(57)【要約】【課題】多層圧電体を用いて高調波を送受波するにあたって、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。【解決手段】３層圧電体を用いて３次高調波を送受波するにあたって、その３層を分極方向を揃えて積層するのではなく、一部の向きを反方向にするとともに、電極引回しを工夫する。具体的には、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て２つの端子にそれぞれ接続する。そして、圧電体１の残留分極の向き（＋Ｐ）を基準として、圧電体２を同方行（＋Ｐ）、圧電体３を逆方平行（−Ｐ）とすると、端子間の電気変位は、λ／４共振ではその感度が打ち消され、３λ／４共振においては強調される。こうして、フィルタやアンプを用いることなく、基本波を抑え、３次高調波を抽出することができる。【選択図】図１６
2011217159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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共振による３次高調波成分の超音波を送受波する積層型圧電体であって、
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積層型圧電体。
【請求項２】
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共振による３次高調波成分の超音波を送受波する積層型圧電体であって、
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積層型圧電体。
【請求項３】
相互に厚みの等しい圧電体を４層以上に積層して成り、該圧電体の層間および両端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、前記積層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配列されていることを特徴とする積層型圧電体。
【請求項４】
前記圧電体の厚み伸縮により３次以上の共振モードの超音波を送受波することを特徴とする請求項３記載の積層型圧電体。
【請求項５】
前記各圧電体は、さらに厚み方向に２枚に分割されて、それらが互いに並列に接続されたものが１組として積層され、
前記分割された圧電体のそれぞれについて、前記残留分極の向きあるいは結晶軸が、該積層型圧電体内の歪み分布における電気変位または電場の符号と一致するように、その表裏が反転されていることを特徴とする請求項１，３または４記載の積層型圧電体。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層型圧電体を用いることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項７】
相互に厚みの等しい圧電体を複数積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる３λ／４共振による３次高調波成分の超音波を送受波する積層型圧電体の作成方法であって、
前記圧電体を３層積層し、
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において、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することで、前記各圧電体を相互に並列接続し、
前記各圧電体を、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が、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することを特徴とする積層型圧電体の作成方法。
【請求項８】
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共振による３次高調波成分の超音波を送受波する積層型圧電体の作成方法であって、
前記各圧電体の層間および各外表面に形成される電極において、前記外表面の電極を連絡配線によって連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続し、
前記両圧電体を、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が、互いに同方向となるように配列することを特徴とする積層型圧電体の作成方法。
【請求項９】
相互に厚みの等しい圧電体を４層以上に積層して成る積層型圧電体の作成方法であって、
積層された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において、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することで、前記複数の圧電体を相互に並列接続し、
前記各圧電体を、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が、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配列することを特徴とする積層型圧電体の作成方法。
【請求項１０】
前記各圧電体は、さらに厚み方向に２枚に分割され、互いに並列に接続されたものが１組として積層され、
前記分割された圧電体のそれぞれについて、前記残留分極の向きあるいは結晶軸が、該積層型圧電体内の歪み分布における電気変位または電場の符号と一致するように、その表裏を反転することを特徴とする請求項７または９記載の積層型圧電体の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置の探触子などとして用いられる超音波トランスデューサと、それに用いられる圧電体で、特に複数層積層されて成る積層型圧電体およびその作成方法とに関する。
【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】
医療分野や建築分野など、超音波による非破壊画像検査の分野では、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次高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次高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次高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次高調波成分、５ＭＨｚに５次高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次高調波成分について、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、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積層型圧電体およびこれを用いた超音波トランスデューサならびに積層型圧電体の作成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の積層型圧電体は、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共振による３次高調波成分の超音波を送受波する積層型圧電体であって、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】
また、本発明の積層型圧電体の作成方法は、相互に厚みの等しい圧電体を複数積層して成り、該圧電体の厚み伸縮によって生じる３λ／４共振による３次高調波成分の超音波を送受波する積層型圧電体の作成方法であって、前記圧電体を３層積層し、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において、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することで、前記各圧電体を相互に並列接続し、前記各圧電体を、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が、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することを特徴とする。
【００２５】
上記の構成によれば、超音波診断装置の超音波トランスデューサなどとして用いられ、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り超音波の送波および受波の少なくとも一方を行う積層型圧電体およびその作成方法において、本願発明では、３λ／４共振による３次高調波成分の超音波を送受波する場合に、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。
【００２６】
具体的には、先ず、前記のように厚み方向に３層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。
【００２７】
次に、前記積層枚数を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３次高調波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。
【００２８】
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、フィルタやアンプなどを用いることなく、λ／４共振の場合に比べて前記３次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。また、圧電体の電気インピーダンスを、並列数、すなわち１／３に下げることができ、有機圧電体などの誘電率が低く、キャパシタンスの小さい圧電体に有利である。
【００２９】
さらにまた、本発明の積層型圧電体は、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共振による３次高調波成分の超音波を送受波する積層型圧電体であって、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。
【００３０】
また、本発明の積層型圧電体の作成方法では、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共振による３次高調波成分の超音波を送受波する積層型圧電体の作成方法であって、前記各圧電体の層間および各外表面に形成される電極において、前記外表面の電極を連絡配線によって連結することで、前記各圧電体を相互に並列接続し、前記両圧電体を、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が、互いに同方向となるように配列することを特徴とする。
【００３１】
上記の構成によれば、超音波診断装置の超音波トランスデューサなどとして用いられ、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り超音波の送波および受波の少なくとも一方を行う積層型圧電体およびその作成方法において、本願発明では、３λ／４共振による３次高調波成分の超音波を送受波する場合に、前記２層の圧電体を並列接続し、かつ２層の圧電体について、残留分極の向きあるいは結晶軸を、互いに並行に積層する。
【００３２】
具体的には、先ず、前記のように厚み方向に２層積層される圧電体の層間および外表面に形成される電極の内、外表面の電極を連絡配線で連結することで、２層の圧電体を電気的に並列結合とする。
【００３３】
次に、前記２層の圧電体を３λ／４共振させると、該２層の圧電体内を伝搬する弾性波の節と腹とが、該２層の圧電体の境界面と一致せず、このためこのときの該積層型圧電体内における前記３次高調波成分の歪み分布に着目すると、該２層の圧電体の歪みの絶対値に差が生じるとともに、位相が１８０度反転し、基端（背後層）側の圧電体の歪みを＋とすれば「＋，−」となる。しかしながら、並列接続でそれらの歪みの加算を取ると、３λ／４、すなわち３次高調波については、極性が反転して大きなゲインを得ることができるものの、基本波については、減衰させることができる。
【００３４】
したがって、前記２層の圧電体の残留分極、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）が、前記のように互いに同方向となるように配列することで、フィルタやアンプなどを用いることなく、λ／４共振の場合に比べて前記３λ／４共振による３次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。また、圧電体の並列数、すなわち積層枚数が２であるので、電気インピーダンスを１／２に下げることができ、有機圧電体などの誘電率が低く、キャパシタンスの小さい圧電体に有利である。
【００３５】
さらにまた、本発明の積層型圧電体は、相互に厚みの等しい圧電体を４層以上に積層して成り、該圧電体の層間および両端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、前記積層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配列されていることを特徴とする。
【００３６】
また、本発明の積層型圧電体の作成方法は、相互に厚みの等しい圧電体を４層以上に積層して成る積層型圧電体の作成方法であって、積層された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において、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することで、前記複数の圧電体を相互に並列接続し、前記各圧電体を、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が、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配列することを特徴とする。
【００３７】
上記の構成によれば、超音波診断装置の超音波トランスデューサなどとして用いられ、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り超音波の送波および受波の少なくとも一方を行う積層型圧電体およびその作成方法において、本願発明では、３次以上の共振モードで超音波を送受波する場合に、圧電体を４層以上積層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。
【００３８】
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。
【００３９】
次に、前記積層枚数を前記共振モードの次数枚またはその整数倍とした場合、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所望高調波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、「＋，＋，−，−」の周期性を４層おきに繰返す。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および第４段目の圧電体では逆方向に配列する。そして、圧電体が前記次数の整数倍積層される場合は、それ以後４層の圧電体毎に、同方向、同方向、逆方向、逆方向の周期性を持つように配列する。
【００４０】
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、フィルタやアンプなどを用いることなく、λ／４共振の場合に比べて、たとえば５λ／４共振周波数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。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、有機圧電体などの誘電率が低く、キャパシタンスの小さい圧電体に有利である。
【００４１】
さらにまた、本発明の積層型圧電体では、前記各圧電体は、さらに厚み方向に２枚に分割されて、それらが互いに並列に接続されたものが１組として積層され、前記分割された圧電体のそれぞれについて、前記残留分極の向きあるいは結晶軸が、該積層型圧電体内の歪み分布における電気変位または電場の符号と一致するように、その表裏が反転されていることを特徴とする。
【００４２】
また、本発明の積層型圧電体の作成方法では、前記各圧電体は、さらに厚み方向に２枚に分割されて、それらが互いに並列に接続されたものが１組として積層され、前記分割された圧電体のそれぞれについて、前記残留分極の向きあるいは結晶軸が、該積層型圧電体内の歪み分布における電気変位または電場の符号と一致するように、その表裏を反転することを特徴とする。
【００４３】
上記の構成によれば、前記の振動の節や腹間の厚さとなる各圧電体を２枚に分割され、互いに並列に接続されたものを１組として扱う。
【００４４】
したがって、電気インピーダンスをさらに半減することができるとともに、両端の電極が同電位となって該積層圧電体全体を電気的にシールドすることもできる。
【００４５】
さらにまた、本発明の超音波トランスデューサは、前記の積層型圧電体を用いることを特徴とする。
【００４６】
上記の構成によれば、フィルタやアンプなどを用いることなく、λ／４共振の場合に比べて、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、さらにまた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を実現することができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明の積層型圧電体およびこれを用いた超音波トランスデューサならびに積層型圧電体の作成方法は、以上のように、所望の高調波成分の超音波を送受波するにあたって、厚み方向に伸縮を行う複数の圧電体を厚み方向に積層して積層型圧電超音波トランスデューサを構成し、前記各圧電体を並列接続するにあたって、該積層型圧電体内における前記高調波成分の歪み分布に着目して、各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを、一部を逆方向に配置する。
【００４８】
それゆえ、フィルタやアンプなどを用いることなく、λ／４共振の場合に比べて、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。また、圧電体の並列数ｎに応じて、電気インピーダンスを１／ｎに下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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次高調波成分と、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次高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。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
先ず、本発明の詳細な実施の形態を説明する前に、本発明の考え方を説明する。本発明は、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次以上の高調波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よるものである。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、高調波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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。（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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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次高調波の電気信号を効率良く得られることが理解される。
【００６１】
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。
【００６２】
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】
2011217159.tif 000003
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。
【００６３】
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次高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。
【００６４】
図８に、本発明における、ｎ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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
上述ではｎ次高調波を検出する場合を例として挙げたが、逆にｎ次高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次高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。
【００６８】
一方、図９は、ｎ次高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。
【００６９】
各圧電体の歪みＳｍｎωは、次式で与えられる。
【００７０】
Ｓｍｎω
＝２ｎξ０ｎω｛ｓｉｎ［ｍ（π/４）］−ｓｉｎ［（ｍ−１）（π/４）］｝／ｈ，ｍ
＝１，２，…，２ｎ                                                    …（２３）
【実施例１】
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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】
【００８０】
続いて、３層圧電体トランスデューサによる３次高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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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次高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。
【００８４】
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次高調波の送受で、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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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次高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。
【００８９】
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並列結合し、さらに分極の向きを図１６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。左図の一点鎖線は実験結果、破線はシミュレーション結果である。
【００９０】
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一方、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。
【００９１】
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可能であることが理解される。
【００９２】
以上のように、第２の実施例では、３層圧電体を用いて３次高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】
【００９３】
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次高調波の送受である。本実施例は、第１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。
【００９４】
図１９は、その６層圧電体の構造を示し、３次高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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
本発明の積層型圧電体は、超音波診断装置における超音波トランスデューサに限らず用いることができ、たとえば魚群探知機などにも適用することができ、また送受信信号は超音波帯域に限らず、たとえば低周波のストレスを加えて発電を行うような構成にも適用することができる。
【符号の説明】
【００９９】
Ａ１〜Ａ３    圧電体
【図１】
2011217159.tif 000004
【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】
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【図２１】
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