專利名稱:復合式超聲換能器及其制造方法
發(fā)明的技術領域：
本發(fā)明屬于在超聲診斷設備或其它設備中使用的超聲換能器。
發(fā)明的技術背景迄今，鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷被廣泛用作超聲換能器的壓電振子材料。但是，上述壓電陶瓷存在以下一些缺點(1)當用于診斷目的時，需要精心設計一個聲學匹配層，這是因為其聲學阻抗顯著地大于人體的聲學阻抗;(2)其介電常數(shù)相當大，因而壓電電壓常數(shù)g過于小，以至于根據(jù)所接收到的超聲波不能產生出高電壓;(3)它們很難形成與人體形狀相適合的曲率。為了解決這些問題，已經提出了所謂壓電復合物的概念，在壓電復合物中多聚物與壓電物質相復合。作為一個例子，可以舉出Newnham等人在美國的一份報道這樣一種復合物結構是有效的，其中若干PZT柱12埋入多聚物11中，如圖1所示(參見“Material Research Briden”，Vol.13.PP.525-536(1978))。事實上，PZT與諸如硅橡膠或環(huán)氧物等多聚物共同組成的復合物結構導致了一種具有低聲學阻抗和大壓電電壓常數(shù)g的材料。
在上述壓電復合物中，它們的壓電性能隨著壓電物質與多聚物的體積比的不同而變化甚大。這一點在上面提到的參考文獻中已有詳細的介紹。但是，可以予料壓電復合物的壓電性能還會隨著壓電柱的尺寸和配置的不同而變化-即使壓電物質與多聚物的體積比相同也是如此。
發(fā)明的概述本發(fā)明的一個目的是提供一種復合式超聲換能器，其發(fā)射和接收總靈敏度高于使用壓電陶瓷板的常規(guī)換能器的靈敏度。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種有利于大量生產的制造高可靠性的壓電復合物的方法。
本發(fā)明的特征在于一種由壓電復合物制成的超聲換能器具有這樣的結構若干壓電陶瓷柱被埋入板狀多聚物基體中，且壓電陶瓷柱垂直于板的表面，其中壓電陶瓷柱所占體積比為0.15-0.75，而每個壓電陶瓷柱的高度均大于各相鄰的壓電陶瓷柱之間的距離。
本發(fā)明的其它特征可從下文的詳細描述中揭示出來。
附圖的簡述圖1是本發(fā)明的一種實施例的透視圖;
圖2和圖3是換能器靈敏度特性的特性曲線;
圖4A-4C、圖5A-5H、圖6A-6B和圖7A-7G是上述實施例的制造方法的示意圖;
圖8A-8E、圖9和圖10A-10B是本發(fā)明的另一實施例的制造方法的示意圖。
最佳實施例的詳述圖1畫出了本發(fā)明的一種實施例的結果。一塊以下文所述的制造方法制作出來的壓電復合物100具有這樣的結構若干壓電陶瓷柱配置在多聚物基體102中，彼此相距d。在壓電復合物100的上、下表面各自形成電極103和104，從而組成一個復合式換能器。
沿其長度方向極化過的PZT陶瓷(Pb(TiZr)O3)或鈦酸鉛陶瓷(PbTiO3)用作壓電柱101最為合適。硅橡膠、聚氨酯或環(huán)氧樹脂用作多聚物102最為合適。最好用鉻-金薄膜形成電報，當然，其它適用的導電薄膜也可以用來形成電板。
圖2給出了圖1中所示復合式換能器的靈敏度變化相應于壓電陶瓷柱101之間的距離d的變化的測量結果，該復合式換能器是用PZT陶瓷和硅橡膠制成的。這個測量結果是由四種情況得到的壓電復合物換能器中的壓電陶瓷柱的表面積為10平方毫米，厚度h為0.3毫米，而柱間距離d分別為0.15毫米、0.2毫米、0.3毫米和0.4毫米。壓電陶瓷柱101相對于整個壓電復合物的體積比對每種換能器而言均為25%。每種換能器沿其深度方向的縱振動諧振頻率大約都是4.5兆赫茲。
為了進行比較，圖2還給出了常規(guī)超聲換能器的數(shù)據(jù)(以虛線示出)，這種常規(guī)的超聲換能器是用同質的PZT陶瓷制成的，并且具有同樣的口徑和相同的諧振頻率。正如圖2中所看到的，當柱間距離d小于陶瓷厚度h的時候，本發(fā)明中的換能器的發(fā)射和接收靈敏度比常規(guī)換能器要高，但是，當d大于h時，本發(fā)明中的換能器的發(fā)射和接收靈敏度迅速減小。這可以歸因于這樣的事實當d＜h時，所填充的多聚物能將接受的壓力有效地傳遞給壓電柱，從而導致多聚物和壓電柱沿深度方向一同振動;反之，當d＞h時，所說的壓力傳遞不能有效地進行，所以多聚物不能和壓電柱一同振動。
圖3給出了PZT陶瓷所占的體積比與換能器的發(fā)射和接收靈敏度之間的關系。為了進行比較，圖3也給出了常規(guī)超聲換能器的數(shù)據(jù)(以虛線示出)，這種常規(guī)的超聲換能器是用同質的PZT陶瓷板制成的，并且具有同樣的口徑。正如圖3中所看到的，當體積比在0.15至0.75之間的時候，本發(fā)明中的換能器的發(fā)射和接收總靈敏度比使用同質的PZT陶瓷板的常規(guī)超聲換能器要高。由此可見，即使?jié)M足了條件d＜h，如果PZT陶瓷所占體積比小于0.15或者大于0.75，那么仍然未必能夠得到高的靈敏度。
如上所述，對于圖1中的復合式超聲換能器而言，獲得高靈敏度的換能器的條件是壓電陶瓷柱占整個壓電復合物的體積比為0.15至0.75，并且壓電陶瓷柱之間的距離d小于壓電陶瓷柱的高度h。
進而，如圖1中的虛線所示，可以做到將一塊由環(huán)氧樹脂之類的材料做成的背襯件貼附到兩個表面均已形成電板的壓電復合物的任意一個表面上，其另外一個表面即可用于發(fā)射和接收超聲波。
現(xiàn)在，參照圖4A-4C，將描述上面提到的實施例中的壓電復合物100的制造方法。
在圖4A那一步中，將一塊扁平狀的壓電陶瓷板201暫時粘結到切割底座203上，粘結使用諸如蠟之類的粘合劑202，這種粘合劑可在遇熱后變軟。如在圖4B中所見，將壓電陶瓷板縱、橫切割之厲，形成若干溝槽204，并與此同時制作出若干元件205。然后，將多聚物206填入各個切出的溝槽之中并且固化，最后，將復合物從切割底座上拆下，即可得到圖1中的壓電復合物100。
圖4的制造方法之優(yōu)點是工序少，但是，存在下列缺點(1)由于壓電陶瓷板被深深地切開，容易將元件205切掉下來;
(2)在切割工序中，常?？赡茉诘鬃?03上也切出了溝槽，以至于多聚206會進入并在底座203上粘牢。在這種情況下，將很難將壓電復合物從底座203上拆下，并且，在拆下過程中，有的元件205可能破損。此外，在拆下之后，也難于去掉粘合劑202。
在圖5A-5H中，畫出了一種經過改進的以克服上述缺點的制造方法。首先，如圖5A所示，用蠟302將一塊壓電陶瓷板暫時粘結到切割底座303上。其后，如圖5B所示，縱向和橫向地切割壓電陶瓷板301，令所切溝槽304的深度約等于壓電陶瓷板301的厚度h的一半，不使切透。在此切割工序中，在壓電陶瓷板301上設參考線305和306。圖5C是圖5B的俯視圖。接著，如圖5D所示，在切出的溝槽304中填入聚氨酯或環(huán)氧物之類的多聚物307并使之固化。然后，如圖5E所示，將蠟302熔化，并把振子翻過來重新用蠟或類似物308粘結到切割底座303上。此后，如圖5F所示，借助于參考線305和306，將壓電陶瓷板切至多聚物307的位置。在圖5G所示的工序中，將多聚物填入切出的溝槽309中并且固化，從而在該換能器的背面形成多聚物部分310。在將蠟308熔化之后，將復合物自底座303上拆下，即可得到圖1所示的壓電復合物100。在這種制造方法中，要求多聚物307具有在切割溝槽309時不降低可加工性的良好性質。如果溝槽304中的填充物是硅橡膠之類的軟材料，那么就出現(xiàn)了一個可加工性的問題。對于這種情況，可在圖5B所示的工序中，先用蠟或類似物填入溝槽304，之后，將壓電板翻過來再粘結到底座303上(圖5E的情形)。經過如圖5F所示的情形，切出了溝槽309，可填入硅橡膠于溝槽中并加以固化。此時，至圖5G所示之狀態(tài)，307表示蠟，而310表示硅橡膠。接著，將振子從底座303上取下(這時，各個元件即彼此由硅橡膠互相粘結起來)，并將溝槽304中的蠟清洗掉，于是，導致了圖5H所示的情形。最后，將硅橡膠或類似物填入現(xiàn)已去掉了蠟的溝槽311中并固化之，從而提供出圖1中所示的壓電復合物100。
值得注意的是，多聚物307和310并不總是要求由相同的材料制成，例如，用聚氨酯形成多聚物307而用硅橡膠形成多聚物310是可能的。
作為一個替代的辦法，壓電復合物100還可以用這樣的方法制成如圖6A所示，將圖5D工序中的壓電陶瓷板自切割底座上取下，然后，如圖6B所示，將該壓電陶瓷板自其底面向上研磨，一直磨到平面312處。作為一個替換研磨的方法，可將壓電陶瓷橋自平面312處切開。
按照以上示于圖5A-5H或圖6A與圖6B中的制造方法，用于填充多聚物的那些溝槽不必切至切割底座，因而導致了這樣的優(yōu)點很容易將填好了多聚物的壓電陶瓷板從切割底座上拆下。
在圖4A-4C、圖5A-5H和圖6A-6B所示出的制造方法的任意一個方法中，最好將容易被清洗掉的其它多聚物予先蓋在壓電陶瓷板201或301的上下表面上，用以防止所填充的多聚物將壓電柱的上下表面粘住。
圖7A-7G畫出了可以獲得圖1中的壓電復合物100的一種替代的制造方法。一塊壓電陶瓷板501暫時用蠟或類似物502粘結到切割底座503上(見圖7A)，而后，將壓電板，亦即振子，自504處完全切開，以形成相互有適當間距的振子段505(見圖7B)。接著，將振子段505取下，并用蠟或類似物507再次暫時粘結到切割底座506上，保持一定的間隔，見圖7C。在每塊振子段505上，切出每個寬度都為d的溝槽508。然后，如圖7D所示，將多聚物509填入各個溝槽。而后，將每個振子段505從底座上取下，于是成為如圖7E所示的小段510。此時，各個元件511已由多聚物509彼此互相粘住。此后，如圖7F所示，將各個小段510安排在一個底座512上，彼此相距d。其后，如圖7G所示，用多聚物514填入每一空白513，并接著取下底座512，于是，制成了壓電復合物。在這種制造方法中，可以用不同的材料形成多聚物509和510。
在上述制造方法中，為了在圖7F所表示的工序中有效地安置那些小段510，最好事先在底座512的上表面形成一些淺槽，用以安排小段510。
圖7A-7G所示的制造方法之優(yōu)點在于因為不必切割用以填充多聚物的溝槽，所以減少了在切割溝槽時可能造成的壓電陶瓷的破損。
在用上述方法獲得的壓電聚合物中，如果所使用的多聚物材料是易彎曲的，則復合物本身也成為易彎曲的。因此，使得容易形成各種形狀，例如表面為凹形，換能器成為可能的。作為一個例子，圖8A-8F畫出了制造一個表面呈圓形凹下去的換能器的制造方法。
首先，如圖8A所示，準備好一塊圓形的壓電復合物401。這塊圓形壓電復合物是將用圖4A-4C、圖5A-5H或圖6A-6B所示方法制出的壓電復合物切成圓形而得到的。或者，如果使用一塊圓形的壓電陶瓷板作為圖5A中的301，那么圓形壓電復合物即可自然地制備出來。注意到圖8A中的402表示多聚物基體，而403表示壓電柱。此后，如剖視圖8B中所示，用樹脂(蠟或類似物)將壓電復合物401粘結到球404的表面上，所用的粘合劑遇熱時須能變軟，所說的球404應具有與所期望的凹下表面相同的曲率。
然后，用網板印刷或蒸發(fā)等方法，在壓電聚合物401的上表面上形成一電極406。此時，為了防止在401的側邊也形成電極，最好用蠟將所說的側邊蓋住。接著，如剖視圖8C中所示，用導電軟膏將一信號引線407連接到球404，并在電極406上形成一背襯件408?；蛘撸瑢⒁殉尚椭了栊螤畹谋撤Q件408用一種粘合劑固定到電極406上。進而，如果帶有粘合作用的導電軟膏用來作為電極406，則電極本身也能起到粘合劑作用。之后，經加熱將球404取下，于是，如圖8D所示，壓電復合物401的前表面409即形成。此后，如剖視圖8E所示，用網板印刷或蒸發(fā)等方法，在前表面409上形成另一電極410。在本例中，410是用作為地端電極的。其后，一地線411被連接到電極410。不過，如果只是這樣設置地端電極和引線，則電極410很可能被撕下來。為此，在前表面上再形成一個薄膜412，用以保護電極410。至此，如圖8F所示，一個帶有凹形表面的換能器制作完畢。
在上面敘述的制造圓形換能器的方法中，最好給予適當?shù)目紤]將換能器制成雙對稱的。更具體地，最好將壓電復合物切成這樣的圓形其中心即為圖9中A點所示的壓電柱的中心，或者，其中心即為圖9中B點所示的至周圍所環(huán)繞的四個壓電柱等距離的一個點。
其中，假如欲使用予先準備好的壓電陶瓷圓板、并用圖5A-5H所示的方法制造壓電復合物，最好采用圖10A和圖10B所示的制造方法。更具體地說，如圖10A所示那樣，首先在圓盤狀壓電陶瓷板701的周圍形成一輔助環(huán)703，輔助環(huán)703可為環(huán)氧樹脂之類的材料。繼而，如圖10B所示，將輔助環(huán)703自參考線704和705處切開，這里的參考線704、705相應于圖5C中的參考線305、306。這樣，所期望的壓電復合物即可用類似于圖5A-5H所示之方法經切割和填充等工序而制得。
權利要求
1.一種由結構為若干壓電陶柱埋入板狀多聚物基體并且壓電陶瓷柱垂直于板的表面的壓電復合物制成的超聲換能器，所說的壓電復合物的特征在于所說的壓電柱所占的體積比為0.15-0.75，所說的每個壓電柱的高度均大于所說的各個相鄰壓電柱之間的距離。
2.一種制造壓電復合物的方法，由以下工序組成沿深度方向切割壓電陶瓷板，并保留一部分不使切透;將多聚物填入切出的溝槽中;翻轉所說的壓電陶瓷板;形成另一些溝槽并與所說的切好的溝槽相通;將多聚物填入所說的另一些切好的溝槽中。
3.一種制造壓電復合物的方法，由以下工序組成沿深度方向從壓電陶瓷板的任意一個表面切入，并保留一部分不使切透;將多聚物填入所說的切出的溝槽中;研磨所說的壓電陶瓷板的另一面，直至露出所說的填充多聚物為止。
專利摘要
一種超聲換能器，它使用了這樣的壓電復合物若干由壓電陶瓷制成的壓電柱配置在板狀多聚物基體中，并且壓電柱垂直于板的表面。壓電柱所占的體積比調節(jié)到0.15-0.75，并且各個相鄰的壓電柱之間的距離調節(jié)到小于多聚物板的厚度，由此制成一種比使用同質壓電陶瓷板的常規(guī)換能器的靈敏度高的換能器。
文檔編號H04R31/00GK85102335SQ85102335
公開日1987年1月17日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者竹內裕之, 中谷千歲, 片倉景義 申請人:株式會社日立制作所, 株式會社日立醫(yī)療器械導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan