短轴运动型超声波探头的制作方法

专利名称：短轴运动型超声波探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种沿着压电元件组的短轴方向旋转摇动或者直线往 复移动的短轴运动型超声波探头，特别涉及一种设置在形成于压电元 件组的前面的超声波发送/接收面上的声透镜。
背景技术：
在短轴运动型超声波探头中，对作为超声波发生源的压电元件组 沿其短轴方向进行机械地扫描，并且，沿其长轴方向进行电子地扫描。 因此，短轴运动型超声波探头与例如沿着短轴方向和长轴方向的任一 方向进行电子扫描的矩阵型相比较，由于容易进行电性配线并能够获 得三维图像，因此最近引起了注意。
图5A和图5B是说明旋转摇动型的短轴运动型超声波探头的一个 现有例的图示，图5A是其长轴方向的剖面图，图5B是其短轴方向的 剖面图。
该超声波探头至少具有压电元件组l、声透镜2、以及密闭容器3。 压电元件组1由沿着作为宽度方向的长轴方向排列的多个压电元件la 构成，这里，这些元件固定在背衬件4上。背衬件4沿着长轴方向固 定在圆弧状的基台5上，因此压电元件组1沿着长轴方向形成凸起的 形状。在压电元件组1上设置有未图示的声整合层，用于计量生物体 (例如，人体的乳房)与声阻抗的整合。
声透镜2，设置在成为压电元件组1的超声波发送/接收面侧的声 整合层上，是在作为压电元件长度方向的短轴方向上具有曲率的凸透 镜。而且，声透镜2具有一对腿部2x，腿部2x覆盖压电元件组1等的 整个外侧面。这里，声透镜2由与生物体相比具有较小音速的硅树脂 形成。
在现有例的情况下，如图6所示，与声透镜2厚度最大的中央部 的超声波Pi相比，声透镜2的两端部的超声波P2的传播(行进)较快，因此，如图6所示，超声波的波面成为声透镜2的中心部最慢的曲线 W示出的弯曲面。因此，如实线所示，超声波P朝向声透镜2的中心
线A行进，根据声透镜2的曲率会聚在符号x所示的焦点距离f。因此， 提高了相对于生物体B的被检测部(疾病部)的超声波传播效率。
如图5A和图5B所示，压电元件组1和声透镜2的密闭容器3由 剖面均为凹状的容器主体(内壳)3a和覆盖容器主体3a的盖3b形成。 在容器主体3a上安装有通过电动机11、伞齿轮机构7等沿短轴方向旋 转摇动的固定台8。在固定台8上预先固定，固定有压电元件组1等的 基台5。并且，设置在压电元件组1的超声波发送/接收面侧的声透镜2 与盖3b的内壁面3bi对面，来自盖3b的超声波对于生物体B进行发 送/接收。
在密闭容器3的内部空间中，从未图示的密闭容器3的注入孔填 充例如聚丙二醇的液体t，作为防止来自压电元件组l的超声波衰减的 超声波介质。并且，在密闭容器3中未填充液体￡并且在盖3b的内壁 面3bi与压电元件组1的表面之间存在空气的情况下，超声波的衰减变 大，传播效率恶化，因此不能期望对于生物体进行正常的超声波的发 送/接收。
图5A和图5B中示出的符号10为伞齿轮7的驱动轴，10a为其轴 承，11为使固定台8自由旋转的销。
并且，伞齿轮7的驱动轴10，被收容在嵌合于密闭容器3的盖3b 的端部的外壳15内，并通过连接于电导线12的电动机11经由支架13 支承的齿轮系lla使其旋转。
参照专利文献l:日本特开2007-267817号公报、专利文献2:日 本特开2008-80093号公报、专利文献3:日本实开昭57-23599号公报、
以及非专利文献l:基础物理学，上巻，作者金原寿郎，发行人我
孙子贞次，昭和46年2月1日发行，p221 (薄透镜的公式)。 现有技术的问题
但是，在具有所述构成的现有的超声波探头中，声透镜2(凸透镜) 由硅树脂(橡胶)形成，因此超声波的传播损失较大。在这种情况下， 诊断部离生物体B的表面越近并且超声波的焦点距离f越短，声透镜2 的曲率半径就越小。因此，由于声透镜2的中心部的厚度变大，因此传播损失更大。并且有以下问题，传播损失越是增大，超声波探头的 灵敏度就越是减小。并且，当作为超声波介质的生物体B的音速(声波通过生物体内的速度，下同)为c3 (1500m/s)，由硅树脂形成的声透镜2的音速为 Cl (1000m/s)，焦点距离为f时，声透镜2的曲率半径r可以由下面的 公式(A)表示。这里，n为以生物体B为基准的声透镜的折射率，n^/c3。 并且，如果曲率半径r通过公式(A)计算出是负数，则为凸透镜，如 果是正数，则为凹透镜。r=f{l— (c3/Cl) } =f{ (n_l) /n} ... (A)从该公式(A)可以看出，焦点距离f越短，声透镜2的曲率半径 就越小。通常，在从生物体B的表面诊断其深部的情况下(焦点距离 f较长的情况下)，适合用低频率带的超声波，例如3.5MHz，在诊断生 物体表面附近的情况下(焦点距离f较短的情况下)，适合用高频率带 的超声波，例如lOMHz。并且，虽然作为超声波介质的液体￡的音速 c2 (1370m/s)也有影响，但是，通常处理为与生物体的音速C3同等。发明内容(发明要解决的技术问题) 本发明的目的在于提供一种能够抑制传播损失并能提高灵敏度的 短轴运动型超声波探头。(发明的公开)在本发明中，本发明人的着眼点为，第一，声透镜适用音速比生 物体大并且传播损失比硅树脂小的树脂，作为凹透镜。第二，如果填 充于密闭容器内的作为超声波介质的液体的音速比生物体的音速小， 则与凹透镜与生物体的音速差相比，能够使凹透镜与液体的音速差变 大，并使凹透镜的厚度减小。(解决技术问题的技术手段)本发明的短轴运动型超声波探头，包括，压电元件组，将多个压 电元件沿着作为所述压电元件宽度方向的长轴方向排列；声透镜，设 置在所述压电元件组的超声波发送/接收面侧，并且在作为所述压电元件长度方向的短轴方向上具有曲率；以及密闭容器，收容设置有所述声透镜的压电元件组，并且填充有作为超声波介质的液体；在所述压电元件组沿着所述短轴方向运动并对生物体发送/接收超声波的短轴运 动型超声波探头中，所述声透镜是由与硅树脂相比传播损失少、且与 生物体相比音速大的材料形成的凹透镜，所述凹透镜的音速C1、所述液体的音速C2、以及所述生物体的音速C3的关系构成为Cl>C3>C2。(发明的效果)根据这样的构成，由于凹透镜、液体￡、以及生物体B的各音速d、C2、 C3为dX^C2，所以与凹透镜和生物体B的音速差(Cl-C3)相比，凹透镜与液体的音速差(crc2)变大。这里，当凹透镜的曲率半径r 相同时，凹透镜与液体的音速差越大焦点距离f越短。换言之，当焦点 距离f为相同距离时，音速差越大凹透镜的曲率半径就越变大。因此， 与没有考虑音速比生物体小的液体的仅是凹透镜的厚度相比，能够减 小考虑液体的凹透镜的厚度。并且，作为声透镜的凹透镜为传播损失比硅树脂少的树脂。因此， 假设与现有的由硅树脂形成的凸透镜相比，即使Cl>c3〉c2的凹透镜的厚 度变大，也能够抑制超声波的传播损失，并能提高探头的灵敏度。 (关于实施形态)并且，在本发明中，相对于所述凹透镜的焦点距离f的曲率半径r 通过『={ (c广c2) / (Cl c2) } c3 f确定。因此，能够容易地确定 对应于焦点距离f的凹透镜的曲率半径。并且，在实施方式中，如后述，上式是基于"基础物理学，上巻，作者金原寿郎，发行人我孙子贞次，昭和46年2月1日发行，p221 (薄透镜的公式)"的(3)公式 被导出。此外，在本发明中，所述声透镜由甲基戊烯树脂形成，并且所述 液体由聚丙二醇形成。因此，声透镜的甲基戊烯树脂的音速q为 2050m/s，并且声透镜成为凹透镜2a，比生物体B的音速c3 (1500m/s) 大，通过成为凹透镜，能够适用于声透镜。并且，如后述，由于甲基 戊烯树脂的单位长度的衰减量约为0.448dB/mm/MHz，因此该衰减量比 硅树脂的约1 .OdB/mm/MHz小。并且，作为液体使用的聚丙二醇的音速C2为1370m/s，比生物体的音速C3小。因此，由于凹透镜(音速C。与液体的音速差(Cl-C2)比 凹透镜与生物体的音速差(Cl-C3)大，因此能够实现本发明的(^>(:3>02 的构成。并且，由于声透镜的甲基戊烯树脂的音速大，因此自身的超 声波的传播损失小。此外，在本发明的超声波探头中，所述压电元件组沿着短轴方向 以圆弧状旋转摇动，并且沿着短轴方向进行直线往复移动。因此，能 够充分地实现短轴运动型超声波探头的功能。


图1是说明本发明的超声波探头的一个实施方式的短轴方向剖面 图。这里是省略了用于收容电动机等的外壳的图示。图2是说明本发明的超声波探头的一个实施方式的作用的短轴方 向的示意性部分剖面图。图3是说明本发明实施方式涉及的薄透镜的作用的示意图。图4A和图4B是说明本发明的另一实施方式的图示，图4A是超声波探头的短轴方向的剖面图，图4B是声透镜的斜视图。图5A和图5B是说明旋转摇动型的短轴运动型超声波探头的现有例的图示，图5A是其长轴方向的剖面图，图5B是其短轴方向的剖面图。图6是说明使用于超声波探头的现有例中的声透镜作用的部分剖 面图。
具体实施方式
图1是说明本发明的超声波探头的一个实施方式的短轴方向剖面图。本发明的超声波探头，被构造成在其短轴方向具有既定曲率的声 透镜2设置在超声波发送/接收面侧，并且沿着其长轴方向排列的压电 元件组1收容在密闭容器3内。在密闭容器3内填充作为超声波介质 的液体￡，压电元件组1固定于在容器主体3a内旋转摇动的固定台8 上，并沿着超声波探头的短轴方向旋转摇动。并且，来自盖3b侧的超 声波对生物体B进行超声波的发送/接收。并且，在该实施方式中，声透镜2作为具有一对腿部2x的凹透镜 2a，其凹面面向生物体侧(盖侧)配置。凹透镜2a由甲基戊烯树脂(通 称TPX树脂)形成，其音速Cl为2050m/s，比生物体B内的音速c3 (1500m/s)大。并且，密闭容器3内填充的作为超声波介质的液体￡， 由聚丙二醇形成，其音速C2为1370m/s，比生物体B内的音速C3小。这里，声透镜的音速、液体的音速、以及生物体B的音速指的是 超声波通过这些物体时的音速。艮P，在本发明中，声透镜2 (凹透镜2a)、液体匸以及生物体B 的各自的音速q、 c2、 C3的关系为c户c^C2。这样，由于凹透镜2a的音 速c,比液体￡以及生物体B的音速c2、 C3大，因此，通过凹透镜2a厚 度较大的两端部并到达生物体B的超声波的行进程度，比通过厚度较 小的中央部的超声波快。因此，凸透镜同样具有与凹透镜2a的曲率相 对应的焦点距离f，超声波会聚在生物体B内中心线上。在该情况下例如，如图—2所示，凹透镜2a的凹面内填充的液体￡ 形成凸透镜2b，利用凹透镜2a与凸透镜2b在两主面之间形成成为平 行平面的堆叠透镜。在该情况下，凹透镜2a的内周曲率半径r与凸透 镜2b的外周曲率半径r相同。在图2中，为了方便，凸透镜的中心成 为点露出的平行平面。因此，如图2所示，首先，从收容在密闭容器3内的压电元件组l 发送的超声波P，由于凹透镜2a (音速d)和较慢的音速C2的液体E， 凹透镜2a的两端部的超声波P2的行进较快(超声波P2)，凹透镜2a 的中央部的超声波P,较慢。因此，直到填充了液体e的凹透镜2a的开口端面(水平面)，两端部的超声波P2比中央部的超声波Pi行进的快。其次，当经过凹透镜2a的开口端面时，凹透镜的两端部的超声波 P2和中央部的超声波P,都变成液体f中的音速c2，并且维持该超声波的 行进距离差，以同一速度行进。最后，从图l所示的盖3b的表面起， 维持该行进距离差，超声波P以与音速C3相同的速度行进穿过生物体 B的内部。并且，超声波以基于凹透镜2a的曲率半径r而决定的焦点 距离f，会聚在生物体B内。根据本发明这样的构成，声透镜2 (凹透镜2a)是由与硅树脂相 比超声波的衰减较小的树脂形成。因此，即使凹透镜2a的厚度比使用了现有硅树脂的凸透镜大，也能够基本上减小超声波的衰减量。并且，如上所述，在填充了液体C的凹透镜2a的空间(空腔)，即 在凹透镜2a与凸透镜2b形成的堆叠透镜的中心部，成为由音速比凹 透镜2a小的液体￡形成的凸透镜2b的最大厚度部分，因此超声波的行 进变慢。并且，如图2所示，由于堆叠透镜的两端部成为音速比液体￡ (凸透镜)大的凹透镜2a的最大厚度部分，因此超声波的行进变快。因此，通过考虑液体e形成的凸透镜2b的堆叠透镜，凸透镜2b的 中央部和其两端部之间的超声波P,、 P2之间的行进距离差变大。这样， 与没有考虑液体C的仅是凹透镜2a的情况相比，能够减小考虑液体C并 成为平行平面的堆叠透镜(2a， 2b)的厚度，g卩，能够减小凹透镜2a 的凹面内填充了液体e的凹透镜2a的厚度。艮P，如本申请说明书前述的发明效果中所记载，在本发明中，由 于凹透镜2a、液体￡、以及生物体B的音速Cl、 c2、 c3的关系为Cl〉c3>c2， 因此和凹透镜2a与生物体B的音速差(crc3)相比较，凹透镜2a与 液体￡的音速差(Cl-C2)变大。在该情况下，当凹透镜2a的曲率半径相同时，音速差越大，焦点距离f就越短。换而言之，当焦点距离f为相同距离时，该音速差越大，凹透镜 2a的曲率半径就越大。因此，与未考虑液体C的凹透镜2a相比较，能 够减小加入了液体￡的凹透镜2a的厚度。这样，能够进一步抑制通过 声透镜2 (凹透镜2a)的超声波的传播损失(衰减量)，并能够提高超 声波探头的灵敏度。(声透镜2的曲率r以及根据)图3中示出的凹透镜2a的曲率ri，基于预先设定的焦点距离f， 从凹透镜2a、作为凸透镜2b的液体C、以及生物体B的音速c,、 c2、 c3，通过下面的公式(B)确定。并且，在现有例中，液体￡的音速c2 没有被视为与生物体B的大致相同。r={ (c]—c2) / (dc2) } c3 f ... (B)上面的公式(B)例如从前述非专利文献("基础物理学")中示出 的薄透镜的成像公式(i)禾n (2)，如下述导出。即，在前述非专利文 献1中，如图3 (与前述非专利文献1的图11.4-11相同)所示，在折 射率为n,、 n2、 n3的介质,在曲率半径为n、 i"2的曲面l和2，依次、接触的情况下，各面i、 2的成像公式为下面的公式(o禾n (2)。n2/sf—n"s产(n2—n!) …(1)n3/s2，一n2/s2= (n3—n2) /r2 ... (2)这里，以坐标轴X示出的主轴与各曲面的交点为Si和S2， S^口S2 之间的距离非常小。这里，S,和Sr为到交点Si的距离，S2和S2，为到交点S2的距离。并且，图3中的d为曲率半径n的曲面1的中心，C2 为曲率半径&的曲面2的中心，例如，示出r^f2的情况。并且，公式 (1)和(2)中的sr和S2，为利用各曲面l和2的入射光(实线)的焦 点距离f。这里，图3中示出的S2为，s2=Sl，_ S,S2，但是假设薄透镜，S, 和S2之间的距离可以忽略，因此变为S2-sr。因此，当从所述公式(l) 和(2)中去掉S2时，成为下面的公式(3)。 (n3/s2，) 一 (iVsi)=(n2—l) (l/ri — l/r2) +{ (n3—1) /r2— (n! — l) /r!} ... (3) 以上为前述非专利文献1中记载的事项，但是在这里，本发明假 定曲面2 (曲率半径I"2)为平坦面，即曲率半径无限大(oo)。在该情况 下，由于曲率半径r为无限大(oo)，因此，所述公式(3)变为下面的 公式(4)。并且，当Si为-oo时，换言之，当入射波为来自无限远的点 源的波时(即，平行波)，变为下面的公式(5)。(n3/s2，) 一 (n"s。 = (n2—n]) /r！ …(4) (n3/s2，) = (n2—n1) …(5)因此，从公式(5)导出图3中示出的曲面2为平坦面(曲率半径 r为oo)并且入射光为平行波时的焦点距离f即s2，、介质n,、 n2、 n3、 以及曲面l的曲率半径r,的关系。例如，将公式(5)变形，为求出曲 面l的曲率半径q的公式(6)。ri={ (n2—ni) /n3} s2， ... (6)这里，所述折射率为ni、 n2、 n3的介质为本实施方式中的凹透镜 2a、液体C形成的凸透镜2b、以及生物体B。在该情况下，当以生物体 B的音速C3 ( 1500m/s)为基准时，凹透镜2a(音速c。、凸透镜2b(音 速c》、以及生物体B的折射率 、n2、 n3为C3/q、 c3/c2、 c3/c3 (=1)。因此，所述公式(6)变为下面的公式(7)(与前述的公式(B)相同)。但是，S2'=f。因此，从生物体B的焦点距离f (=S2，)以及凹透镜2a和凸透镜2b的音速，求出凸透镜2a (凹透镜2a)的曲率半径n。r尸((c3/c2) — (C3/c。 } s2， ={ (c「C2) / (Cl.c2) } c3 f…(7) "= (B)" (各声透镜的厚度)例如，当超声波频率为7.5MHz、压电元件l的短轴方向的长度L 为6mm、焦点距离f为20mm时，作为现有例的硅树脂形成的凸透镜， 在没有考虑液体C的存在的情况下，从前述的公式(A)算出曲率半径 r为9.98mm，凸透镜的中央部的最大厚度部位0.462mm。并且，超声波频率和超声波探头的短轴方向的长度L在相同条件 下，作为由甲基戊烯树脂形成的凹透镜2a，在声透镜2没有考虑液体￡ 的存在的情况下，同样从公式(A)算出曲率半径r为5.36mm，凹透 镜2a的两端部的最大厚度部位0.92mm。并且，对于这些最大厚度部 的值，能够从公式(A)求出曲率半径r，因此只要给出短轴方向的长 度L，就能够算出凸透镜的最大厚度部。此外，在相同条件下，作为甲基戊烯树脂形成的凹透镜2a，在本 发明中声透镜2 (凹透镜2a、凸透镜2b形成的堆叠透镜)没有考虑液 体l的存在的情况下，根据本发明，基于公式(B)算出曲率半径为 7.26mm，由长度L得出凹透镜2a的两端部的最大厚度部为0.66mm。根据这些结果，不论是否考虑液体￡的存在，由甲基戊烯树脂形成 的凹透镜2a的大小也比现有例的凸透镜大，但是，另一方面，考虑了 液体￡的存在的凹透镜2a (堆叠透镜)的厚度能够比没有考虑液体￡的 存在的凹透镜2a小百分之三十左右。 (各声透镜的衰减量)这里，通过声透镜2的超声波的衰减量A (dB)与超声波频率f (MHz)成比例，为A=a*t*f (dB)。这里，a为每个单位长度(lmm) 的衰减量，t为前述凹透镜的最大厚度部的厚度。并且，现有的由硅树 脂形成的凸透镜的单位长度的衰减量约为1.0dB/mm/MHz，本发明中由 甲基戊烯树脂形成的凹透镜2a的单位长度的衰减量约为0.448 dB/mm/MHz。根据这些结果，当超声波频率f为7.5MHz时，使用硅树脂的凸透镜的衰减量Al为3.465dB (1x0.462x7.5)。另一方面，使用甲基戊烯 树脂的没有考虑液体￡的存在的凹透镜2a的衰减量A2为3.091dB (0.448x0.92x7.5)，考虑了液体￡的存在的本发明的凹透镜2a (2a、 2b 形成的堆叠透镜)的衰减量A3为2.21dB (0.448x0.66x7.5)。因此，使用甲基戊烯树脂的凹透镜2a的厚度的大小比使用硅树脂 的凸透镜的大，但是当考虑单位长度的衰减量oc时，不管凹透镜2a的 凹面内的液体f的有无，使用甲基戊烯树脂的凹透镜2a的衰减量A2、 A3比使用硅树脂的凸透镜的衰减量Al小。此外，考虑了本发明凹透镜的凹面内液体C存在的凹透镜2a (堆叠 透镜)的衰减量A3 (2.21dB)，比没有考虑凹透镜2的凹面内液体￡存 在的凹透镜2a的衰减量A2 (3.091)小百分之三十左右。并且，该衰 减量A2比现有的使用硅树脂的凸透镜的衰减量A1 G.465dB)减小百 分之四十左右。根据这些结果，在本发明的实施方式中，能够获得抑 制声透镜2 (凹透镜2a)的传播损失(衰减量)并具有高灵敏度的超 声波探头。(其他实施方式)在所述实施方式中，虽然凹透镜2a的凹面面向生物体侧配置，但 是如图4A所示，即使凹透镜2a的凹面面向压电元件组1侧配置也能 获得同样的效果。在该情况下，如图4B所示，具有一对腿部2x的声透镜2的例如向长轴方向的两端侧打开，使液体e填充到声透镜2的凹处内，从而构成堆叠透镜。并且，在前述实施方式中，虽然压电元件组1沿着其短轴方向旋 转摇动，但是例如，如前述专利文献2所示，也可以使压电元件组1 沿着其短轴方向进行直线往复移动，只要是压电元件组1被收容在液体￡中，并且来自声透镜的超声波对生物体进行超声波的发送/接收的超 声波探头，本发明都可适用。
权利要求
1、一种短轴运动型超声波探头，包括压电元件组，多个压电元件沿着该压电元件的长轴方向排列；声透镜，设置在所述压电元件组的超声波发送/接收面侧，并且在所述压电元件的短轴方向上具有曲率；以及密闭容器，收容设置有所述声透镜的压电元件组，并且填充有作为超声波介质的液体；所述压电元件组沿着所述短轴方向运动并对生物体发送/接收超声波的短轴运动型超声波探头的特征在于，所述声透镜是由与硅树脂相比超声波的传播损失少、且与生物体相比音速大的材料形成的凹透镜，所述凹透镜的音速c1、所述液体的音速c2、以及所述生物体的音速c3的关系为c1＞c3＞c2。
2、 根据权利要求1所述的短轴运动型超声波探头，其特征在于，相对于所述凹透镜的焦点距离f的曲率半径r是由r={ c2) / (Clc2) } c3 f确定。
3、 根据权利要求1所述的短轴运动型超声波探头，其特征在于，所述声透镜由甲基戊烯树脂形成，并且作为超声波介质的所述液体由聚丙二醇形成。
4、 根据权利要求1所述的短轴运动型超声波探头，其特征在于，所述压电元件组沿着所述压电元件的短轴方向以圆弧状旋转摇动。
5、 根据权利要求1所述的短轴运动型超声波探头，其特征在于，所述压电元件组沿着所述压电元件的短轴方向进行直线往复移动。
全文摘要
本发明涉及一种能够抑制传播损失、并能提高灵敏度的短轴运动型超声波探头。本发明的短轴运动型超声波探头，包括压电元件组，多个压电元件沿着压电元件的长轴方向排列；声透镜，设置在所述压电元件组的超声波发送/接收面侧，并且在所述压电元件的短轴方向上具有既定曲率；以及密闭容器，收容设置有所述声透镜的压电元件组，并且填充有作为超声波介质的液体；在压电元件组沿着其短轴方向运动并对生物体发送/接收超声波的短轴运动型超声波探头中，声透镜是由与硅树脂相比超声波的传播损失少、且与生物体相比音速大的材料形成的凹透镜，凹透镜的音速c₁、液体的音速c₂、以及生物体的音速c₃的关系构成为c₁＞c₃＞c₂。
文档编号A61B8/00GK101589958SQ20091014378
公开日2009年12月2日 申请日期2009年5月26日 优先权日2008年5月28日
发明者松泽格 申请人:日本电波工业株式会社