JP2008244859A - Array type ultrasonic wave probe and ultrasonic diagnosis device - Google Patents

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JP2008244859A JP2007082699A JP2007082699A JP2008244859A JP 2008244859 A JP2008244859 A JP 2008244859A JP 2007082699 A JP2007082699 A JP 2007082699A JP 2007082699 A JP2007082699 A JP 2007082699A JP 2008244859 A JP2008244859 A JP 2008244859A
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Yohachi Yamashita
洋八 山下
Yasuharu Hosono
靖晴 細野
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Toshiba Corp
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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an array type ultrasonic wave probe with an acoustic matching layer having three or more layers, in contact with a piezoelectric device, and is superior in dicing workability with a low attenuation ratio, heat resistance, adhesion between upper and lower layers, and conductivity, and is composed of magnesium alloy having an adequate acoustic impedance. <P>SOLUTION: An array type ultrasonic wave probe has a backing, a plurality of channels respectively having a piezoelectric device and an acoustic matching layer having three or more layers formed on the piezoelectric device arranged on the backing, and an acoustic lens. The piezoelectric device is composed of a piezoelectric body and electrodes formed on a backing side and an acoustic matching layer side respectively of the piezoelectric body, and has an acoustic impedance of 25-40 MRayls at 25°C. The electrode on the acoustic matching layer side of the piezoelectric device has a thickness of 5 μm or less. In the acoustic matching layer having three or more layers, the acoustic impedance is gradually reduced for the acoustic lens, and the acoustic matching layer in contact with the electrode is composed of a magnesium alloy of Mg-Sn system or Mg-Cu system having an acoustic impedance of 11-19 MRayls at 25°C. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、被検体等に超音波信号を送受信するアレイ式超音波プローブおよびこのアレイ式超音波プローブを有する超音波診断装置に関する。   The present invention relates to an array-type ultrasonic probe that transmits and receives an ultrasonic signal to and from a subject and the like and an ultrasonic diagnostic apparatus having the array-type ultrasonic probe.

医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は、対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物内からの反射信号(エコー信号)を受信して対象物内を画像化するものである。この医療用の超音波診断装置や超音波画像検査装置は、超音波信号送受信機能を有する電子操作式のアレイ式超音波プローブが主に用いられている。   A medical ultrasonic diagnostic apparatus or ultrasonic image inspection apparatus transmits an ultrasonic signal to an object, receives a reflection signal (echo signal) from the object, and images the inside of the object It is. In this medical ultrasonic diagnostic apparatus and ultrasonic image inspection apparatus, an electronically operated array ultrasonic probe having an ultrasonic signal transmission / reception function is mainly used.

アレイ式超音波プローブは、バッキングと、このバッキング上に接着され、所望のスペースをあけてアレイ状に配列された複数のチャンネルと、このチャンネル上に接着された音響レンズとを備えた構造を有する。前記複数のチャンネルは、それぞれ前記バッキング上に形成され、例えばジルコンチタン酸鉛(PZT)系圧電セラミク材料やリラクサ系単結晶材料からなる圧電体の両面に電極を貼り付けた構造の圧電素子と、この圧電素子上に形成される音響整合層とを備える。なお、バッキングには各チャンネルのスペースに対応して溝が形成されている場合もある。   The array-type ultrasonic probe has a structure including a backing, a plurality of channels that are bonded onto the backing and arranged in an array with a desired space, and an acoustic lens that is bonded onto the channels. . Each of the plurality of channels is formed on the backing, for example, a piezoelectric element having a structure in which electrodes are attached to both surfaces of a piezoelectric body made of a lead zirconate titanate (PZT) -based piezoelectric ceramic material or a relaxor-based single crystal material; And an acoustic matching layer formed on the piezoelectric element. In some cases, a groove is formed in the backing corresponding to the space of each channel.

従来、前記音響整合層は1層構造、2層構造または3層以上の多層傾斜構造のものが知られている。特に、最近では広帯域化と高感度化のために3層以上の音響整合層が好適に用いられている(非特許文献1参照)。また、圧電素子を2次元状に配列した2次元アレイ式超音波プローブは3次元の動画像を得ることが可能であるため、圧電素子を1次元状に配列した1次元アレイ式超音波プローブに代わって用いられるようになっている。   Conventionally, the acoustic matching layer has a one-layer structure, a two-layer structure, or a multilayer gradient structure having three or more layers. In particular, three or more acoustic matching layers have recently been suitably used to increase the bandwidth and increase the sensitivity (see Non-Patent Document 1). In addition, since a two-dimensional array type ultrasonic probe in which piezoelectric elements are arranged two-dimensionally can obtain a three-dimensional moving image, a one-dimensional array type ultrasonic probe in which piezoelectric elements are arranged in a one-dimensional form can be used. It is designed to be used instead.

一方、超音波プローブの一般的な製造方法ではPZTのような圧電材料からなる圧電体の両面に電極を形成した圧電素子をバッキングであるゴム板に貼り付け、さらに前記圧電素子上に音響整合層を接着して積層体とする。つづいて、前記積層体を音響整合層側からダイサーで幅を50〜300μm程度にアレイ切断して複数のチャンネルを形成する。2次元アレイ式超音波プローブでは、ダイサーでx、y方向にアレイ切断する。音響整合層をアレイ切断することにより、各チャンネル間のクロストークが防止される。このため、音響整合層は高い加工性でダイシングすることが重要である。ひきつづき、記各チャンネル間のダンシング溝に例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填して機械的な強度を保持する。この後、複数のチャンネルの音響整合層上に音響レンズを接着することにより超音波プローブを製造する。   On the other hand, in a general manufacturing method of an ultrasonic probe, a piezoelectric element having electrodes formed on both sides of a piezoelectric material made of a piezoelectric material such as PZT is attached to a rubber plate as a backing, and an acoustic matching layer is further formed on the piezoelectric element. Are bonded to form a laminate. Subsequently, the laminated body is cut from the acoustic matching layer side with a dicer to a width of about 50 to 300 μm to form a plurality of channels. In the two-dimensional array type ultrasonic probe, the array is cut in the x and y directions with a dicer. By cross-cutting the acoustic matching layer, crosstalk between the channels is prevented. For this reason, it is important that the acoustic matching layer is diced with high workability. Subsequently, a relatively soft resin such as low acoustic impedance and high damping silicone rubber is filled in the dancing grooves between the channels to maintain the mechanical strength. Then, an ultrasonic probe is manufactured by adhering an acoustic lens on the acoustic matching layer of a plurality of channels.

音響整合層は、通常は使用される周波数(λ)の1/4の厚さのものが用いられる。音速が約5000m/sの材料からなる音響整合層は、例えば使用周波数が3MHzの場合、約400μmになる。音響整合層は、圧電素子とほぼ同じ厚さで用いられるため、減衰率が大きい材料を用いると、超音波信号が低下する。要望される減衰率は、20dB/m/MHz以下、さらに望ましくは2dB/m/MHz以下である。   As the acoustic matching layer, a layer having a thickness of 1/4 of the frequency (λ) to be used is usually used. An acoustic matching layer made of a material having a speed of sound of about 5000 m / s is, for example, about 400 μm when the operating frequency is 3 MHz. Since the acoustic matching layer is used with substantially the same thickness as the piezoelectric element, the use of a material having a large attenuation factor reduces the ultrasonic signal. The desired attenuation factor is 20 dB / m / MHz or less, more preferably 2 dB / m / MHz or less.

このようなアレイ式超音波プローブは、医療用の超音波診断装置に適用した場合、診断時に音響レンズ側を被検体に当接させて各チャンネルの圧電素子を駆動させることにより、圧電素子前面から超音波信号を被検体内、つまり人体に送信する。この超音波信号は、圧電素子の駆動タイミングによる電子フォーカスおよび音響レンズによるフォーカスにより被検体内の所要位置に集束される。この時、圧電素子の駆動タイミングを制御することにより被検体内の所要範囲に超音波信号を送信することができ、被検体からのエコー信号を受信処理することにより所要範囲の超音波画像(断層像)が得られる。前記超音波プローブの圧電素子の駆動において、その圧電素子の背面側にも超音波信号が放出される。このため、各チャンネルの圧電素子の背面にバッキングを配置し、背面側への超音波信号をこのバッキングで吸収(減衰)して正規の超音波信号が背面側からの超音波信号(反射信号)と共に被検体内に送信される悪影響を回避している。   When such an array-type ultrasonic probe is applied to an ultrasonic diagnostic apparatus for medical use, the acoustic lens side is brought into contact with the subject at the time of diagnosis, and the piezoelectric element of each channel is driven from the front surface of the piezoelectric element. An ultrasonic signal is transmitted within the subject, that is, to the human body. This ultrasonic signal is focused at a required position in the subject by electronic focusing based on the driving timing of the piezoelectric element and focusing by the acoustic lens. At this time, an ultrasonic signal can be transmitted to a required range in the subject by controlling the drive timing of the piezoelectric element, and an ultrasonic image (tomographic image) of the required range can be received by receiving an echo signal from the subject. Image). In driving the piezoelectric element of the ultrasonic probe, an ultrasonic signal is also emitted to the back side of the piezoelectric element. For this reason, a backing is placed on the back side of the piezoelectric element of each channel, and the ultrasonic signal to the back side is absorbed (attenuated) by this backing, and the normal ultrasonic signal is an ultrasonic signal (reflected signal) from the back side. At the same time, the adverse effect of being transmitted into the subject is avoided.

また、アレイ式超音波プローブの駆動時において、複数のチャンネルの圧電素子から放射された超音波エネルギーは音響整合層および音響レンズに吸収、減衰される。超音波エネルギーの一部は、熱に変換されるため、例えば循環器用超音波プローブではその音響整合層の温度が60℃以上となることもある。さらに、超音波プローブは使用中に相当の圧力が音響レンズを通して音響整合層にも常時、印加される。これらの熱影響による音響レンズと音響整合層の間の熱膨張差および機械的な圧力の要因によって、音響レンズと最上層の音響整合層の間、最上層の音響整合層とその下の音響整合層との間において剥離が生じる場合がある。その結果、超音波プローブ内での感度のばらつきを生じて信頼性を低下させる。甚だしい場合は、超音波プローブの機能が停止する。これらの現象は、特に接続箇所が多い2次元アレイ式超音波プローブでは深刻な問題となる。   Further, when the array ultrasonic probe is driven, ultrasonic energy radiated from the piezoelectric elements of the plurality of channels is absorbed and attenuated by the acoustic matching layer and the acoustic lens. Since a part of the ultrasonic energy is converted into heat, for example, in the ultrasonic probe for a circulator, the temperature of the acoustic matching layer may be 60 ° C. or higher. Further, during use of the ultrasonic probe, a considerable pressure is always applied to the acoustic matching layer through the acoustic lens. Due to the difference in thermal expansion and mechanical pressure between the acoustic lens and the acoustic matching layer due to these thermal effects, the acoustic matching layer between the acoustic lens and the uppermost acoustic matching layer, and the acoustic matching layer below the uppermost acoustic matching layer Peeling may occur between the layers. As a result, the sensitivity in the ultrasonic probe varies and the reliability is lowered. In severe cases, the ultrasound probe stops functioning. These phenomena become a serious problem particularly in a two-dimensional array type ultrasonic probe having many connection points.

特許文献1〜4には、金属などの音響整合層を備えた超音波プローブの特性等が具体的に例示されている。例えば、特許文献1、2には音響整合層として金属アルミニウムを用いる例が記載されている。また、特許文献3には音響整合層として導電性接着剤や酸化錫、金、アルミニウムを用いる例が記載されている。しかしながら、これらの材料は音響整合層として要求される低減衰率で、ダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性などの特性、3〜4層の音響整合層を形成する場合の適切な音響インピーダンスを全て満たすものではない。   Patent Documents 1 to 4 specifically illustrate characteristics and the like of an ultrasonic probe including an acoustic matching layer made of metal or the like. For example, Patent Documents 1 and 2 describe examples in which metal aluminum is used as the acoustic matching layer. Patent Document 3 describes an example in which a conductive adhesive, tin oxide, gold, or aluminum is used as the acoustic matching layer. However, these materials have a low attenuation factor required for an acoustic matching layer, characteristics such as dicing workability, heat resistance, adhesion to upper and lower layers, and appropriate for forming three to four acoustic matching layers. Not all acoustic impedances are met.

また、特許文献4には単結晶シリコンを音響整合層として用いる超音波探触子が開示されている。しかしながら、シリコンの音響インピーダンスは19.5MRaylsであり、通常のPZT系圧電材料の音響インピーダンスである35MRalysに比べて大き過ぎる。このため、実用的である2〜3層の音響整合層を持つ超音波プローブには適さない。また、シリコンは加工性、導電率も充分でない欠点がある。   Patent Document 4 discloses an ultrasonic probe using single crystal silicon as an acoustic matching layer. However, the acoustic impedance of silicon is 19.5 MRayls, which is too large compared with 35 MRalys which is the acoustic impedance of a normal PZT-based piezoelectric material. For this reason, it is not suitable for an ultrasonic probe having two to three acoustic matching layers that are practical. In addition, silicon has a defect that processability and conductivity are not sufficient.

一方、特許文献5には圧電材料と同じ音響インピーダンスを持つ付加弾性層を持つ圧電広帯域トランスジューサの例が示されている。この特許文献5には、一例として音響インピ−ダンスが12〜10MRaylsのバルク圧電材料と樹脂を複合させた複合圧電振動子を用いた場合において、付加層および整合層として音響インピーダンスが10MRalysの金属マグネシウムおよび合金を使用することが記載されている。しかしながら、音響インピーダンス、減衰率、ダイシング加工性に優れたマグネシウム合金の具体的な組成などの開示はされていない。   On the other hand, Patent Document 5 shows an example of a piezoelectric broadband transducer having an additional elastic layer having the same acoustic impedance as that of a piezoelectric material. In Patent Document 5, as an example, when a composite piezoelectric vibrator in which a bulk piezoelectric material having an acoustic impedance of 12 to 10 MRayls and a resin are combined is used, metallic magnesium having an acoustic impedance of 10 MRAlys as an additional layer and a matching layer. And the use of alloys. However, there is no disclosure of a specific composition of a magnesium alloy excellent in acoustic impedance, attenuation rate, and dicing processability.

前述した音響整合層は、従来、エポキシ樹脂にタングステン粉末などを添加してその密度を調整した材料が用いられることもある。具体的には、エポキシ樹脂に30体積%のタングステンを充填した複合樹脂からなり、12MRalysの音響インピーダンスを有する音響整合層が知られている。しかしながらこの複合樹脂は減衰率が1000dB/m/MHz以上と大きいばかりでなく、ダイシング加工性に劣る。   Conventionally, the acoustic matching layer may be made of a material in which the density is adjusted by adding tungsten powder or the like to an epoxy resin. Specifically, an acoustic matching layer made of a composite resin in which 30% by volume of tungsten is filled in an epoxy resin and having an acoustic impedance of 12 MRAlys is known. However, this composite resin not only has a large attenuation rate of 1000 dB / m / MHz or more, but is inferior in dicing workability.

また,非特許文献1には音響整合層の材料としてガラスを用いる例が示されている。ガラスは、音響インピーダンスは約12MRalysであるが、絶縁性であるためにダイシングにより2次元アレイにチャンネルを配列する場合、圧電素子の上部側の電極を配線で外部に引き回すことが困難になる。   Non-Patent Document 1 shows an example in which glass is used as the material of the acoustic matching layer. Glass has an acoustic impedance of about 12 MRAlys, but since it is insulative, when channels are arranged in a two-dimensional array by dicing, it is difficult to route the electrodes on the upper side of the piezoelectric element to the outside by wiring.

さらに、ほぼ純粋の金属マグネシウム、金属アルミニウム、金属亜鉛のそれぞれの密度、音速、音響インピーダンスはそれぞれ、1.74、5800m/s、10MRayls、2.7、6400m/s、17.4MRayls、7.6、4200m/s、30MRaylsであることが知られている。しかしながら、これらの純金属はダイシングや研磨による加工性が極めて低い。特に、2次元アレイ式超音波プローブの製造においてこれらの純金属を音響整合層に適用した場合、研磨やダイサーなどによって0.2mm2以下の微小な面積に加工することが困難である。
特開昭56−143149号公報 特開昭58−053755号公報 特開昭59−174099号公報 特開2003−125494 公表特許公報2004−518319報(USP6,645,150) T.Inoue et al., IEEE,UFFC, vol.34 No.1,1987,pp.8-15
Furthermore, the density, sound velocity, and acoustic impedance of each of substantially pure metallic magnesium, metallic aluminum, and metallic zinc are 1.74, 5800 m / s, 10 MRayls, 2.7, 6400 m / s, 17.4 MRayls, 7.6, respectively. 4200 m / s, 30 MRayls. However, these pure metals have extremely low processability by dicing or polishing. In particular, when these pure metals are applied to the acoustic matching layer in the production of a two-dimensional array type ultrasonic probe, it is difficult to process the fine area of 0.2 mm 2 or less by polishing or dicing.
JP-A-56-143149 JP 58-053755 A JP 59-174099 A JP2003-125494A Published patent publication 2004-518319 (USP 6,645,150) T. Inoue et al., IEEE, UFFC, vol.34 No.1,1987, pp.8-15

本発明は、3層以上の音響整合層のうち、圧電素子と接し、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性、導電性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有するマグネシウム合金からなる音響整合層を備えたアレイ式超音波プローブを提供することを目的とする。   The present invention is a magnesium which is in contact with a piezoelectric element among three or more acoustic matching layers, has a low attenuation rate, is excellent in dicing workability, heat resistance, adhesiveness to upper and lower layers, and has conductivity, and has an appropriate acoustic impedance. An object of the present invention is to provide an array type ultrasonic probe having an acoustic matching layer made of an alloy.

本発明は、前記アレイ式超音波プローブを備えた超音波診断装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an ultrasonic diagnostic apparatus including the array type ultrasonic probe.

本発明によると、バッキング;
前記バッキング上に配列され、圧電素子およびこの圧電素子上に形成される3層以上の音響整合層を有する複数のチャンネル;および
前記各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ;
を具備し、
前記圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、25℃にて25〜40MRaylsの音響インピーダンスを有し、
前記圧電素子の前記音響整合層側の電極は、5μm以下の厚さを有し、
前記3層以上の音響整合層は、前記音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ
前記電極と接する音響整合層は、25℃にて11〜19MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金から構成されることを特徴とするアレイ式超音波プローブが提供される。
According to the invention, a backing;
A plurality of channels arranged on the backing and having a piezoelectric element and three or more acoustic matching layers formed on the piezoelectric element; and formed to cover at least the surface of the uppermost acoustic matching layer of each channel. Acoustic lens;
Comprising
The piezoelectric element is composed of a piezoelectric body and electrodes formed on the backing side and the acoustic matching layer side of the piezoelectric body, and has an acoustic impedance of 25 to 40 MRayls at 25 ° C.,
The electrode on the acoustic matching layer side of the piezoelectric element has a thickness of 5 μm or less,
The three or more acoustic matching layers have an acoustic impedance that decreases stepwise toward the acoustic lens, and the acoustic matching layer that contacts the electrode has an acoustic impedance of 11 to 19 MRayls at 25 ° C. An array type ultrasonic probe is provided which is made of a Mg alloy or Mg—Cu magnesium alloy.

また本発明によると、前述した構成のアレイ式超音波プローブと、前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器とを具備したことを特徴とする超音波診断装置が提供される。   According to the present invention, there is provided an ultrasonic diagnostic apparatus comprising the array-type ultrasonic probe having the above-described configuration and an ultrasonic probe controller connected to the ultrasonic probe through a cable.

本発明によれば、3層以上の音響整合層のうち、圧電素子と接し、低減衰率でダイシング加工性、耐熱性、上下層との接着性、導電性に優れ、かつ適切な音響インピーダンスを有するマグネシウム合金からなる音響整合層を備え、音響整合層側からの配線接続が可能で、高感度かつ超音波の広帯域化が可能な高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブを提供することができる。特に、チャンネルを2次元状に配列した医用超音波診断装置用2次元アレイ超音波プローブを提供できる。   According to the present invention, out of three or more acoustic matching layers, the piezoelectric element is in contact with the piezoelectric element, has a low attenuation rate, is excellent in dicing workability, heat resistance, adhesion to upper and lower layers, and conductivity, and has an appropriate acoustic impedance. To provide a high-performance, high-reliability array-type ultrasonic probe that is equipped with an acoustic matching layer made of magnesium alloy and that can be connected to the wiring from the acoustic matching layer side, and is capable of widening the ultrasonic bandwidth. Can do. In particular, it is possible to provide a two-dimensional array ultrasonic probe for a medical ultrasonic diagnostic apparatus in which channels are two-dimensionally arranged.

また、本発明によればクロストークが小さく、高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブが組み込まれ、断層像の画質向上および感度向上が達成された超音波診断装置を提供することができる。   Further, according to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic diagnostic apparatus in which crosstalk is small, a high-performance, high-reliability array type ultrasonic probe is incorporated, and image quality improvement and sensitivity improvement of a tomographic image are achieved. .

以下、本発明の実施形態に係るアレイ式超音波プローブおよび超音波診断装置を図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, an array type ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、バッキングを備える。複数のチャンネルは、バッキング上に配列されている。これらのチャンネルは、バッキング上に配置される圧電素子と、この圧電素子上に形成される3層以上の音響整合層とを備える。音響レンズは、各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成されている。   The array type ultrasonic probe according to the embodiment includes a backing. The plurality of channels are arranged on the backing. Each of these channels includes a piezoelectric element disposed on the backing and three or more acoustic matching layers formed on the piezoelectric element. The acoustic lens is formed so as to cover at least the uppermost acoustic matching layer surface of each channel.

圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、25℃にて25〜40MRaylsの音響インピーダンスを有する。圧電素子の音響整合層側の電極は、5μm以下の厚さを有する。3層以上の音響整合層は、音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなっている。圧電素子と接する前記音響整合層は、25℃にて11〜19MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金から構成される。   The piezoelectric element is composed of a piezoelectric body and electrodes formed on the backing side and the acoustic matching layer side of the piezoelectric body, respectively, and has an acoustic impedance of 25 to 40 MRayls at 25 ° C. The electrode on the acoustic matching layer side of the piezoelectric element has a thickness of 5 μm or less. The acoustic matching layers of three or more layers have an acoustic impedance that decreases stepwise toward the acoustic lens. The acoustic matching layer in contact with the piezoelectric element is composed of a Mg—Sn based or Mg—Cu based magnesium alloy having an acoustic impedance of 11 to 19 MRayls at 25 ° C.

このようなアレイ式超音波プローブは、チャンネルを1次元方向に配列した構造およびチャンネルを2次元方向に配列した構造のものが挙げられる。以下、3層の音響整合層を有する2次元アレイ式超音波プローブを図1〜図3を参照して詳細に説明する。図1は、実施形態に係る2次元アレイ式超音波プローブを示す斜視図、図2は図1の2次元アレイ式超音波プローブの要部断面図、図3は図1の2次元アレイ式超音波プローブの要部斜視図である。   Examples of such an array-type ultrasonic probe include a structure in which channels are arranged in a one-dimensional direction and a structure in which channels are arranged in a two-dimensional direction. Hereinafter, a two-dimensional array type ultrasonic probe having three acoustic matching layers will be described in detail with reference to FIGS. 1 is a perspective view showing a two-dimensional array type ultrasonic probe according to the embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the two-dimensional array type ultrasonic probe of FIG. 1, and FIG. 3 is a two-dimensional array type ultrasonic probe of FIG. It is a principal part perspective view of a sound wave probe.

2次元アレイ式超音波プローブ1は、バッキング2を備えている。圧電素子3はバッキング2上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層(図示せず)で固定されている。圧電素子3は、図2および図3に示すように例えばジルコンチタン酸鉛(PZT)系圧電セラミック材料やリラクサ系単結晶、およびチタン酸バリウム系のセラミック、単結晶からなる圧電体4と、この圧電体4の両面に形成された第1、第2の電極51,52とから構成されている。圧電体4は、前記圧電材料と有機樹脂からなる複合体を用いることもできる。25℃にて11〜19MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金からなる第1音響整合層6は、圧電素子3の第2電極52上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層(図示せず)で固定されている。25℃にて2.7〜8MRaylsの音響インピーダンスを有するカーボンのような導電性材料からなる第2音響整合層7は、第1音響整合層6上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層(図示せず)で固定されている。第1、第2の音響整合層6,7は、図2、図3に示すように例えばダイシングにより形成されるスペース8をあけて2次元的に配列されている。圧電素子3は、各スペース8に対応してその圧電体4に達する溝9がそれぞれ形成され、第2電極52も2次元的に分離されている。これらのスペースおよび溝には、例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填することを許容する。フレキシブル印刷配線板21は、複数の第2音響整合層7にその配線板21のパッド22を介してそれぞれ接続され、信号電極を構成している。すなわち、第2音響整合層7はカーボンのような導電材料から作られ、第1音響整合層6は特定のマグネシウム合金から作られるため、フレキシブル印刷配線板21のパッド22は2次元的に配列された導電性の第2、第1の音響整合層7,6を通して2次元的に分離された第2電極52と接続される。なお、フレキシブル印刷配線板21は例えば第2音響整合層24の音響インピーダンスに近似した例えばポリイミド、シリコーンエポキシ樹脂のフィルム23と、このフィルム23上に各第2音響整合層7に対応して形成された複数のパッド22と、フィルム23上に一端が各パッド22に接続され、他端がフィルム23周縁に延出された複数の配線(図示せず)と、各配線を含むフィルム23上に各パッド22が露出するように形成されたソルダーレジスト膜(図示せず)とから構成されている。25℃にて1.8〜2.5MRaylsの音響インピーダンスを有する材料(例えばシリコーンエポキシ樹脂)からなる第3音響整合層10は、フレキシブル印刷配線板21上に例えばエポキシ樹脂系接着剤層(図示せず)で固定されている。 The two-dimensional array type ultrasonic probe 1 includes a backing 2. The piezoelectric element 3 is fixed on the backing 2 with, for example, an epoxy resin adhesive layer (not shown). As shown in FIGS. 2 and 3, the piezoelectric element 3 includes, for example, a lead zirconate titanate (PZT) -based piezoelectric ceramic material, a relaxor-based single crystal, a barium titanate-based ceramic, and a piezoelectric body 4 made of a single crystal. The first and second electrodes 5 1 and 5 2 are formed on both surfaces of the piezoelectric body 4. The piezoelectric body 4 may be a composite made of the piezoelectric material and an organic resin. The first acoustic matching layer 6 made of Mg-Sn-based or Mg-Cu alloy containing having an acoustic impedance of 11~19MRayls at 25 ° C. is on the second electrode 5 and second piezoelectric elements 3, for example, an epoxy resin adhesive It is fixed with an agent layer (not shown). The second acoustic matching layer 7 made of a conductive material such as carbon having an acoustic impedance of 2.7 to 8 MRayls at 25 ° C. is, for example, an epoxy resin adhesive layer (not shown) on the first acoustic matching layer 6. ). The first and second acoustic matching layers 6 and 7 are two-dimensionally arranged with a space 8 formed by dicing, for example, as shown in FIGS. The piezoelectric element 3, the groove 9 which reaches the piezoelectric elements 4 are respectively formed, the second electrode 5 2 are also two-dimensionally separated in correspondence with the space 8. These spaces and grooves are allowed to be filled with a relatively soft resin such as low acoustic impedance, high damping silicone rubber. The flexible printed wiring board 21 is connected to the plurality of second acoustic matching layers 7 via the pads 22 of the wiring board 21 to form signal electrodes. That is, since the second acoustic matching layer 7 is made of a conductive material such as carbon, and the first acoustic matching layer 6 is made of a specific magnesium alloy, the pads 22 of the flexible printed wiring board 21 are two-dimensionally arranged. electrically conductive second is connected to the second electrode 5 2 and which are two-dimensionally separated through the first acoustic matching layer 7 and 6. The flexible printed wiring board 21 is formed, for example, on a film 23 made of, for example, polyimide or silicone epoxy resin that approximates the acoustic impedance of the second acoustic matching layer 24, and is formed on the film 23 corresponding to each second acoustic matching layer 7. A plurality of pads 22, one end connected to each pad 22 on the film 23, the other end extending to the periphery of the film 23, and each film 23 including each wire on the film 23. A solder resist film (not shown) is formed so that the pad 22 is exposed. The third acoustic matching layer 10 made of a material having an acoustic impedance of 1.8 to 2.5 MRayls at 25 ° C. (for example, silicone epoxy resin) is formed on the flexible printed wiring board 21 by, for example, an epoxy resin adhesive layer (not shown). )).

このような圧電素子3と、2次元的に配列された複数の第1、第2の音響整合層6,7と、第3音響整合層10とにより複数のチャンネル11が構成される。これらのチャンネル11は、25℃にて25〜40MRaylsの音響インピーダンスを有する圧電素子3上に音響インピーダンスが段階的に小さくなる第1〜第3の音響整合層6,7,10、すなわち25℃にて11〜19MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金からなる第1音響整合層6、25℃にて2.7〜8MRaylsの音響インピーダンスを有するカーボンのような導電性材料からなる第2音響整合層7および1.8〜2.5MRaylsの音響インピーダンスを有する材料(例えばシリコーンエポキシ樹脂)からなる第3音響整合層10を積層して構成されている。   The piezoelectric element 3, the plurality of first and second acoustic matching layers 6 and 7 and the third acoustic matching layer 10 that are two-dimensionally arranged constitute a plurality of channels 11. These channels 11 are provided on the piezoelectric element 3 having an acoustic impedance of 25 to 40 MRayls at 25 ° C., the first to third acoustic matching layers 6, 7, 10, that is, 25 ° C. A first acoustic matching layer 6 made of an Mg-Sn or Mg-Cu magnesium alloy having an acoustic impedance of 11 to 19 MRayls, and a conductive material such as carbon having an acoustic impedance of 2.7 to 8 MRayls at 25 ° C. A second acoustic matching layer 7 made of a material and a third acoustic matching layer 10 made of a material (for example, silicone epoxy resin) having an acoustic impedance of 1.8 to 2.5 MRayls are laminated.

前記各チャンネル11において、圧電素子3が縦波振動であるため、第1電極51を共通電極(アース電極)とし、信号電極であるフレキシブル印刷配線板21から個々のチャンネル11の導電性の第2、第1の音響整合層7,6を通して2次元的に分離された第2電極52に電圧を印加することにより、各チャンネル11の圧電素子3をその電圧に応じた周波数で振動させることが可能になる。 In each channel 11, since the piezoelectric element 3 is a longitudinal wave vibration, the first electrode 5 1 and the common electrode (ground electrode), first from the flexible printed wiring board 21 is a signal electrode conductive individual channels 11 2, by applying a first of the second electrode 5 2 to the voltage two-dimensionally separated through the acoustic matching layer 7 and 6, be vibrated at a frequency corresponding to the piezoelectric element 3 of each channel 11 to the voltage Is possible.

音響レンズ12は、前記各チャンネル11の第3音響整合層10上に例えばゴム系接着剤層(図示せず)により固定されている。このゴム系接着剤は、25℃において1.3〜1.8MRaylsの音響インピーダンスを有する変性シリコーン系接着剤であることが好ましい。   The acoustic lens 12 is fixed on the third acoustic matching layer 10 of each channel 11 by, for example, a rubber-based adhesive layer (not shown). The rubber-based adhesive is preferably a modified silicone-based adhesive having an acoustic impedance of 1.3 to 1.8 MRayls at 25 ° C.

バッキング2、複数のチャンネル11および音響レンズ12は、上端に開口部を有するケース(筐体)13内にバッキング2が支持台14に載置されるように収納されている。ケース13内には、各チャンネル11の圧電素子3の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子3に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路(図示せず)が内蔵されている。前記信号電極であるフレキシブル印刷配線板21の他端は制御回路に接続されている。アース側印刷配線板(図示せず)は、一端が圧電素子3の第1電極51に接続され、他端が信号処理回路に接続されている。ケーブル15は、音響レンズ12と反対側のケース13部分から挿入され、その先端が信号処理回路および制御回路(いずれも図示せず)と接続されている。 The backing 2, the plurality of channels 11, and the acoustic lens 12 are housed in a case (housing) 13 having an opening at the upper end so that the backing 2 is placed on the support base 14. The case 13 includes a signal processing circuit (not shown) including a control circuit for controlling the driving timing of the piezoelectric element 3 of each channel 11 and an amplifier circuit for amplifying the received signal received by the piezoelectric element 3. Has been. The other end of the flexible printed wiring board 21 as the signal electrode is connected to a control circuit. Ground side printed wiring board (not shown) has one end connected to the first electrode 5 1 of the piezoelectric element 3 is connected to the other end signal processing circuitry. The cable 15 is inserted from the case 13 portion opposite to the acoustic lens 12, and the tip thereof is connected to a signal processing circuit and a control circuit (both not shown).

このような構成の2次元アレイ式超音波プローブ1において、各チャンネル11における圧電素子3の第1、第2の電極51,52間に電圧を印加して、圧電体4を共振させることにより超音波を各チャンネル11の第1〜第3の音響整合層6,7,10および音響レンズ12を通して放射(送信)する。受信時には、音響レンズ12および各チャンネル11の第1〜第3の音響整合層6,7,10を通して受信された超音波によって各チャンネル11の圧電素子3の圧電体4を振動させ、この振動を電気的に変換して信号とし、画像を得る。 In the two-dimensional array type ultrasonic probe 1 having such a configuration, a voltage is applied between the first and second electrodes 5 1 and 5 2 of the piezoelectric element 3 in each channel 11 to resonate the piezoelectric body 4. Thus, the ultrasonic wave is radiated (transmitted) through the first to third acoustic matching layers 6, 7, 10 and the acoustic lens 12 of each channel 11. At the time of reception, the piezoelectric body 4 of the piezoelectric element 3 of each channel 11 is vibrated by ultrasonic waves received through the acoustic lens 12 and the first to third acoustic matching layers 6, 7, and 10 of each channel 11. Electrically converted into a signal to obtain an image.

圧電素子3は、25℃にて25〜40MRaylsの音響インピーダンスを有し、かつ第1音響整合層6側の電極(第2電極52)は5μm以下の厚さを有する。電極(第2電極52)の厚さが5μmを越えると、圧電素子の共振周波数に変化が生じるばかりでなく、電極(第2電極52)を境にした圧電素子3と第1音響整合層6の間の音響インピーダンスの差による超音波の反射が無視できなくなる虞がある。より好ましい電極(第2電極52)の厚さは、2μm以下である。 The piezoelectric element 3 has an acoustic impedance of 25 to 40 MRayls at 25 ° C., and the electrode (second electrode 5 2 ) on the first acoustic matching layer 6 side has a thickness of 5 μm or less. When the thickness of the electrode (second electrode 5 2 ) exceeds 5 μm, not only the resonance frequency of the piezoelectric element changes, but also the first acoustic matching with the piezoelectric element 3 with the electrode (second electrode 5 2 ) as a boundary. There is a possibility that the reflection of the ultrasonic wave due to the difference in acoustic impedance between the layers 6 cannot be ignored. A more preferable thickness of the electrode (second electrode 5 2 ) is 2 μm or less.

第1音響整合層6は、Mg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金から構成され、音響インピーダンスが25℃にて11〜19MRaylsである。   The first acoustic matching layer 6 is made of a Mg—Sn-based or Mg—Cu-based magnesium alloy, and has an acoustic impedance of 11 to 19 MRayls at 25 ° C.

前記マグネシウム合金は、下記一般式(I)にて表され、3点曲げ強度が150MPa以上、破断伸びが2%以下であることが好ましい。   The magnesium alloy is represented by the following general formula (I), and preferably has a three-point bending strength of 150 MPa or more and an elongation at break of 2% or less.

MgxM1yM2z …(I)
ただし、式中のM1はSnまたはCu、M2はAl,Zn,Sn,Cu,Ni,Mn,Si,Ti,Sb,Zr,Ca、Li,Yおよび希土類元素の群から選ばれる少なくとも1つの金属、x、y、zはx=40〜80重量%、y=20〜60重量%、z=0〜5重量%である。前記マグネシウム合金は、MgxSnyz(XはCa,Y,Zr,Al、x、y、zはx=40〜80重量%、y=20〜60重量%、z=0〜5重量%である。)の三元系であることが最も好ましい。
Mg x M1 y M2 z (I)
In the formula, M1 is Sn or Cu, M2 is at least one metal selected from the group consisting of Al, Zn, Sn, Cu, Ni, Mn, Si, Ti, Sb, Zr, Ca, Li, Y and rare earth elements. , X, y, z are x = 40 to 80% by weight, y = 20 to 60% by weight, and z = 0 to 5% by weight. The magnesium alloy is Mg x Sn y X z (X is Ca, Y, Zr, Al, x, y, z is x = 40 to 80% by weight, y = 20 to 60% by weight, z = 0 to 5% by weight) %.) Is most preferable.

前記一般式(I)のマグネシウム合金中のMg量を40重量%未満にすると、脆くて加工し難くなるばかりか、圧電素子の音響インピーダンスと3層の音響整合層を有するチャンネル構成において第1音強整合層の最適の音響インピーダンスである11〜19MRaylsにすることが困難になる。一方、マグネシウム合金中のMg量が80重量%を超えると、減衰率が大きくなるのみならず、ダイシング時に切削粉の急激な酸化が生じて発火の虞があり、さらに表面が酸化し易く、耐食性も劣る虞がある。より好ましいマグネシウム合金中のMg量は、45〜65重量%である。このような範囲のMgを含むマグネシウム合金は、第1音響整合層に要求される減衰率が一層小さくなるのみならず、優れた耐食性、ダイシング特性および長期安定性を有する。   When the amount of Mg in the magnesium alloy of the general formula (I) is less than 40% by weight, it is brittle and difficult to process, and the first sound is generated in the channel configuration having the acoustic impedance of the piezoelectric element and the three acoustic matching layers. It becomes difficult to obtain 11 to 19 MRayls which is the optimum acoustic impedance of the strong matching layer. On the other hand, when the amount of Mg in the magnesium alloy exceeds 80% by weight, not only does the attenuation rate increase, but there is a risk of ignition due to sharp oxidation of the cutting powder during dicing, and the surface is more likely to oxidize, resulting in corrosion resistance. May be inferior. A more preferable amount of Mg in the magnesium alloy is 45 to 65% by weight. A magnesium alloy containing Mg in such a range has not only a smaller attenuation factor required for the first acoustic matching layer but also excellent corrosion resistance, dicing characteristics, and long-term stability.

前記一般式(I)のマグネシウム合金中のM2成分の量が5重量%を超えると、減衰率が増加するか加工性が低下し、さらに耐食性が低下する虞がある。より好ましいM2成分の量は、2重量%以下である。   If the amount of the M2 component in the magnesium alloy of the general formula (I) exceeds 5% by weight, the damping rate may increase or the workability may decrease, and the corrosion resistance may further decrease. A more preferable amount of the M2 component is 2% by weight or less.

前記一般式(I)のマグネシウム合金の3点曲げ強度を150MPa未満にすると、2次元アレイ超音波プローブのような微細のチャンネル(例えば50μm角〜200μm角)を作製する場合、マグネシウム合金からなる第1音響整合層の折れによる不良が頻発する虞がある。より好ましい3点曲げ強度は、200MPa以上である。   When the three-point bending strength of the magnesium alloy of the general formula (I) is less than 150 MPa, when forming a fine channel (for example, 50 μm square to 200 μm square) like a two-dimensional array ultrasonic probe, There is a risk that defects due to bending of one acoustic matching layer frequently occur. A more preferable three-point bending strength is 200 MPa or more.

前記一般式(I)のマグネシウム合金の破断伸びが2%を超えると、ダイヤモンドブレードのダイシング時の直線性が損なわれ、チャンネル毎に面積が異なる不良が頻発するばかりか、ダイシング途中での損傷が頻発する虞がある。より好ましい破断伸びは0.5%以下である。   If the breaking elongation of the magnesium alloy of the general formula (I) exceeds 2%, the linearity of the diamond blade during dicing is impaired, and not only the defects with different areas for each channel frequently occur, but also damage during the dicing. There is a risk of frequent occurrence. A more preferable elongation at break is 0.5% or less.

前記一般式(I)のマグネシウム合金は、さらに減衰率が5MHzでの測定において0.3dB/m/MHz以下、縦波音速が25℃にて4000〜6000m/s、密度が2.0〜3.5g/cm3であること好ましい。   The magnesium alloy of the general formula (I) further has a damping rate of 0.3 dB / m / MHz or less at a measurement rate of 5 MHz, a longitudinal wave velocity of 4000 to 6000 m / s at 25 ° C., and a density of 2.0 to 3 .5 g / cm @ 3 is preferable.

前記一般式(I)のマグネシウム合金は、平均結晶粒径が200μm以下であることがダイシング性を向上する上で好ましい。マグネシウム合金の平均結晶粒径が200μmを超えると、ダイシング時にこのマグネシウム合金からなる第1音響整合層の折れが頻発する虞がある。より好ましいマグネシウム合金の平均結晶粒径は、100μm以下である。   The magnesium alloy of the general formula (I) preferably has an average crystal grain size of 200 μm or less in order to improve dicing properties. If the average crystal grain size of the magnesium alloy exceeds 200 μm, the first acoustic matching layer made of the magnesium alloy may be frequently broken during dicing. A more preferable average grain size of the magnesium alloy is 100 μm or less.

第1音響整合層は、上下面にその音響整合層の厚さの1/100以下の厚さを持つNi,AuおよびSnから選ばれる金属層を有することを許容する。   The first acoustic matching layer is allowed to have a metal layer selected from Ni, Au and Sn having a thickness of 1/100 or less of the thickness of the acoustic matching layer on the upper and lower surfaces.

前記第1〜第3の音響整合層は、圧電素子の振動による周波数のλ/5〜λ/2の厚さを有することが好ましい。   The first to third acoustic matching layers preferably have a thickness of λ / 5 to λ / 2 due to vibration of the piezoelectric element.

なお、実施形態に係る2次元アレイ式超音波プローブにおいて、電極の取り出しは前述した図1〜図3に示す構造に限定されない。例えば、第1、第2の電極を有する圧電素子をその上の第1、第2の音響整合層とともに2次元方向のスペースで分離して配列し、さらにそのスペースに対応してバッキングに達する溝を形成して圧電素子を2次元的に分離し、さらにバッキングの下面からバッキング上面に接する第1電極に達するスルーホールを形成し、各スルーホールにフレキシブル印刷配線板を接続してもよい。このような構成によれば、2次元的に分離された第2電極に導電性の第1、第2の音響整合層を通して接続するフレキシブル印刷配線板での電圧制御のみならず、2次元的に分離された第1電極にスルーホールを通して接続される別のフレキシブル印刷配線板での電圧制御が可能になる。すなわち、圧電素子および第1〜第3の音響整合層を有する各チャンネルを独立して電圧制御することが可能になる。   In the two-dimensional array type ultrasonic probe according to the embodiment, the extraction of the electrodes is not limited to the structure shown in FIGS. For example, a piezoelectric element having first and second electrodes is separated and arranged in a two-dimensional space together with first and second acoustic matching layers thereon, and a groove reaching the backing corresponding to the space. The piezoelectric elements may be separated two-dimensionally, and through holes reaching the first electrode contacting the upper surface of the backing from the lower surface of the backing may be formed, and a flexible printed wiring board may be connected to each through hole. According to such a configuration, not only voltage control at the flexible printed wiring board connected to the second electrode separated two-dimensionally through the conductive first and second acoustic matching layers, but also two-dimensionally. It is possible to control the voltage with another flexible printed wiring board connected to the separated first electrode through a through hole. That is, it is possible to independently control the voltage of each channel having the piezoelectric element and the first to third acoustic matching layers.

次に、前述した実施形態に係る2次元アレイ式超音波プローブの製造方法を説明する。   Next, a manufacturing method of the two-dimensional array type ultrasonic probe according to the above-described embodiment will be described.

まず、バッキング上に前述した圧電素子、第1音響整合層、第2音響整合層をこの順序でかつ例えばこれらの部材間に低粘性のエポキシ樹脂系接着剤をそれぞれ介在させて、積層させる。つづいて、この積層物を例えば120℃で1時間程度加熱し、前記各エポキシ樹脂系接着剤を硬化させることによりバッキングと圧電素子、圧電素子と第1音響整合層、第1音響整合層と第2音響整合層をそれぞれ接着、固定させる。   First, the piezoelectric element, the first acoustic matching layer, and the second acoustic matching layer described above are laminated on the backing in this order, for example, by interposing a low-viscosity epoxy resin adhesive between these members. Subsequently, the laminate is heated at, for example, 120 ° C. for about 1 hour to cure the epoxy resin adhesives, thereby backing and piezoelectric elements, piezoelectric elements and first acoustic matching layers, first acoustic matching layers and first acoustic matching layers. Two acoustic matching layers are bonded and fixed, respectively.

次いで、例えばダイヤモンドブレードを用いて第2音響整合層から圧電素子の圧電体に達する深さで、例えば50〜200μm角にダイシング処理して2次元アレイ状に複数分割する。複数分割された第2音響整合層にフレキシブル印刷配線板を位置合わせし、その複数のパッドを各第2音響整合層に接続する。必要に応じてスペースおよび溝に例えば低音響インピーダンス、高減衰性のシリコーンゴムのような比較的に柔らかい樹脂を充填してもよい。つづいて、フレキシブル印刷配線板に第3音響整合層をエポキシ樹脂系接着剤で接着固定することにより圧電素子、複数の第1、第2の音響整合層および第3音響整合層を有する複数のチャンネルを形成する。その後、第3音響整合層に音響レンズをシリコーンゴム系接着層で接着固定し、バッキング、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース内に収納して2次元アレイ式超音波プローブを製造する。   Next, using a diamond blade, for example, a dicing process is performed to a depth of 50 to 200 μm square from the second acoustic matching layer to the piezoelectric body of the piezoelectric element to divide into a two-dimensional array. The flexible printed wiring board is aligned with the plurality of divided second acoustic matching layers, and the plurality of pads are connected to the second acoustic matching layers. If necessary, the spaces and grooves may be filled with a relatively soft resin such as low acoustic impedance, high damping silicone rubber. Next, a plurality of channels having a piezoelectric element, a plurality of first and second acoustic matching layers, and a third acoustic matching layer by bonding and fixing the third acoustic matching layer to the flexible printed wiring board with an epoxy resin adhesive. Form. Thereafter, the acoustic lens is bonded and fixed to the third acoustic matching layer with a silicone rubber-based adhesive layer, and the backing, the plurality of channels, and the acoustic lens are housed in the case to manufacture a two-dimensional array type ultrasonic probe.

実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、3層以上の音響整合層を有し、前述した3層の音響整合層を有する他に、例えば4層の音響整合層を積層構造でもよい。4層の音響整合層の場合には、圧電素子と接する1層目の音響整合層は25℃にて12〜19MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金、2層目の音響整合層は25℃にて7〜12MRaylsの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、3層目の音響整合層は25℃にて3〜5MRaylsの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する4層目の音響整合層は25℃にて1.8〜2.5MRaylsの音響インピーダンスを有する樹脂を含む材料、からそれぞれ構成されることが好ましい。このような超音波プローブにおいて、各音響整合層は圧電素子の振動による周波数のλ/5〜λ/2の厚さを有することが好ましい。   The array-type ultrasonic probe according to the embodiment has three or more acoustic matching layers, and may have a laminated structure of, for example, four acoustic matching layers in addition to the above-described three acoustic matching layers. In the case of four acoustic matching layers, the first acoustic matching layer in contact with the piezoelectric element is an Mg—Sn or Mg—Cu based magnesium alloy having an acoustic impedance of 12 to 19 MRayls at 25 ° C., two layers The acoustic matching layer of the eye is a magnesium alloy having an acoustic impedance of 7 to 12 MRayls at 25 ° C., and the third acoustic matching layer is in contact with a conductive material having an acoustic impedance of 3 to 5 MRayls at 25 ° C., the acoustic lens. The fourth acoustic matching layer is preferably composed of a material containing a resin having an acoustic impedance of 1.8 to 2.5 MRayls at 25 ° C. In such an ultrasonic probe, each acoustic matching layer preferably has a thickness of λ / 5 to λ / 2 due to vibration of the piezoelectric element.

実施形態に係る超音波プローブを備えた超音波診断装置を図4を参照して説明する。   An ultrasonic diagnostic apparatus including the ultrasonic probe according to the embodiment will be described with reference to FIG.

対象物に対し超音波信号を送信し、その対象物からの反射信号(エコー信号)を受信して対象物を画像化する医療用の超音波診断装置(または超音波画像検査装置)は、超音波信号送受信機能を有するアレイ式超音波プローブを備えている。この超音波プローブは、例えば前述した図1〜図3に示す2次元アレイ構造を有する。この超音波プローブ1は、ケーブル15を通して超音波診断装置本体31に接続されている。超音波診断装置本体31内には超音波プローブの超音波信号の送信、受信処理等を行う図示しない超音波プローブ制御器、およびディスプレイ32等が設けられている。   A medical ultrasonic diagnostic apparatus (or ultrasonic image inspection apparatus) that transmits an ultrasonic signal to an object, receives a reflection signal (echo signal) from the object, and images the object, An array type ultrasonic probe having a sound wave signal transmission / reception function is provided. This ultrasonic probe has, for example, the two-dimensional array structure shown in FIGS. The ultrasonic probe 1 is connected to an ultrasonic diagnostic apparatus main body 31 through a cable 15. In the ultrasonic diagnostic apparatus main body 31, an ultrasonic probe controller (not shown) that performs transmission and reception processing of ultrasonic signals of the ultrasonic probe, a display 32, and the like are provided.

以上説明した実施形態に係るアレイ式超音波プローブは、バッキングと、このバッキング上に配列され、それぞれ圧電素子およびこの圧電素子上に形成される3層以上の音響整合層を有する複数のチャンネルと、各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズとを具備する。前記圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、25℃にて25〜40MRaylsの音響インピーダンスを有し、かつ前記圧電素子の前記音響整合層側の電極は、5μm以下の厚さを有する。3層以上の音響整合層は、音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ圧電素子と接する前記音響整合層は25℃にて11〜19MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金から作られる。このような構成にすることによって、以下のような効果を奏する。   The array-type ultrasonic probe according to the embodiment described above includes a backing and a plurality of channels arranged on the backing, each having a piezoelectric element and three or more acoustic matching layers formed on the piezoelectric element. And an acoustic lens formed so as to cover at least the surface of the uppermost acoustic matching layer of each channel. The piezoelectric element includes a piezoelectric body and electrodes formed on the backing side and the acoustic matching layer side of the piezoelectric body, and has an acoustic impedance of 25 to 40 MRayls at 25 ° C., and the piezoelectric element The electrode on the acoustic matching layer side has a thickness of 5 μm or less. Three or more acoustic matching layers have an acoustic impedance gradually decreasing toward the acoustic lens, and the acoustic matching layer in contact with the piezoelectric element is an Mg-Sn system having an acoustic impedance of 11 to 19 MRayls at 25 ° C. Made of Mg-Cu based magnesium alloy. By adopting such a configuration, the following effects can be obtained.

(1)圧電素子は、25℃にて25〜40MRaylsの音響インピーダンスを有し、音響整合層と接する電極の厚さが5μmにあるため、圧電素子を安定した共振周波数で振動させることが可能になる。また、3層以上の音響整合層は音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ電極と接する音響整合層は低減衰率でかつ圧電素子と適切に整合した11〜19MRaylsの音響インピーダンスを有する。その結果、各チャンネルにおいて圧電素子を振動させた発生した超音波を第1音響整合層を含む3層以上の音響整合層を通して音響レンズから送信する間、および音響レンズから3層以上の音響整合層を通して圧電素子で受信する間、超音波のエネルギーロスを低減して、超音波の通過性能の向上と広帯域化が図れるため、効率的な送受信が可能な高性能のアレイ式超音波プローブを提供できる。   (1) The piezoelectric element has an acoustic impedance of 25 to 40 MRayls at 25 ° C., and the thickness of the electrode in contact with the acoustic matching layer is 5 μm, so that the piezoelectric element can be vibrated at a stable resonance frequency. Become. The acoustic matching layers of three or more layers gradually decrease in acoustic impedance toward the acoustic lens, and the acoustic matching layer in contact with the electrode has a low attenuation factor and the acoustic impedance of 11 to 19 MRayls appropriately matched with the piezoelectric element. Have As a result, ultrasonic waves generated by vibrating the piezoelectric element in each channel are transmitted from the acoustic lens through three or more acoustic matching layers including the first acoustic matching layer, and three or more acoustic matching layers from the acoustic lens. The ultrasonic energy loss can be reduced and the ultrasonic wave passing performance can be improved and the bandwidth can be increased while receiving through the piezoelectric element through the piezoelectric element. Therefore, it is possible to provide a high-performance array type ultrasonic probe capable of efficient transmission and reception. .

特に、3層の積層構造の音響整合層を有する超音波プローブにおいて、圧電素子と接する1層目の音響整合層を25℃にて11〜15MRaylsの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、2層目の音響整合層を25℃にて2.7〜8MRaylsの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する3層目の音響整合層を25℃にて1.8〜2.5MRaylsの音響インピーダンスを有する材料、からそれぞれ構成し、かつそれぞれの音響整合層の厚さを圧電素子の振動による周波数のλ/5〜λ/2の厚さにすることによって、送受信時の超音波のエネルギーロスをより効果的に低減して、超音波の通過性能のより一層の向上と広帯域化を図ることが可能になる。   In particular, in an ultrasonic probe having an acoustic matching layer having a three-layer structure, the first acoustic matching layer in contact with the piezoelectric element is a magnesium alloy having an acoustic impedance of 11 to 15 MRalys at 25 ° C., and the second acoustic layer. The matching layer has a conductive material having an acoustic impedance of 2.7 to 8 MRayls at 25 ° C., and the third acoustic matching layer in contact with the acoustic lens has an acoustic impedance of 1.8 to 2.5 MRayls at 25 ° C. By making the thickness of each acoustic matching layer to be λ / 5 to λ / 2 of the frequency due to vibration of the piezoelectric element, the energy loss of ultrasonic waves at the time of transmission and reception is more effective Therefore, it is possible to further improve the performance of passing ultrasonic waves and increase the bandwidth.

また、4層の積層構造の音響整合層を有する超音波プローブにおいて、圧電素子と接する1層目の音響整合層を25℃にて12〜19MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金、2層目の音響整合層を25℃にて7〜12MRaylsの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、3層目の音響整合層を25℃にて3〜5MRaylsの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する4層目の音響整合層を25℃にて1.8〜2.5MRaylsの音響インピーダンスを有する樹脂を含む材料、からそれぞれ構成し、かつそれぞれの音響整合層の厚さを圧電素子の振動による周波数のλ/5〜λ/2の厚さにすることによって、送受信時の超音波のエネルギーロスをより効果的に低減して、超音波の通過性能のより一層の向上と広帯域化を図ることが可能になる。   Further, in the ultrasonic probe having the acoustic matching layer of the four-layer structure, the first acoustic matching layer in contact with the piezoelectric element is made of Mg—Sn or Mg—Cu having an acoustic impedance of 12 to 19 MRayls at 25 ° C. Magnesium alloy, magnesium alloy having a second acoustic matching layer having an acoustic impedance of 7 to 12 MRayls at 25 ° C, and conductive material having an acoustic impedance of 3 to 5 MRayls in a third acoustic matching layer at 25 ° C The material and the fourth acoustic matching layer in contact with the acoustic lens are each composed of a material containing a resin having an acoustic impedance of 1.8 to 2.5 MRayls at 25 ° C., and the thickness of each acoustic matching layer Is set to a thickness of λ / 5 to λ / 2 of the frequency due to vibration of the piezoelectric element, so that the energy loss of ultrasonic waves during transmission and reception Can be more effectively reduced, and the ultrasonic wave passing performance can be further improved and the bandwidth can be increased.

さらに、前述した3層または4層の音響整合層を積層した構造において、第1、第2の音響整合層は導電材料からなるため、第1、第2の音響整合層を例えばダイシングにより2次元的に分離して配列し、さらにその下の圧電素子の圧電体に達する溝を形成して第1音響整合層と接する電極も2次元的に分離した場合、第2音響整合層を圧電素子の上部側の電極として機能させることが可能になる。その結果、2次元的に配列された第2音響整合層に信号電極であるフレキシブル印刷配線板を容易に接続して外部に引き回すことが可能な2次元アレイ式超音波プローブを容易に実現できる。   Furthermore, in the structure in which the three or four acoustic matching layers are stacked, the first and second acoustic matching layers are made of a conductive material, so that the first and second acoustic matching layers are two-dimensionally formed by dicing, for example. If the electrodes that contact the first acoustic matching layer are also two-dimensionally separated by forming grooves that reach the piezoelectric body of the piezoelectric element below it, the second acoustic matching layer is It becomes possible to function as an electrode on the upper side. As a result, it is possible to easily realize a two-dimensional array type ultrasonic probe capable of easily connecting a flexible printed wiring board as a signal electrode to the second acoustic matching layer arranged two-dimensionally and routing it to the outside.

(2)圧電素子と接する音響整合層は、Mg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金で作られ、ダイシング加工性に優れているため、例えばダイヤモンドソーによるダイシング処理によって目的とする幅を持つチャンネルを精密に形成することが可能になる。その結果、チャンネル間のクロストークを低減できるため、高解像度のアレイ式超音波プローブを実現できる。   (2) The acoustic matching layer in contact with the piezoelectric element is made of an Mg—Sn-based or Mg—Cu-based magnesium alloy and has excellent dicing workability, and thus has a desired width by, for example, dicing with a diamond saw. The channel can be precisely formed. As a result, since crosstalk between channels can be reduced, a high-resolution array ultrasonic probe can be realized.

(3)圧電素子と接する音響整合層(第1音響整合層)は、耐熱性に優れ、かつ上下層(圧電素子および第2音響整合層)との間に介在されるエポキシ系接着剤層に対して高い接着性を有するため、超音波エネルギーの吸収、減衰に伴う音響整合層の加熱および機械的な圧力が加わっても、上下の層からの剥離を防止できる。その結果、チャンネル間での感度が均一な高い長期信頼性を有するアレイ式超音波プローブを提供できる。   (3) The acoustic matching layer (first acoustic matching layer) in contact with the piezoelectric element has excellent heat resistance and is an epoxy adhesive layer interposed between the upper and lower layers (piezoelectric element and second acoustic matching layer). On the other hand, since it has high adhesiveness, peeling from the upper and lower layers can be prevented even when the acoustic matching layer is heated due to absorption and attenuation of ultrasonic energy and mechanical pressure is applied. As a result, it is possible to provide an array ultrasonic probe having high long-term reliability with uniform sensitivity between channels.

特に、前記一般式MgxM1yM2zで表され、3点曲げ強度が150MPa以上、破断伸びが2%以下であるMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金からなる音響整合層は、より安定したダイシング加工性を有するため、例えばダイヤモンドソーによるダイシング処理によって0.03mm2以下の微細な面積を持つチャンネルの形成が可能で、より一層小型のアレイ式超音波プローブを提供できる。 In particular, an acoustic matching layer made of a Mg—Sn-based or Mg—Cu-based magnesium alloy represented by the general formula Mg x M1 y M2 z , having a three-point bending strength of 150 MPa or more and a breaking elongation of 2% or less, Since it has more stable dicing workability, it is possible to form a channel having a fine area of 0.03 mm 2 or less by dicing with a diamond saw, for example, and it is possible to provide a much smaller array type ultrasonic probe.

また、MgxSnyz(XはCa,Y,Zr,Al、x、y、zはx=40〜80重量%、y=20〜60重量%、z=0〜5重量%である。)の三元系のMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金からなる音響整合層は、ダイシングにより50μm角以下での精密な加工性が可能で、さらに優れたメッキ特性、耐食性を有する。またマグネシウム合金からなる音響整合層は音速が5500m/s以下と低く、厚さを薄くすることが可能であるため、軽量のアレイ式超音波プローブを実現できる。 Mg x Sn y X z (X is Ca, Y, Zr, Al, x, y, z is x = 40 to 80% by weight, y = 20 to 60% by weight, z = 0 to 5% by weight) The acoustic matching layer made of a ternary Mg—Sn or Mg—Cu based magnesium alloy is capable of precise workability at 50 μm square or less by dicing, and has excellent plating characteristics and corrosion resistance. . In addition, the acoustic matching layer made of a magnesium alloy has a sound velocity as low as 5500 m / s or less and can be made thin, so that a lightweight array-type ultrasonic probe can be realized.

実施形態に係る超音波診断装置は、クロストークが小さく、高性能、高信頼性のアレイ式超音波プローブを備えるため、断層像の画質向上および感度向上を達成できる。   The ultrasonic diagnostic apparatus according to the embodiment includes a high-performance, high-reliability array-type ultrasonic probe with low crosstalk, and thus can improve image quality and sensitivity of a tomographic image.

以下,本発明の実施例をさらに詳細に説明する。   In the following, embodiments of the present invention will be described in more detail.

(実施例1)
マグネシウムおよび錫をその構成比がMg=78.25wt%、Sn=21.75wt%,となるように秤量した。これを真空溶解炉に入れ、600〜800℃にて六フッ化いおう(SF6)ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解した後、溶湯を60mm×60mm角のインゴットに成型し、冷却した。得られたインゴットから通常の放電加工機を用いて幅30mm、長さ30mm、厚さ1.0mmの試験片を加工し、第1音響整合層用素材を作製した。
Example 1
Magnesium and tin were weighed so that the constituent ratios were Mg = 78.25 wt% and Sn = 21.75 wt%. This was put into a vacuum melting furnace and mixed and stirred in an atmosphere of sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas at 600 to 800 ° C., and then the molten metal was molded into a 60 mm × 60 mm square ingot and cooled. A test piece having a width of 30 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 1.0 mm was processed from the obtained ingot using a normal electric discharge machine to produce a first acoustic matching layer material.

(実施例2)
マグネシウムおよび錫をその構成比がMg=43.33Wt%、Sn=56.67wt%となるように秤量した。これを真空溶解炉に入れ、600〜800℃にて六フッ化いおう(SF6)ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解し、溶融湯を60mm×60mm角のインゴットに成型し、冷却した。得られたインゴットから通常の放電加工機を用いて幅30mm、長さ30mm、厚さ1.0mmの試験片を加工し、第1音響整合層用素材を作製した。
(Example 2)
Magnesium and tin were weighed so that the constituent ratios were Mg = 43.33 Wt% and Sn = 56.67 wt%. This was put into a vacuum melting furnace, mixed and stirred and dissolved in an atmosphere of sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas at 600 to 800 ° C., and the molten water was molded into a 60 mm × 60 mm square ingot and cooled. A test piece having a width of 30 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 1.0 mm was processed from the obtained ingot using a normal electric discharge machine to produce a first acoustic matching layer material.

(実施例3−11)
マグネシウム、錫、銅、カルシウム、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、マンガンおよび亜鉛を下記表1に示すように秤量した。これらを真空溶解炉に入れ、600〜1000℃にて六フッ化いおう(SF6)ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解し、溶湯を60mm×60mm角の9種のインゴットに成型し、冷却した。得られた各インゴットから通常の放電加工機を用いて幅30mm、長さ30mm、厚さ1.0mmの試験片を加工し、第1音響整合層用素材を作製した。
(Example 3-11)
Magnesium, tin, copper, calcium, aluminum, yttrium, zirconium, manganese and zinc were weighed as shown in Table 1 below. These were put into a vacuum melting furnace, mixed and dissolved in an atmosphere of sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas at 600 to 1000 ° C., and the molten metal was molded into nine ingots of 60 mm × 60 mm square and cooled. A test piece having a width of 30 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 1.0 mm was processed from each of the obtained ingots using an ordinary electric discharge machine to produce a first acoustic matching layer material.

(比較例1〜5)
アルミニウム、マグネシウムおよび亜鉛を下記表1に示すように秤量した。これらを真空溶解炉に入れ、600〜1000℃にて六フッ化いおう(SF6)ガスの雰囲気下で混合攪拌溶解し、溶湯を60mm×60mm角の5種のインゴットに成型し、冷却した。得られた各インゴットから通常の放電加工機を用いて幅30mm、長さ30mm、厚さ1.0mmの試験片を加工し、第1音響整合層用素材を作製した。
(Comparative Examples 1-5)
Aluminum, magnesium and zinc were weighed as shown in Table 1 below. These were put into a vacuum melting furnace, mixed and stirred and melted in an atmosphere of sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas at 600 to 1000 ° C., and the molten metal was molded into 5 types of 60 mm × 60 mm square ingots and cooled. A test piece having a width of 30 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 1.0 mm was processed from each of the obtained ingots using an ordinary electric discharge machine to produce a first acoustic matching layer material.

得られた実施例1〜11、比較例1〜5の第1音響整合層用素材、タングステンを30体積%含有する複合エポコシ樹脂からなる第1音響整合層用素材(比較例6)および珪酸ガラスからなる第1音響整合層用素材(比較例7)について、密度、音速、音響インピーダンス(z)、減衰率、加工性を以下の方法に評価した。   The first acoustic matching layer material of Examples 1-11 and Comparative Examples 1-5, the first acoustic matching layer material (Comparative Example 6) made of a composite epoxy resin containing 30% by volume of tungsten, and silicate glass The material for the first acoustic matching layer (Comparative Example 7) was evaluated for density, sound speed, acoustic impedance (z), attenuation rate, and workability by the following methods.

1)密度
密度は、前記第1音響整合層用素材を研磨加工して得られた幅30mm、長さ30mm、厚さ1.0mmの特性評価用サンプルを用いて求めた。密度の測定は、25℃のサンプルの空中および水中の重量を測定し、アルキメデス法にて行った。
1) Density Density was determined using a characteristic evaluation sample having a width of 30 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 1.0 mm obtained by polishing the first acoustic matching layer material. The density was measured by measuring the weight of a sample at 25 ° C. in the air and in water and using the Archimedes method.

2)音速および減衰率
前記第1音響整合層用素材を研磨加工して得られた幅30mm、長さ30mm、厚さ1.0mmおよび50mm角、長さ80mmをサンプルとして用いた。
2) Sound velocity and attenuation rate 30 mm in width, 30 mm in length, 1.0 mm in thickness, 50 mm square, and 80 mm in length obtained by polishing the first acoustic matching layer material were used as samples.

音響特性は、25℃で5MHzの測定用プローブを用いて行った。音速の測定は幅30mm、長さ30mm、厚さ1.0mmのサンプルを用い、水中においてサンプルの有無による反射エコーの時間差とサンプル厚さから音速を求めた。音速(C)の算出は各温度における水の音速を基準として、水とサンプルの透過波形の時間差を利用し、以下の式を用いて算出した。   The acoustic characteristics were performed using a measurement probe of 5 MHz at 25 ° C. The speed of sound was measured using a sample having a width of 30 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 1.0 mm, and the sound speed was determined from the time difference of the reflected echo depending on the presence or absence of the sample in water and the sample thickness. The speed of sound (C) was calculated using the following formula using the time difference between the transmission waveforms of water and the sample on the basis of the sound speed of water at each temperature.

C=C0/[L−C0(Δt/d)]
ここで、C0は水の音速、dはサンプル厚さ、Δtは水とサンプルの透過波形の最初のピークを越した後のゼロクロス点の時間差を示す。
C = C 0 / [L−C 0 (Δt / d)]
Here, C 0 is the speed of sound of water, d is the thickness of the sample, and Δt is the time difference between the zero cross points after passing the first peak of the transmission waveform of water and the sample.

減衰率は、JIS Z 2354−2005「超音波パルス半斜方による固体の超音波減衰率測定方法」に従い25℃にて5MHzのプローブを用いて、空気中で測定した。サンプルは50mm角、長さ80mmを用いた。両端を表面粗度25Sに研磨し、その上面に少量のグリセリン水溶液を塗布して5MHzのプローブを配置し、密着させ底面からの反射を測定して反射エコーの強度差とサンプル厚さから所定の方法で減衰率を求めた。   The attenuation factor was measured in air using a 5 MHz probe at 25 ° C. in accordance with JIS Z 2354-2005 “Method for measuring ultrasonic attenuation factor of solid by ultrasonic pulse half oblique”. The sample used was a 50 mm square and a length of 80 mm. Both ends are polished to a surface roughness of 25S, a small amount of glycerin aqueous solution is applied to the top surface, a 5MHz probe is placed, the reflection from the bottom surface is measured, and the intensity difference of the reflected echo and the sample thickness are measured. The attenuation rate was obtained by this method.

3)音響インピーダンス(z)
zは、室温25℃にて測定した密度と音速の積として求めた。
3) Acoustic impedance (z)
z was determined as the product of density and sound velocity measured at room temperature of 25 ° C.

4) 破断伸び
破断伸びは、JIS Z2241に従い、測定した。サンプルの大きさは、長さ50mm、幅10mm、厚さ2.0mmの規定の寸法を用い、インストロン装置を用いて測定した。
4) Elongation at break The elongation at break was measured according to JIS Z2241. The size of the sample was measured using an Instron apparatus using specified dimensions of length 50 mm, width 10 mm, and thickness 2.0 mm.

5)3点曲げ強度
前記第1音響整合層用素材を研磨加工して得られた3mm角、長さ30mmの角棒をサンプルをとし、インストロン試験機を用いてn=5で曲げ試験を行い、JIS-R1601に定められた所定の方法で抗折強度を求めた。
5) Three-point bending strength A 3 mm square, 30 mm long square bar obtained by polishing the first acoustic matching layer material was used as a sample, and a bending test was performed at n = 5 using an Instron testing machine. The bending strength was determined by a predetermined method defined in JIS-R1601.

6)加工性
前記第1音響整合層用素材を研磨加工して得られた幅30mm、長さ30mm、厚さ1.0mmの加工性評価用サンプルを厚さ50μmのダイヤモンドブレードを用いて切断幅が250μm,200μm、150μm、100μmのピッチで、深さが400μmになるように各5本切り込みを入れ、さらに90度回転させ、再び同様の250μm,200μm、150μm、100μmのピッチで、深さが400μmになるように切り込みを入れた。この加工は、クロスダイシングテストと呼ばれている。
6) Workability A width of 30 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 1.0 mm obtained by polishing the first acoustic matching layer material were cut using a diamond blade with a thickness of 50 μm. 5 pitches of 250 μm, 200 μm, 150 μm, and 100 μm, and a depth of 400 μm, and further rotated 90 degrees, and again with the same pitch of 250 μm, 200 μm, 150 μm, and 100 μm, the depth is A cut was made so as to be 400 μm. This processing is called a cross dicing test.

前記試験による切り込み後の残存部分(200μm×200μm角から50μm×50μm角)を顕微鏡で観察した。この観察において、加工性評価用サンプル(第1音響整合層)の倒れ、直線性から確認される加工性を評価した。加工性に劣るサンプルは一方向への切断を5回行い、その残存部を評価した。   The remaining part (200 μm × 200 μm square to 50 μm × 50 μm square) after cutting by the above test was observed with a microscope. In this observation, the workability confirmed from the fall of the workability evaluation sample (first acoustic matching layer) and the linearity was evaluated. Samples with inferior processability were cut five times in one direction and the remaining part was evaluated.

加工性の判定は、
・残存した50μm角の加工に全く問題がない場合:10、
・残存した100μm角の加工に全く問題がない場合:9、
・残存した150μm角の加工に全く問題がない場合:8、
・残存した200μm角の加工に全く問題がない場合:7、
・残存した50μm×30mmの短冊の加工に全く問題がない場合:6、
・残存した100μm×30mmの短冊の加工に全く問題がない場合:5、
・残存した150μm×30mmの短冊の加工に全く問題がない場合:4、
・残存した200μm×30mmの短冊の加工に全く問題がない場合:3、
・残存した500μm×30mmへの溝入れ加工ができる場合:2
・残存した500μm×30mmへの溝入れ加工ができない場合:1
の10段階とした。
Judgment of workability
・ When there is no problem with the remaining 50 μm square processing: 10,
・ When there is no problem with the remaining 100 μm square processing: 9,
・ When there is no problem with the remaining 150 μm square processing: 8,
・ When there is no problem with the remaining 200 μm square processing: 7,
・ When there is no problem in processing the remaining 50 μm × 30 mm strip: 6,
When there is no problem in processing the remaining 100 μm × 30 mm strip: 5,
When there is no problem in processing the remaining 150 μm × 30 mm strip: 4,
・ When there is no problem in processing the remaining 200 μm × 30 mm strip: 3,
・ When the remaining 500 μm × 30 mm can be grooved: 2
・ When grooving to the remaining 500 μm × 30 mm is not possible: 1
10 stages.

これらの結果を下記表2に示す。

Figure 2008244859
These results are shown in Table 2 below.
Figure 2008244859

Figure 2008244859
Figure 2008244859

前記表1および表2から明らかなよう特定の組成のマグネシウム合金からなる実施例1〜13の第1音響整合層(圧電素子の電極と接する音響整合層)は、音響インピーダンス(z)が圧電素子との関係で適切な11〜19MRaylsを有するにも拘らず、低減衰率で、かつ加工性に優れていることがわかる。   As apparent from Table 1 and Table 2, the first acoustic matching layers (acoustic matching layers in contact with the electrodes of the piezoelectric element) of Examples 1 to 13 made of a magnesium alloy having a specific composition have an acoustic impedance (z) of the piezoelectric element. It can be seen that despite having the appropriate 11-19 MRayls in relation to the above, it has a low attenuation factor and excellent workability.

これに対し、比較例1〜7の第1音響整合層は、減衰率が大きいか、または加工性のいずれかが劣るか、導電性がないなどこれらの特性を全て満足するものではないことがわかる。   On the other hand, the first acoustic matching layers of Comparative Examples 1 to 7 may not satisfy all of these characteristics such as a large attenuation rate, poor workability, or no electrical conductivity. Recognize.

このような実施例1〜11の第1音響整合層を有するアレイ式超音波プローブは、超音波のエネルギーを効果的に送受信でき、チャンネル間での感度が均一で、かつチャンネル間のクロストークを低減でき、高解像度性、長期信頼性を有する。   The array type ultrasonic probe having the first acoustic matching layer of Examples 1 to 11 can effectively transmit and receive ultrasonic energy, has uniform sensitivity between channels, and has crosstalk between channels. It can be reduced and has high resolution and long-term reliability.

(実施例12)
PZT圧電体およびこの両面にNi電極を形成した厚さ0.4mmの圧電素子と、厚さ0.4mmの実施例3のMg合金板(第1音響整合層)と、厚さ0.2mmのカーボン板(第2音響整合層)とからなる3枚の積層振動子を幅0.15mm、高さ1.0mm、長さ10mmで切断した短冊振動子を作製した。
(Example 12)
A PZT piezoelectric body, a piezoelectric element having a thickness of 0.4 mm with Ni electrodes formed on both sides thereof, a Mg alloy plate (first acoustic matching layer) of Example 3 having a thickness of 0.4 mm, and a thickness of 0.2 mm A strip vibrator was produced by cutting three laminated vibrators composed of a carbon plate (second acoustic matching layer) with a width of 0.15 mm, a height of 1.0 mm, and a length of 10 mm.

得られた短冊振動子の周波数に対するインピーダンスおよび位相の特性を調べた。その結果を図5に示す。図5から明らかなように矢印AおよびBに示す個所に第1音響整合層、第2音響整合層によるピークがそれぞれ明瞭に観察され、このMg合金からなる第1音響整合層が良好な音響特性を持つことがわかる。   The impedance and phase characteristics with respect to the frequency of the obtained strip resonator were examined. The result is shown in FIG. As is clear from FIG. 5, peaks due to the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer are clearly observed at the positions indicated by arrows A and B, and the first acoustic matching layer made of this Mg alloy has good acoustic characteristics. You can see that

(実施例13)
音響インピーダンス(z)が4MRaylsのクロロプレンゴムにフェライトを添加したバッキング上に厚さ400μmの圧電素子、厚さ420μm、zが13.9MRaylsの実施例3のMg−Sn−Ca合金からなる第1音響整合層、厚さ200μm、zが5.2MRaylsのカーボン板(第2音響整合層)、zが2.1MRaylsで厚さが180μmのシリコーンエポキシ樹脂層(第3音響整合層)をこの順序で、かつそれらの間にエポキシ樹脂系接着剤を介在し重ねた後、120℃で1時間程度、加圧しながら加熱硬化させて相互に接着した。なお、前記圧電素子は両面にNi/Au(厚さ0.1μm/0.2μm)からなる第1、第2の電極を有する。また、第1〜第3の音響整合層はそれぞれの両面にNi/Au(厚さ0.1μm/0.2μm)からなる金属層を形成したものを用いた。アース電極及び信号電極は圧電素子の周囲に良く知られた回し込み電極を取り付け、その下部にフレキシブル印刷配線板を取り付けて構成した。
(Example 13)
A first acoustic material made of a Mg—Sn—Ca alloy of Example 3 having a piezoelectric element with a thickness of 400 μm, a thickness of 420 μm, and z of 13.9 MRayls on a backing obtained by adding ferrite to chloroprene rubber having an acoustic impedance (z) of 4 MRayls. A matching layer, a carbon plate having a thickness of 200 μm and z of 5.2 MRayls (second acoustic matching layer), a silicone epoxy resin layer having a thickness of z of 2.1 MRayls and a thickness of 180 μm (third acoustic matching layer) in this order, And after interposing an epoxy resin adhesive between them, they were cured by heating at 120 ° C. for about 1 hour while being pressurized and adhered to each other. The piezoelectric element has first and second electrodes made of Ni / Au (thickness 0.1 μm / 0.2 μm) on both sides. The first to third acoustic matching layers were formed by forming a metal layer made of Ni / Au (thickness 0.1 μm / 0.2 μm) on each side. The ground electrode and the signal electrode were constructed by attaching a well-known wrap-around electrode around the piezoelectric element and attaching a flexible printed wiring board to the lower part thereof.

次いで、前記第3音響整合層からバッキングに向かって幅50μmのダイヤモンドブレードにより幅200μm、バッキングへの切り込み深さ200μmになるようにダイシング処理した。このダイシングにより200μmを1チャンネルとし、合計64チャンネルを形成した。ひきつづき、各チャンネル間のスペースに液状シリコーンゴムを充填し、125℃にて1時間で硬化させた。各チャンネル上にシリコーンゴムからなるzが1.5MRaylsの音響レンズを変性シリコーンゴム系接着剤で固定した。最後に、バッキング、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース(筐体)内に収納し、このケース内に前記各チャンネルの圧電素子の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路を内蔵することにより3.5MHzの1次元アレイ式超音波プローブを組み立てた。   Next, dicing was performed from the third acoustic matching layer toward the backing with a diamond blade having a width of 50 μm so that the width was 200 μm and the depth of cut into the backing was 200 μm. This dicing made 200 μm one channel, and a total of 64 channels were formed. Subsequently, liquid silicone rubber was filled in the space between the channels and cured at 125 ° C. for 1 hour. On each channel, an acoustic lens made of silicone rubber and having a z of 1.5 MRayls was fixed with a modified silicone rubber adhesive. Finally, a backing, a plurality of channels and an acoustic lens are housed in a case (housing), and a control circuit for controlling the driving timing of the piezoelectric element of each channel and a received signal received by the piezoelectric element are stored in the case. A one-dimensional array type ultrasonic probe of 3.5 MHz was assembled by incorporating a signal processing circuit including an amplifier circuit for amplification.

(実施例14)
音響インピーダンス(z)が4MRaylsのクロロプレンゴムにフェライトを添加したバッキング上に厚さ500μmの圧電素子、厚さ420μm、zが13.9MRaylsの実施例3に示されたMg−Sn−Ca合金からなる第1音響整合層、厚さ200μm、zが5.2MRaylsのカーボン板(第2音響整合層)をこの順序で、かつそれらの間にエポキシ樹脂系接着剤を介在し重ねた後、120℃で1時間程度、加圧しながら加熱硬化させて相互に接着した。なお、前記圧電素子は両面にNi/Au(厚さ0.1μm/0.2μm)からなる第1、第2の電極を有する。また、第1,第2の音響整合層はそれぞれの両面にNi/Au(厚さ0.1μm/0.2μm)からなる金属層を形成したものを用いた。アース電極は、圧電素子の下部電極(第1電極)にフレキシブル印刷配線板を接続して構成した。
(Example 14)
A piezoelectric element having a thickness of 500 μm on a backing obtained by adding ferrite to chloroprene rubber having an acoustic impedance (z) of 4 MRayls, a Mg—Sn—Ca alloy shown in Example 3 having a thickness of 420 μm and z of 13.9 MRayls After stacking the first acoustic matching layer, carbon plate having a thickness of 200 μm and z of 5.2 MRayls (second acoustic matching layer) in this order and interposing an epoxy resin adhesive therebetween, at 120 ° C. They were heat-cured under pressure for about 1 hour and adhered to each other. The piezoelectric element has first and second electrodes made of Ni / Au (thickness 0.1 μm / 0.2 μm) on both sides. The first and second acoustic matching layers were formed by forming a metal layer made of Ni / Au (thickness 0.1 μm / 0.2 μm) on both surfaces. The ground electrode was configured by connecting a flexible printed wiring board to the lower electrode (first electrode) of the piezoelectric element.

次いで、前記第2音響整合層から圧電素子に向かって幅30μmのダイヤモンドブレードにより幅200μm、圧電素子への切り込み深さを300μmになるようにダイシング処理した。さらに90度回転し、同様にこのダイシングにより64×64=3900チャンネルの2次元アレイを形成した。つづいて、各チャンネル間のスペースに液状シリコーンゴムを充填し、125℃にて1時間で硬化させた。ひきつづき、音響インピーダンスが2.0MRayls、厚さが180μmであるシリコーンエポキシ樹脂フィルムに複数の配線およびこれらの配線にそれぞれ接続されたパッドを形成したフレキシブル印刷配線板を用意し、フレキシブル印刷配線板を2次元的に複数分離された各第2音響整合層上に各音響整合層に各パッドが接続するように位置合せして取り付けることにより信号電極を形成した。フレキシブル印刷配線板上にzが2.1MRaylsで厚さが180μmのシリコーンエポキシ樹脂層(第3音響整合層)をエポキシ樹脂系接着剤を介在して重ねた後、120℃で1時間程度、加圧しながら加熱硬化させて相互に接着した。第3音響整合層上にzが1.55MRaylsの樹脂性音響レンズを変性シリコーンゴム系接着剤で固定した。最後に、バッキング、複数のチャンネルおよび音響レンズをケース(筐体)内に収納し、このケース内に前記各チャンネルの圧電素子の駆動タイミングを制御する制御回路および圧電素子に受信された受信信号を増幅するためのアンプ回路を含む信号処理回路を内蔵することにより3MHzの2次元アレイ式超音波プローブを組み立てた。   Next, dicing was performed from the second acoustic matching layer toward the piezoelectric element by a diamond blade having a width of 30 μm so that the width was 200 μm and the depth of cut into the piezoelectric element was 300 μm. Further, the two-dimensional array of 64 × 64 = 3900 channels was formed by this dicing. Subsequently, liquid silicone rubber was filled in the space between each channel and cured at 125 ° C. for 1 hour. Next, a flexible printed wiring board is prepared by forming a plurality of wirings and pads connected to these wirings on a silicone epoxy resin film having an acoustic impedance of 2.0 MRayls and a thickness of 180 μm. A signal electrode was formed on each second acoustic matching layer separated in a plurality of dimensions by being aligned and attached so that each pad was connected to each acoustic matching layer. After a silicone epoxy resin layer (third acoustic matching layer) having a thickness of 2.1 μMayls and a thickness of 180 μm is laminated on the flexible printed wiring board with an epoxy resin adhesive interposed therebetween, it is heated at 120 ° C. for about 1 hour. It was heat-cured with pressure and adhered to each other. A resinous acoustic lens having z of 1.55 MRayls was fixed on the third acoustic matching layer with a modified silicone rubber adhesive. Finally, a backing, a plurality of channels and an acoustic lens are housed in a case (housing), and a control circuit for controlling the driving timing of the piezoelectric element of each channel and a received signal received by the piezoelectric element are stored in the case. A 3 MHz two-dimensional array type ultrasonic probe was assembled by incorporating a signal processing circuit including an amplifier circuit for amplification.

得られた実施例13,14のアレイ式超音波プローブを画像診断装置に接続してその特性を評価したところ、従来品と比べて良好な画像が得られた。   When the obtained array-type ultrasonic probe of Examples 13 and 14 was connected to an image diagnostic apparatus and its characteristics were evaluated, a better image was obtained as compared with the conventional product.

さらに実施例13,14のアレイ式超音波プローブを−10℃と85℃のヒートサイクル試験機に入れ、100サイクル試験前後に画像を確認したがチャンネル不良や画質低下の減少は見られなかった。   Furthermore, the array type ultrasonic probes of Examples 13 and 14 were put in a heat cycle tester at −10 ° C. and 85 ° C., and images were confirmed before and after the 100 cycle test. However, there was no reduction in channel failure or reduction in image quality.

実施形態に係る2次元アレイ式超音波プローブを示す斜視図。A perspective view showing a two-dimensional array type ultrasonic probe concerning an embodiment. 図1の2次元アレイ式超音波プローブの要部断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the two-dimensional array type ultrasonic probe of FIG. 1. 図1の2次元アレイ式超音波プローブの要部斜視図。The principal part perspective view of the two-dimensional array type ultrasonic probe of FIG. 実施形態に係る超音波診断装置を示す概略図。1 is a schematic diagram showing an ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment. 実施例12の短冊振動子の周波数に対するインピーダンスおよび位相の特性を示す図。The figure which shows the characteristic of the impedance with respect to the frequency of the strip vibrator of Example 12, and a phase.

符号の説明Explanation of symbols

1…次元アレイ式超音波プローブ、2…バッキング、3…圧電素子、51,52…電極、6…第1音響整合層、7…第2音響整合層、10…第3音響整合層、11…チャンネル、12…音響レンズ、13…ケース(筐体)、15…ケーブル、21…フレキシブル印刷配線板、31…超音波診断装置本体。 1 ... dimension array type ultrasonic probe, 2 ... backing, 3 ... piezoelectric elements, 5 1, 5 2 ... electrode, 6 ... first acoustic matching layer, 7 ... second acoustic matching layer, 10 ... third acoustic matching layer, DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Channel, 12 ... Acoustic lens, 13 ... Case (housing), 15 ... Cable, 21 ... Flexible printed wiring board, 31 ... Ultrasonic diagnostic apparatus main body.

Claims (10)

バッキング;
前記バッキング上に配列され、圧電素子およびこの圧電素子上に形成される3層以上の音響整合層を有する複数のチャンネル;および
前記各チャンネルの最上層の音響整合層表面を少なくとも覆うように形成された音響レンズ;
を具備し、
前記圧電素子は、圧電体とこの圧電体の前記バッキング側および前記音響整合層側にそれぞれ形成された電極とから構成され、25℃にて25〜40MRaylsの音響インピーダンスを有し、
前記圧電素子の前記音響整合層側の電極は、5μm以下の厚さを有し、
前記3層以上の音響整合層は、前記音響レンズに向けて音響インピーダンスが段階的に小さくなり、かつ
前記電極と接する音響整合層は、25℃にて11〜19MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金から構成されることを特徴とするアレイ式超音波プローブ。
backing;
A plurality of channels arranged on the backing and having a piezoelectric element and three or more acoustic matching layers formed on the piezoelectric element; and formed to cover at least the surface of the uppermost acoustic matching layer of each channel. Acoustic lens;
Comprising
The piezoelectric element is composed of a piezoelectric body and electrodes formed on the backing side and the acoustic matching layer side of the piezoelectric body, and has an acoustic impedance of 25 to 40 MRayls at 25 ° C.,
The electrode on the acoustic matching layer side of the piezoelectric element has a thickness of 5 μm or less,
The three or more acoustic matching layers have an acoustic impedance that decreases stepwise toward the acoustic lens, and the acoustic matching layer that contacts the electrode has an acoustic impedance of 11 to 19 MRayls at 25 ° C. An array-type ultrasonic probe comprising an Mg-based or Mg—Cu-based magnesium alloy.
前記マグネシウム合金は、下記一般式(I)にて表され、3点曲げ強度が150MPa以上、破断伸びが2%以下であることを特徴とする請求項1に記載のアレイ式超音波プローブ。
MgxM1yM2z …(I)
ただし、式中のM1はSnまたはCu、M2はAl,Zn,Sn,Cu,Ni,Mn,Si,Ti,Sb,Zr,Ca、Li,Yおよび希土類元素の群から選ばれる少なくとも1つの金属、x、y、zはx=40〜80重量%、y=20〜60重量%、z=0〜5重量%である。
The array-type ultrasonic probe according to claim 1, wherein the magnesium alloy is represented by the following general formula (I), and has a three-point bending strength of 150 MPa or more and an elongation at break of 2% or less.
Mg x M1 y M2 z (I)
In the formula, M1 is Sn or Cu, M2 is at least one metal selected from the group consisting of Al, Zn, Sn, Cu, Ni, Mn, Si, Ti, Sb, Zr, Ca, Li, Y and rare earth elements. , X, y, z are x = 40 to 80% by weight, y = 20 to 60% by weight, and z = 0 to 5% by weight.
前記マグネシウム合金は、平均結晶粒径が200μm以下であることを特徴とする請求項1記載のアレイ式超音波プローブ。   The array type ultrasonic probe according to claim 1, wherein the magnesium alloy has an average crystal grain size of 200 μm or less. 前記マグネシウム合金からなる音響整合層は、縦波音速が25℃にて4000〜6000m/s、密度が2.0〜3.5であることを特徴とする請求項1記載のアレイ式超音波プローブ。   The array type ultrasonic probe according to claim 1, wherein the acoustic matching layer made of the magnesium alloy has a longitudinal wave velocity of 4000 to 6000 m / s at 25 ° C. and a density of 2.0 to 3.5. . 前記マグネシウム合金からなる音響整合層は、上下面にその音響整合層の厚さの1/100以下の厚さを持つNi,AuおよびSnから選ばれる金属層を有することを特徴とする請求項1記載のアレイ式超音波プローブ。   2. The acoustic matching layer made of a magnesium alloy has a metal layer selected from Ni, Au and Sn having a thickness of 1/100 or less of the thickness of the acoustic matching layer on the upper and lower surfaces. The array type ultrasonic probe as described. 前記音響整合層は、3層の積層構造を有し、前記圧電素子と接する1層目の音響整合層は25℃にて11〜15MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金、2層目の音響整合層は25℃にて2.7〜8MRaylsの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する3層目の音響整合層は25℃にて1.8〜2.5MRaylsの音響インピーダンスを有する材料、からそれぞれ構成され、かつそれぞれの音響整合層は前記圧電素子の振動による周波数のλ/5〜λ/2の厚さを有することを特徴とする請求項1記載のアレイ式超音波プローブ。   The acoustic matching layer has a three-layer structure, and the first acoustic matching layer in contact with the piezoelectric element is an Mg—Sn based or Mg—Cu based acoustic impedance of 11 to 15 MRayls at 25 ° C. Magnesium alloy, the second acoustic matching layer is a conductive material having an acoustic impedance of 2.7-8 MRayls at 25 ° C., and the third acoustic matching layer in contact with the acoustic lens is 1.8- 2. A material having an acoustic impedance of 2.5 MRayls, and each acoustic matching layer has a thickness of λ / 5 to λ / 2 of a frequency caused by vibration of the piezoelectric element. The array type ultrasonic probe as described. 前記音響整合層は、4層の積層構造を有し、前記圧電素子と接する1層目の音響整合層は25℃にて12〜19MRaylsの音響インピーダンスを有するMg−Sn系またはMg−Cu系のマグネシウム合金、2層目の音響整合層は25℃にて7〜12MRaylsの音響インピーダンスを有するマグネシウム合金、3層目の音響整合層は25℃にて3〜5MRaylsの音響インピーダンスを有する導電性材料、前記音響レンズと接する4層目の音響整合層は25℃にて1.8〜2.5MRaylsの音響インピーダンスを有する樹脂を含む材料、からそれぞれ構成され、かつそれぞれの音響整合層は前記圧電素子の振動による周波数のλ/5〜λ/2の厚さを有することを特徴とする請求項1記載のアレイ式超音波プローブ。   The acoustic matching layer has a laminated structure of four layers, and the first acoustic matching layer in contact with the piezoelectric element is made of Mg—Sn or Mg—Cu having an acoustic impedance of 12 to 19 MRayls at 25 ° C. Magnesium alloy, the second acoustic matching layer is a magnesium alloy having an acoustic impedance of 7 to 12 MRayls at 25 ° C., and the third acoustic matching layer is a conductive material having an acoustic impedance of 3 to 5 MRayls at 25 ° C., The fourth acoustic matching layer in contact with the acoustic lens is made of a material including a resin having an acoustic impedance of 1.8 to 2.5 MRayls at 25 ° C., and each acoustic matching layer is formed of the piezoelectric element. 2. The array type ultrasonic probe according to claim 1, having a thickness of [lambda] / 5 to [lambda] / 2 of a frequency caused by vibration. 前記チャンネルは、2次元状に配列されていることを特徴とする請求項1記載のアレイ式超音波プローブ。   The array type ultrasonic probe according to claim 1, wherein the channels are arranged two-dimensionally. 前記圧電素子の圧電体は、ジルコンチタン酸鉛系セラミクス材料、リラクサ系単結晶およびチタン酸バリウム系のセラミック、単結晶の群から選ばれる少なくとも1つの材料から構成されることを特徴とする請求項1記載のアレイ式超音波プローブ。   The piezoelectric body of the piezoelectric element is composed of at least one material selected from the group consisting of lead zirconate titanate ceramic materials, relaxor single crystals and barium titanate ceramics, and single crystals. 2. The array-type ultrasonic probe according to 1. 請求項1〜9いずれか記載のアレイ式超音波プローブと、前記超音波プローブにケーブルを通して接続された超音波プローブ制御器とを具備したことを特徴とする超音波診断装置。   An ultrasonic diagnostic apparatus comprising: the array-type ultrasonic probe according to claim 1; and an ultrasonic probe controller connected to the ultrasonic probe through a cable.
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