壓電振子、超聲波探頭、壓電振子制造方法以及超聲波探頭制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實施方式涉及壓電振子、超聲波探頭、壓電振子制造方法以及超聲波探 頭制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 醫(yī)用超聲波診斷裝置、魚群探測裝置、聲納等超聲波圖像檢查裝置經(jīng)由超聲波探 頭向?qū)ο笪锇l(fā)送超聲波，根據(jù)由來自對象物的內(nèi)部的反射波產(chǎn)生的反射信號（回波信號）， 將對象物的內(nèi)部進(jìn)行成像。在醫(yī)用超聲波診斷裝置以及超聲波圖像檢查裝置中，主要使用 具有超聲波發(fā)送接收功能的電子操作式的陣列式超聲波探頭。
[0003] -般的超聲波探頭具有背襯材料、在背襯材料上接合并在壓電體的兩面形成有電 極的壓電振子、以及在壓電振子上接合的聲匹配層。壓電振子以及聲匹配層通過陣列加工 形成為多個通道。在聲匹配層上形成聲透鏡。與各通道對應(yīng)的壓電振子的電極經(jīng)由控制信 號基板（燒性印刷線路板：Flexibleprintedcircuit，F(xiàn)PC)和電纜，與醫(yī)用超聲波診斷裝 置以及超聲波圖像檢查裝置的裝置主體連接。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0005] 專利文獻(xiàn)
[0006] 專利文獻(xiàn)1 :專利第3251727號公報
[0007] 專利文獻(xiàn)2 :專利第3987727號公報
[0008] 專利文獻(xiàn)3:日本特開2008-47693號公報
[0009] 非專利文獻(xiàn)
[0010] 非專利文南犬 1 :Kei_PiChenetal.Electric-field-inducedphasetransition of<100>orientedPb(Mgl/2Nb2/3)-PbTix03crystals,J.Phys.CondensedMatter,vol. 14 ,No. 29,L571, (2002).
[0011] 非專利文獻(xiàn) 2:C. _S.Tuetal.Phasestabilityafterelectric-fieldpoling inPb(Mgl/2Nb2/3)l-xTix03crystals,PhysicalReviewB,70,220103, (2004).

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]目的在于提供一種當(dāng)在超聲波振子等中使用壓電單晶材料時，提高介電常數(shù)和壓 電常數(shù)d33的壓電振子以及壓電振子制造方法，并提供提高靈敏度的超聲波探頭以及超聲 波探頭制造方法。
[0013] 本實施方式所涉及的壓電振子由具有氧化鎂和氧化銦中的至少一方和氧化鈮的 鉛復(fù)合鈣鈦礦化合物構(gòu)成，具備：單晶壓電體，具有晶體取向為[100]面的第1面和與上述 第1面對置，且晶體取向為[100]面的第2面，并被極化；第1電極，設(shè)置在上述單晶壓電體 的上述第1面?zhèn)?；以及?電極，設(shè)置在上述單晶壓電體的上述第2面?zhèn)?。相對于基于上?單晶壓電體未極化或去極處理后的密勒指數(shù)（400)的衍射X射線的第1半高寬，基于上述 單晶壓電體的密勒指數(shù)（400)的衍射X射線的第2半高寬為0. 22以上0. 4以下。
【附圖說明】
[0014] 圖1是表示在相對于本實施方式的X射線衍射中，X射線強(qiáng)度相對于衍射角的分 布的一個例子的圖。
[0015]圖2是用于在相對于本實施方式的X射線衍射中，說明密勒指數(shù)（400)的說明圖。
[0016] 圖3是表示制造壓電振子的步驟的流程的流程圖的一個例子的圖。
[0017] 圖4是表示本實施方式的實施例1至7所涉及的壓電振子的外觀的一個例子的外 觀圖。
[0018] 圖5是表示本實施方式所涉及的、對壓電振子施加的交流電場與直流電場的一個 例子的圖。
[0019] 圖6是表示本實施方式所涉及的、對壓電振子施加的交流電場與直流電場的一個 例子的圖。
[0020] 圖7是表不參考例所涉及的直流電場的施加的一個例子的圖。
[0021] 圖8是表示本實施方式所涉及的、在與密勒指數(shù)（400)相關(guān)的X射線衍射結(jié)果中， X射線強(qiáng)度相對于衍射角（2 0)的分布的一個例子的圖。
[0022] 圖9是將本實施方式所涉及的壓電振子的介電常數(shù)的溫度特性與直流極化以及 未極化的壓電振子中的介電常數(shù)的溫度特性一起示出的圖。
[0023] 圖10是表示本實施方式所涉及的超聲波探頭的結(jié)構(gòu)的一個例子的圖。
[0024]圖11是表示制造本實施方式的實施例4所涉及的超聲波探頭的步驟的流程的流 程圖的一個例子的圖。
[0025]圖12是本實施方式所涉及的、將頻譜與比較例的頻譜一起示出的圖。
[0026]圖13是本實施方式所涉及的、將基于多個通道的輸出（靈敏度）分布與比較例的 輸出分布一起不出的圖。
[0027] 符號說明
[0028]20…壓電振子、23…前面電極、24…單晶、25…背面電極、100…超聲波探頭、102… 背襯材料、104…信號用FPC、106…單晶壓電振動兀件、108…第1聲匹配層、110…第2聲匹 配層、111…第3聲匹配層、112…接地用FPC、114…聲透鏡
【具體實施方式】
[0029] 在超聲波探頭中，壓電振子是進(jìn)行超聲波的發(fā)送接收的有效元件。作為壓電振子 的特性，要求介電常數(shù)和壓電常數(shù)大、并且介電損耗小。此外，在壓電振子的內(nèi)部以及多個 壓電振子間，要求介電常數(shù)、介電損耗等介電特性和壓電常數(shù)等壓電特性均勻。另外，這樣 的超聲波探頭中的發(fā)送超聲波的中心頻率例如是2以上10MHz以下。因此，壓電振子的厚 度一般為〇. 05以上0. 5mm以下左右。
[0030] 作為壓電振子的材料，從1970年代開始使用鋯-鈦酸鉛（PZT)類壓電陶瓷。作 為壓電振子的材料，從2005年左右，開始使用具有鉛復(fù)合鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的高性能的壓電單 晶。具有鉛復(fù)合鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的高性能的壓電單晶由通過5mol%以上45mol%以下的鈦酸 鉛（PbTi03)和55mol%以上95mol%以下的Pb(Bl、Nb)03(Bl是鎂、鋅、銦、鈧等中的至少一 個）構(gòu)成的弛豫型鉛復(fù)合鈣鈦礦化合物構(gòu)成。另外，壓電單晶也可以以30mol%以下的比例 具有鋯酸鉛。
[0031] 在以往技術(shù)中，具有包含[Pb(Mg、Nb)03]Ux) ? [Pb(Ti03)]w(以下，稱為PMN-PT): (x= 0. 26以上0. 29以下）等的成分的鉛復(fù)合鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的單晶是贗立方晶。25°C中上 述壓電單晶的介電常數(shù)的值為5000以上。此外，在贗立方晶和正方晶之間的變態(tài)溫度Trt 下，具有鉛復(fù)合鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的單晶的相對介電常數(shù)的值是25°C下PZT類壓電陶瓷的相對 介電常數(shù)的2. 5倍以上。
[0032] 作為另一個以往例，示出在鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛Pb(Zn1/3、Nb2/3) 03-Pb(Ti03)(以下， 稱為PZN-PT)中，如果一邊從相變溫度以上的高溫降低溫度一邊施加直流電場，則能夠根 據(jù)條件將范圍大小控制在8-20ym的范圍內(nèi)。該方法中的范圍相對于電極面在平行方向形 成。
[0033] 壓電振子所使用的壓電元件中的晶體的方位所有的面均為[100]。整個面的晶體 取向成為[100]的壓電元件主要用于超聲波探頭。另外，對上述壓電元件添加了氧化錳等 的材料也用于超聲波探頭。壓電元件研磨成0.05以上0.5mm以下的厚度。之后，在壓電元 件的上下面形成電極。具體而言，在壓電元件的上下面上通過烘烤方法、濺射、蒸鍍方法、濕 式鍍層方法等方法來設(shè)置銀（Ag)、金（Au)、鎳（Ni)、鉻（Cr)、鈀（Pd)等。之后，在從室溫到 200°C的溫度范圍內(nèi)，施加1分鐘以上100分鐘以下左右0. 2kV/mm以上3kV/mm以下的直流 電場。通過基于施加該直流電場的極化處理，完成壓電振子。
[0034] 例如，為了提供靈敏度以及分辨率高的壓電單晶及其制造方法、壓電元件、以及超 聲波探頭，有時一邊將壓電振子從200°C冷卻到40°C-邊通過lkV/mm的直流電場進(jìn)行極 化。
[0035]另外，例如，存在極化方向的縱向振動模式的機(jī)電耦合系數(shù)k33為80. 2%以上 (k33會80. 2 % )，并且壓電應(yīng)變常數(shù)d33為960pC/N以上（d33會960pC/N)的壓電元件。 該壓電元件由〇. 91PZN-0. 09PT構(gòu)成。另外，該壓電元件具有與極化方向正交的方向的橫向 振動模式的機(jī)電耦合系數(shù)k31為74%以上（k31 3 74%)，并且壓電應(yīng)變常數(shù)d31為1263pC 以上（d31 2 1263pC/N)的特征。此外，該壓電元件的特征在于：作為和k31相關(guān)的極化方 向正交的方向的橫向振動模式的共振頻率（fr)與壓電元件的振動方向的長度（L)的積的 頻率常數(shù)（fc31 =fr?L)的值為609Hz?m以下（fc31蘭609Hz?m)。使用該壓電元件的 壓電振子被稱為范圍控制壓電單晶振子。范圍控制壓電單晶振子如以下那樣制作。首先， 在壓電元件上設(shè)置輔助電極。通過對輔助電極進(jìn)行直流、交流、電暈放電來執(zhí)行暫時極化。 接著，將輔助電極剝離。在與設(shè)置有輔助電極的面不同的另一個面設(shè)置主電極。然后，再次 通過施加直流電壓來完成范圍控制壓電單晶振子。
[0036] 另外，作為其他的壓電振子的制造方法的例子，通過由直流、交流以及電暈放電對 將無機(jī)材料微粒進(jìn)行薄片化處理而設(shè)置的有機(jī)壓電材料（尿素、聚酯、聚酰胺）進(jìn)行極化， 來制作壓電振子。
[0037] 另外，在改變對0. 7PMN-0. 3PT單晶的[100]板施加的直流極化電場的強(qiáng)度的情況 下，測量基于X射線的（400)衍射角（20)的強(qiáng)度。當(dāng)極化電場的強(qiáng)度為4kV/cm時，半高 寬（FWHM:FullWidthatHalfMaximum)成為0.44。。該值變得比未極化品的FWHM的值 0.56°小。但是，在進(jìn)一步使電壓增加的13kV/cm下，衍射角變小。即，c軸晶格面間距增 加。另外，衍射角2 0的位置為87.5°，在極化前后沒有變化。另外，峰的高度由于極化而 從1300向1000降低。另外，作為未極化品的半高寬W與極化品的半高寬W1的比的W1/W 為0. 785。作為未極化品的衍射角C與極化品的衍射角C1的比的C1/C為1. 0000。
[0038]另外，在（l-x)PMN-xPT中，在x=0?24、0. 26、0. 27、0. 29、0. 35 的單晶的[100]板 中，測量基于極化前后的X射線的（002)衍射角（2 0)的強(qiáng)度。在x= 0.24mol%的晶體 中，當(dāng)極化電場的強(qiáng)度為6kV/cm時，衍射角偏移0.1°左右。此時，c軸晶格面間距變小。 但是，進(jìn)一步使電壓增加，當(dāng)13kV/cm時衍射角變小。即，c軸晶格面間距增加。另外，當(dāng)x =0. 26以上0. 35以下時，如果施加電場，則c軸晶格面間距增加。作為x= 0. 24的單晶 的未極化品的半高寬W與極化品的半高寬W1的比的W1/W為0. 8529。另外，作為未極化品 的衍射角C與極化品的衍射角C1的比的C1/C為1. 0034。
[0039] 然而，當(dāng)將目前所熟知的壓電單晶作為醫(yī)用超聲波振子來使用時，存在以下那樣 的問題點。例如，介電常數(shù)的不足、壓電常數(shù)d33的不足、以及由于大的介電損耗而產(chǎn)生熱、 壓電振子內(nèi)部中的介電特性以及壓電特性的偏差導(dǎo)致的通道間的靈敏度特性的偏差大等。 另外，即使在用于聲納等用途的情況下，靈敏度特性也不是應(yīng)該滿足的基準(zhǔn)。
[0040] 以下，參照附圖，針對X射線衍射現(xiàn)象進(jìn)行說明。
[0041] 圖1是表示本實施方式所涉及的X射線衍射的測量結(jié)果的一個例子的圖。如圖1 所示，X射線衍射的測量結(jié)果是作為X射線強(qiáng)度（cps:Countpersecond:每一秒的計數(shù)數(shù)） 相對于衍射角（2 0)的分布來得到。與本實施方式相關(guān)的X射線的衍射角通過以下的方法 來測量。
[0042] 進(jìn)行X射線衍射的測量的裝置例如