CN117900108A - 换能器及超音波探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可用于产生超音波以探测物体的换能器及应用其的超音波探头。换能器包括压电层。压电层具有相对的第一表面及第二表面。第一表面包含曲面结构。第一表面相较于第二表面远离物体。曲面结构沿远离物体的第一方向凸出形成。超音波探头包括手持件以及换能器。换能器配置于手持件的一端。
Description
技术领域
本发明涉及超音波换能器领域，具体涉及换能器及应用其的超音波探头。
背景技术
超音波换能器可大致分为磁致伸缩换能器、压电超声换能器、微机械超声换能器及叉指换能器等几类，其中又以压电换能器作为声电转换元件的应用最为广泛。然而，传统的压电换能器于震荡(ring-down)表现方面仍有改善空间。因此，如何改善现有的超音波换能器的结构，以提升震荡(ring-down)表现，为业界亟欲解决的问题。
发明内容
本发明提出一种超音波换能器及超音波探头，以解决上述问题。
本发明提出一种换能器，用于产生超音波以探测一物体，该换能器包括：压电层，具有相对的第一表面及第二表面，其中该第一表面包含曲面结构，该第一表面相较于该第二表面远离该物体，该曲面结构沿远离该物体的第一方向凸出形成。
较佳的，还包括第一匹配层，该第一匹配层设置于该第二表面上。
较佳的，还包括第二匹配层，该第二匹配层设置于该第一匹配层上，以使该第一匹配层位于该压电层与该第二匹配层之间。
较佳的，还包括透镜元件，该透镜元件设置于该压电层的周围，该透镜元件具有透镜曲面，该透镜曲面沿朝向该物体的第二方向凸出地形成。
较佳的，该透镜元件由硅胶材料或玻璃材料构成。
较佳的，还包括软性电路板，该软性电路板与该压电层相连接于该第一表面处。
较佳的，还包括背胶层，该背胶层配置于该第一表面上，且该背胶层覆盖该曲面结构。
较佳的，该第一表面还包含平坦结构，该平坦结构形成于该曲面结构的外侧。
较佳的，该第一表面整体地为该曲面结构。
较佳的，该压电层由多个压电元件排列形成，且至少部分的该多个压电元件的厚度相异，以形成该曲面结构。
本发明还提出一种超音波探头，用于探测一物体，该超音波探头包括：手持件；以及如上所述的换能器，该换能器配置于该手持件的一端。
较佳的，该曲面结构的曲度设计成对应于该超音波探头的焦点位置。
与现有技术相比，本发明的换能器及超音波探头针对换能器的压电层进行改良，以使压电层于超音波主要探测方向的反向侧上形成曲面结构，以致压电层的中间部分与周边部分的声波的传递时间更趋近，从而改善聚焦的精准度。本发明的换能器在震荡(ring-down)表现方面，相对于传统的换能器可降低约40％，可使震荡时间更短。
附图说明
图1绘示依照本发明一实施例的换能器的结构简示图；
图2绘示依照本发明一实施例的超音波探头的结构简示图；
图3绘示本发明实施例的换能器的压电层的示意图；及
图4绘示依照本发明实施例的超音波探头的结构简示图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
请参照图1、图2及图3，其中图1绘示依照本发明一实施例的换能器100的结构简示图，图2绘示依照本发明一实施例的超音波探头10的结构简示图，图3绘示本发明实施例的换能器的压电层的示意图。
如图1所示，换能器100例如为一种超音波换能器(ultrasonic transducer)，其用于产生超音波以探测物体A。换能器100可包括压电层110，即换能器100为压电式超声换能器。举例来说，压电层110例如为锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)或铌酸锂(LiNbO3)等材料所构成。
如图2所示，超音波探头10可包括手持件11以及换能器100，换能器100可配置于手持件11的一端，以应用至超音波探头10使其可用于探测物体A。物体A为超音波可通过的物体，例如为人体皮肤，超音波探头10可用以接触至人体皮肤以进行探测。
如图1及图3所示，压电层110具有相对的第一表面110s1及第二表面110s2，第一表面110s1包含曲面结构111。在一实施例中，压电层110例如由多个压电元件排列形成，且至少部分的该多个压电元件的厚度相异，以形成曲面结构111。或者，在另一实施例中，压电层110亦可由多个相同厚度的压电元件排列后，再经由切削方式对该多个压电元件进行曲面加工，以形成曲面结构111。
此外，第一表面110s1可还包含平坦结构112，平坦结构112形成于曲面结构111之外侧。然而，本发明并不限制于此，在一实施例中，第一表面110s1可为一完整曲面，即第一表面110s1整体地为曲面结构111而未具有平坦结构。
如图1和图2所示，换能器100可还包括第一匹配层121以及第二匹配层122，第一匹配层121可设置于压电层110的第二表面110s2上。第二匹配层122可设置于第一匹配层121上，以使第一匹配层121位于压电层110与第二匹配层122之间。第一匹配层121、第二匹配层122的设置用以使压电层110的声阻抗(acoustic impedance)与换能器100产生的超音波的周围介质的声阻抗相匹配。因此，对应于材料的选用方面，举例来说，第一匹配层121例如为由金属粉末混合环氧树脂(Epoxy)的复合材料所构成，第二匹配层122例如为由环氧树脂(Epoxy)所构成。
此外，换能器100可还包括透镜元件130，透镜元件130设置于压电层110的周围。透镜元件130具有透镜曲面130s，透镜曲面130s沿朝向物体A的第二方向D2凸出地形成，其中第二方向D2与前述第一方向D1彼此为反向。透镜元件130可设置成附接第一匹配层121与第二匹配层122的两侧，以致第一匹配层121和第二匹配层122位于压电层110与透镜元件130之间。透镜元件130的设置用以加强换能器100的超音波的聚焦能力。举例来说，透镜元件130例如为由硅胶材料或玻璃材料所构成。
如第1、2图所示，换能器100可还包括软性电路板140，软性电路板140与压电层110相连接于第一表面110s1处，压电层110可透过软性电路板140传输讯号。在一实施例中，软性电路板140可但不限于设计成不显示配置，例如可以透明电路板实施。在另一实施例中，亦可以打线接合(wire bonding)的设置取代软性电路板140，进一步而言，打线接合的设置例如可使用楔焊(wedge bonding)。
此外，换能器100可还包括背胶层150，背胶层150配置于第一表面110s1上，且背胶层150覆盖曲面结构111。背胶层150亦可部分接触于软性电路板140上，以覆盖部分的软性电路板140。背胶层150的设置用于吸收朝第一方向D1传递的超音波及快速恢复压电层110为静止状态以降低残响，避免影响讯号判读。举例来说，背胶层150为具有强烈衰减特性的材料，以完全吸收在其内向换能器100背侧传递的超音波，从而不影响朝第二方向D2向换能器100前侧传递的音场。
图4绘示超音波探头10的结构简示图，其示出超音波探头10内包含的换能器100进行超音波聚焦。透过换能器100的压电层110具有的曲面结构111，其曲度设计成对应于超音波探头10的焦点位置F，以致换能器100由电能转换而成的声波可精准地聚焦于物体A。进一步言，因压电层110的曲面结构111的设计，可使压电层110中间部分与周边部分的声波的传递时间更趋近，从而改善聚焦的精准度。举例来说，在一实施例中，换能器100的焦距可例如为约55～60mm。
本发明上述实施例的换能器及应用其的超音波探头，相对于传统的换能器，针对换能器的压电层进行改良，以使压电层于超音波主要探测方向的反向侧上形成曲面结构，以致压电层的中间部分与周边部分的声波的传递时间更趋近，从而改善聚焦的精准度。对应地，本发明上述实施例的换能器在震荡(ring-down)表现方面，相对于传统的换能器可降低约40％，可使震荡时间更短。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。
Claims (12)
1.一种换能器，用于产生超音波以探测一物体，其特征在于，该换能器包括：
压电层，具有相对的第一表面及第二表面，其中该第一表面包含曲面结构，该第一表面相较于该第二表面远离该物体，该曲面结构沿远离该物体的第一方向凸出形成。
2.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，还包括第一匹配层，该第一匹配层设置于该第二表面上。
3.如权利要求2所述的换能器，其特征在于，还包括第二匹配层，该第二匹配层设置于该第一匹配层上，以使该第一匹配层位于该压电层与该第二匹配层之间。
4.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，还包括透镜元件，该透镜元件设置于该压电层的周围，该透镜元件具有透镜曲面，该透镜曲面沿朝向该物体的第二方向凸出地形成。
5.如权利要求4所述的换能器，其特征在于，该透镜元件由硅胶材料或玻璃材料构成。
6.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，还包括软性电路板，该软性电路板与该压电层相连接于该第一表面处。
7.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，还包括背胶层，该背胶层配置于该第一表面上，且该背胶层覆盖该曲面结构。
8.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，该第一表面还包含平坦结构，该平坦结构形成于该曲面结构的外侧。
9.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，该第一表面整体地为该曲面结构。
10.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，该压电层由多个压电元件排列形成，且至少部分的该多个压电元件的厚度相异，以形成该曲面结构。
11.一种超音波探头，用于探测一物体，其特征在于，该超音波探头包括：
手持件；以及
如权利要求1～9任一项所述的换能器，该换能器配置于该手持件的一端。
12.如权利要求11所述的超音波探头，其特征在于，该曲面结构的曲度设计成对应于该超音波探头的焦点位置。
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