JP4118115B2 - Ultrasonic probe - Google Patents

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    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2437Piezoelectric probes
    • G01N29/245Ceramic probes, e.g. lead zirconate titanate [PZT] probes

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波プローブに関する。
【0002】
【従来の技術】
医用超音波診断装置や非破壊検査機器の分野においては、対象物の内部状態を画像化するために、超音波を対象物に向けて照射し、その対象物における音響インピーダンスの異なる界面からの反射エコーを受信する超音波プローブが用いられている。
【0003】
一般に、超音波プローブには、電圧を印加することで振動が生じる圧電振動子(圧電体)を用いる。圧電体としては、従来から、電気機械結合係数k33’が70%程度と高いことから電気的信号から機械的振動への変換効率の高い、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の圧電セラミックが使用されてきた。
【0004】
これに対して近年、たとえば亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなるPb((Zn1/3Nb2/30.91Ti0.09)O3圧電単結晶のような、電気機械結合定数k33’が約80%以上と非常に効率の高い圧電単結晶が開発されている(例えば、特許文献1参照)。また、圧電単結晶は圧電セラミックに比べて機械的強度が小さく、チッピングなどが頻発して信頼性や感度の低下を招くことから、チッピング防止層を設けているものもある(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
しかしながら、上述した圧電単結晶を用いて超音波プローブを作製した場合、チッピングやクラックの発生は改善されたものの、依然としてプローブの感度ばらつきが大きいという問題があった。
【0006】
【特許文献1】
特開平06−38963号公報(第3−13頁、第1図)
【0007】
【特許文献2】
特開2000−14672公報(第3−6頁、第1図)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、感度のばらつきの小さい超音波プローブを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明の実施形態に係る超音波プローブは、音響バッキング材と、音響バッキング材上に設けられ、圧電単結晶により形成される圧電体と、圧電体が音響バッキング材と対向する第1の面及びこの第1の面とは反対側の面である第2の面に夫々設けられる一対の電極とを有する圧電素子と、圧電素子の第2の面上に設けられ、音響インピーダンスが圧電体の音響インピーダンスの40%以上85%以下である固体無機物からなる第1の音響整合層と、第1の音響整合層上に設けられ、音響インピーダンスが第1の音響整合層よりも小さい第2の音響整合層とを具備し、圧電素子及び第1の音響整合層及び第2の音響整合層を含む複数の積層体が、音響バッキング材上に一次元若しくは二次元のアレイ状に配列され、アレイ状に配列された前記積層体間の空隙部分は、充填率が5体積%以下であることを特徴とする。
【0010】
本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、音響バッキング材と圧電素子との間に、フレキシブル印刷配線板を具備しても良い。
【0011】
また本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、圧電単結晶が、Pb(B1,B2)1-xTix3(ただし、xの値は0.04≦x≦0.55であり、B1はZn、Mg、Ni、Sc、In及びYbよりなる群から選ばれる少なくとも一種であり、B2はNb及びTaよりなる群から選ばれる少なくとも一種である)で表される組成からなっても良い。
【0012】
また本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第1の音響整合層がSiO2、MgO及びAl23を含むセラミックスと、Si34、AlN、Al23及びZrO2を含むセラミックスと、カルシウムシリケート及びリチウムアルミノシリケートを含むセラミックスと、フッ素金雲母セラミックスと、六方晶窒化ホウ素セラミックスとからなる群より選ばれる少なくとも一種のセラミックスを含んでも良い。
【0014】
また本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、圧電素子は圧電体を複数層有し、圧電体間には電極を有してこれらが交互に積層される構成からなっても良い。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態に係る超音波プローブについて、図面を用いて説明する。
【0016】
図1は、本発明の実施形態に係る超音波プローブを説明する断面図である。図1に示すように、本発明の実施形態に係る超音波プローブは、音響バッキング材2と、音響バッキング材2上に設けられ圧電単結晶により形成される圧電体1と、圧電体1が音響バッキング材2と対向する第1の面に設けられる第2の電極4と、圧電体1の第1の面とは反対側の面である第2の面に設けられる第1の電極5と、第1の電極5上に設けられる第1の音響整合層3aと、第1の音響整合層3a上に設けられる第2の音響整合層3bとを有する。ここで、本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、第1の音響整合層3aは固体無機物からなり、第1の音響整合層3aの音響インピーダンスは、圧電体1の音響インピーダンスの40%以上85%以下である。また、第2の音響整合層3bの音響インピーダンスは、第1の音響整合層3aの音響インピーダンスよりも小さい。また、第1の電極5及び第2の電極4とこれらで挟まれる圧電体1とからなる圧電素子と、第1の音響整合層3aと、第2の音響整合層3bとが積層された積層体は、複数に分割されていることから複数がアレイ状に配列された構成となっている。なお、図1においては第2の音響整合層3b上に音響レンズ8を設けた構成としているが、これに限られたものではない。例えば、圧電素子と、第1の音響整合層3aと、第2の音響整合層3bとを積層した積層体を二次元アレイ状に配列した構成とした場合には、音響レンズ8を設けなくとも、解像度や感度の著しい向上が可能となる。
【0017】
本発明の実施形態に係る超音波プローブは、音響整合層を複数層設け、圧電素子に接する側の第1の音響整合層3aとして、固体無機物からなり、圧電体1の音響インピーダンスの40%以上85%以下の音響インピーダンスを有するものである。複数の音響整合層を設けることにより音響インピーダンスの整合が取れ、第1の音響整合層3aとして上記の構成とすることにより、圧電体の不要な振動を抑えることが出来、誘電率のばらつきが低減することから、超音波プローブ中に、圧電素子や音響整合層で構成される積層体ごとの感度のばらつき、つまりチャンネル間の感度のばらつきを低減することが出来る。以下に本発明の実施形態に係る構成により、チャンネル間の感度のばらつきを低減できる機構を説明する。
【0018】
図2は、図1の圧電体1を一つ取り出した斜視図である。図2のk33’の矢印方向を上下方向(厚み方向)とした場合にこの圧電体1の上下面に第1の電極5及び第2の電極4が形成されるものとする。圧電体1が超音波を送受信する場合、圧電体1は、厚み方向(k33’モード)及びk31の矢印方向(長さ方向、k31モード)に振動する。また、圧電体1の厚み方向の振動の大きさで電気機械結合係数k33’が決まり、長さ方向の振動の大きさで電気機械結合係数k31が決まる。
【0019】
一方、圧電素子をアレイ状に配列された超音波プローブの感度は、高周波数での誘電率εS1S3に依存し、このεS1S3は電気機械結合係数(k31、k33’)及び低周波数(通常、1kHzとする)での誘電率εTと関係があり、次に示す(1)式で表される。
【0020】
εS1S3=(1−k33’)×(1−k31 2)×εT (1)
本発明者らは、様々な方法により感度の向上を試みた結果、長さ方向の振動の大きさ、つまりのk31値がばらつくことにより、高周波数での誘電率εS1S3がばらつき、超音波プローブのチャンネル間の感度がばらつくことを見出した。そして、圧電体に近い側の第1の音響整合層として、固体無機物からなり、圧電体の音響インピーダンスの40%以上85%以下の音響インピーダンスを有するものを用いることにより、長さ方向の振動を抑えて圧電体の感度のばらつきを低減させるものである。固体無機物とは炭素を含まないものをいい、固体無機物を第1の音響整合層として用いることにより、圧電体を機械的に強固に固定することによって長さ方向の振動を抑えるという効果を得ることが出来る。また、第1の音響整合層の音響インピーダンスが、圧電体の音響インピーダンスの40%以上85%以下であることによって、圧電体と人体などの対象物との音響マッチングを取りつつ、かつ音響インピーダンスが大きいことから圧電体の長さ方向の振動を抑えるという効果を得ることが出来る。40%未満となると圧電体の長さ方向の振動を抑える効果が十分に得られず、チャンネル間のばらつきを抑えることが困難となる。また、85%を超えると例えば人体などの対象物との音響マッチングが取れず、超音波の送受信効率が著しく低下するおそれがある。このような音響インピーダンス特性を有する固体無機物としては、SiO2、MgO及びAl23を含むセラミックスや、Si34、AlN、Al23及びZrO2を含むセラミックスや、カルシウムシリケート及びリチウムアルミノシリケートを含むセラミックスや、フッ素金雲母セラミックスや、六方晶窒化ホウ素セラミックス等があり、これらから選ばれる少なくとも一種を用いても良いし、複数種類を用いても良い。また、これらに添加元素を添加しても良い。この中でも特にSiO2、MgO及びAl23を含むセラミックスは加工性も良好でダイシング時の単結晶の損傷が少なく、かつ強度が高いために超音波プローブの機械的強度を向上できると言う効果もある。
【0021】
図1の超音波プローブにおいては、第1の電極5及び第2の電極4とこれらで挟まれる圧電体1とからなる圧電素子と、第1の音響整合層3aと、第2の音響整合層3bとが積層された積層体は複数に分割されており、積層体間は簡単のため空隙になっている。従来から、この空隙部分(溝)には圧電体の割れなどを防ぎ、機械的強度を保つために、有機樹脂などが充填されてきた。本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、積層体の間の溝の体積をD、溝への充填物の体積をEとした場合に、充填率(E/D)が5体積%以下であることが好ましい。本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、圧電素子に近い側に、上述したように固体無機物であり所定の音響インピーダンスを有する第1の音響整合層があることから、圧電体の機械的強度は十分に強い。また、充填物を減らすことにより、電気機械結合係数や誘電率の低下を防ぐことが出来ることから、圧電体の特性を十分に引き出すことが可能となる。充填率を5体積%以下とすることによって隣あった圧電体が密着せず、超音波の送受信に関係した厚み方向の振動を抑えることなく、超音波プローブの感度を高く保つことが出来る。充填物としては、シリコン系樹脂やエポキシ系樹脂を用いることが出来るが、シリコン系樹脂は軟らかいことから厚み方向の振動を抑え難く、より好ましい。また、充填率は3体積%以下であることがさらに好ましい。
【0022】
また、本発明の実施形態に係る超音波プローブにおいては、図3に示すように、第1の電極5及び第2の電極4とこれらで挟まれる圧電体1とからなる圧電素子と音響バッキング材2との間にフレキシブル印刷配線板(FPC)6を設けることが好ましい。圧電素子と音響バッキング材2との間にFPC6を設けることにより、圧電素子が第1の音響整合層5とFPC6とに挟まれることから、長さ方向の振動を抑えて圧電体1の感度のばらつきを低減させる効果が高まる。
【0023】
FPC6を圧電素子に接する側の面から見た構造を図4に示す。図4に示されるように、FPC6は、絶縁層6bと、その上に印刷された導電層6aとからなり、導電層6aの一本一本が各圧電素子に電気的に接続される。絶縁層6bはポリイミドなどからなる。圧電素子に接する導電層6a部分は、銅や金等の金属などからなり、音響インピーダンスの値が30〜40Mrayls程度であるため、第1の音響整合層5と同様に、圧電体1の長さ方向の振動を抑えることから、チャンネル間の感度のばらつきを低減する効果を高めることが出来るのである。FPC6と圧電素子とが接触する面積のうち、50%以上が導電層6aと圧電素子との接触であることが好ましく、このような範囲である場合に、圧電体1の長さ方向の振動を効果的に抑えることが出来る。また、その際に導電層6aの音響インピーダンスが圧電体1の音響インピーダンスの100%以上であることが好ましい。図3に示すように、超音波を送受信するために設けられ、導電層7aと絶縁層7bとからなるアース板7は第2の音響整合層3bに電気的に接続させるが、アース板7はFPCを用いなくとも良い。また、図3においては、アース板7上と音響レンズ8との間に第3の音響整合層3cを設けている。第3の音響整合層3cの音響インピーダンスは、第2の音響整合層3bの音響インピーダンスよりも小さいものとする。このように音響整合層を3層以上とすることにより、圧電体(音響インピーダンス:20〜30程度)と例えば人体などの対象物(人体の音響インピーダンス:1.5)との間の音響マッチングを取ることが容易となる。
【0024】
また、圧電単結晶としては、少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶であることが望ましい。このような固溶系単結晶からなる圧電体を用いることにより、圧電セラミックからなる圧電体に比べて音速を遅くすることができるため、高感度な超音波プローブを得ることが可能になる。とくに亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系圧電単結晶としては、チタン酸鉛のモル分率が20%以下の組成のものを用いることが望ましい。さらに前記圧電単結晶は、Pb(B1,B2)1-xTix3(ただし、xの値は0.04≦x≦0.55であり、B1はZn、Mg、Ni、Sc、In及びYbよりなる群から選ばれる少なくとも一種であり、B2はNb及びTaよりなる群から選ばれる少なくとも一種である)の一般式で表される組成からなることが望ましい。この一般式において、xを0.04未満にすると、圧電単結晶のキュリー温度が低くなり、圧電単結晶の切断時に脱分極する恐れがある。一方、xが0.55を越えると大きな電気機械結合係数が得られないばかりか、誘電率が低下して送受信を行う際に電気インピーダンスのマッチングが取りづらくなる恐れがある。
【0025】
また、圧電素子は圧電体を複数層有し、圧電体間に電極を有して圧電体と電極とが交互に積層される構成としても良い。通常、n層積層した圧電体においては、単層の圧電体と同一の共振周波数を得るために、1層あたりの圧電体の厚みを1/nとする。例えば、2層の圧電体を積層した場合には、1層の圧電体の厚みは1/2となり、3層の圧電体であれば1層の圧電体の厚みは1/3となる。さらに、積層する圧電体間には、金属等からなる電極(内部電極)層が(n−1)層存在することになる。例えば、2層の圧電体を有する場合には内部電極は1層となり、3層の圧電体を有する場合には内部電極は2層となる。これらの内部電極は金属等からなるため音響インピーダンスが30〜40Mraylsと高く、また伸び縮みもし難いため、第1の音響整合層による効果と同様な、圧電体の長さ方向の振動を抑える効果がある。したがって、圧電素子として圧電体を複数層設けることにより、圧電体の長さ方向の振動をより効果的に低減することが出来、超音波プローブの感度ばらつきを抑えることが出来る。
【0026】
本発明の実施形態に係る超音波プローブは、次のようにして用いることが出来る。図3に示すように、第1の電極5はアース板7を通じ、また第2の電極4はFPC6を通じて、図示しない超音波診断装置に接続されている。超音波診断装置からの駆動信号電圧を圧電体1に印加することで、圧電体1を振動させ音響レンズ8側から超音波を発信させる。また、受信時には、音響レンズ8側から受信した超音波を圧電体1によって電気信号に変換し、超音波診断装置中のビームフォーマにより各チャンネルの受信信号に所望の遅延をした後に超音波診断装置中の加算器で整相加算される。その後、基本波を測定する場合には超音波診断装置中の基本波通過型フィルタを通し、第2高調波を測定する場合には、超音波診断装置中にある、基本波成分を除去する高域通過型フィルタを通し、図示しないモニタにより映像化される。
【0027】
次に、本発明の実施形態に係る超音波プローブの作製方法を説明する。
【0028】
まず、圧電体として用いる圧電単結晶の製造方法を説明する。ここでは亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛の固溶系単結晶の製造方法を説明する。
【0029】
出発原料として化学的に高純度のPbO、ZnO、Nb25、TiO2を用い、これらを純度補正した後、亜鉛ニオブ酸(PZN)とチタン酸鉛(PT)とが所望のモル比になるように秤量し、さらにフラックスとしてPbOを添加する。この粉末に純水を添加し、例えばZrO2ボールが収納されたボールミルで所望時間混合する。得られた混合物の水分を除去した後、例えばライカイ機のような粉砕機で十分に粉砕し、さらにゴム型容器に入れ、所望の圧力でラバープレスを行う。ゴム型から取り出した固形物を例えば白金からなる所望容量の容器に入れ、所望の温度で溶解する。冷却後、さらに前記固形物を前記容器に入れ、例えば白金からなる蓋で密閉し、前記容器を電気炉の中心に設置する。前記溶解温度より高い温度まで昇温させ、所望の降温速度で溶解温度付近まで徐冷した後、室温まで冷却する。その後、前記容器に所望濃度の硝酸を添加し、煮沸して固溶系単結晶を取り出すことにより圧電単結晶を得る。
【0030】
亜鉛ニオブ酸−チタン酸鉛の固溶系単結晶は、上述したフラックス法の他に、例えばブリッジマン法やキロプーロス法、水熱育成法などによっても同様に製造することが可能である。ここでは、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛を一例として挙げたが、出発原料のZnOおよびNb25を、他の元素に代えて得られるチタン酸鉛を含む固溶系圧電単結晶を製造することもできる。
【0031】
次に、このような圧電単結晶を用いた超音波プローブの製造方法を説明する。
【0032】
まず、図3に示すように、ブロック状の圧電単結晶を圧電体1として、これに導電膜をスパッタ法により蒸着し、選択エッチング技術により圧電体1の超音波送受信面および前記送受信面と反対側の面に夫々第1の電極5及び第2の電極4とを形成し、圧電素子を得る。つづいて、圧電素子の第1の電極5側に、全面に導電層(図示せず)を形成した第1の音響整合層3aを例えばエポキシ接着剤により接着する。第1の音響整合層3aは固体無機物からなり圧電体1の音響インピーダンスの40%以上85%以下の音響インピーダンスを有する。同様にして、第1の音響整合層3a上にめっきなどにより金属等からなる導電層(図示せず)を全面に形成した第2の音響整合層を接着する。第2の音響整合層3bの音響インピーダンスは、対象物との音響インピーダンスマッチングを取る為に、第1の音響整合層3aの音響インピーダンスよりも小さくする。次に、圧電素子の第2の電極4側に、絶縁層6b上に複数の導体層(ケーブル)6aを有するFPC6を、例えばエポキシ接着剤より接着する。この後、これらを音響バッキング材2上に、FPC6が音響バッキング材2と接するよう接着する。ブレードを用いて音響整合層からFPC6に亘って複数回切断することにより、前記音響バッキング材2上に圧電素子と音響整合層との積層体がアレイ状に配列され互いに分離された構成となる。次いで、第2の音響整合層3b上に、絶縁層7b上に導電層7aがメッキされたアース板7を例えばエポキシ接着剤により接着する。さらにアース板7上に第3の音響マッチング層3cをエポキシ接着剤により接着し、その上に音響レンズ8を形成することにより超音波プローブを得る。
【0033】
圧電素子として、圧電体と電極とを交互に複数層積層させた構造とするには、次のような工程により圧電素子を形成すればよい。例えば3層の圧電体を持つ圧電素子とする場合には、図5に示すように圧電体と電極とを、圧電体が全て電極に挟まれるように積層する。その際、電極は交互に、対向する2つの側面に延出させる。そして、その2つの側面にも電極を形成して積層した電極と接続することにより、側面に形成した電極と積層した1層おきの電極により第3の電極11もしくは第4の電極12が出来る。各々の電極を第3の電極もしくは第4の電極に選択的に接続するために、積層する電極とそれには接続しない側面の電極との間には、樹脂等を形成し、絶縁することが好ましい。そして、第3の電極11と第4の電極12との間に所定の電圧を印加することにより、図に矢印で示したように、隣り合う圧電体が逆向きに分極された圧電素子を形成することが可能となる。3層積層した場合でも、全体の厚みtは単層の圧電素子と同様である。また、積層圧電体では、例えば、図5において第3の電極の一番下側の電極が第1の電極となり、第4の電極の一番上側の電極が第2の電極となる。
【0034】
圧電体1として用いる圧電単結晶は、その結晶系が菱面体晶あるいは擬立方晶の場合、第1の電極5側である超音波送受信面が(001)面であることが望ましい。このような圧電体1は、圧電単結晶の[001]軸(C軸)に対して垂直に切り出すことにより作製される。また、圧電体1は、厚み方向の厚さが約200〜400μmであることが好ましい。
【0035】
第1の電極5や第2の電極4は、例えばTi/Au、Ni/AuもしくはCr/Auの二層導電膜、またはガラスフリットを含む銀焼付け等から形成される。
【0036】
また、音響マッチング層としては2層構造および3層構造を示したが、それ以上の多層構造でも良い。なお、2層目以上の音響マッチング層は固体無機物である必要はなく、圧電体から対象物に向けて、音響インピーダンスが順に小さくなっていればよい。
【0037】
アース板7は導電層をスパッタした第2の音響整合層3bに接着されるが、第2の音響整合層3b全体に接着する必要は無く、両端部のみに接着しても良い。また、アース板7は、第1の音響整合層3aに接着されても良い。
【0038】
以下、具体例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0039】
【実施例】
(実施例1)
まず、亜鉛ニオブ酸鉛Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZN)とチタン酸鉛PbTiO3(PT)とを91:9のモル比となるよう秤量し、PbOからなるPbフラックスとともに200ccの白金容器に入れ1200℃に昇温して溶解した後、室温まで冷却し固溶系圧電単結晶を育成した。その後、この圧電単結晶をラウエカメラを用いて<001>軸の方位を出し、この軸に垂直にカッターで切断して厚さ500μmのウェハとした。切断した圧電単結晶を、厚さ300μmに研磨して30mm×20mm×0.3mmの大きさの圧電体とした後、スパッタ法によりCr/Auからなる第1の電極及び第2の電極を形成し、圧電素子とした。この圧電素子に1kV/mmの電界を印加して分極処理を施した。この圧電素子の音響インピーダンスは22Mraylsであった。
【0040】
この圧電素子の第1の電極側に、Cr/Au電極をスパッタ法で全面に形成し音響インピーダンスが9Mraylsのケイ酸塩ガラスからなる第1の音響整合層をエポキシ系接着剤にて接着した。第1の音響整合層上には、スパッタしたCr/Auからなる電極を塗布することで導電性を付加したアルミナ粉末とエポキシ系樹脂の混合物からなる第2の音響整合層をエポキシ系接着剤にて接着した。第2の音響整合層の音響インピーダンスは5Mraylsであった。その後、圧電素子の第2の電極側に音響インピーダンスが35Mraylsの銅からなる導電層を有するFPCと音響バッキング材とを順にエポキシ系接着剤で接着した。FPCと圧電素子とが接触する面積のうち、50%が導電層と圧電素子との接触であった。次に、圧電素子と音響整合層とからなる積層体を、厚さ50μmのブレードを持つダイシングソーで、200μmピッチでアレイ状に切断した。その後、第2の音響整合層上全体に金からなるアース板をエポキシ接着剤で接着し、アース板上にシリコンゴムからなる音響レンズを接着した。アース板をエポキシ接着剤で接着したことから、積層体間の溝のうち、5体積%がエポキシ接着剤で充填されていた。完成した超音波プローブの圧電体の容量をFPCの端部から10MHz(反共振周波数の2倍の周波数)で測定し誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブに配列された、100チャンネルの圧電体の平均値は370であり、ばらつきは10%以下と良好な値であった。その後これに静電容量が110pF/mであり、長さが2mの同軸ケーブルをFPCに接続して診断装置に繋いで超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが7%以下と非常に小さかった。
【0041】
(実施例2)
第1の音響整合層として、音響インピーダンスが13MraylsのSiO2、MgO及びAl23を含むセラミックスを用い、アース板上にポリエチレンシートからなり音響インピーダンスが2Mraylsである第3の音響整合層を形成してから音響レンズを形成する他は実施例1と同様にして超音波プローブを作製した。実施例1と同様にして誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブが有する100チャンネルの圧電体の平均値は350であり、ばらつきは8%以下と良好な値であった。また、実施例1と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが6%以下と非常に小さかった。
【0042】
(実施例3)
まず、インジウムニオブ酸鉛Pb(In1/2Nb1/2)O3(PIN)とマグネシウムニオブ酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)とチタン酸鉛PbTiO3(PT)とを16:51:33のモル比となるよう秤量した混合粉0.16Pb(In1/2Nb1/2)O3−0.51Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−0.33PbTiO3(PIMNT16/51/33)と、フラックスとして用いるPbOと、B23とを、PIMNT16/51/33:PbO:B23=50:40:10のモル比となるように200ccの白金容器に入れ1250℃に昇温して溶解した後、室温まで冷却し固溶系圧電単結晶を育成した。その後、この圧電単結晶をラウエカメラを用いて<001>軸の方位を出し、この軸に垂直にカッターで切断して厚さ600μmのウェハとした。切断した圧電単結晶を、厚さ400μmに研磨して30mm×20mm×0.4mmの大きさの圧電体とした後、スパッタ法によりCr/Auからなる第1の電極及び第2の電極を形成し、圧電素子とした。この圧電素子に1kV/mmの電界を印加して分極処理を施した。この圧電素子の音響インピーダンスは25Mraylsであった。
【0043】
この後、実施例2と同様にして超音波プローブを作製した。実施例1と同様にして誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブが有する100チャンネルの圧電体の平均値は340pFであり、ばらつきは8%以下と良好な値であった。また、実施例1と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが7%以下と非常に小さかった。
【0044】
(実施例4)
第1の音響整合層として、音響インピーダンスが16Mraylsのフッ素金雲母セラミックスを用い、第2の音響整合層として、音響インピーダンスが7MraylsでありスパッタでCr/Auからなる電極と塗布したアルミナとエポキシ系樹脂の混合物を用い、第3の音響整合層として、音響インピーダンスが3Mraylsのエポキシ系樹脂を用いる他は実施例2と同様にして超音波プローブを作製した。実施例1と同様にして誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブが有する100チャンネルの圧電体の平均値は300であり、ばらつきは6%以下と良好な値であった。また、実施例1と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが5%以下と非常に小さかった。
【0045】
(実施例5)
第2の音響整合層上にフィルム状接着剤を用いてアース板を接着する他は実施例2と同様にして超音波プローブを作製した。フィルム状接着剤を用いたことから、積層体間の溝は3体積%が接着剤で充填されていた。実施例1と同様にして誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブが有する100チャンネルの圧電体の平均値は390であり、ばらつきは6%以下と良好な値であった。また、実施例1と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが5%以下と非常に小さかった。
【0046】
(実施例6,7)
圧電素子と音響整合層とからなる積層体を、ダイシングソーでアレイ状に切断する際に、積層体間の溝にシリコーン系樹脂接着剤からなる有機樹脂を充填率が夫々50体積%、95体積%となるよう充填した他は、実施例1,2と同一のプロセスで作製した超音波プローブを、夫々実施例6,7とする。
【0047】
実施例1と同様にして評価を行う。まず、実施例6について誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブが有する100チャンネルの圧電体の平均値は330であり、ばらつきは8%以下と良好な値であった。また、実施例6について実施例1と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが7%以下と非常に小さかった。
【0048】
また実施例7について誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブが有する100チャンネルの圧電体の平均値は310であり、ばらつきは7%以下と良好な値であった。また、実施例7について実施例1と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが6%以下と非常に小さかった。
【0049】
(実施例8)
圧電単結晶を実施例1と同様に形成し、このウェハを、厚さ150μmに研磨して30mm×20mm×0.15mmの大きさの圧電体を2枚形成した後、スパッタ法によりCr/Auからなる電極を両面に形成した。このとき、一方の面では一つの辺の端部に電極が形成されず、この面の反対側の面ではこの辺と点対称の辺の端部に電極が形成されないようにする。このような電極のパターニングは、圧電体にマスクを施してから電極を形成しても良いし、圧電体の両面全体に電極を形成してからダイシングによって電極の一部を削り取っても良い。そして、この2つの圧電体を電極が同じ形で重なるようにエポキシ系接着剤で接着した。エポキシ系接着剤で接着することにより、電極間は電気的に接続され、また電極を形成しない辺の端部はエポキシ系接着剤で充填され、対向する側面に交互に電極が出ている構成となった。そして、交互に電極が出ている2つの側面にも電極を形成することにより、圧電体に挟まれた電極とこれに接続する側面の電極からなる第3の電極と、圧電体を挟む2つの電極とこれらに接続する側面の電極からなる第4の電極とが出来た。そして、第3の電極と第4の電極との間に1kV/mmの電界を印加して分極処理を施したところ、この圧電素子の音響インピーダンスは22Mraylsであった。
【0050】
この後、実施例2と同様にして超音波プローブを作製した。実施例1と同様にして誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブが有する100チャンネルの圧電体の平均値は1000であり、ばらつきは6%以下と良好な値であった。また、実施例1と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するとともにチャンネル間の感度ばらつきが5%以下と非常に小さかった。
【0051】
(比較例1)
音響整合層の作製方法を以下の方法とする他は実施例1と同様にして超音波プローブを作製した。
【0052】
圧電素子の第1の電極側に、Cr/Au電極をスパッタ法で全面に形成し、音響インピーダンスが7Mraylsであり、エポキシ系樹脂とアルミナとの混合物からなる第1の音響整合層をエポキシ接着剤で接着する。次に、第1の音響整合層上には、音響インピーダンスが3Mraylsであり、Cr/Au電極をスパッタ法で全面に形成することで導電性を付加したエポキシ系樹脂からなる第2の音響整合層をエポキシ接着剤で接着する。
【0053】
実施例1と同様にして誘電率εS1S3を算出したところ、100チャンネルの圧電体の平均値は360であり、ばらつきは25%以上と大きかった。これは、第1の音響整合層の音響インピーダンスの値が圧電体の音響インピーダンスの値の40%未満であり、かつ有機物からなる第1の音響整合層を用いていることから、長さ方向の振動を抑えることが出来ず、圧電体の誘電率のばらつきが大きくなっているものと考えられる。また、実施例1と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、高感度、広帯域を有するチャンネルは所々に見られるものの、チャンネル間の感度ばらつきが20%以上と非常に大きかった。このようなチャンネル間の感度ばらつきは診断装置に表示される断層像の画質に悪影響を与えた。
【0054】
(比較例2)
第1の音響整合層として、音響インピーダンスが9Mraylsの、エポキシ系樹脂とタングステン粉末との混合物を用いる他は実施例1と同様にして超音波プローブを作製した。実施例1と同様にして誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブが有する100チャンネルの圧電体の平均値は340であり、ばらつきは20%以上と大きかった。これは、第1の音響整合層として、音響インピーダンスの値を圧電体の音響インピーダンスの値の40%以上としているものの、有機物を用いていることから、有機物が伸縮性を有するために長さ方向の振動を抑えることが出来ず、圧電体の誘電率のばらつきが大きくなっているものと考えられる。また、実施例1と同様にしてプローブ特性の評価を行ったところ、比較的良好な感度、帯域を示すチャンネルは所々に見られるものの、チャンネル間の感度ばらつきが15%以上と非常に大きかった。このようなチャンネル間の感度ばらつきは診断装置に表示される断層像の画質に悪影響を与えた。
【0055】
(比較例3)
第1の音響整合層として、音響インピーダンスが20Mraylsのメタニオブ酸鉛PbNb26を用い、第2の音響整合層として、音響インピーダンスが7Mraylsであり、スパッタでCr/Auからなる電極を塗布した、アルミナとエポキシ系樹脂の混合物を用いる他は実施例2と同様にして超音波プローブを作製した。実施例1と同様にして誘電率εS1S3を算出したところ、1つの超音波プローブが有する100チャンネルの圧電体の平均値は300であり、ばらつきは5%以下と良好な値であった。しかしながら、実施例1と同様にして超音波プローブ特性の評価を行ったところ、音響インピーダンスが大きすぎて人体などの対象物と圧電体との音響マッチングが不十分であるために、得られた超音波プローブの周波数スペクトラムが揃わず、低感度、狭帯域特性を示した。診断装置に表示される断層像は、著しく劣った。
【0056】
以上に示すように、各実施例では、高感度で広帯域であり、感度のばらつきの小さい超音波プローブが得られるのに比べ、各比較例では、感度のばらつきの大きな、若しくは音響マッチングの不十分な超音波プローブとなってしまっている。
【0057】
特に、各実施例の中でも、音響整合層を3層以上とすることにより、より感度のばらつきの小さい超音波プローブを得られることが分かる。また、第1の音響整合層の音響インピーダンスの値を、圧電体の音響インピーダンスの値の40%以上85%以下とした中では、第1の音響整合層の音響インピーダンスが低いほど圧電体の誘電率を大きくすることが出来、高いほどチャンネル間の感度のばらつきを低減することが出来る。さらに、積層体間の樹脂などによる充填率を5体積%以下とすることにより圧電体の誘電率を大きくすることが出来、充填率を3体積%以下とすることによりその効果はさらに高まる。また、圧電素子として圧電体を複数含み、圧電体と電極とを複数積層した構造とすることにより、チャンネル間の感度のばらつきが低減できるのみならず、圧電体の誘電率を著しく上昇させることが可能となる。
【0058】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、感度のばらつきの小さい超音波プローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態に係る超音波プローブを説明する斜視図である。
【図2】 圧電体の振動方向を説明する斜視図である。
【図3】 本発明の実施形態に係る超音波プローブを説明する断面図である。
【図4】 フレキシブル印刷配線板の構造を示す説明図である。
【図5】 圧電体と電極とを交互に複数積層して構成した圧電素子を説明する斜視図である。
【符号の説明】
1…圧電体
2…音響バッキング材
3a…第1の音響整合層
3b…第2の音響整合層
3c…第3の音響整合層
3…音響整合層
4…第2の電極
5…第1の電極
6a…導電層
6b…絶縁層
6…フレキシブル印刷配線板
7a…導電層
7b…絶縁層
7…アース板
8…音響レンズ
11…第3の電極
12…第4の電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic probe.
[0002]
[Prior art]
In the field of medical ultrasonic diagnostic equipment and non-destructive inspection equipment, in order to image the internal state of an object, ultrasonic waves are irradiated toward the object, and reflection from the interface with different acoustic impedance of the object is performed. An ultrasonic probe that receives an echo is used.
[0003]
In general, a piezoelectric vibrator (piezoelectric body) that generates vibration when a voltage is applied is used as an ultrasonic probe. Conventionally, as a piezoelectric material, an electromechanical coupling coefficient k33Since 'is as high as about 70%, a lead zirconate titanate (PZT) -based piezoelectric ceramic having high conversion efficiency from an electric signal to mechanical vibration has been used.
[0004]
In contrast, in recent years, for example, Pb ((Zn) made of a solid solution of lead zinc niobate and lead titanate.1/3Nb2/3)0.91Ti0.09) OThreeElectromechanical coupling constant k, such as a piezoelectric single crystal33A highly efficient piezoelectric single crystal having a high 'is about 80% or more has been developed (for example, see Patent Document 1). In addition, a piezoelectric single crystal has a mechanical strength smaller than that of a piezoelectric ceramic, and chipping and the like frequently occur, leading to a decrease in reliability and sensitivity. reference).
[0005]
However, when an ultrasonic probe is manufactured using the piezoelectric single crystal described above, although the generation of chipping and cracks has been improved, there is still a problem that the sensitivity variation of the probe is still large.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 06-38963 (page 3-13, FIG. 1)
[0007]
[Patent Document 2]
JP 2000-14672 A (page 3-6, FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an ultrasonic probe with small sensitivity variations.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  Therefore, an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention includes an acoustic backing material, a piezoelectric body provided on the acoustic backing material, formed of a piezoelectric single crystal, and a first surface where the piezoelectric body faces the acoustic backing material. And a piezoelectric element having a pair of electrodes provided on the second surface opposite to the first surface, and a piezoelectric element provided on the second surface of the piezoelectric element, the acoustic impedance of the piezoelectric body A first acoustic matching layer made of a solid inorganic material having an acoustic impedance of 40% or more and 85% or less, and a second acoustic wave provided on the first acoustic matching layer and having an acoustic impedance smaller than that of the first acoustic matching layer A plurality of laminates including a piezoelectric element, a first acoustic matching layer, and a second acoustic matching layer are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array on the acoustic backing material.The space between the laminates arranged in an array has a filling rate of 5% by volume or less.It is characterized by that.
[0010]
In the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, a flexible printed wiring board may be provided between the acoustic backing material and the piezoelectric element.
[0011]
In the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, the piezoelectric single crystal is Pb (B1, B2).1-xTixOThree(However, the value of x is 0.04 ≦ x ≦ 0.55, B1 is at least one selected from the group consisting of Zn, Mg, Ni, Sc, In and Yb, and B2 is composed of Nb and Ta. Or at least one selected from the group).
[0012]
In the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, the first acoustic matching layer is made of SiO.2MgO and Al2OThreeCeramics containing Si and SiThreeNFour, AlN, Al2OThreeAnd ZrO2And at least one ceramic selected from the group consisting of ceramics including calcium silicate and lithium aluminosilicate, fluorine phlogopite mica ceramics, and hexagonal boron nitride ceramics.
[0014]
In the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, the piezoelectric element may have a configuration in which a plurality of piezoelectric bodies are provided and electrodes are provided between the piezoelectric bodies and these are alternately stacked.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention includes an acoustic backing material 2, a piezoelectric body 1 formed on the acoustic backing material 2 and formed of a piezoelectric single crystal, and the piezoelectric body 1 is acoustic. A second electrode 4 provided on a first surface facing the backing material 2, a first electrode 5 provided on a second surface opposite to the first surface of the piezoelectric body 1, It has the 1st acoustic matching layer 3a provided on the 1st electrode 5, and the 2nd acoustic matching layer 3b provided on the 1st acoustic matching layer 3a. Here, in the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, the first acoustic matching layer 3 a is made of a solid inorganic material, and the acoustic impedance of the first acoustic matching layer 3 a is 40% of the acoustic impedance of the piezoelectric body 1. It is 85% or less. The acoustic impedance of the second acoustic matching layer 3b is smaller than the acoustic impedance of the first acoustic matching layer 3a. Also, a laminate in which a piezoelectric element composed of the first electrode 5 and the second electrode 4 and the piezoelectric body 1 sandwiched between them, a first acoustic matching layer 3a, and a second acoustic matching layer 3b are laminated. Since the body is divided into a plurality of bodies, a plurality of bodies are arranged in an array. In FIG. 1, the acoustic lens 8 is provided on the second acoustic matching layer 3b. However, the configuration is not limited to this. For example, in the case where a laminate in which a piezoelectric element, a first acoustic matching layer 3a, and a second acoustic matching layer 3b are laminated is arranged in a two-dimensional array, the acoustic lens 8 is not provided. The resolution and sensitivity can be significantly improved.
[0017]
In the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, a plurality of acoustic matching layers are provided, and the first acoustic matching layer 3a on the side in contact with the piezoelectric element is made of a solid inorganic material and is 40% or more of the acoustic impedance of the piezoelectric body 1. It has an acoustic impedance of 85% or less. By providing a plurality of acoustic matching layers, the acoustic impedance can be matched. By adopting the above configuration as the first acoustic matching layer 3a, unnecessary vibration of the piezoelectric body can be suppressed, and variation in dielectric constant is reduced. Therefore, it is possible to reduce the sensitivity variation among the laminates composed of piezoelectric elements and acoustic matching layers in the ultrasonic probe, that is, the sensitivity variation between channels. Hereinafter, a mechanism capable of reducing variations in sensitivity between channels by the configuration according to the embodiment of the present invention will be described.
[0018]
FIG. 2 is a perspective view of one piezoelectric body 1 shown in FIG. K in FIG.33It is assumed that the first electrode 5 and the second electrode 4 are formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 1 when the arrow direction 'is the vertical direction (thickness direction). When the piezoelectric body 1 transmits and receives an ultrasonic wave, the piezoelectric body 1 has a thickness direction (k33'Mode) and k31Arrow direction (length direction, k31Mode). Further, the electromechanical coupling coefficient k is determined by the magnitude of vibration in the thickness direction of the piezoelectric body 1.33′ Is determined, and the electromechanical coupling coefficient k is determined by the magnitude of vibration in the length direction.31Is decided.
[0019]
On the other hand, the sensitivity of an ultrasonic probe in which piezoelectric elements are arranged in an array has a dielectric constant ε at a high frequency.S1S3Depending on this εS1S3Is the electromechanical coupling coefficient (k31, K33′) And dielectric constant ε at low frequencies (usually 1 kHz)TAnd is expressed by the following equation (1).
[0020]
εS1S3= (1-k33′) × (1-k31 2) × εT      (1)
As a result of attempts to improve sensitivity by various methods, the present inventors have determined the magnitude of vibration in the length direction, that is, k31As the value varies, the dielectric constant ε at high frequenciesS1S3It has been found that the sensitivity between the channels of the ultrasonic probe varies. The first acoustic matching layer on the side close to the piezoelectric body is made of a solid inorganic material and has an acoustic impedance of 40% to 85% of the acoustic impedance of the piezoelectric body. This suppresses the variation in sensitivity of the piezoelectric body. Solid inorganic material means a material that does not contain carbon, and by using the solid inorganic material as the first acoustic matching layer, it is possible to obtain the effect of suppressing vibration in the length direction by mechanically fixing the piezoelectric body. I can do it. In addition, since the acoustic impedance of the first acoustic matching layer is 40% or more and 85% or less of the acoustic impedance of the piezoelectric body, the acoustic impedance is obtained while achieving acoustic matching between the piezoelectric body and an object such as a human body. Since it is large, an effect of suppressing vibration in the longitudinal direction of the piezoelectric body can be obtained. If it is less than 40%, the effect of suppressing the vibration in the longitudinal direction of the piezoelectric body cannot be obtained sufficiently, and it becomes difficult to suppress the variation between the channels. On the other hand, if it exceeds 85%, for example, acoustic matching with an object such as a human body cannot be achieved, and ultrasonic transmission / reception efficiency may be significantly reduced. Examples of solid inorganic substances having such acoustic impedance characteristics include SiO.2MgO and Al2OThreeCeramics containing Si, SiThreeNFour, AlN, Al2OThreeAnd ZrO2Ceramics containing calcium, ceramics containing calcium silicate and lithium aluminosilicate, fluorine phlogopite mica ceramics, hexagonal boron nitride ceramics, etc., or at least one selected from these may be used, good. Moreover, you may add an additive element to these. Of these, especially SiO2MgO and Al2OThreeCeramics containing, have good workability, little damage to the single crystal during dicing, and high strength, so that the mechanical strength of the ultrasonic probe can be improved.
[0021]
In the ultrasonic probe of FIG. 1, a piezoelectric element comprising a first electrode 5 and a second electrode 4 and a piezoelectric body 1 sandwiched between them, a first acoustic matching layer 3a, and a second acoustic matching layer The laminated body in which 3b is laminated is divided into a plurality of parts, and there is a gap between the laminated bodies for simplicity. Conventionally, this void portion (groove) has been filled with an organic resin or the like in order to prevent the piezoelectric body from cracking and maintain mechanical strength. In the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, the filling rate (E / D) is 5% by volume or less, where D is the volume of the groove between the laminates and E is the volume of the filling material in the groove. It is preferable that In the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, since the first acoustic matching layer that is a solid inorganic substance and has a predetermined acoustic impedance is present on the side close to the piezoelectric element as described above, The strength is strong enough. In addition, since the electromechanical coupling coefficient and the dielectric constant can be prevented from being reduced by reducing the filling material, the characteristics of the piezoelectric body can be sufficiently extracted. By setting the filling rate to 5% by volume or less, the adjacent piezoelectric body is not in close contact, and the sensitivity of the ultrasonic probe can be kept high without suppressing vibration in the thickness direction related to transmission / reception of ultrasonic waves. As the filler, a silicon-based resin or an epoxy-based resin can be used, but a silicon-based resin is more preferable because it is difficult to suppress vibration in the thickness direction because it is soft. The filling rate is more preferably 3% by volume or less.
[0022]
Further, in the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a piezoelectric element and an acoustic backing material comprising the first electrode 5 and the second electrode 4 and the piezoelectric body 1 sandwiched between them. 2 is preferably provided with a flexible printed wiring board (FPC) 6. By providing the FPC 6 between the piezoelectric element and the acoustic backing material 2, the piezoelectric element is sandwiched between the first acoustic matching layer 5 and the FPC 6, so that vibration in the length direction is suppressed and the sensitivity of the piezoelectric body 1 is improved. The effect of reducing variation increases.
[0023]
FIG. 4 shows the structure of the FPC 6 as viewed from the side in contact with the piezoelectric element. As shown in FIG. 4, the FPC 6 includes an insulating layer 6b and a conductive layer 6a printed thereon, and each conductive layer 6a is electrically connected to each piezoelectric element. The insulating layer 6b is made of polyimide or the like. The conductive layer 6a portion in contact with the piezoelectric element is made of a metal such as copper or gold and has an acoustic impedance value of about 30 to 40 Mrays. Therefore, the length of the piezoelectric body 1 is the same as that of the first acoustic matching layer 5. Since the vibration in the direction is suppressed, the effect of reducing the variation in sensitivity between channels can be enhanced. It is preferable that 50% or more of the contact area between the FPC 6 and the piezoelectric element is the contact between the conductive layer 6a and the piezoelectric element. In such a range, the vibration of the piezoelectric body 1 in the longitudinal direction is caused. It can be effectively suppressed. At that time, the acoustic impedance of the conductive layer 6 a is preferably 100% or more of the acoustic impedance of the piezoelectric body 1. As shown in FIG. 3, a ground plate 7 provided for transmitting and receiving ultrasonic waves and made of a conductive layer 7a and an insulating layer 7b is electrically connected to the second acoustic matching layer 3b. FPC may not be used. In FIG. 3, a third acoustic matching layer 3 c is provided between the ground plate 7 and the acoustic lens 8. The acoustic impedance of the third acoustic matching layer 3c is assumed to be smaller than the acoustic impedance of the second acoustic matching layer 3b. Thus, by making the acoustic matching layer three or more layers, acoustic matching between the piezoelectric body (acoustic impedance: about 20 to 30) and an object such as a human body (acoustic impedance of the human body: 1.5) can be achieved. Easy to take.
[0024]
The piezoelectric single crystal is preferably a solid solution piezoelectric single crystal containing at least lead titanate. By using a piezoelectric body made of such a solid solution single crystal, the speed of sound can be made slower than that of a piezoelectric body made of piezoelectric ceramic, so that a highly sensitive ultrasonic probe can be obtained. In particular, as the solid solution type piezoelectric single crystal of lead zinc niobate-lead titanate, it is desirable to use a lead titanate having a mole fraction of 20% or less. Further, the piezoelectric single crystal is Pb (B1, B2).1-xTixOThree(However, the value of x is 0.04 ≦ x ≦ 0.55, B1 is at least one selected from the group consisting of Zn, Mg, Ni, Sc, In and Yb, and B2 is composed of Nb and Ta. It is desirable to have a composition represented by the general formula (at least one selected from the group). In this general formula, if x is less than 0.04, the Curie temperature of the piezoelectric single crystal is lowered, and there is a risk of depolarization when the piezoelectric single crystal is cut. On the other hand, if x exceeds 0.55, a large electromechanical coupling coefficient cannot be obtained, and there is a possibility that matching of electrical impedance becomes difficult to perform when transmitting and receiving due to a decrease in dielectric constant.
[0025]
The piezoelectric element may have a structure in which a plurality of piezoelectric bodies are provided, electrodes are provided between the piezoelectric bodies, and the piezoelectric bodies and the electrodes are alternately stacked. Usually, in a piezoelectric body in which n layers are stacked, the thickness of the piezoelectric body per layer is 1 / n in order to obtain the same resonance frequency as that of a single-layer piezoelectric body. For example, when two layers of piezoelectric materials are stacked, the thickness of one layer of piezoelectric material is ½, and when three layers of piezoelectric materials are used, the thickness of one layer of piezoelectric material is 1 /. Furthermore, (n-1) layers of electrode (internal electrode) layers made of metal or the like exist between the laminated piezoelectric bodies. For example, when the piezoelectric material has two layers, the internal electrode is one layer, and when the piezoelectric material has three layers, the internal electrode is two layers. Since these internal electrodes are made of metal or the like, the acoustic impedance is as high as 30 to 40 Mrayls, and it is difficult to expand and contract. is there. Therefore, by providing a plurality of piezoelectric bodies as piezoelectric elements, vibrations in the length direction of the piezoelectric bodies can be more effectively reduced, and variations in sensitivity of the ultrasonic probe can be suppressed.
[0026]
The ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention can be used as follows. As shown in FIG. 3, the first electrode 5 is connected to an ultrasonic diagnostic apparatus (not shown) through the ground plate 7 and the second electrode 4 through the FPC 6. By applying a drive signal voltage from the ultrasonic diagnostic apparatus to the piezoelectric body 1, the piezoelectric body 1 is vibrated to transmit ultrasonic waves from the acoustic lens 8 side. Further, at the time of reception, the ultrasound received from the acoustic lens 8 side is converted into an electrical signal by the piezoelectric body 1, and the received signal of each channel is delayed by a beam former in the ultrasound diagnostic apparatus, and then the ultrasound diagnostic apparatus Phased and added by the adder inside. Thereafter, when the fundamental wave is measured, the fundamental wave passing filter in the ultrasonic diagnostic apparatus is passed, and when the second harmonic is measured, the fundamental wave component in the ultrasonic diagnostic apparatus is removed. The image is displayed on a monitor (not shown) through a band-pass filter.
[0027]
Next, a method for producing an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention will be described.
[0028]
First, a method for producing a piezoelectric single crystal used as a piezoelectric body will be described. Here, a method for producing a solid solution single crystal of lead zinc niobate-lead titanate will be described.
[0029]
Chemically high purity PbO, ZnO, Nb as starting materials2OFiveTiO2Then, these are weighed so that zinc niobate (PZN) and lead titanate (PT) have a desired molar ratio, and PbO is added as a flux. Pure water is added to this powder, for example, ZrO.2Mix for a desired time in a ball mill containing the balls. After removing the water from the obtained mixture, the mixture is sufficiently pulverized by a pulverizer such as a reiki machine, and further put into a rubber-type container, and a rubber press is performed at a desired pressure. The solid matter taken out from the rubber mold is placed in a container of a desired volume made of platinum, for example, and dissolved at a desired temperature. After cooling, the solid material is further put into the container and sealed with a lid made of, for example, platinum, and the container is placed in the center of the electric furnace. The temperature is raised to a temperature higher than the melting temperature, gradually cooled to the vicinity of the melting temperature at a desired temperature lowering rate, and then cooled to room temperature. Thereafter, a desired concentration of nitric acid is added to the container, and the solution is boiled to take out a solid solution single crystal to obtain a piezoelectric single crystal.
[0030]
The solid solution single crystal of zinc niobate-lead titanate can be similarly manufactured by, for example, the Bridgman method, the Kilo-Puros method, the hydrothermal growth method, etc. in addition to the flux method described above. Here, zinc zinc niobate-lead titanate was given as an example, but the starting materials ZnO and Nb2OFiveIt is also possible to produce a solid solution type piezoelectric single crystal containing lead titanate obtained by substituting other elements.
[0031]
Next, a method for manufacturing an ultrasonic probe using such a piezoelectric single crystal will be described.
[0032]
First, as shown in FIG. 3, a block-shaped piezoelectric single crystal is used as the piezoelectric body 1, and a conductive film is deposited on the piezoelectric body 1 by a sputtering method. The first electrode 5 and the second electrode 4 are respectively formed on the side surfaces to obtain a piezoelectric element. Subsequently, a first acoustic matching layer 3a having a conductive layer (not shown) formed on the entire surface is bonded to the first electrode 5 side of the piezoelectric element with, for example, an epoxy adhesive. The first acoustic matching layer 3 a is made of a solid inorganic material and has an acoustic impedance of 40% or more and 85% or less of the acoustic impedance of the piezoelectric body 1. Similarly, a second acoustic matching layer in which a conductive layer (not shown) made of metal or the like is formed on the entire surface of the first acoustic matching layer 3a by plating or the like is bonded. The acoustic impedance of the second acoustic matching layer 3b is made smaller than the acoustic impedance of the first acoustic matching layer 3a in order to achieve acoustic impedance matching with the object. Next, the FPC 6 having a plurality of conductor layers (cables) 6a on the insulating layer 6b is bonded to the second electrode 4 side of the piezoelectric element by, for example, an epoxy adhesive. Thereafter, these are bonded on the acoustic backing material 2 so that the FPC 6 contacts the acoustic backing material 2. By cutting a plurality of times from the acoustic matching layer to the FPC 6 using a blade, the laminate of the piezoelectric elements and the acoustic matching layer is arranged in an array on the acoustic backing material 2 and separated from each other. Next, the ground plate 7 in which the conductive layer 7a is plated on the insulating layer 7b is bonded onto the second acoustic matching layer 3b with, for example, an epoxy adhesive. Further, an ultrasonic probe is obtained by bonding the third acoustic matching layer 3c on the ground plate 7 with an epoxy adhesive and forming the acoustic lens 8 thereon.
[0033]
In order to obtain a structure in which a plurality of piezoelectric bodies and electrodes are alternately laminated as a piezoelectric element, the piezoelectric element may be formed by the following process. For example, in the case of a piezoelectric element having three layers of piezoelectric bodies, as shown in FIG. 5, the piezoelectric bodies and the electrodes are laminated so that all the piezoelectric bodies are sandwiched between the electrodes. At that time, the electrodes are alternately extended to two opposite side surfaces. Then, by forming electrodes on the two side surfaces and connecting them to the stacked electrodes, the third electrode 11 or the fourth electrode 12 can be formed by every other layer of electrodes stacked with the electrodes formed on the side surfaces. In order to selectively connect each electrode to the third electrode or the fourth electrode, it is preferable to insulate by forming a resin or the like between the stacked electrode and the electrode on the side surface not connected thereto. . Then, by applying a predetermined voltage between the third electrode 11 and the fourth electrode 12, a piezoelectric element in which adjacent piezoelectric bodies are polarized in the opposite direction as shown by arrows in the figure is formed. It becomes possible to do. Even when three layers are stacked, the total thickness t is the same as that of a single-layer piezoelectric element. In the laminated piezoelectric material, for example, the lowermost electrode of the third electrode in FIG. 5 becomes the first electrode, and the uppermost electrode of the fourth electrode becomes the second electrode.
[0034]
When the piezoelectric single crystal used as the piezoelectric body 1 is rhombohedral or pseudo-cubic, it is desirable that the ultrasonic transmission / reception surface on the first electrode 5 side is a (001) plane. Such a piezoelectric body 1 is produced by cutting perpendicularly to the [001] axis (C axis) of the piezoelectric single crystal. The piezoelectric body 1 preferably has a thickness in the thickness direction of about 200 to 400 μm.
[0035]
The first electrode 5 and the second electrode 4 are formed by, for example, Ti / Au, Ni / Au or Cr / Au two-layer conductive film, or silver baking including glass frit.
[0036]
Further, although the two-layer structure and the three-layer structure are shown as the acoustic matching layer, a multilayer structure having more than that may be used. Note that the second or more acoustic matching layers do not need to be a solid inorganic material, and it is sufficient that the acoustic impedance decreases in order from the piezoelectric body toward the object.
[0037]
The ground plate 7 is bonded to the second acoustic matching layer 3b obtained by sputtering the conductive layer, but it is not necessary to bond to the entire second acoustic matching layer 3b, and may be bonded only to both ends. The ground plate 7 may be bonded to the first acoustic matching layer 3a.
[0038]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples, but the present invention is not limited thereto.
[0039]
【Example】
Example 1
First, lead zinc niobate Pb (Zn1/3Nb2/3) OThree(PZN) and lead titanate PbTiOThree(PT) was weighed to a molar ratio of 91: 9, placed in a 200 cc platinum container together with a Pb flux composed of PbO, heated to 1200 ° C. and dissolved, and then cooled to room temperature to form a solid solution piezoelectric single crystal. I grew up. Thereafter, this piezoelectric single crystal was oriented with the <001> axis using a Laue camera and cut with a cutter perpendicularly to this axis to obtain a wafer having a thickness of 500 μm. The cut piezoelectric single crystal is polished to a thickness of 300 μm to obtain a piezoelectric body having a size of 30 mm × 20 mm × 0.3 mm, and then a first electrode and a second electrode made of Cr / Au are formed by sputtering. And it was set as the piezoelectric element. The piezoelectric element was subjected to polarization treatment by applying an electric field of 1 kV / mm. The acoustic impedance of this piezoelectric element was 22 Mrayls.
[0040]
On the first electrode side of the piezoelectric element, a Cr / Au electrode was formed on the entire surface by a sputtering method, and a first acoustic matching layer made of silicate glass having an acoustic impedance of 9 Mrays was adhered with an epoxy adhesive. On the first acoustic matching layer, a second acoustic matching layer made of a mixture of alumina powder and epoxy resin to which conductivity is added by applying an electrode made of sputtered Cr / Au is used as an epoxy adhesive. And glued. The acoustic impedance of the second acoustic matching layer was 5 Mrayls. Thereafter, an FPC having a conductive layer made of copper with an acoustic impedance of 35 Mrays on the second electrode side of the piezoelectric element and an acoustic backing material were bonded in order with an epoxy adhesive. Of the area where the FPC and the piezoelectric element contact, 50% is the contact between the conductive layer and the piezoelectric element. Next, the laminate composed of the piezoelectric element and the acoustic matching layer was cut into an array at a pitch of 200 μm with a dicing saw having a blade having a thickness of 50 μm. Thereafter, a ground plate made of gold was bonded to the entire second acoustic matching layer with an epoxy adhesive, and an acoustic lens made of silicon rubber was bonded to the ground plate. Since the ground plate was bonded with an epoxy adhesive, 5% by volume of the grooves between the laminates was filled with the epoxy adhesive. The capacitance of the piezoelectric body of the completed ultrasonic probe is measured from the end of the FPC at 10 MHz (twice the anti-resonance frequency), and the dielectric constant εS1S3As a result, the average value of the piezoelectric bodies of 100 channels arranged in one ultrasonic probe was 370, and the variation was a good value of 10% or less. After that, when an electrostatic probe characteristic was evaluated by connecting a coaxial cable having a capacitance of 110 pF / m and a length of 2 m to an FPC and connecting it to a diagnostic device, it had a high sensitivity, a wide bandwidth and a channel. The sensitivity variation between them was as small as 7% or less.
[0041]
(Example 2)
As the first acoustic matching layer, SiO having an acoustic impedance of 13 Mrays2MgO and Al2OThreeAn ultrasonic probe is manufactured in the same manner as in Example 1 except that a third acoustic matching layer made of a polyethylene sheet and having an acoustic impedance of 2 Mrays is formed on a ground plate, and an acoustic lens is formed. did. Dielectric constant ε in the same manner as in Example 1.S1S3As a result, the average value of the piezoelectric material of 100 channels included in one ultrasonic probe was 350, and the variation was a good value of 8% or less. In addition, when the ultrasonic probe characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1, the sensitivity variation between channels was very small, 6% or less, with high sensitivity and wide bandwidth.
[0042]
(Example 3)
First, lead indium niobate Pb (In1/2Nb1/2) OThree(PIN) and lead magnesium niobate Pb (Mg1/3Nb2/3) OThree(PMN) and lead titanate PbTiOThree(PT) mixed powder 0.16Pb (In) weighed to a molar ratio of 16:51:331/2Nb1/2) OThree-0.51Pb (Mg1/3Nb2/3) OThree-0.33PbTiOThree(PIMNT 16/51/33), PbO used as flux, B2OThreeAnd PIMNT16 / 51/33: PbO: B2OThreeIn a 200 cc platinum container so as to have a molar ratio of 50:40:10, the solution was heated to 1250 ° C. and dissolved, and then cooled to room temperature to grow a solid solution piezoelectric single crystal. Thereafter, this piezoelectric single crystal was oriented with the <001> axis using a Laue camera and cut with a cutter perpendicularly to this axis to obtain a wafer having a thickness of 600 μm. The cut piezoelectric single crystal is polished to a thickness of 400 μm to obtain a piezoelectric body having a size of 30 mm × 20 mm × 0.4 mm, and then a first electrode and a second electrode made of Cr / Au are formed by sputtering. And it was set as the piezoelectric element. The piezoelectric element was subjected to polarization treatment by applying an electric field of 1 kV / mm. The acoustic impedance of this piezoelectric element was 25 Mrayls.
[0043]
Thereafter, an ultrasonic probe was produced in the same manner as in Example 2. Dielectric constant ε in the same manner as in Example 1.S1S3As a result, the average value of 100 piezoelectric bodies of one ultrasonic probe was 340 pF, and the variation was a good value of 8% or less. In addition, when the ultrasonic probe characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1, the sensitivity variation between channels was very small as 7% or less with high sensitivity and wide bandwidth.
[0044]
Example 4
Fluorophlogopite ceramic with an acoustic impedance of 16 Mrayls is used as the first acoustic matching layer, and an alumina and epoxy resin coated with an electrode made of Cr / Au with an acoustic impedance of 7 Mrayls and sputtered as the second acoustic matching layer An ultrasonic probe was manufactured in the same manner as in Example 2 except that an epoxy resin having an acoustic impedance of 3 Mrayls was used as the third acoustic matching layer. Dielectric constant ε in the same manner as in Example 1.S1S3As a result, the average value of the 100-channel piezoelectric bodies of one ultrasonic probe was 300, and the variation was a good value of 6% or less. Further, when the ultrasonic probe characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1, the sensitivity variation between the channels was very small as 5% or less with high sensitivity and wide bandwidth.
[0045]
(Example 5)
An ultrasonic probe was produced in the same manner as in Example 2 except that a ground plate was adhered to the second acoustic matching layer using a film adhesive. Since a film adhesive was used, 3% by volume of the groove between the laminates was filled with the adhesive. Dielectric constant ε in the same manner as in Example 1.S1S3As a result, the average value of 100-channel piezoelectric bodies of one ultrasonic probe was 390, and the variation was a good value of 6% or less. Further, when the ultrasonic probe characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1, the sensitivity variation between the channels was very small as 5% or less with high sensitivity and wide bandwidth.
[0046]
(Examples 6 and 7)
When the laminated body composed of the piezoelectric element and the acoustic matching layer is cut into an array shape with a dicing saw, the filling rate of the organic resin composed of the silicone-based resin adhesive in the grooves between the laminated bodies is 50 volume% and 95 volume, respectively. Example 6 and 7 are ultrasonic probes manufactured by the same process as in Examples 1 and 2 except that the composition is filled to be%.
[0047]
Evaluation is performed in the same manner as in Example 1. First, dielectric constant ε for Example 6S1S3As a result, the average value of 100-channel piezoelectric bodies of one ultrasonic probe was 330, and the variation was a good value of 8% or less. Further, when the ultrasonic probe characteristics of Example 6 were evaluated in the same manner as in Example 1, the sensitivity variation between channels was very small as 7% or less with high sensitivity and wide bandwidth.
[0048]
Further, in Example 7, the dielectric constant εS1S3As a result, the average value of the piezoelectric material of 100 channels included in one ultrasonic probe was 310, and the variation was a favorable value of 7% or less. Further, when ultrasonic probe characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1 for Example 7, the sensitivity variation between channels was very small, with a high sensitivity and a wide bandwidth of 6% or less.
[0049]
(Example 8)
A piezoelectric single crystal was formed in the same manner as in Example 1, and this wafer was polished to a thickness of 150 μm to form two piezoelectric bodies having a size of 30 mm × 20 mm × 0.15 mm, and then Cr / Au was formed by sputtering. The electrode which consists of was formed in both surfaces. At this time, an electrode is not formed at the end of one side on one side, and an electrode is not formed at the end of a side that is point-symmetric with this side on the side opposite to this side. In such electrode patterning, the electrode may be formed after masking the piezoelectric body, or the electrode may be formed on both surfaces of the piezoelectric body and then part of the electrode may be removed by dicing. The two piezoelectric bodies were bonded with an epoxy adhesive so that the electrodes overlapped in the same shape. By bonding with an epoxy adhesive, the electrodes are electrically connected, and the end of the side that does not form the electrode is filled with an epoxy adhesive, and the electrodes alternately appear on opposite sides. became. Then, by forming electrodes also on the two side surfaces where the electrodes are alternately projected, a third electrode composed of an electrode sandwiched between the piezoelectric bodies and a side electrode connected thereto, and two sandwiching the piezoelectric bodies The electrode and the 4th electrode which consists of an electrode of the side surface connected to these were made. And when the electric field of 1 kV / mm was applied between the 3rd electrode and the 4th electrode and the polarization process was performed, the acoustic impedance of this piezoelectric element was 22Mrayls.
[0050]
Thereafter, an ultrasonic probe was produced in the same manner as in Example 2. Dielectric constant ε in the same manner as in Example 1.S1S3As a result, the average value of the 100-channel piezoelectric bodies included in one ultrasonic probe was 1000, and the variation was a good value of 6% or less. Further, when the ultrasonic probe characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1, the sensitivity variation between the channels was very small as 5% or less with high sensitivity and wide bandwidth.
[0051]
(Comparative Example 1)
An ultrasonic probe was produced in the same manner as in Example 1 except that the acoustic matching layer was produced by the following method.
[0052]
On the first electrode side of the piezoelectric element, a Cr / Au electrode is formed on the entire surface by sputtering, the acoustic impedance is 7 Mrays, and the first acoustic matching layer made of a mixture of an epoxy resin and alumina is used as an epoxy adhesive. Glue with. Next, on the first acoustic matching layer, a second acoustic matching layer made of an epoxy resin having an acoustic impedance of 3 Mrays and added with conductivity by forming a Cr / Au electrode on the entire surface by sputtering. Are bonded with an epoxy adhesive.
[0053]
Dielectric constant ε in the same manner as in Example 1.S1S3As a result, the average value of 100-channel piezoelectric bodies was 360, and the variation was as large as 25% or more. This is because the acoustic impedance value of the first acoustic matching layer is less than 40% of the acoustic impedance value of the piezoelectric body, and the first acoustic matching layer made of an organic material is used. It is considered that the vibration cannot be suppressed and the variation of the dielectric constant of the piezoelectric body is increased. Further, when the ultrasonic probe characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1, although there were some channels having high sensitivity and wide bandwidth, the sensitivity variation between the channels was as large as 20% or more. Such sensitivity variations between channels adversely affected the image quality of tomographic images displayed on the diagnostic apparatus.
[0054]
(Comparative Example 2)
An ultrasonic probe was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a mixture of epoxy resin and tungsten powder having an acoustic impedance of 9 Mrays was used as the first acoustic matching layer. Dielectric constant ε in the same manner as in Example 1.S1S3As a result, the average value of the piezoelectric material of 100 channels included in one ultrasonic probe was 340, and the variation was as large as 20% or more. Although the acoustic impedance value is 40% or more of the acoustic impedance value of the piezoelectric body as the first acoustic matching layer, since the organic material is used, the organic material has stretchability. It is considered that the variation of the dielectric constant of the piezoelectric material is increased. Further, when the probe characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1, although channels showing relatively good sensitivity and bandwidth were found in various places, the sensitivity variation between channels was as large as 15% or more. Such sensitivity variations between channels adversely affected the image quality of tomographic images displayed on the diagnostic apparatus.
[0055]
(Comparative Example 3)
As the first acoustic matching layer, lead metaniobate PbNb having an acoustic impedance of 20 Mrays2O6And using a mixture of alumina and an epoxy resin with an acoustic impedance of 7 Mrayls and applying an electrode made of Cr / Au by sputtering as the second acoustic matching layer, ultrasonic waves are obtained in the same manner as in Example 2. A probe was made. Dielectric constant ε in the same manner as in Example 1.S1S3As a result, the average value of the piezoelectric material of 100 channels included in one ultrasonic probe was 300, and the variation was a good value of 5% or less. However, when the ultrasonic probe characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1, since the acoustic impedance was too large and the acoustic matching between the object such as the human body and the piezoelectric body was insufficient, the obtained super The frequency spectrum of the sonic probe was not uniform and low sensitivity and narrow band characteristics were shown. The tomographic image displayed on the diagnostic apparatus was significantly inferior.
[0056]
As described above, in each of the comparative examples, the sensitivity variation is large or the acoustic matching is insufficient in each comparative example, compared to the case where an ultrasonic probe having high sensitivity and wide bandwidth and small sensitivity variation is obtained. It has become a new ultrasonic probe.
[0057]
In particular, among the examples, it can be seen that an ultrasonic probe with less variation in sensitivity can be obtained by using three or more acoustic matching layers. In addition, when the acoustic impedance value of the first acoustic matching layer is set to 40% to 85% of the acoustic impedance value of the piezoelectric body, the lower the acoustic impedance of the first acoustic matching layer, the lower the dielectric impedance of the piezoelectric body. The rate can be increased, and the higher the sensitivity, the less the variation in sensitivity between channels. Furthermore, the dielectric constant of the piezoelectric body can be increased by setting the filling rate of the resin between the laminated bodies to 5% by volume or less, and the effect is further enhanced by setting the filling rate to 3% by volume or less. In addition, by including a plurality of piezoelectric bodies as piezoelectric elements and a structure in which a plurality of piezoelectric bodies and electrodes are stacked, variation in sensitivity between channels can be reduced, and the dielectric constant of the piezoelectric body can be significantly increased. It becomes possible.
[0058]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic probe with small variations in sensitivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a vibration direction of a piezoelectric body.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view showing a structure of a flexible printed wiring board.
FIG. 5 is a perspective view for explaining a piezoelectric element formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric bodies and electrodes.
[Explanation of symbols]
1 ... Piezoelectric body
2 ... Acoustic backing material
3a ... first acoustic matching layer
3b ... second acoustic matching layer
3c ... third acoustic matching layer
3 ... Acoustic matching layer
4 ... Second electrode
5 ... 1st electrode
6a ... conductive layer
6b ... Insulating layer
6 ... Flexible printed circuit board
7a ... conductive layer
7b ... Insulating layer
7 ... Earth plate
8 ... Acoustic lens
11 ... Third electrode
12 ... Fourth electrode

Claims (5)

音響バッキング材と、前記音響バッキング材上に設けられ、圧電単結晶により形成される圧電体と、前記圧電体が前記音響バッキング材と対向する第1の面及びこの第1の面とは反対側の面である第2の面に夫々設けられる一対の電極とを有する圧電素子と、前記圧電素子の前記第2の面上に設けられ、音響インピーダンスが前記圧電体の音響インピーダンスの40%以上85%以下である固体無機物からなる第1の音響整合層と、前記第1の音響整合層上に設けられ、音響インピーダンスが前記第1の音響整合層よりも小さい第2の音響整合層とを具備し、前記圧電素子及び前記第1の音響整合層及び前記第2の音響整合層を含む複数の積層体が、前記音響バッキング材上に一次元若しくは二次元のアレイ状に配列され、アレイ状に配列された前記積層体間の空隙部分は、充填率が5体積%以下であることを特徴とする超音波プローブ。An acoustic backing material, a piezoelectric body provided on the acoustic backing material and formed of a piezoelectric single crystal, a first surface where the piezoelectric body faces the acoustic backing material, and a side opposite to the first surface A piezoelectric element having a pair of electrodes respectively provided on the second surface, and an acoustic impedance of 40% or more of the acoustic impedance of the piezoelectric body, provided on the second surface of the piezoelectric element. % Of the first acoustic matching layer made of a solid inorganic material and a second acoustic matching layer provided on the first acoustic matching layer and having an acoustic impedance smaller than that of the first acoustic matching layer. and, wherein the piezoelectric element and the first acoustic matching layer and the second plurality of laminates including an acoustic matching layer is arranged on the acoustic backing material in a one-dimensional or two-dimensional array, in an array Array Void portion between the laminate, ultrasonic probe, wherein the filling rate is less than 5 vol%. 前記音響バッキング材と前記圧電素子との間に、フレキシブル印刷配線板を具備することを特徴とする請求項1記載の超音波プローブ。The ultrasonic probe according to claim 1, further comprising a flexible printed wiring board between the acoustic backing material and the piezoelectric element. 前記圧電単結晶が、Pb(B1,B2)1-xTix3(ただし、xの値は0.04≦x≦0.55であり、B1はZn、Mg、Ni、Sc、In及びYbよりなる群から選ばれる少なくとも一種であり、B2はNb及びTaよりなる群から選ばれる少なくとも一種である)で表される組成からなることを特徴とする請求項1もしくは2記載の超音波プローブ。The piezoelectric single crystal is Pb (B1, B2) 1-x Ti x O 3 (where x is 0.04 ≦ x ≦ 0.55, B1 is Zn, Mg, Ni, Sc, In and 3. The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the ultrasonic probe has a composition represented by: at least one selected from the group consisting of Yb, and B2 is at least one selected from the group consisting of Nb and Ta. . 前記第1の音響整合層がSiO2、MgO及びAl23を含むセラミックスと、Si34、AlN、Al23及びZrO2を含むセラミックスと、カルシウムシリケート及びリチウムアルミノシリケートを含むセラミックスと、フッ素金雲母セラミックスと、六方晶窒化ホウ素セラミックスとからなる群より選ばれる少なくとも一種のセラミックスを含むことを特徴とする請求項1もしくは2記載の超音波プローブ。Ceramics containing a ceramic first acoustic matching layer comprises SiO 2, MgO and Al 2 O 3, Si 3 N 4, AlN, and ceramics containing Al 2 O 3 and ZrO 2, calcium silicate and lithium aluminosilicate The ultrasonic probe according to claim 1, further comprising at least one ceramic selected from the group consisting of: fluorinated phlogopite ceramics and hexagonal boron nitride ceramics. 前記圧電素子は前記圧電体を複数層有し、前記圧電体間には電極を有してこれらが交互に積層される構成からなることを特徴とする請求項1もしくは2記載の超音波プローブ。The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the piezoelectric element includes a plurality of layers of the piezoelectric bodies, and has an electrode between the piezoelectric bodies and is alternately stacked.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4709500B2 (en) * 2004-05-12 2011-06-22 株式会社東芝 Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus
JP4181103B2 (en) 2004-09-30 2008-11-12 株式会社東芝 Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus
WO2006040962A1 (en) * 2004-10-15 2006-04-20 Olympus Medical Systems Corp. Ultrasonic vibrator, and manufacturing method thereof
US7859170B2 (en) * 2005-08-08 2010-12-28 Koninklijke Philips Electronics N.V. Wide-bandwidth matrix transducer with polyethylene third matching layer
EP1981308A4 (en) * 2006-01-31 2016-04-06 Konica Minolta Inc Ultrasonic probe
JP5331483B2 (en) * 2006-11-08 2013-10-30 パナソニック株式会社 Ultrasonic probe
WO2008062343A1 (en) * 2006-11-21 2008-05-29 Koninklijke Philips Electronics N.V. Ultrasound waveguide
JP5905192B2 (en) * 2010-07-30 2016-04-20 コニカミノルタ株式会社 Manufacturing method of ultrasonic probe
KR101477544B1 (en) 2012-01-02 2014-12-31 삼성전자주식회사 Ultrasonic transducer, ultrasonic probe, and ultrasound image diagnosis apparatus
JP6073600B2 (en) * 2012-08-28 2017-02-01 東芝メディカルシステムズ株式会社 Ultrasonic probe and piezoelectric vibrator
CN110448332A (en) * 2019-09-12 2019-11-15 深圳市索诺瑞科技有限公司 A kind of universal ultrasonic transducer
CN114062487B (en) * 2021-11-19 2023-12-12 自然资源部第二海洋研究所 Submarine hydrothermal plume acoustic detection simulation device and method
CN115975384A (en) * 2022-12-26 2023-04-18 武汉联影医疗科技有限公司 Modified silicone rubber, raw material composition, preparation method of raw material composition, and acoustic lens, probe and ultrasonic diagnostic device containing modified silicone rubber

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