CN113662580A - 超声波探头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声波探头。目的在于充分进行具备多个振动元件的超声波探头的散热。超声波探头具备：配置有多个振动元件的振动层；隔着布线层设置于振动层的后方的背衬层；和设置于背衬层的多个散热构件。多个散热构件在背衬层内以线状延伸，且按照使延伸方向一致的方式配置。背衬层的中央区域中的散热构件的面积占有率比中央区域的外侧大。中央区域是与散热构件的延伸方向相交的截面内的区域。中央区域不位于与散热构件的延伸方向相交的截面的两端且包含该截面的重心并占据该截面的面积的一半以下的面积。短轴方向截面的两端的不是中央区域的区域各自的面积例如设为短轴方向截面的面积的八分之一以上。

Description

超声波探头
技术领域
本发明涉及超声波探头，特别涉及将振动元件发出的热释放的结构。
背景技术
超声波诊断装置被广泛使用。超声波诊断装置对被检测体发送超声波，接收在被检测体内反射的超声波，基于接收到的超声波来生成表示被检测体内的组织的图像数据。超声波诊断装置具备超声波探头，该超声波探头发送与被给予的电信号相应的超声波，并输出与接收到的超声波相应的电信号。一般，在超声波探头中排列有多个振动元件。通过调整给予各振动元件的电信号的延迟时间来形成超声波波束，进行超声波波束的电扫描。另外，对从各振动元件输出的电信号进行调相加法运算，生成基于从超声波波束的方向到来的超声波的接收信号。
在超声波探头发送超声波时，会在振动元件中产生热。因此，如专利文献2所示那样，有时会限制发送输出，使得振动元件的温度不会过于上升，从而有时无法充分发挥超声波探头的性能。因此，在超声波探头中，如专利文献1以及2所示那样，采用将在振动元件中产生的热从超声波探头释放的结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2005-103078号公报
专利文献2：JP特开2013-115537号公报
一般，在超声波探头中，在从与被检测体接触的面的中心附近一直到内部的中央部中产生的热大于比中央部更靠外侧的区域。因此，在现有的超声波探头中，有时中央部处的散热不充分。
发明内容
本发明的目的在于，充分进行具备多个振动元件的超声波探头的散热。
本发明的特征在于，具备：振动层，配置有多个振动元件；背衬层，设置于所述振动层的后方；和多个散热构件，设置于所述背衬层并在所述背衬层内以线状延伸，且该多个散热构件按照使延伸方向一致的方式配置，所述背衬层的与所述散热构件的延伸方向相交的截面内的中央区域中的所述散热构件的面积占有率比所述中央区域的外侧大。
发明效果
根据本发明，可充分进行具备多个振动元件的超声波探头的散热。
附图说明
图1是超声波探头的立体图。
图2是示意表示超声波探头的短轴方向截面的图。
图3是示意表示超声波探头的长轴方向截面的图。
图4是表示背衬层的制造工序的图。
图5是示意表示超声波探头的长轴方向截面的图。
图6是示意表示超声波探头的短轴方向截面的图。
图7是表示第2实施方式所涉及的超声波探头的第1变形例的图。
图8是表示第2实施方式所涉及的超声波探头的第2变形例的图。
图9是表示第2实施方式所涉及的超声波探头的第3变形例的图。
附图标记说明：
10 保护层
12 振动层
14 声匹配层
16 振动元件层
18 硬背衬层
20 布线层
22 背衬层
24 背衬材料
26、260、26R1、26R2、26L1、26L2 散热构件
28 散热层
30 切削槽
32 振动元件
34 热通孔
具体实施方式
参考各图来说明本发明的实施方式。对多个附图中所示的相同构成要素标注相同附图标记并省略其说明。本申请说明书中的用语“前”表示从超声波探头观察被检测体侧的方向，用语“后”表示从被检测体观察超声波探头侧的方向。另外，本申请说明书中的用语“右”以及“左”表示附图中的右以及左。表示方向的这些用语是为了说明的方便，并不对使用超声波探头时的姿态进行限定。在各图中，将前方设为z轴正方向，并定义与z轴垂直的xy平面。
在图1中示意示出本发明的第1实施方式所涉及的超声波探头的立体图。超声波探头具备保护层10、振动层12、布线层20、背衬层22以及散热层28。保护层10、振动层12、布线层20、背衬层22以及散热层28按照该顺序在前后方向上堆叠。图1所示的各层的厚度的比率为了使说明容易而进行了变更，与实际的厚度的比率并不相同。关于其他附图所示的各层的厚度的比率也是同样。保护层10覆盖振动层12的前方，对振动层12进行机械保护。保护层10使其前表面与被检测体接触，使从振动层12发出的超声波传播到被检测体，并使由被检测体反射的超声波传播到振动层12。
保护层10的前表面是二维曲面。即，保护层10的前表面在与短轴方向(x轴方向)垂直的截面即长轴方向截面(与yz平面平行的平面)上描绘出向上凸的曲线，在与长轴方向(y轴方向)垂直的截面即短轴方向截面(与zx平面平行的平面)上描绘出直线。保护层10可以用硅酮橡胶等形成。另外，将长轴方向定义为后述的振动元件的长边方向，将短轴方向定义为与长轴方向以及前后方向垂直的方向。
振动层12如后述那样具备多个振动元件。布线层20包含：用绝缘材料形成的层状构件；和配置于该层状构件的电气布线用的导线。布线层20可以是FPC(Flexible PrintedCircuits，柔性印刷电路板)。布线层20将形成于振动层12的多个振动元件分别与超声波诊断装置所具备的收发电路连接。振动层12中的各振动元件通过从布线层20供给的电信号来产生超声波，并基于接收到的超声波对布线层20输出电信号。
背衬层22使从振动层12向后方辐射的超声波衰减。散热层28将超声波探头中产生的热向后方释放。散热层28可以用含铝、铜等的金属材料构成。
在图2中示意地示出超声波探头的短轴方向截面。在图3中示出在图2的AA线处将超声波探头切断的情况下的长轴方向截面。振动层12具备声匹配层14、振动元件层16以及硬背衬层18。声匹配层14、振动元件层16以及硬背衬层18按照该顺序在前后方向上堆叠。振动层12被与长轴方向截面平行的多个切削槽30分割，被多个切削槽30分割出的部分分别构成振动元件32。
切削槽30从振动层12的前表面到达后表面，并进一步来到后方的布线层20以及背衬层22。各振动元件32具有在长轴方向上延伸的四棱柱形状。在图2所示的示例中，各振动元件32的前后方向的长度比短轴方向的长度长，各振动元件32形成为板状。在图2所示的示例中，在短轴方向上等间隔地形成8个切削槽30，并形成9个振动元件32。在图2中，示意地示出包含9个振动元件32的超声波探头，但振动层12也可以具有100个以上且300个以下的振动元件32。
振动元件层16可以用PZT(锆钛酸铅)、PMN-PT等压电材料形成。在各振动元件32中，声匹配层14通过针对声阻抗的匹配作用来提高从振动元件层16经由保护层10传送到被检测体的超声波的传送效率。另外，在各振动元件32中，声匹配层14通过针对声阻抗的匹配作用来提高由被检测体反射并经由保护层10传送到振动元件层16的超声波的传送效率。
硬背衬层18使从振动元件层16向后方辐射的超声波反射。硬背衬层18可以用包含碳化钨等的金属材料形成。
在背衬层22中，在背衬材料24设置有多个散热构件26。背衬材料24可以是在树脂中混合粉末状的衰减填料而得到的产物。在衰减填料中例如可以使用金属、陶瓷等。
散热构件26具有在长轴方向上延伸的四棱柱形状。在图2所示的示例中，各散热构件26的前后方向的长度比短轴方向的长度长，各散热构件26形成为板状。各散热构件26设置于相邻的振动元件32之间的切削槽30之间的位置。在图2中示意地示出设置有3个散热构件26的示例。散热构件26可以用氧化铝、氮化硅、氮化铝等具有充分的刚性以及热传导性的陶瓷材料形成。
在图4中示出背衬层22的制造工序。如图4的上侧所示那样，在四棱柱状的背衬材料24之间夹着散热构件26。背衬材料24和散热构件26交替配置并接合。由此，如图4的下侧所示那样，背衬材料24和散热构件26被一体化。
振动层12以及背衬层22可以按照如下那样的工序制造。即，在将声匹配层14、振动元件层16、硬背衬层18、布线层20以及背衬层22堆叠后，形成从声匹配层14的前表面朝向后方而到达背衬层22的多个切削槽30。
如此地，本实施方式所涉及的超声波探头具备：配置有多个振动元件32的振动层12；隔着布线层20设置于振动层12的后方的背衬层22；和设置于背衬层22的多个散热构件26。多个散热构件26在背衬层22内以线状延伸，且按照使延伸方向一致的方式来配置。背衬层22的中央区域(与散热构件26的延伸方向相交的截面内的中央区域)中的散热构件26的面积占有率比中央区域的外侧的散热构件26的面积占有率大。
在此，中央区域是不位于短轴方向截面的两端且包含短轴方向截面的重心并占据短轴方向截面的面积的一半以下的面积的区域。短轴方向截面的两端的不是中央区域的区域各自的面积例如设为短轴方向截面的面积的八分之一以上。即，在本实施方式所涉及的超声波探头中，以短轴方向截面的中央区域为截面在长轴方向上延伸的三维中央区域中的散热构件26的体积占有率比三维中央区域的外侧的散热构件26的体积占有率大。
在图2所示的示例中，中央区域是在短轴方向截面的中央占有短轴方向截面的三分之一以下的区域。即，中央区域是被夹在在短轴方向截面的从图的左侧的纵边起往右三分之一的右侧处在前后方向上延伸的左侧边界线、与在短轴方向截面的从图的右侧的纵边起往左三分之一的左侧处在前后方向上延伸的右侧边界线之间的区域。中央区域的重心与短轴方向截面的重心一致。在中央区域的外侧的区域不设置散热构件。散热构件26经由布线层20与振动元件32热接触。振动元件32发出的热通过位于该振动元件32的后方的散热构件26传递到散热层28。
在本发明的实施方式所涉及的超声波探头中，短轴方向截面的中央区域中的散热构件26的面积占有率比中央区域的外侧的散热构件26的面积占有率大。由此，可提高从保护层10的前表面的中心附近一直到内部的中央部处的散热效果。超声波探头在中央部处的温度上升量大。因此，根据本实施方式，可抑制超声波探头整体的温度上升量。进而，可削减背衬层22中所含的散热构件26的体积，提高在背衬层22中使超声波衰减的效果。
另外，在本实施方式所涉及的超声波探头中，在相邻的振动元件32之间的切削槽30之间的位置设置有散热构件26。由此，在将声匹配层14、振动元件层16、硬背衬层18、布线层20以及背衬层22堆叠后形成切削槽30的情况下，用于形成切削槽30的工具不与散热构件26接触，可防止工具的寿命缩短。
对本发明的第2实施方式所涉及的超声波探头进行说明。在图5中示意地示出第2实施方式所涉及的超声波探头的长轴方向截面。在图6中示出在图5的BB线处将超声波探头切断的情况下的短轴方向截面。第2实施方式所涉及的超声波探头使设置于背衬层22的散热构件26在短轴方向上延伸，这一点与第1实施方式所涉及的超声波探头不同。另外，第2实施方式所涉及的超声波探头的布线层20的厚度比第1实施方式所涉及的超声波探头的布线层20的厚度厚。
如图6所示那样，振动层12被与长轴方向截面平行的切削槽30分割，被多个切削槽30分割出的部分分别构成振动元件32。
切削槽30从振动层12的前表面到达后表面，并进一步来到后方的布线层20。在图6所示的示例中，8个切削槽30在长轴方向上等间隔地形成，并形成9个振动元件32。在图6中示出包含9个振动元件32的超声波探头，但振动层12可以具有100个以上且300个以下的振动元件32。
在布线层20中，在振动元件32与散热层28之间设置有热通孔34，来作为热传导结构。热通孔34对多个振动元件32分别设置，多个热通孔34沿着1个散热构件26的延伸方向配置。热通孔34形成为以前后方向为轴向的柱形状，将形成布线层20的层状构件贯通。热通孔34的柱形状可以是圆柱形状，也可以是棱柱形状。热通孔34在前端部以及后端部直径(粗细)变大。热通孔34配置于相邻的切削槽30之间的位置。
在本实施方式所涉及的超声波探头中，背衬层22的长轴方向截面的中央区域中的散热构件26的面积占有率比中央区域的外侧的散热构件26的面积占有率大。中央区域是不位于长轴方向截面的两端且包含长轴方向截面的重心并占据长轴方向截面的面积的一半以下的面积的区域。长轴方向截面的两端的不是中央区域的区域各自的面积例如设为长轴方向截面的面积的八分之一以上。即，在本实施方式所涉及的超声波探头中，以长轴方向截面的中央区域为截面在短轴方向上延伸的三维中央区域中的散热构件26的体积占有率比三维中央区域的外侧的散热构件26的体积占有率大。
在图5所示的示例中，中央区域是在长轴方向截面的中央占有长轴方向截面的三分之一的区域。即，中央区域是被夹在在长轴方向截面的从图的左侧的纵边起往右三分之一的右侧处在前后方向上延伸的左侧边界线、与在长轴方向截面的从图的右侧的纵边起往左三分之一的左侧处在前后方向上延伸的右侧边界线之间的区域。在中央区域的外侧的区域不设置散热构件。中央区域的重心与长轴方向截面的重心一致。散热构件26经由设置于布线层20的热通孔34与振动元件32热接触。振动元件32发出的热通过处于该振动元件32的后方的热通孔34以及散热构件26传递到散热层28。
在本发明的实施方式所涉及的超声波探头中，长轴方向截面的中央区域中的散热构件26的面积占有率比中央区域的外侧的散热构件26的面积占有率大。由此，可提高从保护层10的前表面的中心附近一直到内部的中央部处的散热效果。超声波探头在中央部处的温度上升量大。因此，根据本实施方式，可抑制超声波探头整体的温度上升量。进而，可削减背衬层22中所含的散热构件26的体积，提高在背衬层22中使超声波衰减的效果。
另外，在本实施方式所涉及的超声波探头中，切削槽30从振动层12的前表面到达后表面，并来到后方的布线层20，但并未到达至散热构件26。并且，热通孔34设置于相邻的振动元件32之间的切削槽30之间的位置。由此，在将声匹配层14、振动元件层16、硬背衬层18、布线层20以及背衬层22堆叠后形成切削槽30的情况下，用于形成切削槽30的工具不与散热构件26接触，可防止工具的寿命缩短。进而，热通孔34形成为以前后方向为轴向的柱形状，在前端部以及后端部直径变大。由此，热通孔34难以在布线层20中前后偏离。
在图7中示出第2实施方式所涉及的超声波探头的第1变形例。在该变形例所涉及的超声波探头中，在背衬层22的长轴方向截面上，使散热构件的配置间隔随着从中心往外侧去而变大。例如，在将第1散热构件、第2散热构件以及第3散热构件在从长轴方向截面的中央往外侧去的方向上按照该顺序配置的情况下，使第2散热构件与第3散热构件之间的距离比第1散热构件与第2散热构件之间的距离大。相邻的2个散热构件之间的距离可以定义为形成于2个散热构件之间的间隙的宽度。另外，也可以定义为一个散热构件的前后方向的中心线与另一个散热构件的前后方向的中心线之间的距离。
在图7所示的示例中，在中央区域的中心配置散热构件260。往右方去将散热构件26R1以及26R2按照该顺序来配置。并且，往左方去将散热构件26L1以及26L2按照该顺序来配置。散热构件26R1与散热构件26R2之间的距离P2比散热构件260与散热构件26R1之间的距离P1大。并且，散热构件26L1与散热构件26L2之间的距离Q2比散热构件260与散热构件26L1之间的距离Q1大。
根据这样的结构，背衬层22的长轴方向截面的中央区域中的散热构件26的面积占有率比中央区域的外侧的散热构件26的面积占有率大。由此，可提高从保护层10的前表面的中心附近一直到内部的中央部处的散热效果。超声波探头在中央部处的温度上升量大。因此，根据本实施方式，可抑制超声波探头整体的温度上升量。进而，可削减散热构件26的体积，提高在背衬层22中使超声波衰减的效果。
散热构件的配置间隔随着从中心往外侧去而变大的结构的规则性也可以适用于第1实施方式所涉及的超声波探头。在该情况下，在背衬层22的短轴方向截面上，使散热构件的配置间隔随着从中心往外侧去而变大。
在图8中示出第2实施方式所涉及的超声波探头的第2变形例。在该变形例所涉及的超声波探头中，在背衬层22的长轴方向截面上，使散热构件的宽度(长轴方向的长度)随着从中心往外侧去而变小。例如，在将第1散热构件、第2散热构件以及第3散热构件在从长轴方向截面的中央往外侧去的方向上按照该顺序配置的情况下，使第1散热构件的宽度比第2散热构件的宽度大。并且，使第2散热构件的宽度比第3散热构件的宽度大。
在图8所示的示例中，在中央区域的中心配置散热构件260。往右方去将散热构件26R1以及26R2按照该顺序来配置。并且，往左方去将散热构件26L1以及26L2按照该顺序来配置。散热构件26R2的宽度W2比散热构件26R1的宽度W1小，散热构件26R1的宽度W1比散热构件260的宽度W0小。并且，散热构件L2的宽度D2比散热构件26L1的宽度D1小，散热构件26L1的宽度D1比散热构件260的宽度W0小。
散热构件的宽度随着从中心往外侧去而变小的结构的规则性也可以适用于第1实施方式所涉及的超声波探头。在该情况下，在背衬层22的短轴方向截面上，使散热构件的宽度随着从中心往外侧去而变小。
另外，可以在中央区域中的散热构件的面积密度比中央区域的外侧大的条件下任意确定散热构件的配置间隔、散热构件的宽度、散热构件的数量等。
在图9中示出第2实施方式所涉及的超声波探头的第3变形例。在该变形例所涉及的超声波探头中，在背衬层22的长轴方向截面上，使散热构件的热传导率随着从外侧往中心去而变大。例如，在将第1散热构件、第2散热构件以及第3散热构件在从长轴方向截面的中央往外侧去的方向上按照该顺序配置的情况下，使第1散热构件的热传导率比第2散热构件的热传导率大。并且，使第2散热构件的热传导率比第3散热构件的热传导率大。热传导率是材料所固有的值，表示热的传递容易度。
在图9所示的示例中，在中央区域的中心配置散热构件260。往右方去将散热构件26R1以及26R2按照该顺序配置。并且，往左方去将散热构件26L1以及26L2按照该顺序配置。散热构件26R1的热传导率比散热构件26R2的热传导率大，散热构件260的热传导率比散热构件26R1的热传导率大。并且，散热构件26L1的热传导率比散热构件26L2的热传导率大，散热构件260的热传导率比散热构件26L1的热传导率大。
散热构件260例如包含氮化铝。散热构件26R1以及26L1例如用氮化硅形成。散热构件26R2以及26L2例如用氧化铝形成。氮化硅的热传导率比氧化铝大，氮化铝的热传导率比氮化硅大。
散热构件的热传导率随着从外侧往中心去而变大的结构的规则性也可以适用于第1实施方式所涉及的超声波探头。在该情况下，在背衬层22的短轴方向截面上，使散热构件的热传导率随着从外侧往中心去而变大。

Claims (10)

1.一种超声波探头，其特征在于，具备：
振动层，配置有多个振动元件；
背衬层，设置于所述振动层的后方；和
多个散热构件，设置于所述背衬层并在所述背衬层内以线状延伸，且该多个散热构件按照使延伸方向一致的方式配置，
所述背衬层的与所述散热构件的延伸方向相交的截面内的中央区域中的所述散热构件的面积占有率比所述中央区域的外侧大。
2.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，
所述中央区域是不位于所述截面的两端且包含所述截面的重心并占据所述截面的面积的一半以下的面积的区域。
3.根据权利要求1或2所述的超声波探头，其特征在于，
各所述振动元件在长轴方向上延伸，且在与所述长轴方向相交的短轴方向上排列配置，
所述散热构件在所述长轴方向上延伸，且配置于从相邻的2个所述振动元件的间隙到达所述背衬层的切削槽之间的位置。
4.根据权利要求1或2所述的超声波探头，其特征在于，
所述超声波探头具备：
布线层，设置于所述振动层与所述背衬层之间，
各所述振动元件在长轴方向上延伸，且在与所述长轴方向相交的短轴方向上排列配置，
所述散热构件在所述短轴方向上延伸，
所述布线层具有热传导结构。
5.根据权利要求4所述的超声波探头，其特征在于，
所述热传导结构具备设置于各所述振动元件与所述散热构件之间的热通孔。
6.根据权利要求5所述的超声波探头，其特征在于，
所述热通孔设置于从相邻的2个所述振动元件的间隙到达所述布线层的切削槽之间的位置。
7.根据权利要求4所述的超声波探头，其特征在于，
所述超声波探头具有从相邻的2个所述振动元件的间隙到达所述布线层的切削槽。
8.根据权利要求1或2所述的超声波探头，其特征在于，
多个所述散热构件的配置间隔随着从所述中央区域的中央往外侧去而变大。
9.根据权利要求1或2所述的超声波探头，其特征在于，
多个所述散热构件的配置方向的宽度随着从所述中央区域的外侧往中央去而变大。
10.根据权利要求1或2所述的超声波探头，其特征在于，
形成所述多个散热构件的材料的热传导率随着从所述中央区域的外侧往中央去而变大。
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