专利名称：吸声衬垫组合物、超声波探针及超声波诊断装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种吸声衬垫组合物、一种包含由吸声衬垫组合物形成的吸声衬垫构件并用于收发往返于如物体之间超声波信号的超声波探针以及一种包含该超声波探针的超声波诊断装置。
背景技术：
医疗超声波诊断装置或超声波成像检查装置将超声波信号发送到物体并接收从物体内返回的回波信号以形成物体内部的图像。在这些超声波诊断及超声波成像仪中主要使用能够发送并接收超声波信号的阵列型超声波探针。
超声波探针包含声透镜和压电元件。在使用超声波探针进行医疗诊断中，压电元件处于使在声透镜一侧的超声波探针接触物体以便从压电元件的正面发送超声波信号进入物体的状态。超声波信号在物体中指定的位置通过依照压电元件的运转时间而产生的电子聚焦功能以及通过声透镜产生的聚焦功能会聚。在这种情况下，可以通过控制压电元件的运转时间将超声波信号发送到物体内的指定区域中，并且从物体接收回波信号并在超声波探针中处理以便得到上述指定区域内的超声波成像(断层分析图像)。压电元件的运转也可以将超声波信号释放到背面。因此，将吸声衬垫构件安置在压电元件背面以吸收(削弱)发送到背面的超声波信号，从而避免正常超声波信号与背面反射的超声波信号(回波信号)一起发送到物体中的有害影响。
传统的吸声衬垫构件包含用作基础树脂的环氧树脂以及作为填料填充在基础树脂中的粉状材料。在基础树脂中使用高密度的粉末如钨(W)粉、铅(Pb)粉或氧化锌(ZnO)粉作为填充的粉状材料。吸声衬垫构件具有约2.0g/cm3的密度、约2,500m/s的声速以及约5MRalys的声阻抗。
“Haifeng Wan等，IEEE Transaction Ultrasonic Ferroelectrics andFrequency Control，vol.48，No.1，P.78，2001”中描述了一种包含用作基础树脂的橡胶材料如氯丁二烯橡胶(CR)、丁基橡胶或聚氨酯橡胶以及作为填料填充在基础树脂中的具有高密度的粉状材料如W、Pb或ZnO的吸声衬垫构件。这篇出版物中所描述的吸声衬垫构件具有约3.0g/cm3的密度、约1,500m/s的声速以及约5MRalys的声阻抗。
日本专利第3,420,951号和第3,420,954号中所公开的是超声波探针。这些超声波探针中的一种是这样构成的，即将一片具有高热传导性的材料如氮化铝、氮化硼、铜或碳安置在压电元件和吸声衬垫构件之间。另一种超声波探针由包含作为填料的氮化铝、碳化硅或铜的吸声衬垫构件组成。这些专利文件中公开的超声波探针可以有效地将热释放到压电元件的背面。
日本专利公开(KoKai)第60-68832号所公开的是包括表现各向异性声学特性的背面层的超声波探针。所公开的是超声波探针包括安装在合成树脂如环氧树脂或丙烯酸树脂上的或者安装在由橡胶形成的化合物材料上的金属纤维，并且这些金属纤维在与压电振荡器的振荡方向相同的方向上排列。
此外，日本专利公开第9-127955号(美国专利第5,648,941号)中公开了一种由预型件和复合材料形成的吸声衬垫构件。所公开的是预型件表示线性的纤维结构、平面的纤维结构如合成树脂网状物薄片或三维纤维结构。还公开的是复合材料使用橡胶和/或环氧树脂。
然而，每一个上述例举的出版物中所公开的吸声衬垫构件都会引起如下所指出的问题。
在制造超声波探针中，将压电元件粘在吸声衬垫构件上，随后将声匹配层粘到压电元件上。然后，从声匹配层朝向吸声衬垫构件进行切割处理以便将声匹配层和压电元件分成多个排列的部分，从而形成多个通道。接着，将声透镜安放在每个通道的声匹配层上。在切割处理过程中，在吸声衬垫构件中形成适合切割部分的凹槽。为了提高特定结构的超声波探针中的灵敏性，减少通道的有缺陷部件的比例是重要的。并且，在其中具有超声波探针的超声波诊断装置中，根据断层分析图像的质量而减少通道的有缺陷部件的比例也是重要的。更具体地说，如果在吸声衬垫构件中形成的相邻凹槽之间区域的机械强度不够，就会导致包含在凹槽上所形成的通道中的压电元件与吸声衬垫构件一起塌陷从而使得通道无法使用。
每一个上述例举的出版物中所描述的吸声衬垫构件都包含基础树脂例如环氧树脂或橡胶如氯丁二烯橡胶、丁基橡胶或聚氨酯橡胶以及各种填充在基础树脂中的填料。具有特定结构的吸声衬垫构件是脆性的，因此在切割处理过程中基础树脂和填料之间会由于应力而产生破裂或剥落。破裂或剥落会导致吸声衬垫构件折叠在相邻凹槽之间的区域中，或者导致吸声衬垫构件和压电元件之间的剥落，从而造成有缺陷的通道。尤其是在从声匹配层朝向吸声衬垫构件以50～200μm的间距试图缩小通道大小、小型化超声波探针以及增加阵列的密度而实施切割处理的地方，由于大的应力，会更加显著的造成相邻凹槽之间吸声衬垫构件的折叠以及吸声衬垫构件和压电振荡器之间的剥落。
通过使用高温(120℃或更高)固化的环氧树脂胶粘剂用于粘接吸声衬垫构件和压电元件可以一定程度地改善吸声衬垫构件和压电振荡器之间的剥落。然而应该注意的是在使用氯丁二烯橡胶、丁基橡胶或聚氨酯橡胶作为吸声衬垫构件的基础材料的地方，吸声衬垫构件在粘接温度下变形或变性以致造成粘接后吸声衬垫构件和压电元件之间的粘接强度不足。
同样，在使用氯丁二烯橡胶、丁基橡胶或聚氨酯橡胶作为基础树脂的吸声衬垫构件中，其削弱超声波的性能低。更具体地说，很难充分地削弱从压电元件朝向背面的吸声衬垫构件发射的超声波。为了使特定的吸声衬垫构件充分地削弱超声波，有必要增加吸声衬垫构件的厚度。但是，如果吸声衬垫构件的厚度增加，很难降低超声波探针的重量和热耗性能。
发明内容
依照本发明的第一个方面，提供了一种吸声衬垫组合物，包括包含20～80重量％醋酸乙烯酯单元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物以及包含在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的填料。
依照本发明的第二个方面，提供了一种超声波探针，其包括多个排列的、形成通道之间空间的、并且每个都具有压电元件以及在压电元件上所形成的声匹配层的通道；片状的吸声衬垫构件，其上配有压电元件并且具有依照所述空间形成的凹槽；以及在声匹配层上形成的声透镜；其中吸声衬垫构件包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯单元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物以及包含在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的填料。
此外，依照本发明的第三个方面，提供了一种超声波诊断装置，其包括一个超声波探针和通过电缆连接超声波探针的超声波探针控制器，该超声波探针包括
多个排列的、形成通道之间空间的、并且每个都具有压电元件和在压电元件上形成的声匹配层的通道；片状的吸声衬垫构件，其上配有压电元件并且具有形成的与空间相适应的凹槽；以及在声匹配层上形成的声透镜；其中吸声衬垫构件包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯单元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和包含在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的填料。
图1为示意说明依照本发明实施方案的超声波探针结构的斜视图。
图2为说明包括在图1所示的超声波探针中的压电元件的外围部分结构的横截面图。
图3A～3D为共同说明依照本发明的实施方案制造吸声衬垫构件过程的横截面图。
图4A和4B为共同说明依照本发明的实施方案制造超声波探针过程的横截面图。
图5示意说明了依照本发明的实施方案的超声波诊断装置的结构。
具体实施例方式
现在将详细描述本发明的实施方案。
依照实施方案的吸声衬垫组合物，其包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯单元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(以下称为EVA)的基础树脂和包含在EVA中的填料。
如果EVA基础树脂中醋酸乙烯酯单元的含量低于20重量％，那么EVA基础树脂本身就成为脆性的以致很难在EVA中混入大量的填料。如果填料的混入量有限，很难达到声速和声阻抗各自的规定值，即1,500～4,000m/s的声速和2.0～8MRalys的声阻抗。另一方面，如果醋酸乙烯酯单元的含量超过80重量％，那么EVA就变得非常软以致于使得从包含EVA的组合物浇铸吸声衬垫构件以及抛光模制的吸声衬垫构件的表面变得不方便。更希望EVA中醋酸乙烯酯单元的含量处于40～60重量％的范围内。
以例如纤维、无纺织布、粉或薄片的形式包含在EVA中的填料用于提高吸声衬垫构件的机械强度和热发散性能，改进超声波的衰减率以及控制声速。
可以使用不同的纤维包括例如至少一种选自由碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维组成的组中的纤维作为填料。实施例中使用的纤维并不限于那些由单一种类材料形成的纤维。例如，也可以使用通过CVD方法在表面覆盖金刚石膜或树脂膜的SiC纤维。
在这些纤维中，特别希望的是使用碳纤维。可以使用不同等级的碳纤维如沥青系碳纤维和PAN系碳纤维。也可以使用碳纳米管作为碳纤维。特别地，希望使用具有2.1g/cm3或更高的密度及100w/mK或更高的热传导率的沥青系碳纤维。
对于碳纤维来说，所希望的是具有20μm或更小的直径以及五倍于或更多倍于直径的长度。由包含具有20μm或更小平均直径碳纤维的吸声衬垫组合物形成的吸声衬垫构件用于抑制来自安放在吸声衬垫构件上的排列的压电元件的反射。也可以用来达成足够的切割处理过程中所要求的机械强度。另一方面，由包含具有五倍于或更多倍于直径长度的纤维的吸声衬垫组合物形成的吸声衬垫构件可以更进一步改进热发散性能。例如，在特定的吸声衬垫构件用于2～5MHz要求4mm或更厚厚度的腹部探针的情形下，热可以有效地在吸声衬垫构件中分散。更希望的是纤维长度的上限为直径的500倍。
粉状填料和片状填料包括至少一种选自包含氧化锌、氧化锆、氧化铝、氧化硅、二氧化钛、碳化硅、氮化铝和氮化硼的组中的无机材料。对于粉状填料来说具有30μm或更小的平均粒子直径是所希望的，更优选为20μm或更小。
所希望的包含在EVA中的填料的量为基于EVA和填料总量的20～70体积％。如果填料含量低于20体积％，很难有效地改进由所得到的吸声衬垫组合物形成的吸声衬垫构件的机械性能、热分散性能、衰减率以及声速。另一方面，如果填料含量超过70体积％，很难将填料捏和到EVA基础树脂中，从而很难将所得到的吸声衬垫组合物用于形成具有所希望形状的吸声衬垫构件。填料含量(即基于EVA和填料总量的填料的量)更希望处于40～60体积％的范围内。
对于依照实施方案的吸声衬垫组合物来说，其优选进一步包含至少一种选自以下组中的金属粉钨(W)、钼(Mo)和银(Ag)。由包含上面提到的金属粉的吸声衬垫组合物形成的吸声衬垫构件具有更高的密度使得能够进一步改进超声波的衰减率。对于金属粉的含量即基于EVA、填料和金属粉总量的金属粉的量，优选为10体积％或更少。
对于依照实施方案的吸声衬垫组合物来说，其进一步包含硫化剂、硫化促进剂、滑润剂如巴西棕榈蜡、防降解剂以及硅树脂也是可以接受的。
上述用于实施方案的吸声衬垫组合物主要用作用于包括下文描述的单向排列型压电元件的超声波探针的吸声衬垫构件的原材料。吸声衬垫组合物也用作用于制造包括双向排列型压电元件的超声波探针或用于制造单元(single element)超声波探针的吸声衬垫构件的原材料。
现在将参考附图描述包含由上述吸声衬垫组合物形成的片状吸声衬垫构件的超声波探针的结构。
图1为部分脱离的说明依照实施方案的超声波探针结构的斜视图。图2为说明图1所示超声波探针要点部分中的结构的横截面图。
超声波探针1包含底基2。片状的吸声衬垫构件3固定在底基2上，它们之间具有插入绝缘胶层4。绝缘胶层4由例如环氧树脂系胶粘剂形成并且具有20～200μm的厚度。多个排列的、形成通道之间所希望宽度空间的通道11用插入在其之间的绝缘胶层6固定在吸声衬垫构件3上。通道11具有通道之间所希望宽度的空间。绝缘胶层6由例如环氧树脂系胶粘剂形成并且具有20～200μm的厚度。每个通道11包含具有绝缘胶层6的压电元件5并且具有压电体7以及在压电体7的两个表面上形成的第一个和第二个电极8a、8b，声匹配层9固定在压电元件5的第二个电极8b上，它们之间具有插入的绝缘胶层10。绝缘胶层10由环氧树脂系胶粘剂形成并且具有例如2.0～200μm的厚度。在吸声衬垫构件3中以与通道11之间的空间相符的形式形成凹槽12。此外，将声透镜13固定在每个通道11中的声匹配层9上，它们之间具有插入的由例如硅树脂形成的绝缘胶层(未标出)。
将底基2、吸声衬垫构件3、通道11以及声透镜13嵌入到容器14中。同样嵌入到容器14中的还可以是信号处理电路(未标出)，其包括用于控制多个通道11中的每一个通道的压电元件5的运转时间的控制电路以及用于放大压电元件5接收的信号的放大电路。连接第一个和第二个电极8a、8b的电缆15从与声透镜13相对的一侧延伸到容器14的外部。
在上述结构的超声波探针中，在包含在每个通道11中的压电元件5的第一个电极8a和第二个电极8b之间施加电压以使得压电体7产生共振，从而通过声匹配层9和声透镜13发射(传送)超声波。在接收阶段，通过声透镜13和声匹配层9接收的超声波使得压电体7产生振动。然后，振动被电转换成信号以便得到图像。
在上述结构的超声波探针中，底基由例如具有小变形和高硬度的材料形成。通过使用具有高热传导率的金属或陶瓷材料用于形成底基2可以促进热分散性能。
在上述结构的超声波探针中，吸声衬垫构件3由先前描述的吸声衬垫组合物形成。如图2所示，吸声衬垫构件3包括由包含20～80重量％醋酸乙烯酯单元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)形成的基础树脂16和包含在基础树脂16中的填料17(举例来说，纤维)。
吸声衬垫构件中使用的填料以无纺织布、粉末或薄片代替上面提到的纤维的形式包含在EVA基础树脂中。同样，对于填料来说也可以包括连同粉状或片状无机材料的纤维。
可以使用不同的纤维作为填料，包括例如至少一种选自碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维的组中的纤维。纤维并不局限于那些由单一种类材料形成的纤维。例如，也可以使用通过CVD方法在表面覆盖金刚石膜或树脂膜的SiC纤维。对于纤维来说，为了改进吸声衬垫构件的机械性能和热分散性能以及改善超声波的衰减率，希望具有20μm或更小的直径以及五倍于或更多倍于直径的长度。
在这些纤维中，特别希望的是使用碳纤维。可以使用不同等级的碳纤维如沥青系碳纤维和聚丙烯腈(PAN)系碳纤维。也可以使用碳纳米管作为碳纤维。特别地，所希望的是使用具有2.1g/cm3或更高的密度及100w/mK或更高的热传导率的沥青系碳纤维。
粉状填料和片状填料包括至少一种选自由氧化锌、氧化锆、氧化铝、氧化硅、二氧化钛、碳化硅、氮化铝和氮化硼组成的组中的无机材料。尤其是至少一种选自包含氮化铝和氮化硼组中的无机材料的粉末或薄片，表现出优异的热传导性，从而可以使得吸声衬垫构件表现出进一步改善的热分散性能。
对于包含在EVA基础树脂中的填料来说，由于先前描述的原因，其希望的量为20～70体积％，优选为40～60体积％。
特别地，对于具有20μm或更小直径以及五倍于或更多倍于直径长度的纤维来说，所希望的填充在吸声衬垫构件中的量为20～70体积％。对于以相对吸声衬垫构件厚度方向的轴成30°或更小角度排列的填充纤维的20～80体积％来说，也是所希望的。
对于至少一种选自钨、钼和银的金属的粉末，例如10体积％或更少量的金属粉来说，进一步填充到吸声衬垫构件中是可以接受的。
对于吸声衬垫构件来说，具有2.0g/cm3或更小的密度是所希望的。特别地，对于吸声衬垫构件来说，具有2～8MRalys的声阻抗、5w/mk或更大的热传导率以及2.0g/cm3或更小的密度是所希望的。
在吸声衬垫构件的侧面安装金属护罩如铜或银以便进一步提高吸声衬垫构件的热分散性能是可以接受的。同样，将吸声衬垫构件连在连接信号电接头或接地电接头的电缆的接地电极线或屏蔽线以便促进热从基材分散的性能也是可以接受的。
压电体由例如PZT系或张驰振荡器(relaxor)系压电陶瓷材料或张驰振荡器系单晶形成。
通过例如将包含金粉、银粉或镍粉的糊状物烘焙到压电体的两个表面，利用反应溅射法通过在压电体的两个表面形成金、银或镍层，或者通过在压电体的两个表面电镀金、银或镍层而形成第一个和第二个电极。
声匹配层由包含例如作为基层材料的环氧树脂的材料形成。声匹配层并不限于单层结构。也可以使用多层结构的声匹配层。
声透镜由例如硅氧烷系材料形成。
现在将参考图3A～3D描述吸声衬垫构件的制造方法。
第一步，将包含20～80重量％醋酸乙烯酯单元的EVA基础树脂引入两个热辊之间的空隙以捏和EVA基础树脂，接着将例如硫化剂和硫化促进剂加入到EVA基础树脂中，并捏和所得到的混合物以形成如图3A所示的薄片21。对于薄片21希望具有0.5～1.0mm的厚度。然后，将薄片21冲孔以形成多个如图3B所示的圆形薄片22，接着一个叠着另一个层压通过冲孔得到的圆形薄片22以形成如图3C所示的层压结构23。然后，将层压结构23加热到120～180℃以使得圆形薄片22通过硫化(交联)彼此粘在一起，从而得到如图3D所示的具有10～30mm厚度的圆形块。将这样得到的圆形块24以垂直于圆表面的方向切割成多个部分以制造多个片状的吸声衬垫构件25。
特别地，在上述制造方法中，希望使用包含EVA基础树脂和20～70体积％的具有20μm或更小直径以及五倍于或更多倍于直径长度的纤维(举例来说，碳纤维)的吸声衬垫组合物。在这种情况下，可以得到其中20～80体积％的填充的纤维以相对吸声衬垫构件厚度方向的轴成30°或更小角度排列的片状吸声衬垫构件。
现在将参考图4A和4B描述先前描述的超声波探针的制造方法。
第一步，如图4A所示，使用插入在相邻层压构件之间的环氧树脂系胶层4、6和10将吸声衬垫构件3、压电元件5以及声匹配层9按提到的顺序一个叠着一个层压在底基2上，以便得到层压结构。吸声衬垫构件3按例如图3A～3D所示的方法制造。然后，将层压结构在例如120℃下加热约一小时以便固化环氧树脂系胶粘剂，从而完成底基2和吸声衬垫构件3之间、吸声衬垫构件3和压电元件5之间以及压电元件5和声匹配层9之间分别通过绝缘胶层4、6和10的固定粘接。
下一步，使用金刚石锯将层压结构从声匹配层9朝向吸声衬垫构件3以例如50～200μm的宽度(间距)切割以便将层压结构分成多个排列的部分，从而形成多个其中每个包括压电元件5和声匹配层9的通道11。在这个阶段，在吸声衬垫构件3中以与通道11之间空隙相符的方式形成凹槽12。然后，将声透镜(未标出)用硅氧烷系胶粘剂粘在每个通道11中的声匹配层9上，随后将包括底基2、通道11以及声透镜的吸声衬垫构件3嵌入到容器中以制造超声波探针。
现在将参考图5描述配有超声波探针的超声波诊断装置。应该注意的是，将超声波信号传送到物体并接收从物体反射回的回波信号以形成物体图像的医学的超声波诊断装置(或超声图像检查装置)包括排列的能够传送/接收超声波信号的超声波探针1。先前描述组合物形成的吸声衬垫构件并入在超声波探针1中。如图中所示，超声波探针1通过电缆15与超声波诊断装置主体30相连。超声波诊断装置主体30镶嵌有显示器31。
如上所述，依照上面描述的实施方案的吸声衬垫组合物包含含有20～80重量％醋酸乙烯酯单元的EVA基础树脂。包含规定量醋酸乙烯酯单元的EVA使得超声波的高衰减率成为可能。同样，不包含填料的EVA使得声速达到约1,500m/s。此外，相对大比例的填料可以与EVA基础树脂混合以提高EVA组合物的机械强度。而且，EVA也表现出相对高的耐热性。由通过允许特定性能的EVA基础树脂包含填料而制备的吸声衬垫组合物所形成的吸声衬垫构件表现出1,500～4,000m/s的声速。依靠填料的种类和所填充的量，声速可以提高到2,000～4,000m/s。由此得出结论，即使在1.0～2.5g/cm3的低密度下，吸声衬垫构件也可以将声阻抗设定在2.0～8MRalys。同样，与传统的通过在橡胶材料中高密度填充W、Pb或ZnO的粉状材料而制备的吸声衬垫构件相比，该吸声衬垫构件可以达成高的衰减率(举例来说，在1-3MHz的测量频率下衰减率为3.0～6.0dB/mm MHz)。由此得出结论，即使吸声衬垫构件的厚度降低，通过运转压电元件而产生的超声波信号也可以充分地被吸收并在背面一侧衰减。结果，可以得到包括薄的吸声衬垫构件的小型超声波探针。
由于通过使用纤维作为填料，使得在1-3MHz的测量频率下，衰减率可以进一步增加到例如4.0～6.0dB/mmMHz，因此吸声衬垫构件的厚度可以进一步降低。特别地，由于通过使用碳纤维作为填料，使得衰减率进一步提高，因此可以进一步降低吸声衬垫构件的厚度。
同样应该注意的是由先前描述的吸声衬垫组合物形成的吸声衬垫构件表现出高的机械性能。此外，吸声衬垫组合物中使用的EVA基础树脂表现出相对高的耐热性。由此得出结论，吸声衬垫构件可以通过使用表现高粘接强度的环氧树脂系胶粘剂坚固地粘在压电元件上。更具体地说，在吸声衬垫构件和压电元件通过使用环氧树脂系胶粘剂彼此粘接的情形下，为了固化目的，将胶粘剂加热到120℃或更高温度。传统的吸声衬垫构件中使用的橡胶如氯丁二烯橡胶、丁基橡胶或聚氨酯橡胶在上面提到的温度下变形或变性以至使得吸声衬垫构件和压电元件之间的粘接强度在粘接后不够。另一方面，EVA基础树脂具有相对高的耐热性从而可以承受上面提到的固化温度。结果，可以通过使用环氧树脂系胶粘剂将压电元件粘在由包含EVA基础树脂的吸声衬垫组合物形成的吸声衬垫构件上，而不引起性能的热改变。此外，即使在粘接后，也可以保持粘接强度。关于这一点应该注意的是，如先前所述，利用环氧树脂系胶粘剂将压电元件粘在吸声衬垫构件上，接着将声匹配层粘在压电元件上以便形成层压结构。然后对层压结构从声匹配层朝向吸声衬垫构件以例如50～200μm的间距进行切割处理，以便将由声匹配层和压电元件组成的层压结构分成多个排列的部分，从而形成多个通道。所应该注意的是，由于正如上面指出的保持了吸声衬垫构件和压电元件之间高的粘接强度，因此可以防止在形成若干通道的过程中吸声衬垫构件和压电元件之间的剥落。同样，由于吸声衬垫构件本身的EVA基础树脂和填料彼此坚固地粘接在一起，因此也可以防止包含在基础树脂中的EVA和填料之间在切割处理过程中的破裂或剥落。由此得出结论，在切割处理过程中可以抑制或防止有缺陷的通道的形成，从而可以得到高灵敏度的具有多个通道的超声波探针。更进一步，可以使得其中并入超声波探针的超声波诊断装置在断层分析图像质量方面达成改进。
此外，对于实施方案中使用的吸声衬垫组合物可以包含具有高传导性的填料，如氮化铝、氮化硼粉末或碳纤维。由特定的吸声衬垫组合物形成的吸声衬垫构件表现出进一步提高的热分散性能。由此得出结论，在包含特定的吸声衬垫构件的超声波探针中，由压电元件产生的热或由超声波的多重反射产生的热能够有效地辐射到外界。结果，可以在其中并入特定超声波探针的超声波诊断装置中增加信号传送电压以便可以增加能够观察到的诊断区域的范围。例如，能够观察到人体内的深处部位。尤其是碳纤维表现出优异的热传导性并且在吸声衬垫构件内部具有热传送的方向性。由此得出结论，在包含特定的吸声衬垫构件的超声波探针中，压电元件中产生的热或由超声波的多重反射产生的热能够更有效地辐射到外界。
这样，依照实施方案的吸声衬垫组合物可以用来得到重量轻而且薄的吸声衬垫构件以及用来得到高灵敏度的超声波探针。而且，具有并入其中的特定超声波探针的超声波诊断装置也可能提高断层分析图像的质量。此外，还可以通过选择具有高热传导性的填料如氮化铝、氮化硼粉末或碳纤维来使得包含特定吸声衬垫构件的超声波探针表面保持低的温度。在含有并入其中的特定超声波探针的超声波诊断装置中，可以增加能够观察到的诊断区域的范围。例如，能够观察到人体内的深处部位。
特别地，可以通过选择碳纤维(尤其是具有20μm或更小直径以及长度五倍于或更多倍于直径的碳纤维)作为包含在吸声衬垫组合物中的填料得到符合上述特性的高性能的吸声衬垫构件。
同样，可以通过用填料例如如下构成的碳纤维填充吸声衬垫构件而进一步改进吸声衬垫构件的特性。
具体而言，如图2所示，在吸声衬垫构件3中，填充的纤维17部分安置在相邻的凹槽12之间具有低机械强度的区域以及凹槽12和端面之间具有低机械强度的区域。由于纤维17安置在相邻的凹槽12之间以及凹槽12和端面之间具有低机械强度的区域，因此可以增加吸声衬垫构件3的机械强度。结果，可以防止吸声衬垫构件3在切割处理以形成通道11的过程中相邻的凹槽12之间以及凹槽12和端面之间的区域内的坍陷。由此得出结论，可以有效地防止在切割处理过程中有缺陷的通道的形成。
对于吸声衬垫构件来说，可以通过具有20μm或更小直径和长度5倍于或更多倍于直径的纤维的使用以及通过排列纤维，使得20～80体积％的包含在吸声衬垫构件中的纤维以相对于吸声衬垫构件厚度方向的轴成30°或更小的角度排列以达成高的超声波衰减率。更具体地说，如图2所示，从压电元件5产生的超声波不仅发射到整个表面上的声透镜11上，而且发射到背面上的吸声衬垫构件3上。应该注意的是，如果合理量的包含在吸声衬垫构件3中的纤维以吸声衬垫构件的厚度方向排列，即以超声波的传播方向排列，那么可以产生令人吃惊的效应，以致于超声波在穿过纤维被传送的时候有效地被衰减，从而能够进一步提高超声波的衰减率。尤其是在选择碳纤维作为填充在吸声衬垫组合物中的填料的情况下，能够进一步提高衰减率。
同样应该注意的是，厚度方向的机械强度能够被取决于填充在实施例中指定结构的吸声衬垫构件中的碳纤维排列的平面方向的机械强度所平衡，使得能够在切割处理过程中令人满意地缓和应力，并且从而防止裂缝的出现。结果，可以有效地防止有缺陷的通道的形成。
此外，实施方案中指定结构的吸声衬垫构件可以进一步提高热分散性能。尤其是可以通过选择碳纤维作为填充在吸声衬垫组合物中的纤维而进一步显著地提高热分散性能。
同样所应该注意的是在相邻的凹槽之间以及凹槽和端面之间的区域通过使纤维部分安置在其中具有纤维如指定碳纤维的排列的吸声衬垫构件中相邻的凹槽之间以及凹槽和端面之间的区域可以有效地防止吸声衬垫构件破坏。结果，可以有效地防止在切割处理过程中有缺陷的通道的形成。
现在将详细描述本发明的一些实施例。
实施例1
将包含50重量％醋酸乙烯酯单元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)基础树脂供给到加热至约70℃的热辊之间的空隙中，进行初步捏和20分钟。然后，在100重量份进行初步捏和的EVA基础树脂中，加入具有平均直径为15μm以及平均长度为20mm的玻璃纤维(填料)、6重量份癸二酸二辛酯(硫化剂)、2重量份癸二酸锌(硫化促进剂)、4重量份巴西棕榈蜡和3重量份硅树脂，接着进一步捏和所得到的组合物，并且随后将捏和的组合物进行成片成型20分钟以得到具有宽度为400mm以及厚度为0.5mm的树脂组成片。顺便提及的是，玻璃纤维以70体积％的量混合进捏和的材料中。然后，将片冲孔以得到每个都具有100mm直径的圆盘，接着一个叠着一个层压40个圆盘以得到层压结构。将这样得到的层压结构放入模具中并在加压条件下180℃加热15分钟以完成硫化，从而得到具有100mm直径、20mm厚度的圆块。更进一步，将圆块在垂直于圆表面的方向以3mm的间距进行切片以便得到每个都具有50～100mm长度、20mm宽度和3mm厚度的切片。选择具有80mm长度的切片作为用于评价的吸声衬垫构件。发现吸声衬垫构件具有25体积％填充的玻璃纤维以相对于吸声衬垫构件厚度方向的轴成30°或更小角度排列的结构。
实施例2～7除了包含在EVA基础树脂中的醋酸乙烯酯单元以及所使用的填料的量如表1所示外，按照实施例1的方法制备六种用于评价的吸声衬垫构件。顺便提到的是，每种用作填料的ZrO2粉和ZnO粉具有15μm的平均粒径，每种使用的SiC纤维和Al2O3纤维具有15μm的直径和20mm的长度。同样，在用于评价的吸声衬垫构件中，25体积％填充量的SiC纤维和Al2O3纤维以相对于吸声衬垫构件厚度方向的轴成30°或更小角度排列。
比较例1～5如实施例1所示，通过将每个具有100mm直径和20mm厚度的圆块进行切片得到五种用于评价的每种都具有80mm长度、20mm宽度和3mm厚度的吸声衬垫构件。更具体地说，通过切片由包含30体积％具有15μm直径和20mm长度Al2O3纤维的环氧树脂组成的圆块得到比较例1的吸声衬垫构件。通过切片由包含相同尺寸Al2O3纤维的氯丁二烯橡胶(CR)组成的圆块得到比较例2的吸声衬垫构件。通过切片由包含相同尺寸Al2O3纤维的异戊二烯橡胶(IR)组成的圆块得到比较例3的吸声衬垫构件。通过切片由包含相同尺寸Al2O3纤维的普通聚丁橡胶(NBR)组成的圆块得到比较例4的吸声衬垫构件。此外，通过切片由包含相同尺寸Al2O3纤维的聚氨酯树脂组成的圆块得到比较例5的吸声衬垫构件。
对于每个实施例1～7和比较例1～5的用于评价的吸声衬垫构件，测量密度、声速、声阻抗(AI)、衰减率、热传导率以及有缺陷的通道比例。
利用圆块得到密度值。
为了测量每个声速和衰减率，将用于评价的吸声衬垫构件使用探针在25℃下通过水下法(测量频率为1.0～3.0MHz)进行测量。
声阻抗(AI)指将测量的声速和密度相乘而得到的乘积。
热传导率通过激光闪光法(laser flash method)测量。
此外，有缺陷的通道比例按如下方法测量。具体地说，使用插入在吸声衬垫构件和压电元件之间以及压电元件和声匹配层之间的环氧树脂系胶粘剂，将压电元件和环氧树脂基的声匹配层一个叠着一个层压在用于评价的吸声衬垫构件上，接着在120℃下将层压结构加热约1小时用于固化胶粘剂以便完成层压结构的粘接。然后，以50μm的宽度并从声匹配层朝向用于评价的吸声衬垫构件切进吸声衬垫构件200μm深度进行切割处理，以形成2列通道，每列由200个通道组成，即总共400个通道。测量每个通道的压电元件的信号强度，有缺陷的通道比例由基于400个通道的压电元件信号强度低于原始信号值至少20％、被视为有缺陷通道的通道测定。顺便提到的是，使用的压电元件的这样构成使得第一个和第二个每个都由Ni制成的电极在PZT系压电陶瓷体(压电体)的两个表面上形成。
表1给出了结果。用于评价的吸声衬垫构件的组成也列于表1。
表1
*对于EVA来说，斜线前面和后面的数字分别指乙烯单元和醋酸乙烯酯单元。
(未完)
从表1可以明显的看出，对于实施例1～7的其中含有20～80重量％醋酸乙烯酯单元的EVA基础树脂包含作为填料的纤维或无机粉末的吸声衬垫构件，表现出适当的3.1～7.9MRalys的声阻抗(AI)和3.1～4.8dB/mm MHz的高衰减率。此外，不大可能在切割步骤中形成有缺陷的通道。尤其发现实施例4～7的其中使用SiC纤维或Al2O3纤维作为填料的吸声衬垫构件表现出高于实施例2和3中每一个实施例的其中使用无机粉末作为填料的吸声衬垫构件的衰减率。
结果，可以降低实施例1～7中每个实施例的吸声衬垫构件的厚度，并且超声波探针可以通过将这些实施例中的每个实施例的薄的吸声衬垫构件并入到超声波探针中而小型化。同样，由于在实施例1～7中每个实施例的吸声衬垫构件中不大可能产生有缺陷的通道，所以能够通过将这些实施例中的每个实施例的吸声衬垫构件并入到超声波探针中而提高超声波探针的灵敏度。尤其是实施例4和5中每个实施例的其中使用SiC纤维作为填料的吸声衬垫构件表现出不低于3.3W/mK的高的热传导性。事实上，能够通过将这些实施例中的每个实施例的吸声衬垫构件并入而使超声波探针的表面保持低的温度。由此得出结论，可以通过将这些超声波探针中的任一个并入到超声波诊断装置中而增加信号传送电压，以便可以增加超声波诊断装置所能够观察到的范围。例如可以观察到人体内的深处部位。
另一方面，对于比较例1的其中环氧树脂用作基础树脂的吸声衬垫构件来说，发现存在衰减率的降低。此外，在切割处理中有缺陷的通道比例显著增加。有缺陷的通道比例的增加是由在切割处理中环氧树脂和作为填料包含在环氧树脂中的氧化铝纤维之间发生的破裂和剥落所引起的。
此外，对于比较例2～5中每一个实施例的其中丁基橡胶、氯丁二烯橡胶、普通的丁基橡胶以及聚氨酯橡胶分别用作基础树脂的吸声衬垫构件来说，发现存在衰减率的降低。此外，在切割阶段有缺陷的通道比例增加。应该注意的是使用的用来粘接压电元件的环氧树脂系胶粘剂在120℃加热约1小时用于固化胶粘剂的过程中恶化，以致于发生有缺陷的通道比例的增加。
实施例8～18除了EVA基础树脂中乙烯单元与醋酸乙烯酯单元的比例以及所使用的碳纤维的量按表2所示设定外，按照实施例1的方法得到十一种用于评价的吸声衬垫构件。顺便提及的是，使用具有500W/mK热传导率的沥青系碳纤维作为填料。同样，在用于评价的吸声衬垫构件中25体积％填充量的碳纤维以相对于吸声衬垫构件厚度方向的轴成30°或更小的角度排列。
对于实施例8～18的用于评价的每个吸声衬垫构件，按实施例1的方法测量密度、声速、声阻抗(AI)、衰减率、热传导率以及有缺陷的通道比例。表2给出了结果。
表2
*对于EVA来说，斜线前面和后面的数字分别指乙烯单元和醋酸乙烯酯单元。 (未完)
从表2可以明显的看出，对于实施例8～18中每个实施例的其中用作填料的碳纤维被包含在具有20～80重量％醋酸乙烯酯含量的EVA基础树脂的吸声衬垫构件，表现出适当的2.0～7.6MRalys的声阻抗。同样，这些实施例的吸声衬垫构件表现出3.6～6.0dB/mm MHz的衰减率。其高于表1所示的比较例1～5的吸声衬垫构件的衰减率。此外，不大可能在实施例8～18的切割步骤中产生有缺陷的通道。
应该特别注意的是，例如实施例4和15中的吸声衬垫构件，如表1和2所示，虽然在实施例4和15中分别使用SiC纤维和碳纤维作为填料，但是在EVA基础树脂中醋酸乙烯酯单元的含量以及包含在EVA基础树脂中的填料的量方面是相等的。还应该注意的是，实施例4和15的衰减率分别为4.5dB/mm MHz和5.0dB/mmMHz。由此得出结论，通过使用碳纤维作为填料可以得到表现出进一步提高的衰减率的吸声衬垫构件。
结果，可以进一步降低实施例8～18中每个实施例的吸声衬垫构件的厚度，以便可以使其中并入吸声衬垫构件的超声波探针小型化。同样，在实施例8～18的每个实施例的吸声衬垫构件中不大可能产生有缺陷的通道，以致于可以增加其中并入实施例8～18中每个实施例的吸声衬垫构件的超声波探针的灵敏度。此外，实施例8～18中每个实施例的碳纤维作为填料填充在其中的吸声衬垫构件表现出4.0W/mK或更大的高热传导率，从而通过将实施例8～18中每个实施例的吸声衬垫构件并入到超声波探针中使得超声波探针的表面保持低的温度。由此得出结论，可以通过将特定的超声波探针并入到超声波诊断装置中而增加信号传送电压，以便可以增加所能够观察到的诊断区域的范围。例如可以观察到人体内的深处部位。
对本领域的技术人员来说，另外的有利之处和更改将很容易发生。因此，以更宽的角度来看，本发明并不限于这里列出并描述的具体说明和有代表性的实施方案。因此，在不脱离由附加的权利要求和它们的等价权利所限定的总的发明构思的精神或范围基础上可以做不同的更改。
权利要求
1.一种超声波探针，其包括多个排列的、形成通道之间空间的、并且每个都具有压电元件和在压电元件上形成的声匹配层的通道；片状的吸声衬垫构件，其上配有压电元件并且具有依照所述空间形成的凹槽；以及在声匹配层上形成的声透镜；其中吸声衬垫构件包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯单元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和包含在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的填料。
2.依照权利要求1的超声波探针，其中填料以20～70体积％的量包含在吸声衬垫构件中。
3.依照权利要求1的超声波探针，其中使用纤维作为包含在吸声衬垫构件中的填料。
4.依照权利要求3的超声波探针，其中纤维具有20μm或更小的直径以及五倍于或更多倍于直径的长度。
5.依照权利要求3的超声波探针，其中纤维为至少一种选自以下组中的纤维碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维。
6.依照权利要求5的超声波探针，其中纤维具有2.1g/cm3或更大的密度以及100W/mK或更大的热传导率。
7.依照权利要求3的超声波探针，其中具有20μm或更小平均直径以及5mm或更大平均长度的纤维以20～70体积％的量包含在吸声衬垫构件中，并且所有包含在吸声衬垫构件中的纤维的20～80体积％以相对于吸声衬垫构件厚度方向的轴成30°或更小的角度排列。
8.依照权利要求3的超声波探针，其中填充的纤维部分地安置在吸声衬垫构件中所形成的相邻的凹槽之间的区域中以及凹槽和吸声衬垫构件的端面之间的区域中。
9.依照权利要求1的超声波探针，其中填充在吸声衬垫构件中的填料为选自以下组中的无机材料的颗粒氧化锌、氧化锆、氧化铝、氧化硅、二氧化钛、碳化硅、氮化铝和氮化硼。
10.依照权利要求1的超声波探针，其中至少一种选自以下组中的金属的粉末进一步包含在吸声衬垫构件中钨、钼和银。
11.依照权利要求1的超声波探针，其中吸声衬垫构件具有2.0g/cm3或更小的密度。
12.依照权利要求1的超声波探针，其中吸声衬垫构件具有2～8MRalys的声阻抗、5W/mK或更高的热传导率以及2.0g/cm3或更小的密度。
13.一种超声波诊断装置，其包括超声波探针和通过电缆连接超声波探针的超声波探针控制器，所述超声波探针包括多个排列的、形成通道之间空间的、并且每个都具有压电元件和在压电元件上形成的声匹配层的通道；片状的吸声衬垫构件，其上配有压电元件并且具有依照所述空间形成的凹槽；以及在声匹配层上形成的声透镜；其中吸声衬垫构件包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯单元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和包含在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的填料。
14.依照权利要求13的超声波诊断装置，其中吸声衬垫构件包含作为填料的20～70体积％的具有20μm或更小直径以及长度五倍于或更多倍于直径的纤维，并且所有作为填料填充的纤维的20～80体积％以相对于吸声衬垫构件厚度方向的轴成30°或更小的角度排列。
全文摘要
所公开的是一种吸声衬垫组合物，其包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯单元的乙烯－醋酸乙烯酯共聚物和包含在乙烯－醋酸乙烯酯共聚物中的填料。
文档编号C08L31/04GK1969763SQ20061016679
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月15日 优先权日2004年6月15日
发明者山下洋八, 细野靖晴 申请人:株式会社东芝