(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、
前記超音波トランスデューサは、
相互に厚みの等しい複数の圧電体を積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる３λ／４共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え、
前記圧電体は、３層積層されて、その層間および両端の圧電体の表面に電極を有し、
互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続する２組の連絡配線を備え、
前記各圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、固定端側の第１段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第２段目の圧電体では同方向、さらにその上の第３段目の圧電体では逆方向となるように配列されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、
前記超音波トランスデューサは、
相互に厚みの等しい圧電体を２層積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる３λ／４共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え、
前記各圧電体は、その層間および各外表面に電極を有し、前記外表面の電極を連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続する連絡配線を備え、
前記両圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、互いに同方向となるように配列されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項３】
被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、
前記超音波トランスデューサは、
相互に厚みの等しい複数の圧電体を４層以上積層して成り、該圧電体の厚み伸縮により所望共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え、
前記各圧電体は、その層間および両端の圧電体の表面に電極を有し、
互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連結することで、前記複数の圧電体を相互に並列接続する２組の連絡配線を備え、
前記各圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、固定端側の第１段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第２段目の圧電体では同方向、さらにその上の第３および第４段目の圧電体では逆方向となる周期性を持つように１または複数組が配列されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記超音波トランスデューサにおいて、前記積層型圧電体は、超音波の送受信に共用され、該超音波トランスデューサは、３λ／４共振モードによる超音波を送信することを特徴とする請求項１または２記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
前記超音波トランスデューサにおいて、前記積層型圧電体は、第１の圧電体として超音波の受信に用いられ、該超音波トランスデューサは、λ／４共振モードによる基本波成分の超音波を送信する第２の圧電体をさらに備え、背後層側から、前記第２の圧電体および第１の圧電体の順で積層されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記超音波トランスデューサにおいて、前記積層型圧電体は、第１の圧電体として超音波の受信に用いられ、該超音波トランスデューサは、λ／４共振モードによる基本波成分の超音波を送信する２つの第２の圧電体をさらに備え、前記第１の圧電体の両側に、前記第２の圧電体が並設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
前記第１の圧電体は、有機高分子を主成分とする材料から成ることを特徴とする請求項５または６記載の超音波トランスデューサ。
【請求項８】
前記第２の圧電体は無機材料から成り、前記第１の圧電体は有機高分子を主成分とする材料から成り、前記第１の圧電体と被検体との間に音響整合を目的とした部材を介在しないことを特徴とする請求項５記載の超音波トランスデューサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサと、
前記超音波トランスデューサに送信用の超音波信号を与える送信部と、
前記超音波トランスデューサで受信された受信信号に所定の信号処理を施す受信部と、
前記受信部からの受信信号に基づいて、前記被検体の内部状態を断層画像として画像化する画像処理部とを備えること
を特徴とする超音波診断装置。
【請求項１０】
前記送信部は、送信信号を符号化されたパルス電圧として前記積層型圧電体に与え、前記受信部は、前記積層型圧電体で受信した信号をパルス圧縮処理を行い、前記画像処理部に画像化させることを特徴とする請求項９記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサおよび超音波診断装置に関し、特にその超音波トランスデューサ（探触子）の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波トランスデューサには圧電体が用いられる。これは、圧電体が機械エネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のいわゆる電気系と機械系との結合作用を持つためである。用いられる圧電体は、一対の電極が設けられたシート状、板状あるいは棒状で、一方の電極が背後層に固定され、もう一方の電極が音響レンズや整合層を介して媒質に接する。
【０００３】
そして、圧電超音波トランスデューサの多くは、ｄ３３モードやｅ３３モードにより媒質に音波を放射し、あるいは媒質に伝搬する音波を検出する。ｄ３３モードは柱状振動子の縦振動、ｅ３３モードは板状振動子の厚み振動と一般に言われている。ＰＺＴセラミックスやＰＶＤＦなどの強誘電体や、Ｐ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ）といった高誘電体、ポーラスポリマーエレクトレット圧電体では、ポーリング処理による電気双極子の配向により残留分極を保持し、ｄ３３やｅ３３を示す。一方、残留分極を持たない圧電結晶では、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３といった圧電結晶の場合はＣ軸、水晶の場合はＡ軸を、それぞれ電極面に対して垂直に配向すれば、前記ｄ３３やｅ３３（水晶ではｄ１１やｅ１１）を示す。圧電コンポジット材料については、用いられる材料に応じる。
【０００４】
ここで、超音波トランスデューサを構成する圧電体において、最も単純な力学境界条件は、一端が固定端でもう一端が自由端の場合である。なお、理論上は、接する物の音響インピーダンスＺ（単位はMRayl.）と境界条件には、Ｚ＝０が自由端、Ｚ＝∞が固定端の関係があるが、本明細書においてはそこまで厳密ではなく、接着層や電極層を除いて、接する物のＺに対し、圧電材料のインピーダンスＺが、小さいもしくは同等の場合に固定端、大きい場合に自由端とみなすものとする。また、超音波トランスデューサの送波および受波には、圧電体の縦振動あるいは厚み振動の共振が用いられ、その共振周波数ｆｒは、トランスデューサの構造や媒質への押し当てにもよるが、主に圧電体の物性と寸法とで決まる。したがって、本明細書では圧電体の寸法や性質以外で共振周波数を変化させる要因を除外する。
【０００５】
先ず、圧電体のｄ３３モードやｅ３３モードにおける共振周波数ｆｒは、圧電体の音速ｖと高さ（厚み）ｈとから、
ｆｒ＝ｖ／４ｈ                                                    …（１）
となる。これは一般にλ／４共振と言われる。λは圧電体内の波長を意味する。このほかに両端を自由としたλ／２共振がある。その共振周波数は、λ／４共振の１／２となる。
【０００６】
一方、前記圧電体の音速ｖは、柱状振動子の縦振動では、
ｖ＝（１／ｓρ）１／２                                            …（２）
となり、板状の厚み振動子の厚み振動では、
ｖ＝（ｃ／ρ）１／２                                              …（３）
となる。ここで、ｓは弾性コンプライアンス、ｃは弾性スティフネス、ρは密度である。
【０００７】
こうして、トランスデューサの送波および受波周波数は、主に圧電体の高さ（厚み）ｈ、弾性率ｓおよび密度ρによって決定されることが、上式（１）〜（３）より理解される。
【０００８】
そして、医療分野に用いられる超音波診断装置には、より高分解能な画像を得るためトランスデューサの高周波数化や送受波性能の向上が求められている。圧電体を用いた超音波トランスデューサにおいて、送受波性能を向上するには、トランスデューサと電気処理回路との間の電気インピーダンス整合は、電気信号を高Ｓ／Ｎ比で伝送するための重要な因子である。また、高周波化では、送受波周波数が圧電体の厚みで決まるので、圧電体をより薄くする必要がある。圧電体の薄膜化は、電気インピーダンスを下げる方向に働くので、電気回路とのインピーダンス整合には有利に働くが、下げ幅はせいぜい厚み比の逆数分に過ぎない。また、圧電体の薄膜化は、膜厚制御や取り扱いなど製造プロセスを困難とする。
【０００９】
そこで、従来技術では、高周波信号を得る目的として、従来のλ／４共振トランスデューサの送受波信号における高調波成分が用いられている。しかしながら、高調波成分は基本波成分に比べて感度が弱く、かつ圧電体や周辺材料のダンピングによって減衰し易いので、高Ｓ／Ｎ比の信号は得られにくいという問題がある。そこで、高調波を使った超音波の送受波の一例として、図１を参照して、ｅ３３厚み伸縮モードについて説明する。この図１および以下の説明は、非特許文献１に示されたものである。この図１の等価回路を構成する素子の定数は、
Ｃｎ＝ｐｎｋｔ２Ｃ０                                            …（４）
Ｌ＝１／ωｐ１２Ｃ１                                            …（５）
ｐｎ＝（１／ｎ２）（８／π２），ｎ＝２ｍ−１                    …（６）
である。ここで、Ｃｎは各素子のキャパシタンス、Ｌはインダクタンス、ｋｔは厚み伸縮モードの電気機械結合係数、ωｐ１は共振周波数である。
【００１０】
上記式（６）において、ｐｎ≒１／ｎ２と近似すれば、式（４）は、
Ｃｎ／Ｃ０＝ｋｔ２／ｎ２                                        …（７）
となる。式（７）はｎ次調波における電気機械結合係数の実効値が１／ｎに減少することを示す。そして、１次モードの場合、ｎ＝１なので、式（７）は、
Ｃｎ＝１／Ｃ０＝ｋｔ２                                          …（８）となる。この式は、この１次モードにおけるｋｔと誘電率との関係式
εＴ／εＳ＝１＋ｋｔ２                                          …（９）
において、εＴ＝Ｃ０＋Ｃｎ，εＳ＝Ｃ０とおいた式と一致する。εＳは束縛条件の誘電率、、εＴは自由条件の誘電率、Ｃ０とＣｎとは電気容量である。ｄ３３モードに対しては、上式（４）を、
Ｃｎ＝ｐｎ（ｋ３３２／１−ｋ３３２）Ｃ０                      …（１０）
に置き換えれば、同様の結果が得られる。
【００１１】
そして、３次調波を送受波するときの電気機械結合係数の実効値は、式（７）より、ｎ＝３のときに与えられ、見かけの結合係数をｋｔ’とおけば、ｋｔ’＝ｋｔ／ｎ＝ｋｔ／３となる。この結果は、３次調波を送受波する際に、見かけ結合係数が１／３に減衰することを意味する。
【００１２】
図２は、１ＭＨｚに厚み共振の１次モードを示す圧電体の複素誘電率の周波数特性（計算値）を示すグラフである。ただし、ｋｔ＝０．３，ｈ／２ｖ＝２．４８５×１０−７（ｓ），ｔａｎδｍ＝０．０４である。
【００１３】
１ＭＨｚに見られる実部（参照符号α１で示す）の極大・極小と、虚部（参照符号α２で示す）の極大とは、厚み共振の１次モードによるものである。以後、３ＭＨｚに３次調波成分、５ＭＨｚに５次調波成分が見られる。一方、図３に示すように、図２に示す３次調波成分について、３ＭＨｚを１次モードとする圧電体モデルで当てはめたところ、結合係数と圧電体の厚みが１／３とした場合に一致した。これらの結果は上記の解釈と一致する。図３は、厚み共振を示す圧電体の複素誘電率の周波数特性（計算値）を示すグラフである。ただし、破線は、前記のとおり、ｋｔ＝０．３，ｈ／２ｖ＝２．４８５×１０−７（ｓ），ｔａｎδｍ＝０．０４である。一方、実線は、ｋｔ＝０．１，ｈ／２ｖ＝８．３００×１０−７（ｓ），ｔａｎδｍ＝０．０４である。
【００１４】
以上のように、従来技術の問題点は、高調波を検出する際に、見掛けの電気機械結合係数が１／ｎにまで減少してしまうことおよび電気インピーダンスが圧電体の寸法により一義的に決まってしまうことにある。
【００１５】
一方、医療用超音波診断装置において、高調波信号を用いた組織ハーモニックイメージング（ＴＨＩ）診断は、従来のＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから、標準的な診断モダリティとなりつつある。このハーモニックイメージングのように使用する周波数が高くなると、サイドローブレベルが小さくなり、Ｓ／Ｎが良く、コントラスト分解能が良くなり、またビーム幅が細く横方向分解能が良くなり、さらに近距離では音圧が小さく、また音圧の変動が少ないので多重反射が起こらない等の多くの利点を有している。
【００１６】
そこで、特許文献１では、超音波トランスデューサの各圧電素子で受信された信号が整相加算回路で加算された後、基本波帯域のフィルタと高調波帯域のフィルタとに共通に入力され、それらの出力に、被検体の診断領域の深さにそれぞれ応じたゲインで重み付けされた後、合成されることで、深い診断領域での高調波成分の減衰を基本波で補間するようにした超音波診断装置が提案されている。すなわち、高調波の受信にあたって、前記電気機械結合係数の低下をフィルタとアンプとを用いて補償している。
【００１７】
同様に、特許文献２では、基本波用の圧電素子に高調波用の圧電素子を積層し、基本波用の圧電素子から送信超音波を放射し、該基本波用の圧電素子で受信した基本波の信号成分に、高調波用の圧電素子で受信された複数の高調波成分をそれぞれ帯域通過フィルタを通過させて所望の成分を抽出した後、個別にゲイン調整して加算することで、診断領域の深度に応じた信号を得るようにした超音波診断装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００２−１１００４号公報
【特許文献２】特許第４１９２５９８号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】圧電材料学の基礎  石田拓郎著  オーム社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、上述の従来技術では、多数の圧電素子からの信号経路にフィルタやアンプを挿入する必要がある。
【００２１】
また、高い周波数の信号の受信には、ＰＺＴ等の無機の材料に比べて、ＰＶＤＦなどの有機の材料を用いることが加工特性の点で好ましい。しかしながら、無機の材料は誘電率が高く、このためキャパシタンスが大きく、電気インピーダンスが低いので、後段回路とのマッチングが比較的容易であるのに対して、有機の材料では、前記誘電率が低く、このためキャパシタンスが低く、前記電気インピーダンスが高いので、後段回路とのマッチングが難しいという問題もある。
【００２２】
本発明の目的は、超音波トランスデューサにおける所望高周波成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧が１次モードのそれらよりも大きくなるようにすることができるとともに、電気インピーダンスを低下することができる超音波トランスデューサおよび超音波診断装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の超音波トランスデューサは、被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、相互に厚みの等しい複数の圧電体を積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる３λ／４共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え、前記圧電体は、３層積層されて、その層間および両端の圧電体の表面に電極を有し、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続する２組の連絡配線を備え、前記各圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、固定端側の第１段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第２段目の圧電体では同方向、さらにその上の第３段目の圧電体では逆方向となるように配列されていることを特徴とする。
【００２４】
上記の構成によれば、前記超音波トランスデューサを積層圧電体から構成し、前記超音波トランスデューサで受信し、受信部で抽出するのが３λ／４共振モードの信号とする場合に、前記積層圧電体の積層枚数を３枚として各圧電体を並列接続し、かつ予め定める態様で（ある決まりに従い）、一部の圧電体について、その表裏を反転して積層する。
【００２５】
具体的には、先ず、前記のように厚み方向に複数積層される各圧電体の層間および両端の圧電体の表面に形成される電極の内、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を２組の連絡配線で連結することで、各圧電体を電気的に並列結合とする。
【００２６】
次に、前記積層枚数を共振モードの枚数である３枚とすることで、圧電体内を伝搬する弾性波の節と腹とを、該圧電体の境界面と一致させることができ、このときの該積層型圧電体内における前記３λ／４共振モード成分の歪み分布に着目すると、各圧電体の歪みが、絶対値が変わることなく位相が１８０度反転し、各圧電体が上記のように並列接続の場合、例えば基端（背後層）側の圧電体の歪みを＋とすれば、「＋，＋，−」となる。そこで、前記予め定める態様として、各圧電体の残留分極、あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向き（ｄ３３，ｅ３３，ｄ１１，ｅ１１の符号を決める軸）を、前記歪み分布における電気変位や電場の符号と一致するように、不一致の箇所（「−」の符号に該当する）の圧電体について、その表裏を反転して積層する。上記の場合、固定端側の（背後層に接する）第１段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第２段目の圧電体では同方向、さらにその上の第３段目の圧電体では逆方向に配列する。
【００２７】
これによって、積層型圧電体における各圧電体を、圧電正効果による電気変位や電場の符号に一致させ、λ／４共振モードの場合に比べて前記３λ／４共振モード成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧を大きくすることができるとともに、１次モードの信号を減衰させることができる。こうして、該超音波トランスデューサ内での帯域分離性能を向上し、前記受信部におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、圧電体の並列数、すなわち積層枚数をｎとするとき、電気インピーダンスを１／ｎに下げることができ、送信回路および受信回路とのインピーダンスマッチングが容易になるとともに、Ｓ／Ｎを向上することができる。
【００２８】
また、本発明の超音波トランスデューサは、被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、相互に厚みの等しい圧電体を２層積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる３λ／４共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え、前記各圧電体は、その層間および各外表面に電極を有し、前記外表面の電極を連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続する連絡配線を備え、前記両圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、互いに同方向となるように配列されていることを特徴とする。
【００２９】
上記の構成によれば、超音波トランスデューサに２層の積層型圧電体を用い、それに３λ／４共振させて３次モード成分の超音波を送受波させるにあたって、各圧電体を互いに並列接続する場合に、圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを、圧電正効果による電気変位や電場の符号に一致させることができる。
【００３０】
また、本発明の超音波トランスデューサは、被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を受信するための超音波トランスデューサであって、相互に厚みの等しい複数の圧電体を４層以上積層して成り、該圧電体の厚み伸縮により所望共振モードで共振を行う積層型圧電体を備え、前記各圧電体は、その層間および両端の圧電体の表面に電極を有し、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連結することで、前記複数の圧電体を相互に並列接続する２組の連絡配線を備え、前記各圧電体は、圧電正効果による電気変位または電場の符号と関係する残留分極の向きあるいは結晶軸を、固定端側の第１段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第２段目の圧電体では同方向、さらにその上の第３および第４段目の圧電体では逆方向となる周期性を持つように１または複数組が配列されていることを特徴とする。
【００３１】
上記の構成によれば、超音波トランスデューサに４層以上のｎ層の積層型圧電体を用い、それにｎλ／４共振させてｎ次モード成分の超音波を送受波させるにあたって、各圧電体を互いに並列接続する場合に、圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを、圧電正効果による電気変位や電場の符号に一致させることができる。
【００３２】
また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記積層型圧電体は、超音波の送受信に共用され、該超音波トランスデューサは、３λ／４共振モードによる超音波を送信することを特徴とする。
【００３３】
上記の構成によれば、送受信共に３λ／４共振モードを使用して、高周波、すなわち高解像なイメージングに好適な超音波探触子を実現することができる。
【００３４】
また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記積層型圧電体は、第１の圧電体として超音波の受信に用いられ、該超音波トランスデューサは、λ／４共振モードによる基本波成分の超音波を送信する第２の圧電体をさらに備え、背後層側から、前記第２の圧電体および第１の圧電体の順で積層されていることを特徴とする。
【００３５】
上記の構成によれば、送信用と受信用とにそれぞれ適した圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子を実現することができる。
【００３６】
また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記積層型圧電体は、第１の圧電体として超音波の受信に用いられ、該超音波トランスデューサは、λ／４共振モードによる基本波成分の超音波を送信する２つの第２の圧電体をさらに備え、前記第１の圧電体の両側に、前記第２の圧電体が並設されていることを特徴とする。
【００３７】
上記の構成によれば、送信用と受信用とにそれぞれ適した圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子を実現することができる。
【００３８】
また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記第１の圧電体は、有機高分子を主成分とする材料から成ることを特徴とする。
【００３９】
上記の構成によれば、有機高分子圧電体は高周波の信号を扱うことができ、前記高調波の受信に好適である。
【００４０】
したがって、受信用に有機圧電体を用いることで、前述のように大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子を実現することができる。
【００４１】
また、本発明の超音波トランスデューサでは、前記第２の圧電体は無機材料から成り、前記第１の圧電体は有機高分子を主成分とする材料から成り、前記第１の圧電体と被検体との間に音響整合を目的とした部材を介在しないことを特徴とする。
【００４２】
上記の構成によれば、無機・有機積層圧電体において、被検体側が音響インピーダンスの低い有機圧電体であるので、生体などの被検体との間に音響整合を目的とした部材を介在しない。
【００４３】
したがって、該有機圧電体と被検体との間に、インピーダンスマッチングのための音響整合層を不要にすることができ、構造を簡略化することができる。
【００４４】
また、本発明の超音波診断装置は、上述のいずれかの超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサに送信用の超音波信号を与える送信部と、前記超音波トランスデューサで受信された受信信号に所定の信号処理を施す受信部と、前記受信部からの受信信号に基づいて、前記被検体の内部状態を断層画像として画像化する画像処理部とを備えることを特徴とする。上記の構成によれば、超音波トランスデューサから被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を前記超音波トランスデューサで受信し、その受信信号に基づいて、画像処理部が前記被検体の内部状態を断層画像として画像化する。そして、このような超音波診断装置は、上述のいずれかの超音波トランスデューサを用いるので、超音波トランスデューサにおける所望高周波成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧が１次モードのそれらよりも大きくなるようにすることができるとともに、電気インピーダンスを低下することができる。
【００４５】
また、本発明の超音波診断装置では、前記送信部は、送信信号を符号化されたパルス電圧として前記積層型圧電体に与え、前記受信部は、前記積層型圧電体で受信した信号をパルス圧縮処理を行い、前記画像処理部に画像化させることを特徴とする。上記の構成によれば、被検体に与える影響が無闇に大きくなることなく、大振幅、すなわちＳ／Ｎの良好な受信パルスを得ることができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明の超音波トランスデューサは、積層圧電体を備え、前記超音波トランスデューサで受信し、受信部で抽出するのが３次以上の所望共振モード成分の信号とする場合に、前記積層圧電体の積層枚数を、２層または前記所望共振モード成分の次数枚として各圧電体を並列接続し、かつ予め定める態様で一部の圧電体について、その表裏を反転して積層する。それゆえ、超音波トランスデューサにおける所望高周波成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧が１次モードのそれらよりも大きくなるようにすることができるとともに、電気インピーダンスを低下することができる。
【００４７】
本発明の超音波診断装置は、超音波トランスデューサから被検体内に超音波を送信し、前記被検体から来た超音波を前記超音波トランスデューサで受信し、その受信信号に基づいて、画像処理部が前記被検体の内部状態を断層画像として画像化する超音波診断装置において、前記超音波トランスデューサを積層圧電体から構成し、前記超音波トランスデューサで受信し、受信部で抽出するのが３次以上の所望共振モード成分の信号とする場合に、前記積層圧電体の積層枚数を、２層または前記所望共振モード成分の次数枚として各圧電体を並列接続し、かつ予め定める態様で一部の圧電体について、その表裏を反転して積層する。それゆえ、積層型圧電体における各圧電体を、圧電正効果による電気変位や電場の符号に一致させ、λ／４共振モードの場合に比べて、前記３次以上の所望高調波成分の送波時の出力音圧あるいは受波時の出力電圧を大きくすることができるとともに、１次モードの信号を減衰させることができる。こうして、該超音波トランスデューサ内での帯域分離性能を向上し、前記受信部におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、圧電体の並列数、すなわち積層枚数をｎとするとき、電気インピーダンスを１／ｎに下げることができ、送信回路および受信回路とのインピーダンスマッチングが容易になるとともに、Ｓ／Ｎを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】圧電体の厚み伸縮モードでの等価回路図である。
【図２】１ＭＨｚに厚み共振の１次モードを示す圧電体の複素誘電率の周波数特性を示すグラフである。
【図３】前記図２に示す圧電体における３次調波成分と、３ＭＨｚに厚み共振の１次モードを示す圧電体との複素誘電率の周波数特性を示すグラフである。
【図４】３層圧電体トランスデューサにおけるλ／４共振状態の模式的な断面図である。
【図５】図４で示す３層圧電体トランスデューサにおける３λ／４共振状態の模式的な断面図である。
【図６】ｎ層圧電体トランスデューサの模式的な断面図である。
【図７】図６に示したｎ層圧電体トランスデューサでｎ次高調波を励振あるいは検出する際の変位と歪みとを模式的に示す図である。
【図８】図７に示す積層圧電体で、ｎ次高調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極、あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きと、圧電正効果による電気変位との関係を示す図である。
【図９】ｎ次調波を検出するための２ｎ層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す図である。
【図１０】図８で示す本発明の考え方に従う詳細な実施例の一例であり、２層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１０で示す２層圧電体トランスデューサにおける高調波送受波時の変位と歪みとを説明するための図である。
【図１２】図１０および図１１に示す積層圧電体で、３次高調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極の向きと、圧電正効果による電気変位との関係を示す図である。
【図１３】図１０に示す２層圧電体およびその比較例による超音波の送受波特性について、実験データおよびシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１４】図８および図５で示す本発明の考え方に従う詳細な実施例の他の例であり、３層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す断面図である。
【図１５】図１４で示す３層圧電体トランスデューサにおける高調波送受波時の変位と歪みとを説明するための図である。
【図１６】図１４および図１５に示す積層圧電体で、３次高調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極の向きと、圧電正効果による電気変位との関係を示す図である。
【図１７】図１６に示す３層圧電体による超音波の送受波特性について、実験データおよびシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１８】図１６に示す３層圧電体の比較例による超音波の送受波特性について、実験データおよびシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１９】図８で示す本発明の考え方に従う詳細な実施例のさらに他の例であり、６層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す断面図である。
【図２０】図１９に示す積層圧電体で、３次高調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極の向きと、圧電正効果による電気変位との関係を示す図である。
【図２１】図２０に示す６層圧電体による超音波の送受波特性について、シミュレーション結果を示すグラフである。
【図２２】本発明の実施の一形態に係る超音波診断装置の外観構成を示す斜視図である。
【図２３】前記超音波診断装置における診断装置本体の電気的構成を示すブロック図である。
【図２４】前記超音波診断装置の超音波探触子における超音波トランスデューサの一構造例を模式的に示す断面図である。
【図２５】前記超音波診断装置の超音波探触子における超音波トランスデューサの他の構造例を模式的に示す断面図である。
【図２６】前記超音波トランスデューサに用いるために作成した有機圧電材料の解析結果を示すグラフである。
【図２７】受信超音波の波形を示すグラフであり、符号化なしの単パルス駆動の場合を示す。
【図２８】受信超音波の波形を示すグラフであり、符号化ありの複数パルス駆動の場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
先ず、本発明の医療用超音波診断装置に用いられる超音波トランスデューサの考え方を説明する。本発明の超音波トランスデューサは、同じ厚みの圧電体をある決まりに従い積層することによって、３次以上の共振モード成分を効率良く送受波することができるという本件発明者の知見に基づき構成される積層圧電体から成るものである。圧電体を積層する手法はこれまで多く報告されているが、本発明は、前記３次以上の共振モード成分を送受波する際に圧電体内に歪み分布があることに着目したものである。
【００５０】
一例として、最も理解し易いと思われる図４に示す３枚の圧電体Ａ１，Ａ２，Ａ３を積層したλ／４振動子について説明する。この、λ／４振動子のλ／４での励振状態では、前記３枚の圧電体Ａ１，Ａ２，Ａ３が同期して伸縮を行い、全体で最大ΔＺの伸縮を行うものとする。そして、固定端、すなわち前記の４０MRayl.より小さいものの、充分大きい音響インピーダンスを有する背後層に接する１層目の圧電体Ａ１の裏面の座標をｚ０とすると、前記伸縮に伴うその位置の変位は、ｚ０＝ΔＺＳｓｉｎ０°＝０である。これに対して、１層目の圧電体Ａ１の表面の座標ｚ１の変位は、ｚ１＝ΔＺＳｓｉｎ３０°＝０．５ΔＺとなり、２層目の圧電体Ａ２の表面の座標ｚ２の変位は、ｚ２＝ΔＺＳｓｉｎ６０°＝０．８５ΔＺとなり、自由端、すなわち前記の０より大きいものの、充分小さい音響インピーダンスを有する空間と接する３層目の圧電体Ａ３の表面の座標ｚ３の変位は、ｚ３＝ΔＺＳｓｉｎ９０°＝１．０ΔＺとなる。ここで、圧電体Ａ１，Ａ２，Ａ３の表裏は、該圧電体を厚み方向に加圧して、＋の電圧が発生する方を表、−の電圧が発生する方を裏とする。
【００５１】
すなわち、図４の３層の圧電体Ａ１，Ａ２，Ａ３の場合、全体の伸縮ΔＺの内、固定端側の圧電体Ａ１は、０．５ΔＺの伸縮を受け持ち、２層目の圧電体Ａ２は、０．３５ΔＺの伸縮を受け持ち、３層目の圧電体Ａ３は、０．１５ΔＺしか伸縮しないことになる。このように積層型圧電体は、基本波のλ／４共振では、各圧電体Ａ１，Ａ２，Ａ３は同期して（同じ方向に）伸縮を行うものの、各圧電体Ａ１，Ａ２，Ａ３が一様に伸縮するのではなく、不均一な歪み分布を有する。
【００５２】
一方、同様の積層圧電体を３λ／４共振させると、図５で示すようになる。すなわち、１層目の圧電体Ａ１の裏面の座標ｚ０は、ｚ０＝ΔＺｓｉｎ０°＝０であり、１層目の圧電体Ａ１の表面の座標ｚ１の変位は、ｚ１＝ΔＺｓｉｎ９０°＝ΔＺとなり、２層目の圧電体Ａ２の表面の座標ｚ２の変位は、ｚ２＝ΔＺｓｉｎ１８０°＝０となり、３層目の圧電体Ａ３の表面の座標ｚ３の変位は、ｚ３＝ΔＺｓｉｎ２７０°＝−ΔＺとなる。したがって、１層目の圧電体Ａ１はΔＺの伸びを行っているのに対して２層目および３層目の圧電体Ａ２，Ａ３は、ΔＺの縮みとなっている。
【００５３】
そこで本件発明者は、このような不均一な歪み分布に着目し、各圧電体の残留分極（ＰＺＴ，ＰＶＤＦなどの強誘電体）、あるいは結晶（水晶など）のＣ軸やＡ軸の向き（ｄ３３，ｅ３３，ｄ１１，ｅ１１の符号を決める軸）を、高調波送受信時の歪み分布における電気変位や電場の符号と一致するように、不一致の箇所（「−」の符号に該当する）の圧電体について、その表裏を反転して積層するようにした。図４および図５の場合には、その左側の矢印で示すように、２層目および３層目の圧電体Ａ２，Ａ３を、１層目の圧電体Ａとは前記残留分極の向きあるいは結晶軸が逆方向となるように積層する。これによって、基本波λの成分が、０．５・ΔＺ＋０．３５・（−ΔＺ）＋０．１５・（−ΔＺ）＝０となって除去されると同時に、３次高調波３λの成分は、１・ΔＺ＋（−１）・（−ΔＺ）＋（−１）・（−ΔＺ）＝３ΔＺとなって抽出することが可能となる。
【００５４】
一方、図６を用いて、ｎ枚（ｎは４以上の整数）の圧電体を積層したλ／４振動子において、ｎ次高調波を送受波する場合を説明する。モデルを単純化するため、積層膜の一端を基盤に固定し、もう一端を自由端とした。インピーダンス整合層や背後（バッキング）層など、さらに接着層の厚み等による影響は除くものとする。
【００５５】
図７は、図６に示したｎ層圧電体トランスデューサで、ｎ次調波を励振あるいは検出する際の変位と歪みとを模式的に示す図である。（ａ）は積層状況、（ｂ）はある瞬間での各層の変位、（ｃ）は歪の極性である。前述の図４や図５と同様に、基盤とそれに接する圧電体との境界面を原点ｚ０として、素子の高さ（厚み）方向の座標をｚ１，ｚ２，ｚ３，・・・，ｚｎとする。積層圧電体内で、各圧電体層の変位は、背後層と第１段目の圧電体１の境界とを原点ｚ０とした正弦波を形成する。
【００５６】
一般に、厚み方向にｎ倍波（ｎ≧１）が励振された場合、高さｚにおける変位ξ（ｚ）は、
ξ（ｚ，ｔ）＝ξ０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｚ／ｈ）（ｃｏｓｎωｒｔ＋θ）…（１１）
となることが知られている（基礎物理学選書８  振動・波動  有山正孝著  裳華房）。ここで、ωｒは積層圧電体の共振周波数２πｆｒ，θは、電圧あるいは音波を受ける際の応力と変位との位相差である。係数ξ０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｚ／ｈ）は、高さｚにおける変位の振幅を意味する。以下、時間項は省略する。
【００５７】
この場合、座標ｚ１での変位ξ（ｚ１）は、
ξ（ｚ１）＝ξ０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｚ／ｈ）                        …（１２）
である。ここで、変位ξ（ｚ）と歪みＳとの関係は、
ｄＳ＝ｄξ／ｄｚ                                                  …（１３）
なので、第ｍ層の圧電体の歪みＳｍは、
Ｓｍ＝［ξ（ｚｍ）−ξ（ｚｍ−１）］／（ｚｍ−ｚｍ−１）          …（１４）
と書ける。ただし、ｍ＝１〜ｎ、ｚ０＝０である。
【００５８】
したがって、圧電体１の歪みＳ１は、
Ｓ１＝Δｈ１／ｈ１＝ξ０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ１／ｈ）／ｈ１        …（１５）
となる。ここで、Δｈ１は圧電体１の厚み変化で、ξ（ｚ１）−ξ（ｚ＝０），ｈ１は圧電体１の厚みである。圧電体２についても同様に、歪みＳ２は、
Ｓ２＝Δｈ２／ｈ２
＝ξ０｛ｓｉｎ（ｎπ／２・（ｈ１＋ｈ２）／ｈ）
−ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ１／ｈ）｝／ｈ２                        …（１６）
となる。第ｍ層の圧電体の歪みＳｍは、
Ｓｍ＝Δｈｍ／ｈｍ
＝ξ０｛ｓｉｎ（ｎπ/２・ｚｍ/ｈ）−ｓｉｎ（ｎπ/２・ｚｍ−１/ｈ）｝／ｈｍ
…（１７）
となる。
【００５９】
上式（１７）は、第ｍ層にある圧電体の歪みが、ｓｉｎ（ｎp／２・ｚｍ／ｈ）−ｓｉｎ（ｎp／２・ｚｍ−１／ｈ）で決まり、前述のように一様に伸縮しないことを意味する。したがって、その項の符号が正になる圧電体と負になる圧電体とで、圧電体の表裏を反転させれば、圧電正効果による電気変位あるいは電場の符号を一致させることができ、圧電素子のｎ次調波の電気信号を効率良く得られることが理解される。
【００６０】
さらに、各圧電体の厚みを等しくすれば、
ｚｍ＝（ｍ／ｎ）ｈ，ｚｍ−１＝（ｍ−１／ｎ）ｈ，ｈｍ＝ｈ／ｍ      …（１８）と単純化できる。これを式（１７）に代入すると、
Ｓｍ＝ｍξ０｛ｓｉｎ（ｍπ／２）−ｓｉｎ［（ｍ−１）π／２］｝／ｈ    …（１９）となる。
【００６１】
次に、電気系について考える。第ｍ層の圧電体が圧電正効果によって生じる電気変位（単位電極面積当りの電荷）Ｄｍは、
Ｄｍ＝ｅ３３ＳｍまたはＤｍ＝ｄ３３Ｓｍ＝ｄ３３ｓＴｍ              …（２０）である。ここで、ｓは圧電体の弾性コンプライアンスである。各々の圧電体を電気的に並列に結合すれば、積層圧電体が出力する正味の電気変位ＤＴｏｔａｌは、
【数１】
0005560855.tif 000002
となる。したがって、各圧電体の電気容量をＣとすれば、積層圧電体の容量はｎＣとなり、電気インピーダンスは圧電体１層の１／ｎに減少する。
【００６２】
本願発明者は、上式（１９），（２１）から、単純な並列結合の実現と積層圧電体が出力する正味の電気変位が最大となる残留分極あるいは結晶Ｃ軸やＡ軸の配列の規則性を見出した。また、前記積層数ｎが４以上で、該積層数ｎと高調波の次数とを一致させれば、圧電体内を伝搬する弾性波の節と腹とを圧電体の境界面と一致させることができ、このとき各圧電体の歪みが絶対値が変わることなく位相が１８０度反転し、例えば各圧電体が直列の図７の場合、圧電体１の歪みを＋とすれば「＋，−，−，＋」の周期性を４層おきに見出すことができ、ｎ次調波の検出をより効率良く行うことができることを見出した。このことを理論説明すると以下のようになる。
【００６３】
図８に、本発明における、ｎ層圧電体で、ｎ次調波を検出する際の各々の圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きと、圧電正効果による電気変位Ｄ（Ｃ／ｍ２）との関係の一例を示す。各圧電体の層間および両端の圧電体の表面には電極が設けられており、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連絡配線によって連結し、各圧電体を並列接続している。また、残留分極（それを持たない圧電体の場合は結晶のＣ軸（水晶の場合はＡ軸））は、ｚ軸方向に配向されている。図中では便宜上、圧電体１の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の方向を＋Ｐと表記している。これは他の圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸が圧電体１のそれと同方行か逆方行かを識別するためであり、圧電体１の分極方向を制限するものではない。
【００６４】
前述の図７（ｃ）に示したように、各圧電体の歪みには、周期性がある（図７（ｃ）の場合、前述のように各圧電体は直列）。そのため、残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを平行とした場合、本発明の目的である高電荷出力あるいは高電位出力を達成するためには、各々の電極を電気的に絶縁し、独立して配線しなければならなく、構造上かつ製造上のリスクは極めて高い。
【００６５】
しかしながら本発明によれば、図８に示す並列接続の場合に、４層毎の圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸に、「＋Ｐ，＋Ｐ，−Ｐ，−Ｐ」の周期性を与えた、すなわち背後層に接する第１段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第２段目の圧電体では同方行、さらにその上の第３および第４段目の圧電体では逆方行とし、それ以後４層の圧電体毎に、同方向、同方行、逆方行、逆方行の周期性を持つように配列すれば、電気インピーダンスを１層の圧電体の１／ｎに下げられるだけでなく、容易に両端子間の電荷感度をｎ倍に増幅することができる。
【００６６】
上述ではｎ次調波を検出する場合を例として挙げたが、逆にｎ次調波を送波する場合についても、図８において端子間に発振器を接続することで、従来よりも効率が向上する。送波の場合、歪みＳと印加電場Ｅとの関係は、
Ｓ＝ｄＥあるいはＳ＝（ｅ／ｃ）Ｅ                                  …（２２）である。図８に示す積層圧電体の両端子間に電圧発生器を繋げ、ｎ次調波に相当する周波数の電圧を印加すれば、図８に示す歪みおよび図７（ｂ）に示す変位を生じ、超音波を媒質中に励振させることができる。そして、先に述べた電気インピーダンスの関係から、本願発明の構造では、低電圧高電流駆動となる。
【００６７】
一方、図９は、ｎ次調波を検出するための２ｎ層圧電体トランスデューサの構造を模式的に示す図である。（ａ）は積層状況、（ｂ）はある瞬間での各層の変位、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ歪みおよび電気変位の係数である。０．３および０．７の前記係数は、歪みおよび電気変位それぞれの相対比を表しており、絶対値を示すものではない。なお、１／２１／２＝０．７と近似した。各圧電体は層間および両端面に電極が設けられ、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極同士を連絡し、並列結合とした。この場合、先に述べたｎ層圧電体トランスデューサと比べて、圧電正効果による電気変位は同じであるが、電気容量が２倍となり、電気インピーダンスは半減する。残留分極あるいはＣ軸やＡ軸の配列は背後層に接する圧電体を基準として、８層毎に、「＋Ｐ，−Ｐ，−Ｐ，＋Ｐ，−Ｐ，＋Ｐ，＋Ｐ，−Ｐ」の繰り返しとなる。
【００６８】
各圧電体の歪みＳｍｎωは、次式で与えられる。
【００６９】
Ｓｍｎω
＝２ｎξ０ｎω｛ｓｉｎ［ｍ（π/４）］−ｓｉｎ［（ｍ−１）（π/４）］｝／ｈ，ｍ
＝１，２，…，２ｎ                                                    …（２３）
【実施例１】
【００７０】
以下に、上述の考え方に従う本発明の詳細な実施例を説明する。先ず第１の実施例として、図１０に示す２層圧電体トランスデューサによる３λ／４高調波の検出について述べる。２層圧電体トランスデューサは積層圧電体の中でも最もシンプルな構造である。この場合、送受波に用いる高調波の次数と積層枚数とは一致しない。しかしながら、本発明を以下のように適用することにより、送受波の効率を上げることができる。
【００７１】
すなわち、図１０の圧電体１および圧電体２の歪みＳ１，Ｓ２は、
Ｓ１＝Δｈ１／ｈ１＝ξ０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ１／ｈ）／ｈ１        …（２４）
Ｓ２＝Δｈ２／ｈ２
＝ξ０｛ｓｉｎ（ｎπ／２）−ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ１／ｈ）｝／ｈ２…（２５）
となる。ここでｈは積層圧電体の高さ、ｈ１とｈ２とは各圧電体の高さで、ｈ１＝ｈ２＝ｈ／２である。
【００７２】
３λ／４共振倍波に対する応答は、ｎ＝３で与えられる。その場合の歪みＳ１３ω，Ｓ２３ωは、
Ｓ１３ω
＝２ξ０３ωｓｉｎ（３π／４）／ｈ＝２（ξ０３ω／２１／２）／ｈ  …（２６）
Ｓ２３ω
＝２ξ０３ω｛ｓｉｎ（３π／２）−ｓｉｎ（３π／４）｝／ｈ
＝−２ξ０３ω（１＋１／２１／２）／ｈ                            …（２７）
となる。添字３ωは、３倍波における変位を示す。ここで、１／２１／２≒０．７と近似すると、これらの式は、３倍波では圧電体２の歪みと圧電体１の歪みとでは振幅比が−１．７：＋０．７となることを示す。
【００７３】
そのような各圧電体の変位と歪みの符号とを図１１に示す。（ａ）は変位であり、（ｂ）は歪みである。圧電体１と圧電体２との歪み比は、（ｂ）に示すとおりである。各圧電体の歪みの絶対値が一致しないのは、前述のように各圧電体の境界と変位の節と腹とが一致しないためである。
【００７４】
そこで図１２に示すように互いに隣り合う圧電体の離反面の電極同士を連絡して並列結合とすれば、積層圧電体の電気インピーダンスは１つの圧電体のインピーダンスの１／２となり、さらに圧電正効果による電気変位Ｄ１，−１３ωは、圧電体１の残留分極の向きあるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きと圧電体２のそれらの向きを同方行とすれば、並列接続で一方の極性が反転して足し合わされ、
Ｄ１，−１３ω＝２（１＋２１／２）ｅξ０３ω／ｈ                  …（２８）
となる。
【００７５】
一方、基本波に対する応答は、式（２４）および（２５）でｎ＝１の場合に理解できる。すなわち歪みＳ１ωとＳ２ωとは、
Ｓ１ω＝２ξ０ωｓｉｎ（π／４）／ｈ＝２（ξ０ω／２１／２）／ｈ      …（２９）
Ｓ２ω＝２ξ０ω｛ｓｉｎ（π／２）−ｓｉｎ（π／４）｝／ｈ
＝２ξ０ω｛１−１／２１／２｝／ｈ                                …（３０）
となる。
【００７６】
ここで図１２に示すような並列結合を行い、残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを同方行とした場合、電気変位Ｄ１，１ωは、
Ｄ１，１ω＝２ｅξ０ω（２１／２−１）／ｈ                        …（３１）
となる。ここで、添え字の１は、各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きに対応し、左から圧電体１、圧電体２の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを示している。
【００７７】
以上の結果から、各圧電体の歪みを考慮し、並列接続の場合、残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸方向を同方向とすることで、３λ／４波に対しては２．４倍感度を増幅することができ、同時にλ／４波に対しては０．４倍に感度を落とすことができる。したがって、２層圧電体から成る超音波トランスデューサへ本発明を適用すれば、３λ／４共振による信号を高Ｓ／Ｎ比で送受波することが可能となる。
【００７８】
図１３は、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を用いた２層圧電体からなる超音波トランスデューサの送受波感度特性の実験結果ならびにシミュレーション結果である。実線は実験結果、破線はシミュレーション結果である。いずれも互いに隣り合う圧電体の離反面、すなわち外側の表面に形成された電極面を連絡し、並列結合としており、しかもλ／４共振周波数は７ＭＨｚ、３λ／４共振周波数はおよそ２０ＭＨｚである。（ａ）は本発明に基づき分極方向を同方行とした場合、（ｂ）は参考に逆方行とした場合の結果である。（ａ）に示すように、本発明に基づく分極方向と配線手法とを組み合わせると、２０ＭＨｚに見られる３λ／４共振ピークが、７ＭＨｚにみられるλ／４共振ピークよりも大きく、（ｂ）に示す結果と比較すると、３λ／４共振ピークは２０ｄＢ増加している。このように２層圧電体に対しても本発明の手法に基づき、分極方向と配線手法とを組み合わせることで、３次高調波成分を増加させると同時に、基本波成分を減衰させることができる。
【実施例２】
【００７９】
続いて、３層圧電体トランスデューサによる３次調波の検出について述べる。図１４に模式構造図を示す。このトランスデューサも、積層圧電体の一端を基盤に固定し、もう一端を自由端としたλ／４振動子としている。
【００８０】
先ず、本発明に基づく設計プロセスを述べる。前述と同様に基盤と圧電体１との境界を原点として、素子の高さ（厚み）方向の座標をｚとする。次に、各々の圧電体が生じる歪みＳについて考える。基盤側から順に圧電体１、圧電体２、圧電体３とする。座標ｚは、基盤と圧電体１との境界ではｚ＝０、圧電体１と圧電体２との境界ではｚ１、圧電体２と圧電体３との境界ではｚ２、圧電体３の端部をｚ３とする。また、圧電体１の厚みをｈ１、圧電体２の厚みをｈ２、圧電体３の厚みをｈ３とし、積層圧電体の高さをｈとする。
【００８１】
すると、座標ｚ１における変位ξ（ｚ１）は、
ξ（ｚ１）＝ξ０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｚ１／ｈ）                      …（３２）
なので、圧電体１の歪みＳ１は、
Ｓ１＝Δｈ１／ｈ１＝ξ０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ１／ｈ）／ｈ１        …（３３）
となる。同様に、圧電体２および３については、
Ｓ２＝Δｈ２／ｈ２
＝ξ０｛ｓｉｎ（ｎπ/２・（ｈ１＋ｈ２）/ｈ）−ｓｉｎ（ｎπ/２・ｈ１/ｈ）｝/ｈ２
…（３４）
Ｓ３＝Δｈ３／ｈ３
＝ξ０｛ｓｉｎ（ｎπ/２）−ｓｉｎ（ｎπ/２・（ｈ１＋ｈ２）/ｈ）｝/ｈ３
…（３５）
となる。
【００８２】
そして、３λ／４共振時の各圧電体の歪みは、上式（３３）〜（３５）においてｎ＝３で与えられる。各圧電体の厚みが等しく、すなわち上式でｈ１＝ｈ２＝ｈ３＝ｈ／３の場合、各圧電体の歪みＳ１３ω，Ｓ２３ω，Ｓ３３ωは、
Ｓ１３ω＝Δｈ１３ω／ｈ１＝３ξ０３ωｓｉｎ（π／２）／ｈ
＝３ξ０３ω／ｈ                                            …（３６）
Ｓ２３ω＝Δｈ２３ω／ｈ２
＝３ξ０３ω｛ｓｉｎ（π）−ｓｉｎ（π／２）｝／ｈ
＝−３ξ０３ω／ｈ                                          …（３７）
Ｓ３３ω＝Δｈ３３ω／ｈ３
＝３ξ０３ω｛ｓｉｎ（３π／２）−ｓｉｎ（π）｝／ｈ
＝−３ξ０３ω／ｈ                                          …（３８）となる。ここで、添え字３ωは３次調波における応答を意味する。これらの式から３λ／４共振では圧電体２および圧電体３の歪みと、圧電体１の歪みとが逆位相であることを示す。
【００８３】
各圧電体の変位と歪みの符号とを図１５に示す。（ａ）は変位であり、（ｂ）は歪みである。本実施例は、３次調波の送受で、圧電体が３枚積層であるので、（ａ）および前述の図５で示すように、変位の節と腹とは、各圧電体の境界と一致する。このとき各圧電体の歪みは、圧電体１の歪みを＋とすると、（ｂ）および前述の図５で示すように、圧電体２および３の歪みを−として符号化することができる。
【００８４】
以上の力学系の振る舞いに基づき、電気系の最適構造を導く。図１６に示すように、互いに隣り合う圧電体の離反側の面の電極同士を連絡し、そこから配線を引き出し結合すれば、容易に各圧電体を電気的に並列結合することができる。このとき、積層圧電体の電気インピーダンスは１枚の圧電体の１／３に減少する。また、圧電体１の残留分極の向きあるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを基準（＋Ｐ）として、圧電体２の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを同方行（＋Ｐ）とし、圧電体３で逆方行（−Ｐ）とすれば、配線に誘起される電荷は、圧電正効果により生じた電荷の総和となる。このとき両端子間に誘起される電気変位Ｄ１，１，−１３ωは、
Ｄ１，１，−１３ω＝ｅＳ１−ｅ（Ｓ２＋Ｓ３）＝９ｅξ０３ω／ｈ    …（３９）
となる。ここで、添え字の１および−１は、各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きに対応し、左から圧電体１、圧電体２そして圧電体３の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを示している。
【００８５】
そして、λ／４共振に対する応答は、ｎ＝１で与えられ、各圧電体の歪みＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、
Ｓ１＝Δｈ１／ｈ１＝３ξ０ｓｉｎ（π／６）／ｈ                    …（４０）
Ｓ２＝Δｈ２／ｈ２
＝３ξ０｛ｓｉｎ（π／３）−ｓｉｎ（π／６）｝／ｈ            …（４１）
Ｓ３＝Δｈ３／ｈ３
＝３ξ０｛ｓｉｎ（π／２）−ｓｉｎ（π／３）｝／ｈ            …（４２）
すなわち、
Ｓ１＝Ｓ２＋Ｓ３                                                  …（４３）
となる。
【００８６】
一方、図１６に示す並列接続で、λ／４共振に対する電気変位Ｄ１，１，−１ωは、
Ｄ１，１，−１ω＝ｅ（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）＝０                  ・・・（４４）
であり、本実施例の３層圧電体から成るトランスデューサでは、λ／４共振に基づく感度が打ち消されることを示す。
【００８７】
比較として、単に残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸を平行とした３層圧電体による３次調波の送受波について述べる。３λ／４共振において積層圧電体が圧電正効果により生じる電気変位Ｄ１，１，１３ωは、
Ｄ１，１，１３ω＝ｅ（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）＝−３ｅξ０３ω／ｈ          …（４５）
となる。したがって、本実施例では、上式（４５）に示すとおり、並列接続において端子間の電気変位を、３倍（約１０ｄＢ）向上できることが理解される。
【００８８】
以下、図１６に示した３層圧電体による超音波の送受波特性について、実験データおよびシミュレーション結果を図１７に示す。実験では代表的な強誘電性ポリマーであるフッ化ビニリデンと三フッ化エチレンの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））を用いた。超音波トランスデューサの構造模式図を図１７の右図に示す。本発明に基づき３層圧電体を電気的に直列結合し、さらに分極の向きを図１５に示したものと同じとした。３層圧電体の高さはおよそ１２０μｍで、λ／４共振周波数は４．５ＭＨｚである。左図の実線は実験結果、破線はシミュレーション結果である。
【００８９】
図１７から、２０ＭＨｚ以下では、それぞれ共振周波数に対応する４．５ＭＨｚ付近にピークを示さず、λ／４共振ピークが消失している。したがって、本実施例のトランスデューサにおける第１のピークは、それの３λ／４共振である１３．５ＭＨｚとなっていることが理解される。
【００９０】
比較例として、図１８に圧電体２と３の残留分極の向きを図１７とは反対にした積層圧電体の特性を示す。左図に示すように、この３層圧電体は、λ／４共振である４．５ＭＨｚと、その３次高調波成分である１３．５ＭＨｚとに共にピークを示し、しかも３次高調波成分の感度は、−５０〜−６０ｄＢ程度であり、図１７に示した本実施例の結果に比べて、１０〜２０ｄＢ程度小さいことが理解される。これらの実験結果からも、本発明の手法に基づき分極方向を工夫することで、３次高調波成分を増加させると同時に基本波成分を減衰させることが可能であることが理解される。
【００９１】
以上のように、第２の実施例では、３層圧電体を用いて３次調波を送受波する手法を述べたが、ここでは積層圧電体の高調波の次数と積層枚数とを一致させることにより、（ｉ）圧電体の境界面を圧電体の弾性波の節と腹とに一致させて各圧電体の振動様式を符号化して理解でき、その符号と配線手法とに基づき、（ii）各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを適宜同方行または逆方行とすることで、各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを単純に同方行にした場合と比べ、３λ／４波の送受波時に感度を３倍（約１０ｄＢ）以上増加することができるだけでなく、λ／４波を打ち消すフィルタとしての機能も有することができる。また、電気的に並列結合とするので、電気インピーダンスを１／３に減少させることができる。以上のように３λ／４波を選択的にかつ高Ｓ／Ｎ比で送受波する場合、本発明は極めて有効である。これによって、受波の場合には帯域分離フィルタやアンプを削減することができる。あるいは、削減まで至らなくても、フィルタの場合は次数を削減して損失を抑え、アンプの場合はゲインを小さくすることができる。
【実施例３】
【００９２】
第３の実施例は、同じ厚さの圧電体を６層積層したトランスデューサによる３次調波の送受である。本実施例は、第２の実施例で示した３層圧電体において各圧電体を２つの圧電体に分割したもので、並列結合とした場合に電気インピーダンスがさらに半分になるだけでなく、上端電極と下端電極とが連絡されるので、積層圧電体全体を電気的にシールドすることができる。
【００９３】
図１９は、その６層圧電体の構造を示し、３次調波を送受波する際の変位および歪みを模式的に示す断面図である。図９と同様に、（ａ）は積層状況、（ｂ）はある瞬間での各層の変位、（ｃ）は歪みの係数である。
【００９４】
各圧電体の歪みＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は、
Ｓ１＝６ξ０ｓｉｎ（π／４）／ｈ＝６ξ０（１／２１／２）          …（４６）
Ｓ２＝６ξ０｛ｓｉｎ（π／２）−ｓｉｎ（π／４）｝／ｈ
＝６ξ０（１−１／２１／２）                                  …（４７）
Ｓ３＝６ξ０｛ｓｉｎ（３π／４）−ｓｉｎ（π／２）｝／ｈ
＝６ξ０（１／２１／２−１）                                  …（４８）
Ｓ４＝６ξ０｛ｓｉｎ（π）−ｓｉｎ（３π／４）｝／ｈ
＝６ξ０（−１／２１／２）                                    …（４９）
Ｓ５＝６ξ０｛ｓｉｎ（５π／４）−ｓｉｎ（π）｝
＝６ξ０（−１／２１／２）                                    …（５０）
Ｓ６＝６ξ０｛ｓｉｎ（３π／２）−ｓｉｎ（５π／４）｝
＝６ξ０（１／２１／２−１）                                  …（５１）
となる。１／２１／２≒０．７に近似すると、各圧電体の歪みの比は、図２０の模式図に示すとおりとなる。
【００９５】
そして、互いに隣り合う圧電体における離反側の電極を連絡し、電気的並列結合をした場合の残留分極あるいは結晶のＣ軸またはＡ軸の好ましい配列を、図２０に示す。このように構成することで、総電荷量は、図１６で示す３枚積層時と変わらないけれども、電気インピーダンスはそれの１／２に下げることができる。
【００９６】
図２１は、図２０に示すように分極配列と配線とを組み合わせた６層圧電体における感度の周波数特性をシミュレーションした結果である。この６層圧電体のλ／４共振周波数は５ＭＨｚである。しかしながら、右図にあるように、本発明に基づく分極配列ならびに配線を組み合わせることで、左図に示すようにλ／４共振による感度は減衰し、３λ／４共振による感度が最大となる。
【００９７】
上述のように構成される積層圧電体を超音波探触子の超音波トランスデューサに用いて、本発明の超音波診断装置は構成される。図２２は、本発明の実施の一形態に係る超音波診断装置１の外観構成を示す斜視図である。この超音波診断装置１は、図略の生体等の被検体に対して超音波を送信すると共に、その被検体において反射などで生成された超音波を受信する超音波探触子２と、前記超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、該ケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して前記超音波信号を送信させるとともに、超音波探触子２で受信された信号に基づいて、被検体内の内部状態を断層画像として画像化する診断装置本体４とを備えて構成される。
【００９８】
前記診断装置本体４は、その上部に操作パネル５および表示パネル６を備え、前記操作パネル５からは各種設定操作等が行われ、表示パネル６には、その操作のための支援画像や、受信された超音波信号に基づき作成された断層画像などが表示される。また、前記操作パネル５や診断装置本体４の適所には、前記超音波探触子２を、その不使用時に保持するホルダ７が設けられている。
【００９９】
図２３は、前記診断装置本体４の電気的構成を示すブロック図である。診断装置本体４は、操作入力部１１（前記操作パネル５）と、送信部１２と、受信部１３と、信号処理部１４と、画像処理部１５と、表示部１６（前記表示パネル６）と、制御部１７と、電圧制御部１８と、参照信号記憶部１９とを備えて構成されている。
【０１００】
操作入力部１１は、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等から成り、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータの入力などが行われる。
【０１０１】
送信部１２は、制御部１７の制御に従って、前記超音波探触子２の各圧電素子からの送信パルスが所定の焦点位置に収束するようにフォーミングを行う回路であり、さらに本実施例では、前述の送信パルスを時間軸方向に伸張した複数の符号化されたパルスで構成する。作成された送信パルスは、制御部１７を介して電圧制御部１８に与えられ、振幅が拡大されて、各圧電素子へ与える。
【０１０２】
受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信する回路であり、この受信信号を信号処理部１４へ出力する。
【０１０３】
信号処理部１４は、受信部１３の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことで、受信部１３の出力から受信超音波を検出するものである。この参照信号は、送信超音波の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき３次以上の高調波の次数および被検体の診断部位および診断深度から導かれる近似関数である。
【０１０４】
なお、この信号処理部１４では、前記相関処理を行う前に、前記符号化されたパルスを時間軸方向に圧縮し、送信パルスに対応する受信パルスを作成する。こうして、符号化パルスを用いることで、被検体である生体に与える影響が無闇に大きくなることなく、大振幅、すなわちＳ／Ｎの良好な受信パルスを得ることができる。この３次以上の高調波のみを抽出する復号フィルタは、基本波成分を抽出する場合の復号フィルタより構造が複雑になるのもの、バンドパスフィルタと組合わせたり、或いは符号化パルスの種類を変えることなどで、Ｓ／Ｎの改善と、前記３次以上の高周波の抽出とを両立することができる。前記符号化パルスによる伸張・圧縮については、たとえば特開２００３−２２５２３７号公報に示されている。
【０１０５】
参照信号記憶部１９は、ＲＯＭあるいはＥＥＰＲＯＭ等の記憶素子を備えて構成され、被検体における複数の各診断部位および診断深度に対応した近似関数を前記参照信号として記憶するものである。そして、上記信号処理部１４は、被検体の診断部位および診断深度に応じて、前記参照信号記憶部１９に記憶されている複数の参照信号（近似関数）の中から１つの参照信号を選択して相関処理を行う。また、選択された前記参照信号に応答して、前記送信部１２がビームフォーミングを行う。前記診断部位および診断深度は、操作入力部１１から入力される。
【０１０６】
画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、信号処理部１４で相関処理された受信信号に基づいて、被検体の内部状態の画像（超音波画像）を生成する回路である。
【０１０７】
表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１６は、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置や、プリンタ等の印刷装置等で実現される。
【０１０８】
制御部１７は、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、電圧制御部１８、受信部１３、信号処理部１４、参照信号記憶部１９、画像処理部１５および表示部１６を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置１の全体制御を行う回路である。
【０１０９】
図２４は、前記超音波探触子２における超音波トランスデューサ２０として用いられる超音波トランスデューサ２１の構造を模式的に示す断面図である。この超音波トランスデューサ２１は、複数の圧電素子が一直線上に配列されて成り、前記圧電素子の配列方向は、図２４の紙面に垂直（厚み）方向である。この超音波トランスデューサ２１は、基本的に有機無機積層型の超音波トランスデューサであり、バッキッング（背後）層２２上に、先ず大パワー送信が可能なように、無機材料から成る送信用圧電層２３を積層し、その送信用圧電層２３の被検体側には、中間層２４を介して、ハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機材料から成る受信用圧電層２５が設けられて構成される。そして、前記電圧制御部１８からの送信パルスは、第２の圧電体である送信用圧電層２３に与えられ、第１の圧電体である受信用圧電層２５での受信信号は受信部１３に与えられる。
【０１１０】
ここで、前記送信用圧電層２３と受信用圧電層２５との間には、それらの音響インピーダンスの違いを緩和するための中間層２４が設けられているが、本実施の形態では、前記受信用圧電層２５が後述するような有機材料から成ることで、被検体である生体に音響インピーダンスが近くなり、音響整合層が設けられていない。こうして、該超音波トランスデューサ２１は、構造が簡略化されている。ただし、該受信用圧電層２５上には、必要に応じて、音響レンズが設けられてもよい。
【０１１１】
上述のように構成される超音波トランスデューサ２１において、前記有機材料から成る受信用圧電層２５に、前述の図８、図９、図１２、図１６または図２０で示す積層圧電体が用いられる。そして、送信超音波の波長をλとするとき、送信用圧電層２３はλ／４共振を行い、受信用圧電層２５は３λ／４共振を行い、上述のようにして、受信用圧電層２５は、前記波長λの３次高調波を高利得で抽出し、基本波を除去する。これによって、前記受信部１３におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、送信用と受信用とのそれぞれに適した無機圧電体および有機圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子２を実現することができる。
【０１１２】
一方、図２５は、前記超音波探触子２における超音波トランスデューサ２０として用いられる他の超音波トランスデューサ３１の構造を模式的に示す断面図である。このトランスデューサ２１も、複数の圧電素子が一直線上に配列されて成り、前記圧電素子の配列方向は、図２５の紙面に垂直（厚み）方向である。この超音波トランスデューサ３１は、有機無機並列配置の超音波トランスデューサであり、前記一直線上のバッキッング（背後）層３２上で、その幅方向の中央部にハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機材料から成る受信用圧電層３５が設けられ、その幅方向の両側に大パワー送信が可能なように、無機材料から成る送信用圧電層３３，３４が並設されて構成されている。
【０１１３】
そして、それらの圧電層３３，３４，３５上には、被検体である生体との音響整合層３３ａ，３４ａ，３５ａおよび音響レンズ３３ｂ，３４ｂ，３５ｂが積層されている。また、それらの圧電層３３，３４，３５とバッキッング層３２との間には介在部材３３ｃ，３４ｃ，３５ｃがそれぞれ介在されており、中央の受信用圧電層３５の介在部材３５ｃが平板であるのに対して、両側の送信用圧電層３３，３４の介在部材３３ｃ，３４ｃは、該送信用圧電層３３，３４を受信用圧電層３５側に内傾させるために、楔形に形成されている。なお、図２５では、分り易くするために、楔形の前記介在部材３３ｃ，３４ｃの内傾角は、実際より大き目に強調して示している。
【０１１４】
上述のように構成される超音波トランスデューサ３１においても、前記有機材料から成る受信用圧電層３５に、前述の図８、図９、図１２、図１６または図２０で示す積層圧電体が用いられる。そして、送信超音波の波長をλとするとき、送信用圧電層３３，３４はλ／４共振を行い、受信用圧電層３５は３λ／４共振を行い、上述のようにして、受信用圧電層３５は、前記波長λの３次高調波を高利得で抽出し、基本波を除去する。これによって、前記受信部１３におけるフィルタやアンプを不要にすることができ、あるいはそれらのフィルタやアンプ用いる場合にも、フィルタの次数を低くしたり、アンプのゲインを小さくしたりすることができる。また、送信用と受信用とそれぞれ適した無機圧電体および有機圧電体を用いることができ、大パワー送信を行い、被検体で発生した高調波を高利得で受信するハーモニックイメージングに好適な超音波探触子２を実現することができる。
【０１１５】
以下に、前記３λ／４共振を行う受信用圧電層２５，３５として用いられる積層圧電体の具体的な作成方法および材料について詳述する。一般に、超音波振動子は、膜状の圧電材料から成る圧電層（「圧電体層」、「圧電膜」、「圧電体膜」ともいう。）を挟んで一対の電極を配設して構成され、複数の振動子（圧電素子）を前記のような１次元や２次元に配列して前記の超音波トランスデューサ２０が構成される。その複数の振動子を配列する方法としては、１枚の振動子をバッキング層に貼付け、必要に応じて音響整合層等を貼付けた後に、ダイシングによって各素子に分割することで行うことができる。
【０１１６】
複数に分割された積層振動子の各素子のアスペクト比は、アジマス方向の幅をＷ、高さをＨとすると、Ｗ／Ｈは０．４〜０．６にすることが好ましい。これは、超音波が伝播する送受信方向の振動と、送受信方向に直交する走査方向（配列方向）の振動（横振動）との干渉を抑制し、振動子の配列方向の指向特性が狭くなることを回避でき、ビームの指向角度が制限されることなく、大きい偏向角においても良好な感度を保つことができるためである。
【０１１７】
そして、複数の振動子が配列された長軸方向の所定数の振動子を口径として設定し、その口径に属する複数の振動子を駆動して被検体内の計測部位に超音波ビームを収束させて照射すると共に、その口径に属する、またはその口径に属する振動子とは別の複数の振動子により被検体から発する超音波の反射エコー等を受信して電気信号に変換する機能を有している。
【０１１８】
前述の図８、図９、図１２、図１６または図２０で示す積層圧電体を実現するにあたって、該積層圧電体がセラミックなどの無機材料から成る場合、圧電体層と電極層とが積層されて、焼成などによって一体化される。
【０１１９】
一方、積層圧電体がＰＶＤＦなどの有機材料から成る場合、表裏両面の一部または全部に電極層が形成され、分極処理された有機材料のシートを積層し、層間を接着剤で接続することで一体化される。この際、電極層の接触面が互いに重なるようにすることが好ましい。これは振動子の駆動時や超音波の受信時に、不要な電界の形成を防ぎ、不均一な音場が形成されることを防ぐためである。なお、接着剤は絶縁性であるが、有機材料層および電極層の粗面（微細な凹凸）が、積層した際に互いに入り込み、隣接する電極同士は導通状態となる。積層接着後は、振動子端部の不要な部分をそぎ落とし、トランスデューサに搭載する大きさに成形する。その後、各圧電体を並列接続するにあたって、前述のように１組おきに電極の取出し方向を切替え、導電性ペーストで結線することで、バッキング層２２，３２側の両側部に、信号電極とＧＮＤ電極とをそれぞれ引出すことができる。
【０１２０】
積層圧電体の材料としては、従来から用いられている水晶、圧電セラミックスＰＺＴ、ＰＺＬＴや、圧電単結晶ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＺｎＯ、ＡｌＮなどの薄膜などの無機圧電材料に加え、ポリフッ化ビニリデンやポリフッ化ビニリデン系共重合体、ポリシアン化ビニリデンやシアン化ビニリデン系共重合体、ナイロン９やナイロン１１などの奇数ナイロン、芳香族ナイロン、脂環族ナイロン、ポリ乳酸、ポリヒドロキシブチレートなどのポリヒドロキシカルボン酸、セルロース系誘導体、あるいはポリウレアなどの有機圧電材料が挙げられる。さらに無機圧電材料と有機圧電材料、無機圧電材料と有機高分子材料を併用したコンポジット材料も挙げられる。図２４および図２５で示す超音波トランスデューサ２１，３１では、上述の無機材料を送信用圧電層２３；３３，３４に用い、有機材料を受信用圧電層２５；３５に用いるものとする。
【０１２１】
当該積層圧電体の１層の層厚は、設定する中心周波数（波長λ）にもよるが、加工性を考え、５〜２００μｍの範囲内にあることが好ましい。そして、各圧電体Ａ１〜Ａ３などの厚さが相互に等しいことで、各圧電体の製造が容易となるので、超音波トランスデューサ２１，３１の生産性を向上させることができる。
【０１２２】
有機圧電材料から成る圧電層の形成方法には、塗布によって膜を形成する方法、蒸着（蒸着重合）によって膜を形成する方法が好ましい。前記の塗布方法としては、たとえばスピンコート法、ソルベントキャスト法、メルトキャスト法、メルトプレス法、ロールコート法、フローコート法、プリント法、ディップコート法、バーコート法等が挙げられる。また、蒸着（蒸着重合）方法としては、数百Ｐａ以下程度の真空度で、単一、または複数の蒸発源よりモノマーを蒸発させ、基板上に付着、反応させることで膜を得ることができる。必要に応じて、適宜基板の温度調整が行われる。
【０１２３】
上述のようにして作成された有機圧電体膜への電極層の形成は、先ずチタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などの下地金属をスパッタ法により０．０２〜１．０μｍの厚さに形成し、続いて金属元素を主体とする金属材料またはそれらの合金から成る金属材料に、必要に応じて一部絶縁材料を併せて、スパッタ法等の適当な方法で１〜１０μｍの厚さに形成することで行われる。その後、前記の圧電層（圧電体膜）の分極処理が行われる。前記の金属材料には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などが用いられる。電極形成は、上記のスパッタ法以外に、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストを、スクリーン印刷やディッピング法、溶射法等で、塗布することで行うこともできる。
【０１２４】
一方、図２４の超音波トランスデューサ２１では形成されないが、図２５の超音波トランスデューサ３１で形成される音響整合層３３ａ，３４ａ，３５ａや音響レンズ３３ｂ，３４ｂ，３５ｂの形成方法は、以下の通りである。前記音響整合層３３ａ，３４ａ，３５ａは、振動子と生体組織との音響インピーダンスの差によって境界面での反射が発生し、自由振動が長く続いてしまうことを防止するために、振動子と生体組織との間に介在され、両者の中間的な音響インピーダンスを持つものである。この音響整合層を介在することで、前記境界面での反射が軽減されて自由振動が速やかに集束し、トランスデューサで送受信される超音波パルス幅が短くなって、生体内に超音波が効果的に伝搬されるようになる。
【０１２５】
この音響整合層３３ａ，３４ａ，３５ａに用いられる材料としては、金属材料（アルミ、アルミ合金（例えばＡｌ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、等）、ガラス類（マコールガラス、ケイ酸塩ガラス、溶融石英、等）、炭素材料（カーボングラファイト、コッパーグラファイト、等）、樹脂材料（ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ナイロン（ＰＡ６，ＰＡ６−６）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ、ガラス繊維入りも可）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ＡＢＣ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、等）等である。好ましくは、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に、充填剤として、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものを用いることができる。
【０１２６】
前記音響整合層３３ａ，３４ａ，３５ａは、単層でもよいし、複数層から構成されてもよい。好ましくは、２層以上である。この音響整合層３３ａ，３４ａ，３５ａの厚さは、送信超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定める必要がある（図２４や図２５では、送信用圧電層２３；３３，３４内では、受信用圧電層２５，３５内より超音波の速度が速いので、厚くなっている）。これを満たさない場合、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動し、残響時間の増加や反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎの低下を引き起こしてしまう。このような音響整合層３３ａ，３４ａ，３５ａの厚さとしては、概ね３０μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。
【０１２７】
また、バッキング層２２，３２は、超音波振動子の背面に配置され、後方へ放射された超音波の伝搬を抑制（吸収）する。これによってもまた、振動子側への不要な反射を抑え、パルス幅を短くすることができる。これらのバッキング層２２，３２に用いられる材料としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂に、酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形した材料、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体等の熱可塑性樹脂などを用いることができる。
【０１２８】
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料および／またはエポキシ樹脂複合材から成るものであり、その形状は、該圧電体や、圧電体を含むプローブヘッドの形状に応じて、適宜選択することができる。
【０１２９】
前記のゴム系複合材としては、ゴム成分および充填剤を含有する物が好ましく、ＪＩＳ  Ｋ６２５３に準拠したスプリング硬さ試験機（デュロメータ硬さ）におけるタイプＡデュロメータでＡ７０からタイプＤデュロメータでＤ７０までの硬さを有するものであり、さらに、必要に応じて各種の他の配合剤を添加してもよい。
【０１３０】
前記のゴム成分としては、たとえば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴムなどが好ましい。より好ましくは、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）とのブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲとのブレンドゴムなどが挙げられる。本実施例のゴム成分は、加硫ゴムおよび熱可塑性エラストマーなどのゴム成分の１種を単独で使用してもよいが、ブレンドゴムのように２種以上のゴム成分をブレンドしたブレンドゴムを用いてもよい。
【０１３１】
ゴム成分に添加される充填剤としては、通常使用されているものから比重の大きいものに至るまで、その配合量と共に様々な形で選ぶことができる。たとえば、亜鉛華、チタン白、ベンガラ、フェライト、アルミナ、三酸化タングステン、酸化イットリビウムなどの金属酸化物、炭酸カルシウム、ハードクレイ、ケイソウ土などのクレイ類、炭酸カルシウム、硫酸バリウムなどの金属塩類、ガラス粉末等やタングステン、モリブデン等の各種の金属系微粉末類、ガラスバルーン、ポリマーバルーン等の各種バルーン類が挙げられる。これらの充填剤は、種々の比率で添加することができるが、好ましくはゴム成分１００質量部に対して、５０〜３０００質量部、より好ましくは１００〜２０００質量部、または３００〜１５００質量部程度である。また、これらの充填剤は、１種または２種以上を組み合わせて添加してもよい。
【０１３２】
ゴム系複合材料には、さらに他の配合剤を必要に応じて添加することができ、このような配合剤としては、加硫剤、架橋剤、硬化剤、それらの助剤類、劣化防止剤、酸化防止剤、着色剤などが挙げられる。たとえば、カーボンブラック、二酸化ケイ素、プロセスオイル、イオウ（加硫剤）、ジクミルパーオキサイド（Ｄｉｃｕｐ、架橋剤）、ステアリン酸などを配合することができる。これらの配合剤は必要に応じて使用されるものであるが、その使用量は、一般にゴム成分１００質量部に対し、それぞれ１〜１００質量部程度であるが全体的バランスや特性によって適宜変更することもできる。
【０１３３】
前記のエポキシ樹脂複合剤としては、エポキシ樹脂成分および充填剤を含有するのが好ましく、さらに必要に応じて各種の配合剤を添加することもできる。エポキシ樹脂成分としては、たとえばビスフェノールＡタイプ、ビスフェノールＦタイプ、レゾールノボラックタイプ、フェノール変性ノボラックタイプ等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン構造含有タイプ、アントラセン構造含有タイプ、フルオレン構造含有タイプ等の多環芳香族型エポキシ樹脂、水添脂環型エポキシ樹脂、液晶性エポキシ樹脂などが挙げられる。本実施例のエポキシ樹脂成分は単独で用いても良いが、ブレンド樹脂のように２種類以上のエポキシ樹脂成分を混合して用いてもよい。
【０１３４】
前記のエポキシ樹脂成分に添加される充填剤としては、前述のゴム成分に混合する充填剤と同様のものから、上記ゴム系複合剤を粉砕して作成した複合粒子まで、いずれも好ましく使用することができる。前記複合粒子としては、たとえばシリコーンゴム中にフェライトを充填したものを粉砕器にて粉砕し、２００μｍ程度の粒径にしたものを挙げることができる。
【０１３５】
前記エポキシ樹脂複合剤を使用する際には、さらに架橋剤を添加する必要があり、たとえばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン等の鎖状脂肪族ポリアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、メンセンジアミン、イソフォロンジアミン等の環状脂肪族ポリアミン、ｍ−キシレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ポリアミド樹脂、ピペリジン、ＮＮ−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ベンジルジメチルアミン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール等の２級および３級アミン等、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウム・トリメリテート等のイミダゾール類、液状ポリメルカプタン、ポリスルフィド、無水フタル酸、無水トリメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等の酸無水物を挙げることができる。
【０１３６】
このようにして成るバッキング層２２，３２の厚さは、概ね１〜１０ｍｍが好ましく、特に１〜５ｍｍであることが好ましい。
【０１３７】
一方、前記音響レンズ３３ｂ，３４ｂ，３５ｂは、屈折を利用して超音波ビームを集束し、分解能を向上するために設けられるものであり、超音波を収束するとともに、被検体である生体とよく密着して、圧電層３３，３４，３５側と生体との音響インピーダンス（密度×音速；（１．４〜１．６）×１０６ｋｇ／ｍ２・ｓｅｃ）を整合させ、超音波の反射を少なくし得ること、レンズ自体の超音波減衰量が小さいことが必要条件とされている。このため、従来から、高分子材料をベースにして作られた音響レンズが設けられている。
【０１３８】
ここに用いられるレンズ材料としては、その音速が人体のそれより充分小さくて、減衰が少なく、また音響インピーダンスが人体の皮膚の値に近いものが望まれる。レンズ材の音速が人体のそれより充分小さければ、レンズ形状を凸状となすことができ、診断を行う際に滑りが良くなり、安全に行うことができる。また、減衰が少なくなれば、感度良く超音波の送受信が行え、さらに、音響インピーダンスが人体の皮膚の値に近いものであれば、反射が小さくなり、換言すれば、透過率が大きくなるので、同様に超音波の送受信感度が良くなるからである。
【０１３９】
本実施例において、音響レンズ３３ｂ，３４ｂ，３５ｂを構成する素材としては、従来公知のシリコーン系ゴム、ブタジエン系ゴム、ポリウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム等のホモポリマー、エチレンとプロピレンとを共重合させて成るエチレン−プロピレン共重合体ゴム等の共重合体ゴム等を用いることができる。これらのうち、シリコーン系ゴムを用いることが特に好ましい。
【０１４０】
本実施例に使用されるシリコーン系ゴムとしては、シリコーンゴム、フッ素シリコーンゴム等が挙げられる。中でも、レンズ材の特性上、シリコーンゴムを使用することが好ましい。シリコーンゴムとは、Ｓｉ−Ｏ結合から成る分子骨格を有し、そのＳｉ原子に複数の有機基が主結合したオルガノポリシロキサンを言い、通常は、その主成分はメチルポリシロキサンで、全体の有機基のうち９０％以上はメチル基である。メチル基に代えて水素原子、フェニル基、ビニル基、アリル基等を導入したものも使用することができる。当該シリコーンゴムは、たとえば高重合度のオルガノポリシロキサンに過酸化ベンゾイルなどの硬化剤（加硫剤）を混練し、加熱加硫し硬化させることにより得ることができる。必要に応じてシリカ、ナイロン粉末等の有機または無機の充填剤、硫黄、酸化亜鉛等の加硫助剤等を添加してもよい。
【０１４１】
本実施例に使用されるブタジエン系ゴムとしては、ブタジエン単独またはブタジエンを主体とし、これに少量のスチロールまたはアクリロニトリルが共重合した共重合ゴム等が挙げられる。中でも、レンズ材の特性上、ブタジエンゴムを使用することが好ましい。ブタジエンゴムとは、共役二重結合を有するブタジエンの重合により得られる合成ゴムを言う。ブタジエンゴムは、共役二重結合を有するブタジエン単独が１．４〜１．２重合することにより得ることができる。ブタジエンゴムは、硫黄等により加硫させることが好ましい。
【０１４２】
本実施例に係る音響レンズ３３ｂ，３４ｂ，３５ｂにおいては、シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとを混合し加硫硬化させて得たものであってもよい。具体的には、シリコーンゴムとブタジエンゴムとを適宜割合で、混練ロールによって混合し、過酸化ベンゾイルなどの加硫剤を添加し、加熱加硫し、架橋（硬化）させることにより得ることができる。その際に、加硫助剤として、酸化亜鉛を添加することが好ましい。酸化亜鉛は、レンズ特性を落とさずに、加硫を促し、加硫時間を短縮できる。他に、着色剤や音響レンズの特性を損なわない範囲内で他の添加剤を添加してもよい。シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとの混合割合は、その音響インピーダンスが人体に近似しているとともに、その音速が人体より小さく、減衰が少ないものを得るには、通常、１：１が好ましいが、当該混合割合は適宜変更可能である。
【０１４３】
シリコーンゴムは、市販品として入手することができ、たとえば信越化学社製、ＫＥ７４２Ｕ、ＫＥ７５２Ｕ、ＫＥ９３１Ｕ、ＫＥ９４１Ｕ、ＫＥ９５１Ｕ、ＫＥ９６１Ｕ、ＫＥ８５０Ｕ、ＫＥ５５５Ｕ、ＫＥ５７５Ｕ等や、モメンティブパフォーマンスマテリアル社製、ＴＳＥ２２１−３Ｕ、ＴＥ２２１−４Ｕ、ＴＳＥ２２３３Ｕ、ＸＥ２０−５２３−４Ｕ、ＴＳＥ２７−４Ｕ、ＴＳＥ２６０−３Ｕ、ＴＳＥ−２６０−４Ｕや、ダウコーニング東レ社製のＳＨ３５Ｕ、ＳＨ５５ＵＡ、ＳＨ８３１Ｕ、ＳＥ６７４９Ｕ、ＳＥ１１２０ＵＳＥ４７０４Ｕなどを用いることができる。
【０１４４】
なお、本実施例においては、上記シリコーン系ゴム等のゴム素材をベース（主成分）として、音速調整や密度調整等の目的に応じて、シリカ、アルミナ、酸化チタンなどの無機充填剤や、ナイロンなどの有機樹脂等を配合することもできる。また、当該音響レンズ３３ｂ，３４ｂ，３５ｂの被検体表面に近い領域に、励起光を照射することで発光する物質、すなわち発光物質が添加されていてもよい。
【０１４５】
一方、本実施例に用いる部材間の接着には、一般的に用いられるエポキシ系樹脂が好適である。市販のエポキシ接着剤の具体例としては、スリーエム  カンパニー製のＤＰ−４２０、ＤＰ−４６０、ＤＰ−４６０ＥＧ、セメダイン社製のエクセルエポ、ＥＰ００１、ＥＰ００８、ＥＰ３３０、ＥＰ３３１、ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製のアラルダイト  スタンダード（登録商標）、アラルダイト  ラピッド（登録商標）、システムスリー社製のシステムスリーエポキシ、ゲルマジック、スリーボンド社製の２０８７Ｌ（高強度二液性エポキシ配合樹脂）、２０８２Ｃ（常温硬化型二液性エポキシ樹脂高せん断接着力タイプ）、２０８１Ｄ（軟質塩ビ用接着剤エポキシ系）、コニシ社製のＥセットＬ、コトロニクス社製デュラルコ４５２５ＩＰ、７０５０、ＮＭ２５、４４６１ＩＰ等を挙げることができる。ただし、ダイシング加工適性、薬剤耐性の面から、強固な接着性、低反応性、などが要求される。さらに、接着層は可能な限り薄くすることが求められるため、低粘度のものが好ましい。接着層の厚みとしては、０．５〜３μｍが好ましい。
【０１４６】
以下に、圧電体の作製方法について述べる。先ず、送信用圧電体２３；３３，３４として用いられる無機圧電体である。成分原料であるＣａＣＯ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３とＴｉＯ２、および副成分原料であるＭｎＯを準備し、成分原料については、成分の最終組成が、（Ｃａ０．９７Ｌａ０．０３）Ｂｉ４．０１Ｔｉ４Ｏ１５となるように秤量した。
【０１４７】
次に、純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて８時間混合し、充分に乾燥を行い、混合粉体を得た。得られた混合粉体を、仮成形し、空気中、８００℃で２時間仮焼を行い、仮焼物を作製した。
【０１４８】
次に、得られた仮焼物に純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて微粉砕を行い、乾燥することにより圧電セラミックス原料粉末を作製した。微粉砕においては、微粉砕を行う時間および粉砕条件を変えることにより、それぞれ粒子径１００ｎｍの圧電セラミックス原料粉末を得た。
【０１４９】
それぞれ粒子径の異なる各圧電セラミックス原料粉末に、バインダーとして純水を６質量％添加し、プレス成形して、厚み１００μｍの板状仮成形体とし、この板状仮成形体を真空パックした後、２３５ＭＰａの圧力でプレスにより成形した。
【０１５０】
次に、上記の成形体を焼成し、最終焼結体の厚さは２０μｍである。なお、焼成温度は、それぞれ１１００℃であった。その後、１．５×Ｅｃ（ＭＶ／ｍ）以上の電界を１分間印加して、分極処理を施した。
【０１５１】
次に、受信用圧電体２５，３５として用いられる有機圧電体の作製方法について述べる。本実施例に係る有機圧電材料は、前述の高分子材料を主たる構成成分として有する室温以上、融点から１０℃低い温度以下の温度において、延伸可能なフィルム状であり、張力を一定の範囲に保ちながら熱処理され、続いて室温まで冷却される間に二段階目の延伸をして作製することができる。
【０１５２】
本実施例に係るフッ化ビニリデンを含む有機圧電材料を振動子とする場合、フィルム状に形成し、ついで電気信号を入力するための表面電極を形成する。本実施例は、表面に形成した電極を介して電場を厚さ方向にかけ、圧迫しながら分極することを特徴とするが、表面に電極を形成せずに、圧迫部材の材料に接触する面に電圧をかけられる電極を設置し、同様に圧迫しながら材料の厚さ方向に電場をかけながら分極することでも効果は同じである。
【０１５３】
フィルム形成は、溶融法、流延法など一般的な方法を用いることができる。ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体の場合、フィルム状にしたのみで自発分極を持つ結晶型を有することが知られているが、さらに特性を上げるには、分子配列を揃える処理を加えることが有用である。手段としては、延伸製膜、分極処理などが挙げられる。
【０１５４】
延伸製膜の方法については、種々の公知の方法を採用することができる。たとえば、上記高分子材料をエチルメチルケトン（ＭＥＫ）などの有機溶媒に溶解した液をガラス板などの基板上に流延し、常温にて溶媒を乾燥させ、所望の厚さのフィルムを得て、このフィルムを室温で所定の倍率の長さに延伸する。当該延伸は、所定形状の有機圧電材料が破壊されない程度に、一軸あるいは二軸方向に行うことができる。延伸倍率は２〜１０倍、好ましくは２〜６倍である。
【０１５５】
なお、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体および／またはフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体において、２３０℃における溶融流動速度（Ｍｅｌｔ  Ｆｌｏｗ  Ｒａｔｅ）が０．０３ｇ／ｍｉｎ以下である。より好ましくは、０．０２ｇ／ｍｉｎ以下、更に好ましくは、０．０１ｇ／ｍｉｎ以下である高分子圧電体を使用すると、高感度な圧電体の薄膜が得られる。
【０１５６】
一般に、フィルム状の材料を熱処理する場合、フィルム面内に効率的かつ均一に熱を与えるために、チャックやクリップなどで端部を支持して、所定温度環境下に置くことが好ましい。この際に、フィルム面にヒートプレート等の熱源を直接触れるような形態で熱を与えることは、加熱の際に収縮する材料の場合、平面性を損なうので好ましくない。むしろ、加熱の際の熱収縮に対し、わずかに弛緩処理を行うことの方が平面性に対しては効果がある。ここでいう弛緩処理とは、熱処理およびその終了後室温まで冷却される過程でフィルムにかかる収縮ないしは膨張しようとする力に追従しながら、フィルム両端の応力を変化させることである。弛緩処理は、フィルムが弛むことで平面性が保てなくなったり、応力が大きくなって破断したりしない限り、応力を緩和させるように縮めても、さらに張力をかける方向に延伸しない程度に広げてもよい。本実施例においては、延伸した方向をプラスと定めた場合、長さにして１０％程度、フィルムが冷却中に伸びる場合は、弛みに追従するように、最大でも１０％程度、二段階目の延伸を行う。この二段階目の延伸は、フィルムがピンと張った状態となるように、弛みを無くす程度に延伸チャックを稼動させることで行うものとする。それ以上の処理は、冷却中の延伸となり、フィルム破断のおそれがある。
【０１５７】
本実施例の有機圧電材料の熱処理としては、フィルム面内に効率的かつ均一に熱を与えるために、チャックやクリップなどで端部を支持して、フィルムの融点よりも１０℃低い温度を上限とした温度付近下に置くことが好ましい。たとえば、ポリフッ化ビニリデンを主成分とする有機圧電材料の場合、融点が１５０〜１８０℃にあることから、１１０〜１４０℃の温度で熱処理をすることが好ましい。また、その時間は、３０分以上行うことで効果が発現し、長ければ長い程、結晶成長が促進されるが、時間とともに飽和することから、現実的には１０時間程度、長くとも一昼夜程度である。この間もフィルムの平面性を維持するために、一定の張力がフィルムにかかるようにしておくことが好ましい。熱処理中の張力は、仕上がりの平面性の観点から０．１〜５００ｋＰａの範囲内が好ましく、より好ましくは、可能な限り小さい応力が好ましい。熱処理中のフィルムは柔らかく、張力がこの値よりも大きくなると、さらに延びてしまうため、熱処理の効果が失われてしまうだけでなく、破断が起こるおそれがある。
【０１５８】
上述のようにして作成された有機圧電材料の両面には、電極が貼付けられた後に、絶縁部材による圧迫下で、その電極間に電圧が印加されて分極処理が施される。一般に、圧電材料は、電場応答に対して変形応答をする特性を持っている材料である。そのため、分極処理中における電場によっても変形応答する。すなわち、材料に電場を加えて分極処理を施すことで圧電材料としての特性を付与するその最中にも、電場によって変形してしまう。このため、材料はしばしば分極処理後に変形して、初期の形状を保たないことがある。そこで本実施例では、その分極中の変形を抑制するために、上述のように圧迫をしつつ、分極処理を行うことで、より変形の少ない、好ましくは分極処理前後での平面性が保たれ、かつ高い圧電特性を有する有機圧電材料を得るようにしている。
【０１５９】
ここで、押圧力、すなわち、押圧する圧力の程度としては、少なくとも０．９８ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ２）以上、９．８ＭＰａ（１００ｋｇ／ｃｍ２）以下であることが好ましい。これは、０．９８ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ２）以上とすることで変形を抑えることができ、９．８Ｍａ（１００ｋｇ／ｃｍ２）以下とすることで厚さ方向の変形の発生を防止したり、初期の厚さを保つことができ、もしくは分極処理の印加電流が短絡することを防止できるためである。本実施例に係る分極処理方法としては、公知の直流電圧印加処理、もしくは交流電圧印加処理等の電圧印加処理の方法が適用され得る。
【０１６０】
以下に、有機圧電材料の具体的な例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されない。本実施例では、有機圧電材料として、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を用いる。その合成方法は、以下のとおりである。内容積１４Ｌのステンレス製の耐圧オートクレーブに、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ；シグマアルドリッチ社製）７０部（３０００ｇ）、３フッ化エチレン（ＴｒＦＥ；シグマアルドリッチ社製）３０部、純水２１０部、メチルセルロース（東京化成社製）０．１部、ピロリン酸ナトリウム（太平化学産業社製）０．２部、ジノルマルプロピルパーオキシジカーボネート（日油株式会社製）０．６１部を仕込み、２５℃で重合を開始した。３時間に酢酸エチル３．０部を添加し、重合反応を継続した。その後オートクレーブの内圧が２５ｋｇ／ｃｍ２に低下した時点で、未反応物を回収し、重合物の脱水、水洗を順に３回繰り返した後、減圧乾燥を行った。収率は２６％であった。得られたＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）について評価を行うと、分子量は２５５０００、分散は２．４であった。
【０１６１】
なお、重量平均分子量（Ｍｎ）および分子量分布（Ｍｗ／Ｍｎ）は、下記の要領で、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）により算出した。測定条件は以下の通りである。
【０１６２】
溶媒      ：３０ｍＭＬｉＢｒ  ｉｎ  Ｎ−メチルピロリドン
装置      ：ＨＬＣ−８２２０ＧＰＣ（東ソー（株）製）
カラム    ：ＴＳＫｇｅｌ  ＳｕｐｅｒＡＷＭ−Ｈ×２本（東ソー（株）製）
カラム温度：４０℃
試料濃度  ：１．０ｇ／Ｌ
注入量    ：４０μｌ
流量      ：０．５ｍｌ／ｍｉｎ
校正曲線  ：標準ポリスチレン：ＰＳ−１（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ社製）Ｍｗ＝５８０〜２，５６０，０００までの９サンプルによる校正曲線を使用した。
【０１６３】
組成については、１Ｈ−ＮＭＲにより決定した。得られたＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の３ｗｔ％重ジメチルスルホキシド溶液を調製し、サンプル管に入れ、ＮＭＲ（核磁気共鳴）装置（ <http://www.varianjapan.com/product/nmr/001/index.html>Ｖａｒｉａｎ  ４００−ＭＲ、Ｖａｒｉａｎ社製）にて４００ＭＨｚの周波数で解析した。得られたデータ（図２６参照）の解析から、５．３−６．０ｐｐｍ付近に現れるＴｒＦＥに特有のプロトンのシグナルと、２．３−３．３ｐｐｍ付近に現れるＶＤＦに特有のプロトンのシグナルとの比より、ＶＤＦ／ＴｒＦＥ＝３／１と決定した。
【０１６４】
また同様にして、ＶＤＦのホモポリマーＰＶＤＦも重合した。ＧＰＣ評価から分子量２０００００、分散２．１であった。
【０１６５】
得られたＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）をメチルエチルケトン（関東化学社製）を溶媒とし、乾燥膜厚４０±１μｍとなるようにガラス板に塗布し、６０℃で３０分乾燥し、有機圧電膜を作製した。
【０１６６】
そして、そのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（膜厚：４０±１μｍ）の表面に、厚さ０．１μｍのクロム電極を蒸着により形成した後、厚さ０．２μｍの金電極を蒸着により形成し、有機圧電膜の両端部を除く部分に３０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力が均一に加わるようアクリル製の板で挟み込み、有機圧電膜の厚さ方向に電圧が印加されるように、有機圧電膜の一方の電極層をグランドに、他方をファンクションジェネレータ（２０ＭＨｚ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ／Ａｒｂｉｔａｒｙ  Ｗａｖｅｆｏｒｍ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ３３２２０Ａ；Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（株）製）とパワーアンプ（ＡＣ／ＤＣ  ＡＭＰＬＩＦＩＥＲ  ＨＶＡ４３２１；ｎＦ社製）に接続し、０．１ＨｚのＳｉｎ波印加条件下、２０秒おきに１００Ｖずつ昇圧し、最大１００ＭＶ／ｍの電場を印加し、ポーリング処理を施した。その後、電極に３−メルカプトプロピルトリメトキシシランの１％（メタノール−ｐＨ４酢酸ナトリウム水溶液）混合溶液中に５分浸漬し、乾燥後水洗し、再度乾燥させ、表面処理を行った。
【０１６７】
その有機圧電膜を３層または６層積層し、電極を含めて０．１２ｍｍの厚さで、表裏の電極のオーバーラップ部分（電圧印加範囲）を３．３ｍｍとした。その積層の際、該有機圧電膜の分極方向を、３層では前述の図１６の同方行、同方行、逆方行、６層では前述の図８の同方行、同方行、逆方行、逆方行、…とした。なお比較例として、３層で、前述の図１８で示す同方行、逆方行、同方行のものや、無機材料のＰＺＴを使用したものを作成した。積層時に用いた接着剤は、エポキシ系接着剤であり、３０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で厚み方向に均一に加圧した。積層後、ダイシングにより７．５ｍｍ×５０ｍｍのサイズに切り出し、側面電極を形成し、積層圧電体１〜４および積層圧電体５，６を作成した。
【０１６８】
以下に、これらの積層圧電体１〜６の評価方法について説明する。先ず、有機圧電体自体の評価を行った。それには、その積層圧電体１〜６の側面に、電極がパターンニングされたＦＰＣ、背面に３．０ｍｍ厚のバッキング層を順に接着し、超音波射出側に音響整合層（ＭＬ層）を接着した（積層圧電体１，２，５，６）。その後、長手方向に０．１５ｍｍピッチで３０μｍの厚みを有するブレードでダイシングを行った。さらに、パリレン処理にて３μｍ程度の絶縁層を設け、音響整合層を積層したものについては、さらにその上にレンズを接着した。その後、ＦＰＣにコネクタを接続し、こうして作成した超音波トランスデューサをケースに収め、送受兼用の超音波探触子１〜６を作成した。
【０１６９】
その超音波探触子１〜６に、パルサーレシーバー（ＰＡＮＡＭＥＴＲＩＣＳ−ＮＤＴ  ＭＯＤＥＬ  ５９００ＰＲ、オリンパス社製、入力インピーダンス５０００Ω）とオシロスコープ（ＴＰＳ５０３２、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製）を接続し、脱気した水の中に入れ、超音波放射面側に金属製の反射板を配置した。この超音波探触子１〜６の駆動は、符号化なしのパルス駆動の場合と、前記特開２００３−２２５２３７号公報に記載の符号化パルスを用いる場合との２通り行った。受信した超音波は、電気信号に変換され、オシロスコープでその電圧波形を確認した。超音波探触子と反射板とのアライメントは、電圧波形の実効値が最大となる座標で決定した。アライメントの後、超音波の送受信を行い、図２７が符号化なしの場合の受信波形であり、図２８が符号化ありの場合の受信波形である。こうして得られたパルスについて、符号化パルスを用いたものはパルス圧縮を行い、符号化パルスを用いなかったものはそのままのＦＦＴ解析をかけた帯域特性から、基本波における感度を求めた。その結果を表１に示す。
【０１７０】
【表１】
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【０１７１】
本結果より、本発明に基づいた規則性を有する積層方法により作成した積層圧電体１〜４を搭載した超音波探触子１〜４を用いれば、生体内で反射した高周波を感度良く受信することが可能であり、高解像・高分解能を有する診断画像が得られることが理解される。
【０１７２】
次に、これらの上述の積層圧電体１〜６を無機圧電体の上に搭載して、送受別体として評価を行った。すなわち、図２４の構造であり、無機の送信用圧電層２３から上層の受信用圧電層への音の通りを良くするため、中間層（ＩＬ（Intermediate Layer））２４が存在する。すなわち、前述の積層圧電体１〜６の側面に、電極がパターンニングされたＦＰＣを、背面側に、中心周波数５ＭＨｚのＰＺＴ層およびバッキング層を順に接着し、必要に応じて超音波射出側に音響整合層を接着した。その後、長手方向に０．１５ｍｍピッチで３０μｍの厚みを有するブレードでダイシングを行った。さらに、パリレン処理にて３μｍ程度の絶縁層を設け、前記音響整合層を積層したものについては、さらにその上にレンズを接着した。その後、ＦＰＣにコネクタを接続し、こうして作成した超音波トランスデューサをケースに収め、送受別体の超音波探触子１〜６を作成した。
【０１７３】
その超音波探触子１〜６に、前述のパルサーレシーバーおよびオシロスコープを接続し、実験方法は上述と同様である。得られたパルスについて、符号化パルスを用いたものはパルス圧縮を行い、符号化パルスを用いなかったものはそのままのＦＦＴ解析をかけた帯域特性から、３次高調波帯域における感度を求めた。その結果を表２に示す。
【０１７４】
【表２】
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【０１７５】
本結果より、本発明に基づいた規則性を有する積層方法により作成した積層圧電体１〜４を搭載した超音波探触子１〜４を用いれば、生体内で生じた３次高調波を感度良く受信することが可能であり、高解像・高分解能を有する診断画像が得られることが理解される。
【符号の説明】
【０１７６】
１    超音波診断装置
２    超音波探触子
３    ケーブル
４    診断装置本体
５    操作パネル
６    表示パネル
７    ホルダ７が設けられている。
１１    操作入力部
１２    送信部
１３    受信部
１４    信号処理部
１５    画像処理部
１６    表示部
１７    制御部
１８    電圧制御部
１９    参照信号記憶部
２０，２１，３１    超音波トランスデューサ
２２，３２    バッキッング層
２３；３３，３４    送信用圧電層
２４    中間層
２５，３５    受信用圧電層
３３ａ，３４ａ，３５ａ    音響整合層
３３ｂ，３４ｂ，３５ｂ    音響レンズ
３３ｃ，３４ｃ，３５ｃ    介在部材
Ａ１〜Ａ３    圧電体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
0005560855.tif 000024
【図２１】
0005560855.tif 000025
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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