KR20090085579A - 초음파 탐촉자 - Google Patents
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Abstract
고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있는 동시에 신뢰성이 높은 초음파 탐촉자를 실현하는 기술이 개시되고, 그 기술에 의하면 압전소자(1)는 소정의 두께를 가지며, 두께 방향의 한쪽 면에 접지전극(5)이 형성되고, 다른 쪽 면에 신호용 전극(6)이 형성되어 있으며, 이 압전소자의 접지전극의 형성 면에 음향 매칭 층(2)이 적층되었을 때에 이 음향 매칭 층은 적어도 도전성 부재(20)를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되고, 또한 도전성 부재는 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 갖고 있다.
탐촉자, 접지전극, 전극, 음향 매칭 층, 도전성 부재, 복합재료
Description
본 발명은 생체 등의 피검체(被檢體)에 접촉시켜서 초음파를 송신 및 수신함으로써 피검체의 진단정보를 얻기 위해서 사용되는 초음파 탐촉자에 관한 것이다.
초음파 진단장치는 초음파를 사람이나 동물 등의 생체의 피검체에 조사하고, 피검체 내에서 반사되는 에코신호(echo signal)를 검출해서 생채 내 조직의 단층 상 등을 모니터에 표시하여 피검체의 진단에 필요한 정보를 제공하는 것이다. 이 초음파 진단장치에는 피검체 내로의 초음파의 송신과 피검체 내로부터의 에코신호의 수신을 실행하기 위한 초음파 탐촉자가 사용된다.
도 9는 이런 종류의 종래의 초음파 탐촉자의 구성 예를 도시한 단면도이다. 도 9에서 초음파 탐촉자(30)는 도시하지 않은 피검체와의 사이에서 초음파를 송수신하도록, 일정 방향(도 9에서는 지면과 직교하는 방향)으로 배열된 복수의 압전소자(11)와, 이 압전소자(11)의 피검체 측(도 9의 상방)의 표면(이하, 피검체 측의 표면을 전면이라 한다)에 설치된 1층 이상(도시한 것은 2층)의 음향 매칭 층(12(12a, 12b))과, 이 음향 매칭 층(12)의 전면에 설치된 음향 렌즈(13)와, 압전소자(11)의 피검체 측과는 반대 측(도 9의 하방)의 표면(이하, 피검체 측과는 반대 측의 표면을 배면이라 한다)에 설치된 신호용 전기단자(15)와, 이 신호용 전기단 자(15)의 배면에 설치된 배면 부하재(backing material)(14)와, 제 1 음향 매칭 층(12a)과 제 2 음향 매칭 층(12b) 사이에 장착된 접지용 전지단자(16)를 구비하고 있다.
압전소자(11)는 PZT(티탄산 지르콘산 납)계 등의 압전 세라믹, 단결정, 이들 재료와 고분자 재료를 복합한 복합 압전체, 혹은 PVDF(이소불화비닐) 등으로 대표되는 고분자 재료의 압전체 등에 의해서 형성된다. 이 압전소자(11)의 전면 및 배면에는 각각 전극이 형성되고, 이들 전극과 압전소자(11) 사이에서 전기신호의 송수신이 이루어진다. 즉, 압전소자(11)는 전압을 초음파로 변환하여 피검체 내에 송신하고, 또 피검체 내에서 반사한 에코를 수신하여 전기신호로 변환한다.
음향 매칭 층(12)은 초음파를 효율 좋게 피검체에 송신하고, 또한 피검체로부터 수신하기 위해서 설치되며, 더 구체적으로는 압전소자(11)의 음향 임피던스를 단계적으로 피검체의 음향 임피던스에 근접시키는 역할을 하고 있다. 도시한 예에서는 음향 매칭 층(12)으로 제 1 음향 매칭 층(12a)과 제 2 음향 매칭 층(12b)이 적층되어 있다. 이 중, 제 1 음향 매칭 층(12a)으로는 도전부재인 그래파이트(graphite)가 이용되고, 이 전면으로부터 절연성 필름에 금속 막을 피착한 전기단자(16)가 인출되어 있다. 또, 전기단자(16)의 전면에 제 2 음향 매칭 층(12b)이 설치되어 있다. 이 구성은 압전소자(11)가 외부로부터의 기계적인 충격 등에 의해서 깨지더라도 절연성 필름은 잘 깨어지지 않으므로 전기적인 도통이 확보되어서 신뢰성이 높다고 하는 특징을 갖는다(예를 들어, 하기의 특허문헌 1 참조).
한편, 제 1 음향 매칭 층(12a)으로 그래파이트보다도 음향 임피던스가 큰 재 료를 이용함으로써 광대역화(廣大域化)한다고 하는 구성도 알려져 있다(예를 들어, 하기의 특허문헌 2 참조).
또, 제 1 음향 매칭 층(12a)으로 절연성 부재의 일부에 관통 구멍을 설치하고, 이 관통 구멍에 도전성 부재를 삽입하여, 그 전면에 설치한 전기단자와 그 배면에 있는 압전소자(11)의 전극을 접속하는 구성도 알려져 있다(예를 들어, 하기의 특허문헌 3 참조).
음향 렌즈(13)는 진단화상의 분해능(分解能)을 높이기 위해서 초음파 빔을 집속시키는 역할을 한다. 이 음향 렌즈(13)는 옵션 요소이며, 필요에 따라서 설치된다. 배면 부하재(14)는 압전소자(11)를 지지하도록 결합되고, 또한 불필요한 초음파를 감쇠(減衰)시키는 역할을 한다.
특허문헌 1 : 일본국 특개평 7-123497호 공보
특허문헌 2 : 일본국 특개 2003-125494호 공보
특허문헌 3 : 일본국 실개평 7-37107호 공보
전자 주사형의 초음파 진단장치는 압전소자를 복수의 군으로 해서 각각의 압전소자 군에 일정한 지연시간을 부여하여 구동하고, 각 압전소자 군에서 피검체 내로의 초음파의 송신과 피검체 내로부터의 에코신호의 수신을 한다. 이와 같이 지연시간을 부여함에 따라서 초음파 빔이 수속(收束) 또는 확산되어서 넓은 시야 폭 또는 고 분해능의 초음파 화상을 얻을 수 있다.
복수의 압전소자 군에 일정한 지연시간을 부여하여 초음파 화상을 얻는 시스템은 일반적인 시스템으로서 이미 알려져 있다. 초음파 탐촉자로서 이와 같은 고 분해능의 초음파 화상을 얻기 위해서 중요한 점의 하나로 광대역화가 있다. 또, 높은 성능이 요구되는 한편으로, 초음파 탐촉자는 의사 또는 검사기사가 조작하는 동시에 피검체에 직접 또는 간접적으로 접촉시켜서 진단화상을 얻는 것이므로 초음파 탐촉자는 조작성을 양호하게 하기 위해서 슬림한 형상도 요구된다. 또, 초음파 탐촉자는 조작 중이거나 또는 그 외의 경우에 불가항력에 의해 낙하하거나 타격이 가해지거나 해서 파손되는 경우도 때때로 있으며, 이에 대하여 신뢰성이 높을 것이 요구된다.
초음파 탐촉자를 광대역화하기 위한 하나의 방책으로, 특허문헌 2에 나타내는 것과 같이, 압전소자의 전면에 설치하는 음향 매칭 층을 3층 이상으로 하는 구성을 들 수 있다. 그러나 이 구성에서는 압전소자 측의 제 1 음향 매칭 층에 반도체인 실리콘을 사용하고 있으므로, 이 제 1 음향 매칭 층 측의 압전소자의 전극으로부터 인출하는 전기단자는 압전소자에 형성된 전극의 단부의 일부로부터 인출할 수밖에 없으며, 이 구성에서는 기계적인 충격에 의해서 압전소자 및 전극이 깨진 경우, 깨진 시점에서 단선이 발생하여 기능이 저하하게 된다.
한편, 특허문헌 1에 나타낸 구성은 제 1 음향 매칭 층에 도체인 그래파이트를 사용하고, 그 전면에 절연성 필름의 일측 주면에 금속 막을 피착시킨 전기단자를 설치하고 있으므로 신뢰성은 높아지나, 제 1 음향 매칭 층에 사용하는 도체 재료는 음향 임피던스가 작고, 또 음향 매칭 층은 2층까지밖에 적층할 수 없으므로 광대역화가 어려웠다. 최근, 초음파 탐촉자는 더욱 광대역화되는 경향이 있으며, 기본 주파수에 대하여 2차 또는 3차의 고주파 성분을 이용하거나 또는 복수의 주파 수로 사용하여 고 분해능의 초음파 화상을 얻어서 진단하는 경우가 많아지고 있으므로 광대역화하는 것이 점점 중요해지고 있다.
본 발명은 상기의 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있는 동시에 신뢰성이 높은 초음파 탐촉자를 제공하는 것에 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은 조작성이 양호한 초음파 탐촉자를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 두께 방향의 양면에 전극이 형성된 압전소자와, 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층된 음향 매칭 층을 구비한 초음파 탐촉자에 있어서, 상기 음향 매칭 층은 적어도 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되고, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층되는 음향 매칭 층의 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있으므로 주파수의 광대역화가 가능함에 따라서 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 음향 매칭 층을 개재하여 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높은 초음파 탐촉자가 제공된다.
또, 본 발명은 상기 음향 매칭 층은 절연성 부재 또는 반도전성 부재(semiconductive member)와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료, 또는 절연성 부재 또는 반도전성 부재를 포함하는 복수의 소재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되며, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층되는 음향 매칭 층의 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있으므로 주파수의 광대역화가 가능함에 따라서 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 음향 매칭 층을 개재하여 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높은 초음파 탐촉자가 제공된다.
또, 본 발명은 소정의 두께를 가지며, 두께 방향의 양면에 전극이 형성되고, 서로 두께 방향과 직교하는 방향으로 배치된 복수의 압전소자와, 상기 복수의 압전소자의 일방의 전극형성 면에 각각 적층된 복수의 음향 매칭 층을 구비한 초음파 탐촉자에 있어서, 상기 음향 매칭 층은 상기 압전소자에 순서대로 적층된 제 1 및 제 2 음향 매칭 층을 포함하고, 상기 제 1 음향 매칭 층은 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되며, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 음향 매칭 층의 다층화에 의해 음향 임피던스를 원하는 값으로 하기가 쉬워지므로 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 제 1 음향 매칭 층을 개재하여 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있게 되므로 신뢰성이 높은 초음파 탐촉자가 제공된다.
또, 본 발명은 상기 압전소자에 인접하는 상기 음향 매칭 층을 구성하는 상기 복합재료는 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재가 미리 정해진 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재의 체적률을 임의로 설정할 수 있게 되어서 음향 임피던스의 결정이 용이해진다.
또, 본 발명은 상기 압전소자에 인접하는 상기 음향 매칭 층의 외부 표면부에 적층된 전기단자를 구비하고, 상기 전기단자는 절연성 필름의 일측 주면에 도전성 막이 피착되며, 또한 상기 절연성 필름의 일측 주면이 상기 음향 매칭 층에 대향하도록 적층되고, 상기 도전성 막이 상기 음향 매칭 층을 구성하는 상기 도전성 부재를 개재하여 상기 압전소자에 형성된 일방의 상기 전극과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 기계적인 충격 등에 의해서 압전소자 및 한쪽의 전극이 깨어지더라도 절연성 필름은 잘 깨어지지 않으므로 단선이 되어서 고장이 발생하는 일이 매우 적어져서 조작성이 양호한 초음파 탐촉자가 제공된다.
또, 본 발명은 소정의 두께를 가지며, 두께 방향의 양면에 전극이 형성되고, 서로 두께 방향과 직교하는 방향으로 배치된 복수의 압전소자와, 상기 복수의 압전소자의 일방의 전극형성 면에 각각 적층된 복수의 음향 매칭 층을 구비한 초음파 탐촉자에 있어서, n을 3 이상의 정수로 하여, 상기 음향 매칭 층은 상기 압전소자에 순서대로 적층되는 제 1 ~ 제 n 음향 매칭 층을 포함하고, 또한 제 1 음향 매칭 층과 제 2 음향 매칭 층 사이에 전기단자가 삽입되며, 적어도 상기 제 1 음향 매칭 층은 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되고, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지며, 상기 전기단자는 절연성 필름의 일측 주면에 도전성 막이 피착되고, 또한 상기 절연성 필름의 일측 주면이 상기 음향 매칭 층에 대향하도록 적층되며, 상기 도전성 막이 상기 제 1 음향 매칭 층을 구성하는 상기 도전성 부재를 개재하여 상기 압전소자에 형성된 일방의 상기 전극과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 음향 매칭 층이 다층화되는 동시에 음향 매칭 층의 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있게 되므로 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있고, 또, 제 1 음향 매칭 층을 개재하여 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있게 되므로 신뢰성이 높아지며, 또한 절연성의 필름은 잘 깨어지지 않으므로 단선되어 고장 날 일이 매우 적어져서 조작성도 양호한 초음파 탐촉자가 제공된다.
또, 본 발명은 소정의 두께를 가지며, 두께 방향의 양면에 전극이 형성되고, 서로 두께 방향과 직교하는 방향으로 배치된 복수의 압전소자와, 상기 복수의 압전소자의 일방의 전극형성 면에 각각 적층된 복수의 음향 매칭 층을 구비한 초음파 탐촉자에 있어서, n을 3 이상의 정수로 하여, 상기 음향 매칭 층은 상기 압전소자에 순서대로 적층되는 제 1 ~ 제 n 음향 매칭 층을 포함하고, 또한 제 2 음향 매칭 층과 제 3 음향 매칭 층 사이에 전기단자가 삽입되며, 적어도 상기 제 1 및 제 2 음향 매칭 층은 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되고, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지며, 상기 전기단자는 절연성 필름의 일측 주면에 도전성 막이 피착되고, 또한 상기 절연성 필름의 일측 주면이 상기 음향 매칭 층에 대향하도록 적층되며, 상기 도전성 막이 상기 제 1 음향 매칭 층을 구성하는 상기 도전성 부재 및 상기 제 2 음향 매칭 층을 구성하는 상기 도전성 부재를 개재하여 상기 압전소자에 형성된 일방의 상기 전극과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 음향 매칭 층이 다층화되는 동시에 음향 매칭 층의 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있게 되므로 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 제 1 및 제 2 음향 매칭 층을 개재하여 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있게 되므로 신뢰성이 높아지고, 또한 기계적인 충격 등에 의해서도 잘 깨어지지 않는 절연성의 필름을 사용하고 있으므로 조작성이 양호한 초음파 탐촉자가 제공된다.
또, 본 발명은 상기 제 1 음향 매칭 층을 구성하는 상기 복합재료는 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재가 미리 정해진 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 제 1 음향 매칭 층을 구성하는 복합재료에서의 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재의 체적률을 임의로 설정할 수 있게 되어서 음향 임피던스의 결정이 용이해진다.
또, 본 발명은 상기 제 2 음향 매칭 층을 구성하는 상기 복합재료는 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재가 미리 정해진 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 제 2 음향 매칭 층을 구성하는 복합재료에서의 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재의 체적률을 임의로 설정할 수 있게 되어서 음향 임피던스의 결정이 용이해진다.
또, 본 발명은 상기 압전소자의 두께 방향을 Z 방향, 이 Z 방향과 직교하는 방향을 X 방향, 이들 Z 방향 및 X 방향과 직교하는 방향을 Y 방향으로 하여, 상기 음향 매칭 층을 구성하는 상기 복합재료는, 상기 도전성 부재가 Z 방향으로만 연결되어 있고, X, Y 방향으로 연결되어 있지 않으며, 상기 절연성 부재 또는 반도전성 부재가 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있는 연결구조이거나, 또는 상기 도전성 부재가 Y 및 Z의 2방향으로 연결되어 있고, 상기 절연성 부재 또는 반도전성 부재가 Y 및 Z의 2방향으로 연결되어 있는 연결구조이거나, 또는 상기 도전성 부재가 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있고, 상기 절연성 부재 또는 반도전성 부재가 Z 방향으로만 연결되어 있으며, X, Y방향으로 연결되어 있지 않은 연결구조 중 어느 하나의 연결구조를 갖고 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 음향 매칭 층을 구성하는 복합재료에서의 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재의 체적률의 설정이 용이해지며, 또 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 도전성 재료가 관통하는 부위를 형성하기가 용이해진다.
또, 본 발명은 소정의 두께를 가지며, 두께 방향의 양면에 전극이 형성된 압전소자와, 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층된 음향 매칭 층을 구비한 초음파 탐촉자에 있어서, 상기 음향 매칭 층은 적어도 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되고, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지며, 또 두께 방향으로 도전성 부재는 연속적으로 체적비율이 경사지거나 또는 단계적으로 체적비율을 바꾼 구성으로 하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층되는 음향 매칭 층의 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있으므로 주파수의 광대역화가 가능함에 따라서 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 음향 매칭 층을 개재하여 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높은 초음파 탐촉자가 제공된다.
또, 본 발명은 상기 음향 매칭 층의 상기 복수의 소재의 복합재료는 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층되는 음향 매칭 층의 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있으며, 또 다층화할 수 있으므로 주파수의 광대역화가 가능함에 따라서 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 음향 매칭 층을 개재하여 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높은 초음파 탐촉자가 제공된다.
또, 본 발명은 상기 복합재료의 상기 도전성 부재가 금속, 금속과 고분자 재료의 복합체, 그래파이트의 탄화물 중 적어도 하나를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 음향 임피던스를 가미한 재료의 선택이 가능해진다.
또, 본 발명은 상기 복합재료의 절연성 부재 또는 반도전성 부재가 유리, 세라믹, 수정, 유기 고분자와 금속의 복합체, 실리콘의 단결정 또는 다결정 중의 적어도 하나를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 음향 임피던스의 결정이 용이해진다.
본 발명에 의하면, 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층되는 음향 매칭 층이 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되어 있으므로 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있으며, 주파수의 광대역화가 가능함에 따라서 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 도전성 부재가 압전소자의 한쪽이 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 갖고 있으므로 음향 매칭 층을 개재하여 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있어서 신뢰성이 높은 초음파 탐촉자가 제공된다.
도 1A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 1 실시 예의 구성을 도시한 단면도이다.
도 1B는 도 1A에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 음향 매칭 층의 구성 예 를 도시한 단면도이다.
도 2A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 2 실시 예의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2B는 도 2A에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 제 1 음향 매칭 층의 구성 예를 도시한 사시도이다.
도 2C는 도 2B에 도시한 제 1 음향 매칭 층의 절연성 부재 또는 도전성 부재의 체적비율과 음향 임피던스의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2D는 도 2A에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 제 1 음향 매칭 층의 구성 예를 도시한 사시도이다.
도 2E는 도 2A에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 제 1 음향 매칭 층의 구성 예를 도시한 사시도이다.
도 3A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 3 실시 예의 구성을 그 일부를 파단하여 도시한 사시도이다.
도 3B는 도 3A에 도시한 초음파 탐촉자의 단면도이다.
도 3C는 도 3A 및 도 3B에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 요소의 구체적인 구성 예를 도시한 사시도이다.
도 3D는 도 3A 및 도 3B에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 요소의 구체적인 구성 예를 도시한 사시도이다.
도 4A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 4 실시 예의 구성을 그 일부를 파단하여 도시한 사시도이다.
도 4B는 도 4A에 도시한 초음파 탐촉자의 단면도이다.
도 5A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 5 실시 예의 구성을 그 일부를 파단하여 도시한 사시도이다.
도 5B는 도 5A에 도시한 초음파 탐촉자의 단면도이다.
도 6A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 6 실시 예의 구성을 그 일부를 파단하여 도시한 단면도이다.
도 6B는 도 6A에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 음향 매칭 층의 구성 예를 도시한 단면도이다.
도 7A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 7 실시 예를 구성하는 음향 매칭 층의 구성 예를 도시한 단면도이다.
도 7B는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 7 실시 예를 구성하는 음향 매칭 층의 다른 구성 예를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 8 실시 예를 구성하는 음향 매칭 층의 구성 예를 도시한 단면도이다.
도 9는 종래의 초음파 탐촉자의 구성 예를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명을 도면에 도시한 적합한 실시 예에 의거하여 상세하게 설명한다.
<제 1 실시 예>
도 1A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 1 실시 예의 구성을 도시한 단 면도이고, 도 1B는 도 1A에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 음향 매칭 층의 구성 예를 도시한 단면도이다.
도 1A에서 초음파 탐촉자(10A)는 판 형상의 압전소자(1)와, 이 압전소자(1)의 전면(도면의 상방)에 적층된 음향 매칭 층(2)과, 필요에 따라서 압전소자(1)의 배면(도면의 하방)에 장착되는 배면 부하재(3)와, 마찬가지로 필요에 따라서 음향 매칭 층(2)의 전면에 장착되는 음향 렌즈(4)를 구비하고 있다. 이들 구성요소의 각각의 기능은 종래의 초음파 탐촉자를 구성하는 요소가 갖는 기능과 동일하다.
초음파 탐촉자(10A)의 구성요소 중, 압전소자(1)는 PZT계와 같은 압전 세라믹, PZN-PT, PMN-PT계와 같은 압전 단결정 또는 이들 재료와 고분자 재료를 복합한 복합 압전체 또는 PVDF 등으로 대표되는 고분자 재료의 압전체 등에 의해서 형성된다. 압전소자(1)의 전면에는 접지전극(5)이 형성되고, 압전소자(1)의 배면에는 신호용 전극(6)이 형성되어 있다. 접지전극(5) 및 신호용 전극(6)은 각각 금이나 은의 증착, 스퍼터링 또는 은의 베이킹(silver baking) 등에 의해서 형성된다.
또, 압전소자(1)에 형성되어 있는 신호용 전극(6)과 배면 부하재(3) 사이에 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(7a)의 일측 주면에 동 등의 도전성 막(7b)이 피착된 신호용 전기단자(7)가 삽입되어 있다. 이 경우, 압전소자(1)에 형성되어 있는 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)의 도전성 막(7b)이 접촉하고, 또 신호용 전기단자(7)의 절연성 필름(7a)이 배면 부하재(3)에 접촉하도록 절연성 필름(7a)의 일측 주면이 압전소자(1) 측으로 향한다. 한편, 압전소자(1)에 형성되어 있는 접지전극(5)의 전면에는 적어도 도전성 부재를 포함하 는 복합재료로 구성되는 음향 매칭 층(2)과 도전성을 갖는, 예를 들어, 동 등의 금속의 박막 등의 접지용 전기단자(9)가 순차 적층되어 있다. 이 경우, 음향 매칭 층(2)의 복합재료의 도전성 부재에 접지용 전기단자(9)가 접촉하고, 필요에 따라서 접지용 전기단자(9)의 전면에는 실리콘 고무 등의 재료를 이용한 음향 렌즈(4)가 장착된다. 또, 도전성 막(7b), 접지용 전기단자(9)는 전기적으로 도전성을 갖는 재료이면 무엇이든지 좋으며 금속에 한정되는 것은 아니다. 또, 접지용 전기단자(9)는 신호용 전기단자(7)의 구성과 같이 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름의 일측 주면에 도전성 막이 피착되고, 이 도전성 막이 음향 매칭 층(2) 측이 되도록 적층하여도 좋다.
상기와 같이 구성된 초음파 탐촉자(10A)의 동작에 대하여 이하에 설명한다.
압전소자(1)에 형성된 신호용 전극(6)은 신호용 전기단자(7)를 개재하고, 또 압전소자(1)의 접지전극(5)은 음향 매칭 층(2)의 복합재료의 도전성 부재와 접지용 전기단자(9)를 개재하여 각각 도시하지 않은 케이블의 일 단에 전기적으로 접속되며, 이들 케이블의 각각의 타 단은 도시하지 않은 초음파 진단장치의 본체부에 접속된다. 이에 따라 초음파 진단장치의 본체부에서 만들어지는 규칙적인 펄스전압을 압전소자(1)에 인가하여 초음파를 송신하고, 또 수신한 초음파의 에코를 전기신호로 변환하여 초음파 진단장치의 본체부에 송신한다.
도전성 부재를 포함하는 복합재료로 구성되어 있는 음향 매칭 층(2)으로는 그 음향 임피던스가 압전소자(1)와 음향 렌즈(4) 측에 위치하는 도시하지 않은 피검체의 각 음향 임피던스의 사이가 되는 재료가 선택된다. 이 음향 매칭 층(2)의 도전성 재료를 포함하는 복합재의 구성 예를 도 1B에 도시한다. 도 1B에서는 피검체를 향해서 초음파를 방사하는 방향을 Z 방향, 이와 직교하는 2개의 방향을 각각 X 방향, Y 방향으로 하고 있다.
도 1B에 도시한 음향 매칭 층(2)은 도전성 부재(20)와, 다른 부재로 예를 들어 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 X 방향으로 교대로 배치된 것으로, 이 중 복수의 도전성 부재(20)는 Y 및 Z의 2방향으로 연결되어 있으며, 또 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)도 마찬가지로 Y 및 Z의 2방향으로 연결되어 있는 구조체로 되어 있다. 여기서, 복수의 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 전면에 형성된 접지전극(5)과, 접지용 전기단자(9)에 각각 접촉해서 압전소자(1)의 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)를 전기적으로 접속하는 기능을 갖고 있다. 또, 도전성 부재(20)를 그 단부를 각각 Z 방향을 향한 상태에서 Y 방향으로 열 형상으로 배치하는 동시에 X 방향으로 복수 열 배치하고, 그 주위를 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 둘러싼 것으로, 이 중 도전성 부재(20)는 Z 방향의 1방향으로 연결되어 있으며, X, Y 방향의 연결은 없는 것으로 하여도 좋다. 또, 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있는 구조체 또는 복수의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)를 그 단부를 각각 Z 방향을 향한 상태에서 Y 방향으로 열 형상으로 배치하는 동시에 X 방향으로 복수 열 배치하고, 그 주위를 도전성 부재(20)로 둘러싼 것으로, 이 중 도전성 부재(20)는 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있고, 또 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 Z 방향의 1방향에만 연결되어 있는 구조체로 하여도 동일한 효과를 갖는다. 또, 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합체로 하였으나, 이 외에 도전부재끼리 재료가 다른 복합체라도 동일한 효과를 갖는다.
상술한 바와 같이, 도 1A에 도시한 음향 매칭 층(2)의 음향 임피던스는 압전소자(1)의 음향 임피던스와 피검체의 음향 임피던스 사이의 값을 갖고 있어야 한다. 예를 들어, 압전소자(1)로 음향 임피던스가 약 30MRayl의 값을 갖는 PZT-5H의 압전 세라믹을 이용하고, 음향 임피던스가 약 1.6MRayl의 값은 갖는 생체와 같은 피검체를 대상으로 한 경우에는 음향 매칭 층(2)은 1층으로 하고 있으므로 6~8MRayl 전후의 값의 재료를 이용하게 된다.
이에, 예를 들어 도 1A에 도시한 초음파 탐촉자(10A)를 이용하여 설명하나, 음향 매칭 층(2)으로 절연성 부재 또는 반도전성 부재를 이용하고, 압전소자(1)의 접지전극(5)의 단부에 대응하는 부위를 절취하여 음향 매칭 층이 없는 부분(도시생략)을 만들고, 그 부분에서 전기단자(도시생략)를 인출하는 구성도 생각할 수 있다. 그러나 이와 같은 구성으로 하면 성능적으로는 주파수의 광대역화가 가능해지는 반면, 음향 매칭 층이 없는 부분에서도 압전소자(1)가 진동하여 초음파를 발생하므로 피검체에 송신하는 초음파가 흐트러져서 초음파 화상이 열화한다. 또, 접지전극(5)에서 인출하는 전기단자는 1개소이므로 진단조작 중에 초음파 탐촉자를 낙하시키거나 또는 초음파 탐촉자에 타격 등 기계적인 충격을 가함에 따라 압전소자(1)가 깨졌을 때에 접지전극(5)도 또한 깨져서 전기적인 단선이 발생하는 등에 의해서 고장이 날 우려도 있다.
도 1A에 도시한 제 1 실시 예는 이들 문제를 해결하고, 또한 주파수의 광대 역화가 가능한 구성을 실현한 것이다. 즉, 압전소자(1)의 접지전극(5)이 음향 매칭 층(2)의 복수의 도전성 부재(20)를 개재하여 접지용 전기단자(9)와 전기적으로 접속되는 구성으로 하고 있으므로, 압전소자(1)의 전면에 균일하고 원하는 초음파의 송신 및 수신을 할 수 있는 동시에 기계적인 충격 등에 의해서 압전소자(1) 및 접지전극(5)이 깨지더라도 음향 매칭 층(2)의 복수 개의 도전성 부재(20)에 의해 접속되어 있으므로 단선하여 고장나는 일은 매우 적어진다.
여기에서는 음향 매칭 층(2)의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 에폭시 수지, 우레탄수지, 폴리이미드 등으로 대표되는 고분자 재료, 유리, 결정화 유리, 텅스텐 분체를 고 농도로 혼입한 에폭시 수지, 니오브산납 세라믹, 가공성이 있는 세라믹(쾌삭성 세라믹), 단결정 또는 다결정 실리콘, 수정, 티탄산바륨 등의 세라믹 등을 이용한다. 또, 음향 매칭 층(2)의 도전성 부재(20)로 그래파이트, 동 등의 금속을 충전한 그래파이트, 동, 알루미늄, 은, 금, 니켈 등의 금속재료나, 금, 은, 동, 알루미늄 등의 금속 또는 카본의 분체를 에폭시 수지 등의 고분자 화합물에 혼입하여 도전성을 가지게 한 고분자 재료나 카본 등을 이용한다. 또, 도전성 부재(20) 혹은 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 상술한 재료에 한정되는 것은 아니며, 상술한 재료와 동일한 정도의 음향 임피던스를 갖는 것이면 다른 재료여도 좋다. 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료의 음향 임피던스는 각각의 체적비율에 따라서 결정된다.
예를 들어, 음향 매칭 층(2)에 필요한 음향 임피던스로 7MRayl의 값으로 하려고 하는 경우에는, 도전성 부재(20)로 약 10MRayl의 값을 갖는 동을 충전한 그래 파이트와 절연성 부재(21)로 약 3MRayl의 값을 갖는 에폭시 수지를 이용한 복합재로 하여 각각의 부재의 체적비율을 선택하면 된다. 즉, 음향 임피던스는 에폭시 수지의 체적비율이 높은 경우에는 음향 임피던스가 3MRayl에 가까워지고, 동을 충전한 그래파이트의 체적비율이 높은 경우에는 음향 임피던스가 10MRayl에 가까워져서 필요로 하는 7MRayl로 하는 것은 쉽게 선택할 수 있다.
또, 여기서 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료의 구성을 설명하였으나, 이 조합의 복합재료의 구성 외에 예를 들어 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)에 도전성 부재를 이용하여 도전성 부재의 복합재료로 한 구성이어도 좋으며, 즉, 적어도 도전성 부재(20)를 갖고, 압전소자(1)의 전극 면과 전기적인 접속이 가능한 기능과 음향 임피던스를 가변할 수 있는 기능을 구비한 복합재료이면 상기 구성에 한정되지 않음은 명백하다.
또, 여기에서는 음향 매칭 층(2)은 1층인 타입에 대하여 설명하였으나, 이 외에 2층 이상의 음향 매칭 층을 구비하는 구성으로 한 경우에도 각각의 음향 매칭 층에 본 복합재를 설치하여도, 또 일부의 층에 설치한 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 압전소자의 피검체 측에 설치되는 음향 매칭 층으로 적어도 도전성 부재를 포함하는 복합재료를 설치함으로써 음향 매칭 층을 원하는 음향 임피던스로 하는 것이 가능해지며, 이에 따라 주파수의 광대역화가 가능하므로 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 복합재료의 음향 매칭 층의 도전성 부재를 개재하여 압전소자의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높으면서 조작성이 양호한 초음파 탐촉자를 얻을 수 있다.
또, 제 1 실시 예에서는 도 1B에 도시한 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 Z 방향에 대하여 균일한 폭으로 형성되는 경우에 대하여 설명하였으나, 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 Z 방향에 대하여 폭이 연속적으로 변화하는 소위 쐐기와 같은 형상으로 또는 단계적으로 변화하도록 해서 Z방향의 두께에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화 또는 단계적으로 변화하는 구성으로 한 경우에서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 1 실시 예에서는 도 1B에 도시한 도전성 부재(20) 및 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 대략 동일한 간격으로 이들을 교대로 배열한 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 무작위의 간격 또는 무작위로 배열한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 1 실시 예에서는 압전소자(1)의 접지전극(5)과 전기신호를 주고받기 위해 음향 매칭 층(2)을 개재하여 그 전면에 접지용 전기단자(9)를 설치하는 구성에 대하여 설명하였으나, 이 대신에 음향 매칭 층(2)의 Z 방향의 양면 또는 한쪽 면에 도전성 부재를 스퍼터링, 도금 또는 인쇄 등에 의해 형성하고, 그 부분에 접지용 전기단자(9)를 접속하는 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 1 실시 예에서는 음향 매칭 층(2)으로 각각 1개의 재종(材種)으로 형성된 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조의 것을 이용하였으나, 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 적어도 한쪽이 2종류 이상의 재료로 형성되어 있어도 동일한 효과를 얻을 수 있음은 명백 하며, 각각 하나의 재종의 연결구조에 한정되는 것은 아니다.
또, 제 1 실시 예에서는 압전소자(1)의 전면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 그 피검체 측에 접지용 전기단자(9)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고, 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)를 접촉시키고 있으나, 이 대신에 압전소자(1)의 전면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 그 피검체 측에 신호용 전기단자(7)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 접지전극(5)에 접지용 전기단자(9)를 접촉시켜도 원리적으로는 초음파를 송수신하는 것은 가능하다.
<제 2 실시 예>
도 2A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 2 실시 예의 구성을 도시한 단면도이고, 도 2B, 도 2D, 도 2E는 각각 도 2A에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 제 1 음향 매칭 층의 구성 예를 도시한 사시도이며, 도 2C는 도 2B에 도시한 제 1 음향 매칭 층의 절연성 부재 또는 도전성 부재로 이용한 실리콘 단결정의 체적비율과 음향 임피던스의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2A에서 초음파 탐촉자(10B)는 판 형상의 압전소자(1)와, 이 압전소자(1)의 전면(도면의 상방)에 적층된 2층의 음향 매칭 층(2(2a, 2b))과, 필요에 따라서 압전소자(1)의 배면(도면의 하방)에 장착되는 배면 부하재(3)와, 마찬가지로 필요에 따라서 음향 매칭 층(2(2a, 2b))의 전면에 장착되는 음향 렌즈(4)를 구비하고 있다. 이들 구성요소의 각각의 기능은 종래의 초음파 탐촉자를 구성하는 요소가 갖는 기능과 동일하다.
초음파 탐촉자(10B)의 구성요소 중 압전소자(1)는 PZT계와 같은 압전 세라믹, PZN-PT, PMN-PT계와 같은 압전 단결정 또는 이들 재료와 고분자 재료를 복합한 복합 압전체, 또는 PVDF 등으로 대표되는 고분자 재료의 압전체 등에 의해서 형성된다. 압전소자(1)의 전면에는 접지전극(5)이 형성되고, 압전소자(1)의 배면에는 신호용 전극(6)이 형성되어 있다. 접지전극(5) 및 신호용 전극(6)은 각각 금이나 은의 증착, 스퍼터링, 또는 은의 베이킹 등에 의해서 형성된다.
또, 압전소자(1)에 형성되어 있는 신호용 전극(6)과 배면 부하재(3) 사이에 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(7a)의 일측 주면에 동 등의 도전성 막(7b)이 피착된 신호용 전기단자(7)가 삽입되어 있다. 이 경우, 압전소자(1)에 형성되어 있는 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)의 도전성 막(7b)이 접촉하고, 또한 신호용 전기단자(7)의 절연성 필름(7a)이 배면 부하재(3)에 접촉하도록 절연성 필름(7a)의 일측 주면이 압전소자(1) 측으로 향해진다. 한편, 압전소자(1)에 형성되어 있는 접지전극(5)의 전면에는 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재의 복합재료로 구성되는 제 1 음향 매칭 층(2a)과, 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 동 등의 도전성 막(두께는 특성에 영향이 작도록 5마이크로미터 이하가 바람직하다)(9b)가 피착된 접지용 전기단자(9)와, 에폭시 수지, 폴리이미드 등의 고분자 재료로 구성되는 제 2 음향 매칭 층(2b)이 순차 적층되어 있다. 이 경우, 제 1 음향 매칭 층(2a)의 복합재료의 도전성 부재에 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)이 접촉하고, 접지용 전기단자(9)의 절연성 필름(9a)에 제 2 음향 매칭 층(2b)이 접촉하도록 절연성 필름(9a)의 일측 주면이 제 1 음향 매칭 층(2a) 측으로 향해진다. 제 2 음향 매칭 층(2b)은 절연성 부재라도 좋고 또는 도전성 부재라도 좋다. 그리고 필요에 따라서 제 2 음향 매칭 층(2b)의 전면에는 실리콘 고무 등의 재료를 이용한 음향 렌즈(4)가 장착된다. 또, 도전성 막(7b, 9b)은 전기적으로 도전성을 갖는 재료이면 무엇이든지 좋으며 금속에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 구성된 초음파 탐촉자(10B)의 동작에 대하여 이하에 설명한다.
압전소자(1)에 형성된 신호용 전극(6)은 신호용 전기단자(7)를 개재하고, 또 압전소자(1)의 접지전극(5)은 제 1 음향 매칭 층(2a)의 복합재료의 도전성 부재와 접지용 전기단자(9)를 개재하여 각각 도시하지 않은 케이블의 일 단에 전기적으로 접속되며, 이들 케이블의 각각의 타 단은 도시하지 않은 초음파 진단장치의 본체부에 접속된다. 이에 의해 초음파 진단장치의 본체부에서 만들어지는 규칙적인 펄스전압을 압전소자(1)에 인가하여 초음파를 송신하고, 또 수신한 초음파의 에코를 전기신호로 변환하여 초음파 진단장치의 본체부에 송신한다.
절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재의 복합재료(이하, 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료라 한다)로 구성되어 있는 제 1 음향 매칭 층(2a)으로는 그 음향 임피던스가 압전소자(1)와 제 2 음향 매칭 층(2b)의 각 음향 임피던스의 중간이 되는 재료가 선택된다. 이 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재와의 각각의 연결구조의 구성 예를 도 2B, 도 2D 및 도 2E에 도시한다. 도 2B, 도 2D 및 도 2E에서는 피검체를 향해서 초음파를 방사하는 방향을 Z 방향, 이와 직교하는 2개의 방향을 각각 X 방향, Y 방 향으로 하고 있다.
도 2B에 도시한 제 1 음향 매칭 층(2a-1)은 각각 직사각형 형상으로 형성된 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 X 방향으로 교대로 배치된 것으로, 이 중 도전성 부재(20)는 Y 및 Z의 2방향으로 연결되어 있으며, 또 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)도 마찬가지로 Y 및 Z의 2방향으로 연결되어 있는 구조체로 되어 있고, 이하의 설명에서는 이 연결구조를 2-2형 연결구조라 한다. 여기서, 복수의 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 전면에 형성된 접지전극(5)과, 접지용 전기단자(9)의 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 피착된 도전성 막(9b)에 각각 접촉해서 압전소자(1)의 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)을 전기적으로 접속하는 기능을 갖고 있다.
도 2D에 도시한 제 1 음향 매칭 층(2a-2)은 각각 원주 형상으로 형성된 복수의 도전성 부재(20)를 그 단부를 각각 Z 방향을 향한 상태에서 Y 방향으로 열 형상으로 배치하는 동시에 X 방향으로 복수 열 배치하고, 그 주위를 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 둘러싼 것으로, 이 중 도전성 부재(20)는 Z 방향의 1방향에만 연결되어 있고, X, Y 방향의 연결은 없다. 또, 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있는 구조체로 되어 있으며, 이 연결구조를 1-3형 연결구조라 한다. 여기서, 복수의 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 전면에 형성된 접지전극(5)과, 접지용 전기단자(9)의 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 피착된 도전성 막(9b)에 각각 접촉해서 압전소자(1)의 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)을 전기적으로 접속하는 기능을 갖고 있다.
도 2E에 도시한 제 1 음향 매칭 층(2a-3)은 각각 4각주 형상으로 형성된 복수의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)를 그 단부를 각각 Z 방향을 향한 상태에서 Y 방향으로 열 형상으로 배치하는 동시에 X 방향으로 복수 열 배치하고, 그 주위를 도전성 부재(20)로 둘러싼 것으로, 이 중 도전성 부재(20)는 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있으며, 또 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 Z 방향의 1방향으로만 연결이 있는 구조체로 되어 있고, 이 연결구조를 3-1형 연결구조라 한다. 여기서, 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 전면에 형성된 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 피착된 도전성 막(9b)에 각각 접촉해서 압전소자(1)의 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)을 전기적으로 접속하는 기능을 갖고 있다.
상술한 바와 같이, 도 2A에 도시한 제 1 음향 매칭 층(2a)의 음향 임피던스는 압전소자(1)의 음향 임피던스와 제 2 음향 매칭 층(2b)의 음향 임피던스 사이의 값을 갖고 있을 필요가 있다. 예를 들어, 압전소자(1)로 음향 임피던스가 약 30MRayl의 값을 갖는 PZT-5H의 압전 세라믹을 이용하고, 음향 임피던스가 약 1.6MRayl의 값을 갖는 생체와 같은 피검체를 대상으로 한 경우에는 제 2 음향 매칭 층(2b)의 음향 임피던스는 3MRayl 전후의 값의 재료를 이용하게 된다. 따라서 제 1 음향 매칭 층(2a)의 음향 임피던스는 적어도 3에서 30MRayl 사이의 값을 갖는 재료가 필요해진다.
일반적으로 제 1 음향 매칭 층(2a)의 음향 임피던스는 5에서 20MRayl 사이의 값으로 하는 것이 바람직하고, 또, 그 값이 커질수록 주파수 특성의 대역이 확산되 는 경향이 있다. 따라서 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 10에서 20MRayl의 범위의 재료를 이용하는 것이 적합하다. 음향 임피던스가 10~20MRayl의 값을 갖는 재료로는, 예를 들어 유리, 결정화 유리, 금속 텅스텐 분체를 고 농도에서 혼입한 에폭시 수지, 니오브산납 세라믹, 가공성이 있는 세라믹(쾌삭성 세라믹), 단결정 또는 다결정 실리콘, 수정 등이 있다. 그러나 이들 재료는 모두 전기적으로는 절연성 부재 또는 반도전성 부재이다.
이에, 예를 들어 도 2A에 도시한 초음파 탐촉자(10B)를 이용하여 설명하나, 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 절연성 부재 또는 반도전성 부재를 이용하고, 압전소자(1)의 접지전극(5)의 단부에 대응하는 부위를 절취하여 음향 매칭 층이 없는 부분(도시생략)을 만들고, 그 부분에서 전기단자(도시생략)를 인출하는 구성도 생각할 수 있다. 그러나 이와 같은 구성으로 하면, 성능적으로는 주파수의 광대역화가 가능해지는 반면, 음향 매칭 층이 없는 부분에서도 압전소자(1)가 진동하여 초음파를 발생하므로 피검체에 송신하는 초음파가 흐트러져서 초음파 진단화상이 열화한다. 또, 접지전극(5)에서 인출하는 전기단자는 1개소이므로 진단조작 중에 초음파 탐촉자를 낙하시키거나 또는 초음파 탐촉자에 타격 등 기계적인 충격을 가하거나 함에 따라 압전소자(1)가 깨졌을 때에 접지전극(5)도 또한 깨져서 전기적인 단선이 발생하는 등에 의해서 고장이 날 우려가 있다.
도 2A에 도시한 제 2 실시 예는 이들 문제를 해결하고, 또한 주파수의 광대역화가 가능한 구성을 실현한 것이다. 즉, 압전소자(1)의 접지전극(5)이 제 1 음향 매칭 층(2a)의 복수의 도전성 부재(20)를 개재하여 접지용 전기단자(9)의 금속 막(9b)과 전기적으로 접속되는 구성으로 하고 있으므로, 압전소자(1)의 전면에 균일하게 원하는 초음파의 송신 및 수신을 할 수 있는 동시에 기계적인 충격 등에 의해서 압전소자(1) 및 접지전극(5)이 깨지더라도 제 1 음향 매칭 층(2a)의 복수 개의 도전성 부재(20)에 의해 접속되어 있으므로 단선하여 고장나는 일이 매우 적어진다.
여기에서는 제 1 음향 매칭 층(2a-1, 2a-2, 2a-3)의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 상술한 유리, 결정화 유리, 텅스텐 분체를 고 농도에서 혼입한 에폭시 수지, 니오브산납 세라믹, 가공성이 있는 세라믹(쾌삭성 세라믹), 단결정 또는 다결정 실리콘, 수정, 티탄산바륨 등의 세라믹 등을 이용한다. 또, 제 1 음향 매칭 층(2a-1, 2a-2, 2a-3)의 도전성 부재(20)로 동, 알루미늄, 은, 금, 니켈 등의 금속재료나, 금, 은, 동, 알루미늄 등의 금속 또는 카본의 분체를 에폭시 수지 등의 고분자 화합물에 혼입하여 도전성을 갖게 한 고분자 재료나, 그래파이트, 카본 등을 이용한다. 또, 도전성 부재(20) 혹은 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 상술한 재료에 한정되는 것은 아니며, 상술한 재료와 동일한 정도의 음향 임피던스를 갖는 것이면 다른 재료여도 좋다. 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료의 음향 임피던스는 각각의 체적비율에 따라서 결정된다.
또, 여기서 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료의 구성을 설명하였으나, 이 외에 상기 조합의 복합재료의 구성 외에, 예를 들어 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)에 도전성 부재를 이용하여 도전성 부재의 복합재료로 한 구성이어도 좋으며, 즉 적어도 도전성 부재(20)를 가지며, 압전소 자(1)의 전극 면과 전기적인 접속이 가능한 기능과 음향 임피던스를 가변할 수 있는 기능을 구비한 복합재료이면 상기 구성에 한정되지 않음은 명백하다.
도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료는 연결구조가 1-3형, 2-2형, 3-1형에서는 2종류의 각각의 재료가 갖는 음향 임피던스 사이의 값이 되며, 또한 그들 체적비율을 바꿈으로써 원하는 음향 임피던스의 재료를 얻을 수 있다.
또, 1-3형, 2-2형, 3-1형의 연결구조를 갖는 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료를 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 기능하게 하기 위해서는 복합재료가 일체로 초음파를 전달시키도록 도전성 부재(20)의 폭 및 그 배열 간격을 결정한다. 또, 도전성 부재(20)의 체적비율이 작은 경우에는, 그 폭 및 배열간격을 고려할 필요는 없으며, 도전성 부재(20)는 전기적인 접속기능을 주로 해서 그 재료를 선택하면 된다.
또, 음향 임피던스 층으로서의 기능, 즉 도전 성능을 필요로 하지 않고 음향 임피던스만을 원하는 값으로 정합시키는 것을 목적으로 해서 도 2B, 도 2D, 도 2E에 도시한 연결구조를 이용하는 경우에는, 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재라고 하는 재료의 선택을 할 필요는 없으며, 절연성 부재끼리의 연결구조 또는 에폭시 수지와 같은 절연성 부재와 실리콘과 같은 반도전성 부재의 연결구조여도 좋다.
다음에, 도 2B에 도시한 2-2형 연결구조를 갖는 제 1 음향 매칭 층(2a-1)의 제조방법의 일례를 이하에 설명한다. 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 실리 콘 단결정을 이용한다. 이 실리콘 단결정은 도 2B의 Z 방향이 평탄하게 되어 있는 것으로 한다. 그 평탄면에 대하여 레이저 조사, 화학적인 에칭 또는 다이싱 머신(dicing machine) 등에 의한 기계가공 등에 의해서 임의의 간격으로 도 2B의 Y 방향으로 도전성 부재(20)를 장착하기 위한 홈을 형성한다. 다음에, 홈 안에 은 등의 분체를 혼입한 도전성 에폭시 수지 등의 도전성 접착제를 충전해서 경화시킨다. 이 도전성 접착제는 실리콘 단결정에 비하여 음향 임피던스가 더 작은 재료이다. 다음에, 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 Z 방향으로 대략 4분의 1 파장의 두께로 슬라이스 가공하여 형성한다. 이 경우, 실리콘 단결정에 가까운 음향 임피던스의 제 1 음향 매칭 층(2a)을 요망하는 것이면, 도전성 부재(20)의 도전성 접착제의 체적비율을 작게 하면 되고, 또 작은 음향 임피던스의 값을 필요로 하는 것이면 체적비율을 크게 하면 된다.
예를 들어, 도전성 부재(20)를 형성하기 위한 도전성 접착제로 에코본드(56C)(Emerson and Cummings, Inc.)를 이용하고, 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 실리콘 단결정을 이용한 경우, 각각의 음향 임피던스는 약 6.5MRayl, 19.7MRayl이다. 이에 실리콘 단결정을 다이싱 머신에 의해서 임의의 간격과 홈 폭으로 분할하고, 그 홈 부분에 에코본드(56C)를 충전해서 작성한 재료의 음향 임피던스(밀도×속도)를 측정하면, 실리콘 단결정의 체적비율이 63.5%인 경우에는 15.3MRayl가 되고, 또 실리콘 단결정의 체적비율이 43%인 경우에는 12.7MRayl가 되었다.
도 2C는 상술한 2개의 재료에 대한 측정결과에 의거하여 작성한 실리콘 단결 정의 체적비율과 음향 임피던스의 관계를 도시한 그래프이다. 이 그래프로부터 명백한 바와 같이, 도전성 부재(20)를 형성하기 위한 도전성 접착제로 에코본드(56C)를 이용하고, 실리콘 단결정의 체적비율을 0퍼센트(도전성 접착제만)에서 100퍼센트(실리콘 단결정만)의 범위에서 변화시킨 경우, 도전성 접착제와 실리콘 단결정의 복합재료의 음향 임피던스는 약 6.5MRayl에서 실리콘 단결정의 음향 임피던스 19.7MRayl까지 대략 직선적으로 변화하는 것을 알 수 있다. 또, 발명자는 이 체적비율과 음향 임피던스에 상관이 있음을 확인할 수 있었다.
다음에, 도 2B에 도시한 2-2형 연결구조에서의 제 1 음향 매칭 층(2a-1)의 다른 제조방법에 대하여 설명한다. 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로서의 판 형상의 실리콘 단결정과, 도전성 부재(20)로서의 판 형상의 그래파이트나 금속을 도 2B의 X 방향으로 교대로 적층해서 접착하거나 또는 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로서의 판 형상의 실리콘 단결정의 일측 주면에 각각 금속을 스퍼터링, 도금 또는 인쇄 등의 방법에 의해 얇은 막을 형성한 것을 도 2B의 X 방향으로 순차 적층해서 접착한 후, 도 2B의 Z 방향의 두께가 얻어지도록 슬라이스 가공한다. 이 제조방법에 의하면 대량생산하는 것도 가능하다.
다음에, 도 2D에 도시한 1-3형 연결구조를 갖는 제 1 음향 매칭 층(2a-2)의 제조방법의 일례를 설명한다. 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 도 2D의 Z 방향으로 두께를 갖는 실리콘 단결정을 준비한다. 그리고 이 실리콘 단결정에 레이저 조사, 화학적인 에칭 또는 기계가공 등에 의해서 임의의 간격으로 복수 개의 도전성 부재(20)를 설치하기 위한 구멍을 설치한다. 다음에, 그 구멍에 은 등의 분체를 혼입한 도전성의 에폭시 수지 등의 도전성 접착제를 충전해서 경화시킨다. 그 후, 제 1 음향 매칭 층으로 대략 4분의 1 파장의 두께로 가공하여 형성한다. 실리콘 단결정에 가까운 음향 임피던스의 제 1 음향 매칭 층을 요망하는 것이면 도전성 부재(21)의 도전성 접착제의 체적비율을 적게 하면 되고, 또 더 작은 음향 임피던스의 값으로 필요로 하는 것이면 도전성 부재(21)의 도전성 접착제의 체적비율을 크게 하면 된다.
덧붙여서 단결정 실리콘의 음향 임피던스는 19.7MRayl이고, 또 도전성 접착제로 에코본드(56C)(Emerson and Cummings, Inc.)의 음향 임피던스는 약 6.5MRayl이며, 각각의 체적비율을 조정함으로써 도 2B의 구조와 마찬가지로 음향 임피던스를 6.5MRayl에서 19.7MRayl의 범위의 값으로 할 수 있다.
다음에, 도 2E에 도시한 3-1형 연결구조를 갖는 제 1 음향 매칭 층(2a-3)의 제조방법의 일례를 이하에 설명한다. 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 실리콘 단결정을 이용한다. 그리고 이 실리콘 단결정에 레이저 조사, 화학적인 에칭 또는 다이싱 머신에 의한 기계가공 등에 의해서 임의의 간격으로 X, Y의 양 방향에 복수 개의 홈을 설치해서 각주를 형성하고, 그 후, 도전성 접착제 등의 도전성 부재(20)를 복수의 홈에 충전해서 경화시킨다. 그 후, 제 1 음향 매칭 층으로 대략 4분의 1 파장의 두께로 가공하여 형성한다.
이상과 같이, 압전소자의 피검체 측에 설치되는 음향 매칭 층으로 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료를 설치함으로써 음향 매칭 층을 원하는 음향 임피던스로 할 수 있으며, 이에 의해서 주파수의 광대역화가 가능하므 로 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 복합재료의 음향 매칭 층의 도전성 부재를 개재하여 압전소자의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높으면서 조작성이 양호한 초음파 탐촉자를 얻을 수 있다.
또, 제 2 실시 예에서는 도 2D에 도시한 1-3형 연결구조의 도전성 부재(20)로 원주의 형상을 갖는 것을 이용하였으나, 이 외에 각주 또는 구 등의 다른 형상을 갖는 것을 이용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, Z 방향에 대하여 콘(cone)과 같은 원추형의 형상으로 해서 Z 방향의 두께에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 구성으로 한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 2 실시 예에서는 도 2B에 도시한 2-2형 연결구조의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 Z 방향에 대하여 균일한 폭으로 형성되어 있는 경우에 대하여 설명하였으나, 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 Z 방향에 대하여 폭이 연속적으로 변화하는 소위 쐐기와 같은 형상으로 해서 Z 방향의 두께에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 구성으로 한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 2 실시 예에서는 도 2B에 도시한 2-2형, 도 2D에 도시한 1-3형 및 도 2E에 도시한 3-1형의 각 연결구조의 도전성 부재(20) 및 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 대략 동일한 간격으로 이들을 교대로 배열한 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 무작위의 간격 또는 무작위로 배열한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 2 실시 예에서는 압전소자(1)의 접지전극(5)과 전기신호를 주고받기 위해 제 1 음향 매칭 층(2a)을 개재하고, 그 전면에 접지용 전기단자(9)를 설치하는 구성에 대하여 설명하였으나, 이 대신에 제 1 음향 매칭 층(2a)의 Z 방향의 양면 또는 한쪽 면에 도전성 부재를 스퍼터링, 도금 또는 인쇄 등에 의해서 형성하고, 그 부분에 접지용 전기단자(9)를 접속하는 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 2 실시 예에서는 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 각각 하나의 재종으로 형성된 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조의 것을 이용하였으나, 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 적어도 한쪽이 2종류 이상의 재료로 형성되었어도 동일한 효과를 얻을 수 있음은 명백하며, 각각 하나의 재종의 연결구조에 한정되는 것은 아니다.
또, 제 2 실시 예에서는 압전소자(1)의 전면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 그 피검체 측에 접지용 전기단자(9)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)를 접촉시키고 있으나, 이 대신에 압전소자(1)의 전면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 그 피검체 측에 신호용 전기단자(7)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 접지전극(5)에 접지용 전기단자(9)를 접촉시켜도 원리적으로는 초음파를 송수신할 수 있다.
<제 3 실시 예>
다음에, 본 발명의 제 3 실시 예에 대하여 설명한다. 도 3A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 3 실시 예의 구성을 그 일부를 파단하여 도시한 사시도이 고, 도 3B는 도 3A에 도시한 초음파 탐촉자를 그 도면 중에 도시한 3개의 방향 X, Y, Z 중 Y-Z 평면으로 절단한 단면을 X 방향에서 본 단면도이고, 도 3C, 도 3D는 각각 도 3A 및 도 3B에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 요소의 구체적인 구성 예를 도시한 사시도이다.
도 3A 및 도 3B에 도시한 초음파 탐촉자(10C)는 도 3A 중에 도시한 X, Y, Z 중 X 방향으로 배열된 복수의 압전소자(1)와, 각 압전소자(1)에 대응하여 피검체 측이 되는 Z 방향의 전면에 설치된 2층의 음향 매칭 층(2(2a, 2b))과, 필요에 따라서 압전소자(1)의 배면에 설치되는 배면 부하재(3)와, 마찬가지로 필요에 따라서 복수의 음향 매칭 층(2(2a, 2b)) 상에 공통으로 설치되는 음향 렌즈(4)와, 압전소자(1)와 배면 부하재(3) 사이에 삽입된 복수의 신호용 전기단자(7)와, 제 1 음향 매칭 층(2a)과 제 2 음향 매칭 층(2b) 사이에 삽입된 접지용 전기단자(9)를 구비하고 있다. 이들 구성요소의 각각의 기능은 종래의 초음파 탐촉자를 구성하는 요소가 갖는 기능과 동일하다.
이하, 설명의 편의상, 도 3A 및 도 3B에 도시한 초음파 탐촉자(10C)의 제조방법에 대하여 설명한다.
복수의 압전소자(1)를 형성하기 위해서 PZT계와 같은 압전 세라믹, PZN-PT, PMN-PT계와 같은 압전 단결정, 또는 이들 재료와 고분자 재료를 복합한 복합 압전체 또는 PVDF 등으로 대표되는 고분자 재료의 압전체 등으로 구성되며, 소정의 두께를 갖는 판재, 즉 압전판재를 준비한다. 이 압전판재의 한 주면, 즉 Z 방향의 전면에는 접지전극(5)을, 그 배면에는 신호용 전극(6)을 각각 금이나 은의 증착, 스 퍼터링, 또는 은의 베이킹 등에 의해서 형성한다.
또, 소정의 두께를 갖는 판 형상의 배면 부하재(배면 부하재를 구비하지 않는 초음파 탐촉자에 있어서는 이것에 대신하는 부재)(3)와, 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료로 구성되고, 복수의 제 1 음향 매칭 층(2a)을 형성하기 위한 판재와, 에폭시 수지, 폴리이미드 등의 고분자 재료로 구성된 복수의 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위한 판재와, 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(7a)의 일측 주면에 동 등의 도전성 막(7b)이 피착되고, 전체가 리본 형상으로 형성된 복수의 신호용 전기단자(7)와, 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 동 등의 도전성 막(두께는 음향특성에 대한 영향이 적도록 5마이크로미터 이하가 바람직하다)(9b)가 피착된 접지용 전기단자(9)를 준비한다. 또, 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위해서 이용하는 에폭시 수지, 폴리이미드 등의 고분자 재료는 절연성 부재이나, 이 대신에 도전성 부재를 이용하여도 좋다. 또, 도전성 막(7b, 9b)은 전기적으로 도전성을 갖는 재료이면 무엇이든지 좋으며 금속에 한정되는 것은 아니다.
이에, 도 3A에 도시한 바와 같이, 배면 부하재(3)의 전면에 복수의 신호용 전기단자(7)를 X 방향으로 소정의 간격으로 재치(載置)하고, 그 위에 압전소자(1)를 형성하기 위한 압전판재를 중첩하며, 또한 압전판재의 전면에 제 1 음향 매칭 층(2a)을 형성하기 위한 판재와, 접지용 전기단자(9)와, 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위한 판재를 순차 중첩해서 이들을 일체적으로 고착한다. 이 경우, 배면 부하재(3)와 압전판재 사이에 장착되는 복수의 신호용 전기단자(7)는 각각 절연성 필름(7a)의 일측 주면에 피착되어 있는 도전성 막(7b)이 압전판재에 형성된 신호용 전극(6)에 접촉하고, 절연성 필름(7a)이 배면 부하재(3)에 접촉하도록 절연성 필름(7a)의 일측 주면이 압전판재 측(도면의 상방)으로 향해진다. 또, 제 1 음향 매칭 층(2a)을 형성하기 위한 판재와 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위한 판재 사이에 삽입되는 접지용 전기단자(9)는 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 형성된 도전성 막(9b)이 제 1 음향 매칭 층(2a)에 접촉하도록 절연성 필름(9a)의 일측 주면이 제 1 음향 매칭 층(2a) 측으로 향해진다.
이상과 같이 해서 배면 부하재(3), 복수의 신호용 전기단자(7), 압전소자(1)를 형성하기 위한 압전판재, 제 1 음향 매칭 층(2a)을 형성하기 위한 판재, 접지용 전기단자(9) 및 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위한 판재를 일체적으로 고착한 후에 슬라이싱 머신(slicing machine) 등에 의해서 제 2 음향 매칭 층(2b)의 전면에서 배면 부하재(3)의 전면부까지 판 복수의 홈, 즉 제 2 음향 매칭 층(2b), 접지용 전기단자(9), 제 1 음향 매칭 층(2a), 압전판재, 신호용 전기단자(7) 및 배면 부하재(3)의 일부를 1 유닛으로 하고, 복수의 압전소자 유닛으로 분할하는 분할 홈을 형성한다. 이 경우, X 방향으로 소정의 간격으로 배치된 신호용 전기단자(7)의 중간부에 분할 홈을 형성한다. 이에 의해, 압전소자 유닛이 병렬로 배치된 압전소자 열이 형성된다. 다음에, 음향적인 결합이 작은 실리콘 고무나 우레탄 고무 등과 같은 재료(도시생략)를 각 분할 홈에 충전하고, 또한 필요에 따라서 제 2 음향 매칭 층(2b)의 상면에 실리콘 고무 등의 재료를 이용한 음향 렌즈(4)를 장착한다. 배면 부하재를 구비하지 않은 초음파 탐촉자에 있어서는 이 단계에서 배면 부하재(3) 에 대신하는 부재를 제거한다.
또, 여기에서는 제 1 음향 매칭 층(2a)과 제 2 음향 매칭 층(2b) 사이에 절연성 필름(9a)에 도전성 막(9b)을 피착시킨 접지용 전기단자(9)를 삽입하고, 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)과 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재를 접촉시킴으로써 접지용 전기단자(9)와 압전소자(1)에 형성된 접지전극(5)을 전기적으로 접속하는 것에 대하여 설명하였으나, 이 외에 제 2 음향 매칭 층(2b)으로 도전성 부재를 이용하고, 이 제 2 음향 매칭 층(2b)의 전면에 도전성 막(9b)을 피착시킨 접지용 전기단자(9)를 장착하며, 제 1 음향 매칭 층(2a) 및 제 2 음향 매칭 층(2b)을 개재하여 접지용 전기단자(9)와 압전소자(1)에 형성된 접지전극(5)을 전기적으로 접속하도록 해도 동일한 동작을 하게 할 수 있다.
상기와 같이 구성된 초음파 탐촉자(10C)의 동작에 대해서 이하에 설명한다.
압전소자(1)의 배면에 형성된 신호용 전극(6)은 신호용 전기단자(7)를 개재하고, 또 압전소자(1)의 전면에 형성된 접지전극(5)은 제 1 음향 매칭 층(2a)의 복합재료의 도전성 부재와 접지용 전기단자(9)를 개재하여 각각 도시하지 않은 케이블의 일 단에 전기적으로 접속되며, 이들 케이블의 각각의 타 단은 도시하지 않은 초음파 진단장치의 본체부에 접속된다. 이에 의해 초음파 진단장치의 본체부에서 만들어지는 규칙적인 펄스전압을 압전소자(1)에 인가하여 초음파를 송신하고, 또 수신한 초음파의 에코를 전기신호로 변환하여 초음파 진단장치의 본체부에 송신한다.
이 경우, 상세를 후술하는 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재는 압전소 자(1)에 형성된 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)을 전기적으로 접속하는 형상이면 좋으며, 특정한 형상으로 한정되는 것은 아니다. 또, 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재는 하나의 압전소자(1)에 대하여 2개소 이상에서 압전소자(1)의 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)이 전기적으로 접속되는 구성이 바람직하고, 도전성 부재(20)의 수가 많을수록 접지전극(5)이 압전소자(1)와 함께 깨져도 신호전송경로가 단선되어 고장나는 빈도는 적어져서 신뢰성이 높아지게 된다. 또, 제 1 음향 매칭 층(2a)의 절연성 부재 또는 반도전성 부재는 음향 임피던스를 선택하는 것이 주목적이 된다. 따라서, 제 3 실시 예와 같이 2층의 음향 매칭 층을 구비한 경우, 제 1 음향 매칭 층(2a)의 음향 임피던스는 압전소자(1)의 음향 임피던스와 제 2 음향 매칭 층(2b)의 음향 임피던스 사이의 값을 갖고 있어야 하며, 예를 들어 5MRayl에서 15MRayl의 범위의 값이 선택된다. 이와 같은 범위의 음향 임피던스가 얻어지는 재료를 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재를 복합한 재료로 하면 된다.
도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료로 구성한 제 1 음향 매칭 층(2a)에서의 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 각각의 연결구조의 일례를 도 3C, 도 3D에 도시한다. 도 3C, 도 3D에서 두께 방향인 Z 방향을 피검체 측의 방향, X 방향은 압전소자(1)의 배열 방향, Y 방향은 X 방향 및 Z 방향과 직교하는 방향을 나타내고 있다.
도 3C에서 제 1 음향 매칭 층(2a-4)을 구성하는 복수의 도전성 부재(20)는 원주 형상으로 형성된 것을 그 축 심을 Z 방향으로 일치시킨 것으로, Z 방향의 1방 향으로만 연결되어 있으며, 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있는 구조체로 되어 있다. 이 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료의 연결구조를 1-3형 연결구조라 한다. 또, 압전소자 유닛, 즉 1개의 압전소자(1)에 대응하는 1개의 제 1 음향 매칭 층(2a-4)의 도전성 부재(20)는 각각 3행×22열로 해서 합계 66개가 배치되어 있다. 이 도전성 부재(20)의 수에 대해서는 상술한 바와 같이 압전소자(1)의 접지전극(5)과의 접속개소가 많아질수록 신뢰성은 높아지나 도전성 부재(20)의 수에 대해서는 2개 이상이면 좋으며, 66개에 한정되는 것은 아니다. 단, 도전성 부재(20)가 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 기능하도록, 즉 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료가 음향적으로 하나의 음향 매칭 층으로 기능하는 형태로 할 필요가 있다. 또, 도 3C에 도시한 제 1 음향 매칭 층(2a-4)은 압전소자(1)에 대응하여 이미 분할된 구성의 상태를 나타내고 있으나, 분할되기 전의 상태는 상술한 바와 같이 전체가 1장의 판 형상의 것으로 되어 있다. 한편, 도전성 부재(20)에 음향 매칭 기능을 가지게 할 필요가 없을 경우, 즉 도전성 부재(20)가 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)에 대하여 그 체적비율이 현저하게 적은 경우에는 압전소자(1)의 접지전극(5)을 접속시키는 기능만을 가지게 하는 것만으로도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 복수의 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 금속 막(9b)에 각각 접촉해서 그 두께 방향인 Z 방향으로 이들을 전기적으로 접속시키는 기능을 갖고 있다. 여기에서는 Z 방향의 1방향으로 연결되어 있는 것을 도전성 부재(20)로 하고, X, Y, Z방향의 3방향으로 연결되어 있는 것을 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 하였으나, 이들 재료를 서로 바꾸어서 절연성 부재 또는 반도전성 부재 측이 Z 방향의 1방향으로 연결되어 있고, 도전성 부재 측이 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있는 연결 구조체, 즉 3-1형 연결 구조체(도시생략)로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 도 3D에 도시한 음향 매칭 층(2a-5)은 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)를 교대로 배치한 것으로, 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 배열 방향인 X 방향과, 두께 방향인 Z 방향의 2방향으로 연결되어 있으며, 또 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)도 마찬가지로 압전소자(1)의 배열 방향인 X 방향과 Z 방향의 2방향으로 연결되어 있는 구조체로 되어 있으며, 이들 복합재료의 연결구조를 2-2형 연결구조라 한다. 따라서, 복수의 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 접지전극(5) 및 접지용 전기단자(9)의 도전성 부재는 두께 방향인 Z 방향으로 전기적인 접속이 가능해진다.
도 3D에서 1개의 압전소자(1)에 대응하는 1개의 제 1 음향 매칭 층(2a-5)의 도전성 부재(20)는 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)와 교대로 해서 Y 방향으로 11개 배치되어 있다. 이 도전성 부재(20)는 상술한 바와 같이, 압전소자(1)의 접지전극(5)과의 접속개소가 많을수록 신뢰성은 높아지나 도전성 부재(20)의 수에 대해서는 2개 이상이면 된다. 단, 도전성 부재(20)가 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 기능하도록, 즉 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료가 하나의 음향 매칭 층으로 기능하는 형태로 할 필요가 있다. 또, 도 3D에 도시한 제 1 음향 매칭 층(2a-5)은 압전소자(1)에 대응하여 이미 분할된 구성의 상태를 도시하고 있으나, 분할되기 전의 상태는 상술한 바와 같이 전체가 1장의 판 형상의 것으로 되어 있으며, 도전성 부재(20) 및 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 압전소자(1)의 배열 방향인 X 방향으로 연결한 구성으로 되어 있다. 한편, 도전성 부재(20)에 음향 매칭 기능을 가지게 할 필요가 없을 경우, 즉 도전성 부재(20)가 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)에 대하여 그 체적비율이 현저하게 적은 경우에는 압전소자(1)의 접지전극(5)을 접속시키는 기능만을 가지게 하는 것만으로도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 도 3D에서는 제 1 음향 매칭 층(2a-5)의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 압전소자(1)의 배열 방향과 대략 병행하게 구성한 2-2형의 연결구조로 하였으나, 이 외에 압전소자(1)의 배열 방향과 직교하는 방향 또는 그 외의 방향으로 배열한 2-2형의 연결구조로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 3C 또는 도 3D에 도시한 바와 같은 연결구조를 갖는 제 1 음향 매칭 층(2a-4, 2a-5)은 상술한 바와 같이 그 음향 임피던스가 압전소자(1)의 음향 임피던스와 제 2 음향 매칭 층(2b)의 음향 임피던스 사이의 값을 가질 필요가 있으나, 본 실시 예와 같이 음향 매칭 층을 2층 타입으로 한 경우에는, 예를 들어 압전소자(1)로 음향 임피던스가 약 30MRayl의 값을 갖는 PZT-5H의 압전 세라믹을 이용하고, 음향 임피던스가 약 1.6MRayl의 값을 갖는 생체와 같은 피검체를 대상으로 한 경우에는, 제 2 음향 매칭 층(2b)의 음향 임피던스는 약 3MRayl의 값의 재료를 이용하게 된다.
따라서 제 1 음향 매칭 층(2a)의 음향 임피던스는 적어도 3에서 30MRayl 사이의 값을 갖는 재료가 필요해진다. 일반적으로 제 1 음향 매칭 층(2a)의 음향 임피던스는 5에서 20MRayl 사이의 값으로 하는 것이 바람직하고, 또 그 값이 커질수록 주파수 특성의 대역이 확산되는 경향이 있으며, 광대역의 주파수 특성을 얻기 위해서는 제 1 음향 매칭 층(2a)의 음향 임피던스의 값을 크게 할 필요가 있어서 10에서 20MRayl의 범위의 재료를 이용한다.
그러나 이 범위의 값을 갖는 재료는, 예를 들어 유리, 결정화 유리, 금속 텅스텐 분체를 고 농도에서 혼입한 에폭시 수지, 니오브산납 세라믹, 가공성이 있는 세라믹(쾌삭성 세라믹), 단결정 또는 다결정 실리콘, 수정 등이 있다. 그러나 이 재료는 모두 전기적으로는 절연물 또는 반도전성 부재이다.
이에, 예를 들어 도 3B에 도시한 초음파 탐촉자(10C)에 대하여 설명하면, 압전소자(1)의 접지전극(5)의 단부에 대응하는 부위를 절취하여 음향 매칭 층이 없는 부분(도시생략)을 만들고, 그 부분에서 전기단자(도시생략)를 인출하는 구성도 생각할 수 있다. 그러나 이와 같은 구성으로 하면, 성능적으로는 주파수의 광대역화가 가능해지는 반면, 음향 매칭 층이 없는 부분에서도 압전소자(1)는 진동해서 초음파를 발생하므로 피검체에 송신하는 초음파가 흐트러져서 초음파 화상이 열화한다. 또, 접지전극(5)에서 인출하는 전기단자는 1개소이므로 진단조작 중에 초음파 탐촉자를 낙하시키거나 또는 초음파 탐촉자에 타격 등 기계적인 충격을 가함에 따라 압전소자(1)가 깨졌을 때에 접지전극(5)도 또한 깨져서 전기적인 단선이 발생하는 등에 의해서 고장 날 우려가 있다.
제 3 실시 예는 이들 문제를 해결하고, 또한 주파수의 광대역화가 가능한 구성을 실현한 것이다. 즉, 압전소자(1)의 접지전극(5)이 제 1 음향 매칭 층(2a)의 복수의 도전성 부재(20)를 개재하여 접지용 전기단자(9)의 금속 막(9b)과 전기적으로 접속되는 구성으로 하고 있으므로, 압전소자(1)의 전면에 음향 매칭 층을 설치하는 구성으로 되어 있어서 압전소자(1)의 전면에 균일하고 원하는 초음파의 송신 및 수신이 가능한 동시에 기계적인 충격 등에 의해서 압전소자(1) 및 접지전극(5)이 깨지더라도 제 1 음향 매칭 층(2a)의 복수 개의 도전성 부재에 의해서 접속되어 있으므로 단선되어 고장나는 일이 매우 적어진다.
한편, 제 1 음향 매칭 층(2a-3, 2a-4)의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로는 제 2 실시 예에서 이용한 재료인 유리, 결정화 유리, 텅스텐 분체를 고 농도에서 혼입한 에폭시 수지, 니오브산납 세라믹, 가공성이 있는 세라믹(쾌삭성 세라믹), 단결정 또는 다결정 세라믹, 수정, 티탄산 바륨 등의 세라믹 등을 이용한다. 또, 제 1 음향 매칭 층(2a-3, 2a-4)의 도전성 부재(20)로는 동, 알루미늄, 은, 금, 니켈 등의 금속이나, 금, 은, 동, 알루미늄 등의 금속 또는 카본의 분체를 에폭시 수지 등의 고분자 화합물에 혼입하여 도전성을 가지게 한 고분자 재료나 그래파이트, 카본 등의 재료를 이용한다. 이와 같은 도전성 부재(20), 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)를 이용한 1-3형, 2-2형, 3-1형 연결구조의 복합재료의 음향 임피던스는 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 각각의 체적비율에 따라서 결정된다. 예를 들어, 도전성 부재(20)로 은을 이용하고, 절연성 부재로 X컷 수정을 이용한 경우, 각각 재료 단일체의 음향 임피던스는 38, 15.3MRayl 이다. 이 2종류의 재료의 체적비율을 바꿈으로써 제 2 실시 예에서 설명한 도 2C의 그래프와 마찬가지로 X컷 수정의 음향 임피던스 38MRayl과 은의 음향 임피던스 15.3MRayl 사이의 원하는 값으로 할 수 있다.
또, 도전성 부재(20), 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 상술한 이외의 재료여도 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 재료이면 되고, 상술한 재료에 한정되는 것은 아니다. 또, 제 3 실시 예에서는 1종류의 도체(20)와 1종류의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조를 갖는 제 1 음향 매칭 층(2a)에 대하여 설명하였으나, 이 외에 도전성 부재를 2종류, 절연성 부재를 1종류~3종류와 같이 2종류 이상의 재료를 이용해도 동일한 효과를 얻을 수 있음은 명백하며, 각각 1종류의 재료의 연결구조에 한정되는 것은 아니다.
또, 1-3형, 2-2형, 3-1형의 연결구조를 갖는 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료를 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 기능하게 하기 위해서는 복합재료가 일체로 초음파를 전달하도록 도전성 부재(20)의 폭 및 배열 간격으로 한다. 또, 도전성 부재(20)의 체적비율이 적은 경우에는 도전성 부재(20)의 폭 및 배열 간격을 고려할 필요는 없으며, 전기적인 접속기능을 주로 해서 그 재료를 선택하면 된다.
도 3C에 도시한 1-3형의 연결구조를 갖는 제 1 음향 매칭 층(2a-4)의 제조방법으로는 제 2 실시 예로 도 2D에 도시한 제 1 음향 매칭 층(2a-2)과 동일한 방법으로 제조하면 되고, 도 3D에 도시한 2-2형의 연결구조를 갖는 제 1 음향 매칭 층(2a-4)의 제조방법으로는 제 2 실시 예로 도 2B에 도시한 제 1 음향 매칭 층(2a- 1)과 동일한 방법으로 제조하면 된다.
이상과 같이, 압전소자의 피검체 측에 설치되는 음향 매칭 층으로 도전성 부재로 절연성 부재 또는 반도전성 부재를 복합한 복합재료를 이용함으로써 그 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있으며, 주파수의 광대역화가 가능함에 따라서 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 복합재료를 구성하는 도전성 부재에서 전기단자를 인출할 수 있으므로 신뢰성이 높으면서 조작성이 양호한 초음파 탐촉자를 얻을 수 있다.
또, 제 3 실시 예에서는 1-3형 연결구조의 도전성 부재(20)로 원주형상을 하는 것을 이용하였으나, 이 외에 각주 또는 구 등 다른 형상을 갖는 것을 이용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 1-3형 연결구조의 도전성 부재(20)로 Z 방향에 대하여 콘과 같은 원추형의 형상으로 해서 Z 방향의 두께에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 구성으로 한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 3 실시 예에서는 2-2형 연결구조의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 Z 방향에 대하여 균일한 폭으로 배열되는 경우에 대하여 설명하였으나, 이들 부재가 Z 방향에 대하여 폭이 연속적으로 변화하는 소위 쐐기와 같은 형상으로 해서 Z 방향의 두께에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 구성으로 한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 3 실시 예에서는 1-3형, 2-2형 및 3-1형의 각 연결구조의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 대략 동일한 간격으로 이들을 교대로 배열한 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 무작위의 간격 또는 무작위로 배열한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 3 실시 예에서는 압전소자(1)의 접지전극(5)과 전기신호를 주고받기 위해서 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재를 개재하고, 그 전면에 접지용 전기단자(9)를 설치하는 구성의 경우에 대하여 설명하였으나, 이 대신에 제 1 음향 매칭 층(2a)의 Z 방향의 양면 또는 한쪽 면에 도전성 부재를 스퍼터링, 도금 또는 인쇄 등에 의해서 형성하고, 그 부분에 전기단자를 접속하는 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 3 실시 예에서는 압전소자(1)를 1차원으로 복수 개 배열한 구성에 대하여 설명하였으나, 이 외에 압전소자(1)를 2차원으로 복수 개 배열한 소위 2차원 어레이의 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 3 실시 예에서는 압전소자(1)의 전면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 그 피검체 측에 접지용 전기단자(9)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)를 접촉시키고 있으나, 이 대신에 압전소자(1)의 전면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 그 피검체 측에 신호용 전기단자(7)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 접지전극(5)에 접지용 전기단자(9)를 접촉시켜도 원리적으로는 초음파를 송수신하는 것은 가능하다.
<제 4 실시 예>
다음에, 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 4 실시 예에 대하여 설명한다. 도 4A는 제 4 실시 예에 관한 초음파 탐촉자의 구성을 그 일부를 파단하여 도시한 사시도이고, 도 4B는 도 4A에 도시한 초음파 탐촉자를 그 도면 중에 도시한 3개의 방향 X, Y, Z 중 Y-Z 평면으로 절단한 단면을 X 방향에서 본 단면도이다.
도 4A 및 도 4B에 도시한 초음파 탐촉자(10D)는 도 4A 중에 도시한 3개의 방향 X, Y, Z 중 X 방향으로 배열된 복수의 압전소자(1)와, 각 압전소자(1)에 대응하여 피검체 측이 되는 Z 방향의 전면에 적층된 복수의 제 1 음향 매칭 층(2a), 복수의 제 2 음향 매칭 층(2b) 및 제 2 음향 매칭 층(2b) 상에 공통으로 적층된 제 3 음향 매칭 층(2c)을 포함하는 음향 매칭 층(2)과, 필요에 따라서 압전소자(1)의 배면에 설치되는 배면 부하재(3)와, 마찬가지로 필요에 따라서 음향 매칭 층(2)의 전면에 설치되는 음향 렌즈(4)와, 압전소자(1)와 배면 부하재(3) 사이에 삽입된 복수의 신호용 전기단자(7)와, 제 1 음향 매칭 층(2a)과 제 2 음향 매칭 층(2b) 사이에 삽입된 접지용 전기단자(9)를 구비하고 있다. 이들 구성요소의 각각의 기능은 종래의 초음파 탐촉자를 구성하는 요소가 갖는 기능과 동일하다.
이하, 설명의 편의상 도 4A 및 도 4B에 도시한 초음파 탐촉자(10D)의 제조방법에 대하여 설명한다.
복수의 압전소자(1)를 형성하기 위해서 PZT계와 같은 압전 세라믹, PZN-PT, PMN-PT계와 같은 압전 단결정 또는 이들 재료와 고분자 재료를 복합한 복합 압전체, 또는 PVDF 등으로 대표되는 고분자 재료의 압전체 등으로 구성되며, 소정의 두께를 갖는 판재, 즉 압전판재를 준비한다. 이 압전판재의 한 주면, 즉 Z 방향의 전면에는 접지전극(5)을, 그 배면에는 신호용 전극(6)을 각각 금이나 은의 증착, 스퍼터링 또는 은의 베이킹 등에 의해서 형성한다.
또, 소정의 두께를 갖는 판 형상의 배면 부하재(배면 부하재를 구비하지 않은 초음파 탐촉자에 있어서는 이것에 대신하는 부재)(3)와, 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료로 구성되고, 복수의 제 1 음향 매칭 층(2a)을 형성하기 위해서 판재와, 에폭시 수지, 폴리이미드 등의 고분자 재료로 구성된 복수의 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위한 판재와, 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(7a)의 일측 주면에 동 등이 도전성 막(7b)이 피착되고, 전체가 리본 형상으로 형성된 복수의 신호용 전기단자(7)와, 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 동 등의 도전성 막(두께는 음향특성에 대한 영향이 적도록 5마이크로미터 이하가 바람직하다)(9b)가 피착된 접지용 전기단자(9)를 준비한다. 또, 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위해서 이용하는 에폭시 수지, 폴리이미드 등의 고분자 재료는 절연성 부재이나, 도전성 부재를 이용하여도 좋다. 또, 도전성 막(7b, 9b)은 전기적으로 도전성을 갖는 재료이면 무엇이라도 좋으며 금속에 한정되는 것은 아니다.
이에, 도 4A에 도시한 바와 같이, 배면 부하재(3)의 전면에 복수의 신호용 전기단자(7)를 X 방향으로 소정의 간격으로 배치하고, 그 위에 압전소자(1)를 형성하기 위한 압전판재를 중첩하며, 또한 압전판재의 전면에 제 1 음향 매칭 층(2a)을 형성하기 위한 판재와 접지용 전기단자(9)와 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위한 판재를 순차 중첩해서 이들을 일체적으로 고착한다. 이 경우, 배면 부하재(3)와 압전판재 사이에 장착되는 복수의 신호용 전기단자(7)는 각각 절연성 필름(7a)의 일측 주면에 피착되어 있는 도전성 막(7b)이 압전판재에 형성된 신호용 전극(6)에 접촉하고, 절연성 필름(7a)이 배면 부하재(3)에 접촉하도록 절연성 필름(7a)의 일측 주면이 압전판재 측(도면의 상방)으로 향해진다. 또, 제 1 음향 매칭 층(2a)을 형성하기 위한 판재와 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위한 판재 사이에 삽입되는 접지용 전기단자(9)는 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 형성된 도전성 막(9b)이 제 1 음향 매칭 층(2a)에 접촉하도록 그 일측 주면이 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 향해진다.
이상과 같이 해서 배면 부하재(3), 복수의 신호용 전기단자(7), 압전소자(1)를 형성하기 위한 압전판재, 제 1 음향 매칭 층(2a)을 형성하기 위한 판재, 접지용 전기단자(9) 및 제 2 음향 매칭 층(2b)을 형성하기 위한 판재를 일체적으로 고착한 후에 슬라이싱 머신 등에 의해서 제 2 음향 매칭 층(2b)의 전면에서 배면 부하재(3)의 전면부까지 판 복수의 홈, 즉 제 2 음향 매칭 층(2b), 접지용 전기단자(9), 제 1 음향 매칭 층(2a), 압전판재, 신호용 전기단자(7) 및 배면 부하재(3)의 일부를 1 유닛으로 하고, 복수의 압전소자 유닛으로 분할하는 분할 홈을 형성한다. 이 경우, X 방향으로 소정의 간격으로 배치된 신호용 전기단자(7)의 중간부에 분할 홈을 형성한다. 이에 의해서 압전소자 유닛이 병렬로 배치된 압전소자 열이 형성된다. 다음에, 음향적인 결합이 작은 실리콘 고무나 우레탄 고무 등과 같은 재료(도시생략)를 각 분할 홈에 충전하고, 또한 제 2 음향 매칭 층(2b) 및 분할 홈에 충전한 부분의 상면에는 제 2 음향 매칭 층(2c)을 장착한다.
제 3 음향 매칭 층(2c)은 도시한 바와 같이 분할하지 않고 연결한 상태에서 장착한다. 이 제 3 음향 매칭 층(2c)의 재료로는 실리콘 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 프로필렌 공중합 고무, 아크릴로나이트릴뷰타다이엔고무 공중합 고무 및 우레탄 고무 등의 고무 탄성체를 주체로 한 재료를 이용한다. 또, 필요에 따라서 제 3 음향 매칭 층(2c)의 상면에는 실리콘 고무 등의 재료를 이용한 음향 렌즈(4)를 장착한다. 배면 부하재를 구비하지 않은 초음파 탐촉자에 있어서는 이 단계에서 배면 부하재(3)에 대신하는 부재를 제거한다.
또, 제 3 음향 매칭 층(2c)은 제 1 음향 매칭 층(2a), 제 2 음향 매칭 층(2b)과 마찬가지로 압전소자(1)와 함께 분할하여도 좋다. 또, 제 2 음향 매칭 층(2b), 제 3 음향 매칭 층(2c)은 절연성 부재, 도전성 부재의 어느 하나라도 좋다.
또, 여기에서는 제 1 음향 매칭 층(2a)과 제 2 음향 매칭 층(2b) 사이에 절연성 필름(9a)에 도전성 막(9b)을 피착시킨 접지용 전기단자(9)를 삽입하고, 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)과 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재를 접착시킴으로써 접지용 전기단자(9)와 압전소자(1)에 형성된 접지전극(5)을 전기적으로 접속하는 것에 대하여 설명하였으나, 이 외에 제 2 음향 매칭 층(2b)으로 도전성 부재를 이용하고, 이 제 2 음향 매칭 층(2b)의 전면에 도전성 막(9b)을 피착시킨 접지용 전기단자(9)를 장착하며, 제 1 음향 매칭 층(2a) 및 제 2 음향 매칭 층(2b)을 개재하여 접지용 전기단자(9)와 압전소자(1)에 형성된 접지전극(5)을 전기적으로 접속하도록 하여도 동일한 동작을 하게 할 수 있다.
상기와 같이 구성된 초음파 탐촉자(10C)의 동작에 대하여 이하에 설명한다.
압전소자(1)의 배면에 형성된 신호용 전극(6)은 신호용 전기단자(7)를 개재 하고, 또 압전소자(1)의 전면에 형성된 접지전극(5)은 제 1 음향 매칭 층(2a)의 복합재료의 도전성 부재와 접지용 전기단자(9)를 개재하여 각각 도시하지 않은 케이블의 일 단에 전기적으로 접속되며, 이들 케이블의 각각의 타 단은 도시하지 않은 초음파 진단장치의 본체부에 접속된다. 이에 의해서 초음파 진단장치의 본체부에서 만들어지는 규칙적인 펄스전압을 압전소자(1)에 인가하여 초음파를 발신하고, 또 수신한 초음파의 에코를 전기신호로 변환하여 초음파 진단장치의 본체부에 송신한다.
이 경우, 상세를 후술하는 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재는 압전소자(1)에 형성된 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)을 전기적으로 접속하는 형상이면 좋으며, 특정한 형상에 한정되는 것은 아니다. 또, 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재는 하나의 압전소자(1)에 대하여 2개소 이상에서 압전소자(1)의 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)이 전기적으로 접속되는 구성이 바람직하며, 도전성 부재(20)의 수가 많을수록 접지전극(5)이 압전소자(1)와 함께 깨져도 신호전송경로가 단선되어 고장나는 빈도가 적어져서 신뢰성이 높아지게 된다.
또, 제 1 음향 매칭 층(2a)의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 음향 임피던스를 정합의 상태에 근접시키는 것이 주목적이 된다. 따라서, 본 실시 예와 같이 3층의 음향 매칭 층을 구비한 경우, 제 1, 제 2, 제 3 음향 매칭 층(2a, 2b, 2c)의 각 음향 임피던스는 각각이 목적으로 하는 주파수 특성에 따라서 사용하는 값의 범위가 선택된다. 예를 들어, 일본국 특개소 60-53399호 공보에서는 제 1, 제 2 및 제 3 음향 매칭 층의 음향 임피던스는 각각 12.6에서 18.1, 3.8에서 6.0 및 1.7에서 2.4MRayl의 범위를, 또, 일본국 특개소 60-185499호 공보에서는 각각 5에서 15, 1.9에서 4.4 및 1.6에서 2MRayl의 범위를, 또 일본국 특개 2003-125494호 공보에는 19.7, 7.4, 2.44MRayl의 값으로 표시되어 있다. 따라서 3층 타입의 음향 매칭 층에서의 제 1 음향 매칭 층(2a)의 음향 임피던스는 대략 5에서 20MRayl의 범위의 값을 갖는 재료가 이용된다. 음향 매칭 층의 층 수가 많아질수록 주파수 특성의 광대역화, 고감도화가 가능해지고, 적어도 2층의 음향 매칭 층의 타입보다 3층의 음향 매칭 층 타입의 주파수의 광대역화가 가능해진다.
도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료로 구성된 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 각각의 연결구조의 일례는 제 3 실시 예에서 설명한 도 3C, 도 3D에 도시한 바와 같은 1-3형, 2-2형 또는 상술한 3-1형의 구조의 것을 이용하면 된다.
제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재(20)로는 동, 알루미늄, 은, 금, 니켈 등의 금속이나 금, 은, 동, 알루미늄 등의 금속 또는 카본의 분체를 에폭시 수지 등의 고분자 화합물에 혼입하여 도전성을 갖게 한 고분자 재료나 그래파이트, 카본 등의 재료를 이용한다. 또, 제 1 음향 매칭 층(2a)의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로는 유리, 결정화 유리, 텅스텐 분체를 고 농도에서 혼입한 에폭시 수지, 니오브산납 세라믹, 가공성이 있는 세라믹(쾌삭성 세라믹), 단결정 또는 다결정 실리콘, 수정, 티탄산 바륨 등의 세라믹 등을 이용한다.
또, 도전성 부재(20), 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 상기 이외의 재료를 이용하여도 본원 발명의 목적을 달성할 수 있는 재료이면 된다. 또, 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료로서의 음향 임피던스는 1-3형, 2-2형, 3-1형 연결구조를 갖는 복합재료는 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 각각의 체적비율에 따라서 결정되는 것은 제 2 실시 예에서 설명한 바와 같다. 예를 들어, 도전성 부재(20)로 음향 임피던스는 38MRayl의 값을 갖는 은을 이용하고, 절연성 부재(21)로 음향 임피던스는 15.3MRayl의 값을 갖는 수정 X컷 판을 이용하여 체적비율을 임의로 선택함으로써 제 2 실시 예에서 도시한 도 2C와 마찬가지로 복합재료의 음향 임피던스는 15.3에서 38MRayl의 범위에서 임의로 원하는 값을 얻을 수 있다. 이 범위의 음향 임피던스는 3층 음향 매칭 층의 제 1 음향 매칭 층(2a)에 요망되는 값의 범위인 5에서 20MRayl에 상당하는 범위를 갖는 체적비율이 존재하고, 이 범위에서 작성한 재료는 제 1 음향 매칭 층(2a)으로서의 기능을 갖고 있게 된다. 또, 제 4 실시 예의 제 1 음향 매칭 층(2a) 외의 기능으로는 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재(20)가 압전소자(1)의 접지전극(5)과 접지용 전기단자(9)의 도전성 부재와 전기적으로 접속할 수 있는 구성이므로 전기단자를 인출할 수 있는 구성으로 하고 있다.
연결구조가 1-3형, 2-2형, 3-1형 구조에서는 2종류의 각각의 재료가 갖는 음향 임피던스의 범위 내의 값이 되고, 각각의 재료의 체적비율을 바꿈으로써 원하는 음향 임피던스의 재료를 얻을 수 있다. 또, 제 4 실시 예에서는 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조를 갖는 제 1 음향 매칭 층(2a)에 대하여 설명하였으나, 이 외에 2종류 이상의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)를 이용해도 동일한 효과를 얻을 수 있음은 명백하며, 각각 1종류씩 합계 2종류의 재료의 연결구조에 한정되는 것은 아니다.
또, 1-3형, 2-2형, 3-1형의 연결구조를 갖는 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료를 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 기능하게 하기 위해서는 복합재료가 일체로 초음파를 전달하도록 도전성 부재(20)의 폭 및 배열 간격으로 한다. 또, 도전성 부재(20)의 체적비율이 적은 경우에는 도전성 부재(20)의 폭 및 배열 간격을 고려할 필요는 없으며, 전기적인 접속기능을 주로 해서 그 재료를 선택하면 된다.
또, 도 4A에 도시한 바와 같이, 제 3 음향 매칭 층(2c)을 압전소자(1)에 대응하여 분할하지 않은 구조로 하고 있으나, 당연히 분할한 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있으므로 도 4A의 구성에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이 압전소자의 피검체 측에 설치되는 음향 매칭 층으로 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재를 복합한 복합재료를 이용함으로써 그 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있으며, 주파수의 광대역화가 가능함에 따라서 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또한, 복합재료를 구성하는 도전성 부재로부터 전기단자를 인출할 수 있으므로 신뢰성이 높으면서 조작성이 양호한 초음파 탐촉자를 얻을 수 있다.
또, 제 4 실시 예에서는 1-3형 연결구조의 도전성 부재(20)로 원주의 형상을 하는 것을 이용하였으나, 이 외에 각주 또는 구 등의 다른 형상을 갖는 것을 이용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 1-3형 연결구조의 도전성 부재(20)로 Z 방향에 대하여 콘과 같은 원추형의 형상으로 해서 Z 방향의 두께에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 구성으로 한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 4 실시 예에서는 2-2형 연결구조의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 Z 방향에 대하여 균일한 폭으로 배열되는 경우에 대하여 설명하였으나, 이들 부재가 Z 방향에 대하여 폭이 연속적으로 변화하는 소위 쐐기와 같은 형상으로 해서 Z 방향의 두께에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 구성으로 한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 4 실시 예에서는 1-3형, 2-2형 및 3-1형의 각 연결구조의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 대략 동일한 간격으로 이들을 교대로 배열한 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 무작위의 간격 또는 무작위로 배열한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 제 4 실시 예에서는 압전소자(1)의 접지전극(5)과 전기신호를 주고받기 위해서 제 1 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재를 개재하고, 그 전면에 접지용 전기단자(9)를 설치하는 구성의 경우에 대하여 설명하였으나, 이 대신에 제 1 음향 매칭 층(2a)의 Z 방향의 양면 또는 한쪽 면에 도전성 부재를 스퍼터링, 도금 또는 인쇄 등에 의해서 형성하고, 그 부분에 전기단자를 접속하는 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 4 실시 예에서는 압전소자(1)를 1차원으로 복수 개 배열한 구성의 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 압전소자(1)를 2차원으로 복수 개 배열한 소위 2차원 어레이의 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 제 4 실시 예에서는 도전성 부재 및 절연성 부재 또는 반도전성 부재는 2종류를 이용한 경우에 대 하여 설명하였으나, 이 외에 도전성 부재를 2종류, 절연성 부재를 1종류~3종류와 같이 2종류 이상의 재료를 이용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 4 실시 예에서는 압전소자(1)의 전면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 그 피검체 측에 접지용 전기단자(9)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)를 접촉시키고 있으나, 이 대신에 압전소자(1)의 전면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 그 피검체 측에 신호용 전기단자(7)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 접지전극(5)에 접지용 전기단자(9)를 접촉시켜도 원리적으로는 초음파를 송수신할 수 있게 된다.
<제 5 실시 예>
다음에, 본 발명의 제 5 실시 예에 대하여 설명한다. 도 5A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 5 실시 예의 구성을 그 일부를 파단하여 도시한 사시도이고, 도 5B는 도 5A에 도시한 초음파 탐촉자를 그 도면 중에 도시한 3개의 X, Y, Z 중 Y-Z 평면으로 절단한 단면을 X 방향에서 본 단면도이다.
도 5A 및 도 5B에 도시한 초음파 탐촉자(10E)는 도 5A 중에 도시한 3개의 방향 X, Y, Z 중 X 방향으로 배열된 복수의 압전소자(1)와, 각 압전소자(1)에 대응하고 피검체 측이 되는 Z 방향의 전면에 적층된 복수의 제 1 음향 매칭 층(2a), 복수의 제 2 음향 매칭 층(2b) 및 제 2 음향 매칭 층(2b) 상에 공통으로 적층된 제 3 음향 매칭 층(2c)을 포함하는 음향 매칭 층(2)과, 필요에 따라서 압전소자(1)의 배면에 설치되는 배면 부하재(3)와, 마찬가지로 필요에 따라서 음향 매칭 층(2(2a, 2b, 2c)) 상에 설치되는 음향 렌즈(4)와, 압전소자(1)와 배면 부하재(3) 사이에 삽입된 복수의 신호용 전기단자(7)와, 제 2 음향 매칭 층(2b)과 제 3 음향 매칭 층(2c) 사이에 삽입된 접지용 전기단자(9)를 구비하고 있다. 이들 구성요소의 각각의 기능은 종래의 초음파 탐촉자를 구성하는 요소가 갖는 기능과 동일하다.
제 5 실시 예는 제 4 실시 예와 비교하여 압전소자(1), 제 1 음향 매칭 층(2a), 제 3 음향 매칭 층(2c)의 적층구조는 동일하나, 기본적으로 다른 점은 제 2 음향 매칭 층(2b)에 도전성 부재, 또는 제 1 음향 매칭 층(2a)과 마찬가지로 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료를 이용한 점, 제 2 음향 매칭 층(2b)의 상면에 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 동 등의 금속 막(9b)이 피착된 접지용 전기단자(9)를 설치한 점에 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써 제 1 음향 매칭 층(2a) 및 제 2 음향 매칭 층(2b)을 개재하여 접지용 전기단자(9)와 압전소자(1)에 형성된 접지전극(5)을 전기적으로 접속할 수 있다.
제 1 음향 매칭 층(2a) 및 제 2 음향 매칭 층(2b)의 양쪽에 복합재료를 이용하는 경우에는 이 음향 매칭 층(2a, 2b)의 각 도전성 부재부가 적어도 전기적으로 접속되는 구성으로 할 필요가 있다. 또, 제 1 음향 매칭 층(2a)과 제 2 음향 매칭 층(2b)의 복합재료의 연결구조는 반드시 동일한 구조로 할 필요는 없으며, 예를 들어 제 1 음향 매칭 층(2a)의 연결구조를 1-3형으로 하고, 제 2 음향 매칭 층(2b)의 연결구조를 2-2형으로 해도 좋으며, 양 음향 매칭 층의 도전성 부재가 전기적으로 접속되는 구성으로 해서 접지용 전기단자(9)와 압전소자(1)에 형성된 접지전극(5) 이 전기적으로 접속되는 동시에 각각이 음향 매칭 층으로서의 음향 임피던스의 값을 갖도록 구성하면 된다.
또, 제 2 음향 매칭 층(2b)으로는 그래파이트와 같은 도전성 부재를 이용해도 좋고, 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료를 이용해도 좋다. 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료를 이용하는 경우에는, 예를 들어 도전성 부재(20)로 음향 임피던스가 38MRayl의 은을 이용하고, 절연성 부재(21)로 음향 임피던스가 3MRayl의 에폭시 수지를 이용해서 체적비율을 바꿈으로써 음향 임피던스를 임의로 설정할 수 있으며, 예를 들어 6MRayl 부근의 값으로 할 수 있다. 이것은 1-3형, 2-2형, 3-1형 중 어느 하나의 연결구조의 복합재료에도 가능하다.
한편, 제 5 실시 예에서는 제 2 음향 매칭 층(2b)의 전면에 장착되는 접지용 전기단자(9)의 기초가 되는 절연성 필름으로 폴리이미드와 같은 음향 임피던스가 약 3MRayl의 재료를 이용한 경우에는, 이 재료의 음향 임피던스가 제 2 음향 매칭 층(2b)과 제 3 음향 매칭 층(2c) 사이의 값이거나 또는 이에 가까운 값이므로 음향적인 부정합이 없어져서 양호한 주파수 특성을 쉽게 얻을 수 있다.
이상과 같이 압전소자의 피검체 측 면에 설치하는 3층의 음향 매칭 층의 구성에서 제 1 및 제 2 음향 매칭 층에 각각 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료를 이용함으로써 제 1 및 제 2 음향 매칭 층 모두를 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있으며, 주파수의 광대역화가 가능함에 따라서 고 분해능이 진단화상을 얻을 수 있고, 또 제 1 및 제 2 음향 매칭 층의 각 도전성 부재 를 개재하여 접지용 전기단자(9)를 접지전극(5)에 전기적으로 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높으면서 조작성이 양호한 초음파 탐촉자를 얻을 수 있다.
또, 제 5 실시 예에서는 각각 1종류의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21) 등의 재료의 연결구조를 갖는 제 1, 제 2 음향 매칭 층(2a, 2b)에 대하여 설명하였으나, 이 외에 2종류 이상의 도전성 부재(2)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)를 이용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있음은 명백하며, 각각 1종류의 재료의 연결구조에 한정되는 것은 아니다.
또, 제 5 실시 예에서는 1-3형 연결구조의 도전성 부재는 원주의 형상을 이용한 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 각주 또는 구 등의 형상으로 한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 제 5 실시 예에서는 1-3형 연결구조의 도전성 부재로 원주의 형상을 갖는 것을 이용하였으나, 이 외에 Z 방향에 대하여 콘과 같은 원추형의 형상으로 해서 Z 방향의 두께에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 구성으로 한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 5 실시 예에서는 1-3형, 2-2형 및 3-1형의 각 연결구조의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 대략 동일한 간격으로 이들을 교대로 배열한 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 무작위의 간격 또는 무작위로 배열한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 5 실시 예에서는 압전소자(1)의 접지전극(5)과 전기신호를 주고받기 위해서 제 1 음향 매칭 층(2a)과 제 2 음향 매칭 층(2b)의 각 도전성 부재(20)를 개재하고, 이들 전면에 전기단자를 설치하는 구성의 경우에 대하여 설명하였으나, 이 대신에 제 2 음향 매칭 층(2b)의 Z 방향의 양면 또는 한쪽 면에 도전성 부재를 스퍼터링, 도금 또는 인쇄 등에 의해 형성하고, 그 부분에 전기단자를 접속하는 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 5 실시 예에서는 압전소자(1)를 1차원으로 복수 개 배열한 구성에 대하여 설명하였으나, 이 외에 압전소자(1)를 2차원으로 복수 개 배열한 소위 2차원 어레이의 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 5 실시 예에서는 제 1 음향 매칭 층(2a)의 전면에 제 2 음향 매칭 층(2b) 및 제 3 음향 매칭 층(2c)을 적층해서 합계 3층의 음향 매칭 층(2)을 구비한 것에 대하여 설명하였으나, n을 3 이상의 정수로 하여, 음향 매칭 층(2)이 제 1 ~ 제 n 음향 매칭 층을 포함하며, 또한 제 2 음향 매칭 층과 제 3 음향 매칭 층 사이에 전기단자를 장착하는 구성으로 하여도 상술한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 5 실시 예에서는 압전소자(1)의 전면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 그 피검체 측에 접지용 전기단자(9)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)를 접촉시키고 있으나, 이 대신에 압전소자(1)의 전면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 그 피검체 측에 신호용 전기단자(7)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 접지전극(5)에 접지용 전기단자(9)를 접촉시켜도 원리적으로는 초음파를 송수신할 수 있다.
<제 6 실시 예>
도 6A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 6 실시 예의 구성을 도시한 단면도이고, 도 6B는 도 6A에 도시한 초음파 탐촉자를 구성하는 음향 매칭 층의 구성 예를 도시한 단면도이다.
도 6A에서 초음파 탐촉자(10F)는 판 형상의 압전소자(1)와, 이 압전소자(1)의 전면(도면의 상방)에 적층된 음향 매칭 층(2)과, 필요에 따라서 압전소자(1)의 배면(도면의 하방)에 장착되는 배면 부하재(3)와, 마찬가지로 필요에 따라서 음향 매칭 층(2)의 전면에 장착되는 음향 렌즈(4)를 구비하고 있다. 이들 구성요소의 각각의 기능은 종래의 초음파 탐촉자를 구성하는 요소가 갖는 기능과 동일하다.
초음파 탐촉자(10F)의 구성요소 중 압전소자(1)는 PZT계와 같은 압전 세라믹, PZN-PT, PMN-PT계와 같은 압전 단결정 또는 이들 재료와 고분자 재료를 복합한 복합 압전체 또는 PVDF 등으로 대표되는 고분자 재료의 압전체 등에 의해서 형성된다. 압전소자(1)의 전면에는 접지전극(5)이 형성되고, 압전소자(1)의 배면에는 신호용 전극(6)이 형성되어 있다. 접지전극(5) 및 신호용 전극(6)은 각각 금이나 은의 증착, 스퍼터링 또는 은의 베이킹 등에 의해서 형성된다.
또, 압전소자(1)에 형성되어 있는 신호용 전극(6)과 배면 부하재(3) 사이에 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(7a)의 일측 주면에 동 등의 금속 막(7b)이 피착된 신호용 전기단자(7)가 삽입되어 있다. 이 경우, 압전소자(1)에 형성되어 있는 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)의 금속 막(7b)이 접촉하고, 또 신호용 전기단자(7)의 절연성 필름(7a)이 배면 부하재(3)에 접촉하도록 절연성 필름(7a)의 일측 주면이 압전소자(1) 측으로 향해진다. 한편, 압전소 자(1)에 형성되어 있는 접지전극(5)의 전면에는 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료로 구성되는 음향 매칭 층(2)과, 폴리이미드 등의 고분자 재료에 의해서 구성되는 절연성 필름(9a)의 일측 주면에 동 등의 도전성 막(두께는 특성에 영향이 작도록 5마이크로미터 이하가 바람직하다)(9b)가 피착된 접지용 전기단자(9)가 순차 적층되어 있다. 이 경우, 음향 매칭 층(2)의 복합재료의 도전성 부재(20)에 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)이 접촉하도록 절연성 필름(9a)의 일측 주면이 음향 매칭 층(2) 측으로 향해진다. 그리고 필요에 따라서 음향 매칭 층(2)의 전면에는 실리콘 고무 등의 재료를 이용한 음향 렌즈(4)가 장착된다.
상기와 같이 구성된 초음파 탐촉자(10F)의 동작에 대하여 이하에 설명한다.
압전소자(1)에 형성된 신호용 전극(6)은 신호용 전기단자(7)를 개재하고, 또 압전소자(1)의 접지전극(5)은 음향 매칭 층(2)의 복합재료의 도전성 부재(20)와 접지용 전기단자(9)를 개재하여 각각 도시하지 않은 케이블의 일 단에 전기적으로 접속되며, 이들 케이블의 각각의 타 단은 도시하지 않은 초음파 진단장치의 본체부에 접속된다. 이에 의해, 초음파 진단장치의 본체부에서 만들어지는 규칙적인 펄스전압을 압전소자(1)에 인가하여 초음파를 송신하고, 또 수신한 초음파의 에코를 전기신호로 변환하여 초음파 진단장치의 본체부에 송신하다.
도 6B에서 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료로 구성되어 있는 음향 매칭 층(2)으로는 음향 임피던스가 압전소자(1)와 피검체(예를 들어, 생체) 사이가 되도록 재료가 선택된다. 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 두께 방향(도면에서는 상하방향)에 대하여 연속적으로 형상(체적)이 변화하고, 도면에서는 하방은 체적이 크고 상방으로 감에 따라서 체적이 작아지는 형상(예를 들어, 원추, 삼각추, 사각 추 등)으로 하며, 그 간극에 도전성 부재(20)를 채운 구성으로 하고 있다. 예를 들어, 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 도전성 부재(20)의 음향 임피던스보다 큰 값을 갖는 재료의 경우에는 도면에서는 하방은 체적이 크므로 음향 임피던스의 값이 가장 크고, 상방으로 감에 따라서 서서히 체적이 작아지며, 도전성 부재(20)의 체적이 커짐에 따라서 음향 임피던스가 서서히 작아진다. 즉, 음향 매칭 층(2)은 상하방향으로 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 구성으로 되어 있다. 도 6A와 같은 구성으로 도면의 하방의 음향 임피던스는 커지고, 상방으로 감에 따라서 작아지는 구성의 경우에는 당연히 압전소자(1) 측은 하방이 되고 피검체 측은 상방이 되도록 구성된다.
이와 같이 음향 매칭 층(2)의 형상이 두께 방향으로 연속적으로 가변하는 구성으로 함으로써 음향 매칭 층(2)은 두께 방향(압전소자(1)에서 피검체의 방향)에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 특성으로 되어 있으며, 압전소자(1)의 접지전극(2) 측에 위치하는 음향 매칭 층(2)의 부분은 음향 임피던스가 압전소자(1)에 가까운 값으로 크며, 그리고 피검체 측(도면에서는 상방)에 위치하는 부분의 음향 매칭 층(2)의 음향 임피던스는 피검체의 값에 가까운 값으로 되어 있다. 이와 같이 음향 임피던스를 연속적으로 경사시키는 음향 매칭 층(2)을 이용함으로써 주파수의 광대역화가 가능해진다. 또, 본 음향 매칭 층(2)의 두께는 주파수에 의존하지 않으므로 중심 주파수의 약 2분의1 파장 이상의 두께이면 음향 정합 층으 로서의 효과를 발휘할 수 있으며, 두께에 대하여 주파수 특성은 그다지 관계없다.
음향 매칭 층(2)의 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 한쪽의 전극과 전기적인 접속이 이루어지고, 다른 한쪽의 도전성 부재(20)의 면에는 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)이 접촉하여 전기적으로 접속되는 구성으로 되어 있으며, 접지용 전기단자(9)로부터 신호의 취입 및 취출을 한다. 본 음향 매칭 층(2)의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)와 도전성 부재(20)의 연결구조로는 제 2 실시 예에서 설명한 2-2형, 1-3형, 3-1형 연결구조가 바람직하다. 예를 들어, 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 반도체 등에 사용되고 있는 음향 임피던스가 약 19.7MRayl를 갖는 실리콘의 단결정, 또 도전성 부재(20)로 음향 임피던스가 약 6.5MRayl를 갖는 도전성 접착제의 에코본드(56C)(Emerson and Cummings, Inc.)를 이용하면 음향 임피던스는 실리콘 단결정의 체적비율이 거의 100%인 부분은 19.7MRayl의 음향 임피던스로 서서히 체적비율이 감소해가고, 도전성 접착제의 체적비율이 서서히 증가해감에 따라서 음향 임피던스는 6.5MRayl에 가까워지는 특성을 얻을 수 있다.
여기에서는 음향 매칭 층(2)의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 유리, 결정화 유리, 텅스텐 분체를 고 농도에서 혼입한 에폭시 수지, 니오브산납 세라믹, 가공성이 있는 세라믹(결삭성 세라믹), 단결정 또는 다결정 실리콘, 수정, 티탄산바륨 등의 세라믹 등을 이용한다. 또, 음향 매칭 층(2)의 도전성 부재(20)로 동, 알루미늄, 은, 금, 니켈 등의 금속재료나, 금, 은, 동, 알루미늄 등의 금속 또는 카본의 분체를 에폭시 수지 등의 고분자 화합물에 혼입하여 도전성을 가지게 한 고분자 재료나 그래파이트, 카본 등을 이용한다. 또, 도전성 부재(20) 혹은 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 상술한 재료에 한정되는 것은 아니며, 상술한 재료와 동일한 정도의 음향 임피던스를 갖는 것이면 다른 재료여도 좋다.
이상과 같이, 압전소자의 피검체 측에 설치되는 음향 매칭 층으로 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료를 설치함으로써 음향 매칭 층을 원하는 음향 임피던스를 연속적으로 경사지게 할 수 있으며, 이에 따라서 주파수의 광대역화가 가능하므로 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 복합재료의 음향 매칭 층의 도전성 부재를 개재하여 압전소자의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높으면서 조작성이 양호한 초음파 탐촉자를 얻을 수 있다.
또, 제 6 실시 예에서는 도 6B에 도시한 바와 같이 도전성 부재(20) 및 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 대략 동일한 간격으로 이들을 교대로 배열한 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 무작위의 간격 또는 무작위로 배열한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 6 실시 예에서는 압전소자(1)의 접지전극(5)과 전기신호를 받기 위한 음향 매칭 층(2)을 개재하고 그 전면에 접지용 전기단자(9)를 설치하는 구성에 대하여 설명하였으나, 이 대신에 음향 매칭 층(2)의 Z 방향의 양면 또는 한쪽 면에 도전성 부재를 스퍼터링, 도금 또는 인쇄 등에 의해 형성하고, 그 부분에 접지용 전기단자(9)를 접속하는 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 6 실시 예에서는 음향 매칭 층(2)으로 각각 하나의 재종으로 형성된 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조의 것을 이용하였으나, 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 적어도 한쪽이 2종류 이상의 재료로 형성되어 있어도 동일한 효과를 얻을 수 있음을 명백하며, 각각 하나의 재종의 연결구조에 한정되는 것은 아니다.
또, 제 6 실시 예에서는 압전소자(1)의 전면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 그 피검체 측에 접지용 전기단자(9)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)를 접촉시키고 있으나, 이 대신에 압전소자(1)의 전면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 그 피검체 측에 신호용 전기단자(7)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 접지전극(5)에 접지용 전기단자(9)를 접촉시켜도 원리적으로 초음파를 송수신할 수 있다.
<제 7 실시 예>
도 7A는 본 발명에 관한 초음파 탐촉자를 구성하는 음향 매칭 층의 제 7 실시 예의 구성을 도시한 단면도이다. 또, 초음파 탐촉자의 개략 단면도는 제 6 실시 예에서 설명한 도 6A와 동일하고, 음향 매칭 층(2)의 구성만이 다르므로 초음파 탐촉자는 도 6A를 이용해서 설명하고, 음향 매칭 층의 부분은 도 7A를 이용해서 설명한다.
도 6A에서 초음파 탐촉자(10F)는 판 형상의 압전소자(1)와, 이 압전소자(1)의 전면(도면의 상방)에 음향 매칭 층(2)과, 필요에 따라서 압전소자(1)의 배면(도면의 하방)에 장착되는 배면 부하재(3)와, 마찬가지로 필요에 따라서 음향 매칭 층(2)의 전면에 장착되는 음향 렌즈(4)를 구비하고 있다. 이들 구성요소의 각각의 기능은 종래의 초음파 탐촉자를 구성하는 요소가 갖는 기능과 동일하다. 초음파 탐 촉자(10F)의 구성요소 및 동작에 대해서는 제 6 실시 예에서 설명하고 있으므로 여기에서는 생략한다.
도 7A에서 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 복합재료로 구성되어 있는 음향 매칭 층(2)으로는 음향 임피던스가 압전소자(1)와 피검체(예를 들어, 생체) 사이가 되는 재료가 선택된다. 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)는 두께 방향(도면에서는 상하방향)에 대하여, 예를 들어 도면에서는 폭을 2단계로 단계적으로 가변하여 형상(체적)을 변화시키고, 하단(T1의 영역)은 폭이 크고, 하단(T2의 영역)은 폭이 작아지는 형상으로 하며, 그 간극에 도전성 부재(20)를 채운 구성으로 하고 있다. 예를 들어, 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 도전성 부재(20)의 음향 임피던스보다 큰 값을 갖는 재료의 경우에는, T1의 영역은 폭이 크므로 음향 임피던스의 값이 크며, T2의 영역은 폭이 좁아진다. 이에 대하여, 도전성 부재(20)의 폭은 반대가 되어서 각각의 폭(체적)이 넓은 쪽 부재의 음향 임피던스에 가까워진다. T1, T2의 영역의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 체적비율에 따라서 음향 임피던스를 단계적으로 바꿀 수 있다. 따라서, 도 7A에 도시한 바와 같이 2단계가 되는 구성에서는 2층의 음향 매칭 층이 구성된 것이 된다. 당연히 T1, T2의 각각의 두께는 4분의 1 파장의 두께를 기본으로 해서 설정된다.
도 6A와 같이 음향 매칭 층(2)의 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 한쪽의 전극과 전기적인 접속이 이루어지고, 다른 한쪽의 도전성 부재(20)의 면에는 접지용 전기단자(9)의 도전성 막(9b)이 접촉해서 전기적으로 접속되는 구성으로 되어 있으며, 접지용 전기단자(9)로부터 신호의 취입 및 취출을 한다. 도 7A에 도시한 음향 매칭 층(2)의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조로는 제 2 실시 예에서 설명한 2-2형, 1-3형, 3-1형 연결구조가 바람직하다.
이상과 같이 압전소자의 피검체 측에 설치되는 음향 매칭 층으로 도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료를 설치함으로써 음향 매칭 층을 원하는 음향 임피던스를 단계적으로 가변시킬 수 있게 되며, 이에 의해서 주파수의 광대역화가 가능하므로 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또, 복합재료의 음향 매칭 층의 도전성 부재를 개재하여 압전소자의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높으면서 조작성이 양호한 초음파 탐촉자를 얻을 수 있다.
또, 제 7 실시 예에서는 도 7A에 도시한 바와 같이, 도전성 부재(20) 및 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 대략 동일한 간격으로 이들을 교대로 배열한 경우에 대해서 설명하였으나, 이 외에 무작위의 간격 또는 무작위로 배열한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 7 실시 예에서는 압전소자(1)의 접지전극(5)과 전기신호를 주고받기 위해서 음향 매칭 층(2)을 개재하고, 그 전면에 접지용 전기단자(9)를 설치하는 구성에 대하여 설명하였으나, 이 대신에 음향 매칭 층(2)의 Z 방향의 양면 또는 한쪽 면에 도전성 부재를 스퍼터링, 도금 또는 인쇄 등에 의해서 형성하고, 그 부분에 접지용 전기단자(9)를 접속하는 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 7 실시 예에서는 음향 매칭 층(2)으로 각각 하나의 재종으로 형성된 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조의 것을 이용하 였으나, 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 적어도 한쪽이 2종류 이상의 재료로 형성되었어도 동일한 효과를 얻을 수 있음이 명백하며, 각각 하나의 재종의 연결구조에 한정되는 것은 아니다.
또, 제 7 실시 예에서는 압전소자(1)의 전면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 그 피검체 측에 접지용 전기단자(9)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 신호용 전극(6)에 신호용 전기단자(7)에 접촉시키고 있으나, 이 대신에 압전소자(1)의 전면의 전극을 신호용 전극(6)으로 하고 그 피검체 측에 신호용 전기단자(7)를 배치하는 동시에 압전소자(1)의 배면의 전극을 접지전극(5)으로 하고 접지전극(5)에 접지용 전기단자(9)를 접촉시켜도 원리적으로는 초음파를 송수신할 수 있다.
또, 제 7 실시 예를 구성하는 음향 매칭 층(2)의 다른 구성 예로 도 7B에 도시한 것이 있다. 도 7B의 음향 매칭 층(2)은 도 7A에 도시한 바와 같이 2층의 음향 매칭 층 T1, T2를 구성하고 있으나, 도 7B는 도전성 부재(20)를 두께 T1의 영역에서 100%를 차지하고, 두께 T2의 영역에 도전성 부재(20)와 음향 임피던스의 값이 다른 부재, 예를 들어 절연성 또는 반도전성 부재를 임의의 체적비율로 설치한다. 예를 들어, 도전성 부재(20)로 그래파이트에 동, 은 등의 금속 분말을 충전한 재료를 이용하고, 음향 임피던스를 6~16MRayl의 값을 이용하여 두께 T1을 100% 차지하여 제 1 음향 매칭 층으로 하고, 또 두께 T2의 영역은 원하는 음향 임피던스로 하도록 도전성 부재(20)에 홈을 형성하고, 그 홈에 절연성 부재인 에폭시 수지, 우레탄, 실리콘 고무 등의 음향 임피던스(1~3MRayl)의 낮은 재료를 충전해서 형성하여 도전성 부재(20)와 절연성 또는 반도전성 부재(21)의 체적비율로 두께 T2의 음향 임피던스로 함으로써 제 2 음향 매칭 층을 구성할 수 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써 도전성 부재(20)는 T1, T2의 두께 방향으로 연결되어 있으므로 도 7A의 실시 예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 도 7B에서는 2층의 음향 매칭 층으로 구성한 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 2층 이상 즉 3층 이상의 음향 매칭 층으로 구성하는 것도 가능하며, 2층의 음향 매칭 층에 한정되는 것은 아니다.
<제 8 실시 예>
도 8은 본 발명에 관한 초음파 탐촉자의 제 8 실시 예를 구성하는 음향 매칭 층의 구성을 도시한 단면도이다. 또, 초음파 탐촉자의 개략 단면도는 제 2 실시 예에서 설명한 도 2A와 동일하고, 제 1 음향 매칭 층(2a)의 구성만이 다르므로 초음파 탐촉자는 도 2A를 이용하여 설명하고, 제 1 음향 매칭 층의 부분은 도 8을 이용하여 설명한다.
도 2A에서 초음파 탐촉자(10B)는 판 형상의 압전소자(1)와, 이 압전소자(1)의 전면(도면의 상방)에 적층된 2층의 음향 매칭 층(2(2a, 2b))과, 필요에 따라서 압전소자(1)의 배면(도면의 하방)에 장착되는 배면 부하재(3)와, 마찬가지로 필요에 따라서 음향 매칭 층(2(2a, 2b))의 전면에 장착되는 음향 렌즈(4)를 구비하고 있다. 이들 구성요소의 각각의 기능은 종래의 초음파 탐촉자를 구성하는 요소가 갖는 기능과 동일하다. 초음파 탐촉자의 구성요소 및 동작에 대해서는 제 2 실시 예에서 설명하고 있으므로 여기에서는 생략한다.
도전성 부재와 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료로 구성되어 있는 제 1 음향 매칭 층(2a)으로는 그 음향 임피던스가 압전소자(1)와 제 2 음향 매칭 층(2b)의 각 음향 임피던스의 중간이 되는 재료가 선택된다. 이 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 도전성 부재와 복수의 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 구성 예를 도 8에 도시한다. 도 8에서는 피검체를 향해서 초음파를 방사하는 방향을 Z 방향, 이와 직교하는 2개의 방향을 각각 X 방향, Y 방향으로 하고 있다.
도 8에 도시한 제 1 음향 매칭 층(2a)은 도전성 부재(20)와, 복수의 여기에서는 2종류의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 X 방향으로 순차 배치된 연결구조를 하고 있으며, 이 도전성 부재(20)는 적어도 Z 방향으로 연결되어 있는 구조체로 되어 있다. 도 8의 구성은 2종류의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 폭(체적)에 대하여 도전성 부재(20)의 폭(체적)은 매우 좁은 구성으로 하고 있다.
이 구성은 2종류의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 체적비율(도면에서는 X 방향의 폭)을 바꿈으로써 제 1 음향 매칭 층(2a)의 음향 임피던스를 임의로 설정할 수 있게 하며, 도전성 부재(20)는 상기 2종류의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 체적비율에 비하여 매우 작은 값으로, 즉 도 8의 X 방향의 폭을 매우 좁게 해서 음향 임피던스의 가변에는 거의 기여하지 않는 구성으로 한다. 예를 들어, 2종류의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)로 실리콘 단결정과 에폭시 수지를 이용하여 X 방향의 폭을 각각 0.1㎜로, 또, 도전성 부재(20)로 실리콘 단결정 또는 에폭시 수지의 측면에 동, 은, 금 등을 도금 또는 스퍼터링 등의 방법에 의해서 형성한 폭을 0.002㎜로 하면, 이들 합계의 폭에 대하여 도전성 부재(20)의 폭의 비율은 약 1%가 되며, 음향 임피던스의 가변의 기여도는 매우 작아진다. 따라서, 상기 도전성 부재(20)로서의 기능은 압전소자(1)의 전극 면에서 전기적인 접속이 주가 된다. 이와 같은 구성으로 하면 작성이 용이하고 또한 정밀도 좋게 할 수 있으며, 또 도전성 부재에 금속을 사용한 경우에는 초음파 탐촉자를 작성할 때의 가공이 어려워진다고 하는 단점도 해소할 수 있다.
당연히 도전성 부재(20)의 폭이 넓어졌어도 2종류의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)를 포함해서 3종류의 부재의 폭의 비율을 바꿈으로써 체적비율을 선택함에 따라 음향 임피던스는 임의로 선택할 수 있으므로 도전성 부재의 폭을 한정하는 것은 아니다.
도 2A와 같이 음향 매칭 층(2a)의 도전성 부재(20)는 압전소자(1)의 한쪽의 전극과 전기적인 접속이 이루어지고, 다른 한쪽의 도전성 부재(20)의 면에는 접지용 전기단자(9)의 금속 막(9b)이 접촉해서 전기적으로 접속되는 구성으로 되어 있으며, 접지용 전기단자(9)로부터의 신호의 취입 및 취출을 한다.
이상과 같이, 압전소자의 피검체 측에 설치되는 음향 매칭 층으로 도전성 부재와 복수의 절연성 부재 또는 반도전성 부재의 복합재료를 설치함으로써 음향 매칭 층을 원하는 음향 임피던스를 임의로 가변시킬 수 있게 되며, 이에 따라 주파수의 광대역화가 가능하므로 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다.
또, 복합재료의 음향 매칭 층의 도전성 부재를 개재하여 압전소자의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높으면서 조작성이 양호한 초음파 탐촉자를 얻을 수 있다.
또, 제 8 실시 예에서는 도 8에 도시한 바와 같이 도전성 부재(20) 및 복수 의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 대략 동일한 간격으로 이들을 교대로 배열한 경우에 대하여 설명하였으나, 이 외에 무작위의 간격 또는 무작위로 배열한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 8 실시 예에서는 압전소자(1)의 접지전극(5)과 전기신호를 주고받기 위해서 음향 매칭 층(2a)을 개재하고, 그 전면에 접지용 전기단자(9)를 설치하는 구성에 대하여 설명하였으나, 이 대신에 음향 매칭 층(2a)의 Z 방향의 양면 또는 한쪽 면에 도전성 부재를 스퍼터링, 도금 또는 인쇄 등에 의해서 형성하고, 그 부분에 접지용 전기단자(9)를 접속하는 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 8 실시 예서는 음향 매칭 층(2a)으로 각각 하나의 재종으로 형성된 도전성 부재(20)와 2종류의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조의 것을 이용하였으나, 복수의 도전성 부재(20)와 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조 또는 그 외에 복수 재종의 연결구조로 형성되었더라도 동일한 효과를 얻을 수 있음은 명백하다.
또, 제 8 실시 예에서는 도 8에 도시한 도전성 부재(20)와 복수의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 Z 방향에 대하여 균일한 폭으로 형성되는 경우에 대하여 설명하였으나, 제 6 실시 예에서 도시한 바와 같이 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)가 Z 방향에 대하여 폭이 연속적으로 변화하는 소위 쐐기와 같은 형상으로 해서 Z 방향의 두께에 대하여 음향 임피던스가 연속적으로 변화하는 구성으로 하고, 도전성 부재는 그 경사의 측면에 형성하거나 또는 제 7 실시 예에서 설명한 바와 같이 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 폭을 단계적으로 바꾸어서 음향 임피던스가 변화하는 구성으로 해서 그 측면에 도전성 부재(20)를 설치한 구성으로 하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 제 8 실시 예에서는 2층의 음향 매칭 층의 제 1 음향 매칭 층(2a)으로 각각 하나의 재종으로 형성된 도전성 부재(20)와 2종류의 절연성 부재 또는 반도전성 부재(21)의 연결구조의 것을 이용하였으나, 이 외에 3층 이상의 음향 매칭 층으로 설치한 경우에 각각의 층에 설치하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 초음파 탐촉자는 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층되는 음향 매칭 층의 음향 임피던스를 원하는 값으로 할 수 있으므로 주파수의 광대역화가 가능함에 따라서 고 분해능의 진단화상을 얻을 수 있다. 또 음향 매칭 층을 개재하여 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에 전기단자를 접속할 수 있으므로 신뢰성이 높아져서 인체 등의 피검체의 초음파 진단을 하는 각종 의료분야에 적합하고, 또한 재료나 구조물의 내부 탐상을 목적으로 한 공업분야에서 이용이 가능하다.
Claims (14)
- 두께 방향의 양면에 전극이 형성된 압전소자와, 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층된 음향 매칭 층을 구비한 초음파 탐촉자에 있어서,상기 음향 매칭 층은 적어도 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되고, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 제 1 항에 있어서,상기 음향 매칭 층은 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료, 또는 절연성 부재 또는 반도전성 부재를 포함하는 복수의 소재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 소정의 두께를 가지며, 두께 방향의 양면에 전극이 형성되고, 서로 두께 방향과 직교하는 방향으로 배치된 복수의 압전소자와, 상기 복수의 압전소자의 일방의 전극형성 면에 각각 적층 된 복수의 음향 매칭 층을 구비한 초음파 탐촉자에 있어서,상기 음향 매칭 층은 상기 압전소자에 순서대로 적층된 제 1 및 제 2 음향 매칭 층을 포함하고,상기 제 1 음향 매칭 층은 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되며, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 압전소자에 인접하는 상기 음향 매칭 층을 구성하는 상기 복합재료는 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재가 미리 정해진 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 압전소자에 인접하는 상기 음향 매칭 층의 외부 표면부에 적층된 전기단자를 구비하고,상기 전기단자는 절연성 필름의 일측 주면에 도전성 막이 피착(披着)되며, 또한, 상기 절연성 필름의 일측 주면이 상기 음향 매칭 층에 대향하도록 적층되고, 상기 도전성 막이 상기 음향 매칭 층을 구성하는 상기 도전성 부재를 개재하여 상기 압전소자에 형성된 일방의 상기 전극과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 소정의 두께를 가지며, 두께 방향의 양면에 전극이 형성되고, 서로 두께 방향과 직교하는 방향으로 배치된 복수의 압전소자와, 상기 복수의 압전소자의 일방의 전극형성 면에 각각 적층된 복수의 음향 매칭 층을 구비한 초음파 탐촉자에 있어서,n을 3 이상의 정수로 하여, 상기 음향 매칭 층은 상기 압전소자에 순서대로 적층되는 제 1 ~ 제 n 음향 매칭 층을 포함하며, 또한 제 1 음향 매칭 층과 제 2 음향 매칭 층 사이에 전기단자가 삽입되고,적어도 상기 제 1 음향 매칭 층은 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되고, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지며,상기 전기단자는 절연성 필름의 일측 주면에 도전성 막이 피착되고, 또한 상기 절연성 필름의 일측 주면이 상기 음향 매칭 층에 대향하도록 적층되며, 상기 도전성 막이 상기 제 1 음향 매칭 층을 구성하는 상기 도전성 부재를 개재하여 상기 압전소자에 형성된 일방의 상기 전극과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 소정의 두께를 가지며, 두께 방향의 양면에 전극이 형성되고, 서로 두께 방향과 직교하는 방향으로 배치된 복수의 압전소자와, 상기 복수의 압전소자의 일방의 전극형성 면에 각각 적층된 복수의 음향 매칭 층을 구비한 초음파 탐촉자에 있 어서,n을 3 이상의 정수로 하여, 상기 음향 매칭 층은 상기 압전소자에 순서대로 적층되는 제 1 ~ 제 n 음향 매칭 층을 포함하며, 또한 제 2 음향 매칭 층과 제 3 음향 매칭 층 사이에 전기단자가 삽입되고,적어도 상기 제 1 및 제 2 음향 매칭 층은 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되고, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지며,상기 전기단자는 절연성 필름의 일측 주면에 도전성 막이 피착되고, 또한 상기 절연성 필름의 일측 주면이 상기 음향 매칭 층에 대향하도록 적층되며, 상기 도전성 막이 상기 제 1 음향 매칭 층을 구성하는 상기 도전성 부재 및 상기 제 2 음향 매칭 층을 구성하는 상기 도전성 부재를 개재하여 상기 압전소자에 형성된 일방의 상기 전극과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 제 1 음향 매칭 층을 구성하는 상기 복합재료는 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재가 미리 정해진 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 제 7 항에 있어서,상기 제 2 음향 매칭 층을 구성하는 상기 복합재료는 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재가 미리 정해진 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 압전소자의 두께 방향을 Z 방향, 이 Z 방향과 직교하는 방향을 X 방향, 이들 Z 방향 및 X 방향과 직교하는 방향을 Y 방향으로 하여,상기 음향 매칭 층을 구성하는 상기 복합재료는,상기 도전성 부재가 Z 방향으로만 연결되어 있고, X, Y 방향으로 연결되어 있지 않으며, 상기 절연성 부재 또는 반도전성 부재가 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있는 연결구조이거나,또는, 상기 도전성 부재가 Y 및 Z의 2방향으로 연결되어 있고, 상기 절연성 부재 또는 반도전성 부재가 Y 및 Z의 2방향으로 연결되어 있는 연결구조이거나,또는, 상기 도전성 부재가 X, Y, Z의 3방향으로 연결되어 있고, 상기 절연성 부재 또는 상기 반도전성 부재가 Z 방향으로만 연결되어 있으며, X, Y 방향으로 연결되어 있지 않은 연결구조 중 어느 하나의 연결구조를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 소정의 두께를 가지며, 두께 방향의 양면에 전극이 형성된 압전소자와, 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면에 적층된 음향 매칭 층을 구비하는 초음파 탐촉자 에 있어서,상기 음향 매칭 층은 적어도 도전성 부재를 포함하는 복수의 소재의 복합재료로 구성되고, 또한 상기 도전성 부재는 상기 압전소자의 일방의 전극형성 면의 복수 개소에서 각각 층의 두께 방향으로 관통하는 부위를 가지며, 또 두께 방향으로 도전성 부재는 연속적으로 체적 비율이 경사지거나 또는 단계적으로 체적비율을 바꾸는 구성으로 하고 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 제 11 항에 있어서,상기 음향 매칭 층의 상기 복수의 소재의 복합재료는 절연성 부재 또는 반도전성 부재와 도전성 부재를 포함하는 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 복합재료의 상기 도전성 부재가 금속, 금속과 고분자 재료의 복합체, 그래파이트(graphite)의 탄화물 중 적어도 하나를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
- 제 2 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 복합재료의 절연성 부재 또는 반도전성 부재가 유리, 세라믹, 수정, 유기 고분자와 금속의 복합체, 실리콘의 단결정 또는 다결정 중 적어도 하나를 포함 하고 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |