JP2013077940A - 超音波振動子、超音波探触子及び超音波画像診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】圧電層２４は、その層間及び両端の圧電体の表面に電極を有し、該電極によって電気信号の入出力を行う。圧電体は、それぞれ厚み方向に残留分極を有し、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、固定端側から４Ｐ＋１段目となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する４Ｐ＋２段目及びその上の４Ｐ＋３段目の圧電体では基準関係とは反対の関係、さらにその上の４Ｐ＋４段目の圧電体では基準関係と同一の関係となる周期性を持つように配列される。圧電層２４から固定端側に伝播する振動を反射させるための、圧電層２４よりも音響インピーダンスの大きいデマッチング層２３を、圧電層２４の固定端側に設ける。
【選択図】図２５

Description

本発明は、超音波振動子、超音波探触子及び超音波画像診断装置に関する。

一般に、超音波振動子（超音波トランスデューサー）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。

そして、圧電超音波振動子の多くは、ｄ_３３モードやｅ_３３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。ｄ_３３モードは柱状振動子の縦振動、ｅ_３３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（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックスやＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの強誘電体や、Ｐ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ）（シアン化ビニリデン酢酸ビニル共重合体）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、ｄ_３３やｅ_３３を示す。一方、残留分極を持たない圧電結晶では、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム単結晶）、ＫＮｂＯ_３（ニオブ酸カリウム単結晶）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、ｄ_３３やｅ_３３（水晶ではｄ_１１やｅ_１１）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。

ここで、超音波振動子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、接する物のインピーダンス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、超音波振動子の送波及び受波には、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、振動子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。

先ず、圧電体のｄ_３３モードやｅ_３３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、下記式（１）となる。
ｆｒ＝ｖ／４ｈ・・・（１）
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。

一方、前記圧電体の音速ｖは、柱状振動子の縦振動では下記式（２）となり、板状の厚み振動子の厚み振動では下記式（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。
ｖ＝（１／ｓρ）^１／２・・・（２）
ｖ＝（ｃ／ρ）^１／２・・・（３）

こうして、振動子の送波周波数及び受波周波数は、主に圧電体の高さ（厚み）ｈ、弾性率ｓ及び密度ρによって決定されることが、上記式（１）〜（３）より理解される。

そして、医療分野に用いられる超音波画像診断装置には、より高分解能な画像を得るため振動子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振動子において、送受波性能を向上するには、振動子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。

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共振振動子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、ｅ_３３厚み伸縮モードについて説明する。この図１及び以下の説明は、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、
Ｃ_ｎ＝ｐ_ｎｋ_ｔ ^２Ｃ_０・・・（４）
Ｌ＝１／ω_ｐ１ ^２Ｃ_１・・・（５）
ｐ_ｎ＝（１／ｎ^２）（８／π^２），ｎ＝２ｍ−１・・・（６）
である。ここで、Ｃ_ｎは各素子のキャパシタンス、Ｌはインダクタンス、ｋ_ｔは厚み伸縮モードの電気機械結合係数、ω_ｐ１は共振周波数である。

上記式（６）において、ｐ_ｎ≒１／ｎ^２と近似すれば、式（４）は、
Ｃ_ｎ／Ｃ_０＝ｋ_ｔ ^２／ｎ^２・・・（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、
Ｃ_ｎ＝１／Ｃ_０＝ｋ_ｔ ^２・・・（８）
となる。この式は、この１次モードにおけるｋ_ｔと誘電率との関係式
ε^Ｔ／ε^Ｓ＝１＋ｋ_ｔ ^２・・・（９）
において、ε^Ｔ＝Ｃ_０＋Ｃ_ｎ，ε^Ｓ＝Ｃ_０とおいた式と一致する。ε^Ｓは束縛条件の誘電率、ε^Ｔは自由条件の誘電率、Ｃ_０とＣ_ｎとは電気容量である。ｄ_３３モードに対しては、上記式（４）を、
Ｃ_ｎ＝ｐ_ｎ（ｋ_３３ ^２／１−ｋ_３３ ^２）Ｃ_０・・・（１０）
に置き換えれば、同様の結果が得られる。

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ｋ_ｔ’とおけば、ｋ_ｔ’＝ｋ_ｔ／ｎ＝ｋ_ｔ／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。

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），ｔａｎδ_ｍ＝０．０４である。

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とを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、上述したとおり、ｋｔ＝０．３，ｈ／２ｖ＝２．４８５×１０^−７（ｓ），ｔａｎδ_ｍ＝０．０４である。一方、実線は、ｋｔ＝０．１，ｈ／２ｖ＝８．３００×１０^−７（ｓ），ｔａｎδ_ｍ＝０．０４である。

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及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。

一方、医療用超音波画像診断装置において、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方位分解能が良くなり、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。

そこで、特許文献１では、超音波振動子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ーと高調波帯域のフィルター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画像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ーとアンプとを用いて補償している。

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ー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画像診断装置が提案されている。

特開２００２−１１００４号公報 特許第４１９２５９８号公報

圧電材料学の基礎 石田拓郎著 オーム社

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ーやアンプを挿入する必要がある。

本発明の目的は、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超音波振動子、超音波探触子及び超音波画像診断装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、相互に厚みの等しい圧電体をｎ層（ｎは３以上の整数）積層してなり、該圧電体の厚み伸縮によって共振を行う積層圧電体を備えた超音波振動子であって、
前記積層圧電体は、その層間及び両端の圧電体の表面に電極を有し、該電極によって電気信号の入出力が可能であって、
前記圧電体は、それぞれ厚み方向に残留分極を有し、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、固定端側から４Ｐ＋１段目（Ｐは０及び正の整数）となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する４Ｐ＋２段目及びその上の４Ｐ＋３段目の圧電体では前記基準関係とは反対の関係、さらにその上の４Ｐ＋４段目の圧電体では前記基準関係と同一の関係となる周期性を持つように配列され、
前記積層圧電体の固定端側に、前記積層圧電体から固定端側に伝播する振動を反射させるための、前記積層圧電体よりも音響インピーダンスの大きいデマッチング層を設けたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、相互に厚みの等しい圧電体をｎ層（ｎは３以上の整数）積層してなり、該圧電体の厚み伸縮によって共振を行う積層圧電体を備えた超音波振動子であって、
前記積層圧電体は、その層間及び両端の圧電体の表面に電極を有し、該電極によって電気信号の入出力が可能であって、
前記圧電体は、それぞれ厚み方向に残留分極を有し、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、固定端側から８Ｐ＋１段目（Ｐは０及び正の整数）となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する８Ｐ＋２段目の圧電体では前記基準関係と同一の関係、その上の８Ｐ＋３段目、８Ｐ＋４段目、８Ｐ＋５段目及び８Ｐ＋６段目の圧電体では前記基準関係とは反対の関係、さらにその上の８Ｐ＋７段目及び８Ｐ＋８段目では前記基準関係と同一の関係となる周期性を持つように配列され、
前記積層圧電体の固定端側に、前記積層圧電体から固定端側に伝播する振動を反射させるための、前記積層圧電体よりも音響インピーダンスの大きいデマッチング層を設けたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超音波振動子において、
前記積層圧電体は、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、前記複数の圧電体が相互に電気的に並列接続されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波振動子において、
前記積層圧電体は前記圧電体を３×ｍ層（ｍは１以上の整数）積層してなることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波振動子において、
前記デマッチング層は、タングステンカーバイドを含んで形成されたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、超音波探触子において、
請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波振動子を備え、前記電極を介して前記積層圧電体に電気信号を入力することによって超音波を出力することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、超音波探触子において、
請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波振動子を備え、前記積層圧電体によって超音波を受信して電気信号に変換し、前記電極を介して前記電気信号を出力することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の超音波探触子において、
前記電極を介して前記積層圧電体に電気信号を入力することによって超音波を出力することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項６〜８の何れか一項に記載の超音波探触子において、
前記圧電体の表面に所定間隔毎に列状に前記電極を形成して複数の前記超音波振動子が列状に形成されてなることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項６〜９の何れか一項に記載の超音波探触子において、
前記電極と電気的に接続され、所定の配線パターンが形成された回路基板を備え、
前記積層圧電体は、前記回路基板に一体的に取り付けられていることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、超音波画像診断装置において、
請求項７又は８に記載の超音波探触子と、
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、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、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。

圧電体の厚み伸縮モードでの等価回路図である。 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。 ３層圧電体振動子におけるλ／４共振状態の模式的な断面図である。 図４で示す３層圧電体振動子における３λ／４共振状態の模式的な断面図である。 ｎ層圧電体振動子の模式的な断面図である。 図６に示したｎ層圧電体振動子で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７に示すｎ層圧電体振動子で、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。 ｎ次調波を検出するための２ｎ層圧電体振動子の構造を模式的に示す図である。 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層圧電体振動子の構造を模式的に示す断面図である。 図１０で示す２層圧電体振動子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１０及び図１１に示す２層圧電体振動子で、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１０に示す２層圧電体振動子及びその比較例による超音波の送受波特性について、実験データ及びシミュレーション結果を示すグラフである。 図８及び図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層圧電体振動子の構造を模式的に示す断面図である。 図１４で示す３層圧電体振動子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１４及び図１５に示す３層圧電体振動子で、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１６に示す３層圧電体振動子による超音波の送受波特性について、実験データ及びシミュレーション結果を示すグラフである。 図１６に示す３層圧電体振動子の比較例による超音波の送受波特性について、実験データ及びシミュレーション結果を示すグラフである。 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層圧電体振動子の構造を模式的に示す断面図である。 図１９に示す６層圧電体振動子で、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２０に示す６層圧電体振動子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１９に示す６層圧電体振動子で、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の他の例を示す図である。 本実施の形態に係る超音波画像診断装置の外観構成を示す斜視図である。 診断装置本体の機能的構成を示すブロック図である。 超音波振動子の構造を模式的に示す断面図である。 図２５に示す圧電層の具体的構造について説明する断面図である。 音響整合層の構成について説明する図である。 本実施の形態に係る超音波振動子と比較例である超音波探触子の構成について説明する図である。 図２８に示す各超音波振動子による超音波の送受波特性について、実験データ及びシミュレーション結果を示すグラフである。 超音波振動子の他の構成の例について説明する断面図である。 超音波振動子の他の構成の例について説明する図である。 超音波振動子の他の構成の例について説明する図である。 電気的に直列接続された２層圧電体振動子による超音波の送受波特性について、実験データ及びシミュレーション結果を示すグラフである。 電気的に並列接続された２層圧電体振動子による超音波の送受波特性について、実験データ及びシミュレーション結果を示すグラフである。

先ず、本発明の医療用超音波画像診断装置に用いられる超音波振動子の考え方を説明する。本発明の超音波振動子は、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願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。

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、すなわち圧電体の音響インピーダンスよりも充分大きい音響インピーダンスを有するデマッチング層に接する１層目の圧電体Ａ１の裏面の座標をｚ_０とすると、前記伸縮に伴うその位置の変位は、ｚ_０＝ΔＺｓｉｎ０°＝０である。これに対して、１層目の圧電体Ａ１の表面の座標ｚ_１の変位は、ｚ_１＝ΔＺｓｉｎ３０°＝０．５ΔＺとなり、２層目の圧電体Ａ２の表面の座標ｚ_２の変位は、ｚ_２＝ΔＺｓｉｎ６０°＝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ｚ_３の変位は、ｚ_３＝ΔＺｓｉｎ９０°＝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。

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。

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ｚ_０は、ｚ_０＝ΔＺｓｉｎ０°＝０である。１層目の圧電体Ａ１の表面の座標ｚ_１の変位は、ｚ_１＝ΔＺｓｉｎ９０°＝ΔＺとなる。２層目の圧電体Ａ２の表面の座標ｚ_２の変位は、ｚ_２＝ΔＺｓｉｎ１８０°＝０となる。３層目の圧電体Ａ３の表面の座標ｚ_３の変位は、ｚ_３＝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層目及び３層目の圧電体Ａ２，Ａ３は、ΔＺの縮みとなっている。

そこで本願発明者は、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（ｄ_３３，ｅ_３３，ｄ_１１，ｅ_１１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及び図５の場合には、その左側の矢印で示すように、２層目及び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。

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、積層膜の一端をデマッチング層に固定し、もう一端を自由端とした。音響整合層や背後（バッキング）層などの影響や、さらに接着層の厚み等による影響は除くものとする。

図７は、図６に示したｎ層圧電体振動子で、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。図７（ａ）は積層状況、図７（ｂ）はある瞬間での各層の変位、図７（ｃ）は歪みの極性である。上述の図４や図５と同様に、デマッチング層とそれに接する圧電体との境界面を原点ｚ_０として、素子の高さ（厚み）方向の座標をｚ_１，ｚ_２，ｚ_３，・・・，ｚ_ｎとする。積層圧電体内で、各圧電体層の変位は、デマッチング層と第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。

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）＝ξ_０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｚ／ｈ）（ｃｏｓｎω_ｒｔ＋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、ω_ｒは積層圧電体の共振周波数２πｆ_ｒ，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ξ_０ｓｉｎ（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。

この場合、座標ｚ_１での変位ξ（ｚ_１）は、
ξ（ｚ_１）＝ξ_０ｓｉｎ（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Ｓ_ｍは、
Ｓ_ｍ＝［ξ（ｚ_ｍ）−ξ（ｚ_ｍ−１）］／（ｚ_ｍ−ｚ_ｍ−１）・・・（１４）
と表すことができる。ただし、ｍ＝１〜ｎ、ｚ_０＝０である。

したがって、圧電体１の歪みＳ_１は、
Ｓ_１＝Δｈ_１／ｈ_１＝ξ_０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ_１／ｈ）／ｈ_１・・・（１５）
となる。ここで、Δｈ_１は圧電体１の厚み変化で、ξ（ｚ_１）−ξ（ｚ＝０），ｈ_１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Ｓ_２は、
Ｓ_２＝Δｈ_２／ｈ_２
＝ξ_０｛ｓｉｎ（ｎπ／２・（ｈ_１＋ｈ_２）／ｈ）
−ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ_１／ｈ）｝／ｈ_２・・・（１６）
となる。第ｍ層の圧電体の歪みＳ_ｍは、
Ｓ_ｍ＝Δｈ_ｍ／ｈ_ｍ
＝ξ_０｛ｓｉｎ（ｎπ/２・ｚ_ｍ/ｈ）
−ｓｉｎ（ｎπ/２・ｚ_ｍ−１/ｈ）｝／ｈ_ｍ・・・（１７）
となる。

上記式（１７）は、第ｍ層にある圧電体の歪みが、ｓｉｎ（ｎp／２・ｚ_ｍ／ｈ）−ｓｉｎ（ｎp／２・ｚ_ｍ−１／ｈ）で決まり、上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。

さらに、各圧電体の厚みを等しくすれば、
ｚ_ｍ＝（ｍ／ｎ）ｈ，ｚ_ｍ−１＝（ｍ−１／ｎ）ｈ，ｈ_ｍ＝ｈ／ｍ・・・（１８）
と単純化できる。これを式（１７）に代入すると、
Ｓ_ｍ＝ｍξ_０｛ｓｉｎ（ｍπ／２）−ｓｉｎ［（ｍ−１）π／２］｝／ｈ・・・（１９）
となる。

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）Ｄ_ｍは、
Ｄ_ｍ＝ｅ_３３Ｓ_ｍ又はＤ_ｍ＝ｄ_３３Ｓ_ｍ＝ｄ_３３ｓＴ_ｍ・・・（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Ｄ_{Ｔｏｔａｌ}は、

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。

本願発明者は、上記式（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。

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／ｍ^２）との関係の一例を示す。各圧電体の層間及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のそれと同方向か逆方向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。

上述の図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、上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。

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。すなわちデマッチング層に接する第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及び第４段目の圧電体では逆方向とし、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。換言すれば、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、デマッチング層に接する第１段目の圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する第２段目及びその上の第３段目の圧電体では基準関係と反対の関係、さらにその上の第４段目の圧電体では基準関係と同一の関係となり、それ以後４層の圧電体毎に、基準関係と同一の関係、基準関係と反対の関係、基準関係と反対の関係、基準関係と同一の関係の周期性を持つように配列する。これによれば、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。
ここで、圧電体の向きは、上述のように４層毎に同一とするものに限らず、４層を一単位として第１段目となる圧電体の向きを任意な方向としてもよい、この場合、上述のように、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、第１段目の圧電体における関係を基準関係として、これに接する第２段目及びその上の第３段目の圧電体では基準関係と反対の関係、さらにその上の第４段目の圧電体では基準関係と同一の関係となるように圧電体を配列すればよい。すなわち、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、デマッチング層から４Ｐ＋１段目（Ｐは０及び正の整数）となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する４Ｐ＋２段目及びその上の４Ｐ＋３段目の圧電体では前記基準関係とは反対の関係、さらにその上の４Ｐ＋４段目の圧電体では前記基準関係と同一の関係となる周期性を持つように圧電体を配列する。
なお、超音波の送信時には、交流成分に直流成分を重畳させた電圧を圧電体に印加する場合もある。このような場合には、電場の符号として、印加する電圧のうちの交流成分のみによる電場の符号のみを考慮すればよい。

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に示す歪み及び図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。

一方、図９は、ｎ次調波を検出するための２ｎ層圧電体振動子の構造を模式的に示す図である。図９（ａ）は積層状況、図９（ｂ）はある瞬間での各層の変位、図９（ｃ）及び図９（ｄ）はそれぞれ歪み及び電気変位の係数である。０．３及び０．７の前記係数は、歪み及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、１／２^１／２≒０．７と近似した。各圧電体は層間及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層圧電体振動子と比べて、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軸の配列はデマッチング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。

各圧電体の歪みＳｍ^ｎωは、次式（２３）で与えられる。

Ｓｍ^ｎω＝２ｎξ_０ ^ｎω｛ｓｉｎ［ｍ（π/４）］−ｓｉｎ［（ｍ−１）（π/４）］｝／ｈ，ｍ＝１，２，…，２ｎ・・・（２３）

以下に、上述の考え方に従う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層圧電体振動子による３λ／４高調波の検出について述べる。２層圧電体振動子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。

すなわち、図１０の圧電体１及び圧電体２の歪みＳ_１，Ｓ_２は、
Ｓ_１＝Δｈ_１／ｈ_１＝ξ_０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ_１／ｈ）／ｈ_１・・・（２４）
Ｓ_２＝Δｈ_２／ｈ_２
＝ξ_０｛ｓｉｎ（ｎπ／２）−ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ_１／ｈ）｝／ｈ_２・・・（２５）
となる。ここでｈは積層圧電体の高さ、ｈ_１とｈ_２とは各圧電体の高さで、ｈ_１＝ｈ_２＝ｈ／２である。

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Ｓ_１ ^３ω，Ｓ_２ ^３ωは、
Ｓ_１ ^３ω＝２ξ_０ ^３ωｓｉｎ（３π／４）／ｈ
＝２（ξ_０ ^３ω／２^１／２）／ｈ・・・（２６）
Ｓ_２ ^３ω＝２ξ_０ ^３ω｛ｓｉｎ（３π／２）−ｓｉｎ（３π／４）｝／ｈ
＝−２ξ_０ ^３ω（１＋１／２^１／２）／ｈ・・・（２７）
となる。添字３ωは、３倍波における変位を示す。ここで、１／２^１／２≒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。

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。図１１（ａ）は変位であり、図１１（ｂ）は歪みである。圧電体１と圧電体２との歪み比は、図１１（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、上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。

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Ｄ_１，−１ ^３ω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向とすれば、並列接続で一方の極性が反転して足し合わされ、下記式（２８）に示されるようになる。
Ｄ_１，−１ ^３ω＝２（１＋２^１／２）ｅξ_０ ^３ω／ｈ・・・（２８）

一方、基本波に対する応答は、式（２４）及び（２５）でｎ＝１の場合に理解できる。すなわち歪みＳ_１ ^ωとＳ_２ ^ωとは、
Ｓ_１ ^ω＝２ξ_０ ^ωｓｉｎ（π／４）／ｈ＝２（ξ_０ ^ω／２^１／２）／ｈ・・・（２９）
Ｓ_２ ^ω＝２ξ_０ ^ω｛ｓｉｎ（π／２）−ｓｉｎ（π／４）｝／ｈ
＝２ξ_０ ^ω｛１−１／２^１／２｝／ｈ・・・（３０）
となる。

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軸の向きを同方向とした場合、電気変位Ｄ_１，１ ^ωは、
Ｄ_１，１ ^ω＝２ｅξ_０ ^ω（２^１／２−１）／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。

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振動子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。

図１３は、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）（ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体）を用いた２層圧電体からなる超音波振動子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、鎖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。図１３（ａ）は本発明に基づき分極方向を同方向とした場合、（ｂ）は参考に逆方向とした場合の結果である。図１３（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、図１３（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。

続いて、３層圧電体振動子による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。この振動子も、積層圧電体の一端をデマッチング層に固定し、もう一端を自由端としたλ／４振動子としている。

先ず、本発明に基づく設計プロセスを述べる。上述と同様にデマッチング層と圧電体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ｚ_１、圧電体２と圧電体３との境界ではｚ_２、圧電体３の端部をｚ_３とする。また、圧電体１の厚みをｈ_１、圧電体２の厚みをｈ_２、圧電体３の厚みをｈ_３とし、積層圧電体の高さをｈとする。

すると、座標ｚ_１における変位ξ（ｚ_１）は、
ξ（ｚ_１）＝ξ_０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｚ_１／ｈ）・・・（３２）
なので、圧電体１の歪みＳ_１は、下記式（３３）となる。
Ｓ_１＝Δｈ_１／ｈ_１＝ξ_０ｓｉｎ（ｎπ／２・ｈ_１／ｈ）／ｈ_１・・・（３３）
同様に、圧電体２及び３については、下記式（３４），（３５）となる。
Ｓ_２＝Δｈ_２／ｈ_２
＝ξ_０｛ｓｉｎ（ｎπ/２・（ｈ_１＋ｈ_２）/ｈ）−ｓｉｎ（ｎπ/２・ｈ_１/ｈ）｝/ｈ_２・・・（３４）
Ｓ_３＝Δｈ_３／ｈ_３
＝ξ_０｛ｓｉｎ（ｎπ/２）−ｓｉｎ（ｎπ/２・（ｈ_１＋ｈ_２）/ｈ）｝/ｈ_３・・・（３５）

そして、３λ／４共振時の各圧電体の歪みは、上記式（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、すなわち上記式でｈ_１＝ｈ_２＝ｈ_３＝ｈ／３の場合、各圧電体の歪みＳ_１ ^３ω，Ｓ_２ ^３ω，Ｓ_３ ^３ωは、
Ｓ_１ ^３ω＝Δｈ_１ ^３ω／ｈ_１＝３ξ_０ ^３ωｓｉｎ（π／２）／ｈ）
＝３ξ_０ ^３ω／ｈ・・・（３６）
Ｓ_２ ^３ω＝Δｈ_２ ^３ω／ｈ_２
＝３ξ_０ ^３ω｛ｓｉｎ（π）−ｓｉｎ（π／２）｝／ｈ
＝−３ξ_０ ^３ω／ｈ・・・（３７）
Ｓ_３ ^３ω＝Δｈ_３ ^３ω／ｈ_３
＝３ξ_０ ^３ω｛ｓｉｎ（３π／２）−ｓｉｎ（π）｝／ｈ
＝−３ξ_０ ^３ω／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及び圧電体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。

各圧電体の変位と歪みの符号とを図１５に示す。図１５（ａ）は変位であり、図１５（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、図１５（ａ）及び上述の図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、図１５（ｂ）及び上述の図５で示すように、圧電体２及び３の歪みを−として符号化することができる。

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軸の向きを同方向（＋Ｐ）とし、圧電体３で逆方向（−Ｐ）とする。すなわち、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、デマッチング層に接する第１段目の圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する第２段目及びその上の第３段目の圧電体では基準関係と反対の関係となるように、圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを設定する。このようにすると、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Ｄ_{１，１，−１} ^３ωは下記式（３９）となる。
Ｄ_{１，１，−１} ^３ω＝ｅＳ_１−ｅ（Ｓ_２＋Ｓ_３）＝９ｅξ_０ ^３ω／ｈ・・・（３９）
ここで、添え字の１及び−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。

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Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３は、
Ｓ_１＝Δｈ_１／ｈ_１＝３ξ_０ｓｉｎ（π／６）／ｈ・・・（４０）
Ｓ_２＝Δｈ_２／ｈ_２
＝３ξ_０｛ｓｉｎ（π／３）−ｓｉｎ（π／６）｝／ｈ・・・（４１）
Ｓ_３＝Δｈ_３／ｈ_３
＝３ξ_０｛ｓｉｎ（π／２）−ｓｉｎ（π／３）｝／ｈ・・・（４２）
すなわち、
Ｓ_１＝Ｓ_２＋Ｓ_３・・・（４３）
となる。

一方、図１６に示す並列接続で、λ／４共振に対する電気変位Ｄ_{１，１，−１} ^ωは、
Ｄ_{１，１，−１} ^ω＝ｅ（Ｓ_１＋Ｓ_２＋Ｓ_３）＝０・・・（４４）
であり、本実施例の３層圧電体から成る振動子では、λ／４共振に基づく感度が打ち消されることを示す。

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Ｄ_{１，１，１} ^３ωは、
Ｄ_{１，１，１} ^３ω＝ｅ（Ｓ_１＋Ｓ_２＋Ｓ_３）＝−３ｅξ_０ ^３ω／ｈ・・・（４５）
となる。したがって、本実施例では、上記式（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。

以下、図１６に示した３層圧電体振動子による超音波の送受波特性について、実験データ及びシミュレーション結果を図１７に示す。実験ではＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を用いた。超音波振動子の構造模式図を図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。左図の実線は実験結果、鎖線はシミュレーション結果である。

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、本実施例の振動子における第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。

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層圧電体振動子は、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。

以上のように、第２の実施例では、３層圧電体振動子を用いて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向又は逆方向とすることで、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向にした場合と比べ、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ー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ー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、フィルター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。

第３の実施例は、同じ厚さの圧電体を６層積層した振動子による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層圧電体振動子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。

図１９は、その６層圧電体振動子の構造を示し、３次調波を送受波する際の変位及び歪みを模式的に示す断面図である。図９と同様に、図１９（ａ）は積層状況、図１９（ｂ）はある瞬間での各層の変位、図１９（ｃ）は歪みの係数である。

各圧電体の歪みＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５，Ｓ_６は、
Ｓ_１＝６ξ_０ｓｉｎ（π／４）／ｈ＝６ξ_０（１／２^１／２）／ｈ・・・（４６）
Ｓ_２＝６ξ_０｛ｓｉｎ（π／２）−ｓｉｎ（π／４）｝／ｈ
＝６ξ_０（１−１／２^１／２）／ｈ・・・（４７）
Ｓ_３＝６ξ_０｛ｓｉｎ（３π／４）−ｓｉｎ（π／２）｝／ｈ
＝６ξ_０（１／２^１／２−１）／ｈ・・・（４８）
Ｓ_４＝６ξ_０｛ｓｉｎ（π）−ｓｉｎ（３π／４）｝／ｈ
＝６ξ_０（−１／２^１／２）／ｈ・・・（４９）
Ｓ_５＝６ξ_０｛ｓｉｎ（５π／４）−ｓｉｎ（π）｝／ｈ
＝６ξ_０（−１／２^１／２）／ｈ・・・（５０）
Ｓ_６＝６ξ_０｛ｓｉｎ（３π／２）−ｓｉｎ（５π／４）｝／ｈ
＝６ξ_０（１／２^１／２−１）／ｈ・・・（５１）
となる。１／２^１／２≒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。

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軸又はＡ軸の好ましい配列を、図２０に示す。すなわち、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、デマッチング層に接する第１段目の圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する第２段目では基準関係と同一の関係、その上の第３段目〜第６段目の圧電体では基準関係と反対の関係となるように、圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを設定する。換言すれば、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、デマッチング層に接する８Ｐ＋１段目（Ｐは０及び正の整数）となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する８Ｐ＋２段目の圧電体では前記基準関係と同一の関係、その上の８Ｐ＋３段目、８Ｐ＋４段目、８Ｐ＋５段目及び８Ｐ＋６段目の圧電体では前記基準関係とは反対の関係、さらにその上の８Ｐ＋７段目及び８Ｐ＋８段目では前記基準関係と同一の関係となる周期性を持つように圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを設定する。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。

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層圧電体振動子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層圧電体振動子の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。

第４の実施例は、同じ厚さの圧電体を６層積層した振動子による３次調波の送受である。本実施例は、第３の実施例で示した６層圧電体振動子と同様であるが、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軸又はＡ軸の配列を、図２２に示すようにしている点で異なっている。すなわち、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、デマッチング層に接する第１段目の圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する第２段目及び第３段目の圧電体では基準関係と反対の関係、その上の第４段目及び第５段目の圧電体では基準関係と同一の関係、その上の第６段目の圧電体では基準関係と反対の関係となるように、圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを設定する。換言すれば、電気的並列結合された積層圧電体において、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、デマッチング層から４Ｐ＋１から４Ｐ＋１段目（Ｐは０及び正の整数）となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する４Ｐ＋２段目及びその上の４Ｐ＋３段目の圧電体では前記基準関係とは反対の関係、さらにその上の４Ｐ＋４段目の圧電体では前記基準関係と同一の関係となる周期性を持つように圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを設定する。さらに換言すれば、デマッチング層に接する第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及び第４段目の圧電体では逆方向とし、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。このように構成することによれば、第３の実施例よりも、λ／４共振による感度がより減衰され、３λ／４共振による感度がより増幅される結果が得られた。
なお、第４の実施例における圧電体の残留分極の向きについては、６層積層振動子に限らず、２層以上積層された振動子であれば何れの積層数であっても適用可能であるが、３層の整数倍（３×ｍ層（ｍは１以上の整数））が好適である。

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振動子に用いて、本発明の実施の形態に係る超音波画像診断装置が構成される。図２３に示すように、この超音波画像診断装置１は、超音波探触子２と診断装置本体４とを備えており、これらはケーブル３を介して接続されている。超音波探触子２は、図示しない生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信するとともに、その被検体において反射した超音波（反射超音波）を受信する。本実施の形態では、超音波探触子２は、複数の超音波振動子２１を１次元アレイ状に配列して構成されている。診断装置本体４は、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に超音波を送信させるとともに、超音波探触子２で受信した超音波から変換された受信信号に基づいて、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は、上部に操作入力部１１及び表示部１６を備えている。操作入力部１１は、各種設定操作等を行うためのスイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を備え、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可能である。表示部１６は、操作入力部１１による操作のための支援画像や、受信信号に基づき作成された超音波画像などが表示される。また、操作入力部１１や診断装置本体４の適所には、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。

図２４は、診断装置本体４の機能的構成を示すブロック図である。診断装置本体４は、上述した操作入力部１１及び表示部１６のほか、例えば、送信部１２、受信部１３、信号処理部１４、画像処理部１５、制御部１７及び電圧制御部１８を備えている。

送信部１２は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２に送信信号としての送信パルスを生成する回路である。送信部１２は、制御部１７を介して送信パルスを電圧制御部１８に出力する。送信パルスは、電圧制御部１８において振幅が増幅されて、超音波探触子２に送信される。超音波探触子２は、受信した送信パルスに応じた送信超音波を出力する。このとき、送信部１２は、各超音波振動子２１からの送信超音波が所定の焦点位置に収束するように送信ビームを形成させる。なお、上述の送信超音波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してもよい。

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に出力する。

信号処理部１４は、受信部１３の出力から反射超音波を検出する。なお、３次以上の高調波成分のみを抽出するフィルターを備えてもよい。

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のデータ（超音波画像データ）を生成する回路である。

表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された超音波画像データに基づいて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（Cathode-Ray Tube）ディスプレイ、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electronic Luminescence）ディスプレイ及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。

制御部１７は、マイクロプロセッサー、記憶素子及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、画像処理部１５及び表示部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画像診断装置１の全体制御を行う回路である。

超音波振動子２１は、図２５に示すように、例えば、図上正面視下方から、バッキング（背後）層２２、デマッチング層２３、圧電層２４及び音響整合層２５を積層して構成されている。なお、必要に応じて、音響整合層２５の上方に音響レンズを積層してもよい。

バッキング層２２は、圧電層２４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２２は、圧電層２４に対し被検体に超音波を送受信する方向とは反対側に設けられ、被検体の方向の反対側から発生し、バッキング層２２に到達した超音波を吸収する。なお、本実施の形態において、バッキング層２２を備えない構成としてもよい。

バッキング層２２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。

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２４やこれを含む超音波探触子２の形状に応じて、適宜選択することができる。

デマッチング層２３は、音響インピーダンスが圧電層２４よりも大きい材料により形成されており、圧電層２４に対し被検体の方向とは反対側に出力される超音波を反射する。デマッチング層２３に適用される材料としては、タングステンやタンタル等、圧電層２４とデマッチング層２３との音響インピーダンスの差が大きい材料であれば何れのものも適用可能であるが、タングステンカーバイドが好適である。また、タングステンカーバイドと他の材料とを混合してなるものであってもよい。本実施の形態では、デマッチング層２３を備えることにより、圧電層２４における超音波の送受波に対する感度をさらに向上させることができる。

圧電層２４は、図８、図９、図１２、図１６、図２０及び図２２を参照して上述した積層圧電体が適用される。

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、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３、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。

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、各層の圧電体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、超音波振動子２１の生産性を向上させることができる。

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や、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。

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。

バッキング層２２とデマッチング層２３との間にはＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）２７が挟持されており、このＦＰＣ２７によって電圧制御部１８からの送信信号が圧電層２４に与えられる。また、圧電層２４で生成された受信信号は、ＦＰＣ２７によって受信部１３に与えられる。

ここで、図２６を参照して圧電層２４の一例について説明する。なお、図２６に示される例では、図２２に示される６層圧電体を適用している。

圧電層２４は、圧電体２４Ａ〜２４Ｆを積層して構成されている。各圧電体２４Ａ〜２４Ｆの厚み方向両面にはそれぞれ電極が設けられている。具体的には、圧電体２４Ａ，２４Ｃ，２４Ｅの下面及び圧電体２４Ｂ，２４Ｄ，２４Ｆの上面には、図上正面視左端部から右端部にかけて、右端部から一定長さを除いて電極が設けられている。一方、圧電体２４Ｂ，２４Ｄ，２４Ｆの下面及び圧電体２４Ａ，２４Ｃ，２４Ｅの上面には、図上正面視右端部から左端部にかけて、左端部から一定長さを除いて電極が設けられている。
そして、各圧電体２４Ａ〜２４Ｆは、上述のようにして積層されているため、互いに隣り合う圧電体間の対向する面の電極が接触される。
また、圧電層２４の左右両端近傍には、上端から下端にかけてそれぞれ導電部２４Ｇ，２４Ｈが設けられている。導電部２４Ｇは、圧電層２４の右端部近傍にのみ配せられた電極を導通させる。導電部２４Ｈは、圧電層２４の左端部近傍にのみ配せられた電極を導通させる。

本実施の形態におけるデマッチング層２３は、導電性の材料にて形成されており、図上正面視右側端部近傍にスリット２３ａが上端から下端にかけて設けられている。すなわち、デマッチング層２３は、スリット２３ａを挟んで左側部分と右側部分とで絶縁されている。なお、以下の説明において、右側部分をシグナル部分、左側部分をグランド部分ということがある。

ＦＰＣ２７は、絶縁部２７ａを挟んでシグナル線２７Ｓとグランド線２７Ｇとが形成されている。絶縁部２７ａは、デマッチング層２３のスリット２３ａに対応する位置に配置されている。このため、ＦＰＣ２７のシグナル線２７Ｓがデマッチング層２３のシグナル部分と導通し、ＦＰＣ２７のグランド線２７Ｇがデマッチング層２３のグランド部分と導通する。

超音波振動子２１は、上述したように構成されているため、圧電体２４Ａ〜２４Ｆが相互に電気的に並列接続される構成となっている。

音響整合層２５は、圧電層２４と被検体と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２５は、圧電層２４の、超音波の送受波が行われる方向である被検体側に配置される。音響整合層２５は、圧電層２４と被検体との概ね中間の音響インピーダンスを有する。

音響整合層２５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。

音響整合層２５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２５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。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。

本実施の形態では、例えば、図２７に示されるようにして構成された音響整合層２５が用いられる。すなわち、音響整合層２５は、厚み方向に重層塗布によって５層形成され、以下に説明するように、各層でそれぞれ材料構成を異ならせて厚み方向に音響インピーダンスの重みづけを行うことにより、音響インピーダンスを整合させている。
音響整合層２５の最上層には、厚みを１０μｍとし、母材としてモメンティブ社製のＹＥ５８２２を使用し、フィラーとして酸化亜鉛を４０ｗｔ％含有させて、音速が９００ｍ／ｓ、比重が１．４５ｇ／ｃｍ^３、音響インピーダンスが１．３ＭＲａｙｌ．であるものとした。
第２層目には、厚みを１０μｍとし、母材としてＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂）を使用し、音速が２０００ｍ／ｓ、比重が０．９ｇ/ｃｍ^３、音響インピーダンスが１．８ＭＲａｙｌ．であるものとした。
第３層目には、厚みを１０μｍとし、母材としてセメダイン社製のＥＰ００７を使用し、音速が２３００ｍ／ｓ、比重が１．１ｇ／ｃｍ^３、音響インピーダンスが２．５ＭＲａｙｌ．であるものとした。
第４層目には、厚みを１０μｍとし、母材としてテスク社製のＣ−１００１Ａ／Ｂを使用し、音速が２５００ｍ／ｓ、比重が１．２ｇ／ｃｍ^３、音響インピーダンスが３．０ＭＲａｙｌ．であるものとした。
最下層には、厚みを１０μｍとし、母材としてテスク社製のＣ−１００１Ａ／Ｂを使用し、フィラーとして三酸化タングステンを１５ｗｔ％含有させて、音速が２３００ｍ／ｓ、比重が１．５ｇ／ｃｍ^３、音響インピーダンスが３．５ＭＲａｙｌ．であるものとした。
なお、音響整合層２５における音響インピーダンスの重みづけ方向については、厚み方向に限らず、水平方向であってもよい。

本実施の形態では、上述した圧電層２４が適用された超音波振動子２１を構成しているので、送受信における超音波の波長をλとするとき、圧電層２４は３λ／４共振を行い、波長λの３次調波成分を高利得で抽出し、基本波を低減することができる。これによって、受信部１３におけるフィルター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ーやアンプを用いる場合にも、フィルター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。
なお、本実施の形態において、無機圧電材料によって形成された無機圧電層をさらに積層し、この無機圧電層にて超音波の送波を行わせるようにしてもよい。このとき、超音波の受信用に上述した有機圧電材料によって形成された圧電層２４を適用してもよい。

以下に、上述した３λ／４共振を行う圧電層２４を備えた超音波探触子２の具体的な作成方法及び材料について詳述する。なお、以下の説明では、図２２を示して上述した圧電層２４の作製方法を含む。

先ず、固定板、バッキング層及びパターニングされたＦＰＣを下層から順に積層し、３Ｍ社製のエポキシ系接着剤ＤＰ−４６０で、３０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力下、５０℃にて、４時間の積層接着を行った。

次に、組成比をＶＤＦ：ＴｒＦＥ＝３：１としたＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を、溶媒にＭＥＫ（メチルエチルケトン）を用いたキャスト法によって２０μｍの膜を作製した。このとき、作製した膜に対し、接着性を向上させるために、プラズマ処理や湿式処理などを行うようにしてもよい。湿式処理には、例えば、テトラエッチ（登録商標）を用いることができる。上述したようにして作製した膜に対し、１３５℃にて、１時間のアニール処理を行った後、酸素プラズマ処理を施し、０．１μｍの下地Ｃｒ、次いで、０．２μｍのＡｕとした電極パターニングを行った。次に、電極パターンニングが行われた膜に対して分極処理を行うことによって、電気機械結合係数（ｋｔ）が０．２５である圧電体を作製した。

続いて、上述のようにして作製された圧電体を６層積層した。このとき、図２８（ａ）に示すように、６つの圧電体のうち、第２層から最上層までの分極方向が、最下層の圧電体の分極方向と同方向、逆方向、逆方向、同方向、同方向となるように、６つの圧電体を積層し、３Ｍ社製のエポキシ系接着剤ＤＰ−４６０にて接着した。

その後、積層した圧電体の幅方向両端近傍に、穴径０．１５ｍｍのスルーホールを、幅方向とは垂直の方向（方位方向）に０．２ｍｍ間隔で開設した。そして、開設されたスルーホールに対してメッキ処理を行い、上述した導通部を形成した。

次に、上述したようにして形成された積層圧電体を、デマッチング層としての厚さ５０μｍの板状に形成されたタングステンカーバイド上に接着した後、これを４２．５ｍｍ×５．６ｍｍのサイズに切り出した。そして、タングステンカーバイドに対し、シグナル部分（右側部分）とグランド部分（左側部分）とで絶縁させるため、スリットを設けた。

そして、図２７を参照して上述したようにして積層圧電体の上面に音響整合層を形成した後、上述したようにしてＦＰＣが接着されたバッキング層と、音響整合層が上面に形成された積層圧電体とを積層接着し、方位方向に０．２ｍｍ間隔でダイシングを行って素子化することにより、複数の超音波振動子２１を形成した。なお、素子化については、ダイシングに限らず、例えば、レーザー加工により実現してもよい。
以上のようにして形成された超音波振動子を適用して超音波探触子を作成し、これを実施例５とした。

続いて、上述したようにして作成した実施例５の超音波探触子から、図２８（ｂ）に示されるように、デマッチング層を除いたものを作成し、これを比較例１とした。

さらに、比較例１の超音波探触子の圧電層における各圧電体の分極の向きを、図２８（ｃ）に示すように、６つの圧電体のうち、第２層から最上層までの分極方向が、最下層の圧電体の分極方向と逆方向、同方向、逆方向、同方向、逆方向となるように、６つの圧電体を積層したものを作成し、これを比較例２とした。

上述したようにして作成した実施例５、比較例１及び比較例２の超音波探触子について、それぞれ、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）とオシロスコオープ（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。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、送受信感度を測定した。その結果を図２９に示す。

図２９に示すように、実施例５の超音波探触子では、比較例１の超音波探触子と比べ、ピーク時の感度が６ｄＢ向上し、また、比較例２の超音波探触子と比べ、ピーク時の感度が２５ｄＢ向上していることがわかった。また、実施例５の超音波探触子では、λ／４共振周波数である６ＭＨｚ付近ではピークを示さず、λ／４共振ピークが抑圧されており、３λ／４共振周波数である１８ＭＨｚ付近において、比較例１及び比較例２の超音波探触子と比べて感度が大幅に向上していることがわかった。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、圧電層２４は、その層間及び両端の圧電体２４Ａ〜２４Ｆの表面に電極を有し、該電極によって電気信号の入出力を行う。圧電体２４Ａ〜２４Ｆは、それぞれ厚み方向に残留分極を有し、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、固定端側から４Ｐ＋１段目となる圧電体２４Ａ，２４Ｅにおける関係を基準関係としたとき、これに接する４Ｐ＋２段目及びその上の４Ｐ＋３段目の圧電体２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｆでは基準関係とは反対の関係、さらにその上の４Ｐ＋４段目の圧電体２４Ｄでは基準関係と同一の関係となる周期性を持つように配列される。圧電層２４から固定端側に伝播する振動を反射させるための、圧電層２４よりも音響インピーダンスの大きいデマッチング層２３を、圧電層２４の固定端側に設ける。その結果、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を１次モードのそれらよりも大きくすることができ、高感度な検出が可能となる。また、デマッチング層により、より一層の高感度な検出が可能となる。

また、本実施の形態によれば、圧電層２４は、その層間及び両端の圧電体の表面に電極を有し、該電極によって電気信号の入出力を行う。圧電体は、それぞれ厚み方向に残留分極を有し、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、固定端側から８Ｐ＋１段目となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する８Ｐ＋２段目の圧電体では基準関係と同一の関係、その上の８Ｐ＋３段目、８Ｐ＋４段目、８Ｐ＋５段目及び８Ｐ＋６段目の圧電体では前記基準関係とは反対の関係、さらにその上の８Ｐ＋７段目及び８Ｐ＋８段目では前記基準関係と同一の関係となる周期性を持つように配列される。圧電層２４から固定端側に伝播する振動を反射させるための、圧電層２４よりも音響インピーダンスの大きいデマッチング層２３を、圧電層２４の固定端側に設ける。その結果、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を１次モードのそれらよりも大きくすることができ、高感度な検出が可能となる。また、デマッチング層により、より一層の高感度な検出が可能となる。

また、本発明の実施の形態によれば、圧電層２４は、互いに隣り合う圧電体２４Ａ〜２４Ｆにおける離反側の電極を連結して、複数の圧電体２４Ａ〜２４Ｆを相互に電気的に並列接続したので、圧電層のキャパシタンスを大きくして電気インピーダンスを低下させることができ、後段に電気回路を接続した場合のインピーダンス整合が良化する。

また、本発明の実施の形態によれば、圧電体を３×ｍ層（ｍは１以上の整数）積層して圧電層２４を形成している。その結果、圧電体の弾性波の節及び腹が積層された圧電体の境界面に一致し、各圧電体の振動様式を符号化して理解することができる。これにより、各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを適宜設定することで、高周波成分における感度が増加するとともに、基本波成分を抑圧することができる。

また、本発明の実施の形態によれば、タングステンカーバイドを含んでデマッチング層を形成したので、反射効率を高めることができ、圧電層の感度をより一層高めることができる。

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振動子、超音波探触子及び超音波画像診断装置の一例であり、これに限定されるものではない。超音波振動子、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。

また、本実施の形態では、バッキング層２２とデマッチング層２３との間にＦＰＣ２７を設けて、圧電層２４への電気信号の入出力を行うようにしたが、例えば、図３０に示すように、ＦＰＣ２７に代えて、基板２６を備え、この基板２６から圧電層２４への電気信号の入出力を行うようにしてもよい。より具体的には、図３０に示すように、バッキング層２２の左右両側端部近傍には、上端から下端にかけてそれぞれ導電部２２ａ，２２ｂが設けられている。また、バッキング層２２の下面には配線パターンが形成された基板２６が所定の接着剤により貼着されている。基板２６には、配線パターンに形成されたシグナル線に接続される端子２６ａと、グランド線に接続される端子２６ｂとを有している。基板２６は、例えば、Ｓｉ（シリコーン）基板やガラス・エポキシ基板等が適用可能である。そして、バッキング層２２の導電部２２ａは、一端がデマッチング層のシグナル部分に接触されるとともに、他端が基板２６の端子２６ａに接触される。また、導電部２２ｂは、一端がデマッチング層のグランド部分に接触されるとともに、他端が基板２６の端子２６ｂに接触される。
すなわち、本実施の形態によれば、基板２６は、電極と電気的に接続され、所定の配線パターンが形成されている。圧電層２４は、基板２６と一体的に取り付けられている。その結果、配線容量の増大を抑制して電荷のロスを抑制することができるので、感度の向上を図ることができる。

また、本実施の形態では、各圧電体を電気的に並列結合させたものに限らず、直列結合させたものであってもよい。例えば、図３１に示すように、圧電層の層間及び両端の圧電体の表面に電極を備え、圧電層の両端の圧電体表面の電極に端子を接続して圧電体を相互に直列接続する。そして、図３１に示すように、圧電正効果による電気変位又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、デマッチング層が設けられた固定端側の第１段目の圧電体の軸を基準として、それに接する第２段目の圧電体及びさらにその上の第３段目の圧電体では逆方向、さらにその上の圧電体では同方向となる周期性を持つように配列する。すなわち、電気的直列結合された積層圧電体において、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、デマッチング層が設けられた固定端側から４Ｐ＋１段目となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する４Ｐ＋２段目及び４Ｐ＋３段目の圧電体では基準関係と反対の関係、その上の４Ｐ＋４段目の圧電体では基準関係と同一の関係となる周期性を持つように圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きを設定する。圧電層をこのように構成しても、λ／４共振による感度が減衰され、３λ／４共振による感度を増幅させることができる。

また、本実施の形態では、複数の圧電体を積層した後、ダイシング等により素子化を行うようにしたが、例えば、図３２に示すように、所定間隔で列状に電極Ｅが形成されるように圧電体Ｐに電極のパターニング及び分極処理を行い、これを所定の向きで複数積層し、ダイシング等による圧電体の切断を行わずに超音波探触子を作製するようにしてもよい。
すなわち、本実施の形態によれば、圧電体Ｐの表面に所定間隔毎に列状に電極Ｅを形成して複数の超音波振動子が列状に形成される。その結果、切断による素子化を不要とすることができ、圧電体の切断時に生じる熱や振動による滅極を防止することができる。

また、本実施の形態では、圧電体２４Ａ〜２４Ｆが６層積層された圧電層２４の固定端側にデマッチング層を設けた例について説明したが、圧電体が２層積層された圧電層の固定端側にデマッチング層を設けた態様としても、以下に説明するように、高い感度が得られることが理解できる。

図３３（ａ）の左図に示すように、圧電体を２層積層し、電気的に直列結合させてなる圧電層の各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きについて、互いに逆方向となるように設定し、超音波の送受波を実施すると、図３３（ａ）の右図に示すような結果が得られた。また、比較例として、図３３（ｂ）の左図に示すように、圧電層の各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きについて、互いに同方向となるように設定し、超音波の送受波を実施した。その結果を、図３３（ｂ）の右図に示す。ここで、これらの圧電層のλ／４共振周波数は６．５ＭＨｚである。また、図３３中、実線は実験結果を示し、鎖線はシミュレーション結果を示している。

図３３（ａ）に示すように、電気的に直列結合させてなる圧電層の各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きについて、互いに逆方向となるように設定した場合には、共振周波数に対応する６．５ＭＨｚ付近にピークを示さず、λ／４共振ピークが消失している。そして、図３３（ｂ）に示された結果と比較すると、３λ／４共振である１９．５ＭＨｚ付近において、感度が約１０ｄＢ以上向上していることがわかった。

また、図３４（ａ）の左図に示すように、圧電体を２層積層し、電気的に並列結合させてなる圧電層の各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きについて、互いに同方向となるように設定し、超音波の送受波を実施すると、図３４（ａ）の右図に示すような結果が得られた。また、比較例として、図３４（ｂ）の左図に示すように、圧電層の各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きについて、互いに逆方向となるように設定し、超音波の送受波を実施した。その結果を、図３４（ｂ）の右図に示す。ここで、これらの圧電層のλ／４共振周波数は６．５ＭＨｚである。また、図３３中、実線は実験結果を示し、鎖線はシミュレーション結果を示している。

図３４（ａ）に示すように、電気的に並列結合させてなる圧電層の各圧電体の残留分極あるいは結晶のＣ軸やＡ軸の向きについて、互いに同方向となるように設定した場合には、共振周波数に対応する６．５ＭＨｚ付近にピークを示さず、λ／４共振ピークが消失している。そして、図３４（ｂ）に示された結果と比較すると、３λ／４共振である１９．５ＭＨｚ付近において、感度が約２０ｄＢ以上向上していることがわかった。

また、本実施の形態では、３λ／４共振周波数における感度を向上させる例について説明したが、これに限らず、５λ／４等、共振周波数がλ／４の奇数倍（３倍以上）のときに感度が向上するように構成することもできる。

また、本実施の形態における圧電層の構造は、いわゆるモノリシック構造の他、コンポジット構造であってもよく、さらには、水平方向に重みづけを行うために、厚みを異ならせるハナフィー構造であってもよい。

１ 超音波画像診断装置
２ 超音波探触子
１３ 受信部
１５ 画像処理部
２１ 超音波振動子
２３ デマッチング層
２４ 圧電層（積層圧電体）
２４Ａ〜２４Ｆ 圧電体
２２ 基板（回路基板）

Claims (11)

1. 相互に厚みの等しい圧電体をｎ層（ｎは３以上の整数）積層してなり、該圧電体の厚み伸縮によって共振を行う積層圧電体を備えた超音波振動子であって、
   前記積層圧電体は、その層間及び両端の圧電体の表面に電極を有し、該電極によって電気信号の入出力が可能であって、
   前記圧電体は、それぞれ厚み方向に残留分極を有し、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、固定端側から４Ｐ＋１段目（Ｐは０及び正の整数）となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する４Ｐ＋２段目及びその上の４Ｐ＋３段目の圧電体では前記基準関係とは反対の関係、さらにその上の４Ｐ＋４段目の圧電体では前記基準関係と同一の関係となる周期性を持つように配列され、
   前記積層圧電体の固定端側に、前記積層圧電体から固定端側に伝播する振動を反射させるための、前記積層圧電体よりも音響インピーダンスの大きいデマッチング層を設けたことを特徴とする超音波振動子。
2. 相互に厚みの等しい圧電体をｎ層（ｎは３以上の整数）積層してなり、該圧電体の厚み伸縮によって共振を行う積層圧電体を備えた超音波振動子であって、
   前記積層圧電体は、その層間及び両端の圧電体の表面に電極を有し、該電極によって電気信号の入出力が可能であって、
   前記圧電体は、それぞれ厚み方向に残留分極を有し、圧電正効果による電気変位又は電場の符号と残留分極の向きあるいは結晶軸との関係について、固定端側から８Ｐ＋１段目（Ｐは０及び正の整数）となる圧電体における関係を基準関係としたとき、これに接する８Ｐ＋２段目の圧電体では前記基準関係と同一の関係、その上の８Ｐ＋３段目、８Ｐ＋４段目、８Ｐ＋５段目及び８Ｐ＋６段目の圧電体では前記基準関係とは反対の関係、さらにその上の８Ｐ＋７段目及び８Ｐ＋８段目では前記基準関係と同一の関係となる周期性を持つように配列され、
   前記積層圧電体の固定端側に、前記積層圧電体から固定端側に伝播する振動を反射させるための、前記積層圧電体よりも音響インピーダンスの大きいデマッチング層を設けたことを特徴とする超音波振動子。
3. 前記積層圧電体は、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、前記複数の圧電体が相互に電気的に並列接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波振動子。
4. 前記積層圧電体は前記圧電体を３×ｍ層（ｍは１以上の整数）積層してなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波振動子。
5. 前記デマッチング層は、タングステンカーバイドを含んで形成されたことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波振動子。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波振動子を備え、前記電極を介して前記積層圧電体に電気信号を入力することによって超音波を出力することを特徴とする超音波探触子。
7. 請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波振動子を備え、前記積層圧電体によって超音波を受信して電気信号に変換し、前記電極を介して前記電気信号を出力することを特徴とする超音波探触子。
8. 前記電極を介して前記積層圧電体に電気信号を入力することによって超音波を出力することを特徴とする請求項７に記載の超音波探触子。
9. 前記圧電体の表面に所定間隔毎に列状に前記電極を形成して複数の前記超音波振動子が列状に形成されてなることを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載の超音波探触子。
10. 前記電極と電気的に接続され、所定の配線パターンが形成された回路基板を備え、
    前記積層圧電体は、前記回路基板に一体的に取り付けられていることを特徴とする請求項６〜９の何れか一項に記載の超音波探触子。
11. 請求項７又は８に記載の超音波探触子と、
    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、
    を備えたことを特徴とする超音波画像診断装置。

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