(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層圧電体を備え、前記積層圧電体に対して電圧を印加することによって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を前記積層圧電体が受信して電気信号に変換する超音波探触子であって、
前記積層圧電体は、無機圧電材料を主成分とする圧電体が、４層の圧電体を１単位として４ｎ（ｎは正整数）層に積層され、該圧電体の厚み伸縮によって生じるｍλ／２（ｍは正整数）共振モードで共振し、
前記圧電体は、それぞれ厚み方向に残留分極を有し、
電圧が印加されたときの電界の向きと、残留分極の向きとが、前記１単位中の４層の圧電体のうち１つのみが対向して他の３つが一致する関係、又は、前記１単位中の４層の圧電体のうち１つのみが一致して他の３つが対向する関係となるように前記圧電体が積層されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記積層圧電体は、各層の圧電体が電気的に並列に接続されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記積層圧電体は、各層の圧電体が電気的に直列に接続されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の超音波探触子と、
前記積層圧電体に対して電圧を印加するための送信信号を前記超音波探触子に送信する送信部と、
前記超音波探触子にて変換された電気信号を受信信号として受信する受信部と、
前記受信部によって受信した受信信号に基づいて超音波画像データを生成する画像処理部と、
前記画像処理部によって生成された超音波画像データに基づく超音波画像を表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子及び超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波トランスデューサにはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の無機圧電材料を主成分とする圧電体が多く用いられており、所定の共振周波数の電気信号が与えられて共振することで超音波を出力する。また、この超音波トランスデューサは、出力した超音波の反射波を受信すると電気信号に変換することができる。このような超音波トランスデューサは、医用超音波診断装置、超音波探傷装置及びソナー等の装置において用いられている。近年では、このような装置においては、高診断価値を得るために、画像の高解像化及び高分解能化が求められている。
【０００３】
このような問題に鑑み、超音波トランスデューサの高周波化及び高感度化を達成するために、従来、複数の圧電体を積層して超音波トランスデューサを形成するようにしたものがある。この超音波トランスデューサを積層圧電体ということがある。この積層圧電体は、２つの圧電体層を分極方向が隣接するもの同士互いに逆となるように積層し、積層方向の両端面に電極を被着して形成するようにしたものである（例えば、特許文献１）。このような積層圧電体は、両端面が振動の「腹」となり、ｍλ／２（ｍは正整数）共振が得られるように構成されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７５８１９９号公報
【特許文献２】特開平４−２１１６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記各特許文献に記載の技術では、高周波成分における感度が増強されるが、このような効果が期待できるのは、特定の周波数帯に限定されている。すなわち、このような特定の周波数帯の周辺では、個々の圧電体のひずみ量が互いに打ち消し合って共振が得られなくなり、感度が低下してしまう。したがって、利用できる周波数帯域が限定的であり、実用的でない。近年では、感度の向上のため、圧電体を４層に積層した積層圧電体が利用されるが、上記特許文献１に記載の技術のようにして圧電体を積層した場合には、上述した問題が顕著となる。
【０００６】
本発明の課題は、高周波成分における感度を向上させるとともに、帯域を広く利用することができる超音波探触子及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】
【０００７】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、積層圧電体を備え、前記積層圧電体に対して電圧を印加することによって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を前記積層圧電体が受信して電気信号に変換する超音波探触子であって、
前記積層圧電体は、無機圧電材料を主成分とする圧電体が、４層の圧電体を１単位として４ｎ（ｎは正整数）層に積層され、該圧電体の厚み伸縮によって生じるｍλ／２（ｍは正整数）共振モードで共振し、
前記圧電体は、それぞれ厚み方向に残留分極を有し、
電圧が印加されたときの電界の向きと、残留分極の向きとが、前記１単位中の４層の圧電体のうち１つのみが対向して他の３つが一致する関係、又は、前記１単位中の４層の圧電体のうち１つのみが一致して他の３つが対向する関係となるように前記圧電体が積層されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波探触子において、
前記積層圧電体は、各層の圧電体が電気的に並列に接続されるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の超音波探触子において、
前記積層圧電体は、各層の圧電体が電気的に直列に接続されるように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、超音波診断装置において、
請求項１から３の何れか一項に記載の超音波探触子と、
前記積層圧電体に対して電圧を印加するための送信信号を前記超音波探触子に送信する送信部と、
前記超音波探触子にて変換された電気信号を受信信号として受信する受信部と、
前記受信部によって受信した受信信号に基づいて超音波画像データを生成する画像処理部と、
前記画像処理部によって生成された超音波画像データに基づく超音波画像を表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高周波成分における感度を向上させるとともに、帯域を広く利用することができる超音波探触子及び超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係る積層圧電体の概略構成を示す断面図である。
【図２】本実施の形態に係る積層圧電体の概略構成を示す断面図である。
【図３】２層積層圧電体における分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係について説明する図である。
【図４】分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係を共振次数毎に表して説明する図である。
【図５】共振次数と積層圧電体のひずみ量との関係を表したグラフである。
【図６】２層積層圧電体における分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係について説明する図である。
【図７】分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係を共振次数毎に表して説明する図である。
【図８】共振次数と積層圧電体のひずみ量との関係を表したグラフである。
【図９】４層積層圧電体における分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係について説明する図である。
【図１０】４層積層圧電体における分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係について説明する図である。
【図１１】分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係を共振次数毎に表して説明する図である。
【図１２】共振次数と積層圧電体のひずみ量との関係を表したグラフである。
【図１３】共振次数と積層圧電体のひずみ量との関係を表したグラフである。
【図１４】４層積層圧電体における分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係について説明する図である。
【図１５】４層積層圧電体における分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係について説明する図である。
【図１６】分極方向及び電界方向と、積層圧電体のひずみ量との関係を共振次数毎に表して説明する図である。
【図１７】共振次数と積層圧電体のひずみ量との関係を表したグラフである。
【図１８】共振次数と積層圧電体のひずみ量との関係を表したグラフである。
【図１９】本実施の形態に係る超音波探触子の概略構成を示す断面図である。
【図２０】本実施の形態に係る超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【図２１】超音波診断装置本体の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００１４】
最初に、図１及び図２を参照しながら、本実施の形態に係る積層圧電体について説明する。図１は、４層の圧電体を積層し、電気的に並列に接続して構成した積層圧電体を示す。図２は、４層の圧電体を積層し、電気的に直列に接続して構成した積層圧電体を示す。本実施の形態では、図１及び図２の何れに示される積層圧電体についても適用することができる。
【００１５】
４層の圧電体が電気的に並列接続された積層圧電体１は、図１に示すように、４つの圧電体２〜５が厚み方向に積層されて構成されている。
【００１６】
圧電体２〜５は、無機圧電材料を主成分とした無機圧電体によって構成されている。本実施の形態において適用可能な無機圧電材料としては、従来から用いられている水晶、圧電セラミックスＰＺＴ、ＰＬＺＴや、圧電単結晶ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＺｎＯ、ＡｌＮなどの薄膜などである。なお、これらの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圧電体を適用してもよい。また、主成分として、上述した無機圧電材料が含まれていればよく、無機圧電材料以外の成分が含まれていてもよい。本実施の形態では、圧電体２〜５は、それぞれ、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミックにより構成されている。
各圧電体２〜５は、それぞれ、ポーリング処理により、厚み方向の何れか一方向に向いた残留分極が施されている。本実施の形態では、積層圧電体１に電圧が印加されたときに、電界の向きと残留分極の向きとについて、圧電体２〜５のうちの何れか１つのみが対向する関係、又は、一致する関係となるように、各圧電体２〜５の残留分極の向きを設定する。このように残留分極の向きを設定する理由については、後述する。
また、各層の圧電体２〜５の厚さは、同一に設定されている。なお、送受信する超音波の帯域を更に広げるために、各層の圧電体２〜５の厚さを同一とせず、それぞれ異ならせるようにしてもよい。すなわち、積層圧電体１における振動の波長を考慮し、圧電体の界面の位置と振動の「腹」及び「節」の位置とがずれるように、各層の圧電体の厚さをそれぞれ設定するようにしてもよい。例えば、隣接する圧電体間で、厚さを２０〜２５％程度異ならせるように設定することができる。
【００１７】
積層された圧電体２〜５の両端面及び界面にそれぞれ電極層６〜１０が配置されている。電極層６〜１０は、例えば、焼成、真空蒸着あるいはスパッタリング等により、圧電体２〜５と一体化される。電極層に適用可能な材料としては、Ag-Pdペーストや金、銀、銅、白金、ニッケル、クロム、それらの合金等である。電極層７，９は、それぞれ端子１１に接続されており、電極層６，８，１０は、それぞれ端子１２に接続されている。
端子１１，１２は、所定周波数の駆動電圧を出力する電圧発生器にそれぞれ接続される。
【００１８】
このように構成された積層圧電体１は、両端が自由端となっているため、ｍλ／２（ｍは正整数）共振モードで共振する。このときの積層圧電体１の基本共振周波数ｆ（０）は、下記式（１）のようにして求めることができる。下記式（１）において、ｖは音速を示し、ｈは積層圧電体の厚さを示している。なお、ここでは、電極層の厚みについては考慮していない。
ｆ（０）＝ｖ／２ｈ・・・（１）
【００１９】
このように構成された積層圧電体１に対して電圧を印加して励振すると、各圧電体２〜５が同期して伸縮を行う。その結果、積層圧電体１は、振動の「腹」と「節」とがそれぞれ、積層圧電体１の両端面又は界面となるような共振を発生させる。
【００２０】
また、４層の圧電体が電気的に直列接続された積層圧電体２０は、図２に示すように、４つの圧電体２１〜２４が厚み方向に積層されて構成されている。各層の圧電体２１〜２４の成分、分極の向き及び厚さの設定については、図１に示して上述した積層圧電体１と同様であるため、説明を省略する。
【００２１】
積層圧電体２０は、積層された圧電体２１〜２４の両端面にそれぞれ電極層２５，２６が配置されている。電極層２５は、端子２７に接続されており、電極層２６は、端子２８に接続されている。
端子２７，２８は、所定周波数の駆動電圧を出力する電圧発生器にそれぞれ接続される。
【００２２】
このように構成された積層圧電体２０も、上述した４つの圧電体が電気的に並列接続された積層圧電体１と同様に共振を発生させることができる。
【００２３】
ここで、圧電層毎の残留分極の向き及び電界の向きと、積層圧電体のひずみ量との関係について説明する。
【００２４】
先ず、図３を参照して、２つの圧電体を積層して電気的に直列接続された積層圧電体を例に説明する。図３（Ａ）に示すように、２つの圧電体が直列接続された積層圧電体１０００の各層の圧電体１００１，１００２は、何れも同方向となるように残留分極の向き（以下、分極方向ということがある。）が設定されている。すなわち、何れの圧電体１００１，１００２も、下層から上層に向けて分極方向が設定されている。なお、以下の説明において、図中、圧電体上に表された矢印によって、残留分極の向きを示す。このような積層圧電体１０００に対し、端子１００５，１００６を介して電圧を印加し、電極層１００３における電圧の極性が正で、電極層１００４における電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図３（Ａ）に示す。ここで、λ／２共振モードは、積層圧電体全体の厚みによって導出される基本共振周波数にて積層圧電体を共振させるモードであり、２λ／２共振モードは、基本共振周波数の２倍の周波数（２次共振）にて積層圧電体を共振させるモードである。図３（Ａ）に示す例において、電界の向き（以下、電界方向ということがある。）は、何れの層の圧電体１００１，１００２においても分極方向と一致する。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１００１，１００２におけるひずみ量Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ１＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）＝１・・・（２）
Ｓ２＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０＝１・・・（３）
（以下、圧電体のひずみ量は、圧電体１００１，１００２のひずみ量Ｓ１，Ｓ２を１とした場合の相対値で表す。）
よって、各層の圧電体１００１，１００２は同相で歪むため、積層圧電体１０００全体のひずみ量は、
Ｓ１＋Ｓ２＝２・・・（４）
となり、積層圧電体１０００の共振が、２倍のひずみ量に増幅されて表れる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１００１，１００２におけるひずみ量Ｓ３，Ｓ４は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ３＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ（−π／２）＝２・・・（５）
Ｓ４＝ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ／２＝−２・・・（６）
よって、各層の圧電体１００１，１００２は逆相で歪むため、積層圧電体１０００全体のひずみ量は、
Ｓ３＋Ｓ４＝０・・・（７）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１０００の共振が見えなくなる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１０００全体のひずみ量を求めることができる。
【００２５】
一方、図３（Ｂ）に示す例では、積層圧電体１０１０は、圧電体１０１１及び圧電体１０１２の分極方向が互いに逆方向となるように設定されている。このような積層圧電体１０１０に対し、端子１０１５，１０１６を介して電圧を印加し、電極層１０１３おける電圧の極性が正で、電極層１０１４おける電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図３（Ｂ）に示す。このとき、圧電体１０１１については、電界方向と分極方向とが一致する関係となるが、圧電体１０１２については、電界方向と分極方向とが対向する関係となる。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０１１，１０１２におけるひずみ量Ｓ５，Ｓ６は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ５＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）＝１・・・（８）
Ｓ６＝−（ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０）＝−１・・・（９）
よって、各層の圧電体１０１１，１０１２は逆相で歪むため、積層圧電体１０１０全体のひずみ量は、
Ｓ５＋Ｓ６＝０・・・（１０）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１０１０の共振が見えなくなる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０１１，１０１２におけるひずみ量の変位量Ｓ７，Ｓ８は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ７＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ（−π／２）＝２・・・（１１）
Ｓ８＝−（ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ／２）＝２・・・（１２）
よって、各層の圧電体１０１１，１０１２は同相で歪むため、積層圧電体１０１０全体のひずみ量は、
Ｓ３＋Ｓ４＝４・・・（１３）
となり、積層圧電体１０１０の共振が、４倍のひずみ量に増幅されて表れる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１０１０全体のひずみ量を求めることができる。
【００２６】
以上説明したようにして求められる、２つの圧電体が積層されて電気的に直列接続された積層圧電体の分極方向及び電界方向と、積層圧電体全体のひずみ量との関係については、図４に示す表によって表すことができる。図４中、分極方向と電界方向とが一致する関係となる場合を「○」で示し、対向する関係となる場合を「×」にて示している。なお、印加される電圧の極性は周期的に変動するため、電界方向も周期的に変動する。そのため、電界方向と分極方向との関係についても周期的に変動する。また、図４に示される各パターンにおける各圧電体の分極方向をそれぞれ反転させたものとしても、図４に示されるものと同様の結果が得られる。そして、共振次数と、積層圧電体全体のひずみ量との関係についてパターン毎にプロットした結果を図５に示す。
【００２７】
図４及び図５に示すように、パターンＡでは、奇数次の共振の場合には、積層圧電体のひずみ量が２倍である共振が見られる一方、偶数次の共振の場合には、積層圧電体の共振は見られない。また、パターンＢでは、周波数が基本共振周波数の２倍（２次共振）及び６倍（６次共振）である場合に、積層圧電体のひずみ量が４倍である共振が見られる一方、他の次数においては、積層圧電体の共振は見られない。
【００２８】
以上の結果から、パターンＡ及びパターンＢの何れにおいても、高次周波数において感度の高い結果が得られるが、ピーク間においては、圧電体同士でひずみ量が相殺されて積層圧電体全体での共振が得られなくなり、利用することができない周波数帯が存在することとなる。
【００２９】
次に、図６を参照して、２つの圧電体を積層して電気的に並列接続された積層圧電体を例に説明する。図６（Ａ）に示すように、並列接続された積層圧電体１０３０の各層の圧電体１０３１，１０３２は、分極方向が互いに逆方向となるように設定されている。すなわち、圧電体１０３１は、下層から上層に向けて分極方向が設定されており、圧電体１０３２は、上層から下層に向けて分極方向が設定されている。このような積層圧電体１０３０に対し、端子１０３６，１０３７を介して電圧を印加し、電極層１０３３，１０３５における電圧の極性が正で、電極層１０３４における電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図６（Ａ）に示す。このとき、電界方向は、何れの層の圧電体１０３１，１０３２においても、分極方向と一致する。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０３１，１０３２におけるひずみ量Ｓ９，Ｓ１０は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ９＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）＝１・・・（１４）
Ｓ１０＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０＝１・・・（１５）
よって、各層の圧電体１０３１，１０３２は同相で歪むため、積層圧電体１０３０全体のひずみ量は、
Ｓ９＋Ｓ１０＝２・・・（１６）
となり、積層圧電体１０３０の共振が、２倍のひずみ量に増幅されて表れる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０３１，１０３２におけるひずみ量Ｓ１１，Ｓ１２は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ１１＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ（−π／２）＝２・・・（１７）
Ｓ１２＝ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ／２＝−２・・・（１８）
よって、各層の圧電体１０３１，１０３２は逆相で歪むため、積層圧電体１０３０全体のひずみ量は、
Ｓ１１＋Ｓ１２＝０・・・（１９）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１０３０の共振が見えなくなる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１０３０全体のひずみ量を求めることができる。
【００３０】
一方、図６（Ｂ）に示す例では、積層圧電体１０４０の各層の圧電体１０４１，１０４２は、何れも同方向となるように分極方向が設定されている。すなわち、何れの圧電体１０４１，１０４２も、下層から上層に向けて分極方向が設定されている。このような積層圧電体１０４０に対し、端子１０４６，１０４７を介して電圧を印加し、電極層１０４３，１０４５おける電圧の極性が正で、電極層１０４４おける電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図６（Ｂ）に示す。このとき、圧電体１０４１については、電界方向と分極方向とが一致する関係となるが、圧電体１０４２については、電界方向と分極方向とが対向する関係となる。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０４１，１０４２におけるひずみ量Ｓ１３，Ｓ１４は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ１３＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）＝１・・・（２０）
Ｓ１４＝−（ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０）＝−１・・・（２１）
よって、各層の圧電体１０４１，１０４２は逆相で歪むため、積層圧電体１０４０全体のひずみ量は、
Ｓ１３＋Ｓ１４＝０・・・（２２）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１０４０の共振が見えなくなる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０４１，１０４２におけるひずみ量Ｓ１５，Ｓ１６は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ１５＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ（−π／２）＝２・・・（２３）
Ｓ１６＝−（ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ／２）＝２・・・（２４）
よって、各層の圧電体１０４１，１０４２は同相で歪むため、積層圧電体１０４０全体のひずみ量は、
Ｓ１５＋Ｓ１６＝４・・・（２５）
となり、積層圧電体１０４０の共振が、４倍のひずみ量に増幅されて表れる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１０４０全体のひずみ量を求めることができる。
【００３１】
以上説明したようにして求められる、２つの圧電体が積層されて電気的に並列接続された積層圧電体の分極方向及び電界方向と、積層圧電体全体のひずみ量との関係については、図７に示す表によって表すことができる。そして、共振次数と、積層圧電体全体のひずみ量との関係についてパターン毎にプロットした結果を図８に示す。
図７及び図８に示すように、パターンＣ及びパターンＤの何れにおいても、直列接続された積層圧電体と同様に、高次共振において感度の高い結果が得られるが、ピーク間においては、圧電体同士でひずみ量が相殺されて積層圧電体全体での共振が得られなくなり、利用することができない周波数帯が存在することとなる。
【００３２】
次に、図９及び図１０を参照して、４つの圧電体を積層して電気的に直列接続された積層圧電体を例に説明する。図９（Ａ）に示すように、直列接続された積層圧電体１０５０の各層の圧電体１０５１〜１０５４は、何れも同方向となるように分極方向が設定されている。すなわち、何れの圧電体１０５１〜１０５４も、下層から上層に向けて分極方向が設定されている。このような積層圧電体１０５０に対し、端子１０５７，１０５８を介して電圧を印加し、電極層１０５５における電圧の極性が正で、電極層１０５６における電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図９（Ａ）に示す。このとき、電界方向は、何れの層の圧電体１０５１〜１０５４においても、分極方向と一致する。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０５１〜１０５４におけるひずみ量Ｓ１７〜Ｓ２０は、それぞれ、下記式によって表すことができる。なお、ひずみ量は、小数第二位を四捨五入して表している。
Ｓ１７＝ｓｉｎ（−π／４）−ｓｉｎ（−π／２）＝０．３・・・（２６）
Ｓ１８＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／４）＝０．７・・・（２７）
Ｓ１９＝ｓｉｎπ／４−ｓｉｎ０＝０．７・・・（２８）
Ｓ２０＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎπ／４＝０．３・・・（２９）
よって、各層の圧電体１０５１〜１０５４は何れも同相で歪むため、積層圧電体１０５０全体のひずみ量は、
Ｓ１７＋Ｓ１８＋Ｓ１９＋Ｓ２０＝２・・・（３０）
となり、積層圧電体１０５０の共振が、２倍のひずみ量に増幅されて表れる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０５１〜１０５４におけるひずみ量Ｓ２１〜Ｓ２４は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ２１＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）＝１・・・（３１）
Ｓ２２＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０＝１・・・（３２）
Ｓ２３＝ｓｉｎπ−ｓｉｎπ／２＝−１・・・（３３）
Ｓ２４＝ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ＝−１・・・（３４）
よって、圧電体１０５１と圧電体１０５２との組合せ、及び、圧電体１０５３と圧電体１０５４との組合せでそれぞれ同相で歪むが、組合せ間では逆相となるため、積層圧電体１０５０全体のひずみ量は、
Ｓ２１＋Ｓ２２＋Ｓ２３＋Ｓ２４＝０・・・（３５）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１０５０の共振が見えなくなる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１０５０全体のひずみ量を求めることができる。
【００３３】
一方、図９（Ｂ）に示す例では、積層圧電体１０６０は、各層の圧電体１０６１〜１０６４の分極方向が交互に反転するように設定されている。すなわち、圧電体１０６１，１０６３は、下層から上層に向けて分極方向が設定されており、圧電体１０６２，１０６４は、上層から下層に向けて分極方向が設定されている。このような積層圧電体１０６０に対し、端子１０６７，１０６８を介して電圧を印加し、電極層１０６５おける電圧の極性が正で、電極層１０６６おける電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図９（Ｂ）に示す。このとき、圧電体１０６１，１０６３については、電界方向と分極方向とが一致する関係となるが、圧電体１０６２，１０６４については、電界方向と分極方向とが対向する関係となる。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０６１〜１０６４におけるひずみ量Ｓ２５〜Ｓ２８は、それぞれ、下記式によって表すことができる。なお、ひずみ量は、小数第二位を四捨五入して表している。
Ｓ２５＝ｓｉｎ（−π／４）−ｓｉｎ（−π／２）＝０．３・・・（３６）
Ｓ２６＝−｛ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／４）｝＝−０．７・・・（３７）
Ｓ２７＝ｓｉｎπ／４−ｓｉｎ０＝０．７・・・（３８）
Ｓ２８＝−（ｓｉｎπ／２−ｓｉｎπ／４）＝−０．３・・・（３９）
よって、圧電体１０６１と圧電体１０６３との組合せ、及び、圧電体１０６２と圧電体１０６４との組合せでそれぞれ同相で歪むが、組合せ間では逆相となるため、積層圧電体１０６０全体のひずみ量は、
Ｓ２５＋Ｓ２６＋Ｓ２７＋Ｓ２８＝０・・・（４０）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１０６０の共振が見えなくなる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０６１〜１０６４におけるひずみ量Ｓ２９〜Ｓ３２はそれぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ２９＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）＝１・・・（４１）
Ｓ３０＝−（ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０）＝−１・・・（４２）
Ｓ３１＝ｓｉｎπ−ｓｉｎπ／２＝−１・・・（４３）
Ｓ３２＝−（ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ）＝１・・・（４４）
よって、圧電体１０６１と圧電体１０６４との組合せ、及び、圧電体１０６２と圧電体１０６３との組合せでそれぞれ同相で歪むが、組合せ間では逆相となるため、積層圧電体１０６０全体のひずみ量は、
Ｓ２９＋Ｓ３０＋Ｓ３１＋Ｓ３２＝０・・・（４５）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１０６０の共振が見えなくなる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１０６０全体のひずみ量を求めることができる。
【００３４】
さらに、図１０に示す例では、積層圧電体１０７０は、各層の圧電体１０７１〜１０７４の分極方向が、何れか１つのみ異なるように設定されている。すなわち、圧電体１０７１，１０７２，１０７４は、下層から上層に向けて分極方向が設定されており、圧電体１０７３は、上層から下層に向けて分極方向が設定されている。このような積層圧電体１０７０に対し、端子１０７７，１０７８を介して電圧を印加し、電極層１０７５おける電圧の極性が正で、電極層１０７６おける電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図１０に示す。このとき、圧電体１０７１，１０７２，１０７４については、電界方向と分極方向とが一致する関係となるが、圧電体１０７３については、電界方向と分極方向とが対向する関係となる。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０７１〜１０７４におけるひずみ量Ｓ３３〜Ｓ３６はそれぞれ、下記式によって表すことができる。なお、ひずみ量は、小数第二位を四捨五入して表している。
Ｓ３３＝ｓｉｎ（−π／４）−ｓｉｎ（−π／２）＝０．３・・・（４６）
Ｓ３４＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／４）＝０．７・・・（４７）
Ｓ３５＝−（ｓｉｎπ／４−ｓｉｎ０）＝−０．７・・・（４８）
Ｓ３６＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎπ／４＝０．３・・・（４９）
よって、圧電体１０７１，１０７２，１０７４はそれぞれ同相で歪むが、圧電体１０７３は、圧電体１０７１，１０７２，１０７４とは逆相で歪むため、積層圧電体１０７０全体のひずみ量は、
Ｓ３３＋Ｓ３４＋Ｓ３５＋Ｓ３６＝０．６・・・（５０）
となり、積層圧電体１０７０の共振が、０．６倍のひずみ量となって表れる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０７１〜１０７４におけるひずみ量Ｓ３７〜Ｓ４０はそれぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ３７＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）＝１・・・（５１）
Ｓ３８＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０＝１・・・（５２）
Ｓ３９＝−（ｓｉｎπ−ｓｉｎπ／２）＝１・・・（５３）
Ｓ４０＝ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ＝−１・・・（５４）
よって、圧電体１０７１，１０７２，１０７３はそれぞれ同相で歪むが、圧電体１０７４は、圧電体１０７１，１０７２，１０７３とは逆相で歪むため、積層圧電体１０７０全体のひずみ量は、
Ｓ３７＋Ｓ３８＋Ｓ３９＋Ｓ４０＝２・・・（５５）
となり、積層圧電体１０７０の共振が、２倍のひずみ量に増幅されて表れる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１０７０全体のひずみ量を求めることができる。
【００３５】
以上説明したようにして求められる、４つの圧電体が積層されて電気的に直列接続された積層圧電体の分極方向及び電界方向と、積層圧電体全体のひずみ量との関係については、図１１に示す表によって表すことができる。そして、共振次数と、積層圧電体全体のひずみ量との関係についてパターン毎にプロットした結果を図１２及び図１３に示す。
【００３６】
図１１〜図１３に示すように、パターンＥのように、分極方向と電界方向とが全ての圧電体において一致する関係にあるか対向する関係となる場合には、奇数次の共振であるときには、積層圧電体のひずみ量が２倍である共振が見られる一方、偶数次の共振であるときには、積層圧電体の共振は見られない。また、パターンＦのように、分極方向と電界方向とが一致する関係にある圧電体と対向する関係にある圧電体とが交互となる場合には、周波数が基本共振周波数の４倍（４次共振）であるときに、積層圧電体のひずみ量が８倍である共振が見られる一方、他の次数においては、積層圧電体の共振は見られない。また、パターンＧのように、最上層及び最下層に配置される圧電体においては分極方向と電界方向とが一致する関係にあり、中間層に配置される圧電体においては分極方向と電界方向とが対向する関係にある場合、並びに、最上層及び最下層に配置される圧電体においては分極方向と電界方向とが対向する関係にあり、中間層に配置される圧電体においては分極方向と電界方向とが一致する関係にある場合には、周波数が基本共振周波数の奇数次である場合に共振が見られる。パターンＧでは、特に、周波数が基本共振周波数の３倍（３次共振）及び５倍（５次共振）である場合に、積層圧電体のひずみ量が４．８倍となって共振する点に特徴がみられる。一方、周波数が基本共振周波数の偶数時である場合には、積層圧電体の共振は見られない。また、パターンＨのように、最下層及びこれに隣接して配置される圧電体においては分極方向と電界方向とが一致する関係にあり、最上層及びこれに隣接して配置される圧電体においては分極方向と電界方向とが対向する関係にある場合、並びに、最下層及びこれに隣接して配置される圧電体においては分極方向と電界方向とが対向する関係にあり、最上層及びこれに隣接して配置される圧電体においては分極方向と電界方向とが一致する関係にある場合には、周波数が基本共振周波数の２倍（２次共振）及び６倍（６次共振）である場合に、積層圧電体のひずみ量が４倍である共振が見られる一方、他の次数においては、積層圧電体の共振は見られない。また、パターンＩ〜Ｌのように、分極方向と電界方向とが一致する関係にある圧電体が１つのみ存在する場合、及び、分極方向と電界方向とが対向する関係にある圧電体が１つのみ存在する場合には、周波数が基本共振周波数の４倍（４次共振）であるときをピークとして、次数が１〜７次までの何れにおいても、積層圧電体の共振が見られる。
【００３７】
以上の結果から、パターンＥ、パターンＧ及びパターンＨは何れも、高次周波数において感度の高い結果が得られるが、ピーク間においては、圧電体同士でひずみ量が相殺されて積層圧電体全体での共振が得られなくなり、利用することができない周波数帯が存在することとなる。また、パターンＦは、ある特定の高次周波数においては感度が極めて良好であるが、利用できる周波数帯が当該特定の周波数とその近傍に限定され、極めて狭くなる。
一方、パターンＩ〜パターンＬは何れも、高次周波数においてひずみ量が増幅されて積層圧電体が共振されるので、比較的高い感度が得られる。また、パターンＩ〜パターンＬは何れも、１次数から７次数までの何れの周波数においても積層圧電体の共振が得られるので、広帯域で利用することができる。
【００３８】
次に、図１４及び図１５を参照して、４つの圧電体を積層して電気的に並列接続された積層圧電体を例に説明する。図１４（Ａ）に示すように、積層圧電体１０８０は、各層の圧電体１０８１〜１０８４の分極方向が交互に反転するように設定されている。すなわち、圧電体１０８１，１０８３は、上層から下層に向けて分極方向が設定されており、圧電体１０８２，１０８４は、下層から上層に向けて分極方向が設定されている。このような積層圧電体１０８０に対し、端子１０９０，１０９１を介して電圧を印加し、電極層１０８６，１０８８における電圧の極性が正で、電極層１０８５，１０８７，１０８９における電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図１４（Ａ）に示す。このとき、電界方向は、何れの層の圧電体１０８１〜１０８４においても、分極方向と一致する。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０８１〜１０８４におけるひずみ量Ｓ４１〜Ｓ４４は、それぞれ、下記式によって表すことができる。なお、ひずみ量は、小数第二位を四捨五入して表している。
Ｓ４１＝ｓｉｎ（−π／４）−ｓｉｎ（−π／２）＝０．３・・・（５６）
Ｓ４２＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／４）＝０．７・・・（５７）
Ｓ４３＝ｓｉｎπ／４−ｓｉｎ０＝０．７・・・（５８）
Ｓ４４＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎπ／４＝０．３・・・（５９）
よって、各層の圧電体１０８１〜１０８４は何れも同相で歪むため、積層圧電体１０８０全体のひずみ量は、
Ｓ４１＋Ｓ４２＋Ｓ４３＋Ｓ４４＝２・・・（６０）
となり、積層圧電体１０８０の共振が、２倍のひずみ量に増幅されて表れる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１０８１〜１０８４におけるひずみ量Ｓ４５〜Ｓ４８は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ４５＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）＝１・・・（６１）
Ｓ４６＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０＝１・・・（６２）
Ｓ４７＝ｓｉｎπ−ｓｉｎπ／２＝−１・・・（６３）
Ｓ４８＝ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ＝−１・・・（６４）
よって、圧電体１０８１と圧電体１０８２との組合せ、及び、圧電体１０８３と圧電体１０８４との組合せでそれぞれ同相で歪むが、組合せ間では逆相となるため、積層圧電体１０８０全体のひずみ量は、
Ｓ４５＋Ｓ４６＋Ｓ４７＋Ｓ４８＝０・・・（６５）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１０８０の共振が見えなくなる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１０８０全体のひずみ量を求めることができる。
【００３９】
一方、図１４（Ｂ）に示す例では、積層圧電体１１００は、各層の圧電体１１０１〜１１０４が何れも同方向となるように分極方向が設定されている。すなわち、何れの圧電体１１０１〜１１０４も、下層から上層に向けて分極方向が設定されている。このような積層圧電体１１００に対し、端子１１１０，１１１１を介して電圧を印加し、電極層１１０６，１１０８における電圧の極性が正で、電極層１１０５，１１０７，１１０９における電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図１４（Ｂ）に示す。このとき、圧電体１１０２，１１０４については、電界方向と分極方向とが一致する関係となるが、圧電体１１０１，１１０３については、電界方向と分極方向とが対向する関係となる。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１１０１〜１１０４におけるひずみ量Ｓ４９〜Ｓ５２は、それぞれ、下記式によって表すことができる。なお、ひずみ量は、小数第二位を四捨五入して表している。
Ｓ４９＝−｛ｓｉｎ（−π／４）−ｓｉｎ（−π／２）｝＝−０．３・・・（６６）
Ｓ５０＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／４）＝０．７・・・（６７）
Ｓ５１＝−（ｓｉｎπ／４−ｓｉｎ０）＝−０．７・・・（６８）
Ｓ５２＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎπ／４＝０．３・・・（６９）
よって、圧電体１１０１と圧電体１１０３との組合せ、及び、圧電体１１０２と圧電体１１０４との組合せでそれぞれ同相で歪むが、組合せ間では逆相となるため、積層圧電体１１００全体のひずみ量は、
Ｓ４９＋Ｓ５１＋Ｓ５２＋Ｓ５３＝０・・・（７０）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１１００の共振が見えなくなる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１１０１〜１１０４におけるひずみ量Ｓ５３〜Ｓ５６は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ５３＝−｛ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）｝＝−１・・・（７１）
Ｓ５４＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０＝１・・・（７２）
Ｓ５５＝−（ｓｉｎπ−ｓｉｎπ／２）＝１・・・（７３）
Ｓ５６＝ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ＝−１・・・（７４）
よって、圧電体１１０１と圧電体１１０４との組合せ、及び、圧電体１１０２と圧電体１１０３との組合せでそれぞれ同相で歪むが、組合せ間では逆相となるため、積層圧電体１１００全体のひずみ量は、
Ｓ５３＋Ｓ５４＋Ｓ５５＋Ｓ５６＝０・・・（７５）
となり、各層のひずみ量が相殺され、積層圧電体１１００の共振が見えなくなる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１１００全体のひずみ量を求めることができる。
【００４０】
さらに、図１５に示す例では、積層圧電体１１２０は、各層の圧電体１１２１〜１１２４の分極方向が、何れか１つのみ異なるように設定されている。すなわち、圧電体１１２１，１１２２，１１２４は、下層から上層に向けて分極方向が設定されており、圧電体１１２３は、上層から下層に向けて分極方向が設定されている。このような積層圧電体１１２０に対し、端子１１３０，１１３１を介して電圧を印加し、電極層１１２６，１１２８における電圧の極性が正で、電極層１１２５，１１２７，１１２９における電圧の極性が負であるときの、λ／２共振モードによって共振させた場合と、２λ／２共振モードによって共振させた場合とのそれぞれのひずみ量の推移を図１５に示す。このとき、圧電体１１２２，１１２３，１１２４については、電界方向と分極方向とが一致する関係となるが、圧電体１１２１については、電界方向と分極方向とが対向する関係となる。したがって、λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１１２１〜１１２４におけるひずみ量Ｓ５７〜Ｓ６０は、それぞれ、下記式によって表すことができる。なお、ひずみ量は、小数第二位を四捨五入して表している。
Ｓ５７＝−｛ｓｉｎ（−π／４）−ｓｉｎ（−π／２）｝＝−０．３・・・（７６）
Ｓ５８＝ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／４）＝０．７・・・（７７）
Ｓ５９＝ｓｉｎπ／４−ｓｉｎ０＝０．７・・・（７８）
Ｓ６０＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎπ／４＝０．３・・・（７９）
よって、圧電体１１２２，１１２３，１１２４はそれぞれ同相で歪むが、圧電体１１２１は、圧電体１１２２，１１２３，１１２４とは逆相で歪むため、積層圧電体１１２０全体のひずみ量は、
Ｓ５７＋Ｓ５８＋Ｓ５９＋Ｓ６０＝１．４・・・（８０）
となり、積層圧電体１１２０の共振が、１．４倍のひずみ量となって表れる。
また、２λ／２共振モードによって共振させたときの、各層の圧電体１１２１〜１１２４におけるひずみ量Ｓ６１〜Ｓ６４は、それぞれ、下記式によって表すことができる。
Ｓ６１＝−｛ｓｉｎ０−ｓｉｎ（−π／２）｝＝−１・・・（８１）
Ｓ６２＝ｓｉｎπ／２−ｓｉｎ０＝１・・・（８２）
Ｓ６３＝ｓｉｎπ−ｓｉｎπ／２＝−１・・・（８３）
Ｓ６４＝ｓｉｎ３π／２−ｓｉｎπ＝−１・・・（８４）
よって、圧電体１１２１，１１２３，１１２４はそれぞれ同相で歪むが、圧電体１１２２は、圧電体１１２１，１１２３，１１２４とは逆相で歪むため、積層圧電体１１２０全体のひずみ量は、
Ｓ６１＋Ｓ６２＋Ｓ６３＋Ｓ６４＝−２・・・（８５）
となり、積層圧電体１１２０の共振が、２倍のひずみ量に増幅されて表れる。
３λ／２以上の共振モードについても同様にして積層圧電体１１２０全体のひずみ量を求めることができる。
【００４１】
以上説明したようにして求められる、４つの圧電体が積層されて電気的に並列接続された積層圧電体の分極方向及び電界方向と、積層圧電体全体のひずみ量との関係については、図１６に示す表によって表すことができる。そして、共振次数と、積層圧電体全体のひずみ量との関係についてパターン毎にプロットした結果を図１７及び図１８に示す。
【００４２】
図１６〜図１８に示すように、並列接続された積層圧電体においても、直列接続された積層圧電体と同様の結果が見られる。すなわち、各層の圧電体が直列接続であるか並列接続であるかにかかわらず、各層の圧電体毎の分極方向及び電界方向の関係がどのようになっているかによって、励振されたときの積層圧電体全体のひずみ量が定まる。
【００４３】
上述したように、４つの圧電体が電気的に直列接続された積層圧電体及び並列接続された積層圧電体は、何れも同様の効果を得ることができるが、以下の点で、４つの圧電体が電気的に並列接続された積層圧電体が有利である。すなわち、複数の圧電体を積層して電気的に直列接続した場合には、コンデンサ容量が積層圧電体全体の厚みに反比例するため、積層圧電体全体の厚みが大きくなるほど電気的インピーダンスが高くなる。そのため、積層圧電体の励振を制御するシステム側とのインピーダンス整合を考慮する必要がある。一方、複数の圧電体を積層して電気的に並列接続した場合には、圧電体を積層した分だけコンデンサ容量が大きくなるので、電気的インピーダンスを下げることができる。そのため、システム側とのインピーダンス整合の問題は低減される。さらに、積層圧電体を素子化する際に、インピーダンスを下げるために素子ピッチを大きくする必要がなく、例えば、超音波診断装置に適用した場合には、方位分解能を低下させることがない。
【００４４】
以上の結果から、本実施の形態に適用する好ましい積層圧電体としては、例えば、図１１中に示されたパターンＩ〜パターンＬ、及び、図１６中に示されたパターンＱ〜パターンＴのように、残留分極の向きと、電界の向きとが、４層の圧電体のうちの１つのみが対向して他の３つが一致する関係、又は、４層の圧電体のうちの１つのみが一致して他の３つが対向する関係となるように、圧電体を積層して構成したものということができる。このような構成とすることによれば、高周波領域において感度のよい積層圧電体とすることができる。また、ピーク間において圧電体同士でひずみ量が相殺されて積層圧電体全体での共振が得られなくなる帯域がないため、共振を利用できる周波数帯を広帯域で持たせることができ、実用的である。
【００４５】
なお、上述した説明では、４つの圧電体を積層して積層圧電体を形成したものを例としたが、圧電体の積層数は４の整数倍であっても同様の効果を得ることができる。この場合、分極方向と電界方向との関係を４つの圧電体を１単位とし、単位毎に考慮すればよい。
【００４６】
次に、上述した積層圧電体を適用した超音波探触子について説明する。本実施の形態において適用される超音波探触子は、医用超音波診断装置の主要構成部品であって、電気信号が与えられることにより超音波を送信し、超音波を受信することより電気信号を出力する機能を有するものである。また、以下の説明において、超音波探触子としてリニア電子スキャンプローブを採用しているが、電子走査方式あるいは機械走査方式の何れを採用してもよく、また、リニア走査方式、セクタ走査方式あるいはコンベックス走査方式の何れの方式を採用することもできる。
【００４７】
超音波探触子３０は、図１９に示すように、例えば、図上正面視下方から、バッキング層３１と、バッキング層３１上に積層された圧電層３２と、圧電層上に積層された音響整合層３３と、音響整合層３３上に積層された音響レンズ３４とを備えて構成されている。
【００４８】
バッキング層３１は、圧電層３２を支持し、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。すなわち、バッキング層３１は、圧電層３２の被検体に音波を送受信する方向と反対の板面に装着され、被検体の方向の反対側から発生する超音波を吸収する。
【００４９】
バッキング層３１を構成するバッキング材としては、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などの熱可塑性樹脂、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂、シリコーン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複合材料、さらには複合材料を粉砕したのち、上述した熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂等と混合し、硬化させた材料を用いることができる。音響インピーダンスを調整するために、マコールガラス等の無機材料や空隙を有する多孔質材料を用いることもできる。
【００５０】
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料、及び／又は、エポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は圧電層３２やこれ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。
【００５１】
圧電層３２は、上述した積層圧電体を所定ピッチにダイシングして、複数に素子化して構成したものである。これらの素子は、方位方向に一次元アレイ状に配列される。素子の個数は任意であるが、本実施の形態では、例えば、１９２個としている。なお、圧電層３２は、素子が二次元アレイ状に配列されるように積層圧電体をダイシングしたものとしてもよい。
【００５２】
音響整合層３３は、圧電層３２と被検体の間の音響インピーダンスを整合させ、境界面での反射を抑制するものである。音響整合層３３は、圧電層３２の、超音波の送受信が行われる送受信方向である被検体側に装着される。音響整合層３３は、圧電層３２と被検体との概ね中間の音響インピーダンスを有する。
【００５３】
音響整合層３３に用いられる材料としては、アルミ、アルミ合金（例えばＡＬ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、ＰＥ（ポリエチレン）やＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＣ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６、ＰＡ６−６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。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が適用できる。
【００５４】
音響整合層３３は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが、好ましくは２層以上、より好ましくは４層以上である。音響整合層３３の層厚は、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定めるのが好ましい。音響整合層３３の層厚が適切になされないと、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てしまう場合がある。結果、残響時間の増加、反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎの低下を引き起こす場合がある。このような音響整合層の厚さとしては、通常、概ね２０〜５００μｍの範囲のものが用いられる。
【００５５】
音響レンズ３４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配置されるものである。すなわち、音響レンズ３４は、超音波探触子３０の被検体と接する側に設けられ、圧電層３２にて発生された超音波を、被検体に効率よく入射させる。音響レンズ３４は、例えば、被検体と接する部分で凸型、凹型、球面型あるいは非球面型のレンズ形状を有し、被検体に入射される超音波を、撮像断面と直交する厚さ方向で収束させる。
【００５６】
音響レンズ３４は、概ね被検体及び音響整合層３３の中間の音響インピーダンスを有する軟質の高分子材料により形成される。
【００５７】
音響レンズ３４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なるエチレン−プロピレン共重合体ゴム等の共重合体ゴム、あるいは、ポリメチルペンテンやポリスチレンなどのポリオレフィン等が適用可能である。これらのうち、シリコーン系ゴム及びブタジエン系ゴムを用いることが好ましい。
【００５８】
次に、以上のようにして構成された超音波探触子３０を備えた超音波診断装置について説明する。
【００５９】
本実施の形態に係る超音波診断装置Ｓは、図２０及び図２１に示すように、上述した超音波探触子３０と、超音波探触子３０とケーブル５０を介して接続され、超音波探触子３０に電気信号の駆動信号を送信することによって超音波探触子３０に被検体に対して送信超音波を送信させるとともに、超音波探触子３０にて受信された反射超音波に応じて生成された電気信号である受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体４０とを備えて構成している。
【００６０】
超音波診断装置本体４０は、例えば、図２１に示すように、操作入力部４１と、送信部４２と、受信部４３と、画像生成部４４と、メモリ部４５と、ＤＳＣ（Digital Scan Converter）４６と、表示部４７と、制御部４８とを備えて構成されている。
【００６１】
操作入力部４１は、例えば、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を行うための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を備えており、操作信号を制御部４８に出力する。
【００６２】
送信部４２は、制御部４８の制御に従って、超音波探触子３０にケーブル５０を介して所定電圧の電気信号である駆動信号を供給して超音波探触子３０に送信超音波を発生させる回路である。また、送信部４２は、例えば、クロック発生回路、遅延回路、パルス発生回路を備えている。クロック発生回路は、駆動信号の送信タイミングや送信周波数を決定するクロック信号を発生させる回路である。遅延回路は、駆動信号の送信タイミングをチャンネル毎に対応した個別経路毎に遅延時間を設定し、設定された遅延時間だけ駆動信号の送信を遅延させて送信超音波によって構成される送信ビームの集束を行うための回路である。ここで、チャンネルは、素子化された積層圧電体の１素子に対応している。パルス発生回路は、所定の周期で駆動信号としてのパルス信号を発生させるための回路である。
【００６３】
受信部４３は、制御部４８の制御に従って、超音波探触子３０からケーブル５０を介して電気信号である受信信号を受信する回路である。受信部４３は、例えば、増幅器、Ａ／Ｄ変換回路、整相加算回路を備えている。増幅器は、受信信号を、チャンネル毎に対応した個別経路毎に、予め設定された所定の増幅率で増幅させるための回路である。Ａ／Ｄ変換回路は、増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換するための回路である。整相加算回路は、Ａ／Ｄ変換された受信信号に対して、チャンネル毎に対応した個別経路毎に遅延時間を与えて時相を整え、これらを加算（整相加算）して音線データを生成するための回路である。
【００６４】
画像生成部４４は、受信部４３からの音線データに対して包絡線検波処理や対数増幅などを実施し、ダイナミックレンジやゲインの調整を行って輝度変換することにより、Ｂモード画像データを生成する。すなわち、Ｂモード画像データは、受信信号の強さを輝度によって表したものである。画像生成部４４は、Ｂモード画像データの他、Ａモード画像データ、Ｍモード画像データ及びドプラ法による画像データが生成できるものであってもよい。
【００６５】
メモリ部４５は、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの半導体メモリによって構成されており、画像生成部４４から送信されたＢモード画像データをフレーム単位で記憶する。すなわち、フレーム画像データとして記憶することができる。そして、記憶されたフレーム画像データは、制御部４８の制御に従って、ＤＳＣ４６に送信される。
【００６６】
ＤＳＣ４６は、メモリ部４５より受信したフレーム画像データをテレビジョン信号の走査方式による画像信号に変換し、表示部４７に出力する。
【００６７】
表示部４７は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）ディスプレイ、有機ＥＬ（Electronic Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬティスプレイ及びプラズマディスプレイ等の表示装置が適用可能である。表示部４７は、ＤＳＣ４６から出力された画像信号に従って表示画面上に画像の表示を行う。なお、表示装置に代えてプリンタ等の印刷装置等を適用してもよい。
【００６８】
制御部４８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備えて構成され、ＲＯＭに記憶されているシステムプログラム等の各種処理プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムに従って超音波診断装置Ｓの各部の動作を集中制御する。
ＲＯＭは、半導体等の不揮発メモリ等により構成され、超音波診断装置Ｓに対応するシステムプログラム及び該システムプログラム上で実行可能な各種処理プログラムや、各種データ等を記憶する。これらのプログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形態で格納され、ＣＰＵは、当該プログラムコードに従った動作を逐次実行する。
ＲＡＭは、ＣＰＵにより実行される各種プログラム及びこれらプログラムに係るデータを一時的に記憶するワークエリアを形成する。
【００６９】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、積層圧電体１（２０）は、無機圧電材料を主成分とする圧電体２〜５（２１〜２４）が４層の圧電体を１単位として４ｎ層に積層され、圧電体２〜５（２１〜２４）の厚み伸縮によって生じるｍλ／２共振モードで共振する。圧電体２〜５（２１〜２４）は、それぞれ厚み方向に残留分極を有する。積層圧電体１（２０）は、電圧が印加されたときの電界の向きと、残留分極の向きとが、１単位中の４層の圧電体２〜５（２１〜２４）のうち１つのみが対向して他の３つが一致する関係、又は、１単位中の４層の圧電体２〜５（２１〜２４）のうち１つのみが一致して他の３つが対向する関係となるように圧電体２〜５（２１〜２４）が積層されている。その結果、高周波領域において感度のよい積層圧電体とすることができる。また、ピーク間において圧電体同士でひずみ量が相殺されて積層圧電体全体での共振が得られなくなる帯域がないため、共振を利用できる周波数帯を広帯域で持たせることができ、実用的となる。
【００７０】
また、本発明の実施の形態によれば、積層圧電体１は、各層の圧電体２〜５が電気的に並列に接続されるように構成している。その結果、コンデンサ容量を上げて電気的インピーダンスを下げることができるので、積層圧電体の励振を制御するシステム側とのインピーダンス整合の影響を低減させることができる。
【００７１】
なお、本発明の実施の形態における記述は、本発明に係る超音波探触子及び超音波診断装置の一例であり、これに限定されるものではない。超音波探触子及び超音波診断装置を構成する各機能部の細部構成及び細部動作に関しても適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１  積層圧電体
２〜５  圧電体
６〜１０  電極層
２０  積層圧電体
２１〜２４  圧電体
２５，２６  電極層
３０  超音波探触子
３２  圧電層
４０  超音波診断装置本体
４２  送信部
４３  受信部
４４  画像生成部
４７  表示部
４８  制御部
Ｓ  超音波診断装置
【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】
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【図２１】
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