CN101431941A - 超声波探头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声波探头，其能够提高质量，能够得到高灵敏度且宽频带的特性，并能够得到高分辨率的超声波图像。在该超声波探头中，采用以下的结构：设置槽(160)，并利用该槽将压电元件(110)以及第一声匹配层(121)形成为曲面形状，无需声透镜即可汇聚超声波，并且将信号用导体(150)设置在压电元件(110)的信号用电极面上。

Description

超声波探头
技术领域
本发明涉及超声波探头，其用于通过接触生物体等的被检测体并发送超声波来得到被检测体的诊断信息。
背景技术
超声波诊断装置对人或动物等生物体的被检测体内照射超声波，检测在被检测体内反射的回声(echo)，并将生物体内组织的断层图像(cross-sectional image)等显示在显示屏，由此提供被检测体的诊断所需的信息。此时，超声波诊断装置利用超声波探头向被检测体内发送超声波、以及接收来自被检测体内的反射回声。
图1表示一例这样的超声波探头。在图1中，超声波探头10包括：多个压电元件11，其被排列在一个方向(X方向)，以便在与被检测体(未图示)之间发送接收超声波；声匹配层12(12a和12b)，其由设置在压电元件11的被检测体一侧的前面(同图的上方)的一层以上(同图为两层)构成；传播介质13，其设置在该声匹配层12的被检测体一侧表面；以及背面承载部件14，设置在相对于压电元件11与声匹配层12相反一侧即背面。压电元件11的前面与背面分别配置有未图示的电极。电信号通过该电极以及电气端子15提供给压电元件11。压电元件11从声匹配层12一侧形成多个槽，并相对于与排列方向(X方向)正交的一个方向(Y方向)形成为凹面形状(例如参照专利文献1)。
压电元件11由PZT(Piezoelectric Transducer，压电换能器)系等的压电陶瓷或压电单晶体等形成，压电元件11将所印加的电压变换为超声波而发送到被检测体内，接收在被检测体内反射了的回声，并将其变换为电信号。在图示的例子中，多个压电元件11被排列在X方向。通过这样多个地排列压电元件11，能够对超声波以电子方式进行扫描并使超声波偏转或者汇聚(focusing)，可进行所谓电子扫描。
声匹配层12用于高效地对被检测体内发送接收超声波而被设置。更具体而言，声匹配层12用于将压电元件11的声阻抗呈阶梯状地接近被检测体的声阻抗。
在图示的例子中，因为将压电元件11以及声匹配层12相对于被检测体一侧形成为凹面形状，所以具有汇聚超声波束的功能，但是形状呈凹面则与被检测体之间不能充分地贴紧，因此采用设置了传播介质13的结构，该传播介质13也包含解决该问题的功效。传播介质13为选项构件，根据需要而设置。
背面承载部件14与压电元件11结合，并保持其，进而用于衰减无用的超声波。另外，在本说明书中，还将图的X方向称为“(压电元件的)排列方向”，将Y方向称为“(压电元件的)宽度方向”，将Z方向称为“(压电元件的)厚度方向”。
【专利文献1】日本专利申请特表平8-506227号公报
电子扫描型的超声波诊断装置使多个排列的压电元件成为任意的群体，对每个压电元件给予一定的延迟时间而驱动它们，并进行从压电元件到被检测体内的超声波的发送和接收。通过给予这样的延迟时间，超声波束被汇聚或者扩散，从而能够得到广视野宽度或者高分辨率的超声波图像。该结构作为通常的系统已为人所知。近年来，采取利用相对于基本频率的2次或者3次的高次谐波频率分量来提高超声波诊断装置的诊断图像的分辨率的方式，因此超声波探头的高灵敏度和扩展频宽至关重要。作为扩展频宽的一个方法，专利文献1所示的压电元件的方法是使用将压电陶瓷与高分子进行复合的复合压电体。另外，作为提高灵敏度的一个方法，具有降低硅橡胶等声透镜的衰减的方法，作为该方法，如专利文献1所示那样，使压电元件呈凹面的形状，并在该凹面部设置衰减较小的聚氨酯高分子(polyurethane polymer)等。
但是，在这样的以往的结构中，从所排列的压电元件11的电极引出的电气端子15只与压电元件11的电极的一部分连接，因此如果压电元件11因机械式冲击而裂损，则与电气端子15之间的连接有时会断线，从而在可靠性(质量)上存在问题。而且，在上述以往的结构中，采用设置压电陶瓷与高分子的复合压电体以及两层的声匹配层并使它们分别呈凹面形状，因此可使用的材料限定为柔软的材料，并且频宽的扩展受到限制。另外，要在该结构中进一步扩展频宽时，也可考虑在复合压电体中减少压电陶瓷所占的比例而降低声阻抗的方法，但是在该情况下，复合压电体的电容率变小，作为结果电阻抗会变大，从而出现灵敏度降低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高质量、能够得到高灵敏度且宽频带的特性、并能够得到高分辨率的超声波图像的超声波探头。
本发明的超声波探头，采用的结构包括：压电元件，其在规定的方向被排列多个，在用于发送接收超声波的两面设置有电极；至少两层以上的声匹配层，其设置在所述压电元件的一个面上；其多个第一槽，设置在所述压电元件以及所述两层以上的声匹配层中的至少所述压电元件上的第一声匹配层，并在与所述压电元件的排列方向正交的长度方向至少分割所述压电元件；信号用导体，其设置在与所述压电元件的所述一个面相反一侧的面上；以及多个第二槽，其在所述压电元件的排列方向分离所述两层以上的声匹配层中的至少所述第一声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体，其中，所述声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体在所述压电元件的长度方向形成为曲面形状。
本发明的超声波探头，采用的结构包括：压电元件，其在规定的方向被排列多个，在用于发送接收超声波的两面设置有电极；至少两层以上的声匹配层，其设置在所述压电元件的一个面上；多个第一槽，其从与所述声匹配层的一侧相反的一侧，设置在所述压电元件以及所述两层以上的声匹配层中的至少所述压电元件上的第一声匹配层，并在与所述压电元件的排列方向正交的长度方向至少分割所述压电元件；其信号用导体，设置在与所述压电元件的所述一个面相反一侧的面上；背面承载部件，其用于支承所述声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体；以及多个第二槽，其在所述压电元件的排列方向分离所述两层以上的声匹配层中的至少所述第一声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体，其中，所述声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体在所述压电元件的长度方向形成为曲面形状。
本发明的超声波探头，采用的结构包括：压电元件，其在规定的方向被排列多个，在用于发送接收超声波的两面设置有电极；第一声匹配层，其设置在所述压电元件的一个面上；其接地用导体，设置在所述第一声匹配层上；第二声匹配层，其设置在所述接地用导体上；多个第一槽，其设置在所述压电元件以及至少所述第一声匹配层，并在与所述压电元件的排列方向正交的长度方向至少分割所述压电元件；信号用导体，其设置在与所述压电元件的所述一个面相反一侧的面上；背面承载部件，其用于支承所述两层的声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体；以及多个第二槽，其在所述压电元件的排列方向分离所述两层的声匹配层中的至少所述第一声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体，其中，所述两层的声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体在所述压电元件的长度方向形成为曲面形状。
本发明的超声波探头，采用的结构包括：压电元件，其在规定的方向被排列多个，在用于发送接收超声波的两面设置有电极；第一声匹配层，其设置在所述压电元件的一个面上；接地用导体，其设置在所述第一声匹配层上；第二声匹配层，其设置在所述接地用导体上；第三声匹配层，其设置在所述第二声匹配层上；多个第一槽，其设置在所述压电元件以及至少所述第一声匹配层，并在与所述压电元件的排列方向正交的长度方向至少分割所述压电元件；信号用导体，其设置在与所述压电元件的所述一个面相反一侧的面上；背面承载部件，其用于支承所述三层的声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体；以及，多个第二槽，其在所述压电元件的排列方向分离所述三层的声匹配层中的至少所述第一声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体，其中，所述三层的声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体在所述压电元件的长度方向形成为曲面形状。
根据本发明，能够提高质量，能够得到高灵敏度且宽频带的特性，并能够得到高分辨率的超声波图像。
也就是说，相对压电元件以及第一声匹配层，在与压电元件的排列方向(X方向)正交的长度方向(Y方向)设置多个槽，并且在压电元件的厚度方向(Z方向)背面设置信号用导体，在Y方向将声匹配层、压电元件以及信号用导体形成为曲面形状，从而能够得到高可靠性、高灵敏度、频宽的扩展以及高分辨率。
附图说明
图1是表示一例以往的超声波探头的结构的概况的立体图。
图2A是表示本发明的实施方式1的超声波探头的部分概况的立体图。
图2B是表示从X方向观察图2A所示的超声波探头的概况的剖面图。
图3A是表示本发明的实施方式2的超声波探头的部分概况的立体图。
图3B是从X方向观察图3A所示的超声波探头的概况的剖面图。
图4A是表示本发明的实施方式3的超声波探头的部分概况的立体图。
图4B是从X方向观察图4A所示的超声波探头的概况的剖面图。
图5是表示实施方式3中的第三声匹配层材料的声速与方向性角度之间的关系的图。
图6A为表示本发明的实施方式4的超声波探头的部分概况的立体图。
图6B为从X方向观察图6A所示的超声波探头的概况的剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
图2A为表示本发明的实施方式1的超声波探头的部分概况的立体图。图2B为从X方向观察图2A所示的超声波探头的概况的剖面图。
图2A以及图2B所示的超声波探头100包括：排列在一个方向(X方向)的多个压电元件110；相对于各个压电元件110配置在被检测体一侧(同图的上方)的厚度方向(Z方向)前面的两层声匹配层120(121和122)；根据需要相对于压电元件110配置在与声匹配层120(121和122)一侧相反的一侧的厚度方向(Z方向)背面(同图的下方)的背面承载部件140；以及根据需要配置在声匹配层120(121和122)上的传播介质130。这些各个结构元件的各自的功能与在图1所示的以往技术中所说明的同样。
压电元件110的厚度方向(Z方向)的前面设置有接地电极(未图示)，背面设置有信号用电极(未图示)。通过蒸镀或者阴极溅镀(sputtering)金或者银、或者焊接银等分别在压电元件110的前面以及背面形成两个电极。
以下，进一步详细地说明超声波探头100的结构。
使用像PZT系那样的压电陶瓷、PZN-PT、PMN-PT系那样的压电单晶体等材料形成压电元件110。第一声匹配层121以及第二声匹配层122设置在接地电极(未图示)一侧，所述接地电极设置在这样的材料的压电元件110。作为本发明的第一槽的多个槽160，从压电元件110的、与设置了第一声匹配层121一侧相反的一侧的面、沿着X方向设置在压电元件110以及第一声匹配层121。该槽160利用例如切割机(dicing machine)等装置来设置。该槽160贯穿压电元件110的Z方向的两面(前面和背面)，将压电元件110完全分割，但是对于第一声匹配层121只贯穿Z方向的两面中的一个面。也就是说，对于第一声匹配层121，槽160从压电元件110一侧的面以保留与压电元件110一侧相反的一侧的部分的一部分的方式而被设置。
这里，保留第一声匹配层121的一部分的理由是为了只在Y方向的一端进行来自所分割的压电元件110的接地电极的电气端子(未图示)的取出。根据该理由，第一声匹配层121需要为电导体。因此，第一声匹配层121使用例如石墨(graphite)、或者将金属的粉体填充到高分子而制成的导体(例如导电性粘结剂等)的材料较好。当然，对于第一声匹配层121而言，声阻抗的值需要具有压电元件110与被检测体(生物体)之间的值。
另外，设置在压电元件110以及第一声匹配层121的槽160的间隔既可以为等间隔也可以为随机的间隔。但是，压电元件110的材料例如PZT系的压电陶瓷除了所使用的厚度纵向振动模式(axial vibration mode)以外，还产生不必要的横向振动模式(amplitude vibration mode)，而该横向振动模式对频率特性等产生不良影响。因此，需要预先使压电陶瓷的宽度变窄，也就是使槽160的间隔变窄，以使横向振动模式的频率落于所使用的频域之外。
另外，使用PZT系的压电陶瓷形成压电元件110，在该压电元件110设置槽160，并在该槽160中填充环氧(epoxide)树脂或者尿烷(urethane)树脂等的高分子材料，由此压电元件110具有复合了压电陶瓷与高分子材料的复合压电体的功能。也就是说，对于压电元件110而言，通过将声阻抗较小的高分子材料填充到槽160的部分，能够使声阻抗小于压电陶瓷，从而能够接近被检测体的声阻抗。由此，能够扩展频宽。对于该复合压电体而言，能够通过改变压电陶瓷与高分子材料的体积比例来改变声阻抗的值。
另一方面，对于复合压电体的电容率而言，与压电陶瓷的电容率相比高分子材料的电容率极小，因此若减小压电陶瓷的体积比例，则作为复合压电体的电容率变小而电阻抗变大。其结果，与所连接的超声波诊断装置主机或者电缆(cable)发生不匹配，并影响灵敏度使其下降。因此，复合压电体的压电陶瓷的体积比例通常使用50～75％的范围。
另外，第一声匹配层121也与压电元件110同样地设置槽160，并将高分子材料填充到该槽160中，所以其成为复合体，声阻抗发生变化(降低)。因此，需要考虑该降低的部分而选择第一声匹配层121的材料。
在将高分子材料(例如环氧树脂)填充到所分割的压电元件110以及第一声匹配层121的槽160时，将用于信号的电气端子(以下称为“信号用导体”)150按压在形成为曲面形状的背面承载部件140，同时包含压电元件110、第一声匹配层121以及第二声匹配层122也形成为曲面形状。
另外，虽然在本实施方式中，如图2A以及图2B所示那样，将背面承载部件140、压电元件110、第一声匹配层121以及第二声匹配层122相对于被检测体一侧，形成为凹面的曲面形状而使超声波汇聚，但是曲面形状并不只限于此。例如，也可以呈使超声波扩散的凸面形状。
这里，压电陶瓷的压电元件110、以及使用石墨或者将金属的粉体填充到石墨等的材料的第一声匹配层121原本不具有可形成为曲面的柔软性，为了形成曲面，需要预先准备事先加工成曲面形状的压电元件110以及第一声匹配层121，但它们很难高精度地形成。因此，通过设置槽160可形成曲面为本实施方式的一个要点(point)。另外，在第二声匹配层122使用环氧树脂或聚酰亚胺等可形成曲面的、具有柔软性的高分子薄膜(film)较好。
另外，对于信号用导体150而言，以不对设置压电元件110的区域进行印刻(patterning)的整面导体构成，只对在压电元件110的Y方向的两侧引出部分进行印刻而构成较好。另外，信号用导体150使用像铜那样的金属材料，厚度为10微米(μm)左右较好。另外，在单独使用铜等金属导体则强度较弱的情况下，也可以采用设置了10～25微米(μm)左右的厚度的聚酰亚胺薄膜的结构。像这样的信号用导体150因为具有柔软性，所以即使设置槽160而分割了的压电元件110的信号用电极呈曲面形状也能够与其良好地贴紧而取得电导通。另外，通过利用这样的信号用导体150，即使压电元件110裂损，信号用导体150也因为具有柔软性而不会断线，可靠性(质量)提高。其与专利文献1所示那样将电气端子只与压电元件的电极的一部分连接的结构相比，能够解决由于来自外部的机械式冲击压电元件裂损而电极破裂发生断线等问题。
用于形成曲面的曲率可根据将超声波的焦点距离设定于何处而改变。另外，要形成的曲面既可以为具有单一的曲率半径的曲面，也可以为对于图2A以及图2B的Y方向逐渐改变曲率半径的曲面。
声匹配层120(第一声匹配层121和第二声匹配层122)、压电元件110以及信号用导体150由作为本发明的第二槽的多个分割槽180分割为多个压电元件列。也就是说，在本实施方式中，将信号用导体150、压电元件110、第一声匹配层121以及第二声匹配层122按压在形成为曲面形状的背面承载部件140，并将它们形成为曲面形状后，在X方向(与Y方向正交的方向)，沿着信号用导体150的图案(pattern)，通过上述多个分割槽180将第二声匹配层122、第一声匹配层121、压电元件110、信号用导体150以及背面承载部件140的一部分分割为多个压电元件列。该方向为电子扫描的方向。在多个分割槽180中填充硬度比填充到槽160的环氧树脂那样的材料低的硅橡胶那样的材料。
对于填充到槽160的材料而言，因为使排列在Y方向的多个压电体(由槽160分割的压电元件110的各个部分)整体地以相同相位振动，所以即使振动通过填充到槽160的环氧树脂等填充材料漏出，Y方向的各个压电体也没有问题，因此槽160的填充材料也可以在硬度上较高。但是，对于在X方向分割的多个压电元件110列而言，通过信号用导体150将电信号提供给各个压电元件110时，为了分别施加延迟而对电信号进行相位控制以使超声波偏转或者汇聚，需要减少在压电元件110之间的超声波振动的漏出。因此，对于用于在X方向分割信号用导体150、压电元件110、第一声匹配层121以及第二声匹配层122的分割槽180的填充材料而言，需要使其为硬度比用于在Y方向分割压电元件110的槽160的填充材料低、振动不易传递的材料。
另外，压电元件110(更严密而言为每个压电体)在图2A以及图2B的X方向与Y方向被分别分割而呈柱状，但是这两个方向的分割间隔大致一致较好。如上述那样，压电元件110的压电陶瓷发生无用的横向振动模式，若使压电陶瓷的宽度为在使用频带发生横向振动模式的宽度，则对所使用的频率特性产生不良影响(例如频带变窄)，因此需要使横向振动模式的频率落于使用频带外。这在X方向也相同。因此，通过使压电元件110在X方向的分割间隔与Y方向大致相同，能够减低无用的横向振动模式的影响。
最后，传播介质130根据需要设置在第二声匹配层122上。作为传播介质130，使用声阻抗具有接近生物体的值，并且超声波衰减系数小的尿烷树脂或聚丁橡胶(butadiene rubber)、硅橡胶等较好。另外，在传播介质130的声速与生物体的声速不同的情况下，超声波在界面发生折射，因此需要同时考虑该折射，考虑第二声匹配层122的曲面形状而设定超声波的焦点距离。
这样，根据本实施方式，采用以下的结构：设置槽160，并利用该槽将压电元件110以及第一声匹配层121形成为曲面形状，无需声透镜即可汇聚超声波，并且将信号用导体150设置在压电元件110的信号用电极面上。因此，能够制作可得到高灵敏度且宽频带的频率特性、并且可靠性高的结构，从而能够得到质量高且稳定的超声波探头。另外，能够汇聚超声波束，还能够使超声波束偏转，因此能够得到提供高灵敏度且分辨率较高的超声波图像的超声波探头。
另外，虽然在本实施方式中说明了将压电元件110在X方向线性(linear)地(平面地)排列的情形，但是X方向的排列的形状并不只限于此。例如，即使将压电元件在X方向排列为凸面或者凹面的曲面形状时，也可以得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了第一声匹配层121使用导体的材料的情形，但是本发明并不只限于此。例如，即使以绝缘体与导体的复合体构成第一声匹配层，并通过第一槽(槽160)在Y方向分割第一声匹配层，将导体设置在第一声匹配层的一部分以使被分割的各个部分在Z方向可电导通时，也能够得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了将压电元件110以及声匹配层120在Y方向相对于被检测体一侧形成为凹面的曲面形状的情形，但是曲面形状并不只限于此。例如，即使将压电元件以及声匹配层在Y方向相对于被检测体一侧形成为凸面形状时，或者不论是凹面还是凸面，使其成为具有单一的曲率半径的曲面或者使其成为具有逐渐改变曲率半径的多个曲率半径的曲面时，也能够得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了压电元件110以及声匹配层120在Y方向具有大致均一的厚度的情形，但是本发明并不只限于此。例如，即使在Y方向变化压电元件以及声匹配层的厚度的情况下，也能够得到同样的效果。
(实施方式2)
实施方式2为将接地用导体设置在第一声匹配层上来代替实施方式1中的电气端子(未图示)的情形。
图3A为表示本发明的实施方式2的超声波探头的部分概况的立体图。图3B为从X方向观察图3A所示的超声波探头的概况的剖面图。另外，该超声波探头具有与图2A以及图2B所示的实施方式1所对应的超声波探头同样的基本结构，对于相同的结构元件标注相同的标号。
图3A以及图3B所示的超声波探头200包括：排列在一个方向(X方向)的多个压电元件110；相对于各个压电元件110配置在被检测体一侧(同图的上方)的厚度方向(Z方向)前面的两层声匹配层120a(121a和122)；配置在该两层声匹配层120a(121a和122)之间的接地导体210；根据需要相对于压电元件110配置在与声匹配层120a(121a和122)一侧相反的一侧的厚度方向(Z方向)背面(同图的下方)的背面承载部件140；以及，根据需要配置在声匹配层120a(121a和122)上的传播介质130。这些各个结构元件(除了接地导体210)的各自的功能与在图1所示的以往技术中所说明的同样。
压电元件110的厚度方向(Z方向)的前面设置有接地电极(未图示)，背面设置有信号用电极(未图示)。通过蒸镀或者阴极溅镀金或者银、或者焊接银等分别在压电元件110的前面以及背面形成两个电极。
以下，进一步详细地说明超声波探头200的结构。
使用像PZT系那样的压电陶瓷、PZN-PT、PMN-PT系那样的压电单晶等材料形成压电元件110。第一声匹配层121、接地导体210以及第二声匹配层122设置在接地电极(未图示)一侧，所述接地电极设置在这样的材料的压电元件110。作为本发明的第一槽的多个槽160，沿着X方向设置在压电元件110以及第一声匹配层121a。槽160利用例如切割机等装置来设置。在本实施方式中，该槽160贯穿压电元件110以及第一声匹配层121a的Z方向的两面，将压电元件110以及第一声匹配层121a分别完全分割。因此，设置槽160的方向，无论从与压电元件110的、设置了第一声匹配层121a的一侧相反的一侧的面，还是从与第一声匹配层121a的、设置了压电元件110的一侧相反的一侧的面，从哪个面的一侧设置都可以。也就是说，设置槽160的方向，因为即使不从压电元件110一侧而从第一声匹配层121a一侧也可以使本结构成立，因此从哪一侧设置都可以。
另外，虽然在本实施方式中，槽160将压电元件110以及第一声匹配层121a完全分割，但是本发明并不只限于此。例如，也可以与实施方式1同样地，在第一声匹配层121a保留一部分地设置槽。在该情况下，槽160从压电元件110一侧设置。
另外，在本结构中，利用接地导体210进行来自所分割的压电元件110的接地电极的电气端子的取出。因此，第一声匹配层121a需要为电导体。因此，第一声匹配层121a使用例如石墨、或者将金属的粉体填充到高分子而制成的导体(例如导电性粘结剂等)的材料较好。当然，对于第一声匹配层121a而言，声阻抗的值需要具有压电元件110与被检测体(生物体)之间的值。
另外，设置在压电元件110以及第一声匹配层121a的槽160的间隔既可以为等间隔也可以为随机的间隔。但是，压电元件110的材料例如PZT系的压电陶瓷除了所使用的厚度纵向振动模式以外，还产生不必要的横向振动模式，而该横向振动模式对频率特性等产生不良影响。因此，需要预先使压电陶瓷的宽度变窄，也就是槽160的间隔变窄，以使横向振动模式的频率落于所使用的频域之外。
另外，使用PZT系的压电陶瓷形成压电元件110，在该压电元件110设置槽160，并在该槽160填充环氧树脂或者尿烷树脂等的高分子材料，由此压电元件110具有复合了压电陶瓷与高分子材料的复合压电体的功能。也就是说，对于压电元件110而言，通过将声阻抗较小的高分子材料填充到槽160的部分，能够使声阻抗小于压电陶瓷，从而能够接近被检测体的声阻抗。由此，能够扩展频宽。对于该复合压电体而言，能够通过改变压电陶瓷与高分子材料的体积比例来改变声阻抗的值。
另一方面，对于复合压电体的电容率而言，与压电陶瓷的电容率相比高分子材料的电容率极小，因此若减小压电陶瓷的体积比例，则作为复合压电体的电容率变小而电阻抗变大。其结果，与所连接的超声波诊断装置主机或者电缆发生不匹配，并影响灵敏度使其下降。因此，复合压电体的压电陶瓷的体积比例通常使用50～75％的范围。
另外，第一声匹配层121a也与压电元件110同样地设置槽160，并将高分子材料填充到该槽160，因此其成为复合体，声阻抗发生变化(降低)。因此，需要考虑该降低的部分而选择第一声匹配层121a的材料。
如上所述，在本实施方式中，采用通过压电元件110的接地电极以及作为导体的第一声匹配层121a从接地导体210取出电气端子的结构，因此第一声匹配层121a既可以与压电元件110同样地完全分割，也可以保留一部分地分割。
接地导体210既可以只使用铜等金属的薄膜构成，也可以将聚酰亚胺等薄膜设置在金属薄膜而整体构成以便增强强度，只要是具有柔软性的结构就没有问题。在后者的结构的情况下，不言而喻的是：接地导体210的金属的导体(金属薄膜)一侧的面需要与第一声匹配层121a连接。接地导体210与压电元件110的接地电极(未图示)以及作为导体的第一声匹配层121a电连接，具有作为电气端子的功能。另外，在本实施方式中，接地导体210与所有的压电元件110的接地电极(导体)电连接。
另外，为了增强强度而设置在金属薄膜的聚酰亚胺等薄膜也可以为兼作第二声匹配层122的结构。
在将高分子材料(例如环氧树脂)填充到所分割的压电元件110以及第一声匹配层121a的槽160时，将信号用导体150按压在形成为曲面形状的背面承载部件140，同时包含压电元件110、第一声匹配层121a、接地导体210以及第二声匹配层122也形成为曲面形状。
另外，虽然在本实施方式中，如图3A以及图3B所示那样，将背面承载部件140、压电元件110、第一声匹配层121a、接地导体210以及第二声匹配层122相对于被检测体一侧，形成为凹面的曲面形状而使超声波汇聚，但是曲面形状并不只限于此。例如，也可以呈使超声波扩散的凸面形状。
这里，压电陶瓷的压电元件110、以及使用石墨或者将金属的粉体填充到石墨等的材料的第一声匹配层121a原本不具有可形成曲面的柔软性，为了形成曲面，需要预先准备事先加工成曲面形状的压电元件110以及第一声匹配层121a，但它们很难高精度地形成。因此，在本实施方式中，通过设置槽160采取可形成曲面的结构。另外，在第二声匹配层122使用环氧树脂或聚酰亚胺等可形成曲面的、具有柔软性的高分子薄膜较好。
另外，信号用导体150与实施方式1同样地形成。信号用导体150使用像铜那样的金属材料，厚度为10微米(μm)左右较好。另外，在单独使用铜等金属导体则强度较弱的情况下，也可以采用设置了10～25微米(μm)左右的厚度的聚酰亚胺薄膜的结构。像这样的信号用导体150因为具有充分的柔软性，所以即使设置槽160而分割了的压电元件110的信号用电极呈曲面形状也能够与其良好地贴紧而取得电导通。另外，通过利用这样的信号用导体150以及上述的接地导体210，即使压电元件110裂损，信号用导体150以及接地导体210也因为具有柔软性而不会断线，可靠性(质量)提高。其与专利文献1所示那样将电气端子只与压电元件的电极的一部分连接的结构相比，能够解决由于来自外部的机械式冲击压电元件裂损而电极破裂发生断线等问题。
用于形成曲面的曲率可根据将超声波的焦点距离设定于何处而改变。另外，要形成的曲面既可以为具有单一的曲率半径的曲面，也可以为对于图3A以及图3B的Y方向逐渐改变曲率半径的、具有多个曲率的曲面。
声匹配层120a(第一声匹配层121a和第二声匹配层122)、接地导体210、压电元件110以及信号用导体150由作为本发明的第二槽的多个分割槽180分割为多个压电元件列。也就是说，在本实施方式中，将信号用导体150、压电元件110、第一声匹配层121a、接地导体210以及第二声匹配层122按压在形成为曲面形状的背面承载部件140，并将它们形成为曲面形状后，在X方向(与Y方向正交的方向)，沿着信号用导体150的图案，通过上述多个分割槽180将第二声匹配层122、接地导体210、第一声匹配层121a、压电元件110、信号用导体150以及背面承载部件140的一部分分割为多个压电元件列。该方向为电子扫描的方向。对于多个分割槽180，填充硬度比填充到槽160的环氧树脂那样的材料低的硅橡胶那样的材料。
对于填充到槽160的材料而言，因为使排列在Y方向的多个压电体(由槽160分割的压电元件110的各个部分)整体地以相同相位振动，所以即使振动通过填充到槽160的环氧树脂等填充材料漏出，Y方向的各个压电体也没有问题，因此槽160的填充材料在硬度上较高也没有问题。但是，对于在X方向分割的多个压电元件110列而言，通过信号用导体150以及接地导体210将电信号提供给各个压电元件110时，为了分别施加延迟而对电信号进行相位控制以使超声波偏转或者汇聚，需要减少在压电元件110之间的超声波振动的漏出。因此，对于用于在X方向分割信号用导体150、压电元件110、第一声匹配层121a、接地导体210以及第二声匹配层122的分割槽180的填充材料而言，需要选择硬度比用于在Y方向分割压电元件110以及第一声匹配层121a的槽160的填充材料低、振动不易传递的材料。
另外，压电元件110(更严密而言为每个压电体)在图3A以及图3B的X方向与Y方向被分别分割而呈柱状，但是这两个方向的分割间隔大致相同较好。如上述那样，压电元件110的压电陶瓷产生无用的横向振动模式，若使压电陶瓷的宽度为在使用频带产生横向振动模式生的宽度，则对所使用的频率特性产生不良影响(例如频带变窄)，因此需要使横向振动模式的频率落于使用频带外。这在X方向也相同。因此，通过使压电元件110在X方向的分割间隔与Y方向大致相同，能够减低无用的横向振动模式的影响。
最后，传播介质130根据需要设置在第二声匹配层122上。作为传播介质130，使用声阻抗具有接近生物体的值、并且超声波衰减系数小的尿烷树脂或聚丁橡胶、硅橡胶等较好。另外，在传播介质130的声速与生物体的声速不同的情况下，超声波在界面发生折射，因此需要同时考虑该折射，考虑第二声匹配层122的曲面形状而设定超声波的焦点距离。
这样，根据本实施方式，采用以下的结构：设置槽160，并利用该槽将压电元件110以及第一声匹配层121a形成为曲面形状，无需声透镜即可汇聚超声波，并且采取将信号用导体150设置在压电元件110的信号用电极面，并将接地导体210设置在与第一声匹配层121a的压电元件110一侧相反的一侧的面上。因此，能够制作可得到高灵敏度且宽频带的频率特性、并且可靠性高的结构，从而能够得到质量高且稳定的超声波探头。另外，能够汇聚超声波束，还能够使超声波束偏转，因此能够得到提供高灵敏度且分辨率较高的超声波图像的超声波探头。
另外，虽然在本实施方式中说明了将压电元件110在X方向线性地(平面地)排列的情形，但是X方向的排列形状并不只限于此。例如，即使将压电元件在X方向排列为凸面或者凹面的曲面形状时，也可以得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了第一声匹配层121a使用导体的材料的情形，但是本发明并不只限于此。例如，即使以绝缘体与导体的复合体构成第一声匹配层，并通过第一槽(槽160)在Y方向分割第一声匹配层，将导体设置在第一声匹配层的一部分以使被分割的各个部分在Z方向可电导通时，也能够得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了将压电元件110以及声匹配层120a在Y方向相对于被检测体一侧形成为凹面的曲面形状的情形，但是曲面形状并不只限于此。例如，即使将压电元件以及声匹配层在Y方向相对于被检测体一侧形成为凸面形状时，或者不论是凹面还是凸面，使其成为具有单一的曲率半径的曲面或者使其成为具有逐渐改变曲率半径的多个曲率半径的曲面时，也能够得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了将接地导体210设置在作为导体的第一声匹配层121a上的情形，但是本发明并不只限于此。例如，第一以及第二声匹配层为导体时，即使将接地导体设置在第二声匹配层上，也可以得到同样的效果。
(实施方式3)
实施方式3为设置三层声匹配层来代替实施方式2中的两层的声匹配层120a的情形。
图4A为表示本发明的实施方式3的超声波探头的部分概况的立体图。图4B为从X方向观察图4A所示的超声波探头的概况的剖面图。另外，该超声波探头具有与图3A以及图3B所示的实施方式2所对应的超声波探头同样的基本结构，对于相同的结构元件标注相同的标号。
图4A以及图4B所示的超声波探头300包括：排列在一个方向(X方向)的多个压电元件110；相对于各个压电元件110配置在被检测体一侧(同图的上方)的厚度方向(Z方向)前面的三层声匹配层310(121a、122以及311)；配置在该三两层声匹配层310(121a、122以及311)之间的接地导体210；根据需要相对于压电元件110配置在与声匹配层310(121a、122以及311)一侧相反的一侧的厚度方向(Z方向)背面(同图的下方)的背面承载部件140；以及根据需要配置在声匹配层310(121a、122以及311)上的传播介质130。这里，接地导体210设置在第一声匹配层121a与第二声匹配层122之间。这些各个结构元件(除了接地导体210)的各自的功能与在图1所示的以往技术中所说明的同样。
压电元件110的厚度方向(Z方向)的前面设置有接地电极(未图示)，背面设置有信号用电极(未图示)。通过蒸镀或者阴极溅镀金或者银、或者焊接银等分别在压电元件110的前面以及背面形成两个电极。
以下，进一步详细地说明超声波探头300的结构。
压电元件300使用像PZT系那样的压电陶瓷、PZN-PT、PMN-PT系那样的压电单晶体等材料形成。第一声匹配层121a、接地导体210、第二声匹配层122以及第三声匹配层311设置在接地电极(未图示)一侧，所述接地电极设置在这样的材料的压电元件110。作为本发明的第一槽的多个槽160，沿着X方向设置在压电元件110以及第一声匹配层121a。槽160利用例如切割机等装置来设置。在本实施方式中，该槽160贯穿压电元件110以及第一声匹配层121a的Z方向的两面，将压电元件110以及第一声匹配层121a分别完全分割。因此，设置槽160的方向，无论从与压电元件110的、设置了第一声匹配层121a的一侧相反的一侧的面，还是从与第一声匹配层121a的、设置了压电元件110的一侧相反的一侧的面，从哪个面的一侧设置都可以。也就是说，设置槽160的方向，因为即使不从压电元件110一侧而从第一声匹配层121a一侧也可以使本结构成立，因此从哪一侧设置都可以。
另外，虽然在本实施方式中，槽160将压电元件110以及第一声匹配层121a完全分割，但是本发明并不只限于此。例如，也可以与实施方式1同样地，在第一声匹配层121a保留一部分地设置槽。在该情况下，槽160从压电元件110一侧设置。
另外，在本结构中，利用接地导体210进行来自所分割的压电元件110的接地电极的电气端子的取出。因此，第一声匹配层121a需要为电导体。因此，第一声匹配层121a使用例如石墨，或者将金属的粉体填充到高分子而制成的导体(例如导电性粘结剂等)的材料较好。当然，对于第一声匹配层121a而言，声阻抗的值需要具有压电元件110与被检测体(生物体)之间的值。
另外，设置在压电元件110以及第一声匹配层121a的槽160的间隔既可以为等间隔也可以为随机的间隔。但是，压电元件110的材料例如PZT系的压电陶瓷除了所使用的厚度纵向振动模式以外，还产生不必要的横向振动模式，而该横向振动模式对频率特性等产生不良影响。因此，需要预先使压电陶瓷的宽度变窄，也就是槽160的间隔变窄，以使横向振动模式的频率落于所使用的频域之外。
另外，使用PZT系的压电陶瓷形成压电元件110，在该压电元件110设置槽160，并在该槽160填充环氧树脂或者尿烷树脂等的高分子材料，由此压电元件110具有复合了压电陶瓷与高分子材料的复合压电体的功能。也就是说，对于压电元件110而言，通过将声阻抗较小的高分子材料填充到槽160的部分，能够使声阻抗小于压电陶瓷，从而能够接近被检测体的声阻抗。由此，能够扩展频宽。对于该复合压电体而言，能够通过改变压电陶瓷与高分子材料的体积比例来改变声阻抗的值。
另一方面，对于复合压电体的电容率而言，与压电陶瓷的电容率相比高分子材料的电容率极小，因此若减小压电陶瓷的体积比例，则作为复合压电体的电容率变小而电阻抗变大。其结果，与所连接的超声波诊断装置主机或者电缆发生不匹配，并影响灵敏度使其下降。因此，复合压电体的压电陶瓷的体积比例通常使用50～75％的范围。
另外，第一声匹配层121a也与压电元件110同样地设置槽160，并将高分子材料填充到该槽160，因此其成为复合体，声阻抗发生变化(降低)。因此，需要考虑该降低的部分而选择第一声匹配层121a的材料。
如上所述，在本实施方式中，采用通过压电元件110的接地电极以及作为导体的第一声匹配层121a从接地导体210取出电气端子的结构，因此第一声匹配层121a既可以与压电元件110同样地完全分割，也可以保留一部分地分割。
接地导体210既可以只使用铜等金属的薄膜构成，也可以将聚酰亚胺等薄膜设置在金属薄膜而整体构成以便增强强度，只要是具有柔软性的结构就没有问题。在后者的结构的情况下，不言而喻的是：接地导体210的金属的导体(金属薄膜)一侧的面需要与第一声匹配层121a连接。与实施方式2同样地，接地导体210与压电元件110的接地电极(未图示)以及作为导体的第一声匹配层121a电连接，具有作为电气端子的功能。另外，在本实施方式中，接地导体210也与所有的压电元件110的接地电极(导体)电连接。
另外，为了增强强度而设置在金属薄膜的聚酰亚胺等薄膜也可以为兼作第二声匹配层122的结构。
在将高分子材料(例如环氧树脂)填充到所分割的压电元件110以及第一声匹配层121a的槽160时，将信号用导体150按压在形成为曲面形状的背面承载部件140，同时包含压电元件110、第一声匹配层121a、接地导体210、第二声匹配层122以及第三声匹配层311也形成为曲面形状。
另外，虽然在本实施方式中，如图4A以及图4B所示那样，将背面承载部件140、压电元件110、第一声匹配层121a、接地导体210、第二声匹配层122以及第三声匹配层311相对于被检测体一侧，形成为凹面的曲面形状而使超声波汇聚，但是曲面形状并不只限于此。例如，也可以呈使超声波扩散的凸面形状。
这里，压电陶瓷的压电元件110、以及使用石墨或者将金属的粉体填充到石墨等的材料的第一声匹配层121a原本不具有可形成曲面的柔软性，为了形成曲面，需要预先准备事先加工成曲面形状的压电元件110以及第一声匹配层121a，但它们很难高精度地形成。因此，在本实施方式中，也通过设置槽160采取可形成曲面的结构。另外，在第二声匹配层122使用填充了金属或氧化物等粉体的环氧树脂等可形成曲面的、具有柔软性的高分子薄膜较好。
另外，信号用导体150与实施方式1同样地形成。信号用导体150使用像铜那样的金属材料，厚度为10微米(μm)左右较好。另外，在单独使用铜等金属导体则强度较弱的情况下，也可以采用设置了10～25微米(μm)左右的厚度的聚酰亚胺薄膜的结构。像这样的信号用导体150因为具有充分的柔软性，所以即使设置槽160而分割了的压电元件110的信号用电极呈曲面形状也能够与其良好地贴紧而取得电导通。另外，通过利用这样的信号用导体150以及上述的接地导体210，即使压电元件110裂损，信号用导体150以及接地导体210也因为具有柔软性而不会断线，可靠性(质量)提高。其与专利文献1所示那样将电气端子只与压电元件的电极的一部分连接的结构相比，能够解决由于来自外部的机械式冲击压电元件裂损而电极破裂发生断线等问题。
用于形成曲面的曲率可根据将超声波的焦点距离设定于何处而改变。另外，要形成的曲面既可以为具有单一的曲率半径的曲面，也可以为对于图4A以及图4B的Y方向逐渐改变曲率半径的、具有多个曲率的曲面。
第二声匹配层122、第一声匹配层121a、接地导体210、压电元件110以及信号用导体150由作为本发明的第二槽的多个分割槽180分割为多个压电元件列。也就是说，在本实施方式中，将信号用导体150、压电元件110、第一声匹配层121a、接地导体210以及第二声匹配层122按压在形成为曲面形状的背面承载部件140，并将它们形成为曲面形状后，在X方向(与Y方向正交的方向)，沿着信号用导体150的图案，通过上述多个分割槽180将第二声匹配层122、接地导体210、第一声匹配层121a、压电元件110、信号用导体150以及背面承载部件140的一部分分割为多个压电元件列。该方向为电子扫描的方向。对于多个分割槽180，填充硬度比填充到槽160的环氧树脂那样的材料低的硅橡胶那样的材料。
对于填充到槽160的材料而言，因为使排列在Y方向的多个压电体(由槽160分割的压电元件110的各个部分)整体地以相同相位振动，所以即使振动通过填充到槽160的环氧树脂等填充材料漏出，Y方向的各个压电体也没有问题，因此槽160的填充材料在硬度上较高也没有问题。但是，对于在X方向分割的多个压电元件110列而言，通过信号用导体150以及接地导体170将电信号提供给各个压电元件110时，为了分别施加延迟而对电信号进行相位控制以使超声波偏转或者汇聚，需要减少在压电元件110之间的超声波振动的漏出。因此，对于用于在X方向分割信号用导体150、压电元件110、第一声匹配层121a、接地导体170以及第二声匹配层122的分割槽180的填充材料而言，需要选择硬度比用于在Y方向分割压电元件110以及第一声匹配层121a的槽160的填充材料低、振动不易传递的材料。
另外，压电元件110(更严密而言为每个压电体)在图4A以及图4B的X方向与Y方向被分别分割而呈柱状，但是这两个方向的分割间隔大致相同较好。如上述那样，压电元件110的压电陶瓷产生无用的横向振动模式，若使压电陶瓷的宽度为在使用频带产生横向振动模式的宽度，则对所使用的频率特性产生不良影响(例如频带变窄)，因此需要将横向振动模式的频率落于使用频带外。这在X方向也相同。因此，通过使压电元件110在X方向的分割间隔与Y方向大致相同，能够减低无用的横向振动模式的影响。
进而，在本实施方式中，第三声匹配层311设置在第二声匹配层122上。第三声匹配层311如图4A以及图4B所示那样，在哪个方向都不分割地、整面设置在被在X方向分割的第二声匹配层122上。
但是，为了使X方向的各个压电元件110单独地振动而不使超声波振动漏出到相邻的压电元件110，最好也与第一以及第二声匹配层121a、122同样地分割第三声匹配层311。作为评价一个压电元件110是否单独地进行超声波振动而向被检测体放射超声波的方法，有测量超声波在X方向从压电元件110通过各个声匹配层121a、122以及311放射到被检测体一侧的方向性的程度的方法。方向性越宽，则表明超声波的漏出在横向上较少，压电元件110单独地振动，结果良好，而与其相反，方向性较窄则表明结果不好。
一般来讲，使用在一个方向(X方向)排列了多个压电元件110的、所谓电子扫描型的超声波探头，如何扩大排列了的压电元件110的X方向的方向性是提高超声波图像的分辨率的关键所在。另外，与压电元件110相同，通过减少要分割的声匹配层的数目，即使比如以较窄的间隔(例如0.1mm)分割，也能够进行稳定的加工，从而能够制作均一的、高精度的超声波探头。而且，能够采用不会缩小方向性的结构。
例如，将中心频率为3.5MHz的压电元件110以压电元件110的X方向的间隔为0.38mm(将以0.19mm的间隔分割了的两个压电元件110电汇聚的状态)地分割，若将此时的X方向的方向性的角度以-6dB的水平(level)定义，则在将第三声匹配层311与压电元件110同样地分割了的结构的情况下，成为大约23度的方向角。另外，将硅橡胶材料填充到分割了压电元件110、第一声匹配层121a以及第二声匹配层122的分割槽180。
另一方面，将上述的压电元件110以与上述同样的形态分割，并且在三层声匹配层310中，与压电元件110同样地分割压电元件110一侧的第一以及第二声匹配层121a和122，而对位于被检测体一侧的第三声匹配层311则采用不经任何分割的结构，在这样的情况下，测量了压电元件110的排列方向(X方向)的超声波的方向特性。此时，作为位于被检测体一侧的第三声匹配层311的材料分别使用：硅橡胶(硬度为肖氏(Shore)A硬度76、声速915m/sec、声阻抗2.1兆雷耳(Mrayls))、氯丁橡胶(chloroprene rubber)(硬度为肖氏A硬度70、声速1630m/sec、声阻抗2.16兆雷耳)、乙丙橡胶(ethylenepropylene rubber)(硬度为肖氏A硬度65、声速1480m/sec、声阻抗1.94兆雷耳)、丁腈橡胶(Acrylonitrile butadiene rubber)(硬度为肖氏A硬度60、声速1640m/sec、声阻抗1.97兆雷耳)、以及聚氨酯橡胶(硬度为肖氏A硬度78、声速1850m/sec、声阻抗1.98兆雷耳)。其结果，可知方向特性根据第三声匹配层311的材料而存在不同。另外，与到第二声匹配层122为止分割了的结构同样地，将硅橡胶的材料填充到分割了压电元件110、第一声匹配层121a以及第二声匹配层122的分割槽180(此时的分割槽180的宽度约为0.03mm)。另外，作为除了上述例举的材料中的聚氨酯橡胶以外的材料，为了调整声阻抗使用了填充了任意量的氧化铝(alumina)、碳(carbon)、以及碳酸钙(calcium carbonate)等填料(filler)的材料。
上述方向特性的不同与材料的硬度以及声阻抗等之间不存在相关，这些项目基本上不影响方向特性。影响方向特性的、也就是与方向特性存在相关的项目为第三声匹配层311的材料的声速特性，在其与方向特性之间可看出良好的相关。图5表示在3.5MHz的频率以-6dB的水平测定了的方向性角度与第三声匹配层311的材料的声速之间的关系的结果。如图5所示，在方向性角度可看出与声速的良好的相关，相关系数为0.86。由此可知，在不分割位于被检测体一侧的第三声匹配层311的结构中，为了扩大方向性，需要注目第三声匹配层311的材料的声速。
例如，在上述的例子中使用了的第三声匹配层311的各个材料的方向性角度如下。也就是说，使用了硅橡胶时为25度，使用了氯丁橡胶时为23.5度，使用了乙丙橡胶时为23.5度，使用了丁腈橡胶时为22.9度，使用了聚氨酯橡胶时为20度。另外，该测量结果的偏差可考虑为±0.5度左右。
由此可以说明，在不与压电元件110同样地将多层化的声匹配层的所有层分割的结构中，为了得到与压电元件110同样地将多层化的声匹配层的所有层分割的结构同等或者其上的方向特性，只需限定声匹配层的声速，只要使用具有声速为1650m/sec或者其以下的值的橡胶弹性体材料即可。当然，因为第三声匹配层311为橡胶弹性体，具有充分的柔软性，所以能够在第二声匹配层122的曲面上沿着其曲面形状而形成。
最后，传播介质130根据需要设置在第三声匹配层311上。作为传播介质130，使用声阻抗具有接近生物体的值，并且超声波衰减系数小的尿烷树脂或聚丁橡胶、硅橡胶等较好。另外，在传播介质130的声速与生物体的声速不同的情况下，超声波在界面发生折射，因此需要同时考虑该折射，考虑第二声匹配层122的曲面形状而设定超声波的焦点距离。
这样，根据本实施方式，采用以下的结构：设置槽160，并利用该槽将压电元件110以及第一声匹配层121a形成为曲面形状，无需声透镜即可汇聚超声波，并且采取将信号用导体150设置在压电元件110的信号用电极面，并将接地导体210设置在与第一声匹配层121a的压电元件110一侧相反的一侧的面上，进而将声匹配层310设置为3层。因此，能够制作可得到高灵敏度且宽频带的频率特性、并且可靠性高的结构，从而能够得到质量高且稳定的超声波探头。另外，能够汇聚超声波束，还能够使超声波束偏转，因此能够得到提供高灵敏度且分辨率较高的超声波图像的超声波探头。
另外，虽然在本实施方式中说明了将压电元件110在X方向线性地(平面地)排列的情形，但是X方向的排列形状并不只限于此。例如，即使将压电元件在X方向排列为凸面或者凹面的曲面形状时，也可以得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了第一声匹配层121a使用导体的材料的情形，但是本发明并不只限于此。例如，即使以绝缘体与导体的复合体构成第一声匹配层，并通过第一槽(槽160)在Y方向分割第一声匹配层，将导体设置在第一声匹配层的一部分以使被分割的各个部分在Z方向可电导通时，也能够得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了将压电元件110以及声匹配层310在Y方向相对于被检测体一侧形成为凹面的曲面形状的情形，但是曲面形状并不只限于此。例如，即使将压电元件以及声匹配层在Y方向相对于被检测体一侧形成为凸面形状时，或者不论是凹面还是凸面，使其成为具有单一的曲率半径的曲面或者使其成为具有逐渐改变曲率半径的多个曲率半径的曲面时，也能够得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了将接地导体210设置在作为导体的第一声匹配层121a上的情形，但是本发明并不只限于此。例如，第一以及第二声匹配层为导体时，即使在将接地导体设置在第二声匹配层上，进而在其上面配置第三声匹配层的情况下，也可以得到同样的效果。
(实施方式4)
实施方式4为在实施方式2中压电元件以及第一声匹配层的厚度的变化情形。
图6A为表示本发明的实施方式4的超声波探头的部分概况的立体图。图6B为从X方向观察图6A所示的超声波探头的概况的剖面图。另外，该超声波探头具有与图3A以及图3B所示的实施方式2所对应的超声波探头同样的基本结构，对于相同的结构元件标注相同的标号。
图6A以及图6B所示的超声波探头400包括：排列在一个方向(X方向)的多个压电元件410；相对于各个压电元件410配置在被检测体一侧(同图的上方)的厚度方向(Z方向)前面的两层声匹配层420(421和422)；配置在该两层声匹配层420(421和422)之间的接地导体210；根据需要相对于压电元件410配置在与声匹配层420(421和422)一侧相反的一侧的厚度方向(Z方向)背面(同图的下方)的背面承载部件430；以及根据需要配置在声匹配层420(421和422)上的传播介质130。这些各个结构元件(除了接地导体210)的各自的功能与在图1所示的以往技术中所说明的同样。
压电元件410的厚度方向(Z方向)的前面设置有接地电极(未图示)，背面设置有信号用电极(未图示)。通过蒸镀或者阴极溅镀金或者银、或者焊接银等分别在压电元件410的前面以及背面形成两个电极。
以下，进一步详细地说明超声波探头400的结构。
在本实施方式中，使用像PZT系那样的压电陶瓷、PZN-PT、PMN-PT系那样的压电单晶体等材料，在Y方向厚度变化地形成压电元件410。第一声匹配层421、接地导体210以及第二声匹配层422设置在接地电极(未图示)一侧，所述接地电极设置在使用这样的材料、在Y方向厚度变化的压电元件410。第一声匹配层421以及第二声匹配层422分别与压电元件410同样地在Y方向厚度变化。
作为本发明的第一槽的多个槽160，沿着X方向设置在压电元件410以及第一声匹配层421。槽160利用例如切割机等装置来设置。在本实施方式中，该槽160贯穿压电元件410以及第一声匹配层421的Z方向的两面，将压电元件410以及第一声匹配层421分别完全分割。因此，设置槽160的方向，无论从与压电元件410的、设置了第一声匹配层421的一侧相反的一侧的面，还是从与第一声匹配层421的、设置了压电元件410的一侧相反的一侧的面，从哪个面的一侧设置都可以。也就是说，设置槽160的方向，因为即使不从压电元件410一侧而从第一声匹配层421一侧也可以使本结构成立，因此从哪一侧设置都可以。
另外，虽然在本实施方式中，槽160将压电元件410以及第一声匹配层421完全分割，但是本发明并不只限于此。例如，也可以与实施方式1同样地，在第一声匹配层421保留一部分地设置槽。在该情况下，槽160从压电元件410一侧设置。
另外，在本结构中，利用接地导体210进行来自所分割的压电元件410的接地电极的电气端子的取出。因此，第一声匹配层421需要为电导体。因此，第一声匹配层421使用例如石墨，或者将金属的粉体填充到高分子而制成的导体(例如导电性粘结剂等)的材料较好。当然，对于第一声匹配层421而言，声阻抗的值需要具有压电元件410与被检测体(生物体)之间的值。
这里，与压电元件410的排列方向(X方向)正交的一个方向(Y方向)的压电元件410的厚度在Y方向上在中心附近较薄而越向端部就越厚，是不均匀的。具体而言，压电元件410如图6A以及图6B所示那样，被检测体一侧的前面呈平面形状，背面承载部件430一侧的背面呈曲面形状。通过使压电元件410的厚度不均匀，能够延长超声波束的焦点深度，并且能够得到宽频带的频率特性及提高分辨率。这样使压电元件的厚度在Y方向不均一的结构，比如已经通过日本专利申请特开平7-107595号公报等成为公知技术。也就是说，因为压电元件410的Y方向的中心附近厚度较薄，所以可以发送接收高频分量的超声波，而因为向两端逐渐变厚，所以可以发送接收低频分量的超声波。另一方面，即使时声匹配层420(421和422)，也相对于对应于压电元件410的厚度的频率的变化而变化厚度，将基本的厚度设为四分之一波长。因此，如图6A以及图6B所示那样，对于声匹配层420(421和422)而言，其中心部分的厚度最薄，向端部逐渐变厚，所以相对于被检测体一侧呈凹面的曲面形状。
像这样声匹配层420(421和422)呈凹面形状，当然意味着超声波基于凹面形状的曲率半径汇聚在向被检测体一侧的某个距离。但是，要汇聚的距离不一定就是目标距离，会发生汇聚在比目标距离近的地方或者远的地方的问题。本实施方式以具有能够解决该问题的结构为特征。
另外，设置在压电元件410以及第一声匹配层421的槽160的间隔既可以为等间隔也可以为随机的间隔。但是，压电元件410的材料例如PZT系的压电陶瓷所使用的厚度除了纵向振动模式以外，还产生不必要的横向振动模式，而该横向振动模式对频率特性等产生不良影响。因此，需要预先使压电陶瓷的宽度变窄，也就是槽160的间隔变窄，以使横向振动模式的频率落于所使用的频域之外。
另外，使用PZT系的压电陶瓷形成压电元件410，在该压电元件410设置槽160，并在该槽160填充环氧树脂或者尿烷树脂等的高分子材料，由此压电元件410具有复合了压电陶瓷与高分子材料的复合压电体的功能。也就是说，对于压电元件410而言，通过将声阻抗较小的高分子材料填充到槽160的部分，能够使声阻抗小于压电陶瓷，从而能够接近被检测体的声阻抗。由此，能够进一步扩展频宽。对于该复合压电体而言，能够通过改变压电陶瓷与高分子材料的体积比例来改变声阻抗的值。
另一方面，对于复合压电体的电容率而言，与压电陶瓷的电容率相比高分子材料的电容率极小，因此若减小压电陶瓷的体积比例，则作为复合压电体的电容率变小而电阻抗变大。其结果，与所连接的超声波诊断装置主机或者电缆发生不匹配，并影响灵敏度使其下降。因此，复合压电体的压电陶瓷的体积比例通常使用50～75％的范围。
另外，第一声匹配层421也与压电元件410同样地设置槽160，并将高分子材料填充到该槽160，因此其成为复合体，声阻抗发生变化(降低)。因此，需要考虑该降低的部分而选择第一声匹配层421的材料。
如上所述，在本实施方式中，采用通过压电元件410的接地电极以及作为导体的第一声匹配层421从接地导体210取出电气端子的结构，因此第一声匹配层421既可以与压电元件410同样地完全分割，也可以保留一部分地分割。
接地导体210既可以只使用铜等金属的薄膜构成，也可以将聚酰亚胺等薄膜设置在金属薄膜而整体构成，只要是具有柔软性的结构就没有问题。在后者的结构的情况下，不言而喻的是：接地导体210的金属的导体(金属薄膜)一侧的面需要与第一声匹配层421连接。接地导体210与压电元件410的接地电极(未图示)以及作为导体的第一声匹配层421电连接，具有作为电气端子的功能。另外，在本实施方式中，接地导体210与所有的压电元件410的接地电极(导体)电连接。
另外，为了增强强度而设置在金属薄膜的聚酰亚胺等薄膜也可以为兼作第二声匹配层422的结构。
在将高分子材料(例如环氧树脂)填充到所分割的压电元件410以及第一声匹配层421的槽160时，将信号用导体150按压在形成为曲面形状的背面承载部件140，同时包含压电元件410、第一声匹配层421、接地导体210以及第二声匹配层422也形成为曲面形状。
这里，压电陶瓷的压电元件410、以及使用石墨或者将金属的粉体填充到石墨等的材料的第一声匹配层421原本不具有可形成曲面的柔软性，为了形成曲面，需要预先准备事先加工成曲面形状的压电元件410以及第一声匹配层421，但它们很难高精度地形成。因此，通过设置槽160采取可形成曲面的结构。另外，在第二声匹配层422使用环氧树脂或聚酰亚胺等可形成曲面的、具有柔软性的高分子薄膜较好。
另外，信号用导体150与实施方式1同样地形成。信号用导体150使用像铜那样的金属材料，厚度为10微米(μm)左右较好。另外，在单独使用铜等金属导体则强度较弱的情况下，也可以采用设置了10～25微米(μm)左右的厚度的聚酰亚胺薄膜的结构。像这样的信号用导体150因为具有充分的柔软性，所以即使设置槽160而分割了的压电元件410的信号用电极呈曲面形状也能够与其良好地贴紧而取得电导通。另外，通过利用这样的信号用导体150以及上述的接地导体210，即使压电元件410裂损，信号用导体150以及接地导体210也因为具有柔软性而不会断线，可靠性(质量)提高。其与专利文献1所示那样将电气端子只与压电元件的电极的一部分连接的结构相比，能够解决压电元件由于来自外部的机械式冲击裂损而电极破裂发生断线等问题。
用于形成曲面的曲率可根据将超声波的焦点距离设定于何处而改变。另外，要形成的曲面既可以为具有单一的曲率半径的曲面，也可以为对于图6A以及图6B的Y方向逐渐改变曲率半径的、具有多个曲率的曲面。
声匹配层420(第一声匹配层421和第二声匹配层422)、接地导体210、压电元件410以及信号用导体150由作为本发明的第二槽的多个分割槽180分割为多个压电元件列。也就是说，将信号用导体150、压电元件410、第一声匹配层421、接地导体210以及第二声匹配层422按压在形成为曲面形状的背面承载部件430，并将它们形成为曲面形状后，在X方向(与Y方向正交的方向)，沿着信号用导体150的图案，通过上述多个分割槽180将第二声匹配层422、接地导体210、第一声匹配层421、压电元件410、信号用导体150以及背面承载部件430的一部分分割为多个压电元件列。该方向为电子扫描的方向。对于多个分割槽180，填充硬度比填充到槽160的环氧树脂那样的材料低的硅橡胶那样的材料。
对于填充到槽160的材料而言，因为使排列在Y方向的多个压电体(由槽160分割的压电元件410的各个部分)整体地以相同相位振动，所以即使振动通过填充到槽160的环氧树脂等填充材料漏出，Y方向的各个压电体也没有问题，因此槽160的填充材料在硬度上较高也没有问题。但是，对于在X方向分割的多个压电元件410列而言，通过信号用导体150以及接地导体210将电信号提供给各个压电元件410时，为了分别施加延迟而对电信号进行相位控制以使超声波偏转或者汇聚，需要减少在压电元件410之间的超声波振动的漏出。因此，对于用于在X方向分割信号用导体150、压电元件410、第一声匹配层421、接地导体210以及第二声匹配层422的分割槽180的填充材料而言，需要选择硬度比用于在Y方向分割压电元件410以及第一声匹配层421的槽160的填充材料低、振动不易传递的材料。
最后，传播介质130根据需要设置在第二声匹配层422上。作为传播介质130，使用声阻抗具有接近生物体的值，并且超声波衰减系数小的尿烷树脂或聚丁橡胶、硅橡胶等较好。另外，在传播介质130的声速与生物体的声速不同的情况下，超声波在界面发生折射，因此需要同时考虑该折射，考虑第二声匹配层422的曲面形状而设定超声波的焦点距离。
这样，根据本实施方式，采取以下的结构：设置槽160，并利用该槽将变化了厚度的压电元件410以及第一声匹配层421形成为曲面形状，无需声透镜即可汇聚超声波，并且采取将信号用导体150设置在压电元件410的信号用电极面，并将接地导体210设置在与第一声匹配层421的压电元件410一侧相反的一侧的面上。因此，能够制作可得到高灵敏度且宽频带的频率特性、并且可靠性高的结构，从而能够得到质量高且稳定的超声波探头。另外，能够汇聚超声波束，还能够使超声波束偏转，因此能够得到提供高灵敏度且分辨率较高的超声波图像的超声波探头。
另外，虽然在本实施方式中说明了将压电元件410在X方向线性地(平面地)排列的情形，但是X方向的排列形状并不只限于此。例如，即使将压电元件在X方向排列为凸面或者凹面的曲面形状时，也可以得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了第一声匹配层421使用导体的材料的结构的情形，但是本发明并不只限于此。例如，即使以绝缘体与导体的复合体构成第一声匹配层，并通过第一槽(槽160)在Y方向分割第一声匹配层，将导体设置在第一声匹配层的一部分以使被分割的各个部分在Z方向可电导通时，也能够得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了将压电元件410以及声匹配层420在Y方向相对于被检测体一侧形成为凹面的曲面形状的情形，但是曲面形状不只限于此。例如，即使将压电元件以及声匹配层在Y方向相对于被检测体一侧形成为凸面形状时，或者不论是凹面还是凸面，使其成为具有单一的曲率半径的曲面或者使其成为具有逐渐改变曲率半径的多个曲率半径的曲面时，也能够得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了以两层来构成声匹配层的情形，但是本发明并不只限于此。即使以三层以上来构成声匹配层，也能够得到同样的效果。
另外，虽然在本实施方式中说明了将接地导体210设置在作为导体的第一声匹配层421上的情形，但是本发明并不只限于此。例如，第一以及第二声匹配层为导体时，即使将接地导体设置在第二声匹配层上，也可以得到同样的效果。
2006年4月28日提交的日本专利申请2006-125536所包含的说明书、附图以及说明书摘要的公开内容被全部引用在本发明。
工业实用性
本发明的超声波探头能够利用于进行人体等被检测体的超声波诊断的各种医疗领域，进而能够利用于以材料或构造物的内部探伤为目的的工业领域。

Claims (18)

1.一种超声波探头，包括：
压电元件，其在规定的方向被排列多个，在用于发送接收超声波的两面设置有电极；
至少两层以上的声匹配层，其设置在所述压电元件的一个面上；
多个第一槽，其设置在所述压电元件以及所述两层以上的声匹配层中的至少所述压电元件上的第一声匹配层，并在与所述压电元件的排列方向正交的长度方向至少分割所述压电元件；
信号用导体，其设置在与所述压电元件的所述一个面相反一侧的面上；以及
多个第二槽，其在所述压电元件的排列方向分离所述两层以上的声匹配层中的至少所述第一声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体，
其中，所述声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体在所述压电元件的长度方向形成为曲面形状。
2.一种超声波探头，包括：
压电元件，其在规定的方向被排列多个，在用于发送接收超声波的两面设置有电极；
至少两层以上的声匹配层，其设置在所述压电元件的一个面上；
多个第一槽，其从与所述声匹配层的一侧相反的一侧，设置在所述压电元件以及所述两层以上的声匹配层中的至少所述压电元件上的第一声匹配层，并在与所述压电元件的排列方向正交的长度方向至少分割所述压电元件；
信号用导体，其设置在与所述压电元件的所述一个面相反一侧的面上；
背面承载部件，其用于支承所述声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体；以及
多个第二槽，其在所述压电元件的排列方向分离所述两层以上的声匹配层中的至少所述第一声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体，
其中，所述声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体在所述压电元件的长度方向形成为曲面形状。
3.一种超声波探头，包括：
压电元件，其在规定的方向被排列多个，在用于发送接收超声波的两面设置有电极；
第一声匹配层，其设置在所述压电元件的一个面上；
接地用导体，其设置在所述第一声匹配层上；
第二声匹配层，其设置在所述接地用导体上；
多个第一槽，其设置在所述压电元件以及至少所述第一声匹配层，并在与所述压电元件的排列方向正交的长度方向至少分割所述压电元件；
信号用导体，其设置在与所述压电元件的所述一个面相反一侧的面上；
背面承载部件，其用于支承所述两层的声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体；以及
多个第二槽，其在所述压电元件的排列方向分离所述两层的声匹配层中的至少所述第一声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体，
其中，所述两层的声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体在所述压电元件的长度方向形成为曲面形状。
4.一种超声波探头，包括：
压电元件，其在规定的方向被排列多个，在用于发送接收超声波的两面设置有电极；
第一声匹配层，其设置在所述压电元件的一个面上；
接地用导体，其设置在所述第一声匹配层上；
第二声匹配层，其设置在所述接地用导体上；
第三声匹配层，其设置在所述第二声匹配层上；
多个第一槽，其设置在所述压电元件以及至少所述第一声匹配层，并在与所述压电元件的排列方向正交的长度方向至少分割所述压电元件；
信号用导体，其设置在与所述压电元件的所述一个面相反一侧的面上；
背面承载部件，其用于支承所述三层的声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体；以及
多个第二槽，其在所述压电元件的排列方向分离所述三层的声匹配层中的至少所述第一声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体，
其中，所述三层的声匹配层、所述接地用导体、所述压电元件以及所述信号用导体在所述压电元件的长度方向形成为曲面形状。
5.如权利要求1所述的超声波探头，其中，所述第一槽相对所述第一声匹配层以只贯穿所述压电元件一侧的面的方式而被设置。
6.如权利要求1所述的超声波探头，其中，所述第一槽相对所述第一声匹配层以既贯穿所述压电元件一侧的面又贯穿与所述压电元件一侧相反的一侧的面的方式而被设置。
7.如权利要求1所述的超声波探头，其中，还包括用于支承所述声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体的背面承载部件，所述背面承载部件的所述压电元件一侧的表面在所述压电元件的长度方向形成为曲面形状。
8.如权利要求1所述的超声波探头，其中，设置了所述第一槽的所述压电元件以及所述声匹配层的厚度在与所述压电元件的排列方向正交的长度方向发生变化。
9.如权利要求1所述的超声波探头，其中，所述第一槽的间隔与所述第二槽的间隔相同。
10.如权利要求1所述的超声波探头，其中，在所述第一槽与所述第二槽中填充有不同的材料。
11.如权利要求10所述的超声波探头，其中，填充到所述第一槽中的材料的硬度比填充到所述第二槽中的材料硬度高。
12.如权利要求10所述的超声波探头，其中，填充到所述第一槽中的材料为环氧树脂或者尿烷树脂。
13.如权利要求10所述的超声波探头，其中，填充到所述第二槽中的材料为硅橡胶。
14.如权利要求1所述的超声波探头，其中，所述声匹配层、所述压电元件以及所述信号用导体在所述压电元件的长度方向形成为凹面形状。
15.如权利要求1所述的超声波探头，其中，所述第一声匹配层为导体，或者所述第一声匹配层的一部分为导体。
16.如权利要求1所述的超声波探头，其中，除了所述第一声匹配层以外的所述声匹配层由具有能够对应于曲面形状的柔软性的材料形成。
17.如权利要求1所述的超声波探头，其中，所述声匹配层中至少层叠在最上面的声匹配层的材料为橡胶弹性体且为具有声速为1650m/sec以下的值的材料。
18.如权利要求4所述的超声波探头，其中，所述第三声匹配层的材料为橡胶弹性体且为具有声速为1650m/sec以下的值的材料。
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