JP2012222474A - 積層圧電体、超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】積層圧電体1120は、無機材料を主成分とする圧電体が4層の圧電体1121,1122,1123,1124を1単位として4n層に積層され、圧電体の厚み伸縮によって生じるmλ/2共振モードで共振する。圧電体は、それぞれ厚み方向に残留分極を有する。積層圧電体1120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1121,1122,1123,1124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1121,1122,1123,1124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を積層している。
【選択図】図15
Description
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。
各層の圧電体が電気的に並列に接続されるように構成したことを特徴とする。
請求項1又は2に記載の積層圧電体を備え、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ことを特徴とする。
請求項3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。
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。
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。
f(0)=v/2h・・・(1)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (4)
- 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)共振モードで共振する積層圧電体であって、
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積層圧電体。 - 各層の圧電体が電気的に並列に接続されるように構成したことを特徴とする請求項1に記載の積層圧電体。
- 請求項1又は2に記載の積層圧電体を備え、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ことを特徴とする超音波探触子。
- 請求項3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。
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