压电振子、超声波探头、压电振子制造方法以及超声波探头制造方法

压电振子、超声波探头、压电振子制造方法以及超声波探头制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明的实施方式涉及压电振子、超声波探头、压电振子制造方法以及超声波探 头制造方法。
【背景技术】
[0002] 医用超声波诊断装置、鱼群探测装置、声纳等超声波图像检查装置经由超声波探 头向对象物发送超声波，根据由来自对象物的内部的反射波产生的反射信号（回波信号）， 将对象物的内部进行成像。在医用超声波诊断装置以及超声波图像检查装置中，主要使用 具有超声波发送接收功能的电子操作式的阵列式超声波探头。
[0003] -般的超声波探头具有背衬材料、在背衬材料上接合并在压电体的两面形成有电 极的压电振子、以及在压电振子上接合的声匹配层。压电振子以及声匹配层通过阵列加工 形成为多个通道。在声匹配层上形成声透镜。与各通道对应的压电振子的电极经由控制信 号基板（烧性印刷线路板：Flexibleprintedcircuit，FPC)和电缆，与医用超声波诊断装 置以及超声波图像检查装置的装置主体连接。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1 :专利第3251727号公报
[0007] 专利文献2 :专利第3987727号公报
[0008] 专利文献3:日本特开2008-47693号公报
[0009] 非专利文献
[0010] 非专利文南犬 1 :Kei_PiChenetal.Electric-field-inducedphasetransition of<100>orientedPb(Mgl/2Nb2/3)-PbTix03crystals,J.Phys.CondensedMatter,vol. 14 ,No. 29,L571, (2002).
[0011] 非专利文献 2:C. _S.Tuetal.Phasestabilityafterelectric-fieldpoling inPb(Mgl/2Nb2/3)l-xTix03crystals,PhysicalReviewB,70,220103, (2004).

【发明内容】

[0012]目的在于提供一种当在超声波振子等中使用压电单晶材料时，提高介电常数和压 电常数d33的压电振子以及压电振子制造方法，并提供提高灵敏度的超声波探头以及超声 波探头制造方法。
[0013] 本实施方式所涉及的压电振子由具有氧化镁和氧化铟中的至少一方和氧化铌的 铅复合钙钛矿化合物构成，具备：单晶压电体，具有晶体取向为[100]面的第1面和与上述 第1面对置，且晶体取向为[100]面的第2面，并被极化；第1电极，设置在上述单晶压电体 的上述第1面侧；以及第2电极，设置在上述单晶压电体的上述第2面侧。相对于基于上述 单晶压电体未极化或去极处理后的密勒指数（400)的衍射X射线的第1半高宽，基于上述 单晶压电体的密勒指数（400)的衍射X射线的第2半高宽为0. 22以上0. 4以下。
【附图说明】
[0014] 图1是表示在相对于本实施方式的X射线衍射中，X射线强度相对于衍射角的分 布的一个例子的图。
[0015]图2是用于在相对于本实施方式的X射线衍射中，说明密勒指数（400)的说明图。
[0016] 图3是表示制造压电振子的步骤的流程的流程图的一个例子的图。
[0017] 图4是表示本实施方式的实施例1至7所涉及的压电振子的外观的一个例子的外 观图。
[0018] 图5是表示本实施方式所涉及的、对压电振子施加的交流电场与直流电场的一个 例子的图。
[0019] 图6是表示本实施方式所涉及的、对压电振子施加的交流电场与直流电场的一个 例子的图。
[0020] 图7是表不参考例所涉及的直流电场的施加的一个例子的图。
[0021] 图8是表示本实施方式所涉及的、在与密勒指数（400)相关的X射线衍射结果中， X射线强度相对于衍射角（2 0)的分布的一个例子的图。
[0022] 图9是将本实施方式所涉及的压电振子的介电常数的温度特性与直流极化以及 未极化的压电振子中的介电常数的温度特性一起示出的图。
[0023] 图10是表示本实施方式所涉及的超声波探头的结构的一个例子的图。
[0024]图11是表示制造本实施方式的实施例4所涉及的超声波探头的步骤的流程的流 程图的一个例子的图。
[0025]图12是本实施方式所涉及的、将频谱与比较例的频谱一起示出的图。
[0026]图13是本实施方式所涉及的、将基于多个通道的输出（灵敏度）分布与比较例的 输出分布一起不出的图。
[0027] 符号说明
[0028]20…压电振子、23…前面电极、24…单晶、25…背面电极、100…超声波探头、102… 背衬材料、104…信号用FPC、106…单晶压电振动兀件、108…第1声匹配层、110…第2声匹 配层、111…第3声匹配层、112…接地用FPC、114…声透镜
【具体实施方式】
[0029] 在超声波探头中，压电振子是进行超声波的发送接收的有效元件。作为压电振子 的特性，要求介电常数和压电常数大、并且介电损耗小。此外，在压电振子的内部以及多个 压电振子间，要求介电常数、介电损耗等介电特性和压电常数等压电特性均匀。另外，这样 的超声波探头中的发送超声波的中心频率例如是2以上10MHz以下。因此，压电振子的厚 度一般为〇. 05以上0. 5mm以下左右。
[0030] 作为压电振子的材料，从1970年代开始使用锆-钛酸铅（PZT)类压电陶瓷。作 为压电振子的材料，从2005年左右，开始使用具有铅复合钙钛矿型结构的高性能的压电单 晶。具有铅复合钙钛矿型结构的高性能的压电单晶由通过5mol%以上45mol%以下的钛酸 铅（PbTi03)和55mol%以上95mol%以下的Pb(Bl、Nb)03(Bl是镁、锌、铟、钪等中的至少一 个）构成的弛豫型铅复合钙钛矿化合物构成。另外，压电单晶也可以以30mol%以下的比例 具有锆酸铅。
[0031] 在以往技术中，具有包含[Pb(Mg、Nb)03]Ux) ? [Pb(Ti03)]w(以下，称为PMN-PT): (x= 0. 26以上0. 29以下）等的成分的铅复合钙钛矿型结构的单晶是赝立方晶。25°C中上 述压电单晶的介电常数的值为5000以上。此外，在赝立方晶和正方晶之间的变态温度Trt 下，具有铅复合钙钛矿型结构的单晶的相对介电常数的值是25°C下PZT类压电陶瓷的相对 介电常数的2. 5倍以上。
[0032] 作为另一个以往例，示出在铌锌酸铅-钛酸铅Pb(Zn1/3、Nb2/3) 03-Pb(Ti03)(以下， 称为PZN-PT)中，如果一边从相变温度以上的高温降低温度一边施加直流电场，则能够根 据条件将范围大小控制在8-20ym的范围内。该方法中的范围相对于电极面在平行方向形 成。
[0033] 压电振子所使用的压电元件中的晶体的方位所有的面均为[100]。整个面的晶体 取向成为[100]的压电元件主要用于超声波探头。另外，对上述压电元件添加了氧化锰等 的材料也用于超声波探头。压电元件研磨成0.05以上0.5mm以下的厚度。之后，在压电元 件的上下面形成电极。具体而言，在压电元件的上下面上通过烘烤方法、溅射、蒸镀方法、湿 式镀层方法等方法来设置银（Ag)、金（Au)、镍（Ni)、铬（Cr)、钯（Pd)等。之后，在从室温到 200°C的温度范围内，施加1分钟以上100分钟以下左右0. 2kV/mm以上3kV/mm以下的直流 电场。通过基于施加该直流电场的极化处理，完成压电振子。
[0034] 例如，为了提供灵敏度以及分辨率高的压电单晶及其制造方法、压电元件、以及超 声波探头，有时一边将压电振子从200°C冷却到40°C-边通过lkV/mm的直流电场进行极 化。
[0035]另外，例如，存在极化方向的纵向振动模式的机电耦合系数k33为80. 2%以上 (k33会80. 2 % )，并且压电应变常数d33为960pC/N以上（d33会960pC/N)的压电元件。 该压电元件由〇. 91PZN-0. 09PT构成。另外，该压电元件具有与极化方向正交的方向的横向 振动模式的机电耦合系数k31为74%以上（k31 3 74%)，并且压电应变常数d31为1263pC 以上（d31 2 1263pC/N)的特征。此外，该压电元件的特征在于：作为和k31相关的极化方 向正交的方向的横向振动模式的共振频率（fr)与压电元件的振动方向的长度（L)的积的 频率常数（fc31 =fr?L)的值为609Hz?m以下（fc31兰609Hz?m)。使用该压电元件的 压电振子被称为范围控制压电单晶振子。范围控制压电单晶振子如以下那样制作。首先， 在压电元件上设置辅助电极。通过对辅助电极进行直流、交流、电晕放电来执行暂时极化。 接着，将辅助电极剥离。在与设置有辅助电极的面不同的另一个面设置主电极。然后，再次 通过施加直流电压来完成范围控制压电单晶振子。
[0036] 另外，作为其他的压电振子的制造方法的例子，通过由直流、交流以及电晕放电对 将无机材料微粒进行薄片化处理而设置的有机压电材料（尿素、聚酯、聚酰胺）进行极化， 来制作压电振子。
[0037] 另外，在改变对0. 7PMN-0. 3PT单晶的[100]板施加的直流极化电场的强度的情况 下，测量基于X射线的（400)衍射角（20)的强度。当极化电场的强度为4kV/cm时，半高 宽（FWHM:FullWidthatHalfMaximum)成为0.44。。该值变得比未极化品的FWHM的值 0.56°小。但是，在进一步使电压增加的13kV/cm下，衍射角变小。即，c轴晶格面间距增 加。另外，衍射角2 0的位置为87.5°，在极化前后没有变化。另外，峰的高度由于极化而 从1300向1000降低。另外，作为未极化品的半高宽W与极化品的半高宽W1的比的W1/W 为0. 785。作为未极化品的衍射角C与极化品的衍射角C1的比的C1/C为1. 0000。
[0038]另外，在（l-x)PMN-xPT中，在x=0?24、0. 26、0. 27、0. 29、0. 35 的单晶的[100]板 中，测量基于极化前后的X射线的（002)衍射角（2 0)的强度。在x= 0.24mol%的晶体 中，当极化电场的强度为6kV/cm时，衍射角偏移0.1°左右。此时，c轴晶格面间距变小。 但是，进一步使电压增加，当13kV/cm时衍射角变小。即，c轴晶格面间距增加。另外，当x =0. 26以上0. 35以下时，如果施加电场，则c轴晶格面间距增加。作为x= 0. 24的单晶 的未极化品的半高宽W与极化品的半高宽W1的比的W1/W为0. 8529。另外，作为未极化品 的衍射角C与极化品的衍射角C1的比的C1/C为1. 0034。
[0039] 然而，当将目前所熟知的压电单晶作为医用超声波振子来使用时，存在以下那样 的问题点。例如，介电常数的不足、压电常数d33的不足、以及由于大的介电损耗而产生热、 压电振子内部中的介电特性以及压电特性的偏差导致的通道间的灵敏度特性的偏差大等。 另外，即使在用于声纳等用途的情况下，灵敏度特性也不是应该满足的基准。
[0040] 以下，参照附图，针对X射线衍射现象进行说明。
[0041] 图1是表示本实施方式所涉及的X射线衍射的测量结果的一个例子的图。如图1 所示，X射线衍射的测量结果是作为X射线强度（cps:Countpersecond:每一秒的计数数） 相对于衍射角（2 0)的分布来得到。与本实施方式相关的X射线的衍射角通过以下的方法 来测量。
[0042] 进行X射线衍射的测量的装置例如