt ausgesendet werden, die Z-Richtung. Zwei Richtungen, die jeweils zur Z-Richtung senkrecht sind, sind die X-Richtung und die Y-Richtung.
Bei der in 1B dargestellten akustischen Anpassungsschicht 2 sind leitende Elemente 20 und beispielsweise isolierende Elemente oder halbleitende Elemente 21, die als ein anderes Element dienen, abwechselnd in X-Richtung angeordnet. Es ist eine Struktur gebildet, bei der von diesen eine Mehrzahl von leitenden Elementen 20 in zwei Richtungen, nämlich der Y-Richtung und der Z-Richtung, verbunden ist und die isolierenden Elemente oder die halbleitenden Elemente 21 auch ähnlich in zwei Richtungen, nämlich der Y-Richtung und der Z-Richtung, verbunden sind. Hierbei stellt die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 eine Funktion zur elektrischen Verbindung der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 und des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung bereit, indem sie in Kontakt mit der auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 gebildeten Erdungselektrode 5 bzw. dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung stehen. Alternativ können die leitenden Elemente 20 in einem Zustand in einer Zeile in Y-Richtung angeordnet sein, in dem jeder Endabschnitt der Z-Richtung gegenübersteht, und sie können in mehreren Zeilen in X-Richtung angeordnet sein. Die isolierenden Elemente oder die halbleitenden Elemente 21 umgeben den Außenbereich der leitenden Elemente 20. Unter diesen sind die leitenden Elemente 20 in nur einer Richtung, nämlich der Z-Richtung, verbunden, und sie haben in X-Richtung oder in Y-Richtung keine Verbindung. Ähnliche Effekte können auch durch eine Struktur erreicht werden, in der die isolierenden Elemente oder die halbleitenden Elemente 21 in drei Richtungen, nämlich in X-Richtung, in Y-Richtung und in Z-Richtung, verbunden sind. Alternativ können ähnliche Effekte auch durch eine Struktur erreicht werden, bei der die Mehrzahl von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 in einem Zustand in einer Zeile in Y-Richtung angeordnet ist, in dem jeder Endabschnitt der Z-Richtung gegenübersteht, und sie können in mehreren Zeilen in X-Richtung angeordnet sein. Die leitenden Elemente 20 umgeben den Außenbereich der isolierenden Elemente oder der halbleitenden Elemente 21. Unter diesen sind die leitenden Elemente 20 in drei Richtungen, nämlich in X-Richtung, in Y-Richtung und in Z-Richtung, verbunden. Die isolierenden Elemente oder die halbleitenden Elemente 21 sind nur in einer Richtung, nämlich in Z-Richtung, verbunden. Wenngleich die akustische Anpassungsschicht 2 ein Verbund aus den leitenden Elementen 20 und den isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 ist, können ähnliche Effekte auch durch einen Verbund anderer leitender Elemente aus anderen Materialien erreicht werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, muss die akustische Impedanz der in 1A dargestellten akustischen Anpassungsschicht 2 einen Wert aufweisen, der zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 1 und der akustischen Impedanz des Untersuchungsobjekts liegt. Wenn beispielsweise eine piezoelektrische Keramik PZT-5H mit einem akustischen Impedanzwert von etwa 30 MRayl für das piezoelektrische Element 1 verwendet wird und das Untersuchungsobjekt beispielsweise ein lebender Körper mit einem akustischen Impedanzwert von etwa 1,6 MRayl ist, wird ein Material mit einem Wert von etwa 6 bis 8 MRayl verwendet, weil die akustische Anpassungsschicht 2 eine Einzelschicht ist.
Es kann die folgende Konfiguration erwogen werden, die unter Verwendung der in 1A dargestellten Ultraschallsonde 10A als Beispiel beschrieben wird. Bei der Konfiguration wird ein isolierendes Element oder ein halbleitendes Element als die akustische Anpassungsschicht 2 verwendet. Ein Abschnitt des piezoelektrischen Elements 1, der einem Endabschnitt der Erdungselektrode 5 entspricht, ist abgeschnitten, und es ist ein Bereich (nicht dargestellt) gebildet, in dem die akustische Anpassungsschicht nicht vorhanden ist. Ein elektrischer Anschluss (nicht dargestellt) ist aus diesem Bereich herausgeführt. Wenngleich bei einer solchen Konfiguration das Frequenzband in Bezug auf die Leistungsfähigkeit verbreitert werden kann, werden die zu dem Untersuchungsobjekt ausgesendeten Ultraschallwellen verzerrt, und das Ultraschallbild wird beeinträchtigt, weil das piezoelektrische Element 1 selbst in dem Bereich oszilliert und die Ultraschallwellen erzeugt, der die akustische Anpassungsschicht nicht aufweist. Weil der elektrische Anschluss überdies an nur einer Stelle aus der Erdungselektrode 5 herausgeführt ist, kann die Erdungselektrode 5, wenn das piezoelektrische Element 1, weil die Ultraschallsonde während des Betriebs fallengelassen wird, oder infolge eines mechanischen Einflusses in der Art eines auf die Ultraschallsonde ausgeübten Schlags bricht, auch ähnlich brechen und eine elektrische Trennung oder dergleichen hervorrufen. Dadurch kann eine Fehlfunktion auftreten.
Gemäß der in 1A dargestellten ersten Ausführungsform wird eine Konfiguration verwirklicht, die diese Probleme löst und bei der das Frequenzband verbreitert werden kann. Mit anderen Worten ist bei der Konfiguration die Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 über die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 in der akustischen Anpassungsschicht 2 elektrisch mit dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung verbunden. Daher können das gewünschte Aussenden und der gewünschte Empfang von Ultraschallwellen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements 1 ausgeführt werden. Weil die Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 überdies über die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 in der akustischen Anpassungsschicht 2 mit dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung verbunden ist, tritt eine Fehlfunktion infolge einer Trennung selbst dann nur selten auf, wenn das piezoelektrische Element 1 und die Erdungselektrode 5 infolge eines mechanischen Stoßes und dergleichen brechen.
Hier werden für ein isolierendes Element oder halbleitendes Element 21 der akustischen Anpassungsschicht 2 ein hochpolymeres Material, wie beispielsweise Epoxidharz, Urethanharz und Polyimid, eine Keramik, wie Glas, Kristallglas, Epoxidharz mit einer hohen Konzentration von Wolframpulver, Bleiniobatkeramik, eine bearbeitbare Keramik (Automatenkeramik), einkristallines oder polykristallines Silicium, Quarzkristall und Bariumtitanat und dergleichen verwendet. Für das leitende Element 20 der akustischen Anpassungsschicht 2 werden ein metallisches Material, wie Graphit, mit einem Metall, wie Kupfer, gefüllter Graphit, Kupfer, Aluminium, Silber, Gold und Nickel, ein hochpolymeres Material, in dem beispielsweise ein Metall, wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium, oder Kohlenstoffpulver mit einer hochpolymeren Verbindung, wie Epoxidharz, kombiniert ist und leitfähig gemacht ist, Kohlenstoff und dergleichen verwendet. Das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 sind nicht auf die vorstehend beschriebenen Materialien beschränkt. Es können auch andere Materialien verwendet werden, solange sie eine ähnliche akustische Impedanz wie die vorstehend beschriebenen Materialien aufweisen. Die akustische Impedanz des Verbundmaterials, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, ist durch jeweilige Volumenanteile bestimmt.
Wenn beispielsweise ein Wert von 7 MRayl als eine benötigte akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht 2 erhalten werden soll, kann ein Verbundmaterial gebildet werden, bei dem mit Kupfer gefüllter Graphit mit einem Wert von etwa 10 MRayl für das leitende Element 20 verwendet wird und Epoxidharz mit einem Wert von etwa 3 MRayl für das isolierende Element 21 verwendet wird. Der Volumenanteil jedes Elements kann gewählt werden. Mit anderen Worten liegt die akustische Impedanz näher bei 3 MRayl, wenn der Volumenanteil des Epoxidharzes hoch ist. Wenn der Volumenanteil des mit Kupfer gefüllten Graphits hoch ist, liegt die akustische Impedanz näher bei 10 MRayl. Die Auswahl kann leicht vorgenommen werden, um die benötigten 7 MRayl zu erhalten.
Hier wird eine Konfiguration des Verbundmaterials, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, beschrieben. Zusätzlich zu der Konfiguration des wie vorstehend beschrieben kombinierten Verbundmaterials kann jedoch beispielsweise eine Konfiguration verwendet werden, bei der ein Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements, erhalten wird, indem das leitende Element in dem isolierenden Element oder halbleitenden Element 21 verwendet wird. Mit anderen Worten ist die Konfiguration klar nicht auf die vorstehend beschriebene beschränkt, solange das Verbundmaterial zumindest das leitende Element 20 aufweist und eine Funktion zur elektrischen Verbindung mit einer Elektrodenfläche des piezoelektrischen Elements 1 und eine Funktion zum Ermöglichen der Änderung der akustischen Impedanz bereitstellt.
Hier wird die akustische Anpassungsschicht 2 als ein Einzelschichttyp beschrieben. Ähnliche Effekte können jedoch sogar bei einer Konfiguration, bei der eine akustische Anpassungsschicht verwendet wird, die zwei oder mehr Schichten aufweist, und sogar bei einer Konfiguration, bei der das vorstehend beschriebene Verbundmaterial in jeder akustischen Anpassungsschicht oder in einigen Schichten verwendet wird, erreicht werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die akustische Anpassungsschicht die gewünschte akustische Impedanz aufweisen, indem das Verbundmaterial, einschließlich zumindest des leitenden Elements, für die akustische Anpassungsschicht verwendet wird, die auf der Seite des Untersuchungsobjekts des piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist. Daher kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten werden kann. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen des piezoelektrischen Elements durch die leitenden Elemente in der akustischen Anpassungsschicht aus dem Verbundmaterial verbunden sein. Daher kann eine Ultraschallsonde erreicht werden, die sehr zuverlässig ist und ausgezeichnete Betriebseigenschaften aufweist.
Gemäß der beschriebenen ersten Ausführungsform weisen die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21, wie in 1B dargestellt ist, in Z-Richtung gleiche Breiten auf. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei einer Konfiguration erreicht werden, bei der sich die Breite der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in Z-Richtung kontinuierlich ändert, wodurch eine so genannte Keilform gebildet wird, oder bei der sich die Breite in Stufen ändert und sich die akustische Impedanz kontinuierlich oder in Stufen in Bezug auf die Breite in Z-Richtung ändert.
Gemäß der beschriebenen ersten Ausführungsform sind die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in 1B abwechselnd in fast gleichen Intervallen angeordnet. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei zufälligen Intervallen oder in einer zufälligen Anordnung erreicht werden.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der für den Austausch elektrischer Signale mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 der elektrische Anschluss 9 für die Erdung auf der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 bereitgestellt ist, wobei sich die akustische Anpassungsschicht 2 zwischen dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung und der Erdungselektrode 5 befindet. Stattdessen können ähnliche Wirkungen jedoch auch durch eine Konfiguration erreicht werden, bei der das leitende Element in Z-Richtung durch Sputtern, Plattieren, Drucken oder dergleichen auf beiden Flächen oder auf einer Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 gebildet ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung mit diesem Bereich verbunden ist.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird als die akustische Anpassungsschicht 2 eine gekoppelte Struktur verwendet, welche das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 aufweist, die jeweils aus einem Materialtyp bestehen. Ähnliche Wirkungen können jedoch klar selbst dann erreicht werden, wenn mindestens eines von dem leitenden Element 20 und dem isolierenden Element oder halbleitenden Element 21 aus zwei oder mehr Materialtypen besteht. Die Struktur ist nicht auf eine gekoppelte Struktur beschränkt, die einen Materialtyp für jedes Element aufweist.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5. Der elektrische Anschluss 9 für die Erdung ist auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Erdungselektrode 5 angeordnet. Die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ist die Signalelektrode 6, und der elektrische Anschluss 7 für Signale steht in Kontakt mit der Signalelektrode 6. Die Ultraschallwellen können jedoch im Prinzip selbst dann ausgesendet und empfangen werden, wenn stattdessen die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Signalelektrode 6 ist, der elektrische Anschluss 7 für Signale auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Signalelektrode 6 liegt, die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5 ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung in Kontakt mit der Erdungselektrode 5 steht.
<Zweite Ausführungsform>
2A ist eine Schnittansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 2B, 2D und 2E sind jeweils perspektivische Ansichten eines Konfigurationsbeispiels einer ersten akustischen Anpassungsschicht, die zu der in 2A dargestellten Ultraschallsonde gehört. 2C ist eine Graphik einer Beziehung zwischen Volumenanteilen eines für ein isolierendes Element oder ein halbleitendes Element in der in 2B dargestellten ersten Anpassungsschicht verwendeten Siliciumeinkristalls und der akustischen Impedanz.
In 2A umfasst eine Ultraschallsonde 10B das plattenförmige piezoelektrische Element 1, eine zweilagige akustische Anpassungsschicht 2 (2a und 2b), die auf die vordere Fläche (Oberseite in 2A) des piezoelektrischen Elements 1 laminiert ist, das Trägermaterial 3, das bei Bedarf an der hinteren Fläche (Unterseite in 2A) des piezoelektrischen Elements 1 angebracht ist, und die akustische Linse 4, die auch bei Bedarf an der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 (2a und 2b) angebracht ist. Jeweilige Funktionen dieser Bestandteile ähneln den Funktionen der Elemente, welche eine herkömmliche Ultraschallsonde bilden.
Von den Bestandteilen der Ultraschallsonde 10B besteht das piezoelektrische Element 1 aus einer piezoelektrischen Keramik in der Art eines PZT-Systems, einem piezoelektrischen Einkristall in der Art eines PZN-PT-Systems oder eines PMN-PT-Systems oder einem piezoelektrischen Verbundmaterial, das eine Kombination der piezoelektrischen Keramik, des piezoelektrischen Einkristalls und eines hochpolymeren Materials ist. Alternativ besteht das piezoelektrische Element 1 aus einem piezoelektrischen Material, einem durch PVDF dargestellten hochpolymeren Material und dergleichen. Die Erdungselektrode 5 ist auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ausgebildet. Die Signalelektrode 6 ist auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ausgebildet. Die Erdungselektrode 5 und die Signalelektrode 6 werden jeweils durch Abscheiden von Gold oder Silber, Sputtern oder Einbrennen von Silber gebildet.
Der elektrische Anschluss 7 für Signale ist zwischen der auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildeten Signalelektrode 6 und dem Trägermaterial 3 eingefügt. Bei dem elektrischen Anschluss 7 für Signale ist der leitende Film 7b, beispielsweise aus Kupfer, auf eine Hauptfläche des Isolierfilms 7a aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, aufgebracht. In diesem Fall steht die eine Hauptfläche des Isolierfilms 7a der Seite des piezoelektrischen Elements 1 gegenüber, so dass der leitende Film 7b des elektrischen Anschlusses 7 für Signale in Kontakt mit der auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildeten Signalelektrode 6 steht und der Isolierfilm 7a des elektrischen Anschlusses 7 für Signale in Kontakt mit dem Trägermaterial 3 steht. Andererseits sind auf der vorderen Fläche der auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildeten Erdungselektrode 5 eine erste akustische Anpassungsschicht 2a aus einem Verbundmaterial, einschließlich eines isolierenden Elements oder eines halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, ein elektrischer Anschluss 9 für die Erdung und eine zweite akustische Anpassungsschicht 2b aus einem hochpolymeren Material, wie Epoxidharz oder Polyimid, nacheinander laminiert. Bei dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung ist ein leitender Film 9b (mit einer Dicke von vorzugsweise 5 Mikrometer oder weniger, um die Wirkung auf die Eigenschaften zu minimieren), beispielsweise aus Kupfer, auf eine Hauptfläche eines Isolierfilms 9a aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, aufgebracht. In diesem Fall steht die eine Hauptfläche des Isolierfilms 9a der Seite der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a gegenüber, so dass der leitende Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung in Kontakt mit dem leitenden Element in dem zur ersten akustischen Anpassungsschicht 2a gehörenden Verbundmaterial steht und die zweite akustische Anpassungsschicht 2b in Kontakt mit dem Isolierfilm 9a des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung steht. Die zweite akustische Anpassungsschicht 2b kann ein isolierendes Element oder ein leitendes Element sein. Die akustische Linse 4, für die ein Material, wie Silikongummi, verwendet wird, ist bei Bedarf an der vorderen Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b angebracht. Es kann jedes beliebige Material, das elektrisch leitend ist, für die leitenden Filme 7b und 9b verwendet werden. Das Material ist nicht auf Metall beschränkt.
Operationen der wie vorstehend beschrieben konfigurierten Ultraschallsonde 10B werden nachstehend beschrieben.
Die auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildete Signal elektrode 6 wird über die elektrischen Anschlüsse 7 für Signale elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Die Erdungselektrode 5 auf dem piezoelektrischen Element 1 wird auch über das leitende Element in dem Verbundmaterial der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a und den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Das andere Ende jedes Kabels wird mit einem Hauptkörperabschnitt einer Ultraschalldiagnosevorrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Daher wird die vom Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung erzeugte reguläre Impulsspannung an das piezoelektrische Element 1 angelegt, und es wird eine Ultraschallwelle ausgesendet. Zusätzlich wird ein empfangenes Echo einer Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umgewandelt und zum Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung übertragen.
Für die erste akustische Anpassungsschicht 2a, die durch das Verbundmaterial, einschließlich des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und des leitenden Elements, gebildet ist (nachstehend bezeichnet als ein Verbundmaterial, das das leitende Element und das isolierende Element oder halbleitende Element aufweist), wird ein Material derart ausgewählt, dass die akustische Impedanz der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a einen Zwischenwert zwischen den jeweiligen akustischen Impedanzen des piezoelektrischen Elements 1 und der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b annimmt. Ein Konfigurationsbeispiel jeder durch das leitende Element und das isolierende Element oder halbleitende Element der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a gebildeten gekoppelten Struktur ist in den 2B, 2D und 2E dargestellt. In den 2B, 2D und 2E ist die Richtung, in die Ultraschallwellen zu dem Untersuchungsobjekt ausgesendet werden, die Z-Richtung. Zwei Richtungen, die jeweils zur Z-Richtung senkrecht sind, sind die X-Richtung und die Y-Richtung.
Bei der in 2B dargestellten ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-1 sind die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 jeweils streifenförmig ausgebildet und abwechselnd in X-Richtung angeordnet. Es ist eine Struktur ausgebildet, bei der von diesen die leitenden Elemente 20 in zwei Richtungen, nämlich in Y-Richtung und in Z-Richtung, verbunden sind und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 ähnlich auch in zwei Richtungen, nämlich in Y-Richtung und in Z-Richtung, verbunden sind. Diese Struktur wird in der folgenden Beschreibung als gekoppelte 2-2-Struktur bezeichnet. Hierbei stellt die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 eine Funktion zur elektrischen Verbindung der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 und des leitenden Films 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung bereit, indem sie jeweils in Kontakt mit der auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 gebildeten Erdungselektrode 5 und dem auf die eine Hauptfläche des Isolierfilms 9a des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung aufgebrachten leitenden Film 9b stehen.
Bei der in 2D dargestellten ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-2 ist eine Mehrzahl von leitenden Elementen 20 jeweils säulenförmig ausgebildet. Die leitenden Elemente 20 sind in einer Zeile in Y-Richtung in einem Zustand angeordnet, in dem jeder Endabschnitt der Z- Richtung gegenübersteht, und sie sind in mehreren Zeilen in X-Richtung angeordnet. Das isolierende Element oder halbleitende Element 21 umgibt den Außenbereich der leitenden Elemente 20. Von diesen sind die leitenden Elemente 20 in nur einer Richtung, nämlich der Z-Richtung, verbunden, und sie haben in X-Richtung oder in Y-Richtung keine Verbindung. Das isolierende Element oder halbleitende Element 21 ist eine Struktur mit einer Verbindung in drei Richtungen, nämlich in X-Richtung, in Y-Richtung und in Z-Richtung. Diese gekoppelte Struktur wird als eine gekoppelte 1-3-Struktur bezeichnet. Hierbei stellt die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 eine Funktion zur elektrischen Verbindung der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 und des leitenden Films 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung bereit, indem sie jeweils in Kontakt mit der auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 gebildeten Erdungselektrode 5 und dem auf die eine Hauptfläche des Isolierfilms 9a des elektrischen Anschluss 9 für die Erdung aufgebrachten leitenden Film 9b stehen.
Bei der in 2E dargestellten ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-3 ist eine Mehrzahl von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 jeweils in einer rechteckigen Säulenform ausgebildet. Die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 sind in einer Zeile in Y-Richtung in einem Zustand angeordnet, in dem jeder Endabschnitt der Z-Richtung gegenübersteht, und sie sind in mehreren Zeilen in X-Richtung angeordnet. Das leitende Element 20 umgibt den Außenbereich der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21. Es ist eine Struktur gebildet, bei der von diesen die leitenden Elemente 20 in drei Richtungen, nämlich in X-Richtung, in Y-Richtung und in Z-Richtung, verbunden sind und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 nur in einer Richtung, nämlich in Z-Richtung, verbunden sind. Diese Struktur wird als eine gekoppelte 3-1-Struktur bezeichnet. Hierbei stellt das leitende Element 20 eine Funktion zur elektrischen Verbindung der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 und des leitenden Films 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung bereit, indem sie jeweils in Kontakt mit der auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 gebildeten Erdungselektrode 5 und dem auf die eine Hauptfläche des Isolierfilms 9a des elektrischen Anschluss 9 für die Erdung aufgebrachten leitenden Film 9b stehen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, muss die akustische Impedanz der in 2A dargestellten ersten akustischen Anpassungsschicht 2a einen Wert aufweisen, der zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 1 und der akustischen Impedanz der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b liegt. Wenn beispielsweise eine piezoelektrische Keramik PZT-5H mit einem akustischen Impedanzwert von etwa 30 MRayl für das piezoelektrische Element 1 verwendet wird und das Untersuchungsobjekt beispielsweise ein lebender Körper mit einem akustischen Impedanzwert von etwa 1,6 MRayl ist, wird ein Material mit einem akustischen Impedanzwert von etwa 3 MRayl für die zweite akustische Anpassungsschicht 2b verwendet. Daher muss ein Material, das einen akustischen Impedanzwert von mindestens 3 bis 30 MRayl aufweist, für die erste akustische Anpassungsschicht 2a verwendet werden.
Im Allgemeinen liegt der akustische Impedanzwert der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a vorzugsweise zwischen 5 und 20 MRayl. Das Band einer Frequenzkennlinie wird gewöhnlich breiter, wenn der Wert zunimmt. Daher wird vorzugsweise ein Material mit einem Bereich von 10 bis 20 MRayl für die erste akustische Anpassungsschicht 2a verwendet. Materialien mit einem akustischen Impedanzwert von 10 bis 20 MRayl sind beispielsweise Glas, Kristallglas, Epoxidharz mit einer hohen Konzentration von Wolframpulver, eine Bleiniobatkeramik, eine bearbeitbare Keramik (Automatenkeramik), einkristallines oder polykristallines Silicium und Quarzkristall. All diese Materialien sind jedoch elektrisch ein isolierendes Element oder ein halbleitendes Element.
Es kann die folgende Konfiguration erwogen werden, die unter Verwendung der in 2A dargestellten Ultraschallsonde 10B als Beispiel beschrieben wird. Bei der Konfiguration wird ein isolierendes Element oder ein halbleitendes Element als die erste akustische Anpassungsschicht 2a verwendet. Ein Abschnitt des piezoelektrischen Elements 1, der einem Endabschnitt der Erdungselektrode 5 entspricht, ist abgeschnitten, und es ist ein Bereich (nicht dargestellt) gebildet, in dem die akustische Anpassungsschicht nicht vorhanden ist. Ein elektrischer Anschluss (nicht dargestellt) ist aus diesem Bereich herausgeführt. Wenngleich bei einer solchen Konfiguration das Frequenzband in Bezug auf die Leistungsfähigkeit verbreitert werden kann, werden die zu dem Untersuchungsobjekt ausgesendeten Ultraschallwellen verzerrt, und das Ultraschallbild wird beeinträchtigt, weil das piezoelektrische Element 1 selbst in dem Bereich oszilliert und die Ultraschallwellen erzeugt, der die akustische Anpassungsschicht nicht aufweist. Weil der elektrische Anschluss überdies an nur einer Stelle aus der Erdungselektrode 5 herausgeführt ist, kann die Erdungselektrode 5, wenn das piezoelektrische Element 1, weil die Ultraschallsonde während des Betriebs fallengelassen wird, oder infolge eines mechanischen Einflusses in der Art eines auf die Ultraschallsonde ausgeübten Schlags bricht, auch ähnlich brechen und eine elektrische Trennung oder dergleichen hervorrufen. Dadurch kann eine Fehlfunktion auftreten.
Gemäß der in 2A dargestellten zweiten Ausführungsform wird eine Konfiguration verwirklicht, die diese Probleme löst und bei der das Frequenzband verbreitert werden kann. Mit anderen Worten ist bei der Konfiguration die Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 über die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 in der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a elektrisch mit dem Metallfilm 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung verbunden. Daher können das gewünschte Aussenden und der gewünschte Empfang von Ultraschallwellen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements 1 ausgeführt werden. Weil die Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 überdies über die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 in der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a mit dem Metallfilm 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung verbunden ist, tritt eine Fehlfunktion infolge einer Trennung selbst dann nur selten auf, wenn das piezoelektrische Element 1 und die Erdungselektrode 5 infolge eines mechanischen Stoßes und dergleichen brechen.
Hier werden für das isolierende Element oder halbleitende Element 21 in den ersten akustischen Anpassungsschichten 2a-1, 2a-2 und 2a-3 eine Keramik in der Art des vorstehend erwähnten Glases, Kristallglas, Epoxidharz mit einer hohen Konzentration von Wolframpulver, Bleiniobatkeramik, eine bearbeitbare Keramik (Automatenkeramik), einkristallines oder polykristallines Silicium, Quarzkristall und Bariumtitanat und dergleichen verwendet. Für das leitende Element 20 in den ersten akustischen Anpassungsschichten 2a-1, 2a-2 und 2a-3 wird ein metallisches Material, wie Kupfer, Aluminium, Silber, Gold und Nickel, ein hochpolymeres Material, in dem beispielsweise ein Metall, wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium, oder Kohlenstoffpulver mit einer hochpolymeren Verbindung, wie Epoxidharz, kombiniert ist und leitfähig gemacht ist, Graphit, Kohlenstoff und dergleichen verwendet. Das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 sind nicht auf die vorstehend beschriebenen Materialien beschränkt. Es können auch andere Materialien verwendet werden, solange sie eine ähnliche akustische Impedanz wie die vorstehend beschriebenen Materialien aufweisen. Die akustische Impedanz des Verbundmaterials, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, ist durch jeweilige Volumenanteile bestimmt.
Hier wird eine Konfiguration des Verbundmaterials, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, beschrieben. Zusätzlich zu der Konfiguration des wie vorstehend beschrieben kombinierten Verbundmaterials kann jedoch beispielsweise eine Konfiguration verwendet werden, bei der ein Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements, erhalten wird, indem das leitende Element in dem isolierenden Element oder halbleitenden Element 21 verwendet wird. Mit anderen Worten ist die Konfiguration klar nicht auf die vorstehend beschriebene beschränkt, solange das Verbundmaterial zumindest das leitende Element 20 aufweist und eine Funktion zur elektrischen Verbindung mit einer Elektrodenfläche des piezoelektrischen Elements 1 und eine Funktion zum Ermöglichen der Änderung der akustischen Impedanz bereitstellt.
Bei den gekoppelten 1-3-, 2-2- und 3-1-Strukturen hat das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, einen akustischen Impedanzwert, der zwischen den akustischen Impedanzen von jedem der zwei Materialtypen liegt. Ein Material mit einer gewünschten akustischen Impedanz kann erhalten werden, indem die Volumenanteile des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21 geändert werden.
Um zu ermöglichen, dass das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, welches die gekoppelte 1-3-, 2-2- oder 3-1-Struktur aufweist, als die erste akustische Anpassungsschicht 2a wirkt, werden die Breite und das Anordnungsintervall der leitenden Elemente 20 so festgelegt, dass das Verbundmaterial die Ultraschallwellen integral übertragen kann. Wenn der Volumenanteil des leitenden Materials 20 klein ist, brauchen die Breite und das Anordnungsintervall nicht berücksichtigt zu werden. Das Material für das leitende Element 20 wird hauptsächlich in Hinblick auf die elektrische Verbindungsfunktion des leitenden Elements 20 ausgewählt.
Wenn die in den 2B, 2D und 2E dargestellten gekoppelten Strukturen zum Erreichen der akustischen Anpassungsschicht verwendet werden oder mit anderen Worten nur die akustische Impedanz an einen gewünschten Wert angepasst wird, ohne dass die Leitfähigkeit erforderlich wäre, brauchen die Materialien, nämlich das leitende Element und das isolierende Element oder halbleitende Element, nicht ausgewählt zu werden. Es kann eine durch isolierende Elemente gebildete gekoppelte Struktur oder eine durch ein isolierendes Element, wie Epoxidharz, und ein halbleitendes Element, wie Silicium, gebildete gekoppelte Struktur verwendet werden.
Als nächstes wird ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der ersten Anpassungsschicht 2a-1 mit der in 2B dargestellten gekoppelten 2-2-Struktur beschrieben. Ein Siliciumeinkristall wird als das isolierende Element oder halbleitende Element 21 verwendet. Der Siliciumeinkristall ist in Z-Richtung in 2B flach. Mit dem leitenden Element 20 zu füllende Rillen werden durch Laserbestrahlung, chemisches Ätzen, maschinelle Bearbeitung, beispielsweise durch eine Waferzerlegungsmaschine, und dergleichen in Y-Richtung in 2B in einem beliebigen Intervall auf der planaren Oberfläche gebildet. Als nächstes werden die Rillen mit einem leitenden Klebstoff in der Art eines leitenden Epoxidharzes, das ein Pulver, wie Silber, enthält, gefüllt. Der leitende Klebstoff wird gehärtet. Der leitende Klebstoff hat eine kleinere akustische Impedanz als der Siliciumeinkristall. Als nächstes wird der Siliciumeinkristall in Z-Richtung zu einer Dicke von etwa einer Viertelwellenlänge zerlegt, und es wird die erste akustische Anpassungsschicht 2a gebildet. Wenn eine erste akustische Anpassungsschicht 2a erwünscht ist, die eine akustische Impedanz aufweist, welche jener des Siliciumeinkristalls ähnelt, wird der Volumenanteil des als das leitende Element 20 dienenden leitenden Klebstoffs verringert. Wenn ein kleiner akustischer Impedanzwert erforderlich ist, wird der Volumenanteil erhöht.
Wenn beispielsweise Echobond 56C (Emerson and Cummings, Inc.) als der leitende Klebstoff zur Bildung des leitenden Elements 20 verwendet wird und ein Siliciumeinkristall als das isolierende Element oder halbleitende Element 21 verwendet wird, betragen die jeweiligen akustischen Impedanzen etwa 6,5 MRayl und 19,7 MRayl. Wenn die akustische Impedanz (Dichte x akustische Geschwindigkeit) des durch den Siliciumeinkristall gebildeten Materials, das in beliebigen Intervallen und Rillenbreiten durch eine Waferzerlegungsmaschine zerlegt ist und dessen Rillen mit dem Echobond 56C gefüllt sind, gemessen wird, beträgt die akustische Impedanz 15,3 MRayl, wenn der Volumenanteil des Siliciumeinkristalls 63,5% beträgt. Die akustische Impedanz beträgt 12,7 MRayl, wenn der Volumenanteil des Siliciumeinkristalls 43% beträgt.
2C ist ein Graph bzw. Diagramm, der bzw. das eine Beziehung zwischen den Volumenanteilen des Siliciumeinkristalls und der akustischen Impedanz auf der Grundlage von Ergebnissen der für die beiden vorstehend erwähnten Materialien vorgenommenen Messungen zeigt. Wie der Graph klar zeigt, ändert sich die akustische Impedanz des Verbundmaterials, einschließlich des leitenden Klebstoffs und des Siliciumeinkristalls, in fast linearer Weise von etwa 6,5 MRayl zu 19,7 MRayl, wobei es sich um die akustische Impedanz des Siliciumeinkristalls handelt, wenn Echobond 56C als der leitende Klebstoff zur Bildung des leitenden Elements 20 verwendet wird und der Volumenanteil des Siliciumeinkristalls zwischen einem Bereich von 0 Prozent (nur der leitende Klebstoff) und 100 Prozent (nur der Siliciumeinkristall) geändert wird. Die Erfinder konnten bestätigen, dass eine Korrelation zwischen dem Volumenanteil und der akustischen Impedanz besteht.
Als nächstes wird ein anderes Verfahren zur Herstellung der ersten Anpassungsschicht 2a-1 mit der in 2B dargestellten gekoppelten 2-2-Struktur beschrieben. Ein plattenförmiger Siliciumeinkristall, der als das isolierende Element oder halbleitende Element 21 dient, und plattenförmiger Graphit oder plattenförmiges Metall, der oder das als das leitende Element 20 dient, werden in X-Richtung in 2B abwechselnd laminiert und aneinander angebracht. Alternativ wird ein dünner Metallfilm auf einer Hauptfläche eines plattenförmigen Siliciumeinkristalls, der als das isolierende Element oder halbleitende Element 21 dient, durch ein Verfahren, wie Sputtern, Plattieren oder Drucken, gebildet. Dann werden die Siliciumeinkristalle, auf denen der Metallfilm ausgebildet ist, nacheinander in X-Richtung in 2B laminiert und aneinander angebracht. Anschließend wird ein Schnittprozess ausgeführt, um eine gewünschte Dicke in Z-Richtung in 2B zu erhalten. Eine Massenproduktion wird durch die Verwendung dieses Herstellungsverfahrens möglich.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der ersten Anpassungsschicht 2a-2 mit der in 2D dargestellten gekoppelten 1-3-Struktur beschrieben. Ein Siliciumeinkristall mit einer Dicke in Z-Richtung in 2D wird als das isolierende Element oder halbleitende Element 21 präpariert. Löcher werden in dem Siliciumeinkristall durch Laserbestrahlung, chemisches Ätzen, maschinelle Bearbeitung und dergleichen gebildet, um eine Mehrzahl von leitenden Elementen 20 in einem beliebigen Intervall bereitzustellen. Als nächstes werden die Löcher mit einem leitenden Klebstoff in der Art eines leitenden Epoxidharzes, das ein Pulver, wie Silber, enthält, gefüllt. Der leitende Klebstoff wird gehärtet. Dann wird der Siliciumeinkristall zu einer Dicke von etwa einer Viertelwellenlänge bearbeitet, und es wird die erste akustische Anpassungsschicht gebildet. Wenn eine erste akustische Anpassungsschicht erwünscht ist, deren akustische Impedanz jener des Siliciumeinkristalls ähnlich ist, wird der Volumenanteil des leitenden Klebstoffs, der das leitende Element 20 ist, verringert. Wenn ein kleinerer akustischer Impedanzwert benötigt wird, wird der Volumenanteil des leitenden Klebstoffs, der das leitende Element 20 ist, erhöht.
Die akustische Impedanz des Siliciumeinkristalls beträgt 19,7 MRayl, und die akustische Impedanz des als leitender Klebstoff dienenden Echobond 56C (Emerson and Cummings, Inc.) beträgt etwa 6,5 MRayl. Ähnlich wie die in 2B dargestellte Struktur kann die akustische Impedanz durch Anpassung der jeweiligen Volumenanteile einen Wert zwischen 6,5 MRayl und 19,7 MRayl aufweisen.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der ersten Anpassungsschicht 2a-3 mit der in 2E dargestellten gekoppelten 3-1-Struktur beschrieben. Ein Siliciumeinkristall wird als das isolierende Element oder halbleitende Element 21 präpariert. Eine Mehrzahl von Rillen in X-Richtung und in Y-Richtung wird durch Laserbestrahlung, chemisches Ätzen, maschinelle Bearbeitung, beispielsweise durch eine Waferzerlegungsmaschine, und dergleichen in einem beliebigen Intervall in dem Siliciumeinkristall bereitgestellt, und es werden rechteckige Säulen gebildet. Dann wird die Mehrzahl von Rillen mit dem leitenden Element 20 in der Art eines leitenden Klebstoffs gefüllt, und das leitende Element 20 wird gehärtet. Der Siliciumeinkristall wird dann zu einer Dicke von etwa einer Viertelwellenlänge bearbeitet, und es wird die erste akustische Anpassungsschicht gebildet.
Wie zuvor beschrieben wurde, kann die akustische Anpassungsschicht die gewünschte akustische Impedanz aufweisen, indem das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder des halbleitenden Elements, als die akustische Anpassungsschicht auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite des piezoelektrischen Elements bereitgestellt wird. Dadurch kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten werden kann. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen des piezoelektrischen Elements durch die leitenden Elemente in der akustischen Anpassungsschicht aus dem Verbundmaterial verbunden sein. Daher kann eine Ultraschallsonde erreicht werden, die sehr zuverlässig ist und ausgezeichnete Betriebseigenschaften aufweist.
Gemäß der zweiten Ausführungsform können ähnliche Wirkungen selbst dann erreicht werden, wenn andere Formen, wie eine rechteckige Säule oder eine Kugel, verwendet werden, wenngleich eine Säulenform für die leitenden Elemente 20 in der in 2D dargestellten gekoppelten 1-3-Struktur verwendet wird. Ähnliche Wirkungen können auch bei einer Konfiguration erreicht werden, bei der eine konische Form in der Art eines in Z-Richtung gebildeten Kegels verwendet wird und sich die akustische Impedanz in Bezug auf die Dicke in Z-Richtung kontinuierlich ändert.
Gemäß der zweiten Ausführungsform sind die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in der in 2B dargestellten gekoppelten 2-2-Struktur in Z-Richtung mit gleichmäßigen Breiten versehen. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei einer Konfiguration erreicht werden, bei der sich die Breite der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in Z-Richtung kontinuierlich ändert, wodurch eine so genannte Keilform gebildet ist, und sich die akustische Impedanz in Bezug auf die Dicke in Z-Richtung kontinuierlich ändert.
Gemäß der zweiten Ausführungsform wird der Fall beschrieben, in dem die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in der in 2B dargestellten gekoppelten 2-2-Struktur, der in 2D dargestellten gekoppelten 1-3-Struktur und der in 2E dargestellten gekoppelten 3-1-Struktur abwechselnd in fast gleichen Intervallen angeordnet sind. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei zufälligen Intervallen oder bei einer zufälligen Anordnung erreicht werden.
Gemäß der zweiten Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der für den Austausch elektrischer Signale mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 der elektrische Anschluss 9 für die Erdung auf der vorderen Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a bereitgestellt ist, wobei sich die erste akustische Anpassungsschicht 2a zwischen dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung und der Erdungselektrode 5 befindet. Stattdessen können ähnliche Wirkungen jedoch auch durch eine Konfiguration erreicht werden, bei der das leitende Element in Z-Richtung durch Sputtern, Plattieren, Drucken oder dergleichen auf beiden Flächen oder auf einer Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a gebildet ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung mit diesem Bereich verbunden ist.
Gemäß der zweiten Ausführungsform wird als die erste akustische Anpassungsschicht 2a eine gekoppelte Struktur verwendet, welche das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 aufweist, die jeweils aus einem Materialtyp bestehen. Ähnliche Wirkungen können jedoch klar selbst dann erreicht werden, wenn mindestens eines von dem leitenden Element 20 und dem isolierenden Element oder halbleitenden Element 21 aus zwei oder mehr Materialtypen besteht. Die Struktur ist nicht auf eine gekoppelte Struktur beschränkt, die einen Materialtyp für jedes Element aufweist.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5. Der elektrische Anschluss 9 für die Erdung ist auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Erdungselektrode 5 angeordnet. Die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ist die Signalelektrode 6, und der elektrische Anschluss 7 für Signale steht in Kontakt mit der Signalelektrode 6. Die Ultraschallwellen können jedoch im Prinzip selbst dann ausgesendet und empfangen werden, wenn stattdessen die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Signalelektrode 6 ist, der elektrische Anschluss 7 für Signale auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Signalelektrode 6 liegt, die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5 ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung in Kontakt mit der Erdungs elektrode 5 steht.
<Dritte Ausführungsform>
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 3A ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Teil davon ein Schnittbild ist. 3B ist eine Schnittansicht der in 3A dargestellten Ultraschallsonde, wobei ein entlang einer Y-Z-Ebene genommener Querschnitt von drei in 3A dargestellten Richtungen X, Y und Z aus der X-Richtung betrachtet ist. Die 3C und 3D sind jeweils eine perspektivische Ansicht eines detaillierten Konfigurationsbeispiels von Elementen, die zu der in 3A und 3B dargestellten Ultraschallsonde gehören.
Eine in den 3A und 3B dargestellte Ultraschallsonde 10C umfasst eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1, die in X-Richtung von den in 3A dargestellten Richtungen X, Y und Z angeordnet sind, die auf der vorderen Fläche in Z-Richtung, d. h. der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite, bereitgestellte zweilagige akustische Anpassungsschicht 2 (2a und 2b), entsprechend jedem piezoelektrischen Element 1, das bei Bedarf auf der hinteren Fläche der piezoelektrischen Elemente 1 bereitgestellte Trägermaterial 3, die auch bei Bedarf in geteilter Weise auf der Mehrzahl von akustischen Anpassungsschichten 2 (2a und 2b) bereitgestellte akustische Linse 4, eine Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale, die zwischen den piezoelektrischen Elementen 1 und dem Trägermaterial 3 eingefügt sind, und den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung, der zwischen der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a und der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b eingefügt ist. Jeweilige Funktionen dieser Bestandteile ähneln den Funktionen der Elemente, die eine herkömmliche Ultraschallsonde bilden.
Zur Erklärung der Beschreibung wird ein Verfahren zur Herstellung der in den 3A und 3B dargestellten Ultraschallsonde 10C beschrieben.
Zur Bildung einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1 wird ein Plattenmaterial aus einer piezoelektrischen Keramik in der Art eines PZT-Systems, einem piezoelektrischen Einkristall in der Art eines PZN-PT-Systems oder eines PMN-PT-Systems, einem piezoelektrischen Verbundmaterial, das eine Kombination der piezoelektrischen Keramik, des piezoelektrischen Einkristalls und eines hochpolymeren Materials ist, einem piezoelektrischen Material eines durch PVDF dargestellten hochpolymeren Materials und dergleichen mit einer vorbestimmten Dicke präpariert. Mit anderen Worten wird ein piezoelektrisches Plattenmaterial präpariert. Die Erdungselektrode 5 wird auf einer Hauptfläche des piezoelektrischen Plattenmaterials, nämlich der vorderen Fläche in Z-Richtung, gebildet. Die Signalelektrode 6 wird auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Plattenmaterials gebildet. Die Erdungselektrode 5 und die Signalelektrode 6 werden jeweils durch Abscheiden von Gold oder Silber, Sputtern oder Einbrennen von Silber gebildet.
Es wird das plattenförmige Trägermaterial 3 (ein Element, das das Trägermaterial ersetzt, falls die Ultraschallsonde das Trägermaterial nicht aufweist) mit einer vorbestimmten Dicke präpariert. Es wird ein Plattenmaterial aus einem Verbundmaterial, einschließlich eines leitenden Elements und eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements, das verwendet wird, um eine Mehrzahl von ersten akustischen Anpassungsschichten 2a zu bilden, präpariert. Es wird ein Plattenmaterial aus einem hochpolymeren Material, wie Epoxidharz oder Polyamid, das zur Bildung einer Mehrzahl von zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b verwendet wird, präpariert. Es wird die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 mit einer insgesamt bandartigen Form präpariert, wobei ein leitender Film 7b aus Kupfer oder dergleichen auf eine Hauptfläche eines Isolierfilms 7a aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, aufgebracht wird. Es wird der elektrische Anschluss 9 für die Erdung präpariert, wobei ein leitender Film 9b (dessen Dicke vorzugsweise 5 Mikrometer oder weniger beträgt, um die Wirkung auf die Eigenschaften zu minimieren) aus Kupfer oder dergleichen auf eine Hauptfläche eines Isolierfilms 9a aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, aufgebracht. Das hochpolymere Material, wie Epoxidharz und Polyimid, das zur Bildung der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b verwendet wird, ist ein isolierendes Element. Es kann stattdessen jedoch auch ein leitendes Element verwendet werden. Jedes beliebige Material, das elektrisch leitend ist, kann für die leitenden Filme 7b und 9b verwendet werden. Das Material ist nicht auf Metall beschränkt.
Wie in 3A dargestellt ist, ist die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale auf der vorderen Fläche des Trägermaterials 3 in einem vorbestimmten Intervall in X-Richtung angeordnet. Das piezoelektrische Plattenmaterial zur Bildung der piezoelektrischen Elemente 1 ist auf die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale laminiert. Das Plattenmaterial zur Bildung der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a, der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und das Plattenmaterial zur Bildung der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b sind nacheinander auf die vordere Fläche des piezoelektrischen Plattenmaterials laminiert. Das Laminat ist integral befestigt. In diesem Fall steht die eine Hauptfläche des Isolierfilms 7a der Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale, die zwischen dem Trägermaterial 3 und dem piezoelektrischen Plattenmaterial angebracht sind, der Seite des piezoelektrischen Plattenmaterials (der Oberseite in 3A) gegenüber, so dass der auf die eine Hauptfläche jedes Isolierfilms 7a aufgebrachte leitende Film 7b in Kontakt mit der auf dem piezoelektrischen Plattenmaterial gebildeten Signalelektrode 6 steht und der Isolierfilm 7a in Kontakt mit dem Trägermaterial 3 steht. Die eine Hauptfläche des Isolierfilms 9a des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung, der zwischen dem Plattenmaterial zur Bildung der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a und dem Plattenmaterial zur Bildung der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b angebracht ist, steht der Seite der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a gegenüber, so dass der auf einer Hauptfläche des Isolierfilms 9a ausgebildete leitende Film 9b in Kontakt mit der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a steht.
Auf diese Weise werden nach dem Trägermaterial 3 die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale, das piezoelektrische Plattenmaterial zur Bildung der piezoelektrischen Elemente 1, das Plattenmaterial zur Bildung der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a, der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und das Plattenmaterial zur Bildung der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b integral fixiert, und eine Schneidmaschine oder dergleichen wird verwendet, um eine Mehrzahl von Rillen mit einer Tiefe von der vorderen Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b bis zum vorderen Flächenabschnitt des Trägermaterials 3 zu bilden. Mit anderen Worten werden Teilungsrillen gebildet, welche das Laminat in eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementeinheiten unterteilen, wobei eine einzelne Einheit die zweite akustische Anpassungsschicht 2b, den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung, die erste akustische Anpassungsschicht 2a, das piezoelektrische Plattenmaterial, den elektrischen Anschluss 7 für Signale und einen Abschnitt des Trägermaterials 3 aufweist. In diesem Fall werden die Teilungsrillen in Zwischenabschnitten zwischen den elektrischen Anschlüssen 7 für Signale, die in einem vorbestimmten Intervall in X-Richtung angeordnet sind, gebildet. Dadurch wird eine Zeile piezoelektrischer Elemente gebildet, in der die piezoelektrischen Elementeinheiten parallel angeordnet sind. Als nächstes wird jede Teilungsrille mit einem Material (nicht dargestellt), wie Silikongummi oder Urethangummi, das eine geringe akustische Kopplung aufweist, gefüllt. Ferner wird die akustische Linse 4 unter Verwendung eines Materials, wie Silikongummi, bei Bedarf an der oberen Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b angebracht. Bei einer Ultraschallsonde, welche das Trägermaterial nicht aufweist, wird das das Trägermaterial 3 ersetzende Element an dieser Stufe entfernt.
Hier wird eine Konfiguration beschrieben, bei der der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und die auf dem piezoelektrischen Element 1 ausgebildete Erdungselektrode 5 dadurch elektrisch verbunden werden, dass der elektrische Anschluss 9 für die Erdung, bei dem der leitende Film 9b auf den Isolierfilm 9a aufgebracht ist, zwischen die erste akustische Anpassungsschicht 2a und die zweite akustische Anpassungsschicht 2b eingefügt wird und der leitende Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung und das leitende Element der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a in Kontakt gelangen. Ähnliche Operationen können jedoch auch dadurch ausgeführt werden, dass ein leitendes Element als die zweite akustische Anpassungsschicht 2b verwendet wird, der elektrische Anschluss 9 für die Erdung, auf den der leitende Film 9b aufgebracht ist, an der vorderen Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b angebracht wird und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und die auf dem piezoelektrischen Element 1 ausgebildete Erdungselektrode 5 über die erste akustische Anpassungsschicht 2a und die zweite akustische Anpassungsschicht 2b elektrisch miteinander verbunden werden.
Operationen der wie vorstehend beschrieben konfigurierten Ultraschallsonde 10C werden nachstehend beschrieben.
Die auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 gebildete Signalelektrode 6 wird über den elektrischen Anschluss 7 für Signale elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Die auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 gebildete Erdungselektrode 5 wird auch über das leitende Element in dem Verbundmaterial der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a und den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Das andere Ende jedes Kabels wird mit einem Hauptkörper abschnitt einer Ultraschalldiagnosevorrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Daher wird die vom Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung erzeugte reguläre Impulsspannung an das piezoelektrische Element 1 angelegt, und es wird eine Ultraschallwelle ausgesendet. Zusätzlich wird ein empfangenes Echo einer Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umgewandelt und zum Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung übertragen.
In diesem Fall braucht das leitende Element der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a, von dem Einzelheiten nachstehend beschrieben werden, lediglich eine Form zu haben, welche die auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildete Erdungselektrode 5 und den leitenden Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung elektrisch verbindet. Das leitende Element ist nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. Es ist eine Konfiguration bevorzugt, bei der das leitende Element der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a ermöglicht, dass die Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 und der leitende Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung an zwei oder mehr Bereichen eines einzelnen piezoelektrischen Elements 1 elektrisch verbunden werden. Wenn die Anzahl der leitenden Elemente 20 groß ist, wird eine durch die Trennung einer Signalübertragungsleitung hervorgerufene Fehlfunktion selten, selbst wenn sowohl die Erdungselektrode 5 als auch das piezoelektrische Element 1 gebrochen sind. Es wird eine hohe Zuverlässigkeit erreicht. Überdies besteht ein Hauptzweck des isolierenden Elements oder des halbleitenden Elements in der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a darin, die akustische Impedanz auszuwählen. Wenn daher die zweilagige akustische Anpassungsschicht wie gemäß der dritten Ausführungsform bereitgestellt ist, muss die akustische Anpassungsschicht der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a einen Wert zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 1 und der akustischen Impedanz der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b annehmen. Beispielsweise wird ein Wert innerhalb eines Bereichs von 5 MRayl bis 15 MRayl ausgewählt. Ein Material, das es ermöglicht, eine akustische Impedanz in einem solchen Bereich zu erhalten, dient als das Material, das ein Verbund des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements ist.
Ein Beispiel jeder gekoppelten Struktur, die durch das leitende Element und das isolierende Element oder das halbleitende Element in der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a gebildet ist, die durch das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements gebildet ist, ist in den 3C und 3D dargestellt. In den 3C und 3D gibt die Z-Richtung, welche die Dickenrichtung ist, eine Richtung an, die zur Seite des Untersuchungsobjekts zeigt. Die X-Richtung gibt eine Richtung an, in der die piezoelektrischen Elemente 1 angeordnet sind. Die Y-Richtung gibt eine Richtung senkrecht zur X-Richtung und zur Z-Richtung an.
In 3C ist die Mehrzahl von leitenden Elementen 20, welche eine erste akustische Anpassungsschicht 2a-4 bilden, zylinderförmig ausgebildet, wobei die axialen Zentren in Z-Richtung ausgerichtet sind. Die leitenden Elemente 20 sind nur in einer Richtung, nämlich in Z-Richtung, verbunden. Das isolierende Element oder halbleitende Element 21 bildet eine Struktur, die in drei Richtungen, nämlich in X- Richtung, in Y-Richtung und in Z-Richtung, verbunden ist. Die gekoppelte Struktur des Verbundmaterials, einschließlich der leitenden Elemente 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, wird als gekoppelte 1-3-Struktur bezeichnet. Insgesamt 66 leitende Elemente 20 einer einzigen ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-4, entsprechend einer piezoelektrischen Einheit, nämlich eines einzigen piezoelektrischen Elements 1, sind in 3 × 22 Zeilen angeordnet. Wie zuvor beschrieben wurde, nimmt in Bezug auf die Anzahl der leitenden Elemente 20 die Zuverlässigkeit zu, wenn die Verbindungsbereiche mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 zunehmen. In Bezug auf die Anzahl der leitenden Elemente 20 sind jedoch lediglich zwei oder mehr leitende Elemente 20 erforderlich. Die Anzahl ist nicht auf 66 leitende Elemente 20 beschränkt. Jedoch wird eine Konfiguration benötigt, die es ermöglicht, dass die leitenden Elemente 20 als die erste akustische Anpassungsschicht 2a wirken, oder mit anderen Worten ermöglicht, dass das Verbundmaterial, einschließlich der leitenden Elemente 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, akustisch als eine einzige akustische Anpassungsschicht wirkt. Die in 3C dargestellte erste akustische Anpassungsschicht 2a-4 ist in einem Zustand dargestellt, in dem die erste akustische Anpassungsschicht 2a-4 bereits entsprechend den piezoelektrischen Elementen 1 unterteilt ist. In einem Zustand vor der Unterteilung ist die gesamte erste akustische Anpassungsschicht 2a-4 jedoch eine einzelne Platte, wie zuvor beschrieben wurde. Wenn die leitenden Elemente 20 andererseits keine akustische Anpassungsfunktion haben müssen oder mit anderen Worten der Volumenanteil der leitenden Elemente 20 erheblich kleiner ist als jener des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, können ähnliche Wirkungen durch die leitenden Elemente 20 erreicht werden, die lediglich eine Funktion zum Ermöglichen einer Verbindung mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 bereitstellen.
Auf diese Weise stehen die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 jeweils in Kontakt mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 und dem Metallfilm 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung und stellen eine Funktion zur elektrischen Verbindung der Erdungselektrode 5 und des Metallfilms 9b in Z-Richtung, d. h. in Dickenrichtung, bereit. Hier dient ein Material mit einer Verbindung in einer Richtung, nämlich in Z-Richtung, als die leitenden Elemente 20. Ein Material mit einer Verbindung in drei Richtungen, nämlich in X-Richtung, in Y-Richtung und in Z-Richtung, dient als das isolierende Element oder halbleitende Element 21. Diese Materialien können jedoch untereinander ausgetauscht werden. Ähnliche Wirkungen können bei einer gekoppelten Struktur erreicht werden, bei der die Seite des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements eine Verbindung in einer Richtung, nämlich in Z-Richtung, hat und die Seite des leitenden Elements eine Verbindung in drei Richtungen, nämlich in X-Richtung, in Y-Richtung und in Z-Richtung, hat, so dass sich eine gekoppelte 3-1-Struktur (nicht dargestellt) ergibt.
Bei einer in 3D dargestellten akustischen Anpassungsschicht 2a-5 sind die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 abwechselnd angeordnet. Die leitenden Elemente 20 sind in zwei Richtungen, nämlich in X-Richtung, welche die Richtung ist, in der die piezoelektrischen Elemente 1 angeordnet sind, und in Z-Richtung, welche die Dickenrichtung ist, verbunden. Die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 sind ähnlich in zwei Richtungen, nämlich in X-Richtung, welche die Richtung ist, in der die piezoelektrischen Elemente 1 angeordnet sind, und in Z-Richtung verbunden. Die gekoppelte Struktur des Verbundmaterials, einschließlich der leitenden Elemente 20 und der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21, wird als eine gekoppelte 2-2-Struktur bezeichnet. Daher ermöglicht die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 eine elektrische Verbindung in Z-Richtung, welche die Dickenrichtung ist, zwischen der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 und dem leitenden Element des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung.
In 3D sind 11 leitende Elemente 20 einer einzelnen ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-5, entsprechend einem einzelnen piezoelektrischen Element 1, abwechselnd mit den isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 in Y-Richtung angeordnet. Wie vorstehend beschrieben wurde, nimmt die Zuverlässigkeit zu, wenn die Verbindungsbereiche mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 zunehmen. In Bezug auf die Anzahl der leitenden Elemente 20 sind jedoch lediglich zwei oder mehr leitende Elemente 20 erforderlich. Jedoch wird eine Konfiguration benötigt, die es ermöglicht, dass die leitenden Elemente 20 als die erste akustische Anpassungsschicht 2a wirken, oder es mit anderen Worten ermöglicht, dass das Verbundmaterial, einschließlich der leitenden Elemente 20 und der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21, als eine einzige akustische Anpassungsschicht wirkt. Die in 3D dargestellte erste akustische Anpassungsschicht 2a-5 ist in einem Zustand dargestellt, in dem sie bereits entsprechend den piezoelektrischen Elementen 1 unterteilt ist. In einem Zustand vor der Unterteilung ist die gesamte erste akustische Anpassungsschicht 2a-4 jedoch eine einzelne Platte, wie vorstehend beschrieben wurde. Es ist eine Konfiguration gebildet, bei der die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in X-Richtung, d. h. in der Richtung, in der die piezoelektrischen Elemente 1 angeordnet sind, verbunden sind. Wenn die leitenden Elemente 20 andererseits keine akustische Anpassungsfunktion haben müssen oder mit anderen Worten der Volumenanteil der leitenden Elemente 20 erheblich kleiner ist als jener der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21, können ähnliche Wirkungen durch die leitenden Elemente 20 erreicht werden, die lediglich eine Funktion zum Ermöglichen einer Verbindung mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 bereitstellen.
In 3D ist die gekoppelte 2-2-Struktur dargestellt, bei der die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-5 in etwa parallel zu der Richtung konfiguriert sind, in der die piezoelektrischen Elemente 1 angeordnet sind. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei einer gekoppelten 2-2-Struktur erreicht werden, bei der die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 senkrecht zu der Richtung, in der die piezoelektrischen Elemente 1 angeordnet sind, oder in einer anderen Richtung angeordnet sind.
Wie vorstehend beschrieben wurde, muss bei den ersten akustischen Anpassungsschichten 2a-4 und 2a-5 mit den in den 3C und 3D dargestellten gekoppelten Strukturen die akustische Impedanz einen Wert haben, der zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 1 und der akustischen Impedanz der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b liegt. Wenn die akustische Anpassungsschicht jedoch wie gemäß der dritten Ausführungsform zweilagig ist, wenn beispielsweise eine piezoelektrische PZT-5H-Keramik mit einem akustischen Impedanzwert von etwa 30 MRayl für das piezoelektrische Element 1 verwendet wird und das Untersuchungsobjekt beispielsweise ein lebender Körper mit einem akustischen Impedanzwert von etwa 1,6 MRayl ist, wird ein Material mit einem akustischen Impedanzwert von etwa 3 MRayl für die zweite akustische Anpassungsschicht 2b verwendet.
Daher ist ein Material mit einem akustischen Impedanzwert, der zwischen 3 und 30 MRayl liegt, für die erste akustische Impedanzanpassungsschicht 2a erforderlich. Im Allgemeinen weist die akustische Impedanz der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a vorzugsweise einen Wert zwischen 5 und 20 MRayl auf. Das Band der Frequenzkennlinie wird gewöhnlich breiter, wenn der Wert zunimmt. Um eine Frequenzkennlinie eines breiten Bands zu erreichen, muss der akustische Impedanzwert der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a daher groß sein. Es wird ein Material mit einer innerhalb eines Bereichs von 10 bis 20 MRayl liegenden akustischen Impedanz verwendet.
Materialien mit einem akustischen Impedanzwert innerhalb dieses Bereichs sind jedoch beispielsweise Glas, Kristallglas, Epoxidharz mit einer hohen Konzentration von Wolframpulver, eine Bleiniobatkeramik, eine bearbeitbare Keramik (Automatenkeramik), einkristallines oder polykristallines Silicium und Quarzkristall. All diese Materialien sind jedoch elektrisch ein isolierendes Element oder ein halbleitendes Element.
Es kann die folgende Konfiguration erwogen werden, die unter Verwendung der in 3B dargestellten Ultraschallsonde 10C als Beispiel beschrieben wird. Bei der Konfiguration wird ein Abschnitt des piezoelektrischen Elements 1, der einem Endabschnitt der Erdungselektrode 5 entspricht, abgeschnitten, und es wird ein Bereich (nicht dargestellt) gebildet, in dem die akustische Anpassungsschicht nicht vorhanden ist. Ein elektrischer Anschluss (nicht dargestellt) ist aus diesem Bereich herausgeführt. Wenngleich bei einer solchen Konfiguration das Frequenzband in Bezug auf die Leistungsfähigkeit verbreitert werden kann, werden die zu dem Untersuchungsobjekt ausgesendeten Ultraschallwellen verzerrt, und das Ultraschallbild wird beeinträchtigt, weil das piezoelektrische Element 1 selbst in dem Bereich oszilliert und die Ultraschallwellen erzeugt, der die akustische Anpassungsschicht nicht aufweist. Weil der elektrische Anschluss überdies an nur einer Stelle aus der Erdungselektrode 5 herausgeführt ist, kann die Erdungselektrode 5, wenn das piezoelektrische Element 1, weil die Ultraschallsonde während des Betriebs fallengelassen wird, oder infolge eines mechanischen Einflusses in der Art eines auf die Ultraschallsonde ausgeübten Schlags bricht, auch ähnlich brechen und eine elektrische Trennung oder dergleichen hervorrufen. Dadurch kann eine Fehlfunktion auftreten.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird eine Konfiguration verwirklicht, die diese Probleme löst und bei der das Frequenzband verbreitert werden kann. Mit anderen Worten ist bei der Konfiguration die Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 über die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 in der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a elektrisch mit dem Metallfilm 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung verbunden. Daher können das gewünschte Aussenden und der gewünschte Empfang von Ultraschallwellen über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Elements 1 gleichmäßig ausgeführt werden, weil die akustische Anpassungsschicht über der gesamten Oberfläche des piezoelektrischen Elements 1 bereitgestellt ist. Weil die Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 überdies über die Mehrzahl von leitenden Elementen 20 in der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a mit dem Metallfilm 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung verbunden ist, tritt eine Fehlfunktion infolge einer Trennung selbst dann nur selten auf, wenn das piezoelektrische Element 1 und die Erdungselektrode 5 infolge eines mechanischen Stoßes und dergleichen brechen.
Andererseits werden für die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a-3 und 2a-4 eine Keramik, wie Glas, Kristallglas, Epoxidharz mit einer hohen Konzentration von Wolframpulver, Bleiniobatkeramik, eine bearbeitbare Keramik (Automatenkeramik), einkristallines oder polykristallines Silicium, Quarzkristall und Bariumtitanat und dergleichen verwendet, die gemäß der zweiten Ausführungsform verwendete Materialien sind. Für die leitenden Elemente 20 der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a-3 und 2a-4 werden ein Metall, wie Kupfer, Aluminium, Silber, Gold und Nickel, ein hochpolymeres Material, in dem beispielsweise ein Metall, wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium, oder Kohlenstoffpulver mit einer hochpolymeren Verbindung, wie Epoxidharz, kombiniert ist und leitfähig gemacht ist, Graphit, Kohlenstoff und dergleichen verwendet. Die akustischen Impedanzen der Verbundmaterialien mit der gekoppelten 1-3-Struktur, der gekoppelten 2-2-Struktur und der gekoppelten 3-1-Struktur, einschließlich der leitenden Elemente 20 und der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21, sind durch jeweilige Volumenanteile bestimmt. Wenn beispielsweise Silber für das leitende Element 20 verwendet wird und ein X-geschnittener Quarzkristall für das isolierende Element verwendet wird, sind die jeweiligen akustischen Impedanzen der jeweiligen einzelnen Materialien 38 MRayl und 15,3 MRayl. Ein gewünschter Wert zwischen der akustischen Impedanz von 38 MRayl des X-geschnittenen Quarzkristalls und der akustischen Impedanz von 15,3 MRayl von Silber kann ähnlich dem Graphen in 2C gemäß der zweiten Ausführungsform erhalten werden, indem die Volumenanteile der zwei Materialtypen geändert werden.
Das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 können aus anderen Materialien als den vorstehend beschriebenen bestehen, solange die Materialien die Aufgaben der vorliegenden Erfindung lösen können. Die Materialien sind nicht auf die vorstehend beschriebenen beschränkt. Gemäß der dritten Ausführungsform wird eine erste akustische Anpassungsschicht 2a mit einer gekoppelten Struktur, einschließlich eines Typs eines leitenden Elements 20 und eines Typs des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, beschrieben. Ähnliche Effekte können jedoch klar selbst dann erreicht werden, wenn zwei oder mehr Materialtypen verwendet werden, wie beispielsweise zwei Typen leitender Elemente und ein bis drei Typen isolierender Elemente. Die Struktur ist nicht auf eine gekoppelte Struktur beschränkt, die einen Materialtyp für jedes Element aufweist.
Um zu ermöglichen, dass das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, welches die gekoppelte 1-3-, 2-2- oder 3-1-Struktur aufweist, als die erste akustische Anpassungsschicht 2a wirkt, werden die Breite und das Anordnungsintervall der leitenden Elemente 20 so festgelegt, dass das Verbundmaterial die Ultraschallwellen integral übertragen kann. Wenn der Volumenanteil des leitenden Materials 20 klein ist, brauchen die Breite und das Anordnungsintervall nicht berücksichtigt zu werden. Das Material für das leitende Element 20 wird hauptsächlich in Hinblick auf die elektrische Verbindungsfunktion des leitenden Elements 20 ausgewählt.
Bei einem Verfahren zur Herstellung der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-4 mit der in 3C dargestellten gekoppelten 1-3-Struktur ist es lediglich erforderlich, dass die erste akustische Anpassungsschicht 2a-4 durch ein Verfahren hergestellt wird, das jenem ähnelt, welches zur Bildung der in 2D dargestellten ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-2 gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird. Bei einem Verfahren zur Herstellung der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-4 mit der in 3D dargestellten gekoppelten 2-2-Struktur ist es lediglich erforderlich, dass die erste akustische Anpassungsschicht 2a-4 durch ein Verfahren hergestellt wird, das jenem ähnelt, welches zur Bildung der in 2B dargestellten ersten akustischen Anpassungsschicht 2a-1 gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird.
Wie zuvor beschrieben wurde, kann die akustische Anpassungsschicht die gewünschte akustische Impedanz aufweisen, indem das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder des halbleitenden Elements, als die akustische Anpassungsschicht auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite des piezoelektrischen Elements bereitgestellt wird. Dadurch kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten werden kann. Weil der elektrische Anschluss überdies aus dem leitenden Element, welches das Verbundmaterial bildet, herausgeführt werden kann, kann eine Ultraschallsonde erreicht werden, die sehr zuverlässig ist und ausgezeichnete Betriebseigenschaften aufweist.
Wenngleich gemäß der dritten Ausführungsform eine Säulenform für die leitenden Elemente 20 in der gekoppelten 1-3-Struktur verwendet wird, können ähnliche Wirkungen selbst dann erreicht werden, wenn andere Formen, wie eine rechteckige Säule oder eine Kugel, verwendet werden. Ähnliche Wirkungen können auch bei einer Konfiguration erreicht werden, bei der eine konische Form in der Art eines in Z-Richtung gebildeten Kegels für die leitenden Elemente 20 in der gekoppelten 1-3-Struktur verwendet wird und sich die akustische Impedanz in Bezug auf die Dicke in Z-Richtung kontinuierlich ändert.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird der Fall beschrieben, in dem die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in der gekoppelten 2-2-Struktur mit gleichmäßigen Breiten in Z-Richtung gebildet sind. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei einer Konfiguration erreicht werden, bei der sich die Breite der Elemente in Z-Richtung kontinuierlich ändert, wodurch eine so genannte Keilform gebildet wird, und sich die akustische Impedanz in Bezug auf die Dicke in Z-Richtung kontinuierlich ändert.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird der Fall beschrieben, in dem die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in der gekoppelten 1-3-Struktur, der gekoppelten 2-2-Struktur und der gekoppelten 3-1-Struktur abwechselnd in fast gleichen Intervallen angeordnet sind. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei zufälligen Intervallen oder bei einer zufälligen Anordnung erreicht werden.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der für den Austausch elektrischer Signale mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 der elektrische Anschluss 9 für die Erdung auf der vorderen Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a bereitgestellt ist, wobei sich die erste akustische Anpassungsschicht 2a zwischen dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung und der Erdungselektrode 5 befindet. Stattdessen können jedoch ähnliche Wirkungen durch eine Konfiguration erreicht werden, bei der das leitende Element durch Sputtern, Plattieren, Drucken oder dergleichen auf beiden Flächen oder auf einer Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a in Z-Richtung gebildet ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung mit diesem Bereich verbunden ist.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1 eindimensional angeordnet ist. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei einer Konfiguration erreicht werden, die eine so genannte zweidimensionale Anordnung ist, bei der die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1 zweidimensional angeordnet ist.
Gemäß der dritten Ausführungsform ist die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5. Der elektrische Anschluss 9 für die Erdung ist auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Erdungselektrode 5 angeordnet. Die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ist die Signalelektrode 6, und der elektrische Anschluss 7 für Signale steht in Kontakt mit der Signalelektrode 6. Die Ultraschallwellen können jedoch im Prinzip selbst dann ausgesendet und empfangen werden, wenn stattdessen die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Signalelektrode 6 ist, der elektrische Anschluss 7 für Signale auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Signalelektrode 6 liegt, die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5 ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung in Kontakt mit der Erdungselektrode 5 steht.
<Vierte Ausführungsform>
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4A ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Teil davon ein Schnittbild ist. 4B ist eine Schnittansicht der in 4A dargestellten Ultraschallsonde, wobei ein entlang einer Y-Z-Ebene genommener Querschnitt aus drei in 4A dargestellten Richtungen X, Y und Z aus der X-Richtung betrachtet ist.
Eine in den 4A und 4B dargestellte Ultraschallsonde 10D umfasst die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1, die in X-Richtung von den in 4A dargestellten Richtungen X, Y und Z angeordnet sind, die akustischen Anpassungsschichten 2, einschließlich einer Mehrzahl von ersten akustischen Anpassungsschichten 2a, die in Z-Richtung auf die vordere Fläche laminiert sind, wobei es sich um die jedem piezoelektrischen Element 1 entsprechende dem Untersuchungsobjekt zugewandte Seite handelt, eine Mehrzahl von zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b und eine dritte akustische Anpassungsschicht 2c, die in geteilter Weise auf die zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b laminiert ist, das bei Bedarf auf der hinteren Fläche der piezoelektrischen Elemente 1 bereitgestellte Trägermaterial 3, die auch bei Bedarf auf der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 bereitgestellte akustische Linse 4, die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale, die zwischen die piezoelektrischen Elemente 1 und das Trägermaterial 3 eingefügt sind, und den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung, der zwischen die erste akustische Anpassungsschicht 2a und die zweite akustische Anpassungsschicht 2b eingefügt ist. Jeweilige Funktionen dieser Bestandteile ähneln den Funktionen der Elemente, die eine herkömmliche Ultraschallsonde bilden.
Zur Erklärung der Beschreibung wird ein Verfahren zur Herstellung der in den 4A und 4B dargestellten Ultraschallsonde 10D beschrieben.
Zur Bildung der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1 wird ein Plattenmaterial aus einer piezoelektrischen Keramik in der Art eines PZT-Systems, einem piezoelektrischen Einkristall in der Art eines PZN-PT-Systems oder eines PMN-PT-Systems, einem piezoelektrischen Verbundmaterial, das eine Kombination der piezoelektrischen Keramik, des piezoelektrischen Einkristalls und eines hochpolymeren Materials ist, einem piezoelektrischen Material eines durch PVDF dargestellten hochpolymeren Materials und dergleichen mit einer vorbestimmten Dicke präpariert. Mit anderen Worten wird ein piezoelektrisches Plattenmaterial präpariert. Die Erdungselektrode 5 wird auf einer Hauptfläche des piezoelektrischen Plattenmaterials, nämlich der vorderen Fläche in Z-Richtung, gebildet. Die Signalelektrode 6 wird auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Plattenmaterials gebildet. Die Erdungselektrode 5 und die Signalelektrode 6 werden jeweils durch Abscheiden von Gold oder Silber, Sputtern oder Einbrennen von Silber gebildet.
Es wird das plattenförmige Trägermaterial 3 (ein Element, das das Trägermaterial ersetzt, falls die Ultraschallsonde das Trägermaterial nicht aufweist) mit einer vorbestimmten Dicke präpariert. Es wird ein Plattenmaterial aus einem Verbundmaterial, einschließlich eines leitenden Elements und eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements, das verwendet wird, um die Mehrzahl von ersten akustischen Anpassungsschichten 2a zu bilden, präpariert. Es wird ein Plattenmaterial aus einem hochpolymeren Material, wie Epoxidharz oder Polyimid, das zur Bildung der Mehrzahl von zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b verwendet wird, präpariert. Es wird die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 mit einer insgesamt bandartigen Form präpariert, wobei ein leitender Film 7b aus Kupfer oder dergleichen auf eine Hauptfläche eines Isolierfilms 7a aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, aufgebracht wird. Es wird der elektrische Anschluss 9 für die Erdung präpariert, wobei ein leitender Film 9b (dessen Dicke vorzugsweise 5 Mikrometer oder weniger beträgt, um die Wirkung auf die Eigenschaften zu minimieren) aus Kupfer oder dergleichen auf eine Hauptfläche eines Isolierfilms 9a aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, aufgebracht. Das hochpolymere Material, wie Epoxidharz und Polyimid, das zur Bildung der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b verwendet wird, ist ein isolierendes Element. Es kann stattdessen jedoch auch ein leitendes Element verwendet werden. Jedes beliebige Material, das elektrisch leitend ist, kann für die leitenden Filme 7b und 9b verwendet werden. Das Material ist nicht auf Metall beschränkt.
Wie in 4A dargestellt ist, ist die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale auf der vorderen Fläche des Trägermaterials 3 in einem vorbestimmten Intervall in X-Richtung angeordnet. Das piezoelektrische Plattenmaterial zur Bildung der piezoelektrischen Elemente 1 ist auf die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale laminiert. Das Plattenmaterial zur Bildung der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a, der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und das Plattenmaterial zur Bildung der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b sind nacheinander auf die vordere Fläche des piezoelektrischen Plattenmaterials laminiert. Das Laminat ist integral befestigt. In diesem Fall steht die eine Hauptfläche des Isolierfilms 7a der Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale, die zwischen dem Trägermaterial 3 und dem piezoelektrischen Plattenmaterial angebracht sind, der Seite des piezoelektrischen Plattenmaterials (der Oberseite in 4A) gegenüber, so dass der auf die eine Hauptfläche jedes Isolierfilms 7a aufgebrachte leitende Film 7b in Kontakt mit der auf dem piezoelektrischen Plattenmaterial gebildeten Signalelektrode 6 steht und der Isolierfilm 7a in Kontakt mit dem Trägermaterial 3 steht. Die eine Hauptfläche des Isolierfilms 9a des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung, der zwischen dem Plattenmaterial zur Bildung der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a und dem Plattenmaterial zur Bildung der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b angebracht ist, steht der Seite der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a gegenüber, so dass der auf einer Hauptfläche des Isolierfilms 9a ausgebildete leitende Film 9b in Kontakt mit der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a steht.
Auf diese Weise werden nach dem Trägermaterial 3 die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale, das piezoelektrische Plattenmaterial zur Bildung der piezoelektrischen Elemente 1, das Plattenmaterial zur Bildung der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a, der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und das Plattenmaterial zur Bildung der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b integral fixiert, und eine Schneidmaschine oder dergleichen wird verwendet, um eine Mehrzahl von Rillen mit einer Tiefe von der vorderen Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b bis zum vorderen Flächenabschnitt des Trägermaterials 3 zu bilden. Mit anderen Worten werden Teilungsrillen gebildet, welche das Laminat in eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementeinheiten unterteilen, wobei eine einzelne Einheit die zweite akustische Anpassungsschicht 2b, den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung, die erste akustische Anpassungsschicht 2a, das piezoelektrische Plattenmaterial, den elektrischen Anschluss 7 für Signale und einen Abschnitt des Trägers 3 aufweist. In diesem Fall werden die Teilungsrillen in Zwischenabschnitten zwischen den elektrischen Anschlüssen 7 für Signale, die in einem vorbestimmten Intervall in X-Richtung angeordnet sind, gebildet. Dadurch wird eine Zeile piezoelektrischer Elemente gebildet, in der die piezoelektrischen Elementeinheiten parallel angeordnet sind. Als nächstes wird jede Teilungsrille mit einem Material (nicht dargestellt), wie Silikongummi oder Urethangummi, das eine geringe akustische Kopplung aufweist, gefüllt. Überdies wird die dritte akustische Anpassungsschicht 2c auf der oberen Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b und den Abschnitten, in denen die Teilungsrillen gefüllt sind, angebracht.
Die dritte akustische Anpassungsschicht 2c wird in einem verbundenen Zustand angebracht, ohne geteilt zu werden, wie dargestellt ist. Als Material für die dritte akustische Anpassungsschicht 2c wird ein Material verwendet, bei dem der Hauptbestandteil ein gummielastisches Element, wie Silikongummi, Chloroprengummi, Ethylenpropylencopolymergummi, Acrylnitrilbutadiencopolymergummi und Urethangummi, ist. Überdies wird die akustische Linse 4 unter Verwendung eines Materials, wie Silikongummi, bei Bedarf auf der oberen Fläche der dritten akustischen Anpassungsschicht 2c angebracht. Bei einer Ultraschallsonde, die das Trägermaterial 3 nicht aufweist, wird das Element, welches das Trägermaterial 3 ersetzt, an dieser Stufe entfernt.
Die dritte akustische Anpassungsschicht 2c kann mit den piezoelektrischen Elementen 1 in der gleichen Weise geteilt werden wie die ersten akustischen Anpassungsschichten 2a und die zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b. Die zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b und die dritte akustische Anpassungsschicht 2c können entweder ein isolierendes Element oder ein leitendes Element sein.
Hier wird eine Konfiguration beschrieben, bei der der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und die auf dem piezoelektrischen Element 1 ausgebildete Erdungselektrode 5 dadurch elektrisch verbunden werden, dass der elektrische Anschluss 9 für die Erdung, bei dem der leitende Film 9b auf den Isolierfilm 9a aufgebracht ist, zwischen die erste akustische Anpassungsschicht 2a und die zweite akustische Anpassungsschicht 2b eingefügt wird und der leitende Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung und das leitende Element der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a in Kontakt gelangen. Ähnliche Operationen können jedoch auch dadurch ausgeführt werden, dass ein leitendes Element als die zweite akustische Anpassungsschicht 2b verwendet wird, der elektrische Anschluss 9 für die Erdung, auf den der leitende Film 9b aufgebracht ist, an der vorderen Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b angebracht wird und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und die auf dem piezoelektrischen Element 1 ausgebildete Erdungselektrode 5 über die erste akustische Anpassungsschicht 2a und die zweite akustische Anpassungsschicht 2b elektrisch miteinander verbunden werden.
Operationen der wie vorstehend beschrieben konfigurierten Ultraschallsonde 10C werden nachstehend beschrieben.
Die auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 gebildete Signalelektrode 6 wird über den elektrischen Anschluss 7 für Signale elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Die auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 gebildete Erdungselektrode 5 wird auch über das leitende Element in dem Verbundmaterial der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a und den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Das andere Ende jedes Kabels wird mit einem Hauptkörperabschnitt einer Ultraschalldiagnosevorrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Daher wird die vom Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung erzeugte reguläre Impulsspannung an das piezoelektrische Element 1 angelegt, und es wird eine Ultraschallwelle ausgesendet. Zusätzlich wird ein empfangenes Echo einer Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umgewandelt und zum Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung übertragen.
In diesem Fall braucht das leitende Element der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a, von dem Einzelheiten nachstehend beschrieben werden, lediglich eine Form zu haben, welche die auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildete Erdungselektrode 5 und den leitenden Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung elektrisch verbindet. Das leitende Element ist nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. Es ist eine Konfiguration bevorzugt, bei der das leitende Element der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a ermöglicht, dass die Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 und der leitende Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung an zwei oder mehr Bereichen eines einzelnen piezoelektrischen Elements 1 elektrisch verbunden werden. Wenn die Anzahl der leitenden Elemente 20 groß ist, wird eine durch die Trennung einer Signalübertragungsleitung hervorgerufene Fehlfunktion selten, selbst wenn sowohl die Erdungselektrode 5 als auch das piezoelektrische Element 1 gebrochen sind. Es wird eine hohe Zuverlässigkeit erreicht.
Überdies besteht ein Hauptzweck des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21 der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a darin, die akustischen Impedanzen einem übereinstimmenden Zustand näher zu bringen. Wenn die dreilagige akustische Anpassungsschicht daher wie gemäß der vierten Ausführungsform bereitgestellt wird, wird der Wertebereich für die jeweiligen akustischen Impedanzen der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a, der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b und der dritten akustischen Anpassungsschicht 2c auf der Grundlage der jeweiligen angestrebten Frequenzeigenschaften ausgewählt. Beispielsweise ist in der japanischen Patentanmeldung S60-53399 ein Bereich von 12,6 bis 18,1 MRayl, ein Bereich von 3,8 bis 6,0 MRayl bzw. ein Bereich von 1,7 bis 2,4 MRayl für die akustische Impedanz der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a, der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b bzw. der dritten akustischen Anpassungsschicht 2c angegeben. In der japanischen Patentanmeldung S60-185499 ist ein Bereich von 5 bis 15 MRayl, ein Bereich von 1,9 bis 4,4 MRayl bzw. ein Bereich von 1,6 bis 2 MRayl für die akustische Impedanz der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a, der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b bzw. der dritten akustischen Anpassungsschicht 2c angegeben. Überdies ist in der japanischen Patentanmeldung 2003-125494 19,7 MRayl, 7,4 MRayl bzw. 2,44 MRayl für die akustische Impedanz der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a, der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b bzw. der dritten akustischen Anpassungsschicht 2c angegeben. Daher wird ein Material mit einem akustischen Impedanzwert innerhalb eines Bereichs von etwa 5 bis 20 MRayl für die erste akustische Anpassungsschicht 2a in der dreilagigen akustischen Anpassungsschicht verwendet. Wenn die Anzahl der Lagen in der akustischen Anpassungsschicht zunimmt, können ein breiteres Band der Frequenzkennlinie und eine höhere Empfindlichkeit erreicht werden. Zumindest kann mit der dreilagigen akustischen Anpassungsschicht ein breiteres Frequenzband erreicht werden als bei der zweilagigen akustischen Anpassungsschicht.
Als ein Beispiel jeder durch das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a, die durch das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements gebildet ist, gebildeten gekoppelten Struktur kann die 1-3-Struktur oder die 2-2-Struktur, die in den 3C und 3D dargestellt sind und gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben wurden, oder die vorstehend beschriebene 3-1-Struktur verwendet werden.
Für das leitende Element 20 der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a werden ein Metall, wie Kupfer, Aluminium, Silber, Gold und Nickel, ein hochpolymeres Material, bei dem beispielsweise ein Metall, wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium, oder Kohlenstoffpulver mit einer hochpolymeren Verbindung, wie Epoxidharz, kombiniert ist und leitfähig gemacht ist, Graphit, Kohlenstoff und dergleichen verwendet. Für das isolierende Element oder halbleitende Element 21 der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a werden eine Keramik, wie Glas, Kristallglas, Epoxidharz mit einer hohen Konzentration von Wolframpulver, Bleiniobatkeramik, eine bearbeitbare Keramik (Automatenkeramik), einkristallines oder polykristallines Silicium, Quarzkristall und Bariumtitanat und dergleichen verwendet.
Das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 können auch aus anderen Materialien als den vorstehend beschriebenen bestehen, solange das Material die Aufgaben der vorliegenden Erfindung lösen kann. Die akustischen Impedanzen der Verbundmaterialien mit der gekoppelten 1-3-Struktur, der gekoppelten 2-2-Struktur und der gekoppelten 3-1-Struktur, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, sind durch jeweilige Volumenanteile bestimmt, wie gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde. Beispielsweise kann ähnlich wie bei der Graphik in 2C gemäß der zweiten Ausführungsform ein gewünschter Wert innerhalb eines Bereichs von 15,3 und 38 MRayl für die akustische Impedanz des Verbundmaterials erhalten werden, indem der Volumenanteil beliebig gewählt wird, wenn Silber mit einem akustischen Impedanzwert von 38 MRayl als das leitende Element 20 verwendet wird und ein X-geschnittener Quarzkristall mit einem akustischen Impedanzwert von 15,3 MRayl als das isolierende Element 21 verwendet wird. In Bezug auf die akustische Impedanz innerhalb dieses Bereichs ist ein Volumenanteil vorhanden, der einen Bereich von 5 bis 20 MRayl hat, wobei es sich um einen Wertebereich handelt, der für die erste akustische Anpassungsschicht 2a von der dreilagigen akustischen Anpassungsschicht benötigt wird. Ein innerhalb dieses Bereichs erzeugtes Material stellt eine Funktion als die erste akustische Anpassungsschicht 2a bereit. Als eine andere von der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a gemäß der vierten Ausführungsform bereitgestellte Funktion wird eine Konfiguration erreicht, bei der die leitenden Elemente 20 in der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a die Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 und das leitende Element des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung elektrisch verbinden können. Daher wird eine Konfiguration verwendet, bei der der elektrische Anschluss herausgeführt werden kann.
Wenn die gekoppelte Struktur die 1-3-Struktur, die 2-2-Struktur und die 3-1-Struktur ist, liegt der akustische Impedanzwert innerhalb des Bereichs der jeweiligen akustischen Impedanzen der zwei Materialtypen. Ein Material mit einer gewünschten akustischen Impedanz kann erhalten werden, indem der Volumenanteil jedes Materials geändert wird. Gemäß der vierten Ausführungsform wird eine erste akustische Anpassungsschicht 2a mit einer durch das leitende Element 20 gebildeten gekoppelten Struktur und dem isolierenden Element oder halbleitenden Element 21 beschrieben. Ähnliche Wirkungen können jedoch klar auch erreicht werden, wenn zwei oder mehr Typen von Materialien für das leitende Element 20 und Materialien für das isolierende Element oder halbleitende Element 21 verwendet werden. Die gekoppelte Struktur ist nicht auf jene beschränkt, die jeweils einen Materialtyp oder mit anderen Worten insgesamt zwei Materialtypen aufweist.
Um zu ermöglichen, dass das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, mit der gekoppelten 1-3-Struktur, der gekoppelten 2-2-Struktur oder der gekoppelten 3-1-Struktur als die erste akustische Anpassungsschicht 2a wirkt, werden die Breite und das Anordnungsintervall der leitenden Elemente 20 so festgelegt, dass das Verbundmaterial die Ultraschallwellen integral übertragen kann. Wenn der Volumenanteil des leitenden Elements 20 klein ist, brauchen die Breite und das Anordnungsintervall der leitenden Elemente 20 nicht berücksichtigt zu werden. Das für das leitende Element 20 verwendete Material kann hauptsächlich auf der Grundlage seiner elektrischen Verbindungsfunktion ausgewählt werden.
Wie in 4A dargestellt ist, wird eine Konfiguration verwendet, bei der die dritte akustische Anpassungsschicht 2c nicht entsprechend den piezoelektrischen Elementen 1 unterteilt ist. Ähnliche Wirkungen können jedoch natürlich auch bei einer Konfiguration erreicht werden, bei der die dritte akustische Anpassungsschicht 2c unterteilt ist. Daher ist die Konfiguration nicht auf die in 4A dargestellte beschränkt.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können dadurch, dass das Verbundmaterial, bei dem das leitende Element und das isolierende Element oder das halbleitende Element kombiniert sind, als die auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der piezoelektrischen Elemente bereitgestellte akustische Anpassungsschicht verwendet wird, die akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht auf einen gewünschten Wert gelegt werden und das Frequenzband verbreitert werden. Dadurch kann ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten werden. Weil überdies der elektrische Anschluss aus dem in dem Verbundmaterial enthaltenen leitenden Element herausgeführt werden kann, kann eine Ultraschallsonde erreicht werden, die sehr zuverlässig ist und ausgezeichnete Betriebseigenschaften aufweist.
Wenngleich gemäß der vierten Ausführungsform eine Säulenform für die leitenden Elemente 20 in der gekoppelten 1-3- Struktur verwendet wird, können ähnliche Wirkungen selbst dann erreicht werden, wenn andere Formen, wie eine rechteckige Säule oder eine Kugel, verwendet werden. Ähnliche Wirkungen können auch bei einer Konfiguration erreicht werden, bei der eine konische Form in der Art eines in Z-Richtung gebildeten Kegels für die leitenden Elemente 20 in der gekoppelten 1-3-Struktur verwendet wird und sich die akustische Impedanz in Bezug auf die Dicke in Z-Richtung kontinuierlich ändert.
Gemäß der vierten Ausführungsform wird der Fall beschrieben, in dem die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in der gekoppelten 2-2-Struktur mit gleichmäßigen Breiten in Z-Richtung gebildet sind. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei einer Konfiguration erreicht werden, bei der sich die Breite der Elemente in Z-Richtung kontinuierlich ändert, wodurch eine so genannte Keilform gebildet wird, und sich die akustische Impedanz in Bezug auf die Dicke in Z-Richtung kontinuierlich ändert.
Gemäß der vierten Ausführungsform wird der Fall beschrieben, in dem die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in der gekoppelten 1-3-Struktur, der gekoppelten 2-2-Struktur und der gekoppelten 3-1-Struktur abwechselnd in fast gleichen Intervallen angeordnet sind. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei zufälligen Intervallen oder bei einer zufälligen Anordnung erreicht werden. Überdies wird gemäß der vierten Ausführungsform eine Konfiguration beschrieben, bei der für den Austausch elektrischer Signale mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 der elektrische Anschluss 9 für die Erdung auf der vorderen Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a bereitgestellt ist, wobei sich die erste akustische Anpassungsschicht 2a zwischen dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung und der Erdungselektrode 5 befindet. Stattdessen können jedoch ähnliche Wirkungen durch eine Konfiguration erreicht werden, bei der das leitende Element durch Sputtern, Plattieren, Drucken oder dergleichen auf beiden Flächen oder auf einer Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a in Z-Richtung gebildet ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung mit diesem Bereich verbunden ist.
Gemäß der vierten Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1 eindimensional angeordnet ist. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei einer Konfiguration erreicht werden, die eine so genannte zweidimensionale Anordnung ist, bei der die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1 zweidimensional angeordnet ist. Überdies wird gemäß der vierten Ausführungsform der Fall beschrieben, in dem zwei Typen von leitenden Elementen und den isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen verwendet werden. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch erreicht werden, wenn zwei oder mehr Materialtypen verwendet werden, wie zwei Typen leitender Elemente und ein bis drei Typen isolierender Elemente.
Gemäß der vierten Ausführungsform ist die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5. Der elektrische Anschluss 9 für die Erdung ist auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Erdungselektrode 5 angeordnet. Die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ist die Signalelektrode 6, und der elektrische Anschluss 7 für Signale steht in Kontakt mit der Signalelektrode 6. Die Ultraschallwellen können jedoch im Prinzip selbst dann ausgesendet und empfangen werden, wenn stattdessen die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Signalelektrode 6 ist, der elektrische Anschluss 7 für Signale auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Signalelektrode 6 liegt, die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5 ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung in Kontakt mit der Erdungselektrode 5 steht.
<Fünfte Ausführungsform>
Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 5A ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Teil davon ein Schnittbild ist. 5B ist eine Schnittansicht der in 5A dargestellten Ultraschallsonde, wobei ein entlang einer Y-Z-Ebene genommener Querschnitt aus drei in 5A dargestellten Richtungen X, Y und Z aus der X-Richtung betrachtet ist.
Eine in den 5A und 5B dargestellte Ultraschallsonde 10E umfasst die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1, die in X-Richtung von den in 5A dargestellten Richtungen X, Y und Z angeordnet sind, die akustischen Anpassungsschichten 2, einschließlich einer Mehrzahl von ersten akustischen Anpassungsschichten 2a, die in Z-Richtung auf die vordere Fläche laminiert sind, wobei es sich um die jedem piezoelektrischen Element 1 entsprechende dem Untersuchungsobjekt zugewandte Seite handelt, eine Mehrzahl von zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b und eine dritte akustische Anpassungsschicht 2c, die in geteilter Weise auf die zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b laminiert ist, das bei Bedarf auf der hinteren Fläche der piezoelektrischen Elemente 1 bereitgestellte Trägermaterial 3, die auch bei Bedarf auf der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 (2a, 2b und 2c) bereitgestellte akustische Linse 4, die Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen 7 für Signale, die zwischen die piezoelektrischen Elemente 1 und das Trägermaterial 3 eingefügt sind, und den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung, der zwischen der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b und der dritten akustischen Anpassungsschicht 2c eingefügt ist. Jeweilige Funktionen dieser Bestandteile ähneln den Funktionen der Elemente, die eine herkömmliche Ultraschallsonde bilden.
Gemäß der fünften Ausführungsform sind die Laminationsstrukturen der piezoelektrischen Elemente 1, der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a und der dritten akustischen Anpassungsschicht 2c die gleichen wie bei der vierten Ausführungsform. Wesentliche Unterschiede bestehen darin, dass ein leitendes Element oder, ähnlich den ersten akustischen Anpassungsschichten 2a, ein Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder des halbleitenden Elements, in den zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b verwendet wird und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung auf der oberen Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b bereitgestellt wird. Beim elektrischen Anschluss 9 für die Erdung wird der Metallfilm 9b aus Kupfer oder dergleichen auf die eine Hauptfläche des Isolierfilms 9a aufgebracht, die aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, besteht. Durch eine solche Konfiguration können der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und die auf den piezoelektrischen Elementen 1 gebildete Erdungselektrode 5 über die ersten akustischen Anpassungsschichten 2a und die zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b elektrisch verbunden werden.
Wenn das Verbundmaterial sowohl für die ersten akustischen Anpassungsschichten 2a als auch die zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b verwendet wird, ist eine Konfiguration erforderlich, bei der zumindest die jeweiligen leitenden Elementabschnitte der akustischen Anpassungsschichten 2a und 2b elektrisch verbunden sind. Die gekoppelten Strukturen der Verbundmaterialien der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a und der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b brauchen nicht notwendigerweise gleich zu sein. Beispielsweise können die gekoppelte Struktur der ersten akustischen Anpassungsschichten 2a der 1-3-Typ sein und die gekoppelte Struktur der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b der 2-2-Typ sein. Es ist lediglich erforderlich, dass die leitenden Elementabschnitte beider akustischen Anpassungsschichten elektrisch verbunden sind, dass der elektrische Anschluss 9 für die Erdung und die auf den piezoelektrischen Elementen 1 gebildete Erdungselektrode 5 elektrisch verbunden sind und dass sie jeweils einen akustischen Impedanzwert wie eine akustische Anpassungsschicht aufweisen.
Für die zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b kann ein leitendes Element, wie Graphit, verwendet werden. Alternativ kann das Verbundmaterial, einschließlich eines leitenden Elements und eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements, verwendet werden. Wenn das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements, verwendet wird, können beispielsweise Silber mit einer akustischen Impedanz von 38 MRayl für das leitende Element 20 und Epoxidharz mit einer akustischen Impedanz von 3 MRayl für das isolierende Element 21 verwendet werden. Die akustische Impedanz kann beliebig festgelegt werden, indem die Volumenanteile geändert werden. Beispielsweise kann eine akustische Impedanz mit einem Wert in der Nähe von 6 MRayl erhalten werden. Dies ist auch mit Verbundmaterialien möglich, die eine beliebige von der gekoppelten 1-3-Struktur, der gekoppelten 2-2-Struktur und der gekoppelten 3-1-Struktur aufweisen.
Wenn andererseits gemäß der fünften Ausführungsform ein Material mit einer akustischen Impedanz von etwa 3 MRayl, wie Polyimid, für den Isolierfilm verwendet wird, der ein Basismaterial des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung ist, der an der vorderen Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b angebracht ist, weist die akustische Impedanz des Materials einen Wert zwischen jenem der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b und jenem der dritten akustischen Anpassungsschicht 2c oder einen Wert, der in der Nähe von diesem Wert liegt, auf. Daher wird die akustische Fehlanpassung beseitigt, und es werden leichter gute Frequenzeigenschaften erhalten.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können bei der Konfiguration der dreilagigen akustischen Anpassungsschicht, die auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der piezoelektrischen Elemente bereitgestellt ist, die akustischen Impedanzen sowohl der ersten als auch der zweiten akustischen Anpassungsschicht auf gewünschte Werte gelegt werden, weil das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements, für die erste und die zweite akustische Anpassungsschicht verwendet wird. Dadurch kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ermöglicht wird, dass ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten wird. Der elektrische Anschluss 9 für die Erdung kann über jedes leitende Element in der ersten und der zweiten akustischen Anpassungsschicht elektrisch mit der Erdungselektrode 5 verbunden werden. Daher kann eine Ultraschallsonde erreicht werden, die sehr zuverlässig ist und ausgezeichnete Betriebseigenschaften aufweist.
Gemäß der fünften Ausführungsform werden die ersten akustischen Anpassungsschichten 2a und die zweiten akustischen Anpassungsschichten 2b beschrieben, die gekoppelte Strukturen, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, aufweisen, die jeweils einen Materialtyp aufweisen. Ähnliche Wirkungen können jedoch klar auch erreicht werden, wenn zwei oder mehr Typen des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21 verwendet werden. Die gekoppelte Struktur ist nicht auf jene beschränkt, die einen Materialtyp jeweils als das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 aufweist.
Wenngleich gemäß der fünften Ausführungsform eine Säulenform für die leitenden Elemente in der gekoppelten 1-3-Struktur verwendet wird, können ähnliche Wirkungen selbst dann erreicht werden, wenn andere Formen, wie eine rechteckige Säule oder eine Kugel, verwendet werden. Wenngleich gemäß der fünften Ausführungsform eine Säulenform bei den leitenden Elementen 20 in der gekoppelten 1-3-Struktur verwendet wird, können ähnliche Wirkungen auch bei einer Konfiguration erreicht werden, bei der eine konische Form in der Art eines in Z-Richtung gebildeten Kegels verwendet wird und sich die akustische Impedanz in Bezug auf die Dicke in Z-Richtung kontinuierlich ändert.
Gemäß der fünften Ausführungsform wird der Fall beschrieben, in dem die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in der gekoppelten 1-3-Struktur, der gekoppelten 2-2-Struktur und der gekoppelten 3-1-Struktur abwechselnd in fast gleichen Intervallen angeordnet sind. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei zufälligen Intervallen oder bei einer zufälligen Anordnung erreicht werden.
Gemäß der fünften Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der für den Austausch elektrischer Signale mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 über jedes leitende Element 20 der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a und der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b elektrische Anschlüsse auf den vorderen Flächen der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a und der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b bereitgestellt sind. Stattdessen können jedoch ähnliche Wirkungen auch durch eine Konfiguration erreicht werden, bei der das leitende Element auf beiden Flächen oder auf einer Fläche der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b in Z-Richtung durch Sputtern, Plattieren, Drucken oder dergleichen ausgebildet ist und der elektrische Anschluss mit diesem Bereich verbunden ist.
Gemäß der fünften Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1 eindimensional angeordnet ist. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei einer Konfiguration erreicht werden, die eine so genannte zweidimensionale Anordnung ist, bei der die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 1 zweidimensional angeordnet ist.
Gemäß der fünften Ausführungsform wurde eine Ultraschallsonde beschrieben, die eine akustische Anpassungsschicht 2 mit insgesamt drei Lagen aufweist, wobei die zweite akustische Schicht 2b und die dritte akustische Anpassungsschicht 2c auf die vordere Fläche der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a laminiert sind. Ähnliche Wirkungen wie die vorstehend beschriebenen können jedoch auch durch eine Konfiguration erreicht werden, bei der die akustische Anpassungsschicht 2 erste bis n-te akustische Anpassungsschichten aufweist, wobei n eine ganze Zahl von drei oder mehr ist, und ein elektrischer Anschluss zwischen der zweiten akustischen Anpassungsschicht und der dritten akustischen Anpassungsschicht angebracht ist.
Gemäß der fünften Ausführungsform ist die Elektrode an der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5. Der elektrische Anschluss 9 für die Erdung ist auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Erdungselektrode 5 angeordnet. Die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ist die Signalelektrode 6, und der elektrische Anschluss 7 für Signale steht in Kontakt mit der Signalelektrode 6. Die Ultraschallwellen können jedoch im Prinzip selbst dann ausgesendet und empfangen werden, wenn stattdessen die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Signalelektrode 6 ist, der elektrische Anschluss 7 für Signale auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Signalelektrode 6 liegt, die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5 ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung in Kontakt mit der Erdungselektrode 5 steht.
<Sechste Ausführungsform>
6A ist eine Schnittansicht einer Konfiguration einer Ultraschallsonde gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6B ist eine Schnittansicht eines Beispiels einer Konfiguration einer akustischen Anpassungsschicht, die zu der in 6A dargestellten Ultraschallsonde gehört.
In 6A umfasst eine Ultraschallsonde 10F das plattenförmige piezoelektrische Element 1, die auf die vordere Fläche (Oberseite in 6A) des piezoelektrischen Elements 1 laminierte akustische Anpassungsschicht 2, das bei Bedarf an der hinteren Fläche (Unterseite in 6A) des piezoelektrischen Elements 1 angebrachte Trägermaterial 3 und die auch bei Bedarf an der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 angebrachte akustische Linse 4. Jeweilige Funktionen dieser Bestandteile ähneln den Funktionen der Elemente, die eine herkömmliche Ultraschallsonde bilden.
Von den Bestandteilen der Ultraschallsonde 10F besteht das piezoelektrische Element 1 aus einer piezoelektrischen Keramik in der Art eines PZT-Systems, einem piezoelektrischen Einkristall in der Art eines PZN-PT-Systems oder eines PMN-PT-Systems oder einem piezoelektrischen Verbundmaterial, das eine Kombination der piezoelektrischen Keramik, des piezoelektrischen Einkristalls und eines hochpolymeren Materials ist. Alternativ besteht das piezoelektrische Element 1 aus einem piezoelektrischen Material, einem durch PVDF dargestellten hochpolymeren Material und dergleichen. Die Erdungselektrode 5 ist auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ausgebildet. Die Signalelektrode 6 ist auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ausgebildet. Die Erdungselektrode 5 und die Signalelektrode 6 werden jeweils durch Abscheiden von Gold oder Silber, Sputtern oder Einbrennen von Silber gebildet.
Der elektrische Anschluss 7 für Signale ist zwischen der auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildeten Signalelektrode 6 und dem Trägermaterial 3 eingefügt. Bei dem elektrischen Anschluss 7 für Signale ist der Metallfilm 7b aus Kupfer oder dergleichen auf eine Hauptfläche des Isolierfilms 7a aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, aufgebracht. In diesem Fall steht die eine Hauptfläche des Isolierfilms 7a der Seite des piezoelektrischen Elements 1 gegenüber, so dass der Metallfilm 7b des elektrischen Anschlusses 7 für Signale in Kontakt mit der auf dem piezoelektrischen Element 1 ausgebildeten Signalelektrode 6 steht und der Isolierfilm 7a des elektrischen Anschlusses 7 für Signale in Kontakt mit dem Trägermaterial 3 steht. Andererseits sind auf die vordere Fläche der auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildeten Erdungselektrode 5 die akustische Anpassungsschicht 2 aus dem Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung nacheinander laminiert. Bei dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung ist der leitende Film 9b (die Dicke beträgt vorzugsweise 5 Mikrometer oder weniger, um die Wirkung auf die Eigenschaften zu minimieren) aus Kupfer oder dergleichen auf eine Hauptfläche des Isolierfilms 9a aus einem hochpolymeren Material, wie Polyimid, aufgebracht. In diesem Fall steht die eine Hauptfläche des Isolierfilms 9a der Seite der akustischen Anpassungsschicht 2 gegenüber, so dass der leitende Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung in Kontakt mit dem leitenden Element 20 in dem die akustische Anpassungsschicht 2 bildenden Verbundmaterial steht. Die akustische Linse 4, für die ein Material, wie Silikongummi, verwendet wird, ist bei Bedarf an der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 angebracht.
Operationen der wie vorstehend beschrieben konfigurierten Ultraschallsonde 10F werden nachstehend beschrieben.
Die auf dem piezoelektrischen Element 1 gebildete Signalelektrode 6 wird über den elektrischen Anschluss 7 für Signale elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Die Erdungselektrode 5 auf dem piezoelektrischen Element 1 wird auch über das leitende Element 20 in dem Verbundmaterial der akustischen Anpassungsschicht 2 und den elektrischen Anschluss 9 für die Erdung elektrisch mit einem Ende eines Kabels (nicht dargestellt) verbunden. Das andere Ende jedes Kabels wird mit einem Hauptkörperabschnitt einer Ultraschalldiagnosevorrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Daher wird die vom Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung erzeugte reguläre Impulsspannung an das piezoelektrische Element 1 angelegt, und es wird eine Ultraschallwelle ausgesendet. Zusätzlich wird ein empfangenes Echo einer Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umgewandelt und zum Hauptkörperabschnitt der Ultraschalldiagnosevorrichtung übertragen.
In 6B wird für die durch das Verbundmaterial, einschließlich der leitenden Elemente 20 und der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21, gebildete akustische Anpassungsschicht 2 ein Material gewählt, dessen akustische Impedanz zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 1 und der akustischen Impedanz des Untersuchungsobjekts (in der Art eines lebenden Körpers) liegt. Es wird eine Konfiguration verwendet, bei der sich die Form (das Volumen) der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 kontinuierlich in Bezug auf die Dickenrichtung (vertikale Richtung in 6B) ändert. In 6B wird eine Form verwendet, bei der das Volumen auf der Unterseite groß ist und zur Oberseite hin abnimmt (in der Art einer konischen Form, einer dreieckigen Pyramide und einer rechteckigen Pyramide). Das leitende Element 20 füllt die Zwischenräume zwischen den isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21. Wenn beispielsweise ein Material, das einen größeren akustischen Impedanzwert aufweist als das leitende Element 20, für das isolierende Element oder halbleitende Element 21 in 6B verwendet wird, ist die akustische Impedanz auf der Unterseite am größten, weil das Volumen groß ist. Das Volumen des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21 nimmt zur Oberseite hin allmählich ab, und das Volumen des leitenden Elements 20 nimmt zu. Dadurch nimmt die akustische Impedanz allmählich ab. Mit anderen Worten wird eine Konfiguration verwendet, bei der sich die akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht 2 in vertikaler Richtung kontinuierlich ändert. Wenn bei der Konfiguration in 6A die akustische Impedanz auf der Unterseite in 6A groß ist und zur Oberseite hin allmählich abnimmt, ist eine Konfiguration natürlich, bei der die Seite des piezoelektrischen Elements 1 die Unterseite ist und die dem Untersuchungsobjekt zugewandte Seite die Oberseite ist.
Weil eine Konfiguration verwendet wird, bei der sich die Form der akustischen Anpassungsschicht 2 in Dickenrichtung auf diese Weise kontinuierlich ändert, hat die akustische Anpassungsschicht 2 eine Eigenschaft, bei der sich die akustische Impedanz in Bezug auf die Dickenrichtung (eine Richtung vom piezoelektrischen Element 1 zum Untersuchungsobjekt) kontinuierlich ändert. An einem Abschnitt der akustischen Anpassungsschicht 2, der sich auf der der Erdungselektrode 5 zugewandten Seite des piezoelektrischen Elements 1 befindet, weist die akustische Impedanz einen großen Wert in der Nähe der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 1 auf. Die akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht 2 an einem Abschnitt, der sich auf der Seite des Untersuchungsobjekts befindet (der Oberseite in 6A), weist einen Wert in der Nähe der akustischen Impedanz des Untersuchungsobjekts auf. Weil die akustische Anpassungsschicht 2 verwendet wird, bei der die akustische Impedanz auf diese Weise ein kontinuierlicher Gradient ist, kann das Frequenzband verbreitert werden. Weil überdies die Dicke der akustischen Anpassungsschicht 2 nicht von der Frequenz abhängt, kann die akustische Anpassungsschicht 2 als eine akustische Anpassungsschicht wirken, wenn die Dicke in etwa die Hälfte der Wellenlänge bei der Mittenfrequenz beträgt oder größer ist. Die Frequenzkennlinie hat nur eine geringe Korrelation mit der Dicke.
Es wird eine Konfiguration verwendet, bei der die leitenden Elemente 20 der akustischen Anpassungsschicht 2 elektrisch mit einer Elektrode des piezoelektrischen Elements 1 verbunden sind. Der leitende Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung steht in Kontakt mit der Außenfläche der leitenden Elemente 20, und der leitende Film 9b und die leitenden Elemente 20 sind elektrisch verbunden. Signale werden von dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung empfangen und darüber ausgesendet. Als eine gekoppelte Struktur von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 und leitenden Elementen 20 der akustischen Anpassungsschicht 2 sind die gekoppelte 2-2-Struktur, die gekoppelte 1-3-Struktur und die gekoppelte 3-1-Struktur bevorzugt, die gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben wurden. Beispielsweise kann eine Eigenschaft erreicht werden, bei der die akustische Impedanz in einem Abschnitt, in dem der Volumenanteil des Siliciumeinkristalls fast 100 beträgt, 19,7 MRayl beträgt, wenn ein Siliciumeinkristall mit einer akustischen Impedanz von etwa 19,7 MRayl als ein Halbleiter verwendet wird, der als das isolierende Element oder halbleitende Element 21 dient, und ein leitender Klebstoff Echobond 56C (Emerson and Cummings, Inc.) mit einer akustischen Impedanz von etwa 6,5 MRayl als das leitende Element 20 verwendet wird. Wenn der Volumenanteil des Siliciumeinkristalls allmählich abnimmt und der Volumenanteil des leitenden Klebstoffs allmählich zunimmt, wird die akustische Impedanz näher zu 6,5 MRayl.
Hier werden für das isolierende Element oder halbleitende Element 21 der akustischen Anpassungsschicht 2 eine Keramik, wie Glas, Kristallglas, Epoxidharz mit einer hohen Konzentration von Wolframpulver, Bleiniobatkeramik, eine bearbeitbare Keramik (Automatenkeramik), einkristallines oder polykristallines Silicium, Quarzkristall und Bariumtitanat und dergleichen verwendet. Für das leitende Element 20 der akustischen Anpassungsschicht 2 werden ein metallisches Material, wie Graphit, mit einem Metall, wie Kupfer, gefüllter Graphit, Kupfer, Aluminium, Silber, Gold und Nickel, ein hochpolymeres Material, in dem beispielsweise ein Metall, wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium, oder Kohlenstoffpulver mit einer hochpolymeren Verbindung, wie Epoxidharz, kombiniert ist und leitfähig gemacht ist, Kohlenstoff und dergleichen verwendet. Das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 sind nicht auf die vorstehend beschriebenen Materialien beschränkt. Es können auch andere Materialien verwendet werden, solange sie eine ähnliche akustische Impedanz wie die vorstehend beschriebenen Materialien aufweisen.
Dadurch, dass das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements, als die auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite des piezoelektrischen Elements als die akustische Anpassungsschicht bereitgestellt wird, kann die gewünschte akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht ein kontinuierlicher Gradient sein. Dadurch kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ermöglicht wird, dass ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten wird. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen des piezoelektrischen Elements durch die leitenden Elemente in der akustischen Anpassungsschicht aus dem Verbundmaterial verbunden werden. Daher kann eine Ultraschallsonde erreicht werden, die sehr zuverlässig ist und ausgezeichnete Betriebseigenschaften aufweist.
Gemäß der beschriebenen sechsten Ausführungsform sind die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 abwechselnd in fast gleichen Intervallen angeordnet, wie in 6B dargestellt ist. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei zufälligen Intervallen oder bei einer zufälligen Anordnung erreicht werden.
Gemäß der sechsten Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der für den Austausch elektrischer Signale mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 der elektrische Anschluss 9 für die Erdung auf der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 bereitgestellt ist, wobei sich die akustische Anpassungsschicht 2 zwischen dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung und der Erdungselektrode 5 befindet. Stattdessen können ähnliche Wirkungen jedoch auch durch eine Konfiguration erreicht werden, bei der das leitende Element in Z-Richtung durch Sputtern, Plattieren, Drucken oder dergleichen auf beiden Flächen oder auf einer Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 gebildet ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung mit diesem Bereich verbunden ist.
Gemäß der sechsten Ausführungsform wird als die akustische Anpassungsschicht 2 eine gekoppelte Struktur verwendet, welche das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 aufweist, die jeweils aus einem Materialtyp bestehen. Ähnliche Wirkungen können jedoch klar selbst dann erreicht werden, wenn mindestens eines von dem leitenden Element 20 und dem isolierenden Element oder halbleitenden Element 21 aus zwei oder mehr Materialtypen besteht. Die Struktur ist nicht auf eine gekoppelte Struktur beschränkt, die einen Materialtyp für jedes Element aufweist.
Gemäß der sechsten Ausführungsform ist die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5. Der elektrische Anschluss 9 für die Erdung ist auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Erdungselektrode 5 angeordnet. Die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ist die Signalelektrode 6, und der elektrische Anschluss 7 für Signale steht in Kontakt mit der Signalelektrode 6. Die Ultraschallwellen können jedoch im Prinzip selbst dann ausgesendet und empfangen werden, wenn stattdessen die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Signalelektrode 6 ist, der elektrische Anschluss 7 für Signale auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Signalelektrode 6 liegt, die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5 ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung in Kontakt mit der Erdungselektrode 5 steht.
<Siebte Ausführungsform>
7A ist eine Schnittansicht einer Konfiguration einer akustischen Anpassungsschicht, die zu einer Ultraschallsonde gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehört. Eine Grobschnittansicht der Ultraschallsonde gleicht der in 6A beschriebenen gemäß der sechsten Ausführungsform, abgesehen von einem Unterschied in der Konfiguration der akustischen Anpassungsschicht 2. Daher wird die Ultraschallsonde mit Bezug auf 6A beschrieben. Der Abschnitt der akustischen Anpassungs schicht 2 wird mit Bezug auf 7A beschrieben.
In 6A weist die Ultraschallsonde 10F das plattenförmige piezoelektrische Element 1, die auf die vordere Fläche (Oberseite in 6A) des piezoelektrischen Elements 1 laminierte akustische Anpassungsschicht 2, das bei Bedarf an der hinteren Fläche (Unterseite in 6A) des piezoelektrischen Elements 1 angebrachte Material 3 der hinteren Fläche und die auch bei Bedarf an der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 angebrachte akustische Linse 4 auf. Jeweilige Funktionen dieser Bestandteile ähneln den Funktionen der Elemente, die eine herkömmliche Ultraschallsonde bilden. Bestandteile und Operationen der Ultraschallsonde 10F werden gemäß der sechsten Ausführungsform beschrieben. Daher wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
In 7A wird für die durch das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21, gebildete akustische Anpassungsschicht 2 ein Material mit einer akustischen Impedanz gewählt, die zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 1 und der akustischen Impedanz des Untersuchungsobjekts (in der Art eines lebenden Körpers) liegt. Es wird eine Konfiguration verwendet, bei der sich die Form (Volumenanteil) des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21 in Stufen in Bezug auf die Dickenrichtung (die vertikale Richtung in 7A), wobei die Breite beispielsweise in 7A zwei Stufen aufweist, variabel ändert. Es wird eine Form verwendet, bei der eine untere Stufe (T1-Bereich) eine große Breite aufweist und die Breite an einer oberen Stufe (T2-Bereich) abnimmt. Das leitende Element 20 füllt die Zwischenräume zwischen den isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21. Wenn das isolierende Element oder halbleitende Element 21 beispielsweise ein Material ist, das einen größeren akustischen Impedanzwert aufweist als das leitende Element 20, wird der akustische Impedanzwert groß, weil die Breite im T1-Bereich groß ist. Die Breite im T2-Bereich wird gering. Andererseits wird die Breite des leitenden Elements 20 das Gegenteil. Die akustische Impedanz gelangt näher an die jeweilige akustische Impedanz des Elements mit der größeren Breite (Volumen). Die akustische Impedanz kann durch die Volumenanteile des leitenden Elements 20 und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements 21 in den T1- und T2-Bereichen in Stufen geändert werden. Daher wird bei einer in 7A dargestellten zweistufigen Konfiguration eine zweilagige akustische Anpassungsschicht gebildet. Die jeweiligen Dicken von T1 und T2 werden auf der Grundlage der Dicke von einer Viertelwellenlänge natürlich festgelegt.
Wie in 6A dargestellt ist, wird eine Konfiguration verwendet, bei der die leitenden Elemente 20 der akustischen Anpassungsschicht 2 mit einer Elektrode des piezoelektrischen Elements 1 elektrisch verbunden sind. Der leitende Film 9b des elektrischen Anschlusses 9 für die Erdung steht in Kontakt mit der Außenfläche der leitenden Elemente 20, und der leitende Film 9b und die leitenden Elemente 20 sind elektrisch verbunden. Signale werden von dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung empfangen und ausgesendet. Als eine gekoppelte Struktur der leitenden Elemente 20 und der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in der in 7A dargestellten akustischen Anpassungsschicht 2 sind gemäß der zweiten Ausführungsform die gekoppelte 2-2-Struktur, die gekoppelte 1-3-Struktur und die gekoppelte 3-1-Struktur bevorzugt.
Weil das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements, als die akustische Anpassungsschicht auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite des piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist, wie zuvor beschrieben wurde, kann die gewünschte akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht in Stufen geändert werden. Dadurch kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten werden kann. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen des piezoelektrischen Elements durch die leitenden Elemente in der akustischen Anpassungsschicht aus dem Verbundmaterial verbunden sein. Daher kann eine Ultraschallsonde erreicht werden, die sehr zuverlässig ist und ausgezeichnete Betriebseigenschaften aufweist.
Gemäß der beschriebenen siebten Ausführungsform sind die leitenden Elemente 20 und die isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 abwechselnd in fast gleichen Intervallen angeordnet, wie in 7A dargestellt ist. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei zufälligen Intervallen oder bei einer zufälligen Anordnung erreicht werden.
Gemäß der siebten Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der für den Austausch elektrischer Signale mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 der elektrische Anschluss 9 für die Erdung auf der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 bereitgestellt ist, wobei sich die akustische Anpassungsschicht 2 zwischen dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung und der Erdungselektrode 5 befindet. Stattdessen können ähnliche Wirkungen jedoch auch durch eine Konfiguration erreicht werden, bei der das leitende Element in Z-Richtung durch Sputtern, Plattieren, Drucken oder dergleichen auf beiden Flächen oder auf einer Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2 gebildet ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung mit diesem Bereich verbunden ist.
Gemäß der siebten Ausführungsform wird als die akustische Anpassungsschicht 2 eine gekoppelte Struktur verwendet, welche das leitende Element 20 und das isolierende Element oder halbleitende Element 21 aufweist, die jeweils aus einem Materialtyp bestehen. Ähnliche Wirkungen können jedoch klar selbst dann erreicht werden, wenn mindestens eines von dem leitenden Element 20 und dem isolierenden Element oder halbleitenden Element 21 aus zwei oder mehr Materialtypen besteht. Die Struktur ist nicht auf eine gekoppelte Struktur beschränkt, die einen Materialtyp für jedes Element aufweist.
Gemäß der siebten Ausführungsform ist die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5. Der elektrische Anschluss 9 für die Erdung ist auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Erdungselektrode 5 angeordnet. Die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 ist die Signalelektrode 6, und der elektrische Anschluss 7 für Signale steht in Kontakt mit der Signalelektrode 6. Die Ultraschallwellen können jedoch im Prinzip selbst dann ausgesendet und empfangen werden, wenn stattdessen die Elektrode auf der vorderen Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Signalelektrode 6 ist, der elektrische Anschluss 7 für Signale auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite der Signalelektrode 6 liegt, die Elektrode auf der hinteren Fläche des piezoelektrischen Elements 1 die Erdungselektrode 5 ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung in Kontakt mit der Erdungselektrode 5 steht.
Ein anderes Konfigurationsbeispiel der akustischen Anpassungsschicht 2 gemäß der siebten Ausführungsform ist in 7B dargestellt. Die in 7A dargestellten zweilagigen akustischen Anpassungsschichten T1 und T2 sind in der in 7B dargestellten akustischen Anpassungsschicht 2 konfiguriert. Das leitende Element 20 belegt jedoch in 7B 100% der Dicke des T1-Dickenbereichs. Ein Element in der Art eines isolierenden oder halbleitenden Elements, das einen akustischen Impedanzwert aufweist, der sich von jenem des leitenden Elements 20 unterscheidet, ist mit einem beliebigen Volumenanteil im T2-Dickenbereich bereitgestellt. Beispielsweise ist eine erste akustische Anpassungsschicht durch ein Material gebildet, das mit einem Metallpulver, wie Kupfer- oder Silberpulver, gefüllter Graphit ist, welcher als das leitende Element 20 verwendet wird, wobei die akustische Impedanz einen Wert von 6 bis 16 MRayl aufweist und das leitende Element 20 100% der Dicke T1 belegt. In dem T2-Dickenbereich sind Rillen an dem leitenden Element 20 ausgebildet, so dass eine gewünschte akustische Impedanz erhalten ist. Eine zweite akustische Anpassungsschicht ist durch ein Material mit einer geringen akustischen Impedanz (1 bis 3 MRayl), wie Epoxidharz, Urethan oder Silikongummi, welches als das die Rillen füllende isolierende Element dient, gebildet. Die akustische Impedanz der Dicke T2 wird auf der Grundlage der Volumenanteile des leitenden Elements 20 und des isolierenden oder halbleitenden Elements 21 erhalten. Dadurch, dass eine derartige Konfiguration verwendet wird, können ähnliche Wirkungen wie gemäß der in 7A dargestellten Ausführungsform erhalten werden, weil das leitende Element 20 in Dickenrichtung von T1 und T2 verbunden ist. In 7B wird eine Konfiguration für eine zweilagige akustische Anpassungsschicht beschrieben. Es kann jedoch auch eine akustische Anpassungsschicht mit zwei oder mehr Lagen oder mit anderen Worten drei oder mehr Lagen konfiguriert werden. Die akustische Anpassungsschicht ist nicht auf eine zweilagige akustische Anpassungsschicht beschränkt.
<Achte Ausführungsform>
8 ist eine Schnittansicht einer Konfiguration einer akustischen Anpassungsschicht, die zu einer Ultraschallsonde gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehört. Eine Grobschnittansicht der Ultraschallsonde gleicht der in 2A beschriebenen gemäß der zweiten Ausführungsform, abgesehen von einem Unterschied in der Konfiguration der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a. Daher wird die Ultraschallsonde mit Bezug auf 2A beschrieben. Der Abschnitt der ersten akustischen Anpassungsschicht wird mit Bezug auf 8 beschrieben.
In 2A umfasst die Ultraschallsonde 10B das plattenförmige piezoelektrische Element 1, die auf die vordere Fläche (Oberseite in 2A) des piezoelektrischen Elements 1 laminierte zweilagige akustische Anpassungsschicht 2 (2a und 2b), das bei Bedarf an der hinteren Fläche (Unterseite in 2A) des piezoelektrischen Elements 1 angebrachte Trägermaterial 3 und die auch bei Bedarf an der vorderen Fläche der akustischen Anpassungs schicht 2 (2a und 2b) angebrachte akustische Linse 4. Jeweilige Funktionen dieser Bestandteile ähneln den Funktionen der Elemente, die eine herkömmliche Ultraschallsonde bilden. Bestandteile und Operationen der Ultraschallsonde 10B wurden gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. Daher wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
Für die durch ein Verbundmaterial, einschließlich eines leitenden Elements und eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements, gebildete erste akustische Anpassungsschicht 2a wird ein Material gewählt, so dass die akustische Impedanz der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a ein Zwischenwert zwischen den jeweiligen akustischen Impedanzen des piezoelektrischen Elements 1 und der zweiten akustischen Anpassungsschicht 2b ist. In 8 ist ein Konfigurationsbeispiel des leitenden Elements und einer Mehrzahl von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a dargestellt. In 8 ist die Richtung, in der die Ultraschallwellen zu dem Untersuchungsobjekt ausgesendet werden, die Z-Richtung. Die beiden Richtungen senkrecht zur Z-Richtung sind die X-Richtung und die Y-Richtung.
Die in 8 dargestellte erste akustische Anpassungsschicht 2a ist eine gekoppelte Struktur, in der die leitenden Elemente 20 und die Mehrzahl von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 in X-Richtung abwechselnd angeordnet sind. Hier sind zwei Typen isolierender Elemente oder halbleitender Elemente 21 bereitgestellt. Die leitenden Elemente 20 sind zumindest in Z-Richtung verbunden. Bei der Konfiguration in 8 ist die Breite (das Volumen) der leitenden Elemente 20 erheb lich geringer als die Breite (das Volumen) der zwei Typen von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21.
Bei der Konfiguration kann die akustische Impedanz der ersten akustischen Anpassungsschicht 2a beliebig festgelegt werden, indem die Volumenanteile (Breite in X-Richtung in 8) der zwei Typen von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 geändert werden. Das leitende Element 20 hat einen erheblich kleineren Wert oder mit anderen Worten eine erheblich geringere Breite in X-Richtung in 8 als der Volumenanteil der zwei Typen von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21. Das leitende Element 20 trägt wenig zu den Variationen der akustischen Impedanz bei. Beispielsweise werden ein Siliciumeinkristall und Epoxidharz als die zwei Typen von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 verwendet, und die jeweiligen Breiten in X-Richtung sind 0,1 Millimeter. Ein Siliciumeinkristall oder Epoxidharz, auf dessen Seitenfläche Kupfer, Silber, Gold oder dergleichen durch ein Verfahren, wie Plattieren oder Sputtern, gebildet ist, wird als das leitende Element 20 verwendet, und die Breite beträgt 0,002 Millimeter. Der Prozentsatz der Breite des leitenden Elements 20 innerhalb der Gesamtbreite der zwei Typen von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 und des leitenden Elements 20 beträgt etwa 1 Der Beitrag zu den Variationen der akustischen Impedanz ist sehr klein. Daher ist die vom leitenden Element 20 bereitgestellte Funktion hauptsächlich die elektrische Verbindung von der Elektrodenfläche des piezoelektrischen Elements 1. Wenn eine solche Konfiguration verwendet wird, ist die Herstellung erleichtert und wird genauer. Wenn überdies Metall als das leitende Element verwendet wird, kann der Nachteil überwunden werden, dass die Bearbeitung während der Herstellung der Ultraschallsonde schwierig ist.
Selbst wenn die Breite des leitenden Elements 20 zunimmt, kann die akustische Impedanz durch die Auswahl der Volumenanteile beliebig ausgewählt werden, indem der Prozentsatz der Breiten der drei Elementtypen, einschließlich der zwei Typen von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21, geändert wird. Daher ist die Breite des leitenden Elements nicht beschränkt.
Wie in 2A dargestellt ist, wird eine Konfiguration verwendet, bei der die leitenden Elemente 20 der akustischen Anpassungsschicht 2a mit einer Elektrode des piezoelektrischen Elements 1 elektrisch verbunden sind. Der leitende Film 9b des elektrischen Anschlusses für die Erdung steht in Kontakt mit der Außenfläche der leitenden Elemente 20, und der leitende Film 9b und die leitenden Elemente 20 sind elektrisch verbunden. Signale werden von dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung empfangen und ausgesendet.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann dadurch, dass das Verbundmaterial, einschließlich des leitenden Elements und der Mehrzahl von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen, als die akustische Anpassungsschicht auf der dem Untersuchungsobjekt zugewandten Seite des piezoelektrischen Elements bereitgestellt wird, wie vorstehend beschrieben wurde, die gewünschte akustische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht nach Wunsch geändert werden. Dadurch kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten werden kann. Der elektrische Anschluss kann an einer Mehrzahl von Bereichen des piezoelektrischen Elements durch die leitenden Elemente in der akustischen Anpassungsschicht aus dem Verbundmaterial verbunden sein. Daher kann eine Ultraschallsonde erreicht werden, die sehr zuverlässig ist und ausgezeichnete Betriebseigenschaften aufweist.
Gemäß der achten Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem die leitenden Elemente 20 und die Mehrzahl von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 in fast gleichen Intervallen abwechselnd angeordnet sind, wie in 8 dargestellt ist. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch bei zufälligen Intervallen oder bei einer zufälligen Anordnung erreicht werden.
Gemäß der achten Ausführungsform wird eine Konfiguration beschrieben, bei der für den Austausch elektrischer Signale mit der Erdungselektrode 5 des piezoelektrischen Elements 1 der elektrische Anschluss 9 für die Erdung auf der vorderen Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2a bereitgestellt ist, wobei sich die akustische Anpassungsschicht 2a zwischen dem elektrischen Anschluss 9 für die Erdung und der Erdungselektrode 5 befindet. Stattdessen können ähnliche Wirkungen jedoch auch durch eine Konfiguration erreicht werden, bei der das leitende Element in Z-Richtung durch Sputtern, Plattieren, Drucken oder dergleichen auf beiden Flächen oder auf einer Fläche der akustischen Anpassungsschicht 2a gebildet ist und der elektrische Anschluss 9 für die Erdung mit diesem Bereich verbunden ist.
Gemäß der achten Ausführungsform wird als die akustische Anpassungsschicht 2a eine gekoppelte Struktur verwendet, welche das leitende Element 20 und zwei Typen von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21, die jeweils aus einem Materialtyp bestehen, aufweist. Ähnliche Wirkungen können jedoch klar auch durch eine gekoppelte Struktur erreicht werden, welche eine Mehrzahl von leitenden Elementen 20 und isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21 oder eine Mehrzahl von Typen gebildeter gekoppelter Strukturen aufweist.
Gemäß der achten Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem die leitenden Elemente 20 und die Mehrzahl von isolierenden Elementen oder halbleitenden Elementen 21, wie in 8 dargestellt ist, mit gleichmäßigen Breiten in Z-Richtung ausgebildet sind. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch durch eine gemäß der sechsten Ausführungsform beschriebene Konfiguration erreicht werden, wobei sich die Breite der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in Z-Richtung kontinuierlich ändert, wodurch eine so genannte Keilform gebildet ist, und sich die akustische Impedanz kontinuierlich ändert. Die leitenden Elemente können auf den Seitenflächen des Gradienten gebildet werden. Alternativ können ähnliche Wirkungen durch eine Konfiguration gemäß der siebten Ausführungsform erreicht werden, wobei sich die Breite der isolierenden Elemente oder halbleitenden Elemente 21 in Stufen ändert und sich die akustische Impedanz ändert. Die leitenden Elemente 20 können auf den Seitenflächen bereitgestellt werden.
Gemäß der achten Ausführungsform wird als die erste akustische Anpassungsschicht 2a von der zweilagigen akustischen Anpassungsschicht eine gekoppelte Struktur, einschließlich des leitenden Elements 20 und zweier Typen isolierender Elemente oder halbleitender Elemente 21, die jeweils aus einem Materialtyp bestehen, verwendet. Ähnliche Wirkungen können jedoch auch erreicht werden, wenn die gekoppelte Struktur in jeder Schicht verwendet wird, wenn eine akustische Anpassungsschicht, die drei oder mehr Schichten aufweist, bereitgestellt wird.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Bei der Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Erfindung kann die akustische Impedanz der auf eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminierten akustischen Anpassungsschicht auf einen gewünschten Wert gelegt werden. Daher kann das Frequenzband verbreitert werden, wodurch ermöglicht wird, dass ein diagnostisches Bild hoher Auflösung erhalten wird. Der elektrische Anschluss kann durch die akustische Anpassungsschicht an einer Mehrzahl von Bereichen auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements verbunden werden. Daher ist die Zuverlässigkeit erhöht. Die Ultraschallsonde ist für verschiedene medizinische Gebiete geeignet, in denen eine Ultraschalldiagnose an einem Untersuchungsobjekt in der Art des menschlichen Körpers vorgenommen wird. Überdies kann die Ultraschallsonde auf industriellen Gebieten zur Ausführung einer Erkennung innerer Fehler an Materialien und Strukturen verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ultraschallsonde
Es ist eine Technologie zur Verwirklichung einer Ultraschallsonde offenbart, die ein hochauflösendes diagnostisches Bild erhalten kann und sehr zuverlässig ist. Bei der Technologie hat ein piezoelektrisches Element 1 eine vorbestimmte Dicke, ist eine Erdungselektrode auf einer Fläche in Dickenrichtung gebildet und ist eine Signalelektrode 6 auf der anderen Fläche gebildet. Wenn eine akustische Anpassungsschicht 2 auf eine Erdungselektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminiert ist, ist die akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich mindestens eines leitenden Elements 20, konfiguriert. Das leitende Element hat Abschnitte, die an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements in Schichtdickenrichtung eindringen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 07-123497 [0008]
- JP 2003-125494 [0008, 0165]
- JP 07-37107 [0008]
- JP 60-53399 [0165]
- JP 60-185499 [0165]

Claims

Ultraschallsonde mit: einem piezoelektrischen Element, bei dem eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung ausgebildet ist, und einer akustischen Anpassungsschicht, die auf eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminiert ist, wobei die akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich mindestens eines leitenden Elements, konfiguriert ist, und das leitende Element Abschnitte aufweist, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements eindringen.
Ultraschallsonde nach Anspruch 1, wobei die akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, oder ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich des isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich des leitenden Elements, konfiguriert ist.
Ultraschallsonde mit: einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen mit einer vorbestimmten Dicke, bei denen eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung gebildet ist, und welche senkrecht zur Dickenrichtung angeordnet sind, und einer Mehrzahl von akustischen Anpassungsschichten, die auf eine Elektrodenbildungsfläche der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen laminiert sind, wobei die akustische Anpassungsschicht eine erste akustische Anpassungsschicht und eine zweite akustische Anpassungsschicht aufweist, die nacheinander auf die piezoelektrischen Elemente laminiert sind, die erste akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial konfiguriert ist, das aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, gebildet ist, und das leitende Element Abschnitte aufweist, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements eindringen.
Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Verbundmaterial, welches zur akustischen Anpassungsschicht gehört, angrenzend an das piezoelektrische Element, das isolierende Element oder halbleitende Element und das leitende Element in vorbestimmten Bereichen angeordnet sind.
Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit: einem elektrischen Anschluss, der auf einen Außenflächenabschnitt der akustischen Anpassungsschicht, angrenzend an das piezoelektrische Element, laminiert ist, wobei in dem elektrischen Anschluss ein leitender Film auf eine Hauptfläche eines Isolierfilms aufgebracht ist, der elektrische Anschluss so laminiert ist, dass die eine Hauptfläche des Isolierfilms der akustischen Anpassungsschicht gegenübersteht, und der leitende Film über das zur akustischen Anpassungsschicht gehörende leitende Element elektrisch mit einer auf dem piezoelektrischen Element gebildeten Elektrode verbunden ist.
Ultraschallsonde mit: einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen mit einer vorbestimmten Dicke, bei denen eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung gebildet ist und welche senkrecht zur Dickenrichtung angeordnet sind, und einer Mehrzahl von akustischen Anpassungsschichten, die auf eine Elektrodenbildungsfläche der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen laminiert sind, wobei die akustische Anpassungsschicht eine erste bis n-te Anpassungsschicht aufweist, die nacheinander auf die piezoelektrischen Elemente laminiert sind, wobei n eine ganze Zahl von drei oder größer ist, und ein elektrischer Anschluss zwischen die erste akustische Anpassungsschicht und eine zweite akustische Anpassungsschicht eingefügt ist, zumindest die erste akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, konfiguriert ist und das leitende Element Abschnitte aufweist, die an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche der piezoelektrischen Elemente in Schichtdickenrichtung eindringen, und in dem elektrischen Anschluss ein leitender Film auf einen Isolierfilm aufgebracht ist, der elektrische Anschluss so laminiert ist, dass eine Hauptfläche des Isolierfilms der akustischen Anpassungsschicht gegenübersteht, und der leitende Film über das zur ersten akustischen Anpassungsschicht gehörende leitende Element elektrisch mit einer auf dem piezoelektrischen Element gebildeten Elektrode verbunden ist.
Ultraschallsonde mit: einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen mit einer vorbestimmten Dicke, bei denen eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung gebildet ist und welche senkrecht zur Dickenrichtung angeordnet sind, und einer Mehrzahl von akustischen Anpassungsschichten, die auf eine Elektrodenbildungsfläche der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen laminiert sind, wobei die akustische Anpassungsschicht eine erste bis n-te Anpassungsschicht aufweist, die nacheinander auf die piezoelektrischen Elemente laminiert sind, wobei n eine ganze Zahl von drei oder größer ist, und ein elektrischer Anschluss zwischen die zweite akustische Anpassungsschicht und eine dritte akustische Anpassungsschicht eingefügt ist, zumindest die erste akustische Anpassungsschicht und die zweite akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, konfiguriert sind und das leitende Element Abschnitte aufweist, die an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche der piezoelektrischen Elemente in Schichtdickenrichtung eindringen, und in dem elektrischen Anschluss ein leitender Film auf einen Isolierfilm aufgebracht ist, der elektrische Anschluss so laminiert ist, dass eine Hauptfläche des Isolierfilms der akustischen Anpassungsschicht gegenübersteht, und der leitende Film über das zur ersten akustischen Anpassungsschicht gehörende leitende Element und das zur zweiten akustischen Anpassungsschicht gehörende leitende Element elektrisch mit einer auf dem piezoelektrischen Element gebildeten Elektrode verbunden ist.
Ultraschallsonde nach Anspruch 6 oder 7, wobei in dem zur ersten akustischen Anpassungsschicht gehörenden Verbundmaterial das isolierende Element oder halbleitende Element und das leitende Element in vorbestimmten Bereichen angeordnet sind.
Ultraschallsonde nach Anspruch 7, wobei in dem zur zweiten akustischen Anpassungsschicht gehörenden Verbundmaterial das isolierende Element oder halbleitende Element und das leitende Element in vorbestimmten Bereichen angeordnet sind.
Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei, wenn die Dickenrichtung des piezoelektrischen Elements die Z-Richtung ist, die Richtung senkrecht zur Z-Richtung die X-Richtung ist und die Richtung senkrecht zur Z-Richtung und zur X-Richtung die Y-Richtung ist, das zur akustischen Anpassungsschicht gehörende Verbundmaterial eine gekoppelte Struktur aus einer gekoppelten Struktur, bei der das leitende Element nur in Z-Richtung eine Verbindung hat und in X- und Y-Richtung keine Verbindung hat und das isolierende Element oder halbleitende Element eine Verbindung in drei Richtungen X, Y und Z hat, einer gekoppelten Struktur, bei der das leitende Element eine Verbindung in zwei Richtungen Y und Z hat und das isolierende Element oder halbleitende Element eine Verbindung in zwei Richtungen Y und Z hat, und einer gekoppelten Struktur, bei der das leitende Element eine Verbindung in drei Richtungen X, Y und Z hat und das isolierende Element oder halbleitende Element eine Verbindung nur in Z-Richtung und keine Verbindung in X- und Y-Richtung hat, aufweist.
Ultraschallsonde mit: einem piezoelektrischen Element mit einer vorbestimmten Dicke, bei dem eine Elektrode auf beiden Flächen in Dickenrichtung ausgebildet ist, und einer akustischen Anpassungsschicht, die auf eine Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements laminiert ist, wobei die akustische Anpassungsschicht durch ein Verbundmaterial aus einer Mehrzahl von Materialien, einschließlich mindestens eines leitenden Elements, konfiguriert ist, das leitende Element Abschnitte aufweist, die in Schichtdickenrichtung an einer Mehrzahl von Abschnitten auf der einen Elektrodenbildungsfläche des piezoelektrischen Elements eindringen, und das leitende Element so konfiguriert ist, dass der Volumenanteil ein kontinuierlicher Gradient in Dickenrichtung ist oder sich der Volumenanteil in Stufen ändert.
Ultraschallsonde nach Anspruch 11, wobei das aus der Mehrzahl von Materialien der akustischen Anpassungsschicht gebildete Verbundmaterial durch ein Material, einschließlich eines isolierenden Elements oder halbleitenden Elements und eines leitenden Elements, konfiguriert ist.
Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das leitende Element in dem Verbundmaterial mindestens eines von Metall, einem Verbund von Metall und einem hochpolymeren Material und Carbid von Graphit aufweist.
Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei das isolierende Element oder halbleitende Element in dem Verbundmaterial mindestens eines von Glas, Keramik, Quarzkristall, einem Verbund eines organischen Polymers und Metall, und einkristallinem oder polykristallinem Silicium ist.