[發明專利]超聲波探頭及其制造方法

有效

• 申請號: 200810090750.7
• 申請日: 2008-03-31
• 公開（公告）號: CN101278843A
• 公開（公告）日: 2008-10-08
• 發明（設計）人: 大澤敦
• 申請（專利權）人: 富士膠片株式會社
• 主分類號: A61B8/00
• 分類號: A61B8/00;A61B8/12;G01N29/24
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 陸錦華;黃啟行

技術領域

本發明涉及到一種在超聲波診斷裝置中用于收發超聲波的超聲波探頭，進而涉及到這種超聲波探頭的制造方法。

背景技術

在超聲波探頭中，作為用于對超聲波進行發送及/或接收的超聲波換能器，一般使用以PZT(鋯鈦酸鉛：Pb(lead)zirconate?titanate)為代表的壓電陶瓷、以PVDF(聚偏二氟乙烯：polyvinyliden?difluoride)為代表的在高分子壓電材料等壓電體的兩端形成電極的振子(壓電振子)。

當向這種振子的電極施加電壓時，通過壓電效果，壓電體伸縮，產生彈性波。特別是，通過將寬頻帶的信號電壓施加到振子的電極上，生成具有和壓電體厚度對應的波長的諧振彈性波。尤其是當陶瓷壓電體的厚度為數mm以下時，由壓電體產生超聲波。進一步，將多個振子一維或二維狀地排列，由施加了規定延遲的多個驅動信號驅動，從而可使超聲波束朝向所需方向形成。另一方面，振子通過接收傳播的超聲波而伸縮，產生電信號。該電信號作為超聲波的檢測信號使用。

超聲波診斷裝置使用超聲波探頭將超聲波發送到人體等被檢測體，并通過接收從被檢測體反射的超聲波回波，根據超聲波的檢測信號顯示圖像。這樣一來，進行體內的臟器、血管的檢查。但是，在振子中使用壓電陶瓷時，振子的聲阻抗和人體等的聲阻抗之間有較大的差，在存在這種聲阻抗的差的邊界面下會產生超聲波反射，造成傳播損失。

其中，聲阻抗是由傳聲介質密度和聲速的積所表示的物質固有的常數，其單位一般使用Mrayl(mega?rayl)，而1MRayl＝1×10⁶kg·m^-2·s^-1。一般的壓電陶瓷的聲阻抗為約25MRayl～約35MRayl，人體的聲阻抗約為1.5MRayl。

設振子的聲阻抗為Z₀、人體的聲阻抗為Z_M時，接觸界面中的超聲波的反射率R以下式(1)表示。

R＝|Z₀-Z_M|/(Z₀+Z_M)…(1)

公式(1)中，Z₀＝35MRayl，Z_M＝1.5MRayl時，R＝0.92，因此可知大部分的超聲波在接觸界面反射，超聲波傳播不到一成。

為了解決該問題，在振子和被檢測體之間插入聲匹配層，實現聲阻抗的匹配。進一步，如果使聲匹配層為多層構造，則可改善超聲波的傳播效率，但因制造上的原因，聲匹配層的上限是2層～3層。

因此，為了進一步改善超聲波的傳播效率，考慮降低振子自身的聲阻抗。例如，在壓電體上形成格子狀的槽并陣列化，在槽內部填充聲阻抗為2MRayl～4MRayl左右的材料較為有效。此時，槽的間隔與在被槽分離的各振子內傳播的超聲波的波長相比足夠小。一般情況下，槽的間隔優選為超聲波波長的1/8～1/10左右。作為這種陣列振子，例如使用將在一個方向較長的棒狀PZT配置在樹脂中而成的復合壓電體，該復合壓電體稱為1-3復合材料。

1-3復合材料中，各振子是棒狀的，因此其振動模式為33振動模式。33振動模式是指，對在第3方向(Z軸方向)進行了分極處理(還原處理)的壓電體在相同的第3方向上施加電場而使之振動時的振動模式。一般情況下，在振子中，33振動模式下的機電耦合系數k33大于板狀下的機電耦合系數kt、條狀下的機電耦合系數k33’，因此通過使各振子為棒狀，可實現較高的變換效率。

并且，機電耦合系數k33較大時有利于振子的頻帶擴大。進一步，通過采用1-3復合材料，聲阻抗高的壓電體的一部分置換為聲阻抗低的樹脂，因此振子的聲阻抗下降，改善了超聲波的傳播效率。當介電常數大的壓電體的有效面積減少時，振子的電容量下降，電阻抗上升。

作為相關技術，日本國專利申請公開JP-P2003-70096A中公開了使用具有細微構造并具有較高可行性的低成本的復合壓電體的超聲波探頭。在該復合壓電體中，在樹脂層表面在一定方向上排列有多個細線狀燒結壓電體而成的復合片材，以使各細線狀燒結壓電體位于樹脂層之間的方式層疊多個并一體化，在與細線狀燒結壓電體的長度方向垂直的方向上切斷。