專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲波探頭和超聲波診斷設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波探頭和超聲波診斷設(shè)備。
背景技術(shù)：
在醫(yī)用超聲波診斷設(shè)備(medical ultrasonic diagnosticapparatus)和非破壞檢查器具(nondestructive inspection instrument)的領(lǐng)域中，為了圖像化對(duì)象物的內(nèi)部狀態(tài)使用超聲波探頭。超聲波探頭把超聲波向著對(duì)象物照射，接收從在該對(duì)象物中的音響阻抗不同的界面上的反射回波。特別是醫(yī)用超聲波診斷設(shè)備的超聲波探頭形成排列了許多帶(strip)狀的壓電振子(piezoelectric transducer)的陣列型，電子控制超聲波束，實(shí)時(shí)取得解像度高的斷層像(tomogramimage)。
一般的超聲波探頭具有在壓電體(piezoelectric material)的兩面上形成電極的壓電元件；設(shè)置在壓電元件的背面上的襯板材料；形成在壓電元件的前面的音響匹配層(acoustic matching layer)，具有陣列加工壓電元件以及音響匹配層的構(gòu)造。通常，在音響匹配層上形成音響透鏡。另外，形成在壓電體的兩面上的1對(duì)電極與撓性印刷線路板(FPC)連接，進(jìn)而通過(guò)電纜與診斷設(shè)備連接。
壓電元件作為超聲波的發(fā)送接收元件(transmitter receiver)使用。襯板材料用于吸收被發(fā)射到壓電元件的背面的不需要的超聲波。音響匹配層用于通過(guò)整合壓電體和人體的音響阻抗(acousticimpedance)，提高超聲波的發(fā)送接收效率。因此，音響匹配層的音響阻抗值被設(shè)定在壓電體(20～30Mrayls)和人體(1.5Mrayls)之間的值。當(dāng)使用許多層的音響匹配層的情況下，各層的音響阻抗值被設(shè)定成向著人體逐漸減小。壓電元件都陣列加工音響匹配層是為了抑制和相鄰的通道的耦合。陣列探頭的排列間距在窄的情況下是0.1～0.2mm。起到了音響透鏡在超聲波的發(fā)送接收時(shí)聚焦超聲波的焦點(diǎn)的作用。
在此，在診斷人體的心臟和肝臟等時(shí)使用的超聲波探頭中，需要約2～5MHz的共振頻率(resonance frequency)。另外，在診斷比它還淺的頸動(dòng)脈(carotid artery)等時(shí)使用的超聲波探頭中，需要更高的共振頻率。雖然壓電體在厚度方向柵振動(dòng)，但為了得到高的共振頻率需要減小壓電體的振動(dòng)方向的厚度。進(jìn)而，在排列方向上的壓電體的寬度為了抑制不需要的振動(dòng)的發(fā)生需要設(shè)定為小于等于厚度的60％。
作為壓電體以往使用電氣機(jī)械耦合系數(shù)(electromechanicalcoupling coefficient)K33’高為70％左右，從電信號(hào)變換為機(jī)械信號(hào)的變換效率高的、鈦酸鋯酸鉛(lead zirconate titanate(PZT))系列的壓電陶瓷。另外，近年，例如開(kāi)發(fā)了由鋅鈮酸鉛(lead zincate niobate)和鈦酸鉛(lead titanate)的固溶體(solid solution)組成的Pb((Zn1/3Nb2/3)0.91Ti0.09)O3壓電單晶體那樣的、電氣機(jī)械耦合常數(shù)K33’在約大于等于80％的非常高效率的壓電體，并研究對(duì)超聲波探頭的應(yīng)用。
為了高效率地進(jìn)行超聲波對(duì)人體的入射、射出，作為形成在壓電元件的前面上的音響匹配層，已知有在有機(jī)樹(shù)脂中發(fā)散了W等的金屬粒子的層。另外，近年，提出了在有機(jī)樹(shù)脂中分散氧化鋅粒子的音響匹配層(參照特開(kāi)2004-104629號(hào)公報(bào))。
但是，當(dāng)使用上述的音響匹配層制作超聲波探頭的情況下，存在以下的問(wèn)題。
當(dāng)使用在有機(jī)樹(shù)脂中分散了金屬粒子的音響匹配層的情況下，因?yàn)樾枰袛囗g性高難以切削的金屬，所以在采用切割(dicing)的陣列加工時(shí)刀片的劣化顯著。在用劣化的刀片繼續(xù)加工的情況下，在同時(shí)被切斷的壓電體上發(fā)生碎屑(chipping)和裂紋。在壓電體上產(chǎn)生的碎屑和裂紋產(chǎn)生元件的容量離散，容量離散直接導(dǎo)致超聲波探頭的靈敏度離散，降低圖像的品質(zhì)。
另一方面，在有機(jī)樹(shù)脂中分散氧化鋅粒子的音響匹配層中，因?yàn)檠趸\的密度低，所以為了得到所需要的音響阻抗值需要多的被分散的氧化鋅的量。因?yàn)槿绻黾臃稚⒘縿t在相鄰的氧化物粒子間存在的樹(shù)脂量減少，所以粒子之間的粘合力降低。因此，在采用切割(dicing)的陣列加工時(shí)脫粒(shedding)顯著，存在根本不能高精度精細(xì)加工的問(wèn)題。另外，有音響匹配層在整個(gè)周面上實(shí)施金屬鍍層使用的情況，而由于和金屬鍍層的粘合力不充分在采用切割(dicing)的陣列加工中，存在電極的一部分剝落的現(xiàn)象。因?yàn)閴弘婓w的音響匹配層一側(cè)的電極通過(guò)形成在音響匹配層上的電極與地線板連接，所以電極剝落成為斷線不良的原因。另外，還有可能在實(shí)際的使用中產(chǎn)生斷線不良。
本發(fā)明的一形態(tài)的超聲波探頭包括壓電元件；設(shè)置在上述壓電元件的前面上的、由固體無(wú)機(jī)物形成的第1音響匹配層；設(shè)置在上述第1音響匹配層上的、用有機(jī)樹(shù)脂和10～30vol％的密度大于等于6.5g/cm3的氧化物粉末的混合物形成的第2音響匹配層。
本發(fā)明的另一方式的超聲波診斷設(shè)備包括具備音響透鏡、具有形成在上述音響透鏡的背面上的、由固體無(wú)機(jī)物組成的第1音響匹配層，以及用有機(jī)樹(shù)脂和10～30vol％的密度大于等于6.5g/cm3的氧化物粉末的混合物形成的第2音響匹配層的音響匹配層、形成在上述音響匹配層的背面上的壓電元件、形成在上述壓電元件的背面上的音響襯板材料的超聲波探頭；通過(guò)電纜與上述超聲波探頭連接的超聲波探頭控制單元。


圖1是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭的斜視圖。
圖2是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭的斷面圖。
圖3是展示本發(fā)明的實(shí)施例5的超聲波診斷設(shè)備的概略圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭。
圖1是局部剖開(kāi)本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭的斜視圖。如圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭包括音響襯板材料2；設(shè)置在音響襯板材料2上的壓電體1；設(shè)置在壓電體1的背面(和音響襯板材料2相對(duì)的面)上的第2電極4；設(shè)置在壓電體1的前面上的第1電極5；設(shè)置在第1電極5上的第1音響匹配層3a；設(shè)置在第1音響匹配層3a上的第2音響匹配層3b。在此，在本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭中，第1音響匹配層3a用固體無(wú)機(jī)物形成，第2音響匹配層3b用在有機(jī)樹(shù)脂中包含10～30vol％的密度大于等于6.5g/cm3的氧化物粉末的材料形成。第2音響匹配層3b的音響阻抗比第1音響匹配層3a的音響阻抗還小。疊層包含第1電極5以及第2電極4和用它們夾著的壓電體1的壓電元件、第1音響匹配層3a、第2音響匹配層3b的疊層體被分割為許多排列成陣列形狀。進(jìn)而，在圖1中在第2音響匹配層3b上設(shè)置音響透鏡8，但并不限于此。例如，也可以把音響匹配層設(shè)置成3層或者4層。通過(guò)把音響匹配層的音響阻抗值設(shè)置在壓電體(20～30Mrayls)和人體(1.5Mrayls)的音響阻抗之間并且逐漸接近人體的值，超聲波的發(fā)送接收效率進(jìn)一步提高。另外，當(dāng)把疊層了壓電元件、第1音響匹配層3a、第2音響匹配層3b的疊層體排列成二維陣列形狀的情況下，不設(shè)置音響區(qū)域8也可以顯著提高解像度和靈敏度。
在本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭中，與壓電元件接觸一側(cè)的第1音響匹配層3a由固體無(wú)機(jī)物組成，第2音響匹配層3b用在有機(jī)樹(shù)脂中分散了10～30vol％的密度大于等于6.5g/cm3的氧化物粉末的材料形成。通過(guò)設(shè)置許多音響匹配層取得音響阻抗的整合，超聲波的發(fā)送接收效率提高。另外，通過(guò)在第1以及第2音響匹配層3a、3b中使用上述的材料，在采用切割(dicing)的陣列加工時(shí)可以抑制壓電體的碎屑和裂紋，因?yàn)榭梢越档驮萘康碾x散，所以可以降低超聲波探頭的靈敏度的離散。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，在第1音響匹配層中使用的固體無(wú)機(jī)物在陣列加工時(shí)作為壓電體的支撐板作用，起到抑制刀片竄動(dòng)的效果。作為在第1音響匹配層中使用的固體無(wú)機(jī)物，有包含SiO2、MgO以及Al2O3陶瓷；包含Si3N4、AIN、Al2O3以及ZrO2的陶瓷；包含鈣硅酸鹽以及鋰硅酸鋁的陶瓷；氟化金云母(fiuorphlogophite)陶瓷；六方晶氮化硼陶瓷等?？梢允褂脧乃鼈冎羞x擇的一種或者多種。另外，也可以在它們中加入添加元素。這其中也特別是包含SiO2、MgO以及Al2O3的陶瓷加工性好切割(dicing)時(shí)的單晶體的損傷少，并且因?yàn)閺?qiáng)度高所以還具有可以提高超聲波探頭的機(jī)械強(qiáng)度的效果。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，說(shuō)明規(guī)定在第2音響匹配層中使用的氧化物粉末的密度和分散量的理由。當(dāng)填充密度不足6.5g/cm3的氧化物粉末的情況下，為了實(shí)現(xiàn)作為第2音響匹配層希望的音響阻抗，需要增加氧化物粉末的分散量。如果分散到樹(shù)脂內(nèi)的氧化物粉末的量增加，則因?yàn)樵诮咏难趸锓勰┲g存在的樹(shù)脂量減少，所以粉末粒子間的粘合力降低，在研磨和切割(dicing)時(shí)氧化物粉末脫粒。如果發(fā)生脫落則產(chǎn)生難以得到尺寸精度，并且在微細(xì)加工時(shí)強(qiáng)度極度降低的問(wèn)題。即使氧化物粉末的密度大于等于6.5g/cm3，但當(dāng)分散量超過(guò)30vol％的情況下，也產(chǎn)生同樣的問(wèn)題不理想。裂紋，當(dāng)分散量不足10vol％以及超過(guò)30vol％的情況下，因?yàn)殡x開(kāi)作為第2音響匹配層優(yōu)選的音響阻抗，所以還產(chǎn)生超聲波的發(fā)送接收效率下降的問(wèn)題。
在本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭中，作為第2音響匹配層，理想的是使用在有機(jī)樹(shù)脂中包含10～30vol％的包含大于等于50％的PbO和大于等于1％的Nb2O5的鈣鈦(perovskite)構(gòu)造的氧化物粉末的材料。通過(guò)在有機(jī)樹(shù)脂中分散包含大于等于50％的PbO和大于等于1％的Nb2O5的鈣鈦(perovskite)構(gòu)造的氧化物粉末，可以均勻地分散氧化物粉末?？梢砸种撇捎们懈?dicing)的陣列加工時(shí)的脫粒。進(jìn)而，上述鈣鈦(perovskite)構(gòu)造的氧化物粉末包含還在壓電體的原料中使用的組成，可以在對(duì)第2音響匹配層實(shí)施金屬鍍層時(shí)提高和金屬鍍層的粘合力。因此，可以抑制陣列加工時(shí)的電極剝離。
在本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭中，作為第2音響匹配層，理想的是使用在有機(jī)樹(shù)脂中包含10～30vol％的從由CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Yb2O3、Lu2O3組成的群中選擇出的至少一種的材料。通過(guò)在有機(jī)樹(shù)脂中分散上述的氧化物粉末，可以均勻地分散氧化物粉末，可以抑制采用切割(dicing)的陣列加工時(shí)的脫粒。
如上所述，本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭中的第2音響匹配層因?yàn)樵陉嚵屑庸r(shí)分散在樹(shù)脂內(nèi)的氧化物粉末的脫粒顯著少，所以可以高精度地進(jìn)行微細(xì)的加工。另外，因?yàn)榈?音響匹配層和金屬(Au，Ni)鍍層的粘合力非常好，所以可以抑制陣列加工時(shí)的電極剝離，可以抑制元件的導(dǎo)通不良。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，作為壓電體，例如使用具有以Pb(B11-x，Tix)O3(在此，x的值是0.3≤x≤0.6，B1是從Zr、Sn以及Hf中選擇出的至少一種)為代表的組成的單晶體材料。通過(guò)使用由這樣的固體系列單晶體組成的壓電體，因?yàn)榕c由壓電陶瓷組成的壓電體相比可以使聲速延遲，所以可以得到高靈敏度的超聲波探頭。在上述的一般式子中，如果x不足0.3，則壓電單晶體的居里溫度低，有可能在壓電單晶體的切斷時(shí)去極化(depolarized)。另一方面，如果x超過(guò)0.6則不僅不能得到大的電氣機(jī)械耦合系數(shù)，而且介質(zhì)常數(shù)降低在進(jìn)行發(fā)送接收時(shí)有可能難以取得電氣阻抗的匹配。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，作為壓電體，使用具有以Pb(B1，B2)1-xTixO3(在此，x的值是0.04≤x≤0.55，B1是從由Zn、Mg、Ni、Sc、In以及Yb組成的群中選擇出的至少一種，B2是從Nb以及Ta組成的群中選擇出的至少一種)為代表的組成的單晶體材料。通過(guò)使用由這樣的固溶式單晶體組成的壓電體，因?yàn)榕c由壓電陶瓷組成的壓電體相比可以實(shí)現(xiàn)高的耦合系數(shù)和延遲的聲速，所以可以得到高靈敏度的超聲波探頭。在上述的一般式子中，如果x不足0.04，則壓電單晶體的居里溫度低，有可能在壓電單晶體的切斷時(shí)去極化。另一方面，如果x超過(guò)0.55則不僅不能得到大的電氣機(jī)械耦合系數(shù)，而且介質(zhì)常數(shù)降低在進(jìn)行發(fā)送接收時(shí)有可能難以取得電氣阻抗的匹配。
這些單晶體材料因?yàn)閴弘娞匦耘c以往的壓電陶瓷相比高，所以在應(yīng)用于超聲波探頭的情況下，期待超聲波探頭的性能提高，而因?yàn)闄C(jī)械性強(qiáng)度低，所以在切割(dicing)時(shí)的碎屑和裂紋成為靈敏度離散的原因。但是，通過(guò)使用包含上述的材料的音響匹配層，可以抑制切割(dicing)時(shí)的碎屑和裂紋，可以制作靈敏度離散小，可靠性高的高靈敏度·寬頻帶單晶體探頭。
本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭可以如以下那樣使用。如圖2所示，第1電極5通過(guò)在音響匹配層的表面實(shí)施的金屬鍍層與地線板7連接，第2電極4通過(guò)撓性印刷線路板(FPC)6與未圖示的超聲波診斷設(shè)備連接。通過(guò)把來(lái)自超聲波診斷設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓施加在壓電體1上，使壓電體1發(fā)振從音響透鏡8一側(cè)發(fā)出超聲波。另外，在接收時(shí)，通過(guò)用壓電體1把從音響透鏡8接收到的超聲波變換為電氣信號(hào)，在用超聲波診斷設(shè)備中的波束樣板在各信道的接收信號(hào)中加上所希望的延遲后，用超聲波診斷設(shè)備中的加法器相位調(diào)整加算。其后，在測(cè)定基波時(shí)通過(guò)超聲波診斷設(shè)備中的基波型濾波器(fundamental-pass filter)，在測(cè)定第2高次諧波時(shí)通過(guò)除去在超聲波診斷設(shè)備中的檢波成分的高通型濾波器，用未圖示的監(jiān)視器視頻化。
以下，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭的制作方法。
說(shuō)明作為壓電體使用的壓電陶瓷的制造方法。在此說(shuō)明鋯酸鉛-鈦酸鉛的固溶式陶瓷的制造方法。作為初始原料使用化學(xué)高純度的PbO、ZrO2、TiO2，在純度補(bǔ)正它們后，通過(guò)秤量使鋯酸鉛(PZ)和鈦酸鉛(PT)達(dá)到所希望的克分子比，在該粉末中添加純水，例如在收納有ZrO2球的球磨機(jī)中混合希望的時(shí)間。在除去得到的混合物的水分后，例如用混砂機(jī)(stone mill)那樣的粉碎機(jī)(pulverizer)充分粉碎。在碎粉中加入5wt％的聚乙烯乙醇，在混合·造粒后，用模具加壓成型。把成型體放入氧化鎂的鞘(sheath)中在500℃下脫脂后，在所希望的溫度下燒制得到燒結(jié)體。在研磨·外形加工燒結(jié)體后，用濺射法蒸鍍導(dǎo)電膜，用選擇蝕刻技術(shù)在壓電體1的超聲波發(fā)送接收面以及背面上分別形成第1電極5以及第2電極4，得到壓電元件。
當(dāng)作為壓電體使用壓電單結(jié)晶的情況下，按照以下順序制造壓電單結(jié)晶。在此說(shuō)明鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛的固溶式單晶體的制造方法。作為初始原料使用化學(xué)性高純度的PbO、ZnO、Nb2O5、TiO2，在純度補(bǔ)正它們后，通過(guò)秤量使鋅鈮酸鉛(PZN)和鈦酸鉛(PT)達(dá)到所希望的克分子比，進(jìn)而作為溶劑添加PbO。在該粉末中添加純水后，例如用收納有ZrO2球的球磨機(jī)混合所希望的時(shí)間。在除去得到的混合物的水分后，例如用混砂機(jī)那樣的粉碎機(jī)充分粉碎，進(jìn)而放入橡膠型容器，在所希望的壓力下進(jìn)行橡皮版印刷(rubber press)。把從橡膠型取出固形物例如放入白金制的所希望容量的容器，在所希望的溫度下溶解。在冷卻后，例如用白金制的蓋子密封放入了固形物的容器，把該容器設(shè)置在電爐的中心。升溫到比溶解溫度高的溫度，以所希望的降溫速度逐漸降溫到溶解溫度附近后，冷卻到室溫。其后，在容器中添加所希望濃度的硝酸，通過(guò)煮沸取出固溶式單晶體得到壓電單結(jié)晶。在此說(shuō)明采樣溶劑法的單晶體育成，但例如也可以使用通過(guò)架橋(Bridgeman)法和Kyropoulos法、水熱育成法(hydrothermal growthmethod)、TSSG(Top Seeded Solution Growth)法、SSCG(Solid-StateSingle Crystal Growth)法等制造的單晶體材料。在此，可以舉鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛為一例，但也可以制造包含把初始原料的ZnO以及Nb2O5代替為其他元素得到的鈦酸鉛的固溶式壓電單晶體。在研磨·外形加工得到的單晶體后，用濺射法蒸鍍導(dǎo)電膜，用選擇時(shí)刻技術(shù)在壓電體1的超聲波發(fā)送接收面以及背面上分別形成第1電極5以及第2電極4，得到壓電元件。
以下，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲波探頭的制造方法。在此，說(shuō)明作為壓電體使用了壓電陶瓷的情況。
在已制作的壓電元件的第1電極5一側(cè)，例如用環(huán)氧粘接劑粘接通過(guò)電鍍等在整個(gè)面上形成有由金屬等組成的導(dǎo)電層(未圖示)第1音響匹配層3a。第1音響匹配層3a用固體無(wú)機(jī)物形成。同樣，在第1音響匹配層3a上直接在整個(gè)面上形成有導(dǎo)電層(未圖示)的第2音響匹配層。第2音響匹配層3b用在有機(jī)樹(shù)脂中包含10～30vol％的密度大于等于6.5g/cm3的氧化物粉末的材料形成。第2音響匹配層的音響阻抗為了取得和對(duì)象物的音響阻抗匹配，比第1音響匹配層3a的音響阻抗還小。以下，在壓電元件的第2電極4側(cè)上，例如用環(huán)氧粘接劑在絕緣層6b上粘接具有許多導(dǎo)體層(電纜)6a的FPC6。其后，如FPC6和音響襯板2接觸把它們粘接在音響襯板材料2上。通過(guò)使用刀片從音響匹配層跨越FPC6多次切斷，形成把壓電元件和音響匹配層的疊層體在上述音響襯板材料2上排列成矩陣狀相互分離的構(gòu)成。以下，在第2音響匹配層3b上例如用環(huán)氧粘接劑粘接在絕緣層7b上電鍍有導(dǎo)電層7a的地線板7，進(jìn)而在地線板7上用有機(jī)粘接劑粘接第3音響匹配層3c，通過(guò)在其上形成音響透鏡8得到超聲波探頭。
作為壓電體即使在使用了壓電單晶體的情況下，也可以用同一方法得到超聲波探頭。作為壓電體1使用的壓電單晶體在該晶體系列是菱面體晶體或者準(zhǔn)立方晶的情況下，希望作為第1電極5一側(cè)的超聲波發(fā)送接收面是(001)面。這樣的壓電體1通過(guò)相對(duì)壓電單晶體的
軸(C軸)垂直切割制作。
第1電極5和第2電極4例如由包含Ti/Au、Ni/Au或者Cr/Au的二層導(dǎo)電膜，或者包含玻璃料(glass frit)的涂銀等形成。作為音響匹配層雖然展示了2層構(gòu)造和3層構(gòu)造，但也可以是超過(guò)3層的多層構(gòu)造。地線板7與濺射有導(dǎo)電層的第2音響匹配層3b粘接，而不需要與第2音響匹配層3b全體粘接，可以只與兩端部分粘接。另外，地線板7也可以與第1音響匹配層3a粘接。
以下，根據(jù)實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于這些。
(實(shí)施例1)作為初始原料使用化學(xué)高純度的PbO、ZrO2、TiO2，在純度補(bǔ)正它們后，通過(guò)秤量使鋯酸鉛(PZ)和鈦酸鉛(PT)達(dá)到53∶47的克分子比，在該粉末中添加純水，例如用收納有ZrO2球的球磨機(jī)中混合所希望的時(shí)間。在除去得到的混合物的水分后，例如用混砂機(jī)那樣的粉碎機(jī)充分粉碎。在碎粉中加入5wt％的聚乙烯乙醇，在混合·造粒后，用模具加壓成型。把成型體放入氧化鎂的鞘中在500℃下脫脂后，在1250℃下燒制得到燒結(jié)體。
在研磨·外形加工燒結(jié)體設(shè)置成30mm×20mm×0.4mm大小的壓電體后，用濺射法形成由Cr/Au組成的第1電極以及第2電極，做成壓電元件。在該壓電元件上施加3kV/mm的電場(chǎng)實(shí)施極化處理(poling)。該壓電元件的音響阻抗是30Mrayls。
在該壓電元件的第1電極一側(cè)用濺射法在整個(gè)面上形成Cr/Au電極，用環(huán)氧系列粘接劑粘接由的音響阻抗包含13Mrayls的SiO2、MgO以及Al2O3的陶瓷構(gòu)成的第1音響匹配層。在第1音響匹配層上在研磨·外形加工了分散有10vol％的氧化鈰(CeO2)粉末(密度7.65g/cm3)的環(huán)氧系列樹(shù)脂的平板上，用環(huán)氧系列粘接劑粘接用濺射法在整個(gè)面上形成了Cr/Au電極的第2音響匹配層。第2音響匹配層的音響阻抗是5Mrayls。其后，順序用環(huán)氧系列粘接劑在壓電元件的第2電極一側(cè)上粘接由Cu組成的具有導(dǎo)電層的FPC和音響襯板材料。
以下，用具有厚度50μm的刀片的切塊鋸(dicing saw)以200μm間距把壓電元件和音響匹配層的疊層體切斷為陣列形狀。其后，在第2音響匹配層整個(gè)面上用環(huán)氧粘接劑粘接由Au組成的地線板，在地線板上用環(huán)氧系列粘接劑粘接由聚乙烯薄膜組成的音響阻抗是2Mrayls的第3音響匹配層。用環(huán)氧系列粘接劑粘接在第3音響匹配層上用硅橡膠形成的音響透鏡。
從FPC的端部以1kHz測(cè)定了已完成的超聲波探頭的壓電體的容量，排列在1個(gè)超聲波探頭上的100信道的壓電體的平均值是90pF，離散是小于等于10％的良好的值。其后其中靜電容量是110pF/m，長(zhǎng)度是把2m的同軸電纜連接在FPC上，與診斷設(shè)備連接進(jìn)行了超聲波探頭特性的評(píng)價(jià)，在具有高靈敏度、寬頻帶的同時(shí)，信道間的靈敏度離散小于等于15％，非常小。
(實(shí)施例2)作為第2音響匹配層，使用研磨·成型分散了20wt％的包含PbO65wt％，ZrO220wt％，TiO210wt％，MgO1wt％，Nb2O54wt％的氧化物粉末(密度7.90g/cm3)的環(huán)氧樹(shù)脂，在其整個(gè)外周面上用濺射法形成Cr/Au電極的層。除了第2音響匹配層外和實(shí)施例1一樣制作超聲波探頭。從FPC的端部以1kHz測(cè)定了和實(shí)施例1一樣完成的超聲波探頭的壓電體的容量，1個(gè)超聲波探頭具有的100信道的壓電體的平均值是90pF，離散是小于等于8％的良好的值。另外，和實(shí)施例1一樣進(jìn)行了超聲波探頭特性的評(píng)價(jià)，在具有高靈敏度、寬頻帶的同時(shí)信道間的靈敏度離散小于等于10％，非常小。
(實(shí)施例3)首先，把通過(guò)秤量使銦鈮酸鉛Pb(In1/2Nb1/2)O3(PIN)和鎂鈮酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)和鈦酸鉛PbTiO3(PT)達(dá)到16∶51∶33的克分子比的混合粉0.16Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.51Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3(PIMNT16/51/33)，和作為溶劑使用的PbO、B2O3如設(shè)置成PIMNT16/51/33∶PbO∶B2O3＝50∶40∶10的克分子比那樣裝入200cc的白金容器中升溫到1250℃溶解后，冷卻到室溫育成固溶式壓電單晶體。其后，使用勞厄(Laue)照相機(jī)，輸出該壓電單晶體的<001>軸的方位，用刀具與該軸垂直地切斷形成厚度600μm的晶片。把切斷的壓電單晶體研磨為厚度350μm設(shè)置成30mm×20mm×0.4mm大小的壓電體后，用濺射法形成由Cr/Au組成的第1電極以及第2電極，設(shè)置成壓電元件。在該壓電元件上施加1kV/mm的電場(chǎng)實(shí)施極化處理。該壓電元件的音響阻抗是25Mrayls。
此后，和實(shí)施例2一樣制作超聲波探頭。從FPC的端部以1kHz測(cè)定了和實(shí)施例1一樣完成的超聲波探頭的壓電體的容量，1個(gè)超聲波探頭具有的100信道的壓電體的平均值是80pF，離散是小于等于15％的良好的值。另外，在和實(shí)施例1一樣進(jìn)行了超聲波探頭特性的評(píng)價(jià)后，在具有高靈敏度、寬頻帶的同時(shí)，信道間的靈敏度離散小于等于10％，非常小。
(實(shí)施例4)和實(shí)施例3一樣，得到有錫酸鉛PbSnO3(PSn)和鈦酸鉛PbTiO3(PT)組成的固溶體單晶體。其后，和實(shí)施例2一樣制作超聲波探頭。從FPC的端部以1kHz測(cè)定了和實(shí)施例1一樣完成的超聲波探頭的壓電體的容量，1個(gè)超聲波探頭具有的100信道的壓電體的平均值是85pF，離散是小于等于14％的良好的值。另外，和實(shí)施例1一樣在進(jìn)行了超聲波探頭特性的評(píng)價(jià)后，在具有高靈敏度、寬頻帶的同時(shí)，信道間的靈敏度離散小于等于10％非常小。
(比較例1)除了把第1以及第2音響匹配層的制作方法設(shè)置成以下的方法外和實(shí)施例1一樣地制作超聲波探頭。
第1音響匹配層是在研磨·外形加工了分散有40wt％鎢金屬粉的環(huán)氧樹(shù)脂的平面上用濺射法在整個(gè)面上形成Cr/Au電極的層。第1音響匹配層的音響阻抗是13Mrayls。第1音響匹配層用環(huán)氧系列粘接劑粘接在壓電元件的第1電極側(cè)上。在第1音響匹配層上用環(huán)氧粘接劑粘接在研磨·外形加工了分散有60vol％氧化鋅(ZnO)、二氧化硅(SiO2)粉末(密度5.60g/cm3以及2.65g/cm3)的環(huán)氧系列樹(shù)脂的平板上用濺射法在整個(gè)面上形成了Cr/Au電極的第2音響匹配層。第2音響匹配層的音響阻抗是5Mrayls。
從FPC的端部以1kHz測(cè)定了和實(shí)施例1一樣完成的超聲波探頭的壓電體的容量，1個(gè)超聲波探頭具有的100信道的壓電體的平均值是90pF，離散大到大于等于20％。另外，包含3個(gè)元件的導(dǎo)通不良信道。這是因?yàn)樵诘?音響匹配層中分散金屬粉末，所以對(duì)陣列中的刀片的負(fù)荷大，刀片逐漸劣化的緣故。如果使用切削性下降的刀片切斷，則壓電體發(fā)生碎屑和裂紋產(chǎn)生容量的離散。另外，因?yàn)榈?音響匹配層包含大于等于30vol％的氧化物粉末，所以接近的粒子之間的粘合性降低，陣列加工中脫粒。因?yàn)楹兔摿Ｒ煌姌O的一部分剝離所以成為斷線的原因。另外，和實(shí)施例1一樣進(jìn)行超聲波探頭特性的評(píng)價(jià)，雖然具有高靈敏度、寬頻帶的信道到處可以看到，但信道間的靈敏度離散大于等于25％非常大。這樣的信道間的靈敏度離散對(duì)顯示在診斷設(shè)備上的斷層像的畫(huà)質(zhì)有不良影響。
(比較例2)除了把第2音響匹配層的制作方法設(shè)置成以下的方法外和實(shí)施例1一樣地制作超聲波探頭。
在壓電元件的第1電極一側(cè)上，用環(huán)氧系列粘接劑粘接用濺射法在整個(gè)面上形成有Cr/Au電極并且音響阻抗由13Mrayls的包含SiO2、MgO以及Al2O3的陶瓷形成的第1音響匹配層。在第1音響匹配層上用環(huán)氧系列粘接劑粘接在研磨·外形加工了分散有60vol％氧化鋅(ZnO)、二氧化硅(SiO2)粉末的環(huán)氧系列樹(shù)脂的平板上用濺射法在整個(gè)面上形成有Cr/Au電極的第2音響匹配層。第2音響匹配層的音響阻抗是5Mrayls。
從FPC的端部以1kHz測(cè)定和實(shí)施例1一樣完成的超聲波探頭的壓電體的容量，1個(gè)超聲波探頭具有的100信道的壓電體的平均值是90pF，離散大到大于等于15％。另外，包含1個(gè)元件的導(dǎo)通不良信道。這是因?yàn)榈?音響匹配層包含大于等于30vol％的氧化物粉末，所以接近的粒子之間的粘合性降低，陣列加工中脫粒的緣故。因?yàn)楹兔摿Ｒ煌姌O的一部分剝落，所以成為斷線的原因。另外，和實(shí)施例1一樣進(jìn)行了超聲波探頭特性的評(píng)價(jià)，雖然具有高靈敏度、寬頻帶的信道到處可見(jiàn)，但信道間的靈敏度離散大于等于20％非常大。這樣的信道間的靈敏度離散對(duì)被顯示在診斷裝置上的斷層像的畫(huà)質(zhì)有不良影響。
(實(shí)施例5)以下，使用圖3說(shuō)明使用了上述實(shí)施例1的超聲波探頭的超聲波診斷設(shè)備。在對(duì)對(duì)象物發(fā)送超聲波信號(hào)，接收來(lái)自該對(duì)象物的反射信號(hào)(錯(cuò)誤信號(hào))，圖像化該對(duì)象物的醫(yī)用超聲波診斷設(shè)備和超聲波圖像檢查設(shè)備中，主要使用具有圖3所示那樣的超聲波信號(hào)發(fā)送接收功能的陣列式的超聲波探頭10。超聲波探頭10通過(guò)電纜11與超聲波探頭控制單元15連接。另外，在主體上設(shè)置投影屏。
由于本發(fā)明在不偏離基實(shí)質(zhì)和范圍的情況下可以有許多明顯不同的具體實(shí)施例，所以應(yīng)當(dāng)理解為本發(fā)明不僅限于具體的設(shè)備或?qū)嵤├诓幻撾x本發(fā)明精神的前提下，各種修改和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種超聲波探頭，包括壓電元件；設(shè)置在上述壓電元件的前面上的、由固體無(wú)機(jī)物形成的第1音響匹配層；和設(shè)置在上述第1音響匹配層上的、由有機(jī)樹(shù)脂和10～30vol％的密度大于等于6.5g/cm3的氧化物粉末的混合物形成的第2音響匹配層。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中上述第2音響匹配層用有機(jī)樹(shù)脂和包含10～30vol％的大于等于50％的PbO和大于等于1％的Nb2O5的鈣鈦礦構(gòu)造的氧化物粉末的混合物形成。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中上述第2音響匹配層用有機(jī)樹(shù)脂和從由10～30vol％的CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Yb2O3、Lu2O3組成的群中選擇出的至少一種氧化物粉末的混合物形成。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中上述第1音響匹配層用從包含SiO2、MgO以及Al2O3的陶瓷、包含Si3N4、AIN、Al2O3以及ZrO2的陶瓷、包含鈣硅酸鹽以及鋰硅酸鋁的陶瓷、氟化金云母陶瓷、以及六方晶氮化硼陶瓷組成的群中選擇的固體無(wú)機(jī)物形成。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中上述壓電元件具有壓電體；形成在壓電體的前面和背面上的一對(duì)電極。
6.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中上述壓電體用具有以Pb(B11-x，Tix)O3表示的組成的單晶體材料形成，其中，x的值是0.3≤x≤0.6，B1是從Zr、Sn以及Hf中選擇出的至少一種。
7.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中上述壓電體用具有以Pb(B1，B2)1-xTixO3表示的組成的單晶體材料形成，其中，x的值是0.04≤x≤0.55，B1是從由Zn、Mg、Ni、Sc、In以及Yb組成的群中選擇出的至少一種，B2是從由Nb和Ta組成的群中選擇出的至少一種。
8.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，還包括在上述第2音響匹配層上具有音響透鏡。
9.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，還包括在上述第2音響匹配層上具有第3音響匹配層。
10.如權(quán)利要求9所述的超聲波探頭，還包括在上述第3音響匹配層上具有音響透鏡。
11.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，還包括在上述壓電元件的背面上具有襯板材料。
12.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其中上述壓電元件、第1音響匹配層以及第2音響匹配層以一維或者二維排列。
13.一種超聲波診斷設(shè)備，其特征在于，包括超聲波探頭，該超聲波探頭包括音響襯板材料；設(shè)置在該音響襯板材料上的壓電元件；在該壓電元件的背面，具有設(shè)置在與上述音響襯板材料相對(duì)的面上，由固體無(wú)機(jī)物組成的第1音響匹配層、以及用有機(jī)樹(shù)脂和10～30vol％的密度大于等于6.5g/cm3的氧化物粉末的混合物形成的第2音響匹配層的音響匹配層；和設(shè)置在該音響匹配層上的音響透鏡；和通過(guò)電纜與上述超聲波探頭連接的超聲波探頭控制單元。
14.如權(quán)利要求13所述的超聲波診斷設(shè)備，其中上述第2音響匹配層用有機(jī)樹(shù)脂和包含10～30vol％的大于等于50％的PbO和大于等于1％的Nb2O5的鈣鈦礦構(gòu)造的氧化物粉末的混合物形成。
15.如權(quán)利要求13所述的超聲波診斷設(shè)備，其中上述第2音響匹配層用有機(jī)樹(shù)脂和從10～30vol％的CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Yb2O3、Lu2O3組成的群中選擇出的至少一種氧化物粉末的混合物形成。
16.如權(quán)利要求13所述的超聲波診斷設(shè)備，其中上述第1音響匹配層用包含SiO2、MgO以及Al2O3的陶瓷、包含Si3N4、AIN、Al2O3以及ZrO2的陶瓷、包含鈣硅酸鹽以及鋰硅酸鋁的陶瓷、氟化金云母陶瓷、以及六方晶氮化硼陶瓷組成的群中選擇出的固體無(wú)機(jī)物形成。
17.如權(quán)利要求13所述的超聲波診斷設(shè)備，其中上述壓電元件具有壓電體；和形成在壓電體的前面和背面上的一對(duì)電極。
18.如權(quán)利要求13所述的超聲波診斷設(shè)備，其中上述壓電體用具有以Pb(B11-x，Tix)O3表示的組成的單晶體材料形成，其中，x的值是0.3≤x≤0.6，B1是從由Zr、Sn以及Hf中選擇出的至少一種。
19.如權(quán)利要求13所述的超聲波診斷設(shè)備，其中上述壓電體用具有以Pb(B1，B2)1-xTixO3表示的組成的單晶體材料形成，其中，x的值是0.04≤x≤0.55，B1是從由Zn、Mg、Ni、Sc、In以及Yb組成的群中選擇出的至少一種，B2是從Nb和Ta組成的群中選擇出的至少一種。
20.如權(quán)利要求13所述的超聲波診斷設(shè)備，其中上述壓電元件、第1音響匹配層以及第2音響匹配層以1維或者2維排列。
全文摘要
一種超聲波探頭，包括壓電元件；設(shè)置在上述壓電元件的前面的、由固體無(wú)機(jī)物組成的第1音響匹配層；設(shè)置在上述第1音響匹配層上的、由在有機(jī)樹(shù)脂中分散了10～30vol％密度大于等于6.5g/cm
文檔編號(hào)H04R17/00GK1755357SQ20051010761
公開(kāi)日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者細(xì)野靖晴, 山下洋八, 逸見(jiàn)和弘 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝