背衬层以及使用其的超声波探头、和具备该超声波探头的超声波诊断装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及背衬层以及使用其的超声波探头、和具备该超声波探头的超声波诊断装置。提供能容易地进行声阻抗的调整的超声波探头的背衬层。在设置于超声波的振荡器(1)的背面侧的背衬层(10)的振荡器侧形成复合背衬层(11)，复合背衬层(11)特征在于，在形成于背衬层(10)的前面侧的凹部(12)中，填充具有比形成背衬层(10)的背衬材料小的声阻抗的填充材料(13)。
【专利说明】背衬层以及使用其的超声波探头、和具备该超声波探头的超声波诊断装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及在超声波诊断装置中使用的超声波探头的背衬层(backing layer),特别涉及具备复合(composite)化的复合背衬层的背衬层以及使用其的超声波探头、和具备该超声波探头的超声波诊断装置。
【背景技术】
[0002]超声波诊断装置中使用的超声波探头是一维或二维排列多个双向变换电信号和超声波振动的变换元件而形成。各个变换元件也被称作振动元件或振荡器，在本申请的说明书中称作振荡器来进行说明。振荡器一般如下那样构成:夹着压电元件设置一对电极，在压电元件的表面即一方的电极面依次配置声匹配层和声透镜，在压电元件的背面即另一方的电极面配置声背衬层。然后，将声透镜的表面作为超声波收发面，使其接触被检体来使用。
[0003]超声波探头的收发灵敏度受到声背衬层(以下仅称作背衬层)的声阻抗的数值的大小的影响。例如，在背衬层的声阻抗较大的情况下，虽然抑制了接收信号的拖尾，但也抑制了接收信号的灵敏度(大小)。反之，在背衬层的声阻抗较小的情况下，虽然接收信号变大，但不能彻底抑制背面的信号，会在接收信号中混入噪声。
[0004]以往，为了使背衬层的声阻抗成为合适的值来提升接收灵敏度，进行种种提案。例如，提出将具有比背衬层的母材小的声阻抗的填料与母材混合来形成具有所期望的声阻抗的背衬层(例如参考专利文献1、2等)。另外，还提出通过在背衬层的压电元件的附近的母材使具有比母材小的声阻抗的填料分布不均来混合，从而形成提高压电元件附近的填料密度而使背衬层的声阻抗较小、使远离压电元件的部位的背衬层的声阻抗较大的2层的背衬层(例如专利文献3)。
[0005][专利文献]
[0006]专利文献I JP特开2011-176419号公报
[0007]专利文献2 JP特开2012-34160号公报
[0008]专利文献3 JP特开2006-279170号公报
[0009]但是，超声波探头的超声波频率因诊断对象或诊断内容的用途不同而不同，跨I?20MHz的宽的范围。另外，由于声阻抗与超声波频率有关系，因此实际上是将超声波频率分为多个使用频带，按每个使用频带来制作超声波探头。为此，根据现有的任意的技术，由于不得不按每个使用频带来选择背衬层的母材和填料材料的声阻抗，并调整填料的混合比例，因此存在不可回避基于反复试验的调整的这一问题。
【发明内容】
[0010]本发明要解决的课题在于，提供能容易地进行声阻抗的调整的超声波探头的背衬层。
[0011]为了解决上述的问题，本发明特征在于，在设置于超声波的振荡器的背面侧的背衬层的所述振荡器侧形成复合背衬层，该复合背衬层构成为在形成于所述背衬层的前面侧的凹部中填充具有比形成所述背衬层的背衬材料小的声阻抗的填充材料。
[0012]在该情况下，优选所述凹部具有所述超声波的中心频率的1/4波长的η倍(η为任意的自然数)的深度的至少I个深度。
[0013]S卩，根据本发明，仅是适宜调整凹部的大小以及深度并且调整填充在凹部的填充材料的声阻抗，就能容易地形成具有所期望的声阻抗的复合背衬层。另外，由于振荡器的背面附近的背衬层的声阻抗较大地影响到接收灵敏度，因此通过配置本发明的复合背衬层，能制作在保持分辨率的同时重视接收灵敏度的超声波探头。
[0014]发明的效果
[0015]根据本发明，能够提供能容易地进行声阻抗的调整的超声波探头的背衬层。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是应用本发明的I个实施方式的超声波探头的主要部分的剖视图。
[0017]图2是表示本发明的实施例1的复合背衬层和振荡器的一部分的结合部的剖视图。
[0018]图3是表示具备实施例1的复合背衬层的背衬层的一部分的立体构成图。
[0019]图4是说明实施例1的复合背衬层的详细构成的部分俯视图。
[0020]图5是表示实施例1的复合背衬层的仿真研究结果的线图。
[0021]图6是表不本发明的实施例2的复合背衬层和振荡器的一部分的结合部的剖视图。
[0022]图7是表示本发明的实施例3的复合背衬层的一部分的剖视图。
[0023]图8是实施例3的复合背衬层的不同的位置处的剖视图。
[0024]标号的说明
[0025]I振荡器
[0026]2压电元件
[0027]4声阻抗匹配层
[0028]3a、3b 电极
[0029]5声透镜
[0030]6背衬层
[0031]10母材背衬层
[0032]1a棱柱部
[0033]11、21、31复合背衬层
[0034]31a第I复合背衬层
[0035]31b第2复合背衬层
[0036]12 槽
[0037]13填充材料
【具体实施方式】
[0038]以下基于图示实施例来说明本发明的背衬层。
[0039]【实施例1】
[0040]图1中示出应用了本发明的背衬层的I个实施方式的超声波探头的主要部分的剖视图。图2中示出具备本发明的复合背衬层的背衬层的实施例1的部分剖视图。图1表示超声波探头的振荡器I的短轴方向的剖视图。即，超声波探头具有一维排列多个振荡器I的长轴方向、和与其正交的短轴方向。在二维排列的情况下，在短轴方向排列多个振荡器I而形成。
[0041]如图1所示那样，各振荡器I形成为具备:压电元件2 ;与压电元件2的表面和背面接合的一对电极3a、3b ;与压电元件2的表面侧的电极3a接合的声阻抗匹配层4 ;与声阻抗匹配层4接合的声透镜5 ;和与压电元件2的背面侧的电极3b接合的背衬层6。背衬层6具有作为原本的背衬层的母材背衬层10、和复合背衬层11而形成。通常，背衬层6的上部与多个振荡器I对应地设置切槽，但背衬层6的基部(图中的下部侧)对多个振荡器I公共地设置。
[0042]压电元件2能由周知的材料形成。例如能使用压电陶瓷PZT、压电单晶PZN-PT、PMN-PT、或者有机压电材料PVDF等，或能使用由它们和树脂构成的复合压电层等。另外，还能使用cMUT型的振荡器。声阻抗匹配层4由具有压电元件2与作为被检体的生物体之间的声阻抗的树脂等的材料形成。声透镜5用于进行短轴方向的聚焦，以硅橡胶等声阻抗接近生物体、且声速慢于生物体的材料形成。背衬层6的超声波的衰减率较大，使向压电元件2的背面方向辐射的超声波衰减。一般，背衬层6使用具有比压电元件2小的声阻抗、且衰减率大的材料。例如，使用橡胶、树脂和金属粒子(例如钨粒子)等的混合物、或在橡胶、树脂等中混合了包含气体的水泡、微气泡等的材料。
[0043]参考图2来说明具备本发明的特征部分的复合背衬层11的背衬层6的实施例1。图2表示图1的I个振荡器I的压电元件2与背衬层6的接合部的截面。另外，电极3a、3b省略图示。如图那样，背衬层6具备母材背衬层10、复合背衬层(集成部)11而形成。复合背衬层11形成在母材背衬层10的压电元件2侧，与压电元件2的背面侧的电极3b接合。即，复合背衬层11形成在母材背衬层10的与压电元件2对置的前面。在母材背衬层10的前面格子状地形成多个凹部即槽12，在槽12以外的部位留下由母材背衬层10构成的截面正方形的棱柱部10a。在这些槽12中注入具有比棱柱部1a小的声阻抗的填充材料13。由这些棱柱部1a和注入了填充部13的槽12形成复合背衬层11。棱柱部1a是母材背衬层10的一部分，具有相同的声阻抗。另外，棱柱部1a的截面并不限于正方形，也可以是矩形。
[0044]如图3所示那样，槽12在母材背衬层10的前面格子状地形成。槽12在本实施例中形成为超声波的中心频率的1/4波长(λ/4)的深度。本发明并不限于此，能形成至少超声波的中心频率的λ /4的η倍(η为任意的自然数)的深度，或者使多个槽深度混合存在来形成。另外，图3的背衬层6并非表示与I个压电元件2对应的部分，而是表示与I个压电元件2或排列的多个压电元件2对应的部分。在如此形成的槽12中注入具有比棱柱部1a小的声阻抗的填充材料13。在填充材料13中能使用例如环氧树脂等的树脂。
[0045]参考图4来说明具有所期望的目标声阻抗的复合背衬层11的形成方法。首先，在超声波诊断的领域，因诊断用途不同使用种种频带的超声波探头。根据所使用的频带和压电材料的特性，对应在长轴方向排列的多个振荡器来排列加工成细长条状的压电兀件2。压电元件2的长轴方向的宽度w与压电元件2的厚度t有一定的关系，根据超声波探头的诊断用途，w/t之比的范围成为例如0.2?0.5。并且，在所使用的超声波的频率变高时，厚度t变薄，宽度w也变小。在使用频率变低时，厚度t变厚，宽度w也变宽。因此，在制作本发明的复合背衬层11的情况下，考虑使用超声波频率以及压电元件2的形状以及尺寸来调整复合背衬层11的尺寸诸要素。图4(a)是棱柱部1a的宽度为120 μ m、槽12的宽度为30 μ m的示例。另外，图4(b)是棱柱部1a的宽度为80 μ m、槽12的宽度为70 μ m的示例。这些棱柱部1a占复合背衬层11的体积比例分布为0.74、0.40。
[0046]在制作实施例1的复合背衬层11的情况下，例如对母材背衬层10，用切割锯等切削工具在接合压电元件2的前面格子状地排列多个槽12来进行开槽，由此在开槽剩余部形成棱柱部10a。接下来，在槽12内注入作为填充材料的环氧树脂并使其干燥。之后，用铣磨机或研磨机对复合背衬层11的前面进行加工或研磨，将复合背衬层11的厚度、即注入填充材料13的槽12的深度、以及棱柱部1a的高度调整为λ /4的自然数(η)倍，来形成具有目标声阻抗的厚度的复合背衬层11。
[0047]在此，说明形成具有目标声阻抗的复合背衬层11的原理。复合背衬层11的注入了填充材料13的槽12和棱柱部1a的体积比例与复合背衬层11的声阻抗存在关系。首先，由于若已知使用频率、和复合背衬层11的纵向声速，就能确定超声波的波长λ，因此作为复合背衬层11的最小厚度的λ/4也得以确定。复合背衬层11的纵向声速能根据复合背衬层11的棱柱部1a和填充材料13的各自的纵向声速来计算。复合背衬层11的棱柱部1a和注入了填充材料13的槽12的比例在实施例1的情况下由复合背衬层11的截面内的棱柱部1a的宽度和槽12的宽度决定。即,在本实施例中，棱柱部1a占复合背衬层11的每单位面积的面积比成为比例。但是，在理论上是棱柱部1a占复合背衬层11的每单位体积的体积比例。
[0048]在图2中，算出在具有目标声阻抗的复合背衬层11中填充填充材料13的槽12的宽度a和深度t，在母材背衬层10的前面加工宽度a和深度t的槽12。在对加工的槽12填充环氧树脂并进行过脱气后，使其干燥。对干燥之后的填充材料13的上表面进行研磨来将复合背衬层11调整为设计厚度(例如λ /4)。在此，母材背衬层10的声阻抗Zb能用式
(I)表征。在式(I)中，Pb是母材背衬层10的密度，Vb是母材背衬层10中的纵向声速。
[0049]Zb = PbXVb (I)
[0050]另一方面，实施例1的复合背衬层11的密度(P。)能用式⑵表征。在式⑵中，α表示复合背衬层11中的棱柱部1a的体积比例，P F是填充材料13的密度。
[0051]Pc= α X P B+(l- a ) X P P (2)
[0052]另外，复合背衬层11中的纵向声速Vc能用式(3)表征。在式(3)中，Vb是棱柱部1a中的纵向声速，Vf是填充材料13的纵向声速，β是声速修正系数。
[0053]Vc = (a XVB+(l-a ) XVF) X β (3)
[0054]因此，复合背衬层11的目标声阻抗Ζ。成为下式⑷的关系。
[0055]Zc= PcXVc (4)
[0056]基于这些关系式，来调整复合背衬层11的棱柱部1a和凹部即槽12的形状以使得成为目标声阻抗Ζ。，并且调整棱柱部1a和填充材料13的声阻抗，由此能通过计算容易地进行复合背衬层11的声阻抗的调整。
[0057]参考图4和图5来说明基于本实施例1而制作的复合背衬层11的效果。图4是图2所示的复合背衬层11的与前面平行的面的剖视图，图4(a)是复合背衬层11中的复合背衬母材部1a的体积比例为0.74的示例，图4(b)是复合背衬层11中的复合背衬母材部1a的体积比例为0.4的示例。
[0058]接下来说明图4的示例的复合背衬层11的制作法。
[0059](I)槽12的形成
[0060]通过切割锯，使用需要的宽度的刀片，在母材背衬层10的表面的纵向和横向开槽到需要的深度，来制成格子状的槽12。开槽的深度比λ/4要深30μπι?ΙΟΟμπι程度。
[0061](2)填充材料的制成
[0062]填充材料使用声阻抗0.SMrayl的混合树脂。例如，混合树脂是除了主剂聚氨酯预聚物(polyurethane prepolymer)EC-103以外还混合了硬化剂DN4954和密度调整用的微气泡而制成的环氧树脂。
[0063](3)填充材料的注入
[0064]将制作的填充材料注入到在母材背衬层10加工出的槽12，在进行一定时间(例如10分钟)脱气后，除去多余的填充材料。
[0065](4)填充材料的干燥
[0066]在给定的温度(例如40°C )下将注入到槽12的填充材料干燥给定时间(例如12个小时)以上。
[0067](5)复合背衬层精加工
[0068]在使填充的树脂干燥后，用铣磨机来对复合背衬层6的前面进行加工、研磨，来将复合背衬层6的厚度调整为λ /4。
[0069]图5是仿真试验例，是比较现有例的由单一的背衬母材构成的背衬层、和具备本实施例1的复合背衬层11的背衬层6的接收灵敏度的时间变化来表示的线图。在试验中使用的超声波探头是使用超声波的中心频率为3MHz的扇形探头。其结果，如图5所示那样，与现有例比较，应用具备本实施例1的图4(b)的复合背衬层11的背衬层6的超声波探头的接收灵敏度提升了约1.6dB。
[0070]但是，本发明并不限于中心频率3MHz的扇形探头。能根据诊断对象或诊断内容的用途而应用于I?20MHz的宽范围的超声波探头。即，只要根据中心频率将复合背衬层11的厚度加工至例如其频率的λ/4，则也能应用于其它频带的扇形探头的一维以及二维探头。另外，并不限于扇形探头，还能应用凸面型以及线型的一维以及二维探头，能制作使这些探头用的接收灵敏度提升的背衬层6。另外，并不限于压电元件，对于使用了 cMUT的振荡器，也能应用本发明的复合背衬层。进而，能应用本发明的复合背衬层的超声波探头的构成并不限于图1的实施方式所示的构成，还能应用在将母材背衬层10形成为声阻抗不同的2层构造的超声波探头、根据需要在背衬层6与压电元件2间设置声阻抗的调整层的超声波探头等的公知的超声波探头。
[0071]如以上说明那样，本发明的实施例1特征在于，在与压电元件2的背面对置的母材背衬层10的前面形成填充了声阻抗小的填充材料13的多个凹部即槽12，形成由填充了填充材料13的槽12和棱柱部1a构成的复合背衬层6。特别地，由于压电元件2的背面附近的背衬层的声阻抗会较大影响到接收灵敏度，因此，通过适宜调整槽12的大小以及深度，并调整填充在槽12中的填充材料13的声阻抗，能容易地形成具有所期望的声阻抗的复合背衬层11。另外，通过在压电元件2与母材背衬层10之间放入具有比母材小的声阻抗的复合背衬层11，能制作在保持分辨率的同时重视接收灵敏度的超声波探头。
[0072]另外，通过使形成在母材背衬层的前面的凹凸部的平面尺寸(例如μ单位)相对于压电元件的平面尺寸(例如mm单位)足够小地形成，能忽视复合背衬层中的突部的体积比例的偏差。
[0073]【实施例2】
[0074]在图6示出作为本发明的特征部分的背衬层6的实施例2。本实施例2的复合背衬层的构成与实施例1不同。由于其它点都与实施例1相同，因此赋予相同的标号并省略说明。本实施例2的复合背衬层21特征在于，在母材背衬层10的前面相邻排列多个圆锥部22，在该圆锥部22的周围的区域形成凹部23，在凹部23中填充了填充材料13。母材背衬层10以及填充材料13的材料与实施例1相同。
[0075]如实施例1那样，在构成复合背衬层11的棱柱部1a的截面为正方形或矩形的情况下，复合背衬层11的深度方向(图2的Z方向)的声阻抗均匀。与此相对，在本实施例2的情况下，由于取代棱柱部1a而形成为圆锥部22，因此复合背衬层21中的圆锥部22的深度方向的体积比例发生变化。由此，具有的特征在于，能获得复合背衬层21的深度方向的声阻抗逐渐增加的特性。
[0076]【实施例3】
[0077]图7中示出作为本发明的特征部分的背衬层6的实施例3。本实施例3的复合背衬层31的构成与实施例1不同。由于其它点都与实施例1相同，因此赋予相同的标号并省略说明。本实施例3的复合背衬层31交替格子状地排列深度不同的2个种类的槽32a、b。填充在这些槽32a、b的填充材料13与实施例1相同。一方的槽32a的深度与实施例1相同为λ/4。另一方的槽32b的深度为2 λ/4。在图8(a)、(b)中分别示出图7的线Z1-Z1'和线Z2-Z2的剖视图。如从图7、图8获知的那样，复合背衬层31在Z方向上配置声阻抗不同的2个种类的复合背衬层即第I复合背衬层31a和第2复合背衬层31b而形成。另外，若从其它观点来看，则可以说是格子状地排列了声阻抗不同的2个种类的复合背衬层。由此，能使压电元件2的背面侧的声匹配进一步细分化，能抑制接收波形的拖尾，与单层的声阻抗大的背衬层相比，能制作出具有同等以上的分辨率的超声波探头。
[0078]本实施例3的复合背衬层31的制法首先基于目标声阻抗来算出并确定复合背衬层31a、31b的厚度、即槽32a，32b的深度。接下来，在母材背衬层10的前面对应于深度较深的槽32b来进行间距大的格子状的开槽加工。在该加工后，在从前面侧观察母材背衬层10时成为图8(a)那样的槽图案。接下来，在母材背衬层10的前面进行槽32b的间距的一半的格子状的开槽加工，来加工深度较浅的槽32a。在该加工后，在从前面侧观察母材背衬层10时成为图8(b)那样的槽图案。在该槽加工后，对槽32a、b填充环氧树脂作为填充材料13，在进行脱气后进行干燥。然后，与实施例1同样地，通过对复合背衬层31的前面进行研磨等来进行精加工，由此将复合背衬层31的厚度调节为设定值。另外，本实施例3的复合背衬层31a、31b中的棱柱部1a的比例为复合背衬层31b是0.74，复合背衬层31a是0.40。
[0079]以上基于实施例来对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此。能够以在本发明的主旨的范围内变形或变更的形态来进行实施，对于本领域技术人员来说是显而易见的，这种变形或变更的形态当然也属于本申请权利要求的范围。
[0080]例如，以往应用于重视接收灵敏度、还是重视接收信号的分辨率(脉冲宽度)等等各种用途的超声波探头中的背衬材料的选择较为困难，但根据本发明，通过在压电元件与母材背衬层之间配置声阻抗比母材背衬层小的复合背衬层，能制作在保持分辨率的同时重视接收灵敏度的超声波探头。特别是，本发明的复合背衬层能通过调整填充部的形状和填充树脂的声阻抗、以及母材背衬层的声阻抗，而容易地获得具有目标的声阻抗的复合背衬层。
[0081]另外，本发明的复合背衬层的凹部的形状能采用任意的形状。即，在实施例1、3中，使在母材背衬层的前面平行或格子状地排列而形成的多个槽作形成为凹部，在实施例2中，使在母材背衬层的前面排列设置的多个由圆锥或角锥形成的空间部形成为凹部，但并不限于此。例如，作为凹部，还能在母材背衬层的前面排列多个圆柱孔而形成。另外，还能取代实施例2的圆锥的凸部，而使用角锥的凸部来形成凹部。进而，多个圆锥或角锥的凸部、或多个圆柱孔能在母材背衬层10的前面格子状或交错状排列而形成。
[0082]另外，通过使用包括了具备本发明的复合背衬层的背衬层在内的超声波探头来构成超声波诊断装置，能得到解析度卓越的超声波图像。即，具备在与被检体间收发超声波的超声波探头、基于由超声波探头接收的反射回波信号来构成超声波图像的超声波图像构成部、和显示超声波图像的显示部来构成超声波诊断装置，作为超声波探头使用具备上述实施例I?3等所示的本发明的复合背衬层的超声波探头。
【权利要求】
1.一种背衬层，其特征在于， 所述背衬层具有复合背衬层，该复合背衬层形成于在收发超声波的振荡器的背面侧所设置的所述背衬层的所述振荡器侧， 该复合背衬层构成为:在形成于所述背衬层的前面侧的凹部中填充具有比形成所述背衬层的背衬材料小的声阻抗的填充材料。
2.根据权利要求1所述的背衬层，其特征在于， 所述凹部具有所述超声波的中心频率的1/4波长的η倍的深度的至少I个深度，其中η为任意的自然数。
3.根据权利要求1所述的背衬层，其特征在于， 所述凹部是在所述背衬层的前面部平行或格子状排列而形成的多个槽。
4.根据权利要求1所述的背衬层，其特征在于， 所述凹部是在所述背衬层的前面部排列设置多个圆锥或角锥而形成的空间部。
5.根据权利要求1所述的背衬层，其特征在于， 所述凹部是在所述背衬层的前面部排列而形成的多个圆柱孔。
6.一种超声波探头，其特征在于，具有: 平板状的振荡器； 分别设于该振荡器的两面的一对电极； 与该电极的一个面接合的声匹配层； 与该声匹配层的前面接合的声透镜；和 设于所述振荡器的背面侧的背衬层， 该背衬层具有在所述振荡器侧形成的复合背衬层， 该复合背衬层构成为:在形成于所述背衬层的前面侧的凹部中填充具有比形成所述背衬层的背衬材料小的声阻抗的填充材料。
7.根据权利要求6所述的超声波探头，其特征在于， 所述凹部具有所述超声波的中心频率的1/4波长的η倍的深度的至少I个深度，其中η为任意的自然数。
8.根据权利要求6所述的超声波探头，其特征在于， 所述凹部是在所述背衬层的前面部平行或格子状排列而形成的多个槽。
9.根据权利要求6所述的超声波探头，其特征在于， 所述凹部是在所述背衬层的前面部排列设置多个圆锥或角锥而形成的空间部。
10.根据权利要求6所述的超声波探头，其特征在于， 所述凹部是在所述背衬层的前面部排列而形成的多个圆柱孔。
11.一种超声波诊断装置，具备:在与被检体之间收发超声波的超声波探头；基于由超声波探头所接收的反射回波信号来构成超声波图像的超声波图像构成部；和显示所述超声波图像的显示部， 所述超声波诊断装置的特征在于， 所述超声波探头具有: 平板状的振荡器； 分别设于该振荡器的两面的一对电极； 与该电极的一个面接合的声匹配层； 与该声匹配层的前面接合的声透镜；和 设于所述振荡器的背面侧的背衬层， 该背衬层具有形成于所述振荡器侧的复合背衬层， 该复合背衬层构成为:在形成于所述背衬层的前面侧的凹部中填充具有比形成所述背衬层的背衬材料小的声阻抗的填充材料。
【文档编号】A61B8/00GK104414683SQ201410406009
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】胡智强, 水岛义明 申请人:日立阿洛卡医疗株式会社