專利名稱：超聲波探頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種在超聲波診斷裝置中用于收發(fā)超聲波的超聲波 探頭，進(jìn)而涉及到這種超聲波探頭的制造方法。
背景技術(shù)：
在超聲波探頭中，作為用于對超聲波進(jìn)行發(fā)送及/或接收的超聲波換能器， 一般使用以PZT (鋯鈦酸鉛:Pb (lead) zirconate titanate) 為代表的壓電陶瓷、以PVDF (聚偏二氟乙烯polyvinylidendifluoride)為代表的在高分子壓電材料等壓電體的兩端形成電極的振子(壓電振 子)。當(dāng)向這種振子的電極施加電壓時，通過壓電效果，壓電體伸縮， 產(chǎn)生彈性波。特別是，通過將寬頻帶的信號電壓施加到振子的電極上， 生成具有和壓電體厚度對應(yīng)的波長的諧振彈性波。尤其是當(dāng)陶瓷壓電體的厚度為數(shù)mm以下時，由壓電體產(chǎn)生超聲波。進(jìn)一步，將多個振 子一維或二維狀地排列，由施加了規(guī)定延遲的多個驅(qū)動信號驅(qū)動，從 而可使超聲波束朝向所需方向形成。另一方面，振子通過接收傳播的 超聲波而伸縮，產(chǎn)生電信號。該電信號作為超聲波的檢測信號使用。超聲波診斷裝置使用超聲波探頭將超聲波發(fā)送到人體等被檢測 體，并通過接收從被檢測體反射的超聲波回波，根據(jù)超聲波的檢測信 號顯示圖像。這樣一來，進(jìn)行體內(nèi)的臟器、血管的檢查。但是，在振 子中使用壓電陶瓷時，振子的聲阻抗和人體等的聲阻抗之間有較大的 差，在存在這種聲阻抗的差的邊界面下會產(chǎn)生超聲波反射，造成傳播 損失。其中，聲阻抗是由傳聲介質(zhì)密度和聲速的積所表示的物質(zhì)固有的常數(shù)，其單位一般使用Mrayl (mega rayl)，而lMRayl＝ 1 X 106kg m—2 s"。 一般的壓電陶瓷的聲阻抗為約25 MRayl 約35 MRayl，人體 的聲阻抗約為1.5MRayl。設(shè)振子的聲阻抗為Z。、人體的聲阻抗為Zm吋，接觸界面中的超 聲波的反射率R以下式(1)表示。<formula>formula see original document page 7</formula> …(1)公式(1)中，Z0 = 35MRayl， ZM=1.5MRayl時，R=0.92，因此可知大部分的超聲波在接觸界面反射，超聲波傳播不到一成。為了解決該問題，在振子和被檢測體之間插入聲匹配層，實現(xiàn)聲 阻抗的匹配。進(jìn)一步，如果使聲匹配層為多層構(gòu)造，則可改善超聲波 的傳播效率，但因制造上的原因，聲匹配層的上限是2層 3層。因此，為了進(jìn)一步改善超聲波的傳播效率，考慮降低振子自身的 聲阻抗。例如，在壓電體上形成格子狀的槽并陣列化，在槽內(nèi)部填充 聲阻抗為2 MRayl~4 MRayl左右的材料較為有效。此時，槽的間隔與 在被槽分離的各振子內(nèi)傳播的超聲波的波長相比足夠小。 一般情況下， 槽的間隔優(yōu)選為超聲波波長的1/8-1/10左右。作為這種陣列振子，例 如使用將在一個方向較長的棒狀PZT配置在樹脂中而成的復(fù)合壓電 體，該復(fù)合壓電體稱為l-3復(fù)合材料。l-3復(fù)合材料中，各振子是棒狀的，因此其振動模式為33振動模 式。33振動模式是指，對在第3方向(Z軸方向)進(jìn)行了分極處理(還 原處理)的壓電體在相同的第3方向上施加電場而使之振動時的振動 模式。 一般情況下，在振子中，33振動模式下的機(jī)電耦合系數(shù)k33大 于板狀下的機(jī)電耦合系數(shù)kt、條狀下的機(jī)電耦合系數(shù)k33'，因此通過 使各振子為棒狀，可實現(xiàn)較高的變換效率。并且，機(jī)電耦合系數(shù)k33較大時有利于振子的頻帶擴(kuò)大。進(jìn)一步， 通過采用1-3復(fù)合材料，聲阻抗高的壓電體的一部分置換為聲阻抗低的 樹脂，因此振子的聲阻抗下降，改善了超聲波的傳播效率。當(dāng)介電常 數(shù)大的壓電體的有效面積減少時，振子的電容量下降，電阻抗上升。作為相關(guān)技術(shù)，日本國專利申請公開JP-P2003-70096A中公開了 使用具有細(xì)微構(gòu)造并具有較高可行性的低成本的復(fù)合壓電體的超聲波 探頭。在該復(fù)合壓電體中，在樹脂層表面在一定方向上排列有多個細(xì) 線狀燒結(jié)壓電體而成的復(fù)合片材，以使各細(xì)線狀燒結(jié)壓電體位于樹脂 層之間的方式層疊多個并一體化，在與細(xì)線狀燒結(jié)壓電體的長度方向 垂直的方向上切斷。并且，日本國專利申請公開JP-P2003-174698A中公開了和高頻帶 的超聲波振動對應(yīng)的復(fù)合壓電體的制造方法。在該制造方法中，形成 單位復(fù)合片材，并通過層疊該復(fù)合片材而形成復(fù)合壓電體。單位復(fù)合 片材的制造方法包括以下步驟準(zhǔn)備在板狀壓電體的一個表面上形成 有樹脂層的復(fù)合板的步驟；對復(fù)合板的板狀壓電體，不完全斷開樹脂 層地形成多個槽，從而由板狀壓電體形成多個細(xì)線狀壓電體的步驟。進(jìn)一步，日本國專利申請公開JP-P2003-189395A中公開了如下復(fù)合壓電體的制造方法可不降低性能地、廉價地提供電阻抗小的復(fù)合壓電體，該復(fù)合壓電體具有細(xì)微的、縱橫比高的多個柱狀壓電體。該制造方法包括以下步驟在樹脂層上準(zhǔn)備將向一個方向延伸的多個壓 電體及多個導(dǎo)電體交互配置而成的復(fù)合板的步驟；對復(fù)合板的板狀壓電體，形成在與壓電體的長邊方向相交的方向上延伸的多個槽，從而 在樹脂層上形成多個柱狀壓電體、及橫切多個柱狀壓電體而延伸的多 個內(nèi)部導(dǎo)電體的步驟。另一方面，近些年來，超聲波探頭用于從口插入到體內(nèi)的內(nèi)視鏡(經(jīng)口內(nèi)視鏡)、從鼻子插入到體內(nèi)的內(nèi)視鏡(經(jīng)鼻內(nèi)視鏡)、血管 導(dǎo)管等，因此要求超聲波探頭的細(xì)微化。經(jīng)口內(nèi)視鏡的直徑為8mm llmm左右，經(jīng)鼻內(nèi)視鏡的直徑為4mm 5mm左右，因此需要減 小振子的尺寸。例如，F(xiàn)NA ( fine needle aspiration:細(xì)針吸引)用的凸 起型陣列振子的上升方向的尺寸為4mm 5mm左右。但是，隨著振子的細(xì)微化，振子的電阻抗上升。收發(fā)的超聲波的 頻帶中的振子的電阻抗與超聲波診斷裝置主體的接收電路的電阻抗或 連接電纜的特性阻抗相比較大時，檢測信號的傳送特性下降。并且， 加上振子尺寸變小，接收時的靈敏度下降。為了彌補(bǔ)這種靈敏度下降，使振子為層疊構(gòu)造，并列連接各層振 子，從而可增加振子的電容，降低電阻抗。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明鑒于以上問題而產(chǎn)生。本發(fā)明的目的在于提供一種使振子 細(xì)微化的同時實現(xiàn)高靈敏度及寬頻帶的、且具有發(fā)熱對策的超聲波探 頭。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個觀點涉及的超聲波探頭，包括 用于對超聲波進(jìn)行發(fā)送及/或接收的多個振子，其中，具有(i)背襯材 料；(ii)振子陣列，由在第1方向排列的多個振子構(gòu)成振子組，并將多 個振子組在和第1方向不同的第2方向上排列而形成所述振子陣列， 各振子具有層疊構(gòu)造，包括在背襯材料的主面上形成的第1電極層、多個壓電體層、至少一層內(nèi)部電極層、及在各振子組中共用的第2電 極層；(iii)第1層導(dǎo)電性樹脂，將在各振子組中相鄰的振子的第1電極 層彼此電連接；(iv)第2層導(dǎo)電性樹脂，將在各振子組中相鄰的振子的 內(nèi)部電極層彼此電連接；和(v)絕緣樹脂，在各振子組中、在多個振子 之間的規(guī)定區(qū)域進(jìn)行配置。并且，本發(fā)明的一個觀點涉及的超聲波探頭的制造方法中，該超 聲波探頭包括用于對超聲波進(jìn)行發(fā)送及/或接收的多個振子，其中，步 驟U)，在背襯材料的主面上形成包括第1電極層、多個壓電體層、 至少一層內(nèi)部電極層、及第2電極層的層疊構(gòu)造體；步驟(b)，通過 在層疊構(gòu)造體的主面上形成到達(dá)背襯材料的多個槽，將層疊構(gòu)造體分 離為在第1方向排列的多個振子；步驟(C)，向在步驟(b)中形成的多個槽填充導(dǎo)電性樹脂；步驟(d)，去除在步驟(C)中填充的導(dǎo)電性樹脂的一部分；步驟(e)，向在步驟(d)中去除了導(dǎo)電性樹脂 的多個槽中填充絕緣樹脂；步驟(f)，去除在步驟(e)中填充的絕緣 樹脂的一部分；步驟(g)，根據(jù)需要重復(fù)步驟(c) ~ (f)，從而形成 使相鄰的振子的第1電極層彼此電連接的第1層導(dǎo)電性樹脂、使相鄰 的振子的內(nèi)部電極層彼此電連接的第2層導(dǎo)電性樹脂、和配置在多個 振子之間的規(guī)定區(qū)域的絕緣樹脂；步驟(h)，在層疊構(gòu)造體的主面上 形成共用電極層；步驟(i)，在共用電極層上形成至少一層聲匹配層； 以及步驟(j)，在層疊構(gòu)造體的主面上，在第1方向上形成到達(dá)背襯 材料的多個槽，從而將各振子分離為在與第1方向不同的第2方向上 排列的多個振子。根據(jù)本發(fā)明，通過振子的l-3復(fù)合材料化，可提高機(jī)電耦合系數(shù)， 同時可降低聲阻抗，通過振子的層疊化，可降低電阻抗，實現(xiàn)高靈敏 度且寬頻帶的超聲波探頭。


圖1是表示在本發(fā)明的第1實施方式涉及的超聲波探頭中使用的 超聲波換能器陣列的示意平面圖。圖2是表示本發(fā)明的第1實施方式涉及的超聲波探頭的內(nèi)部構(gòu)造 的正面圖。圖3A及圖3B是放大表示振子的層疊構(gòu)造的透視圖。圖4是表示導(dǎo)電性樹脂及絕緣樹脂的材料的表。圖5A 5H是用于說明本發(fā)明的第1實施方式涉及的超聲波探頭的制造方法的圖。圖6是用于說明本發(fā)明的第1實施方式涉及的超聲波探頭的制造 方法的變形例的圖。圖7是表示本發(fā)明的第2實施方式涉及的超聲波探頭的內(nèi)部構(gòu)造的正面圖。圖8是表示本發(fā)明的第3實施方式涉及的超聲波探頭的內(nèi)部構(gòu)造 的正面圖。圖9A 9C是表示由掃描電子顯微鏡對在背襯材料上制造的振子組 的切斷面的一部分進(jìn)行拍攝的影像的圖。圖IOA及圖10B是表示對在本發(fā)明的第3實施方式中制造的振子的電阻抗特性進(jìn)行測定的結(jié)果的圖。
具體實施方式
以下參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。此外，對相同的構(gòu)成 要素標(biāo)以相同的參照標(biāo)號，并省略說明。圖1是表示在本發(fā)明的第1實施方式涉及的超聲波探頭中使用的 超聲波換能器陣列(振子陣列)的示意平面圖。該振子陣列包括多個 超聲波換能器(振子)1，其通過被提供驅(qū)動信號而伸縮，使超聲波向 被檢測體發(fā)送，并且通過接收由被檢測體反射的超聲波來輸出電信號 (檢測信號)。在圖1中，為了表示多個振子1的配置，省略了這些 振子1的上部電極層、及這些振子1之間的絕緣樹脂。此外，在多個 振子1中，使圖中左端的振子為la，圖中右端的振子為lb。如圖1所示，多個振子1 二維狀配置，在X軸方向上(上升方向) 上排列的1列振子1的電極通過導(dǎo)電性樹脂2而并列連接，因此1列 振子1構(gòu)成同時動作的一個振子組10。因此，在Y軸方向(方位方向) 排列的多個振子組IO構(gòu)成一維振子陣列。這樣一來，在X軸方向上分 割形成振子，從而使各振子中含有的壓電體為l-3復(fù)合材料的形狀，因 此與在X軸方向上不分割振子時相比，可增大機(jī)電耦合系數(shù)。圖2是表示本發(fā)明的第1實施方式涉及的超聲波探頭的內(nèi)部構(gòu)造的正面圖。如圖2所示，在背襯材料3上形成由1列振子1構(gòu)成的振 子組IO。各振子l具有層疊構(gòu)造，為了并列連接在X軸方向上相鄰的 二個振子的電極，配置了多層的導(dǎo)電性樹脂2a 2c。背襯材料3例如由 加入鐵素體粉、金屬粉、PZT粉的環(huán)氧樹脂、加入鐵素體粉的橡膠等 聲衰減較大的材料形成，加快由多個振子1產(chǎn)生的不需要的超聲波的 衰減。并且，在多個振子1之間及周圍，在不存在導(dǎo)電性樹脂2a 2c 的區(qū)域，配置有絕緣樹脂4，以降低振子之間的干擾、抑制振子橫向的 振動，使振子僅在縱向振動。在多個振子1上形成有至少1層聲匹配層(在圖2中表示2層聲 匹配層5及6)。并且，根據(jù)需要也可在聲匹配層上形成聲透鏡7。聲 匹配層5及6例如由易于傳播超聲波的八Q, ky夕7 (注冊商標(biāo) PYREX)玻璃、加入金屬粉的環(huán)氧樹脂等形成，改善生物體等被檢測 體和振子1之間的聲阻抗的匹配。這樣一來，由振子1發(fā)送的超聲波 可高效地在被檢測體中傳播。聲透鏡7例如由硅膠形成，使由多個振 子1發(fā)送、并在聲匹配層5及6中傳播的超聲波在被檢測體內(nèi)的規(guī)定 深度下集中。該部分1~7收容在筐體內(nèi)，從多個振子1引出的布線通 過電纜與超聲波診斷裝置主體內(nèi)的電路連接。圖3A及3B是放大表示振子的層疊構(gòu)造的透視圖，圖3A表示圖 2所示的振子組10中的圖中左端的振子la，圖3B表示圖2所示的振 子組中的圖中右端的振子lb。各振子具有下部電極層ll、多個壓電 體層12、至少一層內(nèi)部電極層、和通常與接地電位共同連接的上部電 極層14。優(yōu)選內(nèi)部電極層含有夾持壓電體層而交互形成的至少一層第1 內(nèi)部電極層、及至少一層第2內(nèi)部電極層。在圖3A及圖3B中，表示 了夾持壓電體層12而形成的第1內(nèi)部電極層13a和第2內(nèi)部電極層13b。其中，由下部電極層11、最下層的壓電體層12、和內(nèi)部電極層13a構(gòu)成第l壓電元件，由內(nèi)部電極層13a、中間層的壓電體層12、和 內(nèi)部電極層13b構(gòu)成第2壓電元件，由內(nèi)部電極層13b、最上層的壓電 體層12、和上部電極層14構(gòu)成第3壓電元件。進(jìn)一步，圖中左端的振子la具有側(cè)面絕緣膜15a、側(cè)面電極16a。 側(cè)面電極16a與內(nèi)部電極層13a及上部電極層14連接，并且通過側(cè)面 絕緣膜15a從內(nèi)部電極層13b絕緣。并且，圖中右端的振子lb具有側(cè) 面絕緣膜15b、側(cè)面電極16b。側(cè)面電極16b與內(nèi)部電極層13b及下部 電極層11連接，并且通過側(cè)面絕緣膜15b從內(nèi)部電極層13a絕緣。參照圖2、 3A及3B， 一個振子組10中含有的多個振子的下部電 極層11通過第1層導(dǎo)電性樹脂2a彼此電連接， 一個振子組10含有的 多個振子的內(nèi)部電極層13a通過第2層導(dǎo)電性樹脂2b彼此電連接，一 個振子組IO中含有的多個振子的內(nèi)部電極層13b通過第3層導(dǎo)電性樹 脂2c彼此電連接。這樣一來，在各振子中，層疊的第1 第3壓電元件并列連接，從 而使振子的電容增加，電阻抗下降。并且， 一個振子組10中的多個振 子并列連接，從而使振子的電容進(jìn)一步增加，電阻抗進(jìn)一步下降。這 樣一來，提高了與超聲波診斷裝置主體內(nèi)的電路的電阻抗的匹配度。進(jìn)一步，通過使壓電元件復(fù)合體化，振子整體體積中的壓電元件 的體積比例減少，作為發(fā)熱源的壓電體的體積比降低，因此可抑制超聲波探頭表面溫度的上升。尤其是，當(dāng)壓電元件具有層疊構(gòu)造時，與 壓電元件具有單層構(gòu)造時相比，發(fā)熱量非常高，因此更為有效。在本實施方式中，作為壓電體的材料使用壓電陶瓷。壓電陶瓷的 電氣/機(jī)械能源變換能力較高，因此產(chǎn)生可到達(dá)體內(nèi)深部的強(qiáng)力超聲波， 并且接收靈敏度也較高。具體材料可使用PZT (鋯鈦酸鉛Pb (Ti，Zr)03)、具有同樣的鈣鈦礦系結(jié)晶構(gòu)造的變質(zhì)組成的材料、 一般稱為馳豫(Rdaxor)類材料的材料等。并且，在本實施方式中，導(dǎo)電性樹脂2的硬度比絕緣樹脂4的硬 度高。作為導(dǎo)電性樹脂及絕緣樹脂的材料，例如使用圖4所示的材料。 作為絕緣樹脂，可使用工求年、乂亍夕/ 口、^一 (Epoxy Technology)公 司制造的工求于、y夕310 (EPO-TEK310)、工求亍、;/夕310-2FL (EPO-TEK310-2FL)、工求亍，夕330 (EPO-TEK330)等環(huán)氧類樹 脂。另一方面，作為導(dǎo)電性樹脂可使用該工求年、乂X夕乂 口^一公司 制造的H20S、 H20E等導(dǎo)電軟膏。圖4表示這些材料的邵氏(SH0RE)硬度。邵氏硬度表示在IS0868 規(guī)定的條件下，壓入到材料中的規(guī)定的壓入針的壓入深度的測定值， 和A規(guī)格相比，D規(guī)格較硬，并且表示在各規(guī)格下數(shù)值越大越硬。例 如，在圖4所示的材料中，作為絕緣樹脂選擇工求于:y夕310時，作 為導(dǎo)電性樹脂可選擇H20S，也可選擇H20E。此外，邵氏硬度規(guī)格在 ASTM的D2240-97el (Standard Test Method for Rubber Property-Durometer Hardness) 、 JIS的K7215 (Testing Method for Durometer Hardness of Plastics)等中也有規(guī)定。將振子形成為柱狀，而使其為1-3復(fù)合材料的形狀時，即使向多 個振子之間填充軟性樹脂，振子的振動程度也變大，因此無法獲得所 需的電氣機(jī)械變換特性，并且，存在產(chǎn)生多個諧振峰值的缺點。另一 方面，向多個振子之間全部填充硬度高的樹脂時，抑制了振子振動， 因此同樣無法獲得所需的電氣機(jī)械變換特性。因此，在本實施方式中，通過向軟性樹脂中部分配置硬度高的樹 脂，成為可防止振子的振動程度的同時不抑制振動的構(gòu)造。即，如圖2 所示，通過在多個振子1之間配置硬度較高的導(dǎo)電性樹脂2和硬度較 低的絕緣樹脂4，可實現(xiàn)上述構(gòu)造。并且，在背襯材料3上形成的槽中，如樁子一樣插入硬度較高的導(dǎo)電性樹脂2，因此可進(jìn)一步防止振子的振 動程度。接著說明本發(fā)明的第1實施方式涉及的超聲波探頭的制造方法。圖5A 5H是用于說明本發(fā)明的第1實施方式涉及的超聲波探頭的制造 方法的圖。在第l步驟中，如圖5A所示，在背襯材料3的主面上形成含有下 部電極層11、多個壓電體層12、內(nèi)部電極層13a及13b、及上部電極 層14的層疊構(gòu)造體20。進(jìn)一步，通過電沉積法、分配法、或印刷法等，在層疊構(gòu)造體20 的圖中左側(cè)的側(cè)面形成覆蓋內(nèi)部電極層13b的側(cè)面絕緣膜15a，在層疊 構(gòu)造體20的圖中右側(cè)的側(cè)面形成覆蓋內(nèi)部電極層13a的側(cè)面絕緣膜 15b。作為側(cè)面絕緣膜15a及15b的材料使用環(huán)氧樹脂或玻璃軟膏等。之后，通過鍍敷法、濺射法等在層疊構(gòu)造體20的圖中左側(cè)的側(cè)面 形成與內(nèi)部電極層13a及上部電極層14連接的側(cè)面電極16a，在層疊 構(gòu)造體20的圖中右側(cè)的側(cè)面形成與內(nèi)部電極層13b及下部電極層11 連接的側(cè)面電極16b。側(cè)面電極16a及16b的材料可使用鉑、金、鈀、 鎳、鉻、鈦、鈷等金屬，或至少含有其中一種的合金等。在第2步驟中，如圖5B所示，在層疊構(gòu)造體20的主面上，在上 升方向(圖1的X軸方向)上形成到達(dá)背襯材料3的多個槽17。這樣 一來，層疊構(gòu)造體20分割為在X軸方向上較長的多個振子r。在第3步驟中，如圖5C所示，將導(dǎo)電性樹脂2填充到多個槽17 中。進(jìn)一步，在第4步驟中，如圖5D所示，沿著多個槽17，通過切 割(dicing)將至少導(dǎo)電性樹脂2的一部分切斷去除。這樣一來，第1 層的導(dǎo)電性樹脂2a形成在距最下層的壓電體層12的下方1/3左右。在第5步驟中，如圖5E所示，將絕緣樹脂4填充到在第4步驟中 去除了導(dǎo)電性樹脂2的多個槽17的部分中。進(jìn)一步，在第6步驟中， 如圖5F所示，沿著多個槽17，通過切割將至少絕緣樹脂4的一部分切 斷去除。根據(jù)需要重復(fù)第3步驟~第6步驟，最后在第6步驟中切斷絕緣樹 脂4的突出部，從而如圖5G所示，完成配置了第1層導(dǎo)電性樹脂2a 第3層導(dǎo)電性樹脂2c及絕緣樹脂4的構(gòu)造。并且，通過切割將上部電 極層14的一部分切斷，因此如圖5H所示，在層疊構(gòu)造體20的主面上 形成補(bǔ)充上部電極層14的共用電極層21。進(jìn)一步，在共用電極層21上形成至少一層聲匹配層，在形成了聲 匹配層的層疊構(gòu)造體20的主面上，在和第l方向不同的第2方向(例 如圖1所示的Y軸方向)形成到達(dá)背襯材料3的多個槽。這樣一來， 如圖1所示，形成含有在X軸方向上排列的多個振子1的各振子組10。 之后，進(jìn)行對電極層的布線，安裝聲透鏡7，完成圖2所示的超聲波探 頭。作為上述制造方法的變形例，在通過切割而切斷絕緣樹脂4的一 部分的第6步驟(圖5F)中，也可逐漸增大切割刀片的寬度，或進(jìn)行 多個切割處理，從而如圖6所示，階段性地增大槽17的寬度。這樣一 來，也階段性地增大第1層導(dǎo)電性樹脂2a 第3層導(dǎo)電性樹脂2c的寬 度。其結(jié)果是，振子的側(cè)面形狀成為圖中下側(cè)變大上側(cè)變小的梯形， 因此振子振動穩(wěn)定。并且，振子的聲阻抗朝向被檢測體而階段性地降 低，因此提高了人體等被檢測體和振子之間的聲阻抗的匹配性，超聲 波探頭的靈敏度、頻帶等性能提高。接著說明本發(fā)明的第2實施方式。圖7是表示本發(fā)明的第2實施方式涉及的超聲波探頭的內(nèi)部構(gòu)造的正面圖。在第2實施方式中，在各振子組10中，如圖7所示，在圖 中左端的槽中不形成第3層導(dǎo)電性樹脂2c，而僅形成第1層導(dǎo)電性樹 脂2a及第2層導(dǎo)電性樹脂2b，在圖中右端的槽中不形成第2層導(dǎo)電性 樹脂2b，而僅形成第l層導(dǎo)電性樹脂2a及第3層導(dǎo)電性樹脂2c。并且，內(nèi)部電極層包括夾持壓電體層而交互形成的至少一層第 1內(nèi)部電極層、及至少一層第2內(nèi)部電極層。在圖7中，表示了夾持壓 電體層12而形成的第1內(nèi)部電極層13a、及第2內(nèi)部電極層13b。在各振子組IO的圖中左側(cè)的側(cè)面形成與內(nèi)部電極層13a及13b以 及上部電極層14電連接的側(cè)面電極8，在各振子組10的圖中的右側(cè)的 側(cè)面形成與內(nèi)部電極層13a及13b以及下部電極層11電連接的側(cè)面電 極9。在各振子組IO的圖中左側(cè)的端部，形成至少分離內(nèi)部電極層13b 的槽，在分離的內(nèi)部電極層13b之間填充絕緣樹脂4。并且，在各振子 組10的圖中右側(cè)的端部，形成至少分離內(nèi)部電極層13a的槽，在分離 的內(nèi)部電極層13a之間填充絕緣樹脂4。其他和第1實施方式相同。因此，在第2實施方式中，即使不形成圖5A所示的側(cè)面絕緣膜 15a及15b，也可通過改變圖中左端及右端的槽中的導(dǎo)電性樹脂2a 2c 及絕緣樹脂4的配置，而確保層疊體中的電極的連接狀態(tài)。接著說明本發(fā)明的第2實施方式涉及的超聲波探頭的制造方法。 第2實施方式涉及的超聲波探頭通過變更參照圖5A 5H說明的第1實 施方式涉及的超聲波探頭的制造方法的一部分而制造。在第1步驟中，如圖5A所示，在背襯材料3的主面上形成包括下 部電極層ll、多個壓電體層12、內(nèi)部電極層13a及13b、及上部電極層14的層疊構(gòu)造體20。但不形成圖5A所示的側(cè)面絕緣膜15a及15b， 如圖7所示，在層疊構(gòu)造體的圖中左側(cè)的側(cè)面形成與內(nèi)部電極層13a 及13b以及上部電極層14連接的側(cè)面電極8，并且在層疊構(gòu)造體的圖 中右側(cè)的側(cè)面形成與內(nèi)部電極層13a及13b以及下部電極層11連接的 側(cè)面電極9。并且，在第2步驟中，如圖7所示，在層疊構(gòu)造體的圖中左側(cè)的 端部中，在方位方向(圖1的Y軸方向)上形成至少分離內(nèi)部電極層 13b的槽，在層疊構(gòu)造體的圖中右側(cè)的側(cè)面，在方位方向上形成至少分 離內(nèi)部電極層13a的槽。進(jìn)一步，根據(jù)需要重復(fù)第3步驟 第6步驟，從而形成第1層 第 3層的導(dǎo)電性樹脂2a 2c及絕緣樹脂4。其中，如圖7所示，在層疊構(gòu) 造體的圖中左端的槽中分離的內(nèi)部電極層13a之間填充絕緣樹脂4，在 層疊構(gòu)造體的圖中右端的槽中分離的內(nèi)部電極層13b之間填充絕緣樹 脂4。接著說明本發(fā)明的第3實施方式。圖8是表示本發(fā)明的第3實施方式涉及的超聲波探頭的內(nèi)部構(gòu)造 的正面圖。在第3實施方式中，決定第1實施方式涉及的超聲波探頭 中的振子組的具體形狀，實際制造出振子組，測定振子的電阻抗特性。在本實施方式中，作為背襯材料3使用混入了鐵素體粉的氯化聚 乙烯，其聲阻抗為6MRayl左右。并且，作為導(dǎo)電性樹脂2a 2c，使用 工求年、乂X夕/口-一公司制造的作為銀(Ag)軟膏的H20S，作為絕 緣樹脂4，使用工求年、乂亍夕/ 口-一公司制造的作為環(huán)氧類樹脂的工 求亍、乂夕330 (EPO-TEK330)。作為壓電體12，生片成型的1層厚度的3層壓電陶瓷(具體為PZT)夾持內(nèi)部電極13a及13b而層疊。該壓電陶瓷的介電常數(shù) 在1kHz時為4500。并且，壓電體12和樹脂區(qū)域(導(dǎo)電性樹脂2a 2c 及絕緣樹脂4)的體積比率為l: 2左右。在圖8中， 一個振子組10的長度(上升方向)為5.0mm，寬度(方 位方向)為0.11mm (110/mi)，高為0.3mm (300)itm)。并且，導(dǎo)電 性樹脂22a 22c及絕緣樹脂4的排列間距為550/mi，下部電極層11中 的一個電極的長度為250/mi，上部電極層14中的一個電極的長度為 200/mi。側(cè)面電極16a及16b分別具有鉻(Cr)及金(Au)的雙層構(gòu) 造，整個厚度為450nm左右。圖9A 9C是表示由掃描電子顯微鏡(SEM)對在背襯材料上制造 的振子組的切斷面的一部分進(jìn)行拍攝的影像的圖。圖9A表示含有7個 振子的振子組。圖9B是放大表示圖9A所示的振子組的一部分的圖。 如圖9B所示，各振子在壓電體和壓電體之間具有內(nèi)部電極，為了連接 相鄰的二個振子的內(nèi)部電極，由絕緣樹脂(工求亍y夕330)包圍，并 配置導(dǎo)電性樹脂(銀軟膏H20S)。圖9C是放大表示圖9B所示的振子 和樹脂區(qū)域的一部分的圖。在圖9C中，內(nèi)部電極和導(dǎo)電性樹脂良好地 連接。圖IOA及圖10B是表示測定的在本發(fā)明的第3實施方式中制造的 振子的電阻抗特性的結(jié)果的圖。在圖10A及10B中，橫軸表示頻率 (MHz)，圖IOA中的縱軸表示電阻抗的絕對值I Z I (歐姆/J])，圖 10B中的縱軸表示電阻抗的偏角4)(度)。測定用的振子的采樣個數(shù)為 3個。根據(jù)2MHz下的振子的電阻抗的測定值計算壓電體的表觀介電常 數(shù)，約為12570。如本實施方式所示，使介電常數(shù)為4500的壓電體和介電常數(shù)為5 左右的樹脂以體積比1:2復(fù)合材料化時，復(fù)合材料的介電常數(shù)為1500 左右。并且， 一般情況下，在層疊N層壓電體而制造的層疊構(gòu)造的振子中，與相同大小的單層構(gòu)造的振子相比，靜電電容變?yōu)镹"咅，因此 換算為單層構(gòu)造的振子的表觀介電常數(shù)也變?yōu)镹^咅。因此，使用介電常數(shù)1500的復(fù)合材料制造三層構(gòu)造的振子時，推測表觀介電常數(shù)為 1500X32=13500。本實施方式中的表觀介電常數(shù)的測定值為12570， 是推測值的93%，因此可以說與推測值基本一致。并且，本實施方式 中的電阻抗的偏角的測定值也和推測接近，這些測定結(jié)果表示成功制 造了使用復(fù)合材料的三層構(gòu)造的振子。根據(jù)上述實施方式，通過振子的1-3復(fù)合材料化，可提高機(jī)電耦 合系數(shù)，并且降低聲阻抗，通過振子的層疊化，降低了電阻抗，可實 現(xiàn)高靈敏度且寬頻帶的超聲波探頭。其結(jié)果是，與現(xiàn)有的超聲波探頭 相比，提高了諧波成像、對比多普勒成像(contrast Doppler imaging) 中的畫質(zhì)、診斷性能。并且，降低了振子的發(fā)熱。進(jìn)一步，通過在多 個振子之間配置硬度較高的導(dǎo)電性樹脂和硬度較低的絕緣樹脂，可成 為防止振子振動程度的同時不抑制振動的構(gòu)造。此外，本發(fā)明可適用 于扇形、直線形、凸起形、放射形等任意形狀的超聲波探頭。
權(quán)利要求
1.一種超聲波探頭，包括用于對超聲波進(jìn)行發(fā)送及/或接收的多個振子，其中，具有背襯材料；振子陣列，由在第1方向排列的多個振子構(gòu)成振子組，并將多個振子組在和第1方向不同的第2方向上排列而形成所述振子陣列，各振子具有層疊構(gòu)造，包括在上述背襯材料的主面上形成的第1電極層、多個壓電體層、至少一層內(nèi)部電極層、及在各振子組中共用的第2電極層；第1層導(dǎo)電性樹脂，將在各振子組中相鄰的振子的第1電極層彼此電連接；第2層導(dǎo)電性樹脂，將在各振子組中相鄰的振子的內(nèi)部電極層彼此電連接；和絕緣樹脂，在各振子組中、在多個振子之間的規(guī)定區(qū)域進(jìn)行配置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超聲波探頭，其中，上述第l層導(dǎo)電性 樹脂及上述第2層導(dǎo)電性樹脂具有比上述絕緣樹脂的硬度高的硬度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波探頭，其中，上述第l層導(dǎo) 電性樹脂具有比上述第2層導(dǎo)電性樹脂的硬度高的硬度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3的任意一項所述的超聲波探頭，其中，在上 述背襯材料的主面上形成有多個槽，并將上述第1層導(dǎo)電性樹脂的一 部分填充到上述多個槽的內(nèi)部。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4的任意一項所述的超聲波探頭，其中，上述 第2層導(dǎo)電性樹脂形成在比形成有上述第1層導(dǎo)電性樹脂的區(qū)域大的 區(qū)域上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5的任意一項所述的超聲波探頭，其中，各振子包括夾持壓電體層而交互形成的至少一層第1內(nèi)部電極層、及至少一層第2內(nèi)部電極層， 所述超聲波探頭還具有第1側(cè)面絕緣膜，形成在各振子組的第1側(cè)面上，覆蓋上述第2 內(nèi)部電極層；第2側(cè)面絕緣膜，形成在各振子組的第2側(cè)面上，覆蓋上述第1 內(nèi)部電極層；第1側(cè)面電極，形成在各振子組的第1側(cè)面上，與上述第1內(nèi)部 電極層及上述第2電極層連接，并且通過上述第1側(cè)面絕緣膜從上述 第2內(nèi)部電極層絕緣；和第2側(cè)面電極，形成在各振子組的第2側(cè)面上，與上述第2內(nèi)部 電極層及上述第1電極層連接，并且通過上述第2側(cè)面絕緣膜從上述 第1內(nèi)部電極層絕緣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1~5的任意一項所述的超聲波探頭，其中， 各振子包括夾持壓電體層而交互形成的至少一層第1內(nèi)部電極層、及至少一層第2內(nèi)部電極層， 所述超聲波探頭還具有第1側(cè)面電極，形成在各振子組的第1側(cè)面上，與上述第1及第 2內(nèi)部電極層及上述第2電極層連接；和第2側(cè)面電極，形成在各振子組的第2側(cè)面上，與上述第l及第 2內(nèi)部電極層及上述第1電極層連接，在各振子組的第1側(cè)面一側(cè)的端部，形成至少分離上述第2內(nèi)部 電極層的槽，在分離的上述第2內(nèi)部電極層之間填充上述絕緣樹脂， 在各振子組的第2側(cè)面一側(cè)的端部，形成至少分離上述第1內(nèi)部電極 層的槽，在分離的上述第1內(nèi)部電極層之間填充上述絕緣樹脂。
8. —種超聲波探頭的制造方法，該超聲波探頭包括用于對超聲波 進(jìn)行發(fā)送及/或接收的多個振子，其中，該方法具有以下步驟步驟(a)，在背襯材料的主面上形成包括第1電極層、多個壓電體層、至少一層內(nèi)部電極層、及第2電極層的層疊構(gòu)造體；步驟(b)，通過在上述層疊構(gòu)造體的主面上形成到達(dá)上述背襯材料的多個槽，將上述層疊構(gòu)造體分離為在第1方向排列的多個振子； 步驟(C)，向在步驟(b)中形成的多個槽填充導(dǎo)電性樹脂； 步驟(d)，去除在步驟(C)中填充的上述導(dǎo)電性樹脂的一部分； 步驟(e)，向在步驟(d)中去除了上述導(dǎo)電性樹脂的多個槽中填充絕緣樹脂；步驟(f)，去除在步驟(e)中填充的上述絕緣樹脂的一部分； 步驟(g)，根據(jù)需要重復(fù)步驟(c) ~ (f)，從而形成使相鄰的振子的第1電極層彼此電連接的第1層導(dǎo)電性樹脂、使相鄰的振子的內(nèi)部電極層彼此電連接的第2層導(dǎo)電性樹脂、和配置在上述多個振子之間的規(guī)定區(qū)域的絕緣樹脂；步驟(h)，在上述層疊構(gòu)造體的主面上形成共用電極層； 步驟(i)，在上述共用電極層上形成至少一層聲匹配層；以及 步驟(j)，在上述層疊構(gòu)造體的主面上，在第l方向上形成到達(dá)上述背襯材料的多個槽，從而將各振子分離為在與第1方向不同的第2方向上排列的多個振子。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波探頭的制造方法，其中，上述第 l層導(dǎo)電性樹脂及上述第2層導(dǎo)電性樹脂具有比上述絕緣樹脂的硬度高 的硬度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的超聲波探頭的制造方法，其中， 上述第1層導(dǎo)電性樹脂具有比上述第2層導(dǎo)電性樹脂的硬度高的硬度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8~10的任意一項所述的超聲波探頭的制造方 法，其中，上述層疊構(gòu)造體包括夾持壓電體層而交互形成的至少一層第1內(nèi) 部電極層、及至少一層第2內(nèi)部電極層，步驟(a)包括以下步驟在上述層疊構(gòu)造體的第1側(cè)面上形成覆蓋上述第2內(nèi)部電極層的 第1側(cè)面絕緣膜，在上述層疊構(gòu)造體的第2側(cè)面上形成覆蓋上述第1內(nèi)部電極層的第2側(cè)面絕緣膜；以及在上述層疊構(gòu)造體的第1側(cè)面上形成第1側(cè)面電極，在上述層疊構(gòu)造體的第2側(cè)面上形成第2側(cè)面電極，所述第1側(cè)面電極與上述第1 內(nèi)部電極層及上述第2電極層連接，并且通過上述第1側(cè)面絕緣膜從 上述第2內(nèi)部電極層絕緣，所述第2側(cè)面電極與上述第2內(nèi)部電極層 及上述第1電極層連接，并且通過上述第2側(cè)面絕緣膜從上述第1內(nèi) 部電極層絕緣。
12.根據(jù)權(quán)利要求8~10的任意一項所述的超聲波探頭的制造方 法，其中，上述層疊構(gòu)造體包括夾持壓電體層而交互形成的至少一層第1內(nèi) 部電極層、及至少一層第2內(nèi)部電極層，步驟(a)包括在上述層疊構(gòu)造體的第1側(cè)面形成與上述第1及 第2內(nèi)部電極層及上述第2電極層連接的第1側(cè)面電極，在上述層疊 構(gòu)造體的第2側(cè)面形成與上述第1及第2內(nèi)部電極層及上述第1電極 層連接的第2側(cè)面電極，步驟(b)包括在上述層疊構(gòu)造體的第1側(cè)面一側(cè)的端部形成至 少分離上述第2內(nèi)部電極層的槽，在上述層疊構(gòu)造體的第2側(cè)面一側(cè) 的端部形成至少分離上述第1內(nèi)部電極層的槽，步驟(g)包括在分離的上述第1內(nèi)部電極層之間填充上述絕緣 樹脂，在分離的上述第2內(nèi)部電極層之間填充上述絕緣樹脂。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使振子細(xì)微化的同時實現(xiàn)高靈敏度及寬頻帶的、且具有發(fā)熱對策的超聲波探頭。該超聲波探頭包括背襯材料；層疊構(gòu)造的振子陣列，在第1方向排列的多個振子構(gòu)成振子組，在和第1方向不同的第2方向上排列多個振子組；第1層導(dǎo)電性樹脂，使在各振子組中相鄰的振子的第1電極層彼此電連接；第2層導(dǎo)電性樹脂，使在各振子組中相鄰的振子的內(nèi)部電極層彼此電連接；和絕緣樹脂，在各振子組中在多個振子之間的規(guī)定區(qū)域配置。
文檔編號A61B8/12GK101278843SQ200810090750
公開日2008年10月8日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月2日
發(fā)明者大澤敦 申請人:富士膠片株式會社