超声波探头制造技术

本发明专利技术的超声波探头，是将由压电振子（２０）、声透镜（４０）、和设置在所述压电振子（２０）和所述声透镜（４０）之间的声匹配层构成的振子在衬垫材料（１０）上排列多个的超声波探头，其中，所述声匹配层包含纤维材料，所述纤维材料的纤维方向被配置成垂直于声波方向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种超声波诊断装置的探头，尤其涉及电子扫描形探头的振子。
技术介绍
以往，收发超声波的电子扫描形超声波诊断装置的探头，是排列多个振子而构成，所述振子由配置在衬垫材料的压电振子、声透镜、设置在压电振子和声透镜之间的声匹配层构成。在这样的探头中，在具备了声匹配层的宽度小的振子振动时，在厚度方向上发生变形同时伴随宽度方向上的变形，因此，厚度方向上的变换效率降低。另外，由于宽度方向上的振动干扰厚度方向上的振动，因此，振子表面以相同的振幅振动，所以发生漏脱，导致超声波诊断装置的图像变差。对在声匹配层上分散了纤维材料的振子进行排列的探头，公开在特开平10-75953号公报中。但是，该纤维材料是用于实现低热传导而使用的材料，而且没有考虑纤维的杨式模量、泊松比等来设定纤维方向。从而，在该公知例中没有解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的超声波探头，是将由压电振子、声透镜、和设置在上述压电振子与上述声透镜之间的声匹配层构成的振子在衬垫材料上排列多个的超声波探头，其中，上述声匹配层包含纤维材料，上述纤维材料的纤维方向被配置成垂直于声波方向。附图说明图1是表示本专利技术的超声波探头的内部构造的图。图2是表示探头的声波的传播模型的图。图3是表示从探头的压电振子向人体的声波传播路径的等效电路模型的图。图4是详细表示本专利技术的超声波探头的内部构造的图。图5是表示本专利技术的第1实施方式的图。图6是表示包含本专利技术的纤维材料的复合材料的特性的图。图7是表示包含本专利技术的纤维材料的复合材料的特性的图。图8是表示本专利技术的效果的图。图9是表示本专利技术的第2实施方式的图。图10是表示本专利技术的第3实施方式的图。图11是表示本专利技术的第4实施方式的图。图12是表示整个超声波装置的图。具体实施例方式如图1所示，在吸声(衬垫)材料10上排列固着多个由PZT等做成的宽度狭窄的细长棒状的压电振子20，并被在与它们的排列方向垂直的方向上向外方向鼓出成圆弧状的形状的声透镜40、和设置在振子20和声透镜40之间的声匹配层31和声匹配层32所覆盖。在振子的电极上连接有导线50。作为超声波探头的压电振子，广泛使用PZT，但PZT与生物体或水的声阻抗分别为Zo＝35×106、ZM＝1.5×106。这些值之间有很大的差异。因而，如果出于阻抗匹配的观点考虑，则在将PZT的振子与生物体接触时，无法完全匹配。因此，将声匹配层31、32设置在振子20的前面，从而取得振子20的声阻抗和生物体的声阻抗的匹配。由此，能够将振子20的振动可以有效传播到生物体。在声匹配层31、32中使用的环氧及聚氨酯的声阻抗为2～3。生物体的声阻抗为15，因此，在2层构成的声匹配层的上面使用环氧或聚氨酯最适合。在声匹配层的下层需要使用具有振子和声匹配层上层的中间的声阻抗的材料。因此，在环氧或聚氨酯树脂中添加密度比较大的物质的粉末，从而调整与上述声匹配层下面匹配的值。在PZT和生物体的界面上的反射系数R为与电路的情况一样成为式(1)。R=|ZM-Z0ZM+Z0|---(1)]]>在电路中，能够将λ/4的匹配电路插入电路的中间。λ为传播的信号的波长。基于如图2所示的模型考虑在探头传播超声波的匹配层。如果将此表现在等效电路中，则如图3所示。Zo、Z1、Z2、ZM分别为压电振子、匹配层1、匹配层2、人体的声阻抗。Zo和ZM已给出，因为在作为Z1、Z2的特性阻抗的同轴电缆的端子反射最少，在置于信号源和信号接收端的中间的同轴电缆，通过计算求出这些特性阻抗的Z1和Z2的最佳值((社)日本电子机械工业会编“重新规定医用超声波器件手册”コロナ公司出版，1997年1月20日，P29～30)。表1表示1/4波长的厚度的声匹配层的最佳声阻抗。表1 1/4波长声匹配层的最佳声阻抗 (注)单位都是×10通过该等效电路的探头的最佳设计法是以只考虑声波的传播为纵向的波动方程式为基础。认为在匹配层中不出现横向的变形。另外，衬垫材料10设置在声波振子的背面，以使从其背面出来的超声波不再返回到振子面，因此，使用超声波衰减大的材料。探头的一个例子的详图如图4所示。在衬垫材料10上有压电振子20，在压电振子20上设置有声匹配层31、32。在由压电振子20和声匹配层31、32、和声透镜构成的振子之间开有数个间隙。在此，作为第1实施方式，对在匹配层中使用了复合材料的探头的构造进行具体说明。该探头的1根振子如图5所示。该振子由2层匹配层和压电振子构成。在该2个匹配层中插入有纤维材料。纤维材料的纤维方向垂直于声波的前进方向，并且垂直于振子的纵长方向。以邻接多个这种构造的振子并在衬垫材料10上排列的构造构成阵列型探头。具体来说，匹配层61使用将混合有钨粉末的环氧作为母材的碳纤维的复合材料。匹配层62以聚氨酯为母材使用超高分子量聚乙烯纤维的复合材料。就用于任何匹配层的复合材料而言，其密度和超声波的传播方向的杨式模量因为与母材的这些参数具有相同程度，因此，也能够将声阻抗调整为相同程度的值。纤维方向的杨式模量变为非常大的值，大大有助于改善探头的特性。接着，对匹配层的内部进行详细的说明。图6(a)是将纤维排列在同一方向而做成的单向强化板。该材料在LZ面、TZ面或LT面面对称。此时，将L、T、Z轴称为各向异性主轴(弹性主轴、principal axis)，在该图6(a)中称为主轴互相正交的正交各向异性(orthotropy)。在图6(b)的L方向上施加σL的应力时的应变成为式(2)。ϵT=vLTσLEL,ϵL=σTEL---(2)]]>在此，EL表示在L方向上拉伸时的杨式模量，γLT是表示在L方向上拉伸时的T方向上的收缩比例的泊松比。同样，当在图6(b)的T方向上作用σT的应力时，则成为式(3)。ϵT=σTET,ϵL=-vTLσTET---(3)]]>另一方面，剪切应力和剪切应变之间有式(4)的关系。γLT=τLTGLT---(4)]]>从而，如图6(b)所示，作用组合应力时的应力和应变所的关系能够用式(5)所示的行列式表示。ϵLϵTγLT=1/EL-vTL/ET0-vLT/EL1/ET0001/GLTσLσTτLT---(5)]]>这为关于LT轴的正交各向异性薄板的胡克(Hooke)定律。各向同性材料的独立的弹性常数有2个，但在式(5)中表示为EL、ET、γLT、γLT、GLT的5个。然而，称作(贝蒂的)互反定理(reciprocaltheorem)的式(6)的关系已在理论上证明，因此，正交各向异性的薄板的独立的弹性常数为4个。vLTEl=vTLET---(6)]]>将此称为基本弹性常数。该弹性常数在某种程度上可从纤维和母材的特性进行推测，通过考虑接下来的模型导出这些常数。纤维的剖面通常为圆形，其由母材围绕，但是如图7所示，以纤维是纤维、母材是母材的方式进行聚集。将该材料向L方向拉伸时的伸长，与在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波探头，其特征在于，是将由压电振子、声透镜、和设置在所述压电振子与所述声透镜之间的声匹配层构成的振子在衬垫材料上排列多个的超声波探头，其中，所述声匹配层包含纤维材料，所述纤维材料的纤维方向垂直于声波方向。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：近藤敏郎，大泽孝也，
申请(专利权)人：株式会社日立医药，
类型：发明
国别省市：JP[日本]