吸聲襯墊組合物、超聲波探針及超聲波診斷裝置的制作方法

專利名稱：吸聲襯墊組合物、超聲波探針及超聲波診斷裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種吸聲襯墊組合物、一種包含由吸聲襯墊組合物形成的吸聲襯墊構件并用于收發往返于如物體之間超聲波信號的超聲波探針以及一種包含該超聲波探針的超聲波診斷裝置。
背景技術：
醫療超聲波診斷裝置或超聲波成像檢查裝置將超聲波信號發送到物體并接收從物體內返回的回波信號以形成物體內部的圖像。在這些超聲波診斷及超聲波成像儀中主要使用能夠發送并接收超聲波信號的陣列型超聲波探針。
超聲波探針包含聲透鏡和壓電元件。在使用超聲波探針進行醫療診斷中，壓電元件處于使在聲透鏡一側的超聲波探針接觸物體以便從壓電元件的正面發送超聲波信號進入物體的狀態。超聲波信號在物體中指定的位置通過依照壓電元件的運轉時間而產生的電子聚焦功能以及通過聲透鏡產生的聚焦功能會聚。在這種情況下，可以通過控制壓電元件的運轉時間將超聲波信號發送到物體內的指定區域中，并且從物體接收回波信號并在超聲波探針中處理以便得到上述指定區域內的超聲波成像(斷層分析圖像)。壓電元件的運轉也可以將超聲波信號釋放到背面。因此，將吸聲襯墊構件安置在壓電元件背面以吸收(削弱)發送到背面的超聲波信號，從而避免正常超聲波信號與背面反射的超聲波信號(回波信號)一起發送到物體中的有害影響。
傳統的吸聲襯墊構件包含用作基礎樹脂的環氧樹脂以及作為填料填充在基礎樹脂中的粉狀材料。在基礎樹脂中使用高密度的粉末如鎢(W)粉、鉛(Pb)粉或氧化鋅(ZnO)粉作為填充的粉狀材料。吸聲襯墊構件具有約2.0g/cm3的密度、約2,500m/s的聲速以及約5MRalys的聲阻抗。
“Haifeng Wan等，IEEE Transaction Ultrasonic Ferroelectrics andFrequency Control，vol.48，No.l，P.78，2001”中描述了一種包含用作基礎樹脂的橡膠材料如氯丁二烯橡膠(CR)、丁基橡膠或聚氨酯橡膠以及作為填料填充在基礎樹脂中的具有高密度的粉狀材料如W、Pb或ZnO的吸聲襯墊構件。這篇出版物中所描述的吸聲襯墊構件具有約3.0g/cm3的密度、約1,500m/s的聲速以及約5MRalys的聲阻抗。
日本專利第3,420,951號和第3,420,954號中所公開的是超聲波探針。這些超聲波探針中的一種是這樣構成的，即將一片具有高熱傳導性的材料如氮化鋁、氮化硼、銅或碳安置在壓電元件和吸聲襯墊構件之間。另一種超聲波探針由包含作為填料的氮化鋁、碳化硅或銅的吸聲襯墊構件組成。這些專利文件中公開的超聲波探針可以有效地將熱釋放到壓電元件的背面。
日本專利公開(KoKai)第60-68832號所公開的是包括表現各向異性聲學特性的背面層的超聲波探針。所公開的是超聲波探針包括安裝在合成樹脂如環氧樹脂或丙烯酸樹脂上的或者安裝在由橡膠形成的化合物材料上的金屬纖維，并且這些金屬纖維在與壓電振蕩器的振蕩方向相同的方向上排列。
此外，日本專利公開第9-127955號(美國專利第5,648,941號)中公開了一種由預型件和復合材料形成的吸聲襯墊構件。所公開的是預型件表示線性的纖維結構、平面的纖維結構如合成樹脂網狀物薄片或三維纖維結構。還公開的是復合材料使用橡膠和/或環氧樹脂。
然而，每一個上述例舉的出版物中所公開的吸聲襯墊構件都會引起如下所指出的問題。
在制造超聲波探針中，將壓電元件粘在吸聲襯墊構件上，隨后將聲匹配層粘到壓電元件上。然后，從聲匹配層朝向吸聲襯墊構件進行切割處理以便將聲匹配層和壓電元件分成多個排列的部分，從而形成多個通道。接著，將聲透鏡安放在每個通道的聲匹配層上。在切割處理過程中，在吸聲襯墊構件中形成適合切割部分的凹槽。為了提高特定結構的超聲波探針中的靈敏性，減少通道的有缺陷部件的比例是重要的。并且，在其中具有超聲波探針的超聲波診斷裝置中，根據斷層分析圖像的質量而減少通道的有缺陷部件的比例也是重要的。更具體地說，如果在吸聲襯墊構件中形成的相鄰凹槽之間區域的機械強度不夠，就會導致包含在凹槽上所形成的通道中的壓電元件與吸聲襯墊構件一起塌陷從而使得通道無法使用。
每一個上述例舉的出版物中所描述的吸聲襯墊構件都包含基礎樹脂例如環氧樹脂或橡膠如氯丁二烯橡膠、丁基橡膠或聚氨酯橡膠以及各種填充在基礎樹脂中的填料。具有特定結構的吸聲襯墊構件是脆性的，因此在切割處理過程中基礎樹脂和填料之間會由于應力而產生破裂或剝落。破裂或剝落會導致吸聲襯墊構件折疊在相鄰凹槽之間的區域中，或者導致吸聲襯墊構件和壓電元件之間的剝落，從而造成有缺陷的通道。尤其是在從聲匹配層朝向吸聲襯墊構件以50～200μm的間距試圖縮小通道大小、小型化超聲波探針以及增加陣列的密度而實施切割處理的地方，由于大的應力，會更加顯著的造成相鄰凹槽之間吸聲襯墊構件的折疊以及吸聲襯墊構件和壓電振蕩器之間的剝落。
通過使用高溫(120℃或更高)固化的環氧樹脂膠粘劑用于粘接吸聲襯墊構件和壓電元件可以一定程度地改善吸聲襯墊構件和壓電振蕩器之間的剝落。然而應該注意的是在使用氯丁二烯橡膠、丁基橡膠或聚氨酯橡膠作為吸聲襯墊構件的基礎材料的地方，吸聲襯墊構件在粘接溫度下變形或變性以致造成粘接后吸聲襯墊構件和壓電元件之間的粘接強度不足。
同樣，在使用氯丁二烯橡膠、丁基橡膠或聚氨酯橡膠作為基礎樹脂的吸聲襯墊構件中，其削弱超聲波的性能低。更具體地說，很難充分地削弱從壓電元件朝向背面的吸聲襯墊構件發射的超聲波。為了使特定的吸聲襯墊構件充分地削弱超聲波，有必要增加吸聲襯墊構件的厚度。但是，如果吸聲襯墊構件的厚度增加，很難降低超聲波探針的重量和熱耗性能。

發明內容
依照本發明的第一個方面，提供了一種吸聲襯墊組合物，包括包含20～80重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯-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。
依照本發明的第二個方面，提供了一種超聲波探針，其包括多個排列的、形成通道之間空間的、并且每個都具有壓電元件以及在壓電元件上所形成的聲匹配層的通道；片狀的吸聲襯墊構件，其上配有壓電元件并且具有依照所述空間形成的凹槽；以及在聲匹配層上形成的聲透鏡；其中吸聲襯墊構件包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯-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，依照本發明的第三個方面，提供了一種超聲波診斷裝置，其包括一個超聲波探針和通過電纜連接超聲波探針的超聲波探針控制器，該超聲波探針包括
多個排列的、形成通道之間空間的、并且每個都具有壓電元件和在壓電元件上形成的聲匹配層的通道；片狀的吸聲襯墊構件，其上配有壓電元件并且具有形成的與空間相適應的凹槽；以及在聲匹配層上形成的聲透鏡；其中吸聲襯墊構件包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯-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。


圖1為示意說明依照本發明實施方案的超聲波探針結構的斜視圖。
圖2為說明包括在圖1所示的超聲波探針中的壓電元件的外圍部分結構的橫截面圖。
圖3A～3D為共同說明依照本發明的實施方案制造吸聲襯墊構件過程的橫截面圖。
圖4A和4B為共同說明依照本發明的實施方案制造超聲波探針過程的橫截面圖。
圖5示意說明了依照本發明的實施方案的超聲波診斷裝置的結構。
具體實施例方式
現在將詳細描述本發明的實施方案。
依照實施方案的吸聲襯墊組合物，其包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(以下稱為EVA)的基礎樹脂和包含在EVA中的填料。
如果EVA基礎樹脂中醋酸乙烯酯單元的含量低于20重量％，那么EVA基礎樹脂本身就成為脆性的以致很難在EVA中混入大量的填料。如果填料的混入量有限，很難達到聲速和聲阻抗各自的規定值，即1,500～4,000m/s的聲速和2.0～8MRalys的聲阻抗。另一方面，如果醋酸乙烯酯單元的含量超過80重量％，那么EVA就變得非常軟以致于使得從包含EVA的組合物澆鑄吸聲襯墊構件以及拋光模制的吸聲襯墊構件的表面變得不方便。更希望EVA中醋酸乙烯酯單元的含量處于40～60重量％的范圍內。
以例如纖維、無紡織布、粉或薄片的形式包含在EVA中的填料用于提高吸聲襯墊構件的機械強度和熱發散性能，改進超聲波的衰減率以及控制聲速。
可以使用不同的纖維包括例如至少一種選自由碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維組成的組中的纖維作為填料。實施例中使用的纖維并不限于那些由單一種類材料形成的纖維。例如，也可以使用通過CVD方法在表面覆蓋金剛石膜或樹脂膜的SiC纖維。
在這些纖維中，特別希望的是使用碳纖維。可以使用不同等級的碳纖維如瀝青系碳纖維和PAN系碳纖維。也可以使用碳納米管作為碳纖維。特別地，希望使用具有2.1g/cm3或更高的密度及100w/mK或更高的熱傳導率的瀝青系碳纖維。
對于碳纖維來說，所希望的是具有20μm或更小的直徑以及五倍于或更多倍于直徑的長度。由包含具有20μm或更小平均直徑碳纖維的吸聲襯墊組合物形成的吸聲襯墊構件用于抑制來自安放在吸聲襯墊構件上的排列的壓電元件的反射。也可以用來達成足夠的切割處理過程中所要求的機械強度。另一方面，由包含具有五倍于或更多倍于直徑長度的纖維的吸聲襯墊組合物形成的吸聲襯墊構件可以更進一步改進熱發散性能。例如，在特定的吸聲襯墊構件用于2～5MHz要求4mm或更厚厚度的腹部探針的情形下，熱可以有效地在吸聲襯墊構件中分散。更希望的是纖維長度的上限為直徑的500倍。
粉狀填料和片狀填料包括至少一種選自包含氧化鋅、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、二氧化鈦、碳化硅、氮化鋁和氮化硼的組中的無機材料。對于粉狀填料來說具有30μm或更小的平均粒子直徑是所希望的，更優選為20μm或更小。
所希望的包含在EVA中的填料的量為基于EVA和填料總量的20～70體積％。如果填料含量低于20體積％，很難有效地改進由所得到的吸聲襯墊組合物形成的吸聲襯墊構件的機械性能、熱分散性能、衰減率以及聲速。另一方面，如果填料含量超過70體積％，很難將填料捏和到EVA基礎樹脂中，從而很難將所得到的吸聲襯墊組合物用于形成具有所希望形狀的吸聲襯墊構件。填料含量(即基于EVA和填料總量的填料的量)更希望處于40～60體積％的范圍內。
對于依照實施方案的吸聲襯墊組合物來說，其優選進一步包含至少一種選自以下組中的金屬粉鎢(W)、鉬(Mo)和銀(Ag)。由包含上面提到的金屬粉的吸聲襯墊組合物形成的吸聲襯墊構件具有更高的密度使得能夠進一步改進超聲波的衰減率。對于金屬粉的含量即基于EVA、填料和金屬粉總量的金屬粉的量，優選為10體積％或更少。
對于依照實施方案的吸聲襯墊組合物來說，其進一步包含硫化劑、硫化促進劑、滑潤劑如巴西棕櫚蠟、防降解劑以及硅樹脂也是可以接受的。
上述用于實施方案的吸聲襯墊組合物主要用作用于包括下文描述的單向排列型壓電元件的超聲波探針的吸聲襯墊構件的原材料。吸聲襯墊組合物也用作用于制造包括雙向排列型壓電元件的超聲波探針或用于制造單元(single element)超聲波探針的吸聲襯墊構件的原材料。
現在將參考附圖描述包含由上述吸聲襯墊組合物形成的片狀吸聲襯墊構件的超聲波探針的結構。
圖1為部分脫離的說明依照實施方案的超聲波探針結構的斜視圖。圖2為說明圖1所示超聲波探針要點部分中的結構的橫截面圖。
超聲波探針1包含底基2。片狀的吸聲襯墊構件3固定在底基2上，它們之間具有插入絕緣膠層4。絕緣膠層4由例如環氧樹脂系膠粘劑形成并且具有20～200μm的厚度。多個排列的、形成通道之間所希望寬度空間的通道11用插入在其之間的絕緣膠層6固定在吸聲襯墊構件3上。通道11具有通道之間所希望寬度的空間。絕緣膠層6由例如環氧樹脂系膠粘劑形成并且具有20～200μm的厚度。每個通道11包含具有絕緣膠層6的壓電元件5并且具有壓電體7以及在壓電體7的兩個表面上形成的第一個和第二個電極8a、8b，聲匹配層9固定在壓電元件5的第二個電極8b上，它們之間具有插入的絕緣膠層10。絕緣膠層10由環氧樹脂系膠粘劑形成并且具有例如2.0～200μm的厚度。在吸聲襯墊構件3中以與通道11之間的空間相符的形式形成凹槽12。此外，將聲透鏡13固定在每個通道11中的聲匹配層9上，它們之間具有插入的由例如硅樹脂形成的絕緣膠層(未標出)。
將底基2、吸聲襯墊構件3、通道11以及聲透鏡13嵌入到容器14中。同樣嵌入到容器14中的還可以是信號處理電路(未標出)，其包括用于控制多個通道11中的每一個通道的壓電元件5的運轉時間的控制電路以及用于放大壓電元件5接收的信號的放大電路。連接第一個和第二個電極8a、8b的電纜15從與聲透鏡13相對的一側延伸到容器14的外部。
在上述結構的超聲波探針中，在包含在每個通道11中的壓電元件5的第一個電極8a和第二個電極8b之間施加電壓以使得壓電體7產生共振，從而通過聲匹配層9和聲透鏡13發射(傳送)超聲波。在接收階段，通過聲透鏡13和聲匹配層9接收的超聲波使得壓電體7產生振動。然后，振動被電轉換成信號以便得到圖像。
在上述結構的超聲波探針中，底基由例如具有小變形和高硬度的材料形成。通過使用具有高熱傳導率的金屬或陶瓷材料用于形成底基2可以促進熱分散性能。
在上述結構的超聲波探針中，吸聲襯墊構件3由先前描述的吸聲襯墊組合物形成。如圖2所示，吸聲襯墊構件3包括由包含20～80重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)形成的基礎樹脂16和包含在基礎樹脂16中的填料17(舉例來說，纖維)。
吸聲襯墊構件中使用的填料以無紡織布、粉末或薄片代替上面提到的纖維的形式包含在EVA基礎樹脂中。同樣，對于填料來說也可以包括連同粉狀或片狀無機材料的纖維。
可以使用不同的纖維作為填料，包括例如至少一種選自碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維的組中的纖維。纖維并不局限于那些由單一種類材料形成的纖維。例如，也可以使用通過CVD方法在表面覆蓋金剛石膜或樹脂膜的SiC纖維。對于纖維來說，為了改進吸聲襯墊構件的機械性能和熱分散性能以及改善超聲波的衰減率，希望具有20μm或更小的直徑以及五倍于或更多倍于直徑的長度。
在這些纖維中，特別希望的是使用碳纖維。可以使用不同等級的碳纖維如瀝青系碳纖維和聚丙烯腈(PAN)系碳纖維。也可以使用碳納米管作為碳纖維。特別地，所希望的是使用具有2.1g/cm3或更高的密度及100w/mK或更高的熱傳導率的瀝青系碳纖維。
粉狀填料和片狀填料包括至少一種選自由氧化鋅、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、二氧化鈦、碳化硅、氮化鋁和氮化硼組成的組中的無機材料。尤其是至少一種選自包含氮化鋁和氮化硼組中的無機材料的粉末或薄片，表現出優異的熱傳導性，從而可以使得吸聲襯墊構件表現出進一步改善的熱分散性能。
對于包含在EVA基礎樹脂中的填料來說，由于先前描述的原因，其希望的量為20～70體積％，優選為40～60體積％。
特別地，對于具有20μm或更小直徑以及五倍于或更多倍于直徑長度的纖維來說，所希望的填充在吸聲襯墊構件中的量為20～70體積％。對于以相對吸聲襯墊構件厚度方向的軸成30°或更小角度排列的填充纖維的20～80體積％來說，也是所希望的。
對于至少一種選自鎢、鉬和銀的金屬的粉末，例如10體積％或更少量的金屬粉來說，進一步填充到吸聲襯墊構件中是可以接受的。
對于吸聲襯墊構件來說，具有2.0g/cm3或更小的密度是所希望的。特別地，對于吸聲襯墊構件來說，具有2～8MRalys的聲阻抗、5w/mk或更大的熱傳導率以及2.0g/cm3或更小的密度是所希望的。
在吸聲襯墊構件的側面安裝金屬護罩如銅或銀以便進一步提高吸聲襯墊構件的熱分散性能是可以接受的。同樣，將吸聲襯墊構件連在連接信號電接頭或接地電接頭的電纜的接地電極線或屏蔽線以便促進熱從基材分散的性能也是可以接受的。
壓電體由例如PZT系或張馳振蕩器(relaxor)系壓電陶瓷材料或張馳振蕩器系單晶形成。
通過例如將包含金粉、銀粉或鎳粉的糊狀物烘焙到壓電體的兩個表面，利用反應濺射法通過在壓電體的兩個表面形成金、銀或鎳層，或者通過在壓電體的兩個表面電鍍金、銀或鎳層而形成第一個和第二個電極。
聲匹配層由包含例如作為基層材料的環氧樹脂的材料形成。聲匹配層并不限于單層結構。也可以使用多層結構的聲匹配層。
聲透鏡由例如硅氧烷系材料形成。
現在將參考圖3A～3D描述吸聲襯墊構件的制造方法。
第一步，將包含20～80重量％醋酸乙烯酯單元的EVA基礎樹脂引入兩個熱輥之間的空隙以捏和EVA基礎樹脂，接著將例如硫化劑和硫化促進劑加入到EVA基礎樹脂中，并捏和所得到的混合物以形成如圖3A所示的薄片21。對于薄片21希望具有0.5～1.0mm的厚度。然后，將薄片21沖孔以形成多個如圖3B所示的圓形薄片22，接著一個疊著另一個層壓通過沖孔得到的圓形薄片22以形成如圖3C所示的層壓結構23。然后，將層壓結構23加熱到120～180℃以使得圓形薄片22通過硫化(交聯)彼此粘在一起，從而得到如圖3D所示的具有10～30mm厚度的圓形塊。將這樣得到的圓形塊24以垂直于圓表面的方向切割成多個部分以制造多個片狀的吸聲襯墊構件25。
特別地，在上述制造方法中，希望使用包含EVA基礎樹脂和20～70體積％的具有20μm或更小直徑以及五倍于或更多倍于直徑長度的纖維(舉例來說，碳纖維)的吸聲襯墊組合物。在這種情況下，可以得到其中20～80體積％的填充的纖維以相對吸聲襯墊構件厚度方向的軸成30°或更小角度排列的片狀吸聲襯墊構件。
現在將參考圖4A和4B描述先前描述的超聲波探針的制造方法。
第一步，如圖4A所示，使用插入在相鄰層壓構件之間的環氧樹脂系膠層4、6和10將吸聲襯墊構件3、壓電元件5以及聲匹配層9按提到的順序一個疊著一個層壓在底基2上，以便得到層壓結構。吸聲襯墊構件3按例如圖3A～3D所示的方法制造。然后，將層壓結構在例如120℃下加熱約一小時以便固化環氧樹脂系膠粘劑，從而完成底基2和吸聲襯墊構件3之間、吸聲襯墊構件3和壓電元件5之間以及壓電元件5和聲匹配層9之間分別通過絕緣膠層4、6和10的固定粘接。
下一步，使用金剛石鋸將層壓結構從聲匹配層9朝向吸聲襯墊構件3以例如50～200μm的寬度(間距)切割以便將層壓結構分成多個排列的部分，從而形成多個其中每個包括壓電元件5和聲匹配層9的通道11。在這個階段，在吸聲襯墊構件3中以與通道11之間空隙相符的方式形成凹槽12。然后，將聲透鏡(未標出)用硅氧烷系膠粘劑粘在每個通道11中的聲匹配層9上，隨后將包括底基2、通道11以及聲透鏡的吸聲襯墊構件3嵌入到容器中以制造超聲波探針。
現在將參考圖5描述配有超聲波探針的超聲波診斷裝置。應該注意的是，將超聲波信號傳送到物體并接收從物體反射回的回波信號以形成物體圖像的醫學的超聲波診斷裝置(或超聲圖像檢查裝置)包括排列的能夠傳送/接收超聲波信號的超聲波探針1。先前描述組合物形成的吸聲襯墊構件并入在超聲波探針1中。如圖中所示，超聲波探針1通過電纜15與超聲波診斷裝置主體30相連。超聲波診斷裝置主體30鑲嵌有顯示器31。
如上所述，依照上面描述的實施方案的吸聲襯墊組合物包含含有20～80重量％醋酸乙烯酯單元的EVA基礎樹脂。包含規定量醋酸乙烯酯單元的EVA使得超聲波的高衰減率成為可能。同樣，不包含填料的EVA使得聲速達到約1,500m/s。此外，相對大比例的填料可以與EVA基礎樹脂混合以提高EVA組合物的機械強度。而且，EVA也表現出相對高的耐熱性。由通過允許特定性能的EVA基礎樹脂包含填料而制備的吸聲襯墊組合物所形成的吸聲襯墊構件表現出1,500～4,000m/s的聲速。依靠填料的種類和所填充的量，聲速可以提高到2,000～4,000m/s。由此得出結論，即使在1.0～2.5g/cm3的低密度下，吸聲襯墊構件也可以將聲阻抗設定在2.0～8MRalys。同樣，與傳統的通過在橡膠材料中高密度填充W、Pb或ZnO的粉狀材料而制備的吸聲襯墊構件相比，該吸聲襯墊構件可以達成高的衰減率(舉例來說，在1-3MHz的測量頻率下衰減率為3.0～6.0dB/mm MHz)。由此得出結論，即使吸聲襯墊構件的厚度降低，通過運轉壓電元件而產生的超聲波信號也可以充分地被吸收并在背面一側衰減。結果，可以得到包括薄的吸聲襯墊構件的小型超聲波探針。
由于通過使用纖維作為填料，使得在1-3MHz的測量頻率下，衰減率可以進一步增加到例如4.0～6.0dB/mm MHz，因此吸聲襯墊構件的厚度可以進一步降低。特別地，由于通過使用碳纖維作為填料，使得衰減率進一步提高，因此可以進一步降低吸聲襯墊構件的厚度。
同樣應該注意的是由先前描述的吸聲襯墊組合物形成的吸聲襯墊構件表現出高的機械性能。此外，吸聲襯墊組合物中使用的EVA基礎樹脂表現出相對高的耐熱性。由此得出結論，吸聲襯墊構件可以通過使用表現高粘接強度的環氧樹脂系膠粘劑堅固地粘在壓電元件上。更具體地說，在吸聲襯墊構件和壓電元件通過使用環氧樹脂系膠粘劑彼此粘接的情形下，為了固化目的，將膠粘劑加熱到120℃或更高溫度。傳統的吸聲襯墊構件中使用的橡膠如氯丁二烯橡膠、丁基橡膠或聚氨酯橡膠在上面提到的溫度下變形或變性以至使得吸聲襯墊構件和壓電元件之間的粘接強度在粘接后不夠。另一方面，EVA基礎樹脂具有相對高的耐熱性從而可以承受上面提到的固化溫度。結果，可以通過使用環氧樹脂系膠粘劑將壓電元件粘在由包含EVA基礎樹脂的吸聲襯墊組合物形成的吸聲襯墊構件上，而不引起性能的熱改變。此外，即使在粘接后，也可以保持粘接強度。關于這一點應該注意的是，如先前所述，利用環氧樹脂系膠粘劑將壓電元件粘在吸聲襯墊構件上，接著將聲匹配層粘在壓電元件上以便形成層壓結構。然后對層壓結構從聲匹配層朝向吸聲襯墊構件以例如50～200μm的間距進行切割處理，以便將由聲匹配層和壓電元件組成的層壓結構分成多個排列的部分，從而形成多個通道。所應該注意的是，由于正如上面指出的保持了吸聲襯墊構件和壓電元件之間高的粘接強度，因此可以防止在形成若干通道的過程中吸聲襯墊構件和壓電元件之間的剝落。同樣，由于吸聲襯墊構件本身的EVA基礎樹脂和填料彼此堅固地粘接在一起，因此也可以防止包含在基礎樹脂中的EVA和填料之間在切割處理過程中的破裂或剝落。由此得出結論，在切割處理過程中可以抑制或防止有缺陷的通道的形成，從而可以得到高靈敏度的具有多個通道的超聲波探針。更進一步，可以使得其中并入超聲波探針的超聲波診斷裝置在斷層分析圖像質量方面達成改進。
此外，對于實施方案中使用的吸聲襯墊組合物可以包含具有高傳導性的填料，如氮化鋁、氮化硼粉末或碳纖維。由特定的吸聲襯墊組合物形成的吸聲襯墊構件表現出進一步提高的熱分散性能。由此得出結論，在包含特定的吸聲襯墊構件的超聲波探針中，由壓電元件產生的熱或由超聲波的多重反射產生的熱能夠有效地輻射到外界。結果，可以在其中并入特定超聲波探針的超聲波診斷裝置中增加信號傳送電壓以便可以增加能夠觀察到的診斷區域的范圍。例如，能夠觀察到人體內的深處部位。尤其是碳纖維表現出優異的熱傳導性并且在吸聲襯墊構件內部具有熱傳送的方向性。由此得出結論，在包含特定的吸聲襯墊構件的超聲波探針中，壓電元件中產生的熱或由超聲波的多重反射產生的熱能夠更有效地輻射到外界。
這樣，依照實施方案的吸聲襯墊組合物可以用來得到重量輕而且薄的吸聲襯墊構件以及用來得到高靈敏度的超聲波探針。而且，具有并入其中的特定超聲波探針的超聲波診斷裝置也可能提高斷層分析圖像的質量。此外，還可以通過選擇具有高熱傳導性的填料如氮化鋁、氮化硼粉末或碳纖維來使得包含特定吸聲襯墊構件的超聲波探針表面保持低的溫度。在含有并入其中的特定超聲波探針的超聲波診斷裝置中，可以增加能夠觀察到的診斷區域的范圍。例如，能夠觀察到人體內的深處部位。
特別地，可以通過選擇碳纖維(尤其是具有20μm或更小直徑以及長度五倍于或更多倍于直徑的碳纖維)作為包含在吸聲襯墊組合物中的填料得到符合上述特性的高性能的吸聲襯墊構件。
同樣，可以通過用填料例如如下構成的碳纖維填充吸聲襯墊構件而進一步改進吸聲襯墊構件的特性。
具體而言，如圖2所示，在吸聲襯墊構件3中，填充的纖維17部分安置在相鄰的凹槽12之間具有低機械強度的區域以及凹槽12和端面之間具有低機械強度的區域。由于纖維17安置在相鄰的凹槽12之間以及凹槽12和端面之間具有低機械強度的區域，因此可以增加吸聲襯墊構件3的機械強度。結果，可以防止吸聲襯墊構件3在切割處理以形成通道11的過程中相鄰的凹槽12之間以及凹槽12和端面之間的區域內的坍陷。由此得出結論，可以有效地防止在切割處理過程中有缺陷的通道的形成。
對于吸聲襯墊構件來說，可以通過具有20μm或更小直徑和長度5倍于或更多倍于直徑的纖維的使用以及通過排列纖維，使得20～80體積％的包含在吸聲襯墊構件中的纖維以相對于吸聲襯墊構件厚度方向的軸成30°或更小的角度排列以達成高的超聲波衰減率。更具體地說，如圖2所示，從壓電元件5產生的超聲波不僅發射到整個表面上的聲透鏡11上，而且發射到背面上的吸聲襯墊構件3上。應該注意的是，如果合理量的包含在吸聲襯墊構件3中的纖維以吸聲襯墊構件的厚度方向排列，即以超聲波的傳播方向排列，那么可以產生令人吃驚的效應，以致于超聲波在穿過纖維被傳送的時候有效地被衰減，從而能夠進一步提高超聲波的衰減率。尤其是在選擇碳纖維作為填充在吸聲襯墊組合物中的填料的情況下，能夠進一步提高衰減率。
同樣應該注意的是，厚度方向的機械強度能夠被取決于填充在實施例中指定結構的吸聲襯墊構件中的碳纖維排列的平面方向的機械強度所平衡，使得能夠在切割處理過程中令人滿意地緩和應力，并且從而防止裂縫的出現。結果，可以有效地防止有缺陷的通道的形成。
此外，實施方案中指定結構的吸聲襯墊構件可以進一步提高熱分散性能。尤其是可以通過選擇碳纖維作為填充在吸聲襯墊組合物中的纖維而進一步顯著地提高熱分散性能。
同樣所應該注意的是在相鄰的凹槽之間以及凹槽和端面之間的區域通過使纖維部分安置在其中具有纖維如指定碳纖維的排列的吸聲襯墊構件中相鄰的凹槽之間以及凹槽和端面之間的區域可以有效地防止吸聲襯墊構件破壞。結果，可以有效地防止在切割處理過程中有缺陷的通道的形成。
現在將詳細描述本發明的一些實施例。
實施例1
將包含50重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)基礎樹脂供給到加熱至約70℃的熱輥之間的空隙中，進行初步捏和20分鐘。然后，在100重量份進行初步捏和的EVA基礎樹脂中，加入具有平均直徑為15μm以及平均長度為20mm的玻璃纖維(填料)、6重量份癸二酸二辛酯(硫化劑)、2重量份癸二酸鋅(硫化促進劑)、4重量份巴西棕櫚蠟和3重量份硅樹脂，接著進一步捏和所得到的組合物，并且隨后將捏和的組合物進行成片成型20分鐘以得到具有寬度為400mm以及厚度為0.5mm的樹脂組成片。順便提及的是，玻璃纖維以70體積％的量混合進捏和的材料中。然后，將片沖孔以得到每個都具有100mm直徑的圓盤，接著一個疊著一個層壓40個圓盤以得到層壓結構。將這樣得到的層壓結構放入模具中并在加壓條件下180℃加熱15分鐘以完成硫化，從而得到具有100mm直徑、20mm厚度的圓塊。更進一步，將圓塊在垂直于圓表面的方向以3mm的間距進行切片以便得到每個都具有50～100mm長度、20mm寬度和3mm厚度的切片。選擇具有80mm長度的切片作為用于評價的吸聲襯墊構件。發現吸聲襯墊構件具有25體積％填充的玻璃纖維以相對于吸聲襯墊構件厚度方向的軸成30°或更小角度排列的結構。
實施例2～7除了包含在EVA基礎樹脂中的醋酸乙烯酯單元以及所使用的填料的量如表1所示外，按照實施例1的方法制備六種用于評價的吸聲襯墊構件。順便提到的是，每種用作填料的ZrO2粉和ZnO粉具有15μm的平均粒徑，每種使用的SiC纖維和Al2O3纖維具有15μm的直徑和20mm的長度。同樣，在用于評價的吸聲襯墊構件中，25體積％填充量的SiC纖維和Al2O3纖維以相對于吸聲襯墊構件厚度方向的軸成30°或更小角度排列。
比較例1～5如實施例1所示，通過將每個具有100mm直徑和20mm厚度的圓塊進行切片得到五種用于評價的每種都具有80mm長度、20mm寬度和3mm厚度的吸聲襯墊構件。更具體地說，通過切片由包含30體積％具有15μm直徑和20mm長度Al2O3纖維的環氧樹脂組成的圓塊得到比較例1的吸聲襯墊構件。通過切片由包含相同尺寸Al2O3纖維的氯丁二烯橡膠(CR)組成的圓塊得到比較例2的吸聲襯墊構件。通過切片由包含相同尺寸Al2O3纖維的異戊二烯橡膠(IR)組成的圓塊得到比較例3的吸聲襯墊構件。通過切片由包含相同尺寸Al2O3纖維的普通聚丁橡膠(NBR)組成的圓塊得到比較例4的吸聲襯墊構件。此外，通過切片由包含相同尺寸Al2O3纖維的聚氨酯樹脂組成的圓塊得到比較例5的吸聲襯墊構件。
對于每個實施例1～7和比較例1～5的用于評價的吸聲襯墊構件，測量密度、聲速、聲阻抗(AI)、衰減率、熱傳導率以及有缺陷的通道比例。
利用圓塊得到密度值。
為了測量每個聲速和衰減率，將用于評價的吸聲襯墊構件使用探針在25℃下通過水下法(測量頻率為1.0～3.0MHz)進行測量。
聲阻抗(AI)指將測量的聲速和密度相乘而得到的乘積。
熱傳導率通過激光閃光法(laser flash method)測量。
此外，有缺陷的通道比例按如下方法測量。具體地說，使用插入在吸聲襯墊構件和壓電元件之間以及壓電元件和聲匹配層之間的環氧樹脂系膠粘劑，將壓電元件和環氧樹脂基的聲匹配層一個疊著一個層壓在用于評價的吸聲襯墊構件上，接著在120℃下將層壓結構加熱約1小時用于固化膠粘劑以便完成層壓結構的粘接。然后，以50μm的寬度并從聲匹配層朝向用于評價的吸聲襯墊構件切進吸聲襯墊構件200μm深度進行切割處理，以形成2列通道，每列由200個通道組成，即總共400個通道。測量每個通道的壓電元件的信號強度，有缺陷的通道比例由基于400個通道的壓電元件信號強度低于原始信號值至少20％、被視為有缺陷通道的通道測定。順便提到的是，使用的壓電元件的這樣構成使得第一個和第二個每個都由Ni制成的電極在PZT系壓電陶瓷體(壓電體)的兩個表面上形成。
表1給出了結果。用于評價的吸聲襯墊構件的組成也列于表1。
表1

*對于EVA來說，斜線前面和后面的數字分別指乙烯單元和醋酸乙烯酯單元。 (未完)

從表1可以明顯的看出，對于實施例1～7的其中含有20～80重量％醋酸乙烯酯單元的EVA基礎樹脂包含作為填料的纖維或無機粉末的吸聲襯墊構件，表現出適當的3.1～7.9MRalys的聲阻抗(AI)和3.1～4.8dB/mm MHz的高衰減率。此外，不大可能在切割步驟中形成有缺陷的通道。尤其發現實施例4～7的其中使用SiC纖維或Al2O3纖維作為填料的吸聲襯墊構件表現出高于實施例2和3中每一個實施例的其中使用無機粉末作為填料的吸聲襯墊構件的衰減率。
結果，可以降低實施例1～7中每個實施例的吸聲襯墊構件的厚度，并且超聲波探針可以通過將這些實施例中的每個實施例的薄的吸聲襯墊構件并入到超聲波探針中而小型化。同樣，由于在實施例1～7中每個實施例的吸聲襯墊構件中不大可能產生有缺陷的通道，所以能夠通過將這些實施例中的每個實施例的吸聲襯墊構件并入到超聲波探針中而提高超聲波探針的靈敏度。尤其是實施例4和5中每個實施例的其中使用SiC纖維作為填料的吸聲襯墊構件表現出不低于3.3W/mK的高的熱傳導性。事實上，能夠通過將這些實施例中的每個實施例的吸聲襯墊構件并入而使超聲波探針的表面保持低的溫度。由此得出結論，可以通過將這些超聲波探針中的任一個并入到超聲波診斷裝置中而增加信號傳送電壓，以便可以增加超聲波診斷裝置所能夠觀察到的范圍。例如可以觀察到人體內的深處部位。
另一方面，對于比較例1的其中環氧樹脂用作基礎樹脂的吸聲襯墊構件來說，發現存在衰減率的降低。此外，在切割處理中有缺陷的通道比例顯著增加。有缺陷的通道比例的增加是由在切割處理中環氧樹脂和作為填料包含在環氧樹脂中的氧化鋁纖維之間發生的破裂和剝落所引起的。
此外，對于比較例2～5中每一個實施例的其中丁基橡膠、氯丁二烯橡膠、普通的丁基橡膠以及聚氨酯橡膠分別用作基礎樹脂的吸聲襯墊構件來說，發現存在衰減率的降低。此外，在切割階段有缺陷的通道比例增加。應該注意的是使用的用來粘接壓電元件的環氧樹脂系膠粘劑在120℃加熱約1小時用于固化膠粘劑的過程中惡化，以致于發生有缺陷的通道比例的增加。
實施例8～18除了EVA基礎樹脂中乙烯單元與醋酸乙烯酯單元的比例以及所使用的碳纖維的量按表2所示設定外，按照實施例1的方法得到十一種用于評價的吸聲襯墊構件。順便提及的是，使用具有500W/mK熱傳導率的瀝青系碳纖維作為填料。同樣，在用于評價的吸聲襯墊構件中25體積％填充量的碳纖維以相對于吸聲襯墊構件厚度方向的軸成30°或更小的角度排列。
對于實施例8～18的用于評價的每個吸聲襯墊構件，按實施例1的方法測量密度、聲速、聲阻抗(AI)、衰減率、熱傳導率以及有缺陷的通道比例。表2給出了結果。
表2

*對于EVA來說，斜線前面和后面的數字分別指乙烯單元和醋酸乙烯酯單元。
(未完)

從表2可以明顯的看出，對于實施例8～18中每個實施例的其中用作填料的碳纖維被包含在具有20～80重量％醋酸乙烯酯含量的EVA基礎樹脂的吸聲襯墊構件，表現出適當的2.0～7.6MRalys的聲阻抗。同樣，這些實施例的吸聲襯墊構件表現出3.6～6.0dB/mm MHz的衰減率。其高于表1所示的比較例1～5的吸聲襯墊構件的衰減率。此外，不大可能在實施例8～18的切割步驟中產生有缺陷的通道。
應該特別注意的是，例如實施例4和15中的吸聲襯墊構件，如表1和2所示，雖然在實施例4和15中分別使用SiC纖維和碳纖維作為填料，但是在EVA基礎樹脂中醋酸乙烯酯單元的含量以及包含在EVA基礎樹脂中的填料的量方面是相等的。還應該注意的是，實施例4和15的衰減率分別為4.5dB/mm MHz和5.0dB/mm MHz。由此得出結論，通過使用碳纖維作為填料可以得到表現出進一步提高的衰減率的吸聲襯墊構件。
結果，可以進一步降低實施例8～18中每個實施例的吸聲襯墊構件的厚度，以便可以使其中并入吸聲襯墊構件的超聲波探針小型化。同樣，在實施例8～18的每個實施例的吸聲襯墊構件中不大可能產生有缺陷的通道，以致于可以增加其中并入實施例8～18中每個實施例的吸聲襯墊構件的超聲波探針的靈敏度。此外，實施例8～18中每個實施例的碳纖維作為填料填充在其中的吸聲襯墊構件表現出4.0W/mK或更大的高熱傳導率，從而通過將實施例8～18中每個實施例的吸聲襯墊構件并入到超聲波探針中使得超聲波探針的表面保持低的溫度。由此得出結論，可以通過將特定的超聲波探針并入到超聲波診斷裝置中而增加信號傳送電壓，以便可以增加所能夠觀察到的診斷區域的范圍。例如可以觀察到人體內的深處部位。
對本領域的技術人員來說，另外的有利之處和更改將很容易發生。因此，以更寬的角度來看，本發明并不限于這里列出并描述的具體說明和有代表性的實施方案。因此，在不脫離由附加的權利要求和它們的等價權利所限定的總的發明構思的精神或范圍基礎上可以做不同的更改。
權利要求
1.一種吸聲襯墊組合物，其包括包含20～80重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯-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。
2.依照權利要求1的吸聲襯墊組合物，其中使用纖維作為填料。
3.依照權利要求2的吸聲襯墊組合物，其中纖維具有20μm或更小的直徑以及五倍于或更多倍于直徑的長度。
4.依照權利要求2的吸聲襯墊組合物，其中纖維為選自以下組中的至少一種碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維。
5.依照權利要求1的吸聲襯墊組合物，其中填料為至少一種選自以下組中的無機粉狀材料氧化鋅、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、二氧化鈦、碳化硅、氮化鋁和氮化硼的粉末。
6.依照權利要求1的吸聲襯墊組合物，其中填料以基于乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和填料總量的20～70體積％的量包含在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中。
7.依照權利要求1的吸聲襯墊組合物，其中至少一種選自以下組中的金屬的粉末進一步包含在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中鎢、鉬和銀。
8.一種超聲波探針，其包括多個排列的、形成通道之間空間的、并且每個都具有壓電元件和在壓電元件上形成的聲匹配層的通道；片狀的吸聲襯墊構件，其上配有壓電元件并且具有依照所述空間形成的凹槽；以及在聲匹配層上形成的聲透鏡；其中吸聲襯墊構件包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯-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。
9.依照權利要求8的超聲波探針，其中填料以20～70體積％的量包含在吸聲襯墊構件中。
10.依照權利要求8的超聲波探針，其中使用纖維作為包含在吸聲襯墊構件中的填料。
11.依照權利要求10的超聲波探針，其中纖維具有20μm或更小的直徑以及五倍于或更多倍于直徑的長度。
12.依照權利要求10的超聲波探針，其中纖維為至少一種選自以下組中的纖維碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維。
13.依照權利要求12的超聲波探針，其中纖維具有2.1g/cm3或更大的密度以及100W/mK或更大的熱傳導率。
14.依照權利要求10的超聲波探針，其中具有20μm或更小平均直徑以及5mm或更大平均長度的纖維以20～70體積％的量包含在吸聲襯墊構件中，并且所有包含在吸聲襯墊構件中的纖維的20～80體積％以相對于吸聲襯墊構件厚度方向的軸成30°或更小的角度排列。
15.依照權利要求10的超聲波探針，其中填充的纖維部分地安置在吸聲襯墊構件中所形成的相鄰的凹槽之間的區域中以及凹槽和吸聲襯墊構件的端面之間的區域中。
16.依照權利要求8的超聲波探針，其中填充在吸聲襯墊構件中的填料為選自以下組中的無機材料的顆粒氧化鋅、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、二氧化鈦、碳化硅、氮化鋁和氮化硼。
17.依照權利要求8的超聲波探針，其中至少一種選自以下組中的金屬的粉末進一步包含在吸聲襯墊構件中鎢、鉬和銀。
18.依照權利要求8的超聲波探針，其中吸聲襯墊構件具有2.0g/cm3或更小的密度。
19.依照權利要求8的超聲波探針，其中吸聲襯墊構件具有2～8MRalys的聲阻抗、5W/mK或更高的熱傳導率以及2.0g/cm3或更小的密度。
20.一種超聲波診斷裝置，其包括超聲波探針和通過電纜連接超聲波探針的超聲波探針控制器，所述超聲波探針包括多個排列的、形成通道之間空間的、并且每個都具有壓電元件和在壓電元件上形成的聲匹配層的通道；片狀的吸聲襯墊構件，其上配有壓電元件并且具有依照所述空間形成的凹槽；以及在聲匹配層上形成的聲透鏡；其中吸聲襯墊構件包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯-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。
21.依照權利要求20的超聲波診斷裝置，其中吸聲襯墊構件包含作為填料的20～70體積％的具有20μm或更小直徑以及長度五倍于或更多倍于直徑的纖維，并且所有作為填料填充的纖維的20～80體積％以相對于吸聲襯墊構件厚度方向的軸成30°或更小的角度排列。
全文摘要
所公開的是一種吸聲襯墊組合物，其包括含有20～80重量％醋酸乙烯酯單元的乙烯－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。
文檔編號C08L23/00GK1712443SQ20051007645
公開日2005年12月28日 申請日期2005年6月15日 優先權日2004年6月15日
發明者山下洋八, 細野靖晴 申請人:株式會社東芝